JP3689567B2 - 遠心型血液ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体内又は生体該で血液循環に使用される遠心型血液ポンプに関し、特に、ポンプのインペラーの回転数を監視するようにした遠心型血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
血液ポンプは、心臓による血液循環機能を代行ないし補助する装置として、生体内に埋め込まれたり、生体外に配置され、ポンプの入口側と出口側の配管を生体の対応する動脈に接続されて利用される。
遠心形血液ポンプは、ポンプケーシング内に複数の羽根を形成したインペラーを回転させて、インペラーの回転による遠心流れにより血液を供給する輻流ポンプの一種である。
【０００３】
インペラーの回転には、小型モータをポンプケーシングに取りつけて、モータの回転軸をケーシングに貫通させてインペラーの回転軸に固定し、インペラーを回転駆動するタイプが知られている。また、ポンプケーシングの外側に磁石を回転させる機構を設け、その回転磁場をインペラーに固定した磁性体に作用させて、インペラーを回転駆動させるタイプがある。後者のタイプの遠心型血液ポンプについては、既に、特開平７−７５６６７号公報により開示している。
【０００４】
血液ポンプの使用中には、血液ポンプからの血液流量を監視し制御する必要が生じるが、血液流量の測定には、従来、流体の磁気的性質を利用した電磁流量計や、例えば、図７に示すように、超音波を利用して流体の流れ方向とその反対方向とでは、伝播速度が異なることを利用した小型の超音波流量計が用いられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の電磁流量計や超音波流量計は、極めて微小な信号を検出するので、長期の使用時には、測定感度や精度の変動や誤差が生じ、検査や較正が必要となる。血液ポンプが体内に埋め込まれて長期に使用される場合には、これらの流量計も生体内に埋め込む必要があり、この場合には、流量計内のセンサが血液に直接接するのでセンサに血栓を生じて誤差原因となり、さらに、使用中の周囲の生体組織の付着やこれに伴うセンサ一の微妙な位置ずれにより、測定感度の変動が生じる可能性が大きく、これらの誤差要因を補正するには、事実上困難である。
【０００６】
また、血流の測定を血液ポンプのモータの駆動電力ないし諸費電力から推定することも可能ではあるが、血圧の変動が消費エネルギーにも影響するので、モータとポンプの動力の伝達で問題を発生している場合には、この方法は極めて不正確になる。
【０００７】
本発明は、血液ポンプからの供給血液流量の測定を簡便に且つ長期に亘り安定して実施できる耐久性の高い血液ポンプを提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の遠心型血液ポンプは、ポンプ内のインペラーの回転を磁気的に検出して、インペラーの回転数を求め、回転数からポンプからの供給血流を求めるものである。即ち、本発明の遠心型血液ポンプにおいては、遠心型血液ポンプの回転するインペラーに磁石が固定されて、ポンプには磁石の回転を検出する磁気センサが固定され、この磁気センサからの電気信号によりインペラーの回転数を検出する。磁気センサとして誘導コイルが用いられ、誘導コイルは、インペラーの内部の磁石の回転面の上方で、且つ、誘導コイルの内側が磁石の回転軌跡を包含するように配置されている。
【０００９】
インペラー即ち回転翼は、ポンプ内で回転されて、血液をポンプ入口に吸引して出口に加圧して供給するが、インペラー回転数によりその供給量が定まる。そこで、インペラーには磁石が固定されてインペラーの回転に伴い回転磁界を周囲に形成する。ポンプ固定側には、磁気センサが固定されて、インペラーの回転による回転磁界を検出して、信号を出力する。磁気センサからの信号を処理することによりインペラーの回転数が計測することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明が適用される遠心型血液ポンプの一例として、ポンプケーシングの内面がほぼ円錐状をなして、インペラーが配置され、ケーシング頂部には入口部を、また底部の周縁部に出口部を有している。
インペラー２は、図１に示すように、ケーシング内に軸支されて、ほぼ外面円錐状のロータ２１と、このロータ外面に植立されてロータ２１の円周方向に概ね放射状に延びる複数のフィン２２とから成り、ロータ外周のフィン２２は、その突端がケーシング内面に近接してロータ２１の外面とケーシング内面との空所を回転し、これにより、ポンプケーシング上部の入口からの血液を吸引して、加圧し、ポンプケーシング底部に形成した出口から血液を送り出す。
【００１１】
インペラー２は、ポンプケーシング１０の外側に固定されたモータにより直接又は間接的に回転を駆動されるが、図１に示す例は、ケーシング１０の底部外側にモータ（不図示）により駆動される磁石５１を配置し、この駆動側の磁石５１に対向して磁力が作用するようにインペラー２のロータ２１に磁性体５、例えば、磁石が固定され、駆動側の磁石５１を回転させることによって、インペラー２を回転させる構造のものである。
【００１２】
本発明の遠心型血液ポンプに使用するセンサは、インペラー内部に固定して磁石の回転によって生じる磁界変化を検出できるセンサが使用される。このようなセンサには、誘導コイルやホール素子が使用される。誘導コイルやホール素子は、インペラーの磁性体５の回転軌跡に近接した位置に配置して、インペラー２の回転による磁界変化を、交流として出力し、この交流の電流・電圧の振動数から、回転数を求めるものである。
このため、センサは、リードにより増幅器と回転数変換器に接続され、増幅器からの信号から回転数換算される。
【００１３】
他方、上記の速度検出用磁石５は、独立して、インペラーに固定されてもよいが、インペラーを回転させるための従動用磁性体と兼ねることもできる。この場合には、ポンプハウジングの外側にモータにより回転駆動される別体の駆動用磁石５１を含むインペラー駆動装置５０（不図示）が、駆動用磁石５１が、従動用磁性体（即ち、速度検出用磁石５）に対置して、従動用磁性体に回転に要する磁力を及ぼすように、配置される。インペラー駆動装置５０の駆動用磁石の回転により、この従動用磁性体を介して、インペラーを回転させる。磁気センサ８は、この従動用磁性体５の回転に応じた回転磁界を検出する。
【００１４】
本発明において、このましくは、磁気センサ８は、インペラー２に固定した磁石５に近いポンプハウジング１０の位置に固定されるが、磁気センサ８が、ポンプハウジングの外面に固定されることもでき、また、ポンプハウジングの壁体の内部に固定されてもよい。磁気センサ８が、生体適合性材料により被覆若しくは埋没されているのが好ましい。
【００１５】
生体適合性材料としては、生体に対する為害性のない材料であるが、特に、アクリル樹脂、ポリカーボネート、シリコーン樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、ポリウレタン等のポリマーが使用される。また、この生体適合性材料には、アルミナ、ジルコニア、カーボン、窒化硅素、炭化硅素等のセラミックスも利用できる。
【００１６】
磁気センサ８が、ハウジング１０の外面に固定される場合には、磁気センサ８は、生体適合性材料により塗着あるいは被覆されて、外面１１に取着される。このようなポンプは、生体中に埋め込まれて使用できる。
【００１７】
さらに、磁気センサ８は、ポンプハウジングの内部に一体の埋め込まれてもよい。この場合には、ポンプハウジングの一部が、ポリマー又はセラミックスから形成されて、磁気センサを固定して該センサと磁石５との間に回転磁界を導通するようにする。ポリマー又はセラミックスには、上記の生体適合生材料で構成される。
【００１８】
磁気センサ８を固定するポンプハウジング１０の一部は、該センサ８と磁石５との間の回転磁界の導通可能に、ポリマー又はセラミックスから形成されているいるのが好ましい。このためのポリマー又はセラミックスは、ポンプハウジングを形成する一般的な材料が選ばれる。
【００１９】
以下に具体的に、磁気センサ８の構造と配置を示すと、図２は、ケーシング１０の外面１１に外周近くに誘導コイル８１を配置したもので、この例は、ケーシング１０が非金属材料、例えば、上記のポリマー又はセラミックス材料で形成されているときに利用できる。
【００２０】
コイル８１は、インペラー２内部の磁石５の回転面の上方で（即ち、駆動側の磁石５１の反対側で）、且つ、コイル８１の内側が磁石５の回転軌跡を包含するように配置されている。この配置は、回転駆動側の磁石から離して、インペラー内部の固定磁石５に近接して配置される。
この配置により、駆動側の磁石５１の磁界変化の影響を少なくして、インペラー２に固定した磁石５の回転に伴う磁界変化に感応してコイル８１に電圧を生じさせる。
【００２１】
コイル８１は、ケーシング１０の外面１１上に接着材料７により直接貼着され且つ覆われて、コイルと生体組織との接触が防止されている。接着材料７は、生体適合性材料の中から、例えば、上記のアクリル系樹脂が使用され得る。
【００２２】
図２の示すコイルの配置の例では、インペラーの中に回転直径３５ｍｍ位置に６極の磁石５を固定し、コイルを直径４５ｍｍで２ターンにし、回転数３０００ｒｐｍでインペラー２を回転させた時、１０ｍＶで周波数１８００Ｈｚの交流信号を発生させることができた。図６には、インペラー２の回転数とコイル８１からの出力電圧との間には、直線関係があることを示すが、この関係から、コイル出力電圧を測定すれば、回転数か判る。
【００２３】
図３は、磁気センサ８として、小型のコイル８１がケーシング１０の外面の一部に接着材料７により貼着された構造であるが、インペラー２の回転により各磁石５がコイルに近づいて離れる際のコイル位置における磁界変化を検出して、磁石５の回転周期に対応する周期を有する交流電圧を生じる。
【００２４】
図４は、磁気センサ８としてコイル８１がケーシング１０の内部に埋設された構造である。ケーシング１０は、インペラー２の外縁に近い位置で、上下に区分され、ケーシング上部１１と底部１３の間に、リング状の中間体６が介装され、リング状の中間体６がポリマーで形成されて、内部に磁気センサ８としてのコイル８１が同心円状に一体に埋設されている。中間体６の両端面は、Ｏリング６１を介して、ケーシング上部１１と底部１３の間に水密的に介装されている。この配置は、中間体６がポリマーで形成されているので、ケーシング１０がポリマーである場合の他に金属製である場合にも適用できる。インペラー２の回転により、インペラー内部の磁石５が回転して、コイル８１に交流電圧を生じる。
【００２５】
図５は、磁気センサ８として、ホール素子８２を使用する例であるが、この例では、３個のホール素子８２が、ポリマー製のケーシング１０の外面１１に接着材（不図示）により覆われて貼着されており、インペラー２の回転により磁石５がホール素子８２に近づいて離れる際のホール素子位置における磁界変化を検出して、磁石５の回転周期に対応する周期を有する交流電圧をリード８４に生じさせる。
【００２６】
以上述べたセンサ８は、センサ８からのリード８４を増幅器と回転数変換器に接続され、増幅器からの信号から回転数換算される。回転数変換器は、センサ８から出力電圧又は電流がインペラー内の磁石５の回転速度に比例することを利用して、回転数に変換してもよい。また、センサ８から出力電圧の周波数が、インペラー内の磁石５の回転速度に比例することを利用して、出力電圧をパルス化して、カウンタにより周波数をデジタル出力することもできる。増幅器と回転数変換器は、体外に配置することもでき、体内のポンプ近傍に小型発振器と共に配置して、コードレス化することもできる。
【００２７】
本発明は、上記の磁気センサ８により、インぺラーの回転数を計測するものであるが、ポンプを作動させて、血液を圧送させると、インペラー２の回転速度が大きくすれば、血液流量が増加する。ポンプの水力学的な特性から、液体の粘度、密度と、生体内での圧力−流量特性が判れば、ポンプの回転数から血液流量が定まってくる。そこで、予め、適用するポンプの特性を知っておれば、インペラー２の回転数から、血液流量が精度よく推定できる。
【００２８】
さらに、本発明の血液ポンプは、モータとインペラーの回転の相差を電気的に検出するようにすることも可能であり、これにより、インペラーに負荷される値から血液輸送に要する力を求めることもでき、そのエネルギーを推定することができる。
【００２９】
そして、血液ポンプを人工心臓又は補助心臓として使用する場合には、インぺラーの回転数は、１５００〜３０００ｒｐｍの範囲で動作させるが、血液の流量と圧力とをパラメータとして、患者の年齢、性別、体重などからその患者の適合する個別的のインペラー回転数が定められる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の血液ポンプにおいては、体内に埋め込まれて使用される場合に、インペラー回転数を常時または定期に監視することができ、血液ポンプが適性に作動しているか否かを判別することができる。また、インペラー駆動装置の駆動用磁石の回転速度とインペラー２の回転速度とに大きな差があるような脱調している場合も容易に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に使用される遠心血液ポンプの断面図。
【図２】本発明の実施例に係る磁気センサとしてコイルを備えた遠心血液ポンプの正面図（Ａ）と、断面図（Ｂ）。
【図３】本発明の別の実施例に係る遠心血液ポンプの正面図（Ａ）と、断面図（Ｂ）。
【図４】本発明の別の実施例に係る遠心血液ポンプの断面図。
【図５】本発明の別の実施例に係る磁気センサとしてホール素子を備えた遠心血液ポンプの正面図（Ａ）と、断面図（Ｂ）。
【図６】本発明の実施例に係る遠心血液ポンプにおいて使用された磁気センサであるコイルの出力とポンプのインペラー回転数との関係を示す図。
【図７】従来の血液流量を測定するための超音波流量計の概念を示す正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）。
【符号の説明】
１０ ポンプハウジング
２ インペラー
２１ ロータ
２２ フィン
３ 底部
６ 中間体
８ 磁気センサ
８１ コイル
８２ ホール素子

Claims (2)

1. ポンプハウジングと、
   ポンプハウジング内で回転自在に保持されたインペラーと、
   前記ポンプハウジングの底面外面に対面する位置に設けられ、且つ、モータにより回転駆動される駆動用の磁石との相互作用によりインペラーを駆動するように前記インペラーの内部に固定した磁石と、
   前記インペラーの内部の磁石の回転面の上方で、且つ、内側が該磁石の回転軌跡を包含するように配置された磁気センサとしての誘導コイルと、を備え、
   該誘導コイルにより前記インペラーの回転数を検出するようになした遠心型血液ポンプ。
2. 磁気センサが、生体適合性材料により被覆若しくは埋没されている請求項１記載の遠心型血液ポンプ。

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