（机械电子工程专业论文）体外电磁驱动的膀胱动力泵及其模拟实验系统设计.pdf

摘要 摘要 排尿是人体的一项基本生理功能，但是当人体控制排尿的中枢神经或周围神经 受到损害之后，就有可能导致排尿困难、尿潴留或者漏尿、尿失禁等临床症状。本 文提到了作为辅助排尿装置的体外电磁驱动的膀胱动力泵。其电磁驱动单元主要由 电磁铁、体内磁动子和定子组成。其基本原理是通过电磁铁产生的电磁场，对磁动 子产生驱动力，进而调节尿道口和输尿管口的开闭以及膀胱压大小，控制膀胱排尿。 本文根据膀胱动力泵的工作原理，对电磁驱动单元的磁场特性进行研究，建立 了磁动子所受电磁力的数学模型，在此基础上建立了膀胱尿流率的数学模型，确定 了影响尿流率的各种因素。运用a n s y s 有限元分析软件，建立了电磁驱动单元有限 元模型并进行了电磁力仿真分析。分析了电磁铁电流、永磁体间距、永磁体与电磁 铁的夹角、永磁体数量对电磁力的影响。仿真结果表明，增加电流和永磁体的数量， 有利于提高电磁驱动单元驱动能力；合理设置永磁体间距，可降低对约束永磁体的 橡胶膜的性能要求。 为研究膀胱动力泵的工作特性，本文设计了一种膀胱动力泵并建立了膀胱动力 泵模拟实验系统。通过模拟实验，研究了在不同电流和永磁体数量的情况下，磁动 子施加于膀胱的压力，验证了本文所设计的膀胱动力泵对膀胱排尿进行控制的可行 性，为下一步的深入研究奠定了基础。 关键词：膀胱动力泵；电磁；有限元；永磁体 广东工业大学硕士学位论文 a b s tr a c t u r i n a t i o ni sab a s i cp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o no fh u m a n b u tw h e nt h ec e n t r a l n e r v o u so rp e r i p h e r a ln e r v o u ss y s t e mw h i c hc o n t r o lu r i n a t i o ni si n j u r e d ，i tc a n p o s s i b l yl e a dt os y m p t o m ss u c ha sd y s u r i a ，u d n a r y 。r e t e n t i o n ，o ri n c o n t i n e n c e 。a s a nu n n a t i o na s s i s t a n td e v i c e ，b l a d d e rp o w e rp u m pi sr e 衙e di nt h i sp a p e r i t s e l e c t r o m a g n e td n v e nu n i tc o n s i s t so fe l e c t r o m a g n e t 。m a g n e t i cm o v e r ，a n ds t a t o r t h eb a s i cp r i n c i p l eo fb l a d d e rp o w e rp u m pi st h a tw i t h e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s g e n e r a t e dt h r o u g he l e c t r o m a g n e t ，m a g n e tm o v e ri sd n v e nt oo p e no rc l o s et h e o r i f i c eo fu r e t h r aa n du r e t e r ，t oa d j u s tb l a d d e rp r e s s u r e ，a n dt oc o n t r o lu r i n a t i o n b a s e do np r i n c i p l eo fb l a d d e rp o w e rp u m p ，t h em a g n e t i cf e a t u r e so fi t s e l e c t r o m a g n e t i cd r i v e nu n i tw e r es t u d i e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a g n e t i c f o r c et om a g n e t i cm o v e r sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l o wr a t eo fb l a d d e r p o w e rp u m pw e r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hi d e n t i f yav a r i e t yo ff a c t o r sa f f e c t i n go nt h e f l o wr a t e t h em o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cd r i v e nu n i tw a sb u i l du pb yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) b a s e do nt h em o d e l ，t h em a g n e t i cf o r c ew a si n v e s t i g a t e d ，t a k i n g i n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fe l e c t r o m a g n e tc u r r e n t 。t h ei n t e r v a ls i z eb e t w e e ne a c h p e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) 。t h ea n g l eb e t w e e np m sa n de l e c t r o m a g n e t 。a n dt h e n u m b e r so fp m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed r i v i n gc a p a b i l i t yi se n h a n c e db y i n c r e a s i n gt h ee x c i t i n gc u r r e n ta n dt h en u m b e r so fp m ：t h er e q u i r e m e n tf o rr u b b e r f i l m st ob o n dt h ep m si sr e d u c e db ya r r a n g i n gs u i t a b l ei n t e r v a ls i z e t h e i n v e s t i g a t i o np r o v i d e sab e n e f i c i a lg u i d a n c ef o ro p t i m a ls t r u c t u r ed e s i g no ft h e u a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cd n v e n u n i t t os t u d yt h ea c t u a lw o r k i n gf e a t u r e so ft h eb l a d d e rp o w e rp u m p ，ab l a d d e r p o w e rp u m pw a sd e s i g n e da n di t ss i m u l a t e de x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sb u i l t a n e x p e n m e n tw a sc o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e b l a d d e r p r e s s u r e a f f e c t e d b y e l e c t r o m a g n e tc u r r e n ta n dt h en u m b e r so fp m s a n o t h e re x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e dt ov e r i f yt h eb l a d d e rp o w e rp u m pi sf e a s i b l et oc o n t r o lu n n a t i o n k e yw o r d s ：b l a d d e rp o w e rp u m p ；e l e c t r o m a g n e t ；f i n i t ee l e m e n t ；p e r m a n e n t m a g n e t i l l 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途使用的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 3 2 汐够年月弓日 徽铝 多 字 签 签 者 师 作 教 文 导 本 指 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 根据医学理论，当膀胱储尿量达到一定程度时，要使人体排尿，就需要有一定 的膀胱压。在正常情况下，当人体储尿量达到4 0 0 , - - 一7 0 0 m l 时候，神经和膀胱肌肉就 会协调配合让膀胱收缩，增加膀胱压，从而排尿。但是当意外导致的大脑或脊髓损 伤、脑或脊髓肿瘤、重金属中毒、糖尿病以及急性感染等损害了控制排尿的神经或 神经通路，就使膀胱无法正常的产生排尿压力，从而导致排尿困难、尿潴留等临床 症状。此症状称为神经源性膀胱。 为帮助患者排尿，以往采用药物、电刺激、手术及体神经反射治疗方法或采用 腹压、引流及转流等辅助排尿措施，均难以解决膀胱排尿功能障碍问题，是国际医 学界公认的难题之一。 针对神经源性膀胱导致病人生活障碍和引发并发症等问题，在分析现有治疗方 法及辅助排尿措施基础上，文献【l 】提出了体外电磁驱动的膀胱动力泵。它主要由电 磁铁、体内磁动子和定子组成。其基本工作原理是：把橡胶膜覆盖在膀胱表面并由 定子固定，橡胶膜与安置在其中的永磁体组成磁动子。电磁铁放置在人体外对应膀 胱的位置，通过电磁铁产生的电磁场对磁动子内的永磁体产生驱动力作用，调节尿道 口和输尿管口的开闭以及膀胱压力大小，达到控制排尿的目的。 为了深入研究该泵的工作原理及其排尿动力特性，有必要对其结构及其模拟实 验系统进行设计。 1 2 治疗神经原性膀胱的研究现状 1 药物治疗临床上主要利用奥昔布宁( o x y b u t y n i n ) 和辣椒素( c a p s a i c i n ) 的 止痛作用治疗神经源性膀胱。m u l c a h y 等1 2 】较早将奥昔布宁用于治疗脊柱裂病人，以 导尿间隔无漏尿作为有效标准，有效率达8 4 ，但口干、嗜睡、头痛、恶心、颜面 潮红等副作用使许多患者中途退出了治疗。g r e e n f i e l d 等1 3 】对1 0 例病人尝试使用膀胱 内灌注奥昔布宁，8 例完全或部分消除了漏尿。f 0 w l e r 等【4 】采用膀胱内灌注辣椒素治 广东工业大学硕士学位论文 疗1 4 例神经源性膀胱，有5 例病人症状明显改善。w i a r t 掣5 】采用膀胱内灌注辣椒素， 发现病人出现膀胱烧灼感、颜面潮红、血尿副作用。总体上，目前膀胱内给药的手 段还很不成熟，因为它要求进行反复的下泌尿道操作，会给患者带来很大的痛苦和 损伤【6 j 。 2 电刺激治疗目前有骶后根切断及前根电刺激、膀胱电刺激两种方法尝试治 疗神经源性膀胱。s e h u r o h 等【7 】对1 0 例患者进行硬膜内骶后根( s 2 s 5 ) 切断及前根 植入电极治疗，发现电刺激s 3 及s 4 出现膀胱收缩，反射性尿失禁得到改善或消失， 而急迫性尿失禁依然存在。r o b i n 掣8 】研制出一种功能性的电刺激装置，包括植入体 内的刺激器及在体外通过电磁耦合遥控的控制器，刺激器刺激s 2 神经，该装置仍 处于动物试验阶段。直接膀胱电刺激的治疗方法尚未用于临床。w a l t e r 等【9 】在5 只 雄性猫的膀胱三角区粘膜层用缝合法植入不锈钢电极，伤愈后制成脊髓t l 完全损 伤动物模型，电刺激时在x 线透视下见排尿时尿道呈开放状态并能顺利排尿，将这 种方法应用于临床尚需作更多的观察。 3 手术治疗经尿道外括约肌切开术和膀胱颈( 内括约肌) 切开术国内外已开 展多年【1 0 1 。其适应症是逼尿肌张力低、尿道阻力相对过高、剩余尿量多甚至伴上尿 路损害、不稳定性膀胱、同时伴有外括约肌或膀胱颈协同失调引起剩余尿增多、非 手术治疗无效者。手术治疗引起尿失禁的并发症多见。 4 体神经反射治疗x i a o 等【1 1 】提出利用截瘫平面以下的废用神经，人工建立体 神经一内脏神经反射弧，从而形成一种经皮肤控制的神经反射通路以重建下尿路的 神经支配，恢复膀胱的可控排尿。x i a o 等在1 5 例s c i 后逼尿肌反射亢进及d e s d 的患 者身上建立了“皮肤脊髓中枢一膀胱”人工反射弧，术后患者的膀胱容量增大，排尿 量增加，尿失禁减少，膀胱功能得到改掣1 2 j 。但由于利用下肢运动神经将导致下肢 行走功能障碍，对于下肢功能正常的神经源性膀胱患者难以接受。目前该方法正处 于动物实验阶段，临床疗效也在观察中。 5 辅助排尿临床上采用腹部施压、插管引流和膀胱造瘘转流等措施进行辅助 排尿。若膀胱收缩无力，则需病人通过前腹壁向膀胱施压，但不能将尿液排净，滞 留尿液易产生结石、引发尿路感染。若膀胱无收缩性，则需持续或间断地将导管经 尿道插入膀胱引流尿液，持续插管可引起尿道及周围组织炎症，间歇性( 每日4 - - 6 次) 插管排空后拔出，病人痛苦。对于不能自行插管的瘫痪病人，需在膀胱和前腹 2 第一章绪论 壁开口( 造瘘术) ，使尿液转流收集于袋中。造瘘易引起膀胱及腹部组织感染。 综上所述，在克服膀胱排尿功能障碍方面，现存的问题是：药物治疗副作用大， 疗效不明显；电刺激治疗需手术植入电极，疗效尚未明确；手术治疗适应症少，容 易引起并发症：体神经反射治疗将损伤躯体运动神经，疗效尚待观察；腹部施压尿 液不能排净，导致结石、尿路感染；长期插管引流、膀胱造瘘转流，病人痛苦，易 引起感染。因此，在目前尚未找到更有效的治疗方法状况下，探索新的有效的辅助 排尿方法是克服神经源性膀胱排尿功能障碍的合理选择。 1 3 磁力驱动技术的研究现状 磁力驱动是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用， 来实现力或转矩( 功率) 无接触传递的一种新技术1 1 3 】。通过磁力驱动，使原动机的 动力通过外磁部件传递给相对应的内磁部件，内外磁部件处于两种不同介质当中， 从而取消了动密封，实现无密封、零泄漏。 早在2 0 世纪3 0 年代磁力驱动就已经被人们所提出，但是由于当时对这一技术 缺乏足够的认识，而且受到永磁材料发展局限性的制约，并未取得较大的进展。2 0 世纪7 0 年代后期随着稀土永磁材料，如稀土钴和钕铁硼等新兴永磁材料的发展和应 用，使磁力驱动技术有了迅速的发展和提高。永磁体体积减小了5 倍，磁力驱动器 传递转矩( 功率) 的能力提高了3 - - - 4 倍，传递的最大功率已达到4 0 0 k w t l 4 j 。 目前，磁力驱动技术已广泛应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的 泵和压缩机、搅拌机与阀门等。其中的重要应用之一是磁力驱动泵。泵在工业生产 中作为输送液体非常广泛。泵制造厂家为了解决使用中泄露的问题，在密封上想了许 多办法，包括机械密封、填料密封式密封等。但由于制造精度，长期的运输磨损以 及维护水平的不同，泄漏问题仍然无法避免，从而造成各种环境污染。磁力驱动泵正 是出于无泄漏的需要而研制的。磁力驱动泵是利用磁场透过磁路工作间隙传递转矩 的，主动轴与工作容器内传递动力的从动轴之间无机械接触，因而可将工作容器内 液体或气体动密封转化为静密封，实现零泄漏传递。总之，磁传动改变了原动机对 泵做功的机械直联传动方式。其结构变为无通轴、静密封、物理性的磁性联接方式。 磁力驱动泵分为离心式和容积式两种，分别是利用流体动能和势能传递动力，已在 石油、化工、制药等领域得到成熟应用。英、德、日、美等国对磁力驱动泵研究和 3 广东工业大学硕士学位论文 开发较早。目前生产磁力泵的厂商有英国的r m d 无密封泵公司，s e a ll o s s 无密封泵 公司，德国的d i c k e r 泵公司及k c a c s 泵公司，美国的i ) r e s s e r 泵公司，日本的三和特殊 制钢株式会社等。其生产出来的磁力驱动泵产品功率多在3 0 k w 以下。我国甘肃省 科学院磁性器件研究所也已研制出磁力驱动泵系列产品，最大功率达至1 1 8 5 k w ”l 。 磁力驱动技术已成功应用于永磁悬挂除铁器上。永磁悬挂除铁器是以永磁材料 为磁源分离物料中的磁性物质，其高性能的磁场可以有效提高物料的纯净度。将它 悬挂在运煤传送带上3 5 c m 处，可将运行中埋在煤料中的雷管吸附并分离出去1 1 6 】。 1 4 磁力驱动技术应用于人体的现状 磁力驱动技术已应用于对牙齿的矫治方面。c l a r k b t , i s l l 9 8 2 年发明了一种治疗 骨性类错合的t w i n - b l o c 功能矫治器用以引导下颌前伸促进下颌骨生长，但它与 传统的功能矫治器一样，是被动型，只是利用肌肉产生的牵引力通过矫治器传递到牙 列、牙槽和颌骨上，缺乏主动矫治力量。另外，当患者睡眠或肌肉松弛时下颌后坠，下 颌不能处于前伸位，功能矫治器则不能起作用。而经过改进的磁力t w i n - b l o c k 矫治器 正好可以解决这个问题。刘剑，吴建勇，金鑫邵坪等对此进行了研究 1 9 , 2 们。 d a r e n d e l i l e r t 2 1 11 9 9 3 年设计出m a d i i 型磁力矫治器，直接利用磁铁产生7 n 吸引力 促使患者下颌骨前伸。v a r d i l l l o n 【2 2 1 将f o m a i i + f a 的矫治器运用于临床，也取得了 满意的效果。国内徐芸【2 3 】等设计出治疗下颌后缩畸形的颊屏式双阻板磁力矫治器， 可利用磁铁的斥力推下颌向前。 磁力驱动技术正被研究用于人体心脏辅助血液循环。龚中良等【2 牝9 】对微型轴流 式血泵外磁场驱动的原理和方法进行了探讨。其主要原理是利用体外可控交变磁场 穿透人体和主动脉壁驱动动脉腔内的“叶轮一永磁转子体”，从而实现非接触式动力 传递，在驱动力的持续带动下，血泵可不断将血液由左心室腔提升到主动脉腔，达 到心脏辅助的目的。交变磁场产生的方法有电机驱动法、励磁线圈驱动法、电磁棒 产生交变磁场。前两种方法有机械转动部件，存在磨损现象。后一种方法属电磁系 统，便于系统的智能控制，不存在机械磨损，但系统同样存在线圈的互感及涡流现 象。赵红等【3 0 】模型实验研究表明：最远驱动距离可达9 7 m m ，泵压可达8 0 m m h g ， 实现远距离驱动是可行的。 综上所述，磁力驱动技术在工程领域已得到成熟应用，但在人体医学领域的应 4 第一章绪论 用刚刚开始。目前国际上开展了以磁力辅助心脏血液循环方面的研究，但利用磁力 驱动技术辅助膀胱排尿的方法及装置的研究，国内外尚未见报道。因此，开展体外 电磁力驱动的膀胱动力泵的研究，具有重要的学术价值和理论实践意义。 1 5 磁路设计研究现状 磁路设计是指磁传动部件所包括永磁材料、磁隙、导磁体的选取和构制方案， 其基本原则是：在满足设计要求的前提下，磁路结构合理、性能稳定，传动部件体 积小、结构简单紧凑、重量轻、成本低、效率高。 目前，磁路设计的计算方法有很多，主要可分为等效磁路法、经验公式法以及 数值分析方法。前两类方法属于经过模型简化得到的近似计算方法。它们的缺点是 不能考虑磁性材料的非线性和各向异性特征，也不能精确计算磁阻及漏磁，因此要 建立精确的数学模型并进行准确分析是很困难的【3 1 1 。随着计算机技术的普及，以有 限元分析方法为代表的数值分析方法在磁路设计得到了广泛的应用。有限元方法能 够考虑磁性材料的非线性特征，能够精确计算漏磁效应及整个磁路空间的磁场分布， 计算结果的准确性高。当磁路中存在永磁体且气隙较大时，应用有限元方法进行分 析最为适合。 本文所设计的膀胱动力泵结构特殊，磁路中的气隙较大，且包含有永磁体，因 此本文采用了有限元方法进行相关分析。 1 6 本课题的来源及主要研究内容 1 6 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目( 5 0 7 7 5 0 4 0 ) 以及广东省自然科学基金项 目( 0 7 0 0 1 7 4 6 ) 1 6 2 本文的主要研究工作 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 分析了神经源性膀胱的产生机理和目前治疗方法、辅助措施及其存在的问 题。介绍了磁力驱动技术发展现状以及磁路设计研究现状。 2 结合人体膀胱的结构和储排尿机制以及容积式液压泵的原理，分析了膀胱动 5 广东工业大学硕士学位论文 力泵的工作及其结构。 3 建立了永磁体的磁化数学模型、磁动子所受磁场力的数学模型，在此基础上 建立了膀胱尿流率的数学模型，并分析了影响尿流率的各种因素。 4 利用a n s y s 有限元分析软件对膀胱动力泵的电磁驱动单元进行了电磁力仿真 分析。 5 设计了一种膀胱动力泵，在此基础上建立了包括泌尿模拟单元以及测控单元 在内的膀胱动力泵模拟实验系统。 6 通过膀胱动力泵模拟实验，分析研究了磁动子对膀胱施加压力的可行性以及 膀胱动力泵对膀胱排尿控制的可行性。 6 第二章膀肮动力蔡原理厦蛄构 第二章膀胱动力泵原理及结构 膀胱是储存和疏泄尿液的功能器官，具有特殊的生理结构和储排屎机制。分析 膀胱的结构及储排尿原理有益于对膀胱动力泵的工作原理的理解。 2 1 膀胱的结构和原理 2 1 1 膀胱的结构 如图2 1 所示，膀胱是储存屎液的肌性囊，分别与输屎管和尿道连接它位于 小骨盆腔的前部。成年人膀胱位于骨盆内，为一贮存尿液的器官。婴儿膀胱较高， 位于腹部，其颈部接近耻骨联合上缘；到2 0 岁左右，由于耻骨扩张，骶骨角色的演 变，伴同骨盆的倾斜及深阔，膀胱即逐渐降至骨盆内。空虚时膀肮呈锥体形( 图2 上) ， 充满时形状变为卵圜形( 图2 3 ) ，顶部可高出耻骨上缘。膀肮底的内面有三角形区 称为膀胱三角，位于两输尿管口和尿道内口三者连线之间。膀肮的下部，有尿道内 口，膀胱三角的两后上角是输屎管开口的地方。 一坼管2 - 膀肚3 一输屎瞥口4 - 尿道括约肌5 一屎堪 圈2 , 1 膀耽示章固 f i 9 2 1s c h e m a t i c d i a g r a mo f e l a d d h 嘲一 燮l 楚蓥蕊j 篷蕊爿 田2 2 膀臃空t 时的嗣面示意圈 f i g2 2p r o f i l ed i a g r 枷o f e m p t y b l a d d 圈2 3 膀腱充满时的剖面示意圈 f i g23p r o f i l ed i a g r a mo f f u l lb l a d d e r 7 广东工业大学硕士学位论文 图2 4 膀胱神经支配示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m o fb i a d d e rl n n e r v a t i o n s 如图2 4 所示，其中一组混合神经是腹下神经，它的传入纤维传导膀胱的痛觉。 它的传出纤维起自脊髓胸1 2 腰1 、2 段侧柱，属于交感神经系，支配膀胱及尿道 内括约肌等。它能传导兴奋以增强尿道内括约肌的紧张性和减弱膀胱逼尿肌的紧张 性，促使膀胱贮尿。另一组混合神经是盆神经，它的传入纤维传导膀胱和尿道内括 约肌的充胀感觉。它的传出纤维起自脊髓骶2 - - 4 段侧柱，属于副交感神经系，支配 膀胱与尿道后括约肌。它传导的兴奋能引起逼尿肌收缩和尿道括约肌松弛，促进排 尿。还有一组混合神经是阴部神经，它的传入纤维传导后尿道的感觉( 包括痛觉) 。 它的传出纤维起自脊髓骶2 - - 4 段前角细胞，属于躯体神经，用以支配尿道外括约肌 和会阴部的横纹肌，能引起尿道外括约肌的紧张性收缩从而阻止膀胱排尿。当排尿 时，它的紧张性兴奋受抑制，从而减弱尿道外括约肌的紧张性，尿液受逼尿肌驱动， 8 第二章膀胱动力泵原理及结构 由舒张的尿道流出体外。排尿过程中，脑部可以有意识地使它兴奋而收缩尿道外括约 肌，从而中断排尿。排尿终止后，它又立即恢复其紧张性兴奋，以维持尿道外括约肌 的紧张性收缩【3 2 1 。 2 1 3 膀胱的储排尿原理 膀胱的生理功能是储存尿液和周期性排尿。在正常情况下，大脑皮层对脊髓排 尿中枢起到制约作用，膀胱逼尿肌处于持续的轻度收缩状态，使膀胱压经常保持在 1 k p a 以下，即使当膀胱内尿量增加时，由于膀胱具有较大的伸展性，其容积能随尿 量的增多而增大，其内压也无多大变化。即使尿量增加到2 0 0 - - 3 0 0 m l ，膀胱压也只 有很小的增加。这种压力近似恒定的水平是由膀胱壁本身内在紧张性的结果。当尿 量增加到4 0 0 - - 5 0 0 m l 时，膀胱压便超过i k p a 并明显升高，这时膀胱壁的牵张感 受器受刺激而兴奋，神经冲动传入大脑皮层排尿反射中枢，产生排尿欲。如果条件 许可排尿，则冲动传出，引起逼尿肌收缩、内括约肌松弛，尿液进入后尿道，并刺 激后尿道的感受器，进一步加强其活动，并反射性地使外括约肌开放，尿液就在强 大的膀胱压下被排出。尿液对尿道的刺激还可迸一步使排尿反射活动一再加强，直 至排完为止。如果条件不许可或不去进行排尿，则膀胱内尿量继续增多，当达到 7 0 0 m l 时，膀胱压增大到3 5 k p a ，此时逼尿肌出现节律性收缩，排尿欲明显增大。 不过，此时还可由意志控制得住。如果等到膀胱压超过7 k p a 时，便会出现明显痛 感以致不得不去排尿。 此外，膀胱内容量与排尿感觉之间的关系还受精神因素和下尿路病变的影响。 由于排尿活动在很大程度上受到意识的控制，在膀胱充盈不足时也能完成排尿动作， 因此，在精神紧张时，通常有人表现为尿意频繁。正常人在每次排尿后，膀胱内并 非完全空虚，一般还有少量尿液残留，称为残留尿。正常成人的残留尿量约1 0 - 1 5 毫升。残留尿量的多少与膀胱功能有着密切关系【3 3 1 。排尿完成后，膀胱又恢复到尿 道括约肌收缩、膀胱逼尿肌松弛的储尿状态。 2 2 膀胱动力泵的原理和结构 2 2 1 容积式液压泵的吸压油原理 容积式液压泵是依靠密封工作油腔的容积不断变化来进行工作的。因此它 9 广东工业大学硕十学位论文 必须具有一个或多个密封的工作油腔，当液压泵运转时，该油腔的容积必须不 断由小逐渐加大，形成真空，油箱的油液才能被吸入，当油腔容积由大逐渐减 小时，油被挤压在密封工作油腔中，压力才能升高，压力的大小取决于油液从 泵中输出时受到的阻力( 如单向阀的弹簧力) 。这种泵的输油能力( 或输出流 量) 的大小取决于密封工作油腔的数目以及容积变化的大小和频率，故称容积 式液压泵。 液压容积泵的吸压油原理如图2 5 所示，其工作过程如下：当凸轮l 由原动 机( 电动机) 带动旋转时，柱塞2 便在凸轮l 和弹簧4 的作用下在缸体3 内往复运动。 缸体内孔与柱塞外圆之间有良好的配合精度，使柱塞在缸体孔内作往复运动时 基本没有油液泄漏，即具有良好的密封性。 当凸轮由图2 5 b 所示位置旋转1 8 0 0 到图2 5 a 位置时，柱塞右移，缸体中密封 工作腔的容积变大，产生局部真空，油箱中的油液便在大气压力作用下通过吸 油单向阀5 吸入缸体内，实现吸油；当凸轮再旋转1 8 0 0 回到图2 5 b 位置，柱塞左 移，缸体中密封工作腔的容积变小，油液受挤压，液压油的可压缩性非常小， 油液压力迅速增大，打开压油单向阀6 输送到系统中去，实现压油。如果凸轮 不断地旋转，液压泵就会不断地完成吸油和压油动作，因此就会连续不断地向 液压系统供油。 ( a ) 卜凸轮，2 柱塞，3 柱塞缸体4 弹簧，5 、6 单向阀 图2 5 容积式液压泵的工作原理图 f i g 2 5p r i n c i p l ed i a g r a mo f p o s i t i v ed i s p l a c e m e n th y d r a u l i clu m p 2 2 2 膀胱动力泵的工作原理 膀胱与容积式液压泵的结构和功能极为相似。膀胱体可对应容积式液压泵 的柱塞缸体，输尿管口与逼尿肌可对应与吸油道相连的单向阀，尿道口与尿道 括约肌可对应与输油道相连的单向阀，逼尿肌可对应凸轮与柱塞。肾脏可对应 1 0 第二章膀胱动力泵原理及结构 油箱。 当膀胱处于尿饱和状态时，膀胱的容积最大。此时尿道括约肌松弛开放，逼尿 肌压迫潜入膀胱壁内的输尿管段，关闭输尿管口；膀胱在逼尿肌的收缩作用下， 内压明显增加，尿液从尿道口输出，容积逐渐变小，直到尿液基本排空。与此 情况相似，如图2 5 所示，液压泵在容积最大时，单向阀5 截止，单向阀6 开通： 柱塞的向内运动使缸体的容积逐渐变小，液压油受到挤压后从单向阀6 排出， 直到容积达到最小值。 当膀胱基本排空，只有少量尿液残留，膀胱容积处于最小。此时尿道括约肌 收缩，尿道口关闭；逼尿肌处于松弛状态，输尿管口打开，尿液从肾脏排出后， 在液体压力和重力作用下经输尿管口进入膀胱，膀胱容积逐渐变大，直到容积 饱和。与此情况相似，液压泵在容积最小的情况下，单向阀5 开通，单向阀6 截 止；而柱塞的的向外运动使缸体内产生局部真空，油箱里的油液从单向阀5 被 吸入缸体内，直到缸体容积达到最大值。 从上面的分析可知，膀胱的工作方式与容积式液压泵具有相似性。因此， 对于神经源性膀胱障碍，可以根据液压泵工作原理，利用外部功能器件实现膀胱 储排尿。 图2 6 所示为文献 1 】提出的膀胱动力泵，它主要由磁动子1 、定子2 、外磁驱 动装置3 组成。定子由非磁性材料制成盘形，固定于耻骨5 上。磁动子的端部与定 子固定，与定子构成包容膀胱8 的可变工作容腔。外磁驱动装置3 安装于前腹壁4 e 。 7 卜磁动子2 - 定子3 一外磁驱动装置4 一前腹壁5 一耻骨6 - 尿道7 一输尿管8 一膀胱 图2 6 膀胱动力泵原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fb l a d d e rp o w e rp u m p 该泵的工作原理是：在储尿阶段，外磁驱动装置3 不产生磁场，磁动子1 不 广东工业大学硕士学位论文 受磁力作用处于松弛状态，膀胱8 未受到压迫，输尿管7 的输尿管口a 保持张开， 而包裹尿道6 的装置收缩并压迫尿道，尿道口b 保持闭合。此间，在输尿管括约肌 的蠕动下，尿液通过a 口进入膀胱，膀胱随尿液增多逐渐膨胀，并带动磁动子浮起。 在排尿阶段，外磁驱动装置3 启动，外磁场将磁动子上端的永磁片吸附在定子上， 迫使磁动子张紧，压迫膀胱使输尿管口a 关闭，同时牵拉包裹尿道的橡胶膜使尿道 口b 松开。在磁动子的压迫下，膀胱产生收缩排出尿液。随着膀胱的收缩，磁动子 由上至下被逐列吸附至定子上，工作容腔逐渐减小，磁动子压迫膀胱逐渐收缩，从 而连续将尿液排出。排尿时，病人可通过外磁驱动装置的磁力调节进行尿流率控制。 排尿后，外磁驱动装置3 停止工作，膀胱恢复储尿状态，完成一次储尿和排尿的过 程。病人只要重复上述过程，便可自行控制排尿。 从膀胱动力泵的原理可以看出它有以下的一些特点： 1 ) 膀胱、尿道和输尿管不开孔安装器件，可保持泌尿系统原有的解剖结构，不 破坏其完整性。 2 ) 磁动子和定子与尿液非接触，不致引起泌尿系统感染及并发症。 3 ) 磁动子与定子构成的工作容腔无需密封，不存在动密封的磨损与发热问题。 4 ) 以柔性橡胶控制尿道口和输尿管口的开闭，不致造成器官机械损伤。 5 ) 利用尿道和输尿管内壁的闭合实现密封，符合生理结构特点，不致引起漏尿 和返流。 6 ) 磁动子的永磁体被外层橡胶包裹，不致腐蚀、生锈，定子采用非金属材料， 具有良好的与生理组织相容性。 2 2 3 膀胱动力泵的结构 为了使外磁驱动装置能在远距离间隔的情况下有效地驱动磁动子，必须合 理设计外磁驱动装置和磁动子，对由外磁驱动装置和磁动子构成的电磁驱动单 元的设计要求是： 1 ) 根据人体皮肤层的厚度，外磁驱动装置与磁动子之间的距离设定在 2 0 m m 左右： 2 ) 外磁驱动装置对磁动子产生的电磁力必须足够大。本文将电磁力的最 大值设定为l o n ： 3 ) 外磁驱动装置应重量轻，寿命长，温升小，耗能低； 1 2 第二章膀胱动力泵原理及结构 4 ) 磁动子的尺寸须适应膀胱的结构，与生物组织具有相容性。 本文考虑采用电磁铁作为外磁驱动装置。通过调节电磁铁线圈的电流，可 方便地调控磁场大小，从而对尿流率进行控制。从使用的安全角度考虑，采用 电磁铁作为外磁驱动装置也较为合适。 本文磁动子所采用的结构是：外层为橡胶膜，内层包裹多片永磁体。由于 磁动子与外磁驱动装置之间的距离较远，与使用软磁材料相比较，永磁体在相 同的外磁场作用下受力更强，可以提高磁动子的能量传递效率。外层橡胶膜可 以有效防止永磁体的腐蚀、生锈等化学反应。但是，由于永磁体之间存在有力 作用，需要合理设计磁动子的大小和结构。 本文电磁铁利用直流电源仪作为电流供给。该方案特点是简单易行，通过 手动调节即可直接对电流的大小进行控制。 2 3 本章小结 本章对膀胱的结构以及原理作了较详细的介绍，在对比容积式液压泵的吸 压油原理的基础上，详细分析了膀胱动力泵的工作原理，对膀胱动力泵的结构 设计要点作了说明。 第三章膀胱动力泵理论分析及建模 第三章膀胱动力泵理论分析及建模 由上述的膀胱动力泵工作原理可知，膀胱动力泵的动力是由置于人体外部 的电磁铁提供的。受电流激励的电磁铁线圈会在空间中产生强磁场，根据毕 萨拉定律，会对磁动子中的永磁体产生电磁力作用，从而驱动磁动子压迫膀 胱，将尿液从膀胱的尿道口排出。在此过程中，电磁铁与磁动子之间的磁力耦 合受到各种因素( 如电流大小，磁体间距、相对角度等) 的影响，进而对膀胱 动力泵的尿流率产生影响，因此有必要对膀胱动力泵进行理论分析，从而为膀 胱动力泵的设计提供理论依据。 3 1 永磁材料的发展及其特性 永磁材料是当代新技术的重要物质基础。在信息与通讯技术、航空航天技 术、磁悬浮交通技术、核磁共振技术、纳米技术、混合型电力汽车等领域有着 广泛的应用。 在2 0 世纪6 0 年代以前，永磁体材料的发展较为缓慢，其实际性能一直无 法满足实际应用要求，主要表现在最大磁能积参数值较小。当时人们所使用的 永磁材料主要是碳钢、钨钢、钴钢。2 0 世纪3 0 年代末，a l n i c o 永磁材料的开 发成功使得永磁材料的大规模应用成为可能。2 0 世纪5 0 年代，钡铁氧体的出 现使永磁体的应用范围拓展到高频领域。到了2 0 世纪6 0 年代，稀土永磁材料 的出现极大的推动了永磁体产业的发展，对工业技术领域产生变革性影响【3 4 】。 稀土永磁体发展至今，已历经三代，正迈向第四代的发展阶段。1 9 6 6 年， s t m a tkj 研制成功磁能积约为5 1 m g o e 的第一代稀土永磁体s m c 0 5 ，1 9 7 0 年其 最大磁能积达到2 0 m g o e 。1 9 7 2 年，s t m a tkj 与r a y aj 研制成功第二代稀土永 磁体s i n 2 ( c o ，f e ) ，1 9 8 0 年其最大磁能积达到3 5 m g o e 。1 9 8 3 年，g e 公司与 s m n i t o m o 公司m j 研制成功第三代稀土永磁体，即n d f e b 磁体，即钕铁硼永磁 体，其磁能积可以达到3 8 m g o e 。经过了2 0 多年发展，现在钕铁硼永磁体的磁 能积达到了5 9 5 m g o e ，接近其理论极限值。目前，人们正在努力发展第四代 稀土永磁体，寻找可用于制造新型永磁体的具有高于n d f e b 磁体饱和磁化强度 并具有高单轴磁晶各向异性常数的材料【35 1 。进人2 0 世纪9 0 年代，纳米技术被引 1 5 广东工业大学硕士学位论文 入永磁材料的研究中。专家预测纳米复合永磁材料的磁能积很高，最高可达1 1 0 m g o e 左右。据日本工业材料报道，日本三荣化成公司已成功地开发出磁 能积高达6 9 8 m g o e 的纳米结构稀土磁体，这是迄今为止所报道的磁能积最高 的磁性材料，它已突破了烧结型钕铁硼的理论极限值【3 6 1 。 衡量永磁体的性能指标有以下几个： 1 最大磁能积( 暑眉) m 退磁曲线上任何一点的磁感应强度雪和磁场强 度日的乘积代表了永磁体在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积 的静磁能量，用( 丑日) 表示。磁能积随曰而变化的关系曲线称为磁能曲线， 该曲线的最大值( 引e i r ) m 称为最大磁能积。通常要求永磁体的( 曰日) m 越大越 好。在两磁极空间产生的磁场强度日为一定时，( 五日) m 越大，所需要的磁铁 的体积就越小。 2 剩磁研，尬永磁体经磁化至技术饱和并使外磁场的磁场强度为0 后， 所保留的尬、m 和研分别称为剩余磁化强度、剩余内禀磁感应强度和剩余 磁感应强度。它们统称为剩磁。 3 矫顽力日使磁化至技术饱和的永磁体的口降低到0 需要加的反向磁 场强度称为磁感矫顽力，简称为矫顽力，用风b 表示。使内禀磁感强度u o m 降 低到0 所需要的反向磁场强度称为内禀矫顽力，用风m 表示，日：m 钮：b 。剩磁 和矫顽力越大，反映的磁性能就越好。 4 稳定性包括温度稳定性、时间稳定性以及化学稳定性。随着温度的 提高，一般永磁体的磁感应强度丑要降低，其降低程度用可逆温度系数表示。 通过内补偿法可以使稀土永磁体的可逆温度系数减小。时间稳定性反映了永磁 体在一定温度下长期工作的稳定性与可靠性。当磁体在腐蚀环境或介质条件下 工作时，还要求磁体具有抗氧化与抗腐蚀的化学性能。提高磁体化学稳定性的 方法有：( 1 ) 通过添加某些合金元素；( 2 ) 在磁体表面镀或涂一层防腐蚀薄膜 3 7 jo 综合各种指标，钕铁硼永磁材料与其他永磁材料相比，综合性能出众。钕 铁硼的剩磁约是铁氧体的3 5 倍，是铝镍钻、钐钴永磁的1 2 倍，其内禀矫顽力 相当于铁氧体的5 1 0 倍，是铝镍钴的5 1 5 倍。钕铁硼永磁的去磁曲线为直线， 回复直线与去磁曲线基本重合，回复磁导率与钐钴永磁中的s m 2 c 0 1 7 永磁相 1 6 第三章膀胱动力泵理论分析及建模 当。钕铁硼永磁抗磁场干扰能力强，不怕去磁等，因而钕铁硼兼有铁氧体、铝 镍钴、钐钴永磁的优点【3 引。 钕铁硼永磁体的不足之处在于：一是其化合物居里温度相对较低，耳= 3 1 2 左右，因而工作温度低，磁体的热稳定性较差。二是磁体耐腐蚀性和抗氧化性 较差。因此，自从它问世以来，人们一直致力于通过合金元素的部分替代( 或 掺杂) 等方法来改善钕铁硼合金的热稳定性和抗蚀性，并进一步提高其磁性能 3 9 1 。目前，利用新发现的钐铁型稀土永磁材料( s m f e n 永磁合金) 制成的磁性 材料的居里温度( 兀) 达到5 0 0 ，比烧结钕铁硼高出约1 9 0 ( 2 ，但其磁能积仍然 低于钕铁硼永磁体。 总而言之，钕铁硼永磁材料作为第三代稀土永磁材料，已广泛应用与各个 工业技术领域。在新一代永磁材料发展成熟之前，钕铁硼永磁材料将继续占据 主流地位。 3 2 永磁体的磁化数学模型 在经过磁化处理后去掉外部磁场，永磁体仍然保持有磁性，具体表现在对 外部空间存在一定磁场强度及磁感应强度，所以永磁体是硬磁材料。根据介质 的分子电流模型，永磁体内部的一个分子可以等效成一个磁矩为己= i s 的磁偶 极子，表示该分子的环形电流，s 表示该分子的环形面积。受到某种方式的 磁化，永磁材料会产生并保持相应的磁偶极子的磁矩，磁矩的迭加效应表现为 体积分布的磁化体电流和表面分布的磁化面电流，从而使永磁体在宏观上显示 出磁效应。 不同的磁化方式会直接影响永磁体的磁化电流分布方式，从而影响对外表 现的磁效应。永磁体的磁化方式主要有以下三种方式：平行磁化、径向磁化和 沿圆周方向磁化。本文采用的是平行磁化方式的永磁体。为准确研究永磁体的 磁场分布，需要对平行磁化的永磁体的磁化电流分布进行数学分析。 以下的分析基于假设：忽略位移电流，即电磁场是似稳场；忽略磁导率 和电导率a 的温度效应；永磁体内无宏观电流，被均匀平行磁化。 本文所分析的永磁体是在开路状态下工作的。此工作状态下的永磁体的磁 感应强度不是在闭路状态的曰，点上( 见图3 1 ) ，而是在比召，点低的退磁曲线 1 7 广东工业大学硕士学位论文 上的某一点，因为它受到自身的退磁场的作用。此点为永磁体的工作点。 h ch o 0 图3 1 永磁体的工作点 f i g 3 1t h ew o r k i n gp o i n to fp e r m a n e n tm a g n e t 在工作点d 处的磁感应强度b d 、磁场强度玑和磁化强度满足以下的 关系： b d = p o ( h d + 肘。j ( 3 1 ) 式中，鳓真空中相对磁导率。 工作点的磁化强度m d 可表示为 m d = m ，+ x ，h 。 ( 3 - 2 ) 式中，峰剩余磁化强度； x r 永磁体的磁化系数。 在通常情况下，x r 是磁场强度的函数，与相对回复磁导率之间的关系 如下： 。“= 1 + x 。 ( 3 3 ) 由式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 和式(