CN104707194A - 一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，其泵体内设有一通腔，该通腔内设有一个由前导轮(2)、叶轮(4)和后导轮(6)组成的轴流式叶轮，其中：所述叶轮装在转子上，该叶轮的两端分别由枢轴宝石轴承与前导轮、后导轮相连接，同时利用高速转动叶轮与通腔内壁间产生的血流动压力为转子提供径向辅助支承，前导轮、后导轮固定不动。相较于现有设计，本发明有效减小了支承轴承的机械摩擦，降低了血泵产生溶血和血栓的概率，并有效提高了血泵寿命。

Description

一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵
技术领域
本发明涉及一种基于血流动压和Pivot(Pivot jewel beering，枢轴宝石轴承)支承的可植入轴流式血泵的设计，应用于医学上的心脏辅助设备。
背景技术
心肌病等造成的心力衰竭(简称心衰)的康复与治疗至今是世界各国面临的重大难题，而人工心脏泵(简称血泵)是缓解这一问题的有效途径。现有的人工心脏泵主要有轴流式和离心式，其中轴流式因其体积小、效率高等特点已成为国内外研究的主流。
轴流式血泵的流道腔内主要由前导轮、叶轮、后导轮组成，前后导轮能够消除血流的圆周运动分量，而转子叶轮通过旋转为血流加压，从而使血液由血泵出口泵送全身。由于轴流式血泵的工作转速较高，通常可达到每分钟7000-9000转，因此转子支承轴承的机械摩擦对于血泵性能的影响极大。如果机械摩擦过大，不仅会限制叶轮的转速提升，另外摩擦生热易导致血液温升过大，影响人体的正常生理机能。因此，如何降低支承轴承摩擦是提升血泵性能的关键所在。现有轴流式血泵大多采用滑动轴承或磁悬浮轴承两种方式，其中滑动轴承机械摩擦较大，易引起红细胞损伤，进而导致血栓和溶血等问题；而磁悬浮轴承的系统结构复杂，体积尺寸较大，很难实现血泵微型化的设计要求。因此，本发明结合新型的枢轴宝石轴承和血流动压辅助支承设计了一种新型的血泵复合支承方式，以减少摩擦。
动压支承是指利用液体润滑剂动压力形成液膜，将两摩擦表面隔开并承受载荷的支承方式，液体润滑剂由两摩擦面的相对运动带入两摩擦面之间，使得两表面间产生液体摩擦并承受动压力。Pivot jewel beering(枢轴宝石轴承)是指通过轴端的硬质顶尖状接触点抵住两接触面以支承转轴的特种轴承。由于轴承与端面的接触面积极小，其具有结构简单、寿命长、摩擦功耗低的优点，广泛地用于各类仪器仪表中。因此，为了降低转子支承处的机械摩擦，提高血泵的使用寿命，本发明在轴端采用枢轴宝石轴承支承，同时在叶轮与内腔壁的间隙处，利用血流产生的血流动压力稳定转子的径向偏移。通过这种枢轴宝石轴承支承和血流动压辅助支承的混合支承方式极大地减小了轴端的支承摩擦力，优化了叶轮的转动性能，提高了血泵的工作寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，以优化现有血泵结构，减少轴承机械摩擦，满足方便体内植入的要求。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的可植入轴流式血泵，是一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，其泵体内设有一通腔，该通腔内设有一个由前导轮、叶轮和后导轮组成的轴流式叶轮，其中：所述叶轮装在转子上，该叶轮的两端分别由枢轴宝石轴承与前导轮、后导轮相连接，同时利用高速转动叶轮与通腔内壁间产生的血流动压力为转子提供径向辅助支承，前导轮、后导轮固定不动。
所述枢轴宝石轴承由轴头和轴窝组成，轴头的顶部为球面、椭球面或其它曲面。
所述轴头为圆锥形，其底圆半径为12mm，高度为22mm，顶锥角为60°。
所述轴头的顶尖与轴窝内表面的接触面积≤1mm2。
所述前导轮用于消除流进血泵的血流周向速度分量，由多个叶片组成，叶片的进口安放角为90°，出口安放角为30°，轴向长度为10mm，弦长为18mm。
所述后导轮用于消除血流的周向速度分量，并将液体的动能转化为压力能；由多个螺旋叶片组成，各个叶片进口安放角为20°，出口安放角为90°，轴向长度为18mm，弦长为20mm。
本发明转子高速转动时，利用叶轮与通腔内壁间产生的血流动压力，包括叶轮外缘与通腔内壁之间的间隙和叶轮根部圆柱体与通腔外壁之间的间隙所产生的动压力。
所述间隙为0.01mm-2mm，利用此处血流动压辅助支承转子。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
通过枢轴宝石轴承支承与血流动压支承相结合，有效地减少了支承轴承的机械摩擦，提高叶轮的运动性能；减少血泵发热，降低了血泵产生血栓和溶血的概率，提高血泵的工作寿命；结构简单，体积尺寸小，可完全植入人体。
附图说明
图1为本发明可植入式轴流血泵的人工心脏泵结构示意图。
图2为图1中A向放大剖面示意图，该图显示枢轴宝石轴承的结构。
图3为图1中B向放大剖面示意图，该图显示叶轮与内腔动压间隙。
图4为人工心脏泵外观示意图。
图中：1.入口； 2.前导轮； 3.枢轴宝石轴承； 4.叶轮； 5.枢轴宝石轴承； 6.后导轮；7.出口； 8.枢轴宝石轴承轴头； 9.枢轴宝石轴承轴窝； 10.动压间隙； 11.孔。
具体实施方式
本发明提供的一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，在转子的两端采用枢轴宝石轴承支承，以减少机械摩擦，并且在叶轮和内腔壁的间隙处利用血液自身的流体特性，为转子提供径向的动压辅助支承，进而为两端轴承减荷；通过转子高速转动，在叶片与内腔间隙形成血流动压力，为轴承提供径向辅助支承，有效地降低了机械摩擦。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，采用轴流式叶轮结构，如图1至图4所示，其泵体内设有外孔11和一通腔，该通腔内自左向右依次是入口1、前导轮2、枢轴宝石轴承3、叶轮4、枢轴宝石轴承5、后导轮6、出口7，其中：前导轮2通过导轮上的叶片卡紧在血泵腔内入口1处，叶轮4的两端分别通过前支撑轴承(枢轴宝石轴承3)、后支撑轴承(枢轴宝石轴承5)与前导轮2、后导轮6相连接，后导轮6通过导轮上的叶片卡紧在血泵腔内出口7处，其中前导轮2、后导轮6固定，叶轮4可以转动。外孔11与通腔连通，用于电机线的接出。
所述通腔是叶轮流道，由前导轮2、叶轮4、后导轮6组成。前导轮2、后导轮6的作用是消除从叶轮4进来的液体的旋转运动，把旋转动能转化为压力能。
所述前导轮2用于消除流进血泵的血流周向速度分量，由5个叶片组成，叶片的进口安放角为90°，出口安放角为30°，轴向长度为10mm，弦长为18mm。
所述叶轮4装在转子上，该叶轮用于带动血液做旋转运动，由4片螺旋形叶轮组成，其叶片进口安放角为15°，出口安放角为82°，轮毂外径为18.5mm，叶片外缘直径为20.5mm，弦长为110mm，翼型安放角为42°。
所述转子由前支撑轴承(枢轴宝石轴承3)、叶轮4和后支撑轴承(枢轴宝石轴承5)构成，其安装在前导轮2和后导轮6之间。
所述转子两端采用枢轴宝石轴承支承，分别是枢轴宝石轴承3、枢轴宝石轴承5，它们的顶尖与端面的接触面积小于1mm2，这样接触面小，同时利用高速转动叶轮与内腔壁间产生的血流动压力为转子提供径向辅助支承。转子叶轮与血泵内腔保证一定的间隙(动压间隙10)，血液流经间隙时产生径向的动压力，抵消轴承所受的径向力，进而减少轴承摩损。叶轮与内腔壁的间隙不能过小，过小易引起红细胞破坏；也不可过大，过大无法产生足够的动压力。
所述枢轴宝石轴承3和枢轴宝石轴承5均由轴窝8和轴头9组成。轴头为圆锥形，其底圆半径为12mm，高度为22mm，顶锥角为60°，轴头顶部为球面、椭球面或其它曲面。
所述后导轮6用于消除血流的周向速度分量。并将液体的动能转化为压力能，由多个螺旋叶片组成，各个叶片进口安放角为20°，出口安放角为90°，轴向长度为18mm，弦长为20mm。
所述枢轴宝石轴承3、5用于转子两端的支承，装在转子两端。该枢轴宝石轴承由轴头、轴窝组成，其中：轴头顶部球面半径1.5mm，轴窝底部球面半径3mm。
所述动压间隙10是指叶轮4和通腔内壁存在的微小间隙，间隙为0.01mm-2mm，利用此处血流动压辅助支承转子。
所述电机采用无刷电机，其带动转子转动，可达7000转每分的转速。
本发明提供的基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，其工作过程如下：
如图1所示，血泵工作时，血液从左心室进入血泵，流经前导叶轮2处，血流中的圆周速度分量被消除，使血液沿血泵的轴线方向进入叶轮4区域。由电机产生旋转磁场，驱动转子旋转，从而带动叶轮转动，产生轴向推力，将血液送入后导叶轮6区域。后导叶轮的扭曲叶片血液的圆周速度分量，并将一部分血流动能转化成势能，增大压力，从而将血液泵送到全身，完成血液循环。
如图2所示，转子两端采用枢轴宝石轴承支承，由硬质顶尖抵住两端的接触面，叶轮旋转时与两端面的接触面积极小，因此转子的摩擦阻力很小。
如图3所示，在转子高速转动时，为了进一步减小支承轴承所受力，稳定转子转动，利用血流在叶轮与内腔壁的间隙快速流动时，在叶轮外缘和内腔壁之间形成液膜将接触面隔开，以此承担部分径向载荷，起到辅助支承的作用。

Claims (8)

1.一种可植入轴流式血泵，其特征是一种基于血流动压和Pivot支承的可植入轴流式血泵，其泵体内设有一通腔，该通腔内设有一个由前导轮(2)、叶轮(4)和后导轮(6)组成的轴流式叶轮，其中：所述叶轮装在转子上，该叶轮的两端分别由枢轴宝石轴承与前导轮、后导轮相连接，同时利用高速转动叶轮与通腔内壁间产生的血流动压力为转子提供径向辅助支承，前导轮、后导轮固定不动。
2.根据权利要求1所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述枢轴宝石轴承由轴头和轴窝组成，轴头的顶部为球面、椭球面或其它曲面。
3.根据权利要求2所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述轴头为圆锥形，其底圆半径为12mm，高度为22mm，顶锥角为60°。
4.根据权利要求2所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述轴头的顶尖与轴窝内表面的接触面积≤1mm2。
5.根据权利要求1所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述前导轮(2)用于消除流进血泵的血流周向速度分量，由多个叶片组成，叶片的进口安放角为90°，出口安放角为30°，轴向长度为10mm，弦长为18mm。
6.根据权利要求1所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述后导轮(6)用于消除血流的周向速度分量，并将液体的动能转化为压力能；由多个螺旋叶片组成，各个叶片进口安放角为20°，出口安放角为90°，轴向长度为18mm，弦长为20mm。
7.根据权利要求1所述的可植入轴流式血泵，其特征在于转子高速转动时，利用叶轮(4)与通腔内壁间产生的血流动压力，包括叶轮(4)外缘与通腔内壁之间的间隙和叶轮(4)根部圆柱体与通腔外壁之间的间隙所产生的动压力。
8.根据权利要求7所述的可植入轴流式血泵，其特征在于所述间隙为0.01mm-2mm，利用此处血流动压辅助支承转子。
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