CN102284092A

CN102284092A - 可植入搏动式心室辅助血泵

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Publication number: CN102284092A
Application number: CN2011102048923A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 邬顺捷; 李晶晶
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: CN102284092B

Abstract

一种医疗器械技术领域的可植入搏动式心室辅助血泵，包括：控制器、压板、壳体以及由上而下依次设置于其内部的血液腔、凸轮运动机构、传感器模块和超声电机，其中：压板固定于壳体上部，凸轮运动机构的上下两侧分别与血液腔和超声电机固定连接，传感器模块与壳体内壁及凸轮运动机构固定关联，控制器置于壳体外并通过导线与壳体内部的传感器模块和超声电机相连接以接收运动信号并输出控制指令。本发明在不降低血泵输出特性的情况下，减小了血泵体积，并使血泵外形形状更易于植入人体。

Description

可植入搏动式心室辅助血泵

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种可植入搏动式心室辅助血泵。

背景技术

目前，心室辅助装置已不仅成为心脏移植的过度桥梁，正逐渐发展为对心力衰竭的永久治疗手段。血泵是心室辅助装置的关键部件，根据其输出类型可分为搏动式与非搏动式两类。搏动式血泵由于能够提供搏动血流，有利于各主要脏器的血液微循环灌注，并有效减少血栓形成，更为符合人体的生理特点。现如今，市场上较成熟的搏动式血泵又大体上可分为气动与电动两种。其中气动的搏动血泵不可避免的需要一个外置气源，因此不能做到完全植入，降低了患者的生活质量。反观电机驱动的搏动式血泵，其整体体积相对较小，患者只需携带足够的电池就可自由行动，是今后血泵发展的方向。但利用普通直流电机驱动的搏动式血泵，受限制于直流电机本身的厚度，只能被植入到体表面积较大的人体中，且直流电机本身转速较快，还需要一套复杂的减速机构，这使得这类血泵的体积依然较大。而超声电机具有体积小、扭矩密度大、响应速度快等特点，且其本身转速与人体心率较为接近，不需要增加额外的减速机构，可大大减小血泵体积，增加了搏动式血泵植入人体的可能性。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利(US5,041,132)提出以超声电机作为搏动式血泵的动力源，该专利是通过滚珠丝杠或圆柱凸轮将原先超声电机的旋转运动转换成直线运动，并以此驱动推板改变血液腔容积，以达到泵送血液的效果。但此种结构中所使用的滚珠丝杠或凸轮使其外形形状有较大凸起部分，空间利用率低，不便于植入。

中国专利文献号CN101905044，公开日2010-12-8，记载了一种“超声电机驱动隔膜式搏动血泵”，包括：超声电机、固定底板、驱动盘、固定外筒、套筒、推板、推杆、凸轮、连接衬筒、血袋、上盖、入血口、出血口、单向阀。但该技术虽然采用了中空内侧面开槽的凸轮结构来减小空间，但是其没有将超声电机与血泵中的部件集成到一起，因此体积仍有缩小的空间，而且中空内侧面开槽的凸轮机构加工非常困难。另外，由于泵体尺寸较大，在此类搏动式血泵上没有可用于智能控制的传感器模块，不利于血泵状态监测与控制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种可植入搏动式心室辅助血泵。该血泵采用呈带轮缘的平底碗型结构转子的超声电机及筒形结构的端面凸轮作为运动转换部件，其中超声电机的平底碗型结构转子轮缘直接与端面凸轮底面固定连接，推板作为凸轮运动机构的从动件与血液腔弹性薄膜部分置于筒形凸轮内部，定子被安置在转子平底碗型结构的内部。这样既实现了超声电机与血泵的一体化设计，在不降低血泵输出特性的情况下，减小了血泵体积，又使血泵外形形状更易于植入人体。当血泵工作时，超声电机驱动端面凸轮作旋转运动，推板按凸轮轨迹作上下运动，引起血液腔容积发生变化，实现血泵的充盈与射血。血泵内部集成传感器模块，用于对血泵凸轮运动位置与血液腔充盈量进行监测，配合控制器，使血泵按照实际人体心室泵血规律泵送血液。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：控制器、压板、壳体以及由上而下依次设置于其内部的血液腔、凸轮运动机构、传感器模块和超声电机，其中：压板固定于壳体上部，凸轮运动机构的上下两侧分别与血液腔和超声电机固定连接，传感器模块与壳体内壁及凸轮运动机构固定关联以监控血泵凸轮的运动位置与血液腔充盈情况，控制器置于壳体外并通过导线与壳体内部的传感器模块和超声电机相连接以接受运动信号并输出控制指令。

所述的凸轮运动机构包括：端面凸轮、推板和两组导向机构，其中：端面凸轮的下表面与超声电机的转子固定连接，推板的上表面与血液腔的下表面固定连接，两组导向机构对称固定设置于壳体内部并与推板固定连接后与端面凸轮相接触。

所述的导向机构包括：安装块、竖直设置于安装块上的直线导轨滑块机构、弹簧和导杆以及水平设置于安装块上的滚子和滚子轴，其中：滚子套置于滚子轴上且与端面凸轮的上表面接触，滚子轴的另一端与推板侧边固定连接，直线导轨滑块机构的直线导轨对置安装在壳体的内侧侧壁，且其对应的滑块与安装块外侧固定连接，弹簧套接于导杆上且分别与压板及安装块相接触以实现滚子与端面凸轮的上端面始终接触。

所述的超声电机包括：定子和转子，其中：带轮缘的平底碗型结构的转子与凸轮机构的底部固定连接，定子设置于转子的平底碗型结构的内部并与壳体底部固定连接。

所述的血液腔包括：弹性薄膜、人工心脏瓣膜以及带有血液腔输入口和血液腔输出口的血腔盖，其中：弹性薄膜的外延及下表面分别与血腔盖和推板相连接，血液腔输入口和血液腔输出口上均设有人工心脏瓣膜。

所述的传感器模块包括：霍尔位置传感器与压力电阻应变传感器，其中：霍尔位置传感器固定设置于壳体内侧侧壁，在凸轮的侧壁上用高磁导率材料、永磁铁或通孔制作出检测点，且在凸轮特定位置上的检测点数量随凸轮位置的不同而变化；压力电阻应变传感器设置于凸轮运动机构的推板上，传感器模块与控制器相连接以输出运动信号。

所述的压力电阻应变传感器的有效测量区域与血液腔下表面始终接触，在血泵充盈期时，压力电阻应变传感器所受的正压力与血液腔内血液充盈的多少相关联，以实现在血泵充盈期对血泵充盈量的检测。

所述的控制器根据接收到的运动信号判断血泵凸轮位置与血液腔充盈情况，并按照预存的控制算法输出指令至超声电机进行闭环控制。

与现有技术相比，本发明结构紧凑，尺寸小，外形形状便于植入，且在血泵内部集成传感器模块对血泵凸轮位置与血液腔充盈情况进行监测，配合控制器，可实现对血泵的闭环控制，使血泵按照实际人体心室泵血规律泵送血液。

附图说明

图1为实施例的立体结构爆炸示意图；

图2为实施例中壳体、超声电机和凸轮运动机构的半剖立体示意图；

图3为实施例中血液腔的立体结构爆炸示意图；

图中；导向机构0、壳体1、超声电机2、凸轮运动机构3、血液腔4、传感器模块5、控制器6、定子7、转子8、轴承9、轴承套10、预紧力调整卡簧11、端面凸轮12、直线导轨13、滚子14、滚子轴15、弹簧16、导杆17、压板18、推板19、安装块20、弹性薄膜21、血腔盖22、人工心脏瓣膜23、血液腔输入口24、血液腔输出口25、霍尔位置传感器26、压力电阻应变传感器27与检测点28。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-3所示，本实施例包括：控制器6、压板18、壳体1以及由上而下依次设置于其内部的血液腔4、凸轮运动机构3、传感器模块5和超声电机2，其中：压板18固定于壳体1上部，凸轮运动机构3的上下两侧分别与血液腔4和超声电机2固定连接，传感器模块5与壳体1内壁及凸轮运动机构3固定关联，控制器6置于壳体1外并通过导线与壳体1内部的传感器模块5和超声电机2相连接以接收运动信号并输出控制指令。

所述的凸轮运动机构3包括：端面凸轮12、推板19和两组导向机构0，其中：端面凸轮12的下表面与超声电机2的转子8固定连接，推板19的上表面与血液腔4的下表面固定连接，两组导向机构0对称固定设置于壳体1内部并与推板19固定连接后与端面凸轮12相接触。

所述的两组导向机构0的顶部与压板18固定连接。

所述的导向机构0包括：安装块20、竖直设置于安装块20上的直线导轨滑块机构13、弹簧16和导杆17以及水平设置于安装块20上的滚子14和滚子轴15，其中：滚子14套置于滚子轴15上且与端面凸轮12的上表面接触，滚子轴15的另一端与推板19侧边固定连接，直线导轨滑块机构13的直线导轨对置安装在壳体1的内侧侧壁且其对应的滑块与安装块20外侧固定连接，弹簧16套接于导杆17上且分别与压板18及安装块20相接触以实现滚子14与端面凸轮12的上端面始终接触。

所述的端面凸轮12的底面与转子8的轮缘直接固定连接。

所述的端面凸轮12为变高度筒形结构，其外表面在凸轮线最底部位置与凸轮线最顶部位置分别布置一与两个检测点28，所述的检测点28通过高磁导率材料、永磁铁或通孔实现，当端面凸轮12旋转运动时，检测点28会改变霍尔位置传感器26正对区域的磁场强度，使霍尔位置传感器26感应出其正对区域的检测点数量，并判断凸轮正转动到顶部亦或底部位置，实现对凸轮12运动位置的检测。

所述的安装块20为瓦片型结构，其外圆弧面上设有缺口以安装滑块，其内圆弧面上设有沉孔以安装滚子轴15，其上端面上设有通孔以穿过导杆17。

安装时所述的端面凸轮12的底面与转子8的轮缘固定连接；在推板19的一侧，滚子轴15一端与推板19，另一端与安装块20内侧固定连接，滚子14套在滚子轴15上并与端面凸轮12的上表面接触；在推板19的另一侧，滚子14、滚子轴15和安装块20按照与前所述的同样的方式相连接；两根直线导轨13平行对置安装在壳体1内侧侧壁，并将两根直线导轨13的滑块分别与两块安装块20外侧固定在一起；压板18固定于壳体1的上表面，两根导杆17套上弹簧16，分别穿过两块安装块20上的通孔，垂直固定在压板18下表面与壳体1内侧底部之间，同时使弹簧16的两端分别压在压板18的下表面和安装块20的上表面上。

所述的超声电机2包括：定子7和转子8，其中：带轮缘的平底碗型结构的转子8与端面凸轮12的底部固定连接，定子7设置于转子8的平底碗型结构内部并与壳体1底部固定连接。

所述的转子8的底部中心位置设有一伸出轴，该伸出轴外套有轴承9及轴承套10，伸出轴的底端设有预紧力调整卡簧11；该伸出轴与转子8一体加工而成。

所述的定子7上设有导线作为驱动超声电机2的驱动电源线，该导线与控制器6相连。

安装时所述的定子7的下表面被固定在壳体1的内侧底部；转子8压在定子7上方，使定子7位于转子8的平底碗型结构内部；转子8的伸出轴从壳体中心位置穿出，轴承9与轴承套10依次从壳体1外侧底部套入转子8的伸出轴上；预紧力调整卡簧11安装在转子8伸出轴末端的安装槽上并与轴承套10相接触。

在血泵运行过程中，若发现超声电机2运行不顺畅或输出力矩达不到要求，可根据需要在预紧力调整卡簧11与轴承套10之间加垫0.1mm的弹簧钢垫片，以增加超声电机预紧力。

所述的血液腔4包括：弹性薄膜21、人工心脏瓣膜23以及带有血液腔输入口24和血液腔输出口25的血腔盖22，其中：弹性薄膜21的外延及下表面分别与血腔盖22和推板19相连接，血液腔输入口24和血液腔输出口25上均设有人工心脏瓣膜23。

所述的弹性薄膜21呈带轮缘的平底，可采用硅橡胶或聚氨酯材料，并考虑其有足够的弹性模量和良好的血液相容性，在必要时可做表面改性。

所述的血腔盖22呈平底碗型结构，所述的血液腔输入口24和血液腔输出口25通过在血腔盖22外表面侧面沿切线方向伸出两根斜向的通管实现，该通管的端部加工有外丝管螺纹。

所述的血腔盖22在选择材料时应考虑其有足够的刚度和良好的血液相容性，在必要时可做表面改性。

所述的血液腔输入口24和血液腔输出口25上均设有宝塔接口，该宝塔接口的内部设有内丝管螺纹。

所述的人工心脏瓣膜23可选用机械式的主动脉瓣，但并不局限于机械瓣，安装时应注意两个人工心脏瓣膜23拥有不同的开启方向，保证血液的单向流动。

所述的传感器模块5包括：霍尔位置传感器26与压力电阻应变传感器27，其中：霍尔位置传感器26与压力电阻应变传感器27分别固定设置于壳体1内侧侧壁与凸轮运动机构3的推板19上并分别与控制器6相连接以输出运动信号。

所述的霍尔位置传感器26的检测对象为端面凸轮12外表面布置的检测点28；压力电阻应变传感器27的检测对象为血液腔4的充盈量。传感器模块5上的导线可从血泵壳体1上的特定开口引出，与壳体1外的控制器6相连。

所述的霍尔位置传感器26用于在血泵工作过程中检测凸轮12所转到的位置，通过后续软件处理还得到超声电机2的平均转速与旋转方向。

所述的压力电阻应变传感器27的有效测量区域与血液腔4下表面始终接触，在血泵充盈期时，压力电阻应变传感器27所受的正压力与血液腔内血液充盈的多少相关联，以实现在血泵充盈期对血泵充盈量的检测。

所述的控制器6根据接收到的运动信号按照预存的控制算法输出指令至超声电机2进行闭环控制。

本实施例通过以下步骤进行具体工作：控制器6按照一定策略控制超声电机2中的定子7，使转子8产生旋转运动。转子8将旋转运动传递给端面凸轮12，使凸轮运动机构3中的推板19按照一定规律上下运动。由于推板19的上表面与血液腔4的弹性薄膜21下表面相连接，因此当推板19从最低处向上运动时，血液腔4容积变小，内部压力增加。此时，位于血液腔输出口25的人工心脏瓣膜23打开，位于血液腔输入口24的人工心脏瓣膜23关闭，血液从血液腔4输出口25流出，血泵射血。当推板19从最高处向下运动时，弹性薄膜21随推板19向下运动，血液腔4容积变大，内部产生负压。此时，位于血液腔输入口24的人工心脏瓣膜23打开，位于血液腔输出口25的人工心脏瓣膜23关闭，血液从血液腔输入口24进入血液腔4，血泵充盈。在血泵工作的过程中，控制器6采集并处理霍尔位置传感器26与压力电阻应变传感器27输出的信号，监测血泵的运动状态并对血泵进行闭环控制，使血泵按照实际人体心室泵血规律泵送血液。

Claims

1.一种可植入搏动式心室辅助血泵，其特征在于，包括：控制器、压板、壳体以及由上而下依次设置于其内部的血液腔、凸轮运动机构、传感器模块和超声电机，其中：压板固定于壳体上部，凸轮运动机构的上下两侧分别与血液腔和超声电机固定连接，传感器模块与壳体内壁及凸轮运动机构固定关联，控制器置于壳体外并通过导线与壳体内部的传感器模块和超声电机相连接以接收运动信号并输出控制指令；

所述的凸轮运动机构包括：筒形结构的端面凸轮、推板和两组导向机构，其中：端面凸轮的下表面与超声电机的转子固定连接，推板作为凸轮运动机构的从动件与血液腔弹性薄膜部分置于筒形凸轮内部，推板的上表面与血液腔的下表面固定连接，两组导向机构对称固定设置于壳体内部并与推板固定连接后与端面凸轮相接触。

2.根据权利要求1所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的导向机构包括：安装块、竖直设置于安装块上的直线导轨滑块机构、弹簧和导杆以及水平设置于安装块上的滚子和滚子轴，其中：滚子套置于滚子轴上且与端面凸轮的上表面接触，滚子轴的另一端与推板侧边固定连接，直线导轨滑块机构的直线导轨对置安装在壳体的内侧侧壁且其对应的滑块与安装块固定连接，弹簧套接于导杆上且分别与压板及安装块相接触以实现滚子与端面凸轮的上端面始终接触。

3.根据权利要求1或2所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的端面凸轮为变高度筒形结构，其外表面特定位置上设置若干检测点，且检测点数量随凸轮位置的不同而变化，当端面凸轮旋转运动时，通过检测点改变霍尔位置传感器正对区域的磁场强度获取检测点数量信息以实现凸轮运动位置的检测。

4.根据权利要求3所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的检测点通过在凸轮上设置高磁导率材料、永磁铁或通孔实现。

5.根据权利要求2所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的安装块为瓦片型结构，其外圆弧面上设有缺口以安装滑块，其内圆弧面上设有沉孔以安装滚子轴15，其上端面上设有通孔以穿过导杆。

6.根据权利要求1所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的超声电机包括：定子和转子，其中：带轮缘的平底碗型结构的转子与端面凸轮的底部固定连接，定子设置于转子的平底碗型结构的内部并与壳体底部固定连接。

7.根据权利要求6所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的转子的底部中心位置设有一伸出轴，该伸出轴外套有轴承及轴承套，伸出轴的底端设有预紧力调整卡簧；该伸出轴与转子一体加工而成。

8.根据权利要求1所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的血液腔包括：弹性薄膜、人工心脏瓣膜以及带有血液腔输入口和血液腔输出口的血腔盖，其中：弹性薄膜的外延及下表面分别与血腔盖和推板相连接，血液腔输入口和血液腔输出口上均设有人工心脏瓣膜。

9.根据权利要求8所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的弹性薄膜和血腔盖均为带轮缘的平底碗型结构，所述的血液腔输入口和血液腔输出口通过在血腔盖外表面侧面沿切线方向伸出两根斜向的通管实现。

10.根据权利要求1所述的可植入搏动式心室辅助血泵，其特征是，所述的传感器模块包括：霍尔位置传感器与压力电阻应变传感器，其中：霍尔位置传感器与压力电阻应变传感器分别固定设置于壳体内侧侧壁与凸轮运动机构的推板上并分别与控制器相连接以输出运动信号，压力电阻应变传感器的有效测量区域与血液腔下表面始终接触以实现在血泵充盈期对血泵充盈量的检测。