DE112004001809T5 - Axial flow blood pump with magnetically suspended, radially and axially stabilized impeller - Google Patents
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Abstract
Blutpumpe,
enthaltend:
– einen
Stator mit einem sich hindurcherstreckenden Hohlraum;
– ein Laufrad,
das drehbar in dem Hohlraum des Stators angeordnet und magnetisch
aufgehängt
ist, wobei das Laufrad eine Achse der Drehung bestimmt und der Stator und
das Laufrad einen Fluiddurchlaß zwischen
sich begrenzen;
– eine
Mehrzahl von magnetischen Lagern, die passive Permanentmagnete und
aktive elektromagnetische Magnete enthalten und das Laufrad innerhalb
des Hohlraums des Stators schweben lassen, einschließlich eines
axialen Lagers zum axialen Abstützen
des Laufrades in dem Hohlraum;
– wobei das axiale Lager ein
Feld von benachbarten Lagersätzen
enthält,
die axial bezüglich
der Achse der Rotation aufgereiht sind, wobei jeder Lagersatz einen
Laufradmagneten an dem Laufrad und einen Statormagneten an dem Stator
enthält
und die Laufrad- und Statormagnete radial über den Fluiddurchlaß voneinander
ausgerichtet sind;
– wobei
benachbarte Laufradmagnete und benachbarte Statormagnete axial ausgerichtete
Polaritäten
und umgekehrte Polaritäten
bezüglich
benachbarter Magnete haben, und...Blood pump containing:
A stator having a cavity extending therethrough;
An impeller rotatably disposed in the cavity of the stator and magnetically suspended, the impeller defining an axis of rotation and the stator and the impeller defining a fluid passage therebetween;
A plurality of magnetic bearings containing passive permanent magnets and active electromagnetic magnets which cause the impeller to float within the cavity of the stator, including an axial bearing for axially supporting the impeller in the cavity;
Wherein the axial bearing includes an array of adjacent bearing sets axially aligned with respect to the axis of rotation, each bearing set including an impeller magnet on the impeller and a stator magnet on the stator and the impeller and stator magnets radially aligned with each other across the fluid passage ;
- where adjacent impeller magnets and adjacent stator magnets have axially aligned polarities and reversed polarities with respect to adjacent magnets, and
Description
Hintergrund Gebiet der Erfindungbackground Field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Axialströmungsblutpumpen, die zur permanenten Implantation in Menschen als Unterstüzungsvorrichtung für eine chronische Kammer geeignet sind.The The present invention relates generally to axial flow blood pumps, those for permanent implantation in humans as a support device for one are suitable for chronic chamber.
Betroffenes Fachgebietaffected Area of Expertise
Eine wirkungsvolle und zuverlässige Axialströmungsblutpumpe kann Tausenden von Patienten jedes Jahr eine mechanische Kreislaufunterstützung (MCS) bieten. Geschätzte 4,8 Millionen Amerikaner leiden an einem kongestiven Herzfehler (CHF), einem klinischen Syndrom, das mit einer Kammerfehlfunktion und schließlich einer Verringerung des Herzoutputs verbunden ist. Eine Verringerung des Herzoutputs führt zu einer geringen Durchblutung, Fluidakkumulation und zu einer Aktivierung von Salzwasserzurückhaltungsmechanismen. Statistiken der American Heart Association zeigen an, daß etwa 400.000 neue CHF-Fälle jedes Jahr in den Vereinigten Staaten diagnostiziert werden, und geschätzte 40.000 Herzfehlerpatienten sterben jedes Jahr in Folge von CHF.A effective and reliable axial-flow Can Provide Mechanical Circulatory Support (MCS) to Thousands of Patients Every Year Offer. estimated 4.8 million Americans suffer from congestive heart failure (CHF), a clinical syndrome characterized by a ventricular dysfunction and finally associated with a reduction in cardiac output. A reduction of the heart output leads low blood flow, fluid accumulation and activation of saltwater retention mechanisms. Statistics from the American Heart Association indicate that about 400,000 new CHF cases be diagnosed every year in the United States, and estimated 40,000 heart failure patients die every year in a row from CHF.
Wenn eine kurzzeitige ärztliche Intervention, entweder chirurgisch oder durch aggressive Medikation, nicht erfolgreich ist, werden viele dieser Herzfehlerpatienten Kandidaten für Herztransplantationen. Wegen einer begrenzten Anzahl von Spenderherzen, die in jedem Jahr (2.500) verfügbar sind, benötigen CHF-Patienten häufig MCS als eine Überbrückung zur Transplantation, und viele solcher Patienten überleben nicht, während sie auf ein Spenderorgan warten. Kammerunterstützungsvorrichtungen (VADs) oder mechanische Blutpumpen haben sich als erfolgreich bei Überbrückung zur Herztransplantation von Patienten erwiesen, die an einem Herzfehler in der Endstufe leiden, und ermutigen zu dem Glauben, daß eine langfristige MCS oder Zieltherapie möglich ist. Geschätzte 35.000 bis 70.000 Herzfehlerpatienten könnten jedes Jahr von Langzeit MCS profitieren.If a short-term medical Intervention, either surgically or by aggressive medication, not successful, many of these heart failure patients become candidates for heart transplants. Because of a limited number of donor hearts every year (2,500) available are, need CHF patients frequently MCS as a Bridging to the Transplantation, and many such patients do not survive while they are wait for a donor organ. Chamber Support Devices (VADs) or mechanical blood pumps have proven to be successful at bridging Heart transplantation of patients who were diagnosed with a heart defect suffer in the final stage, and encourage the belief that a long-term MCS or target therapy possible is. estimated 35,000 to 70,000 heart failure patients could be long-term each year MCS benefit.
Trotz des enormen Bedürfnisses nach einer effektiven Kammerunterstützungspumpe, sind frühere MCS-Vorrichtungen wegen mehrerer begrenzender Faktoren nicht vollständig erfolgreich gewesen. Die besonderen Besorgnisse und Designbegrenzungen gegenwärtiger Blutpumpenkonstruktionen umfassen:
- 1) Komponentenhaltbarkeit und Nutzungsdauer;
- 2) Blutgerinnung oder Thrombose infolge von Strömungsstau in der Pumpe in sekundären Strömungsbereichen, Waschöffnungen, Rezirkulationsbereichen und Plättchenaktivierung in Bereichen von hoher Scherspannung;
- 3) Bluttrauma oder Hämolyse, die auftreten können, wenn Blut mechanische Lager oder fremde Flächen berührt, und wenn Blut höheren Scherbedingungen als normal durch die Rotationskomponenten ausgesetzt ist;
- 4) Perkutane Leitungen, die für den Motor und Lagersteuersysteme und andere Unterstützungslinien erforderlich sind;
- 5) die Pumpengeometrie (Größe, Form und Gewicht) zur leichten Implantation, Mobilität des Patienten und zum Verhindern von Rissen im Transplantat;
- 6) hohe Kosten der Pumpe und
- 7) hoher Strombedarf, der eine große Stromquelle erfordert.
- 1) component durability and service life;
- 2) blood clotting or thrombosis due to flow congestion in the pump in secondary flow areas, wash openings, recirculation areas, and platelet activation in high shear stress areas;
- 3) blood trauma or hemolysis that can occur when blood contacts mechanical bearings or foreign surfaces, and when blood is exposed to higher shear conditions than normal by the rotational components;
- 4) percutaneous leads required for the engine and bearing control systems and other support lines;
- 5) the pump geometry (size, shape and weight) for easy implantation, mobility of the patient and to prevent tears in the graft;
- 6) high cost of the pump and
- 7) high power consumption, which requires a large power source.
Viele Blutpumpenkonstruktionen hatten eine pulsierende Konfiguration. Dies erfordert die Explantation (Entfernung) des kranken nativen Herzens und das Ersetzen durch die pulsierenden mechanische Blutpumpe. Diese pulsierende Pumpen haben sich jedoch als mechanisch sehr kompliziert erwiesen, sie sind relativ groß und haben relativ kurze mechanische Nutzungszeiten. Eine alternative Konstruktion, die eine Rotationspumpe verwendet, führt zu der Anwendung des mechanischen Herzens als eine Kammerunterstützungs-vorrichtung, die nicht die Explantation des nativen Herzens erfordert. Die Rotationspumpen haben eine kleinere Größe und eine bessere mechanische Zuverlässigkeit. Solch eine Pumpe unterstützt das Herz eines Patienten, indem sie zusätzliches Blut parallel zu einem erkrankten Herzen pumpt. Die Rotationsblutpumpe kann mit dem Herz des Patienten in einer Linkskammerunterstützungskonfiguration, einer Rechtskammerunterstützungs-konfiguration oder einer Bikammerunterstützungskonfiguration verbunden werden. Wenn beispielsweise eine Linkskammerkonfiguration angewendet wird, wird die Rotationspumpe so verbunden, daß sie die Strömung von der linken Kammer des Herzens empfängt und zu der Aorta zurückführt. Allgemein enthält die Rotationspumpe einen Stator (Gehäuse) mit einem Einlaß und einer Auslaßöffnung, ein Laufrad, das in dem Stator positioniert ist und Laufradflügel hat, um den gepumpten Blutstrom hervorzurufen, einen Motor zum Drehen der Pumpe und ein Aufhängungssystem. Das Blut tritt durch den Einlaß des Stators ein und wird durch das rotierende Laufrad durch das Gehäuse zu dem Auslaß und zurück in das Kreislaufsystem des Patienten gepumpt.Many blood pump designs had a pulsating configuration. This requires the explantation (removal) of the diseased native heart and replacement by the pulsatile mechanical blood pump. However, these pulsating pumps have proven to be very complicated mechanically, they are relatively large and have relatively short mechanical life. An alternative design using a rotary pump results in the application of the mechanical heart as a ventricle assist device that does not require explantation of the native heart. The rotary pumps have a smaller size and better mechanical reliability. Such a pump supports the heart of a patient by pumping extra blood in parallel with a diseased heart. The rotary blood pump may be connected to the patient's heart in a left ventricle assist configuration, a right ventricle assist configuration or a bicammer assist configuration. For example, if a left ventricle configuration is used, the rotary pump is connected to receive the flow from the left ventricle of the heart and return it to the aorta. Generally, the rotary pump includes a stator (housing) having an inlet and an outlet opening, an impeller positioned in the stator, and Impeller has a motor for rotating the pump and a suspension system to produce the pumped bloodstream. The blood enters through the inlet of the stator and is pumped by the rotating impeller through the housing to the outlet and back into the circulatory system of the patient.
Es gibt zwei primäre Konfigurationen, die für Rotationsblutpumpen-Konfigurationen verwendet werden: Axialströmung und Zentrifugalströmung. Bei der Axialströmungskonfiguration ist die Pumpenkonfiguration ähnlich einem Zylinder mit einer Einlaßströmungsöffnung an einem Ende und einer Auslaßströmungsöffnung an dem anderen Ende. Die Zentrifugalströmungskonfiguration ist ähnlich einer kreisförmigen Scheibe mit einer Einlaßströmungsöffnung in der Mitte einer Seite der Scheibe ausgerichtet senkrecht zu der Ebene der Scheibe, und einer tangentialen Austrittsströmungsöffnung an dem Rand der Scheibe, in der Ebene der Scheibe.It are two primary Configurations for Rotary blood pump configurations be used: axial flow and centrifugal flow. In the axial flow configuration the pump configuration is similar a cylinder with an inlet flow opening an end and an outlet flow opening the other end. The centrifugal flow configuration is similar to one circular Disc with an inlet flow opening in the center of one side of the disc aligned perpendicular to the Plane of the disc, and a tangential outlet flow opening the edge of the disc, in the plane of the disc.
Studien haben viele Probleme mit geringer Rotationsblutströmungsbahn, sowohl bei axialen als auch bei zentrifugalen Strömungsblutpumpen einschließlich solcher gezeigt, die eine magnetische Aufhängung haben. Eines dieser Probleme ist Stagnation mit dem Ergebnis von Thrombose oder Gerinnung. Wenn die Strömung einen Bereich niedriger oder Null Geschwindigkeit hat, kann es zur Thrombose oder Gerinnung kommen, wo Blut sich an der Pumpenstruktur aufhält. Solche Bereiche niedriger oder Null Geschwindigkeit werden üblicherweise in sekundären Blutbahnen in der Pumpe gefunden. Wenn sich die Thrombose aufbaut, kann ein Bereich oder ein großes Gerinnsel abbrechen und in dem Blutstrom embolisieren. Wenn das Gerinnsel ein Blutgefäß verschließt, das zum Gehirn oder einem anderen sensitiven Bereich führt, können sich sehr ernste Bedingungen entwickeln, wie eine profunde Organfehlfunktion wie ein epileptischer Anfall oder ein schwerer Hirnschaden. Ein anderes Problem ist Hämolyse, wo das Blut höheren Scherspannungen in der Rotationspumpe ausgesetzt ist, üblicherweise nahe den Laufradflügeln, die sich mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegen und die an dem zirkulierenden Blut direkt oder mit Verzögerung Schaden verursachen können. Wenn das Laufrad Kräfte auf das Blut ausübt, können Bereiche von Turbulenz- oder Strahlenbildung in schlecht konstruierten Vorrichtungen auftreten.studies have many problems with low rotational bloodstream, in both axial and centrifugal flow blood pumps including those which have a magnetic suspension. One of these problems is Stagnation with the result of thrombosis or coagulation. If the flow may have a range lower or zero speed, it may cause Thrombosis or coagulation come where blood attaches to the pump structure staying. Such low or zero speed ranges usually become in secondary Bloodstream found in the pump. When the thrombosis builds up, can be an area or a large one Stop clots and embolize in the bloodstream. If that Clot closes a blood vessel that can lead to the brain or any other sensitive area develop very serious conditions, such as a profound organ dysfunction like an epileptic seizure or a severe brain damage. One another problem is hemolysis, where the blood is higher Shearing stresses in the rotary pump is usually exposed near the impeller wings, moving at a relatively high speed and the at the circulating blood directly or with delay causing damage can. When the impeller forces on the blood, can Areas of turbulence or radiation formation in poorly constructed Devices occur.
Viele Rotationsblutpumpenkonstruktionen sind geschaffen worden, um diese Lagerprobleme mit ihrer Benutzung als Kammerunterstützungsvorrichtungen zu lösen. Es ist wünschenswert, ein Lagersystem mit einer erwarteten Betriebsdauer von 10 bis 20 Jahren, wenn möglich, zu haben. Allgemein fallen diese Lager in drei Kategorien: mechanische, hydrodynamische oder magnetische Lager.Lots Rotary blood pump designs have been created to do this Bearing problems with their use as chamber support devices to solve. It is desirable a storage system with an expected service life of 10 to 20 Years, if possible, to have. Generally, these bearings fall into three categories: mechanical, hydrodynamic or magnetic bearings.
Einige Rotationsblutpumpen haben mechanische oder hydrodynamische Lager oder hydrodynamische Aufhängungen. Siehe beispielsweise US-Patente Nr. 6,609,883 und 6,638,011. Andere Rotationsblutpumpen haben eine Kombination von hydrodynamischen Lagern und Permanentmagnetlagern. Siehe beispielsweise US-Patente Nr. 5,695,471; 6,234,772; 6,638,083 und 6, 688, 861.Some Rotary blood pumps have mechanical or hydrodynamic bearings or hydrodynamic suspensions. See, for example, U.S. Patent Nos. 6,609,883 and 6,638,011. Other Rotary blood pumps have a combination of hydrodynamic Bearings and permanent magnet bearings. For example, see US patents No. 5,695,471; 6,234,772; 6,638,083 and 6,688,861.
Ein Typ der Rotationsblutpumpen hat mechanische Lager, die eine Schmierstoffspülung oder Reinigung mit einem externen Schmierstoffreservoir zum Schmieren der Lager und zum Abführen von Wärme erfordern. Siehe beispielsweise US-Patente Nr. 4,944,722 und 4,846,152. Es gibt viele Nachteile bei diesem Typ der Pumpe. Die perkutane Zuführung und Abgabe des Schmierstoffreinigungsfluids verschlechtert die Lebensqualität des Patienten und bildet ein hohes Potential für Infektionen. Dichtungen für den externen Schmierstoff sind notorisch empfänglich für Abnutzung und Fluidangriff, was zu Leckage führen kann und zu einem darauffolgenden epileptischen Anfall des Patienten. Außerdem ist eine zusätzliche Pumpe erforderlich zur Abgabe des Schmierstoffs an das Lager, und wenn sie ausfällt, verklebt das geschmierte Lager. Schließlich haben mechanische Lager eine begrenzte Abnutzungszeit, üblicherweise von wenigen Jahren, und müssen infolge der Lagerabnutzung ersetzt werden.One Type of rotary blood pumps has mechanical bearings, which is a lubricant flushing or Cleaning with an external grease reservoir for lubrication storage and removal of heat require. See, for example, U.S. Patent Nos. 4,944,722 and 4,846,152. There are many disadvantages to this type of pump. The percutaneous feed and delivery of the lubricant cleaning fluid degrades the quality of life of the patient and forms a high potential for Infections. Seals for the external lubricant is notoriously susceptible to wear and fluid attack, which lead to leakage can and is followed by a subsequent epileptic seizure of the patient. Furthermore is an extra Pump required to deliver the lubricant to the bearing, and if it fails, sticks the lubricated bearing. Finally, have mechanical bearings a limited wear time, usually of a few years, and must be replaced as a result of bearing wear.
Es gibt Axialströmungs-Rotationspumpen mit keramischen Lagern, die gegenwärtig klinisch getestet werden. Es ist nicht bekannt, wie lange diese Lager halten mögen, aber die erwarteten Nutzungszeiten auf der Basis anderer Anwendungen liegen im Bereich von 2 bis 5 Jahren. Außerdem gibt es berichtete Fälle von Thromboembolismen bei einigen Patienten. Dies trat auf, während die Patienten antikoaguliert waren.It gives axial flow rotary pumps with ceramic bearings that are currently being clinically tested. It is not known how long these bearings will last, but the expected usage times based on other applications are in the range of 2 to 5 years. There are also reported cases of thromboembolism in some patients. This occurred while the patients were anticoagulating were.
Rotationspumpen sind mit magnetischer Aufhängung entwickelt worden, um das frühere Erfordernis nach einer externen Reinigung von Schmierstoff oder keramische mechanische Lager zu beseitigen. Die Verwendung eines magnetisch aufgehängten Laufrades eliminiert den direkten Kontakt zwischen rotierenden und stationären Flächen, wie diese bei mechanischen Lagern bestehen. Siehe beispielsweise US-Patente Nr. 5,326,344 und 4,688,998. Die erwarteten Nutzungszeiten von magnetischen Aufhängungssystemen liegen im Bereich von 10 bis 20 Jahren. Dieser Typ einer Rotationspumpe mit magnetischer Aufhängung enthält allgemein ein Laufrad innerhalb eines Gehäuses, wobei das Laufrad durch eine Kombination von Permanentmagneten getragen und innerhalb des Gehäuses stabilisiert ist, die in dem Laufrad und dem Stator positioniert sind, und mit einem Elektromagneten, der innerhalb des Stators positioniert ist. Das Laufrad wird durch einen ferromagnetischen Motor gedreht, der aus einem Statorring besteht, der innerhalb des Gehäuses befestigt ist, und elektromagnetischen Wicklungen, die um zwei diametral gegenüberliegende Vorsprünge gewickelt sind. Das ferromagnetische Laufrad und die elektromagnetischen Wicklungen sind symmetrisch bezüglich der Drehachse des Pumpenlaufrads positioniert.Rotary pumps have been developed with magnetic suspension to eliminate the previous requirement for external cleaning of lubricant or ceramic mechanical bearings. The use of a magnetically suspended impeller eliminates the direct contact between rotating and stationary surfaces as they exist in mechanical bearings. See, for example, U.S. Patent Nos. 5,326,344 and 4,688,998. The expected service lives of magnetic suspension systems are in the range of 10 to 20 years. This type of magnetic suspension rotary pump generally includes an impeller within a housing, the impeller being formed by a combination of permanent mag Neten and is stabilized within the housing, which are positioned in the impeller and the stator, and with an electromagnet, which is positioned within the stator. The impeller is rotated by a ferromagnetic motor consisting of a stator ring secured within the housing and electromagnetic windings wound around two diametrically opposed projections. The ferromagnetic impeller and the electromagnetic coils are positioned symmetrically with respect to the rotational axis of the pump impeller.
Bei magnetisch aufgehängten Rotationsblutpumpen dient der Spalt zwischen dem Stator und dem Laufrad den konkurrierenden Zwecken, es dem Blut zu ermöglichen hindurchzuströmen, sowie das magnetische Schweben und die Drehung des Laufrades zu unterstützen. Hinsichtlich des Blutstroms ist es wünschenswert, daß der radiale Spalt für ein wirkungsvolles Blutpumpen groß ist, jedoch für eine wirkungsvolle magnetische Aufhängung ist es wünschenswert, daß der radiale Spalt klein ist. Wegen der konkurrierenden Spalterfordernisse enthalten andere herkömmliche Pumpen häufig einen primären Fluidströmungsbereich und einen sekundären magnetischen Spalt. Der Bereich des primären Fluidströmungsradialspalts ist groß genug, um eine hydrodynamisch wirkungsvolle Strömung ohne traumatische oder turbulente Fluidströmung zuzulassen. Der sekundäre magnetische radiale Spalt ermöglicht Fluid hindurch und ist klein genug, um ein wirkungsvolles magnetisches Schweben der zentralen Nabe hervorzurufen, die entweder der Stator oder das Laufrad sein kann. Beispiele von Pumpen mit einer Blutströmungsbahn, die sowohl eine primäre als auch eine sekundäre Blutbahn enthält, können in den US-Patenten Nr. 6,071,093; 6,015,272; 6,244,835 und 6,447,266 gefunden werden.at magnetically suspended Rotary blood pumps serve the gap between the stator and the impeller the competing purposes of allowing the blood to flow through it as well to support the magnetic levitation and the rotation of the impeller. Regarding the bloodstream, it is desirable that the radial gap for An effective blood pumping is great, but effective magnetic suspension it is desirable that the radial gap is small. Because of the competing split requirements contain other conventional ones Pumps frequently a primary Fluid flow region and a secondary one magnetic gap. The area of the primary fluid flow radial gap is big enough a hydrodynamically effective flow without traumatic or turbulent fluid flow permit. The secondary magnetic radial gap allows Fluid through and is small enough to be an effective magnetic Floating the central hub, which is either the stator or the impeller can be. Examples of pumps with a blood flow path, which is both a primary as well as a secondary bloodstream contains can in U.S. Patent Nos. 6,071,093; 6,015,272; 6,244,835 and 6,447,266 being found.
Einige herkömmliche Blutpumpen enthalten ein Permanentmagnet-Drucklager, das eine Druckplatte relativ großen Durchmessers mit Permanentmagneten mit einer alternierenden polaren Konfiguration sowohl an dem Stator und den Rotorkomponenten der Pumpe hat, die aber in einer radialen Konfiguration angeordnet sind. Es wird angenommen, daß die große Druckscheibe die Blutbahn behindert und eine gekrümmte Blutbahn erzeugt, die von einer geradlinigen durch die Pumpe entfernt ist. Die herkömmlichen Pumpen enthalten jedoch Konfigurationen von radial polarisierten Permanentmagneten.Some conventional Blood pumps contain a permanent magnet thrust bearing, which is a pressure plate relative huge Diameter with permanent magnets with an alternating polar Configuration both on the stator and the rotor components of the Pump has, but are arranged in a radial configuration. It is believed that the size Pressure disc obstructs the bloodstream and creates a curved bloodstream, which is from a straight line through the pump. The conventional ones Pumps, however, contain configurations of radially polarized Permanent magnets.
Verschiedene Abtasttechniken sind angewendet worden, um die Rotorposition eines aktiven elektromagnetischen Lagers zu lokalisieren und zu steuern. Diese Techniken schließen Wirbelstrom oder induktive oder kapazitive und Lasersensoren ein, die üblicherweise bei industriellen Anwendungen von elektromagnetischen Lagern angewandt werden. Lasersensoren können nicht verwendet werden, da sie nicht durch das opake Blut „hindurchsehen" können. Wirbelstrom und induktive Sensoren erfordern eine magnetische Quelle in dem Stator und ein magnetisches Ziel in dem Rotor sowie eine Magnetbahn, die zwischen dem Stator und dem Rotor verläuft, um die Rotorposition zu erfassen. Kapazitätssonden erfordern eine elektrische Bahn zwischen dem Stator und dem Rotor, die allgemein bei Blutpumpen nicht möglich ist.Various Scanning techniques have been used to determine the rotor position of a active electromagnetic bearing to locate and control. These techniques close Eddy current or inductive or capacitive and laser sensors, the usual used in industrial applications of electromagnetic bearings become. Laser sensors can can not be used because they can not "see through" the opaque blood and inductive sensors require a magnetic source in the Stator and a magnetic target in the rotor as well as a maglev, which extends between the stator and the rotor to the rotor position to capture. capacitance probes require an electrical path between the stator and the rotor, which is generally not possible with blood pumps.
Es gibt verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Benutzung eines Wirbelstroms oder induktiver Sensortypen in dem Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor bei einer implantierbaren Miniatur-Blutpumpe. Beispielsweise stützen sich diese Typen von Sensoren auf eine klare, magnetisch nicht behinderte Bahn zwischen der Sensor „Fläche" und der Rotorfläche. Dies bedeutet, daß der Sensorkörper innerhalb des Statorgehäuses mit seiner „Fläche" senkrecht zu der Rotorfläche plaziert werden muß. Es ist wünschenswert zu verhindern, daß irgendein Teil des Körpers des Sensors innerhalb des Fluidstroms (Blut) der Pumpe plaziert wird, aber dennoch nahe dem magnetischen Rotorziel. Ein Problem mit diesen Arten von Sensoren ist die mögliche Kontamination des Blutstroms, wenn das weiche Eisen oder eine andere nicht-biokompatible Sensorfläche dem Blut ausgesetzt ist. Allgemein wird dies gelöst mit der Verwendung einer Sorte eines dünnen biokompatiblen Materials, das die Sensorfläche und das Ziel überdeckt, um Blutkontakt zu vermeiden. Andere Probleme sind Raumzwänge, die für den Sensor erforderlich sind, und das Energiebudget, das für solche Sensoren erforderlich ist.It There are several problems related to using one Eddy current or inductive sensor types in the gap between the Stator and the rotor in a miniature implantable blood pump. For example, support These types of sensors are on a clear, magnetically non-disabled path between the sensor "surface" and the rotor surface means that the sensor body inside the stator housing with its "surface" perpendicular to the rotor area must be placed. It is desirable too prevent any Part of the body of the sensor is placed within the fluid flow (blood) of the pump, but still near the magnetic rotor target. A problem with these Types of sensors is the possible Contamination of the bloodstream, if the soft iron or another non-biocompatible sensor surface exposed to the blood. Generally this is solved with the use of a Sort of a thin biocompatible Materials that the sensor surface and the goal is covered, to avoid blood contact. Other problems are space constraints, the for the Sensor are required, and the energy budget for such Sensors is required.
Außerdem enthalten solche Rotationsblutpumpen einen Motor, um das Laufrad zu drehen, das seinerseits die erforderliche Blutströmung hervorruft. Es ist wünschenswert, daß der Motor eine sehr lange Nutzungszeit hat, und fehlerfrei während einer Zeitspanne bis zu einer oder mehr Dekaden seiner Anwendung läuft. Einige Pumpen verwenden bürstenlose DC-Motoren für diesen Zweck, die einen kompakten und wirkungsvollen Aufbau ohne Bürsten haben. Es gibt keine Bürstenabnutzung, so daß die erwartete Nutzungsdauer ein solchen Pumpe sehr lang ist. Ein Ziel bei solchen Pumpen ist es, sicher zu stellen, daß der Motor in der notwendigen Richtung startet, damit das Laufrad pumpt. Die richtige Anlaufrichtung der Rotation kann ein wichtiges Merkmal sein.Also included such rotary blood pumps a motor to turn the impeller which in turn causes the required blood flow. It is desirable that the Engine has a very long usage time, and faultless during one Period of time to one or more decades of its application is running. Some Pumps use brushless DC motors for this purpose, which is a compact and effective construction without to brush to have. There is no brush wear, So that the expected service life such a pump is very long. A target With such pumps it is necessary to ensure that the engine is in the necessary Direction starts, so that the impeller pumps. The correct starting direction Rotation can be an important feature.
Wie oben erwähnt, haben magnetische Aufhängungen häufig wenigstens eine aktive elektromagnetische Steuerlagerachse. in einer radialen Lagerkonfiguration kann der Elektromagnet aus einem Satz Weicheisenmagnetpolen in einer Konfiguration in dem Stator bestehen, die in Umfangsrichtung um den Rotor mit einem freien Spalt aufgereiht sind und Zentrierungskräfte ausüben, die auf ein Weicheisen einwirken, das in dem Rotor plaziert ist. Der Strom in den Spulen muß genau gesteuert werden, um den gewünschten Zentrierungszweck zu erreichen, was es dem Rotor erlaubt, exakt in dem freien Raum zu arbeiten. Der Strom in den Spulen wird von einem automatischen Steuersystem eingestellt. Um die Steuermethode zur automatischen Kraftzentrierung auszuführen, muß ein Sensor vorhanden sein, der die Position oder Verlagerung des magnetischen Rotorziels erfaßt, ein elektronisches Mittel der aktiven Steuerung, um die Steuerströme in den Statorwicklungen einzustellen, wie elektronische Überwachungstafeln und Leistungsverstärker um den Strom bereit zu stellen.As mentioned above, magnetic suspensions often have at least one active electromagnet cal control bearing axis. in a radial bearing configuration, the electromagnet may consist of a set of soft iron magnetic poles in a configuration in the stator which are circumferentially lined around the rotor with a free gap and exert centering forces acting on a soft iron placed in the rotor. The current in the coils must be precisely controlled to achieve the desired centering purpose, allowing the rotor to operate precisely in free space. The current in the coils is set by an automatic control system. In order to carry out the automatic force centering control method, there must be a sensor which detects the position or displacement of the magnetic rotor target, an electronic means of active control to adjust the control currents in the stator windings, such as electronic monitoring panels and power amplifiers to provide the current ,
Die Steuerverfahren zur Bestimmung der Wicklungsströme in dem magnetischen Lager eines aktiven Lagers können eine Art der Spezifizierung enthalten, wie die Wicklungsströme zu erhalten sind. Aktive magnetische Lager können aus magnetischen Weicheisenmaterialien bestehen, die eine signifikante Begrenzung darin haben, daß sie der magnetischen Sättigung bei einem bestimmten Level unterliegen, typischerweise bei etwa 1 Tesla. Das aktive Steuerverfahren sollte diesen Umstand in Betracht ziehen. Außerdem ist die Kraft, die von einem aktiven magnetischen Lager ausgeübt wird, eine nicht lineare Funktion sowohl des magnetischen Spalts auch des Stroms in den Wicklungen.The Control method for determining the winding currents in the magnetic bearing of an active warehouse a way of specifying how to obtain the winding currents are. Active magnetic bearings can consist of magnetic soft iron materials that have a significant Have limitation in that they the magnetic saturation at a certain level, typically at about 1 Tesla. The active tax procedure should consider this circumstance pull. Furthermore is the force exerted by an active magnetic bearing a non-linear function of both the magnetic gap as well of the current in the windings.
Das am meisten übliche Verfahren der Behandlung der magnetischen Materialsättigung und der Nicht-Linearität ist dasjenige der Vorspannungslinearisierung, wobei ein stationärer Vormagnetisierungsstrom jedem der Wicklungsströme auferlegt wird, der einen magnetischen Fluß in den magnetischen Weicheisenpolen erzeugt von etwa der Hälfte des magnetischen Sättigungsflusses. Dann wird ein Pertubationsstrom aufgebracht, um Änderungen in den Wicklungsströmen hervorzurufen, die mit den Polen an einer Seite des Rotors gegenüber der anderen Seite verbunden sind. Wenn diese Differenzen wegen der höheren Wicklungsströme verbunden mit den Polen an einer Seite höhere magnetische Kräfte an dem magnetischen Rotorziel im Vergleich zu der anderen Seite erzeugen, wo kleinere Wicklungsströme verbunden mit den Polen an der anderen Seite des Rotors kleinere Magnetkräfte erzeugen, die auf das magnetische Rotorziel einwirken. Der Rotor hat eine Netzkraft, die verwendet wird, um diesen in dem freien Spalt zu zentrieren. Die Verwendung der Vormagnetisierungs-Linearisierungsmethode, die oben beschrieben ist, hat einen hauptsächlichen Nachteil darin, daß es einen relativ hohen Stromverbrauch in den Wicklungen gibt und daß eine große Hitze in den Wicklungen erzeugt wird, die die aktive magnetische Lagerkomponente der Rotationsblutpumpe erhitzen kann. Außerdem gibt es Begrenzungen bei dieser Art der Magnetisierungs-Linearisierung dahingehend, daß die volle Verwendung der Magnetkraftkapazität des aktiven magnetischen Lagers verhindert wird.The most common Method of treatment of magnetic material saturation and non-linearity is that of bias linearization, where a stationary bias current is given to each the winding currents which imposes a magnetic flux in the magnetic soft iron poles generated by about half of the magnetic saturation flux. Then, a perturbation current is applied to cause changes in the winding currents. with the poles on one side of the rotor opposite the other side are connected. When these differences are connected because of higher winding currents higher with the poles on one side magnetic forces at the magnetic rotor target compared to the other side generate where smaller winding currents connected to the poles generate smaller magnetic forces on the other side of the rotor, which act on the magnetic rotor target. The rotor has one Netting force used to close this in the free gap Center. The use of the bias linearization method, The above-described one has a major disadvantage in that it has a relatively high power consumption in the windings and that a great heat generated in the windings, which is the active magnetic bearing component can heat the rotary blood pump. There are also limits in this type of magnetization linearization in that the full Use of the magnetic force capacity of the active magnetic Camp is prevented.
Ein weiteres Problem hinsichtlich eines exakt zentrierten Betriebs des Rotationspumpenlaufrades ist das Ungleichgewicht in dem Rotor. Rotierende Vorrichtungen unterliegen einem mechanischen Ungleichgewicht, da es schwierig ist, einen perfekt ausgeglichenen Rotor herzustellen. Außerdem können während des Betriebs innerhalb des Patienten über eine lange Zeitspanne zusätzliche Änderungen in dem Ungleichgewicht auftreten wegen einer Verlagerung des Rotors, Reiben des Rotors, Anhaften von Blut oder Blutprodukten an den Laufradflächen und wegen anderer Faktoren.One Another problem regarding an exactly centered operation of the Rotary pump impeller is the imbalance in the rotor. rotating Devices are subject to a mechanical imbalance since it is difficult to make a perfectly balanced rotor. Furthermore can while operation within the patient over a long period of additional changes in the imbalance occur due to a displacement of the rotor, Rubbing of the rotor, adherence of blood or blood products to the impeller surfaces and because of other factors.
Da der Patient unterschiedliche Level der Aktivität durchläuft, wirken nicht-zentrierende Kräfte auf die Rotoränderung. Wenn der Patient aktiv ist, beispielsweise beim Laufen oder Steigen von Treppen, müssen die magnetischen Vorspannungsstromlevel in dem aktiven magnetischen Lager groß sein, um große magnetische zentrierende Kräfte zu erzeugen. Wenn der Patient aber ruhig sitzt oder schläft, ist eine sehr viel kleinere magnetische Lagerzentrierungskraft erforderlich. Höhere Vormagnetisierungsstromlevel führen zu einem höheren Stromverbrauch und zu einer größeren Erhitzung.There As the patient goes through different levels of activity, non-centering forces work the rotor change. When the patient is active, for example walking or climbing from stairs, need the magnetic bias current levels in the active magnetic Be big, around big ones magnetic centering forces to create. However, if the patient is sitting or sleeping peacefully, it is a much smaller magnetic bearing centering force is required. higher Lead bias level to a higher power consumption and to a greater heat.
Außerdem sind Zentrifugalströmungs-Rotationsblutpumpen mit magnetischer Aufhängung vorgeschlagen worden. Siehe beispielsweise die US-Patente Nr. 6,074,180; 6,595,762 und 6,394,769. Es wurde jedoch gefunden, daß Zentrifugalströmungspumpen nicht leicht in ein Tier oder in Menschen implantierbar sind, da die Einströmungs- und Ausströmungskanäle um 90° relativ zueinander und in getrennten Ebenen angeordnet sind. Außerdem erfordern solche Zentrifugalpumpen gewundene sekundäre Blutströmungsbahnen als Teil der Konstruktion.Besides, they are Zentrifugalströmungs rotary blood pumps with magnetic suspension been proposed. See, for example, U.S. Patent Nos. 6,074,180; 6,595,762 and 6,394,769. However, it has been found that centrifugal flow pumps not easily implanted in an animal or in humans, since the inflow and outflow channels relative to 90 ° are arranged to each other and in separate planes. Also require such centrifugal pumps meander secondary blood flow paths as part of the design.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
Es ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine zuverlässige Kammerunterstützungsvorrichtung zur permanenten Implantation in Menschen zu entwickeln. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe zu entwickeln, um Blutgerinnung zu reduzieren, sekundäre Strömungsbahnen zu vermeiden und eine offene, einbahnige Blutbahn vorzusehen. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe mit einer verringerten Größe, einer langen Betriebsdauer und geringem Stromverbrauch zu entwickeln. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe mit einem Hybridpermanentmagneten und einem elektromagnetischen Satz mit Permanentmagneten zu entwickeln, um größere Kräfte (axial oder Druck) zu managen, und einen Elektromagneten, um kleinere Kräfte (radial) zu managen. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe mit einer optimalen Konfiguration von permanenten und elektromagnetischen Lagern zu entwickeln, um die beste Blutpumpenströmungsleistung zu erzielen. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe mit einer korrekten Anlaufrichtung der Rotation zu entwickeln. Außerdem ist erkannt worden, daß es vorteilhaft sein würde, eine Blutpumpe mit Steuerverfahren zu entwickeln, die weniger Strom verbrauchen und weniger Hitze entwickeln, um eine aktive magnetische Lagerkomponente zu erleichtern.It it has been recognized that it would be beneficial a reliable one The ventricular assist device to develop for permanent implantation in humans. Besides that is it has been recognized that it would be beneficial to develop a blood pump to reduce blood clotting, secondary flow paths too avoid and provide an open, single-lane bloodstream. Besides that is it has been recognized that it would be beneficial a blood pump with a reduced size, a long life and low power consumption. It has also been recognized that it would be beneficial a blood pump with a hybrid permanent magnet and an electromagnetic To develop a set of permanent magnets to manage larger forces (axial or pressure) and an electromagnet to manage smaller forces (radially). Besides that is it has been recognized that it would be beneficial a blood pump with an optimal configuration of permanent and develop electromagnetic bearings to provide the best blood pump flow performance to achieve. Furthermore it has been recognized that it would be beneficial a blood pump with a correct direction of rotation develop. Furthermore It has been recognized that it is beneficial would be, to develop a blood pump with control methods that use less power consume and develop less heat to an active magnetic To facilitate bearing component.
Die Erfindung sieht eine Blutpumpe mit einem Laufrad vor, das drehbar angeordnet und magnetisch innerhalb eines Hohlraums eines Stators durch eine Vielzahl von magnetischen Lagern (passive permanente und aktive elektromagnetische) aufgehängt ist, einschließlich eines axialen Lagers, um das Lager axial in dem Hohlraum zu halten. Das axiale Lager enthält naheliegende Laufradmagnete und naheliegende Statormagnete, jeweils mit axial ausgerichteten Polaritäten und umgekehrten Polaritäten bezüglich der benachbarten Magnete. Ein Motor enthält Laufradmagnete an dem Laufrad und Wicklungen/magnetische Pole, die mit dem Stator verbunden sind. Radiale Permanentmagnetlager und elektromagnetische Lager können ebenfalls eingeschlossen sein. Die magnetischen Lager und der Motor haben Statormagnete oder Wicklungen/magnetische Pole, die radial quer über den Fluidkanal von den zugehörigen Laufradmagneten angeordnet sind, um einen ringförmigen Spalt zu bilden, der radial zwischen dem Laufrad und Stator positioniert ist, und radial zwischen jedem der Vielzahl der magnetischen Lager positioniert ist, um eine geradlinige Durchgangsbahn ohne sekundäre Strömungsbahnen zu schaffen.The The invention provides a blood pump with an impeller rotatable arranged and magnetically within a cavity of a stator through a variety of magnetic bearings (passive permanent and active electromagnetic), including one axial bearing to hold the bearing axially in the cavity. The axial bearing contains nearby impeller magnets and nearby stator magnets, respectively with axially aligned polarities and reversed polarities in terms of the neighboring magnets. A motor contains impeller magnets on the impeller and windings / magnetic poles connected to the stator. Radial permanent magnet bearings and electromagnetic bearings can also be included. The magnetic bearings and the engine have Stator magnets or windings / magnetic poles radially across the Fluid channel of the associated Impeller magnets are arranged to form an annular gap, the is positioned radially between the impeller and stator, and radially positioned between each of the plurality of magnetic bearings is to create a straight through passageway without secondary flow paths to accomplish.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen, die zusammen anhand von Beispielen Merkmale der Erfindung darstellen.Further Features and advantages of the invention are apparent from the following detailed Description, in conjunction with the accompanying drawings taken together by way of examples features of the invention represent.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Es wird nun Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen genommen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und eine spezielle Sprache wird verwendet, um diese zu beschreiben. Dennoch versteht es sich, daß hierdurch keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist.It Reference is now made to the exemplary embodiments which are shown in the drawings, and a special language is used to describe this. Nevertheless, it is understood that this no restriction the scope of the invention is intended.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten und alternativen beispielhaften AusführungsformenDetailed description of preferred and alternative exemplary embodiments
Wie
in den
Das magnetische Aufhängungssystem verwendet
- 1) ein passives axial zentrierendes, Permanentmagnet-Drucklager;
- 2) ein passives, radial zentrierendes Permanentmagnetlager und
- 3) ein aktives elektromagnetisches Radiallager, das in näheren Einzelheiten unten beschrieben wird.
- 1) a passive axially centering, permanent magnet thrust bearing;
- 2) a passive, radially centering permanent magnet bearing and
- 3) an active electromagnetic radial bearing, which will be described in more detail below.
Auf diese Weise ist der Stromverbrauch minimiert, da nur ein aktives elektromagnetisches Lager verwendet wird, das Strom verbraucht, und die anderen Lager sind Permanentlager, die keinen Strom verbrauchen. Außerdem erwärmen Permanentmagneten die Pumpe nicht, sie benötigen keine Drähte oder irgendeine Stromzufuhr oder elektrischen Steuerungen. Außerdem trägt diese magnetische Aufhängung zu einer einzigen Blutbahn bei ohne das Erfordernis irgendeiner sekundären Blutbahn, was ebenfalls den Stromverbrauch, die Anzahl von Drähten, Stromzufuhreinrichtungen und elektronischen Steuereinrichtungen minimiert.In this way, power consumption is minimized by using only one active electromagnetic bearing that consumes power, and the other bearings are permanent bearings that do not consume power. In addition, permanent magnets do not heat the pump, they do not require wires or any Power supply or electrical controls. In addition, this magnetic suspension contributes to a single bloodstream without the need for any secondary bloodstream, which also minimizes power consumption, the number of wires, power supplies, and electronic control devices.
Die
Pumpe
Der
Hohlraum
Der
Einleitbereich
Der Diffuserbereich wandelt Fluidgeschwindigkeiten oder kinetische Energie infolge der speziellen Form der Diffuserflügel und des Diffuserkanals in Druck um. In einem Aspekt kann der stromabwärtige Durchmesser des Diffuserkanals etwas größer sein als der stromaufwärtige Durchmesser an einem Einlaß zu dem Diffuserkanal. Der Diffuserkanal kann einen Divergenzwinkel haben, der üblicherweise kleiner als 5° ist, um eine Strömungstrennung zu verhindern. Der Expansionsbereich in dem Kanal hat eine glatte Zunahme in den Querschnittsbereich, wodurch die axiale Geschwindigkeit der Blutströmung reduziert wird, wenn sie die Pumpe verläßt.Of the Diffuser area converts fluid velocities or kinetic energy owing to the special shape of the diffuser wings and the diffuser channel in print. In one aspect, the downstream diameter of the diffuser channel be a little bit bigger as the upstream one Diameter at an inlet too the diffuser channel. The diffuser channel can have a divergence angle usually is less than 5 °, around a flow separation to prevent. The expansion area in the channel has a smooth Increase in the cross-sectional area, reducing the axial velocity the bloodstream is reduced when it leaves the pump.
Stationäre Flügel, die an der Diffusionsummantelung befestigt sind, haben eine Konfiguration, die dabei hilft, die Tangentialkomponente der absoluten Geschwindigkeit der Strömung zu beseitigen. Die Verringerung der Geschwindigkeit trägt ferner dazu bei, den Druckanstieg der Pumpe und die hydraulische Effizient zu erhöhen. Die Krümmung der stationären Flügel ist so gewählt, daß die Strömung in die Diffuserflügel mit einem minimalen hydraulischen Verlust eintritt und die Pumpe axial verläßt. Die Ermittlung der Diffuserleistung ist durch den Gewinnungsfaktor gegeben, der eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeiten des Einlasses und des Auslasses des Diffusers ist, und den Druckverlust innerhalb des Diffusers infolge des Widerstandes. Der ideale Fall einer Rückgewinnung der kinetischen Energie der Strömung, die in den Diffuser eintritt, ist durch einen Wiedergewinnungsfaktor der Einheit dargestellt. Maximale Werte für den Wiedergewinnungsfaktor von 0,7 bis 0,8 zeigen eine optimale Kombination zwischen dem Durchmesserverhältnis und der Länge des Kanals an. Der Wiedergewinnungsfaktor nimmt schnell bei großen Divergenzwinkeln (> 10°) infolge der Grenzschichttrennung ab.Stationary vanes attached to the diffusion jacket have a configuration that helps to eliminate the tangential component of the absolute velocity of the flow. The reduction in speed also helps to increase the pressure increase of the pump and the hydraulic efficiency. The curvature of the stationary vanes is selected so that the flow enters the diffuser vanes with minimal hydraulic loss and leaves the pump axially. Determination of diffuser performance is given by the recovery factor, which is a function of inlet flow velocities and the outlet of the diffuser, and the pressure loss inside the diffuser due to the resistance. The ideal case of recovering the kinetic energy of the flow entering the diffuser is represented by a unit recovery factor. Maximum values for the recovery factor of 0.7 to 0.8 indicate an optimum combination between the diameter ratio and the length of the channel. The recovery factor decreases rapidly at large divergence angles (> 10 °) due to boundary layer separation.
Die gegenwärtige Diffuserflügelgeometrie ist so gestaltet, daß die hydraulischen Verluste an dem Designpunkt minimiert sind. Deshalb stimmt der vordere Rand der Diffuserflügel perfekt mit der Richtung des Geschwindigkeitsvektors des ankommenden Blutstroms überein. Bei Off-designbetriebsbedingungen gibt es eine fehlende Übereinstimmung zwischen den Geschwindigkeitsvektoren des ankommenden Fluids und dem vorderen Randwinkel von stationären Flügeln, was zu zusätzlichen Verlusten führt. Für den Betriebsbereich der vorliegenden Erfindung sind die hydraulischen Verluste bei einem akzeptablen Level gehalten wodurch der Diffuserwiedergewinnungsfaktor gewahrt ist.The current Diffuserflügelgeometrie is designed so that the hydraulic losses are minimized at the design point. Therefore The front edge of the diffuser wing is perfectly aligned with the direction the velocity vector of the incoming bloodstream. In off-design operating conditions, there is a mismatch between the velocity vectors of the incoming fluid and the front edge angle of stationary wings, resulting in additional Losses leads. For the Operating range of the present invention are the hydraulic Losses kept at an acceptable level thereby increasing the diffuser recovery factor is respected.
Der
Laufradflügelbereich
Das
magnetische Aufhängungssystem
enthält
eine Vielzahl von magnetischen Lagern oder Lagersätzen. Jedes
Lager enthält
einen oder mehrere Laufradmagnete, die mit dem Laufrad verbunden
sind, und einen oder mehrere entsprechende Statormagnete, die mit
dem Stator verbunden sind. Die Laufradmagnete und Statormagnete
sind quer über
den Fluidkanal
Es
wurde erkannt, daß bei
normalem Betrieb die größte Kraft,
die zu kontrollieren ist, die axiale Kraft infolge der relativ großen Druckänderung über die
Länge der
Pumpe ist. Beispielsweise kann die Druckänderung über die Pumpe so groß sein wie
150 mm/Hg. Das magnetische Aufhängungssystem
enthält
ein axiales oder Drucklager
Das
axiale Lager
Ein
einziges Paar von Permanentmagnetringen kann nicht genügend axiale
Steifigkeit hervorrufen. Die axiale Steifigkeit ist stark erhöht durch
die Konstruktion eines Drucklagers, das aus mehreren Ringen umgekehrter
Polarität
zusammengesetzt ist, wie in
Die am Stator befestigte Permanentmagnetkonfiguration und die am Laufrad befestigte Permanentmagnetkonfiguration haben einen gerade durchgehenden freien Spalt, so daß sie die einzige durchgehende axiale Blutbahn aufnehmen, ohne jegliches axiales Hindernis. Der axiale Permanentmagnet benötigt keine Energie, um den Rotor axial zu zentrieren, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs beiträgt. Die Konfiguration dieser Pumpe, die diese geradlinige Durchgangsströmungsbahn bildet, ist die axial polarisierte mit wechselnden Polen versehende Permanentmagnetkonfiguration mit Magneten, die axial an dem Stator und dem Rotor ohne eine große Druckplatte ausgerichtet sind.The Permanent magnet configuration fixed on the stator and that on the impeller fixed permanent magnet configuration have a straight through free gap, so they take up the only continuous axial bloodstream, without any axial obstacle. The axial permanent magnet does not need any Energy to center the rotor axially, resulting in a reduction of electricity consumption. The configuration of this pump, this straight through flow path is the axially polarized with changing poles Permanent magnet configuration with magnets that are axially on the stator and the rotor without a big one Pressure plate are aligned.
Das
magnetische Aufhängungssystem
enthält
außerdem
ein radiales Permanentmagnetlager
Das
radiale Lager
Ein einziges Paar Magnetringe kann nicht genügend Steifigkeit hervorrufen, um das Laufrad zentriert zu halten. Ein radiales Lager mit höherer Steifigkeit kann konstruiert werden, indem mehrere Ringe mit gleicher Polarität nebeneinander kombiniert werden. Diese Konfiguration verbessert stark die Steifigkeitswerte über die Zahl, die durch Multiplizieren der Steifigkeit eines Ringes mit der Anzahl der Ringe erhalten wird. Eine andere Anzahl von Ringen kann verwendet werden. Die Ringe können dieselbe axiale Länge haben oder auch nicht.One single pair of magnetic rings can not produce enough rigidity to keep the wheel centered. A radial bearing with higher rigidity can be constructed by placing several rings of equal polarity next to each other be combined. This configuration greatly improves the stiffness values over the number, by multiplying the stiffness of a ring by the number of the rings is obtained. Another number of rings can be used become. The rings can the same axial length or not.
Die
axialen und radialen Lager
Das
magnetische Aufhängungssystem
enthält
außerdem
ein radiales elektromagnetisches Lager
In
einem Aspekt kann das aktive magnetische Lager enthalten: Positionssensoren,
magnetische Aktuatoren und eine Quelle, die die Ströme durch
jeden der magnetischen Aktuatoren zuführt. Mit Bezug auf
In
einem Aspekt kann die Pumpe der vorliegenden Erfindung die Einleiteinrichtung
und Induktorflügel
Die
Einleiteinrichtung kann ein nichtmagnetisches Material wie Titan
enthalten, das eine ungehinderte magnetische Bahn für den Magnetfluß bildet,
der in dem Stator erzeugt wird, während es auch ein Mittel zum Abdichten
des Fluids (Blut) bietet, das durch das Innere der Einleiteinrichtung
fließt
und somit nicht durch die magnetischen Statorkomponenten kontaminiert
wird. Diese Form des schützenden
Einschlusses wird als eines Auskleidung oder „Topf"
Mit
Bezug auf die
Wie
gezeigt können
mehrere magnetische Lager mit dem radialen elektromagnetischen Lager
Außerdem enthält die Pumpe
Außerdem kann
der Motor ein in einer Richtung laufender Motor sein. Der Motor
kann eine bürstenlose DC-Motorkonfiguration
haben mit nur einem Anlauf in der erforderlichen Richtung der Bewegung
mit einer zugehörigen
Laufradströmungskonstruktion
und einer selbst-einstellenden Steuereinrichtung. Mit Bezug auf
Das
oben beschriebene magnetische Aufhängungssystem bietet zusammen
mit dem Rotationssystem oder Motor eine erhebliche Verbesserung
gegenüber
früheren
magnetischen Aufhängungssystemen,
die primäre
und sekundäre
Blutbahnen erfordern. Das magnetische Aufhängungssystem ermöglicht ein
ungehemmtes einbahniges Blutdesign ohne eine sekundäre Blutbahn
für die
magnetischen Aufhängungsabstände. Somit
minimiert die Pumpe
Die einzige, nicht behinderte Blutbahn, und der Fluidkanal sind durch einen ringförmigen Spalt begrenzt, der radial zwischen den magnetischen Lagern und dem Motor positioniert ist. Alle magnetischen Lager haben Statormagnete, die radial quer über den Fluidkanal von den zugehörigen Laufradmagneten angeordnet sind. Auf gleiche Weise hat der Motor Wicklungen/magnetische Pole, die radial quer über den Fluidkanal von den zugehörigen Laufradmagneten angeordnet sind. Damit ist der ringförmige Spalt radial zwischen dem Laufrad und dem Stator positioniert, und radial zwischen allen der mehreren magnetischen Lager. Der Fluidkanal oder die einzige, nicht behinderte Blutbahn erstreckt sich durch den Stator und um das Laufrad, zwischen dem Permanentmagneten und den elektromagnetischen Lagern. Damit ist das Laufrad magnetisch innerhalb des Hohlraums des Stators aufgehängt, ohne eine Struktur, die den Hohlraum des Stators überspannt.The only, unimpaired bloodstream, and the fluid channel are through an annular Gap limited radially between the magnetic bearings and the engine is positioned. All magnetic bearings have stator magnets, the radially across the fluid channel of the associated Impeller magnets are arranged. The engine has the same way Windings / magnetic poles radially across the fluid channel of the associated Impeller magnets are arranged. This is the annular gap positioned radially between the impeller and the stator, and radially between all of the multiple magnetic bearings. The fluid channel or the only, unimpaired bloodstream extends through the Stator and around the impeller, between the permanent magnet and the electromagnetic bearings. Thus, the impeller is magnetic within suspended from the cavity of the stator, without a structure that spans the cavity of the stator.
Die Pumpe kann durch eine Steuerbox gesteuert und mit Strom versehen werden, die in den Körper eingesetzt oder außerhalb davon ist, und die Spulenströme zu dem Motor und dem aktiven Lager leiten kann. Die Steuerbox kann Steuerelektronik oder Computer enthalten sowie eine Stromquelle. Die Stromquelle kann eine Langzeitbatterie sein, die an dem Körper angeordnet ist, und eine kleine innere Batterie in der Steuerbox für eine kurzzeitige Reserveverwendung. Wenn die Steuerbox implantiert ist, kann der Langzeitbatteriestrom entweder durch eine transkutane Leitung oder eine Hochfrequenzübertragung (Telemetrie) durch die intakte Haut zugeführt werden. Wenn die Steuerbox extern getragen wird, kann der Langzeitbatteriestrom durch eine Leitung zugeführt werden.The pump may be controlled and energized by a control box inserted into or out of the body and able to direct the coil currents to the motor and the active bearing. The control box may include control electronics or computers as well as a power source. The power source may be a long life battery located on the body and a small internal battery in the control box for a short term backup use. When the control box is implanted, the long-term battery current can be delivered through the intact skin either by a transcutaneous lead or by high-frequency transmission (telemetry). When the control box is externally carried, the long-term battery power can be supplied through a line.
Stromverstärker können verwendet werden, um die elektromagnetischen Lagerwicklungen auf der Basis von Inputsignalen von einer Prozeßtafel mit Wicklungssteuersignalen zu betätigen. Die Wicklungssteuertafeln können mit einem automatischen Feedback-Steueralgorithmus programmiert sein, um das Pumpenlaufrad an oder nahe der Mitte des freien Fluidspalts zu halten, wenn es verschiedenen Fluid-Schwerkraft- oder anderen Ablenkungskräften ausgesetzt ist. Der automatische Feedbacksteueralgorithmus kann die radiale Koordinatenposition des Rotors verwenden, in zwei Koordinatenrichtungen, relativ zu dem Stator oder Pumpengehäuse, die axiale Koordinatenposition des Laufrades relativ zu dem Pumpengehäuse als Feedback-Signal. Diese Laufradpositionsignale können durch Sensoren wie Hall-Sensoren, oder Streustromsensoren bereitgestellt werden. Das Feedback-Signal kann andere Inputs enthalten wie Pumpenbeschleunigungen in einer, zwei oder drei Richtungen, die von einem Beschleunigungsmesser gemessen werden.Power amplifiers can be used be based on the electromagnetic bearing windings of input signals from a process panel with winding control signals to press. The winding control panels can programmed with an automatic feedback control algorithm be around the pump impeller at or near the center of the free fluid gap to hold it when there are different fluid gravity or other distraction forces is exposed. The automatic feedback control algorithm can use the radial coordinate position of the rotor, in two coordinate directions, relative to the stator or pump housing, the axial coordinate position the impeller relative to the pump housing as a feedback signal. These Impeller position signals can provided by sensors such as Hall sensors, or stray current sensors become. The feedback signal may include other inputs, such as pump accelerations in one, two or three directions, by an accelerometer be measured.
Mit
Bezug auf die
Permanentmagneten
Die Verwendung von Halleffektsensoren vermeidet das Problem der Raumbedingungen für die Sensoren, für die Energiebilanz, die für die Sensoren erforderlich ist, das Anordnen von Sensorflächen innerhalb des Statorgehäuses, die Kontamination des Blutstroms und Thrombose und Blutgerinnungen. Die Halleffektsensoren verwenden den Hall"effekt", um das Feld zu messen, das eine magnetische Vorrichtung umgibt. Lineare Versionen dieser Vorrichtungen können exakt die Magnetfeldintensität erfassen, die eine magnetische Vorrichtung umgibt. Vier Halleffektsensoren können in einem orthogonalen Feld angeordnet sein, zwei jeweils auf der X- und der Y-Achse, wobei dann durch Differenzierung der Achsenpaare die Position des Magneten innerhalb dieser Vorrichtungen erhalten werden kann. Ein Vorteil der Benutzung eines Halleffektsensors in dieser Miniaturpumpe ist, daß die Magnetflußlinien, die von dem Magneten ausgehen, ohne Kontamination leicht durch das Fluid (Blut) hindurchgehen, und daß der Magnet und der Halleffektsensor hinter einer nicht-magnetischen Sperre abgedichtet werden können, die als eine Auskleidung oder „Topf" bezeichnet wird.The Using Hall effect sensors avoids the problem of room conditions for the Sensors, for the energy balance for the sensors required, arranging sensor surfaces within the stator housing, the contamination of the bloodstream and thrombosis and blood clotting. The Hall effect sensors use the Hall "effect" to measure the field that is magnetic Device surrounds. Linear versions of these devices can be exact the magnetic field intensity which surrounds a magnetic device. Four Hall Effect Sensors can be arranged in an orthogonal field, two each on the X and Y axis, then by differentiating the pairs of axes get the position of the magnet within these devices can be. An advantage of using a Hall effect sensor in this miniature pump is that the magnetic flux emanating from the magnet, easily through the contamination without contamination Fluid (blood) go through, and that the magnet and the Hall effect sensor can be sealed behind a non-magnetic barrier, the as a lining or "pot" is called.
Mit
Bezug auf die
Mit
Bezug auf
Die oben beschriebenen Halleffektsensoren oder Felder erfordern keine ungehinderte Sicht auf das Laufrad. Somit können die Sensoren von dem Laufrad und dem Fluidkanal durch die Auskleidung oder den Topf getrennt sein. Außerdem treten die Sensoren nicht in den Fluidkanal ein und behindern damit nicht die Strömungsbahn oder Fluidcharakteristiken. Außerdem erfordern die Sensoren keine speziellen Flächen, um die Position eines rotierenden Elementes zu erfassen. Beispielsweise erfordern Lasersensoren hochgradig polierte Flächen, und Wirbelstrom (induktiv) und kapazitive Sensoren erfordern eine leitende (metallische) Fläche. Außerdem erfordern die Sensoren nicht einen zusätzlichen Magneten, der dem rotierenden Element hinzuzufügen ist. Beispielsweise können zwei Permanentmagnetfelder in dem Laufradkörper angeordnet werden, wie dargestellt ist. Daher könnten die zwei Halleffektsensorfelder, die oben beschrieben sind, innerhalb des Stators angeordnet werden, um die radialen Permanentmagneten an dem Laufrad und die axialen Permanentmagneten an dem Laufrad zu sehen. Außerdem können die Sensoren in Verbindung mit Motoreigenschaften (RPM und Stromverbrauch) verwendet werden, um das Druckdifferential über die Pumpe zu bestimmen. Dieses Merkmal könnte sehr wichtig sein, um auf den hohen und niedrigen Blutdruck in einem Patienten zu schließen.The Hall effect sensors or arrays described above require none unobstructed view of the wheel. Thus, the sensors from the impeller and the fluid channel separated by the liner or pot be. Furthermore The sensors do not enter the fluid channel and hinder it not the flow path or fluidic characteristics. Furthermore The sensors do not require special surfaces to adjust the position of a to detect rotating element. For example, laser sensors require highly polished surfaces, and eddy-current (inductive) and capacitive sensors require one conductive (metallic) surface. Furthermore The sensors do not require an additional magnet to match the to add rotating element is. For example, you can two permanent magnetic fields are arranged in the impeller body, such as is shown. Therefore, could the two Hall effect sensor fields described above inside of the stator are arranged around the radial permanent magnets on the impeller and the axial permanent magnets on the impeller to see. Furthermore can the sensors in conjunction with engine characteristics (RPM and power consumption) used to determine the pressure differential across the pump. This feature could Be very important to be on high and low blood pressure in one Close patients.
Alternativ können Halleffektsensoren positioniert werden, um die Laufradmagnete der axialen und radialen Lager zu nutzen, im Gegensatz zu den zusätzlichen Magneten. Somit können zwei Halleffektsensoren an dem Stator positioniert werden, von denen ein Feld angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erfassen, daß von den Laufradmagneten des axialen Permanentmagnetlagers erzeugt wird, und ein anderes, das an einer anderen axialen Stelle positioniert wird, um ein anderes magnetisches Feld zu erfassen, daß von den Laufradmagneten des radialen Permanentmagnetlagers erzeugt wird.alternative can Hall effect sensors are positioned to the impellers of the axial and radial bearings to use, in contrast to the additional Magnet. Thus, you can two Hall effect sensors are positioned on the stator, of which a field is arranged to detect a magnetic field that of the Impeller magnet of the axial permanent magnet bearing is generated, and another positioned at a different axial location is to capture a different magnetic field, that of the Impeller magnet of the radial permanent magnet bearing is generated.
Ein oder mehrere Beschleunigungsmesser können verwendet werden, um Beschleunigungen des Stators oder Pumpengehäuses in verschiedenen Richtungen zu messen. Außerdem können Geschwindigkeitsmeßgeräte verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Pumpengehäuses in verschiedenen Richtungen zu bestimmen. Die Signale von diesen Vorrichtungen können verwendet werden, um als Feedback-Signale für den Elektromagneten zu dienen, sowie für die physiologische Steuereinrichtung und/oder Alarme, um beispielsweise einen Fall anzuzeigen.One or more accelerometers can be used to accelerations of the stator or pump housing to measure in different directions. In addition, speed measuring devices can be used be to the speed of the pump housing in different directions to determine. The signals from these devices can be used to serve as feedback signals for the electromagnet, also for the physiological controller and / or alarms, for example to display a case.
Außerdem kann das elektromagnetische Lager selbst sowohl als ein Aktuator als auch als ein Sensor gesehen werden. Somit kann das aktive Lager in einem selbst-fühlenden Modus verwendet werden, um die Positionsinformation von der Wicklung zu gewinnen. Eine Schätzeinrichtung kann gebaut werden, um das gegenwärtige Signal zu filtern und die Position von dem gefilterten Signal zu erhalten. Solch eine Technik vermeidet zusätzliche Sensoren und Elektronik. Dadurch ist die Anzahl von Leitungsdrähten reduziert, und die Zuverlässigkeit nimmt zu.In addition, can the electromagnetic bearing itself both as an actuator as also be seen as a sensor. Thus, the active bearing in a self-feeling Mode used to get the position information from the winding to win. A treasury can be built to filter the current signal and to get the position from the filtered signal. Such a Technology avoids additional Sensors and electronics. This reduces the number of wires, and the reliability is increasing.
Die Steuereinrichtung kann operativ mit der Pumpe oder mit den Sensoren, dem Motor und dem aktiven elektromagnetischen Lager gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung kann mehrere verschiedene Algorithmen für verschiedene elektromagnetische Betriebsmodi enthalten einschließlich beispielsweise Schlaf, Ruhe und Aktivität. In dem Schlafzustand neigen die Fluid- und Schwerkraftänderungen der Kraft dazu, sehr viel kleiner zu sein, so daß ein einfacher Steueralgorithmus verwendet werden kann, der Strom spart. In einem wachen Ruhezustand oder aktiven Zustand neigen die Fluid- und Schwerkraftänderungen in der Kraft dazu, größer zu sein und ein fortgeschrittenerer Steueralgorithmus kann verwendet werden, der mehr Strom verbraucht. Die verschiedenen Algorithmen können automatisch von einem zu dem anderen geschaltet werden, auf der Basis von Inputsignalen, die Bewegung entweder von den Halleffektsensoren, dem (den) Beschleunigungsmesser(n) oder einer anderen Bewegungserfassungseinrichtung angezeigt wird. Ein stoßfreier Transferalgorithmus, der beide Steueralgorithmen nachführt, direkt bevor das Schalten auftritt, kann für dieses Schalten verwendet werden, um einen großen Rotorausschlag zu verhindern.The controller may be operatively coupled to the pump or to the sensors, the motor, and the active electromagnetic bearing. The controller may include several different algorithms for different electromagnetic modes of operation including, for example, sleep, rest and activity. In the sleep state, the fluid and gravity changes in force tend to be much smaller, so that a simple control algorithm that saves power can be used. In an awake hibernation or active state, the fluid and gravity changes in force tend to be greater, and a more advanced control algorithm that consumes more power can be used. The various algorithms may be automatically switched from one to another based on input signals that are displayed by either the hall effect sensors, the accelerometer (s), or other motion detection device. A bumpless transfer algorithm that tracks both control algorithms just before the shift occurs may be used for this shift to prevent a large rotor swing.
Der stoßfreie Transferalgorithmus kann die Steuereinrichtung glatt zwischen verschiedenen Modi des Betriebs schalten: Schlafmodus mit niedrigem Stromverbrauch, normaler Modus für tägliche Aktivitäten, und aktiver Modus für moderate Übungen wie Treppensteigen. Eine tüchtige Vorspannungssteuerung der elektromagnetischen Polströme wird auch zur Stromreduzierung beitragen.Of the bumpless Transfer algorithm allows the controller smooth between different Switch modes of operation: sleep mode with low power consumption, normal mode for daily Activities, and active mode for moderate exercises like climbing stairs. A good one Bias control of the electromagnetic pole currents also contribute to power reduction.
Die Funktionen und Erfordernisse an die Aufhängungssteuerung können enthalten:
- 1) Rotoranheben von jeder möglichen anfänglichen Ruheposition und dann erfolgreiche Rotation beim Anlaufen;
- 2) Verhindern das Aufsetzen des Rotors mit Änderungen der Rotationsgeschwindigkeiten, ungeachtet der Position des Patienten;
- 3) Widerstehen den Ungenauigkeiten der Pumpe, die bei ihrer Herstellung auftreten;
- 4) Schutz gegen Störungskräfte wie beispielsweise Blutströmungsstörungen und plötzliche Körperbewegungen;
- 5) Verbrauch von so wenig Strom wie möglich, um die Batterienutzungsdauer zu maximieren;
- 6) Minimieren des Steueraufwandes, um die Größe und das Gewicht der magnetischen Lager zu reduzieren.
- 1) rotor lifting from any possible initial rest position and then successful startup rotation;
- 2) Prevent rotor seating with changes in rotational speeds regardless of the patient's position;
- 3) Resist the inaccuracies of the pump that occur during their manufacture;
- 4) protection against disturbance forces such as blood flow disturbances and sudden body movements;
- 5) Consuming as little power as possible to maximize battery life;
- 6) Minimize control effort to reduce the size and weight of magnetic bearings.
Diese Funktionen und Erfordernisse führen über in zwei Charakteristika des Aufhängungssteuersystems: Wirksamkeit und Robustheit. Konventionelle elektromagnetische Lagersteuerungen unterbenutzen üblicherweise die Kapazitäten der elektromagnetischen Lager, um das Geschlossene-Schleifen-Instabilitätsproblem zu vermeiden, das durch die Sättigung der elektromagnetischen Lagerkapazitäten verursacht wird. Das vorliegende elektromagnetische Pumpenlager kann eine hochgradig wirksame und robuste Steuereinrichtung verwenden, die auf der Basis der neuesten Fortschritte in der Steuertheorie konstruiert ist. Ein Merkmal dieser Steuereinrichtung ist die volle Nutzung der elektromagnetischen Lagerkapazitäten für eine maximale Leistung des Steuersystems, in den Begriffen von Wirksamkeit und Robustheit. Mit anderen Worten ermöglicht eine wirksame Aufhängungssteuereinrichtung die Verwendung eines oder mehrerer kleiner elektromagnetischer Lager, die weniger Gewicht haben, weniger Raum und weniger Energie verbrauchen.These Functions and requirements lead over in two Characteristics of the suspension control system: Effectiveness and robustness. Conventional electromagnetic bearing controls usually underuse the capacities the electromagnetic bearing to the closed-loop instability problem to avoid that by saturation the electromagnetic storage capacity is caused. The present electromagnetic pump bearings can be a highly effective and use robust control equipment based on the latest Progress in tax theory is constructed. A feature of this control device is the full use of electromagnetic storage capacity for maximum Performance of the tax system, in terms of effectiveness and Robustness. In other words, an effective suspension control device allows the use of one or more small electromagnetic bearings, which have less weight, less space and less energy.
Der stoßfreie Transferalgorithmus kann glatt zwischen verschiedenen Steuereinrichtungen schalten. Wenn beispielsweise der Patient schlafen geht, wird eine weniger aggressive Steuereinrichtung aktiviert, um Energie zu sparen. Jedoch ist die Übergangsschaltung von einer Steuereinrichtung zu einer anderen üblicherweise ziemlich holprig. Die vorliegende Pumpe kann die neue Steuereinrichtung eine kurze Zeit vor dem Schalten starten. Ein Mechanismus ist vorgesehen, der die neue Steuereinrichtung zu Synchronisierung mit der Online-Steuereinrichtung veranlaßt, bevor das Schalten stattfindet. Dies funktioniert auf dieselbe Weise, wie Läufer in einem Staffelrennen starten, bevor der Stab auf einen anderen Läufer übergeht. Der Übergang von einer Steuereinrichtung zur anderen Steuereinrichtung, der oben beschrieben ist, wird als ein stoßfreier Übergang bezeichnet.Of the bumpless Transfer algorithm can be smooth between different control devices turn. For example, when the patient goes to sleep, one becomes less aggressive control device enabled to save energy. However, the transition circuit from one controller to another usually pretty bumpy. The present pump, the new control device a short Start time before switching. A mechanism is provided, the the new controller for synchronization with the on-line controller causes before the switching takes place. This works the same way like runners start in a relay race, before the rod turns to another Runner passes. The transition from one controller to the other controller above is described as a bumpless transition.
Mit
Bezug auf
Das Vibrationsoutputsignal wird „stoßfrei" sein, wenn ein glattes Steuersignal während des Schaltens erhalten werden kann. Um ein glattes Steuersignal zu erhalten, sollte nicht nur das Steuersignal, das von den zwei Steuereinrichtungen erzeugt wird, dasselbe sein, sondern auch die höhere Ordnung von Ableitungen des Steuersignals sollte gleich sein. Für Digitalsteuereinrichtungen ist es allgemein schwierig, die latenten Steuerzustände an den Schaltpumpen zu kennen, da die latente Steuereinrichtung das System vor dem Schalten nicht steuert. Um die Bedingung eines glatten Steuersignals zu garantieren, können die Steuerzustände folgendermaßen bestimmt werden: The vibration output signal will be "bumpless" if a smooth control signal can be obtained during switching In order to obtain a smooth control signal, not only the control signal generated by the two controllers should be the same, but also the higher order of derivatives For digital control devices, it is generally difficult to know the deferred control states at the switching pumps, since the deferred control does not control the system before switching.To guarantee the condition of a smooth control signal, the control states can be determined as follows:
Für System niedriger Ordnung können die Zustände der latenten Steuereinrichtungen erhalten werden durch: unter Verwendung eines Bandpaßfilters, um die Ableitung anzunähern. Da das Outputsignal in magnetischen Lagersystem geräuschempfindlich ist und die robuste Steuerordnung allgemein groß, ist es nicht möglich, alle latenten Steuerzustände durch die obige Formel On-line zu berechnen.For low order systems, the states of the deferred controllers can be obtained by: using a bandpass filter to approximate the derivative. Since the output signal in the magnetic bearing system is sensitive to noise and the robust control order is generally large, it is not possible to calculate all the latent control states on-line by the above formula.
Die
latenten anfänglichen
Steuerzustände
können
erhalten werden durch einen Abtastfilter K1 und K2, wie in
Für ein Dauerzeitmodell
kann die Zustand-Raum-Gleichung der Steuereinrichtung sein:
die Schätzung K
hat den Input [y;u] und erzeugt die maximalen Schätzungen
u_e,ξe von
u, ξ bei
the estimate K has the input [y; u] and generates the maximum estimates u_e, ξe of u, ξ
Ein
Kalmanobserver wurde konstruiert, um den latenten Steuerzustand
zu erhalten. Ein Kalmanfilter gibt die beste Schätzung des Zustands in Begriffen
des kleinsten quadratischen Fehlers. Da die Größe der Rotorbeschleunigung
und Verlangsamung relativ gering ist und für Implementationszwecke wird
ein konstanter asymptotischer Wert des Kalmanfilterergebnisses verwendet.
Dies erfordert die Lösung
der algebraischen Riccatigleichung des stetigen Zustands in kontinuierlicher
Zeit wenn H=0 ist
Wenn die Größe der Rotorbeschleunigung und Verlangsamung bei einigen Anwendungen groß ist, kann die Gainschedulingmethode verwendet werden, d.h. die Variierung der Kalmanverstärkung während der Beobachtung. Da die Größe der Änderung der Kalmanverstärkungen klein ist im Vergleich zu der Probengröße, kann jeder Wert der Kalmanverstärkung verwendet werden für einen Teil der Beobachtungszeit. In jedem Fall kann die Kalmanverstärkungsberechnung „Off-line" ausgeführt und in dem Computerspeicher gespeichert werden.If the magnitude of rotor acceleration and deceleration is high in some applications, the Gainscheduling method can be used, that is, the variation of Kalman gain during observation. Since the magnitude of the change in the Kalman gains is small compared to the sample size, any value of Kalman gain can be used for a portion of the observation time. In either case, the Kalman gain calculation may be performed "off-line" and stored in the computer memory become.
Ein Kalmanfilterbeobachter bringt die besten Schätzungen der latenten Steuerzustände in Begriffen der Minimierung des kleinsten quadratischen Fehlers mit sich. Die Realzeitberechnung ist jedoch teuer. Es gibt mehrere Methoden, die angewandt werden können, um die Berechnungslast zu erleichtern. Vom Gesichtspunkt der Aufstellung ist zunächst mal die Priorität der Beobachtungsberechnung kleiner als diejenige der Berechnung der On-line-Steuerung. Das Update des Zustands des Beobachters wird bei verschiedenen Probengrößen in Realzeit-Anwendung durchgeführt. Zweitens kommt die Komplexität der Berechnung von der Realzeitberechnung der Matrixprodukte. Die Anzahl von Flops, die erforderlich sind, um das Produkt einer allgemein nxn Matrix und nxl Vektor zu berechnen ist n2. Die Komplextität kann erheblich mit der speziellen Struktur der A Matrix reduziert werden. Bei Verwendung einer Zustandstransformation kann eine A Matrix in eine kanonische Jordan Block Form transformiert werden. Die Steuereinrichtungen und der Beobachter werden mit dieser speziellen Form verwirklicht. Drittens wird ein Satz von Minivektorinstruktionen angewandt. Ein fortgeschrittener Mikroprozessor wie ein Intel Pentium III Prozessor, enthält einen neuen Satz von Instruktionen: Streaming SIMD (Single Instruction, Multiple Data) Extensions (SSE). Die SSE Instruktionen ermöglichen es uns, eine Instruktionslevelparallelität zu benutzen, die zu einer signifikanten Erhöhung der Geschwindigkeit führt. Nach Anwendung der SSE kann die Probengröße 8000 Hz (125 μs) für eine Steuereinrichtung der achtundvierzigsten Ordnung an einem 700 MHz Intel Pentium III Prozessor erreichen, während eine Steuereinrichtung und ein Beobachter zum Zeitpunkt des Schaltens läuft.A Kalman filter observer brings the best estimates of the deferred control states in terms of least squares error minimization. The real-time calculation is expensive. There are several methods that can be used to facilitate the computational burden. From the point of view of the setup, the priority of the observation calculation is smaller than that of the calculation of the on-line control. The update of the state of the observer is performed on different sample sizes in real-time application. Second, the complexity of the calculation comes from the real-time computation of the matrix products. The number of flops required to compute the product of a general nxn matrix and nxl vector is n 2 . The complexity can be significantly reduced with the special structure of the A matrix. Using a state transformation, an A matrix can be transformed into a canonical Jordan block form. The control devices and the observer are realized with this special form. Third, a set of mini-vector instructions is used. An advanced microprocessor, such as an Intel Pentium III processor, includes a new set of instructions: Streaming SIMD (Single Instruction, Multiple Data) Extensions (SSE). The SSE instructions allow us to use an instruction level parallelism that results in a significant increase in velocity. After application of the SSE, the sample size can reach 8000 Hz (125 μs) for a forty-eighth-order controller on a 700 MHz Intel Pentium III processor while a controller and an observer are running at the time of switching.
Die Pumpe kann auch eine fortgeschrittene Steuermethode zum Auswählen der richtigen Wicklungsströme in dem radialen aktiven Magnetlager verwenden, die als zwangsläufige Steuerlösung bezeichnet wird. Damit wird die volle Kraftleistungsfähigkeit ermöglicht durch die Steuermethode. Außerdem schätzt eine Störungssteuereinrichtung wirkungsvoll die Störungen infolge der körperlichen Bewegungen des Patienten oder Komponenten der körperlichen Bewegung des Herz-Kreislaufsystems des Patienten, was sich auf die Zentrierung des aktiven magnetischen Lagers auswirken kann.The Pump can also be an advanced control method for selecting the correct winding currents in the radial active magnetic bearing, referred to as the inevitable control solution becomes. Thus, the full power capability is made possible by the control method. Furthermore estimates a fault control device effectively the disorders as a result of the physical Movements of the patient or components of the physical movement of the cardiovascular system of the patient, which is due to the centering of the active magnetic Bearing can affect.
Die Störungssteuerung benutzt die geschätzten Störungen, um radiale Kräfte des magnetischen Lagers zu entwickeln, die den Störungskräften entgegen handeln und den Rotor der Rotationsblutpumpe in dem freien Spalt zentriert halten und den Betrieb exakt halten.The noise control use the estimated ones disorders, around radial forces to develop the magnetic bearing, which counteracts the disturbance forces act and the rotor of the rotary blood pump in the free gap keep centered and keep the operation exactly.
Außerdem können die aktiven Magnetlagerkräfte in einer Vor-Feedback Steuermethode verwendet werden, um die Rotationskräfte infolge von Rotorungleichgewichten zu steuern. Somit verwendet die Pumpe fortgeschrittener Steuermethoden, die weniger Strom verbrauchen, weniger Wärme erzeugen und die aktive magnetische Lagerkomponente im Vergleich zum Stand der Technik erleichtert. Das Feedbackpositionssignal wird dem elektronischen Inputsteuersystem der aktiven magnetischen Lagerwicklungen zugeführt. Somit wird eine zwangsläufige Steuermethode verwendet. Außerdem kann die Pumpe eine Ungleichgewichtssteuerung offener Schleife der Rotorvibrationen unter Verwendung der aktiven Steuerströme in dem aktiven magnetischen Lager anwenden. Außerdem kann die Pumpe zwischen den verschiedenen Vorspannungslevel umschalten unter Verwendung einer stoßfreien Transferstrategie.In addition, the active magnetic bearing forces used in a pre-feedback control method, due to the rotational forces of rotor imbalances. Thus, the pump uses advanced Control methods that consume less power, generate less heat and the active magnetic bearing component compared to the state the technology facilitates. The feedback position signal is the electronic Input control system fed to the active magnetic bearing windings. Consequently becomes an inevitable Control method used. Furthermore The pump may have an open loop imbalance control Rotor vibrations using the active control currents in the apply active magnetic bearings. In addition, the pump can be between switch the different bias level using a bum-free Transfer strategy.
Die variable Vorspannungsoperation, die in dieser Erfindung verwendet wird, enthält eine adaptive Multimodusvorspannungsmethode für die aktiven magnetischen Lagersteuerströme, wie sie benötigt werden, auf der Basis des Aktivitätslevels des Patienten. Die variable Vorspannungseinstellung wird von der Störungssteuereinrichtung bestimmt, wie oben beschrieben ist. Der Vorspannungslevel wird eingestellt, wie er erforderlich ist, um die Zentrierungskraftsteuerung auf den Rotor für den Level der Aktivität geeignet zu halten, jedoch nicht mehr als auf dem erforderlichen Level, um den Stromverbrauch der Rotationsblutpumpe und das Maß der Erhitzung zu reduzieren. Um dies zu erreichen, wird eine stoßfreie Transfermethode verwendet.The variable biasing operation used in this invention will, contains an adaptive multimode biasing method for the active magnetic Warehouse control currents, as she needed based on the activity level of the patient. The variable bias setting is determined by the disturbance controller, as described above. The bias level is set as it is required to the centering force control on the Rotor for the level of activity suitable to hold, but not more than the required Level, the power consumption of the rotary blood pump and the degree of heating to reduce. To achieve this, a bumpless transfer method is used used.
Ein weiteres Problem bezüglich eines exakt zentrierten Betriebs des Laufrades der Rotationspumpe ist das Ungleichgewicht in dem Laufrad. Alle rotierenden Vorrichtungen sind einem mechanischen Ungleichgewicht ausgesetzt, da es schwierig oder unmöglich ist, einen perfekt ausgeglichenen Rotor herzustellen. In dem Herstellungszustand kann das Laufrad auf die normale Weise auf einer Ausgleichsmaschine abgeglichen werden, wobei kleine Massen an den geeigneten Stellen entfernt oder hinzugefügt werden. Während des Betriebs in dem Patienten über eine lange Zeitspanne können jedoch zusätzliche Änderungen in dem Ungleichgewicht auftreten wegen der Verlagerung von Laufradkomponenten, Schleifen des Laufrades, wegen dem Anhaften von Blut oder Blutprodukten an den Laufradflächen und wegen anderer Faktoren. Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, eine offenschleifige Ungleichgewichtssteuerung von Laufradvibrationen unter Verwendung von aktiven Steuerströmen in dem aktiven Magnetlager anzuwenden. Auf der Basis dieses Positionssignals bestimmt die Aufhängungssteuereinrichtung die Ströme in den aktiven magnetischen Lagern, so daß die Pumpe glatt in verschiedenen Betriebsbedingungen arbeitet. Eine robuste Steuereinrichtung besitzt die Möglichkeit, den Ungenauigkeiten in der Herstellung der verschiedenen Teile der Pumpen zu überstehen und überwindet verschiedene Störungen. Die vorliegende Pumpe kann ein adaptives Biasing, eine zwangsläufige Steuerkonstruktion und eine Multimodussteuerung mit einem stoßfreien Transfermechanismus haben.Another problem with a precisely centered operation of the impeller of the rotary pump is the imbalance in the impeller. All rotating devices are subject to mechanical imbalance since it is difficult or impossible to make a perfectly balanced rotor. In the manufacturing state, the impeller can be adjusted in the normal manner on a leveling machine, removing or adding small masses at the appropriate locations. However, during operation in the patient over a long period of time, additional changes in imbalance may occur due to misalignment of impeller components, wheel drag, adhesion of blood or blood products to the impeller surfaces, and other factors. It is an object of this invention to apply an open loop imbalance control of impeller vibrations using active control currents in the active magnetic bearing. On the basis of this position signal, the suspension control means determines the currents in the active magnetic bearings so that the pum smoothly working in different operating conditions. A robust control device has the ability to withstand the inaccuracies in the manufacture of the various parts of the pumps and overcomes various disturbances. The present pump may have adaptive bias, positive control design and multi-mode control with a bumpless transfer mechanism.
Zuerst kann auf der Basis des Aktivitätslevels des Patienten der Vormagnetisierungslevel adaptiv bestimmt werden. Ein großer Vormagnetisierungsstrom ermöglicht eine große Betätigungskapazität eines aktiven magnetischen Lagers, verbraucht jedoch mehr Energie. Unter einer vorgegebenen Vormagnetisierung ist eine Steuereinrichtung konstruiert, um vollständig die Kapazitäten zu nutzen, die durch den Vormagnetisierungslevel ermöglicht sind. Die Pumpe wird dann zwischen diesen verschiedenen Steuereinrichtungen schalten, entsprechend den unterschiedlichen Vormagnetisierungslevels.First can be based on the activity level the patient of the bias level can be determined adaptively. A large Bias current allows a big Operating capacity of a active magnetic bearing, but consumes more energy. Under a predetermined bias is a control device designed to be complete the capacities to use, which are made possible by the Vormagnetisierungslevel. The pump will then be between these different control devices switch according to the different bias levels.
Der Übergang von einer Steuereinrichtung zu einer anderen kann üblicherweise sehr holprig sein. Bei der vorliegenden Pumpe kann die neue Steuereinrichtung eine kurze Zeitspanne vor dem Schalten starten. Ein Mechanismus kann in dem Computer gebildet sein, der die neue Steuereinrichtung zur Synchronisierung mit der On-line Steuereinrichtung veranlaßt, bevor das Schalten stattfindet. Dies arbeitet auf dieselbe Weise wie bei einem Staffelrennen, wie oben erwähnt ist. Ein solcher Übergang von einer Steuereinrichtung zu einer anderen Steuereinrichtung wird als ein stoßfreier Transfer bezeichnet.The transition from one controller to another can usually be very bumpy. In the present pump, the new control device Start a short time before switching. A mechanism may be formed in the computer, the new control device to synchronize with the on-line controller before the switching takes place. This works the same way as with a relay race, as mentioned above. Such a transition from one controller to another controller as a bum-free Transfer referred.
Spezieller gesagt, kann die Steuereinrichtung die folgenden Merkmale haben:
- 1. Zwangsläufiges Steuerdesign – Die volle Kapazität der AMBs wird von der Steuereinrichtung genutzt; – ein Störungsbeobachter, der wirkungsvoll die Störungen infolge von Bewegungen des Patienten schätzt, macht die Steuereinrichtung dahingehend wirksam, daß diese Störungen zurückgewiesen werden; – die Ansprechzeit der Steuereinrichtung ist maximiert, mit einer vollen Nutzung der AMB Kapazität.
- 2. Ungleichgewichtssteuerung – Ein Vor-Feedback ist geschaffen, das das Ungleichgewicht des Rotors überwindet.
- 3. Adaptive Vormagnetisierung – Der Vormagnetisierungslevel wird gemäß der Betriebsbedingung der Steuereinrichtung eingestellt, was den gesamten Stromverbrauch der Steuereinrichtung reduziert, wann immer dies möglich ist.
- 4. Multimodussteuerung mit stoßfreiem Transfer
– Das System
schaltet unter verschiedenen Steuereinrichtungen um, die optimal
in verschiedenen Betriebsbedingungen sind;
– eine stoßfreie Transferstrategie wird
verwendet, um das Umschalten auf eine solche Weise durchzuführen, daß der Übergang
von einer Steuereinrichtung zu der anderen glatt ist.
– Mit erneutem
Bezug auf
4 kann das Laufrad eine Ankerschraube300 und expandierbares Material304 haben, das verwendet werden kann, um das Gleichgewicht des Rotors herzustellen.
- 1. Forced Control Design - The full capacity of the AMBs is used by the controller; A disturbance observer, who effectively estimates the disturbances due to movements of the patient, makes the controller effective to reject these disturbances; - The response time of the controller is maximized, with full use of the AMB capacity.
- 2. Imbalance Control - A pre-feedback is created that overcomes the imbalance of the rotor.
- 3. Adaptive bias - The bias level is set in accordance with the operating condition of the controller, which reduces the overall power consumption of the controller whenever possible.
- 4. Multi-mode control with bumpless transfer - The system switches among various control devices that are optimal in different operating conditions; A bumpless transfer strategy is used to perform the switching in such a way that the transition from one controller to the other is smooth. - With renewed reference to
4 The impeller may be an anchor bolt300 and expandable material304 which can be used to establish the balance of the rotor.
Das Laufrad und der Diffuser können durch Titangießen hergestellt werden unter Verwendung einer verlorenen Wachsmethode, bei der ein präzises Wachsmodell oder Positiv in einer keramischen Schale und Negativ geformt wird. Flüssiges Titan kann in die keramische Schale gegossen werden, und die Schale wird nach dem Abkühlen geöffnet. Eine Wasserstoffdruckimplantation kann auf das gegossene Objekt einwirken, um alle Oberflächenungenauigkeiten zu entfernen, gefolgt von einem chemischen Ätzen, um die Flächen zum abschließenden Bearbeiten und Polieren vorzubereiten. Die Blutströmungsbahn kann zu einem Finish einer 10 micro-inch Fläche oder besser poliert werden. Die Einlaßkanüle und die Einführeinrichtung können mit Standardtechniken der Metallformung hergestellt werden. Die Einlaßkanüle kann ein Titanrohr sein, die in die gewünschte Form geformt (gebogen und erweitert) worden ist. Die Innenfläche kann auf ein Finish von 10 micro-inch poliert werden. Die Einführeinrichtung kann durch eine Kombination von CNC Fräsen, elektrische Drahtentladungsbearbeitung (EDM) und Tauchbadtechniken EDM hergestellt werden. Alternativ könnte die Einführeinrichtung gegossen werden, wie oben erwähnt ist. Das Polieren kann bewerkstelligt werden durch Anwendung der Spritzschleifmethode, die die Verwendung eines Feinschnittmediums wie Diamantenchips umfaßt, die in einem schlammähnlichen Medium verteilt sind, um Oberflächenungenauigkeiten zu polieren und zu entfernen. Der Schlamm kann gepumpt oder entlang den Flächen geführt werden, die poliert werden, bis das gewünschte Oberflächenfinish erreicht ist.The Impeller and the diffuser can by titanium casting be prepared using a lost wax method, in the case of a precise Wax model or positive in a ceramic cup and negative is formed. liquid Titanium can be poured into the ceramic shell, and the shell will after cooling open. A hydrogen pressure implant can be applied to the cast object act on all surface inaccuracies followed by a chemical etching to remove the surfaces for final processing and to prepare polishing. The bloodstream can become a finish a 10 micro-inch area or better polished. The inlet cannula and the introducer can be prepared with standard techniques of metal forming. The Inlet cannula can a titanium tube, which is shaped into the desired shape (bent and expanded). The inside surface can be on a finish of 10 micro-inches are polished. The introducer can by a Combination of CNC milling, electric wire discharge machining (EDM) and dip techniques EDM are produced. Alternatively, the insertion device could to be poured as mentioned above is. The polishing can be accomplished by applying the Spray-sanding method, which involves the use of a fine-cut medium like diamond chips, those in a mud-like Medium are distributed to surface inaccuracies to polish and remove. The mud can be pumped or along the surfaces guided which are polished until the desired surface finish is reached.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Pumpe so gestaltet sein, daß sie anstelle von Blut andere Fluide oder Flüssigkeit pumpt.To In one aspect of the present invention, the pump may be configured be that she pumps other fluids or fluids instead of blood.
Die vorangegangenen Beispiele erläutern die Prinzipien der vorliegenden Erfindung bei einer oder mehreren besonderen Anwendungen, wobei für den Fachmann erkennbar ist, daß zahlreiche Modifikationen in der Form der Benutzung und bei Details der Anwendung möglich sind, ohne Ausführung der erfinderischen Fakultät, und ohne die Prinzipien und Konzepte der Erfindung zu verlassen. Es ist daher nicht beabsichtigt, daß die Erfindung beschränkt ist, mit Ausnahme durch die nachfolgenden Patentansprüche.The foregoing examples illustrate the principles of the present invention in one or more particular applications, and it will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications are possible in the form of use and in details of the application, without the inventive faculty, and without departing from the principles and concepts of the invention. It is therefore not intended that the invention be limited except as by the following claims.
ZusammenfassungSummary
Eine
Blutpumpe (
Claims (16)
Applications Claiming Priority (7)
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US50602303P | 2003-09-25 | 2003-09-25 | |
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US10/950,176 | 2004-09-24 | ||
US10/949,884 US7070398B2 (en) | 2003-09-25 | 2004-09-24 | Axial-flow blood pump with magnetically suspended, radially and axially stabilized impeller |
US10/949,884 | 2004-09-24 | ||
PCT/US2004/031582 WO2005030296A2 (en) | 2003-09-25 | 2004-09-27 | Axial-flow blood pump with magnetically suspended, radially and axially stabilized impeller |
Publications (1)
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