CN103877630B - 轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种专用轴流泵，具体的说是一种生物医学工程领域的植入人体的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置。本发明是“泵—机组合体”，其由泵系统及电机系统两大部分组成，其特征是在定子铁芯后端安装有叶轮位置控制软磁体，当叶轮在泵筒中因受外力而向前或向后位移时，叶轮位置控制软磁体及定子铁芯对叶轮轮毂中的永磁转子产生磁约束力，力的方向与叶轮轴向位移的方向相反；在轴流泵工作时，磁约束力能对叶轮及轴的轴向力负荷，形成部分甚至全部的“轴向磁力卸载”，实现叶轮的“轴向磁悬浮”。本发明能减轻机械摩损和摩擦热效应，防止泵内血栓形成，减少并发症，并提高轴流泵的工作寿命和持续工作的稳定性。

Description

轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置

技术领域

本发明涉及一种专用轴流泵，具体的说是一种生物医学工程领域的植入人体的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置。

背景技术

各种心脏疾病发展到一定阶段均可影响到心脏的泵血功能，而心脏正常的泵血功能对维持人体血液循环是必不可少的。心脏泵血功能不足称为“心衰”，治疗严重心衰是目前临床医学的一个难题。用人造的机械血泵来帮助或代替心衰心脏是一种有效的治疗方法，这种机械血泵通常称为“心脏辅助装置”或“人工心脏”。目前一些性能较好的心脏辅助装置已在临床上得到广泛的应用，但心脏辅助装置的应用也面临着许多问题，主要的是心脏辅助装置植入人体后可导致一些并发症，以及因轴承高速磨损容易产生机械故障和不良效应，这些均可导致病人死亡。

目前，临床上应用最多的是植入式轴流泵心脏辅助装置。公知的轴流泵构造均是由轴流泵、轴流泵电机、供电导线等部分组成。轴流泵和轴流泵电机常共同组成“泵—机组合体”，应用时将“泵—机组合体”植入到人体体内，轴流泵入口与心脏的心尖部切口连通，可将心室中的血液引流到轴流泵内，轴流泵出口联接人造血管，人造血管的另一端与人体主动脉通过“端—侧”吻合相连通。轴流泵工作时，进入泵入口的血液在旋转叶轮的驱动下，压力升高，从泵出口流出，经出口端的人造血管进入人体主动脉内。如是轴流泵工作时既可降低心室内压力，减低心脏负荷，又可提高动脉内血压，维持外周循环，能有效地挽救严重心衰病人的生命。

临床上应用的轴流泵以有机械轴支撑的较多，这种泵的叶轮轴向和径向位置均由机械轴和轴承保持。轴流泵在工作状态下，叶轮在驱动流体流出时，必然会产生流体对叶轮的反作用力（向前推力），其大小根据转速和流量的不同而异，在通常的心室辅助条件下，反作用力约在0.2-0.6千克力的范围内变动，如果转轴直径设计为2毫米，那么受压的转轴前端面承受的压强达到6.4-19.1千克力/平方厘米。如单独采用端面滑动式止推轴承，来对抗反作用力及高速、剧烈的摩擦，这不仅容易导致轴承材料的快速磨损，引起机械故障；更严重的是因摩擦产生较多的热量，使摩擦部位的温度升高，导致血液中的蛋白变性坏死，附着沉集在轴套表面，触发血栓的形成和生长。

临床应用的还有无轴承的“磁—液悬浮”轴流泵，其旋转叶轮的位置是由径向流体动力悬浮和轴向磁悬浮保持。虽然这种轴流泵可去除机械轴承的摩擦效应，但由于流体动力悬浮对悬浮间隙和流体粘度等参数的严格要求，需要牺牲泵的一些技术性能，不能采用技术最优化的结构，所以这种血泵也很难达到临床需要的理想状态。

由此，优化轴流泵的结构，减少摩擦及热效应，降低并发症，提高泵的工作寿命和稳定性是心脏辅助装置技术的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种能降低血栓等并发症、提高使用寿命的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置。

本发明是“泵—机组合体”，由泵系统及驱动电机系统两大部分组成，泵系统由泵筒、叶轮、定位轴、前、后导流锥及定位轴前、后支撑室组成；驱动电机系统由内永磁转子、电机定子组成；永磁转子镶嵌在泵筒里面的叶轮轮毂中空腔内；其特征是电机定子又由定子铁芯、定子线圈绕组和叶轮位置控制软磁体组成，叶轮位置控制软磁体位于泵筒外、定子铁芯的后端，叶轮位置控制软磁体及定子铁芯对叶轮轮毂中的永磁转子产生磁约束力，磁约束力的方向与叶轮轴向位移的方向相反。

上述的泵筒里面的永磁转子镶嵌在叶轮轮毂的中空腔内，这样的组合体既是驱动血液流动的叶轮，又构成了轴流泵电机的转子，在电机工作时，产生的旋转磁场作用于转子磁场，驱动叶轮旋转，推动血液流动。

电机定子增加了叶轮位置控制软磁体，其与定子铁芯一起约束永磁转子在泵筒内自动中心定位，当叶轮因受到外力而向前或向后位移时，叶轮位置控制软磁体及定子铁芯对叶轮轮毂中的永磁转子产生向后或向前的磁约束力。在轴流泵工作时，血流对驱动叶轮产生的一个反作用力（轴向向前的推力）可使叶轮往前位移，此时就有一个磁约束力（轴向向后的卸载拉力）与之对抗，因此形成对叶轮及轴的力负荷“轴向磁力卸载”，当对抗的二力完全平衡时，轴向力负荷被全部卸载，形成叶轮的“轴向磁悬浮”。通过设计调整叶轮轴向位移的大小、转子永磁体的强度，以及叶轮位置控制软磁体和定子铁芯的几何尺寸，可使磁约束力达到适当大小，完全实现叶轮的“轴向磁悬浮”。

上述的泵筒内入口端设置的前导流锥由前导叶轮毂及轮毂上的前导叶组成；出口端设置的后导流锥由尾导叶轮毂及轮毂上的尾导叶组成；中间位置设置的叶轮由叶轮轮毂及轮毂上的叶轮叶片组成。

上述的定位轴前支撑室及定位轴后支撑室分别处于前导叶轮毂及后导叶轮毂的中心，其支撑着定位轴及叶轮旋转。

上述的叶轮采用轴向螺旋叶片式结构，叶轮轮毂腔内的永磁转子采用径向充磁。

泵筒出口端设置尾导叶，高速旋转的叶轮驱动血液流动时产生的旋转分量在经过尾导叶时转变为平行于轴方向的直流，进一步提高流体输出压力，从而提高轴流泵的能量转化效率。

本发明与现有的技术相比有如下优点：

本发明能减小轴流泵叶轮及轴的轴向力负荷，减轻或消除轴的轴向机械摩损，降低摩擦热效应，防止泵内血栓形成，减少并发症，并提高轴流泵的工作寿命和持续工作的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是轴向磁卸载的原理示意图。

图中：1.泵筒，2.叶轮，3.叶轮轮毂，4.永磁转子，5.叶轮叶片，6.定位轴，7.定子铁芯，8.定子线圈绕组，9.叶轮位置控制软磁体，10.尾导叶，11.泵出口，12.尾导叶轮毂，13.定位轴后支撑室，14.定位轴前支撑室，15.人造血管，16.供能导线，17.前导叶轮毂，18.前导叶，19.泵腔，20.血液反作用力（轴向向前的推力），21.向后磁约束力（轴向向后的卸载拉力），22.圆柱形的轴流泵外壳，23.定子磁力中心，24.永磁磁力中心，25.叶轮轴向位移。

具体实施方式

本发明是由泵系统及驱动电机系统两大部分组成，其中泵系统由泵筒1、叶轮2、定位轴6、前、后导流锥及定位轴前、后支撑室14、13组成，永磁转子4镶嵌在泵筒1里面的叶轮轮毂3中空腔内；驱动电机系统由永磁转子4、电机定子、圆柱形的轴流泵外壳22、供能导线16组成；电机定子又由定子铁芯7、定子线圈绕组8及叶轮位置控制软磁体9组成，叶轮位置控制软磁体9位于泵筒外、定子铁芯7的后端，叶轮位置控制软磁体9及定子铁芯7对叶轮轮毂3中的永磁转子4产生磁约束力，磁约束力的方向与叶轮轴向位移的方向相反。

上述的泵筒内入口端设置的前导流锥由前导叶轮毂17及轮毂上的前导叶18组成；出口端设置的后导流锥由尾导叶轮毂12及轮毂上的尾导叶10组成；中间位置设置的叶轮由叶轮轮毂3及轮毂上的叶轮叶片5组成。

上述的定位轴前支撑室14及定位轴后支撑室13分别处于前导叶轮毂17及后导叶轮毂12的中心，其支撑着定位轴6及叶轮2旋转。

上述的叶轮2采用轴向螺旋叶片式结构，叶轮轮毂3腔内的永磁转子4采用径向充磁。

本发明由于在泵筒1外、定子铁芯7的后面，特设置了叶轮位置控制软磁体9（构成电机定子的新组件）,在叶轮2被装入泵筒1内时，永磁磁力中心24因受约束而自动与定子磁力中心23重合，当永磁磁力中心24向前偏移定子磁力中心23的位置时，就会产生一个与叶轮轴向位移25方向相反的向后磁约束力（轴向向后的卸载拉力）21，这个向后磁约束力21来源于叶轮位置控制软磁体9及定子铁芯7对叶轮轮毂3中的永磁转子4的吸引与约束定位。当轴流泵工作时，叶轮2会受到一个血液反作用力20（轴向向前的推力），此时一个向后磁约束力21就与之对抗，对叶轮2及定位轴6前端的轴向力负荷发挥了“轴向磁力卸载”的作用，如果二力对抗越平衡，卸载的作用就越好，当对抗完全平衡时，就形成了叶轮的“轴向磁悬浮”。通过设计调整叶轮轴向位移25的大小、永磁转子4的强度，以及叶轮位置控制软磁体9和定子铁芯7的几何尺寸，可使向后磁约束力21达到适当大小，使得在轴流泵工作时对抗的二力达到平衡状态，完全实现叶轮的“轴向磁悬浮”。

轴流泵被植入到心衰病人的体内，轴流泵入口与心脏的心尖部切口连通，泵出口11联接人造血管15，人造血管15的另一端与人体主动脉通过“端—侧”吻合相连通。在轴流泵电机工作时，定子线圈绕组8产生的旋转磁场与转子磁场相互作用，为叶轮2的旋转提供了转矩及动能。因此产生的负压吸引力将心衰病人心室里的血液吸入到泵腔19中，血液然后经叶轮2的推压，再经尾导叶10整流，旋流分量变为直流，增压后，从泵出口11流出，流经人造血管15，进入到人体动脉内，这就是轴流泵心室辅助的泵血基本过程。

Claims (4)

1.一种轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置，其为“泵—机组合体”，由泵系统及驱动电机系统两大部分组成，泵系统由泵筒、叶轮、定位轴、前、后导流锥及定位轴前、后支撑室组成；驱动电机系统由内永磁转子、电机定子组成；永磁转子镶嵌在泵筒里面的叶轮轮毂中空腔内；其特征是电机定子又由定子铁芯、定子线圈绕组和叶轮位置控制软磁体组成，叶轮位置控制软磁体安装在泵筒外、定子铁芯的后端，叶轮位置控制软磁体及定子铁芯对叶轮轮毂中的永磁转子产生磁约束力，磁约束力的方向与叶轮轴向位移的方向相反。

2.如权利要求1所述的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置，其特征在于所述的泵筒内入口端设置的前导流锥由前导叶轮毂及轮毂上的前导叶组成；出口端设置的后导流锥由尾导叶轮毂及轮毂上的尾导叶组成；中间位置设置的叶轮由叶轮轮毂及轮毂上的叶轮叶片组成。

3.如权利要求1所述的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置，其特征在于所述的定位轴前支撑室及定位轴后支撑室分别处于前导叶轮毂及后导叶轮毂的中心，其支撑着定位轴及叶轮旋转。

4.如权利要求1所述的轴向磁力卸载式轴流泵心脏辅助装置，其特征在于所述的叶轮采用轴向螺旋叶片式结构，叶轮轮毂腔内的永磁转子采用径向充磁。