用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统及方法，属于医疗器械心室辅助装置控制技术领域。

背景技术

与经典植入式循环辅助装置不同，经皮机械循环辅助装置主要应用于心源性休克和高危PCI患者的治疗，由于其具有创伤小、启动快、操作简单等优势，在临床应用中越来越广泛。

模块化主动脉内轴流泵(英文全称Modular Intra-aortic Axial-flow pump)是新出现的一种经皮机械循环辅助装置，其为由多个轴流式血泵组成的系统，单个轴流式血泵的转速低、经泵累加流量大，对血液损伤较小。运行时，模块化主动脉内轴流泵的各轴流式血泵并联分布于降主动脉内，共同提供血流动力学支持，经轴流式血泵加速的血液带动自然流血液加速流向肾脏等外周器官，从而降低心脏后负荷，增加心输出量，并且可以形成跨主动脉的压力梯度，增加肾脏等外周器官的血液灌注。

有研究显示，在主动脉内，轴流式血泵低速运转时相比于高速运转时可提供更优越的血流动力学支持效果。这是因为在高速运转时，随着跨泵压差的增加，血液容易逆流，重新进入血泵发生二次加速，并且血泵周围血液运动复杂，可能产生湍流现象，对于高危PCI术中患者，这种现象会加重患者心脏的负担，不利于患者身体恢复。另一方面，面对不同程度的心功能损伤患者，对于轴流式血泵运行时的低高速定义是不同的，也就是，模块化主动脉内轴流泵的卸后负荷效果不同，血泵最佳转速不同，因此，如何精确调控模块化主动脉内轴流泵的轴流式血泵的转速，使其运行在能够发挥最佳血流动力学支持效果，对于临床应用是至关重要的，但目前还没有相关技术资料公开。

由此可见，设计出一种调控轴流式血泵转速的方法，使轴流式血泵运行在最佳转速，以防止转速过高导致心脏负担加重，避免二次加速对血液造成损伤等，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统及方法，其能够对模块化主动脉内轴流泵的轴流式血泵转速实现精准调控，使其始终运行在最佳转速，从而发挥最佳血流动力学支持效果，最大限度减少对患者造成的附加伤害。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统，包括流量检测装置、控制器和血泵驱动器，其中：

所述流量检测装置与所述控制器连接，所述流量检测装置用于采用超声多普勒原理测量降主动脉流量；

模块化主动脉内轴流泵的各轴流式血泵经由所述血泵驱动器与所述控制器连接，所述血泵驱动器用于以脉冲宽度调制方式驱动所述轴流式血泵运行；

所述控制器用于执行如下步骤将所述轴流式血泵的转速调整至最佳转速运行：确定所述轴流式血泵的初始转速n

一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控方法，包括步骤：

1)设定经泵累加流量与转速间关系，及转速调整步长Δn；

2)初始化计数参数i、j；

3)确定轴流式血泵的初始转速n

4)测量所述轴流式血泵以初始转速n

5)针对所述轴流式血泵当前转速，按照转速调整步长Δn增加转速，增加后的转速记为n

6)基于所述经泵累加流量与转速间关系，确定所述轴流式血泵以转速n

7)测量所述轴流式血泵以转速n

8)判断Q

9)通过二分法降低所述轴流式血泵的转速，降低后的转速记为n

10)基于所述经泵累加流量与转速间关系，确定所述轴流式血泵以转速n

11)测量所述轴流式血泵以转速n

12)判断Q

本发明的优点是：

本发明无需另外设置传感器即可确定经泵累加流量，并且能够精准调控轴流式血泵的转速，使轴流式血泵基于患者身体情况调整至最佳转速运行，发挥最佳血流动力学支持效果，从而防止转速过高导致心脏负担加重，避免二次加速对血液造成损伤等，最大限度减少对患者造成的附加伤害。本发明调控精度高，调控过程缓和、无突增突降，对患者友好。

附图说明

图1是本发明用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统的组成框图。

图2是模块化主动脉内轴流泵的经泵累加流量与转速之间的散点数据示例图。

图3是图2的散点数据线性拟合后的结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控系统，包括流量检测装置10、控制器20和血泵驱动器30，其中：

流量检测装置10与控制器20连接，流量检测装置10用于采用超声多普勒原理测量降主动脉流量；

模块化主动脉内轴流泵内的各轴流式血泵40经由血泵驱动器30与控制器20连接，血泵驱动器30用于基于控制器20计算出的转速向轴流式血泵40提供相应电压，从而以脉冲宽度调制(PWM)方式驱动轴流式血泵40运行；

控制器20用于执行如下步骤将轴流式血泵40的转速调整至最佳转速运行：确定轴流式血泵40的初始转速n

在实际实施时，上述判断条件一为：轴流式血泵40以当前转速运行时测得的降主动脉流量是否同时大于轴流式血泵40以上一转速运行时测得的降主动脉流量和计算出的当前经泵累加流量，以及上述判断条件二为：轴流式血泵40以当前转速运行时测得的降主动脉流量是否同时大于轴流式血泵40开始减小转速之前测得的降主动脉流量中的最大流量和计算出的当前经泵累加流量，其中，轴流式血泵40开始减小转速之前运行时测得的降主动脉流量记为最大流量。

如图1，控制器20包括处理模块201、设定模块202和存储模块203，处理模块201与设定模块202、存储模块203以及流量检测装置10、血泵驱动器30连接，其中：

设定模块202用于设定调控参数，调控参数包括经泵累加流量与转速间关系及转速调整步长Δn；

存储模块203用于存储调控参数，存储处理模块201从流量检测装置10接收的降主动脉流量数据，以及存储处理模块201计算出的转速数据、经泵累加流量数据，这些参数和数据用于供处理模块201调用；

处理模块201用于计算转速、经泵累加流量，以及调整用来驱动轴流式血泵40运行的转速，以使轴流式血泵40最终以最佳转速持续运行，其中，根据判断条件一和判断条件二，按照先基于转速调整步长Δn逐步增加轴流式血泵40转速，再基于二分法逐步减小轴流式血泵40转速的方式确定出最佳转速。

应用时，流量检测装置10的检测区域位于模块化主动脉内轴流泵的前方，也就是令血液先流经流量检测装置10的检测区域后再流经模块化主动脉内轴流泵。放置于此位置的原因在于，此处血液流动相比其它位置更平稳，更便于实现准确测量。

运行时，流量检测装置10实时测量降主动脉流量，控制器20基于调控参数、降主动脉流量数据等，借由血泵驱动器30，对轴流式血泵40的转速进行先增后减的平缓调整，以最终使轴流式血泵40保持在最佳转速上运行，从而防止转速过高导致心脏负担加重，避免二次加速对血液造成损伤等。

本发明还提出了一种用于模块化主动脉内轴流泵的转速调控方法，此方法用于控制和调节模块化主动脉内轴流泵内的各轴流式血泵40的转速，其中，各轴流式血泵40的转速保持一致。参考图1来理解，本发明转速调控方法包括如下步骤：

1)通过设定模块202设定经泵累加流量(即经过降主动脉内所有轴流式血泵40的累加血流量)与转速(即各轴流式血泵40的转速)间关系，以及转速调整步长Δn；

2)初始化计数参数i、j，即令i＝1，j＝1，i＝1，2，3，…，j＝1，2，3，…；

3)确定轴流式血泵40的初始转速n

4)通过流量检测装置10测量轴流式血泵40以初始转速n

5)针对轴流式血泵40的当前转速，按照转速调整步长Δn增加转速，增加后的转速记为n

6)基于经泵累加流量与转速间关系，确定轴流式血泵40以转速n

7)通过流量检测装置10测量轴流式血泵40以转速n

8)判断Q

9)通过二分法降低轴流式血泵40的转速，降低后的转速记为n

10)基于经泵累加流量与转速间关系，确定轴流式血泵40以转速n

11)通过流量检测装置10测量轴流式血泵40以转速n

12)判断Q

在实际实施中，每当控制器20或说处理模块201改变轴流式血泵40转速后，均向血泵驱动器30发出相关指令，以经由血泵驱动器30驱动轴流式血泵40实现转速的改变。

在这里，上述本发明转速调控方法主要由控制器20或说处理模块201来实现。

在实际实施时，当轴流式血泵40以最佳转速运行一段时间后，较佳地，需要再次执行本发明转速调控方法，以使轴流式血泵40能够根据患者身体情况的变化及时调整其最佳转速，从而将患者所受损害降低到最小。

较佳的方案是，经泵累加流量与转速间关系满足如下公式：

Q

式中，Q

相应地，在本发明中，Q

具体来说，建立模块化主动脉内轴流泵在患者降主动脉内工作的数值仿真模型，基于CFD计算法计算轴流式血泵40在不同转速下的经泵累加流量数据，通过体外测试实验验证数据准确性后，将数据绘制在转速一经泵累加流量坐标系上。然后将测得的各散点数据线性拟合为一条直线，从而基于此直线的斜率和截距计算出k、b。

举例：图2示出了基于CFD计算法得到的经泵累加流量与转速之间的散点数据图。此处需要说明的是，本例中，模块化主动脉内轴流泵包含3个轴流式血泵，即经泵累加流量代表经过3个轴流式血泵的流量之和，为显示清楚，将横坐标单位设为(×10

在实际实施时，轴流式血泵40的初始转速n

通过流量检测装置10测量轴流式血泵40启动前的降主动脉流量Q

根据经泵累加流量与转速间关系及降主动脉流量Q

式中，k、b分别为经泵累加流量与转速间关系中的比例系数、常数项。

当然，根据经验自行为初始转速n

在本发明中，二分法基于下式实现：

式中，n

在实际实施时，轴流式血泵40在脉冲宽度调制(PWM)方式驱动下改变转速运行。换句话说，处理模块201以PWM方式通过血泵驱动器30驱动轴流式血泵40改变转速运行。

具体来说，PWM方式是一种应用广泛的技术，其可以很好地用来控制电机(轴流式血泵)的转速。占空比越大，高电平在一个周期中的比值越大，电机的转速越快。因此，通过PWM输出不同的模拟电压，就可以使电机达到不同的输出转速。

本发明的优点是：

本发明无需另外设置传感器即可确定经泵累加流量，并且能够精准调控轴流式血泵的转速，使轴流式血泵基于患者身体情况调整至最佳转速运行，发挥最佳血流动力学支持效果，从而防止转速过高导致心脏负担加重，避免二次加速对血液造成损伤等，最大限度减少对患者造成的附加伤害。本发明调控精度高，调控过程缓和、无突增突降，对患者友好。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。