一种带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵的制作方法

本发明涉及一种血泵，尤其涉及一种带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵。

背景技术：

人工心脏是一种治疗中晚期心衰疾病最为有效的医疗设备，其用于完全或部分替代人体心脏提供足够的血液流量及压力，以实现人体的正常血液循环。血泵则是人工心脏实现泵血最核心的部件，其叶轮通过高速的旋转使血泵得到足够的能量，从而达到人体循环的压力要求。

血泵有水力性能和溶血性能两个最关键的性能指标。水力性能是指血泵在设计的体积和工作条件下，是否能够达到流量5L/min和13.3Kpa压力的人体血液循环要求。溶血性能则是指血液在流经血泵后，受到血泵影响而产生血细胞破碎损伤发生溶血的状况。

目前，血泵的设计制造存在着两个比较关键的技术难题：

一、血泵的体积需要设计得足够小以降低植入后对人体正常生理的影响，但在非常小的设计体积下很难达到人体血液循环的流量和压力要求。

二、血泵为了达到足够的泵血性能需要通过非常高的转速来提高其增压能力，但却会因此导致血细胞由于过高的流场剪切应力而发生破碎，最终导致发生溶血而危及植入者的正常生理状况。

微型轴流式血泵是目前国内外较为常用的血泵设计形式之一，但其同样存在着泵血性能不足和血细胞破碎损伤较高的问题。

在微型轴流式血泵叶轮的长叶片之间布置分流叶片是一种提高血泵泵血性能的有效手段，但研究发现该结构会导致血泵对血细胞破坏的明显提升；特别是在分流叶片进口端附近，由于分流叶片过度的挤压了过流通路，会出现一个明显的高剪切应力区域，而导致血细胞的破碎溶血。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在足够小的植入体积下，既保证较低的血液损伤，又能够提供足够的泵血流量和压力的带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵。

为了解决上述技术问题，本发明提供的带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵，包括泵壳、前导叶、叶轮和后导叶，所述的叶轮上设有两片长叶片，在每两片所述的长叶片之间设有至少一长一短的长分流叶片和短分流叶片。

所述的长分流叶片与所述的长叶片的轴向长度比K1＝0.55～0.65，所述的短分流叶片与所述的长叶片的轴向长度比K2＝0.30～0.40。

所述的长分流叶片与所述的长叶片的轴向长度比K1＝0.6，所述的短分流叶片与所述的长叶片的轴向长度比K2＝0.35。

所述的长叶片11间的所述的长分流叶片和短分流叶片向所述的长叶片的背面侧偏转4°～6°。

所述的长叶片间的所述的长分流叶片和短分流叶片向所述的长叶片的背面侧偏转5°。

采用上述技术方案的带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵，在每两片分流长叶片之间布置不等长的两片分流短叶片，使相邻分流叶片的进口端不在同一轴向位置，从而减少了在分流叶片在进口端对正常液流的阻碍影响，显著降低了在分流叶片进口端的剪切应力大小，从而也降低了对血细胞破坏的可能。同时，通过对分流叶片数、长度及轴向偏置度的多参数仿真分析，优选得到了最高性能的分流叶片设计参数。从优化后血泵的泵血和溶血性能来看，其既保证了分流叶片对血泵性能的提升效果，又避免了其对血细胞产生的剪切应力破坏。

综上所述，本发明是一种在足够小的植入体积下，既保证较低的血液损伤，又能够提供足够的泵血流量和压力的带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵。

附图说明

图1为是本发明的带非等长分流叶片的微型轴流式血泵的三维结构图。

图2是本发明带非等长分流叶片的微型轴流式血泵的二维结构图。

图3是一般带等长分流叶片的微型轴流式血泵和本发明带非等长分流叶片的微型轴流式血泵叶轮部分的溶血预估性能曲线图。

图4是为不同分流叶片设计形式血泵的水力性能曲线图。

图中所示：1-泵壳前套筒；2-前导叶；3-轴承；4-轴芯；5-叶轮；6-泵壳中套筒；7-永磁体；8-后导叶；9-轴端定位块；10-泵壳后套筒；11-长叶片；12-长分流叶片；13-短分流叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，一种带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵，包括由泵壳前套筒1、泵壳中套筒6和泵壳后套筒10三部分组成的泵壳、前导叶2、叶轮5、后导叶8、永磁体7、轴芯4、轴承3和轴端定位块9，前导叶2和后导叶8为非转动件，固定卡紧于泵壳的内壁上。前导叶2和后导叶8分别与叶轮5保证1mm的轴向间隙。为了保证足够的强度和较好的材料亲血性，前导叶2、后导叶8和叶轮5均采用钛合金材料。轴芯4与用于驱动的永磁体7粘连固定，叶轮5与永磁体7粘连固定，在外磁驱动的作用下以8000r/min的设计转速转动。叶轮5和泵壳的内壁面之间保证1mm的间隙，转动时叶片5不与泵壳发生任何接触。两端的轴段定位块9与轴芯4的端部接触，轴芯4、轴承3及轴端定位块9均采用陶瓷材料，较之普通金属材料具有寿命长、摩擦系数低且抗变形能力更强的特点。

如图1和图2所示，叶轮5上设有两片长叶片11，每两片长叶片11之间有一长一短的长分流叶片12和短分流叶片13。长叶片11、长分流叶片12和短分流叶片13均固定于叶轮5上。从原理上，分流叶片数过少会减少分流叶片对性能的改善作用；但分流叶片数过多则会挤压流道的过流面积而影响血泵性能。采用计算流体力学分析的方法，得到最优的分流叶片设计方式为在每两片长叶片11之间各布置一长一短非等长的两片分流叶片即长分流叶片12和短分流叶片13。

定义分流叶片轴向长度比K为分流叶片轴向长度L1与长叶片11轴向长度L2之比,即分流叶片轴向长度比K＝L1/L2。从原理上，分流叶片过长会挤压流道，阻碍正常流动，过短则无法达到提升叶轮性能的作用。采用计算流体力学分析的方法，得到了最优的分流叶片轴向长度比。根据设计，长分流叶片12与长叶片11的轴向长度比K1＝0.55～0.65，短分流叶片13与长叶片11的轴向长度比K2＝0.30～0.40。优选地，根据设计优选长分流叶片12与长叶片11的轴向长度比K1＝0.6，短分流叶片13与长叶片11的轴向长度比K2＝0.35。

定义长分流叶片12和短分流叶片13的周向偏置度系数D为长分流叶片12的短分流叶片13向长叶片11背面侧偏转的角度。D＝0°表示长分流叶片12的短分流叶片13均匀布置于流道正中，而D越大则表示越向长叶片11背面侧偏置。从原理上，由于流动在流道中分布的不均匀，一般分流叶片向长叶片背面进行一定程度的偏转有利于提高叶轮性能。采用计算流体力学仿真分析的方法，得到了最优的分流叶片周向偏置度系数。分流叶片D＝4°～6°，即长叶片11间的长分流叶片12和短分流叶片13向长叶片11的背面侧偏转4°～6°。优选地，分流叶片D＝5°，即长叶片11间的长分流叶片12和短分流叶片13向长叶片11的背面侧偏转5°。

如图3所示，为一般带等长分流叶片的微型轴流式血泵和本发明带非等长分流叶片的微型轴流式血泵叶轮部分的溶血预估性能曲线图。图3中横坐标是血细胞流经血泵叶轮的时间，纵坐标是产生溶血破坏的剪切应力标量均值。从溶血性能预估结果来看，本发明的非等长的长分流叶片12和短分流叶片13在血细胞流经叶轮5的0.4s-0.8s这个时间段显著的降低了对血细胞破坏的剪切应力大小；并计算血细胞的损伤累积值，具有非等长的长分流叶片12和短分流叶片13的叶轮5的溶血预估值为0.00522，即通过叶轮5的血细胞将有0.522％的损伤比例，较一般等长分流叶片的叶轮预估值降低了20.6％，故认为该发明有效的提高了微型轴流式血泵的溶血性能水平。

如图4所示，为不同分流叶片设计形式血泵的水力性能曲线图。从水力性能分析认为，本发明的带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵与等长分流叶片血泵具有基本相同的高性能水平，在8000r/min的设计转速下能够达到13.3KPa的扬程要求；较无分流叶片的血泵具有明显的性能优势。

综合图3与图4的溶血性能和水力性能分析，认为本发明提出的一种带非等长分流叶片结构的微型轴流式血泵既保证了分流叶片对性能的提高作用，具有较优秀的泵血性能水平；同时，其非等长的分流叶片设计形式又避免了因为过度挤压流场而带来的血细胞溶血损伤，具有不同分流叶片设计形式中最优的综合性能水平。现有轴流式微型血泵叶轮均是采用多片等长分流叶片，或是不采用分流叶片的结构设计形式。但其问题在于：多片等长的分流叶片会由于在其进口位置过度挤压影响血液流动，而产生一个高剪切应力血细胞破坏区域，导致严重的溶血破坏损伤。而不布置分流叶片的轴流血泵叶轮，虽然能够避免其对血细胞的损伤，但却很难在合理的血泵体积、转速范围内达到人体血液循环所需的流量和压力性能要求。

本发明在每两片分流的长叶片11之间布置不等长的长分流叶片12的短分流叶片13，使相邻的长分流叶片12和短分流叶片13的进口端不在同一轴向位置，从而减少了长分流叶片12和短分流叶片13在进口端对正常液流的阻碍影响，显著降低了在长分流叶片12和短分流叶片13的进口端的剪切应力大小，从而也降低了对血细胞破坏的可能。同时，通过对分流叶片数、长度及轴向偏置度的多参数仿真分析，优选得到了最高性能的分流叶片设计参数。从优化后血泵的泵血和溶血性能来看，其既保证了分流叶片对血泵性能的提升效果，又避免了其对血细胞产生的剪切应力破坏。