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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Blutpumpe zur Blutübertragung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Turboblutpumpe,
welche durch Rotation eines Flügelrades
Blut zum Fließen bringt.
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Blutpumpen
sind zur Durchführung
eines extrakorporalen Kreislaufes mittels künstlicher Herz-Lungenmaschinen
oder dergleichen unentbehrlich. Die derzeit hauptsächlich verwendeten
Blutpumpen sind Turboblutpumpen. Die Turboblutpumpe weist die folgende
Struktur auf: Ein Gehäuse
mit einer innen ausgebildeten Pumpkammer ist in ihrem Zentrum mit
einem Einlassport zum Einführen
von Blut und einem Auslassport zum Austragen von Blut an ihrem Umfang
ausgebildet. Ein Flügelrad
ist in der Pumpkammer angeordnet, dessen Rotation Blut eine Zentrifugalkraft
oder Antriebskraft in der Axial- oder Schrägrichtung aufbringt, wodurch
das Blut zum Fließen
gebracht wird.
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Zum
Rotieren des Flügelrades
durch einen Motor benötigt
die Pumpe einen Mechanismus zum Übertragen
der Rotation des außerhalb
des Gehäuses
angeordneten Motors auf das innerhalb des Gehäuses angeordnete Flügelrad.
Als ein Beispiel eines solchen Übertragungsmechanismus
ist die Struktur bekannt, in welcher das Gehäuse mit einer Öffnung versehen
ist, so dass der Rotationsschaft des Motors in das Gehäuse eindringt,
um mit dem Flügelrad
verbunden zu werden, wobei eine Schaftabdichtung das Innere und Äußere des
Gehäuses
trennt. In diesem Fall kann jedoch die an der Schaftabdichtung erzeugte
Hitze Probleme mit sich bringen, wie eine Beschädigung des Blutes und die Bildung
von Thromben. Darüber
hinaus kann die Schaftabdichtung das Innere und Äußere des Gehäuses nicht
vollständig
trennen, wodurch die Invasion von Bakterien, etc. möglich wird.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, wurde
die Verwendung magnetischer Kupplung als Mittel zur Verbindung eines
Flügelrades
und eines Motors erdacht. Die Verwendung magnetischer Kupplung kann
die Notwendigkeit der Struktur beseitigen, in welcher eine Antriebswelle
des Motors zur Rotationsübertragung
auf das Flügelrad
die Wand des Gehäuses
durchdringt.
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Bei
der allgemeinen Struktur zur Induktion magnetischer Kupplung sind
Magnete an dem Flügelrad
und dem außerhalb
des Gehäuses
vorgesehenen Rotor angebracht und die Magnete auf dem Flügelrad und
jene auf dem Rotor sind in enger Nachbarschaft angeordnet. Wird
der Rotor durch einen Motor gedreht, rotiert das Flügelrad folgend
der Rotation des Rotors durch die magnetische Anziehungskraft.
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JP
9(1997)-313600A offenbart ein Beispiel der Turboblutpumpe, welche
magnetische Kupplung verwendet. Bei diesem Beispiel sind Magnete
auf der unteren Oberfläche
des Flügelrades
und der oberen Oberfläche
eines Rotors befestigt. Dementsprechend stehen sich die Magnete
auf dem Flügelrad und
jene auf dem Rotor in vertikaler Richtung über die Gehäusewand gegenüber und
die Rotation des Rotors wird auf das Flügelrad durch die magnetische Anziehungskraft,
welche in vertikaler Richtung wirkt, übertragen. Bei der Blutpumpe
dieser Art ist das unterseitige Lager zur drehbaren Unterstützung des Flügelrades
hauptsächlich
der Belastung ausgesetzt, da die durch die Magnete verursachte Anziehungskraft
vertikal wirkt. Daher erhöht
ein Versuch, eine ausreichend große magnetische Kupplungskraft
zu erhalten, die Abrasion des unterseitigen Lagers, was in verminderter
Pumpleistung und einer nachteiligen Wirkung auf die Lebensdauer
der Pumpe resultieren kann.
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Als
ein weiteres Beispiel magnetischer Kupplung haben die Erfinder der
vorliegenden Erfindung die Struktur untersucht, in welcher Magnete
auf einen Flügelrad
und jene auf einem Rotor so angeordnet sind, dass sie in radialer
Richtung einander ge genüber
stehen. 3 zeigt ein Beispiel dieser Struktur.
In 3 bezeichnet die Bezugsziffer 21 ein Gehäuse, welches
einen Einlassport 21a und einen Auslassport (nicht gezeigt
in der Zeichnung) umfasst. In einer Pumpkammer 22, die
innerhalb des Gehäuses 21 vorgesehen
ist, ist ein Flügelrad 23 angeordnet.
Das Flügelrad 23 wird
durch ein oberes Lager 24 und ein unteres Lager 25 drehbar
gehalten. In einer Ausnehmung 21b, die in dem Mittelabschnitt
des unteren Teiles des Gehäuses 21 ausgebildet
ist, ist ein Rotor 26 angeordnet. Obwohl es in der Zeichnung nicht
gezeigt ist, wird der Rotor 26 durch einen Motor, mit welchem
er verbunden ist, in drehender Weise angetrieben. Angetriebene Magnete 27 sind
an dem unteren Teil des Flügelrades 23 befestigt,
derart, dass sie innerhalb der Seitenwand der Ausnehmung 21b des
Gehäuses 21 angeordnet
sind. Andererseits sind Antriebsmagnete 28 an dem Rotor 26 befestigt, derart,
dass sie außerhalb
der Seitenwand der Ausnehmung 21b angeordnet sind. Dementsprechend wird
die Rotation des Rotors 26 auf das Flügelrad 23 durch die
magnetische Anziehungskraft übertragen, welche
in der Radialrichtung zwischen den angetriebenen Magneten 27 und
den Antriebsmagneten 28 wirkt.
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Bei
der Blutpumpe dieser Art müssen
beide Magnete eine ausreichende Länge in Axialrichtung des Flügelrades 23 aufweisen,
um einen Bereich der Abschnitte ausreichend zu vergrößern, in
welchen die angetriebenen Magnete 27 und die Antriebsmagnete 28 sich
jeweils gegenüberliegen,
zu dem Zweck, eine ausreichend starke magnetische Kupplungskraft zu
erhalten. Dementsprechend ist der Bereich B der äußersten Umfangsoberfläche 23a des
Flügelrades 23 vergrößert. Da
die äußerste Umfangsoberfläche 23a die
größte Umfangsgeschwindigkeit
aufweist, bedeutet eine Vergrößerung in
diesem Bereich eine Vergrößerung der
Scherbeanspruchung auf Blut, was die Möglichkeit der Blutbeschädigung (Hämolyse)
erhöht.
Da des Weiteren Blutstagnationsabschnitte 29 in Räumen zwischen
den Abschnitten, auf welchen die angetriebenen Magnete 27 befestigt sind,
und der zweiten Wand der Ausnehmung 21b ausgebildet werden
können,
ist eine Vergrößerung des
Volumens dieser Räume
nicht bevorzugt, da die Möglichkeit
der Thrombenbildung dadurch ansteigt.
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EP 0 425 257 A2 beschreibt
eine Zentrifugalblutpumpe, in welcher ein kompaktes Flügelrad über einen
Stift in einem unteren Lager der Pumpkammer gehalten wird. Angetriebene
Magnete auf dem Flügelrad
und Antriebsmagnete liegen einander über die Gehäusewand in einer geneigten
Richtung zur Rotationsachse gegenüber.
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Unter
Berücksichtigung
der vorangehenden Ausführungen
ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Turboblutpumpe
zur Verfügung
zu stellen, welche eine ausreichend starke magnetische Kupplung
zwischen einem Flügelrad
und einem Rotor, welcher außerhalb
eines Gehäuses
angeordnet ist, sicherzustellen, die Belastungskonzentration auf
ein unteres Lager, welches das Flügelrad unterstützt, zu
vermeiden und einem geringen Risiko von Hämolyse und der Bildung von
Blutstagnationsabschnitten unterliegt.
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Eine
Turboblutpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Eine bevorzugte Ausführungsform
ist im Anspruch 2 angegeben.
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Gemäß der Turboblutpumpe
der Erfindung kann die nach Unten auf das untere Lager gerichtete Belastung,
welche durch die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Flügelrad und
dem Rotor verursacht wird, reduziert werden. Daher kann die magnetische
Kupplung ausreichend stark gemacht werden. Da darüber hinaus
die angetriebenen Magnete und die Antriebsmagnete auf schrägen Oberflächen angeordnet
sind, kann ein Bereich der Abschnitte, in denen die angetriebenen
Magnete und die Antriebsmagnete sich jeweils einander gegenüber stehen,
leicht vergrößert werden,
ohne dass die Axialgröße des Flügelrades
vergrößert wird.
Daher wird ein Bereich der Abschnitte, welche in Kontakt mit Blut
bei hoher Umfangsgeschwindigkeit kommen, erniedrigt, wodurch die
Möglichkeit
von Hämolyse
reduziert wird. Darüber hinaus
werden Blutstagnationsabschnitte auch kleiner gemacht, wodurch die
Bildung von Thromben reduziert wird.
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Des
Weiteren wird bevorzugt, dass die Anzahl der angetriebenen Magnete
und die Anzahl der Antriebsmagnete in einem Bereich von jeweils 4 bis 8 liegt
und die angetriebenen Magnete und die Antriebsmagnete in im Wesentlichen
gleichförmigen
Intervallen auf Umfängen,
welche auf der Rotationsachse des Flügelrades jeweils zentriert
sind, angeordnet sind.
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Bei
der Turboblutpumpe gemäß der Erfindung
dringt die schräge
Oberfläche
im oberen Teil des Rotors vorzugsweise gegen das Gehäuse vor, unter
Ausbildung einer konvexen Form.
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Diese
und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
beim Lesen und Verstehen der folgenden genauen Beschreibung unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden.
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Turboblutpumpe gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A ist
eine Aufsicht auf einen Rotor der Turboblutpumpe, die in 1 gezeigt
ist und
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2B ist
eine Frontansicht desselben und
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Turboblutpumpe, welche
magnetische Kupplung verwendet, jedoch nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung.
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Turboblutpumpe gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 ein Gehäuse, welches eine Pumpkammer 2 zum
Durchführen
von Blut umfasst, um Blut zum Fließen zu bringen. Das Gehäuse 1 ist
mit einem Einlassport 3, welcher mit dem oberen Teil der
Pumpkammer 2 kommuniziert und einem Auslassport 4, welcher
mit dem Seitenteil der Pumpkammer 2 kommuniziert, versehen.
Im Inneren der Pumpkammer 2 ist ein Flügelrad 5 angeordnet.
Das Flügelrad 5 umfasst
sechs Flügel 6,
eine Antriebswelle 7 und ein ringförmiges umlaufendes Verbindungselement 8. Der
Innenabschnitt eines jeden Flügels 6 ist
mit der Antriebswelle 7 verbunden, wohingegen die Außenkante
davon mit dem ringförmigen
Verbindungselement 8 verbunden ist. Die Antriebswelle 7 wird
durch ein oberes Lager 9 und ein unteres Lager 10,
welche beide in dem Gehäuse 1 vorgesehen
sind, drehbar gelagert. Das ringförmige Verbindungselement 8 ist mit
Magnetgehäusen 11 versehen,
in welchen angetriebene Magnete 12 jeweils eingebettet
sein können. Das
ringförmige
Verbindungselement 8 kann sechs angetriebene Magnete von
zylindrischer Form aufweisen, welche in vorbestimmten Intervallen
in dessen Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Im
unteren Teil des Gehäuses 1 ist
ein Rotor 13 angeordnet. Der Rotor 13 umfasst
eine Antriebswelle 14 und einen magnetischen Kupplungsabschnitt 15 von
im Wesentlichen zylindrischer Form, welche miteinander verbunden
sind. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist die Antriebswelle 14 drehbar
gelagert und wird durch eine Rotationsantriebsquelle, wie einen
Motor, in drehender Weise angetrieben. Obwohl es in der Zeichnung
nicht gezeigt ist, sind des Weiteren der Rotor 13 und das
Gehäuse 1 so
gehalten, dass sie eine konstante positionelle Beziehung einhalten
können.
Auf der oberen Oberfläche
des magnetischen Kupplungsabschnittes 15 können Antriebsmagnete 16 eingebettet
sein. Wie in einer Aufsicht des in 2A veranschaulichten
Rotors 13 gezeigt ist, können sechs Antriebsmagnete 16 von
zylindrischer Form in vorbestimmten Intervallen in der Umfangsrichtung
angeordnet sein.
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Die
Antriebsmagnete 16 sind so angeordnet, dass sie den angetriebenen
Magneten 12 über
die Wand des Gehäuses 1 gegenüberstehen.
Demgemäß sind der
Rotor 13 und das Flügelrad 5 magnetisch
miteinander gekuppelt. Wenn der Rotor 13 gedreht wird, wird
das Flügelrad 5 durch
die magnetische Kupplung drehend angetrieben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist die untere Oberfläche des
ringförmigen
Verbindungselementes 8, auf welchem die angetriebenen Magnete 12 befestigt sind,
eine schräge
Oberfläche,
welche nicht senkrecht zu der Antriebswelle 7 angeordnet
ist, sondern unter einem vorbestimmten Winkel geneigt ist. Auch ist
die obere Oberfläche
des magnetischen Kupplungsabschnittes 15, auf welchen die
Antriebsmagnete 16 befestigt sind, eine schräge Oberfläche. Demzufolge
induzieren die angetriebenen Magnete 12 und die Antriebsmagnete 16 die
magnetische Kupplung auf den Oberflächen, welche sich bezüglich der
Rotationsachse des Flügelrades 5 neigen.
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Wenn
sich die Oberflächen,
welche die magnetische Kupplung induzieren, wie oben beschrieben neigen,
wird die magnetische Anziehungskraft, welche zwischen dem Flügelrad 5 und
dem Rotor 13 wirkt, in der Neigungsrichtung bezüglich zur
Rotationsachse des Flügelrades 5 induziert.
Im Ergebnis wird die nach unten auf das untere Lager 10 aufgebrachte
Belastung reduziert. Daher unterliegt das untere Lager 10 weniger
wahrscheinlich einer Beschädigung
des Lagers, wodurch eine ausreichend starke magnetische Kupplung
demzufolge leicht zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Darüber hinaus
kann, im Vergleich zu der in 3 gezeigten
Struktur, in welcher die magnetische Anziehungskraft in radialer
Richtung wirkt, ein Bereich der Abschnitte, worin die angetriebenen
Magnete 12 und die Antriebsmagnete 16 jeweils
einander gegenüberstehen,
ohne Vergrößerung der
Größe der äußeren Umfangsoberfläche des
ringförmigen
Verbindungselementes 8 in der Axialrichtung vergrößert werden,
weil die angetriebenen Magnete 12 und die Antriebsmagnete 16 in
den schrägen
Oberflächen angeordnet
sind. Daher wird die Größe A des
Oberflächenbereiches
der äußersten
Umfangsabschnitte, welche mit dem Blut bei hoher Umfangsgeschwindigkeit
in Kontakt kommen, verrin gert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von
Hämolyse
reduziert wird. Zusätzlich
werden Blutstagnationsabschnitte 17, welche zwischen der
inneren Umfangsoberfläche
des ringförmigen
Verbindungselementes 8 und der Wand des Gehäuses 1 gebildet
werden, ebenfalls kleiner gemacht, wodurch die Bildung von Thromben
reduziert wird.
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Die
Richtung der magnetischen Kupplung ist in 2B durch
die durchgezogene Linie M senkrecht zu der geneigten Oberfläche des
magnetischen Kupplungsabschnittes 15 gezeigt. Die durchgezogene
Linie Y zeigt die Rotationsachse an. Ein Winkel α, unter welchem sich die Richtung
M der magnetischen Kupplung bezüglich
der Rotationsachse Y neigt, wird auf den Bereich von 30° ± 15° eingestellt.
Befindet sich der Winkel α in
diesem Bereich, können
die oben beschriebenen Effekte in einem sehr ausgeglichenen Zustand
erhalten werden. Ein Winkel α,
welcher größer als
dieser Bereich ist, wird nicht bevorzugt, da er einen Nachteil mit
sich bringen kann, wie im Fall der magnetischen Kupplung in radialer
Richtung, d.h. eine Vergrößerung des
Oberflächenbereiches
des äußeren Umfangsabschnittes
mit der hohen Umfangsgeschwindigkeit. Auch ist ein Winkel α, welcher kleiner
als dieser Bereich ist, nicht bevorzugt, weil er den Nachteil mit
sich bringen kann, wie im Fall der magnetischen Kupplung in der
Vertikalrichtung, d.h. eine Erhöhung
der Belastung, welche auf das untere Lager 10 ausgeübt wird.
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Die
schiefen Oberflächen
werden bevorzugt so ausgebildet, dass der magnetische Kupplungsabschnitt 15 des
Rotors 13 aufwärts
unter Ausbildung einer konvexen Form vordringt. Im Vergleich mit
dem Fall, in welchem der magnetische Kupplungsabschnitt 15 unter
Ausbildung einer konkaven Form nach Unten ausweicht, kann der Raum,
der zwischen den schiefen Oberflächen
und dem Flügelrad 5 gebildet
wird, kleiner gemacht werden, was zur Reduzierung der Größe der Pumpe
beiträgt.
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Des
Weiteren ist der Durchmesser der Oberflächen der Antriebsmagnete 16,
welche den angetriebenen Magneten 12 gegenüber stehen,
vorzugsweise größer als
jener der Oberflächen
der angetriebenen Magnete 12, welche dem Antriebsmagneten 16 gegenüber stehen.
Mit anderen Worten ist ein Bereich der Oberflächen der Antriebsmagnete 16 vorzugsweise
größer als
jener der Oberflächen
der angetriebenen Magnete 12. Gemäß dieser Struktur kann die
Drehkraft wirksam durch die magnetische Kupplung übertragen
werden.
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Wenn
mehr als zwölf
angetriebene Magnete 12 und Antriebsmagnete 16 in
der Umfangsrichtung angeordnet sind, werden die Abstände zwischen
den jeweiligen Magneten zu eng, wodurch eine glatte Rotation verhindert
wird. Dementsprechend wird es bevorzugt, vier bis acht jeweilige
Magnete in der Umfangsrichtung anzuordnen. Ist die Anzahl der angetriebenen
Magnete und der Antriebsmagnete jeweils in diesem Bereich, kann
die Pumpe bezüglich
der Antriebskraft und der Stabilität die vorteilhafteste Wirkung
liefern.
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Die
Ausführungsformen,
welche in dieser Anmeldung beschrieben worden sind, sind in jeder Beziehung
als veranschaulichend zu betrachten und nicht beschränkend. Der
Umfang der Erfindung wir durch die beigefügten Ansprüche eher angezeigt als durch
die vorangehende Beschreibung und alle Änderungen, welche in die Bedeutung
und den Äquivalenzbereich
der Ansprüche
fallen, sollen auch davon umfasst sein.