搏動(dòng)式血泵的電磁驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)及可行性研究*

張磊，葛斌△，方旭晨，張少偉，魏凌軒，伍進(jìn)平

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海市楊浦區(qū)市東醫(yī)院，上海 200438)

1 引 言

血泵作為一種動(dòng)力源裝置，被廣泛應(yīng)用在體外膜肺氧合(ECMO)、體外循環(huán)(CPB)、機(jī)械灌注(MP)[1-2]等領(lǐng)域。對(duì)于搏動(dòng)泵而言，其優(yōu)點(diǎn)在于可以降低血清中縮血管物質(zhì)的濃度，抑制腎臟血管過(guò)度收縮[3-4]。同時(shí)，其驅(qū)動(dòng)形式在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]，常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等。由于氣、液類(lèi)驅(qū)動(dòng)需外置氣源裝置，造成裝置的便攜性差，故較少使用。對(duì)于電機(jī)類(lèi)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)搏動(dòng)流輸出的主要方式是借助機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，也因此降低了驅(qū)動(dòng)裝置的效率[6]。此外，由于全程輸出剛性驅(qū)動(dòng)力，在驅(qū)動(dòng)血泵過(guò)程中容易使血液產(chǎn)生擠壓，造成溶血，以及組織損傷。因此，為了達(dá)到理想的血泵搏動(dòng)驅(qū)動(dòng)，要求驅(qū)動(dòng)裝置能夠[5,7]：具有滿(mǎn)足每搏輸出量需求的行程及外形大小；產(chǎn)生滿(mǎn)足灌注壓力需求的驅(qū)動(dòng)力；產(chǎn)生與自然心率相近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率。

因此，本研究基于電磁力學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種新型搏動(dòng)式血泵驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置能夠輸出往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，避免了復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)換。該裝置在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中存在的“柔性驅(qū)動(dòng)”能夠避免因過(guò)載造成的血液破壞。此外，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)節(jié)能夠輸出不同的灌注壓力，滿(mǎn)足實(shí)際的臨床需求。

2 新型驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

搏動(dòng)泵主要由驅(qū)動(dòng)裝置和柱塞式泵頭構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。工作時(shí)柱塞左右滑動(dòng)并配合單向閥實(shí)現(xiàn)血液的定向搏動(dòng)輸出。本研究的重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，故對(duì)泵頭結(jié)構(gòu)不予贅述。

圖1 泵頭剖視圖Fig 1 Cutaway view of pump head

驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，包括驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈和永磁動(dòng)子，及其他輔助結(jié)構(gòu)。其中，端蓋和直線(xiàn)軸承均采用非磁性材料，推桿兩端連接永磁動(dòng)子與泵腔內(nèi)柱塞。

圖2 驅(qū)動(dòng)裝置整體剖視圖Fig 2 Cutaway view of driving unit

2.2 新型驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1電磁學(xué)原理 取永磁體邊界上一段微元dx，并將該微元模型等效為的環(huán)形圓電流[8]，于是該微元圓電流在磁場(chǎng)中受到的安培力為[9]：

F圓=By2πRJmsdl=4(πR)2JmsBy

(1)

其中，Jms為面電流密度，Bx為軸向磁場(chǎng)分量，By為徑向磁場(chǎng)分量，R為端面半徑。

根據(jù)磁場(chǎng)中的高斯定理得：

(2)

將式(2)帶入式(1)得：

(3)

則永磁體所受電磁力模型為：

2.2.2驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于上述模型提出新型結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈見(jiàn)圖3，該線(xiàn)圈由三個(gè)驅(qū)動(dòng)繞組構(gòu)成，各繞組結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3(a)、(b)、(c)。

圖3 驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu) (a).繞組3；(b).繞組1；(c).繞組2Fig 3 Cutaway view of driving coil (a). Winding 3; (b). Winding 1; (c). Winding 2

2.3 工作方案

設(shè)永磁動(dòng)子的初始位置見(jiàn)圖4(a)，且永磁體與通電線(xiàn)圈的極性方向相同，此時(shí)給繞組1、3通電，線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生自右向左逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)，并驅(qū)動(dòng)永磁動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)子到達(dá)圖4(b)所示位置時(shí)，控制繞組2、3通電，線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)的梯度方向改變，于是電磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子重新運(yùn)動(dòng)到右端，如此交替供電可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)頻率由單片機(jī)控制。

3 新型搏動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的解析模型

3.1 電磁驅(qū)動(dòng)力模型

建立線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)永磁體力學(xué)模型見(jiàn)圖5。為了方便樣機(jī)的制作以7層結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象推導(dǎo)受力模型。將永磁鐵等效成為厚度忽略不計(jì)的表面螺線(xiàn)管[10]，并通過(guò)互感計(jì)算電磁驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]可以通過(guò)線(xiàn)圈互感M計(jì)算得到線(xiàn)圈之間的相互作用力F，其中I1為永磁體等效電流，I2為驅(qū)動(dòng)電流：

圖4 驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈原理示意圖 (a).繞組1、3通電；(b).繞組2、3通電Fig 4 Working principle diagram of driving coil (a). Drive winding 1 and 3 to work； (b). Drive winding 2 and 3 to work

圖5 磁力模型原理圖Fig 5 Schematic diagram of magnetic force model

(4)

分別對(duì)單段螺線(xiàn)管進(jìn)行分析，并將所得到的結(jié)果進(jìn)行累加，于是得到沿著z軸的互感為：

(5)

其中，r0=(z1-z2)2+R2+r2-2Rrcosθ，i為螺線(xiàn)管層數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，N1為永磁體等效線(xiàn)圈匝數(shù)，N2為驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈匝數(shù)，Z1為線(xiàn)圈長(zhǎng)度，Z2為端面距離，H為磁體厚度，R為磁體半徑，R1為線(xiàn)圈內(nèi)徑，R2為線(xiàn)圈外徑，d為線(xiàn)徑。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]可知，永磁體等效成螺線(xiàn)管滿(mǎn)足：

(6)

其中，Br為永磁體剩磁，結(jié)合式(4)、(5)、(6)可以得到電磁軸驅(qū)動(dòng)力模型：

(7)

3.2 新型驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

由式(7)可以看出驅(qū)動(dòng)力與線(xiàn)圈的直徑、長(zhǎng)度、導(dǎo)線(xiàn)直徑以及磁體厚度相關(guān)。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)選出最優(yōu)參數(shù)組合。利用SPSS將各因素水平的順序進(jìn)行隨機(jī)處理見(jiàn)表1，選用正交試驗(yàn)表L16(45) 進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為1 A。

表1 因素水平表

通過(guò)對(duì)比分析表2中數(shù)據(jù)可知，線(xiàn)圈內(nèi)徑對(duì)磁力影響最大，其次是磁體厚度、導(dǎo)線(xiàn)直徑、線(xiàn)圈長(zhǎng)度。比較試驗(yàn)指標(biāo)選用最優(yōu)組合為線(xiàn)圈內(nèi)徑0.025 m、線(xiàn)圈長(zhǎng)度0.09 m、導(dǎo)線(xiàn)直徑0.0005 m、磁體厚度0.05 m。

3.3 裝置驅(qū)動(dòng)效率分析

該裝置將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)子的動(dòng)能，以推動(dòng)血液實(shí)現(xiàn)搏動(dòng)輸出。其轉(zhuǎn)換效率可以計(jì)算為電能與動(dòng)子輸出的動(dòng)能之比：

(8)

其中，I—驅(qū)動(dòng)電流，U—驅(qū)動(dòng)電壓，F(xiàn)—?jiǎng)幼油屏Γ瑅—?jiǎng)幼舆\(yùn)動(dòng)速度。

4 實(shí)驗(yàn)

按照正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，主要參數(shù)有：裝置總長(zhǎng)為250 mm，主體長(zhǎng)150 mm，內(nèi)徑為50 mm，外徑54 mm，殼體材料為PMMA;線(xiàn)圈長(zhǎng)度為90 mm，線(xiàn)徑為0.5 mm漆包線(xiàn);柱形永磁動(dòng)子直徑為50 mm，高度為50 mm，材料為N35H型釹鐵硼，質(zhì)量為0.442 Kg;直線(xiàn)軸承和推桿均采用非磁性304不銹鋼，推桿直徑為5 mm。

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置圖Fig 6 Drive device size diagram 表2 正交試驗(yàn)方案 Table 2 Orthogonal test table

正交試驗(yàn)表L16(45)試驗(yàn)號(hào)ABCD方案驅(qū)動(dòng)力/F111111A1B1C1D16.273427212222A1B2C2D24.873701313333A1B3C3D33.770438414444A1B4C4D46.754597521234A2B1C3D421.46438622143A2B2C4D310.657564723412A2B3C1D215.184464824321A2B4C2D118.008507931342A3B1C4D29.942331032431A3B2C3D114.5708331133124A3B3C2D413.0870931234213A3B4C1D36.3117181341423A4B1C2D311.007851442314A4B2C1D420.619761543241A4B3C4D117.879461644132A4B4C3D215.41307K121.67216348.68798745.43115448.38936956.732227K265.31491550.72185850.52925946.97715145.413565K343.91197449.92145552.34103549.74798131.74757K464.9201446.48789247.51774445.23395161.92583k15.4180407512.1719967511.357788512.0973422514.18305675k216.3287287512.680464512.6323147511.7442877511.35339125k310.977993512.4803637513.0852587512.436995257.9368925k416.23003511.62197311.87943611.3084877515.4814575極差R43.6427524.2339664.8232914.5140330.17826因素主次A>D>C>B優(yōu)選方案A2B2C3D4

4.1 驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)試

為了測(cè)試對(duì)比理論值與實(shí)驗(yàn)值，設(shè)計(jì)圖7所示靜力測(cè)試系統(tǒng)，其中直流電源型號(hào)為GPS-4303C，彈簧測(cè)力計(jì)型號(hào)NK-30。實(shí)驗(yàn)選用1.5 A驅(qū)動(dòng)電流，在線(xiàn)圈軸向均布10個(gè)位置點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行20次拉力測(cè)量，最后將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值與理論值繪制成圖8。

圖8驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)圖

Fig8Staticcurvediagramofpermanentmagnet

從圖8中可以看出實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)和理論曲線(xiàn)表現(xiàn)出相同的規(guī)律，且當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為正時(shí)，理論值偏大，而驅(qū)動(dòng)力為負(fù)時(shí)，理論值偏小。這主要是由于摩擦力與驅(qū)動(dòng)力反向和同向?qū)е碌摹Ｆ渲小?～5”為“剛性驅(qū)動(dòng)”階段，該階段驅(qū)動(dòng)力平穩(wěn)在10～14 N之間，保證了血泵的正常工作；5點(diǎn)之后受力逐漸減小，7點(diǎn)為受力平衡點(diǎn)，這一階段為“柔性驅(qū)動(dòng)”階段，該階段設(shè)計(jì)避免了因過(guò)載造成的血液破壞，保護(hù)了血細(xì)胞及灌注組織；當(dāng)動(dòng)子越過(guò)平衡位置7時(shí)，反向驅(qū)動(dòng)力逐漸增大，這使得動(dòng)子在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)減速直至停止，避免了因機(jī)械慣性造成的撞擊和振動(dòng)，使裝置保持平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2 模擬體外實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步研究該裝置在驅(qū)動(dòng)泵頭工作時(shí)的流量和壓力性能，進(jìn)行了模擬體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)。見(jiàn)圖9，驅(qū)動(dòng)裝置與泵頭連接，構(gòu)成搏動(dòng)泵系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)連接到模擬體外循環(huán)管路中，測(cè)量平均灌注壓和每搏輸出量。泵腔內(nèi)柱塞直徑30 mm，厚度20 mm，泵腔長(zhǎng)度為70 mm。系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為動(dòng)物灌注液，其粘度與血液類(lèi)似。

圖9搏動(dòng)泵實(shí)物圖

Fig9Pulsatingpumpsystemphysicaldiagram

4.2.1灌注壓力與電流的關(guān)系研究 基于模擬體

外循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該裝置平均灌注壓輸出特性作出研究。實(shí)驗(yàn)采用的壓力傳感器型號(hào)為YW-131，結(jié)果見(jiàn)圖10。結(jié)果顯示平均灌注壓與驅(qū)動(dòng)電流呈正相關(guān)，其擬合方程為y=33.074x+6.6563，R2=0.9784。由于該裝置的輸出壓力只與驅(qū)動(dòng)力相關(guān)，因此該擬合方程在滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)時(shí)的所有電流下均適用，在臨床中能夠根據(jù)目標(biāo)灌注壓調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流以滿(mǎn)足臨床要求。

圖10 驅(qū)動(dòng)電流與壓力關(guān)系圖Fig 10 Diagram of relation between driving current and pressure

4.2.2每搏輸出量研究 每搏輸出量由泵腔的工作容積以及輸出壓力決定。參考?jí)毫?shí)驗(yàn)，設(shè)置輸出壓力分別為40、50、60、70、80 mmHg，驅(qū)動(dòng)電流分別為1.1、1.4、1.7、2、2.3、2.6 A，研究驅(qū)動(dòng)電流、流量和壓力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)采用稱(chēng)重的方式測(cè)流量，已知泵頭容積為49.5 mL，結(jié)果表3。

表3 每搏輸出量與容積效率

從表3中可以看出每搏輸出量與驅(qū)動(dòng)電流呈正比，與輸出壓力呈反比。不同的輸出壓力對(duì)應(yīng)完全灌注(容積效率達(dá)到90%以上)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流也不同，這是由螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)力特性決定的。驅(qū)動(dòng)電流、流量和壓力三者的變化規(guī)律見(jiàn)表3，在臨床中可以參考表3選出相應(yīng)的電流，以獲得相應(yīng)的流量滿(mǎn)足臨床需求。

4.2.3搏動(dòng)灌注壓測(cè)試及效率分析 基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)裝置搏動(dòng)特性及加速度特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)以人在安靜狀態(tài)下的平均動(dòng)脈壓100 mmHg為灌注目標(biāo)[15]，按照灌注壓擬合方程計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電流為2.82 A。由于設(shè)備原因?qū)嶋H選用的驅(qū)動(dòng)電流為2.8 A，驅(qū)動(dòng)電壓為31.3 V，搏動(dòng)頻率周期為0.8 s，管路負(fù)荷為80 mmHg。

壓力波形見(jiàn)圖11，壓力范圍為80～120 mmHg，平均灌注壓為100 mmHg且搏動(dòng)特性明顯。由于循環(huán)管路的彈性作用，使壓力波形在下降至接近最低壓時(shí)出現(xiàn)減緩。這說(shuō)明本研究設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置能按照設(shè)定的壓力值輸出，且能夠很好地滿(mǎn)足臨床需求。

圖12為動(dòng)子的加速度波形，圖中橫軸表示時(shí)間(單位格表示40 ms)，縱軸表示電壓 (單位格表示100 mV)，從波形中可以看出，動(dòng)子的加速時(shí)間即做功時(shí)間大約為60 ms，故動(dòng)子的平均速度為0.67 m/s。根據(jù)式(7)計(jì)算得出在驅(qū)動(dòng)電流為2.8 A時(shí)動(dòng)子的平均電磁力為28.7 N，再結(jié)合式(8)計(jì)算可得，該驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)效率近似為21.83%。

圖11 壓力波形圖Fig 11 Pulsating pressure waveform diagram

圖12 動(dòng)子加速度波形Fig 12 The waveform of acceleration of permanent magnet

5 結(jié)論

本研究基于電磁學(xué)原理設(shè)計(jì)出一種新型搏動(dòng)式血泵驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置能夠輸出搏動(dòng)流。所運(yùn)用的堆疊螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)系首次提出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析得出，該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈在設(shè)計(jì)過(guò)程中所依據(jù)的理論基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型是正確的，且設(shè)計(jì)過(guò)程科學(xué)合理。該結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)的同時(shí)能夠避免因系統(tǒng)過(guò)載對(duì)血液造成的機(jī)械壓迫。此外，該驅(qū)動(dòng)裝置能夠根據(jù)設(shè)定的壓力值選擇驅(qū)動(dòng)電流特性很好地滿(mǎn)足了在實(shí)際臨床中的需要。

通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該裝置作為搏動(dòng)式血泵驅(qū)動(dòng)的可行性，但就其作為一整套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言尚缺乏對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與反饋，且該驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)效率仍有待改進(jìn)，在后續(xù)的研究中會(huì)逐一進(jìn)行完善。