CN111201049A - 用于闭环控制的动态hq - Google Patents

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Abstract

一种用于控制具有预定义的液压性能的血泵的方法至少包括来自由以下各项组成的群组：在血泵以血泵的叶轮的预先确定的旋转速度操作期间估计并且测量瞬时流速，该瞬时流速包括多个流速数据点。多个流速数据点围绕来自由以下各项组成的群组中的至少一项限定轨迹：与血泵的叶轮预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力‑流量曲线的操作点，以及与预定义的压力‑流量曲线不同的目标压力‑流量曲线的目标操作点。叶轮的预先确定的旋转速度被调整，直至多个流速数据点围绕所述操作点和所述目标操作点中的至少一个限定预先确定的轨迹。

Description

用于闭环控制的动态HQ
技术领域
本技术涉及用于使旋转血泵中的速度变化自动化以产生期望的压力-流量关系的方法。
背景技术
旋转血泵具有对于每一个血泵的设计唯一的固有液压性能。该性能通过泵的压力与流量(HQ)曲线(可根据泵速度变化的一系列曲线)来汇总。在图2中示出了由HeartWare,Inc.公司销售的
Figure BDA0002445787280000011
泵(图1)的示例性HQ。泵在稳态或脉动环境中的行为将取决于这些曲线的形状和值。然而，取决于患者需求和相关联的不良事件等，临床医生和医生可能期望与泵的固有HQ曲线不同的特定HQ曲线。例如，如图2中所示，示例性目标HQ曲线被示出与HVAD泵的固有HQ曲线叠加。用于实现目标HQ响应的现有方法是通过猜想并检验方法。这将需要手动速度调整并且等待生理参数(诸如，压力和流量)稳定。这使用平均参数来完成，并且无法被转换为瞬时或实时应用。
发明内容
本公开的技术大体上涉及用于使旋转血泵中的速度变化自动化以产生期望的压力-流量关系的系统和方法。
在一个方面中，本公开提供了用于控制具有预定义的液压性能的植入式血泵的方法。本方法至少包括来自由以下各项组成的群组：在血泵以血泵的叶轮的预先确定的旋转速度操作期间估计并且测量瞬时流速，该瞬时流速包括多个流速数据点。多个流速数据点围绕来自由以下各项组成的群组中的至少一项限定轨迹：与血泵的叶轮的预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力-流量曲线的操作点，以及与预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点。叶轮的预先确定的旋转速度被调整，直至多个流速数据点围绕所述操作点和所述目标操作点中的至少一个限定预先确定的轨迹。
在另一方面中，本公开提供了在血泵以预先确定的旋转速度操作期间估计平均平均流速，并且调整植入式血泵的叶轮的预先确定的旋转速度，直至估计的平均流速与目标平均流速基本相等。
在另一方面中，本公开提供了将多个流速数据点的轨迹与泵预加载灵敏度相关联。
在另一方面中，本公开提供了将多个流速数据点的轨迹与泵抵抗高压条件的状况相关联。
在另一方面中，本公开提供了将多个流速数据点的轨迹与泵抵抗逆行流量的状况相关联。
在另一方面中，本公开提供了瞬时流速是被估计的。
在另一方面中，本公开提供了瞬时流速是被测得的。
在另一方面中，本公开提供了多个流速数据点围绕与血泵的叶轮的预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力-流量曲线的操作点限定轨迹。
在另一方面中，本公开提供了多个流速数据点限定与预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点。
在一个方面中，本公开提供了用于控制具有预定义的液压性能的植入式血泵的系统。该系统包括与植入式血泵通信的控制器，植入式血泵具有叶轮，控制器被配置成至少用于由以下各项组成的群组：在血泵以血泵的叶轮的预先确定的旋转速度操作期间估计并且测量瞬时流速，瞬时流速包括多个流速数据点。多个流速数据点围绕来自由以下各项组成的群组中的至少一项限定轨迹：与血泵的叶轮预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力-流量曲线的操作点，以及与预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点。控制器进一步被配置成用于调整叶轮的预先确定的旋转速度，直至多个流速数据点围绕所述操作点和所述目标操作点中的至少一个限定预先确定的轨迹。
在另一方面中，本公开提供了植入式血泵包括叶轮下游的流量计，并且其中控制器被配置成用于测量瞬时流速。
在另一方面中，本公开提供了瞬时流速是被估计的。
在另一方面中，本公开提供了控制器进一步被配置成用于在血泵以预先确定的旋转速度操作期间估计平均平均流速，并且调整植入式血泵的叶轮的预先确定的旋转速度，直至估计的平均流速与目标平均流速基本相等。
在另一方面中，本公开提供了控制器进一步被配置成用于将多个流速数据点的轨迹与泵预加载灵敏度相关联。
在另一方面中，本公开提供了控制器进一步被配置成用于将多个流速数据点的轨迹与泵抵抗高压条件的状况相关联。
在另一方面中，本公开提供了控制器进一步被配置成用于将多个流速数据点的轨迹与泵抵抗逆行流量的状况相关联。
在另一方面中，本公开提供了瞬时流速是被测得的。
在另一方面中，本公开提供了多个流速数据点围绕与血泵的叶轮的预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力-流量曲线的操作点限定轨迹。
在另一方面中，本公开提供了多个流速数据点限定与预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点。
在一个方面中，本公开提供了用于控制具有预定义的液压性能的植入式血泵的系统。该系统包括与植入式血泵通信的控制器，植入式血泵具有叶轮，控制器被配置成至少用于由以下各项组成的群组：在血泵以血泵的叶轮的预先确定的旋转速度操作期间估计并且测量瞬时流速，瞬时流速包括多个流速数据点。多个流速数据点围绕来自由以下各项组成的群组中的至少一项限定轨迹：与血泵的叶轮预先确定的旋转速度相关联的预定义的压力-流量曲线的操作点，以及与预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点。控制器进一步将多个流速数据点的轨迹与泵抵抗高压条件的状况相关联，并且调整叶轮的预先确定的旋转速度，直至多个流速数据点围绕所述操作点和所述目标操作点中的至少一个限定预先确定的轨迹。控制器进一步在血泵以预先确定的旋转速度操作期间估计平均流速，并且调整叶轮的预先确定的旋转速度，直至估计的平均流速与目标平均流速基本相等。
在下面的所附附图和说明书中阐述了本公开的一个或多个方面的细节。本公开中描述的技术的其他特征、目的以及优点将从描述、附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
在结合附图考虑时，通过参考以下详细说明，将更容易地理解本发明的更完整的理解以及其所伴随的优点和特征，其中：
图1是根据本申请的原理构造的示例性HVAD血泵的爆炸图；
图2是示出与HVAD泵相关联的预先确定的压力-流量(“HQ”)曲线以及在预先确定的HQ曲线上叠加的目标HQ曲线的图；
图3是示出了沿着目标HQ曲线(实线)的操作点和针对预先确定的恒定速度的围绕血泵的操作点的多个流速数据点的轨迹(虚线)的图；以及
图4是示出了沿着目标HQ曲线的多个操作点以及围绕相关联的操作点的多个流体数据点的轨迹(椭圆)。
具体实施方式
在详细地描述示例性实施例之前，所注意到的是实施例主要驻留在装置组件以及与用于自使旋转血泵的速度变化自动化以产生期望的压力-流量关系的方法相关的处理步骤的组合中。相应地，已通过附图中的常规标号在适宜的位置对系统和方法的构成进行了表示，这些常规标号仅示出与理解本公开的实施例有关的那些特定细节，以便不会模糊具有对于受益于本文的描述的本领域技术人员而言显而易见的细节的公开。
如本文所使用的，诸如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等等之类的关系术语可仅用于将一个实体或要素与另一实体或要素区别开来，而不一定要求或暗示这些实体或要素之间的任何物理或逻辑关系或顺序。本文所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，并且不旨在对本文所描述的概念做出限制。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其群组的存在或添加。
除非另外限定，本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有如本公开所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同含义。将进一步理解的是，本文使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书的上下文中以及相关技术中的意义一致的意义，并且除非本文明确表示，否则将不被解释为理想化或过于正式的含义。
在本文所描述的实施例中，“与…通信”等联结术语可被用于指示电或数据通信，其可由例如物理接触、感应、电磁辐射、无线电信令、红外信令或光学信令完成。本技术的普通技术人员将理解，多个组件可交互操作，并且修改以及变化可能实现电以及数据通信。
在一个或多个示例中，可以以硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现所描述的技术。如果以软件实现，则这些功能可作为一个或多个指令或代码被存储在计算机可读介质上并且由基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可包括非瞬态计算机可读存储介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存、或可用于存储以指令或数据结构的形式的期望程序代码并且可由计算机访问的的任何其他介质)。
指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路系统。相应地，如本文中所使用的术语“处理器”可以指的是任何上述结构或适合于实现所描述的技术的任何其他物理结构。而且，可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全地实现这些技术。
现在参见各附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，在图1中示出的是根据本申请的原理构造的并一般地指定成“10”的示例性血泵。根据本公开的一个实施例的血泵10包括容纳血泵10的组件的静态结构或壳体12。在一个配置中，壳体12包括下部壳体或第一部分14、上部壳体或第二部分16以及入口部分或流入插管18，该流入插管18包括外管18a以及内管18b。第一部分14以及第二部分16协同地限定螺旋(volute)形腔室20，该螺旋形腔室20具有延伸通过第一部分以及流入插管18的主纵向轴22。腔室20限定了围绕轴22逐渐增加到腔室20的外围上的出口位置的半径。第一部分14以及第二部分16限定了与腔室20连通的出口24。第一部分14以及第二部分16还限定了通过磁透(magnetically permeable)壁与螺旋形腔室20分离的隔离腔室(未示出)。
流入插管18a-18b(“18”)大体上是圆柱形并且从第一部分14延伸并且大体上沿着轴线22延伸。流入插管18具有远离第二部分16的上游端或近侧端26以及靠近腔室20的下游端或远侧端28。上文所提到的壳体12的各个部分彼此固定地连接，由此使得壳体12整体限定了连续的封闭流动路径。流动路径在流动路径的上游端处从上游端26延伸至流动路径的下游端处的出口24。沿着流动路径的上游和下游方向分别由箭头U和D指示。沿着轴线22将柱30安装至第一部分14。大体上为盘形状的铁磁转子32(例如，具有中心孔34的叶轮)被安装在腔室20内以用于绕着轴线22旋转。转子32包括永磁体并且还包括用于将血液从转子32的中心附近转移至转子32的外围的流动通道。在组装的情况下，在转子32的中心孔中接收柱30。具有多个线圈的第一定子36可被设置在转子32下游的第一部分14内。第一定子36可以沿着轴线22与转子轴向地对齐，由此使得当将电流施加至第一定子36中的多个线圈时，由第一定子36生成的电磁力旋转转子32并且泵送血液。第二定子38可被设置在转子32上游的第二部分16内。第二定子38可被配置成用于结合第一定子36操作或独立于第一定子36操作以用于旋转转子32。
电连接器41被提供在第一部分14上，以用于将线圈连接至电源(诸如，控制器39)。控制器36被布置并且配置成用于将电力施加至泵的线圈以用于创建旋转的磁场，该旋转的磁场将转子32以预定的第一旋转方向绕着轴线22旋转，诸如由图1中的箭头所指示的方向R，即，如从流入插管18的上游看到的逆时针方向。在血泵10的其他配置中，第一方向可以是顺时针。转子32的旋转沿着流动路径向下游推动血液，由此使得血液以下游方向D沿着流动路径移动并且通过出口24离开。在旋转期间，流体动力以及磁轴承(未示出)支持转子32并且在操作期间维持转子32不与第一部分14以及第二部分16的元件的表面接触。第一非铁磁盘40可被设置在转子32下游的第一部分14内在第一定子36与转子32之间，并且第二非铁磁盘42可被设置在转子32上游在第二部分16内在第二定子38与转子32之间。上文描述的组件的大体布置可以与由HeartWare,Inc.公司(本申请的受让人)以名称HVAD出售的MCSD中使用的血泵10相似。在此类泵以及大体设计相同的变体中所使用的诸如磁体、电磁线圈以及流体动力轴承之类的组件的布置在美国专利第6,688,861号；第7,575,423号；第7,976,271号；以及第8,419,609号中描述，上述专利的公开通过引用结合于此。所设想的是，如例如美国专利第8,007,254号以及美国专利申请公开第2015/0051438A1号中描述的由HeartWare,Inc.公司(本申请的受让人)以名称MVAD销售的具有单个转子的泵被设想为与本申请的方法一同使用。
现在参考图2，示出了血泵10的多个预定义的压力-流量或HQ曲线44。HQ曲线44定义了预定义的泵液压性能，而无关乎当以闭环操作时泵10的转子或叶轮32的旋转速度。换言之，HQ曲线44的每一个曲线表示针对叶轮32的给定的恒定速度以及流过泵10的流体(例如，血液)的恒定粘性的预期压力-流量轮廓。HQ曲线44指示，随着流量从0-10LPM增加，压头(即，流入插管18的压力上游与泵10的下游在出口24处之间的压差)减小。在图2中由粗体黑点指示的操作点46是平均参照点，以用于估计或以其他方式确定与HQ曲线44相关联的、叶轮32的给定的恒定速度下的平均压头以及平均流量。例如，如图2中所示，操作点46a被预期在大约50mmHg的平均压头处产生大约8LPM的平均流量。由此，基于预定义的HQ曲线，如果叶轮32的速度以及流量已知，则压头可被计算。
继续参考图2，目标HQ曲线48表示不同于具有目标操作点48a的HQ曲线44的目标HQ液压性能。例如，目标操作点48a被预期在大约80mmHg的平均压力处产生大约7LM的平均流量，这与预定义的HQ曲线在给定的恒定速度和粘性处的平均流量不同。为了实现目标HQ曲线48，控制器39可将叶轮32的速度调制或以其他方式调整成产生目标HQ曲线48和目标操作点48a的平均速度。
现在参考图3，目标HQ曲线48被示出具有目标操作点48a。围绕目标操作点48a的椭圆轨道表示控制器39为了导出(derive)平均操作点48a而作出的瞬时流速测量或估计。可通过本领域已知的方法估计瞬时流速，并且可包括但不限于在美国专利号8,897,873、9,511,179以及8,961,390中公开的估计血泵中的流量的方法，上述专利通过引用以其整体并入本文。替代地，可通过包括出口24下游的流量计来测量瞬时流量。围绕目标操作点48a的椭圆和箭头指示瞬时流速估计和/或测量的边界，以及围绕目标操作点48a的多个瞬时流量点的方向。例如，所预期的是，瞬时流量点落入椭圆内，并且这些点的平均值建立了目标操作点48a。箭头指示这些瞬时点的方向以标识趋势，并且可针对每一个目标操作点48a操纵这些趋势。
现在参考图3-图4，椭圆的斜率指示构成平均目标操作点48a的瞬时点的轨迹。例如，如图3中所示，目标操作点48b限定了瞬时点的椭圆，这些瞬时点限定了由目标操作点48b表示的平均值。椭圆的轨迹限定了由虚线指示的斜率。椭圆的轨迹可指示泵特性和/或不良事件。例如，如图4中所示，围绕较低流量区的椭圆的轨迹(如相对于目标操作点48c所示)可以是防止高压状况并且防止泵10中的逆行流量的操作点。较为平坦的椭圆轨迹(如与目标操作点48d相关联地示出的)可增加预加载灵敏度。由此，目标HQ曲线48可具有针对期望状况定制的多个目标操作点48a。换言之，控制器39可自动地调整叶轮32的旋转速度以创建瞬时流量点的期望的轨迹，并且还将叶轮32调整成在沿着目标HQ曲线48的平均操作点处操作。例如，控制器39转换速率可被修改以支持叶轮32中期望的速度变化。相似地，也可通过调整叶轮32的预先确定的速度来沿着HQ曲线44围绕操作点46创建期望的轨迹。
在操作的示例性方法中，在血泵以血泵10的叶轮32的预先确定的旋转速度操作期间估计或测量瞬时流量。例如，可在叶轮32正在以2800RPM的速度旋转时测量流量，或替代地当泵正在以创建目标HQ曲线48的叶轮速度操作时测量流量。瞬时流速包括多个流速数据点，这些流速数据点围绕这些数据点的平均值限定了椭圆。瞬时流量点的平均值限定了：与预定义的压力-流量曲线44相关联的预定义的操作点46，或叶轮32的旋转速度可已被调整以创建与预定义的压力-流量曲线不相关联的目标操作点48。叶轮32的预定义的旋转速度被调整，直至多个流速数据点围绕目标操作点48或操作点46限定预先确定的轨迹。由此，无论泵10正在与预定义的压力-流量曲线相关联的操作点46处操作，或是当泵10正在目标压力-流量曲线48下的目标操作点48a处操作，本方法均提供了操作点控制。进一步设想的是，上文的方法不仅适用于当泵10正在静态条件下操作时，也适用于当泵10在脉动条件下操作时。
应当理解的是，本文所公开的各个方面可以以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合来组合。也应当理解的是，根据示例，可以以不同的顺序执行本文所描述的步骤或方法中的任一个的某些动作或事件，并且可以添加、合并或一同省略本文所描述的方法中的任一个的某些动作或事件(例如，并不是所有描述的动作或事件对于执行技术都是必要的)。此外，虽然出于清楚的目的将本公开的某些方面描述为由单个模块或单元执行，但是应当理解，本公开的技术可由与例如医疗设备相关联的单元或模块的组合执行。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于以上在本文中已具体示出并描述的内容。另外，除非作出与以上相反的提及，应该注意所有附图都不是按比例的。在以上教导的启示下各种修改和变型是可能的，而不会背离本发明的范围和精神，本发明只受所附权利要求书限制。

Claims (10)

1.一种用于控制具有预定义的液压性能的植入式血泵的系统，包括：
控制器，所述控制器与所述植入式血泵通信，所述植入式血泵具有叶轮，所述控制器被配置成用于：
至少来自由以下各项组成的群组：在所述血泵以所述血泵的叶轮的预先确定的旋转速度操作期间估计并且测量瞬时流速，所述瞬时流速包括多个流速数据点；所述多个流速数据点围绕由以下各项组成的群组中至少一项限定轨迹：与所述血泵的所述叶轮的所述预先确定的旋转速度相关联的预先确定的压力-流量曲线的操作点，以及与所述预定义的压力-流量曲线不同的目标压力-流量曲线的目标操作点；以及
调整所述叶轮的所述预先确定的旋转速度，直至所述多个流速数据点围绕所述操作点和所述目标操作点中的至少一个限定预先确定的轨迹。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植入式血泵包括所述叶轮下游的流量计，并且其中所述控制器被配置成用于测量所述瞬时流速。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述瞬时流速是被估计的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成用于：
在所述血泵以所述预先确定的旋转速度操作期间估计平均流速；以及
调整所述植入式血泵的叶轮的所述预先确定的旋转速度，直至估计的平均流速与目标平均流速基本相等。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成用于将所述多个流速数据点的所述轨迹与泵预加载灵敏度相关联。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成用于将所述多个流速数据点的所述轨迹与泵抵抗高压条件的状况相关联。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成用于将所述多个流速数据点的所述轨迹与泵抵抗逆行流量的状况相关联。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述瞬时流速是被测得的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述多个流速数据点围绕与所述血泵的所述叶轮的所述预先确定的旋转速度相关联的所述预定义的压力-流量曲线的所述操作点限定所述轨迹。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其特征在于，所述多个流速数据点限定与所述预定义的压力-流量曲线不同的所述目标压力-流量曲线的所述目标操作点。
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