ES2856893T3

ES2856893T3 - Bomba de flujo sanguíneo para asistencia ventricular

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Publication number: ES2856893T3
Application number: ES16744342T
Authority: ES
Inventors: Mohammad Haddadi
Original assignee: Fineheart
Current assignee: Fineheart
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP2018532074A; WO2017032510A1; FR3040304A1; JP7004653B2; GB2557140B; US10744244B2; DK3341041T3; EP3341041B1; US20180243489A1; GB201803669D0; GB2557140A; FR3040304B1; CA2996020C; EP3341041A1; CA2996020A1

Abstract

Bomba (1) destinada a ser inmersa en un fluido que comprende: - un inductor (4) dotado de palas de guía (4a) para hacer lineal la corriente del fluido; caracterizada por que además comprende: - un rotor (5, 16) que comprende un cuerpo central (19) de forma abocinada, estando este rotor (5, 16) destinado a crear energía cinética y estando dispuesto aguas abajo del inductor (4) con respecto al sentido de circulación del fluido; - un árbol (17) impulsor y de sujeción del rotor (5, 16), estando este árbol fijado en el extremo aguas arriba del rotor (5, 16) y pasante por la cámara de admisión (3) por su zona axial; - al menos una pala helicoidal (18) realizada alrededor de dicho cuerpo central; teniendo esta pala helicoidal (18) un perfil exterior abocinado, e incluye espiras con paso de arrollamiento creciente y tendente a infinito, y siendo el volumen interior del cárter (6) complementario de la forma abocinada de dicha al menos una pala helicoidal (18), - un cárter (6) alrededor del rotor (5, 16); - un difusor (7, 22) dotado de palas para hacer lineal la corriente de fluido y aumentar la presión del fluido; estando dispuesto este difusor (7, 22) aguas abajo del rotor (5, 16) al objeto de evacuar el fluido desde el rotor (5, 16) hacia el exterior, transformando la energía cinética creada por el rotor (5, 16) en energía potencial; y - una corona directriz (8, 26) dotada de palas (8c) y de un orificio (8b) a la salida de diámetro inferior al diámetro de entrada de la corona directriz (8, 26), dirigiendo las palas (8c) el fluido, proveniente del difusor (7, 22), hacia el orificio, al objeto de aumentar la velocidad y dar al fluido un perfil predeterminado a la salida del orificio.

Description

DESCRIPCIÓN

Bomba de flujo sanguíneo para asistencia ventricular

La presente invención se refiere a una bomba para asistencia ventricular. Se trata, por ejemplo, de una bomba alimentada por batería y destinada a ser insertada en un cuerpo humano para ayudar en la circulación de la sangre (véase, p. ej., US 2014/0341726).

Dentro del campo de los sistemas de asistencia ventricular, son conocidos dos tipos de bomba: la bomba axial, que genera un considerable caudal con un bajo aumento de presión, y la bomba centrífuga, que genera unA presión acusada con un caudal bajo.

Con objeto de saber qué tipo de bomba es el más adaptado para una utilización dada, muchas veces se impone estimar una velocidad específica de la sangre dentro de la bomba. La velocidad específica es una variable reducida calculada en función de diferentes parámetros: el caudal deseado, la altura de elevación (diferencia de presión entre la entrada y la salida) y la velocidad de giro. A partir de este valor, se puede llevar a cabo la elección de la bomba de entre los siguientes modos: centrífuga para una velocidad comprendida dentro de [0 - 1,2], mixta para una velocidad específica comprendida dentro de [1 - 2,2] y axial por encima. Unos ábacos permiten escoger un tipo de bomba con un perfil predefinido para las aletas o palas utilizadas en el rotor.

Cualquiera que sea el tipo de bomba escogido, se aprecia la presencia de fuerzas de cizalladura en la mayor parte de las bombas de la técnica anterior debido a que los rotores y cárter utilizados en la técnica anterior crean excesivos torbellinos en la sangre. Las fuerzas de cizalladura son causantes de la creación de hemólisis, es decir, la destrucción de glóbulos rojos. Cuando se destruyen los glóbulos rojos, cualquiera que sea el caudal para conducir la sangre, el oxígeno no llega a las células.

Otro inconveniente es el estancamiento de sangre que provoca coágulos de sangre, causantes de la trombosis. La presente invención tiene por objeto una bomba que evita la creación de trombosis.

Es otro objeto de la invención evitar la creación de hemólisis.

Se logra al menos uno de los objetivos con una bomba destinada a ser inmersa en un fluido, comprendiendo esta bomba:

- un inductor dotado de palas de guía para hacer lineal la corriente del fluido;

- un rotor que comprende un cuerpo central de forma abocinada, estando este rotor destinado a crear energía cinética y estando dispuesto aguas abajo del inductor con respecto al sentido de circulación del fluido;

- un árbol (17) impulsor y de sujeción del rotor (5, 16), estando este árbol fijado en el extremo aguas arriba del rotor (5, 16) y pasante por la cámara de admisión (3) por su zona axial;

- al menos una pala helicoidal realizada alrededor de dicho cuerpo central; teniendo esta pala helicoidal un perfil exterior abocinado, e incluye espiras con paso de arrollamiento creciente y tendente a infinito, y siendo el volumen interior del cárter complementario de la forma abocinada de dicha al menos una pala helicoidal, - un cárter alrededor del rotor;

- un difusor dotado de palas para hacer lineal la corriente de fluido y aumentar la presión del fluido; estando dispuesto este difusor aguas abajo del rotor al objeto de evacuar el fluido desde el rotor hacia el exterior, transformando la energía cinética creada por el rotor en energía potencial; y

- una corona directriz dotada de palas y de un orificio a la salida de diámetro inferior al diámetro de entrada de la corona directriz, dirigiendo las palas el fluido, proveniente del difusor, hacia el orificio, al objeto de aumentar la velocidad y dar al fluido un perfil predeterminado a la salida del orificio.

Dicho de otro modo, la pala helicoidal está arrollada alrededor del rotor de manera tal que el ángulo de ataque de la pala helicoidal disminuye según nos vamos desplazando del extremo aguas arriba del rotor hacia el extremo de aguas abajo; definiéndose el ángulo de ataque como el ángulo entre el eje de giro del rotor y un vector tangente a la superficie externa de la pala helicoidal. Se hace notar que la pala puede estar arrollada alrededor del rotor como se describe principalmente en la presente solicitud, pero, asimismo, puede estar posicionada sobre la pared interna del cárter.

La corriente de fluido lineal tal como se define en el caso presente lo es por oposición a una corriente turbulenta. Esta corriente lineal puede ser laminar.

La corona directriz (“straightener” en lengua inglesa) según la invención permite crear un flujo concentrando el fluido al objeto de obtener unos valores de velocidad elevados a la salida de la bomba. Con carácter general, el sistema vascular de un corazón presenta resistencias vasculares bastante elevadas. Una bomba eficaz es una bomba capaz de propulsar la sangre por las válvulas con una presión suficiente para vencer estas resistencias vasculares. La presión a la salida de la bomba es primordial en comparación con la velocidad de salida que, con la bomba según la invención, puede alcanzar la velocidad máxima de 3 m/s.

Dicho de otro modo, la corona directriz permite canalizar el fluido, crear un perfil que permite tener una velocidad máxima en un punto, es decir, alineado con la válvula aórtica, en orden a expulsar el flujo de manera laminar. Esto permite evitar la creación de torbellinos a la salida de la bomba. El diámetro del orificio de salida es más pequeño que el diámetro interno del cárter. Su pequeño diámetro de salida, por ejemplo una mitad o un tercio del diámetro interno del cárter, permite graduar los parámetros de presión, entre 80 y 200 mmHg, y de velocidad, entre 1 y 3 m/s, al propio tiempo que evita la creación de una corriente de velocidad negativa (a contramano, por falta de presión y de homogeneidad del flujo a la salida).

Por lo tanto, el conjunto difusor y corona directriz según la invención permite hacer eficaz la bomba. La corona directriz difunde el fluido directamente hacia la salida al medio ambiente creando un flujo. Este medio ambiente puede ser ventajosamente dicho fluido, que preferentemente es sangre.

El inductor según la invención evita el fenómeno de cavitación, es decir, la creación de burbujas en el fluido.

Es importante señalar que esta bomba está perfectamente adaptada para un funcionamiento según una disposición vertical, o ligeramente ladeada, es decir, inclinada entre 0 y 5 grados con respecto al eje vertical. La bomba según la invención puede funcionar asimismo tumbada como la mayor parte de las bombas de la técnica anterior.

En lo referente a la pala helicoidal, su perfil exterior es abocinado y el volumen interior del cárter es complementario de esta forma abocinada. En la mayor parte de las bombas de la técnica anterior, el cárter presenta un volumen interior cilíndrico recto, de modo que el perfil exterior de las palas es más bien rectangular. Se trata especialmente de bombas axiales donde el diámetro exterior de las palas es idéntico al diámetro interior del cárter de perfil rectangular, son bombas isodiamétricas. Tal diseño de perfil rectangular no es eficaz cuando la bomba se debe disponer en vertical.

La bomba según la invención puede además comprender una cámara de admisión provista de aberturas laterales para que el fluido pueda penetrar radialmente y luego abordar el eje hacia el inductor. Esta cámara de admisión puede ser de forma cilíndrica incluyendo, sobre su parte superior aguas abajo de dichas aberturas, un receptáculo para albergar el inductor. La cámara de admisión y el inductor pueden constituir dos piezas destinadas a ser solidarias firmemente una de otra, o bien estar diseñados como una sola y única pieza.

Las palas de guía del inductor están diseñadas ventajosamente al objeto de dejar pasar un vástago que permite relacionar el rotor con un motor, encontrándose el inductor entre el cárter y este motor. En funcionamiento, el cuerpo central (con la pala helicoidal) es giratorio en el interior del cárter sin hacer contacto con los demás componentes de la bomba.

De acuerdo con una forma de realización sin carácter limitativo alguno, la bomba incluye un total de cuatro palas helicoidales idénticas repartidas de manera homogénea alrededor del cuerpo central.

Preferentemente, el cuerpo central del rotor es de forma oblonga, es decir, los flancos del cuerpo central pueden presentar curvaturas. La cabeza de este cuerpo central puede ser redondeada y desprovista de palas, por ejemplo en forma de ojiva.

De acuerdo con la invención, el difusor puede ser un cilindro hueco dotado de palas de guía rectas que, repartidas en su pared interna, se extienden de la periferia hacia el centro. Su misión es transformar en presión una parte de la energía cinética del fluido, presión esta que se transfiere en especial a la corona directriz. Como complemento especialmente, las palas de guía del difusor pueden presentar una forma torsionada en un sentido inverso al sentido de arrollamiento de la pala helicoidal alrededor del cuerpo central.

De acuerdo con una característica ventajosa de la invención, cuando el cuerpo central incluye una cabeza redondeada desprovista de palas, el difusor remata esta cabeza redondeada, y cada pala de guía del difusor presenta una forma complementaria de una parte de la cabeza redondeada encarada. El diámetro interno del cilindro determinante del difusor es idéntico al diámetro interno del cárter en correspondencia con el extremo aguas abajo de la pala helicoidal.

De acuerdo con la invención, la corona directriz se halla dispuesta aguas abajo del difusor según el sentido de circulación del fluido. Por ejemplo, la pared interna de la corona directriz puede ser de forma cónica con, dispuestas encima, palas de guía rectas.

De acuerdo con una variante del difusor según la invención, este difusor puede incluir una parte central en forma de ojiva apuntada en sentido aguas abajo, un cilindro alrededor de la base de la ojiva, relacionando unas palas de guía este cilindro con la base de la ojiva; estando este difusor destinado a engarzarse con el extremo aguas abajo del rotor por intermedio de un rodamiento que permite conservar fijo el difusor con respecto al rotor. Tal difusor permite mejorar la direccionalidad, la presión y la homogeneidad del flujo a la salida de la bomba.

De la misma manera, en esta forma de realización, las palas de guía del difusor pueden estar torsionadas asimismo en un sentido inverso al sentido de arrollamiento de la pala helicoidal alrededor del cuerpo central. De este modo, el difusor se hace oponente al carácter turbulento del fluido que llega del rotor. Después de pasar el fluido por el difusor, el mismo queda corregido por completo, al objeto de constituir un flujo laminar por la acción de la corona directriz.

En particular, de acuerdo con la variante, la corona directriz se halla dispuesta aguas abajo del difusor según el sentido de circulación del fluido; unas palas de guía son rectas y están diseñadas al objeto de dejar penetrar la cabeza de la ojiva en la parte central de la corona directriz.

Con carácter general, el conjunto rotor y pala helicoidal puede presentar ventajosamente un perfil de tipo centrífugo por el lado aguas arriba, de tipo mixto en la parte central y de tipo axial por el lado aguas abajo.

Con la bomba según la invención, el conjunto rotor y cárter presenta a la vez las características:

- de una bomba de tipo centrífugo, es decir, una aceleración radial del fluido que llega axialmente, para hacer esto, la parte baja de las palas helicoidales presenta un ángulo acentuado, del orden de 45 grados, por ejemplo entre 40 y 50 grados, con respecto al eje de giro del rotor,

- de una bomba de tipo mixto, es decir, una pendiente o una curvatura menos acentuada de las espiras de las palas helicoidales, y

- de una bomba de tipo axial, conduciéndose el fluido según una dirección paralela al eje de giro del rotor.

Esta configuración permite limitar las fuerzas de cizalladura (“shear stress” en lengua inglesa) que pueden originar una hemólisis, es decir, una destrucción de los glóbulos rojos. Incluso con un caudal acusado, cuando se destruyen los glóbulos rojos, el oxígeno no llega hasta las células.

Las fuerzas de cizalladura son creadas por efectos de formación de torbellinos en sangre a la entrada y a la salida de la bomba. La bomba según la invención evita los torbellinos mediante una succión de sangre utilizando una estructura de tipo centrífugo y una impulsión axial.

De acuerdo con una característica ventajosa de la invención, la parte del lado aguas arriba del conjunto cuerpo central y pala helicoidal está dimensionada para una velocidad específica comprendida entre 0 y 1,2. Por otro lado, la parte central del conjunto cuerpo central y pala helicoidal puede estar dimensionada para una velocidad específica comprendida entre 1 y 2,2. Finalmente, la parte central del conjunto cuerpo central y pala helicoidal puede estar dimensionada para una velocidad específica superior a 2,2. Se trata de valores de velocidad específica que permiten clasificar las estructuras centrífuga, mixta o axial, respectivamente.

En el estudio teórico preliminar previo al diseño, en función de su utilización y de los objetivos en cuanto a caudal que había de alcanzarse, se comprobó que la bomba según la invención debería tener una velocidad específica del orden de 1. Los ábacos en el campo técnico de la invención y las ideas preconcebidas comúnmente asumidas habrían hecho propender naturalmente al experto en la materia hacia una elección de bomba o turbina de tipo centrífugo o axial. Sin embargo, la bomba según la invención presenta un diseño muy particular e innovador en el que se hallan presentes los tres tipos de bomba, incluido el tipo mixto. La estructura de la bomba según la invención no sigue el método tradicional (“handbook”) de diseño de una bomba o turbina de tipo homogéneo.

De acuerdo con una característica de la invención, la bomba incluye un árbol impulsor y de sujeción del rotor, estando este árbol fijado en el extremo aguas arriba del rotor y pasante por la cámara de admisión por su zona axial. Este árbol está en especial relacionado con un motor apto para poner en movimiento el rotor.

De acuerdo con la invención, la cámara de admisión, el inductor, el cárter y el difusor están diseñados en una sola pieza o están fijados firmemente unos a otros sin movimientos relativos, sujetándose el rotor con movimiento de giro dentro del cárter.

Asimismo, el inductor dentro de la cámara de admisión, el difusor y la corona directriz son elementos fijos con respecto al rotor.

Preferentemente, la pala helicoidal presenta una altura radial (su grosor en dirección radial) idéntica en toda su longitud (de abajo arriba del cuerpo central). Como variante, cabe contemplar preferentemente una altura radial (su grosor en dirección radial) variable en toda su longitud. Cabe prever una altura de 1 a 4 mm por abajo y 1 a 3 mm por arriba del cuerpo central, con una progresión continua o por niveles, en función de las características de presión y de velocidad que se necesitan.

La forma de conjunto exterior de la bomba es un cilindro de sección circular, aunque se pueden contemplar otros tipos de secciones tales como una sección cuadrada, triangular; la cámara de admisión puede presentar una forma de conjunto diferente de la forma de conjunto del cárter.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se prevé un procedimiento de gobierno de la bomba tal y como se ha definido anteriormente. En este procedimiento, el rotor es accionado por un motor, conectado a la bomba, de manera acorde con el ritmo cardíaco. La sangre es impelida por impulsos de la bomba según el ritmo de la pulsación cardíaca, especialmente de tipo sinusoidal con aceleraciones y ralentizaciones. El ritmo cardíaco puede detectarse por medio de una sonda que relacione el corazón con una unidad de mando que controla el motor.

La bomba se adapta en giro: si el corazón late a 60 pulsaciones o a 120 pulsaciones por minuto, la bomba según la invención sigue el ritmo, mientras que la mayor parte de las bombas de la técnica anterior funciona a régimen fijo. Otras ventajas y características de la invención se irán poniendo de manifiesto con la detenida observación de la descripción detallada de una forma de puesta en práctica, en absoluto limitativa, y de los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la figura 1 es una vista general exterior de la bomba según la invención,

la figura 2 es una vista interior por transparencia de la bomba según la invención,

la figura 3 es una vista en despiece ordenado de la bomba según la invención,

la figura 4 es una vista esquemática en sección longitudinal de la bomba según la invención,

la figura 5 es una vista en perspectiva de la cámara de admisión según la invención,

la figura 6 es una vista en perspectiva del inductor que ha de insertarse en la cámara de admisión según la invención,

la figura 7 es un esquema que ilustra diferentes vistas del cárter según la invención,

la figura 8 es una vista en perspectiva del rotor según la invención,

la figura 9 es una vista en perspectiva del difusor según la invención,

la figura 10 es una vista en perspectiva de la corona directriz según la invención,

las figuras 11a, 11b y 11c son sendas vistas de una variante de la bomba según la invención,

las figuras 12 y 13 son sendas vistas esquemáticas en perspectiva de la parte anterior y de la parte posterior del difusor según la variante de las figuras 11 a-c,

la figura 14 es una vista esquemática de un rotor según una variante donde la cabeza del rotor es en forma de ojiva,

la figura 15 es una vista esquemática de un rotor según la variante de las figuras 11 a-c,

las figuras 16 y 17 son sendas vistas esquemáticas de un inductor según la invención,

las figuras 18 y 19 son sendas vistas esquemáticas de una corona directriz según la invención, y

la figura 20 es una vista en sección esquemática de una pala con una ilustración de diferentes parámetros.

En la figura 1, se distingue la bomba 1 según la invención con la forma de conjunto de un cilindro de sección circular, destinada a aspirar un fluido, tal como la sangre, e impelerlo al objeto de favorecer la circulación sanguínea. Tal bomba está destinada a ser instalada dentro de un cuerpo, especialmente para asistencia ventricular. Su longitud es de aproximadamente 61,8 mm, el diámetro del cárter 2 es de aproximadamente 17 - 20 mm, mientras que la parte baja 3a presenta un diámetro de aproximadamente 15 - 20 mm.

La bomba según la invención puede utilizarse ventajosamente, pero no únicamente, en un posicionamiento vertical, es decir, el cárter 2 en vertical y por encima de la parte baja 3a. La mayor parte de las bombas de la técnica anterior son utilizadas en un modo horizontal.

De acuerdo con la invención, la cámara de admisión 3 tiene como función la de hacer entrar el fluido, especialmente sangre, por los orificios o aberturas 3d bajo la acción de una aspiración proveniente del interior del cárter 2. El fluido es impelido a continuación por una abertura en el extremo del cárter.

En la figura 5, se ve con mayor detalle la cámara de admisión 3 constituida a partir de una parte baja 3a, de una parte superior 3b, estando unidas las dos partes por unas guías radiales 3c delimitadoras de unas aberturas 3d hacia el interior de la cámara de admisión.

La parte baja 3a es un cilindro de sección circular, de pared gruesa de manera tal que la parte central es un túnel 3e. El diámetro de este último es inferior al diámetro exterior de la sección del cilindro, que es de aproximadamente 15 mm. En el ejemplo de la figura 5, el diámetro del túnel 3e es de 6 mm.

Las guías radiales 3c son tres placas inscritas en planos que se cortan en el eje de la cámara de admisión. La cara exterior de cada placa 3c enrasa con la superficie exterior lateral de la parte superior 3b. La zona central que contiene el eje de la cámara de admisión está vacía para el paso del fluido. Esta zona central constituye un túnel de diámetro superior al diámetro del túnel 3e.

La parte superior 3b es en la forma de un cilindro que presenta dos grosores diferentes, un primer grosor por el lado aguas arriba, es decir, por el lado en contacto con las guías radiales 3c, y un segundo grosor, inferior al primero, por el lado aguas abajo. Entre los dos grosores se encuentra un escalón 3f. Con tal disposición, un inductor 4, tal y como se describe en la figura 6, puede ser insertado y fijado en el interior de la cámara de admisión 3 en la parte 3b de gran grosor. En la inserción, este inductor 4 puede quedar posado sobre unos extremos de las guías 3c. Las dimensiones del inductor 4 son tales que, una vez insertado, su parte superior queda enrasada con el escalón 3f. Cabe contemplar otras formas de realización tales como, por ejemplo, una pieza única constituida a partir de los elementos 3b y 4, o si no, 3 y 4. El inductor 4 es un cilindro hueco que incluye unas guías radiales 4a, por ejemplo en número de cuatro hasta seis, en toda la altura del cilindro y que se inscriben en planos radiales concurrentes en el centro del cilindro. El inductor 4 sirve de guía de entrada del fluido. Permite limitar la cavitación en las etapas superiores que se describirán en lo sucesivo. Las guías 4a producen una corriente laminar de modo que se reduce considerablemente el carácter turbulento del fluido. Esto permite retardar y reducir el deterioro generalmente rápido del rotor que se describirá seguidamente, limitando los ataques del fluido sobre las palas de este rotor.

Las diferentes piezas de la bomba se pueden diseñar por moldeo, impresión 3D, mecanizado u otros.

En las figuras 2 y 3, se distinguen, en vista interior transparente y en vista en despiece ordenado, las diferentes piezas de la bomba. La vista de la figura 2 permite distinguir un espacio hueco 3g de diámetro mayor que el del túnel 3e.

Las etapas superiores de la cámara de admisión comprenden un rotor 5, destinado a moverse en el interior de un cárter 6, y unos elementos de salida como son un difusor 7 y una corona directriz 8. El rotor 5 visible en las figuras 2, 3 y 4 presenta una forma oblonga u oval con un solo eje de simetría: es decir, como una ojiva alargada o estirada en un extremo. Por lo tanto, el rotor 5 es un cuerpo con sección circular (corte radial) cuyo diámetro va creciendo desde su parte baja hasta la parte superior y, luego, decrece rápidamente hasta el extremo superior. Se puede definir una parte útil por ser aquella para la cual crece el diámetro. Este crecimiento es preferentemente continuo pero no lineal, de modo que la forma exterior de la parte útil es de tipo cónica de pared convexa.

Ventajosamente, se realizan entre tres y cinco palas. En la figura 2, hay cuatro palas helicoidales 5a, 5b, 5c, 5d, sobre la parte útil. Cada pala helicoidal es un serpentín de grosor constante o variable en toda la longitud, de modo que la forma exterior del rotor con las palas helicoidales tiene un paso evolutivo que permanece cónico de pared convexa. Esta forma innovadora del rotor 5 presenta una parte superior en semiesfera 5h y la parte útil, con posibilidad esta última de estar precortada en tres partes: una (primera) parte baja 5e cuyas características (forma, ángulo de ataque, inclinación de las palas...) son las propias de una bomba centrífuga. En una bomba centrífuga, el fluido bombeado es aspirado axialmente, luego acelerado radialmente y, finalmente, impelido tangencialmente. En el presente caso, el fluido llega axialmente por intermedio de la cámara de admisión y, luego, es acelerado radialmente merced a la acentuada curvatura de la parte inferior del rotor. Esta curvatura acentuada se obtiene utilizando ábacos conocidos por un experto en la materia tales como los ábacos publicados por Sabersky, Acosta y Hauptmann en 1989 (“Fluid Flow: A First Course in Fluid Mechanics”, by Rolf H. Sabersky, A. J. Acosta and Edward G. Hauptmann, 3 Sub edition, March 6, 1989, Prentice Hall College Div), o también Stepanoff A. (Stepanoff A., "Centrifugal and Axial Flow Pumps", 2nd ed. 1957, New York: Krieger Publishing Company). El efecto centrífugo se restituye de manera óptima por el hecho de que el cárter 6 presenta una forma interior también cónica cóncava, complementaria de la forma del rotor 5 en toda la parte útil.

La segunda parte 5f es de forma mixta según los ábacos. Se trata de una parte intermedia que sigue a la parte centrífuga y presenta una curvatura menos acentuada que aquella de la parte centrífuga o, si no, un plano inclinado con respecto al eje de giro.

La tercera parte 5g es de forma axial, la forma exterior del rotor y la forma interior del cárter son sensiblemente lineales y paralelas al eje de giro del rotor. En la figura 8, se ve con detalle tal rotor.

Se prevé un árbol, no representado, en forma de vástago fijado en línea con el rotor. En funcionamiento, el árbol relaciona el rotor 5 con un motor no representado, pasando el árbol a través de la cámara de admisión. En giro, el árbol gira sin hacer contacto con las paredes de la cámara de admisión. Para la fijación, el árbol y el rotor pueden estar diseñados en una pieza única, o bien el árbol puede insertarse en el rotor 5 por el escariado 5i visible en la figura 4.

En la figura 7, se distingue con mayor detalle el cárter 6 constituido a partir de un cuerpo principal 6a y de un cuerpo secundario 6b. El cuerpo principal 6a es un cilindro alargado, siendo el cuerpo secundario un cilindro cuyo diámetro exterior es inferior al diámetro exterior del cuerpo principal. El cuerpo secundario 6b está conformado al objeto de insertarse y quedar mantenido fijo en la parte superior 3b de la cámara de admisión. Preferentemente, el extremo bajo del cuerpo secundario 6b topa sobre el escalón 3f, visible en la figura 5. La forma interior del cárter 6 es complementaria de la forma exterior de la parte útil del rotor en toda la longitud de las palas helicoidales. Una parte superior del cárter, por el contrario, presenta un diámetro interior uniforme, de modo que constituye un cilindro hueco corriente de sección circular. En correspondencia con esta parte superior, en el interior del cárter, encontramos la cabeza 5h del rotor, así como el difusor 7 y la corona directriz 8.

En funcionamiento, la compleja forma interna del cárter permite realizar las funciones centrífuga, mixta y axial, de modo que el fluido es aspirado dentro de la bomba sin crear torbellinos, a continuación es propulsado hacia la parte alta de la bomba sin cizalladura para no destruir los glóbulos rojos. El rotor según la invención permite comunicar al fluido la energía cinética por su forma particular. Por lo tanto, modifica sin cizalladura la velocidad del fluido y también aumenta su presión. Para hacer esto, los elementos de salida de la bomba contribuyen a aumentar la presión presentando un orificio de salida reducido, así como formas específicas.

En la figura 9, se ve el difusor 7 que es un cilindro destinado a quedar coronando la cabeza 5h del rotor. El difusor incluye unas palas de guía 7a orientadas en el sentido de la impulsión del fluido llevado por el rotor. La orientación de las palas de guía permite transformar una parte de la energía cinética del fluido en presión que es una energía potencial. El grosor de las palas de guía puede ser fijo a lo largo del difusor, o bien variable al objeto de amoldarse a la forma de la cabeza del rotor. La altura del difusor 7 es preferentemente sensiblemente idéntica a la propia de la cabeza del rotor. La tabla que sigue presenta las propiedades del difusor:

En la figura 10, se ve una corona directriz 8 que tiene por misión la de guiar la impulsión del fluido creando una corriente laminar al objeto de eliminar las turbulencias. Se trata de un cilindro abierto 8a por su base para recibir el fluido proveniente del rotor 5 por intermedio del difusor 7. Incluye un orificio 8b de diámetro inferior con respecto al diámetro de la abertura 8a en su base.

Se distingue una pared interior 8d de forma cónica cóncava desde la abertura 8a a lo largo de su primera mitad y luego cónica convexa a lo largo de su segunda mitad hacia el orificio 8b. El fluido se pone bajo presión al ser empujado hacia el orificio de reducido diámetro.

Se distinguen asimismo tres palas de guía 8c inscritas en planos radiales que concurren en el centro de la corona directriz. Cada pala es una lámina de anchura más gruesa por el lado de la pared que por el lado del centro del cilindro. Por lo tanto, la anchura se va afinando al alejarse de la pared del cilindro.

En la configuración descrita, para cada pala de guía, el perfil por el lado encarado con el eje de giro del cilindro está curvado, especialmente en arco de círculo, de manera tal que las palas de guía se aproximan unas a otras en correspondencia con el orificio y se hallan más alejadas por el lado de la abertura 8a.

Se puede diseñar una variante de la corona directriz de manera cóncava con palas que siguen la parte interna cóncava de la corona directriz y cuyo grosor se ensancha hacia el extremo 8b de manera lineal. Permitiendo esta variante a la corona directriz amoldarse a la forma de la parte 5h en la figura 4 o de una ojiva 24’ fijada directamente al rotor de la figura 14 o de la ojiva 24 del difusor de la figura 12 según otra variante.

Dicho de otro modo, la corona directriz se adapta a la forma de la cabeza del rotor y/o del difusor utilizados.

Las dimensiones que se pueden adoptar vienen indicadas en la tabla que sigue:

En las figuras 11a, 11b y 11c, se representa una variante de la bomba según la invención. Esta variante resulta especialmente adecuada para difundir eficazmente la sangre fuera de la bomba. La particularidad de esta bomba es su difusor 22 dispuesto en el extremo de la zona activa del rotor 16 por medio de un rodamiento 21. Esta particularidad se ilustra en la figura 11a junto con otros componentes de la bomba, siendo diferentes estos componentes de los descritos en las demás figuras, aunque, evidentemente, cabe contemplar utilizar los componentes ya descritos por cuanto que son compatibles con la presente particularidad.

Con carácter más general, se distingue un cajón de turbina 12, que es una pieza de forma cilíndrica dotada de aberturas laterales 13 para la admisión de sangre. Con facilidad comprenderá un experto en la materia que en el cajón de turbina concurren en realidad las funciones del cárter, de la cámara de admisión y del inductor anteriormente descritos. Este cajón de turbina 12 se puede diseñar, bien en una pieza única que comprende el inductor, o bien este cajón se puede crear en dos partes diferenciadas a la que se puede añadir el inductor. Dicho de otro modo, puede no haber más que una sola pieza, o tres piezas diferenciadas tales como la parte inferior 14 que comprende la parte 13, el inductor y la parte 15 tal y como se representa en las figuras 5, 6 y 7. Las aberturas laterales 13 permiten distinguir una parte superior 15 del cajón más alta que una parte inferior 14. La parte superior 15 es hueca para recibir el rotor 16, así como su árbol impulsor 17. Este último está destinado a atravesar la parte inferior 14 por su centro hasta un motor 10a. Dicho de otro modo, el motor 10a sujeta el árbol impulsor 17 el cual atraviesa toda la parte inferior 14 hasta el rotor 16 y al que está fijado firmemente para arrastrarlo en su giro. El motor 10a puede estar parcial o totalmente integrado en el extremo de la parte inferior 14, pero, asimismo, puede estar dispuesto en el exterior. En el interior de la parte inferior 14 se prevé una junta 11 para la estanqueidad entre un rodamiento 10b, el motor 10a y la sangre. En todos los casos, esta junta 11 está situada antes de la parte 13 y después de un rodamiento 10b que no se representa en este punto y que sirve para el guiado del árbol impulsor 17. Este rodamiento 10b puede situarse en la parte inferior 14 o en el motor 10a.

La parte superior 15 es lo suficientemente larga para albergar, además del rotor 16, el rodamiento 21, el difusor 22 y la corona directriz 26, estando estos elementos conectados en serie.

El rotor 16 está constituido a partir de un cuerpo central abocinado 19 a cuyo alrededor van arrolladas cuatro palas helicoidales 18 en toda la longitud del cuerpo central. La cabeza del rotor está cortada en plano, solo sobresale un eje 20. En la figura 15, se ve con mayor detalle el rotor 16 según la variante de las figuras 11a, 11b y 11c. Se hace constar que el grosor de las palas 18 no es constante a lo largo del cuerpo central abocinado 19. El eje 20 es un vástago macho dimensionado para recibir el rodamiento 21 en calidad de elemento hembra.

El anillo exterior del rodamiento 21 está montado apretado dentro del alojamiento 29, figura 13, del difusor 22, a su vez fijado en el interior de la parte 15 del cajón 12. El eje 20 del rotor 16 está montado deslizante por el anillo interior del rodamiento 21, permitiendo así guiar el giro del rotor de la misma manera que el rodamiento 10b del motor 10a. La corona directriz 26 está fijada en la parte superior 15 del cajón 12, de la misma manera que el difusor 22. Se trata de un cilindro hueco dotado de palas rectas dispuestas radialmente. Cuando la bomba está montada por completo, la corona directriz 26 queda enrasada o queda retrasada (por el interior) con respecto al extremo de la parte superior 15. El conjunto con el motor tiene una longitud de menos de 100 mm.

En funcionamiento, el motor 10a, de tipo “brushless”, hace girar el conjunto 16 que se compone de las piezas 17 a 20. La sangre penetra por las aberturas 13, a continuación pasa por un inductor (no representado) dispuesto en el interior del cajón 12. Este inductor puede ser en la forma de varias palas de guía rectas fijadas radialmente a la pared interna del cajón 12, “al pie” de la parte superior 15. La sangre es aspirada por el rotor 16 y pasa alrededor de todo el árbol impulsor 17 en forma de flujo lineal. A continuación, la sangre es arrastrada por el rotor girando hasta dentro del difusor el cual es portador de unas palas torsionadas en sentido opuesto al sentido de las palas helicoidales. Cesa entonces de girar el flujo de sangre y a continuación es rectificado al pasar por la corona directriz 26 la cual, por su orificio de salida, crea un flujo laminar de acusada presión. La bomba está prevista para funcionar en inmersión según una frecuencia que oscila entre 500 y 10000 r.p.m.

En las figuras 11b y 11c, se distingue el interior del cajón de turbina 12 conformado al objeto de albergar los diferentes componentes. La parte superior 15 incluye interiormente una forma abocinada que pasa a amoldarse, sin tocarlo, a la forma exterior del rotor 16. Las palas 27 están realizadas directamente sobre la pared interna del cajón, determinando así un inductor en el extremo aguas arriba de la parte superior 15. Las aberturas 13 están realizadas directamente en el cajón, de modo que únicamente subsisten unas láminas 28 inscritas en planos concurrentes en el eje de revolución del cajón. El árbol impulsor 17 se prevé a lo largo del eje de revolución del cajón, como puede verse en la figura 11b. El fluido está destinado a penetrar radialmente por las aberturas 13 y a ser arrastrado alrededor de todo el árbol impulsor 17 en dirección al rotor, entre las palas helicoidales, hasta a través del difusor 22. Asimismo, las palas de la corona directriz pueden estar realizadas directamente sobre la pared interna en el extremo aguas abajo de la parte superior 15.

La junta 11 en la figura 11 b impide al fluido descender hacia el motor 10a. En el ejemplo ilustrado en la figura 11b, el rodamiento 10b está integrado dentro del motor 10a el cual, a su vez, penetra en la parte inferior 14. Las figuras 11b y 11c son variantes para las cuales el inductor y la corona directriz están realizados directamente dentro del cajón. Las dimensiones del rotor pueden ser tal y como se ilustran en la tabla que sigue.

Los ánguloS de ataque y de salida de la sangre dentro del rotor son tales que la sangre es propulsada en la entrada por una fuerza centrífuga, y es liberada a la salida por una fuerza axial, siendo la zona central del rotor semejante a una fuerza mixta. Se hace notar que la altura de la pala helicoidal (su grosor según la dirección radial) puede variar, por ejemplo decrecer entre la parte inferior y la parte superior del rotor. Por otro lado, el grosor lateral de la pala helicoidal asimismo puede variar, por ejemplo crecer entre la parte inferior y la baja superior del rotor. La altura “a” y el grosor lateral “b” se representan esquemáticamente en la figura 14. Se pueden aplicar las mismas dimensiones para las diferentes formas de realización.

En la figura 12, se ilustra con mayor detalle un difusor 22 según la invención. Se compone de un cilindro 23 unido a una ojiva 24 mediante palas torsionadas 25. En la figura 13, se distingue la parte posterior del difusor 22. Se hace notar que la ojiva 24, en su cara posterior, presenta el alojamiento 29 previsto para recibir el rodamiento 21 y el eje 20.

En la figura 14, se ve otra variante para la cual la ojiva 24’ va integrada y pivota con el rotor. En este caso, el difusor está constituido a partir de un cilindro como el cilindro 23, pero con palas torsionadas únicamente fijadas a este cilindro y permitiendo el paso de la cabeza de ojiva con un grosor de margen para evitar todo rozamiento.

En las figuras 16 y 17, se distingue una representación esquemática de un inductor individual 34, en la figura 16, y una representación esquemática únicamente de las palas 35 de este inductor en la figura 17. Este inductor puede estar diseñado individualmente. Habrá de fijarse entonces firmemente dentro de una cámara de admisión. Asimismo, puede estar realizado directamente dentro de una cámara de admisión o dentro de un cajón de turbina; en este caso, son las palas las que están realizadas sobre la pared interna de la cámara de admisión o del cajón de turbina. La zona central del inductor se deja libre para el paso del fluido. En la figura 17, la zona central del inductor representa el flujo del fluido.

Con carácter general y para el conjunto de las formas de realización, las palas del inductor según la invención son más gruesas aguas arriba que aguas abajo en el sentido del desplazamiento del fluido. La progresión del grosor puede ser lineal, pero preferentemente discontinua: una progresión lineal hasta alcanzar un cierto grosor y, luego, el grosor permanece constante en el resto de la longitud de la pala. Por otro lado, asimismo, las palas puede ser más gruesas en el lugar de unión con el cilindro 36 que las porta que en el extremo central. Asimismo, se ha previsto un ángulo entre la sección radial de cada pala y el radio del cilindro 36 portador de las palas. Los datos numéricos quedan indicados en la tabla que sigue:

La figura 20 es una vista en sección de una pala sobre la cual se ilustran diferentes parámetros de diseño. Las definiciones de los diferentes parámetros quedan ilustradas mediante la figura que sigue:

Se distingue una pala 37 sobre la cual quedan definidos un borde de ataque ("leading edge (inlet)") y un borde de salida ("trailing edge (outlet)"). Los siguientes parámetros permiten caracterizar una pala en el diseño:

Para la zona de entrada:

U¹= velocidad de la pala,

V¹= velocidad del fluido tras el contacto con la pala (velocidad de salida / velocidad final)

W¹= velocidad del fluido previo al contacto con la pala (velocidad de entrada / velocidad inicial)

V^U1= proyección del vector velocidad V¹sobre el eje U¹

V^a1= proyección de V¹y W¹sobre el eje definido por el eje de la turbina

p¹= ángulo entre el vector W¹y el eje de la turbina

0¹= ángulo entre el vector V¹y el eje de la turbina

Para la zona de salida:

U²= velocidad de la pala,

V²= velocidad del fluido tras el contacto con la pala (velocidad de salida / velocidad final)

W²= velocidad del fluido previo al contacto con la pala (velocidad de entrada / velocidad inicial)

V^u2 = proyección del vector velocidad V²sobre el eje U²

V^a2= proyección de V²y W²sobre el eje definido por el eje de la turbina

p²= ángulo entre el vector W²y el eje de la turbina

0²= ángulo entre el vector V²y el eje de la turbina

Para la zona central:

V^m= velocidad del fluido tras el contacto con la pala (velocidad de salida / velocidad final)

W^m= velocidad del fluido previo al contacto con la pala (velocidad de entrada / velocidad inicial)

p^m= ángulo entre el vector W^my el eje de la turbina

0^m= ángulo entre el vector V^my el eje de la turbina

Los conjuntos U, V y W constituyen triángulos de velocidad de flujo y sirven de sistema de referencia para la definición de los vectores velocidad y de los ángulos p^my 0^m, donde m es igual a 1 para la marca de referencia cuyo origen se ha desplazado al borde de ataque, y 2, para la marca de referencia cuyo origen se ha desplazado al borde de salida. El trazo de puntos representa la dirección axial.

Las figuras 18 y 19 ilustran una vista de frente y una vista posterior de una corona directriz según la invención. Esta corona directriz se puede realizar de manera individual y fijarse luego dentro del cárter de la bomba, o bien realizarse directamente sobre la pared interna del cárter, es decir, una pared conformada idénticamente a la pared interna del cilindro 30 de la corona directriz y unas palas diseñadas directamente sobre esta pared. Las palas 31 son más gruesas aguas arriba que aguas abajo en el sentido de circulación del fluido. La progresión del grosor puede ser lineal. En la figura 18, se ilustra el lado aguas abajo de la corona directriz, es decir, el lugar por el que sale el fluido. En la figura 19, se ilustra el lado aguas arriba de la corona directriz, la entrada del fluido. En este último lado, las palas 31 dejan un espacio central más grande que por el lado aguas abajo, diseñándose las palas y la pared interna 32 del cilindro 30 portador de las palas al objeto de guiar el fluido hacia el orificio de salida 33, el cual es más estrecho que la entrada de la corona directriz.

Claro es que la invención no está limitada a los ejemplos que se acaban de describir y que, en estos ejemplos, se pueden introducir numerosas adecuaciones sin salir del ámbito de la invención.

La bomba según la invención puede ser implantada con facilidad en un corazón por su pequeña dimensión, debido a su particular diseño que permite una presión elevada, al propio tiempo que conserva la calidad de la sangre.

La bomba según la invención consume poco, debido a que funciona según el ritmo cardíaco fisiológico: un flujo oscilante.

La bomba según la invención funciona propulsando: el ritmo es pulsado.

La bomba según la invención se ha previsto ventajosamente para funcionar en vertical, al disponerse el rotor en vertical, el fluido penetra por intermedio del inductor, atraviesa el rotor y vuelve a salir luego por la parte superior por intermedio del difusor y la corona directriz. La mayor parte de las bombas de la técnica anterior funcionan en horizontal. Lo que permite el funcionamiento en vertical de la bomba según la invención es la capacidad de admisión y de impulsión. Tal bomba, ubicada en un ventrículo izquierdo, por ejemplo, presenta la ventaja de tener una entrada y una salida directamente en este ventrículo. Esto permite evitar la presencia de un tubo de entrada y/o de salida como los hay en los demás dispositivos de la técnica anterior.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Bomba (1) destinada a ser inmersa en un fluido que comprende:

- un inductor (4) dotado de palas de guía (4a) para hacer lineal la corriente del fluido;

caracterizada por que además comprende:

- un rotor (5, 16) que comprende un cuerpo central (19) de forma abocinada, estando este rotor (5, 16) destinado a crear energía cinética y estando dispuesto aguas abajo del inductor (4) con respecto al sentido de circulación del fluido;

- al menos una pala helicoidal (18) realizada alrededor de dicho cuerpo central; teniendo esta pala helicoidal (18) un perfil exterior abocinado, e incluye espiras con paso de arrollamiento creciente y tendente a infinito, y siendo el volumen interior del cárter (6) complementario de la forma abocinada de dicha al menos una pala helicoidal (18),

- un cárter (6) alrededor del rotor (5, 16);

- un difusor (7, 22) dotado de palas para hacer lineal la corriente de fluido y aumentar la presión del fluido;

estando dispuesto este difusor (7, 22) aguas abajo del rotor (5, 16) al objeto de evacuar el fluido desde el rotor (5, 16) hacia el exterior, transformando la energía cinética creada por el rotor (5, 16) en energía potencial; y

- una corona directriz (8, 26) dotada de palas (8c) y de un orificio (8b) a la salida de diámetro inferior al diámetro de entrada de la corona directriz (8, 26), dirigiendo las palas (8c) el fluido, proveniente del difusor (7, 22), hacia el orificio, al objeto de aumentar la velocidad y dar al fluido un perfil predeterminado a la salida del orificio.

2. Bomba según la reivindicación 1, caracterizada por que además comprende una cámara de admisión (3) provista de aberturas laterales para que el fluido pueda penetrar radialmente y luego abordar el eje hacia el inductor (4).

3. Bomba según la reivindicación 2, caracterizada por que la cámara de admisión (3) es de forma cilíndrica incluyendo, sobre su parte superior aguas abajo de dichas aberturas, un receptáculo para albergar el inductor (4).

4. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por incluir un total de cuatro palas helicoidales (18) idénticas repartidas de manera homogénea alrededor del cuerpo central.

5. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el cuerpo central del rotor (5, 16) es de forma oblonga.

6. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la cabeza del cuerpo central es redondeada y desprovista de palas.

7. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el difusor (7, 22) es un cilindro hueco dotado de palas de guía rectas que, repartidas en su pared interna, se extienden de la periferia hacia el centro.

8. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que el difusor (7, 22) es un cilindro hueco que tiene, repartidas en su pared interna, palas de guía torsionadas (7a) en un sentido inverso al sentido de arrollamiento de la pala helicoidal (18) alrededor del cuerpo central.

9. Bomba según la reivindicación 7 u 8, caracterizada por que, cuando el cuerpo central incluye una cabeza redondeada desprovista de palas, el difusor (7, 22) remata esta cabeza redondeada, y cada pala de guía del difusor (7, 22) presenta una forma complementaria de una parte de la cabeza redondeada encarada.

10. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la corona directriz (8, 26) se halla dispuesta aguas abajo del difusor (7, 22) según el sentido de circulación del fluido; siendo de forma cónica la pared interna de la corona directriz (8, 26); estando dispuestas, sobre esta pared interna, unas palas de guía (8c) rectas.

11. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que el difusor (7, 22) incluye una parte central en forma de ojiva apuntada en sentido aguas abajo, un cilindro alrededor de la base de la ojiva, relacionando unas palas de guía (7a) este cilindro con la base de la ojiva; estando este difusor (7, 22) destinado a engarzarse con el extremo aguas abajo del rotor (5, 16) por intermedio de un rodamiento que permite conservar fijo el difusor (7, 22) con respecto al rotor (5, 16).

12. Bomba según la reivindicación 11, caracterizada por que las palas de guía del difusor (7, 22) están torsionadas en un sentido inverso al sentido de arrollamiento de la pala helicoidal (18) alrededor del cuerpo central.

13. Bomba según la reivindicación 11 o 12, caracterizada por que la corona directriz (8, 26) se halla dispuesta aguas del difusor (7, 22) según el sentido de circulación del fluido; unas palas de guía son rectas y están diseñadas al objeto de dejar penetrar la cabeza de la ojiva en la parte central de la corona directriz (8, 26).

14. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el conjunto rotor (5, 16) y pala helicoidal (18) presenta un perfil de tipo centrífugo por el lado aguas arriba, de tipo mixto en la parte central y de tipo axial por el lado aguas abajo.

15. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la parte del lado aguas arriba del conjunto cuerpo central y pala helicoidal (18) está dimensionada para una velocidad específica comprendida entre 0 y 1,2.

16. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la parte central del conjunto cuerpo central y pala helicoidal (18) está dimensionada para una velocidad específica comprendida entre 1 y 2,2.

17. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la parte central del conjunto cuerpo central y pala helicoidal (18) está dimensionada para una velocidad específica superior a 2,2.

18. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la cámara de admisión (3), el inductor, el cárter (6) y el difusor (7, 22) están diseñados en una sola pieza (12) o están fijados firmemente unos a otros sin movimientos relativos, sujetándose el rotor (5, 16) con movimiento de giro dentro del cárter (6).

19. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dicha al menos una pala helicoidal (18) presenta una altura radial idéntica en toda su longitud.

20. Bomba según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dicha al menos una pala helicoidal (18) presenta una altura radial variable en toda su longitud.