CN113888945B - 封闭式仿生血液循环系统 - Google Patents

Abstract

一种封闭式仿生血液循环系统，包括一套以上的循环单元，其技术要点是：各循环单元互不干涉地置于该循环系统中，循环单元包括由一对瓣膜式单向阀(31)分隔的模拟心脏泵(1)和弹性腔(2311)。从根本上解决了现有脉诊装置仿真度差、使用不方便的问题，其具有结构简单紧凑、使用方便快捷等优点。

Description

封闭式仿生血液循环系统

技术领域

本发明涉及采用线性电磁泵驱动的流体循环系统，具体说是一种封闭式仿生血液循环系统，其主要适用于远程交互脉诊系统。

背景技术

现有血流循环模拟系统如申请公布号CN101176802A公开的一种“模拟血流循环中的脉动心泵”，该技术方案包括主轴，固定在旋转主轴上的心泵凸轮、杠杆、柱塞泵，心泵凸轮上面设有具有凸轮曲线的凸轮滑槽，心泵凸轮通过其上的凸轮滑槽连接往复运动的顶杆，顶杆驱动端连接杠杆阻力臂，杠杆中间设有对顶杆的往复运动进行放大或缩小的可调支点，杠杆动力臂连接柱塞泵的活塞，顶杆中心线与活塞的中心线平行，其之间的距离为定值。该技术方案能够实现心脏的泵血功能，并可复现左心室的输出压力波形，适用于“心脏－冠状动脉－心肌桥”模拟装置。

现有的电磁式隔膜泵，如申请公布号CN111255672A公开的一种“电磁式微型变量隔膜真空泵”，该技术方案包括电磁线圈总成、静铁芯、动铁芯、束磁环、弹簧、导套、膜片、膜片台、泵盖、外壳；导套、弹簧、动铁芯均安装于电磁线圈总成的中间通道内，电磁线圈总成的中间通道的一端装有静铁芯，另一端装有束磁环；电磁线圈总成、静铁芯、束磁环、膜片、膜片台均内置于圆筒状的外壳内，外壳的两端各安装有一个泵盖，每个泵盖上均设有一个进气孔和一个排气孔，进气孔和排气孔均只能进行单向通气；电磁线圈总成与PWM信号相连，通过PWM控制电磁力的交替以及在弹簧弹力的共同作用下，实现动铁芯以接近PWM信号的频率在静铁芯和束磁环之间轴向往复运动，从而带动膜片变形实现吸气和排气动作。

如申请公布号CN102465862A公开的一种“电磁泵”，该技术方案包括配备有在其中形成有从入口流向出口的流体流动通过的流体通道的外壳，和基于电磁部的受激状态发生位移以此来打开和闭合流体通道的可动构件。流体通道包括连通入口的入口侧通道，连通出口的出口侧通道，和由与入口侧通道和出口侧通道连通的空间组成的泵室，该流体通道被外壳和可动构件的端部分围绕。伴随其移动，可动构件打开和闭合泵室和出口侧通道之间的连通。

发明内容

本发明的目的是提供一种封闭式仿生血液循环系统，从根本上解决了现有脉诊系统仿真度差、使用不方便的问题，其具有结构简单紧凑、使用方便快捷等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该封闭式仿生血液循环系统包括一套以上的循环单元，其技术要点是：各循环单元互不干涉地置于该循环系统中，循环单元包括由一对瓣膜式单向阀分隔的模拟心脏泵和弹性腔。

进一步的，弹性腔的流出端与瓣膜式单向阀之间设有软管储液囊。

进一步的，弹性腔包括与循环单元数量对应的彼此间隔的独立腔室。

进一步的，模拟心脏泵装置包括设有通孔的泵壳、限位在泵壳内的磁轭、限位在磁轭内的永磁体、与永磁体浮动配合的线圈支架、固定在泵壳侧部的功放电路板，线圈支架上固定有弹片组件，弹片组件包括由中支撑筒弹性间隔的第一弹片和第二弹片，弹性液囊限位在弹片组件上。

本发明的有益效果：整体技术方案上，壳体组件主要包括下壳体和上壳体两部分，下壳体用于限位仿生循环系统、电源组件、主控电路板等结构，其底部设置若干防滑胶垫；上壳体设有用于斜向限位智能移动终端凸起结构、用于设置仿生循环系统输出端通用型底座组件的水平的检测区域，柔性转台的仿生皮肤部分暴露在该检测区内，并可根据医护端的号脉习惯自由切换左右手检测模式。柔性转台上设有标注点，检测区域上设有对称的与标注点配合使用刻度线。

模拟心脏泵中，用户端通过通讯网络将脉搏信号实时传输至医护端，脉象数字信号经D/A转换为模拟信号，再经功放电路板放大至线圈支架的驱动电流，驱动电流经线圈转化为与永磁体配合的磁力，进而驱动线圈支架线性浮动进而压缩弹性液囊，弹性液囊内的流体经液端接口进入仿生循环系统。为避免线圈支架复位不及时导致的弹性液囊复位受阻，而设置了弹片组件。具体而言，弹片组件包括由中支撑筒间隔的第一弹片和第二弹片，将弹片组件限位在线圈支架与弹性液囊之间，当线圈支架沿挤压弹性液囊方向运动并到达极限位时，弹性液囊停止收缩，线圈支架向反向运动，挤压出的流体位于软管中，弹性液囊复位力主要由软管提供，如果线圈支架复位过慢，则会导致流体回流弹性液囊受阻，反应在仿生皮肤上即是阻滞感，其复现真实性则会大打折扣。

通用型底座组件中，固定座组件上设有沿旋转定位部对称设置的行程开关，转台底座底部设有与行程开关配合的定位凸起。当进行左右手切换时，医生通过主动旋转柔性转台带动仿生起搏组件和转台底座同时旋转，当旋转至指定位置时，外部结构通过标注点配合刻度线上壳体检测区域的刻度线指示，内部结构则通过转台底座的定位凸起与行程开关配合实现。为采集医护端号脉时的按压部位，在膜片支架上限位与寸关尺穴位对应的取脉压力传感器，当医生手指按压仿生皮肤时，通过取脉压力传感器即可获得该平面不同位置的反馈压力，将该压力转换成数字信号后通过通讯网络传递至用户端，用户端即可执行对应的动作，以配合脉象采集。

仿生血液循环系统中，模拟心脏泵采用线性电磁泵，用户端采集的寸关尺脉象数字信号经DA转换为模拟信号，再经功率放大器放大后推动电磁泵，电磁泵类似扬声器，随脉搏信号搏动。腔内液体经膜瓣式单向阀流向仿生膜片，仿生膜片随着脉动压力搏动，仿生膜片的另一端接软管储液囊，模拟人体血管的弹性，当模拟心脏泵压力降低时，软管储液囊内液体经回流单向阀流进模拟心脏泵的弹性液囊。仿生血液循环系统很好的模拟人体血液循环系统，高保真还原客户端采集的寸关尺的脉搏搏动情况，医生通过手摸仿生血管上的仿生皮肤，即可感知用户端患者的脉象信息。

附图说明

图1为本发明模拟心脏泵的等轴侧视结构示意图。

图2为本发明模拟心脏泵的分解结构示意图。

图2A为本发明模拟心脏泵的分解剖视结构示意图I。

图2B为本发明模拟心脏泵的分解剖视结构示意图II。

图3为本发明模拟心脏泵的剖视结构示意图。

图4为本发明通用型底座的等轴侧视结构示意图。

图5为本发明通用型底座的分解结构示意图。

图5A为本发明通用型底座的分解剖视结构示意图。

图6为本发明仿生膜片的等轴侧视结构示意图。

图7为本发明仿生血液循环系统的结构示意图。

图8为本发明脉诊仪的使用状态参考图I。

图9为本发明脉诊仪的使用状态参考图II。

图10为本发明脉诊仪的使用状态参考图III。

图11为本发明脉诊仪的分解结构示意图。

图12为本发明脉诊仪的剖视结构示意图。

图13为本发明脉诊仪医护端配合的其中一种脉诊仪用户端的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1~13，通过具体实施例详细说明本发明的内容。

医护端整机]

该带有自动寻脉功能的脉诊仪，包括壳体组件、电源组件、限位在壳体组件内的模拟心脏泵1、由模拟心脏泵1 驱动的输出端位于通用型底座组件2上的仿生血液循环系统3。其中，壳体组件主要包括相互配合的下壳体5和上壳体6，下壳体5主要用于限位模拟心脏泵1、通用型底座组件2等，下壳体5的背部还设有卡槽52，其内嵌位电路板7以及尾板71。下壳体5的前部通过设置若干内支脚51支撑限位通用型底座组件2的固定座组件26。下壳体5的中部通过设置卡接结构（优选与下壳体55一体化成型，图中未标注）限位瓣膜式单向阀31。通过内支脚51为通用型底座组件2预留管路的安装空间，从而使结构更为紧凑。为方便安装布局，将尾板71和电源4分设在电路板7的前后两侧，电源4（本实施例中主要指代锂电池）通过电源支架41固定。尾板71上可设置电源开关、充电接口、USB数据接口等，便于与其他硬件设备交换数据。当然，本领域技术人员知晓的，电源4亦可采用外置式通过充电接口直接为电路板7供电，具体结构略。

电路板7的主控芯片采用ARM STM32M103VC，通过FT232芯片实现串口通讯。AD632采集取脉压力传感器的压力值，并进行模数转换。TLV5610为DA转换，负责将客户端采集的脉象信号转换成模拟信号，输出到功率放大器进行放大，推动模拟心脏泵1工作。三个取脉压力传感器分别采集医生手指的取脉压力，可实现浮中沉取脉要求，智能终端安装由脉诊仪医护端应用APP软件，数据处理、算法、控制指令均由APP软件来支持。

上壳体6包括一个水平的检测区域以及一个倾斜地便于智能终端B放置的区域以及一个水平设置的检测区域，该智能移动终端放置区域内固定有磁吸61，智能移动终端B通过磁吸61 限位。智能移动终端可以是智能手机、平板电脑等，这样做的目的是充分利用移动智能终端强大的运算能力及网络通讯能力，降低采集终端的制造成本。同时还利用移动智能终端实现音视频同步传输，还可以通过移动终端利用各大运营平台进行客户信息注册、登陆、缴费等。方便各系统运营。

在检测区域上对称设置了刻度线。为实现号脉左右手位置P1和P2之间的自由切换，而采用了可旋转的通用型底座组件2。通用型底座组件2的输出端（即带有脉象复现功能的柔性转台22）凸出上壳体6。通用型底座组件2的柔性转台22上还设置了与检测区域刻度线配合的标注点27。

仿生血液循环系统]

该封闭式仿生血液循环系统3包括分别用于寸关尺部位的三套互不干涉的循环单元，可独立仿真寸关尺的脉象信息，各循环单元包括由一对瓣膜式单向阀31分隔的模拟心脏泵1和弹性腔2311。具体而言，医护端通过弹性腔2311产生的搏动作用于仿生皮肤21上以模拟人体的实际脉搏。为实现该目的，则需要一个能够持续提供节律性搏动的模拟心脏泵1，该模拟心脏泵1通过作用于其内的弹性液囊122，将弹性液囊122内的流体通过瓣膜式单向阀31和软管32挤入弹性腔2311中，并在一次挤压后使流体返回弹性液囊122完成一次循环，不断循环以模拟脉搏形成的节律性搏动。为进一步模拟人体脉搏搏动，在弹性腔2311输出段的软管32上还设置了软管储液囊321。系统中提及的模拟心脏泵1可采用市售的线性电磁泵，亦可采用下文提及的电磁泵结构。

弹性腔2311以相互间隔的方式设置在仿生膜片231上，弹性腔2311的流体进端和排出端分别通过连接端子2312实现，同时为增加连接端子2312与膜片主体2313衔接处的韧性，而进一步设置了连接环2314。

模拟心脏泵]

以下按照由外向内，由驱动端向被动端的顺序对该模拟心脏泵1进行详细的说明。模拟心脏泵1包括设有通孔173的泵壳17、限位在泵壳17内的磁轭15、限位在磁轭15内的永磁体16、与永磁体16浮动配合的线圈支架14、固定在泵壳17侧部的功放电路板18、固定在线圈支架14上的弹片组件13、固定在弹片组件13上的压板12、固定在泵壳17上的与压板12之间留有空隙的托板11、限位在托板11和压板12之间的弹性液囊122。

上述结构中，泵壳17采用具通孔173的框架结构，有效提高了线圈141散热效果，避免热量堆积影响线圈141阻值进而影响模拟的线圈支架14浮动效果。泵壳17底部通过支脚171与下壳体5固定，通过位于同一平面上的四个泵壳端子172固定功放电路板18，功放电路板18所在平面平行于下壳体5，使结构更紧凑。泵壳17的前端通过支柱175固定托板11，压板12通过弹片组件13间接与线圈支架14连接，从而在线圈支架14浮动时可挤压托板11和压板12内限位的弹性液囊122。作为优选的，弹性液囊122采用TPU液囊。同时，为实现压板12对弹性液囊122的均匀试压，对弹片中部的均匀试压，将压板12设置成两侧带有翼板121中部与弹片中部配合的中部凸起的翼状结构。

为便于卧式结构布局，将模拟心脏泵1横向设置，导致线圈支架14在驱动挤压弹性液囊122后，其快速复位速度有限，其复位速度过慢，则会阻滞流体重新返回弹性液囊122，因此设置了弹片组件13结构以加速线圈支架14的复位。

为实现上述目的，可将弹片组件13设置成以下结构，其包括由中支撑筒133弹性间隔的第一弹片131和第二弹片134。第一弹片131或第二弹片134优选采用以下结构，包括支撑在中支撑筒133上的中心弹片以及若干沿中心弹片周向展开的弹片臂，弹片臂的末端之间由侧支撑筒132弹性支撑。通过该组件结构，通过两个弹片共同提供弹力支持，在维持复位力的前提下保证了弹片组件13结构的刚性。

用户端采集的寸关尺脉象数字信号经DA转换为模拟信号，再经功率放大器放大后推动线圈支架14，与扬声器原理相似，随脉搏信号搏动。腔内液体经膜瓣式单向阀31流向仿生膜片231，仿生膜片231随着脉动压力搏动，仿生膜片231的另一端接软管储液囊321，模拟人体血管的弹性，当模拟心脏泵压力降低时，软管储液囊321内液体经回流单向阀流进模拟心脏泵的弹性液囊122，依次循环。仿生血液循环系统3很好的模拟人体血液循环系统，高保真还原客户端采集的寸关尺的脉搏搏动情况，医生通过手摸仿生血管上的仿生皮肤21，即可感知用户端患者的脉象信息。

通用型底座组件]

该通用型底座组件2包括固定座组件26、可旋转限位在固定座组件26上的转台底座24、与转台底座24配合的柔性转台22、仿生起搏组件23，固定座组件26上设有沿旋转定位部262对称设置的行程开关261，转台底座24底部设有与行程开关261配合的定位凸起241。

仿生起搏组件23包括膜片支架234、限位在膜片支架234上的仿生膜片231，仿生膜片231上配合有仿生皮肤21，仿生膜片231与仿生血液循环系统连通。其中，膜片支架234作为支撑结构，其通过螺钉固定在柔性转台22内侧，以实现随柔性转台22同步旋转的目的。膜片支架234上设置于仿生膜片231的连接端子2312对应的通孔（附图未标记），以便连接端子2312贯穿膜片支架234与端子软管235装配。膜片支架234的中央与仿生膜片231的弹性腔2311配合，如果设置取脉压力传感器233，则取脉压力传感器233与相应的弹性腔2311重合。为模拟中医号脉时，寸关尺穴位处所受号脉医生指肚施加的压力，通过膜片支架234内沿穴位方向限位三个取脉压力传感器233实时检测仿真皮肤21所受压力。

进一步的，由于膜片支架234中心处设置的凹陷结构可能会使致弹性腔2311沿膜片支架234的中部凹陷向下起伏，导致仿真效果下降，因此在仿生膜片231和膜片支架234之间还设置了浮动膜片232，当弹性腔2311向下实例时，浮动膜片232将其作用力分散，从而避免了受力不均的问题，并最终将弹性腔2311产生的搏动有效反馈至仿生皮肤21。

脉诊仪用户端]

如图13所示为本发明医护端所配合的其中一种脉诊仪用户端，其通过将脉象采集组件8抵靠在患者寸关尺脉位后，医护端通过沿XYZ三向按压仿生皮肤将动作方向信号远程传递至调整脉象采集组件8的采集指，采集指依次经过方位粗调整与旋转微调的方式介入，直至获得寸关尺的脉象信号。用户端和医护端之间通过智能移动终端的通讯模块，如WIFI模块、5G/4G模块交换数据，当医护端获取来自用户端的脉象信号后，通过信号放大器将“波动”传递至模拟心脏泵A，通过驱动线圈骨架将电流变化转化成液流波动，最后仿生起搏组件23传递至医师的指肚。

名词解释]

TPU(Thermoplastic polyurethanes)名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或甲苯二异氰酸酯（TDI）等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇（扩链剂）共同反应聚合而成的高分子材料。

附图标记说明：

1 模拟心脏泵、11 托板、111 液端接口、12 压板、121 翼板、122 弹性液囊、13 弹片组件、131 第一弹片、132 侧支撑筒、133 中支撑筒、134 第二弹片、14 线圈支架、141 线圈、15 磁轭、16 永磁体、17 泵壳、171 支脚、172 泵壳端子、173 通孔、174 底座、175 支柱、18 功放电路板；

2 通用型底座组件、21 仿生皮肤、22 柔性转台、23 仿生起搏组件、231 仿生膜片、2311 弹性腔、2312 连接端子、2313 膜片主体、2314 连接环、232 浮动膜片、233 取脉压力传感器、234 膜片支架、235 端子软管、24 转台底座、241 定位凸起、25 轴承座组件、26 固定座组件、261 行程开关、262 旋转定位部、27 标注点、3 仿生循环系统、31 瓣膜式单向阀、32 软管、321 软管储液囊；

4 电源、41 电源支架；

5 下壳体、51 内支脚、52 卡槽；

6 上壳体、61 磁吸；

7 电路板、71 尾板；

8 脉象采集组件；

A 脉诊仪医护端、B智能移动终端、P1 左手号脉位、P2 右手号脉位。

Claims (1)

1.一种封闭式仿生血液循环系统，包括三套循环单元，其特征在于：各循环单元互不干涉地置于该循环系统中，循环单元包括由一对瓣膜式单向阀(31)分隔的模拟心脏泵(1)和弹性腔(2311)；

弹性腔(2311)的流出端与瓣膜式单向阀(31)之间设有软管储液囊(321)；

弹性腔(2311)包括与循环单元数量对应的彼此间隔的独立腔室；

模拟心脏泵装置包括设有通孔(173)的泵壳(17)、限位在泵壳(17)内的磁轭(15)、限位在磁轭(15)内的永磁体(16)、与永磁体(16)浮动配合的缠绕有线圈(141)的线圈支架(14)、固定在泵壳(17)侧部的功放电路板(18)，线圈支架(14)上固定有弹片组件(13)，弹片组件(13)包括由中支撑筒(133)弹性间隔的第一弹片(131)和第二弹片(134)，弹性液囊(122)限位在弹片组件(13)上。