KR20210060444A - 개방형 전기 펌프 - Google Patents

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Abstract

한 이식가능한 펌프가 심장으로부터의 혈류와 직렬로 이식되도록 구성된다. 펌프는, 심장의 출구 밸브 또는 심실 배출 관과 같은 심장의 자연 혈류 내에 이식되도록 구성된 프레임 및 혈류에 평행한 프레임 내에 부착되도록 구성된 중앙 액슬을 포함한다. 또한, 펌프는 중앙 액슬에 결부되고 혈액을 펌핑하기 위해 회전하도록 구성된 로터, 및 로터를 회전시키기 위해 활성화되도록 구성된 2개 이상의 전자기 코일을 포함한다.

Description

개방형 전기 펌프
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허출원은 가특허출원번호 62/711,856호를 기초로 우선권을 주장하는데, 상기 특허는 본 명세서에서 참조문헌으로 인용된다.
기술분야
본 발명은 유체를 펌핑하는데 사용되는 개방형 전기 펌프에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 혈액의 펌핑을 보조하기 위해 쇠약해진 심장에 이식될 수 있는 개방형 전기 펌프를 설명한다.
심부전 환자는 환자의 순환계를 통해 혈액을 적절하게 펌핑하지 못하는 쇠약해진 심장을 갖고 있다. 따라서, 심장이 쇠약해진 심장이 혈액을 펌핑하는 것을 돕기 위하여, 순환 보조 장치가 개발되어 왔다. 이러한 장치들은 회전 축류 펌프 또는 원심 펌프를 포함할 수 있으며, 이들은 회전에 의해 혈액을 펌핑하는 로터를 가진다. 이러한 통상적인 펌프는 로터와 케이싱 벽 사이의 공차가 매우 작은 로터를 둘러싸는 케이싱을 포함한다. 이러한 "폐쇄형" 디자인은, 연결된 배터리 팩이 방전되거나 또는 통상적인 펌프 자체가 오작동하는 경우에 발생할 수 있는, 통상적인 펌프의 모터가 펌핑을 중지하는 경우에 혈류에 심각한 저항을 초래한다.
펌프가 펌핑을 멈춘 경우 순환을 유지하기 위하여, 통상적인 펌프는 일반적으로 좌심실의 정점으로부터 상승하거나 또는 하강하는 대동맥으로, 심장의 자연 혈류와 평행하게 사용되어야 한다. 좌측 또는 우측 심장 지지를 위하여, 메인 펌핑 챔버 또는 예비-챔버로부터 대동맥 또는 폐동맥으로의 그 밖의 다른 평행한 펌프 구성도 사용된다. 이러한 평행 구성을 통해 펌프가 일시적으로 정지된 경우에도 심장으로부터 자연스럽게 배출되고 순환을 지지할 수 있다. 통상적인 펌프를, 심장, 가령, 메인 펌핑 챔버의 배출 밸브, 또는 좌심실 배출 관으로부터 나온 혈류와 직렬로 이식하면, 통상적인 펌프가 펌핑을 중지하는 경우, 가령, 배터리 교환, 배터리의 부주의한 분리 또는 펌프 오작동 시에 심각한 순환계 문제가 발생된다. 이는, 통상적인 펌프의 폐쇄형 디자인으로 인해, 펌프가 정지될 때 혈액이 펌프를 통과할 수 없기 때문이다.
통상적인 펌프는 케이싱에 의해 주변 조직 및 혈액으로 전달되는 열을 발생시키는 코일을 포함한다. 이로 인해 혈액과 주변 조직이 혈액 단백질 및 기타 세포 혈액 성분에 손상을 줄 정도로 따뜻해져 응고와 혈전 색전증을 유발할 수 있다.
따라서, 펌프가 정지해도 혈류에 큰 저항을 일으키지 않고 심장의 혈류와 직렬로 이식될 수 있고 혈액 및 주변 조직에 대한 외상을 최소화할 수 있으며 주변 조직으로 열 전달을 최소화하는 새로운 펌프 디자인이 필요하다.
본 발명은 심장으로부터의 혈류와 직렬로 펌프를 배치할 수 있도록 "개방형" 디자인을 가진 펌프에 관한 것이다. 펌프의 개방형 디자인은 낮은 로터 속도에서 혈액을 효과적으로 펌핑하는 크고 효율적인 로터를 허용하여, 혈액 및 세포 성분들에 대한 전단력을 줄여 외상을 줄인다. 펌프의 개방형 디자인은 펌프 정지시에 혈류에 대한 저항을 크게 줄여 순환 붕괴 위험을 최소화한다. 따라서, 본 명세서에 기술된 본 발명의 펌프는, 예를 들어, 통상적인 펌프의 어떠한 부정적인 영향없이, 우심실 또는 좌심실의 배출 밸브의 위치, 또는 좌심실 또는 우심실 배출 관 내에 배치될 수 있다.
개방형 디자인은, 혈액에 노출된 큰 표면적 때문에, 통상적인 펌프보다 우수한 열 교환 및 잠재적으로 혈액 외상을 덜 제공한다. 펌프에서, 전자기 코일 표면의 훨씬 더 많은 부분이 통상적인 펌프에서보다 혈류와 접촉한다. 이는 더 좋은 히트싱크(heatsink) 기능을 허용하고 혈액 성분이 따뜻하게 되는 것을 줄이며 혈전 색전성 합병증의 가능성을 감소시킨다. 본 발명의 개방형 펌프는 혈류 내로부터 혈관내/최소 침습 배치가 가능하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 한 양태에서, 한 이식가능한 펌프가 심장으로부터 혈류와 직렬로 이식되도록 구성된다. 펌프는, 심장의 심실 배출 관 내에 이식되도록 구성된 프레임 및 혈류에 평행한 프레임 내에 부착되도록 구성된 중앙 액슬을 포함한다. 또한, 펌프는 중앙 액슬에 결부되고 혈액을 펌핑하기 위해 회전하도록 구성된 로터, 및 로터를 회전시키기 위해 활성화되도록 구성된 2개 이상의 전자기 코일을 포함한다.
펌프 로터를 추진하기 위한 전기 펄스의 타이밍은 코일을 통과하는 회전 자석으로부터 역 전자기 펄스 센싱(백 EMP 센싱) 또는 홀 센서에 따른다. 펌프는 수동 제어로 펌프 회전 속도를 조절할 수 있는 전자기계식 또는 전자식 외부 컨트롤 유닛(도면에 미도시)로 제어되는데, 이러한 컨트롤 유닛은, 환자 센서 입력, 가령, 환자의 심장 박동수에 따른 회전 속도를 조절하는 자동 조절 가변 펌프 속도 기능을 가질 수 있으며 환자의 심장의 전기적 활동(가령, 심전도)을 위한 센서 또는 환자의 신체 활동 정도, 또는 호흡률 및 환자의 신체 위치를 감지하는 모션 센서를 가질 수 있다.
펌프 로터 및 프레임은, 생체적합성 재료, 가령, 스테인리스 스틸, 금속 합금, 가령, 티타늄 합금, 가령, 니티놀 또는 그 밖의 금속 합금으로 제조되며, 베어링은 세라믹, 사파이어 또는 루비와 같은 재료 또는 금속 또는 금속 합금으로 제조된다. 로터는 자성 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 펌프의 전기 코일은, 금속 와이어, 가령, 구리 또는 금 와이어 또는 임의의 적절한 금속 또는 금속 합금 와이어와 같은 재료로 제조되며 금속, 금속 합금 또는 폴리머로 제조된 방수 케이싱에 둘러싸여 있다. 또한, 펌프는 폴리머를 사용하여 와이어 및 와이어 연결부를 절연한다.
본 발명 및 본 발명의 이점들은, 첨부도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해할 수 있는데, 도면에서:
도 1은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프;
도 2는 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 또 다른 투시도;
도 3은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 또 다른 측면도;
도 4는 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 상부도;
도 5는 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 투시도;
도 6은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 측면도;
도 7은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 상부도; 및
도 8은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 투시도.
이제, 유사한 도면부호들이 동일하거나 상응하는 부분들을 가리키는 첨부도면들을 보면, 도 1은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프를 도시한다. 도 1에 예시된 것과 같이, 펌프는 상부에 로터(102)가 장착되는 중앙 액슬(103)을 고정하는 프레임(101)을 포함한다. 2개의 전자기 코일(104 및 105)들이 중앙 액슬(103) 및 프레임 사이에 결부되며, 이 전자기 코일들은 활성화될 때 로터(102)를 회전시킨다. 코일(104 및 105)들은 혈액 채널 내에서 약간 "중심으로부터 벗어나" 배열되거나 반경 방향으로 배열된다. 전자기 코일(104 및 105)들에 제공된 신호들의 시간을 정확하게 측정하기 위하여, 홀 센서가 사용되거나 또는 역 전자기 펄스 센싱(EMP 펄스 센싱)이 사용된다. 또한, 펌프는 로터(102)를 회전시키는 데 사용되는 하나 이상의 자석을 삽입하기 위한 개구(107)를 포함하고, 코일(104, 105)들에 전력을 제공하기 위해 코일에 결부된 전력 케이블(108)을 가진다. 개방형 펌프는 케이싱을 포함하지 않고, 대신, 프레임(101)에 의해 지지되어, 혈류에 대한 저항을 최소화한다.
도 1은 프레임(101)이 부싱(106) 또는 이와 유사한 유지 장치를 수용하는 개구 내에 중앙 액슬(103)을 고정하는 것을 예시한다. 부싱(106)은 압력 끼워맞춤 일 수 있고, 프레임(101)의 개구 내에 끼워맞춤 하기 위해 외주 주위에 리세스를 가지도록 기계가공될 수 있다. 중앙 액슬(103)이 최소한의 저항으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하기 위해, 부싱은 베어링, 베어링 조립체 또는 펜슬-포인트 베어링을 포함할 수 있다. 물론, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 그 밖의 다른 부싱 및 베어링 디자인도 가능하다.
도 1이 프레임(101)의 양 측면에서 부싱(106)에 의해 고정되는 중앙 액슬(103)을 예시하지만, 부싱(106)은 생략될 수도 있고 중앙 액슬(103)은 임의의 그 밖의 다른 구조 없이 프레임(101)에 의해 직접 고정될 수 있다. 중앙 액슬(103)이 프레임(101)으로부터 자유롭게 작동하는 것을 방지하기 위해, 코터 핀(cotter pin) 또는 이와 유사한 구조가 사용될 수 있다. 중앙 액슬(103)을 고정하는 프레임(101) 내의 홀은 중앙 액슬(103)을 제자리에 유지하기 위해 프레임 재료의 전체 두께를 연장하지 않는 "블라인드" 홀일 수 있다. 당업자는, 본 개시로부터 벗어나지 않고, 중앙 액슬(103)을 프레임(101)에 회전 가능하게 고정하는 다른 방법이 가능하다는 것을 인식할 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 투시도이다. 도 2에서는 명확성을 위해 로터가 생략된다. 도 2의 프레임(201)은 코일(205)이 배치되는 리세스를 포함한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 두 세트의 대향 전자기 코일(205)이 프레임(201) 내에 반경 방향으로 위치된다. 이 코일들은 펌프가 오직 한 방향으로만 회전을 허용하도록 약간 "중심으로부터 벗어난" 구성을 가질 수 있다. 부싱(106)은 로터가 설치될 수 있는 중앙 액슬(3)(미도시)을 고정한다. 한 쌍의 전자기 코일을 사용하면, 역 전자기 펄스 센싱 기능이 있는 코일에 대한 전기 펄스 타이밍이 가능하며, 그에 따라 홀 센서가 필요하지 않다. 또한, 이 구성은, 펌프의 최소 침습 배치에 필요한 크기 제약으로 인해, 유용할 수 있는 보다 강력한 모터를 허용한다. 4개 이상의 자석으로 구성된 이 설정은, 펌프가 한 쌍의 자석에 의해 추진될 수 있으며 다른 쌍의 자석은 센싱 모드에서 짧은 시간 기간 동안 설정될 수 있기 때문에 백 EMP 센싱을 사용하여 펌프 시간을 용이하게 측정할 수 있다. 도 3은 도 2의 개방형 펌프의 측면도이다. 도 3에서, 명확성을 위해 로터, 중앙 액슬(103) 및 중앙 액슬(103)을 고정하는 부싱(106)은 생략되어 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 도 3의 프레임(201)의 구조는, 각각, 2개의 전자기 코일을 고정하는 2개의 부재(202, 203) 및 2개의 부재(202, 203)의 단부에 각각 결부되는 2개의 단부판(204 및 206)을 포함한다. 하지만, 프레임(201)은 또한 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 단일 부품으로 제조될 수 있다.
도 4는 도 2 및 3의 개방형 펌프의 상부도이다. 도 4에는 부싱(106), 단부판(204, 206) 및 부재(203) 중 하나가 도시되어 있다. 상기 도면에서 볼 수 있듯이, 코일(205)은 부재(203)의 측벽에 의해 코일(205)을 위해 생성된 리세스에서 부재(203)에 의해 제자리에 고정된다. 부재(203)의 측벽이 코일(205) 주위로 만곡되기 때문에, 코일(205)을 제자리에 고정하기 위해 추가 리테이너는 필요하지 않다. 하지만, 코일(250)을 제자리에 고정하기 위하여, 추가 리테이너, 가령, 클램프, 나사 등이 부재(203)의 만곡 측벽 대신에 또는 추가로 사용될 수도 있다. 또한, 코일(205)은 당업자가 인식하는 바와 같이 수지 또는 접착제를 사용하여 제자리에 고정될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 부재(202)는 부재(203)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.
도 5는 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 투시도이다. 펌프는 내주 주위에 배열된 복수의 전자기 코일(305)을 고정하는 실린더(302)를 포함하는 프레임(301)을 포함한다. 실린더(302)는 로터(306)의 중앙 액슬을 고정하기 위한 부싱(308)이 배치되는 빔(303)을 지지하는 2개의 지지부(304)를 포함한다. 이와 유사한 빔이 실린더(302)의 맞은편에 부착된다. 실린더(302)는 강성 지지 빔(303 및 304)을 고정하는 혈관내 스텐트와 같은 최소 침습 이식을 위한 가요성 재료로 제조될 수 있다. 로터(306)는 전자기 코일(305)과 결합하여 로터(306)를 회전시키는 자석(307)을 포함한다. 로터는 혈액을 최적으로 추진하기 위해 도 1과 같이 상기 개략도와 다른 형태를 가질 수 있다. 로터는 자성 재료 자체로 제조될 수 있어서 별도의 자석이 필요하지 않다. 도면에서 볼 수 있듯이, 전자기 코일(305)은 로터(306)에 대해 수직으로 또는 최소로 비스듬하게 배열되고 혈류에 평행하게 배열된다. 도 5는 6개의 코일(305)을 도시하고 있지만, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 용도에 따라 그보다 많거나 적은 코일(305)이 사용될 수 있다.
도 6은 도 5의 개방형 펌프의 측면도이다. 상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 로터(306)는, 펌프의 전체 구조가 개방된 상태로 유지되고 혈류에 대한 낮은 저항을 나타내도록, 실린더(302) 및 전자기 코일(305) 위에 매달려 있다. 코일(305)은 실린더(302)의 외주 주위에 형성된 개별 실린더 내에 압력 끼워맞춤을 통해 제자리에 고정될 수 있거나, 또는 접착제 또는 수지로 제자리에 부착될 수 있다. 또한, 코일(305)은 리테이너 또는 파스너, 가령, 클램프로 기계적으로 고정될 수 있다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고, 코일(305)을 제자리에 고정하기 위한 다른 방법 및 구조도 가능하다.
도 7은 도 5 및 6의 펌프의 상부도이다. 상기 도면은 펌프가 멈춘 상태에서도 혈액이 흐르도록 하는 펌프의 개방형 디자인을 예시한다. 또한, 상기 도면은 로터(306)의 액슬(309)을 고정하는 부싱(308)을 예시한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 부싱(308)은 생략될 수 있고 액슬(309)은 액슬(309)의 각각의 단부에서 코터 핀 및 프레임(301)에 의해 제자리에 고정될 수 있다.
도 5-7에 예시된 펌프는 인간의 심장에 꼭 맞도록 크기를 조절할 수 있으며, 혈류 방향으로 로터에 수직으로 배향된 전자기 코일이 혈관 스텐트 또는 스텐트 이식편(미도시)에 장착될 수 있는 것을 예시한다. 전자기 코일은 금속, 금속 합금, 가령, 니티놀 또는 폴리머로 제조된 대각선 방향으로 배향된 또는 가요성의 원형 금속 스트럿들로 제자리에 고정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 개방형 펌프의 투시도이다. 도 8에서 펌프는 프레임(402)이 설치된 실린더(401)를 포함한다. 프레임(402)은 로터(403)의 중심 액슬을 고정한다. 실린더(401)의 내주를 따라, 혈류에 대해 사전결정된 각도로 배열된 복수의 전자기 코일(404)이 위치된다. 상기 사전결정된 각도는, 당업자가 인식하는 바와 같이, 0도 내지 180도 사이의 임의의 각도일 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 실린더(401)는 펌프를 심장 내에서 제자리에 고정시키는 스텐트 또는 스텐트 이식편으로 대체될 수 있다. 프레임(402)은 실린더(401)와 일체로 형성될 수 있다. 401은 "이중 블레이드 로터"를 가진 또 다른 예시적인 로터 구성을 도시한다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형예들도 가능하다.
위에서 설명된 펌프는 명확성을 위해 개별적으로 설명되었지만, 당업자는 하나의 펌프에 대해 설명된 상이한 특징들이 제한없이 다른 펌프들의 특징과 결합될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
더욱이, 본 명세서의 도면 및 설명이, 특정 개수의 전자기 코일을 식별하고 있지만, 그러한 개수는 단지 각각의 펌프에 대한 예시일 뿐이며, 더 약하거나 더 적은 코일이 사용될 수 있거나 더 강한 코일이 사용될 수 있다. 펌프는 생체 조직에 이식할 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있으며, 펌프 구성요소들을 보호하기 위해 일부 또는 전체 펌프를 등각 코팅으로 코팅할 수 있다.
본 명세서의 설명은 명확성을 위해 쇠약해진 심장에 본 발명의 펌프를 이식하는 데 관해 제공된다. 하지만, 본 발명의 펌프는 정지되었을 때 유동에 대한 저항이 거의 없는 펌프가 요구되는 그 밖의 다른 용도에도 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 설명은 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명백히, 본 발명의 다양한 수정예 및 변형예들이 상기 교시에 비추어 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 내에서 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 심장으로부터의 혈류와 직렬로 이식되도록 구성된 이식가능한 펌프에 있어서, 상기 펌프는:
    심장의 출구 밸브 대신에 또는 심장의 심실 배출 관을 포함하는, 심장에 혈액의 자연적인 혈액 경로에 이식되도록 구성된 프레임;
    혈류에 평행하게 프레임 내에 고정되도록 구성된 중앙 액슬;
    중앙 액슬에 결부되고 혈액을 펌핑하기 위해 회전하도록 구성된 로터; 및
    로터를 회전시키기 위해 활성화되도록 구성된 2개 이상의 전자기 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 프레임은 로터가 회전하지 않을 때 혈액이 막힘없이 흐를 수 있도록 혈류 방향으로 하나 이상의 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  3. 제1항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일은 혈류 방향에 대해 반경 방향으로 위치되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  4. 제1항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일은 로터에 수직으로 위치되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  5. 제1항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일 모두는 로터의 동일한 측면의 프레임에 위치되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  6. 제1항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일 중 제1 코일은 로터의 제1 측면에 위치되고, 2개 이상의 전자기 코일 중 제2 코일은 제1 측면의 맞은편에 있는 로터의 제2 측면에 위치되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  7. 제1항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일은 혈류에 대해 사전결정된 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  8. 제1항에 있어서, 프레임은 개구가 혈류와 일렬로 위치되는 원통형 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  9. 제8항에 있어서, 2개 이상의 전자기 코일은 원통형 부재의 내주를 따라 위치되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
  10. 제8항에 있어서, 원통형 부재는 스텐트 또는 스텐트 이식편인 것을 특징으로 하는 이식가능한 펌프.
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