CN101618240B - 一种用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，其主动磁体位于人体外部；第一、第二被动磁体位于人体内部。主动磁体被封闭在一个静止的壳体内，由电动机带动其旋转。第一被动磁体位于主动磁体和第二被动磁体之间，第一被动磁体的转动中心线与主动磁体和第二被动磁体的转动中心线平行。第一被动磁体被封闭在一个静止的壳体内，该壳体被固定在人体的胸腔内。第二被动磁体位于心脏的升主动脉内，其转动中心线与第一被动磁体的转动中心线平行。第二被动磁体与血泵的叶轮连接到一起。

Description

一种用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统

技术领域

本发明涉及一种永磁磁体驱动系统，特别涉及用于人工心脏的无接触式永磁磁体体外磁场驱动系统。

背景技术

由于心脏的生理特性，它是全身中最易受损的器官之一，在发达国家，心血管疾病是第一致死的原因，在我国也已上升为第二位。目前心衰的最根本的治疗方法是心脏移植，但心脏移植存在供体缺乏、排异反应、长期免疫抑制、感染机会大等一系列问题。因此对人工心脏需求不断增加，它的应用前景十分看好。

国外人工心脏经过数十年的研究，已有数种产品问世，并且正在逐步进入实用阶段。但从临床应用来看，目前完全代替自然心脏的作用和功能非常困难，许多关键问题并未得到彻底解决。除了血栓和溶血问题之外，突出的有电源问题及电机发热问题。有些装置结构复杂，体积大，植入人体后不仅挤占有限空间，并且压迫脏器，增加感染机会。这些装置需要在皮肤上做一通道，以导入能量，然而随之而来的又是致命的感染。患者植入这类人工心脏后，虽然生命得以延续，但是由于上述种种原因的存在，仍然离不开医院，并且行动受限，无法恢复有功能、有价值的生活。由于长期使用抗菌素，肝、肾等重要脏器的损伤及菌群失调等副作用日益突出，同时患者还需不断承受巨大的经济负担。

目前的人工心脏由于存在以上问题，长期植入或永久取代受损的心脏尚需努力，而大量心脏病患者的需求又非常迫切，因此，从应用研究的角度来看，研制结构简单、轻巧、并发症少、经济可靠、可用做长期植入型的机械性人工心脏以挽救越来越多的心脏病患者，是临床的迫切需要。

针对上述问题，申请人采用体外磁场的非接触式驱动作为血泵的驱动装置，从根本上克服了以往电驱动需要经皮导入通道和体内存在实现能量转换的发热部件等致命缺点。该方案只需将血泵植入体内，其余部件都在体外。它相对国外人工心脏来说，还有可大大减少植入体内的异物总量、大大降低植入装置的体积、降低引入体内的总能量、大大减轻对机体的植入创伤、提高整体结构的可靠性、微小的血液接触面和避免切除自然心脏等优点。

众所周知，永磁体的周围存在着磁场，由于磁场的存在，可以使磁力无接触地进行传递，表现为同性相斥异性相吸。目前，利用磁场从体外驱动的人工心脏的无接触式动力传递系统的基本结构是两个相距一定距离的圆柱型磁体，磁体间的磁偶合力是能量传递的基础。图1和图2是这种人工心脏的永磁无接触式动力传递系统的主动磁体和被动磁体，主动磁体位于人体外部，由一个电动机带动其旋转，被动磁体位于人体内部，当主动磁体旋转时，受主动磁体磁场的作用而旋转，从而带动血泵叶轮的旋转，达到将机械能量从人体外部的电动机传递到血泵的目的。

由于从体外到位于人体心脏升主动脉内部的血泵的能量传递要跨越较大的空间距离(通常情况下需达到100-120毫米)，因此这种人工心脏的无接触式动力传递系统的主动磁体和被动磁体之间必须相隔较大的间距。考虑到永磁无接触式动力传递的特性，随着主动磁体和被动磁体相隔的间距增大，从主动磁体到被动磁体的转矩传递能力将迅速下降。当然，增大主动磁体和被动磁体的体积可使传递系统的转矩传递能力增加，但这一方案受到了很大的限制。首先，必须对植入心脏升主动脉内的被动磁体的几何尺寸加以很强的限制，要求体积尽可能的小，以便尽量减小该装置对人体机体的解剖结构和生理功能的干扰。理想的状态下，体内心脏内植入的圆柱磁体的直径和长度都要小于20毫米，才能达到对机体的解剖和生理功能无重要影响的目的，但从现有的磁性材料的性能上来看，对这样微小的磁体传递有效的机械能是非常困难的，这主要是由于体内、外的磁体间能传递的转矩强度很小。从理论上看，无限制地增大体外主动磁体的体积当然可以增大传递转矩，但体外主动磁体的无限增大将使该系统的实用价值下降，甚至完全丧失实际使用的可能。

此外，主动磁体和被动磁体相隔较大的间距也会使传递系统的不稳定性增加。如果主动磁体和被动磁体间失去同步，它们之间将无法传递转矩，这也就意味着人体内的血泵将失去动力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术两磁体(主动磁体和被动磁体)系统存在的转矩传递能力小和稳定性差的缺点，提供一种用于人工心脏的无接触式永磁磁体体外磁场驱动系统。

本发明永磁磁体系统由主动磁体、第一被动磁体和第二被动磁体三个永磁磁体组成。

主动磁体由高剩磁永磁材料制成，沿径向充磁，磁体磁极可以是2极、4极、或更多的偶数极。在磁体的径向表面上，N极和S极沿周向相互交替。主动磁体位于人体外部，其所受到的空间限制较小，因此它的几何尺寸可以较大。主动磁体被封闭在一个静止的壳体内，由一个电动机带动其旋转。

第一被动磁体和第二被动磁体位于人体内部，其所受到的空间限制较大，它的几何尺寸必须较小。第一被动磁体由高剩磁永磁材料制成，沿径向充磁，磁体磁极可以是2极、4极、或更多的偶数极。在第一被动磁体的径向表面上，N极和S极沿周向相互交替。第一被动磁体位于主动磁体和第二被动磁体之间。由于当两个圆柱形磁体的转动中心线平行时它们能够传递最大的转矩，第一被动磁体的转轴或转动中心线尽可能与主动磁体和第二被动磁体的转轴或转动中心线平行。第一被动磁体被封闭在一个静止的壳体内。采用轴承来支撑磁体，并将第一被动磁体与静止的壳体连接在一起。该壳体被固定在人体的胸腔内。

第二被动磁体由高剩磁永磁材料制成，沿径向充磁，磁体磁极可以是2极、4极、或更多的偶数极。在第二被动磁体的径向表面上，N极和S极沿周向相互交替。该磁体位于心脏的升主动脉内。由于当两个圆柱形磁体的转动中心线平行时它们能够传递最大的转矩，第二被动磁体的转轴或转动中心线尽可能与第一被动磁体的转轴或转动中心线平行。血泵的叶轮与第二被动磁体连接到一起或合成为一个整体共同旋转。

永磁磁体系统的工作原理以及各磁体的功能是：位于人体外部的电动机带动主动磁体旋转，主动磁体所产生的磁场也开始做旋转运动，位于人体内部的第一被动磁体在这一磁场的作用下沿着与主动磁体旋转方向相反的方向旋转。随着第一被动磁体的旋转，它所产生的磁场也同时旋转，位于心脏的升主动脉内的第二被动磁体在这一磁场的作用下沿着与第一被动磁体旋转方向相反的方向旋转，并带动血泵的叶轮一起旋转。通过上述过程，该永磁磁体系统将人体外电动机输出的机械能无接触地传递到人体内的血泵叶轮上，达到了给人工心脏的血泵提供动力的目的。

本发明的永磁磁体系统与现有的两磁体系统相比，有着传递转矩能力大和稳定性强的优点。

本发明除了用于人工心脏的血泵驱动之外，还可用于其它需要无接触传递转矩的装置。

附图说明

图1两磁体系统的主动磁体和被动磁体结构示意图；

图2两磁体系统的主动磁体和被动磁体位置图；

图3本发明的主动磁体和两个被动磁体结构示意图；

图4本发明的主动磁体和两个被动磁体位置图；

图5本发明的两极磁体的充磁情况；

图6本发明的三个磁体之间的相对旋转方向；

图7本发明的三个磁体的磁感应强度矢量图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，永磁磁体系统由主动磁体、第一被动磁体和第二被动磁体三个永磁磁体组成。所述三个磁体相对人体的位置如图4所示。

主动磁体呈圆柱形，由钕铁硼永磁材料制成，其沿径向充磁，如图5所示。在主动磁体的径向表面上，有一个N极和一个S极。主动磁体位于人体外部。主动磁体被封闭在一个静止的壳体内，由一个电动机带动其旋转。

第一被动磁体和第二被动磁体位于人体内部。第一被动磁体呈圆柱形，由钕铁硼永磁材料制成，沿径向充磁，充磁方向如图5所示。在磁体的径向表面上，有一个N极和一个S极。第一被动磁体位于主动磁体和第二被动磁体之间，第一被动磁体的转动中心线与主动磁体和第二被动磁体的转动中心线平行。第一被动磁体被封闭在一个静止的壳体内。采用轴承来支撑磁体，并将第一被动磁体与静止的壳体连接在一起。该壳体被固定在人体的胸腔内。第二被动磁体也呈圆柱形，由钕铁硼永磁材料制成，沿径向充磁，充磁方向如图5所示。在第二被动磁体的径向表面上，有一个N极和一个S极。该磁体位于心脏的升主动脉内，其转动中心线与第一被动磁体的转动中心线平行。第二被动磁体与血泵的叶轮连接到一起。

图6表示三个磁体之间的相对旋转方向。当主动磁体逆时针方向旋转时，第一被动磁体在主动磁体的磁场作用下沿着与主动磁体旋转方向相反的方向-顺时针方向旋转。随着第一被动磁体的旋转，第二被动磁体在第一被动磁体的磁场作用下沿着与第一被动磁体旋转方向相反的方向-逆时针方向旋转。

本发明的一个实施例：主动磁体轴向长度为100毫米，直径为50毫米；第一被动磁体和第二被动磁体的轴向长度为20毫米，直径分别为30毫米和15毫米，主动磁体和第一被动磁体的转动中心线之间相隔92.5毫米，主动磁体和第二被动磁体的转动中心线之间相隔120毫米。

为了将本发明与现有技术的两磁体系统所能够传递的转矩进行比较，我们分别对它们的三维磁场分布进行有限元分析，图7为本发明实施例的三个磁体的磁感应强度矢量图。在此基础上，计算了系统能够传递的最大转矩。两磁体系统仅能够在两磁体轴心间距为120毫米时传递0.06001牛顿-米的转矩，而本发明的三磁体系统在上述实例情况下能够传递0.1969牛顿-米的转矩，是两磁体系统的三倍多。

Claims (5)

1.一种用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，包括主动磁体和被动磁体；主动磁体为圆柱形，位于人体外部；被动磁体亦呈圆柱形，位于人体内部，其特征在于，所述的主动磁体被封闭在一个静止的壳体内，由一个电动机带动其旋转；被动磁体包括第一被动磁体和第二被动磁体；第一被动磁体位于主动磁体和第二被动磁体之间，第一被动磁体的转动中心线与主动磁体和第二被动磁体的转动中心线平行；第一被动磁体封闭在另一个静止的壳体内，采用轴承支撑第一被动磁体，并将第一被动磁体与封闭第一被动磁体的静止壳体连接在一起；所述的封闭第一被动磁体的静止壳体固定在人体的胸腔内；第二被动磁体位于心脏的升主动脉内，第二被动磁体的转动中心线与第一被动磁体的转动中心线平行，第二被动磁体与血泵的叶轮连接到一起。

2.按照权利要求1所述的用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，其特征在于，主动磁体、第一被动磁体和第二被动磁体的磁极为偶数，沿径向充磁。

3.按照权利要求1所述的用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，其特征在于，在所述的主动磁体、第一被动磁体和第二被动磁体的径向表面上，N极和S极沿周向相互交替。

4.按照权利要求1所述的用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，其特征在于，主动磁体、第一被动磁体和第二被动磁体由高剩磁永磁材料制成。

5.按照权利要求1-4的任何一项所述的用于人工心脏的永磁磁体体外磁场驱动系统，其特征在于，当人工心脏的永磁磁体系统工作时，位于人体外部的电动机带动主动磁体旋转，主动磁体所产生的磁场也开始做旋转运动，位于人体内部的第一被动磁体在主动磁体所产生的磁场的作用下沿着与主动磁体旋转方向相反的方向旋转；随着第一被动磁体的旋转，第一被动磁体所产生的磁场也同时旋转，位于心脏的升主动脉内的第二被动磁体在所述的第一被动磁体所产生的磁场的作用下沿着与第一被动磁体旋转方向相反的方向旋转，并带动血泵的叶轮一起旋转。

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