一种人工心脏的后负荷智能控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种人工心脏的后负荷智能控制系统，通过检测人工心脏的输入电压、电流、电流信号的高阶导数、转速的搏动程度等电气参数估算心脏的后负荷程度，并采用自动控制算法计算出人工心脏的最佳工作转速，向无刷电机控制器发送速度指令，同时无刷电机控制器能够显示人工心脏的转速与工作电压，并可以设置报警，实现人机对话；无刷电机控制器接收主控单元的速度指令，驱动人工心脏电机运转，并通过反电动势方法检测人工心脏转速；电气安全防护单元通过双隔离技术提高系统的电气安全水平，使其满足相关电气安全标准。本发明专利技术解决了现有技术无法根据心脏后负荷的变化及时调整人工心脏转速的问题。

A post load intelligent control system for artificial heart

The invention discloses an artificial heart intelligent control system for afterload, which estimates the degree of cardiac afterload by detecting electrical parameters such as input voltage, current, high-order derivative of current signal, pulsation degree of rotational speed, etc. of the artificial heart, and calculates the optimum working speed of the artificial heart by automatic control algorithm. The brushless motor controller sends the speed command, and the brushless motor controller can display the speed and working voltage of the artificial heart, and can set an alarm to realize the man-machine dialogue; the brushless motor controller receives the speed command of the main control unit, drives the artificial heart motor to run, and detects the artificial heart by the back-EMF method. Speed; Electrical Safety Protection Unit (ESU) improves the electrical safety level of the system by means of double isolation technology to meet the relevant electrical safety standards. The invention solves the problem that the prior art can not timely adjust the rotational speed of the artificial heart according to the change of the cardiac afterload.

【技术实现步骤摘要】
一种人工心脏的后负荷智能控制系统
本专利技术属于生物医学工程领域，具体涉及一种人工心脏的后负荷智能控制系统。
技术介绍
人工心脏是一种利用机械动力来输送血液，以部分或全部代替心脏泵血功能的植入式装置。将泵体的心室植入部分插入心室腔内，泵的出口通过人造血管与升主动脉（或降主动脉）连接，进行左心室到主动脉的转流。人工心脏由轴流泵泵筒和位于其中的旋转叶轮组成，旋转叶轮轮毂中镶嵌有永磁转子。轴流泵电机则围绕在轴流泵泵筒的外壁，由轴流泵电机定子铁芯和定子绕组组成，轴流泵泵筒内的旋转叶轮位置与轴流泵电机定子铁芯位置对应，当轴流泵电机定子的绕组通电时可产生旋转磁场，推动旋转叶轮在轴流泵泵筒中高速旋转，进而驱动泵筒中血液向出口方向流动。人工心脏控制器是调节人工心脏叶轮转动速度，保持人工心脏稳定运行的关键设备，对于保证人工心脏的临床治疗效果与安全性具有重要意义。为此专利201611180353X通过构建心脏泵转速、流量和压力之间的数学模型检测抽吸程度，并且通过调整心脏泵转速防止抽吸。虽然上述专利技术能够降低抽吸引起的不良事件发生程度，但是没有将心脏后负荷作为调节的目标。此外目前业内主流的人工心脏控制系统都是保持转速恒定作为控制目标，并不能根据心脏后负荷的变化及时调整人工心脏的转速。根据最新研究成果，不适当的人工心脏辅助会显著增加心脏后负荷，而心脏后负荷程度会直接影响到心脏的功能，进而影响到患者的预后以及人工心脏的临床效果。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术的不足，提供了一种通过人工心脏的电气信号评价心脏后负荷程度，再通过调节血泵工作状态自动调整后心脏后负荷水平的人工心脏的后负荷智能控制系统。本专利技术为了实现上述目的所采用的技术方案是：一种人工心脏的后负荷智能控制系统，包括主控单元，所述主控单元包括微处理器U1，所述微处理器U1的5脚、6脚接晶振电路，7脚接复位电路，8脚接地，9脚接VDDA端，11脚同时接电阻R1的一端及电阻R2的一端，12、13脚及14脚接工业串口屏，15脚、16脚、31脚及32脚接电气安全防护单元，34脚接调试口P1的3脚，37脚接调试口P1的2脚，24脚、36脚及48脚并联后接电源电路3.3V端，20脚接地，23脚、35脚及47脚并联后接地，电阻R1的另一端接电压24V，电阻R2的另一端接地，调试口P1的1脚接地，调试口的4脚接电源电路的3.3V端，所述电气安全防护电元通过无刷电机控制器与人工心脏连接。进一步地，所述电源电路包括24V转换为5V的电路、5V转换为3.3V的电路、3.3V转换为VDDA的电路及滤波器电路。进一步地，所述电气安全防护单元包括低耗开关电路、调速信号电路、转速信号电路、温度信号隔离电路、将24V转换为24V（I）的隔离电源及将24V（I）转换为15V（I）的运放辅助电源。更进一步地，所述转速信号电路包括二极管D7、二极管D8、二极管D9、光耦U7、电阻R11、电阻R30、三极管Q1，所述二极管D8的正极接地，二极管D8的负极接单片机U1的32脚，二极管D7的负极接3.3V，二极管D7的正极接单片机U1的32脚，二极管D9的负极接单片机U1的32脚，二极管D9的正极接地，电阻R12的一端接单片机U1的32脚，电阻R12的另一端接3.3V，光耦U7的输出端的集电极与单片机U1的32脚连接，光耦U7的输出端的发射极接地，光耦U7的输入端的负极接地，光耦U7的输入端的正极同时接电阻R11的一端及三极管Q1的集电极，电阻R11的另一端接15V（I）,三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极通过电阻R20与无刷电机控制器的4脚连接。更进一步地，所述调速信号电路包括二极管D10、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R9、电阻R7、电阻R8、电阻R6、电阻R10、比较器U6A、比较器U10B、高线性模拟光电耦合器1A、1C、电容C23、C27，所述二极管D10的负极与单片机U1的15脚连接，二极管D10的正极接地，二极管D11的正极接单片机U1的15脚，二极管D11的负极接3.3V，二极管D7的负极接单片机U1的15脚，二极管D7的正极接地，电阻R9的一端接单片机U1的15脚，电阻R19的另一端同时接电容C27的一端、二极管D13的负极及比较器U6A的2脚，比较器，二极管D13的正极分别接比较器U6A的3脚、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接地，比较器U6A的8脚接5V，比较器U6A的4脚接地，比较器U6A的1脚分别接电容C27的另一端、电阻R8的一端，电阻R8的另一端接高线性模拟光电耦合器1A的负极，高线性模拟光电耦合器1A的正极接5V，高线性模拟光电耦合器1C的正极分别接电阻R10的一端、比较器U10B的5脚，高线性模拟光电耦合器1C的负极分别接比较器U10B的6脚、电阻R6的一端、电容C23的一端，电阻R10的另一端接地，电阻R6的另一端与比较器U10B的7脚连接，电容C23的另一端与电阻R6的另一端连接，比较器U10B的8脚接15V（I），比较器U10B的4脚接地，比较器U10B的7脚接无刷电机控制器的2脚。更进一步地，所述低耗开关电路包括二极管D14、二极管D15、二极管D16、电阻R23、电阻R13、电阻R5、三极管Q2、三极管Q3、光耦U9、DC-DC转换器Q4，所述二极管D14的负极与单片机U1的31脚连接，二极管D14的正极接地，二极管D15的负极接单片机U1的31脚，二极管D15的正极接地，二极管D16的正极接单片机U1的31脚，二极管D16的负极接3.3V，电阻R30的一端接单片机U1的31脚，电阻R30的另一端接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的发射极分别接电阻R23的一端、光耦U9输入端的正极，电阻R23的另一端接5V，光耦U9的输入端的负极接地，光耦U9的输出端的发射极接地，光耦U9的输出端的集电极分别接电阻R13的一端、三极管Q2的基极，电阻R13的另一端接15V（I），三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极分别接电阻R15的一端、DC-DC转换器Q4的第一端，电阻R15的另一端接15V（I），DC-DC转换器Q4的第二端及第三端接地，DC-DC转换器Q4的第四端接无刷电机控制器的3脚。更进一步地，所述温度信号隔离电路包括二极管D17、二极管D18、二极管D19、比较器U6B、比较器U8A、比较器U8B、电阻R24、电阻R16、电阻R20、电阻R21、电阻R17、电阻R18、电阻R22、电阻R25、电阻R15、电阻R19、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C29、电容C26、电容C25、高线性模拟光耦U2B+、2C、2A，所述电阻R24的一端分别接单片机U1的16脚、电容C29的一端，电容C29的另一端接地，电阻R24的另一端分别接二极管D17的负极、二极管D19的负极、二极管D18的正极，二极管D17的正极接地，二极管D19的正极接地，二极管D18的负极接3.3V，比较器U6B的2脚接电阻R24的另一端，比较器U6B的4脚接地，比较器U6B的5接电阻R16的一端、高线性模拟光耦U2B的正极，电阻R16的另一端接地，比较器U6B的6脚分别接电阻R20的一端、高线性模拟光耦U2B的负极、电容C26的一端，电阻R20的另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，包括主控单元，所述主控单元包括微处理器U1，所述微处理器U1的5脚、6脚接晶振电路， 7脚接复位电路， 8脚接地，9脚接VDDA端，11脚同时接电阻R1的一端及电阻R2的一端， 12、13脚及14脚接工业串口屏，15脚、16脚、31脚及32脚接电气安全防护单元，34脚接调试口P1的3脚，37脚接调试口P1的2脚， 24脚、36脚及48脚并联后接电源电路3.3V端，20脚接地，23脚、35脚及47脚并联后接地，电阻R1的另一端接电压24V，电阻R2的另一端接地，调试口P1的1脚接地，调试口的4脚接电源电路的3.3V端，所述电气安全防护电元通过无刷电机控制器与人工心脏连接。

【技术特征摘要】
1.一种人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，包括主控单元，所述主控单元包括微处理器U1，所述微处理器U1的5脚、6脚接晶振电路，7脚接复位电路，8脚接地，9脚接VDDA端，11脚同时接电阻R1的一端及电阻R2的一端，12、13脚及14脚接工业串口屏，15脚、16脚、31脚及32脚接电气安全防护单元，34脚接调试口P1的3脚，37脚接调试口P1的2脚，24脚、36脚及48脚并联后接电源电路3.3V端，20脚接地，23脚、35脚及47脚并联后接地，电阻R1的另一端接电压24V，电阻R2的另一端接地，调试口P1的1脚接地，调试口的4脚接电源电路的3.3V端，所述电气安全防护电元通过无刷电机控制器与人工心脏连接。2.根据权利要求1所述的人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，所述电源电路包括24V转换为5V的电路、5V转换为3.3V的电路、3.3V转换为VDDA的电路及滤波器电路。3.根据权利要求1所述的人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，所述电气安全防护单元包括低耗开关电路、调速信号电路、转速信号电路、温度信号隔离电路、将24V转换为24V（I）的隔离电源及将24V（I）转换为15V（I）的运放辅助电源。4.根据权利要求3所述的人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，所述转速信号电路包括二极管D7、二极管D8、二极管D9、光耦U7、电阻R11、电阻R30、三极管Q1，所述二极管D8的正极接地，二极管D8的负极接单片机U1的32脚，二极管D7的负极接3.3V，二极管D7的正极接单片机U1的32脚，二极管D9的负极接单片机U1的32脚，二极管D9的正极接地，电阻R12的一端接单片机U1的32脚，电阻R12的另一端接3.3V，光耦U7的输出端的集电极与单片机U1的32脚连接，光耦U7的输出端的发射极接地，光耦U7的输入端的负极接地，光耦U7的输入端的正极同时接电阻R11的一端及三极管Q1的集电极，电阻R11的另一端接15V（I）,三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极通过电阻R20与无刷电机控制器的4脚连接。5.根据权利要求3所述的人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，所述调速信号电路包括二极管D10、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R9、电阻R7、电阻R8、电阻R6、电阻R10、比较器U6A、比较器U10B、高线性模拟光电耦合器1A、1C、电容C23、C27，所述二极管D10的负极与单片机U1的15脚连接，二极管D10的正极接地，二极管D11的正极接单片机U1的15脚，二极管D11的负极接3.3V，二极管D7的负极接单片机U1的15脚，二极管D7的正极接地，电阻R9的一端接单片机U1的15脚，电阻R19的另一端同时接电容C27的一端、二极管D13的负极及比较器U6A的2脚，比较器，二极管D13的正极分别接比较器U6A的3脚、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接地，比较器U6A的8脚接5V，比较器U6A的4脚接地，比较器U6A的1脚分别接电容C27的另一端、电阻R8的一端，电阻R8的另一端接高线性模拟光电耦合器1A的负极，高线性模拟光电耦合器1A的正极接5V，高线性模拟光电耦合器1C的正极分别接电阻R10的一端、比较器U10B的5脚，高线性模拟光电耦合器1C的负极分别接比较器U10B的6脚、电阻R6的一端、电容C23的一端，电阻R10的另一端接地，电阻R6的另一端与比较器U10B的7脚连接，电容C23的另一端与电阻R6的另一端连接，比较器U10B的8脚接15V（I），比较器U10B的4脚接地，比较器U10B的7脚接无刷电机控制器的2脚。6.根据权利要求3所述的人工心脏的后负荷智能控制系统，其特征在于，所述低耗开关电路包括二极管D14、二极管D15、二极管D16、电阻R23、电阻R13、电阻R5、三极管Q2、三极管Q3、光耦U9、DC-DC转换器Q4，所述二极管D14的负极与单片机U1的31脚连接，二极管D14的正极接地，二极管D15的负极接单片机U1的31脚，二极管D15的正极接地，二极管D16的正极接单片机U1的31脚，二极管D16的负极接3.3V，电阻R30的一端接单片机U1的31脚，电阻R30的另一端接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的发射极分别接电阻R23的一端、光耦U9输入端的正极，电阻R23的另一端接5V，光耦U9的输入端的负极接地，光耦U9的输出端的发射极接地，光耦U9的输出端的集电极分别接电阻R13的一端、三极管Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈喆，陈海丰，高斌，田步升，
申请(专利权)人：长治市久安人工心脏科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14