CN101121045A - 一种用于心脏辅助的镶套式永磁叶轮轴流式血泵及其辅助方法 - Google Patents

Abstract

一种用于心脏辅助的镶套式永磁叶轮轴流血泵及其辅助方法。该血泵转子为整体磁性叶轮或磁叶片叶轮，使得血泵气隙中磁场强度大大提高。叶轮表面进行防护、包裹及生化处理；血泵管腔由血液相容性好的材料制成；简化了前导流系统的结构，前导流锥由单悬臂支撑，这些都有利于防止血栓形成。辅助方法采用轴流血泵与心脏的心室(左、右心室、或双心室)串联式连接，并要求血泵在外形上适合于植入的升主动脉或肺主动脉的几何形状，管腔及人造血管管径与自然血管匹配；为防止血泵的抽吸作用降低冠状动脉的灌注压，可实施“冠状动脉—主动脉旁路移植术”。

Description

一种用于心脏辅助的镶套式永磁叶轮轴流式血泵及其辅助方法

所属技术领域

本发明属于生物医学工程范畴，是用于治疗终末期心衰的人工心脏机械辅助装置及其辅助方法。

背景技术

多种心脏病都会导致心脏泵功能的衰竭，其威胁着病人的生命。心脏辅助是利用机械装置维持全身血液循环，使受损的心脏得到休息，衰竭的心脏功能得以恢复。双心辅助或全人工心脏是同时支持肺循环和体循环的双心室机械辅助装置。辅助循环和人工心脏已经成为心源性休克、心脏手术后不能脱离人工心肺机或术后危重患者的最后救治手段，也可用于心脏移植的过渡阶段。

血泵治疗心衰的作用大小与血泵的种类和辅助方式息息相关。实践证明，叶轮式血泵比容积式血泵具有比较明显的优点，叶轮式血泵的结构简单，体积小，易于植入；与血液接触面积小，抗血栓性能好；因可植入，感染问题也可较好地得到解决；还有耐久性好，功耗低等优点。叶轮式血泵包括离心泵和轴流泵，已在临床上应用较多，如：国外的DeBakey、Jarvik2000、BerlinHeart、HeartMate等，但其辅助的连接方式大多采用并联式，即将血泵从心尖连接到主动脉(左心辅助由左心室-升主动脉，右心辅助由右心室-肺动脉)。

虽然叶轮式血泵优点较多，但仍不能尽如人意，最突出的问题是血液相容性问题，血泵经过长时间使用仍会形成血栓，甚至栓塞。其主要原因是：材料的血液相溶性不够；导流系统较繁杂，前导流叶片一般为多叶片，异物面积大，导流锥与转子轴颈的接口处缝隙较大，这些都造成了血流阴面和血流死角，增大了血液与异物接触面积。相容性问题还与血泵的连接方式有关，目前的叶轮泵大多采用与心室并联式的连接方式，即从心尖插管引流血液至主动脉，这不仅会造成心肌损伤，还会因为减少了心室内血流冲刷，容易造成血栓形成。

轴流血泵的驱动原理同无刷电机，当叶轮转子旋转时，血液沿着螺旋线运动向后倾斜抛出，经过后扩散导流叶后沿轴向流动。主体结构由定子、转子组成，转子由叶片和轮毂及中心轴(有固定轴或转动轴两种)组成，形似涡轮、涡杆；定子由外壳、铁芯、线圈、信号控制器及中心管道等部件组成。中心管道是一个置于定子中间的无缝管道，管道中间装有叶轮转子和前、后导流叶。在此结构中，叶轮转子既是一个电机的旋转磁钢，又是一个能够传输血液的叶轮。目前进入临床应用的轴流式血泵基本采用两种转子磁钢结构：一种是在叶轮轮毂上的金属叶轮中间镶上叶片状磁钢；另一种是由一个圆柱状或枣核状的磁钢外面包裹着螺旋状金属叶轮叶片。前一种结构，由于该叶片状磁钢体积小，形状各异，加工及制造中很难保证转子的磁场均匀性、对称性和重力平衡性，因此常会造成转子扭矩大，不平衡，从而导致血泵机械稳定性差，功能下降；后一种结构，往往不能在较小的体积下提供足够的磁矩。从理论上讲，转子磁钢与定子间的间隙越小，间隙中的磁通密度就越大，驱动性能就越高，电机整体体积也更小。

发明内容

为了克服传统轴流式血泵的缺点以及并联式连接方式的不足，本发明提供了一种人造血管镶套式永磁叶轮轴流血泵；并提出采用串联式连接的心脏辅助方式。该血泵转子为整体磁性叶轮或磁叶片叶轮，大大提高了血泵气隙中磁场强度；叶轮外表再进行有效的表面防护技术和包裹处理；同时血泵管腔采用血液相容性好的材料制成；简化了前导流系统的结构；为防止泵的抽吸作用降低冠状动脉的灌注压，可施行“冠状动脉-主动脉旁路移植术”。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将永磁材料，如钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体、铂钴合金等磁性材料加工制作或拼接制成整体叶轮(叶片及轮毂均为磁性材料)，或用磁叶片(叶片为磁性材料)镶嵌在轮毂上组成涡轮状叶轮；转子充磁方向为径向，为一对N、S极，在转子叶片外周端的磁场最强，以达到微型电机的技术要求。叶轮表面设置保护层，表面镀(涂)覆金属、陶瓷、沉积碳、高分子材料等薄层，也可用以上材料薄膜直接包裹处理；血液相容性处理包括：离子注入、薄膜沉积、生物化学处理等表面改性。血泵管腔由钛、钛合金、热解碳、不锈钢等血液相容性好的材料制成，在血泵管腔进口端壁内设置单悬臂支撑的前导流锥，即单悬臂由管壁伸向管中心，支持位于中心的前导流锥，在管腔出口端设置后扩散导叶。管腔内排列位置为：前导流锥、转子、后扩散导叶，前导流锥与后扩散导叶既有导流作用，又起到转子定位作用。血泵管腔外面或两端镶套着人造血管，再置于电机定子铁芯及绕组内，转子与定子铁芯及绕组位置对应。

轴流血泵采用与心室串联的辅助方法，血泵管腔的两端为进口和出口，在植入人体时，管腔两端的人造血管直接与人体的动脉血管进行端-端吻合或套接。当用于左心辅助时，将升主动脉段截断(较长时可切除一段，下同)，将该血泵的进、出口人造血管与升主动脉的近、远端血管连接，形成与心脏的左心室串联式连接。当用于右心辅助时，将主肺动脉段截断，将该血泵的进出口人造血管与主肺动脉的近，远端血管连接，形成与心脏的右心室串联式连接。当用于双心辅助时，可同时实施上述两种植入。无论血泵与左、右或双心心窒串联，都要求血泵在外形上适合于植入位置的几何形状，要求泵长度尽可能短，管腔直径能与血管管径匹配，人造血管的直径与人体的主动脉直径相同(在实用时可根据病人的个体特征选型或个性化定制)，以便于端-端吻合。

当该泵植入到升主动脉位置时，为防止泵的抽吸作用降低冠状动脉的灌注压，可通过“冠状动脉-主动脉旁路移植术”将泵远端的人造血管或主动脉腔分别与冠状动脉的右主干及左主干(或前降枝)腔连接起来，并阻断左右冠状动脉自然入口，保证血泵工作时心脏的正常血液灌注。

本发明的有益效果是：整体磁性叶轮或磁叶片叶轮均可提高气隙中磁场强度，以提高血泵的效率，使其体积更加微型化；单悬臂支持结构减小了异物面积和体积，可更好地防止血栓形成；叶轮表面设置保护层及血液相容性处理，一方面防止磁性材料腐蚀，另一方面改善血液相容性；血泵管腔由相容性好的材料制成，有良好的防止血栓形成特性。与心室串联式连接可增加心室腔内的血流冲刷效应，有利于防止血栓，并提高血泵的辅助效果和效率；施行“冠状动脉-主动脉旁路移植术”是为了血泵在工作时保证心脏的正常血液灌注。

附图说明

图1是本发明的泵体剖面立体结构图。

其中：1-入口人造血管、2-电源导线、3-定子绕组、4-轴流泵管腔、5-出口人造血管、6-前单悬臂、7-前导流锥、8-中心轴、9-定子铁芯、10-轮毂、11-叶片、12-后扩散导流叶、13-后导流锥。

图2、图3是目前公知的两种应用于临床的轴流式血泵的泵体剖面立体结构图。

图2、图3中：1-前导流锥、2-四叶导流叶片、3-中心轴、4-转子轮毂、5-转子叶片、6-后六叶导流叶片、7-后导流锥、8-流出口、9-流入口、10-电源导线、11-马达定子、12-管道。

图2中：转子部分叶片是用磁性材料加工出来的，然后一片片地镶嵌在转子轮毂上，轮毂是磁性材料或非磁性材料。

图3中：转子轮毂是磁性材料，轮毂外面包裹着金属叶片，

图4是本发明血泵实施双心辅助时植入人体的解剖结构图。

其中：1-升主动脉近端、2-升主动脉血管泵、3右冠状动脉主干旁路移植术血管、4-升主动脉远端、5-主肺动脉远端、6-左冠状动脉主干旁路移植术血管、7-主肺动脉近端、8-冠状动脉前降枝、9-升主动脉血管泵电源线、10-右冠状动脉、11-主肺动脉血管泵、12-主肺动脉血管泵电源线。

具体实施方案

图1中，本发明用磁性材料直接加工制作整体叶轮或全磁性叶片叶轮转子，在对叶轮转子做了抛光、动平衡等工作后，对叶轮转子进行镀(涂)覆金属、陶瓷、热解碳、高分子材料等防腐及防护处理，或上述材料薄膜包裹，然后对叶轮转子、导流叶片和导流锥、支架的表面及接口等部件进行生化处理；在叶轮转子安装之前进行径向充磁。

如图1所示，本发明极大地简化了前导流系统，设计为单悬臂，比图2、图3所示的多个导流叶片简化了很多，减少了容易造成血栓形成的异物接触面积、阴面、死角。

如图1所示，本发明4为相溶性好的材料制成的无缝薄壁管腔，管腔外面或两端镶套着人造血管，管腔内排列着前导流锥、叶轮转子、后导流锥，叶轮转子中心为轴或轴承，由两个导流锥中心的轴承或中心固定轴支撑。轴承系统可以用悬浮轴承或陶瓷、宝石等耐磨的滑动轴承系统。叶轮转子在定子的转矩推动下旋转，输送着血液沿轴向流动，以实现心脏辅助的目的。

如图4所示，本发明采用心室串联的辅助方法，当用于左心辅助时，轴流血泵只要与心脏的左心室串联式连接；当用于右心辅助时，轴流血泵只要与心脏的右心室串联式连接；当用于双心辅助时，同时实施两种串联式连接。血泵管腔两端的人造血管直接与人体的动脉血管进行端-端吻合或套接。

如图4所示，当该泵植入到升主动脉位置时，防止泵的抽吸作用降低冠状动脉的灌注压，为可通过“冠状动脉-主动脉旁路移植术”将泵远端的人造血管或主动脉腔分别与冠状动脉的右主干及左主干(或前降枝)腔连接起来，并阻断左右冠状动脉自然入口，保证血泵工作时心脏的正常血液灌注。

Claims (6)

1.一种用于心脏辅助的镶套式永磁叶轮轴流血泵及其辅助方法。其技术特征是：轴流血泵转子是用磁性材料一体制作或拼接制成的整体磁性叶轮(叶片及轮毂均为磁性材料)，或磁叶片叶轮(用磁性材料加工的叶片镶嵌的叶轮)；叶轮转子表面有防腐及血液相容性良好的材料保护层，一方面防止磁性材料腐蚀，另一方面改善血液相容性。血泵管腔材料要求血液相容性好，血泵管腔内装着前导流锥、叶轮转子、后扩散导叶，前导流锥是由单悬臂支撑的，即单悬臂由管内壁伸向管中心，支持位于中心的前导流锥，单悬臂支持结构减小了异物面积和体积，可更好地防止血栓形成。血泵管腔外面或两端镶套着人造血管，并置于电机定子铁芯及绕组内，定子铁芯及绕组与管腔内的转子位置对应。血泵采用与心室串联的辅助方法，血泵管腔两端的人造血管端口为血液的进口和出口，在植入人体时，两端的人造血管直接与人体的动脉血管进行端—端吻合或套接。人造血管的直径要求与人体的主动脉直径相同(可根据病人的个体特征选型或个性化定制)。当用于左心辅助时，将病人的升主动脉段截断暴露的近、远端血管与血泵的进、出口人造血管连接，形成与心脏的左心室串联式连接；当用于右心辅助时，将主肺动脉段截断暴露的近、远端血管与血泵的进、出口人造血管连接，形成与心脏的右心室串联式连接；当用于双心辅助时，可同时实施上述两种植入方法。为防止血泵串联工作时的抽吸作用而降低冠状动脉的灌注压，可通过“冠状动脉—主动脉旁路移植术”，即将冠脉开口移植于泵的远端。

2.根据权利要求1所述，磁性材料包括钕铁硼、钐钴、铂钴、铝镍钴、钕铁氮、铁氧体等磁性材料，充磁方向为转子径向，其特征是：这些磁性材料异形加工的难度大，目前在公知的轴流式血泵中尚没有应用整体磁性叶轮或磁叶片叶轮(用磁性材料加工的全磁叶片镶嵌的叶轮)，这两种叶轮均比磁毂辘叶轮(轮毂为磁性材料)及部分磁叶片的叶轮大大地提高了血泵气隙中的磁场强度。

3.根据权利要求1所述，对叶轮设置保护层，包括镀(涂)覆金属、陶瓷、沉积碳、高分子材料，也可用以上材料薄膜直接包裹处理；血液相容性处理包括：离子注入、薄膜沉积、生物化学处理等表面改性，其特征是：转子表面有耐腐蚀性及良好的防血栓特性。

4.根据权利要求1所述，轴流血泵管腔由钛、钛合金、热解碳、不锈钢等血液相容性好的材料制成，其特征是：有良好的防止血栓形成特性。

5.根据权利要求1所述，  轴流血泵与心室泵形成串联连接，血泵进、出口的人造血管在植入人体时可通过套接、缝合等方法与人体的主动脉或主肺动脉的截断断面两端进行端—端吻合，其特征是：串联连接可增加心室腔内的血流冲刷效应，防止血栓形成，并提高辅助效果和效率。

6.根据权利要求1所述“冠状动脉—主动脉旁路移植术”将泵远端的人造血管或主动脉腔分别与冠状动脉的右主干及左主干(或前降枝)腔连接起来，并阻断左右冠状动脉自然入口，其特征是：防止血泵工作时的抽吸作用降低冠状动脉的灌注压，以保证心脏的正常血液灌注。

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