CN101417155B - 外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种血泵辅助装置，尤其是一种采用外磁场驱动磁轴承支承可植入式锥形螺旋叶轮转子的人工心脏辅助装置，所述血泵置于交变磁场中，该血泵包括与血管相连的小端外壳(1)、大端外壳(4)，中间外壳(3)，中间外壳(3)的大端和小端分别与小端外壳(1)和大端外壳(4)密封连接，小端外壳(1)和大端外壳(4)内分别固定安装外表面带有叶轮的小端导轮(2)和大端导轮(6)，在所述中间外壳(3)、小端导轮(2)和大端导轮(6)构成的空间内设置叶轮转子(5)，所述的叶轮转子(5)内设置轴(11)，在叶轮转子(5)和轴(11)之间固定安装永磁磁条(12)，所述叶轮转子(5)与小端导轮(2)和大端导轮(6)之间有间隙。它有效地解决了由于穿越皮肤导线引起的密封感染以及生物相容性等一系列传统血泵难以克服的技术问题。

Description

外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵 

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种血泵辅助装置，尤其是一种采用外磁场驱动磁轴承支承可植入式锥形螺旋叶轮转子的人工心脏辅助装置。 

背景技术

心脏是人体血液循环的动力源。如今，心血管疾病已经成为导致人类死亡的主要原因。尽管心脏移植是治疗重危心脏病患者最有效的手段，但由于等待心脏移植受体的数量远远大于供体，导致每年都有很多患者在等待心脏移植中死亡。为了解决这一难题，人工心脏辅助装置被提出来了。国内、外现有的人工心脏辅助装置主要以轴流式血泵为主，而绝大多数轴流血泵是通过穿越皮肤的动力与控制导线来提供能量，由于密封原因容易导致受体感染以及生物相容性等问题；同时血泵的转子用机械轴承支撑，血泵长时间运转极易导致轴承磨损和发热；血泵的转子以及流道设计不符合血液生理学流动而引起溶血和血栓等等一系列难题。 

发明内容

为了克服传统人工心脏辅助装置的缺点，本发明提供一种外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵，该血泵结构紧凑，集驱动与控制于一体，有效地解决了由于穿越皮肤导线引起的密封感染以及生物相容性等一系列传统血泵难以克服的技术问题。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵，所述血泵置于交变磁场中，该血泵包括与血管相连的小端外壳、大端外壳，中间外壳，中间外壳的大端和小端分别与小端外壳和大端外壳密封连接，小端外壳和大端外壳内分别固定安装外表面带有叶轮的小端导轮和大端导轮，在所述中间外壳、小端导轮和大端导轮构成的空间内设置叶轮转子，所述的叶轮转子内设置轴，在叶轮转子和轴之间固定安装永磁磁条，所述叶轮转子与小端导轮和大端导轮之间有间隙。 

作为本发明的一种改进，所述小端导轮和大端导轮上分别设置两级阶梯形圆槽，两级阶梯形圆槽内分别固定安装轴向充磁的轴向永磁轴承环和径向充磁的径向永磁轴承外环，位于小端导轮和大端导轮的所述轴向永磁轴承环的极性相反；所述轴两端设置轴柄，轴柄上固定安装径向充磁的径向永磁轴承内环，所述径向永磁轴承内环位于径向永磁轴承外环内，并且与径向永磁轴承外环的极性相反，所述径向永磁轴承内环与轴向永磁轴承环、径向永磁轴承外环两者之间有间隙。 

作为本发明的一种改进，所述永磁磁条由4条1/4圆筒形的永磁磁条构成，并且径向充磁，相邻两条磁极的N、S极方向相反。 

作为本发明的一种优选方式，永磁磁条、径向永磁轴承外环和轴向永磁轴承环为铷铁硼永磁材料。 

作为本发明的一种优选方式，所述交变磁场由设置在体外的径向均匀分布的若干偶数个线圈组成，该线圈分别与变频器的端子连接。 

采用此种方案，本发明实现了由变频器控制体外线圈产生体外磁场驱动装在体内的锥形螺旋叶轮转子血泵，避免了由于穿越皮肤导线引起的密封感染以及生物相容性等一系列传统血泵难以克服的困难，同时血泵体内特殊的锥形螺旋叶轮转子在永磁轴承的作用下在轴向和径向上完全实现磁悬浮，减少了机械轴承所带来的由于摩擦、磨损、发热引起的溶血和血栓，可以长期维持正常的人体血液循环。通过采用变频器控制线圈通电，调节电流大小产生交变磁场远距离无接触地驱动装在体内的血泵转子里的永磁磁条，可以将血泵方便的植入体内，无需再用导线穿越皮肤，有效避免了由于密封引起的感染和生物相容性问题；高能永磁轴承使血泵转子径向和轴向完全悬浮，避免了因为机械轴承引起的摩擦、磨损和发热引起的溶血和血栓等并发症，特殊的锥形螺旋叶轮设计使血泵转子在旋转中尽可能少的剪切血红细胞，减少对血液有形成分的破坏；结构简单，集驱动与控制于一体等。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步具体详细的说明。 

图1为外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵剖面结构示意图； 

图2为外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵轴向侧视图； 

图3为大端导轮的主视图； 

图4为大端导轮的左视图； 

图5为永磁磁条与轴安装关系的示意图； 

图6为叶轮转子的外形图。 

具体实施方式

本发明提供的体外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵包括小端外壳1、中间外壳3、大端外壳4、小端导轮2、大端导轮6、叶轮转子5、永磁磁条12、轴向永磁轴承环7、径向永磁轴承内环8、径向永磁轴承外环9和轴11组成，如图1所示。该血泵是放置在交变磁场中，大端外壳4、小端外壳1与中间外壳3通过细牙螺纹连接，叶轮转子5上均布三条螺旋叶片，其外缘是逐渐增大的，如图6所示。大端导轮6和小端导轮2上面设置导轮叶片，如图3所示，通过导轮叶片分别固定在大端外壳4和小端外壳1内。叶轮转子5和中间外壳3径向有较小的径向间隙，和大端导轮6、小端导轮2之间有较小的轴向间隙。叶轮转子5内设置轴11，在叶轮转子5和轴11之间固定安装永磁磁条12，这样，通过永磁磁条12在交变磁场中接收到的磁力矩的作用，就会使的叶轮转子5在本发明所涉及的血泵中转动，从而使得血液可以从小端外壳1流向大端外壳4。 

本发明中所采用的大端导轮6、小端导轮2、大端外壳4、小端外壳1、中间外壳3、转子5均采用质量轻、非导磁且生物相容性很好的钛合金材料制成，永磁磁条12由4块径向充磁的1/4圆筒形磁条构成，永磁磁条12的内表面和轴11配合，每相邻两块磁条的N、S极方向相反，永磁磁条12外表面和叶轮转子5的内孔过盈配合，如图5所示。 

在大端导轮6和小端导轮2的内分别设置二级凹槽，如图1和图4所示，径向永磁轴承外环9通过过盈配合的方式安装在的凹槽里面。轴11的两端设置轴柄，轴柄上也通过过盈配合的方式安装径向永磁轴承内环8。径向永磁轴承内环8和径向永磁轴承外环9分别径向励磁，二者极性相反并且二者之间有微小缝隙。叶轮转子5可通过安装在轴11上的径向永磁轴承内环8和径向永磁轴承外环9实现径向悬浮。 

在大端导轮6和小端导轮2的凹槽里面分别安装轴向永磁轴承环7，并且也通过过盈配合的方式、沿着轴11的轴向安装，该两个轴向永磁轴承环7是 轴向励磁、并且极性相反。在这里，径向永磁轴承内环8也轴向励磁，通过径向永磁轴承内环8与轴向永磁轴承环7极性相反使得叶轮转子5通过安装在轴11上的径向永磁轴承内环8和轴向永磁轴承环7实现轴向悬浮。 

这样，叶轮转子5就可以在径向永磁轴承内环8和轴向永磁轴承环7、径向永磁轴承外环9的共同作用下，实现叶轮转子5在小端导轮2、大端导轮6和中间外壳3之间的轴向和径向悬浮。 

本发明所采用锥形螺旋形状的叶轮转子5，其外缘是逐渐增大的，因此由叶轮转子5的叶轮带动的流体线速度变化缓慢且均匀，因此引起的剪切力较小；减少对血红细胞的破坏，可以明显降低溶血和血栓现象。 

本发明所使用的交变磁场是由设置在体外的径向均匀分布的若干偶数个线圈10产生的，该线圈分别与变频器13的端子连接，本实施例中采用6个线圈，如图2所示。利用永磁同步电机的基本原理，6个线圈10径向均匀分布在本发明所涉及的血泵的周围一定距离，6个线圈10分别与变频器13连接，通过变频器13控制线圈10的交替导通，并产生交变的磁场。该在体外产生的交变磁场和安装在体内的叶轮转子5内的永磁磁条12产生的磁场发生耦合，由此产生的驱动力矩即可实现体内叶轮转子5的高速转动，从而带动血液的流动。 

使用时，调节好变频器13合适的电流和电压后，将线圈10通电即可产生交变磁场，叶轮转子5上均布的三条螺旋叶片高速旋转使血泵小端外壳1内形成真空，使血液从小端外壳1吸入，血液经过小端导轮2上的导轮叶片分流后顺利进入叶轮转子5的槽中，叶轮转子5连续旋转把血液不断挤入大端导轮6，并经过大端外壳4流出。在大端导轮6上的导轮叶片的作用下，血液由原来的高速圆周运动，变为较为平稳的沿轴向流动。通过调节变频器13的参数，可以改变叶轮转子5的转速，从而调节血泵的输出压力和流量，以满足不同患者的需要。 

转速可达到8000-12000转/分，使血泵16的平均输出流量达到5～8L/Min，平均压力1.33×104Pa(100mmHg)。

Claims (1)

1.一种外磁场驱动磁悬浮可植入式锥形螺旋叶轮转子血泵，所述血泵置于交变磁场中，该血泵包括与血管相连的小端外壳(1)、大端外壳(4)，中间外壳(3)，中间外壳(3)的大端和小端分别与小端外壳(1)和大端外壳(4)密封连接，小端外壳(1)和大端外壳(4)内分别固定安装外表面带有叶轮的小端导轮(2)和大端导轮(6)，在所述中间外壳(3)、小端导轮(2)和大端导轮(6)构成的空间内设置叶轮转子(5)，所述的叶轮转子(5)内设置轴(11)，在叶轮转子(5)和轴(11)之间固定安装永磁磁条(12)，所述叶轮转子(5)与小端导轮(2)和大端导轮(6)之间有间隙，其特征在于：所述小端导轮(2)和大端导轮(6)上分别设置两级阶梯形圆槽，两级阶梯形圆槽内分别固定安装轴向充磁的轴向永磁轴承环(7)和径向充磁的径向永磁轴承外环(9)，位于小端导轮(2)和大端导轮(6)的所述轴向永磁轴承环(7)的极性相反；所述轴(11)两端设置轴柄，轴柄上固定安装径向充磁的径向永磁轴承内环(8)，所述径向永磁轴承内环(8)位于径向永磁轴承外环(9)内，并且与径向永磁轴承外环(9)的极性相反，所述径向永磁轴承内环(8)与轴向永磁轴承环(7)、径向永磁轴承外环(9)两者之间有间隙。

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