CN101147816B - 用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法，涉及医疗器械技术领域；所要解决的是搏动式血泵的可控驱动的技术问题；该驱动装置包括活塞、活塞腔、连杆、曲轴、步进电机、电机驱动器、计算机、原点检测器、操作键盘、显示器、活塞腔嘴、压力管道；其中活塞置于活塞腔中，活塞腔嘴设于活塞腔顶端，在活塞腔嘴上套有与活塞腔连通的压力管道，活塞腔、液压管道、血泵气室中充满液体，曲轴设在步进电机轴上，连杆的一端枢接于所述曲轴，连杆的另一端枢接于活塞上，计算机控制步进电机，使其能带动活塞来回运动；从而驱动搏动式血泵稳定运行；本发明具有操作方便，噪声小，能针对不同的病人进行流量调节、搏动次数以及压缩比选择的特点。

Description

用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术，特别是涉及一种用于气动或液压型搏动式血泵的驱动装置及其控制方法的技术。

背景技术

由于各种心脏疾病的发展逐步演变为慢性充血性心力衰竭，最终进入心力衰竭终末期因失代偿而死亡，而改善心力衰竭的主要途径是用心室辅助装置(VAD)来部分或完全替代心室泵血功能，也即人造血泵。目前临床心外科手术体外循环中通常所用血泵有搏动式血泵和非搏动式血泵即平流血泵。在短时间应用中，搏动血流与非搏动血流对机体血液循环的影响并不显著，但在长时间辅助时，搏动血流对组织的血流效果明显优于非搏动血流，因此人体的心脏的血液循环功能就是以搏动方式来输送血液。也就是搏动式血泵要模拟人体的心脏的心跳，就是说血液的输出不是连续的，以一定的节奏(频率)吸入和压出血液，即搏动率(次/分)；同时每次压出的血液必须保持一定的流量和一定的压力，即压缩量(升/分)。还有心脏在一次跳动(搏动)时，压出血液的速度与吸入血液的速度不一样，即心脏收缩时，压出的血液流速快，心脏舒张时吸入的血液速度慢，这是医学上称为压缩比(压出速度/吸入速度)。

综合上面分析，搏动式血泵的抽入血液和压出血液的过程是比较复杂的。要符合人体血液循环的生理特点的话，搏动式血泵要以一定的搏动率“跳动”，压出一定流量的血液，并在压出和吸入时有速度的差异，形成如同人体血压的压缩压和舒张压。现有的搏动式血泵都是由泵体(泵壳)、血室、气室(液室)和血室隔膜(血室囊)及单向阀门组成，靠外部动力源(压力气体或液体)，进入气室(液室)来推动血室隔膜或压缩血室囊来使得血液从心脏抽入血室，再把血液压出血室进入动脉血管。由此可见，这些血泵不能成为一个系统来完成本身的功能。都需用外部动力源，特别需要能完成搏动率，流量和压缩比的可控制的外部动力装置和控制方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便，运行稳定，系统简洁噪声小，能针对不同的病人进行流量调节、搏动次数以及压缩比选择的用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种用于搏动式血泵的驱动装置，其特征在于，包括活塞、活塞腔、连杆、曲轴、步进电机(内设编码器)、电机驱动器、计算机(内设电机控制板)、原点检测器、操作键盘、显示器、活塞腔嘴、压力管道；其中活塞置于活塞腔中，活塞腔嘴设于活塞腔顶端，在活塞腔嘴上套有与活塞腔连通的压力管道，压力管道的另一端用于与搏动式血泵的气压口(液压口)连通，为传递压力，活塞腔和压力管道到血泵的气室封闭空间中充满液体(流体)，曲轴设在步进电机轴上，连杆的一端枢接于所述曲轴，连杆的另一端枢接于活塞上，使得步进电机转动时可带动活塞来回运动；计算机的电机控制板的控制信号端口连接电机驱动器的控制信号端口，电机驱动器的电气信号端口连接步进电机的信号线，显示屏幕和操作键盘分别连接在计算机上；操作键盘用于输入、修改血泵的控制参数，电机控制板用于将控制参数计算(转换)为电机的工作参数；电机驱动器用于按照设定的工作参数对步进电机进行控制；通过显示屏幕和操作键盘可实时操作计算机控制程序对搏动次数和压出血液流量进行调整。

进一步的，所述计算机为工控计算机。

进一步的，所述液体(流体)为生理盐水液体。

进一步的，所述控制参数包括压缩量，搏动率和压缩比。

进一步的，所述电机工作参数包括电机脉冲数、脉冲频率。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种用于搏动式血泵的驱动装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法的步骤为：

1)输入控制参数；

2)计算电机运动参数，由控制参数计算电机运动参数；

3)转换成电机工作参数，由电机运动参数转换成电机工作参数；

4)接收原点信号，接收原点检测器反映曲轴原点位置的信号；

5)判别曲轴是否在原点，若不在则转至14)，若在原点就继续步骤6)；

6)是否停止运转？使操作者有选择停止运转的机会，若停止则转至15)，若不停止运转就进入7)继续往复运动；

7)发出控制信号，向步进电机发控制信号；

8)输出(正向)电机工作参数，由电机控制板向电机驱动器输出正向电机工作参数；

9)电机正向转动，电机驱动器驱动步进电机正向转动；

10)判别是否到正向终点？由编码器的信号来判别是否转到正向的终点，若不到终点则转至8)继续运转，若到终点就进入11)；

11)输出(反向)电机工作参数，由电机控制板向电机驱动器输出反向电机工作参数；

12)电机反向转动，电机驱动器驱动步进电机反向转动；

13)判别是否到反向终点？由编码器的信号来判别是否转到反向的终点，若不到终点则转至11)继续运转，若到终点就进入6)；

14)控制步进电机进行复位转动；

15)选择是否继续运转，若继续运转(工作)则转至16)，若不继续运转(工作)就结束控制程序退出工作；

16)判别是否修改控制参数？若修改就回到1)重复上述的过程，若不修改则转至3)。

进一步的，所述步骤1)中的控制参数包括搏动率、压缩量、压缩比。

进一步的，所述步骤2)中的电机运动参数包括电机转动角、电机转动速度、电机正反转速度差；根据压缩量数据和活塞的单位行程的容积计算出所述(步进)电机转动角度，根据搏动率计算出活塞推进的速度从而计算出所述(步进)电机转动速度；根据压缩比的数据和所述电机转动速度计算出步进电机正向转动速度(压缩速度)和反向转动速度(舒张速度)。

进一步的，所述步骤2)中的电机转动角和电机转动速度为：

电机转动速度θ(度/分)＝单程电机转动角φ×2×搏动率；

单程电机反向转动时间t_反(秒)＝搏动周期时间t-单程电机正向转动时间t_正；

进一步的，所述步骤3)中的电机工作参数包括电机脉冲数、脉冲频率，把所述转动角度转换成步进电机转动的脉冲数；转换成脉冲频率，把所述正向转动速度和反向转动速度分别转换成脉冲频率。

进一步的，所述步骤3)中的电机脉冲数；脉冲频率是：

电机转动一圈的脉冲数＝步进电机标准单圈脉冲数×电机驱动器细分数

利用本发明提供的用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法，由于采用计算机控制器控制步进电机驱动活塞使血泵能不停的舒张和收缩的结构，使得医务人员既可以即时监视、并在血液循环过程中，还可以根据需要对压缩量，搏动率和压缩比进行实时调整；当修改了压缩量，搏动率和压缩比等运动参数，计算机控制器就按新的运动参数对步进电机的发出新的控制信号，使步进电机按修改后的转动角以及正反转的周期和速度差自动调节控制电机的转速和转动角度，保证产生新的压缩量，搏动率和压缩比，达到治疗效果。

模拟心脏的搏动式血泵在工作时需要有压缩量、搏动率和压缩比等要求，而不同病人的病理不同需要有不同的压缩量、搏动率和压缩比。本发明就是能把不同的压缩量、搏动率和压缩比经计算机运算后产生不同的转动角以及正反转的周期和速度差来控制步进电机转动，再通过曲轴和连杆驱动活塞实现不同的压缩量、搏动率和压缩比，保证人体中血液循环的需要；因此本发明以步进电机转动不同的转动角以及正反转的周期和速度差来推动活塞泵使得血泵产生不同的压缩量、搏动率和压缩比。医务人员通过操作界面操作可针对不同的病人设置血泵的不同压缩量，搏动量和压缩比。本发明具有运行稳定，系统简洁，界面友好，使用方便等优点。本发明可以使搏动式血泵产生出和人体心脏相似的供血功能，替代心脏完成人体血液循环的过程。

附图说明

图1是本发明实施例的驱动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的驱动装置的控制信号流程方框图；

图3是本发明实施例的驱动装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种用于搏动式血泵的驱动装置及其控制方法，本发明为解决上述课题所采取的技术方案是：采用步进电机带动曲轴来推动活塞，从而在活塞腔中产生气体或液体压力，这压力通过管道送至血泵的气室(液室)。正压力使血室压缩，压出血液，产生压缩压；负压力使血室舒张，吸入血液，产生舒张压。

通过以嵌入式工业计算机控制步进电机的运动，使步进电机以一定频率作往复转动，推动活塞产生搏动压力。

通过工业计算机的程序可控制步进电机的转动角度，可使活塞产生不同的压缩量，满足不同病人对血液流量的需要。

通过工业计算机的程序可根据压缩比算出往复两种转速，以不同的转速来控制步进电机往复转动，以实现压缩和舒张的不同速率，即压缩比。

通过工业计算机程序的互动功能可以由操作者预先在程序界面上设置搏动率、压缩量和压缩比等工作参数，并可以在工作中实时调整工作参数，以适应不同病人或不同治疗方案。

本发明前述和其他的目的也可以通过下面所述的具有至少一种血泵实现，其中的血泵包括：血室，有弹性隔膜或囊的暂储血液的空间，可在外力下压缩和舒张；气室(液室)，气体或液体流入的空间以压缩血室的隔膜或囊；单向阀，可控制血液单向流入和单向流出血室的阀门；进血管和出血管，血液流入和流出血室的通道。

如图1所示，本发明的实施例所提供的一种用于搏动式血泵的驱动装置，其由活塞1，活塞腔2，连杆3，曲轴4，步进电机(内设编码器6)5，电机驱动器7，工业计算机(内设电机控制板9)8，原点检测器10，操作键盘11，显示器12，活塞腔嘴13，压力管道14组成。其中活塞1置于活塞腔2中，活塞腔嘴13设于活塞腔2顶端，在活塞腔嘴13上套有与活塞腔连通的压力管道14，压力管道14的另一端可与搏动式血泵的气压口(液压口)相连通，为传递压力，活塞腔2和液压管道10到血泵的气室封闭空间中充满生理盐水液体，曲轴4设在步进电机5轴上、连杆3的一端枢接于所述曲轴4，连杆3的另一端枢接于活塞1上，使得步进电机5转动时可带动活塞1来回运动，工控计算机6的电机控制板7的控制信号端口连接电机驱动器7的控制信号端口，电机驱动器7的电气信号端口连接步进电机5的信号线，显示屏幕12和操作键盘11分别连接在工控计算机8上，通过显示屏幕12和操作键盘11可实时控制工控计算机8对搏动次数和压出血液流量进行调整。

如图2所示，本发明实施例的控制信号流程方框图：操作键盘11把数据输入到工业计算机8中，显示器2则显示工业计算机运行的界面和内容，工业计算机8可与电机控制板9双向交换数据和控制信号，原点检测器10把曲轴4回到原点的信号送给电机控制板，再由工业计算机8中的程序来查看，步进电机的控制信号由工业计算机8算出的数据经电机控制板9转换成脉冲控制信号送到电机驱动器7，电机驱动器7再把脉冲信号转换成电气信号去驱动步进电机，而电机运转的位置信号由位置编码器6返送到电机控制板9，再由工业计算机8来读取。

如图3所示，本发明实施例所提供的一种用于搏动式血泵的驱动装置的控制方法：在工业计算机8上启动控制程序：

1)输入控制参数；控制参数包括搏动率、压缩量、压缩比；

2)计算电机运动参数，电机运动参数包括电机转动角、电机转动速度、电机正反转速度差；根据压缩量数据和活塞的单位行程的容积计算出所述(步进)电机转动角度，根据搏动率计算出活塞推进的速度从而计算出所述(步进)电机转动速度；根据压缩比的数据和所述电机转动速度计算出步进电机正向转动速度(压缩速度)和反向转动速度(舒张速度)；如：本发明的装置中的电机单程最大转动角为180°时，对应于活塞在活塞腔中的最大压缩量为100ml，所以，若一次行程压缩量为60ml，搏动率为80次/分和压缩比(n∶m)为2∶3时，电机转动角和电机转动速度为：

电机转动速度θ＝电机转动角φ×2×搏动率＝108×2×80＝17280°/分＝288°/秒；

电机反向转动时间t_反＝搏动周期时间t-电机正向转动时间t_正＝0.75-0.3＝0.45秒；

得出：单程电机转动角φ＝108°，电机正向转动速度θ_正＝360°/秒，反向电机转动速度θ_正＝240°/秒。

3)转换成电机工作参数，电机工作参数包括电机脉冲数、脉冲频率，把所述转动角度转换成步进电机转动的脉冲数；转换成脉冲频率，把所述正向转动速度和反向转动速度分别转换成脉冲频率；如：本发明的装置中的电机转一圈的标准脉冲数为200，而电机驱动器设置为4细分，这样转换成步进电机转动的脉冲数；脉冲频率是：

电机转动一圈的脉冲数＝步进电机标准单圈脉冲数×电机驱动器细分数＝200×4＝800；

得出：电机转动的脉冲数N＝240，电机正向转动脉冲频率f_正＝800Hz，电机正向转动脉冲频率f_正＝533Hz。

4)接收原点信号，接收原点检测器反映曲轴原点位置的信号；

5)判别曲轴是否在原点，若不在则转至14)，若在原点就继续步骤6)；

6)是否停止运转？使操作者有选择停止运转的机会，若停止则转至15)，若不停止运转就进入7)继续往复运动；

7)发出控制信号，向步进电机发控制信号；

8)输出(正向)电机工作参数，由电机控制板向电机驱动器输出正向电机工作参数；

9)电机正向转动，电机驱动器驱动步进电机正向转动；

10)判别是否到正向终点？由编码器的信号来判别是否转到正向的终点，若不到终点则转至8)继续运转，若到终点就进入11)；

11)输出(反向)电机工作参数，由电机控制板向电机驱动器输出反向电机工作参数；

12)电机反向转动，电机驱动器驱动步进电机反向转动；

13)判别是否到反向终点？由编码器的信号来判别是否转到反向的终点，若不到终点则转至11)继续运转，若到终点就进入6)；

14)控制步进电机进行复位转动；

15)选择是否继续运转，若继续运转(工作)则转至16)，若不继续运转(工作)就结束控制程序退出工作；

16)判别是否修改控制参数？若修改就回到1)重复上述的过程，若不修改则转至3)。

本发明实施例的工作过程如下：压力管道14的一端连接在活塞腔嘴13，另一端则可和搏动式血泵的气口(压力嘴)相连，再在活塞腔2和压力管道14到血泵的气室封闭空间中注满生理盐水液体；在工控计算机8上启动控制程序运行，通过操作键盘11和显示屏12向控制程序输入每分钟血囊搏动次数，每次压缩量(毫升/次)和压缩比后，工控计算机8中的控制程序就按照设定的压缩量、压缩比和搏动量计算出步进电机5所需转动的角度，转动速度以及正向转动速度和反向转动速度，再由工控计算机8中的控制程序把得出的转动角度转换成步进电机5转动的脉冲数，把得出的正向转动速度和反向转动速度转换成正向脉冲频率和反向脉冲频率；然后接收原点检测器反映曲轴4原点位置的信号，判别曲轴4是不是在原点；若不在原点，则控制步进电机5进行复位转动，若在原点就判别是否继续运转；在此使操作者可以选择是否停止运转，若不停止运转就向步进电机发控制信号，由电机控制板9向电机驱动器7输出所述正向脉冲数和脉冲频率，电机驱动器7驱动步进电机正向转动；由编码器6的信号来判别是否转到了正向的终点，若不到终点则继续运转，若到终点就电机控制板9向电机驱动器7输出反向脉冲数和脉冲频率，电机驱动器7驱动步进电机5反向转动；由编码器6的信号来判别是否转到反向的终点，若不到终点则继续运转，若到终点就可以使操作者有选择停止运转的机会，若不停止运转就继续往复运动，若选择停止运转则还可以选择是否继续工作，若继续工作就重新输入工作参数后重复控制步进电机5往复运转的过程，若不继续工作就结束程序退出工作。在发出控制电机5运动的信号后，步进电机5就通过曲轴4和连杆3带动活塞1来回往复运动；由于从活塞腔2经压力管道14到搏动式血泵壳体的封闭容积中充满液体生理盐水，活塞1的往复运动使血泵的血室(囊)不断地收缩和舒张，当活塞1从活塞腔2顶端向曲轴4移动回抽液体时，血泵壳体内液体经压力管道14回流到活塞腔2中，在血泵壳体内造成负压使血室(囊)舒张，使得心脏中的血液流入血室中。在活塞1从曲轴4向活塞腔2顶端移动压出液体时，液体经液压管道10流到血泵壳体内，就使血室收缩，产生收缩压，使血室中的血液压入动脉血管；完成一次心脏搏动的血液循环；这样活塞1在由工控计算机8控制的步进电机5带动下，不断地按照设定的参数往复运动，使得血泵壳体内的血室不停的舒张和收缩，产生舒张压和收缩压，提供辅助的血液循环的动力。治疗过程中，医生可以根据病人状况和反应实时调整治疗压缩量和压缩比。治疗结束后，在工控计算机8上停止运行控制程序、步进电机5就停止转动，血液就不再受血泵的压缩和舒张。

Claims (5)

1.一种用于搏动式血泵的驱动装置，其特征在于，包括活塞、活塞腔、连杆、曲轴、步进电机、电机驱动器、内设电机控制板的计算机、原点检测器、操作键盘、显示器、活塞腔嘴、压力管道；其中活塞置于活塞腔中，活塞腔嘴设于活塞腔顶端，在活塞腔嘴上套有与活塞腔连通的压力管道，压力管道的另一端用于与搏动式血泵的液压口连通，活塞腔和压力管道到血泵的气室封闭空间中充满液体，曲轴设在步进电机轴上，连杆的一端枢接于所述曲轴，连杆的另一端枢接于活塞上，使得步进电机转动时可带动活塞来回运动；计算机的电机控制板的控制信号端口连接电机驱动器的控制信号端口，电机驱动器的电气信号端口连接步进电机的信号线，显示器和操作键盘分别连接在计算机上；操作键盘用于输入、修改血泵的控制参数，电机控制板用于将控制参数转换为电机的工作参数；电机驱动器用于按照设定的工作参数对步进电机进行控制；通过显示器和操作键盘可实时操作计算机控制程序对搏动次数和压出血液流量进行调整。

2.根据权利要求1所述的用于搏动式血泵的驱动装置，其特征是，所述计算机为工控计算机。

3.根据权利要求1所述的用于搏动式血泵的驱动装置，其特征是，所述液体为生理盐水液体。

4.根据权利要求1所述的用于搏动式血泵的驱动装置，其特征是，所述控制参数包括压缩量，搏动率和压缩比。

5.根据权利要求1所述的用于搏动式血泵的驱动装置，其特征是，所述电机工作参数包括电机脉冲数、脉冲频率。