用于确定血液泵的操作参数的方法与流程

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，本发明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描述了本发明的其它方面。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，本发明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，干扰因素可以根据最佳知识进行参数化，或者通过具有可控扰动的样本测量来确定。在以这种方式设置卡尔曼滤波器之后，可以通过输入连续检测的操作参数或以电子方式发送它们来为模块提供连续检测的操作参数，然后滤波器以泵的流量和/或泵两端的压力差和/或泵送血液粘度的估计值的形式输出微分方程的解的估计值。

可以在这种背景下用于确定血液泵中的未知状态的其它方法是复发性神经元网络或神经模糊系统。

由于所描述的方法在血液泵的动态模型的描述中特别成功，因此还可以规定，选择性地改变转子的电驱动功率和/或转子的轴承位置以便获得泵的动态反应。由于操作期间选择性修改而造成的变化幅度不等于零，因此根据本发明的方法可以在这种过程中充分实现其优点并且可以成功地确定要估计的操作参数。

还可以规定的是，确定由于患者心脏的搏动和/或剩余心脏活动而发生的血液流动和/或泵的操作参数的动态的特别是周期性的变化，以便检测在泵的动态反应期间第一操作参数和第二操作参数随时间的行为变化。在这种情况下，根据本发明的方法在具有剩余心脏功能的活体患者的情况下操作期间利用无论如何提供的循环变化，以便在动态泵情况的描述中利用其优点。例如，如果以所描述方式提供的操作参数的循环变化太小，则可以通过泵的上述操作参数的循环变化来放大它们，以便产生对模型应用有利的动态。根据变化的程度，可以选择性地修改转子的电驱动功率和/或转子的轴承位置，以便能够检测泵的有意义的动态行为。

本发明还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，在该方法中，连续地检测泵的操作参数，其中至少检测转子的无刷驱动马达的反电动势(电磁力)、轴向的转子偏转、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泵两端的压力差和/或流过泵的流量和/或血液粘度。

这里，首先提到的微分方程也可以与微分方程相互联系。

本发明还涉及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，该血液泵包括输送血液的转子，在该方法中，连续地检测泵的操作参数，其中至少检测转子的无刷驱动马达的反电动势、轴向的转子偏转或表示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压力差。

本发明还涉及一种用于确定特别是用于估计通过血液泵的流量的方法，该血液泵包括输送血液的转子，在该方法中，连续地检测泵的操作参数，其中至少检测转子的无刷驱动马达的反电动势、轴向的转子偏转或表示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流量。

本发明还涉及一种使用血液泵确定特别是用于估计血液粘度的方法，该血液泵包括输送血液的转子，在该方法中，连续地检测泵的操作参数，其中至少检测转子的无刷驱动马达的反电动势、轴向的转子偏转或表示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血液粘度。

因此，通过使用估计方法可以最小化确定所述量的值或其对确定的一致性的影响的干扰。

根据本发明的另一种方法可以规定，检测或确定流过泵的流量的行为变化，并且借助于估计方法来估计泵两侧的压力差和/或血液粘度。

还可以规定，检测或确定在泵处特别是在泵入口处测量的压力的行为变化，并且例如借助于估计方法来估计泵两端的压力差，并且基于该估计来估计流过泵的流量和/或血液粘度。

因此也可以进行不检测磁轴承或非磁轴承的操作参数的估计。

在此，可以规定，将该方法用于仅具有泵转子的机械的特别是非磁的轴承的泵。

在这种估计方法中，还可以额外地规定，在进行确定时考虑微分方程

另外，可以规定，额外地考虑微分方程

对于根据最后提到的方法变型的不获得轴向轴承的操作参数也就是说不检测转子在轴向上的推力的方法的使用，可以提供一种血液泵装置，该血液泵装置包括：血液泵，该血液泵包括至少部分地沿轴向输送血液并且安装在非磁性轴向轴承中的转子；用于检测转子的转速作为第一操作参数的装置；用于检测流过泵的流量或泵入口处的压力作为第二操作参数的装置；用于确定转速和流量或压力随时间的行为变化的装置；以及确定装置，该确定装置被设计成在考虑至少两个所述操作参数的所确定的行为变化的情况下确定流过泵的流量和/或泵两端的压力差和/或血液粘度。

因此，即使不使用轴承操作参数，也可以实现有效的估计方法。

除了上面提到和解释的类型的方法之外，本发明还涉及一种血液泵装置，该血液泵装置包括：血液泵，该血液泵包括输送血液并且安装在轴向磁轴承中的转子；用于检测转子的转速作为第一操作参数的装置；用于检测轴向上的转子位置作为第二操作参数的装置；用于确定转速和转子位置随时间的行为变化的装置；以及确定装置，该确定装置被设计成在考虑至少两个所述操作参数的所确定的行为变化的情况下确定流过泵的流量和/或泵两端的压力差和/或血液粘度。除了别的以外，这里可以使用的血液泵是至少部分地沿轴向输送血液的血液泵。

确定装置可以包括例如数据处理装置，例如微控制器，其将检测到的操作参数及其变化值馈送到卡尔曼滤波器或其自身包含执行卡尔曼滤波器功能的编程模块。

为此，可以额外地提供这样一种装置，其特别是通过检测驱动马达电流强度来检测转子的驱动功率并且特别是包括用于检测轴向磁轴承的轴承电流强度或转子在被动磁轴承中的轴向偏转的装置。同样地，可以提供一种用于测量反电动势并且特别是还用于确定其随时间的变化率的装置。还可以提供这样一种装置，其特别是利用用于压力测量和/或流量测量的相应传感器来测量血液泵入口处的压力或测量通过血液泵的体积流量。

下面将基于附图中的示例性实施方式来呈现和解释本发明，其中

图1以纵向剖视图示意性地示出了血液泵；

图2以正视图示出了图1中的血液泵；以及

图3示意性地示出了用于执行根据本发明的方法的装置。

图1示意性地示出了包括泵壳体2的血液泵1，泵壳体中设置有泵管3。转子5安装在泵管3中以便可被驱动而旋转并且包括呈肋7的形式的输送元件，该肋以螺旋方式围绕转子5周向延伸。转子5在被驱动时围绕旋转轴线6旋转。在管的端部4处，在泵入口处，血液通过例如沿箭头11的方向连接在那里的套管被抽吸。套管用10表示，并插入泵管3或对接在其上。

永磁体(未详细示出)布置在转子5内，使得转子5形成无刷电马达的转子。借助于适当控制外部定子25的绕组来提供马达的驱动。这可以例如通过脉冲波调制信号来激活。控制装置用15表示，并包括用于检测转子5的驱动电流的装置15a。

转子可以借助于径向磁轴承径向地安装在泵管中，径向磁轴承未详细示出。还可以设置一个区域，在该区域中转子与泵管一起形成流体动力径向轴承。

在本发明的一个变型中，在轴向上，转子借助于轴向磁轴承8安装，该轴向磁轴承8与转子中的磁性组件相互作用，特别是与磁环8a相互作用。磁轴承8(更确切地说：其定子部分)借助于轴承控制器16而被作用有轴承电流，使得转子5在轴向6上的位置被控制为零力位置。为此目的，设置了用于检测转子5的轴向位置并且由17表示的传感器。

然而，在本发明的范围内，可以提供仅包括非磁的机械轴承特别是滑动轴承更特别是流体动力轴承的泵。

转子5将血液通过泵管3输送到出口空间12中，在出口空间中血液径向向外流到泵出口13，如图2所示。血液从泵出口13流入连接到泵出口的泵管14。

在上述结构中，转子5的转速可由控制装置15检测。利用适当的采样率，可以足够精确地确定变化率，即转速随时间的一阶导数，同样也可以是转速随时间的二阶导数。马达电流也可以由控制装置以电流强度的形式检测，其例如可以通过脉冲波调制信号进行积分。转子5的轴向偏转可以借助于霍尔传感器17确定；在适当的采样率下，还可以确定该量的时间导数δx/δt和该量的二阶时间导数。替代地或附加地，可以将通过受控轴向轴承8的轴承电流确定为作用在转子上的轴向力的代表量，而不是轴承电流在控制装置16中的轴向偏转。

因此，可以直接在泵处获得形成泵的数量操作参数的所有所需物理量。

泵流量(每单位时间输送的液体体积)、泵两侧的压力差(一方面是泵入口4处的压力另一方面是泵出口13处的压力之间的差)和血液粘度这些参数可以通过根据本发明的方法基于所检测到的操作参数通过估计即非常快或没有时间偏移地连续地确定。

对于本发明的一些变型，压力传感器也可以设置在泵入口处。此外，还可以在泵之前或之后提供流量传感器。

这将参考图3示意性地解释。在图3中，转速传感器由18表示。检测到的转速的值被引导到处理装置19。这里，转速值传递到装置20以用于确定转速的变化率(时间导数)。从这里，变化率的瞬时值被转发到处理装置19。用于确定转速随时间的二阶导数的装置21可能还获得相应的转速测量值并且可以确定二阶导数，并且如果需要，将其转发到处理装置19。

用于转子的轴向偏转的传感器用17表示，并将偏转的瞬时检测值传递给处理装置19。相应的值也传递给处理装置22，处理装置22确定转子的轴向偏转的一阶时间导数并将其传递给处理装置19。可能地，轴向偏转的瞬时值也可以被传递到处理装置23，处理装置23确定轴向偏转的二阶时间导数并将其转发到处理装置19。代替轴向偏转，这种结构也适用于轴承电流强度。

传感器15a在每种情况下确定驱动马达电流强度或代表该驱动马达电流强度的值，并将其传递给处理装置19。

可能地，控制装置16将轴承电流强度的值通过主动受控轴向磁轴承8传递到处理装置19。

处理装置19包括估计模块，估计模块借助卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器连续地确定由泵的流速、泵两端的压力差和血液粘度构成的量的估计。三个量显示在显示器24、26和27中，并且如果有利或必要，则存储和/或转发到另一个数据处理装置。还可以提供对具有警报触发的阈值的过冲或下冲的估计量的连续监视。除了确定的操作参数之外，作为另外的输入量，处理装置19处理由参数化模块28传递的参数，该参数表示干扰因素和测量不准确对估计过程的影响。因此，使用卡尔曼滤波器可以可靠地估计所述量。