CN103845766B

CN103845766B - 非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统

Info

Publication number: CN103845766B
Application number: CN201410081699.9A
Authority: CN
Inventors: 方旭晨
Original assignee: SHANGHAI YANGPU SHIDONG HOSPITAL
Current assignee: SHANGHAI YANGPU SHIDONG HOSPITAL
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103845766A

Abstract

本发明公开了一种涉及医疗设备技术领域的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统。该非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统包括泵体，泵体包括依次连接的第一泵液流动腔、磁性控制腔和第二泵液流动腔；所述磁性控制腔的外部设置有至少4组沿所述磁性控制腔的腔体的长度方向等间隔排列的线圈组，磁性控制腔中设有磁性动子，所述磁性动子可在所述线圈组的控制下移动；第一泵液流动腔和第二泵液流动腔中分别设有弹性薄膜。本发明直接利用电磁耦合，摒弃电机与机械传动结构，避免了机械损耗与产热。同时兼有步进电机抗超过载的优点，一般可抗2-3倍过载，大大降低了线圈过载发热甚至烧毁的可能性。

Description

非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统。

背景技术

时至今日，呼吸衰竭依然是重症医学最常见的疾病。急性呼吸窘迫综合症（acuterespiratorydistresssyndrome,ARDS）作为其最严重形式，病死率可高达20%—41%，一旦进展为重症ARDS，病死率则上升至90%，主要死因为顽固性低氧血症。

ARDS是各种原因导致的肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤引起弥漫性肺间质及肺泡水肿，临床表现为以进行低氧血症，呼吸窘迫为特征的综合征。低氧血症的传统治疗方式主要依赖机械通气。机械通气可以起到改善氧合，维持肺容积，支持肺泡通气，有效降低呼吸功等作用。但是机械通气并不能纠正所有ARDS患者的低氧血症。作为一把双刃剑，机械通气在改善低氧血症的同时，也带来很多不良后果，例如呼吸机相关性肺损伤(Ventilator-associatedlunginjury,VILI),呼吸机相关性肺炎（ventilatorassociatedpneumonia,VAP），人机不同步，去氮性肺不张等，这些不良后果甚至可能导致患者产生严重不良预后。治疗重症ARDS患者需要很高的机械通气条件，这必然会加重呼吸机相关性肺损伤，不利于肺组织的修复。

体外膜氧合（Extra-CorporealMembraneOxygenation，ECMO）代替或部分代替心肺功能，纠正低氧血症，排除二氧化碳，避免了机械通气可能造成的呼吸机相关肺损伤，并且能够降低肺动脉压力，减轻右心脏后负荷，有利于心肺功能的恢复。大量研究显示，与传统机械通气比较对ARDS患者实施ECMO后，患者氧合明显改善，除分钟通气量，呼吸频率及平台压明显下降外，ECMO干预组的炎症介质水平也明显下降[3,4]。这些都充分说明，ECMO在改善ARDS氧合的同时，可以使损伤的肺组织得到充分休息，有利于ARDS肺的修复。2009年H1N1大流行，导致严重ARDS发病率明显升高，MaxLaen等研究发现早期应用常规机械通气治疗，患者住院病死率达80%以上，但采用ECMO治疗后，严重ARDS患者病死率则下降至21%，此结果令人震惊。那么也就是说，ECMO在严重ARDS治疗中可以发挥其重要的作用，缩短住院时间，更能够降低住院病死率。

目前ECMO已经成为严重ARDS患者治疗的一线选择，能够有效维持氧合，促进二氧化碳排出。静脉—静脉（VV—ECMO）是一项较理想的选择，甚至有研究发现，严重ARDS患者无创支持无效或失败时，应首先考虑采用ECMO辅助肺功能，同时降低呼吸机支持条件，减少肺泡通气量，降低吸入氧浓度，从而降低VILI的发生率，为损伤的肺组织提供有效保护，并等待其恢复，为患者病因治疗提供有创的条件和强效的生命支持。

ECMO采用离心泵驱动。设备巨大。人员与技术要求高，费用昂贵，不适宜广泛开展。

pECLA，亦称为干预性肺辅助（inteiveutionallungassist,iLA）利用患者自身的股动静脉压差，将动脉血泵入低阻力的气体交换膜构成的中空纤维内进行气体交换后在动静脉压差作用下重新流回体内，pECLA是一种超紧凑型的体外肺辅助系统，主要包括一根动脉内置管，一根静脉内置管，一个超声流量传感器和一个气体交换器（Novalung,Talheim,Germany）。为保证此系统的长期使用，系统内部包括血管内置管表面都经过肝素化处理。由于此系统装置具有无泵驱动，与血液接触面积少和操作简单等特点。pECLA的并发症发生率（12%—25%）显著低于较传统ECMO（50%）。

此系统的血液量一般为0.8—2.5L/min。主要受平均动脉血压和血管内置管内径的影响。因此对于心输出量降低[CI＜2.7Ｌ/（min·m²）]或低血压（收缩压＜70mmHg）的患者不适合应用。限制了pECLA在临床上的应用。

此外，pECLA排出集体二氧化碳能力较强，即使在较低血流量（1—2.5L/min）下，排出二氧化碳的量可占全身二氧化碳量的50%。此系统排出二氧化碳能力主要由血流量和氧流量决定。但此系统纠正缺氧的能力有限，这主要是由于进入系统内的血液（动脉）已进行了充分氧合。此系统改善氧合的能力主要由血流量决定。从本质上讲此系统只是将动静脉作短路，截取部分动脉血再氧合，故对全身血液的氧合提高作用不大。因此应用的主要目的是降低PaCO₂，保障肺保护性通气策略的实施，预防和降低呼吸机相关性损伤的发生。

BeingT等回顾性分析了90例不同病因导致ARDS患者应用pECLA的情况。在此研究中，pECLA平均应用时间为5天，在应用pECLA2小时后，患者PaCO₂水平出现了显著性的下降（60mmHgVS36mmHg）；患者氧合亦显示了中度的增加（PaO₂/FiO₂，58mmHgVS82mmHg），并持续改善至24小时（PaO2/FiO2，101mmHg）。

pECLA虽然有无泵驱动，与血液接触面积较少和操作简单的优点。但是肺辅助能力上存在缺陷。氧合能力差。这恰恰是肺辅助系统功能的主要方面。利用动静脉压差驱动血液流动。因而只能采用A—V连接模式。在低心排量与低血压时不适用。

其他常见的驱动泵：例如CRRT，或血透机上血泵为滚动泵。利用滚动柱挤压管路，驱动血液流动。存在缺陷为：

（1）血细胞在不断反复的机械压迫下造成破坏，且破坏与泵转速呈正相关；

（2）血流量限制。现在常用的泵速一般＜350ml/min若提高到800—2500ml/min目标值，则挤压次数的增加会造成血细胞破坏加剧，持续血流静脉血管无充盈期会造成空吸现象出现。

那么结合ECMO和pECLA的各自优缺点，是否能在原有的技术面上开发出一款紧凑型液体泵，在操作上方便安全且经济实用是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的首要目的就在于克服现有的医疗设备中的各种泵所存在的不足，从而提供一种非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统。

本发明的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，包括泵体，所述泵体包括依次连接的第一泵液流动腔、磁性控制腔和第二泵液流动腔；所述磁性控制腔的外部设置有至少4组沿所述磁性控制腔的腔体的长度方向等间隔排列的线圈组，所述磁性控制腔中设有磁性动子，所述磁性动子可在所述线圈组的控制下沿所述磁性控制腔的腔体的长度方向移动；所述磁性动子将所述磁性控制腔内部分隔为第一工作区和第二工作区；所述第一泵液流动腔中设有第一弹性薄膜，所述第一弹性薄膜的膜边缘与所述第一泵液流动腔的内壁密封连接，所述第一弹性薄膜将所述第一工作区分隔为第一血室和第一液体区，所述第一液体区连通所述第一工作区，构成第一储液区，所述第一血室与所述第一储液区不连通；所述第二泵液流动腔中设有第二弹性薄膜，所述第二弹性薄膜的膜边缘与所述第二泵液流动腔的内壁密封连接，所述第二弹性薄膜将所述第二工作区分隔为第二血室和第二液体区，所述第二液体区连通所述第二工作区，构成第二储液区，所述第二血室与所述第二储液区不连通；所述第一血室上设有第一流入单向阀和第一流出单向阀；所述第二血室上设有第二流入单向阀和第二流出单向阀，所述第一流入单向阀、所述第一流出单向阀、所述第二流入单向阀和所述第二流出单向阀外部均设置对应的驱动线圈，四个驱动线圈和所述至少4组线圈组均与驱动控制器电连接。

所述第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀和第二流出单向阀均采用永磁薄不锈钢片阀门。

所述第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀和第二流出单向阀均采用电磁控碟瓣单向阀。

所述第一泵液流动腔和第二泵液流动腔为球形。

所述磁性控制腔为圆柱形。

所述磁性动子为圆柱形。

所述磁性动子采用永磁铁。

所述驱动控制器为单片机芯片。

所述单片机芯片通过步进电机伺服器或光电耦合器控制连接所述线圈组。

本发明具有的优点：

1、有别于目前现有的驱动泵即离心泵与滚动泵，本发明具有不同的工作原理，即：直接利用电磁耦合，摒弃电机与机械传动结构，避免了机械损耗与产热。同时兼有步进电机抗超过载的优点，一般可抗2-3倍过载，大大降低了线圈过载发热甚至烧毁的可能性。

2、通过增加线圈组中的电流，增加磁强度，能够避免动子失步现象。

3、电磁控碟瓣单向阀能够保证单向阀开启时截面积损失最小。应用电磁原理控制阀门可以保证阀门的关闭时的灵敏度和无反流。

4、采用模块式插装，方便安装使用，且本发明的泵体能够实现小型化生产。

5、本发明操作方便，安全可靠且经济实用。

6、驱动控制器能够同时控制所有单向阀和所有线圈组。

附图说明

图1为本实施例的步骤一的示意图。

图2为本实施例的步骤二的示意图。

图3为本实施例的步骤三的示意图。

图4为本实施例的步骤四的示意图。

图5为本实施例的步骤五的示意图。

图6为本实施例的步骤六的示意图。

图7为本实施例的驱动线圈断电时，驱动线圈对应的第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀或第二流出单向阀打开的示意图。

图8为本实施例的驱动线圈通电时，驱动线圈对应的第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀或第二流出单向阀关闭的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

如图1至图8所示，本发明的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，包括泵体1，所述泵体1包括依次连接的第一泵液流动腔11、磁性控制腔12和第二泵液流动腔13；所述磁性控制腔12的外部设置有沿所述磁性控制腔12的腔体的长度方向等间隔排列的第一组线圈组21、第二组线圈组22、第三组线圈组23、第四组线圈组24、第五组线圈组25和第六组线圈组26，所述磁性控制腔12中设有磁性动子3，所述磁性动子3可在所述线圈组的控制下沿所述磁性控制腔12的腔体的长度方向移动；所述磁性动子3将所述磁性控制腔12内部分隔为第一工作区41和第二工作区42；

所述第一泵液流动腔11中设有第一弹性薄膜51，所述第一弹性薄膜51的膜边缘与所述第一泵液流动腔11的内壁密封连接，所述第一弹性薄膜51将所述第一工作区41分隔为第一血室61和第一液体区71，所述第一液体区71连通所述第一工作区41，构成第一储液区101，所述第一血室61与所述第一储液区101不连通；

所述第二泵液流动腔13中设有第二弹性薄膜52，所述第二弹性薄膜52的膜边缘与所述第二泵液流动腔13的内壁密封连接，所述第二弹性薄膜52将所述第二工作区42分隔为第二血室62和第二液体区72，所述第二液体区72连通所述第二工作区42，构成第二储液区102，所述第二血室62与所述第二储液区102不连通；

所述第一血室61上设有第一流入单向阀81和第一流出单向阀82；所述第二血室62上设有第二流入单向阀91和第二流出单向阀92，所述第一流入单向阀81、所述第一流出单向阀82、所述第二流入单向阀91和所述第二流出单向阀92外部均设置对应的驱动线圈10，四个驱动线圈10和所述六组线圈均与驱动控制器电连接。

所述第一储液区101、所述第二储液区102、所述第一血室61和第二血室62均为密封腔室。

所述第一储液区101、所述第二储液区102中均充满生理盐水。

所述六组线圈组中离第一血室61最近的是所述第一组线圈组21，离所述第二血室62最近的是所述第六组线圈组26。

所述第一流入单向阀81、第一流出单向阀82、第二流入单向阀91和第二流出单向阀92均采用永磁薄不锈钢片阀门。

所述第一流入单向阀81、第一流出单向阀82、第二流入单向阀91和第二流出单向阀92均采用电磁控碟瓣单向阀。

如图1至图6所示，所述第一泵液流动腔11和第二泵液流动腔13为球形。

所述磁性控制腔12为圆柱形。

所述磁性动子3为圆柱形。

所述磁性动子3采用永磁铁。

所述驱动控制器为单片机芯片。

所述第一流出单向阀82连通第二流入单向阀91。

本实施例的步骤如下：

如图1所示，步骤一、初始状态，将磁性动子3设置在第二组线圈组22所处的截面上，驱动控制器使第一组线圈组21和第三组线圈组23通电形成正向磁场，根据磁性物质同性相斥，异性相吸原理，对磁性动子3前推后拉，使磁性动子3朝第二血室62的方向前进，第一储液区101的生理盐水依次推动磁性动子3和第二储液区102的生理盐水向第二血室62前进；

第一血室61内压力下降，在第一组线圈组21和第三组线圈组23通电的同时，驱动控制器控制第一流入单向阀81的驱动线圈10断电，使第一流入单向阀81开启，且控制第一流出单向阀82的驱动线圈10通电，使第一流出单向阀82关闭，所需输送的液体持续流入第一血室61；

第二血室62内压力升高，在第一组线圈组21和第三组线圈组23通电的同时，驱动控制器控制第二流出单向阀92的驱动线圈10断电，使第二流出单向阀92开启，且控制第二流入单向阀91的驱动线圈10通电，使第二流入单向阀91关闭，所需输送的液体持续流出第二血室62；

当磁性动子3达到与第三组线圈组23所处的截面相同的位置时，第一组线圈组21和第三组线圈组23断电；

如图2所示，步骤二、磁性动子3处于与第三组线圈组23相同截面上，驱动控制器使第二组线圈组22和第四组线圈组24通电形成正向磁场，使磁性动子3朝第二血室62的方向前进，第一储液区101的生理盐水依次推动磁性动子3和第二储液区102的生理盐水向第二血室62前进；

第一血室61内压力下降，在第二组线圈组22和第四组线圈组24通电的同时，驱动控制器控制第一流入单向阀81的驱动线圈10断电，使第一流入单向阀81开启，且控制第一流出单向阀82的驱动线圈10通电，使第一流出单向阀82关闭，所需输送的液体持续流入第一血室61；

第二血室62内压力升高，在第二组线圈组22和第四组线圈组24通电的同时，驱动控制器控制第二流出单向阀92的驱动线圈10断电，使第二流出单向阀92开启，且控制第二流入单向阀91的驱动线圈10通电，使第二流入单向阀91关闭，所需输送的液体持续流出第二血室62；

当直至磁性动子3达到与第四组线圈组24所处的截面相同的位置时，第二组线圈组22和第四组线圈组24断电；

如图3所示，步骤三、磁性动子3处于与第四组线圈组24相同截面上，使第三组线圈组23和第五组线圈组25通电形成正向磁场，使磁性动子3朝第二血室62的方向前进，第一储液区101的生理盐水依次推动磁性动子3和第二储液区102的生理盐水向第二血室62前进；

第一血室61内压力下降，在第三组线圈组23和第五组线圈组25通电的同时，驱动控制器控制第一流入单向阀81的驱动线圈10断电，使第一流入单向阀81开启，且控制第一流出单向阀82的驱动线圈10通电，使第一流出单向阀82关闭，所需输送的液体持续流入第一血室61；

第二血室62内压力升高，在第三组线圈组23和第五组线圈组25通电的同时，驱动控制器控制第二流出单向阀92的驱动线圈10断电，使第二流出单向阀92开启，且控制第二流入单向阀91的驱动线圈10通电，使第二流入单向阀91关闭，所需输送的液体持续流出第二血室62；

当磁性动子3达到与第五组线圈组25所处的截面相同的位置时，第三组线圈组23和第五组线圈组25断电；

如图4所示，步骤四、磁性动子3处于与第五组线圈组25相同截面上，使第四组线圈组24和第六组线圈组26通电形成反向磁场，使磁性动子3朝第一血室61的方向前进，第二储液区102的生理盐水依次推动磁性动子3和第一储液区101的生理盐水向第一血室61前进；

第二血室62内压力下降，在第四组线圈组24和第六组线圈组26通电的同时，驱动控制器控制第二流入单向阀91的驱动线圈10断电，使第二流入单向阀91开启，且控制第二流出单向阀92的驱动线圈10通电，使第二流出单向阀92关闭，所需输送的液体持续流入第二血室62；

第一血室61内压力升高，在第四组线圈组24和第六组线圈组26通电的同时，驱动控制器控制第一流出单向阀82的驱动线圈10断电，使第一流出单向阀82开启，且控制第一流入单向阀81的驱动线圈10通电，使第一流入单向阀81关闭，所需输送的液体持续流出第一血室61；

当磁性动子3达到与第四组线圈组24所处的截面相同的位置时，第四组线圈组24和第六组线圈组26断电；

如图5所示，步骤五、磁性动子3处于与第四组线圈组24相同截面上，使第三组线圈组23和第五组线圈组25通电形成反向磁场，使磁性动子3朝第一血室61的方向前进，第二储液区102的生理盐水依次推动磁性动子3和第一储液区101的生理盐水向第一血室61前进；

第二血室62内压力下降，在第三组线圈组23和第五组线圈组25通电的同时，驱动控制器控制第二流入单向阀91的驱动线圈10断电，使第二流入单向阀91开启，且控制第二流出单向阀92的驱动线圈10通电，使第二流出单向阀92关闭，所需输送的液体持续流入第二血室62；

第一血室61内压力升高，在第三组线圈组23和第五组线圈组25通电的同时，驱动控制器控制第一流出单向阀82的驱动线圈10断电，使第一流出单向阀82开启，且控制第一流入单向阀81的驱动线圈10通电，使第一流入单向阀81关闭，所需输送的液体持续流出第一血室61；

当磁性动子3达到与第三组线圈组23所处的截面相同的位置时，第三组线圈组23和第五组线圈组25断电；

如图6所示，步骤六、磁性动子3处于与第三组线圈组23相同截面上，使第二组线圈组22和第四组线圈组24通电形成反向磁场，使磁性动子3朝第一血室61的方向前进，第二储液区102的生理盐水依次推动磁性动子3和第一储液区101的生理盐水向第一血室61前进；

第二血室62内压力下降，在第二组线圈组22和第四组线圈组24通电的同时，驱动控制器控制第二流入单向阀91的驱动线圈10断电，使第二流入单向阀91开启，且控制第二流出单向阀92的驱动线圈10通电，使第二流出单向阀92关闭，所需输送的液体持续流入第二血室62；

第一血室61内压力升高，在第二组线圈组22和第四组线圈组24通电的同时，驱动控制器控制第一流出单向阀82的驱动线圈10断电，使第一流出单向阀82开启，且控制第一流入单向阀81的驱动线圈10通电，使第一流入单向阀81关闭，所需输送的液体持续流出第一血室61；

当磁性动子3达到与第二组线圈组22所处的截面相同的位置时，第二组线圈组22和第四组线圈组24断电；

步骤七、重新开始重复第一步。

本发明控制各线圈组阵断、通电频率及电流的大小即可控制动子进退的速率与压力的大小，参数计算公式如下：

例：假设磁性动子3的截面积S=50cm²；

移动速率V=1cm/s；

秒流量f=SV=50*1=50cm³；

分钟流量F=f*60=50*60=3000cm³=30000ml。

本发明具有的优点：

4、采用模块式插装，方便安装使用，且本发明的泵体1能够实现小型化生产。

5、本发明操作方便，安全可靠且经济实用。

6、驱动控制器能够同时控制四个单向阀和六组线圈组。

7、本发明可用于主动体外肺辅助系统中，替换血泵。

Claims

1.一种非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，

包括泵体，所述泵体包括依次连接的第一泵液流动腔、磁性控制腔和第二泵液流动腔；

所述磁性控制腔的外部设置有至少4组沿所述磁性控制腔的腔体的长度方向等间隔排列的线圈组，所述磁性控制腔中设有磁性动子，所述磁性动子可在所述线圈组的控制下沿所述磁性控制腔的腔体的长度方向移动；

所述磁性动子将所述磁性控制腔内部分隔为第一工作区和第二工作区；

所述第一泵液流动腔中设有第一弹性薄膜，所述第一弹性薄膜的膜边缘与所述第一泵液流动腔的内壁密封连接，所述第一弹性薄膜将所述第一工作区分隔为第一血室和第一液体区，所述第一液体区连通所述第一工作区，构成第一储液区，所述第一血室与所述第一储液区不连通；

所述第二泵液流动腔中设有第二弹性薄膜，所述第二弹性薄膜的膜边缘与所述第二泵液流动腔的内壁密封连接，所述第二弹性薄膜将所述第二工作区分隔为第二血室和第二液体区，所述第二液体区连通所述第二工作区，构成第二储液区，所述第二血室与所述第二储液区不连通；

所述第一血室上设有第一流入单向阀和第一流出单向阀；

所述第二血室上设有第二流入单向阀和第二流出单向阀；

所述第一流入单向阀、所述第一流出单向阀、所述第二流入单向阀和所述第二流出单向阀外部均设置对应的驱动线圈，四个驱动线圈和所述至少4组线圈组均与驱动控制器电连接；

所述驱动控制器为单片机芯片；所述单片机芯片通过步进电机伺服器或光电耦合器控制连接所述线圈组。

2.如权利要求1所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀和第二流出单向阀均采用永磁薄不锈钢片阀门。

3.如权利要求1所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述第一流入单向阀、第一流出单向阀、第二流入单向阀和第二流出单向阀均采用电磁控碟瓣单向阀。

4.如权利要求1所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述第一泵液流动腔和第二泵液流动腔为球形。

5.如权利要求1所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述磁性控制腔为圆柱形。

6.如权利要求5所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述磁性动子为圆柱形。

7.如权利要求1所述的非接触性电磁耦合圆筒型液体泵系统，其特征在于，所述磁性动子采用永磁铁。