CN103591028B - 一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵 - Google Patents

一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵，包括下泵壳（12）、上泵壳（13）、下定子罩（6）、上定子罩（16）、内磁轴承（2）、外磁轴承（9）、叶轮（5）、下定子轭（10）、下定子绕组（11）、上定子绕组（14）和上定子轭（15）；叶轮（5）整体结构采用铂钴永磁合金熔炼成型；叶轮（5）大体成圆盘形，在叶轮（5）的一侧端面圆周方向均布四条倾斜的弧形导流槽（21）和四个凸起的叶轮主体；在叶轮（5）的另一侧端面形成五个微型桨叶（26）；上定子轭（10）和下上定子轭（15）采用钴基非晶带材形成。本发明的泵整体结构简单、体积较小，功耗较低、发热较小，能够保证血液流场中无低流速区和涡流区。

Description

一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵
技术领域
本发明属于一种可植入式的医疗器械，具体涉及一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵。
背景技术
治疗晚期心功能衰竭的较好办法是心脏移植。据美国统计,每年需要心脏移植的患者多达5万人,但临床所能提供的心脏供体仅能达到2000枚。因此,长期可植入式的左心室辅助装置就成为心衰患者迫切需要的替代设备。左心室辅助装置通过泵将血液从左心室抽出，加压输送至主动脉。
离心泵以其血液破坏性小、适于胸腔内安装等优点已成为植入性血泵的研究重点。但是，已经公开的离心泵的缺点是功耗较大，发热大，容易造成血栓的形成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种功耗低、发热小、结构简单的用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵，具有将血液从左心室抽出，加压输送至主动脉的泵血功能；能够保证血液流场中无低流速区和涡流区。
本发明包括如下技术方案：
一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵，包括入口管、出口管、下泵壳、上泵壳、下定子罩、上定子罩、内磁轴承、外磁轴承、叶轮、下定子轭、下定子绕组、上定子绕组和上定子轭；下泵壳和上泵壳组成泵室；叶轮位于泵室内，下定子罩具有中心柱；叶轮安装在中心柱外部；通过磁轴承调节螺钉将内磁轴承固定在中心柱内部；外磁轴承嵌于叶轮的内部腔体；上定子罩位于上泵壳上部，上定子绕组和上定子轭位于上泵壳内，上定子绕组与叶轮相对，上定子轭位于上定子绕组上方；下定子罩位于下泵壳下方，下定子绕组和下定子轭位于下定子罩内，下定子绕组与叶轮相对，下定子轭位于下定子绕组下方；入口管插入泵室的方向与出口管离开泵室的方向垂直；其特征在于，叶轮整体结构采用铂钴永磁合金熔炼成型；叶轮大体成圆盘形，在叶轮的一侧端面圆周方向均布四条倾斜的弧形导流槽和四个凸起的叶轮主体，每个凸起的叶轮主体上形成楔形的液体动压止推轴承面和出口区，楔形的液体动压止推轴承面从入口端向上盘旋到出口区；在叶轮的另一侧端面形成五个微型桨叶；上定子绕组和下定子绕组均由六个扇形线圈构成，六个扇形线圈在圆周上均匀布置；每个扇形线圈内部具有扇形软磁材料铁芯；上定子轭和下上定子轭采用钴基非晶带材形成。
入口管外部形成了无毒性的粗糙颗粒表面。
外磁轴承或内磁轴承均采用多磁环阵列结构，多磁环阵列结构中的N极、S极相斥安放。
外磁轴承和内磁轴承的材料为钐钴2：17磁钢。
整个叶轮外表面沉积氮化钛膜；整个泵室内表面沉积CNx膜。
所述微型桨叶的高度为12μm，桨叶入口角为58°，桨叶出口角为26，桨叶片包角为112°，桨叶宽度为1.1mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的叶轮采用整体结构的铂钴永磁合金材料，上定子轭和下上定子轭采用钴基非晶带材，使得整个泵功耗低于5w、发热小于1.5℃。本发明的泵整体结构简单、体积较小，适于作为全植入式左心室辅助装置中的一部分。
附图说明
图1是本发明所提供的泵的剖面图。
图2是本发明所提供的叶轮端面止推轴承结构图。
图3是本发明所提供的叶轮端面微桨叶结构图。
图4是本发明所提供的永磁轴承示意图。
图5是本发明所提供的MEMS线圈绕组示意图。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
如图1所示，本发明的泵包括入口管1、出口管4、下泵壳12、上泵壳13、下定子罩6、上定子罩16、内磁轴承2、外磁轴承9、叶轮5、下定子轭10、下定子绕组11、上定子绕组14和上定子轭15；下泵壳12和上泵壳13组成泵室；叶轮5位于泵室内，下定子罩6具有中心柱7；叶轮5安装在中心柱7外部；通过磁轴承调节螺钉8将内磁轴承2固定在中心柱7内部；外磁轴承9嵌于叶轮5的内部腔体；上定子罩16位于上泵壳13上部，上定子绕组14和上定子轭15位于上泵壳13内，上定子绕组14与叶轮5相对，上定子轭15位于上定子绕组14上方；下定子罩6位于下泵壳12下方，下定子绕组11和下定子轭10位于下定子罩6内，下定子绕组11与叶轮5相对，下定子轭10位于下定子绕组11下方；入口管1插入泵室的方向与出口管4离开泵室的方向垂直。上定子绕组14、下定子绕组11设置在泵室外部，结构上与泵室内部的血液流场完全隔离。叶轮是泵室内部唯一的运动部件。叶轮在泵室内旋转产生流场压差，实现泵血功能。
上泵壳13、下泵壳12的结构限定了泵室内部的流场和入口管1、出口管4的位置。泵室容积约20ml。上泵壳13、下泵壳12在径向上均为一种类渐开线涡旋的结构。左心室血液通过入口管1沿血泵轴向流入，经过泵体增压，经出口管4沿血泵切向流出。入口管1和出口管4之间的夹角，便于泵在左心室心尖位置植入，也便于人工血管与主动脉之间的连接。泵室内部流场无涡流区和低速缓流区，血液在血泵流场中所受外力的强度和作用时间满足血细胞不受破坏的生理环境要求。入口管1为中空的短圆柱型结构，从左心室心尖位置直接插入到左心室内。泵的流入口部分无需人工血管与左心室连接，泵体与心脏紧密贴合，极大限度地减小了离心泵体积，利于血泵植入左心室。
如图2所示，叶轮5大体成圆盘形结构，在叶轮5的一侧端面圆周方向均布四条倾斜的弧形导流槽21和四个凸起的叶轮主体，每个凸起的叶轮主体上形成楔形的液体动压止推轴承面23和出口区25，楔形的液体动压止推轴承面23从入口端24向上盘旋到出口区25；在叶轮5的回转轴中心有柱形通孔22。倾斜的弧形导流槽底面与水平面成一定的夹角。止推轴承的设计，目的在于要为叶轮提供轴向支撑，每个楔形的液体动压止推轴承面23也形成了血液在泵室内的次要流道，本发明端面止推轴承与无源磁悬浮轴承的配合使用，抑制旋转叶轮的偏摆和轴、径向蹿动，实现了叶轮的动态稳定悬浮，减小了摩擦阻力，降低功耗与发热，最大程度减弱了机械碾压对血细胞的破坏。
如图3所示，叶轮的另一侧端面形成5个微型桨叶26。在泵工作时，旋转的叶轮不可避免的会对血细胞造成挤压。本发明通过优化微型桨叶结构，既能在旋转时产生足够的血液搅动效果，带动叶轮底部血液流动，避免泵室内部低速流场的存在，又尽量减小了血细胞所受到的剪切力及作用时间，避免血栓的形成。优化后的设计参数有：桨叶高度：12μm，桨叶入口角：58°，桨叶出口角：26°、桨叶片包角112°、桨叶宽度1.1mm等。
叶轮5整体结构采用铂钴永磁合金熔炼成型。铂钴合金为铂基的二元合金，其中铂的质量约占76%。在高温下，铂与钴可无限互溶，其固熔体为立方晶格。铂钴整体叶轮与传统血泵依靠嵌入永久磁钢来形成永久磁场的设计具有本质区别。铂钴永磁合金的材料硬度、线膨胀系数、弹性模量等机械性能参数完全能够达到血泵叶轮的结构要求。同时铂钴合金作为永磁材料，具有高磁稳定性、高磁能积，高矫顽力，高剩磁的特点也满足叶轮永磁磁极的要求。这种永磁材料整体叶轮的设计，与传统嵌入磁钢式设计相比，最大程度的扩大了永磁材料的体积，增大了叶轮磁储能。减小了血泵对输入电能的消耗。
铂钴整体叶轮采用整体充磁方式。叶轮径向磁性区域的交替变换，根据血泵的绕组形式和电机控制方式确定。充磁极头的形状决定了磁性区域的面积，在顾及漏磁对叶轮运转影响的情况下，尽量使磁通截面最大化。以提高通过气隙与电枢绕组交链的主磁路磁力线数量。铂钴合金极耐腐蚀，生物相容性好，非常适用于于血液长期接触。
整个叶轮外表面沉积氮化钛膜。氮化钛膜层与基底结合强度大，不易脱落，膜层致密均匀，具有硬度高，耐磨损、化学惰性强、生物相容性好的特点。通过实验验证，这种膜层对阻碍血小板的吸附效果明显，对抑制血栓的形成有一定作用。
整个泵室内表面沉积CNx膜。利用脉冲激光真空弧沉积系统，生成C与N有一定比例的CNx膜层。该膜层由于N原子的加入，有效地减低了薄膜中的残余应力，减缓了薄膜内应力，相对DLC膜，CNx膜层与基底的结合强度更好。试验结果表明：CNx膜对于纤维蛋白原吸附小，与血液组分的交互反应也弱，是一种较好的抗凝血膜层。
氮化钛膜与CNx膜构成的摩擦副摩擦系数低，减小了起动时的摩擦阻力，提高泵的起动性能。
如图5所示，上定子绕组14和下定子绕组11均由6个扇形线圈61构成，6个扇形线圈在圆周上均匀布置。每个扇形线圈内部具有高磁导率、高磁通饱和的扇形软磁材料铁芯62，铁芯的设计使盘式电机具备了一定程度的齿槽结构，优化了磁路，减弱了叶轮相邻磁极之间交链的漏磁通；增大了盘式电机的气隙磁导，增大气隙磁场储能的同时减小了功率损耗。6组线圈的导通由电机控制器控制，实现轴向的旋转磁场，该旋转磁场与叶轮磁场相耦合，带动叶轮旋转，同时在径向上产生一定的刚度，使叶轮在径向运动上受到限制。
上定子绕组14和下定子绕组11采用MEMS工艺加工。MEMS是一种先进的微机电制造技术，现已实际应用。本发明的定子绕组采用MEMS半导体加工技术中的光刻方式，在铁氧体基片上加工出线圈沟槽，通过金属溅射形成导线。高绝缘、高导磁的铁氧体基片，保证了光刻绕组之间的绝缘，避免了匝间短路，同时应用铁氧体远大于空气隙的磁导特性，减小了传统灌胶式绕组轴向空间的漏磁损耗。MEMS微米级超精密加工，保证了有限空间内绕组的安匝数要求，使线圈的结构尺寸和形位精度得以极大的提高，电机气隙的一致性得以保证，气隙磁场的均匀性更好，叶轮的运转更加平稳。
入口管外部经过加工处理，形成了无毒性的粗糙颗粒表面，利于心室组织牢固附着。心室组织与入口管附着，可以避免血泵金属部分与心室组织的相对运动，避免了摩擦引起的组织相容性危害。有利于抑制血栓的生长和蔓延。入口管外部的粗糙表面由抑制细胞生长的药物浸润。
如图4所示，叶轮内的外磁轴承9和下泵壳内的内磁轴承2磁场耦合组成无源磁悬浮轴承，依靠斥力对叶轮在轴向和径向上产生约束。外磁轴承9或内磁轴承2均采用多磁环阵列结构，多磁环阵列结构的N极、S极相斥安放。无源磁悬浮轴承与叶轮上端面的液体动压止推轴承共同作用，加之叶轮高速旋转产生的陀螺定轴效应，实现了叶轮的无接触稳定悬浮。外磁轴承9和内磁轴承2的材料为钐钴2：17磁钢，该材料广泛应用于航空航天类产品，具有优良的长期时效稳定性和温度稳定性。
上定子轭10和下上定子轭15由钴基非晶带材沿轴向圆周卷绕而成。与传统的叠片式轭铁相比，圆周卷绕式定子轭更适于盘式电机的磁路设计。钴基非晶带材满足盘式电机轴向磁场高磁感、高饱和的要求，最大程度的降低了电机的涡流损耗和漏磁。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种用于治疗心脏功能衰竭的心尖植入式离心泵，包括入口管(1)、出口管(4)、下泵壳(12)、上泵壳(13)、下定子罩(6)、上定子罩(16)、内磁轴承(2)、外磁轴承(9)、叶轮(5)、下定子轭(10)、下定子绕组(11)、上定子绕组(14)和上定子轭(15)；下泵壳(12)和上泵壳(13)组成泵室；叶轮(5)位于泵室内，下定子罩(6)具有中心柱(7)；叶轮(5)安装在中心柱(7)外部；通过磁轴承调节螺钉(8)将内磁轴承(2)固定在中心柱(7)内部；外磁轴承(9)嵌于叶轮(5)的内部腔体；上定子罩(16)位于上泵壳(13)上部，上定子绕组(14)和上定子轭(15)位于上泵壳(13)内，上定子绕组(14)与叶轮(5)相对，上定子轭(15)位于上定子绕组(14)上方；下定子罩(6)位于下泵壳(12)下方，下定子绕组(11)和下定子轭(10)位于下定子罩(6)内，下定子绕组(11)与叶轮(5)相对，下定子轭(10)位于下定子绕组(11)下方；入口管(1)插入泵室的方向与出口管(4)离开泵室的方向垂直；叶轮(5)整体结构采用铂钴永磁合金熔炼成型；叶轮(5)大体成圆盘形，其特征在于，在叶轮(5)的一侧端面圆周方向均布四条倾斜的弧形导流槽(21)和四个凸起的叶轮主体，四个凸起的叶轮主体由四条倾斜的弧形导流槽(21)隔开；每个凸起的叶轮主体上形成楔形的液体动压止推轴承面(23)和出口区(25)，楔形的液体动压止推轴承面(23)从入口端(24)向上盘旋到出口区(25)；在叶轮(5)的另一侧端面形成五个微型桨叶(26)；上定子绕组(14)和下定子绕组(11)均由六个扇形线圈(61)构成，六个扇形线圈在圆周上均匀布置；每个扇形线圈内部具有扇形软磁材料铁芯(62)；每个定子绕组采用MEMS半导体加工技术中的光刻方式，在铁氧体基片上加工出线圈沟槽，通过金属溅射形成导线；上定子轭(15)和下定子轭(10)由钴基非晶带材沿轴向圆周卷绕而成；
外磁轴承(9)或内磁轴承(2)均采用多磁环阵列结构，多磁环阵列结构中的N极、S极相斥安放，依次为N-S、S-N、N-S；外磁轴承(9)和内磁轴承(2)的材料为钐钴2：17磁钢；
整个叶轮外表面沉积氮化钛膜；整个泵室内表面沉积CNx膜；入口管外部形成了无毒性的粗糙颗粒表面，所述粗糙颗粒表面由抑制细胞生长的药物浸润；所述微型桨叶(26)的高度为12μm，桨叶入口角为58°，桨叶出口角为26°，桨叶片包角为112°，桨叶宽度为1.1mm。
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Inventor after: Gao Hang

Inventor after: Zhang Lei

Inventor before: Wang Wei

Inventor before: Gao Hang

Inventor before: Zhang Lei

Inventor before: Liu Xiaocheng

Inventor before: Zeng Guangshang

Inventor before: Zhu Chenglin

Inventor before: Han Zhifu

Inventor before: Zhang Jiemin

Inventor before: Xu Jian

Inventor before: Zhang Ke

Inventor before: Jiang Yang

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Effective date of registration: 20190606

Address after: 100076 No. 1, Nanda Hongmen Road, Donggaodi, Fengtai District, Beijing

Co-patentee after: Aerospace Tai Xin Technology Co., Ltd.

Patentee after: Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls

Address before: 100076 No. 1 South Dahongmen Road, Beijing, Fengtai District

Co-patentee before: Teda International Cardiovascular Hospitall

Patentee before: Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls

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Address after: 300457 Workshops B3-04, B3-05 and B3-06 of No. 17 Workshop, 80 Haiyun Street, Binhai New Area Economic and Technological Development Zone, Tianjin

Patentee after: Aerospace Tai Xin Technology Co., Ltd.

Address before: 100076 Beijing City, Fengtai District Dahongmen South East Highland Road No. 1

Co-patentee before: Aerospace Tai Xin Technology Co., Ltd.

Patentee before: Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls

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