CN113425930A - 一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置，涉及医疗器械技术领域，包括外壳、血腔和主控电路，所述外壳内设有超声直线电机、血泵推板以及位置传感器，所述血腔设置在所述外壳上方，所述血腔内部放置有中空纤维膜；所述主控电路控制所述血腔进行舒张和收缩动作。本发明不需要单独的氧合器，复杂的连接管路，可在维持血液循环的同时实现逐层充分氧合，减少血液与异物接触面积，具有生物兼容性好、血细胞损伤小、血液氧合充分、体积空间小、抗电磁干扰、可靠性高、易于使用的特点，可用于便携式呼吸支持和器官保存等场景中。

Description

一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置。

背景技术

人工心肺辅助技术是一种完全替代或者部分替代体外心功能以及肺功能的治疗技术。在抢救垂危患者手术过程中，人工心肺辅助装置为那些突然性的呼吸或者血液循环功能障碍的患者提供体外的人工心肺辅助，充当肺的呼吸与心脏的泵血功能，可以使患者肺或者心脏得到充分休息，安全度过手术危险期。当前人工心肺辅助技术已经是衡量治疗心血管病水平的重要标志之一，广泛应用于传统药物疗法无法解决的心肺功能障碍患者。1882年Schroder向血液容器内输送空气，制造气泡以增加血液含氧量，具备了人工心肺机的雏形。1937年Gibbon把血泵和氧合器结合在一起，组成了人工心肺机。人工心肺机采用腔静脉插管插入患者的上下腔静脉或右心房，引出患者血液。体外管路中的血液经过热交换水箱的温度调节后，流入人工肺将静脉血氧合为动脉血，再由人工心脏泵入动脉系统，使患者组织、器官得到充分灌注，维持患者血液循环和内环境的稳定。Wu等人提出一个一体化可穿戴人工心肺辅助装置，在呼吸支持方面表现出具有良好生物相容性与长期可靠性，可望用于肺移植的过渡阶段。

目前市面上的人工心肺装置主要包括氧合器、血泵、热交换设备、管道和插管。由于血泵和氧合器之间有着较长的连通管道，血液流阻较大，因此常常需要足够的压力才能维持体外血液的正常循环。其中较长的管道增加了血液与外界的接触面积，较大的血液剪切应力和血液接触面积容易引起血细胞损伤，导致血栓以及溶血，不利于患者的治疗恢复。为了改善人工心肺装置的性能，很多学者提出了相应的改进方法。美国专利US2020230308A1通过人工心肺装置引入一个单插点头的多腔引流管，在心室卸载的同时对血液进行氧合，减少血管损伤和感染。但是引流管和血液接触之间的接触面积较大，血细胞损伤较大。中国专利201921286512.3将磁悬浮血泵和氧合器之间位置进行整合和调整。该装置减少了人工心肺装置使用时的占用空间，方便携带，同时减少了血细胞损伤。但是该装置仅仅对血泵和氧合器两个设备进行简单的组合，整个装置体积仍然较大。中国专利202010600835.6提出了一种体外膜肺氧合装置，集成了人工心肺单元、控制单元、显示单元以及供电单元。该装置体积小，便于户外携带，同时可以检测血液指标，进行生理特征显示。但是，该装置的人工心肺单元同样也是对血泵和氧合器两个设备进行简单的组合，缺乏对血泵和氧合器内在结构上的设计和优化，没有考虑优化血细胞损伤。此外，在目前人工心肺装置的氧合器中，随着血液和中空纤维膜的距离增加，中间部分的血液的氧分压逐渐减少，无法充分氧合，难以满足人体的正常血氧需求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置，实现充分氧合，减少血液与异物接触面积。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何减少人工泵肺辅助装置的血液与异物接触面积，同时具有血细胞损伤小、血液氧合充分、体积小、抗电磁干扰的功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置，包括外壳、血腔和主控电路，所述外壳内设有超声直线电机、血泵推板以及位置传感器，所述血腔设置在所述外壳上方，所述血腔内部放置有中空纤维膜；所述主控电路控制所述血腔进行舒张和收缩动作。

进一步地，所述血腔设有血液入口和血液出口，所述血液入口和所述血液出口均设有瓣膜。

进一步地，所述中空纤维膜具有多层结构。

进一步地，所述中空纤维膜具有气体进口和气体出口。

进一步地，所述超声直线电机包括定子与动子，所述定子与动子通过驱动足相接触，所述动子通常为滑块形式。

进一步地，所述血泵推板与所述超声直线电机滑块刚性相连并内嵌于血液兼容的薄膜材料中，所述滑块推动所述血腔往复动作。

进一步地，所述主控电路产生需要的PWM波，所述PWM波通过控制功率驱动电路和匹配电路产生正弦驱动信号，所述正弦驱动信号直接驱动所述超声直线电机。

进一步地，还包括位置传感器，可以是激光位移传感器；所述位置传感器直接测量所述超声直线电机滑块的位置，并反馈到所述主控电路，形成闭环位置控制。

进一步地，还包括心电传感器，所述心电传感器用于对人体进行心电信号采集，并反馈到所述主控电路，形成闭环位置控制。

进一步地，所述外壳采用钛合金材料制成。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

1.采用超声直线电机作为动力源，超声直线电机具有体积小、力密度大、微米级定位精度和毫秒级响应时间、不产生也不受电磁干扰等特点，使得人工泵肺体积小，便于携带，且免于电磁干扰。同时，超声直线电机具备微米级的运动精度和毫秒级响应时间，可以驱动推板在中空纤维膜血液侧形成微米级的血液层流，实现快速分层氧合。

2.采用中空纤维膜输送气体，无需单独设置氧合器，简化了连接管路。中空纤维膜内置于血腔内，中空纤维膜内腔中氧气可以穿过中空纤维膜微孔扩散进入血液，血液中二氧化碳可以通过微孔扩散进入中空纤维内腔气流中；超声直线电机推动血液腔推板，对血液做功。当血液腔推板离开中空纤维膜，静脉血经瓣膜流入在中空纤维膜与血液接触面形成微米级层流，微米级层流血液与中空纤维膜中接触，可大幅提高气体交换性能。当超声直线电机驱动推板向中空纤维膜运动时，血腔收缩，微米级层流血液与中空纤维膜中的氧气二次接触，充分氧合后的血液排出人工泵肺辅助装置，经瓣膜流入人体。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的整体装置结构图；

图2是本发明的较佳实施例的整体装置舒张期工作状态图；

图3是本发明的较佳实施例的整体装置收缩期工作状态图；

图4是本发明的较佳实施例的整体装置驱动信号图；

其中，1-外壳、2-瓣膜、3-血液出口、4-血液入口、5-超声直线电机定子、6-超声直线电机滑块与血泵推板、7-位置传感器、8-中空纤维膜、9-血腔。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

人工泵肺的系统构成

如图1所示，本实施例的超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置。所述超声直线电机包括定子5和滑块6，具有体积小、力密度大、微米级定位精度和毫秒级响应时间、不产生也不受电磁干扰等特点。超声直线电机具有微米级的运动精度和毫秒级响应时间，可以驱动水平超声直线电机滑块与血泵推板6在中空纤维膜8血液侧形成微米级的血液层流，实现快速分层氧合。血泵推板与超声直线电机滑块刚性相连，超声直线电机定子5驱动血泵推板往复运动对血液做功；控制系统包括主控电路，功率驱动电路，匹配电路，与超声直线电机定子5相连，直接发出驱动控制信号用于超声直线电机滑块与血泵推板6的位置控制；中空纤维膜8，中空纤维膜8是一种半透膜，内置于血泵9血腔内，中空纤维膜8内腔气流中氧气可以穿过中空纤维膜微孔扩散进入血液，血液中二氧化碳经微孔扩散进入中空纤维膜内腔气流；瓣膜2用于控制血液在人工泵肺辅助装置的流动方向，只允许单向流动，防止反流。血腔9，血腔9包括血液入口4和血液出口3，采用类似自然左心室的流动模式，以降低血液剪切应力。在一个循环周期期间，血腔9在充盈期容积增加充血，在收缩期容积缩小向外泵血。外壳1包裹着超声直线电机定子5、超声直线电机滑块与血泵推板6以及血腔9内部放置多层中空纤维膜8。人工心肺辅助装置的外壳1材质为钛合金。钛合金具有良好的生物兼容性，可以减少血细胞损伤。

人工泵肺充盈过程

如图2所示超声直线电机动作方式与人体自然心脏保持同步，在心脏舒张期，超声直线电机定子5驱动滑块与血泵推板6向下运动，血腔9所受压力减少，血液入口4经过瓣膜2流入血腔9，血腔9此时血液充盈。同时，氧气从气体进口进入血腔9内部的中空纤维膜8中。血液通过中空纤维膜8中吸收氧气，排出二氧化碳，二氧化碳流入中空纤维膜8中，最后沿着气体通路从气体出口排出人工心肺辅助装置。通过控制超声直线电机微米级的位移精度，逐层调节中空纤维膜血液侧边界层厚度，使每层血液得到充分的氧合。

人工泵肺收缩过程

如图3所示，在心脏收缩期，超声直线电机定子5向上驱动滑块与血泵推板6向上运动，血腔9所受压力增加，血腔9中的血液经过中空纤维膜8氧合后，从通过血液出口3流出，给人体提供氧合后的血液，维持人体的正常血液循环。超声直线电机定子5在接收控制器的处理信号后，通过位置传感器7判断当前所在位置，在心脏舒张期完成向下的动作，使血腔9充满血液，在心脏收缩期过程中，完成向上的动作，使血腔9中氧合后血液的排出，超声直线电机响应迅速，位置准确，可以满足不同流量的氧合血液的需求。此外，由于采用类似自然心脏的搏动血流，可以减少血液的剪切应力，从而保护血液活性，有利于人体器官的灌注和恢复。

人工泵肺控制系统

本实施例提供了超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置的控制系统，控制系统包括控制电路、功率发生电路、匹配电路。控制电路用于产生超声频段的脉冲信号。功率发生电路利用全桥逆变产生驱动方波信号。匹配电路将驱动方波信号滤波为电机所需的正弦信号。如图4所示，心电信号采集传输到主控电路中，控制信号通过主控电路产生需要的PWM波，PWM波通过控制功率驱动电路产生所需的高压方波，高压方波经过匹配电路产生正弦波，高压正弦波驱动超声直线电机5。超声直线电机的位置通过位置传感器实时测量，最后反馈到主控电路，形成一个闭环信号控制。根据实时监测不同患者心电信号特征，超声直线电机定子5通过闭环控制超声直线电机滑块与血泵推板6挤压与扩张血腔9。例如心脏收缩期向上运动挤压血腔9，在心脏舒张期向下运动扩张血腔9。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声直线电机驱动的逐层氧合人工泵肺辅助装置，其特征在于，包括外壳、血腔和主控电路，所述外壳内设有超声直线电机、血泵推板以及位置传感器，所述血腔设置在所述外壳上方，所述血腔内部放置有中空纤维膜；所述主控电路控制所述血腔进行舒张和收缩动作。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述血腔设有血液入口和血液出口，所述血液入口和所述血液出口均设有瓣膜，控制血液单向流动。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空纤维膜具有多层结构。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空纤维膜具有气体进口和气体出口。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声直线电机包括定子与动子，所述定子与动子通过驱动足相接触，所述动子通常为滑块形式。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述血泵推板与所述超声直线电机滑块刚性相连并内嵌于血液兼容的薄膜材料中，所述滑块推动所述血腔往复动作。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控电路产生需要的PWM波，所述PWM波通过控制功率驱动电路和匹配电路产生正弦驱动信号，所述正弦驱动信号直接驱动所述超声直线电机。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括位置传感器，可以是激光位移传感器；所述位置传感器直接测量所述超声直线电机的位置，并反馈到所述主控电路，形成闭环位置控制。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括心电传感器，所述心电传感器用于对人体进行心电信号采集，并反馈到所述主控电路，形成闭环位置控制。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳采用钛合金材料制成。

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