CN101991884B - 用于人工心脏系统的电隔离模块 - Google Patents

Abstract

用于人工心脏系统的电隔离模块，涉及人工心脏控制系统与人体之间的电隔离电路。包括直流电源隔离电路，数字信号隔离电路，模拟信号隔离电路。其中，直流电源隔离电路用于隔离人工心脏血泵控制系统的直流电源和驱动电路；数字信号隔离电路用于隔离人工心脏血泵控制系统的血泵转速信号采集，以及人工心脏系统的驱动电路的控制信号；模拟信号隔离电路用于隔离人工心脏系统的血泵温度传感器、血泵电压信号、血泵电流信号和人工心脏系统的主控电路的各模拟信号输入端口。并且整个电隔离模块由绝缘胶密封或密封填充变压器油。本发明解决了人工心脏控制系统与人体之间的电信号隔离问题，避免了控制系统中电信号对人体的危害。

Description

用于人工心脏系统的电隔离模块

技术领域

用于人工心脏系统的电隔离模块涉及人工心脏控制系统与人体之间的电隔离电路。

背景技术

人工心脏主要应用在救治心脏衰竭的病人，人工心脏的控制系统是人工心脏稳定工作和智能心脏辅助的核心部分，在稳定工作的同时，其整个电气指标对人体的安全性也是很重要的。

如图1，人工心脏血泵控制系统主要包括五部分：电源、主控电路、液晶显示、驱动电路、血泵。

电源由市电220V提供，并由开关电源模块将220V转换成24V，为主控电路、驱动电路供电。主控电路主要由单片机及外围电路组成，是整个控制系统的中枢，它采集血泵的温度、转速、电压、电流等信息，并产生控制信号，调节血泵的转速。驱动电路：驱动血泵工作的电路，将主控电路产生的调速信号转化成血泵的工作信号。血泵：放入人体，通过控制系统实现血泵的辅助心脏泵血功能。液晶显示：通过液晶屏将血泵转速、血泵温度、电压、电流等信号显示出来。

在整个控制系统中，开关电源、主控电路、驱动电路、血泵和液晶显示模块均共地，这样市电与血泵之间没有电源隔离，各信号与血泵之间也没有隔离电路，使得人体与这个控制系统电源、信号直接相连，这样人工心脏血泵植入人体对人体安全产生了危害。为了消除血泵对人体电信号的危害，应该将人工心脏血泵控制系统中的高压电与人体隔离开。

发明内容

本发明的目的在于针对人工心脏血泵控制系统中的各种不同模式的电信号，提供一种运用不同的隔离电路和隔离方式的电隔离模块，消除血泵控制系统中电信号对人体的危害。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

设计一种用于人工心脏系统的电隔离模块，包括直流电源隔离电路，数字信号隔离电路，模拟信号隔离电路。其中，所述直流电源隔离电路设有连接人工心脏系统的24V直流电源的输入端和连接人工心脏系统的驱动电路的电源输入的输出端；所述数字信号隔离电路设有连接人工心脏系统的血泵转速信号的输入端和连接人工心脏系统的主控电路的数字信号输入端口的输出端，以及连接人工心脏系统的主控电路的控制输出端口的输入端和连接人工心脏系统的驱动电路的控制信号输入端的输出端；所述模拟信号隔离电路设有分别连接人工心脏系统的血泵温度传感器、血泵电压信号、血泵电流信号的多输入端和分别连接人工心脏系统的主控电路的各模拟信号输入端口的输出端。并且，电隔离模块整体由绝缘胶密封或密封填充变压器油。

所述电源隔离电路从输入端至输出端依次包括逆变电路、线圈耦合器、整流电路。

所述数字信号隔离电路采用非线性光耦器件，将输入的电信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号输出。

所述模拟信号隔离电路采用线性光耦进行隔离，将输入的电信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号输出。

所述线性光耦采用HCNR200。

所述电源隔离电路中的线圈耦合器使用聚酰亚胺作为绝缘膜，按照源边顺时针方式叠压缠绕方式，副边利用逆时针低压缠绕方式缠绕制作。

所述绝缘胶采用由利用CAS ACGIH OSHA制作的绝缘胶，且利用超真空方式灌注到隔离模块中。

本发明的有益效果：本发明针对人工心脏血泵控制系统的不同电信号，分别运用直流电源隔离电路，数字信号隔离电路，模拟信号隔离电路以及工艺措施，即保持了信号的功率或信息的准确，又将人体体内部分的电路与外界隔离开，解决了血泵与控制系统共地、共信号问题，避免了外界强信号对人体的危害。电源信号实现了24V1A输入24V1A输出；数字信号包括调速信号和速度信号，实现了频率0Hz～5KHz，幅度0-5V的脉宽调制信号的传输；模拟信号为泵温度信号，实现了频率0～100Hz，幅度0-5V的模拟信号的传输。本电隔离模块具有结构简单，精度高，成本低，安全性高等优点

附图说明

图1为用于人工心脏控制系统的的控制框图；

图2为用于人工心脏系统的电隔离模块的结构示意图；

图3为图2中电源隔离电路的一种实施方式；

图4为图2中数字信号隔离电路所用光耦的原理图；

图5为图2中模拟信号隔离电路所用光耦的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的一实施例作具体描述。

本实施例中的电隔离模块分为三部分：电源隔离电路、泵调速信号和泵速度信号的数字信号隔离电路、泵温度信号的模拟信号隔离电路，如图2所示。

电源隔离电路(如图3)：将电源信号通过变压器产生24V 1A信号，采用了DC-AC-DC技术，将输入的24V1A电源信号通过逆变器变成交流电；然后经过耦合线圈进行隔离，而且耦合线圈使用聚酰亚胺作为绝缘膜，按照源边顺时针方式叠压缠绕方式，副边利用逆时针低压缠绕方式缠绕制作；再经过整流电路变成直流电，在此过程中运用磁场将电源信号完全隔离，并采用具有过流过压保护功能的整流电路。此电源隔离电路的电压纹波小于20mV，功率130W，完全符合驱动电路的供电需求，耐压4000V，50Hz测试条件下漏电流小于等于50uA，此模块完全符合医疗器械规定。

由于在数字信号隔离电路和模拟信号隔离电路也需要电源，这里，电源隔离电路同时提供5V供电，利用耦合线圈输出一路5V交流电，再通过整流电路变成5V直流电。

数字信号隔离电路：泵调速信号为PWM信号，泵速度信号为脉冲信号，这两种信号均为数字信号，对于数字信号隔离主要采用非线性光耦实现隔离，将输入的电信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号输出，实现了电信号的隔离，频率0Hz～5KHz，幅度0-5V的数字信号的传输，如图4。

模拟信号隔离电路：血泵温度由温度传感器采集产生，为连续的模拟信号，采用线性光耦进行隔离。这里的线性光耦采用HCNR200光耦芯片，该芯片是一个发光二极管和两个光敏三极管，第二个三极管是用来反馈的，保证输出与输入的线性关系(如图5)。在线性光耦的输入和输出端分别接入运放及简单的外围电路，可实现频率0～100Hz，幅度0-5V的模拟信号的传输。

数字信号隔离电路和模拟信号隔离电路中的光耦芯片的初、次级电路由电源隔离电路输出的5V电源提供，从而保证了所有电路隔离。

整个电隔离模块采用绝缘胶密封，利用超真空方式灌注到隔离模块中，保证绝缘胶中不夹杂气泡。并且所用绝缘胶利用CAS ACGIH OSHA制作，具有高度的抗腐蚀性和绝缘性。

Claims (6)

1.用于人工心脏系统的电隔离模块，包括直流电源隔离电路，数字信号隔离电路，模拟信号隔离电路，其特征在于：

所述直流电源隔离电路设有连接人工心脏系统的24V直流电源的输入端和连接人工心脏系统的驱动电路的电源输入端的输出端；

所述数字信号隔离电路设有连接人工心脏系统的血泵转速信号输出端的输入端和连接人工心脏系统的主控电路的数字信号输入端口的输出端，以及连接人工心脏系统的主控电路的控制输出端口的输入端和连接人工心脏系统的驱动电路的控制信号输入端的输出端；

所述模拟信号隔离电路设有分别连接人工心脏系统的血泵温度传感器输出端、血泵电压信号输出端、血泵电流信号输出端的多输入端和分别连接人工心脏系统的主控电路的各模拟信号输入端口的输出端；

电隔离模块整体由绝缘胶密封或密封填充变压器油。

2.如权利要求1所述的用于人工心脏系统的电隔离模块，其特征在于：所述直流电源隔离电路从输入端至输出端依次包括逆变电路、线圈耦合器、整流电路。

3.如权利要求1所述的用于人工心脏系统的电隔离模块，其特征在于：所述数字信号隔离电路采用非线性光耦器件，将输入的电信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号输出。

4.如权利要求1所述的用于人工心脏系统的电隔离模块，其特征在于：所述模拟信号隔离电路采用线性光耦进行隔离，将输入的电信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号输出。

5.如权利要求4所述的用于人工心脏系统的电隔离模块，其特征在于：所述线性光耦采用HCNR200。

6.如权利要求2所述的用于人工心脏系统的电隔离模块，其特征在于：所述电源隔离电路中的线圈耦合器使用聚酰亚胺作为绝缘膜，按照原边顺时针方式叠压缠绕方式，副边利用逆时针低压缠绕方式缠绕制作。 

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