CN104902939A - 离心泵 - Google Patents

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Abstract

泵，其用于植入人体的心脏，具有穿过外壳(1)的流动通道、在外壳内用于导致流体沿流动通道流动的可旋转的泵部件(21)，泵部件可旋转地连接到外壳的上游轴承(32)和下游轴承(33)之间。下游轴承包括位于泵部件上的轴承部件(34)和一个位于外壳上的互补的轴承座(35)，泵具有机械调节器(42)，用于沿泵部件的轴(A)微调轴承座(35)的位置；机械调节器优选的是一个或多个螺钉(42)，用于沿着轴(A)调整轴套(40)的运动，调整运动通过与轴套一体整合的板部件(41)的弯曲实现。

Description

离心泵
技术领域
本发明涉及离心泵，特别是，但不排他地，涉及适合植入人体心脏或血管系统的微型泵。本发明现在将主要描述用于心脏系统的泵，但应该理解的是，根据本发明的泵还适合用于其他应用中。
背景技术
心脏衰竭是一个全球性的健康问题，每年导致成千上万的人死亡。直到最近，有效治疗晚期心衰的唯一途径是进行心脏移植或全人工心脏的植入。不幸的是，捐赠的心脏是只能满足需求中的极微小的一部分，并且由于与全人工心脏相关的技术困难，全人工心脏尚待得到广泛的接受。
心室辅助装置(VADs)在过去十年主要作为移植装置的桥梁已经获得了不断增加的接受。该装置被长期植入并在患病的心脏一侧工作以便促进其输出并让在等待移植的同时保持病人活着和/或赋予更高的生活质量。
这些装置的使用已经显示在许多病例中，一旦装置被植入，心力衰竭将不再进一步发展而且病人重新获得较好的生活质量。在一些没有可用的移植心脏的病例中，病人在安装了心室辅助装置而无重大并发症的情况下存活了几年。
因此，心室辅助装置被认为是可行的替代心脏移植的选择，并给成千上万的对于其而言捐赠心脏是不可得到的心力衰竭的病人提供了希望。
目前，阻止心室辅助装置作为常规基础进行安装的主要原因是安装该装置所需要的微创外科手术，以及装置本身的昂贵的费用。
就手术而言，为了安装心室辅助装置，典型的胸骨切开手术，全心肺分流，以及到达心脏，胸主动脉和腹腔的主要措施均是必需的。目前，除了对那些处于心力衰竭末期的人而言，这种手术的风险不能被证明是合理的。
现有的商业设备典型地具有复杂结构，并且由于其结构要求专门而昂贵的制造工艺。因此它们本身是昂贵的，并且安装它们所需要的手术由于其是长时间而精细的手术所以同样也是昂贵的。
如果在较小微创外科手术条件下，无疑地排除了到达腹腔的步骤，并且理想地排除了胸骨切开手术和全心肺分流的必要的情况下，心脏辅助装置或者等同的循环辅助装置的长期植入能够被完成，而且该装置的费用能够被显著降低，那么针对治疗心力衰竭的心室辅助装置的使用能够变得更加广泛且常规化。
用于心室辅助装置的微创植入手术的关键是使得装置尽可能地小以便其能够被彻底地植入在心包腔内，排除用于到达腹腔的任何手术的需要。此外，装置足够小以致能够经由胸廓切开术被植入，相对于完全的胸骨切开术将更加有利于适合这种途径的那些病例。
降低手术风险同样重要，因此这有利于使用现有的技术，在可能之处改进它们。很好的已经过验证的植入目前的心室辅助装置的方法是直接将装置固定到左心室的心尖部，使装置的入口存在于心室内以及使装置的出口位于心脏的外部。这消除了单独的流入套管的需要，降低潜在并发症。泵(叶轮，电动机，等等)的运行根据装置的设计可以大部分存在于心室内，跨越心室壁，或者大多部分存在于心室外面。
心室辅助装置的运行的有效性要尽可能高，是通过电动机效率和泵效率结合来完成的。高效提供的好处例如延长电池寿命，更小的电线以及经由可植入的感应线圈的泵的经皮动力的可能性。
由于上述的考虑，存在开发适用于植入到人类心脏或血管系统内的通过采用已知的低风险的外科手术来安装的微型心脏泵的持续的需要。泵的轴承应该用血液良好的冲刷来降低在运行中形成血栓的机会，并且泵应该足够小以便能够被完全植入心包腔而不需要到达腹腔的手术。
概括地，例如适合于植入人类心脏的心室的离心泵已知包括：
a)外壳，其包括流体入口、流体出口和在入口与出口之间延伸的流动通道；和
b)可旋转的泵部件，其包括轴向设置在外壳内的叶轮，叶轮用于导致血液沿流动通道从入口流动到出口，泵部件可旋转地连接到外壳的上游轴承，下游轴承包括一位于泵部件上的轴承部件和一个位于外壳上的互补的轴承座。
在这样已知的装置中，泵部件可旋转地连接到外壳各自的上游和下游轴承，该可旋转部件包括叶轮，叶轮可具有在泵部件与外壳之间限定第二流动通道的叶轮盖。
我们发现，在这样的离心泵中，在上游和下游轴承之间精确设置可旋转的泵部件时，有时存在问题。特别是，如果上游和下游轴承之间的纵向分离(以下统称为“设定长度”)太长，在使用时可旋转的泵部件倾向于振动和发出响声，而如果设定长度太短，泵部件倾向于在旋转中卡粘。两者都是不理想的，因为它们可以潜在地缩短轴承寿命并且在极端的情况下，会导致泵故障。因为各配件都是非常小的，很难做到具有足够的精度以使得设定长度是“恰好合适”的。
发明内容
根据本发明，上述类型的离心泵进一步包括一机械调节器(如一个或多个有螺纹的螺钉)，用于微调轴承座沿泵部件的轴向的位置。该机械调节器可用于调整轴承座的运动，使其沿泵部件的轴向或者朝向轴承构件或者远离轴承构件运动。在一个优选的实施例中，调整运动通过形成外壳的一部分的板部件的弯曲实现，弯曲因相关机械调节器被紧固而产生。
优选地，轴承座与构成外壳的一部分的板部件一体成型，并且，在优选的实施例中，轴承座被设置在与板部件一体成型的轴套中。本文中使用的术语“轴套”是指圆环形的突起，其典型地具有一个圆形截面并且突起部相对于与其一体成型的周围部分更厚因而更硬。
本文所使用的术语“下游”是参考在主流动通道内的流动的方向而确定的。那就是，在主要流动通道内接近外壳的入口的部分(尤其是，在心脏泵的情况下，靠近穿过泵的血液流动的源头的)被认为是上游，并且在入口和出口之间的通道上的血液流动到达的任何部分(例如所描述的下游轴承)被认为是“下游”。
在本发明的优选的实施例中，形成外壳的一部分的板部件优选是与泵的蜗壳组成部分一体成型的一部分。
当本发明的泵为心脏泵时，优选能够通过附加到心脏的顶端被植入，而且有利地，其足够小到被完全植入在心包腔内。
本发明的实施例中优选的特征在从属权利要求中给出，并在下文的说明书描述和在附图中显示，因此将被描述的更加具体。
如上所述，泵部件通过上游轴承和下游轴承可旋转地连接到外壳。优选地，至少下游轴承包括凹槽和用于容纳于凹槽内的互补形状的凸起。
这样的轴承的优选例子是球和窝(球和杯)轴承，其中，在轴承内凸出或穹顶的凸起(球)被容纳在互补形状的凹的窝(杯)内。
特别优选的是，下游轴承具有在可旋转的泵部件上的球或等同的凸起，和在轴套内的窝。另一方面，优选的是，上游轴承具有在可旋转的泵部件内的窝而且在外罩内具有球或等同的凸起。
受制于制造公差的约束，泵优选地，在可旋转的泵部件的表面以及在毗邻下游轴承的可旋转的轴承构件和静止的轴承座之间的过渡处的外壳的表面具有光滑连续的轮廓，所描述的优选的是以球和窝的形式。
在根据本发明的心脏泵中，优选地，叶轮具有在泵部件与外壳之间限定第二血液流动通道的叶轮盖。第二血液流动通道包括入口和出口，入口和出口与第一流动通道的流体相通，使出口在第一流动通道相对于入口位于上游，这样，使得沿第一流动通道流动的血液最终在出口处的压力相对于在入口的压力和血液沿第二血液流动通道流动的压力减小。
在后面的实施例中，离开第二流动通道的血液优选地被设置流回进入第一流动通道，而且第二流动通道的出口优选地被设置为以基本上沿临近该出口的第一流动通道的血液流动方向一致的方向引导血液流入第一流动通道内。
第二流动的进口相对于第二流动的出口在第一流动通道内的配置避免了在第一流动通道内用于分开血液流动的结合的需要，以及避免了随后的叶轮设计的复杂性。
在本发明的一个优选实施例中，泵包括叶轮和出口，叶轮和出口被设置在心脏外面，其与联合电动机和横跨心室壁并且延伸入心室本身内的入口管段相结合。
电动机转子组件可以连接到叶轮并延伸进入入口管段内。电动机定子组件可被整合进入毗邻转子组件的入口管段内。
根据本发明的泵的设计提供了明显优势并且使得之前讨论的考虑可以被实现，例如，在心脏泵的情况下，叶轮配置在心脏外面(那里有可用空间)使得大直径的叶轮的使用成为可能，以提高效率。将电动机组件整合进入入口管段内为电机提供便利的位置，而不需要增加泵的整体尺寸。
附图说明
本发明的实施例和优选特征将参考附图进行更详细的描述，其中：
图1是是根据本发明的植入人类心脏的泵的第一个实施例的剖视图；
图2是图1的泵的透视剖视图，最终调整之前的设定长度(上游轴承和下游轴承之间的纵向间距)，初始时的设定长度太长，当转子被组装后，设定长度经过微调校正达到理想的设定长度；
图3是图2的泵的全剖视图，同样设定长度是最终调整之前的长度；
图4是图2的泵的全剖视图，其类似于图3，其中设定长度已经经过微调，使得该泵处于可用状态；
图5是根据本发明的泵的一个进一步的实施例的全剖视图(该本实施例中，设定长度最初是太短，当转子被组装后，进行微调，达到所需的设定长度)；和
图6是图5的泵的全剖视图，但设定长度已经经过微调，使得该泵处于可用状态。
具体实施方式
首先参照附图1，示出了离心式心脏泵，包括外壳1，其中具有一个转动部件，该转动部件具有一个叶轮(图1中没有显示)。外壳1具有血液的入口2和离心的或径向的出口3，在入口2和出口3之间形成血液的流动通道。
外壳1(包括蜗壳或泵腔10)的一部分位于心脏外部，在心室5的顶点上，而出口3被连接至流出插管6，该流出插管6依次被接到降主动脉7。也可以将流出插管6连接到升主动脉8(连接未显示)。泵腔位于心脏外的定位允许泵的整体明显比泵如果被完全植入心脏内的可能的尺寸增大。
流入套管9(如图1所示的外部)从泵腔通过心室5的壁14到心室的腔内延伸，从而使进口2完全是在心室5的腔内。
泵通过缝合环12连接到心脏，缝合环12典型的是通过缝合、组织相容性粘合剂、两者结合或其他合适的连接方式被连接到心室5的顶4的外面。密封毡(未示出)可以被设置在缝合环12和心室7的顶4之间，以便从顶4形成围绕流入套管的凸出体的血液紧密封。
通过电缆17向泵提供电力。电缆17既能经皮至外部控制台和电源，又能够至被植入用来经皮传输电力的有感线圈。
现参照图2-4，其中与图1中相似的部件由相似的参考数字表示，外壳1包括泵部件，泵部件内有叶轮20，叶轮20是旋转部件21的一体成型的部分。所示叶轮20被设置用于提供径向流动(这样，泵是径向流动型的，或者离心泵)，并且叶轮被蜗壳22环绕，有助于动能转变为压力能量因而提高效率。叶轮20包括一系列被罩24环绕的叶轮片23。
如图所示的，泵腔10位于心脏外确保叶轮20和蜗壳22均为有利于泵容量和效率的最优化设计。
如图1-4中显示的为泵提供动力的电机被整合在流入套管9内。电机转子28被整合在单一旋转部件21内，其也包括叶轮20并且从泵腔10通过流入套管9的长度向泵入口2延伸。线圈30和叠片31组成的电机元件被纳入流入套管9的壁内。
单一的转动部件21通过在泵入口端2处的上游轴承32和在泵出口端3处的下游轴承33相对于外壳可旋转地悬挂。下游轴承23为球34和杯35部件的形式(见图3)。如图所示，杯部件35被设在轴套40内，该轴套40与板部件或隔板41被整合在一起；板部件或隔板由比制成轴套的材料更薄和更具柔性的材料制成，并且轴套从板部件的本体突出。
轴套40的最接近旋转部件的部分(即，轴套的“面”)的形状使得其与杯部件相合，如图所示，容纳相应的球轴承构件34，以形成下游轴承。
轴套的正面被设置为与有外螺纹的平头螺钉42连接，该平头螺钉42被设在一个单独的内螺纹安装板50上，安装板50具有互补的内螺纹47，该安装板50本身被安装到泵腔10。在优选实施例中所示，安装板50和平头螺钉42都相对于旋转部件21的轴对称。
图2和3显示装置装配过程(即，在组装的装置被植入到病人体内前)，当平头螺钉42相对于轴套40的正面处于其最远距离处。然后，用驱动头(未示出)在箭头A的方向拧入(旋紧)平头螺钉42，使得当平头螺钉与轴套40的正面接触，直到轴承座在最佳位置(根据经验确定)，当球部件34是安全的接收在杯部件35内时，使旋转构件21转动平稳。因此，可以理解的，平头螺钉42相应地允许在上游和下游轴承之间微调设定长度。典型地，安装板50比隔板41更具刚性，这样，只有后者响应平头螺钉42相对轴套40被拧紧而移动。平头螺钉42的驱动头可以是任何已知类型，如槽，十字头，一个六角形的凹槽(可由内六角扳手操作)等。
应该指出的是，球34和杯35可以被扭转方向，例如，球34可以在泵的固定外壳1内，而不是单一的旋转部件21的部分，而杯35可为泵的单一的旋转部件21的部分而不是外壳1的一部分。
值得重视的是，其他类型的轴承，例如“V”轴承，可应用于根据本发明的泵，而替代在本发明的实施例中描述的球和杯轴承。
叶轮罩24内的间隙允许冲刷下游轴承33的两部分之间的第二血液流动通道37。
叶轮罩24的表面、外壳1和下游轴承33提供一个平滑的可供血液在其上流动的连续面。通道具有最小不间断性以便提供平滑顺畅的流动，没有导致有害的流动停止及最终的血栓的区域。
在图2-4的实施例中，设定长度起初时太长，但随着平头螺钉沿箭头A的方向被向内驱动而被微调到所需量。
现在参考图5和图6，其中许多部件与附图2-4中的相对应，这些相似的部件由相同的参考数字表示，因此在这里不再详细描述。在附图5-6所示的实施例中，设定长度最初是太短，然后当旋转器21被安装在泵内并且相应的调整螺钉被旋紧从而弯曲隔板41使得设定长度被扩展。
在附图5和附图6所示的实施例中，泵腔10被分为两个部分，即上游部分10a和下游部分10b，其各自具有圆周面60a、60b，上游部分10a和下游部分10b被设置为可被连接到另一个，以形成液体紧密封，具有从其一到另一个的平滑的过渡。特别是，上游部分10a包括外壳的大部分长度并且包括被容纳在流入插管9的壁内的线圈30和叠片31。下游部分10b包括外壳的其余部分，包括与界定杯轴承部件35的轴套40一体整合的隔板41，杯轴承部件35被设置为与球部件34互补配置。
图5显示在球部件34被定位进入与杯轴承部件的互补连接前，上游部分10a和下游部分10b被组装前的配置。隔板41未弯曲。如果泵被安装而没有旋转器21，在上游轴承32和下游轴承33之间的设定长度会比在上游轴承32和下游轴承33之间的转子的长度小。
具体如图6，当上游部分10a和10b被组装，并包括转子21在泵内，隔板41被迫弯曲以获得在上游轴承32和下游轴承33之间的正确的设定长度。
在本发明的第二个实施例中，隔板41的设计使得它的柔韧性允许所需的弯曲通过轴承之间的力来实现(典型地，称为“预负荷”)，其处于轴承的运行负载能力范围内。因此可以理解，预负荷在泵的使用寿命中始终保持存在。
在本发明的所示的第二实施例中，上游部分10a和下游部分10b之间的连接是通过将一系列的螺钉65(每个具有开槽螺钉头65a)紧固在具有互补螺纹的孔64中而获得的，从而确保一个安全和永久的连接。然而，应该认识到的是该连接可以通过例如粘接或焊接等方式实现。

Claims (14)

1.一种离心泵，包括：
a)外壳(1)，其包括一液体入口(2)，一液体出口(3)和一在入口与出口之间延伸的流动通道(30)；
b)旋转泵部件(21)，其包括处于外壳内的叶轮20，用于导致液体从入口向出口沿着流动通道流动，泵部件在上游轴承(32)和下游轴承(33)之间被可转动连接到外壳，下游轴承包括位于泵部件上的轴承部件(34)和位于外壳上的互补的轴承座(35)；
其特征在于：泵进一步包括一机械调节器(42)，用于微调轴承座(35)沿泵部件的轴(A)的位置。
2.根据权利要求1所述的泵，其特征在于：通过轴承部件(34)沿着泵部件的轴的运动进行微调，所述运动通过构成外壳的一部分的板部件(41)的弯曲形成的。
3.根据权利要求2所述的泵，其特征在于：轴承座(35)被设在轴套(40)内，与板部件(41)是一体整合的。
4.根据权利要求3所述的泵，其特征在于：轴套(40)具有外圆周表面，轴承部件(34)具有内圆周部；外圆周表面与内圆周部的形状和尺寸互补。
5.根据权利要求4所述的泵，其特征在于：互补的形状和尺寸提供了在轴承座(35)和轴承部件(34)之间的间隙空间。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的泵，其特征在于：板部件包括环绕轴承座(35)的可弯曲的隔板(41)。
7.根据前述任一权利要求所述的泵，其特征在于：调整轴承座的运动的装置包括与泵部件同轴的具有旋转螺纹的螺钉(42)。
8.根据权利要求7所述的泵，其特征在于：螺钉具有第一端，第一端带有被设置用于作用在轴承座上的头，和第二端，第二端带有驱动设置，通过该驱动设置，螺钉可被驱动作用在轴承座上。
9.根据权利要求8所述的泵，其特征在于：所述第二端除所述的驱动设置外基本为平坦状的。
10.根据权利要求8或9所述的泵，其特征在于：所述第一端基本为平坦状的并且通过向所述第一端变尖的截头圆锥体部被连接到螺钉的本体。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的泵，其特征在于：调整轴承座的运动的装置包括多个围绕板部件对称设置的具有螺旋螺纹的螺钉。
12.根据前述任一权利要求所述的泵，其特征在于：为心脏泵，其中流动通道(30)为第一血液流动通道，其中，叶轮(20)包括一个叶轮罩(24)，其限定在泵部件和外壳之间的第二血液流动通道，第二血液流动通道包括一入口和一出口，入口和出口与第一血液流动通道的流体相通，使出口相对于入口位于第一流动通道的上游，这样，使得沿第一流动通道流动的血液最终在出口处的压力相对于在入口和沿第二血液流动通道流动的血液压力减小。
13.根据权利要求12所述的泵，其特征在于：外壳包括套管段(9)和具有泵腔的泵段，入口被设置在套管段上，而出口被设置在泵腔。
14.根据权利要求13所述的泵，其特征在于：套管段被设置为从心室的内部向跨越心室的壁延伸。
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