用于确定血液泵的操作参数的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于确定特别是用于估计血液泵(1)的操作参数的方法，所述血液泵(1)包括引导血液的转子(5)，其中确定泵的彼此独立的至少一个第一操作参数和一个第二操作参数的行为变化，并且其中在确定流过泵的流量和/或泵两端的压力差和/或血液粘度时考虑所述至少第二操作参数的所确定的行为变化。执行用于已知量的动态模型的建模，并且使用利用了卡尔曼滤波器的估计方法。

A Method for Determining the Operating Parameters of Blood Pumps

The present invention relates to a method for determining operating parameters, in particular for estimating the operating parameters of a blood pump (1), which includes a rotor (5) that guides blood, in which the behavioral changes of at least one first operating parameter and one second operating parameter independent of each other of the pumps are determined, and which are taken into account in determining the flow through the pump and/or the pressure difference and/or blood viscosity at both ends of the pump. The behavioral changes determined by at least the second operating parameter are described. Modeling of dynamic models for known quantities is performed, and an estimation method using Kalman filter is used.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定血液泵的操作参数的方法本专利技术属于电气工程领域，并且可以特别有利地应用于医疗技术中。近年来，可以用于患有暂时性或永久性心脏病的患者以便支撑心脏或者在极端情况下用作不再起作用或功能不良的心脏的替代品的血液泵特别是心脏泵的研发已经越来越成功。这种泵可以具有不同的操作原理。转子泵类型特别普遍，在转子泵类型中，借助于驱动器驱动而旋转的转子在输送通道内沿轴向或径向引导血液。在这种血液泵中，存在以最小的手段获得关于产生的血液流的精确数据的问题。这里感兴趣的典型数据集是血液流，即，流过泵的体积流量、泵两端的压力差和血液粘度。这些量通常借助于单独的传感器以最简单的方式测量，这些传感器确实可用，但成本高。相比之下，泵的操作参数大多以相对简单的方式可用。因此，从现有技术中已知用于从这种泵的操作参数获得关于血液流的信息的方法，该泵通常是电驱动的。例如，WO2013/003370A2公开了一种方法，在这种方法中，检测转子转速的变化并且在此基础上获得关于血液流的信息。特别地，可以以这种方式获得关于所支撑的心脏的脉动、剩余心输出量的信息。WO2011/063994A1公开了一种方法，在这种方法中，泵的转子被激励以执行振荡运动，从而通过借助于谐振器的模型的分析获得关于血液粘度的信息。然而，大多数已知的方法是在稳定状态的前提下以通过特性曲线静态描述的状态为基础的，即例如泵转速、泵的驱动功率和作用在沿轴向引导血液的转子上的力或相似量的相关性。这种方法的弱点一方面是血液粘度本身很难确定并且必须借助于对患者进行单独的干预来相应地进行测量的事实，并且这种模型不能使得可以描述泵在变化或转换状态下的行为。然而，这些状态对于获得关于剩余心脏功能的信息特别有用。剩余心脏功能是自然脉动，因此导致泵上的物理负荷发生快速变化。在现有技术的背景下，本专利技术的目的是提供一种用于确定血液泵的操作参数的方法，该方法还可以在操作参数连续变化时使用。该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。权利要求2至12描述了本专利技术的其它方面。通过根据权利要求13的血液泵装置进一步实现该目的，其中从属权利要求14和15限定了这种血液泵装置的实施方式。因此，本专利技术涉及一种用于确定特别是用于估计血液泵的操作参数的方法，该血液泵包括输送血液的转子，其中确定泵的彼此独立的至少一个第一操作参数和一个第二操作参数的行为变化，并且其中在确定流过泵的流量和/或泵两端的压力差和/或血液粘度时考虑至少两个所述操作参数的所确定的行为变化。由于对于至少两个可检测的操作参数也可以连续地检测或确定随时间的速率变化，与现有技术相比，可以选择使用互相连接的独立微分方程的动态模型(每个微分方程都描述多个泵参数的动态依赖性)来以类模型的方式描述(model-likedescription)血液泵。因此，这种模型可以应用于动态，即泵的转换或变化状态。检测到的操作参数随时间的速率变化可以被直接测量或者通过连续检测操作参数本身来测量，可以通过计算差异在数学上来确定。为此，应选择适当的扫描速率。潜在的描述模型的示例将在下面进一步说明。例如，可以规定，至少测量泵的转速作为第一操作参数，并确定转速随时间的变化率。另外，还可以确定并考虑转速的二阶时间导数。例如，除了转子的转动惯量之外，血液粘度也对转子的加速度值有影响，因此相应的模型可以有助于血液粘度的确定。此外可以规定，在泵中，测量表示在轴向上作用在转子上的力的量特别是测量转子在轴向磁轴承中的轴向偏转作为第二操作参数，并且确定该量的行为随时间的变化。在轴向或轴向/径向上输送血液的泵转子通常安装在磁轴承中，使得在磁轴承的情况下，可以直接基于转子的轴向偏转来确定作用在转子上的轴向力。在主动控制的磁轴承(例如零力控制)的情况下，作用在转子上的轴向力可以由轴承位置和轴承电流强度确定。当例如通过使泵转子的转子轴与驱动马达的轴相同而直接集成在转子中时，轴向上的轴承位置与驱动马达的反电动势(电磁力)明显相关。在其它方面相同的条件下，轴向偏转会增加或减少反电动势。然而，在被动轴承的情况下，轴向轴承位置也可以通过位置传感器例如霍尔传感器测量。除了取决于转子的质量之外，转子在轴向上的加速度值还取决于血液粘度和血液流量的动态量，使得这些加速度值也与血液粘度产生相关性。另外，转子的轴向偏转的变化率也可以通过分析转子在轴向上的振动行为来确定。为此，已知各种方法，例如相对于干扰/激励之后的轴向振荡测量转子的固有频率，或者在利用特定功率输入进行强制振荡的情况下确定可实现的振荡幅度。此外可以规定的是，除了第一操作参数和第二操作参数及其行为变化之外，还测量转子的驱动功率，特别是借助于驱动马达电流强度且特别是额外地借助于通过磁轴承特别是轴向磁轴承的轴承线圈的电流强度来测量转子的驱动功率，并且在进行确定时考虑转子的驱动功率。如果由此测量了特别是基于驱动马达电流强度确定的转子驱动功率，测量了转速以及表示在轴向上作用在转子上的力的量，并且还同样地检测或确定了以上解释的类型的时间导数，则可以由此至少近似地求解产生这些量之间的相关性的彼此耦合的微分方程。为此，例如可以使用数值近似方法。使用估计方法系统地考虑测量不确定性和干扰因素似乎更有利。这意味着，为了使用这种估计方法(也称为状态观测器)，可以确定干扰因子，以便尽可能有效地实现成功的估计。这种干扰因素可以例如通过样本测量来确定或者通过参数化来定义。在参数化的情况下，例如可以选择参数组，执行估计，并且估计的量(泵流量、粘度和泵两端的压力差，例如使用临时使用的精确测量传感器执行)使用实际测量进行确定。例如，已经证明，如果在进行确定时考虑两个彼此耦合的微分方程和则是有利的。这里，J是转子的转动惯量；ω是转子的角速度；Im是马达电流强度；K是转矩常数；B是摩擦常数；并且fT是转子的负载力矩，其取决于转速和血液流量Q；m表示转子的质量；x是转子在轴承中的轴向偏转；μ是摩擦常数；Ki是当前刚度；Ib是主动控制磁轴承的轴承电流强度；kx是磁轴承的被动磁力；并且fx是轴向作用在转子上的力，并且其取决于转速、泵流量和泵两端的压力差H。另外，为了改善估计，还可以规定额外地考虑微分方程该微分方程描述了泵流量随时间的变化dQ/dt对转速ω、泵两端的压力差H以及取决于转速ω和泵流量的量fQ的依赖性。fQ是泵的流动阻力，其取决于泵流量和/或转速。至少一个常数，但在大多数情况下，来自三个所述微分方程的多个常数取决于粘度。函数fT、fx和fQ可以取决于粘度。另外或代替最后提到的微分方程，还可以规定测量转子的无刷马达的反电动势(电磁反馈)并且考虑微分方程，该微分方程描述了反电动势对轴向上的转子偏转、转速和驱动功率的依赖性。马达定子的电压函数可以描述如下：f(ω，x)是反电动势，R和L是线圈的电阻和电感，并且I是该线圈中的感应电流。已经证明特别有利的是，特别是使用卡尔曼滤波器，由估计方法确定作为微分方程的解的流过泵的流量和/或泵两端的压力差和/或血液粘度。所谓的卡尔曼滤波器，特别是扩展的或无迹的卡尔曼滤波器，描述了用于在考虑干扰因素的情况下估计例如所描述的动态模型的解的方法。这种卡尔曼滤波器可作为完成的软件模块使用，并且可以针对相应的应用进行适当的参数化。干扰因素也可以被表征，也就是说，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定特别是用于估计血液泵(1)的操作参数的方法，所述血液泵包括输送血液的转子(5)，其中，确定所述血液泵的彼此独立的至少一个第一操作参数和第二操作参数的行为变化，并且其中在确定流过所述血液泵的流量和/或所述血液泵两端的压力差和/或血液粘度时考虑至少两个所述操作参数的所确定的行为变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.29 EP 16176858.51.一种用于确定特别是用于估计血液泵(1)的操作参数的方法，所述血液泵包括输送血液的转子(5)，其中，确定所述血液泵的彼此独立的至少一个第一操作参数和第二操作参数的行为变化，并且其中在确定流过所述血液泵的流量和/或所述血液泵两端的压力差和/或血液粘度时考虑至少两个所述操作参数的所确定的行为变化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少测量所述血液泵的转速作为第一操作参数，并且确定所述转速随时间的变化率。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在具有输送血液(6)的转子(5)的泵中，测量代表沿轴向(6)作用在所述转子(5)上的力(轴向推力)特别是所述转子在轴向磁轴承(8)中的轴向偏转的量作为第二操作参数，并且确定该量随时间的行为变化。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，确定所述第二操作参数的一阶时间导数，特别是还确定二阶时间导数。5.根据权利要求1或随后的权利要求之一所述的方法，其特征在于，除了所述第一操作参数和第二操作参数及其行为变化之外，还测量所述转子(5)的驱动功率，特别是借助于驱动马达电流强度且额外地特别是借助于通过磁轴承(8)的轴承线圈的电流强度来测量所述转子(5)的驱动功率，并且在进行确定时考虑所述转子(5)的驱动功率。6.根据权利要求1或随后的权利要求之一所述的方法，其特征在于，在进行确定时考虑彼此耦合的两个微分方程和7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，另外还考虑微分方程8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量所述转子(5)的无刷驱动马达(5，25)的反电动势，并且考虑一微分方程，该微分方程描述所述反电动势对转速、驱动功率和轴向上的转子偏转的依赖性。9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其特征在于，通过估计方法特别是使用卡尔曼滤波器来确定作为所述微分方程的解的流过所述血液泵(1)的流量和/或所述血液泵两端的压力差和/或血液粘度。10.根据权利要求1或随后的权利要求之一所述的方法，其特征在于，选择性地改变所述转子(5)的电驱动功率和/或所述转子的轴承位置以便获得所述血液泵的动态反应。11.根据权利要求1或随后的权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定由于患者心脏的脉动和/或剩余的心脏活动而发生的血液流量和/或所述血液泵的操作参数的动态变化，以便在所述血液泵的动态反应期间检测第一操作参数和第二操作参数随时间的行为变化。12.一种用于确定特别是用于估计血液泵的操作参数的方法，所述血液泵包括输送血液的转子，在所述方法中，连续地检测所述血液泵的操作参数，其中至少检测所述转子的无刷驱动马达的反电动势(电磁力)、轴向上的转子偏转或代表该转子偏转的轴承电流、转子转速和驱动功率，使这些量基于一微分方程而相互联系，并且借助于估计方法使用卡尔曼滤波器来确定所述血液泵两端的压力差和/或流过所述血液泵的流量和/或血液粘度。13.一种用于确定特别是用于估计血液泵两端的压力差的方法，所述血液泵包括输送血液的转子，在所述方法中，连续地检测所述血液泵的操作参数，其中至少检测所述转子的无刷驱动马达...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·格兰艾格尔，R·施泰因格雷伯，J·F·克朗，
申请(专利权)人：柏林心脏有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE