阅读说明：本技术 一种微创介入式人工心脏轴流血泵 (Minimally invasive intervention type artificial heart axial flow blood pump ) 是由 张锡文 吴啸 陈成瀚 于 2021-01-27 设计创作，主要内容包括：一种微创介入式人工心脏轴流血泵,用于辅助衰竭心脏的血液循环。该血泵包括前置导管、套筒以及设置在套筒内的泵体和微型电机,微型电机固定在套筒上；泵体包括转子轮毂、转子叶片、后导叶轮毂和后导叶叶片。该血泵的主要特点该采用渐变内径,渐变内径的最小截面积与转子中部流场区域的截面积相同,且转子轮毂与后导叶轮毂之间通过齿状密封结构连接。本发明在保证转子区域流场截面积基本不变的情况下,有效降低了因流场区域截面积变化带来的能量损失,从而提高了血泵的工作效率。同时避免了缝隙区域血细胞的侵入,解决了现有微创介入式轴流血泵转子轮毂和后导叶轮毂的缝隙区域血细胞损伤较大的问题,从而显著增强了血泵的可靠性。(A minimally invasive intervention type artificial heart axial flow blood pump is used for assisting the blood circulation of a failing heart. The blood pump comprises a preposed conduit, a sleeve, a pump body and a micro motor, wherein the pump body and the micro motor are arranged in the sleeve; the pump body comprises a rotor hub, rotor blades, a rear guide vane hub and rear guide vane blades. The blood pump is mainly characterized in that a gradually-changed inner diameter is adopted, the minimum sectional area of the gradually-changed inner diameter is the same as the sectional area of a flow field area in the middle of a rotor, and a rotor hub is connected with a back guide impeller hub through a toothed sealing structure. The invention effectively reduces the energy loss caused by the change of the sectional area of the flow field area under the condition of ensuring that the sectional area of the flow field of the rotor area is basically unchanged, thereby improving the working efficiency of the blood pump. Meanwhile, the invasion of blood cells in the gap area is avoided, and the problem that the blood cells in the gap area of the rotor hub and the rear guide impeller hub of the existing minimally invasive intervention type axial flow blood pump are greatly damaged is solved, so that the reliability of the blood pump is obviously enhanced.)

一种微创介入式人工心脏轴流血泵

技术领域

本发明涉及一种微创介入式人工心脏轴流血泵，可用于辅助衰竭心脏的血液循环，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

植入式人工心脏血泵是治疗终末期心衰的有效途径之一，但是现在临床应用的人工心脏血泵都是开胸进行安装，手术难度大，创伤面积大；采用微创技术从股动脉介入微型轴流血泵提供了更安全有效的技术手段，前置导管从主动脉下探至左心室，然后导管穿过动脉瓣，血流经过泵提升压力和流量进入主动脉弓，从而降低心脏负荷，为全身提供血液辅助流动。但由于微创介入式轴流血泵尺寸较小，导致流速较大，进而容易导致较大的能量损失，主要表现为在套筒入口处截面积变化带来的损失、转子和后导叶区域的损失、出流口处的扰动带来的损失。另一方面，微创介入式轴流血泵体积较小、流速较大、能量损失较大的特点导致需要达到更高的转速(20000-30000rpm)才能满足人体循环的要求，会增加转子轮毂和后导叶轮毂的缝隙区域血细胞的损伤。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种微创介入式人工心脏轴流血泵，使其在保证转子区域流场截面积基本不变的情况下，有效降低因流场区域截面积变化带来的能量损失，进而提高血泵的工作效率；同时避免缝隙区域血细胞的侵入，解决现有微创介入式轴流血泵转子轮毂和后导叶轮毂的缝隙区域血细胞损伤较大的问题，从而增强血泵的可靠性，保证病人的生命安全。

本发明的技术方案如下：一种微创介入式人工心脏轴流血泵，该血泵包括前置导管、套筒、泵体和微型电机，泵体和微型电机设置在套筒内，微型电机固定在套筒上，在套筒上设有出流口；所述泵体包括转子和后导叶，转子包括转子轮毂和转子叶片，所述的后导叶包括后导叶轮毂和后导叶叶片；微型电机输出轴与后导叶和转子连接，其特征在于：在套筒入口处设有渐变内径，该渐变内径包括渐缩段和渐扩段，渐变内径的最小截面积与转子中部流场区域的截面积相同，渐缩段变化曲线和渐扩段变化曲线整体光滑，开始和结束处导数为0。

上述技术方案中，所述渐缩段变化曲线通过使用FLUENT软件计算套筒入口压力10000Pa、流量4L/min时渐缩段内的能量损失，并基于能量损失最小的优化得到渐缩段变化曲线为：y＝0.6468x²-0.1467x³-0.0258x⁴；渐扩段延伸至转子处，并基于流场截面面积恒定优化得到渐扩段变化曲线为：y＝1-0.2132x²+0.0441x³-0.0016x⁴；

上述公式中，x表示轴向坐标，x＝0表示曲线开始的位置，单位为mm；y表示内径的减小量，单位为mm。

进一步地，所述转子轮毂与后导叶轮毂之间通过齿状密封结构连接。

进一步地，所述转子轮毂、后导叶轮毂、转子叶片与后导叶叶片采用一体化流线型结构；所述出流口为流线自适应结构。

本发明的技术特征还在于：微型电机输出轴与后导叶和转子连接的方式是微型电机输出轴贯穿后导叶与转子相连，转子被微型电机输出轴单侧支撑。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：①套筒入口处设计有渐变内径，可以有效降低因截面积带来的能量损失，最终提高血泵的工作效率为30％；同时可以在极端情况发生时保证转子不会脱离套管，进一步保证病人的生命安全；②转子轮毂与后导叶轮毂之间存在齿状密封结构，可以在起到润滑作用的同时，防止血细胞的流入与破坏，显著增强了血泵的可靠性；③转子轮毂、后导叶轮毂、转子叶片与后导叶叶片均为一体化流线型设计，可以避免后导叶区域产生的漩涡；④出流口的流线自适应性设计可以有效的降低血液流出时的阻力与扰动，进一步提高血泵的机械效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种微创介入式人工心脏轴流血泵的结构简图。

图2为转子部分的结构图。

图3为后导叶部分的结构图。

图4为转子轮毂与后导叶轮毂之间存在的齿状密封结构示意图。

图5为套筒入口压力10000Pa、流量4L/min条件下优化得到的渐缩段曲线。

图6为套筒入口压力10000Pa、流量4L/min条件下优化得到的渐扩段曲线。

图中：1－前置导管；2－套筒；3－微型电机；4－转子轮毂；5－转子叶片；6－后导叶轮毂；7－后导叶叶片；8－经皮导线；9-微型电机输出轴；10－出流口；11－渐变内径；12-齿状结构；13-渐缩段；14-渐扩段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体结构、原理和工作过程做详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种微创介入式人工心脏轴流血泵，该血泵包括前置导管1、套筒2、设置在套筒内的泵体和微型电机3，微型电机3与套筒2连接；所述的泵体包括位于套筒内的转子以及固定在套筒内的后导叶，转子包括转子轮毂4和转子叶片5；所述的后导叶包括后导叶轮毂6和后导叶叶片7。微型电机由经皮导线8供电，微型电机输出轴9贯穿后导叶与转子相连，转子被微型电机输出轴单侧支撑，微型电机输出轴带动转子旋转，从而驱动血液从前置导管1吸入，然后到套筒后端的出流口10流出。

所述血泵套筒入口处设计有渐变内径11，该渐变内径包括渐缩段13和渐扩段14，可以减少流动截面积降低带来的流动损失，并提高血泵在极端状况下的可靠性。所述血泵由股动脉进入人体并插入左心室与主动脉之间，相对于传统血泵由转子内导磁材料和套管外电磁线圈驱动的方式，由微型电机直接驱动的方式提高了血泵的输出效率，且稳定性更佳，安装与加工的难度降低。出流口10的流线自适应性结构设计可以有效的降低血液流出时的阻力与扰动，进一步提高血泵的机械效率。

如图1、图4所示，所述转子轮毂4和后导叶轮毂6之间存在齿状密封结构12，可以在起到润滑作用的同时，避免血细胞的破坏，显著增强了血泵的可靠性。

如图2、图3所示，所述血泵的转子轮毂4、后导叶轮毂6、转子叶片5与后导叶叶片7均采用一体化流线型设计，可以有效的降低血液流经转子和后导叶时的阻力与扰动，提高血泵的机械效率。

图5和图6分别表示套筒入口处压力10000Pa、流量4L/min条件下优化得到的渐缩段曲线和渐扩段曲线，所述渐缩段曲线和渐扩段曲线满足以下条件：

①最小截面积与转子中部流场区域的截面积相同；

②曲线整体光滑，开始和结束处导数为0；

③使用FLUENT仿真模拟，设置套筒入口压力10000Pa、流量4L/min，并基于渐缩段整体能量损失最小优化曲线，最终得到渐缩段曲线y＝0.6468x²-0.1467x³-0.0258x⁴。所述渐扩段曲线基于流场截面积恒定优化，即套筒内径随着转子轮毂直径的增加逐渐增加，保证流场截面积基本恒定，避免截面积变化带来的能量损失，最终得到渐扩段曲线y＝1-0.2132x²+0.0441x³-0.0016x⁴；公式中，x表示轴向坐标，x＝0表示曲线开始的位置，单位为mm；y表示内径的减小量，单位为mm。

套筒入口处设计的渐变内径，可以有效降低因截面积带来的能量损失，出流口的流线自适应结构可以进一步提升血泵的工作效率，最终可提高30％；因此只需将转速设置为20000－30000转/分，便可以产生不少于4L/min的流量和不少于80－100mmHg的压力提升，驱动血液进行循环流动。同时转速的降低，以及转子轮毂和后导叶轮毂之间存在齿状密封结构，可以进一步的降低血泵对血细胞的破坏，从而显著增强了血泵的可靠性。