CN1011477B - 一种用作人工心脏的双泵 - Google Patents

Abstract

用于人工心脏的双泵有两个带出入口及相应瓣膜的模拟心室。分隔两心室的共用隔板有两个可在驱动下彼此分离而使各心室容量减小从而排出液体的部分，隔板可按两心室间压差作侧移而改变两心室间的容量比，使收缩和舒张阶段间泵的两个等分间保持衡压。联结装置由-马达通过-引线在加压阶段施加单向拉力。故上述变化了的容量主要靠入流液体产生的压力重新调整。泵还可有用入口连通心室的心房。其容量由外部作用气压按心室容量变化而改变。

Description

人工心脏属于公知并在心-肺机等装置中已被广泛采用。美国3097366号专利介绍了一种心脏泵，它的两个模拟心室共用一个马达，马达带动一块圆盘，使心室轮番收缩与舒张，泵室形状象橡皮包，接纳来自心房的血液，心房起稳压器的作用，即保持血液流量的一致性，两个泵象“正排量”泵那样，施力于向外流动的血液，泵内的工作容量或冲程量是不变的，只有节律（频率）是可调的。

美国3783453号专利介绍了一种双泵，其心室形如橡皮包，每个心室分别放在一个硬箱里，心室外受到出入于箱体的工作液体的作用力。泵包受力后轮番排吸，有一个控制系统调节泵包的这种排吸功能，使得在单位时间内经过两个泵排吸的血液总量相同，利用单独的泵包容量传感器来进行控制。

本发明来自发明人的如下发现：人的心脏并不是按人们通常想象的方式工作。由于这个发现构成了本发明的背景，所以要简单介绍一下这个发现，便于加深对本发明的理解。

用超声波分析心脏时发现，心脏跳动时，心腔容量的变化往往小于其总容量的10%;内流血液没有什么大的脉冲，而外流血液却有强烈脉冲。由此可见，而且也可从临床验证，当心肌收缩时，带动心房中隔（包括心瓣膜）向下，朝心尖方向移动;当心肌舒张时，瓣膜平面被压向上移，不过这不是肌肉的力量，而是输来的血液内在的舒张压力在起作用。还有心脏内外具有弹性的部份在起作用。在收缩阶段，心室容积减小，而心房的容积增大，二者容积的总和减少甚微，心脏的外形小了些。因此，收缩阶段排出的血液比进入的血液多。这时，血液继续向心 房流动。因为心房的容量是增加。在舒张阶段，主动脉和肺静脉的瓣膜是关闭的。血液之所以继续流向心房，是因为心脏的总容量略有增加，而且瓣膜平面再次向上移动，这或多或少取决于流入心房的血液量。则在下一次收缩阶段心脏的容量取决于上一次舒张与收缩阶段的供血量。上述发现以及关于心室中隔的调节作用的另一个发现可以说都是出乎预料的。可以设想，这些发现会引起这门特殊科学的一系列变革。

在这些新发现的基础上，人们还注意到，人的心脏的一种特定的自然的方式来调节吸入心脏两大部分的血液量并达到必要的平衡。心室中隔的灵活性起这种调节作用，收缩阶段，两个心室的容量减小。在通往肺静脉的右心室出口测到的反压也小了。因为循环系统里肺内流动的阻力小于血液循环系统通过主动脉在周身流动所遇到的阻力。心室中隔一直要占据特定的位置，而在心肌收缩时，它会向右心室偏。另一方面，在舒张阶段，心室中隔不管在两个入口的压力大小，都能居于不定的位置，这就可以对排吸的血液量起平衡作用。心腔的这种平衡作用极为重要。例如，人们发现，心室中隔的梗死，比右心室或左心室的梗死所产生的预兆更危险。这似乎是因为心室中隔在收缩阶段不再起稳定作用，变得僵硬了，不能移动。因此，从右心室排出的血液量增加，同时，从左心室流出的血量相等地减少，使得血液游集肺泡，造成肺水肿。

本发明的目的之一，就是用简便方式在一个双泵中实现两个泵之间的平衡效应，使这种双泵在一台心-肺机里发挥效用，或使之用作人工心脏。本发明的另一目的是设计出一种双泵，在存在脉冲流体外流的情况下使流体的内流通畅。诚然，根据已知的一些设计，在实践中已实现了某种程度的疏流。因为与人工心脏最相近的血管系统（这种系统可以包括心房的上方）能在一定程度上改变心脏的容量;但是这种疏流效应还可改进，办法是利用分隔的模拟心房容量，它们可在一定程度上根 据心室容量的变化而变化。

本发明的第三个目的在于，提供了一种双泵，它不仅使两股排出的血流间的平衡自我调节，而且使两股血流的绝对值也能自我调节。这种调节不是靠能力作用，以致破坏组织，而是靠“内在压力”。这里，借助于单方向的力压缩模拟心室。当这种力消除后，心室可以靠液压和填充压重新填充。在下一次强制加压阶段到来之前正好补充了人体所需要的血量用恰到好处的办法来探测何时达到了最高填充量，一旦达此水准，就能调节马达，加快心腔跳动的频率;当血液需要量下降时就降低心跳频率并延长一段时间，继续让心脏低频跳动。

根据本发明，双泵适合用作人工心脏，两个模拟心室彼此并列，各有一个流体入口和流体出口，每个入口和出口内部装有一个单向阀门。一个驱动装置定期反复减小心室的容量，使流体从各自的出口排出。有一个公用隔板结构把两个心室隔开，这种隔板结构至少有一段可以随着两心室的压差而移动，改变两个心室的容量并使两边的压力相等。模拟心室的每个流体入口又分别与有流体入口的模拟心房相连。两个模拟心房被一块共用的隔板分开，隔板至少有一段可随着两个模拟心房的压差而移动。

按照本发明的一种实施方案，每个房室（心房和心室）都有一块边板，边板是可移动的，因而能改变房室的容量。双泵有一边板同每个房室外面可移式边板之间，形成一个含有气体的空间。与模拟心室边板邻近的空间同模拟心房边板附近的空间是相通的。这些空间内气体压力变化所形成的力，使模拟心房容量与模拟心室的容量朝着彼此相反的方向发生变化。

本发明的其他可供选择的特点还包括：

1、模拟心室的、模拟心房的共同隔板结构以及心室与心房之间的 共用隔板结构，都含有两个能相互靠拢或分离的可移部分，它们使心房与心室的容量增大或减少。模拟心室中，在驱动力的作用下，两段活动隔板彼此分离。但对趋于相互靠拢的两段活动隔板并没有多大影响。

2、有一根弹簧使模拟心室的共用活动隔板相互靠拢。

3、模拟心房彼此对峙，放在并排而立的两个模拟心室的两边。

参照附图显示的实施方案，现对本发明作更具体的介绍。

图1是本发明的第一实施方案;图2A和2B是第二实施方案，但位置不同;图3是双泵的简图。

图1介绍一种双泵，装在一个坚硬的箱子1里，箱内有一种隔板结构，其中有两个板状部份2-3，一根与马达（未画出）联结的引线11可扩大两板之间的空间。隔板结构2-3在箱1内把空间分成两个腔室（17-18），每个腔室有一个入流瓣膜5-5’和一个出流瓣膜4-4’。引线11拉紧时，隔板2-3经联结系统16向侧面移动分开，联结系统16位于隔板之间，通过引线操纵，隔板2-3的位置不是一成不变。由于它们吊在活动式风箱一样的组件6上，而组件6又固定在箱的边板上，所以，当引线11被拉紧时，心室17和18中的压力就开始增大，使入流瓣膜5和5’关闭;一旦两个心室的压力超过外界压力，出流瓣膜4-4’就打开。

两外界压力不等时，一个出流口先于另一出流口打开。相应的泵室也会先于另一泵室变空，除非外压增大或活动部件6伸展到顶点，继续拉引线11，只会影响另一泵室的容量。引线的压力取消后，瓣膜4-4’就关闭，瓣膜5-5’重新打开。泵室根据进入血流的情况从外面接收更多的流体，把双泵同血液循环系统联结起来（同一流体在两条回路中流动），填充装置就自动地使泵的工作达到平衡。例如，一个泵室排出的血液“过多”，“过剩”血液将被迫返回流向另一泵室的血中，以实 现补偿。因此，不需复杂的调节装置就达到了容量平衡。

双泵的驱动马达（图上未显示）可采用电动马达，马达带动引线，经过联结系统或类似装置，作用于一个房室的边板就能产生单方向的力量。马达也可采用现有的、适当的、人体固有的横肌形式，通过人造电神经信号器（起搏器）而工作。有时，驱动源可放在体外，用气动或液压操作，若用电动马达牵引，可通过按已知技术放在皮肤上的电极供电，也可采用植于体内的可充电池，最好通过植入体内的线圈和附加的整流电路充电，这种电路在变压器效应的作用之下，获取能量，在体外放一个初级线圈。通上交流电，即可产生变压效应。

正如图1实施方案所示，在每个模拟心室上加一块横向可移隔板12、13就能增加泵效应。隔板通过联结系统14、15用引线9、10牵动，隔板12、13与固定在盒子1上的活动部件7相接。引线可用气动装置代替。例如，用压缩空气驱动的装置代替，引线11的情况也是如此，虽然这时要用单方向作用力按上述方式对泵抽液体的总量实行自我调节。

也可改动图1的实施方案，取消两块可移式隔板2-3以及附属的引线11和联结系统16，代之以公用隔板结构。这种隔板有一段是单板，可根据房室17和18的压差移动，从而改变两个房室的容量并实现等压。这时，泵靠动力驱动装置牵引，动力装置面可由隔板12和13，联结系统14和15、引线9和10以及马达（未画出）组成，或靠气动装置。

同引线9、10一样，引线11也是单向工作，因此只能使模拟心室收缩。在舒张阶段，血液靠与引线力无关的舒张血压进入心室。允许最好对充填过程加以控制，办法是施加一股力，使活动隔板朝着增大心室容积的方向运动，顶住受控的或预先固有的反压。例如，当隔板2、3 （在12和13的背后）之间的空间调到产生一定的压力值时，比如使这部分空间同储备室（未画出）相联结，就能克服这种压力而实现填充，当入流压过低不能使隔板2-3合拢或者使上述附加隔板12、13向外移动时，就停止填充。

图2A和2B是根据本发明设计的人工心脏的一种实施方案，显示了这种模拟心脏部件分别在舒张期和收缩期末了的位置。这种实施方案含有一种硬性盒1’，里面有一隔板把盒一分为二，隔板包括两个板结构，每个结构又包含一对隔板，形成彼止沟通的，充有气体（空气）的空间22和23，隔板结构的24和25部分可以通过联结系统21和一种类似引线的促动器30（单向力）彼止分离。在两个隔板结构之间，是瓣膜32和32’，而瓣膜31和31’则靠近可分离板24，25与之相对应，隔板的中间部分是固定的，边缘部份是活动的，因此象风箱。瓣膜32和32’一方面可以调节心室26、27的容量，这就形成了泵，另一方面又可调节心房28和29的容量，通过具有密封装置28的孔伸出箱盒1’的引线30被拉紧时，隔板24和25就彼此分离。如图2B所示，经过瓣膜31和31’把血液从心室26和27排出来，与此同时，在隔板24、25和19、20之间的空间22和23的体积总和增大，里面的气压下降，在收缩阶段，空间23内的气压下降，便于血液流入心房28、29，当心房28、29充满血液时，隔板19、20彼此靠拢，当流入心房28、29的血液流量不等时，隔板19与20以不同的速度相互靠拢。空间22、23中空气的弹性使流入心房28、29的血液受到阻抑，从而使内流速率保持一致。

心室26、27之间隔板的可动部分24、25在收缩阶段可以向侧面运动，或是向同一方向运动，或二者向不同方向运动。瓣膜32和32’关闭时，迫使血液开始从压力较低的出口流出，直至一边的风箱 扩张到极限，然后，未排尽的那部份血液又通过压力较高的出口而排出。

在舒张阶段（图2A），隔板24、25在一个弱弹簧33作用下相互靠拢。弹簧33帮助血液从心房28、29经过瓣膜32、32’流出，这时，空间22被压小，空间23增大，这是因为空气由空间22移向空间23的结果。同隔板19、20的情况一样，隔板24和25以不同的速度彼此靠近，假如经过瓣膜32和32’的血流量不等，这种情况可能导致26和27的容量不等。因而，在下一个收缩阶段，工作容量的大小也不相同，用这种办法，可以确保压力不等的内流很快达到平衡。

图3用截面简要介绍了另一种实施方案，这种方案显示了同一颗真心脏的相似之处。一种夹层隔板结构把心室42和43分隔开来，夹层隔板包括两个可侧向移动的硬隔板44和45，它们通过一根同联结装置55相联的引线49而移动，引线通过有密封装置39的孔穿过箱盖41。隔板通过固定在箱盒41的风箱式构造在周围支撑，心室42和43分别经由瓣膜40和40’同心房34和35相通，外流瓣膜在图上并未画出，它们安装在通过53和54孔从箱盒41引出的外流管子上，内流管经过箱盒41的孔47和48与心房34和35相接。

为了能按要求实现泵效应，模拟心房34和35的边缘一部分就是可移式隔板50和50’，这些隔板是柔性的可以在用实线表示的外部极限位置和用虚线画的内部极限位置之间移动从而能改变心房34和35的容量。隔板50和50’也同箱盒相邻并锁住箱盒，空间36和37充满空气，这两个空间经过通道51、52同隔板44、45之间的空间46相通这种安排就实质而言同图2A和2B实施方案的工作方式是相同的，但可以做得更加紧凑。

入口47、48和出口53、54用虚线表示，可以设在箱盒任一端 部，如截面图所示。但是，最好入口和出口在图纸的两相对面因为这样一来，流动模式就不大容易使流体停滞而导致血液凝结。图3所示实施方案可以象一个二室心脏那样充分发挥作用。

在隔板44、45之间已充气的空间46和在可弯曲的隔板50、50’外边的空间36和37是附加容量，它们在入口47、48的位置上形成最低压，促使血液向内流，这个附加容量可以通过限压阀与另一个容量相通，就象一个在泵的周围对马达起调节作用的气包，这种气包也可以用来使整个装置内的气体密度与胸腔内的平均密度相对应，也就是说，使装置发生“位移”，这与本专利的主张是无关的。

把一根较软的弹簧（未画出，但可参见图2A与2B）放在隔板44、45之间，更有助于充填心房和心室。隔板50和50’也可以是具有弹性的，这种弹性效应用来充填模拟心室和排空模拟心房，成为充气房室中气体弹性所产生的效应的补充，这两种效应可以扩大心房对内流血液的阻尼效应，这些流入的血流虽热遇到外流的强脉冲，也可以畅通。

Claims (8)

1、适于用作人工心脏的双泵包含两个彼此毗邻的模拟心室，每个心室各有一个流体入口和一个流体出口，每个入口和出口分别含有一个单向瓣膜，还有动力牵引装置定期往复地缩小心室容量，以从每个出口排放流体，其特征在于，一个共用的隔板结构把心室隔开，并确定了心室壁的一部分，共用隔板结构有两个分隔开的、可移动的部分，可相互靠拢也可相互分离，可依照两个心室中的压差移动，从而改变各自的容量，使压力相等。

2、根据权利要求1所述的双泵，其特征在于，各模拟心室的流体入口都同相应的有一个流体入口的模拟心房联结，双泵中模拟心房用一块共用的隔板隔开，隔板至少有一部分能依照两个摸拟心房中的压差移动，从而改变各自的容量，使压力相等。

3、根据权利要求2所述的双泵，其特征在于，每个房室有一段边隔板可以移动，从而能改变房室的容量;每个房室还有隔板装置，它们同每个房室外的边隔板面之间构成一个含有气体的空间，还有一些装置把同模拟心室边隔板相联的这些空间和同模拟心房边隔板相联的那些空间连通起来，上述空间的气压发生变化，就产生作用力，使模拟心房的容量与模拟心室的容量朝着相反的方向变化。

4、根据权利要求1所述的双泵，其特征在于，双泵中的动力牵引装置含有这样一些装置它们使两个可移动部分受力，彼此分离，但对于两个可移动部分的相互靠拢并不施加任何有意义的力量。

5、根据权利要求4所述的双泵，其特征在于，每个模拟心室的流体入口都分别与一个有一个流体入口的模拟心房相联，双泵中的两个模拟心房用一块共用隔板分开，隔板至少有一部分能依照两个模拟心房中压差而移动，从而改变各自的容量，使压力相等。

6、根据权利要求5所述的双泵，其特征在于，每个模拟心房含有一部分可以移动的边隔板，因而可以改变心房的容量，还有一种隔板装置同每个相应的心房外的上述边隔板面之间形成一个容量可变的空间;还有些装置同共用隔板结构的可移部分之间形成一个容量可变的空间;还有些装置同上述容量可变的空间相沟通，这些空间含有气体。由于气体压力的变化，这些气体能产生力量去改变模拟心房的容量，其改变的方向同模拟心室的容量变化方向相反。

7、根据权利要求4所述双泵，其特征在于，它具有弹簧装置，使模拟心室的共用隔板结构中的活动部分彼此靠拢。

8、根据权利要求6所述双泵，其特征在于，模拟心房彼此相对地被放在并列的模拟心室的两边。

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