CN111514393A - 一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中磁悬浮结构血泵较重的问题，本发明提供一种用于人工心脏带有磁液悬浮结构的血泵，包括泵体，及位于泵体内的转子组件；泵体包括电机壳和密封腔体，密封腔体上设置有出血口，其中电机壳位于密封腔体的上方，电机壳上方连接有进血口；电机壳为中空结构，在电机壳的中空内设置有定子组件，所述转子组件包括转轴和转轴下方连接的叶轮，其中叶轮位于密封腔体内，所述转轴上还设置有转子磁钢，转轴内设置有进血通道，进血通道上设置有轴流叶片。本申请通过在进血通道内设置轴流叶片，能在相同的转速下增大血液泵流量，平衡血液对叶轮的压力，减小叶轮底面对血细胞破坏的风险，确保血液泵出口的扬程，提高血液流动的平稳性。

Description

一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵

技术领域

本发明涉及辅助血液流动的装置，特别是一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵。

背景技术

近年来，随着我国人口老龄化加剧以及人们生活习惯的改变，心血管疾病发病率剧增。而心力衰竭是各种心血管疾病发展到晚期的一种临床综合症，是心血管疾病致死的头号杀手。心脏移植是心衰治疗的金标准, 但面临着供体短缺的问题。我国每年心脏移植手术量仅300例左右, 导致NYHA IV级心衰患者6个月等待供体期间死亡率达35%, 如有合并心源性休克,死亡率最高达50%-70%。另外，据统计我国心力衰竭患者数量每年以新发病例50万例的速度增加, 因此, 人工心脏在心力衰竭领域未来的应用前景非常广阔。

人工心脏是心血管医疗器械中科技含量最高的技术, 属于典型多学科交叉渗透的高端产品，聚集了包括机械设计、流体力学优化、微电子电路、自动化控制、外科学等多领域技术，其组成主要包括三部分：人工血管、流体动力装置和***控制部分。其中流体动力装置，即血泵，决定着人工心脏泵血能力的强弱，因此最为重要。

现有的血泵按结构按设置位置可以分为体外泵和体内泵。例如CN100509066C所公开的电液式心脏体外循环搏动血泵，其放置于体外，通过电动控制搏动次数和压出血液流量，保证人体中需要的供血平衡，这种结构存在着体积大、不易植入体内的缺点，同时还存在着隔膜阀等部件易产生机械疲劳，隔膜效率低，产品使用寿命短。

为了减轻患者负担，需要将血泵植入体内，清华大学在2008年申请了专利号CN200810226113.8，名称为“一种植入式微型流线形轴流血泵”的专利，该专利技术公开了一种可植入体内的血泵，这种泵能够提供较大的血流量，但因其转速高达8000 rpm左右，对血液中的红细胞损坏极大，容易产生溶血，同时在轴流叶轮的支撑板易产生血栓等问题。

为了降低转速，美国专利US9731058B2公开了一种采用磁悬浮结构的离心泵，永磁体选择为L型结构；随着离心泵的叶片体积越大，其容积越大，相反重量也就越重，例如以该专利技术制造的离心泵容积为80ml时，重达200g；同时若需要达到流量为10L/min时，当泵头压力在120mmHg,转速为3600rpm左右，这种泵的直径为51mm，泵的高度34mm；如此也增加了患者的负担；为此，在有限的空间范围内，如何降低血泵重量和转速，增大血液泵流量成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中磁悬浮结构血泵较重的问题，本发明提供一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其目的在于减轻血泵的重量，加大入血管口径，在相同转速下，本发明的血泵具有更大的流量，更轻的泵体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，包括泵体，及位于泵体内的转子组件；泵体上设置有进血口和出血口，泵体包括电机壳和密封腔体，其中电机壳位于密封腔体的上方，电机壳上方连接有进血口；电机壳为中空结构，在电机壳的中空内设置有定子组件，所述转子组件包括转轴和叶轮，其中叶轮位于密封腔体内，所述转轴上还设置有转子磁钢，转轴内设置有进血通道，进血通道上设置有轴流叶片，进血通道与进血口和出血口贯通。

本申请在具体应用时，泵体为壳体类结构，泵体上部为进血管道,中部为电机壳,下部为密封腔体,三者可通过焊接或现有技术中其它方式组合在一起,便于制造、组装；电机壳为中空结构,壳内可容纳定子组件,其中电机壳也可以通过上壳体和下壳体焊接而成，在具体使用时，定子组件可选择常用的电机定子组件结构，包括定子线圈；在本申请中当定子线圈通电后，带动转子旋转，血液通过进血口进入，进血通道上的轴流叶片对血液进行一次加压，然后血液经进血通道流至密封腔体，在密封腔体内通过叶轮旋转二次加压后从密封腔体上的出血口泵出；在转子上设置有转子磁钢，转子磁钢为永磁体结构，布置在转子表层，以圆周方向排列，与电机壳内的定子组件相对应，形成磁悬浮结构。

本申请在实际应用时，达到的有益效果为：

（1）相对于现有单个离心泵而言，在获得相同流量的条件下降低了叶轮的转速；具体而言，为了维持心脏良好运行，对血泵的性能不仅仅有流量、转速，还有扬程的要求，现有技术中的泵在工作过程中为了达到较高的扬程只能增加叶轮转速，转速越高对血液中的血红细胞损伤越大,主要在于高转速导致的高剪切力对于血红细胞的破坏相当大；所以为了确保泵出的血液质量，减小对血红细胞的破坏，在本申请中通过在进血通道内设置轴流叶片，能够确保血液泵出口的扬程，同时让血泵维持在低转速内。

（2）相对于现有技术中的离心泵，本申请结构进血口与出血口距离相对较远，能够提高血液流动的平稳性。

（3）由于申请结构进血口与出血口距离相对较远，由于叶轮的旋转，会导致进血口处的抽吸力大，容易产生负压，进而血细胞会造成溶血，通过在进血通道内增加轴流叶片，可以消除负压区，避免溶血，让体内的血液流动更加平稳。

（4）相对于其它结构中的多级泵而言，若应用到本结构中不仅要克服溶血及泵体体积的问题，若增加一套轴流***，会极大的提高***复杂性，增加故障的可能性和成本，本申请结构在进血通道内设置轴流叶片，虽提高了血液压力和流量，但并未增加现有***复杂性。

附图说明

图1是本发明血泵第一视角剖视示意图；

图2是本发明泵体第一视角剖视示意图；

图3是本发明血泵第二视角剖视示意图；

图4a、4b、4c是本发明转轴移动示意图；

图5是本发明血泵转子磁钢倒圆示意图；

图中：1进血口、2轴流叶片、3径向液体动力轴承、4转子磁钢、401倒圆、402覆盖层、5定子线圈、6叶轮、7上下液体动力轴承液面、8电机背轭、9磁靴、10液体动力轴承槽、11磁芯、12凸起、13泵体、14转轴、15进血通道。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，包括泵体13，及位于泵体13内的转子组件；泵体13包括电机壳和密封腔体，密封腔体上设置有出血口，其中电机壳位于密封腔体的上方，电机壳上方连接有进血口1；电机壳为中空结构，在电机壳的中空内设置有定子组件，所述转子组件包括转轴14和转轴14下方连接的叶轮6，其中叶轮6位于密封腔体内，所述转轴14上还设置有转子磁钢4，转轴14内设置有进血通道15，进血通道15上设置有轴流叶片2。

如图1、图2、图3所示，当定子线圈5通电后，带动转子旋转，血液通过进血口1进入，进血通道15上的轴流叶片2对血液进行一次加压，然后血液经进血通道15流至密封腔体，在密封腔体内通过叶轮6旋转二次加压后从密封腔体上的出血口泵出；在转子上设置有转子磁钢4，转子磁钢4为永磁体结构，布置在转子表层，以圆周方向排列，与电机壳内的定子组件相对应，形成磁悬浮结构；在径向方向上，电机定子和转子间的拉力使转轴14上的转子磁钢4与定子组件保持在一个平面上。如果转轴14向上偏离，如图4b所示，叶轮6会受到一个向下的力，使叶轮6上的转子磁钢4与定子组件恢复保持在一个平面上，如果转轴14向下偏离，如图4c所示，叶轮6会受到一个向上的力，同样使叶轮6上的转子磁钢4与定子组件恢复保持在一个平面上；在径向方向上，电机壳与转轴14表面形成有径向液体动力轴承3，将叶轮6保持在中心位置；相对于现有技术中将永磁体设置在定子组件上，本申请结构将其固定于转子上，降低了电机的体积，进而降低了血泵的体积，减少了壳体等部件用料，从而减轻了血泵的重量；同时本申请结构简单，便于加工；在本申请中转子磁钢4包括两组或两组以上的永磁结构，永磁结构包括四片或四片以上成偶数片的永磁体，各片永磁体依次排列，且间隔一片的两片永磁体排列方向一致，但磁场方向相反，相邻两片永磁体排列方向相垂直。在本实施中，可选择四组永磁结构依次布置在转轴14表层，且每组永磁结构含有片永磁体，如图所示，每组永磁结构的永磁体排列顺序按顺时针方向依次是↓、←、↑、→；如此布置其磁场正弦分布程度较高，谐波磁场影响较小，可以降低泵的转矩涟波，因而可进一步缩小血泵的体积，降低叶轮6的重量；本申请中的进血通道15上设置有轴流叶片2是指通过在进血通道15内位于转轴14内壁上设置轴流叶片2，能够确保血液泵出口的扬程，同时让血泵维持在低转速内而提供大流量；能够提高血液流动的平稳性。

在本实施例中，同样以容积约80ml的血泵为例，采用本申请结构布置，重量仅140g左右，泵的直径约为44mm，泵的高度约为25mm；同样以泵头压力在120mmHg,流量为达到10L/min时，测量其转速约为2600rpm；通过与现有技术对比可知，本申请结构极大的降低了血泵的重量，减轻了患者的负担；在流量相同的条件下，本申请结构还降低了泵的转速，提高了血流的平稳性；达到了血泵体积小、重量轻、转速低、流量大等效果。

进一步地，为了让血液流动更加平稳，本申请中轴流叶片2可设置为2片或2片以上，对称布置在进血通道15内部，与进血通道15可采用一体式或分体式组成，轴流叶片2的对称布置，不仅让血液流动平稳，也能让转轴14受力均匀，旋转起来更加平稳，提高转轴的寿命；在本申请的其它实施例中，还可以对多片轴流叶片2进行重叠设置，即设置多层轴流叶片2，其中轴流叶片2在转轴14内壁上呈叠层结构，每一层可以设置有多片，并且各层的转轴14内壁上可以重叠，也可以错开，如此更能增加血液流量；在实际运用中，可根据转轴14及叶轮的动平衡试验结果来选择轴流叶片2的布置位置，即轴流叶片2在本申请结构中不仅仅达到增加血液流量的效果，还能提高转子组件的动平衡性，提高整体结构的稳定性。在本申请结构中，轴流叶片2安装位置优先选择安装在转轴14内壁与转子磁钢4所对应的区域，通过设置在该区域，能够提高转子组件整体结构强度，以及还能降低血液对轴流叶片2的冲击力。

进一步地，如图5所示，为了提高磁场正弦分布，同时也便于永磁体的安装和拆卸，在本申请中永磁体设置有倒角或倒圆401，以及转子磁钢4朝向定子组件侧的相邻间的边角沿轴向方向可选择倒斜角、或者倒外圆角、或者倒内圆角；特别是在倒角距离为转子磁钢4的长度距离的1/5—1/4之间时，转子磁钢4的磁场波形更能贴近一个标准的正弦波形，以此能够消除或减弱谐波，提高电机效率。

进一步地，为了确保转子组件的密封性，保障磁悬浮结构的稳定性，在本申请中在转子磁钢4外面设置有覆盖层402，以便于转轴14与电机壳之间形成径向液体动力轴承3。

进一步地，为了确保进血量，在本申请中进血口1的口部设有锥度；另，本申请中密封腔体内底面设置有锥形凸起12，其可让转轴14保持在中心位置；其中锥形凸起12可设置有平台，也可以不设置平台，在本申请中锥形凸起12采用“尖顶”结构，如图1、图2所示，能够对血液进行分流，降低血液对泵体13的冲击。

进一步地，在本申请中，密封腔体内的底部和/或顶部设置有液体动力轴承槽10。在遇到冲击力的情况下，密封壳体的底部和顶部设置的液体动力轴承槽10形成液体动力悬浮，避免叶轮6触碰密封壳体；在本实施例中，通过磁悬浮和液体动力悬浮相组合的悬浮方式，抗冲击能力强、可靠性高。其中液体动力轴承槽10可选择为螺旋形、或锥形、或球形、或斜面，具体根据液体动力轴承设计而选定。

应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作任何各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限制。

Claims (17)

1.一种带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，包括泵体（13），及位于泵体（13）内的转子组件；泵体上（13）设置有进血口（1）和出血口，泵体（13）包括电机壳和密封腔体，其中电机壳位于密封腔体的上方；电机壳为中空结构，在电机壳的中空内设置有定子组件，所述转子组件包括转轴（14）和叶轮（6），其中叶轮（6）位于密封腔体内，所述转轴（14）上还设置有转子磁钢（4），转轴（14）内设置有进血通道（15），进血通道15）上设置有轴流叶片（2），进血通道（15）与进血口和出血口贯通。

2.根据权利要求1所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述定子组件包括磁靴（9）、磁芯（11）和电机背轭（8），还包括围绕磁芯（11）的定子线圈（5），其中磁靴（9）与电机背轭（8）位于磁芯（11）的两端，磁靴（9）设置于电机壳内侧；其中转子磁钢（4）与磁靴（9）相对应。

3.根据权利要求1或2所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述轴流叶片（2）设置有2片或2片以上。

4.根据权利要求1或2所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述转子磁钢（4）设置有倒角或倒圆（401）。

5.根据权利要求3所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述转子磁钢（4）设置有倒角或倒圆（401）。

6.根据权利要求1或2或5所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，还包括转子磁钢（4）外面设置有覆盖层（402）。

7.根据权利要求43述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，还包括转子磁钢（4）外面设置有覆盖层（402）。

8.根据权利要求4所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，还包括转子磁钢（4）外面设置有覆盖层（402）。

9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，进血口（1）的口部设有锥度。

10.根据权利要求3所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，进血口（1）的口部设有锥度。

11.根据权利要求4所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，进血口（1）的口部设有锥度。

12.根据权利要求6所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，进血口（1）的口部设有锥度。

13.根据权利要求1或2或5或7或8或10或11或12所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述密封腔体内底面设置有锥形凸起（12）。

14.根据权利要求3所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述密封腔体内底面设置有锥形凸起（12）。

15.根据权利要求4所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述密封腔体内底面设置有锥形凸起（12）。

16.根据权利要求6所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述密封腔体内底面设置有锥形凸起（12）。

17.根据权利要求9所述的带有轴流和离心结构的人工心脏血泵，其特征在于，所述密封腔体内底面设置有锥形凸起（12）。

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