用于搏动流人工心脏的转速控制系统的研制

随着人工心脏研究、应用的发展 ,装置的可携带性、受者的舒适性变得越来越重要 人工心脏除了装置本体的体积需要更加紧凑 ,其附属装置 ,比如电池、控制系统的体积也要减小 ,同时须保证整个系统的易用性、可靠性 为配合我所最新研制的滚动轴承和洗刷系统的叶轮血泵及永磁磁浮叶轮血泵的驱动和控制 ,使血泵能够输出符合生理要求的搏动血流量和压力 ,以及装置的微型化需要 ,笔者参考无刷电机驱动控制芯片ML4 42 8的资料 ,并根据笔者以往的控制系统研制经验 ,对人工心脏的控制系统进行了设计、优化 。

一种新颖的磁力弹簧及其弹性

研制了一种磁力弹簧，它由直径大小不同的两个磁环同轴同向排列，其中一环固定，另一环可轴向滑动，组成磁力弹簧。在磁场作用下，两环自动保持一定的轴向间隙，任何外力作用下此间隙的改变会产生一个恢复力，即弹力。与机械弹簧相比较，磁力弹簧不仅节省金属材料，而且具有稳定性好及振动噪声小等优点。弹性分析显示，磁力弹簧的弹力随位移变化的线性相当好，弹性大小和可压缩位移取决于大、小磁环的直径及两者之差和磁环的轴向高度。

无源磁浮叶轮血泵的溶血实验及其指标的测定

溶血问题是叶轮血泵首先要解决的问题 ,而溶血指标是衡量血泵性能的重要参数之一 作者根据红细胞的再生机理 ,对溶血指标进行了理论估算 ,并且针对江苏大学生物医学工程研究所新研制的无源磁浮叶轮血泵 ,运用血动力模拟循环实验台进行了溶血实验 ,测出其溶血指标为 0 .0 5 ,低于允许值 0 .

轴向驱动永磁磁浮离心血泵的试制型装置

试制成三个轴向驱动永磁磁浮离心泵的模型装置.第一个模型使用一个直流电机,用磁耦合方法驱动血泵;第二个模型以一个电机线圈代替直流电机,由线圈产生的旋转磁场驱动血泵,这种装置的长度从120mm减小到70mm;第三个模型用于动物试验,将第二个模型装置的外径从45mm缩小至30mm,而电机驱动及泵血功能不变.在所有的试验模型装置中,转子均由永磁轴承支承,与定子无机械接触,叶轮均采用直线型方法设计,因此泵的扬程—流量曲线是直线形状,这表明泵内没有机械摩擦损失,也没有紊流损失.

人工心脏输出流量和压力的神经网络估算法

人工心脏的输出流量和压力是血泵设计及运行的重要特性参数 ,其测量精度和方法直接关系到人工心脏在动物实验及临床中的实际应用效果。本文提出了一种新的测量方法 ,即用神经网络从叶轮式人工心脏电机驱动参数换算血泵的流量和压力。与传统的测量方法相比 ,本方法具有如下特点 :(1)无创性 ,不会对血液造成破坏 ,同时减少了感染机会。 (2 )结构简单 ,省去了流量计和压力计 ,便于人工心脏完全植入体内。

应用CFD研究叶轮设计对人工心脏泵内流场的影响

溶血是叶轮血泵常见的一种血液破坏现象,而造成这种现象的内在原因是血液的动力学行为。本研究针对基于流线型设计的叶轮血泵和一种直叶片血泵,应用CFD对其内部流场进行了数值模拟,并通过溶血实验对结果进行了验证。研究结果表明,流线型叶轮血泵内的流动模式符合流线型设计理论,与直叶片叶轮血泵相比,它的溶血较小,更符合血液动力学要求。可以认为,在相同的边界条件下,流线型叶轮血泵具有更好的血液相容性,不容易造成血液破坏。

离心型人工心脏电动叶轮血泵的左心室辅助动物长期存活试验研究

自制离心型人工心脏电动叶轮血泵在１８头小公牛身上行左心室辅助存活试验，其中有三头实验牛分别存活６２、５４、４６ｄ，试验期动物血液参数和器官功能无明显变化，证明该装置的血液相容性已经达到设计要求，动物死亡或实验终结，均由血泵内轴承磨损引起。因此，研制磁力轴承替代机械轴承，以避免机械磨损，是实现离心型人工心脏电动叶轮血泵突破性进展的关键。

基于CFD的离心式人工心脏泵的溶血预测方法

溶血的定量评价对于人工心脏泵的设计和研究十分重要。本研究应用CFD(computational fluid dynamics)技术,针对两种叶轮设计的离心血泵进行了数值模拟,计算得到了其内部的流线分布。根据溶血、切应力和暴露时间三者之间的幂函数模型,对血泵的溶血进行了预测。最后,用溶血实验结果进行了验证。结果表明,在相同的边界条件下,流线型叶轮泵内的溶血值要小于直叶片叶轮泵,与溶血实验结果一致。可见,应用CFD实现溶血的定量计算是可行的,溶血、切应力和暴露时间之间的幂函数模型能较好地反映血泵的溶血性能。

基于粒子图像测速技术的血泵内流场研究

自制外触发同步系统,应用二维粒子图像测速技术技术(PIV)实现了流线型叶轮血泵和直叶片叶轮血泵的内流场的测量,并分析叶轮设计和运行条件对血泵内流场和血液相容性的影响。实验结果表明:基于外触发同步的PIV系统实现了对血泵同一流道的流速信息的连续采样;血泵内的绝对速度和相对速度分布随着叶轮设计、流量和进出口压差而改变。在设计工况(4 L/min,100 mmHg)下,流线型叶轮血泵流道内的流动模式较为规则,而直叶片血泵的流动模式则出现了明显的旋涡、回流和流动分离等现象。根据血液动力学理论,在设计工况下,流线型叶轮血泵具有较好的血液相容性。

永磁体磁浮叶轮血泵的研制和试验研究

旋转血泵磁浮轴承的定子和转子之间没有机械接触,所以其内部不会发生机械磨损或产生血栓。然而,现有的磁浮轴承均采用电磁铁来实现磁浮,不仅控制复杂,而且自身消耗能量。事实上,叶轮血泵要做到用电磁铁来实现磁浮,势必要影响其装置的简易性、可靠性和可植入性。采用永久磁铁研制出磁浮叶轮血泵。泵的转子径向由永久磁铁磁力支撑,转子的一端紧固叶轮,另一端镶嵌磁钢;与转子磁钢相对,驱动磁钢连接在电动机转轴上。这样,电动机通过磁偶合来驱动转子。在实验室用生理盐水试验,当转子静止或低于4 000r/min旋转时,转子磁钢在轴向与位于转子和定子之间的隔板有一点接触,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至4 000r/min以上,转子在轴向与定子脱离,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生,且转子磁钢有陀螺效应,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。作为左心室辅助装置,叶轮血泵工作转速范围在5 000～8 000r/min之间,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。永磁体磁浮叶轮泵保持了旋转血泵的优点,而且克服了用电磁铁来实现磁浮的诸多缺点,能够满足人工心脏叶轮血泵应用的大多数技术要求,从而更具实用价值。

采用永磁悬浮的永久性左心室辅助装置

研制出一台采用永磁轴承的左心室辅助装置(LVAD)。该装置包括一个定子和一个转子,采用径向驱动方式;转子包括驱动磁钢和叶轮,电机定子线圈和泵壳组成定子。装置设计采用了一种特殊结构的永磁轴承。转子的位置测量表明,转子稳定悬浮的前提条件是必须有较高的转速(大于3250r/min)且流量大于1L/min。用猪血为介质所做的液动力测试表明,当转速达到3500r/min^4000r/min时,血泵输出流量达到4L/min^6L/min,输出压力达到100mmHg。该装置重200g,最大处直径为40mm。

陀螺效应使永磁悬浮心脏泵稳定平衡

为使人工心脏泵可以永久使用,作者研制出一种仅采用永磁轴承实现磁悬浮的离心泵。其保留了电磁悬浮泵的优点,又避免其不足之处。然而,传统理论认为永磁悬浮是不可能稳定平衡的。作者利用陀螺效应解决了此问题。径向驱动的离心泵包括一个转子和一个定子。转子由驱动磁钢和叶轮组成;定子由电机线圈和泵壳构成。两个永磁轴承抵消电机线圈铁心与转子驱动磁钢之间的吸引力。生理盐水试验表明,当血泵转速超过3250转/分、流量大于1升/分时,转子可以在定子中悬浮起来。高转速是达到陀螺效应的条件,大流量是良好水动力性能的前提。

叶轮设计对叶轮式人工心脏溶血性能的影响

为了评价人工心脏的叶轮设计对血泵溶血性能的影响 ,笔者设计加工了叶片角和叶片数分别为(2 0° ,6 )、(30° ,6 )、(40° ,6 )、(30°,5 )和 (30°,7)的五个对数螺线等角叶轮 ,并基于不同扬程和流量下的体外溶血试验 ,探讨了叶轮设计参数与血泵溶血性能之间的相关性 ,从而系统地评价血泵各设计及运行参数对溶血破坏的影响 ,获取了血泵最佳设计参数及运行工况点等重要数据。实验结果表明 :血泵采用叶片角为 30°的六叶叶片 ,进出口压力差 10 0mmHg ,流量 4L/min时 ,其对血细胞破坏最小。

人工心脏血泵驱动电机的控制研究

本文介绍了一种新颖的泵机合一结构的人工心脏叶轮血泵驱动电机的控制系统设计。该控制系统取消位置传感器 ,采用反电势进行位置检测控制 ,结果使血泵可靠性提高 ,性能改善 ,长度缩短 ,连接线减少 ,更适合于临床应用。

应用驱动电机参数估测叶轮式血泵输出流量的无创性测量方法

临床应用中 ,对人工心脏的输出流量进行及时、精确的检测十分必要 ,但实现起来却比较困难。作者针对江苏大学生物医学工程研究所研制的叶轮式人工心脏 ,提出采用驱动电机参数 (功率和转速 )间接测量血泵输出流量的方法 ,从而避免引入传感器探针 ,降低测量装置的复杂性 ,减小感染机会。实验结果表明 :这种测量方法能够达到一定精度 (误差 <5 %) ,具有进一步研究价值。

无源磁浮人工心脏泵的改进型设计

磁力轴承没有机械接触 ,机械旋转泵应用磁力轴承后就可以解决机械磨损及轴承处产生血栓的问题。但是 ,国外使用的磁力轴承均是电磁铁加位置测量及反馈控制 ,不仅结构复杂、体积大 ,而且消耗附加电能 ,整个系统的可靠性也差。作者探索用永久磁铁制作磁力轴承 ,研制成改进型无源磁浮叶轮泵。泵的转子径向由永磁体磁力支承 ,转子的一端紧固着叶轮 ,另一端镶嵌磁钢 ;与转子磁钢相对 ,驱动电机线圈产生旋转磁场 ,驱动转子旋转。在实验室用生理盐水试验 ,当转子静止或低于 40 0 0 rpm旋转时 ,转子磁钢在轴向同位于转子和定子之间的隔板有一点接触 ,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至 40 0 0 rpm以上 ,转子在轴向与定子脱离 ,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生 ,且转子磁钢有陀螺效应 ,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。当用作左心室辅助装置时 ,叶轮血泵工作转速范围在 5 0 0 0～ 80 0 0 rpm之间 ,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。无源磁浮技术是对 Earnshaw理论 ( 1842 )及 Braunbeck推论 ( 193 9)的重大补充 。

一种新颖的永磁轴承及其在叶轮全人工心脏设计中的应用

研制了一种新颖的永磁轴承,由两个大小不同、充磁方向相同的同心磁环组成。将这种永磁轴承应用于叶轮式全人工心脏的结构设计,现已完成了样机制作和初步测试。耐久性试验已经持续14个月(进行中),血泵流量和压力没有任何变化,电机驱动参数如电压、电流及转速也没有任何变化,表明泵内没有机械磨损。

神经网络在叶轮式人工心脏输出流量检测中的应用

目的 寻找一种既精确又简便的间接测量方法。方法 应用神经网络技术检测叶轮式人工心脏的输出流量。采用电机功率和转速作为神经网络输入元 ,流量作为输出元的网络结构 ,通过反复训练、测试 ,使网络掌握输入与输出之间的非线性关系 ,能够在一定的误差范围内根据输入得到相应的输出。结果 应用神经网络检测人工心脏输出流量能够达到一定的精度 (误差 <5 % )。结论 该方法简便、精确 ,在实际测量中避免引入传感器探针 ,降低装置的复杂性 ,减小了感染的机会 ,具有进一步研究价值。

永磁磁浮叶轮在血泵内的偏心距测量及分析

为了消除叶轮血泵内的机械磨损、延长血泵的使用寿命,采用了永磁磁浮技术,并利用自制测试系统测量永磁磁浮叶轮在血泵内的位置 数据处理结果表明,血泵流量及转速达到一定值后叶轮便能实现悬浮,而且转速越高、流量越大、气隙越小血泵越稳定,即旋转叶轮的偏心距及振幅越小 此外。