一种可内置的全人工心脏制造技术

本发明专利技术提供一种可内置全人工心脏，包括固定单元、控能单元、动力单元和流向控制单元，其中动力单元为由交变电压驱动的柔性蠕动泵。固定单元为刚性结构用于固定控能单元、各个动力单元和流向控制单元。流向控制单元内含有流向控制单元门用以控制流体的流向。控能单元输出可变频率和波形的交变电压控制动力单元，满足人体各种不同需求。本发明专利技术经过简单改造还可用作辅助人工心脏。本发明专利技术借助驱动薄膜材料省去了繁杂的机械结构，极大的降低了人工心脏的能耗，使全人工心脏得以完全内置，降低了使用和维护成本。同时大大的降低了人工心脏工作时的噪音，提高了人工心脏的舒适性。另一方面独特的结构设计对部分传统心血管疾病有一定的辅助治疗作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物医学工程领域，具体涉及一种交变电压驱动的囊状介电高弹体薄膜制作的可内置的全人工心脏。
技术介绍
人类死因以心脏病居首位。心脏疾病的治疗非常困难，当前除心脏移植以外难以有根治心脏病的治疗方法。在人体心脏因病损而部分或完全丧失功能而不能维持全身正常血液循环时，可移植一种用人工材料制造的机械装置以暂时或永久地部分或完全代替心脏功能、推动血液循环，这种装置即人工心脏。部分替代人体心脏功能的称为辅助人工心脏，全部替代人体心脏功能的称为全人工心脏。辅助人工心脏只能够分别替代一个心房或一个心室。在心脏功能完全衰竭的情况下只能通过移植全人工心脏来拯救患者。传统的人工心脏均采用机械结构驱动，复杂的机械结构（例如电机、齿轮传动机构、弹簧、铰链、螺钉、螺栓等）无法避免地需要使用电机作为驱动器，不仅体积大，易产生机械疲劳，而且能耗高，需要外部持续的能量供给，同时电机本身能耗高、驱动时噪音大，用户使用时舒适性很差。另一方面人工心脏对安全性、可靠性要求非常高，而传统人工心脏的机械结构往往由于使用年限的问题，故障率逐年升高，增加了使用的风险以及术后的维护保养费用。大多数传统的全人工心脏都采用外置或者部分外置的方式，外置的人工心脏或其部件无法避免的会对人的生活造成很大的影响。并且外置的人工心脏对手术者的技术要求较高，手术风险较大。例如装置在穿过皮肤的耦连区域容易出现局部感染，进而导致相关的并发症诸如上行感染、皮肤溃疡等。并且，传统的全人工心脏为一体化结构，当某一部分（例如某个心房或心室）损坏后就必须更换整个全人工心脏，不仅成本高，而且移植时危险系数也高。因此，目前急需一种低能耗、低噪音、高经济性、高可靠性可完全内置的全人工心脏。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可内置的全人工心脏。本专利技术针对传统人工心脏机械结构复杂，高体积占用，高能耗，高噪音等问题，使用智能软材料作为驱动器及人工心脏本身，大大简化了结构，降低了能耗、噪音与占用体积。由于去除了复杂的机械结构（例如电机，齿轮传动机构、弹簧、铰链、螺钉、螺栓等），解决了传统人工心脏的生物相容性问题。全人工心脏采用了4个动力单元，通过固定单元以并联和串联两种形式的组合连接成整体，满足结构紧凑的要求，便于与身体的血管（例如肺动脉，静脉等）相连。结合控能单元的特定控制模式下，4路电压输出，每一路采用一定波形、频率的电压控制，4路协同工作，完成全人工心脏的所有功能。此外，单个动力单元也可以在控能单元作用下独立完成心房或者心室的工作，因而简化版的全人工心脏可用作辅助人工心脏。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提出一种可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的全人工心脏可放置于生物体的体内，所述的全人工心脏包括固定单元、控能单元、4个动力单元和至少4个流向控制单元，其中：所述动力单元是由交变电压驱动的囊状介电高弹体薄膜，所述的动力单元可分别单独用作心房或心室；所述的动力单元中的两个动力单元通过第一流向控制单元相连接构成右心房与右心室，并通过第二流向控制单元与肺动脉相连接；另外两个动力单元通过第三流向控制单元相连接构成左心房与左心室，并通过第四流向控制单元与主动脉相连接；固定单元用于固定控能单元、各个动力单元和流向控制单元；所述控能单元给所述的流向控制单元、动力单元提供能量，所述的控能单元输出交变电压用于控制每个动力单元独立运行以产生循环动力，所述交变电压的频率与生物体的心跳频率对应。进一步地，所述的控能单元内含有传感器，可以监测心脏内的血液流量和血液中的含氧量，当血液中的流量或者含氧量急剧减小时，低于控能单元中的程序中的预设值，通过负反馈装置，控能单元应能迅速做出反应改变输出波形，控制动力单元，增加单位时间内的血液供应，而一旦血氧含量超过正常值时，控能单元则发出信号降低血液供应，减少血液中的氧气含量，以免造成人体器官损伤。同时在日常生活中，控能单元能监测人体中的血氧情况，可以监测全人工心脏的工作状态，保证全人工心脏的正常运行，一旦全人工心脏出现工作性能下降或者工作异常可以及时通知患者并更换全人工心脏受损部件，保证患者健康。进一步地，所述的全人工心脏还包括外部背包，所述外部背包用于对所述的全人工心脏供能、通信、监测与控制。本专利技术所述的每个动力单元在控能单元的调控下可以单独完成心房或心室的功能，可以分别单独用作左心房、左心室、右心房、右心室，在全人工心脏的工作过程中，单独的某个心房或心室出现故障，可以单独更换。同时动力单元可被独立控制，四个动力单元在统一的控能单元的协同控制下完成全人工心脏的工作。除此之外，采用独立控制模式（分布式控制模式），可以有效提高全人工心脏的工作稳定性，例如某一单元的驱动能力达不到正常要求的时候，其他单元可短时提高功率完成全人工心脏功能，为后期更换提供一定的缓冲时间。这个一点是传统采用机械结构的全人工心脏不具有的，例如CN201010158310.8采用单一的外置驱动单元，一旦失效给于救援的时间非常短，人脑供血不足，几分钟后便出现脑死亡。所述的固定单元用于固定控能单元、各个动力单元和流向控制单元，通常为高模量的材料，例如金属、高模量塑料、高模量的橡胶，一般而言，高模量是指材料的拉伸模量，大小应为10MP以上。高模量应足以保护结构在动力单元工作时不产生大的功能失效行为，例如结构失稳导致人工心脏产生大的非对称变形从而导致结构破裂，用以支撑动力单元。固定单元的结构可以为框架结构或者为壳体结构，将动力单元包裹在内，对动力单元起到支撑作用，使其在变形过程中结构相对稳定。采用框架结构，可以减少动力单元的材料消耗。作为优选，固定单元的材料为医用金属材料，更优选的，可选择钛合金。所述交变电压的频率基本覆盖大多数生物体（鸟类，哺乳类、爬行类、鱼类）的心跳频率范围，可以为3～500/min。所述交变电压还可以被调制成特定的波形、频率和幅值大小，波形表达式可以表述为：(k=1,2,3,······)，其中为常数，k为波数与频率f存在以下关系，l为半波长，ak，bk为系数并决定波形的振幅，t为时间，根据需要，可以调节以上参数的数值，从而产生需要的波形以及幅值。特别的，波形可以选正弦波、方波、和三角波中的任意一种或任意多种，用以满足全人工心脏各种情景模式下的需求，例如人体睡眠时的心脏运动趋于缓慢，而当人体激烈运动时，心脏运动明显加快，此时应当增大波数k的值，提高单位时间内的供血能力，此时全人工心脏应当满足不同的驱动要求自动调整控制模式。所述的动力单元中的两个动力单元通过第一流向控制单元相连接构成右心房与右心室，并通过第二流向控制单元与肺动脉相连接；另外两个动力单元通过第三流向控制单元相连接构成左心房与左心室，并通过第四流向控制单元与主动脉相连接。通过这样的连接使血液先从右心房流向右心室再流向肺动脉、肺静脉最后到达左心房，完成肺循环；再使血液从左心房流向左心室再流向主动脉、体静脉最后到达右心房，完成体循环。所述的全人工心脏采用了4个动力单元，并被分为两组，每组内通过含有流向控制单元的连接单元串联起来，同时两组通过固定单元并联，满足结构紧凑的要求，也便于和身体的血管（例如肺动脉，静脉等）相连。最后在控能单元的专用控制模式调控下，完成全人工心脏的所有功能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的全人工心脏可放置于生物体的体内，所述的全人工心脏包括固定单元、控能单元、4个动力单元和至少4个流向控制单元，其中：所述动力单元是由交变电压驱动的囊状介电高弹体薄膜，所述的动力单元可分别单独用作心房或心室；所述的动力单元中的两个动力单元通过第一流向控制单元相连接构成右心房与右心室，并通过第二流向控制单元与肺动脉相连接；另外两个动力单元通过第三流向控制单元相连接构成左心房与左心室，并通过第四流向控制单元与主动脉相连接；固定单元用于固定控能单元、各个动力单元和流向控制单元；所述控能单元给所述的流向控制单元、动力单元提供能量，所述的控能单元输出交变电压用于控制每个动力单元独立运行以产生循环动力，所述交变电压的频率与生物体的心跳频率对应。

【技术特征摘要】
2015.12.02 CN 201510869434X1.一种可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的全人工心脏可放置于生物体的体内，所述的全人工心脏包括固定单元、控能单元、4个动力单元和至少4个流向控制单元，其中：所述动力单元是由交变电压驱动的囊状介电高弹体薄膜，所述的动力单元可分别单独用作心房或心室；所述的动力单元中的两个动力单元通过第一流向控制单元相连接构成右心房与右心室，并通过第二流向控制单元与肺动脉相连接；另外两个动力单元通过第三流向控制单元相连接构成左心房与左心室，并通过第四流向控制单元与主动脉相连接；固定单元用于固定控能单元、各个动力单元和流向控制单元；所述控能单元给所述的流向控制单元、动力单元提供能量，所述的控能单元输出交变电压用于控制每个动力单元独立运行以产生循环动力，所述交变电压的频率与生物体的心跳频率对应。2.根据权利要求1所述的可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的动力单元之间用含有流向控制单元的连接单元相连接。3.根据权利要求1或2所述的可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的全人工心脏还包括外部背包，所述外部背包用于对所述的全人工心脏供能、通信、监测与控制。4.根据权利要求1-3任一项所述的可内置的全人工心脏，其特征在于：所述的至少一个动力单元包含内部空腔。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛国勇，黄晓强，刘俊杰，曲绍兴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33