陸通 葛斌 劉京京 張少偉 伍進(jìn)平 張宸
急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS)是臨床上比較常見(jiàn)的呼吸衰竭危急重癥,表現(xiàn)為頑固性低氧血癥、進(jìn)行性加重的呼吸困難和呼吸窘迫,病人死亡率高[1?2].體外膜肺氧合(Extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)技術(shù)作為ARDS重要的體外循環(huán)輔助治療方式,可以有效糾正低氧血糖癥,同時(shí)避免呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷[3?4].
ECMO包括泵血裝置和氧合裝置.目前ECMO使用的血泵有滾壓泵和離心泵,滾壓泵可提供搏動(dòng)的血流,但由于其產(chǎn)生的壓力極高,造成了較高的溶血性;而離心泵[5?6]具有對(duì)血液破壞相對(duì)較小,安全性高等特點(diǎn),但在其使用過(guò)程中又有其維護(hù)價(jià)格昂貴、對(duì)人員操作技術(shù)要求高等問(wèn)題;由于尺寸、能耗和穩(wěn)定性以及可植入方面的優(yōu)勢(shì),軸流式血泵[7?8]目前成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).由于以上血泵只能實(shí)現(xiàn)血液的一端進(jìn)一端出,而不能模擬心臟左右兩房室泵血;驅(qū)動(dòng)方式均為電磁力矩的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非生理性的流動(dòng)及對(duì)血細(xì)胞的剪切應(yīng)力[9],因此研究?jī)A向于左心室輔助裝置方向.
本文所設(shè)計(jì)的血泵基于磁體–線圈結(jié)構(gòu),通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得到該結(jié)構(gòu)應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)力大小,并由此確定工作電流大小;根據(jù)輸出電流的要求來(lái)計(jì)算和設(shè)計(jì)控制電路,并提出一種用于搏動(dòng)式電磁血泵的電控系統(tǒng).利用控制電路、加速度傳感器和示波器等搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)空載狀態(tài)下血泵的工作性能進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性,為改進(jìn)該血泵控制系統(tǒng)的方案和調(diào)整提供基礎(chǔ).本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新工作總結(jié)如下:
1)通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算與實(shí)驗(yàn),得到不同參數(shù)下磁體–線圈結(jié)構(gòu)磁力與兩者距離的關(guān)系曲線以及各因素對(duì)磁力影響的顯著性,并利用分析結(jié)果確定血泵的基本工作參數(shù).
2)根據(jù)血泵工作基本參數(shù)確定控制電路的輸出電流值,并設(shè)計(jì)控制電路.
3)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得到血泵工作時(shí)間與加速度波形參數(shù),利用上述參數(shù)設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證血泵工作的穩(wěn)定性與連續(xù)性.
本文所設(shè)計(jì)的搏動(dòng)式電磁血泵由類(lèi)似于心臟房室的血泵腔體、用于搏動(dòng)的磁體以及為磁體運(yùn)動(dòng)提供磁場(chǎng)的線圈組組成,各線圈依次緊密排列;腔體被磁體分割成兩個(gè)獨(dú)立空間(類(lèi)似于心臟的左右房室);磁體位于腔體內(nèi),當(dāng)磁體磁場(chǎng)方向與線圈磁場(chǎng)方向相同時(shí)磁體將受吸力,而靜止磁體的兩極在磁場(chǎng)中受力不平衡時(shí),磁體將沿著合外力方向運(yùn)動(dòng).此血泵即利用磁體往復(fù)運(yùn)動(dòng)擠壓腔體內(nèi)的血液實(shí)現(xiàn)泵血的功能.原理圖如圖1所示,圖中1為出入血口;2為線圈;3為磁體;4為泵體.
對(duì)于計(jì)算磁體–線圈模型之間的磁力,國(guó)內(nèi)一般采用有限元法得到[10];對(duì)于外文文獻(xiàn)[11?12],Robertson等總結(jié)的方法主要包括:“Filament method(線等效法)”、“Shell method(面等效法)”以及“Integral method(積分法)”等方法.由于本文是磁體與線圈之間的作用力,而對(duì)于沿軸向磁化均勻的圓柱形磁體,可等效為相同體積的薄線圈,因此利用“Filament method”的方法,可將磁體和線圈等效為同形狀無(wú)限薄的環(huán)電流.對(duì)于磁體的等效電流[12]如式(1);對(duì)于線圈的電流I2由穩(wěn)壓電源決定,因此磁體–線圈模型可以等效為雙線圈結(jié)構(gòu).
圖1 血泵工作原理圖Fig.1 Working principle of blood pump
磁力可以由載流線圈之間的互感系數(shù)求得[13],之間的關(guān)系如式(2):I1I2分別為永磁體等效電流和線圈載流,zQ為廣義坐標(biāo),由于兩等效線圈為同軸位置,所以只需考慮力的軸向分量[14].
根據(jù)圖2的兩等效線圈,其互感方程如式(3)所示[13?14].
圖2 雙線圈模型Fig.2 Twin-solenoids model
此時(shí)的磁力:
為設(shè)定血泵各參數(shù)的值,將各因素實(shí)驗(yàn)水平的順序進(jìn)行隨機(jī)處理,如下表并進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn).
表1 磁力實(shí)驗(yàn)的因素水平Table 1 Levels of magnetic test factors
正交表L16(45)設(shè)計(jì)如下:
根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,繪制磁力隨各因素變化的趨勢(shì)圖如圖3.
利用SPSS軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表3,由表1可以看出顯著性順序由大到小依次為:線圈匝數(shù)、線圈長(zhǎng)度、磁體長(zhǎng)度、線圈外徑.
表2 磁力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 2 Magnetic test result and range analysis
圖3 磁力隨各因素變化的趨勢(shì)圖Fig.3 Line chart of magnetic force variation with various factors
表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test
根據(jù)顯著性分析結(jié)果,選取永磁體為圓柱形N35的燒結(jié)釹鐵硼磁鐵,直徑φ35mm,厚度h=2a2=20mm;線圈寬度為L(zhǎng)N2=20mm,線圈厚度為2層,漆包線厚度為φ0.41mm,作為薄壁螺線管處理R3=R4,正常成年人[10]平均動(dòng)脈壓正常值為70~105mmHg,則計(jì)算產(chǎn)生此壓強(qiáng)的血壓需F0=1.13N.根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),體外循環(huán)設(shè)備主動(dòng)脈供血時(shí)使用管路內(nèi)徑為3/8in,即9.525mm,因此血液阻力F1=0.097N,而磁體的摩擦系數(shù)μ約為0.01~0.001,取摩擦力F2=0.02N.為滿(mǎn)足安全需求,取安全系數(shù)為2并取整,得到F1=0.2N,F2=0.05N,則所需平均驅(qū)動(dòng)力F=F0+F1+F2=1.383N.利用Mathematica繪制不同電流下磁力隨距離變化的圖像如下圖所示.
圖4 磁力–距離關(guān)系圖Fig.4 The relationship between magnetic force and distance
當(dāng)線圈與磁體的距離為zQ=0.02m,即線圈與磁體剛好接觸時(shí),利用式(6)計(jì)算磁體與線圈之間的磁力,磁體受力理論值與磁體所受力實(shí)際值及摩擦力如表4和表5所示.載流線圈各匝的磁通總和為稱(chēng)為磁鏈Ψ,理論上若N匝線圈的磁通均為Φ,則磁鏈Ψ=NΦ.然而各交鏈的磁通不一定完全相同[17],因而影響磁鏈Ψ值;同時(shí)線圈通電產(chǎn)生的熱量,磁體本身的表面處理等都會(huì)對(duì)作用力產(chǎn)生影響.利用測(cè)力計(jì)和血泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量實(shí)際值:首先用測(cè)力計(jì)測(cè)得泵體固定時(shí),磁體在緩慢滑動(dòng)的情況下摩擦力的大小.設(shè)定磁體在線圈L1處于受力平衡的位置,為磁體向線圈L2運(yùn)動(dòng)的初始位置.線圈L2通電待磁體穩(wěn)定后,用測(cè)力計(jì)測(cè)其初始位置時(shí)拉力大小.
表4 當(dāng)zQ=0.02m時(shí)不同電流產(chǎn)生的磁力Table 4 Different magnetic force caused by different current when zQ=0.02m
從圖3可以看出,磁體與線圈之間的磁力與線圈電流大小以及兩者之間的距離有明顯關(guān)系,當(dāng)兩者距離從0開(kāi)始逐漸增大,磁力先增大后減小.在磁力增大過(guò)程中,增長(zhǎng)率隨距離的增大而減小;在減小過(guò)程中,衰減率隨距離的增大先增大后減小.
表5 在不同電流下實(shí)際測(cè)得磁力及磁體所受摩擦力Table 5 Different magnetic force caused by different current and the friction on permanent magnet slider
結(jié)合上圖的趨勢(shì)從表4可知,當(dāng)電流I≤0.5A時(shí),計(jì)算所得線圈與磁體在設(shè)定位置力不大于0.93N,因而小于血泵正常工作所需要的力;而當(dāng)I≥3A時(shí),計(jì)算所得的磁力將超過(guò)5.56N明顯大于1.383N超過(guò)工作需求.
從表5可知,實(shí)驗(yàn)測(cè)得磁體所受磁力略小于理論計(jì)算值,磁體在腔體內(nèi)的摩擦力略小于電流為0.5A時(shí)的理論值,因此選1.5A電流可保證血泵工作充足的動(dòng)力性.
搏動(dòng)式電磁血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路框圖如圖5.系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)將信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),經(jīng)同相比例運(yùn)算電路和達(dá)林頓管組成的放大電路向線圈輸出,由繼電器控制線圈的工作順序?qū)崿F(xiàn)泵血的功能.
圖5 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.5 Schematic diagram of experiment
控制電路如圖A1所示,電路采用單片機(jī)(U1)為AT89C52[18],D/A(U2)轉(zhuǎn)換采用 DAC0832芯片[19?20],此八位芯片可根據(jù)需要輸出0x00~0xFF的不同大小電流.單片機(jī)P0口作為通用I/O口與DAC0832芯片的輸入端DI0~DI7相連,采用直通方式,通過(guò)運(yùn)算放大器[21]LM324(U3A)輸出電壓信號(hào).
D/A轉(zhuǎn)換后串聯(lián)同相比例運(yùn)算電路[18]和達(dá)林頓管TIP142[22](同相比例運(yùn)算電路由U3B,可調(diào)電阻RV1,RV2組成,RRV1=10k?,RRV2=20k?)的局部電路如圖A2.由式(7)可得同相比例運(yùn)算電路放大的比例為3倍,即電壓輸出UOUT=15V.由于達(dá)林頓管由兩個(gè)三極管串聯(lián)得到,因此可以估算其輸出電流:在理想狀態(tài)下,VBB=UOUT=15V,VCC=15V,VBE=1.4V,可以求的VEE=13.6V,根據(jù)式(8)可以估算出狀態(tài)下的電流大小為IE=3.16A.
使用繼電器[23](RL1,RL2)控制血泵電磁線圈(L1~L4)的通電順序,繼電器為低電平觸發(fā),由單片機(jī)通過(guò)經(jīng)P2.6,P2.7口控制.血泵的繼電器分為兩組,線圈L4、L2分別接繼電器常閉和常開(kāi)觸點(diǎn),為第一組;線圈L1、L3分別接繼電器常閉和常開(kāi)觸點(diǎn),為第二組,運(yùn)用Proteus軟件繪制電路圖并仿真得到輸出電流的大小.
單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)控制繼電器觸點(diǎn)切換實(shí)現(xiàn)工作線圈的切換,由于在泵血時(shí)需要保證對(duì)血液應(yīng)產(chǎn)生足夠的壓力,即要求泵體內(nèi)部的磁體保持運(yùn)動(dòng)的連續(xù)及相對(duì)恒定的加速度,因此血泵空載時(shí)磁體需做加速運(yùn)動(dòng),磁體經(jīng)過(guò)各個(gè)線圈的時(shí)間各不相同.
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中程序由C語(yǔ)言編寫(xiě),主要包括主程序和定時(shí)器程序.
主函數(shù)用于:1)完成各種設(shè)置(如設(shè)置堆棧和單片機(jī)初始化等工作);2)通過(guò)定時(shí)器程序控制繼電器[23]觸點(diǎn)開(kāi)閉工作的時(shí)間間隔以切換線圈組及控制線圈的工作時(shí)間;3)通過(guò)向D/A[19?20]轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量以控制該系統(tǒng)的輸出值.
定時(shí)器函數(shù)主要用于設(shè)置定時(shí)時(shí)間,主函數(shù)通過(guò)循環(huán)運(yùn)行若干次定時(shí)器函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中元件運(yùn)行時(shí)間的控制.由于磁體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做加速運(yùn)動(dòng),因此定時(shí)器控制時(shí)間的參數(shù)需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得.
血泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括控制電路部分、泵體部分和測(cè)試部分.控制電路部分和泵體部分如上文所述,測(cè)試部分包括加速度傳感器和示波器等.本實(shí)驗(yàn)用于獲取泵體部分的工作參數(shù),包括血泵線圈的電阻值、磁體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與加速度波形的關(guān)系.
取電源的輸出電流為0.5~3A,間隔0.1A分別向各個(gè)線圈通電20次,讀取電壓值并求得平均數(shù),各線圈電壓結(jié)果如表6.利用歐姆定律求的各線圈阻值的平均數(shù)分別為:RL1=2.2?;RL2=2.1?;RL3=2.0?;RL4=2.1?.
根據(jù)線圈的電阻參數(shù)設(shè)置Proteus軟件電路圖的阻值,設(shè)置同相比例運(yùn)算電路的可調(diào)電阻RRV1=10k?,RRV2=20k?.運(yùn)行Proteus仿真電路,仿真顯示線圈通過(guò)的最大電流為3.12A,明顯大于1.5A滿(mǎn)足磁力計(jì)算的電流值.
連接設(shè)備如圖A3,取工作電流為1.5A以保證磁力.當(dāng)磁體處于初始位置,將線圈L2接入穩(wěn)壓電源,示波器A,B端口分別接加速度傳感器和線圈,此時(shí)磁體運(yùn)動(dòng)受力而產(chǎn)生的加速度狀態(tài)可由加速度傳感器輸出反映.示波器橫軸為時(shí)間軸,磁體運(yùn)動(dòng)加速度波形的持續(xù)時(shí)間由橫軸讀取;縱軸為電壓軸,示波器加速度電壓輸出信號(hào).根據(jù)圖6(a)示波器顯示,圖中圖線1為加速度波形,圖線2為參考電壓;第一段正向波段即為磁體單向運(yùn)動(dòng)時(shí)間,從圖中可以讀出磁體起始加速時(shí)間約為0.1s.由此編寫(xiě)程序:設(shè)置通電時(shí)間為0.1s,間隔時(shí)間為10s,啟動(dòng)單片機(jī)后預(yù)留10s準(zhǔn)備時(shí)間.工作0.1s斷電后,磁體做減速運(yùn)動(dòng)直到速度減為0.過(guò)程中,磁體從線圈L1的位置運(yùn)動(dòng)到線圈L3的位置.圖6(b)正向波形為加速持續(xù)時(shí)間0.1s信號(hào),負(fù)向波形為減速波形.
表6 血泵線圈通過(guò)電流與電壓關(guān)系Table 6 The relationship between current and voltage of blood pump coils
本實(shí)驗(yàn)利用穩(wěn)壓電源、單片機(jī)電路、加速度傳感器和示波器,確定磁體運(yùn)動(dòng)單向連續(xù)性的相關(guān)參數(shù)并驗(yàn)證.繼電器對(duì)線圈的控制電路圖如圖A3.在泵血過(guò)程中,磁體從起始位置由電磁線圈驅(qū)動(dòng)依次經(jīng)過(guò)線圈L2、L3與線圈L4重合,隨后再回到起點(diǎn)位置即一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期.實(shí)驗(yàn)在1.5A電流的作用下獲得磁體連續(xù)運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù),并以此為依據(jù)編寫(xiě)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)磁體的連續(xù)運(yùn)動(dòng).為確保運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性,設(shè)計(jì)線圈前半周期的通電順序?yàn)榫€圈L1、L4,線圈L2、L3,線圈L3、L4,線圈L1、L4.
圖6 示波器所觀察到的信號(hào)和觀察到持續(xù)0.1s的信號(hào)Fig.6 Output of acceleration waveform and output of 0.1s sustained signal observed by oscilloscope
首先對(duì)線圈L1、L4通電,使其處于工作的初始位置.設(shè)置線圈L2和L3工作時(shí)間為1s,運(yùn)用上一實(shí)驗(yàn)方法確定其單向加速過(guò)程的時(shí)間.由輸出波形可知磁體在本段單向運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.1s,編寫(xiě)程序設(shè)置單片機(jī)控制線圈L2、L3工作時(shí)長(zhǎng)的應(yīng)為0.1s.在測(cè)其單向加速過(guò)程的時(shí)間時(shí),為保證磁體運(yùn)動(dòng)不受線圈L4的影響需首先把繼電器RL1的常閉觸點(diǎn)與繼電器RL2的公共端直接連接,斷開(kāi)線圈L4.
確定線圈L3、L4的工作時(shí)長(zhǎng)應(yīng)保證磁體具有的磁體經(jīng)過(guò)線圈L2、L3后的初速度,即磁體從初始位置運(yùn)動(dòng)到其在線圈L2、L3受力平衡位置時(shí),線圈L3、L4通電L2斷電.設(shè)定L2、L3的通電時(shí)間為0.1s;設(shè)定L3、L4的通電時(shí)間為2s.磁體自初始位置起,單片機(jī)向線圈L2、L3通電0.1s使磁體到達(dá)線圈L2、L3所產(chǎn)生磁場(chǎng)的受力平衡位置;隨后向線圈L3、L4通電,磁體經(jīng)過(guò)0.03s到達(dá)線圈L3、L4所產(chǎn)生磁場(chǎng)的受力平衡位置.從輸出波形的時(shí)間軸讀取磁體在此段運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.03s,則單片機(jī)控制L3、L4工作時(shí)長(zhǎng)為0.03s.
同理設(shè)定L2、L3的通電時(shí)間為0.1s;L3、L4的通電時(shí)間為0.03s;L1、L4通電時(shí)間為2s.從輸出波形的時(shí)間軸讀取磁體在此段運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.01s,則單片機(jī)控制L1、L4工作時(shí)長(zhǎng)為0.01s.
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)示波器輸出的加速度波形如圖7所示,按照?qǐng)D中順序,分別為磁體從初始位置運(yùn)動(dòng)到線圈L2、L3,線圈L3、L4,線圈L4以及前半周期的波形.磁體在前半周期的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.14s,因此整個(gè)周期各組線圈的工作時(shí)長(zhǎng)如表7所示.
表7 血泵線圈工作時(shí)長(zhǎng)Table 7 The working time of blood pump coils
當(dāng)單片機(jī)晶振為12MHz,采用定時(shí)器方式2,則函數(shù)每循環(huán)4000次計(jì)時(shí)1s,由以上實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)編寫(xiě)程序即可實(shí)現(xiàn)磁體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)即血泵的穩(wěn)定工作.
論文從理論和實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了適用于驅(qū)動(dòng)搏動(dòng)式電磁血泵工作的電控系統(tǒng)模型.通過(guò)理論計(jì)算分析了磁力與磁體之間距離以及影響磁力的因素;通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)線圈負(fù)載為1.5A時(shí),磁體在初始位置的平均作用力可以滿(mǎn)足血泵動(dòng)力需求.血泵泵體部分為纏繞了4組線圈的塑料管,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的4組線圈參數(shù)相同,因此在相同阻力的條件下各線圈對(duì)磁體的作用力相等.
圖7 示波器所觀察到的信號(hào)Fig.7 Output of signal observed by oscilloscope
本文利用Proteus軟件設(shè)計(jì)并仿真了控制電路,根據(jù)線圈的電阻實(shí)際測(cè)得最大輸出3.1A.該電路可根據(jù)需要輸出256種不同大小的電流,實(shí)現(xiàn)電流輸出的變化;同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)同相比例運(yùn)算電路兩可調(diào)電阻的阻值來(lái)對(duì)輸出電流值進(jìn)行微調(diào).通過(guò)磁體的加速度波形實(shí)驗(yàn),確定了磁體各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與加速度變化的關(guān)系及磁體單向運(yùn)動(dòng)的控制方法;通過(guò)磁體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),得到了控制磁體在線圈中連續(xù)單向運(yùn)動(dòng)的有關(guān)參數(shù).最后根據(jù)以上參數(shù)編寫(xiě)了程序,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁體單向運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性.
綜上所述,本文測(cè)試表明設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)使血泵各參數(shù)滿(mǎn)足搏動(dòng)式磁力泵的動(dòng)力需要,驗(yàn)證了該電控系統(tǒng)對(duì)血泵控制的穩(wěn)定性和連續(xù)性達(dá)到了研究的目的.此研究對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化電磁驅(qū)動(dòng)控制具有重要應(yīng)用前景,尤其對(duì)于ECMO的發(fā)展和推廣以及對(duì)于體外循環(huán)血泵的發(fā)展具有重要意義.
附錄A
圖A1 控制電路Fig.A1 Control circuit
圖A2 放大電路Fig.A2 Amplifying circuit
圖A3 實(shí)驗(yàn)電路Fig.A3 Test circuit