專利名稱：基于電活性聚合物的泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于泵送物質(zhì)(例如流體、氣體和/或固體)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
泵在各種醫(yī)療手術(shù)中起重要的作用。例如，泵用來在腹腔鏡和內(nèi)窺鏡手術(shù)中輸送流體(鹽水等)到處理區(qū)域，以將血液輸送到透析和心肺機(jī)或者從透析和心肺機(jī)輸送血液，以及對分析用體液進(jìn)行取樣。大多數(shù)醫(yī)療泵是定位在手術(shù)區(qū)域外部并且可抽回或輸送流體的離心式或容積式泵。
容積式泵通常分成兩類，單轉(zhuǎn)子和多轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可以是通過流體室抽吸或壓迫流體的葉片、提桶、滾子、滑履、活塞、齒輪和/或齒。常規(guī)的轉(zhuǎn)子由直接或間接驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動。例如，蠕動泵通常包括裝配在環(huán)狀泵外殼中的撓性管和具有多個滾子(轉(zhuǎn)子)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時，滾子壓縮管的一部分并且通過管內(nèi)的內(nèi)部通道壓迫流體。蠕動泵通常用來泵送干凈或者無菌的流體，因?yàn)楸盟蜋C(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和滾子)不直接接觸流體，由此減小交叉污染的可能性。
其它常規(guī)的容積式泵(例如齒輪泵或凸輪泵)采用迫使流體通過流體室的旋轉(zhuǎn)元件。例如，凸輪泵包括兩個或多個轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上定位有凸輪組。馬達(dá)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使凸輪嚙合在一起并且通過流體室驅(qū)動流體。
離心泵包括徑向、混合和軸向流動泵。離心泵可以包括具有徑向定位的葉片的回轉(zhuǎn)葉輪。流體進(jìn)入泵并且被抽入葉片之間的空間。然后葉輪的轉(zhuǎn)動動作通過由葉輪的轉(zhuǎn)動動作產(chǎn)生的離心力迫使流體向外流動。
現(xiàn)有的泵盡管有效，但是其需要大的殼體來容納機(jī)械泵送機(jī)構(gòu)、齒輪和馬達(dá)，由此限制了其在一些醫(yī)療手術(shù)中的實(shí)用性。因此，需要改進(jìn)用于輸送流體的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總的涉及用于泵送物質(zhì)(例如流體、氣體和/或固體)的方法和裝置。在一個示例性實(shí)施例中，泵包括其中形成有通道的第一構(gòu)件和與第一構(gòu)件連通的多個致動器。致動器適于在對其施加能量時改變形狀，從而多個致動器的順序致動適于產(chǎn)生泵送動作，以使流體通過第一構(gòu)件運(yùn)動。
致動器也可以由各種材料制成。在一個示例性實(shí)施例中，至少一個致動器為電活性聚合物(EAP)的形式。例如，聚合物可以是具有撓性導(dǎo)電外殼的纖維束的形式，在該撓性導(dǎo)電外殼中設(shè)有多個電活性聚合物纖維和離子流體?？蛇x擇的是，致動器可以是具有至少一個撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層的層壓材料的形式。多個層壓材料層可用來形成復(fù)合層。致動器也可以包括連接到其上的回流電極和輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到每個致動器。
也可以各種構(gòu)型布置致動器，以便進(jìn)行所需的泵送動作。在一個實(shí)施例中，致動器可以連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件上。例如，撓性管狀構(gòu)件可以包括形成在其中用于接收流體的內(nèi)腔，該致動器可以圍繞撓性管狀構(gòu)件的圓周設(shè)置。泵還可以包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)的內(nèi)部管狀構(gòu)件，從而流體可以在內(nèi)部管狀構(gòu)件和撓性管狀構(gòu)件之間流動。內(nèi)部管狀構(gòu)件可以限定用于接收工具和裝置的通道。在另一方面，這些致動器可以設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)，并且這些致動器適于被順序地致動，以在對其輸送能量時進(jìn)行徑向擴(kuò)張，由此徑向擴(kuò)張撓性管狀構(gòu)件。因此，這些致動器可使流體通過形成在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間的流體通路運(yùn)動。
在另一個實(shí)施例中，可圍繞第一構(gòu)件內(nèi)的中央轂徑向定位多個致動器?？蓢@致動器定位護(hù)套，從而致動器的軸向收縮使護(hù)套徑向運(yùn)動。致動器的順序致動可將流體抽入一個通道并且可將流體從相鄰的通道排出。
這里還公開了用于泵送流體的方法。在一個實(shí)施例中，該方法可包括順序地將能量輸送到一組電活性聚合物致動器，以通過與致動器連通的通道泵送流體。在一個實(shí)施例中，該組電活性聚合物致動器可以設(shè)置在撓性細(xì)長軸內(nèi)，可以圍繞撓性細(xì)長軸設(shè)置外部管狀殼體，從而在外部管狀殼體和撓性細(xì)長軸之間形成通道。該組電活性聚合物致動器可以在能量輸送到其上時徑向擴(kuò)張，以擴(kuò)張撓性細(xì)長軸并通過通道泵送流體。在另一個實(shí)施例中，可圍繞其中限定有通道的撓性細(xì)長軸設(shè)置該組電活性聚合物致動器，并且該組電活性聚合物致動器在能量輸送到其上時徑向收縮，以收縮撓性細(xì)長軸并通過通道泵送流體。在又一個實(shí)施例中，該組電活性聚合物致動器可在其中限定通道，并且該組電活性聚合物致動器可在能量輸送到其上時徑向收縮，以通過流體流動通路泵送流體。
本發(fā)明還涉及如下方面(1)一種泵送裝置，包括第一構(gòu)件，形成有穿過該第一構(gòu)件的通道；以及多個致動器，其與所述第一構(gòu)件連通并適于在被施加能量時改變形狀，從而多個致動器的順序致動適于形成泵送動作，以使流體通過第一構(gòu)件運(yùn)動。
(2)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個致動器適于在被施加能量時徑向擴(kuò)張和軸向收縮。
(3)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個致動器包括電活性聚合物。
(4)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個致動器包括至少一個電活性聚合物復(fù)合層，該電活性聚合物復(fù)合層具有至少一個撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層。
(5)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個致動器包括回流電極和連接到回流電極上的輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到致動器上。
(6)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述多個致動器連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件。
(7)如第(6)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述撓性管狀構(gòu)件包括穿過其形成的用于接收流體的內(nèi)腔，并且圍繞所述撓性管狀構(gòu)件設(shè)置所述多個致動器。
(8)如第(6)項(xiàng)所述的裝置，還包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且限定了用于接收工具和裝置的通道的內(nèi)部管狀構(gòu)件，流體適于在所述內(nèi)部管狀構(gòu)件和所述撓性管狀構(gòu)件之間流動。
(9)如第(5)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述多個致動器設(shè)置在所述撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且適于被順序地致動，以在被輸送能量時徑向擴(kuò)張，從而使流體在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間運(yùn)動。
(10)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動器徑向定位在第一構(gòu)件內(nèi)。
(11)如第(9)項(xiàng)所述的裝置，還包括圍繞致動器定位的護(hù)套。
(12)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動器與護(hù)套的內(nèi)表面和中央轂配合。
(13)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，能量施加道至少一個致動器上，使護(hù)套相對于第一構(gòu)件運(yùn)動。
(14)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動器適于從護(hù)套與第一構(gòu)件的內(nèi)表面間隔開的收縮位置運(yùn)動到護(hù)套接觸第一構(gòu)件的內(nèi)表面的擴(kuò)張位置。
(15)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動器適于獨(dú)立運(yùn)動。
(16)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，還包括流體入口和流體出口。
(17)一種泵送流體的方法，包括順序地將能量輸送到一組電活性聚合物致動器上，以通過與所述電活性聚合物致動器連通的通道泵送流體。
(18)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動器設(shè)置在撓性細(xì)長軸內(nèi)，外部管狀殼體圍繞撓性細(xì)長軸設(shè)置，從而在外部管狀殼體和撓性細(xì)長軸之間形成通道，并且該組電活性聚合物致動器在被輸送能量時徑向擴(kuò)張，以擴(kuò)張撓性細(xì)長軸并通過所述通道泵送流體。
(19)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動器圍繞撓性細(xì)長軸設(shè)置，穿過該撓性細(xì)長軸限定有通道，并且該組電活性聚合物致動器在被輸送能量時徑向收縮，以收縮撓性細(xì)長軸并通過所述通道泵送流體。
(20)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動器限定穿過其中的通道，并且該組電活性聚合物致動器在被輸送能量時徑向收縮，以通過流體流動通路泵送流體。


通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的纖維束式EAP致動器的橫剖面圖；圖1B是圖1A所示的現(xiàn)有技術(shù)的致動器的徑向剖面圖；圖2A是具有多個EAP復(fù)合層的現(xiàn)有技術(shù)的層壓式EAP致動器的剖面圖；圖2B是圖2A所示的現(xiàn)有技術(shù)的致動器的一個復(fù)合層的透視圖；圖3A是圍繞撓性管設(shè)置有多個致動器的泵的一個示例性實(shí)施例的透視圖；圖3B是圖3A的泵的透視圖，其中第一致動器被致動；圖3C是圖3A的泵的透視圖，其中第一和第二致動器被致動；圖3D是圖3A的泵的透視圖，其中第一致動器被停用并且第二致動器被致動；圖3E是圖3A的泵的透視圖，其中第二和第三致動器被致動；圖3F是圖3A的泵的透視圖，其中第二致動器被停用并且第三致動器被致動；圖3G是圖3A的泵的透視圖，其中第三和第四致動器被致動；圖4是圍繞內(nèi)腔的外部設(shè)有致動器的泵的另一個實(shí)施例的截面圖；圖5是這里公開的包括內(nèi)部通道的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖6是這里公開的包括內(nèi)部通道的泵的又一實(shí)施例的剖面圖；圖7是這里公開的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖8是這里公開的泵的再一實(shí)施例的剖面圖；圖9A是圖8的泵的剖面圖；圖9B是圖8的泵的剖面圖；圖10A是這里公開的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖10B是圖10A的泵的剖面圖；圖10C是圖10A的泵的剖面圖；以及圖10D是圖10A的泵的透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將描述一些示例性實(shí)施例，以提供對本發(fā)明公開的裝置和方法的結(jié)構(gòu)、功能、制造和使用的原理的全面理解。附圖中顯示了這些實(shí)施例的一個或多個例子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，這里具體描述和附圖中顯示出的裝置和方法是非限制性的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。所描述的或者所顯示出的與一個示例性實(shí)施例有關(guān)的特征可以與其它實(shí)施例的特征結(jié)合。這種修改和變型包括在本發(fā)明的范圍中。
這里公開了用于泵送流體的各種方法和裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管所描述的方法和裝置用于泵送流體，但是這些方法和裝置可用于泵送任何物質(zhì)，包括氣體和固體?？偟恼f來，這些方法和裝置利用一個或多個致動器，所述致動器適于在對其輸送能量時改變方位，以通過與致動器連通的流體通路泵送流體。盡管致動器可以具有各種構(gòu)型，但在一個示例性實(shí)施例中，這些致動器是電活性聚合物。電活性聚合物(EAPs)，也稱為人造肌，是響應(yīng)于電場或機(jī)械場表現(xiàn)壓電、熱電或電致伸縮性質(zhì)的材料。具體地說，EAPs是一組導(dǎo)電摻雜聚合物，當(dāng)施加電壓時所述導(dǎo)電摻雜聚合物改變形狀?？梢允褂秒姌O使所述導(dǎo)電聚合物與某種形式的離子流體或凝膠配對。一旦對電極施加電壓電位，離子從流體/凝膠流入或流出導(dǎo)電聚合物，可以引起聚合物的形狀變化。通常，可以根據(jù)使用的具體聚合物和離子流體或凝膠施加在大約1V-4kV范圍內(nèi)的電壓電位。特別需要注意的是，EAPs在被供能時并不改變體積，而是它們僅僅在一個方向上擴(kuò)張并且在橫向方向上收縮。
EAPs的主要優(yōu)點(diǎn)中的一個是能夠電控制和微調(diào)它們的性能和特性?？梢酝ㄟ^在EAP上施加外部電壓重復(fù)變形EAPs，并且當(dāng)?shù)罐D(zhuǎn)所施加的電壓的極性時，它們可以快速回復(fù)到它們的初始構(gòu)型?？梢赃x擇特定聚合物，以形成不同類型的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，包括擴(kuò)張、線性運(yùn)動和彎曲結(jié)構(gòu)。EAPs也可以與機(jī)械機(jī)構(gòu)(例如彈簧或撓性板)配對，從而當(dāng)電壓施加到EAP時改變EAP對機(jī)械機(jī)構(gòu)的影響。輸送到EAP的電壓的大小也可以與產(chǎn)生的運(yùn)動量或尺寸變化量對應(yīng)，因此可以控制能量輸送，從而實(shí)現(xiàn)所需的變化量。
有兩種基本類型的EAPs，每種類型有多種構(gòu)型。第一種類型是纖維束，其可以包括捆在一起協(xié)同工作的許多纖維。所述纖維通常具有大約30-50微米的尺寸。這些纖維可以被編織成很像織物的束，并且它們常常被稱為EAP紗線。在使用中，EAP的機(jī)械構(gòu)型確定了EAP致動器和其運(yùn)動能力。例如，EAP可以形成長股線并且纏繞單個中心電極。撓性外部外護(hù)套將形成用于致動器的另一電極并且包含實(shí)現(xiàn)裝置的功能所必須的離子流體。當(dāng)對其施加電壓時，EAP將擴(kuò)張，使所述股線收縮或縮短。可在商業(yè)上獲得的纖維EAP材料的一個例子由Santa Fe Science and Technology公司制造并且作為PANIONTM纖維出售，其描述于美國專利No.6,667,825中，通過參考將該文獻(xiàn)的全部內(nèi)容并入本文。
圖1A和1B示出了由纖維束形成的EAP致動器100的一個示例性實(shí)施例。如圖所示，致動器100通常包括撓性導(dǎo)電外護(hù)套102，該外護(hù)套采用細(xì)長圓柱形構(gòu)件的形式，其上形成有相對的絕緣端帽102a和102b。然而，導(dǎo)電外護(hù)套102可以根據(jù)預(yù)期用途具有各種其它形狀和尺寸。如進(jìn)一步所顯示的，導(dǎo)電外護(hù)套102聯(lián)接到回流電極108a上，能量輸送電極108b通過絕緣端帽中的一個(例如端帽102a)延伸，通過導(dǎo)電外護(hù)套102的內(nèi)腔，并且進(jìn)入相對的絕緣端帽(例如端帽102b)中。能量輸送電極108b例如可以是鉑陰極線。導(dǎo)電外護(hù)套102也可以包括布置在其中的離子流體或凝膠106，以用于將能量從能量輸送電極108b輸送到布置在外護(hù)套102內(nèi)的EAP纖維104。具體地說，一些EAP纖維104平行布置并且在每個端帽102a，102b之間和延伸，并延伸進(jìn)入端帽102a和102b。如上所述，纖維104可以布置成各種方位，以提供預(yù)期結(jié)果，例如徑向地?cái)U(kuò)張或收縮或者彎曲運(yùn)動。在使用中，能量可以通過有源能量輸送電極108b和導(dǎo)電外護(hù)套102(陽極)輸送到致動器100。所述能量將使離子流體中的離子進(jìn)入EAP纖維104，由此使纖維104在一個方向上擴(kuò)張(例如徑向地?cái)U(kuò)張，使得每個纖維104的外徑增加)和在橫向方向上收縮(例如軸向地收縮，使得所述纖維的長度減小)。因此，端帽102a，102b將被朝著彼此被牽引，從而收縮和減小撓性外護(hù)套102的長度。
另一種類型的EAP是層壓結(jié)構(gòu)，其包括一個或多個EAP層、布置在每個EAP層之間的離子凝膠或流體層和連接到所述結(jié)構(gòu)上的一個或多個撓性導(dǎo)電板，例如正電極板和負(fù)電極板。當(dāng)施加電壓時，層壓結(jié)構(gòu)在一個方向上擴(kuò)張并且在橫向或垂直方向上收縮，從而使與之聯(lián)接的一個或多個撓性板根據(jù)EAP相對于一個或多個撓性板的構(gòu)型縮短或伸長，或者彎曲或撓曲?？稍谏虡I(yè)上獲得的層壓EAP材料的一個例子由SRI Laboratories的一個分部Artificial Muscle Inc制造。稱為薄膜EAP的板狀EAP材料也可從日本的EAMEX獲得。
圖2A和2B示出了由層壓材料形成的EAP致動器200的一個示例性構(gòu)型。首先參照圖2A，致動器200可以包括層壓EAP復(fù)合層的多個層(例如顯示了五個層210、210a、210b、210c、210d)，所述層由布置在它們之間的粘合劑層103a、103b、103c、103d彼此粘合。在圖2B中更詳細(xì)地顯示了所述層中的一個，即層210，如圖所示，層210包括第一撓性導(dǎo)電板212a、EAP層214、離子凝膠層216和第二撓性導(dǎo)電板212b，所有這些層都彼此連接，以形成層壓復(fù)合層。如圖2B中進(jìn)一步所示，所述復(fù)合層也可以包括聯(lián)接到撓性導(dǎo)電板212a，212b上的能量輸送電極218a和回流電極218b。在使用中，能量可以通過有源能量輸送電極218a輸送到致動器200。所述能量使離子凝膠層216中的離子進(jìn)入EAP層214，從而使層214在一個方向上擴(kuò)張并且在橫向方向上收縮。因此，將迫使撓性板212a，212b撓曲或彎曲，或者以其它方式隨EAP層214改變形狀。
如前所示，一個或多個EAP致動器可以并入用于泵送流體的裝置中。EAPs比由傳統(tǒng)馬達(dá)(例如電機(jī))驅(qū)動的泵更具優(yōu)勢，因?yàn)镋APs的尺寸使其可以放置在可植入的裝置或手術(shù)裝置中。另外，可將一組EAPs(例如沿著泵的長度或者在徑向構(gòu)型中)分布在泵中，而不是依靠單個馬達(dá)和復(fù)雜的齒輪布置。EAPs還可以便于遙控泵，這對于植入的醫(yī)療裝置特別有用。如下面詳細(xì)說明的一樣，EAPs可以驅(qū)動各種不同類型的泵。而且，可以使用任意類型的EAP。作為非限制性的例子，EAP致動器可以是形成圈或環(huán)狀構(gòu)件的纖維束致動器的形式，或者它們可以是層壓或者復(fù)合EAP致動器的形式，其被卷起以形成圓柱狀構(gòu)件。本領(lǐng)于技術(shù)人員應(yīng)理解，此處公開的泵可具有各種構(gòu)型，并且它們適于用在各種醫(yī)療手術(shù)中。例如，此處公開的泵可用于泵送流體到植入裝置(例如胃束帶)中或者從其中泵送流體。
圖3A示出了采用EAP致動器的泵送機(jī)構(gòu)的一個示例性實(shí)施例。如圖所示，泵10通常包括細(xì)長構(gòu)件12，該細(xì)長構(gòu)件12具有近端14、遠(yuǎn)端16以及穿過泵延伸位于近端14和遠(yuǎn)端16之間的內(nèi)部通道或內(nèi)腔18。內(nèi)腔18限定了流體通路。泵10還可以包括圍繞細(xì)長構(gòu)件12的外表20面設(shè)置的多個EAP致動器22a、22b、22c、22d、22e。在使用中，如下面將更詳細(xì)地描述的一樣，可利用電能順序地致動致動器22a-22e，以使致動器22a-22e徑向收縮，由此收縮細(xì)長構(gòu)件12并使流體通過細(xì)長構(gòu)件運(yùn)動。
細(xì)長構(gòu)件12可具有各種構(gòu)型，但是在一個實(shí)施例中，其是撓性細(xì)長管或者插管的形式，被構(gòu)型成通過其接收流體流，并被構(gòu)型成響應(yīng)于致動器22a-22e的方位變化而撓曲。細(xì)長構(gòu)件12的形狀和尺寸以及用于形成撓性和/或彈性細(xì)長構(gòu)件12的材料可以根據(jù)所需的用途而變化。在一些示例性實(shí)施例中，細(xì)長構(gòu)件12可以由生物相容性聚合物(例如硅樹脂或者膠乳)制成。作為非限制性的例子，其它適合的生物相容性彈性體包括異戊橡膠、氯丁二烯、氟橡膠、腈和氟硅氧烷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，可以選擇材料，以獲得所需的機(jī)械性能。盡管沒有顯示出，但是細(xì)長構(gòu)件12還可以包括其他便于其安裝到醫(yī)療裝置、流體源等上的元件。
致動器22a-22e也可以具有各種構(gòu)型。在所示例的實(shí)施例中，致動器22a-22e由圍繞細(xì)長構(gòu)件12的外表面卷繞的EAP層壓材料或者復(fù)合層形成。粘合或者其它配合技術(shù)可用于將致動器22a-22e連接到細(xì)長構(gòu)件12上。致動器22a-22e優(yōu)選相互間隔開一定距離，以允許致動器22a-22e在被輸送能量時徑向收縮和軸向擴(kuò)張，但是致動器22a-22e可以定位成相互接觸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，致動器22a-22e可選擇地設(shè)置在細(xì)長構(gòu)件12內(nèi)，或者與細(xì)長構(gòu)件12形成一體。致動器22a-22e也可以彼此連接，以形成細(xì)長管狀構(gòu)件，由此不需要撓性構(gòu)件12。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，盡管示出了五個致動器22a-22e，但是泵10可以包括任意數(shù)量的致動器。致動器22a-22e也可以具有各種構(gòu)型、形狀和尺寸，以改變裝置的泵送動作。
也可以各種方位將致動器22a-22e連接到撓性細(xì)長構(gòu)件12上，以實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動。在一個示例性實(shí)施例中，致動器22a-22e被布置成使得致動器22a-22e在被施加能量時徑向收縮和軸向擴(kuò)張。具體地說，當(dāng)能量輸送到致動器22a-22e上時，致動器22a-22e直徑可以減小，由此減小細(xì)長構(gòu)件12的內(nèi)徑。這種構(gòu)型允許致動器22a-22e被順序地致動，以通過細(xì)長構(gòu)件12泵送流體，如下面更詳細(xì)地描述的一樣。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以采用各種技術(shù)來將能量輸送到致動器22a-22e。例如，每個致動器可連接到回流電極和適于將能量從外部電源傳遞到致動器上的輸送電極上。這些電極可以通過細(xì)長構(gòu)件12中的內(nèi)腔18延伸、嵌入細(xì)長構(gòu)件12的側(cè)壁中，或者它們可以沿著細(xì)長構(gòu)件12的外表面延伸。這些電極可以連接到電池電源上，或者它們可以通過適于連接到插座上的電線延伸。在泵10適于植入患者體內(nèi)的情況下，電極可以連接到變壓器上，該變壓器適于經(jīng)皮植入并且適于從患者身體外部的外部能源遠(yuǎn)程接收能量。這種構(gòu)型允許泵10上的致動器22a-22e遠(yuǎn)距離致動，而無需手術(shù)。
圖3B-3G示出了用于順序致動致動器22a-22e以形成蠕動式泵送動作的一種示例性實(shí)施例方法。該順序可以從對第一致動器22a輸送能量開始，從而致動器擠壓一部分細(xì)長構(gòu)件12并減小內(nèi)腔18的直徑。在保持對第一致動器22a輸送能量的同時，將能量輸送到與第一致動器22a相鄰的第二致動器22b。第二致動器22b徑向收縮，即直徑減小，以進(jìn)一步壓縮細(xì)長構(gòu)件12，如圖3C所示。因此朝細(xì)長構(gòu)件12的遠(yuǎn)端16沿遠(yuǎn)側(cè)方向壓迫內(nèi)腔18內(nèi)的流體。如圖3D所示，在保持對第二致動器22b輸送能量的同時，停止將能量輸送到第一致動器22a，由此使得第一致動器22a徑向擴(kuò)張并回到開始時的停用構(gòu)型。然后將能量輸送到與第二致動器22b相鄰的第三致動器22c上，以使第三致動器22c徑向收縮，如圖3E所示，從而進(jìn)一步通過內(nèi)腔18沿遠(yuǎn)側(cè)方向推動流體。然后停止將能量輸送到第二致動器22b，從而第二致動器22b徑向擴(kuò)張并回到開始時的停用構(gòu)型，如圖3F所示。然后將能量輸送到第四致動器22d上，如圖3G所示，以徑向收縮第四致動器22d并進(jìn)一步沿遠(yuǎn)側(cè)方向泵送流體。繼續(xù)順序地致動和停用相鄰的致動器的過程。結(jié)果是產(chǎn)生從泵10的近端14運(yùn)行到泵10的遠(yuǎn)端16的“脈沖”。如果需要，可以重復(fù)圖3B-3G所示的過程，以繼續(xù)泵送動作。例如，可以再次將能量輸送到致動器22a-22e上，以產(chǎn)生第二脈沖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過在致動最后一個致動器22d時同時致動第一個致動器22a，使第二脈沖直接跟在第一脈沖后面，或者可選擇的是，第二脈沖可以在一段時間之后跟在第一脈沖后面。
在另一個實(shí)施例中，泵10可以包括包圍著內(nèi)部細(xì)長構(gòu)件12和致動器22a-22e的外部細(xì)長構(gòu)件24。如圖4所示，其顯示出了圍繞致動器22設(shè)有外部細(xì)長構(gòu)件24的泵10的橫截面，該致動器22圍繞撓性細(xì)長構(gòu)件12設(shè)置。外部細(xì)長構(gòu)件24可僅用作用于封裝致動器的殼體，或者任選地對泵10提供輔助支撐、剛度和/或撓度等。
在另一個實(shí)施例中，泵10可包括其它細(xì)長構(gòu)件和/或通道。例如，如圖5所示，泵10可以包括剛性或者半剛性內(nèi)部構(gòu)件26，其限定了通過泵10的軸向通道28。在使用中，通道28例如可以提供進(jìn)入手術(shù)部分，用于輸送器械、流體或其它材料，和/或用于視覺檢測。盡管所示的內(nèi)部構(gòu)件26具有通道，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其可以是提供限定流體通路的表面和/或提供對泵10的結(jié)構(gòu)支撐的實(shí)心的或者端部封閉的構(gòu)件。
盡管圖3A-5所示的致動器通過徑向收縮以壓縮細(xì)長構(gòu)件12而形成泵送動作，但是泵送動作可以交替地通過徑向擴(kuò)張致動器以增加細(xì)長構(gòu)件的直徑而形成。例如圖6示出了泵10′的剖面圖，該泵10′具有外部細(xì)長構(gòu)件24′和內(nèi)部細(xì)長構(gòu)件12′，在外部細(xì)長構(gòu)件24′和內(nèi)部細(xì)長構(gòu)件12′之間限定了流體流動通道。致動器(僅示出了一個致動器22′)定位在內(nèi)部構(gòu)件26′和撓性內(nèi)部細(xì)長構(gòu)件12′之間。內(nèi)部構(gòu)件26′限定了用于提供進(jìn)入手術(shù)部位的通路，用于輸送器械、流體或者其它材料，和/或用于視覺檢測。在使用中，可以通過將能量輸送到致動器22′以徑向擴(kuò)張致動器22′(即增加致動器22′的直徑)，由此朝著外部細(xì)長構(gòu)件24′徑向擴(kuò)張撓性內(nèi)部細(xì)長構(gòu)件12′，從而通過裝置10′泵送流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，泵10′的內(nèi)部構(gòu)件26′和/或外部構(gòu)件24′根據(jù)泵10′的所需構(gòu)型可以是撓性的、剛性的或者半剛性的。
圖7示出了泵10″的另一個示例性實(shí)施例，其利用纖維束式致動器形成泵送動作。具體地說，泵10″可以包括其中限定有通道28″的細(xì)長構(gòu)件26″，以提供進(jìn)入手術(shù)部位，用于輸送器械、流體或者其它材料，和/或用于視覺檢測。圍繞細(xì)長構(gòu)件26″設(shè)置內(nèi)部撓性護(hù)套30″和外部撓性護(hù)套32″，它們相互間隔一定距離，從而適于在它們之間安放致動器22″。換句話說，最外側(cè)的撓性護(hù)套32″的直徑可以大于內(nèi)部撓性護(hù)套30″的直徑。致動器22″可以形成為沿著泵10″的長度軸向?qū)?zhǔn)的環(huán)狀構(gòu)件。在使用中，流體可以在內(nèi)部撓性護(hù)套30″和細(xì)長構(gòu)件26″之間流動。當(dāng)能量輸送到致動器22″時，致動器22″徑向收縮，即直徑減小，由此使內(nèi)部和外部撓性護(hù)套30″和32″的定位在已致動的致動器22″附近的部分朝著細(xì)長構(gòu)件26″運(yùn)動。如前所述，可以順序地將能量輸送到致動器22″上，以形成脈沖式泵送動作。
如圖8所示，泵10″也可以包括圍繞外部護(hù)套32″設(shè)置的外部構(gòu)件24″。內(nèi)部護(hù)套30″和細(xì)長構(gòu)件26″之間的空間可限定第一流體通路36″，外部護(hù)套32″和外部構(gòu)件24″之間的空間可以限定第二流體通路38″。順序致動致動器22″可以同時通過第一和第二通路36″和38″泵送流體。
圖9A和9B示出了圖8的泵10″中的致動器22″的泵送動作。通常，致動器22a″-j″被順序致動以形成波動作用。這可通過完全致動一些致動器，部分致動或者部分停用相鄰的致動器，以及完全停用一些致動器來實(shí)現(xiàn)。如前所述，輸送到每個致動器上的能量的量可以與所發(fā)生的徑向擴(kuò)張或者收縮的量相關(guān)。如圖9A所示，一些致動器(例如致動器22d″和22i″)被完全致動，以壓縮內(nèi)部護(hù)套30″，從而使內(nèi)部護(hù)套30″的鄰近致動器22d″和22i″的部分靠在細(xì)長構(gòu)件26″上。相鄰的致動器(例如致動器22b″、22c″、22e″、22g″、22h″、22j″)根據(jù)流體運(yùn)動的所需方向部分致動或者部分停用，其它致動器(例如致動器22a″和22f″)被完全停用并處于完全擴(kuò)張構(gòu)型。因此，致動器22a″-j″沿著泵的長度共同形成波動構(gòu)型。當(dāng)輸送到每個致動器22a″-j″上的能量繼續(xù)在完全致動和完全停用之間切換時，致動器22a″-j″繼續(xù)擴(kuò)張和收縮，由此通過通路36″和38″使流體運(yùn)動。如圖9B所示，致動器22d″和22i″完全停用，從而他們徑向擴(kuò)張，相鄰的致動器22b″、22c″、22e″、22g″、22h″、22j″部分致動或者部分停用，致動器22a″和22f″被完全致動并處于完全收縮構(gòu)型中。致動器22a″-j″由此在流體通路36″和38″中產(chǎn)生壓力，以擠壓通過其中的流體。
在又一個實(shí)施例中，EAP致動器可用于凸輪或者葉片式泵中。圖10A-10D示出了泵310的一個實(shí)施例，其具有其中限定有流體通道341的外部殼體340，該外部殼體340包括入口和出口350和352。中央轂342設(shè)置在外部殼體340中，并且包括多個在徑向構(gòu)型中從其延伸的致動器322。外部護(hù)套348圍繞致動器322和轂342設(shè)置，以形成內(nèi)部殼體組件。在使用中，致動器322可以順序地致動，以使內(nèi)部殼體組件在外部殼體340中運(yùn)動，由此通過入口350將流體抽入泵310中，使流體通過泵310運(yùn)動，并使流體通過出口352排出。
內(nèi)部和外部殼體可以都具有各種構(gòu)型，但是在一個示例性實(shí)施例中，每個殼體基本上為圓柱狀或者盤狀。外部殼體340優(yōu)選由基本上剛性的材料制成，而形成內(nèi)部殼體的護(hù)套348優(yōu)選由半剛性或撓性材料制成。當(dāng)然，材料也可以根據(jù)泵310的具體構(gòu)型變化。
設(shè)置在護(hù)套348內(nèi)的致動器322優(yōu)選被構(gòu)型成軸向收縮和擴(kuò)張，即長度減小或增大，以基本上朝中央轂342拉動護(hù)套348，或者將護(hù)套348推離中央轂342。順序致動致動器322因此使內(nèi)部殼體在外部殼體340內(nèi)以基本上環(huán)狀的方式運(yùn)動，由此通過外部殼體340泵送流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，致動器322可以被構(gòu)型成當(dāng)被施加能量時軸向擴(kuò)張，即長度增大，而不是軸向收縮。
圖10A-10C中示出了內(nèi)部殼體的運(yùn)動。如圖10A所示，一些致動器，即致動器322f、322g、322h、322i和322j，被部分或完全致動(能量輸送到致動器)，從而它們軸向收縮，以朝著中央轂348拉動護(hù)套348的連接到其上的部分。因此，月牙狀區(qū)域形成在外部殼體340中，流體356抽入外部殼體340中。如圖10B所示，通過至少部分停用一些前面已致動的致動器(例如致動器322f和322g)和至少部分停用相鄰的致動器(例如致動器322i、322j、322k、322l和322a)，來使內(nèi)部殼體組件移位。該順序致動進(jìn)一步使流體356通過外部殼體340的內(nèi)部容積運(yùn)動。繼續(xù)順序致動致動器(例如致動器322l、322a、322b、322c、322d、322e等)繼續(xù)使流體356朝著出口352運(yùn)動，如圖10C所示。一旦流體356位于出口352附近，致動出口352附近的致動器(例如致動器322a、322b、322c)使流體356通過出口352排出。
根據(jù)上述描述的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。例如，進(jìn)入端口可以設(shè)置在套件中，該套件具有不同長度的進(jìn)入端口，以配合患者的工作區(qū)域的腔體的深度。該套件可以包括任意數(shù)量的型號，或者像醫(yī)院這樣的機(jī)構(gòu)可以儲備給定數(shù)量的尺寸和形狀的接觸端口。因此，本發(fā)明不由所具體顯示和描述的內(nèi)容限制，而是由后附權(quán)利要求限定。這里引用的所有出版物和文獻(xiàn)通過參考其全部內(nèi)容清楚地并入本文。
權(quán)利要求
1.一種泵送裝置，包括第一構(gòu)件，形成有穿過該第一構(gòu)件的通道；以及多個致動器，其與所述第一構(gòu)件連通并適于在被施加能量時改變形狀，從而多個致動器的順序致動適于形成泵送動作，以使流體通過第一構(gòu)件運(yùn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個致動器適于在被施加能量時徑向擴(kuò)張和軸向收縮。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個致動器包括電活性聚合物。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個致動器包括至少一個電活性聚合物復(fù)合層，該電活性聚合物復(fù)合層具有至少一個撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個致動器包括回流電極和連接到回流電極上的輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到致動器上。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個致動器連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述撓性管狀構(gòu)件包括穿過其形成的用于接收流體的內(nèi)腔，并且圍繞所述撓性管狀構(gòu)件設(shè)置所述多個致動器。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且限定了用于接收工具和裝置的通道的內(nèi)部管狀構(gòu)件，流體適于在所述內(nèi)部管狀構(gòu)件和所述撓性管狀構(gòu)件之間流動。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述多個致動器設(shè)置在所述撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且適于被順序地致動，以在被輸送能量時徑向擴(kuò)張，從而使流體在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間運(yùn)動。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述致動器徑向定位在第一構(gòu)件內(nèi)。
全文摘要
披露了用于泵送流體的方法和裝置，在一個示例性實(shí)施例中，泵具有穿過其中形成有通道的第一構(gòu)件和多個可電擴(kuò)張的致動器，所述致動器與第一構(gòu)件連通并且適于在被施加能量時改變形狀，從而所述致動器的順序地致動可以形成泵送動作，以使流體通過第一構(gòu)件運(yùn)動。
文檔編號F04B45/047GK1916411SQ200610108918
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者馬克·S·奧爾蒂斯, 杰弗里·S·斯韋茲 申請人:伊西康內(nèi)外科公司