CN107620699A - 用于医疗应用的隔膜泵 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于医疗应用的隔膜泵”。本发明提供了包括泵的设备和方法，所述泵包括活塞、耦合到所述活塞并限定流体室的壁的隔膜、以及蜗旋凸轮。所述蜗旋凸轮被配置成通过驱动所述活塞来移动所述隔膜，通过旋转来交替地(i)从所述流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到所述流体室中。还描述了其它实施方案。

Description

用于医疗应用的隔膜泵
技术领域
本发明涉及对流体的泵送，诸如在医疗应用情况下对流体的泵送。
背景技术
美国专利2,715,610(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于化工投料的比例混合器。
美国专利8,590,810(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于油漆的空气喷枪。该空气喷枪具有管状主体，该管状主体具有接收螺纹衬圈的集成螺纹。这将气帽贴靠着管的端部固定。气帽具有四个角，其形成有向内倾斜方向的镗孔，以便通过以类似于用于具有两个角的已知气帽的方式从相反两侧冲击气帽从而使喷雾图案化。管中的气帽后面是用于根据图案化油漆喷雾的需要，将空气分配至气角对中的任一者或两者的空气分配器。油漆流由可从用于油漆流的油漆喷嘴抽出的针控制。针分为两部分，可更换的前部和连接至触发器的后部。
欧洲专利公布EP0119210(其公开内容以引用方式并入本文)描述了其中由加压流体源驱动的井下往复式油井泵通过一个油管柱将来自井的液体泵送通过另一油管柱的方法和装置。该井下泵具有从泵室排放气体和蒸气并且仅在泵室变得填充有液体时引起泵冲程的内部装置。泵室被感测到通过流敏感限流器填充有液体，流敏感限流器监控气体和蒸气的排放并在液体流过限流器时引起通气口关闭，从而关闭动力阀，以允许动力流体朝泵柱塞流动。柱塞具有穹顶形状头部并且圆柱体具有排出来自泵室的沉淀物的端口。泵冲程速度可通过调整加压流体源的输出来独立地调控，并且回程可通过对回流端口进行正确的定径来调整。
欧洲专利公布EP0629777(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于内燃机的燃料喷射系统，该内燃机具有通过使用高压燃料泵最小化任何压力脉冲和压力波动的方式而改进的燃料计量特征，高压燃料泵具有多个正排量泵送装置，该多个正排量泵送装置工作使得其递送周期重叠并使得泵送装置的瞬时速度在其递送冲程期间是恒定的，以便最小化系统中的压力变化并避免泵以与引擎输出轴同步的关系驱动的必要。这允许了变速传动装置的使用，使得泵能够以取决于引擎需要的速度比被驱动和/或消除正传动以保持同步的必要。
发明内容
本发明的实施方案提供一种泵，其包括：
活塞；
耦合到活塞并限定流体室的壁的隔膜；以及
蜗旋凸轮，其被配置成通过驱动活塞来移动隔膜，通过旋转来交替地(i)从流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到流体室中。
在本发明所公开的实施方案中，蜗旋凸轮被配置成在以恒定速度旋转时，交替地(i)以第一速率从流体室泵送流体，以及(ii)以大于第一速率的第二速率将流体吸到流体室中。
或者，蜗旋凸轮被配置成在以恒定速度旋转时，在蜗旋凸轮的每个旋转周期期间，(i)在第一时间量下从流体室泵送流体，并且(ii)在少于第一时间量的第二时间量下将流体吸到流体室中。通常，第一时间量与第二时间量的比为至少4:1。
在另一个本发明所公开的实施方案中，蜗旋凸轮被成形为限定倾斜度在介于50度和80度之间的齿。另选地或除此之外，蜗旋凸轮被成形为限定多个齿。
在另一个本发明所公开的实施方案中，在蜗旋凸轮的大部分周长上，蜗旋凸轮的半径增加速率是恒定的。
根据本发明的实施方案，还提供了设备，该设备包括：
活塞；
耦合到活塞并限定流体室的壁的隔膜；
凸轮，其被配置成通过驱动活塞来移动隔膜，通过旋转来交替地(i)从流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到流体室中；
传感器，其被配置成感测凸轮的状态并产生响应其的传感器信号；以及
处理器，其被配置成响应于传感器信号来控制凸轮的旋转速度。
通常，传感器由被配置成捕获凸轮图像的光学传感器组成，处理器信号包括图像。设备可在凸轮上包括多个光学标记物，处理器被配置成响应于检测图像中的光学标记物来控制凸轮的旋转速度。
处理器通常被配置成控制凸轮的旋转速度使得凸轮交替地(i)以第一速率从流体室泵送流体，并且(ii)以大于第一速率的第二速率将流体吸到流体室中。
本发明还提供了一种方法，该方法包括：
提供(i)活塞，和(ii)耦合到活塞并限定流体室的壁的隔膜；以及
通过旋转驱动活塞的凸轮来移动隔膜，从而交替地(i)以第一速率将流体从流体室泵送到受治疗者体内，并且(ii)以大于第一速率的第二速率将流体吸到流体室中。
从流体室泵送流体可包括在凸轮的每个旋转周期的至少80％的持续时间内泵送流体。
在另选的实施方案中，泵送流体包括将流体泵送到受治疗者的心脏中。
在另外的另选实施方案中，泵送流体包括以恒定速率泵送流体。
凸轮可为蜗旋凸轮。
方法可包括控制凸轮的旋转速度使得第二速率大于第一速率。通常，控制凸轮的旋转速度包括：
使用传感器，感测凸轮的状态并产生响应其的传感器信号；以及
使用处理器，响应于传感器信号来控制凸轮的旋转速度。
传感器可包括光学传感器，并且传感器信号可包括光学传感器所捕获的图像。
控制凸轮的旋转速度可包括响应于在图像中检测凸轮上的光学标记物来控制凸轮的旋转速度。
结合附图阅读本发明实施方案的以下详细说明，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1为根据本发明的一些实施方案的用于心脏消融治疗的系统的示意图；
图2A-B为根据本发明的一些实施方案的冲洗泵的示意图；并且
图3为根据本发明的一些实施方案的用于泵送流体的设备的示意图。
具体实施方式
概述
在一些医疗应用中，流体被泵送到受治疗者体内。例如，在一些心脏规程诸如消融规程期间，冲洗流体诸如盐水流体被泵送到受治疗者的心脏中。
本发明人已观察到通过压缩容纳流体的管来泵送流体的蠕动泵具有某些缺点。具体地讲，泵的蠕动动作引入了电气噪音，其可妨碍对心脏电活动的测量。此外，在一些情况下，管可开始破裂，并且泵可因此将管壁材料(例如塑料)的小颗粒引入患者体内。
另一方面，本发明的实施方案提供了隔膜泵，其不具有上述缺点。本文所述的每个泵包括流体室、限定流体室的壁的隔膜、耦合到隔膜的活塞、以及凸轮，该凸轮通过旋转驱动活塞往复从而交替地从流体室泵送流体并且将流体吸到流体室中。
在一些实施方案中，使用了蜗旋凸轮来驱动活塞。此类凸轮具有在凸轮的绝大部分周长上增加然后在最大半径点和最小半径点之间急剧减小的半径。因此，在凸轮的绝大部分旋转周期中，流体从流体室泵送，只有用于再填充流体室的相对短暂的中断。几乎不间断的流体流有助于规程的安全和/或功效。
另选地或除此之外，几乎不间断的流可通过在每个旋转周期改变凸轮的旋转速度来实现。即，凸轮可在泵送流体时以较低速度旋转，并且在将流体吸到流体室中时以较高速度旋转。在一些实施方案中，传感器诸如光学传感器感测活塞的位置，并且处理器响应于传感器所感测到的活塞位置来改变凸轮的速度。
系统描述
首先参见图1，其为根据本发明的实施方案的用于心脏消融治疗的系统21的示意图。操作者29(诸如，介入心脏病专家)经由患者27的血管系统将体内探头，诸如导管23插入到患者的心脏25的腔室内。例如，为了治疗心房纤颤，操作者可将导管推进到左心房内并且使导管的远侧端部处的消融电极与待监测和/或待消融的心肌组织进行接触。
导管23在其近侧端部处连接至柄部31，该柄部继而连接至控制台33。控制台33包括射频(RF)发生器35，该射频(RF)发生器将电力提供到消融电极，以便消融目标组织。冲洗泵20将冲洗流体诸如盐水溶液从流体贮存器(未示出)泵送通过导管23，并到达消融电极。然后在消融规程期间将冲洗流体传递到心脏中，以便帮助冷却和/或稀释血液。
在规程期间，处理器37可用于通过自动地或响应于来自操作者29的输入控制RF能量发生器35来监测消融电流和/或控制电流。在规程之前、期间、和/或之后，心电图(ECG)记录仪60可记录患者的ECG。
现在参见图2A-B，该图为根据本发明的一些实施方案的冲洗泵20的示意图。图2A示出了泵20的等轴视图，而图2B示出了泵的一部分的剖面图。
泵20包括马达22，其通过旋转蜗旋凸轮24驱动活塞26。活塞26耦合到限定流体室32的壁的隔膜30。(在示出的具体示例中，隔膜30限定流体室32的底壁。)入口阀46a控制流体从流体贮存器流到流体室中，而出口阀46b控制流体从流体室流到流体贮存器。
蜗旋凸轮将旋转运动转化为活塞的线性运动。因此，随着蜗旋凸轮旋转，蜗旋凸轮通过驱动活塞移动隔膜，交替地(i)从流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到流体室中。具体地讲，蜗旋凸轮的旋转可引起活塞交替地(i)推动隔膜，因此打开出口阀46b，关闭入口阀46a，并迫使流体从流体室出来并进入导管，并且(ii)牵拉隔膜，因此打开入口阀46a，关闭出口阀46b，并且将流体从流体贮存器吸出并吸到流体室中。
在本申请(包括权利要求书)的上下文中，“涡旋凸轮”为被成形为限定一个或多个齿34的任何凸轮，所述齿造成活塞运动方向上快速反转的效应。例如，在图2B中，蜗旋凸轮24被成形为限定单个齿34。沿着蜗旋凸轮的周长从齿34的基部逆时针前进，蜗旋凸轮的半径例如以恒定速率(例如以mm/弧度或以％/弧度测得)增加，直至齿的顶点。在经过顶点时，半径迅速减小，即半径以比前述半径增加速率大很多的速率减小。因此，随着蜗旋凸轮以如图所示的顺时针方向旋转，蜗旋凸轮朝向流体室逐步推进活塞，直至活塞从齿的顶点“掉下”时活塞从流体室迅速撤回。
由于活塞撤回的时间比活塞推进的时间少很多，蜗旋凸轮24提供对流体的几乎不间断的泵送。例如，可在蜗旋凸轮的每个旋转周期的绝大部分持续时间内(例如蜗旋凸轮的每个旋转周期的持续时间的至少80％、90％、或95％)泵送流体。此外，在其中蜗旋凸轮的半径以恒定速率增加的实施方案中，流体以恒定速率(以体积/时间的单位(例如立方厘米(cc)每秒)测得)泵送，这样的恒定速率在某些应用中是有利的。
流体被泵送的速率由蜗旋凸轮的半径增加的速率、以及凸轮的尺寸、凸轮旋转的速度、以及其它因素决定。
流体被吸到流体室中的速率尤其由齿的倾斜度θ决定。一般来讲，将齿的倾斜度设定成以便促进流到相对较高的流体室中的速率，但齿的倾斜度足够低使得流体中不形成气泡。例如，在一些实施方案中，倾斜度θ在介于50度和80度之间。
鉴于以上内容，在本申请(包括权利要求书)的上下文中，“蜗旋凸轮”可根据蜗旋凸轮的旋转对流体流产生的影响另选地或另外地定义。具体地讲，可以说蜗旋凸轮为这样的凸轮：当以恒定的旋转速度(例如以弧度/秒测得)旋转完旋转周期时，致使从流体室泵送流体的时间比将流体吸到流体室中的时间大(很多)，例如按照至少4:1的比率。(这意味着从流体室泵送流体的速率比将流体吸到流体室中的速率小很多。)
即使按照上文的另选定义，也应当注意，在实践中，蜗旋凸轮未必以恒定速度旋转。
如图2B所示，在一些实施方案中，蜗旋凸轮24通过插入到活塞中并从活塞突出的栓28控制活塞。蜗旋凸轮在蜗旋凸轮旋转期间的大部分时间内或全部时间内都与栓28保持接触。随着蜗旋凸轮推压栓，活塞推进，并且迫使流体流出流体室32。相反地，随着栓28从齿的顶点掉下，活塞从流体室撤回，并且流体被吸到流体室中。
尽管图2A-B示出了具体实施方案，但应当注意的是，本发明的范围包括用于通过蜗旋凸轮和活塞控制流体流的任何合适机构。例如，替代将栓28安置在凸轮上，活塞的底部可直接安置在凸轮上，如图3(下文所述)所示，或者活塞可被成形为限定安置在凸轮上的突起。此外，任何合适类型的阀可被用于控制流体室的入口和出口。此外，蜗旋凸轮24可被成形为限定多个齿，使得蜗旋凸轮的每个旋转转化为多个泵送循环。虽然此类实施方案相对于单齿实施方案增加流体流的中断数量，但在一些应用中可能优选的是具有多个更短的中断，而不是单个较长的中断。
现在参见图3，该图为根据本发明的一些实施方案的用于泵送流体的设备36的示意图。一般来讲，设备36可作为泵20的替代物被用于系统21(图1)中，该泵在上文参考图2A-B有所描述。
设备36包括隔膜泵，隔膜泵包括凸轮38，以及示于以上附图的基本泵元件，诸如活塞26、马达22、以及隔膜30。然而，设备36与泵20至少在以下方面有所不同：(i)凸轮38未必为蜗旋凸轮，并且(ii)设备36还包括被配置成执行下述任务的传感器40。一般来讲，传感器40感测凸轮38的电流状态，并且响应于其产生传感器信号41。处理器37(上文参考图1所提到的)接收传感器信号，并且响应于由传感器信号指示的凸轮状态控制凸轮的旋转速度(例如通过控制马达22来控制凸轮的旋转速度)。
例如，在一些实施方案中，传感器40包括捕获凸轮的图像的光学传感器。处理器接收图像，然后处理图像以便探知凸轮的电流状态。此类处理可通过在凸轮上放置一个或多个光学标记物来促进，光学标记物在图像中由处理器检测。
例如，如图所示，两个标记物M0和M1可放置在凸轮上。在M0和M1被定位时，在图像中，如图所示，处理器探知凸轮的状态为使得活塞的底部位于其最大高度H0处。因此，处理器增大了凸轮的旋转速度，以便实现快速将流体吸到流体室中。
然后凸轮以增大的速度旋转，使得活塞迅速落下，并且流体被迅速吸到流体室中，直至活塞的底部达到其最小高度H1。然后活塞保持在高度H1处直至标记物M1(位于从凸轮的枢轴44到凸轮的周边的距离在此再次变为不恒定的点处)最靠近活塞。通常，在H1处的时间尽可能小，并且要实现这一点：凸轮在此区域中以非常快的第三速率旋转。然后处理器基于M0和M1的位置探知凸轮的状态为使得活塞将马上开始上升。因此，处理器降低了凸轮的旋转速度，以便实现缓慢从流体室泵送流体。
应当注意，图3的实施方案仅以举例的方式提供；在实践中，可使用任何合适数量的光学标记物，这些标记物放置在凸轮上任何合适的位置处。在一些实施方案中，为了进一步促进对凸轮的电流状态的探知，标记物可彼此不同，并且处理器可被配置成在标记物之间进行区分。
在本文所述的所有实施方案中，流体以比从流体室泵送流体的速率更大的速率被吸到流体室中。在图2A-B中，速率差别由凸轮的形状来实现，而在图3中，速率差别通过改变凸轮的旋转速度来实现。(在一些实施方案中，两种技术可组合使用。)在任何情况下，本发明的实施方案都有助于例如以恒定速率对流体进行几乎不间断的泵送。
本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域的技术人员在阅读上述说明时可能想到的未在现有技术范围内公开的变型和修改。以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中定义的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的定义在某种程度上相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

Claims (20)

1.一种泵，包括：
活塞；
隔膜，所述隔膜耦合到所述活塞并限定流体室的壁；以及
蜗旋凸轮，所述蜗旋凸轮被配置成通过驱动所述活塞来移动所述隔膜，从而通过旋转来交替地(i)从所述流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到所述流体室中。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述蜗旋凸轮被配置成在以恒定速度旋转时，交替地(i)以第一速率从所述流体室泵送流体，并且(ii)以大于所述第一速率的第二速率将流体吸到所述流体室中。
3.根据权利要求1所述的泵，其中所述蜗旋凸轮被配置成在以恒定速度旋转时，在所述蜗旋凸轮的每个旋转周期期间，(i)从所述流体室泵送流体达第一时间量，并且(ii)将流体吸到所述流体室中达少于所述第一时间量的第二时间量。
4.根据权利要求3所述的泵，其中所述第一时间量与所述第二时间量的比为至少4:1。
5.根据权利要求1所述的泵，其中所述蜗旋凸轮被成形为限定倾斜度在介于50度和80度之间的齿。
6.根据权利要求1所述的泵，其中所述蜗旋凸轮被成形为限定多个齿。
7.根据权利要求1所述的泵，其中，在所述蜗旋凸轮的大部分周长上，所述蜗旋凸轮的半径增加速率是恒定的。
8.一种设备，包括：
活塞；
隔膜，所述隔膜耦合到所述活塞并限定流体室的壁；
凸轮，所述凸轮被配置成通过驱动所述活塞来移动所述隔膜，从而通过旋转来交替地(i)从所述流体室泵送流体，并且(ii)将流体吸到所述流体室中；
传感器，所述传感器被配置成感测所述凸轮的状态并响应于该状态而产生传感器信号；以及
处理器，所述处理器被配置成响应于所述传感器信号来控制所述凸轮的旋转速度。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述传感器包括被配置成捕获所述凸轮的图像的光学传感器，所述传感器信号包括所述图像。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括所述凸轮上的多个光学标记物，所述处理器被配置成响应于在所述图像中检测所述光学标记物来控制所述凸轮的所述旋转速度。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述处理器被配置成控制所述凸轮的所述旋转速度使得所述凸轮交替地(i)以第一速率从所述流体室泵送流体，并且(ii)以大于所述第一速率的第二速率将流体吸到所述流体室中。
12. 一种方法，包括：
提供(i)活塞，和(ii)耦合到所述活塞并限定流体室的壁的隔膜；以及
通过旋转驱动所述活塞来移动所述隔膜的凸轮，从而交替地(i)以第一速率将流体从所述流体室泵送到受治疗者体内，并且(ii)以大于所述第一速率的第二速率将流体吸到所述流体室中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中从所述流体室泵送所述流体包括在所述凸轮的每个旋转周期的至少80%的持续时间内泵送所述流体。
14.根据权利要求12所述的方法，其中泵送所述流体包括将所述流体泵送到所述受治疗者的心脏中。
15.根据权利要求12所述的方法，其中泵送所述流体包括以恒定速率泵送所述流体。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述凸轮为蜗旋凸轮。
17.根据权利要求12所述的方法，包括控制所述凸轮的旋转速度使得所述第二速率大于所述第一速率。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中控制所述凸轮的所述旋转速度包括：
使用传感器，感测所述凸轮的状态并响应于该状态而产生传感器信号；以及
使用处理器，响应于所述传感器信号来控制所述凸轮的所述旋转速度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述传感器包括光学传感器，并且所述传感器信号包括所述光学传感器所捕获的图像。
20.根据权利要求19所述的方法，其中控制所述凸轮的所述旋转速度包括响应于在所述图像中检测所述凸轮上的光学标记物来控制所述凸轮的所述旋转速度。
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