JP4165691B2 - 流体循環装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体循環装置に係り、更に詳しくは、生体内の血液の循環状況に擬似させることができ、人工臓器や素材材料における血液適合性の調査等に適した流体循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体の血液に接触する人工臓器及び素材材料（以下、人工臓器等と称する）は、血液に対する適合性が良好でなければならず、当該血液適合性を製品化前に十分に調査することが必要である。ここで、前記血液適合性の調査手法としては、所定のポンプと血液パックとをチューブで接続してなる循環流路の途中に人工臓器等を配置し、前記循環流路内の血液を定常流状態で循環させて人工臓器等の血液適合性を調査及び評価する手法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人体内を循環する血液は、心臓の拍動や末梢抵抗等によって、動脈内で所定の拍動流が発生する一方、静脈から心臓に戻る際の脈圧が略０ｍｍＨｇとなっている。このため、定常流下で行われる前述の調査手法にあっては、人体における血液の循環状況に従って調査できないことから、以下のような不都合を招来する。つまり、前述の調査手法で血液適合性が良好と判断された人工臓器等であっても、生体内の血液の循環状況下においては不適合となる場合、例えば、前述の調査手法により坑血栓性が高いと判断される材料でも、拍動流下では血栓が生じる場合がある。従って、人工臓器の血液適合性を確実に評価するには、前記手法で調査した後、人体における血液の循環状況に近い状態で調査できる動物実験が不可欠となる。ところが、このようにすると、血液の適合性調査が二度手間になるばかりか、動物実験では、動物の確保や動物に対する人工臓器等の装着等に手間がかかり、人工臓器等の血液適合性を簡単に調査できないという不都合がある。また、多数の動物が犠牲となるという倫理的な問題もある。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、生体内の血液の循環状況に擬似させることができ、動物実験を行わなくても、若しくは、動物実験の回数を従来より減らしても、人工臓器や素材材料の血液適合性の評価等を簡単且つ確実に行うことができる流体循環装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、拍動流を生成する駆動ポンプと、この駆動ポンプの流出口及び流入口間に配置された循環流路とを備え、前記駆動ポンプの作動により、前記循環流路内の流体を循環させる流体循環装置において、
前記循環流路は、前記流体に流れ抵抗を付与する抵抗付与手段と、この抵抗付与手段の下流側に配置されて流体の脈圧を減衰させる脈圧減衰手段とを備え、生体内の血液の循環に擬似した状態で前記流体が循環する、という構成を採っている。このような構成によれば、生体内の血液の循環に擬似した状態で流体が装置内を循環するため、流体の流通する部位に人工臓器や素材材料を設置することで、動物実験を行わなくても、若しくは、動物実験の回数を従来より減らしても、人工臓器や素材材料の血液適合性の評価等を簡単且つ確実に行うことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記循環流路は、前記抵抗付与手段の上流側で前記脈圧の振幅調整をする振幅調整手段を含む、という構成を採ることが好ましい。このように構成することで、流体の脈圧を任意に変えた種々の状況下で、人工臓器等の血液適合性の調査を行うことができる。ここで、前記振幅調整手段は、肉厚を変えることで前記振幅調整が可能な調整チューブにより構成するとよい。
【０００７】
また、前記駆動ポンプは、略円錐状をなす周壁と、この周壁を底側から閉塞するダイアフラムとを備え、
前記周壁は、その頂部に設けられて上端側が前記流出口となる流出ポートと、前記頂部に連なる主部に対して略接線方向に延び、且つ、先端側が前記流入口となる流入ポートとを含み、
前記駆動ポンプは、前記ダイアフラムが変位することにより、前記周壁の内側に形成された空間の容積が変化して、前記空間内に流入した流体が旋回渦流を生じながら吐出する、という構成にすることが好ましい。このような構成によれば、駆動ポンプ内に流れの停滞域が殆ど発生させずに、駆動ポンプ内における流体の流れをスムーズにすることができる。このため、前記流れの停滞域に起因する諸問題、例えば、流体を血液とした場合における血栓の形成等を回避することができ、人工臓器等の血液適合性の評価を一層確実に行うことができる。ここにおいて、前記脈圧減衰手段を前記駆動ポンプと略同一の構成からなるポンプにより構成することで、装置を構成する部品種類を減らすことができ、これによる装置全体のコストダウン化が可能となる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
図１には、本実施例に係る流体循環装置を模式的に表した構成図が示されている。この図において、流体循環装置１０は、人体における血液の循環に擬似した状態で、流体としての血液を所定の流路内で循環可能に設けられており、図示しない人工臓器や素材材料に対する血液適合性の調査等に用いられる。この流体循環装置１０は、公知の吸送気装置１１と、この吸送気装置１１に繋がるポリウレタン製の駆動ポンプ１２と、この駆動ポンプ１２から吐出した血液が駆動ポンプ１２に戻るように配置された閉ループ状の循環流路１３とを備えて構成されている。
【００１０】
前記吸送気装置１１は、駆動ポンプ１２に対して吸送気可能に設けられた公知の構造を備えたものであり、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００１１】
前記駆動ポンプ１２は、その内部に収容された血液に対し流れの停滞域を発生させ難い構造を備えた拍動流ポンプであり、吸送気装置１１の作動により循環流路１３内に血液の拍動流を生成できるようになっている。すなわち、駆動ポンプ１２は、図２及び図３に示されるように、略円錐状をなす周壁１５と、この周壁１５を図２中下端側から閉塞するように当該周壁１５に固定されるとともに、外周側から中央に向かって同図中下向きに膨出するキャップ状の底壁１６と、これら周壁１５と底壁１６とで囲まれる内部空間を図３中上下二つの空間Ａ１，Ａ２に区分するダイアフラム１７とにより構成されている。ここで、図３中上側に位置する空間Ａ１は、循環流路１３側に繋がっており、当該循環流路１３内を循環する血液が収容されるようになっている。一方、図３中下側に位置する空間Ａ２は、循環流路１３から隔離された状態となっており、前記吸送気装置１１に繋がっている。
【００１２】
前記周壁１５は、底壁１６の周縁部１６Ａとの合せ面になるフランジ状の裾部１５Ａと、図３中上端側に位置する頂部１５Ｂと、これら裾部１５Ａと頂部１５Ｂとの間に連なる湾曲面状の主部１５Ｃとにより構成されている。前記頂部１５Ｂと主部１５Ｃには、循環流路１３にそれぞれ接続される先端開放筒状の流出ポート１９及び流入ポート２０が形成されている。頂部１５Ｂ側に位置する流出ポート１９は、空間Ａ１内の血液を循環流路１３に吐出させるためのポートであり、先端側が流出口１９Ａとなっている。流入ポート２０は、循環流路１３から空間Ａ１内に血液を取り入れるためのポートであり、先端側が流入口２０Ａとなっている。ここで、流入ポート２０は、主部１５Ｃの下端側を基部として、当該主部１５Ｃに対して略接線方向に延びるように形成されており、特に限定されるものではないが、流出ポート１９の延出方向に対して６０度程度傾斜している。これにより、流入ポート２０から空間Ａ１に入った血液は、図３中点線で示されるように、空間Ａ１の下部から上部に向かって流れの停滞域の殆どない旋回渦流を発生させながら上昇可能となる。
【００１３】
前記底壁１６は、その周面に通気口２２が設けられており、この通気口２２には、前記吸送気装置１１に繋がるチューブＴが接続されている。これにより、底壁１６の内側に位置する前記空間Ａ２内においては、吸送気装置１１の作動による吸排気が交互に行われることになる。
【００１４】
前記ダイアフラム１７は、可撓性を有する薄肉円盤状に形成されており、その周縁部１７Ａが、周壁１５の裾部１５Ａと底壁１６の周縁部１６Ａとの間に挟み込まれることで固定されている。このため、ダイアフラム１７は、吸送気装置１１の作動による空間Ａ２内の吸排気に伴って、周縁部１７Ａを除く部分が空間Ａ１，Ａ２の何れか一方側に変位し（図３中二点鎖線参照）、略中央を頂部とするドーム状に変化するようになっている。
【００１５】
以上の構成の駆動ポンプ１２は、吸送気装置１１で空間Ａ２内の空気が吸引されると、ダイアフラム１７は空間Ａ２の容積を減少させる方向（図３中下向き）に変位し、これによって、空間Ａ１の容積が増大して血液が空間Ａ１内に吸入されるようになっている。一方、吸送気装置１１で空間Ａ２内に空気が供給されると、ダイアフラム１７は、空間Ａ２の容積を増大させる方向（図３中上向き）に変位し、これによって、空間Ａ１の容積が減少して血液が循環流路１３に吐出されるようになっている。そして、以上の動作が繰り返し行われ、循環流路１３内に血液の拍動流が生成される。なお、後述するように、循環流路１３に第１及び第２の逆止弁３６，３７（図１参照）が設けられており、空間Ａ１内での血液の逆流が防止される。また、本実施例においては、空間Ａ２内に供給される空気の圧力（陽圧）は、１４０ｍｍＨｇ〜２６０ｍｍＨｇ程度に設定される一方、空間Ａ２内から吸引される空気の圧力（陰圧）は、−３０ｍｍＨｇ〜−５０ｍｍＨｇ程度に設定される。
【００１６】
前記循環流路１３は、図１に示されるように、駆動ポンプ１２の流出ポート１９から吐出した血液が、外気に非接触となる状態で流入ポート２０に流入可能な流路構成となっている。すなわち、循環流路１３は、流出ポート１９から吐出した血液に流れ抵抗を付与する抵抗付与手段２３と、前記流出ポート１９に接続された上流側チューブ２４と、この上流側チューブ２４よりも下流側に接続された振幅調整手段としての調整チューブ２５と、この調整チューブ２５よりも下流側に配置された連結チューブ２６と、当該連結チューブ２６よりも下流側に配置され、且つ、駆動ポンプ１２の流入ポート２０に接続された下流側チューブ２７と、調整チューブ２５及び連結チューブ２６の間に設けられた第１の接続ポンプ２９と、連結チューブ２６及び下流側チューブ２７の間に設けられた第２の接続ポンプ３０とを備えて構成されている。なお、ここにおける各部材２３〜３０同士の接続には公知のコネクタ３４が用いられている。ところで、以下においては、説明の便宜上、循環流路１３のうち抵抗付与手段２３を境にして上流側を動脈路Ｌ１と称し、同下流側を静脈路Ｌ２と称する。
【００１７】
前記抵抗付与手段２３は、人体の末梢抵抗を想定して連結チューブ２６の途中一箇所に設けられたものであって、図示省略しているが、連結チューブ２６を締め付けるピンチ状部材により構成されている。つまり、抵抗付与手段２３による連結チューブ２６の締め付けにより、駆動ポンプ１２が拍動しても動脈路Ｌ１内の最低血圧が０ｍｍＨｇとならずに、人体の動脈内の血液の流れに擬似させるようになっている。ここで、連結チューブ２６の締め付け具合により、動脈路Ｌ１内の平均脈圧を所定値に調整することができ、本実施例では、当該平均脈圧として、人体の平均脈圧に略相当する１００ｍｍＨｇ程度に調整されている。なお、抵抗付与手段２３としては、前述したピンチ状部材の他に、前述した作用を奏する限りにおいて、可変絞り等他の部材を採用することもできる。
【００１８】
前記調整チューブ２６を除く各チューブは、特に限定されるものではないが、塩化ビニルによって形成されている。ここで、上流側チューブ２４内と下流側チューブ２７内には、血液が図１中矢印方向に確実に循環するように血液の逆流を防止する第１及び第２の逆止弁３６，３７が設けられている。なお、図示省略しているが、上流側チューブ２４内等に公知の構造の電磁流量計を装着して、動脈路Ｌ１における血液の流量を測定することも可能である。
【００１９】
前記調整チューブ２５は、抵抗付与手段２３よりも上流側に配置されて動脈路Ｌ１の脈圧の振幅調整をするものである。すなわち、調整チューブ２５は、その肉厚を変えることで動脈路Ｌ１における脈圧の振幅調整を行うことができる軟質材料により形成されており、例えば、セグメント化ポリウレタンやシリコン等により形成されている。なお、本実施例では、動脈路Ｌ１における脈圧の振幅が、人体のように前記平均脈圧（１００ｍｍＨｇ）の±２０ｍｍＨｇとなるように設定されている。
【００２０】
前記第１及び第２の接続ポンプ２９，３０は、前記駆動ポンプ１２と同一の構成を備えた拍動流ポンプが用いられており、駆動ポンプ１２に対して同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いて説明を省略する。なお、各接続ポンプ２９，３０においても、流入ポート２０から血液が流入して当該血液が流出ポート１９から排出されるように取り付けられる。ここで、各接続ポンプ２９，３０の各通気口２２は外部に開放しており、血液の流れに応じて前記ダイアフラム１７（図２、図３参照）が変位するようになっている。しかも、装置内に充填される血液は、装置が許容する最大充填量よりもやや少ない量となっており、これによって、各接続ポンプ２９，３０のダイアフラム１７の変位量は、物理的に許容される最大変位量よりも僅かに少なくなる。これによって、第１の接続ポンプ２９は、ダイアフラム１７の素材や大きさを適宜選択することにより、前記調整チューブ２５と同様な効果が付与され、動脈路Ｌ１内の血液の脈圧の振幅調整をする振幅調整手段として利用可能となる。一方、静脈路Ｌ２の途中に設けられる第２の接続ポンプ３０は、その内部を血液が通過したときに圧力損失を生じさせるダンパー効果が付与される。従って、第２の接続ポンプ３０は、抵抗付与手段２３の下流側に配置されて静脈路Ｌ２内の血液の脈圧を減衰させる脈圧減衰手段を構成することになる。なお、本実施例では、第２の接続ポンプを通過した血圧が、人体の左心房圧に相当する略０ｍｍＨｇになるように設定されている。
【００２１】
次に、前記流体循環装置１０の作用について説明する。
【００２２】
吸送気装置１１が作動すると、前述したように駆動ポンプ１２が拍動し、循環流路１３内を血液が循環する。すなわち、駆動ポンプ１２から吐出した血液は、動脈路Ｌ１内を流れ、当該動脈路Ｌ１内では、人体の一般的な大動脈圧に略相当する脈圧となる。そして、人体の末梢抵抗に相当する抵抗付与手段２３を通過した血液は、第２の接続ポンプ３０を通過後、人体の左心房圧に略相当する略０ｍｍＨｇの脈圧となって駆動ポンプ１２に流入する。
【００２３】
なお、駆動ポンプ１２及び循環流路１３を図示しない恒温槽内に収容すれば、循環する血液を人体の体温（約３７℃）程度の温度に維持できる。
【００２４】
このような流体循環装置１０は、主として、血液と直接接触する素材材料や人工心臓、人工弁、人工血管等の人工臓器の血液適合性を調査するための体外模擬回路（ｉｎ ｖｉｔｒｏ回路）として用いられる。ここで、素材材料について調査する場合には、各ポンプ１２，２９，３０や各チューブ２４〜２７の内壁部分に調査したい素材材料を貼付若しくは塗布し、当該内壁部分の状態を評価すればよい。また、人工心臓について調査する場合には、駆動ポンプ１２の代わりに調査したい人工心臓を用い、人工弁について調査する場合には、前記逆止弁３６，３７に代えて、調査したい人工弁を用い、人工血管について調査する場合には、前記何れかのチューブ２４〜２７に代えて、調査したい人工血管を用いることで、各人工臓器の状態を評価すればよい。
【００２５】
従って、このような実施例によれば、人体の血液の循環状況に擬似した流体循環装置１０により、動物実験等の二次的な調査実験が不要若しくは従来よりも少なくすることができ、人工臓器や素材材料の血液適合性を簡単且つ確実に調べることができるという効果を得る。
【００２６】
なお、本発明における流体循環装置１０としては、前記実施例の流路構成に限らず、実質的に同様の作用を奏することができる限りにおいて、種々の流路構成を採ることができる。例えば、接続ポンプ２９，３０の数を増減したり、駆動ポンプ１２を他の構成の拍動流ポンプに代えることも可能である。
【００２７】
また、前記流体循環装置１０は、前述した人工臓器等の血液適合性を調査する用途の他に、血液に代わる流体として所定の培養液等を用いてバイオリアクタに適用することも可能である他、動物組織から脱細胞化する際に用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生体内の血液の循環状況に擬似した装置で人工臓器や素材材料の血液適合性を調べることができ、動物実験を行わなくても、若しくは、動物実験の回数を従来より減らしても、人工臓器や素材材料の血液適合性の評価等を簡単且つ確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る流体循環装置を模式的に示した構成図。
【図２】（Ａ）は、駆動ポンプの概略斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の分解斜視図である。
【図３】図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う駆動ポンプの概略縦断面図。
【符号の説明】
１０ 流体循環装置
１２ 駆動ポンプ
１３ 循環流路
１５ 周壁
１５Ｂ 頂部
１５Ｃ 主部
１７ ダイアフラム
１９ 流出ポート
１９Ａ 流出口
２０ 流入ポート
２０Ａ 流入口
２３ 抵抗付与手段
２５ 調整チューブ（振幅調整手段）
２９ 第１の接続ポンプ（振幅調整手段）
３０ 第２の接続ポンプ（脈圧減衰手段）
Ａ１ 空間

Claims (4)

1. 拍動流を生成する駆動ポンプと、この駆動ポンプの流出口及び流入口間に配置された循環流路とを備え、前記駆動ポンプの作動により、前記循環流路内の流体を循環させる流体循環装置において、
   前記循環流路は、前記流体に流れ抵抗を付与する抵抗付与手段と、この抵抗付与手段の下流側に配置されて流体の脈圧を減衰させる脈圧減衰手段と、前記抵抗付与手段の上流側で前記脈圧の振幅調整をする振幅調整手段とを備え、生体内の血液の循環に擬似した状態で前記流体が循環することを特徴とする流体循環装置。
2. 前記振幅調整手段は、肉厚を変えることで前記振幅調整が可能な調整チューブにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の流体循環装置。
3. 前記駆動ポンプは、略円錐状をなす周壁と、この周壁を底側から閉塞するダイアフラムとを備え、
   前記周壁は、その頂部に設けられて上端側が前記流出口となる流出ポートと、前記頂部に連なる主部に対して略接線方向に延び、且つ、先端側が前記流入口となる流入ポートとを含み、
   前記駆動ポンプは、前記ダイアフラムが変位することにより、前記周壁の内側に形成された空間の容積が変化して、前記空間内に流入した流体が旋回渦流を生じながら吐出することを特徴とする請求項１又は２記載の流体循環装置。
4. 前記脈圧減衰手段は、前記駆動ポンプと略同一の構成からなるポンプにより構成されていることを特徴とする請求項３記載の流体循環装置。

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