專利名稱：基于電活性聚合物的泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于泵送物質(zhì)(例如流體、氣體和/或固體)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
泵在各種醫(yī)療手術(shù)中起重要的作用。例如，泵用來(lái)在腹腔鏡和內(nèi)窺鏡手術(shù)中輸送流體(鹽水等)到處理區(qū)域，以將血液輸送到透析和心肺機(jī)或者從透析和心肺機(jī)輸送血液，以及對(duì)分析用體液進(jìn)行取樣。大多數(shù)醫(yī)療泵是定位在手術(shù)區(qū)域外部并且可抽回或輸送流體的離心式或容積式泵。
容積式泵通常分成兩類，單轉(zhuǎn)子和多轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可以是通過(guò)流體室抽吸或壓迫流體的葉片、提桶、滾子、滑履、活塞、齒輪和/或齒。常規(guī)的轉(zhuǎn)子由直接或間接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。例如，蠕動(dòng)泵通常包括裝配在環(huán)狀泵外殼中的撓性管和具有多個(gè)滾子(轉(zhuǎn)子)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾子壓縮管的一部分并且通過(guò)管內(nèi)的內(nèi)部通道壓迫流體。蠕動(dòng)泵通常用來(lái)泵送干凈或者無(wú)菌的流體，因?yàn)楸盟蜋C(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和滾子)不直接接觸流體，由此減小交叉污染的可能性。
其它常規(guī)的容積式泵(例如齒輪泵或凸輪泵)采用迫使流體通過(guò)流體室的旋轉(zhuǎn)元件。例如，凸輪泵包括兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上定位有凸輪組。馬達(dá)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使凸輪嚙合在一起并且通過(guò)流體室驅(qū)動(dòng)流體。
離心泵包括徑向、混合和軸向流動(dòng)泵。離心泵可以包括具有徑向定位的葉片的回轉(zhuǎn)葉輪。流體進(jìn)入泵并且被抽入葉片之間的空間。然后葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作通過(guò)由葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)生的離心力迫使流體向外流動(dòng)。
現(xiàn)有的泵盡管有效，但是其需要大的殼體來(lái)容納機(jī)械泵送機(jī)構(gòu)、齒輪和馬達(dá)，由此限制了其在一些醫(yī)療手術(shù)中的實(shí)用性。因此，需要改進(jìn)用于輸送流體的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總的涉及用于泵送物質(zhì)(例如流體、氣體和/或固體)的方法和裝置。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，泵包括其中形成有通道的第一構(gòu)件和與第一構(gòu)件連通的多個(gè)致動(dòng)器。致動(dòng)器適于在對(duì)其施加能量時(shí)改變形狀，從而多個(gè)致動(dòng)器的順序致動(dòng)適于產(chǎn)生泵送動(dòng)作，以使流體通過(guò)第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
致動(dòng)器也可以由各種材料制成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)致動(dòng)器為電活性聚合物(EAP)的形式。例如，聚合物可以是具有撓性導(dǎo)電外殼的纖維束的形式，在該撓性導(dǎo)電外殼中設(shè)有多個(gè)電活性聚合物纖維和離子流體。可選擇的是，致動(dòng)器可以是具有至少一個(gè)撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層的層壓材料的形式。多個(gè)層壓材料層可用來(lái)形成復(fù)合層。致動(dòng)器也可以包括連接到其上的回流電極和輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到每個(gè)致動(dòng)器。
也可以各種構(gòu)型布置致動(dòng)器，以便進(jìn)行所需的泵送動(dòng)作。在一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器可以連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件上。例如，撓性管狀構(gòu)件可以包括形成在其中用于接收流體的內(nèi)腔，該致動(dòng)器可以圍繞撓性管狀構(gòu)件的圓周設(shè)置。泵還可以包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)的內(nèi)部管狀構(gòu)件，從而流體可以在內(nèi)部管狀構(gòu)件和撓性管狀構(gòu)件之間流動(dòng)。內(nèi)部管狀構(gòu)件可以限定用于接收工具和裝置的通道。在另一方面，這些致動(dòng)器可以設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)，并且這些致動(dòng)器適于被順序地致動(dòng)，以在對(duì)其輸送能量時(shí)進(jìn)行徑向擴(kuò)張，由此徑向擴(kuò)張撓性管狀構(gòu)件。因此，這些致動(dòng)器可使流體通過(guò)形成在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間的流體通路運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可圍繞第一構(gòu)件內(nèi)的中央轂徑向定位多個(gè)致動(dòng)器。可圍繞致動(dòng)器定位護(hù)套，從而致動(dòng)器的軸向收縮使護(hù)套徑向運(yùn)動(dòng)。致動(dòng)器的順序致動(dòng)可將流體抽入一個(gè)通道并且可將流體從相鄰的通道排出。
這里還公開(kāi)了用于泵送流體的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法可包括順序地將能量輸送到一組電活性聚合物致動(dòng)器，以通過(guò)與致動(dòng)器連通的通道泵送流體。在一個(gè)實(shí)施例中，該組電活性聚合物致動(dòng)器可以設(shè)置在撓性細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)，可以圍繞撓性細(xì)長(zhǎng)軸設(shè)置外部管狀殼體，從而在外部管狀殼體和撓性細(xì)長(zhǎng)軸之間形成通道。該組電活性聚合物致動(dòng)器可以在能量輸送到其上時(shí)徑向擴(kuò)張，以擴(kuò)張撓性細(xì)長(zhǎng)軸并通過(guò)通道泵送流體。在另一個(gè)實(shí)施例中，可圍繞其中限定有通道的撓性細(xì)長(zhǎng)軸設(shè)置該組電活性聚合物致動(dòng)器，并且該組電活性聚合物致動(dòng)器在能量輸送到其上時(shí)徑向收縮，以收縮撓性細(xì)長(zhǎng)軸并通過(guò)通道泵送流體。在又一個(gè)實(shí)施例中，該組電活性聚合物致動(dòng)器可在其中限定通道，并且該組電活性聚合物致動(dòng)器可在能量輸送到其上時(shí)徑向收縮，以通過(guò)流體流動(dòng)通路泵送流體。
本發(fā)明還涉及如下方面(1)一種泵送裝置，包括第一構(gòu)件，形成有穿過(guò)該第一構(gòu)件的通道；以及多個(gè)致動(dòng)器，其與所述第一構(gòu)件連通并適于在被施加能量時(shí)改變形狀，從而多個(gè)致動(dòng)器的順序致動(dòng)適于形成泵送動(dòng)作，以使流體通過(guò)第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
(2)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器適于在被施加能量時(shí)徑向擴(kuò)張和軸向收縮。
(3)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括電活性聚合物。
(4)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括至少一個(gè)電活性聚合物復(fù)合層，該電活性聚合物復(fù)合層具有至少一個(gè)撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層。
(5)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括回流電極和連接到回流電極上的輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到致動(dòng)器上。
(6)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述多個(gè)致動(dòng)器連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件。
(7)如第(6)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述撓性管狀構(gòu)件包括穿過(guò)其形成的用于接收流體的內(nèi)腔，并且圍繞所述撓性管狀構(gòu)件設(shè)置所述多個(gè)致動(dòng)器。
(8)如第(6)項(xiàng)所述的裝置，還包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且限定了用于接收工具和裝置的通道的內(nèi)部管狀構(gòu)件，流體適于在所述內(nèi)部管狀構(gòu)件和所述撓性管狀構(gòu)件之間流動(dòng)。
(9)如第(5)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述多個(gè)致動(dòng)器設(shè)置在所述撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且適于被順序地致動(dòng)，以在被輸送能量時(shí)徑向擴(kuò)張，從而使流體在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間運(yùn)動(dòng)。
(10)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動(dòng)器徑向定位在第一構(gòu)件內(nèi)。
(11)如第(9)項(xiàng)所述的裝置，還包括圍繞致動(dòng)器定位的護(hù)套。
(12)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動(dòng)器與護(hù)套的內(nèi)表面和中央轂配合。
(13)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，能量施加道至少一個(gè)致動(dòng)器上，使護(hù)套相對(duì)于第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
(14)如第(10)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動(dòng)器適于從護(hù)套與第一構(gòu)件的內(nèi)表面間隔開(kāi)的收縮位置運(yùn)動(dòng)到護(hù)套接觸第一構(gòu)件的內(nèi)表面的擴(kuò)張位置。
(15)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，其中，所述致動(dòng)器適于獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。
(16)如第(1)項(xiàng)所述的裝置，還包括流體入口和流體出口。
(17)一種泵送流體的方法，包括順序地將能量輸送到一組電活性聚合物致動(dòng)器上，以通過(guò)與所述電活性聚合物致動(dòng)器連通的通道泵送流體。
(18)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動(dòng)器設(shè)置在撓性細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)，外部管狀殼體圍繞撓性細(xì)長(zhǎng)軸設(shè)置，從而在外部管狀殼體和撓性細(xì)長(zhǎng)軸之間形成通道，并且該組電活性聚合物致動(dòng)器在被輸送能量時(shí)徑向擴(kuò)張，以擴(kuò)張撓性細(xì)長(zhǎng)軸并通過(guò)所述通道泵送流體。
(19)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動(dòng)器圍繞撓性細(xì)長(zhǎng)軸設(shè)置，穿過(guò)該撓性細(xì)長(zhǎng)軸限定有通道，并且該組電活性聚合物致動(dòng)器在被輸送能量時(shí)徑向收縮，以收縮撓性細(xì)長(zhǎng)軸并通過(guò)所述通道泵送流體。
(20)如第(17)項(xiàng)所述的方法，其中，該組電活性聚合物致動(dòng)器限定穿過(guò)其中的通道，并且該組電活性聚合物致動(dòng)器在被輸送能量時(shí)徑向收縮，以通過(guò)流體流動(dòng)通路泵送流體。


通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的纖維束式EAP致動(dòng)器的橫剖面圖；圖1B是圖1A所示的現(xiàn)有技術(shù)的致動(dòng)器的徑向剖面圖；圖2A是具有多個(gè)EAP復(fù)合層的現(xiàn)有技術(shù)的層壓式EAP致動(dòng)器的剖面圖；圖2B是圖2A所示的現(xiàn)有技術(shù)的致動(dòng)器的一個(gè)復(fù)合層的透視圖；圖3A是圍繞撓性管設(shè)置有多個(gè)致動(dòng)器的泵的一個(gè)示例性實(shí)施例的透視圖；圖3B是圖3A的泵的透視圖，其中第一致動(dòng)器被致動(dòng)；圖3C是圖3A的泵的透視圖，其中第一和第二致動(dòng)器被致動(dòng)；圖3D是圖3A的泵的透視圖，其中第一致動(dòng)器被停用并且第二致動(dòng)器被致動(dòng)；圖3E是圖3A的泵的透視圖，其中第二和第三致動(dòng)器被致動(dòng)；圖3F是圖3A的泵的透視圖，其中第二致動(dòng)器被停用并且第三致動(dòng)器被致動(dòng)；圖3G是圖3A的泵的透視圖，其中第三和第四致動(dòng)器被致動(dòng)；圖4是圍繞內(nèi)腔的外部設(shè)有致動(dòng)器的泵的另一個(gè)實(shí)施例的截面圖；圖5是這里公開(kāi)的包括內(nèi)部通道的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖6是這里公開(kāi)的包括內(nèi)部通道的泵的又一實(shí)施例的剖面圖；圖7是這里公開(kāi)的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖8是這里公開(kāi)的泵的再一實(shí)施例的剖面圖；圖9A是圖8的泵的剖面圖；圖9B是圖8的泵的剖面圖；圖10A是這里公開(kāi)的泵的另一實(shí)施例的剖面圖；圖10B是圖10A的泵的剖面圖；圖10C是圖10A的泵的剖面圖；以及圖10D是圖10A的泵的透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將描述一些示例性實(shí)施例，以提供對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的裝置和方法的結(jié)構(gòu)、功能、制造和使用的原理的全面理解。附圖中顯示了這些實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)例子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，這里具體描述和附圖中顯示出的裝置和方法是非限制性的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。所描述的或者所顯示出的與一個(gè)示例性實(shí)施例有關(guān)的特征可以與其它實(shí)施例的特征結(jié)合。這種修改和變型包括在本發(fā)明的范圍中。
這里公開(kāi)了用于泵送流體的各種方法和裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管所描述的方法和裝置用于泵送流體，但是這些方法和裝置可用于泵送任何物質(zhì)，包括氣體和固體。總的說(shuō)來(lái)，這些方法和裝置利用一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器，所述致動(dòng)器適于在對(duì)其輸送能量時(shí)改變方位，以通過(guò)與致動(dòng)器連通的流體通路泵送流體。盡管致動(dòng)器可以具有各種構(gòu)型，但在一個(gè)示例性實(shí)施例中，這些致動(dòng)器是電活性聚合物。電活性聚合物(EAPs)，也稱為人造肌，是響應(yīng)于電場(chǎng)或機(jī)械場(chǎng)表現(xiàn)壓電、熱電或電致伸縮性質(zhì)的材料。具體地說(shuō)，EAPs是一組導(dǎo)電摻雜聚合物，當(dāng)施加電壓時(shí)所述導(dǎo)電摻雜聚合物改變形狀?？梢允褂秒姌O使所述導(dǎo)電聚合物與某種形式的離子流體或凝膠配對(duì)。一旦對(duì)電極施加電壓電位，離子從流體/凝膠流入或流出導(dǎo)電聚合物，可以引起聚合物的形狀變化。通常，可以根據(jù)使用的具體聚合物和離子流體或凝膠施加在大約1V-4kV范圍內(nèi)的電壓電位。特別需要注意的是，EAPs在被供能時(shí)并不改變體積，而是它們僅僅在一個(gè)方向上擴(kuò)張并且在橫向方向上收縮。
EAPs的主要優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)是能夠電控制和微調(diào)它們的性能和特性?？梢酝ㄟ^(guò)在EAP上施加外部電壓重復(fù)變形EAPs，并且當(dāng)?shù)罐D(zhuǎn)所施加的電壓的極性時(shí)，它們可以快速回復(fù)到它們的初始構(gòu)型。可以選擇特定聚合物，以形成不同類型的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括擴(kuò)張、線性運(yùn)動(dòng)和彎曲結(jié)構(gòu)。EAPs也可以與機(jī)械機(jī)構(gòu)(例如彈簧或撓性板)配對(duì)，從而當(dāng)電壓施加到EAP時(shí)改變EAP對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的影響。輸送到EAP的電壓的大小也可以與產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)量或尺寸變化量對(duì)應(yīng)，因此可以控制能量輸送，從而實(shí)現(xiàn)所需的變化量。
有兩種基本類型的EAPs，每種類型有多種構(gòu)型。第一種類型是纖維束，其可以包括捆在一起協(xié)同工作的許多纖維。所述纖維通常具有大約30-50微米的尺寸。這些纖維可以被編織成很像織物的束，并且它們常常被稱為EAP紗線。在使用中，EAP的機(jī)械構(gòu)型確定了EAP致動(dòng)器和其運(yùn)動(dòng)能力。例如，EAP可以形成長(zhǎng)股線并且纏繞單個(gè)中心電極。撓性外部外護(hù)套將形成用于致動(dòng)器的另一電極并且包含實(shí)現(xiàn)裝置的功能所必須的離子流體。當(dāng)對(duì)其施加電壓時(shí)，EAP將擴(kuò)張，使所述股線收縮或縮短?？稍谏虡I(yè)上獲得的纖維EAP材料的一個(gè)例子由Santa Fe Science and Technology公司制造并且作為PANIONTM纖維出售，其描述于美國(guó)專利No.6,667,825中，通過(guò)參考將該文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容并入本文。
圖1A和1B示出了由纖維束形成的EAP致動(dòng)器100的一個(gè)示例性實(shí)施例。如圖所示，致動(dòng)器100通常包括撓性導(dǎo)電外護(hù)套102，該外護(hù)套采用細(xì)長(zhǎng)圓柱形構(gòu)件的形式，其上形成有相對(duì)的絕緣端帽102a和102b。然而，導(dǎo)電外護(hù)套102可以根據(jù)預(yù)期用途具有各種其它形狀和尺寸。如進(jìn)一步所顯示的，導(dǎo)電外護(hù)套102聯(lián)接到回流電極108a上，能量輸送電極108b通過(guò)絕緣端帽中的一個(gè)(例如端帽102a)延伸，通過(guò)導(dǎo)電外護(hù)套102的內(nèi)腔，并且進(jìn)入相對(duì)的絕緣端帽(例如端帽102b)中。能量輸送電極108b例如可以是鉑陰極線。導(dǎo)電外護(hù)套102也可以包括布置在其中的離子流體或凝膠106，以用于將能量從能量輸送電極108b輸送到布置在外護(hù)套102內(nèi)的EAP纖維104。具體地說(shuō)，一些EAP纖維104平行布置并且在每個(gè)端帽102a，102b之間和延伸，并延伸進(jìn)入端帽102a和102b。如上所述，纖維104可以布置成各種方位，以提供預(yù)期結(jié)果，例如徑向地?cái)U(kuò)張或收縮或者彎曲運(yùn)動(dòng)。在使用中，能量可以通過(guò)有源能量輸送電極108b和導(dǎo)電外護(hù)套102(陽(yáng)極)輸送到致動(dòng)器100。所述能量將使離子流體中的離子進(jìn)入EAP纖維104，由此使纖維104在一個(gè)方向上擴(kuò)張(例如徑向地?cái)U(kuò)張，使得每個(gè)纖維104的外徑增加)和在橫向方向上收縮(例如軸向地收縮，使得所述纖維的長(zhǎng)度減小)。因此，端帽102a，102b將被朝著彼此被牽引，從而收縮和減小撓性外護(hù)套102的長(zhǎng)度。
另一種類型的EAP是層壓結(jié)構(gòu)，其包括一個(gè)或多個(gè)EAP層、布置在每個(gè)EAP層之間的離子凝膠或流體層和連接到所述結(jié)構(gòu)上的一個(gè)或多個(gè)撓性導(dǎo)電板，例如正電極板和負(fù)電極板。當(dāng)施加電壓時(shí)，層壓結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向上擴(kuò)張并且在橫向或垂直方向上收縮，從而使與之聯(lián)接的一個(gè)或多個(gè)撓性板根據(jù)EAP相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)撓性板的構(gòu)型縮短或伸長(zhǎng)，或者彎曲或撓曲?？稍谏虡I(yè)上獲得的層壓EAP材料的一個(gè)例子由SRI Laboratories的一個(gè)分部Artificial Muscle Inc制造。稱為薄膜EAP的板狀EAP材料也可從日本的EAMEX獲得。
圖2A和2B示出了由層壓材料形成的EAP致動(dòng)器200的一個(gè)示例性構(gòu)型。首先參照?qǐng)D2A，致動(dòng)器200可以包括層壓EAP復(fù)合層的多個(gè)層(例如顯示了五個(gè)層210、210a、210b、210c、210d)，所述層由布置在它們之間的粘合劑層103a、103b、103c、103d彼此粘合。在圖2B中更詳細(xì)地顯示了所述層中的一個(gè)，即層210，如圖所示，層210包括第一撓性導(dǎo)電板212a、EAP層214、離子凝膠層216和第二撓性導(dǎo)電板212b，所有這些層都彼此連接，以形成層壓復(fù)合層。如圖2B中進(jìn)一步所示，所述復(fù)合層也可以包括聯(lián)接到撓性導(dǎo)電板212a，212b上的能量輸送電極218a和回流電極218b。在使用中，能量可以通過(guò)有源能量輸送電極218a輸送到致動(dòng)器200。所述能量使離子凝膠層216中的離子進(jìn)入EAP層214，從而使層214在一個(gè)方向上擴(kuò)張并且在橫向方向上收縮。因此，將迫使撓性板212a，212b撓曲或彎曲，或者以其它方式隨EAP層214改變形狀。
如前所示，一個(gè)或多個(gè)EAP致動(dòng)器可以并入用于泵送流體的裝置中。EAPs比由傳統(tǒng)馬達(dá)(例如電機(jī))驅(qū)動(dòng)的泵更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镋APs的尺寸使其可以放置在可植入的裝置或手術(shù)裝置中。另外，可將一組EAPs(例如沿著泵的長(zhǎng)度或者在徑向構(gòu)型中)分布在泵中，而不是依靠單個(gè)馬達(dá)和復(fù)雜的齒輪布置。EAPs還可以便于遙控泵，這對(duì)于植入的醫(yī)療裝置特別有用。如下面詳細(xì)說(shuō)明的一樣，EAPs可以驅(qū)動(dòng)各種不同類型的泵。而且，可以使用任意類型的EAP。作為非限制性的例子，EAP致動(dòng)器可以是形成圈或環(huán)狀構(gòu)件的纖維束致動(dòng)器的形式，或者它們可以是層壓或者復(fù)合EAP致動(dòng)器的形式，其被卷起以形成圓柱狀構(gòu)件。本領(lǐng)于技術(shù)人員應(yīng)理解，此處公開(kāi)的泵可具有各種構(gòu)型，并且它們適于用在各種醫(yī)療手術(shù)中。例如，此處公開(kāi)的泵可用于泵送流體到植入裝置(例如胃束帶)中或者從其中泵送流體。
圖3A示出了采用EAP致動(dòng)器的泵送機(jī)構(gòu)的一個(gè)示例性實(shí)施例。如圖所示，泵10通常包括細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12，該細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12具有近端14、遠(yuǎn)端16以及穿過(guò)泵延伸位于近端14和遠(yuǎn)端16之間的內(nèi)部通道或內(nèi)腔18。內(nèi)腔18限定了流體通路。泵10還可以包括圍繞細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的外表20面設(shè)置的多個(gè)EAP致動(dòng)器22a、22b、22c、22d、22e。在使用中，如下面將更詳細(xì)地描述的一樣，可利用電能順序地致動(dòng)致動(dòng)器22a-22e，以使致動(dòng)器22a-22e徑向收縮，由此收縮細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12并使流體通過(guò)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12可具有各種構(gòu)型，但是在一個(gè)實(shí)施例中，其是撓性細(xì)長(zhǎng)管或者插管的形式，被構(gòu)型成通過(guò)其接收流體流，并被構(gòu)型成響應(yīng)于致動(dòng)器22a-22e的方位變化而撓曲。細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的形狀和尺寸以及用于形成撓性和/或彈性細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的材料可以根據(jù)所需的用途而變化。在一些示例性實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12可以由生物相容性聚合物(例如硅樹脂或者膠乳)制成。作為非限制性的例子，其它適合的生物相容性彈性體包括異戊橡膠、氯丁二烯、氟橡膠、腈和氟硅氧烷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，可以選擇材料，以獲得所需的機(jī)械性能。盡管沒(méi)有顯示出，但是細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12還可以包括其他便于其安裝到醫(yī)療裝置、流體源等上的元件。
致動(dòng)器22a-22e也可以具有各種構(gòu)型。在所示例的實(shí)施例中，致動(dòng)器22a-22e由圍繞細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的外表面卷繞的EAP層壓材料或者復(fù)合層形成。粘合或者其它配合技術(shù)可用于將致動(dòng)器22a-22e連接到細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12上。致動(dòng)器22a-22e優(yōu)選相互間隔開(kāi)一定距離，以允許致動(dòng)器22a-22e在被輸送能量時(shí)徑向收縮和軸向擴(kuò)張，但是致動(dòng)器22a-22e可以定位成相互接觸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，致動(dòng)器22a-22e可選擇地設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12內(nèi)，或者與細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12形成一體。致動(dòng)器22a-22e也可以彼此連接，以形成細(xì)長(zhǎng)管狀構(gòu)件，由此不需要撓性構(gòu)件12。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，盡管示出了五個(gè)致動(dòng)器22a-22e，但是泵10可以包括任意數(shù)量的致動(dòng)器。致動(dòng)器22a-22e也可以具有各種構(gòu)型、形狀和尺寸，以改變裝置的泵送動(dòng)作。
也可以各種方位將致動(dòng)器22a-22e連接到撓性細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12上，以實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，致動(dòng)器22a-22e被布置成使得致動(dòng)器22a-22e在被施加能量時(shí)徑向收縮和軸向擴(kuò)張。具體地說(shuō)，當(dāng)能量輸送到致動(dòng)器22a-22e上時(shí)，致動(dòng)器22a-22e直徑可以減小，由此減小細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的內(nèi)徑。這種構(gòu)型允許致動(dòng)器22a-22e被順序地致動(dòng)，以通過(guò)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12泵送流體，如下面更詳細(xì)地描述的一樣。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以采用各種技術(shù)來(lái)將能量輸送到致動(dòng)器22a-22e。例如，每個(gè)致動(dòng)器可連接到回流電極和適于將能量從外部電源傳遞到致動(dòng)器上的輸送電極上。這些電極可以通過(guò)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12中的內(nèi)腔18延伸、嵌入細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的側(cè)壁中，或者它們可以沿著細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的外表面延伸。這些電極可以連接到電池電源上，或者它們可以通過(guò)適于連接到插座上的電線延伸。在泵10適于植入患者體內(nèi)的情況下，電極可以連接到變壓器上，該變壓器適于經(jīng)皮植入并且適于從患者身體外部的外部能源遠(yuǎn)程接收能量。這種構(gòu)型允許泵10上的致動(dòng)器22a-22e遠(yuǎn)距離致動(dòng)，而無(wú)需手術(shù)。
圖3B-3G示出了用于順序致動(dòng)致動(dòng)器22a-22e以形成蠕動(dòng)式泵送動(dòng)作的一種示例性實(shí)施例方法。該順序可以從對(duì)第一致動(dòng)器22a輸送能量開(kāi)始，從而致動(dòng)器擠壓一部分細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12并減小內(nèi)腔18的直徑。在保持對(duì)第一致動(dòng)器22a輸送能量的同時(shí)，將能量輸送到與第一致動(dòng)器22a相鄰的第二致動(dòng)器22b。第二致動(dòng)器22b徑向收縮，即直徑減小，以進(jìn)一步壓縮細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12，如圖3C所示。因此朝細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12的遠(yuǎn)端16沿遠(yuǎn)側(cè)方向壓迫內(nèi)腔18內(nèi)的流體。如圖3D所示，在保持對(duì)第二致動(dòng)器22b輸送能量的同時(shí)，停止將能量輸送到第一致動(dòng)器22a，由此使得第一致動(dòng)器22a徑向擴(kuò)張并回到開(kāi)始時(shí)的停用構(gòu)型。然后將能量輸送到與第二致動(dòng)器22b相鄰的第三致動(dòng)器22c上，以使第三致動(dòng)器22c徑向收縮，如圖3E所示，從而進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)腔18沿遠(yuǎn)側(cè)方向推動(dòng)流體。然后停止將能量輸送到第二致動(dòng)器22b，從而第二致動(dòng)器22b徑向擴(kuò)張并回到開(kāi)始時(shí)的停用構(gòu)型，如圖3F所示。然后將能量輸送到第四致動(dòng)器22d上，如圖3G所示，以徑向收縮第四致動(dòng)器22d并進(jìn)一步沿遠(yuǎn)側(cè)方向泵送流體。繼續(xù)順序地致動(dòng)和停用相鄰的致動(dòng)器的過(guò)程。結(jié)果是產(chǎn)生從泵10的近端14運(yùn)行到泵10的遠(yuǎn)端16的“脈沖”。如果需要，可以重復(fù)圖3B-3G所示的過(guò)程，以繼續(xù)泵送動(dòng)作。例如，可以再次將能量輸送到致動(dòng)器22a-22e上，以產(chǎn)生第二脈沖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過(guò)在致動(dòng)最后一個(gè)致動(dòng)器22d時(shí)同時(shí)致動(dòng)第一個(gè)致動(dòng)器22a，使第二脈沖直接跟在第一脈沖后面，或者可選擇的是，第二脈沖可以在一段時(shí)間之后跟在第一脈沖后面。
在另一個(gè)實(shí)施例中，泵10可以包括包圍著內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12和致動(dòng)器22a-22e的外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24。如圖4所示，其顯示出了圍繞致動(dòng)器22設(shè)有外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24的泵10的橫截面，該致動(dòng)器22圍繞撓性細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12設(shè)置。外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24可僅用作用于封裝致動(dòng)器的殼體，或者任選地對(duì)泵10提供輔助支撐、剛度和/或撓度等。
在另一個(gè)實(shí)施例中，泵10可包括其它細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和/或通道。例如，如圖5所示，泵10可以包括剛性或者半剛性內(nèi)部構(gòu)件26，其限定了通過(guò)泵10的軸向通道28。在使用中，通道28例如可以提供進(jìn)入手術(shù)部分，用于輸送器械、流體或其它材料，和/或用于視覺(jué)檢測(cè)。盡管所示的內(nèi)部構(gòu)件26具有通道，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其可以是提供限定流體通路的表面和/或提供對(duì)泵10的結(jié)構(gòu)支撐的實(shí)心的或者端部封閉的構(gòu)件。
盡管圖3A-5所示的致動(dòng)器通過(guò)徑向收縮以壓縮細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12而形成泵送動(dòng)作，但是泵送動(dòng)作可以交替地通過(guò)徑向擴(kuò)張致動(dòng)器以增加細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的直徑而形成。例如圖6示出了泵10′的剖面圖，該泵10′具有外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24′和內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12′，在外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24′和內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12′之間限定了流體流動(dòng)通道。致動(dòng)器(僅示出了一個(gè)致動(dòng)器22′)定位在內(nèi)部構(gòu)件26′和撓性內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12′之間。內(nèi)部構(gòu)件26′限定了用于提供進(jìn)入手術(shù)部位的通路，用于輸送器械、流體或者其它材料，和/或用于視覺(jué)檢測(cè)。在使用中，可以通過(guò)將能量輸送到致動(dòng)器22′以徑向擴(kuò)張致動(dòng)器22′(即增加致動(dòng)器22′的直徑)，由此朝著外部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件24′徑向擴(kuò)張撓性內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件12′，從而通過(guò)裝置10′泵送流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，泵10′的內(nèi)部構(gòu)件26′和/或外部構(gòu)件24′根據(jù)泵10′的所需構(gòu)型可以是撓性的、剛性的或者半剛性的。
圖7示出了泵10″的另一個(gè)示例性實(shí)施例，其利用纖維束式致動(dòng)器形成泵送動(dòng)作。具體地說(shuō)，泵10″可以包括其中限定有通道28″的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″，以提供進(jìn)入手術(shù)部位，用于輸送器械、流體或者其它材料，和/或用于視覺(jué)檢測(cè)。圍繞細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″設(shè)置內(nèi)部撓性護(hù)套30″和外部撓性護(hù)套32″，它們相互間隔一定距離，從而適于在它們之間安放致動(dòng)器22″。換句話說(shuō)，最外側(cè)的撓性護(hù)套32″的直徑可以大于內(nèi)部撓性護(hù)套30″的直徑。致動(dòng)器22″可以形成為沿著泵10″的長(zhǎng)度軸向?qū)?zhǔn)的環(huán)狀構(gòu)件。在使用中，流體可以在內(nèi)部撓性護(hù)套30″和細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″之間流動(dòng)。當(dāng)能量輸送到致動(dòng)器22″時(shí)，致動(dòng)器22″徑向收縮，即直徑減小，由此使內(nèi)部和外部撓性護(hù)套30″和32″的定位在已致動(dòng)的致動(dòng)器22″附近的部分朝著細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″運(yùn)動(dòng)。如前所述，可以順序地將能量輸送到致動(dòng)器22″上，以形成脈沖式泵送動(dòng)作。
如圖8所示，泵10″也可以包括圍繞外部護(hù)套32″設(shè)置的外部構(gòu)件24″。內(nèi)部護(hù)套30″和細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″之間的空間可限定第一流體通路36″，外部護(hù)套32″和外部構(gòu)件24″之間的空間可以限定第二流體通路38″。順序致動(dòng)致動(dòng)器22″可以同時(shí)通過(guò)第一和第二通路36″和38″泵送流體。
圖9A和9B示出了圖8的泵10″中的致動(dòng)器22″的泵送動(dòng)作。通常，致動(dòng)器22a″-j″被順序致動(dòng)以形成波動(dòng)作用。這可通過(guò)完全致動(dòng)一些致動(dòng)器，部分致動(dòng)或者部分停用相鄰的致動(dòng)器，以及完全停用一些致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如前所述，輸送到每個(gè)致動(dòng)器上的能量的量可以與所發(fā)生的徑向擴(kuò)張或者收縮的量相關(guān)。如圖9A所示，一些致動(dòng)器(例如致動(dòng)器22d″和22i″)被完全致動(dòng)，以壓縮內(nèi)部護(hù)套30″，從而使內(nèi)部護(hù)套30″的鄰近致動(dòng)器22d″和22i″的部分靠在細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件26″上。相鄰的致動(dòng)器(例如致動(dòng)器22b″、22c″、22e″、22g″、22h″、22j″)根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的所需方向部分致動(dòng)或者部分停用，其它致動(dòng)器(例如致動(dòng)器22a″和22f″)被完全停用并處于完全擴(kuò)張構(gòu)型。因此，致動(dòng)器22a″-j″沿著泵的長(zhǎng)度共同形成波動(dòng)構(gòu)型。當(dāng)輸送到每個(gè)致動(dòng)器22a″-j″上的能量繼續(xù)在完全致動(dòng)和完全停用之間切換時(shí)，致動(dòng)器22a″-j″繼續(xù)擴(kuò)張和收縮，由此通過(guò)通路36″和38″使流體運(yùn)動(dòng)。如圖9B所示，致動(dòng)器22d″和22i″完全停用，從而他們徑向擴(kuò)張，相鄰的致動(dòng)器22b″、22c″、22e″、22g″、22h″、22j″部分致動(dòng)或者部分停用，致動(dòng)器22a″和22f″被完全致動(dòng)并處于完全收縮構(gòu)型中。致動(dòng)器22a″-j″由此在流體通路36″和38″中產(chǎn)生壓力，以擠壓通過(guò)其中的流體。
在又一個(gè)實(shí)施例中，EAP致動(dòng)器可用于凸輪或者葉片式泵中。圖10A-10D示出了泵310的一個(gè)實(shí)施例，其具有其中限定有流體通道341的外部殼體340，該外部殼體340包括入口和出口350和352。中央轂342設(shè)置在外部殼體340中，并且包括多個(gè)在徑向構(gòu)型中從其延伸的致動(dòng)器322。外部護(hù)套348圍繞致動(dòng)器322和轂342設(shè)置，以形成內(nèi)部殼體組件。在使用中，致動(dòng)器322可以順序地致動(dòng)，以使內(nèi)部殼體組件在外部殼體340中運(yùn)動(dòng)，由此通過(guò)入口350將流體抽入泵310中，使流體通過(guò)泵310運(yùn)動(dòng)，并使流體通過(guò)出口352排出。
內(nèi)部和外部殼體可以都具有各種構(gòu)型，但是在一個(gè)示例性實(shí)施例中，每個(gè)殼體基本上為圓柱狀或者盤狀。外部殼體340優(yōu)選由基本上剛性的材料制成，而形成內(nèi)部殼體的護(hù)套348優(yōu)選由半剛性或撓性材料制成。當(dāng)然，材料也可以根據(jù)泵310的具體構(gòu)型變化。
設(shè)置在護(hù)套348內(nèi)的致動(dòng)器322優(yōu)選被構(gòu)型成軸向收縮和擴(kuò)張，即長(zhǎng)度減小或增大，以基本上朝中央轂342拉動(dòng)護(hù)套348，或者將護(hù)套348推離中央轂342。順序致動(dòng)致動(dòng)器322因此使內(nèi)部殼體在外部殼體340內(nèi)以基本上環(huán)狀的方式運(yùn)動(dòng)，由此通過(guò)外部殼體340泵送流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，致動(dòng)器322可以被構(gòu)型成當(dāng)被施加能量時(shí)軸向擴(kuò)張，即長(zhǎng)度增大，而不是軸向收縮。
圖10A-10C中示出了內(nèi)部殼體的運(yùn)動(dòng)。如圖10A所示，一些致動(dòng)器，即致動(dòng)器322f、322g、322h、322i和322j，被部分或完全致動(dòng)(能量輸送到致動(dòng)器)，從而它們軸向收縮，以朝著中央轂348拉動(dòng)護(hù)套348的連接到其上的部分。因此，月牙狀區(qū)域形成在外部殼體340中，流體356抽入外部殼體340中。如圖10B所示，通過(guò)至少部分停用一些前面已致動(dòng)的致動(dòng)器(例如致動(dòng)器322f和322g)和至少部分停用相鄰的致動(dòng)器(例如致動(dòng)器322i、322j、322k、322l和322a)，來(lái)使內(nèi)部殼體組件移位。該順序致動(dòng)進(jìn)一步使流體356通過(guò)外部殼體340的內(nèi)部容積運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)順序致動(dòng)致動(dòng)器(例如致動(dòng)器322l、322a、322b、322c、322d、322e等)繼續(xù)使流體356朝著出口352運(yùn)動(dòng)，如圖10C所示。一旦流體356位于出口352附近，致動(dòng)出口352附近的致動(dòng)器(例如致動(dòng)器322a、322b、322c)使流體356通過(guò)出口352排出。
根據(jù)上述描述的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。例如，進(jìn)入端口可以設(shè)置在套件中，該套件具有不同長(zhǎng)度的進(jìn)入端口，以配合患者的工作區(qū)域的腔體的深度。該套件可以包括任意數(shù)量的型號(hào)，或者像醫(yī)院這樣的機(jī)構(gòu)可以儲(chǔ)備給定數(shù)量的尺寸和形狀的接觸端口。因此，本發(fā)明不由所具體顯示和描述的內(nèi)容限制，而是由后附權(quán)利要求限定。這里引用的所有出版物和文獻(xiàn)通過(guò)參考其全部?jī)?nèi)容清楚地并入本文。
權(quán)利要求
1.一種泵送裝置，包括第一構(gòu)件，形成有穿過(guò)該第一構(gòu)件的通道；以及多個(gè)致動(dòng)器，其與所述第一構(gòu)件連通并適于在被施加能量時(shí)改變形狀，從而多個(gè)致動(dòng)器的順序致動(dòng)適于形成泵送動(dòng)作，以使流體通過(guò)第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器適于在被施加能量時(shí)徑向擴(kuò)張和軸向收縮。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括電活性聚合物。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括至少一個(gè)電活性聚合物復(fù)合層，該電活性聚合物復(fù)合層具有至少一個(gè)撓性導(dǎo)電層、電活性聚合物層和離子凝膠層。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個(gè)致動(dòng)器包括回流電極和連接到回流電極上的輸送電極，該輸送電極適于將能量從外部能源輸送到致動(dòng)器上。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個(gè)致動(dòng)器連接到設(shè)置在第一構(gòu)件的通道內(nèi)的撓性管狀構(gòu)件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述撓性管狀構(gòu)件包括穿過(guò)其形成的用于接收流體的內(nèi)腔，并且圍繞所述撓性管狀構(gòu)件設(shè)置所述多個(gè)致動(dòng)器。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括設(shè)置在撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且限定了用于接收工具和裝置的通道的內(nèi)部管狀構(gòu)件，流體適于在所述內(nèi)部管狀構(gòu)件和所述撓性管狀構(gòu)件之間流動(dòng)。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述多個(gè)致動(dòng)器設(shè)置在所述撓性管狀構(gòu)件的內(nèi)腔內(nèi)并且適于被順序地致動(dòng)，以在被輸送能量時(shí)徑向擴(kuò)張，從而使流體在撓性管狀構(gòu)件和第一構(gòu)件之間運(yùn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述致動(dòng)器徑向定位在第一構(gòu)件內(nèi)。
全文摘要
披露了用于泵送流體的方法和裝置，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，泵具有穿過(guò)其中形成有通道的第一構(gòu)件和多個(gè)可電擴(kuò)張的致動(dòng)器，所述致動(dòng)器與第一構(gòu)件連通并且適于在被施加能量時(shí)改變形狀，從而所述致動(dòng)器的順序地致動(dòng)可以形成泵送動(dòng)作，以使流體通過(guò)第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)F04B45/047GK1916411SQ200610108918
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者馬克·S·奧爾蒂斯, 杰弗里·S·斯韋茲 申請(qǐng)人:伊西康內(nèi)外科公司