JP4761134B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

この発明はグラムオーダーの軽量な流量計が必要とされる機器に用いる質量流量計に関し、特に手術用あるいは体外装着用あるいは体内埋め込み用の人工心臓ポンプの質量流量の計測に適する質量流量計に関する。

流量の測定は各種の技術分野において欠くことのできないものであり、従来より多くの流量計が提案されている。その中でも質量流量計は被測定流体の使用温度、圧力にかかわらず標準状態に換算した流量を計測できるため、精密測定を行うことができる流量計として無くてはならないものとなっている。このような質量流量計には、例えば熱式流量計やコリオリ式流量計が存在するが、熱式流量計は流体を加熱する必要があるため温度上昇の顕著な気体には適するものの、密度の高い液体には向いておらず、微少流量の液体に対してのみ適用することができる程度であり、しかも加熱してはならない流体の測定は行うことができない。したがって、特に血液のような粘度の高い、また加熱してはならない液体には適用困難である。また、コリオリ流量計においてはＵ字管の振動機構装置が必要であり装置が大型化し、価格が高く、また形状の特徴から圧損が避けられず、更にＵ字管部が閉塞した場合の洗浄が難しい等の問題があり、振動によって成分が変化する流体の流量測定には不向きである。

一方、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、ベッドサイト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。そのほか、手術用の血液ポンプが比較的長期に使用されるようになり、類似の機構が補助循環用としても使用されるようになっており、ここではこれらを総称して人工心臓と呼ぶ。

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一定圧力で拍動する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。実際には生体心臓を残して、例えば図３に示すように、生体心臓３１の左心房か左心室に対して人工心臓としての補助心臓３２を脱血管３３によって接続することとなる。生理的には拍動流が好ましいとされているが、最悪でも心臓停止時の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。

連続流型人工心臓の開発は我が国が進んでおり、連続流型ポンプには遠心式、軸流式、回転容積式などの個別形式があり、いずれもポンプ特性は、圧力、流量、電力、回転数の関係で特徴づけることができ、ポンプの流量を計測して駆動回転数の制御を行う必要がある。このようなポンプの具体例として、本発明者によって図４（ａ）に示すような人工心臓用遠心ポンプが発明され、特許第２８０７７８６号として特許されている（特開平１０−３３６６４号）。この人工心臓ポンプによると、図４に示すように遠心式インペラ４２を２つの軸受４６−４８及び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を回転することにより、隔壁４９を介して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４３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、本発明者等は上記人工心臓用遠心ポンプの他、図４（ｂ）に示すようなポンプも開発している。同図に示すポンプにおいては、放射状に延びる複数のインペラ６１を備えたインペラ部６２は、その中心部が解放して血液の流入部６３を形成しており、インペラ６１を回転駆動するとき、上側ケーシング６４に設けた円筒状の流入口６５から血液を吸引し、上側ケーシング６４に設けた流出口６６から吐出している。インペラ部６２の下方にはインペラ支持部材６７を固定しており、インペラ支持部材６７の内側には軸受部材６８を固定している。軸受部材６８の下端面７０には、ポンプイン型のスパイラル状パターンを有する下側スラスト用動圧発生溝７１を形成しており、上端面７２には、ポンプアウト型のスパイラル状パターンを有する上側スラスト用動圧発生溝７３を形成している。軸受部材６８の中心に形成している円筒状通口部７４には、下側ケーシング７５に固定した下側スラスト受け７６上に固定している固定軸７７を突出して固定しており、固定軸７７の上端部には上側スラスト受け７８を固定部材７９で固定して支持している。前記下側スラスト受け７６は下側スラスト用動圧発生溝７１に対向して配置し、前記上側スラスト受け７８は上側スラスト用動圧発生溝７３に対向して配置している。また、固定軸７７の下方外周には動圧発生用の傾斜溝８０を形成している。インペラ支持部材６７の外周には永久磁石８１を等間隔で配置し、下側ケーシング７５の外周囲には前記永久磁石８１に対向して電磁石８２を配置している。この電磁石８２の極性を順に変更して通電することにより、ダイレクトドライブ式のモータを構成し、インペラ駆動装置８３としている。

なお、人工心臓用遠心ポンプについては前記のように本発明者等の提案による特許文献１が存在し、また曲がりパイプの内側及び外側にそれぞれ各濃度測定部を設け、これら濃度測定部により曲がりパイプの内側及び外側における液体の遠心力で生じた濃度差を測定し、この濃度差に基づいて演算器により体積流量を求める技術は特許文献２に開示されている。
特開平１０−３３６６４号公報 特開平９−７９８８１号公報

前記のような人工心臓ポンプにおいて、インペラの回転数を制御することは、体内を循環させる血液流量を制御することとなり、人体に対して極めて重要である。したがって、インペラの回転によって生じる血液流量を常時監視し、人体の状態に応じた正確な流量の血液を供給する必要がある。

人工心臓の流量測定に際しては、拍動ポンプでは拍動回数から、また遠心ポンプでは電流値と回転数から概略の流量推定を行うことができ、更に軸流ポンプでは、前後圧力と回転数から演算して概略の流量推定を行うことができるが、質量流量を直接計測できるセンサが無く、粘度の影響など様々な補正が必要となり、演算が複雑化するため、医療機器としての信頼性を損なっている。

また、前記図３に示すような病院外使用の体内埋め込み人工心臓では、病態管理のため流量表示が必要であるが、埋め込みできる小型の流量計がない。流量計として、渦流量計、抵抗流量計、フロート式流量計など様々な方式はあるが、グラムオーダーで計測できる超軽量でシンプルな方式がないという問題があった。また、流量計部分で血栓を生じるような淀みを生じることのない、内面が円滑な構造の流量計を用いる必要もある。

このように、グラムオーダーで計測できる超軽量で構造の簡単な流量計が存在すれば、従来使用されてきた種々の分野の各種流量計においても極めて有用であることは言うまでもない。

したがって本発明は、グラムオーダーで計量できる超軽量であり、流体流動面が円滑で構造の簡単な流量計を得ることを主たる目的とし、特に人工心臓用ポンプの流量計として、更には体内埋め込み型の人工心臓用ポンプの流量計として最適な質量流量計を得ることを目的とする。

本発明に係る質量流量計は上記課題を解決するため、曲がり部及び曲がり部に連なる直管部を有する内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に、すなわち、前記内部を流体が流通する管を曲げて形成した曲がり管における曲がり部の外側部分に遠心力検出用ストレインゲージを貼付するか、あるいは、前記内部を流体が流通する管を曲げて形成した曲がり管における曲がり部の内側部分に向心力検出用ストレインゲージを貼付し、遠心力検出用ストレインゲージないし向心力検出用ストレインゲージにより流体の遠心力ないし向心力と静圧の合計圧力を検出している検出信号を導いたブリッジ回路の出力により流量を測定する質量流量計において、静圧及び温度補償用ストレインゲージを前記曲がり管における曲がり部に連なる直管部に貼付し流体の静圧及び温度に関連した圧力を検出することを特徴とする。

本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記静圧及び温度補償用ストレインゲージを前記直管部における、前記曲管部の流体の遠心力が作用する外周部と管軸線を中心として直角の位置に貼付したことを特徴とする。

本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記ストレインゲージ貼付部の管路を薄肉に形成することを特徴とする。

本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記質量流量計を人工心臓用ポンプの流量測定に用いることを特徴とする。

前記質量流量計を体内埋め込み型人工心臓用ポンプの流量測定に用いることを特徴とする。

本発明の質量流量計においては、本装置には、ストレンゲージ４枚とプリアンプと、既存のポンプ本体の制御電源を利用する以外のものは不要であり、しかも質量流量を直接計測するので、温度補正以外の流体補正が一切不要で、超軽量な質量流量計を構成できる。また、被測定流体の流路中に障害物がないので、人工心臓ポンプとして使用する際に血栓の発生を生じる恐れが無く、また小型に形成することができるので、体内埋め込み型人工心臓用ポンプにも有効に利用することができる。

本発明は、グラムオーダーで計量できる超軽量であり、流体流動面が円滑で構造の簡単な流量計を得ることができ、特に人工心臓用ポンプの流量計として適切な質量流量計を得るという目的を、内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に、遠心力ないし向心力検出用ストレインゲージを貼付し、該ストレインゲージの検出信号を導いたブリッジ回路の出力により流量を測定することによって実現した。

図１（ａ）には本発明による質量流量計の全体概要を示す。図中Ｕ字形状に曲げられている中空の曲がり円管１には、流体の流入口２と流出口３とを備え、流体が内部を流通可能としている。この曲がり円管１の曲がり部４における内部の流体による遠心力を受ける外周部５には、図中十字にクロスして配置している遠心力検出ゲージとしてのストレインゲージＡ、Ｂを貼付している。図示実施例においては、ストレインゲージＡを曲がり円管１の管軸線に平行に貼付し、ストレインゲージＢをこれと直角に貼付している。なお、以降に説明する本発明の実施例は、曲がり円管の遠心力が作用する部分に遠心力検出用のストレインゲージを貼付した例を示したが、曲がり円管の向心力が作用する内側部分に向心力検出用のストレインゲージを貼付しても同様に機能させることができる。なお、前記遠心力検出ゲージにおいては、実際には流体の遠心力の他、流体の静圧も検出している。また、本発明を実施する際には図示実施例に限らず、例えばストレインゲージＡ或いはＢのいずれか一つのみを用いても良い。

曲がり円管１は流体圧によって大きな弾性変形を生じない程度の硬質の管を用い、曲がり部４においてストレインゲージを貼付する曲がり部用ストレインゲージ貼付部７は、必要に応じて適宜の研削等を行って薄肉部とし、曲がり円管１内を流動する流体が、曲がり部４で流動方向を変えるときの遠心力によって変形しやすくしてもよい。

また、曲がり円管１における曲がり部４の前後に位置する直管部８、９の内の一つに、静圧・温度補償ゲージとしてのストレインゲージＣ、Ｄを前記と同様に十字にクロスして配置している。図示実施例においては、ストレインゲージＣを直管部８の図中上部に、曲がり円管１の軸線に平行に貼付し、ストレインゲージＤをこれと直角に貼付している。それにより、曲がり部４において遠心力を検出する曲がり用ストレインゲージ貼付部７とは直角方向に直管部用ストレインゲージ貼付部１１を配置している。なお、この直管部用ストレインゲージ貼付部１１においても前記と同様に、例えばストレインゲージＣ或いはＤのいずれか一つのみを用いても良い。

また、この部分においても前記と同様に、ストレインゲージを貼付する直管部用ストレインゲージ貼付部１１は、必要に応じて適宜の研削等を行って薄肉部とし、曲がり円管１における直管部８内の流体の静圧を検出するため、変形しやすくしても良い。この直管部用ストレインゲージ貼付部１１は、前記のように静圧を検出するため、曲がり円管１内を流れる流体の遠心力が作用しにくい部分が好ましく、図示実施例においてはこの点を考慮し直管部８の図中上側部分、即ち曲管部の流体の遠心力が作用する外周部と管軸線を中心として直角の位置に配置している。

図１（ａ）に示す実施例のように曲がり円管１にストレインゲージを貼付した場合において、各ストレインゲージの検出信号としての抵抗値をブリッジ回路１２に入力し、そのブリッジ回路の信号を流量出力装置１３が入力して流量の演算を行う。このブリッジ回路は同図（ｂ）に示すように、遠心力検出ゲージとしてのストレインゲージＡとストレインゲージＢとを対面側に配置し、他のストレインゲージＣとストレインゲージＤとを他の対面側に配置する。

このブリッジの信号は従来のブリッジ回路と同様にプリアンプ１４で信号増幅し、流量出力装置１３においてブリッジ回路の電圧バランス信号を処理して流量の演算を行う。このとき、流体の遠心力と静圧の合計圧力を検出しているストレインゲージＡの信号に対して、流体の静圧と温度に関連した圧力を検出しているストレインゲージＣにより、ストレインゲージＡの検出値の補償を行い、またストレインゲージＢで検出した信号に対しても同様にストレインゲージＤにより補償する。

なお、ストレインゲージを各ストレインゲージ貼付部に例えばストレインゲージＡ、ストレインゲージＣのように一つずつ貼付するときには、図１（ｂ）のブリッジ回路１２においてＢ及びＤの部分に所定の固定抵抗を配置する。この測定装置においては、特にブリッジ回路に対する電源１５により流量信号を得ることができ、僅かの電流により正確な測定を行うことができる。

以上はひとつのブリッジ回路として質量流量計を構成するものであるが、軽量であれば遠心力ないし向心力検出用ストレインゲージと補償用ストレインゲージの検出信号を別個のブリッジ回路に導き、遠心力ないし向心力検出用ストレインゲージの出力と補償用ストレインゲージの出力を比較演算する比較演算回路を付加して構成することも可能である。

前記のような質量流量計を用いて実際に流量を測定した結果を図２に示す。同図において丸印は計測値を示し、これを結んだ計測例のグラフを示している。このグラフによりゲージ出力信号と曲がり管内の流体の流量とはほぼ直線で表される特性を有することがわかる。更にこのような特性のデータによって、この質量流量計はグラムオーダーの正確な質量流量計であることがわかかった。したがって、図１（ａ）に示すようなシステムからなり、前記のような特性を備えた質量流量計は、各種の分野において有効に利用可能となる。

上記のようなストレインゲージを用いた曲がり円管１内の流体の遠心力を測定することによる質量流量測定手法は、特に液体の質量流量測定装置として広く使用することができるものであるが、血液の流量を測定する人工心臓ポンプの流量測定に際しては、流体流路中に障害物がないので血栓の発生を生じる恐れが無く、また小型に形成することができるので有効である。特に図３に示すように、体内埋め込み型の人工心臓ポンプにおいては小型で構造が簡単であり、血栓を生じないものが要求されるが、本発明による質量流量計はこのような分野において極めて有効である。

図３に示すような将来実施が検討されている体内埋め込み型人工心臓ポンプのシステムにおいては、生体心臓３１と遠心血流ポンプ３２とを結ぶ脱血管３３のいずれかに適宜の曲がり円管部を接続し、その曲がり円管部に前記と同様の構成のストレインゲージを貼付し、適宜これを覆い、ストレインゲージの信号を図中体内埋め込み型で示している制御系３４内に設けた流量出力装置で前記のように流量を演算し、その演算結果により遠心血流ポンプ３２の駆動制御を行って流量制御を行う。なお、同図においては、制御系３４に対して、人体外に取り付けた電源３５から、体外電源供給部３６とこれに近接して対向する体内電源供給部３７に電磁的に電力を供給し、遠心血流ポンプ３２の駆動電源とし、必要に応じて質量流量計の電源として用いる。

本発明は上記のように、人工心臓用ポンプの制御に必要な流量測定を行う質量流量計として特に有効であるが、その他産業用、実験用等の各種の質量流量計に有効に利用することができる。

（ａ）は本発明による質量流量計のシステム構成図であり、（ｂ）は同質量流量計の回路構成図である。 本発明による質量流量計の計測例を示すグラフである。 長期埋め込み型補助人工心臓の例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は共に本発明者等が提案している人工心臓用ポンプの例を示す断面図である。

符号の説明

１ 曲がり円管
２ 流入口
３ 流出口
４ 曲がり部
５ 外周部
７ 曲がり部用ストレインゲージ貼付部
８ 直管部
９ 直管部
１１ 直管部用ストレインゲージ貼付部
１２ ブリッジ回路
１３ 流量出力装置
１４ プリアンプ
１５ 電源

Claims (5)

1. 曲がり部及び曲がり部に連なる直管部を有する内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に、すなわち、前記内部を流体が流通する管を曲げて形成した曲がり管における曲がり部の外側部分に遠心力検出用ストレインゲージを貼付するか、あるいは、前記内部を流体が流通する管を曲げて形成した曲がり管における曲がり部の内側部分に向心力検出用ストレインゲージを貼付し、遠心力検出用ストレインゲージないし向心力検出用ストレインゲージにより流体の遠心力ないし向心力と静圧の合計圧力を検出している検出信号を導いたブリッジ回路の出力により流量を測定する質量流量計において、
   静圧及び温度補償用ストレインゲージを前記曲がり管における曲がり部に連なる直管部に貼付し流体の静圧及び温度に関連した圧力を検出することを特徴とする質量流量計。
2. 前記静圧及び温度補償用ストレインゲージを前記直管部における、前記曲管部の流体の遠心力が作用する外周部と管軸線を中心として直角の位置に貼付したことを特徴とする請求項１記載の質量流量計。
3. 前記ストレインゲージ貼付部の管路を薄肉に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
4. 前記質量流量計を人工心臓用ポンプの流量測定に用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の質量流量計。
5. 前記質量流量計を体内埋め込み型人工心臓用ポンプの流量測定に用いることを特徴とする請求項４に記載の質量流量計。

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