專利名稱：動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，具體為驅動控制一種超大氣隙，即氣隙為80-170mm的兩極永磁同步電機轉子的運轉的血流泵體外電磁驅動控制裝置。
目前，心腦血管病的發病率已據首位，成為人類的第一殺手，其中，心血管病發展的嚴重后果是心臟泵功能的衰竭。數以千萬計的心臟病患者中，每年只有極少數人有機會作心臟移植手術，而其中成功生存的又是少數，絕大多數心臟病患者，沒有機會得到心臟供體。近半個世紀以來，有識之士專注于開發機械血液循環支持系統，以求暫時或永久，部分或完全代替自然心泵，維持機體血液循環或促進損傷心臟恢復。近年來，植入型機械血液循環及其支持系統的發展到了較高階段，即植入人工心臟及其支持系統裝置的問世。目前，植入人工心臟多為解剖性代換為目標，即切除或損傷病人的自然心臟，類同于心臟供體體內移植那樣，要切除病人的自然心臟，以獲得人工心臟植入和連接的最佳位置。這種解剖性代換摒棄自然心臟，徹底地排除了自然心臟接受新治療的機會，而近期研究結果表明，在非解剖性代換，即功能性代換裝置的支持下，遭受各種病理損害打擊的多種所謂＂終末期＂衰竭的自然心臟，可獲得生存和復蘇的機會。本發明人在名稱為＂動力性主動脈瓣＂，申請號為97104137.7的發明專利申請中，提出了一種功能性代換裝置，一種＂轉子-葉輪＂結構設計，大大簡化了植入部分的結構。這種軸流式機械血流泵的驅動控制器可置于人體內，但其體積大，植入難，患者痛苦；還要將電源引線拉出體外，更增加了病人的痛苦；其維護難度可想而知；若機械血流泵的驅動控制器置于人體體外，可克服上述的弊端，可是，至今人們多采用體外永磁鐵旋轉的驅動方式，其機械震動強，噪音大，風阻大，能耗高，氣隙小，穩定性較差，控制難度較大。
本發明的目的，就是提供一種一次性植入主動脈的永久性機械血流泵，其驅動控制器及電源全部位于體外，通過無線方式，即電磁驅動方式控制機械血流泵的穩定、安全運轉的一種裝置。
本發明的目的，是通過通有電脈沖信號的電磁驅動器線圈，使之產生交變磁場，推動體內機械血流泵的兩極永磁轉子旋轉，從而帶動泵的微型渦輪同步轉動的設計實現的。
本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，包括微型渦輪泵，電磁驅動控制器，電源，帶插頭的電源線，機殼及機殼掛戴件，電源通過電源線插頭與機殼相連；其中微型渦輪泵植于主動脈內，且由轉子與葉輪構成，轉子用永磁材料制成，葉輪由生物相容性材料制成；電磁驅動控制器設在體外的機殼內，電磁驅動控制器由1-2個電磁驅動線圈，驅動電路，脈沖分配器及控制器組成，電磁驅動線圈為兩個時，其軸線間的夾角為0-90度；控制器包括微處理器，存儲器，調節控制電路，液晶顯示器及液晶顯示驅動譯碼器；微處理器包括主時鐘及脈沖發生器；脈沖分配器與控制器的微處理器的脈沖發生器相連；電源由控制電源及驅動電源組成；機殼的正面設有面板，背面與機殼掛戴件相連，機殼的面板上設有液晶顯示器，控制電源開關，選擇顯示轉速按紐，選擇顯示驅動電壓按紐，復位/啟動按紐，選擇手動調速按紐，選擇自動調速按紐，驅動電源開關，驅動電壓調節旋鈕，轉速調節旋紐，失步指示燈及電源插座；液晶顯示器與液晶顯示驅動譯碼器相連；控制電源開關與電源插座相連；選擇顯示轉速按紐和選擇顯示驅動電壓按紐與液晶顯示驅動譯碼器相連；復位/啟動按紐，選擇手動調速按紐，選擇自動調速按紐，轉速調節旋紐和失步指示燈與控制器相連；驅動電壓調節旋鈕與驅動電源開關相連；驅動電源開關與電源插座相連；電磁驅動線圈的鐵心與微型渦輪泵之間的距離為50-170mm。
作為本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的進一步改進，所述的微型渦輪泵的轉子為兩極釹鐵硼永磁鐵。
作為本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的進一步改進，所述的微型渦輪泵的葉輪為鈦合金或聚甲醛制成。
作為本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的進一步改進，所述的電磁驅動線圈的電磁鐵心為0.2冷軋硅鋼帶或坡莫合金。
作為本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的進一步改進，所述的電磁驅動線圈為兩個時，其間的夾角為90度。
本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的控制電源為3-9V。
本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的驅動電源為48-150V。
本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的轉子的轉速為10-170轉/秒。
在本發明所提供的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置中，控制器中的單片微處理器可采用MCS51系列，而存儲及I/O控制芯片可采用PSD31系列，技術成熟，價格低，有利于推廣應用。
本發明所提供的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的液晶顯示器，為現有成熟技術，例如，可采用驅動譯碼芯片7211AM集成塊及液晶顯示(LCD)芯片ED-S805。
本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的控制電源為固定直流電源，可使用電池或市電變壓器；驅動電源為可變直流電源，可利用電池組或市電變壓器經可變電位器得到，該可變電位器的旋鈕即機殼面板上的驅動電壓調節旋鈕。
本發明根據磁場傳遞扭矩的原理，即扭矩TT＝Kα*Kt*1/L*Fa*Ff*Sin(δ)其中Kα是與兩線圈軸線間夾角有關的系數Kt是扭矩系數l是線圈鐵心與轉子之間的距離Fa是線圈磁動勢幅值Ff是轉子磁動勢幅值δ是通電線圈磁動勢與轉子磁動勢之間的夾角。當采用一個電磁驅動器線圈時，轉子的轉動方向由其初始方向決定，即由動脈內的血流方向決定，因此，單個電磁驅動器線圈適于心臟尚有微弱功能的患者，作為人工輔助心臟；當采用兩個電磁驅動器線圈時，轉子的轉動方向由其中的一個電磁驅動器線圈內所通電流的方向決定，該電流的方向根據動脈內的血流方向確定，較后工作的一個電磁驅動器線圈起助推作用，因此，兩個電磁驅動器線圈具有自啟動特性，適于心臟幾乎失去功能的患者，當作人工心臟用；本發明中，將電脈沖信號有序地通入電磁驅動器線圈，使其產生交變磁場，推動永磁轉子按動脈內的血流方向旋轉，其旋轉頻率由脈沖頻率控制，轉子旋轉帶動葉輪轉動，使主動脈內的血液受到足夠的壓力，從而推動血液的流動和循環，換言之，使體內的微型渦輪泵與體外的電磁驅動控制器兩者的磁場耦合，產生扭矩，微型渦輪泵按控制頻率同步轉動，實現無接觸的能量傳遞，達到由體外無線的控制體內的人工心臟促進血流的目的，從而可使人工心臟與人體心臟并行工作，達到心臟的非解剖性代換，即功能性代換的目的。對一般人群，人體胸壁距微型渦輪泵的距離為50-100m，該距離越大，其體外驅動的難度越大。
本發明所提供的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，使用時，先將微型渦輪泵植于主動脈內，術后，把該裝置的機殼內的電磁驅動控制器鐵心，對向微型渦輪泵即可，鐵心與微型渦輪泵之間的距離為50-170mm。
本發明所提供的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的優點一次性植入永久性微型血流泵，無需引線到體外，創傷小，病人痛苦少；電磁驅動控制器與微型渦輪泵間的氣隙范圍較寬，為50-170mm；因電磁驅動控制裝置放置在體外，便于保養和維修。
下面結合實施例，對本發明的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，作進一步說明。
實施例。


圖1為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置工作原理示意圖。
圖2為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的脈沖分配器電路圖。
圖3為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的驅動電路圖。
圖4為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的控制器的脈沖信號發生器及其調節控制電路圖。
圖5為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的控制器的顯示電路圖。
圖6為本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的機殼面板構成示意圖。
圖7為本實施例動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置的電磁驅動器線圈驅動永磁轉子原理示意圖。
參見圖1-圖4，圖6及圖7。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，包括微型渦輪泵1，電磁驅動控制器，電源，帶插頭的電源線，機殼及機殼掛戴件，電源通過電源線插頭與機殼相連；其中微型渦輪泵1植于主動脈內，且由轉子與葉輪構成，轉子用永磁材料制成，葉輪由生物相容性材料制成；電磁驅動控制器設在體外的機殼內，電磁驅動控制器由1-2個電磁驅動線圈2，驅動電路，脈沖分配器及控制器組成，電磁驅動線圈2為兩個時，其軸線間的夾角為0-90度；控制器包括微處理器，存儲器，調節控制電路，液晶顯示器9及液晶顯示驅動譯碼器；微處理器包括主時鐘及脈沖發生器；脈沖分配器與控制器的微處理器的脈沖發生器相連；電源由控制電源及驅動電源組成；機殼的正面設有面板，背面與機殼掛戴件相連，機殼的面板上設有液晶顯示器9，控制電源開關10，選擇顯示轉速按紐11，選擇顯示驅動電壓按紐12，復位/啟動按紐13，選擇手動調速按紐14，選擇自動調速按紐15，驅動電源開關16，驅動電壓調節旋鈕17，轉速調節旋紐18，失步指示燈19及電源插座20；液晶顯示器9與液晶顯示驅動譯碼器相連；控制電源開關10和驅動電源開關16與電源插座20相連；選擇顯示轉速按紐11和選擇顯示驅動電壓按紐12與液晶顯示驅動譯碼器相連；復位/啟動按紐13，選擇手動調速按紐14，選擇自動調速按紐15，轉速調節旋紐18和失步指示燈19與控制器相連；驅動電壓調節旋鈕17與驅動電源開關16相連；電磁驅動線圈2的鐵心與微型渦輪泵1之間的距離為50-170mm。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的微型渦輪泵1的轉子為兩極釹鐵硼永磁鐵。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的微型渦輪泵1的葉輪為鈦合金制成。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的電磁驅動線圈2的電磁鐵心為0.2冷軋硅鋼帶。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的電磁驅動線圈2為兩個時，其間的夾角為90度。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的控制電源為5V。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的驅動電源為100V。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，所述的轉子的轉速為10-170轉/秒。。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其中的機械血流泵，采用微型渦輪泵，其泵體外徑為22mm，長度為20mm，旋轉軸直徑為2mm，結構簡單且牢固；在80-100mm超大氣隙情況下，即體內泵的永磁轉子至體外的電磁驅動控制器的距離在80-170mm范圍內，轉子的轉速可7000轉/分鐘，用水作實驗時，能泵起水柱高度達一米；無噪音，無需維護，一次性植入體內后，只要轉子與電磁驅動控制器持續同步，轉子就能處于持續工作狀態；這種人工心臟又可稱為動脈內推進渦輪，其微型渦輪為微型鈦合金螺旋槳式葉輪，其轉子為兩極釹鐵硼永磁鐵，由一剛性支架籠支承并固定植入心臟主動脈腔內，轉子以一定轉速的旋轉，使葉輪產生動壓，維持或輔助人體內血液的循環；所用的控制電源為電池，驅動電源為電池組經可變電位器得到，該可變電位器的旋鈕即機殼面板上的驅動電壓調節旋鈕。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其工作原理說明如下圖4所示為控制器中的脈沖信號發生器，其中80c32芯片為MCS51系列微處理器，PSD311芯片為存儲及I/O控制集成電路，TLC0831芯片是模/數轉換器(A/D)，在TLC0831模/數轉換器的2與3端子間，接入可變電阻RW3，該可變電阻RW3即為設在機殼面板上的轉速調節旋鈕，端子6輸出數字調速信號給80c32微處理器的8號端子，當選擇手動調速按紐時，80c32的端子3接地，80c32的端子2輸出手動變頻的數字脈沖信號(FREQ)；當選擇自動調速按紐時，80c32的端子3為高電位，即接控制電源，80c32的端子2輸出自動變頻的數字脈沖信號(FREQ)；手動或自動的調速變化范圍為10-170轉/秒；該脈沖信號由圖2所示的分頻器U2(74LS93)分頻，經放大器U5(74LS08)放大后，一方面輸出到移位器U1(74LS164)，一方面經再次放大后，形成轉速信號(TACHO)，輸出到面板的選擇顯示轉速按紐上；經移位器U1，或非門U3(74LS02)，非門U4(74LS04)所形成的脈沖序列Q1，Q2，Q3及Q4，作為圖3所示的驅動電路的輸入信號，令其按脈沖序列Q1，Q2，Q3及Q4的時序，驅動電磁驅動線圈L1及L2；當Q1為正脈沖而Q2為低電平時，三極管TR5(D1138)及TR2(B861)導通，而三極管TR1(B861)與TR6(D1138)截止，使電磁驅動線圈L1中的電流由COIL2端流向COIL1端，在L1鐵心兩端形成一個N-S極性，令微型渦輪泵的永磁轉子轉到相應位置，其帶動的葉輪按動脈內血流方向旋轉；當Q1為低電平，Q2為正脈沖時，TR1與TR6導通，而TR5和TR2截止，使電磁驅動線圈L1中的電流由COIL1端流向COIL2端，在L1鐵心兩端形成一個S-N極性，令微型渦輪泵的永磁轉子繼續轉動到與上述的相反位置；脈沖序列Q3及Q4以同樣的原理驅動電磁驅動線圈L2，使L2鐵心兩端形成N-S與S-N相互交替的極性，如圖7所示，電磁驅動線圈L1及L2的軸線夾角α，α為0-90度時，按脈沖序列Q1，Q2，Q3及Q4的時序，可使電磁驅動線圈L1和L2驅動微型渦輪泵的永磁轉子轉動，從而帶動葉輪按動脈內血流方向旋轉。
參見圖5。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其中的液晶顯示器，采用驅動譯碼芯片7211AM集成塊及液晶顯示(LCD)芯片ED-S805。
本實施例的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，有兩個電磁驅動器線圈，具有自啟動特性，較適于心臟幾乎失去功能的患者，可把該裝置當作人工心臟用，功能性代換自然心臟。
權利要求
1.一種動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，包括微型渦輪泵(1)，電磁驅動控制器，電源，帶插頭的電源線，機殼及機殼掛戴件，電源通過電源線插頭與機殼相連；其特征在于微型渦輪泵(1)植于主動脈內，且由轉子與葉輪構成，轉子用永磁材料制成，葉輪由生物相容性材料制成；電磁驅動控制器設在體外的機殼內，電磁驅動控制器由1-2個電磁驅動線圈(2)，驅動電路，脈沖分配器及控制器組成，電磁驅動線圈(2)為兩個時，其軸線間的夾角為0-90度；控制器包括微處理器，存儲器，調節控制電路，液晶顯示器(9)及液晶顯示驅動譯碼器；微處理器包括主時鐘及脈沖發生器；脈沖分配器與控制器的微處理器的脈沖發生器相連；電源由控制電源及驅動電源組成；機殼的正面設有面板，背面與機殼掛戴件相連，機殼的面板上設有液晶顯示器(9)，控制電源開關(10)，選擇顯示轉速按紐(11)，選擇顯示驅動電壓按紐(12)，復位/啟動按紐(13)，選擇手動調速按紐(14)，選擇自動調速按紐(15)，驅動電源開關(16)，驅動電壓調節旋鈕(17)，轉速調節旋紐(18)，失步指示燈(19)及電源插座(20)；液晶顯示器(9)與液晶顯示驅動譯碼器相連；控制電源開關(10)和驅動電源開關(16)與電源插座(20)相連；選擇顯示轉速按紐(11)和選擇顯示驅動電壓按紐(12)與液晶顯示驅動譯碼器相連；復位/啟動按紐(13)，選擇手動調速按紐(14)，選擇自動調速按紐(15)，轉速調節旋紐(18)和失步指示燈(19)均與控制器相連；驅動電壓調節旋鈕(17)與驅動電源開關(16)相連；電磁驅動線圈(2)的鐵心與微型渦輪泵(1)之間的距離為50-170mm。
2.根據權利要求1所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的微型渦輪泵(1)的轉子為兩極釹鐵硼永磁鐵。
3.根據權利要求1所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的微型渦輪泵(1)的葉輪為鈦合金或聚甲醛制成。
4.根據權利要求1或2或3所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的電磁驅動線圈(2)的電磁鐵心為0.2冷軋硅鋼帶或坡莫合金。
5.根據權利要求1或2或3所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的電磁驅動線圈(2)為兩個時，其間的夾角為90度。
6.根據權利要求4所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的電磁驅動線圈(2)為兩個時，其間的夾角為90度。
7.根據權利要求1所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的控制電源為3-9V。
8.根據權利要求1所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的驅動電源為48-150V。
9.根據權利要求1所述的動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置，其特征在于所述的轉子的轉速為10-170轉/秒。
全文摘要
本發明涉及一種動脈內血流泵體外電磁驅動控制裝置,包括微型渦輪泵,電磁驅動控制器,電源及機殼;由永磁轉子與葉輪構成的渦輪泵植于主動脈內;電磁驅動控制器設在體外機殼內,它由1－2個電磁驅動線圈,驅動電路,脈沖分配器及控制器組成;該裝置通過脈沖系列,將微型渦輪泵與體外的電磁驅動控制器兩者的磁場耦合,產生扭矩,使渦輪泵轉動,實現無接觸能量傳遞;患者痛苦少,作為人工輔助心臟,功能性代換自然心臟。
文檔編號A61M1/10GK1342497SQ00124718
公開日2002年4月3日 申請日期2000年9月14日 優先權日2000年9月14日
發明者李國榮, 曾憲林, 楊憲鐸, 徐永根 申請人:李國榮, 曾憲林, 楊憲鐸, 徐永根