CN116271506A - 柔性膜电枢驱动式血泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性膜电枢驱动式血泵，包括泵壳，泵壳内设置有电枢驱动器和波动传输组件，其中：波动传输组件包括形成波动传输流道的流道部件，流道部件内设置的柔性膜与电枢驱动器的电枢组件连接，以使电枢组件在电枢驱动器产生的电磁驱动作用下带动柔性膜在波动传输流道内振动而产生波浪运动，从而使流入泵壳的血液产生具有生理特征的波动泵送效果。本发明实现了对血液的波动输送，使血液流动具有脉动性生理特征，且运行稳定可靠，不易出现故障，成本低，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性膜电枢驱动式血泵，属于血泵技术领域。
背景技术
目前，中国心力衰竭患者逐年增加，心力衰竭治疗的有效手段之一是人工植入机械式心室辅助装置，且主要以左心室辅助装置为主。然而可用于临床的标准血泵主要分为轴流泵和离心泵，它们都属于旋转型泵，其转子的高速旋转会对血液成分造成损害，产生溶血、血栓和出血并发症，此外，它们是以单一泵速运行的，在临床使用时会导致患者脉搏压力降低，继而会出现与持续的非生理性血液泵送有关的并发症，如胃肠道出血、主动脉瓣功能不全或中风。因此，研究人员为这种旋转型泵开发了脉动算法，目的是为了改善冲洗情况，从而减少血栓等的形成。然而，实际临床效果不佳，已开发的脉动算法并不能克服上述缺点来较好地恢复生理性脉搏。
公开号为CN110636873A的中国发明专利申请公开了一种具有矩形柔性膜的可植入系统，其提出了一种可起伏运动的薄膜，很好地解决了上述提到的缺点。但是，其采用电磁致动器驱动薄膜做起伏运动，驱动力度有限，且有限的力密度会导致线圈和局部热点的显著升温，运动稳定性不好，另外，其内往复运动的动子为线圈，这极易引发故障，不适合作为血泵的动力源。
公开号为CN114712700A的中国发明专利申请公开了一种柔性膜磁阻驱动式可植入血泵及人工血泵系统，其很好地解决了上述公开号为CN110636873A的中国发明专利申请所存在的问题，但其组件构成较多，特别是带动柔性膜做起伏运动的振动组件需要安装在混合磁阻致动器的线性导向组件上，两者的装配需要高度匹配，否则会影响柔性膜的运动效果，可见，制作与装配难度较大，运动过程中也易出现故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性膜电枢驱动式血泵，其实现了对血液的波动输送，使血液流动具有脉动性生理特征，且运行稳定可靠，不易出现故障，成本低，适于推广。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：它包括泵壳，泵壳内设置有电枢驱动器和波动传输组件，其中：波动传输组件包括形成波动传输流道的流道部件，流道部件内设置的柔性膜与电枢驱动器的电枢组件连接，以使电枢组件在电枢驱动器产生的电磁驱动作用下带动柔性膜在波动传输流道内振动而产生波浪运动，从而使流入泵壳的血液产生具有生理特征的波动泵送效果。
本发明的优点是：
本发明一方面通过柔性膜与流道部件形成了上、下两个液袋的效果，基于流固耦合作用，实现了对血液的起伏波动输送，使血液的流动产生具有生理特征的脉动性，将对血液的损伤降到了最低，降低了溶血、血栓等并发症的发生风险，另一方面，电枢驱动器提供的力密度高，驱动性能强、可靠，为柔性膜的稳定波动提供了保障，再一方面，本发明结构简洁，特别是带动柔性膜做起伏运动的电枢组件易装配，不易出现故障，确保了柔性膜的运动效果，成本低，血液相容性良好，适于临床推广。
附图说明
图1是本发明柔性膜电枢驱动式血泵的第一较佳实施例示意图。
图2是电枢驱动器的结构示意图。
图3是电枢组件的结构示意图。
图4是波动传输组件的结构示意图。
图5是柔性膜的结构示意图。
图6A是本发明柔性膜电枢驱动式血泵第一较佳实施例的柔性膜处于波动状态的示意图(电枢片向上摆动)。
图6B是本发明柔性膜电枢驱动式血泵第一较佳实施例的柔性膜处于波动状态的示意图(电枢片向下摆动)。
图7是本发明柔性膜电枢驱动式血泵的第二较佳实施例的电枢驱动器的结构示意图。
图8是电枢组件的结构示意图。
具体实施方式
如图1至图8，本发明柔性膜电枢驱动式血泵包括泵壳10，泵壳10内设置有电枢驱动器和波动传输组件，其中：波动传输组件包括形成波动传输流道61的流道部件60，流道部件60内设置的柔性膜70与电枢驱动器的电枢组件20连接，即电枢驱动器为柔性膜70提供可靠的动力源，以使电枢组件20在电枢驱动器产生的电磁驱动作用下带动柔性膜70在波动传输流道61内振动而使柔性膜70产生波浪运动，从而使流入泵壳10的血液产生具有生理特征的波动泵送效果。
参考图1和图2来理解，电枢驱动器包括上下对称的U状上线轴31和倒U状下线轴32，上线轴31与下线轴32上共同缠绕有电磁线圈30，在上线轴31、下线轴32的一侧分别设有板状上磁体51、板状下磁体52，一环状磁轭40环绕在上磁体51和下磁体52的外面，上磁体51与下磁体52上下对称且磁性相反，通常，上磁体51、下磁体52分别固定在磁轭40的内顶壁、内底壁上，磁轭40与电磁线圈30的环绕方向一致，上线轴31与下线轴32之间的空间和上磁体51与下磁体52之间的空间共同形成一振动空间80，振动空间80与流道部件60形成的波动传输流道61连通，即流道部件60设于磁轭40一侧，磁轭40介于上、下线轴31、32与流道部件60之间，其中：
电枢驱动器还包括电枢组件20，电枢组件20包括电枢片21、基片22，以及连接电枢片21与基片22的支撑片23，电枢片21、基片22和支撑片23形成一躺倒U状结构，电枢片21处于振动空间80内而基片22和支撑片23处于振动空间80外，电枢片21贯穿振动空间80设置且电枢片21的悬空末端211从振动空间80伸出至波动传输流道61内并与柔性膜70的连接端71连接，即电枢组件20的电枢片21要比基片22长，基片22夹于缠绕有电磁线圈30的下线轴32和下磁体52与泵壳10的内壁之间，电枢片21悬空处于振动空间80内。
在实际设计中，起到约束电磁线圈30作用的上线轴31、下线轴32为非导磁材料(如采用钛合金材质等熟知材料)制成，另外，为避免电磁线圈30与血液相接触而引起血液相容性问题，可在电磁线圈30的内壁覆盖一层非导磁材料(如采用钛合金材质等熟知材料)制成的防护层。
较佳地，上线轴31与下线轴32可连为一体呈环状，这样既降低了装配难度，又直接避免引起血液相容性问题。当然，也可使用无需线轴支撑的电磁线圈，而为了避免引起血液相容性问题，可在电磁线圈的内壁设置一层避免引起血液相容性问题的非导磁材料。
电磁线圈30由铜或铝导线制成，电磁线圈30引出的线缆经由泵壳10上开设的相应孔洞伸出而与外部的供电装置连接。
在实际设计中，上磁体51、下磁体52可为永久磁体，也可为能够吸引铁、钴或镍这类物质的单个或多个磁性体组合形成的磁体。
磁轭40可为导磁性能好的软铁、A3钢、铁氧体或软磁合金等材料制成，主要用于提高磁感应效率，及起到抑制电磁干扰、减少金属部件发热的作用。
在实际设计中，同样地，为了避免引起血液相容性问题，可在上磁体51、下磁体52和磁轭40朝向振动空间80的内壁上覆盖一层非导磁材料(如采用钛合金材质等熟知材料)制成的防护层。
在实际设计中，电枢片21的悬空末端211要比电枢片21的其它部位宽且需保证平整，相应地，柔性膜70的连接端71的尺寸应与电枢片21的悬空末端211的尺寸相适配，以便两者能够牢固连接。在实际制作中，电枢片21与柔性膜70可通过粘接或浸塑等方式连接成一体，不受局限。
在本发明中，柔性膜70例如设计为有机硅或聚氨酯复合材料制成的柔软、易变形并具有弹性、生物相容性的薄片，柔性膜70的形状、薄厚及安装方式(如灌注环氧树脂胶粘接、螺丝固定等)不受局限，只要其在振动力、流体力等综合作用下可沿血液流动方向产生大变形的波动效果即可。
进一步来说，柔性膜70应具有较小的密度，这样，其与较高密度的材料相比，既减小了柔性膜的质量，增加了灵敏度，提高了响应速度，又减少了电枢组件20所需的刚度。同时，柔性膜70需具备低弹性模量才能产生大变形的波动效果。在实际制作中，柔性膜70可设计为具有小于8500Pa/(kg/m3)的比模量，其中，材料的比模量等于弹性模量/密度，也等于材料的应力/应变。另外，构成柔性膜70的材料的模量可以是各向同性的或各向异性的，不受局限。
如图3，电枢片21的上、下表面上可对称地设有多个限制凸起210，各限制凸起210处于上磁体51与下磁体52之间，其中：当电磁线圈30不通入电流时，电枢片21沿上下方向处于振动空间80的正中间，即电枢片21处于平衡状态。
进一步来说，当电磁线圈30通入电流时，电枢片21会在电磁线圈30产生的感应磁场与上磁体51或下磁体52的磁性叠加作用下，其弯曲且悬空末端211被向上或向下吸引拉拽。于是，在电磁线圈30通入交流电流的作用下，电枢片21产生上下摆动的效果，或说悬空末端211产生上下移动，继而电枢片21将其摆动效果传递给柔性膜70，即带动柔性膜70摆动，继而柔性膜70沿血液流动方向产生波动运动效果。
在本发明中，限制凸起210的作用在于，限制电枢片21上下摆动的角度，以避免电枢片21触碰到上磁体51、下磁体52，特别是避免电枢片21的悬空末端211触碰到流道部件60的内壁。与在上线轴31、下线轴32上，或上磁体51、下磁体52上设置限制凸起或其它形式的缓冲器相比，限制凸起210在电枢片21上的设置可更大程度上降低成本。
在本发明中，电枢组件20可采用不锈钢、硅钢或其它具有生物相容性的钢质材料制成，电枢片21的作用在于，感应磁场并产生摆动运动。
在实际设计中，如图1，泵壳10内可仅设有一个电枢驱动器，此一个电枢驱动器与一个波动传输组件沿泵壳10的长度方向排布，其中：振动空间80与泵壳10上的泵入口11相对，以使血液经由振动空间80传输；电枢驱动器的电枢组件20的支撑片23上设有流通口230，电枢片21将振动空间80分成上、下两部分，泵壳10的泵入口11直接与振动空间80的上部分连通，泵壳10的泵入口11经由流通口230与振动空间80的下部分连通；流道部件60形成的波动传输流道61与泵壳10上的泵出口12相对，以使血液经由波动传输流道61输送出。在这里，电枢片21还兼具了将血液上下分流的作用。
另外，参考图7和图8来理解，泵壳10内沿泵壳10的宽度方向并排分离地设有两个电枢驱动器，此两个电枢驱动器与一个波动传输组件沿泵壳10的长度方向排布，此两个电枢驱动器的电枢片21伸出各自振动空间80后两者的悬空末端211连接成一体并与柔性膜70连接，其中：此两个电枢驱动器之间形成的血液输送空间230’与泵壳10上的泵入口11相对，以用于传输血液；此两个电枢驱动器各自形成的振动空间80和血液输送空间230’共同与流道部件60形成的波动传输流道61连通；波动传输流道61与泵壳10上的泵出口12相对，以用于输送出血液；此两个电枢驱动器的电磁线圈30所通入的电流方向相同且电流方向的切换为同步控制。在这里，两个电枢驱动器中连接成一体的悬空末端211兼具分流的作用。
在实际设计中，如图7，为避免电磁线圈30、磁轭40与血液相接触而引起血液相容性问题，较佳地，可在两个电枢驱动器的外部罩设一层非导磁材料(如采用钛合金材质等熟知材料)制成的防护罩。在这里，血液从波动传输流道61流入振动空间80的量极小，忽略不计，当然，也可在电枢片21的悬空末端211伸出振动空间80的位置设计避免引起血液相容性问题的防护措施，在此不加以详述。
在本发明中，泵壳10的形状不受局限。如图1，泵壳10通常呈矩形体状，其高度、宽度和长度方向如图所示，在本发明中，在泵壳10的长度方向上定义血液流动方向，即血液流动方向为从泵入口11至泵出口12的方向，泵壳10的高度方向即上下方向，定义为电枢片21上下摆动的方向。
以图1所示本发明血泵为例说明，在泵壳10内，电枢驱动器、波动传输组件沿泵壳10的长度方向排布，电枢驱动器的上线轴31和下线轴32沿泵壳10的高度方向排布，同样，上磁体51和下磁体52沿泵壳10的高度方向排布，电磁线圈30和磁轭40以泵壳10的长度方向为轴缠绕或说环绕，电枢组件20的电枢片21的悬空末端211及其带动柔性膜70的摆动方向为沿泵壳10的高度方向，振动空间80、波动传输流道61沿泵壳10的长度方向形成，柔性膜70产生的波动泵送血液的方向为沿泵壳10的长度方向，更确切地说，血液流动方向为血液从泵入口11到泵出口12的流动方向。
在本发明中，泵壳10、流道部件60可以是不锈钢、钴基、钛基合金或其它具有生物相容性的刚性材料制成。
如图4，流道部件60呈矩形体状，从沿泵壳10的长度方向切割流道部件60的纵截面来看，波动传输流道61由依次连通的矩形体状入口流道611、纵截面呈躺倒梯形的过渡流道612、扁平板状的主流道613和躺倒圆台体状的出口流道614构成，其中的入口流道611、过渡流道612和主流道613可沿泵壳10的宽度方向通长设置，其中：入口流道611的出口经由过渡流道612收缩成主流道613的入口，出口流道614的出口大于自身入口；电枢片21的悬空末端211伸至入口流道611内与柔性膜70的连接端71连接，柔性膜70的波动末端，即与连接端71相对的另一端处于主流道613内。
在本发明中，波动传输流道61的上述结构设计目的在于，流入入口流道611的血液经由过渡流道612的收缩设计可加速自身的流动速度，随即流入主流道613，从而在主流道613内的柔性膜70的波浪运动作用下，使血液产生具有生理特征的波动泵送效果，而血液经由出口流道614也会产生加速流动的效果。
如图6A和图6B，波动传输流道61将流道部件60分成了上、下两部分，其中，上部分与柔性膜70之间形成一液袋，下部分与柔性膜70之间形成另一液袋。
在本发明中，通过设计悬空末端211上下摆动频率及摆动幅值，并调整入口流道611、过渡流道612内的压力梯度，即可对血液流动的流量实现调节。在实际设计中，较佳地，电枢组件20的悬空末端211的摆动幅值设为1.2mm，悬空末端211的摆动频率设为60Hz，其中，使得流经波动传输流道61的血液平均流量在2.3L/min～3.8L/min(脉动生理流量)之间，以满足进出泵壳10的血液压差为60mmHg。当然，悬空末端211的摆动频率介于0Hz与120Hz之间都是可以的，当然也可设计为其它摆动频率。
在本发明中，凡是需要与血液接触的部件都应通过具有优良血液相容性的材质制成，如钛合金材质。
本发明基于电磁感应、机械振动和流固耦合原理实现，下面以图1所示本发明血泵为例说明工作过程和驱动原理。具有图7所示电枢驱动器的本发明血泵的第二较佳实施例的工作过程和驱动原理与图1所示基本相同，故不再详述。
如图1，设定上磁体51、下磁体52的磁性分别为N、S。
当电磁线圈30内不通入电流时，电枢片21受上磁体51、下磁体52的磁力吸引强度相等且方向相反，于是电枢片21沿上下方向处于振动空间80的中间位置，即处于平衡状态。
当电磁线圈30内通入电流，在上磁体51与下磁体52之间产生的感应磁场方向与血液流动方向一致时，电枢片21在电磁力和磁力的综合作用下被向上吸引。相反地，当电磁线圈30内通入相反的电流，在上磁体51与下磁体52之间产生的感应磁场方向与血液流动方向相反时，电枢片21在电磁力和磁力的综合作用下被向下吸引。
由此，不断切换通入电磁线圈30的电流方向，即可使电枢片21实现上下摆动效果，从而电枢片21的悬空末端211带动柔性膜70做上下摆动，继而柔性膜70产生起伏的波浪运动，将从泵入口11流入的血液波动泵送至泵出口12。
图6A示出了悬空末端211向上移动过程中的某一时刻状态，血液流入悬空末端211和柔性膜70与入口流道611内底壁之间的空间内，并随着柔性膜70的波动传播，血液朝向出口流道614推送，此时流道部件60的上部分与柔性膜70之间形成液袋A，下部分与柔性膜70之间形成液袋B，液袋A和液袋B呈现向出口流道614流动的趋势，以将血液推出泵壳10。
图6B示出了悬空末端211向下移动过程中的某一时刻状态，血液流入悬空末端211和柔性膜70与入口流道611内顶壁之间的空间内，并随着柔性膜70的波动传播，血液朝向出口流道614推送，此时液袋A逐渐变小、消失，被流道部件60的下部分与柔性膜70之间形成的液袋C取代，同样地，液袋B逐渐变小、消失，被流道部件60的上部分与柔性膜70之间形成的液袋D取代，液袋C和液袋D呈现向出口流道614流动的趋势，以将血液推出泵壳10。
优选地，柔性膜70产生的波动传播血液的速度宜控制在1.0m/s～2.0m/s之间，当然不受局限。
本发明的优点是：
本发明一方面通过柔性膜与流道部件形成了上、下两个液袋的效果，基于流固耦合作用，实现了对血液的起伏波动输送，使血液的流动产生具有生理特征的脉动性，将对血液的损伤降到了最低，降低了溶血、血栓等并发症的发生风险，另一方面，电枢驱动器提供的力密度高，驱动性能强、可靠，为柔性膜的稳定波动提供了保障，再一方面，本发明结构简洁，特别是带动柔性膜做起伏运动的电枢组件易装配，不易出现故障，确保了柔性膜的运动效果，成本低，血液相容性良好，适于临床推广。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：它包括泵壳，泵壳内设置有电枢驱动器和波动传输组件，其中：波动传输组件包括形成波动传输流道的流道部件，流道部件内设置的柔性膜与电枢驱动器的电枢组件连接，以使电枢组件在电枢驱动器产生的电磁驱动作用下带动柔性膜在波动传输流道内振动而产生波浪运动，从而使流入泵壳的血液产生具有生理特征的波动泵送效果。
2.如权利要求1所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述电枢驱动器包括上下对称的U状上线轴和倒U状下线轴，上线轴与下线轴上共同缠绕有电磁线圈，在上线轴、下线轴的一侧分别设有板状上磁体、板状下磁体，一环状磁轭环绕在上磁体和下磁体的外面，上磁体与下磁体上下对称且磁性相反，上线轴与下线轴之间的空间和上磁体与下磁体之间的空间共同形成一振动空间，振动空间与所述流道部件形成的所述波动传输流道连通，其中：
所述电枢驱动器还包括电枢组件，电枢组件包括电枢片、基片，以及连接电枢片与基片的支撑片，电枢片、基片和支撑片形成一躺倒U状结构，电枢片处于振动空间内而基片和支撑片处于振动空间外，电枢片贯穿振动空间设置且电枢片的悬空末端从振动空间伸出至所述波动传输流道内并与所述柔性膜的连接端连接。
3.如权利要求2所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述电枢片的上、下表面上对称地设有多个限制凸起，各限制凸起处于所述上磁体与所述下磁体之间，其中：当所述电磁线圈不通入电流时，所述电枢片沿上下方向处于所述振动空间的正中间。
4.如权利要求3所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述泵壳内仅设有一个所述电枢驱动器，此一个所述电枢驱动器与一个所述波动传输组件沿所述泵壳的长度方向排布，其中：所述振动空间与所述泵壳上的泵入口相对，以使血液经由所述振动空间传输；所述电枢驱动器的所述电枢组件的所述支撑片上设有流通口，所述电枢片将所述振动空间分成上、下两部分，所述泵壳的泵入口直接与所述振动空间的上部分连通，所述泵壳的泵入口经由流通口与所述振动空间的下部分连通；所述流道部件形成的所述波动传输流道与所述泵壳上的泵出口相对，以使血液经由所述波动传输流道输送出。
5.如权利要求3所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述泵壳内沿所述泵壳的宽度方向并排分离地设有两个所述电枢驱动器，此两个所述电枢驱动器与一个所述波动传输组件沿所述泵壳的长度方向排布，此两个所述电枢驱动器的所述电枢片伸出各自所述振动空间后两者的所述悬空末端连接成一体并与所述柔性膜连接，其中：此两个所述电枢驱动器之间形成的血液输送空间与所述泵壳上的泵入口相对，以用于传输血液；此两个所述电枢驱动器各自形成的所述振动空间和血液输送空间共同与所述流道部件形成的所述波动传输流道连通；所述波动传输流道与所述泵壳上的泵出口相对，以用于输送出血液；此两个所述电枢驱动器的所述电磁线圈所通入的电流方向相同且电流方向的切换为同步控制。
6.如权利要求2至5中任一项所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述流道部件呈矩形体状，所述波动传输流道由依次连通的矩形体状入口流道、纵截面呈躺倒梯形的过渡流道、扁平板状的主流道和躺倒圆台体状的出口流道构成，其中：入口流道的出口经由过渡流道收缩成主流道的入口，出口流道的出口大于自身入口；所述电枢片的所述悬空末端伸至入口流道内与所述柔性膜的所述连接端连接，所述柔性膜的波动末端处于主流道内。
7.如权利要求6所述的柔性膜电枢驱动式血泵，其特征在于：
所述电枢组件的所述悬空末端的摆动幅值设为1.2mm，所述悬空末端的摆动频率设为60Hz，其中，使得流经所述波动传输流道的血液平均流量在2.3L/min～3.8L/min之间，以满足进出所述泵壳的血液压差为60mmHg。
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