JP2003024434A - 動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ - Google Patents

動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ

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JP2003024434A JP2001211639A JP2001211639A JP2003024434A JP 2003024434 A JP2003024434 A JP 2003024434A JP 2001211639 A JP2001211639 A JP 2001211639A JP 2001211639 A JP2001211639 A JP 2001211639A JP 2003024434 A JP2003024434 A JP 2003024434A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 体内埋込型人工心臓用遠心ポンプの軸受にお
いて、軽量で摩耗粉が発生せず、血液のよどみを発生す
ることがない軸受装置とする。 【解決手段】 下側ケーシング１５の中心下部に設けた
下側スラスト受け１６に固定軸１７を突設し、上端部に
上側スラスト受け１８を固定する。中心部に流入部３を
設けたインペラ部２の下方にインペラ支持部材７を設
け、その外周に永久磁石２１を等間隔に配置し、この永
久磁石２１に対向して下側ケーシング１５の外周に電磁
石２２を配置することにより、ダイレクト駆動のインペ
ラ駆動装置２３を構成する。インペラ支持部材７の中心
側には軸受形成部材８を設け、その中心部の円筒状内面
と固定軸１７間にラジアル動圧軸受を形成し、その上下
端面と下側スラスト受け１６、上側スラスト受け１８間
にそれぞれスラスト動圧軸受を形成する。インペラの流
出部９の血液を作動流体として各軸受部を循環させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は生体の心臓の代わ
りに、或いは生体の心臓と共に用いる人工心臓用ポンプ
に関し、特にラジアル方向及びスラスト方向共に動圧軸
受により支持した人工心臓ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】我が国においても、臓器移植法が施行さ
れ、脳死からの心臓移植が可能となっているが、実情は
ドナー不足のため、なお残る患者を救う道は人工心臓し
かない。人工心臓の研究は古くから行われ、臨床使用も
多数報告されている。人工心臓には、生体心臓を切除し
ないで並列に入れる補助人工心臓と、切除して結合する
完全置換人工心臓とがある。従来これらは、ベッドサイ
ドに制御装置を設置した空気駆動型のものがほとんどで
あったが、近年は腹部埋め込みが可能で、ベルトないし
リュックにつけたバッテリを用いて電気駆動する補助人
工心臓も開発され、現在の製品ではそのサイズの点から
体格の大きい患者用に限られるものの、在宅治療もでき
る人工心臓が用いられるようになっている。
【０００３】このような人工心臓をポンプ形式の点から
分類すると、大別して拍動流式及び連続流式の２方式が
存在する。拍動流型は、１回の拍出毎に定量の血液を送
出する方式であり、臨床応用が進んだ補助人工心臓では
年単位の使用実績を有するものもある。連続流型は回転
機構により連続的に血液を送出する方式であり、送出量
がポンプ容積には直接関係せず小型化が容易で、体内埋
め込み型の補助人工心臓用に有望である。無拍動流が生
体に与える影響については、いくつかの動物実験による
と、生理的問題なく生存することが報告されている。た
だし、生理的には拍動流が好ましいとされているため、
連続流ポンプは生体心臓を残して付ける補助人工心臓と
して開発が進められている。連続流型ポンプの中には遠
心式、軸流式、回転容積式などの個別形式がある。本発
明は、この連続流型人工心臓に関するものである。
【０００４】具体例として、本発明者によって図３に示
すような人工心臓用遠心ポンプが発明され、特許第２８
０７７８６号として特許されている（特開平１０−３３
６６４号）。この人工心臓ポンプによると、図３に示す
ように遠心式インペラ２２を２つの軸受２６−２８及び
２５−３０で支えている。ケーシング２７の下部にはイ
ンペラ駆動装置３１を設け、その内部で磁石３３が回転
することにより、インペラ内蔵の磁石群２４を回転駆動
している。それによりケーシング上部に形成した流入口
３４から血液が流入し、ケーシングの下部周囲に設けた
流出口からこれを吐出することができるようになってい
る。なお、上記のような磁気カップリングによりインペ
ラを回転する手段として、可動部分３３を電磁石群に置
換したダイレクトドライブ方式の駆動装置を採用したも
のも開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者が提案した上
記人工心臓用ポンプにおいて、インペラの支持は前記の
ように、ラジアル方向はインペラ円筒部２１外周の磁石
２６とこれに対向する位置に配置した支持用磁石２８の
反発力により支持し、スラスト方向はインペラ部２２の
底面から突出したピボット軸２５を、ケーシングの底壁
２９の中心部に設けたピボット受け３０で受けることに
より支持している。また、このように支持したインペラ
を駆動する手段としては、ケーシングの下部に設けたイ
ンペラ駆動装置３１を配置し、インペラの底部に設けた
磁石群２４に対向して配置した磁石３３を回転させるこ
とにより、或いは磁石３３を電磁石としてダイレクトド
ライブ方式で回転させることによりインペラを駆動する
手段を採用している。
【０００６】しかしながら、上記のようなインペラの支
持方式においては、インペラ及びケーシングに多数の磁
石を固定する必要があり、ポンプの製造に多くの手数を
要するほか、インペラに多数の磁石を固定するためイン
ペラの重量が大きくなる。また、ピボット軸受部分で相
互に摩擦摺動し、長期間使用していると摺動接触面に次
第に摩耗粉が蓄積してこのポンプの寿命の短縮化の原因
となると共に、軸受部分に血液のよどみを発生し血栓の
原因となることもある。
【０００７】本発明は上記のような知見に基づいてなさ
れたもので、従来のものと比較して軽量であり、摩耗粉
の発生がなく、かつ軸受部分に血液のよどみを発生する
ことがないようにした人工心臓ポンプを提供することを
主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、請求項１に係る発明は、ケーシングに立設
した固定軸と、前記ケーシングのポンプ室内に回転可能
に配置し、上流側中心部に流入口を形成したインペラ
と、 前記固定軸に回転可能に嵌合する円筒状内面を備
えたインペラ支持部材と、インペラ支持部材に永久磁石
を内蔵させ、隔壁越しにこの永久磁石を回転駆動させる
インペラ駆動装置とを備え、前記インペラ支持部材の円
筒状内面と固定軸間にラジアル動圧軸受を形成し、イン
ペラ支持部材の上下端面と前記上下端面に対向する部材
の面間にそれぞれスラスト動圧軸受を形成したことを特
徴とする動圧軸受を備えた人工心臓ポンプとしたもので
ある。
【０００９】また、請求項２に係る発明は、動圧軸受用
作動流体を、各動圧発生用溝により、一方のスラスト動
圧軸受からラジアル動圧軸受を介し、他方のスラスト動
圧軸受に循環させることを特徴とする請求項１記載の動
圧軸受を備えた人工心臓ポンプとしたものである。
【００１０】また、請求項３に係る発明は、前記ポンプ
の高圧側の血液を動圧軸受用作動流体として導入し、低
圧側に排出したことを特徴とする請求項２記載の動圧軸
受を備えた人工心臓ポンプとしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に沿って説
明する。図１は本発明の実施例の断面図であり、図２は
動圧軸受の構成を説明する図である。図１において、放
射状に延びる複数のインペラ１を備えたインペラ部２
は、その中心部が解放して血液の流入部３を形成してお
り、インペラ１を後述するように回転駆動するとき、上
側ケーシング４に設けた円筒状の流入口５から血液を吸
引し、上側ケーシング４に設けた流出口６から吐出して
いる。
【００１２】インペラ部２の下方にはインペラ支持部材
７を固定しており、インペラ支持部材７の内側には軸受
部材８を固定している。軸受部材８の下端面１０には、
図２（ｃ）に示すようなポンプイン型のスパイラル状パ
ターンを有する下側スラスト用動圧発生溝１１を形成し
ており、上端面１２には、図２（ａ）に示すようなポン
プアウト型のスパイラル状パターンを有する上側スラス
ト用動圧発生溝１３を形成している。
【００１３】軸受部材８の中心に形成している円筒状通
口部１４には、下側ケーシング１５に固定した下側スラ
スト受け１６上に固定している固定軸１７を突出して固
定しており、固定軸１７の上端部には上側スラスト受け
１８を固定部材１９で固定して支持している。前記下側
スラスト受け１６は下側スラスト用動圧発生溝１１に対
向して配置し、前記上側スラスト受け１８は上側スラス
ト用動圧発生溝１３に対向して配置している。また、固
定軸１７の下方外周には動圧発生用の傾斜溝２０を形成
している。
【００１４】インペラ支持部材７の外周には永久磁石２
１を等間隔で配置し、下側ケーシング１５の外周囲には
前記永久磁石２１に対向して電磁石２２を配置してい
る。この電磁石２２の極性を順に変更して通電すること
により、ダイレクトドライブ式のモータを構成し、イン
ペラ駆動装置２３としている。モータ磁束が径方向に向
くように設定することにより、動圧スラスト軸受に過大
な負荷をかけないことが可能である。
【００１５】上記構成により、電磁石２２を前記のよう
に通電し、インペラ支持部材７を回転させることにより
インペラ１を備えたインペラ部２を回転させ、血液を流
入口５から吸引し、この血液をインペラ１の流入部３か
ら流出部９に至る過程で加圧し、流出口６から吐出す
る。
【００１６】このとき、インペラ１の流出部９からの加
圧された血液の一部は、図中一点鎖線の矢印で示すよう
に、インペラ部２の下面と下側ケーシング１５の上面と
の間隙、インペラ支持部材７の外周面と下側ケーシング
１５の対向する筒状内壁面との間隙、下側ケーシング１
５の底面上及び下側スラスト受け１６の上面との間隙に
形成されるスラスト動圧軸受部、固定軸１７の外周面と
軸受形成部材８の円筒状内周面との間隙に形成されるラ
ジアル動圧軸受部、軸受形成部材８の上端面と上側スラ
スト受け１８の下面との間隙に形成されるスラスト動圧
軸受部、及びインペラ２の低圧側の流入部３を順に循環
する流路が形成される。
【００１７】このような流路において、下側ケーシング
１５の下面と下側スラスト受け１６の上面との間隙に
は、図示実施例ではインペラ支持部材１１の下面にポン
プイン型のスパイラル状パターンを有する下側スラスト
用動圧発生溝１１が形成されているので、前記のような
流路に沿って流れようとしている血液を、例えば図２
（ｃ）に示すように下側スラスト用動圧発生溝１１の外
周側から吸引し内周側に吐出する。このとき発生する動
圧によって、インペラ部材全体の下側スラスト方向への
力を支持している。
【００１８】下側スラスト用動圧発生溝１１の内周側
は、固定軸１７の外周面と軸受形成部材８の円筒状内周
面との間隙に連通し、この間隙には図示実施例では固定
軸１７の外周に傾斜した動圧発生溝２０を形成している
ので、図２（ｂ）に示すように固定軸の下端側から吸引
した血液を上端側に吐出する。このとき発生する動圧に
よって、インペラ部材全体のラジアル方向の支持を行
う。
【００１９】このようにして固定軸１７の上端側に吐出
された血液流は、軸受形成部材８の上端面と上側スラス
ト受け１８の下面との間隙において、図示実施例ではイ
ンペラ支持部材１１の上面にポンプアウト型のスパイラ
ル状パターンを有する上側スラスト用動圧発生溝１３が
形成されているので、例えば図２（ａ）に示すように、
上側スラスト用動圧発生溝１３の内周側から吸引し外周
側に吐出する。
【００２０】ここで吐出された血液は図１に示すように
インペラ１の吸入側３に吸引され、流入口５から吸引し
た新たな血液と混合され、インペラ１で加圧されて吐出
される。このとき発生する動圧によって、インペラ部全
体の上側スラスト方向への力を支持しており、前記下側
スラスト用動圧発生溝１１による下側スラスト方向への
力の支持と共に、インペラ部全体の上下方向の支持を行
い、所定の浮動状態に保持している。
【００２１】上記のような軸受構成及びその作用によ
り、インペラ部材は周囲の上側ケーシング４、下側ケー
シング１５、中心の固定軸１３等と接触することなく、
安定して回転する。しかもインペラ部材を支持する動圧
軸受部分において、動圧を発生する流体は液体でありか
つ粘性が高い血液であるので確実な支持を行うことがで
きる。また、この流体はインペラの流出部の高圧側から
流入部の低圧側への循環流路中の流体であり、且つこの
流路の方向にしたがって流体が流動するように動圧発生
溝を形成しているので、動圧発生用作動流体の安定的な
流れを生じ、この点でも軸受部における確実な支持を行
うことができる。また、軸受部分での血液の安定的な流
れにより血液の滞留を生じることがないので、血栓の発
生を防止することができる。
【００２２】一方、図１に示す実施例においては、イン
ペラ部２を支持するインペラ支持部材７の中心側に軸受
形成部材８を備える一方、外周側にはインペラ駆動用の
永久磁石を配置しているので、インペラ部材を安定して
回転させることができ、また人工心臓用ポンプの高さを
小さなものとすることができ、全体をコンパクト化する
ことができ、特に体内埋め込み用人工心臓用ポンプとし
て適する。
【００２３】なお、上記実施例においてはラジアル方向
の動圧軸受として、中心部に固定した固定軸１７の外周
に動圧発生溝を設けた例を示したが、軸受形成部材８の
内周に設けても良い。
【００２４】
【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、従
来の磁気軸受を用いたものと比較して軽量化することが
でき、ピボット軸受を用いたものと比較して摩耗粉の発
生がなく、かつ軸受部分に血液のよどみを発生すること
がない人工心臓用ポンプとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の断面図である。
【図２】同実施例の軸受構成の説明図である。
【図３】従来の人工心臓用遠心ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１ インペラ ２ インペラ部 ３ 流入部 ４ 上側ケーシング ５ 流入口 ６ 流出口 ７ インペラ支持部材 ８ 軸受部材 ９ 流出部 １０ 下端面 １１ 下側スラスト用動圧発生溝 １２ 上端面 １３ 上側スラスト用動圧発生溝 １４ 円筒状通口部 １５ 下側ケーシング １６ 下側スラスト受け １７ 固定軸 １８ 上側スラスト受け １９ 固定部材 ２０ 傾斜溝 ２１ 永久磁石 ２２ 電磁石 ２３ インペラ駆動装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｊ Ｋ Ｆ１６Ｃ 17/10 Ｆ１６Ｃ 17/10 Ａ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケーシングに立設した固定軸と、 前記ケーシングのポンプ室内に回転可能に配置し、上流
    側中心部に流入口を形成したインペラと、 前記固定軸に回転可能に嵌合する円筒状内面を備えたイ
    ンペラ支持部材と、 インペラ支持部材に永久磁石を内蔵させ、隔壁越しにこ
    の永久磁石を回転駆動させるインペラ駆動装置とを備
    え、 前記インペラ支持部材の円筒状内面と固定軸間にラジア
    ル動圧軸受を形成し、 インペラ支持部材の上下端面と前記上下端面に対向する
    部材の面間にそれぞれスラスト動圧軸受を形成したこと
    を特徴とする動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ。
  2. 【請求項２】 動圧軸受用作動流体を、各動圧発生用溝
    により、一方のスラスト動圧軸受からラジアル動圧軸受
    を介し、他方のスラスト動圧軸受に循環させることを特
    徴とする請求項１記載の動圧軸受を備えた人工心臓ポン
    プ。
  3. 【請求項３】 前記ポンプの高圧側の血液を動圧軸受用
    作動流体として導入し、低圧側に排出したことを特徴と
    する請求項２記載の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ。
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