JP2005013502A - 血液ポンプ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】「吸い付き現象」が起こっているか否かを適格に判断することができる血液ポンプ駆動装置を提供すること。
【解決手段】正方向切換過渡期における第1の時間T1における出力室25内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における出力室25内の圧力P2との差P1−P2が所定圧力以上であるか否かを判断することにより、血液ポンプ1が「吸い付き現象」を起こしているかいないかを判断する。
【選択図】 図3
【解決手段】正方向切換過渡期における第1の時間T1における出力室25内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における出力室25内の圧力P2との差P1−P2が所定圧力以上であるか否かを判断することにより、血液ポンプ1が「吸い付き現象」を起こしているかいないかを判断する。
【選択図】 図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、血液ポンプ駆動装置に関するものであり、特に、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしているか否かという状態判断を行う技術に係るものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から使用されている血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに連通する出力室が内部に形成されたアイソレータを具備し、出力室空間の容積を変動することによって該出力室空間の圧力を変動させ、この圧力変動を血液ポンプに付与することで、血液ポンプを駆動するようにしている。
【0003】
このような構成を有する血液ポンプ駆動装置において、出力室空間の容積変動を行うための駆動条件としては、血液ポンプの拍動数(1/min.)、%−systole(%)、陽圧(mmHg(Pa))、陰圧(mmHg(Pa))といった項目があり、これらを手動で設定し、設定した条件に基づいて駆動装置を駆動する場合がほとんどである(なお、「%−systole」とは、1回の拍動の中で拍出過程が占める割合のことをいう。)。しかし、このように駆動条件が固定されている場合は、患者の血圧変化によって血液ポンプの動きが変動する。例えば、陽圧を200mmHg(27kPa)に設定した場合において、血圧が150mmHg(20kPa)のときには+50mmHg(+7kPa)の圧力で血液ポンプに拍動圧がかかるが、血圧が100mmHg(13.5kPa)のときには+100mmHg(+13.5kPa)の圧力で血液ポンプに拍動圧がかかる。このような変動が大きくなると、過吸引状態(血液を吸引し過ぎる状態)や過拍出状態(血液を送出し過ぎる状態)が生じる。血液ポンプは一般的に血液ポンプダイヤフラムによって血液室と駆動室とに仕切られている構造であり、血液ポンプダイヤフラムが血液ポンプ内で変位することにより血液室内の血液に血流を生じさせるものであるので、上記のような過吸引状態や過拍出状態が起こると、血液ポンプダイヤフラムに過剰な張力が生じて耐久性が低下したり、血液ポンプダイヤフラムの移動ストロークが減少して血液の拍出量が低下するなどといった問題が生じる。このような問題の発生を防止するためには、血液ポンプダイヤフラムの動作や血液室内の血液量を自動的に把握し、その動作が血圧等の生体環境の変化に関わらず一定となるように駆動条件を自動制御する必要がある。
【0004】
特許文献1に記載の技術は、血液ポンプの流入ポートと流出ポートに電極を設け、両電極間の電気抵抗(インピーダンス)の変化によって血液室内の血液量を把握し、この血液量に基づいて血液ポンプダイヤフラムの位置を推定するものである。この手法を用いれば、電気抵抗がある値になったら拍出過程と吸引過程とを切替えるように制御することにより、血圧などの生体環境がどのような条件にある場合でも、常に血液ポンプダイヤフラムには所定の圧力がかかるようになり、生体環境の変化による不具合を解消することができる。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−266740号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
血液ポンプは、心房(又は心室)に縫い付けたカニューレ(血液ポンプと心臓とをつなぐチューブ)から血液を吸引する。その吸引量が心房(又は心室)の容積や血液量に対して過大であると、心房壁(又は心室壁)がカニューレの吸込み口に吸い寄せられ、血液の吸引を阻害する「吸い付き現象」が生じる。この「吸い付き現象」が生じると、心臓からの血液を血液ポンプに引き込む場合にうまく引き込むことができなくなる。このような「吸い付き現象」に気付かず、ただ単に血液ポンプダイヤフラムを所定の位置まで作動させて血液を血液ポンプ内に引き込もうとする制御を行った場合、次のような問題を生じる可能性がある。即ち、血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量を増加させるためには、血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動時間を増加させるか、若しくは引き込み力を強くする必要がある。引き込み移動時間を増加させるためには拍動数や%−systoleを低下する必要があり、また、引き込み力を強くさせるためには、駆動室に作用させる陰圧を高く設定する必要がある。ところが、実際に「吸い付き現象」が発生している場合には、上記の制御を行っても血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量が増加しないため、制御とその結果生じる現象との間に混乱を生じるという問題が発生する。また、このように「吸い付き現象」が発生しているにも関わらず上記のような制御を継続して行って血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量を増加させようとすると、血液室に血液が溜まらない状態が続いて血液拍出量がいつまでも低下したままになるという問題も発生する。
【0007】
ゆえに、本発明は、上記実情に鑑みて成されたものであり、「吸い付き現象」が起こっているか否かを適格に判断することができる血液ポンプ駆動装置を提供することを、技術的課題とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた請求項1の発明は、
血液ポンプに連通した出力室と、該出力室の容積を変動させる容積変動手段とを有し、前記出力室の容積変動に伴う圧力変動を血液ポンプに付与することによって血液ポンプを拍動させる血液ポンプ駆動装置において、
前記出力室空間内の容積が所定の周期で変動するように前記容積変動手段を制御する制御手段と、前記出力室空間内の圧力を検知する圧力検知手段と、前記出力室空間内の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における前記出力室内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を判断する状態判断手段とを具備することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置とすることである。
【0009】
一般的に、血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに連通する出力室が内部に形成されたアイソレータを具備し、出力室空間の容積を変動することによって該出力室空間の圧力を変動させ、この圧力変動を血液ポンプに付与することで、血液ポンプを駆動するようにしている。したがって、血液ポンプの拍動は、出力室の膨張及び収縮に連動して引き起こされる。この場合において、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常の状態と、「吸い付き現象」を起こしている異常の状態とでは、出力室空間の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における出力室内の圧力の変化において差異があることを、本発明者等は見出した。したがって、請求項1の発明のように、出力室空間内の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における出力室内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を判断する状態判断手段を備えた血液ポンプ駆動装置とすることにより、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかという判断を的確に行うことができる。
【0010】
なお、上記「過渡期」とは、請求項1の発明においては、「出力室の空間容積が通常の速度で膨張している状態から通常の速度で収縮している状態へと移り変わっていく途中の時期」という意味である。通常、出力室が膨張している状態から収縮している状態に移り変わる際には、まず、通常の膨張速度で膨張している状態から、膨張速度が減速され、やがて膨張速度が0となって停止する。次いで収縮が開始され、収縮速度が上昇し、最終的に通常の収縮速度となって収縮している状態に切り換わる。このような場合において、通常の膨張速度で膨張している状態から通常の収縮速度となって収縮している状態に移り変わるまでの間の状態、すなわち、膨張速度が減速している状態、膨張が停止した状態、収縮が開始して収縮速度が上昇している状態を、本発明における「過渡期」とする。
【0011】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇が開始するタイミングに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0012】
また、請求項3の発明は、請求項1の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇の大きさに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0013】
血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常の状態である場合には、血液ポンプの拍動は、出力室内の圧力の変動に連動して行われる。この場合において、出力室が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期になると、出力室の膨張速度が減速していく。ところが、血液ポンプは血流の慣性力に従って今までと同じように拍動しようとする。このため、血液ポンプの慣性作動が過渡期の初期において出力室の圧力上昇として現れ、過渡期の初期において出力室の圧力上昇が認められる。
【0014】
これに対し、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしている異常状態である場合には、血液ポンプダイヤフラムは「吸い付き現象」によって変位が制限されるため、血流も発生しにくく、血流による慣性力も得られにくい。従って、上記過渡期になって出力室の膨張速度が減少しても、血液ポンプの慣性作動による影響は現れにくく、過渡期初期において出力室の圧力上昇は低く抑えられる。
【0015】
従って、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしているかいないかによって、過渡期における出力室内の圧力上昇のタイミングや大きさが変化する。このような現象に基づき、請求項2の発明では、過渡期における圧力上昇のタイミングに基づいて、また請求項3の発明では、過渡期における圧力上昇の大きさに基づいて、血液ポンプの状態を判断し、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかという判断をより的確に行う。
【0016】
また、請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における第1の時間T1における前記出力室内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における前記出力室内の圧力P2との差に基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0017】
上記請求項3の発明によれば、過渡期において、第1の時間をT1、T1よりも後の第2の時間をT2としたときに、T1時点における出力室内の圧力P1とT2時点における出力室内の圧力P2との差を算出し、この差に基づいて血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態か、「吸い付き現象」を起こしている異常状態かを判断する。上述したように、「吸い付き現象」を起こしているかいないかによって、過渡期における出力室内の圧力の上昇タイミングや圧力上昇の大きさが変わるので、過渡期における所定時間間隔での圧力変化を見ることにより圧力の上昇タイミングや圧力上昇量が推定でき、これに基づいて的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0018】
また、請求項4の発明は、請求項3の発明において、
前記第1の時間T1は、前記過渡期における初期時に設定されてなることを特徴としている。上述したように、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期から圧力上昇が見られ、一方、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期に圧力上昇が低く抑えられる。従って、本発明のように、過渡期の初期時から圧力差を見るように時間間隔を設定することにより、過渡期初期の圧力変化を確実に察知でき、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。なお、上記「初期時」とは、「吸い付き現象」に伴う出力室の圧力上昇が認識できる程度のタイミングであれば良いが、好ましくは、過渡期に入ってから20ミリ秒以内である。この時期以内であれば、ほぼ確実に圧力上昇を察知できる。
【0019】
また、請求項5の発明は、請求項4において、
前記第1の時間T1と前記第2の時間T2の時間間隔は、10ミリ秒〜50ミリ秒であることを特徴としている。上記時間間隔とすることにより、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。時間間隔が10ミリ秒以下であると、「吸い付き現象」が起こっていない通常状態においても圧力上昇はわずかであり、「吸い付き現象」が起こっている異常状態との圧力の差が微小であるため、判断し難い。時間間隔が50ミリ秒以上であると、「吸い付き現象」が起こっている異常状態でも圧力上昇が顕著になり、「吸い付き現象」が起こっていない通常状態との圧力の差が微小となり、判断し難い。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図1〜図5を参照しつつ具体的に説明する。本実施例に係る血液ポンプ駆動装置は、手術室に設置される固定方式または運搬可能な可動方式であり、生体につながれ生体の心臓機能を果たす血液ポンプ1を駆動させるためのものである。図1に示すように、血液ポンプ1は、室10を有する容器11と、室10を血液室12と気体駆動室13とに仕切る血液給排部材として機能する血液ポンプダイヤフラム14とを有する。血液ポンプダイヤフラム14はゴムまたは樹脂などの可撓性材料を基材としており、血液室12及び気体駆動室13を室容積可変としている。気体駆動室13は気体としての空気又はヘリウムガスを収容する室である。血液室12は、血液を収容する室であり、血液を生体に供給するための拍出口15と、生体の血液を吸入するための吸入口16とを有する。血液室12は、逆流を抑える第1逆止弁15a及び拍出口15を経て生体側(例えば生体の大動脈側)に接続される。血液室12は、逆流を抑える第2逆止弁16a及び吸入口16を経て生体側(例えば生体の心房側)に接続される。
【0021】
本実施例に係る血液ポンプ駆動装置100は、図1に示すように、可動部材としてのアイソレータダイヤフラム24を有する気体給排部として機能するアイソレータ2と、アイソレータ2に対して駆動流体としての液体44を供給及び排出する機能を有する駆動部4と、本実施例に係る血液ポンプ駆動装置の作動を制御する制御部8とを備えている。
【0022】
図1に示すように、アイソレータ2は、中空室20を形成する中空室壁面21を有する容器22と、可動部材としてのアイソレータダイヤフラム24とを有する。容器22はほぼ一対の形状を有するお椀を互いに逆に結合した形状とされている。アイソレータダイヤフラム24は、容器22の中空室20を出力室25(気体室)と入力室26(駆動流体室)とに仕切るものであり、ゴムまたは樹脂などの可撓性材料を基材とする。このアイソレータダイヤフラム24がアイソレータ内で変位することにより、出力室25及び入力室26の容積が変動される。よって、アイソレータダイヤフラム24は、出力室25の容積を変動させる容積変動手段として機能する。出力室25は気体としての空気又はヘリウムガスが適量収容されている室であり、血液ポンプ1の気体駆動室13に第1通路27を介して連通している。
【0023】
図1に示すように、駆動部4は、ポンプ室40を有するポンプ41と、ポンプ41を図略の伝達機構を介して駆動させるモータ42と、液体44を収容するオイルリザーバ5とを有する。オイルリザーバ5は、収容室50を有する容器51と、可動部材としてのオイルリザーバダイヤフラム52とを有する。オイルリザーバダイヤフラム52はオイルリザーバ5の収容室50を気体室53及びオイル室54に容積可変に仕切る。オイルリザーバ5の気体室53には第4通路56を経て蓄圧部7が設けられている。蓄圧部7は圧力応答部としての蓄圧室70を有する。蓄圧室70及び気体室53に収容されている気体としては、空気が採用されている。
【0024】
ポンプ41のポンプ室40は、第2通路46を経てアイソレータ2の入力室26に連通すると共に、第3通路47を経てオイルリザーバ5のオイル室54に連通する。ポンプ室40、入力室26、オイル室54には、駆動流体として、非圧縮駆動流体である液体44が封入されている。液体44としてはシリコーンオイルが使用されている。
【0025】
図1に示すように、アイソレータ2の出力室25には第1中間通路30を経て第1開閉弁33がつながれている。蓄圧室70には第2中間通路31を経て第2開閉弁34がつながれている。第1開閉弁33及び第2開閉弁34は、常時閉じタイプであり、そのポートが必要時のみ開放される。第1開閉弁33のポート及び第2開閉弁34のポートは、外部雰囲気としての外気に連通している。第2開閉弁34を適宜開放させれば、蓄圧室70の圧力を調整することができる。
【0026】
アイソレータ2の出力室25には、出力室25の圧力を検知する圧力検知手段としての第1圧力センサ36が設けられている。アイソレータ2の入力室26には、入力室26の圧力を検出する第2圧力センサ37が設けられている。蓄圧室70には、蓄圧室70の圧力を検出する第3圧力センサ38が設けられている。制御部8は、第1圧力センサ36、第2圧力センサ37、第3圧力センサ38からの信号が信号線36c、37c、38cを経て入力される入力処理回路と、第1開閉弁33、第2開閉弁34に信号線33c、34cを経て制御信号を出力する出力処理回路と、RAM、ROMなどのメモリと、CPUとを有する。また、制御部8は、モータ42にも電気的接続されており、入力された情報に基づいて、出力室25内の容積が所定の周期で変動するようにアイソレータダイヤフラム24を変位制御させるべく、モータ42の駆動を制御する。
【0027】
さて駆動部4のモータ42が駆動すると、ポンプ41は往復作動する。ポンプ41が正方向に作動するとき、ポンプ室40の液体44が第2通路46を経てアイソレータ2の入力室26に供給される。この結果、アイソレータ2の入力室26の室容積が膨張すると共にアイソレータ2の出力室25の室容積が収縮するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向(血液拍出方向)に拍出作動する。これによりアイソレータ2の出力室25の気体が第1通路27を経て血液ポンプ1の気体駆動室13に供給され、血液ポンプ1の気体駆動室13の室容積が膨張すると共に、血液ポンプ1の血液室12の室容積が収縮するように、血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y1方向に拍出作動する。この結果、血液ポンプ1の血液室12の血液が拍出口15から生体側に供給される。このようにアイソレータ2のアイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向に拍出作動する場合には、ポンプ室40の液体44はアイソレータ2の入力室26に流入しているため、オイルリザーバ5のオイル室54の室容積が収縮し、オイルリザーバ5の気体室53の室容積が膨張するように、オイルリザーバ5のオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W1方向に作動する。この場合、オイルリザーバ2の気体室53の室容積が膨張するため、蓄圧室70の圧力が低下する。
【0028】
これに対してポンプ41が逆方向に作動するとき、ポンプ室40の液体44が第3通路47を経てオイルリザーバ5のオイル室54に供給されると共に、アイソレータ2の入力室26の液体44が第2通路46を経てポンプ室40に吸入される。この結果、アイソレータ2の入力室26の室容積が収縮すると共にアイソレータ2の出力室25の室容積が膨張するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X2方向(血液吸引方向)に吸引作動する。これにより血液ポンプ1の気体駆動室13の気体がアイソレータ2の出力室25に第1通路27を経て吸引され、血液ポンプ1の気体駆動室13の室容積が収縮すると共に、血液ポンプ1の血液室12の室容積が膨張するように、血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y2方向に吸引作動する。この結果、生体側の血液が血液ポンプ1の吸入口16から血液室12に吸入される。
【0029】
上記のように血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y2方向に吸引作動する場合には、前記したようにポンプ室40の液体44はオイルリザーバ5のオイル室54に流入しているため、オイルリザーバ5のオイル室54の室容積が膨張し、オイルリザーバ5の気体室53の室容積が収縮するように、オイルリザーバ5のオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W2方向(蓄圧方向)に作動する。この場合にはオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W2方向に作動しているため、蓄圧室70の圧力が高くなり、蓄圧室70は蓄圧作用を発揮する。
【0030】
即ち、アイソレータ2の出力室25の室容積が膨張すると共にアイソレータ2の入力室26の室容積が収縮するようにアイソレータダイヤフラム24が矢印X2方向(血液吸引方向)に吸引作動するとき、この蓄圧室70は蓄圧作用を奏する。また、アイソレータ2の出力室25の室容積が収縮すると共に入力室26の室容積が膨張するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向(血液拍出方向)に拍出作動するとき、蓄圧室70は蓄圧を放出してアイソレータダイヤフラム24の拍出作動をアシストする。血液を拍出させる場合には、血液の吸入に比較して負荷が大きいが、上記アシストにより血液の拍出を良好に行い得る。
【0031】
図2、図3は、上記構成の血液ポンプ駆動装置を駆動させた場合における、第1圧力センサ36で検知される出力室25内の圧力の経時的変化(圧力波形)と、ポンプ41を駆動させるモータ42の経時的出力(モータ出力)と、モータ42の回転方向を併記したグラフである。ここで、図2は「吸い付き現象」が起こっていない通常状態の場合のグラフ、図3は「吸い付き現象」が起こっている異常状態の場合のグラフである。また、出力室25内の圧力は左側の目盛りに、モータ42の出力は右側の目盛りに対応している。
【0032】
図2及び図3において、モータ42の回転方向が正転時に一定の出力で回転している状態(正方向定常状態)が所定時間継続すると、モータ42の回転方向を正転方向から逆転方向に切替えるための逆方向切換過渡期に入り、正方向回転のモータ出力を低下させる。これに伴いモータ42の正方向の回転速度も低下する。そして、出力が0になると、モータ42の回転が停止する。その後、モータ42の回転方向が逆転方向に切り換わり、その後徐々にモータ出力を増加させていく。出力増加に伴ってモータ42の逆方向への回転速度も増加し、やがてモータ出力が所定の値になったら逆方向切換過渡期が終了し、モータ42は逆方向に定出力で回転する。このような逆方向切換過渡期を経てモータ42が逆方向に一定の出力で回転すると、アイソレータ2の入力室26内のオイルがポンプ室41内に流れ込み、入力室26の容積が収縮するため、アイソレータダイヤフラム24が変位して出力室25の容積が膨張し、容積膨張に伴って出力室25の圧力が下降する。この下降した圧力が血液ポンプ1に作用し、血液ポンプ1が拍動(吸引)する。
【0033】
また、モータ42の回転が逆転時に定出力で回転している状態(逆方向定常状態)が所定時間継続すると、モータ42の回転方向を逆転方向から正転方向に切替えるための正方向切換過渡期に入り、逆方向回転の出力を低下させる。これに伴いモータ42の逆方向の回転速度も低下する。そして、モータ42の出力が0になると、モータ42が停止する。その後モータ42の回転方向が正方向に切り換わり、徐々に出力を増加させていく。出力増加に伴ってモータ42の正方向への回転速度も増加し、やがて出力が所定の値になったら正方向切換過渡期が終了し、モータ42は正方向に定出力で回転する。このような正方向切換過渡期を経てモータ42が正方向に一定の出力で回転すると、ポンプ室41からアイソレータ2の入力室26へとオイルが流れ込み、これにより入力室26内の容積が膨張する。このため出力室25の容積が収縮し、容積収縮に伴って出力室25の圧力が上昇する。この上昇した圧力が血液ポンプ1に作用し、血液ポンプ1が血液を拍動(拍出)する。
【0034】
図2に示す通常状態では、正方向切換過渡期に入ると、モータ42の逆方向回転の出力が減少し、これに伴ってモータ42の逆方向への回転速度も減少していくが、出力が0になるまでは逆方向に回転しているため、アイソレータダイヤフラム24は図1のX2方向に移動し、出力室25の容積が膨張する(ただし容積膨張速度は減少する)。しかしながら、このとき出力室25内では、その容積が膨張しているにも関わらず圧力も増加傾向にある(図2参照)。これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、モータ42の出力減少に伴ってアイソレータダイヤフラム24の変位速度(出力室25の容積膨張速度)が減少しているにも関わらず、血液ポンプダイヤフラム14は血液室10内の血流の慣性力によって移動しているため、血液ポンプ1は血流の慣性力に従って今までと同じように拍動しようとする。このため、アイソレータダイヤフラム24の変位により増加された容積を賄う分よりも多くの気体が血液ポンプ1の駆動室13から送り込まれてくるため、血液ポンプ1の慣性作動が過渡期の初期において出力室の圧力上昇として現れ、圧力上昇が認められるのである。
【0035】
これに対し、図3に示す吸い付き現象が発生している状態では、正方向切換過渡期に入っても、その直後から出力室内の圧力が増加する現象は見られず、しばらく経ってから圧力上昇が始まる。これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、吸い付き減少が生じている場合には、その吸い付きによって血液ポンプダイヤフラム14の移動が阻害されてしまうため、血液室10内の血流が滞り、血流によって得られる慣性力は発生しにくい状態となる。従って、正方向切換過渡期になってアイソレータダイヤフラムの変位速度(出力室25の容積膨張速度)が減少しても、血液ポンプ1の慣性作動による影響は現れにくく、よって、正方向切換過渡期の初期段階において出力室25の圧力上昇は認められにくいものである。そして、実際にモータ42の回転が逆転して出力室25が収縮しだしてから圧力上昇が顕著に認められるようになる。即ち、通常状態の場合と比べ、圧力上昇のタイミングが遅延するか、または圧力上昇が小さい。
【0036】
つまり、「吸い付き現象」が生じていない通常の場合には、血液ポンプダイヤフラム14は良好に血液ポンプ1内を往復変位し、変位によって血流が生じることによる慣性力が発生するのに対し、「吸い付き現象」が生じている異常の場合には、血液ポンプダイヤフラム14が吸い付きによって変位を阻害され、血流が滞るために慣性力が得られにくい。したがって、この慣性力が発生しているかいないか、または慣性力が十分発生しているか、十分発生していないかを、正方向切換過渡期の出力室内の圧力変化から察知し、それに基づいて血液ポンプ1が吸い付き現象を起こしていない通常の状態か、吸い付き現象を起こしている異常の状態かを判断することができる。
【0037】
図3のような圧力上昇タイミングの遅延が認められる場合に「吸い付き現象」が起こっていると判断する方法には、様々な手段があるが、以下、正方向切換過渡期における出力室内の圧力を経時的に測定し、所定時間間隔内での圧力差に基づき「吸い付き現象」が発生しているか否かを判断する手法について説明する。
【0038】
図4は、血液ポンプが「吸い付き現象」が起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかを判断するための判断手段として機能する状態判断制御を示したフローチャートである。この制御は、本例では制御手段としての制御部8内のCPUにより行われる。図5は、図4に示す制御により記憶される圧力PIA1、PIA2を出力室25の圧力変化と共にグラフ上に示したものである。
【0039】
まず、ステップS101で、現在の過程が吸引過程であるか否かを判断する。なお、本例では、吸引過程とは、図2や図3において、モータ42の回転方向が逆転方向で回転している状態と同じである。
【0040】
ステップS101で現在の過程が吸引過程ではなく、拍出過程(モータ42の回転方向が正方向で回転している状態)であると判断された場合には、再びステップS101に戻る。ステップS101にて現在の過程が吸引過程であると判断された場合には、ステップS102に進む。
【0041】
ステップS102では、モータ42の出力が低下されているか否かを判断する。本例においては、所定時間吸引過程(モータが逆回転で一定出力で回転している過程)を継続した後、自動的にモータ42の出力を低下するように予めプログラミングされている。したがって、上記所定時間経過前であれば、未だ出力は低下されていないことになり、一方、所定時間経過後であれば、出力が低下される。
【0042】
ステップS102においてモータの出力が低下されていないと判断された場合には、再びステップS102に戻る。一方、モータの出力が低下されていると判断された場合には、正方向切換過渡期に入ったと判断し、ステップS103に進む。
【0043】
ステップS103では、第1圧力センサー36で検知している出力室25内のそのときの圧力をPIA1として記憶する(図5参照)。なお、圧力PIA1は、正方向切換過渡期に入った直後(正方向切換過渡期の初期時)の出力室25内の圧力を表す。その後、ステップS104に進む。
【0044】
ステップS104では、タイマーTのカウントを開始する。そして、ステップS105に進む。
【0045】
ステップS105では、ステップS104でカウントされたタイマーTが所定の微小時間dTに達しているか否かが判断される。達していないと判断された場合には、再びステップS105に戻る。達していると判断された場合には、ステップS106に進む。なおこの微小時間dTについては、様々な値を設定することができるが、例えば、本例では、30ミリ秒としている。
【0046】
ステップS106では、第1圧力センサー36で検知している出力室25内のそのときの圧力をPIA2として記憶する(図5参照)。なお、圧力PIA2は、正方向切換過渡期に入って所定の微小時間dT経過後の出力室25内の圧力を表す。その後、ステップS107に進む。
【0047】
ステップS107では、正方向切換過渡期に入った直後の出力室内の圧力であるPIA1と、正方向切換過渡期に入った後所定の微小時間dT経過後の出力室内の圧力であるPIA2との差dPを算出する。次いで、ステップS108に進む。
【0048】
ステップS108では、ステップS107で算出した圧力差dPが規定の圧力差dPsetよりも大きいか否かを判断する。大きくないと判断された場合には、「吸い付き現象」が起こっていないと判断し、ステップS101に戻る。一方、大きいと判断された場合には、「吸い付き現象」が起こっていると判断し、ステップS109に進む。なお、dP0は、使用する血液ポンプや生体状況に応じて様々な値を設定することができるが、本例では、例えば5mmHg(0.65kPa)を設定することができる。
【0049】
ステップS109では、「吸い付き現象」の回避策を施す。「吸い付き現象」の回避策としては、様々な手法があるが、本例では、血液ポンプ1を一拍動だけ休止するような制御を施す。拍動を一回休止することにより、血液ポンプ1によって心臓内から血液が吸引されるのを一回休止することができ、この間に心臓内に血液が補充されるため、次回の拍動では「吸い付き現象」の発生を防止することができるものである。
【0050】
ステップS109による回避策を施した後は、ステップS101に戻る。
【0051】
以上のような制御によって、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかを的確に判断し、異常状態である場合には、回避策を施して、通常の状態に戻すものである。
【0052】
以上のように、本例の血液ポンプ駆動装置100は、血液ポンプ1の駆動室13に連通した出力室25と、出力室25の容積を変動させる容積変動手段であるアイソレータダイヤフラム24とを有し、出力室25の容積変動に伴う圧力変動を血液ポンプに付与することによって血液ポンプを拍動させるものである。そして、本例の血液ポンプ駆動装置100は、さらに、モータ42を駆動制御することによって出力室25の空間内の容積が所定の周期で変動するようにアイソレータダイヤフラム24を制御する制御手段としての制御部8と、出力室25の空間内の圧力を検知する圧力検知手段としての第1圧力センサー36とを有するとともに、出力室25の空間容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期(正方向切換過渡期)における出力室25内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を「吸い付き現象」が起こっていない通常状態であるか、「吸い付き現象」が起こっている異常状態であるかを判断する状態判断制御を制御部8に付加してなる。したがって、斯かる状態判断制御によって、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き現象」を起こしている異常状態であるかという判断を的確に行うことができる。
【0053】
また、本例における状態判断制御は、正方向切換過渡期における第1の時間T1における出力室25内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における出力室25内の圧力P2との差P1−P2に基づいて血液ポンプの状態を判断するため、比較的簡便な状態判断制御プログラムによって、的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0054】
また、第1の時間T1は、正方向切換過渡期における初期時に設定している。「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期から圧力上昇が見られ、一方、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期に圧力上昇は見られないため、過渡期の初期時から圧力差を見るように時間間隔を設定することにより過渡期初期の圧力変化を確実に察知でき、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0055】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施の形態においては、状態判断制御を、正方向切換過渡期における所定時間間隔T1〜T2での圧力の変化を見るようにしているが、圧力上昇タイミングの遅延という現象から考えれば、その他にも、例えば正方向切換過渡期の初期段階での圧力値から所定の圧力だけ上昇するまでの時間を計測し、その時間によって状態を判断するものでも良い(その時間が所定時間よりも短ければ通常状態と判断し、長ければ異常状態と判断できる)し、また、所定時間経過時の圧力上昇の勾配(dP/dT)を見て判断することも可能である。また、本例において、アイソレータダイヤフラム24は、制御部8からの指令によってモータ42が回転し、オイルポンプが作動してオイルを入力室26に流出入させることにより変位するようにしているが、その他、正圧源及び負圧源を入力室26に連通し、両者を排他的に入力室26に連通するようにしてアイソレータダイヤフラム24を変位するようにしても良い。このように、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能であり、それらも本発明に包含されるものである。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、「吸い付き現象」が起こっているか否かを適格に判断することができる血液ポンプ駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態例における血液ポンプ駆動装置の構成概略図である。
【図2】吸い付き現象を起こしていない通常の状態における、出力室内の圧力波形、モータ出力、モータ回転方向を併記したグラフである。
【図3】吸い付き現象を起こしている異常の状態における、出力室内の圧力波形、モータ出力、モータ回転方向を併記したグラフである。
【図4】吸い付き状態を起こしているかいないかを判断する状態判断制御フローチャートである。
【図5】図4の制御フローチャートにかかる圧力測定点を示したグラフである。
【符号の説明】
1:血液ポンプ
10:血液室、 13:駆動室
2:アイソレータ(容積変動手段)
25:出力室、 26:入力室
4:駆動部
40:ポンプ室、 41:ポンプ、 42:モータ
5:オイルリザーバ
8:制御部(制御手段)
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、血液ポンプ駆動装置に関するものであり、特に、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしているか否かという状態判断を行う技術に係るものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から使用されている血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに連通する出力室が内部に形成されたアイソレータを具備し、出力室空間の容積を変動することによって該出力室空間の圧力を変動させ、この圧力変動を血液ポンプに付与することで、血液ポンプを駆動するようにしている。
【0003】
このような構成を有する血液ポンプ駆動装置において、出力室空間の容積変動を行うための駆動条件としては、血液ポンプの拍動数(1/min.)、%−systole(%)、陽圧(mmHg(Pa))、陰圧(mmHg(Pa))といった項目があり、これらを手動で設定し、設定した条件に基づいて駆動装置を駆動する場合がほとんどである(なお、「%−systole」とは、1回の拍動の中で拍出過程が占める割合のことをいう。)。しかし、このように駆動条件が固定されている場合は、患者の血圧変化によって血液ポンプの動きが変動する。例えば、陽圧を200mmHg(27kPa)に設定した場合において、血圧が150mmHg(20kPa)のときには+50mmHg(+7kPa)の圧力で血液ポンプに拍動圧がかかるが、血圧が100mmHg(13.5kPa)のときには+100mmHg(+13.5kPa)の圧力で血液ポンプに拍動圧がかかる。このような変動が大きくなると、過吸引状態(血液を吸引し過ぎる状態)や過拍出状態(血液を送出し過ぎる状態)が生じる。血液ポンプは一般的に血液ポンプダイヤフラムによって血液室と駆動室とに仕切られている構造であり、血液ポンプダイヤフラムが血液ポンプ内で変位することにより血液室内の血液に血流を生じさせるものであるので、上記のような過吸引状態や過拍出状態が起こると、血液ポンプダイヤフラムに過剰な張力が生じて耐久性が低下したり、血液ポンプダイヤフラムの移動ストロークが減少して血液の拍出量が低下するなどといった問題が生じる。このような問題の発生を防止するためには、血液ポンプダイヤフラムの動作や血液室内の血液量を自動的に把握し、その動作が血圧等の生体環境の変化に関わらず一定となるように駆動条件を自動制御する必要がある。
【0004】
特許文献1に記載の技術は、血液ポンプの流入ポートと流出ポートに電極を設け、両電極間の電気抵抗(インピーダンス)の変化によって血液室内の血液量を把握し、この血液量に基づいて血液ポンプダイヤフラムの位置を推定するものである。この手法を用いれば、電気抵抗がある値になったら拍出過程と吸引過程とを切替えるように制御することにより、血圧などの生体環境がどのような条件にある場合でも、常に血液ポンプダイヤフラムには所定の圧力がかかるようになり、生体環境の変化による不具合を解消することができる。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−266740号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
血液ポンプは、心房(又は心室)に縫い付けたカニューレ(血液ポンプと心臓とをつなぐチューブ)から血液を吸引する。その吸引量が心房(又は心室)の容積や血液量に対して過大であると、心房壁(又は心室壁)がカニューレの吸込み口に吸い寄せられ、血液の吸引を阻害する「吸い付き現象」が生じる。この「吸い付き現象」が生じると、心臓からの血液を血液ポンプに引き込む場合にうまく引き込むことができなくなる。このような「吸い付き現象」に気付かず、ただ単に血液ポンプダイヤフラムを所定の位置まで作動させて血液を血液ポンプ内に引き込もうとする制御を行った場合、次のような問題を生じる可能性がある。即ち、血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量を増加させるためには、血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動時間を増加させるか、若しくは引き込み力を強くする必要がある。引き込み移動時間を増加させるためには拍動数や%−systoleを低下する必要があり、また、引き込み力を強くさせるためには、駆動室に作用させる陰圧を高く設定する必要がある。ところが、実際に「吸い付き現象」が発生している場合には、上記の制御を行っても血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量が増加しないため、制御とその結果生じる現象との間に混乱を生じるという問題が発生する。また、このように「吸い付き現象」が発生しているにも関わらず上記のような制御を継続して行って血液ポンプダイヤフラムの引き込み移動量を増加させようとすると、血液室に血液が溜まらない状態が続いて血液拍出量がいつまでも低下したままになるという問題も発生する。
【0007】
ゆえに、本発明は、上記実情に鑑みて成されたものであり、「吸い付き現象」が起こっているか否かを適格に判断することができる血液ポンプ駆動装置を提供することを、技術的課題とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた請求項1の発明は、
血液ポンプに連通した出力室と、該出力室の容積を変動させる容積変動手段とを有し、前記出力室の容積変動に伴う圧力変動を血液ポンプに付与することによって血液ポンプを拍動させる血液ポンプ駆動装置において、
前記出力室空間内の容積が所定の周期で変動するように前記容積変動手段を制御する制御手段と、前記出力室空間内の圧力を検知する圧力検知手段と、前記出力室空間内の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における前記出力室内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を判断する状態判断手段とを具備することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置とすることである。
【0009】
一般的に、血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに連通する出力室が内部に形成されたアイソレータを具備し、出力室空間の容積を変動することによって該出力室空間の圧力を変動させ、この圧力変動を血液ポンプに付与することで、血液ポンプを駆動するようにしている。したがって、血液ポンプの拍動は、出力室の膨張及び収縮に連動して引き起こされる。この場合において、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常の状態と、「吸い付き現象」を起こしている異常の状態とでは、出力室空間の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における出力室内の圧力の変化において差異があることを、本発明者等は見出した。したがって、請求項1の発明のように、出力室空間内の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における出力室内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を判断する状態判断手段を備えた血液ポンプ駆動装置とすることにより、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかという判断を的確に行うことができる。
【0010】
なお、上記「過渡期」とは、請求項1の発明においては、「出力室の空間容積が通常の速度で膨張している状態から通常の速度で収縮している状態へと移り変わっていく途中の時期」という意味である。通常、出力室が膨張している状態から収縮している状態に移り変わる際には、まず、通常の膨張速度で膨張している状態から、膨張速度が減速され、やがて膨張速度が0となって停止する。次いで収縮が開始され、収縮速度が上昇し、最終的に通常の収縮速度となって収縮している状態に切り換わる。このような場合において、通常の膨張速度で膨張している状態から通常の収縮速度となって収縮している状態に移り変わるまでの間の状態、すなわち、膨張速度が減速している状態、膨張が停止した状態、収縮が開始して収縮速度が上昇している状態を、本発明における「過渡期」とする。
【0011】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇が開始するタイミングに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0012】
また、請求項3の発明は、請求項1の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇の大きさに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0013】
血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常の状態である場合には、血液ポンプの拍動は、出力室内の圧力の変動に連動して行われる。この場合において、出力室が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期になると、出力室の膨張速度が減速していく。ところが、血液ポンプは血流の慣性力に従って今までと同じように拍動しようとする。このため、血液ポンプの慣性作動が過渡期の初期において出力室の圧力上昇として現れ、過渡期の初期において出力室の圧力上昇が認められる。
【0014】
これに対し、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしている異常状態である場合には、血液ポンプダイヤフラムは「吸い付き現象」によって変位が制限されるため、血流も発生しにくく、血流による慣性力も得られにくい。従って、上記過渡期になって出力室の膨張速度が減少しても、血液ポンプの慣性作動による影響は現れにくく、過渡期初期において出力室の圧力上昇は低く抑えられる。
【0015】
従って、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしているかいないかによって、過渡期における出力室内の圧力上昇のタイミングや大きさが変化する。このような現象に基づき、請求項2の発明では、過渡期における圧力上昇のタイミングに基づいて、また請求項3の発明では、過渡期における圧力上昇の大きさに基づいて、血液ポンプの状態を判断し、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかという判断をより的確に行う。
【0016】
また、請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における第1の時間T1における前記出力室内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における前記出力室内の圧力P2との差に基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴としている。
【0017】
上記請求項3の発明によれば、過渡期において、第1の時間をT1、T1よりも後の第2の時間をT2としたときに、T1時点における出力室内の圧力P1とT2時点における出力室内の圧力P2との差を算出し、この差に基づいて血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態か、「吸い付き現象」を起こしている異常状態かを判断する。上述したように、「吸い付き現象」を起こしているかいないかによって、過渡期における出力室内の圧力の上昇タイミングや圧力上昇の大きさが変わるので、過渡期における所定時間間隔での圧力変化を見ることにより圧力の上昇タイミングや圧力上昇量が推定でき、これに基づいて的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0018】
また、請求項4の発明は、請求項3の発明において、
前記第1の時間T1は、前記過渡期における初期時に設定されてなることを特徴としている。上述したように、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期から圧力上昇が見られ、一方、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期に圧力上昇が低く抑えられる。従って、本発明のように、過渡期の初期時から圧力差を見るように時間間隔を設定することにより、過渡期初期の圧力変化を確実に察知でき、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。なお、上記「初期時」とは、「吸い付き現象」に伴う出力室の圧力上昇が認識できる程度のタイミングであれば良いが、好ましくは、過渡期に入ってから20ミリ秒以内である。この時期以内であれば、ほぼ確実に圧力上昇を察知できる。
【0019】
また、請求項5の発明は、請求項4において、
前記第1の時間T1と前記第2の時間T2の時間間隔は、10ミリ秒〜50ミリ秒であることを特徴としている。上記時間間隔とすることにより、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。時間間隔が10ミリ秒以下であると、「吸い付き現象」が起こっていない通常状態においても圧力上昇はわずかであり、「吸い付き現象」が起こっている異常状態との圧力の差が微小であるため、判断し難い。時間間隔が50ミリ秒以上であると、「吸い付き現象」が起こっている異常状態でも圧力上昇が顕著になり、「吸い付き現象」が起こっていない通常状態との圧力の差が微小となり、判断し難い。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図1〜図5を参照しつつ具体的に説明する。本実施例に係る血液ポンプ駆動装置は、手術室に設置される固定方式または運搬可能な可動方式であり、生体につながれ生体の心臓機能を果たす血液ポンプ1を駆動させるためのものである。図1に示すように、血液ポンプ1は、室10を有する容器11と、室10を血液室12と気体駆動室13とに仕切る血液給排部材として機能する血液ポンプダイヤフラム14とを有する。血液ポンプダイヤフラム14はゴムまたは樹脂などの可撓性材料を基材としており、血液室12及び気体駆動室13を室容積可変としている。気体駆動室13は気体としての空気又はヘリウムガスを収容する室である。血液室12は、血液を収容する室であり、血液を生体に供給するための拍出口15と、生体の血液を吸入するための吸入口16とを有する。血液室12は、逆流を抑える第1逆止弁15a及び拍出口15を経て生体側(例えば生体の大動脈側)に接続される。血液室12は、逆流を抑える第2逆止弁16a及び吸入口16を経て生体側(例えば生体の心房側)に接続される。
【0021】
本実施例に係る血液ポンプ駆動装置100は、図1に示すように、可動部材としてのアイソレータダイヤフラム24を有する気体給排部として機能するアイソレータ2と、アイソレータ2に対して駆動流体としての液体44を供給及び排出する機能を有する駆動部4と、本実施例に係る血液ポンプ駆動装置の作動を制御する制御部8とを備えている。
【0022】
図1に示すように、アイソレータ2は、中空室20を形成する中空室壁面21を有する容器22と、可動部材としてのアイソレータダイヤフラム24とを有する。容器22はほぼ一対の形状を有するお椀を互いに逆に結合した形状とされている。アイソレータダイヤフラム24は、容器22の中空室20を出力室25(気体室)と入力室26(駆動流体室)とに仕切るものであり、ゴムまたは樹脂などの可撓性材料を基材とする。このアイソレータダイヤフラム24がアイソレータ内で変位することにより、出力室25及び入力室26の容積が変動される。よって、アイソレータダイヤフラム24は、出力室25の容積を変動させる容積変動手段として機能する。出力室25は気体としての空気又はヘリウムガスが適量収容されている室であり、血液ポンプ1の気体駆動室13に第1通路27を介して連通している。
【0023】
図1に示すように、駆動部4は、ポンプ室40を有するポンプ41と、ポンプ41を図略の伝達機構を介して駆動させるモータ42と、液体44を収容するオイルリザーバ5とを有する。オイルリザーバ5は、収容室50を有する容器51と、可動部材としてのオイルリザーバダイヤフラム52とを有する。オイルリザーバダイヤフラム52はオイルリザーバ5の収容室50を気体室53及びオイル室54に容積可変に仕切る。オイルリザーバ5の気体室53には第4通路56を経て蓄圧部7が設けられている。蓄圧部7は圧力応答部としての蓄圧室70を有する。蓄圧室70及び気体室53に収容されている気体としては、空気が採用されている。
【0024】
ポンプ41のポンプ室40は、第2通路46を経てアイソレータ2の入力室26に連通すると共に、第3通路47を経てオイルリザーバ5のオイル室54に連通する。ポンプ室40、入力室26、オイル室54には、駆動流体として、非圧縮駆動流体である液体44が封入されている。液体44としてはシリコーンオイルが使用されている。
【0025】
図1に示すように、アイソレータ2の出力室25には第1中間通路30を経て第1開閉弁33がつながれている。蓄圧室70には第2中間通路31を経て第2開閉弁34がつながれている。第1開閉弁33及び第2開閉弁34は、常時閉じタイプであり、そのポートが必要時のみ開放される。第1開閉弁33のポート及び第2開閉弁34のポートは、外部雰囲気としての外気に連通している。第2開閉弁34を適宜開放させれば、蓄圧室70の圧力を調整することができる。
【0026】
アイソレータ2の出力室25には、出力室25の圧力を検知する圧力検知手段としての第1圧力センサ36が設けられている。アイソレータ2の入力室26には、入力室26の圧力を検出する第2圧力センサ37が設けられている。蓄圧室70には、蓄圧室70の圧力を検出する第3圧力センサ38が設けられている。制御部8は、第1圧力センサ36、第2圧力センサ37、第3圧力センサ38からの信号が信号線36c、37c、38cを経て入力される入力処理回路と、第1開閉弁33、第2開閉弁34に信号線33c、34cを経て制御信号を出力する出力処理回路と、RAM、ROMなどのメモリと、CPUとを有する。また、制御部8は、モータ42にも電気的接続されており、入力された情報に基づいて、出力室25内の容積が所定の周期で変動するようにアイソレータダイヤフラム24を変位制御させるべく、モータ42の駆動を制御する。
【0027】
さて駆動部4のモータ42が駆動すると、ポンプ41は往復作動する。ポンプ41が正方向に作動するとき、ポンプ室40の液体44が第2通路46を経てアイソレータ2の入力室26に供給される。この結果、アイソレータ2の入力室26の室容積が膨張すると共にアイソレータ2の出力室25の室容積が収縮するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向(血液拍出方向)に拍出作動する。これによりアイソレータ2の出力室25の気体が第1通路27を経て血液ポンプ1の気体駆動室13に供給され、血液ポンプ1の気体駆動室13の室容積が膨張すると共に、血液ポンプ1の血液室12の室容積が収縮するように、血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y1方向に拍出作動する。この結果、血液ポンプ1の血液室12の血液が拍出口15から生体側に供給される。このようにアイソレータ2のアイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向に拍出作動する場合には、ポンプ室40の液体44はアイソレータ2の入力室26に流入しているため、オイルリザーバ5のオイル室54の室容積が収縮し、オイルリザーバ5の気体室53の室容積が膨張するように、オイルリザーバ5のオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W1方向に作動する。この場合、オイルリザーバ2の気体室53の室容積が膨張するため、蓄圧室70の圧力が低下する。
【0028】
これに対してポンプ41が逆方向に作動するとき、ポンプ室40の液体44が第3通路47を経てオイルリザーバ5のオイル室54に供給されると共に、アイソレータ2の入力室26の液体44が第2通路46を経てポンプ室40に吸入される。この結果、アイソレータ2の入力室26の室容積が収縮すると共にアイソレータ2の出力室25の室容積が膨張するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X2方向(血液吸引方向)に吸引作動する。これにより血液ポンプ1の気体駆動室13の気体がアイソレータ2の出力室25に第1通路27を経て吸引され、血液ポンプ1の気体駆動室13の室容積が収縮すると共に、血液ポンプ1の血液室12の室容積が膨張するように、血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y2方向に吸引作動する。この結果、生体側の血液が血液ポンプ1の吸入口16から血液室12に吸入される。
【0029】
上記のように血液ポンプ1の血液ポンプダイヤフラム14が矢印Y2方向に吸引作動する場合には、前記したようにポンプ室40の液体44はオイルリザーバ5のオイル室54に流入しているため、オイルリザーバ5のオイル室54の室容積が膨張し、オイルリザーバ5の気体室53の室容積が収縮するように、オイルリザーバ5のオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W2方向(蓄圧方向)に作動する。この場合にはオイルリザーバダイヤフラム52が矢印W2方向に作動しているため、蓄圧室70の圧力が高くなり、蓄圧室70は蓄圧作用を発揮する。
【0030】
即ち、アイソレータ2の出力室25の室容積が膨張すると共にアイソレータ2の入力室26の室容積が収縮するようにアイソレータダイヤフラム24が矢印X2方向(血液吸引方向)に吸引作動するとき、この蓄圧室70は蓄圧作用を奏する。また、アイソレータ2の出力室25の室容積が収縮すると共に入力室26の室容積が膨張するように、アイソレータダイヤフラム24が矢印X1方向(血液拍出方向)に拍出作動するとき、蓄圧室70は蓄圧を放出してアイソレータダイヤフラム24の拍出作動をアシストする。血液を拍出させる場合には、血液の吸入に比較して負荷が大きいが、上記アシストにより血液の拍出を良好に行い得る。
【0031】
図2、図3は、上記構成の血液ポンプ駆動装置を駆動させた場合における、第1圧力センサ36で検知される出力室25内の圧力の経時的変化(圧力波形)と、ポンプ41を駆動させるモータ42の経時的出力(モータ出力)と、モータ42の回転方向を併記したグラフである。ここで、図2は「吸い付き現象」が起こっていない通常状態の場合のグラフ、図3は「吸い付き現象」が起こっている異常状態の場合のグラフである。また、出力室25内の圧力は左側の目盛りに、モータ42の出力は右側の目盛りに対応している。
【0032】
図2及び図3において、モータ42の回転方向が正転時に一定の出力で回転している状態(正方向定常状態)が所定時間継続すると、モータ42の回転方向を正転方向から逆転方向に切替えるための逆方向切換過渡期に入り、正方向回転のモータ出力を低下させる。これに伴いモータ42の正方向の回転速度も低下する。そして、出力が0になると、モータ42の回転が停止する。その後、モータ42の回転方向が逆転方向に切り換わり、その後徐々にモータ出力を増加させていく。出力増加に伴ってモータ42の逆方向への回転速度も増加し、やがてモータ出力が所定の値になったら逆方向切換過渡期が終了し、モータ42は逆方向に定出力で回転する。このような逆方向切換過渡期を経てモータ42が逆方向に一定の出力で回転すると、アイソレータ2の入力室26内のオイルがポンプ室41内に流れ込み、入力室26の容積が収縮するため、アイソレータダイヤフラム24が変位して出力室25の容積が膨張し、容積膨張に伴って出力室25の圧力が下降する。この下降した圧力が血液ポンプ1に作用し、血液ポンプ1が拍動(吸引)する。
【0033】
また、モータ42の回転が逆転時に定出力で回転している状態(逆方向定常状態)が所定時間継続すると、モータ42の回転方向を逆転方向から正転方向に切替えるための正方向切換過渡期に入り、逆方向回転の出力を低下させる。これに伴いモータ42の逆方向の回転速度も低下する。そして、モータ42の出力が0になると、モータ42が停止する。その後モータ42の回転方向が正方向に切り換わり、徐々に出力を増加させていく。出力増加に伴ってモータ42の正方向への回転速度も増加し、やがて出力が所定の値になったら正方向切換過渡期が終了し、モータ42は正方向に定出力で回転する。このような正方向切換過渡期を経てモータ42が正方向に一定の出力で回転すると、ポンプ室41からアイソレータ2の入力室26へとオイルが流れ込み、これにより入力室26内の容積が膨張する。このため出力室25の容積が収縮し、容積収縮に伴って出力室25の圧力が上昇する。この上昇した圧力が血液ポンプ1に作用し、血液ポンプ1が血液を拍動(拍出)する。
【0034】
図2に示す通常状態では、正方向切換過渡期に入ると、モータ42の逆方向回転の出力が減少し、これに伴ってモータ42の逆方向への回転速度も減少していくが、出力が0になるまでは逆方向に回転しているため、アイソレータダイヤフラム24は図1のX2方向に移動し、出力室25の容積が膨張する(ただし容積膨張速度は減少する)。しかしながら、このとき出力室25内では、その容積が膨張しているにも関わらず圧力も増加傾向にある(図2参照)。これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、モータ42の出力減少に伴ってアイソレータダイヤフラム24の変位速度(出力室25の容積膨張速度)が減少しているにも関わらず、血液ポンプダイヤフラム14は血液室10内の血流の慣性力によって移動しているため、血液ポンプ1は血流の慣性力に従って今までと同じように拍動しようとする。このため、アイソレータダイヤフラム24の変位により増加された容積を賄う分よりも多くの気体が血液ポンプ1の駆動室13から送り込まれてくるため、血液ポンプ1の慣性作動が過渡期の初期において出力室の圧力上昇として現れ、圧力上昇が認められるのである。
【0035】
これに対し、図3に示す吸い付き現象が発生している状態では、正方向切換過渡期に入っても、その直後から出力室内の圧力が増加する現象は見られず、しばらく経ってから圧力上昇が始まる。これは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、吸い付き減少が生じている場合には、その吸い付きによって血液ポンプダイヤフラム14の移動が阻害されてしまうため、血液室10内の血流が滞り、血流によって得られる慣性力は発生しにくい状態となる。従って、正方向切換過渡期になってアイソレータダイヤフラムの変位速度(出力室25の容積膨張速度)が減少しても、血液ポンプ1の慣性作動による影響は現れにくく、よって、正方向切換過渡期の初期段階において出力室25の圧力上昇は認められにくいものである。そして、実際にモータ42の回転が逆転して出力室25が収縮しだしてから圧力上昇が顕著に認められるようになる。即ち、通常状態の場合と比べ、圧力上昇のタイミングが遅延するか、または圧力上昇が小さい。
【0036】
つまり、「吸い付き現象」が生じていない通常の場合には、血液ポンプダイヤフラム14は良好に血液ポンプ1内を往復変位し、変位によって血流が生じることによる慣性力が発生するのに対し、「吸い付き現象」が生じている異常の場合には、血液ポンプダイヤフラム14が吸い付きによって変位を阻害され、血流が滞るために慣性力が得られにくい。したがって、この慣性力が発生しているかいないか、または慣性力が十分発生しているか、十分発生していないかを、正方向切換過渡期の出力室内の圧力変化から察知し、それに基づいて血液ポンプ1が吸い付き現象を起こしていない通常の状態か、吸い付き現象を起こしている異常の状態かを判断することができる。
【0037】
図3のような圧力上昇タイミングの遅延が認められる場合に「吸い付き現象」が起こっていると判断する方法には、様々な手段があるが、以下、正方向切換過渡期における出力室内の圧力を経時的に測定し、所定時間間隔内での圧力差に基づき「吸い付き現象」が発生しているか否かを判断する手法について説明する。
【0038】
図4は、血液ポンプが「吸い付き現象」が起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかを判断するための判断手段として機能する状態判断制御を示したフローチャートである。この制御は、本例では制御手段としての制御部8内のCPUにより行われる。図5は、図4に示す制御により記憶される圧力PIA1、PIA2を出力室25の圧力変化と共にグラフ上に示したものである。
【0039】
まず、ステップS101で、現在の過程が吸引過程であるか否かを判断する。なお、本例では、吸引過程とは、図2や図3において、モータ42の回転方向が逆転方向で回転している状態と同じである。
【0040】
ステップS101で現在の過程が吸引過程ではなく、拍出過程(モータ42の回転方向が正方向で回転している状態)であると判断された場合には、再びステップS101に戻る。ステップS101にて現在の過程が吸引過程であると判断された場合には、ステップS102に進む。
【0041】
ステップS102では、モータ42の出力が低下されているか否かを判断する。本例においては、所定時間吸引過程(モータが逆回転で一定出力で回転している過程)を継続した後、自動的にモータ42の出力を低下するように予めプログラミングされている。したがって、上記所定時間経過前であれば、未だ出力は低下されていないことになり、一方、所定時間経過後であれば、出力が低下される。
【0042】
ステップS102においてモータの出力が低下されていないと判断された場合には、再びステップS102に戻る。一方、モータの出力が低下されていると判断された場合には、正方向切換過渡期に入ったと判断し、ステップS103に進む。
【0043】
ステップS103では、第1圧力センサー36で検知している出力室25内のそのときの圧力をPIA1として記憶する(図5参照)。なお、圧力PIA1は、正方向切換過渡期に入った直後(正方向切換過渡期の初期時)の出力室25内の圧力を表す。その後、ステップS104に進む。
【0044】
ステップS104では、タイマーTのカウントを開始する。そして、ステップS105に進む。
【0045】
ステップS105では、ステップS104でカウントされたタイマーTが所定の微小時間dTに達しているか否かが判断される。達していないと判断された場合には、再びステップS105に戻る。達していると判断された場合には、ステップS106に進む。なおこの微小時間dTについては、様々な値を設定することができるが、例えば、本例では、30ミリ秒としている。
【0046】
ステップS106では、第1圧力センサー36で検知している出力室25内のそのときの圧力をPIA2として記憶する(図5参照)。なお、圧力PIA2は、正方向切換過渡期に入って所定の微小時間dT経過後の出力室25内の圧力を表す。その後、ステップS107に進む。
【0047】
ステップS107では、正方向切換過渡期に入った直後の出力室内の圧力であるPIA1と、正方向切換過渡期に入った後所定の微小時間dT経過後の出力室内の圧力であるPIA2との差dPを算出する。次いで、ステップS108に進む。
【0048】
ステップS108では、ステップS107で算出した圧力差dPが規定の圧力差dPsetよりも大きいか否かを判断する。大きくないと判断された場合には、「吸い付き現象」が起こっていないと判断し、ステップS101に戻る。一方、大きいと判断された場合には、「吸い付き現象」が起こっていると判断し、ステップS109に進む。なお、dP0は、使用する血液ポンプや生体状況に応じて様々な値を設定することができるが、本例では、例えば5mmHg(0.65kPa)を設定することができる。
【0049】
ステップS109では、「吸い付き現象」の回避策を施す。「吸い付き現象」の回避策としては、様々な手法があるが、本例では、血液ポンプ1を一拍動だけ休止するような制御を施す。拍動を一回休止することにより、血液ポンプ1によって心臓内から血液が吸引されるのを一回休止することができ、この間に心臓内に血液が補充されるため、次回の拍動では「吸い付き現象」の発生を防止することができるものである。
【0050】
ステップS109による回避策を施した後は、ステップS101に戻る。
【0051】
以上のような制御によって、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き減少」を起こしている異常状態であるかを的確に判断し、異常状態である場合には、回避策を施して、通常の状態に戻すものである。
【0052】
以上のように、本例の血液ポンプ駆動装置100は、血液ポンプ1の駆動室13に連通した出力室25と、出力室25の容積を変動させる容積変動手段であるアイソレータダイヤフラム24とを有し、出力室25の容積変動に伴う圧力変動を血液ポンプに付与することによって血液ポンプを拍動させるものである。そして、本例の血液ポンプ駆動装置100は、さらに、モータ42を駆動制御することによって出力室25の空間内の容積が所定の周期で変動するようにアイソレータダイヤフラム24を制御する制御手段としての制御部8と、出力室25の空間内の圧力を検知する圧力検知手段としての第1圧力センサー36とを有するとともに、出力室25の空間容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期(正方向切換過渡期)における出力室25内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を「吸い付き現象」が起こっていない通常状態であるか、「吸い付き現象」が起こっている異常状態であるかを判断する状態判断制御を制御部8に付加してなる。したがって、斯かる状態判断制御によって、血液ポンプが「吸い付き現象」を起こしていない通常状態であるか、「吸い付き現象」を起こしている異常状態であるかという判断を的確に行うことができる。
【0053】
また、本例における状態判断制御は、正方向切換過渡期における第1の時間T1における出力室25内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における出力室25内の圧力P2との差P1−P2に基づいて血液ポンプの状態を判断するため、比較的簡便な状態判断制御プログラムによって、的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0054】
また、第1の時間T1は、正方向切換過渡期における初期時に設定している。「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期から圧力上昇が見られ、一方、「吸い付き現象」が起こっていない場合においては、過渡期の初期に圧力上昇は見られないため、過渡期の初期時から圧力差を見るように時間間隔を設定することにより過渡期初期の圧力変化を確実に察知でき、より的確に血液ポンプの状態を判断することができる。
【0055】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施の形態においては、状態判断制御を、正方向切換過渡期における所定時間間隔T1〜T2での圧力の変化を見るようにしているが、圧力上昇タイミングの遅延という現象から考えれば、その他にも、例えば正方向切換過渡期の初期段階での圧力値から所定の圧力だけ上昇するまでの時間を計測し、その時間によって状態を判断するものでも良い(その時間が所定時間よりも短ければ通常状態と判断し、長ければ異常状態と判断できる)し、また、所定時間経過時の圧力上昇の勾配(dP/dT)を見て判断することも可能である。また、本例において、アイソレータダイヤフラム24は、制御部8からの指令によってモータ42が回転し、オイルポンプが作動してオイルを入力室26に流出入させることにより変位するようにしているが、その他、正圧源及び負圧源を入力室26に連通し、両者を排他的に入力室26に連通するようにしてアイソレータダイヤフラム24を変位するようにしても良い。このように、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能であり、それらも本発明に包含されるものである。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、「吸い付き現象」が起こっているか否かを適格に判断することができる血液ポンプ駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態例における血液ポンプ駆動装置の構成概略図である。
【図2】吸い付き現象を起こしていない通常の状態における、出力室内の圧力波形、モータ出力、モータ回転方向を併記したグラフである。
【図3】吸い付き現象を起こしている異常の状態における、出力室内の圧力波形、モータ出力、モータ回転方向を併記したグラフである。
【図4】吸い付き状態を起こしているかいないかを判断する状態判断制御フローチャートである。
【図5】図4の制御フローチャートにかかる圧力測定点を示したグラフである。
【符号の説明】
1:血液ポンプ
10:血液室、 13:駆動室
2:アイソレータ(容積変動手段)
25:出力室、 26:入力室
4:駆動部
40:ポンプ室、 41:ポンプ、 42:モータ
5:オイルリザーバ
8:制御部(制御手段)
Claims (6)
- 血液ポンプに連通した出力室と、該出力室の容積を変動させる容積変動手段とを有し、前記出力室の容積変動に伴う圧力変動を血液ポンプに付与することによって血液ポンプを拍動させる血液ポンプ駆動装置において、
前記出力室空間内の容積が所定の周期で変動するように前記容積変動手段を制御する制御手段と、前記出力室空間内の圧力を検知する圧力検知手段と、前記出力室空間内の容積が膨張している状態から収縮している状態に切り換わる際の過渡期における前記出力室内の圧力の変化に基づいて血液ポンプの状態を判断する状態判断手段とを具備することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。 - 請求項1において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇が開始するタイミングに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。 - 請求項1において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における前記出力室内の圧力上昇の大きさに基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項において、
前記状態判断手段は、前記過渡期における第1の時間T1における前記出力室内の圧力P1と前記第1の時間T1より後の第2の時間T2における前記出力室内の圧力P2との差に基づいて血液ポンプの状態を判断することを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。 - 請求項4において、
前記第1の時間T1は、前記過渡期における初期時に設定されてなることを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。 - 請求項5において、
前記第1の時間T1と前記第2の時間T2の時間間隔は、10ミリ秒〜50ミリ秒であることを特徴とする、血液ポンプ駆動装置。
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