RU2817453C1 - Центробежный насос для экстракорпоральной мембранной оксигенации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к центробежному насосу систем экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). Насос включает уплотнение в боковой полости между корпусом насоса и рабочим колесом закрытого типа, при этом уплотнение выполнено в виде радиальных или профилированных импеллерных лопаток, расположенных на внешней стенке покрывного диска рабочего колеса. Использование лопаток в зазоре между внешней стенкой покрывного диска рабочего колеса и корпусом насоса позволит снизить травму крови при ее перекачивании через насос и обеспечить высокую энергоэффективность насоса. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, к центробежному насосу систем экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО) с уплотнением в боковой полости рабочего колеса между покрывным диском рабочего колеса и корпусом для обеспечения высокой энергоэффективности насоса и снижения травмы крови при взаимодействии с ним. Насос предназначен для перекачивания крови при полной или частичной замене функции сердца.

Предпосылки создания изобретения

Системы экстракорпоральной мембранной оксигенации позволяют на время (от нескольких часов до нескольких месяцев) заменить работу сердца и легких, тем самым давая органам возможность восстановиться после болезни. Однако средний процент успешного отключения пациентов от ЭКМО в настоящее время относительно невысок и составляет порядка 64%, процент госпитальной выживаемости 40%, что ограничивает область применения этой технологии. К причинам относительно невысоких цифр выживаемости пациентов можно отнести такие сопутствующие применению механических систем проблемы как возможность возникновения кровотечений, сепсис и возможные технические неполадки оборудования.

Замена функции сердца в системах искусственного кровообращения осуществляется путем использования центробежного (центрифужного) насоса. Такие аппараты позволяют обеспечивать постоянный поток крови в широком диапазоне подач и создаваемого перепада давления. Тем не менее используемые в настоящее время насосы сталкиваются с такими проблемами как относительно невысокий уровень энергоэффективности и их разрушительное воздействие на кровь, в частности, возникающие при взаимодействии с элементами насоса гемолиз и тромбоз. Эти ограничения, в первую очередь, определяются формой проточной части аппарата (формой рабочего колеса, в частности).

Энергоэффективность насоса, его полный КПД, складывается из следующих составляющих: гидравлический КПД (определяется формой проточной части), объемный КПД (измеряется величиной перетечек и утечек), механический КПД (зависит от значения дисковых потерь, а также трения в уплотнениях и опорах насоса). Разрушительное воздействие устройства на кровь проявляется по ряду причин: локальный нагрев/перегрев, высокие градиенты сдвиговых напряжений в области гидродинамического подшипника, осаждение клеток крови в зонах рециркуляции и стагнации, деформация клеток крови при большой площади контакта перекачиваемой среды и механического устройства.

В уровне техники известны различные варианты геометрии проточной части центробежных насосов систем ЭКМО.

Так, например, раскрытый в RU2567822 С2 кровяной насос с ротором использует диагональную форму полуоткрытого рабочего колеса, т.е., выход потока из насоса осуществляется под углом к оси агрегата, а у колеса отсутствует покрывной (верхний) диск. Такая форма рабочего колеса позволяет уменьшить радиальный габарит насоса, однако при этом увеличивает осевой. В роторе также предусмотрено отверстие, позволяющее обеспечивать перетечку крови из полости под колесом на вход в него, исключая тем самым образование зоны стагнации в этой области. К недостаткам геометрии описанного рабочего колеса следует отнести следующее:

- полуоткрытая конфигурации ротора по сравнению с закрытой, когда колесо представляет собой два диска (несущий и покрывной) и расположенные между ними лопасти, характеризуется более низким значением полного КПД, поскольку в этом случае увеличивается величина перетечки среды;

- использование диагонального колеса приводит к изменению угла наклона характеристики перепада давления, в частности, она становится более крутой, чем для радиальных колес, что нежелательно для медицинских насосов, требующих сохранения практически постоянного значения перепада в широком диапазоне расходов;

- для обеспечения требуемых параметров потока крови (подачи и перепада давления) в таком случае требуется увеличивать частоту вращения ротора, что, в свою очередь, приводит к увеличению сдвиговых напряжений в проточной части, а значит травме крови в ней.

US20130052038 А1 «Rotary blood pump and control system therefor» рассматривает способы гидродинамического подвеса ротора в корпусе. Представлен ряд решений, при которых подвес обеспечивается за счет эффекта гидродинамического клина, реализуемого в двух вариантах: для открытого и закрытого рабочих колес.

В случае использования рабочего колеса открытого типа, оно представлено втулкой с установленными на ней лопастями, т.е. несущий (нижний) и покрывной (верхний) диски отсутствуют. Лопасти располагаются в корпусе с малым зазором и омываются перекачиваемой средой со всех сторон. За счет создаваемых при вращении гидродинамических сил ротор всплывает в корпусе и занимает нейтральное положение. Однако, для того чтобы эффект гидродинамического клина работал эффективно, требуется достаточно малая величина зазоров между двумя телами и большая площадь их контакта. Объемный КПД такого насоса будет выше, чем у насосов с зазорами стандартных размеров (поскольку будет снижена величина утечек), механический КПД также будет выше, как следствие исключения из конструкции опор и уплотнений, однако гидравлический КПД все еще будет оставаться ниже, чем у устройств с закрытыми рабочими колесами. Таким образом, влияние такого решения на полный КПД устройства неоднозначно. Предложенная конструкция насоса позволит исключить зоны нагрева и повышенных сдвиговых напряжений в области уплотнений и механических опор, что снижает риск травмы крови. Однако, области малых зазоров характеризуются повышенной травмой крови за счет осаждения клеток крови в соответствующих зонах стагнации и рециркуляции. Увеличение площади контакта ротора и корпуса, например, за счет утолщения лопастей, увеличивает и площадь контакта крови с механическим устройством, т.е. также приводит к увеличению травмы крови.

В случае использования рабочего колеса закрытого типа, оно представлено колесом с нарезанными на ведомом диске линейными канавками. Такое решение позволит увеличить гидравлический КПД насоса, однако, использование канавок в боковой полости приводит к появлению дополнительных зон стагнации и рециркуляции и потенциальному повышению травмы крови.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является насос для поддержки искусственного кровообращения, описанный в US5658136A «Centrifugal blood pump», с рабочим колесом закрытого типа. Использование колеса закрытого типа позволяет увеличить гидравлический КПД насоса, но отсутствие каких-либо элементов в боковых полостях приводит к увеличению перетечки по ним. Таким образом, полный КПД насоса хоть и будет выше, чем у варианта с полуоткрытым колесом, но будет оставаться на относительно невысоком значении для машин подобного типа. Более того, такие боковые полости между ротором и корпусом будут склонны к образованию зон стагнации и рециркуляции, а значит, и повышению травмы крови в них.

Таким образом, вопрос выбора геометрии проточной части насоса по-прежнему остается открытым. Несмотря на то, что используются решения, в которых исключаются зоны стагнации и рециркуляции в боковой полости между несущим диском и корпусом, существует потребность также уменьшить травму крови в боковой полости между покрывным диском и корпусом, и дополнительно повысить энергоэффективность насоса (высокий полный КПД насоса). Именно этому посвящена настоящая заявка.

Суть изобретения

Технической проблемой, которое решает настоящее изобретение, является образование локальных зон стагнации и рециркуляции в области бокового зазора между корпусом и покрывным диском рабочего колеса центробежного насоса систем ЭКМО, приводящих к повышению травмы крови в этой зоне, а также невысокий полный КПД центробежного насоса систем ЭКМО, невозможность достижения в одной конструкции насоса одновременно высокой энергоэффективности центробежного насоса систем ЭКМО и уменьшение травмы крови.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование существующих конструкций насосов систем ЭКМО путем разработки новой конструкции рабочего колеса.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемое техническое решение, является одновременное уменьшение травмы крови в боковой полости между покрывным диском и корпусом и повышение энергоэффективности центробежного насоса систем ЭКМО.

Технический результат достигается за счет того, что центробежный насос для систем экстракорпоральной мембранной оксигенации включает уплотнение в боковой полости между корпусом насоса и рабочим колесом закрытого типа, при этом уплотнение выполнено в виде радиальных или профилированных импеллерных лопаток, расположенных на внешней стенке покрывного диска рабочего колеса.

В одном из вариантов осуществления изобретения количество импеллерных лопаток, расположенных на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, кратно количеству основных лопастей колеса.

В одном из вариантов осуществления изобретения импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют постоянную высоту в осевом направлении.

В одном из вариантов осуществления изобретения импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют переменную высоту в осевом направлении.

В одном из вариантов осуществления изобретения импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют постоянную толщину.

В одном из вариантов осуществления изобретения импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют переменную толщину.

Краткое описание рисунков

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых деталей или элементов конструкции.

На фиг. 1 показан насос в сборе с рабочим колесом, его вид со стороны несущего и покрывного дисков

Подробное описание изобретения

В целом, настоящее изобретение направлено на разработку конструкции проточной части центробежного насоса систем ЭКМО. В частности, настоящее изобретение направлено на усовершенствование конструкции рабочего колеса закрытого типа, используемого в центробежных насосах систем ЭКМО.

Заявляемая конструкция рабочего колеса согласно настоящему изобретению показана на фигуре 1.

Рабочее колесо представляет собой два диска, несущий (1) и покрывной (2), и расположенные между ними лопасти (3). Каждый из дисков (1) и (2) имеет внешнюю стенку и внутреннюю стенку. Лопасти (3) рабочего колеса и внутренние стенки дисков (1) и (2) формируют проточный канал.

Для достижения заявленного технического результата при использовании изобретения на внешней стенке покрывного диска (2) перпендикулярно плоскости диска располагаются импеллерные лопатки (5). Лопатки (5) могут быть как радиальными, так и профилированными.

В первом случае их боковые поверхности образованы плоскостями, перпендикулярными плоскости покрывного диска. Торцевая поверхность лопаток может быть представлена поверхностью, профиль которой подбирается с использованием методов численного моделирования и обеспечивает переменную высоту лопатки в осевом направлении, или плоскостью, которая может располагаться перпендикулярно к оси вращения рабочего колеса или под углом к ней, причем этот угол может как повторять угол наклона покрывного диска к оси, таким образом обеспечивая импеллерные лопатки постоянной высоты в осевом направлении, так и не совпадать с ним, образовывая лопатки переменной высоты в осевом направлении.

В случае использования профилированных лопаток их торцевые поверхности также могут быть представлены как поверхностью, так и плоскостью, обеспечивая при этом импеллерные лопатки переменной или постоянной высоты в осевом направлении. Боковые поверхности лопаток образованы поверхностями, профиль которых подбирается таким образом, чтобы не только максимально исключить из области боковой полости зоны стагнации и рециркуляции, но и уменьшить величину перетечки через нее, что по сравнению с аналогом позволит повысить объемный КПД насоса и соответственно его полный КПД. Угол входа потока на импеллерные лопатки, используя численные методы и/или классические подходы к проектированию, следует согласовывать с углом выхода потока из рабочего колеса. Угол установки лопасти на выходе импеллерных лопаток аналогичными методами должен быть согласован с углом потока на входе в рабочее колесо, чтобы исключить ухудшение характеристик потока на входе в рабочее колесо. Также возможно повторение импеллерными лопатками профиля основных лопастей колеса, при этом импеллерные лопатки должны быть сдвинуты относительно основных лопастей на половину углового шага лопасти.

Количество импеллерных лопаток и их толщина (постоянная или переменная по длине) вне зависимости от их профиля должно быть достаточным для эффективного снижения величины перетечки через боковую полость и при этом быть кратным количеству основных лопастей.

В некоторых вариантах осуществления изобретения на внешней стенке несущего диска (1) перпендикулярно плоскости диска также могут располагаться импеллерные лопатки (4) в качестве уплотнения в зазоре между несущим диском ротора и нижней крышкой корпуса. Их высота и количество подбирается с применением численных методов и/или классических зависимостей таким образом, чтобы в области боковой полости между внешней стенкой несущего диска рабочего колеса и корпусом исключить образование зон стагнации и рециркуляции, а также снизить осевую силу, возникающую на колесе. Форма лопаток (4) отличается от формы импеллерных лопаток (5), расположенных на внешней стенке покрывного диска (2), поскольку в соответствующей полости между колесом и корпусом появляется перетечка крови от выхода из рабочего колеса к входу в него. Решение об использовании лопаток на несущем диске (1) и выбор их формы осуществляется независимо от лопаток в полости со стороны покрывного диска. Предпочтительным вариантом осуществления изобретения является использование импеллерных лопаток в обеих полостях.

Представленное на фигуре 1 рабочее колесо действует следующим образом.

Рабочее колесо, на внешней стенке покрывного диска которого находится уплотнение в виде радиальных или профилированных импеллерных лопаток, согласно настоящему изобретению, применяется в составе центробежного насоса систем ЭКМО (далее - насос) и используется для обеспечения искусственного кровообращения. После установки насоса в систему осуществляется подключение насоса к приводу и последующее заполнение системы ЭКМО. После запуска электродвигателя на ротор насоса подается крутящий момент, приводящий его в движение. При этом поток крови, поступающий на вход в насос, взаимодействует с лопастями (3) рабочего колеса. Лопасти (3) преобразуют механическую энергию привода в энергию движения крови, тем самым обеспечивая течение крови от входа в рабочее колесо к выходу из него. За счет создаваемого на рабочем колесе перепада давления часть крови, выходящая из него, направляется в боковые полости, образованные несущим и покрывным дисками (1) и (2) рабочего колеса и корпусом насоса.

Поток крови в боковой полости между покрывным диском (2) и корпусом насоса взаимодействует с расположенными в этой области лопатками (5) и выравнивается. Создаваемый на лопатках (5) перепад давления уменьшает величину перетечки и обеспечивает повышение полного КПД насоса. Поток крови в полости между несущим диском (1) и корпусом насоса взаимодействует с импеллерными лопатками (4), в случае их установки, и выравнивается.

При разработке решения методами численного моделирования было проведено исследование влияния установки радиальных и профилированных импеллерных лопаток на внешнюю стенку покрывного диска центробежного насоса ЭКМО на величину касательных напряжений (в общем случае эта величина позволяет оценивать травматичность потока для крови) и полного КПД. При этом в полости со стороны несущего диска в рассматриваемом насосе использовались радиальные импеллерные лопатки. По результатам исследования было получено, что установка радиальных лопаток в полость со стороны покрывного диска позволяет увеличить полный КПД центробежного насоса ЭКМО в диапазоне рабочих режимов в среднем на 2% и снизить среднюю величину касательных напряжений в полости между покрывным диском и корпусом на 6% по сравнению с вариантом без лопаток в этой области. Установка профилированных лопаток, повторяющих форму основных лопастей рабочего колеса, позволила увеличить полный КПД центробежного насоса ЭКМО в диапазоне рабочих режимов в среднем на 5% и снизить среднюю величину касательных напряжений в полости между покрывным диском и корпусом на 13%.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные варианты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Claims (5)

1. Центробежный насос для систем экстракорпоральной мембранной оксигенации, включающий уплотнение в боковой полости между корпусом насоса и рабочим колесом закрытого типа, при этом уплотнение выполнено в виде радиальных или профилированных импеллерных лопаток, расположенных на внешней стенке покрывного диска рабочего колеса и сдвинутых относительно основных лопастей рабочего колеса на половину углового шага лопасти, а угол входа потока на импеллерные лопатки согласован с углом выхода потока из рабочего колеса.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что количество импеллерных лопаток, расположенных на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, кратно количеству основных лопастей колеса.

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют постоянную высоту в осевом направлении.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют переменную высоту в осевом направлении.

5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что импеллерные лопатки, расположенные на внешней стороне покрывного диска рабочего колеса, имеют постоянную толщину.

Images