CN112206409B - 一种磁悬浮混流心脏泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮混流心脏泵，包括由入口部和蜗壳部构成的泵体，泵体具有空腔，空腔内设有能够转动的转子，转子外周面设有轴流叶片及离心叶片，轴流叶片位于入口部的空腔内，离心叶片位于蜗壳部的空腔内，蜗壳部设有与空腔及蜗壳部外部空间连通的流道，离心叶片的流入端的切向平面与转子轴线呈锐角设置，流出端的切向平面与转子轴线平行设置，使得离心叶片能够将血液由沿转子轴线方向的流动逐渐过渡为沿转子径向方向的流动，本发明的心脏泵综合了离心泵和轴流泵的优点。

Description

一种磁悬浮混流心脏泵

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种磁悬浮混流心脏泵。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

心血管疾病是全球发病率最高及引起死亡的主要原因。心力衰竭是所有心脏疾病的最终转归，而中、末期心衰的主要治疗手段有两种：心脏移植和人工心脏泵。由于心脏移植供体的严重不足，人工心脏泵成为了心衰患者的主要治疗手段。

目前，研究和应用比较广泛的人工心脏泵有轴流泵和离心泵两种。其中，轴流泵的优势为流量大，体积小；离心泵的优势为扬程大，磁悬浮实现较为稳定。发明人发现，现在的植入式人工心脏泵存在以下缺点：1)现有轴流泵主要为机械轴承支承式结构，轴承处存在发热、润滑、密封、磨损等问题，容易导致血栓形成；2)轴流泵运行时所需转速过高，会产生高剪切应力，容易损伤血细胞导致严重溶血现象；3)相较于轴流泵，离心泵尺寸较大，不便于植入体型较小患者体内；4)离心泵速度梯度较大，容易对血液各成分造成损伤。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮混流心脏泵，综合轴流泵和离心泵的特征和优势，更好地满足心衰患者的临床应用需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种磁悬浮混流心脏泵，包括由入口部和蜗壳部构成的泵体，泵体具有空腔，空腔内设有转子，转子外周面设有轴流叶片及离心叶片，轴流叶片位于入口部的空腔内，离心叶片位于蜗壳部的空腔内，蜗壳部设有与空腔及蜗壳部外部空间连通的流道，离心叶片的流入端的切向平面与转子轴线呈锐角设置，流出端的切向平面与转子轴线平行设置，以使得离心叶片能够将血液由沿转子轴线方向的流动逐渐过渡为沿转子径向方向的流动，并进入流道中。

进一步的，转子位于蜗壳部内的部分设有永磁铁，蜗壳部一侧设有定子，定子缠绕有悬浮绕组和转矩绕组，通电后能够通过永磁铁对转子产生与入口部轴线方向平行的悬浮力和绕入口部轴线转动的转矩。

进一步的，所述入口部的血液入口端设置有多个前导流叶片，前导流叶片沿圆周均匀设置在入口部的内侧面，且与转子外周面具有设定间隙。

进一步的，所述泵体入口部的内部沿入口部轴线方向设置有多个第一永磁环，转子位于入口部内的部分设有第二永磁环。

进一步的，所述流道采用轴线所在平面与入口部轴向垂直的螺旋形流道，包括与蜗壳部内部空腔连通的环状的第一流道部及与第一流道部相切连通的第二流道部，所述第二流道部一端与第一流道部连通，另一端与蜗壳部的外部空间相连通。

进一步的，所述蜗壳部内的转子的外侧面与蜗壳部内空腔的内侧面之间具有0.1-1mm的预留间隙。

进一步的，所述蜗壳部的一侧设有电机座，电机座与蜗壳部固定连接，定子固定在电机座内，定子的定子齿上缠绕有悬浮绕组和转矩绕组，悬浮绕组和转矩绕组均能够与供电电源连接。

进一步的，所述轴流叶片的血液流入端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为15°-45°，血液流出端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为45°-80°。

进一步的，所述离心叶片的血液流入端的切向平面与转子径向方向的夹角为10°-30°，血液流出端的切向平面与转子径向方向的夹角为20°-40°。

进一步的，所述轴流叶片和离心叶片在连接位置处采用圆滑面过渡或分离设置。

本发明的有益效果：

1.本发明的心脏泵，转子设置有轴流叶片及离心叶片，轴流叶片与离心叶片共同承担水力性能的压强差目标和流量需求，相对于现有结构的离心泵，切实降低了设计点水力性能的需求，减小了整体尺寸，使得整个设备便于体型较小的患者如妇女、儿童等植入，手术创伤更小；相对于轴流泵，大大降低了工作时所需转速，不会出现轴承支承处的发热、润滑、磨损等问题，避免了高剪切应力的出现，有效降低了血液损伤导致的溶血和血栓相关的并发症。

2.本发明的心脏泵，转子设置有轴流叶片及离心叶片，离心叶片的流入端的切向平面与转子轴线呈锐角设置，流出端的切向平面与转子轴线平行设置，以使得离心叶片能够将血液由沿转子轴线方向的流动逐渐过渡为沿转子径向方向的流动，并进入流道中，使血液流动方向圆滑过渡，避免了流场内高速度梯度的出现；泵内血液流动更加规则有序，最大程度减小了泵内各组件和血液的剧烈碰撞，降低了高速运转的叶轮对血液各成分间的负面影响，有效减少血液流线紊乱造成的血液损伤，避免了溶血和血栓等严重并发症的出现。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1内部结构剖视图；

图2为本发明实施例1外部结构示意图；

图3为本发明实施例1转子与轴流叶片和离心叶片装配示意图；

图4为本发明实施例1工作时血液流动示意图；

图5为本发明实施例2转子与轴流叶片和离心叶片装配示意图；

其中，1.入口部，2.上蜗壳部，3.下蜗壳部，4.第一流道部，5.第二流道部，6.第一转子部，7.第二转子部，8.轴流叶片，9.离心叶片，10.前导流叶片，11.锥形结构，12.第一永磁环，13.第二永磁环，14.电机座，15.定子，16.永磁铁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前用于心脏泵的轴流泵容易导致血栓和溶血现象，离心泵尺寸较大，容易对血液各成分造成损伤，针对上述问题，本申请提出了一种磁悬浮混流心脏泵。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图4所示，一种磁悬浮混流心脏泵，包括泵体，所述泵体由上泵体和下泵体扣合固定连接构成，所述泵体包括入口部1及蜗壳部，所述上泵体包括同轴且相互垂直一体式连接的入口部及上蜗壳部2，所述下泵体为下蜗壳部3，上蜗壳部和下蜗壳部扣合固定形成蜗壳部，入口部与蜗壳部同轴垂直设置，且蜗壳部的直径大于入口部的直径。

所述泵体内设置有空腔，所述空腔包括设置在入口部的第一空腔及设置在蜗壳部的第二空腔，所述第一空腔和第二空腔相连通，所述蜗壳部设置有流道，所述流道轴线所在的平面与入口部的轴线垂直，本实施例中所述流道采用螺旋形流道，包括第一流道部4和第二流道部5，所述第一流道部为环状沿蜗壳部内空腔的边缘设置，且与蜗壳部内空腔相连通，所述第二流道部与第一流道部相切连通设置，进入蜗壳部的血液能够依次进入第一流道部和第二流道部，并通过第二流道部流出蜗壳外部。

所述泵体内设置有转子，所述转子包括位于入口部空腔内的第一转子部6及位于蜗壳部空腔内的第二转子部7，所述第一转子部和第二转子部同轴设置，且第一转子部和第二转子部与入口部和蜗壳部同轴设置，第一转子部位于入口部中心位置，第二转子部位于蜗壳部中心位置，所述第一转子部的外周面上设置有3-5个轴流叶片8，所述轴流叶片的长度为10-25mm，轴流叶片的厚度为1-2mm，所述第二转子部包括圆柱部和曲面部，曲面部两端分别与圆柱部和第一转子部连接，所述圆柱部为圆柱体结构，所述曲面部包括上平面和下平面及设置在上平面和下平面之间的侧面，侧面为向其轴线方向凹陷的曲面，曲面部的外周面上固定有3-6个离心叶片9，所述离心叶片的出口宽度为3-6mm，离心叶片的厚度为1-2mm。

本实施例中，所述入口部一端与蜗壳部连接，另一端作为血液流入端，所述轴流叶片的血液流入端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为15°-45°，血液流出端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为45°-80°，所述离心叶片的血液流入端的切向平面与转子径向方向的夹角为10°-30°，血液流出端的切向平面与转子径向方向的夹角为20°-40°。

所述离心叶片采用半开式离心叶片，离心叶片的血液流入端的切向平面与转子轴线呈设定锐角设置，血液流出端的切向平面与转子轴线平行设置，以使得离心叶片能够将血液由沿转子轴线方向的流动逐渐过渡为沿转子径向方向的流动，并进入流道中。

所述入口部的血液流入端的端部还设置有3-5个前导流叶片10，所述前导流叶片与入口部的内侧面固定连接，且沿圆周均匀分布。所述前导流叶片的内侧面与第一转子部的外周面具有设定距离的间隙，以防止前导流叶片对转子的转动产生影响。

所述转子的第一转子部一端与第二转子部连接，另一端采用锥形结构11，对血液起到一定的导流作用。

第二转子部与下泵体的空腔内侧面之间具有0.1-1mm的间隙，以使得转子能够顺利平稳的转动，避免了转子与泵体的碰撞与摩擦。

所述轴流叶片和离心叶片相互靠近的端部以设定角度和距离分离设置，分离角度和分离间距的选择取决于叶片出入口角度、流线方向及壁面剪切应力分布状态，综合选取最优值以最大程度减小叶轮对血液的损伤。

本实施例中，转子的轴流叶片与离心叶片共同承担水力性能的压强差目标和流量需求，相对于现有结构的离心泵，切实降低了设计点水力性能的需求，减小了整体尺寸，使得整个设备便于体型较小的患者如妇女、儿童等植入，手术创伤更小，相对于轴流泵，大大降低了工作时所需转速，避免了高剪切应力的出现，有效降低了血液损伤导致的溶血和血栓相关的并发症。

本实施例中，转子带动轴流叶片和离心叶片做同步的转动，血液从入口部的血液流入端流入，经过前导流叶片的导流作用，流向轴流叶片，在轴流叶片的作用下沿入口部轴向方向运动，进入蜗壳部，在离心叶片的作用下，将沿入口部轴向方向运动的血液逐步转换为沿入口部径向方向运动，使得血液进入流道，然后通过第二流道部流出。血液流动过程中，通过轴流叶片和离心叶片使得血流逐渐圆滑过渡，避免了流场内高速度梯度的出现；泵内血液流动更加规则有序，最大程度减小了泵内各组件和血液的剧烈碰撞，降低了高速运转的叶轮对血液各成分间的负面影响，有效减少血液流线紊乱造成的血液损伤，避免了溶血和血栓等严重并发症的出现。

本实施例中，所述泵体入口部的内部嵌入固定有两个沿入口部轴线方向分布的第一永磁环12，所述第一转子部内部设置有条状的第二永磁环13，通过第一永磁环和第二永磁环的相互作用，能够对转子进行径向悬浮支撑，限制转子沿入口部径向移动和倾斜，实现更为理想的径向稳定支撑效果。

所述蜗壳部一端固定有入口部，另一端的壳壁与电机座14固定连接，所述电机座内固定有定子15，所述定子具有定子齿，定子齿上缠绕有悬浮绕组和转矩绕组，悬浮绕组和转矩绕组能够与供电电源连接，由供电电源向其通入电流。定子、转子及悬浮绕组和转矩绕组共同构成了无轴承无刷直流电机。

所述第二转子部内部设置有四个沿圆周均匀分布且为弧形结构的永磁铁16，悬浮绕组通电后，能够通过永磁铁对转子产生沿入口部轴线方向且朝向血液流入端方向的悬浮力，转矩绕组通电后能够对转子产生远离血液流入端方向的作用力，该作用力与悬浮力平衡后，能够使得第二转子部底面与下泵体底面具有1-2mm的间隙，避免了转子与泵体的碰撞与摩擦，转矩绕组通电后还能够对转子产生转矩，带动转子转动。

转子在定子绕组产生磁场作用下进行轴向悬浮和驱动，同时避免血液流动产生的出入口压差对转子产生的扰动。

通过设置永磁铁、定子及绕组，综合轴流泵与离心泵的磁悬浮控制策略，空间利用更为合理，在保证运行可靠的前提下，使得心脏泵整体结构更紧凑，有效融合了轴流泵和离心泵的优势特征，可应用于体型更小的患者。

实施例2：

本实施例公开了一种磁悬浮混流心脏泵，如图5所示，与实施例1的区别仅在于离心叶片和轴流叶片数量相等，相应的角度和厚度相同，端部相互连接，且利用圆滑面过渡，根据仿真结果，此处流线规则有序，不存在速度突变区域，无任何可能产生血液内各成分损伤的干扰和波动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，包括由入口部和蜗壳部构成的泵体，泵体具有空腔，空腔内设有转子，转子外周面设有轴流叶片及离心叶片，轴流叶片位于入口部的空腔内，离心叶片位于蜗壳部的空腔内，蜗壳部设有与空腔及蜗壳部外部空间连通的流道，离心叶片的流入端的切向平面与转子轴线呈锐角设置，流出端的切向平面与转子轴线平行设置，使得离心叶片能够将血液由沿转子轴线方向的流动逐渐过渡为沿转子径向方向的流动，所述轴流叶片的血液流入端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为15°-45°，血液流出端的切向平面与垂直于转子轴线平面的夹角为45°-80°，所述离心叶片的血液流入端的切向平面与转子径向方向的夹角为10°-30°，血液流出端的切向平面与转子径向方向的夹角为20°-40°；

所述转子包括有圆柱部，所述圆柱部内设置有永磁体，蜗壳部一侧设有定子，定子缠绕有悬浮绕组和转矩绕组，通电后能够通过永磁铁对转子产生与入口部轴线方向平行的悬浮力和绕入口部轴线转动的转矩。

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述入口部的血液入口端设置有多个前导流叶片，前导流叶片沿圆周均匀设置在入口部的内侧面，且与转子外周面具有设定间隙。

3.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述泵体入口部的内部沿入口部轴线方向设置有多个第一永磁环，转子位于入口部内的部分设有第二永磁环。

4.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述流道采用轴线所在平面与入口部轴向垂直的螺旋形流道，包括与蜗壳部内部空腔连通的环状的第一流道部及与第一流道部相切连通的第二流道部，所述第二流道部一端与第一流道部连通，另一端与蜗壳部的外部空间相连通。

5.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述蜗壳部内的转子的外侧面与蜗壳部内空腔的内侧面之间具有0.1-1mm的预留间隙。

6.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述蜗壳部的一侧设有电机座，电机座与蜗壳部固定连接，定子固定在电机座内，定子的定子齿上缠绕有悬浮绕组和转矩绕组，悬浮绕组和转矩绕组均能够与供电电源连接。

7.如权利要求1所述的一种磁悬浮混流心脏泵，其特征在于，所述轴流叶片和离心叶片在连接位置处采用圆滑面过渡或分离设置。

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