一種可植入式左心室輔助系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可植入式左心室輔助系統(tǒng)，包括體內模塊和體外模塊，體內模塊與體外模塊之間無任何傳輸線；所述的體外模塊包括強電供電單元、供電端功率變換單元、諧振變換單元、松耦合變壓器的原邊線圈，供電端弱電供電單元、供電端控制器、開關管驅動單元、光耦隔離單元、電流采樣單元、供電端信號調理單元、保護單元、電池狀態(tài)顯示模塊以及用于接收電池狀態(tài)信息的解調器；所述的體內模塊包括松耦合變壓器的副邊線圈、受電端諧振變換單元、受電端功率變換單元及受電端控制器、電池充電管理模塊、電池、調制器和血泵。本實用新型結構簡單緊湊，體積小、重量輕，避免了在患者皮下鉆導線孔。
【專利說明】—種可植入式左心室輔助系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于一種醫(yī)療器械，具體涉及一種可植入式左心室輔助系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]左心室輔助裝置系統(tǒng)(LeftVentricular Assist Devices System,簡稱:LVADS)主要用于治療冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、高血壓性心臟病、心肌病等充血性心力衰竭的病人。LVADS是將血液從病人的左心室抽出，經(jīng)血泵加壓輸送至主動脈的裝置。該裝置由泵主體、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。其用途是部分或完全代替心臟功能維持血液循環(huán)；其一減輕心臟負荷，增加冠脈流量，使衰竭的心臟得以在低代謝、卸負荷的狀態(tài)下恢復功能；其二是保證全身重要生命器官的灌注，防治多器官功能衰竭，以保證進一步治療之有效。
[0003]現(xiàn)有的左心室輔助裝置系統(tǒng)的體內部分與體外部分通過連接線連接，患者需要永久隨身攜帶電池包，由于具有連接線，需用在手術時在患者皮下鉆導線孔，增加了術后感染的風險，不利于患者恢復。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是:針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種結構簡單緊湊，體積小、重量輕的無線電能傳輸?shù)目芍踩胧阶笮氖逸o助系統(tǒng)，避免了在患者皮下鉆導線孔，更易于將血泵植入體內；大大提高患者生活自由度，無感染風險，提高了患者術后愈合速度，降低患者術后維護成本。
[0005]本實用新型包括如下技術方案:
[0006]—種可植入式左心室輔助系統(tǒng),包括體內模塊和體外模塊，體內模塊與體外模塊之間無任何傳輸線；所述的體外模塊包括強電供電單元、供電端功率變換單元、諧振變換單元、松耦合變壓器的原邊線圈，供電端弱電供電單元、供電端控制器、開關管驅動單元、光耦隔離單元、電流采樣單元、供電端信號調理單元、保護單元、電池狀態(tài)顯示模塊以及用于接收電池狀態(tài)信息的解調器；
[0007]所述的體內模塊包括松耦合變壓器的副邊線圈、受電端諧振變換單元、受電端功率變換單元及受電端控制器、電池充電管理模塊、電池、調制器和血泵；
[0008]強電供電單元的輸出端分別與供電端功率變換單元、供電端弱電供電單元和保護單元相連；供電端功率變換單元分別與諧振變換單元的輸入端、開關管驅動單元的輸出端相連；諧振變換單元的輸出端分別與松耦合變壓器的原邊線圈、解調器和電流采樣單元相連；強電供電單元將市電整流為直流電，所述直流電具有母線電流和母線電壓；強電供電單元分別將母線電流和母線電壓輸入至保護電路，并將產生的直流電分別輸入至供電端功率變換單元和供電端弱電供電單元；供電端弱電供電單元將接收的直流電進行功率變換以便為光耦隔離單元、供電端控制器、保護單元、信號調理單元供電；供電端功率變換單元在開關管驅動單元的控制下將接收的直流電轉換為高頻交流電，并將所述高頻交流電輸入至諧振變換單元；諧振變換單元將接收的高頻交流電進行調理獲得功率因數(shù)更高的高頻交流電，并將所述功率因數(shù)更高的高頻交流電輸入至松耦合變壓器的原邊線圈；松耦合變壓器的原邊線圈將接收的功率因數(shù)更高的高頻交流電發(fā)送至松耦合變壓器的副邊線圈；
[0009]電流采樣單元將采集的所述功率因數(shù)更高的高頻交流電的電流ia。輸入至信號調理單元，信號調理單元對電流ia。進行調理后獲得調理后的電流id。，調理后的電流id。輸入至供電端控制器；供電端控制器根據(jù)所述調理后的電流id。輸出用于調整開關管驅動單元的控制信號；保護單元根據(jù)所述母線電流、母線電壓和直流電流id。輸出保護信號至供電端控制器，供電端控制器根據(jù)所述保護信號確定是否對功率變換單元進行保護；供電端控制器輸出的控制信號通過光耦隔離單元發(fā)送至開關管驅動單元；
[0010]松耦合變壓器的副邊線圈將接收的電能發(fā)送至受電端諧振變換單元、受電端諧振變換單元進行無功功率補償后發(fā)送至受電端功率變換單元，受電端功率變換單元進行電能變換后發(fā)送至受電端控制器；受電端控制器通過電池充電管理模塊向電池充電，同時受電端控制器與血泵相連，以便控制血泵的運轉；電池向血泵供電，血泵用于輔助心臟工作；
[0011]電池輸出的電池狀態(tài)信息通過調制器調制后發(fā)送至受電端控制器，受電端控制器根據(jù)調制后的電池狀態(tài)信息控制受電端功率變換單元使得受電端功率變換單元輸出搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流，所述搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流通過受電端諧振變換單元和副邊線圈發(fā)送至原邊線圈，原邊線圈與供電端諧振變換單元將接收的搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流發(fā)送至解調器，通過解調器進行解調獲得解調后的電池狀態(tài)信息，解調后的電池狀態(tài)信息送入供電端控制器，通過供電端控制器控制電池狀態(tài)顯示模塊顯示電池狀態(tài)信息，以便進行及時充電；
[0012]所述血泵包括入口管、出口管、下泵殼、上泵殼、下定子罩、上定子罩、內磁軸承、夕卜磁軸承、葉輪、下定子軛、下定子繞組、上定子繞組和上定子軛；下泵殼和上泵殼組成泵室；葉輪位于泵室內，下定子罩具有中心柱；葉輪安裝在中心柱外部；通過磁軸承調節(jié)螺釘將內磁軸承固定在中心柱內部；外磁軸承嵌于葉輪的內部腔體；上定子罩位于上泵殼上部，上定子繞組和上定子軛位于上泵殼內，上定子繞組與葉輪相對，上定子軛位于上定子繞組上方；下定子罩位于下泵殼下方，下定子繞組和下定子軛位于下定子罩內，下定子繞組與葉輪相對，下定子軛位于下定子繞組下方；入口管插入泵室的方向與出口管離開泵室的方向垂直；其特征在于，葉輪整體結構采用鉬鈷永磁合金熔煉成型；葉輪大體成圓盤形，在葉輪的一側端面圓周方向均布四條傾斜的弧形導流槽和四個凸起的葉輪主體，每個凸起的葉輪主體上形成楔形的液體動壓止推軸承面和出口區(qū)，楔形的液體動壓止推軸承面從入口端向上盤旋到出口區(qū)；在葉輪的另一側端面形成五個微型槳葉；上定子繞組和下定子繞組均由六個扇形線圈構成，六個扇形線圈在圓周上均勻布置；每個扇形線圈內部具有扇形軟磁材料鐵芯；上定子軛和下上定子軛采用鈷基非晶帶材形成。
[0013]所述受電端控制器根據(jù)調理后的電流id。輸出電池充滿狀態(tài)信息至電池狀態(tài)顯示模塊。
[0014]所述供電端功率變換單元包括電感L、電容C和功率管Q ;電容C的一端與功率管Q的集電極相連，電容C的另一端與功率管Q的發(fā)射極兩端，電感L的一端作為輸入，電感L的另一端與功率管的集電極相連；功率管Q的基極與開關管驅動單元的輸出端相連；電容C的兩端分別與諧振變換單元的輸入端相連。[0015]所述的松耦合變壓器的原邊線圈和副邊線圈均為匝數(shù)為15匝、直徑為50mm的多股絞合線線圈。
[0016]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點:
[0017]本實用新型中所涉及的無線電能傳輸技術，利用了電磁感應式無線電能傳輸技術，體外模塊與體內模塊相互之間無任何電線連接，分別處于患者的體內與體外?；颊邤[脫了可植入式左心室輔助系統(tǒng)體內部分與體外部分的連接線，避免了在患者皮下鉆導線孔，更易于將血泵植入體內；大大提高了患者生活自由度，無感染風險，提高了患者術后愈合速度，降低了患者術后維護成本；結構簡單，可實現(xiàn)高速，長期和連續(xù)運行。本實用新型具有結構簡單緊湊，運行可靠，維護方便，效率高，患者無感染風險，不影響患者日常生活等特點，尤其是體積小和重量輕，特別適用于對體積，重量和溫升都有苛刻要求的左心室輔助系統(tǒng)。
[0018]本實用新型通過信息、能量同載波傳輸，不僅可以減小系統(tǒng)裝置體積，還能避免無線信息收發(fā)模塊與無線能量傳輸線圈之間的干擾，使得系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。
[0019]本實用新型的葉輪采用整體結構的鉬鈷永磁合金材料，上定子軛和下上定子軛采用鈷基非晶帶材，使得整個泵功耗低于5w、發(fā)熱小于1.5°C。本實用新型的泵整體結構簡單、體積較小，適于作為全植入式左心室輔助裝置中的一部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型的可植入式左心室輔助系統(tǒng)組成示意圖。
[0021]圖2為單功率管諧振變換電路示意圖。
[0022]圖3為信號調理單元示意圖。
[0023]圖4為保護單元示意圖。
[0024]圖5為頻率跟蹤算法不意圖。
[0025]圖6是本實用新型所提供的血泵的剖面圖。
[0026]圖7是本實用新型所提供的葉輪端面止推軸承結構圖。
[0027]圖8是本實用新型所提供的葉輪端面微槳葉結構圖。
[0028]圖9是本實用新型所提供的永磁軸承示意圖。
[0029]圖10是本實用新型所提供的MEMS線圈繞組示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面就結合附圖對本實用新型做進一步介紹。
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0032]如圖1所示，本實用新型的無線電能傳輸?shù)目芍踩胧阶笮氖逸o助系統(tǒng)，包括體內模塊和體外模塊，體內模塊與體外模塊之間無任何傳輸線；所述的體外模塊包括強電供電單元、供電端功率變換單元、諧振變換單元、松耦合變壓器的原邊線圈，供電端弱電供電單元、供電端控制器、開關管驅動單元、光耦隔離單元、電流采樣單元、供電端信號調理單元、保護單元、電池狀態(tài)顯示模塊以及用于接收電池狀態(tài)信息的解調器；所述的體內模塊包括松耦合變壓器的副邊線圈、受電端諧振變換單元、受電端功率變換單元、受電端控制器、電池充電管理模塊、電池、調制器和血泵。
[0033]強電供電單元的輸出端分別與供電端功率變換單元、供電端弱電供電單元和保護單元相連；供電端功率變換單元分別與諧振變換單元的輸入端、開關管驅動單元的輸出端相連；諧振變換單元的輸出端分別與松耦合變壓器的原邊線圈、解調器和電流采樣單元相連；強電供電單元將市電整流為直流電，所述直流電具有母線電流和母線電壓；強電供電單元分別將母線電流和母線電壓輸入至保護電路，并將產生的直流電分別輸入至供電端功率變換單元和供電端弱電供電單元；供電端弱電供電單元將接收的直流電進行功率變換以便為光耦隔離單元、供電端控制器、保護單元、信號調理單元供電；供電端功率變換單元在開關管驅動單元的控制下將接收的直流電轉換為高頻交流電，并將所述高頻交流電輸入至諧振變換單元；諧振變換單元將接收的高頻交流電進行調理獲得功率因數(shù)更高的高頻交流電，并將所述功率因數(shù)更高的高頻交流電輸入至松耦合變壓器的原邊線圈；松耦合變壓器的原邊線圈將接收的功率因數(shù)更高的高頻交流電發(fā)送至松耦合變壓器的副邊線圈。
[0034]電流采樣單元將采集的所述功率因數(shù)更高的高頻交流電的電流ia。輸入至信號調理單元，信號調理單元對電流ia。進行調理后獲得調理后的電流id。，調理后的電流id。輸入至供電端控制器；供電端控制器根據(jù)所述調理后的電流id。輸出用于調整開關管驅動單元的控制信號；保護單元根據(jù)所述母線電流、母線電壓和直流電流id。輸出保護信號至供電端控制器，供電端控制器根據(jù)所述保護信號確定是否對功率變換單元進行保護；供電端控制器輸出的控制信號通過光耦隔離單元發(fā)送至開關管驅動單元。
[0035]松耦合變壓器的副邊線圈將接收的電能發(fā)送至受電端諧振變換單元、受電端諧振變換單元進行無功功率補償后發(fā)送至受電端功率變換單元，受電端功率變換單元進行電能變換后發(fā)送至受電端控制器；受電端控制器通過電池充電管理模塊向電池充電，同時受電端控制器與血泵相連，以便控制血泵的運轉；電池向血泵供電，血泵用于輔助心臟工作；
[0036]電池輸出的電池狀態(tài)信息通過調制器調制后發(fā)送至受電端控制器，受電端控制器根據(jù)調制后的電池狀態(tài)信息控制受電端功率變換單元使得受電端功率變換單元輸出搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流，所述搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流通過受電端諧振變換單元和副邊線圈發(fā)送至原邊線圈，原邊線圈與供電端諧振變換單元將接收的搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流發(fā)送至解調器，通過解調器進行解調獲得解調后的電池狀態(tài)信息，解調后的電池狀態(tài)信息送入供電端控制器，通過供電端控制器控制電池狀態(tài)顯示模塊顯示電池狀態(tài)信息，以便進行及時充電。
[0037]本實用新型中的所有組成單元均采用硬件電路搭建。
[0038]為了減小系統(tǒng)體積，所述的供電端功率變換單元由單功率管諧振變換電路組成，該功率變換單元具有開關損耗小，變換效率受發(fā)射線圈與接收線圈距離影響較小。如圖2所示，所述供電端功率變換單元包括電感L、電容C和功率管Q ;電容C的一端與功率管Q的集電極相連，電容C的另一端與功率管Q的發(fā)射極兩端，電感L的一端作為輸入，電感L的另一端與功率管的集電極相連；功率管Q的基極與開關管驅動單元的輸出端相連；電容C的兩端分別與諧振變換單元的輸入端相連。
[0039]為了增加系統(tǒng)功率容量及無功功率補償，將高頻交流電通過諧振變換單元調理，使得得到的高頻交流電具有更高的功率因數(shù)。
[0040]強電供電單元輸出的信號經(jīng)供電端弱電供電單元進行功率變換，以便達到供電端控制器、光耦隔離單元、供電端信號調理單元和保護單元所需功率等級。供電端弱電供電單元分別與供電端控制器、光耦隔離單元、供電端信號調理單元和保護單元相連并提供電能。為了隔離強電與弱電之間的電磁干擾，供電端控制器輸出的PWM信號經(jīng)過光耦隔離單元，通過開關管驅動單元與供電端功率變換單元相連并控制功率變換單元的功率管Q工作。
[0041]如圖3所示，信號調理單元包括兩個運算放大器Q1與Q2、兩個二極管D1與D2、和多個電阻，其中兩個二極管的型號為SMBYT01-400，兩個運算放大器的型號均選為TL084。通過對電流ia采樣，通過二階低通濾波器加電壓提升，將正負變化的交流信號提升為單極性的O?3.3V范圍內的信號id。，接入供電端控制器。供電端控制器一方面可以根據(jù)所述信號id。調整所述PWM信號的頻率；另一方面可以根據(jù)信號id。的值向電池狀態(tài)顯示模式輸出電池充滿信息。
[0042]保護電路由母線電流過流保護電路、原邊諧振電流過流保護電路，母線欠壓保護電路三部分組成。設定母線電流大于母線電流閾值時，產生過流保護信號；原邊諧振電流峰值超過原邊諧振電流閾值時，產生過流保護信號，直流母線電壓低于直流母線電壓閾值時，產生欠壓保護信號，三路保護信號經(jīng)過與非門后送到供電端控制器的功率驅動保護中斷入口，繼而控制器直接封鎖所有PWM信號，保護電路上的元器件不被損壞。由于患者在呼吸及運動過程中，會改變發(fā)射線圈與接收線圈之間距離，造成系統(tǒng)電氣特性變化(例如線圈電流1。的變化)。需要設計相應的原邊諧振電流過流保護電路，來保證系統(tǒng)正常運行。原邊諧振電流過流保護電路由滯回比較器構成，如圖4所示，當經(jīng)過調理的線圈電流id。過流時，產生原邊諧振電流過流保護信號。圖中R6的電阻為變阻器，在電路中根據(jù)過流保護的閾值調節(jié)電阻值。當信號低于這個閾值時，信號經(jīng)運算放大后輸出，當信號超過閾值時，輸出電平翻轉。滯回比較器輸出原邊諧振電流過流保護信號。母線電流過流保護電路，母線欠壓保護電路與原邊諧振電流過流保護電路類似，再此不再詳細描述。
[0043]為了將體內的電池狀態(tài)信息發(fā)送回體外模塊，通過調制器將電池狀態(tài)信息搭載到交變電流中，并傳回體外模塊中。受電端控制器的作用是控制血泵運轉在期望工況下。受電端功率變換單元對接收的電能進行變換后發(fā)送至受電端控制器，受電端控制器通過電池充電管理模塊向電池充電，電池向血泵供電。同時受電端控制器與血泵相連，以便控制血泵的運轉，來維持心臟正常運作。
[0044]在植入式左心室輔助系統(tǒng)中，對體內部分的體積要求非常嚴格，以往的無線電能傳輸系統(tǒng)，大都用獨立的無線收發(fā)模塊來進行體內部分與體外部分之間的信息通訊。這種方式不僅增加了體內部分的體積，并且容易受到傳輸能量的松耦合變壓器的電磁干擾而發(fā)送錯誤的信息，造成整個系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能工作。本實用新型將體內模塊的電池狀態(tài)信息通過調制器，將信息搭載到高頻交變的電流中，原邊線圈接收到交變電流后，通過解調器將信息還原后送入供電端控制器中，通過供電端控制器控制電池狀態(tài)顯示模塊顯示電池狀態(tài)信息，所述電池狀態(tài)信息一般為電池欠電信息，以便提醒用戶進行及時充電。
[0045]用戶在進行無線充電的過程中，由于體內體外線圈的距離隨著呼吸、線圈擺放位置、皮膚厚度不同時期的不同，會影響傳輸效率。無線電能傳輸技術研究結果表明，當工作頻率與諧振頻率相等時，系統(tǒng)傳輸效率最高。而原邊線圈電流實時反映工作頻率與諧振頻率的偏差，因此，優(yōu)選地，采用圖5所述的頻率跟蹤算法實時地調整工作頻率，使得系統(tǒng)傳輸效率最高；并且該算法在不增加系統(tǒng)硬件的情況下，達到對系統(tǒng)的控制。具體方法如下:判斷當前周期的idc大于前一周期的值；當當前周期的idc大于前一周期的值時，判斷當前頻率是否大于前一個周期的頻率，如果大于前一個周期的頻率，則提高工作頻率，如果小于前一個周期的頻率，則降低工作頻率；當當前周期的idc小于前一周期的值時，判斷當前頻率是否大于前一個周期的頻率，如果大于前一個周期的頻率，則降低工作頻率，如果小于前一個周期的頻率，則提高工作頻率；從而獲得使得系統(tǒng)達到最大效率傳輸狀態(tài)的PWM脈沖控制信號。
[0046]由于體內部分需要植入患者體內，要求體積小，效率高，發(fā)熱量少。所述的松耦合變壓器選用在高頻情況下趨膚效應及鄰近效應小的多股絞合線(litz)。具有體積小，散熱好等優(yōu)點。所述的松耦合變壓器具體由兩個15匝、直徑為50_的Iitz線圈組成。
[0047]在第一次使用時，需要給電池充電，將體外模塊接上交流電，然后將體外模塊貼近皮膚，通過體外模塊向體內模塊的電池充電；通過體內模塊的電池充電管理模塊控制電池充電的不同狀態(tài)(依次為恒流充電、恒壓充電、涓流充電三種狀態(tài))。當電池充電在涓流充電狀態(tài)，原邊ia。接近于零，當原邊ia。在接近于零狀態(tài)下保持15分鐘以上，可以認為電池已經(jīng)充滿，此時在電池狀態(tài)顯示模塊輸出電池充滿的信息，用戶可以拿掉體外模塊，從而可以只利用體內電池對血泵進行供電。當體內電池沒電時，通過體外模塊的電池狀態(tài)顯示模塊進行顯示，以便提醒用戶將體外模塊貼近皮膚，繼續(xù)為電池充電。
[0048]如圖6所示，本實用新型的血泵包括入口管1、出口管4、下泵殼12、上泵殼13、下定子罩6、上定子罩16、內磁軸承2、外磁軸承9、葉輪5、下定子軛10、下定子繞組11、上定子繞組14和上定子軛15 ;下泵殼12和上泵殼13組成泵室；葉輪5位于泵室內，下定子罩6具有中心柱7 ;葉輪5安裝在中心柱7外部；通過磁軸承調節(jié)螺釘8將內磁軸承2固定在中心柱7內部；外磁軸承9嵌于葉輪5的內部腔體；上定子罩16位于上泵殼13上部,上定子繞組14和上定子軛15位于上泵殼13內，上定子繞組14與葉輪5相對，上定子軛15位于上定子繞組14上方；下定子罩6位于下泵殼12下方，下定子繞組11和下定子軛10位于下定子罩6內，下定子繞組11與葉輪5相對，下定子軛10位于下定子繞組11下方；入口管I插入泵室的方向與出口管4離開泵室的方向垂直。上定子繞組14、下定子繞組11設置在泵室外部，結構上與泵室內部的血液流場完全隔離。葉輪是泵室內部唯一的運動部件。葉輪在泵室內旋轉產生流場壓差，實現(xiàn)泵血功能。
[0049]上泵殼13、下泵殼12的結構限定了泵室內部的流場和入口管1、出口管4的位置。泵室容積約20ml。上泵殼13、下泵殼12在徑向上均為一種類漸開線渦旋的結構。左心室血液通過入口管I沿血泵軸向流入，經(jīng)過泵體增壓，經(jīng)出口管4沿血泵切向流出。入口管I和出口管4之間的夾角，便于泵在左心室心尖位置植入，也便于人工血管與主動脈之間的連接。泵室內部流場無渦流區(qū)和低速緩流區(qū)，血液在血泵流場中所受外力的強度和作用時間滿足血細胞不受破壞的生理環(huán)境要求。入口管I為中空的短圓柱型結構，從左心室心尖位置直接插入到左心室內。泵的流入口部分無需人工血管與左心室連接，泵體與心臟緊密貼合，極大限度地減小了離心泵體積，利于血泵植入左心室。
[0050]如圖7所示，葉輪5大體成圓盤形結構，在葉輪5的一側端面圓周方向均布四條傾斜的弧形導流槽21和四個凸起的葉輪主體，每個凸起的葉輪主體上形成楔形的液體動壓止推軸承面23和出口區(qū)25，楔形的液體動壓止推軸承面23從入口端24向上盤旋到出口區(qū)25 ;在葉輪5的回轉軸中心有柱形通孔22。傾斜的弧形導流槽底面與水平面成一定的夾角。止推軸承的設計，目的在于要為葉輪提供軸向支撐，每個楔形的液體動壓止推軸承面23也形成了血液在泵室內的次要流道，本實用新型端面止推軸承與無源磁懸浮軸承的配合使用，抑制旋轉葉輪的偏擺和軸、徑向躥動，實現(xiàn)了葉輪的動態(tài)穩(wěn)定懸浮，減小了摩擦阻力，降低功耗與發(fā)熱，最大程度減弱了機械碾壓對血細胞的破壞。
[0051]如圖8所示，葉輪的另一側端面形成5個微型槳葉26。在泵工作時，旋轉的葉輪不可避免的會對血細胞造成擠壓。本實用新型通過優(yōu)化微型槳葉結構，既能在旋轉時產生足夠的血液攪動效果，帶動葉輪底部血液流動，避免泵室內部低速流場的存在，又盡量減小了血細胞所受到的剪切力及作用時間，避免血栓的形成。優(yōu)化后的設計參數(shù)有:槳葉高度:12μπι，槳葉入口角:58°，槳葉出口角:26°、槳葉片包角112°、槳葉寬度1.1mm等。
[0052]葉輪5整體結構采用鉬鈷永磁合金熔煉成型。鉬鈷合金為鉬基的二元合金，其中鉬的質量約占76%。在高溫下，鉬與鈷可無限互溶，其固熔體為立方晶格。鉬鈷整體葉輪與傳統(tǒng)血泵依靠嵌入永久磁鋼來形成永久磁場的設計具有本質區(qū)別。鉬鈷永磁合金的材料硬度、線膨脹系數(shù)、彈性模量等機械性能參數(shù)完全能夠達到血泵葉輪的結構要求。同時鉬鈷合金作為永磁材料，具有高磁穩(wěn)定性、高磁能積，高矯頑力，高剩磁的特點也滿足葉輪永磁磁極的要求。這種永磁材料整體葉輪的設計，與傳統(tǒng)嵌入磁鋼式設計相比，最大程度的擴大了永磁材料的體積，增大了葉輪磁儲能。減小了血泵對輸入電能的消耗。
[0053]鉬鈷整體葉輪采用整體充磁方式。葉輪徑向磁性區(qū)域的交替變換，根據(jù)血泵的繞組形式和電機控制方式確定。充磁極頭的形狀決定了磁性區(qū)域的面積，在顧及漏磁對葉輪運轉影響的情況下，盡量使磁通截面最大化。以提高通過氣隙與電樞繞組交鏈的主磁路磁力線數(shù)量。鉬鈷合金極耐腐蝕，生物相容性好，非常適用于于血液長期接觸。
[0054]整個葉輪外表面沉積氮化鈦膜。氮化鈦膜層與基底結合強度大，不易脫落，膜層致密均勻，具有硬度高，耐磨損、化學惰性強、生物相容性好的特點。通過實驗驗證，這種膜層對阻礙血小板的吸附效果明顯，對抑制血栓的形成有一定作用。
[0055]整個泵室內表面沉積CNx膜。利用脈沖激光真空弧沉積系統(tǒng)，生成C與N有一定比例的CNx膜層。該膜層由于N原子的加入，有效地減低了薄膜中的殘余應力，減緩了薄膜內應力，相對DLC膜，CNx膜層與基底的結合強度更好。試驗結果表明:CNx膜對于纖維蛋白原吸附小，與血液組分的交互反應也弱，是一種較好的抗凝血膜層。
[0056]氮化鈦膜與CNx膜構成的摩擦副摩擦系數(shù)低，減小了起動時的摩擦阻力，提高泵的起動性能。
[0057]如圖10所示，上定子繞組14和下定子繞組11均由6個扇形線圈61構成，6個扇形線圈在圓周上均勻布置。每個扇形線圈內部具有高磁導率、高磁通飽和的扇形軟磁材料鐵芯62，鐵芯的設計使盤式電機具備了一定程度的齒槽結構，優(yōu)化了磁路，減弱了葉輪相鄰磁極之間交鏈的漏磁通；增大了盤式電機的氣隙磁導，增大氣隙磁場儲能的同時減小了功率損耗。6組線圈的導通由電機控制器控制，實現(xiàn)軸向的旋轉磁場，該旋轉磁場與葉輪磁場相耦合，帶動葉輪旋轉，同時在徑向上產生一定的剛度，使葉輪在徑向運動上受到限制。
[0058]上定子繞組14和下定子繞組11采用MEMS工藝加工。MEMS是一種先進的微機電制造技術，現(xiàn)已實際應用。本實用新型的定子繞組采用MEMS半導體加工技術中的光刻方式，在鐵氧體基片上加工出線圈溝槽，通過金屬濺射形成導線。高絕緣、高導磁的鐵氧體基片，保證了光刻繞組之間的絕緣，避免了匝間短路，同時應用鐵氧體遠大于空氣隙的磁導特性，減小了傳統(tǒng)灌膠式繞組軸向空間的漏磁損耗。MEMS微米級超精密加工，保證了有限空間內繞組的安匝數(shù)要求，使線圈的結構尺寸和形位精度得以極大的提高，電機氣隙的一致性得以保證，氣隙磁場的均勻性更好，葉輪的運轉更加平穩(wěn)。
[0059]入口管外部經(jīng)過加工處理，形成了無毒性的粗糙顆粒表面，利于心室組織牢固附著。心室組織與入口管附著，可以避免血泵金屬部分與心室組織的相對運動，避免了摩擦引起的組織相容性危害。有利于抑制血栓的生長和蔓延。入口管外部的粗糙表面由抑制細胞生長的藥物浸潤。
[0060]如圖9所示，葉輪內的外磁軸承9和下泵殼內的內磁軸承2磁場耦合組成無源磁懸浮軸承，依靠斥力對葉輪在軸向和徑向上產生約束。外磁軸承9或內磁軸承2均采用多磁環(huán)陣列結構，多磁環(huán)陣列結構的N極、S極相斥安放。無源磁懸浮軸承與葉輪上端面的液體動壓止推軸承共同作用，加之葉輪高速旋轉產生的陀螺定軸效應，實現(xiàn)了葉輪的無接觸穩(wěn)定懸浮。外磁軸承9和內磁軸承2的材料為釤鈷2:17磁鋼，該材料廣泛應用于航空航天類產品，具有優(yōu)良的長期時效穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。
[0061]上定子軛10和下上定子軛15由鈷基非晶帶材沿軸向圓周卷繞而成。與傳統(tǒng)的疊片式軛鐵相比，圓周卷繞式定子軛更適于盤式電機的磁路設計。鈷基非晶帶材滿足盤式電機軸向磁場高磁感、高飽和的要求，最大程度的降低了電機的渦流損耗和漏磁。
[0062]本實用新型未詳細描述的內容屬于本領域公知常識。
【權利要求】
1.一種可植入式左心室輔助系統(tǒng)，包括體內模塊和體外模塊，其特征在于，體內模塊與體外模塊之間無任何傳輸線；所述的體外模塊包括強電供電單元、供電端功率變換單元、諧振變換單元、松耦合變壓器的原邊線圈，供電端弱電供電單元、供電端控制器、開關管驅動單元、光稱隔離單元、電流采樣單元、供電端信號調理單元、保護單元、電池狀態(tài)顯示模塊以及用于接收電池狀態(tài)信息的解調器；所述的體內模塊包括松耦合變壓器的副邊線圈、受電端諧振變換單元、受電端功率變換單元及受電端控制器、電池充電管理模塊、電池、調制器和血泵； 強電供電單元的輸出端分別與供電端功率變換單元、供電端弱電供電單元和保護單元相連；供電端功率變換單元分別與諧振變換單元的輸入端、開關管驅動單元的輸出端相連；諧振變換單元的輸出端分別與松耦合變壓器的原邊線圈、解調器和電流采樣單元相連；強電供電單元將市電整流為直流電，所述直流電具有母線電流和母線電壓；強電供電單元分別將母線電流和母線電壓輸入至保護電路，并將產生的直流電分別輸入至供電端功率變換單元和供電端弱電供電單元；供電端弱電供電單元將接收的直流電進行功率變換以便為光耦隔離單元、供電端控制器、保護單元、信號調理單元供電；供電端功率變換單元在開關管驅動單元的控制下將接收的直流電轉換為高頻交流電，并將所述高頻交流電輸入至諧振變換單元；諧振變換單元將接收的高頻交流電進行調理獲得功率因數(shù)更高的高頻交流電，并將所述功率因數(shù)更高的高頻交流電輸入至松耦合變壓器的原邊線圈；松耦合變壓器的原邊線圈將接收的功率因數(shù)更高的高頻交流電發(fā)送至松耦合變壓器的副邊線圈； 電流采樣單元將采集的所述功率因數(shù)更高的高頻交流電的電流ia。輸入至信號調理單元，信號調理單元對電流ia。進行調理后獲得調理后的電流id。，調理后的電流id。輸入至供電端控制器；供電端控制器根據(jù)所述調理后的電流id。輸出用于調整開關管驅動單元的控制信號；保護單元根據(jù)所述母線電流、母線電壓和直流電流id。輸出保護信號至供電端控制器，供電端控制器根據(jù)所述保護信號確定是否對功率變換單元進行保護；供電端控制器輸出的控制信號通過光耦隔離單元發(fā)送至開關管驅動單元； 松耦合變壓器的副邊線圈將接收的電能發(fā)送至受電端諧振變換單元、受電端諧振變換單元進行無功功率補 償后發(fā)送至受電端功率變換單元，受電端功率變換單元進行電能變換后發(fā)送至受電端控制器；受電端控制器通過電池充電管理模塊向電池充電，同時受電端控制器與血泵相連，以便控制血泵的運轉；電池向血泵供電，血泵用于輔助心臟工作； 電池輸出的電池狀態(tài)信息通過調制器調制后發(fā)送至受電端控制器，受電端控制器根據(jù)調制后的電池狀態(tài)信息控制受電端功率變換單元使得受電端功率變換單元輸出搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流，所述搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流通過受電端諧振變換單元和副邊線圈發(fā)送至原邊線圈，原邊線圈與供電端諧振變換單元將接收的搭載電池狀態(tài)信息的高頻交變的電流發(fā)送至解調器，通過解調器進行解調獲得解調后的電池狀態(tài)信息，解調后的電池狀態(tài)信息送入供電端控制器，通過供電端控制器控制電池狀態(tài)顯示模塊顯示電池狀態(tài)信息，以便進行及時充電； 所述血泵包括入口管(I)、出口管(4)、下泵殼(12)、上泵殼(13)、下定子罩(6)、上定子罩(16)、內磁軸承(2)、外磁軸承(9)、葉輪(5)、下定子軛(10)、下定子繞組(11)、上定子繞組(14)和上定子軛(15);下泵殼(12)和上泵殼(13)組成泵室；葉輪(5)位于泵室內，下定子罩(6)具有中心柱(7);葉輪(5)安裝在中心柱(7)外部；通過磁軸承調節(jié)螺釘(8)將內磁軸承(2)固定在中心柱(7)內部；外磁軸承(9)嵌于葉輪(5)的內部腔體；上定子罩(16)位于上泵殼(13)上部，上定子繞組(14)和上定子軛(15)位于上泵殼(13)內，上定子繞組(14)與葉輪(5)相對，上定子軛(15)位于上定子繞組(14)上方；下定子罩(6)位于下泵殼(12)下方，下定子繞組(11)和下定子軛(10)位于下定子罩(6)內，下定子繞組(11)與葉輪(5)相對，下定子軛(10)位于下定子繞組(11)下方；入口管(I)插入泵室的方向與出口管(4)離開泵室的方向垂直；葉輪(5)整體結構采用鉬鈷永磁合金熔煉成型；葉輪(5)大體成圓盤形，在葉輪(5)的一側端面圓周方向均布四條傾斜的弧形導流槽(21)和四個凸起的葉輪主體，四個凸起的葉輪主體由四條傾斜的弧形導流槽(21)隔開；每個凸起的葉輪主體上形成楔形的液體動壓止推軸承面(23)和出口區(qū)(25)，楔形的液體動壓止推軸承面(23)從入口端(24)向上盤旋到出口區(qū)25 ;在葉輪(5)的另一側端面形成五個微型槳葉(26);上定子繞組(14)和下定子繞組(11)均由六個扇形線圈(61)構成,六個扇形線圈在圓周上均勻布置；每個扇形線圈內部具有扇形軟磁材料鐵芯(62);上定子軛(10)和下上定子軛(15)采用鈷基非晶帶材形成。
2.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述受電端控制器根據(jù)調理后的電流id。輸出電池充滿狀態(tài)信息至電池狀態(tài)顯示模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述供電端功率變換單元包括電感L、電容C和功率管Q ;電容C的一端與功率管Q的集電極相連，電容C的另一端與功率管Q的發(fā)射極兩端，電感L的一端作為輸入，電感L的另一端與功率管的集電極相連；功率管Q的基極與開關管驅動單元的輸出端相連；電容C的兩端分別與諧振變換單元的輸入端相連。
4.根據(jù)權利要求1所述``的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述的松耦合變壓器的原邊線圈和副邊線圈均為匝數(shù)為15匝、直徑為50_的多股絞合線線圈。
5.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，入口管外部形成了無毒性的粗糙顆粒表面。
6.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，外磁軸承(9)或內磁軸承(2)均采用多磁環(huán)陣列結構，多磁環(huán)陣列結構中的N極、S極相斥安放。
7.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，外磁軸承9和內磁軸承(2)的材料為釤鈷2:17磁鋼。
8.根據(jù)權利要求1所述的可植入式左心室輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述微型槳葉(26)的高度為12μπι，槳葉入口角為58°，槳葉出口角為26，槳葉片包角為112°，槳葉寬度為`1.1mm0
【文檔編號】G08C17/02GK203609698SQ201320657578
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】才小士, 郝永勤, 劉曉程, 譚映戈, 張杰民, 李建春, 肖躍華, 薛鳳舉, 劉慧敏, 何靜, 楊通, 王麗, 蘭燕, 鐘如愚 申請人:北京航天控制儀器研究所, 泰達國際心血管病醫(yī)院