一种大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵及其控制方法[0002]根据世界卫生组织的报告，心血管疾病每年会夺去数千万人的生命，占全球死亡病因的三分之一，是人类健康的第一杀手，预计到2015年，全球每年将有2000万人死于心血管疾病，心脏移植是治疗终末期心脏病的唯一有效方法。面向人体心脏功能恢复的辅助血泵发展主要分为心室辅助循环装置(VAD)和全人工心脏(FDA)，目前国际上共有5款VAD和2款THA通过了美国FDA认证。[0003]美国Thoratec公司生产的HeartMate II轴流泵带有枢轴承，该泵主要构件包括转子、进口和出口处的一对枢轴承和电机。泵长度81mm，直径为43mm，重量375g，目前已有1000人实用；美国MicroMed公司开发的DeBakey VAD轴流泵长度为76.2mm，直径为30.5mm，重量为93g。该泵目前已经通过欧盟认证使用，适用于儿童的目前正在FDA的认证试验过程中，到目前为止，超过440人使用。[0004]刘中民提出一种泵机合一植入式微型轴流血泵(专利号:200820054809.2)，它由无刷电机和轴流血泵二大部分组成，整体尺寸为29.6x72mm，血泵永磁转子启动为自启动。[0005]R.J.本科维斯基提出了一种用于一可植入的血泵的生理控制方法和系统(专利号:03805303.9)，改方法为以预订速度操作泵，通过检测病人在舒张期泵流动速率来改变预订速度。[0006]白静等提出了微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法(专利号:03121948.9)，其建立了心输出量、平均转速、心肌供氧量/耗氧量、最大收缩压和最小舒张压的隶属函数，实现血泵不同状态的速度调节。该方法新颖，速度调节缺乏对泵本身力学特性的了解，并且实际实施复杂。[0007]从上述研究可知，目前人工心脏在血泵设计和控制方法研究方面，针对血泵的研究，已应用于临床的人工心脏，大多数都存在体积大无法植入儿童患者体内的问题，仅有两款针对儿童研究的VAD产品，因此小型化是人工心脏的一个重要发展方向；针对控制方法方面，主要集中在稳态速度的基于人体生理参数的控制研究，没有考虑泵启动方面控制方法的问题。

[0008]本发明所要解决的第一个技术问题是针对植入式血泵体积大，主从磁极气隙大造成的驱动能力不强和启动不够快速和平稳的特点，提供一种结构简单、体积小、驱动能力强、温升小、传递效率高的大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵。
[0009]本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种该大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵的控制方法。[0010]为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的磁力驱动的全植入式轴流式血泵，输送管内同轴转动安装有转子系统，所述的转子系统由血泵旋转叶轮、血泵前叶轮、血泵后叶轮和永磁体组成，还包括设在所述的输送管上的驱动定子铁芯、固定套及控制系统，所述的驱动定子铁芯由硅钢叠片、绕组及绝缘层组成，定子齿数为3个，沿圆周对称分布，绕组为三个即第一线圈、第二线圈和第三线圈，分别周向等距叠装在三个定子齿上，绝缘层为树脂材料；所述的固定套实现所述的定子铁芯在轴向及圆周方向的固定在所述的输送管上；三组线圈绕组即第一线圈、第二线圈和第三线圈与所述的控制系统功率放大电路连接。
[0011]所述的永磁转子的轴向长度为15mm~18mm,其与所述的驱动定子的内径之间的径向气隙为4.5mm~6mm。
[0012]所述的定子铁芯由取向娃钢片叠压而成,定子外径为25mm,齿宽厚度为2mm,齿轭宽度为2mm，齿尖角度为100°~112°，齿尖宽度为0.25mm。
[0013]所述的固定套由TI4材料制成，所述的固定套由两个半环即第二半固定套和第一半固定套连接，所述的第二半固定套和第一半固定套上均有定子径向和轴向位置的固定柱，所述的第二半固定套和第一半固定套由销钉和半固定套连接件连接，第二半固定套和第一半固定套之间夹持有树脂垫圈。
[0014]所述的永磁体为两极平行充磁的钕铁硼材料组成，每极所述的永磁体的充磁角度为 180。。
[0015]所述的控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、电流-电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路和电源电路组成。
[0016]为了解决第二个技术问题，本发明提供的实现磁力驱动的全植入式轴流式血泵的控制方法，输送管内同轴转动安装有转子系统，所述的转子系统由血泵旋转叶轮、血泵前叶轮、血泵后叶轮和永磁体组成，还包括设在所述的输送管上的驱动定子铁芯、固定套及控制系统，所述的驱动定子铁芯由硅钢叠片、绕组及绝缘层组成，定子齿数为3个，沿圆周对称分布，绕组为三个即第一线圈、第二线圈和第三线圈，分别等距叠装在三个定子齿上，绝缘层为树脂材料；所述的固定套实现所述的定子铁芯在轴向及圆周方向的固定在所述的输送管上；三组线圈绕组即第一线圈、第二线圈和第三线圈与所述的控制系统的功率放大电路连接，改变所述的控制系统的控制器的输出脉冲实现三组线圈绕组即所述的第一线圈、第二线圈和第三线圈的N、S状态的改变，与所述的永磁体的N、S极的耦合实现所述的永磁转子的连续运转。
[0017]所述的控制系统的驱动电路和功率放大电路实现线圈绕组电流的交替改变和永磁体的旋转驱动；电流-电压检测电路实现线圈绕组的电流和压力的实时反馈，通过控制电路完成功率计算；显示电路可实时显示转速、电流、电压；流量-压力检测电路实现对轴流泵的压力-流量的实时检测。
[0018]采用上述技术方案的大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵及其控制方法，驱动定子和输送管内的 永磁转子之间形成大气隙，能够使血泵叶轮获得较大的优化设计空间；驱动定子包括定子铁芯、定子绕组和定子斜槽；定子铁芯由三个齿槽对称分布在定子圆周方向；定子绕组为三组线圈，周向等距叠装在定子齿上；每个定子齿表面上开有相对位置和形状相同的斜槽；固定套由TI4材料制成,在圆周径向和轴向有定位轴,实现定子径向和轴向的位置固定；永磁体由平行充磁的二极钕铁硼构成；控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、电流-电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路和电源电路组成；控制电路控制三组线圈的电流交替改变，实现定子齿上的N、S状态和永磁体的N、S极耦合传动；同时启动不需要启动绕组，结构简单，系统启动过程基于电机电磁转矩以及泵的机械-流体动力学特性设计，根据系统时间-速度曲线，决定系统速度控制步。本发明通过对驱动定子槽数与永磁体极数的合理配置，将驱动定子槽数设计为三槽，槽数的减少增加了线圈绕线的面积，提高了系统的驱动力矩；永磁体转子设计为实心结构，可以达到在启动过程中不需要启动绕组，降低了系统重量，精简了控制电路；永磁体为两极平行充磁的钕铁硼材料组成，每极永磁体的充磁角度为180°，简化了充磁的难度，同时极对数的减少降低了控制电路换向的频率，因而系统的在控制电路上的损耗将降低，提高了系统的效率；定子绕组采取集中绕组方式，简化了系统下线的难度。
[0019]作为优选，所述定子由取向硅钢片叠压而成，为了缩小系统的整体体积，对驱动定子结构进行优化，在保证满足血泵额定运转条件下需要的驱动力矩为11.02Nmm，优化后的定子外径为25mm,内径为15mm,齿宽厚度为2mm,齿轭宽度为2mm,齿尖厚度为0.25mm,齿尖角度为100-112°，具有体积小、重量轻以及结构紧凑的特点；系统体积小，定子与永磁体径向气隙长度为4.轴向气隙长度为15_18mm,能够满足临床条件下对体积及驱动能力的要求。
[0020]为了使驱动定子及线圈与人体隔绝，在驱动定子外有与人体内部器官隔绝的固定套，固定套由材料TI4制成，其强度高，密度小，隔热性好，能够降低血泵整体重量，温升的优点；同时定子与外套之间气隙为真空，能够进一步降低外套外壳的温升。
[0021 ] 为了实现驱动定子位置在轴向和径向方向的固定，固定套由两个半环组成，在半环的内部有圆柱状突起，可以实现定子在径向和轴向位置的固定，两个半环通过销钉及连接块连接，组装方法简单可靠；为了解决两个泵固定套之间连接部分的密封问题，本发明中连接部分采用树脂进行密封，树脂密封的导热性能和机械性能好，提高了植入泵的可靠性。
[0022]为了实现血泵的连续运转及系统状态的监测，控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、电流-电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路、电源电路组成；驱动电路和功率放大电路可实现线圈绕组电流的交替改变和永磁体的旋转驱动；电流-电压检测电路实现线圈绕组的电流和压力的实时反馈，通过控制电路完成功率计算；显示电路可实时显示转速、电流、电压；流量-压力检测电路实现对轴流泵的压力-流量的实时检测，PC通信电路可以实现对系统流量-压力，电流-电压的实时。为了实现系统加速过程的快速平稳过渡，本发明中，血泵启动过程中的控制步根据驱动定子电磁机械动力学、血泵流体力学进行设计，启动过程分为三段过程进行加速，加速过程很好的解决了系统快速与平稳的问题，降低了系统的震动，其加速过程速度与时间隶属函数为: