JP4523962B2 - 人工心臓ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、人工心臓ポンプに関するもので、特に、血液を圧送する軸流ポンプを使用した人工心臓ポンプに関する。

従来より、医療用の代替又は補助心臓として、羽根車の回転を利用して血液を圧送する人工心臓ポンプが用いられている。この人工心臓ポンプとして、ローラポンプ又は遠心ポンプを利用するものと、軸流ポンプを利用するものとが提供されている。これらの各種類の人工心臓ポンプにおいて、軸流ポンプを利用したものの方が、ローラポンプ又は遠心ポンプに利用するものに比べて、サイズを小さく出来る。

この軸流ポンプを利用した従来の人工心臓ポンプは、ハウジングにモータステータが内含されるとともに、インペラを周囲に備えたロータにモータステータと磁気的な反応を行う永久磁石が内含される。このような人工心臓ポンプとして、図２４のように、ハウジング１０１に固定された固定体１０２，１０３の間に、インペラ１０５を外周面に備えたロータ１０４が設置され、この固定体１０２，１０３とロータ１０４とが対抗する面にピボット軸受１０６ａ，１０６ｂが設置されたものが提供されている。即ち、ロータ１０４において固定体１０２，１０３側に対抗する面の中心を突起させることで、ピボット軸受１０６ａ，１０６ｂが形成される。

しかしながら、図２４のようにピボット軸受１０６ａ，１０６ｂによって支持する場合、ピボット軸受１０６ａ，１０６ｂにおいて摩耗粉が生成されることがある。又、固定体１０２，１０３とロータ１０４との間隙が狭くなるため、血栓が形成されやすかったり、赤血球が破壊（溶血）される可能性がある。

それに対して、図２５のように、固定体１０２，１０３を固定軸１２１で接続し、この固定軸１２１の外周に沿って回転するような円筒形状としたロータ１２２が設けられるとともに、ロータ１２２と固定体１０２，１０３それぞれとが対面するそれぞれの面に溝を設けて動圧軸受を構成したものが提供されている。即ち、ロータ１２２が回転することで、ロータ１２２と対面する固定体１０２，１０３それぞれの面に設けられた溝によって発生する動圧により、ロータ１２２と固定体１０２，１０３との接触を防ぎ、スラスト軸受として動作する。しかしながら、このように動圧軸受を構成した場合、動圧を発生するための狭い間隙が必要となり、この間隙により、血栓が形成されやすかったり、溶血される可能性がある。

このような問題を回避するために、本出願人は、動圧軸受を構成するだけでなく、インペラにかかるハイドロスラスト荷重に釣り合う磁気反発力を利用した受動型反発磁気軸受により、ロータと固定体との接触を防ぐ人工心臓ポンプを提案している（特許文献１参照）。この受動型反発磁気軸受を備えた人工心臓ポンプは、図２６のように、図２５のような構成に、ロータ１２２と固定体１０３のそれぞれに永久磁石１３１，１３２を設置することで、ハイドロスラスト荷重に釣り合う磁気反発力による受動型反発磁気軸受が構成される。
特開２００４−３４６９３０号公報

しかしながら、上述の図２５及び図２６それぞれに示す構成の人工心臓ポンプによると、固定軸１２１で接続された固定体１０２，１０３それぞれが、ハウジング１０１に整流板及びディフューザを介して固定されている。そのため、内部点検などでロータ１２２のみを取り外す場合に、固定体１０２，１０３及び固定軸１２１による固定部分全てを分解する必要がある。又、その組立性能も悪いだけでなく、図２６のように反発磁気軸受を備えるときの軸方向の固定体１０２，１０３とロータ１２２とによる軸受面間の距離が調整されるが、その調整が困難である。

又、図２５及び図２６それぞれの人工心臓ポンプにおいて、ハウジング１０１に内含されたモータステータとロータ１２２に内含された永久磁石とによって、ロータ１２２を回転させるだけでなく、ロータ１２２と固定軸１２１との径方向の接触を防ぐジャーナル軸受として働く。しかしながら、この永久磁石をロータ１２２の内径側に備えるため、インペラを備えるロータ１２２の外径が大きくなる。又、高い圧力を必要とする場合は、ロータ１２２の回転数を上げる必要があるが、高回転数化すると、その溶血特性が悪化してしまう。そのため、人工心臓ポンプの大きさが限定されるため、その圧力の上限が制限されてしまう。

更に、図２５のように動圧軸受を構成した場合、動圧を発生するための狭い間隙が必要となり、この間隙により、血栓が形成されやすかったり、溶血が生じる可能性がある。それに対して、図２６のような受動型反発磁気軸受を備えた人工心臓ポンプの場合、図２５のように動圧軸受のみとする場合よりも隙間を広くできるため、血栓及び溶血の発生を低減できるが、ハイドロスラスト荷重の小さい運転条件や、起動・停止時において、磁気反発力によりロータ部とロータ後部の固定体との間で接触が生じてしまう。又、運転状況によってはロータとロータ前後の固定体とで接触が生じる可能性もある。尚、図２５の構成では、動圧軸受溝の凸部のみの接触ではあるが、比較的広い面積で接触するため、その耐久性に問題がある。又、これにより、ロータ及び固定体の接触による摩耗粉や、血栓及び溶血の発生の可能性がある。

又、従来の人工心臓ポンプでは、ハウジングに内含されるモータステータとして、大きなトルクを得るために、コイルを巻くためのスロットを備えるステータコイルで構成される。しかしながら、スロットを備えたステータコイルの場合、そのスロットの分だけ、ハウジングの外径が大きくなってしまい、人工心臓ポンプの小型化を妨げる。又、図２５及び図２６それぞれの人工心臓ポンプにおいて、ロータ１２２に永久磁石が内含されるものとし、同期モータとして構成されるため、負荷の変動によって脱調し易く人工心臓ポンプが停止する恐れがある。

このような問題を鑑みて、本発明は、前記固定体の一部を独立して分解可能な構造とした人工心臓ポンプを提供することを目的とする。又、本発明は、軸方向又は径方向に小型化可能な構成とした人工心臓ポンプを提供することを別の目的とする。又、本発明は、回転数を上げることなく吐出圧力を増加させる人工心臓ポンプを提供することを別の目的とする。更に、本発明は、負荷の変動などによる脱調を生じ難くすることができる人工心臓ポンプを提供することを別の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の人工心臓ポンプは、ハウジングと、該ハウジングと接続されて前記ハウジングの軸方向の前後それぞれに固定された第１及び第２固定体と、前記第１及び第２固定体の間に設置される第１回転体と、当該第１回転体の外壁面から突出した複数のインペラと、前記ハウジング内で前記第１回転体を取り囲む位置に内含され回転磁界を発生するモータステータと、を備え、前記モータステータの回転磁界によって前記第１回転体が回転することで軸方向に血液を流す人工心臓ポンプにおいて、前記第１回転体と前記第１固定体とがそれぞれ、前記第１回転体が回転したときに作用する前記インペラの軸方向に対して後側から前側へかかるスラスト荷重と逆側に力が働く磁気反発力を生成する第１及び第２永久磁石を内部に備え、前記第１回転体と前記第２固定体とがそれぞれ、磁気反発力を発生するリング状の第３及び第４永久磁石を内部に備え、前記第１及び第２永久磁石により磁気反発力によって前記第１回転体にかかる力と、前記第３及び第４永久磁石により磁気反発力によって前記第１回転体にかかる力とが、前記第１回転体の軸方向に対して逆方向となり、前記第１固定体の前記第１回転体と対向する面と、前記第２固定体の前記第１回転体と対向する面とが凹状の球面形状となるとともに、前記第１回転体の前記第１及び第２固定体と対向する両面が凸状の球面形状となり、前記第１及び第３永久磁石の前記第２及び第４永久磁石に対向する面が凸状となるとともに、前記第２及び第４永久磁石の前記第１及び第３永久磁石に対向する面が凹状となり、前記第１の固定体の前記第１の回転体と対向する前記面と、前記第１の回転体の前記第１の固定体と対向する前記面とにより、前記第１の回転体をその軸方向及び径方向に非接触で支持する第１の動圧軸受が構成され、前記第２の固定体の前記第１の回転体と対向する前記面と、前記第１の回転体の前記第２の固定体と対向する前記面とにより、前記第１の回転体をその軸方向及び径方向に非接触で支持する第２の動圧軸受が構成されることを特徴とする。

これらの構成において、前記第１及び第２固定体が、その内縁が外壁面に接続されて前記ハウジングの内壁面に向かって突出した複数の静翼を備えるとともに、前記静翼の外縁が前記ハウジングと接続されることで、前記第１及び第２固定体が前記ハウジングに固定されるものとしても構わない。

本発明によると、第１及び第２固定体と第１回転体との間に、第１回転体をその径方向に保持する第１及び第２動圧軸受、並びに、第１、第２、第３及び第４永久磁石からなる軸受を備えることで、第１回転体をリング形状とするとともに第１回転体の中央位置に固定軸を設置する必要がなくなり、第１回転体を円柱形状とすることができる。よって、異方性永久磁石や回転子の設置位置を径方向に中央位置に向かってずらすことができる。そのため、回転体の径方向の大きさを小さくすることができ、小型化することができる。

又、第１及び第３永久磁石の第２及び第４永久磁石に対向する面を凸状とするとともに、第２及び第４永久磁石の第１及び第３永久磁石に対向する面を凹状とすることにより、第１〜第４永久磁石それぞれの作用によって、軸方向のスラスト軸受機能と径方向を支持する軸受機能とを同時に機能させることができる。

＜第１の参考例＞
第１の参考例について、図面を参照して説明する。図１は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、以下では、血液の流れに従って、前方（上流側）、後方（下流側）として説明する。又、図１の人工心臓ポンプとして、図２６と同様、動圧軸受及び受動型反発磁気軸受の双方を備えるものを例に挙げて説明する。

図１の人工心臓ポンプは、円筒状のハウジング１と、ハウジング１の内壁面に接合された複数のディフューザ２と、複数のディフューザ２が外壁面から突出しており、これによってハウジング１に支持された固定体３と、固定体３の前方に設置された固定軸４と、固定軸４に環装されるように設置されて固定軸４の外周を回転するスリーブ５と、スリーブ５の外壁面から突出した複数のインペラ６と、インペラ６よりも前方に設けられた複数の整流板７と、固定軸４と接続されて支持されるとともに整流板７が外壁面から突出している固定体８と、を備える。尚、整流板７の外縁とハウジング１の内壁面とは、接合された関係ではなく、これらの間には間隙が設けられる。

この人工心臓ポンプは、スリーブ５内部に極異方性永久磁石５ａが備えられるとともに、ハウジング１内部にスリーブ５の外壁面にその磁極が面する電磁コイルより成るモータステータ１ａが備えられる。又、極異方性永久磁石５ａは、人工心臓ポンプの中心軸Ｘを中心として放射状に複数設けられるとともに、その磁束の方向がハウジング１の内壁面に対して垂直な方向とされる。更に、隣接する極異方性永久磁石５ａのハウジング１の内壁面に面する磁極を逆極性にする。よって、モータステータ１ａを構成する磁気コイルに３相電流など位相の異なる電流を流すことで、極異方性永久磁石５ａに回転する動力が働き、スリーブ５及びインペラ６がモータロータとして回転する。

そして、スリーブ５の前方先端部分内部に、リング状の永久磁石５ｂが内含されるとともに、固定体８内部に、後方の面が永久磁石５ｂの前方の面と対向する永久磁石８ａが内含される。このとき、永久磁石５ｂの前方側の面における磁極と永久磁石８ａの後方側の面における磁極が同じ極性とされるため、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力が働く。この永久磁石５ｂ，８ａが、中心軸Ｘの軸方向に対するスラスト軸受として機能し、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力が、人工心臓ポンプの駆動時にインペラ６よりも後方の圧力が高くなることによりスリーブ５が前方に移動する力となるハイドロスラスト荷重と釣り合うように調整される。

又、固定体３の前方端面３ｘ及び固定体８の後方端面８ｘそれぞれに、図２のような渦巻き状のスラスト動圧発生溝１００を複数形成する。即ち、このスラスト動圧発生溝１００で流動する血液に動圧が発生し、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力とともにスリーブ５にかかるスラスト加重を支持する。上述のスラスト動圧発生溝１００による動圧軸受と永久磁石５ｂ，８ａによる受動型反発磁気軸受とにより、スリーブ５の回転時における、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとの接触、及び、スリーブ５の前方端面５ｙと固定体８の後方端面８ｘとの接触を防ぐことができる。

そして、固定体８の外壁面から突出した整流板７が、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置され、更に、固定体３の外壁面とハウジング１の内壁面とに両縁が接合されたディフューザ２が、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置される。そして、固定体８の前端及び固定体３の後端それぞれが、その中央部が隆起した構造となる。よって、固定体８の前端の隆起により取り込んだ血液を抵抗なく分岐させて整流板７に導き、固定体３の後端の隆起によりディフューザ２により整流されて流れる血液を抵抗なく合流させるように導く。又、スリーブ５の外壁面から突出したインペラ６も、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置される。

更に、固定体３に接合された固定軸４の固定体８側の端面４ｘの中心位置に設けられた穴４ａに、固定体８の後方端面８ｘの中心位置に設けられた突起部８ｂが挿入されることで、接続される。この穴４ａと突起部８ｂそれぞれがねじ切られた形状とされ、穴４ａに突起部８ｂが回転されて挿入されることで、スリーブ５が環装された固定軸４に固定体８が固定される。

このような人工心臓ポンプにおいて、まず、ハウジング１内に固定軸４が接合された固定体３を挿入した後、固定体３から突出させたディフューザ２の外縁をハウジングに接合することで、固定体３及び固定軸４をハウジング１内に固定する。そして、固定軸４にインペラ６を外周面に備えたスリーブ５を環装させた後、固定軸４の穴４ａに固定体８の突起部８ｂを挿入しながら固定体８を回転させることにより、固定軸４に固定体８を固定するとともに、固定体３，８の間にスリーブ５を設置する。

よって、固定体８と接続された整流板７がハウジング１に固定されていない状態であり、且つ、固定体８と固定軸４とがネジにより接続されるため、従来と比べて、固定体８の固定が簡単になり、その組立性を向上することができる。又、内部点検などで、インペラ６を備えたスリーブ５を取り外す際、固定体８のみを外してハウジング１より取り出すのみでよく、従来のように、スリーブ５が環装された固定軸４が接続された固定体３，８両方をハウジング１より取り出す必要がない。

尚、本参考例において、整流板７を備えた固定体８が固定軸４に挿入されて固定されるものとしたが、図３のように、整流板７の外縁をハウジング１の内壁面に接合して固定体８を固定するとともに、ディフューザ２とハウジング１の内壁面との間に間隙を設けるものとしても構わない。このとき、固定体８に接合された固定軸４の固定体３側の端面４ｙの中心位置に設けられた穴４ｂに、固定体３の前方端面３ｘの中心位置に設けられた突起部３ｂが挿入されることで、接続される。この穴４ｂと突起部３ｂそれぞれがねじ切られた形状とされ、穴４ｂに突起部３ｂが回転されて挿入されることで、スリーブ５が環装された固定軸４に固定体３が固定される。

又、整流板７の内縁が固定体８に接合されるとともに整流板７の外縁がハウジング１と分離された形状としたが、図４（ａ）のように、整流板７の外縁をハウジング１の内壁面に接合してハウジング１の内壁面から突出した形状で固定させ、整流板７の内縁と固定体８とを分離させるものとしても構わない。同様に、図４（ｂ）のように、図３の人工心臓ポンプと同様、整流板７の外縁をハウジング１の内壁面に接合して固定体８を固定する場合においても、ディフューザ２の外縁をハウジング１の内壁面に接合してハウジング１の内壁面から突出した形状で固定させ、ディフューザ２の内縁と固定体３とを分離させるものとしても構わない。

更に、図１及び図４（ａ）の人工心臓ポンプにおいて、固定体８に突起部８ｂを設けて固定軸４の穴４ａに挿入して固定する構成としたが、図５（ａ）のように、固定軸４の固定体８側の端面４ｘの中心位置に突起部４ｃを設けるとともに、この突起部４ｃが挿入される穴８ｃを固定体８の後方端面８ｘの中心位置に設けるものとしても構わない。同様に、図５（ｂ）のように、図３の人工心臓ポンプと同様、整流板７の外縁をハウジング１の内壁面に接合して固定体８を固定する図３及び図４（ｂ）の人工心臓ポンプにおいても、固定軸４の固定体３側の端面４ｙの中心位置に突起部４ｄを設けるとともに、この突起部４ｄが挿入される穴３ｃを固定体３の前方端面３ｘの中心位置に設けるものとしても構わない。

＜第２の参考例＞
第２の参考例について、図面を参照して説明する。図６は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図６において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプの構成に、固定体８の後方端面８ｘと固定軸４の前方端面４ｘとの間に、スリーブ５の前方端面５ｙと固定体８の後方端面８ｘとの間隙を調整する１枚以上の調整リング９が設置される。このとき、調整リング９が、固定体８それぞれの突起部８ｂに環装され、この調整リング９が環装された固定体８が固定軸４の穴４ａに挿入されることで、固定体３，８とスリーブ５との間隙が調整される。即ち、製造時において試運転を行い、固定体３，８とスリーブ５との接触を計測することで、固定体３，８とスリーブ５との間隙が確認される。その後、固定軸４と固定体８との間に設置する調整リング９の枚数により固定体３，８間の距離を調整して、固定体３，８とスリーブ５との間隙を調整する。

尚、本参考例において、図１の人工心臓ポンプの構成に調整リング９を追加する構成としたが、図４（ａ）の人工心臓ポンプの構成に調整リング９を追加する構成としても構わない。このときも、図６と同様、固定体８の突起部８ｂに調整リング９が環装されて、固定軸４の穴４ａに挿入される。又、図３及び図４（ｂ）の人工心臓ポンプの構成に調整リングを追加する構成とし、固定体３の突起部３ｂに調整リング９が環装されて、固定軸４の穴４ｂに挿入されるものとしても構わない。更に、図５（ａ）、（ｂ）の人工心臓ポンプのように、固定軸４に突起部４ｃ，４ｄを設けて、この突起部４ｃ，４ｄに調整リング９を環装して、固定体８の穴８ｃ及び固定体３の穴３ｃに挿入されるものとしても構わない。

＜第３の参考例＞
第３の参考例について、図面を参照して説明する。図７は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図７において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、整流板７の外縁がハウジングの内壁面に接合されて固定体８が固定されるとともに、固定軸４が、固定体３，８それぞれに接続された固定軸４１，４２の２つに２分割された構成とされる。この人工心臓ポンプは、まず、ハウジング１の内壁面にディフューザ２の外縁を固着することで、ディフューザ２を備えた固定体３をハウジング１内に固定した後、この固定体３に接続された固定軸４１に、インペラ６を備えたスリーブ５を環装する。そして、スリーブ５の穴に固定体８に接続された固定軸４２を挿入するようにして、固定体８をハウジング１内に設置する。

このようにして、固定体３，８及びスリーブ５をそれぞれハウジング１内に設置すると、試運転を行って固定体３，８とスリーブ５との接触を計測することで、固定体３，８とスリーブ５との間隙が確認される。その後、確認した固定体３，８とスリーブ５との間隙を調整するように、固定体８の設置位置をＸ軸方向に移動して変更して設定すると、整流板７の外縁をハウジング１の内壁面に固着することで、固定体８をハウジング１内に固定する。このように、固定体８をＸ軸方向に移動させることで、簡単に、固定体３，８の距離を調整して、固定体３，８とスリーブ５との間隙を適当な距離に調整することができる。尚、本参考例では、固定体３を固定して固定体８を移動させて調整するものとしたが、固定体８を固定して固定体３を移動させて調整するものとしても構わない。

又、内部点検などで、インペラ６を備えたスリーブ５を取り外す際、固定体３，８のいずれかを外してハウジング１より取り出すのみでよく、従来のように、スリーブ５が環装された固定軸４が接続された固定体３，８両方をハウジング１より取り出す必要がない。

＜第４の参考例＞
第４の参考例について、図面を参照して説明する。図８は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図８において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図８の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、固定軸４が固定体３とのみ接続された構成となるとともに、スリーブ５が、固定軸４と固定体８とに挟まれた位置に底部５１を備える。そして、スリーブ５の底部５１の内部にリング状の永久磁石５ｂが内含される。この永久磁石５ｂは、極異方性永久磁石５ａよりも内側に位置するように設置される。即ち、極異方性永久磁石５ａの内周径よりも永久磁石５ｂの外周径の方が小さい値とされ、Ｘ軸方向において、極異方性永久磁石５ａの前方端の位置で重なるように、永久磁石５ｂが設置される。

又、固定体８の内部の永久磁石５ｂに対向する位置に、円柱状の永久磁石８ａが設置される。このとき、永久磁石５ｂの前方側の面における磁極と永久磁石８ａの後方側の面における磁極が同じ極性とされるため、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力が働く。更に、スリーブ５の底部５１の中心位置に貫通穴５２が設けられ、この貫通穴５２により、スリーブ５の内周壁と固定軸４の外周壁との間の間隙に流入した血液を排出して、血液の凝固を防ぐことができる。

このように、本参考例の構成によると、受動型反発磁気軸受の一部として使用する永久磁石５ｂを、極異方性永久磁石５ａと軸方向で重なる位置に設置することができるため、スリーブ５の軸方向の長さを極異方性永久磁石５ａのみに依存する長さとすることができる。又、図９のように、固定軸４の前方側先端内部に、永久磁石５ｂの後方側に発生する磁力と反発する磁力を発生する永久磁石４３を内含させるようにしても構わない。このように構成することによって、固定軸４の前方側先端とスリーブ５の底部５１の内壁面との接触を防ぐとともに、固定体３とスリーブ５との接触をも防ぐことができる。

＜第５の参考例＞
第５の参考例について、図面を参照して説明する。図１０は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１０において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１０の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、ジャーナル軸受として機能していた固定軸４とスリーブ５の代わりに、固定体３，８の中心位置にＸ軸方向に貫通した貫通穴３１，８１を設けるとともに、固定体３，８それぞれの貫通穴３１，８１に挿入された主軸５３，５４がＸ軸方向の両端に接続された羽根車５０を備えた構成となる。即ち、貫通穴３１，８１に主軸５３，５４が挿入されることで、貫通穴３１，８１及び主軸５３，５４がジャーナル軸受として機能し、羽根車５０の外周壁に等間隔でインペラ６が突出するように設置され、そして、羽根車５０の内部には、スリーブ５と同様の極異方性永久磁石５ａと永久磁石５ｂとが内含される。

又、主軸５３の後方端面及び主軸５４の前方端面それぞれは、その中央部が隆起した構造とする。そして、固定体３の後方側及び固定体８の前方側それぞれの端部を、主軸５３の後方端面及び主軸５４の前方端面それぞれの曲面と連続するような曲面により構成する。よって、主軸５４の隆起及び固定体８の前方側の曲面により取り込んだ血液を抵抗なく分岐させて整流板７に導き、固定体３の後方側の曲面及び主軸５３の隆起によりディフューザ２により整流されて流れる血液を抵抗なく合流させるように導く。

このように、本参考例では、インペラ６が突出したスリーブ５を回転体とした他の参考例と異なり、主軸５３，５４を備えるとともにインペラ６が突出した羽根車５０を回転体とすることで、他の参考例のように回転軸４を必要としない構成とした。よって、他の参考例の人工心臓ポンプと比べて、極異方性永久磁石５ａ及び永久磁石５ｂの設置位置を内径側に移動させることができるため、本参考例の人工心臓ポンプにおける羽根車５０の外径を、他の参考例の人工心臓ポンプにおけるスリーブ５の外径よりも小さくでき、人工心臓ポンプの径方向の形状を小さくすることができる。

＜第６の参考例＞
第６の参考例について、図面を参照して説明する。図１１は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１１において、図１０と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１１の人工心臓ポンプは、図１０の人工心臓ポンプの構成に、主軸５４の前方側先端に設置された羽根車５５と、羽根車５５の外壁面より突出したインペラ６１と、羽根車５５内部に設置されたリング状の永久磁石５ｄと、が追加された構成となる。又、固定体８の軸方向の長さが整流板７の長さとほぼ等しい長さとされ、図１０の人工心臓ポンプと異なり、固定体８の前方側が後方側と平行な平坦な面により形成される。更に、図１０の人工心臓ポンプの主軸５４の前方端面の代わりに、羽根車５５の前方端面が、その中央部が隆起した構造とされる。

そして、永久磁石５ｄが、羽根車５５の後方側に永久磁石８ａと対抗するように内含されるとともに、その発生する磁力が永久磁石８ａの前方側に発生する磁力と反発する磁力とされる。このように構成することによって、固定体８の前方側端面と羽根車５５の後方側端面との接触を防ぐとともに、羽根車５５と主軸５４で接続された羽根車５０の後方側端面と固定体３の前方側端面との接触をも防ぐことができる。

又、インペラ６１が、インペラ６と同様、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置される。このインペラ６，６１によって、インペラ６，６１の間に整流板７を静翼として挟んだ２段構成の軸流ポンプとして構成される。このように２段構成とすることで、他の参考例の人工心臓ポンプのように単段構成とした場合と比べて、低い回転数で高い吐出圧力が得られる。そのため、低い回転数で動作することができ、溶血特性を向上することができる。

＜第７の参考例＞
第７の参考例について、図面を参照して説明する。図１２は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１２において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１２の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプの構成と異なり、インペラ６の代わりに、スリーブ５の前方側と後方側それぞれに、インペラ６２，６３がハウジング１の内壁面に向かってスリーブ５の外壁面から突出するように設置される。このインペラ６２，６３は、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置される。又、インペラ６２，６３の間に、ハウジング１の内壁面からスリーブ５の外壁面に突出するように、静翼６４が設置される。この静翼６４も、インペラ６２，６３と同様、中心軸Ｘを中心として周方向に等間隔に配置される。

このように、図１２の人工心臓ポンプは、静翼６４を挟んで設置されたインペラ６２，６３による２段構成の軸流ポンプとして構成される。このように２段構成とすることで、第６の参考例と同様、他の参考例の人工心臓ポンプのように単段構成とした場合と比べて、低い回転数で高い吐出圧力が得られる。そのため、低い回転数で動作することができ、溶血特性を向上することができる。

尚、本参考例において、第１の参考例の図１の構成に基づいて説明したが、図３、図４（ａ）、（ｂ）、及び、図５（ａ）、（ｂ）のような構成に対しても同様に、インペラ６の代わりに、インペラ６２，６３及び静翼６４を備える構成としても構わない。又、従来と同様、ディフューザ２及び整流板７が固定体３，８及びハウジング１の両方に接続された状態で、インペラ６の代わりにインペラ６２，６３及び静翼６４を備える構成としても構わない。

更に、上述の第２〜第４の参考例の構成に対して、スリーブ５の外壁面に、インペラ６の代わりにインペラ６２，６３が設置されるとともに、ハウジング１の内壁面に静翼６４がインペラ６２，６３の間に設置されるものとしても構わない。又、上述の第５及び第６の参考例の構成に対して、羽根車５０の外壁面に、インペラ６の代わりにインペラ６２，６３が設置されるとともに、ハウジング１の内壁面に静翼６４がインペラ６２，６３の間に設置されるものとしても構わない。

尚、上述の第１〜第７の参考例において、スリーブ５及び固定体８に内含させた永久磁石５ｂ，８ａによって受動型反発磁気軸受を構成するものとしたが、図１３のように、この永久磁石５ｂ，８ａによる受動型反発磁気軸受だけでなく、スリーブ５の後方先端部分内部に、リング状の永久磁石５ｃが内含されるとともに、固定体３内部に、前方の面が永久磁石５ｃの後方の面と対向する永久磁石３ａが内含されるものとしても構わない。即ち、永久磁石５ｃの後方側の面における磁極と永久磁石３ａの前方側の面における磁極が同じ極性として、永久磁石５ｃ，３ａによる磁気反発力による受動型反発磁気軸受をも構成するものとしても構わない。尚、図１３は、図１の構成に、永久磁石５ｃ，３ａによる受動型反発磁気軸受を追加した構成を示すものである。

＜第８の参考例＞
第８の参考例について、図面を参照して説明する。図１４は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１４において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１４の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプの構成に、固定体３の前方端面３ｘにおける固定軸４の外周側に複数の錐形状の突起部３２が設置された構成とされる。即ち、図１５に示すように、突起部３２が固定体３の前方端面３ｘ上に、中心軸Ｘを中心として同一半径の周方向に等間隔となるように配置される。又、この突起部３２は、前方側に頂点が形成される錐形状とされ、起動・停止時など低い回転数で回転しているときに、その頂点がスリーブ５の後方端面５ｘと接触する。

このように構成される人工心臓ポンプは、第１の参考例と同様、通常の回転動作を行うとき、インペラ６よりも後方の圧力が高くなることによりスリーブ５が前方に移動する力となるハイドロスラスト荷重が発生する。そして、このハイドロスラスト荷重に対して永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力がと釣り合うよう作用することで、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとの接触、及び、スリーブ５の前方端面５ｙと固定体８の後方端面８ｘとの接触を防ぐことができる。このとき、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとの間にできる間隙に血液が流れ込むが、突起部３２が間隔をあけて配置されているため、流れ込む血液の流れを妨げることがない。

又、起動・停止時などにおいては、ハイドロスラスト荷重が小さいため、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力によって、スリーブ５が後方に移動する。そのため、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとが接触しようとして、スリーブ５の後方端面５ｘが突起部３２の頂点に接触する。このようにすることで、起動・停止時において、スリーブ５が後方に移動して固定体３と接触する場合、その接触が突起部３２の頂点だけとなり、接触面積を低減させることが可能となる。よって、接触時における摩耗分の発生を抑えるとともに、溶血性能の低下を抑制することができる。

尚、本参考例において、第１の参考例の図１の構成に基づいて説明したが、図３、図４（ａ）、（ｂ）、及び、図５（ａ）、（ｂ）のような構成に対しても同様に、固定体３の前方端面３ｘに突起部３２を設けるようにしても構わない。又、上述の第２〜第７の参考例の構成に対しても同様に、固定体３の前方端面３ｘに突起部３２を設けるようにしても構わない。

＜第９の参考例＞
第９の参考例について、図面を参照して説明する。図１６は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１６において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１６の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、固定軸４が固定体８とのみ接続された構成となるとともに、スリーブ５が、固定軸４と固定体３とに挟まれた位置に底部５５を備える。そして、スリーブ５の底部５５における固定体３の前方端面３ｘと対面した後方端面の中心位置に、その頂点が後方側となる錐形状の突起部５６が構成されるとともに、固定体３の前方端面３ｘの中心位置には、錐形状に掘削された溝３３が構成される。このスリーブ５の底部５５に設けられた突起部５６と、固定体３の前方端面３ｘに設けられた溝３３とによって、ピボット軸受が形成される。尚、溝３３の頂角を、突起部５６の頂角以上の角度とする。

又、スリーブ５の底部５５は、突起部５６の外周側に、軸方向に貫通した貫通穴５７が複数形成される。この貫通穴５７は、図１７に示すように、中心軸Ｘを中心として同一半径の周方向に等間隔となるように配置される。そして、スリーブ５の底部５５に複数の貫通穴５７が形成されることによって、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとの間にできる間隙に流れ込む血液をスリーブ５の内壁面と固定軸４の外壁面との間隙を通じて流すことができ、血液の淀みを回避させることができる。

このように構成される人工心臓ポンプは、第１の参考例と同様、通常の回転動作を行うとき、インペラ６よりも後方の圧力が高くなることによりスリーブ５が前方に移動する力となるハイドロスラスト荷重が発生する。そして、このハイドロスラスト荷重に対して永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力がと釣り合うよう作用することで、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとの接触、及び、スリーブ５の前方端面５ｙと固定体８の後方端面８ｘとの接触を防ぐことができる。

又、起動・停止時などにおいては、ハイドロスラスト荷重が小さいため、永久磁石５ｂ，８ａによる磁気反発力によって、スリーブ５が後方に移動する。そのため、スリーブ５の後方端面５ｘと固定体３の前方端面３ｘとが接触しようとして、スリーブ５の底部５５の突起部５６の頂点が、固定体３の前方端面３ｘに設置された溝３３に接触する。このようにすることで、起動・停止時において、スリーブ５が後方に移動して固定体３と接触する場合、その接触が突起部５６の頂点だけとなり、接触面積を低減させることが可能となる。よって、接触時における摩耗分の発生を抑えるとともに、溶血性能の低下を抑制することができる。

尚、本参考例において、第１の参考例の図１の構成に基づいて説明したが、図３、図４（ａ）、及び、図５（ａ）のように構成する場合に対しても同様に、固定軸４を固定体３から分離し、固定体３の前方端面３ｘに溝３３を設けるとともに、スリーブ５に突起部５６及び貫通穴５７を備えた底部５５を設けるようにしても構わない。又、上述の第２及び第７の参考例の構成に対しても同様に、固定軸４を固定体３から分離し、固定体３の前方端面３ｘに溝３３を設けるとともに、スリーブ５に突起部５６及び貫通穴５７を備えた底部５５を設けるようにしても構わない。

尚、上述の第１〜第９の参考例において、スリーブ５及び固定体８に内含させた永久磁石５ｂ，８ａによって受動型反発磁気軸受を構成するものとしたが、図１８のように、この永久磁石５ｂ，８ａを設ける代わりに、固定体３の内部の前方端面側に、リング状のリング状の磁性体３４が内含されるものとし、この磁性体３４の前方端面を極異方性永久磁石５ａの後方端面と対向させるものとしても構わない。このように構成することで、磁性体３４と極異方性永久磁石５ａとの間で、回転時のスラスト反発力と逆方向の引力を発生させることで、磁性体３４と極異方性永久磁石５ａとによる磁気軸受を構成することができる。尚、図１８は、図１の構成に、磁性体３４と極異方性永久磁石５ａとによる磁気軸受を備えた構成を示すものである。

＜実施形態＞
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１９は、第１０の参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図１９において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１９の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、固定軸４及びスリーブ５の代わりに、Ｘ軸方向の両端面がコニカル形状（円錐状）の凸面となる羽根車５８を備えるとともに、固定体３の前方端面３ｘが羽根車５８の後方端面５８ｘと同様のコニカル形状の凹面とされ、固定体８の後方端面８ｘが羽根車５８の前方端面５８ｙと同様のコニカル形状の凹面とされる。尚、固定体３の前方端面３ｘ及び固定体８の後方端面８ｘそれぞれには、渦巻き状のスラスト動圧発生溝１００（図２参照）を複数形成し、動圧軸受として機能させる。又、羽根車５８は、図１０の固定体５０と同様、その外壁面にインペラ６が突出するように設置されるとともに、その内部に極異方性永久磁石５ａが内含される。

そして、羽根車５８には、その前方端面側及び後方端面側それぞれに、リング状で且つコニカルテーパー形状となる永久磁石５ｂ，５ｃが内含される。永久磁石５ｂは、その前方端面が羽根車５８の前方端面とほぼ平行となるように形成され、又、永久磁石５ｃは、その後方端面が羽根車５８の後方端面とほぼ平行となるように形成される。又、固定体３には、永久磁石５ｃの後方端面とほぼ平行な前方端面を備えるリング状で且つコニカルテーパー形状となる永久磁石３ａが内含され、固定体８には、永久磁石５ｂの前方端面とほぼ平行な後方端面を備えるリング状で且つコニカルテーパー形状となる永久磁石８ａが内含される。

よって、固定体３と羽根車５８との間で、永久磁石３ａ，５ｃによる反発磁力が作用し、固定体８と羽根車５８との間で、永久磁石８ａ，５ｂによる反発磁力が作用し、更に動圧軸受による動圧により、羽根車５８が軸方向及び径方向に非接触で支持される。即ち、図２０に示すように、羽根車５８には、永久磁石３ａ，５ｃによる反発磁力Ｆ１及び永久磁石８ａ，５ｂによる反発磁力Ｆ２それぞれが、羽根車５８の後方端面及び前方端面に対してほぼ垂直にかかる。

この反発磁力Ｆ１，Ｆ２それぞれが、Ｘ軸方向及びＸ軸と垂直となる径方向それぞれに対して角度を備えるため、Ｘ軸方向の力Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘと径方向の力Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙに分解できる。よって、径方向の力Ｆ１ｙ、Ｆ２ｙそれぞれが、羽根車５８の後方端面及び前方端面それぞれを周回するようにかかるため、径方向に支持する軸受として作用し、又、Ｘ軸方向の力Ｆ１ｘ、Ｆ２ｘがともに逆方向の力としてかかるため、スラスト軸受として作用する。

このように、本参考例では、永久磁石３ａ，８ａ，５ｂ，５ｃによって、径方向に支持する軸受及びスラスト軸受を構成することができるため、第１〜第４の参考例のように回転軸４を必要としない構成とした。よって、極異方性永久磁石５ａ及び永久磁石５ｂ，５ｃの設置位置を内径側に移動させることができるため、本参考例の人工心臓ポンプにおける羽根車５０の外径を、他の参考例の人工心臓ポンプにおけるスリーブ５の外径よりも小さくでき、人工心臓ポンプの径方向の形状を小さくすることができる。

尚、本参考例において、羽根車５８のＸ軸方向における両端面５８ｘ，５８ｙをコニカル形状としたが、図２１に示す本発明の実施形態のように、羽根車５８のＸ軸方向における両端面５８ｘ，５８ｙを球面形状とするとともに、固定体３の前方端面３ｘ及び固定体８の後方端面８ｘそれぞれの球面形状としても構わない。このとき、永久磁石５ｂの前方端面、永久磁石５ｃの後方端面、永久磁石３ａの前方端面、及び永久磁石８ａの後方端面それぞれが、コニカルテーパー形状であっても構わないし、球面形状であっても構わない。

又、本参考例及び実施形態において、第７の参考例と同様、羽車８に複数段のインペラを設置するとともに、各段の間となる位置に、ハウジング１から突出した静翼が設置されるものとしても構わない。

＜第１１の参考例＞
第１１の参考例について、図１の構成の人工心臓ポンプを例にして、以下に説明する。

本参考例の人工心臓ポンプは、モータステータ１ａを、磁気コイルのコアの一部であるスロットをハウジング１の周方向に複数配置し、各スロットに磁気コイルを巻きつけることで構成されるステータコイル（スロット有りのステータコイル）ではなく、スロットのないスロットレスのステータコイルによって構成する。よって、図２２（ａ）のようにスロット有りのステータコイルとした場合、スロット１５０の大きさによってハウジング１の径方向の大きさが影響を受けるのに対して、図２２（ｂ）のようにスロットレスのステータコイルとすることで、スロット１５０の大きさによる影響をなくすことができる。これにより、ハウジング１の径方向の大きさを小さくすることができ、人工心臓ポンプの小型化を図ることができる。

尚、本参考例において、図１の構成の人工心臓ポンプを例にして説明したが、本構成による人工心臓ポンプに限らず、第１〜第１０の参考例及び実施形態における各構成、又は、従来の構成において、モータステータ１ａをスロットレスのステータコイルとすることで、本参考例の構成を適用しても構わない。

＜第１２の参考例＞
第１２の参考例について、図面を参照して説明する。図２３は、本参考例における人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。尚、図２３において、図１と同一の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図２３の人工心臓ポンプは、図１の人工心臓ポンプと異なり、スリーブ５内において、極異方性永久磁石５ａの代わりに、モータステータ１ａにより発生する回転磁界に基づいて誘導電流が流れる円筒形のかご形回転子５ｅを備えた構成である。即ち、本参考例の人工心臓ポンプは、他の参考例及び実施形態の人工心臓ポンプのように、モータステータ１ａと極異方性永久磁石５ａとによって同期モータを構成するものではなく、モータステータ１ａとかご形回転子５ｅとによって誘導モータを構成するものである。よって、誘導モータによる動力によりスリーブ５を回転させるため、他の参考例及び実施形態のように同期モータによる動力により回転させる場合と異なり、負荷変動時に生じる脱調を抑制することができる。

尚、本参考例において、図１の構成の人工心臓ポンプを例にして説明したが、本構成による人工心臓ポンプに限らず、第１〜第１１の参考例及び実施形態における各構成、又は、従来の構成において、極異方性永久磁石５ａをかご形回転子５ｅとすることで、本参考例の構成を適用しても構わない。

又、上述の各参考例及び実施形態において構成される人工心臓ポンプにおいて、スリーブ５や羽根車５０，５５，５８のように回転駆動する回転部材を構成する材料の硬度と、固定体３，８及び固定軸４，４１，４２のようにハウジング１に固定された固定部材を構成する材料の硬度とが異なるものとしても構わない。即ち、例えば、回転部材を構成する材料を浸炭窒化されたチタン合金とするとともに、固定部材を構成する材料を未処理のチタン合金としても構わないし、逆に、回転部材を構成する材料を未処理のチタン合金とするとともに、固定部材を構成する材料を浸炭窒化されたチタン合金としても構わない。尚、浸炭窒化とは、天然ガス、都市ガス、プロパン、ブタンガスなど変成した浸炭性ガス或いは液体を滴下し発生した浸炭性ガスに、アンモニア（ＮＨ３）を添加したガス雰囲気中で処理品を加熱し、浸炭を行うものである。

このように、固定部材と回転部材とを硬度の異なる材料で構成するため、接触時の焼き付きを防ぐことができ、その摺動特性を良好なものに保持することができる。又、各部に使用される材料をチタン合金とすることで、その生体適合性を補償するだけでなく、浸炭窒化によって処理することで硬度の異なるチタン合金を生成することで、処理時の温度雰囲気を低くし、処理される部材の熱変形を抑制することができる。

は、第１の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、図１の人工心臓ポンプにおけるスラスト動圧発生溝の構成を示す図である。 は、第１の参考例の人工心臓ポンプの別の構成を示す断面図である。 は、第１の参考例の人工心臓ポンプの別の構成を示す断面図である。 は、第１の参考例の別の構成を示すための人工心臓ポンプの一部の断面図である。 は、第２の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第３の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第４の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第４の参考例の人工心臓ポンプの別の構成を示す断面図である。 は、第５の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第６の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第７の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、２つの固定体両方に設置された受動型反発磁気軸受を有する人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第８の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、図１４の人工心臓ポンプにおける突起部の位置関係を示す図である。 は、第９の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、図１６の人工心臓ポンプにおける貫通穴の位置関係を示す図である。 は、磁性体による磁気軸受を有する人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、第１０の参考例の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、図１９の人工心臓ポンプにおける永久磁石による反発磁力の関係を示す図である。 は、実施形態の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、スロットを備えたステータコイルとスロットレスのステータコイルとの構成を示す概略図である。 は、第１２の参考例の人工心臓ポンプの別の構成を示す断面図である。 は、ピボット軸受を用いた従来の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、動圧軸受を用いた従来の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。 は、受動型反発磁気軸受を用いた従来の人工心臓ポンプの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ ディフューザ
３ 固定体
４ 固定軸
５ スリーブ
６ インペラ
７ 整流板
８ 固定体
９ 調整リング

Claims (2)

1. ハウジングと、該ハウジングと接続されて前記ハウジングの軸方向の前後それぞれに固定された第１及び第２固定体と、前記第１及び第２固定体の間に設置される第１回転体と、当該第１回転体の外壁面から突出した複数のインペラと、前記ハウジング内で前記第１回転体を取り囲む位置に内含され回転磁界を発生するモータステータと、を備え、前記モータステータの回転磁界によって前記第１回転体が回転することで軸方向に血液を流す人工心臓ポンプにおいて、
   前記第１回転体と前記第１固定体とがそれぞれ、前記第１回転体が回転したときに作用する前記インペラの軸方向に対して後側から前側へかかるスラスト荷重と逆側に力が働く磁気反発力を生成する第１及び第２永久磁石を内部に備え、
   前記第１回転体と前記第２固定体とがそれぞれ、磁気反発力を発生するリング状の第３及び第４永久磁石を内部に備え、
   前記第１及び第２永久磁石により磁気反発力によって前記第１回転体にかかる力と、前記第３及び第４永久磁石により磁気反発力によって前記第１回転体にかかる力とが、前記第１回転体の軸方向に対して逆方向となり、
   前記第１固定体の前記第１回転体と対向する面と、前記第２固定体の前記第１回転体と対向する面とが凹状の球面形状となるとともに、
   前記第１回転体の前記第１及び第２固定体と対向する両面が凸状の球面形状となり、
   前記第１及び第３永久磁石の前記第２及び第４永久磁石に対向する面が凸状となるとともに、
   前記第２及び第４永久磁石の前記第１及び第３永久磁石に対向する面が凹状となり、
   前記第１の固定体の前記第１の回転体と対向する前記面と、前記第１の回転体の前記第１の固定体と対向する前記面とにより、前記第１の回転体をその軸方向及び径方向に非接触で支持する第１の動圧軸受が構成され、
   前記第２の固定体の前記第１の回転体と対向する前記面と、前記第１の回転体の前記第２の固定体と対向する前記面とにより、前記第１の回転体をその軸方向及び径方向に非接触で支持する第２の動圧軸受が構成されることを特徴とする人工心臓ポンプ。
2. 前記ハウジングの内壁面に固定されるとともに、前記ハウジングの内壁面から前記回転体の外壁面に突出した複数の静翼を備え、
   前記回転体において、前記インペラが前記軸方向に複数段設置され、前記軸方向に隣接する段の前記インペラの間に前記静翼が設置されることを特徴する請求項１に記載の人工心臓ポンプ。

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