CN110975036B - 一种基于柱状可展结构的心脏反搏器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于柱状可展结构的心脏反搏器，包括基于可展结构的柱状流控装置以及用于驱动所述装置的外部系统，所述柱状流控装置由位于中部的柱状折纸结构和位于其两端的薄膜状封口紧密连接而成，通过严格卫生包装的若干绳索将所述装置与所述外部系统相连接。本发明提供的基于柱状可展结构的心脏反搏器，可放置于人体内降主动脉的近端，促进血液的单向循环，间接地辅助心脏泵血。
Description
技术领域
本发明设计一种基于柱状可展结构的心脏反搏器，属于医疗器械技术领域。
背景技术
反搏是一种辅助人体血液循环的方法，它通过机械方式使主动脉内收缩期血压降低和舒张期血压增高，以达到辅助心脏做功，改善血液循环，增进心脏泵血功能的目的。反搏疗法在临床上应用广泛，包括体外反搏（ECP）和主动脉内气囊反搏（IABP）两种，其中，IABP是改善冠状动脉血供的有效手段，也是心脏机械辅助的方法之一。
IABP的原理是通过介入手术将带有一根导管的细长型气囊置于降主动脉近端，并将导管连接至体外的气泵，根据心跳周期同步的充放气控制主动脉内气囊的收缩与扩张，达到辅助血液循环的目的。
发明内容
本发明设计了一种基于柱状可展结构的心脏反搏器，可以通过介入手术将其放置在降主动脉的近端，对主动脉内血流实现从其中一侧流向另一侧的单向交换控制，进而为血液循环提供动力，辅助心脏泵血。
本发明提供一种基于柱状可展结构的心脏反搏器，包括基于可展结构的柱状流控装置以及用于驱动所述装置的外部系统，所述柱状流控装置由位于中部的柱状折纸结构和位于其两端的薄膜状封口紧密连接而成，通过严格卫生包装的若干绳索将所述柱状流控装置与所述外部系统相连接。
本发明进一步限定的技术方案为：
进一步的，基于可展结构的柱状流控装置根据外部系统判断心跳周期并根据心跳周期同步动作。
进一步的，外部系统包括心电信号采集单元、主控芯片单元、舵机组单元以及供电单元；其中，心电信号采集单元将采集到的心电信号经过放大和滤波处理后传给主控芯片，芯片输出控制舵机组拉伸或放松连接在舵机与柱状流控装置上的绳索，实现对柱状流控装置工作状态的控制，并且将柱状流控装置的状态实时反馈给主控芯片，形成闭环控制，保证该反搏器能根据人体心跳周期同步工作。
进一步的，所述心电信号采集单元、主控芯片单元、舵机组和供电单元均在体外，舵机组通过绳索与置于人体内主动脉近端的柱状流控装置相连接，绳索均由气管包裹后合在一处通过插管从体外接至柱状流控装置，气管直径足够宽以使气管内的绳索可自由拉伸或放松而几乎不受气管壁摩擦力影响。
一种柱状流控装置，主要由位于中部的柱状折纸结构和紧密连接其两端的薄膜状封口所组成，其中所述柱状折纸结构由可折叠的平面材料制成，在材料上制造出有规律的折痕，便可以使用折纸术对此柱状结构进行折叠或展开的操作。
本发明进一步限定的技术方案为：
进一步的，所述柱状折纸结构的外侧边缘直径两端设计有一对固定端子，通过与其相接的钢丝结构，能够使所述装置固定在人体主动脉内。
进一步的，所述薄膜状封口采用与人体兼容的弹性材料制成。
进一步的，所述绳索采用与人体兼容的且刚性极好的材料制成。
进一步的，所述绳索均由气管包裹后合在一处通过插管与所述外部系统相连接。
进一步的，所述柱状流控装置包括位于装置外侧边缘直径两端的一对固定端子，固定端子之间通过钢丝相连接，并在所接钢丝的中心点处引出另一段贯穿所述柱状流控装置的钢丝，所述钢丝沿着人体内血管一直延伸至体外，由此形成的钢丝结构将所述柱状流控装置固定在人体内降主动脉的近端，同时固定端子也是在介入手术中将柱状流控装置通过插管送至动脉时插管的支撑点。
进一步的，在柱状折纸结构的外侧边缘处存在另一对位于直径两端的第一点和位于柱状可展结构底部外侧边缘直径两端的第二点，第一点和第二点均位于固定端子的下方，且第一点的连线与第二点的连线在空间上呈垂直关系，此四点处各引出适当长度的绳索，绳索均由气管包裹后合在一处沿着插管传递到体外，所用绳索与气管均采用与人体兼容的材料制成；不会造成感染；柱状折纸结构由第一绳索和第二绳索控制其折叠与展开，当同时向下拉动第一绳索的两端、放松第二绳索时，柱状结构展开，当同时向上拉动第二绳索的两端、放松第一绳索时，柱状结构折叠；位于柱状流控装置两端的薄膜状封口上各自沿封口边缘缝合了第三绳索和第四绳索，通过拉动绳索可控制对应封口的开闭，当拉动第三绳索时，上端封口关闭，当拉动第四绳索时，下端封口关闭。
一种基于柱状可展结构的心脏反搏器的控制方法，其特征在于，按照如下步骤进行： S1柱状流控装置首先处于两侧薄膜状封口打开、中部折纸结构压缩的状态，以便血流通畅；
S2当心脏泵出血液时，拉紧第三绳索使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口关闭，放松第四绳索使远离心脏一侧的薄膜状封口打开，同时将第二绳索放松、第一绳索拉紧让中部可展结构扩展开来，使从心脏流出的血液沿流控装置与血管壁的夹缝流到远离心脏即薄膜状封口打开的一侧、并充满流控装置中；
S3在心脏泵入血液时，放松第三绳索使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口打开，拉紧第四绳索使远离心脏一侧的薄膜状封口紧闭，同时将第二绳索拉紧、第一绳索放松让中部可展结构折叠起来，使之前充满流控装置中的血液排出到靠近心脏的一侧；所有绳索的拉紧及放松过程均通过体外舵机的正反转进行控制，且控制的节奏取决于心电信号采集单元获取的心跳周期。
技术效果
本发明设计的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其核心在于柱状流控装置，将柱状流控装置置于人体降主动脉的近端，并利用处于可展结构中部两侧的固定端子所接的钢丝结构固定得当，通过体外驱动装置根据心脏泵血周期有规律地拉伸或放松连接在流控装置上的绳索，柱状流控装置首先处于两侧薄膜状封口打开、中部折纸结构压缩的状态，以便血流通畅，在心脏泵出血液时，柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口关闭，远离心脏一侧的薄膜状封口打开，中部可展结构扩展开来，使从心脏流出的血液沿流控装置与血管壁的夹缝流到远离心脏（薄膜状封口打开）的一侧、并充满流控装置中；在心脏泵入血液时，柱状流控装置远离心脏一侧的薄膜状封口关闭，靠近心脏一侧的薄膜状封口打开，中部可展结构折叠起来，使之前充满流控装置中的血液排出到靠近心脏的一侧。如此，该反搏器可根据人体泵血周期循环工作，在血压的作用下促进血液的单向流动，进而实现辅助心脏泵血的功能，起到反搏的作用。
本发明采用柱状可展结构，通过对柱状区域进行压缩和展开实现了主动脉内血液相对于柱状流控装置的进入及排出，系统延时小，运行效率高。
本发明结合了软膜与折纸结构，具有装置轻便、便于装载的优点。
本发明使用绳索牵引方式传动控制装置的运行，驱动机构与执行机构形成独立模块，便于布局安装和调试维护。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中所采用的柱状流控装置示意图。
图3是本发明实施例中所采用的柱状可展结构示意图，其中（a）左前侧视图；（b）折纸结构单元；（c）俯视图；（d）侧面展开图。
具体实施方式
实施方案
在下文中，参考附图，对一种基于柱状可展结构的心脏反搏器的系统结构16和该结构的重要组成部分——柱状流控装置15进行详细说明。
图1是所述实施方案的全局控制系统结构图，由心电信号采集单元10、主控芯片单元11、舵机组单元12以及电源13所组成的体外驱动装置为人体主动脉内柱状流控装置15提供动力支持和规律控制。其中，对于心电信号采集单元的电路结构可采用常见的右腿驱动电路的方案，主控芯片及舵机组的选型可根据实际条件适当选择。由于在本发明设计中，体外驱动装置14并非重点，故此处不做详细介绍。
图2是所述实施方案的基于可展结构的柱状流控装置，包括位于装置外侧边缘直径两端的一对固定端子1-1，固定端子1-1通过钢丝相连接，并在所接钢丝的中心点9处引出另一段贯穿所述柱状流控装置15的钢丝8，所述钢丝8沿着人体内血管一直延伸至体外，由此形成的钢丝结构将所述柱状流控装置固定在人体内降主动脉的近端，同时固定端子1-1也是在介入手术中将柱状流控装置通过插管送至动脉时插管的支撑点；柱状折纸结构2由可折叠的平面材料制成，在材料上制造出有规律的折痕，便可以使用折纸术对此柱状结构进行折叠或展开的操作；在柱状折纸结构的外侧边缘处存在另一对位于直径两端的点4-4和位于柱状可展结构底部外侧边缘直径两端的点5-5，且点4-4的连线与点5-5的连线在空间上呈垂直关系，此四点处各引出适当长度的绳索（下文以4’和5’代指从对应点处引出的绳索），绳索均由气管包裹后合在一处沿着插管传递到体外，所用绳索与气管均采用与人体兼容的材料制成，不会造成感染；柱状折纸结构2由绳索4’和5’控制其折叠与展开，当同时向下拉动绳索4’的两端、放松绳索5’时，柱状结构展开，当同时向上拉动绳索5’的两端、放松绳索4’时，柱状结构折叠；位于柱状流控装置两端的薄膜状封口3上各自沿封口边缘缝合了绳索6和绳索7，通过拉动绳索可控制对应封口的开闭，当拉动绳索6时，上端封口关闭，当拉动绳索7时，下端封口关闭。
使用所述基于柱状可展结构的心脏反搏器时，柱状流控装置的控制方法如下：（1）柱状流控装置首先处于两侧薄膜状封口打开、中部折纸结构压缩的状态，以便血流通畅；（2）当心脏泵出血液时，拉紧绳索6使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口关闭，放松绳索7使远离心脏一侧的薄膜状封口打开，同时将绳索5’放松、绳索4’拉紧让中部可展结构扩展开来，使从心脏流出的血液沿流控装置与血管壁的夹缝流到远离心脏（薄膜状封口打开）的一侧、并充满流控装置中；（2）在心脏泵入血液时，放松绳索6使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口打开，拉紧绳索7使远离心脏一侧的薄膜状封口紧闭，同时将绳索5’拉紧、绳索4’放松让中部可展结构折叠起来，使之前充满流控装置中的血液排出到靠近心脏的一侧。所有绳索的拉紧及放松过程均通过体外舵机的正反转进行控制，且控制的节奏取决于心电信号采集单元获取的心跳周期。
本发明实施案例所采用的柱状可展结构通过类似于经皮瓣膜置换术（TAVR）的方式、采用逆行法（穿刺股动脉－腹主动脉－降主动脉）传送至人体降主动脉的近端。
图3是本发明实施案例所采用的柱状可展结构示意图之一。除了图3中所示的折纸结构外，其他拓扑形式、几何参数的柱状折纸结构、可展结构均可应用于本发明中。
Claims (11)
1.一种基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：包括基于可展结构的柱状流控装置以及用于驱动所述装置的外部系统，所述柱状流控装置由位于中部的柱状折纸结构和位于其两端的薄膜状封口紧密连接而成，通过严格卫生包装的若干绳索将所述柱状流控装置与所述外部系统相连接。
2.根据权利要求1所述的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：所述基于可展结构的柱状流控装置根据外部系统判断心跳周期并根据心跳周期同步动作。
3.根据权利要求1所述的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：所述外部系统包括心电信号采集单元、主控芯片单元、舵机组单元以及供电单元；其中，心电信号采集单元将采集到的心电信号经过放大和滤波处理后传给主控芯片，芯片输出控制舵机组拉伸或放松连接在舵机与柱状流控装置上的绳索，实现对柱状流控装置工作状态的控制，并且将柱状流控装置的状态实时反馈给主控芯片，形成闭环控制，保证该反搏器能根据人体心跳周期同步工作。
4.根据权利要求3所述的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：所述心电信号采集单元、主控芯片单元、舵机组和供电单元均在体外，舵机组通过绳索与置于人体内主动脉近端的柱状流控装置相连接，绳索均由气管包裹后合在一处通过插管从体外接至柱状流控装置，气管直径足够宽以使气管内的绳索可自由拉伸或放松而几乎不受气管壁摩擦力影响。
5.根据权利要求4所述的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：所述绳索采用与人体兼容的且刚性极好的材料制成。
6.根据权利要求5所述的基于柱状可展结构的心脏反搏器，其特征在于：所述绳索均由气管包裹后合在一处通过插管与所述外部系统相连接。
7.一种柱状流控装置，其特征在于：主要由位于中部的柱状折纸结构和紧密连接其两端的薄膜状封口所组成，其中所述柱状折纸结构由可折叠的平面材料制成，在材料上制造出有规律的折痕，使用折纸术对此柱状结构进行折叠或展开的操作；所述柱状折纸结构的外侧边缘直径两端设计有一对固定端子，通过与其相接的钢丝结构，能够使所述装置固定在人体主动脉内。
8.根据权利要求7所述的柱状流控装置，其特征在于：所述薄膜状封口采用与人体兼容的弹性材料制成。
9.根据权利要求7所述的柱状流控装置，其特征在于：所述柱状流控装置包括位于柱状折纸结构外侧边缘直径两端的一对固定端子（1），固定端子（1）之间通过钢丝相连接，并在所接钢丝的中心点（9）处引出另一段贯穿所述柱状流控装置（15）的钢丝（8），所述钢丝（8）沿着人体内血管一直延伸至体外，由此形成的钢丝结构将所述柱状流控装置固定在人体内降主动脉的近端，同时固定端子（1）也是在介入手术中将柱状流控装置通过插管送至动脉时插管的支撑点。
10.根据权利要求9所述的柱状流控装置，其特征在于：在柱状折纸结构（2）的外侧边缘处存在一对位于直径两端的第一点（4）和位于柱状可展结构底部外侧边缘直径两端的第二点（5），第一点（4）和第二点（5）均位于固定端子（1）的下方，且第一点（4）的连线与第二点（5）的连线在空间上呈垂直关系，此四点处各引出适当长度的绳索，绳索均由气管包裹后合在一处沿着插管传递到体外，所用绳索与气管均采用与人体兼容的材料制成；柱状折纸结构（2）由第一绳索（4’）和第二绳索（5’）控制其折叠与展开，当同时向下拉动第一绳索（4’）的两端、放松第二绳索（5’）时，柱状结构展开，当同时向上拉动第二绳索（5’）的两端、放松第一绳索（4’）时，柱状结构折叠；位于柱状流控装置两端的薄膜状封口（3）上各自沿封口边缘缝合了第三绳索（6）和第四绳索（7），通过拉动绳索可控制对应封口的开闭，当拉动第三绳索（6）时，上端封口关闭，当拉动第四绳索（7）时，下端封口关闭。
11.一种基于柱状可展结构的心脏反搏器的控制方法，其特征在于，按照如下步骤进行： S1柱状流控装置首先处于两侧薄膜状封口打开、中部折纸结构压缩的状态，以便血流通畅； S2当心脏泵出血液时，拉紧第三绳索（6）使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口关闭，放松第四绳索（7）使远离心脏一侧的薄膜状封口打开，同时将第二绳索（5’）放松、第一绳索（4’）拉紧让中部可展结构扩展开来，使从心脏流出的血液沿流控装置与血管壁的夹缝流到远离心脏即薄膜状封口打开的一侧、并充满流控装置中； S3在心脏泵入血液时，放松第三绳索（6）使柱状流控装置靠近心脏一侧的薄膜状封口打开，拉紧第四绳索（7）使远离心脏一侧的薄膜状封口紧闭，同时将第二绳索（5’）拉紧、第一绳索（4’）放松让中部可展结构折叠起来，使之前充满流控装置中的血液排出到靠近心脏的一侧；所有绳索的拉紧及放松过程均通过体外舵机的正反转进行控制，且控制的节奏取决于心电信号采集单元获取的心跳周期。
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