CN103191837A - 一种用于血液连续离心分离的分离盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，该分离盘包括内分离筒和外分离筒，内分离筒同轴固定于外分离筒的内腔中，外分离筒的内腔壁为曲面形式，内分离筒的外侧壁为与外分离筒的内腔壁曲面形式相同或不同，外分离筒的内腔壁与内分离筒的外侧壁之间为分离盘的分离腔隙，该分离腔隙为一曲面体结构，其内可容纳一次性使用的分离软袋。本发明简化了血液连续离心分离的分离盘结构，使安装分离软袋更为简便，使用更为安全。

Description

一种用于血液连续离心分离的分离盘结构

技术领域

本发明涉及血液离心分离技术，特别是涉及到一种血液连续离心分离的分离盘，配合一次性使用分离软袋使用，更容易体现差动离心分离的优势，提高血液成分自动化单采的工作效率。

背景技术

    无论是科学研究还是医学临床实践或是工业生产，以及更多的场合，都需要将血液分离，如从全血分离出单一成分，通常使用离心法从血液中分离出各种单一成分，用于临床治疗、科学研究或制备原料等场合。最常见的是将全血通过离心分离系统分离出红细胞、粒细胞、单核细胞、血小板和血浆，或将解冻后的冷冻红细胞洗涤分离出红细胞和洗涤液。

连续离心分离系统的工作原理是：上述系统的主要结构包括有离心机、输液泵和控制器装置；通过与输液泵连接的输液管路将血液引入离心机上分离鼓内的软袋中，高速旋转分离鼓，并带动该软袋同步高速旋转，其内的血液受到离心力场的不同作用导致血浆和血球等有形成分作离心沉降运动，且按各自密度或比重或沉降系数的大小分层；当达到离心沉降平衡时，从径向的圆周面至轴心由密度高到低富集排列形成同心圆状的各单一成分层，然后利用输液泵再将分离的单一成分层抽取出来。

血液单一成分在该系统中实现连续采集是通过密闭的软管提供旋转动力并起到连续输入和抽出的作用，软管的一端与分离鼓内的分离软袋连通,随分离鼓高速转动,软管的另一端固定在支架上，因此，软管一端旋转一端固定,其中间有一盘管结构来实现软管解旋解缠，使得在旋转状态下可将全血输入至旋转的分离鼓内，并从旋转的分离鼓内抽出血浆及血球等单一成分。分离鼓，即分离盘，与盘管结构相结合实现了血液连续离心分离。

现有技术中涉及到应用于血液连续离心分离设备上的分离盘和盘管结构的主要有美国专利US5360542。在该专利中，分离盘为一个圆筒形结构，称为分离鼓，其内有一个圆筒形的腔隙，软袋放在圆形腔隙内实现血液的离心分离；盘管结构包括有底架，可旋转的顶部支架，顶部支架上悬吊分离鼓，一根软管自机箱处固定穿过顶部支架侧面的两个轴承后伸入到分离鼓底部，其软管的端部为一方形头，伸入到分离鼓中心轴处的方形槽内。软管为中空构造，其内有数根输送管路,同时实现动力提供和液体输送功能。基于上述的结构，动力使顶部支架旋转，带动软管解旋而产生扭动力，并将此动力传输至分离鼓使之产生同向转动，进而实现血液连续离心分离过程。

中国专利申请200710046991.7中披露了另外一种结构形式的分离盘。该专利中指出：多细胞成分混合液体分离系统上的分离盘，包括耐用的硬底盘和一次性使用的软袋，硬底盘上是由内芯和底座组成的圆形盘，在内芯和底座之间形成一段绕该硬底盘圆心轴一周的、且首部和尾部不封闭的连续腔隙，软袋为设有进、出液管的单腔结构，该软袋可置入所述的腔隙中。由于所述的连续腔隙内各处的离心力不一致，因此在离心力持续作用下，混合液体各成分在软袋内呈分段分布状态，可以从上述分段内提取相应的单一成分。上述的内芯相当于所述的内分离筒、底座相当于所述的外分离筒。上述的硬底盘也即是分离盘。

无论是国外专利还是国内专利，都采用了分离盘加软袋的方式，软袋为一次性使用的耗材部件。这两种形式的分离盘在实际使用过程中由于血液分离的设计思路不同，前者为同心圆设计，后者为非同心圆设计，后者的分离效率较前者有很大的提高。后者虽在硬底盘和分离软袋的设计较为巧妙，且在实践中有一定的效果，但仍然有改进设计的余地。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术进行改进设计，以求提高血液离心分离的效率。本发明的分离盘结构设计更为合理，内分离筒和外分离筒之间配合更为紧密，与一次性使用分离软袋的配合也更为实用，连续离心分离的总体效率进一步提高。

为了达到上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的分离盘包括内分离筒和外分离筒，所述的内分离筒同轴固定于外分离筒的内腔中，所述外分离筒的内腔壁与内分离筒的外侧壁之间为分离盘的分离腔隙，该分离盘的外分离筒的内腔壁曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线以极坐标表示如下：

其中，极坐标的极点O为旋转轴与所述平面的交点，极坐标的极轴L为极点到曲线起始端方向的射线，极坐标角度的正方向为顺时针方向，r为曲线上任意一点的极径，R为曲线最远端的极径,θ₁为曲线起始端的极角，其值为本极坐标系的0度，θ₂为曲线与血浆分离因素临界半径F_r交点的极角，血浆分离因素临界半径F_r为转速确定下单位时间内血浆分离所需最小离心半径，θ₃为一个极角，其值为θ₂的1.5～3.5倍，θ₄为曲线最远端的极角；在所述的分离腔隙内，[θ₁,θ₂）是血浆区，[θ₂,θ₃）是混沌区，[θ₃,θ₄]是血球区，b₁为血浆区的曲线系数，b₂为混沌区的曲线系数，b₃为血球区的曲线系数；所述内分离筒的外侧壁底端设有一沿径向外延伸的凸起部，该凸起部边缘的曲面形式与所述外分离筒内腔壁曲面形式相同，以使分离腔隙底端厚度均匀，当内分离筒同轴固定于外分离筒时，该内分离筒外侧壁底端凸起部与外分离筒内腔壁底端相楔合，形成半封闭状态的分离腔隙。

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，所述的内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁具有相同的曲面形式。 

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，所述的内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁具有不同的曲面形式。

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，所述的内分离筒的外侧壁曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线，或者为分段曲线。

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，所述的分段曲线是连续的多段曲线，多段曲线中的曲线形式或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线。

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，所述的内分离筒的外侧壁曲面起始和结尾两端及底端凸起部设有多个用于与一次性使用的分离软袋上固定孔配合的固定柱。

基于上述技术方案，本发明的分离盘结构在实践应用中具有如下技术效果：

1．本发明属于是对中国专利201020293871.4和200710046991.7中离心分离盘的进一步改进设计。在本发明的设计中，对分离盘中内分离筒和外分离筒的曲面形式以及其之间构成的分离腔隙进行优化，根据具体的实验数据逐渐修正以达到实用。本发明的关键是根据血液连续离心分离过程中分层情况，将分离腔隙的曲面设计成连续多段式，并对每段的曲度优化，以求达到血液各种成分分段分区的最佳分布状态，实现高效连续采集。根据实验数据，该连续式多段曲面体较现有技术中的分离腔隙结构的分离效率显著提高，从而反映出本发明的优点。

2．本发明的分离盘设计了半封闭式的分离腔隙，使一次性使用分离软袋与之更易贴合，安装使用中更加便宜安全，本发明主要是在内分离盘上设计了径向向外渐变的凸起部，该凸起部在运行中把持住位于分离腔隙内的分离软袋，使其不发生位移，提高使用中的安全系数。

3．为了防止分离软袋在分离盘高速运转时可能发生位置相对滑动而影响安全，本发明特意在内分离筒上设计了固定柱，与分离软袋上的固定孔相对应，二者配合即可解决分离软袋位置滑动的问题，提高了分离盘的运行安全性。

附图说明

图1是血液差动离心系统的结构示意图。

图2是本发明的分离盘结构示意图。

图3是本发明的分离盘结构中内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁曲面形式相同时分离腔隙的结构示意图。

图4是本发明的分离盘结构中内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁曲面形式不同时分离腔隙的结构示意图。

图5是本发明的分离盘结构中内分离筒的结构示意图。

图6是本发明的分离盘结构中外分离筒的结构示意图。

图7是本发明的分离盘结构中内外分离筒装配后立体结构示意图。

图8是本发明的分离盘结构在应用中的血液分段分区状况示意图。

图9是本发明的内分离筒外侧壁凸起部的轴向剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构做进一步的详细阐述，以求更为明晰地理解本发明的结构形式和具体工作流程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明应用到血液连续离心分离的差动离心系统中，目的是从全血中分离出血浆和血球等有形成分。血液差动离心系统的主要结构包括刚性支架A、分离盘B、软管C和快卸装置D，如图1所示。

刚性支架A底端设有带动其绕自身轴线旋转的动力装置，由动力装置提供刚性支架A自转的动力。分离盘B由同旋转轴心的内分离筒和外分离筒组成。所述的内外分离筒之间为一个曲面体分离腔隙，该分离腔隙的形状由外分离筒内腔壁和内分离筒外侧壁的曲面形式所决定，是差动离心系统的核心所在，它决定了血液连续离心分离的效率和质量。分离盘B通过一个快卸装置D可旋转固定在刚性支架A上。在该分离腔隙内可容纳一次性使用的分离软袋，该分离软袋的形状与分离腔隙的形状相适应，并便于放置；分离软袋在前部、中部和后部分别设置有三根输液管路，并与软管C相连接。

软管C一端连接于内分离筒的轴线部位，穿过位于刚性支架A上的旋转限位装置后，其上端固定于刚性支架的顶部的离心分离盘的轴线延长线上，软管C在这端是固定的，使其无法绕软管自身轴线旋转，另一端是同轴固定在分离盘上。在连续离心分离系统工作时，这种差动结构使软管在限位下公转，同时通过旋转机构使软管解旋，而解旋就是软管与分离盘相连接的一端产生自转，由于解旋是在公转基础上，这样会以2倍公转的转速带动分离盘同速转动，以达到血液连续离心力分离的目的。上述结构已在先前专利申请201020293871.4中已经提及，其大致结构如图1所示，此处不再详述。

本发明的主要内容就是对上述分离盘的结构进一步改进设计，使得其在实际应用中更加高效合理，分离效率和分离质量大幅度提高。

在本发明用于血液连续离心分离的分离盘结构中，如图2所示，所述的分离盘结构包括内分离筒和外分离筒，所述的内分离筒同轴固定于外分离筒的内腔中，所述外分离筒的内腔壁与内分离筒的外侧壁之间为分离盘结构的分离腔隙，其内可容纳一次性使用的分离软袋。内分离筒、外分离筒以及两者组合式的情况如图5、图6、图7所示。

所述分离盘的外分离筒内腔壁的曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线以极坐标表示如下：

其中，如图3所示，极坐标的极点O为旋转轴与所述平面的交点，极坐标的极轴L为极点到曲线起始端方向的射线，极坐标角度的正方向为顺时针方向，r为曲线上任意一点的极径，R为曲线最远端的极径,θ₁为曲线起始端的极角，其值为本极坐标系的0度，θ₂为曲线与血浆分离因素临界半径F_r交点的极角，血浆分离因素临界半径F_r为转速确定下单位时间内血浆分离所需最小离心半径，θ₃为一个极角，其值为θ₂的1.5～3.5倍，θ₄为曲线最远端的极角；在所述的分离腔隙内，[θ₁,θ₂）是血浆区，[θ₂,θ₃）是混沌区，[θ₃,θ₄]是血球区，b₁为血浆区的曲线系数，b₂为混沌区的曲线系数，b₃为血球区的曲线系数。

在外分离筒内腔壁和内分离筒外侧壁相结合构成分离腔隙中，内分离筒的外侧壁底端设有一沿径向外延伸的凸起部，该凸起部边缘的曲面形式与所述外分离筒内腔壁曲面形式相同，以使分离腔隙底端厚度均匀，当内分离筒同轴固定于外分离筒时，该内分离筒外侧壁底端凸起部与外分离筒内腔壁底端相楔合，形成半封闭状态的分离腔隙。内分离筒的外侧壁曲面起始和结尾两端及底端凸起部设有多个固定柱，通过将分离软袋上的固定孔和固定柱配合，可以将分离软袋放置于半封闭的分离腔隙内，且在高速旋转时保护分离软袋。上述固定柱用于将分离软袋稳固地紧贴在内分离筒上，以期分离盘高速旋转时保持安全状态。

上述分离腔隙的外壁由外分离筒的内腔壁形成，其曲面形式是确定的，分离腔隙的内壁由内分离筒的外侧壁形成，其曲面形式可以有多种形式。

若外分离筒内腔壁和内分离筒外侧壁具有相同的曲面形式，如图3所示，这二者合成分离盘时形成一条厚度均匀的分离腔隙。

若内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁具有不同的曲面形式。内分离筒的外侧壁曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线，或者为分段曲线。若采用分段曲线，多段曲线中各段曲线的曲线形式或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线。图4为其中一种曲线的表现形式。上述内分离筒和外分离筒采用不同的曲面形式，则会获得不一致的腔隙厚度，进而分离腔隙内血浆区、混沌区、血球区分段分区的分布状态也不同，不同的分布状态会有不同的分离效果，进而也会影响到采集效果。但在分离腔隙临近血浆分离界面前后区域的平均厚度是一个设计控制参数，这样可以保证分离效率。

在上述分离腔隙内可容纳一次性使用的分离软袋，当应用于差动离心系统时，分离盘带着分离软袋高速旋转，血液充盈分离软袋形成与分离腔隙相接近的分离空间，进而产生血液成分分段分区的分布状态，便于抽出所需的单一成分。 

通过大量试验表明，分离软袋在该分离腔隙内可能会因高速旋转导致部分挤压，一旦分离软袋袋内充满血液，分离软袋受挤压部位有可能会破裂。为了避免上述现象发生，本发明在分离盘的内分离筒外侧壁设计一个阻挡分离软袋向外移动的缓坡阻挡结构，该阻挡结构在所述内分离筒外侧壁的底端设有一沿径向外延伸的凸起部，分离软袋缠绕固定在内分离筒外侧壁后，再将内分离筒同轴固定于外分离筒的内腔中，形成一个半封闭式分离腔隙，可防止分离软袋在分离盘高速旋转时出现挤压外移乃至破裂。

下面以本发明的分离盘结构配合一次性使用分离软袋在实际血液连续分离中的应用，来阐述其具体分离过程。

在差动离心系统使用时，首先将一次性使用的分离软袋连接到软管上，然后将分离软袋贴合固定在内分离筒外侧壁上，并逐个将其固定孔套于内分离筒上相配合的固定柱上；然后，将固定有分离软袋的内分离筒套入到外分离筒的内腔中，使得二者的端面连接时固定凹槽和凸起柱相配合，利用内外分离筒之间的快卸装置固定形成一个整体的分离盘结构；最后，将固定完成的分离盘结构安装到差动离心系统的刚性支架上，再完成其他部位的连接，准备开始全血的离心分离。

在差动离心系统的分离盘高速转动的状态下：血液通过离心分离系统中的软管输入至分离软袋中，先向离心力较大的外围即分离软袋远端堆积并逐渐分离。

当分离软袋处于半充盈状态即血液堆积到分离软袋中部时，新进入的血液会打乱堆积血液的分离状态，在此形成混沌区，同时随堆积的血液继续增加，其液面逐渐向分离软袋近端逼近。

当血液逼近分离软袋近端时，受到的新进血液影响逐渐减小，离心力的作用逐渐发挥，分离再次开始，血浆与血球等有形成分逐渐分离；血球等有形成分受垂直方向的重力作用，由下向上堆积，受到离心力和分离空间的限制，由分离空间远端向近端堆积。在血液充盈分离软袋且在血浆口出现符合单采标准的血浆时，可从血浆口将血浆抽出和从血球口将血球等有形成分抽出，同时保持全血输入，以期分离软袋内液体维持在动态平衡之中。血液在分离软袋内，处于充盈状态，其中各成分在分离腔隙内分段分区分布，形成了位于近段的血浆区1、位于远端的血球区3以及位于血浆区与血球区之间的混沌区2，分段的各个成分区如图8所示。

传统连续分离中，采用正圆分离盘方式，其分离界面与分离腔隙同心，血浆和血球只在旋转径向上发生分离，由于分离腔隙厚度有限故分离界面较为接近，抽取时会影响血液单一成分的采集质量。本结构设计旨在使血浆和血球等有形成分之间尽可能拉开距离，形成分段分区的分布状态，在不停顿的情况下，连续采集血浆和/或血球等有形成分，进而可提高单一成分的分离采集质量；同时通过缓坡阻挡和固定柱来保护分离软袋，降低分离软袋破损率。

实施例1

本实施例中由外分离筒4和内分离筒5组成分离腔隙6，该外分离筒外侧壁为半径220mm,该外分离筒内腔壁曲面在旋转轴垂直平面上投影的曲线为：

该内分离筒外侧壁和外分离筒内腔壁的曲面形式相同,其二者在旋转轴垂直平面上的投影曲线的间距为7mm。

在内分离筒外侧壁底端设有一沿径向外延的凸起部，其在轴向方向的剖面结构如图9所示，凸起部沿径向的宽度c=6mm，沿轴向的高度h=2mm，凸起部的一侧与内分离筒底面的延伸面重合，另一侧以半径r=16mm的圆弧面与内分离筒外侧壁曲面相切。

在内分离筒的外侧壁曲面起始和结尾两端各设有三只直径为4mm固定柱，在底端凸起部中间位置设一只直径为4mm固定柱，与一次性使用的分离软袋上相对应的固定孔配合。

实施例2

本实施例中由外分离筒和内分离筒组成分离腔隙，该外分离筒的外侧壁为半径220mm,该外分离筒内腔壁曲面在旋转轴垂直平面上投影的曲线为：

该内分离筒外侧壁在旋转轴垂直平面上投影的曲线为：

在内分离筒外侧壁底端设有一沿径向外延的凸起部，其在轴向方向的剖面结构如图9所示，凸起部沿径向的宽度c=6mm，沿轴向的高度h=2mm，凸起部的一侧与内分离筒底面的延伸面重合，另一侧以半径r=16mm的圆弧面与内分离筒外侧壁曲面相切。

在内分离筒的外侧壁曲面起始和结尾两端各设有三只直径为4mm固定柱，在底端凸起部中间位置设一只直径为4mm固定柱，与一次性使用的分离软袋上相对应的固定孔配合。

毫无疑问，以上只是本发明的一个具体结构实施例，并没有涵盖所有本发明的其他变化形式。总而言之，本发明的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变化和替代。

Claims (6)

1.一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的分离盘包括内分离筒和外分离筒，所述的内分离筒同轴固定于外分离筒的内腔中，所述外分离筒的内腔壁与内分离筒的外侧壁之间为分离盘的分离腔隙，该分离盘的外分离筒的内腔壁曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线以极坐标表示如下：

其中，极坐标的极点O为旋转轴与所述平面的交点，极坐标的极轴L为极点到曲线起始端方向的射线，极坐标角度的正方向为顺时针方向，r为曲线上任意一点的极径，R为曲线最远端的极径,θ₁为曲线起始端的极角，其值为本极坐标系的0度，θ₂为曲线与血浆分离因素临界半径F_r交点的极角，血浆分离因素临界半径F_r为转速确定下单位时间内血浆分离所需最小离心半径，θ₃为一个极角，其值为θ₂的1.5～3.5倍，θ₄为曲线最远端的极角；在所述的分离腔隙内，[θ₁,θ₂）是血浆区，[θ₂,θ₃）是混沌区，[θ₃,θ₄]是血球区，b₁为血浆区的曲线系数，b₂为混沌区的曲线系数，b₃为血球区的曲线系数；所述内分离筒的外侧壁底端设有一沿径向外延伸的凸起部，该凸起部边缘的曲面形式与所述外分离筒内腔壁曲面形式相同，以使分离腔隙底端厚度均匀，当内分离筒同轴固定于外分离筒时，该内分离筒外侧壁底端凸起部与外分离筒内腔壁底端相楔合以形成半封闭状态的分离腔隙。

2.根据权利要求1所述的一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁具有相同的曲面形式。

3.根据权利要求1所述的一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的内分离筒的外侧壁与外分离筒的内腔壁具有不同的曲面形式。

4.根据权利要求3所述的一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的内分离筒的外侧壁曲面在垂直于旋转轴的平面上投影的曲线或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线，或者为分段曲线。

5.根据权利要求4所述的一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的分段曲线是连续的多段曲线，多段曲线中的曲线形式或者为螺旋线、或者为圆弧线、或者是椭圆弧线。

6.根据权利要求1所述的一种用于血液连续离心分离的分离盘结构，其特征在于，所述的内分离筒的外侧壁曲面起始和结尾两端及底端凸起部设有多个用于与一次性使用的分离软袋上固定孔配合的固定柱。

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