CN1631458A - 无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，属于生物医学工程技术领域。该血泵由相同结构的、对称的左右两个心室血泵构成。顺次将血流入口、漏斗型血泵内腔、圆拄型血泵内腔与血流出口连接。互连的锥叶轮和柱叶轮被搁置在漏斗型血泵内腔和圆拄型血泵内腔中。漏斗型血泵内腔和圆拄型血泵内腔的外壁上均设置有多组线圈；圆拄型血泵内腔的外侧壁上也设置有多组线圈。柱叶轮5是起到转子作用的驱动部件。通过线圈产生的作用力驱动叶轮旋转，并形成对叶轮的轴向、径向运动的主动控制和叶轮的角位移、转速控制。本发明结构紧凑，体积小，无机械摩擦。叶轮结构使血流剪切力变小，减小了溶血机会，并且降低了血破坏性，提高了血流动力学性能。

Description

无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵

技术领域

本发明涉及一种主动控制5自由度悬浮和1自由度转速的人工心脏血泵，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

目前，多种人工心脏已经被应用于临床，其中绝大部分为心室辅助器离心型血泵。此种血泵典型的结构中都有血泵电机和磁耦合盘，因此增加了血泵的体积，减小了血泵的可移植性。申请号为02109770.4的专利文件中，由于血泵径向轴承采用的是被动的磁轴承，所以血泵径向的抗冲击性和可靠性不如主动式的支撑高；流体入口在叶轮的叶片位置，血液流入后直接撞击高速悬转的叶片，然后流向改变90度，这样的结构无法避免巨大的剪切力造成的高度血破坏性；整个叶轮、转子、耦合片构成的内部结构死角过多，使血流动力学特性差，大大增加血栓产生的机会。此外，对于血破坏性小的、采用锥叶轮的血泵国内外也有报道，文献中虽然采用的结构有良好的血流动力学特性，但是需要另外的电机驱动，而且没有可靠的主动控制。

发明内容

本发明的目的是解决现有人工心脏血泵存在的非主动控制、可靠性差、血栓、溶血以及集成度低等问题，提供一种全自由度悬浮的、高可移植性的、集成结构的血泵。

本发明采用主动式磁悬浮轴承将叶轮在6个自由度上全方位悬浮；血泵不需要任何形式的电机驱动，而是将叶轮本身设计成电机的转子，将外围的磁悬浮轴承设计为电机的定子，使轴承不但可以实现对叶轮的支撑作用还能够实现对叶轮的驱动作用。所采用的技术方案如图1-图4所示。本发明的一种无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，其特征在于：血流入口1与漏斗型血泵内腔17连接，漏斗型血泵内腔17与圆柱型血泵内腔18连接，圆柱型血泵内腔18与血流出口12贯通连接；沿周向均匀设置2片以上柱叶片6的圆柱形柱叶轮5的一端设置有轴向被控盘9，另一端与沿周向均匀设置2片以上锥叶片3的锥形锥叶轮4连接，锥叶轮4和柱叶轮5被对应搁置在漏斗型血泵内腔17和圆柱型血泵内腔18中；前述连接形成由血流入口1、漏斗型血泵内腔17、圆柱型血泵内腔18和血流出口12构成的血泵血流通道；在圆柱型血泵内腔18的外圆周面上设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着驱动线圈8的驱动线圈铁心7，在圆柱型血泵内腔18的外侧壁上设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着轴向控制线圈11的轴向线圈铁心10，在漏斗型血泵内腔17段的外壁上，大口径段设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着锥型顶部线圈14的锥型顶部线圈铁心13，小口径段设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着锥型底部线圈15的锥型底部线圈铁心16；与血流入口1、圆柱型血泵内腔18连接的可打开的球面泵体2将锥型顶部线圈14、锥型顶部线圈铁心13、锥型底部线圈15、锥型底部线圈铁心16、驱动线圈8和驱动线圈铁心7封闭在其内；该装置由相同结构的、对称的左右两个心室血泵构成，左右两个心室血泵通过球面泵体2之间的泵体连接带装配为一体；该装置各部件之间均采用常规技术连接。

所述的无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，轴向被控盘9的直径与轴向线圈铁心10和轴向控制线圈11组成的控制包的直径相同。

所述的无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，右心室血泵中的锥叶轮3的大、小端直径和柱叶轮5的直径大于左心室血泵中对应部件的尺寸1--5mm。

本发明的工作过程和原理是：通过血泵做功，血液从血流入口1流入，由锥叶片4驱动血液流经锥面，再由柱叶片6的离心作用将血液推出血流出口12。该装置中，将柱叶片6充磁后，使柱叶轮5成为驱动部件，即柱叶轮5在血泵中起到转子的作用。柱叶轮上的轴向被控盘9是轴向控制的施力面。血泵工作过程中，锥型顶部线圈14和锥型底部线圈15所产生的磁力轴向分量与轴向控制线圈11所产生的轴向控制力构成对叶轮(由锥叶轮3、柱叶轮5和轴向被控盘9构成；下同)的轴向的主动控制。锥型顶部线圈14和锥型底部线圈15所产生的磁力径向分量构成对叶轮的径向的主动控制。锥型顶部线圈14和锥型底部线圈15产生的扭矩补偿叶轮的角位移。可以实现5个自由度(即：X、Y、Z、XY角位移、XZ角位移)的主动悬浮控制，使叶轮工作在完全悬浮的状态中，没有任何的机械摩擦缺陷。驱动线圈8的磁场变化对柱叶片4施加扭矩，驱使叶轮旋转，通过改变扭矩而实现1个自由度(即：YZ角位移/时间)的转速驱动控制。例如：当叶轮存在轴向位移时，由锥型底部线圈15和锥型顶部线圈14产生的作用于锥叶轮4上的轴向合力和由轴向控制线圈11产生的作用于轴向被控盘9上的轴向合力构成轴向位移控制力，使叶轮可以在该轴向位移控制力的作用下回到工作点。当叶轮存在径向位移时，由锥型底部线圈15和锥型顶部线圈14产生的、作用于锥叶轮4上的径向位移控制力使叶轮可以在该径向位移控制力的作用下回到工作点。当叶轮存在角位移时，作用于锥叶轮4上的锥型底部线圈15和锥型顶部线圈14的调整合力的力臂长度产生角位移补偿力矩，使叶轮可以在该角位移补偿力矩的作用下回到工作点。综上所述，本发明即可实现无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵。

本发明结构紧凑，体积小，可移植性强。柱叶轮5的功能具有高度集成性。叶轮在5个位置自由度和1个转动自由度都能实现磁悬浮，无机械摩擦、可靠性高，并可实施主动控制。叶轮结构使血流剪切力小，减小溶血机会，血破坏性小。本发明避免了传统血泵由于单一功能部件的存在而导致结构复杂、血流动力学性能差的弊端。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2锥型顶部线圈铁心与锥型顶部线圈A-A剖面结构示意图。

图3轴向线圈铁心与轴向控制线圈B-B剖面结构示意图。

图4主动磁悬浮控制自由度示意图。

其中：1、血流入口，2、球面泵体，3、锥叶轮，4、锥叶片，5、柱叶轮，6、柱叶片，7、驱动线圈铁心，8、驱动线圈，9、轴向被控盘，10、轴向线圈铁心，11、轴向控制线圈，12、血流出口，13、锥型顶部线圈铁心，14、锥型顶部线圈，15、锥型底部线圈，16、锥型底部线圈铁心，17、漏斗型血泵内腔，18、圆柱型血泵内腔。

具体实施例

按照技术设计要求将加工的和市售的部件组装成本发明的整体装置。该装置各部件之间均采用常规技术连接。其中，血泵的C-C面处为最大截面处，球面泵体2沿该截面可以打开，用于组装。漏斗型血泵内腔17和圆柱型血泵内腔18在该截面处连接。柱叶轮5和锥叶片4采用钛合金材料。柱叶片6采用永磁材料。锥叶轮3和轴向被控盘9采用铁磁材料。采用钛合金制成的血流入口1、漏斗型血泵内腔17、圆柱型血泵内腔18和血流出口12的内表面和叶轮表面喷涂通用的聚氨酯人造血管材料。附图1中左端为右心室。

Claims (3)

1、一种无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，其特征在于：血流入口(1)与漏斗型血泵内腔(17)连接，漏斗型血泵内腔(17)圆柱型血泵内腔(18)连接，圆柱型血泵内腔(18)与血流出口(12)贯通连接；沿周向均匀设置2片以上柱叶片(6)的圆柱形柱叶轮(5)的一端设置有轴向被控盘(9)，另一端与沿周向均匀设置2片以上锥叶片(3)的锥形锥叶轮(4)连接，锥叶轮(4)和柱叶轮(5)被对应搁置在漏斗型血泵内腔(17)和圆柱型血泵内腔(18)中；前述连接形成由血流入口(1)、漏斗型血泵内腔(17)、圆柱型血泵内腔(18)和血流出口(12)构成的血泵血流通道；在圆柱型血泵内腔(18)的圆柱面上设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着驱动线圈(8)的驱动线圈铁心(7)，在圆柱型血泵内腔(18)的端面外侧壁上设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着轴向控制线圈(11)的轴向线圈铁心(10)，在漏斗型血泵内腔(17)的外壁上，大口径段设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着锥型顶部线圈(14)的锥型顶部线圈铁心(13)，小口径段设置有4个沿周向均匀布置的缠绕着锥型底部线圈(15)的锥型底部线圈铁心(16)；与血流入口(1)、圆柱型血泵内腔(18)连接的可打开的球面泵体(2)将锥型顶部线圈(14)、锥型顶部线圈铁心(13)、锥型底部线圈(15)、锥型底部线圈铁心(16)、驱动线圈(8)和驱动线圈铁心(7)封闭在其内；该装置由相同结构的、对称的左右两个心室血泵构成，左右两个心室血泵通过球面泵体(2)之间的泵体连接带装配为一体；该装置各部件之间均采用常规技术连接。

2、根据权利要求1所述的无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，其特征在于：轴向被控盘(9)的直径与轴向线圈铁心(10)和轴向控制线圈(11)组成的控制包的直径相同。

3、根据权利要求1所述的无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，其特征在于：右心室血泵中的锥叶轮(3)的大、小端直径和柱叶轮(5)的直径大于左心室血泵中对应部件的尺寸1--5mm。

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