CN1037278A - 人工心脏 - Google Patents

Abstract

弹性膜(12、13)将壳体(2)分成三个小室(14、15、 16)，其中两个是端部小室(14、15)用作心室，而中心 室(16)用来安置传动系统。传动系统由两个相互对 称安置的密闭的膜盒(21、22)所组成，其中装有带磁 轭(32、35)的电磁铁。中心室内充以生物惰性液体 介质以将力传递到弹性膜(12、13)上，于是心室的体 积发生变化而泵动血液。本发明的人工心脏因特殊 的传动系统的结构而使其体积小，热传导好，效率 高。

Description

本发明属于医疗技术领域，即在哺乳动物，例如人或牲畜的机体中代替整个天然心脏用的人工心脏。

目前所存在的技术问题是对人工心脏如何建立传动机构，这种人工心脏具有尽可能少的机械元件，但工作时却会产生很大的摩擦力;此外即如何提高工作效率以便增加人工心脏的可靠性和耐用性。

不论是人或是牲畜一类的哺乳动物的心脏本质上都是一个泵，以便用来将血液泵入布满整个机体的血管系统中去，保证各个重要器官得到供给以维持生命。为此对人工心脏提出了极为严格的工作可靠性和稳定性的要求，以便血管系统等里面的血压维持在所需要的程度上不变。要实现这些条件首先就应使心脏的活动结构元件的传动不仅高度可靠而且元件体积小，结构简单并便于系统的控制及调节。

现有的一系列不同结构的人工心脏为已知技术。

例如美国专利NO.4167046（1979、9、11公告）描述了具有两个独立心室的人工心脏，其中各个心室都有一个用弹性材料制成的球状外壳，并用板和推杆来压缩这个人工心室，另有一个园柱形线圈，使得板和推杆能够动作。当其中的芯柱运动时就通过连杆和弹簧将力作用到上述推杆上去。相似的结构还保证了人工心脏中所接受的血液输送到与之相连的血管系统中去。

由于在传动系统中有连杆传递系统所以就会产生应力集中，从而降低人工心脏工作的可靠性并缩短寿命。此外，大量的活动另件工作时互相磨损会使调节失灵，使这类人工心脏的可靠性降低。还应注意到另一种缺点，即板和推杆直接和人工心室的壁紧靠在一起，致使其易于磨损和破坏。最后还有如何保证传动的冷却也是一个大问题，所有这些缺点都使上述人工心脏难于实际应用。

人工心脏中的部分上述缺点已由美国专利NO.4213207（1980.7.22公告）所克服，其要点为其中按园柱形线圈原理工作的泵。这种人工心脏有一个空心的刚性园柱形元件，在其两个端面上开有输出和输入孔，并用非磁性材料制成。各个孔上都装有逆向活门，以便血液能分别自这个园柱体流进和流出。园柱体内的小球或者吸住或者浮起，由电流通过园柱形线圈绕组而产生的磁场交替地作用在园柱体的两个端部，使小球在其中摇摆而泵动血液。小球和内壁之间有一间隙以保证血液在其中有些回流，从而使每个行程中小球都能受到清洗。利用脉冲电流的脉宽、振幅，频率的变化来实现人工心脏的调节。这样，美国专利NO.4213207所述的人工心脏实际上是没有相互作用的机械另件的，因此就不存在冷却问题，所以工作可靠、调节简单。但是这种人工心脏的根本缺点是作为园柱形线圈铁芯的小球直接作用在血液之中，改使血液的要素受到破坏而影响其生物化学成分，此外，线圈的供电电源在整个心收缩期中都在工作，因此传动效率很低。

英国专利NO.1468885描述了一种更为完善的人工心脏。这种人工心脏有一个隔成三个小室的、用弹性膜制成的外壳，两个边室的中间是一个中心室。两个边室用作心室，而中心室则安装带控制系统的传动装置。传动装置乃是一电动机，它交替地推动弹性膜以便改变相应的心室的体积而血液则因此而供到血液循环系统中去或进到人工心脏中来。这样的结构可以最充分地利用人工心脏所占有的空间，而且也不会对血液的成分产生不利影响，但这种结构还是有一定的缺点的，比如，这种结构中的推杆和弹性膜相互直接作用，以致在膜的固定部位上形成应力集中而加速了弹性膜的磨损，而且也会在较小的程度上引起血液要素的破坏。应该考虑到，带有连续运行电动机的传动装置与园柱形线圈传动相比，在任何复杂的控制系统下工作时间寿命很短，效率也低。

本发明的任务是要建立一种人工心脏的传动系统，减少其中工作机械另件的数量（它们产生很大摩擦力）;同时也降低对血液成分的影响，以便使人工心脏工作时的耐久性，整体可靠性和效率都得到提高。

上述任务的解决方法是在人工心脏中包括一个壳体，它被两个弹性膜分隔成三个小室，两个边室用作心室并与血循环系统相连通，一个位于两个边室之间的中心室内装有推动弹性膜的传动系统。按照本发明的传动系统由两个同轴的互相联接的膜盒所组成，用内部盖子加以密封，盖子端面对着弹性膜安放着，膜盒用环状隔板固定在壳体的中心室的内壁上。隔板将中心室隔成两个密闭腔，还有两个各自固定在相应的膜盒上的电磁铁，每个电磁铁还有与膜盒盖相连的磁轭，以便当相应的电磁铁通电时与之一起移动，此时中心室的内腔充满着生理惰性流动介质，于是当膜盒运动时，弹性膜发生移动，而膜盒则为流动的电介质所充满。

本发明提出的人工心脏的结构的优点在于能避免弹性膜与传动系统可动另件之间的直接相互机械作用，也就不会对弹性膜有急骤的机械作用，而是产生柔软的均匀分布的负荷而没有流体作用的应力集中。因此，降低了弹性膜的磨损，提高了人工心脏的寿命。应该指出，譬如存在着流体介质这种重要的因素，就保证了人工心脏运动另件的减震作用，因此就消除了人工心脏工作时的冲击和操声，这样就提高了本发明提出的人工心脏的舒适性。本发明提出的电磁装置保证整个传动系统在电源的电流密度很大时工作在功率提升状态。因为电磁铁放出的热能通过电磁铁就放在其中的流动着的电介质和中心室中流动着的介质而传递到血液中去了，所以冷却条件就很好，于是就保证了效率的大幅度提高。膜盒应该固定连接在其中的平板上，使膜盒中的空腔被此平板分隔成两个小舱，板上的孔使两个小舱之间能够联通。为了使传动系统取得更高的工作效率，每个磁轭应该被安装成可活动的，它们用位于平板和盖之间的弹簧压紧在相应的膜盒的盖上。

因为膜盒的位移只需用磁轭的半个行程就能实现，因此磁轭的工作行程成倍的减少，而所要求的吸引磁轭的力约降低4倍;因为电磁铁的吸引力约与其运动距离的平方成反比。在这种情况下传动系统的效率就可以得到进一步的提高。上述工作状态靠弹簧的存在得以保证，因为弹簧能够储存和放出能量而且不需要电磁铁消耗能量。凭藉弹簧所储存的能量使磁轭只需作部分位移而缩短了工作时间，减少了线圈绕组中的热损失，所有这些都使工作效率进一步提高了。

本发明可以用下列实现人工心脏的实施例和局部剖面的轴侧图来进一步加以描述。

在详细描述之前还必需指出，所有与血液或周围组织直接接触的人工心脏的另件以及位于人工心脏壳体内的流动介质都是由生物上惰性的物质制成的。

整个图面所表示的人工心脏1包括一个带有法兰3和4的壳体2，和带有管子7、8的上盖5及带有管子9的下盖6，这些管子用来使人工心脏与受血者血管系统相连，（另有一个管子位于下盖上而在图中未予表明）。盖子5和6也分别有法兰10和11，壳体2上还装有两个用弹性材料制成的膜12和13，其周边分别被紧紧地压在法兰3、上盖法兰10之间和法兰4、下盖法兰11之间。在法兰10、3和11、4的外缘表面用焊接或其它方法相互固定住，以便将夹在其中的弹性膜12和13牢牢地夹紧。弹性膜12和13应在上述位置中牢固地固定在法兰之间，在人工心脏工作过程中弹性膜多次位移也不应从封端中脱落出来。这两片弹性膜12和13将壳体2的内腔分成三个小室14、15和16，其中两个小室14和15是在两端用作人工心脏1的心室，并由盖子上的管子与受血者血管系统相通。在所述的实施例中，小室14相当于心脏舒张，而小室15则相当于心脏收缩。位于弹性膜12和13之间的壳体部分5就是中心室16，用于安置人工心脏的传动系统（将在下文详述），它被环形隔板17分成两个空腔18和19，这块环形平隔板在本实施例中用来安装传动系统20，并将人工心脏的壳体的内腔予以间隔开。传动系统20是由两个膜盒21和22形成的，它们的两个端面相对安置，同轴固定在环形隔板17上，同时膜盒的另一个朝向弹性膜12和13的端面则用盖子23和24密封固定住，以致膜盒实际上形成相互隔开的两个小舱25和26，由于孔27和28的存在使充满两个膜盒之中的流体电介质在压缩任何一个膜盒时都能在两个小舱之间相互流通。每个小舱中放着一个电磁铁：在膜盒21的小舱中电磁铁由导磁体30、绕组31和磁轭32所组成;而在膜盒22中的电磁铁由导磁体33，绕组34和磁轭35所组成。这两个电磁铁同轴相对地安置在环形隔板17的两边。分别放在隔板17及两个磁轭之间的弹簧36和37使磁轭32和35受弹簧的作用而积聚能量，由此而使所述的人工心脏能很好工作，下文将详细加以描述。

中心室16中充以生物惰性的流体介质，最好是液体，尤其是生理溶液，其具体成分对本领域技术人员而言是显而易见的，但在本结构中这种介质应保证弹性膜能平稳运动，并起阻尼作用而消除作用在弹性膜的某些部位上的应力集中，这样就会如已提到的，并将更为清楚表述的那样是本发明人工心脏中特别重要的一点。

人工心脏实施方案的工作原理简要描述如下：

如图所示的状态作为我们研究人工心脏某个循环中的起始位置，在膜盒21中电磁铁的绕组31已经通电（电源在图中未表示），因此，磁轭32吸向电磁铁而弹簧36受压缩。此时，另一电磁铁的绕组34中未通电，磁轭35上除了弹簧37的剩余力之外并未作用任何别的力，以致弹簧37的力作用到膜盒22的盖子上。这样，在磁轭35和电磁铁33的端面之间有一个间隙δ₂₁（图中未加标注），而磁轭32连同膜盒21的盖子23却位于导磁体30的上端面上，使上膜盒21的内腔容积小于下膜盒22的内腔容积，但标号为18的腔体的容积却始终和标号为19的腔体的容积相等。这样端部小室14，亦即一个心室的容积最大，而端部小室15，亦即另一个心室的容积最小。

下一个阶段是绕组31断电。于是电磁铁的吸力消失，受压弹簧36的力得以释放，并通过磁轭32作用到膜盒21的盖子23上，膜盒21开始张开，膜盒22内腔中的液体通过孔27和28流向膜盒21的空腔中去，因此膜盒22和弹簧37就受压而使磁轭35亦即盖子24与导磁体端表面之间的间隙δ₂₂减小。于是弹性膜12和13就产生位移，小室14的容积减少，小室15的容积增加。亦即使各心室中的血液即可通过活门（图中未表示）而泵出或泵入。

在所述的人工心脏这个工作阶段时两个弹簧的合力减少，整个系统（如不考虑惯性力的话）趋于平衡，亦即当两个绕组都停止供电时，运动将停止在两个间隙δ₂₁和δ₂₂相等的状态。为了不出现这种状态，须在绕组31断电整个系统到达平衡之前，即向绕组34供电，于是磁轭35将完全被电磁铁33的端部吸住而使δ₂₂＝0，而δ₂₁＝0.5δ₂₁起始时。弹簧37受压，而弹簧36释放并推动磁轭32和盖子23，小室14就产生心室收缩，小室15就产生心室舒张，膜盒将继续拉长直到磁轭35靠住电磁铁33的端部为止。在这种情况下上膜盒21的内腔容积是最大，而下膜盒22的内腔容积是最小。端部小室14容积是最小而端部小室15的容积是最大。

这样人工心脏的工作就完成了一个完整的周期，并继续重复下去。

我们已经描述了人工心脏的最佳实施方案，同时还能有若干种改进，但都未超出本发明的本质。比如，膜盒21和22可以焊接而成并在其中沿着焊缝安置一块平板（图中未表示），膜盒就固定在其上，上面还有类似于孔27和28那样的孔。并在这些膜盒的外面再固定有一个特殊的环形平板，作为隔板将中心室16分成两个内腔。磁轭32和35可以与膜盒的盖子连接在一起。

电磁铁的电源系统并未专门叙述，因为电源并未涉及发明的本质，这可以利用外部电源，也可以利用直接安置在膜盒内部的电源，尤其可以考虑采用近期出现的长效微型电源。

本发明的人工心脏可以用常用的材料制成比如采用塑料或钛及其合金制成。本发明的人工心脏允许大大提高脉冲电流密度，由于电磁铁的磁轭的行程可以成倍地减少所以可以藉流体介质保证得到很好的冷却。重量和体积的减少提高了受血者的舒适性。效率的提高促使寿命也可以提高。由于防止了人工心脏工作时的急骤冲击也扩大了实际应用的可能性。人工心脏的上述实施例曾经成功地安装在幼犊身上。

Claims (5)

1、一种人工心脏包括一个被两块弹性膜(12、13)分成三个小室(14、15、16)的壳体(2)，两个端部小室用作心室并与血管系统相通，一个位于此两端部小室之间的中心室(16)，其中安置着推动弹性膜的传动系统，其特征在于：传动系统(20)由两个相互同轴而密封相联的膜盒(21、22)，并有两个正对着弹性膜而将膜盒密封住的盖子(23、24)构成，膜盒固定在中心室(16)的环形隔板(17)上，该隔板将中心室(16)分隔成两个密闭内腔(18、19)，两个电磁铁(30、31、32、33、34、35)分别被固定在相应的膜盒(21、22)中，当电磁铁通电时与盖子(23、24)相互联在一起的磁轭(32、35)即与盖子一起发生位移，中心室内充以生物惰性的流体介质，而膜盒内部则充以流体电介质。

2、一种按权利要求1所述的人工心脏，其特征在于：两个膜盒固定在位于膜盒内腔的两个膜盒相联而成的平面处的平板上，并将膜盒（21、22）的内腔的分隔成两个小舱（25、26），通过在该平板上的孔可使所说的两个小舱相通，该平板上坝写谱榈牡绱盘?

3、一种按权利要求2所述的人工心脏，其特征在于：用于固定电磁铁的平板和将中心室分开的隔板可以做成一个整体。

4、一种按权利要求2所述的人工心脏，其特征在于：每个磁轭都是安装成可活动的，并由位于平板和盖子之间的弹簧（36、37）将磁轭压紧在膜盒的盖子（23、24）上。

5、一种按权利要求2所述的人工心脏，其特征在于：每个磁轭与对应膜盒的盖子固定联接。