KR20200008815A

KR20200008815A - 원심형 혈액 펌프

Info

Publication number: KR20200008815A
Application number: KR1020180082947A
Authority: KR
Inventors: 허남건; 강성원; 김원정
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-29
Also published as: WO2020017787A1; US20210299432A1; KR102153561B1

Abstract

원심형 혈액 펌프는 하우징, 상기 하우징으로 혈액을 유입시키는 흡입 인렛, 상기 하우징 내에 회전 가능하게 배치되며 회전에 의해 상기 흡입 인렛을 통해 유입된 혈액에 원심 흐름을 부여하는 임펠러, 그리고 상기 임펠러에 의해 원심 흐름이 부여된 혈액을 배출시키는 배출 아웃렛을 포함한다. 상기 임펠러는 상하로 배열되는 이중 베인을 포함하는 이중 임펠러 구조로 형성된다.

Description

원심형 혈액 펌프{Centrifugal blood pump}

본 발명은 원심형 혈액 펌프에 관한 것이다.

원심력을 이용해 혈액을 순환시키는 원심형 혈액 펌프가 사용되고 있다. 통상적으로 원심형 혈액 펌프는 혈액의 원심 흐름을 유발시키기 위한 임펠러(impeller)를 포함한다. 임펠러는 통상적으로 콘 형상(conical shape)을 가지며, 콘 형상의 하우징 내에 배치된다. 임펠러는 회전 가능하게 하우징 내에 설치되며, 통상적으로 임펠러에 자석이 설치되어 외부의 전자기 코일에 의해 형성되는 자기장에 의해 회전하거나 외부의 회전하는 자석에 의해 회전하도록 구성될 수 있다.

또한 원심형 혈액 펌프는 하우징 내에 혈액을 유입시키기 위한 흡입 인렛(suction inlet)과 하우징에서 혈액을 배출하기 위한 배출 아웃렛(discharge outlet)을 포함한다. 통상적으로, 흡입 인렛은 콘 형상의 하우징의 상부 정점 근처에 구비되고, 배출 아웃렛은 하우징의 측면 하부에 구비된다. 흡입 인렛으로 유입된 혈액은 임펠러에 의해 원심 흐름을 갖게 된 후 배출 아웃렛을 통해 배출된다. 이때, 흡입 인렛과 배출 아웃렛에는 혈액이 흐르는 튜브가 각각 연결될 수 있다.

이러한 원심형 혈액 펌프는 임펠러의 회전에 의해 혈액의 원심 흐름이 야기되는 방식을 갖기 때문에 혈액의 파괴에 의한 용혈(hemolysis) 현상을 필수적으로 가지게 된다. 많은 용혈이 있는 경우 문제가 되기 때문에, 원심형 혈액 펌프에서 용혈 현상을 줄이기 위한 방안이 필요하다.

미국 등록특허 US6,183,220 (등록일: 2001년 02월 06일)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 용혈 현상을 최소화할 수 있는 구조를 가지는 원심형 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 원심형 혈액 펌프는 하우징, 상기 하우징으로 혈액을 유입시키는 흡입 인렛, 상기 하우징 내에 회전 가능하게 배치되며 회전에 의해 상기 흡입 인렛을 통해 유입된 혈액에 원심 흐름을 부여하는 임펠러, 그리고 상기 임펠러에 의해 원심 흐름이 부여된 혈액을 배출시키는 배출 아웃렛을 포함한다. 상기 임펠러는 상하로 배열되는 이중 베인을 포함하는 이중 임펠러 구조로 형성된다.

상기 임펠러는 베이스, 상기 베이스의 상면에서 상부로 이격되어 형성되는 쉬라우드, 상기 베이스의 상면과 상기 쉬라우드의 하면 사이를 연장되어 형성되는 쉬라우드 베인, 그리고 상기 쉬라우드의 상면에 형성되는 오픈 베인을 포함할 수 있다.

상기 쉬라우드는 중심부에 형성되는 유입 구멍을 포함할 수 있으며, 상기 쉬라우드 베인 및 상기 오픈 베인은 상기 베이스의 중심부 상에는 형성되지 않을 수 있다.

상기 쉬라우드 베인은 반경반향 내측 단은 상단부가 하단부보다 반경방향 외측에 위치하도록 경사지게 형성될 수 있다.

상기 쉬라우드 베인의 내측 단부는 상기 쉬라우드에 의해 덮이지 않을 수 있으며, 상기 쉬라우드 베인의 내측 단의 경사 라인의 상기 오픈 베인의 내측 상단까지 연결될 수 있다.

상기 쉬라우드 베인의 외측 단은 상하 방향으로 수직이 되도록 형성되며, 상기 오픈 베인의 외측 단은 회전 방향의 하류 측이 수직 방향에 대해 경사를 이루도록 형성될 수 있다.

상기 오픈 베인의 외측 단의 높이와 상기 쉬라우드 베인의 외측 단의 높이의 비는 1:1 내지 1:2 사이일 수 있다.

본 발명에 의하면, 임펠러를 쉬라우드 베인과 오픈 베인을 포함하는 이중 베인 구조로 형성함으로써, 혈액 펌핑 과정에서 발생할 수 있는 용혈 현상을 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원심형 혈액 펌프의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심형 혈액 펌프의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원심형 혈액 펌프의 임펠러의 평면도이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

하우징(10)은 상부 하우징 멤버(11)와 하부 하우징 멤버(12)로 구성될 수 있으며, 상부 및 하부 하우징 멤버(11, 12)는 서로 체결되어 혈액 펌핑 공간(13)을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 혈액 펌핑 공간(13)은 상부가 뾰족한 콘(cone) 형태를 가질 수 있다. 상부 및 하부 하우징 멤버(11, 12)는 밀봉이 이루어지도록 서로 체결될 수 있으며, 예를 들어 볼트와 같은 체결 부재에 의해 서로 체결될 수 있다.

흡입 인렛(suction inlet)(14) 및 배출 아웃렛(discharge outlet)(15)이 하우징(10)에 구비된다. 도면에 도시된 바와 같이, 흡입 인렛(14)은 하우징(10)의 상부에 구비될 수 있고, 배출 아웃렛(15)은 하우징(10)의 측면에 구비될 수 있다. 혈액이 흡입 인렛(14)을 통해 하우징(10) 내의 혈액 펌핑 공간(13)으로 유입된 후 배출 아웃렛(15)을 통해서 외부로 배출된다. 혈액이 흐르는 튜브(도시되지 않음)가 흡입 인렛(14)과 배출 인렛(15)에 각각 연결되어 혈액의 유입 및 배출이 이루어질 수 있다.

임펠러(impeller)(20)가 하우징(10) 내에 회전 가능하게 배치된다. 즉, 임펠러(20)는 하우징(10)의 혈액 펌핑 공간(13)에 회전 가능하게 배치된다. 임펠러(20)는 회전에 의해 유입된 혈액에 원심 흐름을 부여할 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 임펠러(20)에 자석(27)을 매설하고, 외부에 배치되는 전자기 코일 또는 모터에 설치된 자석을 이용하여 자기 인력에 의해 자석(27)과 임펠러(20)를 회전시킬 수 있다.

이때, 도면에 도시된 바와 같이, 흡입 인렛(14)은 임펠러(20)의 상항 방향에 대해 미리 정해진 각도로 기울어지게 구비될 수 있다. 기울어진 흡입 인렛(14)에 의해 펌프 내부의 혈액 압력의 균일화 및 용혈 현상의 저감이 이루어질 수 있다.

임펠러(20)는 상하로 배열되는 두 개의 베인(23, 24)을 포함하는 이중 베인 구조로 형성된다.

임펠러(20)는 콘 형상을 가지는 베이스(21)를 구비할 수 있다. 베이스(21)의 바닥면(211)은 하우징(10)의 하부 내주면(121)의 형상에 대응하여 대략 평평하게 형성될 수 있으며, 베이스(21)의 상면 (212)은 하우징(10)의 상부 내주면(111)의 형상에 대응하여 중심부가 위로 돌출되도록 형성될 수 있다. 이에 의해 베이스(21)는 대략 위로 뾰족한 콘 형상을 가질 수 있다.

임펠러(20)는 베이스(21)의 상면(212)에서 이격되도록 배치되는 쉬라우드(shroud)(22)를 포함한다. 쉬라우드(22)의 중심부에는 혈액이 유입되는 혈액 유입 구멍(221)이 구비된다. 쉬라우드(22)는 중심부가 위로 돌출되는 경사진 형태를 가질 수 있으며, 혈액 유입 구멍(221)은 쉬라우드(22)의 중심부에 형성될 수 있다. 혈액 유입 구멍(221)은 흡입 인렛(14)의 바로 아래에 배치될 수 있으며, 흡입 인렛(14)을 통해 유입된 혈액이 혈액 유입 구멍(221)을 통해 임펠러(20)로 유입된다.

베이스(21)의 상면(212)과 쉬라우드(22)의 하면(222)을 연결하는 복수의 쉬라우드(shrouded vane)(23)이 구비된다. 이에 의해 혈액 유입 구멍(221)으로 유입된 혈액은 쉬라우드 베인(23) 사이의 공간을 통과하여 베이스(21)와 덮개(22) 사이의 외측 가장자리를 통해서 배출된다.

한편, 쉬라우드(22)의 상면(223)에 복수의 오픈 베인(open vane)(24)이 구비된다. 오픈 베인(24)은 쉬라우드(22)의 상면(223)에서 하우징(10)의 상부 내주면(111)을 향해 돌출되어 형성된다. 흡입 인렛(14)을 통해 유입된 혈액의 일부는 오픈 베인(24) 사이의 공간을 통과하여 하우징(10)의 가장자리의 공간으로 이동한다.

이때, 쉬라우드 베인(23)과 오픈 베인(24)은 대략 상하로 중첩되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 쉬라우드 베인(23)과 오픈 베인(24)은 구부러진 형상을 가질 수 있다. 도 2 및 도 4에서 임펠러(20)의 회전 방향은 시계 방향이며, 베인(23, 24)은 외측단이 임펠러(20)의 회전 방향의 반대 쪽으로 휘어지도록 형성될 수 있다. 베인(23, 24)의 구부러진 형상에 의해 용혈 현상을 줄일 수 있다.

또한, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 베인(23, 24)은 베이스(21)와 쉬라우드(22)의 상면 중 혈액 유입 구멍(221)의 중심부에 해당하는 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 이에 의해 혈액의 안정적인 유입이 이루어지고 용혈 현상이 감소될 수 있다.

도 2를 참조하면, 쉬라우드 베인(23)의 반경방향 내측 단은 상단부가 하단부보다 반경방향 외측에 위치하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 쉬라우드 베인(23)의 내측 단은 상단부가 하단부보다 반경방향 외측에 위치하도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 쉬라우드 베인(23)의 내측 단부는 쉬라우드(22)에 의해 덮이지 않으며 내측 단의 경사 라인은 위에 위치하는 개방 베인(24)의 내측 상단까지 연결될 수 있다. 이러한 구조에 의해 용혈 현상을 억제할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예는 베인(23, 24)의 외측 단의 형상을 통해 용혈 현상을 더욱 감소시키도록 구성된다. 도 2를 참조하면, 쉬라우드 베인(23)의 외측 단은 상하 방향으로 수직이 되도록 형성되며, 오픈 베인(24)의 외측 단은 회전 방향(즉, 도 2에서 시계 방향)의 하류 측이 수직 방향에 대해 경사를 이루도록 형성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 오픈 베인(24)의 외측 단의 높이와 쉬라우드 베인(23)의 외측 단의 높이의 비가 1:1 내지 1:2 사이이다.

다음 표는 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+을 이용하여 전산유체해석을 한 결과를 보여주며, a는 오픈 베인의 외측 단의 높이이고 b는 쉬라우드 베인의 외측 단의 높이이다.

구분	b=0 (오픈 임펠러)	a:b=1:1	a:b=1:1.5	a:b=1:2	a:b=1:3	a=0 (쉬라우드 임펠러)
flow rate(L/min)	5	5	5	5	5	5
rotation speed (rpm)	400	400	400	400	400	400
shear stress (max) [Pa]	3518	3463	3435	3382	3360	3300
volume of cell	3.458	1.983	1.548	1.703	2.482	2.922
Hemolysis [%]	3.20	1.60	1.31	1.55	2.05	1.79

표 1에 나타난 바와 같이 오픈 베인(24)의 외측 단의 높이와 쉬라우드 베인(23)의 외측 단의 높이의 비가 1:1 내지 1:2 사이에서 용혈 현상(hemolysis)이 작은 것을 알 수 있다.

베이스(21)의 바닥면(211)과 상면(212)을 연결하는 혈액 순환 구멍(213)이 구비될 수 있다. 이때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 혈액 순환 구멍(213)은 베인(23, 24)이 형성되지 않은 영역에 형성될 수 있다. 임펠러(20)가 회전하는 동안 임펠러(20)의 하부의 혈액이 혈액 순환 구멍(213)을 통해 임펠러(20)의 상부 공간으로 이동할 수 있다. 혈액 순환 구멍(213)은 임펠러(20)의 하부에 혈액이 고여 응고되는 것을 방지할 수 있도록 임펠러(20)의 하부의 혈액을 상부로 순환시키는 기능을 한다.

한편, 임펠러(20)는 상부 피봇 돌기(26) 및 하부 피봇 돌기(25)에 의해 하우징(10)에 더블 피봇 구조로 지지될 수 있다. 도 3을 참조하면, 상부 피봇 돌기(26)와 하부 피봇 돌기(25)는 상방향 및 하방향으로 각각 돌출되어 하우징(10)의 상부 내주면(111) 및 하부 내주면(121)에 각각 지지될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 피봇 돌기(26)는 베이스(21)의 상면에서 상방향으로 돌출되어 하우징(10)의 상부 내주면(111)에 지지된다. 이때, 상부 피봇 돌기(26)가 접촉하는 부분에 피봇 베어링(115)이 구비될 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 피봇 돌기(25)는 하방향으로 돌출되어 하우징(10)의 하부 내주면(121)에 지지된다. 이때, 하부 피봇 돌기(25)가 접촉하는 부분에 피봇 베어링(215)이 구비될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(10)은 임펠러(20)의 반경방향 외측 단의 외측에 형성되는 벌루트(volute) 공간(16)을 형성한다. 벌루트 공간(16)은 임펠러(20)의 외측 단을 둘러싸도록 원주 방향으로 연장된다. 예를 들어, 벌루트 공간(16)은 배출 아웃렛(15)이 구비되는 지점에서부터 시작되어 하우징(10)의 원주 방향을 따라 연장되어 배출 아웃렛에 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 도 2를 참조하면, 벌루트 공간(16)은 혈액의 흐름 방향(도 4에서 시계 방향)을 따라 단면적이 점차로 증가하도록 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의해 혈액의 안정적인 흐름이 가능해지고 용혈 현상을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

10: 하우징
11: 상부 하우징 멤버
12: 하부 하우징 멤버
13: 혈액 펌핑 공간
14: 흡입 인렛
15: 배출 아웃렛
16: 벌루트 공간
20: 임펠러
21: 베이스
22: 쉬라우드
23: 쉬라우드 베인
24: 오픈 베인
27: 자석
213: 혈액 순환 구멍
26: 상부 피봇 돌기
25: 하부 피봇 돌기

Claims

하우징,
상기 하우징으로 혈액을 유입시키는 흡입 인렛,
상기 하우징 내에 회전 가능하게 배치되며 회전에 의해 상기 흡입 인렛을 통해 유입된 혈액에 원심 흐름을 부여하는 임펠러, 그리고
상기 임펠러에 의해 원심 흐름이 부여된 혈액을 배출시키는 배출 아웃렛을 포함하고,
상기 임펠러는 상하로 배열되는 이중 베인을 포함하는 이중 임펠러 구조로 형성되는
원심형 혈액 펌프.
제1항에서,
상기 임펠러는
베이스,
상기 베이스의 상면에서 상부로 이격되어 형성되는 쉬라우드,
상기 베이스의 상면과 상기 쉬라우드의 하면 사이를 연장되어 형성되는 쉬라우드 베인, 그리고
상기 쉬라우드의 상면에 형성되는 오픈 베인을 포함하는
원심형 혈액 펌프.
제2항에서,
상기 쉬라우드는 중심부에 형성되는 유입 구멍을 포함하며,
상기 쉬라우드 베인 및 상기 오픈 베인은 상기 베이스의 중심부 상에는 형성되지 않는 원심형 혈액 펌프.
제3항에서,
상기 쉬라우드 베인은 반경반향 내측 단은 상단부가 하단부보다 반경방향 외측에 위치하도록 경사지게 형성되는 원심형 혈액 펌프.
제4항에서,
상기 쉬라우드 베인의 내측 단부는 상기 쉬라우드에 의해 덮이지 않으며,
상기 쉬라우드 베인의 내측 단의 경사 라인의 상기 오픈 베인의 내측 상단까지 연결되는 원심형 혈액 펌프.
제2항에서,
상기 쉬라우드 베인의 외측 단은 상하 방향으로 수직이 되도록 형성되며, 상기 오픈 베인의 외측 단은 회전 방향의 하류 측이 수직 방향에 대해 경사를 이루도록 형성되는 원심형 혈액 펌프.
제2항에서,
상기 오픈 베인의 외측 단의 높이와 상기 쉬라우드 베인의 외측 단의 높이의 비는 1:1 내지 1:2 사이인 원심형 혈액 펌프.