CZ20023241A3

CZ20023241A3 - Sekundární oběľné kolo čerpadla ventrikulárního pomocného systému

Info

Publication number: CZ20023241A3
Application number: CZ20023241A
Authority: CZ
Inventors: David Horvath; Leonard A. R. Golding; William A. Smith
Original assignee: The Cleveland Clinic Foundation
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2003-01-15
Also published as: DE60111508T2; US7189260B2; WO2001072351A2; EP1267959B1; JP2003531653A; CA2404623A1; CZ303883B6; MXPA02009409A; CA2404623C; EP1267959A2; ATE297768T1; WO2001072351A3; DE60111508D1; US20040047753A1; JP4534073B2; AU2001250040A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká oboru medicíny. Zvláště se týká konkrétní aplikace pomocných technologií v oblasti kardiální s použitím rotačního dynamického krevního čerpadla, které je rovněž známé pod názvem levé ventrikulámí pomocné zařízení -leň ventricular assist devices (LVAD), přitom je toto zařízení schopné pomáhat pacientům s nemocným srdcem a bude z tohoto hlediska dále popsáno. Uznání si zaslouží i skutečnost, že tento vynález je možné rovněž aplikovat i u jiných druhů čerpadel a není tedy omezen pouze na dříve zmíněnou aplikaci.

Dosavadní stav techniky

Rotační dynamická čerpadla ( s axiálním tokem, smíšeným tokem a odstředivým tokem) mají v oblasti kardiálních pomocných technologií možnosti perspektivních aplikací. Typický kardiální pomocný systém zahrnuje vlastní krevní čerpadlo, elektrický motor (obvykle stejnosměrný motor s elektronickou komutací, který je součástí čerpadla), elektroniku pohonu, mikroprocesorovou řídicí jednotku a zdroj proudu, například dobíječi baterie. Čerpadla se mohou použít u plně implantovaného systému pro podporu vleklého srdečního onemocnění, u kterého se celý systém umístí dovnitř těla pacienta, přitom z těla nevystupují žádné vodiče. V případě dočasné podpory je čerpadlo umístěno v těle pacienta, ale některé komponenty systému, včetně zdroje proudu a elektroniky pohonu, mohou být umístěné mimo těla pacienta.

Používá se inverzní stejnosměrný motor s elektronickou komutací bez hřídele, který má proti běžnému motoru s hnaným hřídelem velkou výhodu. V pouzdru neexistují žádné otvory, kterými by se do motoru mohla dostat krev, přitom pouzdro zajišťuje, aby se do krevního oběhu nedostal vzduch a jiné tekutiny. Primární oběžné kolo pohonu čerpadla zahrnuje budicí magnet, který je buzen statorem a sestavou cívek umístěnou radiálně směrem dovnitř od rotoru motoru (inverzní motor). Aby s zabránilo tření a vývinu tepla, je krev pacienta použita jako tekuté ložisko mezi oběžným kolem a statorem.

Problémem tohoto zařízení je možnost ohřevu a/nebo stagnace krve, její tuhnutí vlivem vytváření trombů nebo tepelné koagulace krevních proteinů na povrchu pouzdra statoru nebo na sekundárním oběžném kole rotoru motoru v inverzní sestavě ložiska z tekutého filmu. Zmíněná situace není z hlediska ohrožení zdraví pacienta žádoucí, jelikož

pacient je na správné funkci zařízení závislý. Stejně tak je nutné, aby proud krve sloužící jako ložisko mezi rotorem a statorem proudil a promýval zmíněné díly pravidelně.

Tento vynález poskytuje nový a zlepšený způsob a zařízení bránící vytváření trombů a/nebo koagulaci proteinů a jejich usazování, čímž překonává dříve zmíněné problémy a nedostatky.

Podstata vynálezu

V souladu s jedním aspektem tohoto vynálezu se poskytuje pomocné zařízení pro osoby se srdečním onemocněním. Uvnitř pouzdra se nachází stator pohonu se sestavou oběžného kola. Sestava oběžného kola zahrnuje primární a sekundární oběžné kolo a rotor pohonu. Primární oběžné kolo poskytuje hnací sílu, která dopravuje krev ze vstupního otvoru k výstupnímu otvoru. Sekundární oběžné kolo cyklicky dopravuje krev tak, aby mazala a ochlazovala ložisko mezi sestavou oběžného kola a pouzdrem statoru.

Podle omezenějšího aspektu tohoto vynálezu, sekundární oběžné kolo zahrnuje radiální lopatky, které vykazují relativní souměrnost vůči poloměrům, přitom zmíněné lopatky vystupují ze středu sestavy oběžného kola.

Podle jiného aspektu tohoto vynálezu se poskytuje levé ventrikulární pomocné zařízení. Stejnosměrný motor s elektronickou komutací a sestava oběžného kola se nachází ve spirální skříni sestavy pouzdra. Sestava oběžného kola zahrnuje primární oběžné kolo, prstencový magnet rotoru pohonu a sekundární oběžné kolo. Sekundární oběžné kolo zahrnuje množství hladkých a zaoblených radiálních lopatek, které mají axiální výšku u vnějšího poloměru větší, než je axiální výška u vnitřního poloměru

Jednou z výhod tohoto vynálezu je krevní čerpadlo s jedním pohybujícím se dílem bez těsnění mezí motorem a krevními komorami.

Další výhoda vynálezu spočívá v tom, že se vyhýbá problémům s povrchy hnacího hřídele.

Další výhoda spočívá ve vytváření proudu krve a omývacího vzoru krve, kdy proud brání vytváření usazenin krevních prvků.

Ještě další výhody toho tohoto vynálezu budou odborníkům v oboru zřejmé, a to po prostudování provedení vynálezů, kterým se dává přednost.

-3ΦΦ Φ· φφφ ·· φφ φ · · φ φφφ φ * ♦ · φ φ φ φφφ ·· φ φφφφ φφ φφφ φ ·

Přehled obrázků na výkrese

Vynález může být popsán jako sestava různých komponent uspořádaných v několika krocích. Výkresy jsou zařazené pouze jako ilustrace provedeni, kterým se dává přednost, a nejsou proto limitujícím faktorem tohoto vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje příčný řez krevním čerpadlem podle tohoto vynálezu, obr.2A znázorňuje příčný řez sestavou pouzdra spirální skříně podle tohoto vynálezu, obr.2B znázorňuje příčný řez sestavou spirální skříně pouzdra vedený podél čáry 2B-2B naobr.2A, obr.3 znázorňuje příčný řez sestavou statoru podle tohoto vynálezu, obr.4A znázorňuje nárys sestavou oběžného kola, kde je konkrétně zobrazeno primární oběžné kolo podle tohoto vynálezu, obr.4B znázorňuje příčný řez sestavou oběžného kola, který je vedený podél čáry

4B-4B na obr.4A, obr. 5 A znázorňuje nárys sekundárního oběžného kola podle tohoto vynálezu, obr.5B znázorňuje příčný řez sekundárním oběžným kolem, který je vedený podél

5B-5B na obr.5A.

Příklady provedení vynálezu

Podle obr.l odstředivé krevní čerpadlo zahrnuje tři primární podsestavy, jmenovitě sestavu spirální skříně pouzdra 10, sestavu statoru 12 a otáčející se sestavu nebo rotor 14. Krev pacienta proudí do vstupního otvoru 16 krevního čerpadla. Šipky (nejsou číslované) označují směr proudění krve čerpadlem u provedení, kterému se dává přednost.Krev proudící Čerpadlem má energii získanou otáčejícím se prstencovým rotorem, konkrétně primárním oběžným kolem. Krev proudí dále okolo pouzdra spirální skříně, přitom nejprve vstupuje do kanálu spirální skříně 20 a do primární části, a dále čerpadlo opouští výstupním otvorem 22.

Malé množství krve teče do druhého kanálu nebo průchodu 24, konkrétně do první části průchodu 24a, která vystupuje axiálně ze zadní čelní plochy primárního oběžného kola a je radiálně umístěná mezi rotorem a místem tvořeným axiálním prodloužením 10a pouzdra statoru, které proniká do komory čerpadla, která je definovaná pouzdrem spirální skříně. Jak je všeobecně známo, komora je spojena se vstupním a výstupním otvorem, přitom primární oběžné kolo krev Čerpá z axiálního vstupu do tangenciálního výstupu. Sekundární oběžné kolo (bude popsáno podrobněji) se nachází na opačném konci sestavy rotoru, a to v jisté vzdálenosti od primárního oběžného kola. Část druhého průchodu 24b druhého kanálu definovaného u druhého konce rotoru, to znamená v jisté vzdálenosti od primárního oběžného kola, pokračuje z první části průchodu 24a a vstupuje radiálně směrem dovnitř přes sekundární oběžné kolo směrem k ose otáčení rotoru. Malá část proudu krve dále proudí axiálně podél části třetího průchodu 24c mezi rotorem 14 a axiálním prodloužením pouzdra. Sekundární kanál tak vytváří krevní ložisko, které se při provozu čerpadla pravidelně obnovuje. Krev odchází z ložiska v blízkosti primárního oběžného kola 18 a je plynule doplňované novou krví proudící přes sekundární kanál 24.

Podle obr. 1 se rozměr průřezu druhého kanálu mění od jedné části k druhé. Kanál má největší rozměr podél první části 24a a nejmenší rozměr podél třetí části 24c. Rozměry kanálu v souladu s geometrií oběžného kola, rychlostí, počtem lopatek, světlostí, gradientem tlaku a recirkulací proudu krve, poskytují parametry pro účinné ložisko z tekutého filmu, které je zbavené usazenin z krevních částic.

Opláštěný kabel 26 vchází přes část základny 28 pouzdra s cílem spojit sestavu statoru 12 v axiálním prodloužení. Kabel přivádí proud a ovládací spojení do a ven z čerpadla, konkrétně do sestavy statoru 12.

Podle obr. 2A a 2b sestava pouzdra spirální skříně 10 u provedení, kterému se dává přednost, je vytvořena samostatným odlitkem, který je rozříznutý na dva samostatné kusy, a to před opětovným spojením do pouzdra vytvořeného jako jeden kus. Před spojením se samostatné kusy obrábí a leští, odstraňují se všechny nedostatky a anomálie vznildé při odlévání v sekci spirální skříně 20, a to před svařením samostatných kusů dohromady. Alternativně se může sestava pouzdra spirální skříně vytvořit jako jeden odlitek bez nutnosti sváření. Přednost se dává tomu, aby byla sestava pouzdra spirálové skříně 10 vyrobena z titanu a s tloušťkou stěn přibližně 2,5 mm. Jak vstupní otvor, tak i výstupní otv or 16, 22 je vytvořený tak, aby se mohl připojit 34 k sousedním vedením nebo průchodům. Pouzdro je například opatřeno u každého otvoru vnějším závitem pro snadnější spojení s odpovídajícím samičím spojem se závitem, aby se tím dosáhlo bezpečného a těsného spojení. Otvory jsou opatřené vodicím povrchem nebo vodicím čepem 36, a to k orientaci spoje do vedení tekutiny (není zobrazený).

Vstupní otvor komunikuje s vnitřním hrdlem 38, které má o něco menší průměr než vstupní otvor. Krev prochází hrdlem a je urychlována. Toto uspořádání snižuje předem vytvořené víření krve, která vstupuje do oběžného kola 18. Kuželovitý difusér 40, který vede do výstupního otvoru 22 dolů za primárním kanálem, snižuje rychlost čerpané krve, a to před tím než vstoupí do aorty. U provedení, kterému se dává přednost, se kuželovitý difusér 40

rozšiřuje do výstupního otvoru 22 pod úhlem přibližně 7°, ačkoliv je možné u tohoto difuséru použít i jiný úhel a konfiguraci, aniž by přitom došlo k vzdálení se od rozsahu a zámyslu tohoto vynálezu.

V základně tělesa pouzdra spirální skříně 30 se nachází vybrání 42. Okolo pouzdra jsou po obvodě rozmístěné vložky 44, které jsou upravené pro příjem upínacích prvků, a to po vložení sestavy oběžného kola 14 a sestavy statoru 12 do sestavy pouzdra. Jazyk spirálové skříně 46 vystupuje z pouzdra směrem dovnitř tangenciálně s rotorem, s cílem oddělit diíusér od komory čerpadla a směrovat krev do kuželovitého difuséru 40 u konce primárního kanálu.

Podle obr.3, je vinutí statoru 50 umístěné uvnitř axiálního prodloužení pouzdra. Elektrický konektor 52 nacházející se u vzdálenějšího konce opláštěného kabelu 26 spojuje čerpadlo se zdrojem elektrického proudu a řídicím obvodem (není znázorněný). U provedení, kterému se dává přednost, je vinutí statoru 50 spojené se zdrojem proudu, který je umístěný mimo těla pacienta. Vinutí statoru 50 a elektrické spoje jsou vložené do axiálního prodloužení pouzdra statoru a vložky 54, které jsou umístěné okolo vinutí statoru 50, ustavují polohu a zajišťují pevné a těsné lícování vinutí uvnitř axiálního prodloužení. Víko pouzdra 28 je bezpečně spojeno s axiálním prosloužením pouzdra 10 pomocí upínacího zařízení 56, nejlépe jedním upínačem nebo šroubem, kteiý zapadá do samozávěmé šroubovité schránky 58 u opačného konce axiálního prodloužení. Těsnicí prvky, například O kroužky 60, 62 těsní všechny možné otvory, přes které by do pouzdra mohla prosakovat tekutina.

Po prozkoumám obr.3 lze ocenit, že sestava statoru je v axiálním prodloužení odsazená. To znamená, že tloušťka stěny axiálního prodloužení se po obvodu prodloužení liší. Tak například tloušťka stěny podél horní části (z pohledu na obr.3) je menší než je tloušťka stěny podél spodní části. Tím se poskytuje účelové odsazení pro ovládání pohybu rotoru a ovládání ložiska tekutého filmu vytvořeného mezi rotorem a pouzdrem. Konkrétněji jsou detaily tohoto odsazení zobrazeny a popsány v U.S. patentu 5,324,177, který je zde uveden pro posouzení.

Obr.4A a 4B znázorňují tři hlavní znaky sestavy oběžného kola 14. konkrétně primárního oběžného kola 18, sekundárního oběžného kola 70 a prstencovitého magnetu 72. Primární oběžné kolo zahrnuje množství lopatek, to znamená sedm lopatek, které mají takový tvar, že dohromady primární lopatky vytváří smíšený proud, to znamená kombinovaný axiální a radiální proud. Prstencovitý magnet 72 obklopuje obvod sestavy oběžného kola 14 a lícuje s místem, kde se nachází vinutí statoru 50 pouzdra statoru 12. Prstencovitý magnet 72 je magnetizován v podélném, obvodově odděleném vzoru, obecně známém jako čtyřpólový vzor. Alternativně lze do podobného vzoru uspořádat množství samostatných magnetů.

Prstencovitý magnet 72 ie vložen do sestavy oběžného kola, kde je utěsněn uvnitř obalu, který je vytvořený mezi primárním 18 a sekundárním 70 oběžným kolem. Sestávaje svařená nebo jinak spojená a tím uzavřená.

Detaily sekundárního oběžného kola 70, umístěného u jednoho konce nebo na základně sestavy oběžného kola, jsou podrobněji znázorněné na obr.5A a 5B. Sekundární oběžné kolo 70 zahrnuje množství přímých radiálních lopatek 80. přitom provedení na obr. jich má devět. Každá lopatka 80 má zaoblený vnější vrchol 82, který je dvojnásobně vyšší než je radiální vnitřní část 84- Rozdíl výšek je realizován pootočeným vlnitým výřezem, vytvářejícím stejný tvar každé lopatky. Všechny přechody nebo okraje lopatek jsou pozvolné, čímž nevznikají ostré rohy nebo jiné štěrbiny, ve kterých by se mohla krev usazovat. Provedení sekundárního oběžného kola 70, kterému se dává přednost, zavádí rotor vyvažující rozdělení tlaku přes zadní část otáčející se sestavy, přitom umožňuje radiální vstup krve pro stálé promývání zařízení přes sekundární kanál 24 mezi sestavou oběžného kola 14 a pouzdrem. Konkrétní tvar lopatek sekundárního oběžného kola 80 udržuje krev v pohybu, čímž se brání stagnaci/dlouhé rezidentní době a vytváření trombů na lopatkách 80.

Během činnosti krevního čerpadla, kterému se dává přednost, sekundární oběžné kolo 70 vytváří radiální tlakový gradient přes základnu sestavy oběžného kola 70, čímž se získá možnost ovládání hydraulického tlaku otáčející se sestavy a diferenciálního tlaku na ložisku. Tlakový gradient a cirkulace krve okolo lopatek pomáhá zabránit vytváření trombů na oběžném kole a v ložisku.

Proud krve sekundárním kanálem 24, který zásobuje ložisko, jev porovnání s proudem v primárním kanálu 20 velmi nízký. Konstrukce sekundárního oběžného kola umožňuje rovnováhu mezi proudem proudícím ložiskem a vytváří příliš velké axiální hydraulické zatížení. Tlak, který je výsledkem axiálního hydraulického zatížení je vyrovnáván axiální magnetickou tuhostí složek elektrického motoru. Tlak na vnějších vrcholech 82 lopatek je v podstatě stejný jako tlak u primárního oběžného kola 18. Směrem dovnitř od vrcholu sekundárního oběžného kola se vytváří radiální tlakový gradient. Čím větší hodnotu má zmíněný gradient, tím je u sekundárního konce ložiska tlak nižší. Je-li tlakový gradient stejný jako u protilehlého primárního oběžného kola, potom jak hydraulický tlak, tak i čistý tlak u ložiska, a tím i proud tekutiny, se rovná nule. Je-li tlakový gradient příliš nízký, potom hodnota proudění ložiskem a hydraulického tlaku u sestavy oběžného kola 14 se zvyšuje.

Vynález byl popsán na základě provedení, kterému se dává přednost. Modifikace a alternativní řešení je možné realizovat po přečtení a pochopení zmíněného provedení. Je

-Ί -

žádoucí, aby byl vynález interpretován se všemi modifikacemi a alternativami spadajícími do rozsahu přiložených nároků nebo jejich ekvivalentů

OZ '31^

-8• ·· · ·

• 444 ·· • 94 94 94

4 1 1 4 4

4 9 9 1 · • · 1 4 9 9 ·

4 4 4 9 4

494 41 14 4 14 4

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Kardiální pomocné zařízení zahrnuje.

pouzdro se vstupem a výstupem, sestavu rotoru uzpůsobenou k otáčení se okolo osy otáčení a zahrnující primární oběžné kolo sloužící k dopravě krve ze vstupního otvoru do výstupního otvoru, dále sekundární oběžné kolo sloužící k oběhu krve přes ložisko umístěné mezi sestavou oběžného kola a pouzdrem, kde sekundární oběžné kolo zahrnuje sérii od sebe oddělených lopatek rozmístěných s radiální orientaci okolo hnací osy, a to s cílem zlepšit recirkulaci přes krevní ložisko.
2. Vynález podle nároku 1,vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola vystupují axiálně směrem ze sestavy rotoru.
3. Vynález podle nároku 2, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola mají měnící se výšku nad radiálním rozměrem.
4. Vynález podle nároku 2, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola mají zaoblené okraje.
5. Vynález podle nároku 2, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola mají vlnité seříznutí, přitom vnější radiální část každé lopatky vystupující směrem ven má větší rozměr než vnitřní radiální část každé lopatky.
6. Vynález podle nároku 5, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola jsou umístěné na čelní ploše rotoru a vlnité seříznutí zahrnuje vydutý povrch, který vystupuje směrem dovnitř od vnějšího radiálního okraje k vnitřnímu radiálnímu okraji.
7. Vynález podle nároku 1,vyznačující se tím, že každá lopatka sekundárního oběžného kola má vydutý povrch.
8. Vynález podle nároku 1,vyznačující se tím, že dále zahrnuje inverzní motor a ložisko z tekutého filmu včetně statoru umístěného na místě vytvořeném axiálním prodloužením pouzdra, dále zahrnuje prstencovitý rotor s magnetem pohonu umístěným • 4 • *

44 44 ♦ 4 ·

4 4 · • 4 ·

4 4 4 ·« 44*4 v rotoru, který je otočně poháněn statorem, dále zahrnuje vůli (světlou výšku) definovanou mezi prstencovitým rotorem a prodloužením pouzdra, které definuje ložisko zásobované sekundárním oběžným kolem cirkulačním proudem krve s dobrou promývací schopností.
9. Vynález podle nároku 8, vyznačující se tím, že zmíněný rotor zahrnuje axiální prodloužení s primárním oběžným kolem umístěným u prvního konce prodloužení a sekundární oběžné kolo umístěné u druhého konce prodloužení.
10. Vynález podle nároku 8, vyznačující se tím, že vstupní otvor je vůči pouzdru orientován axiálně a výstupní otvor tangenciálně.
11. Krevní čerpadlo zahrnuje zlepšené ložisko na bázi ložiska s tekutým filmem a mazaným krví, přitom krevní čerpadlo zahrnuje:

pouzdro se vstupem a výstupem ve spojení s komorou čerpadla a částí vstupující do komory.

sestavu rotoru umístěnou v komoře, kde se otáčí okolo hnací osy a zahrnuje první oběžné kolo sloužící k čerpání krve ze vstupního otvoru do výstupního otvoru a druhé oběžné kolo sloužící k udržování proudu krve přes ložisko s tekutým filmem, které je definované mezi rozhraním sestavy rotoru a pouzdra, kdy sekundární oběžné kolo zahrnuje sadu lopatek vystupujících radiálně směrem od osy pohonu, přitom každá lopatka má zaoblené okraje, dále zahrnuje vinutí statoru a komponenty prstencovitého magnetu sestavy pohonu, sloužící k otáčení sestavy rotoru uvnitř komory pouzdra.
12. Krevní čerpadlo podle nároku 11, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola vystupují axiálně směrem ven ze sestavy rotoru, a to s větším rozměrem u radiálního vnějšího okraje, než je tomu u radiálního vnitřního okraje.
13. Krevní čerpadlo podle nároku 12, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola vystupují směrem ven za vnější průměr sestavy rotoru.

-10♦ 9 99 » 9 9 9

9 9 9

99 9 9 9 «

9 99 99 9· • · 9 9 · 9 9 • 9 9 9 9 ·

9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 <99

999 · 9 9 * 9*99
14. Krevní čerpadlo podle nároku 13, vyznačující se tím, že lopatky sekundárního oběžného kola mají vyduté zakulacené obrysy vystupující z radiálního vnějšího okraje k radiálnímu vnitřnímu okraji.
15. Krevní čerpadlo podle nároku 11,vyznačující se tím, že sestava pohonu zahrnuje vinutí statoru umístěné v části pouzdra.
16. Krevní čerpadlo podle nároku 15, vyznačující se tím, že sestava pohonu zahrnuje magnet umístěný v sestavě rotoru.
17. Krevní čerpadlo podle nároku 11, vyznačující se tím, že ložisko z tekutého filmu zahrnuje průchod s omezeným rozměrem umístěný mezi sestavou rotoru a části pouzdra.
18. Krevní čerpadlo podle nároku vyznačující se tím, že část pouzdra nemá kruhový průřez.
19. Krevní čerpadlo podle nároku 11, vyznačující se tím, že radiální vnitřní části lopatek sekundárního oběžného kola mají takový rozměr, aby měly vůči pouzdru větší světlost než vnější vrcholy lopatek.
20. Krevní čerpadlo podle nároku 19, v y z n a č u j í c í se t í m , že radiální vnitřní části lopatek sekundárního oběžného kola mají přibližně poloviční výšku než vnější vrcholy lopatek.