下一代全人工心脏制造技术

一种全人工心脏系统，包括：耦合到（或能够耦合到）人心脏的腔室或血管的至少一个人工心室和耦合到人工心室的至少一个驱动系统，该驱动系统包括至少一个植入的电动机。该驱动系统使人工心室收缩和扩张。使人工心室收缩和扩张。使人工心室收缩和扩张。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】下一代全人工心脏


[0001]本文描述的主题涉及用于便携式致动电动马达驱动的人工心脏的装置、系统和方法。

技术介绍

[0002]心脏是驱动人类和其他生物的心血管系统的肌肉。作为一个泵，心脏将血液输送到全身，以提供氧气、营养、激素并清除废物。血液在人体中沿着两条独立的路径，即所谓的肺循环回路和体循环回路。在肺回路中，心脏首先将血液泵入肺部以释放二氧化碳并结合氧气，然后再返回心脏。因此，含氧血液不断地供应到心脏。在两者中较长的体循环回路中，心脏将含氧血液泵入身体其他部位，以供应氧气并去除二氧化碳，二氧化碳是在全身中进行的代谢功能的副产物。心脏通过其壁的有序肌肉收缩产生的脉冲向两个回路供应血液。
[0003]为了保持血液通过这两个独立的循环回路，人的心脏具有成对工作的四个不同的腔室。如图1所示，心脏10包括右心房12、右心室14、左心房16和左心室18。右心室和左心房这一对腔室直接连接到肺回路。在其中，来自身体的脱氧血液从右心室14被泵送到肺部，在那里它被氧合，然后被泵回左心房16。
[0004]在体回路中，另一对腔室将含氧血液泵送通过身体器官、组织和骨骼。血液从左心房16(从肺流向左心房)移动到左心室18，左心室18又将血液泵送到全身并一直回到右心房12。然后血液流向右心室14，在那里重复循环。在每个回路中，血液通过心房进入心脏并通过心室离开心脏。
[0005]因此，心室14、18基本上是两个单独的泵，它们一起工作以使血液移动通过两个循环回路。四个止回阀控制心脏内的血液流动并防止在错误的方向上流动。三尖瓣20控制血液从右心房12流入右心室14。类似地，二尖瓣22控制血液从左心房16流入左心室18。两个半月瓣(肺半月瓣24和主动脉半月瓣26)分别控制离开心脏流向肺和体回路的血流。因此，在每个完整的循环中，血液由右心室14通过肺半月瓣24泵送至肺并返回至左心房16。然后血液通过二尖瓣22流至左心室18，左心室18转而通过主动脉半月瓣26将其泵送至全身并返回右心房12。最后，血液通过三尖瓣20流回右心室14，并重复循环。
[0006]当心肌挤压每个心室时，它充当对血液施加压力的泵，从而将血液推出心脏并通过身体。血压是心脏功能的指标，是在心肌收缩和放松时测量的。所谓的收缩压是，当心脏左心室收缩迫使血液通过体循环回路中的动脉时，血液对动脉壁施加的最大压力。所谓的舒张压是，左心室放松并重新充满血液时，血管壁上的最低压力。健康的血压被认为是大约120毫米的水银收缩压和80毫米的水银舒张压(通常表示为120/80)。
[0007]因为循环系统的功能是服务于所有身体组织的生物需求(即，将营养物质输送到组织，将废物运走，将激素从身体的一个部位分配到另一个部位，以及通常地，为了组织细胞的最佳功能和存活维持适当的环境)，血液被心脏循环的速率是其功能的一个关键方面。心脏有一个内置机制(所谓的Frank
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Starling机制)，无论流入多少血液，该机制都允许它自动泵出。根据人所从事的活动，健康人体中的这种心输出量可以从大约4升到大约15升每
分钟(LPM)变化，心率可以从大约50跳到大约180跳每分钟变化。
[0008]多年来已经开发了数种人工设备来补充或替代患者的衰竭心脏的功能。其中包括由公司和研究机构(例如柏林心脏研究所、宾夕法尼亚州立大学、犹他大学、克利夫兰诊所基金会、Perkinje大学(位于捷克斯洛伐克布鲁诺)、东京大学、索拉泰克公司(Thoratec Corporation)、阿比奥梅德公司(Abiomed Inc.)、Novacor和新姆宾公司(Symbion Inc.))开发的设备。通常，这些人工设备由旨在复制人体左右心室所需的泵送功能的泵组成。这些泵的一种致动方法是通过外部机构的气动作用。例如，参见美国专利第4,611,578和5,766,207号。压缩空气的周期性脉冲以所需的压力和心输出速率驱动泵。可以在脉冲之间施加适度的真空，以允许心室更快速地再填充流自相应心房的血液。
[0009]迄今为止用于驱动所有人工心脏的气动驱动器很笨重，不足以为患者提供任何程度的独立活动性。他们使用了压缩机、真空泵和与电动阀相连的空气罐，所有这些都导致了一个只能用轮子并且需要相当大的努力才能运输的大而重的装置。因此，在过去的二十年中，已经进行了许多尝试来为这些设备生产便携式驱动器。然而，由于所需功能和生产其所需硬件的复杂性，气动心脏驱动器仍然体积庞大，需要经常维护，并且经常提供与它们打算替换的较大驱动器的性能不匹配的空气脉冲。即使在目前达到的大约15磅的重量和大约0.7立方英尺的尺寸下，气动驱动器仍然很笨重，并且对于由人工心脏维持生命的患者来说基本上是不便携的。
[0010]本质上，便携式驱动器需要是可靠的、耐用的、易于使用并且设计足够简单从而是负担得起的。不幸的是，这些要求中的每一个都导致设计的复杂性，这反过来又导致设备不够小和轻量，无法在患者手中进行管理。此外，至关重要的是，气动驱动器必须能够在人工心脏的左心室和右心室之间提供正确的压力平衡，以确保无论操作速度如何，肺回路和体回路都有适当的操作压力。通常，这要求驱动器能够操作以保持平均约9mmHg的右心房压力、约35mmHg的平均肺动脉压力、约10mmHg的左心房压力和约95mmHg的平均主动脉压力。
[0011]迄今为止，这种向人工心脏设备的左右腔室(心室)提供不同操作压力的需要还未被适用于便携式驱动器的简单设计满足。例如，在美国专利第4,611,578号中描述的血液泵包括一种配置，其中一个共同气缸中的两个往复式活塞可以交替操作以提供冗余，或独立地操作以致动两个单独的气动血液泵。该专利没有解决这个问题，但它描述了一个复杂的控制系统，按理说可以用来为人工心脏的每个腔室提供正确的操作压力。然而，尽管被描述为便携式的，该设备的复杂和多组件结构必然需要相对重和大的装置。市售模块重约25磅，体积约为0.6立方英尺。
[0012]美国专利第5,766,207号描述了另一种用于心室辅助设备的便携式气动驱动器，该驱动器也可用于人工心脏。该专利技术的单个泵可用于驱动人工心脏的两个心室，但只能以相同的压力和体积流量驱动。因此，即使经过改进以满足便携式人工心脏驱动器的其他要求，该设备也不适合作为当前使用的固定模块的替代品。
[0013]在一个或多个更轻的选项中，系统可包括重约十五(15)磅的便携式外壳，并包括一个或多个用作气动系统驱动器的压缩机。由于这种布置涉及通过管将空气脉冲推入和推出人工心脏，因此会发生高流体和/或背压损失，从而导致电池寿命有限(即，由于压缩机消耗的高安培数或电流)。例如，在一个或多个系统中，设备运行大约2小时后，电池需要更换或充电。此外，患者需要携带该系统，这限制了患者可能进行的活动，因为至少一只手或手
臂必须携带该系统。这样的系统还可能包括数百个单独的部件，这可能会对系统的可靠性产生影响。此外，为了模仿血液的位移，需要确定通过系统的体积气流(其本身存在不确定性)。
[0014]其他系统使用叶轮(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种全人工心脏系统，包括：至少一个人工心室，其被配置为连接至肺动脉、心脏血管和心室中的至少一个；至少一个驱动系统，其连接到至少一个人工心室并配置成使至少一个人工心室收缩和扩张包括至少一个电动机的至少一个驱动系统；和至少一个电源，其电耦合至至少一个电动机，其中至少一个人工心室和至少一个驱动系统被配置为植入患者的胸腔中。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个人工心室包括右人工心室，所述右人工心室被配置为连接至肺动脉；所述系统还包括左人工心室，其被配置为连接到左心房；第一驱动系统，其连接到右人工心室，第一驱动系统包括第一植入的电动机；和第二驱动系统，其连接到左人工心室，第二驱动系统包括第二植入的电动机。3. 根据权利要求1所述的系统，还包括以下中的一个或多个：a）第一导线，其将第一植入的电动机连接到外部电源；和第二导线，其将第二植入的电动机连接到外部电源，所述系统可选地进一步通过以下特征中的一个或多个来表征：i）其中外部电源优选地在患者身体外部，并且其中右人工心室、左人工心室、第一驱动系统和第二驱动系统中的每一个在患者身体内部；ii）其中第一导线的一部分在患者身体内部，并且其中第一导线的一部分在患者身体外部；iii）其中第一驱动系统包括定子组件，所述定子组件包括至少一个壳体，其中第一驱动系统还包括设置在定子组件的至少一个壳体周围的转子凸轮，其中转子凸轮电耦合到定子组件，并且可选地进一步包括机械连接到定子组件和转子凸轮的凸轮从动件，其中转子凸轮优选地用作凸轮和从动件系统中的凸轮以及电动机组件中的转子，和/或其中转子凸轮包括至少一个永磁体，其中转子凸轮、定子组件和凸轮从动件中的至少一个优选地涂有涂层，其中所述涂层优选地包括至少一种生物相容性材料，特别是分段聚氨酯溶液、硅橡胶、热塑性弹性体（TPE）、聚氯乙烯（PVC）中的至少一种；iv）其中右人工心室和左人工心室中的至少一个包括分段聚氨酯溶液、硅橡胶、热塑性弹性体（TPE）和聚氯乙烯（PVC）中的至少一种；v）其中第一植入的电动机和第二植入的电动机中的至少一个包括无刷直流（BLDC）电动机；和vi）其中，所述至少一个驱动系统包括至少一个凸轮和从动件系统，并且可选地，进一步包括：外部电源；和将至少一个植入的电动机与外部电源耦合的至少一个导线，其中外部电源优选地包括允许患者调节全人工心脏系统的心输出量的控制界面。4.根据权利要求1所述的系统，还包括以下特征中的一个或两个：（A）至少一个隔膜，其限定了至少一个人工心室和至少一个驱动系统之间的边界，其中，在心室侧，所述至少一个隔膜被配置为接触人体血液，和其中，在驱动系统侧，所述至少一个隔膜被配置为接触空气；和
（B）电子设备，包括：至少一个显示屏；应用软件，其用于跟踪至少一个全人工心脏的活动；和至少一个通信模块，其被配置为在电子设备和耦合到至少一个全人工心脏的移动电源之间无线通信至少一个数据参数，可选地由以下特征中的一个或多个表征：（i）其中从移动电源传输到电子设备的至少一个数据参数显示在至少一个显示屏上；（ii）其中所述至少一个数据参数包括植入至少一个全人工心脏的至少一名患者的心率和血压中的至少一个；（iii）其中至少一个数据参数包括耦合至移动电源的至少一个电池的电池充电水平和剩余寿命中的至少一个；（iv）其中所述至少一个数据参数包括以下中的至少一个：其中植入了至少一个全人工心脏的至少一名患者的右心室血容量；其中植入了至少一个全人工心脏的至少一名患者的左心室血容量，至少一个全人工心脏的运行模式，以及至少一个全人工心脏的运行状态；（E）其中电子设备与安装有应用软件的第二电子设备通信。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个驱动系统包括：定子组件；转子凸轮，其机械地和电气地耦合到定子组件；和凸轮从动件，其机械地连接到定子组件和转子凸轮，所述系统进一步通过以下特征中的一个或多个来表征：（A）至少一个弹簧，其将凸轮从动件连接到定子组件，其中定子组件优选地包括具有成形横截面的壳体；其中凸轮从动件包括具有匹配壳体的成形横截面的成形横截面的轴，其中壳体和轴中的每一个的成形横截面包括三角形横截面、正方形横截面、椭圆形横截面、五边形横截面、六边形横截面和矩形横截面中的至少一个，并且其中轴设置在壳体内；其中，轴优选地构造成在壳体内纵向地移动；并且其中壳体可选地包括设置在壳体内的至少一个阻尼器；（B）其中转子凸轮包括：中心孔，其围绕转子凸轮的中心线同心；和斜坡，其围绕中心孔径向地设置，其中所述斜坡（i）优选地包括至少一个下降部，其优选地包括一个倾斜部分，并且可选地包括设置在倾斜部分和下降部之间的平坦部分；和/或（ii）其中凸轮从动件优选地包括至少一个齿，其朝向转子凸轮延伸并与斜坡的至少一个部分接合；（C）其中转子凸轮包括钕铁硼（ND
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Fe
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B）、铁、钴、钐钴（SM
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Co）、铝、铝镍钴合金、粘结的Nd
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Fe
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B、磁铁矿、陶瓷（硬铁氧体）、铁氧体、钆、一种或多种稀土元素、锶、钡和氧化铁（III）；（D）还包括设置在定子组件和凸轮从动件中的至少一个内的至少一个接近传感器；其中，至少一个接近传感器检测凸轮从动件相对于定子组件的位置；（E）还包括至少一个压力传感器，其设置在定子组件和转子凸轮中的至少一个上；（F）其中转子凸轮包括中心孔，其中定子组件包括圆柱形壳体，并且其中圆柱形壳体设
置在中心孔内，使得转子凸轮围绕圆柱形壳体并在圆柱形壳体径向外侧延伸；并且可选地，进一步包括围绕圆柱形壳体的顶部设置的保持边缘，其中保持边缘允许转子凸轮围绕圆柱形壳体旋转，以及其中，保持边缘防止转子凸轮纵向地平移；和（G）其中定子组件包括圆柱形壳体，其中转子凸轮围绕圆柱形壳体设置，并且其中转子凸轮围绕圆柱形壳体的旋转导致凸轮从动件的高度变化，其中凸轮从动件优选地耦合到至少一个人工心室，并且其中凸轮从动件的高度变化使至少一个人工心室收缩或扩张。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个驱动系统包括：至少一个定子组件；至少一个转子凸轮，其连接到至少一个定子组件；至少一个凸轮从动件，其连接到至少一个转子凸轮；和至少一个人工心室，其耦合至至少一个凸轮从动件，其中至少一个凸轮从动件的高度变化引起至少一个人工心室的扩张，其中至少一个人工心室的扩张幅度优选地与至少一个转子凸轮的旋转速度成反比。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个电动机包括：内定子壳体；多组绕组，其设置在内定子壳体的径向外侧；外定子壳体，其设置在多组绕组的径向外侧；和转子，其设置在外定子壳体的径向外侧，所述电动机可选地通过以下特征中的一个或多个来表征：（A）其中电动机包括无刷直流（BLDC）电动机；（B）还包括至少一个霍尔传感器；（C）其中所述多组绕组包括至少六（6）组绕组；（D）其中多组绕组中的每一组绕组包括一个或多个纵向对齐的导电线圈导线；（E）其中内定子壳体包括六角形壳体；以及其中外定子壳体包括圆柱形壳体；和（F）其中转子包括至少一个永...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修，
申请(专利权)人：辛卡迪亚系统公司，
类型：发明
国别省市：