CN108136086A - 用于输送流体的泵以及用于确定流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输送流体的泵，尤其血泵，其包括用于确定通流量的装置。用于确定通流量的装置能够经由集成在泵中用于向输送流体供应热能或从输送流体排出热能的装置以及集成在泵中用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置有利地执行。

Description

用于输送流体的泵以及用于确定流量的方法

本发明属于电气工程和机械工程领域，能够特别有利地用于医疗技术领域。

更具体地说，本发明涉及用于输送流体的泵。

通常需要确定在由泵输送的流体的范围内的流量。例如这能够通过检测电动机电流和旋转速度以及这些参数与泵中的体积流量之间的已知关系来实现。

在某些情形下，这种估算方法不够精确或不够可靠，尤其如果粘度发生变化或转子上有额外的负载转矩(例如血栓)。

最后，在具有有源磁性轴承的旋转泵的情形下，通过监测受控轴承中的力能够确定泵上的压力差，在此基础上考虑进一步检测的参数来估计流量。

本发明的目的是创建一种用于输送流体的泵，该泵允许以尽可能最可靠的方式确定通流量。尤其在具有泵管的血泵的情形下，通过一种用于确定通流量的装置来解决该目的，其中，设置了集成在泵中用于将热能供应到被输送的流体或从被输送的流体排出热能的装置，以及设置了集成在泵中用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置。

如果借助于温度元件(用于供应或排出热能的装置)将热能供应至待输送的流体或从待输送的流体中移除热能，则温度作为时间的函数而变化，使得待输送的流体与用于供应或排出热能的装置接触，因此作为通流量的函数。由此获得的温度或温度变化或由此获得的温度梯度被测量，并且被用于依靠已知参考值或一组特性曲线来确定通流量。一个实施例配置为使得加热器和/或其它热源(在进入血泵之前)加热泵管的血液传导侧，相对于血液温度不超过2开氏温度。

集成在泵中用于供应或排出热能的装置能够是例如“产生”或“吸收”热量的温度元件(当然这意味着：在热能和另一种能量形式之间存在转换)并且与被输送的流体直接接触，例如所述流体围绕所述装置流动。例如，该装置能够是加热丝或珀耳帖元件。

借助于在待输送的流体处或在温度元件附近获得的一个或多个温度测量，能够确定产生的温度或温度差、温度变化或温度梯度。例如，结合泵，能够在泵入口处设置第一温度传感器，温度元件相对于流体的传送方向布置在其下游，另外的温度传感器例如进一步布置在下游，例如在泵出口处。

与用于测量每分钟心输出量的热稀释法类似，能够相应地控制温度元件，从而产生可进入流体中的可再现的热量输入。然后通过泵的流量能够根据其温度和其进程或者在泵入口和泵出口处测量的温度和温度之间的温度差和进程来确定。

原则上，US4465063公开了在泵中使用流量计，然而所述流量计在该情形下安装在驱动泵的流体(气体)的次级回路中并且不直接接触待输送的流体。

本发明的一个实施例规定，加热元件与泵管直接热接触，设置有用于确定加热元件的温度的装置，该装置集成在加热元件中或者被设置为单独的温度传感器。

通过提供一定的供热量，因此能够增加加热元件的温度。温度升高被传递到泵管，泵管直接传导血流。根据血液流速，泵管和加热元件通过沿着泵管壁流动的血液被冷却到一定程度。因此，血液的流速以及因此通流量也能够由温度升高或以绝对值测量的温度来确定。温度传感器能够设计为使得加热元件形成为电阻加热器，电阻器形成为与温度相关的电阻器。温度能够通过加热电阻处的压降来确定。但是，热电偶也能够作为温度传感器连接至加热元件/加热电阻器或者能够紧临其附近布置。

另一实施例能够规定，参考温度传感器布置在泵管上，与加热元件隔开一距离，尤其在至少2mm的距离处，更尤其在至少4mm的距离处，并且与其直接热接触。

使用这种参考温度传感器能够直接在血液中或通过泵管的温度来确定血液的温度。通过参考温度传感器进行的温度测量是在血液温度最大程度上不受加热元件影响的位置处进行的。因此，在确定流速时血液温度能够用作修正变量。

此外能够规定，加热元件和参考温度传感器布置在泵管上，基本上相对于泵管的纵向轴线处于相同的轴向位置上并且在周向方向上彼此间隔开一距离。

因此能够以简单的方式确保，参考温度传感器独立于加热元件的加热效果来测量血液温度。因此这些元件(加热元件和参考温度传感器)也能够以节省空间的方式布置。

通过这种布置，参考温度测量也与通流量或流速无关。

另一个实施例能够规定，加热元件和用于确定加热元件和/或参考温度传感器的温度的装置布置在泵管的外侧。因此传感器和加热元件一方面易于接近，另一方面不会干扰泵管中的血流。泵管本身的设计方式就其成型、壁厚和材料选择而言，一方面其足够好地散发热量到血液，另一方面温度增加不主要沿着泵管在其材料中传播。通过加热元件的操作在泵管处形成热点，该热点主要与流过的血液交换热量。

此外能够规定，泵管由钛或钛合金制成，并且至少在布置有加热元件的部分中具有尤其在0.1mm至1mm之间，更特别地在0.1mm至0.7mm之间。钛和钛合金具有对于实现上述目标最佳的导热系数。为此，正确选择泵管的壁厚是非常重要的。在此，所需的热性能必须与必要的机械稳定性相平衡。

本发明的特定实施例提供的是，用于向被输送的流体供应热能的装置由集成在泵中的驱动马达形成。在泵的驱动马达中转换的热能能够通过马达电流和电压来计算，因此能够在此基础上确定输入到流体中的热量。在驱动马达能够将热量传递到被输送的流体的点的上游和下游的泵中的下游温度测量或温度测量使得能够在考虑马达功率的情形下确定通过泵的通流量。

还能够规定，用于向所输送的流体供应热能的装置由集成在泵中的一个或多个有源轴承、尤其磁性轴承形成。泵转子的轴承也能够被认为是热源，其功率能够被确定，例如在受控磁轴承的情形下通过监测通过轴承电磁体的电流来确定。由轴承输入的热能也能够与确定的温度或确定的温差结合使用以确定通流量。也能够考虑在轴承中转换的功率和作为热量输入的电机驱动功率的总和。

本发明的另一个实施例能够提供的是，布置在待输送的流体流中的加热或冷却元件，尤其呈加热丝或冷却元件、尤其珀耳帖元件的形式，布置在泵的外壳上或直接布置在泵的外壳上。通过这种加热或冷却元件能够将限定的正或负热输入引入到流动的流体中，所述加热或冷却元件能够形成为加热丝，或者也能够形成为珀尔帖元件或者以其他已知的形式形成，并且温度改变或温度梯度能够由靠近温度元件本身的对应传感器或例如在加热或冷却元件的上游和下游的对应传感器来检测。在这种情形下，该装置的功能类似于电热丝风速计。

如以上部分中已经解释的，为了实现本发明，能够规定，用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置包括第一和/或第二温度传感器，其中，在待输送的流体流中，其中一个温度传感器布置在用于供应或排出热能的装置的上游，另一个温度传感器布置在用于供应或排出热能的装置的下游。

在此，例如还能够规定，用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置包括第一和/或第二温度传感器，其中，在待输送的流体流中，其中一个温度传感器布置在泵转子的上游，另一个温度传感器布置在泵转子的下游。

在此，泵转子还能够包括泵的驱动马达，使得由马达输入的热量也被考虑，作为单个热量输入或者附加于由加热元件输入的热量。冷却元件也能够与由马达输入的热量组合，总热平衡能够通过温度测量来检测。

也能够设想，用于确定温度或温度变化的装置直接布置在加热或冷却元件上或者集成在其中。温度测量或温度变化或梯度的检测因此直接在发生热输入或热排出的点处执行，使得其他影响能够在很大程度上被排除，并且在用于确定温度或温度变化的装置直接集成在加热或冷却元件中的情形下，能够直接使用随温度变化的元件的物理特性来检测温度变量，例如当温度相关的电阻器或热电偶集成在加热或冷却元件中时。

在本发明的情形下还能够提供的是，用于确定温度变化的装置直接布置在加热或冷却元件上，并且设置了用于将温度、温度变化或温度梯度调节到给定目标值的控制装置，其中，为了实现目标值而控制要供应的加热或冷却功率。因此能够通过控制操作获得特定的温度或特定的温度梯度，其中，通流量能够通过控制所需的影响参数来确定，影响参数例如是所提供的能量(例如电流)。该方法和该装置的优点在于，工作温度和相对于周围环境(＝血液)的温差保持相同，因此影响通流量确定的温度依赖变量仍然被排除。

还能够规定，温度元件的散热区域和/或冷却区域布置在待输送的流体流中，并且设置一个或多个温度传感器以连续检测元件的温度和/或流过的流体的温度。在这种情形下，不是使用的待输送流体的温度发展，而是温度元件即加热元件或冷却元件的温度发展。原则上通过电控制器来加热或冷却，其中，热量以取决于通流量的方式输送到周围介质。这种类型的装置允许包含温度传感器的温度元件特别好地集成。

此外能够规定，设置依赖于温度的电阻或热电偶以检测温度元件的温度。

本发明还涉及一种上述类型的泵，还涉及一种用于确定要由上述类型的泵输送的流体的流量的方法，其中，在考虑检测到的加热或冷却功率、温度、温度差、电动机功率、以及尤其泵的旋转速度和电轴承性能时能够确定流量。

本发明的特定实施例能够依赖例如这样的事实：连接到待输送流体的温度元件的交换区域，尤其珀耳帖元件被交替冷却和加热，并且依赖这样的事实：连续测量温度交换区域，并且基于温度变化和/或加热或冷却能力来确定流速。

在下文中，将基于附图示出本发明的示例实施例，并且将在下面进一步解释。在附图中，

图1示意性地示出了具有用于通流量传感器的两个标记位置的血泵的纵向截面，

图2示出了类似于图1中的实施例的泵的平面图，

图3以纵截面示意性地示出了与图1中的泵类似的泵，其中驱动马达以稍微更详细的方式示出，

图4示出类似于图3中的泵的泵，其中轴向轴承单元另外以更详细的方式示出，

图5示意性地示出了示例性通流量传感器的构造，

图6示出了加热元件和参考温度传感器在泵管外部的布置。

图1以纵向截面示意性示出了根据本发明的泵1，该泵例如能够是用于活体患者的血泵。这种泵能够是可植入的或部分植入的。但是，这种泵也能够用于其他医疗或非医疗目的。通过一个或多个通流量传感器到泵的节省空间的集成和/或结构连接能够得到特别的优点。

这种泵通常具有带泵入口3和泵出口4的泵壳体2。在入口3和出口4之间设有流体通道5，该流体通道在所示实例中在第一区域6沿轴向方向延伸，在第二区域7中至少部分地沿径向方向延伸。泵壳体2具有至少部分位于入口3和出口4之间的泵管2a，流体通道5在所述泵管中运行。转子8设置在流体通道5的轴向区域6内并且可围绕旋转轴线9驱动，并且在其径向外部区域中具有未详细示出的输送叶片形式的输送元件10。

例如为血液的流体通过转子8被其输送元件10从泵入口3沿轴向方向9被输送，其中，流体被额外地旋转并且在流体通道5的第二区域7中至少部分地沿径向方向和周向方向被向外推动，其中，它通过离心力被输送到径向向外布置的泵出口。

应该注意的是，本发明也适用于纯轴向输送泵或者具有不同输送原理的泵。

为了确定泵的通流量，通流量传感器应布置在流体通道5的尽可能均匀的流动的区域中。为此目的，例如应该将通流量传感器直接方便地布置在泵入口和/或泵出口4上。然而，并不排除这种通流量传感器也能够布置在泵的其他位置，在所述其他位置，能够局部检测代表通过泵的总流量的流量。

图1中示出的导流轮11沿流动方向位于转子8的上游并且包括导流元件，导流元件例如使进入流旋转，这改善了泵的输送能力。

构成创新基础的一个概念是，这种类型的泵的通流量能够通过能量的局部输入或能量的局部消耗被测量，并且同时检测温度发展，这是由于具有相应的供热或耗热的温度发展由流经的血液/流经的流体的热输送来确定。为此，能够在泵内在第一温度传感器12和第二温度传感器13之间设置温度元件14，利用该温度元件使得热能能够输入流体中，例如加热电阻器，该加热电阻器能够被电控制。所供应的热能因此能够被精确地确定，例如借助于第一传感器12和第二传感器13能够确定借助于温度元件14通过加热获得的温度差。

然而，通过电动泵驱动器输入流体的热量也能够在基础计算模型中被考虑，尤其在集成有驱动器的泵内。

每单位时间的输入能量(即加热能力)与泵入口和泵出口之间的温度差成线性近似正比。比例因子由血液密度、比热容和血液流速的乘积决定。另一方面，输入能量能够根据泵的电机驱动器的电功率以及温度元件14(如果提供的话)来计算。

描述泵的热模型的相应公式如下：

其中，对应于每单位时间的热能的输入，ρ对应于血液密度，c对应于比热容，Qb对应于血液流速，T_入口对应于泵入口处的温度，T_出口对应于泵出口处的温度。

为了更好地理解泵结构，图2示出了图1的泵的沿轴向方向9的视图，其中，流体通道5的区域7中的血液的流动方向由箭头15、16指示，其中，血液沿周向方向17被径向向外推动，然后流向泵出口4。套管18连接至泵出口4，血液通过套管18被进一步输送。

除了示出在图1中之外，泵驱动器的定子19在图3中示意性地示出在泵壳体上，其中，定子19同心地围绕泵壳体中的转子8。转子8包含相应的磁性元件，其用于实现无刷电动机。由定子19中的电流产生的至少一些热量被输入到流体通道5中。

在图4中另外示出了轴承装置20，其包括与转子8一起旋转的轴承的第一部分20a以及轴承的静止部分20b。轴承的静止部分20b是磁路的一部分，该磁路例如能够由泵壳体2和定子19的部件封闭，其中，可控电磁体集成在该磁路中，能够沿轴向方向控制磁力以便提供转子8的轴向支撑。为此目的，所需的电力也能够被包括在供热的计算中，即计算输入到流过泵的血液中的总热能。

为此，示意性地示出了控制单元21，其通过管线22、23被连接到泵的有效的散热元件，即定子19和轴承装置20，并且能够借助所述控制单元确定输入的电量且因此也确定热容量。控制单元21另外连接到第一传感器12和第二传感器13，使得它同样能够检测泵入口3和泵出口4之间的温度差。控制单元21能够包括微控制器，通过该微控制器，能够基于检测到的温度差和输入功率直接确定血液通流量。

温度传感器12、13例如能够在泵入口3的区域中依靠流体通道5中的支撑星形件被保持在泵1内，或者温度传感器能够在转子之前布置在入口导向叶片11的区域中，并且能够被紧固至入口导向叶片11。例如温度传感器也能够在泵入口的区域中被紧固至壳体2的内壁上。

温度传感器能够通过支撑星形件被保持在泵出口4的区域中，同样也能够被保持在出口通道中。然而，温度传感器13也能够被紧固至泵出口通道4的壁上。

将温度传感器紧固至支撑元件(尤其是支撑星形件)，使得相应的温度元件远离泵壳体2的壁具有以下优点：所产生或吸收的所有热量在温度元件中在热量传导到壳体2的壁之前与流体交换。

用于预先实现本发明的上述变型，使得在泵转子或温度元件的上游和下游检测温度。

然而，也能够通过能够集成在泵中的单个热风速测量元件来确定流体的通流量。为此，一方面通过元件将热量耗散到流体中或者从流体中吸收，另一方面同时确定温度元件本身的温度变化。

为此，能够将温度元件连接到传感器，使得例如将加热电阻器联接到温度传感器(例如热电偶)，或将珀耳帖元件耦合到热电偶，或者能够将加热电阻器中的这两种电能转换，并且能够通过电阻器的温度依赖性来测量加热电阻器的温度。这样，能量输入和温度变化都能够通过相同的元件进行控制和检测。

为此，图5示出了将在下文中解释的元件。图5以剖面示出了金属导体元件24，电极25、26附接至金属导体元件24。导体元件24布置在由箭头27指示的流体流动中，箭头27示出了流动方向。如箭头28所示，如果电流现在通过导体24，则所述电流因此也将至少部分地根据电阻变量通过电极25、26，其中，热电偶形成在过渡区域中，在过渡区域中通过材料转变区域中的电流的效应产生热电电压。借助于能够被测量的该热电电压能够非常精确地确定导体24处的温度。

此外，当在电极25、26和导体24之间的材料过渡的区域中选择合适的材料时，能够利用珀尔帖效应，珀尔帖效应例如(由代表热量输入的箭头29示出)在电流从导体24进入到电极25(是更好的导体)的区域中需要产生热量，而在电流从电极25、26再次进入导体24的区域中发生吸热，这由箭头30示出。作为这些效应的结果，温度变化发生在导体24处，并且能够通过借助电压变化的上述热效应来证明。

如在所示实例中那样，如果流体围绕导体流动，则所述导体被流体主动地冷却。因此，特定电流流动下的温度变化取决于导体周围流动的介质的流量。借助于相应的一组特性曲线，于是在通过导体24的给定电流下能够基于检测到的热电电压确定流体或血液的通流量。

使用珀耳帖元件(其中加热和冷却区域与血液泵的血液接触)能够具有以下优点：通过同时、局部分布的加热和冷却，血液的温度总体上基本上保持不变。

然而，也能够规定，通过使用珀尔帖元件，只有材料过渡部与血液接触，并且通过改变电流方向来作用于珀耳帖元件，使得特定材料过渡部交替地释放和吸收热量。因此，流过的血液同样被交替加热和冷却，从而总体上在患者体内流动的血液体积在温度方面不会改变。

然后能够通过检测热电电压在相同的元件中确定血液的通流量。然而，也能够想象的是，检测由于血液的交替加热和冷却而发生的血流下游的温度波动，并且基于朝向更温暖以及更冷温度的温度波动来确定血液的通流量。这也能够基于校准测量和使用相应特性曲线而发生。

图6沿轴向方向在一个视图中示出了泵管2a，其由钛或钛合金制成并且具有的壁厚在0.1至0.7mm之间。加热元件31设置在泵管2a的周边外部的第一点处并且形成为加热电阻器并且通过外部电路33供给。加热元件31的加热导致泵管2a的局部温度升高，呈虚线34表示的热点的形式。该热点由泵管2a的内侧通过流过那里的血液被冷却，其中，加热元件的平均温度取决于血液的流速并且允许确定所述流速。

当确定流速时为了考虑未加热的血液的温度，通过泵管2a上的参考温度传感器32在距离加热元件31一距离处进行温度测量。在该点处，泵管具有血液的温度。

总体而言，本发明通过将基于热稀释原理的流量计集成在泵中允许一种节省空间的解决方案，其中进一步优势得自于通过将温度评估和由此推导出的通流量计算集成在用于泵的控制装置中。

Claims (15)

1.一种具有用于输送流体的泵管的泵(1)，尤其是血泵，所述泵具有用于确定通流量的装置，其特征在于，设有集成在所述泵中用于向所输送的流体供应热能或从所输送的流体排出热能的装置(12、13、19、20、24、25、26、31)，以及设有集成在所述泵中用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置(32)。

2.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，加热元件(31)与所述泵管(2a)直接热接触，设有用于确定所述加热元件的温度的装置(32)，该装置集成在所述加热元件中或者设置作为单独的温度传感器。

3.根据权利要求2所述的泵，其特征在于，参考温度传感器(32)布置在所述泵管(2a)上，与所述加热元件隔开一距离，尤其隔开至少2mm的距离，更具体地隔开至少4mm的距离，并与其直接热接触。

4.根据权利要求2或3所述的泵，其特征在于，所述加热元件(31)和所述参考温度传感器(32)布置在所述泵管(2a)上，所述加热元件(31)和所述参考温度传感器(32)相对于所述泵管的纵向轴线基本上处于相同的轴向位置上，并且沿圆周方向彼此间隔一距离。

5.根据权利要求2、3或4所述的泵，其特征在于，所述加热元件(31)和用于确定所述加热元件和/或所述参考温度传感器(32)的温度的装置布置在所述泵管(2a)的外侧。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的泵，其特征在于，所述泵管(2a)由钛或钛合金制成，并且至少在布置有所述加热元件(31)的部分中具有尤其在0.1mm至1mm之间，更尤其在0.1mm至0.7mm之间的壁厚度(d)。

7.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，用于向所输送的流体供应热能的装置由集成在所述泵中的驱动马达(8、19)形成。

8.根据权利要求1或7所述的泵，其特征在于，用于向所输送的流体供应热能的装置由一个或多个有源轴承形成，尤其由集成在所述泵中的磁性轴承(20)形成。

9.根据权利要求1、7或8所述的泵，其特征在于，布置在待输送的流体流中的加热或冷却元件(12、13)尤其呈加热丝或冷却元件、尤其珀耳帖元件的形式，并布置在所述泵(1)的外壳(2)中或直接设置在所述外壳(2)上。

10.根据权利要求1、7、8或9所述的泵，其特征在于，用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置(13、14)包括第一和第二温度传感器(13、14)，其中在待输送的流体流中，所述温度传感器中的一个温度传感器布置在用于供应或释放热能的装置(12、13、19、20、24、25、26)的上游，而另一个温度传感器布置在用于供应或释放热能的装置(12、13、19、20、24、25、26)的下游。

11.根据权利要求10所述的泵，其特征在于，用于确定温度、温度变化或温度梯度的装置(12、13)包括第一和第二温度传感器，其中在待输送的流体流中，所述温度传感器中的一个温度传感器(12)布置在泵转子(8)的上游，而另一个温度传感器(13)布置在所述泵转子(8)的下游。

12.根据权利要求9所述的泵，其特征在于，用于确定温度或温度变化的装置直接布置在所述加热或冷却元件(12、13、24、25、26)上或者集成在所述加热或冷却元件(12、13、24、25、26)中。

13.根据权利要求10、11或12所述的泵，其特征在于，用于确定温度变化的装置(12、13)直接布置在所述加热或冷却元件上，设有用于将温度、温度变化或温度梯度调节至给定目标值的控制装置(21)，其中，待被供应以实现所述目标值的加热或冷却功率被确定。

14.根据权利要求1、7、8、9、10、11、12或13所述的泵，其特征在于，温度元件(24、25、26)的散热区域(30)和/或冷却区域(29)布置在待输送的流体流中，并且一个或多个温度传感器设置成用于连续检测所述元件(24、25、26)和/或流过的流体的温度，其中，尤其设有温度相关的电阻或热电偶作为温度元件。

15.一种用于确定由根据权利要求1所述的泵所输送的流体的流量的方法，其特征在于，在考虑检测到的加热或冷却能力、温度、温度差、电动机容量以及尤其泵的旋转速度和电轴承性能的情况下来确定所述流量。