磁–液悬浮轴流泵心脏辅助装置研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国医学科学院阜外心血管病医院 作者:李国荣

  目的:应用磁力和流体动压控制实现轴流泵叶轮的完全悬浮。

  材料和方法:磁-液悬浮轴流泵由轴流泵泵筒,轴流叶轮,尾导叶叶片等组成。采用约束磁力限制旋转叶轮的轴向位移,约束磁力由旋转叶轮轮毂中的永磁体与轴流泵电机定子铁芯之间通过磁相互作用产生,轴流旋转叶轮的直径小于轴流泵泵筒内径,叶片外周与轴流泵泵筒内面之间形成动压间隙,当叶轮相对于轴流泵泵筒旋转时动压间隙中的液体产生流体动压,约束叶轮的径向位移。尾导叶叶片尾导叶叶片与轴流泵泵筒内壁固定联接,由轴流泵泵筒内壁向中心伸出,无中心轮毂的机械联接,使在这一区域形成血流通道有利于冲刷防止血栓形成。

  结果:磁-液悬浮轴流泵样机的直径23mm,长度65mm。在输出压力100mm汞柱条件下,泵转速约14000转/分时流量可达5升/分,在轴流叶轮转速超过6000rpm使可实现稳定的磁叶悬浮,标准溶血指数达0.12g/100L 。结论:我们研制的磁液悬浮轴流泵的流体力学特性和血液相容性初步达到左心辅助的要求,可进行动物体内植入实验观察其长期心脏辅助的效果。

  旋转叶轮泵式心脏辅助装置近年来已广泛应用于临床,并取得了良好的治疗效果。旋转叶轮泵包括离心泵轴流泵混流泵,其基本原理是采用高速旋转的叶轮驱动血液流动,传统的结构设计旋转叶轮采用机械轴支撑。目前的研究表明:在长期应用时机械轴承易致血栓,支撑点的局部血流冲刷不良和摩擦产热可能是重要原因,因此采用悬浮技术使叶轮在血流中悬浮旋转,去除机械轴承是目前旋转叶轮泵式心脏辅助装置的一个改进方向。采用磁– 液悬浮的HeartWare离心泵已应用于临床,最近HeartWare 磁– 液悬浮微型轴流泵(MVAD™,HeartWare®, Inc.;Miramar, Fla) 也进行了初步的动物实验。我们在先前研制的轴流泵基础上探索了磁–液悬浮的可行性,本文介绍我们研制的磁– 液悬浮轴流泵的基本结构及特性。

  1、材料方法

  1.1、基本结构

  我们研制的磁– 液悬浮轴流泵由轴流泵泵筒、轴流叶轮、永磁转子、尾导叶及电磁定子等组成,轴流泵泵筒、尾导叶、轴流叶轮等元件的外表面经过特殊涂层处理以增强表面硬度和血液相容性。轴流泵电机定子由环形矽钢片叠成筒状轴流泵电机定子铁芯和筒状的轴流泵电机定子绕组组成,铁芯和绕组套置在轴流泵泵筒外。定子总成由环形的矽钢片叠成定子筒,环绕泵管外壁。在泵管的外壁与定子筒内壁间的空隙内镶嵌三相漆包线绕组,三相绕组顺序通电时可产生与泵管同心的旋转磁场,推动“转子– 叶轮体”旋转。体外控制部分由电源电池和控制电路组成,控制电路的工作原理类似于普通的无刷直流电动机,泵转速通过输入电压调节。目前轴流泵样机的直径23mm,长度65mm。在轴流泵泵筒内的出口端设置尾导叶,尾导叶螺旋方向与叶轮叶片反向,以使出口血流的旋转分量改变为轴向流,提高效率。

磁–液悬浮轴流泵样机

图1. 磁–液悬浮轴流泵样机

轴向约束力形成示意图

图2. 轴向约束力形成示意图

轴流叶轮磁–液悬浮状态探测方法示意图

图3. 轴流叶轮磁–液悬浮状态探测方法示意图

  1.1.1、轴向约束力形成原理

  轴流叶轮的轮毂中容纳永磁转子,定子铁芯与永磁转子间的磁力限制轴流旋轮的轴向位移,使轴流叶轮在工作时受到的流体反作用力得到对抗,在没有机械支撑的条件下将轴流叶轮约束于轴流泵泵筒内。调整转子永磁体的强度以及定子铁芯的几何尺寸可使叶轮的轴向约束磁力达到适当大小。

  当永磁转子磁力中心Sc 与定子铁芯的磁力中心Mc 位置不对应时,会有与位移方向相反的磁力Fm 作用于叶轮。设定子铁心磁力中心Sc 与转子磁力中心Mc 间的轴向距离为L,则Fm 与L呈正相关,在工作状态下测定移动距离L 可确定L 与轴向悬浮力的数学关系,轴向约束力形成原理如图2 所示。在叶轮处于工作状态时磁场对转子的轴向约束力Fm 可对抗血流作用于叶轮的反作用力。如是,转子永磁体和定子铁芯之间的磁力可用于叶轮的轴向磁悬浮控制。

  1.1.2、径向约束力形成

  轴流叶轮的直径小于轴流泵泵筒内径,在旋转叶轮的叶片外周圆弧面与轴流泵泵筒内面之间存在一定的间隙,此间隙为动压间隙。当叶轮相对于轴流泵泵筒内面高速旋转时动压间隙中的液体产生流体动压,使叶片外周圆弧面与轴流泵泵筒内面脱离机械接触,从而产生流体动力悬浮作用,约束叶轮的径向位移,如图3 所示。改变叶片外周圆弧面的面积可产生不同的悬浮力,叶片外周圆弧面的面积越大,在同样的动压间隙条件下悬浮力也越大。

  1.1.3、磁–液悬浮轴流泵样机的体外测试

  体外模拟循环装置与先前研究所采用的装置相似,主要由模拟左,右心房,磁–液悬浮轴流泵,阻力调节器,流量计等部件串联组成,用有机玻璃管顺序连接以上部件。在血泵的出口和阻力调节器之间的管道中设置压力传感器,测定泵的输出压力和流量。通过调节模拟心房中液面高度调节泵的入口压力。为了保证转子与流体介质及端面金属触点间的电学绝缘,采用调制的绝缘油脂作为循环介质, 当温度恒定于37˚C,循环介质的相对粘滞度为4.2,与与全血粘制度相近。

  如图3 所示,用导电金属轴通过滑动触点使轴流叶轮与探测电路连通,轴流叶轮可沿轴向前、后滑动。轴流泵泵筒引出另一端导线与探测电源及探测电流表连接。当轴流叶轮处于非悬浮状态时,由于重力的作用,叶轮靠轴流泵壁支撑,形成通过轴流叶轮体的导电回路,此时电流表将显示有电流流过。当轴流叶轮驱动流体介质流动受到反作用力推动时,可滑过间隙向前端移动。同时由于叶轮高速旋转,在动压间隙内形成径向力,使叶片外周圆弧面与轴流泵筒内壁脱离接触,由于该间隙内液体绝缘,导电回路断开。由此可通过测定回路中的电流来确定叶轮旋转体的径向悬浮状态。当回路导通时说明叶轮体与轴流泵筒内壁接触,悬浮失效。相反,当回路保持断开表明无机械接触,叶轮体处于悬浮状态。回路由导通转变为断开时的叶轮负荷状态和转速即反映流体动力悬浮作用的最大负荷承受能力。

  结论

  我们研制的磁液悬浮轴流泵的流体力学特性和血液相容性初步达到左心辅助的要求,可进行动物体内植入实验阶段以观察其长期心脏辅助的效果。

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