JP4435965B2 - 血液ポンプ駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工心臓ポンプや大動脈内バルーンポンプのような生体の血液循環あるいは血液循環補助のための血液ポンプを駆動する血液ポンプ駆動装置に関するもので、特に、拍動する血液ポンプのポンピング拍出容量あるいは血液ポンプのストローク変位状況を検出することができる血液ポンプ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体に接続された血液ポンプにおいて、ポンピング容量は、心臓の回復状況や血液循環系抵抗に関係するので、生体状況を知るためにも重要であり、血液ポンプの作動の正しさを確認するための基本的情報でもある。
【０００３】
また、血液ポンプで最大限の拍出を得るためには、ポンプのストローク変位を監視して血液ポンプをフルにストロークさせることが望ましい。すなわち、血液ポンプがフルに充満したらすぐに血液を拍出させ、フルに拍出したらすぐに血液を吸引させるように制御することが望ましい。
【０００４】
血液ポンプのポンピング容量やストローク変位状況を検出することのできる従来の装置としては、血液ポンプと生体とを結ぶ配管に流量計を配設して血液の流量を測定する方法に基づくものがあった。
【０００５】
また、例えば特開平６−２６１８７２号公報に記載のように、血液ポンプに位置検出装置を配設して血液ポンプのピストンの変位を測定する方法に基づくものがあった。
【０００６】
またはDiagnosis of Mechanical Failures of Total Artificial Hearts (Vol.XXXI Trans
Am Soc Artif Intern Organs 1985 79 〜81頁) に示されるように、血液ポンプを駆動した空気量を計測するために、大気開放する際の空気流量を積分して求める方法に基づくものがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置においては、いずれも患者に精密な計測センサを近接させることになり、さらに患者から離れた計測装置への配線等が必要となり、安全確保の観点から患者の活動を制限せざるをえないという問題があった。
【０００８】
また前記Diagnosis of Mechanical Failures of Total Artificial Hearts に示される方法においては、空気流量を積分する必要があることにより、計測精度の点や装置が大掛かりになるなどの問題があった。
【０００９】
さらに血液ポンプは、拍出時には血圧負荷がかかるので、吸引時よりも負荷が大きくなり、往復動作の負荷がアンバランスとなる。そのために、単一モータの正逆回転で駆動する場合に制御が複雑になり、また、消費電力も大きくなるという問題があり、駆動装置の小型化のための障害となっていた。
【００１０】
また血液ポンプは、上述のように拍出時の方が吸引時よりも血圧負荷が大きいため、拍出時のモータ回転数が吸引時と比較して非常に高くなり、拍出時のモータ回転数が頭打ちとなって血液拍出量が伸びないという問題があった。
【００１１】
そこで本発明者は、気体室とその気体室から可動部材で分離された流体室とを備えたオイルリザーバの前記気体室に蓄圧室を接続し、その蓄圧室により前記気体室内の気体圧を蓄圧して、オイルリザーバの前記流体室に充填された流体をポンプ手段により血液ポンプに吐出させるようにすると、蓄圧室が前記ポンプ手段の吸引過程においてはそのポンプ手段の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、ポンプ手段の吐出過程、すなわち血液ポンプの拍出過程においては前記ポンプ手段を補助することになる、という本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、負荷のアンバランスを解消するとともに、患者に近接するセンサを不要にするという目的を達成する本発明に到達した。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の血液ポンプ駆動装置は、気体室とその気体室から可動部材で分離された流体室とを備えたオイルリザーバと、そのオイルリザーバの前記流体室に充填された流体を血液ポンプに吐出するポンプ手段と、前記オイルリザーバの前記気体室に接続されていてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、前記オイルリザーバの前記気体室内の気体圧を検出する圧力測定手段と、を備えているものである。
【００１３】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第１発明において、前記圧力測定手段が、前記蓄圧室に蓄圧された気体圧を検出するように、該蓄圧室に配設されているものである。
【００１４】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに接続される第１ポートと、オイルリザーバの気体室から可動部材で分離された流体室に接続される第２ポートと、前記第２ポートから吸入した流体を前記第１ポートへ吐出する正方向ポンピングおよび前記第１ポートから吸入した流体を前記第２ポートへ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うポンプ手段と、前記オイルリザーバの前記気体室に接続されてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、前記気体室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段の信号により前記ポンプ手段の前記ポンピングを制御する制御装置と、を備えているものである。
【００１５】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号の変化量に基づき、前記血液ポンプへの流体の吐出量または吸引量を算出するようにされているものである。
【００１６】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に応じて、前記ポンプ手段の正方向ポンピングと逆方向ポンピングとを切り換えるものとされているものである。
【００１７】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記気体室が弁手段を介して大気に連通されており、前記気体室の圧力が負圧になると前記制御装置がその弁手段を開放して前記気体室を大気に連通させるように構成されているものである。
【００１８】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記正方向ポンピングおよび前記逆方向ポンピングのそれぞれにおける前記ポンプ手段の負荷が均等に近づくように、前記気体室の容量または圧力が設定されているものである。
【００１９】
本発明（請求項８に記載の第８発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、第二の流体室とその第二の流体室から可動部材で分離された第二の気体室とを有する分離室を備え、前記第１ポートが前記第二の流体室に接続され、前記第二の気体室が前記血液ポンプに接続されているものである。
【００２０】
本発明（請求項９に記載の第９発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第８発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に基づき、前記第二の気体室の気体量を設定するようにされているものである。
【００２１】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の血液ポンプ駆動装置は、気体室と流体室とを備えたオイルリザーバの前記気体室に蓄圧室を接続して、その蓄圧室に前記気体室内の気体圧を蓄圧するようにしているので、その蓄圧室が、血液ポンプの吸引過程、すなわち前記オイルリザーバの流体室に血液ポンプから流体を吸引するポンプ手段の吸引過程においてはそのポンプ手段の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、血液ポンプの拍出過程、すなわちポンプ手段の吐出過程においてはそのポンプ手段を補助する役割を果たすことになる。したがって、血液ポンプの拍出時および吸引時のそれぞれにおける負荷のアンバランスを解消することができる、という効果を奏する。また、圧力測定手段によってオイルリザーバの気体室内の気体圧を検出するようにしているので、その気体圧に基づく制御が可能となるとともに、血液ポンプのポンピング容量の算出が可能となり、患者に近接するセンサを不要にすることができる、という効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る第２発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第１発明において、その圧力測定手段を蓄圧室に配設して、その蓄圧室に蓄圧された気体圧を検出するようにしているので、蓄圧室に蓄圧された気体圧に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る第３発明の血液ポンプ駆動装置は、制御装置が、オイルリザーバの気体室の圧力を測定する圧力測定手段の信号により、第２ポートから吸入した流体を第１ポートへ吐出する正方向ポンピングと第１ポートから吸入した流体を第２ポートへ吐出する逆方向ポンピングとを交互に行うポンプ手段のポンピングを制御するので、そのポンプ手段の正逆回転の負荷を均一にするとともに、患者に近接するセンサを不要にすることができる、という効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第４発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号の変化量に基づいて、前記血液ポンプへの流体の吐出量または吸引量を算出するようにしているので、その流体の吐出量または吸引量に基づく血液ポンプの制御が可能となり、生体からの血液の流入量および生体への血液の吐出量を精確に制御することができる、という効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る第５発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に応じて、正方向ポンピングと逆方向ポンピングとを切り換えるようにしているので、前記ポンプ手段の正逆回転の負荷を均等にすることができる、という効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る第６発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、オイルリザーバの気体室が弁手段を介して大気に連通されていて、その気体室の圧力が負圧になると前記制御装置が弁手段を開放してその気体室を大気に連通させるので、前記気体室の圧力が負圧に維持されることを防止して、気体量を適切に維持することができる、という効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る第７発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記正方向ポンピングと前記逆方向ポンピングとのそれぞれにおける前記流体ポンプの負荷が均等に近づくように、前記オイルリザーバの気体室の容量または圧力が設定されるので、ポンプ手段の負荷を均等にすることができる、という効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る第８発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、第二の流体室とその第二の流体室から可動部材で分離された第二の気体室とを有する前記分離室を設け、前記第１ポートが第二の流体室に接続され、第二の気体室が血液ポンプに接続されるようにしているので、前記血液ポンプとして空気圧駆動型の血液ポンプを利用することができる、という効果を奏する。
【００２９】
上記構成より成る第９発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第８発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に基づいて前記第二の気体室の空気量を設定するようにしているので、設定された第二の気体室の空気量に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、図１に示されるように、気体室としての空気室３３と流体室としての液体室３２とを備えたオイルリザーバ３０と、そのオイルリザーバ３０の液体室３２に充填された流体を吐出するポンプ手段としてのオイルポンプ２０と、そのオイルポンプ２０から吐出された流体によって血液を吸排する血液ポンプ１０と、前記オイルリザーバ３０の空気室３３に接続されていてその空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４とを備えたものである。蓄圧室３４は、例えば蓄圧タンクによって構成される。
【００３２】
前記オイルリザーバ３０は、可動部材としてのダイアフラム３１によって気体室としての空気室３３と流体室としての液体室３２とに分離され、区画形成されている。
【００３３】
前記オイルリザーバ３０の空気室３３は、配管を介してその空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４に接続されている。
【００３４】
前記オイルポンプ２０は、図示しないロータとハウジングとによって構成されるポンプ室２１、およびロータを回転させるモータ２２から構成され、第２ポート２１２から吸入した流体を第１ポート２１１へ吐出する正方向ポンピングおよび前記第１ポート２１１から吸入した流体を前記第２ポート２１２へ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うように構成されている。
【００３５】
前記血液ポンプ１０は、可動部材としてのダイアフラム１１によって血液が充填されている血液室１２と前記ポンプ室２１から流体が供給される流体駆動室１３とに分離され、区画形成されている。その流体駆動室１３は、非圧縮性の液体、例えばシリコンオイルで満たされている。
【００３６】
前記血液室１２には、流入方向への一方向弁１４を介して血液流入ポート１５が配設されるとともに、吐出方向への一方向弁１６を介して血液吐出ポート１７が配設されている。その血液流入ポート１５は図示しない配管により生体の例えば心房に接続され、血液吐出ポート１７は図示しない配管により生体の大動脈に接続される。
【００３７】
制御装置４０は、前記蓄圧室３４に配設された圧力測定手段としての圧力センサ３５に接続されるとともに、蓄圧室３４に連通する配管に配設された開閉弁３６および前記オイルポンプ２０のモータ２２に接続され、圧力センサ３５によって検出される電気信号に基づき、それら開閉弁３６およびモータ２２を制御するように構成されている。圧力センサ３５によって検出される電気信号は、前記血液ポンプ１０の繰り返し拍動に応じて発生する圧力波形に基づくものである。
【００３８】
上記構成より成る本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置の作用について、図２に示されるフローチャートを用いて以下に述べる。
【００３９】
前記血液ポンプ１０の流体駆動室１３は、非圧縮性の液体、例えばシリコンオイルで満たされており、オイルが排出されるときにはダイアフラム１１が変位して血液室１２が拡張し、その血液室１２に生体から血液が流入する。逆に流体駆動室１３にオイルが送り込まれると、血液が吐出される。
【００４０】
前記オイルポンプ２０は、モータ２２の正方向回転によりオイルリザーバ３０から血液ポンプ１０へ液体を送り、逆方向回転により血液ポンプ１０からオイルリザーバ３０へ液体を送る。
【００４１】
以上より、前記蓄圧室３４の圧力は、液体が血液ポンプ１０に送り込まれると低下し、液体が血液ポンプ１０から排出されると上昇するので、血液ポンプ１０の繰り返し拍動に応じて圧力波形が発生し、この圧力波形は圧力センサ３５によって制御装置４０に取り込まれる。また、蓄圧タンク３４は開閉弁３６を介して大気に連通させることができる。
【００４２】
制御装置４０は、開閉弁３６を常時閉鎖して蓄圧室３４を大気から遮断し密封しているが、ポンピング開始前の準備操作により、開閉弁３６を開いた状態でモータ２２を正回転させて血液ポンプ１０方向へ液体を送り、その血液ポンプ１０の血液室１２の容量が最小になる位置、すなわちダイアフラム１１をストローク終端まで押した状態を維持して開閉弁３６を閉鎖する。
【００４３】
なお、このとき、血液ポンプ１０のダイアフラム１１を過度な力で押さないように、流体圧が１００〜２００ｍｍＨｇ程度になるモータ２２の回転を設定しておく。ただし、図示していないが、流体圧がそれを超える場合には前記ポンプ室２１の吐出側から吸入側に流体をバイパスする回路を追加すると良い。これにより、オイルリザーバ３０の空気室３３および蓄圧室３４から形成される密封空気室の圧力は最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しくなり、またその密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。
【００４４】
次に、血液ポンプ１０から液体を排出させ、血液ポンプ１０の血液室１２の容量が最大になる位置、すなわちダイアフラム１１を他のストローク終端まで引く。そのときには、密封空気室の空気圧は最大圧Ｐ３５ｍａｘとなり、その容量は最小容量Ｖ３３ｍｉｎとなる。
【００４５】
密封空気室の圧力がＰ３５のとき、密封空気室の容量Ｖ３３を、ポリトロープ変化の式からＶ３３＝Ｖ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）として求めることができる。前記のごとくＰ３５ｍｉｎは大気圧であり、またＶ３３ｍａｘはあらかじめ設計的に既知であるので、この容積Ｖ３３が絶対値として計算される。この容量Ｖ３３は前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量、さらに前記血液ポンプ１０の流体駆動室１３の容量に換算されるので、これにより血液ポンプ１０の血液室１２の容量、すなわち血液ポンプ１０のストローク変位が求められる。
【００４６】
すなわち、このときには、血液ポンプ１０の血液室１２はフルに吐出された最小容量から、前記Ｖ３３ｍａｘ−Ｖ３３、すなわちＶ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）と計算される容量だけ拡張した状態になっており、前記ダイアフラム１１のストローク状態を求めることができる。以上のように、前記制御装置４０は前記圧力センサ３５の圧力波形から、前記ダイアフラム１１の位置を間接的に求めることができる。
【００４７】
ポンピングを開始すると、前記圧力センサ３５から、ある最大圧Ｐ３５１とある最低圧Ｐ３５２との間で繰り返す波形が得られる。このときの、密封空気室の容量の変化ΔＶ３３は、前記と同様にΔＶ３３＝Ｖ３３ｍａｘ×（（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５１）＾（１／ｎ）−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５２）＾（１／ｎ））としてその絶対値が求められる。この容積変化ΔＶ３３は、前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量変化、さらに前記血液ポンプ１０の血液室１２の変化量と等しく、血液ポンプ１０の一回ポンピング量に相当する。以上のようにして、圧力センサ３５の圧力波形から血液ポンプ１０の拍出量が求められる。
【００４８】
また、前記制御装置４０は、前記モータ２２を逆回転させているとき、圧力センサ３５の圧力Ｐ３５が上昇してＰ３５ｍａｘに近い最大閾値に達したら、直ちにそのモータ２２を正回転に変換させる。
【００４９】
この最大閾値は、モータ２２の回転方向切り換えに要する時間等の遅れを考慮して、Ｐ３５ｍａｘより低い値に設定されており、これにより前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１に過大な力が作用しないので安全である。次いで前記モータ２２を正回転させているときに、圧力センサ３５の圧力Ｐ３５が低下してＰ３５ｍｉｎに近い最低閾値に達したら、直ちにそのモータ２２を逆回転に変換させる。
【００５０】
この最低閾値も、遅れ時間を考慮して、Ｐ３５ｍｉｎより高い値に設定されており、これにより前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１に過大な力が作用しないので安全である。以上を繰り返すことにより、前記血液ポンプ１０がフル充満、フル吐出を繰り返すポンピング制御を行う。なお、Ｐ３５ｍａｘやＰ３５ｍｉｎは、血液ポンプ１０の動作を観察してあらかじめ設定されている。
【００５１】
また、前記蓄圧室３４の容量を設計することにより、その蓄圧室３４の圧力は、オイルポンプ２０の回転負荷の小さい逆回転時には上昇して抵抗になり、正回転時には補助するようになるので、正逆回転の負荷が均一化され、さらに均等になるようにすることができる。
【００５２】
上記作用を奏する本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、気体室としての空気室３３とその空気室３３から可動部材としてのダイアフラム３１で分離された流体室としての液体室３２とを備えたオイルリザーバ３０の空気室３３に接続されていて、その空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４を備えているので、その蓄圧室３４が、オイルリザーバ３０の液体室３２に血液ポンプ１０から液体を吸引するオイルポンプ２０の吸引過程においてはそのオイルポンプ２０の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、オイルポンプ２０の吐出過程、すなわち血液ポンプ１０の拍出過程においてはオイルポンプ２０を補助する役割を果たすことになる。したがって、拍出時と吸引時とのそれぞれにおける負荷のアンバランスを解消することができる、という効果を奏する。
【００５３】
すなわち前記血液ポンプ１０の拍出過程において、前記オイルポンプ２０に要求される揚程条件は、血液ポンプ１０の吸引過程よりもはるかに高いのであるが、前記蓄圧室３４は、吸引過程ではオイルポンプ２０に対して負荷となり、そこで蓄えた圧力が、拍出過程にはオイルポンプ２０を補助する役割を果たすので、負荷のアンバランスを解消する効果がある。
【００５４】
また前記蓄圧室３４の圧力は、前記血液ポンプ１０の吸引末期から拍出初期にかけて最大となる。血液ポンプ１０を駆動する際には拍出初期の駆動圧の立ち上がり速度が重要視されることがあるが、そのような場合、蓄圧室３４の最大圧を利用して立ち上がり速度を向上させることができる。
【００５５】
さらに前記蓄圧室３４が無い場合、オイルリザーバ３０の空気室３３は大気開放となる。したがって異物混入によるダイアフラム３１の損傷を防ぐために、通常はフィルタを設けることが必要となる。フィルタは目詰まりを生じるため定期的なメンテナンスが必要であるが、上述のように蓄圧室３４を設けて密閉空間とすれば、フィルタも必要なく、メンテナンスの手間を省くことができる。
【００５６】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、圧力測定手段としての圧力センサ３５が、前記オイルリザーバ３０の気体室３３内の気体圧を検出するので、その気体圧に基づく制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５７】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記圧力センサ３５が、患者から最も遠い蓄圧室３４に配設され、その蓄圧室３４に蓄圧された気体圧を検出するので、その蓄圧室３４に蓄圧された気体圧に基づく制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５８】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、オイルリザーバ３０の気体室３３の圧力を測定する圧力センサ３５の信号により、第２ポート２１２から吸入した流体を第１ポート２１１へ吐出する正方向ポンピングおよび第１ポート２１１から吸入した流体を第２ポート２１２へ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うオイルポンプ２０のポンピングを制御するので、オイルポンプ２０の正逆回転の負荷を均一にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５９】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ３５からの信号の変化量に基づき、前記血液ポンプ１０への流体の吐出量または吸引量を算出するので、算出された血液ポンプ１０への流体の吐出量または吸引量に基づく制御が可能となり、生体からの血液の流入量および生体への血液の吐出量を精確に制御することができるという効果を奏する。
【００６０】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ３５からの信号に応じて、正方向ポンピングと逆方向ポンピングを切り換えるので、前記オイルポンプ２０の正逆回転の負荷を均一にして、均等にするという効果を奏する。
【００６１】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記気体室３３を、弁手段としての開閉弁３６を介して大気に連通させ、その気体室３３の圧力が負圧になった場合には前記蓄圧タンク３４および気体室３３を大気圧にするようにしているので、オイルリザーバ３０の気体室３３の圧力が負圧に維持されることを防止して、空気量を適切に維持することができる、という効果を奏する。
【００６２】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記正方向ポンピングと前記逆方向ポンピングとのそれぞれにおけるオイルポンプ２０の負荷が均等に近づくように、オイルリザーバ３０の気体室３３の容量または圧力が設定されるので、オイルポンプ２０の負荷を均等にするという効果を奏する。
【００６３】
（第２実施形態）
本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記第１実施形態における液体駆動型の血液ポンプの代わりに、図３に示されるように気体駆動型の血液ポンプを用いる点が相違点であり、以下相違点を中心に同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００６４】
すなわち、図１に示される第１実施形態における血液ポンプ１０とオイルポンプ２０の間に図３に示されるように分離室５０を挿入する。その分離室５０の、ダイアフラム５１により分離された気体室５２は血液ポンプ１０の気体駆動室１３に接続され、液体室５３はオイルポンプ２０のポンプ室２１に接続されている。
【００６５】
気体室５２および液体室５３にはそれぞれ圧力センサ５５、５４が配設され、また気体室５２は開閉弁５６を介して大気に連通できるようになっている。この開閉弁５６は、圧力センサ５４の値が圧力センサ５５の値を超えた場合、すなわち気体室５２と気体駆動室１３とからなる密閉空気室の空気量が不足した場合に開閉弁５６を開いて大気を吸い込み、反対に、圧力センサ５５の値が圧力センサ５４の値を超えた場合、すなわち気体室５２と気体駆動室１３とからなる密閉空気室の空気量が過剰になった場合に開閉弁５６を開いて大気を排出させ、密閉空気室の空気量を適切に維持するものである。
【００６６】
制御装置４０は、図４に示されるフローチャートに従い蓄圧室３４に接続された開閉弁３６および上述の開閉弁５６を常時閉鎖して蓄圧室３４および気体室５２を大気から遮断し密封している。血液ポンプ１０を分離室５０に接続する前の準備操作により、まず開閉弁３６を開いてモータ２２を正転させ、ダイアフラム５１をストローク終端まで押した状態を維持して開閉弁３６を閉鎖する。
【００６７】
この時点で空気室３３および蓄圧室３４から形成される密封空気室の圧力は、最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しくなり、また密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。次にモータ２２を密閉空気室の圧力がＰｓｅｔとなる条件で逆転させて維持する。
【００６８】
この際、密閉空気室の容量は圧力センサ３５の値からＶｓｅｔ＝Ｖ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐｓｅｔ）＾（１／ｎ）と計算される。Ｖｓｅｔを適正に設定することは気体室５２の容積を適正化することであり、この状態で血液ポンプ１０を接続することで、気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が適正な状態で駆動を開始することができる。
【００６９】
前記制御装置４０は、圧力センサ５４と圧力センサ５５との圧力波形を比較しており、駆動を継続していく過程において前記気体室５２および前記気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が変動し、圧力センサ５４の値が圧力センサ５５の値を超えるときは、前記ダイアフラム５１が前記気体室５２側のストローク端に達しその気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が不足しているので、圧力センサ５５が負圧になっているタイミングに合わせて開閉弁５６を開いて大気を吸い込ませる。
【００７０】
万一、圧力センサ５５の値が圧力センサ５４の値を超えた時は、前記気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が過剰なので、圧力センサ５５が正圧になっているタイミングに合わせて前記開閉弁５６を開いて空気を排出させる。
【００７１】
さらに、前記モータ２２の正逆回転を前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１がフルストロークするまで増加させる。このときの圧力センサ５５または５４の圧力波形は、ある最大値Ｐ５５ｍａｘまたはある最小値Ｐ５５ｍｉｎを示す。
【００７２】
次に圧力センサ５５または５４の圧力が最大値Ｐ５５ｍａｘになった瞬間、すなわち前記ダイアフラム５１が気体室５５側の端部に近接したときに前記開閉弁３６を閉鎖する。
【００７３】
これにより、圧力センサ３５の圧力が、最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しく設定され、そのときの密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。また、圧力センサ５５または５４の圧力が最小値Ｐ５５ｍｉｎになったときは、圧力センサ３５の圧力が最大圧Ｐ３５ｍａｘとなり、またその容量は最小容量Ｖ３３ｍｉｎとなる。
【００７４】
前記密封空気室の圧力を検出する圧力センサ５５の圧力値がＰ３５となった状態では、密封空気室の容量Ｖ３３をＶ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）として計算する。前記のごとくＰ３５ｍｉｎは大気圧であり、またＶ３３ｍａｘはあらかじめ設計的に既知であるため、上記計算によりこの容積Ｖ３３の絶対値が求められる。
【００７５】
この容量Ｖ３３は、前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量、さらに前記分離室５０の液体室５３の容量、気体室５２の容量に換算される。すなわち気体室５２の容量Ｖ５２は設計的に定められた最小容量Ｖ５２ｍｉｎから、前記Ｖ３３ｍａｘと前記Ｖ３３との差、すなわちＶ３３ｍａｘ×（１−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ））と計算される容量だけ増加し、Ｖ５２＝Ｖ５２ｍｉｎ＋Ｖ３３ｍａｘ×（１−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ））になっている。
【００７６】
このときの血液ポンプ１０の気体駆動室１３の圧力をＰ５５、また気体室５２と気体駆動室１３とを接続する配管等の設計的に既知の容量をＶｄとすると、このときの血液ポンプ１０の気体駆動室１３の容量Ｖ１３は、Ｖ１３＝（Ｖ１３ｍａｘ＋Ｖ５２ｍｉｎ＋Ｖｄ）×（Ｐ５５ｍａｘ／Ｐ５５）＾（１／ｎ）−（Ｖｄ＋Ｖ５２）と計算される。したがって、Ｐ５５の変化量から気体駆動型血液ポンプ１０の気体駆動室１３の容量に換算されるため、血液室１２の容量、すなわち血液ポンプ１０のストローク変化を求めることができる。
【００７７】
以上より、ポンピング中に二つの気体室の圧力Ｐ３５およびＰ５５、すなわち圧力センサ３５および圧力センサ５５の信号から血液ポンプの拍動容量が求められる。なお、血液ポンプ１０をフル充満、フル吐出させる制御については、前記第１実施形態と同様である。
【００７８】
上記構成より成る本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、第二の流体室としての液体室５３とその液体室５３から可動部材としてのダイアフラム５１で分離された第二の気体室としての気体室５２とを備えた分離室５０を備え、第１ポート２１１が前記液体室５３に接続され、前記気体室５２が前記血液ポンプ１０に接続されるので、その血液ポンプ１０として空気圧駆動型の血液ポンプを利用することができるという効果を奏する。
【００７９】
また本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ５５からの信号に基づいて前記第二の気体室５２の空気量を設定するので、設定された第二の気体室５２の空気量に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００８０】
（第３実施形態）
本第３実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記第２実施形態における蓄圧室３４に配設された圧力センサ３５の代わりに、図５に示されるように液体室３２に圧力センサ３５を配設する点が相違点であり、以下相違点を中心に同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００８１】
前記オイルリザーバ３０のダイアフラム３１に張力を生じないことが保証されている場合においては、前記圧力センサ３５は液体室３２に設置しても、前記第１実施形態に示されるように蓄圧室３４に設置した場合や空気室３３に設置した場合と同じ役割を果たすことができる。
【００８２】
本第３実施形態の血液ポンプ駆動装置は、上述した第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏する他、前記圧力センサ３５が、前記オイルリザーバ３０の液体室３２内の非圧縮性流体の圧力を検出するので、検出したオイルリザーバ３０の液体室３２内の流体圧に基づく精確な制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００８３】
上述の第１〜第３実施形態は、説明のために例示したものであり、本発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００８４】
上述の実施形態においては、一例として血液ポンプを人工心臓ポンプに適用したものについて説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、空気圧式の大動脈バルーンポンプ等にもそのまま適用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【図２】 本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置における制御手順を示すチャート図である。
【図３】 本発明の第２実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【図４】 本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置における制御手順を示すチャート図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 血液ポンプ
２０ オイルポンプ（ポンプ手段）
３０ オイルリザーバ
３２ 液体室（流体室）
３３ 空気室（気体室）
３４ 蓄圧室
３５ 圧力センサ（圧力測定手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工心臓ポンプや大動脈内バルーンポンプのような生体の血液循環あるいは血液循環補助のための血液ポンプを駆動する血液ポンプ駆動装置に関するもので、特に、拍動する血液ポンプのポンピング拍出容量あるいは血液ポンプのストローク変位状況を検出することができる血液ポンプ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体に接続された血液ポンプにおいて、ポンピング容量は、心臓の回復状況や血液循環系抵抗に関係するので、生体状況を知るためにも重要であり、血液ポンプの作動の正しさを確認するための基本的情報でもある。
【０００３】
また、血液ポンプで最大限の拍出を得るためには、ポンプのストローク変位を監視して血液ポンプをフルにストロークさせることが望ましい。すなわち、血液ポンプがフルに充満したらすぐに血液を拍出させ、フルに拍出したらすぐに血液を吸引させるように制御することが望ましい。
【０００４】
血液ポンプのポンピング容量やストローク変位状況を検出することのできる従来の装置としては、血液ポンプと生体とを結ぶ配管に流量計を配設して血液の流量を測定する方法に基づくものがあった。
【０００５】
また、例えば特開平６−２６１８７２号公報に記載のように、血液ポンプに位置検出装置を配設して血液ポンプのピストンの変位を測定する方法に基づくものがあった。
【０００６】
またはDiagnosis of Mechanical Failures of Total Artificial Hearts (Vol.XXXI Trans
Am Soc Artif Intern Organs 1985 79 〜81頁) に示されるように、血液ポンプを駆動した空気量を計測するために、大気開放する際の空気流量を積分して求める方法に基づくものがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置においては、いずれも患者に精密な計測センサを近接させることになり、さらに患者から離れた計測装置への配線等が必要となり、安全確保の観点から患者の活動を制限せざるをえないという問題があった。
【０００８】
また前記Diagnosis of Mechanical Failures of Total Artificial Hearts に示される方法においては、空気流量を積分する必要があることにより、計測精度の点や装置が大掛かりになるなどの問題があった。
【０００９】
さらに血液ポンプは、拍出時には血圧負荷がかかるので、吸引時よりも負荷が大きくなり、往復動作の負荷がアンバランスとなる。そのために、単一モータの正逆回転で駆動する場合に制御が複雑になり、また、消費電力も大きくなるという問題があり、駆動装置の小型化のための障害となっていた。
【００１０】
また血液ポンプは、上述のように拍出時の方が吸引時よりも血圧負荷が大きいため、拍出時のモータ回転数が吸引時と比較して非常に高くなり、拍出時のモータ回転数が頭打ちとなって血液拍出量が伸びないという問題があった。
【００１１】
そこで本発明者は、気体室とその気体室から可動部材で分離された流体室とを備えたオイルリザーバの前記気体室に蓄圧室を接続し、その蓄圧室により前記気体室内の気体圧を蓄圧して、オイルリザーバの前記流体室に充填された流体をポンプ手段により血液ポンプに吐出させるようにすると、蓄圧室が前記ポンプ手段の吸引過程においてはそのポンプ手段の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、ポンプ手段の吐出過程、すなわち血液ポンプの拍出過程においては前記ポンプ手段を補助することになる、という本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、負荷のアンバランスを解消するとともに、患者に近接するセンサを不要にするという目的を達成する本発明に到達した。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の血液ポンプ駆動装置は、気体室とその気体室から可動部材で分離された流体室とを備えたオイルリザーバと、そのオイルリザーバの前記流体室に充填された流体を血液ポンプに吐出するポンプ手段と、前記オイルリザーバの前記気体室に接続されていてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、前記オイルリザーバの前記気体室内の気体圧を検出する圧力測定手段と、を備えているものである。
【００１３】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第１発明において、前記圧力測定手段が、前記蓄圧室に蓄圧された気体圧を検出するように、該蓄圧室に配設されているものである。
【００１４】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の血液ポンプ駆動装置は、血液ポンプに接続される第１ポートと、オイルリザーバの気体室から可動部材で分離された流体室に接続される第２ポートと、前記第２ポートから吸入した流体を前記第１ポートへ吐出する正方向ポンピングおよび前記第１ポートから吸入した流体を前記第２ポートへ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うポンプ手段と、前記オイルリザーバの前記気体室に接続されてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、前記気体室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段の信号により前記ポンプ手段の前記ポンピングを制御する制御装置と、を備えているものである。
【００１５】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号の変化量に基づき、前記血液ポンプへの流体の吐出量または吸引量を算出するようにされているものである。
【００１６】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に応じて、前記ポンプ手段の正方向ポンピングと逆方向ポンピングとを切り換えるものとされているものである。
【００１７】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記気体室が弁手段を介して大気に連通されており、前記気体室の圧力が負圧になると前記制御装置がその弁手段を開放して前記気体室を大気に連通させるように構成されているものである。
【００１８】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記正方向ポンピングおよび前記逆方向ポンピングのそれぞれにおける前記ポンプ手段の負荷が均等に近づくように、前記気体室の容量または圧力が設定されているものである。
【００１９】
本発明（請求項８に記載の第８発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、第二の流体室とその第二の流体室から可動部材で分離された第二の気体室とを有する分離室を備え、前記第１ポートが前記第二の流体室に接続され、前記第二の気体室が前記血液ポンプに接続されているものである。
【００２０】
本発明（請求項９に記載の第９発明）の血液ポンプ駆動装置は、前記第８発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に基づき、前記第二の気体室の気体量を設定するようにされているものである。
【００２１】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の血液ポンプ駆動装置は、気体室と流体室とを備えたオイルリザーバの前記気体室に蓄圧室を接続して、その蓄圧室に前記気体室内の気体圧を蓄圧するようにしているので、その蓄圧室が、血液ポンプの吸引過程、すなわち前記オイルリザーバの流体室に血液ポンプから流体を吸引するポンプ手段の吸引過程においてはそのポンプ手段の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、血液ポンプの拍出過程、すなわちポンプ手段の吐出過程においてはそのポンプ手段を補助する役割を果たすことになる。したがって、血液ポンプの拍出時および吸引時のそれぞれにおける負荷のアンバランスを解消することができる、という効果を奏する。また、圧力測定手段によってオイルリザーバの気体室内の気体圧を検出するようにしているので、その気体圧に基づく制御が可能となるとともに、血液ポンプのポンピング容量の算出が可能となり、患者に近接するセンサを不要にすることができる、という効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る第２発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第１発明において、その圧力測定手段を蓄圧室に配設して、その蓄圧室に蓄圧された気体圧を検出するようにしているので、蓄圧室に蓄圧された気体圧に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る第３発明の血液ポンプ駆動装置は、制御装置が、オイルリザーバの気体室の圧力を測定する圧力測定手段の信号により、第２ポートから吸入した流体を第１ポートへ吐出する正方向ポンピングと第１ポートから吸入した流体を第２ポートへ吐出する逆方向ポンピングとを交互に行うポンプ手段のポンピングを制御するので、そのポンプ手段の正逆回転の負荷を均一にするとともに、患者に近接するセンサを不要にすることができる、という効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第４発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号の変化量に基づいて、前記血液ポンプへの流体の吐出量または吸引量を算出するようにしているので、その流体の吐出量または吸引量に基づく血液ポンプの制御が可能となり、生体からの血液の流入量および生体への血液の吐出量を精確に制御することができる、という効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る第５発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に応じて、正方向ポンピングと逆方向ポンピングとを切り換えるようにしているので、前記ポンプ手段の正逆回転の負荷を均等にすることができる、という効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る第６発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、オイルリザーバの気体室が弁手段を介して大気に連通されていて、その気体室の圧力が負圧になると前記制御装置が弁手段を開放してその気体室を大気に連通させるので、前記気体室の圧力が負圧に維持されることを防止して、気体量を適切に維持することができる、という効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る第７発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、前記正方向ポンピングと前記逆方向ポンピングとのそれぞれにおける前記流体ポンプの負荷が均等に近づくように、前記オイルリザーバの気体室の容量または圧力が設定されるので、ポンプ手段の負荷を均等にすることができる、という効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る第８発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第３発明において、第二の流体室とその第二の流体室から可動部材で分離された第二の気体室とを有する前記分離室を設け、前記第１ポートが第二の流体室に接続され、第二の気体室が血液ポンプに接続されるようにしているので、前記血液ポンプとして空気圧駆動型の血液ポンプを利用することができる、という効果を奏する。
【００２９】
上記構成より成る第９発明の血液ポンプ駆動装置は、前記第８発明において、前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に基づいて前記第二の気体室の空気量を設定するようにしているので、設定された第二の気体室の空気量に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、図１に示されるように、気体室としての空気室３３と流体室としての液体室３２とを備えたオイルリザーバ３０と、そのオイルリザーバ３０の液体室３２に充填された流体を吐出するポンプ手段としてのオイルポンプ２０と、そのオイルポンプ２０から吐出された流体によって血液を吸排する血液ポンプ１０と、前記オイルリザーバ３０の空気室３３に接続されていてその空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４とを備えたものである。蓄圧室３４は、例えば蓄圧タンクによって構成される。
【００３２】
前記オイルリザーバ３０は、可動部材としてのダイアフラム３１によって気体室としての空気室３３と流体室としての液体室３２とに分離され、区画形成されている。
【００３３】
前記オイルリザーバ３０の空気室３３は、配管を介してその空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４に接続されている。
【００３４】
前記オイルポンプ２０は、図示しないロータとハウジングとによって構成されるポンプ室２１、およびロータを回転させるモータ２２から構成され、第２ポート２１２から吸入した流体を第１ポート２１１へ吐出する正方向ポンピングおよび前記第１ポート２１１から吸入した流体を前記第２ポート２１２へ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うように構成されている。
【００３５】
前記血液ポンプ１０は、可動部材としてのダイアフラム１１によって血液が充填されている血液室１２と前記ポンプ室２１から流体が供給される流体駆動室１３とに分離され、区画形成されている。その流体駆動室１３は、非圧縮性の液体、例えばシリコンオイルで満たされている。
【００３６】
前記血液室１２には、流入方向への一方向弁１４を介して血液流入ポート１５が配設されるとともに、吐出方向への一方向弁１６を介して血液吐出ポート１７が配設されている。その血液流入ポート１５は図示しない配管により生体の例えば心房に接続され、血液吐出ポート１７は図示しない配管により生体の大動脈に接続される。
【００３７】
制御装置４０は、前記蓄圧室３４に配設された圧力測定手段としての圧力センサ３５に接続されるとともに、蓄圧室３４に連通する配管に配設された開閉弁３６および前記オイルポンプ２０のモータ２２に接続され、圧力センサ３５によって検出される電気信号に基づき、それら開閉弁３６およびモータ２２を制御するように構成されている。圧力センサ３５によって検出される電気信号は、前記血液ポンプ１０の繰り返し拍動に応じて発生する圧力波形に基づくものである。
【００３８】
上記構成より成る本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置の作用について、図２に示されるフローチャートを用いて以下に述べる。
【００３９】
前記血液ポンプ１０の流体駆動室１３は、非圧縮性の液体、例えばシリコンオイルで満たされており、オイルが排出されるときにはダイアフラム１１が変位して血液室１２が拡張し、その血液室１２に生体から血液が流入する。逆に流体駆動室１３にオイルが送り込まれると、血液が吐出される。
【００４０】
前記オイルポンプ２０は、モータ２２の正方向回転によりオイルリザーバ３０から血液ポンプ１０へ液体を送り、逆方向回転により血液ポンプ１０からオイルリザーバ３０へ液体を送る。
【００４１】
以上より、前記蓄圧室３４の圧力は、液体が血液ポンプ１０に送り込まれると低下し、液体が血液ポンプ１０から排出されると上昇するので、血液ポンプ１０の繰り返し拍動に応じて圧力波形が発生し、この圧力波形は圧力センサ３５によって制御装置４０に取り込まれる。また、蓄圧タンク３４は開閉弁３６を介して大気に連通させることができる。
【００４２】
制御装置４０は、開閉弁３６を常時閉鎖して蓄圧室３４を大気から遮断し密封しているが、ポンピング開始前の準備操作により、開閉弁３６を開いた状態でモータ２２を正回転させて血液ポンプ１０方向へ液体を送り、その血液ポンプ１０の血液室１２の容量が最小になる位置、すなわちダイアフラム１１をストローク終端まで押した状態を維持して開閉弁３６を閉鎖する。
【００４３】
なお、このとき、血液ポンプ１０のダイアフラム１１を過度な力で押さないように、流体圧が１００〜２００ｍｍＨｇ程度になるモータ２２の回転を設定しておく。ただし、図示していないが、流体圧がそれを超える場合には前記ポンプ室２１の吐出側から吸入側に流体をバイパスする回路を追加すると良い。これにより、オイルリザーバ３０の空気室３３および蓄圧室３４から形成される密封空気室の圧力は最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しくなり、またその密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。
【００４４】
次に、血液ポンプ１０から液体を排出させ、血液ポンプ１０の血液室１２の容量が最大になる位置、すなわちダイアフラム１１を他のストローク終端まで引く。そのときには、密封空気室の空気圧は最大圧Ｐ３５ｍａｘとなり、その容量は最小容量Ｖ３３ｍｉｎとなる。
【００４５】
密封空気室の圧力がＰ３５のとき、密封空気室の容量Ｖ３３を、ポリトロープ変化の式からＶ３３＝Ｖ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）として求めることができる。前記のごとくＰ３５ｍｉｎは大気圧であり、またＶ３３ｍａｘはあらかじめ設計的に既知であるので、この容積Ｖ３３が絶対値として計算される。この容量Ｖ３３は前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量、さらに前記血液ポンプ１０の流体駆動室１３の容量に換算されるので、これにより血液ポンプ１０の血液室１２の容量、すなわち血液ポンプ１０のストローク変位が求められる。
【００４６】
すなわち、このときには、血液ポンプ１０の血液室１２はフルに吐出された最小容量から、前記Ｖ３３ｍａｘ−Ｖ３３、すなわちＶ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）と計算される容量だけ拡張した状態になっており、前記ダイアフラム１１のストローク状態を求めることができる。以上のように、前記制御装置４０は前記圧力センサ３５の圧力波形から、前記ダイアフラム１１の位置を間接的に求めることができる。
【００４７】
ポンピングを開始すると、前記圧力センサ３５から、ある最大圧Ｐ３５１とある最低圧Ｐ３５２との間で繰り返す波形が得られる。このときの、密封空気室の容量の変化ΔＶ３３は、前記と同様にΔＶ３３＝Ｖ３３ｍａｘ×（（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５１）＾（１／ｎ）−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５２）＾（１／ｎ））としてその絶対値が求められる。この容積変化ΔＶ３３は、前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量変化、さらに前記血液ポンプ１０の血液室１２の変化量と等しく、血液ポンプ１０の一回ポンピング量に相当する。以上のようにして、圧力センサ３５の圧力波形から血液ポンプ１０の拍出量が求められる。
【００４８】
また、前記制御装置４０は、前記モータ２２を逆回転させているとき、圧力センサ３５の圧力Ｐ３５が上昇してＰ３５ｍａｘに近い最大閾値に達したら、直ちにそのモータ２２を正回転に変換させる。
【００４９】
この最大閾値は、モータ２２の回転方向切り換えに要する時間等の遅れを考慮して、Ｐ３５ｍａｘより低い値に設定されており、これにより前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１に過大な力が作用しないので安全である。次いで前記モータ２２を正回転させているときに、圧力センサ３５の圧力Ｐ３５が低下してＰ３５ｍｉｎに近い最低閾値に達したら、直ちにそのモータ２２を逆回転に変換させる。
【００５０】
この最低閾値も、遅れ時間を考慮して、Ｐ３５ｍｉｎより高い値に設定されており、これにより前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１に過大な力が作用しないので安全である。以上を繰り返すことにより、前記血液ポンプ１０がフル充満、フル吐出を繰り返すポンピング制御を行う。なお、Ｐ３５ｍａｘやＰ３５ｍｉｎは、血液ポンプ１０の動作を観察してあらかじめ設定されている。
【００５１】
また、前記蓄圧室３４の容量を設計することにより、その蓄圧室３４の圧力は、オイルポンプ２０の回転負荷の小さい逆回転時には上昇して抵抗になり、正回転時には補助するようになるので、正逆回転の負荷が均一化され、さらに均等になるようにすることができる。
【００５２】
上記作用を奏する本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、気体室としての空気室３３とその空気室３３から可動部材としてのダイアフラム３１で分離された流体室としての液体室３２とを備えたオイルリザーバ３０の空気室３３に接続されていて、その空気室３３内の気体圧を蓄圧する蓄圧室３４を備えているので、その蓄圧室３４が、オイルリザーバ３０の液体室３２に血液ポンプ１０から液体を吸引するオイルポンプ２０の吸引過程においてはそのオイルポンプ２０の負荷となり、そこで蓄えた圧力によって、オイルポンプ２０の吐出過程、すなわち血液ポンプ１０の拍出過程においてはオイルポンプ２０を補助する役割を果たすことになる。したがって、拍出時と吸引時とのそれぞれにおける負荷のアンバランスを解消することができる、という効果を奏する。
【００５３】
すなわち前記血液ポンプ１０の拍出過程において、前記オイルポンプ２０に要求される揚程条件は、血液ポンプ１０の吸引過程よりもはるかに高いのであるが、前記蓄圧室３４は、吸引過程ではオイルポンプ２０に対して負荷となり、そこで蓄えた圧力が、拍出過程にはオイルポンプ２０を補助する役割を果たすので、負荷のアンバランスを解消する効果がある。
【００５４】
また前記蓄圧室３４の圧力は、前記血液ポンプ１０の吸引末期から拍出初期にかけて最大となる。血液ポンプ１０を駆動する際には拍出初期の駆動圧の立ち上がり速度が重要視されることがあるが、そのような場合、蓄圧室３４の最大圧を利用して立ち上がり速度を向上させることができる。
【００５５】
さらに前記蓄圧室３４が無い場合、オイルリザーバ３０の空気室３３は大気開放となる。したがって異物混入によるダイアフラム３１の損傷を防ぐために、通常はフィルタを設けることが必要となる。フィルタは目詰まりを生じるため定期的なメンテナンスが必要であるが、上述のように蓄圧室３４を設けて密閉空間とすれば、フィルタも必要なく、メンテナンスの手間を省くことができる。
【００５６】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、圧力測定手段としての圧力センサ３５が、前記オイルリザーバ３０の気体室３３内の気体圧を検出するので、その気体圧に基づく制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５７】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記圧力センサ３５が、患者から最も遠い蓄圧室３４に配設され、その蓄圧室３４に蓄圧された気体圧を検出するので、その蓄圧室３４に蓄圧された気体圧に基づく制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５８】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、オイルリザーバ３０の気体室３３の圧力を測定する圧力センサ３５の信号により、第２ポート２１２から吸入した流体を第１ポート２１１へ吐出する正方向ポンピングおよび第１ポート２１１から吸入した流体を第２ポート２１２へ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うオイルポンプ２０のポンピングを制御するので、オイルポンプ２０の正逆回転の負荷を均一にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００５９】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ３５からの信号の変化量に基づき、前記血液ポンプ１０への流体の吐出量または吸引量を算出するので、算出された血液ポンプ１０への流体の吐出量または吸引量に基づく制御が可能となり、生体からの血液の流入量および生体への血液の吐出量を精確に制御することができるという効果を奏する。
【００６０】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ３５からの信号に応じて、正方向ポンピングと逆方向ポンピングを切り換えるので、前記オイルポンプ２０の正逆回転の負荷を均一にして、均等にするという効果を奏する。
【００６１】
さらに本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記気体室３３を、弁手段としての開閉弁３６を介して大気に連通させ、その気体室３３の圧力が負圧になった場合には前記蓄圧タンク３４および気体室３３を大気圧にするようにしているので、オイルリザーバ３０の気体室３３の圧力が負圧に維持されることを防止して、空気量を適切に維持することができる、という効果を奏する。
【００６２】
また本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記正方向ポンピングと前記逆方向ポンピングとのそれぞれにおけるオイルポンプ２０の負荷が均等に近づくように、オイルリザーバ３０の気体室３３の容量または圧力が設定されるので、オイルポンプ２０の負荷を均等にするという効果を奏する。
【００６３】
（第２実施形態）
本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記第１実施形態における液体駆動型の血液ポンプの代わりに、図３に示されるように気体駆動型の血液ポンプを用いる点が相違点であり、以下相違点を中心に同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００６４】
すなわち、図１に示される第１実施形態における血液ポンプ１０とオイルポンプ２０の間に図３に示されるように分離室５０を挿入する。その分離室５０の、ダイアフラム５１により分離された気体室５２は血液ポンプ１０の気体駆動室１３に接続され、液体室５３はオイルポンプ２０のポンプ室２１に接続されている。
【００６５】
気体室５２および液体室５３にはそれぞれ圧力センサ５５、５４が配設され、また気体室５２は開閉弁５６を介して大気に連通できるようになっている。この開閉弁５６は、圧力センサ５４の値が圧力センサ５５の値を超えた場合、すなわち気体室５２と気体駆動室１３とからなる密閉空気室の空気量が不足した場合に開閉弁５６を開いて大気を吸い込み、反対に、圧力センサ５５の値が圧力センサ５４の値を超えた場合、すなわち気体室５２と気体駆動室１３とからなる密閉空気室の空気量が過剰になった場合に開閉弁５６を開いて大気を排出させ、密閉空気室の空気量を適切に維持するものである。
【００６６】
制御装置４０は、図４に示されるフローチャートに従い蓄圧室３４に接続された開閉弁３６および上述の開閉弁５６を常時閉鎖して蓄圧室３４および気体室５２を大気から遮断し密封している。血液ポンプ１０を分離室５０に接続する前の準備操作により、まず開閉弁３６を開いてモータ２２を正転させ、ダイアフラム５１をストローク終端まで押した状態を維持して開閉弁３６を閉鎖する。
【００６７】
この時点で空気室３３および蓄圧室３４から形成される密封空気室の圧力は、最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しくなり、また密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。次にモータ２２を密閉空気室の圧力がＰｓｅｔとなる条件で逆転させて維持する。
【００６８】
この際、密閉空気室の容量は圧力センサ３５の値からＶｓｅｔ＝Ｖ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐｓｅｔ）＾（１／ｎ）と計算される。Ｖｓｅｔを適正に設定することは気体室５２の容積を適正化することであり、この状態で血液ポンプ１０を接続することで、気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が適正な状態で駆動を開始することができる。
【００６９】
前記制御装置４０は、圧力センサ５４と圧力センサ５５との圧力波形を比較しており、駆動を継続していく過程において前記気体室５２および前記気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が変動し、圧力センサ５４の値が圧力センサ５５の値を超えるときは、前記ダイアフラム５１が前記気体室５２側のストローク端に達しその気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が不足しているので、圧力センサ５５が負圧になっているタイミングに合わせて開閉弁５６を開いて大気を吸い込ませる。
【００７０】
万一、圧力センサ５５の値が圧力センサ５４の値を超えた時は、前記気体室５２および気体駆動室１３からなる密閉空気室の空気量が過剰なので、圧力センサ５５が正圧になっているタイミングに合わせて前記開閉弁５６を開いて空気を排出させる。
【００７１】
さらに、前記モータ２２の正逆回転を前記血液ポンプ１０のダイアフラム１１がフルストロークするまで増加させる。このときの圧力センサ５５または５４の圧力波形は、ある最大値Ｐ５５ｍａｘまたはある最小値Ｐ５５ｍｉｎを示す。
【００７２】
次に圧力センサ５５または５４の圧力が最大値Ｐ５５ｍａｘになった瞬間、すなわち前記ダイアフラム５１が気体室５５側の端部に近接したときに前記開閉弁３６を閉鎖する。
【００７３】
これにより、圧力センサ３５の圧力が、最小圧Ｐ３５ｍｉｎでかつ大気圧と等しく設定され、そのときの密封空気室の容量は最大容量Ｖ３３ｍａｘとなる。また、圧力センサ５５または５４の圧力が最小値Ｐ５５ｍｉｎになったときは、圧力センサ３５の圧力が最大圧Ｐ３５ｍａｘとなり、またその容量は最小容量Ｖ３３ｍｉｎとなる。
【００７４】
前記密封空気室の圧力を検出する圧力センサ５５の圧力値がＰ３５となった状態では、密封空気室の容量Ｖ３３をＶ３３ｍａｘ×（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ）として計算する。前記のごとくＰ３５ｍｉｎは大気圧であり、またＶ３３ｍａｘはあらかじめ設計的に既知であるため、上記計算によりこの容積Ｖ３３の絶対値が求められる。
【００７５】
この容量Ｖ３３は、前記オイルリザーバ３０の液体室３２の容量、さらに前記分離室５０の液体室５３の容量、気体室５２の容量に換算される。すなわち気体室５２の容量Ｖ５２は設計的に定められた最小容量Ｖ５２ｍｉｎから、前記Ｖ３３ｍａｘと前記Ｖ３３との差、すなわちＶ３３ｍａｘ×（１−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ））と計算される容量だけ増加し、Ｖ５２＝Ｖ５２ｍｉｎ＋Ｖ３３ｍａｘ×（１−（Ｐ３５ｍｉｎ／Ｐ３５）＾（１／ｎ））になっている。
【００７６】
このときの血液ポンプ１０の気体駆動室１３の圧力をＰ５５、また気体室５２と気体駆動室１３とを接続する配管等の設計的に既知の容量をＶｄとすると、このときの血液ポンプ１０の気体駆動室１３の容量Ｖ１３は、Ｖ１３＝（Ｖ１３ｍａｘ＋Ｖ５２ｍｉｎ＋Ｖｄ）×（Ｐ５５ｍａｘ／Ｐ５５）＾（１／ｎ）−（Ｖｄ＋Ｖ５２）と計算される。したがって、Ｐ５５の変化量から気体駆動型血液ポンプ１０の気体駆動室１３の容量に換算されるため、血液室１２の容量、すなわち血液ポンプ１０のストローク変化を求めることができる。
【００７７】
以上より、ポンピング中に二つの気体室の圧力Ｐ３５およびＰ５５、すなわち圧力センサ３５および圧力センサ５５の信号から血液ポンプの拍動容量が求められる。なお、血液ポンプ１０をフル充満、フル吐出させる制御については、前記第１実施形態と同様である。
【００７８】
上記構成より成る本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、第二の流体室としての液体室５３とその液体室５３から可動部材としてのダイアフラム５１で分離された第二の気体室としての気体室５２とを備えた分離室５０を備え、第１ポート２１１が前記液体室５３に接続され、前記気体室５２が前記血液ポンプ１０に接続されるので、その血液ポンプ１０として空気圧駆動型の血液ポンプを利用することができるという効果を奏する。
【００７９】
また本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記制御装置４０が、前記圧力センサ５５からの信号に基づいて前記第二の気体室５２の空気量を設定するので、設定された第二の気体室５２の空気量に基づく制御を可能にするという効果を奏する。
【００８０】
（第３実施形態）
本第３実施形態の血液ポンプ駆動装置は、前記第２実施形態における蓄圧室３４に配設された圧力センサ３５の代わりに、図５に示されるように液体室３２に圧力センサ３５を配設する点が相違点であり、以下相違点を中心に同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００８１】
前記オイルリザーバ３０のダイアフラム３１に張力を生じないことが保証されている場合においては、前記圧力センサ３５は液体室３２に設置しても、前記第１実施形態に示されるように蓄圧室３４に設置した場合や空気室３３に設置した場合と同じ役割を果たすことができる。
【００８２】
本第３実施形態の血液ポンプ駆動装置は、上述した第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏する他、前記圧力センサ３５が、前記オイルリザーバ３０の液体室３２内の非圧縮性流体の圧力を検出するので、検出したオイルリザーバ３０の液体室３２内の流体圧に基づく精確な制御を可能にするとともに、患者に近接するセンサを不要にするという効果を奏する。
【００８３】
上述の第１〜第３実施形態は、説明のために例示したものであり、本発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００８４】
上述の実施形態においては、一例として血液ポンプを人工心臓ポンプに適用したものについて説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、空気圧式の大動脈バルーンポンプ等にもそのまま適用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【図２】 本第１実施形態の血液ポンプ駆動装置における制御手順を示すチャート図である。
【図３】 本発明の第２実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【図４】 本第２実施形態の血液ポンプ駆動装置における制御手順を示すチャート図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の血液ポンプ駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 血液ポンプ
２０ オイルポンプ（ポンプ手段）
３０ オイルリザーバ
３２ 液体室（流体室）
３３ 空気室（気体室）
３４ 蓄圧室
３５ 圧力センサ（圧力測定手段）
Claims (9)
- 気体室とその気体室から可動部材で分離された流体室とを備えたオイルリザーバと、
そのオイルリザーバの前記流体室に充填された流体を血液ポンプに吐出するポンプ手段と、
前記オイルリザーバの前記気体室に接続されていてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、
前記オイルリザーバの前記気体室内の気体圧を検出する圧力測定手段と、
を備えていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項１記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記圧力測定手段が、前記蓄圧室に蓄圧された気体圧を検出するように、該蓄圧室に配設されていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 血液ポンプに接続される第１ポートと、
オイルリザーバの気体室から可動部材で分離された流体室に接続される第２ポートと、
前記第２ポートから吸入した流体を前記第１ポートへ吐出する正方向ポンピングおよび前記第１ポートから吸入した流体を前記第２ポートへ吐出する逆方向ポンピングを交互に行うポンプ手段と、
前記オイルリザーバの前記気体室に接続されてその気体室内の気体圧を蓄圧する蓄圧室と、
前記気体室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段の信号により前記ポンプ手段の前記ポンピングを制御する制御装置と、
を備えていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項３記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号の変化量に基づき、前記血液ポンプへの流体の吐出量または吸引量を算出するようにされていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項３記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に応じて、前記ポンプ手段の正方向ポンピングと逆方向ポンピングとを切り換えるものとされていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項３記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記気体室が弁手段を介して大気に連通されており、前記気体室の圧力が負圧になると前記制御装置がその弁手段を開放して前記気体室を大気に連通させるように構成されていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項３記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記正方向ポンピングおよび前記逆方向ポンピングのそれぞれにおける前記ポンプ手段の負荷が均等に近づくように、前記気体室の容量または圧力が設定されていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項３記載の血液ポンプ駆動装置において、
第二の流体室とその第二の流体室から可動部材で分離された第二の気体室とを有する分離室を備え、前記第１ポートが前記第二の流体室に接続され、前記第二の気体室が前記血液ポンプに接続されていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。 - 請求項８記載の血液ポンプ駆動装置において、
前記制御装置が、前記圧力測定手段からの信号に基づき、前記第二の気体室の気体量を設定するようにされていることを特徴とする血液ポンプ駆動装置。
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