JP4472612B2

JP4472612B2 - 遠心式血液ポンプ装置

Info

Publication number: JP4472612B2
Application number: JP2005286601A
Authority: JP
Inventors: 孝美尾崎; 健一鈴木
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007089974A

Description

本発明は、遠心式血液ポンプ装置に関する。

最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。そして、このような遠心式血液ポンプは血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、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している。また、インペラは、内部に永久磁石を備え、インペラの永久磁石を吸引するための磁石を備えるロータおよびこのロータを回転させるモータを備えた回転トルク発生機構により回転する。また、インペラはロータと反対側にも吸引されており、ハウジングに対して非接触状態にて回転する。

特開２００２−１３０１７７号公報特開２００２−３０３２８８号公報

上記公報のような磁気カップリングを使用した遠心式血液ポンプでは、インペラのラジアル方向支持が磁気カップリングの吸引力を利用した非制御型磁気軸受で構成されている。耐外乱性を考慮した場合、軸受のラジアル方向の剛性を向上させることが望ましい。
そして、本発明者等が検討したところ、インペラが上下の両方向より磁気的に吸引されるタイプの遠心式血液ポンプにおいて、インペラを軽量化することにより、軸受剛性を変更せずに耐外乱性を向上させることができることを知見した。
インペラを軽量化する手法として、永久磁石および磁性体が配置されるベース部材に軽量金属を使用した場合、生体適合性の観点から、ベース部材にはチタン系非磁性部材を使用することが望ましい。耐腐食性および生体適合性に優れるステンレス系の磁性体とチタン系非磁性部材を使用した構成では、ベース部材となるチタン系非磁性部材との接合は難しく、また血液接触部分の部材間の隙間を無くす組立方法もないため、その部材間の隙間において血栓が生じる可能性があるといった問題があった。永久磁石および磁性体を血液に接触させることなく、複数の部材間の隙間を無くすことが出来る方法として、永久磁石および磁性体をチタン系非磁性部材内に埋設し、溶接接合する方法がある。このような構成では、電磁石と磁性体との距離が大きくなり、電磁石部消費電力は増加し、またギャップセンサの感度が低下してしまうため、磁性体が埋設されるチタン系非磁性部材の隔壁部分は薄肉構造であることが好ましい。その一方で薄肉部は加工歪の影響を受けやすく、インペラの形状精度が得られないといった問題があった。薄肉部の強度を上げる手法として、磁性体が埋設される非磁性部材の磁性体と嵌合する側の面に突起を形成し、さらに磁性体には磁性体が埋設される部材と嵌合する側の面に前記突起と嵌合する溝を形成することにより、薄肉構造を維持し軽量化可能であることを知見した。しかし、磁性体に設けた溝が、インペラ回転時における位置センサに干渉し、センサ検知を低下させることがわかった。
そこで、本発明の目的は、インペラが上下の両方向より磁気的に吸引されるタイプの遠心式血液ポンプにおいて、インペラを軽量化でき耐外乱性に優れ、かつ、位置センサの検知障害もない遠心式血液ポンプ装置を提供する。

上記目的を達成するものは、以下のものである。
（１）血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および平板リング状の第２の磁性体を備え、前記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ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記第２の磁性体を吸引するための電磁石および前記第２の磁性体の位置を測定するための位置センサとを有するインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記インペラは、チタンもしくはチタン合金により形成されたリング状のインペラ本体部材と、前記インペラ本体部材の一方の面に固定され、かつ、前記第２の磁性体を被包するチタンもしくはチタン合金により形成されたリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材とを備え、前記平板リング状の第２の磁性体は、該第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に延びる外縁側環状溝と、前記第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に延びる内縁側環状溝とを有し、前記インペラ表面形成部材は、前記第２の磁性体の外縁側環状溝内に侵入した外縁側環状突起と、前記第２の磁性体の内縁側環状溝内に侵入した内縁側環状突起とを有し、さらに、前記第２の磁性体の外縁側環状溝と前記インペラ表面形成部材の前記外縁側環状突起は、実質的に隙間なく嵌合しており、また、前記第２の磁性体の内縁側環状溝と前記インペラ表面形成部材の前記内縁側環状突起は、実質的に隙間なく嵌合している遠心式血液ポンプ装置。

また、上記目的を達成するものは、以下のものである。
（２）血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および平板リング状の第２の磁性体を備え、前記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ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記第２の磁性体を吸引するための電磁石および前記第２の磁性体の位置を測定するための位置センサとを有するインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記インペラは、チタンもしくはチタン合金により形成されたリング状のインペラ本体部材と、前記インペラ本体部材の一方の面に固定され、かつ、前記第２の磁性体を被包するチタンもしくはチタン合金により形成されたリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材とを備え、前記平板リング状の第２の磁性体は、該第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に点在する多数の外縁側小面積凹部と、前記第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に点在する多数の内縁側小面積凹部とを有し、前記インペラ表面形成部材は、前記多数の外縁側小面積凹部内に侵入した多数の外縁側小突起と、前記多数の内縁側小面積凹部内に侵入した多数の内縁側小突起とを有し、前記第２の磁性体の前記外縁側小面積凹部と前記インペラ表面形成部材の前記外縁側小突起は、実質的に隙間なく嵌合しており、また、前記第２の磁性体の前記内縁側小面積凹部と前記インペラ表面形成部材の前記内縁側小突起は、実質的に隙間なく嵌合している遠心式血液ポンプ装置。

（３）前記インペラ位置制御部の前記電磁石は、前記インペラに設けられた前記第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向と反対側に吸引するものである（１）または（２）に記載の遠心式血液ポンプ装置。

（４）前記インペラ位置制御部は、前記インペラに設けられた第３の磁性体と、該第３の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向と反対側に吸引する永久磁石とを備え、前記電磁石は、前記第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向に吸引するものである（１）または（２）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（５）前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータとを備えるものである（１）ないし（４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（６）前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである（１）ないし（４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。

本発明の遠心式血液ポンプ装置によれば、インペラは、リング状のインペラ本体部材と、前記インペラ本体部材の一方の面に固定され、かつ、前記第１の磁性体を被包するリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材とを備え、前記平板リング状の第１の磁性体は、円周方向に延びる環状溝もしくは円周方向に点在する多数の小面積凹部を有し、前記インペラ表面形成部材は、前記第１の磁性体の環状溝内に侵入した環状突起もしくは前記多数の小面積凹部内に侵入した多数の小突起を有している。
このため、インペラは、全体を金属材料により形成した場合に比べて、十分に軽量化されるため、耐外乱性に優れたものとなる。さらに、インペラは、インペラ本体部材とインペラ表面形成部材間が強固に固定されるため、両者間の剥離が少なく、かつ、インペラ表面形成部材を薄肉形成できる。また、インペラ本体部材とインペラ表面形成部材間の固定機構に起因する位置センサの検知障害もない。

本発明の遠心式血液ポンプ装置を図面に示した実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の実施例の正面図である。図２は、図１に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、図３の遠心式血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図５は、図３の遠心式血液ポンプ装置におけるインペラの拡大断面図である。図６は、図５のインペラよりインペラ表面形成部材を取り外した状態のインペラの外観図である。図７は、図５のＣ−Ｃ線断面図である。図８は、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置に用いられる第２の磁性体の外観図である。

本発明の遠心式血液ポンプ装置１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを有するハウジング２０と、内部に第１の磁性体２５および平板リング状の第２の磁性体２８を備え、ハウジング２０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２１を有する遠心ポンプ部２と、遠心ポンプ部２のインペラ２１の第１の磁性体２５を吸引するとともに、インペラ２１を回転させるためのインペラ回転トルク発生部３と、第２の磁性体２８を吸引するための電磁石４１および第２の磁性体２８の位置を測定するための位置センサ４２とを有するインペラ位置制御部４とを備え、ハウジング２０に対してインペラ２１が非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置である。そして、インペラ２１は、リング状のインペラ本体部材１８と、インペラ本体部材１８の一方の面に固定され、かつ、第２の磁性体２８を被包するリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材２９とを備える。平板リング状の第２の磁性体２８は、円周方向に延びる環状溝２８ａもしくは円周方向に点在する多数の小面積凹部２８ｃを有し、インペラ表面形成部材２９は、第２の磁性体２８の環状溝２８ａ内に侵入した環状突起２９ａもしくは多数の小面積凹部２８ｃ内に侵入した多数の小突起（図示せず）を有する。

図１ないし図５に示すように、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、ハウジング２０内で回転し血液を送液するインペラ２１を有する血液ポンプ部２と、インペラ２１のためのインペラ回転トルク発生部（非制御式磁気軸受構成部）３と、インペラ２１のためのインペラ位置制御部（制御式磁気軸受構成部）４とを備える。
インペラ２１は、図４に示すように、非制御式磁気軸受構成部３および制御式磁気軸受構成部４の作用により、ハウジング２０内の所定位置に保持され、ハウジング内面に接触することなく通常は回転する。

ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポート２２は、このようなストレート管に限定されるものでなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。血液流出ポート２３は、図２ないし図４に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。なお、この実施例におけるハウジングでは、流出路は２つに区分されたダブルボリュート構造となっているが、シングルボリュート構造のもの、またボリュートがない構造のものでもよい。

インペラ２１は、図５に示すように、平板リング状のインペラ本体部材１８と、インペラ本体部材１８の一方の面に固定されるリング状の薄肉のインペラ表面形成部材２９とを備える。インペラ表面形成部材２９は、第２の磁性体２８の外面を被包するように設けられている。
さらに、この実施例のインペラ２１では、平板リング状の第２の磁性体２８は、第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に延びる外縁側環状溝２８ａと、第２の磁性体２８の内縁部に設けられた円周方向に延びる内縁側環状溝２８ｂとを備えている。そして、インペラ表面形成部材２９は、第２の磁性体２８の外縁側環状溝２８ａ内に侵入した外縁側環状突起２９ａと、第２の磁性体２８の内縁側環状溝２８ｂ内に侵入した内縁側環状突起２９ｂとを有している。このように、外縁側および内縁側の両者に嵌合機構（環状溝および環状突起）を設けることが好ましいが、いずれか一方であってもよい。そして、上記の環状溝と上記の環状突起は、密着していることが好ましい。言い換えれば、上記の環状溝と上記の環状突起は、実質的に隙間なく嵌合していることが好ましい。環状溝の幅としては、０．０１〜５．０ｍｍ程度が好適である。また、環状溝の深さとしては、０．０１〜３．０ｍｍ程度が好適である。第２の磁性体２８としては、磁性ステンレス、永久磁石等が使用される。

図１９に、ギャップセンサ（位置センサ）１１０に対してセンサターゲット（第２の磁性体）１１１を、あるギャップを介して配置し、ギャップセンサを横方向に移動させた場合のセンサ出力の関係を示す。位置センサのセンシング面に対して、センサターゲット面が小さくなると、センサ出力は大きく変動してしまう。同様に、ギャップセンサのセンサ出力は径方向溝で変動し、磁気軸受の制御系に外乱として作用し、インペラは自励振動しながらポンプ動作することになる。このようにギャップセンサと溝との干渉は、耐外乱性能を悪化させる。しかし、上記のような溝であれば、このような悪化を生じない。
また、図８に示すように、平板リング状の第２の磁性体２８は、第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に点在する多数の外縁側小面積凹部２８ｃと、第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に点在する多数の内縁側小面積凹部２８ｄとを有するものであってもよい。この場合、インペラ表面形成部材は、多数の外縁側小面積凹部内に侵入した多数の外縁側小突起と、多数の内縁側小面積凹部内に侵入した多数の内縁側小突起とを有するものとなる。この場合においても、外縁側および内縁側の両者に嵌合機構（環状溝および環状突起）を設けることが好ましいが、いずれか一方であってもよい。そして、上記の凹部と上記の小突起は、密着していることが好ましい。言い換えれば、上記の凹部と上記の小突起は、実質的に隙間なく嵌合していることが好ましい。前記小面積凹部の面積としては、０．１ｍｍ^２〜１０００ｍｍ^２程度が好適である。また、小面積凹部の数としては、２〜１５程度が好適である。また、小面積凹部の深さとしては０．０１〜３．０ｍｍ程度が好適である。また、このような円周方向に点在する小面積凹部であれば、上記のような耐外乱性能の悪化が生じない。

そして、インペラ表面形成部材２９としては、肉厚が０．０１〜２．０ｍｍ程度であることが好ましい。また、インペラ表面形成部材２９の形成材料としては、血液適合性が高くかつ軽量のものが好ましく、具体的には、チタンもしくはチタン合金が好ましい。また、インペラ本体部材１８の形成材料としても血液適合性が高くかつ軽量のものが好ましく、具体的には、チタンもしくはチタン合金が好ましい。
インペラ本体部材１８は、図５および図７に示すように、等角度に配置された複数（この実施例では７つ）のベーン形成部１９ａと、複数のベーン形成部１９ａの上部を連結する上部リング部１９ｂと、複数のベーン形成部１９ａの下部を連結する下部リング部１９ｃとを備えている。さらに、インペラ本体部材１８は、上部側の環状外縁部１８ａ、上部側の環状内縁部１８ｂを備えている。この実施例では、外縁部１８ａおよび内縁部１８ｂは、環状に突出する環状突出部となっている。そして、インペラ表面形成部材２９は、外縁部がインペラ本体部材１８の環状外縁部１８ａに固定され、内縁部がインペラ本体部材１８の環状内縁部１８ｂに固定されている。また、インペラ本体部材１８の上部には、第２の磁性体収納用凹部が形成されている。

そして、インペラ２１は、図７に示すように、隣り合うベーン形成部１９ａにより仕切られた複数（７つ）の血液通路が形成されている。血液通路は、図８に示すように、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路間にベーン形成部１９ａが形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路およびそれぞれのベーン形成部１９ａは、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
さらに、インペラ本体部材１８の下部には、第１の磁性体２５が埋設されている。第１の磁性体２５としては、永久磁石、磁性ステンレスなどが使用され、特に、永久磁石が好ましい。この実施例では、インペラ２１には、複数（例えば、１４〜２４個）の第１の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。第１の磁性体２５（永久磁石）は、インペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引され、ロータとのカップリングおよび回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達するために設けられている。また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。
インペラ位置制御部４およびインペラ回転トルク発生部３により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ２１は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング２０内において、ハウジング２０の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング２０内を回転する。

インペラ回転トルク発生部３は、図３に示すように、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、血液ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。また、ロータ３１を回転駆動させるモータとしては、ＤＣブラシレスモータを含む同期モータ、インダクションモータを含む非同期モータなどが使用されるが、モータの種類はどのようなものであってもよい。

インペラ位置制御部４は、図２および図３に示すように、インペラの第２の磁性体２８を吸引するための固定された複数の電磁石４１と、インペラの第２の磁性体２８の位置を検出するための位置センサ４２を備えている。具体的には、インペラ位置制御部４は、ハウジング２０内に収納された複数の電磁石４１と、複数の位置センサ４２を有する。インペラ位置制御部の複数（３つ）の電磁石４１および複数（３つ）の位置センサ４２は、それぞれ等角度間隔にて設けられており、電磁石４１と位置センサ４２も等角度間隔にて設けられている。電磁石４１は、鉄心とコイルからなる。電磁石４１は、この実施例では、３個設けられている。電磁石４１は、３個以上、例えば、４つでもよい。３個以上設け、これらの電磁力を位置センサ４２の検知結果を用いて調整することにより、インペラ２１の回転軸（Ｚ軸）方向の力を釣り合わせ、かつ回転軸（Ｚ軸）に直交するＸ軸およびＹ軸まわりのモーメントを制御することができる。
位置センサ４２は、電磁石４１と磁性体２８との隙間の間隔を検知し、この検知出力は、電磁石４１のコイルに与えられる電流もしくは電圧を制御する制御機構（図示せず）に送られる。また、インペラ２１に重力等による半径方向の力が作用しても、インペラ２１の永久磁石２５とロータ３１の永久磁石３３との間の磁束の剪断力および電磁石４１と磁性体２８との間の磁束の剪断力が作用するため、インペラ２１はハウジング２０の中心に保持される。

次に、図９ないし図１８に示す実施例の遠心式血液ポンプ装置１００について、説明する。
図９は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図１０は、図９に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図１１は、図１０の遠心式血液ポンプ装置のＤ−Ｄ線断面図である。図１２は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＥ−Ｅ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図１３は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＥ−Ｅ線断面図よりインペラを取り外した状態の断面図である。図１４は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＦ−Ｆ線断面図よりインペラを取り外した状態の断面図である。図１５は、図１１の遠心式血液ポンプ装置におけるインペラの拡大断面図である。図１６は、図１５のインペラよりインペラ表面形成部材を取り外した状態のインペラの外観図である。図１７は、図１５のＧ−Ｇ線断面図である。図１８は、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置に用いられる第２の磁性体の外観図である。

この実施例の遠心式血液ポンプ装置１００と上述した実施例の遠心式血液ポンプ装置１との相違は、インペラの内部構造を含むインペラ位置制御部の機構のみであり、その他は同じであり、上述した説明を参照するものとする。
この実施例の遠心式血液ポンプ装置１００では、インペラ位置制御部が、インペラ２１に設けられた第２の磁性体２８および第３の磁性体６４と、第３の磁性体６４をインペラ回転トルク発生部３の吸引方向と反対側に吸引する永久磁石６３と、第２の磁性体２８をインペラ回転トルク発生部の吸引方向に吸引する電磁石４１と、位置センサ４２により構成されている。
そして、この遠心式血液ポンプ装置１００では、インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくはインペラのインペラ回転トルク発生部側の表面に設けられた動圧溝３８が設けられている。

動圧溝３８は、図１３に示すように、インペラ２１の底面（ロータ側面）に対応する大きさに形成されている。この実施例のポンプ装置１では、ハウジング内面２０ａの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ａの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝３８は複数個設けられており、それぞれの動圧溝３８はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝３８は、凹部であり、深さとしては、０．００５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。この実施例では、１２個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。この実施例のポンプ装置における動圧溝３８は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっており、インペラが反時計方向に回転することにより、この動圧溝の作用による流体のポンピングは、溝部の外径から内径に向け圧力が高められるために、インペラ２１とこの動圧溝を形成しているハウジング２０間に反発力が得られ、これが動圧力となる。

なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
このような動圧溝を有するため、インペラ回転トルク発生部３側に吸引されるが、ハウジングの動圧溝３８とインペラ２１の底面間（もしくはインペラの動圧溝とハウジング内面間）に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転し、インペラの下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。さらに、通常状態において、動圧溝が、インペラの下面とハウジング内面間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止する。
さらに、動圧溝３８は、その角となる部分が少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。このようにすることにより、溶血の発生をより少ないものとすることができる。

そして、遠心式血液ポンプ装置１００は、永久磁石６３側のハウジング内面もしくはインペラ２１の第３の磁性体６４側の表面に設けられた第２の動圧溝７１を備えていることが好ましい。
動圧溝７１は、上述した動圧溝３８と同様に、インペラ２１の上面（永久磁石側面）に対応する大きさに形成されている。このポンプ装置１００では、図１４に図示すように、ハウジング内面２０ｂの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ｂの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。特に、この実施例では、動圧溝は、途中で屈曲したいわゆるヘリングボーン形状となっている。また、動圧溝７１は複数個設けられており、それぞれの動圧溝７１はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝７１は、凹部であり、深さとしては、０．００５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。この実施例では、１２個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。

なお、第２の動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１の永久磁石側の面に設けてもよい。この場合も上述した第２の動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。さらに、動圧溝７１は、その角となる部分が少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。このようにすることにより、溶血の発生をより少ないものとすることができる。
この実施例におけるインペラ２１は、図１５に示すように、平板リング状のインペラ本体部材１８と、インペラ本体部材１８の一方の面（下面）に固定されるリング状の薄肉のインペラ表面形成部材２９とを備える。インペラ表面形成部材２９は、第２の磁性体２８の外面を被包するように設けられている。
さらに、この実施例のインペラ２１では、図１５および図１６に示すように、平板リング状の第２の磁性体２８は、第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に延びる外縁側環状溝２８ａと、第２の磁性体２８の内縁部に設けられた円周方向に延びる内縁側環状溝２８ｂとを備えている。第２の磁性体２８は、インペラ２１の下面の外縁側に配置されている。

そして、インペラ表面形成部材２９は、第２の磁性体２８の外縁側環状溝２８ａ内に侵入した外縁側環状突起２９ａと、第２の磁性体２８の内縁側環状溝２８ｂ内に侵入した内縁側環状突起２９ｂとを有している。このように、外縁側および内縁側の両者に嵌合機構（環状溝および環状突起）を設けることが好ましいが、いずれか一方であってもよい。そして、上記の環状溝と上記の環状突起は、密着していることが好ましい。言い換えれば、上記の環状溝と上記の環状突起は、実質的に隙間なく嵌合していることが好ましい。環状溝の幅としては、０．０１〜５．０ｍｍ程度が好適である。また、環状溝の深さとしては、０．０１〜３．０ｍｍ程度が好適である。このような環状溝であれば、上述のような耐外乱性能の悪化が生じない。第２の磁性体２８としては、磁性ステンレス、永久磁石等が使用される。

また、図１８に示すように、平板リング状の第２の磁性体２８は、第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に点在する多数の外縁側小面積凹部２８ｃと、第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に点在する多数の内縁側小面積凹部２８ｄとを有するものであってもよい。この場合、インペラ表面形成部材は、多数の外縁側小面積凹部内に侵入した多数の外縁側小突起と、多数の内縁側小面積凹部内に侵入した多数の内縁側小突起とを有するものとなる。この場合においても、外縁側および内縁側の両者に嵌合機構（環状溝および環状突起）を設けることが好ましいが、いずれか一方であってもよい。そして、上記の凹部と上記の小突起は、密着していることが好ましい。言い換えれば、上記の凹部と上記の小突起は、実質的に隙間なく嵌合していることが好ましい。前記小面積凹部の面積としては、０．１ｍｍ^２〜１０００ｍｍ^２程度が好適である。また、小面積凹部の数としては、２〜１５程度が好適である。また、小面積凹部の深さとしては、０．０１〜３．０ｍｍ程度が好適である。また、このような円周方向に点在する小面積凹部であれば、上述のような耐外乱性能の悪化が生じない。
そして、インペラ表面形成部材２９としては、肉厚が０．０１〜２．０ｍｍ程度であることが好ましい。また、インペラ表面形成部材２９の形成材料としては、血液適合性が高くかつ軽量のものが好ましく、具体的には、チタンもしくはチタン合金が好ましい。また、インペラ本体部材１８の形成材料としても血液適合性が高くかつ軽量のものが好ましく、具体的には、チタンもしくはチタン合金が好ましい。

インペラ本体部材１８は、図１５および図１７に示すように、等角度に配置された複数（この実施例では７つ）のベーン形成部１９ａと、複数のベーン形成部１９ａの上部を連結する上部リング部１９ｂと、複数のベーン形成部１９ａの下部を連結する下部リング部１９ｃとを備えている。さらに、インペラ本体部材１８は、下部側の環状外縁部１８ｃ、下部側の環状内縁部１８ｄ、中間の環状中間部１８ｅを備えている。この実施例では、外縁部１８ｃ、内縁部１８ｄ、中間部１８ｅは、環状に突出する環状突出部となっている。そして、インペラ表面形成部材２９は、外縁部がインペラ本体部材１８の環状外縁部１８ｃに固定され、内縁部がインペラ本体部材１８の環状内縁部１８ｄに固定され、中間部がインペラ本体部材１８の環状中間部１８ｅに固定されている。また、インペラ本体部材１８の下部には、第２の磁性体収納用凹部および第１の磁性体収納用凹部が形成されている。

そして、インペラ２１は、図１７に示すように、隣り合うベーン形成部１９ａにより仕切られた複数（７つ）の血液通路が形成されている。血液通路は、図１７に示すように、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路間にベーン形成部１９ａが形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路およびそれぞれのベーン形成部１９ａは、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
さらに、インペラ本体部材１８の上部には、平板リング状の第３の磁性体６４が埋設されている。第３の磁性体６４としては、永久磁石、磁性ステンレスなどが使用され、特に、永久磁石が好ましい。また、第３の磁性体は、平板リング状であることが好ましい。
特に、この実施例におけるインペラ２１は、図１５に示すように、平板リング状のインペラ本体部材１８の他方の面（上面）に固定されるリング状の薄肉の第２のインペラ表面形成部材４３を備えている。第２のインペラ表面形成部材４３は、第３の磁性体６４の外面を被包するように設けられている。

さらに、この実施例のインペラ２１では、図１５および図１７に示すように、平板リング状の第３の磁性体６４は、外縁部に設けられた円周方向に延びる外縁側環状溝６４ａと、内縁部に設けられた円周方向に延びる内縁側環状溝６４ｂとを備えている。第３の磁性体６４は、インペラ２１の外縁より所定距離中央側に配置されている。
そして、第２のインペラ表面形成部材４３は、第３の磁性体６４の外縁側環状溝６４ａ内に侵入した外縁側環状突起４３ａと、第３の磁性体６４の内縁側環状溝６４ｂ内に侵入した内縁側環状突起４３ｂとを有している。このように、外縁側および内縁側の両者に嵌合機構（環状溝および環状突起）を設けることが好ましいが、いずれか一方であってもよい。そして、上記の環状溝と上記の環状突起は、密着していることが好ましい。言い換えれば、上記の環状溝と上記の環状突起は、実質的に隙間なく嵌合していることが好ましい。環状溝の幅としては、０．０１〜５．０ｍｍ程度が好適である。また、環状溝の深さとしては、０．０１〜３．０ｍｍ程度が好適である。このような環状溝であれば、上述のような耐外乱性能の悪化が生じない。第３の磁性体６４としては、磁性ステンレス、永久磁石等が使用される。

また、第３の磁性体と第２のインペラ表面形成部材４３との嵌合形態は、上述したような環状溝と環状突起によるものではなく、図１８に示すような円周方向に点在する多数の外縁側小面積凹部と、周方向に点在する多数の内縁側小面積凹部とによるものであってもよい。
また、第１の磁性体２５としては、永久磁石、磁性ステンレスなどが使用され、特に、永久磁石が好ましい。この実施例では、インペラ２１には、複数（例えば、１４〜２４個）の第１の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。第１の磁性体２５（永久磁石）は、インペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引され、ロータとのカップリングおよび回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達するために設けられている。また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。

インペラ位置制御部４およびインペラ回転トルク発生部３により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ２１は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング２０内において、ハウジング２０の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング２０内を回転する。
この実施例の遠心式血液ポンプ装置１００では、電磁石４１をインペラ回転トルク発生部と同じ側に配置することにより、ポンプ軸長を小さくし、ポンプ装置を小型化することができる。

そして、この遠心式血液ポンプ装置１００では、第１の磁性体２５と永久磁石３３間の吸引力と、第２の磁性体２８と電磁石４１間の吸引力と、第３の磁性体６４と永久磁石６３間の吸引力とが釣り合うように、電磁石４１に流れる電流を制御して、インペラ２１を血液室２４の中心に保持することにより、インペラを非接触軸受するものである。
そして、電磁石４１は、ロータの中心軸に対して、等角度間隔となるように複数（具体的には３つ）設けられている。また、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１００では、複数の位置センサ４２も、ロータの中心軸に対して、等角度間隔となるように複数設けられている。位置センサ４２は磁気式センサが使用され、３個以上が好ましい。この遠心式血液ポンプ装置１００では、位置センサ４２の検出結果を用いて、電磁石４１を制御することにより、インペラ２１の回転軸方向（Ｚ方向）の力を釣りあわせ、かつ回転軸（Ｚ軸）に直交するＸ軸とＹ軸周りのモーメントを制御している。

また、上述の実施例のポンプ装置では、インペラ回転トルク発生部は、ロータとモータとを備えるものであるが、上述したすべての実施例において、例えば、図２０ないし図２２に示すように、ステーターコイルを用いるものであってもよい。
言い換えれば、上述したポンプ装置では、インペラ回転トルク発生部は、インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、ロータを回転させるモータとを備えるものとなっている。これに対して、図２０ないし図２２に示すポンプ装置２００では、インペラ回転トルク発生部は、インペラの第１の磁性体を吸引するとともにインペラを回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものとなっている。

図２０は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の断面図である。図２１は、図２１の遠心式血液ポンプ装置のＨ−Ｈ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図２２は、図２０の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図２０に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図２と同じであるのでそれらを参照する。
この実施例のポンプ装置２００と上述したポンプ装置１との相違は、インペラ回転トルク発生部３の機構のみである。このポンプ装置２００では、遠心ポンプ部２のインペラ２１の第１の磁性体２５を吸引するとともにインペラ２１を回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイル９１を備えるインペラ回転トルク発生部３を有している。

この実施例のポンプ装置２００と上述した実施例のポンプ装置１との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部３の機構のみである。この実施例のポンプ装置２００におけるインペラ回転トルク発生部３では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。
また、この実施例のように、インペラ内には、ある程度の個数の第１の磁性体２５を埋設することにより、ステーターコイル９１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、略台形状であることが好ましい。磁性体２５は、リング状、板状のいずれでもよい。また、磁性体２５の数および配置形態は、ステーターコイルの数および配置形態に対応していることが好ましい。複数の磁性体２５は、磁極が交互に異なるように、かつ、インペラの中心軸に対してほぼ等角度となるように円周上に配置されている。

インペラ回転トルク発生部３は、図２１および図２２に示すように、ハウジング２０内に収納された複数のステーターコイル９１を備える。ステーターコイル９１は、円周上にほぼその円周の中心軸に対して等角度となるように複数配置されている。具体的には、６個のステーターコイルが用いられている。また、ステーターコイルとしては、多層巻きのステーターコイルが用いられる。各ステーターコイル９１に流れる電流の方向を切り換えることにより、回転磁界が発生し、この回転磁界により、インペラは吸引されるとともに回転する。
そして、このようなステーターコイルを用いるタイプのポンプ装置においても、上述した実施例のポンプ装置１および１００とインペラの回転駆動システム以外は同じであってもよい。

図１は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の実施例の正面図である。図２は、図１に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、図３の遠心式血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図５は、図３の遠心式血液ポンプ装置におけるインペラの拡大断面図である。図６は、図５のインペラよりインペラ表面形成部材を取り外した状態のインペラの外観図である。図７は、図５のＣ−Ｃ線断面図である。図８は、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置に用いられる第２の磁性体の外観図である。図９は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図１０は、図９に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図１１は、図１０の遠心式血液ポンプ装置のＤ−Ｄ線断面図である。図１２は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＥ−Ｅ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図１３は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＥ−Ｅ線断面図よりインペラを取り外した状態の断面図である。図１４は、図１１の遠心式血液ポンプ装置のＦ−Ｆ線断面図よりインペラを取り外した状態の断面図である。図１５は、図１１の遠心式血液ポンプ装置におけるインペラの拡大断面図である。図１６は、図１５のインペラよりインペラ表面形成部材を取り外した状態のインペラの外観図である。図１７は、図１５のＧ−Ｇ線断面図である。図１８は、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置に用いられる第２の磁性体の外観図である。図１９は、ギャップセンサのセンサ移動量に対するセンサ出力の関係を説明するための説明図である。図２０は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の断面図である。図２１は、図２１の遠心式血液ポンプ装置のＨ−Ｈ線断面図（インペラは外観にて表す）である。図２２は、図２０の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。

符号の説明

１遠心式血液ポンプ装置
２遠心ポンプ部
３インペラ回転トルク発生部
４インペラ位置制御部
１８インペラ本体部材
２０ハウジング
２１インペラ
２９インペラ表面形成部材
２５第１の磁性体
２８第２の磁性体
３１ロータ
３４モータ
４１電磁石
４２位置センサ

Claims

血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および平板リング状の第２の磁性体を備え、前記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ポンプ部と、
前記遠心ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、
前記第２の磁性体を吸引するための電磁石および前記第２の磁性体の位置を測定するための位置センサとを有するインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記インペラは、チタンもしくはチタン合金により形成されたリング状のインペラ本体部材と、前記インペラ本体部材の一方の面に固定され、かつ、前記第２の磁性体を被包するチタンもしくはチタン合金により形成されたリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材とを備え、
前記平板リング状の第２の磁性体は、該第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に延びる外縁側環状溝と、前記第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に延びる内縁側環状溝とを有し、前記インペラ表面形成部材は、前記第２の磁性体の外縁側環状溝内に侵入した外縁側環状突起と、前記第２の磁性体の内縁側環状溝内に侵入した内縁側環状突起とを有し、さらに、前記第２の磁性体の外縁側環状溝と前記インペラ表面形成部材の前記外縁側環状突起は、実質的に隙間なく嵌合しており、また、前記第２の磁性体の内縁側環状溝と前記インペラ表面形成部材の前記内縁側環状突起は、実質的に隙間なく嵌合していることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。
血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および平板リング状の第２の磁性体を備え、前記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ポンプ部と、
前記遠心ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、
前記第２の磁性体を吸引するための電磁石および前記第２の磁性体の位置を測定するための位置センサとを有するインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記インペラは、チタンもしくはチタン合金により形成されたリング状のインペラ本体部材と、前記インペラ本体部材の一方の面に固定され、かつ、前記第２の磁性体を被包するチタンもしくはチタン合金により形成されたリング状かつ薄肉のインペラ表面形成部材とを備え、
前記平板リング状の第２の磁性体は、該第２の磁性体の外縁部に設けられた円周方向に点在する多数の外縁側小面積凹部と、前記第２の磁性体の内縁部に設けられた円周方向に点在する多数の内縁側小面積凹部とを有し、前記インペラ表面形成部材は、前記多数の外縁側小面積凹部内に侵入した多数の外縁側小突起と、前記多数の内縁側小面積凹部内に侵入した多数の内縁側小突起とを有し、前記第２の磁性体の前記外縁側小面積凹部と前記インペラ表面形成部材の前記外縁側小突起は、実質的に隙間なく嵌合しており、また、前記第２の磁性体の前記内縁側小面積凹部と前記インペラ表面形成部材の前記内縁側小突起は、実質的に隙間なく嵌合していることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。
前記インペラ位置制御部の前記電磁石は、前記インペラに設けられた前記第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向と反対側に吸引するものである請求項１または２に記載の遠心式血液ポンプ装置。
前記インペラ位置制御部は、前記インペラに設けられた第３の磁性体と、該第３の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向と反対側に吸引する永久磁石とを備え、前記電磁石は、前記第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部の吸引方向に吸引するものである請求項１または２に記載の遠心式血液ポンプ装置。
前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータとを備えるものである請求項１ないし４のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第１の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである請求項１ないし４のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。