CN103768670B - 一种人工心脏电源管理系统及其管理方法 - Google Patents

一种人工心脏电源管理系统及其管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种人工心脏电源管理系统，包括血泵，设置在人体内，控制器的输出端口连接所述血泵的输入端口，电源连接所述控制器的输入端口，所述电源由第一电池、第二电池和/或市电适配器组成；所述控制器包括第一输入端口和第二输入端口；所述第一电池的放电端口连接所述控制器的第一输入端口；所述第二电池的放电端口连接所述控制器的第二输入端口；所述市电适配器，连接所述第一电池的充电端口或所述第二电池的充电端口。本发明提供的双电源管理方案，不会发生单一电源供电的情形。同时，保证了不会由于充电拔插导致关键端口老化失效。本发明提供了一种人工心脏电源管理方法，尤其适用于人工心脏等有源植入式医疗器械应用场合。

Description

一种人工心脏电源管理系统及其管理方法
技术领域
本发明涉及人工心脏技术领域，更具体地说，涉及一种人工心脏电源管理系统及其管理方法。
背景技术
有源植入式医疗装置与器械在医疗领域发挥了重要的作用。以人工心脏为典型代表的有源植入式医疗装置要求不间断地能量供给，且要满足人体移动要求，因此必须采取外部电源、电池混合供电系统。外部电源常常来源于不可靠的市电供应，而电池的续航能力非常有限，因此如何在此基础上设计出高可靠的人工心脏供电系统与方法就是事关生命安危的重要问题，这一问题的解决也对有源植入式医疗器械的发展有重要意义。
人工心脏系统研究与发展已经有了几十年的历史，其人工心脏血泵结构(如专利99126259心室辅助循环的方法及其装置)和控制技术也不断有新的方案出现(如专利200910081435多模式心室辅助血泵控制器)。在人工心脏电源管理方面相关专利较少。为了防止触电有人提出了隔离方案(专利201010554518用于人工心脏系统的电隔离模块)。在其它领域有一些类似方案可以借鉴(如专利200910107128双电池控制方法，200610130086双电源自动转换开关控制装置，200880115876双电源系统，以及200910141113，201010216575，201110235549等等)，但这些方案大多是针对电池效能管理或者主要是给设备供电情况下的方案。针对人工心脏特殊对象，采取市电、电池混合供电，满足人体移动的要求，高可靠性的不间断电源管理结构方案和管理方法还不多见。
人工心脏电源管理要满足单一故障可靠性要求。单一故障可靠性要求是指单一电源发生故障时，人工心脏仍旧能够正常工作。
现有的人工心脏通常采用双电源供电方案，如图1所示。电池3、电池4给控制器2供电。控制器2驱动人体内的血泵1的运转。如当电池3电能耗尽时，将电池与控制器2的端口Ia断开，然后连接到市电适配器6上充电。将充好电的电池7连接到控制器2的端口Ia。电池4的更换方式与电池3类似。当然也可以用市电适配器6直接连接控制器2的端口Ia或者Ib进行供电。
这一方案存在2个风险。1)当更换电池时，控制器就只有一个电池供电。如果当前供电的电池发生了故障，则人工心脏就会停止运转，不满足单一故障可靠性要求。2)目前技术条件下，电池电量只能维持一天左右的工作时间，这意味这每天都要拔插控制器的端口一次。频繁的拔插会导致控制器端口老化失效，失效后系统只有一个电池供电，不满足单一故障可靠性要求。并且，在单一电池电能耗尽前对控制器端口进行维修也难以实现。
另外，通常控制器需要与监视器进行通讯，这需要在控制器上保留一个通讯端口Ic，也增加了控制器的体积和防水处理的难度，降低了系统的可靠性。
针对以上问题有如下两种容易想到的改进方案，也是大多数人工心脏实际使用的方案。
1)一种改进的方案是在控制器上增加第四个端口Id连接市电适配器，利用控制器对电池进行充电，电池就不用频繁取下。这一方案的缺点在于不连接市电适配器时，控制器上有一个空置的端口，这造成控制器小型化和防水非常困难，同时将端口老化损坏的风险转嫁到了第四个端口上。
2)另一种方案是在控制器内部再增加一块备用电池。这样保证同一时刻总有两个电源供电。这一方案的缺点在于备用电池装在控制器内部会发热，且损坏了也难以更换，控制器的体积难以缩小，备用电池续航时间极其有限，总体上收益不大。
上述两种方案都需要额外增加端口或电池，无法兼顾小型化和可靠性要求，也没有从根本上解决控制器端口老化损坏的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够有效管理人工心脏电源的系统和方法使人工心脏的电源不断电，不需要额外增加端口和电池，节省成本延长使用寿命。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种人工心脏电源管理系统，包括血泵，设置在人体内，控制器的输出端口连接所述血泵的输入端口，电源连接所述控制器的输入端口，所述电源由第一电池、第二电池和/或市电适配器组成；所述控制器包括第一输入端口和第二输入端口；
所述第一电池的放电端口连接所述控制器的第一输入端口；
所述第二电池的放电端口连接所述控制器的第二输入端口；
所述市电适配器，连接所述第一电池的充电端口或所述第二电池的充电端口。
优选的，还包括，监视器，连接所述第一电池或第二电池，且不能同时与所述市电适配器连接相同的电池。
优选的，所述监视器包括 第三输入端口和第三输出端口，所述市电适配器连接所述监视器的第三输入端口，所述第三输出端口连接所述第一电池或第二电池。
优选的，所有端口之间通过电缆连接。
优选的，所述电缆中包括具有SMbus协议的通讯线。
一种人工心脏电源管理方法，包括：
S1）控制器接收来自电池的电量信号，并判断是否进行充电，如果是则将市电适配器连接至第一电池的充电端口或第二电池的充电端口；如果否则进行步骤S2）；
S2）控制器的第一输入端口和第二输入端口分别接受来自第一电池的放电端口和第二电池的放电端口放出的电能并由所述控制器的输出端口将所述电能输送给血泵；所述第一电池的充电端口和所述第二电池的充电端口关闭。
优选的，在步骤S1）和步骤S2）之间还包括，S1'）控制器接收血泵的工作信号，并判断血泵是否工作异常，如果是，则由监视器所述第一电池或所述第二电池连接，由市电适配器连接所述监视器或电池为所述监视器供电；如果否则进入步骤S2）。
优选的，所述监视器包括 第三输入端口和第三输出端口，所述市电适配器连接所述监视器的第三输入端口，所述第三输出端口连接所述第一电池或第二电池。
优选的，所述市电适配器连接第一电池或所述第二电池时，能够为任意一块电池充电。
优选的，充电时，所述第一电池和/或所述第二电池的放电端口释放的电能均为市电适配器传递的电能。
本发明提供了一种人工心脏电源管理系统，包括血泵，设置在人体内，控制器的输出端口连接所述血泵的输入端口，电源连接所述控制器的输入端口，所述电源由第一电池、第二电池和/或市电适配器组成；所述控制器包括第一输入端口和第二输入端口；所述第一电池的放电端口连接所述控制器的第一输入端口；所述第二电池的放电端口连接所述控制器的第二输入端口；所述市电适配器，连接所述第一电池的充电端口或所述第二电池的充电端口。本发明提供了一种双电源管理方案，由第一电池、第二电池和/或市电适配器为控制器供电，该方案保证在任意时刻都不会发生单一电源供电的情形，因此就避免了单一电源故障引起的人工心脏失效。同时，本发明所述方案也保证了不会由于充电拔插导致关键端口老化失效。本发明给出了一种高度可靠的不间断电源管理方案，尤其适用于人工心脏等有源植入式医疗器械应用场合。
本发明还提供了一种人工心脏电源管理方法，S1）控制器接收来自电池的电量信号，并判断是否进行充电，如果是则将市电适配器连接至第一电池的充电端口或第二电池的充电端口；如果否则进行步骤S2）；S2）控制器的第一输入端口和第二输入端口分别接受来自第一电池的放电端口和第二电池的放电端口放出的电能并由所述控制器的输出端口将所述电能输送给血泵；所述第一电池的充电端口和所述第二电池的充电端口关闭。本发明提供的方法在使用时控制器可以判断电量，通过充电而不断电，使人工心脏一直保持双电源，不会由于电源问题而导致人工心脏停止工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1现有的人工心脏电源方案；
图 2本发明实施例提供的临床手术时电源管理系统的连接方法；
图 3本发明实施例提供的日常生活时电源管理系统的连接方法；
图4本发明实施例提供的回院检查时电源管理系统的连接方法；
图 5本发明实施例提供的更换电池时电源管理系统的连接方法。
具体实施方式
本发明公开了能够有效管理人工心脏电源的系统和方法使人工心脏的电源不断电，不需要额外增加端口和电池，节省成本延长使用寿命。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种人工心脏电源管理系统，包括血泵，设置在人体内，控制器的输出端口连接所述血泵的输入端口，电源连接所述控制器的输入端口，所述电源由第一电池、第二电池和/或市电适配器组成；所述控制器包括第一输入端口和第二输入端口；所述第一电池的放电端口连接所述控制器的第一输入端口；所述第二电池的放电端口连接所述控制器的第二输入端口；所述市电适配器，连接所述第一电池的充电端口或所述第二电池的充电端口。
本发明提供的系统优选如图2所示。系统由6个部件组成，编号为1-6，部件的端口标出了输入I和输出O以示区分。部件之间通过如图2所示的电缆连接。1为人工心脏血泵，其功能是完成泵血；2为控制器，其功能为驱动血泵电机运转；3、4为电池，提供人工心脏及控制器所需的电能。5为监视器，用于检测系统的运行状态；6为市电适配器，用于从市电获取电能。电能经由各部件之间连接电缆表示电缆从左向右输送。通常，血泵1植入了人体内，控制器2紧贴人体佩戴，电池3、4紧贴人体佩戴。
图2所示为该系统所有连接方法中中的一种。跟据患者实际情况，需要不同的连接方法。佩戴人工心脏的患者需要经过以下几个阶段，不同阶段对应的系统连接也不相同。下表列出了几个典型的阶段和对应的部件连接方式，后文对其进行了描述。
阶段 名称 所需部件，()表示部件是可选的
S1 临床手术 6，5，4，3，2，1
S2 卧床恢复 (6)，(5)，4，3，2，1
S3 愈后生活 (6),4,3,2,1
S4 回院检查 (6),5,5,3,2,1
S5 更换电池 (6),5,4,2,1
在S1手术阶段，用图2方式连接系统。医生在进行手术操作时，专业人员通过监视器5监视整个系统的运行状态并根据医生的指令进行调整，系统供电由市电6、电池3和电池4提供，保证了供电的可靠性。
在S2术后恢复阶段，患者卧床，亦使用图2所示的方式连接系统。但患者当有小范围的移动时，将使用电池3，4来提供电能。
在S3愈后生活阶段，患者大部分时间自由活动，将使用电池3，4来提供电能。当电池电能耗尽时，患者须连接市电适配器6给电池充电。无论适配器6连接电池3还是电池4都是等效的，都会对电量耗尽的某一块电池充电。患者将市电适配器6连接电池3的端口I充电时，不需要将电池3与控制器2的连接Ia断开，因此不会发生单一电源供电的情形。当多次拔插引起了电池3的输入端口I损坏时，可以使用阶段S5所述方法更换电池。这有效的避免了控制器端口Ia的损坏。
在S4回院检查阶段，医生通过监视器5连接任意一块电池3或者电池4，连接方法如图4所示，来查看系统的运行状态，并在专业人员的帮助下作出诊断。当然也可以利用S1阶段的图2连接方法。
在S5个更换电池阶段，某一块电池（如电池4）经历了多次循环寿命即将结束，需要更换时，采用图5所示的方法连接系统。这时系统仍旧由市电适配器6与电池3双电源供电，保证了供电的可靠性。保证任意时刻双电源供电的具体操作方法是：首先连接市电适配器6与电池3，然后更换电池4，最后断开适配器6与电池3。
综上所述，本发明所述系统方案在任何情况下都不会有单一电源供电的情形，因此避免了电源部件单一故障引起人工心脏系统失效。本方案的电池充电连接方式，有效的避免了传统方案中电池充电频繁拔插损坏控制器端口的问题。因此，本发明给出了一种高度可靠的不间断电源管理方案。
根据以上不同情况下不同的连接方式，本发明还提供了一种人工心脏的电源管理方法，包括;
S1）控制器接收来自电池的电量信号，并判断是否进行充电，如果是则将市电适配器连接至第一电池的充电端口或第二电池的充电端口；如果否则进行步骤S2）；
S2）控制器的第一输入端口和第二输入端口分别接受来自第一电池的放电端口和第二电池的放电端口放出的电能并由所述控制器的输出端口将所述电能输送给血泵；所述第一电池的充电端口和所述第二电池的充电端口关闭。
按照本发明，在步骤S1）和步骤S2）之间还包括，S1'）控制器接收血泵的工作信号，并判断血泵是否工作异常，如果是，则由监视器所述第一电池或所述第二电池连接，由市电适配器连接所述监视器或电池为所述监视器供电；如果否则进入步骤S2）。所述监视器包括 第三输入端口和第三输出端口，所述市电适配器连接所述监视器的第三输入端口，所述第三输出端口连接所述第一电池或第二电池。所述市电适配器连接第一电池或所述第二电池时，能够为任意一块电池充电。充电时，所述第一电池和/或所述第二电池的放电端口释放的电能均为市电适配器传递的电能。
本发明实现了所述的S1~S6不同阶段的连接、变化且保证系统的持续供电。其中以下几点是关键因素。
(1)本发明所述的控制器2有两个输入端口Ia和Ib，这两个端口是完全等效的，无主辅之分。因此，控制器可以利用一个端口的电能对另一个端口的电池充电。
(2)本发明所述的电缆和端口内部内部除了电源线之外，还有通讯线。通过SMbus通讯协议，各部件可以互相通讯。控制器2可以获取电池3、4的电量，还可以得知电池有没有与电源适配器6连接。监视器5亦可以获知控制器2中的信息。
(3)本发明所述的电池3、4有输入I和输出O两个端口。输入I接受市电适配器6的电能，输出O向控制器2送出电能。当电池探测到连接了适配器6后，将不再送出自身的电能。
(4)本发明所述的监视器5有输入I和输出O两个端口。监视器5除了监视系统的状态之外，输入I接受适配器6的电能，输出O向控制器2送出电能。
以人工心脏为典型代表的有源植入式医疗装置要求不间断地能量供给，且要满足人体移动要求，因此必须采取外部电源、电池混合供电系统。外部电源常常来源于不可靠的市电供应，而电池的续航能力有限，因此如何在此基础上设计出高可靠的人工心脏供电系统与方法就是事关生命安危的重要问题。单一故障可靠性要求是指单一电源发生故障时，人工心脏仍旧能够正常工作。现有的方案一般采取双电源供电方法。但是，当一路电源断开（如电池取下充电）时，另一路电源如果发生故障系统就会失效，违反了单一故障可靠这一要求。另外，电池充电所要求的频繁拔插操作有引起端口老化失效的风险。本发明提供了一种双电源管理方案，该方案保证在任意时刻都不会发生单一电源供电的情形，因此就避免了单一电源故障引起的人工心脏失效。同时，本发明所述方案也保证了不会由于充电拔插导致关键端口老化失效。本发明给出了一种高度可靠的不间断电源管理方案，尤其适用于人工心脏等有源植入式医疗器械应用场合。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种人工心脏电源管理系统，包括血泵，所述血泵设置在人体内，控制器的输出端口连接所述血泵的输入端口，电源连接所述控制器的输入端口，其特征在于，所述电源由第一电池、第二电池和市电适配器组成；所述控制器包括第一输入端口和第二输入端口；所述第一电池的放电端口连接所述控制器的第一输入端口；所述第二电池的放电端口连接所述控制器的第二输入端口；所述市电适配器，连接所述第一电池的充电端口或所述第二电池的充电端口；还包括监视器，所述监视器包括第三输入端口和第三输出端口，所述市电适配器连接所述监视器的第三输入端口，所述第三输出端口连接所述第一电池或第二电池，且不能同时与所述市电适配器连接相同的电池。
2.根据权利要求1 所述的电源管理系统，其特征在于，所有端口之间通过电缆连接。
3.根据权利要求2所述的电源管理系统，其特征在于，所述电缆中包括具有SMbus 协议的通讯线。
4.一种人工心脏电源管理方法，其特征在于，包括：
S1）控制器接收来自电池的电量信号，并判断是否进行充电，如果是则将市电适配器连接至第一电池的充电端口或第二电池的充电端口；如果否则进行步骤S2）；
S2）控制器的第一输入端口和第二输入端口分别接受来自第一电池的放电端口和第二电池的放电端口放出的电能并由所述控制器的输出端口将所述电能输送给血泵；所述第一电池的充电端口和所述第二电池的充电端口关闭；
在步骤S1）和步骤S2）之间还包括，S1'）控制器接收血泵的工作信号，并判断血泵是否工作异常，如果是，则由监视器与所述第一电池或所述第二电池连接，所述市电适配器连接所述监视器并为所述监视器供电，或所述市电适配器连接所述电池，由电池对所述监视器进行供电；如果否则进入步骤S2）。
5.根据权利要求4所述的电源管理方法，其特征在于，所述监视器包括 第三输入端口和第三输出端口，所述市电适配器连接所述监视器的第三输入端口，所述第三输出端口连接所述第一电池或第二电池。
6.根据权利要求4所述的电源管理方法，其特征在于，所述市电适配器连接第一电池或所述第二电池时，能够为任意一块电池充电。
7.根据权利要求6所述的电源管理方法，其特征在于，充电时，所述第一电池和/ 或所述第二电池的放电端口释放的电能均为市电适配器传递的电能。
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