CN103446634A - 一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，属于生物医学工程领域。本发明包括体外驱动装置和位于升主动脉血管中的泵体，还包括体内空间自适应装置和体外力平衡装置，其中，体外驱动装置由驱动电机与径向充磁的永磁圆柱体组成，泵体为圆柱形外壳，壳内安装径向充磁的永磁体绞龙形叶轮；体内空间自适应装置由可旋转的、径向充磁的圆台形永磁体和密封的外壳组成；体外力平衡装置由径向充磁的永磁回转体与驱动电机组成。体内空间自适应装置补偿体外驱动装置与人工心脏泵体之间的传动角度和轴向位置的偏差，通过调整体外力平衡装置的位置和磁场力维持人工心脏泵体所受的磁场力平衡。

Description

一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统

技术领域

本发明涉及一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，属于生物医学工程领域。

背景技术

血泵已经逐渐成为了治疗心力衰竭的有效方法之一，但是在传统的血泵系统中，大多数采用内置电池或者经皮导线的方式来向体内血泵传送能量。但是不管是内置电池储能或者通过经皮导线能量传送都存在一些弊病。这些弊病主要表现在：对于内置电池方式，由于目前电池技术限制，不可能长时间为血泵系统提供能量，同时由于将整个血泵系统植入人体，增加了人体内部的异物体积，造成人体的排异反应的可能性大大增加，因此这类系统只适合短期辅助，不能够长时间连续运行；而经皮导线能量传递方式虽然可以解决系统连续运行的问题，但是由于导线会穿过人体皮肤，因此极其容易造成感染和排异反应，严重影响病人的生活质量。为了解决这些问题，专利99126258.1采用磁耦合原理设计人工心脏体外磁驱动系统。为了提高人工心脏的传递转矩，专利200910089092.4设计两级传动装置提高转矩的传递效率。虽然上面的发明一定程度上解决了人工心脏的体外驱动问题，但是这些发明存在以下三方面不足：第一，随着磁性材料技术的进步，目前的磁性材料已经能够为人工心脏提供足够的转矩，而无需采用专利200910089092.4设计的两级传动装置。第二，前面发明的驱动装置对于人工心脏的空间位置要求严格。上述驱动器要求其转动轴与人工心脏的转动轴平行，并且体外驱动装置的永磁磁体需要正对人工心脏。根据人体的解剖结构可知，一方面植入人体的人工心脏的转动轴与放置于体表的驱动装置的转动轴不平行，而是存在30°-60°的夹角；另一方面受到人体体形影响，很难实现体外驱动装置的永磁磁体正对人工心脏的需求。因此上述驱动装置无法可靠地驱动人工心脏。第三，之前发明的驱动装置会使人工心脏长时间受到指向驱动装置一侧的磁场力的吸引作用。这种磁场力的不平衡一方面会直接降低人工心脏的使用寿命，增加人工心脏部件的磨损程度和故障发生机率；另一方面会导致升主动脉长期受到人工心脏的牵拉作用，从而增加血管病变的风险。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，特别针对人工心脏的无接触式体外磁驱动系统中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，包括体外驱动装置和位于升主动脉血管中的泵体，该系统还包括体内空间自适应装置和体外力平衡装置，所述体外驱动装置由驱动电机与永磁圆柱体组成，其中永磁圆柱体径向充磁，驱动电机带动永磁圆柱体旋转产生变化的磁场；所述泵体为圆柱形外壳，其中安装绞龙形叶轮，该叶轮采用永磁体，并且径向充磁；所述体内空间自适应装置由圆台形永磁体和密封的外壳组成，该永磁体架装在外壳内，可旋转，并且径向充磁，其转轴与所述体外驱动装置的转轴在同一平面内；所述体外力平衡装置由永磁回转体与驱动电机组成，其中永磁回转体径向充磁，驱动电机带动永磁回转体旋转产生变化的磁场，它被放置于体外驱动装置转轴与体内空间自适应装置转轴所构成的平面内，顺序为体外驱动装置、体内空间自适应装置、体外力平衡装置。

为了提高影响力，所述体外驱动装置的永磁圆柱体、泵体的叶轮、体内空间自适应装置的圆台形永磁体、体外力平衡装置的永磁圆台体充两对以上的磁极，NS极交替排列，且磁极数为偶数。

为了提高系统的效率，所述泵体叶轮的轴线与所述体外驱动装置的转动轴线平行，且位于该两根轴线所构成的平面内的体内空间自适应装置的圆台形永磁体的一根腰线亦与该两根轴线平行。

为了适应更广的情况，所述体内空间自适应装置的圆台形永磁体的长度大于泵体的叶轮的长度。

作为优选，所述体外力平衡装置的永磁回转体为永磁圆台体。

作为优选，所述体内空间自适应装置的圆台形永磁体的圆台底面与腰的夹角在45°-135°之间。

本发明中的体内空间自适应装置被放置于胸腔内部可补偿体外驱动装置和人工心脏泵体之间的传动角度和轴向位置偏差；体外力平衡装置放置于人工心脏与体内空间自适应装置轴平面的反向延长面上，可维持人工心脏所受磁场引力平衡，从而保持人工心脏所受磁场力平衡，提高人工心脏的寿命，减小血管发生病变的几率。

附图说明

图1是本发明一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统的结构示意图。

图2是本发明中各永磁体的一种充磁方式的横截面示意图。

图中：1、体外驱动装置，2、体内空间自适应装置，3、泵体，4、体外力平衡装置，5、体表。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明人工心脏自平衡体外磁驱动系统做进一步详细说明。

本系统结构参考图1，由体外驱动装置1、泵体2、体内空间自适应装置3和体外力平衡装置4组成。

体外驱动装置由驱动电机与永磁圆柱体组成，驱动电机带动永磁圆柱体旋转产生变化的磁场，给泵体2提供动力。

泵体泵体为圆柱形外壳，其中安装绞龙形叶轮，该叶轮采用高剩磁的永磁体，并且径向充磁，与体外驱动装置产生的磁场发生相互作用，从而转动，带动血液流动。

体内空间自适应装置由圆台形永磁体和密封的外壳组成，该永磁体架装在外壳内，可旋转，并且径向充磁，其转轴与所述体外驱动装置的转轴尽量在同一平面内。圆台底面与腰的夹角在45°-135°之间，根据患者的体形和泵体的空间位置确定，以补偿体外驱动装置1与泵体2的传动角度偏差；体内空间自适应装置中的圆台形永磁体的长度大于人工心脏的长度，从而补偿体外驱动装置1与泵体2之间的轴向偏差。所以体内空间自适应装置能够补偿体外驱动装置与泵体之间的传动角度和轴向位置偏差，提高人工心脏的驱动可靠性。

体外力平衡装置由驱动电机与永磁回转体组成，永磁回转体优选圆台体。永磁回转体径向充磁，驱动电机带动永磁回转体产生变化的磁场。它放置于体外，位于体外驱动装置转轴与体内空间自适应装置转轴所构成的平面内，顺序为体外驱动装置、体内空间自适应装置、体外力平衡装置。体外力平衡装置的作用是平衡体外驱动装置和体内空间自适应装置对于泵体产生的磁场吸引力，保持泵体和血管的受力平衡。

由于体外驱动装置、泵体、体内空间自适应装置和体外力平衡装置之间存在磁耦合作用，因此，体外驱动装置的旋转能够驱动升主动脉血管中的泵体的叶轮转动，为人工心脏提供能量；而体内空间自适应装置和体外力平衡装置能够使前面二者运行稳定、平衡。

体外驱动装置、体内空间自适应装置和体外力平衡装置中的永磁体可采用具有高剩磁的钕铁硼材料，径向充磁，可以充一对，两对或者更多对磁极，NS极交替排列，但两对以上需是偶数对的磁极（如图2）。

图1的人工心脏自平衡体外磁驱动系统中，体外驱动装置、泵体、体内空间自适应装置和体外力平衡装置中所用的永磁体均采用两对磁极的径向充磁的钕铁硼N50材料制造，外径分别为34mm，20mm，20mm(上底面)～30mm(下底面)和50mm。体外驱动装置和体外力平衡装置所用的永磁体长度为50mm，泵体中叶轮所用的永磁体长度为20mm，体内空间自适应装置所用的永磁体长度为60mm，底面与腰的夹角为75°。体外驱动装置距离体内传动装置50mm，体内空间自适应装置距离人工心脏100mm，泵体距离体外力平衡装置140mm。经过测量整个系统能够保证人工心脏受到的转矩为0.2Nm，远远高于传统的传动方式；并且人工心脏受到的磁场吸引力平衡，净差为0.002N。

Claims (6)

1.一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，包括体外驱动装置和位于升主动脉血管中的泵体，其特征在于：该系统还包括体内空间自适应装置和体外力平衡装置，所述体外驱动装置由驱动电机与永磁圆柱体组成，其中永磁圆柱体径向充磁，驱动电机带动永磁圆柱体旋转产生变化的磁场；所述泵体为圆柱形外壳，其中安装绞龙形叶轮，该叶轮采用永磁体，并且径向充磁；所述体内空间自适应装置由圆台形永磁体和密封的外壳组成，该永磁体架装在外壳内，可旋转，并且径向充磁，其转轴与所述体外驱动装置的转轴在同一平面内；所述体外力平衡装置由永磁回转体与驱动电机组成，其中永磁回转体径向充磁，驱动电机带动永磁回转体旋转产生变化的磁场，它被放置于体外驱动装置转轴与体内空间自适应装置转轴所构成的平面内，顺序为体外驱动装置、体内空间自适应装置、体外力平衡装置。

2.根据权利要求1所述的一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，其特征在于：所述体外驱动装置的永磁圆柱体、泵体的叶轮、体内空间自适应装置的圆台形永磁体、体外力平衡装置的永磁圆台体充两对以上的磁极，NS极交替排列，且磁极数为偶数。

3.根据权利要求1或2所述的一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，其特征在于：所述泵体叶轮的轴线与所述体外驱动装置的转动轴线平行，且位于该两根轴线所构成的平面内的体内空间自适应装置的圆台形永磁体的一根腰线亦与该两根轴线平行。

4.根据权利要求3所述的一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，其特征在于：所述体内空间自适应装置的圆台形永磁体的长度大于泵体的叶轮的长度。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，其特征在于：所述体外力平衡装置的永磁回转体为永磁圆台体。

6.根据权利要求1或2或4所述的一种人工心脏自平衡体外磁驱动系统，其特征在于：所述体内空间自适应装置的圆台形永磁体的圆台底面与腰的夹角在45°-135°之间。

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