KR19990007814A

KR19990007814A - 수동 자기 방사 베어링 및 혈액 침하 축 베어링을 갖춘 무밀봉회전 혈액 펌프

Info

Publication number: KR19990007814A
Application number: KR1019970707337A
Authority: KR
Inventors: 리차드 케이. 웸플러
Original assignee: 로버트 비.파인; 크리톤메디칼,인코포레이티드
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1999-01-25
Also published as: DE69740170D1; CA2218342A1; CA2218342C; AU2277797A; ES2364349T3; ATE504321T1; EP0821596A4; KR100351336B1; EP0821596A1; US5695471A; EP1464348A3; AU708476B2; IL121834A0; JPH11504549A; EP1464348A2; IL121834A; EP1464348B1; WO1997029795A1

Abstract

본 발명은 샤프트 밀봉 없이 이식 가능한 회전 혈액 펌프를 개시한다. 펌프는 한 단부에서 펌프 임펠러(38)를 갖는 회전 요소(18)를 포함하고 있다. 회전 요소와 임펠러는 각각 수동 자기 베어링(23, 24)에 의해 방사상으로 정렬되어 유지된다.

Description

수동 자기 방사 베어링 및 혈액 침하 축 베어링을 갖춘 무밀봉 회전 혈액 펌프

심각한 좌심실부전으로 고통받는 수천 명의 심장병 환자는 심장 이식으로 이득을 얻을 수 있었다. 그러나, 부족한 심장 기증 때문에, 그러한 환자들의 대부분은 빈번한 입원, 심각한 신체 장애, 및 울혈성 심부전 또는 심장성 쇼크에 의한 사망으로 인한 수명 단축에 직면하고 있다. 만일 좌심실 보조 장치(LVAD)가 만성적으로 사용될 수 있다면, 많은 환자들을 회복시켜 삶을 더 연장시키고 활동적이게 할 수 있다.

임상 실험에서, 종래의 LVAD는 심장을 통한 본래의 박동성 혈액 유동을 모방한 순환성 또는 박동성 혈액 배급을 제공한다. 이러한 접근법은 다양한 해부학 및 공학상 문제를 발생시켜 왔다. 순환성 배급 장치는 어떤 환자에게는 이식이 어렵거나 불가능할 정도로 물리적으로 큰게 되는 경향이 있다. 또한 순환성 배급 장치는 특정 재료와, 수명 및 작동 요건을 갖는 인공 밸브를 사용한다. 그러한 모든 특징은 순환성 혈액 펌핑 장치를 복잡하게 하고 고가로 만든다.

박동성 혈액 유동의 요건이 제거된다면, LVAD는 보다 작고, 단순하며, 덜 비싸게 될 수 있음이 명백하다. 원심성이든 축방향성 유동 설계이든, 회전 펌프는 연속 액체 유동을 제공하며 순환성 배급 장치 이상의 많은 이점을 갖고 있다. 그러나, 종래의 기술은 회전 펌프의 구동 샤프트 밀봉부의 독특한 문제점 때문에 내구성 회전 혈액 펌프를 개발하지 못하고 있다. 혈액 환경에서, 그러한 구동 샤프트 밀봉부는 짧은 수명을 가지며 펌프의 조기 고장을 야기한다. 또한 종래의 구동 샤프트 밀봉부는 환자가 발작을 일으키거나 심지어 사망에 이르게 하는 색전증을 야기한다.

따라서, 본 발명의 목적은 구동 샤프트 밀봉부에 필요한 것들을 제거함으로써 개선된 회전 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수동 자기 방사 베어링을 사용하여 임펠러(impeller)와 임펠러의 지지 샤프트를 축 둘레로 회전 유지하도록 소형 회전 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 두 개의 소정의 축 위치 사이에서 한 장치로서 임펠러와 지지 샤프트가 하나의 유닛으로 왕복하여 쌍안정 작동하는 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 혈전증의 발생을 방지하도록 신선혈 유동에 의해 정기적으로 씻기는 혈액 침하 축방향 드러스트 베어링(blood immersed axial thrust bearing)을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 모터 자석과 방사방향 베어링 자석을 둘 다 수용하며 좁고 깊은 혈액 유동 통로를 포함하는 독특한 두꺼운 블레이드가 있는 펌프 임펠러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 유동률에서 혈액과 같은 점성 액체를 효과적으로 펌핑하며, 단지 몇개의 펌프 임펠러 블레이드를 사용하여 혈액의 용혈을 최소화하는 펌프 임펠러를 제공하는 것이다.

본 발명은 혈액 펌프 특히, 만성 심실 보조 장치로 사용하기 위한, 인체 내 영구 이식에 적합한 회전식 연속 유동 펌프에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 혈액 펌프의 좌측 정면을 도시한 사시도이고,

도 2는 자기 베어링 조립체의 일부를 포함하는 다수의 링 자석을 도시하는, 도 1의 펌프에 대한 부분 단면도이고,

도 3은 샤프트 및 임펠러를 도시하는, 도 1의 펌프에 대한 부분 단면도이고,

도 4는 샤프트 및 임펠러를 하우징으로부터 분리한, 도 1의 펌프를 도시한 사시도이고,

도 5는 심장의 좌심실 내에 이식된 펌프를 도시하는, 인간의 심장을 단순하게 부분적으로 도시한 도면이고,

도 6은 도 1의 선 6-6을 따라 취해진, 하우징과, 임펠러, 및 임펠러 쳄버의 횡단면도이고,

도 7은 도 1의 선 7-7을 따라 취해진, 펌프의 종단면도이고, 그리고

도 8은 수동 방사방향 자기 베어링의 극편과 자석의 극성과, 회전자 자석과 모터 고정자를 포함하는 펌프 모터의 요소를 각각 도시하는, 펌프의 개략적인 종단면도이다.

본 발명에 따라, 회전 혈액 펌프는 하우징과 펌프 회전자(rotor)를 포함하고 있다. 원심 펌프 임펠러는 펌프 회전자를 형성하도록 임펠러 지지 샤프트 또는 스핀들에 부착된다. 펌프 하우징은 샤프트를 감싸는 기다란 입구 튜브와 임펠러를 덮고 배출구를 갖춘 스크롤형 케이싱 또는 볼루트(volute)를 포함한다.

샤프트와 임펠러는 하우징 내에 매달려 있다. 수동 설계의 방사방향 자기 베어링은 회전축 둘레에 지지 샤프트와 임펠러를 유지한다. 샤프트를 부양시키는 자기 베어링은 입구 튜브의 주위부를 따라 배열된 다수의 영구 링 자석과 극편, 및 샤프트내의 다수의 영구 디스크 자석과 극편을 포함한다. 방사방향으로 인접한 쌍을 이룬 자석은 동일한 극성이다. 회전축 둘레에 임펠러를 유지하는 자기 베어링의 일부는 임펠러의 블레이드 섹터 주위에 환형으로 이격되어 배치된 다수의 영구 막대 또는 궁형 자석을 포함하고, 베어링의 다른 부분은 임펠러의 다른쪽 면에 케이싱의 외부에 한 쌍의 영구 링 자석을 포함한다. 막대 자석과 링 자석의 인접한 부분은 반대의 극성을 갖는다.

샤프트와 임펠러는 기계적 드러스트 베어링 또는 접지부와 협력하여 자석 및 유체 역학력에 의해 축방향으로 구속된다. 입구 튜브와 샤프트 내의 자기 베어링의 자석은 회전자의 종축을 따른 편의력 또는 병진 부하력을 생성하거도록 축방향으로 약간의 오프셋 관계로 배열될 수도 있다. 이러한 편의력은 회전 임펠러의 유압 드러스트에 기인한 축력을 방해한다. 그러나, 유압 드러스트는 심장 주기에 상관하여 변하게 되고 부가적 구속력은 펌프 작동이 안정되고 제어되는 것을 보장하는데 바람직하다. 이를 위하여, 한 쌍의 혈액 침하 드러스트 베어링이 제공된다. 이러한 드러스트 베어링은 회전자의 어느 한쪽 단부에 위치될 수 있으며, 다른 배열도 가능하다.

한 드러스트 베어링은 지지 샤프트의 상류 단부에 포함되고, 다른 드러스트 베어링은 임펠러의 하류측 또는 바닥에 위치된다. 입구 튜브 내의 스파이더(spider)는 샤프트의 단부가 주기적으로 접촉하는 접지부 또는 드러스트 면을 포함한다. 다른 접지부는 임펠러의 하류 말단에 인접한 케이싱 기저부의 내측면 상에 제공된다. 소정의 공간은 샤프트/임펠러 조립체가 사용자의 심장 주기에 반응하여 축방향으로 전후 왕복하도록 두 개의 접지부 사이에 포함된다. 이러한 왕복 운동은 순환에 의해 접지 영역 내의 혈액을 신선혈로 자주 교환하는 펌핑 작용을 발생시킨다. 이러한 펌핑 작용은 용인할 수 있는 온도에서 혈액을 유지하고 드러스트 베어링 간극 내의 체류 시간을 단축함으로써 드러스트 영역 내의 혈전증 등을 최소화한다.

임펠러는 본 발명의 특별한 요건 때문에 독특한 형상과 특징을 갖는다. 통상적인 원심 펌프 설계와는 반대로, 본 발명은 일반적으로 파이형 섹터와 유사한 비교적 적은 임펠러 블레이드를 사용한다. 또한, 블레이드는 임펠러를 통과하는 혈액의 통로를 위하여 인접한 블레이드 사이에서 깊고 좁은 궁형 채널을 갖고 축방향으로 매우 두껍게 만들어진다. 블레이드의 높이는 효과적인 펌프 작동을 보장하는 비교적 큰 블레이드 작업면을 제공한다. 이러한 구조적 특징은 매우 적은 임펠러 블레이드를 사용하는 펌프에서 유용한 효율을 유지하는 한편, 혈액의 용혈 현상을 감소시킨다.

밀봉 중공 쳄버는 두꺼운 임펠러 블레이드 내에 제공되어 임펠러의 밀도를 감소시킨다. 이러한 쳄버는 차례로 베어링을 매끄럽게 하는 혈전증 등을 감소시키는 드러스트 베어링 상의 중력 유도 하중을 감소시킨다.

두꺼운 임펠러 블레이드는 또한 펌프 구동 장치 내에 사용되는 자석을 수용하는데 유익하게 사용된다. 토크 구동은 각 임펠러 블레이드 섹터 내에 파묻힌 궁형 영구 자석 세그먼트와 케이싱에 고정된 원형 전자기 고정자 사이의 자기 상호 작용에 의해 임펠러에 분배된다. 백-전자장(back-EMF) 감지는 자석 세그먼트 상에 인력 및 반력을 제공하는, 무브러쉬 모터 고정자를 정류하는데 사용된다. 사용자가 착용한 제어기와 휴대용 전원 공급기는 펌프 구동 장치에 동력을 공급한다. 제어기는 모터의 구동 주기와 속도가 사용자의 신체 활동 또는 상태에 의해 상호작용식으로 결정되거나 프로그래밍 되도록 한다.

도면에서, 무밀봉 회전 혈액 펌프(11)는 기다란 입구 튜브(13)와 스크롤형 임펠러 케이싱 또는 볼루트(14)를 갖춘 하우징(12)을 포함하고 있다. 배출 튜브(16)는 케이싱(14)의 내주와 연통하도록 하우징을 관통 연장한다. 튜브(16)는 펌프로부터의 배출 혈액이 효과적으로 흐르기 위하여, 케이싱의 반경에 대해 접선의 방향을 갖는다.

펌프 회전자(17)는 하우징(12) 내에 위치되고, 디스크형 임펠러(19)에 부착된 기다란 직각 원통형 지지 샤프트 또는 스핀들(18)을 포함하고 있다. 회전자(17)는 샤프트(18) 및 임펠러(19)를 모두 관통 연장하는 종축 둘레에 회전하기 위하여 장착된다. 본 바람직한 실시예는 임펠러와 원심성 설계의 케이싱을 포함하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 다수의 구조적 특징과 작동 양상은 축방향 유동 설계의 회전 혈액 펌프에도 또한 적합할 수 있다.

본 발명에 따른 펌프(11)는 회전자(17)를 공중 부양하고 종축 둘레에 적당하게 방사상으로 정렬되어 유지하도록 전방 자기 베어링(21)과 후방 자기 베어링(22)을 포함하고 있다. 방사방향 자기 베어링 구조물은 와슨(Wasson)에게 허여된 미국 특허 제 4,072,370호에 설명되어 있다. 상기 특허는 본 발명에 참조로 특별히 사용된다. 여기서 전방 자기 베어링(21)은 전적으로 상기 특허에 따라 구조화될 수 있다. 그러나, 상기 특허에 설명된 구조물을 간이화하고 개선한 것들이 본 발명에서 개시된다. 예를 들면, 상기 특허 장치의 방사방향 편극화 링 자석(44 및 46)은 본 발명의 바람직한 실시예에서는 필요하지 않다. 또한, 후술되어질 바와 같이, 상기 특허 장치의 방사방향 자화 링 자석(22)은 본 발명의 목적을 위해 축방향 자화 디스크 자석으로 유익하게 대체될 수도 있다.

따라서, 전방 자기 베어링(21)은 강자성 극편(23)과 축방향 편극 영구 자석(24)으로 구성되는 다수의 링을 포함한다. 도 7 및 도 8에 명료하게 도시된 바와 같이, 극편(23)과 자석(24)은 조건적 교차 방식으로 배열되고 입구 튜브(13)의 외벽(26)과 내벽(27) 사이에 위치된다. 대향 자석의 편극은 동일하고, 그들 사이에서 각각 극편이 되는 동일한 편극을 포함한다. 강력 접착제와 주변 튜브 측벽의 결합은 링을 분리하려는 강한 자력에도 불구하고, 조건 관계 내에서 자석과 극편의 배열을 유지한다.

또한 전방 자기 베어링(21)은 강자성 극편(28)과 축방향 편극 영구 자석(29)으로 구성되는 다수의 디스크를 포함한다. 또한, 극편(28)과 자석(29)은 주변 링의 각각의 극편과 자석의 극성 및 축방향 위치를 반영한 자석 구조물을 형성하도록 조건적 교차 방식으로 배열된다. 이러한 자석 구조물은 먼저 조립되고 강력 접찹제를 사용하여 서로 고정된 후에, 샤프트 또는 스핀들(18)의 중공 용적 내에 설치된다. 전방 자기 베어링(21)의 자석과 극편에 의해 생산된 반발력 및 자기 편극은 지지 샤프트(18)의 자기 부양을 발생시킨다.

회전자(17)를 위한 부가적인 방사방향 구속력을 제공하도록, 후방 자기 베어링(22)을 또한 제공한다. 후방 자기 베어링(22)은 케이싱(14)의 외벽 상에 장착된 제 1 링 자석(31)과 원형 케이싱 기저부(33) 내에 묻힌 제 2 링 자석(32)을 포함하고 있다. 케이싱(14)의 바닥부는 임펠러(19)를 위한 유체 불침투성 밀폐를 형성하도록 기저부(33)에 밀봉 부착되어 있다(도 7 참조). 두 자석(31 및 33)은 축방향 편극되지만 각각은 임펠러(19)와 면하는 상이한 편극을 갖는다. 또한 베어링(22)은 임펠러(19)의 상면부(36)로부터 하면부(37)로 횡으로 연장된 다수의 막대 자석(34)을 포함하고 있다. 막대 자석(34)은 임펠러(19)의 외주(38)에 인접 이격되어 환상으로 배열된다. 자석(31 및 32)의 인접면과 자석(34)의 단부 사이의 편극은 인력이지만 임펠러 상에 작용하는 동일하고 반대인 자력이 생기도록 각각 반대이다. 이러한 방법에서, 후방 자기 베어링(22)은 축방향으로 정렬되어 회전자(17)의 임펠러 단부를 유지하도록 작용한다.

다른 형상, 위치, 수, 및 편극 방향이 후방 자기 베어링(22)을 형성하는 요소를 위해 사용될 수도 있음을 또한 인식하여야 한다. 예를 들어, 자석(34)은 막대보다 정밀한 세그먼트일 수도 있다. 또한, 자석(31, 32 및 34)의 편극은 본 명세서에 설명된 인력보다는 반발력을 이루도록 배열될 수도 있다.

자석(32 및 34)의 일부가 마치 직접 혈액 속에 담겨지는 것처럼 도면에 도시되어 있지만, 실제로는, 박판 비자성 재킷 또는 플라스틱 코팅이 혈액과 자석의 접촉을 방지하도록 자석부의 위에 위치될 것이다. 만약 접촉이 허용된다면, 그러한 접촉은 혈액에 유해한 바람직하지 않은 화학 반응을 야기할 수 있다. 그러나, 도면을 명확하게 하기 위하여 그러한 재킷 또는 코팅을 도시하지 않았다.

축방향에 회전자의 병진 왕복 운동의 기계적 한도를 제공하기 위하여, 제 1 드러스트 베어링(39) 및 제 2 드러스트 베어링(41)을 제공한다. 제 1 드러스트 베어링(39)은 케이싱 기저부(33)내에 장착된 나사형 플러그(42)를 포함하고 있다. 플러그(42)는 회전자(17)의 종축을 따라 조정 가능한 나사이고 홈식 베어링 면(43)을 포함하고 있다. 면(43)은 임펠러(19)의 하면부의 상응 베어링 팁(44)을 수용하도록 형성되어 있다. 제 1 드러스트 베어링(39)의 특이 형상은 중요하지 않으며, 평면 베어링 면이 선택적으로 사용될 수도 있음을 인식하여야 한다.

제 2 드러스트 베어링(41)은 입구 튜브(13)의 혈액 유입구 단부 내에 장착되며, 스파이더(36), 조절 손잡이(47), 및 볼(48)을 포함한다. 볼(48)은 손잡이(47)를 회전함으로써 회전자(17)의 종축을 따라 옮겨지게 된다.

제 2 드러스트 베어링(41)을 위한 선택적 장소와 구조 또한 고려된다. 예를 들어, 환상 드러스트 베어링 면은 임펠러(19)의 상면부(36)에 인접한 케이싱(14)의 내벽 상에 제공될 수 있을 것이다. 이러한 배열에서, 상면부(36)는 환상 드러스트 베어링 면에 활주 가능하게 접촉할 수 있게 된다. 스파이더(46)와 상류 드러스트 베어링의 관련 요소를 제거함으로써, 그러한 구조물 상에 형성되는 혈액 침전의 가능성이 제거될 것이다.

드러스트 베어링(39, 41)이 회전자(17)의 축방향 이동에 제한 정지부를 제공할 뿐 아니라 펌프의 소정의 작동 양상을 조정하는데 효과적임을 인식하게 될 것이다. 도면에서, 지지 샤프트(18)의 상류 단부는 볼(48)과 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 펌프를 작동하는 과정 동안 항상 그러한 것은 아니다. 예를 들면, 두 드러스트 베어링 사이의 거리가 회전자의 전장보다 약간 크도록 조정되는 것이 바람직하다. 회전자는 이에 의해 각 사용자의 심장 주기를 갖는 드러스트 베어링에 의해 제공된 축방향 구속 사이에서 전후로 왕복하도록 허용된다. 그러한 주기 각각은 접지부 또는 드러스트 베어링 영역 내로 신선혈을 운반하는 펌핑 작용을 발생시킨다.

본 발명은 저널 베어링을 회전자를 구속하는데 사용하지 않는다. 당연히, 저널 베어링은 회전자의 지지 샤프트 또는 스핀들의 적어도 일부를 방사방향으로 감싼다. 이것은 샤프트와 베어링 면 사이의 얇은 환상 체적 내에 존재하고, 여기서 혈전증이 베어링 내의 과도한 체류 시간과 열 때문에 종래의 장치에서 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 펌프와 회전자의 쌍안정 작동은 종래의 저널 베어링의 혈전증 결과를 피하도록 혈액을 드러스트 베어링 각각의 주위로 연속적으로 내뿜는다.

본 명세서에 설명된 장치의 회전자와 자기 베어링 사이에 존재하는 중요한 물리적 관계성이 있다. 이러한 관계성은 조정 가능한 드러스트 베어링의 적절한 축방향 배치에 의해 설정되고 유지된다. 펌프의 작동에서, 회전 임펠러에 의해 발생되는 압력 변화는 회전자 상에 상류 축력을 준다. 이러한 힘은 심장 박동이 쌍안정 작동 효과를 내도록 펌프를 통해 충분한 압력 편차를 발생시키는 것을 보장하기 위해 평형이 되는 것을 필요로 한다. 극편(28)과 자석(29)에 대한 극편(23)과 자석(24)의 축방향 관계성을 조정함으로써, 하류 축력이 생성될 것이다. 전방 자기 베어링(21)내의 힘이 반발하기 때문에, 소정의 하류 하중 또는 편의력은 샤프트 내의 자석과 극편이 입구 튜브 내의 자석과 극편으로부터 하류로 약간 이동할 때 달성된다(도 7 및 도 8 참조). 그러므로, 제 2 드러스트 베어링(41)은 충분한 양만큼 하류로 회전자를 쉬프팅하거나 오프셋팅하기에 효과적이므로, 합성 반발 자기력은 회전 펌프 임펠러에 의해 생산되는 유압 축력을 견제한다.

이제, 임펠러(19)의 특별한 설계와 조작 상의 특성에 대해 알아본다. 도 6에서 자세하게 언급될 바와 같이, 임펠러는 다수의 커다란 블레이드 섹터(49)를 포함하고 있다. 기계적 작동과 열로부터의 손상에 대한 민감성과 비교적 높은 점도 때문에, 혈액은 펌핑하기에 대단히 어려운 액체이다.

낮은 점도의 액체의 통로를 위한 블레이드 사이의 통로 또는 비교적 큰공간을 갖는 다수의 얇고 날카로운 임펠러 블레이드를 갖는 것이 커다란 원심 펌프에서 일반적으로 바람직하다. 그러나, 그러한 통상적인 설계는 혈액과 같은 점성 액체를 펌핑 해야 하는 작은 원심 펌프에 바람직하지 않다.

혈액이 임펠러 블레이드의 유도 에지 내로 축방향으로 흐를 때, 혈액은 임펠러 블레이드에 관련된 난류와 기계적 작용에 의해 손상된다. 그러므로, 본 발명의 설계상 고려되어야 할 것중 하나는 임펠러 블레이드의 수를 최소화함으로써 그러한 용혈 현상을 감소시키는 것이다.

그렇게 적은 블레이드를 갖는 작은 펌프에서 효율을 유지하기 위해서, 블레이드의 효과적인 작업 영역은 증가될 필요가 있다. 이것은 두 중요한 관점에서 통상적인 블레이드의 크기와 형상을 변경함으로써 본 발명의 설계에서 달성되었다. 먼저, 블레이드 섹터(49)는 회전 상의 관점을 통해 비교적 넓거나 팽창되게 만들어진다(도 6 참조). 다시 말하면, 블레이드 섹터(49) 각각의 외주는 회전의 약 80 내지 85도를 취한다. 본 명세서에서 의도되는 대안 설계는 각각이 회전의 약 175도를 취하는 단 두 개의 블레이드 만을 포함하는 것임을 알아야 한다. 어느 경우에나, 본 발명에 따른 임펠러 블레이드 섹터의 폭은 종래 기술의 블레이드와는 상당히 다르다.

제 2 변형예는 블레이드의 두께 또는 높이와 관계한다. 도 4 및 도 7에 자세하게 도시되니 바와 같이, 블레이드 섹터(49)는 축 방향으로 비교적 두껍다. 이러한 변형의 결과로서, 좁고 깊은 임펠러 혈액 유돈 경로 또는 통로(51)는 블레이드 섹터(49)의 인접 에지 사이에서 형성된다. 블레이드 섹터의 두께가 증가하고 혈액 통로가 좁아짐으로써, 블레이드의 작업면의 영역과 통로의 체적간의 비는 증가한다. 또한, 블레이드의 작업면으로부터 통로 내 혈액의 평균 거리는 감소한다. 이러한 유익한 양 결과는 혈액의 손상을 방지하는 적은 블레이드를 갖지만 만족스러운 효율을 유지하는 혈액을 위한 작은 펌프를 제공한다.

또한, 임펠러 블레이드의 그러한 크기와 형상은 임펠러(19)내에 직접적으로 다수의 특징을 갖는 구조 통합을 허용한다. 예를 들면, 전술한 후방 자기 베어링(22)은 상당한 길이를 갖는 다수의 막대 자석(34)을 포함한다. 블레이드 섹터의 두께 때문에, 그러한 자석은 섹터 내에 쉽게 수용된다. 그러한 섹터는 드러스트 베어링 상의 중력 유도 하중과 임펠러의 매스를 감소시키도록 각각 중공 쳄버(52)를 또한 가질 수도 있다(도 6 참조).

마지막으로, 무브러쉬(brushless) 회전자 모터(53)는 블레이드 섹터(49)의 상면부(36) 내에 파묻히는 궁형 자석 세그먼트(54)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 펌핑된 혈액과 유체 연통할 수도 있는 세그먼트(54)의 부분은 혈액과 자석 세그먼트 사이의 어떠한 화학 반응도 방지하도록 (도시되지 않은) 재킷 또는 코팅에 감싸진다. 도 6 및 도 8에 대해 언급하면, 세그먼트(54)는 그들의 극성에서 교차적 방위를 가지며, 모터 고정자(56)에 인접한 쪽으로 향한다. 임펠러 케이싱(14)의 외측면 상에 장착된, 권선(57)과 원형 극편(58)은 고정자(56) 내에 포함된다. 권선(57)은 도 5에 도시된 바와 같이, 경피(percutaneous) 와이어에 의해 제어기(59)와 전원 공급기(61)에 상호 연결된다. 제어기(59)와 전원 공급기(61)는 사용자에 의해 외부에 휴대될 수도 있거나 또는 선택적으로 사용자에게 완전하게 이식될 수도 있다.

제어기(59)는 펌프의 가동률을 결정하도록 수동으로 조정되거나 프로그래밍되는 가변 전압 또는 전류 제어와 같은 간단한 회로를 포함할 수도 있다. 그러나, 제어기(59)는 또한 대화식 및 자동식 가능 출력을 가질 수도 있다. 예를 들면, 제어기(59)는 사용자의 신체 활동 및 상태에 펌프의 작동을 자동적이며 동시적으로 맞추도록 사용자의 다양한 장기들 상의 센서에 상호 연결될 수도 있다.

권선(57)은 전자장을 생성하도록 제어기(59)의 전기 출력에 의해 전원을 받는다. 이러한 자장은 극편(58)에 의해 집중되고, 회전 방식으로 자석(54)과 회전자(17)를 구동한다. 권선에 의해 통과되는 자석(54)에 기인한 백-전자장(back-EMF)은 제어기에 의해 인지된다. 제어기는 회전자의 더한 회전을 갖고 동기적으로 전자장을 계속 발생시키도록 그러한 백-전자장을 사용한다. 그 다음에, 모터(53)의 무브러쉬 작동이 펌프의 임펠러 블레이드 내에 파묻힌 자석과 고정자 사이에서 전자기 작용에 의해 달성된다.

샤프트(18)와 임펠러(19)를 포함하는 회전자(17)의 회전은 화살표(62)의 방향으로 입구 튜브(13)를 통해 혈액이 흐르도록 한다. 혈액은 통로(51)의 상부 에지로부터 케이싱(14)의 내부로 계속 흐른다. 배출 튜브(16)는 혈액이 케이싱으로부터 사용자의 심장 혈관 계 내로 방출되도록 한다.

펌프(11)의 해부학상 배치는 도 5에 도시되어 있다. 인간의 심장(63)에 대한 단순 도면은 좌심실(64)과 대동맥(67)을 포함하고 있다. 입구 튜브(13)는 유입 캐뉼러(cannula)로서 이용되고 좌심실(64)의 세모꼴 정점 내로 위치된다. 동맥 혈관 이식편(66)의 한 단부는 튜브(16)에 연결되고 다른 단부는 측면 문합술에 의해 대동맥(67)에 연결된다.

본 펌프의 원심 설계는 이식 동안 상당한 양의 가요성을 허용한다. 펌프의 축방향 유입 및 방사방향 유출 때문에, 혈액의 90도 방향 변경은 유동-제한 엘보우 설치 없이 달성된다. 더욱이, 본 펌프는 배출 튜브의 방위를 조정하고 혈관 조직이식에서 혈관과 유압 손실을 최소화하도록 종축 상에서 회전할 수 있다. 펌프 케이싱은 심장의 세모꼴 정점과 인접 다이아프램 사이에서 양호하게 설치되는 소형이며 디스크형이기 때문에 양호한 해부학적 적합성을 갖는다.

그러므로, 혈전증을 최소화하도록 자기 베어링과 드러스트 베어링 서스펜션을 포함하는 무밀봉 혈액 펌프와 용혈을 최소화하는 혈액 유동 통로를 갖춘 임펠러를 제공한다.

Claims

무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

a) 한쪽 단부 상에 기다란 입구 튜브를 갖추고 다른 쪽 단부에 배출 튜브를 포함하는 임펠러 케이싱을 갖춘 펌프 하우징과,

b) 상기 입구 튜브의 내경보다 작은 가로 치수를 갖는 기다란 샤프트 부를 갖고, 상기 샤프트 부에 부착되고 상기 임펠러 케이싱 내에 위치되는 임펠러를 포함하는, 상기 하우징 내에 회전을 위해 장착되는 회전자와,

c) 상기 하우징의 상기 입구 튜브 내에 동축으로 상기 회전자의 상기 샤프트 부를 유지하기 위한 방사 자기 베어링과, 상기 샤프트와 상기 내경 사이의 환상 체적에 의해 제공되는 혈액 유동 통로와,

d) 축을 따라 소정의 위치를 지나서 이동하지 못하도록 상기 회전자를 구속하는 드러스트 베어링과,

e) 상기 임펠러의 표면 상에 있는 모터 회전자와, 그리고

f) 전자장을 생성하기 위해 상기 임펠러의 상기 표면에 인접한 상기 하우징 내에 있는 모터 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 1 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 상기 드러스트 베어링에 대해 축방향으로 상기 회전자를 치우치게 하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 1 항에 있어서, 상기 드러스트 베어링 수단은 상기 회전자가 상기 입구 튜브와 상기 출구 튜브를 가로지르는 혈압의 변화에 반응하여 두 개의 소정의 축방향 위치 사이에서 왕복할 수 있도록 상기 회전자를 구속하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 1 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 다수의 전방 방사 자석을 포함하고, 상기 전방 방사 자석은 다수의 링 입구 자석 및 상응하는 다수의 링 샤프트 자석을 포함하며, 상응하는 입구 자석과 샤프트 자석의 동일한 극이 서로를 향해 있는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 4 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 다수의 후방 방사 자석을 더 포함하고, 상기 후방 방사 자석은 다수의 케이싱 자석과 상응하는 다수의 임펠러 자석을 포함하고, 상기 임펠러는 일반적으로 디스크 형상이고 상기 임펠러 자석은 상기 임펠러를 횡으로 관통 연장하며 상기 임펠러의 외주의 둘레에 원형 방식으로 배열되고, 상기 케이싱 자석은 각각의 임펠러 자석에 인접하여 상기 임펠러의 어느 한쪽 측면 상에 위치되고, 그리고 상응하는 케이싱 자석과 임펠러 자석의 반대 극이 서로를 향해 있는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 1 항에 있어서, 상기 모터 회전자 수단은 상기 임펠러의 상기 표면 상에 일반적으로 원형 방식으로 배열된 다수의 궁형 평면 자석 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 6 항에 있어서, 상기 모터 회전자 수단은 상기 샤프트와 동심인 전기 전도성 와이어의 원형 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

a) 상류 단부 및 하류 단부를 갖춘 기다란 샤프트와 상기 샤프트의 상기 하류 단부에 부착된 임펠러를 포함하는 펌프 회전자와,

b) 상기 튜브에 의해 동심으로 둘러싸이는 상기 샤프트의 가로 직경보다 약간 큰 내경을 갖고 한 단부 상에 있는 기다란 입구 튜브와 상기 임펠러를 둘러싸며 다른 단부 상에 있는 출구 튜브를 갖는 케이싱을 포함하는 펌프 하우징과,

c) 종축 둘레에 회전하는 동안 상기 하우징의 상기 관상 입구 내에서 상기 샤프트를 동심 유지하기 위한 방사 자기 베어링 수단과, 혈액 유동 통로를 형성하는 상기 하우징과 상기 샤프트 사이의 환상 체적과,

d) 상기 임펠러의 베어링 면과 접촉하는 상기 케이싱 내의 제 1 드러스트 베어링과,

e) 상기 임펠러의 표면 상에 있는 영구 자석 모터 회전자와,

f) 상기 임펠러의 상기 표면에 인접한 상기 하우징 내에 있는 전자기 모터 고정자와, 그리고

g) 상기 모터 고정자에 관한 전기적 출력을 갖는 전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 임펠러는 그들 사이에 궁형 채널을 갖는 다수의 블레이드를 포함하고, 상기 채널은 블레이드의 상류 부위로부터 하류 부위로 연장되고, 상기 채널 각각의 하류 부위는 임펠러 회전 방향에 반대 방향으로 방위 설정되는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 다수의 전방 방사 자석을 포함하고, 상기 전방 방사 자석은 다수의 링 입구 자석 및 상응하는 다수의 링 샤프트 자석을 포함하며, 상응하는 입구 자석과 샤프트 자석의 동일한 극이 서로를 마주보고 있는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 10 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 다수의 후방 방사 자석을 더 포함하고, 상기 후방 방사 자석은 다수의 케이싱 자석과 상응하는 다수의 임펠러 자석을 포함하고, 상기 임펠러는 일반적으로 디스크 형상이고 상기 임펠러 자석은 상기 임펠러를 횡으로 관통 연장하며 상기 임펠러의 외주의 둘레에 원형 방식으로 배열되고, 상기 케이싱 자석은 각각의 임펠러 자석에 인접하여 상기 임펠러의 어느 한쪽 측면 상에 위치되고, 그리고 상응하는 케이싱 자석과 임펠러 자석의 반대 극이 서로를 마주보고 있는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 입구 튜브 내에 제 2 드러스트 베어링을 더 포함하고, 상기 상류 단부에서 상기 제 2 드러스트 베어링과 접촉하는 베어링 면을 갖는 상기 샤프트를 특징으로 하는 펌프.
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 드러스트 베어링은 상기 회전자의 길이보다 약간 큰 거리만큼 이격되고, 상기 입구 튜브와 상기 출구 튜브 사이의 혈압은 상기 제 1 드러스트 베어링과 제 2 드러스트 베어링 사이에서 회전자가 왕복하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 방사 자기 베어링은 상기 제 1 드러스트 베어링에 대해 축방향으로 상기 회전자를 치우치게 하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 모터 회전자는 상기 임펠러의 상기 표면 상에 일반적으로 원형 방식으로 배열된 다수의 궁형 평면 자석 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 8 항에 있어서, 상기 모터 회전자는 상기 샤프트와 동심인 전기 전도성 와이어의 원형 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
종축 둘레에 회전하는 동안 회전자를 지지하는 베어링을 포함하는 입구 튜브와 임펠러 케이싱을 갖춘 원심 펌프를 위한 회전자에 있어서,

a) 입구 튜브 내에 있으며 상류 단부와 하류 단부를 갖춘 회전 가능한 기다란 지지 샤프트와,

b) 상기 샤프트의 상기 하류 단부에 부착되고 케이싱 내에 위치되는 중앙 상면부를 가지며, 상기 샤프트에 인접한 선단 에지에 의해 시작하여 상기 임펠러의 회전 방향에 대향으로 외부로 만곡되고 그리고 상기 임펠러의 외주에서 종단 에지에 의해 각각 종료되는 상기 상면부로부터 하면부로 연장된 궁형 채널에 의해 인접한 섹터로부터 각각 분리되는 다수의 블레이드 섹터를 갖는 디스크형 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자.
제 17 항에 있어서, 상기 회전 방향으로 상기 샤프트와 상기 임펠러를 회전시키기 위해 회전자 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자.
제 17 항에 있어서, 상기 회전 방향에서 상기 회전자에 토크를 분배하기 위하여, 상기 임펠러의 상기 상면부 상에 다수의 영구 자석과, 상기 임펠러의 상기 상면부에 인접한 상기 하우징 내에 전기 전도성 코일을 갖춘 모터 고정자와, 그리고 상기 고정자에 전력을 제공하는 전력 공급기로 구성된 회전자 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자.
제 19 항에 있어서, 상기 영구 자석은 상기 각각의 섹터 상에 위치된 궁형 자석 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자.
무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

한쪽 단부 상에 입구 튜브를 갖추고 다른 쪽 단부에 출구를 포함하는 임펠러 케이싱을 갖춘 펌프 하우징과,

상기 입구 튜브의 내경보다 작은 가로 치수를 갖는 기다란 샤프트 부를 갖고, 상기 샤프트 부에 부착되고 상기 임펠러 케이싱 내에 위치되는 임펠러를 포함하는, 상기 하우징 내에 회전을 위해 장착되는 회전자와,

상기 하우징의 상기 입구 튜브 내에 상기 회전자의 상기 샤프트 부를 유지하기 위한 방사 자기 베어링과, 상기 샤프트와 상기 내경 사이의 환상 체적에 의해 제공되는 혈액 유동 통로와, 그리고

축을 따라 소정의 위치를 지나서 이동하지 못하도록 상기 회전자를 구속하고, 상기 회전자가 상기 입구 튜브와 상기 출구를 가로지르는 혈압의 변화에 반응하여 두 개의 소정의 축방향 위치 사이에서 왕복할 수 있도록 상기 회전자를 구속하는 드러스트 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 21 항에 있어서, 상기 드러스트 베어링은 상기 회전자의 전장보다 큰 상기 드러스트 베어링 사이 거리를 갖고 상기 회전자의 대향 단부에 위치되는 것을 특징으로 하는 펌프.
제 22 항에 있어서, 상기 드러스트 베어링 사이 거리가 회전자의 전장보다 약간 커지게 조정하는 것이 가능하도록 상기 드러스트 베어링 중의 적어도 하나는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 펌프.
종축 둘레에 회전하는 동안 회전자를 지지하는 베어링을 포함하는 입구 튜브와 임펠러 케이싱을 갖춘 무밀봉 원심 혈액 펌프에 있어서,

입구 튜브 내에 있으며 상류 단부와 하류 단부를 갖춘 회전 가능한 기다란 지지 샤프트를 포함하는 회전자와,

상기 샤프트의 상기 하류 단부에 부착되고 케이싱 내에 위치되는 중앙 상면부를 가지며, 각각이 상기 상면부로부터 하면부로 연장된 채널에 의해 인접한 섹터로부터 분리된 다수의 블레이드 섹터를 가진 디스크형 임펠러와, 그리고

상기 임펠러에 의해 지탱되는 다수의 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 원심 혈액 펌프.
제 24 항에 있어서, 상기 임펠러는 축방향으로 두껍고 상기 영구 자석은 축방향으로 상기 임펠러를 관통 연장하는 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 원심 혈액 펌프.
종축 둘레에 회전하는 동안 회전자를 지지하는 베어링을 포함하는 입구 튜브와 임펠러 케이싱을 갖춘 무밀봉 원심 혈액 펌프에 있어서,

입구 튜브 내에 있으며 상류 단부와 하류 단부를 갖춘 회전 가능한 기다란 지지 샤프트를 포함하는 회전자와,

상기 샤프트의 상기 하류 단부에 부착되고 케이싱 내에 위치되는 중앙 상면부를 가지며, 축방향으로 두껍고, 그리고 각각이 상기 상면부로부터 하면부로 연장된 채널에 의해 인접한 섹터로부터 분리된 다수의 블레이드 섹터를 가진 디스크형 임펠러와, 그리고

임펠러의 밀도를 감소시키도록 밀봉 중공 쳄버를 형성하는 상기 임펠러 블레이드 섹터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 원심 혈액 펌프.
제 26 항에 있어서, 상기 임펠러에 의해 지탱되는 다수의 영구 자석을 포함하고, 상기 임펠러는 축방향으로 두껍고 상기 영구 자석은 축방향으로 상기 임펠러를 관통 연장하는 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 원심 혈액 펌프.
무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

한쪽 단부 상에 입구 튜브를 갖추고 다른 쪽 단부에 출구를 포함하는 임펠러 케이싱을 갖춘 펌프 하우징과,

상기 입구 튜브의 내경보다 작은 가로 치수를 갖는 기다란 샤프트 부를 갖고, 상기 샤프트 부에 부착되고 상기 임펠러 케이싱 내에 위치되는 임펠러를 포함하는, 상기 하우징 내에 회전을 위해 장착되는 회전자와,

상기 하우징의 상기 입구 튜브 내에 상기 회전자의 상기 샤프트 부를 유지하기 위한 방사 자기 베어링과, 상기 샤프트와 상기 내경 사이의 환상 체적에 의해 제공되는 혈액 유동 통로와, 그리고

상기 임펠러에 의해 지탱되는 다수의 영구 자석을 포함하는 회전자 모터와, 전기 전도성 코일을 포함하고 링 형상을 가지며 상기 회전자를 둘러싸는 모터 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 28 항에 있어서, 상기 링 형상의 모터 고정자는 상기 영구 자석과 축방향 정렬되는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 28 항에 있어서, 상기 링 형상의 모터 고정자는 권선에 의해 둘러싸인 원형 극편을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 28 항에 있어서, 상기 임펠러에 의해 지탱되는 자석은 궁형 자석 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

한쪽 단부 상에 입구 튜브를 갖추고 다른 쪽 단부에 출구를 포함하는 임펠러 케이싱을 갖춘 펌프 하우징과,

상기 입구 튜브의 내경보다 작은 가로 치수를 갖는 기다란 샤프트 부를 갖고, 상기 샤프트 부에 부착되고 상기 임펠러 케이싱 내에 위치되는 임펠러를 포함하는, 상기 하우징 내에 회전을 위해 장착되는 회전자와,

상기 하우징의 상기 입구 튜브 내에 상기 회전자의 상기 샤프트 부를 유지하기 위한 방사 자기 베어링과, 상기 샤프트와 상기 내경 사이의 환상 체적에 의해 제공되는 혈액 유동 통로와, 그리고

축을 따라 소정의 위치를 지나서 이동하지 못하도록 상기 회전자를 구속하고, 상기 회전자의 회전 축의 외부에 위치되는 드러스트 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 32 항에 있어서, 상기 회전자의 회전 축의 외부에 있는 드러스트 베어링이 상기 임펠러의 표면에 인접한 상기 케이싱 상에 환상 드러스트 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 33 항에 있어서, 상기 케이싱은 내벽 및 외벽을 갖고, 상기 임펠러는 상부면 및 하부면을 갖고, 그리고 상기 환상 드러스트 베어링 면은 상기 임펠러의 상기 상부면에 인접한 상기 케이싱의 상기 내벽 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 32 항에 있어서, 상기 회전자가 상기 입구 튜브와 상기 출구를 가로지르는 혈압의 변화에 반응하여 소정의 축방향 위치 사이에서 왕복할 수 있도록 상기 회전자를 구속하기 위한 상기 제 1 드러스트 베어링에 의해 작동하는 제 2 드러스트 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 35 항에 있어서, 상기 드러스트 베어링 사이 거리를 조정하는 것이 가능하도록 상기 드러스트 베어링 중의 적어도 하나는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
무밀봉 혈액 펌프에 있어서,

펌프 하우징과,

상기 하우징 내에 회전을 위해 장착되는 회전자와, 그리고

축을 따라 소정의 위치를 지나서 이동하지 못하도록 상기 회전자를 구속하고, 혈압의 변화에 반응하여 두 축방향 위치 사이에서 왕복할 수 있도록 상기 회전자를 구속하는 드러스트 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.
제 35 항에 있어서, 상기 드러스트 베어링은 상기 회전자의 전장보다 큰 상기 드러스트 베어링 사이 거리를 갖고 상기 회전자의 대향 단부에 위치되고, 드러스트 베어링 사이 거리를 조정하는 것이 가능하도록 상기 드러스트 베어링 중의 적어도 하나는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 무밀봉 혈액 펌프.