[发明专利]一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统及方法

权利要求书

1.一种用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，包括轴流式血泵(1)、透明有机玻璃箱(2)、远场磁力驱动装置(3)、控制器(4)、PIV试验系统(5)、恒温水箱(6)、压力表(7)、流量计(8)、排气阀(9)和节流阀(10)，所述轴流式血泵(1)固设于透明有机玻璃箱(2)内部，透明有机玻璃箱(2)的底面向内凹陷，形成凹槽，所述凹槽内设有远场磁力驱动装置(3)，轴流式血泵(1)设置于凹槽的上端；

所述透明有机玻璃箱(2)内灌满甘油水溶液；

所述控制器(4)与远场磁力驱动装置(3)连接，用于控制远场磁力驱动装置(3)中的驱动电机；

所述PIV试验系统(5)采用顶部投射激光片光源，侧面进行拍摄；

所述轴流式血泵(1)的入口与恒温水箱(6)的出口通过管道(11)连接，轴流式血泵(1)的出口与恒温水箱(6)的入口通过管道(11)连接，轴流式血泵(1)的入口和出口设置有压力表(7)，用于检测轴流式血泵(1)的入口和出口压力值；

所述轴流式血泵(1)的出口和恒温水箱(6)之间设有流量计(8)，用以检测轴流式血泵(1)的输出流量，保证轴流式人工心脏工作在额定工况下；

所述轴流式血泵(1)和恒温水箱(6)之间的管道上设有排气阀(9)，用于排出管道内的气体；

所述轴流式血泵(1)和恒温水箱(6)之间的管道上设有节流阀(10)，用于调节轴流式血泵(1)的流量；

所述远场磁力驱动装置(3)由主动永磁转子(12)、联轴器(13)、驱动电机(14)和编码器(15)组成，远场磁力驱动装置各组件同轴安装于底座上，由驱动电机(14)带动主动永磁转子(12)旋转产生交变磁场，通过磁场耦合将转矩传递至轴流式血泵(1)，从而驱动轴流式血泵(1)旋转运动，由于转动永磁体和固定永磁体保持固定的转速比，通过编码器(15)检测主动永磁转子(12)的位置及速度，可得到血泵叶轮的位置和速度信息，用于同步拍摄控制，编码器(15)每周产生一个脉冲信号，该脉冲信号连接至PIV试验系统(5)的同步拍摄装置，实现PIV拍摄时间的控制，确保每次拍摄在叶轮旋转至同一位置。

2.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述轴流式血泵(1)由叶轮部分、输送管(16)组成，固定永磁体同轴安装于输送管(16)中，叶轮部分包括血泵旋转叶轮(17)、前导叶轮(18)、后导叶轮(19)和随动永磁圆柱体转子(20)。

3.根据权利要求2所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述随动永磁圆柱体转子(20)采用径向充磁，其长度为15～18mm，采用两磁极以上偶数磁极设计。

4.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述主动永磁转子(12)采用径向充磁，其长度为20～25mm，采用四磁极以上偶数磁极设计。

5.根据权利要求1所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述驱动电机(14)的转速为8000～10000rpm，使血泵旋转叶轮能够达到8000～10000rpm的转速，保证血泵能够提供足够的流量。

6.根据权利要求1～5中任一项所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统，其特征在于，所述透明有机玻璃箱(2)为方形，凹槽部玻璃厚度为1～2mm。

7.一种根据权利要求1中任一项所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统所采用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用远场磁力驱动装置，驱动轴流式血泵叶轮转动；

(2)通过PIV试验系统和控制器，触发相机在短间隔内连续拍摄两张照片，实现拍摄位置可控可调，并确保每次拍摄时叶轮的位置相同；

(3)比较两张图像中荧光粒子的位置变化，计算当前流场的流速，流线信息。

8.根据权利要求7所述用于轴流式人工心脏内部流场粒子图像测速系统所采用的方法，其特征在于，所述步骤(2)，通过以下方式实现：

编码器Z相每周输出一个脉冲信号，编码器AB相输出N个脉冲信号，控制器需要对编码器的信号进行处理，Z相信号用于零位校准，在捕获到Z相的脉冲后，延时0～N个AB相脉冲后，控制器再输出脉冲信号给PIV同步拍摄装置，触发相机进行拍摄，每个AB相脉冲对应的角度为(360/N)°，在实验过程中通过控制延时的脉冲数来调整不同的拍摄位置，能够实现拍摄位置可控；

为了在变速工况下每帧拍摄的位置相同，需要保证触发拍摄时泵位置与实际拍摄时泵位置角度差Δθ₀＝ω(Δt₀+Δt₁)为常数，其中ω为泵转动的角速度，△t₀为同步装置接收到脉冲信号到触发相机拍摄存在固定延时，△t₁为修正时间，通过控制修正时间能够保证在变速模式下拍摄时，拍摄位置相同。