CN116999688B - 一种叶轮及其右心室辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于右心辅助泵血且水利性能和溶血性能好的叶轮及其右心室辅助装置，血液从下腔静脉泵送血液，绕过右心房和右心室，并将血液泵送至肺动脉中，因此叶轮泵血的方向为从叶轮的近端输送到叶轮远端，血液从叶轮的近端输送至远端的过程中，由于轮毂直径逐渐变大，因此能够增大血液的流动速度，但是基于轮毂远端为球形圆顶结构，又能够降低血液的流动损失、降低血液损伤以及避免流动死区的形成，还可以有效调整血液流出方向，使血液沿轴向流出，减少流动的掺混损失，进一步提高泵血效率，增大泵血量。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种叶轮及其右心室辅助装置。
背景技术
可经皮植入的人工心室辅助装置(VAD，以下简称为导管泵)是一种小型化的泵血装置，可以被引入心脏中并且可以被构造为通过血液的循环泵送或连续泵送来辅助或代替自然的心脏功能，为心源性休克和急性心力衰竭提供血流动力支持。当导管泵部署在心脏的左侧时，导管泵从心脏的左心室的血液泵送至主动脉中；当导管泵部署在心脏的右侧时，导管泵从下腔静脉泵送血液，绕过右心房和右心室，并将血液泵送至肺动脉中。导管泵的血流动力来源于叶轮的高速旋转，叶轮的结构设计对导管泵的水力性能和溶血性能产生重要影响。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种适用于右心辅助泵血且水利性能和溶血性能好的叶轮。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种叶轮，包括轮毂和至少一个固定于所述轮毂外周的叶片，所述叶片适于在所述轮毂的驱动下旋转，以将血液从叶轮近端输送到叶轮远端；
所述轮毂包括从远端到近端依次连接的轮毂远端和轮毂主体；
所述轮毂远端为球形圆顶或者为通过对圆柱体外缘进行倒圆角处理获得的近似球形圆顶的端部；
所述轮毂主体为半径由远端到近端逐渐减小的锥形结构，所述轮毂主体的母线为抛物线或直线；
所述叶片包括作用面，所述作用面为三维空间曲面，作用面的轮廓线包括进口边、外缘型线、轮毂型线和出口边，所述外缘型线和轮毂型线均为指数型渐变的弧线或者贝塞尔曲线的弧线。
进一步的，所述外缘型线靠近近端的端点为型线始点、靠近远端的端点为型线终点，所述外缘型线为平滑的空间曲线，所述外缘型线沿所述轮毂轴向的曲率由所述型线始点至所述型线终点的过程中逐渐减小，同时，所述外缘型线沿所述轮毂轴向的曲率变化率也逐渐减小。
进一步的，所述型线始点的切线与切向速度的夹角为所述外缘型线的进口夹角α；所述型线始点的轴向速度和切向速度的合速度为相对速度，所述型线始点的相对速度与切向速度的夹角为所述外缘型线的进口安装角β，所述进口夹角α大于所述进口安装角β。
进一步的，所述进口夹角α的角度为15°～25°。
进一步的，所述外缘型线螺旋曲线的公式为：
x= 0.0548z³ - 0.7026z² + 2.9604z - 0.0239；
y= 2.4798ln(z) - 0.7291；
其中，外缘型线的型线始点定义为z=0处。
进一步的，所述型线始点所在轴面和所述型线终点所在轴面的夹角为叶片偏转角θ，所述叶片偏转角θ的角度为90°～180°。
进一步的，所述叶轮沿所述轮毂的轴向投影时，所述进口边与所述型线始点的轴向的夹角为切向前掠角γ，所述切向前掠角γ的角度为5°～12°,所述叶轮沿所述轮毂的径向投影时，所述进口边与水平线的夹角为轴向前掠角δ，所述轴向前掠角δ的角度为12°～25°。
进一步的，所述轮毂远端的半径R为1.6mm～1.8mm；所述轮毂主体的近端直径D1为0.7mm～1.0mm、远端直径D2为3.0mm～4.0mm；所述轮毂的轴向长度L为7.1mm～8.5mm。
进一步的，所述外缘型线与进口边连接的进口处以及与出口边连接的出口处倒圆角，所述进口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm，出口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm；所述轮毂与叶片工作面连接处倒圆角，其圆角半径为0.08mm～0.3mm；所述叶片工作面与进口边、外缘型线以及出口边处倒圆角，圆角半径均为0.1mm～0.3mm。
进一步的，所述进口边呈弧形线，所述出口边呈直线。
进一步的，所述的叶片为2片或3片，所述叶片沿所述轮毂主体的周向均匀分布。
进一步的，所述叶片的半径D3为5.5mm～6.0mm，叶片的轴向长度为5.8mm～6.4mm，叶片的厚度为0.4mm～0.5mm。
本发明的另一个目的是提供一种水利性能和溶血性能好的右心室辅助装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种右心室辅助装置，包括导管和设置于所述导管中的叶轮。
上述方案中，血液从下腔静脉泵送血液，绕过右心房和右心室，并将血液泵送至肺动脉中，因此叶轮泵血的方向为从叶轮的近端输送到叶轮远端，血液从叶轮的近端输送至远端的过程中，由于轮毂直径逐渐变大，因此能够增大血液的流动速度，但是基于轮毂远端为球形圆顶结构，又能够降低血液的流动损失、降低血液损伤以及避免流动死区的形成，还可以有效调整血液流出方向，使血液沿轴向流出，减少流动的掺混损失，进一步提高泵血效率，增大泵血量。
附图说明
图1为本申请实施例的叶轮的主视图；
图2为本申请实施例的叶轮的侧视图；
图3为本申请实施例的叶轮的仰视图；
图4为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的截面流场比对图；
图5为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的三维流场比对图；
图6为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的径向截面涡量比对图；
图7为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的径向截面压力比对图；
图8为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的扬程、溶血指标以及叶轮壁面切应力比对表；
图9为右心室辅助装置的结构示意图。
附图标记说明：
10、轮毂；11、轮毂远端；12、轮毂主体；20、叶片；21、作用面；22、进口边；23、外缘型线；24、轮毂型线；25、出口边。
具体实施方式
为了便于理解，首先我们对下文中所涉及到的方位进行定义：“近端”、“近侧”指的是临近操作者/医生的一侧，“远端”、“远侧”指的是远离操作者/医生的一侧即临近心脏的一侧。
导管泵的水力性能和溶血性能与叶轮的结构具有密切关系，导管泵叶轮的结构需要兼顾水力性能和溶血性能。对于水力性能的考量条件主要是输出流量和导管泵进口端与出口端的压差，而对于溶血性能的考量条件主要是血液在泵送过程中所受到的剪应力以及血液的流动平稳程度。通过对叶轮结构的优化和改进，达到提升水力性能同时，降低溶血造成的血液损伤。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。
参阅图1、图2所示，一种叶轮，包括轮毂10和至少一个固定于所述轮毂10外周的叶片20，所述叶片20适于在所述轮毂10的驱动下旋转，以将血液从叶轮近端输送到叶轮远端；对于右心辅助装置来说，其是将血液从下腔静脉泵送血液，绕过右心房和右心室，并将血液泵送至肺动脉中，因此叶轮泵血的方向为从叶轮的近端输送到叶轮远端，正是因为如此，叶轮的结构也要相应设计。
所述轮毂10包括从远端到近端依次连接的轮毂远端11和轮毂主体12；
所述轮毂远端11为球形圆顶或者为通过对圆柱体外缘进行倒圆角处理获得的近似球形圆顶的端部；
所述轮毂主体12为半径由远端到近端逐渐减小的锥形结构，所述轮毂主体12的母线为抛物线或直线；
也就是说，叶轮的近端为血液入口、远端为血液出口，轮毂主体12的由远端到近端逐渐减小呈锥柱状，轮毂主体12近端的直径最小、轮毂主体12远端的直径最大，且轮毂主体12远端为轮毂远端11，轮毂主体12远端的直径与轮毂远端11的直径相等或相近。血液从叶轮的近端输送至远端的过程中，由于轮毂10直径逐渐变大，因此能够增大血液的流动速度，但是基于轮毂远端11为球形圆顶结构，又能够降低血液的流动损失、降低血液损伤以及避免流动死区的形成，还可以有效调整血液流出方向，使血液沿轴向流出，减少流动的掺混损失，进一步提高泵血效率，增大泵血量。
具体的，所述叶片20包括作用面21，所述作用面21为三维空间曲面，作用面21的轮廓线包括进口边22、外缘型线23、轮毂型线24和出口边25，所述外缘型线23和轮毂型线24均为指数型渐变的弧线或者贝塞尔曲线的弧线。在叶片20随轮毂10旋转时，叶片20的作用面21对血液产生泵送作用，因此作用面21的结构对叶轮乃至导管泵的整体性能起到关键性的作用，而当作用面21的轮廓线确定后，作用面21的整体曲面结构即可确定。外缘型线23为平滑的空间曲线，表示作用面21由靠近进口端的一侧到靠近出口端的一侧光滑过渡，在血液由叶轮进口流向出口的过程中，沿作用面21的曲面结构顺畅流动，有助于降低流动损失。同时，血液在沿作用面21流动的过程中速度变化平缓且分布均匀有助于减小流动死区，降低血液损伤。
进一步的，所述外缘型线23靠近近端的端点为型线始点、靠近远端的端点为型线终点，所述外缘型线23为平滑的空间曲线，所述外缘型线23沿所述轮毂轴向的曲率由所述型线始点至所述型线终点的过程中逐渐减小，同时，所述外缘型线23沿所述轮毂10轴向的曲率变化率也逐渐减小。
更进一步的，所述型线始点的切线与切向速度的夹角为所述外缘型线23的进口夹角α；所述型线始点的轴向速度和切向速度的合速度为相对速度，所述型线始点的相对速度与切向速度的夹角为所述外缘型线23的进口安装角β，所述进口夹角α大于所述进口安装角β。进口夹角α大于进口安装角β时，两者之间即产生角度差，该角度差又称为入流攻角或入流冲角，在血液低速流动下，入流攻角能够抑制血液在流经作用面21时发生流动分离，减少血液进入叶轮时产生的入流流动损失，增加水力性能，同时也有助于降低血液损伤。
作为本发明的优选方案，所述进口夹角α的角度为15°～25°。
所述外缘型线螺旋曲线的公式为：
x= 0.0548z³ - 0.7026z² + 2.9604z - 0.0239；
y= 2.4798ln(z) - 0.7291；
所述型线始点所在轴面和所述型线终点所在轴面的夹角为叶片偏转角θ，所述叶片偏转角θ的角度为90°～180°。如图3所示，叶片偏转角θ可更为直观的理解为，在叶轮的俯视投影图中，型线始点与轮毂10轴心的连线，以及型线终点与轮毂10轴心的连线，两条连线所成夹角即为叶片偏转角θ。叶片偏转角θ的大小反应了每个叶片20在轮毂10上沿圆周延伸的长短，叶片偏转角θ取值太小，易造成高压情况下，流量达不到要求，叶片偏转角θ取值太大，易造成低压情况下，流量偏小。
在本申请的典型但非限制性的实施方式中，叶片偏转角θ的角度为90°、110°、140°和180°这四种情况。
图4为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的截面流场比对图，结果显示，叶片螺旋线偏转角θ为140°时，血液回流和二次流较少，减少流动损失，提高水力性能。
图5为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的三维流场比对图，结果显示，叶片螺旋线偏转角θ为140°时，血液在流经叶轮的过程中，流速变化更加平稳均匀，有助于减小流动损失，同时减少血液损伤。
图6为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的径向截面涡量比对图，结果显示，叶片螺旋线偏转角θ为180°时，血液在流经叶轮时产生的涡量最少，且分布较为均匀，避免了涡旋集中，使血液在流经叶轮时更为平稳，有助于减小流动损失，同时减少血液损伤。
图7为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的径向截面压力比对图，结果显示，叶片螺旋线偏转角θ为140°时，叶轮的进口和出口之间具有更明显的压力差，能够提供更大的扬程并减小空化现象。
图8为叶片偏转角θ在90°、110°、140°和180°这四种情况下的扬程、溶血指标以及叶轮壁面切应力比对表。结果显示，在叶片偏转角θ为140°的结构中，叶轮的扬程最大；叶片偏转角θ为180°的结构中，溶血指数最低；叶片偏转角θ为180°的结构中，叶轮壁面切应力最小。
所述叶轮沿所述轮毂10的轴向投影时，所述进口边22与所述型线始点的轴向的夹角为切向前掠角γ，所述切向前掠角γ的角度为5°～12°。血液在进入叶轮进口时，切向前掠角γ能够使切向速度产生朝向轮毂1中心轴的分速度，而该分速度能够使血液在由叶轮进口流向叶轮出口旋转流动的过程中向轮毂10聚拢，从而降低血液受到的剪应力，同时避免二次流的产生，使血液的流动更为稳定。所谓二次流是指血液在流动的过程中，因受到横向力（即轮毂10的径向力）的作用，产生了沿轮毂10径向的偏移。二次流是叠加在主流（血液沿轮毂10轴向的流动）之上的介质流动。除横向力外，分离流和旋涡等也会引起相应的二次流。
在本实施例的叶轮中，由于叶片20具有切向前掠角γ的结构，使血液在流经叶轮的过程中产生朝向轮毂10中心轴的分速度，该分速度能够对血液产生一定的聚拢效果，使血液保持在轮毂10的圆周流动，形成稳定的流场。有效避免血液在横向力或分离流等因素的影响下产生二次流，有助于减少血液的流动损失，提高叶轮的水力性能，同时降低对血液的损伤，使实施例的叶轮具有更好的溶血性能。
所述叶轮沿所述轮毂10的径向投影时，所述进口边22与水平线的夹角为轴向前掠角δ，所述轴向前掠角δ的角度为12°～25°。血液在进入叶轮进口时，轴向前掠角δ能够使轴向速度产生朝向轮毂1中心轴的分速度，而该分速度能够使血液在由叶轮进口流向叶轮出口旋转流动的过程中向轮毂10聚拢，从而降低血液受到的剪应力，同时避免二次流的产生，使血液的流动更为稳定。
在本实施例的叶轮中，由于叶片20具有轴向前掠角δ的结构，使血液在流经叶轮的过程中产生朝向轮毂10中心轴的分速度，该分速度与前述由于切向前掠角γ结构而产生的分速度共同作用，能够对血液产生一定的聚拢效果，使血液保持在轮毂10的圆周流动，形成稳定的流场。有效避免血液在横向力或分离流等因素的影响下产生二次流，有助于减少血液的流动损失，提高叶轮的水力性能，同时降低对血液的损伤，使实施例的叶轮具有更好的溶血性能。
所述轮毂远端11的半径R为1.6mm～1.8mm；所述轮毂主体12的近端直径D1为0.7mm～1.0mm、远端直径D2为3.0mm～4.0mm；所述轮毂10的轴向长度L为7.1mm～8.5mm。轮毂10半径过大，在低压差情况下，会造成叶轮泵血流量偏小；轮毂10半径过小，在高压差情况下，会造成叶轮泵血流量偏小，流动不稳定。轮毂10的轴向长度L过短，易造成叶轮泵血流量不足，过长易造成叶轮泵血溶血值偏高。在满足流量和转速要求的情况下，考虑较低的机械溶血性能，轮毂10轴向长度取最小值。
为了减小溶血现象，所述外缘型线23与进口边22连接的进口处以及与出口边25连接的出口处倒圆角，所述进口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm，出口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm；所述轮毂10与叶片工作面21连接处倒圆角，其圆角半径为0.08mm～0.3mm；所述叶片工作面21与进口边22、外缘型线23以及出口边25处倒圆角，圆角半径均为0.1mm～0.3mm。倒圆角直径偏小，易造成叶轮溶血值偏大，倒圆角直径偏大，易造成泵血流量过小。
所述进口边22呈弧形线，所述出口边25呈直线。
所述的叶片20为2片或3片，所述叶片20沿所述轮毂主体12的周向均匀分布。叶片20数目太少，会造成叶轮内部流场不稳定，叶片20数目太多，会造成叶轮流量偏小，溶血值偏大。
所述叶片的半径D3为5.5mm～6.0mm，叶片的轴向长度为5.8mm～6.4mm，叶片的厚度为0.4mm～0.5mm。叶片20轴向长度过短，易造成叶轮流量达不到设计要求，叶片2轴向长度过长，易造成叶轮溶血值过大。在满足流量和转速要求情况下，考虑较低的机械溶血性能和安装要求，叶片20的半径取最小值；在满足流量要求情况下，考虑较低的机械溶血性能，转速取最低转速，叶片20的半径取最大值。在满足流量要求，考虑较低的机械溶血性能，在转速和半径确定情况下，轴向长度取最小值。叶片20厚度太小，易造成叶轮机械强度下降，加工难度增大，叶片20厚度太大，易造成泵血流量下降。
轮毂10的外径由近端到远端逐渐增大，而叶片20的外径保持不变。
一种右心室辅助装置，包括导管和设置于所述导管中的叶轮。右心室辅助装置的工作原理为，通过旋转叶轮从下腔静脉的血液从导管的入口吸入导管，导管绕过右心房和右心室，并将血液泵送至肺动脉中，达到心脏辅助的作用。
上述实施例的心室辅助装置依靠前述任一实施例中相应的叶轮实现泵送血液，并且具有相应的叶轮实施例的有益效果，在此不再赘述。
需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
Claims (13)
1.一种叶轮，包括轮毂（10）和至少一个固定于所述轮毂（10）外周的叶片（20），其特征在于：所述叶片（20）适于在所述轮毂（10）的驱动下旋转，以将血液从叶轮近端输送到叶轮远端；
所述轮毂（10）包括从远端到近端依次连接的轮毂远端（11）和轮毂主体（12）；
所述轮毂远端（11）为通过对圆柱体外缘进行倒圆角处理获得的近似球形圆顶的端部，轮毂远端（11）的顶部具有一平面；
所述轮毂主体（12）为半径由远端到近端逐渐减小的锥形结构，且轮毂主体（12）远端的直径与轮毂远端（11）的直径相等或相近，所述轮毂主体（12）的母线为抛物线或直线；
所述叶片（20）包括作用面（21），所述作用面（21）为三维空间曲面，作用面（21）的轮廓线包括进口边（22）、外缘型线（23）、轮毂型线（24）和出口边（25），所述外缘型线（23）和轮毂型线（24）均为指数型渐变的弧线或者贝塞尔曲线的弧线。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述外缘型线（23）靠近近端的端点为型线始点、靠近远端的端点为型线终点，所述外缘型线（23）为平滑的空间曲线，所述外缘型线（23）沿所述轮毂轴向的曲率由所述型线始点至所述型线终点的过程中逐渐减小，同时，所述外缘型线（23）沿所述轮毂（10）轴向的曲率变化率也逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述型线始点的切线与切向速度的夹角为所述外缘型线（23）的进口夹角α；所述型线始点的轴向速度和切向速度的合速度为相对速度，所述型线始点的相对速度与切向速度的夹角为所述外缘型线（23）的进口安装角β，所述进口夹角α大于所述进口安装角β。
4.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于：所述进口夹角α的角度为15°～25°。
5.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述外缘型线螺旋曲线的公式为：
x= 0.0548z³ - 0.7026z² + 2.9604z - 0.0239
y= 2.4798ln(z) - 0.7291
其中，外缘型线（23）的型线始点定义为z=0处。
6.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述型线始点所在轴面和所述型线终点所在轴面的夹角为叶片偏转角θ，所述叶片偏转角θ的角度为90°～180°。
7.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述叶轮沿所述轮毂（10）的轴向投影时，所述进口边（22）与所述型线始点的轴向的夹角为切向前掠角γ，所述切向前掠角γ的角度为5°～12°,所述叶轮沿所述轮毂（10）的径向投影时，所述进口边（22）与水平线的夹角为轴向前掠角δ，所述轴向前掠角δ的角度为12°～25°。
8.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述轮毂远端（11）的半径R为1.6mm～1.8mm；所述轮毂主体（12）的近端直径D1为0.7mm～1.0mm、远端直径D2为3.0mm～4.0mm；所述轮毂（10）的轴向长度L为7.1mm～8.5mm。
9.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述外缘型线（23）与进口边（22）连接的进口处以及与出口边（25）连接的出口处倒圆角，所述进口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm，出口处圆角半径均为0.08mm～0.3mm；所述轮毂（10）与叶片工作面（21）连接处倒圆角，其圆角半径为0.08mm～0.3mm；所述叶片工作面（21）与进口边（22）、外缘型线（23）以及出口边（25）处倒圆角，圆角半径均为0.1mm～0.3mm。
10.根据权利要求9所述的叶轮，其特征在于：所述进口边（22）呈弧形线，所述出口边（25）呈直线。
11.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述的叶片（20）为2片或3片，所述叶片（20）沿所述轮毂主体（12）的周向均匀分布。
12.根据权利要求11所述的叶轮，其特征在于：所述叶片（20）的半径D3为5.5mm～6.0mm，叶片（20）的轴向长度为5.8mm～6.4mm，叶片（20）的厚度为0.4mm～0.5mm。
13.一种右心室辅助装置，其特征在于，包括：导管和设置于所述导管中的如权利要求1至12任一项所述的叶轮。
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