AT395944B - Zentrifugal-blutpumpe mit ungedecktem rotor - Google Patents

Description

AT 395 944 B

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe vom radialen oder gemischt achsial-radialen Typ mit ungedecktem Rotor zur Förderung von Blut

Zentrifugalpumpen werden in steigendem Maß für die Beförderung von Blut unter anderem in Herz-Lungen-Maschinen, Dialyseapparaten und zur Herzunterstützung verwendet Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Blutes müssen derartige Zentrifugalpumpen besondere Anforderungen erfüllen. Zum einen ist die Scheibeanspru-chung der Blutbestandteile so gering wie möglich zu halten, um die Hämolyse und die Aktivierung der Thrombozyten zu minimieren. Zum anderen müssen Totwasserzonen und auch Staupunkte in der Pumpe vermieden werden, da es dort zur Ablagerung von Blutbestandteilen (Thrombenbildung) kommt

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von radialen Zentrifugalpumpen, einerseits flügellose Adhäsionspumpen, bei denen die Rotationsbewegung durch die Haftung des Blutes an mehreren Scheiben bewirkt wird (US-Patent-schriften 3647324,3864055,3057389,3970408,4037984), anderseits Impelleipumpen, bei denen der Rotor mit Rotaflügeln ausgestattet ist die das Blut in Drehung versetzen. Bis zur industriellen Anwendung sind dabei sowohl Rotoren mit zentral montierten und am Umfang freigestellten Rotorflügeln (US-Patentschrift 4135253) als auch Rotoren mit - durchbrochene« - Bodenplatten (US-Patentschriften 4589822,4606698,4643641) gekommen. Daneben wurden auch Formen mit gedeckten Rotoren - also einer Anordnung von Rotorflügeln zwischen einer Boden- und einer Deckplatte vorgeschlagen (US-Patentschriften 3487784, Re 28742), diese haben aber bisher vermutlich vor allem wegen der dabei auftretenden Dichtungs- und Hinterspülungsprobleme Imine praktische Bedeutung erlangt

In Figur 1 ist eine Zentrifugalblutpumpe schematisch dargestellt, wie sie bereits industriell gefertigt wird.

Durch einen Einlaß (13) gelangt das Blut in die Pumpe und wird von einem Rotor (15) mit durchbrochener Bodenplatte (5) und Rotorflügeln (14) in Drehung versetzt. Die Rotationsbewegung (Pfeil 9) wird dabei mittels einer mit einer Dichtung (19) durch das Gehäuse (17) geführten Welle (4) von außen auf den Rotor (15) übertragen. Durch die Zentrifugalkraft wird das Blut nach außen bewegt und verläßt die Pumpe durch den Auslaß (16). Der Abstand zwischen Rotor und Gehäuse nimmt dabei zum Umfang hin zu, um den Geschwindigkeitsgradienten zwischen Rotor und Gehäuse und damit die Scherbelastung gering zu halten. Bei dieser Konstruktion erweisen sich insbesondere die Einstromkanten (7) und zentrumnahe gelegenen Teile der Rotorflügel (14) als kritisch bezüglich der Hämolyse und in Hinblick auf Staupurikte. Hier können bereits geringe Änderungen der Geometrie großen Einfluß auf die Hämolyse haben. Darüber hinaus kommt es bei den herkömmlichen Impellerpumpen durch die starke Ablenkung des Einstromflusses zu einem nahezu senkrechten Anströmen der Einstromkante (7), wie durch die Stromlinien (26) dargestellt ist, wobei je nach Rotorflügelprofil und Rotationsgeschwindigkeit der eigentliche Staupunkt oder die Staukante an der Einstromkante (7) oder deren Übergang in die Seitenfläche des Profils liegt Besonders bei ungenügend glatt» Oberfläche dies» Kante kommt es an diesen Staupunkten dann zur Bildung von Mikrothromben oder auch größeren Thromben. Ebenso kann es bei spitzen Winkeln (beta) (kleiner 90 Grad) zwischen Basisfläche (22) und Einstromkante (7) in den dann vorhandenen Kehlen (12) zu Ibrombenbildung kommen. Der Nachweis des Entstehungsortes dieser Thromben ist nicht immer einfach, da sie bei genügender Größe abreißen beziehungsweise abkippen und in die Blutbahn gelangen. Bei zeitgerechter Inspektion wurden aber wiederholt derartige Thromben an ihrem Entstehungsort an der Rotorflügelkante wie auch bei flügellosen Pumpen an den die Scheiben verbindenden Stegen vorgefunden.

Die Erfindung soll eine Thrombenbildung an der Kante durch entsprechende Formgebung des Rotorflügels verhindern. Sie ist erfindungsgemäß durch die Kombination folgender drei an sich bekannt» Merkmale gekennzeichnet, wobei erstens die Basisfläche (22) des Rotors (15) im Zentrum erhöht ausgebildet ist und d» Winkel (alpha) zwischen angeströmter Rotorflügel-Einstromkante (7) und Einstromachse mindestens 90 Grad beträgt, sowie zweitens der Winkel (beta) zwischen angeströmter Rotorflügel-Einstromkante (7) und Basisfläche (22) des Rotors (15) größer als 90 Grad ist, und drittens der vom Zentrum nach außen hin zunehmende Abstand zwischen Rotorflügel (14, 28, 35) und Gehäuseinnenwand (10) zwischen 0.5 und 2 mm beträgt, und ferner der Durchmesser des Einlasses 13 an seiner engsten Stelle zwischen 5 und 11 mm und der Durchmesser des Rotors (15) zwischen 30 und 70 mm beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend in den Figuren 2-9 beschrieben.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch eine derartige Zentrifugalpumpe. Das Blut strömt durch einen Einlaß (13) in die Pumpenkammer und wird dort von den Rotorflügeln (14) eines Rotors (15) in Drehung versetzt und mittels der Zentrifugalkraft durch einen Auslaß (16) nach außen befördert. D» Rot» (15) wird entweder durch eine rotierende Welle von außen angetrieben oder ist auf einer am Gehäuse (17) befestigten starren Achse (18) mit Dichtung (19) und Lager (20) drehbar gelagert und enthält einen oder mehrere Permanentmagnete (21). Diese werden dann auf bekannte Weise durch ein außen rotierendes Magnetfeld (rotierende Magnetscheibe oder Stator-Wechselfeld) in Drehung versetzt

Durch die Ausbildung der Basisfläche (22) des Rotors (15) als Kegel - der nach außen hin flacher werden kann - sind die Rotorflügel (14) gegen den Einlaß (13) hochgezogen wobei die Einstromkante (7) der Rotorflügel (14) in stumpfem Winkel (beta) zur Basisfläche (22) des Rotors (15) verlaufen. Der Abstand der Oberkanten (23) der Rotorflügel (14) von d» Gehäuseinnenwand (10) ist dabei vom Zentrum nach außen hin zunehmend, um die Scherbeanspruchung durch den Geschwindigkeitsgradienten zwischen drehendem Rotor (15) und stehender Gehäuseinnenwand (10) gering zu halten. Aus demselben Grund muß der minimale Abstand -2-

Claims (13)

1. AT 395 944 B zwischen Rotorflügeloberkante (23) und Gehäuseinnenwand (10) erfindungsgemäß zwischen 0.5 und 2 mm betragen. Die Stömungsverhältnisse im und über dem Rotor (15) sowie insbesondere an der Einstromkante (7) sind dabei stark vom Durchsatz und der Umdrehungszahl abhängig und genau nur mit numerischer Simulation zu erfassen. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß sich zwischen Rotor (15) und Gehäuseinnenwand (10) ein Wirbel mitbewegten Blutes ausbildet, das durch die in ihm entstehende Zentrifugalkraft nach außen bewegt wird (24) und zur Förderungsleistung der Pumpe beiträgt (siehe auch Schima et al.: Vaneless or impeller rotary blood pumps: Hydrodynamic aspects and results. in: Proceedings of the International Workshop on Rotary Blood Pumps, Wien 1988, ISBN 3-900928-002-). Zugleich aber bewegt sich das an der Gehäuseinnenwand (10) nicht oder nur wenig rotierende Blut (25) durch den zwischen Auslaß (16) und Einlaß (13) bestehenden Druckunterschied nach innen, sodaß sich insgesamt eine der Hauptbewegungsrichtung des Blutes überlagerte Spiralbewegung des über dem Rotor befindlichen Blutes ergibt. Durch die entsprechende Neigung der Einstromkante (7) der Rotorflügel ist damit gewährleistet, daß das Blut auch direkt an der Schneidkante (dar Teilungsstelle zwischen den vor und hinter den Rotorflügel laufenden Blutströmen, abhängig von der Verrundung der Rotorflügelkante und den momentanen Strömungsverhältnissen nicht genau ident mit der Rotorflügeloberkante) nicht normal auf die Oberfläche {Hallt, sondern die Stromlinien (26) durch Abströmung nach außen hin eine hauptsächlich tangentiale Fließbewegung an dieser Einstromkante (7) gewährleisten. Derartige Rotorflügelformen sind von konventionellen Zentrifugalpumpen her bekannt (z. B. FR-PS 2428753; US-PS 2233825; DE-PS 7219), wurden dort aber vor allem der einfacheren Bauform wegen verwendet. In Zentrifugalpumpen vom radialen und gemischt radialachsialen Typ wurden derartige Rotorflügelformen, obwohl sie eine wesentliche Verringerung des Thrombenrisikos bringen, bisher nicht angewandt Diese tangentiale Flußkomponente an den Einstromkanten (7) der Rotorflügel (14) kann durch entsprechende Formgebung des Gehäuses (17) weiter verstärkt werden, wie Figur 3 zeigt. Durch eine Aufweitung (27) des Gehäuses (17) unmittelbar über den Rotorflügeln kommt es zu einer weiteren Aufspreizung der Stromlinien (26). Eine derartige Gehäuseform wird in einer industriell gefertigten Pumpe (Fa. Biomedicus Inc.) verwendet, hat jedoch dort in Wechselwirkung mit dem flügellosen Scheibenrotor eine ganz andere Funktion (Minimierung des Geschwindigkeitsgradienten im Rückstrom über der obersten Rotor-Scheibe). Schräg gestellte Einstromkanten wurden auch in einem Patent (US-PS 3487784, Re 28742) für gedeckte Zentrifugalblutpumpen angedeutet, bei der gedeckten Pumpe entstehen jedoch zumindest Staupunkte im spitzen Winkel des Übergangs vom Rotorflügel zur oberen Scheibe, was mit eine Ursache für die bisher fehlende industrielle Fertigung derartiger Pumpen sein dürfte. In den Figuren 4 bis 8 sind die Grundrisse verschiedener Rotorflügelformen, die in einer derartigen Zentrifugalblutpumpe Anwendung finden können, dargestellt: Figur 4 zeigt einen Rotor mit geraden radial verlaufenden Rotorflügeln (28). Diese Rotorflügelform bietet den Vorteil einer hohen relativen Umfangsgeschwindigkeit des Blutes in Ausstromnähe und läßt dadurch niedrigere Drehzahlen zu. Neben den bis nahe in das Zentrum reichenden geraden Rotorflügeln (28) können weitere kurze am Rand befindliche Rotorflügel (29) vorgesehen sein (Figur 5). Am Einlaß kann eine leichte Krümmung (30,31) der Rotorflügel gegen die Drehrichtung (Figur 6) oder in Drehrichtung (Figur 7) vorgesehen sein. Ebenso kann eine derartige Pumpe auch mit schräggestellten geraden Rotorflügeln (35) (mit oder ohne Eingangskrümmung, Figur 8), wobei dazwischen jeweils kurze schräggestellte Rotorflügel (36) eingefügt sein können, oder geschwungenen Rotorflügeln ausgeführt sein. Der Antrieb kann wie in Figur 2 dargestellt durch in den Rotor (15) integrierte Magnete (21), aber auch entsprechend Figur 1 durch eine rotierende Welle (4) erfolgen. Figur 9 zeigt, daß zur besseren Hinterspülung des Raumes zwischen Rotorhinterwand (32) und Gehäusehinterwand (33) Bohrungen oder Durchbrechungen (34) in der Trägerplatte (11) des Rotors (15) vorgesehen sein können. Zur Verbesserung der Hinterspülung kann die Trägerplatte (11) in an sich bekannter Weise auch mit kleinerem Durchmesser als die Rotorflügel (14) durchgeführt sein, sodaß diese über die Trägerplatte (11) hinausragen (Figur 9). Um das Füllvolumen der Pumpe bei kegelförmiger Gestaltung der Trägerplatte (11) des Rotors (15) gering zu halten, kann dann eine hochgezogene Gehäusehinterwand (33) vorgesehen sein. PATENTANSPRÜCHE 1. Zentrifugalpumpe vom radialen oder gemischt achsial-radialen Typ für die Beförderung von Blut mit ungedecktem Rotor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender drei an sich bekannter Merkmale, wobei erstens die Basisfläche (22) des Rotors (15) im Zentrum erhöht ausgebildet ist und der Winkel (alpha) zwischen angeströmter Rotorflügel-Einstromkante (7) und Einstromachse mindestens 90 Grad beträgt, sowie -3- AT 395 944 B zweitens da- Winkel (beta) zwischen angeströmter Rotorflügel-Einstromkante (7) und Basisfläche (22) des Rotors (15) größer als 90 Grad ist, und drittens der vom Zentrum nach außen hin zunehmende Abstand zwischen Rotorflügel (14, 28, 35) und Gehäuseinnenwand (10) zwischen 0.5 und 2 mm beträgt, und ferner der Durchmesser des Einlasses (13) an seiner engsten Stelle zwischen 5 und 11 mm und der Durchmesser des Rotors 5 (15) zwischen 30 und 70 mm beträgt.
2. 2. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (17) unmittelbar nach dem Einlaß (13) über den Einstromkanten (7) der Rotorflügel (14, 28,35) stark aufgeweitet (bei 27) ist, um eine annähernd tangentiale Anströmung der Einstromkanten (7) zu gewährleisten. (Fig. 3) 10
3. 3. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise auf dem Rotor (15) fünf bis acht gleich lange Rotorflügel (14) angebracht sind, deren Grundriß gerade radial nach außen gerichtet ist. (Fig. 4)
4. 4. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise auf dem Rotor (15) drei bis sechs lange (14) und jeweils zwischen den Rotorflügeln dazwischen kurze radial nach außen gerichtete gerade Rotorflügel (29) angebracht sind. (Fig. 5)
5. 5. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (28) in 20 Zentrumsnähe (31) leicht - und zwar mit einer Winkeländerung unter 30 Grad - gegen die Drehrichtung gebogen sind. (Fig. 6)
6. 6. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (28) in Zentrumsnähe (30) leicht - und zwar mit einer Winkeländerung unter 30 Grad - in die Drehrichtung gebogen 25 sind. (Fig. 7)
7. 7. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (15) in an sich bekannter Weise fünf bis acht gleich lange gerade Rotorflügel (35) angebracht sind, die in die Drehrichtung geneigt sind. 30
8. 8. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise auf dem Rotor (15) drei bis sechs lange gerade (35) und jeweils dazwischen insgesamt drei bis sechs kurze gerade Rotorflügel (36) angebracht sind, die in die Drehrichtung geneigt sind. (Fig. 8)
9. 9. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor in an sich bekannter Weise fünf bis acht geschwungene Rotorflügel angebracht sind.
10. 10. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) des Rotors (15) in an sich bekannter Weise Durchbrechungen (34) aufweist, um eine Hinterspülung des Zwischen- 40 raums zwischen Rotorhinterwand (32) und Gehäusehinterwand (33) zu gewährleisten. (Fig. 9)
11. 11. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (14) in an sich bekannter Weise am Umfang über die Trägerplatte (11) hinausragen.
12. 12. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotordurchmesser zwischen 45 und 70 mm, der maximale Normalabstand der Rotorflügeloberkante (23) zur Basisfläche (22) 5 bis 9 mm, der Winkel (beta) zwischen Basisfläche (22) und Rotorflügel-Einstromkante (7) zwischen 110 und 150 Grad und der minimale Abstand zwischen Rotorflügel (14) und Gehäuseinnenwand (10) zwischen 1 und 2 mm beträgt, wodurch diese Pumpe für einen Nenndurchsatz zwischen 7 und 121/min ausgelegt ist. 50
13. 13. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotordurchmesser zwischen 30 und 45 mm, der maximale Normalabstand der Rotorflügeloberkante zur Basisfläche (22) 3 bis 6 mm, der Winkel (beta) zwischen Basisfläche und Rotorflügel-Einstromkante (7) zwischen 110 und 150 Grad und der minimale Abstand zwischen Rotorflügel (14) und Gehäuse (17) zwischen 0.8 und 1.6 mm beträgt, 55 wodurch diese Pumpe für einen Nenndurchsatz zwischen 3 und 41/min ausgelegt ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4- 60