一种血泵用离心叶轮、血泵

1.本发明涉及转子技术领域，特别涉及一种血泵用离心叶轮、血泵。


背景技术：

2.血泵是一种可辅助人体血液循环的医疗器械，常被用于体外循环支持，心脏衰竭救治中。血泵也是体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ecmo)系统的重要组成部件。目前临床上常用的血泵是磁耦合驱动血泵，泵头外面的磁耦合驱动电机驱动泵头内部的离心叶轮旋转，推动血液循环。离心血泵叶轮的高速旋转导致了叶轮中湍流的出现。这些湍流的存在一方面会影响流动，降低血泵的水力性能。另一方面，湍流中往往蕴含着较大非生理剪切力，同时，湍流对流场的干扰也会形成大量的流动滞止区。离心叶轮中心的上方通常是主流和二次流撞击交汇地方，常常会出现较大的能量损失和较高的非生理剪切力，这也会导致血泵水力性能的降低。此外，在离心叶轮中心的下方，二次流道附近，血液流速缓慢，使得血液容易在二次流道区域淤积。非生理高剪切力的存在会不可避免的造成血液细胞和蛋白损伤(如破坏红细胞和激活血小板等)，而流动滞止区的存在则会导致血液的淤积，进一步导致血栓的形成。更为严重的是，一旦轴承处发生血栓，很容易破坏动平衡，导致转子失稳，进而引发血泵失效，可能会带来严重临床事故。同时，由于现代离心血泵多采用磁耦合驱动的方法，在转子启动，或转速变化时，极易产生巨大的升力，这个升力需要跟转子所承受的液体压力精准平衡，才能保证血泵的平稳运行。


技术实现要素：

3.(一)发明目的
4.本发明的目的是提供一种避免或减小血液损伤和血液淤积，改善转子动平衡的血泵用离心叶轮。
5.(二)技术方案
6.为解决上述问题，本发明实施例第一方面提供了一种血泵用离心叶轮，包括：
7.底板，为圆形，所述底板的中部开设有通孔以形成二次流道；
8.离心叶片，设置于所述底板的上表面，所述离心叶片为中间厚两端薄的香蕉形叶片，所述离心叶片的包角大于等于90
°
，多个所述离心叶片从所述通孔的外沿向所述底板的外周呈放射状延伸；
9.支撑结构，包括支撑轴和支撑叶片，所述支撑轴设置在所述通孔的中心，所述支撑叶片的一端与所述支撑轴连接，另一端与所述底板连接。
10.在一些实施例中，多个所述支撑叶片从所述支撑轴顶面的中心向所述通孔的内周壁呈放射状延伸。
11.在一些实施例中，所述离心叶片包括靠近所述支撑结构的叶尖部和远离所述支撑结构的叶根部，所述叶尖部的高度高于所述叶根部的高度。
12.在一些实施例中，所述离心叶片向所述离心叶轮的旋转方向弯曲，所述支撑叶片
与所述离心叶片的弯曲方向相反。
13.在一些实施例中，所述离心叶片的数量大于等3，所述离心叶片沿所述通孔的周向均匀分布。
14.在一些实施例中，所述支撑叶片的数量大于等3，所述支撑叶片沿所述通孔的周向均匀分布。
15.在一些实施例中，所述离心叶片沿所述离心叶轮轴线方向的高度大于所述通孔的深度。
16.在一些实施例中，所述支撑叶片的包角大于或等于10
°
。
17.在一些实施例中，所述支撑轴为向上凸起的半球形。
18.本发明实施例第二方面提供了一种血泵，包括上述任一实施例提供的血泵用离心叶轮。
19.(三)有益效果
20.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
21.本发明通过在底板上表面设置中间厚两端薄的香蕉形叶片，可以减小叶轮进出口因有效过流面积狭窄而产生的非生理剪切力和对血液的损伤。同时，所述叶片的包角大于等于90
°
，可以起到约束叶轮中流动的作用，避免叶轮中因流通分离而产生的流动滞止区，从而避免血栓的形成。通过在底板的通孔内设置支撑结构能够支撑离心叶轮高速转动，在转动过程中保持平衡，增加了整体的结构强度和稳定性，通过设置支撑叶片，且支撑叶片与离心叶片的弯曲方向相反，能够增加二次流道内的血液流速，减少二次流与主流的碰撞，改善支撑轴附近流场避免血液淤积形成血栓。同时，二次流道内的流速提高能够将二次流道内的压力转换为速度能，提高下方空腔的速度，避免血液在下方空腔的淤积，减小血栓在下方空腔发生的可能性。同时，下方空腔压力能的减小，可以减小下方空腔对圆形底板的产生的向上的升力，改善转子的动平衡。
附图说明
22.图1是本发明实施例中一种血泵用离心叶轮的结构示意图；
23.图2是图1中一种血泵用离心叶轮的立体图；
24.图3是本发明实施例中一种支撑结构的结构示意图；
25.图4是本发明实施例中一种血泵的结构示意图；
26.图5是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与剪切力的关系示意图。
27.图6是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与溶血指数的关系示意图。
28.图7是本发明实施例中一种血泵的血液流速分布示意图。
29.图8是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血液平均滞留时间的关系示意图。
30.图9是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血栓发生概率的关系示意图。
31.附图标记：
32.底板，1；通孔,11；
33.离心叶片,2；叶尖部,21；叶根部,22；
34.支撑结构,3；支撑轴,31；支撑叶片,32；
35.壳体,4；底座,41；血液入口,42；第一腔室,43；第二腔室,44；第三腔室,45。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
37.在附图中示出了根据本发明实施例的示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域。
38.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
40.图1是本发明实施例中一种血泵用离心叶轮的结构示意图，图2是图1中一种血泵用离心叶轮的立体图。如图1、图2所示，本发明第一实施例中，提供了一种血泵用离心叶轮，包括底板1、离心叶片2和支撑结构3。底板1为圆形，底板1内预埋有永磁体，底板1的轴线与离心叶轮的轴线相同，底板1的中心开设有通孔11以形成二次流道，通孔11为圆形，二次流道的直径为底板1直径的十分之一到二分之一，底板1从中心到外周的厚度逐渐增加，底板1的顶面在同一水平面上，底板1的侧面从顶面向下延伸并向离心叶轮的轴线方向倾斜。离心叶片2设置于底板1的上表面，离心叶片2的数量大于等于3个，离心叶片2从通孔11的外沿向底板1的外周呈放射状延伸，离心叶片2沿底板1的周向均匀分布。离心叶片2向离心叶轮的旋转方向弯曲，以带动血液向底板1的外周流动。支撑结构3包括支撑轴31和支撑叶片32，支撑轴31设置在通孔11的中心，支撑叶片32的一端与支撑轴31连接，另一端与底板1连接。支撑叶片32的数量大于等于3个，支撑叶片32沿通孔11的周向均匀分布。支撑叶片32与离心叶片2的弯曲方向相反，以使血液向底板1的中心聚集。
41.本发明通过在底板1的通孔11内设置支撑结构3能够支撑离心叶轮高速转动，在转动过程中保持动平衡，增加了整体的结构强度和稳定性，通过设置支撑叶片32能够增加二次流道内的血液流速，避免血液淤积形成血栓。同时，二次流道内的流速提高能够将二次流道内的压力转换为速度能，减少底板1下方空腔的压力，从而降低底板1下方空腔的流动阻碍。在此种情况下，一方面可以保证底板1下方空腔的血液顺利流出，降低底板1下方空腔血栓发生的可能性；另一方面，下空腔5流速的提高也降低了底板1下方空腔的压力能，从而减小了底板1下方空腔对转子产生的向上的升力，进一步改善转子的动平衡，保证整个血泵的平稳运行。
42.在一些实施例中，所述离心叶片包括靠近所述通孔的叶根部和向远离所述通孔的方向延伸的叶尖部，所述叶根部沿着远离通孔的方向厚度逐渐增大，所述叶尖部沿着远离
所述通孔的方向厚度逐渐减小，所述叶根部沿着远离通孔的方向宽度逐渐增大，所述叶尖部沿着远离所述通孔的方向宽度逐渐减小至零。离心叶片为中间厚，两端薄的香蕉形大包角叶片，且靠近旋转中心部位叶片前缘(叶尖部)高度比远离离心中心叶片尾缘(叶根部)高，此设计可改善叶轮附近的血液流动，减小叶轮高速旋转对血液造成的损伤和提高血泵的水力性能的作用。设置香蕉形的叶片构型有利于减少叶轮进出口的剪切力和避免血液损伤。同时大包角的设计也使得叶片对叶轮中的血液流动的约束增强，避免或减少了叶轮中因流动分离而导致的血液淤积和血栓的形成。与通常的支撑叶片不一样，本发明中每个支撑叶片的包角都是大于等于10
°
的，且支撑叶片与离心叶片弯曲方向相反，本设计可减少二次流与主流的碰撞，改善转子附近流场，改善血泵内血液的相容性。该血泵用离心叶轮通过在底板的通孔内设置支撑结构能够支撑离心叶轮高速转动，在转动过程中保持平衡，增加了整体的结构强度和稳定性，通过设置支撑叶片能够增加二次流道内的血液流速，避免血液淤积形成血栓。同时，二次流道内的流速提高能够将二次流道内的压力转换为速度能，减少底板下方空腔的压力，避免或减小下方空腔对底板的升力，从而改善转子动平衡。
43.在一些实施例中，离心叶片2包括靠近通孔11的叶尖部21和向远离通孔11的方向延伸的叶根部22，叶尖部21高度比叶根部22高。叶尖部21沿着远离通孔11的方向厚度逐渐增大，叶根部22沿着远离通孔11的方向厚度逐渐减小，叶尖部21沿着远离通孔11的方向宽度逐渐增大，叶根部22沿着远离通孔11的方向宽度逐渐减小至零。香蕉形的叶片设计有利于增加叶轮进口和出口区域的有效过流面积，从而减小进口和出口区域附近的流动速度梯度和剪切力，以避免或减小对血液的损伤。叶尖部21与叶根部22与叶轮旋转中心的夹角a(叶片包角)在大于等于90
°
，以增强对叶轮内流动的约束，避免叶轮中因流动分离而导致的血液损伤和产生的流动滞止区。在一些实施例中，离心叶片2的包角a大于等于100
°
且小于等于150
°
。同时，香蕉形，包角大于等于90
°
的叶片设计在改善流动的同时也有利于提高血泵的水力性能。
44.在一些实施例中，多个支撑叶片32从支撑轴31顶面的中心向通孔11的内周壁呈放射状延伸，支撑叶片32的宽度沿着延伸方向逐渐增大至通孔11深度的二倍再逐渐减小，支撑叶片32为弯曲弧形，弯曲方向与叶片2弯曲方向相反。
45.图3是本发明实施例中一种支撑结构的结构示意图。如图3所示，支撑叶片的包角b大于等于10
°
，以增强对通孔11内血液流动的约束，避免支撑轴31上方产生流动滞止区，降低血栓形成的概率。在一些实施例中，叶片的包角b大于等于10
°
且小于等于100
°
。
46.图4是本发明实施例中一种血泵的结构示意图。如图4所示，血泵包括壳体4和设置在壳体4内的离心叶轮，壳体4底面的中心包括向上凸起的底座41，离心叶轮支撑轴31的底面包括与底座41匹配的凹槽，离心叶轮通过凹槽支撑在底座41上。壳体4底面的下方包括磁悬浮元件，磁悬浮元件用于控制离心叶轮中的永磁体转动，进而带动离心叶轮转动。壳体4顶面的中心包括血液入口42，壳体4内包括第一腔室43、第二腔室44和第三腔室45。第一腔室43设置在离心叶轮的上方，第二腔室44为环形，设置在离心叶轮外周的上方，第三腔室45设置在离心叶轮的下方。箭头表示血液的流动方向。离心叶轮在旋转的过程中，血液被从血液入口42吸入，进入第一腔室43，第一腔室43的血液经过离心叶轮加速后流入第二腔室44形成主流，香蕉形，包角大于等于90
°
的叶片设计可以减少第一腔室43中的高剪切力和规范第一腔室43中血液的流动，提高血泵的水力性能和减少或避免因第一腔室43中的非生理剪
切力带来的血液损伤和流动滞止导致的血液淤积和血栓的形成。由于第一腔室43、第二腔室44和第三腔室45之间的压差，第二腔室44中的部分血液发生回流，进入第一腔室43或第三腔室45。第三腔室45内的血液从二次流道返回第一腔室43形成二次流，二次流中的血液流速缓慢，容易在第三腔室45和支撑轴31附近的血液淤积，导致血栓的发生，血栓一旦形成，会破坏转子动平衡，导致血泵失效。此外，二次流中的血液进入第一腔室43时，与主流中的血液发生碰撞，会降低血泵的水力性能。主流与二次流在支撑轴31的顶面交汇发生碰撞，导致能量损失和非生理剪切力，容易造成血液细胞和蛋白损伤，例如破坏红细胞和激活血小板。本实施例通过设置多个离心叶片2有助于提高二次流的流速，避免血液淤积产生血栓。支撑叶片32向与离心叶片2呈相反的方向弯曲，使得二次流中的血液向支撑轴31顶面的中心聚集，减少二次流与主流的碰撞，改善血泵内血液的相容性，进而降低临床血液循环辅助时的并发症发生率。
47.图5是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与剪切力的关系示意图。图6是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与溶血指数的关系示意图。图7是本发明实施例中一种血泵的血液流速分布示意图。图8是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血液平均滞留时间的关系示意图。图9是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血栓发生概率的关系示意图。
48.图5是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与剪切力的关系示意图。如图5所示，横坐标为离心叶片2的包角，纵坐标为归一化的血泵内受到剪切力大于100pa的血液的体积。血液受到的剪切力越大，对血液的损伤越大。实验数据表明，随着包角的增大，大于100pa的非生理剪切力所占体积逐渐减小对红细胞的损伤逐渐减低，在包角增加到90
°
之前，大于100pa的非生理剪切力所占体积下降幅度较小，当包角增加到临界角度90
°
和130度时，大于100pa的非生理剪切力所占体积的下降幅度显著增加，包角大于150
°
时，不存在大于100pa的非生理剪切力。实验结果表明，增大离心叶片的包角有助于降低对血红细胞的损伤。
49.图6是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与溶血指数的关系示意图。如图6所示，横坐标为离心叶片2的包角，纵坐标为归一化的溶血指数，血液的溶血指数越低，血泵的性能越好，血红细胞受到损伤会导致溶血指数升高。实验数据表明，随着包角的增大，血液的溶血指数逐渐降低，在包角增加到90
°
之前，血液的溶血指数下降幅度较小，当包角增加到临界角度90
°
时，溶血指数的下降幅度显著增加，且随着包角的增加，溶血指数持续下降。实验结果表明，增大离心叶片的包角有助于降低溶血指数。
50.图7是本发明实施例中一种血泵的血液流速分布示意图。如图7所示，包角为0
°
时，叶轮流道中存在大量的流动分离，血液的流速分布均匀性较差，包角为110度时，血液的流速分布均匀性比包角为0
°
时好，包角为150度时，血液的流速分布均匀性比包角为110
°
时好。实验结果表明，增大离心叶片的包角有助于抑制流动分离，规范血液叶轮中的流动。
51.图8是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血液平均滞留时间的关系示意图。如图8所示，横坐标为离心叶片2的包角，纵坐标为归一化的血液平均滞留时间，血液平均滞留时间越低，生成血栓的概率越低，血泵的性能越好。实验数据表明，随着包角的增大，血液平均滞留时间逐渐降低。实验结果表明，增大离心叶片的包角有助于降低血液的平均滞留时间。
52.图9是本发明实施例中一种血泵的离心叶片包角与血栓发生概率的关系示意图。如图9所示，横坐标为离心叶片2的包角，纵坐标为血栓发生的概率。实验数据表明，随着包角的增大，血栓发生的概率逐渐降低。当包角增加到临界角度110
°
时，血栓发生的概率大幅下降。实验结果表明，增大离心叶片的包角有助于降低血栓发生的概率。
53.以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。