泵结构和操作流体泵的方法与流程

本发明属于机械工程和电气工程领域，并且可以用于医学技术领域中的特殊优势。具体地，本发明涉及一种用于医学领域中的流体(特别是血液)的泵，其中，在操作期间捕捉泵的体积流量和/或由泵生成的压差。

在医学领域中，流体泵用于多种用途，一方面用于运输体液(特别是血液)，另一方面用于运输非身体原有的流体(例如，期望在患者的身体内、向或从患者的身体运输的药理学有效流体)。特别地，对于在患者体内或部分在患者身体外部运输血液且特别是被采用作为vad(心室辅助装置)泵的血泵，对控制和操作提出高要求，以便能够以最大精度和可靠性分别测量并调节泵的体积流量和/或压差。

凭借例如可以将血液从左心室运输到主动脉的vad血泵，或者凭借其它血泵(例如，rvad泵)，可以基于泵的特性图从泵马达的转速和跨泵的压差确定体积流量。然而，经验表明，通常关联两个或更多个操作参数的值的特性图不能够以相等精度和可靠性用于这种泵的整个适用范围。

这里，原则上知晓用于从不同组操作参数来确定泵的体积流量或压差的多种方法。而且，跨泵的压差和体积流量不只是由泵的操作参数(诸如泵转子的转速和驱动转子的马达的马达安培数)来确定，而是还由流体的黏度来共同确定。所述黏度例如关联到温度，并且在体液的情况下还关联到生理参数(诸如例如，血细胞比容水平)。

鉴于现有技术，本发明的目的是在也考虑将被运输的流体的黏度的同时在操作期间能够进行特别是泵的体积流量和/或压差在尽可能大的潜在操作参数范围内的可靠和精确确定。

使用本发明的特征借助根据专利权利要求1的操作方法来实现该目的。专利权利要求10涉及一种泵或泵结构(arrangement)，该泵结构适于实现根据本发明的操作方法。本申请中特别是根据专利权利要求1至11的所有方法步骤在该泵(特别是血泵)或泵结构中可实现。这意味着所有方法特征也在相应泵/泵结构中可实现，并且被理解为被公开为相应专利权利要求的特征(例如，作为“手段加功能”提法)。

为了避免重复，在下文中，主要对方法进行参照；然而，这还公开了一种装置。

因此，本发明首先涉及一种用于操作用于运输流体的流体泵(特别是血泵)的方法，该流体泵具有转子，其中，通过使用泵的操作参数的测量值确定被运输的流体(特别是血液)的黏度，其中，在关联泵的至少两个操作参数的特性图的预定范围内操作泵，并且为了确定黏度，在该范围内，捕捉并考虑泵的至少三个操作参数。

本发明背后的思想是在前面提及的种类的泵中，在特性图的所选范围内且给定足够数量的被捕捉操作参数，不仅可以从数据确定体积流量和跨泵的压差，还可以确定被运输的流体的黏度。这对于特性图的所有范围是不可能的，因为在特性图的一些范围内，特定操作参数可以用于计算，而其它参数不是区别性的或不允许变量(诸如体积流量和跨泵的压差)的清楚确定(因为在那些参数范围内，所述变量不明确地依赖彼此)。另一方面，在特性图的其它范围内，通过泵的体积流量和跨泵的压差可以借助若干参数组合来确定，这实际上使得这些值由多种因素决定。由此，给定被捕捉的操作参数和捕捉操作参数的特性图的预定范围的适当选择，也可以从所测量的数据确定被运输的流体的黏度。

在本发明的有利实施方式中，设想：被捕捉的操作参数包括泵的转子的转速和/或驱动转子的马达的马达安培数和/或转子的轴向轴承的应变。这里假定泵拥有具有用于运输流体的运输元件的转子。还假定转子借助于捕捉安培数(马达安培数)的电动马达来驱动。另外，因为在轴流泵中，转子借助于运输元件对被运输的流体建立轴向引导推进力，所以作为用于转子建立的轴向压力的标准度量的轴承应变是可测量的。对转子的反作用力在轴向轴承中被接收，并且可以在那里被测量，或者该反作用力例如还可以借助转子针对轴承的渐进反作用力的轴向位移来捕捉。

在泵的特性图的合适范围内，这三个参数例如足以确定流体的黏度。同时，马达安培数和/或轴承应变还可以由可能在特性图的不同范围内或在不同种类的泵中的、在泵的入口和/或出口处的泵之前或之后的压力的直接测量来补充或替换，例如，在该泵中，轴承不能测量轴向位移，或者在该泵中，由于使用不同种类的轴承而没有轴向位移。

在本发明的另外有利实施方式中，设想：在关联泵转子的转速与泵马达的马达安培数的特性图的或关联泵转子的转速与泵转子的轴向轴承的轴承应变的特性图的预定范围内操作泵，其中，在该范围内，捕捉泵的转子的转速以及马达安培数和转子的轴向轴承的轴承应变，并且从其确定黏度。

另外，本发明可以通过以下方式来有利地改进：在关联泵的体积流量与跨泵的压差的特性图的预定范围内操作泵，其中，在该范围内，捕捉泵的转子的转速以及驱动泵的马达的马达安培数和转子的轴向轴承的轴承应变，并且从其确定黏度。

对于本发明还可以有利地设想：从在特性图的预定范围内捕捉的第一组操作参数确定通过泵的体积流量的第一值和/或跨泵的压差的第一值，从在特性图的预定范围内捕捉的第二组操作参数确定通过泵的体积流量的第二值和/或跨泵的压差的第二值，并且通过将第一值与第二值进行比较(并且特别是从第一值和第二值之间的差或第一值和第二值的商)确定黏度。在这种情况下，首先确定无论如何都需要且在与患者的生理值进行比较之后还可以适当控制的泵的压差和体积流量的值。这些量使用不同参数组合以两种方式来确定，并且从差，确定流体(例如血液)的黏度。一旦已经确定黏度，则可以修正压差和体积流量的所确定值。

另外，可以有利地设想：在控制泵时，使用由所存储值元组或参数表示的用于将被运输的流体的不同黏度的单独的至少两个特性图、或者包含黏度作为附加参数的特性图。从而，在确定黏度之后，可以使用特性图或特性图的特性的插入以高可靠性来控制泵。

还可以有利地设想：通过捕捉启动磁轴向轴承的电磁铁的安培数或表示在磁轴承中生成的力的另一个电量捕捉泵转子的轴向轴承的轴向力。转子的轴向位置然后保持实际上独立于轴向力，同时安培数和/或轴承应变与用于在转子上生成反作用力的增大轴向力一致地增加。

在本发明的另外有利实施方式中，可以设想：借助于压力传感器在泵的入口处和/或泵的出口处测量流体的绝对压力，并且将该绝对压力用作用于确定黏度的操作参数。这里，甚至仅测量单个压力值将产生可评价参数。如果在泵的两侧处测量压力，则可以直接确定压差，并且可以将压差与从剩余测量结果期望的压差进行比较。

在本发明的另外实施方式中，可以设想：泵连续地把在特性图的预定范围内的、特性图中的两个或更多个点作为目标，将在不同点处捕捉的操作参数关联到彼此并考虑它们以确定黏度。这里，可以把特性图中的不连续点作为目标，或者可以跟随特性图内的特定路线。

另外，可以设想：特别是在将附加参数(特别是温度)考虑在内时从相应所确定的黏度确定指出流体的组成的至少一个数(在血液的情况下特别是血细胞比容)。

流体的黏度通常关联到环境参数以及流体的性质。如果测量环境参数(诸如压力和温度)，则可以推断流体的组成或性质。

另外可以设想：关于改变速度监测泵马达的马达安培数和/或轴承应变，并且在越过(cross)预定阈值时给出信号。由此，例如，如果马达安培数或轴承应变的快速或突然增大或减小发生(其中，时间导数超过特定值，或者其中，超过预定绝对或百分比改变在特定时间帧内)，则推断由泵元件或流体性质的改变限制(condition)的泵的故障，并且给出信号。

除了以上所描述的种类的方法之外，本发明还涉及一种具有用于运输流体的泵(特别是血泵)的泵结构，该泵具有转子，该泵结构具有存储结构，该存储结构借助于确定特性的参数和/或借助于特性图中的多个点来存储至少一个特性图，该特性图将泵转子的转速关联到泵马达的马达安培数或将泵转子的转速关联到泵转子的轴向轴承的轴承应变，该泵结构具有用于捕捉泵转子的转速的结构、用于捕捉驱动转子的马达的马达安培数的结构、以及用于捕捉保持泵转子的轴承的轴承应变的结构，该泵结构具有控制结构，该控制结构调节在存储在存储结构中的特性图的预定范围内的泵的操作，并且该泵结构具有确定结构，假如泵的操作在存储在存储结构中的特性图的预定范围内发生，则该确定结构从被捕捉的量确定被运输的流体的黏度。

在前面提及种类的泵中，在操作期间且独立于确定黏度实际上可以(另选地或累积地)使用用于确定通过泵的体积流量和特别是跨泵的压差的多个单独方法。这里，分开泵的操作参数的值，使得对于所选操作参数的特定值，使用用于确定体积流量和特别是压差的第一方法，并且对于操作参数的其它值，使用与第一方法不同的用于使用另外操作参数确定体积流量和特别是压差的另一个方法。由此，根据操作参数的特定值分开泵的特性图，其中，不同的确定方法可以用于特性图的不同范围。通过由此进行，最灵敏的方法或操作参数的各所需值可以最容易被捕捉的方法例如可以用于特性图的各范围，这将可能重叠的不同组操作参数考虑在内。一旦已经确定流体的当前黏度，则可以应用或改变/修改特性图，使得使用适于相应黏度的控制算法。

还可想得到在特性图的另外范围内使用另外的方法，这些另外的方法与前面提及的方法使用不同的操作参数。

另外，可以设想：为了使由此确定的值一致(可能偶尔彼此不同)，在特性图的特定范围内同时采用多个方法，从而使捕捉和计算误差最小化。

在本发明的特定实施方式中，可以设想：将泵的转速和泵转子上的轴向力唯一地用作为了确定通过泵的体积流量而考虑的操作参数。

在特定构造中，被运输的流体的温度另外可以用于黏度确定，这是因为温度对流体(特别是血液)的黏度具有影响。温度测量结果在控制泵时可以作为参数被监测，并且还在确定黏度之后被评价。

由此，原则上，在确定黏度时，捕捉比在特性图的特定范围内确定通过泵的体积流量和/或压差所必需的参数更多的操作参数。借助特性图确定中的被捕捉的操作参数的该通用选择，变得可以均根据泵的当前操作状态位于的特性图的范围来采用不同的确定方法。

在下文中，在附图的图中呈现本发明并随后借助于示例性实施方式说明本发明。示出了：

图1示意性地示出了具有患者的心脏和vad(心室辅助装置)泵的患者身体的视图，

图2在三维视图中示意性地示出了轴向转子泵，

图3在示意性侧视图中示出了具有转子、驱动器以及磁轴向轴承的轴流泵的壳体；

图4示出了具有使转速和压差对体积流量有贡献的特性的泵的典型特性图；

图5示出了说明借助于两个不同方法确定跨泵的压差并比较结果的根据图4的曲线图；以及

图6示意性地示出了用于使用根据本发明的方法的泵结构的构造。

图1示出了具有患者心脏2和主动脉3的一部分的患者1的躯干。vad泵(心室辅助装置)6的入口5连接到心脏的心室4，vad泵将血液沿箭头7的方向从心室4抽吸到泵的入口，并且将血液从泵的出口经由出口插管8直接运输到主动脉3中。

这种泵可以主要支持生病或不能执行其全部能力的心脏的泵送功能。这可以被规划为临时或永久疗法。借助于快速旋转转子沿轴向7在泵壳体内部运输血液的轴向转子泵的使用已经被发现是特别有利的。这种泵通常由在泵壳体区域中的电动驱动器来驱动，该电动驱动器能够由随身携带电池或固定电连接来供电。

为了能够充分准确地检查患者的健康和泵的操作状态，必须确定并跟踪经过泵的体积流量。为了实现这一点，原则上已知各种方法，这些方法例如涉及捕获转子的转速和跨转子的压差。确定体积流量借助于泵的转速并通过借助于泵处的绝对压力传感器9测量被运输的血液的静止压力也是可以的。最后，体积流量还可以由考虑泵转子的转速和影响转子的转矩、或泵转子的转速和转子的轴向轴承中的轴承应变的方法来确定。

在所有的这些方法中，体积流量和/或跨泵的压差通常借助于特性图从用于以下操作参数的所捕获测量结果来确定：转子的转速、跨转子的压差、转子的扭矩、泵区域中的绝对压力和/或轴向轴承中的轴承应变。借助于根据本发明的方法，以如下这种方式在特性图的预定范围中执行对应测量和确定方法：给定足够数量的被捕捉操作参数，可以确定被运输的流体的黏度，该黏度然后可以在另外的操作期间被考虑在内，这允许泵操作的更准确控制。

在图2中，示意性地描绘了毂6b安装在壳体6a中的轴流泵6，例如为环形螺旋运输叶片形式的一个或更多个运输元件6c被固定到毂。借助转子的旋转，沿箭头7的方向在壳体6a中运输要被运输的流体或血液。如果转子被安装在磁轴向轴承中，则不需要设置毂。在这种情况下，仅必须以合适的方式成形、布置并悬挂转子的运输元件。

在图3中，更详细地示出了泵6的转子的安装和驱动。首先，在毂6b的区域中，象征性地描绘了第一径向轴承并由附图标记10指定该轴承，同时以相同方式象征性地描绘了第二径向轴承并由11指定该轴承。第二径向轴承11例如可以与磁轴向轴承12结合，但还可以与磁轴向轴承分离地构造。

轴向轴承12被构造为可调节磁轴向轴承，其中，第一圆形磁铁12a连接到毂6b或转子(如果转子被构造为是无毂的)并连同毂或转子一起旋转。

第二圆形磁铁或独立磁铁12b的圆形结构被布置为在泵6的壳体6a中是固定的，并且围绕毂6b或转子的一部分。借助一方面的固定磁铁12b或固定磁铁结构12b与毂6b上的旋转磁铁12a之间的斥力，吸收影响转子且作为反作用力与通过泵的流体的流动方向7相反的轴向力。

轴向轴承12包括用于捕捉固定到毂的磁铁12a的轴向位置的传感器，例如凭借涡流传感器，关于轴向位置的信息例如以由传感器测量的应变的形式被信号发送到控制装置13。从而，可以关闭磁轴承12的控制环路，并且控制装置13可以调节磁铁12a的轴向位置，并且借此可以调节转子或毂6b的轴向位置，以具有恒定值。在该过程中由轴向轴承吸收的力可以基于由控制装置13施加的安培数来确定。

凭借非受控轴承，由轴向轴承吸收的力例如可以如以上所述的通过测量毂相对于轴向轴承的磁力的轴向偏转来确定。

在图3中，示意性地描绘了电动马达14，该电动马达例如可以提供固定地连接到转子的永久磁铁14a和连接到泵壳体6a的定子14b。由此，借助定子绕组的对应控制实现无刷电动马达。被施加于定子14b的安培数借助于测量装置15可检测，并且从该安培数，可以以简单方式确定在转子上的所生成转矩。

返回参照图2，应注意，在泵入口5处示出了连接到对应处理装置17的流体静压力传感器16。压力传感器还可以设置在泵出口处。从而还可以直接确定跨泵的温差。另外，在图2中，在泵壳体6a内示出了连接到处理装置19的温度传感器18。温度传感器18还可以在被运输的流体通过的区域中设置在泵外部。

图4示出了针对泵的各种转速以每时间的体积对跨泵的压差在横轴上绘制了通过泵的体积流量的曲线图。这产生特性图，在该特性图中，作为示例，示出了表示不同转速的三个特性20、21、22。由此，箭头23作为趋势示出了表示不同转速的曲线之间的过渡方向。

由此，针对泵的各种转速以特性的形式表示泵的操作点(泵入口与出口之间的压差和借助泵运输的体积流量)。这里，为了确定特性，转子的转速和轴向轴承位置被记录为用于跨转子的压差的代表量。另选地，可以捕捉借助马达安培数测量的转速和泵马达的转矩。通过使用适当的回归曲线，可以插入测量点，以产生特性曲线。由此，在泵的操作期间，例如，在各情况下可以在特性图内的特定区域中从被捕捉的操作参数(比如从转子的转速和轴向轴承位置)确定通过泵的体积流量。

因为认识到：对于特定类型的泵，特性图内存在轴承位置/压差与体积流量之间的相关性在已知转速时是不唯一的或至少是模糊的区域，所以对于特性图内的特定区域选择确定体积流量的不同方法。由此，可以根据特性图内的泵的操作点位于的区域(因此例如根据转速和/或跨泵的压差)选择适当的确定方法。同样，在根据所存储的特性图操作泵时，操作参数的相应适当选择然后用于根据操作参数控制。

例如，在图4中，在两个虚线24与25之间形成特性图的部分区域，在该部分图中，不从转速和跨转子的压差确定体积流量，或至少不从那些参数单独确定体积流量。在线24与25之间的区域中，例如可以考虑由转子的电驱动马达的安培数确定的转子的转矩和/或泵的入口和/或出口处的绝对压力。这些量可以单独评价或与转速结合地评价；然而，为了确定体积流量，可以另外考虑作为用于跨转子的压差的指示符的轴承位置。

另外，因为特别是在血泵中，血液的温度对黏度且因此对泵的操作状态或参数具有强烈的影响，所以还可以由传感器捕捉流体温度。

图5示出了多种测量方法在表示特性图的边界区域/过渡区域的特定预定区域中的使用，该特定预定区域这里应由虚线圆26来指示。该区域与要求并允许用于确定体积流量的不同测量方法的特性图的两个区域之间的分隔线24相邻。在分隔线24周围的预定区域中，可以可靠地采用用于确定体积流量和/或跨泵的压差的多种方法。例如，体积流量或跨泵的压差可以使用不同的被捕捉操作参数来确定。通过将由此确定的体积流量和/或跨泵的压差的值进行比较，可以确定被运输的流体的黏度(例如，患者血液的黏度)。原则上，黏度还可以在不具体确定体积流量和/或跨泵的压差的情况下从被捕捉的冗余操作参数来确定。

除了用于操作这种泵且用于在特性图的不同区域中确定体积流量的方法外，本发明还涉及一种用于通过在特性图的不同区域中使用不同操作参数来确定相应特性图的方法。

而且，本发明还涉及一种包括用于捕捉所要求操作参数的相应结构的泵结构。图6中示意性示出了这种泵结构，并且这种泵结构包括具有转子34、磁轴向轴承12、用于轴承应变的传感器29的泵6、以及具有驱动泵6的外定子的马达27。另外，设置转速传感器33和用于马达安培数的安培数传感器28。所测量的操作参数被发送到包括控制装置31的分析设备30，该控制装置具有用于特性数据的存储装置。此外，分析设备30包括与控制装置31交换数据的用于确定黏度的装置32，使得已优化的特性数据可以在任何一个时间用于泵的控制。

借助本发明，特别是对于在特性图的特定区域中可捕捉足够数量的操作参数的这种泵，显著改善使用当前获得的黏度确定通过泵的体积流量。