CN109350787B - 一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法 - Google Patents

一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法，属于图像测速技术领域，本发明所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，设计远场磁力驱动装置和同步装置，保证每次拍摄是在叶轮的同一位置，能够实现对轴流式人工心脏内部流场的研究；轴流式人工心脏叶轮位置无驱动线圈遮挡，能够对轴流式人工心脏内部叶轮部分流场进行PIV实验；同步控制装置及控制程序能够实现对泵任意角度的拍摄，能够保证相机每次拍摄位置固定。本发明所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速方法，驱动装置和血泵转子分离设计，能够隔离振动，提高实验的精度。

Description

一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法
技术领域
本发明属于图像测速技术领域，具体涉及一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法。
背景技术
人工心脏泵的临床应用为心衰患者带来了福音，受到越来越多的关注与研究，血泵作为人工心脏的核心部件。人工心脏存在的问题是泵内部流场存在剪切应力，对红细胞剪切破坏导致的溶血问题。轴流式人工心脏内部流场的研究主要以数值仿真为主，但实际人工心脏由于加工因素等影响，与仿真结果可能有较大误差，为研究轴流式人工心脏的内部流场情况，需要通过实验的方法来研究内部流场情况。
PIV(Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法)是目前研究内部流场的主要方法。中国专利201210103048.6公开了一种用于粒子图像测速的轴流泵及其粒子图像测速的方法；赵阳，《轴流泵叶轮与导叶内部流场的3D-PIV测量》，扬州大学硕士学位论文，2006.和黄欢明，《轴流泵内流场的数值模拟与工实验研究》，上海交通大学硕士学位论文，2008.上述文献是针对传统轴流式水泵的研究，传统水泵体积大，采用外接驱动轴的形式进行驱动，该方法不适用与轴流式血泵的PIV实验。柳光茂等2013年在中国生物医学工程学报发表的论文《轴流式左心辅助泵的出口管道流场PIV实验研究》，对轴流式血泵的PIV实验主要是对泵出口管道的流场进行测试，采用固定频率方式拍摄图像，没有设计PIV同步拍摄装置。
目前轴流式人工心脏的驱动形式采用同步电机驱动原理，在由叶轮外周的线圈产生旋转的磁场带动叶轮转动。由于叶轮外部有线圈遮挡，因此无法对轴流式人工心脏内部流场进行拍摄，所以无法进行PIV实验。此外，驱动线圈导电部分浸泡在溶液中，需要进行防水处理。轴流式人工心脏内部流场PIV实验需要检测叶轮位置并实现同步触发拍摄，而针对轴流式人工心脏进出口流场PIV实验采用定时触发方法，无法保证每次拍摄叶轮在同一位置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法，实现外磁驱动轴流血泵，并实现对轴流式人工心脏内部流场的同步拍摄，以进行内部流场粒子的精确测速。
本发明提供所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，包括轴流式血泵、透明有机玻璃箱、远场磁力驱动装置、控制器、PIV试验系统、恒温水箱、压力表、流量计、排气阀和节流阀，所述轴流式血泵固设于透明有机玻璃箱内部，透明有机玻璃箱的底面向内凹陷，形成凹槽，所述凹槽内设有远场磁力驱动装置，轴流式血泵设置于凹槽的上端；
所述透明有机玻璃箱内灌满甘油水溶液；
所述控制器与远场磁力驱动装置连接，用于控制远场磁力驱动装置中的驱动电机，并实现同步触发拍摄；
所述PIV试验系统采用顶部投射激光片光源，侧面进行拍摄；
所述轴流式血泵的入口与恒温水箱的出口通过管道连接，轴流式血泵的出口与恒温水箱的入口通过管道连接，轴流式血泵的入口和出口设置有压力表，用于检测轴流式血泵的入口和出口压力值；
所述轴流式血泵的出口和恒温水箱之间设有流量计，用以检测轴流式血泵的输出流量，保证轴流式人工心脏工作在额定工况下；
所述轴流式血泵和恒温水箱之间的管道上设有排气阀，用于排出管道内的气体；
所述轴流式血泵和恒温水箱之间的管道上设有节流阀，用于调节轴流式血泵的流量。
优选的，所述远场磁力驱动装置由主动永磁转子、联轴器、驱动电机和编码器组成，远场磁力驱动装置各组件同轴安装于底座上，由驱动电机带动主动永磁转子旋转产生交变磁场，通过磁场耦合将转矩传递至轴流式血泵，从而驱动轴流式血泵旋转运动，由于转动永磁体和固定永磁体保持固定的转速比，通过编码器检测主动永磁转子的位置及速度，可得到血泵叶轮的位置和速度信息，用于同步拍摄控制，编码器每周产生一个脉冲信号，该脉冲信号连接至PIV实验系统的同步拍摄装置，实现PIV拍摄时间的控制，确保每次拍摄在叶轮旋转至同一位置。
优选的，所述轴流式血泵由叶轮部分、输送管组成，叶轮部分同轴安装于输送管中，所述叶轮部分包括血泵旋转叶轮、前导叶轮、后导叶轮和随动永磁圆柱体转子。
优选的，所述随动永磁圆柱体转子采用径向充磁，其长度为15～18mm，采用两磁极以上偶数磁极设计。
进一步，所述随动永磁圆柱体转子由两极平行充磁的钕铁硼材料组成，充磁角度为180°。
优选的，所述主动永磁转子采用径向充磁，其长度为20～25mm，能够适应安装过程中的轴向位置偏差。
优选的，所述主动永磁转子采用四磁极以上偶数磁极设计，主动永磁转子的磁极数为随动磁极数的两倍以上。为保证主动永磁转子运行稳定性，所述驱动装置中主动永磁转子应做动平衡实验。
优选的，所述驱动电机的转速为8000～10000rpm，使血泵旋转叶轮能够达到8000～10000rpm的转速，保证血泵能够提供足够的流量。
优选的，所述透明有机玻璃箱为方形，避免激光直接通过有机玻璃槽时产生光折射误差，提高测量精度。
优选的，所述透明有机玻璃箱的凹槽部玻璃厚度为1～2mm，以减小驱动距离，并且能够防水。
优选的，所述甘油水溶液中甘油和水的体积比为2：1。
优选的，所述恒温水箱采用恒温水浴箱，用于保持管道内液体恒定温度在25℃，该温度下流体粘度与人体血液粘度接近。
本发明还提供一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速方法，包括以下步骤：
(1)采用远场磁力驱动装置，驱动轴流式血泵叶轮转动；
(2)通过PIV试验系统和控制器，触发相机在短间隔内连续拍摄两张照片，实现拍摄位置可控可调，并确保每次拍摄时叶轮的位置相同；
(3)比较两张图像中荧光粒子的位置变化，计算当前流场的流速，流线信息。
优选的，所述步骤(2)，通过以下方式实现：
编码器Z相每周输出一个脉冲信号，编码器AB相输出N个脉冲信号，控制器需要对编码器的信号进行处理，Z相信号用于零位校准，在捕获到Z相的脉冲后，延时0～N个AB相脉冲后，控制器再输出脉冲信号给PIV同步拍摄装置，触发相机进行拍摄，每个AB相脉冲对应的角度为(360/N)°，在实验过程中通过控制延时的脉冲数来调整不同的拍摄位置，能够实现拍摄位置可控；
为了在变速工况下每帧拍摄的位置相同，需要保证触发拍摄时泵位置与实际拍摄时泵位置角度差△θ0＝ω(△t0+△t1)为常数，其中ω为泵转动的角速度，△t0为同步装置接收到脉冲信号到触发相机拍摄存在固定延时，为修正时间，通过控制修正时间
Figure GDA0002950318880000041
能够保证在变速模式下拍摄时，拍摄位置相同。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)本发明所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，采用远场磁力驱动装置，轴流式人工心脏叶轮位置无驱动线圈遮挡，能够对轴流式人工心脏内部叶轮部分流场进行PIV实验，并设计同步装置，保证每次拍摄是在叶轮的同一位置，能够实现对轴流式人工心脏内部流场的研究。
(2)本发明所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，同步控制装置及控制程序能够实现对泵任意角度的拍摄，能够保证相机每次拍摄位置固定。
(3)本发明所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速方法，驱动装置和血泵转子分离设计，能够隔离振动，提高实验的精度。
附图说明
图1为本发明的整体布局图。
图2为本发明的远场磁力驱动装置布置图。
图3为本发明的轴流式血泵叶轮部分布置图。
图4为本发明的控制算法示意图。
图中：1-轴流式血泵；2-透明有机玻璃箱；3-远场磁力驱动装置；4-控制器；5-PIV试验系统；6-恒温水箱；7-压力表；8-流量计；9-排气阀；10-节流阀；11-管道；12-主动永磁转子；13-联轴器；14-驱动电机；15-编码器；16-输送管；17-血泵旋转叶轮；18-前导叶轮；19-后导叶轮；20-随动永磁圆柱体转子。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，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，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本发明提供一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，如图1所示，包括轴流式血泵1、方形透明有机玻璃箱2、远场磁力驱动装置3、控制器4、PIV试验系统5、恒温水箱6、压力表7、流量计8、排气阀9和节流阀10，轴流式血泵1固设于方形透明有机玻璃箱2内部，方形透明有机玻璃箱2的底面向内凹陷，形成凹槽，凹槽部玻璃厚度为1～2mm，凹槽内设有远场磁力驱动装置3，轴流式血泵1设置于凹槽的上端；
方形透明有机玻璃箱2内灌满甘油水溶液，甘油和水的体积比为2：1，将轴流式血泵1布置于甘油水溶液中；
控制器4与远场磁力驱动装置3连接，用于控制远场磁力驱动装置3中的驱动电机，并实现同步触发拍摄；
PIV试验系统5采用顶部投射激光片光源，侧面进行拍摄；
轴流式血泵1的入口与恒温水箱6的出口通过管道11连接，轴流式血泵1的出口与恒温水箱6的入口通过管道11连接，轴流式血泵1的入口和出口设置有压力表7，用于检测轴流式血泵1的入口和出口压力值；
轴流式血泵1的出口和恒温水箱6之间设有流量计8，用以检测轴流式血泵1的输出流量，保证轴流式人工心脏工作在额定工况下；
轴流式血泵1和恒温水箱6之间的管道上设有排气阀9，用于排出管道内的气体；
轴流式血泵1和恒温水箱6之间的管道上设有节流阀10，用于调节轴流式血泵1的流量。
如图2所示，远场磁力驱动装置3由主动永磁转子12、联轴器13、驱动电机14和编码器15组成，远场磁力驱动装置各组件同轴安装于底座上，由驱动电机14带动主动永磁转子12旋转产生交变磁场，通过磁场耦合将转矩传递至轴流式血泵1，从而驱动轴流式血泵1旋转运动，由于转动永磁体和固定永磁体保持固定的转速比，通过编码器15检测主动永磁转子12的位置及速度，可得到血泵叶轮的位置和速度信息，用于同步拍摄控制，编码器15每周产生一个脉冲信号，该脉冲信号连接至PIV实验系统5的同步拍摄装置，实现PIV拍摄时间的控制，确保每次拍摄在叶轮旋转至同一位置。
采用永磁驱动实现轴流式人工心脏的调速控制，如图3所示，轴流式血泵1由叶轮部分、输送管16组成，叶轮部分同轴安装于输送管16中，叶轮部分包括血泵旋转叶轮17、前导叶轮18、后导叶轮19和随动永磁圆柱体转子20。
本发明实施例中，随动永磁圆柱体转子20采用径向充磁，其长度为15～18mm，采用两磁极以上偶数磁极设计。
本发明实施例中，随动永磁圆柱体转子20由两极平行充磁的钕铁硼材料组成，充磁角度为180°。
本发明实施例中，主动永磁转子12采用径向充磁，其长度为20～25mm，能够适应安装过程中的轴向位置偏差；主动永磁转子12采用四磁极以上偶数磁极设计，主动永磁转子12的磁极数为随动磁极数的两倍以上，能够实现主动永磁转子12与随动永磁圆柱体转子20的同步旋转。为保证主动永磁转子运行稳定性，驱动装置中主动永磁转子应做动平衡实验。
本发明实施例中，驱动电机14的转速为8000～10000rpm，使血泵旋转叶轮能够达到8000～10000rpm的转速，保证血泵能够提供足够的流量。
本发明实施例中，恒温水箱6采用恒温水浴箱，用于保持管道内液体恒定温度在25℃。
本发明还提供一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速方法，包括以下步骤：
(1)采用远场磁力驱动装置，驱动轴流式血泵叶轮转动；
(2)通过PIV试验系统和控制器，触发相机在短间隔内连续拍摄两张照片，实现拍摄位置可控可调，并确保每次拍摄时叶轮的位置相同；
(3)比较两张图像中荧光粒子的位置变化，计算当前流场的流速，流线信息。
由于同步装置接收到脉冲信号到触发相机拍摄存在固定延时△t0，因此触发位置和拍摄位置存在一个角度差△θ＝ω·△t0，其中ω为泵转到的角速度，由于在拍摄过程中泵的速度会发生变化，导致△θ的值不一致，从而导致不同速度下拍摄的位置不一致，而PIV图像处理需要每次拍摄的位置相同。
本发明实施例中，所述步骤(2)中确保拍摄时叶轮的位置相同，通过以下方式实现：
编码器Z相每周输出一个脉冲信号，编码器AB相输出N个脉冲信号，控制器需要对编码器的信号进行处理，Z相信号用于零位校准，在捕获到Z相的脉冲后，延时0～N个AB相脉冲后，控制器再输出脉冲信号给PIV同步拍摄装置，触发相机进行拍摄，每个AB相脉冲对应的角度为(360/N)°，在实验过程中通过控制延时的脉冲数来调整不同的拍摄位置，能够实现拍摄位置可控；
为了在变速工况下每帧拍摄的位置相同，需要保证触发拍摄时泵位置与实际拍摄时泵位置角度差△θ0＝ω(△t0+△t1)为常数，其中ω为泵转动的角速度，△t0为同步装置接收到脉冲信号到触发相机拍摄存在固定延时，为修正时间，通过控制修正时间
Figure GDA0002950318880000071
能够保证在变速模式下拍摄时，拍摄位置相同。

Claims (8)

1.一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，包括轴流式血泵(1)、透明有机玻璃箱(2)、远场磁力驱动装置(3)、控制器(4)、PIV试验系统(5)、恒温水箱(6)、压力表(7)、流量计(8)、排气阀(9)和节流阀(10)，所述轴流式血泵(1)固设于透明有机玻璃箱(2)内部，透明有机玻璃箱(2)的底面向内凹陷，形成凹槽，所述凹槽内设有远场磁力驱动装置(3)，轴流式血泵(1)设置于凹槽的上端；
所述透明有机玻璃箱(2)内灌满甘油水溶液；
所述控制器(4)与远场磁力驱动装置(3)连接，用于控制远场磁力驱动装置(3)中的驱动电机；
所述PIV试验系统(5)采用顶部投射激光片光源，侧面进行拍摄；
所述轴流式血泵(1)的入口与恒温水箱(6)的出口通过管道(11)连接，轴流式血泵(1)的出口与恒温水箱(6)的入口通过管道(11)连接，轴流式血泵(1)的入口和出口设置有压力表(7)，用于检测轴流式血泵(1)的入口和出口压力值；
所述轴流式血泵(1)的出口和恒温水箱(6)之间设有流量计(8)，用以检测轴流式血泵(1)的输出流量，保证轴流式人工心脏工作在额定工况下；
所述轴流式血泵(1)和恒温水箱(6)之间的管道上设有排气阀(9)，用于排出管道内的气体；
所述轴流式血泵(1)和恒温水箱(6)之间的管道上设有节流阀(10)，用于调节轴流式血泵(1)的流量；
所述远场磁力驱动装置(3)由主动永磁转子(12)、联轴器(13)、驱动电机(14)和编码器(15)组成，远场磁力驱动装置各组件同轴安装于底座上，由驱动电机(14)带动主动永磁转子(12)旋转产生交变磁场，通过磁场耦合将转矩传递至轴流式血泵(1)，从而驱动轴流式血泵(1)旋转运动，由于转动永磁体和固定永磁体保持固定的转速比，通过编码器(15)检测主动永磁转子(12)的位置及速度，可得到血泵叶轮的位置和速度信息，用于同步拍摄控制，编码器(15)每周产生一个脉冲信号，该脉冲信号连接至PIV试验系统(5)的同步拍摄装置，实现PIV拍摄时间的控制，确保每次拍摄在叶轮旋转至同一位置。
2.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述轴流式血泵(1)由叶轮部分、输送管(16)组成，固定永磁体同轴安装于输送管(16)中，叶轮部分包括血泵旋转叶轮(17)、前导叶轮(18)、后导叶轮(19)和随动永磁圆柱体转子(20)。
3.根据权利要求2所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述随动永磁圆柱体转子(20)采用径向充磁，其长度为15～18mm，采用两磁极以上偶数磁极设计。
4.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述主动永磁转子(12)采用径向充磁，其长度为20～25mm，采用四磁极以上偶数磁极设计。
5.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述驱动电机(14)的转速为8000～10000rpm，使血泵旋转叶轮能够达到8000～10000rpm的转速，保证血泵能够提供足够的流量。
6.根据权利要求1～5中任一项所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述透明有机玻璃箱(2)为方形，凹槽部玻璃厚度为1～2mm。
7.一种根据权利要求1中任一项所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统所采用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用远场磁力驱动装置，驱动轴流式血泵叶轮转动；
(2)通过PIV试验系统和控制器，触发相机在短间隔内连续拍摄两张照片，实现拍摄位置可控可调，并确保每次拍摄时叶轮的位置相同；
(3)比较两张图像中荧光粒子的位置变化，计算当前流场的流速，流线信息。
8.根据权利要求7所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统所采用的方法，其特征在于，所述步骤(2)，通过以下方式实现：
编码器Z相每周输出一个脉冲信号，编码器AB相输出N个脉冲信号，控制器需要对编码器的信号进行处理，Z相信号用于零位校准，在捕获到Z相的脉冲后，延时0～N个AB相脉冲后，控制器再输出脉冲信号给PIV同步拍摄装置，触发相机进行拍摄，每个AB相脉冲对应的角度为(360/N)°，在实验过程中通过控制延时的脉冲数来调整不同的拍摄位置，能够实现拍摄位置可控；
为了在变速工况下每帧拍摄的位置相同，需要保证触发拍摄时泵位置与实际拍摄时泵位置角度差Δθ0＝ω(Δt0+Δt1)为常数，其中ω为泵转动的角速度，△t0为同步装置接收到脉冲信号到触发相机拍摄存在固定延时，△t1为修正时间，通过控制修正时间
Figure FDA0002950318870000031
能够保证在变速模式下拍摄时，拍摄位置相同。
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