DE3888208T2 - Einstufige axialblutpumpe. - Google Patents

Einstufige axialblutpumpe.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Blutpumpen, spezieller eine Miniaturpumpe hoher Drehzahl für intravaskuläre Verwendung.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Das US-Patent Nr. 4,625,712 offenbart eine mehrstufige Miniaturaxialblutpumpe, die perkutan in eine Arterie zur Herzunterstützung im Notfall eingesetzt werden kann. Die Pumpe wird über ein Kabel von einem Motor außerhalb des Körpers angetrieben, und sie sorgt für einen kontinuierlichen Blutfluß von mehreren Litern pro Minute bei hohen Betriebsdrehzahlen.
  • Im Verlauf von Forschungen, die darauf zielten, höhere Strömungsraten und noch höhere Betriebsdrehzahlen bei minimaler Hämolyse und erhöhter Sicherheit zu erzielen, wurde herausgefunden, daß der mehrstufige Aufbau gemäß dem US-Patent Nr. 4,625,712 wegen Beschränkungen nicht voll zufriedenstellend war, wie sie durch das zulässige Hämolyseausmaß auferlegt werden. Andererseits wiesen herkömmliche Aufbaukenntnisse darauf hin, daß einstufige Pumpen wegen der Beschränkungen hinsichtlich des Druckanstiegs pro Stufe, wie er Axialflußpumpen innewohnt, nicht verwendet werden können.
  • Auch entstand eine Schwierigkeit aus der Tatsache, daß blutverträgliche Materialien für die Kabelhülle nicht ausreichend abriebfest waren, um auf sichere Weise eine lange Betriebsdauer der Pumpe zuzulassen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung gibt eine intravaskuläre Blutpumpe an, mit:
  • a) einem im wesentlichen zylindrischen Stator;
  • b) einem Rotor mit einer Nabe, der mit dem Stator zusammenwirkt, um Blut axial durch die Pumpe zu pumpen, wobei der Stator und der Rotor zwischen sich einen ringförmigen Raum festlegen; und
  • c) einer Einrichtung mit einer Rotorblatteinrichtung, die aus zwei Reihen von Blättern auf dem Rotor besteht, die bei Betrieb der Pumpe eine gleichförmige Vorwärtsgeschwindigkeit des Bluts im ringförmigen Raum an der Hinterkante der Rotorblatteinrichtung aufrecht erhält, wobei eine der Reihen eine gemischte axiale und zentrifugale Strömung erzeugt und die andere eine im wesentlichen reine axiale Strömung erzeugt.
  • Bei der oben angegebenen Blutpumpe werden die mit der Verwendung eines mehrstufigen Aufbaus verbundenen Schwierigkeiten dadurch überwunden, daß eine einzelne, zweireihige Stufe verwendet wird, die eine Reihe von Blättern, in denen etwas axiale und etwas zentrifugale Blutströmung besteht, und eine zweite Reihe von Blättern aufweist, in denen die Blutströmung nur axial ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel trägt der Rotor drei Blätter in jeder Reihe, ebenso wie der Stator. Die Pumpe kann relativ kurz ausgebildet werden, kann zu verringerter Hämolyse führen, und kann bei hoher Drehzahl betrieben werden.
  • Eine bevorzugte Form der pumpe überwindet das Abriebproblem dadurch, daß die Kabelhülle als Koextrudat ausgeführt ist, das ein Paar konzentrischer Röhren bildet. Die Außenwand der Hülle wird dann vorzugsweise aus einem blutverträglichen Material gebildet, während die Innenwand aus einem relativ steifen, abriebfesten Material hergestellt wird. Die äußere Röhre (die aus baulichen Gründen vorzugsweise aus mehreren Längskanälen besteht, die die innere Röhre im wesentlichen konzentrisch umgebend angeordnet sind) kann als Leitung zum Zuführen eines Reinigungsfluids zu den mit Reinigungsfluid abgedichteten Lagern der Pumpe dienen, während die innere Röhre das Antriebskabel enthalten kann und als Rücklaufleitung dienen kann, die alle abgeriebenen Hüllenteilchen von der Pumpe wegspült. Dieser Aufbau hat den zusätzlichen Vorteil, daß eine nichtthromboseerzeugende Kabelhüllenoberfläche gebildet wird, während es ermöglicht wird, die Kabelhülle ausreichend steif dafür zu gestalten, daß während des Einführens die Ausbildung von Knicken verhindert wird.
  • Die Kabelhülle bei der oben angegebenen Pumpe kann in einer Form vorliegen, die blutverträglich aber dennoch abriebfest und ausspülbar ist. Die Hülle besteht vorzugsweise aus einem Koextrudat eines blutverträglichen, nichtthromboseerzeugenden Materials und einem abriebfesten Material.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene Formen der Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 ein Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Pumpe ist;
  • Fig. 2 eine teilgeschnittene Teilseitenansicht des Rotors und des Stators der Pumpe von Fig. 1 ist;
  • Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 1 ist; und
  • Fig. 4 ein Teillängsschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels der Pumpe von Fig. 1 ist.
    • Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels 1. Einleitung
  • Eine intravaskuläre Blutpumpe muß mehreren unüblichen Kriterien genügen: 1) sie muß einen kleinen Durchmesser aufweisen, um leicht in ein Blutgefäß zu passen; 2) sie muß kurz sein, um dazu in der Lage zu sein, starken Biegungen im Blutgefäß zu folgen; 3) sie muß so wenig wie möglich Hämolyse erzeugende Grenzflächen aufweisen; und 4) sie muß billig herstellbar sein, da es ein Wegwerfartikel sein muß.
  • Die vorstehenden Erfordernisse weisen darauf hin, daß die Verwendung einer einstufigen Pumpe erwünscht ist. Einstufige Pumpen weisen weniger Rotor/Stator-Übergänge als mehrstufige Pumpen auf und verursachen daher weniger Hämolyse, obwohl sie schneller betrieben werden müssen, um den erforderlichen Flüssigkeitsdruck zu erzeugen. Einstufige Pumpen sind auch kürzer als entsprechende mehrstufige Pumpen, und einstufige Pumpen sind deutlich billiger herstellbar.
  • Eine Schwierigkeit rührt von der Tatsache her, daß herkömmliche Pumpenaufbautechniken lehren, daß es nicht möglich ist, einen ausreichenden Druckanstieg in einer einzigen Stufe zu erzeugen, ohne Strömungsabrisse und andere Betriebsschwierigkeiten in der kritischen und nichtsverzeihenden Umgebung einer Axialpumpe hoher Drehzahl hervorzurufen.
  • Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß 1) intravaskuläre Axialblutpumpen bei höheren Drehzahlen betrieben werden können, als es herkömmliche Hämolyseberechnungen für die Geschwindigkeiten der Blattspitzen anzeigen, und daß 2) eine einzige Stufe bei Blutpumpen des Typs verwendet werden kann, wie er im US-Patent Nr. 4,625,712 dargestellt ist, wenn der Rotor in einer zweireihigen Stufe ausgebildet ist, wobei die eine Reihe eine Mischströmung erzeugt, die teilweise axial und teilweise zentrifugal ist, und die andere Reihe eine rein axiale Strömung ohne Kavitation, Strömungsabriß oder deutliche Hämolyse erzeugt.
  • Die hier beschriebene Konstruktion mit einem einstufigen Rotor weist eine sehr stabile HQ-Kurve auf, d.h., sie kann ohne Stabilitätsschwierigkeiten einen weiten Bereich von Druckanstiegen auffangen. Dies ist bei intravaskulären Blutpumpen wichtig, da der menschliche Herzschlag dauernde Druckanstiegschwankungen zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Pumpe verursacht, die irgendwo zwischen 100 mm Hg und einem negativen Wert liegen.
    • 2. Mischströmungsreihe
  • Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Pumpe 10 im Axialschnitt. Hinsichtlich der bevorzugten Größe beträgt die Gesamtlänge der Pumpe 10 in der Größenordnung 1,5 cm, mit einem Außendurchmesser in der Größenordnung 0,7 cm. Die Pumpe 10 kann mit Drehzahlen in der Größenordnung 25.000 U/min rotieren, und sie kann einen Blutfluß in der Größenordnung 3 l/min mit einem maximalen Druckanstieg in der Größenordnung 100 mmHg erzeugen.
  • Blut tritt in die Pumpe 10 um die geschoßförmige Nabe 12 des Rotors 14 innerhalb des Außengehäuses 29 ein. Die Nabe 12 ist mit zwei Reihen von Blättern 16, 18 versehen. Jede Reihe besteht beim bevorzugten Ausführungsbeispiel aus drei Blättern, die um 120 gegeneinander versetzt sind, da es sich herausgestellt hat, daß diese Blattanordnung unerwarteterweise den Wirkungsgrad der pumpe optimiert (die herkömmliche Pumpenkonstruktion verlangt nach 5 - 10 Blättern pro Reihe), wenn sie mit einem Stator mit 3 Blättern kombiniert wird. Dies gilt, da es sich herausgestellt hat, daß die Anordnung mit 3 Blättern den besten Kompromiß zwischen Strömungsführung und Rückdruckwiderstand ergibt.
  • Im Bereich 19 der ersten Reihe von Blättern 16 nimmt der Durchmesser der Nabe 12 in Richtung des Blutflusses zu. Dies verleiht dem Blut eine Beschleunigungskomponente in der Richtung radial nach außen, d.h. eine Zentrifugalströmungskomponente. Gleichzeitig erzeugt die Windung (Fig. 2) der Blätter 16 eine axiale Beschleunigung oder Strömungskomponente von rechts nach links in Fig. 1. Diese Mischströmung erzeugt einen zusätzlichen Druckansteig, der es ermöglicht, daß für die Pumpe 10 ein einstufiger Aufbau verwendet werden kann. Die Blätter 16 der Mischströmungsreihe sind so geformt, in Überseinstimmung mit den herkömmlichen Blattaufbaukriterien, daß ein gleichmäßiger Druckansteig entlang der Reihe aufrechterhalten wird.
    • 3. Axialströmungsreihe
  • Die zweite Reihe an Rotorblättern 18 (die, wie oben erwähnt, für optimale Funktion vorzugsweise aus drei Blättern besteht) liegt auf einem Abschnitt 20 der Nabe 12 mit konstantem Durchmesser und erzeugt daher eine rein axiale Strömung. Die Windung (Fig. 2) der Blätter 18 ist so ausgebildet, daß an der Basis der hinteren Kante nahe der Nabe 12 ein negativer Winkel 22 gebildet wird, jedoch ein positiver Winkel an der Spitze der Hinterkante entfernt von der Nabe 12. Die Blätter 18 weisen auch eine hohe Windung 24 an der Vorderkante auf. Diese Anordnung hält eine gleichförmige Vorwärtsgeschwindigkeit der Blutströmung entlang der Hinterkante jedes Blattes 18 aufrecht, um jede Turbulenz zu verhindern, die Hämolyse oder Trennung verursachen könnte. Sie sorgt auch für einen erhöhten Druckanstieg, wie er dazu erforderlich ist, damit die Stufe den Betriebsbedingungen genügt. Die hohe Windung ist erforderlich, um die Viskositätsverluste im unteren Reynolds-Bereich zu überwinden, bei denen Blutpumpen dieser Größe arbeiten.
    • 4. Der Stator
  • Der Stator 25 der Pumpe 10 weist eine Achsenlagerung 27, einen Kabelhüllenanschlußblock 23 und den Lagerblock 48 auf. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist er auch 3 Blätter 26 mit umgekehrter Windung auf, die wesentlich länger sind als die Blätter 16 und 18 und tatsächlich der Gesamtlänge der gesamten zweireihigen Rotorstufe nahekommen. Die umgekehrte Verdrillung und die ungewöhnliche Länge der Statorblätter 26 richtet den Blutfluß aus und verlangsamt ihn, um eine Trennung (d.h. eine Abscheidung von Blutteilchen) zu verhindern. Es wurde herausgefunden, daß die Verlängerung der Statorblätter 26 auch den Wirkungsgrad der Pumpe 10 erhöht. Die Statorblätter 26 bilden die Lagerung für das Gehäuse 29.
    • 5. Mechanische Eigenschaften
  • Die Pumpe 10 wird über ein Kabel 30 angetrieben, das innerhalb einer Kabelhülle 32 drehbar ist, die sich von der Außenseite des Körpers des Patienten zur Pumpe 10 durch das Blutgefäß erstreckt, in das die Pumpe 10 eingeführt ist. Das vordere Ende 34 des Kabels 30 ist bei 36 an der Pumpenachse 38 befestigt.
  • Eine auf die Achse 38 geschraubte Mutter 42 dient als Anschlag für das rechte Ende (in Fig. 1) einer Feder 44. Das linke Ende der Feder 44 drückt gegen einen Kunststofflagerblock 46, der integral mit dem Rotor 14 zusammengesetzt ist, um den Block 46 und den Rotor 14 in Eingriff mit dem Metallagerblock 48 des Stators zu drücken, und um ein Taumeln des Rotors 14 zu verhindern. Die Grenzfläche zwischen den Lagerblöcken 46 und 48 bildet eine hydrostatische Axialdrucklagerung 49, die durch den Druck der Feder 44 auf minimalen Spalt hin belastet wird.
  • Die Nabe 12 ist auf der Achse 48 axial verschiebbar, ist jedoch aufgrund der Fähigkeit der Feder 44, ein Drehmoment zu übernehmen, drehbar. Das Verwenden der Feder zur Drehmomentübertragung minimiert die axiale Gleitreibung (die dazu neigt, die Funktion der Feder 44 zum Minimieren des Spaltes zu stören) und erlaubt eine gleichförmige Übertragung der axial gerichteten Federkraft zur Dichtungsbelastung.
  • Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Pumpe 10, bei der ein Gummi-O-Ring 45 als Dichtungsbelastung und als Drehmomentübertragungseinrichtung verwendet wird. Im übrigen funktioniert das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 auf dieselbe Weise wie das von Fig. 1.
  • Eine externe Quelle, wie sie in US-A-4,895,557 mit dem Titel "Drive Mechanism For Powering Intravascular Blood Pumps" dargestellt ist, versorgt die Pumpe 10 mit im wesentlichen konstanter Strömungsrate durch die Kabelhülle 32 mit einem blutverträglichen Reinigungsfluid. Die Last der Feder 44 (Fig. 1) oder des O-Rings 45 (Fig. 4) ist so ausgewählt, daß der Druck des Reinigungsfluids auf einem Wert gehalten wird, der wesentlich höher als der Blutdruck ist. Das Reinigungsfluid strömt durch einen Kanal 50, einen Teilchenfilter 52 und Kanäle 54, 56, 58, 60 und 62 zwischen der Achse 38 und dem Stator 25 zum Lager 49. Die Kanäle 54, 58 und 60 sind in einem Kunststoffachslager 61 ausgebildet, das mit der Achse 38 vorzugsweise über einen Kleber 63 und einen Stift 65 verbunden ist. Nachdem die Reinigungsfluid in der hydrostatischen Dichtung 49 als Lagerfluid gedient hat, tritt sie radial in den Blutstrom nach außen aus.
  • Es ist zu beachten, daß die oben angegebenen Konstruktion die Lagerflächen der Lagerblöcke 46, 48 für Präzisionsläppen freilegt, wenn der Rotor 14, die Achse 48, der Anschlußblock 23 und der Stator 25 auseinandergenommen werden. Dies und die Einfachheit des einstufigen Aufbaus, der einfaches Präzisionsgießen des Rotors zuläßt, tragen zu den niedrigen Herstellkosten bei, die ein deutlicher Vorteil auf dem Gebiet von Wegwerfblutpumpen sind.
    • 6. Kabelhülle
  • Die Kabelhülle 32 dient sowohl als Hülle für das Kabel 30 als auch als Leitung für das Reinigungsfluid. Diese Kombination führt jedoch zu einem Verträglichkeitsproblem. Um die Pumpe 10 richtig durch das Gefäßsystem schieben zu können und übermäßig starke Krümmungen auf dem Weg des Kabels 30 zu verhindern, muß die Kabelhülle 32 ziemlich steif sein. Darüber hinaus muß sie abriebfest sein, damit das Kabel 30 sie bei langdauerndem Betrieb nicht durchreiben kann. Andererseits muß die Außenfläche der Kabelhülle relativ weich sein, um eine Verletzung der Blutgefäßwand zu vermeiden.
  • Die Erfindung löst diese Schwierigkeit dadurch, daß eine vorzugsweise koextrudierte Kabelhülle mit zwei Röhren verwendet wird, die eine innere zylindrische Röhre 69 und eine äußere zylindrische Röhre 71 bilden. Zur baulichen Vollständigkeit ist die Außenröhre 71 vorzugsweise aus mehreren voneinander getrennten, sich axial erstreckenden Kanälen gebildet, die im wesentlichen konzentrisch um die innere Röhre 69 angeordnet sind. Die Wand 70 der äußeren Röhre 71 wird vorzugsweise aus einem relativ weichen, blutverträglichen Material hergestellt, während die Wand 72 der inneren Röhre 69 vorzugsweise aus einem steifen, abriebfesten Material hergestellt wird. Mehrere geeignete Kunststoffmaterialien mit diesen Eigenschaften sind im Stand der Technik bekannt.
  • Das Reinigungsfluid wird durch die äußere Röhre 71 zur Pumpe 10 gefördert. Ein Teil des Fluids tritt durch den Kanal 50 in die Pumpe 10 ein, während ein anderer Teil des Fluids über die Dichtung 74 durch eine geeignete Vorrichtung angesaugt wird, wie sie in US-A-4,817,586 dargestellt ist. Der letztere Teil schmiert das Kabel 30 und spült jegliche Kabelhüllenteilchen von der Pumpe 10 weg, die sich durch Reibung durch das Kabel 30 gelöst haben.

Claims (13)

1. Intravaskuläre Blutpumpe mit:
a) einem im wesentlichen zylindrischen Stator (25);
b) einem Rotor (14) mit einer Nabe (12), der mit dem Stator (25) zusammenwirkt, um Blut axial durch die Pumpe zu pumpen, wobei der Stator (25) und der Rotor (14) zwischen sich einen ringförmigen Raum festlegen; und
c) einer Einrichtung mit einer Rotorblatteinrichtung, die aus zwei Reihen (16, 18) von Blättern auf dem Rotor (14) besteht, die bei Betrieb der Pumpe eine gleichförmige Vorwärtsgeschwindigkeit des Bluts im ringförmigen Raum an der Hinterkante der Rotorblatteinrichtung aufrecht erhält, wobei eine der Reihen (16) eine gemischte axiale und zentrifugale Strömung erzeugt und die andere (18) eine im wesentlichen rein axiale Strömung erzeugt.
2. Blutpumpe nach Anspruch 1, bei der der Durchmesser der Nabe (12) des Rotors (14) in Richtung der Strömung entlang einer der Reihen (16) mit einer Rate ansteigt, die dann, wenn sie mit der Krümmung der Blätter dieser Reihe (16) zusammengesehen wird, einen gleichförmigen Druckanstieg entlang der Reihe (16) erzeugt.
3. Blutpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Formen der Blätter der anderen der Reihen (18) derartig sind, daß eine gleichförmige Strömungsgeschwindigkeit des Bluts entlang der Hinterkante der Blätter der anderen der Reihen (18) erzeugt wird.
4. Blutpumpe nach Anspruch 3, bei der die Basis der Hinterkante der Blätter der anderen der Reihen (18) einen negativen Antriebswinkel (22) hat.
5. Blutpumpe nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Spitze der Hinterkante der Blätter der anderen der Reihen (18) einen positiven Winkel (23) aufweist.
6. Blutpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Stator (25) und jede der Reihen (16, 18) der Blätter drei Blätter aufweist.
7. Blutpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit:
- einer Kabeleinrichtung (30), die betriebsmäßig mit dem Rotor (14) verbunden ist, um diesen anzutreiben;
- einer Kabelhülle (32), die in fluiddichter Beziehung an der Pumpe befestigt ist, wobei die Kabeleinrichtung (30) in Längsrichtung innerhalb der Kabelhülle (32) angeordnet ist; und
- wobei die Kabelhülle (32) ein Paar im wesentlichen paralleler Röhren (69, 71) aufweist, wobei Reinigungsfluid durch eine der Röhren (71) zur Pumpe gefördert wird, wobei die Kabeleinrichtung in der anderen der Röhren (69) angeordnet ist, und wobei ein Teil des Reinigungsfluids von der Pumpe weg durch die andere der Röhren (69) gefördert wird, um dieselbe zu spülen.
8. Blutpumpe nach Anspruch 7, bei der die Röhren (69, 71) konzentrisch sind, die Außenwand (70) der äußeren Röhre (71) aus einem im wesentlichen weichen, blutverträglichen Material gebildet ist, und die Wand (72) der inneren Röhre (69) aus einem im wesentlichen steifen, abriebfesten Material gebildet ist.
9. Blutpumpe nach Anspruch 8, bei der die Röhrenwände (70, 72) koextrudiert sind.
10. Blutpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit:
- einem mit Reinigungsfluid abgedichteten hydrostatischen Lager (49) zwischen dem Rotor (14) und dem Stator (25), im wesentlichen quer zur Pumpenachse angeordnet; und
- einer elastischen Einrichtung (44, 45) zum Drücken es Rotors (14) gegen den Stator (25) am Lager (49).
11. Blutpumpe nach Anspruch 10, die ferner eine Antriebsachse (38) zum Antreiben des Rotors (14) aufweist, wobei die elastische Einrichtung (44, 45) zwischen die Antriebsachse (38) und den Rotor (14) eingefügt ist, um das Antriebsdrehmoment der Antriebsachse (38) auf den Rotor (14) zu übertragen.
12. Blutpumpe nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, bei der die elastische Einrichtung eine Feder (44) ist.
13. Blutpumpe nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, bei der die elastische Einrichtung ein O-Ring (45) ist.
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