Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
BLOOD PUMP WITHOUT BEARING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/032256
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a blood pump having a pump housing (10) in which an impeller (16) is arranged without housing. An external magnetic drive device (33) turns the impeller (16) via a magnetic coupling (32, 36). The lower side (30) of the wings (19) of the impeller is configured as a support surface (30) which slopes at the following end. A hydrodynamic supporting effect is thus obtained during rotation. Said effect raises the impeller (17) from the bottom surface of the pump housing (10). As the pump housing does not comprise bearings and seals, the thrombosis risk and the danger of penetration of foreign bodies into the blood by attrition is reduced.

Inventors:
Siess, Thorsten (Kirchenstrasse 8 Würselen, D-52146, DE)
Application Number:
PCT/EP1999/008835
Publication Date:
June 08, 2000
Filing Date:
November 17, 1999
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
IMPELLA CARDIOTECHNIK AG (Pauwelsstrasse 19 Aachen, D-52074, DE)
Siess, Thorsten (Kirchenstrasse 8 Würselen, D-52146, DE)
International Classes:
F04D7/02; A61K9/22; A61M1/10; F04D13/02; F04D13/06; F04D29/22; F04D29/24; F04D29/42; F04D29/44; (IPC1-7): A61M1/10; F04D29/24; F04D29/44
Attorney, Agent or Firm:
Selting, Günther (Deichmannhaus am Dom Bahnhofsvorplatz 1 Postfach 10 22 41 Köln, D-50462, DE)
Download PDF:
Claims:
1. (57) Zusammenfassung Die Blutpumpe weist ein Pumpengehäuse (10) auf, in dem ein Flügelrad (16) lagerlos untergebracht ist. Das Flügelrad (16) wird von einer externen magnetischen Antriebseinrichtung (33) über eine Magnetkupplung (32,36) gedreht. Die radiale Zentrierung des Flügelrades erfolgt über die Magnetkupplung (32,36). Die Unterseite (30) der Flügel (19) des Flügelrades ist als Tragfläche (30) ausgebildet, welche zum nachlaufenden Ende hin abfallt. Auf diese Weise wird bei Drehung ein hydrodynamischer Trageffekt erzielt, welcher das Flügelrad (17) von der Bodenfläche (12) des Pumpengehäuses (10) abhebt. Infolge des Fehlens von Lagern und Dichtungen am Pumpengehäuse wird die Thrombosegefahr und die Gefahr des Eindringens von Fremdkörpern durch Abrieb in das Blut verringert. LEDIGLICH ZUR INFORMATION Codes zur Identifizierung von PCTVertragsstaaten auf den Kopfbögen der Schriften, die internationale Anmeldungen gemäss dem PCT veröffentlichen. AL Albanien AM Armenien AT 6eterreich AU Australien AZ Aserbaidschan BA BosnienHerzegowina BB Barbados BE Belgien BF Burkina Faso BG Bulgarien BJ Benin BR Brasilien BY Belarus CA Kanada CF Zentralafrikanische Republik CG Kongo CH Schweiz Cl Côte d'lvoire CM Kamerun CN China CU Kuba CZ Tschechische Republik DE Deutschland DK Dãnemark EE Estland ES Spanien FI Finnland FR Frankreich GA Gabun GB Vereinigtes K6nigreich GE Georgien GH Ghana GN Guinea GR Griechenland HU Ungarn IE Irland IL Israel IS Island IT Italien JP Japan KE Kenia KG Kirgisistan KP Demokratische Volksrepublik Korea KR Republik Korea KZ Kasachstan LC St. Lucia LI Liechtenstein LK Sri Lanka LR Liberia LS Lesotho LT Litauen LU Luxemburg LV Lettland MC Monaco MD Republik Moldau MG Madagaskar MK Die ehemalige jugoslawische Republik Mazedonien ML Mali MN Mongolei MR Mauretanien MW Malawi MX Mexiko NE Niger NL Niederlande NO Norwegen NZ Neuseeland PL Polen PT Portugal RO Rumãnien RU Russische F6deration SD Sudan SE Schweden SG Singapur SI Slowenien SK Slowakei SN Senegal SZ Swasiland TD Tschad TG Togo TJ Tadschikistan TM Turkmenistan TR Türkei TT Trinidad und Tobago UA Ukraine UG Uganda US Vereinigte Staaten von Amerika UZ Usbekistan VN Vietnam YU Jugoslawien ZW Zimbabwe.
Description:
Lagerlose Blutpumpe Die Erfindung betrifft eine lagerlose Blutpumpe nach dem Rota- tionspumpenprinzip zur vorübergehenden oder langfristigen Blut- förderung.

Für die vorübergehende kurzzeitige Blutförderung werden extra- korporale Blutpumpen eingesetzt, die ein drehend angetriebenes Flügelrad aufweisen. Das Flügelrad ist in dem Pumpengehäuse auf Lagern gelagert. Beispiele solcher Blutpumpen sind in EP 0 451 376 B1 und DE 43 21 260 Cl beschrieben. Der Antrieb des Flügel- rades erfolgt über eine Magnetkupplung durch einen außerhalb des Pumpengehäuses rotierenden Rotor. Die das Flügelrad stützenden Lager sind bei einer Blutpumpe problematisch, weil an den Lagern Thrombenbildung auftreten kann. Weiterhin besteht die Gefahr, daß der Abrieb von Lagern das Blut verunreinigt.

Auch Dichtungen, die Lager gegen das Eindringen von Blut schützen sollen, haben sich speziell für den mittel-bis lang- fristigen Einsatz (Tage bis Jahre) als ungeeignet erwiesen.

Blutpumpen mit mechanischen Lagerungen des Flügelrades sind aus den genannten Gründen für den langfristigen Einsatz nicht ge- eignet. Pumpsysteme mit Magnetlagern (US 5 385 581 A, DE 196 13 388 Al), die das Flügelrad mit einer elektromagnetischen Lagereinrichtung beruhrungslos lagern, führen zu einem erheb- lichen Regelaufwand und infolge der komplexen Lagerung zu einer voluminösen Bauform, bei der aufgrund der aktiven Flügelradzen- trierung in erheblichem Maße Mehrenergie zugeführt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blutpumpe mit einem in einem Pumpengehäuse rotierenden Flügelrad zu schaffen, bei der die Gefahr der Blutschädigung und Thrombenbildung mini- miert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Blutpumpe ist eine lagerlose Blutpumpe, die keine mechanischen Lager aufweist. Das Flügelrad ist in dem Pumpengehäuse innerhalb eines begrenzten Spiels frei beweglich.

Das Flügelrad wird von einer externen magnetischen Antriebsein- richtung gedreht und wirkt hierbei selbstzentrierend. We- nigstens eine Stirnseite der Flügel weist Tragflächen auf, welche bei Rotation das Flügelrad hydrodynamisch anheben. Die statisch wirkende Anziehungskraft der Permanentmagnete in Flügelrad und Antriebseinrichtung ist bestrebt, das Flügelrad gegen die der Antriebseinrichtung zugewandte Wand des Pumpenge- häuses zu drücken. Die Tragflächen im Flügelrad bewirken bei Rotation jedoch ein Anheben des Flügelrades von der Boden- fläche, so daß das Flügelrad auf einem Blutpolster gleitet und dadurch im Abstand von der Wand gehalten wird. Hierbei wird das lagerlose Flügelrad über Permanentmagnete in Kombination mit hydrodynamisch wirkenden Antriebskräften passiv im Pumpen- gehäuse zentriert. Die seitliche Zentrierung des Flügelrades erfolgt ebenfalls durch die mit der Antriebseinrichtung zusam- menwirkenden Magnete. Auf diese Weise gelingt es, eine lager- lose und wellenlose Blutpumpe zu schaffen, bei der das Flügel- rad im Pumpengehäuse schwebend gehalten wird.

Die erfindungsgemäße lagerlose Blutpumpe bietet den Vorteil, daß infolge des Verzichts auf Lager und Gleitdichtungen die Ge- fahr der Thrombenbildung des Blutes und die Gefahr des Eindrin- gens von Fremdkörpern ins Blut verringert ist. Daher kann die erfindungsgemäße Blutpumpe nicht nur als extrakorporale Blut- pumpe für den Kurzzeiteinsatz benutzt werden, sondern auch als implantierbare Blutpumpe für den Langzeitbetrieb. Die Blutpumpe kann wegen der geringen zentrierbedingten Verluste mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden, wobei die erforderliche Leistung im Bereich von 6 W unter physiologisch relevanten Betriebszu- ständen ist, so daß die Pumpe auch als batteriebetriebenes tragbares Gerät eine lange Betriebsdauer hat.

Das Flügelrad kann einen vom Einlaß bis zu einer Bodenwand des Pumpengehäuses gerade durchgehenden Durchlaß aufweisen. Hier- durch verfügt das Flügelrad über eine beidseitige Beschaufe- lung.

Vorzugsweise sind die Flügel des Flügelrades von der Umfangs- wand eines scheibenförmigen oder kegelförmigen Tragkörpers nach entgegengesetzten Seiten abstehend angeordnet. Das Flügelrad bildet keine Scheibe, die zusammen mit der Bodenwand des Pum- pengehäuses einen engen Spalt begrenzen würde. Auch hierdurch ist die Thrombosegefahr herabgesetzt. In allen Bereichen des Pumpengehäuses wird eine Blutströmung aufrechterhalten, ohne daß die Gefahr von Totwasserbereichen besteht.

Die Flügel sind in Draufsicht im wesentlichen dreieckförmig und sie enthalten die flügelradseitigen Magnete. Durch die Dreieck- form der Flügel wird erreicht, daß das Flügelvolumen mit zuneh- mendem Radius ansteigt, so daß die zwischen den Flügeln verfüg- bare Flüssigkeitsdurchtrittsfläche auf allen Radien konstant gehalten werden kann. Dadurch wird die Konizität des Pumpenge- häuses, die an sich erforderlich wäre damit auf allen Umfangs- kreisen etwa das gleiche Volumen verfügbar ist, verringert oder eliminiert.

Die erfindungsgemaße Blutpumpe ist eine Zentrifugalpumpe, bei der der Auslaß im wesentlichen tangential zum äußeren Rand des Pumpengehäuses angeordnet ist. Da im Auslaß der größte Druck herrscht, wird eine radiale Kraft erzeugt, die bestrebt ist, das Flügelrad von dem Auslaß fortzudrücken. Um dieser dezen- trierenden Kraft entgegenzuwirken, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbi. ldung der Erfindung an dem Pumpengehäuse ein umlaufen- der Ringdiffusor vorgesehen, der in einem tangentialen Auslaß mündet. Der Ringdiffusor ist ein spiralförmiger Kanal, der be- wirkt, daß der im Auslaß herrschende Druck sich auf den Umfang des Pumpengehäuses verteilt und somit zentrierend auf das Flügelrad einwirkt.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus- führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Aus- führungsform der Blutpumpe, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Pumpengehäuses der Blutpumpe von Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht des Flügelrades der Pumpe von Fig. 1, Fig. 4 eine andere perspektivische Ansicht des Flügelrades der Pumpe von Fig. 1, Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Blutpumpe, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Pumpengehäuses der Pumpe von Fig. 5, Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Flügelrades der Pumpe von Fig. 5, Fig. 8 eine dritte Ausführungsform der Blutpumpe, Fig. 9 das Pumpengehäuse der Blutpumpe nach Fig. 8, und Fig. 10 das Flügelrad der Blutpumpe von Fig. 8.

Die Blutpumpe nach Fig. 1 weist ein Pumpengehäuse 10 auf, das eine kegelstumpfförmige Umfangswand 11, eine im wesentlichen ebene Bodenwand 12 und eine zwischen Bodenwand 12 und Umfangs- wand 11 umlaufende Zylinderwand 13 aufweist. Das Blut wird durch den axialen Einlaß 14 dem Pumpengehäuse zugeführt und verläßt dieses durch den tangentialen Auslaß 15 am äußeren Ge- häuseumfang.

In dem Pumpengehäuse 10 ist ein Flügelrad 16 drehbar unterge- bracht. Dieses Flügelrad weist einen kegelstumpfförmigen Trag- körper 17 auf, dessen Steigung in etwa halb so groß ist wie diejenige der Umfangswand 11. Der Tragkörper 17 besteht aus Flächenmaterial, das an allen Stellen etwa die gleiche Stärke hat. An dem Tragkörper 17 sind nach oben und unten abstehend Flügel 18,19 angeordnet, wobei die oberen Flügel 18 und die unteren Flügel 19 in Draufsicht gesehen kongruent sind, d. h. gleiche Projektionsflächen aufweisen. Die Flügel 18,19 sind in Draufsicht dreieckförmig, wobei sie eine mit dem Umfangskreis des Tragkörpers 17 zusammenfallende konvexe Umfangsfläche 20, eine in Drehrichtung vorlaufende konvexe Vorlauffläche 21 und eine konkave Innenfläche 22 aufweisen. Die konvexe Vorlauf- fläche 21 trifft mit der konkaven Innenfläche 22 entlang der Innenkante 23 zusammen. Der Kreis, auf dem die Innenkanten 23 der drei Flügelpaare liegen, bildet die Begrenzung eines kreis- förmigen Durchlasses 24, der in axialer Verlängerung des Ein- lasses 14 angeordnet ist. Dies bedeutet, daß das Flügelrad 16 im Zentrum offen ist, so daß ein direkter axialer Durchlaß 24 bis zur Bodenwand 12 besteht, wobei in der Bodenwand 12 eine in den Durchlaß 24 hineinragende zentrische Erhebung 25 vorgesehen ist. Der Querschnitt des Durchlasses 24 ist mindestens so groß wie derjenige des Einlasses 14.

Bei der Drehung des Flügelrades verlauft jeweils die Innenkante 23 der Außenkante 26 derselben Vorlauffläche 21 voraus. Dies bedeutet, daß die Vorlauffläche 21 das Medium radial nach außen drückt, in dem das Medium mit Drall beaufschlagt wird. Die nachlaufende Kante 27 verläuft entlang der gleichen Bahn wie die vorlaufende Kante 26.

Die Oberseite 28 der oberen Flügel 18 bewegt sich in einer ke- gelstumpfförmigen Ebene, die den gleichen Kegelwinkel hat wie die Umfangsfläche 11 des Pumpengehäuses. Zwischen den Ober- seiten 28 der Flügel und der kegelförmigen Umfangsfläche 11 des Pumpengehäuses besteht ein Spalt, der das für eine Axialbewe- gung des Flügelrades erforderliche Spiel zur Verfügung stellt.

Die Unterseiten der unteren Flügeln 19 bilden Tragflächen 30, welche bei Rotation des Flügelrades in Richtung des Pfeiles 31 das Flügelrad von der Bodenwand 12 des Pumpengehäuses abheben.

Diese Tragflächen werden dadurch gebildet, daß an der Unter- seite des Flügels die Unterkante der Vorlauffläche 21 einen größeren Abstand von der Bodenwand 12 hat als an dem nachlau- fenden Ende, nämlich an der Kante 27. Auf diese Weise entsteht zwischen der Tragfläche 30 und der Bodenwand 12 ein Spalt, der sich zum nachlaufenden Ende hin verringert, so daß die in dem Spalt befindliche Flüssigkeit bestrebt ist, das Flügelrad anzu- heben. Außerdem wird die vertikale Höhe des Spaltes über der Bodenwand von der Innenkante 23 aus nach außen größer, wodurch auch eine radiale Zentrierung des Flügelrades erfolgt. Der Nei- gungswinkel a, den die Tragfläche 30 in Umfangsrichtung hat, beträgt ca. 2 bis 4°.

Die in Draufsicht dreieckförmigen Flügel 18,19 enthalten je- weils einen Magneten 32 mit Nordpol N und Südpol S. Dieser Magnet erstreckt sich durch beide Flügel 18,19 hindurch.

Der Antrieb der Blutpumpe erfolgt durch eine externe magne- tische Antriebseinrichtung 33, auf die das Pumpengehäuse 10 aufgesetzt wird. Diese Antriebseinrichtung enthält einen Rotor 34, der in Lagern 35 gelagert ist und an seinem Umfang Magnete 36 trägt. Die Magnete 36 ziehen jeweils einen Magnet 32 im Pum- pengehäuse 10 an. Der Rotor 34 wird durch Elektromagnete 37 ge- dreht, welche ortsfest angeordnet sind. Jeder Elektromagnet 37 weist ein U-förmiges Joch auf, durch das ein Magnet 38, der am Umfang des Rotors 34 angeordnet ist, hindurchgeht. Die Elektro- magnete 37 werden zyklisch umgepolt, so daß sie ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, welches den Rotor 34 mitnimmt. Über die magnetisch gekoppelten Magnete 32 und 36 dreht der Rotor 34 das Flügelrad 16. Sämtliche Teile des Flügelrades 16, mit Ausnahme der Magnete 32, bestehen aus Kunststoff oder einem anderen nicht-magnetischen Material.

Die Art der Magnetanordnung von Rotormagnet 32 am Antriebs- magnet 36 führt zu einer radialen Zentrierung des Flügelrads 16. Hierdurch werden 2 kartesische Achsen und 3 Drehachsen de- finiert. Der letzte verbleibende Freiheitsgrad in Richtung der Magnetanziehung wird durch den in Umfangsrichtung verlaufenden konvergenten Spalt der Tragfläche 30 zur Bodenwand 12 fixiert.

Hierdurch hebt das Flügelrad bei Rotation entgegen der Magnetanziehung von der Bodenwand 12 ab. Ist eine ausreichende Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrads erreicht, so bildet sich im konvergenten Spalt ein tragfähiger Blutfilm und das Flügelrad schwebt ohne Mischreibung im Pumpengehäuse.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 hat das Gehäuse 10a eine ebene Bodenwand 12 und eine hierzu im wesentlichen parallele ebene Oberwand lla. Der Tragkörper 17a, von dem die Flügel 18,19 nach oben und unten abstehen, besteht hier aus einer ebenen Scheibe.

Die externe Antriebseinrichtung 33a weist gemäß Fig. 5 Elektro- magnete 40 auf, die um den Umfang des Pumpengehäuses 10a herum verteilt angeordnet sind und von denen ein umlaufendes Magnet- feld erzeugt wird. Die Joche der Elektromagnete 40 wirken un- mittelbar auf die Magnete 32 des Flügelrades 16a ein. Auch hier erfolgt durch die Magnete nicht nur der Drehantrieb des Flügel- rades sondern auch dessen radiale Zentrierung. Zur axialen Zen- trierung des Flügelrades sind die Flügel an ihrer Unterseite mit einer schrägen Tragfläche 30 und auf ihrer Oberseite mit einer ebenfalls schrägen Tragfläche 41 versehen, welche mit der Oberwand lla des Pumpengehäuses einen konvergenten Zen- trierspalt bildet.

Die Flügel 18,19 haben die in Fig. 7 dargestellte Flügelform, die von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels aufgrund der in Drehrichtung nach vorne gekrümmten Schaufeln abweicht. In allen Fällen reichen die Flügel bis zum Durchlaß 24 und die Flügelbreite (in Umfangsrichtung) nimmt vom Durchlaß 24 aus nach außen zu, so daß jeder Flügel an dem Rand des Tragkörpers 17 bzw. 17a die größte Breite hat.

Das Pumpengehäuse 10a hat gemäß Fig. 6 generell die Form eines flachen Zylinders mit ebener Oberwand lla und zylindrischer Um- fangswand 13. Da sich bei Rotation des Flügelrades 16a im Aus- laß 15 der größte Druck aufbaut, kann es geschehen, daß dieser Druck das Flügelrad gegen die dem Auslaß gegenüberliegende Seite des Pumpengehäuses drückt. Um diese Druckkraft zu kompen- sieren, erstreckt sich um den Umfang des Pumpengehäuses ein Ringdiffusor 44, der das Pumpengehäuse umfangsmäßig voll um- schließt und aus einer spiralförmigen Ausbauchung besteht, deren Querschnitt sich vom Anfangsende 44a bis zum Auslaß 15 kontinuierlich vergrößert.

Das Ausführungsbeispiel der Fign. 8 bis 10 entspricht weitge- hend demjenigen der Fign. 5 bis 7. Das Pumpengehäuse 10b hat im wesentlichen die Form eines flachen Zylinders mit ebener Ober- seite lla und ebener Bodenwand 12. Die Unterseite der unteren Flügel 19 bildet eine hydrodynamische Tragfläche 30, die ebenso wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen zur Vorlaufkante hin ansteigt. Außerdem steigt die Tragfläche 30 gemäß Fig. 8 nach außen hin an.

Die Antriebseinrichtung 33b besteht aus einem Scheibenläufermo- tor 45, der in Lagern 35 gelagert ist und Magnete 36 trägt, welche mit den Magneten 32 des Flügelrades 16b zusammenwirken.