JP4517076B2

JP4517076B2 - 動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ

Info

Publication number: JP4517076B2
Application number: JP2005183582A
Authority: JP
Inventors: 隆志山根
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: WO2006137496A1; JP2007000350A

Description

この発明は生体の心臓の代わりに、或いは生体の心臓と共に用いる人工心臓用ポンプに関し、特にラジアル方向及びスラスト方向共に動圧軸受により支持した人工心臓ポンプに関する。

我が国においても、臓器移植法が施行され、脳死からの心臓移植が可能となっているが、実情はドナー不足のため、なお残る患者を救う道は人工心臓しかない。人工心臓の研究は古くから行われ、臨床使用も多数報告されている。人工心臓には、生体心臓を切除しないで並列に入れる補助人工心臓と、切除して結合する完全置換人工心臓とがある。従来これらは、ベッドサイドに制御装置を設置した空気駆動型のものがほとんどであったが、近年は腹部埋め込みが可能で、ベルトないしリュックにつけたバッテリを用いて電気駆動する補助人工心臓も開発され、現在の製品ではそのサイズの点から体格の大きい患者用に限られるものの、在宅治療もできる人工心臓が用いられるようになっている。

このような人工心臓をポンプ形式の点から分類すると、大別して拍動流式及び連続流式の２方式が存在する。拍動流型は、１回の拍出毎に定量の血液を送出する方式であり、臨床応用が進んだ補助人工心臓では年単位の使用実績を有するものもある。連続流型は回転機構により連続的に血液を送出する方式であり、送出量がポンプ容積には直接関係せず小型化が容易で、体内埋め込み型の補助人工心臓用に有望である。無拍動流が生体に与える影響については、いくつかの動物実験によると、生理的問題なく生存することが報告されている。ただし、生理的には拍動流が好ましいとされているため、連続流ポンプは生体心臓を残して付ける補助人工心臓として開発が進められている。連続流型ポンプの中には遠心式、軸流式、回転容積式などの個別形式がある。本発明は、この連続流型人工心臓に関するものである。

具体例として、本発明者によって図３に示すような人工心臓用遠心ポンプが提案され、特許第２８０７７８６号として特許されている（特開平１０−３３６６４号・特許文献１）。この人工心臓ポンプによると、図３に示すように遠心式インペラ４２を対向する２面からなるラジアル軸受４６−４８及びピボット軸受４５−５０で支えている。ケーシング４７の下部にはインペラ駆動装置５１を設け、その内部で磁石５３が回転することにより、インペラ内蔵の磁石群４４を回転駆動している。それによりケーシング上部に形成した流入口５４から血液が流入し、ケーシングの下部周囲に設けた流出口からこれを吐出することができるようになっている。なお、上記のような磁気カップリングによりインペラを回転する手段として、可動部分５３を電磁石群に置換したダイレクトドライブ方式の駆動装置を採用したものも開発されている。

更に本発明者等は上記のような人工心臓ポンプの軽量化、ピボット軸受部分での摩擦摺動の問題点を解決するため、特開２００３−２４４３４号公報（特許文献２）に示されるようなピボット軸受を用いず、全て動圧軸受で作動する人工心臓ポンプを提案している。即ち、この人工心臓ポンプは図４に示すように、下側ケーシング７５の中心下部に設けた下側スラスト受け７６に固定軸７７を突設し、上端部に上側スラスト受け７８を固定する。中心部に流入部６３を設けたインペラ部６２の下方にインペラ支持部材６７を設け、その外周に永久磁石８１を等間隔に配置し、この永久磁石８１に対向して下側ケーシング７５の外周に電磁石８２を配置することにより、ダイレクト駆動のインペラ駆動装置８３を構成する。インペラ支持部材６７の中心側には軸受形成部材６８を設け、その中心部の円筒状内面と外周にラジアル動圧溝８０を形成した固定軸７７間にラジアル動圧軸受を形成している。また、インペラ支持部材６７の上端面７２に設けた上側スラスト用動圧発生溝７３と上側スラスト受け７８との間で上側ラジアル動圧軸受を構成し、インペラ支持部材６７の下端面６８に設けた下側スラスト用動圧発生溝７１と下側スラスト受け７６との間で下側ラジアル動圧軸受を構成している。このポンプにおいては、インペラ６１の流出部６９の血液を作動流体として各軸受部を循環させるものである。

このような構成の人工心臓ポンプによって、前記問題点を解決し、更に下記特許文献３に記載されているような人工心臓ポンプよりも、安定した回転を行わせることができるようになっている。また、下記特許文献４に記載されているような人工心臓ポンプのように、インペラの駆動に際してインペラを回転軸線方向に吸引しながら回転させることによる、大きなスラスト力の発生もなくすことができる。
特開平１０−３３６６４号公報特開２００３−２４４３４号公報特表２００１−５１５７６５号公報特開平９−２０６３７２号公報

本発明者が提案した上記特許文献２に開示した人工心臓用ポンプにおいては、ピボット軸受を用いることなく安定した作動を行うことができるものであるが、このポンプにおいてはスラスト軸受として上側スラスト揺動圧発生溝７３と上側スラスト受け７８との間で上側ラジアル動圧軸受を構成し、インペラ支持部材６７の下端面６８に設けた下側スラスト用動圧発生溝７１と下側スラスト受け７６との間で下側ラジアル動圧軸受を構成しているので、インペラ部６２と一体的に回転するインペラ支持部材６７が、上側スラスト受け７８と下側スラスト受け７６との間で、上下方向のいずれにも偏らずに正確に回転させることが血球破壊防止のために必要である。

そのため上記人工心臓用ポンプにおいては、特に精密なスラスト圧力調整を必要とする問題がある。また、これらの動圧軸受部分には動作流体として血液を循環させているものであるが、動圧軸受の微少間隙にインペラから吐出した血液を再循環させて用いているため血液の凝固防止の点から問題があり、特に再循環してインペラから吐出した血液が再度動圧軸受部分に循環する可能性もあり、更に血液凝固の点で不利である。

しかも、インペラから吐出した血液の動圧軸受への再循環に際して、下側スラスト動圧軸受の間隙、ラジアル動圧軸受の間隙、上側スラスト動圧軸受の間隙を順に循環させているため、多数の微少間隙を通ることとなり、血液に与える影響が大きく、血液の凝固防止に不利となるため、できる限り動圧軸受を通る回数を減らすことが望まれる。

本発明は上記のような知見に基づいてなされたもので、インペラのスラスト方向及びラジアル方向のいずれも動圧軸受で支持するに際して、動圧軸受の間隙を流れる動作流体としての血液をインペラの吐出側から再循環させることなく、また、特にスラスト軸受を上下両方に設けることなく、片方のみで支持し安定して作動することができるようにした、動圧軸受を備えた人工心臓ポンプを提供することを主たる目的としている。

本発明に係る動圧軸受を備えた人工心臓ポンプは、上記課題を解決するため、ケーシング内に設けられるインペラにより血液を循環させる人工心臓ポンプにおいて、前記インペラは、上方中心部に形成された流入口と、該流入口に連通する中心開口を備える上方円筒部と、外周面に沿って複数の極をもつ永久磁石が配置された下方円筒部と、下面側に前記中心開口を介し前記流入口に連通する開口を中心として放射状に延びる複数のベーンとを備え、前記ケーシングは、前記永久磁石に対向する電磁石を備え、該電磁石は、その中心線が、非通電時に前記永久磁石の中心線に対し上方となるよう配置されており、該電磁石の通電時、前記ケーシングの内部において前記インペラを浮上させるようにするとともに、前記インペラの上方円筒部外周面とこれに対向するケーシング内周面のいずれかに動圧溝を備えたラジアル動圧軸受を形成し、かつ、前記インペラの上面とこれに対向するケーシング下端面のいずれかに動圧溝を備えたスラスト動圧軸受を形成したことを特徴とする。

本発明に係る他の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプは、前記インペラが、外周が円筒面をなしているインペラ本体と、該インペラ本体に固定されたインペラ軸受部材とを有し、該インペラ軸受部材は、前記インペラ本体の円筒面と一致する外径を備えた円板と、該円板の上方に突出する前記上方円筒部と、該円板の下方に突出する前記下方円筒部とを備え、前記インペラ本体は、前記上方円筒部の上方中心部に形成された前記流入口を備えるとともに、前記永久磁石が、前記下方円筒部外周面に沿って配置されていることを特徴とする。

本発明に係る他の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプは、前記動圧溝を備えたスラスト動圧軸受において、前記ケーシングは、前記上方円筒部の外周面に対向する内周面と、前記上方円筒部の上面に対向する下端面とを備えたケーシング軸受部材を、ケーシング本体と別体に形成し、両者を結合してなることを特徴とする。

本発明に係る他の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプは、前記動圧溝を備えたスラスト動圧軸受において、前記ケーシングにおいて前記ベーンの端面が対向する底面には、前記インペラの流入口の直下に略円錐面をなす案内突起を固定して、該案内突起により流体を中心側から外周方向に案内し、前記ベーンをセミオープンベーンの態様で作動することを特徴とする。

本発明は上記のように構成したので、インペラのスラスト方向及びラジアル方向のいずれも動圧軸受で支持するに際して、動圧軸受の間隙を流れる、インペラの流入側から一部をバイパスして動圧軸受の間隙を通し、インペラの吐出側に導き、動作流体としての血液をインペラの吐出側から再循環させることがなくなる。また、特にスラスト軸受を上下両方に設けることなく、片方のみで支持し安定して作動することができ、軸受の構成を簡素化することができ、その分安価なものとすることができると共に、動圧軸受の間隙を流れることによる血液への悪影響を減少させることができる。

本発明は、インペラの動圧軸受の間隙を流れる作動流体としての血液をインペラの吐出側から再循環させることなく、またスラスト軸受を１つだけにするという課題を、上方中心部に流入口を形成し、下方円筒部外周面に沿って複数の極をもつ永久磁石を配置し、下面側に前記流入口に連通する開口を中心として放射状に延びる複数のベーンを備え、上方に突出する上方円筒部を備えたインペラを、前記インペラの下方円筒部外周面に対向する円筒状内周面に複数の電磁石を配置したケーシング内に回転且つ上下動自在に設け、前記インペラの上方円筒部外周面とこれに対向するケーシング内周面のいずれかに動圧溝を備えたラジアル動圧軸受を形成するとともに、前記インペラの上面とこれに対向するケーシング下端面のいずれかに動圧溝を備えたスラスト動圧軸受を形成することにより解決した。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明の実施例の断面図であり、図示する人工心臓ポンプ１においては主要構成部材として、下側ケーシング２と、上側ケーシング３と、上側ケーシング３の中心部に嵌合する内側ケーシング４と、これらのケーシング内部で回転するインペラ５とを備えている。

インペラ５は図２にも示しているように、下端面側に図中４枚のベーン６を突出して設け、外周が円筒面７をなしている樹脂製のインペラ本体８に対して、その上方にセラミックス等からなるインペラ軸受部材９を圧入、或いは接着等により固定している。インペラ軸受部材９はインペラ本体８の円筒面７と一致する外径を備えた円板部１０と、その上方に突出した上方円筒部１１と、その下方に突出した下方円筒部１２とから成り、下方円筒部１２をインペラ本体８の上部に嵌合し固定している。

図１及び図２に示す実施例においては、このインペラ軸受部材９の上方円筒部１１における外周面１３にラジアル動圧溝１４を形成し、円板部１０の上面１５にスラスト動圧溝１６を形成している。一方、内側ケーシング４の中心下端部にはセラミックス等からなるケーシング軸受部材１７を嵌合して固定しており、このケーシング軸受部材１７はインペラ軸受部材９の上方円筒部１１と間隙をもって嵌合する円筒状内周面１８と、下端面１９、及びその中心部には中心開口２０を備えている。

上記のようなインペラ軸受部材９とケーシング軸受部材１７によって、インペラ軸受部材９の前記ラジアル動圧溝１４はケーシング軸受部材１７の円筒状内周面１８と間隙を介して対向し、インペラ軸受部材９のスラスト動圧溝１６はケーシング軸受部材１７の下端面１９と対向している。前記実施例においては動圧溝を全てインペラ軸受部材９側に形成した例を示したが、逆にケーシング軸受部材１７における円筒状内周面１８にラジアル動圧溝を形成し、下端面１９にスラスト動圧溝を形成する組み合わせを採用することができ、更には、前記円筒状内周面１８にラジアル動圧溝を形成し、前記上面１５にスラスト動圧溝を形成する組み合わせ、あるいは前記外周面１３にラジアル動圧溝を形成し、前記下端面１９にスラスト動圧溝を形成する組み合わせ等、任意の組み合わせを採用することができる。

インペラ本体８内にはインペラ本体の下方円筒部の外周面を形成する円筒面７の内側であって、円筒面７に沿って複数の極をもつ永久磁石２１を等間隔に配置しており、これらの永久磁石２１は図中上方ケーシング３の内周側に配置した複数個の電磁石２２と対向している。特に図示実施例においては、複数の永久磁石の列の中心線ａを、少なくともインペラの非回転時においてインペラが自重で降下しているとき、前記複数の電磁石２２の中心線ｂよりも下方に位置するように配置し、電磁石の通電による永久磁石との磁気結合時に、その磁力によってインペラ５全体を上方に持ち上げて回転できるようにし、その際に円板部１０の上面１５とケーシング軸受部材１７の下端面１９とが近接し、その間隙でのスラスト動圧軸受によって回転支持可能としている。

インペラ本体８の下端に形成したベーン６は、図示実施例ではその中心のベーン開口２３の中心と偏心して放射状に延びており、図中４枚示している。その組み立て状態においては図１に示されるように、ベーン開口２３の下方に固定された断面円錐形をなして、中心部をポンプ軸線方向に流入する血液流を、外周方向に案内する案内突起２４と対向しており、ベーン６はこの案内突起２４と対向する傾斜端面２５と、下側ケーシング２のケーシング上面２６と対向する下端面２７とを備えている。

内側ケーシング４の中心には流入口２８を形成し、この流入口２８には接続管２９を固定している。また、図示実施例においては内側ケーシング４において下方に延びる円筒部３０の外周が上側ケーシング３の中心部に嵌合し、それにより上側ケーシング３の内周側に固定した複数の電磁石２２に対する内側隔壁を構成している。更に、内側ケーシング４の円筒部３０から外方に延びる外周フランジ部３１は下側ケーシング２と上側ケーシング３の間に挟まれ、ボルト３２によってこれらを一体的に結合している。

上記のような構造からなり、図１のように組み立てられた人工心臓用ポンプ１の作動に際しては、電磁石２２に通電すると通常のモータと同様に電磁石２２の電磁力の所定の変化によって永久磁石２１が順に吸引及び反発して回転し、インペラ５が回転する。それにより、接続管２９から流入した体内の血液は、内側ケーシング４の流入口２８からケーシング軸受部材３６の中心開口２０、インペラ軸受部材９の貫通口１７、ベーン開口２３をそれぞれ通り、案内突部２４によって外周方向に案内され、セミオープンベーンの態様で、回転するベーン６によって外周方向に加圧流動させられ、下側ケーシング２の吐出通路
３３から吐出部材３４の吐出口３５を経て体内に循環させることができる。

上記電磁石２２への通電時に、前記のような電磁石２２と永久磁石の上下方向ａ、ｂの偏心により、またベーン６内の血液流の力によって、回転するインペラ５は最初自重で下方に降下していた状態から上方にスラスト力を受け移動し、図示実施例においては、インペラ軸受部材９の円板部１０における上面１５に形成されるスラスト動圧溝１６と、ケーシング軸受部材１７の下端面１９との間に形成されるスラスト動圧軸受で上記スラスト力が支持される。

また、インペラ軸受部材９の上方円筒部１１の外周面１３に形成したラジアル動圧溝１４と、ケーシング軸受部材１７の円筒状内周面１８との間に形成されるラジアル動圧軸受でラジアル方向に支持される。したがって、この人工心臓ポンプ１においては、前記従来のものにおいて上下両側にスラスト軸受が必要であったのに対して、本発明においては上記のように片側のスラスト軸受のみで安定して回転を支持することができる。

このとき上記のような動圧溝を充分深く形成することによって、ケーシング軸受部材１７の中心開口２０から流入する血液の一部が、インペラ軸受部材９の上端部とケーシング軸受部材１７との間隙３５を通り、ラジアル軸受部の間隙においてラジアル動圧溝１４によりポンプ軸線方向に加圧され、次いでスラスト軸受部の間隙においてスラスト動圧溝１６により放射方向に加圧され、円板部１０の外周面及びインペラ本体８の外周面７と、内側ケーシング４の円筒部３０の内周面との間隙を順に通り、ベーン６からの吐出流に混合して吐出する。それにより、各動圧軸受を通る血液は再循環することがなくなり、血液凝固の発生を防止することができる。

本発明の実施例の断面図である。同実施例のインペラの斜視図及び平面図及び底面図である。本発明者等が先に提案した人工心臓用遠心ポンプの断面図である。本発明者等により前記ポンプを改良した人工心臓用遠心ポンプの断面図である。

符号の説明

１人工心臓ポンプ
２下側ケーシング
３上側ケーシング
４内側ケーシング
５インペラ
６ベーン
７円筒面
８インペラ本体
９インペラ軸受部材
１０円板部
１１上方円筒部
１２下方円筒部
１３外周面
１４ラジアル動圧溝
１５上面
１６スラスト動圧溝
１７ケーシング軸受部材
１８円筒状内周面
１９下端面
２０中心開口
２１永久磁石
２２電磁石
２３ベーン開口
２４案内突起
２５傾斜端面
２６ケーシング上面
２７下端面
２８流入口
２９接続管
３０円筒部
３１外周フランジ部
３２ボルト
３３吐出通路
３４吐出部材

Claims

ケーシング内に設けられるインペラにより血液を循環させる人工心臓ポンプにおいて、
前記インペラは、上方中心部に形成された流入口と、該流入口に連通する中心開口を備える上方円筒部と、外周面に沿って複数の極をもつ永久磁石が配置された下方円筒部と、下面側に前記中心開口を介し前記流入口に連通する開口を中心として放射状に延びる複数のベーンとを備え、
前記ケーシングは、前記永久磁石に対向する電磁石を備え、該電磁石は、その中心線が、非通電時に前記永久磁石の中心線に対し上方となるよう配置されており、
該電磁石の通電時、前記ケーシングの内部において前記インペラを浮上させるようにするとともに、前記インペラの上方円筒部外周面とこれに対向するケーシング内周面のいずれかに動圧溝を備えたラジアル動圧軸受を形成し、かつ、前記インペラの上面とこれに対向するケーシング下端面のいずれかに動圧溝を備えたスラスト動圧軸受を形成したことを特徴とする人工心臓ポンプ。
前記インペラは、外周が円筒面をなしているインペラ本体と、該インペラ本体に固定されたインペラ軸受部材とを有し、該インペラ軸受部材は、前記インペラ本体の円筒面と一致する外径を備えた円板と、該円板の上方に突出する前記上方円筒部と、該円板の下方に突出する前記下方円筒部とを備え、前記インペラ本体は、前記上方円筒部の上方中心部に形成された前記流入口を備えるとともに、前記永久磁石が、前記下方円筒部外周面に沿って配置されていることを特徴とする請求項１記載の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ。
前記ケーシングは、前記上方円筒部の外周面に対向する内周面と、前記上方円筒部の上面に対向する下端面とを備えたケーシング軸受部材を、ケーシング本体と別体に形成し、両者を結合してなることを特徴とする請求項１記載の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ。
前記ケーシングにおいて前記ベーンの端面が対向する底面には、前記インペラの流入口の直下に略円錐面をなす案内突起を固定して、該案内突起により流体を中心側から外周方向に案内し、前記ベーンをセミオープンベーンの態様で作動することを特徴とする請求項１記載の動圧軸受を備えた人工心臓ポンプ。