CN1372479A - 旋转血泵及其控制系统 - Google Patents

Abstract

适宜用来连续泵压血液流动的泵机组(1、33、200)。在具体的实施形式中,该泵(1、200)为一离心泵,其中有一叶轮(100、204)被完全密封在泵壳(2、201)内,当叶轮被设在泵腔(106、203)外的电磁装置驱动的流体(105)内旋转时产生的流体动力就能把叶轮悬浮起来。叶轮(100、204)上具有变形如叶轮的表面从其底面和顶面(221、222)的前缘缘(102、223)到后缘缘(103、224)带有斜度可有助于流体动力的悬浮。同时公开的有用于泵机组(1、33、200)的估计和控制系统。

Description

旋转血泵及其控制系统

                     发明领域

本发明涉及一种适于但不专门用作人工心脏或心室辅助仪器的旋转泵，尤其以优选的形式公开了一种无密封部分的、无轴的泵，这种泵的特征是开式或闭式(加护罩)叶轮叶片，叶轮的至少一些部件用作液动推力轴承，并且由嵌入叶轮片或护罩的磁铁和在相对泵壳固定的线圈中产生的旋转电流特性曲线之间的相互作用提供电磁转矩。

另外，本文还说明一种结合本发明的旋转泵使用的不接触的估计和控制系统。

                    背景技术

本发明涉及连续流动或脉动流动式旋转泵，尤其涉及适用于人工心脏或心室辅助仪器的电力驱动泵，但这种泵并不专门用作人工心脏或心室辅助仪器。对于病人体内的永久植入物来说，这种泵理论上应具有以下特性：没有血流的泄漏；零件暴露得最少或没有磨损；血液在泵中驻留的时间最短以避免血栓形成(栓塞)；血液的剪切应力最小以避免血细胞破损如血球溶解；最有效地使电池使用时间最长且使血液加热最小；绝对可靠性。

在包括有密封即在穿过泵腔壁的轴上安装有叶轮的传统泵结构中，这些特征中的几个特征很难满足，如授予Rafferty等人的美国专利US3,957,389、授予Wampler的美国专利US4,625,712、授予Yamazaki的美国专利US5,275,580中提到的血泵所例举的那样。这种泵的两个主要缺点首先是轴上所需的密封件尤其在磨损之后可能会泄漏，其次是提供轴转矩的电机转子因会磨损仍然保留用如滚珠轴承之类的轴承支撑。某些设计方案如授予Wampler的美国专利US4,625,712和授予Moise等人的美国专利US4,908,012通过把密封件和轴承结合为一个流体动力轴承而同时克服了这些问题，但是为了防止较长的血液驻留时间，它们必需引入通过一个经皮导管连续提供血液相容性轴承清洗流体的装置。

在无密封部分的设计方案中，允许血液流过电机中的缝隙，这种电机通常是无刷直流型的，即，包括含永久磁铁的转子和使电流与转子同步旋转的定子。这些设计方案可以根据使转子悬浮的装置归类：接触轴承、磁性轴承或流体动力轴承，不过某些设计方案使用两个这样的装置。

如授予Bozeman等人的美国专利US5527159和授予Nose等人的美国专利US5399074所例举的接触轴承或枢轴承具有因磨损而导致的潜在问题，引起非常高的血液局部升温和剪切，这可以引起血浆蛋白的沉淀和变质，有栓塞和轴承咬死的危险。

如授予Nakazeki等人的美国专利US5,350,283、授予Bramm等人的美国专利US5,326,344和授予Moise等人的美国专利US4,779,614所例举的磁性轴承提供不接触悬浮，但需要根据Eamshaw定理，进行转子位置测量和对用来稳定至少一个方向上位置的电流进行主动控制。位置测量和反馈控制产生相当大的复杂性，增大了发生故障的危险。控制电流用电会使总效率降低。另外，尺寸、质量、元件数量和成本都要增大。

授予Jarvik的美国专利US5,507,629称已经找到了一种避开Eamshaw定理的结构，因而仅需要无源磁性轴承，但这并不可靠，并且无论如何都包括轴向接触轴承。类似地，在授予Yamane的美国专利US5,443,503中采用了无源径向磁性轴承和一枢轴点。

在本发明之前，采用流体动力悬浮的泵如授予Isaacson等人的美国专利US5,211,546和授予Golding等人的美国专利US5,324,177采用了轴颈轴承，其中由相对旋转的两个圆筒之间的流体运动提供径向悬浮，一内圆筒位于一稍大直径外圆筒之内，并且稍微偏心设置。在美国专利US5,324,177中由一接触轴承或美国专利US5,211,546中的液动止推轴承以磁性提供轴向悬浮。

US4944748公开了一种在泵内以磁力悬浮的叶轮。但它没有公开在泵内只是以流体动力悬浮的叶轮。

US4688998也公开了一种在泵内以磁力悬浮的叶轮。同样没有公开以流体动力悬浮的叶轮，更不用说只是用流体动力来悬浮的叶轮。

授予NU-TECH的WO91/190103公开了一种轴流式血泵，它有一个用磁力或机械方法稳定来协助以流体动力悬浮的转子。

授予NU-TECH的US5,112,200公开了在至少一个尺寸上的流体动力支承，但所用现有技术的流体动力提升表面并不包括本发明的变形表面。

WO94/13955公开了一种用磁力悬浮叶轮的流体泵。

授予NU-TECH的US4,382,199公开了一种转子和叶轮的组合，它利用“挤压膜效应、液压缓冲器效应和流体动力效应的组合和合作来防止转子和定子之间金属与金属接触并润滑在定子内旋转的转子”(第6行)。所公开的内容中没有用变形表面来在所有尺寸上进行只是流体动力的支承。

清洗液流需要流过轴颈轴承一高剪切区，以便去除散开的热量和防止很长的流体驻留时间。令所有的流体流过小截面区域的轴承缝隙的效率很低，因为这要求在轴承两端有一额外的压降。通常由高压泵出口通过轴承返回低压泵入口来提供一路径替代泄漏路径，这意指流出物和抽吸效率的少量减小。美国专利US5,324,177提供用来增大清洗液流附加装置总成，即，轴承一个表面中的螺旋槽，并且提供额外的一小套叶轮。

美国专利US5,211,546提供了具有各种滚柱轴承表面位置的10个实施例。这些实施例中的一个—第三实施例其特征是有单独一个轴颈轴承和一个轴向接触轴承。

本发明的实施例提供了一种成本较低和/或复杂性较小的用来悬浮无密封血泵转子的装置，由此克服或改善了上述现有仪器的问题。

                      发明概述

按照本发明的一个方面，公开了一种旋转血泵以便用于心脏辅助仪器或类似仪器，所说泵有一叶轮在使用时只是由于其在泵壳内对泵壳作相对运动所产生的流体动力推力而被悬浮在所说泵壳内。

最好所说叶轮或所说壳体中至少一个包括至少一个变形表面，该表面在使用时相对于所说叶轮或所说壳体中另一个的面对表面而运动，从而造成一种约束，其形式为所说变形表面的相对运动范围在两个表面之间距离的减少，这样便可在所说叶轮和所说壳体之间产生相对的流体动力推力，该推力处处包括基本上每一处都垂直于所说变形表面相对于所说面对表面的运动平面的局部推力分量。

最好在所说叶轮表面上产生的局部垂力的综合效果是在三个移动的和两个旋转的自由度上产生抗拒运动的阻力，从而在所说壳体内只用流体动力的力便可支承叶轮的旋转运动。

最好所说推力是由所说叶轮的所说叶片产生的。

更好的是所说推力是由所说叶轮的所说叶片的表面产生的。

最好所说叶片的所说表面是带梢度的或非平面的，这样在该表面相对于邻近的泵壳运动时便可产生推力。

最好所说叶片的所说表面被这样成形使叶片在前缘的缝隙大于在后缘的缝隙，从而经缝隙被抽吸的流体受到楔形约束而产生推力。

最好该泵为离心式或混流式，其叶轮在壳体的正面上和背面上都敞开的。

最好壳体的正面制成圆锥形，以便垂直于它的推力有一径向分量，该径向分量在使用时向叶轮轴的径向位移提供径向复原力。

最好所说叶轮的驱动转矩得自叶轮叶片内永久磁铁与封闭在泵壳内的绕组中振荡电流之间的磁力相互作用。

最好所说叶片在其内包括封装在对生物相容的套壳内的磁性材料。

最好所说对生物相容的套壳为一能在低温下使用的套壳。

最好所说泵的在使用时能与所说叶片接触的内壁用轴承材料如氮化钛或碳涂覆。

在另一个优选实施形式中，所说叶轮包括一个在其上具有所说梢度或其他变形平面的圆锥形上护罩，其时所说叶轮的叶片被支承在所说护罩之下。

在另一个优选实施形式中，所说叶轮还包括一个安装得与所说圆锥形上护罩相对的下护罩，其时所说叶片被支承在所说上、下护罩之内。

最好所说变形表面位在所说叶轮上。

最好所说变形表面位在所说壳体内。

最好在使用时施加在所说叶轮上的力，除了流体动力以外，都由设计加以控制，这样当操作参数超过预定范围时，所说流体动力推力能提供足够的推力，将使用中的所说叶轮保持悬浮在所说泵壳内。

在一个优选的实施形式中，壳体的至少一面制成圆锥形，以便垂直于它的推力有一径向分量，该径向分量向叶轮轴的径向位移提供径向复原力。类似地，朝向正面或背面的轴向位移增大了来自该面的推力，并且减小了来自另一面的推力。这样，在壳体内叶轮相对于壳体沿径向或轴向进行小位移或进行旋转位移之后，因叶轮上的惯性(在一定范围内)、重力和叶轮上任何径向或轴向流体动力会合而产生的叶轮上的合力能被来自止推轴承的复原力抵挡。

在一优选实施例中，叶轮驱动转矩得自叶轮叶片内永久磁铁与封装在泵壳内的绕组中振荡电流之间的磁力相互作用。

在本发明更广泛的一种实施形式中，提供一种旋转血泵，该血泵具有在使用叶轮的运动过程中由于叶轮产生的推力而只是受到流体动力悬浮的叶轮。

最好所说推力由所说叶轮的叶片产生或由其中的变形产生。

更好的是，所说推力由所说叶轮的所说叶片的表面产生。

最好所说叶片的所说表面带有斜度。

在另一优选实施形式中，所说泵为轴流式泵。

最好在泵壳的均匀的圆柱形段内，带斜度的叶片表面形成一径向流体动力轴承。

在本发明更广泛的一种实施形式中，提供一种旋转血泵，该血泵具有一壳体，在该壳体内一叶轮绕一轴旋转从而在所说泵的壳体入口侧与所说泵的壳体出口侧之间产生压差；所说叶轮在其使用的运动过程中由于所产生的推力而只是被流体动力悬浮。

在本发明另一个广泛的实施形式中，提供一种泵的估计和控制系统，所说泵有一叶轮位在泵壳的泵腔内，所说壳体有一液体入口和出口在液流上与所说泵腔连通，所说叶轮被驱使环绕叶轮轴旋转，从而使液体从所说入口通过所说泵腔流到所说出口，所说叶轮被叶轮驱动装置驱使旋转，被叶轮支承装置支承作旋转运动，并被作用在所说叶轮驱动装置上的控制装置保持在或接近预定的转速，所说控制装置接受的输入变量，第一是所说驱动装置耗用的动力，第二是所说叶轮的实际转速，根据这两者便可对所说液体的压头或流量估计到接近预定的准确度，而该准确度取决于从所说驱动装置所能得到的信号。

最好所说泵在预定的流量范围内有一基本恒定的压头对流量关系的特性。

最好所说叶轮的叶片被这样配置，使所说叶片相对于所说泵腔内壁的中线弦角大致径向倾斜。

最好所说系统依靠感知构成所说驱动装置的一个或多个线圈中诱导出来的电动力(EMF)来操作。

最好所说叶轮包括这样倾斜的叶片使从所说叶片流出液流的相对速度基本上与所说叶轮轴线成径向。

最好所说系统包括的叶轮支承装置具有充分适应的能力，使所说叶轮在使用时为了保存随着液体粘度而变的能量可以重新定位。

最好所说泵为一具有低比速的泵。

最好所说泵的比速的范围为100-2000转/分(加仑/分)^1/2英尺^-3/4。

最好所说泵的比速约为900-1000转/分(加仑/分)^1/2英尺^-3/4。

在本发明另一个广泛的实施形式中，提供一种旋转血泵及其估计和控制系统，所说泵具有一个用流体动力悬浮在泵壳中的叶轮，悬浮是用叶轮环绕叶轮轴旋转时所产生的推力来完成的，所说估计和控制系统具有如上所述的形式。

在本发明另一个广泛的实施形式中，提供一种泵用的估计和控制系统，所说泵具有一个位在泵壳泵腔内的叶轮，所说壳体具有一个液体入口和一个液体出口，均与所说泵腔在液流上连通，所说叶轮被驱使环绕叶轮轴旋转，从而使液体从所说入口通过所说泵腔流到所说出口，所说叶轮被叶轮驱动装置驱使旋转，被叶轮支承装置支承作旋转运动，所说泵被作用在所说叶轮驱动装置上的控制装置保持在或接近预定的操作点上，所说控制装置接受的输入变量中至少第一个和第二个均来自所说驱动装置，从而可以大致接近预定准确度地计算出所说操作点的估计值，这个准确度有赖于从所说驱动装置所能得到的信号。将所说预定的操作点与所说操作点的所说估计值比较便可控制所说泵。

最好由于合适地选用时间常数，在使用时瞬时泵转速和输入电功率可由心脏调节。

最好控制系统的时间常数大于叶轮的旋转的、惯性的时间常数。

最好所说时间常数为至少一个心搏周期。

最好所说第一输入变量为瞬时泵转速。

最好所说第二输入变量为输入电功率。

最好所说泵被这样配置使它按照一个较平的HQ(压头对流量)特性操作。

最好所说叶轮在使用时转速的变化被用来计算所说操作点的估计值以提高准确度。

在一特优的实施形式中，所说HQ特性足够平，使在一预定的操作范围内，压头几乎接近常数，从而在所说操作范围内，所说系统能够假定泵转速将与流量成正比。

最好所说预定操作点被这样计算出来，使能维持最小的泵转速而泵两侧的最小液压压力头并不增加。

最好所说系统能够保证最小泵转速总是大于或等于发生不回流流动的最小转速。

最好将回流开始发生时的转速确定为泵设定点转速，在该转速上在泵的出口和入口之间的压降值和相位滞后在心脏舒张期间会造成液体回流。

在一特优的实施例中，泵在回流发生时的转速可按下式计算：

N_回流＝Q_心舒张时的N(t)＝OL/分。

                       附图简述

现在将参照附图描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是本发明一优选实施例的纵剖面图；

图2是大致沿图1的线Z-Z所取的剖面图；

图3A是大致沿图2的线A-A所取的叶轮片剖面图；

图3B是图3A叶片泵壳接合部分的放大图；

图3C是另一种叶轮片形状；

图4A、B、C示出一叶轮片内磁性材料的各种可能位置；

图5A、B、C是大致沿图1的线S-S所取的一种可能绕组几何形状的左侧视图；

图6是作为一轴流泵的本发明另一实施例的概略剖面图；

图7是根据本发明又一实施例的离心泵机组的分解透视图；

图8是图7机组叶轮的透视图；

图9是图7泵机组内图8叶轮的剖开透视图；

图10是图8叶轮的侧视图；

图11是图10叶轮边缘部分侧面的详细视图；

图12是图7泵机组电子驱动电路的方框图；

图13是图7泵机组的头部与流速曲线；

图14是图7泵机组的泵效率与流速曲线；

图15是图7泵机组的电功耗与流速曲线；

图16是根据一优选实施例示出一蜗壳结构的泵机组的平面视图；

图17是示出另一蜗壳结构的泵机组的平面视图；

图18是根据本发明另一实施例的叶轮平面图；

图19是根据本发明再一实施例的叶轮平面图；

图20是根据本发明又一实施例的叶轮透视图；

图21是根据本发明另一实施例的叶轮透视图；

图22是根据本发明再一实施例的叶轮部分切开的透视图；

图23为图22叶轮的顶透视图；

图24为图22叶轮的透视图，其顶护罩已被拿掉；

图25示出另一实施例，其中变形表面位在泵壳上；

图26示出另一实施例，其中变形表面位在叶轮和壳体上；

图27概略地示出用于本发明实施例的流体动力悬浮的“变形表面”的操作基础；

图28是根据本发明用于血泵的第一实施例的不接触估计和控制系统的方框图；

图29是图1的不接触估计和控制系统所使用的特性估计曲线；

图30为图1的泵切开的侧视图；

图31是图1的泵的线圈和磁铁系统的切开的平面图；

图32是图7的泵机组使用的电子驱动线路的方框图；

图33示出各式泵的效率对比速的曲线以便与图13的平的HQ曲线对比；

图34是根据本发明实施例的泵构造的HQ曲线与典型的离心泵HQ曲线比较的图解；

图35示出参照例2说明的叶轮的特优型式；

图36示出根据例2的植入的旋转的泵机组和相关的控制系统；

图37图解地示出对于例2的系统防止过度泵压的控制策略；

图38图解地示出应用控制系统的算法来估计例2中的压力头；

图39图解地示出应用控制系统的算法来为例2的系统提供流量的估计值。

                     优选实施例的详述

根据以下将要描述的各优选实施例的泵机组都特别用于植入哺乳动物体内，以便至少在未接替哺乳动物心脏功能的情况下辅助其工作，但是这些泵机组并不转用于此。实际上，这是通过将泵机组完全置于哺乳动物体内并且把该泵接在左心室于主动脉之间而完成的，这便于辅助左侧心脏的功能。它也可以接至右心室和肺动脉以辅助心脏的右侧工作。

在这种情况下，该泵机组包括一叶轮，该叶轮完全密封在泵体内，如此就不需要一轴穿过泵体来支撑它。使用时，通过流体动力的操作使叶轮悬浮在泵体内，这些流体动力是旋转叶轮、泵内壁与叶轮驱使的从泵机组入口进到其出口的流体之间的相互作用的结果所赋予的。

本发明的一个优选实施例是离心泵1，如图1和2所示，它要植入人体内，在这种情况下，以下称作流体的是血液。泵壳2可以由两部分构成，壳体形式的前部3和壳盖形式的后部4，二者之间例如在图1中的5处平滑连接。泵1有一轴向入口6和一切向出口7。旋转部分或叶轮100具有非常简单的形式，它仅包括叶片8和叶片支件9，叶片支件9用以支撑相对固定的那些叶轮片。叶轮片可以是如图2中所示弯曲样的，或者是直的。在这种情况下，它们可以是径向的，也可以是倾斜的，即与半径成一角度。下文将把该旋转部分100称为叶轮100，但它也可以用作一承受部件和用作一电机结构的转子，这将在以下进一步描述，在其附近用一电磁装置把一转矩施加给叶轮100。应指出的是，叶轮没有轴，并且流体从其轴RR的区域进入叶轮。一些流体经过支件9的前面，一些流体经过其后面，从而与仅仅在前侧为开式的传统开式离心泵相比，可以将泵1视为双侧开式。当工作在1500rpm～4000rpm范围内的速度时，适用于泵1作为一心室辅助仪器运行而建立的大致尺寸为：外叶轮片直径40mm，外泵壳平均直径60mm，泵壳轴向长度40mm。

随着叶片8在泵壳内运动，一些流体流过叶轮片边缘101于泵壳正面10和泵壳背面11之间的缝隙，图1和3中更夸大了这些缝隙。在所有开式离心泵中，将缝隙做得很小，因为这种泄漏流动降低了泵的液动效率。在本实施例公开的泵中，将缝隙做得比传统缝隙稍小，以便可以利用泄漏流动以建立液动轴承。为了有充分在流体动力，必需也如图3A和3B所示使叶轮片逐渐变细，以使缝隙104在叶片8的前缘102处比在后缘103处大。如Reynold的润滑理论(例如见VanNostrand，1968年N.Curle和H.J.Davies所著的“Modem FluidDynamics，Vol.1 Incompressible Flow”)中所述的那样，流过该缝隙的流体105因而经受了一个楔形约束，产生一股推力。对于长度上相当薄的叶轮片该推力与叶轮片承受面厚度的平方成正比，因而厚叶轮片较好，因为如果叶轮片所占的泵腔比是常数，那么净推力将与叶轮片数成反比。可以如图3C所示将叶轮片承受面延伸成为薄叶轮片的尾部，以便增大与各壁相邻的叶轮片面积。

在一个特定形式中，尾部与相邻的叶轮片连接，形成一个完全的护罩，其中有楔形物或锥形物。护罩设计方案的一个实例以及关于叶轮片结构的其它变化将在本说明书中的以后部分进行描述。

为了制造简单起见，泵壳正面10可以制成圆锥形，周角为45度以便提供轴向和径向的流体动力。其它能够实现该泵功能性需求的角也可用，这些需求包括对轴向和径向流体动力的需求。

也可以设置其它弯曲的表面，轴向和径向流体动力可以由于叶轮片相对于泵壳表面的旋转而产生。

泵壳背面11可以包括大致为圆锥形的伸出部分12，伸出部分12指向泵腔106内，以消除背面壳体轴上滞流点的影响或使其最小。

另一方面，伸出部分12可以象一个叶轮入口以使流动混合。

在一可替代形式中，伸出部分12可被省掉以便制造。

在该优选实施例中，为制造简单和流动轴向RR保持一致起见，在承受表面上即叶轮片边缘之下将泵壳背面11制成平直的。对于这种情况，允许泵壳2的前部3与后部4的轴之间关于对准有一松驰公差。另一种方案是使背面11在承受表面处成圆锥形，沿与正面10相反的方向逐渐变细，以便来自背面的流体动力也具有径向分量。那么会需要关于轴对准的紧密公差，某些流动不得不在其轴向上遭受逆向。

承受表面有多种轮廓形状可产生楔形约束。在本优选实施例中，所去除的材料量沿叶轮片的本体和后缘之间成线性或近似线性变化。其它的逐渐变细形状可以包括带圆弧的前缘缘或在叶轮片承受面上的台阶，不过该台阶的拐角会表现出一滞止线造成血栓形成的危险。

对于一给定的最小缝隙来说，在叶轮片后缘处，如果前缘处的缝隙是后缘处缝隙的几乎两倍。那么流体动力最大。这样，一旦叶轮片向该边缘移动，就应当把等于前缘缝隙减去后缘缝隙值的递减部分选择成与一标称最小缝隙相匹配。已发现能给出适当推力的尺寸为：对于0.05mm左右的标称最小缝隙来说，有0.05mm左右的递减部分，4个叶轮片的平均圆周叶轮片承受面厚度为6mm左右。对于正面来说，在垂直于轴的平面内测量递减部分。那么，任何位置处于正面与背面之间的泵壳轴向长度在其与泵壳共轴时应制成比叶轮片轴向长度大出约0.2mm，以合最小缝隙在叶轮100位于泵壳2中央时在轴向上都约为0.1mm。那么，例如，如果叶轮在轴向上偏移0.05mm，则最小缝隙在一个面上为0.05mm，而在另一个面上为0.15mm。推力随缝隙的减小而增大，并且会在从0.05mm缝隙出来时比从0.15mm缝隙出来时大得多，对于以上尺寸来说，大约有14倍之大。这样，在远离更小缝隙的地方有一个净复原力。

类似地，对于叶轮的径向偏移来说，来自圆锥形泵壳正面上更小缝隙的推力径向分量会提供必需的复原径向力。该力的轴向分量及其在叶轮上的转矩会受到来自泵壳背面的轴向力和转矩的平衡，这样，叶轮也必需沿轴向偏移并且使其轴倾斜不再与泵壳轴相平行。因而，随着人的移动和泵受到外力加速，叶轮将连续移动其位置和对准位置，以叶轮100上的合力与转矩匹配惯量的需求的方式改变缝隙。但是，这些缝隙如此小，以致于液动效率的变化很小，叶轮片的抽吸动作近似与叶轮位于中央位置时的动作。

尽管更小的缝隙暗指有更大的液动效率和更大的轴承推力，不过更小的缝隙也需要更紧密的制造公差，增大了叶轮上的摩擦阻力，并且使流体有更大的剪切应力。再考虑到这些方面，对于0.05mm以上的递减部分和缝隙来说，需要±0.005mm左右的公差，这会造成某些成本的损失，但是可以实现。紧密公差很难做到，尤其是如果泵壳由可与血液接触的塑料如丙烯酸聚氨酯制成，那么就会出现温度引起的尺寸变化并且塑料可能吸收流体。以上缝隙的摩擦阻力可产生比普通电机转矩更小的转矩。最后，为了估算剪切应力，设转速为3000rpm，典型半径为15mm，此时的叶轮片速度为4.7ms^-1，0.075mm的平均缝隙的平均剪切速度为6.2×10⁴s^-1。对于动态粘度3.5×10^-3kgm^-1s^-1的血液来说，平均剪切应力为220Nm^-2。业已发现，具有闭式叶轮片的其它典型离心血泵稍大的缝隙如0.15mm对于血球溶解来说是可以接受的。本发明开式叶轮片的主要优点是，不通过叶轮片边缘缝隙的流体成分将在该缝隙中驻留极短的时间，为2×10^-3s左右，这种流体成分将很可能扫过该泵而不经过另一个叶轮片承受面。

参阅图3A和3B，叶轮8相对于上、下壳体表面10、11进行工作运动时的工作缝隙在顶部和底部约为100微米。在使用时重力和其他力会偏移叶轮8使它更靠近壳体的一个壁，以致典型地造成在一个界面上的缝隙约为50微米，而在另一个界面上的缝隙相应地增大到约为150微米。在使用时，类似的实际最大缝隙范围为从300微米到1微米。

对一个以2200rpm的转速旋转的质量为25克的转子，典型的复原力在20微米缝隙时为1.96牛顿，而在80微米缝隙时降为0.1微米。

为了使流体动力轴承所需的净力最小，应当使来自总流体流的叶轮上轴向和径向净流体动力最小，这里“总”意为不同于来自轴承推力表面。

叶轮上的径向力很大程度上取决于蜗壳13输出流量收集器的形状。应当将该形状设计成使泵速理想范围内径向叶轮力最小，而不会过分降低泵效率。最佳的形状要在“分水角”与出口之间有一大约为螺旋形的周边。也可以通过在蜗壳13中引入内分来减小径向力，从而产生第二输出流量收集器通道，其舌片与第一通道的舌片近乎完全相反。

在具有一同心蜗壳13的图2中示出了叶轮100相对壳体2的指示平面图。

图17示出另一蜗壳结构，该结构包括蜗壳隔板107所建立的一个分离蜗壳，蜗壳隔板107使得壳体2第一半球中的蜗壳108在整个第二半球上分离为第一半蜗壳109和第二半蜗壳110。这些半球的界限分别限定在壳体2穿过或接近出口7退出点111的直径的每一侧。

在其他形式下，可以采用同心蜗壳，尤其是特定速度较低的情况下。

在另一种特定形式下，无叶片式扩散器还可以减小径向力。

关于总轴向流体动力轴向力，如果将叶片截面制成沿相关轴远离圆锥前缘的轴向方向上是均匀的，那么作用于叶片表面(除承受表面之外)上的压力将没有轴向分量。这还简化了叶片的制造。然后，必须将叶片支件9的形状制成使叶轮上的轴向推力最小并且使对各速度范围内流量的干扰最小，同时保持充分的强度以防止叶片相对运动。影响轴向力的关键设计参数是该支件的锥角。图1中将该支件画成具有与叶片相同的内径，这有助于制造。但是，可以将该支件制成具有比叶片大或小的内径。在使用非轴对称“支件”时这可能是有利的，非对称“支件”例如是一叶片尾部表面上的半径大于下一叶片开始表面上的半径。如果将这些叶片制成具有不均匀截面以提高液动效率，那么作用在它们上面的任何总流体动力轴向力都可以通过以下方式来平衡，即，使该支件成形以产生作用在其上的总流体动力轴向反力。

或者用小心制造斜度的方法来达到轴向推力。

必需用计算流体动力学小心设计整个泵，以确定叶片8、蜗壳13、支件9和壳体2的最佳形状，以便使液动效率最大，同时保持总流体动力、剪切应力和驻留时间较低。应当使叶片与支件之间的所有边缘和接点都很平滑。

在本发明优选实施例的叶轮100上提供驱动转矩的手段是，把永久磁铁14封装在叶轮100的叶片8中，并且用一来自绕组15和16中振荡电流的旋转磁场驱动它们，它们相对壳体2固定。应当用高顽磁磁铁如烧结稀土磁铁来使电机效率最高。这些磁铁能按轴向排列但将磁化方向倾斜到与入口轴线成约15°到30°的角度可得到较大的电机效率，对于一个锥角为45°的泵体，22.5°的倾斜是合适的。磁化方向必须使相邻叶片的极性相反，因此须有偶数个叶片。由于最好用少数叶片来实现承受力，而且由于两个叶片不会具有足够的支撑刚度以绕穿过叶片且垂直于泵壳的轴旋转(除非将叶片做的非常弯曲)，所以推荐采用四个叶片。更多数量的叶片如6或8个也可以工作。

将磁铁14置于叶片8内的一些可能的选择方案示于图4中。示于图4A中的最优选择方案用于要用与适合生物外壳分开的磁材料制成的叶片，或者有涂层以防止流体腐蚀磁铁并且防止(可能有毒的)磁材料进入血流中。涂层还应当特别在叶片拐角处充分耐用，用以经受启动过程中或者轴承不经意着落过程中的摩擦。

在一个特定形式中，泵壳2的内壁还涂有一种适合生物且耐磨的材料如氮化钛，以使接触表面两侧上的磨损最小。

可接受的涂层厚度约为1微米。

在一种实施形式下，可以将磁材料罐装于钛或聚合物壳体内，然后再将钛或聚合物壳体涂敷一层生物相容且坚韧的材料，如氮化钛。

适当的叶轮制造方法是，模压整个叶轮、叶片和支件，使它成为单独一个轴向排列的磁铁。如果采用近似轴向均匀的叶片(具有如图3C所示悬垂物的叶片除外)，那么模压极为简化。在模压期间，压碎的稀土颗粒必须排列于一轴向磁场中。具有平行排列方向的模压法对于稀土磁铁来说更便宜，不过它生产出剩磁稍少的磁铁。模压中的公差很差，必需磨光带梢度的叶片表面。然后，例如可以通过物理气相淀积氮化钛涂敷磁叶轮，或者通过化学气相淀积聚四氟乙烯涂层涂敷磁叶轮。

最后，为了建立交替变化的叶片极性，必须将叶片置于一个特定脉动磁化固定物中，有一单独的线圈围绕每一个叶片。支件在叶片附近受到一些磁化作用，其影响可忽略不计。

其它的磁铁位置示于图4B和4C中，这些图中，四边形或圆形截面的磁铁14插入各叶片中。然后，需要密封插口上叶片承受面并且使其平滑，以使梢度复原。

泵中所有的边缘都应当成圆角，并且各个表面应当平滑以避免对血液成形的成分造成可能的破坏。

优选实施例的绕组15和16是无槽绕组或者气隙绕组，与叶轮一样具有相同的极数，即该优选实施例中有四个磁极。前绕组的圆锥形铁磁磁轭17和后绕组的环形铁磁磁轭18可以置于这些绕组的外部，以增大磁通密度，由此提高电机效率。应当为最大的电机效率设计绕组厚度，它们的轴向厚度总和稍小于磁铁轴向长度，但是可以与其相匹敌。这些磁轭可以由固态铁磁材料如铁制成。为了降低“铁”耗，磁轭17可以例如通过层叠或螺旋式绕制细条或由铁/环氧化合物粉末制成，另一方面，以降低铁耗。应当如此放置磁轭，即，当其被放置在壳体中央时，叶轮上的净轴向磁力为零。该磁力是不稳定的，它随叶轮远离中央位置的轴向位移线性增大，其梯度称为磁力的负稳定性。该不稳定的磁力必须由流体动力轴承抵消，因此，应当将刚度做得尽可能小。选择磁轭厚度以使磁通密度处于饱和水平，这种选择可以减小刚度并且使质量最小。另一种方案没有铁磁磁轭。可完全消除不稳定的磁力，但是这种设计的效率会更低，并且近泵地带中的磁通密度可能会违反安全标准，并且引起某些组织升温。总之，对于有磁轭存在的无槽绕组来说，刚度很小也可以接受。另一种方案是，把绕组插入层叠铁定子中的槽中，这会提高电机效率，能够使用磁性较小的材料，可能会使叶轮片较轻。但是，对于这种有槽电机来说，不稳定的磁力会很大。而且，为产生所需的承受力需要有厚大叶片和存放较大磁铁的空间，因此在优选实施例中选择无槽绕组。

除了确定磁轭位置使叶轮在中央位置具有零磁性轴向力以外，也可能在叶轮上提供一个偏置的磁性轴向力来抵消其他力如平均的总流体动力的轴向力。具体地说，由于在锥体内保证有一个净轴向力，因此在盖表面上的推力轴承可成为多余。但这种偏置需要有较大的平均推力、较小的缝隙和增加的血液损害。因此推荐的目标是当叶轮定位在中央时，作用在其上的磁性的和总流体动力的轴向力都应为零。

只用流体动力悬浮的总体设计要求需要控制外力的平衡使流体动力的推力的相对数量足够克服外力。典型的外力包括重力和由于电机驱动而发生的净磁性力。

绕组的布局和相位的数目可有多种选择。图5A画出从入口轴看去的体绕组15的较好布局。

盖绕组16看上去与此相似，只是线圈不必躲开入口管，因此形状更象三角形。体绕组具有比较复杂的三维形状，并且在泵体支承部的端头具有弯头。每个绕组有三个线圈。每个线圈由多匝绝缘导线如铜线构成，匝数被选择得与所需电压相称。当线圈在位时线圈边的中线在中心轴线上所张开的角度约为50°-100°。泵体和泵盖的线圈在轴向上对齐并且轴向上相邻的线圈用并联或串联被连接在一起从而构成三相绕组中的一相。在并联时每一个线圈和泵体绕组都有一中性点连接如图5A所示，而在串联时只有其中一个绕组具有一个中性点。

另一个三相绕组布局如图5B所示，每一个泵体和泵盖绕组的每一相都使用四个线圈，每一个线圈都卷绕在磁轭上，这种布局被称为“Gramm环”绕组。

还有另一种三相绕组的布局，如图5C所示，每一泵体绕组和泵盖绕组的每一相都使用两个线圈，并将这些线圈边用方位端绕组法连接起来，这是一种标准的电机绕组实务。所示线圈被倾斜到差不多接近叶片的曲率，这样能提高电机的效率，特别适用于下面要说明的相位供电策略，其中每一次只对一个相位激励。绕组构造时可以通过把线圈绕在一临时线圈架上伸出的栓上而得到简化。图5C中，把这些栓示为每六个栓成两个环的点。依这些线圈放置的位置按字母顺序标记它们。线圈a和d对应于相位A，线圈b和c对应于相位B，线圈c和f对应于相位C.代替或连同这些栓，线圈位置可以由细而弯曲的翼片限定，这些翼圈沿线圈之间的边界接在图5C中的栓之间。图5C中所示的线圈连接适用于与包括在内的其他绕组上中性点出来的任意导线串联时最接近电机终端的绕组。

图5B和C中所示的绕组布局能得到较高的电机效率，但只适用于线圈质量相当高的场合。由于图5A比较紧凑，并且制造起来较简单，因此可作为较优的选择。隔在图5A中线圈之间的肋条可被用来加固壳体。

在一合适的生物相容电缆内的多股柔性的导体可被用来电机绕组连接到电机控制器上。三个相位的激励可用标准的无传感器控制器来完成，其中三相电桥中六个半导体开关中的两个开关在任一时间都接通。另一方面，由于磁铁所占据叶轮截面的部分较小，所以可以稍微更有效地每次只激励三相中的一相，并且通过一根导线把电流从中性点返回到电机内。必须特别注意的是，确保所有导线和连接的总体是安全无故障的。

在该优选实施例中，两个壳体部件3和4是通过注射模塑由非导电塑料制成的，这些塑料例如是Lexan聚碳酸酯塑料或陶瓷。在进行模塑的过程中把绕组和磁轭封装在壳体内。这样，使绕组与磁铁之间的分隔最小，提高了电机效率，并且壳体厚，增大了它的机械刚度。另一方面，可以将绕组放置在壳体外部，为达到充分的刚度，厚度至少在2mm左右。

如果壳体材料塑料是吸湿的，或者如果绕组在壳体外部，那么可能必需首先把绕组和磁轭封装在一个极薄的不透水外壳内。理想的情况是，该外壳应当是非导电材料(如陶瓷或塑料)，不过0.1mm-0.2mm左右厚度的钛能实现足够低的涡流损耗。需要封装在这样一个外壳内来防止绕组移动。

另一方面，在一特优实施例中，壳体部件3和4可由低导电的生物相容金属材料如Ti-bAl-4γ制成。为了减少涡流损失，该材料在经受高交变磁通密度时，如在线圈与壳体内表面10和11之间，必须尽可能地薄，例如0.1mm到0.5mm。

在该优选实施例中，把电机和轴承部件结合起来置入叶轮中实现了几个关键性的优点。转子因此而具有非常简单的形状，仅有的费用是轴承的紧密制造公差。转子质量很小，使得克服重量的轴承力最小。而且，对于与转子在同一区域中的轴承和电机来说，轴承力比它们必须提供一转矩以支撑转子末端的磁铁时的轴承力要小。

把各功能结合在叶轮中的缺点是，其设计方案有一耦合问题。优选应当在理论上将流体动力学、磁学和轴承推力计算联系起来。实际上，首先可以将叶片厚度尺寸大致定为能够实现安全限度下足够的电机效率和充分的轴承力。幸运的是，对这两个要求大致平均圆周厚度为6mm的四个叶片都能满足。然后，可以用计算流体动力学来设计壳体、叶片和支件形状，同时保持以上的最小平均叶片厚度。最后，可以针对最大电机效率优化电机定子，即，绕组和磁轭。

图6示出作为一个轴流泵的本发明另一个实施例。该泵壳由两部分制成，即下面部分19和背面部分20，它们例如在21处接合。此泵有一轴向入口22和轴向出口23。叶轮仅包括安装在一支柱25上的叶片24，支柱25每一端的半径减小。该实施例的一个重要特征是，叶片承受表面逐渐变小，从而产生悬浮叶轮的液动力。这些力可以用来从壳体的直面部分26单独径向悬浮，和某些其它手段用来轴向悬浮，例如稳定的轴向磁力或者传统斜面型流体动力止推轴承。图6提出了一个设计方案，该方案采用了带斜度的叶片支承表面，从而也提供一个轴向流体动力轴承。在壳体端部制成减小的半径，形成正面27和背面28，由此轴向推力可以轴向悬浮电机。磁铁嵌在各叶片中，各叶片具有交替不同的极性，建议用四个叶片。支柱25外半径中的铁可以用来增大磁通密度。另一方面，磁铁可以装在支柱中，而铁可以用于叶片中。建议采用无槽螺旋绕组29，向外弯曲的端绕组30在其一端以便能插入叶轮，向内弯曲的绕组31在其另一端以便能将该绕组插入圆柱形磁轭32中。该绕组可封装在壳体背面部分20内。

                   第三实施例

参见图7至15，它们示出泵机组200的另一个优选实施例。

首先具体参见图7，该泵机组200包括一壳体201，壳体201适于用螺栓连接到外壳盖202上，并且便于在其中形成一个离心泵腔203。

腔203内装有一叶轮204，叶轮204适于将磁铁205纳入腔206中，这些腔206形成于叶片207中。如同第一实施例，叶片207由一支件208支撑。

在腔203外部形成部分泵机组200的地方，有一泵体绕组209，该绕组209对称安装在入口210周围并且装在壳体201与泵体磁轭211之间。

安装在泵腔203外部并且形成部分泵机组200的另外部分是外壳绕组212，外壳绕组212位于绕组腔213内，绕组腔213又位于外壳盖202内并由外壳磁轭214关闭。

绕组212和209由图12中的电子控制器供电。如同第一实施例，将这些绕组布置成接收三相供电，以便于在腔203内建立一旋转磁场，该磁场将一转矩作用于叶轮204内的磁铁205上，从而推动叶轮204基本上绕腔203的中心轴TT旋转，并且与入口210的纵轴在一直线上。使叶轮204旋转以便推动蜗壳215周围的流体(这种情况下是血液)并使它通过出口216。

该机组以螺钉217所表示的方式被螺钉连接在一起。磁轭211、214由紧固件218固定在适当位置。另一方面，可以提供压配合，保持足够的密封完整性。

在一特优的实施形式中部件被焊接在一起。

图8示出本实施例的叶轮204，它清楚地示出从其上伸出叶片207的支件208。清楚可见的是，使用时，轴向腔219设置成与入口210的纵轴对齐，通过该轴向腔219接收血液用以由叶片207推动。

图9的剖面图示出轴向腔219和磁铁腔206，磁铁腔206位于每个叶片207内。图中还示出优选的锥形支承结构220，该锥形支承结构220从壳盖202中伸出，与入口210的轴和叶轮204的轴向腔219对齐。

图10是叶轮204的侧视图，它限定中心轴FF、顶部斜面DD和底部斜面BB的取向，这些斜面以侧视图示于图11中。

图11A是如图10定义的穿过平面DD所取的叶轮204叶片207的断面，该图示出从前缘223至后缘224的顶部边缘表面221的轮廓：中央部分227包括长半轴半径为113mm而短半轴半径为80mm的椭圆，然后如图11A所示，该椭圆两侧接前锥面225和后锥面226。前锥面225具有比后锥面小0.05mm的半径。这个规定是为一个能由磨轮完成的锥度规定的，但也可另外规定以便得出具有类似效能的锥度。

如图所示将前缘223倒成圆角。

图11B以断面形式示出沿图10的平面BB所截叶片207的底部边缘面222。

该底部面222包括用来将磁铁205密封在腔206中的帽228。

这种情况下，基本上整个面都包括一直斜边，其在前缘229处的半径为0.05mm，在后缘230处的半径为0.25mm。

叶片207除去两端圆角半径的宽度为6mm。

图12为电控制器的方框图，该电控制器适于驱动泵机组200，该图还包括三相换向控制器232，该换向控制器232适于驱动泵机组的绕组209、212。换向控制器232参照设定点速度输入值233确定用来驱动绕组的有关相位和频率值，输入值233得自生理控制器234，生理控制器234又接收控制输入值235、患者血流236和静脉氧饱和量237，控制输入值235包括电机电流输入值和电机速度(它们得自换向控制器232)。泵压的血流能大致从电机的转速和电流通过与曲线配合的公式测得。

图13是泵机组200压强与流速的曲线，其中对于1500RPM～2500RPM范围内的叶轮转速来说，抽取的流体是18％的甘油。申请人相信，18％的甘油液体对于某些情况下的血液来说是一种良好的同功异质体。

图14用曲线表示出在如图13所示相同速度范围内相同流体的泵效率与流速的关系。

图15是如图13所示相同速度范围内相同流体的电功耗与流速的关系曲线。

贯穿至此所述的第一、第二和第三实施例的共同主题是具有一斜面或其它变形表面的叶轮内所包含的内容，使用时，该斜面或变形表面相对于相邻壳体壁移动，由此产生关于斜面或变形面运动直线的约束，从而产生作用于叶轮上的推力，该推力包括基本上垂直于该表面运动直线并且垂直于相邻泵内壁的分量泵内壁，对位于其间的流体形成约束。

为了提供径向和轴向方向上的控制，至少一组表面必须与叶轮的纵轴成一夹角(最好约为45°夹角)，由此产生或分解成相对的多个径向力和一轴向力，该轴向力可以被位于叶轮别处的至少一个其它斜表面或变形表面所产生的相应轴向力平衡。

在至此所述的形式下，叶片8、207的顶部表面与叶轮100、204的纵轴成大约45°夹角，这些顶部表面还被设置得可相对于一类似成角的锥形泵壳的内壁旋转。使这些顶部表面变形，以便在叶片顶部表面与锥形泵壳之间的缝隙中建立必需的约束，从而产生一推力，该推力分解成轴向和径向分量。

在至此所述的实例中，叶片8、207的底部表面包括基本上位于与叶轮旋转轴成直角的平面内的表面，这些表面的变形限定了相对于泵壳内部下面的一个缝隙，在该内部下面上基本上仅产生一个轴向推力。

根据这些原理，其它能提供必需的平衡径向力和轴向力的方案也可采用。这些方案可以包括一种对顶锥结构，其中叶片的锥形顶部表面反射为一相应的锥形底部表面。该方案的唯一关心的是泵增大的深度，这对于使尺寸最小是一重要标准的体内应用方案来说可能是一个问题。

                        第四实施例

参见图18，图中示出本发明的另一个实施例，它包括形成“沟槽”泵部分的叶轮300平面图。在该实施例中，叶片301较第三实施例的叶片207更宽，其程度使它们几乎为扇形，由此相邻叶片301之间的流动缝隙取沟槽302的形式，所有沟槽都与轴向腔303连通。

图19中示出该方案的另一个修改实施例，其中叶轮304包括扇形叶片305，扇形叶片305具有前部和后部306、307，它们分别形成具有凹槽形出口部分309的沟槽308。

如第一实施例和第二实施例一样，径向和轴向流体动力由叶片301、305(图18和19中未示)顶面和底面的适当轮廓产生。

图20为仿效图18和19叶轮布置的叶轮304的透视图，图中相同的部件如图19那样标号。在本例中，四个叶片305在其中部被形式为圆锥形轮缘350的叶片支件连接在一起，叶片并具有面部被这样成形使它在压力面351上具有比抽吸面更大的曲率。

                    第五实施例

按照本发明的泵机组的第五实施例具有一个叶轮410如图21所示。该图在概念上是将以前实施例中叶片的上表面和下表面用顶部护罩411和底部护罩412互相连接起来。在该实施例中，叶片413可以减小到一个非常小的宽度，正如前面实施例中它们的表面所赋予的流体动力学性状现在是由护罩411、412和轮廓实现那样，在这种情况下，护罩411、412包括一连串边缘光滑的楔形物414，一个楔形物的前表面直接与下一个前楔形物的后缘互连。

如同以前的实施例，顶部护罩411整个为圆锥形，由此施加径向和轴向推力，而底部护罩412基本上是平坦的，由此基本上仅仅施加轴向推力。

应该知道，虽然图21的实例所示护罩411的表面与垂直方向大致成45°角，但其他倾斜度包括与垂直方向成0°角也是可能的。那就是说，叶轮410可采用圆柱形状而在表面成波状或其他变形以便在使用时得到必要的流体动力升力。

参阅图22到24，其中示出图21所体现概念的特例，相同的部件采用如图21的标号。

从图24可看到，叶片413比以前的实施例薄，在这情况下，叶片间可有弧形沟道416，使液流可从叶轮的中心容积417连通到周边418。

在这配置中应该注意到，在每一护罩上的斜楔414都被沟槽419互相隔开。这些沟槽沿径向从中心容积417延伸到周边护罩418。

在这种采用薄叶片的设计中，驱动转矩所需的磁铁可被包含在顶部护罩或底部护罩或两者内，连同任选的软磁轭可增加电机效率。

本实施例的变型为在壳体的内表面内切出斜楔轮廓，使护罩表面外观光谱。

                  第六实施例

与图3A、3B和3C所示实施例可对比的配置在图25中示出，其中“变形表面”为在泵壳(未示出)内壁部分上形成的具有阶梯的面。在这情况下，转子的叶片511包括一个平的工作表面(其内并不具有变形表面)适于在箭头所示方向对阶梯面510作相对运动，从而在其间产生流体动力推力。

                      第七实施例

参阅图26，其中示出的配置具有面对面的变形表面。转子叶片610在其工作面上包括一个变形表面612。在本例中变形为圆弧边613。转子叶片610在箭头的方向上对形成泵壳体(未示出)部分的变形迎对表面611的相对运动会在其间造成相对的流体动力推力。

以上说明本发明的原理和实例。对本行业的行家来说，显然在不离开本发明的范围和创意的情况下，就能作出各种修改。

                    操作原理

参阅图27，下面将说明如何使用流体动力的力量来使叶轮600在泵壳601内悬浮。在本说明书中，叶轮600的悬浮主要地，也就是说，由流体动力和力独自完成的。

流体动力的力是在两个表面之间的缝隙内存在着流体时由两个表面的相对运动造成的。在使用泵机组602作为旋转血泵时所用流体为血液。

即使两个表面基本上完全互相平行即没有变形，这两个表面的相对运动也能造成流体动力。但在本说明书中，通过相对运动造成流体动力的两个表面至少有一个表面为“变形表面”。

在本说明书中“变形表面”意为包括一个不规则部分的该表面相对于它所面对的另一表面，当该表面按照预定方向相对于它所面对的另一表面运动时，在两个表面之间缝隙内的流体沿着运动路线在两个表面之间的相对距离上会经历一场变化，从而在两个表面之间造成一个流体动力，其形式为一推力，包括至少一个基本上垂直于缝隙平面的分量，而该缝隙是在两个面对面的表面之间在任何一个给定点上形成的。

在图27的例子中，在叶轮600的至少一部分第一面604上形成第一变形表面603并在第二面606上设有第二变形表面605。

图27中的镶片在概念上示出第一变形表面603如何可只在第一面604的一部分上形成。

第一变形表面603面对泵壳601的第一内表面607，而第二变形表面605面对泵壳601的第二内表面608。

在使用时，分别在第一变形表面603和第一内表面607及第二变形表面605和第二内表面608之间形成的缝隙609、610均有血液那样的流体存在其间。

在使用时使叶轮600环绕叶轮轴611旋转，这样便发生分别越过第一缝隙609和第二缝隙610的相对运动。第一和第二变形表面603、605的变形对其相对于内表面607、608的运动路线这样取向，使在缝隙609、610内的流体经历一场缝隙高度的变化，该变化为一时间函数，其变率取决于变形表面内变形的形状以及叶轮600相对于壳体601的转速。那就是说，在任一内表面607或608的任一给定点上，由于变形表面603或605在内表面上的通过，在内表面607或608和相应的变形表面603或605之间的缝隙高度将随时间而变。

形式为与各该变形表面603、605相对于内表面607、6。8的相对运动路线垂直的推力的流体动力的力就这样产生。

采用这种形状设计应该注意到第一缝隙609基本上位在一单独平面上，而第二缝隙609的形式为一支承且与第一缝隙609的平面成一锐角。

因此能被第一缝隙609和第二缝隙610利用的推力基本上垂直于并分布在第一变形表面603的平直的平面上并垂直于第二变形表面605的基本上为圆锥形的表面上，这样便可将复原力施加在叶轮600和泵壳601之间，从而可抗拒那些在空间内力求使叶轮600相对于泵壳601移动和使叶轮600相对于泵壳601环绕任何轴线(除去环绕叶轮轴线611之外)转动的外力。这个配置在受到来自其他来源的干扰力时能够基本上抗拒叶轮600对壳体601的五个自由度的运动而可显著不需外部干预地控制叶轮相对于壳体的位置，最值得注意的是当叶轮占有合适的平衡位置时，由于它被用作电机的转子，作用在其上的磁力净值为零。操作磁源和其他外部来源可以调节使作用在转子上的所有力取得平衡，从而使转子显著地由流体动力来支承。

将可观察到这些流体动力的力随着缝隙609、610的变窄而增大，并随着缝隙609、610的增大而减小，因此能够在一为缝隙609、610限定的平衡的缝隙间距下，在一规定的转子环绕轴线611的转速和转子质量下，在一十分接近无条件稳定的环境下，及在一定范围的干扰力下，设计一个叶轮600在泵壳601内的平衡位置。

在这情况下叶轮可有效地只是由流体动力推力来悬浮。

上面结合实施例说明的配置的特性和优点包括：

1.低的运行速率，因此在壳体和叶轮之间的缝隙内可得到低的溶血和受控制的流体动力学(特别是剪切应力)。这又可导致选用径向的流走和用最小的入射角流到转子上；

2.能够选用沿径向或接近径向从叶轮上流走，以产生平的泵压特性(HQ)曲线。

                    控制系统—详细说明

本发明的实施例涉及一种适用的但并非专用的不接触的估计和控制系统，连同图28所示形式的血泵系统。

在本例中估计和控制系统10是接收并根据来自泵机组11的传感器反馈而工作的。泵机组11适于植入到人体内并被布置平行操作越过至少一部分心脏13，这样即使不能完全承担心脏13的泵压功能至少可协助工作。

泵机组11包括一个具有叶片15的叶轮14，该叶片当被在一个或多个线圈16、17内产生的磁场驱使旋转时，产生一个越过泵机组11的压力头H并引起一股血流Q在其间通过。在本例中，叶轮14既是一个径向泵叶轮，并且由于在至少部分叶轮14内含有磁铁(未示出)，还被用作电机18的转子。

监控装置19适于通过感知线35感知在一个或多个线圈16、17中出现的电流，连同所监控的从换向控制器(该器将电流引入到一个或多个相同的线圈16、17内)导出的电压，由此两项即可导出电机18所耗用的功率输入(P_in)和电机/叶轮14的实际转速(n_a)。

监控装置19利用方程式1.1(在图28内)便可计算出流量Q(及/或压头H)的估计值以便用来输入到微处理器20内。微处理器20接受这些估计值，并且连同其他所需的设定点和预定值计算出所需设定的电机转速，该值由换向控制器32通过线路33接受。换向控制器32于是将电流引入到一个或多个线圈16、17内，为的是使叶轮按照该设定(所需)转速旋转。

图20较详细地示出在例1(在下面)中所使用的叶轮14。

图13示出用图20的叶轮对多个不同的电机功率(P_in)所得到的压头对流量的特性曲线。图29示出监控装置19为例1(在下面)按照方程式1.1使用的特性曲线。例1

流量和压力差(或压头)是控制植入旋转血泵的关键变量。但使用侵害性的流量及/或压力探针能减少可靠性并增加系统的功率消耗和费用。对于给定的流体粘度，流动状态可由下列四个泵变量中的任何两个确定：流量、压力差、速率和电磁转矩(除了溶液可能发生不均一的情况外)。不用转矩时可以使用电机的电流或输入功率。这样如果粘度已知或者其影响足够小，流量和压力差就能从电机转速和输入功率估计出来，而这后两者可在电机输入导线上通过对电流和电压的测量予以确定。

前面说明的实施例的离心血泵使用的流体动力轴承能被构造得使粘度的变化足够小，这样便可使用从线圈16、17导出的信号作关于流量和压力差的估计。

在本例中我们设立了一个流动环路，该环路由泵和2.4m和3/8″的管路构成，给出一个净流体体积为177ml。

充有流体的管路被沉入到一个具有可控加热器的水浴槽内。在管路上装有温度传感器以便提供流体温度的可见反馈。在泵的输入管嘴和输出管嘴上均制有压力旋塞被连接到具有数字显示的差分压力传感器上以便测量越过泵的压力。跨音速流动探针和仪表被用来测量流量，而输入功率(电机供应的电压和电流)则通过供电的数字控制板仪表被监控，调节管夹来改变压力并用合适的电路调节来改变电机转速。

进行两次试验，第一次用5％盐水，第二次用红血球悬浮液，血细胞比容(Hct)为32％。在两次试验中，循环流体都被加热到37℃。挑选5％盐水因为其粘度与23℃水的粘度相仿。

对这两种流体都测量流量、压力头、泵速和输入电功率四个项目。

将盐水和血液的数据结合并关联在一张表面图上，说明两者的流量都是电机转速和输入功率的函数如图29所示。

将这张图进行曲线拟合，可以得到方程式Q＝20.29+4.73ln(Pin)-0.55N(n)，其中Q为流量以l/min计，Pin为电机的输入电功率以瓦计，n为电机转速以rpm计。就结合的数据而言，用这式来预测最大的误差为4％。越过泵的压力头可用下列关系表述，ΔP＝-13.68-6.59ln(Pin)+2.18e^-5(n)²具有相同的准确度。迄今为止曾用两种不同设计的转子按这种方式进行试验都可得出具有相似准确度的曲线拟合，曲线的形式为Q＝a+b.ln(Pin)+c.√(n)和ΔP＝a+bln(Pin)+c.(n)²。

盐水的粘度约为1mPa·S(毫帕秒)。血液(Hct＝32％)的粘度在泵的剪切率给定大于100S^-1时近乎3mPa·S。血液粘度在所述剪切率大于100S^-1的生理范围内约从2.4变化到4.5mPa·S。粘度从1变化到3mPa·S时在流量的预测上可以产生的最大误差为4％。

图1-6的泵具有这样的特性即根据电机输入功率和转速来预测流量的模型不大受粘度变化的影响。这一点启示泵能以可接受的准确度来确定流量而可无需使用另外的流量传感器。

在给定的粘度变化下所以能以低误差来预测的理由假定如下：首先，该泵的“平直的”H-Q曲线给出对给定的流量，压力头只有很小的变化。其次是由于流体动力轴承的性质。虽然该泵具有较高的圆盘摩擦力，这种摩擦力会对粘度变化极其敏感，但转子在这情况下保持其能量的方法是根据流体的粘度在自由空间内重新定位。第三，尺寸关系，在该尺寸下，表面粗糙度比较小而转速较高的泵小。第四，由于选用较长的时间常数，允许转速在设定点周围变化。

图30示出例1使用的泵机组11的剖面图。

图31示出结合例1使用的线圈和磁铁配置的剖面图。

参阅图20、30和31，铁磁轭被放置在线圈的外侧以增加磁通密度从而提高电机效率，同时减少杂散磁场进入泵体。磁轭被这样定位使当叶轮位在壳体内腔中央时在叶轮上的轴向磁力为零。另外，磁轭被放置在离开叶轮有相当一段距离的地方使负磁场强度足够低，这样当叶轮从内腔中心位置偏移时只需添加很小的要求便可保持流体动力悬浮。

将较大的距离给予磁轭后，便可选用无槽绕组和轴对称磁轭。采用轴对称磁轭意味着“开始接合”转矩为零。选用的绕组布局线圈属于“二次调谐式”，具有三个线圈，每个相位一个，泵体绕组和泵盖绕组都是这样。图31画出泵盖绕组。泵体绕组沿轴向与泵盖绕组对准，但在几个方向上必须弯曲借以避开蜗壳和入口。这种二次调谐布局可防止线圈重叠，因此洁净和紧凑，用铜量低。但它不及其他具有较大线圈质量的绕组来得有效。

将磁铁对准的方向从泵轴线(如图30中画有阴影线所示的磁铁)倾侧22.5°角，即倾侧到45°圆锥形泵体与平的泵盖之间的中间，可以提高效率。这样，泵盖线圈和轴向磁通便构成一个轴向磁通电机，而泵体线圈和磁通则在轴向磁通电机和径向磁通电机之间的中间。

电机可被六步无传感器的换向变换器驱动。当电流从相位a和c导通被转换到相位b和c导通时(反之亦然)，在此瞬间磁铁叠置在线圈上。泵盖线圈和泵体线圈(每一个线圈都被连接成星形接法的平行线圈连接可使线路能力有剩余，以致在某一线圈失效时，电机仍能运行。

所用材料为：Ti-6Al-4V用于壳体和叶轮套壳，高顽磁NdFeB磁铁(VACODYM 510 HR)被嵌埋在叶轮内，铁用作磁轭(实验时用的是软钢，但要改为层叠的硅钢)以及漆包铜线用作线圈。

量得的流线型叶轮的负磁场强度为-4000N/m(±10％)。当叶轮处在中央时，轴向缝隙为0.1mm(这是为配合叶片上的0.05mm的斜度以便产生推力用的，使当偏移0.05mm后，从一个叶轮面上出来的推力可达最大，而从另一个面上出来的推力小到可忽略不计)。这样如果叶轮沿轴向偏移可能的全部数量(如同在起始时而轴线在垂直方向)，那么作用在叶轮上的磁力可达0.4N力。这一数小于叶轮的重量46g力，被认为是可接受的。如果磁轭更靠近些，那么这力将更大些，增加降落的危险。类似地，如果缝隙被增大，使制造公差放松，那么最大磁力能被增加。

对于2000rpm和2500rpm之间的转速，及3W和7W之间的电机输出功率，从曲线上量得的电机效率在45％和48％之间。例如在2250rpm和3W电机输出功率(近似额定状态)，铜损失为1.7W，钛内的涡流损失为1.0W，在软钢磁轭内的铁损失为0.7W，得出电机效率为47％。

参阅图32，例1能被用到图7到15的具有泵机组200的优选实施例上，其中引用了结合图28到31说明的那种估计和控制系统。

先特别参阅图7，泵机组200具有一个泵壳体201适宜用螺栓连接到泵壳盖202上，从而在其内形成一个离心泵空腔203。

空腔203内容纳一个叶轮204，该叶轮适宜将磁铁205接纳在叶片207内形成的空腔206内。如同第一实施例，叶轮208由支件207支承。

在空腔203之外但构成泵机组一部分地设有泵体绕组209，该绕组对称地装在入口210周围并被容纳在泵壳体201和泵体磁轭211之间。

同样构成泵机组一部分并且也装在泵空腔之外的为位在绕组空腔213内的泵盖绕组212，而绕组空腔213又位在泵壳盖之内并被泵盖磁轭214封闭。

绕组212和209由图32的电子控制器供电。其他结构都如同结合第三实施例说明过的那样。

                       其他实施例

在迄今说明的实施形式中，叶片8、207的顶表面都与叶轮100、204的纵轴线成一约为45°的角，并被安排可相对于相似角度的圆锥泵壳体的内壁旋转。顶表面被变形，这样便可在叶片的顶表面和圆锥泵壳体之间的缝隙内造成必要的约束，从而造成推力，该推力可被分解成径向和轴向的分量。

在迄今为止的例子中，叶片207的底面都具有基本上位在一个与叶轮旋转轴线成直角的平面上的表面，该表面连同其上的变形相对于泵壳下部内面形成一个缝隙，在该缝隙上基本上只产生轴向推力。

其他配置是可能的，但也要依靠这些原理并提供必需的平衡的径向力和轴向力。这种配置可包括一个双支承的配置，其时叶片的圆锥形顶表面被映射成为相应的圆锥形底表面。与种配置唯一值得注意的事是泵的深度被增加，当尺寸缩小为一重要判据时，这可能成为问题。

                  操作原理的综述

结合例1和以前的实施例说明的估计和控制系统都是“没有传感器的”，它是从电机的一个或多个驱动线圈可供的信号中导出相关泵参数的估计值的。因此不需要有分开的传感器仪器来控制使用中的泵机组。

我们假设按照这种方式能将泵机组控制到足够好地接近由泵叶轮的成形推导出来的结果，这样在使用时在所期望及/或泵所需的流量范围内便可得到相对平的压头对流量的特性曲线。

我们假定从叶轮的数目比较少的叶片导出的较接近径向的流出和在叶轮内流体的缺少约束有助于得到如图3和13的例子中所示的较平的泵的特性曲线。

我们还假定在本文所说明的实施例中，叶轮叶片被小心地布置以便导引流体通过转子而减少再循环。在叶片之间还有较大的间隙使流体能少受约束地导向在泵壳内的宽松约束的流动。例2

参阅图33到39中的一个特优转子的具体例子，设有采用该转子的离心泵机组和控制系统。

在图35中示出的本例的转子500被布置在以前结合图7说明的壳体结构内操作。转子500被线圈结构提供的电磁场驱使转动，线圈结构同样是以前结合图7说明过的。当转子在壳体内操作时控制系统的控制也是由以前说明过的估计和控制系统来决定的，但在本例中该系统还要执行最优泵压条件策略。

参阅图35可以看到叶轮叶片501是由支撑502用机械方法保持在一起的。

增大从中心线到在叶轮顶部而不是在底部的叶片(即到叶片的鼻端)的最小半径，便可有一朝向底部的轴向推力施加在叶轮上，在经过细心设计可使载荷向底部轴承偏移而缓解载荷较高的顶部轴承(因为它必须承受轴向和径向两方面的载荷)。

                    泵的操作区域

参阅图34，本例的泵被安排遵循一条在关停时并不下滑的HQ曲线。即若将该泵在任何给定的操作转速(N)造成的压力头(H)与发出的流量(Q)对比而绘成曲线时，则在低流量(甚至在零流量)时，与在额定的操作点上造成的压力头比较，压力头并无损失。而在现有技术的其他离心泵中典型的情况是，造成的压力头会随着流量的增加从零或“关停”状态增加到HQ曲线上一个拐点，这时流量如再增加，压力头便会减小。因此在现有技术中正常的操作方法是在拐点之右操作该泵以免发生被称为“颤动”的不稳定情况，因为在给定泵速的情况下所需压力头可在该泵发出的两个流量中获得，这两个流量分别位在拐点的两侧。而在拐点之右，通常HQ曲线会较陡地下降。

在本例的泵中，由于在HQ曲线上没有拐点，该泵能稳定地通过流量的整个范围操作。这意味着该泵是在HQ曲线上最平直的部分操作并且能够用可从电机运行特性上直接可获得的参数(如电压、电流和转速)来较好地预测泵的流量和压力。

对本例的泵的平坦而没有拐点的HQ曲线有影响的因素包括：从叶轮上接近径向的流出，泵的低比速的设计和较少的叶轮叶片的数目。

现在参照图33至39说明最佳控制策略

                          最佳控制策略

例2的旋转血泵及其相关的控制系统的目的是要恢复正常的心脏输出水平，将与从肺送回的同样多的血从心室泵压出去来满足充血的需要。

在本例中被说明的流量响应控制是要在每天生活的多变生理气候中确定心脏最优的卸载点同时避免导致抽吸的过压或导致回流的泵压不足。

由于该泵没有阀瓣，当泵速较低时有可能回流。图36示出血液流动通过泵的正常方向是从左心室到下降的主动脉。这一点可随越过泵的前载荷(左心室压力)和后载荷(动脉压力)而变。另外，当泵速增加时主动脉瓣最后会关闭，继续增加转速会使心室坍缩。

如果泵速设定点未设反馈，旋转血泵对前载荷和后载荷将很敏感。瞬时增加越过泵的压力头将使叶轮转速增加，输入电功率和泵流量降低。而减少压力头会得到相反的结果。

在本例中控制系统的时间常数被设定得较慢以致在血液的流速内由于心脏的作用而引起的扰动比较缓慢地被控制系统消解。在使用时在叶轮转速内造成的变化于是可被用来计算操作点的估计值以便使准确度进一步提高。

较长的时间常数意味着瞬时泵速和输入电功率将在心脏的泵压作用下周期性地变化，或者换句话说，将被心搏调节。

在本例中控制系统的时间常数被设定为大于叶轮的旋转惯性常数。具体地说，在本例中时间常数被设定为5秒钟，比一次心搏周期长。

               最佳泵压和避免过度泵压

如果泵速被这样设定使心室得以最大卸载，静脉回流也被减少，如同从操练到休息的情况，那么从心室过度泵压将会造成抽吸，心室的坍缩就会发生。

当泵速增加时心室被抽空，在收缩期心室内的压力会减小。如同在图37中示出的在收缩期dP从dP1减到dP3那样。如果血液从心室抽空的量与填充的量一样，那么该泵就处在心室内产生抽吸或负压的边缘。超过这一点主动脉瓣仍然关闭，左心室压力的峰值在心脏收缩期继续降低，抽吸在心脏舒张期将开始发生。

进一步增加泵速将使左心室压力峰值降低到这样程度以致在整个心搏周期即使在收缩期心室壁也将阻止血液流动通过插管入口。即使在舒张期抽吸也应避免。最优的泵压点是正在允许主动脉瓣开启的时候。过度泵压被认为将使泵的流量增加到超过这一点。

在本例中检测最优泵压点的答案是在时间范围内。

主动脉瓣正好还关闭的时刻就是这个最优的应给予总体辅助的。这个点我们把它各为OCA(最优心脏辅助)。在该点上越过泵的最小液压头压力随着泵速增加开始上升。换句话说在收缩期当平均泵速被增加时左心室峰值压力开始减小。

因此对于一个给定的前载荷、后载荷和心室的可收缩强度当有一个点，在该点上可最优地使心室卸载。增加泵速到超过这个点将造成心室坍缩。在收缩期越过泵的这个最小压力将产生一个通过泵的最大流量、在叶轮上的最大转矩和最小的瞬时转速。

为了在这个最优心脏辅助点泵压并避免过度泵压，控制算法应维持在最小泵速上使越过泵的最小液压头压力不再增加。这样为了保持最优的心脏辅助点而所需的新的设定点N_新就可从旧的转速值N_旧减去一个比例因数K_P与最小收缩液压头压力的增加(ΔH_收缩)超过最小可能液压头压力增加(ΔH_最小)的部分的乘积即可，如方程式1。

N_新＝N_旧-[K_P*(ΔH_收缩-ΔH_最小)]       方程式1

瞬时液压头压力可用不接触的方法估计出来如同以前结合例1所说明过的那样。

这是一个简单的控制方程式能立即在埋入的微控制器系统中使用。

                    避免泵压不足

泵压不足的另一个边界条件发生在当舒张期流动通过泵的血流变成负值时。回流能使血液停滞并导致血栓形成，还能增加心房压力，导致肺水肿。

当泵的设定点转速被降低到这样的程度即在泵出口和入口之间的压力差的水平和相位滞后在舒张期能引起液流反向时在泵内就开始发生回流或逆流。

N_回流＝Q_舒张时的N(t)＝OL/分            方程式2

其中N(t)为叶轮的瞬时转速，Q_舒张是在舒张期通过泵的最小流量，而N_回流为发生不回流流动时的最小转速。流量能用以前结合例1说明过的不接触的方法作为电机转速和输入功率的函数来估计。

                  受到的操作力综述

在例2的实际操作中应使转子500这样操作使血流合适地按照上面说过的限制条件和最优控制策略。另外，虽然在操作时转子500在理论上永远不应该与它所在其内转动的壳体的内壁接触，但若这种接触发生，那么控制系统应能从这个状态恢复使转子回到操作状态，另外，在降落时受到的损伤必须尽可能减小，使在降落后回到正常操作时对稳定状态的操作没有影响。

对付降落的方法是保证有足够的流体动力的复原力施加在转子500上来抵消转子500所受到的任何扰动的力使降落的概率减少到足够低的值。

广泛地说，对于本例中的离心泵结构和转子，曾经发现复原力最坏的情况发生在转子在一低粘度的介质内旋转并以其最小转速运行时。例如以约1800rpm的转速在一实际中容易遇到的代表最低粘度的血液替代物中运行时可供的轴向复原力约为2牛顿，在这些条件下相应的径向复原力约为0.5牛顿。

在一比较常见的和期望的操作环境下，血液粘度约为2.5mP·S，而转子以约3000rpm运行时可供的轴向复原力约为9牛顿，径向复原力约为2.25牛顿。如果转速降至约2400rpm，那么轴向复原力约为5.3牛顿，径向复原力约为1.3牛顿。

通常稳定状态下预期的扰动力包括转子500上的重力影响在内约为0.45牛顿，从驱动机构发生的磁场扰动力约为0.1牛顿，考虑到加速对在自然条件下和使用中的整个机组的影响，预期转子500所能遇到的通常最大扰动力约为1牛顿。

如前所述使用覆盖的转子能使抵御扰动力的径向抗力增加一倍。

另外合适的涂层及/或结构材料可用在相关的转子上和壳体的至少内壁上来减少损害及/或由降落引起的损害影响。

涂层及/或内在结构材料可被选择以便减少转子和壳体之间的摩擦系数并减少具体损害如碰撞。

为此目的常用的特优材料包括以无定形碳为基的材料或以微晶碳为基的材料和氮化钛。在一具体的实施形式中曾经发明如在相对的表面上采用不同的材料可以收效，例如在一个表面上使用氮化钛，而在另一个表面上使用碳基材料。

在相应的两个表面上采用碳基材料对碳基材料曾经发现可以得到极低的摩擦系数(典型地为0.5)和很少的损害。但钛对钛会得出相反的效果，不予推荐。

另外还有一些特优的涂层配置如下：

将涂层涂敷在血泵的Ti-6Al-4V的基底上：

涂层包括用不平衡的磁控管溅射镀膜制备的具有石墨微晶结构的碳和无定形的碳涂层。

涂层提供仪器的生物相容衬里具有提高的硬度、在冲击条件下高的弹性恢复力、在润滑条件下＜0.06的低摩擦系数、和高的磨损抗力。

还有用氮、氮化钛和碳的等离子浸渍离子注入或这些处理的组合来涂敷的涂层以便用来提高硬度、提高冲击条件下的弹性恢复力、得到低的摩擦和高的磨损抗力。

其他潜在的可供选择的包括高温分解的碳、氧化铝、锆或其组合物。

概括地说涂层所需的特性为：

1.在壳体内的零涡流损失；

2.在至少一个表面上的硬质材料以便得到良好的支承性能；

3.材料必须是生物相容的，特别是在与血液接触的方面。

在涉及表面的变性上还可从提供灵活性或其他有助于流体动力支承的动力特性上注意转子和壳体的至少内壁在表面结构上的其他特性。

下面所举就是这方面的例子。

              弹性流体动力轴承(EHD轴承)

弹性流体动力(EHD)轴承依据的原理是如果施加在轴承上的力足够大，那么轴承表面将扭曲。这个扭曲能使轴承具有更大的效能，对于给定的轴承尺寸能够承载更大的载荷。当然所施加的力的大小与制造轴承所用材料的弹性模数有关。为了把EHD用到旋转血泵上，轴承表面材料的弹性模数必须较低使它们能被小量的几个牛顿的力扭曲。为此理由聚合物材料如聚氨酯或硅酮可被接受用来制造轴承表面(这些材料必须设置在较硬的基底材料如钛或陶瓷上)。流体动力轴承的基本形状，特别是包括“变形表面”需要与以前所说明的基本相同。

                      生物-EHD轴承

另一种方法是允许组织在轴承的基底上生长使它起到EHD部件的作用。基底可以是多孔的，允许伪新内膜细胞衬里在孔内稳定地生长。在表面上采用这种生物-EHD部件的优点是EHD部件在发生损伤后几个小时即能重新生长出来。生物-EHD部件可能有的缺点为在旋转血泵内通常会遇到的低剪切应力下容易受到损伤并被剥落形成有潜在危险的栓塞。这一点可用增加伪新内膜稳定性的添加的表面处理来克服。仍与以前一样，轴承的基本形状即“变形表面”应该保留。

以上只就旋转血泵和其控制系统的几个实施例和例子进行说明。显然在不离开本发明的范围和创意的情况下，本行业的行家能作出各种修改。

                    工业实用性

泵机组1、200可用来连续抽取流体如血液。就其预期的可靠性来说，它尤其可用作体内心脏辅助泵。

该泵机组还有利于用于抽取这样一种情况下的其它流体，即，必须避免因高剪切应力而产生对流体的破坏的情况，或者必须以一非常高的可靠度来防止流体泄漏的情况，例如流体是一种危险流体的情况。

Claims (78)

1.一种用于心脏辅助仪器或类似仪器的旋转血泵，所说泵具有一个叶轮，在使用时只是由于流体动力推力而被悬浮在泵壳中，所说推力是由所说叶轮对所说泵壳的相对运动而在所说泵壳内产生的。

2.权利要求1的泵，其中至少一个所说叶轮或所说壳体包括至少一个变形表面，该表面在使用时相对于在另一个所说叶轮或所说壳体上的面对表面而运动，由此造成一个约束，其约束形式为所说变形表面的相对运动范围在两表面之间距离的减小，从而在所说叶轮和所说壳体之间产生相对的流体动力推力，该推力处处包含基本上每一处垂直于所说变形表面相对于所说面对表面的运动平面的局部推力分量。

3.权利要求2的泵，其特征在于所有局部垂直力在所说叶轮表面上产生的综合效果是对三个移动的和两个旋转的自由度的运动产生阻力，从而在所说壳体内只用流体动力的力来支承叶轮的旋转运动。

4.权利要求1的血泵，其特征在于所说推力是由所说叶轮的叶片产生的。

5.权利要求4的血泵，其特征在于所说推力是由所说叶轮的所说叶片的表面产生的。

6.权利要求5的血泵，其特征在于所说叶片的所说表面带有梢度或非平面，因此在所说表面对邻近的泵壳进行相对运动时便在其间产生推力。

7.权利要求5的血泵，其特征在于所说叶片的所说表面被这样成形，使在叶片前缘的缝隙大于在后缘的缝隙，这样经缝隙被抽吸的流体便经受一个楔形约束，从而产生推力。

8.权利要求1的血泵，其特征在于所说泵属于离心式或混流式，叶轮叶片在泵壳的前面和后面都敞开。

9.权利要求1的血泵，其特征在于壳体的前面制成圆锥形，为的是使垂直于圆锥表面的推力有一径向分量，在使用时可对叶轮轴线的径向位移提供径向复原力。

10.权利要求1的血泵，其特征在于所说叶轮的驱动转矩来自叶轮叶片内的永久磁铁和封装在泵壳内的绕组内的振荡电流之间的磁力相互作用。

11.权利要求10的泵，其特征在于所说叶片在其内含有封装在生物相容套壳或涂层内的磁性材料。

12.权利要求11的泵，其特征在于所说生物相容套壳或涂层具有能在低温涂敷的涂层。

13.权利要求11的泵，其特征在于在使用时能与所说叶片接触的所说泵的内壁涂覆硬质材料如氮化钛。

14.权利要求6的泵，其特征在于所说叶轮包括一个内面具有所说梢度或其他变形表面的圆锥形上护罩，而所说叶轮的叶片被支承在所说护罩之下。

15.权利要求14的泵，其特征在于所说叶轮还包括一个装在所说圆锥形上护罩相对方向的下护罩，而所说叶片被支承在所说上、下护罩之内。

16.权利要求2的泵，其特征在于所说变形表面位在所说叶轮上。

17.权利要求2的泵，其特征在于所说变形表面位在所说壳体内。

18.权利要求1的泵，其特征在于在使用时施加在所说叶轮上的力，除流体动力外均已被设计控制，使在操作参数的一个预定范围内，所说流体动力能提供足够的推力，以保持所说叶轮在使用时悬浮在所说泵壳内。

19.权利要求1到18中任一项的泵，其特征在于设有控制装置，能按照驱使所说叶轮相对于所说泵壳旋转的电驱动装置的电参数感知转速和输入功率，从而在使用时可估计所说泵的排出压力及/或流量。

20.权利要求19的泵，其特征在于还设有可以感知并防止泵压不足和回流的装置。

21.一种泵的估计和控制系统，所说泵的形式为具有一个位在壳体泵腔内的叶轮，所说壳体具有一个流体入口和一个流体出口，均与所说泵腔在液流上连通，所说叶轮被驱动环绕叶轮轴线旋转，使流体被驱动，从所说入口通过所说泵腔流到所说泵出口，所说叶轮被叶轮驱动装置驱动旋转，被叶轮支承装置支承，并被作用在所说叶轮驱动装置上的控制装置保持在或接近预定的转速，所说控制装置接受的输入变量，第一为所说驱动装置耗用的功率，第二为所说叶轮的实际转速，据此便可估计所说流体的液压头或流量，这个估计可以接近预定的准确度，而这个准确度有赖于从所说驱动装置所能获得的信号。

22.权利要求21的系统，其特征在于所说泵在预定的流量范围内有一基本恒定的液压头对流量的特性曲线。

23.权利要求21的系统，其特征在于所说叶轮的叶片被这样布置，使所说叶片相对于所说泵腔内壁的中线弦角大致径向倾斜。

24.权利要求21的系统，其特征在于该系统有赖于感知在构成所说驱动装置部分的一个或多个线圈内感应产生的电动势(EMF)。

25.权利要求21的系统，其特征在于所说叶轮包括的叶片被这样倾斜，使从所说叶片流出流体的相对速度基本上与所说叶轮轴线成径向。

26.权利要求21的系统，其特征在于具有叶轮支承装置，该装置充分适于让所说叶轮在使用时重新定位来保存随着流体粘度而变的能量。

27.权利要求21的系统，其特征在于所说泵为低比速泵。

28.权利要求27的系统，其特征在于所说泵的比速范围为100-2000转/分(加仑/分)^1/2英尺^-3/4。

29.权利要求27的系统，其特征在于所说泵的比速范围约为900-1000转/分(加仑/分)^1/2英尺^-3/4。

30.一种旋转血泵及其估计和控制系统，所说泵具有一个被流体动力悬浮在泵壳内的叶轮，流体动力的推力由叶轮在使用时环绕叶轮轴线的旋转运动产生；所说估计和控制系统具有权利要求21到29中任一项所说的型式。

31.权利要求30的血泵及估计和控制系统，其特征在于所说推力由所说叶轮的叶片产生。

32.权利要求31的血泵，其特征在于所说推力由所说叶轮的所说叶片的边缘产生。

33.权利要求32的血泵，其特征在于所说叶片的所说边缘带有斜度或非平面，因此在边缘和泵壳进行相对运动时便在其间产生推力。

34.权利要求31的血泵，其特征在于所说叶片的所说边缘被这样成形，使在叶片前缘的缝隙大于在后缘的缝隙，这样在流体经缝隙被抽吸时便经受楔形约束，从而产生推力。

35.权利要求30的血泵及估计和控制系统，其中泵为离心式或混流式，叶轮的叶片在泵壳的前面和后面都敞开。

36.权利要求35的血泵，其特征在于泵壳的前面制成圆锥形，为的是使垂直于圆锥形表面的推力有一径向分量，在使用时可对叶轮轴线的径向位移提供一个径向复原力。

37.权利要求31的血泵，其特征在于所说叶轮的驱动转矩来自叶轮叶片内的永久磁铁和封装在泵壳内的绕组中的振荡电流之间的磁力相互作用。

38.权利要求30的旋转血泵，其特征在于所说泵为轴流式。

39.权利要求38的旋转血泵，其特征在于在泵壳的均匀的圆柱形段内，所说叶轮包括带有斜度的叶片支承表面，形成一个径向流体动力支承。

40.权利要求39的旋转血泵，其特征在于泵壳的内部在两端的半径均被缩减，并且其中端部的流体动力推力有一轴向分量，能构成轴向支承。

41.权利要求39的旋转血泵，其特征在于磁力构成轴向支承。

42.一种旋转血泵，具有一个壳体，在该壳体内有一叶轮环绕叶轮轴线旋转，在泵壳的入口侧和出口侧造成压力差，使所说叶轮在使用时被自身的运动所产生的流体动力推力悬浮在所说泵壳中，所说泵由权利要求21到29中任一项的估计和控制系统控制。

43.权利要求42的泵，其特征在于所说叶轮在其内包含封装在生物相容套壳或涂层内的磁性材料。

44.权利要求43的泵，其特征在于所说生物相容套壳或涂层由能在低温使用的材料构成。

45.权利要求42的泵，其特征在于在使用时能与所说叶片接触的所说泵的内壁涂覆硬质材料，如氮化钛。

46.一种无密封、无轴的泵，具有一个壳体，在其内限定一个腔，在所述腔上设有液体的入口和出口，所说泵还包括一个位在所说腔内的叶轮；所说叶轮、所说进口、所说出口和所说腔的内壁被这样配置，使当所说叶轮环绕叶轮轴线相对于所说壳体旋转时，所说液体被推动，从所说进口通过所说腔流到所说出口；并且其中由所说叶轮产生推力；所说泵由权利要求21到29中任一项的估计和控制系统控制。

47.权利要求46的泵，其特征在于所说推力由所说叶轮的叶片产生。

48.权利要求47的泵，其特征在于所说推力由所说叶轮的所说叶片的表面产生。

49.权利要求48的泵，其特征在于所说叶片的所说表面带有梢度或非平面。

50.权利要求46的泵，其特征在于所说叶片的所说表面被这样成形，使每一个所说叶片在前缘的缝隙大于在后缘的缝隙，从而当流体经缝隙被抽吸时便会受到楔形约束而产生相对于所说壳体的推力。

51.权利要求47的泵，其特征在于所说泵为离心式或混流式，叶轮的叶片在泵壳的前面和后面都敞开。

52.权利要求51的泵，其特征在于泵壳的前面制成圆锥形，为的是在任何一点上使垂直于圆锥表面的推力都有一个径向分量，可为叶轮轴线的径向位移提供径向复原力。

53.权利要求51的泵，其特征在于所说叶轮的驱动转矩来自叶轮叶片内的永久磁铁和封装在泵壳内的绕组中的振荡电流之间的磁力相互作用。

54.权利要求46的泵，其特征在于所说泵为混流式。

55.权利要求54的泵，其特征在于在泵壳的均匀的圆柱形段内，带有斜度的叶片表面构成径向流体动力支承。

56.权利要求54的泵，其特征在于泵壳在其相对的两端半径被缩减，并且其中端部流体动力推力有一轴向分量，能够提供轴向支承。

57.权利要求54的泵，其特征在于磁力或其他装置能提供轴向支承。

58.一种泵，具有一个壳体，在该壳体内有一叶轮环绕轴线旋转，在所说泵壳体的入口侧和出口侧造成压力差；所说叶轮在使用时沿径向或轴向中的至少一个方向被其自身的运动所产生的流体动力推力悬浮；所说泵由权利要求1到29中任一项的估计和控制系统控制。

59.权利要求58的泵，其特征在于所说叶轮在其内包含封装在生物相容套壳或涂层内的磁性材料。

60.权利要求59的泵，其特征在于所说生物相容套壳或涂层包括金刚石涂层。

61.权利要求59的泵，其特征在于在使用时能与所说叶轮接触的所说泵的内壁涂覆硬质材料，如氮化钛。

62.权利要求58的泵，其特征在于所说叶轮的叶片的至少上、下表面由一在其外表面上具有变形的结构互相连接，因此在所说表面和相邻泵壳之间进行相对运动时便在其间产生推力。

63.一种用流体动力将一个叶轮悬浮并控制在一旋转泵内以将该叶轮支承在径向或轴向中的至少一个方向上的方法；所说方法包括在所说叶轮的至少部分含有变形表面，这样当使用时在所说变形表面和相邻泵壳之间进行相对运动时便能在其间产生推力。

64.权利要求63的方法，其特征在于变形表面包括斜度。

65.权利要求64的方法，其特征在于所说斜度被这样安排，使在所说叶轮和所说泵壳之间的前缘缘有一比后缘缘大的缝隙。

66.一种用于泵的估计和控制系统；所说泵的型式为具有一个位在壳体泵腔内的叶轮；所说壳体具有一个流体入口和一个流体出口，在液流上均与所说泵腔连通；所说叶轮被驱使环绕叶轮轴线旋转，从而驱使流体从所说入口经所说泵腔流到所说出口；所说叶轮被叶轮驱动装置驱使旋转，被所说支承装置支承，并被作用在所说叶轮驱动装置上的控制装置保持在或接近预定的操作点；所说控制装置接受至少一个来自所说驱动装置的第一输入变量；所述控制装置接收至少一个也来自所述驱动装置的第二输入变量；所说控制装置于是可计算所说操作点的估计值，计算可达到接近预定的准确度，而这个准确度有赖于从所说驱动装置所能得到的信号；所说控制装置控制所说泵的方法是将所说预定操作点与所说操作点的所说估计值比较。

67.权利要求66的系统，其特征在于在使用时只要适当地选择时间常数，瞬时泵速和输入电功率便可容许由心脏来调节。

68.权利要求67的系统，其特征在于控制系统的时间常数大于叶轮的旋转惯性时间常数。

69.权利要求67的系统，其特征在于所说时间常数至少为一个心搏周期。

70.权利要求66到69中任一项的系统，其特征在于所说第一输入变量为瞬时泵速。

71.权利要求66到70中任一项的系统，其特征在于所说第二输入变量为送到所说叶轮驱动装置中的输入电功率。

72.权利要求66到71中任一项的系统，其特征在于所说泵被设置成按照较平的HQ特性曲线操作。

73.权利要求66到72中任一项的系统，其特征在于在使用时所说叶轮在转速上的变化被利用来将所说操作点的估计值计算到使准确度提高的水平。

74.权利要求72的系统，其特征在于所说HQ特性曲线足够平坦，使在预定的操作范围内液压头足够接近恒定，从而在所说操作范围内，所说系统能够假定泵速将与流量成正比。

75.权利要求66到74中任一项的系统，其特征在于所说预定操作点被计算出来，以使系统维持在最小泵速，而该泵两侧的最小液压压力头并不增加。

76.权利要求75的系统，其特征在于所说系统保证最小泵速总是大于或等于出现不回流流动的最小转速。

77.权利要求76的系统，其特征在于回流或负向流动开始出现时的泵速被确定为泵的设定点转速，在该设定点上泵在出口和入口之间的压降值和相位滞后在心舒张期内会造成流动反向。

78.权利要求77的系统，其中计算回流即将发生的泵速可按下式计算：

N_回流＝Q_舒张的N(t)＝OL/分。

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