CN105324139A - 离心泵装置的叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及离心泵装置、特别是血液泵装置的叶轮(1)，叶轮包括可围绕旋转轴线(2)旋转的盘状主体(1)，主体(1)包括：上表面(3)；下表面(4)；在上下表面(3、4)之间沿着旋转轴线(2)的方向延伸的中心通道(5)，以用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时引导流体、特别是血液沿轴向通过主体(1)；以及由上表面(3)支承以用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时泵送流体、特别是血液的多个叶片(6)；处于下表面(4)上的多个螺旋凹槽(7)，每个凹槽(7)具有底部(7a)和两个侧壁(7b、7c)并且在轴向上打开、融入主体(1)的周向表面(8)以及从周向表面(8)延伸至中心通道(5)，以至少用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时将流体、特别是血液从周向表面(8)泵送至中心通道(5)；集成在主体(1)中的用于借助于磁场驱动叶轮的永磁体(10)，其中每个凹槽(7)还融入至中心通道(5)中，每个凹槽(7)的一个侧壁(7b)在底部(7a)上方比其它侧壁(7c)更高，特别地相对于常规旋转方向(R)引导侧壁(7b)比从动侧壁(7c)更高，相应的表面区域(9)设置在每两个相邻凹槽(7)之间并连接相邻凹槽的引导侧壁和从动侧壁，特别地因而在每对相邻凹槽之间形成倾斜垫区域。本发明还涉及包括这种叶轮的离心血液泵装置。

Description

离心泵装置的叶轮
技术领域
本发明涉及离心泵装置、特别是血液泵装置的叶轮，叶轮包括能够围绕旋转轴线旋转的盘状主体，主体包括：上表面；下表面；在上表面和下表面之间沿着旋转轴线的方向延伸的中心通道，以用于当主体在泵的泵室中旋转时引导流体、特别是血液沿着轴向方向通过主体；以及由上表面支承以用于当主体在泵的泵室中旋转时泵送流体、特别是血液的多个叶片；处于下表面上的多个螺旋凹槽，每个凹槽具有底部和两个侧壁并且在轴向方向上打开、融入主体的周向表面以及从该周向表面延伸至中心通道，以至少用于当主体在泵的泵室中旋转时将流体、特别是血液从周向表面泵送至中心通道；集成在主体中的用于借助于磁场而驱动叶轮的永磁体，磁场由位于泵室的外侧上并且围绕旋转轴线布置的磁驱动器(例如，电磁驱动器)产生。
本发明还涉及旋转泵，并且更特别地涉及利用水力承载部和磁承载部的组合或者水力承载部的离心旋转血液泵，以用于非接触地悬浮和旋转这种叶轮。这允许不磨损地进行泵操作，因而延长了使用寿命。
背景技术
已经广泛地证明用于治疗末期心力衰竭的具有左心室辅助装置(LVAD)的机械循环支持装置具有有益的结果。对于长期应用(例如，目标疗法或待移植的长期桥接)而言，完全可植入的心室辅助装置最为适合。
包括离心、轴向和混流泵的旋转血液泵的优点在于其尺寸小，同时能够实现完全的心脏支持，特别是最新的第三代装置是具有非接触悬浮式叶轮的旋转泵。
与轴向或混流泵相比，离心泵在更低的旋转速度时具有最佳的液压效果。非接触式悬浮技术、被动磁力和主动磁力以及水力均具有一定的优点和需要克服的限制。被动磁承载部能够产生大的力，以允许在大隙距的情况下进行操作，而可能的能量损耗最低；与主动磁承载部相比，被动磁承载部也相对较不复杂。
然而，完全被动的磁承载部在物理上不能放置在血液泵中，因而需要与第二种不同的悬浮类型承载部组合。主动磁承载部也能够在大隙距的情况下进行操作，但是由于其内在的不稳定性而需要精密的控制和反馈系统，这导致能耗高。而且，主动磁承载部可能存在电子部件发生故障和/或传感器偏移的问题。主动磁承载部还需要额外的空间以用于承载部系统部件，包括电子器件、线圈和传感器。
另一方面，水力承载部完全是被动的，并且无需主动控制器。它们确实需要耗能，主要是由于感生的粘性流动损耗。原则上，水力承载部包括小的隙距以形成压力积累，所述压力积累在叶轮上产生了悬浮力。
然而，这些小的隙距增大了流动阻力，因而降低了承载部的冲走流动。即使对于冲走性而言，通过各承载部部分的充足且连续的流体流动通道也是很重要的。通过减少流体对高剪切应力区域的暴露时间以及避免低流量或流动停滞区域，它们能够减少溶血和血栓的风险。
因而，通过开发用于旋转血液泵中的叶轮的更精密承载部设计，所述更精密承载部设计组合了足够的负荷和动量能力以及通过各承载部部分的充足且连续的冲走流动，应当会改进具有旋转血液泵的连续治疗支持装置的可靠性和安全性。
同一申请人的专利申请PCT/EP2012/002722公开了一种离心血液泵装置，其包括具有入口端、出口端、以及连接这些端口的泵腔的壳体和叶轮，叶轮位于泵腔内并且能够围绕与入口端同轴的旋转轴线旋转，叶轮具有与入口端连通的中心轴向开口/通道、多个叶片以及位于叶片之间的自由空间(特别是径向打开并且经由围绕叶轮的螺旋体而与中心轴向开口和出口端连通的自由空间)和磁驱动器，所述磁驱动器通过与集成在叶轮中的永磁体交互作用而驱动叶轮并且借助于位于叶轮下表面中的多个螺旋凹槽而驱动水力承载部，所述叶轮下表面与泵室的下壁的匹配内表面相对。而且，该离心血液泵使用上述类型的叶轮以用于推送血液。
在操作期间，支承在叶轮的上表面上的旋转叶片或翼片从入口端泵送血液通过叶轮主体的内部中心开口或通道而泵送至出口端。除了这个第一血液流动通道之外，由于位于叶轮主体的下表面中的螺旋凹槽和位于该下表面和泵壳体之间的间隙，还存在一个在旋转期间存在的二级内部流动通道。这些凹槽将血液从上表面泵送经过叶轮主体的周向表面而沿着下表面泵送至中心通道/开口。
由于这种已知叶轮主体的凹槽从周向表面延伸至中心通道/开口并且在中心开口的前方终结，在下表面和泵室的相对壁之间在中心开口附近形成了升高的血压，这提供了非接触式悬浮的水力叶轮，而无需任何机械承载部。
此外，当叶轮旋转以实现径向稳定时，可以存在非接触的径向轴颈承载部。
尽管这种结构允许非接触悬浮式的叶轮以及血液的冲走效果，但是当向泵施加意外的振动力时，没有足够的倾斜恢复。结果，存在位于泵室/壳体中的旋转叶轮触底的风险，除非存在其它电或磁倾斜恢复机构。
发明内容
本发明的目的是改善这种已知的叶轮和泵，通过使用这种叶轮以便于仍然提供非接触式水力悬浮以及提供更好的倾斜恢复，而无需或设置较少的额外电和/或磁倾斜恢复机构。
这个目的通过前述叶轮而得以实现，而且前述叶轮还通过如下结构而得以改善，即每个凹槽还融入至中心通道中，每个凹槽的侧壁中的一个在凹槽底部的上方比其它侧壁更高，特别是相对于常规旋转方向的引导侧壁比从动侧壁更高，并且相应的表面区域设置在每两个相邻凹槽之间并且连接相邻凹槽的引导侧壁和从动侧壁。
通过这个表面区域，在每对相邻凹槽和泵室上的相对表面之间形成了倾斜垫。这形成了倾斜垫承载部的悬浮能力与已知类型的螺旋凹槽承载部的高冲走性的结合。
这个目标还通过在泵装置、特别是在心脏辅助期间泵送血液的离心泵装置中使用这种叶轮而得以实现。
根据优选的实施例，每个表面区域沿着周向方向可以分成为两个部分，即第一部分和第二部分，所述第一部分与凹槽的较高侧壁相邻并且沿着周向方向形成高台，而所述第二部分在高台和相邻凹槽(前一凹槽)之间延伸，第二部分的高度在周向方向上朝向相邻凹槽(前一凹槽)降低。
根据本发明，这种结构至少位于叶轮主体的外部径向位置处，优选地还位于中心通道和周向表面之间的区域中。
本发明解决的技术问题是这样的挑战，即提供用于轴向和倾斜恢复位于旋转血液泵中的叶轮的高负荷能力，同时向承载部区域提供足够的冲走性。当承载部区域(其中形成水力压力的区域)处于所谓的二级流动通道中时，这种冲走性尤为重要。而且，在尽可能靠近马达定子且温度被提高的表面处，大冲走性会是有利的。
在旋转血液泵中，由于小间隙而引起的装置中血液的温度提高、滞留时间延长和剪切应力提高会引起并发症，例如血栓形成和溶血。降低滞留时间和剪切应力以及增大热量散逸因而可以降低所提及的并发症的风险。通过增大冲走流动可以获得低的滞留时间和高的热散逸，而通过大的间隙可以获得低的剪切力，所述大间隙极大地通过力和动量能力而确定。
本发明是关于水力斜切承载部的设计，由于水力斜切承载部的设计而提供了最佳的负荷能力和较大的冲走性。这是通过形成具有特别设计的凹槽的斜切承载部而实现的，所述凹槽呈特定螺旋形，从而在旋转时泵送流体朝向中心。斜切承载部的工作原理即由于倾斜表面相对于对应表面的相对移动而形成提高的压力，所述倾斜表面和对应表面一起在流体流动通过其中的方向上形成缩小的间隙。
本发明斜切承载部的所示设计在几何结构和尺寸、压力条件和流体属性方面对于离心旋转血液泵而言是尤为优化的。
典型的几何结构是泵送流体的转子翼片、以及覆盖翼片顶侧或底侧或这两者的罩。特别地，另一结构包括以一定方式形成在翼片上的内部流动入口区域，所述内部流动入口区域主要呈圆筒形并且位于流入套管和转子翼片之间。
由于在最新的转子血液泵中是非接触地驱动转子的，因而不存在轴杆或机械承载部，而可以存在所谓的二级流动通路。离心血液泵的典型几何尺寸可以包括约40mm的外部叶轮直径和约10mm的内部圆筒入口直径。
本发明斜切推力承载部的特定设计包括呈周向重复图案的凹槽、倾斜表面和高台区域(一组倾斜表面和高台在此被称为垫)。这些结构形成为特别形成的螺旋形，从而使得在旋转时泵送流体朝向叶轮的中心。本设计对于倾斜恢复、轴向力和冲走性而言是最优化的。
由于叶轮主体的下表面中的凹槽完全在周向表面和中心通道之间延伸并且分别融入至周向表面和中心通道中，与如上所述的现有技术中的结构相比，可以获得更大的冲走性。
该表面区域(特别是表面区域的偏斜/倾斜的第二部分)提供了压力积累，以便于形成叶轮的非接触式悬浮。与借助于凹槽的已知非接触式悬浮相比，仅仅这种结构还将高压位置/区域从围绕通道的中心区域移动至更靠近外部的径向位置、或者优选地移动至靠近周向表面的区域。因此，由于恢复力离中心通道的距离更大，借助于更大的倾斜恢复力矩而改善了倾斜恢复。
根据优选的实施例，在周向方向上，表面区域的第一部分可以形成平面高台，但是应当注意到，可以相对于相对的表面(特别是泵壳体壁)而构建弯曲的表面、特别是凸起表面。
而且，在周向方向上，表面区域的第二部分的高度可以单调地降低，特别是呈朝向相邻凹槽(特别是常规旋转中的引导凹槽)的直线，特别地直至所述第二部分融入相邻凹槽的较低侧壁中为止。
根据另一改进方案，在从叶轮主体的周向表面朝向中心通道的方向上，位于两个相邻凹槽之间且位于下表面和对应表面(特别地泵室壁)之间的自由空间逐渐减小。这对应于存在于叶轮和泵室壁之间的间隙在朝向中心通道的径向方向上变窄，因而可以实现在中心通道附近处提供额外的压力积累。
减小自由空间/使间隙变窄可以以不同的方式实现。
凹槽可以包括特别地借助于凹槽的倾斜(上升)底表面而朝向中心通道逐渐减小的横截面。此外，在朝向中心通道的方向上，凹槽的宽度可以相对于由螺旋形所产生的常规宽度而增大尺寸。可以显著地简化制备这些凹槽的方法。除非明确排除以外，升高或改变凹槽的底表面位置的这个实施例可以与下列实施例组合。
在可行的实施例中，在从周向表面朝向中心通道的方向上，较高侧壁的高度可以是恒定的，而较低侧壁的高度可以增大，特别地同时维持两个相邻凹槽的底部处于同一平面中，特别地因而在两个凹槽之间提供了表面区域的第二部分，所述第二部分在周向方向上的斜度随着离中心通道的距离减小而减小。
在另一实施例中，在从周向表面朝向中心通道的方向上，较高侧壁的高度并且因而高台的高度可以增大，特别地同时维持两个相邻凹槽的底部位于同一平面中或者如前所述改变(升高)它们。
而且，这可以借助于如下结构而得以改进，即在从周向表面朝向中心通道的方向上，较低侧壁的高度以与较高侧壁相同的梯度而增加，特别地因而在两个凹槽之间提供了表面区域的第二部分，所述第二部分在凹槽底部之上的高度增大并且第二部分在周向方向上的斜度维持恒定。
根据另一实施例，在从周向表面朝向中心通道的方向上，较低侧壁的高度可以以比较高侧壁更小的梯度而增加或者可以保持恒定，特别地因而在两个凹槽之间提供了表面区域的第二部分，所述第二部分在周向方向上的斜度随着离中心通道的距离减少而增加。
根据所有这些实施例以及其它未提及的可行实施例，所提及的表面区域(特别地第一部分(高台)和/或第二部分)可以形成沿着位于叶轮主体的下表面上的螺旋线而朝向转子中心倾斜的二级倾斜部。
使得本发明的承载部设计尤为有利的泵和叶轮设计可以包括中心通孔以及位于叶轮底侧处(介于底部罩和外壳之间)的二级流动通道，马达定子可以定位在所述二级流动通道中，正如根据同一申请人的前述现有技术中已知的那样。
这个设计允许发动机定子距转子的距离短，这在使用直流电磁驱动器时是有利的。在这种情况下，该区域的冲走性甚至更为重要，因为这个表面易于提高温度。
本发明具有独特的结构，所述结构利用专门设计的水力推力承载部(HTB)，所述水力推力承载部使用以螺旋形而形成的凹槽、倾斜表面、高台区域的样式，以改善恢复力和力矩以及承载部区域的冲走性。在本专利申请中建议的发明细节概括如下：
-水力推力承载部(HTB)，其被设计成用于离心旋转血液泵，以提供恢复轴向力和倾斜力矩
-HTB，其位于二级流体通道中
-HTB包括倾斜表面、高台区域和凹槽(一组倾斜表面和高台在本文中被称为垫)
-HTB，在其中上述设计以螺旋形朝向旋转中心形成(螺旋形定向成使得在旋转时流体被泵送朝向转子中心)
-HTB，除了形成力和力矩之外，其改善了承载部区域以及因而二级流动通道的冲走性
-HTB，其中倾斜表面可以相对于径向或螺旋形方向而二次倾斜
-HTB，其中倾斜表面相对于高台表面的平面形成小于1°的角度
-HTB，其中凹槽的深度优选但不限于约260μm
-HTB，其中凹槽可以具有变化的深度(为了朝向转子中心而减少凹槽的横截面)
-HTB，其中凹槽可以具有朝向转子中心增宽的宽度(例如，>0.5mm)，以便于制备
-HTB，对于直径约为40mm的转子而言优选具有5个垫(对于直径更小的转子而言，优选可以具有更少的垫，反之亦然)
根据上述创新之处，本发明装置的优点在于动量恢复和轴向恢复力高，并且承载部区域的冲走性大(改善)。
具体实施方式
在下列附图中示出了优选的实施例：
图1示出了使用根据本发明的叶轮1的血液泵装置。
旋转血液泵装置设置有完全悬浮的叶轮1，所述叶轮在叶轮叶片6之间具有轴向或径向上打开的自由空间。入口端11被设置以用于血液进入叶轮1中的中心通道5中，血液借助于从泵室的上壁融入中心通道5中的锥体13而从轴向方向被再引导至径向方向，并且经由螺旋体而被排放至装置的出口端12中。
叶轮可以由轴向对准的马达(轴向磁通)而驱动，所述马达可以通过定子15和转子永磁体10的吸引力而在轴向方向上形成可调节的力。
通过具有位于叶轮1的下表面4上的螺旋凹槽7和偏斜垫的创造性承载部结构、并且在这种情况下还借助于径向轴颈承载部而使得叶轮1完全悬浮在血液中，为此叶轮1离心地定位在泵室中。
第二流体通道位于叶片6、周向表面8、凹槽7和中心通道5之间，以提供对于悬浮血液的冲走性。
图2示出了叶轮1的下表面4的顶视图。存在有多个凹槽7，凹槽在周向表面8和中心通道5之间呈螺旋形地延伸。根据这个实施例，每个凹槽融入周向表面和中心通道5中。
图3示出了沿图2的截面B-B的截面视图，即离旋转轴线2恒定径向距离处的截面。参考常规旋转方向R，每个凹槽7具有底部7a、较高的引导侧壁7b和较低的从动侧壁7c。借助于至少部分地倾斜并且作为所谓垫的表面区域9，凹槽7的从动侧壁7c连接至相邻凹槽7的引导侧壁7b。
在这个特定的实施例中，表面区域9分成为形成高台(特别是平面高台)的第一部分9a以及其高度(位于凹槽底部的上方)从高台下降至其它凹槽7的从动侧壁7c的第二部分9b。
图4示出了沿截面A-A(其在这里即第二部分9b的中部)，位于两个相邻凹槽和泵壳体壁14之间的自由空间朝向中心通道5减少。至少表面区域9的第二部分9b在这个方向上具有位于凹槽底部7a上方的升高高度，以实现上述情况。
图5示出了表面区域9沿着周向方向在两个不同径向位置处的对比，所述两个不同径向位置即图3所讨论的截面B-B以及半径值小于截面B-B的截面C-C。在这里可以看出，在根据虚线的截面C-C处，第二部分9b的斜度朝向中心通道降低，而第二部分的高度借由凹槽7的从动侧壁7c在同一方向上的上升高度而上升。这与图4一致。
图6示出了另一实施例，根据该图，高台或第一部分9a的高度和凹槽的从动侧壁7b的高度以及第二部分9b的斜度在朝向中心通道5的方向上增大。同样这与图4一致。
图7在朝向中心通道5的左侧处示出了两个侧壁7b、7c的高度同时上升相同量，因而提升了第二部分9b的高度，但是维持第二部分的斜度恒定。根据图7的右侧，从动侧壁7c升高的程度小于引导侧壁7b，因而再次提升了第二部分9b朝向中心通道的斜度。这与图4相符。
如根据5至7能够看出的，存在有不同的实施例以提供与图4中所示相同的结果。

Claims (11)

1.一种离心泵装置、特别是血液泵装置的叶轮(1)，所述叶轮包括能够围绕旋转轴线(2)旋转的盘状主体(1)，主体(1)包括：
a.上表面(3)，
b.下表面(4)，
c.中心通道(5)，所述中心通道在上表面和下表面(3、4)之间沿着旋转轴线(2)的方向延伸，以用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时引导流体、特别是血液沿着轴向方向通过主体(1)，以及
d.多个叶片(6)，所述多个叶片由上表面(3)支承，以用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时泵送流体、特别是血液，
e.位于下表面(4)上的多个螺旋凹槽(7)，每个凹槽(7)具有底部(7a)和两个侧壁(7b、7c)，并且每个凹槽在轴向方向上打开、融入主体(1)的周向表面(8)中以及从该周向表面(8)延伸至中心通道(5)，以至少用于当主体(1)在泵的泵室中旋转时将流体、特别是血液从周向表面(8)泵送至中心通道(5)，
f.集成在主体(1)中的永磁体(10)，所述永磁铁用于借助磁场而驱动叶轮，
其中，
g.每个凹槽(7)还融入至中心通道(5)中，
h.每个凹槽(7)的一个侧壁(7b)在底部(7a)的上方比其它侧壁(7c)更高，特别地相对于常规旋转方向(R)的引导侧壁(7b)比从动侧壁(7c)更高，
i.相应的表面区域(9)设置在每两个相邻凹槽(7)之间并且连接相邻凹槽的引导侧壁和从动侧壁，特别地因而在每对相邻凹槽之间形成倾斜垫区域。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其中，每个表面区域(9)沿着周向方向被分成为两部分，即第一部分(9a)和第二部分(9b)，所述第一部分与凹槽(7)的较高侧壁(7b)相邻并且沿着周向方向形成高台，而所述第二部分在高台和相邻凹槽(7)之间延伸，所述第二部分的高度沿着周向方向朝向相邻凹槽降低。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其中，在周向方向上，第一部分(9a)形成平面高台。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的叶轮，其中，在周向方向上，第二部分(9b)的高度朝向相邻凹槽(7)单调地下降，特别地直至所述第二部分融入相邻凹槽(7)的较低侧壁(7c)中为止。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，位于两个相邻凹槽(7)之间且位于下表面(4)和对应表面、特别是泵壳体之间的自由空间减少。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，较高侧壁(7b)的高度是恒定的，而较低侧壁(7c)的高度增大，特别地同时维持两个相邻凹槽(7)的底部(7a)处于同一平面中，特别地因而在两个凹槽(7)之间提供了表面区域的第二部分(9b)，所述第二部分沿着周向方向的斜度随着离中心通道(5)的距离减小而减小。
7.根据前述权利要求1至5中的任意一项所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，较高侧壁(7b)的高度以及因而高台的高度增大，特别是同时维持两个相邻凹槽(7)的底部(7a)处于同一平面中。
8.根据权利要求7所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，较低侧壁(7c)的高度以与较高侧壁(7b)增大的相同梯度而增大，因而在两个凹槽(7)之间提供了表面区域的第二部分(9b)，所述第二部分在凹槽底部(7a)上方的高度增大并且维持第二部分在周向方向上的斜度恒定。
9.根据权利要求8所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，较低侧壁(7c)的高度以比所述较高侧壁(7b)更小的梯度增大或者保持恒定，因而在两个凹槽(7)之间提供了表面区域的第二部分(9b)，所述第二部分在周向方向上的斜度随着离中心通道(5)的距离减少而增大。
10.根据前述权利要求中的任意一项所述的叶轮，其中，在从周向表面(8)朝向中心通道(5)的方向上，凹槽(7)、特别地每个凹槽(7)的横截面减小。
11.一种离心血液泵装置，包括：
a.壳体，所述壳体具有入口端(11)、出口端(12)和连接所述入口端和出口端的泵室，以及
b.叶轮(1)，所述叶轮位于泵室中并且能够围绕与入口端(11)同轴的旋转轴线(2)而旋转，叶轮(1)具有多个叶片(6)、与入口端(11)连通的中心轴向开口(5)和位于叶片(6)之间的自由空间，特别地所述自由空间在径向上打开并且经由围绕叶轮(1)的螺旋体而与中心轴向开口(5)和出口端(1)连通，以及
c.磁驱动器(15)，所述磁驱动器借助于与集成在叶轮(1)中的永磁体(10)相互作用的磁场而驱动叶轮(1)，以及
d.水力承载部，所述水力承载部借助于位于叶轮(1)的下表面(4)上的多个螺旋凹槽(7)，所述下表面与泵室的下壁(13)的匹配内表面相对，
其中，叶轮是根据前述权利要求中的任意一项而构建的。
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