KR20000052056A - 혈전생성을 방지하기 위한 수단을 갖춘 무밀봉 혈액용 펌프 - Google Patents

Abstract

혈액용 펌프는 펌프 하우징과 상기 하우징내에서 회전하도록 장착된 회전자를 포함한다. 상기 회전자는 회전축선과 임펠러를 가지며, 상기 혈액용 펌프는 상기 회전자 주위를 통과하는 혈액 흐름통로를 가지며, 상기 회전자는 단부면을 감싸는 주변 엣지를 가지며, 상기 단부면은 평탄한 단부면에 비해서, 회전자가 회전할 때 상기 단부면의 중심부로부터 주변 엣지를 향해 외측 반경방향으로 흐르는 혈액을 증가시키는 프로파일 표면을 가진다.

Description

혈전생성을 방지하기 위한 수단을 갖춘 무밀봉 혈액용 펌프 {SEALLESS BLOOD PUMP WITH MEANS FOR AVOIDING THROMBUS FORMATION}

본 발명은 혈액펌프 분야에 관한 것이며, 특히 영구적인 심실 보조장치로서 사용하기 위해 인간에 영구 이식되기에 적합한 회전식 연속 유동펌프에 관한 것이다.

심각한 좌측심실 심장병으로 고통받고 있는 수많은 심장병 환자들은 심장이식에 의한 도움을 받고 있다. 그러나, 기증 심장의 부족으로 인해 대부분의 심장병 환자들은 빈번한 입원, 심각한 육체적 고통, 및 울혈성 심장병 또는 심장이식 쇼크등으로 인한 예견된 수명단축에 직면해 있다. 영구적이고 효과적인 좌측심실 보조장치의 사용으로 많은 심장병 환자들이 연장된 수명덕에 활력적인 삶을 되찾을 수 있다.

그러한 좌측심실 보조장치는 본 발명자의 선출원되어 계류중인 출원번호 08/603,536호 및 08/910,375호에 맥동 유동식이 아닌 연속 유동식 회전펌프로서 설명되어 있다. 선출원된 회전식 혈액펌프는 구동축의 밀봉 필요성을 제거했고 혈전의 발생을 방지하기 위해 신선한 혈류에 의해 정기적으로 세정되는 축방향 드러스트 베어링을 구비함으로써 다수의 임상 문제점들을 해결하여 좌측심실 보조장치로서 사용하는데 상당한 잇점을 제공했다.

그러나, 혈류흐름이 낮은 회전축선 근처의 펌프 회전자 단부구역과 같은 정체지점에서 발생하는 혈액의 응고가능성을 더욱 감소시키기 위해서는 회전식 펌프와 다른 설계방식의 회전펌프에 있어서 회전자의 단부를 가로지르는 혈류의 양을 증가시키는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 혈액펌프를 도시하는 우측면도.

도 2는 자기 베어링 조립체의 일부를 포함한 복수의 링형 자석을 도시하는, 도 1 펌프의 부분 횡단면도.

도 3은 샤프트 및 임펠러를 도시하는, 도 1 펌프의 부분 횡단면도.

도 4는 도 1과 동일하지만 하우징으로부터 샤프트와 임펠러가 제거되어 있는 혈액펌프의 우측면도.

도 5는 심장의 좌측심실 내부에 이식된 펌프를 도시하는, 간략화된 인간 심장의 부분 사시도.

도 6은 도 1의 6-6선에 따라 취한, 하우징, 임펠러, 및 임펠러 챔버를 도시하는 단면도.

도 7은 도 1의 7-7선에 따라 취한 펌프의 길이방향 횡단면도.

도 8은 회전자 자석 및 모터 고정자를 포함하는, 자석 및 방사형 부동태 자기 베어링의 자석 및 자극 부품의 각각의 극성을 나타내는 간략화된 펌프의 길이방향 횡단면도.

도 9, 도 10 및 도 11은 각각, 본 발명에 따른 도 1 내지 도 8에 도시한 회전자의 단부면에 있는 드러스트 베어링용 단부면의 상이한 실시예를 도시하는 도면.

도 12는 본 발명의 원리에 따라 구성된 임펠러의 길이방향 횡단면도.

도 13은 도 12의 우측면을 따라 취한 단면도.

도 14는 도 12 및 도 13과 유사한 임펠러를 사용하는, 간략화된 펌프의 길이방향 횡단면도.

도 14a는 도 14의 원부분(11a)을 확대 도시한 도면.

도 15는 명료함을 위해 제거된 케이싱과 하우징의 단부를 갖는 도 11 펌프의 횡단면도.

도 16, 도 17 및 도 18은 각각 본 발명에 따른 상이한 실시예를 도시하는, 도 12 펌프 임펠러의 중앙 단부면에 대한 상이한 실시예들을 도시하는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 회전 펌프 12 : 하우징

17 : 회전자 19 : 임펠러

21,22,41 : 베어링 24,29,31,32,34 : 자석

28 : 자극부품 33 : 기저부

42 : 플러그

본 발명에 따라, 펌프 하우징과 상기 하우징내부에서 회전하도록 설치되는 회전자를 포함하는 혈액펌프가 제공되며, 상기 회전자는 회전 축선과 임펠러를 가진다. 상기 혈액펌프는 회전자 주위로 통과시키기 위한 혈액 유동로를 가지며, 상기 회전자는 단부면을 한정하는 주변엣지를 가진다. 상기 단부면은 회전자가 회전할때 단부면의 중심부로부터 주변 엣지쪽을 향해 외측 반경방향으로, 넌-프로파일(non-profiled)화된 평탄한 단부면보다 혈류를 증가시는 프로파일 표면(profiled surface)을 가진다. 따라서, 특히 유동하는 혈액이 작동중인 회전자를 감싸고 있는 무밀봉 혈액펌프는 본 발명에 따른 프로파일 표면에 의해 회전자의 단부면을 가로지르는 혈액순환을 개선시킬 수 있다. 상기 펌프는 전술한 특허공보에 기술되어 있는 바와같이, 드러스트 베어링 또는 다른 종류의 베어링이 회전자의 동일단부에 제공되어 있는 경우, 특히 회전자가 회전중에 축방향의 전후로 약간 변위되는 경우에도 사용될 수 있다.

바람직하게, 회전자의 단부상에 있는 프로파일 표면은 사용중에 회전자가 회전될 때 회전자로부터 외측 반경방향으로의 혈류를 증대시키고 유동채널을 제공하기 위해 단부면의 중심부로부터 연장하는 채널을 포함한다.

상기 채널은 복수의 방향, 통상적으로 단부면의 중심부로부터 주변엣지쪽으로 연장하는 두 개의 상이한 방향으로 외측으로 연장한다. 그러나, 필요하다면 중심부로부터 외측 반경방향으로 연장하는 3개, 4개 또는 그 이상의 레그(leg)를 갖는 분기 채널이 사용될 수 있다.

통상적으로, 상기 채널은 적어도 한 쌍의 이격된 위치로 주변엣지쪽으로 연장한다. 상기 위치중 제 1 위치에 있는 채널은 인접 주변엣지와 각도를 이루며, 이 각도는 상기 채널과 상기 제 2 위치에 있는 인접 주변엣지 사이의 각도와는 상이하다. 환언하면, 제 1 위치에 있는 채널은 제 1 위치에 있는 주변면에 거의 수직할 수 있다. 그러나, 제 1 이격위치에 있는 채널은 통상적으로 60°등의 예각으로 주변부에 접근하여, 상이한 각도의 채널단부를 제공함으로써 단부면의 회전시 비대칭 흐름특성을 발생시킨다.

이와는 달리, 상기 채널은 단부면의 중심부에 폐쇄단부를 가져서 중심부로부터 채널을 통해 주변의 채널 개방단부쪽으로의 회전시 회전자의 흐름이 비직진성을 가진다.

또한, 몇몇 환경하에서 적어도 하나의 도관이 단부면으로부터 채널과 회전자의 표면 사이에 있는 회전자를 통해 연장함으로써 단부면을 가로지르는 혈액순환을 개선시킬 수 있다.

또다른 대안으로서, 회전자의 단부에 있는 프로파일 표면이 단부면의 중심부로부터 주변엣지로 또는 주변엣지를 향해 외측으로 연장하는 돌출 리브(rib)를 포함할 수 있다. 상기 돌출리브는 회전자의 회전시 회전자 단부의 중심부로부터 그의 주변부를 향한 혈류를 증대시킨다.

통상적으로, 펌프 하우징은 한 단부에 길다란 입구측 튜브와 타단부에 임펠러 케이싱부를 포함하고 상기 임펠러 케이싱부가 방출튜브를 포함함으로써, 혈류가 입구측 튜브를 통해 진입하여 방출튜브를 통해 배출된다.

상기 회전자는 길다란 샤프트부를 가질 수 있으며, 상기 임펠러는 임펠러 케이싱부내에 놓여진 위치에서 상기 샤프트부에 부착된다. 혈액용 제 1차 채널은 샤프트부와 하우징 사이의 환형 공간에 제공된다.

혈액펌프 회전자의 단부면은 회전자가 예정된 위치에서 종축선을 따라 변위되는 것을 제한하기 위한 드러스트 베어링을 한정한다. 상기 드러스트 베어링은 회전자와 펌프 하우징에 의해 각각 운반되는 결합 베어링 표면을 포함한다. 상기 프로파일 표면은 전술한 바와같이, 상기 드러스트 베어링내부에서 단부면의 중심부로부터 주변엣지를 가로질러 외측으로 연장하는 채널을 포함한다.

모터 고정자는 전자기장을 발생시키도록 임펠러에 인접한 하우징내에 위치될 수 있다.

회전자 단부면의 프로파일 표면은 종축선과 적어도 부분적으로 교차하는 위치를 차지하고 있는 유동 오목부를 형성한다. 상기 오목부는 회전자의 회전시 오목부내에서의 외측 반경방향으로의 흐름이 가능하다.

따라서, 전술한 특허공보에서 설명한 형태의 혈액펌프는 회전자의 단부면상에 있는 프로파일 표면에 의해, 혈액이 단지 늦게 흘러 응고되기 쉬운 평탄단부를 갖는 회전자에서 발견되는 정체구역을 제거할 수 있다. 또한, 본 발명은 다른 형태의 회전식 혈액펌프에도 양호하게 사용될 수 있다.

도 1 내지 도 11을 참조하면, 무밀봉 회전펌프(11)는 길다란 입구측 튜브(13)와 임펠러 케이싱(14) 또는 볼류트(volute)가 내장된 하우징(12)을 포함한다. 방출튜브(16)는 하우징을 통해 연장되어 케이싱(14)의 내측 주변부와 연통된다. 튜브(16)는 펌프로부터의 혈액의 방출을 효과적으로 실행하기 위해 케이싱 반경에 대해 접선방위를 가진다.

펌프 회전자(17)는 하우징(12)내부의 케이싱(14)에 위치되며 디스크형 임펠러(19)에 부착된 길다란 직각 원통형 지지 샤프트(18) 또는 스핀들을 포함한다. 회전자(17)는 샤프트(18)와 임펠러(19)를 통해 연장하는 종축 주위에서 회전하도록 장착된다. 본 발명의 양호한 실시예는 원심설계된 임펠러와 케이싱을 포함한다. 그러나, 본 발명의 다수의 작동 특성 및 구조적 특성은 축방향 흐름설계된 회전식 혈액펌프에 유리하게 채택될 수 있다.

본 발명에 따른 펌프(11)는 회전자를 부상시켜 종축에 대한 적합한 반경방향으로의 정렬을 유지하기 위해 전방 자기 베어링(21)과 후방 자기 베어링(22)을 포함한다(도 8). 방사상 자기 베어링의 구성에 대해서는 와슨에게 허여된 미국 특허 제 4,072,370호에 설명되어 있다. 상기 '370 특허는 본 발명에 참조되었다. 상기 전방 자기 베어링(21)은 상기 '370 특허에 따라 구성될 수 있다. 그러나, 구성을 간략히 하고 개선시킨 구성에 대해서 본 발명에 설명되어 있다. 예를들어, '370 특허의 방사상으로 분극된 링 자석(도면부호 44 및 46)은 본 발명의 성공적인 실행을 위해서는 불필요하다. 또한, 이후에 설명하는 바와같이, 상기 '370 특허의 축방향으로 자화된 링 자석(도면부호 22)은 본 발명의 목적을 위해서는 축방향으로 자화된 디스크형 자석으로 대체되는 것이 유리할 수 있다.

따라서, 전방 자기 베어링(21)은 강자성 자극부품(23)과 축방향으로 분극된 영구자석(23)을 구비한 복수의 링을 포함한다. 도 7및 도 8에 더욱 상세히 도시한 바와같이, 자극부품(23) 및 자석(24)은 임의의 교대방식으로 배열되며 입구측 튜브(13)의 내부측벽(27)과 외부측벽(26) 사이에 위치된다. 대향 자석의 극성은 동일하며 대향 자석의 사이에 있는 각각의 자극부품과 동일한 극성을 가진다. 강한 접착력과 주위 튜브의 측벽들은 링의 분리를 강요하는 강한 자력에도 불구하고 자석과 자극부품의 열을 유지한다.

또한 전방 자기 베어링(21)도 강자성 자극부품(28)과 축방향으로 분극된 영구자석(29)을 포함하는 복수의 디스크를 포함한다. 자극부품(28)과 자석(29)도 임의의 교대방식으로 배열되어 있어서 주변 링의 각각의 자극부품과 자석의 극성 및 축방향 위치를 반영한 자기 구조물을 형성한다. 이러한 자기 구조물이 먼저 조립되고 강한 접착제를 사용하여 함께 고정되고나서, 샤프트(17) 또는 스핀들의 빈 공간내에 설치된다. 전방 자기 베어링(21)의 자석과 자자극부품에 의해 발생된 자기 분극및 반발력은 지지 샤프트(18)의 자기부상을 초래한다.

회전자(17)를 반경방향으로 추가로 구속하기 위해, 후방 자기 베어링(22)이 제공되어 있다. 베어링(22)은 케이싱(14)의 외벽에 장착된 제 1 링 자석(31)과 원형 케이싱의 기저부(33)내에 함침된 제 2 링 자석(32)을 포함한다. 케이싱의 바닥부는 기저부(33)에 부착 및 밀봉되어 임펠러(19)를 위한 유체 불침투성 외피를 형성한다(도 7참조). 자석(31,32)은 축방향으로 분극되나 이들 각각은 상이한 분극의 대향 임펠러(19)를 가진다. 베어링(22)은 또한 상면부(36)로부터 임펠러(19)의 하면부(37)로 횡방향으로 연장하는 복수의 막대 자석(34)을 포함한다. 막대자석(34)은 임펠러(19)의 외측 주변부에 인접되게 원형으로 이격되게 배열된다. 자석(34)단부와 자석(31,32)의 인접표면 사이의 극성은 각각 반대여서 인력을 발생시키지만, 임펠러에 작용하는 동일하지만 대향하는 자력을 발생한다. 임펠러의 반경방향으로의 운동(회전축선으로부터 편향)은 자석(31,32)으로 향하는 자석(34)들 사이의 인력으로 인한 복원력을 유발한다. 축방향으로의 자력은 자석(31)에 대한 자석(34) 및 자석(32)에 대한 자석(34)의 대향 자기인력에 대한 역균형을 이루게 된다. 그러나, 축방향으로의 자기력의 작용은 복원되지 않는다.

전방 자기 베어링(22)을 형성하는 부품들을 위한 상이한 형상, 위치, 수, 및 분극 방위들이 사용될 수 있음에 주목해야 한다. 예를들어, 자석(34)은 막대형상보다는 활형상일 수 있다. 또한, 자석(31,32,34)의 극성은 위에서 특별히 설명한 인력을 발생하는 방식이외에 각각 반발력을 발생시키도록 배열될 수도 있다.

도면에 도시한 바와같이, 사용된 부품들이 혈액내에 직접 침수된다면 이들 부품위에 얇은 벽의 비-자성 재킷 또는 플래스틱 코팅이 제공되어 자석과 혈액의 접촉을 방지하게 할 수 있다. 만일, 그러한 접촉이 허용된다면 혈액의 손실과 같은 바람직하지 않은 결과를 초래할 것이다. 그러나, 도면의 간략함을 위해 전술한 재킷 또는 코팅은 도면에 도시하지 않았다.

회전자의 축방향 변위를 기계적으로 억제하기 위해서, 제 1 드러스트 베어링(39)과 제 2 드러스트 베어링(41)이 제공되어 있다. 제 1 드러드트 베어링(39)은 케이싱 기저부(33)내에 설치되는 치형 플러그(42)를 포함한다. 플러그(42)는 회전자(17)의 종축선을 따라 조절될 수 있는 나사이며 오목한 베어링 표면(43)을 포함한다. 상기 오목표면(43)은 임펠러(14)의 하면부에 있는 대응 베어링 선단부(44)를 수용할 수 있는 형상으로 되어 있다. 베어링(39)의 특정형상은 중요하지 않으며 본 발명에서는 평탄한 베어링도 사용될 수 있다.

제 2 드러스트 베어링(41)은 입구측 튜브(13)의 혈액 진입단부 내에 고정되며 스파이더(46), 조절 노브(47), 및 볼(48)을 포함한다. 노브(47)의 회전에 의해 회전자(17)의 종축선을 따라 볼(48)을 변위시킨다.

제 2 드러스트 베어링(41)을 위한 다른 위치와 구성도 고려될 수 있다. 예를들어, 환형 드러스트 베어링 표면이 임펠러(19)의 상면부(36)에 인접되게 케이싱(14)의 내벽에 제공될 수 있다. 이러한 배열에서, 상면부(36)는 환형 드러스트 베어링 표면과 미끄럼가능하게 접촉된다. 스파이더(46)와 상류 드러스트 베어링의 관련부품들을 제거함으로써 이들 구조물에 대한 혈액의 도포 가능성도 제거된다.

드러스트 베어링(39,41)은 회전자(17)의 축방향 운동을 제한하는 것이 바람직할 뿐만아니라 펌프의 일정한 작동특성을 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 도면에서, 지지 샤프트(18)의 상류측 단부가 볼(48)과 관련하여 도시되어 있다. 그러나, 이는 항상 펌프의 작동과정과 관련된 것만은 아니다. 예를들어, 베어링 사이의 거리가 회전자의 전체 길이보다 조금 크도록 두개의 드러스트 베어링이 조절될 수 있게 해도 바람직하다. 이는 사용자의 심장 싸이클과 관련하여 드러스트 베어링에 의해 제공되는 축방향 한계점 사이에서 회전자가 전후로 왕복운동할 수 있게 한다. 각각의 싸이클은 펌핑작용을 유발하여 신선한 혈액이 터치다운 또는 드러스트 베어링 구역으로 공급될 수 있게 한다.

통상적으로, 본 발명은 회전자를 구속하기 위해 저어널 베어링을 사용하지 않는다. 물론, 저어널 베어링은 회전자의 지지 샤프트 또는 스핀들의 적어도 일부를 반경방향으로 둘러싸고 있다. 상기 저어널 베어링은 베어링내에서의 과도한 체류 및 가열의 결과로서 종래기술의 장치에서 혈전층이 발생했던 샤프트와 베어링 표면 사이의 얇은 환형 공간내에 위치한다. 본 발명의 펌프와 회전자의 이원식 안정작동에 의해 각각의 드러스트 베어링 주위로 혈액을 연속적으로 공급하여 종래 저어널 베어링의 혈전증을 방지할 수 있다.

전술한 장치의 자기 베어링과 회전자 사이에는 중요한 물리적 관련성이 존재한다. 이러한 관련성은 조절가능한 드러스트 베어링의 적합한 축방향 위치선정에 의해 설정된다. 펌프의 작동시, 회전 임펠러에 의해 발생되는 압력성분에 의해 상류의 축방향 힘을 회전자에 부여한다. 이러한 힘은 이원 안정작동을 실행하여 펌프에 의해 충분한 압력변수를 갖는 심장박동을 제공하기 위한 역균형을 제공하는데 필요하다. 자극부품(28)과 자석(29)에 대한 자극부품(23)과 자석(24)의 축방향 관련성을 조절함으로써, 하류의 축방향 힘을 발생시킬 수 있다. 전방 자기 베어링(21)내의 힘이 척력이므로, 샤프트내의 자석 및 자자극부품이 입구측 튜브내의 자자극부품및 자석으로부터 조금 하류로 변위될 때 바람직한 하류방향의 하중 또는 바이어스가 실행된다(도 7 및 도 8 참조). 따라서, 제 2 드러스트 베어링(41)은 결과적인 반발 자력이 회전펌프의 임펠러에 의해 발생된 유체역학적 축방향 힘과 거의 역균형을 이룰 정도로 충분히 큰 양만큼 회전자를 하류로 이동시키거나 업세트시키는데 효과적이다.

이후, 임펠러(19)의 특정 설계 및 작동상의 특징에 대해 설명한다. 특히 도 6에 도시되어 있는 바와같이, 임펠러는 복수의 대형 블레이드 섹터(49)를 포함한다. 상당한 점성과 열 및 기계작용에 대한 손상 민감도로 인해, 혈액은 펌핑하기 상당히 어려운 액체이다.

일반적으로, 대형 원심펌프에 있어서 저점성 액체의 통행을 위해 블레이드 사이에 상당히 큰 공동이나 통로를 갖는 다수의 얇고 예리한 임펠러 블레이드를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 그러한 종래의 설계방식은 혈액과 같은 점성 액체를 펌핑해야 하는 소형 원심펌프에는 바람직하지 않다.

혈액이 임펠러 블레이드의 선단 엣지쪽으로 축방향으로 흐를때 혈액은 기계작용 및 임펠러 블레이드과 관련된 요동에 의해 손상되는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 설계시 고려된 점들중에 하나는 임펠러 블레이드 및 선단 엣지의 수를 최소화함으로써 용혈반응을 감소시키는 것이다.

매우 작은 블레이드를 갖는 소형 펌프에 있어서 효율을 유지하기 위해 블레이드의 유효 작동면적을 증가시킬 필요가 있다. 이는 본 발명에 따른 두 가지 특징에 따라 종래 블레이드의 크기와 형상을 변경시킴으로써 달성된다. 첫째, 블레이드 섹터(49)를 회전특성을 이용하여 상당히 폭넓게 또는 확장되게 형성하는 것이다(도 6 참조). 환언하면, 각 블레이드 섹터(49)의 외측 주변부는 대략 80 내지 85도의 회전각을 가진다. 이와는 달리 숙고될 수 있는 설계방법으로는 대략 175도의 회전각을 갖는 단지, 두 개의 블레이드 섹터를 포함하게 하는 것이다. 어느 한 경우에 있어서, 임펠러 블레이드 섹터의 폭은 공지된 종래의 블레이드와 상당히 다르다.

제 2 특성은 블레이드의 두께와 높이에 관한 것이다. 도 4 및 도 7에 도시된 바와같이, 블레이드 섹터(49)는 축방향으로 상당히 두껍다. 이러한 변형의 결과로서, 좁고 깊은 임펠러 혈액 유동통로(51)가 블레이드 섹터(49)의 인접 엣지 사이에 형성된다. 블레이드 섹터의 두께를 증가시키고 혈액통로를 좁게 함으로써, 블레이드 작동면의 면적과 상기 통로체적 사이의 비가 증가된다. 또한, 블레이드의 작동면으로부터 통로내의 액체의 평균거리가 감소된다. 이러한 두 가지의 유리한 결과에 의해 혈액에 손상을 주는 몇몇 블레이드만을 갖지만 허용가능한 효율을 갖는 혈액용 소형펌프가 제공된다.

또한, 임펠러 블레이드의 크기와 형상은 임펠러(19) 내부에 다수의 구조적 잇점을 제공한다. 예를들어, 전술한 후방 자기 베어링(22)은 상당한 길이의 복수의 막대자석(34)을 포함한다. 블레이드 섹터의 두께로 인해, 상기 자석들은 섹터 내부에 용이하게 수용된다. 상기 섹터에는 각각의 중공형 챔버(52)가 제공되어 있어서 임펠러의 중량과 드러스트 베어링상의 중력에 의한 하중을 감소시킨다(도 6 참조).

마지막으로, 무브러쉬 회전자 모터(53)는 블레이드 섹터(49)의 상면부(36)내에 함침된 활형 자기 세그먼트(54)를 포함한다. 전술한 바와같이, 펌핑된 혈액과 연통되는 상기 세그먼트(54)는 혈액과 자기 세그먼트간의 어떠한 화학 반응을 방지하기 위한 재킷 또는 코팅(도시않음)이 제공될 수 있다. 도 6 및 도 8을 참조하면, 세그먼트(54)는 교대하는 극성을 가지며 인접 모터 고정자(56)쪽으로 지향되어 있다. 고정자(56)내에 포함된 것은 권선(57) 및 임펠러 케이싱(14)의 외측면에 장착된 원형 자극부품 또는 백 아이언(back iron)이다. 권선(57)은 도 5에 도시한 바와같이, 경피 와이어에 의해 제어기(59) 및 동력 공급원(61)에 상호연결되어 있다. 와이어를 사용하는 대신에, 트랜스큐태니어스 동력전달 방법(transcutaneous power transmission)이 사용될 수 있다. 제어기(59)와 동력 공급기(61)는 사용자의 외측에 수납되거나 사용자의 신체내에 완전하게 이식될 수 있다.

제어기(59)는 펌프의 작동율을 결정하도록 수동으로 조절되거나 프로그램된 가변 전압 또는 전류 제어기처럼 단순한 회로를 포함한다. 그러나, 제어기(59)는 상호작용 및 자동화 성능을 가진다. 예를들어, 제어기(59)는 사용자의 물리적 활동도 및 상태에 따라 펌프의 작동을 제어하도록 사용자의 여러 기관상에 부착된 센서에 자동 및 순간적으로 상호연결될 수 있다.

상기 권선(57)은 전자기장을 발생시키도록 제어기(59)의 전기출력에 의해 활성화된다. 이러한 자기장은 자극부품(58)에 의해 모아져 자석(54) 및 회전자(17)를 회전방식으로 구동시키는데 효과적으로 이용된다. 상기 자석(54)에 의해 권선을 통과한 역기전력은 제어기에 의해 검출된다. 상기 제어기는 회전자의 다른 회전과 동기하여 전자기장을 계속적으로 발생시키는데 역기전력을 사용한다. 그후, 펌프의 임펠러 블레이드내에 함침된 자석과 고정자 사이의 전자기적 상호작용에 의해 무브러쉬 모터(53)의 작동이 실행된다.

자석(54)과 함께 권선(57) 및 자극부품(58)을 구비한 모터(53)는 토오크를 전달할뿐만 아니라 방사상 베어링으로서 작용하는 복원 방사상 자력을 제공하도록 작동한다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와같이, 자석(54)은 블레이드 섹터(49)에 의해 운반되어 자극부품(58)과 방사상으로 정렬되게 위치된다. 자석(54)은 고정자의 철 자극부품(58)에 대한 인력을 가진다. 임펠러를 반경방향으로 편향시키기 위한 어떤 시도에 의해 임펠러를 중립위치로 복귀시키는 자극부품(58)과 자석(54) 사이에 증가된 복원력을 발생시킨다.

샤프트(18)와 임펠러(19)를 구비한 회전자(17)의 회전에 의해 혈액이 화살표(62) 방향으로 입구측 튜브(13)를 통해 흐르게 한다. 혈액은 통로(51)의 상부 엣지로부터 케이싱(14) 내측으로 계속해서 흐른다. 방출튜브(16)는 혈액이 케이싱으로부터 사용자의 심장혈관으로 추진시킨다.

펌프(11)의 해부학적 위치가 도 5에 도시되어 있다. 간략히 표시된 인간의 심장(63)은 좌심실(64) 및 대동맥(67)을 포함한다. 내측 튜브(16)는 유입관으로서의 역할을 하며 좌심실(64)의 정점에 놓인다. 동맥 그라프트(66)는 튜브(16)의 한 단부에 연결되며 상기 그라프트의 타단부는 측면 합류점의 한 단부를 통해 대동맥(67)에 연결된다.

펌프의 원심설계에 의해 이식에 상당한 도움을 준다. 펌프의 축방향으로의 유입과 반경방향으로 유출로 인해, 흐름을 억제하는 엘보기구의 필요없이 혈액의 90도 방향전환을 성취할 수 있다. 게다가, 펌프는 방출튜브의 방위를 조절하고 상기 그라프트내의 비틀림 및 압력손실을 최소화하도록 종축선상에서 회전할 수 있다. 펌프 케이싱이 소형의 디스크 형상이므로 심장의 정점 및 인접 다이어프램 사이에 잘 끼워 맞춰지므로 양호한 자동화가 가능해진다.

본 발명에 따른 펌프 회전자(17)의 단부면(71)이 드러스트 베어링(41)을 형성하도록 볼(48)과 상호작용할 때의 일 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 상기 도면으로부터 환형의 좁은 스페이스(73)(도 6)이 단부면(71)근처에 있는 볼(48) 주위에 형성되어 있는 것을 알수 있으며, 상기 스페이스이 펌프의 회전자(17)가 전술한대로 회전될 때라도 혈액을 정적인 상태에서 수집할 수 있는 구역을 포함한다. 회전자(17)는 작동중에 종축선을 따라 전후방으로 왕복운동하여 혈액을 순환시키나, 종종 환형 스페이스(73)으로의 보다 큰 혈액순환을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 단부면(71)은 (볼(48)과 결합하는 오목부일 수 있는)회전자의 중심부(73a)로부터 회전자(17)의 주변 엣지(75)쪽으로 또는 주변엣지를 가로지르게 외측 반경방향으로 혈액흐름을 증가시키는 프로파일 표면을 형성한다.

특히, 상기 프로파일 표면은 단부면(71)의 중심부로부터 주변 엣지를 향해 거의 외측 반경방향으로 연장되어 주변 엣지에서 개방되는 채널(77)을 포함한다. 따라서, 회전자(17)가 회전할 때 정체구역(73)으로부터의 혈액은 채널(77)내에 수집되며, 주변엣지(75)를 가로질러 흐르도록 채널(77)의 회전에 의해 외측으로 압박되어 환형 공간(73) 구역으로의 개선된 혈액순환 흐름 패턴을 형성한다.

이러한 간단한 방법에 의해, 혈액순환 흐름이 회전자(17)의 각각의 단부에서 발생할 수 있다. 특히, 유사한 프로파일 표면과 유사한 형태의 채널이 단부면(79)과 드러스트 베어링(39)에 인접한 정체공간으로부터의 증가된 혈액흐름을 형성하도록 단부면(71)의 반대쪽에 있는 회전자(17)의 단부면(79)에 제공될 수 있다.

도 10을 참조하면, 단부면(71a)으로 표시되어 있는 단부면(71)의 상이한 설계방식이 도시되어 있다. 여기서, 단부면의 프로파일 표면은 채널보다는 리브(81)를 가지며, 리브(81)는 도 9 실시예의 채널(77)과 같이 동일한 통로를 따라 연장한다. 펌프의 회전자(17)가 회전할 때, 리브(81)는 상기 구역 또는 공간(73)에서의 혈액의 정체와 응고를 상당히 감소시키도록 환형구역(17)을 통한 혈액순환 패턴을 차례로 초래하는 혈액의 외측흐름을 압박하여 상기 공간내에서의 혈액순환 흐름을 형성한다. 또한, 회전자의 단부면(79)(도 7)은 균등한 결과를 얻을 수 있도록 유사하게 변경될 수 있다.

도 11을 참조하면, 회전자(17)용 단부면(71)이 단부면(71b)로 표시되어 있는 다른 실시예가 도시되어 있다. 이러한 단부면의 프로파일 표면은 이전의 실시예에서와 같이, 단부면(71b)의 중심부로부터 회전자(17)의 주변엣지(75)쪽 및 주변엣지를 가로질러 연장하는 채널을 포함하나, 본 실시예에서는 단부면(71b)의 중심부쪽으로 직접 연장하지 않아 반경이 더 작다. 그러나, 채널(83)은 회전 단부면(71b)의 중심구역으로부터의 혈액을 수집하여 펌프작용에 의해 회전자가 작동할 때 회전자의 주변엣지를 외측 반경방향으로 연속적인 흐름방식으로 가로지르게 압박한다.

따라서, 도 9 내지 도 11의 각각의 실시예는 환형 공간(73)을 통과하는 혈액의 교체량을 증가시켜 정체 및 정체로 인한 혈액의 응고를 감소시킨다.

도 11에 도시한 것과 유사한 프로파일 표면은 유사한 이로운 결과를 위해 회전자(17)의 단부면(79)에 적용될 수 있다.

단부면(79)과 같은 회전자 단부면을 가로지르는 혈액의 순환을 더욱 촉진시키기 위해, 단부면(79)의 중심부를 통과하여 연장하고 상기 단부면으로부터 이격된 회전자 표면과 연통하는 천공구멍(85)과 같은 하나 이상의 도관이 제공된다. 따라서, 단부면(79)에 인접한 좁은 구역으로부터의 혈액순환은 천공구멍으로서 형성될 도관의 제공에 의해 더욱 개선될 수 있다.

필요하다면, 플러그(42)는 회전자(17)가 자력에 의해 이격되게 유지되어 있는 자기 베어링으로서 역할을 하도록 전자석 또는 영구자석으로 대체될 수 있다.

특정 실시예에서, 도 7을 참조하면 혈액 흐름통로(62a)는 두께가 0.06 내지 0.1인치이나 이에 한정되는 것은 아니다. 임펠러와 하우징 사이의 틈새인 유체 간극(70)은 0.005 내지 0.02인치이다. 임펠러 직경은 1.0 내지 1.5인치이다. 회전자 직경은 0.25 내지 0.04인치이다. 환형 흐름의 외경은 0.35 내지 0.55인치이다. 펌프의 전방단부에 인접한 하우징의 외경은 0.85 내지 1.25인치이다. 펌프 전체의 축방향 길이는 1.75 내지 3.0인치이다. 회전자 스핀들의 축방향 길이는 1.0 내지 1.5인치이고 임펠러의 길이는 0.2 내지 0.5인치이다. (길다란 축방향 길이를 갖는)두꺼운 임펠러를 사용함으로써 상기 유체 간극(70)이 커지나 여전히 매우 효율적인 펌핑 작용을 제공한다.

본 발명의 펌프에 사용된 임펠러의 다른 실시예에 대한 확대도가 도 12 및 도 13에 도시되어 있다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 다수의 블레이드 섹터(76,78,80)를 내장하고 있는 임펠러(74)가 도시되어 있다. 블레이드 섹터(76,78)는 슬롯(82)에 의해, 블레이드 섹터(78,80)는 슬롯(84)에 의해, 그리고 블레이드 섹터(80,76)는 슬롯(86)에 의해 분리되어 있다. 축방향으로 상당히 두꺼운 블레이드 섹터(76,78,80)를 이용함으로써, 좁고 깊은 임펠러 혈액통로가 블레이드 섹터의 인접 엣지 사이에 있는 슬롯(82,84,86)에 의해 형성된다. 블레이드 섹터의 두께를 증가시키고 혈액통로를 좁게 함으로써, 블레이드 작동표면의 면적과 통로체적 사이의 비율이 증가된다. 또한, 블레이드 작동표면으로부터 통로내의 액체의 평균거리가 감소된다. 이러한 이로운 결과들은 혈액을 잠재적으로 손상시키는 블레이드가 적지만 적합한 효율을 발휘하는 혈액용 소형펌프가 제공된다.

특정 실시예로서, 임펠러의 직경은 1 내지 1.5인치이고, 블레이드의 깊이(bd)(도 12)는 0.2 내지 0.5 인치이고, 자석 폭(mw)(도 12)은 0.15 내지 0.3인치이고, 스핀들 직경(sd)(도 12)은 0.25 내지 0.5이고, 임펠러 입구의 내경(id)(도 12)은 0.45 내지 0.6인치이나, 이에 한정되지는 않는다. 슬롯의 폭(w)(도 13 참조)은 약 0.075인치, 바람직하게 0.05 내지 0.2인치 범위이다. 출구측 각도(a)(도 13)는 바람직하게 30 내지 90°범위이다.

두꺼운 임펠러의 다른 잇점은 고정자가 임펠러(74)의 대향 측면에 위치시키는 방식으로 삽입되는 자극부품(88)을 이용할 수 있다는 점이다. 도 14 및 도 15를 참조하면, 도시된 혈액펌프(11)는 도 1 내지 도 11에 도시된 혈액펌프(11)와 여러 측면에서 유사하며 길다란 입구측 튜브(13a)와 스크롤형 임펠러 케이싱(14a)을 갖는 하우징(12a)을 포함한다. 방출튜브(16a)는 케이싱(14a)의 내측 주변부와 연통되도록 하우징을 통해 연장한다. 튜브(16a)는 펌프로부터의 혈액출력을 효과적으로 통과시키기 위해 케이싱의 반경에 대해 접선방위를 가진다.

펌프 회전자(17)는 하우징(12) 및 케이싱(14) 내측에 놓이며 임펠러(74)에 부착된 길다란 원통형 지지 샤프트(18) 또는 스핀들을 포함한다. 회전자(17a)는 샤프트(18a) 및 임펠러(74)를 통해 연장하는 종축선 주위에서 회전하도록 장착된다.

회전자(17a)를 부상시켜 종축선에 적합하게 정렬시키기 위한 자기 베어링이 도시되었지만 전술한 도 1 내지 도 8의 펌프 실시예에 도시된 것과 동일할 수도 있다.

도 14 및 도 15에 있어서, 도체 코일 또는 모터 권선(91)을 포함하는 제 1 모터 고정자(90)가 임펠러(74)의 후방에 위치된다. 후방 아이언(92)의 링은 권선(91)의 뒤편에 위치되며 도시한 바와같이, 제 1 모터 고정자(90)와 후방 아이언(92)은 하우징(12a)과 케이싱(14a) 사이에 고정된다.

권선(95)을 구비한 제 2 모터 고정자(94)는 임펠러(74)의 전방쪽에 위치된다. 도 14에 도시한 바와같이, 권선(95)은 케이싱(14a)에 고정되고 백 아이언(96)의 링은 권선(95)의 전방에 위치된다. 더 상세한 내용은 전술한 미국 출원번호 08/910,375호를 참조하면 된다.

모터 고정자(90,94)는 케이싱(14)의 반대쪽에 위치되어 모터 회전자 자석(88)의 자극면에 인접된다. 백 아이언(92,96)은 자기회로를 완전하게 하는 역할을 한다. 고정자(90,94)의 권선(91,95)은 직렬로 연결되거나 각각의 고정자(90,94)가 서로에 독립적으로 정류될 수 있다. 이러한 방법은 여러 장점을 제공한다.

첫째, 모터 회전자 자석의 자극면이 모터 고정자 면들 사이에서 중심이 맞춰지는 한, 순수한 축방향 힘은 상당히 낮아진다.

둘째, 모터 고정자에 대한 모터 회전자 자석의 인력으로 인한 반경방향의 복원력은 단지 하나의 고정자가 갖는 복원력 크기의 거의 두 배가 될 것이다. 모터의 총 체적과 중량은 단일 방식의 고정자보다 더 작다.

섯째, 각각의 고정자가 시스템의 고장시 다른 것과 무관하게 작동하도록 구성되었으므로 이중 방식의 고정자는 안전모드의 고장에 대한 시스템 여유를 제공하도록 구성되어 있다.

넷째, 유압 베어링이 축방향 운동을 억제하고 장치에 대한 쇼크나 편심운동시 반경방향으로 지지할 수 있도록 임펠러의 표면상에 위치될 수 있다. 특히, 도 14 및 도 14a를 참조하면, 상승 패드(100,101) 형태의 유압 베어링과 접촉 표면(102,103)이 도시되어 있다. 상기 유압 베어링은 임펠러에 대해 대칭으로 위치된다.

상기 상승패드는 직사각형 또는 웨지형일 수 있고 세라믹, 다이아몬드 피막 또는 질화 티타늄과 같은 경화 또는 내마모성 재료로 형성된다. 이와는 달리, 상기 상승패드는 알루이나 또는 다른 세라믹 피막을 갖는 상이한 재료나 인서트로 형성될 수 있다.

상승 패드는 임펠러나 케이싱 또는 케이싱 부착물에 의해 운반된다. 도 14 및 도 14a의 실시예에 있어서, 상승패드(100)는 임펠러에 의해 운반되고 상승패드(101)는 케이싱에 고정된 컵형 부재(104)에 의해 운반된다. 컵형 부재(104)는 상승패드 자체를 운반하기에 충분히 구조적으로 안정되지 않은 케이싱용 보강재로서 사용된다.

유압 베어링은 혈액간극만큼 접촉표면으로부터 이격된 상승패드에 의해 형성된다. 상기 베어링들이 임펠러와 케이싱 사이에서 접촉되더라도, 일단 회전하기 시작하면 각각의 유압 베어링은 상승패드와 접촉표면 사이의 상대운동중 유체막의 유체역학적 작용에 의해 상승패드와 접촉표면을 분리되게 하는 증가된 압력을 베어링 간극내에 발생시키도록 구성된다.

유압 베어링의 위치에 따라, 베어링은 축방향 지지, 반경방향 지지 또는 축방향 및 이들 양방향으로의 지지에 도움을 줄 수 있다. 예를들어, 베어링이 회전축선에 수직하다면 주로 축방향으로의 지지에 도움을 주는 반면에, 회전축선에 대해 각을 이루고 있다면 반경방향 및 축방향으로의 지지에 도움을 준다. 도 14 및 도 15의 실시예에서, 유압 베어링은 도시한대로 회전축선의 외측에 위치된다.

본 발명에 따라, 회전자 단부면(110)은 도 12에 도시한 바와같이 오목하게 되어 있다. 이러한 단부면은 컵형 부재(104)와 회전자(74) 사이에 상당히 좁은 컵형 공간(112)을 갖는 케이싱의 컵형 부재(104)의 일부이며 상기 공간은 혈액에 의해 채워진다. 본 발명에 의해, 컵형 공간(112)을 통한 개선된 혈액순환이 오목한 단부면(110)의 프로파일링(114)에 의해 제공된다(도 12).

단부면(110)의 프로파일링은 단부면의 중심부(118)로부터 단부면의 주변엣지를 향하는 복수의 방향으로 외측으로 연장하는 단부면(110)내에 채널(116)을 포함하는 도 16 실시예에 도시되어 있다. 채널(118) 세그먼트(120)가 단부면의 엣지를 향하는 외측 반경방향 단부와 이루는 각도가 채널(118) 세그먼트(122)의 대응각도와 상이하여 각 채널단부의 흐름특성을 상이하게 한다는 것을 알 수 있다. 세그먼트(120)의 각도는 약 90°이고 세그먼트(122)의 각도는 약 60°이다.

채널(118)은 도 13에 오목한 단부면(110)에 대한 프로파일의 특정 실시예로서 도시되어 있으며, 상기 프로파일은 확대 도시할 목적으로 도 12에 도시한 것과 상이하다.

도 17을 참조하면, 단부면(110)용 프로파일의 다른 실시예가 채널(118a)로서 도시되어 있다. 상기 채널은 단부면의 중심부(116a)로부터 엣지쪽을 향해 외측 반경방향으로 연장한다. 채널(118a)내의 혈액은 펌프작동중의 회전자와는 별도로 회전 단부면(110) 및 채널(118a)에 의해 외측으로 구동된다.

도 18은 단부면(110)의 프로파일에 대한 제 3 실시예를 도시한다. 이러한 특정 프로파일(114a)은 도 12에 도시된 것과 유사하며 오목 단부면(110)의 중심으로부터 엣지쪽으로 연장하는 반경방향 돌기를 포함한다.

따라서, 회전자가 회전할 때 프로파일의 바아는 컵형 공간(112)의 바닥부(110) 주위에서 360°로 회전함으로써 혈액의 외측흐름 순환을 초래하여 혈액의 응고를 억제하도록 컵형 공간(112)을 통한 혈액의 연속적인 순환 및 운동을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 다수의 변형예와 대체예들이 본 발명의 사상과 범주로부터 이탈함이 없이 본 기술분야의 숙련자들에 의해 형성될 수 있다고 이해해야 한다.

본 발명의 회전펌프에 의해 회전자의 단부를 가로지르는 혈류를 증대시킴으로써 혈류흐름이 낮은 회전축선 근처의 펌프 회전자 단부구역과 같은 정체지점에서 발생하는 혈액의 응고가능성을 더욱 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 펌프 하우징과 상기 하우징내에서 회전하도록 장착된 회전자를 포함하는 혈액용 펌프로서, 상기 회전자는 회전축선과 임펠러를 가지며, 상기 혈액용 펌프는 상기 회전자 주위를 통과하는 혈액 흐름통로를 가지며, 상기 회전자는 단부면을 감싸는 주변 엣지를 가지며, 상기 단부면은 평탄한 단부면에 비해서, 회전자가 회전할 때 상기 단부면의 중심부로부터 주변 엣지를 향해 외측 반경방향으로 흐르는 혈액을 증가시키는 프로파일 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 프로파일 표면은 상기 단부면의 중심부로부터 상기 주변부를 향해 외측으로 연장하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
3. 제 2항에 있어서, 상기 채널은 상기 단부면의 중심부로부터 주변 엣지를 향해 복수의 방향으로 외측으로 연장하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
4. 제 3항에 있어서, 상기 채널은 한 쌍 이상의 이격된 위치에서 상기 주변엣지와 결합하며, 상기 위치들중 제 1위치에 있는 채널은 채널과 상기 위치들중 제 2위치에 있는 주변엣지 사이의 각도가 상이한 상기 주변엣지와 각을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
5. 제 2항에 있어서, 상기 채널은 단부면의 중심부에 폐쇄단부를 갖는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
6. 제 2항 내지 제 5항에 있어서, 하나 이상의 도관이 상기 채널과 상기 단부면으로부터 이격된 회전자의 표면 사이로 회전자를 통해 연장하여 상기 단부면을 가로지르는 혈액의 순환을 개선하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
7. 제 1항 내지 제 6항에 있어서, 상기 프로파일 표면은 비대칭인 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
8. 제 1항에 있어서, 상기 프로파일 표면은 상기 단부면의 중심부로부터 주변엣지를 향해 외측으로 연장하는 돌출 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
9. 제 1항 내지 제 7항에 있어서, 상기 단부면은 회전자가 예정된 위치를 지나 회전자의 축선을 따라 변위되는 것을 억제하기 위한 드러스트 베어링을 형성하며, 상기 드러스트 베어링은 상기 회전자와 펌프 하우징에 의해 각각 운반되는 결합 베어링 표면을 포함하며, 상기 프로파일 표면은 상기 드러스트 베어링 내부에서 상기 단부면의 중심부로부터 상기 주변엣지를 가로지르게 외측으로 연장하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
10. 제 1항 내지 제 9항에 있어서, 상기 하우징 내부에 있는 모터 고정자는 전자기장을 발생하도록 상기 임펠러에 인접 위치되는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.
11. 제 1항에 있어서, 상기 단부면의 프로파일 표면은 상기 회전축선과 교차하는 위치를 점유하는 유동 오목부를 형성하며, 상기 오목부는 회전의 회전시 오목부내에서 외측 반경방향으로 흐름을 허용하는 것을 특징으로 하는 혈액용 펌프.