一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统

1.本发明属于涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统及其工作方法。


背景技术：

2.膀胱是人体内储存和排放尿液的器官。膀胱疾病是指影响膀胱功能的一系列疾病。例如膀胱癌、膀胱瘤、膀胱结石等。在某些情况下，医生会让患者切除膀胱，例如在治疗膀胱癌或严重膀胱损伤的疾病下。在这些疾病下，医生在切除病人的膀胱后，会在体内给病人安装人工膀胱，以便患者可以储存尿液，并及时排放。传统的人工膀胱需要外部设备进行控制和排放尿液，这限制了患者的活动范围和生活质量。近年来随着材料学和生物医学工程的发展，出现了内置式人工膀胱。这些内置式人工膀胱可以在体内进行尿液储存和排放，不需要外部设备的帮助，因此更加方便和舒适。
3.然而目前已知的内置式人工膀胱存在一些问题。例如，一些内置式人工膀胱可能存在泄露或感染的风险，这可能会导致严重的健康问题。另外，一些内置式人工要么体积过大，要么材料较硬，要么易引起过敏或其他不良的反应。因此，需要一种新型的内置式柔性人工膀胱，以克服这些问题，提高膀胱切除患者的生活质量和安全性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统及其工作方法。
5.本发明提供的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，包括体内部分和体外控制设备；所述的体内部分包括人工膀胱、体内控制设备、压电泵和储气罐。
6.所述的人工膀胱包括膨胀约束套、储尿囊体和第一压力传感器。膨胀约束套包裹在储尿囊体的外侧；储尿囊体的外侧面与膨胀约束套的内侧面之间形成排尿压力腔。第一压力传感器内安装在排尿压力腔内。膨胀约束套的外侧面上设置有与排尿压力腔连通的充压接口；膨胀约束套上的充压接口、压电泵和储气罐依次连通。膨胀约束套上的充压接口与压电泵之间的设置有第一压力传感器和通断阀；第一压力传感器位于通断阀靠近排尿压力腔的一侧，能够检测排尿压力腔内的气压。
7.所述的储尿囊体的膨胀系数小于膨胀约束套的膨胀系数；排尿压力腔与储气罐通过压电泵连接；所述的体内控制设备包括磁感应线圈；磁感应线圈与压电泵连接；所述的体外控制设备包括能够产生变化磁场的无线供能发射模块。
8.作为优选，所述的储气罐内设置有第二压力传感器。
9.作为优选，所述的体内控制设备还包括供电模块和储能元件；磁感应线圈通过供电模块为储能元件充电；供电模块通过磁感应线圈或储能元件提供的电能，为体内部分中的电子元件供电。
10.作为优选，所述的体内控制设备还包括信号处理模块和无线通信模块；所述的体
外控制设备还包括控制终端；信号处理模块与控制终端通过无线通信模块通信。
11.作为优选，所述的体外控制设备安装在环形腰带上。
12.作为优选，所述的体外控制设备还包括用于显示当前尿量和排尿频率的显示屏，以及用于控制开始和停止排尿的按键。
13.作为优选，所述膨胀约束套上的充压接口与压电泵之间通过气管连接；第一压力传感器设置在气管连接压电泵的端部。
14.作为优选，所述的膨胀约束套和储尿囊体均采用生物兼容性弹性材料；膨胀约束套的弹性模量大于储尿囊体的弹性模量。
15.该基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统的工作方法，包括以下步骤：
16.步骤一、第一压力传感器周期性检测排尿压力腔内的压力；人工膀胱中的储尿囊体在持续储尿的过程中逐渐膨胀，使得排尿压力腔内部的压力增大；当第一压力传感器测得的压力大于或等于预设值后，进入步骤二。
17.步骤二、体内控制设备向使用者发出排尿提示。
18.步骤三、使用者控制体外控制设备执行排尿流程；排尿流程为：无线供能发射模块产生变化的磁场；磁感应线圈在变化的磁场中产生电流，使得压电泵向排尿压力腔中充入气体；排尿压力腔在充入气体后膨胀，使得储尿囊体受到挤压，使得储尿囊体的尿液被向外挤出，完成尿液的排放。
19.步骤四、无线供能发射模块产生变化的磁场；磁感应线圈在变化的磁场中产生电流，使得压电泵将排尿压力腔中的气体抽回到储气罐中，使得人工膀胱10回复初始形态。
20.作为优选，步骤三中，若体内控制设备发出排尿提示的次数或时间达到预设值时，使用者依然没有主动控制体外控制设备执行排尿流程，则体外控制设备自动执行排尿流程。
21.本发明具有的有益效果是：
22.1、本发明将人工膀胱设计为内外双层结构，通过向内外层之间形成的排尿压力腔充压的方式压缩内层的储尿囊体，实现人工膀胱的自动排尿动作；内外双层结构大大提高了人工膀胱结构的紧凑性。
23.2、本发明利用内层的储尿囊体因储尿量增加时会压缩排尿压力腔的特性，通过检测排尿压力腔压力的方式间接实现了人工膀胱的尿量感应，从而能够根据人工膀胱中的尿量主动提醒使用者排尿，使得本发明提供的基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统具备了天然膀胱的所有完备功能，改善了患者的生活品质。
24.3、本发明采用压电泵对弹性材料形变的控制，实现对人工膀胱的控制，由于柔性材料的亲肤性与柔软性，在挤压人工膀胱的过程中不易造成损伤，也不易引起泌尿系统感染及其他并发症。此外，本发明通过在体外提供变化的磁场，直接在体内的电磁线圈中产生驱动压电泵运行的电流，大大简化了控制系统，进一步提高了基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统的紧凑性，减小植入基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统对人体的损伤。
附图说明
25.图1为本发明的整体示意图。
26.图2为本发明中体内控制设备的结构示意图。
27.图3为本发明的工作原理图。
28.图4为本发明中体外控制设备的结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明作进一步说明。
30.如图1所示，一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，包括体内部分和体外部分。体内部分包括人工膀胱10，安置在人工膀胱10外侧的体内控制设备20，压电泵40，以及储气罐50。体外部分包括与体内控制设备通信的体外控制设备30。
31.人工膀胱10包括膨胀约束套11、储尿囊体12和第一压力传感器13。膨胀约束套11包裹在储尿囊体12的外侧；膨胀约束套11的内侧面与储尿囊体12的外侧面之间无粘接。储尿囊体12的外侧面与膨胀约束套11的内侧面之间形成封闭的，能够通过充压膨胀，抽压收缩的排尿压力腔101。
32.储尿囊体12的输入接口和输出接口均伸出至膨胀约束套11的外部，并串联在截断的输尿管之间；储尿囊体12的输入接口通过输尿管连接至人体的肾脏。储尿囊体12的输出接口通过输尿管连接至人体的尿道。
33.膨胀约束套11的外侧面上设置有与排尿压力腔101连通的充压接口；压电泵40的两个通气接口与膨胀约束套11上的充压接口、储气罐50的通气口分别通过气管连接。压电泵40通过压入或抽出储气罐50内存储的空气来控制排尿压力腔101的膨胀与收缩。膨胀约束套11上的充压接口与压电泵40之间的设置有第一压力传感器13和通断阀；第一压力传感器13位于通断阀靠近排尿压力腔101的一侧，能够检测排尿压力腔101内的气压。
34.通断阀能够控制膨胀约束套11上的充压接口的开启与封闭；通断阀由体内控制设备20控制，配合压电泵40和第一压力传感器13使用；当压电泵40工作时通断阀开启，实现对排尿压力腔101的充压和泄压；当压电泵40不工作时通断阀关闭，避免储尿囊体12膨胀时排尿压力腔101内的气体输出。通断阀采用压电材料的变形控制导通与截止。通断阀上包裹有医疗级材料。
35.储尿囊体12的膨胀系数差小于膨胀约束套11的膨胀系数。本实施例中，储尿囊体12采用医疗级弹性材料；膨胀约束套11采用钛合金。医疗级弹性材料采用聚氨酯、硅胶、气囊级聚合物、氟化聚合物中的任意一种。
36.当储尿囊体12开始存储尿液时，储尿囊体12发生膨胀，使得膨胀约束套11与储尿囊体12之间的排尿压力腔101被压缩，压力增大。当第一压力传感器13检测到压力超过设定值时，会发出信号给体内控制设备20中的信号处理模块22；信号处理模块22控制通断阀导通，并通过磁感应线圈23启动压电泵40，压电泵40将储气罐50中的空气压入排尿压力腔101内部，使得排尿压力腔101膨胀，挤压储尿囊体12开始排尿。当排尿完成后，压电泵40将膨胀约束套11内的空气再抽回储气罐50内，储尿囊体12自动恢复形变；之后，控制通断阀介质，人工膀胱10进入下一次排尿循环。
37.储气罐50包括钛合金制成的罐体51，以及内置于罐体51内的第二压力传感器52。
当罐体51内有空气被压入或抽出时，第二压力传感器52将时刻监测罐体51内的气压，避免罐内压力过大或过小，造成储气罐50的使用寿命降低，以及对排尿压力腔101的过度充压导致储尿囊体12受到过度挤压。
38.如图2所示，体内控制设备20包括无线通信模块21、信号处理模块22、磁感应线圈23、供电模块24和储能元件25。
39.信号处理模块22能够控制磁感应线圈23与压电泵40之间的通断，以及磁感应线圈23与供电模块24之间的通断，从而控制磁感应线圈23在驱动压电泵40，与利用供电模块24为储能元件供电之间切换
40.无线通信模块21用于与体外控制设备30进行无线通信；无线通信模块21采用蓝牙或zigbee通讯协议。
41.信号处理模块22用于接收无线通信模块21的信号并对信号处理后，控制压电泵40的启动与停止。
42.磁感应线圈23用于切割磁力线产生电流，以及控制压电泵40的启动与停止。
43.供电模块24连接储能元件25，用于对包括无线通信模块21和信号处理模块22在内的体内部分中所有电子元件供电。
44.储能元件25用于储存磁感应线圈23产生的多余电能，在体内控制设备20缺电时作为备份电源。
45.人工膀胱10内的第一压力传感器13每隔固定时间间隔将读取一次膨胀约束套11与储尿囊体12之间的排尿压力腔101的压力，从而监测储尿囊体12内的尿液储存量。由于排尿压力腔101的压力和储尿囊体12的体积呈正相关，体内控制设备20通过第一压力传感器13测得的压力大小，即可监测储尿囊体13内的尿液储量。
46.在一些实施例中，压电泵的体积大小为1.024cm3。
47.如图3所示，所述的体内部分的工作原理如下：
48.当储尿囊体12逐渐储存尿液时，储尿囊体12会不断膨胀挤压与膨胀约束套11之间的空间，储尿囊体12与膨胀约束套11之间的压力不断增大，第一压力传感器13不断读取压力直到压力进入预先设定的排气压力范围，此时体内控制设备20会发出尿液储满信号给体外控制设备30，告知使用者人工膀胱10内的尿液已接近储满，提醒使用者按下体外控制设备30中的启动按键，体外控制设备30会发出启动压电泵40的信号给体内控制设备20，体内控制设备20中的信号处理模块22发出信号通过磁感应线圈23启动压电泵40将储气罐50内的空气压入膨胀约束套11中，储尿囊体12开始收缩，挤压排出尿液。当储尿囊体12排空尿液后，储气罐50内的第二压力传感器52也降低到体内控制设备20预先设定值，此时体内控制设备20会再次通过磁感应线圈23启动压电泵40将膨胀约束套11内的空气抽出存储到储气罐50中。若使用者在排尿过程中有不适，可通过体外控制设备30上的停止按键，提前终止压电泵40的吸气。
49.如图4所示，体外控制设备30包括环形腰带31，以及安装在环形腰带31上的低功耗显示屏32、控制终端33和无线供能发射模块34。
50.环形腰带31穿戴于腰腹处。
51.低功耗显示屏32用于显示当前尿量、排尿频率。
52.控制终端33用于控制低功耗显示屏32进行显示，通过无线供能发射模块34产生变
化磁场以及与无线通信模块22通信。控制终端33上设有用于控制启动与停止排尿的按键。
53.无线供能发射端34用于发射交变电磁场以及进行无线通信。
54.具体使用时，使用者将体外控制设备30穿戴在腰部，使得体外控制设备30中的无线供能发射模块34与体内控制设备20中的磁感应线圈23对齐，方便控制与向体内控制设备充电。当低功耗显示屏32中的当前尿量超过一定值时，控制终端33会轻微震动提醒使用者及时启动排尿的按键。当控制终端33连续3次轻微震动，使用者仍未及时按下启动排尿的按键，控制终端33会在未按下启动排尿按键的情况下，通过无线供能发射模块34向体内控制设备20发出启动排尿的信号，及时排空尿液用以保证使用者的身体健康。控制终端33会定时开启与关闭无线供能发射模块34，使得磁感应线圈23定时产生电流，通过供电模块为储能元件供电，用于保证植入体内的体内控制设备20能持续工作。

技术特征：
1.一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，包括体内部分和体外控制设备(30)；所述的体内部分包括人工膀胱(10)和体内控制设备(20)；其特征在于：所述的体内部分还包括压电泵(40)和储气罐(50)；所述的人工膀胱(10)包括膨胀约束套(11)、储尿囊体(12)和第一压力传感器(13)；膨胀约束套(11)包裹在储尿囊体(12)的外侧；储尿囊体(12)的外侧面与膨胀约束套(11)的内侧面之间形成排尿压力腔(101)；膨胀约束套(11)的外侧面上设置有与排尿压力腔(101)连通的充压接口；膨胀约束套(11)上的充压接口、压电泵(40)和储气罐(50)依次连通；膨胀约束套(11)上的充压接口与压电泵(40)之间的设置有第一压力传感器(13)和通断阀；第一压力传感器(13)位于通断阀靠近排尿压力腔(101)的一侧，能够检测排尿压力腔(101)内的气压；所述的储尿囊体(12)的膨胀系数小于膨胀约束套(11)的膨胀系数；排尿压力腔(101)与储气罐(50)通过压电泵(40)连接；所述的体内控制设备(20)包括磁感应线圈(23)；磁感应线圈(23)与压电泵连接；所述的体外控制设备(30)包括能够产生变化磁场的无线供能发射模块(34)。2.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的储气罐(50)内设置有第二压力传感器(52)。3.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的体内控制设备(20)还包括供电模块(24)和储能元件(25)；磁感应线圈(23)通过供电模块(24)为储能元件(25)充电；供电模块(24)通过磁感应线圈(23)或储能元件(25)提供的电能，为体内部分中的电子元件供电。4.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的体内控制设备(20)还包括信号处理模块(22)和无线通信模块(21)；所述的体外控制设备(30)还包括控制终端(33)；信号处理模块(22)与控制终端(33)通过无线通信模块(21)通信。5.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的体外控制设备(30)安装在环形腰带(31)上。6.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的体外控制设备(30)还包括用于显示当前尿量和排尿频率的显示屏(32)，以及用于控制开始和停止排尿的按键。7.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述膨胀约束套(11)上的充压接口与压电泵(40)之间通过气管连接；第一压力传感器(13)设置在气管连接压电泵(40)的端部。8.根据权利要求1所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统，其特征在于：所述的膨胀约束套(11)和储尿囊体(12)均采用生物兼容性弹性材料；膨胀约束套(11)的弹性模量大于储尿囊体(12)的弹性模量。9.如权利要求8所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、第一压力传感器(13)周期性检测排尿压力腔(101)内的压力；人工膀胱(10)中的储尿囊体(12)在持续储尿的过程中逐渐膨胀，使得排尿压力腔(101)内部的压力增大；当
第一压力传感器(13)测得的压力大于或等于预设值后，进入步骤二；步骤二、体内控制设备(20)向使用者发出排尿提示；步骤三、使用者控制体外控制设备(30)执行排尿流程；排尿流程为：通断阀导通，无线供能发射模块(34)产生变化的磁场；磁感应线圈(23)在变化的磁场中产生电流，使得压电泵(40)向排尿压力腔(101)中充入气体；排尿压力腔(101)在充入气体后膨胀，使得储尿囊体(12)受到挤压，使得储尿囊体(12)的尿液被向外挤出，完成尿液的排放；步骤四、无线供能发射模块(34)产生变化的磁场；磁感应线圈(23)在变化的磁场中产生电流，使得压电泵(40)将排尿压力腔(101)中的气体抽回到储气罐(50)中，使得人工膀胱10回复初始形态，之后，通断阀截止。10.根据权利要求9所述的一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统的工作方法，其特征在于：步骤三中，若体内控制设备(20)发出排尿提示的次数或时间达到预设值时，使用者依然没有主动控制体外控制设备(30)执行排尿流程，则体外控制设备(30)自动执行排尿流程。

技术总结
本发明公开了一种基于压电泵和储尿排尿结构一体化的人工膀胱系统；该系统包括体内部分和体外控制设备。体内部分包括人工膀胱、体内控制设备、辅助排尿器、压电泵和储气罐。辅助排尿器上设置有内凹的容纳区域。人工膀胱设置在辅助排尿器的容纳区域内。辅助排尿器包括内变形层和外变形层。辅助排尿器内的充压腔与储气罐通过压电泵连接。体内控制设备包括磁感应线圈；磁感应线圈与压电泵连接。体外控制设备包括能够产生变化磁场的无线供能发射模块。本发明采用微型压电泵对柔性材料形变的控制，实现对人工膀胱的控制，由于柔性材料的亲肤性与柔软性，在挤压人工膀胱的过程中不易造成损伤，也不易引起泌尿系统感染及其他并发症。也不易引起泌尿系统感染及其他并发症。也不易引起泌尿系统感染及其他并发症。


技术研发人员：轩伟鹏 邓义东 倪嘉锋 李文钧 董树荣 金浩 孙玲玲 骆季奎
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/13