CN102028980A - 一种体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵 - Google Patents

Abstract

一种体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，所述的血泵由主动磁体、被动磁体、泵体、活塞和单向阀门组成；主动磁体位于人体外部；被动磁体、泵体和活塞位于人体内部，被动磁体与活塞合为一体；被动磁体与活塞被封闭在所述的血泵的壳体内，将所述壳体内的空间分成为第一空间(1)和第二空间(2)。所述的壳体固定在人体的胸腔内。位于人体外部的电动机带动主动磁体做往复直线运动，主动磁体所产生的磁场也开始做往复直线运动，位于人体内部的被动磁体在这一磁场的作用下将与主动磁体做相同的往复直线运动，并带动血泵的活塞一起做往复直线运动。

Description

一种体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵

技术领域

本发明涉及一种体外永磁磁场直线驱动的人工心脏血泵，特别涉及用于搏动式心脏辅助装置和全人工心脏的体外永磁磁体磁场作为无接触驱动动力的血泵。

背景技术

自1953年Gibbons发明体外循环和1966年DeBakey植入气动泵至今，人工心脏已经发展了数十年。第一代是仿生式，核心结构是一个由柔韧性材料制成的血囊，用气动或电动装置周期性地压迫血囊来完成泵血的功能，称为隔膜式血泵。临床应用最广的植入式血泵是电动式隔膜泵，主要代表产品有：Heartmate，Thoratic，Novacor等。然而随着植入时间的不断延长和临床观察资料的积累，此类结构逐步暴露出很多难以克服的缺点，如：体积大、结构复杂、能耗高、对材料性能要求苛刻、生理相容性差、效率低、工作寿命短、控制系统复杂等。这些缺点使其长期植入后带来很多严重的并发症(如出血、感染、血栓栓塞、多器官功能衰竭等)，常导致死亡。对此研究者们虽进行了多年改进，但收效甚微。很多人愈来愈清楚的意识到：固守此类结构设计，永久植入的目标将难以实现。

在此情形中人们再次被迫改变方向，开始研究另一类非仿生式的泵结构——旋转叶轮式血泵。它可分为离心泵、轴流泵及混流泵三种形式。此类泵的特点是用泵壳内高速旋转的叶轮驱动液体单向流动，不需要单向阀门控制液流方向，而且它极其微型化，可直接植入到心腔或血管腔内推动血液流动，如Jarvik2000型血泵。从理论上看，叶轮转速越高，单位体积内可输出的功率就越大，因此泵体积可降至很小。再者，血液连续流动，不需设置在舒张期容纳血液的血腔，故而泵体可进一步缩小甚至可做到微型化，这一特点非常有利于提高装置的解剖相容性。此外，由于没有反复折叠的柔性材料，泵的连续工作寿命也有望大幅度提高。加之还有高效率、低能耗、工作可靠、稳定性好、控制简单等诸多优点。但由于此类血泵的结构和工作原理与自然心脏迥然不同，它能否被机体接受很值得怀疑，并且高速旋转的叶片会大量地破坏血液中的血细胞而造成溶血等严重的后果。

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。除了溶血问题之外，突出的有电源问题及电机发热问题。这些装置需要在患者皮肤上做一通道，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。

针对上述问题，申请人提供了一种采用体外磁场的非接触式驱动作为旋转叶轮式血泵的驱动装置，它的基本结构是两个相距一定距离的圆柱型磁体，磁体间的磁耦合力是能量传递的基础。该装置的主动磁体位于人体外部，由一个电动机带动其旋转，被动磁体位于人体心脏升主动脉内部。当主动磁体旋转时，被动磁体受到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。这一技术方案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。该方案只需将带有被动磁体的旋转叶轮式血泵植入体内，其余部件都在体外。它相对现有的人工心脏来说，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。但此类血泵的结构和工作原理也属于非仿生性的结构，与自然心脏不同，而且高速旋转的叶片会大量地破坏血液中的血细胞而造成溶血。

此外，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。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。因此这一方案受到了较大的限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有仿生式气动或电动隔膜式血泵，周期性地压迫和反复折叠柔韧性材料制成的血囊，造成泵的连续工作寿命短；非仿生式旋转叶轮式血泵的结构和工作原理与自然心脏不同，高速旋转的叶片会大量地破坏血液中的血细胞而造成溶血；采用体外磁场的非接触式驱动作为旋转叶轮式血泵的驱动装置的两磁体(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，提供一种体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵。

本发明的人工心脏血泵由主动磁体、被动磁体、泵体和活塞等部件组成。

主动磁体由高剩磁永磁材料制成，磁体的磁极为两极。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，由一个直线电动机或者一个旋转电动机和一个旋转-直线运动转换器(例如涡轮-蜗杆装置)带动其做往复直线运动。

泵体、被动磁体和活塞位于人体内部，其所受到的空间限制较大，它的几何尺寸必须较小。被动磁体由高剩磁永磁材料制成，磁体的磁极为两极。由于当主动磁体和被动磁体沿运动方向的中心线平行时它们能够传递最大的转矩，被动磁体的中心线尽可能与主动磁体的中心线平行。被动磁体被安装在活塞内，它与活塞合成为一体，被封闭在泵的壳体内。该泵的壳体可以是圆柱体、柱形的多面体，壳体的壁有一定的厚度，由不导磁、不导电或低导电的材料制成，被固定在人体的胸腔内。活塞在柱形壳体内可以做往复直线运动，它将柱形壳体内的空间分成两个部分：第一空间和第二空间。活塞带有一个单向阀门，单向阀门开启后，血液可以从壳体内的第二空间流到第一空间。壳体的两端分别有一个或多个开孔，通过管道分别将第一空间与主动脉连接，将第二空间与静脉相连接。

具有两极(N极和S极)的主动磁体和被动磁体的充磁方向是：当主动磁体和被动磁体分别安装到人体外和人体内的相应位置时，它们的充磁方向沿主动磁体中心点和被动磁体中心点两点之间的连线，并且尽可能使该连线与主动磁体和被动磁体之间的人体胸部表面的法线相重合，主动磁体和被动磁体的充磁方向相同。

本发明的人工心脏血泵的工作原理以及各部件的功能是：位于人体外部的电动机带动主动磁体做往复直线运动，主动磁体所产生的磁场也开始做往复直线运动，位于人体内部的被动磁体在这一磁场的作用下将与主动磁体做相同的往复直线运动，并带动血泵的活塞一起做往复直线运动。通过上述过程，主动磁体和被动磁体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活塞上，达到了给人工心脏的血泵提供动力的目的。

假设人工心脏血泵开始工作的初始状态已经完成充盈，这时第一空间的体积处于它的最大值，其内部充满血液。当位于人体外部的主动磁体在电动机带动下开始直线运动时，被动磁体在主动磁体所产生磁场的作用下将与主动磁体做方向相同的直线运动，并带动血泵的活塞一起沿这一方向运动，这时活塞上的阀门处于关闭状态，第一血泵空间内的血液将在活塞的作用下经由壳体端部的开孔和管道射入到主动脉中去，同时静脉中的血液也随着第二空间体积的增加进入到第二空间中，这一过程相当于自然心脏的收缩期。在活塞将第一空间中的血液射入到主动脉中之后，位于人体外部的主动磁体在电动机的带动下开始反向运动，被动磁体在主动磁体所产生磁场的作用下将也开始反向运动，并带动血泵的活塞一起沿这一方向运动，这时活塞上的阀门处于开启状态，血泵第二空间内的血液将经由在活塞上的阀门进入到第一空间中去，这一过程相当于自然心脏的舒张期。人工心脏血泵就这样完成了它的一次工作循环，随着人工心脏血泵的不断工作，实现其代替自然心脏的供血功能。

本发明不仅解决了向体内血泵供电的问题及体内电机发热的问题，还解决了现有仿生式气动或电动血泵周期性地压迫和反复折叠柔韧性材料所制成的血囊，造成泵的连续工作寿命短，以及体积大的问题和非仿生式旋转叶轮式血泵的血液供应与自然心脏不同，以及高速旋转的叶片会大量地破坏血液中的血细胞而造成溶血的问题。

本发明除了用于人工心脏的血泵之外，还可用于其它需要无接触传递能量的泵装置。

附图说明

图1本发明人工心脏血泵结构和各部件位置示意图；

图2主动磁体和被动磁体的充磁方向；

图3人工心脏血泵工作状态1示意图；

图4人工心脏血泵工作状态2示意图；

图5两个磁体在相对位置1的磁场分布图；

图6两个磁体在相对位置2的磁场分布图；

图7两个磁体在相对位置3的磁场分布图；

图8两个磁体在相对位置4的磁场分布图。

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。

本发明实施例的人工心脏血泵由主动磁体、被动磁体、泵体、活塞和单向阀门组成，它们的结构和相对人体的位置如图1所示。

主动磁体为一个六面体，由钕铁硼永磁材料制成，磁体的极数为2。主动磁体位于人体外部，由一个直线电动机或者一个旋转电动机和一个旋转-直线运动转换器(例如涡轮-蜗杆装置)带动其做往复直线运动。

被动磁体、泵体和活塞位于人体内部，被动磁体与活塞合为一体，为六面体，被动磁体由钕铁硼永磁材料制成，磁体的极数为2。被动磁体被安装在活塞内，活塞封闭在泵的壳体内。该泵的壳体为方形的圆柱体、由不导磁、不导电或低导电的材料制成，被固定在人体的胸腔内。活塞在柱形壳体内可以做往复直线运动，活塞将柱形壳体内的空间分成为第一空间1和第二空间2。活塞的中央带有一个单向阀门，单向阀门开启后，血液可以从壳体内的空间2流到空间1。壳体的两端分别有一个开孔，通过管道分别将第一空间1与主动脉连接，将第二空间2与静脉相连接。

具有两极(N极和S极)的主动磁体和被动磁体分别安装在人体外和人体内的相应位置，如图1所示，主动磁体和被动磁体的充磁方向相同，并沿主动磁体中心点和被动磁体中心点两点之间的连线，如图2所示。

本发明的一个实施例：主动磁体轴向长度为20毫米，其余两边长为30毫米；位于活塞上的被动磁体的轴向长度为10毫米，其余两边长为30毫米，主动磁体的轴线与被动磁体的轴线之间相隔60毫米。

根据人体对血液的需要，每分钟血泵应该能够泵血5000毫升左右。如果血泵每分钟动作70次，它每次的泵血量应约为72毫升。考虑到活塞的边长为30毫米，柱形壳体内的第一空间1加第二空间2的轴向尺寸应为80毫米。

假设人工心脏血泵在开始工作的初始状态已经完成充盈，这时第一空间1的体积处于它的最大值，其内部充满血液，活塞上的被动磁体位于泵壳体内的下部，见图3。当位于人体外部的主动磁体在电动机带动下开始向上做直线运动时，被动磁体(活塞)在主动磁体所产生磁场的作用下将也开始向上做直线运动，这时活塞上的阀门处于关闭状态，血泵第一空间1内的血液将在活塞的作用下经由壳体端部的开孔和管道射入到主动脉中去，同时静脉中的血液也随着第二空间2体积的增加进入到第二空间2中。在活塞将第一空间1中的血液射入到主动脉中之后，如图4所示，位于人体外部的主动磁体在电动机的带动下开始向下做直线运动，被动磁体(活塞)在主动磁体所产生磁场的作用下将也开始向下做直线运动，这时活塞上的阀门处于开启状态，血泵第二空间2内的血液将经由在活塞上的阀门进入到第一空间1中去。人工心脏血泵就这样不断地工作，实现人体的供血循环。

为了考察本发明中的主动磁体和被动磁体传递动力的情况，我们对它们的磁场分布进行了有限元分析，并在此基础上，计算了两磁体系统能够传递的力。图5-8为本发明实施例中的两个磁体在不同相对位置：1-4的磁场分布图。表1为由主动磁体传递到被动磁体上的轴向力。

表1

主动磁体与被动磁体的相对位置	被动磁体上受到的轴向力(牛顿)
		1(图5)	0

2(图6)	2.92
		3(图7)	5.34
4(图8)	6.93

Claims (7)

1.一种体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的血泵由主动磁体、被动磁体、泵体、活塞和单向阀门组成；主动磁体位于人体外部，由电动机带动其做往复直线运动；被动磁体、泵体和活塞位于人体内部，被动磁体安装在活塞内，与活塞合为一体；活塞封闭在所述的血泵的壳体内；所述的壳体固定在人体的胸腔内；活塞在壳体内做往复直线运动，将所述壳体内的空间分成为第一空间(1)和第二空间(2)。

2.根据权利要求1所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的主动磁体和被动磁体为圆柱体、柱形的六面体或多面体，主动磁体和被动磁体由永磁材料制成，磁体的极数为2。

3.根据权利要求1所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的活塞的中央带有一个单向阀门。

4.根据权利要求1所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的壳体的两端分别开有一个或多个孔，通过管道分别将第一空间(1)与主动脉连接，将第二空间(2)与静脉相连接。

5.根据权利要求1所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的壳体由不导磁、不导电或低导电的材料制成，为圆形、多边形或方形的圆柱体。

6.根据权利要求1所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的电动机为一个直线电动机或者一个旋转电动机和一个旋转-直线运动转换器。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的体外永磁磁场直线驱动的仿生式人工心脏血泵，其特征在于，所述的血泵工作过程如下：假设人工心脏血泵开始工作的初始状态已经完成充盈，这时第一空间(1)的体积处于它的最大值，其内部充满血液。当位于人体外部的主动磁体在电动机带动下开始直线运动时，被动磁体在主动磁体所产生磁场的作用下将与主动磁体做方向相同的直线运动，并带动所述的活塞一起沿这一方向运动，这时活塞上所述的单向阀门处于关闭状态，第一血泵空间(1)内的血液将在活塞的作用下经由所述的壳体端部的开孔和管道射入到主动脉中去，同时静脉中的血液也随着第二空间(2)体积的增加进入到第二空间(2)中，这一过程相当于自然心脏的收缩期；在活塞将第一空间(1)中的血液射入到主动脉中之后，位于人体外部的主动磁体在电动机的带动下开始反向运动，被动磁体在主动磁体所产生磁场的作用下将也开始反向运动，并带动所述的活塞一起沿这一方向运动，这时活塞上的单向阀门处于开启状态，血泵第二空间(2)内的血液将经由在活塞上的单向阀门进入到第一空间(1)中去，这一过程相当于自然心脏的舒张期；所述的血泵如此完成了一次工作循环，随着所述的血泵的不断工作，实现其代替自然心脏的供血功能。

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