基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置、方法及系统

本发明属于医疗器械领域，涉及一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置、方法及系统。

背景技术：

1、为了在体外血流模拟装置的循环管道中产生与人体真实状态一致的生理脉动流，从上世纪90年代开始，陆续出现了可编程控制阀、可编程活塞-气缸系统及可编程伺服电机-齿轮泵系统。与其他控制方案相比，计算机控制的集成伺服电机的齿轮泵不需要任何额外的设备就可以连续运行，并且可以比较准确地复制生理波形，同时可以通过电机反转很容易地复现回流过程，非常适合用于在体外循环管道中模拟生理脉动流。

2、由于受到泵实际输出流量范围及准确性、管道流阻等因素影响，循环管道内产生的实际流量往往与设计目标流量往往存在差异。传统方式是通过不断手动调整齿轮泵控制信号，其调整的方向性与准确性都存在较大限制，过程繁琐，耗时较长，且最终效果难以保证；同时由于传统单齿轮泵每齿输出量较大，在流量反馈调节过程中缩小与目标流量之间误差的能力受限，即便多次迭代反馈调节过程仍难以准确复现目标流量波形。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置、方法及系统，该装置、方法及系统能够使得泵的输出流量与目标流量波形相匹配，同时具有准确高、耗时较短以及操作简单的特点。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明一方面，本发明提供了一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，包括液体源、流动发生器、流量传感器、模拟血管及控制器；

4、液体源的出口与流动发生器的入口相连通，流动发生器的出口经流量传感器与模拟血管的入口相连通，模拟血管的出口与液体源的入口相连通；

5、控制器的输入端与流量传感器的输出端相连接，控制器的输出端与流动发生器的控制端相连接，控制器根据流量传感器所测流量基于闭环反馈控制的方式逐级控制控制流动发生器。

6、本发明所述基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置进一步的改进在于：

7、所述流动发生器包括主齿轮泵、副齿轮泵、第一伺服电机、第二伺服电机、第一伺服驱动器及第二伺服驱动器，其中，液体源的出口经主齿轮泵、副齿轮泵及流量传感器与模拟血管的入口相连通，主齿轮泵与副齿轮泵并联连通，第一伺服驱动器的输出端与第一伺服电机的控制端相连接，第一伺服电机与主齿轮泵相连接，第二伺服驱动器的输出端与第二伺服电机的控制端相连接，第二伺服电机与副齿轮泵相连接，控制器的输出端与第一伺服电机的控制端及第二伺服驱动器的控制端相连接，第一伺服驱动器及第二伺服驱动器与控制器相连接。

8、所述液体源包括储液箱、单向水泵及稳定液位水箱，其中，模拟血管的出口与储液箱的入口相连通，储液箱的出口经单向水泵与稳定液位水箱的入口相连通，稳定液位水箱的出口与主齿轮泵的入口及副齿轮泵的入口相连通。

9、所述模拟血管与液体源之间设置有检测器件。

10、所述检测器件包括压力计及模拟外周血管阻抗。

11、所述模拟血管与液体源之间设置有若干节流阀。

12、还包括安装支架，所述液体源、流动发生器、流量传感器及模拟血管均安装于所述安装支架上。

13、本发明二方面，本发明提供了一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟方法，包括：

14、接收流量传感器检测得到的流动发生器的输出流量；

15、根据所述流动发生器的输出流量，基于闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器，其中，流动发生器输出的液体进入到模拟血管中。

16、本发明所述基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟方法进一步的改进在于：

17、所述根据所述流动发生器的输出流量，基于闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器的过程为：

18、计算所述流动发生器在若干个流动周期内输出流量的平均流量波形，计算所述平均流量波形与目标流量波形之间的残差；

19、根据所述残差生成控制信号；

20、根据所述控制信号控制流动发生器，使得所述平均流量波形上各取样点与目标流量波形上各对应目标流量之间的均方根误差在预设范围内。

21、所述根据所述控制信号控制流动发生器，使得所述平均流量波形上各取样点与目标流量波形上各对应目标流量之间的均方根误差在预设范围内的过程为：

22、计算所述平均流量波形上各取样点与目标流量波形上各对应目标流量之间的均方根误差；

23、当计算得到的均方根误差大于第一设定值a时，则控制主齿轮泵，使得下一控制周期计算得到的均方根误差小于第一预设值a；

24、当计算得到均均方根误差小于等于第一预设值a，且大于等于第二预设值b时，则控制副齿轮泵，使得下一控制周期计算得到的均方根误差小于等于第一预设值a，且小于第二预设值b；

25、当计算得到的均均方根误差小于等于第一预设值a，且小于第二预设值b时，则维持主齿轮泵及副齿轮泵的运行状态。

26、本发明三方面，本发明提供了一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟系统，包括：

27、接收模块，用于接收流量传感器检测得到的流动发生器的输出流量；

28、控制模块，用于根据所述流动发生器的输出流量，基于闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器，其中，流动发生器输出的液体进入到模拟血管中。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本发明所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置、方法及系统在具体操作时，液体源输出的液体经流动发生器驱动后进入到模拟血管中，控制器通过流量传感器检测流动发生器的出口流量，再基于闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器，以调节流动发生器的出口流量，使得流动发生器的输出流量与目标流量波形相匹配，其中，需要说明的是，本发明采用逐级控制的方式控制流动发生器，控制的精准度较高，且具有耗时较短以及操作简单的特点。

技术特征：

1.一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，包括液体源、流动发生器、流量传感器(3)、模拟血管(4)及控制器(12)；

2.根据权利要求1所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，所述流动发生器包括主齿轮泵(2.1)、副齿轮泵(2.2)、第一伺服电机(10.1)、第二伺服电机(10.2)、第一伺服驱动器(11.1)及第二伺服驱动器(11.2)，其中，液体源的出口经主齿轮泵(2.1)、副齿轮泵(2.2)及流量传感器(3)与模拟血管(4)的入口相连通，主齿轮泵(2.1)与副齿轮泵(2.2)并联连通，第一伺服驱动器(11.1)的输出端与第一伺服电机(10.1)的控制端相连接，第一伺服电机(10.1)与主齿轮泵(2.1)相连接，第二伺服驱动器(11.2)的输出端与第二伺服电机(10.2)的控制端相连接，第二伺服电机(10.2)与副齿轮泵(2.2)相连接，控制器(12)的输出端与第一伺服电机(10.1)的控制端及第二伺服驱动器(11.2)的控制端相连接，第一伺服驱动器(11.1)及第二伺服驱动器(11.2)与控制器(12)相连接。

3.根据权利要求2所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，所述液体源包括储液箱(8)、单向水泵(9)及稳定液位水箱(1)，其中，模拟血管(4)的出口与储液箱(8)的入口相连通，储液箱(8)的出口经单向水泵(9)与稳定液位水箱(1)的入口相连通，稳定液位水箱(1)的出口与主齿轮泵(2.1)的入口及副齿轮泵(2.2)的入口相连通。

4.根据权利要求1所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，所述模拟血管(4)与液体源之间设置有检测器件。

5.根据权利要求4所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，所述检测器件包括压力计(5)及模拟外周血管阻抗(6)；

6.根据权利要求1所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置，其特征在于，还包括安装支架，所述液体源、流动发生器、流量传感器(3)及模拟血管(4)均安装于所述安装支架上。

7.一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟方法，其特征在于，所述根据所述流动发生器的输出流量，基于闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器的过程为：

9.根据权利要求7所述的基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制流动发生器，使得所述平均流量波形上各取样点与目标流量波形上各对应目标流量之间的均方根误差在预设范围内的过程为：

10.一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于闭环反馈的双齿轮泵体外血流模拟装置、方法及系统，包括液体源、流动发生器、流量传感器、模拟血管及控制器；液体源的出口与流动发生器的入口相连通，流动发生器的出口经流量传感器与模拟血管的入口相连通，模拟血管的出口与液体源的入口相连通；控制器的输入端与流量传感器的输出端相连接，控制器的输出端与流动发生器的控制端相连接，控制器根据流量传感器所测流量采用闭环反馈控制的方式逐级控制流动发生器，该装置、方法及系统能够使得泵的输出流量与目标流量波形相匹配，同时具有耗时较短以及操作简单的特点。

技术研发人员：熊璟,路天栋,夏泽洋
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8