JP2012523856A - 心臓ポンプコントローラ - Google Patents
心臓ポンプコントローラ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012523856A JP2012523856A JP2012504997A JP2012504997A JP2012523856A JP 2012523856 A JP2012523856 A JP 2012523856A JP 2012504997 A JP2012504997 A JP 2012504997A JP 2012504997 A JP2012504997 A JP 2012504997A JP 2012523856 A JP2012523856 A JP 2012523856A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- impeller
- cavity
- magnetic bearing
- heart pump
- rotor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D13/00—Pumping installations or systems
- F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
- F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
- F04D13/0606—Canned motor pumps
- F04D13/0633—Details of the bearings
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/10—Location thereof with respect to the patient's body
- A61M60/122—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body
- A61M60/165—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable in, on, or around the heart
- A61M60/178—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable in, on, or around the heart drawing blood from a ventricle and returning the blood to the arterial system via a cannula external to the ventricle, e.g. left or right ventricular assist devices
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/10—Location thereof with respect to the patient's body
- A61M60/122—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body
- A61M60/165—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable in, on, or around the heart
- A61M60/178—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable in, on, or around the heart drawing blood from a ventricle and returning the blood to the arterial system via a cannula external to the ventricle, e.g. left or right ventricular assist devices
- A61M60/183—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable in, on, or around the heart drawing blood from a ventricle and returning the blood to the arterial system via a cannula external to the ventricle, e.g. left or right ventricular assist devices drawing blood from both ventricles, e.g. bi-ventricular assist devices [BiVAD]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/20—Type thereof
- A61M60/205—Non-positive displacement blood pumps
- A61M60/216—Non-positive displacement blood pumps including a rotating member acting on the blood, e.g. impeller
- A61M60/226—Non-positive displacement blood pumps including a rotating member acting on the blood, e.g. impeller the blood flow through the rotating member having mainly radial components
- A61M60/232—Centrifugal pumps
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/20—Type thereof
- A61M60/205—Non-positive displacement blood pumps
- A61M60/216—Non-positive displacement blood pumps including a rotating member acting on the blood, e.g. impeller
- A61M60/237—Non-positive displacement blood pumps including a rotating member acting on the blood, e.g. impeller the blood flow through the rotating member having mainly axial components, e.g. axial flow pumps
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/40—Details relating to driving
- A61M60/403—Details relating to driving for non-positive displacement blood pumps
- A61M60/422—Details relating to driving for non-positive displacement blood pumps the force acting on the blood contacting member being electromagnetic, e.g. using canned motor pumps
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/50—Details relating to control
- A61M60/508—Electronic control means, e.g. for feedback regulation
- A61M60/515—Regulation using real-time patient data
- A61M60/531—Regulation using real-time patient data using blood pressure data, e.g. from blood pressure sensors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/50—Details relating to control
- A61M60/508—Electronic control means, e.g. for feedback regulation
- A61M60/538—Regulation using real-time blood pump operational parameter data, e.g. motor current
- A61M60/546—Regulation using real-time blood pump operational parameter data, e.g. motor current of blood flow, e.g. by adapting rotor speed
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/80—Constructional details other than related to driving
- A61M60/802—Constructional details other than related to driving of non-positive displacement blood pumps
- A61M60/818—Bearings
- A61M60/82—Magnetic bearings
- A61M60/822—Magnetic bearings specially adapted for being actively controlled
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
- F04D29/042—Axially shiftable rotors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
- F04D29/046—Bearings
- F04D29/048—Bearings magnetic; electromagnetic
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
- A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
- A61M2205/3331—Pressure; Flow
- A61M2205/3334—Measuring or controlling the flow rate
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
- A61M60/10—Location thereof with respect to the patient's body
- A61M60/122—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body
- A61M60/126—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable via, into, inside, in line, branching on, or around a blood vessel
- A61M60/148—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable via, into, inside, in line, branching on, or around a blood vessel in line with a blood vessel using resection or like techniques, e.g. permanent endovascular heart assist devices
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Cardiology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Hematology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Anesthesiology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- External Artificial Organs (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
心臓ポンプであって、第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、インペラであって、第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、第1および第2ロータに接続するシャフトであって、接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、インペラを回転させるためのドライブと、インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、ドライブおよび磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に第1キャビティ部と第2キャビティ部との間で、接続チューブの外側に搭載される心臓ポンプ。
Description
本発明は、心臓ポンプ用のコントローラおよび心臓ポンプを制御する方法に関する。
任意の従来の出版物(またはその出版物から引出される情報)あるいは公知の任意の事柄に対する本明細書における参照は、従来の出版物(またはその出版物から引出される情報)あるいは公知の事柄が、本明細書が関連する努力分野における共通一般知識の一部を形成するという、承認、許可、または任意の形態の示唆として考えられないし、また、考えられるべきではない。
心不全を処置するための機械的デバイス治療の使用は、一般集団の高齢化に伴い増加しており、また、心臓移植用のドナー臓器の数は制限されたままである。デバイスは、患者と心臓移植との橋わたしをするために、患者と回復との橋わたしをするために、または、実際には恒久的代替法として使用され得る。後者のサポート方策は、機械的耐久性/寿命が増加したデバイスを必要とする。
人工心臓装置のために使用される血液ポンプは、小型であり、かつ、単純な構造を有することが必要とされ、したがって、遠心ポンプまたは同様なポンプが通常使用される。さらに、血液ポンプは、長い期間にわたって故障なく回転し続けることができるポンプでなければならない。磁気軸受装置を使用する非接触型ロータは、こうしたポンプ装置に適する。
特許文献1は、以下によって構成されたポンプ装置、すなわち、磁気軸受装置を有する遠心ポンプ用の回転デバイスとして、円形状上側永久磁石がロータの上部表面上に設けられ、ロータの上方に位置する上部ステータには、円形状上側永久磁石と協働して、軸方向にロータに対する吸引力を発生する吸引電磁石手段が設けられ、ロータを回転させるための複数の下側永久磁石がロータの底部表面上に設けられ、ロータの下方に位置する下部ステータには、ロータを回転させるための永久磁石と協働して、ロータの回転移動を行う回転用電磁石手段が設けられる、ポンプ装置を記載している。
人の心臓は、左心室および右心室を有し、左心室は、身体を通して血液を圧送し、一方、右心室は、再酸素化のために肺に血液を圧送する。
さらに、左心室血液ポンプからの吐出量が、右心室血液ポンプからの吐出量と異なるものとなるように血液ポンプを制御することが必要であるが、1つのポンプ室のみが、特許文献1に開示される回転デバイスを使用したポンプ内に設けられるため、上述した血液ポンプを適用するときに、2つの別個のポンプ、身体を通して血液を圧送するための1つのポンプおよび肺に血液を圧送するための他のポンプが必要とされ、そのため、ポンプ装置が大きく複雑になり、ポンプ装置が被検者への埋め込みには適さなくなるという問題が存在する。
さらに、左心室血液ポンプからの吐出量が、右心室血液ポンプからの吐出量と異なるものとなるように血液ポンプを制御することが必要であるが、1つのポンプ室のみが、特許文献1に開示される回転デバイスを使用したポンプ内に設けられるため、上述した血液ポンプを適用するときに、2つの別個のポンプ、身体を通して血液を圧送するための1つのポンプおよび肺に血液を圧送するための他のポンプが必要とされ、そのため、ポンプ装置が大きく複雑になり、ポンプ装置が被検者への埋め込みには適さなくなるという問題が存在する。
機械的耐久性は、デバイスの機能、特に実装される軸受のタイプに依存する。第1世代の脈動型デバイスは接触型部品を必要とし、脈動型デバイスの予測される機械的寿命を3年未満に制限する。第2世代の非脈動型回転インペラデバイスのサイズの減少は、そのデバイスをVAD開発の最前線に加速させた。
しかしながら、インペラ支持のための初期の技法はまた、シャフト、シール、および軸受を必要としたためデバイス寿命にかなりの制限を課した(特許文献2)。その後の改良は、血液に浸漬されたピボット支持に頼るデバイスをもたらした(特許文献3)。しかしながら、予想される使用可能寿命は、依然として5年未満である。
それ以来、完全な磁気浮上(特許文献4)から受動的流体浮上(特許文献5)にわたるいくつかの技法が、デバイス寿命を改善するために開発された。これらの第3世代デバイスは接触摩耗をなくし、可動部品の数を低減し、おそらく10年を超えるまで寿命を増加させる。これらの最新世代の浮上技法は、ポンプの溶血性能を同様に改善する可能性がある、任意の点と点との接触を排除している。
いくつかの市販デバイスならびに研究デバイスは、流体力学技術または磁気軸受技術を実装する。たとえば、Ventrassist(Ventracor、豪州ニューサウスウェールズ州シドニー(Sydney,NSW,AU))およびHVAD(Heatware、米国マサチューセッツ州フラミンガム(Framingham,Massachusetts,USA))は、流体力によって完全に浮上され、電磁気モータによって駆動されるインペラを組込んでいる(それぞれ特許文献5および特許文献6)。Duraheart(Terumo、米国ミシシッピー州アナーバー(Ann Arbor,MI,US))は、永久磁石結合モータを有するアキシャル磁気軸受を使用している(特許文献4)。HeartmateIII(Thoratec、米国マサチューセッツ州ウォバーン(Woburn,MA,USA))は、組合せ型ラジアルセルフベアリングモータを使用し(特許文献7)一方、Levacor(前身のHeartquest、Worldheart、カナダ、オンタリオ州オタワ(Ottawa,ON,Canada))は、アキシャル磁気軸受および電磁結合式モータを使用している(特許文献8)。
上述のデバイスは全て、左心室補助(left ventricular assistance)(LVAD)を提供する。しかしながら、かなりの数の患者もまた、右心室補助(right ventricular assistance)(RVAD)用のデバイスを必要とする。両室不全の発病率は、心不全患者において常に最初から明らかというわけではなく、右室心不全は、LVAD補助を受ける患者の最大40%において発生する可能性がある。
臨床診療で使用される最も有効なBiVAD技法のうちの1つの技法は、2つのThoratec(商標)PVAデバイスの体外接続を使用する。より小型の第2世代および第3世代の回転システムもまた、提案されており、結合型のCoraideおよびDexaide(特許文献9)ならびに2つのジャイロポンプ(特許文献3)などのような2つの別個の回転ポンプを利用する。
しかしながら、全ての現在のところ入手可能な両室補助システムは、別個のコントローラを有する2つのデバイスの使用を必要とし、別個のコントローラは、左および右の吐出制御問題をもたらし得る。デュアルデバイス手法もまた、埋め込みサイズならびに治療コストを増加させる。
単一回転ポンプもまた、特許文献10〜13に記載されるように、不全心臓の両室の機能を増強するように設計された。これらのデバイスはそれぞれ、共通した速度で回転する両面インペラを含み、各側のインペラは、左および右心臓補助のためにそれぞれ構成される。これは、デバイスの左側と右側からの吐出量を独立に制御し、したがって均衡させる能力に関する固有の問題をもたらす。すなわち、インペラ回転速度の増加が、両方のキャビティからの吐出量の対応する増加を生成する。
特許文献13は、デバイスの両側の相対効率を同時に変更するためにキャビティ内の回転インペラを軸方向に変位させる能力を導入することによってこの問題に対処している。しかしながら、本願は、この軸方向変位を達成するために使用される制御方法を能動型として述べ、したがって、圧力センサからのフィードバック信号の使用、および、所望の設定された軸方向場所を能動的に制御し維持するための同様な方法を必要とする。
BiVADシステムの左吐出量と右吐出量との間の均衡を維持する能力は、有効なデバイス動作にとって必須である。この均衡を覆す可能性がある血行動態パラメータは、気管支流量、全身および肺血管抵抗の相対的変化、左心室および右心室収縮性の相対的変化、肺または全身うっ血、および心室逸脱(ventricular collapse)を含む。これらの状態、左および右のVAD液圧出力を均衡させるための技法が、長期サポートについて必要とされることを推測させる。
各血液ポンプからの液圧出力を働かせ、かつ制御するために、モータのパワー、速度、差圧(吸込口−吐出口)、および吐出量のようなパラメータが必要とされる。モータパワーおよび速度を決定することが比較的容易ではあるが、残りのパラメータを検出するためには、従来から、圧力センサおよびフローメータなどのさらなる機器を必要としていた。これらの部品は、デバイス故障の可能性を増加させる。したがって、部品は長期信頼性が制限される。さらに、デバイスに対する部品の追加は、他の外来物質との余分な血液接触を誘発し、血液損傷についての可能性を悪化させる。
各デバイスからの吐出量を調節し、左/右吐出量要件を均衡させるこれまでの試みは、多くの場合、左心房圧(left atrial pressure)(LAP)を検出する圧力センサの使用に頼っていた。その後フィードバック機構が使用されて、減少したLAPの存在下で、LVAD速度を減少させるか、または、RVAD速度を増加させる。別の技法は、いずれかの心房内でのおそらくは破滅的な流体の蓄積から安全に保護するために、左心房と右心房との間にシャントを外科的に導入することを含む。あるいは、特許文献14は、可変閉塞弁を介して、そこを通る流量が変更される右心房を左心房に連結する導管を含む。しかしながら、この技法は、さらなる血液接触導管、ならびに、センサについての必要性など、能動フィードバック制御に伴う複雑さをもたらす。さらに、この解決策は、流体分布を均衡させるのに役立ち得るが、デバイス吐出量の変更を制御するための方法を提供しない。
既に述べたように、BiVADの左および右の吐出量を変更する能力は、特に、神経液性自己調節的機構が、麻酔薬および重篤な病気によって少なくとも部分的にアブレーションされる術後期間に重要である。
多くの制御アルゴリズムが、磁気軸受システムの能動的浮遊について存在している。大部分はロータ位置の中心配置の維持に的を絞るが、パワー消費の最小化に的を絞る代替の技法が存在する。後者のコントローラは、磁気回路内の永久磁石からの受動的に生成される力を使用して、普通なら電磁コイルからのパワーを必要とすることになる外部力に抗する。これは、外部力と永久磁石力の平衡に達するまで、中心配置位置からのインペラの移動をもたらす。したがって、能動的電磁コイルのパワー消費は、最小状態に戻される。多数の回転血液ポンプ設計が、この形態のゼロパワー制御を実装する。
Masuzawa等(2004)は、遠心血液ポンプのロータを完全に浮上させるために、リラクタンスタイプのラジアル磁気モータ軸受においてゼロパワー制御を実装した。システムは、ロータの周りに同心状に磁気材料を設置し、磁気回路にさらなるバイアス磁束を提供する永久磁石を含む。これらの磁石は、ゼロパワーコントローラによって使用されて、中心位置コントローラと比較したときにパワー消費を減少させる。動作中、ロータに対する半径方向液圧力の印加は、回転軸に垂直でかつ印加される力と反対の方向へのこのロータの並進を引き起す。しかしながら、この移動に関して、ポンプ吐出量に対する著しい影響は観測されない。その理由は、交互の半径方向隙間が、液圧効率に最小の影響を及ぼすからである。(非特許文献1)。
特許文献15は、ローレンツタイプ磁気軸受システムによって遠心血液ポンプのロータを軸方向に浮上させる。このシステムは、やはり、ロータの周りに同心状に磁気材料を設置する。しかしながら、磁気力は、回転軸に平行な方向で極面に垂直に作用する。磁気軸受回路内に含まれないさらなる永久磁石は、軸方向液圧力に遭遇すると、相殺力を提供するように構成される。この相殺力は、ゼロパワーコントローラが、印加される力と同じ方向にインペラを並進させることを可能にするときに効果的である。この移動は、デバイスの吐出量を変更するために適合し得るが、印加される力と同じ方向への移動は、望ましくなく、また、たとえば、減少が保証されるときに、吐出量を増加させることになる。
特許文献16は、ロータの周りに同心状に配置された、ローレンツタイプのアキシャル磁気軸受を使用する。半径方向の浮上は、ハルバッハアレイ(halbach array)(特許文献16)で構成された反発永久磁石(特許文献17及び特許文献18)の構成を使用して達成される。これらの磁石は、液圧軸方向力に応答してインペラの軸方向位置を再配置するゼロパワー制御を達成するために使用される。この構成は、これを達成するために反発磁石を使用するため、反発磁石の低い剛性は、所与の変位について力の十分な相殺を提供しない可能性がある。軸方向再配置は印加される力の方向と反対であるが、シラウド付き構成ならびにインペラの下へのインペラベーンの配置は、心室逸脱の瞬間に発生する力に応答してポンプ吐出量の減少を実現しない。したがって、ゼロパワーコントローラは、軸受バウアー(bearing bower)を最小にし得るが、変化する前負荷状態に基づいて吐出量制御を提供しない。さらに、底部インペラシラウドとケーシングとの間の前述の軸方向間隙(0.005インチ)が小さ過ぎて、また、インペラブレード高さが高過ぎて、たとえシラウドが半開放であっても、最大の軸方向並進を可能にした状態で液圧性能の明らかな変化を生成できない。
特許文献19は、ハウジング、ハウジング内で支持されたステータ、およびロータ組立体を含むポンプを記載している。ロータ組立体は、軸の周りのステータに対する回転のためにハウジング内で支持されたロータを含む。ロータ組立体はまた、軸の周りのロータによる回転のために、ロータの第1軸方向端に動作可能に結合された第1インペラを含む。ロータ組立体はさらに、軸の周りのロータによる回転のために、第1軸方向端に対向するロータの第2軸方向端に動作可能に結合された第2インペラを含む。ロータ組立体は、ポンプの液圧性能特性を調整するために、ハウジングに対して軸に沿って移動可能である。
Masuzawa,T.、H.Omura、およびY.Okada著「Zero Power Control for Magnetically Suspended Artificial Heart」自動制御連合講演会講演論文集(Jido Seigjo Rengo Koenkai Koen Ronbunsyu),2004,47:p.322
本発明は、既存の配置構成の1つまたは複数の欠点を実質的に克服する、または少なくとも改善しようとすることを目的とする。
第1幅広い形態では、本発明は心臓ポンプを提供することを目的とし、同心臓ポンプは、
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)第1および第2ロータに接続するシャフトであって、接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)インペラを回転させるためのドライブと、
e)インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、
ドライブおよび磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に設けられる。
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)第1および第2ロータに接続するシャフトであって、接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)インペラを回転させるためのドライブと、
e)インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、
ドライブおよび磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に設けられる。
典型的に、軸方向位置は、各セットのベーンと各キャビティ表面との間の離隔距離を確定し、離隔距離は、吸込口から吐出口への流体流量を制御するために使用される。
典型的に、ドライブは、
a)インペラ内に設けられる第2磁気材料と、
b)第2磁気材料と協働する磁界を使用時に発生し、インペラを回転させることを可能にする少なくとも1つのドライブコイルと、を含む。
典型的に、ドライブは、
a)インペラ内に設けられる第2磁気材料と、
b)第2磁気材料と協働する磁界を使用時に発生し、インペラを回転させることを可能にする少なくとも1つのドライブコイルと、を含む。
典型的に、第2磁気材料は、インペラ内に搭載された多数の円周方向に離間した永久磁石を含み、隣接する磁石は反対極性を有する。
典型的に、第2磁気材料は第2ロータ内に搭載され、ドライブは第2キャビティに隣接して位置決めされ、ドライブおよび第2磁気材料は、ドライブと第2ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される。
典型的に、第2磁気材料は第2ロータ内に搭載され、ドライブは第2キャビティに隣接して位置決めされ、ドライブおよび第2磁気材料は、ドライブと第2ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される。
典型的に、使用時に、少なくとも1つの軸受コイルは、インペラ内で第1磁気材料と協働する磁界を発生し、インペラの軸方向位置を制御可能にする。
典型的に、第1磁気材料は永久磁石である。
典型的に、第1磁気材料は永久磁石である。
典型的に、少なくとも1つの軸受コイルは、永久磁石によって発生する第1磁界に対して相補的である、または逆である、のうちの一方である磁界を発生するためのものであり、それにより、軸受と第1磁気材料との間の正味の磁界を制御する。
典型的に、第1磁気材料は第1ロータ内に搭載され、磁気軸受は第1キャビティに隣接して位置決めされ、磁気軸受および第1磁気材料は、磁気軸受と第1ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される。
典型的に、インペラは、
a)インペラの回転を可能にするためにドライブと協働するための、第2ロータ上に設けられる第2磁気材料と、
b)インペラの軸方向位置を制御可能とするために、磁気軸受と協働するための、第1ロータ上に設けられる第1磁気材料とを含む。
a)インペラの回転を可能にするためにドライブと協働するための、第2ロータ上に設けられる第2磁気材料と、
b)インペラの軸方向位置を制御可能とするために、磁気軸受と協働するための、第1ロータ上に設けられる第1磁気材料とを含む。
典型的に、
a)磁気軸受は第1キャビティに隣接して位置決めされ、磁気軸受および第1ロータは、磁気軸受と第2ロータとの間に第1吸引力をもたらすように構成され、
b)ドライブは第2キャビティに隣接して位置決めされ、ドライブおよび第2ロータは、ドライブと第2ロータとの間に第2吸引力をもたらすように構成され、第1および第2吸引力は、インペラが、正常循環状態中にほぼ軸方向中心位置に位置決めされるときに、ほぼ均衡する。
a)磁気軸受は第1キャビティに隣接して位置決めされ、磁気軸受および第1ロータは、磁気軸受と第2ロータとの間に第1吸引力をもたらすように構成され、
b)ドライブは第2キャビティに隣接して位置決めされ、ドライブおよび第2ロータは、ドライブと第2ロータとの間に第2吸引力をもたらすように構成され、第1および第2吸引力は、インペラが、正常循環状態中にほぼ軸方向中心位置に位置決めされるときに、ほぼ均衡する。
典型的に、心臓ポンプはコントローラであって、
a)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
b)磁気軸受が第1軸方向と反対の第2軸方向へインペラを移動させ、
c)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
d)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を制御し、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を磁気軸受が制御するための、コントローラを含む。
a)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
b)磁気軸受が第1軸方向と反対の第2軸方向へインペラを移動させ、
c)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
d)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を制御し、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を磁気軸受が制御するための、コントローラを含む。
典型的に、コントローラは、
a)インジケータを閾値と比較し、
b)比較の結果に応じて、第2軸方向へのインペラの移動を磁気軸受に停止させるためのものである。
a)インジケータを閾値と比較し、
b)比較の結果に応じて、第2軸方向へのインペラの移動を磁気軸受に停止させるためのものである。
典型的に、コントローラは、磁気軸受によって使用されるパワーを最小にするためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)インペラの軸方向位置を位置限界と比較し、
b)インペラの軸方向位置を位置限界内に維持するように、磁気軸受を制御するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)インペラの軸方向位置を位置限界と比較し、
b)インペラの軸方向位置を位置限界内に維持するように、磁気軸受を制御するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)キャビティの少なくとも一部内の圧力変化を判定し、
b)圧力変化に応答してインペラの軸方向位置を制御するためのものである。
a)キャビティの少なくとも一部内の圧力変化を判定し、
b)圧力変化に応答してインペラの軸方向位置を制御するためのものである。
典型的に、コントローラは、インペラの軸方向移動を検出することによって、圧力変化を判定するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部内の流体圧力の変化によって引き起こされるインペラの移動を検出し、
b)インペラの軸方向位置を磁気軸受に制御させ、それにより、キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部について吸込口から吐出口への流体流量を変更するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部内の流体圧力の変化によって引き起こされるインペラの移動を検出し、
b)インペラの軸方向位置を磁気軸受に制御させ、それにより、キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部について吸込口から吐出口への流体流量を変更するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)ベーンとキャビティ表面との間の離隔距離を磁気軸受により減少させ、それにより、吸込口から吐出口への流体流量を増加させること、および、
b)ベーンとキャビティ表面との間の離隔距離を磁気軸受により増加させ、それにより、吸込口から吐出口への流体流量を減少させること、のうちの少なくとも一方のためのものである。
a)ベーンとキャビティ表面との間の離隔距離を磁気軸受により減少させ、それにより、吸込口から吐出口への流体流量を増加させること、および、
b)ベーンとキャビティ表面との間の離隔距離を磁気軸受により増加させ、それにより、吸込口から吐出口への流体流量を減少させること、のうちの少なくとも一方のためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)キャビティ部内の相対流体圧力の変化によって引き起こされるインペラの移動を検出し、
b)インペラの軸方向位置を磁気軸受により制御させ、それにより、吸込口から吐出口への相対流体流量を変更するためのものである。
a)キャビティ部内の相対流体圧力の変化によって引き起こされるインペラの移動を検出し、
b)インペラの軸方向位置を磁気軸受により制御させ、それにより、吸込口から吐出口への相対流体流量を変更するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)正常均衡位置から離れるインペラの軸方向移動を判定し、
b)磁気軸受によってインペラを正常位置に向かって移動させ、
c)磁気軸受によって使用されるパワーを監視し、
d)磁気軸受によって使用されるパワーに従って新しい均衡位置を確定し、
e)磁気軸受によってインペラを新しい均衡位置まで移動させるためのものである。
a)正常均衡位置から離れるインペラの軸方向移動を判定し、
b)磁気軸受によってインペラを正常位置に向かって移動させ、
c)磁気軸受によって使用されるパワーを監視し、
d)磁気軸受によって使用されるパワーに従って新しい均衡位置を確定し、
e)磁気軸受によってインペラを新しい均衡位置まで移動させるためのものである。
典型的に、正常均衡位置は、各吸込口から各吐出口への必要とされる流体流量を維持するために使用される。
典型的に、新しい均衡位置は、正常均衡位置からオフセットする。
典型的に、新しい均衡位置は、正常均衡位置からオフセットする。
典型的に、新しい均衡位置は、吸込口と吐出口との間の相対流体流量を調整するために使用される。
典型的に、インジケータは、磁気軸受によって使用される電流の指標を使用して確定される。
典型的に、インジケータは、磁気軸受によって使用される電流の指標を使用して確定される。
典型的に、コントローラは、インペラの軸方向移動をもたらすために、磁気軸受によって使用される電流の変化率を確定するためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
b)第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラを、
i)磁気軸受によって使用されるパワーが所定量未満に減少するか、また、
ii)インペラの軸方向位置が位置限界に達するか、のいずれか一方になるまで、移動させるように、軸受にさせるためのものである。
典型的に、コントローラは、
a)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
b)第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラを、
i)磁気軸受によって使用されるパワーが所定量未満に減少するか、また、
ii)インペラの軸方向位置が位置限界に達するか、のいずれか一方になるまで、移動させるように、軸受にさせるためのものである。
典型的に、処理システムは、
a)命令を記憶するためのメモリと、
b)プロセッサと、を含み、プロセッサは、命令を実行し、それにより、
i)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
ii)磁気軸受により第2軸方向にインペラを移動させるための信号を生成し、
iii)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
iv)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を磁気軸受により制御させ、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を制御するように信号を生成することを、プロセッサにさせる。
a)命令を記憶するためのメモリと、
b)プロセッサと、を含み、プロセッサは、命令を実行し、それにより、
i)第1軸方向におけるインペラの移動を判定し、
ii)磁気軸受により第2軸方向にインペラを移動させるための信号を生成し、
iii)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
iv)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を磁気軸受により制御させ、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を制御するように信号を生成することを、プロセッサにさせる。
典型的に、心臓ポンプは、コントローラであって、
a)少なくとも1つの吸込口および少なくとも1つの吐出口を含むキャビティ内で、インペラであって、吸込口から吐出口へ流体を付勢するためのベーンを含む、インペラの均衡位置からの移動を判定し、
b)磁気軸受であって、キャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つのコイルを含む磁気軸受、によって使用されるパワーの指標に基づいて、新しい均衡位置であって、吸込口から吐出口への流体流量を制御するために使用される、新しい均衡位置、までインペラを移動させることを、磁気軸受にさせるための、コントローラを含む。
a)少なくとも1つの吸込口および少なくとも1つの吐出口を含むキャビティ内で、インペラであって、吸込口から吐出口へ流体を付勢するためのベーンを含む、インペラの均衡位置からの移動を判定し、
b)磁気軸受であって、キャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つのコイルを含む磁気軸受、によって使用されるパワーの指標に基づいて、新しい均衡位置であって、吸込口から吐出口への流体流量を制御するために使用される、新しい均衡位置、までインペラを移動させることを、磁気軸受にさせるための、コントローラを含む。
典型的に、心臓ポンプは、キャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するためのコントローラを含み、キャビティは、第1吸込口および第1吐出口を有する第1キャビティ部ならびに第2吸込口および第2吐出口を有する第2キャビティ部を含み、インペラは、第1および第2セットのベーンを含み、各セットのベーンはそれぞれの吸込口からそれぞれの吐出口へ流体を付勢するためのものであり、コントローラは、第1キャビティ内の相対圧力が第2キャビティに対して増加する場合、インペラが第1キャビティ内に位置決めされ、それにより、第2吐出口に対する第1吐出口からの相対流体流量を増加させる。
典型的に、心臓ポンプは、キャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するためのコントローラを含み、キャビティは吸込口および吐出口を含み、インペラは、吸込口から吐出口へ流体を付勢するためのベーンを含み、コントローラは、キャビティ内の圧力が増加する場合、インペラが吸込口から離れるように移動し、それにより、吐出口流体圧力を減少させる。
第2幅広い形態では、本発明は、心臓ポンプを制御する方法を提供することを目的とし、同心臓ポンプは、
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)第1および第2ロータに接続するシャフトであって、接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)インペラを回転させるためのドライブと、
e)インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、ドライブおよび磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に設けられ、同方法は、
i)第1軸方向におけるインペラの移動を判定すること、
ii)磁気軸受によって第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラを移動させること、
iii)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定すること、および、
iv)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を磁気軸受によって制御させ、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を制御すること、を含む。
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)第1および第2ロータに接続するシャフトであって、接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)インペラを回転させるためのドライブと、
e)インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、ドライブおよび磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に第1キャビティ部と第2キャビティ部との間に設けられ、同方法は、
i)第1軸方向におけるインペラの移動を判定すること、
ii)磁気軸受によって第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラを移動させること、
iii)磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定すること、および、
iv)インジケータに従ってインペラの軸方向位置を磁気軸受によって制御させ、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を制御すること、を含む。
第3の幅広い形態では、本発明は、ポンプ装置を提供することを目的とし、同ポンプ装置は、
a)ステータと、
b)ステータの上に離間して配置された上部ロータと、
c)ステータの下に離間して配置された下部ロータと、
d)上部ロータと下部ロータを接続するために、ステータにて回転可能に設けられかつ垂直に移動可能である接続手段と、
e)上部ロータの底部表面および下部ロータの上部表面上に設けられる永久磁石のいずれか1つの永久磁石に対向してステータの一方の表面上に設けられ、永久磁石と協働し、また、ロータに対する作用力を軸方向に生成し、それにより、ロータを浮遊させる(levitate)第1電磁石手段と、
f)他の永久磁石に対向してステータの他の表面上に設けられ、永久磁石と協働し、それにより、ロータを回転駆動する第2電磁石手段と、
g)上部ロータの上部表面上に設けられる第1インペラが、そこにおいて第1ポンプ室内で回転する第1ポンピング手段と、
h)下部ロータの底部表面上に設けられる第2インペラが、そこにおいて第2ポンプ室内で回転する第2ポンピング手段と、を備える。
a)ステータと、
b)ステータの上に離間して配置された上部ロータと、
c)ステータの下に離間して配置された下部ロータと、
d)上部ロータと下部ロータを接続するために、ステータにて回転可能に設けられかつ垂直に移動可能である接続手段と、
e)上部ロータの底部表面および下部ロータの上部表面上に設けられる永久磁石のいずれか1つの永久磁石に対向してステータの一方の表面上に設けられ、永久磁石と協働し、また、ロータに対する作用力を軸方向に生成し、それにより、ロータを浮遊させる(levitate)第1電磁石手段と、
f)他の永久磁石に対向してステータの他の表面上に設けられ、永久磁石と協働し、それにより、ロータを回転駆動する第2電磁石手段と、
g)上部ロータの上部表面上に設けられる第1インペラが、そこにおいて第1ポンプ室内で回転する第1ポンピング手段と、
h)下部ロータの底部表面上に設けられる第2インペラが、そこにおいて第2ポンプ室内で回転する第2ポンピング手段と、を備える。
典型的に、接続手段は、ステータの中心透孔内に回転可能に挿入されかつ垂直に移動可能である回転軸からなる。
ポンプ装置は、接続手段を軸方向に前後に移動させ、第1インペラと第1ポンプ室の対向表面との間の間隙および第2インペラと第2ポンプ室との間の間隙を、それらを協働させることによって調整できる制御部を備えてもよい。
ポンプ装置は、接続手段を軸方向に前後に移動させ、第1インペラと第1ポンプ室の対向表面との間の間隙および第2インペラと第2ポンプ室との間の間隙を、それらを協働させることによって調整できる制御部を備えてもよい。
本発明の幅広い形態は、個々にまたは組合せて使用されてもよいことが理解される。
本発明の例は、ここで添付図面を参照して述べられる。
ポンプ装置の第1実施例が、ここで図1〜5を参照して述べられる。特に、図1はポンプ装置1の断面図であり、図2は、ポンプ装置1の第1および第2ロータの斜視図である。
ポンプ装置の第1実施例が、ここで図1〜5を参照して述べられる。特に、図1はポンプ装置1の断面図であり、図2は、ポンプ装置1の第1および第2ロータの斜視図である。
この実施例では、第1ポンプ2は、ポンプ装置1の第1部分1a内に配置され、第2ポンプ3は、ポンプ装置1の第2部分1b内に配置される。この実施例では、磁気軸受および/またはドライブ、この実施例ではステータ4の少なくとも一部は、第1ポンプ2と第2ポンプ3との間に設けられる。
ポンプ装置は、第1および第2部分1a、1b内に配置される第1ロータ5aおよび第2ロータ5bを有するインペラ5を含み、ステータ4が第1部分1aと第2部分1bとの間に設けられる。第1および第2ロータ5a、5bは、ポンプ装置内に回転可能に搭載されたシャフト6を介して接続されて、この実施例ではロータ4を通して延在する接続チューブ4a内の軸6aの周りの回転および軸6aに沿う軸方向移動が可能になる。
そのため、この実施例では、接続チューブ4aは、同接続チューブ4aの半径方向に外側にステータ4が設けられるように、ステータ4を通る中心透孔として設けられることが理解されるであろう。しかしながら、これは必須ではなく、他の配置構成が使用され得る。たとえば、接続チューブは環状の形状であり得、シャフトは、環状接続チューブを通して延在する中空円柱または複数のロッドである。
第1ロータ5aは円板状であり、また、第1インペラ2aであって、その第1表面上に設けられる複数のベーンを備える、第1インペラ2aを支持する。永久磁石7aの形態の第1磁気材料は、ステータ4に対向する第1ロータ5aの第2表面上に設けられる。第2ロータ5bは同様に円板状であり、また、第2インペラ3aであって、その第1表面上に設けられる複数のベーンからなる、第2インペラ3aを支持し、複数の永久磁石7bの形態の第2磁気材料は、ステータ4に対向する第2ロータ5bの第2表面上に半径方向に配置される。永久磁石7bは、典型的に、インペラ5内に搭載されるいくつかの円周方向に離間した永久磁石を含み、隣接する磁石は反対極性を有する。しかしながら、ハルバッハアレイなどの他の適した配置構成が使用されてもよい。
ステータ4は、ドーナツ状本体4b、および、第1ロータ5aに対向する本体4bの第1表面上に設けられた、たとえば4つの電磁石からなる第1電磁石手段8aからなる。第1電磁石手段8aは、永久磁石7aと協働する磁界を発生し、インペラ5の軸方向位置の制御を可能にする。
そのため、第1電磁石手段8aおよび第1磁気材料は、インペラ5の軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受を形成する。一実施例では、少なくとも1つの軸受コイルは、永久磁石7aによって発生する磁界に対して相補的であるか、また、逆であるか、のうちの一方である磁界を発生し、それにより、軸受と第1磁気材料との間の正味の磁界を制御し、第1ロータ5a、したがって、インペラ5の軸方向位置の変更を可能にする。
さらに、たとえば回転磁界を発生するための12個の3相電磁石からなる第2電磁石手段8bが、第2ロータ5bに対向する本体4bの第2表面上に設けられ、それにより、電磁石および永久磁石7bは互いに協働し、それにより、第2ロータ5bを回転駆動する。
したがって、第2電磁石手段8bおよび磁石7bは、インペラを回転させるためのドライブを形成する。ドライブは、したがって、典型的に、インペラ内に設けられる第2磁気材料、および、第2磁気材料と協働する磁界を使用時に発生する少なくとも1つのドライブコイルを含み、インペラが回転されることを可能にする。
第1ポンプ2は、第1ポンプ室(またはキャビティ部)2bおよび第1インペラ2aを含む。第1インペラ2aは、第1ポンプ室2b内で、第1ロータ5aによって回転しながら、軸方向に移動し得る。第1吸込口2cは、第1ポンプ室2bの外側表面壁の中心に設けられ、吐出口2dは、第1ポンプ室2bの側部壁上に設けられる。
第2ポンプ3は、第2ポンプ室3bおよび第2インペラ3aを含む。第2インペラ3aは、第2ポンプ室3b内で、第2ロータ5bによって回転しながら、軸方向に移動し得る。第2吸込口3cは、第2ポンプ室3bの外側表面壁の中心に設けられ、吐出口3dは、第2ポンプ室3bの側部壁上に設けられる。
ポンプ室2b、3bは、渦巻室を備えてもよく、それにより、吐出口2d、3dへの流体の移送を補助することが理解されるであろう。渦巻室は、螺旋状/単一、スプリット状/2重、または円状/同心のタイプの任意の組合せであってよいが、以下でより詳細に述べるように、ジャーナル軸受が使用される場合、後者の円状渦巻室タイプが好ましい。その理由は、この構成が、最適なジャーナル軸受機能のための安定化用半径方向液圧力を生成するからである。
図3は、本実施例のポンプ装置1の制御系のブロック図である。
図3では、符号9aは第1センサを示し、第1センサはステータ4の第1表面の第1電磁石手段8aの各電磁石に対応して設けられ、また、渦電流センサからなる。第1センサ9aは、第1ロータ5aの軸方向位置を検出し、検出信号を、A/D変換器10を通してコントローラ11に入力する。さらに、ロータの傾斜は、以下で説明するように、第1センサ9aからの検出信号が入力されるコントローラ11において計算される。
図3では、符号9aは第1センサを示し、第1センサはステータ4の第1表面の第1電磁石手段8aの各電磁石に対応して設けられ、また、渦電流センサからなる。第1センサ9aは、第1ロータ5aの軸方向位置を検出し、検出信号を、A/D変換器10を通してコントローラ11に入力する。さらに、ロータの傾斜は、以下で説明するように、第1センサ9aからの検出信号が入力されるコントローラ11において計算される。
この実施例では、4つの電磁石8aに対応して4つの第1センサ9aが設けられ、第1ロータ5aおよび第2ロータ5bの軸方向位置の第1検出信号が、コントローラ11において4つの第1センサ9aからの検出信号の平均値を計算することによって得られる。さらに、第1および第2ロータ5aおよび5bの傾斜の第2検出信号が、隣接する第1センサ9aの平均差および第1センサ9aの間の距離から得られる。
4つの第1センサ9aを使用する実施例が、先に説明されるが、傾斜は、3つ以上の第1センサ9aの場合に計算され得ることに留意されたい。さらに、一実施例では、特に流体軸受が使用される場合、傾斜またはチルト検知は必要とされない可能性がある。
符号9bは第2センサを示し、第2センサは、第2ロータ5bの近くに設けられ、また、第1および第2ロータ5aおよび5bの回転速度を検出する。第2センサ9bは、回転速度についての第3の検出信号を、A/D変換器10を通してコントローラ11に入力する。
コントローラ11は、第1および第2検出信号に基づくPID(比例−積分−微分)制御演算を実行し、制御信号を、ドライブ回路12aを通して第1電磁石手段8aに出力し、それにより、第1ロータ5aの軸方向位置および傾斜を制御する。同時に、コントローラは、第3の検出信号に基づくPID制御演算を実行し、制御信号を、ドライブ回路12bを通して第2電磁石手段8bに出力し、第2ロータ5bの回転速度を制御する。
次に、本実施形態のポンプ装置1の使用および動作が説明される。
一実施例では、ポンプ装置1は、人工心臓の血液ポンプのために使用される。すなわち、第1ポンプ2は、左心室血液ポンプとして身体を通して血液を圧送するように動作し、さらに、第2ポンプ3は、右心室血液ポンプとして肺に血液を圧送するように動作する。
一実施例では、ポンプ装置1は、人工心臓の血液ポンプのために使用される。すなわち、第1ポンプ2は、左心室血液ポンプとして身体を通して血液を圧送するように動作し、さらに、第2ポンプ3は、右心室血液ポンプとして肺に血液を圧送するように動作する。
上述したポンプの回転駆動は、第2ロータ5bの第2表面の永久磁石7bおよびステータ4の第2表面の第2電磁石手段8bによって協働的に実施される。シャフト6によって提供されるロータ5aと5bとの間の物理的結合によって、第1ロータ5aの回転速度は、第2ロータ5bの回転速度と同じである。
さらに、ロータ5の回転中に、第1電磁石手段8aおよび永久磁石7aは、互いに協働し、それにより、コントローラ11からの傾斜制御信号によって第1ロータ5aおよび第2ロータ5bを水平にする。さらに、第1電磁石手段8aと永久磁石7aとの間の吸引力が、コントローラ11からの軸方向位置の制御信号に従って調整される。これは、第1ロータ5aおよび第2ロータ5bの軸方向位置を変更することによって第1ポンプ2の第2ポンプ3に対する吐出割合を調整するために実施される。
特に、第1電磁石手段8aと永久磁石7aとの間の吸引力の和として生成される第2ポンプ3に向かう力は、上述したように調整され得る。したがって、これは、ロータ5a、5b、したがってインペラ5の軸方向位置を調整しながら、ロータ5a、5bの浮遊を制御する。これは、第2電磁石手段8bと永久磁石7bとの間の吸引力によって生成される第1ポンプ2に向かう対向する力によって均衡される。
そのため、ドライブは、第2キャビティ部に隣接して位置決めされ、ドライブおよび第2磁気材料は、ドライブと第2ロータとの間に吸引力をもたらすように構成され、一方、磁気軸受は、第1キャビティに隣接して位置決めされ、磁気軸受および第1磁気材料は、磁気軸受と第1ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される。一実施例では、吸引力は、正常循環状態中にインペラがほぼ軸方向中心位置に位置決めされるときにほぼ均衡される。
ロータ5a、5bの浮遊が制御され、その後、第1ロータ5aが上に移動すると、第1インペラ2aと第1ポンプ室2bの上部表面壁との間の間隙d1が図4に示すように小さくなる。同時に、第2インペラ3aと第2ポンプ室3bの底部表面壁との間の間隙d2が大きくなる。このとき、第1インペラ2aと第1ポンプ室2bの上部表面壁との間の間隙d1が第1ポンプ2内で小さいため、逆流はほとんど起こらず、吐出口2dからの吐出流が増加する。第2インペラ3aと第2ポンプ室3bの底部表面壁との間の間隙d2が第2ポンプ3内で大きくなるため、たとえ第2インペラ3aによって吐出が実施されても、逆流が間隙d2で起こり、吐出口3dからの吐出流が小さくなる。
対照的に、第1ロータ5aが下に、ステータ4に向かって移動すると、第1インペラ2aと第1ポンプ室2bの上部表面壁との間の間隙d1は図5に示すように増加する。第2インペラ3aと第2ポンプ室3bの底部表面壁との間の間隙d2がまた小さくなる。このとき、第1インペラ2aと第1ポンプ室2bの上部表面壁との間の間隙d1が第1ポンプ2内で大きいため、たとえ第1インペラ2aによって吐出が実施されても、逆流が間隙d1で起こり、吐出口2dからの吐出流が減少する。第2インペラ3aと第2ポンプ室3bの底部表面壁との間の間隙d2が第2ポンプ3内で小さいため、逆流はほとんど起こらず、吐出口3dからの吐出流が増加する。
その結果、左心室の吐出量が増加する場合、ロータが第1ポンプ室2bに向かって移動すると、上述したように、左心室の吐出量が大きくなり、右心室の吐出量が小さくなる。
したがって、ロータ5の軸方向移動の位置は、左心室の吐出量と右心室の吐出量の比が所望の1になるように、コントローラ11からの制御信号によって制御されてもよい。
したがって、ロータ5の軸方向移動の位置は、左心室の吐出量と右心室の吐出量の比が所望の1になるように、コントローラ11からの制御信号によって制御されてもよい。
したがって、この実施例では、インペラの軸方向位置は、各セットのベーンとそれぞれのキャビティ表面との間の離隔距離を決定し、離隔距離は、吸込口から吐出口への流体流量を制御するために使用される。1つのさらなる実施例では、コントローラは、したがって、流体流量を変更するように吸込口から吐出口への流量を制御して、異なる血行動態状態を考慮し得る。これは、第1軸方向へのインペラの移動を判定し、磁気軸受によって第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラを移動させ、磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、インジケータに従ってインペラの軸方向位置を磁気軸受にて制御させ、それにより、吸込口と吐出口との間の流体流量を制御することによって達成され得る。こうした制御の実施例は、以下でより詳細に述べられる。
本実施例では、永久磁石7aが第1ロータ5aの底部表面に係合するが、第1ロータ5aは、永久磁石7aを第1ロータ5aに係合させる代わりに磁気材料で形成されてもよいことに留意されたい。
さらに、本実施形態では、一実施例は、第1ロータ5aおよび第2ロータ5bは、ステータ4の中心透孔を通過するシャフト6に固定されるように接続されるが、ステータ4の側部表面の外側でかつ外側の近くに位置し、また、垂直移動が可能な複数のロッドによって固定されるように接続されてもよいものとして説明される。
上述したポンプ装置1は、構造が、人工心臓の血液ポンプに最も適するように、コンパクトで単純な構造であり、同様に容易に制御される。装置はまた、人工心臓の血液ポンプ、または、ポンプ室2b、3bからの吐出量の比を同時に調整することによって流体を吐出するポンプのために使用され得る。したがって、一実施例では、人工心臓の血液ポンプとして、左心室血液ポンプおよび右心室血液ポンプの各吐出量を容易に制御し得るポンプ装置が提供される。
上述した配置構成は、いくつかの有利な効果を提供する。たとえば、ポンプは、1つのポンプ装置において左心室血液ポンプの機能と右心室血液ポンプの機能を提供でき、1つのポンプ装置は、コンパクトでかつ軽量であり、それにより、装備を簡略化することができ、また、磁気浮遊手段によって長い時間にわたって故障なしで駆動することができ、さらに、1つのポンプ装置内で、右および左の血液ポンプの吐出量を、同時に容易に制御することができる。
一実施例では、ステータ4の上の第1ロータ5aおよびステータ4の下の第2ロータ5bは、ステータ4の中心透孔内に挿入された回転軸6aによって互いに接続され、軸方向の作用力が、第1ロータ5aの第2表面の永久磁石7aに対してステータ4の第1表面の第1電磁石手段8aによって生成され、一方、ステータ4の第2表面の第2電磁石手段8bは、下部ロータ5bの第1表面の永久磁石7bに働いて、第2ロータ5bを回転式に駆動し、それにより、ポンプ装置の第1部分は、第1ロータ5aの第1表面上の第1インペラベーン2aによって第1ポンピング手段2として働き、一方、ポンプ装置の第2部分は、第2ロータ5bの第2表面上の第2インペラベーン3aによって第2ポンピング手段3として働く。
符号リストが以下に提示され、先の用語と交換可能に使用され得る代替の用語が挙げられる。
1−心臓ポンプまたはポンプ装置
1a−第1部分
1b−第2部分
2−第1ポンプまたは第1ポンピング手段
2a−第1インペラ
2b−第1キャビティ部または第1ポンプ室
3−第2ポンプ
3a−第2インペラ
3b−第2キャビティ部または第2ポンプ室
4−ステータ
4a−接続チューブまたは中心透孔
5a−第1ロータまたは上部ロータ
5b−第2ロータまたは下部ロータ
6−シャフト
6a−回転軸
7a−第1磁気材料または第1永久磁石
7b−第2磁気材料または第2永久磁石
8a−第1電磁石手段
8b−第2電磁石手段
11−コントローラまたは制御部
心臓ポンプの第2実施例は、ここで図6Aを参照して述べられる。
1−心臓ポンプまたはポンプ装置
1a−第1部分
1b−第2部分
2−第1ポンプまたは第1ポンピング手段
2a−第1インペラ
2b−第1キャビティ部または第1ポンプ室
3−第2ポンプ
3a−第2インペラ
3b−第2キャビティ部または第2ポンプ室
4−ステータ
4a−接続チューブまたは中心透孔
5a−第1ロータまたは上部ロータ
5b−第2ロータまたは下部ロータ
6−シャフト
6a−回転軸
7a−第1磁気材料または第1永久磁石
7b−第2磁気材料または第2永久磁石
8a−第1電磁石手段
8b−第2電磁石手段
11−コントローラまたは制御部
心臓ポンプの第2実施例は、ここで図6Aを参照して述べられる。
この実施例では、心臓ポンプ100Aは、キャビティ120を画定し、インペラ130Aを含むハウジング110を含む。インペラ130Aは、キャビティ120を第1および第2キャビティ部121、122Aに効果的に分割する。ハウジング110は、第1および第2キャビティ部121、122Aにそれぞれ流体連通する、第1および第2吸込口141、142ならびに対応する第1および第2吐出口151、152を含む。
インペラ130Aは、回転軸160の周りのインペラ130Aの回転が吸込口141、142から対応する吐出口151、152に流体を付勢するように、第1および第2セットのベーン131、132を含む。使用時、インペラ130Aの回転は、磁気ドライブ170などのドライブを使用して達成される。磁気ドライブ170は、通常、第1キャビティ121に隣接してハウジング110の第1端部に位置決めされた少なくとも1つのコイルを含む。使用時、コイルは、インペラ130A内の磁気材料と協働する磁界を発生し、インペラが回転されることを可能にする。これは、ドライブ170とインペラ130Aとの間に、第1キャビティ121に向かって軸方向にインペラ130Aを付勢する吸引力をもたらす傾向がある。
使用時、セットのベーン131、132と対応するキャビティ表面123、124Aとの間の相対物理的離隔距離は、ベーン131、132の相対効率、したがって、吸込口141、142と対応する吐出口151、152との間の相対流量を制御する。軸方向のインペラ130Aの位置は、典型的に、磁気軸受180を使用して制御される。磁気軸受180は、通常、第2キャビティ122Aに隣接してハウジング110の第2端部に位置決めされた少なくとも1つのコイルを含む。使用時、コイルは、インペラ130A内の第1鉄材料と相互作用する、同様に磁気軸受ステータ内の磁気材料と協働する磁界を発生し、インペラ130Aの軸方向位置の制御を可能にする。これは、磁気軸受180とインペラ130Aとの間に、第2キャビティ122Aに向かって軸方向にインペラ130Aを付勢する吸引力をもたらす傾向がある。
ドライブ170および軸受180は、第1および第2キャビティ部121、122Aに隣接してそれぞれ位置決めされるが、これは必須ではなく、位置決めは、逆にすることができ、軸受180が第1キャビティ部121に接して位置決めされ、ドライブ170が第2キャビティ部122Aに接して位置決めされる。しかしながら、一般に、ドライブがインペラ130Aに回転トルクを提供する必要があるため、これは、ドライブが、第1キャビティ部内でインペラ130Aに結合する場合、最も容易である。その理由は、インペラ130Aが、ドライブ170のトルクを最大にするより大きな直径をこの地点で有するからである。
ドライブ170および軸受180は、典型的に、コントローラ190に結合され、心臓ポンプ100の動作が制御可能となる。コントローラはまた、通常、センサ(その実施例が以下でより詳細に述べられる)に結合され、インペラの位置を確定可能とする。
心臓ポンプの第3の実施例が、ここで図6Bを参照して述べられる。この実施例では、同様な符号が、同様な特徴を指定するために使用され、これらは、したがって、詳細には述べられない。
この実施例では、心臓ポンプ100Bは、ハウジング110にわたって延在する表面124Bを有する第2改良型キャビティ122Bを含み、吸込口は図6Aの実施例において設けられる。したがって、この実施例では、心臓ポンプ110は第2吸込口または第2吐出口を含まない。さらに、インペラ130Bは、キャビティ121内に位置決めされた単一セットのベーン131のみを含み、また、第2キャビティ122Bから第1キャビティ121に血液が流れることを可能にするための、インペラ130Bを通して延在するアパーチャ135を含み、それにより、インペラ130Bと第2キャビティ表面124Bとの間の停滞を防止する。
使用時、心臓ポンプ100A、100Bは、心臓の左心室および右心室の一方または両方のポンピング作用を補うために被検者に結合され得る。
たとえば、図6Aの心臓ポンプ100Aは、肺と全身の両方の循環系に結合可能であり、ポンプがBiVAD(両室補助デバイス(Bi−Ventricular assist Device))として動作することを可能にし、ポンプは、心臓の左心室と右心室の両方のポンピング作用を補う。この実例では、左心室および右心房は、第1および第2吸込口141、142にそれぞれ結合し、一方、第1および第2吐出口151、152は、大動脈および肺動脈に吐出流を供給する。
たとえば、図6Aの心臓ポンプ100Aは、肺と全身の両方の循環系に結合可能であり、ポンプがBiVAD(両室補助デバイス(Bi−Ventricular assist Device))として動作することを可能にし、ポンプは、心臓の左心室と右心室の両方のポンピング作用を補う。この実例では、左心室および右心房は、第1および第2吸込口141、142にそれぞれ結合し、一方、第1および第2吐出口151、152は、大動脈および肺動脈に吐出流を供給する。
使用時、心臓ポンプ100Aは、公称均衡点と一般に呼ばれるキャビティ120内のほぼ軸方向中心位置にインペラ130Aが位置決めされた状態で、各セットのベーン131、132によって提供されるポンピング作用が、左心室および右心室のそれぞれによって要求されるポンピング作用にそれぞれ等しくなるように配列される。これは、それぞれのベーンの長さ、高さ、および形状などの適した寸法の選択によって達成されることができ、また一般に、各吐出口151、152で約5L/分の流量を達成する。
循環系が正しく機能しているとき、第1キャビティ部121内の圧力は、第2キャビティ部122A内の圧力より大きいことになる、20mmHgと対照的に約100mmHgである。この実例では、第1キャビティ121と第2キャビティ122Aとの間の血流は、インペラ130Aが存在するため、実質的に阻止される。インペラの幾何形状に応じて、この正常圧力差は、たとえば第2キャビティ部122Aに向かって作用する力をインペラ130Aにもたらす可能性がある。
一実施例では、心臓ポンプは、圧力差から生じる力、ならびに、インペラ130Aとドライブ170との間ならびにインペラ130Aと軸受180との間の磁気結合によって引き起こされる吸引力を含むインペラ130Aにかかる任意のこうした力が、インペラ130Aが均衡点にもたらされると、ほぼ同じになるように自然に均衡する。
以下でより詳細に述べるように、キャビティ120内の均衡点の位置は、制御され、循環系が正しく機能しているときにキャビティ120の軸方向中心に通常位置決めされる。これは、インペラ130A、ドライブ170、ならびに軸受180についての適した磁気特性を選択することによって達成され得る。こうした状況では、均衡点にインペラ130Aを維持するために磁気軸受180によって加えられることが必要とされるさらなる力は最小であり、それは「ゼロパワー構成(zero power configuration)」と呼ばれることがある。この点に関して、用語ゼロは、必ずしもゼロであると理解されるのではなく、むしろ、必要とされるパワーが、こうした均衡が存在しなかった場合より小さいことを意味する。
この実施例では、肺循環系内の圧力の増加および/または全身循環系内の圧力の減少によって引き起こされる第1および第2キャビティ部121、122Aの相対圧力の変化が存在する場合、これは、修正された圧力差をもたらすことになる。修正圧力差は、インペラ130Aに正味の力をもたらし、第1キャビティ部121に向かって均衡点から離れるインペラ130Aの移動を引き起こし、それにより、第1セットのベーン131と第1キャビティ表面123との間の離隔距離を減少させる。これは、全身系におけるポンピング効果の効率を増加させ、肺系におけるポンピング効果の効率を減少させる。これは、全身循環系内への流量を増加させながら、肺循環系内への流量を減少させることになり、肺および/または全身循環系における流量均衡問題を悪化させることになる。
同様に、肺循環系内の圧力の減少および/または全身循環系内の圧力の増加はまた、正味の力をもたらし、第2キャビティ部122Aに向かうインペラ130の移動を引き起こす。これは、第2セットのベーン132と第2キャビティ表面124Aとの間の離隔距離を減少させ、それにより、肺系におけるポンピング効果の効率を増加させ、全身系におけるポンピング効果の効率を減少させ、したがって、肺または全身循環系における流量均衡問題を大きくすることになる。
この状況に対処するために、制御プロセスが、典型的に、コントローラ190によって実装され、制御プロセスは、以下でより詳細に述べるように、キャビティ120内のインペラ130Aの位置の制御を可能にする。
図1〜5に関して上述した心臓ポンプ1が、同様な方法で機能することができ、したがって、これがより詳細に述べられないことが理解されるであろう。
しかしながら、心臓ポンプ1と100Aとの間に差が存在することは同様に注目に値する。特に、心臓ポンプ1では、キャビティ部2、3は接続チューブ4aによって分離される一方、図6Aでは、キャビティ部121、122Aは、インペラ130Aのみによって分離される。結果として、流体が、1つのキャビティ部から別のキャビティ部へ流れる場合に、それに沿って移動しなければならない経路の最小断面積および距離は、心臓ポンプ100Aと比較して、図1〜5の心臓ポンプ1において大幅に増加する。これは、心臓ポンプキャビティ部2と3との間の漏洩を減少させるのに役立ち、状況によっては望ましい。
しかしながら、心臓ポンプ1と100Aとの間に差が存在することは同様に注目に値する。特に、心臓ポンプ1では、キャビティ部2、3は接続チューブ4aによって分離される一方、図6Aでは、キャビティ部121、122Aは、インペラ130Aのみによって分離される。結果として、流体が、1つのキャビティ部から別のキャビティ部へ流れる場合に、それに沿って移動しなければならない経路の最小断面積および距離は、心臓ポンプ100Aと比較して、図1〜5の心臓ポンプ1において大幅に増加する。これは、心臓ポンプキャビティ部2と3との間の漏洩を減少させるのに役立ち、状況によっては望ましい。
漏洩は、さらに、流路に沿って最小断面積を変更するように作用する、シャフト6および接続チューブ4aの相対直径の適切な選択によって、ならびに、シャフトまたは接続チューブ表面上のリッジまたはトラフなどの、流れ要素の存在などの他の因子によって制御され得る。
図1〜5の実施例では、第1および第2電磁石手段8a、8bは、それぞれ軸受およびドライブとして作用する。したがって、この実施例では、ドライブ8bは、第1ロータ5aの直径より小さい直径を有する第2ロータ5bに結合することが理解されるであろう。典型的に、直径は、第2ロータ5bの場合30〜40mm、第1ロータ5aの場合50〜60mmである。
いずれにしても、インペラ5の小さな部品(part)へのドライブの結合は、ドライブ170がインペラ130Aの大きな直径部分に結合する心臓ポンプ100Aの好ましい実装態様の逆である。一実施例では、これは、第1ロータ5aと第2ロータ5bとの間の直径の差の減少の結果であり、それにより、インペラ5の大きな直径部分にドライブを結合して得られ得るトルクの利益を減少させる。しかしながら、ドライブがより大きなロータ5aに結合できるように、任意の適した配置構成が使用され得ることが理解されるであろう。
図6Bの心臓ポンプ100Bの実施例では、これは、肺または全身の循環系に結合することができ、ポンプが、VAD(心室補助デバイス)として動作することを可能にし、ポンプは、心臓の左心室または右心室のポンピング作用を補う。
この実施例では、心臓ポンプ100Bは、公称均衡点と一般に呼ばれるキャビティ120内のほぼ軸方向中心位置にインペラ130Bが位置決めされた状態で、ポンピング作用が、それぞれの心室によって要求されるポンピング作用に等しいように配置される。これは、それぞれのベーンの長さ、高さ、および形状などの適した寸法の選択によって達成されることができ、また一般に、吐出口で約5L/分の流量を達成する。
この実施例では、キャビティ121、122B内の流体圧は、以下でより詳細に述べるように、インペラ130Bの構成に応じてインペラ130Bにかかる圧力差をもたらすことになる。ポンプ100Bは、やはり、圧力差から生じる力、ならびに、インペラ130Bとドライブ170との間ならびにインペラ130Bと軸受180との間の磁気結合によって引き起こされる吸引力を含むインペラ130Bにかかる任意の力が、インペラ130Bが均衡点にもたらされると、ほぼ同じになるように自然に均衡する。やはり、キャビティ120内の均衡点は、典型的に、循環系が正しく機能しているときキャビティ120の軸方向中心に位置決めされるため、「ゼロパワー構成」が実装される。
この実施例では、キャビティ121、122B内に圧力変化が存在する場合、これは、インペラにかかる修正圧力差をもたらすことになり、均衡点から離れるインペラ130Bの移動を引き起こす。これが起こる方向は、インペラ130Bの前後に生成される圧力差に依存し、やはり、流量問題を悪化させる。
制御プロセスの一実施例が、ここで図7を参照して述べられる。この制御プロセスは、図1〜5の心臓ポンプならびに図6Aおよび6Bの第2および第3の例示的な心臓ポンプ100A、100Bに同様に適用可能である。したがって、以下の説明は、概してインペラ130を有する心臓ポンプ100に的を絞り、それぞれの心臓ポンプ100A、100Bは、これがプロセスに影響を及ぼすときにのみ特定され、また、心臓ポンプ1は、心臓ポンプ100Aに関して述べた方法と実質的に同様な方法で機能すると仮定される。
この実施例では、ステップ200にて、プロセスは、センサ195からの信号に従って第1軸方向へのインペラ130の移動を判定することを含む。センサは、任意の適した方法でインペラ130の移動を検出するようになっている。たとえば、これは、第1および第2キャビティ部121、122内のまたは全身および肺の循環系内の相対圧力の変化を検出することが可能な圧力センサの使用によって達成され得、次に、インペラ130の移動をもたらす。代替的に、これは、以下でより詳細に述べるように、インペラ130と、適した位置センサなどのセンサ195との間の離隔距離を検出することによって達成され得る。
第1方向は、正常圧力差からの変動の性質、また特に、これが全身系および肺系の一方または両方における増加および/または減少によって引き起こされるかどうかに応じて、第1キャビティ部121かまたは第2キャビティ部122に向かい得ることが理解されるであろう。
ステップ210にて、磁気軸受180は、第1軸方向と反対の第2軸方向にインペラ130を移動させるために使用される。そのため、たとえば、これは、磁気軸受180によって印加される力を増加させること、または、減少させることを含むことができ、それにより、2つのキャビティ部121と122との間の正常圧力差に対する変化によって引き起こされる力に抗してインペラ130が移動することを可能にする。
ステップ220にて、磁気軸受180によって使用されるパワーを示すインジケータが確定される。これは、磁気軸受180によって引出される(draw)電流を監視することなどのような任意の適した方法で達成されてもよい。これは、たとえば、一定軸方向位置にインペラ130を維持するために使用される電流を監視することを含むことができ、または代替的に、インペラ130が第2軸方向に移動するときに磁気軸受180によって引出される電流の変化を監視することを含み得る。
ステップ230にて、インジケータは、インペラ130の軸方向位置を制御するために使用される。これは、典型的に、制約を要求されることなく、磁気軸受180によって引出される電流を最小にするために実施され、それにより、たとえ正常圧力差の変化が存在してもゼロパワー構成を維持する。この状況は、軸方向中心位置からオフセットした新しい均衡位置をもたらす。特に、上述した構成では、インペラ130と、ドライブ170および磁気軸受180の両方との間に吸引力が存在するため、新しい均衡位置は、第2方向に軸方向中心位置からオフセットすることになる。
そのため、第1キャビティ121内の圧力の増加によって、インペラ130が第2キャビティ122向かって付勢される場合、新しい均衡位置は、第1キャビティ121に向かって軸方向中心位置からオフセットして配置されることになる。この位置では、ドライブ170とインペラ130との間の吸引力が増加し、一方、磁気軸受180とインペラ130との間の吸引力が減少する。これは、第1キャビティ121に向かうより大きな正味の力をもたらし、圧力差の変化によって引き起こされる第2キャビティ122に向かう増加した力を均衡させる。
新しい均衡位置が第1キャビティ121に向かってオフセットした状態の心臓ポンプ100Aの実施例では、第1セットのベーン131と第1キャビティ表面123との間の減少した離隔距離は、第1キャビティ121内のポンピング作用を増加させ、それにより、第1吐出口151からの吐出量を増加させる。同様に、第2キャビティ122Aにおけるポンピング作用の減少が存在し、第2吐出口152からの吐出量の減少をもたらす。したがって、これは、循環系の正常流量均衡を回復させるように働く。一旦正常圧力差が回復すると、これは、第1キャビティ121に向かう正味の力をもたらすことになることが理解されるであろう。上述したプロセスを適用することは、キャビティ120内に軸方向中心を持つ正常均衡位置にインペラ130Aを戻すことになる。
そのため、心臓ポンプ100Aの場合、上述したプロセスは、循環系間で正常圧力差の変化が生じるときにキャビティ120内のインペラ130Aの位置を調整することによってゼロパワー制御を維持するように働き、インペラ130Aが新しい均衡位置にもたらされることを可能にする。さらに、一実施例では、インペラ130Aとドライブ170と磁気軸受180との間の固有の吸引力は、キャビティ120の軸方向中心からオフセットした新しい均衡位置をもたらし、それにより、吸込口141、142と対応する吐出口151、152との間の相対流量を制御し、その新しい均衡位置は、次に、循環系内の血管抵抗の変化を補償するために使用され得る。
したがって、この制御プロセスが、心臓ポンプ100Aがゼロパワー構成を維持しながら相対流量制御を実行することを可能にすることが理解されるであろう。
心臓ポンプ100Bの実施例では、キャビティ121、122B内の圧力増加は、第1キャビティ121に向かってインペラ130Bを移動させる圧力差をインペラ130Bの前後にもたらす。この実例では、新しい均衡位置は、したがって、第2キャビティ122Bに向かってオフセットすることになり、第1セットのベーン131と第1キャビティ表面123との間の離隔距離の増加は、第1キャビティ121内でのポンピング作用の減少をもたらす。これは、流圧を減少させ、それにより、第1キャビティ121と第2キャビティ122Bとの間の流圧の増加を相殺する。
心臓ポンプ100Bの実施例では、キャビティ121、122B内の圧力増加は、第1キャビティ121に向かってインペラ130Bを移動させる圧力差をインペラ130Bの前後にもたらす。この実例では、新しい均衡位置は、したがって、第2キャビティ122Bに向かってオフセットすることになり、第1セットのベーン131と第1キャビティ表面123との間の離隔距離の増加は、第1キャビティ121内でのポンピング作用の減少をもたらす。これは、流圧を減少させ、それにより、第1キャビティ121と第2キャビティ122Bとの間の流圧の増加を相殺する。
そのため、心臓ポンプ100Bの場合、上述したプロセスは、インペラの前後の正常圧力差が、ポンプ100Bが取付けられるそれぞれの循環系内の圧力変化によって生じるときにキャビティ120内のインペラ130Bの位置を調整することによってゼロパワー制御を維持するように働く。ポンプ100AのためのBiVADアプリケーションと違って、圧力差を補正することは、循環系間の相対流量を補正することより重要である。その理由は、相対流量が、ポンプ100Bが取付けられていない心室によって影響を受けることにからである。そのため、ポンプ100BのためのVAD実施例では、インペラ130Bとドライブ170と磁気軸受180との間の固有の吸引力は、キャビティ120の軸方向中心からオフセットした新しい均衡位置をもたらし、それにより、いずれの圧力変化も相殺し、その新しい均衡位置は、次に、循環系内の血管抵抗の変化を補償するために使用され得る。
したがって、この制御プロセスが、心臓ポンプ100Bがゼロパワー構成を維持しながら圧力制御を実行することを可能にすることが理解されるであろう。この実施例において、流量の制御が必要とされる場合、これは、インペラ130Bの回転速度を調整することによって達成され得る。これが、第1および第2セットのベーン131、132の構成が異なるために生じる望ましくない流量差をもたらし得る心臓ポンプ100Aにおいてインペラ130Aの回転速度を変更しようとすることに比べて複雑でないことが理解されるであろう。
上述したプロセスは任意の適した方法で達成されてもよいが、一実施例では、これは、コントローラ190によって達成される。したがって、コントローラ190は、典型的に、インペラ130の回転を引き起こすようにドライブ170を制御するようになっている。これに加えて、コントローラ190は、以下でより詳細に述べるように、磁気軸受180によって引出されるパワーを監視し、これを使用して、磁気軸受180、したがって、インペラ130の軸方向位置が制御されることになる。
任意の適した形態のコントローラが使用されてもよいことがこのことから理解され、例示的なコントローラが、ここで図8に関してより詳細に述べられる。
この実施例では、コントローラ190は、プロセッサ300、メモリ301、入力ボタン、キーパッド、ディスプレイ等の入力/出力デバイス(I/Oデバイス)302、あるいは、選択的な外部インタフェース303を含み、コントローラ190がセンサ195から信号を受信し、ドライブ170および磁気軸受180に制御信号を提供することを可能にする。したがって、コントローラ190は、コンピュータ、ラップトップ、パームトップ、PDAなどの適切にプログラムされた処理システムの形態であってよく、または代替的に、専用ハードウェア、プログラマブルロジックコントローラ、フィールドプログラナブルゲートアレイ(FPGA)、または同様なものであってよいことが理解されるであろう。
この実施例では、コントローラ190は、プロセッサ300、メモリ301、入力ボタン、キーパッド、ディスプレイ等の入力/出力デバイス(I/Oデバイス)302、あるいは、選択的な外部インタフェース303を含み、コントローラ190がセンサ195から信号を受信し、ドライブ170および磁気軸受180に制御信号を提供することを可能にする。したがって、コントローラ190は、コンピュータ、ラップトップ、パームトップ、PDAなどの適切にプログラムされた処理システムの形態であってよく、または代替的に、専用ハードウェア、プログラマブルロジックコントローラ、フィールドプログラナブルゲートアレイ(FPGA)、または同様なものであってよいことが理解されるであろう。
一実施例では、コントローラ190は、カスタムマイクロエレクトロニクスから形成され、同コントローラ190が、被検者内で心臓ポンプと共に物理的に埋め込まれることを可能にする。代替的に、コントローラ190は、無線接続または同様なものを介して心臓ポンプ100を制御するために使用され得る。
使用時、プロセッサ300は、典型的に、メモリ301に記憶された命令を実行し、プロセッサ300が、本明細書で述べる制御プロセスを実施することを可能にする。特に、プロセッサ300は、センサ195から信号を受信して、インペラ位置を確定可能にする。プロセッサ300は、その後、軸受180および/またはドライブ170の動作の修正が必要とされるかどうかを判定し、そうである場合、必要に応じて軸受および/またはドライブに適用される適切な信号を生成する。
コントローラ190はまた、コントローラ11を置換することによって図1〜5の心臓ポンプ1内に実装され得ることが理解されるであろう。
心臓ポンプインペラの位置を制御するコントローラ190を使用するためのプロセスの実施例は、ここで図9を参照して述べられる。実施例のために、これは、図6Aの心臓ポンプ100Aに関して述べられるが、同様な動作が、心臓ポンプ1および100Bについて起こることが理解されるであろう。
心臓ポンプインペラの位置を制御するコントローラ190を使用するためのプロセスの実施例は、ここで図9を参照して述べられる。実施例のために、これは、図6Aの心臓ポンプ100Aに関して述べられるが、同様な動作が、心臓ポンプ1および100Bについて起こることが理解されるであろう。
この実施例では、ステップ400にて、コントローラ190は、センサ195を使用してインペラ130Aの軸方向位置を監視し、ステップ410にて、肺循環系と全身循環系との間の圧力差の変化の結果としてインペラが移動したかどうかを判定する。これは、典型的に、センサ195からの信号を監視して、インペラ130Aとセンサ195との間の離隔距離が変わったかどうかを判定し、それにより、インペラ130Aが現在の均衡位置から移動したことを知らせること含む。現在の均衡位置は、循環系が以前に正常血行動態に従って機能していた場合、正常均衡位置に対応する可能性があるが、これは必須ではない。
ステップ420にて、コントローラは、たとえばセンサ195とインペラとの間の離隔距離が増加したか、または、減少したかを判定することによって、軸移動の方向を確定し、ステップ430にて、これを使用して、磁気軸受が、インペラ130Aの逆の移動を引き起こすことを可能にし、それにより、インペラ130Aを均衡位置に向かって移動させる。
ステップ440にて、コントローラは、インペラ130Aが均衡位置に向かって戻るように移動するときに、磁気軸受180によって使用される電流変化率に基づくインジケータを確定する。インジケータは、ステップ450にて、所定の値と比較されて、ステップ460にて、インジケータ、したがって、磁気軸受180によるパワー消費が許容可能であるかどうかを判定する。その値は、したがって、典型的には、ゼロパワー要件を満たす磁気軸受180による最小パワー使用を表し、この値は、典型的に、予め確定され、心臓ポンプ100の初期動作の前に、コントローラ190のメモリ301に記憶される。
一般に、磁気軸受180によって消費されるパワーは、インペラ130Aが循環系間の変化した圧力差に関連する新しい均衡位置に近づくにつれて減少し、したがって、インペラ130Aが新しい均衡位置に達したかどうかを示すためにこれが使用され得ることが理解されるであろう。
ステップ460にてインジケータが上首尾でないと判定される場合、プロセスは、ステップ470に移動して、インペラ130Aの軸方向位置を確定する。軸方向位置は、その後、ステップ480にて位置限界と比較されて、ステップ490にて、インペラ130Aが動作位置限界内にあるかどうかが判定される。これは、インペラ130Aが第1または第2キャビティ表面123、124Aに近づき過ぎる(これはインペラ性能に影響を及ぼし得る)ことがないことを保証するために実施される。やはり、位置限界は、典型的に、メモリ301に記憶された、予め確定された値である。
インペラ130Aが、依然として位置限界内にあるが、新しい均衡点にまだ達していない場合、プロセスは、ステップ430に戻って、インペラ130Aの移動を誘引し続ける。
そうでなければ、ステップ460にて新しい均衡点に達したと判定される場合、または、ステップ490にて位置限界に達した場合、インペラ130Aの移動は、現在の位置で停止(halt)され、現在の位置は、したがって、ゼロパワー構成における均衡位置に達成可能なかぎり近い軸方向位置を表す。
プロセスは、その後、ステップ400に戻ることができ、全身系と肺系との間にさらなる相対圧力変化が起こる場合にプロセスが繰り返されることを可能にする。
上述したように、構成は、新しい均衡位置が、正常な左/右吐出量均衡から離れる変動を相殺するようなものであり、それにより、循環系を、正常血行動態によって要求される正常吐出量均衡に戻す。
上述したように、構成は、新しい均衡位置が、正常な左/右吐出量均衡から離れる変動を相殺するようなものであり、それにより、循環系を、正常血行動態によって要求される正常吐出量均衡に戻す。
心臓ポンプ100Bに適用される場合、上述したプロセスは、循環系内のいずれの圧力変化をも相殺し、系を正常血行動態圧力に戻す。
心臓ポンプ100A、100Bについてのドライブ170および磁気軸受180の一実施例は、図10A〜10Fに示される。
心臓ポンプ100A、100Bについてのドライブ170および磁気軸受180の一実施例は、図10A〜10Fに示される。
この実施例では、磁気軸受180は、3つの等間隔に配置された120°U形状軸受ステータコア181を含む。複数巻きの銅ワイヤ182が、各ステータコア181の半径方向外側の足部のまわりに巻き付けられて、インペラ130(この実施例には示さず)に取付けられた鉄コア185に向く磁束が生成される。カスタムNdFeB永久磁石183は、各コアの半径方向内側の足部に取付けられて、磁束経路にバイアス磁束を提供してもよい。この永久磁石はまた、インペラ130上に、または、内側および外側の極足部184を架橋するセクション内に位置してもよく、また、好ましくは、高い磁気の強さ(magnetic strength)(等級N52)であるべきである。アキシャル軸受は、強磁性材料で作られる鉄コア185に磁気結合し、インペラ130に搭載される。
ドライブ170は、典型的に、12までの極をもって構成されたスロット付きアキシャル磁束形モータを含むが、好ましくは、集中銅コイル172がその上に巻き付けられる6極173を有するステータ171から構成される。モータステータ171は、北極174aと南極174bとの間で交互に繰り返し、かつインペラ130に搭載された強磁性コア175に取付けられた対向する極性を有する円周方向に離間した永久磁石174に電磁結合する。
軸受ステータ181、モータステータ171、および強磁性コア175、185はそれぞれ、好ましくは、鉄コバルトまたは鉄シリコン合金などの、高い電気抵抗率および高い透磁率を示す材料で構成される。提案される材料は、VACOFLUX(Vacuumschmelze GMBH&CO.KG,ドイツ国)である。材料は、渦電流損を低減するために積層される。
磁気ドライブおよび軸受システム170、180によって生成される軸方向吸引力fZおよびモータトルクτZは、式(1)および式(2)から導出される。各式で使用されるパラメータは表1に挙げられる。
Bs(θ,t)=BScos(ωt−Mθ) (3)
Br(θ,t)=BRcos(ωt−Mθ−φ) (4)
コイル172、182の巻き数および永久磁石174、183の幾何学的パラメータがこの磁束を生成する。
Br(θ,t)=BRcos(ωt−Mθ−φ) (4)
コイル172、182の巻き数および永久磁石174、183の幾何学的パラメータがこの磁束を生成する。
磁気軸受による軸方向位置制御の動作原理は図11Aに示される。モータステータおよび磁気軸受磁束BS176、186の大きさを変更することによって、インペラ130の軸方向変位を制御し得る。モータトルクもまた、位相差φを変更して制御される。
ドライブ170および軸受180内の永久磁石174、183はそれぞれ、システムのパワー要件を低減するために、静的バイアス磁束177、187を生成する。これらの磁石174、183によって生成される吸引力は、インペラ130がキャビティ120の中心に位置するとき均衡状態にある。したがって、ドライブ170および軸受180内のコイル172、182によってそれぞれ生成される制御磁束176、186は、インペラの軸方向位置を安定化するとともに外乱力を克服することのみを要求される。
軸受180によって生成される制御磁束186は、永久磁石183によって発生する磁界に相補的なまたはそれと逆の磁界を発生することによって、インペラ130と軸受180との間の効果的な吸引を増加させ得る、または、減少させ得る。これは、軸受と軸受磁気材料との間の正味の磁界を制御し、正味の磁界は、次に、インペラ130の位置が、キャビティ120内でいずれの方向にも制御されることを可能にする。
インペラの軸方向位置のフィードバック制御は、渦電流センサ(U5B,Lion Precision,米国ミネソタ州所在)などの3つの位置センサ195A、195B、および195Cによって検出されてもよい、インペラ変位に応答して達成される。これらの変位測定値は、システムを安定化する制御アルゴリズムによって使用されるフィードバックパラメータである。制御利得は、パワー増幅器に出力され、パワー増幅器は、対応するコイル内で必要とされる電流を生成して、磁気間隙内の磁束密度、したがって、吸引力を変更し、それにより、インペラ浮遊を維持する。同様に、モータコントローラは、モータコイルが同期回転を実現するために3相電流を生成する。この回転は、ホール効果センサまたは逆起電力(EMF)記録から導出される回転速度のフィードバックパラメータを使用して、回転速度を制御してもよい。
磁気軸受によるチルト制御の動作原理は、図11Bに示される。一定バイアス磁束177、187が、永久磁石174、183によって生成される。インペラがチルトすると、インペラ130が近づく側のアキシャル軸受180によって生成される電磁制御磁束176、186は、逆磁束186counterを印加することによって減少し、一方、他の側の磁束は、相補的な磁束186compを印加することによって増加し、それにより、回復チルト力FTiltが発生する。
同様なドライブおよび軸受配置構成は、たとえ先に述べたようにキャビティ部2と3との間に配置される場合でも、図1〜5の心臓ポンプ1内に実装され得ることが理解されるであろう。
インペラ位置が維持される方法が、ここで図12A〜12Cに関して述べられる。これは、図6Aおよび6Bの第2および第3の例示的な心臓ポンプ100A、100Bを参照して述べられる。したがって、以下の説明は、概してインペラ130を有する心臓ポンプ100に的を絞り、それぞれの心臓ポンプ100A、100Bは、これがプロセスに影響を及ぼすときのみ特定される。ポンプ1は、インペラ5がインペラ130として作用する状態で、心臓ポンプ100Aに関して述べた方法と実質的に同様な方法で機能することも仮定され、したがって、これはさらに詳細には述べられないであろう。
コントローラ190は、図12Aに示すように、ポンプキャビティ120の中心にインペラ130の安定な軸方向位置を維持しようと試みる。これに関して、インペラが中心に位置決めされた状態で、これらの磁石174、183によって生成される静的バイアス磁束177A、187Aは均衡状態にあり、その結果、最小の制御磁束176A、186Aのみが、ドライブ170および軸受によってそれぞれ生成されることが必要とされる。
図12Bに示す、静的外乱力Fの導入は、インペラ130を、この中心位置から(この場合、キャビティ部121に向かって)変位させようと試みる。インペラ130の軸方向位置のわずかの逸脱は、軸受180によって生成される磁気制御磁束186Bを増加させる「ゼロ位置(zero position)」コントローラ190を関与させて、これらの力Fが相殺され、磁気軸受180によって使用される磁気パワーの増加をもたらす概念上の中心「ゼロ(zero)」位置が維持される。
しかしながら、「ゼロパワー(zero power)」コントローラ190を実装することによって、インペラ130の概念上の中心軸方向位置は、キャビティ130内の物理的中心位置に固定されず、外部外乱力に応答して変化することになる。
先の実施例では、キャビティ121に向かう外乱力Fの印加は、軸受バイアス磁束187Cの永久磁石吸引力の増加および後続のモータバイアス磁束177Cの永久磁石吸引力の減少によってこの外乱力が相殺されるまで、コントローラ190によって軸受180に向かって反対方向にインペラ130を移動させる。これは、モータ及び制御磁束176C、186Cが最小になり、新しい軸方向位置でインペラを安定化させるのみのためにもう一度使用されるまで、軸受電磁制御磁束186Bを減少可能にする。
先に簡潔に述べたように、ゼロパワーモードで磁気軸受を制御することは、その生理的パラメータを絶えず適応させ変更している心臓血管系において心臓ポンプを動作させる場合に有利であり得る。これらのパラメータは、特に、軸方向および半径方向にインペラに静的外乱液圧力を課す、心臓ポンプ内での圧力発生に影響を及ぼす。
VADまたはBiVADの液圧出力を変更する能力は、心臓血管環境内での効果的な生理的動作を可能にするために重要である。患者の身体状態の変化による灌流要件の変化は、心臓ポンプによって満たされなければならない。さらに、心臓ポンプの過剰ポンピングによる心腔逸脱の可能性は、心臓ポンプ吐出量を減少させることによって、こうした事象が起こった直後に防止または修正され(rectify)なければならない。
この液圧性能の変更を達成する最も一般的な技法は、インペラ回転速度の変更である。しかしながら、ポンプキャビティ内でのインペラの軸方向変位はまた、高圧吐出口から低圧吸込口への流れの漏洩変化を誘発することによって、ポンプの液圧出力を変化させる。この技法は、インペラベーンセットのエネルギー効率を効果的に変更し、半開放(すなわち、上部シラウドがない)インペラが使用されるときに最も効果的である。
ポンプキャビティ50内でインペラ54を中心に配置し、軸59の周りに設定された回転速度で動作させる図13A〜13Cに示す心臓ポンプ100Bなどの単一VADを参照して、図13Bに示すように、所望の血行動態が、サポートを必要としている循環系に対して生成される。速度を変更することなく、矢印51cで示すように、その回転軸59に沿ってインペラを吸込口57から離れるようにシフトさせることは、インペラベーン上の隙間を効果的に増加させる。この移動は、図13Cにおいて矢印53cで示すように吐出口58のVAD吐出量を減少させる。吐出量の減少は、矢印55cで示すように高圧吐出口58から低圧吸込口57への漏洩の増加の直接の結果である。同様に、矢印51bで示すように、吸込口57に向かってインペラをシフトすることは、図13Aの矢印53bで示すように、逆の効果がある、すなわちVAD吐出量が増加する。
したがって、インペラ130Bの軸方向移動は、設定された回転速度の心臓血管系の生理的要件を満たすのに十分に可変性がある吐出流をVADから送出するために使用され得る。この効果は、インペラブレード高さが低く、インペラブレード高さと軸方向隙間の比が約3:1(ブレード高さ=1.4mm、開始軸方向隙間=0.5mm)であり、十分な吐出量変動が+/−0.3mmの移動によって達成されるときにより顕著である。
特定のアプリケーションでは、BiVADシステムの左および右の吐出量を正確に変更する能力は、全身および肺の血管系の相対的変化、心室収縮性の相対的レベル、急性の肺または全身のうっ血の軽減に対処するため、また、適切な心房充満圧を維持することによって吸引(suckdown)を防止するために、特に術後期間に重要である。この要件は、心臓ポンプ100Aなどの両腔心臓ポンプ内でインペラ130Aを軸方向に変位させ、それにより、左および右の流量の長期均衡を維持することによってやはり達成される。
図14A〜14Cを参照して、心臓ポンプ1、100AなどのBiVADについての相対流量に及ぼす軸方向位置の影響の実施例がここで述べられる。この実施例は、図6Aの心臓ポンプに関して述べられ、したがって、同様な符号は、同様な特徴を指定するために使用されるが、その技法は、図1〜5の心臓ポンプ1に同様に適用可能であることが理解されるであろう。
この実施例では、インペラ130Aが、ポンプキャビティ120においてライン20で示すキャビティの軸方向中心に配置され、軸19の周りに約2300rpmの設定された回転速度で動作する状態で、これは、全身系および肺系について100mmHg(LVAD)および20mmHg(RVAD)の所望の血行動態が生成されることをもたらす。したがって、第1および第2吐出口151、152を介した吐出量は、図14Bの矢印23a、24aで示すように、約5L/分で均衡状態になる。気管支循環によって引き起こされる心臓の自然な吐出量の差のために、左キャビティからの正確な吐出量は、右キャビティよりわずかに高い。
速度を変更することなく、矢印21cで示すように、第2キャビティ部122Aに向かってその回転軸19に沿って0.3mmインペラをシフトさせることは、RVADベーンの上で軸方向隙間を(0.2mmまで)減少させ、一方同時に、LVADベーンの上の隙間を(0.8mmまで)増加させる。この移動は、図14Cにおいて、矢印24cで示すように吐出口152を介したRVAD吐出量を改善させ、一方、矢印23cで示すように吐出口151を介したLVAD吐出量を減少させる。吐出量の減少は、矢印25cで示すように、高圧吐出口151から低圧吸込口141への漏洩の増加の直接の結果である。
同様に、矢印21bで示すように、中心位置から第1キャビティ121に向かってインペラをシフトすることは、逆の効果を持つ。たとえば、動脈圧を維持している間、LVADキャビティ121に向かうこの0.3mm移動は、図14Aにおいて矢印23bで示すように左吐出量を6.4L/分まで増加させ、一方、右吐出量は、矢印24bで示すように4.6L/分まで減少し、1.8L/分(36%)の瞬間的吐出量差を示す。したがって、この軸方向移動は、設定された回転速度の左および右の心臓からの必要とされる可変吐出量に対処するために使用され得る。この効果は、インペラブレード高さが低く、かつインペラブレード高さと軸方向隙間との比が約3:1であるときにより顕著である。
ポンプの相対性能、特に、吐出口151、152の圧力および吐出量の実施例を示すグラフが、図15で1500および1510にてそれぞれ示される。
図6Aの心臓ポンプ100Aと同様の例示的なBiVAD構成心臓ポンプがここで述べられ、さらなる特徴が図16A〜16Hに示される。同様な特徴はまた、適切である場合、VADに実装されてもよいことが理解されるであろう。
図6Aの心臓ポンプ100Aと同様の例示的なBiVAD構成心臓ポンプがここで述べられ、さらなる特徴が図16A〜16Hに示される。同様な特徴はまた、適切である場合、VADに実装されてもよいことが理解されるであろう。
この実施例では、心臓ポンプは、第2吸込口142を介して右心房から、また、第1吸込口141を介して左心室から吸込量を引出し、第2吐出口152を介して肺動脈に、第1吐出口141を介して大動脈に吐出する。この実施例では、第1および第2セットのベーン131、132は、共有された回転ハブ上に搭載されて、磁気的にかつ流体力学的に浮上した遠心インペラ130Aを形成する。第1および第2セットのベーン131、132は、上述したように、共通回転速度において全身系および肺系から要求される圧力を生成するために、異なる外径を有する。左および右心臓から要求される吐出量の差は、各半開放VADインペラの上の軸方向隙間を変更することによって達成される。
浮上システムは、流体ジャーナル軸受115を組込み、一方、渦巻室111、112がハウジング110の一部として設けられ、それにより、吐出口151、152への流体の移送を補助する。渦巻室は、螺旋状/単一、スプリット状/2重、または円状/同心のタイプの任意の組合せであってよいが、後者の円状渦巻室タイプが好ましい。その理由は、この構成が、最適なジャーナル軸受機能のための安定化用半径方向液圧力を生成するからである。
図1〜5の心臓ポンプ1では、流体軸受がシャフト6の一部として実装され得ることが理解されるであろう。一実施例では、これを達成するために、シャフト6と接続チューブ4との間の離隔距離は、0.05mmと0.1mmとの間であるように構成される。
先に概説したように、軸方向液圧力は、左および右キャビティ内への圧力の蓄積によってインペラ130Aに課される。インペラの上部および底部に作用するこれらの圧力差は、得られる力を正または負の軸方向に生成することになる。
デュアル心臓サポートの状態の場合、維持すべき最も重要なパラメータは、各サポート用ポンプからの左および右の吐出量の均衡である。吐出量の不整合は、左心腔または右心腔逸脱のおそらく破滅的な状況をもたらす可能性がある。ゼロパワーコントローラの適用およびデバイス性能に有利に適応するその能力は、BiVADが遭遇するいくつかの予測可能な生理的状態について以下で述べられる。
図17A〜17Dは、種々の一般的状態下の、両面インペラ130A上での得られる軸方向力発生を示す。これは、インペラ130Aに関して述べられるが、その技法は、図1〜5のインペラ5に同様に適用可能である。
拡張期中、半開放LVADインペラの面に作用する力は、この経路に沿う圧力発生に応じて外径から内径へと減少する。これは、高いLVAD吐出口圧力(径の減少に伴って減少しない)にさらされるセクションおよびRVADキャビティ内で発生する低圧にさらされるRVADインペラセクションからなる、インペラ130Aの下で作用する力によって均衡する。
この均衡は、図17Bに示すように、収縮期中に破壊される。この実施例では、左心室圧は、LVADインペラ面全体にわたって作用し、より低いRVAD圧によって整合されることができない。血液のこの外乱およびダンピングのインパルス的性質のために、磁気軸受が遭遇する実際の力は、静的差が示唆するより低い。
圧力発生、したがって、力生成に及ぼす全身血管抵抗(systemic vascular resistance)(SVR)の増加の影響は、図17A、17B、および17Cに述べられる。SVRを増加させることは、LVADの第1キャビティ121内の圧力を増加させるように作用し、それにより、次に、RVADの第2キャビティ122Aに向く力が生成される。得られる同じ力は、肺血管抵抗(pulmonary vascular resistance)(PVR)が減少する場合に生成される。このロジックを使用して、SVRが減少する、かつ/または、PVRが増加するときに、LVADキャビティに向かう逆の力が生成される。
最後に、左心腔逸脱の瞬間にインペラ上に生成される力が図17Dで述べられる。この実例では、吸込口カニューレ内で生成される圧力は、0mmHgより十分に低く降下し、吐出口は、相応して低い圧力値に降下する。この組合せは、LVADキャビティに向かう大きな軸方向力に寄与する。
図18A〜18Cは、相対的な血管抵抗の変化に対する心臓ポンプ100Aの適応を述べる。提示される実施例は、PVRと比較したSVRの相対的な増加についてのものであるが、SVRと比較したPVRの相対的な減少を記述し得る。相対的なSVRの減少またはPVRの増加と共に正反対のことが起こることになる。更に、これは心臓ポンプ100Aに関して述べられるが、その技法は、図1〜5の心臓ポンプ1に同様に適用可能である。
図18Aに示す正常動作中に、インペラ130Aは、キャビティ120内で中心に位置決めされ、第1および第2吸込口151、152からの左および右吐出量は、矢印36a、35aで示すように均衡状態にある。インペラ130Aがポンプキャビティ120の中心に位置するため、矢印34a、31aで示す軸受およびモータ永久磁石(permanent magnet)(PM)バイアス力もまた均衡状態にある。ドライブ170および軸受180からの電磁制御磁束力は、矢印32a、33aで示すように最小であり、安定化し、動的外乱を補償するのみのために必要とされる。
しかしながら、図18Bに示すSVRの増加が、矢印36bで示す吐出口151からのLVAD吐出量の減少およびLVADキャビティ圧力の増加を引き起こし、それが、図17Cで先に述べたように、RVADキャビティ122Aに向かう静的軸方向液圧力ベクトルをもたらす。インペラ130Aを中心位置に維持するために、磁気軸受磁束は、矢印33bで示すように、永久磁石183の磁界に対向する反対磁界を生成するために大きさ(したがって、パワー)が増加しなければならず、それにより、回復力を提供する。
しかしながら、この増加したSVRは、LVAD吐出量を回復させるために克服されなければならない。上述した「ゼロパワー」コントローラを実施することは、矢印30で示す外乱力が、矢印31cで示すように、ドライブ170からの永久磁石バイアス磁束の増加によって均衡されるまで、インペラを、LVADキャビティ121の方に移動させることになる。等しくなったこの位置では、電磁制御磁束は、もう一度最小になり、また、動的外乱力の場合にのみ必要とされ、したがって、パワー消費が低減される。しかしながら、最も重要なことには、吐出口151からのLVAD吐出量は、矢印36cで示すように増加し、一方、矢印35cで示す吐出口152からのRVAD吐出量はわずかに減少し、均衡が維持される。万一絶対吐出量レベルを維持することが必要とされる場合、回転速度もまた増加して、LVADとRVADの両方の吐出量を同時に増加させてもよい。
図19A〜19Cは、心腔逸脱に対する心臓ポンプ100Aの適応を述べる。提示される実施例は、左心腔逸脱の結果を述べる。しかしながら、反対の特性が右心腔逸脱の場合に起こる。さらに、これは心臓ポンプ100Aに関して述べられが、その技法は図1〜5の心臓ポンプ1に同様に適用可能である。
図19Aの実施例では、左心腔逸脱は、47で示すように心臓ポンプの左側で吸込口141に入る血液の流れを損ない、矢印46aで示すように、吐出口151からのLVAD吐出量の深刻な減少をもたらす。図17Dに示すように、LVADキャビティに向かう軸方向力ベクトルが続いて起こり、その力ベクトルは、矢印43aで示すように軸受磁気制御磁束の増加によって相殺されなければならず、それにより、中心配置インペラ位置が維持される。
しかしながら、「ゼロパワー」制御法は、さらに、矢印44bで示す軸受永久磁石バイアス力が外乱液圧力40を均衡させるまで、図19Bに示すように、RVADキャビティ122Aに向かってインペラ軸方向位置を自動的に調整する。この作用は、矢印43b、42bで示すように、ドライブ170および軸受180によって生成される電磁制御磁束を最小レベルに戻し、したがって、パワー消費を低減する。さらに、吐出口152からのRVAD吐出量が増加し、LVAD吸込口141から吐出口151までの圧力差が減少する。これは、引き続き、肺回路内に、その結果、左心腔に血液をシフトさせ、したがって、左心臓の逸脱を軽減する。
LVADおよびRVADキャビティ圧は、その後、正常状態に戻り、外乱力をなくし、インペラ130Aが、キャビティ120の中心に戻るように自動的に並進することを可能にし、それが、次に、矢印46c、45cで示すように、吐出口151、152からのLVADおよびRVAD吐出量の均衡を回復させる。
LVADおよびRVADキャビティ圧は、その後、正常状態に戻り、外乱力をなくし、インペラ130Aが、キャビティ120の中心に戻るように自動的に並進することを可能にし、それが、次に、矢印46c、45cで示すように、吐出口151、152からのLVADおよびRVAD吐出量の均衡を回復させる。
別の実施例では、心臓ポンプ100Bなどの単一VAD心臓ポンプは、不全心臓の一方の側に心室補助を提供するようになっている。
この実施例では、軸方向液圧力が、第1および第2キャビティ121、122B内の圧力の蓄積によってインペラ130Bに課される。上部および底部インペラ面に作用するこれらの圧力の差は、得られる力を正または負の軸方向に生成することになる。圧力差は、吸込口141と吐出口151との間の流れによって生じ、ベーンを含むインペラ130Bの面の前後の圧力勾配をもたらし、他の面の圧力勾配は実質的に一定である。
この実施例では、軸方向液圧力が、第1および第2キャビティ121、122B内の圧力の蓄積によってインペラ130Bに課される。上部および底部インペラ面に作用するこれらの圧力の差は、得られる力を正または負の軸方向に生成することになる。圧力差は、吸込口141と吐出口151との間の流れによって生じ、ベーンを含むインペラ130Bの面の前後の圧力勾配をもたらし、他の面の圧力勾配は実質的に一定である。
図20A〜20Dは、種々の一般的条件下での、インペラ上での得られる軸方向力発生を示す。拡張期中、図20Aに示すように、インペラ130Bの下の力は、インペラの上部に作用する力によって部分的に均衡するのみであり、矢印2000で示される吸込口141に向かう正味の力をもたらす。この力は、この経路に沿う圧力発生に応じて外径から内径へと減少する。この不均衡は、左心室圧がVADインペラ面全体にわたって作用するとき、図20Bに示すように、収縮期中に低減される。
圧力発生、したがって、力生成に及ぼす全身血管抵抗(SVR)の増加の影響は、図20Cに述べられる。SVRを増加させることは、ポンプキャビティ内の圧力全体を増加させるように作用し、それにより、次に、インペラ130Bの下また上に作用する力の不整合が増加し、吸込口141に向く、矢印2010で示される正味の力がもたらされる。最後に、心腔逸脱の瞬間中にインペラ上に生成される力が図20Dで述べられる。この実例では、吸込口カニューレ内で生成される圧力は、0mmHgより十分に低く降下し、吐出口は、相応して低い圧力値に降下する。この組合せは、矢印2020で示される、吸込口141に向かう軸方向力の増加に寄与する。
単一心臓サポートアプリケーションの場合、制御を最も必要としている2つのパラメータは、血管抵抗の変化に応答する吐出圧(したがって、吐出量)および心臓逸脱の修正である。ゼロパワーコントローラが心臓ポンプ性能に有利に適応することができる能力は、単一VADが遭遇するいくつかの予測可能な生理的条件について以下で述べられる。
図21A〜21Cは、血管抵抗の増加に対する心臓ポンプ100Bの適応を述べる。
図21Aでは、正常動作中、心臓ポンプは、インペラがキャビティ120内でほぼ中心に位置決めされた状態で、矢印63aで示すように、心臓ポンプ吐出口151で提供される吐出圧および吐出量が循環系の生理的要件を満たすように構成される。この構成では、インペラ130Bがポンプキャビティ120の中心に位置した状態で、矢印67a、64aで示す軸受180およびドライブ170PMバイアス力は均衡状態にある。ドライブ170および軸受180からの電磁制御磁束力は、矢印65a、66aで示すように最小であり、安定化させるとともに動的外乱を補償するのみのために必要とされる。
図21Aでは、正常動作中、心臓ポンプは、インペラがキャビティ120内でほぼ中心に位置決めされた状態で、矢印63aで示すように、心臓ポンプ吐出口151で提供される吐出圧および吐出量が循環系の生理的要件を満たすように構成される。この構成では、インペラ130Bがポンプキャビティ120の中心に位置した状態で、矢印67a、64aで示す軸受180およびドライブ170PMバイアス力は均衡状態にある。ドライブ170および軸受180からの電磁制御磁束力は、矢印65a、66aで示すように最小であり、安定化させるとともに動的外乱を補償するのみのために必要とされる。
図21Bに示す血管抵抗(vascular resistance)(VR)の増加が、矢印63bで示すVAD吐出口圧、したがってキャビティ圧の増加を引き起こし、それが、図20Cで述べたように、矢印68で示すように、第1キャビティ121に向かう静的軸方向液圧力の増加をもたらす。インペラ130Bを中心位置に維持するために、磁気軸受磁束は、矢印66bで示すように、大きさ(したがって、パワー)が増加しなければならず、それにより、回復力を提供する。
しかしながら、単一VADアプリケーションでは、VR増加によるこの吐出口圧力の増加は、生来の圧受容器反射により減少されるべきである。吐出量の変化は、速度変更によって達成されることができ、一方、吐出量均衡問題は、吐出量を均衡させる残りの機能する心室の能力によって打ち消される。上述したように「ゼロパワー」コントローラを実装することは、矢印67cで示すように、外乱力68が軸受180からのPMバイアス力の増加によって均衡されるまで、インペラを第1キャビティ121から離れるように移動させることになる。等しくなったこの位置では、電磁制御磁束は、もう一度最小になり、また、動的外乱力の場合にのみ必要とされ、したがって、パワー消費が低減される。しかしながら、最も重要なことには、矢印36cで示すVAD吐出圧は低い値に戻り、一方、(増大した血管抵抗によって)吐出量は減少する。反対の特性が、運動状態時に遭遇される血管抵抗の減少(吸込口に向かうインペラ移動)について観測される。そのため、自動インペラ移動は血管圧を維持し、したがって、吐出量が適合するように増加する。
しかしながら、この吐出量の増加は、過剰ポンピング、したがって、心腔逸脱の状況をもたらす可能性がある。図22A〜22Cは、この事象に対する心臓ポンプ100Bの適応を述べる。
図22Aに示すように心腔逸脱が起こると、これは、矢印79で示すように、吸込口141内への血液の流れを損ない、矢印73aで示すように、吐出口151でのVAD吐出量の深刻な減少をもたらす。図20Dで述べたように、吸込口141に向かう軸方向力ベクトル(矢印76aで示す軸受磁気制御磁束の増加によって相殺されなければならない)が発生して、中心配置インペラ位置が維持される。
しかしながら、「ゼロパワー」制御法は、図22Bにおいて矢印77bで示す軸受PMバイアス力が、矢印78で示す外乱液圧力を均衡させるまで、吸込口キャビティ141から離れるようにインペラ軸方向位置を自動的に調整する。この作用は、矢印75b、76bで示す電磁制御磁束を最小レベルに戻し、したがって、パワー消費を低減する。したがって、VAD吸込口から吐出口にわたる圧力差は減少し、そのため、左心臓の逸脱が回避される。VADキャビティ圧は、その後、正常状態に戻り、外乱力をなくし、インペラが、キャビティの中心に戻るように自動的に並進することを可能にし、図22Cにおいて矢印79cで示すように吐出量を正常に戻す。
図9の制御プロセスに従って動作するように構成された図6Aに示す心臓ポンプと同様の心臓ポンプを使用して実験が実施された。心臓ポンプは、肺高血圧、LVAD流入障害/左心室吸引、および全身高血圧などの種々の血行動態状態をシミュレートし、それにより、ポンプの応答性を評価することを可能にするように設計された流体循環ループに結合された。
得られる全てのパラメータおよび血行動態が、表2で述べられ、図23A〜23Eに示され、詳細な説明が引き続き提供される。シミュレートされる状態は、次の通りに要約される。
1.正常状態(図12A)
2.肺高血圧(図12B)
3.PHTを補償するための右へのインペラ移動(12C)
4.正常状態
5.吸引事象(図19A)
6.吸引を補償するための右へのインペラ移動(19B)
7.正常状態(図18A)
8.全身高血圧(図18B)
9.SHTを補償するための左へのインペラ移動(18C)
2.肺高血圧(図12B)
3.PHTを補償するための右へのインペラ移動(12C)
4.正常状態
5.吸引事象(図19A)
6.吸引を補償するための右へのインペラ移動(19B)
7.正常状態(図18A)
8.全身高血圧(図18B)
9.SHTを補償するための左へのインペラ移動(18C)
図12Aを参照して、初期「正常(normal)」状態(状態1)では、インペラ130Aは、正常圧によって中心に位置決めされ、流れが、2500rpmの回転速度で生成される。これは、第1LVADキャビティ121内で50mmの径および第2RVADキャビティ122A内で約25mmの径(ベーンは1.4mmの高さを有する)、ならびに、+/−0.5mmの軸方向インペラ移動を可能にする0.5mmの開始軸方向隙間を有するインペラ130Aを使用して達成される。
この場合、それぞれRVADおよびLVADキャビティ122、121からの差圧によって引き起こされる液圧力は、LVADキャビティ121に向かって+4.2Nに等しい。これは、磁気軸受180内の永久磁石によって引き起こされる磁気バイアス力187Aによって即座に均衡する。軸受電流は外乱力のために必要とされるのみであり、したがって、軸受電磁力186A、したがってパワー使用は、表2に示すようにゼロに等しい。
肺高血圧の発生が、その後シミュレートされ(状態2)、肺高血圧の発生は、図12Bに述べられ、結果が図23A〜23Eに示される。血行動態の結果は、肺系を通る流量の即座の減少および9から7mmHgへの左心房圧の即座の減少である。この場合、LVAD/モータに向かう液圧力Fは、増加した肺血管抵抗0.00168N.s.cm5(168dynes.s.cm5)のために0.8Nだけ増加し、+5.0Nとなる。インペラ130Aを中心位置に維持するために、コントローラ190は、磁気軸受180に電流を入力して、0.8Nのさらなる電磁力186Bを生成し、したがって、さらなる0.672W軸受パワーを犠牲にして全ての外部力を均衡させる。この状態が残る場合、肺系を通る減少した流量は、さらに、左心房圧を減少させて、左心臓における吸引を誘発させる可能性がある。
この状況を避けるために、コントローラ190は、「自動応答(automatic response)」状態(状態3)および図12Cを生成し、それにより、インペラ130Aは、RVADキャビティに向かって−0.2mm自動的に移動する。そうすると、RVADがその液圧効率を改善するため、肺動脈圧が増加し、左心臓により多くの流量を押出して、左心房圧の減少を停止(halt)させる。これは、インペラ130Aにかかる液圧力を0.8Nだけ減少させ、+4.2Nに戻す。磁気軸受180に向かうインペラ130Aの移動は、磁気軸受180内の永久磁石によって生成される磁気バイアス力187Cが、大きさを増加して5.3Nになるようにさせる。したがって、軸受力を+4.2Nまで減少させ、力の均衡を回復させるために、−0.25アンペアの小さな打消し電流が、軸受コイルを流れることが必要とされる。これは、移動する前の軸受パワー(0.672W)より小さい0.26Wの軸受パワーをもたらし、したがって、上述した「ゼロパワー」モードで動作するとき軸受パワーを最小にするコントローラ190の効果を立証する。これらの結果は、ポンプの血行動態応答が予測通りに機能すること、および、肺高血圧状態を相殺するために必要とされる自動応答状態(状態3)にあるとき、心臓ポンプが最小パワーを使用することを強調する。
第2実施例では、LVAD流入障害がシミュレートされた。実際には、人の身体内で起こるこうした事象は、肺系を通した流量の減少(PVRの増加による)および左心腔の吸引についての可能性の必然の増加をもたらすことになる。こうした状況における心臓ポンプの応答の実施例は、図19A〜19Cに関して上述されるようなものである。
心臓ポンプ100Aおよび循環系は、上述した正常状態(状態1)の場合と実質的に同じである初期「正常」状態(状態4)にあり、したがって、さらに詳細には述べられない。
左心室吸引/障害の発生が、その後、図19Aに述べるようにシミュレートされる(状態5)。血行動態の結果は、左心房圧の即座の減少である。この場合、LVAD/モータに向かう液圧力40は増加する。インペラを中心位置に維持するために、コントローラは、磁気軸受に電流を入力して、さらなる電磁力(43a)を生成する。
コントローラ190は、その後、最小パワー位置を探し、その位置は、インペラ130AをRVADキャビティ122の方向に−0.1mmのみ移動させる。この位置では、20Wの軸受パワーを犠牲にして全ての外部力を均衡させるために、12Nの電磁力43aが依然として必要とされる。結果として、LAPは、9mmHgから3mmHgまで減少する。この状態が残った場合、減少した肺流量は、左心房圧をさらに減少させて、左心臓における完全な吸引が誘発される可能性がある。
コントローラ190は、その後、図19Bに示す自動化応答状態(状態6)を実行して、RVADキャビティ122に向かって−0.5mmの位置まで移動させ、それにより、磁気軸受によって使用されるパワーを最小にする。そうすると、LVADがその液圧効率を減少させるため、大動脈の圧力および流量が共に減少し、一方、RVADがその液圧効率を改善するため、肺の動脈圧および流量が共に増加し、左心臓により多くの流量を押出して、左心房圧の減少を停止させ、9mmHgに戻るように上昇させ、したがって、吸引事象を修正する。
この移動は、ロータにかかる力を1.9N(40)だけ減少させ、+10.1Nとなる。磁気軸受に向かうインペラ移動は、磁気軸受内の永久磁石によって生成される磁気バイアス力44bが大きさを増加するようにさせる。軸受力を+10.1Nに減少させ、力の均衡を回復させるために、−0.75アンペアのみの小さな打消し電流が、軸受コイルを流れることがここで必要とされる。これは、移動する前の軸受パワー(20W)より小さい2.36Wの軸受パワーをもたらし、したがって、軸受パワーを最小にするゼロパワーコントローラの効果を立証する。
LVADキャビティ121に向かって戻るさらなるわずかの移動は、その後、永久磁石バイアス力を増加させることによってインペラ動作位置を微調整し、真のゼロパワー読みを戻すことになる。
第3の実施例では、全身高血圧がシミュレートされた。実際には、人の身体内で起こるこうした事象は、全身系を通した流量の減少(したがって、右心臓に対する静脈環流量を減少させる)および右心腔の吸引についての可能性の必然の増加をもたらすことになる。これの実施例は、図18A〜18Cに示される。
図18Aでは、心臓ポンプ100Aおよび循環系は、上述した正常状態(状態1)の場合と実質的に同じである初期「正常」状態(状態7)にあり、したがって、さらに詳細には述べられない。
全身高血圧の発生が、その後、図18Bに示すようにシミュレートされる(状態8)。血行動態の結果は、右心房圧の即座の減少である。この場合、LVADキャビティ122に向かう液圧力は減少する。そのため、設定された中心インペラ位置を維持するように磁気軸受力33bを増加させるために、より大きな電磁パワーが磁気軸受180によって要求されることになる。
こうすると、インペラ130Aは、RVADキャビティ122に向かって−0.1mm移動することを許容されてもよい。この場合、LVADに向かう液圧力は、過剰に増加した全身血管抵抗0.0295N.s.cm5(2950dynes.s.cm5)のためにさらに1.5Nだけ減少し、+2.7Nとなる。インペラ130Aをこの位置に維持するために、コントロ−ラは、磁気軸受に打消し電流を入力して、必要とされる1.5Nのみバイアス電磁力34bを減少させ、したがって、さらなる2.36W軸受パワーを犠牲にして、全ての外部力を均衡させる。この状態が残った場合、減少したLVAD吐出量は、さらに、右心房圧を減少させて、右心臓において吸引を誘発させる可能性がある。
この状況を避けるために、コントローラ190は、その後、図18Cに示すように自動化応答状態(状態9)を実行し、それにより、インペラ130Aは、LVADキャビティ121に向かって+0.5mmのみ自動的に移動する。そうすると、LVADがその液圧効率を改善するため、大動脈の圧力および流量が共に増加し、右心臓により多くの流量を押出して、右心房圧の減少を停止させる。これは、ロータにかかる液圧力をさらに0.2N(30)だけ減少させ、+2.5Nとなる。ドライブ170に向かうインペラの移動は、磁気軸受内の永久磁石によって生成される磁気バイアス力34cに、大きさの減少を引き起こさせる。この場合、全体の液圧力は、永久磁石バイアス力によってほとんど均衡し、力を均衡させるために、0.26Wの磁気軸受パワーのみを必要とする。そのため、磁気軸受電流33cは、本質的に最小に戻り、したがって、最小パワー状態が観測される。
上述した結果は、制御プロセスが、したがって、心臓ポンプが動作するシステムの状態に応答して心臓ポンプ吐出量を自動的に調整できることを強調する。特に、同システムはアキシャル磁気軸受およびドライブを使用して、ゼロパワー制御状態下で動作する遠心血液ポンプのインペラを浮上させ回転させる。この制御プロセスは、インペラにかけられる軸方向液圧力を変更することに応答してインペラの軸方向位置を自動的に調整するように作用する。この技法は、心臓ポンプが、フランクスターリングの心臓の法則の流量均衡化特性を模擬し、したがって、心房圧(前負荷)および血管抵抗(後負荷)の変化に自動的に適応することを可能にする。これは、左または右の心腔のおそらくは破滅的な逸脱を防止すると共に、血管抵抗の変化を克服するために特に有利である。
コントローラの1つの例示的なアプリケーションは、両室補助心臓ポンプにおけるその使用に関する。この心臓ポンプは、血液中に完全に浮上した共有回転ハブ上に位置決めされた左および右ベーンを有するインペラを含む。この浮上システムは、軸方向浮上および駆動のために電磁モータおよびアキシャル磁気軸受システムを組込み、一方、半径方向支持は、流体ジャーナル軸受を使用して達成される。このジャーナル軸受は、左から右キャビティへの固有のシャント流によって完全に洗浄される。左および右ベーンは、共通回転速度で全身系および肺系から要求される圧力を生成するために異なる外径を有する。
左および右心臓からの吐出量を均衡させるために要求される瞬間的な吐出量差は、これらの半開放ベーンの上の軸方向隙間の変更によって達成される。そのため、左キャビティに向かう軸方向移動が、左ベーンセットの上の軸方向隙間を減少させることになり、したがって、左心臓吐出量を増加させる。同時に、右ベーンセットの上の間隙が増加することになり、したがって、右心臓吐出量を減少させる。同様に、右キャビティへの移動は、逆の効果を誘発することになる。
これは、左および右心腔が逸脱する可能性を最小にすると共に、血管抵抗の相対変化を補償するように、心臓ポンプが左および右キャビティの吐出量を自動的に調整することを可能にする。たとえば、心腔逸脱の場合、ハブは、逸脱した側から離れるように並進することになり、したがって、吸込口での吸引を減少させ、一方、対向するポンプからの吐出量を同様に増加させる。相対血管抵抗の増加に遭遇すると、インペラは、後負荷が増加した状態でその側に向かって並進することになり、したがって、影響を受けた側が、抵抗に打ち勝ち、吐出量均衡を維持することを可能にする。
これは、この吐出量均衡のフランクスターリングに似た制御を使用可能にし、その制御は、ゼロパワー磁気制御アルゴリズムを組込むことによって自動的に達成される。
別の例示的なアプリケーションでは、コントローラ190は、単心室補助心臓ポンプのために使用される。この心臓ポンプは、血液中で完全に浮上される回転ハブ上に位置決めされた単一セットのベーンを有するインペラを含む。この浮上システムはやはり、軸方向浮上および駆動のために電磁モータおよびアキシャル磁気軸受システムを組込み、一方、半径方向支持は、流体ジャーナル軸受を使用して達成される。このジャーナル軸受は、インペラの下側に沿う血流を可能にするインペラの透孔によって完全に洗浄される。
別の例示的なアプリケーションでは、コントローラ190は、単心室補助心臓ポンプのために使用される。この心臓ポンプは、血液中で完全に浮上される回転ハブ上に位置決めされた単一セットのベーンを有するインペラを含む。この浮上システムはやはり、軸方向浮上および駆動のために電磁モータおよびアキシャル磁気軸受システムを組込み、一方、半径方向支持は、流体ジャーナル軸受を使用して達成される。このジャーナル軸受は、インペラの下側に沿う血流を可能にするインペラの透孔によって完全に洗浄される。
圧力制御は、これらの半開放ベーンの上の軸方向隙間によって達成される。そのため、吸込口に向かう軸方向移動は、ベーンの上の軸方向隙間を減少させることになり、したがって、ポンプ内で発生する圧力を増加させる。
これは、心腔逸脱の可能性を最小にすると共に、循環系内の圧力変化を補償するように、心臓ポンプが、ポンプが発生する圧力を自動的に調整することを可能にする。たとえば、心腔逸脱の場合、ハブは、吸込口から離れるように並進することになり、したがって、吸込口での吸引を減少させる。血管圧の増加に遭遇すると、インペラは、吸込口から離れるように並進することになり、したがって、圧力逃がしを提供する。
したがって、上述したシステムは、循環系のニーズに応答して吐出量を自動的に制御できるVADを提供し得る。これは、液圧力に応答してインペラの軸方向位置を調整するゼロパワーコントローラを実行するアキシャル磁気軸受システムを使用する。一実施例では、モータおよび軸受配置構成はそれぞれ、インペラ130に正味の吸引力をもたらし、その位置がポンプキャビティ内の相対圧力に依存する均衡点にインペラがもたらされることを可能にする。適切な配置構成によって、これは、BiVADアプリケーションの相対吐出量制御、および、VADアプリケーションの相対圧力制御を提供するために使用され得る。
一実施例では、軸方向移動(+/−0.3mm)と小さなインペラブレード高さ(1〜2mm)の組合せは、不変の回転速度における吐出水力学に十分な変化を生成する。
これは、心房(前負荷)圧および動脈(後負荷)圧に対する感度を提供すると共に、心腔逸脱の修正を可能にし得る。これは、心臓ポンプが、圧受容器反射と同様に、BiVAD実施形態では心房圧に、左または右VAD実施形態では設定された動脈圧に応じて、適した左/右吐出量均衡を維持することを可能にする。
これは、心房(前負荷)圧および動脈(後負荷)圧に対する感度を提供すると共に、心腔逸脱の修正を可能にし得る。これは、心臓ポンプが、圧受容器反射と同様に、BiVAD実施形態では心房圧に、左または右VAD実施形態では設定された動脈圧に応じて、適した左/右吐出量均衡を維持することを可能にする。
したがって、これは、従来の心臓ポンプで使用されるポンプ性能の変更を生成するために遠心ポンプ回転速度を変更する必要性を回避する。この性能の変更は、ハードウェアセンサからのフィードバックを受信し、また、ソフトウェアアルゴリズムを使用して、ポンプ速度を制御する複雑でかつ能動的な生理的制御アルゴリズムを回避しながら、循環系の生理的要件を満たすので有利である。これらのハードウェアセンサは、心臓ポンプの長期耐久性を制限するさらなる信頼性問題を誘発し、一方、ソフトウェア推定は、複雑さをもたらす。
制御プロセスはまた、両室補助システムにおける左および右ポンプからの、特に単一回転インペラシステムからの吐出量均衡の問題に対処する。
したがって、制御プロセスは、回転速度を変更することなく、その回転インペラの液圧出力を自動的にかつ受動的に調整でき、また、血行動態センサまたはソフトウェア推定からのフィードバックに頼らない回転タイプ心臓ポンプ用のコントローラを提供する。代わりに、インペラは、フランクスターリングの心臓の法則と同様に、前負荷および後負荷の変化に応答してその出力を変更する。
したがって、制御プロセスは、回転速度を変更することなく、その回転インペラの液圧出力を自動的にかつ受動的に調整でき、また、血行動態センサまたはソフトウェア推定からのフィードバックに頼らない回転タイプ心臓ポンプ用のコントローラを提供する。代わりに、インペラは、フランクスターリングの心臓の法則と同様に、前負荷および後負荷の変化に応答してその出力を変更する。
一実施例では、制御プロセスは、ポンプキャビティ内の遠心インペラの軸方向位置を自動的に調整するゼロパワーコントローラを実装するアキシャル磁気モータおよび軸受を組込むことによって達成される。ゼロパワーコントローラは、ポンプの前負荷および後負荷が変化するときに遭遇する軸方向液圧力の変化に応答する。軸方向移動による性能の変化は、インペラが1つのセットの半開放(シラウドなし)ブレードを組込むときに最も効果的に観測される。
制御プロセスはまた、両室補助システムが、適した左/右吐出量均衡を維持するためにその吐出量を自動的に調整する能力を提供する。これは、「ゼロパワー」コントローラを実装し、また、両室補助を提供するようになっている単一回転タイプ遠心心臓ポンプでより効率的に達成される。
多数の変形および変更が明らかになることを当業者は理解するであろう。当業者に明らかになる全てのこうした変形および変更は、述べられる以前に幅広く現れる本発明の趣旨および範囲内に入ると考えられるべきである。
たとえば、別個のモータおよび軸受配置構成によって提供される機能は、ハウジングの一端が1つのセットの受動吸引磁石を含み、一方、ハウジングの他端が組合せ式モータおよび軸受巻回部を含む組合せ式配置構成を使用して達成され得る。
Claims (35)
- 心臓ポンプであって、
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)前記第1キャビティ部と前記第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)前記第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)前記第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)前記第1および第2ロータに接続するシャフトであって、前記接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)前記インペラを回転させるためのドライブと、
e)前記インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、前記ドライブおよび前記磁気軸受のうちの少なくとも一方は、少なくとも部分的に前記第1キャビティ部と前記第2キャビティ部との間に設けられる、心臓ポンプ。 - 前記軸方向位置は、各セットのベーンと各キャビティ表面との間の離隔距離を確定し、前記離隔距離は、前記吸込口から前記吐出口への流体流量を制御するために使用される、請求項1に記載の心臓ポンプ。
- 前記ドライブは、
a)前記インペラ内に設けられる第2磁気材料と、
b)前記第2磁気材料と協働する磁界を使用時に発生し、前記インペラを回転させることを可能にする少なくとも1つのドライブコイルと、
を含む、請求項1または請求項2に記載の心臓ポンプ。 - 前記第2磁気材料は、前記インペラ内に搭載された多数の円周方向に離間した永久磁石を含み、隣接する磁石は反対極性を有する、請求項3に記載の心臓ポンプ。
- 前記第2磁気材料は前記第2ロータ内に搭載され、前記ドライブは前記第2キャビティに隣接して位置決めされ、前記ドライブおよび前記第2磁気材料は、前記ドライブと前記第2ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される、請求項3または請求項4に記載の心臓ポンプ。
- 使用時に、前記少なくとも1つの軸受コイルは、前記インペラ内で第1磁気材料と協働する磁界を発生し、前記インペラの軸方向位置を制御可能にする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。
- 前記第1磁気材料は永久磁石である、請求項6に記載の心臓ポンプ。
- 前記少なくとも1つの軸受コイルは、前記永久磁石によって発生する前記第1磁界に対して相補的であるか、または逆であるか、のうちの一方である磁界を発生するためのものであり、それにより、前記軸受と前記第1磁気材料との間の正味の磁界を制御する、請求項7に記載の心臓ポンプ。
- 前記第1磁気材料は前記第1ロータ内に搭載され、前記磁気軸受は前記第1キャビティに隣接して位置決めされ、前記磁気軸受および前記第1磁気材料は、前記磁気軸受と前記第1ロータとの間に吸引力をもたらすように構成される、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。
- 前記インペラは、
a)前記インペラの回転を可能にするために前記ドライブと協働するための、前記第2ロータ上に設けられる第2磁気材料と、
b)前記インペラの軸方向位置を制御可能にするために、前記磁気軸受と協働するための、前記第1ロータ上に設けられる第1磁気材料と、を含む請求項1乃至9のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - a)前記磁気軸受は前記第1キャビティに隣接して位置決めされ、前記磁気軸受および前記第1ロータは、前記磁気軸受と前記第2ロータとの間に第1吸引力をもたらすように構成され、
b)前記ドライブは前記第2キャビティに隣接して位置決めされ、前記ドライブおよび前記第2ロータは、前記ドライブと前記第2ロータとの間に第2吸引力をもたらすように構成され、前記第1および第2吸引力は、前記インペラが、正常循環状態中にほぼ軸方向中心位置に位置決めされるときに、ほぼ均衡する、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記心臓ポンプは、コントローラであって、
a)第1軸方向における前記インペラの移動を判定し、
b)前記磁気軸受によって前記第1軸方向と反対の第2軸方向に前記インペラを移動させ、
c)前記磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
d)前記インジケータに従って前記インペラの軸方向位置を前記磁気軸受にて制御させ、それにより、前記吸込口と前記吐出口との間の流体流量を制御するための、コントローラを含む、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、
a)前記インジケータを閾値と比較し、
b)前記比較の結果に応じて、前記磁気軸受によって前記第2軸方向への前記インペラの移動を停止させるためのものである、請求項12に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、前記磁気軸受によって使用されるパワーを最小にするためのものである、請求項12または請求項13に記載の心臓ポンプ。
- 前記コントローラは、
a)前記インペラの軸方向位置を位置限界と比較し、
b)前記インペラの軸方向位置を前記位置限界内に維持するように、前記磁気軸受を制御するためのものである、請求項12乃至14のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、
a)キャビティの少なくとも一部内の圧力変化を判定し、
b)前記圧力変化に応答して前記インペラの軸方向位置を制御するためのものである、請求項12乃至15のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、前記インペラの軸方向移動を検出することによって、前記圧力変化を判定するためのものである、請求項16に記載の心臓ポンプ。
- 前記コントローラは、
a)前記キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部内の流体圧力の変化によって引き起こされる前記インペラの移動を検出し、
b)前記インペラの軸方向位置を前記磁気軸受によって制御させ、それにより、前記キャビティ部の少なくとも1つのキャビティ部について前記吸込口から前記吐出口への流体流量を変更するためのものである、請求項12乃至17のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、
a)前記ベーンと前記キャビティ表面との間の前記離隔距離を前記磁気軸受により減少させ、それにより、前記吸込口から前記吐出口への前記流体流量を増加させることと、
b)前記ベーンと前記キャビティ表面との間の前記離隔距離を前記磁気軸受により増加させ、それにより、前記吸込口から前記吐出口への前記流体流量を減少させることと、
のうちの少なくとも一方のためのものである、請求項18に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、
a)前記キャビティ部内の相対流体圧力の変化によって引き起こされる前記インペラの移動を検出し、
b)前記インペラの軸方向位置を前記磁気軸受によって制御させ、それにより、前記吸込口から前記吐出口への前記相対流体流量を変更するためのものである、請求項12乃至19のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記コントローラは、
a)正常均衡位置から離れる前記インペラの軸方向移動を判定し、
b)前記磁気軸受によって前記インペラを前記正常位置に向かって移動させ、
c)前記磁気軸受によって使用されるパワーを監視し、
d)前記磁気軸受によって使用されるパワーに従って新しい均衡位置を確定し、
e)前記磁気軸受によって前記インペラを前記新しい均衡位置まで移動させるためのものである、請求項12乃至20のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記正常均衡位置は各吸込口から各吐出口への必要とされる流体流量を維持するために使用される、請求項21に記載の心臓ポンプ。
- 前記新しい均衡位置は前記正常均衡位置からオフセットする、請求項21または請求項22に記載の心臓ポンプ。
- 前記新しい均衡位置は前記吸込口と前記吐出口との間の相対流体流量を調整するために使用される、請求項23に記載の心臓ポンプ。
- 前記インジケータは前記磁気軸受によって使用される電流の指標を使用して確定される、請求項12乃至24のいずれか一項に記載の心臓ポンプ。
- 前記コントローラは、前記インペラの軸方向移動をもたらすために、前記磁気軸受によって使用される電流の変化率を確定するためのものである、請求項25に記載の心臓ポンプ。
- 前記コントローラは、
a)第1軸方向における前記インペラの移動を判定し、
b)前記第1軸方向と反対の第2軸方向に前記インペラを、
i)前記磁気軸受によって使用されるパワーが所定量未満に減少するか、または、
ii)前記インペラの軸方向位置が位置限界に達するか、のいずれか一方になるまで、前記磁気軸受によって移動させるためのものである、請求項12乃至26のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 処理システムは、
a)命令を記憶するためのメモリと、
b)プロセッサと、を含み、前記プロセッサは、前記命令を実行し、それにより、
i)前記第1軸方向における前記インペラの移動を判定し、
ii)前記第2軸方向への前記インペラの移動を前記磁気軸受にさせるための信号を生成し、
iii)前記磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定し、
iv)前記インジケータに従って前記インペラの軸方向位置を前記磁気軸受に制御させ、それにより、前記吸込口と前記吐出口との間の流体流量を制御するための信号を生成することを、前記プロセッサにさせる、請求項12乃至27のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記心臓ポンプは、コントローラであって、
a)少なくとも1つの吸込口および少なくとも1つの吐出口を含むキャビティ内で、インペラであって、前記吸込口から前記吐出口へ流体を付勢するためのベーンを含む、インペラの均衡位置からの移動を判定し、
b)磁気軸受であって、前記キャビティ内での前記インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つのコイルを含む、磁気軸受によって使用されるパワーの指標に基づいて、新しい均衡位置であって、前記吸込口から前記吐出口への流体流量を制御するために使用される、新しい均衡位置まで前記インペラを移動させることを、前記磁気軸受にさせるための、コントローラを含む、請求項1乃至28のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記心臓ポンプはキャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するためのコントローラを含み、
前記キャビティは、第1吸込口および第1吐出口を有する第1キャビティ部ならびに第2吸込口および第2吐出口を有する第2キャビティ部を含み、前記インペラは、第1および第2セットのベーンを含み、各セットのベーンはそれぞれの吸込口からそれぞれの吐出口へ流体を付勢するためのものであり、前記コントローラは、前記第1キャビティ内の相対圧力が前記第2キャビティに対して増加する場合、前記インペラが前記第1キャビティ内に位置決めされ、それにより、前記第2吐出口に対する前記第1吐出口からの相対流体流量を増加させるように前記軸方向位置を制御する、請求項1乃至29のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。 - 前記心臓ポンプはキャビティ内でのインペラの軸方向位置を制御するためのコントローラを含み、前記キャビティは吸込口および吐出口を含み、前記インペラは、前記吸込口から前記吐出口へ流体を付勢するためのベーンを含み、前記コントローラは、前記キャビティ内の圧力が増加する場合、前記インペラが前記吸込口から離れるように移動し、それにより、吐出口流体圧力を減少させるように前記軸方向位置を制御する、請求項1乃至30のいずれか1項に記載の心臓ポンプ。
- 心臓ポンプを制御する方法であって、前記心臓ポンプは、
a)第1および第2キャビティ部であって、それぞれのキャビティ部はそれぞれの吸込口および吐出口を含む、第1および第2キャビティ部と、
b)前記第1キャビティ部と前記第2キャビティ部との間に延在する接続チューブと、
c)インペラであって、
i)前記第1キャビティ部内で第1ロータ上に搭載される第1セットのベーンと、
ii)前記第2キャビティ部内で第2ロータ上に搭載される第2セットのベーンと、
iii)前記第1および第2ロータに接続するシャフトであって、前記接続チューブを通して延在する、シャフトと、を含むインペラと、
d)前記インペラを回転させるためのドライブと、
e)前記インペラの軸方向位置を制御するための少なくとも1つの軸受コイルを含む磁気軸受と、を含み、
前記ドライブおよび前記磁気軸受の少なくとも一方は、少なくとも部分的に前記第1キャビティ部と前記第2キャビティ部との間に設けられ、前記方法は、
i)第1軸方向における前記インペラの移動を判定することと、
ii)前記第1軸方向と反対の第2軸方向に前記インペラを前記磁気軸受が移動させることと、
iii)前記磁気軸受によって使用されるパワーを示すインジケータを確定することと、
iv)前記インジケータに従って前記インペラの軸方向位置を前記磁気軸受によってて制御させ、それにより、前記吸込口と前記吐出口との間の流体流量を制御することと、を含む方法。 - ポンプ装置であって、
a)ステータと、
b)前記ステータの上に離間して配置された上部ロータと、
c)前記ステータの下に離間して配置された下部ロータと、
d)前記上部ロータと前記下部ロータを接続するために、前記ステータにて回転可能に設けられかつ垂直に移動可能である接続手段と、
e)前記上部ロータの底部表面および前記下部ロータの上部表面上に設けられる永久磁石のいずれか1つの永久磁石に対向して前記ステータの一方の表面上に設けられ、前記永久磁石と協働し、また、前記ロータに対する作用力を軸方向に生成し、それにより、前記ロータを浮遊させる第1電磁石手段と、
f)他の永久磁石に対向して前記ステータの他の表面上に設けられ、前記永久磁石と協働し、それにより、前記ロータを回転駆動する第2電磁石手段と、
g)前記上部ロータの上部表面上に設けられる第1インペラが、そこにおいて第1ポンプ室内で回転する第1ポンピング手段と、
h)前記下部ロータの底部表面上に設けられる第2インペラが、そこにおいて第2ポンプ室内で回転する第2ポンピング手段と、を備える、ポンプ装置。 - 前記接続手段は、前記ステータの中心透孔内に回転可能に挿入されかつ垂直に移動可能である回転軸からなる、請求項33に記載のポンプ装置。
- 前記接続手段を軸方向に前後に移動させ、前記第1インペラと前記第1ポンプ室の対向表面との間の間隙および前記第2インペラと前記第2ポンプ室との間の間隙を、それらを協働させることによって調整できる制御部を備える、請求項33または請求項34に記載のポンプ装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AU2009901620A AU2009901620A0 (en) | 2009-04-16 | Heart pump controller | |
AU2009901620 | 2009-04-16 | ||
PCT/AU2010/000428 WO2010118475A1 (en) | 2009-04-16 | 2010-04-16 | Heart pump controller |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012523856A true JP2012523856A (ja) | 2012-10-11 |
Family
ID=42982059
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012504998A Active JP5719829B2 (ja) | 2009-04-16 | 2010-04-16 | 心臓ポンプコントローラおよび心臓ポンプを制御する方法 |
JP2012504997A Pending JP2012523856A (ja) | 2009-04-16 | 2010-04-16 | 心臓ポンプコントローラ |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012504998A Active JP5719829B2 (ja) | 2009-04-16 | 2010-04-16 | 心臓ポンプコントローラおよび心臓ポンプを制御する方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8636638B2 (ja) |
EP (1) | EP2419160B1 (ja) |
JP (2) | JP5719829B2 (ja) |
CN (1) | CN102458498B (ja) |
AU (1) | AU2010237614B2 (ja) |
WO (1) | WO2010118476A1 (ja) |
Families Citing this family (37)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU2002952691A0 (en) | 2002-11-15 | 2002-11-28 | Sunshine Heart Company Pty Ltd | Heart assist device utilising aortic deformation |
US7765003B2 (en) | 2003-10-31 | 2010-07-27 | Sunshine Heart Pty Ltd | Synchronization control system |
MX2012011161A (es) | 2010-04-02 | 2012-12-05 | Sunshine Heart Co Pty Ltd | Sistemas, metodos y dispositivos de asistencia cardiaca de combinacion. |
US9138518B2 (en) | 2011-01-06 | 2015-09-22 | Thoratec Corporation | Percutaneous heart pump |
EP3269406B1 (en) | 2011-12-03 | 2020-11-18 | Indiana University Research and Technology Corporation | Cavopulmonary viscous impeller assist device and method |
JP5982911B2 (ja) * | 2012-03-19 | 2016-08-31 | 富士通株式会社 | ポンプ、ポンプシステム、ポンプの制御方法及び冷却システム |
WO2013185073A1 (en) * | 2012-06-08 | 2013-12-12 | Cameron International Corporation | Artificial heart system |
US8985082B2 (en) * | 2012-09-12 | 2015-03-24 | GM Global Technology Operations LLC | Engine assembly with pump cavity liner and method of assembling an engine |
EP2964288A4 (en) * | 2013-03-05 | 2017-02-22 | Sunshine Heart Company PTY, Ltd. | Methods, systems, and devices relating to a fail-safe pump for a medical device |
US8777832B1 (en) | 2013-03-14 | 2014-07-15 | The University Of Kentucky Research Foundation | Axial-centrifugal flow catheter pump for cavopulmonary assistance |
US20140303427A1 (en) * | 2013-04-09 | 2014-10-09 | Circulite, Inc. | Blood flow system with operator attachable components |
EP3200846B1 (en) | 2014-10-01 | 2020-01-15 | Heartware, Inc. | Backup controller system with updating |
US10371152B2 (en) * | 2015-02-12 | 2019-08-06 | Tc1 Llc | Alternating pump gaps |
WO2016170543A1 (en) | 2015-04-20 | 2016-10-27 | Kumar Guha Sujoy | In-use repairable artificial heart |
JP6572056B2 (ja) * | 2015-08-11 | 2019-09-04 | 株式会社イワキ | 潅流ポンプ |
EP3135933B1 (en) * | 2015-08-25 | 2019-05-01 | ReinHeart GmbH | Active magnetic bearing |
EP3400034A2 (en) | 2016-01-06 | 2018-11-14 | Bivacor Inc. | Heart pump |
CN105641763B (zh) * | 2016-04-12 | 2017-12-01 | 上海理工大学 | 分离型电磁耦合血泵系统 |
US10570924B2 (en) * | 2016-06-02 | 2020-02-25 | The University Of Akron | Integrated motor compressor for vapor compression refrigeration system |
US20180245596A1 (en) * | 2016-07-26 | 2018-08-30 | RELIAX MOTORES SA de CV | Integrated electric motor and pump assembly |
WO2018187576A2 (en) | 2017-04-05 | 2018-10-11 | Bivacor Inc. | Heart pump drive and bearing |
JP7414529B2 (ja) | 2017-06-07 | 2024-01-16 | シファメド・ホールディングス・エルエルシー | 血管内流体移動デバイス、システム、および使用方法 |
WO2019094963A1 (en) | 2017-11-13 | 2019-05-16 | Shifamed Holdings, Llc | Intravascular fluid movement devices, systems, and methods of use |
CN111655307B (zh) | 2018-01-31 | 2023-12-12 | 心脏器械股份有限公司 | 具有叶轮冲洗操作的轴向血泵 |
WO2019152875A1 (en) | 2018-02-01 | 2019-08-08 | Shifamed Holdings, Llc | Intravascular blood pumps and methods of use and manufacture |
EP3790606B1 (en) * | 2018-05-10 | 2024-02-21 | Heartware, Inc. | Axial pump pressure algorithm with field oriented control |
EP3581216A1 (en) * | 2018-06-11 | 2019-12-18 | Universität Zürich | Blood pump for mechanical circulatory support for fontan patients |
US10947986B2 (en) * | 2018-07-11 | 2021-03-16 | Ch Biomedical (Usa) Inc. | Compact centrifugal pump with magnetically suspended impeller |
US11964145B2 (en) | 2019-07-12 | 2024-04-23 | Shifamed Holdings, Llc | Intravascular blood pumps and methods of manufacture and use |
US11654275B2 (en) | 2019-07-22 | 2023-05-23 | Shifamed Holdings, Llc | Intravascular blood pumps with struts and methods of use and manufacture |
CN110711275B (zh) * | 2019-11-18 | 2021-04-27 | 苏州心擎医疗技术有限公司 | 用于体外血泵的马达、体外血泵、和体外血泵系统 |
US11918798B2 (en) | 2019-11-21 | 2024-03-05 | Syncardia Systems, Llc | Next generation total artificial heart |
US11511130B2 (en) * | 2020-04-15 | 2022-11-29 | Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd. | Systems and methods for adjusting multi-leaf collimator |
WO2023140806A1 (en) | 2022-01-19 | 2023-07-27 | Istanbul Bilgi Universitesi | A biventricular assist system |
CN114668967B (zh) * | 2022-03-14 | 2023-09-12 | 心擎医疗(苏州)股份有限公司 | 高水力学性能的离心式磁悬浮血泵 |
EP4249039A1 (de) * | 2022-03-21 | 2023-09-27 | Berlin Heart GmbH | Steuereinheit für eine blutpumpe, pumpensystem und verfahren |
WO2024090290A1 (ja) * | 2022-10-24 | 2024-05-02 | 国立大学法人茨城大学 | 磁気制御変速機及びそれを用いた人工心臓 |
Family Cites Families (40)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2700343A (en) | 1950-05-11 | 1955-01-25 | Jr Albert R Pezzillo | Motor pump unit |
US4589822A (en) | 1984-07-09 | 1986-05-20 | Mici Limited Partnership Iv | Centrifugal blood pump with impeller |
US5195877A (en) | 1990-10-05 | 1993-03-23 | Kletschka Harold D | Fluid pump with magnetically levitated impeller |
JP3085835B2 (ja) | 1993-04-28 | 2000-09-11 | 京セラ株式会社 | 血液ポンプ |
JPH07255834A (ja) | 1994-03-24 | 1995-10-09 | Aisin Seiki Co Ltd | 血液ポンプ |
US5725357A (en) | 1995-04-03 | 1998-03-10 | Ntn Corporation | Magnetically suspended type pump |
US5840070A (en) | 1996-02-20 | 1998-11-24 | Kriton Medical, Inc. | Sealless rotary blood pump |
US6394769B1 (en) | 1996-05-03 | 2002-05-28 | Medquest Products, Inc. | Pump having a magnetically suspended rotor with one active control axis |
US5890883A (en) | 1997-03-19 | 1999-04-06 | The Cleveland Clinic Foundation | Rotodynamic pump with non-circular hydrodynamic bearing journal |
AUPO902797A0 (en) | 1997-09-05 | 1997-10-02 | Cortronix Pty Ltd | A rotary blood pump with hydrodynamically suspended impeller |
EP0905379B1 (de) | 1997-09-25 | 2003-05-14 | Levitronix LLC | Zentrifugalpumpe und Zentrifugalpumpenanordnung |
US5928131A (en) | 1997-11-26 | 1999-07-27 | Vascor, Inc. | Magnetically suspended fluid pump and control system |
US6293901B1 (en) * | 1997-11-26 | 2001-09-25 | Vascor, Inc. | Magnetically suspended fluid pump and control system |
US6264635B1 (en) * | 1998-12-03 | 2001-07-24 | Kriton Medical, Inc. | Active magnetic bearing system for blood pump |
EP1063753B1 (de) | 1999-06-22 | 2009-07-22 | Levitronix LLC | Elektrischer Drehantrieb mit einem magnetisch gelagerten Rotor |
AUPQ113799A0 (en) | 1999-06-22 | 1999-07-15 | University Of Queensland, The | A method and device for measuring lymphoedema |
US6280157B1 (en) | 1999-06-29 | 2001-08-28 | Flowserve Management Company | Sealless integral-motor pump with regenerative impeller disk |
JP4176251B2 (ja) | 1999-08-25 | 2008-11-05 | 日機装株式会社 | 血液ポンプ |
JP4612925B2 (ja) * | 1999-12-27 | 2011-01-12 | Ntn株式会社 | 磁気浮上型ポンプ |
EP1113177B1 (en) | 1999-12-27 | 2003-12-03 | Ntn Corporation | Magnetically levitated pump |
JP4454092B2 (ja) | 2000-02-15 | 2010-04-21 | 大和製衡株式会社 | 体内脂肪量測定装置 |
US6441747B1 (en) | 2000-04-18 | 2002-08-27 | Motorola, Inc. | Wireless system protocol for telemetry monitoring |
US6527698B1 (en) | 2000-05-30 | 2003-03-04 | Abiomed, Inc. | Active left-right flow control in a two chamber cardiac prosthesis |
US6422838B1 (en) | 2000-07-13 | 2002-07-23 | Flowserve Management Company | Two-stage, permanent-magnet, integral disk-motor pump |
US6768921B2 (en) | 2000-12-28 | 2004-07-27 | Z-Tech (Canada) Inc. | Electrical impedance method and apparatus for detecting and diagnosing diseases |
CN100506147C (zh) | 2001-06-13 | 2009-07-01 | 康普麦迪克斯有限公司 | 用于监测意识的方法和设备 |
US6717311B2 (en) | 2001-06-14 | 2004-04-06 | Mohawk Innovative Technology, Inc. | Combination magnetic radial and thrust bearing |
DE10151650A1 (de) | 2001-10-17 | 2003-05-08 | Univ Eberhard Karls | Elektrodenanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material sowie Multielektrodenarray zur Verwendung in einer solchen |
JP2003230547A (ja) | 2002-02-12 | 2003-08-19 | Yamato Scale Co Ltd | 健康管理装置 |
JP3806734B2 (ja) | 2002-07-26 | 2006-08-09 | 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 | プログラマブル計測汎用モジュール並びにそれらを用いた計測システム |
US6949066B2 (en) * | 2002-08-21 | 2005-09-27 | World Heart Corporation | Rotary blood pump diagnostics and cardiac output controller |
AU2002951925A0 (en) | 2002-10-09 | 2002-10-24 | Queensland University Of Technology | An Impedence Cardiography Device |
US20040092801A1 (en) | 2002-11-13 | 2004-05-13 | Budimir Drakulic | System for, and method of, acquiring physiological signals of a patient |
EP1571982A1 (en) | 2002-11-27 | 2005-09-14 | Z-Tech (Canada) Inc. | Apparatus for determining adequacy of electrode-to-skin contact and electrode quality for bioelectrical measurements |
JP2006525099A (ja) | 2003-05-02 | 2006-11-09 | ザ ジョンズ ホプキンス ユニバーシティ | 子宮頚部組織のバイオインピーダンス測定のためのデバイス、システムおよび方法、並びにヒト子宮頚部の診断および処置のための方法 |
AU2003902255A0 (en) * | 2003-05-09 | 2003-05-29 | Queensland University Of Technology | Motor |
JP2005282675A (ja) * | 2004-03-29 | 2005-10-13 | Ntn Corp | 磁気浮上型ポンプ装置 |
WO2006053384A1 (en) | 2004-11-17 | 2006-05-26 | Queensland University Of Technology | Fluid pump |
US8108047B2 (en) | 2005-11-08 | 2012-01-31 | Newlife Sciences Llc | Device and method for the treatment of pain with electrical energy |
US7704054B2 (en) * | 2006-04-26 | 2010-04-27 | The Cleveland Clinic Foundation | Two-stage rotodynamic blood pump |
-
2010
- 2010-04-16 WO PCT/AU2010/000429 patent/WO2010118476A1/en active Application Filing
- 2010-04-16 EP EP10763985.8A patent/EP2419160B1/en active Active
- 2010-04-16 CN CN201080027159.2A patent/CN102458498B/zh active Active
- 2010-04-16 US US13/264,748 patent/US8636638B2/en active Active
- 2010-04-16 JP JP2012504998A patent/JP5719829B2/ja active Active
- 2010-04-16 AU AU2010237614A patent/AU2010237614B2/en active Active
- 2010-04-16 JP JP2012504997A patent/JP2012523856A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8636638B2 (en) | 2014-01-28 |
CN102458498B (zh) | 2015-06-10 |
AU2010237614B2 (en) | 2013-11-07 |
AU2010237614A1 (en) | 2011-10-20 |
EP2419160B1 (en) | 2019-05-22 |
JP5719829B2 (ja) | 2015-05-20 |
US20120095280A1 (en) | 2012-04-19 |
CN102458498A (zh) | 2012-05-16 |
JP2012523857A (ja) | 2012-10-11 |
WO2010118476A1 (en) | 2010-10-21 |
EP2419160A1 (en) | 2012-02-22 |
EP2419160A4 (en) | 2018-03-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5719829B2 (ja) | 心臓ポンプコントローラおよび心臓ポンプを制御する方法 | |
AU2010237613B2 (en) | Heart pump controller | |
JP7332651B2 (ja) | 血液ポンプ及び血液ポンプを動作させる方法 | |
US10960200B2 (en) | Heart pump with impeller axial position control | |
US11883641B2 (en) | Axial flow blood pump | |
US8210829B2 (en) | Two-stage rotodynamic blood pump with axially movable rotor assembly for adjusting hydraulic performance characteristics | |
CN110709114B (zh) | 心脏泵驱动器和轴承 | |
US20140288354A1 (en) | Fluid transport apparatus | |
JP2000229125A (ja) | 磁気的に浮遊する液体ポンプ及び制御システム | |
JP2006525460A (ja) | 流体ポンプ |