軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種專用軸流泵，具體的說是一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的植入人體的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置。本發(fā)明是“泵—機(jī)組合體”，其由泵系統(tǒng)及電機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，其特征是在定子鐵芯后端安裝有葉輪位置控制軟磁體，當(dāng)葉輪在泵筒中因受外力而向前或向后位移時(shí)，葉輪位置控制軟磁體及定子鐵芯對(duì)葉輪輪轂中的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁約束力，力的方向與葉輪軸向位移的方向相反；在軸流泵工作時(shí)，磁約束力能對(duì)葉輪及軸的軸向力負(fù)荷，形成部分甚至全部的“軸向磁力卸載”，實(shí)現(xiàn)葉輪的“軸向磁懸浮”。本發(fā)明能減輕機(jī)械摩損和摩擦熱效應(yīng)，防止泵內(nèi)血栓形成，減少并發(fā)癥，并提高軸流泵的工作壽命和持續(xù)工作的穩(wěn)定性。
【專利說明】軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種專用軸流泵，具體的說是一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的植入人體的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]各種心臟疾病發(fā)展到一定階段均可影響到心臟的泵血功能，而心臟正常的泵血功能對(duì)維持人體血液循環(huán)是必不可少的。心臟泵血功能不足稱為“心衰”，治療嚴(yán)重心衰是目前臨床醫(yī)學(xué)的一個(gè)難題。用人造的機(jī)械血泵來幫助或代替心衰心臟是一種有效的治療方法，這種機(jī)械血泵通常稱為“心臟輔助裝置”或“人工心臟”。目前一些性能較好的心臟輔助裝置已在臨床上得到廣泛的應(yīng)用，但心臟輔助裝置的應(yīng)用也面臨著許多問題，主要的是心臟輔助裝置植入人體后可導(dǎo)致一些并發(fā)癥，以及因軸承高速磨損容易產(chǎn)生機(jī)械故障和不良效應(yīng)，這些均可導(dǎo)致病人死亡。
[0003]目前，臨床上應(yīng)用最多的是植入式軸流泵心臟輔助裝置。公知的軸流泵構(gòu)造均是由軸流泵、軸流泵電機(jī)、供電導(dǎo)線等部分組成。軸流泵和軸流泵電機(jī)常共同組成“泵一機(jī)組合體”，應(yīng)用時(shí)將“泵一機(jī)組合體”植入到人體體內(nèi)，軸流泵入口與心臟的心尖部切口連通，可將心室中的血液引流到軸流泵內(nèi)，軸流泵出口聯(lián)接人造血管，人造血管的另一端與人體主動(dòng)脈通過“端一側(cè)”吻合相連通。軸流泵工作時(shí)，進(jìn)入泵入口的血液在旋轉(zhuǎn)葉輪的驅(qū)動(dòng)下，壓力升高，從泵出口流出，經(jīng)出口端的人造血管進(jìn)入人體主動(dòng)脈內(nèi)。如是軸流泵工作時(shí)既可降低心室內(nèi)壓力，減低心臟負(fù)荷，又可提高動(dòng)脈內(nèi)血壓，維持外周循環(huán)，能有效地挽救嚴(yán)重心衰病人的生命。
[0004]臨床上應(yīng)用的軸流泵以有機(jī)械軸支撐的較多，這種泵的葉輪軸向和徑向位置均由機(jī)械軸和軸承保持。軸流泵在工作狀態(tài)下，葉輪在驅(qū)動(dòng)流體流出時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生流體對(duì)葉輪的反作用力(向前推力)，其大小根據(jù)轉(zhuǎn)速和流量的不同而異，在通常的心室輔助條件下，反作用力約在0.2-0.6千克力的范圍內(nèi)變動(dòng)，如果轉(zhuǎn)軸直徑設(shè)計(jì)為2毫米，那么受壓的轉(zhuǎn)軸前端面承受的壓強(qiáng)達(dá)到6.4-19.1千克力/平方厘米。如單獨(dú)采用端面滑動(dòng)式止推軸承，來對(duì)抗反作用力及高速、劇烈的摩擦，這不僅容易導(dǎo)致軸承材料的快速磨損，引起機(jī)械故障；更嚴(yán)重的是因摩擦產(chǎn)生較多的熱量，使摩擦部位的溫度升高，導(dǎo)致血液中的蛋白變性壞死，附著沉集在軸套表面，觸發(fā)血栓的形成和生長(zhǎng)。
[0005]臨床應(yīng)用的還有無(wú)軸承的“磁一液懸浮”軸流泵，其旋轉(zhuǎn)葉輪的位置是由徑向流體動(dòng)力懸浮和軸向磁懸浮保持。雖然這種軸流泵可去除機(jī)械軸承的摩擦效應(yīng)，但由于流體動(dòng)力懸浮對(duì)懸浮間隙和流體粘度等參數(shù)的嚴(yán)格要求，需要犧牲泵的一些技術(shù)性能，不能采用技術(shù)最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，所以這種血泵也很難達(dá)到臨床需要的理想狀態(tài)。
[0006]由此，優(yōu)化軸流泵的結(jié)構(gòu)，減少摩擦及熱效應(yīng)，降低并發(fā)癥，提高泵的工作壽命和穩(wěn)定性是心臟輔助裝置技術(shù)的關(guān)鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種能降低血栓等并發(fā)癥、提高使用壽命的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置。
[0008]本發(fā)明是“泵一機(jī)組合體”，由泵系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，泵系統(tǒng)由泵筒、葉輪、定位軸、前、后導(dǎo)流錐及定位軸前、后支撐室組成；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)由內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子組成；永磁轉(zhuǎn)子鑲嵌在泵筒里面的葉輪輪轂中空腔內(nèi)；其特征是電機(jī)定子又由定子鐵芯、定子線圈繞組和葉輪位置控制軟磁體組成，葉輪位置控制軟磁體位于泵筒外、定子鐵芯的后端，葉輪位置控制軟磁體及定子鐵芯對(duì)葉輪輪轂中的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁約束力，磁約束力的方向與葉輪軸向位移的方向相反。
[0009]上述的泵筒里面的永磁轉(zhuǎn)子鑲嵌在葉輪輪轂的中空腔內(nèi)，這樣的組合體既是驅(qū)動(dòng)血液流動(dòng)的葉輪，又構(gòu)成了軸流泵電機(jī)的轉(zhuǎn)子，在電機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)血液流動(dòng)。
[0010]電機(jī)定子增加了葉輪位置控制軟磁體，其與定子鐵芯一起約束永磁轉(zhuǎn)子在泵筒內(nèi)自動(dòng)中心定位，當(dāng)葉輪因受到外力而向前或向后位移時(shí)，葉輪位置控制軟磁體及定子鐵芯對(duì)葉輪輪轂中的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向后或向前的磁約束力。在軸流泵工作時(shí)，血流對(duì)驅(qū)動(dòng)葉輪產(chǎn)生的一個(gè)反作用力(軸向向前的推力)可使葉輪往前位移，此時(shí)就有一個(gè)磁約束力(軸向向后的卸載拉力)與之對(duì)抗，因此形成`對(duì)葉輪及軸的力負(fù)荷“軸向磁力卸載”，當(dāng)對(duì)抗的二力完全平衡時(shí)，軸向力負(fù)荷被全部卸載，形成葉輪的“軸向磁懸浮”。通過設(shè)計(jì)調(diào)整葉輪軸向位移的大小、轉(zhuǎn)子永磁體的強(qiáng)度，以及葉輪位置控制軟磁體和定子鐵芯的幾何尺寸，可使磁約束力達(dá)到適當(dāng)大小，完全實(shí)現(xiàn)葉輪的“軸向磁懸浮”。
[0011]上述的泵筒內(nèi)入口端設(shè)置的前導(dǎo)流錐由前導(dǎo)葉輪轂及輪轂上的前導(dǎo)葉組成；出口端設(shè)置的后導(dǎo)流錐由尾導(dǎo)葉輪轂及輪轂上的尾導(dǎo)葉組成；中間位置設(shè)置的葉輪由葉輪輪轂及輪轂上的葉輪葉片組成。
[0012]上述的定位軸前支撐室及定位軸后支撐室分別處于前導(dǎo)葉輪轂及后導(dǎo)葉輪轂的中心，其支撐著定位軸及葉輪旋轉(zhuǎn)。
[0013]上述的葉輪采用軸向螺旋葉片式結(jié)構(gòu)，葉輪輪轂腔內(nèi)的永磁轉(zhuǎn)子采用徑向充磁。
[0014]泵筒出口端設(shè)置尾導(dǎo)葉，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪驅(qū)動(dòng)血液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)分量在經(jīng)過尾導(dǎo)葉時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏谳S方向的直流，進(jìn)一步提高流體輸出壓力，從而提高軸流泵的能量轉(zhuǎn)化效率。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明能減小軸流泵葉輪及軸的軸向力負(fù)荷，減輕或消除軸的軸向機(jī)械摩損，降低摩擦熱效應(yīng)，防止泵內(nèi)血栓形成，減少并發(fā)癥，并提高軸流泵的工作壽命和持續(xù)工作的穩(wěn)定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是軸向磁卸載的原理示意圖。
[0019]圖中:1.泵筒，2.葉輪，3.葉輪輪轂，4.永磁轉(zhuǎn)子，5.葉輪葉片，6.定位軸，7.定子鐵芯，8.定子線圈繞組，9.葉輪位置控制軟磁體，10.尾導(dǎo)葉，11.泵出口，12.尾導(dǎo)葉輪轂，13.定位軸后支撐室，14.定位軸前支撐室，15.人造血管，16.供能導(dǎo)線，17.前導(dǎo)葉輪轂，18.前導(dǎo)葉，19.泵腔，20.血液反作用力(軸向向前的推力)，2L向后磁約束力(軸向向后的卸載拉力)，22.圓柱形的軸流泵外殼，23.定子磁力中心，24.永磁磁力中心，25.葉輪軸向位移。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明是由泵系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，其中泵系統(tǒng)由泵筒1、葉輪2、定位軸6、前、后導(dǎo)流錐及定位軸前、后支撐室14、13組成，永磁轉(zhuǎn)子4鑲嵌在泵筒I里面的葉輪輪轂3中空腔內(nèi)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)由永磁轉(zhuǎn)子4、電機(jī)定子、圓柱形的軸流泵外殼22、供能導(dǎo)線16組成；電機(jī)定子又由定子鐵芯7、定子線圈繞組8及葉輪位置控制軟磁體9組成，葉輪位置控制軟磁體9位于泵筒外、定子鐵芯7的后端，葉輪位置控制軟磁體9及定子鐵芯7對(duì)葉輪輪轂3中的永磁轉(zhuǎn)子4產(chǎn)生磁約束力，磁約束力的方向與葉輪軸向位移的方向相反。
[0021]上述的泵筒內(nèi)入口端設(shè)置的前導(dǎo)流錐由前導(dǎo)葉輪轂17及輪轂上的前導(dǎo)葉18組成；出口端設(shè)置的后導(dǎo)流錐由尾導(dǎo)葉輪轂12及輪轂上的尾導(dǎo)葉10組成；中間位置設(shè)置的葉輪由葉輪輪轂3及輪轂上的葉輪葉片5組成。
[0022]上述的定位軸前支撐室14及定位軸后支撐室13分別處于前導(dǎo)葉輪轂17及后導(dǎo)葉輪轂12的中心，其支撐著定位軸6及葉輪2旋轉(zhuǎn)。
[0023]上述的葉輪2采用軸向螺旋葉片式結(jié)構(gòu)，葉輪輪轂3腔內(nèi)的永磁轉(zhuǎn)子4采用徑向
充磁。
[0024]本發(fā)明由于在泵筒I外、定子鐵芯7的后面，特設(shè)置了葉輪位置控制軟磁體9 (構(gòu)成電機(jī)定子的新組件)，在葉輪2被裝入泵筒I內(nèi)時(shí)，永磁磁力中心24因受約束而自動(dòng)與定子磁力中心23重合，當(dāng)永磁磁力中心24向前偏移定子磁力中心23的位置時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與葉輪軸向位移25方向相反的向后磁約束力(軸向向后的卸載拉力)21,這個(gè)向后磁約束力21來源于葉輪位置控制軟磁體9及定子鐵芯7對(duì)葉輪輪轂3中的永磁轉(zhuǎn)子4的吸引與約束定位。當(dāng)軸流泵工作時(shí)，葉輪2會(huì)受到一個(gè)血液反作用力20 (軸向向前的推力)，此時(shí)一個(gè)向后磁約束力21就與之對(duì)抗，對(duì)葉輪2及定位軸6前端的軸向力負(fù)荷發(fā)揮了 “軸向磁力卸載”的作用，如果二力對(duì)抗越平衡，卸載的作用就越好，當(dāng)對(duì)抗完全平衡時(shí)，就形成了葉輪的“軸向磁懸浮”。通過設(shè)計(jì)調(diào)整葉輪軸向位移25的大小、永磁轉(zhuǎn)子4的強(qiáng)度，以及葉輪位置控制軟磁體9和定子鐵芯7的幾何尺寸，可使向后磁約束力21達(dá)到適當(dāng)大小，使得在軸流泵工作時(shí)對(duì)抗的二力達(dá)到平衡狀態(tài)，完全實(shí)現(xiàn)葉輪的“軸向磁懸浮”。
[0025]軸流泵被植入到心衰病人的體內(nèi)，軸流泵入口與心臟的心尖部切口連通，泵出口11聯(lián)接人造血管15，人造血管15的另一端與人體主動(dòng)脈通過“端一側(cè)”吻合相連通。在軸流泵電機(jī)工作時(shí)，定子線圈繞組8產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，為葉輪2的旋轉(zhuǎn)提供了轉(zhuǎn)矩及動(dòng)能。因此產(chǎn)生的負(fù)壓吸引力將心衰病人心室里的血液吸入到泵腔19中，血液然后經(jīng)葉輪2的推壓，再經(jīng)尾導(dǎo)葉10整流，旋流分量變?yōu)橹绷?，增壓后，從泵出?11流出，流經(jīng)人造血管15，進(jìn)入到人體動(dòng)脈內(nèi)，這就是軸流泵心室輔助的泵血基本過程。
【權(quán)利要求】
1.一種軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置，其為“泵一機(jī)組合體”，由泵系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，泵系統(tǒng)由泵筒、葉輪、定位軸、前、后導(dǎo)流錐及定位軸前、后支撐室組成；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)由內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子組成；永磁轉(zhuǎn)子鑲嵌在泵筒里面的葉輪輪轂中空腔內(nèi)；其特征是電機(jī)定子又由定子鐵芯、定子線圈繞組和葉輪位置控制軟磁體組成，葉輪位置控制軟磁體安裝在泵筒外、定子鐵芯的后端，葉輪位置控制軟磁體及定子鐵芯對(duì)葉輪輪轂中的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁約束力，磁約束力的方向與葉輪軸向位移的方向相反。
2.如權(quán)利要求1所述的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置，其特征在于所述的泵筒內(nèi)入口端設(shè)置的前導(dǎo)流錐由前導(dǎo)葉輪轂及輪轂上的前導(dǎo)葉組成；出口端設(shè)置的后導(dǎo)流錐由尾導(dǎo)葉輪轂及輪轂上的尾導(dǎo)葉組成；中間位置設(shè)置的葉輪由葉輪輪轂及輪轂上的葉輪葉片組成。
3.如權(quán)利要求1所述的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置，其特征在于所述的定位軸前支撐室及定位軸后支撐室分別處于前導(dǎo)葉輪轂及后導(dǎo)葉輪轂的中心，其支撐著定位軸及葉輪旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的軸向磁力卸載式軸流泵心臟輔助裝置，其特征在于所述的葉輪采用軸向螺旋葉片式 結(jié)構(gòu)，葉輪輪轂腔內(nèi)的永磁轉(zhuǎn)子采用徑向充磁。
【文檔編號(hào)】A61M1/12GK103877630SQ201410148183
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】陳海豐, 田步升, 王改峰, 彭遠(yuǎn)儀, 郝宗超 申請(qǐng)人:長(zhǎng)治市久安人工心臟科技開發(fā)有限公司