JP2004351213A - 血液ポンプ及びロータ・サスペンション構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子制御回路を必要としない血液ポンプを提供する。
【解決手段】 本発明に係る血液ポンプは、回転軸を有するポンプ・ロータ、前記ポンプ・ロータに流入する液体の入口及び出口を規定する前記ポンプ・ロータのハウジング、前記ポンプ・ロータにより規定される前記ポンプ・ロータと前記ハウジングとの間のギャップ、及び前記ポンプ・ロータに作用する力を中和すべく、前記ギャップを横切るように軸方向に作動する磁気スラスト・ベアリングを含んでおり、前記ポンプ・ロータは回転可能であり、前記ハウジング内では前記磁気スラスト・ベアリングの磁石により前記ハウジングとは非接触で軸方向に移動可能に浮遊しており、前記ギャップ内での血栓生成を防止すべく、前記ギャップに新鮮な血液を継続的に供給するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ型の軸流血液ポンプ又は遠心血液ポンプに関するものである。また、本発明は、埋込型の血液ポンプに用いられる、ポンプ・ロータを血液中に浮遊させるためのロータ・サスペンション構造に関するものである。

第１世代の血液ポンプは、血液と接触しながらの心室のフレキシブルなポンピングに依然として利用されている。このポンプは、血液中に浸されたベアリングを有しておらず、血栓を生成する傾向は無かった。このポンプは拍動を発生させるという利点があったが、ＬＶＡＤ（左心補助装置）として使用するにはサイズが大きすぎるという欠点もあった。

第２世代の血液ポンプは、軸流ポンプ又は遠心ポンプである。このようなポンプ（ターボ型ポンプ）としては、ジャービク2000やマイクロメドなどがある。これらのポンプは第１世代の血液ポンプと比べると小型である。しかし、モータを血液中に浮遊させるためのベアリングは接触型であるため、モータとベアリングの接触によりベアリングの内部又は表面に望ましくない血栓が生成されるという欠点があり、長期間の信頼性のある使用には適していなかった。

第３世代のポンプは、第２世代の血液ポンプ（ターボ型ポンプ）を発展させたもので、血栓生成を防止するための非接触型ベアリングを有している。血液中に浸される流体ベアリングと磁気ベアリングは、最新の技術であり、現在も開発中である。現在、第３世代のポンプは、一般的な使用において、米国食品医薬品局（U.S. FDA：US Food and Drug Administration's）の認定を受けていない。しかし、最近、完全に磁気的にロータを浮遊させる「インコア１（Ｒ）」（Berlin Heart Corp., Berlin, Germany）は、ヨーロッパにおけるマーケティングの認可である「EU Seal」の認定を受けた。

本願発明者（Goldowsky）による米国特許第6,527,699の「磁気サスペンションを備えた血液ポンプ」は、第３世代のポンプである小型の軸流ポンプを開示している。このポンプは、縁リング（fringing ring）を使用した非接触型の磁気ベアリングにより、ロータを軸方向及び半径方向に浮遊させている。ベアリングは半径方向では受動的に作用し、軸方向では不安定である。ベアリングを軸方向に安定させるため、及びロータの軸方向の力を吸収するためには、アクティブ制御システムが使用される。実質的にゼロ出力のフィードバック制御を実施し、ロータの軸方向の位置を測定することにより、ポンプの圧力差を測定することができる。

第３世代のポンプの欠点は、磁気ベアリングを安定させるためには電子制御回路が必要であるという点である。これは、余分なスペース（電子制御回路を埋め込むためのスペース）を必要とするので、特に子供や体の小さい大人にとっては好ましくない。ポンプは、できるだけ小型化するべきである。また、感染症も減少させなくてはならない。また。電子制御回路は、費用コストがかかるだけではなく、装置全体の信頼性を低める。

したがって、本発明の課題は、電子制御回路を必要としない血液ポンプ及びロータ・サスペンション構造を提供することにある。また、本発明の他の課題は、ＬＶＡＤの圧力差を測定する機能を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る血液ポンプは、埋込型の血液ポンプであって、回転軸を有するポンプ・ロータ、前記ポンプ・ロータに流入する液体の入口及び出口を規定する前記ポンプ・ロータのハウジング、前記ポンプ・ロータにより規定される前記ポンプ・ロータと前記ハウジングとの間のギャップ、及び前記ポンプ・ロータに作用する力を中和すべく、前記ギャップを横切るように軸方向に作動する磁気スラスト・ベアリングを含んでおり、前記ポンプ・ロータは回転可能であり、前記ハウジング内では前記磁気スラスト・ベアリングの磁石により前記ハウジングとは非接触で軸方向に移動可能に浮遊しており、前記ギャップ内での血栓生成を防止すべく、前記ギャップに新鮮な血液を継続的に供給するように構成されている。

また、本発明に係るロータ・サスペンション構造は、埋込型の血液ポンプに用いられるロータ・サスペンション構造であって、非接触型のロータ、前記ロータに作用する外力を支えるべく、軸方向に作用する流体スラスト・ベアリング、前記流体スラスト・ベアリングにより規定されるギャップ、及び血栓生成を防止すべく前記ギャップを継続的に洗い流すために、前記流体スラスト・ベアリングに加圧された血液を供給するポンプを含んでいる。

本発明によれば、（１）ロータの軸方向の力を非接触で緩和すべく、十分な変位、及び血液の性質に影響されずに受動的に復元する剛性を有する軸方向のスラスト・ベアリング、（２）電子制御回路を必要としない、完全に受動的な非接触のロータ・サスペンション構造、及び（３）ＬＶＡＤの圧力差を求めるための、ロータの軸方向の位置を容易に測定する能力を提供することができる。

以下、本発明に係る血液ポンプ（軸流ターボポンプ）及びロータ・サスペンション構造の実施形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。なお、ここでは軸流ポンプを例に説明するが、ロータ・サスペンション構造は、遠心ターボポンプにも適用することができる。なお、遠心ターボポンプに関しては、前記した本願発明者（Goldowsky）による特許において説明されている。

図１は、軸流ターボポンプの主な構成要素を示す断面図である。ロータ（ポンプ・ロータ）１８は、螺旋状の羽根１１と、円形のベアリング２、各端（軸方向における各端）に設けられた磁気スラスト・ベアリング、磁石部材４，４´、薄板状のウインドウ部材１０，１０´、ブラシレスモータのアーマチュア磁石部材１３、及び各端においてロータ・ギャップを洗い流すための血流管路１４を有している。

血流管路１４は、ギャップを洗い流す流れを作り出すために、ロータ１８の軸方向中心に形成されているが、この考えは、本願発明者による米国特許第6,716,157号に記載されている。マグネット・アセンブリは、薄いチタニウム（例えば、厚さは０．０１０ｍｍ）又は血液適合性サファイアからなるウインドウ部材１０により密閉されている。ベアリング２は半径方向の血液ギャップ３により円筒状のハウジング１と離間しており、それらの組み合わせにより一般的な流体ベアリングが形成されている。ロータ１８の各端には、大きな軸方向の血液ギャップ５，５´が形成されている。ハウジング１の周囲には、ブラシレスモータの巻線１２が配設され、ロータ１８を回転させるべく整流している。

出口側ステータ８は、複数の固定された整流用の羽根９を有している。羽根９は、ハウジング１に取り付けられている。入口側ステータ１７は、流入口となる羽根１５によってハウジング１に取り付けられている。ステータ８，１７は、それぞれスラスト・ベアリングの磁石アセンブリ（磁石部材４，４´）を収納している。血流管路１４は、ロータ１８の中央（半径方向における中央）に、任意に形成されるが、スラスト・ベアリング４とスラスト・ベアリング４´とを同一直線上で互いに対応させる場合は、形成する方が好ましい。スラスト・ベアリング４，４´は、軸方向における双方向に作動すべく、ロータ１８の各端に配置されることが好ましい。しかし、ポンプの入口側に作用する圧力（出口側とは圧力差がある）を支えるために、スラスト・ベアリング４，４´をＬＶＡＤの入口側に設けることは必須である。

各端の磁石４，４´から放射される逆方向の磁界（軸方向における対称な部分）は、互いに反発力を生成する。バッキング領域の一例を、図２〜５に、ドットにて示す。なお、図２〜５では、一方のスラスト・ベアリングのみを示している（対応するスラスト・ベアリングは図示しない）。ロータ１８は、各端において、軸方向における反対方向（ステータから離間する方向）に反発される。このことにより、荷重下で、ロータ１８が軸方向における中央の位置で安定する。スラスト・ベアリングは、回転すべく軸方向に対称であり、この対象性に起因して渦電流損失はほとんど発生しない。

位置センサ１６は、ロータ１８の軸方向における位置を測定するために、ウインドウ部材１０を測定の対象とする。好ましい位置センサは、血液中で減衰しないように５〜１５ｍｈｚで作動する、小型の超音波探触子（例えば、直径は２ｍｍ）である。スラスト・ベアリングやモータから放射される漂遊磁界には影響されない。血液と接触する触子は、血液と適合するために、ダイヤモンドのようなコーティングを有する。

この位置センサ１６は、音波が反射するための平坦で硬いウインドウの表面を必要とする。作動中は、触子は断続的な音波（パルス）発生させ、ターゲット（ウインドウ部材１０）に反射されて戻ってきたパルスをモニタすることにより、ターゲットまでの距離を測定する。距離は、既知である血液中における音の速度に基づいて計算される。なお、音の速度は、血液の粘性及び組成の影響を受けない。位置センサ１６は血液中に漂流しないので、長期間安定する。したがって、血液ポンプの長期間の使用に適している。この小型超音波センサに関しては、本願発明者による米国特許第6,190,319号を参照されたい。

渦電流型、磁気型、及びキャパシタンス型のような、他の種類のセンサを用いることもできる。しかし、受光窓を有し、ターゲット部材を使用して測定するセンサが適している。位置センサ１６は、ロータ１８の位置を測定すべく、ターゲットが見える位置に配置される。なお、位置センサ１６は、ポンプの軸上の位置、又は軸上以外の位置に配置される。図１に示すポンプでは、ロータ１８の軸上に形成された血流管路１４は小径のセンサのターゲットとしては不適であるため、位置センサ１６はポンプの軸上以外の位置に配置されている。

血流管路１４は、内径が約１〜２ｍｍのチタンからなる。内径を選定することにより望む流速を設定することができる。血流管路１４は、血液と適合するために、チタンからなることが好ましい。血流管路１４は、直列に存在するロータ・ギャップ５とロータ・ギャップ５´を接続する。

ロータ・ギャップ５とロータ・ギャップ５´の圧力差は、例えば１００ｍｍｈｇである。血流管路１４を流れる新鮮な血液は、血栓を防止するために、両方のロータ・ギャップ５，５´を積極的に洗い流す。ロータ・ギャップ５，５´では、ある程度の遠心方向の圧力が発生するが、それらの圧力は同等であり反対方向に作用するので、それらの圧力は相殺される。ポンプでの圧力差は、ロータ・ギャップ５，５´を洗い流すための主な原動力である。このことは、本願発明者による米国特許第6,716,157号を参照されたい。

本発明における２つの主要な構成要素は、受動的に作用する磁気スラスト・ベアリングと、小型の流体ジャーナル・ベアリングである。このスラスト・ベアリングは、血液ポンプに適用される新規の技術である。

図１は、軸方向に帯磁した円筒状の磁石７を示している。磁石７は、望ましくは、ネオジム・鉄・ボロン、又はサマリウム・コバルトである。これらは、非常に高い強度と、対応する磁石（磁性は反対である）からの消磁力に対する抵抗力を有している。

鉄又は好ましい高サマリウム−バナジウムーパーメンジュールからなる円筒状（円筒有底状）のカップ状部材が、磁石７を取り囲んでいる。カップ状部材は、磁石７の磁束を保ち、漂遊磁界（アーマチュア磁石１８に影響を与える、又はアーマチュア磁石１８からの影響を受ける）を大幅に減少させる。なお、ポンプを小型化するには、ロータの長さを短くすべく、スラスト・ベアリングをモータ磁石にできるだけ近づけることが求められている。

図３は、同様に構成されたジオメトリー・スラスト・ベアリングおいて生じる軸方向のバッキング領域を示している（ドットにて示す）。図１に示すように、カップ状部材は、その外径が、磁束を強める（磁束密度を高める）ための薄い縁リング６によって終端処理されている。この磁束は、強い反発力（ギャップの流束密度に比例する）を生成する。

図２，図２−Ａは、普通の単体の磁石から放射される漂遊磁界を示している。軸方向に放射される磁界は弱く、その軸方向の磁力は、縁リングを使用したときと比べて弱い。縁リングは、ポンプの小型化に必要なベアリングの小型化に理想的に適している。

図３は、外側に設けられる第１の縁リングの他に、内側（中央付近）に第２の縁リングが設けられた場合のスラスト・ベアリング・ジオメトリーを示している。右端から磁界が放射され、対応するベアリングがその磁界と向かい合うとき、２つの磁界がバックし反発する。２つの磁界は近づくほど、軸方向へ作用する反発力が強くなる。この反発力は、機械式バネのように軸方向へ安定して作用する（剛性はネガティブである）。しかし、機械式バネとは異なり、一対のベアリングは、互いに半径方向に不安定である（剛性はポジティブである）。各スラスト・ベアリングでは、ロータは「キックアウト」しようとする。

磁束は、図３における縁側の空隙の方が、図１に示したスラスト・ベアリングにおける縁側の空隙よりも、高密度である。これは、内側に縁リングを設けた場合は、外側だけに縁リングを設けた場合よりも断面積が小さくなるので、同じ量の磁束なら磁束密度は高くなるからである。図３に示すベアリングは図１のよりも性能的に好ましいが、内側に余分の縁リングが必要となる。

流体ジャーナル・ベアリングは、スラスト・ベアリングの半径方向の不安定さを支持しやすくするために、半径方向にとても硬く設計されている。スラスト・ベアリングの軸方向の剛性を高めることは好ましいことではない。荷重下での軸方向の変位が非常に小さくなり、その変位の測定が困難になるためである。また、半径方向の不安定さ（剛性の）が高まり望ましくないからである。共振の理由は、ジャーナル・ベアリングとスラスト・ベアリングの剛性により制約される。

これらのスラスト・ベアリングは、軸方向の変位を大きくすることと、ギャップを洗い流すのを容易にするためにロータ・ギャップ５，５´を大きくすることを考慮して設計されている。ロータ・ギャップ５，５´を大きくすることにより、軸方向の剛性が比較的弱い場合でも、接触することなく、大きな衝撃荷重のエネルギーを吸収することができる。ロータ・ギャップは、例えば、その軸方向のの長さは０．３〜３ｍｍの範囲で、軸方向の剛性は２０〜２００ｌｂ／ｉｎの範囲で容易に調整される。

図１，図３，図５のベアリングにカップ状部材を使用すると、軸方向に、直線的な強力な磁力を出力することができる。軸方向における恒常的な剛性は、ロータを動的分析する上で望ましくない。また、直線的の力の変位特性は、圧力差トランスデューサによる測定を容易にする上で望ましくない。通常の一対の磁石（図２に一方の磁石を示す）は、非線形で指数的な磁力を有するので、望ましくない。また、その磁力は、同じ剛性及び荷重能力を持つ磁石よりも大きく、小型ポンプにとって不利であり、望ましくない漂遊磁界を有する。

また、図１，２，２−Ａ，３，３−Ａには、軸方向に帯磁している単体の磁石７を示したが、図４，４ａに示したベアリングの構造では、半径方向に帯磁した複数の磁石断片を使用している。半径方向に帯磁した磁石としては、希土類磁石を用いることができる（半径方向に帯磁したワンピースの磁石は入手しやすい）。薄い円形の鉄の縁リング６´´は、磁束を捕らえるべく、磁石７の外径及び内径に設けられる。中央の穴は（図１の流路１４のような）は、その中に血液を通す。この構造は、漏れ磁束が左端から放射され無駄になるので、磁気的には効果的では無い。しかし、これについては、より長い磁石を使用することにより補うことができる。

図５，５−Ａは、軸方向に帯磁した磁石を用いているという点では、図１と同様の構造である、しかし、磁束をシールドするための、完全な形状のカップ状部材を有していないという点で異なる。図５，５−Ａに示した、カップ状部材は、半径方向はシールドしていないので、磁石の外径の外側にそれた磁束は無駄になる。磁力を強めるべく、残りの磁束を集中させるために、内側の縁リング６´´´がさらに設けられている。外側又は内側の両方の縁リングは、反発力を助長する。内側の縁リングは、図３，３−Ａ，４，４−Ａ，５，５−Ａにおける軸方向の磁力を助長する。

次に、図１に示した流体ジャーナル・ベアリングについて説明する。このベアリング・アセンブリは、円形のジャーナル（ハウジング）１と、ジャーナル１内で軸方向に回転する円筒状のベアリング・スリーブ２からなる。それは、血液に浸されている半径方向のベアリング・ギャップ３により、ジャーナル１から離間している。ベアリングは、好ましくは、羽根１１の外側の周囲に位置する。それは、羽根１１のＯ．Ｄ．での血液ギャップを撤廃するためと、ハブ１内においてモータ磁石用のスペースを塞がないためである。

「ジャービク2000」のような従来の軸流ポンプにおける羽根ギャップは、それを流れる逆流の漏れを減らすため、又はポンプ効率の損失を減らすために、小さく（狭く）しなければならなかった。このことは小型ポンプ（特に子供用に設計されたポンプ）にとっては、最も重要なことであった。しかし、羽根ギャップが小さすぎると、剪断力が高くなるので、溶血が生じ、末端組織で引っかかる極小の塞栓を生成する。

本発明では前記羽根ギャップを撤廃した。羽根１１のＯ．Ｄ．は、ベアリング・スリーブ２のＩ．Ｄ．と結合している。又は、両者は一体に形成される。ギャップを無くすることにより、ポンプ・パワーを望ましく減少させつつ、ポンプの水力効率を大幅に向上させる。ハウジングのボアは、直線的で硬く、ジャーナルとしては理想的に適している。

ベアリング・ギャップ３は、溶血性の剪断応力を小さくするために、ポンプが回転作動するところでは、十分に大きく形成される。このことにより溶血を少なくすることができる。また、好ましい荷重容量及び半径方向の剛性を生成するために、ギャップは十分に小さくすべきである。パワー損失を低くするために、より大きいギャップが望ましい。これらの制約は本発明では満たされている。実際のギャップは、例えば7,000〜20,000ｒｐｍの軸流ポンプでは、約２ｍｍ以下である。流体ベアリングのギャップ、直径、全長は、インペラと回転数に対応して設定される。一方、遠心ターボポンプでは、通常、1,500〜3,000ｒｐｍよりはるかに低い回転数で作動するが、この場合が、必然的にギャップはより小さくなる。

ジャーナル・ベアリングを血液中で満足に作動させるためには、設計だけではなく、荷重容量が必要である。ギャップ内では停滞する領域を作らないように、血栓が形成されるのを防ぐ。加圧下でベアリングに新鮮な血液を供給し、ギャップを洗い流すことにより、血液が停滞し血栓が形成される領域を無くし、その結果。血液の凝固を防ぐことができるのは実験的に証明されている。図６，６−Ａは、その一端に圧力を発生させるネジポンプが結合される部材２０と、長さＬのベアリング部材１９からなるベアリングを示す。このベアリングについては、本願発明者による米国特許第5,924,975号の「流体血液ポンプ」、及び米国特許第6,436,027号の「流体血液ベアリング」が適している。なお、軸流ターボポンプでは回転数が非常に高いため、短いポンプ区間２０が必要である。

ネジポンプは、始点が複数ある狭いらせん状のネジ山からなる。血液はネジ溝を通って、粘性的にポンピングされる。ネジ溝は、ＬＶＡＤの出口の圧力を上回る圧力を発生するように設計されている（ＬＶＡＤの圧力は通常１２０ｍｍｈｇ）。ネジ山の深さは、スリーブ２を薄くするために、２、３ミル（ｍｉｌ）である。このネジポンプにより、ベアリングを継続的に通り、継続的に洗い流す流れが発生する。ネジポンプは好ましくはポンプの入口側（出口側よりも圧力が低い）に位置する。

ネジポンプは、血液をジャーナル・ベアリング・ギャップに向けて一方向にポンピングし、ジャーナル・ベアリング・ギャップの出口側を流出した血液は、ＬＶＡＤの血液と混合する。ＬＶＡＤの大部分の血液はギャップの流れと同じ方向に流れているので、２つの流れは逆流することなく合流する。ギャップの流れは、ＬＶＡＤの出口側に向かって流れ、停滞領域を無くする。このことにより、ジャーナル・ベアリング・ギャップの入口及び出口の両方における血栓の形成を防ぐ。ネジポンプの流れは、血液がベアリング内で加熱されないように、十分に大きくする。

ジャーナル・ベアリング・ギャップを洗い流すのに加圧ポンプを使用しない場合は、流体ベアリングは流体を各端に向けてポンピングするであろう。また、液体が供給されないと、ジャーナル・ベアリング・ギャップ内では流れが停滞、血液は凝固するであろう。流体ベアリングでは、従来流体を流すための流路が設けられていたが、それは血液用ではなかった。また、その流路は、ジャーナルの中央に設けられていた。前記流路は、流れを受動的に引き込んでいた。車のエンジンでは、流体は外部のオイルポンプによって加圧下で提供されていた。これは本発明に導入することも可能である。ＬＶＡＤから供給される新鮮な血液の大部分の流れ（出口側が高圧であることが好ましい）を、ジャーナルの流路に流すのに十分に大きな菅を使用することができる。

この菅２２を図７に示す。ジャーナルの流路部材２１は、すべての領域を洗い流すために、角方向に対称的な荷重容量を生成すべく、菅２２から供給される流体を３６０度に流出される。流路の下の矢印は、ベアリングの両端に向かって流出する流れの向きを表す。菅は、ハウジング１の壁に形成した穴によって代用することもできる。しかし、これは、その部分の壁を厚くしない限り、薄い壁にとっては実用的ではない。いずれにしても、中央の流路を使用することは、ベアリングの端部において加圧された流れを供給する一体化ポンプを使用する場合と比べると、好ましくない。ベアリングの有効な長さＬを短縮すると、中央の流路における荷重容量は減少するが、これは望ましくない。そのため、ベアリングの全長は長くする必要がある。流路は、流れが停滞する領域なりがちである。そのような停滞領域は、初期のベアリング不良により血液が凝固する可能性がある。

流体ベアリング１９（図６参照）の端部に位置するネジポンプのような一体化された小型化ポンプは、血液中で信頼して使用される（血液の損傷はわずかである）。これは、ベアリングを洗い流す上で、理想的な方法である。ポンプをベアリングの一端に配置することで、円筒状のベアリング部材１９の長さ（Ｌ）を最大化することができる。また、ネジがベアリングの中心に位置しても邪魔にならない。また、有効なベアリングの長さが最大化することにより、荷重容積も最大化する。このことにより、半径方向のギャップを大きくすることが可能となる。ギャップが大きくなると、血液に対する剪断応力が減少するので、溶血が少なくなる。一体化された流体ベアリング／ネジポンプ内での溶血特性は０．２ｍｇ／ｄｌであり、ターボポンプ内での溶血特性（５ｍｇ／ｄｌ）よりも、２５倍低いレベルである。

ギャップを、その一端から十分かつ確実に洗い流すためには高い圧力が必要である。ベアリング・ギャップを洗い流すのに加圧ポンプを使用しない場合は、ＬＶＡＤの圧力差（１００ｍｍｈｇ）のみにより液体を流さなければならない。その場合、流れはＬＶＡＤの入口側に向かって流れるであろう。この比較的低い圧力によりギャップを完全に洗い流すためには、ベアリングの内側における流体圧力を低く設定し、ポンピング効果を高める必要がある。それは、ベアリングの回転により生成される。さもなければ、ベアリング内で停滞領域が存在し、血液はベアリングの不良に起因して凝固するであろう。加圧ネジポンプの使用による十分な圧力と流れは、ベアリングと共に非接触で自動的に作用し、停滞領域の存在と血液の凝固を回避する。

また、ＬＶＡＤの圧力差だけにより、ベアリングを洗い流す場合は、他の望ましくない現象が生じる。ベアリング内でのギャップの流れはＬＶＡＤの入口側に向かうが、ＬＶＡＤの大部分の流れは出口側に向かう。そのため、ギャップの流れがジャーナル・ベアリングに入ったときは、流れが逆流するので、停滞領域と共に、流れの渦が形成される。これはベアリングの両端において起こり、血栓又は血液凝固の原因となる。また、血液が中央の流路に供給された場合は、ＬＶＡＤの入口側では、ギャップの流れはポンプの流れと反対の向きとなり、血栓又は血液凝固の原因となる。そのため、一方向だけに作用し、ＬＶＡＤの出口側に向けてベアリング・ギャップの流れを流すネジポンプは優れており、長期間の流体の信頼性（血栓又は血液凝固が生じないという信頼性）を提供する。

次に他の実施形態である、磁石を用いないスラスト・ベアリングについて、図８を参照しつつ説明する。このスラスト・ベアリングは、ポンプの圧力差による軸方向の荷重を一方向に支持するために設計された、流体静力学的なスラスト・ベアリングである。このスラスト・ベアリングは、好ましい安定した軸方向におけるネガティブな剛性を有し、流体スラスト・ベアリングよりも大きく変位する。ＬＶＡＤの圧力荷重下での軸方向の変位は、前記した好ましい超音波センサを使用して正確に測定される。ャーナル・ベアリングと、電子チップに冷却油又は水を伝達するために設計された流体スラスト・ベアリングは、本願発明者による米国特許第5,713,670号の「自己加圧ジャーナル・ベアリング・アセンブリ」において開示されている。

入口側のステータ１７（あるいは代わりとして出口側のステータ）には、１つ又は複数の溝の始点を有する固定された螺旋状のネジ２３（詳細を図８−Ａに拡大して表す）が取り付けられる。ネジ山２８のランド部は、長くてもよいし短くてもよい。ネジ溝２９は、平底で、角の丸みはよく洗い流すことができるような形状に形成されている。モータ・アーマチュアの磁石のスペースをあまり取らないように、ネジの直径は十分に小さく設定される（性能を補うためには長くすればよい）。代わりに、円筒状の流路１４の内側に、螺旋状のネジ山を形成してもよい。その場合は、丸針が使用される。また、ネジの軸部は、両端で支持されていてもよい。

ネジ２３はロータの回転軸上に位置する。ネジ２３と流路１４との間には、ギャップ２４が形成される。ギャップ２４は、流体ベアリング２の効力によりネジ２３とは決して接触しない。ロータの回転により血液は流れ、その圧力はネジの螺旋状の溝により増す。その結果、血液はＬＶＡＤの入口に向かって流れる。血液は、ＬＶＡＤの大部分の流れと共に、大きなギャップＧ２からネジに入る。このとき、ギャップＧ２では小さな圧力損失が生じるので、ＰＬでは、ロータの出口側の圧力と同じになる。この一連の流れは、矢印２６及び２６´で示すように、ギャップＧ２を洗い流す。鋭利な先端を有する整流部材２７は、半径方向の流れを合流させ、乱流を取り除き、流れを滑らかに流路１４に向かって導く。また、ロータがＬＶＡＤの入口側に向かってリフトオフできるように、ポンプの最初の始動時にはギャップＧ２は大きい。

ネジの先端は、部材２７の形状に応じて、よどみ点以外で非対称の流れをそらすために、中心を外れている。ＰＬはネジポンプ２３により増加する、ネジ２３の出口側のＰＨにおいて最大になる。ネジ２３の出口側から出た流れは、ギャップＧ１に入る。ギャップＧ１は、ギャップＧ２よりもかなり小さい。そのため、主要な流れはネジポンプ２３で抵抗する。それは、溶血しないように十分に大きい。ギャップＧ１は、その中で高圧の効力により、流体スラスト・ベアリングを形成する。そのスラスト・ベアリングの面積は、ロータハブの末端の面積（好ましくは、図示しているように、その両端が同じである）と同じである。

ギャップＧ１は、血液２６´を、圧力が低いＬＶＡＤの入口側に向けて排出する。ロータハブ領域において多重する圧力（ロータの表面Ｇ１に作用する平均圧力−表面Ｇ２に作用する圧力ＰＬ）が、スラスト・ベアリングのＬＶＡＤの出口側において作用する真の力である。この力が、ロータ（羽根を含む）に作用する全体の圧力差のバランスを取る。ネジポンプとスラスト・ベアリングの組み合わせによるこの独特のシステムは、スラスト・ベアリングの力が外部から加えられるロータの力と同等になるまで作用する流体フィードバックにより、ロータ・ギャップＧ１を自動的に調整する。この軸方向におけるロータの位置の自動的な調整は、ロータの効果面積を分割した圧力差を算出することにより、位置センサで測定される。

フィードバック・システムは、ロータのエラー位置をゼロにするために存在する。図９は、ネジポンプ２３の圧力Ｐ対流速Ｑの特性を示すグラフを示す。図９のグラフには２本の右下がりの直線（２本の直線は平行である）が示されている。上側の直線は、高回転時を示す。ネジポンプの流速Ｑが最大値（Ｑｍａｘ）のときは、圧力はゼロである。また、流速Ｑがゼロであるときは、最大は最大となる。通常の作用点である圧力Ｐにおける流量Ｑをドットで示す。また、そのときのギャップＧ１の大きさを下側の横軸に示す。Ｇ１がゼロのときは、流れは起きないことが分かる。また、Ｇ１が最大値のときは、圧力Ｐがゼロになることが分かる。なお、Ｇ２は常に大きい（たとえ、ベアリングがリフトオフし影響を与えないときでも）。

フィードバックは安定している。例えば、ロータに荷重与えられるべくＧ１が小さくなった場合は、Ｐは増加するので、その結果としてＧ１を増加させる。また、Ｇ１がとても大きくなった場合は、Ｐは減少するので（スラスト・ベアリングの力も減少する）、その結果としてＧ１を減少させる。平衡している場合は、Ｇ１は安定、もはや変化しない。これらのことは瞬時に起こり、一時的な圧力差の測定を可能にする。

圧力トランスデューサは、入口側における流入を回避すべく、その流入開始を測定する。圧力差の急上昇とその規模により、開始を特定する。入口側における流入を回避することは、脈流を安全に制御をするために重要である。ＬＶＡＤの一定の回転は、問題が少ない。脈流を提供することなく。流速は控え目に設定されるからである。

この圧力トランスデューサにより、ＬＶＡＤ（異なる周波数に設定される）で生成される脈動圧力に影響されること無く、患者の心臓の鼓動により発生する圧力を測定することができる。また、周期的な回転数の変化によって、事前に設定した基準値で心臓収縮と心臓拡張の圧力差を保つことにより、運動に応答する自動的な流速の制御の方法を提供することができる。これらの方法は本願発明者による米国特許第6,527,699号に記載されている。

ネジポンプは、ネジに沿って、流体（血液）をポンピングすることにより作動する。流体の流速の総計は、理論上は流体の粘度とは無関係である。しかし、流速の総計は、ネジ山を流れる層流のネジ山における損失（これは粘度に依存する）により減少する。層流の損失は、ネジ山のランド部を長く（広く）することによりとても小さくすることができるが、そうすると、望ましくない高い剪断応力が発生する。このことに対しては、ネジの全長を長くすることが有効である。オリフィス流れをつくるためには、ギャップ２４を大きくし、ネジ山のランド部を短くする。オリフィス流れは粘度に影響されない。そのため、スラスト・ベアリングの測定は、血の粘度（ヘマトクリット値により変わる）に影響されなく行うことができる。このことにより、長期間使用する上で、信頼できる。

ここに提案したスラスト・ベアリングの特性（圧力、変位）は、直線的である。ネジポンプの直線的な負荷曲線が圧力源として使用されるためである（Ｐ対Ｑのグラフは直線状である）。回転数は、どの曲線が効果的であるかを知るのに使用される。これにより、ロータの変位を測定するのに必要なリアルタイム情報が分かる。

遠心ポンプを圧力源として使用する場合は、ネジの変わりに、単純な図１に示すような流路１４が中央に形成される。その場合は、Ｐ対Ｑの曲線は非線形であり、回転数の二乗に比例して圧力は上昇する。遠心ポンプは、その特性曲線（が粘度に無関係であるので便利である曲線が右下がりの場合は）。遠心ポンプは、ギャップＧ１内でロータ上に複数の小さな羽根を提供することにより本発明に含まれる。これについては、本願発明者による米国特許第6,527,699に記載されている。

スラスト・ベアリングが反応する前に、軸方向に大きな衝突荷重が加えられる、又は荷重がスラスト・ベアリングの能力を越えたときは、ロータはステータの端部と一瞬とはいえ接触する。摩擦を小さくするために、又はダメージを避けるための高い硬度を得るには、その表面が血液と適合するダイヤモンドのような炭素でコーティングされたチタニウムを用いる。このようなコーティングは、安全性のため、図１の好ましい実施形態に適用される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく限りにおいて、種々の変形が可能である。

本発明に係る軸流ポンプの主な構成要素を示す縦断面図である。 普通の軸方向に帯磁している磁石を示す端面図である。 図２における２Ａ―２Ａ線断面図である。 内側の縁リングと、カップ状部材を有するスラスト・ベアリングの永久磁石を示す端面図である。 図３における３Ａ―３Ａ線断面図である。 半径方向に帯磁している磁石（又は磁石断片）を示す端面図である。 図４における４Ａ―４Ａ線断面図である。 縁リングと、不完全なカップ状部材を有するスラスト・ベアリングの永久磁石を示す端面図である。 図５における５Ａ―５Ａ線断面図である。 一端にネジポンプが一体化されたジャーナル・ベアリングを示す図である。 図６に示したジャーナル・ベアリングの端面図である。 流体ベアリングを示す縦断面図である。 一体化されたネジポンプを用いた非接触流体スラスト・ベアリングを有する軸流ポンプを示す縦断面図である。 図８に示したネジ（ネジポンプ）を示す拡大図である。 図８に示したネジポンプの圧力Ｐと流速Ｑの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ハウジング（ジャーナル）
２ ベアリング
３ 半径方向の血液ギャップ
４，４´ 磁石部材
５，５´ 軸方向の血液ギャップ
６ 縁リング
７ 磁石
８ 出口側ステータ
９ 羽根
１０，１０´ ウインドウ部材
１１ 羽根
１２ 巻線
１３ アーマチュア磁石部材
１４ 血流管路
１５ 羽根
１６ 位置センサ
１７ 入口側ステータ
１８ ロータ（ポンプ・ロータ）

Claims (18)

1. 埋込型の血液ポンプであって、
   回転軸を有するポンプ・ロータ、
   前記ポンプ・ロータに流入する液体の入口及び出口を規定する前記ポンプ・ロータのハウジング、
   前記ポンプ・ロータにより規定される前記ポンプ・ロータと前記ハウジングとの間のギャップ、及び
   前記ポンプ・ロータに作用する力を中和すべく、前記ギャップを横切るように軸方向に作動する磁気スラスト・ベアリングを含んでおり、
   前記ポンプ・ロータは回転可能であり、前記ハウジング内では前記磁気スラスト・ベアリングの磁石により前記ハウジングとは非接触で軸方向に移動可能に浮遊しており、
   前記ギャップ内での血栓生成を防止すべく、前記ギャップに新鮮な血液を継続的に供給するように構成したことを特徴とする血液ポンプ。
2. 前記ポンプ・ロータを半径方向に受動的に浮遊させる流体ベアリングをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
3. 前記磁気スラスト・ベアリングは永久反発磁石として作動することを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
4. 前記ポンプ・ロータの入口端及び出口端の近傍には、それぞれステータが設けられており、
   前記ポンプ・ロータの各端、及び前記ステータにおける前記ポンプ・ロータ側の端部には、前記ポンプ・ロータを前記ステータに対して反発させるための永久反発磁石が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の血液ポンプ。
5. 前記ポンプ・ロータの圧力差を測定すべく、前記ポンプ・ロータの軸方向の位置を検出する位置センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
6. 前記ポンプ・ロータは、加圧下で前記ギャップを洗い流すための流路を規定することを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
7. 前記ポンプ・ロータは、前記ギャップを洗い流すための軸方向の菅路を規定することを特徴とする請求項６に記載の血液ポンプ。
8. 前記ポンプ・ロータは、軸方向に帯磁しており磁場が前記ポンプ・ロータの各端で作用する単体の永久磁石を有していることを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
9. 前記磁気スラスト・ベアリングは、前記ポンプ・ロータの各端において、前記ポンプ・ロータの回転軸に対して概ね中心に位置する円板状のロータ側磁石と、前記ポンプ・ロータと離間して設けられ前記ステータに固定された円板状のステータ側磁石とを含んでおり、
   前記ロータ側磁石とステータ側磁石間との間は、さらなる血流ギャップとして機能することを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
10. 前記ポンプ・ロータを軸方向に安定させるための磁力発生コイルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
11. 前記磁力発生コイルは、前記ポンプ・ロータの入口端及び出口端の近傍にそれぞれ設けられたステータに配設されることを特徴とする請求項１０に記載の血液ポンプ。
12. 前記磁力発生コイルに流す電流を能動的に制御すべく、前記ポンプ・ロータの圧力差を前記位置センサによって測定することを特徴とする請求項５及び請求項１１に記載の血液ポンプ。
13. 埋込型の血液ポンプに用いられるロータ・サスペンション構造であって、
    非接触型のロータ、
    前記ロータに作用する外力を支えるべく、軸方向に作用する流体スラスト・ベアリング、
    前記流体スラスト・ベアリングにより規定されるギャップ、及び
    血栓生成を防止すべく前記ギャップを継続的に洗い流すために、前記流体スラスト・ベアリングに加圧された血液を供給するポンプを含んでいることを特徴とするロータ・サスペンション構造。
14. 軸方向における双方向に作動すべく、それぞれ軸方向における逆方向に作用する一対の流体スラスト・ベアリングを設けたことを特徴とする請求項１３に記載のロータ・サスペンション構造。
15. 前記ロータの軸方向における位置を自動的にフィードバック制御すべく、前記ギャップと流体的に直列に設けられたネジポンプ、及び前記ロータに作用する外力を測定するセンサをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のロータ・サスペンション構造。
16. 前記ロータの軸方向の位置を自動的にフィードバック制御すべく、前記ギャップと流体的に直列に設けられた遠心ポンプ、及び前記ロータに作用する外力を測定するセンサをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のロータ・サスペンション構造。
17. 前記ポンプは、前記ロータを半径方向に浮遊させるための磁気ベアリングをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のロータ・サスペンション構造。
18. 前記ポンプは、前記ロータを半径方向に浮遊させるための流体ベアリングをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のロータ・サスペンション構造。

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