微型軸流式血泵外磁驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    摘要：微型軸流式血泵是目前人工心臟結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，外磁驅(qū)動(dòng)是一種新型的血泵驅(qū)動(dòng)方式。文中介紹了血泵外磁驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)該方案能夠產(chǎn)生雙向勵(lì)磁電流，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)血泵的外磁驅(qū)動(dòng)。

    關(guān)鍵詞：軸流式血泵  磁場(chǎng)  雙向電流  功率放大器

在人工心臟研究過(guò)程中，血泵驅(qū)動(dòng)能源的提供方式是人工心臟研究的關(guān)鍵問題之一[1][2]。目前的外磁驅(qū)動(dòng)方式采用體外旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)能源，并通過(guò)體外旋轉(zhuǎn)永磁體的旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)體內(nèi)永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。相比常規(guī)的能量傳遞方式，非接觸式磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)沒有任何經(jīng)皮導(dǎo)線，因而可避免內(nèi)外貫通，從而大大降低了感染機(jī)會(huì)，提高了病人的生活質(zhì)量。本文對(duì)這種驅(qū)動(dòng)方式中的外磁驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 血泵工作原理及交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生

1.1 磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)軸流式血泵工作原理

植入式血泵的驅(qū)動(dòng)一般都采用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，主要原理是：利用體外的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)血泵內(nèi)永磁體（血泵葉輪部分）的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到無(wú)接觸驅(qū)動(dòng)。

外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)軸流式血泵系統(tǒng)吸取并融合了機(jī)械心臟瓣膜和“軸流式”血泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了動(dòng)脈腔 內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及植入方法，從而大大簡(jiǎn)化了植入部分的結(jié)構(gòu)。血泵系統(tǒng)腔內(nèi)部分的工作原理采用了與軸流泵葉輪相同的機(jī)制，而驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生則通過(guò)體外可控交變磁場(chǎng)穿透人體和主動(dòng)脈壁來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)脈腔內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”，以實(shí)現(xiàn)非接觸式動(dòng)力傳遞，從而避免了密封，滲漏以有人體排異性等一系列傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)難以克服的工程和醫(yī)學(xué)上的困難。該方案將產(chǎn)生交變驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng) 的“定子”置于體外，故應(yīng)通過(guò)傳感器采集相應(yīng)的人體自身信號(hào)和周圍環(huán)境信號(hào)，并在驅(qū)動(dòng)控制裝置的控制下，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕蛔兇艌?chǎng)向體內(nèi)傳遞給渦輪的葉輪。在驅(qū)動(dòng)力的持續(xù)帶動(dòng)下，血泵可不斷將血液由左心室腔提升到主動(dòng)脈腔，以達(dá)到心臟輔助的目的。其工作原理示意圖如圖1所示。

1.2 交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法

交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生采用勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)法，它利用電機(jī)的工作原理將徑向充磁的永磁轉(zhuǎn)子作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，在永磁體外按90o方向纏繞兩組線圈，通過(guò)可變頻脈沖電路分時(shí)驅(qū)動(dòng)不同的線圈組，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。其系統(tǒng)工作原理示意圖如圖.

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)原理

血泵驅(qū)動(dòng)電路包括占空比為50%的方波形成電路、雙向勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)電路以及雙向勵(lì)磁電流功放輸出電路等，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    2.2 方波形成電路[3]

方波形成電路由555振蕩器構(gòu)成。圖4是由555構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生方波脈沖的電路圖。圖中當(dāng)R1=R2，C=10μF時(shí)，其占空比為50%。

2.3 雙向勵(lì)磁電流電路

該血泵驅(qū)動(dòng)電路采用單電源供電方式，從而避免了實(shí)際應(yīng)用中采用多電源所帶來(lái)的方便，并大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。占空比為50%的方波經(jīng)過(guò)4013觸發(fā)器分頻可實(shí)現(xiàn)兩組線圈作用時(shí)間的均勻分配，雙向勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)電路是血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它將一路方波電壓變成具有差分功能的控制電壓，這兩路控制電壓就是產(chǎn)生雙向勵(lì)磁電流的驅(qū)動(dòng)電壓。圖5給出了雙向勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)部分的電路原理圖以及電路中各點(diǎn)的電壓波形。

通過(guò)圖5中電阻和電容組成的延時(shí)積分電路可防止b、c點(diǎn)輸出電壓波形中出現(xiàn)毛刺。將b、c兩點(diǎn)的電壓波形同時(shí)加到兩個(gè)具有倒相功能的電流功放中進(jìn)行V/I變換，就可以在繞阻線圈中得到圖2所示的雙向勵(lì)磁電流。

2.4 功率放大電路[4]

功率放大器電路原理圖如圖6所示。該放大器由LF347和OPA552及一些電阻組成。其中LF347與R1、R2、R3、R4、R5構(gòu)成差動(dòng)輸入減法運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)K1=R2/R1Uo= - 2（U1-U2）。OPA552與R6、R7、R8、RW1構(gòu)成了功率放大電路，其放大倍數(shù)K2可調(diào)，K2=（R7+RW1）/R6。該功率放大電路的總放大倍數(shù)為K=K1K2，放大器輸出電壓為：

Uout=K(U1-U2)

其中：K為增益，Uout是加在電動(dòng)機(jī)兩端的電樞電壓。實(shí)際上，當(dāng)U。為正值時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)U。為負(fù)值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。LF347和OPA552分別由±12V和±24V電源供電。

3 實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生方法和驅(qū)動(dòng)電路的可行性，筆者制作了驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖7所示。其中，轉(zhuǎn)子由高強(qiáng)度磁能極稀土永磁材料制成，它有一對(duì)磁極，磁場(chǎng)方向?yàn)閺较?，直?5mm,高度45mm，支架采用非導(dǎo)磁材料做成，電源為直流30V可調(diào)。

當(dāng)系統(tǒng)為電機(jī)提供的輸出電壓為12V，電流為500mA時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)用光電測(cè)速儀測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1000轉(zhuǎn)/分。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)2小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電路未發(fā)生發(fā)熱、燒損現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本研究實(shí)驗(yàn)表明，采用勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)法來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)是可能的。相比傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種方法有著獨(dú)特的優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，外磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫升仍然很小，從而避免了傳統(tǒng)方法中因?yàn)闇厣^(guò)大而引起的電機(jī)損壞。

    由于本方所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能夠產(chǎn)生雙向勵(lì)磁電流，從而避免了電機(jī)換向帶來(lái)的麻煩，簡(jiǎn)化了電路，提高了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率效率；同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可以改變輸出脈沖的頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，同時(shí)也使整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。