两级旋转动力血泵的制作方法
【专利说明】两级旋转动力血栗
[0001]相关申请
[0002]本申请是2010年3月10日提交的、现已授权为US 8，210，829B2的、第12/720，953号美国申请的部分继续申请。该部分继续申请是2007年4月24日提交的并要求2006年4月26日提交的美国临时申请60/795，096的优先权的、现已授权为US 7，704，054B2的第11/789，205号美国申请的部分继续申请。
[0003]政府权力
[0004]本申请中描述的发明至少部分地由与国立卫生研宄院签署的联邦政府合同N0.NIH 1R01HL096619-01A1 支持。
技术领域
[0005]本发明涉及一种泵，该泵可用于两股流体将被保持平衡的流体处理应用。本发明尤其涉及一种二级旋转动力泵(rotodynamic pump)，该旋转动力泵被配置为提供脉动的、连续流的血液泵送性能。
【背景技术】
[0006]充血性心力衰竭(CHF)是一种越来越普遍的导致心血管缺陷和过早死亡的原因。尽管药物疗法存在进步，但心脏移植仍然是治疗晚期充血性心力衰竭病人的主要手段。然而由于捐赠器官的来源是有限的，CHF患者可能被迫进行等待，直到找到合适的捐赠器官。被称为心室辅助装置(VAD)和全人工心脏(TAH)的血泵装置可用作移植前过渡的选择，以救治患有CHF或其它在合适的捐赠器官被找到前无法生存的心脏病患者。最终地，作为移植的永久性的或者长期替代品，这种血泵装置将变得可行。
【发明内容】
[0007]本发明涉及一种无阀、无传感器、脉动连续流的全人工心脏，所述全人工心脏通过在泵血时充当入口压力平衡调节器以在没有电子干预的情况下实现自动平衡左右循环。左右循环通过在无刷、无传感器的直流电机绕组内旋转的单一运动部分驱动。该转子组件可响应于液压环境的响应自由地轴向移动，从而改变两个相反的旋转动力泵级的间隙，从而影响相关性能以平衡入口压力。在可选的实施方式中，采用外部电子来通过电动势(例如螺线管类型元件)控制旋转组件的位置。本发明的泵配置也可应用至需要入口压力平衡的其他流体处理应用。
[0008]本发明涉及一种血泵，其包括泵壳、支撑在泵壳内的定子和转子组件。转子组件包括转子，转子由泵壳支撑以相对于定子围绕轴线旋转。转子组件也包括以可操作的方式连接到转子的第一轴向端的第一叶轮以与转子一起围绕轴线旋转。转子组件进一步包括以可操作的方式连接到转子的与第一轴向端相反的第二轴向端的第二叶轮以与转子一起围绕轴线旋转。转子组件可沿轴向相对于泵壳移动，以调节泵的液压性能特征。
[0009]本发明还涉及一种血泵，其包括含有定子和可围绕轴线相对于定子旋转的转子的电机。第一泵级包括第一泵壳和可在第一泵壳内与转子一起围绕轴线旋转的第一叶轮。第二泵级包括第二泵壳和可在第二泵壳内与转子一起围绕轴线旋转的第二叶轮。血泵适用于通过调节第一泵壳内的第一叶轮的轴向位置和第二泵壳内的第二叶轮的轴向位置来调节第一和第二泵级液压性能特征。第一和第二泵级轴向移动是相等且反向的。
[0010]本发明还涉及一种血泵，其包括含有定子和可围绕轴线相对于定子旋转的转子的电机。血泵还包括含有第一泵壳和可在第一泵壳内与转子一起围绕轴线旋转的第一叶轮的第一泵级。血泵进一步包括含有第二泵壳和可在第二泵壳内与转子一起围绕轴线旋转的第二叶轮的第二泵级。第一泵级配置有随着流量增加而陡降的压升，因此第一泵级的流量主要是泵速和叶轮位置的函数。第二泵级配置的压升主要是泵速和叶轮位置的函数，而与流量基本无关。
[0011]本发明还涉及一种泵，其包括限定了第一泵壳和第二泵壳的壳体。转子支撑在壳体内并且可围绕轴线旋转。转子包括放置于第一泵壳内的第一叶轮和放置于第二泵壳内的第二叶轮。泵被配置为使得作用在第一叶轮的入口压力使转子沿轴线相对于泵壳在第一方向上移动，并使得作用在第二叶轮的入口压力使转子沿轴线相对于泵壳在与第一方向相反的第二方向上移动。
[0012]本发明还涉及一种泵，其包括壳体，壳体含有泵腔和在支撑在壳体内并且能够围绕轴线旋转的转子。转子包括至少部分放置于泵腔内的叶轮。转子能够沿平行于轴线的轴向方向相对于泵壳移动。泵被配置为使得转子的轴向移动导致叶轮在泵腔和相邻腔之间轴向地移动，以改变泵的液压性能。
[0013]本发明还涉及一种包括电机的泵，电机包括定子和转子。定子可供电以驱动转子围绕轴线旋转。电机被配置为允许转子在泵运行期间相对于定子轴向移动。第一泵级包括第一泵壳和放置于第一泵壳内的第一叶轮。第一叶轮连接至转子的第一端并且能够与转子一起围绕轴线旋转。第一泵壳和第一叶轮被配置为根据第一叶轮在第一泵壳内的轴向位置调节第一泵级的液压性能特征。第二泵级包括第二泵壳和放置于第二泵壳内的第二叶轮。第二叶轮连接至转子的第二端并且能够与转子一起围绕轴线旋转。第二泵壳和第二叶轮被配置为根据第一叶轮在第一泵壳内的轴向位置调节第二泵级的液压性能特征。第一泵级被配置为根据作用在第一叶轮的入口压力相对于定子在第一轴向方向上推动转子。第二泵级被配置为根据作用在第二叶轮的入口压力相对于定子在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上推动转子。
[0014]本发明进一步涉及一种全人工心脏泵，其包括左泵级，左泵级包括接收左心房血流的入口和通过主动脉排出全身流量的出口。泵还包括右泵级，右泵级包括接收右心房血流的入口和通过肺动脉排出肺血流的出口。电机包括定子和用于旋转左泵级的左叶轮和右泵级的右叶轮的转子。电机被配置为允许转子在泵运行期间相对于定子轴向移动。电机适用于使得左心房和右心房的压力差调节转子的轴向位置以调节左右泵级的相关液压性能特征，从而平衡左右心房压力以及平衡全身血流和肺排出血流。
[0015]本发明还涉及一种泵，其包括壳体、支撑在壳体内的定子和转子组件，转子组件包括支撑在壳体内以相对于定子围绕轴线旋转的转子。定子包括定子芯、围绕定子芯的第一轴向部分缠绕的第一叠层以及围绕定子芯的第二轴向部分缠绕的第二叠层。第一和第二叠层沿着定子芯的长轴方向间隔放置。转子包括转子芯、围绕转子芯的轴向部分延伸的第一磁体组件和围绕转子芯的第二轴向部分延伸的第二磁体组件。第一和第二磁体组件沿着转子的长轴方向间隔放置。
【附图说明】
[0016]在参考附图阅读了下面的描述之后，本发明的上述和其他特征对于本发明所涉及技术领域的技术人员来说将更加显而易见，在附图中:
[0017]图1是根据本发明第一实施方式的血泵的立体图；
[0018]图2是大致沿着附图1的线2-2截取的血泵的截面图；
[0019]图3是图1的血泵的分解图；
[0020]图4和图5是图1的血泵的部分的平面图；
[0021]图6是示出根据本发明第二实施方式的血泵的截面图；
[0022]图7是示出根据本发明第三实施方式的血泵的截面图；
[0023]图8是示出图7的血泵的性能特征的曲线图；
[0024]图9是根据本发明第四实施方式的血泵的立体图；
[0025]图10是图9的血泵的正视图；
[0026]图11是图9的血泵的一部分的立体图；
[0027]图12是沿着图9的线12-12截取的血泵的截面图；
[0028]图13是示出图9的血泵的特征的曲线图；
[0029]图14-16是示出根据本发明第五实施方式的血泵的截面图；
[0030]图17是示出图14-16的血泵的液压性能特征的曲线图；
[0031]图18是示出图12的血泵的液压性能特征的曲线图；
[0032]图19是示出图2的血泵的液压性能特征的曲线图；以及
[0033]图20是示出本发明第六实施方式的截面图。
【具体实施方式】
[0034]本发明涉及一种血泵。图1示出根据本发明第一实施方式的血泵10。根据本发明，血泵10是能够替换失功或者受损的人类心脏的全人工心脏(TAH)装置。然而，本领域技术人员将理解，血泵10可适用于非TAH实现，诸如双心室支持。本领域技术人员也可理解，血泵可以适用于泵送血液之外的其他用途，例如需要压力平衡特征的双级或者两级流体处理泵的任何实现。在描述的实施方式中，血泵10是一个两级离心泵，该离心泵将在下面详细描述。然而，血泵10也可以是具有任何期望结构的旋转动力泵。
[0035]参照图1至3，血泵10包括定子组件20、转子组件30、左泵壳40和右泵壳50。在血泵10(图1和3)的组装状态中，转子组件30由定子组件20支撑以围绕轴线12旋转。泵壳体40和50固定至定子组件20以包围转子组件30。转子组件30包括电机转子32、第一叶轮或左叶轮34以及第二叶轮或右叶轮36。
[0036]电机转子32包括芯60 (图2)，芯上安装有环形永磁体62。低密度可透磁填充材料64可用于将磁体62支撑在电机转子32上，从而允许中性悬浮旋转组件，并且对泵组件姿态不敏感。左叶轮34和右叶轮36通过公知的方式(例如粘合剂或者机械紧固件)固定至芯60。可选地，叶轮34和36可与芯60形成(例如，模制)成单件材料。
[0037]定子组件20包括支撑电机定子24的定子壳体22。电机定子24包括定子芯和电机绕组，分别如图2中的26和28示意性地示出。电机绕组28电连接至控制电缆72的三根控制导线70，所述控制电缆通过导管74进入定子壳体22并且用灌注材料76密封。
[0038]在组装时，血泵10包括离心的第一或左泵级或泵42。左泵42包括左叶轮34和用于在内部容纳左叶轮的左泵腔44。左泵腔44至少部分由左泵壳40和定子组件20限定。左泵42还包括左泵入口 46和左泵出口 48，在描述的实施方式中，该入口和出口形成左泵壳40的整体的一部分。左泵壳40包括入口表面90，入口表面90帮助限定与入口 46流体联通的左泵腔44的入口部分92。左泵壳40还包括涡形表面94，涡形表面94帮助限定与出口 48流体联通的左泵腔44的涡形部分96。
[0039]在组装时，血泵10还包括离心的第二或右泵级或泵52。右泵52包括右叶轮36和用于在内部容纳右叶轮的右泵腔54。右泵腔54至少部分由右泵壳50和定子组件20限定。右泵52还包括右泵入口 56和右泵出口 58，在描述的实施方式中，该入口和出口形成右泵壳50的整体的一部分。右泵壳50包括入口表面100，入口表面100帮助限定在与入口 56流体联通的右泵腔54的入口部分102。右泵壳50还包括涡形表面104，涡形表面104帮助限定与出口 58流体联通的右泵腔54的涡形部分106。
[0040]电机转子32和电机定子24帮助限定血泵10的、驱动左泵42和右泵52的电机80。电机80可以是适于驱动泵42和52并实现期望性能特征的任意类型的电动机。例如，在描述的实施方式中，电机80可以具有单相或者多相的、无电刷的、无传感器的直流电机结构。电机控制器82可操作为通过电缆72激励电机80的相绕组28以实现电机部分的期望性能，例如电机速度或者电流。例如，电机控制器82向电机相施加脉冲宽度调制的电压以实现期望的电机/泵性能。
[0041]在血泵10的运行过程中，转子组件30相对于定子组件20围绕轴线12旋转。转子组件30被支撑或者漂浮在由被泵出流体(即，血液)形成的水力或流体膜轴承上。可选地，血泵10可包括其他类型的轴承特征，例如机械轴承或由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料的轴承表面，以有助于转子组件30的旋转。作为另外的可选方案，转子组件30可以是磁悬浮的。
[0042]用于构造血泵10的材料可通过有利于实施泵血功能的材料形成。例如，血泵10的、在使用期间暴露于血流的部分，例如叶轮34和36以及泵壳40和50可由生物相容材料形成、涂覆或包裹，生物相容材料例如为不锈钢、钛、陶瓷、聚合物材料、复合材料或者这些材料的组合。血泵10的、在使用中可彼此接触的表面或部分，例如左叶轮34和泵壳40或者右叶轮36和泵壳50，也可由低摩擦材料形成或涂覆，低摩擦材料例如为碳氟聚合物涂层、类金刚石碳涂层、陶瓷、钛、涂覆有金刚石的钛。
[0043]参照图1，箭头用于示出在全人工心脏(TAH)实施方式中的血泵10，在所述实施方式中，泵替代患者心脏(未示出)的作用。在所示结构中，左泵入口 46与左心房连接，左泵出口 48与主动脉连接，右泵入口 56与右心房连接，右泵出口 58与肺动脉连接。在工作中，左泵42将动脉血从左心房输送到主动脉，右泵52将静脉血从右心房输送到肺动脉。
[0044]本领域技术人员将理解，在TAH的情况下，平衡肺动脉和全身动脉的血流以及心房压力是至关重要的。例如，如果右泵52以比左泵42更高的流速输送血液，则血液可在肺中积累并且会导致充血性心力衰竭。例如，如果左泵42以比