離心血泵的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及一種離心血泵，即具有旋轉(zhuǎn)葉輪的泵，血液通過(guò)離心血泵在向外的徑向方向輸送。
[0002]血泵特別地適合于長(zhǎng)期的血液運(yùn)輸，但同樣地可僅暫時(shí)使用，且提供每分鐘至少4升且多達(dá)10升的輸出速率。
[0003]例如美國(guó)專(zhuān)利6，623，475 BI中描述了用于長(zhǎng)期使用的離心血泵。為了使得血泵適合于長(zhǎng)期使用，這類(lèi)的血泵省略了機(jī)械軸承，以避免軸承的磨料顆粒污染血液的危險(xiǎn)且進(jìn)一步防止血栓形成在軸承處。另外，軸承磨損通常是血泵的最重要的壽命縮短參數(shù)。反而，泵的葉輪在泵殼體中的有限的間隙內(nèi)自由地可移動(dòng)。葉輪通過(guò)外部電磁驅(qū)動(dòng)器與設(shè)置在葉輪的葉片上的磁體配合而旋轉(zhuǎn)。葉輪的徑向定中心是由于葉輪磁體與驅(qū)動(dòng)裝置軸向配合而形成。然而，葉輪磁體的磁力趨于朝向電磁驅(qū)動(dòng)器軸向牽拉葉輪，且由此，抵靠將驅(qū)動(dòng)器與葉輪分離的壁。為了克服這樣的軸向吸引力，葉輪葉片包括支撐表面，其在旋轉(zhuǎn)期間流體動(dòng)力學(xué)地提升葉輪，以使得葉輪在流體緩沖上滑動(dòng)，流體緩沖即血液緩沖，由此與所述壁保持軸向距離。以此方式，葉輪無(wú)需任何軸承且無(wú)需任何葉輪安裝軸即可在徑向和軸向兩者上在泵殼體中定中心。
[0004]前述所提出的類(lèi)型的血泵可與左心室的心尖部附接。血泵的流出移植物可與升主動(dòng)脈或降主動(dòng)脈附接。一旦就位，來(lái)自左心室的血液流動(dòng)通過(guò)血泵進(jìn)入主動(dòng)脈且循環(huán)進(jìn)入身體。電力地驅(qū)動(dòng)泵，驅(qū)動(dòng)纜線接近患者的皮膚且將植入的泵連接至戴在外部的控制器，該控制器可由電池供電。所需要的耗電量低于10W，在生理學(xué)相關(guān)的操作條件下優(yōu)選地在6W的范圍內(nèi)，使得即使當(dāng)構(gòu)造為電池供電的便攜式設(shè)備或當(dāng)與無(wú)線TET(經(jīng)皮能量輸送)或TEIT (經(jīng)皮能量和信息輸送)設(shè)備一起使用時(shí)，泵也具有長(zhǎng)使用壽命。
[0005]電磁驅(qū)動(dòng)器的類(lèi)馬蹄形電磁鐵的磁極在葉輪的磁體的各自的磁極上方和下方設(shè)置在泵殼體的外側(cè)。電磁體的磁極的循環(huán)改變引起它們形成沿葉輪運(yùn)送的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電磁體的磁極的改變協(xié)調(diào)地接近極限轉(zhuǎn)矩時(shí)，即，在運(yùn)送的電磁體和葉輪的各自承載的磁體之間具有相對(duì)大距離，此類(lèi)型的電磁驅(qū)動(dòng)器可達(dá)到最大效率。然而，這具有副作用:在電磁體和葉輪磁體之間的軸向吸引力變得相對(duì)小，以使得葉輪上的徑向自動(dòng)定中心效果同樣小。由此，為了維持徑向自定中心效果，血泵不以其最大效率運(yùn)行。
[0006]為了增加現(xiàn)有技術(shù)的葉輪上的轉(zhuǎn)矩，可增加葉輪磁體的強(qiáng)度，即葉輪上的磁性材料的總量，但這由于血泵的尺寸和最大重量而被限制，對(duì)于本發(fā)明，血泵的尺寸和最大重量不應(yīng)當(dāng)超過(guò)40mm的直徑和12mm的高度且其重量應(yīng)少于50克，優(yōu)選地少于40克。另外，磁體越強(qiáng)，使泵啟動(dòng)越難，因?yàn)樵趩?dòng)階段葉輪的磁體依附電磁驅(qū)動(dòng)裝置的類(lèi)馬蹄電磁體。
[0007]可替換地，可增加供應(yīng)至電磁體的能量。但這難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸玫哪芰肯膽?yīng)當(dāng)保持為低于10W，優(yōu)選地不超過(guò)6W，以使得當(dāng)構(gòu)造為電池供電的便攜式設(shè)備時(shí)泵具有長(zhǎng)使用壽命，或使其可由TET或TEIT設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
[0008]由此存在普遍問(wèn)題:增加血泵的葉輪上的轉(zhuǎn)矩的同時(shí)保證葉輪軸向和徑向保持居中而不使用任何機(jī)械軸承。
[0009]如上所述的一般類(lèi)型的離心血泵以馬薩諸塞州(Massachusetts)福雷明罕(Framingham)市的 HeartWare 國(guó)際公司(Heartffare Internat1nal Inc.)為熟知。葉輪一方面使用居中設(shè)置在泵殼體中的靜態(tài)磁體，另一方面使用安裝在葉輪的內(nèi)部周邊上的排斥磁體由被動(dòng)磁力徑向居中。然而，用于葉輪的徑向居中的附加磁體的設(shè)置實(shí)質(zhì)上增加泵的總重量。另外，葉輪的排斥磁體趨于朝向驅(qū)動(dòng)裝置的電磁體軸向吸引。因此，這樣的泵僅保證少數(shù)啟動(dòng)。另外，軸向磁力高達(dá)徑向平衡力的兩倍。這樣大量的軸向力不得不由軸向流體動(dòng)力學(xué)的提升力浮起，這限制了泵的最大旋轉(zhuǎn)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此本發(fā)明的主要目的是提供一種重量輕且可在葉輪上提供高轉(zhuǎn)矩的離心血泵，其中葉輪軸向和徑向居中而沒(méi)有任何機(jī)械軸承。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種在泵啟動(dòng)時(shí)具有減小的摩擦力的離心血泵。
[0011]通過(guò)具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的離心血泵實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的主要目標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式和進(jìn)一步的發(fā)展在從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求中詳細(xì)說(shuō)明。
[0012]本發(fā)明的沒(méi)有機(jī)械軸承的離心血泵具有泵殼體，泵殼體有中心軸線、沿所述中心軸線設(shè)置的血液流入口和設(shè)置在泵殼體的周邊上的血液流出口，如從US6，623，475 BI中所公知的。此外，離心血泵具有葉輪，葉輪繞所述中心軸線旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在泵殼體中且具有徑向延伸的葉片，葉片在其之間限定通道，用于徑向血液流動(dòng)。葉輪在有限的軸向間隙和有限的徑向間隙內(nèi)可自由地軸向和徑向移動(dòng)。葉輪設(shè)置有永磁體或永久磁化的磁性區(qū)域，其與電磁驅(qū)動(dòng)器配合以使得葉輪可被設(shè)定繞所述中心軸線旋轉(zhuǎn)，同樣如從US6，623，475 BI中所公知的。根據(jù)本發(fā)明，徑向間隙由葉輪的外周邊和繞中心軸線以圓形設(shè)置在泵殼體內(nèi)的多個(gè)壁區(qū)段或圓形壁的內(nèi)表面限定，葉輪在徑向間隙中自由地可移動(dòng)。徑向間隙為10ym或小于ΙΟΟμπι，以在泵殼體中為葉輪提供流體動(dòng)力學(xué)的徑向軸承。優(yōu)選地，徑向間隙為50 μπι或小于50 μπι。通過(guò)大約50 μπι的間隙，可以保證不變的提升力，同時(shí)允許足夠的血液經(jīng)過(guò)狹窄空隙以清洗所有泵和葉輪的表面。流體動(dòng)力學(xué)的徑向軸承使省掉任何機(jī)械徑向軸承成為可能且進(jìn)一步使省掉靜態(tài)磁性徑向軸承或至少減少靜態(tài)磁性徑向軸承的尺寸成為可能。
[0013]在葉輪和壁或壁區(qū)段之間的徑向間隙優(yōu)選地包括多個(gè)區(qū)段，當(dāng)從葉輪的旋轉(zhuǎn)方向看時(shí)，間隙徑向地匯聚在區(qū)段中。換句話說(shuō)，這些區(qū)段中，由葉輪和壁或壁區(qū)段之間的徑向間隙限定的空隙在周邊方向變得更小。結(jié)果是當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，血液被運(yùn)輸進(jìn)入間隙且由于間隙在葉輪的旋轉(zhuǎn)方向的匯聚，血液趨于促使葉輪遠(yuǎn)離壁或壁區(qū)段，從而有助于葉輪繞泵殼體的中心軸線的徑向居中同時(shí)使時(shí)間最小化，在該時(shí)間期間血液成分遭受顯著的剪切力。
[0014]匯聚區(qū)段可通過(guò)在壁或壁區(qū)段的徑向內(nèi)表面設(shè)置相應(yīng)的凹陷或通過(guò)給葉輪的外周邊表面設(shè)置各自的凹陷或坡道，或通過(guò)在葉輪的外周邊表面和壁或壁區(qū)段的徑向內(nèi)表面上設(shè)置凹陷或坡道的組合而實(shí)現(xiàn)。
[0015]為了防止葉輪由于在葉輪的永磁體和電磁體之間作用的吸引力而軸向地依附至相鄰的壁，優(yōu)選地提供具有無(wú)鐵磁芯的線圈的電磁驅(qū)動(dòng)器。在此情形中，為了使線圈生成必須的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通常由貫穿現(xiàn)有技術(shù)的線圈的鐵磁芯提供，線圈(沒(méi)有芯)設(shè)置在與葉輪軸向間隔的平面中，即緊貼在葉輪磁體之上或之下，或優(yōu)選地以最小距離在葉輪磁體之上或之下。例如，將線圈與葉輪分離的壁可由100 μπι厚或甚至更薄的陶瓷盤(pán)組成。沒(méi)有鐵磁芯的情況下，當(dāng)電磁驅(qū)動(dòng)器不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪的磁體不會(huì)被磁性地吸引至電磁驅(qū)動(dòng)器。這基本上減少葉輪和軸向相鄰的壁之間的摩擦，不僅在葉輪設(shè)定旋轉(zhuǎn)時(shí)而且在其運(yùn)轉(zhuǎn)期間，因?yàn)閮商纂姶膨?qū)動(dòng)器線圈在葉輪的兩側(cè)為完全的鏡像，因此平衡了軸向力。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的葉輪磁體相比，葉輪上的磁體可更強(qiáng)，因此進(jìn)一步增加可由電磁驅(qū)動(dòng)器施加至葉輪上的最大可能轉(zhuǎn)矩。
[0016]陶瓷盤(pán)的厚度選擇為使得其不嚴(yán)重地影響由線圈創(chuàng)建的磁場(chǎng)，但足夠強(qiáng)以抵抗與葉輪的滑動(dòng)接觸。因此，陶瓷盤(pán)的優(yōu)選厚度為在50至150 ym的范圍中，優(yōu)選地為80至120 μ m，更優(yōu)選地為大約100 μ m。
[0017]線圈優(yōu)選地鑄封在聚合物基質(zhì)中以使他們穩(wěn)定且保護(hù)他們不被腐蝕。優(yōu)選地將線圈優(yōu)選地直接地或可替換地間接地安裝在上述的陶瓷盤(pán)上，這限制了葉輪的軸向運(yùn)動(dòng)，以使得線圈和陶瓷盤(pán)形成整體部件。鑄封(potted)有線圈的聚合物材料可直接鑄在陶瓷盤(pán)上。
[0018]線圈優(yōu)選地具有非圓形軸向橫截面，更優(yōu)選地具有基本上橢圓或梯形橫截面，以便更好地裝填可用空間，或換句話說(shuō)，以便增加線圈組的整體軸向橫截面。由于增加的線圈橫截面，可創(chuàng)建更強(qiáng)的磁場(chǎng)，且由此，可增加葉輪上的轉(zhuǎn)矩。
[0019]在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，葉輪葉片的徑向外表面和圓形壁或圓形設(shè)置的壁區(qū)段一起可限定流體動(dòng)力學(xué)的徑向間隙。在這些例子中，當(dāng)葉輪葉片的徑向外表面覆蓋葉輪的外周邊的