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配有磁正交力摩擦離合器的冠狀動脈旋切術裝置.pdf

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配有 正交 摩擦 離合器 冠狀動脈 旋切術 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201080043674.X

申請日:

20100713

公開號:

CN102791206B

公開日:

20150401

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61B17/22 主分類號: A61B17/22
申請人: 心血管系統股份有限公司
發明人: V·格魯巴奇,W·J·多布羅沃爾尼,V·L·舍納爾德
地址: 美國明尼蘇達州
優先權: 12/568,939
專利代理機構: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 代理人: 馮劍明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201080043674.X

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種動脈粥樣硬化切除術裝置,具有一位于發動機和驅動軸之間的離合器。所述離合器包括依靠摩擦工作的兩個盤將轉矩從一個盤傳遞到另一個盤。所述離合器通過吸引性的磁正交力保持兩個盤的接合狀態。在相對小轉矩的情況下,如正常使用時,靜摩擦轉矩保持盤的接合狀態,使盤一起轉動而沒有滑動。在相對大轉矩的情況下,如當驅動軸的遠端遇到障礙物而突然停下時,大轉矩超過最大靜摩擦轉矩,而使盤滑動。當滑動發生時,盤之間傳遞足夠少的動摩擦轉矩以避免傷害到病人或損害到動脈粥樣硬化切除術裝置。在某些情況下,人們選擇轉矩水平與驅動軸遠端的阻擋組合在一起,從而模仿一種現有的動脈粥樣硬化切除術裝置,這種裝置帶有一個固定在驅動軸上的,以氣體驅動的無離合器的渦輪。

權利要求書

1.一種冠狀動脈旋切術系統,包括:細長、可旋轉、柔性的一次性的驅動軸,所述驅動軸具有用于插入病人脈管系統的遠端和與該遠端相對的留在病人脈管系統外部的近端;能夠轉動一次性的驅動軸的發動機;以及具有轉矩特征閥值的離合器,所述離合器包括:與所述發動機轉動連接的磁性發動機盤;和與驅動軸的近端轉動連接的一次性的磁性驅動軸盤,所述磁性發動機盤和驅動軸盤是平行且共軸的,所述磁性發動機盤和驅動軸盤彼此縱向靠近排列,以及所述磁性發動機盤和驅動軸盤通過磁性發動機盤和驅動軸盤之間的磁性吸引力互相保持摩擦接觸,所述磁性吸引力與磁性發動機盤和驅動軸盤正交,所述磁性吸引正交力的大小由磁性發動機盤和驅動軸盤中的磁性顆??v向和/或橫向分布以及其中間隔所決定,其中所述磁性驅動軸盤和一次性的驅動軸可從磁性發動機盤上分離;其中,所述發動機和驅動軸之間的轉矩小于轉矩閥值時:所述轉矩在所述磁性發動機盤和磁性驅動軸盤之間完全傳遞,所述磁性發動機盤和磁性驅動軸盤通過靜摩擦繼續可轉動地保持在一起;以及其中,所述發動機和所述驅動軸之間的轉矩大于轉矩閥值時:導致所述磁性發動機盤和磁性驅動軸盤轉動著發生相對滑動;以及產生所述發動機和驅動軸之間傳遞的剩余轉矩,所述剩余轉矩小于轉矩閥值且由所述磁性發動機盤和磁性驅動軸盤的動摩擦系數決定;其中所述轉矩閾值直接與磁性發動機盤和驅動軸盤之間的磁性吸引力和靜態摩擦系數成正比,并且代表了其上靜態摩擦力能夠將磁性發動機盤和磁性驅動軸盤轉動地保持到一起的最大轉矩。2.根據權利要求1所述的系統,所述剩余轉矩與所述磁性吸引力成正比。3.根據權利要求2所述的系統,所述剩余轉矩與所述發動機和驅動軸間的轉矩值不相關聯。4.根據權利要求1所述的系統,所述發動機盤和所述驅動軸盤都是平面的。5.根據權利要求1所述的系統,所述發動機盤和所述驅動軸盤具有相匹配的曲率。6.根據權利要求1所述的系統,其中所述磁性正交力隨著磁性發動機盤和磁性驅動軸盤中的磁性顆粒之間的橫向和/或縱向間隔的增加而減少。7.根據權利要求6所述的系統,其中磁性顆粒之間的橫向和/或縱向間隔的增加通過在磁性顆粒上涂覆非磁性層實現。8.根據權利要求6所述的系統,其中所述磁性正交力隨著磁性發動機盤和磁性驅動軸盤中的磁性顆粒之間的橫向和/或縱向間隔的減少而增加。

說明書

技術領域

本發明涉及從人體通道中切除組織的裝置和方法,例如利用一種冠狀動脈旋切術裝置切除血管動脈中的粥樣硬化斑塊。具體地說,本發明涉及改進一個冠狀動脈旋切術裝置,該裝置配有一個磁誘導正交力的摩擦離合器。

背景技術

動脈粥樣硬化切除術是一項非外科手術,該手術使用在一根導管末端附上的一個裝置,通過切除或削去脈粥樣硬化斑塊(如:沉積的脂肪和累積在動脈管壁的其他物質)來打開堵塞的冠狀動脈或靜脈移植血管。為了本申請的目的,“磨損”是用來描述經皮腔內斑塊旋切術裝置頭的磨碎及/或刮行為。

動脈粥樣硬化切除術是進行恢復富氧血流回心臟,紓緩胸部疼痛,以及防止心臟病的手術。以下病人可以進行這類手術:對其他藥物治療沒有反應而胸部疼痛的病人,和某些要進行球囊血管成形術(一個用球囊導管來使動脈血管壁上的斑塊變平的手術)或冠狀動脈旁路移植手術的病人。有時需要進行移除冠狀動脈旁路移植手術后所建立的斑塊。

動脈粥樣硬化切除術使用一個旋轉刮刀或其他附在導管末端的設備來切去或破壞斑塊。在手術開始的時候,通過藥物控制血壓,擴張冠狀動脈,和防止血凝塊。病人是醒著但服用了鎮靜劑鎮靜下來。該導管插入到在腹股溝、腿、或手臂的大動脈,并螺紋式通過血管到達阻塞的冠狀動脈。切割頭到達斑塊的位置并且啟動,而斑塊則被磨碎或吸出。

動脈粥樣硬化切除術的類型有:旋轉式的、定向式的和血管腔內取出式的。冠狀動脈旋切術(Rotational?atherectomy)是使用一個高速旋轉的削刀來磨碎斑塊的。定向性動脈粥樣硬化切除術(Directional?atherectomy)是第一個被批準但不再通常使用的類型,它將斑塊刮到導管一側的缺口內。冠狀動脈血管腔內動脈粥樣硬化取出術(Transluminal?extraction?coronary?atherectomy)是使用裝置把斑塊從血管壁上切除,并利用真空吸進一個瓶子內。這是用來清理橋血管的。

在心導管室,動脈粥樣硬化切除術也稱為冠狀動脈斑塊切除術。它可以代替或結合球囊血管成形術使用。

已經公開若干裝置可以進行冠狀動脈旋切術。例如,Leonid?Shturman發表于1994年11月1日的美國專利US5,360,432,題為《Abrasive?drive?shaft?device?for?directional?rotational?atherectomy》,它公開了一種使用研磨式驅動軸的動脈粥樣硬化切除術裝置,該裝置是用于切除動脈中狹窄組織的,以上專利的全文以引用的方式并入本文中。所述裝置包括一個冠狀動脈旋切術設備,所述設備包括一種柔性的、細長的驅動軸,驅動軸由一個中心腔和一個定義為覆蓋有研磨材料的靠近末端的部分組成。在足夠高轉速的情況下,研磨部分能徑向膨大,并且能夠掃除大于研磨部分靜止直徑的研磨直徑。通過這種方式,所述動脈粥樣硬化切除術裝置可以切除比其導管本身大的阻塞。使用一個可膨大的研磨頭比使用不可膨大的研磨頭的動脈粥樣硬化切除術裝置而言是一種改進,這種不可膨大的裝置通常需要不同大小的研磨頭來切除不同階段的特定阻塞。

美國專利US5,314,438(Shturman)公開了另一種動脈粥樣硬化切除術裝置,該裝置有一個可旋轉的驅動軸,驅動軸的一段具有膨大的直徑,膨大直徑的至少一部分覆蓋有研磨材料以形成驅動軸的研磨部分。高速旋轉時,研磨部分可以從動脈中切除狹窄組織。

一個典型的動脈粥樣硬化切除術裝置包括一個一次性使用的部分,該部分可以與一非一次性控制組件連接和分離(也稱為一個控制器)。所述一次性使用部分包括,暴露在鹽水和病人體液中的組件,例如持手部、導管、可旋轉驅動軸和研磨頭。所述持手部包括一個轉動驅動軸的渦輪和一個按鈕,該按鈕可以縱向推進和收回沿導管上的驅動軸。通常,所述裝置有一個腳開關,用于激活持手部。

典型的已知動脈粥樣硬化切除術裝置是使用氣動動力驅動驅動軸的,該驅動軸有一個控制器控制壓縮的空氣量運送到的持手部渦輪中。壓縮的空氣使渦輪旋轉,繼而,轉動驅動軸和轉動附在驅動軸上的研磨頭。所述研磨頭的軌跡運動擴大和擴寬受限制或受阻的血管開放通道。

目前,大量的努力致力于把其他類型的旋轉性驅動器加入到動脈粥樣硬化切除術裝置中,主要是為取代以壓縮空氣為動力的需要。發動機需要一種限制傳遞到驅動軸的轉矩的途徑。例如,如果驅動軸的末端遇到障礙并卡住(即停止轉動),優選的是限制轉矩傳遞到驅動軸上,以避免驅動軸過度地卷攏和突然地釋放。這種突然的能量釋放可能導致損害病人或損壞裝置,因而應當避免。

因此,有必要在冠狀動脈旋切術裝置的發動機和驅動軸之間增加一個離合器。

發明內容

一個實施例是一冠狀動脈旋切術系統,其中包括:一細長的、可旋轉的柔性驅動軸,驅動軸具有一用于插入病人脈管系統的遠端和一與該遠端相對的留在病人脈管系統外部的近端;一轉動驅動軸的發動機;以及一具有轉矩特征閥值的離合器。所述離合器包括:一與所述發動機轉動連接的發動機盤;以及一與驅動軸轉動連接的驅動軸盤。所述發動機盤和驅動軸盤是平行且共軸的,兩者彼此縱向靠近排列并且通過發動機盤和驅動軸盤之間的磁性吸引力保持在一起。所述發動機和所述驅動軸之間的轉矩小于轉矩閥值時,轉矩完全傳遞到所述發動機盤和所述驅動軸盤之間,所述發動機盤和驅動軸盤通過靜摩擦仍可轉動地保持在一起。所述發動機和驅動軸之間的轉矩大于轉矩閥值時,導致所述發動機盤和驅動軸盤轉動著發生相對滑動。所述發動機和驅動軸之間的轉矩大于轉矩閥值時會產生一剩余轉矩,該剩余轉矩被傳遞到所述發動機和驅動軸之間,并且該剩余轉矩小于轉矩閥值且由所述發動機盤和驅動軸盤的動摩擦系數決定。

另一個實施例是一冠狀動脈旋切術系統,其中包括:一細長的、可旋轉的柔性驅動軸,驅動軸具有一用于插入病人脈管系統的遠端和一與該遠端相對的留在病人脈管系統外部的近端;一轉動驅動軸的發動機;以及一在所述發動機和驅動軸的近端之間傳遞相對轉矩的離合器。所述離合器包括:一與發動機轉動連接的發動機盤;以及一與驅動軸轉動連接的驅動軸盤,該驅動軸盤與所述發動機盤直接地縱向靠近并且平行。所述發動機盤和驅動軸盤彼此磁力吸引,該磁性吸引力形成一種正交力。當相對轉矩小于轉矩閾值時,所述正交力保持所述發動機盤和驅動軸盤靠在一起,所述轉矩閥值與正交力成正比。當相對轉矩大于轉矩閥值時,所述發動機盤和驅動軸盤會發生相對滑動。當此所述發動機盤和驅動軸盤發生相對滑動時,所述發動機盤傳遞剩余轉矩到所述驅動軸盤中,所述剩余轉矩與正交力成正比并小于所述轉矩閥值。

另一個實施例是一冠狀動脈旋切術系統,其中包括:一細長的、可旋轉的柔性驅動軸,驅動軸具有一用于插入病人脈管系統的遠端和一與該遠端相對的留在病人脈管系統外部的近端;一轉動驅動軸的發動機;以及一在發動機和驅動軸近端之間傳遞轉矩的離合器。所述離合器能完整傳遞小于轉矩閥值的轉矩,而當轉矩大于轉矩閥值時傳遞剩余閥值。所述剩余閥值小于轉矩閥值。

附圖說明

圖1是已知冠狀動脈旋切術裝置的透視圖;

圖2是發動機、驅動軸和離合器機械組合在一起的框圖;

圖3是圖2離合器的示意圖;

圖4是典型手術中,驅動軸轉速和驅動軸遠端轉矩的曲線圖;

圖5是傳遞到驅動軸近端轉矩隨發動機轉矩變化的曲線圖;

圖6是對于一已知的氣體渦輪系統,當驅動軸遠端停止時,驅動軸遠端轉矩隨時間變化的曲線圖;

圖7是對于具有如圖3所示離合器的本發明發動機驅動系統,當驅動軸遠端停止時,驅動軸遠端轉矩隨時間變化的曲線圖。

具體實施方式

一種動脈粥樣硬化切除術裝置公開了一位于發動機和驅動軸之間的離合器。所述離合器包括依靠摩擦工作的兩個盤,它們將轉矩從一個盤傳遞到另一個盤。所述離合器有一種吸引性的磁正交力以保持盤的接合狀態。在相對小轉矩的情況下,如正常使用時,靜摩擦轉矩保持兩盤的接合狀態,使盤一起轉動而沒有滑動。在相對大轉矩的情況下,如當驅動軸的遠端遇到障礙物而突然停下時,大轉矩超過最大靜摩擦轉矩,而使盤滑動。當滑動發生時,盤之間傳遞足夠小的動摩擦轉矩以避免傷害到病人或損害到動脈粥樣硬化切除術裝置。在某些情況下,人們選擇轉矩水平與驅動軸遠端的阻擋組合在一起,從而模仿一種現有的動脈粥樣硬化切除術裝置,這種裝置帶有一個附在驅動軸上的,以氣體驅動的無離合器的渦輪。

前面一段所述僅僅是概要,且不得解釋為對本發明的任何限制。更詳細的描述如下。

圖1是一已知冠狀動脈旋切術裝置的示意圖。該裝置包括一持手部10、一細長的具有一偏心膨大研磨頭28的柔性驅動軸20,以及從持手部10向遠端延長伸出的細長導管13。如本領域人員所知的,驅動軸20由螺旋盤繞的線構成,研磨頭28固定在其上。導管13具有一腔,驅動軸20的大部分長度容納其中,除了膨大研磨頭28和膨大研磨頭28遠端的一短部件。驅動軸20同樣含有一內腔,使得驅動軸20可沿著導線15推進和旋轉??稍O置液體補給線17以將冷卻的和潤滑的液體(一般為鹽水或另一種生物相容的液體)引入導管13。

持手部10優選包含渦輪(或類似的旋轉驅動機構),以高速旋轉驅動軸20。持手部10一般可連接到動力源,比如通過管16輸送的壓縮空氣。也可以設置一對或一根光纖光纜25以監測渦輪和驅動軸20的轉速。與這種持手部及相關裝置的細節是工業上所熟知的,并且在,例如授權給Auth的美國專利US5,314,407中有描述,以上專利的全文以引用的方式并入本文中。持手部10還優選包括一個控制按鈕11,以相對導管13和持手部主體推進和縮回渦輪和驅動軸20。

圖1中的研磨組件28是一附在驅動軸20上并靠近驅動軸20遠端的偏心實心研磨頭。術語“偏心”在此處表示,研磨頭的質心橫向偏離驅動軸20的旋轉軸線。當驅動軸高速旋轉時,研磨頭的偏離的質心造成研磨頭旋轉時,驅動軸在接近研磨頭處徑向向外彎曲,從而使研磨頭能磨損比其靜止直徑更大的直徑。偏心實心研磨頭詳細公開在,例如,Thatcher等人在2007年6月11日提交的美國專利申請,申請序列號為11/761,128,名稱為“Eccentric?abrading?head?for?high-speed?rotational?atherectomy?devices”(用于高速動脈粥樣硬化旋切術裝置的偏心研磨頭),公開于2008年12月11日,美國專利號US2008/0306498,以上專利的全文以引用的方式并入本文中。

目前,有人試圖以電發動機取代已有動脈粥樣硬化切除術裝置中的氣動驅動渦輪。這種發動機與渦輪相比有不同機械特性,例如增加的旋轉慣量。本發明申請主要針對連接發動機和驅動軸的離合器。這種離合器可以限制發動機傳遞的轉矩,所以,如果驅動軸的遠端遇到障礙并停止轉動,所述離合器可以阻止傳遞到驅動軸的破壞性轉矩。除了發動機,許多或所有已知動脈粥樣硬化切除術裝置的組件,包括導管13、導線15、持手部10上的控制按鈕11、螺旋盤繞的驅動軸20和偏心實心研磨頭28都可以與本公開專利的研磨頭設計配套使用。

圖2是一發動機30、驅動軸20和離合器40機械組合在一起的框圖。在這個圖示及后面的圖示中,所示“發動機”可以是電發動機、氣動驅動渦輪、或者其他可以產生可控旋轉量的合適的裝置。在正常使用中,離合器40是嚙合的,發動機30所產生的旋轉直接傳遞到驅動軸20。在驅動軸20的遠端陷入或遇到障礙突然停止轉動的情況下,離合器脫離使發動機30不能繼續旋轉驅動軸的近端。這種繼續的旋轉力會過度地卷攏驅動軸,而與這種旋轉相聯系的轉矩會對病人的血管或動脈粥樣硬化切除術裝置本身存在潛在的傷害,這兩者都不是所希望的結果。

此外,所述離合器可在驅動軸和發動機之間提供一個便捷的接口,所述驅動軸一般是可替換或一次性的組件,所述發動機一般是多次使用的。

圖3是圖2離合器40的示意圖。離合器40包括由磁性吸引力保持在一起的兩個盤41和42。固定在軸上的盤41、42分別與發動機30和驅動軸20可轉動地接合。

在正常操作的時候,包括加速旋轉、恒速旋轉和減速旋轉,發動機和驅動軸之間的轉矩差是相對較小的。由于這些轉矩差小,磁性吸引力足以將盤41和盤42保持在一起,并且使驅動軸近端與發動機靠在一起旋轉。

如果驅動軸的遠端遇到障礙并突然停止轉動,發動機和驅動軸近端之間的轉矩差將急劇增大,最終轉矩差超過保持盤靠在一起的靜摩擦轉矩。當發生這種情況時,盤之間轉動著發生相對滑動,并在滑動時將動摩擦轉矩從一個盤傳遞到另一個盤。這些摩擦效果的詳細討論如下。

請注意,轉矩是轉動力的對應量。轉矩造成角動量的變化,這一點很象線性力造成線性動量的變化。因為裝置組件在操作的過程中轉動慣量大致不變,一個非零轉矩因此造成旋轉速度的變化。

另外還要注意的是,兩個盤41和42是磁力吸引在一起的,這樣可以提供一個容易更換的便捷接口。例如,當手術結束后,驅動軸及其相關的機械部件可以通過脫離磁力吸引的盤41和盤42來拆除。盤42是連同驅動軸處置的,而盤41則仍與發動機組件連在一起,且可以留下再次使用。

圖4是一個典型手術中,驅動軸轉速和驅動軸遠端轉矩的曲線圖。最開始,驅動軸處于靜止狀態而沒有凈轉矩出現。在“加速旋轉”階段,發動機對驅動軸的近端施加一個非零的轉矩,使驅動軸的轉動速度增加。一旦達到所需的轉速,發動機的轉矩就會減少以保持驅動軸恒速轉動。請注意,發動機對驅動軸近端施加的實際轉矩可能很小,但是不為零,這是為了克服驅動軸近端和遠端之間的摩擦效應。該圖顯示了當驅動軸的遠端恒速轉動時,驅動軸遠端的轉矩真正為零。在“減速旋轉”階段,發動機在與驅動軸相反方向上施加一個非零轉矩,以降低驅動軸的旋轉速度到零。

圖4顯示了在一般使用過程中出現的典型的轉矩水平,通常是在低于離合器40中盤41、42開始打滑時的閥值。在正常使用時,離合器仍然起作用,并且兩個盤之間的靜摩擦力使盤靠在一起。只有在非典型事件中,例如,當驅動軸的遠端卡住并停止轉動的時候,要求盤打滑,而離合器脫離。然而,可能的是,在加速旋轉和/或減速旋轉的時候,由于加速旋轉和/或減速旋轉的轉矩超過閥值,盤打滑。

因此,為了更好了解離合器的盤何時接合,何時打滑,檢查摩擦力的物理狀態是很有幫助的。

想象一下兩個線性的盤,而不是兩個如圖3所示的真正離合器中的轉動的盤。由磁力產生的正交力,如圖3所示離合器,或由外部產生的正交力使線性盤靠在一起。對于作用于與接觸面平行的相對較小的力,盤能靠在一起。換言之,如果有人與接觸面平行輕輕地推一個盤,另一個盤會抓牢它而沒有滑動。對于作用于與接觸面平行的相對較大的力,例如用錘子敲打,盤不再靠在一起,而沿著接觸面發生相對滑動。

滑動開始發生時的閥值,是正交力(即保持盤靠在一起的力,可以是磁力或其他產生的)和靜摩擦系數的乘積。靜摩擦系數是一個無量綱的量,一般小于1。對于小于該閥值的力,盤保持靠在一起。對于大于該閥值的力,盤打滑。

例如,想象一下橡膠輪胎和路面的接觸面。對于一個小的正交力,即當輪胎僅僅是在其自身重量的影響下停在路上的時候,很容易就可以沿著路面拖動輪胎。對于一個大的正交力,即當輪胎支持一輛車的重量的時候,克服保持輪胎與路面接觸的摩擦力是很困難的。在實踐中,打滑只發生在大力量的時候,如在駕駛的情況下猛踩剎車。

通過這個例子,我們可以說明我們的離合器的第一個一般性原則:正交力(即磁產生的力量使盤彼此相互吸引)決定盤之間開始發生混動時的閥值。

這樣的正交力在離合器的設計階段是可控的,并且可以通過橫向分布或縱向分布盤里的磁性材料來控制。例如,正交力會隨著磁性顆粒間的縱向間距增加而減小,這種間距可以采用多種方法實現,例如在磁性顆粒的表面涂上非磁性層。

回到兩個線性盤的例子,想象現在的情況是盤已經在相對滑動。這時,如果沒有其他力在工作,在接觸面上會產生一個使打滑運動減慢并最終停止的阻力。同樣地,如果有人以與阻力相等的力與接觸面平行推打滑的盤,盤上將不會有凈力量,并且盤之間將保持一個恒定的速率。

阻力是等于正交力和動摩擦系數的乘積。動摩擦系數也是一個無量綱的量,一般也是小于1。此外,動摩擦系數通常小于靜摩擦系數,這就是汽車防抱死制動效果背后的原因,如果沒有打滑,防抱死制動能傳遞更大的剎車力。

重要的一點是,阻力并不取決于盤之間的速率。只要盤之間發生打滑,阻力只取決于盤之間的正交力。

我們可以說明我們的離合器的第二個一般性的原則:當盤打滑時,正交力(即磁產生的力量使盤彼此相互吸引)決定從一個盤傳遞到另一個盤的轉矩。

圖5概括了這兩個一般原則,這是一個傳遞到驅動軸近端轉矩(縱坐標)隨發動機轉矩(橫坐標)變化的曲線圖。

如果沒有離合器的存在,并且驅動軸是轉動著與發動機直接相連的,那么在圖5中“沒有打滑”曲線將是以1∶1的關系從原點上升到圖的右上邊緣。換句話說,對于沒有離合器連接的情況,所有的發動機轉矩總是傳遞至驅動軸上。

在相對小的轉矩時,離合器嚙合并且盤接觸且相對不打滑的情況下,可以看到1∶1的關系。在正常使用的情況下,例如在經皮腔內斑塊旋切術時的加速旋轉和減速旋轉的部分,發動機產生的轉矩被認為相對較小,所以在整個過程離合器仍然是嚙合的。在圖5的曲線中,這對應于從原點向右上方延伸的45度分支(標記為“沒有打滑”)。

為了防止對病人和裝置本身造成損害,我們希望在一些特定的轉矩閥值時開始打滑。所述閥值發生在“沒有打滑”曲線的右上角的點上,并與正交力成比例。當發動機的轉矩等于或超過這個閥值時,打滑發生。

當離合器中的盤打滑時,不管發動機的實際轉矩有多大,傳遞到驅動軸的轉矩不能超過一個特定的“滑動”值。這就限制了可傳遞到驅動軸上的最大扭矩,可防止對病人和裝置本身造成損害。所述“滑動”轉矩值同樣與正交力成比例,并且可以是本文所稱的“剩余”轉矩。

注意到如圖5所示,由于動摩擦系數一般是小于靜摩擦系數的,兩條曲線相交,部分“沒有打滑”曲線超越相交點向右上延伸。

一般來說,圖5中的曲線與正交力成可縮放比例。例如,如果正交力加倍,“沒有打滑″曲線向右上延長兩倍,則“滑動”轉矩值加倍。通過選擇盤中的磁性材料和橫向、縱向放置的這些材料,正交力在離合器的設計階段是可控的。

圖5的曲線是繪制轉矩與轉矩的關系圖。為了了解當驅動軸遠端突然停止時這些轉矩值是如何變化的,列出了圖6和圖7兩個例子。圖6涉及一個已知的系統,其中的驅動軸連接到一個氣體渦輪,并不使用離合器。由于氣體渦輪的旋轉慣量足夠小,因此相關的轉矩并不會對病人或裝置造成任何損害。圖7涉及一個采用較高旋轉慣量的發動機系統,如一個電發動機,該發動機使用離合器來避免損壞。特別是,圖7中的轉矩峰值和穩態轉矩值選擇模仿圖6的系統,這已確定是可以接受的做法。

我們首先回到圖6,是一個已知氣體渦輪系統在驅動軸遠端停止的時候,驅動軸遠端轉矩隨時間變化的曲線圖。已知的氣體渦輪系統沒有離合器。

最開始,發動機和驅動軸一起旋轉轉動。假定旋轉是在一個恒定的旋轉速度下進行,則驅動軸的遠端不存在凈轉矩。

接著,驅動軸的遠端突然停止,如在血管中卡住或者遇到一個障礙會出現這種情況。

突然停止后,驅動軸開始卷攏,或旋轉壓縮。這種壓縮類似于一種線性彈簧;壓縮越多,就越難傳遞更多的壓縮力。這時,所述驅動軸本質上是轉動著“反推”發動機,而使發動機速度慢下來。

這時到了這樣一個點,所有的旋轉能量已經轉化成轉動著壓縮彈簧,而彈簧和發動機均停在彈簧的最大壓縮點上。這時的驅動軸遠端遇到它的最大轉矩。

在驅動軸達到最大壓縮后,驅動軸會“彈回”并反卷一點點。在反卷的過程中,發動機與驅動軸的近端以相反方向運轉。事實上,在曲線上可以體現一些“振動”,這是由于系統中的動能(旋轉運動)與勢能(驅動軸的旋轉壓縮)搖擺不定。許多“振動”由于摩擦而減弱,而這種搖擺不定會逐漸變小直至系統穩定在一個固定的穩態。圖6省略了“振動”曲線。

在這個穩定的狀態,發動機停止轉動,但是仍然輸出轉矩。驅動軸也同樣靜止,但由于發動機的轉矩作用,驅動軸固定在一個轉動著的壓縮狀態。

圖6中整個的橫坐標可以持續在毫秒的量級。已知的氣體渦輪可以有一個監測其旋轉速度何時低于閥值或降到零的控制系統,隨后將關閉發動機。這種控制系統可能需要一特定長的時間作出反應,通常在幾秒的量級。但是這些控制進程不能直接反映在圖6部分的曲線上,因為波峰和穩定到穩定狀態一般比控制系統可作出反應發生得更快。

圖6的曲線上有兩個轉矩值需要注意的。第一個值是峰值,當驅動軸最緊密纏繞和發動機停止運行的時候就會出現。第二個值的穩定狀態值。這些轉矩值已被視為可在已知的氣體渦輪驅動的經皮腔內斑塊旋切術系統中安全使用。因此,所述離合器40旨在模仿一個或這兩個安全轉矩值。

圖7顯示的是具有如圖3所示離合器的本發明發動機驅動系統,在驅動軸遠端停止時,驅動軸遠端轉矩隨時間變化的曲線圖。圖6和圖7的一個區別是,目前的離合器設計,在離合器脫離工作的期間發動機繼續運轉;對于圖6中已知的氣體渦輪,驅動軸與渦輪一起停止轉動。目前發動機的這種停轉是不可行的,因為發動機承受相對較大旋轉慣量。

最開始,發動機和驅動軸一起旋轉轉動。假定旋轉是在一個恒定的旋轉速度下,則驅動軸的遠端不存在凈轉矩。離合器運轉并其盤之間沒有打滑。

然后,驅動軸的遠端突然停止轉動。如同圖6、圖7中省略了與驅動軸遠端停止轉動相聯系的轉矩峰值。

驅動軸遠端突然停止后,驅動軸開始卷攏,或旋轉壓縮。這時,所述驅動軸本質上是轉動著“反推”發動機,而使發動機速度慢下來。事實上,發動機的減速十分輕微,因為發動機的旋轉慣量非常龐大,特別是與上文討論的氣體渦輪相比。

最后,當驅動軸遠端仍然固定而驅動軸的近端繼續卷攏時,將達到一個發動機和驅動軸近端的轉矩差等于轉矩閥值的點,越過這個點離合器的盤開始打滑。這個閥值點對應圖7曲線的峰值。

若跟蹤這個過程將得出圖5。最開始,當發動機和驅動軸一起旋轉,系統處于原點。在驅動軸遠端停止后,系統沿著“沒有打滑”的曲線向右上方向上升。圖7中曲線的峰值是閥值點,這是在圖5“沒有打滑”曲線的右上方最邊緣上。

一旦盤開始打滑時,離合器轉為脫離狀態。離合器40的盤41隨著發動機繼續旋轉。然而,另一個盤42的旋轉速度慢于盤41,并最終停下,驅動軸的近端不卷攏。一旦任何振動效應消失,并達到穩態,驅動軸將固定并輕微纏繞,盤42固定,盤41仍然與發動機一起旋轉,且旋轉的盤42傳遞足夠的轉矩到固定的盤41上,使驅動軸輕微纏繞。

離合器40在打滑模式下傳遞轉矩本質上類似于圖6中當氣體渦輪停止轉動時輸出的轉矩。事實上,由于氣體渦輪的穩態轉矩已經被視為可安全使用,所以在離合器40的設計階段,可以設定盤之間的吸引性磁正交力,以使圖7中的穩態轉矩與圖6相符。任選的,可以設定盤之間的吸引性磁正交力,以使峰值,即在盤開始打滑時的轉矩閥值(圖7中的峰值)與圖6相符。進一步任選的,可以通過織構化離合器的一個或全部表面,調整接觸面的直徑,和/或調整離合器反面的材料來使峰值和穩態轉矩值重合。

雖然圖3中繪制的盤41和盤42是同軸且圓形的,但可以使用其他合適形狀和取向??梢赃x擇性的將盤的一個或全部表面織構化,以調整接觸面積,并可以影響接觸面摩擦性能。此外,可以選擇性的將盤41和42彎曲處理,并采用相匹配的曲率讓它們嵌合在一起。例如,一個盤可以是以特定的曲率半徑凸起,另一個盤則可以是以相同的曲率半徑凹入。

本文對本發明及其應用的描述是說明性的,并不是為了限制這項發明的范圍。在沒有偏離本發明范圍和精神的情況下,對本文公開的實施例進行變形和修改是可行的,以及本領域的技術人員根據本專利文件理解后,實施例的替代方案及各種因素的等同,應理解為本專利公開內容范圍內。

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