DE69731709T2

DE69731709T2 - Turboblutpumpe

Info

Publication number: DE69731709T2
Application number: DE69731709T
Authority: DE
Inventors: Kenji Miyazaki-City Araki; Hirohumi Ooita-City Anai
Original assignee: JMS Co Ltd
Current assignee: JMS Co Ltd
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: EP0834326A3; DE69736213T2; EP1473048B1; EP0834326A2; JPH1099429A; JP4016441B2; DE69731709D1; DE69736213D1; US6135710A; EP1473048A1; EP0834326B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Turboblutpumpe, die extrakorporal oder in einem Körper eines Patienten implantierbar ist, um eine Kreislaufunterstützung zu leiten oder eine extrakorporale Blutzirkulation für eine Herz-Lungen-Bypassoperation, Blutreinigung oder andere Behandlungen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlicherweise wurde häufig eine Zylinderblutpumpe zum Herauspumpen von Blut durch Kompression einer Röhre für eine extrakorporale Zirkulation verwendet. Jedoch benötigt diese Art der Zylinderpumpe eine spezielle Pumpensegmentröhre, die daran anzupassen ist, und der Mangel an Festigkeit und Beständigkeit der Röhre bereitet Probleme. Ein weiteres wichtiges Problem ist, daß die zylinderartige Blutpumpe sperrig und schwierig zu handhaben ist. Daher ist es schwierig, sie beispielsweise in einem Operationsraum zu verwenden. Daher sind in den letzten Jahren Turboblutpumpen, wie Zentrifugalpumpen und Axialflußpumpen, welche beispielsweise in einem Operationsraum verwendet werden können, entwickelt worden. Siehe beispielsweise erteiltes japanisches Patent 1914715, japanische, nicht geprüfte Patentveröffentlichung 4-2358, japanische, nicht geprüfte Patentveröffentlichung 6-218043, erteiltes japanisches Gebrauchsmuster 1792315, japanische, nicht geprüfte Patentveröffentlichung 2-99800, japanische, nicht geprüfte Patentveröffentlichung 7-75667 und die japanische, nicht geprüfte Patentveröffentlichung 7-178165.
In der Zentrifugalpumpe wird Flüssigkeit in einen Gehäuseeinlaß geführt und fließt im wesentlichen senkrecht zu einer Impellerrührerachse. Im Vergleich dazu wird in einer axialen Flußpumpe Flüssigkeit in ein Gehäuse eingeführt und fließt parallel zu der Achse. Bei der Entwicklung dieser Pumpen ist es notwendig, die erforderliche Drehzahl zu entwerfen, um Flüssigkeit effizient zuzuführen oder um Flüssigkeit zuzuführen, um einen stabilen Zustand zu gewährleisten, in welchem beispielsweise eine Flußseparation, ein Zusammenstoß, Wirbel, Hohlraumbildung oder dergleichen nicht bewirkt wird. D. h., eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl in einem Bereich von 1.000–4.000 rpm ist erwünscht, um Flüssigkeit effizient mittels einer normalen Linksventrikelunterstützungspumpe des Zentrifugaltyps zuzuführen (Fließgeschwindigkeit: 5 L/min, Druckhöhe: 100 mm Hg). Ferner ist eine verhältnismäßig hohe Drehzahl in einem Bereich von 9.000–30.000 rpm erwünscht, um Flüssigkeit effizient mittels einer Axialflußpumpe zuzuführen.
Die Abgabegeschwindigkeit (Fließgeschwindigkeit) der obigen Turboblutpumpen wird hauptsächlich durch die Drehgeschwindigkeit und die Größe des Impellerrührers und die Größe des Gehäuses bestimmt. Um daher eine große Abgabegeschwindigkeit in einer zentrifugalartigen Pumpe zu gewährleisten, muß die Größe der Pumpe einschließlich des Impellerrührers und des Gehäuses vergrößert werden. Im allgemeinen weist eine Zentrifugalpumpe, die für eine extrakorporale Zirkulation verwendet wird, einen Impellerrührerdurchmesser in der Größe von 40–80 mm und ein großes Ansaugvolumen auf. Jedoch ist, wie später beschrieben wird, eine Vergrößerung der Pumpe nicht wünschenswert.
Auf der anderen Seite kann, da die Axialflußpumpe eine größere Drehzahl gewährleistet, um eine effiziente Fluidzufuhr als für die Zentrifugalpumpe zu erzielen, eine größere Abgabegeschwindigkeit bereitgestellt werden, wenn der gleiche Impellerrührerdurchmesser verwendet wird. Jedoch konnten herkömmliche Axialflußpumpen keine ausreichende Antriebsstärke für einen Herz-Lungen-Bypass bereitstellen, da sie etwa 5–16 mm im Impellerrührerdurchmesser waren. Ferner weist die Axialflußpumpe eine größere Impellerrührerdrehzahl auf als die Zentrifugalpumpe, und daher tritt eine Blutverletzung, wie Hämolyse, wahrscheinlicher auf. Daher wird gewöhnlicherweise die Axialflußpumpe ent worfen, so daß die Rotationsgeschwindigkeit gering ist und der Impellerrührerflügel so groß wie möglich ist, um die Möglichkeit einer Hämolyse zu reduzieren. Jedoch fällt in diesem Falle die hydraulische Effizienz ab, so daß ein Vorteil der Axialflußpumpe nicht vollständig realisiert wird.
Da ferner die herkömmliche Turboblutpumpe, beispielsweise eine Zentrifugalpumpe, an eine Antriebsquelle gebunden ist, weisen viele Typen eine Wellenabdichtung auf. Jedoch ist eine Blutpumpe mit einer Wellenabdichtung schwierig für mehr als zwei Wochen zu betreiben, aufgrund der Beständigkeit der Wellenabdichtung. Da ebenfalls ein Thrombus wahrscheinlich auftritt, ist eine Wellenabdichtung ein Problem bezüglich der Anti-Thrombogenizität. Um das obige Problem zu lösen, wurde ein Impellerrührer, der keine Wellenabdichtungen erfordert, entwickelt. Ein solcher Impellerrührer ist in der US 4,507,048 , ausgegeben an Belenger et al., offenbart. Gemäß dieser Erfindung werden die oberen und unteren Enden der Drehwelle des Impellerrührers in dem Gehäuse getragen. Außerhalb des Gehäuses ist ein magnetischer Antriebsmechanismus, wie eine elektrische Spule, welcher ein sich drehendes magnetisches Feld erzeugt, um den Impellerrührer anzutreiben. Ein Nachteil dieser Erfindung ist, daß die Rotorstabiltität verloren geht, wenn das Tragemittel deformiert wird. Eine Deformierung wird durch Variationen im Abstand zwischen den oberen und unteren Lagern und den Kontaktdruck der oberen und unteren Tragestruktur bewirkt. Eine solche Deformation kann eine Hämolyse und eine Thrombusbildung in der Blutpumpe bewirken.
EP 0 452 827 A2 offenbart eine Blutpumpe und eine extrakorporale Blutzirkulationsvorrichtung. Die Blutpumpe umfaßt ein Gehäuse mit einem inneren Bereich, einer Öffnung, die in einem oberen Bereich des Gehäuses gebildet ist, die einen Bluteinlaß definiert, und einer Öffnung, die in einem unteren Bereich des Gehäuses gebildet ist, die einen Blutauslaß definiert, einem Impellerrührer, der drehbar um eine vertikale Achse innerhalb des Innenbereichs montiert ist, wobei der Impeller eine Drehwelle einschließt und wenigstens einen Flügel, der von dieser absteht, und Antriebsmittel zum Drehen des Impellerrührers um die Drehwelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Blutpumpe bereitzustellen, welche beispielsweise in einem Operationsraum installiert werden kann, welche die Operationsarbeitsgänge nicht stört. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine implantierbare Blutpumpe von kleiner Größe bereitzustellen, welche in dem Körper implantiert werden kann und welche eine anatomische Begrenzung zum Zeitpunkt der Implantation vermindert, wodurch die Operation vereinfacht wird. Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Blutpumpe bereitzustellen, welche eine ausreichende Abgabegeschwindigkeit und Antriebsstärke aufweist – wodurch eine effiziente Zuführung von Flüssigkeit erreicht wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Blutpumpe bereitzustellen, welche einen Einfluß auf das Blut aufgrund der dynamischen Wirkung, wie Scherspannung und Wärmeerzeugung, vermindert, wodurch eine Beschädigung für das Blut, wie eine Hämolyse, vermindert wird. Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Blutpumpe bereitzustellen, welche die Bildung eines Thrombus begrenzt und hoch beständig ist.
Die Aufgaben werden erreicht durch eine Turboblutpumpe, welche umfaßt:

a) ein Gehäuse mit einem Innenbereich, einer Öffnung, die in einem oberen Bereich des Gehäuses gebildet ist, die einen Bluteinlaß definiert, und einer Öffnung, die in einem unteren Bereich des Gehäuses gebildet ist, die einen Blutauslaß definiert;
b) einen Impellerrührer, der drehbar um eine vertikale Achse innerhalb des Innenbereichs montiert ist, wobei der Impellerrührer eine Drehwelle und wenigstens einen Flügel einschließt, der von dieser absteht, wobei der wenigstens eine Flügel sich radial weniger nahe dem Bluteinlaß als nahe dem Blutauslaß erstreckt und eine dreidimensionale Struktur aufweist, die aus verdrehten, gekrümmten Vorderflächen gebildet ist, welche nicht parallel zu der Drehachse des Impellerrührers ist, wobei die Basis des wenigstens einen Flügels einen Außenwinkel δ von weniger als 65° mit der Achse der Drehwelle bildet, und
c) ein Antriebsmittel zum Drehen des Impellerrührers um die Drehwelle.

Bevorzugt schließt der distale Bereich des wenigstens einen Flügels einen Flügelobervorderflächenwinkel α und einen Flügelbasiswinkel β ein und der Obervorderflächenwinkel α ist ungleich zu dem Flügelbasiswinkel.
Noch bevorzugter schließt der distale Bereich des wenigstens einen Flügels einen Flügelobervorderflächenwinkel und einen Flügelbasiswinkel ein und der Obervorderflächenwinkel ist kleiner als der Flügelbasiswinkel.
Gemäß der Erfindung ist ferner bevorzugt, daß der obere Bereich der Impellerrührerdrehwelle drehbar gehalten ist in einer Drehlagerstruktur und der untere Bereich der Impellerrührerdrehwelle drehbar gehalten ist in einer Gleitlagerstruktur, wobei das Gleitlager vom Typ ist, das zylindrische Vorderflächen enthält, und wobei das Mittel zum Drehen des Impellerrührers einen angetriebenen Magneten einschließt, der auf den wenigstens einen Flügel montiert ist, und einen Antriebsmagneten, der radial benachbart dem angetriebenen Magneten und außerhalb des Gehäuses montiert ist, wodurch der angetriebene Magnet magnetisch mit dem Antriebsmagneten gekoppelt ist.
Bevorzugt ist der wenigstens eine Flügel des Impellerrührers vom vollständig offenen Typ.
Noch bevorzugter ist, daß der Innenbereich des Gehäuses sich allmählich von dem Bluteinlaß zu dem Blutauslaß ausdehnt.
Schließlich ist bevorzugt, daß die Dicke des Flügels eingestellt ist, um allmählich von dem proximalen Ende des Flügels zu dem distalen Ende desselben zu variieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl die Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Wegen bezüglich ihrer Komponenten und Zuordnung verkörpert werden kann, werden bevorzugte Zeichnungen und Ausführungsformen unten beschrieben und veranschaulicht:
1 ist eine Seitenaufrißansicht im Querschnitt einer Turboblutpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung mit magnetischer Kopplung in der radialen Richtung;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Drehwelle und eines Flügels eines Impellerrührers, wobei der Flügel eine dreidimensionale Struktur aufweist, die durch verdrehte, gekrümmte Vorderflächen gebildet wird;
3 ist eine Seitenaufrißansicht im Querschnitt einer weiteren Turboblutpumpe, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, mit einer magnetischen Kopplung in der radialen Richtung;
4 ist eine Seitenaufrißansicht im Querschnitt einer weiteren Turboblutpumpe, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, mit einer magnetischen Kopplung in der axialen Richtung; und
5 ist eine Aufsicht des Impellerrührers aus 2, gesehen entlang der Linie 5-5, mit vier angefügten Flügeln und veranschaulichend das Verhältnis zwischen Flügelobervorderflächenwinkel (α) und dem Flügelbasiswinkel (β).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen einer Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1. Pumpenflußtyp
Turbopumpen können im allgemeinen als Zentrifugalflußpumpen, als gemischte Flußpumpen oder Axialflußpumpen klassifiziert werden. Die Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf jede Komponente beschrieben.
In bezug auf eine kleine Größe und Abgabegeschwindigkeit ist die gemischte Flußpumpe am wünschenwertesten. Unter Bezugnahme auf 1 wird eine gemischte Flußpumpe der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der gemischten Flußpumpe fließt Blut in einem Impellerrührer weder parallel noch senkrecht zu der Pumpachse, sondern in einer schrägen Richtung, wie es durch die Pfeile veranschaulicht ist. Die gemischte Flußpumpe verwendet eine Zentrifugalkraft, um dem Fluid, wie Blut, Energie zu geben. Somit weist der Impellerrührer der gemischten Flußpumpe einen größeren Durchmesser an seinem Flügelausgang B als an seinem Flügeleingang A auf – im Gegensatz zur Axialflußpumpe. Der Boden des Flügels 22 weist einen Außenwinkel δ von 0° < δ < 65° mit der Achse der Impellerrührerwelle auf. Unter Berücksichtigung der Effizienz des Flusses und der Beschädigung des Fluids ist der obige Winkel δ bevorzugt 25° < δ < 65°. Die optimale spezifische Geschwindigkeit der Blutpumpe des gemischten Flußtypes ist höher als für die Zentrifugalpumpe, dadurch kann eine höhere Drehzahl und dadurch eine höhere Effizienz erreicht werden. Da die höhere Drehzahl erreicht wird, kann die Größe des Impellerrührers und des Gehäuses vermindert werden, so daß eine Verminderung der Pumpengröße und eine Gewährung der größeren Abgabegeschwindigkeit ohne Verminderung der Effizienz erreicht werden.
2. Impellerrührerstruktur
a. Dreidimensionale Struktur der Flügel
Da in der Turboblutpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung der obere Bereich und der untere Bereich des Impellerrührerflügels unterschiedliche Durchmesser A und B sowohl am Eintritt bzw. als auch am Ausgang aufweisen, als ein Ergebnis der Berücksichtigung einer Optimierung des Blutflusses in der Pumpe, ist gefunden worden, daß die Flügelform wünschenswert ein Flügel mit dreidimensionaler Struktur ist, welche nicht parallel zu der Drehachse des Impellerrührers ist. Diese Flügelstrukturen sind sowohl in der gewünschten Flußpumpe als auch der nicht gemischten Flußpumpe favorisiert, und es ist insbesondere erkannt worden, daß sie auch in der gemischten Flußpumpe favorisiert sind. Wie in einer Aufsicht in axialer Richtung (siehe 5) gezeigt, erreicht das obere Ende des Flügels 7 einen weiter außenstehenden Umfang (virtueller Umfang D) als der Umfang (virtueller Umfang C) des Bodenendes desselben.
Unter Fortführen der Bezugnahme auf 5 wird der Flügelobervorderflächenwinkel α und der Flügelbasiswinkel β veranschaulicht. Der Obervorderflächenwinkel α ist definiert als der Winkel, der zwischen einer Tangenslinie zu der Flügelobervorderfläche des Flügels am oberen Endpunkt 7 auf dem virtuellen Umfang D und einer Tangenslinie zu dem Kreis gebildet wird, der durch den Impellerrührerflügel am oberen Endpunkt 7 gebildet wird. Der Flügelbasiswinkel β ist definiert als der Winkel, der zwischen einer Tangenslinie zu der Basis des Flügels an dem Basisendpunkt 8 auf dem virtuellen Umfang C und einer Tangenslinie zu dem Kreis gebildet wird, der durch den Impellerrührerflügel am Basisendpunkt 8 gebildet ist.
Die Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung weist eine solche dreidimensionale Struktur auf, daß der Impellerrührerflügel in bezug auf die Drehachse, wie oben beschrieben, gedreht ist. Somit sind Blutflußstörungen, wie Flußseparation, Zusammenstoß, Wirbelbildung, Kavitation oder dergleichen vermindert. D. h. der Blutfluß ist effizienter gestaltet. Ferner, wenn der Blutfluß effizienter gestaltet ist, sind Scherspannungen des Blutes vermindert, so daß eine Erzeugung von Wärme aufgrund von Energieverlust in der Pumpe unterdrückt wird. Als ein Ergebnis wird eine Hämolyse unterdrückt, die Beständigkeit des Impellerrührerflügels und der Drehwelle, die einer Hochgeschwindigkeitsrotation unterzogen werden, wird verbessert, eine Bildung von Thromben wird unterdrückt und andere Effekte werden erzeugt.
b. Flügeldurchmesser
Unter Bezugnahme auf 1 ist der Durchmesser B des Flügels der Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung bevorzugt in einem Bereich von 4–80 mm. Ein Bereich von 15–40 mm ist weiter bevorzugt. Eine solche Blutpumpe, in welcher der Impellerrührerflügeldurchmesser B 15–30 mm ist, ist am geeignetesten zur Verwendung in künstlichen Herzen des Langzeitimplantationstyps. Ferner ist eine Blutpumpe mit einem Durchmesser B von 20–40 mm für eine extrakorporale Zirkulation oder eine parakorporale Zirkulationshilfe geeignet, da sie eine höhere Druckhöhe als die bisherigen erzeugt.
e. Flügelmaterial und Dicke
Das Material, welches die Flügel bildet, muß die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) ungefährlich gegenüber dem menschlichen Körper (ausgezeichnete Biokompatibilität), (2) ausgezeichnete Langzeitbeständigkeit, (3) Fähigkeit, präzise betrieben zu werden, (4) ausgezeichnet bezüglich der Hämo-Kompatibilität, wie Anti-Thrombogenizität, (5) geeignete Härte, etc. Beispielsweise sind synthetisches Harz, wie Acryl, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polycarbonat und Fluoresin und rostfreier Stahl, Titan, Titanlegierung, Feinkeramiken oder dgl. bevorzugte Materialien.
Wenn die Dicke des Flügels zu klein ist, gibt es ein Problem bezüglich der Festigkeit und Beständigkeit. Wenn die Dicke desselben zu groß ist, wird zuviel Antriebsenergie in diesem eingesetzt. Die bevorzugte Dicke des Flügels ist 1,5–2,0 mm bei Verwendung von Polyacrylat und Polymethacrylat, 1,0–1,5 mm bei Verwendung von Polycarbonat (welches eine höhere Festigkeit als die ersteren aufweist) und 0,5–1,5 mm bei Verwendung von rostfreiem Stahl, Titan, Titanlegierung oder dergleichen.
Wenn die Dicke des Flügels eingestellt wird, um allmählich von dem proximalen Ende des Flügels zu dem distalen Ende desselben zu variieren, ist dies effektiv zum Aufrechterhalten eines Fließweges in der Pumpe oder zum Gewährleisten eines effizienten Flusses. Durch allmähliches Verdünnen des Flügels von dem proximalen zu dem distalen Ende kann eine Flußseparation vermindert werden, so daß ein turbulenter Fluß in der Nähe des Ausgangs vermindert wird. Durch allmähliches Verdicken der Flügelstruktur kann der Prozentanteil an Blutfluß am Eintritt gesteigert werden.
d. Anzahl an Flügeln
Gewöhnlicherweise werden 2–8 Flügel bereitgestellt, jedoch sind 3 Flügel bevorzugt. Eine Blutpumpe mit einem Impellerrührer, der einen Flügel umfaßt, kann keine stabile Antriebskraft erzeugen, und eine Blutpumpe mit 9 oder mehr Flügeln ist schwierig herzustellen.
e. Weitere Impellerrührerstruktur
In der Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung wird ein Impellerrührer vom vollständig offenen Typ verwendet. Ein Impellerrührer vom vollständig offenen Typ ist einer, bei welchem keine Scheibe an dem oberen und unteren Bereich der Flügel angefügt ist. Als ein Ergebnis wird eine Struktur ohne Blutstagnation bereitgestellt, so daß eine Stelle, welche wahrscheinlich einen Thrombus bildet, eliminiert wird, wodurch eine ausgezeichnete Anti-Thrombogenizität erreicht wird.
3. Impellerrührerwelle und Lagerstrukturen, und Magnetkopplungssystem zum Antreiben des Impellerrührers
a. Material, das die Welle bildet
Die Impellerrührerwelle wird aus einem Material mit den folgenden Eigenschaften gebildet:
(1) ausgezeichnet bezüglich der Hemo-Kompatibilität, wie Anti-Thrombogenizität, (2) geeignete Härte und dergleichen, und beispielsweise ist rostfreier Stahl, Titan, Keramiken oder dergleichen bevorzugt. Ein Lager zum Tragen einer solchen Welle wird wünschenswerterweise aus einem Material mit ausgezeichnetem Anti-Abrieb zuzüglich zu den obigen Eigenschaften gebildet. Beispielsweise hoch beständiger Kunststoff, wie Polyethylen ultrahoher Dichte oder Polyolefin mit ultrahohem Molekulargewicht "Lubmer^TM, hergestellt von MITUI SEKIU KAGAKU Co. Ltd.".
b. Lagerstruktur und Magnetkopplungssystem
Wie in 3 gezeigt, ist ein Magnetgehäuse 14 an dem Impellerrührerflügel 4 montiert, und ein angetriebener Magnet 15 ist innerhalb des Magnetgehäuses 14 montiert. Der angetriebene Magnet 15 ist magnetisch mit einem Antriebsmagneten 16 gekoppelt, der außerhalb des Magnetgehäuses 14 montiert und radial benachbart zu dem angetriebenen Magneten 15 ist. Als ein Ergebnis wird eine Kraft der magnetischen Kopplung nicht auf die Welle 12 und das Drehlager 9 und das Gleitlager 13 beaufschlagt, so daß keine unnötige Spannung zwischen der Welle und dem Lager beaufschlagt wird. Somit ist eine Beziehung zwischen einem oberen Wellenende 17 und einem oberen Lager 9 wünschenswert, um von einer Nadelspitzenberührung oder einem Drehlager zu sein, in welchem ein geringer Abrieb oder eine geringe Wärme erzeugt wird. Wenn jedoch der Antriebsmagnet und der angetriebene Magnet magnetisch miteinander in der Richtung des Radius gekoppelt werden, tritt manchmal eine Krümmung auf und wird in der radialen Richtung der Welle instabil. Somit wird ein unteres Wellenende 18 strukturiert, um in einer zylindrisch berührenden Beziehung mit dem Gleitlager 13 zu sein. Als ein Ergebnis stellt das untere Lager eine fehlersichere Funktion bereit.
Ferner ist es, wie in 4 gezeigt, möglich, den angetriebenen Magneten 15 unmittelbar an dem Impellerrührerflügel anzuordnen und den angetriebenen Magnet 15 mit dem Antriebsmagneten 16, der außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist, magnetisch zu koppeln, in der vertikalen Richtung relativ zu der Impellerrührerwelle. Wenn sie magnetisch miteinander gekoppelt in der vertikalen Richtung sind, verbiegt sich das untere Wellenende 18 niemals in der radialen Richtung der Welle. Somit ist es wie für die Beziehung zwischen dem oberen Wellenende 17 und dem oberen Lager 9 möglich, das untere Wellenende 18 und das untere Lager 13 miteinander in einer Nadelspitzenberührung oder einer Drehlagerstruktur zu koppeln.
e. Magnetmaterial
Es ist wünschenswert, daß der angetriebene Magnet 15 und der Antriebsmagnet 16 aus Material gebildet werden, welches die Trägheitsmasse des Impellerrührers vermindert und eine Pumpengeschwindigkeitsansprechung steigert, um die Stabilität der Impellerrührerrotation und die Beständigkeit der Welle zu steigern und ferner Scherspannungen in dem Fluid in der Pumpe zu vermindern, wodurch eine Hämolyse vermindert wird, und um die Größe der Pumpe zu vermindern. Um die obigen Erfordernisse zu erfüllen, ist es bevorzugt, daß der Magnet ein Magnet aus Seltenerdmetall ist, beispielsweise Neodym, Samarium, Cobalt oder dergleichen.
4. Gehäuse und andere Blutpumpenkomponenten
In der Blutpumpe der vorliegenden Erfindung sollte der Raum (genannt Ausströmraum), der zwischen Impellerrührerflügeln und dem Innenbereich des Gehäuses gebildet wird, so klein wie möglich gehalten werden. Obwohl die Effizienz der Pumpe gesteigert wird, wenn der Raum vermindert wird, tendiert ein zu kleiner Raum dazu, einen Blutschaden aufgrund der Scherkräfte zu bewirken, die zwischen diesem gebildet werden. Der wünschenswerte Freiraum ist als zwischen 0,1–1,0 mm gefunden worden. Blutfluß wird ebenfalls optimiert, wenn das Gehäuse so gebildet wird, daß sein Querschnittsbereich sich allmählich in der Fließrichtung in Richtung auf den Blutausgang ausdehnt.
Da ebenfalls Verbindungen zwischen dem Gehäuse und den Lagern mikroskopische Spalten aufweisen können, kann eine Thrombusbildung und eine Hämolyse leicht auftreten. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, daß die oben beschriebenen Lager integral mit dem Gehäuse gebildet werden.
5. Impellerrührerherstellungsverfahren
a. Aus synthetischem Harz hergestellter Impellerrührer
Wenn das Material des Flügels synthetisches Harz ist, wie Acryl, Polyacryl, Polymethacrylat, Polycarbonat, Fluoresin oder dergleichen, kann der Impellerrührer durch irgendein geeignetes Verfahren, das unten beschrieben wird, hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, einen vorgegebenen Formflügel durch Spritzgießen von Polycarbonat zu formen und dann das Magnetgehäuse an diesen Flügel durch Klebstoff anzubinden. Oder es ist möglich, die Flügel und das Magnetgehäuse integral zu bilden.
b. Metallischer Impellerrührer
Wenn das Material der Flügel Metall ist, wie rostfreier Stahl, Titan, Titanlegierung oder dergleichen., kann der Impellerrührer in dem gleichen Verfahren wie für den obigen synthetischen Harztyp hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, den Flügel, die Welle und das Magnetgehäuse getrennt oder integral durch Verlustwachsformen herzustellen. Beim Verlustwachsformen wird eine männliche Matritze aus Wachs hergestellt, welche durch Metall oder dergleichen ersetzt wird. Ferner können der Flügel, die Welle und das Magnetgehäuse integral hergestellt werden. Oder der Impellerrührer kann durch Schneiden von rostfreiem Stahl, Titan, Titanlegierung oder dergleichen integral hergestellt werden. Während das erstere geeignet ist zur Massenproduktion, ist das letztere für kleine Produktionsmengen von verschiedenen Produkttypen geeignet.
6. Bevorzugte Ausführungsform
Eine bevorzugte Ausführungsform der Turboblutpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Konstruktion der vorliegenden Erfindung. Das Gehäuse 3 umfaßt einen Einlaß 1 an seinem oberen Ende und einen Auslaß 2 an dessen unterem Ende. In einer Vielzahl der Flügel des Impellerrührers sind angetriebene Magneten 15 in dem Magnetgehäuse 14 an dem unteren Bereich magnetisch mit dem Antriebsmagneten 16, der außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist, gekoppelt. Der Antriebsmagnet 16 wird durch einen Motor, der außerhalb der Pumpe angeordnet ist, gedreht. Als ein Ergebnis wird der Impellerrührer, der den angetriebenen Magneten 15 enthält, gedreht, um dem Blut Energie zu liefern. Der Impellerrührer wird durch die Welle 12 getragen, und die Welle 12 wird durch das obere Lager 9 und das untere Lager 13 getragen. Das obere Lager 9 wird durch einen oberen Lagerhalter 10 getragen.
Unter Fortführen der Bezugnahme auf 1 weist eine obere Vorderfläche des Flügels, welche das obere Ende 5 des Flügels an dem Eingang und das obere Ende 7 des Flügels an dem Ausgang verbindet, einen Winkel Φ von 45° in bezug auf die Achse der Welle 12 auf. Eine Bodenfläche des Flügels, welche das untere Ende 6 des Flügels an dem Eintritt und das untere Ende 8 des Flügels an dem Austritt verbindet, weist einen Winkel δ von 30° in bezug auf die Achse der Welle 12 auf. Folglich wird ein Fluidfluß innerhalb des Impellerrührers ein schräger Fluß, welcher weder senkrecht noch parallel zu der Welle 12 ist.
Unter Bezugnahme auf 2 und 5 weisen das obere Ende 7 und das untere Ende 8 unterschiedliche Durchmesser an dem distalen Ende des Impellerrührerflügels auf. Zusätzlich ist der Impellerrührerflügel geformt worden, um den Fluß zu optimieren. Insbesondere ist der Flügelobervorderflächenwinkel α – der Winkel des oberen Endes des Flügels an dem Austritt relativ zu dem Umfang D – entworfen, um kleiner zu sein als der Flügelbasiswinkel β – der Winkel des unteren Endes des Flügels an dem Austritt relativ zum Umfang C. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Obervorderflächenwinkel α 11° und der Basiswinkel β 13°. In der Turboblutpumpe der vorliegenden Erfindung sind die Impellerrührerflügel in einer dreidimensionalen Struktur gebildet, die aus verdrehten Vorderflächen gebildet ist, um eine Flußeffizienz zu gewährleisten und eine Blutverletzung zu vermindern. D. h., in der vorliegenden Ausführungsform wird die Flügelstruktur 5, die zuvor beschrieben wurde, verwendet. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des Impellerrührerflügels, der in der dreidimensionalen Struktur gebildet ist, die durch die obigen verdrehten Vorderflächen gebildet wird.
Sich beziehend auf 1 werden der angetriebene Magnet 15, der an dem Impellerrührer 4 montiert ist, und der Antriebsmagnet 16, der außerhalb des Gehäuses 3 montiert ist, magnetisch miteinander radial relativ zu der Drehwelle 12 gekoppelt. Diese Kopplungskraft erzeugt keine axialen Kräfte, so daß die Drehwelle und das Lager nicht belastet werden, wodurch die Beständigkeit der Drehwelle und des Lagers verbessert wird. Das obere Lager 9 wird aus Polyethylen hoher Dichte hergestellt, welches ein hochbeständiges synthetisches Harz ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind feine, aus Keramik hergestellte Kugeln 11 in dem oberen Ende der Welle integriert und gemacht, um das Lager 9 in einer Nadelspitzenberührungsbeziehung zu berühren, wodurch die Beständigkeit verbessert wird.
Der gesamte Impellerrührer wird aus rostfreiem Stahl gebildet. Das untere Lager 13 wird in einer zylindrischen Form gebildet und aus einem synthetischen Harz hoher Beständigkeit, wie Polyethylen hoher Dichte, gebildet. Die Impellerrüherwelle 12 wird in einer zylindrischen Form gebildet, welche der Form des Lagers 13 entspricht. Die Impellerrührerwelle 12 wird in gegenüberliegender Beziehung mit dem unteren Lager 13 gehalten. Aufgrund dieser gegenüberliegenden Beziehung wird, sogar wenn das obere Lager 9 langsam abgerieben wird, das untere Wellenende 18 nicht aus dem unteren Lager 13 herausrutschen. Dies gewährleistet einen fehlerfreien Betrieb, wodurch zur Langzeitstabilität der Drehwelle ein Beitrag geleistet wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl der Antriebsmagnet 16 als auch der angetriebene Magnet 15 aus Neodym hergestellt. Wenn ein elektrischer Magnet anstelle des Anstriebsmagneten 16 installiert wird, wird der angetriebene Magnet 15 durch diesen elektrischen Magneten gedreht, und ein unabhängiger Motor ist nicht erforderlich. Somit wird eine beständigere Pumpe von kleinerer Größe realisiert.
BEISPIELE
Alle Beispiele, die unten bereitgestellt werden, sind beabsichtigt, um mehrere Aspekte der Erfindung zu veranschaulichen. Sie sind nicht beabsichtigt, um den Umfang oder die zugrundeliegenden Prinzipien der Erfindung auf irgendeine Art und Weise zu begrenzen.
BEISPIEL 1
Eine gemischte Flußpumpe des Ausströmraumtyps wurde verwendet. Die Höhe derselben, einschließlich des Gehäuses, ist 38 mm, und der Durchmesser derselben ist 48 mm. Der Impellerrührer ist vom vollständig offenen Typ, um eine Anti-Thrombogenizität zu verbessern, mit seinem maximalen Durchmesser von 20 mm und wird durch eine magnetische Kopplung mit keiner axialen Abdichtung angetrieben. Diese Blutpumpe zeigt eine Abgabegeschwindigkeit von 5 l/min bei einer Druckhöhe von 100 mm Hg unter 5.800 rpm, wodurch eine ausreichende Leistung zum Ersatz der vollständigen Kardialfunktion angezeigt wird. Der maximale Effizienzpunkt der Pumpe ist 6,9 l/min in der Flußgeschwindigkeit, 136 mm Hg bei der Druckhöhe und 7.000 rpm bei der Drehzahl, so daß ihre maximale Gesamthydraulikeffizienz 66% ist und die spezifische Geschwindigkeit, berechnet aus dem maximalen Effizienzpunkt, 368 ist.
BEISPIEL 2
Hämolysetest
Unter Verwendung von frischem, heparinisiertem Rinderblut als Blutansaugvolumen von 400 ml wurde ein Hämolysetest unter einer Bedingung durchgeführt, bei welcher die Fließgeschwindigkeit 5 l/min war, bei einer Druckhöhe von 100 mm Hg für 0–5 Stunden. Der gleiche Test wurde mittels einer kommerziell erhältlichen Delphinpumpe durchgeführt. Tabelle 1 zeigt diese Ergebnisse, gemäß welchem der hämolytische Index 0,015 g/100 l ist, welcher kleiner als die Hälfte des hämolytischen Index von 0,033 g der Delphinpumpe ist. Tabelle 1 (Ergebnis des Hämolysetests)

Blut frisches Rinderblut

Ansaugvolumen (ml) 400

Fließgeschwindigkeit (ml/min) 5.000

Druckhöhe (mm Hg) 100

HI = (100 – Ht)CV/(100 QT)HI: Hämolyseindex
Ht: Hämatokrit (%)
C: Zunahme des freien Hämoglobins (mg/dl)
V: Ansaugvolumen (ml)
Q: Blutfließgeschwindigkeit (ml/min)
T: Zeit (min)

Claims

Turboblutpumpe, welche umfaßt: a) ein Gehäuse (3) mit einem Innenbereich, einer Öffnung, die in einem oberen Bereich des Gehäuses (3) gebildet ist, die einen Bluteinlaß (1) definiert, und einer Öffnung, die in einem unteren Bereich des Gehäuses gebildet ist, die einen Blutauslaß (2) definiert; b) einen Impellerrührer, der drehbar um eine vertikale Achse innerhalb des Innenbereichs montiert ist, wobei der Impellerrührer eine Drehwelle (12) und wenigstens einen Flügel (4) umfaßt, der von dieser absteht, wobei der wenigstens eine Flügel (4) sich radial weniger nahe dem Bluteinlaß als nahe dem Blutauslaß erstreckt und eine dreidimensionale Struktur aufweist, die aus verdrehten, gekrümmten Vorderflächen gebildet ist, welche nicht parallel zu der Drehachse des Impellerrührers ist, wobei die Basis (22) des wenigstens einen Flügels (4) einen Außenwinkel δ von weniger als 65° mit der Achse der Drehwelle (12) bildet, und c) ein Antriebsmittel (15, 16) zum Drehen des Impellerrühres um die Drehwelle (12).
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Flügel (4) an seinem distalen Bereich einen Flügelobervorderflächenwinkel α, der zwischen einer Tangenslinie zu der Flügelobervorderfläche am oberen Flügelendpunkt (7) und einer Tangenslinie zu einem virtuellen Umfang gebildet wird, der durch den Flügel an dem oberen Flügelendpunkt (7) gebildet ist, und einen Flügelbasiswinkel β einschließt, der zwischen einer Tangenslinie zu der Flügelbasis am Flügelbasisendpunkt (8) und einer Tangenslinie zu einem virtuellen Umfang gebildet wird, der durch den Flügel am Flügelbasisendpunkt (8) gebildet ist, und wobei der Obervorderflächenwinkel α ungleich ist zu dem Flügelbasiswinkel β.
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Flügel (4) an seinem distalen Bereich einen Flügelvorderoberflächenwinkel α einschließt, der zwischen einer Tangenslinie zu der Flügelobervorderfläche am oberen Flügelendpunkt (7) und einer Tangenslinie zu einem virtuellen Umfang gebildet wird, der durch den Flügel am oberen Flügelendpunkt (7) gebildet ist, und einen Flügelbasiswinkel β, der zwischen einer Tangenslinie zu der Flügelbasis am Flügelbasisendpunkt (8) und einer Tangenslinie zu einem virtuellen Umfang gebildet wird, der durch den Flügel am Flügelbasisendpunkt (8) gebildet ist, und wobei der Obervorderflächenwinkel α kleiner ist als der Flügelbasiswinkel β.
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich der Impellerrührerdrehwelle (12) drehbar gehalten ist in einer Drehlagerstruktur (9) und der untere Bereich der Impellerrührerdrehwelle (12) drehbar gehalten ist in einer Gleitlagerstruktur (13), wobei das Gleitlager vom Typ ist, das zylindrische Vorderflächen enthält und wobei das Mittel zum Drehen des Impellerrührers einen angetriebenen Magneten (15) einschließt, der auf dem wenigstens einen Flügel (4) montiert ist, und einen Antriebsmagneten (16), der radial benachbart dem angetriebenen Magneten und außerhalb des Gehäuses (14) montiert ist, wodurch der angetriebenen Magnet (15) magnetisch mit dem Antriebsmagneten (16) gekoppelt ist.
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Flügel (4) des Impellerrührers vom vollständig offenen Typ ist.
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich des Gehäuses (3) sich allmählich von dem Bluteinlaß (1) zu dem Blutauslaß (2) ausdehnt.
Turboblutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Flügels (4) eingestellt ist, um allmählich von dem proximalen Ende des Flügels (4) zu dem distalen Ende desselben zu variieren.