CN107073184A - 带有集成控制器的植入式血泵 - Google Patents

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Abstract

一种植入式血泵，包括集成在植入式泵主体中的电机控制电路和电力电子电路。所述电机控制电路和电力电子电路配置为激励和控制电机绕组，以使泵转子和叶轮旋转。附加的控制电路和电力电子电路可以集成进泵外壳中，以激励和控制磁悬浮泵的磁轴承。接合在所述植入式血泵和体外监视器之间的经皮电缆包括缩减数目的导线，以向所述植入式血泵提供电力及控制信号。利用至少两根的用于向所述植入式泵提供电力的导线，所述体外监视器和所述集成电力电子及控制电路之间的无线通信促进了经皮电缆的利用。

Description

带有集成控制器的植入式血泵
技术领域
本发明涉及植入式心室辅助装置(ventricular assist devices,VADs)，更具体地涉及VAD中的集成控制及电力电路。
背景技术
心室辅助装置(VADs)包括血泵，血泵用于帮助遭受血液循环不良及心脏疾病的患者。VAD可以植入患者的身体，以辅助心脏及提供改善的血液循环。植入式VAD可以通过位于患者身体外部的电子电源供电。电力通过经皮电缆从所述电子电源传输至所述植入式VAD。
植入式VAD通过电子元件供电及控制。人们还想实现的是，将这样的电子元件放置在人身体内部，以能够显著地减小温度变化。此外，将这样的电子元件放置在人身体内部，促进了所述电缆中的缩减数目的导线。这减小了所述电缆的尺寸，并且当所述电缆经受由于患者对所述电缆的错误处理的磨损、疲劳及其它损害时，帮助提高系统的可靠性。缩减所述电缆中导线的数目的另一优点是，提高了电磁兼容性，因为所述电缆会暴露在来自环境的电磁干扰中，而人的身体内的电子元件不会。
VAD中的常规血泵通过一个或多个三相电动机驱动，比如，无刷直流(DC)三相电机或交流(AC)型三相电机。所述电机的绕组从电力电子元件接收电流。在常规实践中，所述电力电子元件配置在血泵的外部，因此，对应于泵电机的三个相，经皮电缆中使用了至少三根导线(电线)，以连接泵外部的电力电子以及泵内部的电机绕组。
一些常规VADs包括一个泵转子结构，该泵转子结构为转子采用磁悬浮(即，磁轴承)。磁悬浮系统用于稳定转子的一个或多个自由度。对于每个自由度，一个反馈回路并有一个传感器、一个控制器以及一个电力电子单元，所述传感器检测转子的位置，所述控制器从所述传感器接收信号，并且然后通过复杂的信号处理生成一个控制信号，所述电力电子单元遵循所述控制信号的命令生成电流。然后，所述电流流入所述磁轴承中的绕组，以在转子上产生磁力。
常规地，所述控制器和所述电力电子都设置在血泵的外部。经皮电缆中的附加导线用于将来自泵的内部的位置传感器信号供给至泵的外部的控制器。经皮电缆中的附加导线用于将泵的外部的电力电子连接至泵的内部的磁轴承绕组。这意味着，如果转子的一个自由度通过所述磁轴承稳定，则需要至少四根导线。如果不止一个自由度主动地通过磁轴承控制，则需要更多的导线。
VAD的使用包括使患者易受制于一定的风险，该一定的风险包括经皮电缆穿透皮肤的部位的感染的风险。为了降低所述感染风险，人们希望获得尽可能小且灵活的经皮电缆。因此，希望缩减经皮电缆中的导线的数目。
附图说明
为了促进对所寻求保护的主题的理解，附图中描述了实施例，结合以下描述考虑，应该容易理解和领会所寻求保护的主题及其构造和操作以及许多优点。
图1为根据本发明的一个方面的带有一根经皮电缆的植入式血泵的插图；
图2为根据本发明的一个方面的带有一根经皮电缆和集成电力电子元件及控制器部件的植入式泵的插图；
图3为根据本发明的一个方面的带有集成电力电子及控制器的植入式磁悬浮血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在一根经皮电缆中仅应用四根导线；
图4为根据本发明的一个方面的带有集成电力电子元件及控制器的植入式磁悬浮血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中仅应用两根导线；
图5为根据本发明的一个方面的带有集成电力电子元件及控制器的植入式磁悬浮血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中应用两根导线，并且结合有在外部监视器和集成控制器之间的无线通信；
图6为根据本发明的一个方面的带有用于电机的集成电力电子元件及控制器的植入式血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中仅利用四根导线；
图7为根据本发明的一个方面的带有用于电机的集成电力电子元件及控制器的植入式血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中利用两根导线；
图8为根据本发明的一个方面的带有用于电机的集成电力电子元件及控制器的植入式血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中仅利用两根导线，并且结合有在外部监视器和集成控制器之间的无线通信；
图9为根据本发明的一个方面的带有用于电机的集成电力电子元件的植入式血泵的图解性框图，其中，该植入式磁悬浮血泵在经皮电缆中应用两根导线。
应该理解的是，说明中包括的注释以及其中论及的材料、尺寸及公差仅仅是建议，使得本领域的技术人员能够在本发明的范围内修改所述建议。
具体实施方式
虽然本发明的方面包括很多不同形式的实施例，附图中展示并且在文中将详细描述的是本发明的一个优选实施例，应该理解的是，本申请应视为本发明的原理的一个范例，并且不意在使本发明的广泛方面限制于描述的实施例。以下详细描述是实施本发明的示例性实施例的现有的最好的预期模式。说明书没有限定的意味，而纯粹为了说明本发明的一般原理，故本发明的范围通过附加的权利要求最好地限定。
下文描述了各种发明特征，各种发明特征的每一个可以相互独立地使用或与其它特征结合使用。然而，任何单一发明特征可能不处理以上所述的任何问题，或者可能仅处理以上描述的一个问题。进一步地，通过以下描述的任何特征，不能完全处理以上描述的一个或多个问题。
根据本发明的方面，用于心室辅助装置(VAD)的小型泵包括集成电力电子元件和控制器电路。所公开的带有集成电力电子元件和控制器电路的VAD泵可以完全地植入心包腔中，直接邻近患者的心脏。
参照图1，根据本发明的一个方面，VAD包括植入式泵装置100，在该植入式泵装置100中，用于泵的电力电子及控制电路并入共同的泵主体102。所述泵主体102封装有泵的叶轮、电机、磁轴承以及控制电路，该电机包括电机的转子，该磁轴承连同电力电子，该控制电路用于驱动及控制所述电机和磁轴承。
所述植入式泵装置100将血液从入口110运输至出口112。经皮电缆104的近端在导孔106处延伸进入泵主体102，以传递用于泵的运行的电力及控制信号。所述经皮电缆104的远端包括体外监视器连接器108，用于连接至体外监视器(见图3)。所述导孔106防止液体或空气泄露进泵中，却允许电流流入所述泵装置100。
参照图2，根据本发明的一个方面，所述泵装置100包括配置在泵外壳114内的转子和叶轮组件118。所述泵外壳114定位所述泵电机并且形成所述泵主体102的中间部分。包括泵入口110的泵主体102的顶部接合至所述泵外壳。所述泵主体102的基部包括套管116，该套管116接合至所述泵外壳114，与所述泵入口110相对。所述转子及叶轮组件118包括接合至叶轮的转子。所述转子通过所述泵外壳114中的电动机定子(未图示)驱动。所述转子可能利用机械轴承、液体动压轴承或磁轴承来悬挂。在包括磁轴承的实施方式中，磁激励部件(未图示)安装在所述泵外壳114的内部。如此的激励部件类似于电动机定子，因为它们包括卷在由磁性材料制成的磁极上的电绕组。这些绕组中的电流产生磁场，并且由此包括施加在所述转子上的磁力。通过主动地控制电流的方向和大小，转子上的磁力被连续地调节，使得转子稳定在磁场中。所述主动控制由反馈控制系统提供，该反馈控制系统包括电力电子元件和控制电路。在一种常规配置中，用于电机和磁轴承的电力电子元件和控制器是庞大的，并且必须放置在泵的外部，通常安装在体外监视器中(见图3)。根据本发明的方面，通过采用小型化IC芯片的先进技术，使所述电力电子元件和控制器制成足够小，以安装在所述植入式血泵的内部。
根据本发明的一个方面，电子模块120，比如，印制电路板，例如封装在所述泵主体102的基部中，位于所述泵外壳114和所述套管116之间。所述电子模块包括电力电路和控制电路，该电力电路和控制电路配置用于操作所述泵电机和磁轴承，并且接合至经皮电缆104。
参照图3，描述了根据本发明的一个方面的VAD。根据本发明的这个方面，转子及叶轮组件118是磁悬浮的，并且通过电动机旋转式驱动，包括转子及电机绕组132。例如，所述电机可能是三相无刷直流电机或三相交流电机。用于电机的电力电子元件及控制电路140设立在所述电子模块120上。在所述实施例中，所述泵内的电机控制电路140可能包括微控制器或数字信号处理器。所述电机控制电路140采用一种无传感器控制方案来驱动所述电机绕组132，利用一个脉宽调制(PWM)信号转动所述转子/叶轮组件118。
通过主动控制，磁轴承稳定转子的一个或多个自由度。对于处于控制之下的每个自由度，一个或多个传感器136，比如，涡流位移传感器，检测所述转子的位置。磁悬浮控制电路142接收并处理传感器信号，以生成命令信号，该命令信号应用至磁悬浮电力电子元件。这个信号控制所述电力电子元件，以引导电流进入磁轴承的绕组134。用于磁轴承的电力电子元件及控制器还设立在所述电子模块120上。在所述实施例中，所述磁悬浮控制电路142包括模拟到数字(A/D)转换器，该模拟到数字转换器从所述磁轴承传感器136接收模拟位置信号，并且将该模拟位置信号转换成数字信号。然后，所述数字信号用于创造一个PWM信号以驱动磁悬浮绕组134，该磁悬浮绕组134提供主动的磁轴承控制，使得所述转子悬浮。另外，可采用本领域的技术人员通常使用的用于磁轴承的反馈控制的其它控制策略。
所述电力电子元件及控制器模块120从体外监视器122接收电力及一定的控制命令。所述体外监视器122包括电力管理电路124，该电力管理电路124从电源128接收电力。所述电源128可能包括充电电池、交流或其它类型的电源。所述电力管理电路124供电至泵主体内的电力电子及控制器模块120。由于电机及磁轴承控制的全部功能都在所述电力电子元件及控制器模块120中执行，除了向电子模块120供电之外，所述电力管理电路124不需要提供任何更多的功能。因此，在此实施中，经皮电缆104中仅有一对导线用作电力线。
所述体外监视器122还包括通信电路126，该通信电路126与泵内的电子模块120中的电机控制器和/或磁轴承控制器交换信息。所述通信电路126提供顶级命令来设置电机和/或磁轴承的操作条件，比如，设置及改变泵速度。例如，基于接收到的操作条件，比如，泵速度及电机和磁轴承的电流，所述通信电路126还提供诊断功能。此外，所述通信电路126可能用于将程序代码装载进入电子模块120中的电机控制器和/或磁轴承控制器。通过利用微处理器，结合一定的外围电子电路，可以实现所述通信电路126的所有如此的功能。因此，足以实施用于通信电路126和电子模块120之间的连接的串行通信，仅需要经皮电缆104中的两根导线。因此，根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，在经皮电缆内仅利用四根导线125，一对电力线以及串行通信的另一对导线。
图4描述了图3中的实施例的一个变体，其中，体外监视器122中的通信电路126与泵内的电力电子/控制器模块120之间的通信信号由一个高频载波信号调制，并且叠加在经皮电缆104中的电力线125上。所述体外监视器122与泵内的所述电力电子/控制器模块120之间可能连接有一个调制及解调制电路，以提供所需通信。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，在经皮电缆内仅利用两根导线来承载电力及通信信号。
图5描述了本发明的一个实施例，该实施例类似于图4所示的实施例，只是体外监视器122中的通信电路126配置为通过无线连接127与泵内的电力电子元件/控制器模块120通信。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，在经皮电缆内仅利用两根导线125来提供电源供应。
根据本发明的另一方面，图6描述了一种植入式血泵，该植入式血泵不同于图3至5所示的泵。在图6所示的实施中，利用不同于磁轴承的其它装置，使得泵转子悬浮，由此不包括磁轴承电子。所述泵仍然由一电动机旋转式驱动。因此，电力电子元件/控制器模块120仅包括用于电机的电力电子元件及控制电路140。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，在经皮电缆内仅利用四根导线125，其中，两根导线提供通信信号，两根导线用作电力线。
根据本发明的一个方面，图7描述了一种不具有磁轴承的植入式血泵。在这个实施中，体外监视器122中的通信电路126与泵内的电力电子元件/控制器模块120之间的通信信号由一个高频载波信号来调制，并且叠加在经皮电缆104中的电力线125上。所述体外监视器122与泵内的电力电子元件/控制器模块120之间可能连接有调制及解调制电路，以提供所需通信。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，在经皮电缆中仅利用两根导线来承载电力及通信信号。
根据本发明的一个方面，图8描述了一种不具有磁轴承的植入式血泵。这个实施例类似于图5所示的实施例，其中，无线通信127用于体外监视器122与泵内的电力电子元件及控制模块120之间的通信。经皮电缆仅具有两根导线，从体外监视器提供电力至泵内的集成电机控制器。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，经皮电缆中仅利用两根导线，以提供电力供应。
图9描述了根据本发明的一个方面的另一实施例，其中，泵电机不需要与泵的外部通信。通过经皮电缆中的电力线125，电机电力电子元件及控制电路140从体外监视器122中的电力管理模块124接收电力。所述电机电力电子元件及控制电路140利用所述电力产生整流三相电流至电机绕组132，并且驱动转子及叶轮组件118。在此方式中，电机不需要外部的命令或其它信息来操作。因此，在这个实施例中，体外监视器122中不需要通信电路。根据本发明的一个方面，这个实施是有效的，经皮电缆中仅利用两根导线125，以提供电力供应。
如文中使用，术语“接合”或“可通信接合”可以表示双方之间的直接或者间接的任何物理、电子、磁或其它的连接。术语“接合”不限制于两个实体之间的固定直接接合。在前述描述及附图中提出的物质仅以说明的方式提供，并且不作为限制。已展示及描述的特别实施例，在不脱离申请人的贡献的广泛方面的前提下，可以进行修改和变动，这对于本领域的技术人员是显而易见的。基于现有技术，以适当的视角观察，寻求的保护的实际范围意在由以下权利要求限定。

Claims (26)

1.一种植入式泵装置，包括：
植入式泵主体，其封装有泵电机、转子、叶轮以及电机绕组，
封装在所述泵主体内的电力及控制器模块，
所述电力及控制器模块包括第一电力电子电路，该第一电力电子电路接合至所述电机绕组以操作所述泵电机；
经皮电缆，其接合至所述电机电力及控制器模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括两根电力线，该两根电力线配置为向所述植入式泵装置提供电力。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电力及控制器模块包括第一控制电路，该第一控制电路配置为控制所述泵电机。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括一根或多根信号线，该一根或多根信号线位于所述经皮电缆中，接合至所述控制电路，并且配置为在所述植入式泵主体的外部和内部之间交换信息和/或控制信号。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括两根共用导线，该两根共用导线配置为向所述植入式泵装置提供电力，以及在所述控制电路和体外监视器之间交换信息和/或控制信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，除了所述两根共用导线之外，所述经皮电缆不包括额外的导线。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述体外监视器配置为将高频载波信号叠加至所述共用导线上的电力信号，所述高频载波信号调制成包括控制信息。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电力及控制器模块包括配置为控制所述泵电机的第一控制电路，该第一控制电路进一步包括第一无线通信电路，该第一无线通信电路位于所述植入式泵主体中，配置为与体外监视器中的第二无线通信电路进行无线通信。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，除了所述两根电力线之外，所述经皮电缆不包括额外的导线。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电力及控制器模块包括第一控制电路，该第一控制电路配置为控制所述泵电机，所述装置进一步包括一根或多根信号线，该一根或多根信号线位于所述经皮电缆中，接合至所述控制电路，并且配置为在所述植入式泵主体的外部和内部之间交换信息和/或控制信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括所述两根电力线和所述两根信号线，没有其它导线。
12.根据权利要求1述的装置，其特征在于，所述电机包括三相电动机。
13.根据权利要求1述的装置，包括：
磁悬浮泵，其包括封装在所述泵主体中的磁轴承；
电力及控制器模块，其包括第二电力电子电路，该第二电力电子电路封装在所述泵主体中，并且配置为向所述磁轴承供电。
14.根据权利要求13述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括两根导线，该两根导线用于向所述植入式泵装置供电，以驱动所述电机和/或所述磁轴承。
15.根据权利要求1所述的装置，包括：
磁悬浮泵，其包括磁轴承，该磁轴承封装在所述泵主体中；
电力及控制器模块，其包括第二电力电子电路，该第二电力电子电路封装在所述泵主体中，并且配置为向所述磁轴承供电，
所述电力及控制器模块包括第一和第二控制电路，该第一和第二控制电路配置为分别控制所述泵电机和所述磁轴承。
16.根据权利要求15所述的装置，所述装置进一步包括一根或多根信号线，该一根或多根信号线位于所述经皮电缆中，接合至所述第一和/或所述第二控制电路，并且配置为在所述植入式泵主体的外部和内部之间交换信息和/或控制信号。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括两根共用导线，该两根共用导线配置为向所述植入式泵装置供电，以及在所述控制电路和体外监视器之间交换信息和/或控制信号。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，除了所述两根共用导线之外，所述经皮电缆不包括额外的导线。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述体外监视器配置为将高频载波信号叠加至所述共用导线上的电力信号，所述高频载波信号调制成包括控制信息。
20.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述电力及控制器模块包括控制电路，该控制电路配置为控制所述泵电机和/或所述磁轴承，所述控制电路进一步包括第一无线通信电路，该第一无线通信电路位于所述植入式泵主体中，配置为与体外监视器中的第二无线通信电路进行无线通信。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，除了所述两根电力线之外，所述经皮电缆不包括额外的导线。
22.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述电力及控制器模块包括控制电路，该控制电路配置为控制所述泵电机和/或所述磁轴承，所述装置进一步包括一根或多根信号线，该一根或多根信号线位于所述经皮电缆中，接合至所述控制电路，并且配置为在所述植入式泵主体的外部和内部之间交换信息和/或控制信号。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述经皮电缆仅包括所述两根电力线和所述两根信号线，没有其它导线。
24.根据权利要求1所述的装置，包括：
体外监视器，其接合至所述经皮电缆；以及
电源，其接合至所述体外监视器。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述体外监视器包括：
电力管理模块；以及
通信模块。
26.根据权利要求25所述的装置，所述装置进一步包括第一无线通信电路，该第一无线通信电路位于所述植入式泵主体中，配置为与所述体外监视器中的第二无线通信电路进行无线通信。
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Denomination of invention: Implantable blood pump with integrated controller

Granted publication date: 20200602

License type: Common License

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