CN111643755A - 基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵 - Google Patents

基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，包括前泵盖和后泵盖，前泵盖和后泵盖组成螺旋形蜗壳，螺旋形蜗壳内设有叶轮，叶轮与磁驱动座连接，磁驱动座驱动叶轮转动；前端盖中心处设有进口管路，螺旋形蜗壳的边缘设有出口管路；前泵盖设有环形凸起作为蜗壳流道，入口管路与环形凸起同圆心；叶轮中心设有通孔，通孔的位置与进口管路对应；叶轮与后泵盖之间通过三基点线轴承连接；磁驱动座安装在后泵盖的卡槽内，磁驱动座与外部磁驱动***的磁传动原件形成磁力配合。本发明采用的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，依靠径向力及轴向力平衡实现装置内机械接触面积最低，降低了血细胞损伤，并且总体质量轻、体积小，方便批量化生产。

Description

基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，动力方式为无轴磁传动，配合一种基于三基点的线接触轴承，进一步降低了转子定子接触面积，转速根据流量需求灵活调整。
背景技术
心衰，已经与癌症并列为人类的头号杀手。我国有超过1000万的心衰患者，发达国家的心衰患病率更高，美国每年用于心衰的治疗费用高达307亿美元。相当一部分的患者，药物等其他医疗措施无效，濒临死亡。心脏移植、体外心脏维持生命特征等待本体心脏或者移植心脏逐步恢复、关联心脏重大手术术后恢复等重大医学过程中，心脏泵作为治疗相关心脏病及大型疾病病人最有效的方法，是人类在治疗心脏病的过程中取得的重要的成就和突破。
目前国际上，美国、日本、澳大利亚等国均有技术成熟、完成临床试验、通过美国食品药品监督管理局FDA(Food and Drug Administration)认证的体外式心脏泵装置产品，并推广应用到了世界各大医疗中心中。而在国内，相关技术依然处于研发阶段，而且国外的成熟产品进入中国市场价格偏高，为中国广大患者提供必要的服务经济负担极大，这直接导致了国内体外式心脏泵产品空缺的状态。
发明内容
针对上述技术问题，为了填补左心辅助装置领域的空缺，本发明采用的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，依靠径向力及轴向力平衡实现装置内机械接触面积最低，降低了血细胞损伤，并且总体质量轻、体积小，方便批量化生产。
具体的技术方案为：
基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，包括前泵盖和后泵盖，前泵盖和后泵盖组成螺旋形蜗壳，螺旋形蜗壳内设有叶轮，所述的叶轮与磁驱动座连接，磁驱动座内布置有永磁体，与后泵盖外侧磁驱动***配合，依靠磁力运转驱动叶轮转动；前端盖中心处设有进口管路，螺旋形蜗壳的边缘设有出口管路；
进口管路与螺旋形蜗壳同圆心；
所述的叶轮中心设有通孔，通孔的位置与进口管路对应；叶轮与后泵盖之间通过三基点线轴承连接；
磁驱动座安装在后泵盖的卡槽内，磁驱动座与外部磁驱动***的磁传动原件形成磁力配合。
所述的三基点线轴承包括以下几种方式：
后泵盖内侧中心设有三个凸起，所述的叶轮上对应的设有环形凹陷，所述的三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触；
或者，后泵盖内侧中心设有三个凹槽，还包括三个轴承球，三个轴承球分别位于三个凹槽内，所述的叶轮上对应的设有环形凹陷，所述的三个轴承球位于环形凹陷内形成旋转接触；
或者，后泵盖内侧中心设有环形凹陷，所述的叶轮上对应的设有三个凸起，三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触。
所述的环形凹陷的横截面为半圆形，所述的凸起为椭球型。
后泵盖内侧中心设有环形的平缓过渡光滑凸起。
本发明针对心脏泵组合可以适用多种场合，可以单独使用体外式心脏泵，比如关联心脏的重大手术以后作为体外式心脏辅助恢复，或者与人工膜肺组合作为体外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO)套件使用等。
本发明针对心脏泵应用场合不同、不同人体特征、手术以后恢复进度不同的用血需求，可通过调节转速达到出血量稳定即时变化的目的，并且溶血率相比较目前国际成熟产品较优，进而保证输血量与输血质量均满足生理需求。同时无轴化永磁体驱动设计使得血液中生物细胞破裂率进一步降低；流道曲线及叶轮部件背部的血液回流流道设计贴近血液流动规律，使得血液中生物细胞破裂率更进一步降低，并降低凝血概率，上述各参数均在国际标准可接受范围内并优于同类国际成熟产品。
综合比较本发明的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，技术全面优于国际成熟同类产品，对于目前我国心衰病患者、关联心脏重大手术术后恢复患者及类似新冠肺炎重症患者恢复等其他相关体外式心脏泵恢复领域具有重大的应用意义及对体外式心脏泵设计具有重要的学术参考价值。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是发明心脏泵中间流道轴截面应力场分布；
图3是同类型国际心脏泵同截面上应力场分布；
图4是本发明心脏泵子午截面应力场分布
图5是相关同类型心脏泵子午截面应力场分布
图6是本发明的装配外形图
图7是本发明的后泵盖内部结构示意图；
图8是本发明的三基点线轴承实施方式之一的后泵盖结构示意图；
图9是本发明的三基点线轴承实施方式之二的后泵盖结构示意图；
图10是本发明的三基点线轴承实施方式之一和之二的叶轮结构示意图；
图11是本发明的磁驱动座与后泵盖连接示意图；
图12是本发明的三基点线轴承实施方式之三的后泵盖结构示意图；
图13是本发明的三基点线轴承实施方式之三的叶轮结构示意图；
图14是本发明的轴面投影图；
图15是本发明的轴面液流过水断面面积变化图；
图16是本发明的方格网图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1，基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，包括前泵盖1和后泵盖2，前泵盖1和后泵盖2组成螺旋形蜗壳，螺旋形蜗壳内设有叶轮3，所述的叶轮3与磁驱动座4连接，磁驱动座4内布置有永磁体，与后泵盖2外侧磁驱动***配合，依靠磁力运转驱动叶轮3转动；前端盖1中心处设有进口管路6，螺旋形蜗壳的边缘设有出口管路5；
进口管路6与螺旋形蜗壳同圆心；
所述的叶轮3中心设有通孔，通孔的位置与进口管路对应；叶轮3与后泵盖2之间通过三基点线轴承连接；
磁驱动座4安装在后泵盖2的卡槽内，磁驱动座4与外部磁驱动***的磁传动原件形成磁力配合。
所述的三基点线轴承包括以下几种方式：
后泵盖2内侧中心设有三个凸起，所述的叶轮3上对应的设有环形凹陷，所述的三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触；
或者，后泵盖2内侧中心设有三个凹槽，还包括三个轴承球，三个轴承球分别位于三个凹槽内，所述的叶轮3上对应的设有环形凹陷，所述的三个轴承球位于环形凹陷内形成旋转接触；
或者，后泵盖2内侧中心设有环形凹陷，所述的叶轮3上对应的设有三个凸起，三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触。
所述的环形凹陷的横截面为半圆形，所述的凸起为椭球型。
后泵盖2内侧中心设有环形的平缓过渡光滑凸起。
本发明心脏泵在血液自前泵盖1的入口管路6处流入经过叶轮3及前泵盖1组成的蜗壳流道做功以后，被泵送至由前泵盖1与后泵盖2组成的螺旋形蜗壳压出室内，随后进一步经过出口管路5被输送至下一级中。期间由于叶轮3及流道型线经过良好设计及数值计算验证，在两种主流血液应力计算方面均比国际现有成熟产品相对应的应力数值低，这表明本发明心脏泵对于血液的破坏作用要比现有国际成熟产品更小，对低溶血率贡献更高。下式为常用剪切应力计算公式之一：
Figure BDA0002545225210000041
式中：τV为剪切应力，μ流体动力粘度，u为速度，x为坐标，i,j为坐标分量标识；
而经过数值计算以后上述剪切应力场计算结果如图2和图3。
图2和图3对比看出本发明心脏泵标准工况下应力极大值明显小于同类型的国际成熟产品。
另一种应力计算方式：
Figure BDA0002545225210000042
式中：τSSS为计算剪切应力，τij为雷诺剪切应力，τii，τjj为i,j方向上的粘性剪切应力；
上式中雷诺剪切应力为：
Figure BDA0002545225210000043
式中：μt为湍流粘性系数，k为湍动能，δij为克罗尼克符号，ρ为血液密度；u为速度，x为坐标，i,j为坐标分量标识；
如图4和图5，此应力下本发明心脏泵全局标准工况应力极值为295Pa，对比国际成熟产品极值为383Pa，本发明再次极值小于国际产品，可见血液泵送损坏情况优于国际现有成熟产品。
图6为本发明心脏泵外形图，其中前泵盖1由于蜗壳流道具有凸起外形，及可与上级主动脉或静脉相连的入口管路6，本发明入口管路6内径为10mm。
图7为本发明后泵盖2及叶轮3组装配合图。
图8为发明后泵盖2上三基点线轴承的三个椭球型凸起，这三部分椭球型凸起是尺寸非常接近于直径为2mm圆球形的椭球型凸起，凸起方向上的母线长度为1.1-1.2mm，目的是为了更稳定的与叶轮3上的配合近半圆凹槽接触运行。
作为另外一种实施例，如图9，将发明后泵盖2三基点线轴承的三个椭球型对应位置更换为三处圆球形凹槽，同时再与相应的公差配合轴承球相配合也可组成三基点轴承。
图10为叶轮3的背面图，叶轮3在保证叶轮形状的同时，在叶轮3背面设计为环形凹陷，与后泵盖2上三基点线轴承的三个椭球型凸起或对应位置为三处圆球形轴承球相配合，方便与椭球形凸起或轴承球接触运行。同时所有几何锋利边缘均按照附近几何尺寸5％左右倒圆，以免对血细胞造成破坏。
如图11，磁驱动座4安装在后泵盖2的卡槽内，磁驱动座4与外部磁驱动***的磁传动原件形成磁力配合，磁传动原件控制转动速度。
图12为发明心脏泵后盖上三基点线轴承的第三种实施方案，可见在后泵盖2中央位置处设计一环形凹陷，方便与对应叶轮3的三个凸起相配合形成旋转接触运行。同时所有几何锋利边缘均按照附近几何尺寸5％左右倒圆，以免对血细胞造成破坏。
配合图12中的环形凹陷，如图13所示将发明叶轮3上对应直径圆形位置处的三个椭球型设计为凸起形状，设计相应的公差配合，也可组成三基点轴承。上述方案的叶轮3上的椭球型凸起特征与后泵盖2的环形凹陷配合并良好接触形成旋转特征，省去球轴承球的部件，减少安装步骤。属于线接触球轴承。
上述方案中的叶轮3及后泵盖2之间的环形凹陷与三个凸起共同形成了稳定的三点支撑，防止叶轮3运行过程中由于外部环境及内部流量脉动形成叶轮部件轴向跳动的同时，保证了其良好接触形成旋转特征，并最大限度减小接触面积，减免血液中血细胞及白细胞被破坏。
同时考虑到在轴承轴向方向上因为磁力作用吸引，在叶轮3轴向方向上因为叶轮出口的血液回流至后泵盖2方向形成液体压力，此时磁力吸引与液体压力动态平衡，叶轮3与轴承座近乎线接触或不接触。最后由于叶轮出口血液会通过叶轮3与发明后泵盖2之间的间隙回流至叶轮3中心处，所以在后泵盖2中心处做了平缓过渡光滑凸起，保证在径向方向上血液回流不会产生较大涡旋流态，壁面流动紊乱。
本发明的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵的设计过程：
1.根据病理需求确定设计流量一般参考为：2-5L/min
2.根据病理需求确定设计扬程(需考虑膜肺扬程损失)：
H＝5.43mH2O；
式中，H为扬程，单位为米水柱，mH2O；
3.确定比转速
3000转设计转速下，比转速：
Figure BDA0002545225210000051
式中，ns为比转速，无量纲参数，n为转速，单位为转/小时，Q为流量，单位m3/h；
3.1采用加大流量法设计
Q'＝k1×Q＝1.85×0.0000833＝1.54×10-4m3/s
1.54×10-4m3/s＝0.5544m3/h
ns'＝ns×k2＝28×1.23＝34
式中Q'为加大流量法设计后流量参数；ns'为加大流量法设计后比转速；k1，k2为经验系数，分别取值1.85,1.23；
4确定泵进出口直径
4.1泵进口直径：Ds＝10mm；
4.2泵出口直径：
Figure BDA0002545225210000061
式中Kd为经验系数，取值4.0；
4.3泵进口速度：
Figure BDA0002545225210000062
4.4泵出口速度：
Figure BDA0002545225210000063
5效率确定
5.1容积效率：
Figure BDA0002545225210000064
5.2圆盘损失效率：
Figure BDA0002545225210000065
5.3机械效率：ηm＝ηm'-0.02＝0.734(取轴承填料损失为2％)；
5.4水力效率：
Figure BDA0002545225210000066
5.5总效率：
η＝ηhηmηv
η＝0.797×0.754×0.939＝0.564；
6确定功率
6.1轴功率：
Figure BDA0002545225210000067
Figure BDA0002545225210000068
式中ρ为血液密度，取值1055kg/m3，g为当地重力加速度，取值9.8m/s2；
6.2电机功率：
Figure BDA0002545225210000071
式中k为经验系数，取值1.25；其他参数与上述内容相同；
6.3扭矩：
Figure BDA0002545225210000072
7叶轮外径：D2＝50mm；
8出口宽度
Figure BDA0002545225210000073
式中kb2为经验参数，取值1.3；
Figure BDA0002545225210000074
取b2＝1.3*1.2＝1.6mm，取b2＝2mm；
9叶片出口角(此处参考相似换算与速度系数法两种方法下的结果进行选取)：出口角40度；
10叶片进口角：进口角46度；
11叶片数，叶片数为4：
12依据上述设计参数经过多轮优化设计以后可绘制轴面投影图，如图14。
11轴面液流过水断面面积变化检查
得到轴面投影图以后可得到本发明轴面流道过水断面面积检查(单位：mm)，一般意义上，针对泵送血液角度考虑，轴面流道面积变化均匀变化对血液中各种细胞造成的压力突变会越小，对血液破坏也会越小。图15为本发明的轴面流道面积变化图，可看出本发明流道面积变化相对均匀。
12绘制方格网
最后，由设计经验给出流道展开图，即方格网上的一颗血细胞流动线路图，即方格网流线图，要求此流线上速度矢量方向避免双向摆动，即流线为单向凸起或凹陷。本发明所绘制的心脏泵流道方格网如图16所示。
13叶片加厚：叶片厚度为2mm。
二.体外式心脏泵螺旋式压出室设计参数
1基圆直径D3＝53mm；
2涡室的进口宽度b3＝6mm；
3涡室隔舌安放角φ057度；
4涡室断面形状和涡室断面面积的确定：涡室断面形状为梯形。
断面面积由下式计算：
Figure BDA0002545225210000081
式中FФ为计算断面面积，Ф为断面角度，FVIII为第八断面面积。

Claims (6)

1.基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，包括前泵盖(1)和后泵盖(2)，前泵盖(1)和后泵盖(2)组成螺旋形蜗壳，螺旋形蜗壳内设有叶轮(3)，其特征在于，所述的叶轮(3)与磁驱动座(4)连接，磁驱动座(4)内布置有永磁体，与后泵盖(2)外侧磁驱动***配合，依靠磁力运转驱动叶轮(3)转动；前端盖(1)中心处设有进口管路(6)，螺旋形蜗壳的边缘设有出口管路(5)；
进口管路(6)与螺旋形蜗壳同圆心；
所述的叶轮(3)中心设有通孔，通孔的位置与进口管路对应；叶轮(3)与后泵盖(2)之间通过三基点线轴承连接；
磁驱动座(4)安装在后泵盖(2)的卡槽内，磁驱动座(4)与外部磁驱动***的磁传动原件形成磁力配合。
2.根据权利要求1所述的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，其特征在于，所述的三基点线轴承为：所述的后泵盖(2)内侧中心设有三个凸起，所述的叶轮(3)上对应的设有环形凹陷，所述的三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触。
3.根据权利要求1所述的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，其特征在于，所述的三基点线轴承为：所述的后泵盖(2)内侧中心设有三个凹槽，还包括三个轴承球，三个轴承球分别位于三个凹槽内，所述的叶轮(3)上对应的设有环形凹陷，所述的三个轴承球位于环形凹陷内形成旋转接触。
4.根据权利要求1所述的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，其特征在于，所述的三基点线轴承为：所述的后泵盖(2)内侧中心设有环形凹陷，所述的叶轮(3)上对应的设有三个凸起，三个凸起位于环形凹陷内形成旋转接触。
5.根据权利要求2到4任一项所述的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，其特征在于，所述的环形凹陷的横截面为半圆形，所述的凸起为椭球型。
6.根据权利要求1所述的基于三基点线轴承的低溶血率心脏泵，其特征在于，所述的后泵盖(2)内侧中心设有环形的平缓过渡光滑凸起。
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CN113244526B (zh) * 2021-07-06 2021-11-19 丰凯医疗器械（上海）有限公司 人工辅助泵血装置

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