CN1488409A - 磁驱动的轴流式心脏辅助泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁驱动的轴流式心脏辅助泵。它由定子、转子和直流稳压电源组成。定子由定子绕组和定子壳组成。转子由筒状高能级的磁体与推进装置组成，其推进装置由转子内套、中心轴和中心轴上互成180°的两组单叶轮片组成一体结构，形成一个螺旋封密的血液推进通道；转子通过中心轴两圆锥形轴端置入定子悬臂的锥形轴套内。定子绕组通过电流产生磁场，驱动永磁转子带动螺旋推进叶片高速转动，推动血液单向流动，辅助或完全代替心脏泵血。定子绕组与直流稳压电源相连，可根据需要调节血流量。此装置可用作短期或长期心脏辅助，适用于急性心脏功能衰竭和终末期心脏病患者。

Description

磁驱动的轴流式心脏辅助泵

技术领域

本发明涉及一种心脏辅助泵。

背景技术

在心脏辅助装置的近半个世纪的研究过程中，其材料、结构、制作工艺、功能和使用寿命等方面在不断地改进、发展，出现了气动、电动、电液压等不同驱动方式，所产生的血流也更接近生理心脏。心脏辅助装置是危重病人维持生命的重要手段。分为最终替代、等待移植和降低心脏负荷、促进功能恢复三种方式。

随着医学科学的不断发展，急性心功能衰竭、心脏手术后不能脱离体外循环机和等待心脏移植的病人越来越多，急需心脏辅助短期过渡或维持较长时间等待心脏供体。因此，要求辅助装置不仅要有良好的耐久性，极小的血液破坏性，还要具有低噪音、低耗能、小型化、可携带等特性。轴流泵恰好具有上述优点，一般放置在心脏外，在左心室心尖部和升主动脉或降主动脉，右上肺静脉***左房和升主动脉建立通路，将左室或左房血液打入主动脉，以维持全身血液供应。常用的心脏辅助装置有轴流泵和离心泵，轴流泵对血液的破坏程度要比离心泵更加轻微，且具有体积小，携带方便等优点，因此，研究可植入体内、用轴流泵驱动的心室辅助装置，成为目前研究的热点课题。磁悬浮理论在轴流泵中的应用，进一步推动了轴流泵的研究和发展，使心脏辅助装置逐步完善成为可能。

目前常用的轴流泵有(1)DeBakey和Noon等设计的Micro DeBakey型心室辅助泵，用于等待心脏移植的患者，临床已有五年的经验；(2)Nimbus公司设计的HeartMate II；(3)Jarvik设计的Jarvik 2000，在临床应用中，取得了良好的效果；(4)由日本Terumo公司的Akamatsu设计研制的轴流泵在动物实验中取得了满意的进展；(5)Yamazaki等设计的放置在心室内的轴流泵。(6)由Wampler于1982年开始设计，1988年应用于临床。以改善心源性休克病人的血流动力学和减轻左室负荷，促进心脏功能恢复的轴流泵-hemopump。所述传统的轴流泵无法解决叶片转动过程中，切割血液造成对血液和凝血机制的破坏问题。

通常使用的心脏辅助装置可导致各种细菌甚至真菌的感染，血栓形成，血液和血管的破坏，降低免疫功能。长期应用轴流泵进行平流灌注仍有一定的争议，实验证明，长期应用无波动血流可导致主动脉管壁结构变薄以及血管收缩功能下降。且轴流泵的轴颈部与血流的磨损，转动叶片对血液的切割，均导致血液的破坏和血栓的形成。而应用磁悬浮技术的小型轴流泵，通过转子磁悬浮，轴与血流有最小的接触，旋转叶片与转子为一体设计的方案，可明显减少转动中对血液的切割作用，进一步减少叶片对血液和凝血机制的破坏。

轴流血泵在心室辅助方面的进展很快。如Jarvik 2000轴流泵；Cleveland Clinic离心泵；Streamliher混合血泵。这些血泵都是由高速旋转的推进器驱动血流，而起到心室辅助的作用。就Jarvik 2000而言，轴与血液的密切接触，可能产生血液破坏和血栓形成。应用磁悬浮的轴为非接触轴，可产生最小的血液破坏。轴被包裹在一个很小的空间，为轴流泵的小型化提供了可能性。轴内流动的血液对轴的冲刷，减少了血栓形成的机会。当磁性转子高速旋转，使转子悬浮，产生“virtually zero power(VZP)”，明显减少能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用转子磁悬浮，旋转叶片与转子为一体的设计，可明显减少转动中对血液的切割作用，进一步减少旋转叶片对血液和凝血机制破坏的磁驱动的轴流式心脏辅助泵。

本发明所述的一种磁驱动的轴流式心脏辅助泵，它包括：定子、转子和直流稳压电源；由定子绕组和定子壳组成的定子置于转子外部；所述转子包括筒状高能级的磁体和推进装置，其推进装置由转子内套、中心轴和中心轴上的一个或一个以上的螺旋推进叶片一体结构组成，所述螺旋推进叶片围绕于中心轴，其内侧与中心轴相接，外侧与转子内套相接而形成一个螺旋封密的血液推进通道；所述中心轴两圆锥形轴端置入定子悬臂的锥形轴套内，以满足转子悬浮状态的需要，所述转子的两端分别为泵的入口和出口。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，在定子壳与转子侧壁之间，有一个起血液隔离作用的密封垫圈。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其螺旋叶片由互成180°的两片组成，按等螺距排列，固定于中心轴与转子内套之间；其螺距和叶片角的设计，以满足对血液产生最小摩擦阻力和最小涡流的要求。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，位于定子内套两端，固定中心轴的锥形轴端的悬臂，是由互成180°的二条或120°的三条支架结构组成。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，转子中的圆筒状结构，是由四、八、十二等份的永磁沿径向粘接，按N-S排列构成，以八等份排列为最佳。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，在所述转子内套、螺旋叶片和中心轴的表面上均覆盖有生物涂层。

如上所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，有一个直流稳压电源与所述定子绕组连接，调节转子转速。

本发明的优点和积极的效果如下；

1.本发明提供一种应用转子磁悬浮，旋转叶片与转子为一体的设计，可明显减少转动中对血液的切割作用，进一步减少旋转叶片对血液和凝血机制破坏的磁驱动的轴流式心脏辅助泵。

2.根据大多数学者的研究结果，辅助装置植入体内后产生的血液破坏作用可以使机体产生新的代偿作用，既机体可以加强造血功能以弥补增加的溶血损失。但这一代偿有一定的限度。一般认为：每天溶血致游离血红蛋白在10克以下时既可以被生理***所代偿。根据本研究的结果初步分析发现：利用本发明所述的装置进行辅助时的血液破坏作用较小，游离血红蛋白为9.5克/天以下。

3.对本发明所述装置的左心辅助作用进行了急性动物实验，以观察轴流泵对自然心脏的卸负荷作用。实验动物为犬，全身麻醉后开胸。在升主动脉用人造血管进行“端—侧”吻合，然后，将微型轴流泵通过人造血管的末端开口***到升主动脉内，轴流泵的开口位于自然主动脉瓣的上方，然后将泵体固定。将人造血管逢合后关闭胸腔，将体外驱动装置贴于胸壁并启动驱动装置。观察的主要指标为：左心室峰值收缩压(LVPSP)，主动脉峰值收缩压(PSAP)，分别在轴流泵不同的转动速度(RS)下观察以上两项指标，以确定轴流泵在不同强度工作时对左心的影响。实验结果确定了轴流泵的左心卸负荷作用。下表为测得的左心室和主动脉压力值。

RS(rpm)	0	3000	6000	9000
					LVPSP(mmHg)	145±21	107±24	74±19	28±14
PSAP(mmHg)	114±17	123±12	121±15	126±18

在上表中的结果表明：随着轴流泵的转速增加，左心室的峰值收缩压(LVPSP)逐步下降，在轴流泵转速达到每分钟9000转时左心室的峰值收缩压(LVPSP)下降到28mmHg，充分显示轴流泵的卸负荷作用。此实验的意义在于动脉内微型轴流泵可以有确定的左心卸负荷作用。

本动物实验有一个需要重视的发现：本装置在使左心室压力充分下降时并不使动脉压大幅度上升，从表中看出：在轴流泵转速为9000转/min时，左心室峰值收缩压由正常的145mmHg下降到28mmHg，下降幅度达到117mmHg，而主动脉峰值收缩压(PSAP)仅由原来的114mmHg上升到126mmHg，升高程度极其轻微，经统计学处理没有明显差异。该项结果在国内外均无报道，其生理意义需深入探讨。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的定子绕组结构示意图；

图3是本发明的定子绕组结构右侧示图；

图4是本发明的定子壳及两侧悬臂的结构示意图；

图5是本发明的定子壳及两侧悬臂的右侧示图；

图6是本发明的圆筒状永磁转子结构示意图；

图7是本发明的圆筒状永磁转子右侧视图；

图8是本发明的转子内套结构示意图；

图9是本发明的转子内套右侧视图；

图10是本发明的推进装置结构示意图；

图11是本发明的推进装置的右侧视图；

图12是本发明的中心轴的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的磁驱动轴流血泵，包括：(1)定子绕组缠绕在圆柱形定子壳的周围；(2)一个中央扩大的圆柱形转子位于轴流泵的中央；(3)永磁转子由8块径向排列的磁材组成。(4)双螺旋叶片固定于永磁转子的内表面；(5)一个中心轴固定于整个转子中央；(6)永磁转子和外壳用密封垫圈与血液隔开，形成最小气隙。(7)中心轴两端部和定子悬臂中心的轴套配合，组成磁悬浮转子。

本发明具体实施方式可以参见图1至图12。图1是本发明的结构示意图，它包括：定子1、转子、和直流稳压电源三个组成部分。其中定子的结构可参见图2、3、4、5，它是由定子壳2及按无刷电机要求排布的线圈绕组等部分组成。转子的具体结构可参见图6、7，它是由高能级的磁体13沿径向八等分，并按N-S极相邻排布组成一个筒状的转子，可选用日本的N50磁材料。本装置的转数在3000-10000转/分范围内可调节。所述定子壳套置于转子外，转子与定子之间保持最小的间隙。定子壳2的结构可参见图4、5，位于定子壳2的两端为悬臂3，悬臂3为互成120°排列的结构，其中心位置为一个锥形的轴套14。位于锥形轴套的两端为本装置的血液入口和出口4、10。在转子内侧固定有转子内套11，其结构可参见图8、9。转子内套11和中心轴8及沿中心轴8排列的双螺旋推进叶片7共同组成与转子一体化的血液推进装置。所述双螺旋推进叶片7互成180°，内侧与中心轴8连接，外侧连接转子内套11，使推进装置与转子连成一体结构，形成一个密封的螺旋推进血液通道6。该部分的结构可参见图10、11。所述推进装置中的螺旋推进血液通道6的内壁表面上均覆盖有生物涂层。如12碳涂层。所述中心轴8的两端部9为圆锥形，并且置于悬臂3的轴套14内，并保留1-1.5mm的间隙，以满足转子处于悬浮的状态。所述中心轴8的结构可参见图12。在转子13与定子壳2相邻的两侧隙中，设有密封垫圈12，该垫圈为软体材料，起密封、隔离血流的作用。所述中心轴8外套有轴套15。

传统轴流泵的推进装置在高速旋转时，产生局部涡流、真空形成、喷射血流、血流加速度、旋转叶片的剪切力和凸起的表面及血液的滞流，均可导致血液有形成分的破坏，游离血红蛋白的增多和凝血机制的障碍。导致凝血和血栓形成，最终影响泵的功能，危害病人生命。

磁驱动轴流泵设计的一个关键问题是气隙与效率的关系问题，有效的悬浮和推进器的旋转，液体的气隙必须相对较小，这样，转子才能获得足够的磁动力，推动叶轮高速转动。本设计的特色之一是最小的气隙，最佳的磁效应。我们应用高磁能级的材料，圆柱形高性能磁材径向等分8份(N-S-N-S-N-S-N-S)，形成中空的永磁转子，旋转叶片固定于转子中央，随转子同步旋转，叶片对血液切割作用小，而血流面积比大，涡流小。定子绕组通过电流产生磁场，作用于永磁转子，产生磁悬浮，减少摩擦阻力，产生最佳效率。设计中采用粗的线圈绕组，可减少线圈发热。为了使转子能稳定悬浮，我们设计了转子中心轴，三条支撑悬臂成120°固定在定子外壳上，形成一个轴心，容纳转子轴的锥形轴头，满足转子磁悬浮，高效驱动血流。螺旋叶片为双叶片，与中心轴互成180°，固定在中心轴外套和永磁转子内壁上，增加了推进叶片的稳定性，合理的推进叶片角度，高效驱动血流和防止血栓形成。分装的转子部件，使组装简单、易行。

Claims (7)

1.一种磁驱动的轴流式心脏辅助泵，它包括：定子、转子和直流稳压电源；其特征在于：由定子绕组和定子壳组成的定子置于转子外部；所述转子包括筒状高能级的磁体和推进装置，其推进装置由转子内套、中心轴和中心轴上的一个或一个以上的螺旋推进叶片一体结构组成，所述螺旋推进叶片围绕于中心轴，其内侧与中心轴相接，外侧与转子内套相接而形成一个螺旋封密的血液推进通道；所述中心轴两圆锥形轴端置入定子悬臂的锥形轴套内，以满足转子悬浮状态的需要，所述转子的两端分别为泵的入口和出口。

2.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：在定子壳与转子侧壁之间，有一个起血液隔离作用的密封垫圈。

3.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：螺旋叶片由互成180°的两片组成，按等螺距排列，固定于中心轴与转子内套之间；其螺距和叶片角的设计，以满足对血液产生最小摩擦阻力和最小涡流的要求。

4.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：位于定子壳两端，固定中心轴的锥形轴端的悬臂，由互成180°的二条或120°的三条支架结构组成。

5.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：转子中的圆筒状结构，由四、八、十二等份的永磁沿径向粘接，按N-S排列构成，以八等份排列为最佳。

6.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：在所述转子内套、螺旋叶片和中心轴的表面上均覆盖有生物涂层。

7.如权利要求1所述的磁驱动的轴流式心脏辅助泵，其特征在于：有一个直流稳压电源与所述定子绕组连接，调节转子转速。

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