JP2020141864A - 医療用ポンプのモータ識別方法、医療用ポンプのモータ駆動方法、コントローラ及び補助人工心臓システム - Google Patents

Abstract

【課題】人為的ミスを排除しモータを識別することが可能な医療用ポンプの識別方法を提供すること。【解決手段】血液ポンプ３（医療用ポンプ）は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの３相Ｙ結線方式のモータ５を有しており、血液ポンプコントローラ１（コントローラ）によって、駆動対象のモータ５の３相のコイルのうちのいずれか２相のコイルに直流電圧又は交流電圧を印加して２相のコイル間の電流値を検出し、検出した電流値が予め設定されている閾値以上であるか又は閾値以下であるかを判定し、駆動対象のモータ５を識別する医療用ポンプのモータ識別方法。【選択図】図１

Description

本発明は、医療用ポンプのモータ識別方法、医療用ポンプのモータ駆動方法、コントローラ及び補助人工心臓システムに関する。

従来から、医療用ポンプとして、補助人工心臓システムに使用される血液ポンプ、或いは医療用アスピレーターに使用される真空ポンプなどがある。補助人工心臓システムは、生体内に埋め込まれて留置される血液ポンプと、生体外において血液ポンプを制御するコントローラ（血液ポンプコントローラという）とから構成されている。また、医療用アスピレーターは、吸引用の真空ポンプと、真空ポンプを駆動するモータと、モータを制御するコントローラ（制御ユニットという）とから構成されている。

血液ポンプは、血液ポンプコントローラによって適切に制御されなければならないため、通常は留置対象となる血液ポンプに対応した専用の血液ポンプコントローラが使用される。ところで、複数種類の血液ポンプが存在する場合には、各々の血液ポンプに対応するコントローラを選択して使用することになる。従って、血液ポンプの種類に対応して複数の血液ポンプコントローラを用意しなければならない。どの患者にどの血液ポンプを使用しているかは、血液ポンプが生体内に留置されていることから直接確認することはできない。勿論、医療用記録を参照すれば判別することは可能であるが、読み間違いや記録ミスなどの人為的ミスが発生する虞がある。

一方、医療用アスピレーターにおいては、真空ポンプユニットは使用後にモータユニットから取り外して廃却する。そして、次に使用するときには使用時には未使用の真空ポンプユニットをモータユニットに装着する。複数種類のモータが存在する場合には、モータ仕様に合わせた真空ポンプユニットを選択してモータユニットに装着しなければならない。医療用アスピレーターにおいても、直接モータを医療現場で直接視認することは困難であり、真空ポンプユニットをモータユニットに装着する際にモータ選択に関する人為的ミスが発生することを否定できない。

血液ポンプ並びに真空ポンプはモータによって駆動されることから、駆動開始時にモータを識別できれば、血液ポンプ並びに真空ポンプへの装着時の人為的ミスを防ぐことが可能となる。特許文献１にはモータの識別方法が開示されている。

特許文献１に記載のモータの識別方法は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルのいずれか一つ又は二つにモータ識別信号線を接続し、そのコイルに電圧パルスを印加して巻線仕様を判別するというものである。すなわち、３相のコイルのいずれかに電圧パルスを印加してモータ識別信号の変化からモータを識別し、この識別されたモータに整合する制御パラメータを予め用意したテーブルから選択し、選択された制御パラメータによってモータを駆動するというものである。

特開２０１７−１２３７２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のモータの識別方法においては、まず、３相のコイルのいずれか一つ又は二つにモータ識別信号線が接続されたモータでなければモータ識別はできないという課題がある。また、制御パラメータを設定しておき、識別されたモータ（巻線仕様）に基づいてその制御パラメータのテーブルからコイルの巻線仕様を選択した後に、選択された制御パラメータを用いてモータを駆動する。このため、制御パラメータ及びテーブル作成において人為的なミスが発生する虞がある。医療用ポンプにおいては直接視認できないモータを確実に識別して適切な駆動条件で駆動することが必須要件である。

そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、複数種類存在する医療用ポンプにおいて、モータ識別信号線を接続せずに短時間でモータを識別することを可能にする医療用ポンプのモータ識別方法、モータの識別からモータの定常駆動までの間で人為的ミスを排除することが可能な医療用ポンプのモータ駆動方法、１台で複数種類存在する医療用ポンプのモータ識別を実現しようとするものである。また、起動から定常駆動に至る間に人為的なミスを排除することが可能なコントローラ及び補助人工心臓システムを実現しようとするものである。

［１］本発明の医療用ポンプのモータ識別方法は、医療用ポンプのモータ識別方法であって、前記医療用ポンプのモータは、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの３相のコイルによる３相Ｙ結線方式のモータであり、コントローラによって、駆動対象の前記モータの前記３相のコイルのうちのいずれか２相のコイルに直流電圧又は交流電圧を印加して前記２相のコイル間の電流値を検出し、検出した前記電流値が予め設定されている閾値以上であるか又は閾値以下であるかを判定して駆動対象の前記モータを識別することを特徴とする。

例えば、補助人工心臓システムにおいては、ポンプ（以下、血液ポンプという）は生体内に埋め込まれて留置され、生体外に配置されるコントローラによって駆動制御される。通常、血液ポンプそのものは交換することはほとんどないが、人が操作したり触れたりするコントローラは交換する機会が少なからずある。コントローラを交換するときには、留置されている血液ポンプと一体に構成されるモータとの仕様に整合した制御パラメータでモータを駆動することが可能なコントローラと交換しなければならない。しかし、血液ポンプが複数種類存在している場合に、生体内に留置されているモータを直接視認して識別することはできない。例えば、医療用アスピレーターにおいても装置内に格納されているモータを直接視認して識別することは困難である。

そこで、本発明の医療用ポンプのモータ識別方法によれば、３相のコイルのうちのＵ相及びＶ相の２相のコイルに電圧パルスを印加して２相間に流れる電流値を測定し、予め設定されている閾値と比較し、閾値に対して測定電流値の大小によってモータを識別することが可能となる。医療用ポンプと一体に構成されるモータを識別するということは、医療用ポンプを識別するということに他ならない。このような識別方法によれば、直接視認することが困難でしかも複数種類存在する医療用ポンプのモータにおいて、従来技術のようなモータ識別信号線を接続せずに短時間でモータを識別することが可能となり、モータ識別過程において人為的なミスを排除することが可能となる。

［２］本発明の医療用ポンプのモータ識別方法においては、前記電流値の検出を所定時間内に間欠的に複数回実行し、測定した前記電流値の全てが前記閾値以上になっているか前記閾値以下なっているかを判定することによって駆動対象の前記モータを特定することが好ましい。

例えば、１秒間に９回の電流測定と、測定した前記電流値の全てが前記閾値以上になっているか前記閾値以下なっているかを判定する。このように電流測定を所定時間内で間欠的に複数回実行し、その都度閾値と比較をすれば、短時間でモータを識別し、しかもモータ識別の信頼性を高めることが可能となる。

［３］本発明の医療用ポンプのモータ識別方法においては、前記閾値は、測定対象のコイルインピーダンス及び前記モータの駆動時の表面温度の影響による電流値のばらつきを考慮して設定されることが好ましい。

医療用ポンプ、すなわちモータを駆動すれば発熱して温度が上昇することがある。また、体内に留置される医療用ポンプでは体温の影響も受ける。温度変化によってコイルの抵抗値は変化し、それに伴い電流値が変化する。そこで、温度変化に伴うコイルインピーダンスの変化を考慮した閾値を設定することで実際の駆動に合った信頼性の高いモータの識別が可能となる。

［４］本発明の医療用ポンプのモータ識別方法においては、複数ある制御パラメータから識別された前記モータに整合する制御パラメータを選択することが好ましい。

ここでいう制御パラメータには、例えば、モータ仕様に関わる主要な要素としての磁極数、コイルインピーダンス及びインダクタンスなどが含まれる。そこで、モータごとの制御パラメータの中から駆動対象のモータの制御パラメータを選択すれば、モータの駆動条件を確定することが可能となり、モータの識別からモータ駆動までの過程で人為的なミスを防ぐことが可能となる。

［５］本発明の医療用ポンプのモータ駆動方法は、請求項１から請求項３に記載の医療用ポンプのモータ識別方法によって駆動対象の前記モータを識別する工程と、識別された前記モータに整合する制御パラメータを選択する工程と、前記モータに一定時間電圧を印加してロータとステータとの磁極位置合わせを行う工程と、前記モータにモータ起動パルスを一定時間印加して前記モータの回転速度を一定ずつ上昇させる工程と、前記モータを前記医療用ポンプの定常駆動の回転速度で駆動する工程と、を前記コントローラにプログラムされているシーケンスによって自律的に切り換えることを特徴とする。

このような医療用ポンプのモータ駆動方法によれば、モータを識別すること、制御パラメータを選択すること、磁極合わせを行うこと、さらにモータの回転速度を一定ずつ上昇させて定常駆動の回転速度までをシーケンスによって自動的に順次切り換えていくことになる。このようにすれば、モータの識別から定常駆動までの間における人為的ミスを排除することが可能となる。なお、定常駆動とは、医療用ポンプを定常的に稼働する際に設定された回転速度でモータを駆動している状態である。

［６］本発明の医療用ポンプのモータ駆動方法においては、前記モータは、ＰＷＭ制御によって駆動制御されるものであって、前記モータに印加する電圧パルスは、前記磁極位置合せの電圧パルスのデューティ、モータ起動電圧パルスのデューティ及び定常駆動電圧パルスのデューティに順次一定時間経過後に切り換えることが好ましい。

モータを起動する際には、ロータとステータ（コイル）との磁極位置を合せて起動時に脱調しないように制御する。磁極位置合わせにおいてはモータを回転させない。また、モータ起動時（モータの回転開始時）においてはモータの回転負荷が大きいことから駆動トルクを大きくする。定常駆動においては安定回転が可能な駆動トルクに設定する。このように、磁極位置を合せ、モータ起動及びモータの定常駆動それぞれの工程において適切なデューティにすれば、短時間で医療用ポンプを安定して稼働することが可能となる。例えば、生体内に留置されている血液ポンプにおいては、短時間で安定駆動状態になることが要求されている。

［７］本発明のコントローラは、前述した医療用ポンプのモータを制御するコントローラであって、前記３相のコイルそれぞれに対し、定められた順に直流電圧又は交流電圧を印加するスイッチング回路部と、前記３相のコイルのうちのいずれか２相のコイルに流れる電流を測定する電流検出回路部、測定された電流値と閾値とを比較して駆動対象の前記モータであることを判定する比較判定部及び測定された電流値に基づき予め設定されている複数の制御パラメータの中から駆動対象の前記モータに整合する制御パラメータを選択する制御パラメータ選択部を制御する制御部と、を有していることを特徴とする。

コントローラは、検出された電流値から駆動対象のモータを識別し、そのモータに整合する制御パラメータを選択してモータを駆動する。制御部は、医療用ポンプ及びコントローラ全体の制御を司る。スイッチング回路部は、制御パラメータに基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか又は全部に設定された順番で電圧を印加してモータ駆動信号をモータに入力する機能を有する。モータの識別から定常駆動までを自律的に順次切り換えていくことによって、人の判断行為がないため人為的ミスを排除することが可能となる。また、コントローラに複数種類のモータに対応する制御パラメータを用意しておくことによって、１台のコントローラで複数種類のモータを識別し、選択された駆動対象のモータに整合する制御パラメータで駆動することが可能となる。

［８］本発明の補助人工心臓システムは、生体内に埋め込まれて留置される前記医療用ポンプと、生体外に配置されて前記医療用ポンプに医療用チューブによって接続される上記［７］に記載の前記コントローラと、を有していることを特徴とする。

本発明の補助人工心臓システムは、上記［７］に記載のコントローラを有している。このため、このような補助人工心臓システムによれば、血液ポンプコントローラを血液ポンプに接続して起動すれば、生体内に留置されたモータ、すなわち血液ポンプの識別から定常的な駆動まで人による操作や判断を介さずに自律的に移行する。従って、本発明の補助人工心臓システムによれば、人為的なミスを防ぐことが可能であり安心して使用することが可能となる。なお、医療用チューブ内には、例えば、コントローラとポンプとを接続する電気信号線などが挿通されている。

血液ポンプコントローラ１のシステム構成を示すブロック図である。 血液ポンプ３の駆動方法の主要な工程を示すフローチャートである。 起動してから時間経過に従って変化する消費電流及び回転数を模式的に示すグラフである。 測定した電流値の分布と閾値の関係の１例を説明する図である。 補助人工心臓システムの１例を示す説明図である。

以下に説明する実施の形態においては、医療用ポンプとして補助人工心臓システム３０（図５参照）に使用され、生体内に留置される血液ポンプ３を例にあげ、コントローラを血液ポンプコントローラ１、制御部を血液ポンプ制御部６として説明する。

［血液ポンプコントローラ１の構成］
図１は、血液ポンプコントローラ１のシステム構成を示すブロック図である。血液ポンプコントローラ１には、コネクタ２によって血液ポンプ３が接続されている。血液ポンプ３は、ポンプ部４とポンプ部４の羽根車（図示せず）を回転するモータ５とを含む構成となっている。なお、以降の説明においては、複数種類存在するモータを総称してモータ５と記載する。モータ５はＤＣブラシレスモータであって、３相Ｙ結線のコイル及び永久磁石のロータ（図示せず）で構成されている。３相のコイルはＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルを含む構成となっている。なお、以降の説明において、これら各コイルをＵ相、Ｖ相及びＷ相と記載することがある。

血液ポンプコントローラ１は、センサレス・ベクトル制御により血液ポンプ３（すなわちモータ５）の駆動制御を行う血液ポンプ制御部６と、血液ポンプ制御部６からの出力信号によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか又は全部に設定された順番で電圧を入力するスイッチング回路部７と、電流検出回路部８とを有している。血液ポンプ制御部６は、ソフトウエアに組込まれた電流比較判定部９及び制御パラメータ選択部１０を有している。血液ポンプ制御部６は、血液ポンプ３の駆動制御及び血液ポンプコントローラ１の全体を制御するマイコン（ＣＰＵ）である。電流検出回路部８は、シャント抵抗１１とシャント抵抗１１に並列接続される電流計１２によって構成されている。図１に示す例では、電流計１２はＵ相からＶ相に流れる電流を測定するもので、Ｕ相には１５Ｖの電圧が印加され、Ｖ相はシャント抵抗１１及び電流計１２を介して接地（ＧＲＡＮＤ）されている。すなわち、電流はＵ相からＶ相に流れる（図１において点線の矢印で示す）。

但し、Ｖ相に１５Ｖの電圧を印加しＷ相をＧＲＡＮＤに接続してＶ相からＷ相に流れる電流を測定するようにしてもよい。或いは、Ｗ相に１５Ｖの電圧を印加しＵ相をＧＲＡＮＤに接続してＷ相からＵ相に流れる電流を測定するようにしてもよく、いずれも血液ポンプ制御部６に組込まれているソフトウエアにおいて任意に設定することが可能である。なお、コイルに印加する電圧１５Ｖは、１例であって限定されるものではない。

電流比較判定部９は、電流検出回路部８によって測定された電流値と、予め血液ポンプ制御部６の記憶部に組込まれている閾値とを比較して、規定されているどの閾値範囲に対応する電流値かを判定する機能を有する。この閾値は、使用対象の血液ポンプ５に対応して予め設定されているものである。すなわち、電流比較判定部９は、生体内部に留置されている血液ポンプ３に使用されているモータ５の仕様を識別する。

制御パラメータ選択部１０は、電流比較判定部９において識別されたモータ５に対応する制御パラメータを選択してスイッチング回路部７に駆動信号を入力する。制御パラメータとしては多くの項目があるが、モータ仕様に関わる主要な要素として磁極数、コイルインピーダンス及びインダクタンスが有り、さらにこれらに付属する複数のパラメータが含まれる。選択された制御パラメータから駆動対象に対応する印加電圧及び電圧パルスの周波数が決定されてモータ５を駆動することになる。スイッチング回路部７は、血液ポンプ制御部６からの指令に基づきＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか又は全部に設定された順番に電圧を印加してモータ駆動信号をモータ５に入力する。制御パラメータは、血液ポンプ制御部６のソフトウエアの記憶部に格納されている。

血液ポンプコントローラ１は、さらに、電源制御部１３とユーザーインターフェース部１４とを有している。血液ポンプコントローラ１は、４経路の電源を有している。図１に示す例では、４経路の電源として第１バッテリー１５、第２バッテリー１６、非常用バッテリー１７及び商用電源入力部１８を有している。血液ポンプコントローラ１は、ユーザー（患者）が移動する際にも携行可能としていることから、主電源をバッテリーとしている。第２バッテリー１６は第１バッテリー１５を補完するものである。さらに、血液ポンプコントローラ１は商用電源を使用することを可能にしている。非常用バッテリー１６は、第２バッテリー１５及び商用電源に異常が認められた際に電源制御部１３によって自動的に切り換えられる。電源制御部１３は、前述した各電源から入力される電力を適切な電圧に制御する機能、商用電源からの電力を直流電力に変換する機能等を有する。商用電源からの交流電力は、ＲＬＣ直列回路を経て直流に変換するようにしてもよい。

ユーザーインターフェース部１４は、表示部２０、ランプ２１、入力部２２、ブザー２３及びメインスイッチ２４を制御する。表示部２０は、液晶表示ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどであって、血液ポンプ３の駆動条件などの設定情報、駆動情報及びユーザー情報などを表示する。ランプ２１及びブザー２３は、血液ポンプ３が非正常駆動をしていることを検出した際に報知するものである。非正常駆動とは、バッテリーの電圧低下、モータ５が脱調すること或いは過電流を検出したときなどである。入力部２２は、ユーザー名や設定情報などを入力する機能を有している。入力部として表示部２０をタッチパネルにして入力部２２を兼用するようにしてもよい。メインスイッチ２４は、血液ポンプコントローラ１の起動／停止（ＯＮ／ＯＦＦ）機能を有する。

なお、図示は省略するが、血液ポンプコントローラ１は、モータ５の回転速度を常時検出し血液ポンプ制御部６にフィードバックするフィードバック部、モータ５の過電流停止回路などを備える。さらに、血液ポンプコントローラ１は、医師や看護師などの医療従事者が血液ポンプ３の駆動状態を監視できる外部モニターに接続できるようにしてもよい。

以上説明した血液ポンプコントローラ１は、補助人工心臓システム３０（図５参照）に使用される血液ポンプ３を制御する装置である。３相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）それぞれに定められた順に直流又は交流電圧を印加するスイッチング回路部７と、３相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうちのいずれか２相のコイルに流れる電流を測定する電流検出回路部８、測定された電流値と閾値とを比較して駆動対象のモータ５であることを判定する電流比較判定部９及び測定された電流値に基づき複数の制御パラメータの中から駆動対象のモータ５に対応する制御パラメータを選択する制御パラメータ選択部１０を制御する血液ポンプ制御部６と、を有している。

このような構成によれば、検出された電流値から駆動対象のモータ５を識別して、モータ５に整合する制御パラメータを選択してモータ５を駆動することになる。このため血液ポンプコントローラ１は、モータ５を識別してから定常駆動までを自律的に順次切り換えていくことによって、人の判断行為を排除できるため人為的ミスを排除することが可能となる。また、血液ポンプコントローラ１に予め複数のモータ各々に整合する制御パラメータを用意しておくことによって、１台の血液ポンプコントローラ１で複数種類のモータ５、すなわち血液ポンプ３を識別して駆動対象のモータ５に整合する制御パラメータで駆動することが可能となる。

［医療用ポンプのモータ識別方法及び駆動方法］
続いて、医療用ポンプとして血液ポンプ３を例にあげてモータ識別方法及び駆動方法について図２、図３及び図４を参照して説明する。なお、モータ識別から定常駆動に至る間の各工程はソフトウエア及びシーケンスによって自律的に行われる。

図２は、血液ポンプ３の駆動方法の主要な工程を示すフローチャートである。図３は、起動開始（メインスイッチＯＮ）から時間経過に従って各工程において変化する消費電流及びモータ５の回転数を模式的に示すグラフであり、図４は、測定した電流値の分布と閾値の関係の１例を示す図である。なお、図４においては、血液ポンプ３（すなわちモータ５）が２種類ある場合の識別に用いる閾値を例示している。図２のフローチャートに従って説明する。

まず、メインスイッチ２４をＯＮにしてモータ５を起動する（ステップＳ１）。ここでモータ５を起動するとは、血液ポンプコントローラ１を立ち上げることと同じ意味である。血液ポンプ制御部６は、スイッチング回路部７を介してＵ相−Ｖ相間に電流測定用の電圧を印加する（ステップＳ２）。次いで、電流検出回路部８はＵ相−Ｖ相間の電流を測定する（ステップＳ３）。本例においては、電圧１５Ｖ、２０ｋＨｚの電圧パルスを１秒間に５０μＳごとに計９回印加してモータ電圧が５ＶになるＰＷＭを算出する。そして、キャリアでＰＷＭ信号を形成してスイッチング回路７に出力し、その都度Ｕ相−Ｖ相間の電流を電流検出回路部８で測定する。電流を測定している間はＵ相−Ｖ相間のみの通電であるからモータ５は回転しない（図３のａで示す領域を参照）。続いて、測定された電流値を閾値と比較してモータ５を識別する（ステップＳ４）。なお、上記印加電圧及び周波数は１例であって限定されるものではない。

モータ５を識別した後、制御パラメータを選択する（ステップＳ５）。例えば、モータ５がモータ５Ａとモータ５Ｂの２種類があるとき、モータ５Ａを識別した場合には、モータ５Ａに整合する制御パラメータを選択する。制御パラメータには、主要な要素として磁極数、コイルインピーダンス及びインダクタンスが有り、さらにこれらに付属する複数のパラメータが含まれる。続いて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に電流を一定時間（例えば２秒間）流してロータとステータ（コイル）との磁極位置合わせを行う（ステップＳ６：図３のｂで示す領域参照）。ここでは、モータ５Ａ及びモータＢの電流値が同じレベルになるようなＰＷＭ一定制御の信号をスイッチング回路部７に入力する。２秒経過後、モータ駆動用の電圧パルスを印加してモータ５Ａを回転させる。ここでは、モータ起動トルクが必要になることからモータ５Ａの回転速度を一定のレートで上げていく（ステップＳ７：図３のｃで示す領域を参照）。具体的には、単位時間当たりの進み角を規定して徐々に回転数を上昇させていく（強制転流モードという）。所定回転速度（回転数）に達したところで、モータ５Ａを定常の回転速度で駆動を継続させる（ステップＳ８：図３のｄで示す領域参照）。

続いて、図３を参照してモータ識別、磁極位置合わせ、モータ起動及び定常駆動の時間軸について１例をあげ説明する。横軸に起動開始（スイッチＯＮ）からの経過時間（秒）を表している。ａで示す領域の時間範囲は、電流測定によるモータ識別に関わる領域であって１秒間とした。ｂで示す領域の時間範囲は、ロータとステータの磁極位置合わせの領域であって２秒間とした。電流測定（モータ識別）及び磁極位置合わせの範囲（ａ＋ｂ）においては、モータ５は回転しない。ｃで示す領域の時間範囲においては、１秒間のうちにモータ５の回転数を徐々に上げていき（起動動作という）、１秒経過後にモータの起動動作を終了して定常駆動（所定の回転数rpm）の領域に入り、以降この回転数を駆動停止まで維持する（ｄで示す領域）。

図３に示すように、モータ起動開始後の消費電流は、モータ識別（ａで示す領域）＜磁極位置合わせ（ｂで示す領域）に係る消費電流の関係にある。モータ５はＰＷＭ制御によって駆動に係る消費電流の関係にあることから、モータ識別領域においては磁極位置合わせよりもデューティ比を小さくする。モータ起動の際には、回転速度を一定のレートで上げなら定常駆動の回転速度の達したところで定常駆動のデューティに移行させる。

モータ５はＰＷＭ制御によって駆動制御されるものであるので、モータ識別の消費電力は、磁極合わせの消費電力よりも小さい。すなわち、モータ識別の領域では磁極合わせの領域よりもデューティ比が小さい。一方、モータ回転開始領域においては、起動してから定常駆動のデューティ比に徐々に移行していくことから消費電流は徐々に低下し、モータ５を停止するまで最も消費電力が小さいデューティ比で駆動を継続することが可能となる。

次に、図４を参照してモータ識別と閾値の関係について説明する。図４は、２種類のモータ５Ａ，５Ｂが存在する場合の例を表している。モータ５Ａ，５Ｂには、１５Ｖで２０ｋＨｚの電圧パルスが印加されたときの例である。１例として、図４の上段にはインピーダンス（抵抗値）が３Ωのモータ５Ａの電流値分布を表し、下段にはインピーダンスが６Ωのモータ５Ｂの電流値分布を表している。図４に示す例においては、８７５ｍＡを閾値としている。すなわち、測定値が８７５ｍＡ以上であればモータ５Ａと判定し、測定値が８７５ｍＡ以下であればモータ５Ｂと判定する。なお、モータ５Ａ，５Ｂにおいては共に、生体内に留置されて静止しているときの表面温度は体温レベルである。一方、血液ポンプ５を駆動している際にはモータ５Ａ，５Ｂの表面温度は４０℃程度に上昇することがある。コイルの材質が銅の場合、温度が上昇するとインピーダンスが上昇して電流値は低下する。温度が降下するとインピーダンスが降下して電流値は上昇する。

そこで、モータ５Ａ，５Ｂにおいては、余裕をみて０℃〜１２０℃までの温度変化があるものとして閾値を設定している。図４に示す電流値分布の例は、インピーダンスと予め温度変化の影響を考慮した電流値の５σ分布を表している。モータ５Ａの電流下限値が１０００ｍＡであり、モータ５Ｂの上限値が７５０ｍＡであり、モータ５Ａの下限値とモータ５Ｂの上限値とが交差することがないことが予め確認されていることから、Ｕ相からＶ相に流れる電流値を測定することによってモータ識別が可能であることが分かる。

以上説明した医療用ポンプのモータ識別方法においては、医療用ポンプである血液ポンプ３は、３相のコイルによるＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの３相Ｙ結線方式のモータ５を有しており、コントローラである血液ポンプコントローラ１によって、駆動対象のモータ５の３相のコイルのうちのいずれか２相（本例ではＵ相−Ｖ相）に直流電圧又は交流電圧を印加して２相（Ｕ相―Ｖ相）のコイル間の電流値を検出し、検出した電流値が予め設定されている閾値以上であるか又は閾値以下であるかを判定して駆動対象のモータ５を識別するものである。

このような医療用ポンプの識別方法によれば、３相のコイルのうちのＵ相及びＶ相の２相のコイルに直流又は交流電圧を印加して２相間に流れる電流値を測定し、予め設定されている閾値と比較して測定された電流値の大小によってモータを識別することが可能となる。図４に示す例においては、電流値が閾値（８７５ｍＡ）より大きければモータ５Ａと判定し、閾値よりも小さければモータ５Ｂと判定する。このようにすれば、従来技術のようなモータ識別信号線を接続せずに短時間でモータを識別することが可能となる。また、モータ識別信号線を接続する従来技術のような外来ノイズや配線抵抗の影響を受ける虞がない。なお、以上説明した医療用ポンプのモータ識別方法は、医療用アスピレーターのような真空ポンプを駆動するモータの識別などにも適用可能である。

また、医療用ポンプのモータ識別方法は、Ｕ相―Ｖ相間に流れる電流値の検出を所定時間内に間欠的に複数回実行し、測定した電流値の全てが閾値以上になっているか前記閾値以下なっているかを判定することによって駆動対象のモータ５を特定する。図４に示す例においては、電流値が閾値８７５ｍＡより大きいときにモータ５Ａを選択し、電流値が７８５ｍＡよりも小さいときにモータ５Ｂを選択する。電流測定を一定時間内で繰り返し複数回実行することによって、短時間でモータ識別を行うことが可能で、しかもモータ５（血液ポンプ３）識別の信頼性を高めることが可能となる。

また、閾値は、測定対象のコイルインピーダンス及びモータ駆動時の表面温度の影響による電流値のばらつきを考慮して設定される。温度変化によってコイルの抵抗が変化し、それに伴い電流値が変化する。血液ポンプにおいて静的温度は体温であり、駆動時に表面温度がさらに上昇することがある。本例においては、設定温度を０℃〜１２０℃としていることから実使用に対して十分に余裕を有している。よって、温度変化の影響を含めた閾値を設定することで実際の駆動に整合したモータ識別が可能となる。なお、医療用アスピレーターの真空ポンプにおいては、静的温度は室温であり、駆動時に表面温度が上昇することから温度上昇分を考慮した閾値を設定すればよい。

また、血液ポンプ３のモータ識別方法においては、複数ある制御パラメータから識別された前記モータに整合する制御パラメータを選択する。制御パラメータには、モータ仕様に関わる主要な要素としての磁極数、コイルインピーダンス及びインダクタンスなどが含まれる。駆動対象のモータ５の制御パラメータを選択し、血液ポンプ制御部６のソフトウエアでモータ５の印加電圧や電圧パルスの周波数などの駆動条件を確定することによって、モータ５の識別からモータ起動及び定常駆動の過程で人為的なミスを防ぐことが可能となる。

また、以上説明した血液ポンプ３の駆動方法は、前述した医療用ポンプである血液ポンプ３のモータ識別方法によって駆動対象のモータ５を識別する工程と、識別されたモータ５に整合する制御パラメータを選択する工程と、５モータに一定時間電圧を印加してロータとステータとの磁極位置合わせを行う工程と、モータ５にモータ起動電圧パルスを一定時間印加してモータ５の回転速度を一定ずつ上昇させる工程と、モータ５を血液ポンプ３の定常駆動の回転速度で駆動する工程と、をコントローラである血液ポンプコントローラ１にプログラムされているシーケンスによって自律的に切り換えるものである。

このような血液ポンプ３の駆動方法によれば、モータ５を識別すること、制御パラメータを選択すること、磁極合わせを行うこと、さらにモータの回転速度を一定ずつ上昇させて定常駆動の回転速度に達したところで定常駆動の回転速度で維持するまでの一連の工程をシーケンスによって自動的に順次切り換えていくことになる。このようにすれば、モータの識別から定常駆動までの間における人による操作や判断を無くすことで人為的ミスを排除することが可能となる。

また、モータ５は、ＰＷＭ制御によって駆動制御されるものである。モータ５に印加する電圧パルスは、磁極位置合せの電圧パルスのデューティ、モータ起動電圧パルスのデューティ及び定常駆動パルスのデューティに順次一定時間経過後に切り換えている。

モータ５を起動する際には、ロータとステータ（コイル）との磁極位置を合せてモータ起動時に脱調しないように制御している。磁極位置合わせにおいてはモータを回転させないことから駆動トルクに関わる電圧パルスの制約はない。また、モータ起動時においては血液ポンプ３のポンプ部４（羽根車）の回転負荷が大きいことから駆動トルクを大きくする。また、モータ起動時から定常駆動までの間においては、強制転流モードの駆動によって回転速度を一定ずつ上昇させる。定常駆動においては安定回転可能な駆動トルクに設定する。モータ起動時よりも定常駆動時のトルクは小さくてもよい。このように、それぞれの駆動領域において適切なデューティ比にすれば、消費電流を抑えつつ短時間で起動し所定の回転速度で安定させることが可能となる。

なお、生体内に留置される血液ポンプ３においては、短時間で起動し、かつ定常駆動に移行させることが求められる。前述したように、本実施の形態の例においては、モータ識別から定常駆動まで４秒で移行させることが可能である。

また、血液ポンプコントローラ１は、前述した医療用ポンプである血液ポンプ３のモータ５を制御する。３相のコイルＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに対し、定められた順に直流電圧又は交流電圧を印加するスイッチング回路部７と、３相のコイルＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのいずれか２相のコイルに流れる電流を測定する電流検出回路部８、測定された電流値と閾値とを比較して駆動対象のモータ５であることを判定する電流比較判定部９及び測定された電流値に基づき予め設定されている複数の制御パラメータの中から駆動対象の前記モータに整合する制御パラメータを選択する制御パラメータ選択部１０を制御する血液ポンプ制御部６と、を有している。

血液ポンプコントローラ１は、検出された電流値から駆動対象のモータ５を識別し、そのモータ５に整合する制御パラメータを選択してモータを駆動する。血液ポンプ制御部６は、血液ポンプ３及び血液ポンプコントローラ１全体の制御を司る。スイッチング回路部７は、制御パラメータに基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか又は全部に設定された順番で電圧を印加してモータ駆動信号をモータ５に入力する機能を有する。モータ５の識別から定常駆動までを自律的に順次切り換えていくことによって、人の判断行為がないため人為的ミスを排除することが可能となる。また、血液ポンプコントローラ１に複数種類のモータ５に対応する制御パラメータを用意しておくことによって、１台の血液ポンプコントローラ１で複数種類のモータ５を識別し、選択された駆動対象のモータ５に整合する制御パラメータで駆動することが可能となる。

［補助人工心臓システム３０の構成］
図５は、補助人工心臓システム３０の１例を示す説明図である。補助人工心臓システム３０は、生体内に埋め込まれて留置される血液ポンプ３と、血液ポンプ３と心臓の血流とを接続するための人工血管３１，３２と、血液ポンプ３を生体外において制御する機能を有する血液ポンプコントローラ１とを有している。血液ポンプコントローラ１と血液ポンプ３とは、ドライブラインとしての医療用チューブ３３で接続されている。医療用チューブ３３は、経皮部において医療用チューブ固定具３４によって固定されている。

医療用チューブ３３の内部には、電気信号線（図示せず）が内挿されている。電気信号線は、血液ポンプ３を構成するモータ５のＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルに接続するケーブルである。電気信号線は、コネクタ２（図１参照）によって血液ポンプコントローラ１に電気的に接続されている。血液ポンプコントローラ１のハウジングには表示部２０、ランプ２１、入力部２２、ブザー２３及びメインスイッチ２４が配置されており、図５は、これらの配置の１例を示すものであって、それぞれ目視しやすい場所及び操作しやすい場所に配置される。ハウジング内には、第１バッテリー１５、第２バッテリー１６、非常用バッテリー１７が格納されている（図１参照）。

このように構成される補助人工心臓システム３０によれば、血液ポンプコントローラ１を起動すれば、生体内に留置されているモータ５（血液ポンプ３）の識別、起動から定常駆動までを自律的に移行することから人為的なミスを防ぐことが可能となる。また、モータ５（血液ポンプ３）が、例えば２種類ある場合において、複数のモータ仕様に対応した制御パラメータを有する血液ポンプコントローラ１を１台接続して起動すれば、生体内に留置されているモータ５（血液ポンプ３）を自動的に識別して、整合する制御パラメータで血液ポンプ３を起動し、かつ安定駆動を継続することが可能となる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、前述した実施の形態では、具体例としてモータ５が２種類ある場合を例示して説明したが、モータ５が２種類に限らず３種類或いは４種類というように多くなる場合にも適合させることが可能となる。例えば、電流の段階的な閾値を設定し、血液ポンプコントローラ１にモータ５の種類に対応した制御パラメータを用意しておけば、血液ポンプコントローラ１が１台で複数種類のモータを制御することが可能となる。

１…血液ポンプコントローラ（コントローラ）、２…コネクタ、３…血液ポンプ（医療用ポンプ）、４…ポンプ部、５…モータ、６…血液ポンプ制御部（制御部）、７…スイッチング回路部、８…電流検出回路部、９…電流比較判定部、１０…制御パラメータ選択部、１１…シャント抵抗、１２…電流計、１３…電源制御部、１４…ユーザーインターフェース部、３０…補助人工心臓システム、３３…医療用チューブ

Claims (8)

1. 医療用ポンプのモータ識別方法であって、
   前記医療用ポンプのモータは、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの３相のコイルによる３相Ｙ結線方式のモータであり、
   コントローラによって、駆動対象の前記モータの前記３相のコイルのうちのいずれか２相のコイルに直流電圧又は交流電圧を印加して前記２相のコイル間の電流値を検出し、
   検出した前記電流値が予め設定されている閾値以上であるか又は閾値以下であるかを判定して駆動対象の前記モータを識別する、
   ことを特徴とする医療用ポンプのモータ識別方法。
2. 請求項１に記載の医療用ポンプのモータ識別方法において、
   前記電流値の検出を所定時間内に間欠的に複数回実行し、測定した前記電流値の全てが前記閾値以上になっているか前記閾値以下になっているかを判定することによって駆動対象の前記モータを特定する、
   ことを特徴とする医療用ポンプのモータ識別方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の医療用ポンプのモータ識別方法において、
   前記閾値は、測定対象のコイルインピーダンス及び前記モータの駆動時の表面温度の影響を含めた電流値のばらつきを考慮して設定される、
   ことを特徴とする医療用ポンプのモータ識別方法。
4. 請求項１に記載の医療用ポンプのモータ識別方法において、
   複数ある制御パラメータから識別された前記モータに整合する制御パラメータを選択する、
   ことを特徴とする医療用ポンプのモータ識別方法。
5. 医療用ポンプのモータ駆動方法であって、
   請求項１から請求項３に記載の医療用ポンプのモータ識別方法によって駆動対象の前記モータを識別する工程と、
   識別された前記モータに整合する制御パラメータを選択する工程と、
   前記モータに一定時間電圧を印加してロータとステータとの磁極位置合わせを行う工程と、
   前記モータにモータ起動パルスを一定時間印加して前記モータの回転速度を一定ずつ上昇させる工程と、
   前記モータを前記医療用ポンプの定常駆動の回転速度で駆動する工程と、
   を前記コントローラにプログラムされているシーケンスによって自律的に切り換える、ことを特徴とする医療用ポンプのモータ駆動方法。
6. 請求項５に記載の医療用ポンプのモータ駆動方法において、
   前記モータは、ＰＷＭ制御によって駆動制御されるものであって、
   前記モータに印加する電圧パルスは、前記磁極位置合せの電圧パルスのデューティ、モータ起動電圧パルスのデューティ及び定常駆動電圧パルスのデューティに順次一定時間経過後に切り換える、
   ことを特徴とする医療用ポンプのモータ駆動方法。
7. 請求項１に記載の前記医療用ポンプのモータを制御するコントローラであって、
   前記３相のコイルそれぞれに対し、定められた順に直流電圧又は交流電圧を印加するスイッチング回路部と、
   前記３相のコイルのうちのいずれか２相のコイルに流れる電流を測定する電流検出回路部、測定された電流値と閾値とを比較して駆動対象の前記モータであることを判定する電流比較判定部及び測定された電流値に基づき予め設定されている複数の制御パラメータの中から駆動対象の前記モータに整合する制御パラメータを選択する制御パラメータ選択部を制御する制御部と、
   を有している、
   ことを特徴とするコントローラ。
8. 生体内に埋め込まれて留置される請求項１から請求項６のいずれかに記載の前記医療用ポンプと、
   生体外に配置されて前記医療用ポンプに医療用チューブによって接続される請求項７に記載の前記コントローラと、
   を有している、
   ことを特徴とする補助人工心臓システム。

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