CN108883218B - 具有径向偏置转子的轴流式血液泵 - Google Patents

Abstract

血液泵，包括壳体，该壳体限定近端、远端以及从近端延伸至远端的第一轴线。铁磁转子设置在壳体中且构造成沿第一轴线的方向泵送血液。定子设置在壳体中且围绕铁磁转子，该定子构造成施加磁力，从而引起铁磁转子的旋转，定子与转子偏心。

Description

具有径向偏置转子的轴流式血液泵

技术领域

本公开涉及液体泵，且尤其涉及用作机械循环支持装置(“MCSD”)的部件的血液泵。

背景技术

MCSD常用于辅助衰竭心脏的泵送动作。典型地，MCSD包括可植入的血液泵，该可植入的血液泵通过外科手术植入患者体内。MCSD具有壳体，该壳体具有入口和出口，且MCSD具有安装在壳体中的转子。壳体的入口连接至患者心脏的腔室，通常是左心室，而其出口则连接至动脉，比如主动脉。转子的旋转驱动血液从入口朝向出口，且由此辅助从心脏的腔室流入动脉中。

用于MCSD中的血液泵期望地设置有非接触式支承部，使得在操作中，转子在壳体中浮动。借助非接触式支承部，在转子与壳体之间没有固体与固体的接触，且因而在运行期间没有机械磨损。非接触式支承部的一种形式是液压动力支承部。如以下进一步论述的，在液压动力支承部中，被泵送的液体穿过转子的表面之间，且液压动力支承部的各表面之间的间隙表面比血液细胞的尺寸大许多倍。然而，在一些情形中，穿过泵的血液可能含有血栓颗粒，血栓颗粒是在患者体内产生的一种固体或半固体沉淀。血栓会沉积在液压动力支承部上并妨碍其运行。各表面构造成，当转子转动时，置于在这些表面之间的流体在转子的表面上施加压力，该压力保持转子远离壳体。

概述

本发明有利地提供了一种血液泵，该血液泵包括壳体，该壳体限定近端、远端以及从近端延伸至远端的第一轴线。铁磁转子设置在壳体中且构造成沿第一轴线的方向泵送血液。定子设置在壳体中且围绕铁磁转子，定子构造成施加磁力，从而引起铁磁转子的旋转，定子与转子偏心。

在该实施例的另一方面，非铁磁管状本体设置在转子与定子之间，管状本体围绕转子设置。

在该实施例的另一方面，壳体限定第一轴线，且其中，管状本体与第一轴线同轴。

在该实施例的另一方面，转子是叶轮，且其中，叶轮限定多个液压动力支承部。

在该实施例的另一方面，在叶轮的运行期间，叶轮被保持在距管状本体预定的径向距离处，且其中，预定的径向距离围绕叶轮直径是不均匀的。

在该实施例的另一方面，定子固附在入流插管内距壳体的内表面预定的径向距离处，且其中，该预定的径向距离围绕定子的直径是不均匀的。

在该实施例的另一方面，转子限定平行于第一轴线的第二轴线。

在该实施例的另一方面，定子限定平行于第一轴线的第三轴线。

在该实施例的另一方面，第一轴线平行于第二轴线。

在该实施例的另一方面，壳体的尺寸定成插入人类心脏的心室内。

在另一实施例中，血液泵包括壳体，该壳体具有入流插管，入流插管的尺寸定为植入于人类心脏，入流插管限定近端、远端和从近端延伸至远端的第一轴线。铁磁叶轮设置在壳体中接近入流插管的近端，叶轮限定第二轴线且构造成沿第二轴线的方向推动血液。定子设置在壳体中且围绕铁磁转子，定子构造成施加磁力，从而引起铁磁叶轮围绕第二轴线旋转，定子限定从第二轴线偏离且从第一轴线偏离的第三轴线。非铁磁管状本体设置在壳体中且围绕叶轮，管状本体与第一轴线同轴。

在该实施例的另一方面，叶轮限定多个液压动力支承部。

在该实施例的另一方面，血液泵还包括设置在定子的内表面与管状壳体之间的环氧树脂，该环氧树脂构造成将定子保持在其相对于入流插管的偏心位置中。

在该实施例的另一方面，在叶轮的运行期间，叶轮被保持在距管状本体预定的径向距离处，且其中，预定的径向距离围绕叶轮直径是不均匀的。

在该实施例的另一方面，管状本体偏心于叶轮，从而在叶轮与管状本体之间产生流体间隙，该流体间隙围绕叶轮是不均匀的。

在该实施例的另一方面，定子的至少一部分与管状本体接触。

在该实施例的另一方面，第三轴线平行于第一轴线。

在该实施例的另一方面，第一轴线平行于第二轴线。

在该实施例的另一方面，第二轴线平行于第三轴线。

在又一实施例中，血液泵包括壳体，该壳体具有入流插管，入流插管的尺寸定为植入于人类心脏，入流插管限定近端、远端和从近端延伸至远端的第一轴线。限定多个液压动力支承部的铁磁叶轮设置在壳体中接近入流插管的近端，叶轮限定平行于第一轴线的第二轴线且构造成沿第二轴线的方向推动血液。定子设置在壳体中且围绕铁磁转子，定子构造成施加磁力，从而引起铁磁叶轮围绕第二轴线旋转，定子限定平行于第二轴线的第三轴线。非铁磁管状本体设置在壳体中且围绕叶轮，该管状本体与第一轴线同轴，该管状本体与叶轮偏心且在叶轮与管状本体之间产生流体间隙，该流体间隙围绕叶轮是不均匀的。

附图简介

通过在考虑附图时参考以下详细说明，对本发明及其伴有的优势和特征将被更轻易地全面理解，附图中：

图1是根据本申请的一个实施例的血液泵的侧视图；

图2是图1中所示的血液泵的分解图；

图2A是图2中所示的转子的放大图；

图3是图1中所示的血液泵的剖视图，示出了定子、管状壳体和转子的偏心度；以及

图4是示意图，示出了用于图3中所示的泵中的特定部件之间的空间关系。

具体实施方式

现参考附图，在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，在图1中示出了一种根据本申请的原理构建的示例性可植入的血液泵，其被总地标示为“10”。血液泵10包括壳体12，该壳体12构造成容纳血液泵的部件。壳体12可由生物可兼容材料组成且构造成至少部分地植入人类或动物患者的心脏内。壳体12还可包括入流插管14，该入流插管构造成插入在心脏内，例如，插入在左心室或右心室内。入流插管14构造成提供用于从心脏向外泵送通过血液泵10并通过与入流插管14流体连通的出流插管(未示出)向外至患者循环系统的剩余部分的血液的流体路径。壳体12可限定从远端16延伸至近端18的第一主要纵向轴线或壳体轴线(“x”)，远端16构造成定位在心脏内。

现参考图2和2A，铁磁转子20接近入流插管14的近端18设置在壳体12内，且构造成沿第一轴线方向朝向出口泵送血液。转子20可为轴流式叶轮，该轴流式叶轮具有毂22，该毂22限定第二主要纵向轴线或转子轴线x’，转子关于该第二主要纵向轴线或转子轴线x’对称，且该第二主要纵向轴线或转子轴线x’平行于第一主要纵向轴线x但与第一主要纵向轴线x偏离。毂22包括从该毂22突出的多个叶片24。每个叶片24可沿向外的径向方向延伸出毂22。各叶片24围绕毂22在周向上彼此均匀间隔开，从而限定多个通道26，血液轴向流过这些通道26。每个通道26由一个叶片24的面向前的表面以及下一个相邻叶片24面向后的表面界定。每个叶片24具有顶表面28。每个顶表面28向外背离第二轴线x’面向且限定叶片24的最外末端。每个顶表面28包括台肩表面30。台肩表面30呈围绕第二轴线x’的回转表面的一部分的形式。在图2中所示的具体实施例中，回转表面呈圆柱形，使得从第二轴线x’至台肩表面30的半径在每个台肩表面30的整个范围上是均匀的。每个顶表面28还包括液压动力支承表面32和34。如图2中最佳所见的，液压动力支承表面32从台肩表面30径向地凹入。凹入在叶片24的支承表面的前缘处为最大。凹入深度沿向后的周向方向逐渐减小，使得支承表面在支承表面的后缘处平顺地合并入台肩表面30中。每个叶片24的其它液压动力支承表面具有类似的构造。在所描述的具体实施例中，每个支承表面的前缘相对于台肩区域凹入约0.0030至0.0040英寸、即0.076至0.010mm。在该实施例中，转子20由铁磁生物可兼容合金实心块形成，铁磁生物可兼容合金比如是铂钴合金。转子20的材料被磁化，从而提供具有极性的永久磁极。

现参考图1和3，泵10还包括设置在壳体12内的由非磁性材料、比如陶瓷形成的管状壳体36。管状壳体36具有内表面38，该内表面38限定圆筒形孔40。孔40具有孔轴线42，孔轴线42与第一主要纵向轴线x同轴。即，孔轴线42和第一轴线x是同一轴线。壳体36还具有圆柱形外表面44，该圆柱形外表面44与孔轴线42同心。孔40的内径仅稍大于由台肩表面30限定的转子20的最大直径。例如，孔直径可比转子直径大0.001－0.002英寸。当第二轴线x’与孔轴线42同心时，在转子叶片24顶部上的台肩表面30与孔40的内表面之间具有标称径向间隙，该间隙等于孔的直径减去转子的直径除以二。例如，孔的直径可比转子的直径大约0.004英寸，使得标称径向间隙为约0.002英寸。第二轴线x’不能从孔轴线42位移超过标称径向间隙，否则转子20会与管状壳体36的内表面38直接接触，这会引起管状壳体36的刮擦且可能引起血栓。转子20设置在孔40中，其中，第二轴线x’平行于孔轴线42延伸但与孔轴线42偏离。

继续参考图3，泵10附加地包括定子46，该定子46固定至壳体36且周向地围绕管状壳体36和转子20。定子46包括铁磁框架，该铁磁框架包括围绕管状壳体36的大圆筒形元件以及从圆形元件向内突出的极片。定子46关于第三主要纵向轴线或定子轴线x”对称，第三轴线x”平行于第一轴线x和第二轴线x’但分别与两个轴线偏离。在该实施例中，定子46还包括围绕每个极片的电线圈。驱动电路(未示出)连接至各线圈。

在运行中，在泵10连接至心脏腔室或其它血液源的情况下，驱动电路施加通过线圈的电流并改变这些电流，从而在孔40内产生连续旋转的磁场。旋转磁场使转子20沿顺时针方向旋转。当转子20旋转时，一些血液穿过转子20的液压动力支承部32和34与壳体36的内表面38之间。液压动力支承部34和34相对于内表面38的顺时针运动在液压动力支承部32与壳体36的内表面38之间的区域中产生了增加的压力，并因而在转子22上产生了沿径向向内方向朝向转子轴线x’的力。这些径向力支承转子，使其不与壳体36的内表面38相接触。转子20沿顺时针方向的旋转引起转子20的叶片24沿相对于转子20和壳体36的下游方向D驱动血液。转子与铁磁定子46之间的磁性相互作用还可施加平行于孔轴线42的轴向力，并保持转子20相对于定子46的轴向位置。泵的前述特征和一般运行模式可与美国专利第8,007,254号和美国专利申请公布第2015/0051438A1号中所公开的那些相同，且可用于本申请的受让人Heartware,Inc(心脏器械股份有限公司)以名称MVAD销售的轴流式血液泵类型中。

现参考图4，定子46的内径D_内定子稍大于壳体36的外径。在铁磁框架或定子46的内表面与管状壳体36的外表面44之间插设有小的非铁磁垫片、环氧树脂或其它黏性材料。因而，第三轴线x”或定子轴线沿平行于孔轴线42的方向与孔轴线42偏离。该偏离使框架的铁磁材料在孔40的相对侧上更接近孔轴线42定位。因而，转子20的永久磁极与定子46之间的吸引在与第三轴线x”的偏离方向相反的横向L上(向图4中的右侧)更强。因而，转子20与定子46之间的磁性相互作用沿横向L施加力至转子20，且倾向于使转子沿横向L相对于壳体36在横向上位移。该倾向性受到液压动力支承部32和34的抵抗。如图4中所见，随着转子20在右侧上运动得更接近壳体36的内表面38，转子20与内表面38之间的间隙C减小，且在该侧上由液压动力支承部32和34提供的径向力增加。如图4中所见，在左侧上产生相反的效果。转子在如图4中所示的位置处达到平衡，其中，转子轴线或第二轴线x’与孔轴线42、第一轴线x和定子轴线x”在横向L上偏离，但不接触壳体36的内表面38。换言之，定子46相对于壳体12偏心且相对于转子20偏心。

当转子20转动时，每个叶片24的顶表面28将在一侧(图4中的右侧)上经过壳体36的内壁38，且进一步来自相对侧(图4中的左侧)上的内壁387。因而，当特定叶片24在图4中的右侧上时，台肩表面30与内表面38之间的间隙是最小值C_最小，且当该叶片在左侧上时是最大值C_最大。换言之，由每个叶片24和壳体36的内表面38限定的液压动力支承部32和34以小间隙和较大间隙运行。该作用有助于保持液压动力支承部32和34没有血栓和其它沉淀。虽然本公开不受任何运行理论的限制，但所认为的是，可在间隙小时变得被捕获在这些表面之间的任何血栓或其它沉淀将在间隙较大时被血液冲走。

如上所述，转子轴线x’可从孔轴线42最多位移标称间隙。在启动期间，此时液压动力支承部32和34不活动，转子轴线x’可沿任意方向相对于孔轴线42位移。为了确保定子框架沿横向L(向图4中的右侧)对于转子20的更大的磁性吸引，即使转子暂时向相反方向(图4中的左侧)位移，偏离距离D_O也应大于标称间隙、即大于孔的直径减去转子的直径除以二。为了更好的保证，偏离距离D_O可为标称间隙的若干倍。在上述特定实施例中，D_O可为约0.004－0.012英寸。

上述特征可改变。例如，在其它实施例中，定子框架可为非对称的。例如，如果使得孔轴线42和定子轴线x”的右侧上的一个或多个极片比左侧上的极片更宽，则转子20的各极与框架之间的磁性相互作用可向被导向右侧的转子施加力。在上述实施例中，被施加通过线圈的电流产生关于孔轴线42对称的磁场。因而，由转子20与一侧上的线圈之间的磁性相互作用所施加在转子20上的横向力被由与相反侧上的线圈的相互作用所施加的相反指向的横向力平衡。在其它实施例中，由线圈施加的磁场可能是不平衡的，使得线圈作为整体向转子沿横向施加磁力。例如，穿过一个或多个线圈的电流可通过驱动电路被调制成与转子20的旋转同步，使得在壳体36的一侧上的线圈90对于瞬时置于壳体36的该侧上的极施加较强的磁性吸引力。所调制的电流被叠加在用于产生旋转磁场的对称电流上。在另外的变型例中，可在线圈中在一侧上设置附加的绕组。在又一变型例中，可设置分离的线圈(未示出)以承载调制电流。在横向力由调制电流提供的情形中，调制可随时间变化，使得沿横向提供随时间旋转的横向力。这导致转子轴线x’沿随时间变化的方向从孔轴线42位移。期望地，该随时间的变化的速度不同于转子的旋转速度，且期望的是慢于转子的旋转速度。

在以上实施例中，施加至转子20的横向力使转子稳定抵抗抖动。当在本文中提到时，抖动(whip)是一种状态，其中，转子轴线x’变得从孔轴线42偏离且围绕孔轴线42旋转。由横向力提供的附加稳定性可允许具有更大标称间隙的泵没有抖动地运行。这进而还可减轻血栓或其它颗粒在液压动力支承部中的累积。

以下各实施例描述了本发明的特定特征：

实施例1：

一种血液泵，该血液泵具有：(a)壳体，该壳体具有内壁，该内壁限定孔，该孔具有孔轴线；(b)铁磁转子，该铁磁转子设置在孔内且具有本体，该本体具有转子轴线和多个液压动力支承表面，转子轴线大致平行于孔轴线，多个液压动力支承表面围绕转子轴线布置且背离转子轴线面向外，该转子布置成在转子围绕转子轴线沿前向旋转方向旋转时推动血液通过孔，各支承表面被布置使得各支承表面与内壁之间的液压动力相互作用倾向于保持转子轴线与孔轴线同轴；(c)定子，该定子固定至壳体且布置成与转子磁性地相互作用，从而沿垂直于孔轴线的横向向转子施加横向力，该方向不与转子同步旋转且保持转子轴线沿横向与孔轴线偏离。

实施例2：

如实施例1中所述的血液泵，其中，定子布置成向转子施加横向力，使得横向相对于壳体固定。

实施例3：

如实施例1中所述的血液泵，其中，转子具有多个永久磁极，这些永久磁极背离转子轴线面向外，且定子包括铁磁定子框架。

实施例4：

如实施例3中所述的血液泵，其中，定子框架关于孔轴线不对称。

实施例5：

如实施例5中所述的血液泵，其中，定子框架关于框架轴线对称，框架轴线平行于孔轴线，但沿与横向相反的方向从孔轴线偏离。

实施例6：

如实施例6中所述的血液泵，其中，孔具有直径DB，且转子具有小于DB的直径DR，且其中，框架轴线以偏离距离DO从孔轴线偏离，偏离距离DO大于(DB-DR)/2，由此，对于转子的任意位置，框架轴线将沿横向从转子轴线偏离。

实施例7：

如实施例1中所述的血液泵，其中，定子包括一个或多个电线圈和驱动电路，该驱动电路操作成在一个或多个线圈中施加电流。

实施例8：

如实施例7中所述的血液泵，其中，一个或多个线圈包括围绕壳体轴线设置的多个线圈，转子具有多个磁极，且驱动电路操作成改变线圈中的电流，从而在孔内提供旋转磁场，以使转子沿前向方向旋转，并使得磁场之间的相互作用向转子施加横向力。

实施例9：

如实施例8中所述的血液泵，其中，电流被改变，使得横向围绕孔轴线以小于转子的旋转速度的旋转速度旋转。

实施例10：

一种操作血液泵的方法，包括：(a)使转子在由壳体限定的孔内围绕转子轴线旋转，使得转子推动孔内的血液，以及；(b)在旋转步骤期间，将转子支承在液压动力支承部上，使得液压动力支承部倾向于保持转子轴线与由壳体限定的孔轴线重合；并且同时(c)向转子沿垂直于孔轴线的预定的横向施加磁力，从而保持转子轴线沿横向从孔轴线偏离。

实施例11：

如实施例10中所述的方法，其中，预定的横向是固定方向。

实施例12：

一种操作血液泵的方法，包括以下步骤：(a)使转子在壳体中围绕转子轴线旋转，使得转子推动血液通过壳体；(b)支承转子，使其至少部分地通过与壳体与转子的液压动力支承表面之间血液的液压动力相互作用而不与壳体接触；以及(c)改变每个液压动力支承表面与壳体之间的间隙。

实施例13：

如实施例12中所述的方法，其中，壳体具有内壁，内壁限定围绕孔轴线呈回转表面形式的孔，且液压动力支承表面从转子轴线径向向外朝向内壁，且改变间隙的步骤包括保持转子轴线沿横向从孔轴线偏离。

实施例14：

如实施例13中所述的方法，其中，保持转子轴线沿横向的步骤包括沿横向向转子施加磁力。

由于可使用这些和其它变型例和上述各特征的组合，对特定实施例的前述说明不应被当成限制本发明。

Claims (8)

1.一种血液泵，包括：

壳体，所述壳体限定近端、远端、从所述近端延伸至所述远端的第一轴线，所述壳体包括入流插管，所述入流插管的尺寸定成植入于人类心脏；

铁磁转子，所述铁磁转子设置在所述壳体中且构造成沿所述第一轴线的方向泵送血液，其中所述铁磁转子限定第二轴线；

定子，所述定子设置在所述壳体中且围绕所述铁磁转子，所述定子构造成施加磁力，从而引起所述铁磁转子的旋转，其中所述定子限定第三轴线；

所述壳体还包括非铁磁管状本体，所述非铁磁管状本体设置在所述铁磁转子与所述定子之间，所述非铁磁管状本体围绕所述铁磁转子设置，其中所述非铁磁管状本体与所述第一轴线同轴；以及

所述定子的所述第三轴线偏心于所述非铁磁管状本体的所述第一轴线和所述铁磁转子的所述第二轴线，且在所述铁磁转子的运行期间，所述定子保持在距所述非铁磁管状本体预定的非均匀的径向距离处。

2.根据权利要求1所述的血液泵，其特征在于，所述铁磁转子是叶轮，且其中，所述叶轮限定多个液压动力支承部。

3.根据权利要求2所述的血液泵，其特征在于，所述叶轮限定直径，且其中，在所述叶轮的运行期间，所述叶轮被保持在距所述非铁磁管状本体预定的径向距离处，且其中，该预定的径向距离围绕所述叶轮的直径是不均匀的。

4.根据权利要求1所述的血液泵，其特征在于，所述定子固附在所述壳体中距所述壳体的内表面预定的径向距离处，且其中，该预定的径向距离围绕所述定子的直径是不均匀的。

5.根据权利要求1所述的血液泵，其特征在于，所述第二轴线平行于所述第一轴线。

6.根据权利要求5所述的血液泵，其特征在于，所述第三轴线平行于所述第一轴线。

7.根据权利要求1所述的血液泵，其特征在于，所述壳体的至少一部分的尺寸定成插入人类心脏的心室内。

8.根据权利要求1所述的血液泵，其特征在于，所述非铁磁管状本体的所述第一轴线偏心于所述铁磁转子的所述第二轴线，从而在所述铁磁转子与所述非铁磁管状本体之间产生流体间隙，所述流体间隙围绕所述铁磁转子是不均匀的。

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