JP3712051B2 - 遠心型血液ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心型ポンプ装置に関し、特に人工心肺、人工心臓等医療機器に用いられる血液ポンプ、さらには特に小型な遠心型血液ポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人工心臓において用いられる血液ポンプは、血栓が発生しないこと、溶血しないこと、外部からの感染がないことなどが要求されている。近年、小型化の面から無拍動型、すなわち羽根車を有するインペラを回転させ回転時の遠心力により血液を送液する遠心型血液ポンプ装置が注目されている。ここで遠心型血液ポンプ装置は回転機械であるため、回転支持構造が血液と接触することによる血栓、溶血、外部からの感染等の問題をどのように解決するかが課題である。インペラを磁気浮上させる遠心型血液ポンプ装置の従来例として、特開平１０−１７９７３０号に提案されたものを図４に示す。図４に示す血液ポンプは大きく分けて磁気軸受１とケーシングと呼ばれるハウジング２とインペラ３とモータ４との４つの部分で構成されており、血液はインペラ３の回転に伴って磁気軸受１の中央の吸込口又は流入口から流入し、ケーシングと呼ばれるハウジング２内でポンピングされ、吐出口または流出口から排出される。インペラ３は羽根車を挟んで円周状で等間隔に配置された永久磁石とその反対側に設けられた強磁性体の円盤とから構成されている。インペラ３は内部の永久磁石とこれに対向して配置された永久磁石からの吸引力、またはそれと反対のインペラ３の強磁性体からなる円盤と複数個からなる磁気軸受１との吸引力の釣合いによって能動制御される。また半径方向制御および回転駆動は永久磁石で構成される磁気カップリングによって行われる。磁気軸受１は電磁石１１とセンサ１２によって構成されており、センサ１２の出力を演算し、各電磁石１１の電流が制御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この前述の従来例では、インペラはハウジング内で磁気浮上するので、ハウジング内にピボット等回転中心軸の支持部材を有しているものに比べ、流速の遅い回転中心付近のピボット周りの血流のよどみから来る血栓の発生を防ぎ、またハウジングにシール手段を介して軸を貫通させてハウジング外のピボットで回転軸を支持するようにしたものに比べて、シール手段のところで起こる血液成分の選択的な浸透漏れによる血液成分の破壊からくる溶血、一旦漏れた血液のシール手段を通しての逆流による外部からの感染を防ぐことができる。
【０００４】
しかしながら、従来例の磁気浮上方式の遠心型血液ポンプ装置では、磁気浮上するインペラの位置の制御は、半径方向制御および回転制御はインペラの永久磁石と外部駆動モータの磁石の磁気カップリングによるものの、軸方向の制御はこれら磁石間の吸引力とインペラの強磁性体円盤と複数個からなる磁気軸受との吸引力の微妙な釣り合いによってなされている。後者の制御は磁気軸受に電磁石への電流を位置センサの出力を演算して入力することでなされる。したがって上記公開公報によって開示されたような複雑な磁気軸受、センサ、センサアンプ、制御回路、出力アンプからなる制御システムが必要になり、またインペラの交換時には軸方向の中立点設定を再度やり直さなくてはならない等複雑な手順が必要であり、いきおい装置が大型化し高価なものとなっていた。
【０００５】
本発明の目的は、かかる従来の問題点を解決し、小型でかつ安価な遠心型血液ポンプ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかる遠心型血液ポンプ装置は、開口部として流入口、流出口のみを備える密閉容器であるハウジングと、そのハウジング内で回転し回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心型血液ポンプ装置において、ハウジングの内壁の内面形状は滑らかな回転対称形であって、その上部の直径の小さい部分とその下部の直径の大きい部分を有していて、前記直径の大きい部分はその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部となっていて、インペラはその外周部に前記凹部に対応する滑らかな曲面を有する複数の凸部を有し、前記凸部が前記凹部に回転自在に支持されている。さらに、前記インペラは、その中心に貫通した穴を有し、前記複数の凸部の下部に前記ハウジングの内面の底面に対向して球状の部分を有し、前記ハウジングの内壁と前記インペラの上部に配設される羽根車との間のクリアランスは、前記凸部と前記凹部との間のクリアランスより大きいことを特徴とする。
【０００８】
さらに本発明にかかる遠心型血液ポンプ装置は、前記ハウジングの材質はポリエチレンまたはポリカーボネイトまたは純チタンからなること、前記羽根車の材質はポリエチレンまたはポリカーボネイトまたは純チタンからなること、前記凸部の材質はセラミックからなること、前記球状の部分の材質はセラミックからなることを特徴とする。
【０００９】
本発明においてハウジングは血液の流入口と流出口のみを備えた密閉容器とし、その内部のインペラの位置は、ハウジングの直径の大きい部分でその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部と、それに対応してインペラの外周に配置された滑らかな曲面を有する複数の凸部によって、構造的に回転自在に規制されている。したがってインペラの位置の制御にセンサ、アンプ、制御回路といった複雑な電子回路システムが不要であり、構造が簡明であって小型となり、安価となる。
【００１０】
また本発明においては、インペラの始動時にはインペラはその凸部の下部における球状部のところでハウジングの内部底面と点接触しているのみであるので、インペラの中央を貫通する穴などにより血液流はインペラの下部にも十分行き渡り、インペラの回転により血液流の上流側が負圧、下流側が正圧となり、その圧力差によりインペラは浮き上がり、また前記ハウジングの内壁と羽根車との間のクリアランスは、前記凸部と前記凹部との間のクリアランスより大きいので、安定した性能が確保できる。
【００１１】
さらに、ハウジング、羽根車の材質をポリエチレン、ポリカーボネイト（ＰＣ）などのプラスチック、純チタンなど、インペラ下部の凸部、球状の部分の材質をセラミックなどとしたので、生体の順応性、潤滑性などがよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を実施するための形態について詳細に説明する。以下の図面において図４と共通の構成要素については、できるだけ図４に用いたものと同一の符号を用いてある。図１は本発明にかかる遠心型血液ポンプ装置の実施の形態についての平面図と、平面図でＡ−Ｏ−Ａと示した切断面における断面図を示す。図１においてハウジング２は開口部としては血液の流入口５と流出口６のみを備える密閉容器である。ハウジング２はトップハウジング１３とボトムハウジング１４からなり、それらはたとえば４ケ所のねじ１５等によって結合されて合わせ面１６で密接して組み立てられ密閉容器となる。ハウジングの内壁の内面形状は滑らかな回転対称形であって、その上部の直径の小さい部分とその下部の直径の大きい部分を有していて、その直径の大きい部分はその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部１７となっている。ハウジング２の内部にはインペラ３を有している。インペラ３の上部は羽根車７であって、その下部にはドーナツ状の磁石１８が埋め込まれており、その磁石はドーナツ状磁石の中心軸に平行な方向に、すなわち磁石の厚み方向に着磁されている。またその下部の外周部には前記凹部１７に対応する滑らかな曲面を有する複数の凸部１９を有し、前記凸部１９が前記凹部１７に回転自在に支持されている。密閉したハウジング２内部ではインペラ３は前記凸部１９が前記凹部１７とのクリアランスの範囲で移動し得るが、図１における上下左右方向に最大限移動しても羽根車７はハウジング２の内壁と接触する事はないようにハウジング内壁と羽根車７とのクリアランスを大きく取ってある。インペラ３の中心には貫通穴２０が貫通している。ハウジング２、羽根車７の材質はポリエチレン、ポリカーボネイト（ＰＣ）などのプラスチック、純チタンなど、インペラ３下部の凸部の材質はセラミックなど生体の順応性、潤滑性などを考慮して選択され製作される。ハウジング２の底面部の外部には、ドライバユニット２１が配置され、円周状に配置された複数のコイルと必要な電子回路がおさめられている。
【００１３】
図２はトップハウジング１３を取り外したときの平面図のうちハウジング内部を示す図である。ここではインペラ３の上部にある６枚羽根の羽根車７、インペラ３の下部の滑らかな曲面を有する複数の、ここでは４ケの凸部１９も示されている。
【００１４】
図３は、図１の断面図について下部の拡大図である。トップハウジング１３とボトムハウジング１４の合わせ面１６は一つの平面ではなくて段違い構造２２となっていて、さらにそのハウジング内壁における合わせ面は、ハウジング２の直径の大きい部分のその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部１７のもっとも直径の大きな個所、すなわち凹部の谷底とは異なるところに設定されている。インペラ３の下部の滑らかな曲面を有する複数の凸部１９の下部には、ボトムハウジング１４の内面の底面２３に対向して球状部２４を有している。球状部２４の材質も前記凸部１９と同様な材質の選択の配慮が為される。
【００１５】
かかる本発明の実施の形態についてその作用を説明する。インペラ３の下部にドーナツ状の磁石１８が埋め込まれており、その磁石はドーナツ状磁石の中心軸に平行な方向に、すなわち磁石の厚み方向に着磁されている。ドライバユニット２１が配置され、円周状に配置された複数のコイルと必要な電子回路がおさめられている。この円周状に配置された複数のコイルに電子回路により回転する磁界を発生すれば、その磁界とインペラ３の下部に埋め込まれたドーナツ状の磁石とのカップリングにより、その回転磁界によってインペラ３には回転駆動力が与えられる。血液が流入口５より流入して、インペラ３が回転すれば、回転時の遠心力により血液が送液されて流出口６より排出される。羽根車７の直径５０ｍｍ、高さ９ｍｍ、羽根が回転円の接線となす角度８３度の寸法で製作するときは、インペラ３を２０００ｒｐｍで駆動したとき、流入口と流出口の差圧１５０ｍＨｇ、血液流量５リットル／ｍｉｎを標準的に得る事ができる。始動時にはインペラ３は磁石１８とドライバユニット２１の発生する回転磁界とカップリングするが、球状部２４のところでハウジング３の内部底面２３と点接触しているのみであるので、インペラ３の中央を貫通する貫通穴２０などにより血液流はインペラ３の下部にも十分行き渡り、インペラ３の回転により血液流の上流側が負圧、下流側が正圧となり、その圧力差によりインペラ３は浮き上がる。しかしハウジング２内壁の下部における直径の大きい部分はその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部１７となっていて、さらにインペラ３の下部の外周部には前記凹部１７に対応して滑らかな曲面を有する複数の凸部１９を有するので、前記凸部１９は前記凹部１７に回転自在に支持される。この場合、いかなる場合も羽根車７はハウジング２の内壁に接触する事はない。インペラ３の中央の貫通穴２０を通して流入した血液はインペラ３の下部、ハウジング２の底面に達する事ができる。この部分はもしこの穴が無ければもっとも血液流速の遅い部分であって、よどみが生じ易いが、この貫通穴２０により十分な流速を確保される。さらに前記凹部と凸部とが対向するところは血液流速が最大の個所であり、そのクリアランスに血液のよどむ事が無い。
【００１６】
この実施の形態では、対象を人体の血液について説明したが、血液以外の液体についても実施可能である。インペラの駆動法は磁石とコイルの回転磁場とのカップリング以外にも、外部モータで磁石を回転させ、磁石と磁石のカップリングなど他の直接駆動（ＤＤ）型モータでも実施できる。材質の選択も実施の形態に示したもののみに限られず当業者が選択可能な範囲で実施できる。羽根車等の羽根の数、前記凸部の数、また各部寸法についても対象にあわせ変更して実施できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明ではハウジングを開口部として流入口、流出口のみを備える密閉容器として、そのハウジング内で回転し回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有するようにし、インペラの中心部に貫通穴を設け、またクリアランスの小さい凹部と凸部の対向するところを流速最大の個所に設定したので、血栓の発生、溶血、外部からの感染を防止できる。また、そのハウジングの内壁の内面形状は滑らかな回転対称形であって、その上部の直径の小さい部分とその下部の直径の大きい部分を有していて、その直径の大きい部分はその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部とし、インペラはその外周部に前記凹部に対応する滑らかな曲面を有する複数の凸部を有するようにしたので、前記凸部が前記凹部に構造的に回転自在に規制されている。したがってインペラの位置の制御にセンサ、アンプ、制御回路といった複雑な電子回路システムが不要であり、構造が簡明であって小型となり、安価となる。
【００１８】
また本発明では、インペラの始動時にはインペラはその凸部の下部における球状部のところでハウジングの内部底面と点接触しているのみであるので、インペラの中央を貫通する穴などにより血液流はインペラの下部にも十分行き渡り、インペラの回転により血液流の上流側が負圧、下流側が正圧となり、その圧力差によりインペラは浮き上がり、また前記ハウジングの内壁と羽根車との間のクリアランスは、前記凸部と前記凹部との間のクリアランスより大きいので安定した性能が確保できる。
【００１９】
さらに本発明では、ハウジング、羽根車の材質をポリエチレン、ポリカーボネイト（ＰＣ）などのプラスチック、純チタンなど、インペラ下部の凸部、球状の部分の材質をセラミックなどとしたので、生体の順応性、潤滑性などがよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の平面図、平面図に示すＡ−Ｏ−Ａにおける断面図である。
【図２】 図１において、トップハウジングを取り外したときのハウジング内部の図面である。
【図３】 図１において、断面図の下部の拡大図である。
【図４】 従来の実施例の断面図を用いたブロック図である。
【符号の説明】
１ 磁気軸受、２ ハウジング、３ インペラ、４ モータ、５ 流入口、６流出口、７ 羽根車、８，１０ 永久磁石、９ 円盤、１１ 電磁石、１２ センサ、１３ トップハウジング、１４ ボトムハウジング、１５ ねじ、１６合わせ面、１７ 凹部、１８ 磁石、１９ 凸部、２０ 貫通穴、２１ ドライバユニット、２２ 段違い構造、２３ 底面、２４ 球状部。

Claims (5)

1. 開口部として流入口、流出口のみを備える密閉容器であるハウジングと、そのハウジング内で回転し回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心型血液ポンプ装置において、ハウジングの内壁の内面形状は滑らかな回転対称形であって、その上部の直径の小さい部分とその下部の直径の大きい部分を有しており、前記直径の大きい部分はその直径が徐々に大きくなった後徐々に小さくなる滑らかな凹部となっていて、インペラはその外周部に前記凹部に対応する滑らかな曲面を有する複数の凸部を有し、前記凸部が前記凹部に回転自在に支持されており、さらにインペラは、その中心に貫通した穴を有し、前記複数の凸部の下部に前記ハウジングの内面の底面に対向して球状の部分を有し、前記ハウジングの内壁と前記インペラの上部に配設される羽根車との間のクリアランスは、前記凸部と前記凹部との間のクリアランスより大きいことを特徴とする遠心型血液ポンプ装置。
2. 請求項１に記載の遠心型血液ポンプ装置において、前記ハウジングの材質はポリエチレンまたはポリカーボネイトまたは純チタンからなることを特徴とする遠心型血液ポンプ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の遠心型血液ポンプ装置において、前記羽根車の材質はポリエチレンまたはポリカーボネイトまたは純チタンからなることを特徴とする遠心型血液ポンプ装置。
4. 請求項１、請求項２、または請求項３のいずれか１に記載の遠心型血液ポンプ装置において、前記凸部の材質はセラミックからなることを特徴とする遠心型血液ポンプ装置。
5. 請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれか１に記載の遠心型血液ポンプ装置において、前記球状の部分の材質はセラミックからなることを特徴とする遠心型血液ポンプ装置。

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