【深度】搏动式电磁血泵电控系统的研究

2019 年 9 月 23 日 中国自动化学会

CAA

智慧起航，共创未来

【导读】搏动式电磁血泵是指可以驱动血液流动像自然心跳泵血一样有节奏地流动，有利于血液在器官中的微循环的血泵。模拟自然心跳，需要血泵保证与自然心跳接近的搏动周期、搏动压力和灌注流量。本文所提出的血泵是一种旨在应用于体外膜肺氧合（ECMO）装置上的体外循环泵。

陆通, 葛斌, 刘京京, 张少伟, 伍进平, 张宸. 搏动式电磁血泵电控系统的研究. 自动化学报, 2019, 45(7): 1392-1400.

急性呼吸窘迫综合征（Acute respiratory distress syndrome, ARDS）是临床上比较常见的呼吸衰竭危急重症, 表现为顽固性低氧血症、进行性加重的呼吸困难和呼吸窘迫, 病人死亡率高，ECMO技术作为ARDS重要的体外循环辅助治疗方式，可以有效纠正低氧血糖症, 同时避免呼吸机相关性肺损伤。

目前广泛应用于体外膜肺氧合（Extracorporeal membrane oxygenation, ECMO）技术的血泵主要有滚压泵和离心泵，由于以上两种血泵均只能实现一端输入一端输出的泵血，不能实现类似于心脏左右房室泵血的循环作用，因此提出一种能实现两端同时工作、同时实现体循环和肺循环的血泵，对于ECMO的发展和推广以及对于体外循环血泵的发展具有重要意义。

对于模拟心脏搏动的方案，我们既可以利用机械上的往复运动机构来血提供动力，但是机械传动装置所占体积较大，一个泵体装置很大一部分空间需要留给机械传动件用于安装和作为运动路径；并且机械装置需要考虑磨损及维护问题。因此我们考虑将传动方式改为电磁传动，这样可以使庞大和复杂的传动件用几组线圈和一个磁性材料代替，线圈缠绕在泵体外面，磁性搏动件置于泵中，在线圈的磁场的作用下做往复运动，从而产生动力。这样同时还可以取消主动件与从动件的机械接触，使它们处于两个相互隔绝的空间，因此可以确保从动件的无菌性。

通过以上的工作原理，只需要搞清楚电磁线圈与磁性材料在不同状态、不同参数下，他们之间的相互作用关系，就可以实现通过控制线圈的通电状态来控制血泵的工作。

为研究搏动式电磁血泵的工作过程的规律，为驱动血泵提供电学力学特性，最终给出确保血泵连续工作的控制方案，本文做了以下任务：

1)通过力学分析计算与实验, 得到不同参数下磁体-线圈结构磁力与两者距离的关系曲线以及各因素对磁力影响的显著性

2)根据人的血压要求,并利用分析结果，设计控制血泵在空载状态下连续工作的基本工作参数。

3)根据血泵工作基本参数确定控制血泵在空载状态下连续工作时，控制电路的所需输出电流值,并设计控制电路并对控制电流进行仿真及实验，实际验证不同电流状态下所产生的磁力大小。确保理论计算和理论设计的可靠性。

4)通过一系列实验得到血泵工作时间与加速度波形参数,分析加速度波形与磁体运动状态的相对关系，确保加速度波形表征的是磁体单向加速的运动波形，从而确保动力的充足性。

5)利用上述分析得到的结论设计单片机程序，通过单片机控制线圈通断电，从而验证血泵工作的稳定性与连续性。

根据上述测试表明，设计的电控系统使血泵各参数满足搏动式磁力泵的动力需要, 验证了该电控系统对血泵控制的稳定性和连续性达到了研究的目的。此研究对于进一步优化电磁驱动控制具有重要应用前景,尤其对于ECMO的发展和推广以及对于体外循环血泵的发展具有重要意义。

作者简介

陆通上海理工大学医疗器械与食品学院硕士研究生, 主要研究方向为精密医疗器械. luuton@outlook.com

葛斌上海理工大学医疗器械与食品学院副院长, 副教授, 主要研究方向为精密医疗器械. 本文通讯作者. gb13992@hotmail.com

刘京京上海理工大学医疗器械与食品学院硕士研究生,主要研究方向为精密医疗器械. jingajing1@hotmail.com