專利名稱：一種體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種體外永磁磁場直線驅(qū)動的人工心臟血泵，特別涉及用于搏動式心 臟輔助裝置和全人工心臟的體外永磁磁體磁場作為無接觸驅(qū)動動力的血泵。
背景技術(shù)：
自1953年Gibbons發(fā)明體外循環(huán)和1966年DeBakey植入氣動泵至今，人工心臟 已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年。第一代是仿生式，核心結(jié)構(gòu)是一個由柔韌性材料制成的血囊，用氣動或 電動裝置周期性地壓迫血囊來完成泵血的功能，稱為隔膜式血泵。臨床應(yīng)用最廣的植入式 血泵是電動式隔膜泵，主要代表產(chǎn)品有Heartmate，Thoratic, Novacor等。然而隨著植入 時間的不斷延長和臨床觀察資料的積累，此類結(jié)構(gòu)逐步暴露出很多難以克服的缺點，如體 積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、對材料性能要求苛刻、生理相容性差、效率低、工作壽命短、控制系 統(tǒng)復(fù)雜等。這些缺點使其長期植入后帶來很多嚴(yán)重的并發(fā)癥(如出血、感染、血栓栓塞、多 器官功能衰竭等)，常導(dǎo)致死亡。對此研究者們雖進(jìn)行了多年改進(jìn)，但收效甚微。很多人愈 來愈清楚的意識到固守此類結(jié)構(gòu)設(shè)計，永久植入的目標(biāo)將難以實現(xiàn)。
在此情形中人們再次被迫改變方向，開始研究另一類非仿生式的泵結(jié)構(gòu)——旋轉(zhuǎn) 葉輪式血泵。它可分為離心泵、軸流泵及混流泵三種形式。此類泵的特點是用泵殼內(nèi)高速 旋轉(zhuǎn)的葉輪驅(qū)動液體單向流動，不需要單向閥門控制液流方向，而且它極其微型化，可直接 植入到心腔或血管腔內(nèi)推動血液流動，如Jarvik2000型血泵。從理論上看，葉輪轉(zhuǎn)速越高， 單位體積內(nèi)可輸出的功率就越大，因此泵體積可降至很小。再者，血液連續(xù)流動，不需設(shè)置 在舒張期容納血液的血腔，故而泵體可進(jìn)一步縮小甚至可做到微型化，這一特點非常有利 于提高裝置的解剖相容性。此外，由于沒有反復(fù)折疊的柔性材料，泵的連續(xù)工作壽命也有望 大幅度提高。加之還有高效率、低能耗、工作可靠、穩(wěn)定性好、控制簡單等諸多優(yōu)點。但由于 此類血泵的結(jié)構(gòu)和工作原理與自然心臟迥然不同，它能否被機體接受很值得懷疑，并且高 速旋轉(zhuǎn)的葉片會大量地破壞血液中的血細(xì)胞而造成溶血等嚴(yán)重的后果。
人工心臟經(jīng)過數(shù)十年的研究，已有數(shù)種產(chǎn)品問世，并且正在逐步進(jìn)入實用階段。但 從臨床應(yīng)用來看，目前完全代替自然心臟的作用和功能非常困難，許多關(guān)鍵問題并未得到 徹底解決。除了溶血問題之外，突出的有電源問題及電機發(fā)熱問題。這些裝置需要在患者 皮膚上做一通道，以導(dǎo)入能量，然而隨之而來的又是致命的感染?；颊咧踩脒@類人工心臟 后，雖然生命得以延續(xù)，但是由于上述種種原因的存在，仍然離不開醫(yī)院，并且行動受限，無 法恢復(fù)有功能、有價值的生活。由于長期使用抗菌素，肝、腎等重要臟器的損傷及菌群失調(diào) 等副作用日益突出，同時患者還需不斷承受巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
針對上述問題，申請人提供了一種采用體外磁場的非接觸式驅(qū)動作為旋轉(zhuǎn)葉輪式 血泵的驅(qū)動裝置，它的基本結(jié)構(gòu)是兩個相距一定距離的圓柱型磁體，磁體間的磁耦合力是 能量傳遞的基礎(chǔ)。該裝置的主動磁體位于人體外部，由一個電動機帶動其旋轉(zhuǎn)，被動磁體位 于人體心臟升主動脈內(nèi)部。當(dāng)主動磁體旋轉(zhuǎn)時，被動磁體受到主動磁體磁場的作用而旋轉(zhuǎn)， 從而帶動血泵葉輪的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到將機械能量從人體外部的電動機傳遞到血泵的目的。這一技術(shù)方案從根本上克服了以往電驅(qū)動需要經(jīng)皮導(dǎo)入通道和體內(nèi)存在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)熱 部件等致命缺點。該方案只需將帶有被動磁體的旋轉(zhuǎn)葉輪式血泵植入體內(nèi)，其余部件都在 體外。它相對現(xiàn)有的人工心臟來說，還有可大大減少植入體內(nèi)的異物總量、大大降低植入裝 置的體積、降低引入體內(nèi)的總能量、大大減輕對機體的植入創(chuàng)傷、提高整體結(jié)構(gòu)的可靠性、 微小的血液接觸面和避免切除自然心臟等優(yōu)點。但此類血泵的結(jié)構(gòu)和工作原理也屬于非仿 生性的結(jié)構(gòu)，與自然心臟不同，而且高速旋轉(zhuǎn)的葉片會大量地破壞血液中的血細(xì)胞而造成 溶血。
此外，由于從體外到位于人體心臟升主動脈內(nèi)部的血泵的能量傳遞要跨越較大的 空間距離(通常情況下需達(dá)到100-120毫米)，因此這種人工心臟的無接觸式動力傳遞系統(tǒng) 的主動磁體和被動磁體之間必須相隔較大的間距?？紤]到永磁無接觸式動力傳遞的特性， 隨著主動磁體和被動磁體相隔的間距增大，從主動磁體到被動磁體的轉(zhuǎn)矩傳遞能力將迅速 下降。主動磁體和被動磁體相隔較大的間距也會使傳遞系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加。如果主動磁 體和被動磁體間失去同步，它們之間將無法傳遞轉(zhuǎn)矩，這也就意味著人體內(nèi)的血泵將失去 動力。因此這一方案受到了較大的限制。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有仿生式氣動或電動隔膜式血泵，周期性地壓迫和反復(fù)折 疊柔韌性材料制成的血囊，造成泵的連續(xù)工作壽命短；非仿生式旋轉(zhuǎn)葉輪式血泵的結(jié)構(gòu)和 工作原理與自然心臟不同，高速旋轉(zhuǎn)的葉片會大量地破壞血液中的血細(xì)胞而造成溶血；采 用體外磁場的非接觸式驅(qū)動作為旋轉(zhuǎn)葉輪式血泵的驅(qū)動裝置的兩磁體(主動磁體和被動 磁體)系統(tǒng)存在的轉(zhuǎn)矩傳遞能力小和穩(wěn)定性差的缺點，提供一種體外永磁磁場直線驅(qū)動的 仿生式人工心臟血泵。
本發(fā)明的人工心臟血泵由主動磁體、被動磁體、泵體和活塞等部件組成。
主動磁體由高剩磁永磁材料制成，磁體的磁極為兩極。主動磁體位于人體外部，其 所受到的空間限制較小，因此它的幾何尺寸可以較大。主動磁體被封閉在一個靜止的殼體 內(nèi)，由一個直線電動機或者一個旋轉(zhuǎn)電動機和一個旋轉(zhuǎn)-直線運動轉(zhuǎn)換器(例如渦輪-蝸 桿裝置)帶動其做往復(fù)直線運動。
泵體、被動磁體和活塞位于人體內(nèi)部，其所受到的空間限制較大，它的幾何尺寸必 須較小。被動磁體由高剩磁永磁材料制成，磁體的磁極為兩極。由于當(dāng)主動磁體和被動磁 體沿運動方向的中心線平行時它們能夠傳遞最大的轉(zhuǎn)矩，被動磁體的中心線盡可能與主動 磁體的中心線平行。被動磁體被安裝在活塞內(nèi)，它與活塞合成為一體，被封閉在泵的殼體 內(nèi)。該泵的殼體可以是圓柱體、柱形的多面體，殼體的壁有一定的厚度，由不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電或 低導(dǎo)電的材料制成，被固定在人體的胸腔內(nèi)?；钊谥螝んw內(nèi)可以做往復(fù)直線運動，它將 柱形殼體內(nèi)的空間分成兩個部分第一空間和第二空間?；钊麕в幸粋€單向閥門，單向閥門 開啟后，血液可以從殼體內(nèi)的第二空間流到第一空間。殼體的兩端分別有一個或多個開孔， 通過管道分別將第一空間與主動脈連接，將第二空間與靜脈相連接。
具有兩極(N極和S極)的主動磁體和被動磁體的充磁方向是當(dāng)主動磁體和被動 磁體分別安裝到人體外和人體內(nèi)的相應(yīng)位置時，它們的充磁方向沿主動磁體中心點和被動 磁體中心點兩點之間的連線，并且盡可能使該連線與主動磁體和被動磁體之間的人體胸部表面的法線相重合，主動磁體和被動磁體的充磁方向相同。
本發(fā)明的人工心臟血泵的工作原理以及各部件的功能是位于人體外部的電動機 帶動主動磁體做往復(fù)直線運動，主動磁體所產(chǎn)生的磁場也開始做往復(fù)直線運動，位于人體 內(nèi)部的被動磁體在這一磁場的作用下將與主動磁體做相同的往復(fù)直線運動，并帶動血泵的 活塞一起做往復(fù)直線運動。通過上述過程，主動磁體和被動磁體將人體外電動機輸出的機 械能無接觸地傳遞到人體內(nèi)的血泵活塞上，達(dá)到了給人工心臟的血泵提供動力的目的。
假設(shè)人工心臟血泵開始工作的初始狀態(tài)已經(jīng)完成充盈，這時第一空間的體積處于 它的最大值，其內(nèi)部充滿血液。當(dāng)位于人體外部的主動磁體在電動機帶動下開始直線運動 時，被動磁體在主動磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將與主動磁體做方向相同的直線運動，并帶 動血泵的活塞一起沿這一方向運動，這時活塞上的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，第一血泵空間內(nèi)的 血液將在活塞的作用下經(jīng)由殼體端部的開孔和管道射入到主動脈中去，同時靜脈中的血液 也隨著第二空間體積的增加進(jìn)入到第二空間中，這一過程相當(dāng)于自然心臟的收縮期。在活 塞將第一空間中的血液射入到主動脈中之后，位于人體外部的主動磁體在電動機的帶動下 開始反向運動，被動磁體在主動磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將也開始反向運動，并帶動血泵 的活塞一起沿這一方向運動，這時活塞上的閥門處于開啟狀態(tài)，血泵第二空間內(nèi)的血液將 經(jīng)由在活塞上的閥門進(jìn)入到第一空間中去，這一過程相當(dāng)于自然心臟的舒張期。人工心臟 血泵就這樣完成了它的一次工作循環(huán)，隨著人工心臟血泵的不斷工作，實現(xiàn)其代替自然心 臟的供血功能。
本發(fā)明不僅解決了向體內(nèi)血泵供電的問題及體內(nèi)電機發(fā)熱的問題，還解決了現(xiàn)有 仿生式氣動或電動血泵周期性地壓迫和反復(fù)折疊柔韌性材料所制成的血囊，造成泵的連續(xù) 工作壽命短，以及體積大的問題和非仿生式旋轉(zhuǎn)葉輪式血泵的血液供應(yīng)與自然心臟不同， 以及高速旋轉(zhuǎn)的葉片會大量地破壞血液中的血細(xì)胞而造成溶血的問題。
本發(fā)明除了用于人工心臟的血泵之外，還可用于其它需要無接觸傳遞能量的泵裝 置。


圖1本發(fā)明人工心臟血泵結(jié)構(gòu)和各部件位置示意圖
圖2主動磁體和被動磁體的充磁方向；
圖3人工心臟血泵工作狀態(tài)1示意圖4人工心臟血泵工作狀態(tài)2示意圖5兩個磁體在相對位置1的磁場分布圖6兩個磁體在相對位置2的磁場分布圖7兩個磁體在相對位置3的磁場分布圖8兩個磁體在相對位置4的磁場分布圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明實施例的人工心臟血泵由主動磁體、被動磁體、泵體、活塞和單向閥門組 成，它們的結(jié)構(gòu)和相對人體的位置如圖1所示。
主動磁體為一個六面體，由釹鐵硼永磁材料制成，磁體的極數(shù)為2。主動磁體位于人體外部，由一個直線電動機或者一個旋轉(zhuǎn)電動機和一個旋轉(zhuǎn)-直線運動轉(zhuǎn)換器(例如渦 輪-蝸桿裝置)帶動其做往復(fù)直線運動。
被動磁體、泵體和活塞位于人體內(nèi)部，被動磁體與活塞合為一體，為六面體，被動 磁體由釹鐵硼永磁材料制成，磁體的極數(shù)為2。被動磁體被安裝在活塞內(nèi)，活塞封閉在泵的 殼體內(nèi)。該泵的殼體為方形的圓柱體、由不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電或低導(dǎo)電的材料制成，被固定在人 體的胸腔內(nèi)?；钊谥螝んw內(nèi)可以做往復(fù)直線運動，活塞將柱形殼體內(nèi)的空間分成為第 一空間1和第二空間2?；钊闹醒霂в幸粋€單向閥門，單向閥門開啟后，血液可以從殼體 內(nèi)的空間2流到空間1。殼體的兩端分別有一個開孔，通過管道分別將第一空間1與主動脈 連接，將第二空間2與靜脈相連接。
具有兩極(N極和S極)的主動磁體和被動磁體分別安裝在人體外和人體內(nèi)的相 應(yīng)位置，如圖1所示，主動磁體和被動磁體的充磁方向相同，并沿主動磁體中心點和被動磁 體中心點兩點之間的連線，如圖2所示。
本發(fā)明的一個實施例主動磁體軸向長度為20毫米，其余兩邊長為30毫米；位于 活塞上的被動磁體的軸向長度為10毫米，其余兩邊長為30毫米，主動磁體的軸線與被動磁 體的軸線之間相隔60毫米。
根據(jù)人體對血液的需要，每分鐘血泵應(yīng)該能夠泵血5000毫升左右。如果血泵每分 鐘動作70次，它每次的泵血量應(yīng)約為72毫升。考慮到活塞的邊長為30毫米，柱形殼體內(nèi) 的第一空間1加第二空間2的軸向尺寸應(yīng)為80毫米。
假設(shè)人工心臟血泵在開始工作的初始狀態(tài)已經(jīng)完成充盈，這時第一空間1的體積 處于它的最大值，其內(nèi)部充滿血液，活塞上的被動磁體位于泵殼體內(nèi)的下部，見圖3。當(dāng)位 于人體外部的主動磁體在電動機帶動下開始向上做直線運動時，被動磁體(活塞)在主動 磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將也開始向上做直線運動，這時活塞上的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，血 泵第一空間1內(nèi)的血液將在活塞的作用下經(jīng)由殼體端部的開孔和管道射入到主動脈中去， 同時靜脈中的血液也隨著第二空間2體積的增加進(jìn)入到第二空間2中。在活塞將第一空間 1中的血液射入到主動脈中之后，如圖4所示，位于人體外部的主動磁體在電動機的帶動下 開始向下做直線運動，被動磁體(活塞)在主動磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將也開始向下做 直線運動，這時活塞上的閥門處于開啟狀態(tài)，血泵第二空間2內(nèi)的血液將經(jīng)由在活塞上的 閥門進(jìn)入到第一空間1中去。人工心臟血泵就這樣不斷地工作，實現(xiàn)人體的供血循環(huán)。
為了考察本發(fā)明中的主動磁體和被動磁體傳遞動力的情況，我們對它們的磁場分 布進(jìn)行了有限元分析，并在此基礎(chǔ)上，計算了兩磁體系統(tǒng)能夠傳遞的力。圖5-8為本發(fā)明實 施例中的兩個磁體在不同相對位置1-4的磁場分布圖。表1為由主動磁體傳遞到被動磁 體上的軸向力。
表 權(quán)利要求
1.一種體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在于，所述的血泵由主 動磁體、被動磁體、泵體、活塞和單向閥門組成；主動磁體位于人體外部，由電動機帶動其做 往復(fù)直線運動；被動磁體、泵體和活塞位于人體內(nèi)部，被動磁體安裝在活塞內(nèi)，與活塞合為 一體；活塞封閉在所述的血泵的殼體內(nèi)；所述的殼體固定在人體的胸腔內(nèi)；活塞在殼體內(nèi) 做往復(fù)直線運動，將所述殼體內(nèi)的空間分成為第一空間(1)和第二空間O)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在 于，所述的主動磁體和被動磁體為圓柱體、柱形的六面體或多面體，主動磁體和被動磁體由 永磁材料制成，磁體的極數(shù)為2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在 于，所述的活塞的中央帶有一個單向閥門。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在 于，所述的殼體的兩端分別開有一個或多個孔，通過管道分別將第一空間(1)與主動脈連 接，將第二空間( 與靜脈相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在 于，所述的殼體由不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電或低導(dǎo)電的材料制成，為圓形、多邊形或方形的圓柱體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，其特征在 于，所述的電動機為一個直線電動機或者一個旋轉(zhuǎn)電動機和一個旋轉(zhuǎn)-直線運動轉(zhuǎn)換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任一項所述的體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血 泵，其特征在于，所述的血泵工作過程如下假設(shè)人工心臟血泵開始工作的初始狀態(tài)已經(jīng)完 成充盈，這時第一空間(1)的體積處于它的最大值，其內(nèi)部充滿血液。當(dāng)位于人體外部的主 動磁體在電動機帶動下開始直線運動時，被動磁體在主動磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將與主 動磁體做方向相同的直線運動，并帶動所述的活塞一起沿這一方向運動，這時活塞上所述 的單向閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，第一血泵空間(1)內(nèi)的血液將在活塞的作用下經(jīng)由所述的殼體 端部的開孔和管道射入到主動脈中去，同時靜脈中的血液也隨著第二空間(2)體積的增加 進(jìn)入到第二空間(2)中，這一過程相當(dāng)于自然心臟的收縮期；在活塞將第一空間(1)中的血 液射入到主動脈中之后，位于人體外部的主動磁體在電動機的帶動下開始反向運動，被動 磁體在主動磁體所產(chǎn)生磁場的作用下將也開始反向運動，并帶動所述的活塞一起沿這一方 向運動，這時活塞上的單向閥門處于開啟狀態(tài)，血泵第二空間O)內(nèi)的血液將經(jīng)由在活塞 上的單向閥門進(jìn)入到第一空間(1)中去，這一過程相當(dāng)于自然心臟的舒張期；所述的血泵 如此完成了一次工作循環(huán)，隨著所述的血泵的不斷工作，實現(xiàn)其代替自然心臟的供血功能。
全文摘要
一種體外永磁磁場直線驅(qū)動的仿生式人工心臟血泵，所述的血泵由主動磁體、被動磁體、泵體、活塞和單向閥門組成；主動磁體位于人體外部；被動磁體、泵體和活塞位于人體內(nèi)部，被動磁體與活塞合為一體；被動磁體與活塞被封閉在所述的血泵的殼體內(nèi)，將所述殼體內(nèi)的空間分成為第一空間(1)和第二空間(2)。所述的殼體固定在人體的胸腔內(nèi)。位于人體外部的電動機帶動主動磁體做往復(fù)直線運動，主動磁體所產(chǎn)生的磁場也開始做往復(fù)直線運動，位于人體內(nèi)部的被動磁體在這一磁場的作用下將與主動磁體做相同的往復(fù)直線運動，并帶動血泵的活塞一起做往復(fù)直線運動。
文檔編號A61M1/12GK102028980SQ201010561078
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者夏東 申請人:中國科學(xué)院電工研究所