CN115957434A - 血泵 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本申请涉及医疗器械领域,特别是涉及一种血泵。
背景技术
血管内血泵是一种可以经由患者血管探入患者心脏的泵血装置,血管内血泵置于心室内,以便血液能够流经血泵并进入至动脉血管内。以常用的人工心脏血泵为例,其主要作用是驱动心室中的血液流入动脉。
由于血泵设置于血管内,这对血泵特别是对其中的叶轮的要求特别高,血泵需要在尺寸相对较小的基础上具有较高的水力效率。然而,传统的血泵在低流量区间存在水力效率低的问题,需要进行改善。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种在低流量区间水力效率较大幅度提升,且在满足临床要求的灌注流量与压力的前提下,对出口外的人体组织不会造成损伤的血泵。本申请实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
本发明提供一种血泵,包括:
套管,所述套管开设有流入口和流出口;及
叶轮,所述叶轮能够转动地设置于所述套管内,以将液体从所述流入口输送至所述流出口,所述叶轮包括轮毂和叶片,所述叶片设置于所述轮毂的表面,所述轮毂包括位于近端的泄流段,所述泄流段的近端的半径R与所述泄流段的长度L1的比值以及轮毂出口角α满足:
其中,δ为所述叶片与所述套管的内壁的最小间隙,D0为所述套管的内径。
在其中一个实施例中,所述轮毂出口角α还满足:α≥30°。
在其中一个实施例中,所述轮毂还包括导流段和增压段,所述增压段连接于所述导流段和所述泄流段之间,所述导流段、所述增压段及所述泄流段的直径由远端到近端逐渐增大,且所述增压段和所述泄流段的直径的增大方式不同。
在其中一个实施例中,所述叶片包括第一段及第二段,所述第一段设置于所述增压段,所述第二段设置于所述泄流段,所述叶片的高度自所述第一段至所述第二段的方向逐渐减小。
在其中一个实施例中,所述叶片绕所述轮毂的轴向螺旋延伸,所述叶片包括工作面,所述工作面连接于所述轮毂,所述工作面的轮廓线包括进口边、外缘型线和轮毂型线,所述轮毂型线位于所述工作面靠近所述轮毂的一侧,所述进口边沿所述轮毂的径向凸出于所述叶轮,所述进口边连接于所述外缘型线和所述轮毂型线之间,由远端至近端,所述轮毂型线的叶片安放角先大于所述外缘型线的叶片安放角后小于所述外缘型线的叶片安放角。
在其中一个实施例中,所述轮毂还包括导流段和增压段,所述增压段连接于所述导流段和所述泄流段之间,所述叶片包括第一段及第二段,所述第一段设置于所述增压段,所述第一段的外缘型线的叶片安放角γ1位于0°-80°,所述第二段设置于所述泄流段,所述第二段的外缘型线的叶片安放角γ2位于60°-90°。
在其中一个实施例中,所述叶片的数量为多个,多个所述叶片呈螺旋状均匀设置于轮毂表面;及/或,所述叶片的叶片掠角θ满足:-30°≤θ≤30°;及/或,所述叶片的叶片包角β满足:90°≤β≤160°。
在其中一个实施例中,所述叶片的叶片径向出口高度H与所述套管的内径D0的比值满足:0.1≤H/D0≤1.5;及/或,D0<4.3mm。
附图说明
图1为本申请提供的血泵的结构示意图。
图2为图1所示血泵的叶轮的结构示意图。
图3为图2所示血泵的叶轮的另一视角的结构示意图。
图4为图1所示的套筒和叶轮的结构示意图。
图5为图4沿X-X方向的剖视图。
图6为图1所示血泵的叶轮的泄流段的尺寸关系示意图。
图7为图2所示血泵的纵向剖视图。
图8为本申请提供的叶片的结构示意图。
图9为本申请提供的血泵的水力效率对比示意图。
附图标记:
标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
1000 | 血泵 | 213 | 导流段 |
100 | 套管 | 220 | 叶片 |
110 | 流入口 | 221 | 进口边 |
120 | 流出口 | 222 | 外缘型线 |
200 | 叶轮 | 223 | 轮毂型线 |
210 | 轮毂 | 2201 | 第一段 |
211 | 泄流段 | 2202 | 第二段 |
212 | 增压段 | 300 | 驱动组件 |
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是,当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件,它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件,它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本申请的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触,或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。除非另有定义,本申请的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本申请。本申请的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图5,本申请提供一种血泵1000,血泵1000包括套管100和叶轮200,套管100开设有流入口110和流出口120。叶轮200能够转动地设置于套管100内,以将液体从流入口110输送至流出口120。
叶轮200包括轮毂210和叶片220,叶片220设置于轮毂210的表面,轮毂210包括位于近端的泄流段211,泄流段211的近端的半径R与泄流段211的长度L1的比值以及轮毂出口角α满足:其中,δ为叶片220与套管100的内壁的最小间隙,D0为套管100的内径,轮毂出口角α为泄流段211的轮毂210与叶轮200的底部所在的平面的夹角,如图5所示。
本申请的发明人经过多次试验发现,当R/L1≤1时,血泵1000在低流量区间的水力压头(即流体在泄流段211的高度差)和水力效率较差。而当R/L1>1时,血泵1000在低流量区间具有较高的水力压头和水力效率。因此,基于轮毂210的设计,将R/L1限制为大于1,经实证测试,此范围可保证较高的水力压头和水力效率。
本申请的发明人经过多次试验还发现,当时,轮毂出口角α不再是自远端至近端的方向逐渐减小,不能在流出口120处产生足够的径向速度,会减小血泵1000的水力压头和水力效率。因此基于轮毂210的结构设计,将轮毂出口角α限制于小于的区间,经实证测试,此范围可保证较高的水力压头和水力效率,其中,0.4为泄流段211远离轮毂210的近端处的轮毂比,则0.4(D0/2-δ)表示泄流段211远离轮毂210的近端处的轮毂半径,在图6中用线段AB表示。
请继续参阅图6,AD=BE=L1,CD=R,DE=AB=0.4(D0/2-δ);
当α=λ时,泄流段的轮毂的轮廓线为直线BC,此时,不能在流出口120处产生足够的径向速度,会减小血泵1000的水力压头和水力效率。
综上,α<λ时,才能在流出口120处产生足够的径向速度,从而增加血泵1000的水力压头和水力效率。
进一步地,轮毂出口角α还满足:α≥30°。在试制中发现,当α<30°,会导致泄流段211曲率太大,难以加工。因此基于轮毂210的结构设计,还将轮毂出口角α限定为大于30°,以方便轮毂210的泄流段211的加工。
请参阅图1至图4,在本申请一实施例中,轮毂210还包括导流段213和增压段212,增压段212连接于导流段213和泄流段211之间。在本实施例中,导流段213、增压段212及泄流段211的直径由远端到近端逐渐增大,且增压段212和泄流段211的直径的增大方式不同。如此设置,能够进一步增强血泵1000在低流量区间的水力压头和水力效率。其中,导流段213邻近流入口110设置,以导引自流入口110流入的血液,泄流段211邻近流出口120设置,以便于释出血液。增压段212的长度和导流段213的长度对应为L2和L3。
在本实施例中,增压段212的型线为三阶及三阶以上的贝塞尔曲线,导流段213和泄流段211的型线为二阶及二阶以上的贝塞尔曲线,可满足轮毂210的不同形状设计,并且轮毂210各部分能够圆滑过渡,在叶轮200尺寸不变的基础上,提升叶轮200的做功能力,并提高血泵的水力效率,另外,还可以提升叶轮200的可加工性。在一种实施方式中,由远端到近端,增压段212的直径的增大方式为线性增大,即,增压段212的型线为一阶贝塞尔曲线;泄流段211直径的增大方式为指数型增大。在另一种实施方式中,增压段212的直径的增大方式为指数型增大,泄流段211直径的增大方式为线性增大。在又一种实施方式中,增压段212的直径的增大方式为线性增大,泄流段211直径的增大方式为对数型增大。另外,在本实施例中,导流段213的直径由远端到近端呈对数型增大。在其他实施方式中,导流段213的直径由远端到近端还可以呈线性增大。
请参阅图1至图4,沿叶轮200的轴向S1,轮毂210包括相连接且直径顺序增大的导流段213、增压段212及泄流段211。叶片220包括第一段2201及第二段2202,第一段2201设置于增压段212,第一段2201为对液体做功的主要部分,用于将机械能转化为流体的内能与动能,增加液流压力;第二段2202设置于泄流段211,相较于第一段2201,第二段2202对液体做功减少,流体内能进一步转化为动能,将液体沿轮毂210的径向高速射出,第二段2202用于引导液体沿轮毂310的径向流出。在本实施例中,叶片220的高度自第一段2201至第二段2202的方向逐渐减小。如此设置,有助于流体从流出口120流出时具有更大的径向分量,从而有利于提高流体从流出口120流出时的压力,提高血泵的水力效率。
结合图5和图7,增压段212和泄流段211的轮毂比不同,增压段212的轮毂比为0.2至0.4,泄流段211的轮毂比为0.4至1,即增压段212的轮毂比满足:泄流段211的轮毂比满足:其中,d1为增压段212的轮毂210的直径,为增压段212的叶轮200的直径;d2为泄流段211的轮毂210的直径,为泄流段211的叶轮200的直径。对于轮毂210的增压段212的结构,增压段212的轮毂比小于0.2时流动分离严重,增压段212的轮毂比大于0.4时会使得叶片220高度不足,从而做功能力不足,因此需要设置合理高效的增压段212的轮毂比。并且,对于轮毂210的泄流段211的结构,若轮毂比小于0.4,则径向流速分量过小,该范围可实现在位于轮毂210径向的流出口120处更大的扬程。具体地,轮毂210中轮毂比大于0.4的部分设置为泄流段211,即转轴直径更大,流体的径向速度分量增大,便于从径向流出口120流出。
请参阅图1至图4,考虑到输送性的需求,套管100的内径D0为定值,刚度大的套管100的长度越短越有利于提升血泵1000在血管中的输送效率,但是弯折性能较强的入口导管(连接于套管100的远端的一个部件)与刚度大的套管10之间需要保证一定的粘接长度以及粘接厚度,所以套管10的前端部分会由于入口导管粘接损失部分直径尺寸,即在套管10前后厚度一致的前提下,套管10的前端的内径会略小于套管10的后端的内径。在本实施例中,叶轮200采用变直径设计,使叶轮200在套管100的后端部分的直径略大于在套管100的前端部分的直径,即,叶轮200在泄流段211的直径大于叶轮200在增压段212的直径如此,能够控制叶片220与套管100的内壁的最小间隙不变,从而可以最大程度提升叶轮200的水力效率。
请参阅图1至图8,叶片220包括工作面,工作面连接于轮毂210,并且绕轮毂210的轴向螺旋延伸,工作面的轮廓线包括进口边221、外缘型线222和轮毂型线223,轮毂型线223位于工作面靠近轮毂210的一侧,进口边221沿轮毂210的径向凸出于叶轮200,进口边221连接于外缘型线222和轮毂型线223之间,由远端至近端,轮毂型线223的叶片安放角先大于外缘型线222的叶片安放角后小于外缘型线222的叶片安放角,并且叶片220对应于泄流段211的外缘型线222的叶片安放角大于对应于增压段212的外缘型线222的叶片安放角,如此设置,有利于增大流出口120处的径向液流速度,提高血泵1000的水力性能。其中,叶片安放角指的是叶片的型线(如外缘型线222或轮毂型线223)与垂直于叶轮轴线的平面之间的夹角。
请参阅图1至图4,在本申请一实施例中,轮毂210还包括导流段213和增压段212,增压段212连接于导流段213和泄流段211之间,叶片220包括第一段2201及第二段2202,第一段2201设置于增压段212,第一段2201的外缘型线222的叶片安放角γ1位于0°-80°,第二段2202设置于泄流段211,第二段2202的外缘型线222的叶片安放角γ2位于60°-90°。例如,叶片安放角γ1为60°,叶片安放角γ2为70°;或者,叶片安放角γ1为60°,叶片安放角γ2为80°;或者,叶片安放角γ1为70°,叶片安放角γ2为85°等。即,第二段2202的外缘型线222的叶片安放角γ2更大,有利于增大流出口120处的径向液流速度,提高血泵1000的水力性能。
请参阅图1至图4,在本申请一实施例中,叶片220的数量为多个,多个叶片220呈螺旋状均匀设置于轮毂210表面,本实施例中,叶片220的数量可以为二个;其他实施例中,叶片220的数量还可以为三个、四个或更多个。可以理解的是,每一叶片220是一个整体。在其中一个实施例中,轮毂210及多个叶片220可以一体成型设置。
在本申请一实施例中,叶片220的叶片掠角θ满足:-30°≤θ≤30°。叶片掠角θ为叶片220前缘沿叶片220高度方向曲线与径向S2的夹角,叶片掠角过大会加重流动分离,叶片掠角θ取负30度至30度的角度时,经实证测试,该掠角范围水力效率较高。
在本申请一实施例中,叶片220的叶片包角β满足:90°≤β≤160°。叶片包角β即叶轮200的入口及叶轮200的最大外径处,这两点到圆心的连线所形成的夹角。这样的设计,可保证较高水力效率,经实证测试,当叶片包角β小于90°时,导致叶轮200的做功不足,效率低,即在设定转速和尺寸大小的条件下,叶轮200无法输出应有的能量;而当叶片包角β大于160°时,会导致叶片220阻碍流道,效率下降。
在本实施例中,叶片220的数量为多个,多个叶片220呈螺旋状均匀设置于轮毂210表面,-30°≤θ≤30°且90°≤β≤160°。在一种实施方式中,叶片220的数量为多个,多个叶片220呈螺旋状均匀设置于轮毂210表面,且θ>30°或θ<-30°,且β>160°或β<90°。在另一种实施方式中,叶片220的数量为一个,多个叶片220呈螺旋状均匀设置于轮毂210表面,且θ>30°或θ<-30°,且90°≤β≤160°。在又一种实施方式中,叶片220的数量为一个,多个叶片220呈螺旋状均匀设置于轮毂210表面,且-30°≤θ≤30°,且β>160°或β<90°。
请参阅图1至图4,在本发明的一实施例中,叶片220的叶片220径向出口高度H与套管100的内径D0的比值满足:0.1≤H/D0≤1.5,即叶片220的叶片220径向出口高度H与套管100的内径D0的比值为0.1至1.5;可类比于或近似于叶片220的叶片220径向出口高度H与叶轮200的外轮廓的最大直径的比值为0.1至1.5,考虑到装配间隙,理论上叶轮200的外轮廓略小于套管100的内径D0。叶片220的径向出口高度H,即叶轮200底部与泵体流出口120起始位置之间的轴向距离,其与套管100的内径D0比值为:0.1≤H/D≤1.5。在试制中发现,当H/D0<0.1时,出口扬程无法满足临床要求的灌注流量与压力,当H/D0>1.5时,叶轮200易划伤出口外的人体组织,因此有必要控制叶片220的叶片220径向出口高度与套管100的直径的比值范围,以保证产品安全使用,同时保护用户的生命安全。
在其中一实施例中,套管100的内径D0<4.3mm,能够适用于血泵1000应用的人体血管系统,弱化了直径过大而损伤血管的风险。
在本实施例中,套管100的内径D0<4.3mm且叶片220的叶片径向出口高度H与套管100的内径D0的比值满足:0.1≤H/D0≤1.5。在一种实施方式中,套管100的内径D0≥4.3mm,且叶片220的叶片径向出口高度H与套管100的内径D0的比值满足:0.1≤H/D0≤1.5。在另一种实施方式中,套管100的内径D0<4.3mm且叶片220的叶片径向出口高度H与套管100的内径D0的比值满足:H/D0>1.5或者H/D0<0.1。
请参阅图1至图4,为了保证水力效率,进一步地,在本发明的一实施例中,叶片220的叶尖间隙δ满足0.05mm≤δ≤0.5mm,叶尖间隙为叶片220与套管100的内壁的间距。叶尖间隙过小δ会造成剪切力过大带来溶血问题,叶尖间隙δ过大则水力效率降低,因此基于叶轮200的结构设计,将叶片220的叶尖间隙δ限制于0.05mm至0.5mm的区间,经实证测试,此范围可保证较高的水力效率和低的溶血值。
下面采用多个实施例的对比分析以对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中,叶轮200及其轮毂210的各段长度、轮毂比、叶尖间隙δ等参数有所不同,具体不同可参见各实施例中的参数表如下表1所示。其中,L3、L2、L1及叶尖间隙δ的长度单位均为mm,α、θ和β的单位均为°。
表1.血泵的相关参数
需要说明的是,即使是对于特定的一个叶轮200,轮毂210的直径和叶轮200的高度都是变化值,因此轮毂比即轮毂210内径D0与叶轮200直径之比为一个数值范围,而不是一个定值。各实施例与传统技术的水力效率测试对比如图5所示。
由图9和表1可知,在流量小于2L/min的条件时,现有技术的血泵1000的水力效率较低,低于25%。而本申请的血泵1000的水力效率在此流量区间进行了提升,尤其是在流量为1L/min时的水力效率由15%提升到20%以上。
在实施例1中,R/L1=1,叶轮200的泄流段211曲率更大,能够使得低流量工况在血泵1000的流出口120处有较高的径向速度,提高低流量工况的压头和水力效率。
在实施例2中,R/L1=1.1,叶轮200泄流段211的曲率进一步加大,进一步提高了在低流量区间(流量为1-2lpm)时的水力效率。
并且,由表1可知:实施例1、实施例2及实施例3中的叶轮200的总长度一致,叶片掠角θ和叶片包角β相同,实施例2和实施例3的轮毂出口角α相同,当R/L1数值越大时,流量为1-2L/min时的水力效率越高。
另外,与实施例1、实施例2及实施例3相比,实施例4和实施例5的叶轮200的总长度更大,做功能力更强,且叶片掠角θ和叶片包角β相同,轮毂出口角α相近,R/L1越大,流量为1-2L/min时的水力效率越高。
请继续参阅图1,在本实施例中,血泵1000还包括驱动组件300,套管100设置于驱动组件300,驱动组件300与轮毂210传动连接。驱动组件300用于驱动轮毂210以带动叶轮200旋转,这样,驱动组件300带动叶轮200在流出内转动,将血液从流入口110经流出口120泵送至动脉血管。
综上,本发明提供的血泵1000包括套管100和叶轮200,套管100开设有流入口110和流出口120。叶轮200能够转动地设置于套管100内,以将液体从流入口110输送至流出口120。叶轮200包括轮毂210和叶片220,叶片220设置于轮毂210的表面,轮毂210包括位于近端的泄流段211,泄流段211的近端的半径R与泄流段211的长度L1的比值以及轮毂出口角α满足: 如此设置,优化了轮毂210的结构设计,能够在低流量区间时使得流体在泄流段211具有更大的水力压头,从而有利于提高流体从流出口120流出时的压力,提高血泵1000的水力效率,相较于传统血泵,血泵1000的水力效率从15%提升至20%以上,水力效率得到了较大幅度的提升,且在满足临床要求的灌注流量与压力的前提下,对出口外的人体组织不会造成损伤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的血泵,其特征在于,所述轮毂出口角α还满足:α≥30°。
3.根据权利要求1所述的血泵,其特征在于,所述轮毂还包括导流段和增压段,所述增压段连接于所述导流段和所述泄流段之间,所述导流段、所述增压段及所述泄流段的直径由远端到近端逐渐增大,且所述增压段和所述泄流段的直径的增大方式不同。
4.根据权利要求3所述的血泵,其特征在于,所述叶片包括第一段及第二段,所述第一段设置于所述增压段,所述第二段设置于所述泄流段,所述叶片的高度自所述第一段至所述第二段的方向逐渐减小。
7.根据权利要求1所述的血泵,其特征在于,所述叶片绕所述轮毂的轴向螺旋延伸,所述叶片包括工作面,所述工作面连接于所述轮毂,所述工作面的轮廓线包括进口边、外缘型线和轮毂型线,所述轮毂型线位于所述工作面靠近所述轮毂的一侧,所述进口边沿所述轮毂的径向凸出于所述叶轮,所述进口边连接于所述外缘型线和所述轮毂型线之间,由远端至近端,所述轮毂型线的叶片安放角先大于所述外缘型线的叶片安放角后小于所述外缘型线的叶片安放角。
8.根据权利要求7所述的血泵,其特征在于,所述轮毂还包括导流段和增压段,所述增压段连接于所述导流段和所述泄流段之间,所述叶片包括第一段及第二段,所述第一段设置于所述增压段,所述第一段的外缘型线的叶片安放角γ1位于0°-80°,所述第二段设置于所述泄流段,所述第二段的外缘型线的叶片安放角γ2位于60°-90°。
9.根据权利要求1所述的血泵,其特征在于,所述叶片的数量为多个,多个所述叶片呈螺旋状均匀设置于轮毂表面;及/或,所述叶片的叶片掠角θ满足:-30°≤θ≤30°;及/或,所述叶片的叶片包角β满足:90°≤β≤160°。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的血泵,其特征在于,所述叶片的叶片径向出口高度H与所述套管的内径D0的比值满足:0.1≤H/D0≤1.5;及/或,D0<4.3mm。
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