WO1998028543A2

WO1998028543A2 - Vorrichtung zur schonenden förderung von ein- und mehrphasigen fluiden

Info

Publication number: WO1998028543A2
Application number: PCT/DE1997/003034
Authority: WO
Inventors: Peter NÜSSER; Johannes Müller; Hans-Erhard Peters
Original assignee: Nuesser Peter; Mueller Johannes; Peters Hans Erhard
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1998-07-02
Also published as: DE19654834A1; WO1998028543A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden, insbesondere eine Blutpumpe, mit einem rotierenden Teil, das dem zu fördernden Fluid Energie zuführt, und mindestens einer Leiteinrichtung, die vor und/oder hinter dem rotierenden Teil angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das rotierende Teil als Rohr (2) ausgebildet, an dessen Innenseite die Beschaufelung (32) befestigt bzw. einstückig angeformt ist, wobei das Rohr (2) von außen im Gehäuse (7) der Vorrichtung (1) gelagert ist. Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden zur Verfügung, die das zu fördernde Medium in seinen Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich verändert und insbesondere die Hämolyse und die Bildung von Thromben bei Förderung von Blut deutlich vermindert.

Description

Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet vorzugsweise Anwendung als Pumpe zur schonenden Förderung von Fluiden in der Medizin, bei chemischen, biologischen und/oder biochemischen Reaktionen. Insbesondere wird eine Blutpumpe zur Unterstützung eines erkrankten Herzens zur Verfügung gestellt.

Aus Kawahito et al . : In Phase 1 Ex Vivo Studies of the Bay- lor/NASA Axial Flow Ventricular Assist Device, in: Heart Re- placement Artificial Heart 5, Seiten 245-252, Springer Verlag Tokyo 1996, Herausgeber T. Akutso und H. Koyagani , ist eine axiale Blutpumpe zur Unterstützung eines erkrankten Herzens bekannt, die in den Brustraum des Patienten implantierbar ist. Die axiale Blutpumpe weist ein rotierendes Laufrad mit einer Beschaufelung auf, das innerhalb eines blutführenden Rohres gelagert und mittels eines Elektromotors angetrieben wird. Hierzu ist das Laufrad als Rotor des Elektromotors ausgebildet und über an der Beschau- feiung angebrachte Magnete mit dem gehäusefesten Stator des Elektromotors gekoppelt. Eine derartige Anordnung ist auch aus der US-A-4 , 957 , 504 bekannt.

Vor und hinter dem Leitrad sind jeweils gehäusefest eine Leiteinrichtung mit Leitgitter angeordnet, die der Strömungsbeeinflussung dienen. Die vordere und die hintere Leiteinrichtung dienen des weiteren einer Lagerung des rotierenden Laufrades im blutführenden Rohr.

Die bekannte Blutpumpe weist den Nachteil auf, daß das geförderte Blut in nicht unerheblichem Ausmaße eine Trauma- tisierung und Schädigung erf hrt. Insbesondere erfolgen eine Hämolyse und Thrombenbildung. Der Grund hierfür liegt zum einen in einer Scherung und Verwirbelung des Blutes in dem Spalt zwischen dem äußeren Rand der Beschaufelung und der Innenseite des umgebenden, blutführenden Rohres. Zum anderen erfolgt eine Thrombenbildung bevorzugt an den axialen Lagern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden zur Verfügung zu stellen, die das zu fördernde Medium in seinen Eigenschaf en nicht oder nur unwesentlich verändert und insbesondere die Hämolyse und die Bildung von Thromben bei Förderung von Blut deutlich vermindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, die Beschaufelung einstückig an der Innenseite des das Fluid führenden Rohres auszubilden, wobei das Rohr im Bereich der Beschaufelung als rotierendes Teil ausgebildet ist. Eine Relativbewegung zwischen dem das Fluid führenden Rohr und der Beschaufelung findet demnach nicht statt. Das Rohr ist dabei von außen, also außerhalb des durchströmten Bereiches, im Gehäuse der Vorrichtung gelagert .

Durch die feste bzw. einstückige Verbindung der Beschaufelung mit der Innenseite des vom geförderten Medium durchströmten Rohres entfällt der im Stand der Technik auftretende Spalt zwischen Beschaufelung und Innenseite des durchströmten Rohres, so daß die im Stand der Technik auftretende Spaltdurchstörmung und die damit verbundene intensive Scherung und Wirbelbildung, die zu einer Schädigung des Fluids führen, sicher vermieden wird.

Weiter vermeidet die erfindungsgemäße Lösung eine zentrale Lagerung der Beschaufelung bzw. des die Beschaufelung tragenden Teils im durchströmten Bereich. Eine zentrale Lagerung ist nach der erfindungsgemäßen Lösung überflüssig, da die Beschaufelung fest mit der Innenseite des rotierenden Rohres verbunden und das Rohr selbst von außen im Gehäuse gelagert ist. Der Verzicht auf eine zentrale innere Lagerung vermeidet Totwassergebiete, in denen eine Schädigung des geförderten Mediums auftreten kann. Auch eröffnet die Außenlagerung der Beschaufelung neue Freiheitsgrade für die innere Strömungsführung. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Innenraum des rotierenden Rohres axial eine Nabe angeordnet, die über die Beschaufelung einstückig mit dem Rohr verbunden ist. Das von außen gelagerte Rohr, die Beschaufelung und die Nabe rotieren dabei gemeinsam. Das Vorsehen einer axail verlaufenden Nabe, die mit der Beschaufelung verbunden ist, ist aus strömungsdynamischen Gründen sinnvoll, so daß bei den meisten Beschaufelungsgeometrien eine Nabe vorgesehen sein wird. Grundsätzlich beinhaltet die vorliegende Erfindung jedoch auch Lösungen, die ohne eine Nabe auskommen. Sofern eine Nabe vorgehen ist, kann diese grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen. Sie ist jedoch bevorzugt im wesentlichen zylindrisch oder tropfenförmig ausgebildet .

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist hinter dem rotierenden Teil eine gehäusefeste Leiteinrichtung mit einem Leitgitter vorgesehen, das das durch das rotierende Teil in Rotation gesetzte Fluid in axialer Richtung umlenkt und dadurch einen Druck aufbaut. Die Leiteinrichtung weist dabei bevorzugt aus strömungsdynamischen Gründen eine axiale Nabe und ein auf der Nabe angeordnetes Schaufelgitter auf. Derartige Leiteinrichtungen sind im Stand der Technik an sich bekannt.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind zwei Leiteinrichtungen vorgesehen, von denen sich eine vor und eine hinter dem rotierenden Teil gehäusefest befinden. Die in Strömungsrichtung vor dem rotierenden Teil angeordnete Leiteinrichtung verwirklicht dabei einen günstigen Einstrδmwinkel des geförderten Fluids in das rotierende Teil, während die hinter dem rotierenden Teil angeordnete Leiteinrichtung das in Rotation versetzte Fluid in axialer Richtung in Strömungsrichtung umlenkt. Die Erfindung umfaßt auch Anordnungen, bei denen lediglich vor dem rotierenden Teil eine Leiteinrichtung vorgesehen ist .

In einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das rotierende Rohr an seiner Außenseite drehfest mit dem Rotor eines Elektromotors verbunden. Hierdurch erfolgt unmittelbar eine Kraftübertragung vom Rotor auf das rotierende Teil der Vorrichtung.

Das blutführende, rotierende Rohr kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist es über seine gesamte Länge einen konstanten Durchmesser auf. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Durchmesser nicht konstant, sondern weist bevorzugt in einem bauchigen Bereich größeren Durchmessers die Beschaufelung auf. Die Enden des rotierenden Rohres weisen gegenüber dem bauchigen Bereich einen geringeren Durchmesser auf, so daß nur kleine Lager zur Lagerung der Enden des rotierenden Rohres erforderlich sind.

Die Anzahl der Schaufeln der Beschaufelung des rotierenden Rohres ist abhängig von der Geometrie der Gesamtvorrichtung, der Geometrie der einzelnen Schaufeln, der Pumpleistung und dem zu fördernden Fluid. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Beschaufelung vorzugsweise zwei bis sechs Schaufeln aufweist. Jedoch auch mehr als sechs Schaufeln oder nur eine Schaufel sind als Beschaufelung denkbar. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Vorrichtung mehrstufig ausgeführt, d.h. es sind innerhalb der Vorrichtung mehrere fördernde, rotierende Teile hintereinander angeordnet. Hierdurch wird die Gesamt-Pumpleistung der Vorrichtung erhöht, ohne Umdrehungszahlen des rotierenden Teils verwirklichen zu müssen, bei denen Kavitation auftritt .

Zwischen dem rotierenden Rohr und den sich anschließenden festen Gehäuseteilen, insbesondere den sich anschließenden gehäusefesten Leiteinrichtungen, ist bevorzugt jeweils eine Dichtung angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:^'

Fig. 1 - einen teilweise geschnittenen, teilweise perspektivischen Schnitt durch eine axiale Blutpumpe und

Fig. 2 - einen Schnitt senkrecht zur Drehachse durch das rotierende Rohr und die damit fest verbundenen Schaufeln bei einer gegenüber der Figur 1 abweichenden Geometrie der Schaufeln.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Blutpumpe 1. Das rotierende Teil der Blutpumpe 1 besteht aus einem Rohr 2, welches einstückig und fest mit einem im Rohr 2 angeordneten Laufrad 3 verbunden ist. Das (perspektivisch dargestellte) Laufrad 3 besteht aus einer Nabe 31 und einer mit der Nabe 31 und dem Rohr 2 verbundenen Beschaufelung 32, die im dargestellten Beispiel zwei Schaufeln aufweist. Rohr 2, Beschaufelung 32 und Nabe 31 bilden ein gemeinsam rotierendes Teil. Über die Beschaufelung 32 wird dabei in an sich bekannter Art und Weise dem durchströmenden Fluid Energie zugeführt .

Es wird darauf hingewiesen, daß aufgrund der einstückigen Ausbildung von Rohr 2, Beschaufelung 32 und Nabe 31 weder zwischen Beschaufelung 32 und Innenseite des Rohres 2 ein Spalt vorhanden ist noch die Nabe 31 und die Beschaufelung 2 innerhalb des durchströmten Bereiches gelagert sind.

Das rotierende Teil ist in einem Gehäuse 7 der Blutpumpe angeordnet und über Lager 5, die das rotierende Teil aufnehmen, von außen im Gehäuse 7 gelagert.

Das rotierende Rohr 2 wird durch einen ebenfalls im Gehäuse 7 angeordneten Elektromotor angetrieben, der aus einem an der Außenseite des rotierenden Rohres 2 drehfest verbundenden Rotor 4a und einem mit dem Gehäuse 7 fest verbundenen Stator 4b besteht.

Seitlich des rotierenden Rohres 2 schließen sich Anschlußstutzen 8, 9 an. Am Anschlußstutzen 8 wird dabei die zur Pumpe hinführende Kanüle, am Anschlußstutzen 9 die das Blut abführende Kanüle befestigt. Um zu verhindern, daß das Blut aus dem Pumpeninnenraum in das Gehäuse 7 eindringen kann, ist zwischen dem Rohr 2 und den sich anschließenden, gehäusefesten Anschlußstutzen 8 und 9 jeweils eine Dichtung 61, 62 angeordnet. Das Gehäuse 7 seinerseits ist dicht mit den Anschlußstutzen 8 und 9 verbunden, wodurch auch die Dichtheit von außen nach innen garantiert wird.

Hinter dem rotierenden Teil ist im Anschlußstutzen 9 gehäusefest eine Leiteinrichtung 11 angeordnet, die dem Druckaufbau dient. Die Leiteinrichtung besteht aus einer Nabe 11a und einem mit der Nabe fest verbundenen Schaufelgitter 11b. Durch die Leiteinrichtung 11 wird das im rotierenden Teil in Rotation gesetzte Fluid in axialer Richtung umgelenkt, wodurch ein Druckaufbau erfolgt .

In alternativen Ausführungsformen ist vorgesehen, daß zum Druckaufbau zwei Leiteinrichtungen vorgesehen sind, von denen eine im Anschlußstutzen 8 und die andere im Anschlußstutzen 9 angeordnet sind (nicht dargestellt) . Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, lediglich im Anschlußstutzen 8 eine Leiteinrichtung vorzusehen.

Das rotierende, aus Rohr 2, Nabe 31 und Beschaufelung 32 bestehende Teil der Pumpe 1 besteht bevorzugt aus Titan. Die Dichtungen 61, 62 bestehen bevorzugt aus blutverträglichem Material .

Beim Betrieb der Blutpumpe 1 wird durch den Anschlußstutzen 8 angeströmtes Blut im rotierenden Teil durch die Beschaufelung 32 in Rotation versetzt, wobei die Nabe 31 für strömungsdynamisch günstige Verhältnisse sorgt. Eine Bildung von Thromben sowie eine Blutschädigung durch Scherung im rotierenden Teil ist stark minimiert bzw. findet überhaupt nicht statt, da durch das Fehlen eines Spaltes zwischen der Beschaufelung und der Innenseite des blutführenden Rohres 2 sowie das Fehlen einer im beströmten Bereich befindlichen Lagerung der Nabe 31 ein günstiges Strömungsverhalten des gefördertes Blutes ermöglicht wird, ohne daß eine Verwirbe- lung und damit eine Schädigung des Blutes stattfinden. Das aus dem rotierenden Teil in die Leiteinrichtung 11 des Anschlußstutzens 9 strömende Blut erfährt dort eine Umlen- kung in die axiale Richtung, wobei Druck aufgebaut wird. Durch die Formgebung des Schaufelgitters 11b der Leiteinrichtung 11 wird dabei sichergestellt, daß die Umlenkung des Blutes in die axiale Richtung schonend und ebenfalls im wesentlichen ohne Wirbelbildung erfolgt.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein rotierendes Rohr 2 mit mit dem Rohr 2 fest verbundener Beschaufelung und Nabe . Bei grundsätzlich gleichem Aufbau wie in Figur 1 zeigt Figur 2 gegenüber Figur 1 eine alternative Ausführung von Nabe und Beschaufelung. So weist die Beschaufelung drei Schaufeln 32a, 32b, 32c und eine Nabe 31' mit kleinem Nabenverhältnis auf.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die Erfindung ist allein, daß die Beschaufelung ohne eine zentrale Lagerung im vom Fluid durchströmten Bereich unmittelbar an der Innenseite des blutführenden Rohres ausgebildet ist, wobei das Rohr selbst als rotierendes Teil ausgeführt und von außen im Gehäuse der Vorrichtung gelagert ist.

Claims

Ansprüche

Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein- und mehrphasigen Fluiden, insbesondere Blutpumpe, mit einem rotierenden Teil mit Beschaufelung, das dem zu fördernden Fluid Energie zuführt, und mindestens einer Leiteinrichtung, die vor und/oder hinter dem rotierenden Teil angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das rotierende Teil als Rohr (2) ausgebildet ist, an dessen Innenseite die Beschaufelung (32) befestigt bzw. einstückig angeformt ist, wobei das Rohr (2) von außen im Gehäuse (7) der Vorrichtung (1) gelagert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des rotierenden Rohres (2) axial eine Nabe (31) angeordnet ist, die über die Beschaufelung (32) einstückig mit dem Rohr (2) verbunden ist, so daß das Rohr (2) , die Beschaufelung (32) und die Nabe (31) gemeinsam rotieren.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (31) im wesentlichen zylindrisch oder tropfenförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiteinrichtung (11) vorgesehen ist, die in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Teil gehäusefest angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leiteinrichtungen vorgesehen sind, von denen eine vor und eine hinter dem rotierenden Teil gehäusefest angeordet ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Rohr (2) an seiner Außenseite drehfest mit dem Rotor (4a) eines Elektromotors verbunden ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Rohr (2) über seine gesamte Länge einen konstanten Durchmesser aufweist.

Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Rohr einen nicht konstanten Durchmesser aufweist, wobei bevorzugt in einem bauchigen Bereich größeren Durchmessers die Beschaufelung ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Rohr als Beschaufelung 2 bis 6 Schaufeln (32a, 32b, 32c) aufweist .

10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Leiteinrichtung (11) . aus einer Nabe (11a) und einem auf der Nabe angeordneten Schaufelgitter (11b) besteht .

11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) mehrstufig ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem rotierendem Rohr (2) und den sich anschließenden festen Gehäuseteilen (8, 9) jeweils eine Dichtung (61, 62) angeordnet ist.