JP4108054B2 - 人工心臓ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、生体の心臓の代替又は補助として血液を圧送する人工心臓ポンプに関し、特に、軸流ポンプを活用した人工心臓ポンプに関する。

従来より、人工心臓ポンプは、回転する羽根車を利用して、血液を取り込み圧送するようになっており、一般には、軸流ポンプを活用するものと、ローラポンプや遠心ポンプを活用するものと、に大別される。これらのうちで軸流ポンプを活用した人工心臓ポンプは、他方のローラポンプや遠心ポンプを活用したものに比べて、コンパクト化できるという利点がある。以下、軸流ポンプを活用した人工心臓ポンプについて、述べていく。

従来の人工心臓ポンプは、例えば、インペラを備えた羽根車であるロータがハウジング内で回転可能に両端支持されており、このロータに内包された極異方性永久磁石と、ロータの周囲を取り囲むようにハウジングに内包された回転磁界発生器であるモータステータとの磁気的な作用により、ハウジングに対してロータが回転するようになっている。こうして、回転するロータのインペラにより、軸方向に沿って血液を前方から吸い込み後方へ吐き出すという軸流ポンプ特有の機能を有する人工心臓ポンプが得られる。

ここでロータは、両端支持される回転軸体と、この回転軸体の外周面から突出するインペラと、より構成されたり（例えば、特許文献１参照）、更に回転軸体と同軸状でインペラの外縁に接合されたシュラウドと、より構成されたり（例えば、特許文献２参照）していて、極異方性永久磁石は、前者では回転軸体に内包され、他方後者ではシュラウドに内包される。前者の人工心臓ポンプは、シュラウドを不要とすることから、構造が簡単で小型化に対して有利であり、他方後者の人工心臓ポンプは、極異方性永久磁石とモータステータとを相互に近接配置できることから、ロータを回転させるためのモータ駆動効率の向上に対して有利である。

しかし、上記した従来の人工心臓ポンプでは、ロータがその両端部分でハウジングに固定の受け部と接触状態で支持されているため、ロータの回転により、その両端部分が摩耗したり焼き付いたりし、機械的な損失が発生する。更に、これに伴って生じる摩耗紛を核に血液が凝集してしまい、ひいては血管等の血液流路を塞ぐ血栓を引き起こすおそれがある。

このような問題に対して、本出願人は、ハウジング内でロータが非接触状態で回転可能に支持された人工心臓ポンプを提案している。この改良の人工心臓ポンプについて、図３を参照しながら以下に説明する。

図３に示すように、改良の人工心臓ポンプは、円筒状のハウジング１０１内でロータ１０３が非接触状態で回転可能に支持されるわけであるが、ロータ１０３に対して後方に位置するハウジング１０１の内壁面に板状のディフューザ１０６が複数突出するように接合され、これらのディフューザ１０６の内縁に後側固定体１０７が接合されており、この後側固定体１０７の前端面１０７ａに軸体１０２が固定されている。これにより、ハウジング１０１内に、これと同軸状で中心軸Ｘ’を形成する固定の軸体１０２が構成される。

この軸体１０２には、この外周面１０２ａと微小間隙を隔てて対向する内周面１０８ａを有するスリーブ１０８が環装されており、このスリーブ１０８は軸体１０２に対して回転可能かつ軸方向に移動可能に支持されている。このスリーブ１０８の外周面には、インペラ１０９が複数突出するように接合され、更に、これらのインペラ１０９の外縁には、スリーブ１０８と同軸状の円筒状のシュラウド１２０が接合されている。ここで、ハウジング１０１には、シュラウド１２０を収容する環状のシュラウド収容凹部１０１ａが形成されていて、このシュラウド収容凹部１０１ａの内壁面とシュラウド１２０の外周面が相互に近接した状態となっている。これらのスリーブ１０８、インペラ１０９、及びシュラウド１２０よりロータ１０３が構成される。

また、シュラウド１２０には、中心軸Ｘ’を中心として放射状に、極異方性永久磁石１１０が内包されて設けられるとともに、その前方にはリング状の永久磁石１２１が内包されて設けられている。極異方性永久磁石１１０は、シュラウド１２０の外周面に対して垂直に磁束を発生し、永久磁石１２１は、中心軸Ｘ’と平行に磁束を発生する。一方、シュラウド収容凹部１０１ａの周囲におけるハウジング１０１には、シュラウド１２０の周囲を取り囲むようにシュラウド１２０の外周面に向けて垂直に磁束を発生する電磁コイルよりなるモータステータ１１１が内包されて設けられ、シュラウド収容凹部１０１ａの前方におけるハウジング１０１には、永久磁石１２１と同一の磁極を有し、シュラウド１２０の前端面に向けて垂直に磁束を発生するリング状の永久磁石１２２が内包されて設けられている。

このような改良の人工心臓ポンプによれば、モータステータ１１１を構成する電磁コイルに３相電流等の位相の異なる電流を流すことで、極異方性永久磁石１１０に回転する動力が働くため、ロータ１０３を構成するスリーブ１０８、インペラ１０９、及びシュラウド１２０が一体的に、ハウジング１０１に固定の軸体１０２を中心に回転する。これにより、前方から血液が吸引されてハウジング１０１内に取り込まれ、その血液はインペラ１０９で昇圧されてディフューザ１０６へ流入し、動圧成分が静圧状態に回復されて後方へ吐き出される。なお、図３では、この主たる血液流路を白抜き矢印で示す。

その際、血液の圧力は、インペラ１０９を挟んだ前方（上流側）よりも後方（下流側）が高くなる。そうすると、ロータ１０３自体には後方から前方に向けて荷重が加わることとなり、その結果として、シュラウド１２０の前端面が、ハウジング１０１のシュラウド収容凹部１０１ａにおける前方側の面に接近する様相となるが、同一の磁極を有する永久磁石１２１及び永久磁石１２２による斥力により、シュラウド１２０とハウジング１０１との接触が防止される。なお、インペラ１０９の後方に存する高圧の血液の一部は、上記した血液の圧力差により、ハウジング１０１のシュラウド収容凹部１０１ａの壁面と、シュラウド１２０の後端面、外周面、及び前端面との間隙をこの順に流動し、インペラ１０９の前方の血液、すなわちハウジング１０１内に取り込まれた血液に合流する。

また、上記した血液の圧力差は、軸体１０２に対するロータ１０３すなわちスリーブ１０８の非接触状態での支持に活用される。つまり、インペラ１０９の後方に存する高圧の血液の一部は、後側固定体１０７の前端面１０７ａとスリーブ１０８の後端面１０８ｃとの間隙を経由して、軸体１０２の外周面１０２ａとスリーブ１０８の内周面１０８ａとの微小間隙に後方から導き入れられ、この微小間隙を経て前方に送り出され、結局、ハウジング１０１内に取り込まれた血液に合流するようになる。従って、ロータ１０３の回転中は、軸体１０２とスリーブ１０８とで形成される間隙には、血液が潤滑流体として流動することになり、回転するロータ１０３は軸体１０２に対して非接触状態で支持されるわけである。

このように改良の人工心臓ポンプは、ハウジング１０１内でロータ１０３が非接触状態で支持されながら回転するため、従来の人工心臓ポンプのような接触状態で支持されたロータに起因する機械的な損失や血栓を著しく低減できる。

特表２００１−５２３９８３号公報（第２３−２６頁、第４、９図） 米国特許第６０５３７０５号明細書

しかし、上記した改良の人工心臓ポンプは、ロータ１０３の構成要素としてシュラウド１２０を必要とするため、以下に示す問題がある。シュラウド１２０はロータ１０３の径方向の最外郭であることから、第１に、ここに重量的なアンバランスが少しでもあると、ロータ１０３の回転中に動バランスが過大となって、非接触状態での円滑なロータ１０３の回転が阻害されたり、振動が増加したりする。また、シュラウド１２０は径方向の最外郭であり、血液中で回転することによる機械的な損失も大きい。特に、シュラウド１２０には、ロータ１０３を回転させるためにモータステータ１１１と対をなす極異方性永久磁石１１０が内包されるため、重量的に軽微なアンバランスは生じ易い。

第２に、ロータ１０３の回転中、ハウジング１０１のシュラウド収容凹部１０１ａとシュラウド１２０とで形成される間隙に血液が流動（逆流）するため、ポンプ効率の向上が制限される。しかも、ポンプ効率の向上を目指して、シュラウド収容凹部１０１ａとシュラウド１２０との間隙を狭くすると、周速の大きいシュラウド１２０とシュラウド収容凹部１０１ａとの相対的な回転速度差により、流動する血液に多大なせん断応力が作用し、このせん断応力で赤血球の表面膜が損傷してその機能が失われる溶血を引き起こす。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ハウジング内で羽根車が非接触状態で支持されながら回転する構成を前提に、機械的な損失を抑制するとともに、ポンプ効率を向上できる人工心臓ポンプを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による人工心臓ポンプは、ハウジングと、このハウジング内に固定の軸体に対し回転可能に支持された羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って血液を前方から取り込み後方へ圧送する人工心臓ポンプにおいて、前記軸体は、前記羽根車に対する前方で前記ハウジングの内壁面から突出する整流板に固定された前側固定体と、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体と、の間に連結されていて、前記羽根車は、前記軸体の外周面と微小間隙を隔てて対向する内周面とともに、前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面と微小間隙を隔てて対向する各両端面を有するスリーブと、このスリーブの外周面から突出したインペラと、よりなり、前記駆動機構は、前記スリーブに内包された極異方性永久磁石と、前記羽根車の周囲を取り囲むように前記ハウジングに内包された回転磁界発生器と、よりなり、かつ、前記スリーブの各両端面に対向する前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面の各々に、前記羽根車のスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝が形成されている。

これにより、回転磁界発生器の駆動に伴って、極異方性永久磁石に回転力が与えられ、羽根車が軸体を中心に回転する。この羽根車の回転により、前方から血液が吸引されてハウジング内に取り込まれ、その血液は整流板で旋回成分が除去されながらインペラで昇圧されて動圧状態の血液となり、その血液の大部分はディフューザで静圧状態に回復されて後方へ吐き出される。その際、インペラの後方に存する高圧の血液の一部は、後側固定体の前端面とスリーブの後端面との微小間隙に導き入れられ、軸体の外周面とスリーブの内周面との微小間隙を経由して、前側固定体の後端面とスリーブの前端面との微小間隙を経て送り出され、結局、ハウジング内に取り込まれた血液に合流するようになる。従って、羽根車の回転中は、スリーブと後側固定体、軸体、及び前側固定体とでこの順に形成される微小間隙には、血液が潤滑流体として流動することになり、回転する羽根車は、ラジアル荷重が軸体により、スラスト荷重が後側固定体及び前側固定体によりそれぞれ非接触状態で支持される。

更に、羽根車を回転させるために回転磁界発生器と対をなす極異方性永久磁石は、羽根車の構成要素であるスリーブに内包されるため、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウドは完全にない。従って、羽根車の径方向で最内郭であるスリーブに仮に重量的なアンバランスがあっても、回転中の羽根車に作用する動バランスへの影響は極めて少なく、振動を低減できる。また、羽根車自体の外径を減少させることができ、機械的な損失も抑制できる。更に、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウド側に逆流する血液が完全になく、その分ポンプ効率が向上する。

ここで、羽根車の回転中、スリーブと前側固定体及び後側固定体とで形成される微小間隙に、潤滑流体となる血液を安定的に流動させるとともに、羽根車のスラスト荷重を有効に支持する目的で、前記スリーブの各両端面に対向する前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面の各々に、前記羽根車のスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝が形成される。

また、回転中の羽根車自体には、血液の圧力差によって後方から前方に向けて荷重が加わり、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に接近する様相となる。これが著しいと、微小間隔が十分に確保されなくなって、潤滑流体となる血液の流動を阻害し、更には、その間隙が狭くなることにより機械的な損失の増加、溶血量の増加をもたらす。これらを未然に防止する観点から、前記後側固定体に、前記スリーブの端面と対向するリング状の磁性体が内包されているとよい。これにより、スリーブに内包の極異方性永久磁石が後側固定体に内包の磁性体に引き寄せられる、すなわち羽根車自体は血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に引き寄せられるため、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に著しく接近することはなく、微小間隙が十分に確保される。

また、回転中の羽根車自体には、血液の圧力差によって後方から前方に向けて荷重が加わり、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に接近する様相となる。これが著しいと、微小間隔が十分に確保されなくなって、潤滑流体となる血液の流動を阻害し、更には、その間隙が狭くなることにより機械的な損失の増加、溶血量の増加をもたらす。これらを未然に防止する観点から、前記スリーブに、前記前側固定体の後端面と対向する第１の磁石が内包されていると共に、前記前側固定体に、前記スリーブの前端面と対向する第２の磁石が内包されており、前記第１の磁石と前記第２の磁石とは、同一の磁極が対面し反発するように内包されているとよい。これにより、第１の磁石を内包するスリーブと第２の磁石を内包する前側固定体とが反発する、すなわち羽根車自体は血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に反発されるため、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に著しく接近することはなく、微小間隙が十分に確保される。

また、前記磁石は、永久磁石であるとよい。これにより、当該磁石の機能を維持するためのメンテナンスが不要となる。また、前記磁石は、前記羽根車の回転軸と同軸状のリング形状であるとよい。これにより、羽根車の回転がスムーズとなり、機械的な損失がより防止される。

以上説明した通り、本発明によれば、ハウジングと、このハウジング内に固定の軸体に対し回転可能に支持された羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って血液を前方から取り込み後方へ圧送する人工心臓ポンプにおいて、前記軸体は、前記羽根車に対する前方で前記ハウジングの内壁面から突出する整流板に固定された前側固定体と、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体と、の間に連結されていて、前記羽根車は、前記軸体の外周面と微小間隙を隔てて対向する内周面とともに、前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面と微小間隙を隔てて対向する各両端面を有するスリーブと、このスリーブの外周面から突出したインペラと、よりなり、前記駆動機構は、前記スリーブに内包された極異方性永久磁石と、前記羽根車の周囲を取り囲むように前記ハウジングに内包された回転磁界発生器と、よりなるので、回転磁界発生器の駆動に伴って、極異方性永久磁石に回転力が与えられ、羽根車が軸体を中心に回転する。そして、この羽根車の回転により、前方から血液が吸引されてハウジング内に取り込まれ、その血液は整流板で旋回成分が除去されながらインペラで昇圧されてディフューザへ流入し、動圧成分が静圧状態に回復されて後方へ吐き出される。その際、インペラの後方に存する高圧の血液の一部は、後側固定体の前端面とスリーブの後端面との微小間隙に導き入れられ、軸体の外周面とスリーブの内周面との微小間隙を経由して、前側固定体の後端面とスリーブの前端面との微小間隙を経て送り出され、結局、ハウジング内に取り込まれた血液に合流するようになる。従って、羽根車の回転中は、スリーブと後側固定体、軸体、及び前側固定体とでこの順に形成される微小間隙には、血液が潤滑流体として流動することになり、回転する羽根車は、ラジアル荷重が軸体により、スラスト荷重が後側固定体及び前側固定体によりそれぞれ非接触状態で支持できる。

更に、羽根車を回転させるために回転磁界発生器と対をなす極異方性永久磁石は、羽根車の構成要素であるスリーブに内包されるため、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウドは完全にない。従って、羽根車の径方向で最内郭であるスリーブに仮に重量的なアンバランスがあっても、回転中の羽根車に作用する動バランスへの影響は極めて少なく、振動を低減できる。また、羽根車自体の外径を減少させることができ、機械的な損失も抑制できる。更に、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウド側に逆流する血液が完全になく、その分ポンプ効率が向上できる。

ここで、前記スリーブの各両端面に対向する前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面の各々に、前記羽根車のスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝が形成されているので、羽根車の回転中、スリーブと前側固定体及び後側固定体とで形成される微小間隙に、潤滑流体となる血液を介してスラスト動圧が発生するため、その血液が安定的に流動できるし、羽根車のスラスト荷重を有効に支持することが可能となる。

また、前記後側固定体に、前記スリーブの端面と対向するリング状の磁性体が内包されていると、スリーブに内包の極異方性永久磁石が後側固定体に内包の磁性体に引き寄せられる、すなわち羽根車自体は血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に引き寄せられるため、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に著しく接近することはなく、潤滑流体となる血液がより安定的に流動できる微小間隙を十分に確保することが可能となる。

また、前記スリーブに、前記前側固定体の後端面と対向する第１の磁石が内包されていると共に、前記前側固定体に、前記スリーブの前端面と対向する第２の磁石が内包されており、前記第１の磁石と前記第２の磁石とは、同一の磁極が対面し反発するように内包されていると、第１の磁石を内包するスリーブと第２の磁石を内包する前側固定体とが反発する、すなわち羽根車自体は血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に反発されるため、スリーブの前端面が前側固定体の後端面に著しく接近することはなく、潤滑流体となる血液がより安定的に流動できる微小間隙を十分に確保することが可能となる。

また、前記磁石は、永久磁石であると、当該磁石の機能を維持するためのメンテナンスを不要とすることができる。また、前記磁石は、前記羽根車の回転軸と同軸状のリング形状であると、羽根車の回転がスムーズとなり、機械的な損失をより防止することができる。

本発明者らは、軸流ポンプを活用した人工心臓ポンプにおける機械的な損失の抑制、及びポンプ効率の向上に関して、ハウジング内で羽根車が非接触状態で支持されながら回転する構成を前提に鋭意検討を重ね、その結果、羽根車の構成要素の態様に着眼し、本発明をなすに至った。つまり、本発明の人工心臓ポンプの大きな特徴は、従来の改良の人工心臓ポンプで必要とされたシュラウドを完全になくした点にある。

＜第１の実施形態＞
以下に、本発明の人工心臓ポンプの実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施形態である人工心臓ポンプの構成を示す縦断面図、図２はその人工心臓ポンプにおけるスラスト動圧発生溝を示す前側固定体の後端面及び後側固定体の前端面の平面図である。なお、図中で同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の人工心臓ポンプは、図１に示すように、大きくは、円筒状のハウジング１と、このハウジング１内に中心軸Ｘを形成する固定の軸体２と、この軸体２に対しハウジング１内で回転可能に支持された羽根車であるロータ３と、このロータ３を回転させる駆動機構と、を備えており、ロータ３の回転により、軸方向に沿って血液を前方（図１では右側）から取り込み後方（図１では左側）へ圧送するようになっている。なお、図１では、主たる血液流路を白抜き矢印で示す。

引き続き、具体的な構成を説明していく。ロータ３に対して前方に位置するハウジング１の内壁面には、整流板４が複数突出するように接合され、これらの整流板４の内縁に、中心軸Ｘと同軸状で円柱状の前側固定体５が接合されている。一方、ロータ３に対して後方に位置するハウジング１の内壁面には、板状のディフューザ６が複数突出するように接合され、これらのディフューザ６の内縁に、中心軸Ｘと同軸状で円柱状の後側固定体７が接合されている。そして、前側固定体５の後端面５ａと後側固定体７の前端面７ａとに軸体２が連結されていて、これにより、ハウジング１内に固定の軸体２が構成される。なお、前側固定体５の前端、及び後側固定体７の後端はそれぞれの中央部が隆起しており、前者は取り込んだ血液を抵抗なく分岐させて整流板４に導き、他方後者はディフューザ６からの血液を抵抗なく合流させるよう導く役割を果たす。

また軸体２には、この外周面２ａと微小間隙を隔てて対向する内周面８ａ、前側固定体５の後端面５ａと微小間隙を隔てて対向する前端面８ｂ、及び、後側固定体７の前端面７ａと微小間隙を隔てて対向する後端面８ｃを有するスリーブ８が環装されている。このスリーブ８は、軸体２に対して回転可能、かつ前側固定体５の後端面５ａ及び後側固定体７の前端面７ａで規制されながら軸方向に移動可能に支持される。更に、スリーブ８の外周面には、インペラ９が複数突出するように接合されていて、これらのインペラ９の外縁は、ハウジング１の内壁面に近接した状態となっている。これらのスリーブ８及びインペラ９より、ロータ３が構成される。

続いてスリーブ８には、中心軸Ｘを中心として放射状に、極異方性永久磁石１０が内包されて設けられている。この極異方性永久磁石１０は、スリーブ８の外周面に対して垂直に磁束を発生する。一方、ハウジング１には、スリーブ８の周囲を取り囲むように、スリーブ８の外周面に向けて垂直に磁束を発生する電磁コイルよりなるモータステータ１１が内包されて設けられている。これらの極異方性永久磁石１０及びモータステータ１１より、ロータ３を回転させる駆動機構が構成される。

このような人工心臓ポンプによれば、モータステータ１１を構成する電磁コイルに３相電流等の位相の異なる電流を流すことで、極異方性永久磁石１０に回転する動力（回転力）が働くため、ロータ３を構成するスリーブ８及びインペラ９が一体的に、ハウジング１に固定の軸体２を中心に回転する。これにより、前方から血液が吸引されてハウジング１内に取り込まれ、その血液は整流板４で旋回成分が除去されながらインペラ９で昇圧されてディフューザ６へ流入し動圧成分が静圧状態に回復されて後方へ吐き出される。こうして、人工心臓ポンプの基本機能である血液の圧送が達成される。

その際、血液の圧力は、インペラ９を挟んだ前方（上流側）よりも後方（下流側）が高くなる。そうすると、インペラ９の後方に存する高圧の血液の一部は、後側固定体７の前端面７ａとスリーブ８の後端面８ｃとの微小間隙に導き入れられ、軸体２の外周面２ａとスリーブ８の内周面８ａとの微小間隙を経由して、前側固定体５の後端面５ａとスリーブ８の前端面８ｂとの微小間隙を経て送り出され、結局、ハウジング１内に取り込まれた血液に合流するようになる。従って、ロータ３の回転中は、スリーブ８と後側固定体７、軸体２、及び前側固定体５とでこの順に形成される微小間隙には、血液が潤滑流体として流動することになり、回転するロータ３は、ラジアル荷重が軸体２により、スラスト荷重が後側固定体７及び前側固定体５によりそれぞれ非接触状態で支持されるわけである。

ここで、上記した血液の圧力差は、回転中のロータ３自体に後方から前方に向けて荷重を与え、その結果として、スリーブ８の前端面８ｂが前側固定体５の後端面５ａに接近する様相となる。これが著しいと、スリーブ８の前端面８ｂと前側固定体５の後端面５ａとの微小間隔が十分に確保されなくなって、潤滑流体となる血液の流動を阻害し、更には、機械的な損失の増加、溶血量の増加をもたらす。

そこで本実施形態では、後側固定体７には、スリーブ８の後端面８ｃと対向する位置にリング状の磁性体１２（例えば、鉄製の板や塊）が内包されて設けられていて、これにより、スリーブ８に内包の極異方性永久磁石１０が、後側固定体７に内包の磁性体１２に引き寄せられる。従って、ロータ３自体は、血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に引き寄せられるため、スリーブ８の前端面８ｂが前側固定体５の後端面５ａに著しく接近することはなく、潤滑流体となる血液がより安定的に流動できる微小間隙を十分に確保することが可能となる。

ここで更に、上記した血液の圧力差に起因した前方に向く荷重、或いは、人工心臓ポンプの起動直後や駆動時における中心軸Ｘ方向の突発的な荷重変動は、ロータ３にスラスト荷重を与えるため、スリーブ８の前端面８ｂと前側固定体５の後端面５ａとの微小間隔、或いはスリーブ８の後端面８ｃと後側固定体７の前端面７ａとの微小間隔の十分な確保を阻害するおそれがある。

そこで本実施形態では、図２に示すように、前側固定体５の後端面５ａには、渦巻状の前側スラスト動圧発生溝５ａａが複数（図２では６本図示）形成されている。この前側スラスト動圧発生溝５ａａは、スリーブ８の前端面８ｂとの間でここに流動する血液にスラスト動圧を発生させ、これにより、ロータ３における前方に向くスラスト荷重を支持することができる。

同様に、後側固定体７の前端面７ａには、渦巻状の後側スラスト動圧発生溝７ａａが複数形成されている。この後側スラスト動圧発生溝７ａａは、スリーブ８の後端面８ｃとの間でここに流動する血液にスラスト動圧を発生させ、これにより、ロータ３における後方に向くスラスト荷重を支持することができる。特に、このスラスト動圧の作用は、磁性体１２が後側固定体７に内包されている場合であって、人工心臓ポンプの起動直後に有効に発揮される。何故ならば、停止時には、ロータ３に極異方性永久磁石１０と磁性体１２との引力のみが作用し、スリーブ８の後端面８ｃが後側固定体７の前端面７ａに接触した状態となっているが、この状態から起動させると、瞬時に血液をスリーブ８の後端面８ｃと後側固定体７の前端面７ａとの間に導き入れてスラスト動圧が生じ、非接触状態に移行できるからである。

従って、ロータ３の回転中、スリーブ８と前側固定体５及び後側固定体７とで形成される微小間隙に、潤滑流体となる血液を介してスラスト動圧が発生するため、それらの微小間隙が十分に確保されて血液が安定的に流動できるし、ロータ３のスラスト荷重を有効に支持することが可能となる。

このように本発明の人工心臓ポンプにおいては、ロータ３を回転させるためにモータステータ１１と対をなす極異方性永久磁石１０は、ロータ３の構成要素であるスリーブ８に内包されるため、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウド１２０（図３参照）は完全にない。従って、ロータ３の径方向で最内郭であるスリーブ８に仮に重量的なアンバランスがあっても、回転中のロータ３に作用する動バランスへの影響は極めて少なく、振動を低減できる。また、ロータ３自体の外径を減少させることができ、機械的な損失も抑制できる。更に、従来の改良の人工心臓ポンプにおけるシュラウド１２０側に逆流する血液が完全になく、その分ポンプ効率が向上できる。

なお、従来の改良の人工心臓ポンプに対して、極異方性永久磁石１０とモータステータ１１との相互の距離が大きいことから、モータ駆動効率が若干低下するものの、ロータ３自体へ与えられる回転力は、そもそもモータステータ１１における電磁コイルへの電流値や、その電磁コイルの巻数や、極異方性永久磁石１０の保磁力等で調整可能なため、ほとんど支障はない。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の人工心臓ポンプの第２の実施形態について図面を参照しながら詳述する。図４は、第２の実施形態である人工心臓ポンプの構成を示す縦断面図である。本実施形態は、上述する第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態に係る人工心臓ポンプと同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

同図に示すように、第２の実施形態に係る人工心臓ポンプでは、第１の実施形態に係る人工心臓ポンプにおける磁性体１２がない代わりに、第１の磁石として永久磁石１３及び第２の磁石として永久磁石１４が設けられている。永久磁石１３は、スリーブ８における前側固定体５の後端面５ａと対向する位置に内包されて設けられ、永久磁石１４は、前側固定体５におけるスリーブ８の前端面８ｂと対向する位置に内包されて設けられている。また、永久磁石１３及び永久磁石１４は共に、ロータ（羽根車）３の回転軸と同軸状のリング形状をしている。

永久磁石１３及び永久磁石１４は共に、中心軸Ｘと平行に磁束を発生させ、同一の磁極が対面するように設けられているので、永久磁石１３と永久磁石１４との間には斥力が発生する。したがって、永久磁石１３，１４は、中心軸Ｘの軸方向に対するスラスト軸受けとして機能し、ロータ３自体は、血液の圧力差に起因した前方に向く荷重に抗して後方に反発されるため、スリーブ８の前端面８ｂが前側固定体５の後端面５ａに著しく接近することはなく、潤滑流体となる血液がより安定的に流動できる微小間隙を十分に確保することが可能となる。

更に、人工心臓ポンプの停止時や低回転での駆動時には、モータステータ１１と極異方性永久磁石１０とに働く引力と永久磁石１３，１４による斥力とが釣り合うことで、ロータ３が下流側に移動して、スリーブ８の後端面８ｃと後側固定体７の前端面７ａとが接触することも防ぐ。

永久磁石１３，１４の磁力の設定については、ロータ３の回転時に発生する前方へ向く荷重を考慮して設定することが好ましい。ロータ３の回転速度により発生する荷重は異なるが、ロータ３の回転速度範囲に対応した発生荷重を想定して、例えば最大荷重が発生した場合であってもスリーブ８の前端面８ｂが前側固定体５の後端面５ａに接触しないように設定したり、例えば最小荷重が発生した場合であってもスリーブ８の後端面８ｃが後側固定体７の前端面７ａに接触しないように設定したりする。この磁力調整の際には、本実施形態で採用する永久磁石１３，１４と共に、第１の実施形態で採用する磁性体１２を設けて、調整するようにしてもよい。

その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、スリーブ８の内周面８ａの断面がほぼ真円状であって、これと対をなす軸体２の断面が、半円や４分の１円が偏心して組み合わされた複数円弧のオフセット形状であることが好ましい。この場合、軸体２の外周面２ａとスリーブ８の内周面８ａとの微小間隙がより確実に確保され、潤滑流体である血液を円滑に流動させることができる。また、前側スラスト動圧発生溝５ａａや後側スラスト動圧発生溝７ａａの形状は、渦巻状に限らず、例えば放射状であってもよい。

本発明の一実施形態である人工心臓ポンプの構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態である人工心臓ポンプにおけるスラスト動圧発生溝を示す前側固定体の後端面及び後側固定体の前端面の平面図である。 従来の改良の人工心臓ポンプの構成を示す縦断面図である。 第２の実施形態である人工心臓ポンプの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 軸体
３ ロータ（羽根車）
４ 整流板
５ 前側固定体
６ ディフューザ
７ 後側固定体
８ スリーブ
９ インペラ
１０ 極異方性永久磁石
１１ モータステータ（回転磁界発生器）
１２ 磁性体
１３ 永久磁石
１４ 永久磁石
Ｘ 中心軸

Claims (3)

1. ハウジングと、このハウジング内に固定の軸体に対し回転可能に支持された羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って血液を前方から取り込み後方へ圧送する人工心臓ポンプにおいて、
   前記軸体は、前記羽根車に対する前方で前記ハウジングの内壁面から突出する整流板に固定された前側固定体と、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体と、の間に連結されていて、
   前記羽根車は、前記軸体の外周面と微小間隙を隔てて対向する内周面とともに、前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面と微小間隙を隔てて対向する各両端面を有するスリーブと、このスリーブの外周面から突出したインペラと、よりなり、
   前記駆動機構は、前記スリーブに内包された極異方性永久磁石と、前記羽根車の周囲を取り囲むように前記ハウジングに内包された回転磁界発生器と、よりなり、
   かつ、前記スリーブの各両端面に対向する前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面の各々に、前記羽根車のスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝が形成されていることを特徴とする人工心臓ポンプ。
2. 前記後側固定体に、前記スリーブの端面と対向するリング状の磁性体が内包されていることを特徴とする請求項１に記載の人工心臓ポンプ。
3. ハウジングと、このハウジング内に固定の軸体に対し回転可能に支持された羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って血液を前方から取り込み後方へ圧送する人工心臓ポンプにおいて、
   前記軸体は、前記羽根車に対する前方で前記ハウジングの内壁面から突出する整流板に固定された前側固定体と、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体と、の間に連結されていて、
   前記羽根車は、前記軸体の外周面と微小間隙を隔てて対向する内周面とともに、前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面と微小間隙を隔てて対向する各両端面を有するスリーブと、このスリーブの外周面から突出したインペラと、よりなり、
   前記駆動機構は、前記スリーブに内包された極異方性永久磁石と、前記羽根車の周囲を取り囲むように前記ハウジングに内包された回転磁界発生器と、よりなり、
   かつ、前記スリーブの各両端面に対向する前記前側固定体の後端面及び前記後側固定体の前端面の各々に、前記羽根車のスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝が形成され、
   前記前側固定体の後端面と対向する第１の磁石が内包されていると共に、前記前側固定体に、前記スリーブの前端面と対向する第２の磁石が内包されており、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石とは、同一の磁極が対面し反発するように内包され、
   前記磁石は、永久磁石であり、前記羽根車の回転軸と同軸状のリング形状であることを特徴とする人工心臓ポンプ。

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