KR20210142688A - 혈액 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환자의 혈관에 경피 삽입하기 위한 혈관 내 혈액 펌프(1)에 관한 것이다. 혈액 펌프는, 혈류 주입구(21) 및 혈류 배출구(22)를 가진 펌프 케이싱(2), 회전축(10)을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 펌프 케이싱(2)에 배열된 임펠러(3)를 포함한다. 임펠러(3)는 혈류 주입구(21)로부터 혈류 배출구(22)까지 혈액을 운반하도록 크기와 형태가 갖춰진 블레이드(31)를 갖는다. 혈액 펌프(1)는 임펠러(3)를 회전시키기 위한 구동 유닛(4)을 포함하고, 구동 유닛(4)은 회전축(10)을 중심으로 배열된 복수의 포스트(40) 및 포스트(40)를 연결하고 중간 영역(59)의 포스트(40) 사이로 연장되는 백 플레이트(50)를 포함하는 자기 코어(400)를 포함한다. 코일 와인딩(44)은 회전 자기장을 생성하도록 제어할 수 있고, 이때 임펠러(3)는, 상기 임펠러(3)의 회전을 발생시키기 위한 회전 자기장과 상호작용하도록 배열된 자기 구조(32)를 포함한다. 포스트(40) 중 적어도 하나의 일부 중 적어도 하나의 물질은, 백 플레이트(50)의 중간 영역(59)의 물질과 통합된다. 나아가, 본 발명은 자기 코어(400)를 제조하는 방법 및 혈관 내 혈액 펌프(1)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

혈액 펌프

본 발명은, 환자의 혈관 내 혈류(blood flow)를 지지하기 위한 혈액 펌프, 특히, 환자의 혈관으로 경피 삽입(percutaneous insertion)되는 혈액 펌프에 관한 것이다. 상기 혈액 펌프는 향상된 구동 유닛을 갖는다.

혈액 펌프에는 축형(axial) 혈액 펌프, 원심형(centrifugal) (즉, 방사상의) 혈액 펌프 또는, 축력과 방사력(axial and radial forces)에 의해 혈류가 발생하는 혼합형(mixed-typed) 혈액 펌프와 같은 다양한 종류가 있다. 혈관 내 혈액 펌프(intravascular blood pump)는, 카테터(cartheter)를 이용하여, 환자의 대동맥(aorta)과 같은 혈관에 삽입된다. 혈액 펌프는, 일반적으로, 통로(passage)에 의해 연결된, 혈류 주입구(blood flow inlet) 및 혈류 배출구(blood flow outlet)를 포함한다. 혈류 주입구로부터 혈류 배출구까지의 통로를 따라 혈류를 발생시키기 위해서, 임펠러(impeller) 또는 로터(rotor)는 펌프 케이싱 내에서 회전하도록 지지되고, 상기 임펠러에는 혈액을 운반하기 위한 블레이드(blades)가 제공된다.

혈액 펌프는, 일반적으로, 전기 모터일 수 있는 구동 유닛(drive unit)에 의해 구동된다. 예를 들면, US 2011/0238172 A1은 전기 모터에 자기 결합(magnetically coupled)될 수 있는 임펠러를 가진 체외 혈액 펌프를 개시한다. 임펠러는, 전기 모터 내의 자석(magnets)에 인접하게 배치된 자석을 포함한다. 임펠러 내의 자석 및 모터 내의 자석 간의 인력 때문에, 모터의 회전이 임펠러에 전해진다. 회전부(rotating parts)의 수를 줄이기 위해, US 2011/0238172 A1에서도 알 수 있는 것처럼, 회전축 주위에 배열된 다수의 정적 포스트(static post)를 가진 구동 유닛을 통해, 회전 자기장(rotating magnetic field)이 적용되며, 이 때 상기 포스트는 와이어 코일 와인딩(wire coil winding)을 수용하고 자기 코어(magnetic core)의 역할을 한다. 통제 유닛(control unit)은, 그 후에, 회전 자기장을 생성하기 위해 코일 와인딩(coil winding)에 전압을 제공한다. 충분히 강한 자기 결합을 제공하기 위해, 자기력은 충분히 높아야 하고, 이는 구동 유닛에 충분히 높은 전류를 제공하거나 또는 대형 자석을 사용하면 달성될 수 있지만, 상기 혈액 펌프의 전체 직경이 커지도록 이끈다.

EP 3222301 B1은 혈액 펌프, 특히 구동 유닛 및 임펠러 사이의 자기 결합을 가지고 있는 혈관 내 혈액 펌프를 개시하고, 상기 혈액 펌프는 컴팩트한 디자인 및, 보다 상세하게는, 상기 펌프의 크기 대비 높은 펌핑력(pumping power)을 가지고 있기 때문에 충분히 작은 외부 크기의 혈액 펌프는 혈관 간에, 정맥 간에, 동맥 간에, 또는 판맥 간에 삽입될 수 있고, 또는 취급이나 편의를 위해 더 작은 크기의 혈액 펌프도 있다.

더 상세하게는, EP 3222301 B1의 혈액 펌프는, 혈류 주입구 및 혈류 배출구를 가진 펌프 케이싱, 임펠러, 및 임펠러를 회전시키기 위한 구동 유닛을 포함한다. 임펠러의 회전축 및 펌프 케이싱의 내부를 중심으로 회전함으로써, 혈액은, 임펠러의 불레이드에 의해 혈류 주입구로부터 혈류 배출구까지 전달될 수 있다. 구동 장치는, 복수의, 바람직하게는 여섯 개의 포스트, 및 포스트의 후단부(rear ends)를 연결하는 백 플레이트를 포함하고, 요크(yoke)의 역할을 한다. 포스트는, 회전축을 가로지르는 면(plane)에서 보였듯이, 회전축을 둘러싸며 원형으로 배열되고 각각의 포스트는 길이 방향 축(longitudinal axis)을 가지며, 상기 축은, 바람직하게는, 상기 회전축에 평행하다. 백 플레이트는 스루 개구(through openings)를 갖는데, 각각의 상기 스루 개구는 형태에 맞는(form-fitting) 방식으로 포스트의 후단부(rear end)를 받아들이고, 이에 따라 각각의 포스트의 후단부의 단부면(rear surface)은 백 플레이트의 후부면(rear surface)과 동일선상에 있게 된다. 이러한 방식으로, 포스트 및 백 플레이트 간의 자기적 연결은, 포스트의 둘레(circumference) 및 백 플레이트의 개구의 내부 윤곽(inner contour) 사이에 발생한다. 각각의 포스트는, 상기 각각의 포스트를 둘러싸며 배치된 코일 와인딩을 가진다. 임펠러는, 회전 자기장과 상호작용하도록 배열되어 상기 임펠러가 그 회전을 따라가도록 하는 자석 형태의 자기 구조(magnetic structure)를 포함한다.

본 발명의 목적은, 자기 코어의 자속을 향상시키는 것이다.

본 발명의 혈액 펌프는 앞서 언급된 혈액 펌프에 대응한다. 따라서, 상기 혈액 펌프는 축향 혈액 펌프 또는 대각선의(diagonal) 혈액 펌프일 수 있고, 부분적으로는 축방향 및 부분적으로는 방사상으로 펌프할 수 있다(온전히 원심형의 혈액 펌프의 직경은 혈관 내에 적용하기에 일반적으로 너무 큼). 그러나, 본 발명의 한 측면에 따르면, 자기 코어의 포스트 중 적어도 하나의 적어도 일부의 물질은 자기 코어의 백 플레이트의 중간 영역(intermediate area)에 통합되고, 상기 백 플레이트의 중간 영역은 포스트 사이에 위치한다. 바람직하게는, 모든 포스트는 이러한 방식으로 백 플레이트에 통합적으로 연결된다. 다시 말해, 적어도 하나의 포스트 및 백 플레이트, 바람직하게는 전체의 자기 코어는 물질의 단일한 블록(이하 모노블록(monoblock)으로 지칭됨)으로 구성될 수 있다. 이러한 자기 코어의 이점은, 포스트 및 백 플레이트 사이의 이동에서의 자기 저항이 최소화되고, 따라서 자속이 향상된다는 것이다. 나아가, 이동(transition)의 좋은 기계적 강성(mechanical rigidity)은, 포스트 및 백 플레이트 사이에서 달성될 수 있다.

각각의 포스트는 길이 방향 축을 가지고, 상기 축은 회전축에 평행할 수 있다. 바람직하게는, 자기 코어는 불연속 연자성체를 포함한다. 더 바람직하게는, 자기 코어의 연자성체는, 포스트의 길이 방향 축에 횡적인, 바람직하게는 종적인 단면적에서 불연속적이다. 다시 말해, 포스트의 연자성체는, 상기 포스트의 각각의 코일 와인딩에 의해 발생한 자속의 방향에 횡적, 바람직하게는 종적인 단면적에서 불연속적이다. 단면적의 연자성체를 분열 또는 방해함으로써, 포스트의 와전류는 감소되거나 차단될 수 있고, 이에 따라 열 발생 및 에너지 소비는 감소될 수 있다. 에너지 소비 감소는, 특히 혈액 펌프의 장기간의 적용에 유용하고, 이 때, 상기 혈액 펌프는 환자에게 이동성(mobility)을 제공하기 위해 배터리로 구동되는 것이 바람직하다. 또한, 장기간의 적용에서, 퍼지(purge)없이 작동될 수 있고, 이는 열 발생이 적을 때만 가능하다.

본 명세서의 의미에서 “불연속적”은, 연자성체의 엄격히 분리된 영역, 또는 방해 받지만 다른 위치에서는 연결되는 영역을 형성하도록 단열재(insulating material) 또는 다른 물질 또는 틈(gap)을 이용하여, 예를 들면, 길이 방향 축을 가로지르는 어떠한 단면적에서 보여진 연자성체가 방해받고, 분리되고, 가로질러지고, 또는 그와 비슷하게 되는 것을 의미한다.

자속 방향을 가로지르는 단면적의 면(cross-sectional planes)의 불연속 연자성체가 제공되면 와전류는 감소되고, 이에 따라 상기 설명한대로 열 발생과 에너지 소비도 감소된다. 연속한(continuous) 또는 전체의(즉, 고체의) 몸체의 연자성체와 비교해서 자기장을 크게 약화시키지 않기 위해 상기 연자성체의 연속적 영역은 최소화되는 반면, 연자성체의 총량은 최대화될 것이다. 이는, 예를 들면, 전기 강철(electric steel)과 같은 복수의 연자성체의 시트의 형태로 연자성체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 구체적으로는, 시트는, 시트의 더미(stack)를 형성할 수 있다. 시트는, 바람직하게는 (예를 들어, 접착제, 래커(lacquer), 베이킹 에나멜(baking enamel), 또는 그와 유사한 것을 시트 중 서로 인접한 것들 사이에 제공함으로써) 서로 전기적으로 단열되어있다. 상기 배열은 “슬롯형(slotted)”이라 일컬을 수 있다. 전체 몸체의 연자성체와 비교해서, 오직 미미한 연자성체의 양만 보존될 수 있고, 단열재의 양은 적게 유지되며, 슬롯형 포스트에 의해 발생한 자기장은 고체의 포스트에 의해 발생한 자기장과 상당히 같아진다. 다시 말해, 열 발생 및 에너지 소비가 상당히 감소되는 반면에, 단열재에 의해 발생된 자기장의 손실은 미미하다.

시트는, 바람직하게는, 각각의 포스트의 길이 방향 축에 상당히 평행하도록 연장된다. 다시 말해, 포스트는 자속의 방향에 횡적이거나 종적인 단면적에서 불연속적일 수 있도록, 상기 시트는 자속의 방향에 상당히 평행하게 연장될 수 있다. 상기 연자성체가 길이 방향 축을 가로지르는 단면적에서 불연속적인 한, 상기 시트는 각각의 포스트의 길이 방향 축에 상대적인 각도에서 연장될 수 있다. 시트는, 바람직하게는 25 μm 에서 1 mm, 더 바람직하게는 50 μm 에서 450 μm, 예를 들면 200 μm의 범위의 두께를 가진다.

특히, 연자성체의 시트와 같은, 물질의 특정한 종류의 영역은 포스트 및 백 플레이트 모두에서 연장될 수 있다. 상기 물질이 불연속적이더라도, 자기 코어는 상기와 같은 물질의 단일한 블록을 구성할 수 있다. 물질의 특정한 종류의 그러한 영역의 연장(extension)은 포스트 및 백 플레이트 사이의 이동에 의해 방해받지 않지만, 프스트로부터, 상기 포스트 사이에 위치된 백 플레이트의 중간영역으로 통합되며 연속적이다.

일반적으로, 와전류를 피하거나 감소시키기 위해, 전기 모터 내에 전기 강철과 같은 슬롯형 연자성체가 제공되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기 기술은, 시트가 보통 약 500 μm 또는 그 이상의 범위의 두께를 가진 대형 장치에 적용되어왔다. 포스트 중 하나는 보통 상기 순서에 따른 정도의 직경을 가지고, 전력 인풋(input)이 상대적으로 낮고(예를 들어, 최대 20와트 (W)), 본 발명의 혈액 펌프와 같은 작은 적용에서, 와전류 및 관련 문제는 예상되지 않았다. 놀랍게도, 포스트의 작은 직경에도 불구하고, 와전류 및 열 발생 및 에너지 소비는, 슬롯형 포스트를 제공함으써 감소될 수 있다. 이는, 최대 50,000 rpm(분당 회전수)에서 작동될 수 있는, 혈액 펌프의 작동에 유리하다.

위에 언급된 슬롯형 배열 외에, 다른 배열을 통해 포스트에 불연속 연자성체를 제공하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들면, 복수의 시트 대신에, 복수의 와이어, 섬유, 포스트 또는 다른 연장 구성요소(elongate elements)는 구동 유닛의 각각의 포스트를 형성하도록 제공될 수 있다. 와이어 및 그와 유사한 것은, 서로 전기적 단절된(예를 들어, 각각의 와이어 및 와이어가 내장된 단열 매트릭스를 둘러싼 코팅을 이용하여) 와이어의 다발(bundle)이 된 형태로서 제공될 수 있고, 원형의, 둥근, 직사각형의, 정사각형의, 다각형의, 및 다른 다양한 모양의 단면적을 가질 수 있다. 마찬가지로, 연자성체, 와이어 섬유(wire wool) 또는 다른 스폰지와 같은 것의 입자, 또는 연자성체의 다공성 구조가 제공될 수 있고, 여기에서 연자성체의 영역 간의 공간은, 접착제, 래커, 폴리머 매트릭스 또는 그와 유사한 것과 같은 전기 단열재를 포함한다. 다공성의 및, 따라서 불연속적 구조의 연자성체는, 소결 물질(sintered material) 또는 압축 물질(pressed material)에 의해 형성될 수 있다. 그러한 구조에서, 추가 단열재는 생략될 수 있는데, 왜냐하면 연자성체가 공기에 노출되면서 산화되는 결과로 산화물 레이어(oxide layers)에 의해 단열재가 자동적으로 형성될 수 있기 때문이다.

연자성체의 시트 또는 다른 구조는 일률적으로 형성될 수 있는(즉, 포스트 중 하나의 시트가 또는 모든 포스트가 동일한 두께를 가지거나, 또는, 와이어가 동일한 직경을 가질 수 있음) 반면에, 비일률적(non-uniform) 배열이 제공될 수 있다. 예를 들면, 시트는 다양한 두께를 가질 수 있고, 와이어는 다양한 직경을 가질 수 있다. 더 상세하게는, 특히 시트의 더미(stack)와 관련해, 하나 또는 다수의 중앙 시트는 더 두꺼운 두께를 가질 수 있고, 상기 더미의 단부(ends) 쪽으로 인접한 시트는 더 얇은 두께를 가질 수 있다(즉, 시트의 두께는 중앙에서 더미의 단부 쪽으로, 즉 더미의 가장 바깥 시트 쪽으로 갈수록 얇아짐). 비슷하게, 와이어 다발(bundle)의 중앙 와이어 중 하나 또는 다수는 더 큰 직경을 가질 수 있고, 포스트의 끝(edge)에 있는 와이어는 더 작은 직경을 가질 수 있다(즉, 와이어의 직경은 중앙에서 다발의 끝 쪽으로, 즉 와이어 다발의 가장 끝 쪽으로 갈수록 감소함). 길이 방향 축(즉, 중앙의 비교적 두꺼운 시트 또는 와이어)을 가로지르는 단면적과 관련한 포스트의 중앙의 연자성체의 더 큰 연속한 영역을 제공하는 것은 이점일 수 있는데, 왜냐하면 각각의 포스트의 길이 방향 축을 따른 중앙을 통하는 자속을 증강시킬 수 있고, 중앙 영역의 와전류는 포스트의 측부의 와전류 보다 덜 관련되기 때문이다. 다시 말해, 그와 같은 배열은, 포스트의 측부 구역(side regions) 내의 와전류가 더 중요하고, 상기 와전류는 측부 구역의 얇은 시트 또는 와이어에 의해 감소될 수 있기 때문에 이점을 가진다.

백 플레이트의 직경은 5 mm 또는 6 mm 내지 7 mm와 같이 3 mm 내지 9 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 백플레이트의 두께는 0.5 mm 내지 2.5 mm, 예를 들어 1.5 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 혈액 펌프의 외부 직경은 4 mm 내지 10 mm 범위 내, 바람직하게는 7 mm일 수 있다. 복수의 포스트의 배열의 외부 직경은 3 mm 내지 8 mm, 예를 들어, 4 mm 내지 7.5 mm의 범위 내, 바람직하게는 6.5mm일 수 있다.

상술된 바와 같이, 포스트는 전기 강철(자기 강철)과 같은 연자성체로 구성된다. 포스트 및 백 플레이트는 동일한 물질로 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 포스트 및 백 플레이트를 포함하는 구동 유닛은, 코발트 강철로 구성된다. 코발트 강철의 사용은 펌프 사이즈, 특히 직경을 감소시키는 데 기여한다. 모든 자기 강철 중 가장 높은 투자율(permeability)과 가장 높은 자기 포화 자속 밀도(magnetic saturation flux density)를 갖는 코발트 강철은, 사용되는 동일한 양의 물질에 대해 가장 많은 자속을 생성한다.

포스트의 크기, 특히 길이와 단면적은 변할 수 있고, 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 혈액 펌프의 크기, 예를 들어 혈액 펌프의 적용 분야에 의존하는 외부 직경과 달리, 포스트의 크기는 전자기 특성에 의해 결정되며, 이는 구동 유닛의 원하는 성능을 달성하도록 조정된다. 상기 요인 중 하나는, 포스트의 가장 작은 단면적을 통해 달성되어야 하는 자속 밀도이다. 단면적이 작을수록, 원하는 자속을 달성하기 위해서 필요한 전류가 더 커진다. 그러나, 더 큰 전류는 전기 저항으로 인해 코일 와이어에 더 많은 열을 생성시킨다. 이것은, 전체 사이즈를 감소시키기 위해 "얇은" 포스트가 선호되지만, 이로써 높은 전류가 필요하고, 따라서 원하지 않는 열이 발생될 것이라는 점을 의미한다. 와이어에서 발생되는 열은, 또한 코일 와인딩을 위해서 사용되는 와이어의 길이와 직경에 의존한다. 와인딩 손실(일반적으로, 구리 와이어가 사용되는 경우, "구리 손실" 또는 "구리 전력 손실"이라고 함)을 최소화하기 위해 짧은 와이어 길이 및 큰 와이어 직경이 선호된다. 다시 말해서, 와이어 직경이 작으면, 동일한 전류에서 더 두꺼운 와이어에 비해 더 많은 열이 발생되며, 바람직한 와이어 직경은, 예를 들어 0.05 mm 내지 0.2 mm, 예를 들어, 0.1 mm이다. 포스트의 크기 및 구동 유닛의 성능에 영향을 미치는 추가 요인은 코일의 와인딩 수 및 와인딩, 즉 와인딩을 포함하는 포스트의 외부 직경이다. 다수의 와인딩이 각각의 포스트 둘레에 하나 이상의 레이어로 배열될 수 있으며, 예를 들어, 2개 또는 3개의 레이어가 제공될 수 있다. 그러나, 레이어의 수가 많을수록, 더 큰 와인딩 직경을 갖는 외부 레이어에서 와이어의 증가된 길이 때문에 더 많은 열이 발생될 것이다. 짧은 와이어에 비해 긴 와이어의 저항은 높아지기 때문에, 와이어의 증가된 길이는 더 많은 열을 발생시킬 수 있다. 따라서, 작은 와인딩 직경을 갖는 단일 레이어의 와인딩이 선호된다.

포스트의 길이에 따라 달라지는 전형적인 와인딩 수는 약 50 내지 약 150, 예를 들어 56 또는 132 일 수 있다. 와인딩의 수와 무관하게, 코일 와인딩은 전기 전도체, 특히 구리 또는 은과 같은 금속으로 만들어진다. 은(silver)은, 구리의 전기 저항보다 약 5% 더 낮은 전기 저항을 갖기 때문에 구리보다 선호될 수 있다.

바람직하게는, 자기 코어는 하나 이상의 용접부를 포함한다. 용접부는, 예를 들어, 레이저 용접에 특히 접근이 가능한, 자기 코어의 외부 표면 상에 배열될 수 있다. 용접부는, 연자성체의 전도율과 관련한 불연속점을 가교하고, 따라서, 연자성체 중 적어도 두 개의 시트를 전기적으로 연결한다. 용접부는 또한 불연속 연자성체에 기계적 안전성(mechanical stability)을 더한다.

하나 이상의 용접부는, 포스트의 반대편의 백 플레이트의 표면에 배열될 수 있다. 용접부는 레이저 용접을 통해 생성될 수 있다. 적층된 시트로 구성된 물질이 사용될 경우, 용접부는, 바람직하게는 이웃하는 연자성 시트를 비스듬히 또는 가로로 가교한다.

본 발명의 추가적 측면에서, 혈액 펌프를 위한 구동 유닛을 위한 자기 코어 또는 자기 코어의 일부를 제조하는 방법이 제안된다. 자기 코어는 회전축을 가지고, 상기 회전축을 중심으로 배열된 다수의 포스트 및 포스트를 연결하는 백 플레이트를 포함한다. 상기 방법에 있어서, 전기 유도체의 모노블록을 제공하는 단계 및 포스트를 생성하기 위해 슬롯을 모노블록으로 절단하는 단계가 포함되고, 상기 포스트는 회전축 및 백 플레이트를 둘러싸며 배열되어서, 백 플레이트는 상기 포스트에 통합된 피스를 형성한다. 위에서 가리킨 대로, 이러한 제조의 이점은 감소된 자기 저항을 가진 자기 코어를 생산하는 것이다.

적어도 하나의 슬롯, 바람직하게는 회전축을 상대로 서로 마주보는 모든 슬롯은 자기 코어의 회전축을 통해 절단됨으로써, 생성될 수 있다. 그러면, 회전축을 둘러싼 포스트의 균일한 분배가 쉽게 달성될 수 있다.

바람직하게는, 슬롯은 모두 동일한 길이를 갖도록 절단된다. 슬롯은 특히, 백플레이트가, 상기 포스트의 길이 방향 축을 가로지르는 포스트의 최대 단면적 크기보다 작은 두께를 가지도록 절단된다.

전기 방전가공, 특히 와이어 전기 방전가공 또는 전기화학식 가공을 사용하여 슬롯을 자르는 것이 선호된다. 이러한 방법들은 가공될 물질에 아주 미미한 힘을 적용하고, 따라서 연자성체의 가공에 특히 유리하다.

본 발명의 추가적 측면에서, 혈액 펌프의 제조 방법이 제시된다. 혈액 펌프는 자기 코어를 가진 구동 유닛을 포함하고, 상기 자기 코어는 이전에 설명된 방식으로 제조된다.

상기 과제의 해결 수단 및 이하 선호되는 실시예의 구체적인 설명은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 개시를 설명하려는 목적을 위해, 도면을 참조하도록 되어있다. 본 개시의 범위는, 하지만, 도면 내에 개시된 구체적 실시예에 한정되지 않는다. 본 도면에 있어서:
도 1은, 혈액 펌프의 단면도를 도시함;
도 2는, 구동 유닛 - 임펠러- 배열의 선호된 실시예의 단면도를 도시함;
도 3a 내지 도 3c는, 도2에 따른 구동 유닛을 위한 통합된 자기 코어의 제조 단계를 도시함;
도 4a 내지 도 4c는, 도 3a 내지 도 3c에 따라 제조된 통합된 자기 코어 상의 용접부를 도시함; 및
도 5a 내지 도 5j는, 다양한 실시예에 따른 포스트를 통과하는 단면적을 도시함.

도 1을 참고하면, 혈액 펌프(1)의 단면도가 도시 된다. 혈액 펌프(1)는, 혈류 주입구(inlet)(21) 및 혈류 배출구(outlet)(22)를 가진 펌프 케이싱(2)을 포함한다. 혈액 펌프(1)는 카테터 펌프(catheter pump)라고도 불리는 혈관 내 펌프로서 고안되었고, 카테터(25)를 사용하여 환자의 혈관 내로 배치된다. 혈류 주입구(21)는, 사용되는 중에 대동맥 판막(aortic valve)과 같은 심장 판막(heart valve)을 통해 배치될 수 있는 플렉시블 캐뉼라(flexible cannula)(23)의 단부(end)에 있다. 혈류 배출구(22)는, 펌프 케이싱(2)의 측면(side surface)에 위치되고, 대동맥과 같은 심장 혈관에 놓일 수 있다. 혈액 펌프(1)는, 아래 더 자세히 설명된 것처럼, 구동 유닛(4)을 사용하여 펌프(1)를 구동시키기 위해 혈액 펌프(1)에 전력을 공급하도록, 카테터(25)를 통해 연장된 전기 라인(electric line)(26)에 전기적으로 연결되어있다.

혈액 펌프(1)가 장기간 적용에 사용되도록 의도될 경우(즉, 혈액 펌프(1)가 환자에게 몇 주 또는 심지어 몇 달 동안 이식되는 경우), 전력은, 바람직하게는, 배터리를 사용하여 공급된다. 이에 따라, 케이블(cables)을 사용한 베이스 스테이션(base station)에 연결되어 있지 않기 때문에, 환자는 움직일 수 있게 된다. 배터리는, 환자에 의해 휴대될 수 있고 전력을(예를 들어, 무선으로) 혈액 펌프(1)에 공급할 수 있다.

혈액은, 혈류 주입구(21) 및 혈류 배출구(22)(이때 혈류는 화살표로 표시됨)를 연결하는 통로(24)를 따라 전달된다. 임펠러(3)는 통로(24)를 따라 혈액을 전달하기 위해 제공되고, 제1 베어링(11) 및 제2 베어링(12)을 사용하여, 펌프 케이싱(2) 내의 회전축(10)을 중심으로 회전할 수 있도록 장착된다. 회전축(10)은, 바람직하게는, 임펠러(3)의 길이 방향 축(longitudinal axis)이다. 본 실시예에서, 두 베어링(11, 12) 모두 접촉식(contact-type) 베어링이다. 그러나, 베어링(11, 12) 중 적어도 하나는, 자기적(magnetic) 또는 유체 역학적(hydrodynamic) 베어링과 같은 비접촉식(non-contact-type) 베어링일 수 있다. 제1 베어링(11)은 어느 정도의 회전식 이동(rotational movement) 및 어느 정도 피봇팅 회전(pivoting rotation)이 가능한 구형의 베어링 표면(spherical bearing surfaces)을 가진 피봇 베어링(pivot bearing)이다. 베어링 표면 중의 하나를 형성하는 핀(pin)(15)이 제공된다. 제2 베어링(12)은, 임펠러(3)의 회전을 안정시키기 위해 지지부재(supporting member)(13)에 배치되고, 지지부재(13)는, 혈류를 위한 적어도 하나의 개구부(14)를 가진다. 블레이드(31)는, 임펠러(3)가 회전할 때 혈액을 전달하기 위한 임펠러(3)에 제공된다. 임펠러(3)의 회전은, 임펠러(3)의 단부분(end portion)에 있는 자석(32)에 자기적으로 결합된 구동 유닛(4)에 의해 발생된다. 도시된 혈액 펌프(1)는, 흐름의 주요 방향이 축형(axial)인, 혼합형(mixed-type) 혈액 펌프이다. 혈액 펌프(1)는 또한, 임펠러(3)의 배열, 특히, 블레이드(31)의 배열에 따라, 전적으로 축형 혈액 펌프일 수 있다.

혈액 펌프(1)는 임펠러(3) 및 구동 유닛(4)을 포함한다. 구동 유닛(4)은, 여섯 개의 포스트(40)와 같은 복수의 포스트(40)를 포함하고, 그 중의 두 개의 포스트만 도 1의 단면도에서 볼 수 있다. 포스트(40)는 회전축(10)에 평행하게 배열되고, 보다 상세하게는, 각각의 포스트(40)의 길이 방향 축은 회전축(10)에 평행하다. 포스트의 일 단부(42)는 임펠러에 인접하게 배치된다. 코일 와인딩(44)은 포스트(40)를 중심으로 배열된다. 코일 와인딩(44)은 회전 자기장을 생성하기 위해 제어 유닛에 의해 순차적으로 제어된다. 제어 유닛의 일부는, 전기 라인(26)에 연결된 인쇄 회로 기판(printed circuit board)(6)이다. 임펠러는, 본 실시예에서 다중 피스의 자석으로 형성된 자석(32)을 가진다. 자석(32)은, 구동 유닛(4)을 마주보는 임펠러(3)의 단부에 배치된다. 자석은, 회전축(10)을 중심으로 한, 임펠러(3)의 회전을 발생시키시 위해 회전 자기장과 상호작용하도록 배열된다.

자속 경로(magnet flux path)를 폐쇄하기 위해, 백 플레이트(50)는 포스트의 임펠러 측의 반대편인, 포스트(40)의 단부에 위치된다. 포스트(40)는 자기 코어의 역할을 하고, 적합한 물질, 특히, (강철 또는 적합한 합금, 특히 코발트 강철과 같은) 연자성체로 구성된다. 마찬가지로, 백 플레이트(50)는, 코발트 강철(cobalt steel)과 같은 적합한 연자성체로 구성된다. 백 플레이트(50)는 자속(magnet flux)을 향상시킴으로써, 혈관 내 혈액 펌프에 중요한, 혈액 펌프(1)의 전체 직경의 감소를 가능하게 한다. 같은 목적으로, 요크(yoke)(37)(즉, 추가적 임펠러의 백 플레이트)는, 구동회로(4)로부터 멀어지게 향하는 자석(32)의 측면(side)에서 임펠러(3)에 제공된다. 본 실시예의 요크(37)는, 임펠러를 따라 혈액이 흐르도록, 원뿔(conical) 모양을 가진다. 요크(37)는, 또한 코발트 강철로 구성될 수 있다. 중앙 베어링(11) 쪽으로 연장된, 하나 이상의 배출 채널(wash-out channels)은 요크(37) 또는 자석(32) 내에 형성될 수 있다.

도 2는, 도 1에 따른 혈액 펌프 용 구동 유닛-임펠러-배열(drive unit-impeller-arrangement)의 선호된 실시예의 단면도를 도시한다. 도 2에 도시된 것처럼, 포스트(40)의 임펠러 측의 단부(420)는 와인딩(44)을 가로질러 방사상으로(radially) 연장되지 않는다. 오히려, 포스트(40)의 단면적은, 포스트(40)의 길이 방향 축(LA)의 방향으로 일정하다. 오히려, 포스트(40)의 단면적은, 상기 포스트(40)의 길이 방향 축(longitudinal axis, LA)의 방향으로 일정하다. 따라서, 포스트(40)는 서로 가까이 다가가지 않도록 하는데, 이는 혈액 펌프의 전기 모터의 감소된 동력의 결과를 가져오는 부분적 자기 단락(partial magnetic short-circuit)을 유발할 수 있기 때문이다.

도 2에 따른 구동 유닛은 적어도 두 개, 적어도 세 개, 적어도 네 개, 적어도 다섯 개, 또는, 바람직하게는, 여섯 개의 포스트(40)를 포함할 수 있다. 아홉 개나 열두 개처럼 더 많은 개수의 포스트(40)도 가능하다. 단면도이기 때문에, 오직 두 개의 포스트(40)만 가시적이다. 포스트(40) 및 백 플레이트(50)는, 10mm 미만의 직경을 가질 수 있는 구동 유닛(4)의 자기 코어(400)를 형성한다.

자기 코어(400)는 단일한 피스 또는 모노블록으로서 구동유닛(4)의 자기 부품(포스트(40) 및 백 플레이트(50))을 포함한다. 모노블록은, 전도율과 관련해 불연속적인 불연속 연자성체로 구성된다. 불연속 연자성체는, 강자성 물질로 구성되고 서로 적층된, 복수의 시트(85)를 포함한다. 적층 구조의 방향은 포스트(40)의 길이 방향 축(LA)의 방향으로 배열되고, 화살표 DL로 표시된다. 도시된 것처럼, 포스트(40)는 회전축(10)에 평행하게 배열된다

코일 와인딩(44)은, 포스트(40)의 임펠러 측의 단부(impeller-side end)(420)까지 연장된다. 이는, 완전한 포스트(40)를 따라 기자력(magneto-motive force)이 생성될 수 있다는 이점을 가진다. 자기 코어(400)는, 포스트(40)와 관련해 방사상으로 돌출된 포스트(40)의 후단부(rear end)(450)에 있는 돌출부(protrusion)(401)를 포함한다. 상기 돌출부(401)는, 백 플레이트(50)를 향하는 코일 와인딩(44)의 정지부(stop)일 수 있다. 통합된 자기 코어(40)는 백 플레이트(50) 및 포스트(40) 간의 높은 강성(rigidity)을 가지기 때문에, 포스트의 임펠러 측의 단부(420)에 있는 포스트(40) 간의 스페이서(spacer)는 생략될 수 있다. 통합된 자기 코어(400)는 포스트(40) 및 백 플레이트(50) 사이의 최적의 자기 연결성을 달성시킬 수 있는 이점을 제공한다. 자기 코어(400)는 10mm 미만인 직경을 가질 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는, 도 2에 도시된 구동 유닛-임펠러-배열의 구동 유닛(4)을 위한 자기 코어(400)를 제조하는 단계를 도시한다. 도 3a는 자기 코어(400)을 제조하기 위한 작업 피스를 형성하는 정육면체 모양의 모노블록(9)의 사시도를 도시한다. 모노블록(9)은 전도율과 관련해 불연속적 불연속 연자성체로 구성된다. 모노블록은, 시트(85)의 주요 면을 따라 있는 적층 구조의 방향(DL)으로 배향된 시트(85)를 포함한다. 시트(85)는, 도 3a 내지 도 3c에 분명하게 도시되지 않지만, 전기적 비 전도성체(electrical non-conductive material)의 결합된 층에 의해 개별의 이웃하는 시트에 각각 결합된다.

도 3b는, 가공된(machined), 예를 들면, 정육면체의 모노블록(9)에서 실질적인 원통형 몸체(94)로 바뀐, 반-제조(semi-manufactured) 상태의 자기 코어(400)를 도시한다. 상기 가공 단계에서, 돌출부(401)가 제조된다. 몸체(94)의 감소된 직경의 섹션(404)(상기 몸체는 자기 코어(400)의 포스트(40)의 주변의 표면을 형성함)은, 포스트(40)의 가장 바깥의 볼록한 측의 표면(842)의 외부 반경(outer radius)에 대응하는 직경으로 제조된다.

그러면, 몸체(94)는, 도 3c에 도시된 자기 코어(400)을 생산하기 위해 추가적으로 제조될 수 있다. 상기 생산 단계를 위해, 자기 방전가공이 사용될 수 있다. 특히, 와이어 절단에 의한 자기 방전가공은, 포스트(40)를 서로 분리시키는 슬롯(49)을 생산하도록 적용될 수 있다. 슬롯의 내부에는, 코일 와인딩(44)을 위한 공간이 제공된다. 슬롯(49)의 지면(ground)에서, 통합된 백 플레이트(integral back plate)(50)의 중간 영역(intermediate area)(59)은 포스트(40)의 후단부(rear ends) 사이에서 연장된다. 중간 영역은 포스트(40) 및 백 플레이트(50)에 통합된다. 따라서, 전체 자기 코어는 모노블록(9)에 의해 형성된다.

자기 코어(400)의 적층 구조의 방향(DL)은 회전축에 평행하게 된다. 베이스 플레이트(base plate)(50)의 적층 구조의 방향(DL)이, 베이스 플레이트(50) 내의 포스트(40)간의 자속과 관련해 평행하지 않는 점이 용인될 수 있다. 또한, 전지적 비 전도성 층(electrically non-conducing layers)에 의해 분리된 코일형(coiled) 연자성 시트 물체로부터 자기 코어(400)가 제조될 수 있다. 그러면, 베이스 플레이트(50)의 적층 구조의 방향(DL)은 항상 원주 방향(circumferential direction)이고, 이는 베이스 플레이트(50)의 자속의 와전류를 피할 때 이점이다.

도 4a 내지 도 4c는, 도 3a 내지 도 3c에 따라 제조된 통합 자기 코어(integrated magnetic core)의 표면에 하나 이상의 용접부가 어떻게 제공될 수 있는지를 도시한다. 따라서, 본 실시예에서 도시된 것처럼, 세 용접 시임(82, 83)은 정육면체의 모노블록(9)의 한 측면에 제공된다. 용접 시임(82, 83)은 서로 떨어진 거리에서, 그리고 모노블록(9)으로부터 절단될 몸체(40)의 단면적(84)을 가로지르는 거리에서 용접된다. 용접 시임(82, 83)은, 시트(85)의 적층 구조의 방향(DL)에 종적이다. 이러한 방식으로, 불연속 연자성체의 시트는 서로 연결된다. 세 개의 용접 시임 대신에, 셋 보다 많은 수의 또는 단일한 넓은 용접부가 제공될 수 있다. 또한, 비슷한 용접 시임이 모노블록(9)의 반대 면에 제공될 수 있다(도시되지 않음). 반대 측면의 용접에 대안 또는 추가로서, 백 플레이트(50)를 완전히 또는 적어도 부분적으로 둘러싸기 위해, 백 플레이트(85)의 레벨에 있는 모노블록(9)의 측면에 하나 또는 복수의 용접 시임이 제공될 수 있다. 시트(85)는, 용접 시임(82, 83) 때문에 더 나은 기계적 연결성을 가지고, 또한, 서로 전기적으로 연결된다. 후자는, 임의의 위치의 불연속 연자성체로부터, 예를 들어, 전기 방전가공에 요구될 수 있는, 몸체(94)의 전기적 연결성의 각각의 위치로 전류가 흐를 수 있는 것이 이점이다. 이러한 방식으로, 전기 방전가공은 상당히 촉진된다. 나아가, 몸체(94)로부터 분리될 백 플레이트-포스트 유닛(back plate-post unit)은 박리(delamination)에 의해 분해될 수 없기 때문에 높은 프로세스 신뢰도가 달성된다. 바람직하게는, 레이저 용접이 적용된다. 레이저 용접은 동일한 용접부에 두번 또는 그보다 더 자주 용접력을 적용할 수 있다는 이점이 있다.

도 5a 내지 도 5j는, 단면적에 보이는 포스트의 다양한 실시예를 도시한다. 도 5a 내지 도 5d는, 포스트가 슬롯(slotted)된, 즉 단열 레이어(insulating layers)(172)에 의해 서로 단열된 복수의 시트(171)로 형성된 실시예를 도시한다. 단열 레이어(172)는, 접착제, 래커(lacquer), 베이킹 에나멜(baking enamel) 또는 그와 유사한 것을 포함할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는, 시트(171)의 두께가 균일한 실시예를 도시한다. 상기 두께는, 25 μm 내지 450 μm 의 범위 내 있을 수 있다. 도 5a에 도시된 시트는, 도 5b에 도시된 시트(171)보다 더 두꺼운 두께를 가진다. 도 5c의 시트는 다양한 두께를 가지며, 중앙 시트가 가장 큰 두께를 가지고 가장 끝부분은 가장 얇은 두께를 갖는다. 이는, 포스트의 측부 영역(side regions)의 와전류가 더 중요하고, 상기 와전류가 얇은 시트에 의해 감소될 수 있기 때문에 이점을 가진다. 중앙 영역의 와전류는 덜 중요하고, 상대적으로 두꺼운 중앙 시트는 자속을 향상시키는 도움을 줄 수 있다. 시트(171)의 배향은, 도시된 단면적의 연자성체(즉, 자속의 방향을 가로지르는 단면적의 연자성체)가 불연속하거나 중단되는, 도 5d에 예시적으로 도시된 것처럼 다양하다.

도 5e 및 도 5f는, 포스트(141)가 단열재(insulating material)(182)에 의해 서로 단열되는 와이어(181)의 다발(bundle)에 의해 형성되는 실시예를 도시한다. 단열재(182)는 각각의 와이어(181)의 코팅(coating)으로 존재하거나 또는 와이어(181)가 내장된 매트릭스(matrix)일 수 있다. 도 5e의 실시예에서, 모든 와이어는 동일한 직경을 갖는 반면, 도 5f의 실시예에서 중앙 와이어(central wire)는 가장 큰 직경을 가지고 외부 와이어(outer wires)는, 다양한 두께의 시트를 가진 도 5c에 도시된 실시예와 비슷하게, 더 작은 직경을 가진다. 도 5g에 도시된 것처럼, 서로 다른 직경의 와이어(181)는 혼합될 수 있고, 이에 따라 모든 와이어가 동일한 직경을 가진 실시예와 비교할 때 연자성체의 전체 단면적의 영역은 증가될 것이다. 여전히 대안적으로는, 와이어(183) 간의 단열 레이어(184)를 더 최소화하도록, 와이어(183)는, 직사각형, 정사각형 등과 같은 다각형의 단면적의 영역을 가질 수 있다.

대안적으로는, 포스트(141)의 불연속 단면적은, 도 5i에 도시된 폴리머 매트릭스(polymer matrix)(186)에 내장된 금속 입자(185)에 의해, 또는 단열 매트릭스고 함몰된(impregnated) 강철 모직(steel wool) 또는 다른 다공성 구조물(porous structure)에 의해 생성될 수 있다. 연자성체의 다공성 및, 따라서, 연자성체의 불연속 구조는 소결 공정(sintering process) 또는 고압 몰딩 공정(high-pressure molding process)에 의해 생성될 수 있는데, 상기 몰딩 공정에서 공기에 노출된 연자성체가 산화(oxidation)되어 자동적으로 단열 레이어가 만들어 지기 때문에, 단열 매트릭스는 생략될 수도 있다. 또한 대안적으로는, 포스트(141)는, 도 5j에 도시된 것처럼, 말아 올려진(rolled-up) 시트가 단열 레이어(188)에 의해 분리된, 연자성체의 말아 올려진 시트(187)에 의해 형성 될 수 있다. 이는 또한, 포스트(141) 또는 포스트(40)의 와전류를 감소시키는 본 발명의 관점에서 불연속적 단면적을 제공한다.

Claims (15)

1. 환자의 혈관에 경피 삽입하기 위한 혈관 내 혈액 펌프(1)에 있어서,
   혈류 주입구(21) 및 혈류 배출구(22)를 가진 펌프 케이싱(2), 회전축(10)을 따라 회전할 수 있도록 상기 펌프 케이싱(2)에 배열된 임펠러(3) - 상기 임펠러(3)는, 상기 혈류 주입구(21)에서 상기 혈류 배출구(22)까지 혈액을 운반하기 위한 크기와 형태를 갖춘 블레이드(31)를 가짐 -;
   상기 임펠러(3)를 회전시키기 위한 구동 유닛(4) - 상기 구동 유닛(4)은, 상기 회전축(10)의 둘레에 배열된 복수의 포스트(40)를 포함하는 자기 코어(400), 및 상기 포스트(40)를 연결하고 중간 영역(intermediate area)(59) 내의 상기 포스트(40) 사이에서 연장되는 백 플레이트(50)를 포함함 -; 및
   상기 포스트(40) 각각의 주위에 배치된 코일 와인딩(44) - 상기 코일 와인딩(44)은, 회전 자기장(rotating magnetic field)을 형성하도록 제어 가능함 -;
   을 포함하고,
   상기 임펠러(3)는, 상기 임펠러(3)를 회전시키기 위한 상기 회전 자기장과 상호작용하도록 배열된 자기 구조(magnetic structure)(32)를 포함하며,
   상기 포스트(40) 중 적어도 하나의 적어도 일부의 물질(material)은 상기 백 플레이트(50)의 상기 중간 영역(59)의 물질에 통합된 것을 특징으로 하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 자기 코어(400)는, 상기 회전축(10)을 가로지르는 단면(cross-section)의 전도율(electric conductivity)과 관련해 불연속적 연자성체(soft magnetic material)를 포함하거나, 또는 상기 연자성체로 구성된 것을 특징으로 하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
3. 제2항에 있어서,
   상기 연자성체는, 상기 연자성체의 적층된 시트(laminated sheets)(85)를 포함하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 연자성체의 상기 시트(85)는 상기 회전축(10)에 평행 배향된 것을 특징으로 하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연자성체의 전도율과 관련한 불연속점(discontinuity)을 가교하는 적어도 하나의 용접부(82, 83, 86)를 포함하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
6. 제5항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 용접부(82, 83, 86) 중 적어도 하나는, 상기 포스트(40)의 반대편의 상기 백 플레이트(50)의 표면에 배열되는 것을 특징으로 하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 용접부 중 적어도 하나는, 상기 백 플레이트(50)의 반대편의 포스트(40)의 단부면(end surface)에 배열되는 것을 특징으로 하는,
   혈관 내 혈액 펌프(1).
8. 혈관 내 혈액 펌프(1)의 구동 유닛(4)을 위한 자기 코어(400)를 제조하는 방법 - 상기 자기 코어는, 회전축(10)을 가지고, 및 상기 회전축(10)을 중심으로 배열된 복수의 포스트(40) 및 상기 포스트(40)를 연결하는 백 플레이트(50)를 포함함 - 에 있어서,
   상기 방법은, 자기 전도체(magnetically conductive material)의 모노블록(monoblock)(9)을 제공하는 단계 및 상기 포스트(40)를 생성하기 위해 슬롯(slots)을 상기 모노블록(9)으로 절단시키는 단계를 포함하고, 이에 따라, 상기 포스트(40)는 상기 회전축(10) 및 상기 백 플레이트(50)를 중심으로 배열되고, 상기 백 플레이트(50)는 상기 포스트(40)에 통합된 피스(piece)를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는,
   방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 슬롯(49) 중 적어도 하나는, 상기 회전축(10)을 가르는(cut through) 것을 특징으로 하는,
   방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 슬롯(49)은, 상기 포스트(40)가 모두 동일한 길이를 갖도록 절단되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯(49)은, 상기 백 플레이트(50)가, 상기 포스트(40)의 길이 방향 축(longitudinal axis, LA)을 가로지르는 상기 포스트(40)의 최대 단면 크기(maximum cross-sectional dimension)보다 작은 두께를 가지도록 절단되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯(49)은, 전기 방전가공(electric discharge machining)을 사용하여 절단되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 슬롯(49)은, 상기 전기 방전가공에 의한 와이어 컷팅(wire cutting)을 사용하여, 절단되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
14. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯은, 전기화학식 가공(electrochemical machining)을 사용하여 절단되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
15. 자기 코어(400)가 있는 구동 유닛(4)을 구비하는, 혈관 내 혈액 펌프(1)를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 자기 코어(400)는, 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는,
    방법.

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