CN111012963A - 一种人工心脏动力泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了人工心脏动力泵，包括血液腔、流体腔和脉动流体泵送装置，流体腔具有左流体腔和右流体腔，左流体腔和左血液腔通过左隔膜隔开，右流体腔和右血液腔通过右隔膜隔开；脉动流体泵送装置具有单向旋转的电机以及两个离心腔，电机具有转轴和两个飞轮，所有离心腔均设有能沿轴向往复移动的叶轮，两个离心腔中的叶轮沿轴向移动后交替和飞轮接触后，实现流体在左流体腔和右流体腔之间交替流动。脉动流体泵送装置的流体推动隔膜发生形变，从而使血液腔的容积发生周期性变化，最终实现循环泵血。血液无需与其他零部件接触，避免了血液污染风险，相对于轴流式和离心式人工心脏泵避免了运动的零部件对血液成分的破坏。
Description
技术领域
本发明属于替代人体器官的医疗器械领域，属于人工心脏的范畴，特别是涉及一种人工心脏动力泵。
背景技术
心脏是人体血液循环系统的动力器官，其主要功能是驱动血液流动，向组织器官提供充足的血液，维持人体正常的代谢和功能。人工心脏则是在解剖学和生理学上代替病损心脏的一种高级人工器官，其主要功能是重建与人体组织器官需求和生理变化相适应的人工血液循环系统。人工心脏可分为暂时性，即部分取代心脏功能的辅助性人工心脏；长期性，即取代整个心脏的全人工心脏。
全人工心脏是目前对于双心室衰竭的患者，所有其他治疗手段没有明显效果且无法及时获得供体器官或不适合接受器官移植时的最后选择。目前终末期心力衰竭的治疗方法除了常规的内外科疗法外，心脏移植通常被认为是最合适的治疗方法。一些病情严重的患者加入了心脏移植手术的等待名单，但由于捐赠的心脏稀少，许多患者在等待中死亡，人们始终期望能有一颗通用的、能够永久替代衰竭心脏的全人工心脏。
由于心脏复杂的生理结构，导致全人工心脏的研发难度较大，进展也比较缓慢，要制造出体积小巧，与身体相融合，节能且耐用的人造心脏需要克服许多技术难题。目前国外研制出了几种商品化的全人工心脏，比如SynCardia全人工心脏是一款通过了美国FDA认证和欧洲认证的移植过渡设备，这款全人工心脏属于一种气动式容积泵，采用外置便携式空气压缩机，压缩机连接着穿过腹部的管道，将空气输送到两个容积腔，通过推动膜片使另一侧的人造心室将血液泵出，由于压缩机需要高效稳定的工作，导致SynCardia全人工心脏存在噪音较大的缺点，严重影响患者的正常休息；另外，经腹部穿出的管道容易导致感染和其他并发症。Carmat人造心脏被称为“全球第一颗永久性生物合成人工心脏”，它由生物材料研发而成，不需要移植者服用免疫抑制药物，用体外电源无线传输的方式为人工心脏供能；原理上，它采用了液压流体替代压缩空气来驱动膜片，通过膜片变形按压血室实现泵血，Carmat存在的缺点是体积和重量较大，结构比较复杂，成本较高。另外还有处于临床试验阶段的Bivacor人工心脏，它选用离心泵来推动血液持续流入动脉，这种泵没有阀门，因此在最基本模式下使用Bivacor心脏的患者将没有脉搏。总之，受制于技术的现状，全人工心脏目前只是作为心脏移植前的替代过渡治疗，并不能长久维持。从目前的技术发展情况来看，要想永久替代人类心脏使用，全人工心脏还要攻克许多技术难关。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种人工心脏动力泵，其结构简单、安全可靠、体积较小、可完全内置、成本较低。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种人工心脏动力泵，包括：
血液腔，具有相互隔离的左血液腔和右血液腔；
流体腔，位于所述血液腔下方，具有为所述左血液腔的泵血过程传递动力的左流体腔和为所述右血液腔的泵血过程传递动力的右流体腔，所述左流体腔和左血液腔通过左隔膜隔开，所述右流体腔和右血液腔通过右隔膜隔开；
脉动流体泵送装置，具有单向旋转的电机以及设置在电机两端的两个离心腔，所述电机具有转轴和两个飞轮，两个飞轮固定在转轴两端后分别置于两个离心腔内，所有离心腔均设有能沿轴向往复移动的叶轮，两个离心腔中的叶轮沿轴向移动后交替和飞轮接触后，实现流体在左流体腔和右流体腔之间交替流动。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，各所述离心腔具有离心入口和离心出口，所述离心入口设置在离心腔的外壳端面中心，所述叶轮的端面设有能将离心入口封堵的锥形部，其中一个离心腔内的叶轮沿轴向与飞轮接触后，余下一个离心腔内的叶轮沿轴向将该离心腔内的离心入口封堵。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，所述离心入口的内壁设置有用于缓冲锥形部接触的橡胶层。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，两个所述离心腔中叶轮的叶片旋向相反。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，还包括驱使叶轮沿轴向往复移动的第一磁悬浮系统，所述第一磁悬浮系统包括安装在叶轮端面的第一环形永磁体和与第一环形永磁体位置相对的第一电磁线圈，所述第一电磁线圈安装在电机的电机外壳。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，所述第一磁悬浮系统还包括第一径向永磁轴承以及设置在叶轮中心和转轴端面之间的轴向永磁轴承组，所述第一径向永磁轴承的内圈固定在转轴，所述第一径向永磁轴承的外圈固定在叶轮上。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，所述电机还包括电机外壳、套装在转轴外的转子永磁铁、位于转子永磁铁外的定子铁芯和位于转子永磁铁和定子铁芯之间的无槽绕组，所述转子永磁铁和无槽绕组之间填充有电机流体。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，还包括设置在飞轮和电机外壳之间的第二磁悬浮系统，所述第二磁悬浮系统包括设置在飞轮上的第二环形永磁铁、设置在电机外壳的第二电磁线圈、设置在电机外壳的飞轮位置传感器以及设置在电机外壳和飞轮之间的第二径向永磁轴承，所述第二径向永磁轴承的内圈设置在电机外壳，第二径向永磁轴承的外圈设置在飞轮，所述第二环形永磁铁和第二电磁线圈相对。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，所述飞轮中与叶轮接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层，所述叶轮中与飞轮接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层。
根据本发明第一方面实施例所述的人工心脏动力泵，两个所述离心腔分别为左离心腔和右离心腔，所述左离心腔的离心出口通过第三管道和左流体腔的入口连通，左离心腔的离心入口通过第一管道和右流体腔的出口连通，所述右离心腔的离心出口通过第二管道和右流体腔的入口连通，所述右离心腔的离心入口通过第四管道和左流体腔的出口连通。
本发明的有益效果是：
1、本发明的结构简单紧凑、功能齐全、可植入性强。脉动流体泵送装置是一种采用流体驱动的容积泵，流体推动隔膜发生形变，从而使血液腔的容积发生周期性变化，最终实现循环泵血。血液无需与其他零部件接触，避免了血液污染风险，相对于轴流式和离心式人工心脏泵避免了运动的零部件对血液成分的破坏。相对于传统的压缩气体驱动的容积泵具有体积更小、可实现完全内置、无需经皮穿出气管等优势。
2、以往设计的人工心脏多采用两个离心式心脏泵或轴流式心脏泵分别代替人体心脏左右心室的泵血功能，导致装置重量较大；而本发明只需要一个电机，通过轴向移动的叶轮交替和电机的飞轮接触，实现循环泵血，提高了动力装置的利用率，降低了动力装置总的重量，更有利于人工心脏的植入。
3、本发明中的电机为单向旋转，不需要通过在短时间内切换电机正反转实现流体循环，极大的降低了对电机性能的要求，避免了电机正反转切换导致的不稳定性以及能耗的提高。
4、发明通过脉动流体泵送装置驱动流体在系统内循环运动，使流体腔容积发生周期性变化，从而使血液腔能够泵出较平缓的搏动血流，较符合人类自体心脏的泵血状态。
5、本发明的泵血循环过程简单可靠，当脉动流体泵送装置将右流体腔的流体抽至左流体腔时，左血液腔实现压缩泵血，右血液腔实现舒张抽血；反之，当离心泵将左流体腔的流体抽至右流体腔时，右血液腔实现压缩泵血，左血液腔实现舒张。左血液腔和右血液腔的泵血时间相位相反，节省了流体用量，降低了泵血反应时效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构爆炸图；
图2是本发明实施例的剖视图；
图3是本发明实施例中脉动流体泵送装置的剖视图；
图4是本发明实施例中脉动流体泵送装置的轴测剖视图；
图5是本发明实施例中流体循环示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1～图5，一种人工心脏动力泵，包括壳体，壳体由上壳体1、中壳体3和下壳体7组成，壳体材料可采用医用钛合金，整体形状与人类自体心脏形状相似，以方便植入。血液腔、流体腔和脉动流体泵送装置设置在壳体内，其中血液腔具有相互隔离的左血液腔16和右血液腔15，血液腔内壁粘贴有生物抗凝薄膜，有效防止形成血栓；流体腔为刚性壳体，与中壳体3相连，流体腔位于所述血液腔下方，具有为所述左血液腔16的泵血过程传递动力的左流体腔32和为所述右血液腔15的泵血过程传递动力的右流体腔31，所述左流体腔32和左血液腔16通过左隔膜21隔开，所述右流体腔31和右血液腔15通过右隔膜22隔开；左隔膜21和右隔膜22均为弹性隔膜；左隔膜21和右隔膜22设置在上壳体1和中壳体3之间，并通过上壳体1和中壳体3压紧密封。脉动流体泵送装置4具有单向旋转的电机44以及设置在电机44两端的两个离心腔416，所述电机44具有转轴445和两个飞轮43，两个飞轮43固定在转轴445两端后分别置于两个离心腔416内，所有离心腔416均设有能沿轴向往复移动的叶轮，两个离心腔416中的叶轮沿轴向移动后交替和飞轮43接触后，实现流体在左流体腔32和右流体腔31之间交替流动。脉动流体泵送装置4由下壳体7底部的安装座71固定。当然，还包括电能传输系统，电能传输系统包括外置电源，外置电源采用体内外无线传输方式持续为人工心脏动力泵供电。电能传输系统还包括设置在壳体内内置备用电源，人工心脏动力泵正常工作时只是通过外置电源持续供电，有需要取下外置电源时，才启动内置备用电源。
左血液腔16的顶部设有左进血口11和左出血口12，右血液腔15的顶部设有右进血口13和右出血口14；左进血口11、左出血口12、右进血口13和右出血口14分别设置有人工瓣膜，左进血口11用于与人体上下腔静脉相连，左出血口12用于与人体肺动脉相连，右进血口13用于与人体肺静脉相连，右出血口14用于与人体主动脉相连。
在一些实施例中，各所述离心腔416具有离心入口417和离心出口，所述离心入口417设置在离心腔416的外壳端面中心，所述叶轮的端面设有能将离心入口417封堵的锥形部418，其中一个离心腔416内的叶轮沿轴向与飞轮43接触后，余下一个离心腔416内的叶轮沿轴向将该离心腔416内的离心入口417封堵。
在一些实施例中，所述离心入口417的内壁设置有用于缓冲锥形部418接触的橡胶层。橡胶层具有缓冲和密封作用。
在一些实施例中，两个所述离心腔416中叶轮的叶片旋向相反。两个叶轮的叶片旋向相反，以保证当电机44旋向不变时，两个离心腔416都能实现泵送流体；由于人体主动脉压力大于肺动脉压力，因此设计时可调整叶轮叶片的参数，并考虑不同管路的压损，使左血液室和右血液室保持一定的压差。
在一些实施例中，还包括驱使叶轮沿轴向往复移动的第一磁悬浮系统，所述第一磁悬浮系统包括安装在叶轮端面的第一环形永磁体411和与第一环形永磁体411位置相对的第一电磁线圈412，所述第一电磁线圈412安装在电机44的电机外壳441，将第一电磁线圈412安装在电机外壳441，以便于第一电磁线圈412通电。第一环形永磁体411和第一电磁线圈412可以控制叶轮的轴向移动，使叶轮与飞轮43接触或分离。还包括设置在电机外壳441上的叶轮位置传感器49，叶轮位置传感器49可以将感应叶轮的相对位置，并将该位置反馈至智能控制系统。
在一些实施例中，所述第一磁悬浮系统还包括第一径向永磁轴承47以及设置在叶轮中心和转轴445端面之间的轴向永磁轴承组48，所述第一径向永磁轴承47的内圈固定在转轴445，所述第一径向永磁轴承47的外圈固定在叶轮上，第一径向永磁轴承47能实现转轴445和叶轮之间的悬浮。轴向永磁轴承组48包括两个轴向永磁轴承，其中一个轴向永磁轴承设置在叶轮的中心位置，另一个轴向永磁轴承设置在转轴445端面。
在一些实施例中，所述电机44还包括电机外壳441、套装在转轴445外的转子永磁铁444、位于转子永磁铁444外的定子铁芯442和位于转子永磁铁444和定子铁芯442之间的无槽绕组443，所述转子永磁铁444和无槽绕组443之间填充有电机流体。电机外壳441采用轻质铝合金制造；定子铁芯442由矽钢片层叠而成；所述转子永磁铁444采用铷铁硼材料。
具体的，电机44为无槽无刷永磁直流电机，无槽无刷永磁直流电机具有无齿槽效应、无槽绕组443散热条件好、定位干扰力矩小、电枢电感小等一系列优于传统永磁无刷电机的特点。从电机散热的角度来说，定子铁芯442结构的特殊性，使得无槽绕组443在铁芯表面的空间分布更加均匀，一方面有利于将无槽绕组443中的热量均匀的传输到定子铁芯442；另一方面，无槽绕组443与转子永磁铁444之间填充有电机流体，能较好的将无槽绕组443产生的热量均匀传导至其他部位，降低无槽绕组443的温升。
在一些实施例中，还包括设置在飞轮43和电机外壳441之间的第二磁悬浮系统，所述第二磁悬浮系统包括设置在飞轮43上的第二环形永磁铁414、设置在电机外壳441的第二电磁线圈415、设置在电机外壳441的飞轮位置传感器410以及设置在电机外壳441和飞轮43之间的第二径向永磁轴承413，所述第二径向永磁轴承413的内圈设置在电机外壳441，第二径向永磁轴承413的外圈设置在飞轮43，所述第二环形永磁铁414和第二电磁线圈415相对。将第二电磁线圈415设置在电机外壳441，便于第二电磁线圈415通电。所述第二径向永磁轴承413作用是实现电机转子和定子之间的径向悬浮，而转子永磁铁和飞轮43是固定连接的，定子铁芯与电机外壳是固定连接。所述第二环形永磁铁414和第二电磁线圈415的作用是实现飞轮43与电机外壳之间的轴向悬浮，即防止转子轴向窜动。
在一些实施例中，所述飞轮43中与叶轮接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层，所述叶轮中与飞轮43接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层。叶轮和飞轮43在电磁力的作用下贴合时，摩擦层能增大叶轮和飞轮43之间的摩擦力，提高传动效率，防止叶轮与飞轮43接触旋转时发生打滑。摩擦层采用摩擦系数较大的材料制成。
在一些实施例中，结合图3和图5，两个所述离心腔416分别为左离心腔和右离心腔，左离心腔设置在左蜗壳41内，右离心腔设置在右蜗壳46内，所述左离心腔的离心出口通过第三管道8和左流体腔32的入口连通，左离心腔的离心入口417通过第一管道5和右流体腔31的出口连通，所述右离心腔的离心出口通过第二管道6和右流体腔31的入口连通，所述右离心腔的离心入口417通过第四管道9和左流体腔32的出口连通，构成流体的整个循环回路。位于左离心腔内的叶轮为左叶轮42，位于右离心腔内的叶轮为右叶轮45。
当左离心腔的第一环形永磁体411和第一电磁线圈412相吸，驱使脉动流体泵送装置4的左叶轮42向右移动与左离心腔内的飞轮43接触时，右离心腔的第一环形永磁体411和第一电磁线圈412相斥，驱使右叶轮45同时向右移动远离右离心腔的飞轮43并锥形部418封闭右离心腔的离心入口417，导致左离心腔将右流体腔31的流体经管道抽至左流体腔32，左隔膜21向上变形，使左血液腔16实现压缩泵血，右隔膜22向下变形，右血液腔15实现舒张抽血。反之，右离心腔的第一环形永磁体411和第一电磁线圈412相吸，驱使右叶轮45向左移动与右离心腔的飞轮43接触时，左离心腔的第一环形永磁体411和第一电磁线圈412相斥，驱使左叶轮42同时向左移动远离左离心腔的飞轮43并锥形部418封闭左离心腔的离心入口417，导致右离心腔将左流体腔32的流体经管道抽至右流体腔31，右隔膜22向上变形，右血液腔15实现压缩泵血，左血液腔16实现舒张抽血。左血液腔16和右血液腔15的泵血时间相位相反，节省了流体用量，降低了泵血反应时效。
当某一侧的第一电磁线圈412断电时，通过轴向永磁轴承组48相斥实现叶轮与飞轮的分离。当然第一环形永磁体411和第一电磁线圈412通电时的吸力大于轴向永磁轴承组48的斥力。
在一些实施例中，还包括智能控制系统，智能控制系统可控制脉动流体泵送装置4两端的叶轮按所需的转速分别在不同时段工作，使流体腔按一定周期循环吸入和抽出流体，推动隔膜发生周期性形变，最终实现血液腔的泵血。所述智能控制系统包括：
内置心率监测系统，用于收集人工心脏的进出口血压、心率和呼吸频率参数；
外置信号处理系统，接收内置心率监测系统收集的参数，并对参数进行处理分析并生成指令，用于实时处理控制；
内置信号执行系统，接收外置信号处理系统的指令后调整电机44的转速和脉动流体泵送装置4换向切换频率；
内外信号传输系统，将内置心率监测系统收集的参数送至外置信号处理系统并将外置信号处理系统的指令送至内置信号执行系统。
具体地，内置心率监测系统收集人工心脏的进出口血压、心率、呼吸频率等参数并通过内外信号传输系统将信号输送到外置信号处理系统进行实时处理控制，再通过内置信号执行系统调整电机44的转速和离心泵换向切换频率。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种人工心脏动力泵，其特征在于，包括：
血液腔，具有相互隔离的左血液腔和右血液腔；
流体腔，位于所述血液腔下方，具有为所述左血液腔的泵血过程传递动力的左流体腔和为所述右血液腔的泵血过程传递动力的右流体腔，所述左流体腔和左血液腔通过左隔膜隔开，所述右流体腔和右血液腔通过右隔膜隔开；
脉动流体泵送装置，具有单向旋转的电机以及设置在电机两端的两个离心腔，所述电机具有转轴和两个飞轮，两个飞轮固定在转轴两端后分别置于两个离心腔内，所有离心腔均设有能沿轴向往复移动的叶轮，两个离心腔中的叶轮沿轴向移动后交替和飞轮接触后，实现流体在左流体腔和右流体腔之间交替流动。
2.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：各所述离心腔具有离心入口和离心出口，所述离心入口设置在离心腔的外壳端面中心，所述叶轮的端面设有能将离心入口封堵的锥形部，其中一个离心腔内的叶轮沿轴向与飞轮接触后，余下一个离心腔内的叶轮沿轴向将该离心腔内的离心入口封堵。
3.根据权利要求2所述的人工心脏动力泵，其特征在于：所述离心入口的内壁设置有用于缓冲锥形部接触的橡胶层。
4.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：两个所述离心腔中叶轮的叶片旋向相反。
5.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：还包括驱使叶轮沿轴向往复移动的第一磁悬浮系统，所述第一磁悬浮系统包括安装在叶轮端面的第一环形永磁体和与第一环形永磁体位置相对的第一电磁线圈，所述第一电磁线圈安装在电机的电机外壳。
6.根据权利要求5所述的人工心脏动力泵，其特征在于：所述第一磁悬浮系统还包括第一径向永磁轴承以及设置在叶轮中心和转轴端面之间的轴向永磁轴承组，所述第一径向永磁轴承的内圈固定在转轴，所述第一径向永磁轴承的外圈固定在叶轮上。
7.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：所述电机还包括电机外壳、套装在转轴外的转子永磁铁、位于转子永磁铁外的定子铁芯和位于转子永磁铁和定子铁芯之间的无槽绕组，所述转子永磁铁和无槽绕组之间填充有电机流体。
8.根据权利要求7所述的人工心脏动力泵，其特征在于：还包括设置在飞轮和电机外壳之间的第二磁悬浮系统，所述第二磁悬浮系统包括设置在飞轮上的第二环形永磁铁、设置在电机外壳的第二电磁线圈、设置在电机外壳的飞轮位置传感器以及设置在电机外壳和飞轮之间的第二径向永磁轴承，所述第二径向永磁轴承的内圈设置在电机外壳，第二径向永磁轴承的外圈设置在飞轮，所述第二环形永磁铁和第二电磁线圈相对。
9.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：所述飞轮中与叶轮接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层，所述叶轮中与飞轮接触的端面设置有增大摩擦系数的摩擦层。
10.根据权利要求1所述的人工心脏动力泵，其特征在于：两个所述离心腔分别为左离心腔和右离心腔，所述左离心腔的离心出口通过第三管道和左流体腔的入口连通，左离心腔的离心入口通过第一管道和右流体腔的出口连通，所述右离心腔的离心出口通过第二管道和右流体腔的入口连通，所述右离心腔的离心入口通过第四管道和左流体腔的出口连通。
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