本申请涉及医疗器械领域，尤其涉及一种心室辅助泵。
背景技术：
心室辅助泵是一种将血液由静脉系统或心脏引出直接泵入动脉系统，部分或全部代替心室做功的人工机械装置。为提高血液兼容性，减少临床治疗的副作用，目前心室辅助泵的发展趋势是采用非接触式轴承技术。其特点在于采用物理方式实现叶轮及转子的悬浮。由于在叶轮的运行中转子和定子之间没有直接接触，因而能够最大限度的减小心室辅助泵对血液的破坏，并有效降低血栓和溶血的产生，具有可靠性高和寿命长的优点，适合长期植入人体。
心室辅助泵的总体要求在于轻量化、小型化、低功耗以及结构简单，能够满足手术的要求和提高植入后患者的舒适度。为此，现有的心室辅助泵中叶轮大多不采用机械传动的方式，而是采用悬浮方式来进行转动，以省去传动机构所占用的空间，进一步压缩体积。目前的叶轮悬浮方式有多种，但是现行的悬浮方式往往存在端面间隙小、血液兼容性较差，或者需要多个位移传感器和独立主动悬浮驱动线圈来辅助，导致心室辅助泵的结构复杂，尺寸和重量大，可靠性降低，功耗和成本也相应升高的缺点。进一步的，此类悬浮机构如果按照轴向方式布置，将会导致心室辅助泵的轴向尺寸增大，不利于小型化。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供一种兼顾血液兼容性和小型化的心室辅助泵，结构简单，具备较高的可靠性。本申请心室辅助泵包括如下技术方案：
一种心室辅助泵，包括引流锥、叶轮、电机、定磁环和动磁环；所述叶轮套设于所述引流锥外围，所述叶轮内设流道，所述流道在所述叶轮内形成径向通路；所述电机用于驱动所述叶轮转动；所述定磁环和所述动磁环沿着所述叶轮的径向方向分布，所述定磁环固设于所述引流锥，所述动磁环固设于所述叶轮，所述定磁环与所述动磁环的磁极朝向相同，所述定磁环和所述动磁环配合以使得所述叶轮相对所述引流锥在径向上处于悬浮状态。
其中，所述心室辅助泵包括中空的壳体，内部为腔体，分为上腔和下腔，所述腔体连通所述壳体外部的入口和出口；所述电机包括定子和转子，所述引流锥和所述叶轮位于所述上腔，所述定子固设于所述下腔。
其中，在垂直于所述叶轮的轴线方向上，所述上腔包括靠近所述入口的第一内壁和远离所述入口的第二内壁；所述叶轮包括与所述第一内壁相对的第一面，以及与所述第二内壁相对的第二面；所述心室辅助泵还包括一个推力液压轴承，所述推力液压轴承设置于所述第一内壁与所述第一面之间，或所述推力液压轴承设置于所述第二内壁与所述第二面之间；所述推力液压轴承与所述电机共同作用，以使得所述叶轮转动时在轴向上处于悬浮状态。
其中，所述推力液压轴承为两个，分为上推力液压轴承和下推力液压轴承，所述上推力液压轴承位于所述第一内壁与所述第一面之间；所述下推力液压轴承位于所述第二内壁与所述第二面之间，所述上推力液压轴承、所述下推力液压轴承与所述电机共同作用，以使得所述叶轮转动时在轴向上处于悬浮状态。
其中，所述推力液压轴承设置于所述壳体的所述第一内壁和/或所述第二内壁上。
其中，在所述叶轮的轴线方向上，所述转子与所述动磁环均收容于所述叶轮内。
其中，在所述叶轮的轴线方向上，所述转子位于所述流道与所述第二面之间。
其中，在所述叶轮的轴线方向上，所述动磁环也位于所述流道与所述第二面之间。
其中，所述转子包括相互间隔设置的轴向磁铁和弦向磁铁，所述轴向磁铁和所述弦向磁铁均为扇形，所述轴向磁铁至少设置两个，两个所述轴向磁铁的磁极互为反向。
其中，所述出口设于所述第一内壁和所述第二内壁之间的侧壁上。
本申请所述心室辅助泵，将所述壳体的内腔通过所述隔板分为所述上腔和所述下腔，其中所述下腔用于密封所述电机的所述定子，位于所述上腔中的所述转子与所述叶轮固定，所述转子与所述定子配合，在转动时实现所述叶轮在轴向上的悬浮。通过固定于所述引流锥上的所述定磁环，与固定于所述叶轮上的所述动磁环的配合，使得所述叶轮在转动时实现径向上的悬浮。配合所述壳体上的入口和出口设置，以及所述引流锥、所述叶轮上的所述流道等一同形成血液的流通路径。本申请所述心室辅助泵结构简单、体积较小，对所述入口和所述出口的具体位置并没有特别限定，可以根据产品的安装位置和使用需求来适应各方向的所述入口和所述出口的设计，具备较高的兼容性。
附图说明
图1是本申请心室辅助泵的内部结构示意图；
图2是本申请心室辅助泵中磁环的细节图；
图3是本申请推力液压轴承一实施例的示意图；
图4是本申请推力液压轴承另一实施例的示意图；
图5是本申请叶轮外形的示意图；
图6是本申请叶轮内部细节的示意图；
图7是本申请叶轮流道形状一实施例的示意图；
图8是本申请叶轮流道形状另一实施例的示意图；
图9是本申请叶轮流道形状再一实施例的示意图；
图10是本申请转子磁环的原理示意图；
图11是本申请转子磁环布置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1所示的心室辅助泵100，包括壳体10、引流锥20、叶轮30、电机40、定磁环51和动磁环52。所述壳体10包含中空的内腔，以及连通所述内腔的入口11和出口12。所述壳体的内腔中还设有隔板13，所述隔板13将所述壳体10的内腔分为上腔14和下腔15。所述入口11和所述出口12均连通所述上腔14。所述引流锥20设置于所述上腔14内，所述引流锥20与所述隔板13固连，且所述引流锥20正对所述入口11。所述叶轮30为环状，所述叶轮30套设于所述引流锥20上，所述叶轮30与所述引流锥20为间隙配合，所述叶轮30与所述引流锥20不接触。所述叶轮30内设流道31，所述流道31连通所述叶轮30的环状的内圈和外沿，即所述流道31在所述叶轮30内形成贯通所述叶轮30的径向的通道。所述电机40包括定子41和转子42。所述定子41内设绕组，所述定子41设置于所述下腔15内。所述隔板13将所述定子41与所述上腔14密封隔开。所述转子42为永磁体，所述转子42固设于所述叶轮30上。所述定磁环51固设于所述引流锥20上，所述动磁环52固设于所述叶轮30上，且所述动磁环52与所述转子42同轴设置。所述动磁环52的外径小于等于所述转子42的内径，即在所述叶轮30的径向上，所述动磁环52相较于所述转子42位于所述叶轮30的内圈。见图2，所述定磁环51与所述动磁环52的磁极均为轴向分布，即所述定磁环51与所述动磁环52的自身N极和S极均沿各自的轴向分布。以所述定磁环51为例，所述定磁环51的N极位于所述定磁环51轴向方向上的一端，S极位于所述定磁环51轴向方向上的另一端。所述定磁环51与所述动磁环52的磁极的朝向均相同，以使得所述定磁环51与所述动磁环52相对处于同极相斥的状态。所述引流锥20与所述叶轮30随之保持间隙配合。需要提出的是，在本申请所述心室辅助泵100中，所述引流锥20、所述叶轮30、所述定子41、所述转子42、所述定磁环51以及所述动磁环52，均以轴线001为圆心同轴设置。
当本申请心室辅助泵100工作时，所述电机50通电，所述驱动所述叶轮30沿所述轴线001的方向悬浮于所述上腔14内。随着所述电机50的电流变化，所述叶轮30在所述上腔14内转动。具体的，固设于所述下腔15中的所述定子51内的线圈通电，并产生磁场。与所述叶轮30固连的所述转子52在所述磁场的作用下绕所述轴线001旋转。所述叶轮30的重力与所述转子30受到的轴向磁力相互平衡，使得所述叶轮30在所述轴线001的方向上悬浮于所述上腔14中。而在所述叶轮30的径向上，由于所述定磁环51和所述动磁环52的配合，所述叶轮30在转动中始终与所述引流锥20保持间隙配合状态，也即所述叶轮30在径向上相对于所述引流锥20处于悬浮状态。由此，所述叶轮30在其轴向和径向上都处于悬浮状态，不与所述壳体10、所述引流锥20等产生任何接触，并在所述电机40的作用下保持转动。
需要增压的血液从所述入口11处流入所述上腔14内，在遇到所述引流锥20后被所述引流锥20分散并引流进入旋转的所述叶轮30内。具体的，血液通过所述流道31从所述叶轮30的内环处流经所述叶轮30的内部，最终从所述流道31流出所述叶轮30的外沿。血液在持续转动的所述叶轮30的作用下被加速，在从所述出口12流出所述壳体10时具备了更大的速度和压力，从而达到增压的效果，实现心室辅助的功能。由于所述叶轮30的悬浮设置，本申请心室辅助泵100在工作过程中，其内部任意两个组件都没有发生直接接触，能够最大限度的减小对血液的破坏，有效的降低血栓和溶血的产生，具有可靠性高和寿命长的优点，适合长期植入人体。
需要提出的是，在本实施例中，所述壳体10内部采用了所述隔板13来分隔所述上腔14和所述下腔15。在其余一些实施例中，所述上腔14和所述下腔15的分隔也可以不采用所述隔板13，而是设置相互独立的所述上腔14和所述下腔15组合以形成所述壳体10。在这种实施例中所述上腔14和所述下腔15之间是通过所述上腔14的底板或所述下腔15的顶板分隔开的。还有一种实施例，所述电机40，具体的，所述定子41的外壳在所述壳体10的内腔中形成所述上腔14与所述下腔15的分隔功能。本申请方案中对所上腔14与所述下腔15的分隔没有特别限定，只要能实现所述定子41的密封，保证所述电机40的正常工作即可。
在一种实施例中，所述上腔14与所述叶轮30的外形相互配合。在垂直于所述轴线001的方向上，所述上腔14包括靠近所述入口11的第一内壁141和远离所述入口11的第二内壁142。所述叶轮30上也包括与所述第一内壁141相对的第一面32，以及与所述第二内壁142相对的第二面33。所述第一内壁141的形状与所述第一面32的外形匹配，所述第二内壁142的形状与所述第一面33的外形匹配，两处相互匹配的外形共同作用以防止所述叶轮30在转动过程中出现较大的紊流，进而影响所述叶轮30的悬浮状态。
进一步的，对于所述第一内壁141的外形与所述第一面32的外形匹配，以及所述第二内壁142的外形与所述第一面33的外形匹配，在一种实施例中，所述心室辅助泵100内将其中至少一对外形匹配设置为推力液压轴承60。也即所述推力液压轴承60设置于所述第一内壁141与所述第一面32之间，或所述推力液压轴承60设置于所述第二内壁142与所述第二面33之间。所述推力液压轴承60的液力悬浮原理，见图3、图4，是在液体流通路径中设置规则的导槽61，所述导槽61绕所述推力液压轴承60的中心沿圆周均布，利用液体流动中产生规则、均匀的推力来实现所述叶轮30在所述心室辅助泵100内腔中的被动悬浮。另一种描述方式，所述叶轮30在所述转子42和所述定子41的磁力作用下，再辅以所述推力液压轴承60的推力，使得所述叶轮30克服自身重力而在所述上腔14中实现转动时的悬浮状态。再一种简要的描述方式为，所述推力液压轴承60与所述电机40共同作用，以使得所述叶轮30在转动时处于轴向上的悬浮状态。
可以理解的，当所述推力液压轴承60设置于所述第一内壁141与所述第一面32之间时，所述叶轮30受到所述推力液压轴承60的推力和所述电机40的推力，以及自身重力。这三个力在所述轴线001的方向上相互平衡，以实现所述叶轮30的悬浮；当所述推力液压轴承60设置于所述第二内壁142与所述第二面33之间时，所述叶轮30受到所述推力液压轴承60的推力和所述电机40的推力或拉力，以及自身重力。这三个力在所述轴线001的方向上相互平衡，以实现所述叶轮30的悬浮。
需要提出的是，当所述推力液压轴承60设置于所述第二内壁142与所述第二面33之间时，所述电机40所表现出的推力或拉力，取决于所述叶轮30自身重力与所述推力液压轴承60的推力大小。当所述叶轮30的自身重力大于所述推力液压轴承60的推力时，所述电机40表现为推力，所述电机40的推力与所述推力液压轴承60的推力共同作用，以克服所述叶轮30的重力，实现所述叶轮30的悬浮状态；当所述叶轮30的自身重力小于所述推力液压轴承60的推力时，所述电机40表现为拉力，所述电机40的拉力与所述叶轮30的自身重力共同作用，以克服所述推力液压轴承60的推力，从而实现所述叶轮30的悬浮状态。
再一点，所述叶轮30的悬浮状态不是恒定位置的悬浮。在所述叶轮30的转动过程中，可能因为转速的变化，或者瞬间受力突变等因素的影响，而产生对所述推力液压轴承60的扰动。此时所述叶轮30将会在所述轴线001的方向上出现偏移。当所述叶轮30出现偏移时，所述推力液压轴承60和所述定子41会因为与所述叶轮30的距离发生改变，而产生相应的推力变化。当所述叶轮30与所述推力液压轴承60靠近时，所述叶轮30受到的来自所述推力液压轴承60的推力将变大，变大的推力将所述叶轮30推离所述推力液压轴承60，所述叶轮30得以重新回到最初的平衡位置继续转动。同样的，当所述叶轮30向所述定子41靠近时，所述叶轮30受到的磁场作用也更大，从而在所述定子41和所述推力液压轴承60的共同作用下被推回最初的平衡位置以继续转动。反之亦然。
在一种实施例中，在所述心室辅助泵100中同时设置两个所述推力液压轴承60，此时所述推力液压轴承60被分为上推力液压轴承62和下推力液压轴承63。所述上推力液压轴承62位于所述第一内壁141与所述第一面32之间，所述下推力液压轴承63位于所述第二内壁142与所述第二面33之间。可以理解的，在此实施例情况下，所述上推力液压轴承62、所述下推力液压轴承63与所述电机40共同作用，以使得所述叶轮30转动时在沿所述轴线001的方向上处于悬浮状态。
为了进一步的压缩所述心室辅助泵100的轴向尺寸，所述推力液压轴承60还可以直接设置于所述壳体10的所述第一内壁141和/或所述第二内壁142上。即当所述推力液压轴承60只有一个时，所述推力液压轴承60被设置于其对应的内壁上，避免因为设置单独的所述推力液压轴承60而造成轴向空间的浪费。当所述推力液压轴承60为两个时，则所述推力液压轴承60分别设置于所述第一内壁141和所述第二内壁142上。
需要说明的是，在图3、图4的实施例中，所述导槽61的形状分别为螺旋型和人字型，但在另一些实施例中，所述导槽61的形状还可以为别的一些实施方式。只要满足中心对称分布，能够提供血液流通路径以规则、均匀的变向即可实现本申请所描述的方案。
另一方面，所述推力液压轴承60的所述导槽61既可以设置于所述叶轮30的一侧，即所述第一面32和/或所述第二面33一侧；又可以设置于所述上腔14上，即所述第一内壁141和/或第二内壁142一侧。亦或者，在所述叶轮30和所述上腔14相对的两个面上都对应设置相互配合的所述导槽61。即所述第一面32与所述第一内壁141上，和/或所述第二面33与所述第二内壁142上都设置有成对配合的所述导槽61，成对设置的所述导槽61作为所述推力液压轴承60在本申请心是辅助泵中工作。对于所述导槽61的具体设置位置，本申请不做特别限定。
一种实施例，为了避免设置于所述叶轮30上的所述转子42和所述动磁环52对所述叶轮30的转动动作的影响，特别是当所述转子42与所述动磁环52凸出于所述第一面32或所述第二面33时，所述转子42与所述动磁环52将对所述推力液压轴承60的运行产生不可控的干扰，对规则的血液流通路径产生阻隔以造成紊流。对此，在所述轴线001的方向上，将所述转子42与所述动磁环52均设置为齐平或收容于所述叶轮30以内，使得所述第一面32或所述第二面33得以设置为平面，或前述所提到的规则的导槽61的形式。另一种描述方式，所述转子42与所述动磁环52在沿所述轴线001的方向上，均收容于所述叶轮30内。
关于所述转子42在所述叶轮30中的设置，为了减小所述电机40的功率，进一步缩小本申请心室辅助泵100的体积，所述转子42宜尽量靠近所述定子41，以缩短所述转子42与所述定子41之间的距离，提高电磁感应效率。在一种实施例中，所述转子42在所述叶轮30的所述轴线001方向上，位于所述流道31与所述第二面33之间。即相对于所述流道31，所述转子42更靠近于所述定子41。此时所述流道31中流动的血液在所述定子41朝向所述转子42的延伸方向上流通，不会隔阻所述定子41与所述转子42之间的电磁感应。
另一方面，由于所述流道31在所述叶轮30中为径向导通的通道(见图5)，用于血液的流动。则所述动磁环52在处于所述转子42的内圈中时，所述动磁环52在所述轴线001的方向上只能占据所述叶轮30的一部分体积，为所述流道31的通道入口让出空间。由上述可知，所述转子42在所述叶轮30的所述轴线001方向上位于所述流道31与所述第二面33之间，若所述动磁环52位于所述流道31与所述第一面32之间，则所述流道31在所述轴线001的方向上，其通道入口和通道出口会出现高度差。即所述流道31的通道入口和通道出口不在同一平面上。此种设计对血液的流通路径造成了一定的改变，相较于处于同一平面上的通道入口和通道出口而言，所述心室辅助泵100中的一部分增压能量，被耗费在血液流通路径的改变上。为此，一种实施例中，所述动磁环52也被设置于所述流道31与所述第二面33之间，即所述流道31的流通路径可以设置在同一平面上，更有利于血液的流动(见图6)。
对于所述流道31的形状设置，见图7至图9，常见的所述流道31的形状设置可以为直线型、偏心直线型和流线型流道三种。所述叶轮30的叶片数一般为4片到8片之间。当然，本申请在此只做举例示例，在另外一些实施例中，所述流道31的具体形状或所述叶轮30的叶片数量也可以自由调整。
对于所述转子42的设置，在一些实施例中，所述转子42由成对的扇形磁铁组合形成。所述扇形磁铁包括相互间隔设置的轴向磁铁421和弦向磁铁422。可以理解的，所述轴向磁铁421为磁极沿所述轴线001方向分布的磁铁，所述弦向磁铁422为磁极沿所述叶轮30的周向分布的磁铁。所述轴向磁铁421与所述弦向磁铁422均为成对设置，且所述轴向磁铁421与所述弦向磁铁422间隔设置，相邻两个成对设置的所述轴向磁铁421磁极互为反向，同时相邻两个成对设置的所述弦向磁铁422磁极也互为反向。这样的设置得以将所述转子42设置为海尔贝克(Halbach)磁阵列，其原理见图10。利用轴向磁体和纵向磁体的交错排列而增强单位方向上的磁场强度，以便于用最少量的磁体产生最强的磁场。这样的设置进一步提高了所述电机40的效率，缩减本申请心室辅助泵100的体积。
在图11的示意中，所述轴向磁铁421与所述弦向磁铁422均为4对。本申请中对所述轴向磁铁421与所述弦向磁铁422的具体数量不作限制，在另外一些实施例中，所述轴向磁铁421与所述弦向磁铁422的数量可以是任意对数。只要能形成海尔贝克磁阵列的方案都属于本申请所要求保护的范围。
对于所述出口12的设置，由于所述叶轮30中的所述流道31为径向流道，通过所述叶轮30增压后流出的血液从所述叶轮30的圆周外沿流出。为了获得较好的增压效果，一种实施例中，直接在所述第一内壁141和所述第二内壁142之间的侧壁上设置所述出口12，以便于血液在经过增压过程后能更顺畅的流出所述上腔14，避免因为流通路径的突变而损耗流速或压力。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。