CN107441573A - 一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵，它解决了现有技术中的血泵无法实现脉动性的问题，其通过对电机转速的调节，能实现血流的脉动特征，可以降低出血和血栓栓塞发生率，其技术方案为：包括泵壳，在泵壳内血液入口端设有前导叶，在泵壳内血液出口端设有后导叶；所述前导叶和后导叶之间轴向设置叶轮，在叶轮的径向方向和轴向方向设有保持叶轮径向和轴向悬浮的轴承；所述泵壳外部对应于叶轮处设有电机，所述电机与转速控制装置连接，转速控制装置调控电机的转速形成脉动特征。

Description

一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵。

背景技术

目前，心衰发病率呈指数式逐年增高，各种心脏疾病到晚期，只能通过心脏移植挽救生命，由于心脏供体严重不足，大部分病人等不到供体便心脏极度衰竭而死亡。人工心脏泵又称血泵，是一种帮助心脏实现泵血功能的装置，安装血泵可以延长患者的生命，等待供体；血泵补偿或替代心脏功能，有利于心肌代谢和营养的恢复平衡，促进心脏功能的恢复，起到其他方法无可比拟的作用；对于不能完全恢复功能的心脏，可长期替代自然心脏发挥生理泵血功能。

目前连续性血泵得到了大量临床应用，效果基本良好，但是从心脏持续泵血引起主动脉瓣长期关闭，可导致出血、血栓形成和右心衰等并发症从而降低患者生存率。随着心脏外科手术的进一步开展，对重要脏器的保护也越来越受到重视，脉动又再次成为人们关注的热点。

通过进一步的研究发现脉动血流是有益的，增加轴流泵脉动性可使主动脉瓣开放频率显著增加，并减少通过瓣膜的血液剪切力和凝血因子破坏，从而降低出血和血栓栓塞发生率。其基本优点可归纳为：①自然的血流是最佳的。②增加组织液的流动和形成，淋巴流动增加。③组织代谢率和废物排除加快。④从泵到组织的能量传递更有效。这些基本的优点对于改善和保护某些器官的功能有关，脉动能有效地保持微循环内的血流通畅,降低乳酸生成,改善细胞代谢,减轻全身炎症反应、降低缺血-灌注损伤，从而保护脏器功能。

但现有技术中的血泵都无法实现脉动性，现有技术中对于血泵实现脉动性的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵，其通过对电机转速的调节，能实现血流的脉动特征，可以降低出血和血栓栓塞发生率；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵，包括泵壳，在泵壳内血液入口端设有前导叶，在泵壳内血液出口端设有后导叶；所述前导叶和后导叶之间轴向设置叶轮，在叶轮的径向方向和轴向方向设有保持叶轮径向和轴向悬浮的轴承；所述泵壳外部对应于叶轮处设有电机，所述电机与转速控制装置连接，转速控制装置调控电机的转速形成脉动特征。

进一步的，所述转速控制装置包括转子位置检测元件，转子位置检测元件检测电机转子的位置信号，信号处理器将位置信号转换为转速信号，而后经由滤波器传输给比较器，比较器将信号传输给调速模块，比较器和调速模块判断转子位置的滞后或超前状态，进而控制电机转子升速或减速。

进一步的，所述调速模块包括PWM调节器和逆变器，PWM调节器接收比较器的信号，并将控制信号传输给逆变器，逆变器和电机连接。PWM调节器调节控制逆变器的正确导通顺序。

进一步的，所述比较器和PWM调节器之间设置误差放大器，比较器将转子转速与设定值进行比较得到转速误差，误差放大器对其进行放大后输出转矩信号给信号处理器，信号处理器将转矩信号转换成电流信号输出给PWM调节器。

位于所述叶轮径向方向的轴承为永磁轴承。

所述的永磁轴承包括两个，两个永磁轴承沿着叶轮的轴向方向一前一后设置，每个永磁轴承包括两个环形永磁体，两个环形永磁体极性相反、磁力相等。

位于所述叶轮轴向方向的轴承为液膜轴承。

所述的液膜轴承包括两个，其中一个位于前导叶的尾部，另一个位于后导叶的头部。

所述的叶轮外部带有螺旋沟槽。

所述的前导叶、后导叶和叶轮的轴向中心线为同一条直线。

所述前导叶的外径沿着血液流淌方向由外向内逐渐变大，所述的后导叶的外径沿着血液流淌方向由内向外逐渐变小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的血泵通过转速控制装置控制电机的转速，使得叶轮以不同速度转动，进而使得经由血泵流出的血流实现脉动特征，除了改善和保护某些器官的功能，还对心脏复苏、周围血管反应、微循环和终末器官灌注都具有有益效果，脉动还可以减少泵内血液滞止区域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的磁悬浮血泵的结构示意图；

图2为本发明转速控制装置的控制框图；

图3为电机的升速仿真图；

图4为叶轮转速产生脉动的示意图；

图中，1前导叶，2泵壳，3前径向永磁轴承，4叶轮，5永磁无刷直流电机，6后径向永磁轴承，7后导叶，8后液膜轴承，9前液膜轴承。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在血泵无法实现脉动性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵，主要由前导叶1、泵壳2、前径向永磁轴承3、叶轮4、永磁无刷直流电机5、后径向永磁轴承6、后导叶7、后液膜轴承8、前液膜轴承9构成；

前导叶1、后导叶7固定在泵壳2内壁上，前导叶1设置于泵壳内血液入口端，后导叶7设置于泵壳内血液出口端，叶轮4外部带有螺旋沟槽，叶轮4正常工作时与四周没有接触，径向由前径向永磁轴承3、后径向永磁轴承6支承。每个径向轴承都是由两个环形永磁体组成，两个环形永磁体极性相反、磁力相等。一个环形永磁体设置于泵壳2外部，一个环形永磁体设置于叶轮4内侧。前液膜轴承9位于前导叶1的尾部，后液膜轴承8位于后导叶7的头部。

前导叶1、后导叶7和叶轮4的轴向中心线为同一条直线。

前导叶1的外径沿着血液流淌方向由外向内逐渐变大，后导叶7的外径沿着血液流淌方向由内向外逐渐变小。

在正常工作时，由于前径向永磁轴承3、后径向永磁轴承6、前液膜轴承9和后液膜轴承8的作用，叶轮4悬浮于泵壳2与前导叶1、后导叶7之间。当永磁无刷直流电机5通电时，叶轮4旋转工作，带动血液从前导叶1处流入，从后导叶7处流出。

泵壳2外部对应于叶轮4处设有永磁无刷直流电机5，永磁无刷直流电机5与转速控制装置连接，转速控制装置调控电机的转速形成脉动特征。永磁无刷直流电机的转速控制示意图见图2，调节血泵转速实际就是调节永磁无刷直流电机5，转子的绝对位置信号由霍尔位置传感器(即转子位置检测元件)给出，并且通过信号处理器将其变为转子转速信号。转子转速信号经由滤波器传输给比较器，比较器对转子转速与参考值进行比较，得到的转速误差通过误差放大器进行放大。误差放大器输出提供参考转矩从转矩表达式可以得到电流幅值指令如下式所示：

——参考转矩；

λ_p——电流转矩系数；

θ_r——转子角位置；

——a相电流值；

——b相电流值；

——c相电流值。

因为在全桥整流运行中，任意时刻电机中只有两相导通，并且这两相是串联的，所以这两相电流在数值上相等，但是符号相反。电动状态时，转子位置函数与定子电流符号相同。这些符号的关系简化了转矩的指令，如下式所示：

推出定子电流幅值指令为

单独的定子相电流指令可从电流幅值指令和转子绝对位置得出。这些电流指令传输给PWM调节器，PWM调节器判断转子位置的滞后或超前状态，控制逆变器的正确导通顺序，进而自动控制转子的升速或减速。这些电流指令通过逆变器与各自对应的定子相电流比较后进行放大。PWM调节器进行反馈调节控制，电流指令经由PWM调节器输出后又反馈给PWM调节器，PWM调节器根据反馈进一步调节输出信号。

转速控制装置的工作过程：电机正常启动后，转速达到一定程度时，绕组中感应的反电势可被检测到，此时控制电路进入闭环运行状态。升速时，调节旋钮电位器使速度控制脚的端电压上升，其与速度反馈信号误差增大，信号经过误差放大器与PWM斩波信号通过比较器后使输出的脉冲信号占空比增加，电机速度上升，同时连接误差放大器正向端的速度反馈信号随着电机转速上升而增加，当该信号接近VR电压时，电机开始稳速运行。电机的减速过程相反。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

如图3所示，通过转速控制装置的控制过程，在0.2s以内，电机的转速从5000rpm升到了超过9000rpm。

设定一个正常工作时的转速ω_c，为了使血流脉动，模仿人体心脏收缩，转子转速将周期性偏离ω_c。

电机的输入信号即如图4所示，给电机线圈输入方波电压，从而周期性改变叶轮的转速来输出脉动流。脉动周期为T，在一个周期内，首先从低速升到高速用时0.2s，然后用0.1s的时间转速降至设置转速ω_c，以这样的转速保持(T-0.3)s。最后，用0.1s的时间将转速降至低速。

心脏泵血过程分为心室收缩期、心室舒张期、心房收缩期。心室收缩期包含等容收缩期、快速射血期和减慢射血期，心室舒张期包含等容舒张期、快速充盈期和减慢充盈期。按成年人心率为75计算，心脏泵血周期为0.8s。在一个周期内，电机线圈输入方波电压使得叶轮转速存在0.1s的下降，随后进行0.2s的上升过程。这是为了模拟心脏泵血的过程，快速射血期和减慢射血期的总时间约为0.2s，而转速下降的过程则是为了突出后续转速增加带来的泵血量增加的效果，使得泵血强劲有力。

因为电机升降速时间调节限制，血泵不可能达到与人体脉搏一致，为此可以降低脉动数为人体一半，医生可以根据病人心脏本体情况调整间隔时间T，与病人心脏本体搏动相匹配，从而加大病人血压及流量。

本发明的血泵利用磁悬浮没有摩擦力、无磨损寿命长的优点，通过电机转速的流量调节，最终实现血流的脉动特征。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有脉动调速特征的轴流式磁悬浮血泵，其特征是，包括泵壳，在泵壳内血液入口端设有前导叶，在泵壳内血液出口端设有后导叶；所述前导叶和后导叶之间轴向设置叶轮，在叶轮的径向方向和轴向方向设有保持叶轮径向和轴向悬浮的轴承；所述泵壳外部对应于叶轮处设有电机，所述电机与转速控制装置连接，转速控制装置调控电机的转速形成脉动特征。

2.如权利要求1所述的血泵，其特征是，所述转速控制装置包括转子位置检测元件，转子位置检测元件检测电机转子的位置信号，信号处理器将位置信号转换为转速信号，而后经由滤波器传输给比较器，比较器将信号传输给调速模块，比较器和调速模块判断转子位置的滞后或超前状态，进而控制电机转子升速或减速。

3.如权利要求2所述的血泵，其特征是，所述调速模块包括PWM调节器和逆变器，PWM调节器接收比较器的信号，并将控制信号传输给逆变器，逆变器和电机连接。

4.如权利要求3所述的血泵，其特征是，所述比较器和PWM调节器之间设置误差放大器，比较器将转子转速与设定值进行比较得到转速误差，误差放大器对其进行放大后输出转矩信号给信号处理器，信号处理器将转矩信号转换成电流信号输出给PWM调节器。

5.如权利要求1所述的血泵，其特征是，位于所述叶轮径向方向的轴承为永磁轴承。

6.如权利要求5所述的血泵，其特征是，所述的永磁轴承包括两个，两个永磁轴承沿着叶轮的轴向方向一前一后设置，每个永磁轴承包括两个环形永磁体，两个环形永磁体极性相反、磁力相等。

7.如权利要求1所述的血泵，其特征是，位于所述叶轮轴向方向的轴承为液膜轴承。

8.如权利要求7所述的血泵，其特征是，所述的液膜轴承包括两个，其中一个位于前导叶的尾部，另一个位于后导叶的头部。

9.如权利要求1所述的血泵，其特征是，所述的叶轮外部带有螺旋沟槽；所述的前导叶、后导叶和叶轮的轴向中心线为同一条直线。

10.如权利要求1所述的血泵，其特征是，所述前导叶的外径沿着血液流淌方向由外向内逐渐变大，所述的后导叶的外径沿着血液流淌方向由内向外逐渐变小。