JP4787526B2 - Blood pump device - Google Patents

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本発明は、血液などの医療用血液を搬送するための血液ポンプ装置に関する。   The present invention relates to a blood pump device for transporting medical blood such as blood.

人工心臓に使用されるポンプの一つに遠心式血液ポンプがある。そして、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。このような血液ポンプが生体に対して正しく機能していることを把握するための重要なパラメータの一つに流量がある。この流量の計測には超音波流量計等の専用のセンサを用いた直接計測も考えられるが、長期にわたる安定した連続モニタリングという点では困難な点がある。また、部品数の増加は装置の大型化につながる。このため、流量計を設けることなく、ポンプのモータの回転数、その電流、血液の粘度と比重などより流量を間接計測する方式が期待されている。
間接計測方式としては、流量を回転数と電流の関数と見なしそれに粘度要因を加えて補正することにより算出可能である。すなわち、直接計測できるモータ回転数、モータ電流から流量を計算する。この場合、流量と回転数および電流の相関関係を求めておき、その相関関係より演算された近似式を用いることが考えられる。近似式は例えば下記数式(1)で表すことができる。
One type of pump used for artificial hearts is a centrifugal blood pump. The centrifugal blood pump has a housing having a blood inflow port and a blood outflow port, and an impeller that rotates in the housing and feeds blood by centrifugal force during rotation. One of the important parameters for grasping that such a blood pump is functioning correctly with respect to a living body is a flow rate. Although direct flow measurement using a dedicated sensor such as an ultrasonic flow meter can be considered for this flow rate measurement, there is a difficulty in terms of stable continuous monitoring over a long period of time. An increase in the number of parts leads to an increase in the size of the apparatus. For this reason, a method of indirectly measuring the flow rate from the number of rotations of the pump motor, its current, the viscosity and specific gravity of the blood, etc. without a flow meter is expected.
As an indirect measurement method, it is possible to calculate by correcting the flow rate as a function of the rotation speed and the current and adding a viscosity factor thereto. That is, the flow rate is calculated from the motor speed and motor current that can be directly measured. In this case, it is conceivable to obtain a correlation between the flow rate, the rotation speed, and the current and use an approximate expression calculated from the correlation. The approximate expression can be expressed by, for example, the following expression (1).

Figure 0004787526

ここで、cklmは最小自乗法にて算出される係数であり、i[A]はモータ電流、v[mPa・s(cP)]は粘度、n[rpm]は回転数,q[L/min]は流量を示す。
Figure 0004787526

Here, cklm is a coefficient calculated by the method of least squares, i [A] is the motor current, v [mPa · s (cP)] is the viscosity, n [rpm] is the rotation speed, q [L / min ] Indicates the flow rate.

しかしながら、上記のような多項式を使用した場合、近似の次数を低くすると、データ点(補間の用語で言うところの標本点)も含め、基本的に全領域での精度が低下する。また、近似の次数を高くすると、多項式補間の欠点である不要な振動が発生して、やはりデータ点以外での精度が低下する。
それを防ぐために、表で大量のデータを持っておき、与えられた回転数と電流に最も近い条件での流量を推定値とする方式も考えられるが、データをストアする領域が増えること、また、それを検索する処理の増加がポンプの制御装置の負荷になり、携帯用の制御装置の場合、リアルタイムでの表示が難しくなる。
また、補間をスプライン補間で行う場合も、精度の問題は解決されるが、計算量は多くなるという問題がある。
本発明の目的は、流量計を用いることなく、血液流量(吐出流量)を容易かつ確実に算出できる流量算出機能を備えた血液ポンプ装置を提供することにある。
However, when the polynomial as described above is used, if the approximation order is lowered, the accuracy in the entire region basically decreases including data points (sample points in terms of interpolation). Further, when the order of approximation is increased, unnecessary vibration, which is a drawback of polynomial interpolation, is generated, and the accuracy other than the data points is also lowered.
In order to prevent this, there is a method that has a large amount of data in the table and uses the flow rate under the condition closest to the given rotation speed and current as an estimated value, but the area to store the data increases, The increase in the processing for searching for it becomes a load on the pump control device, and in the case of a portable control device, display in real time becomes difficult.
Also, when interpolation is performed by spline interpolation, the problem of accuracy is solved, but there is a problem that the amount of calculation increases.
The objective of this invention is providing the blood pump apparatus provided with the flow volume calculation function which can calculate the blood flow volume (discharge flow volume) easily and reliably, without using a flowmeter.

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を有するハウジングと、前記ハウジング内で回転し血液を送液するインペラと、該インペラを回転させるためのモータと、血液測定データ入力部と、インペラ回転数測定または算出機能と、モータ電流値計測機能と、血液吐出流量を演算する吐出流量演算部とを備える血液ポンプ装置であって、前記吐出流量演算部は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関する血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データと吐出流量との吐出流量関連関係式を記憶する吐出流量関連関係式記憶部と、該吐出流量関連関係式、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、前記血液粘度値および前記モータ電流測定値ならびに前記インペラ回転数値における血液吐出流量を演算する吐出流量演算機能と、
あらかじめ測定した多数のポンプ揚程値における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程値を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データとポンプ揚程との関係式を記憶するポンプ揚程関連関係式記憶部と、該ポンプ揚程関連関係式、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、前記血液粘度値および前記モータ電流測定値ならびに前記インペラ回転数値におけるポンプ揚程を演算するポンプ揚程演算機能と、
前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程とを用いて、前記ポンプの流体出力を演算する流体出力演算機能を備える血液ポンプ装置。
What achieves the above object is as follows.
(1) A housing having a blood inflow port and a blood outflow port, an impeller that rotates in the housing and feeds blood, a motor for rotating the impeller, a blood measurement data input unit, and an impeller rotational speed measurement Alternatively, the blood pump device includes a calculation function, a motor current value measurement function, and a discharge flow rate calculation unit that calculates a blood discharge flow rate, wherein the discharge flow rate calculation unit is blood at a plurality of blood discharge flow rates measured in advance. Viscosity value, motor current measurement value and motor rotation value as input layer data, blood discharge flow rate related to each input layer data as teacher data, discharge layer related relationship between input layer data and discharge flow rate calculated using neural network Discharge flow rate related relational expression storage unit for storing the formula, the discharge flow rate related relational expression, and input to the blood measurement data input unit Blood viscosity value calculated from input blood viscosity value or input hematocrit value, impeller rotation value obtained from impeller rotation speed measurement or calculation function, motor current measurement value obtained by motor current value measurement function or correction thereof A discharge flow rate calculation function for calculating a blood discharge flow rate at the blood viscosity value and the motor current measurement value and the impeller rotation value,
An input calculated using a neural network with blood viscosity values, motor current measurement values and motor rotation values as input layer data, and pump head values related to each of the input layer data as teacher data, in a number of pump head values measured in advance. It is calculated from the pump head related relational expression storage unit for storing the relational expression between the layer data and the pump head, the pump head related relational expression, the blood viscosity value inputted into the blood measurement data input part or the inputted hematocrit value. The blood viscosity value and the motor current using the blood viscosity value, the impeller rotation value obtained from the impeller rotation number measurement or calculation function, the motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or the correction value thereof. Pump that calculates pump head at measured value and impeller rotation value Degree and the calculation function,
A blood pump device having a fluid output calculation function for calculating a fluid output of the pump using a calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function and a calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function .

(2) 前記血液ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、前記インペラは、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ものである上記(1)に記載の血液ポンプ装置。
(3) 前記血液ポンプ装置は、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、内部に磁性体を備え、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式血液ポンプ部と、前記遠心式血液ポンプ部の前記インペラ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を備えるインペラ回転トルク発生部と、電磁石を備え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ものである上記(1)または(2)に記載の血液ポンプ装置。
(4) 前記血液測定データ入力部は、血液粘度測定値入力部であり、前記血液粘度値は、血液粘度測定値である上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(5) 前記血液測定データ入力部は、ヘマトクリット値入力部であり、前記血液ポンプ装置は、入力されたヘマトクリット値より血液粘度を演算する血液粘度演算機能を備えている上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(6) 前記血液測定データ入力部は、ヘマトクリット値入力部であり、前記血液ポンプ装置は 入力されたヘマトクリット値より血液粘度を演算する血液粘度演算機能および比重を演算する比重演算機能を備えている上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(7) 前記血液ポンプ装置は、比重入力部もしくは比重演算機能と、前記モータ電流測定値を該比重入力部により入力されたもしくは前記比重演算機能により演算された比重を用いて補正した値をモータ電流測定値とするモータ電流測定値補正機能を備えている上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(2) The blood according to (1), wherein the blood pump device is a centrifugal blood pump device, and the impeller rotates in the housing and sends blood by centrifugal force during rotation. Pump device.
(3) The blood pump device includes a housing having a blood inflow port and a blood outflow port, a magnetic body therein, a centrifuge having an impeller that rotates in the housing and feeds blood by centrifugal force during rotation. -Type blood pump unit, a rotor including a magnet for attracting the magnetic body of the impeller of the centrifugal blood pump unit, an impeller rotational torque generating unit including a motor for rotating the rotor, and an impeller position control including an electromagnet The blood pump device according to (1) or (2), wherein the impeller rotates in a non-contact state with respect to the housing.
(4) The blood pump device according to any one of (1) to (3), wherein the blood measurement data input unit is a blood viscosity measurement value input unit, and the blood viscosity value is a blood viscosity measurement value.
(5) The blood measurement data input unit is a hematocrit value input unit, and the blood pump device has a blood viscosity calculation function for calculating blood viscosity from the input hematocrit value. The blood pump device according to any one of the above.
(6) The blood measurement data input unit is a hematocrit value input unit, and the blood pump device has a blood viscosity calculation function for calculating blood viscosity from an input hematocrit value and a specific gravity calculation function for calculating specific gravity. The blood pump device according to any one of (1) to (3) above.
(7) The blood pump device includes a specific gravity input unit or a specific gravity calculation function, and a motor corrected value using the specific gravity input from the specific gravity input unit or calculated by the specific gravity calculation function. The blood pump device according to any one of the above (1) to (6), which has a function of correcting a motor current measurement value as a current measurement value.

(8) 前記血液ポンプ装置は、モータ特性による補正機能を備えており、前記モータ電流測定値を当該モータ特性補正機能により補正した値をモータ電流測定値とするモータ電流測定値補正機能を備えている上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(9) 前記血液ポンプ装置は、前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程と、前記モータ電流測定値より換算される軸トルクと、前記インペラ回転数とを用いて、前記ポンプのポンプ効率を演算するポンプ効率演算機能を備えている上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(10) 前記血液ポンプ装置は、前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程と、前記モータ電流測定値より換算される軸トルクと、前記インペラ回転数とを用いて、前記ポンプにおける全損失を演算するポンプ全損失演算機能を備えている上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(8) The blood pump device includes a correction function based on a motor characteristic, and includes a motor current measurement value correction function in which a value obtained by correcting the motor current measurement value by the motor characteristic correction function is used as a motor current measurement value. The blood pump device according to any one of (1) to (7) above.
(9) The blood pump device includes a calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function, a calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function, and a shaft torque converted from the motor current measurement value, The blood pump device according to any one of (1) to (8), wherein the blood pump device includes a pump efficiency calculation function that calculates the pump efficiency of the pump using the impeller rotational speed.
(10) The blood pump device includes a calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function, a calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function, and a shaft torque converted from the motor current measurement value, The blood pump device according to any one of (1) to (9), wherein the blood pump device includes a pump total loss calculation function that calculates a total loss in the pump using the impeller rotational speed.

また、上記目的を達成するものは、以下のものである。
(1) 請求項1ないし10のいずれかに記載の血液ポンプ装置の調整方法であって、対象者に血液ポンプ装置を装着した状態において、ポンプの流量を流量センサを用いて測定し、前記流量センサを用いて測定される吐出流量を教師データとし、該吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、ニューラルネットワークを用いて、記憶する入力層データと吐出流量との関係式を修正、および前記対象者に血液ポンプ装置を装着した状態において、ポンプの流入側および流出側の圧力を測定し、該測定された圧力値から算出されるポンプ揚程を教師データとし、該吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、ニューラルネットワークを用いて、記憶する入力層データとポンプ揚程との関係式を修正する関係式修正作業を行う血液ポンプ装置の調整方法。
Moreover, what achieves the said objective is as follows.
(1 1 ) The method for adjusting a blood pump device according to any one of claims 1 to 10 , wherein the flow rate of the pump is measured using a flow sensor in a state where the blood pump device is mounted on the subject, The discharge flow measured using the flow sensor is used as teacher data, and the blood viscosity value or hematocrit value, the motor current measurement value and the motor rotation value at the time of the discharge flow measurement are used as input data, and input is stored using a neural network. The relationship between the layer data and the discharge flow rate is corrected , and the pressure on the inflow side and the outflow side of the pump is measured in a state where the blood pump device is mounted on the subject, and the pump is calculated from the measured pressure value The head is used as teacher data, and the blood viscosity value or hematocrit value, motor current measurement value and motor speed at the time of measurement of the discharge flow rate are measured. Numerical as input data, using a neural network, a method of adjusting the blood pump device for performing a relational expression corrective action to correct the relationship between the input layer data and the pump head for storing.

(12) 前記ニューラルネットワークは、入力層、中間層、出力層の3層からなる3層フィードフォワード型ニューラルネットである上記(11)に記載の血液ポンプ装置の調整方法。   (12) The adjustment method of the blood pump device according to (11), wherein the neural network is a three-layer feedforward neural network including three layers of an input layer, an intermediate layer, and an output layer.

また、上記目的を達成するものは、以下のものである。
(13) 上記(1)ないし(10)のいずれかに記載の血液ポンプ装置の製造方法であって、該製造方法は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関する血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データと吐出流量との関係式を算出する関係式算出工程と、該関係式算出工程により得られた入力層データと吐出流量との関係式を前記吐出流量演算部に記憶させる記憶工程、およびあらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データとポンプ揚程との関係式を算出するポンプ揚程関連関係式算出工程と、該ポンプ揚程関連関係式算出工程により得られた入力層データとポンプ揚程との関係式を前記ポンプ揚程演算部に記憶させる記憶工程とを行う血液ポンプ装置の製造方法。
(14) 前記ニューラルネットワークは、入力層、中間層、出力層の3層からなる3層フィードフォワード型ニューラルネットである上記(13)に記載の血液ポンプ装置の製造方法。
Moreover, what achieves the said objective is as follows.
(13) The method for manufacturing a blood pump device according to any one of (1) to ( 10 ), wherein the manufacturing method includes blood viscosity values and motor current measurement values at a plurality of blood discharge flow rates measured in advance. A relational expression calculating step for calculating a relational expression between the input layer data and the discharge flow rate using a neural network, using the numerical value of the motor rotation as the input layer data, the blood discharge flow rate for each input layer data as the teacher data, and using a neural network; A storage step of storing the relational expression between the input layer data obtained in the relational expression calculating step and the discharge flow rate in the discharge flow rate calculation unit , and a blood viscosity value, a motor current measurement value, and a plurality of blood discharge flow rates measured in advance; The numerical value of the motor rotation is used as the input layer data, and the pump head related to each input layer data is used as the teacher data. A pump head related relational expression calculating step for calculating a relational expression between the input layer data and the pump head, and a relational expression between the input layer data and the pump head obtained by the pump head related relational expression calculating step. A method of manufacturing a blood pump device that performs a storing step of storing in a head calculation unit .
(14) The method for manufacturing a blood pump device according to (13), wherein the neural network is a three-layer feedforward neural network including three layers of an input layer, an intermediate layer, and an output layer.

この血液ポンプ装置によれば、流量計を用いることなく、血液流量(吐出流量)を容易かつ確実に算出できる。さらに、ニューラルネットワークを用いて算出された回転数、電流、粘度、流量の関係式を持つので、多項回帰式を用いた場合に比べて正確な吐出流量を演算により得ることができる。また、未経験のデータが入力されたときに正確な出力を計算する「汎化能力」があるとともに、正確な流量の予測が可能になる。   According to this blood pump device, the blood flow rate (discharge flow rate) can be calculated easily and reliably without using a flow meter. Furthermore, since there is a relational expression of rotation speed, current, viscosity, and flow rate calculated using a neural network, an accurate discharge flow rate can be obtained by calculation as compared with the case where a polynomial regression equation is used. In addition, there is a “generalization ability” that calculates an accurate output when inexperienced data is input, and an accurate flow rate can be predicted.

本発明の血液ポンプ装置および血液ポンプ装置の製造方法を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の血液ポンプ装置の実施例のブロック図である。図2は、本発明の血液ポンプ装置に使用される血液ポンプ装置本体部の一例の正面図である。図3は、図2に示した血液ポンプ装置本体部の平面図である。図4は、図2に示した実施例の血液ポンプ装置本体部の縦断面図である。図5は、図2のA−A線断面図である。
The blood pump device and the method for producing the blood pump device of the present invention will be described using examples.
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a blood pump device of the present invention. FIG. 2 is a front view of an example of a blood pump device main body used in the blood pump device of the present invention. FIG. 3 is a plan view of the blood pump device main body shown in FIG. FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the blood pump device main body of the embodiment shown in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

本発明の血液ポンプ装置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と、インペラ21を回転させるためのモータ34を備える血液ポンプ装置である。
本発明の血液ポンプ装置1は、血液測定データ入力部(言い換えれば、血液粘度関連測定データ入力部)57と、インペラ回転数測定または算出機能と、モータ電流値計測機能と、血液吐出流量を演算する吐出流量演算部58とを備えている。
吐出流量演算部58は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、各入力層データに関する血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データと吐出流量との関係式を記憶する吐出流量関連関係式記憶部60と、吐出流量関連関係式記憶部60が記憶する吐出流量関連関係式、血液測定データ入力部57に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、当該血液粘度値および当該モータ電流測定値ならびに当該インペラ回転数値における血液吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている。
The blood pump device 1 of the present invention includes a housing 20 having a blood inflow port 22 and a blood outflow port 23, an impeller 21 that rotates in the housing 20 and feeds blood, and a motor 34 for rotating the impeller 21. A blood pump device.
The blood pump device 1 of the present invention calculates a blood measurement data input unit (in other words, a blood viscosity related measurement data input unit) 57, an impeller rotational speed measurement or calculation function, a motor current value measurement function, and a blood discharge flow rate. And a discharge flow rate calculation unit 58.
The discharge flow rate calculation unit 58 uses, as input layer data, blood viscosity values, motor current measurement values, and motor rotation values at a large number of pre-measured blood discharge flow rates, and uses a blood discharge flow rate for each input layer data as teacher data. The discharge flow related relational expression storage unit 60 that stores the relational expression between the input layer data and the discharge flow rate calculated using the above, the discharge flow related relational expression stored in the discharge flow related relational expression storage unit 60, and the blood measurement data input unit The blood viscosity value input to 57 or the blood viscosity value calculated from the input hematocrit value, the impeller rotation value obtained from the impeller rotation speed measurement or calculation function, the motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or its Using the correction value, the blood viscosity value, the motor current measurement value, and the impeller And a discharge flow rate calculation function of calculating a blood discharge flow rate in the rotational speed value.

そして、吐出流量演算部58は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、前記各血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データと吐出流量との関係式(シグモイド関数を利用する)を記憶する関係式記憶部60と、この関係式、血液測定データ入力部57に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、当該血液粘度値および当該モータ電流測定値ならびに当該インペラ回転数値における血液吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている。
そして、図1ないし図5に示す実施例の血液ポンプ装置は、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、内部に磁性体25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を有する遠心式血液ポンプ部2と、遠心式血液ポンプ部2のインペラ21の磁性体25を吸引するための磁石33を備えるロータ31と、ロータ31を回転させるモータ34を備えるインペラ回転トルク発生部3と、電磁石41を備え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ものである。
なお、本発明の血液ポンプ装置は、上記のようなインペラが非接触状態にて回転するタイプのものに限定されるものではない。例えば、インペラがモータのシャフトに接合され、モータの回転によりインペラが回転するタイプのものに用いることができる。また、本発明の血液ポンプ装置は、上記のような遠心式血液ポンプ装置に限定されるものではなく、軸流式血液ポンプ装置、斜流式血液ポンプ装置であってもよい。
The discharge flow rate calculation unit 58 uses the blood viscosity value, the motor current measurement value, and the motor rotation value at a large number of pre-measured blood discharge flow rates as input data, and uses each blood discharge flow rate as teacher data, using a neural network. A relational expression storage unit 60 that stores a relational expression (using a sigmoid function) between the input layer data and the discharge flow rate calculated in this way, and the blood viscosity value input to the relational expression, blood measurement data input part 57 or The blood viscosity value calculated from the hematocrit value, the impeller rotation number obtained by the impeller rotation number measurement or calculation function, the motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or the correction value thereof, The blood discharge flow rate at the viscosity value, the motor current measurement value, and the impeller rotation value And a discharge flow rate calculation function to calculate.
1 to 5 includes a housing 20 having a blood inflow port 22 and a blood outflow port 23, and a magnetic body 25 therein, and rotates inside the housing 20, A centrifugal blood pump unit 2 having an impeller 21 for feeding blood by centrifugal force, a rotor 31 having a magnet 33 for attracting the magnetic body 25 of the impeller 21 of the centrifugal blood pump unit 2, and rotating the rotor 31 The impeller rotational torque generating unit 3 including the motor 34 and the impeller position control unit 4 including the electromagnet 41 are provided, and the impeller 21 rotates in a non-contact state with respect to the housing 20.
The blood pump device of the present invention is not limited to the type in which the impeller as described above rotates in a non-contact state. For example, it can be used for a type in which an impeller is joined to a shaft of a motor and the impeller rotates by rotation of the motor. The blood pump device of the present invention is not limited to the centrifugal blood pump device as described above, and may be an axial flow blood pump device or a diagonal flow blood pump device.

図2ないし図6に示すように、この実施例の血液ポンプ装置本体部5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。血液流出ポート23は、図3および図5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。
As shown in FIGS. 2 to 6, the blood pump device main body 5 of this embodiment includes a housing 20 having a blood inflow port 22 and a blood outflow port 23, and an impeller 21 that rotates in the housing 20 and feeds blood. A blood pump part 2 having an impeller rotational torque generating part (non-control type magnetic bearing constituent part) 3 for the impeller 21, and an impeller position control part (control type magnetic bearing constituent part) 4 for the impeller 21. Prepare.
As shown in FIG. 4, the impeller 21 is held at a predetermined position in the housing 20 by the action of the non-control type magnetic bearing component 3 and the control type magnetic bearing component 4 and normally does not contact the inner surface of the housing. Rotate.
The housing 20 includes a blood inflow port 22 and a blood outflow port 23, and is formed of a nonmagnetic material. A blood chamber 24 communicating with the blood inflow port 22 and the blood outflow port 23 is formed in the housing 20. An impeller 21 is accommodated in the housing 20. The blood inflow port 22 is provided so as to protrude substantially vertically from the vicinity of the center of the upper surface of the housing 20. As shown in FIGS. 3 and 5, the blood outflow port 23 is provided so as to protrude in a tangential direction from the side surface of the housing 20 formed in a substantially cylindrical shape.

図5に示すように、ハウジング20内に形成された血液室24内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ21が収納されている。インペラ21は、図4に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材(下部シュラウド)27と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材(上部シュラウド)28と、両者間に形成された複数(例えば、7つ)のベーン18を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン18で仕切られた複数(7つ)の血液通路26が形成されている。血液通路26は、図5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26間にベーン18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26およびそれぞれのベーン18は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
そして、図4に示すように、インペラ21には、複数(例えば、24個)の第一の磁性体25(永久磁石、従動マグネット)が埋設されている。この実施例では、第一の磁性体25は、下部シュラウド27内に埋設されている。埋設された磁性体25(永久磁石)は、後述する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、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。
As shown in FIG. 5, a disc-like impeller 21 having a through-hole at the center is housed in a blood chamber 24 formed in the housing 20. As shown in FIG. 4, the impeller 21 is formed between a donut plate-like member (lower shroud) 27 that forms a lower surface, and a donut plate-like member (upper shroud) 28 that opens at the center that forms an upper surface. A plurality of (for example, seven) vanes 18. A plurality (seven) blood passages 26 partitioned by the adjacent vanes 18 are formed between the lower shroud and the upper shroud. As shown in FIG. 5, the blood passage 26 communicates with the central opening of the impeller 21, starts from the central opening of the impeller 21, and extends so that the width gradually increases to the outer peripheral edge. In other words, the vane 18 is formed between the adjacent blood passages 26. In this embodiment, each blood passage 26 and each vane 18 are provided at equal angular intervals and in substantially the same shape.
As shown in FIG. 4, the impeller 21 has a plurality (for example, 24) of first magnetic bodies 25 (permanent magnets, driven magnets) embedded therein. In this embodiment, the first magnetic body 25 is embedded in the lower shroud 27. The embedded magnetic body 25 (permanent magnet) attracts the impeller 21 to the side opposite to the blood inflow port 22 by a permanent magnet 33 provided on the rotor 31 of the impeller rotational torque generating unit 3 to be described later, and the rotational torque is rotated by the impeller. It is provided for transmission from the torque generator.

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。磁性体25(永久磁石)の形状としては、円形であることが好ましい。あるいは、リング状のマグネットを多極(例えば、24極)に分極したもの、言い換えれば、複数の小さな磁石を磁極が交互となるように、かつ、リング状に並べたものでもよい。
また、インペラ21は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた第2の磁性体28を備える。この実施例では、上部シュラウドの全体が、磁性体28により形成されている。磁性体28は、後述するインペラ位置制御部の電磁石41によりインペラ21を血液流入ポート22側に吸引するために設けられている。磁性体28としては、磁性ステンレス等が使用される。
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。
Further, by embedding a certain number of magnetic bodies 25 as in this embodiment, sufficient magnetic coupling with the rotor 31 described later can be ensured. The shape of the magnetic body 25 (permanent magnet) is preferably circular. Alternatively, a ring-shaped magnet may be polarized into multiple poles (for example, 24 poles), in other words, a plurality of small magnets may be arranged in a ring shape with alternating magnetic poles.
Further, the impeller 21 includes a second magnetic body 28 provided in the upper shroud itself or in the upper shroud. In this embodiment, the entire upper shroud is formed of the magnetic body 28. The magnetic body 28 is provided for attracting the impeller 21 to the blood inflow port 22 side by an electromagnet 41 of an impeller position control unit described later. As the magnetic body 28, magnetic stainless steel or the like is used.
The impeller position control unit 4 and the impeller rotational torque generating unit 3 constitute a non-contact magnetic bearing, and the impeller 21 is pulled in an opposite direction so that the appropriate position in the housing 20 that does not contact the inner surface of the housing 20 is obtained. The housing 20 rotates in a non-contact state.

インペラ回転トルク発生部3は、図4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。
インペラ回転トルク発生部3としては、上述のロータおよびモータを備えるものに限られず、例えば、インペラ21の永久磁石25を吸引し、かつ回転駆動させるための複数のステーターコイルからなるものでもよい。
As shown in FIG. 4, the impeller rotational torque generating unit 3 includes a rotor 31 housed in the housing 20 and a motor 34 for rotating the rotor 31. The rotor 31 includes a plurality of permanent magnets 33 provided on the surface on the blood pump unit 2 side. The center of the rotor 31 is fixed to the rotating shaft of the motor 34. The permanent magnets 33 are provided in plural and at equal angles so as to correspond to the arrangement form (number and arrangement position) of the permanent magnets 25 of the impeller 21.
The impeller rotational torque generating unit 3 is not limited to the one provided with the above-described rotor and motor, and may be composed of, for example, a plurality of stator coils for attracting and rotating the permanent magnet 25 of the impeller 21.

インペラ位置制御部4は、図3および図4に示すように、インペラの磁性体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、これらの吸引力を位置センサ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(言い換えれば、コントローラ)6の制御部51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。
As shown in FIGS. 3 and 4, the impeller position control unit 4 includes a plurality of fixed electromagnets 41 for attracting the impeller magnetic body 28, and a position sensor for detecting the position of the impeller magnetic body 28. 42 is provided. Specifically, the impeller position control unit 4 includes a plurality of electromagnets 41 housed in the housing 20 and a plurality of position sensors 42. The plural (three) electromagnets 41 and the plural (three) position sensors 42 of the impeller position control unit are provided at equiangular intervals, and the electromagnet 41 and the position sensor 42 are also provided at equiangular intervals. ing. The electromagnet 41 includes an iron core and a coil. In this embodiment, three electromagnets 41 are provided. The number of electromagnets 41 may be three or more, for example, four. By providing three or more and adjusting these suction forces using the detection result of the position sensor 42, the forces in the rotation axis (z axis) direction of the impeller 21 are balanced and orthogonal to the rotation axis (z axis). The moment about the x and y axes can be controlled.
The position sensor 42 detects a gap interval between the electromagnet 41 and the magnetic body 28, and this detection output is a control unit of a control mechanism (in other words, a controller) 6 that controls the current or voltage applied to the coil of the electromagnet 41. 51. Even if a radial force due to gravity or the like acts on the impeller 21, the magnetic flux shearing force between the permanent magnet 25 of the impeller 21 and the permanent magnet 33 of the rotor 31 and the force between the electromagnet 41 and the magnetic body 28. Since the shearing force of the magnetic flux acts, the impeller 21 is held at the center of the housing 20.

制御機構6は、図1に示すように、磁気カップリング用のモータ34のためのパワーアンプ52およびモータ制御回路53、電磁石41のためのパワーアンプ54、センサ42のためのセンサ回路55、センサ出力をモニタリングするためのセンサ出力モニタリング部(図示せず)、制御部51、電源部56、血液測定データ入力部(具体的には、血液粘度値もしくはヘマトクリット値)57、吐出流量演算部58、表示部59を備える。制御部51は、モータ電流モニタリング機能およびインペラ回転数算出機能(モータ回転数算出機能)を備える。
血液測定データ入力部57としては、例えば、血液粘度測定値入力部である。好ましくは、図1に示すように、血液粘度測定値入力部と比重入力部を備えることが好ましい。この場合、血液粘度および比重は使用者より採血した血液より外部機器を用いて測定される。
また、血液測定データ入力部57としては、図1の括弧内に示すように、ヘマトクリット値入力部であってもよい。この場合、血液ポンプ装置は、入力されたヘマトクリット値より粘度を演算する粘度演算機能を備えているものとなる。つまり、吐出流量演算部58は、粘度演算機能を備えるものとなる。粘度演算方法は以下のとおりである。
v=a3Hct3+a2Hct2+a1Hct+a0
v[mPa・s]は粘度、Hct[%]はヘマトクリット値、a0〜a3=係数
さらに、血液ポンプ装置は、入力されたヘマトクリット値より比重を演算する比重演算機能を備えていることが好ましい。つまり、吐出流量演算部58は、比重演算機能を備えるものとなる。比重計算方法は、以下のとおりである。
ρ=b3Hct3+b2Hct2+b1Hct+b0
ρは比重、Hct[%]はヘマトクリット値、b0〜b3=係数
As shown in FIG. 1, the control mechanism 6 includes a power amplifier 52 and a motor control circuit 53 for the magnetic coupling motor 34, a power amplifier 54 for the electromagnet 41, a sensor circuit 55 for the sensor 42, and a sensor. Sensor output monitoring unit (not shown) for monitoring output, control unit 51, power supply unit 56, blood measurement data input unit (specifically, blood viscosity value or hematocrit value) 57, discharge flow rate calculation unit 58, A display unit 59 is provided. The control unit 51 includes a motor current monitoring function and an impeller rotation speed calculation function (motor rotation speed calculation function).
The blood measurement data input unit 57 is, for example, a blood viscosity measurement value input unit. Preferably, as shown in FIG. 1, it is preferable to provide a blood viscosity measurement value input unit and a specific gravity input unit. In this case, blood viscosity and specific gravity are measured by using an external device from blood collected from the user.
The blood measurement data input unit 57 may be a hematocrit value input unit as shown in parentheses in FIG. In this case, the blood pump device has a viscosity calculation function for calculating the viscosity from the input hematocrit value. That is, the discharge flow rate calculation unit 58 has a viscosity calculation function. The viscosity calculation method is as follows.
v = a3Hct3 + a2Hct2 + a1Hct + a0
v [mPa · s] is the viscosity, Hct [%] is the hematocrit value, a0 to a3 = coefficient Furthermore, the blood pump device preferably has a specific gravity calculation function for calculating the specific gravity from the input hematocrit value. That is, the discharge flow rate calculation unit 58 has a specific gravity calculation function. The specific gravity calculation method is as follows.
ρ = b3Hct3 + b2Hct2 + b1Hct + b0
ρ is specific gravity, Hct [%] is hematocrit value, b0 to b3 = coefficient

また、血液ポンプ装置1は、インペラ回転数測定機能(モータ回転数測定器)もしくはインペラ回転数算出機能(モータ回転数算出機能)を備えている。具体的には、制御装置6は、モータ回転数モニタリング機能を備えるものとなる。
また、モータ電流値の比重による補正は、下記式により行うことができる。
モータ電流補正値=モータ電流実測値/比重
また、血液ポンプ装置は、温度による補正機能を備えていることが好ましい。温度による補正は、測定されるモータ電流値を温度により補正することにより行うことができる。モータ電流値の温度による補正は、下記式により行うことができる。
Icomp=f(T,Imeas,a1,a2,..,an)
Icomp:温度補正後のモータ電流値
Imeas:測定されるモータ電流値
f:補正用の変換関数
T:コントローラ温度
a1,a2,..an:予め製品コントローラ毎に測定された補正用の係数
The blood pump device 1 also has an impeller rotation speed measurement function (motor rotation speed measuring device) or an impeller rotation speed calculation function (motor rotation speed calculation function). Specifically, the control device 6 has a motor rotation number monitoring function.
Further, the correction by the specific gravity of the motor current value can be performed by the following equation.
Motor current correction value = motor current actual measurement value / specific gravity It is preferable that the blood pump device has a temperature correction function. Correction by temperature can be performed by correcting the measured motor current value by temperature. The correction of the motor current value by temperature can be performed by the following equation.
Icomp = f (T, Imeas, a1, a2, .., an)
Icomp: Motor current value after temperature compensation
Imeas: Measured motor current value
f: Conversion function for correction
T: Controller temperature
a1, a2, .. an: Coefficient for correction measured in advance for each product controller

また、血液ポンプ装置は、モータ特性による補正機能を備えていることが好ましい。モータ電流値のモータ特性による補正は、下記式により行うことができる。
Is=gmotor(Ip,N,c1,c2,..,cn)
gmotor:モータ電流値の変換に使用する関数
Ip:測定されたモータ電流値
Is:モータ特性による補正後のモータ電流値
N:回転数
c1, c2,..,cn:予め製品コントローラ毎に測定された補正用の係数
この式のIpに測定されたモータ電流値を代入することで、モータ電流値の補正を行うことができる。
The blood pump device preferably has a correction function based on motor characteristics. The correction of the motor current value by the motor characteristics can be performed by the following equation.
Is = gmotor (Ip, N, c1, c2, .., cn)
gmotor: Function used to convert motor current value
Ip: Measured motor current value
Is: Motor current value after correction by motor characteristics
N: Number of rotations
c1, c2,.., cn: Correction coefficients measured in advance for each product controller By substituting the measured motor current value into Ip in this equation, the motor current value can be corrected.

また、ポンプ装置としては、図6に示すようなシステム構成のものであってもよい。この実施例の血液ポンプ装置100は、血液ポンプ装置本体部5とこれと電気的に接続された制御機構(言い換えれば、コントローラ)6からなる血液ポンプ装置本体と、吐出流量演算器7とに分離している。そして、コントローラ6と吐出流量演算器7とは、それぞれが備える通信機能8によりデータ通信可能となっている。具体的には、通信機能8は、制御機構側通信インターフェース88(コントローラ側通信インターフェース)と、吐出流量演算器側通信インターフェース89により構成されている。少なくとも、制御機構側通信インターフェース88(コントローラ側通信インターフェース)は、モータ電流値もしくはその関連信号およびモータ回転数値もしくはその関連信号を発信する機能を備えている。吐出流量演算器側通信インターフェース89は、制御機構側通信インターフェース88より発信されたモータ電流値もしくはその関連信号およびモータ回転数値もしくはその関連信号を受信する機能を備えている。なお、両者間の通信は、アナログ通信、デジタル通信のいずれでもよい。通信形式は、公知のものが使用できる。この実施例の血液ポンプ装置100と上述した血液ポンプ装置1との相違は、制御機構より吐出流量演算器が分離された点のみであり、その他の構成については上述した血液ポンプ装置1と同じである。   Further, the pump device may have a system configuration as shown in FIG. The blood pump device 100 of this embodiment is separated into a blood pump device main body comprising a blood pump device main body 5 and a control mechanism (in other words, a controller) 6 electrically connected thereto, and a discharge flow rate calculator 7. is doing. The controller 6 and the discharge flow rate calculator 7 are capable of data communication by the communication function 8 provided in each. Specifically, the communication function 8 includes a control mechanism side communication interface 88 (controller side communication interface) and a discharge flow rate calculator side communication interface 89. At least, the control mechanism side communication interface 88 (controller side communication interface) has a function of transmitting a motor current value or a related signal and a motor rotation value or a related signal. The discharge flow rate calculator side communication interface 89 has a function of receiving the motor current value or the related signal and the motor rotation value or the related signal transmitted from the control mechanism side communication interface 88. The communication between the two may be either analog communication or digital communication. A known communication format can be used. The difference between the blood pump device 100 of this embodiment and the blood pump device 1 described above is only that the discharge flow rate calculator is separated from the control mechanism, and the other configurations are the same as those of the blood pump device 1 described above. is there.

この実施例の血液ポンプ装置100における制御機構6は、図6に示すように、磁気カップリング用のモータ34のためのパワーアンプ52およびモータ制御回路53、電磁石41のためのパワーアンプ54、センサ42のためのセンサ回路55、センサ出力をモニタリングするためのセンサ出力モニタリング部(図示せず)、制御部51、電源部56、制御機構側通信インターフェース88を備えている。制御部51は、モータ電流モニタリング機能およびインペラ回転数算出機能(モータ回転数算出機能)を備えている。
吐出流量演算器7は、血液測定データ入力部57、吐出流量演算部58、表示部59、電源部62、吐出流量演算器側通信インターフェース89を備える。
血液測定データ入力部57としては、例えば、血液粘度測定値入力部である。好ましくは、図6に示すように、血液粘度測定値入力部と比重入力部を備えることが好ましい。この場合、血液粘度および比重は使用者より採血した血液より外部機器を用いて測定される。
また、血液測定データ入力部57としては、図6の括弧内に示すように、ヘマトクリット値入力部であってもよい。この場合、血液ポンプ装置は、入力されたヘマトクリット値より粘度を演算する粘度演算機能を備えているものとなる。つまり、吐出流量演算部58は、粘度演算機能を備えるものとなる。吐出流量演算部における吐出流量の演算は、上述したいずれの実施例のものであってもよい。
As shown in FIG. 6, the control mechanism 6 in the blood pump device 100 of this embodiment includes a power amplifier 52 and a motor control circuit 53 for the magnetic coupling motor 34, a power amplifier 54 for the electromagnet 41, and a sensor. 42, a sensor output monitoring unit (not shown) for monitoring the sensor output, a control unit 51, a power supply unit 56, and a control mechanism side communication interface 88. The controller 51 has a motor current monitoring function and an impeller rotation speed calculation function (motor rotation speed calculation function).
The discharge flow rate calculator 7 includes a blood measurement data input unit 57, a discharge flow rate calculation unit 58, a display unit 59, a power supply unit 62, and a discharge flow rate calculator side communication interface 89.
The blood measurement data input unit 57 is, for example, a blood viscosity measurement value input unit. Preferably, as shown in FIG. 6, a blood viscosity measurement value input unit and a specific gravity input unit are preferably provided. In this case, blood viscosity and specific gravity are measured by using an external device from blood collected from the user.
The blood measurement data input unit 57 may be a hematocrit value input unit as shown in parentheses in FIG. In this case, the blood pump device has a viscosity calculation function for calculating the viscosity from the input hematocrit value. That is, the discharge flow rate calculation unit 58 has a viscosity calculation function. The calculation of the discharge flow rate in the discharge flow rate calculation unit may be in any of the above-described embodiments.

次に、本発明の血液ポンプ装置の製造方法および本発明の血液ポンプ装置の流量演算部に記憶される、ニューラルネットワークを用いて算出された、血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値からなる入力層データと吐出流量との関係式(シグモイド関数を利用する)について説明する。
本発明の血液ポンプ装置の製造方法は、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、前記ハウジング内で回転し血液を送液するインペラと、該インペラを回転させるためのモータと、血液測定データ入力部と、インペラ回転数測定または算出機能と、モータ電流値計測機能と、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて血液吐出流量を演算する吐出流量演算部とを備える血液ポンプ装置の製造方法である。
そして、製造方法は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、前記各血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データと吐出流量との関係式を算出する吐出流量関連関係式算出工程と、該関係式算出工程により得られた入力層データと吐出流量との吐出流量関連関係式を前記吐出流量演算部に記憶させる記憶工程とを行うものである。
Next, the blood viscosity value or hematocrit value, the motor current measurement value, and the motor, which are calculated using the neural network, stored in the blood pump device manufacturing method of the present invention and the flow rate calculation unit of the blood pump device of the present invention. A relational expression (using a sigmoid function) between the input layer data composed of rotational values and the discharge flow rate will be described.
A method of manufacturing a blood pump device according to the present invention includes a housing having a blood inflow port and a blood outflow port, an impeller that rotates in the housing and feeds blood, a motor for rotating the impeller, and blood measurement data An input unit, an impeller rotation speed measurement or calculation function, a motor current value measurement function, a blood viscosity value input from the blood measurement data input unit or a blood viscosity value calculated from an input hematocrit value, the impeller rotation A blood pump device comprising a discharge flow rate calculation unit that calculates a blood discharge flow rate using an impeller rotation value obtained from a number measurement or calculation function, a motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function, or a correction value thereof It is a manufacturing method.
The manufacturing method uses a neural network using a blood viscosity value or a hematocrit value, a motor current measurement value, and a motor rotation value as input data, and each blood discharge flow rate as teacher data, in a large number of blood discharge flow rates measured in advance. The discharge flow related relational expression calculating step for calculating the relational expression between the input layer data and the discharge flow rate, and the discharge flow related relational expression between the input layer data and the discharge flow rate obtained by the relational expression calculating step is the discharge flow rate. And a storage step of storing in the calculation unit.

入力層データと吐出流量との関係式の算出は以下のように行うことができる。
ニューラルネットは、生体のニューロンを模擬した複数の人工素子を用いて構成される。ここで、ニューラルネットに使われる人工素子は、生体のニューロンを厳密に模倣したものではなく、その特定の機能を抽出し、単純化した工学モデルである。人工素子としては、決定的アナログモデルを使用する。これは、出力yを0≦y≦1の範囲のアナログ値として、この出力を入力から決定的に決めるモデルである。まず、他の素子、あるいは外部から与えられる信号がモデルへ入力される。これらの値を{x1, x2, x3, … xN}と記す。これに重み{w1, w2, w3, … wN}を掛け、加え合わせて、細胞内電位に相当する量sを得る。重みはシナプス結線重みに該当する。細胞内電位sから出力yを求める際に、シグモイド関数を用いて連続的な出力を得る。シグモイド関数は以下の式により表される。

Figure 0004787526


シグモイド関数のゲインαを大きくすると、シグモイド関数はステップ関数に近づき、出力yは{0,1}の値しかとらなくなる。αは、学習をする前に設定しておくパラメータである。急峻な変化をする関数を近似する場合はαを大きくする。流量予測の場合はαの値は小さくして構わない。 Calculation of the relational expression between the input layer data and the discharge flow rate can be performed as follows.
The neural network is configured by using a plurality of artificial elements that simulate biological neurons. Here, the artificial element used in the neural network is not an exact model of a biological neuron, but a simplified engineering model that extracts a specific function. A deterministic analog model is used as the artificial element. This is a model in which the output y is determined as an analog value in the range of 0 ≦ y ≦ 1, and this output is deterministically determined from the input. First, another element or an externally applied signal is input to the model. These values are written as {x 1 , x 2 , x 3 ,… x N }. This is multiplied by weights {w 1 , w 2 , w 3 ,... W N } and added to obtain an amount s corresponding to the intracellular potential. The weight corresponds to the synaptic connection weight. When obtaining the output y from the intracellular potential s, a continuous output is obtained using a sigmoid function. The sigmoid function is expressed by the following equation.

Figure 0004787526


When the gain α of the sigmoid function is increased, the sigmoid function approaches a step function, and the output y takes only a value of {0, 1}. α is a parameter set before learning. When approximating a function that changes sharply, α is increased. In the case of flow rate prediction, the value of α may be small.

図7に、シグモイド関数がゲインαに依存して変化する様子を示す。決定的アナログモデルはゲインを十分大きくした極限モデルにおいて2値モデルとなる。決定的アナログモデルを図8に示す。このモデルの出力計算手続きは次式により表される。

Figure 0004787526


ここでθは、細胞内電圧の閾値である。 FIG. 7 shows how the sigmoid function changes depending on the gain α. The definitive analog model is a binary model in an extreme model with a sufficiently large gain. A definitive analog model is shown in FIG. The output calculation procedure of this model is expressed by the following equation.
Figure 0004787526


Here, θ is a threshold value of the intracellular voltage.

本発明の吐出流量演算部58は、フィードフォワード型ニューラルネットにより構成される。これは、上述した素子を図9に示すように接続し、信号が入力側から出力側に向けて1方向に流れていくように構成したニューラルネットである。
本発明で使用するニューラルネットは、入力層、中間層、出力層の3層からなるフィードフォワード型ニューラルネットである。中間層は1層であることが望ましいが、2層以上でも構わない。入力層は3つの素子からなり、それぞれ、血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値とモータ回転数値が入力される。中間層は複数の素子からなり、入力層および出力層の各素子と結合している。吐出流量の演算精度を高めるためには中間層の素子数を増やす必要があるが、素子数を増やし過ぎると計算が複雑になるため、素子数は3から10個が望ましい。
The discharge flow rate calculation unit 58 of the present invention is configured by a feedforward type neural network. This is a neural network in which the above-described elements are connected as shown in FIG. 9 so that signals flow in one direction from the input side to the output side.
The neural network used in the present invention is a feedforward neural network composed of three layers: an input layer, an intermediate layer, and an output layer. The intermediate layer is preferably one layer, but may be two or more layers. The input layer is composed of three elements, and a blood viscosity value or a hematocrit value, a motor current measurement value, and a motor rotation value are input respectively. The intermediate layer is composed of a plurality of elements and is coupled to each element of the input layer and the output layer. In order to improve the calculation accuracy of the discharge flow rate, it is necessary to increase the number of elements in the intermediate layer. However, since the calculation becomes complicated if the number of elements is increased too much, the number of elements is preferably 3 to 10.

なお、吐出流量演算に3層フィードフォワード型ニューラルネットを用いることにより、流量計を用いることなく、血液流量(吐出流量)を容易かつ確実に算出でき、さらに、高次演算式を用いる場合に比べて早く演算することができる。
本発明で使用するフィードフォワード型ニューラルネットの一例を図10に示す。中間層のj番目の中間層素子は、入力xiに結線の重みwij (1)をかけてi=0,1,2,…、Nについて総和し、まず、細胞内電位(重み付け総和)

Figure 0004787526

を得る。これを重み付け総和と呼ぶ。次に、sj (1)をシグモイド関数に通して、素子の出力
Figure 0004787526


を得る。中間層素子がj=1,2,…、KのK個あるとき、これらの全てについて上述の手続きにより出力を求める。
こうして中間層素子の出力を求めた後、出力層素子は、中間層素子の出力yj (1)、出力層素子の出力をyj (2)とすると、これはyj (1)(j=0,1,2,…、K)をその入力として受け取り、これに結線の「重み」wij (2)をかけて総和し、まず、重み付け総和

Figure 0004787526

を得る。具体的には、今の場合は、j=1である。
続いて、sj (2)をシグモイド関数に通して、素子の出力

Figure 0004787526


を得る。ここで、yj (2)は吐出流量(血液流量)である。具体的には、今の場合は、j=1である。 By using a three-layer feedforward neural network for the discharge flow rate calculation, the blood flow rate (discharge flow rate) can be calculated easily and reliably without using a flow meter, and moreover compared to the case of using a higher-order calculation formula. Can be calculated quickly.
An example of a feedforward type neural network used in the present invention is shown in FIG. The j-th intermediate layer element of the intermediate layer applies the connection weight w ij (1) to the input x i and sums up for i = 0, 1, 2,..., N. First, the intracellular potential (weighted sum)

Figure 0004787526

Get. This is called a weighted sum. Next, let s j (1) pass through the sigmoid function and output the element
Figure 0004787526


Get. When there are K intermediate layer elements j = 1, 2,..., K, the output is obtained by the above procedure for all of them.
After obtaining the output of the intermediate layer element in this way, if the output layer element is output y j (1) of the intermediate layer element and y j (2) is the output of the output layer element, this is y j (1) (j = 0,1,2, ..., K) is received as its input, and this is multiplied by the "weight" w ij (2) of the connection and summed. First, the weighted sum

Figure 0004787526

Get. Specifically, in this case, j = 1.
Subsequently, s j (2) is passed through the sigmoid function to output the element

Figure 0004787526


Get. Here, y j (2) is the discharge flow rate (blood flow rate). Specifically, in this case, j = 1.

次に、吐出流量演算部に実装されている人工ニューラルネットの結線の重みwについて、その値の決定方法について説明する。wの決定には、逐次更新学習法を用いる。本発明では、逐次更新学習法の一つである誤差逆伝搬法を用いて、訓練データが与えられる都度、結線重みを微小調整する。実現したい入出力関係の訓練データが複数の入出力対として与えられる。本発明では、訓練データは、入力として用いるモータ回転数値、モータ電流測定値、血液粘度値(もしくはヘマトクリット値)の3入力と、これらの入力に対応する吐出流量(血液流量)である。
この吐出流量は、学習の教師信号として与えられる。今、訓練データがL個あり、そのm番目は、入力(x1 (m), x2 (m), x2 (m))に対して、出力y(m)を要求するものとする。この方法では、学習を行う前に、モータ回転数、モータ電流、血液粘度(もしくはヘマトクリット値)、吐出流量(血液流量)に関して、予め校正データを取っておく必要がある。
Next, a method for determining the value of the connection weight w of the artificial neural network mounted in the discharge flow rate calculation unit will be described. A sequential update learning method is used to determine w. In the present invention, the connection weight is finely adjusted every time training data is given, using an error back-propagation method that is one of successive update learning methods. Training data related to input / output to be realized is given as a plurality of input / output pairs. In the present invention, the training data includes three inputs of a motor rotation value, a motor current measurement value, and a blood viscosity value (or hematocrit value) used as inputs, and a discharge flow rate (blood flow rate) corresponding to these inputs.
This discharge flow rate is given as a learning teacher signal. Now, assume that there are L pieces of training data, and the m-th of them requires an output y (m) for an input (x 1 (m) , x 2 (m) , x 2 (m) ). In this method, it is necessary to obtain calibration data in advance with respect to the motor rotation speed, motor current, blood viscosity (or hematocrit value), and discharge flow rate (blood flow rate) before learning.

例えば、あらかじめ,1,2,3,4,5[mPa・s]の各粘度における回転数:1200,1400,1600,1800,2000,2200,2400,2600[rpm]の各々について,流量1,2,3,4,5,6,7,8,9[L/min]での、モータ電流値を実験によって求める。このとき、粘度が5通り、回転数が8通り、流量が9通りあるので、校正データ点数は5×8×9=360点である。ここでは、回転数を200rpm間隔、流量を1L/min間隔として校正データを取得しているが、吐出流量の精度を上げることを考慮すれば、測定間隔はできる限り細かくすることが望ましい。しかしながら、校正データ量(測定点数)が多くなると、校正にかなりの時間を要するので、測定の間隔は上記の条件が妥当である。なお、モータ電流測定値は、血液の比重で正規化することが望ましい。なお、学習に用いる校正データは、全て規格化(無次元化)するのが望ましい。例えば、回転数は最大回転数の2600rpmで割っておく。教師信号として用いる流量も最大流量9L/minで割っておく。これにより、全ての校正データは、0〜1の範囲の値をとるものとなる。
図11に、誤差逆搬法の学習手続(学習ルーチン)を示す。図11の内側の繰り返しループは、訓練データに関するループであって、毎度訓練データを選択しては(以下のStep1)、その訓練データに対する誤差評価尺度を小さくするようにパラメータを修正する(以下のStep2,3)。さらに外側のループを全訓練データの誤差評価尺度が十分小さくなるまで繰り返す。
For example, the number of revolutions at each viscosity of 1, 2, 3, 4, 5 [mPa · s]: 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600 [rpm] The motor current value at 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 [L / min] is obtained by experiment. At this time, there are 5 ways of viscosity, 8 ways of rotation, and 9 ways of flow rate, so the number of calibration data is 5 × 8 × 9 = 360 points. Here, the calibration data is acquired with a rotation speed of 200 rpm intervals and a flow rate of 1 L / min, but it is desirable to make the measurement interval as fine as possible in consideration of increasing the accuracy of the discharge flow rate. However, if the amount of calibration data (the number of measurement points) increases, the calibration requires a considerable amount of time, so the above conditions are appropriate for the measurement interval. It is desirable that the motor current measurement value be normalized with the specific gravity of blood. Note that it is desirable to standardize (non-dimensionalize) all the calibration data used for learning. For example, the rotation speed is divided by the maximum rotation speed of 2600 rpm. The flow rate used as the teacher signal is also divided by the maximum flow rate of 9 L / min. Thereby, all the calibration data take values in the range of 0 to 1.
FIG. 11 shows a learning procedure (learning routine) of the error reverse carrying method. The iterative loop inside FIG. 11 is a loop for training data. When training data is selected each time (Step 1 below), parameters are modified so as to reduce the error evaluation scale for the training data (see below). Step 2, 3). The outer loop is repeated until the error rating scale of all training data is sufficiently small.

以下、誤差逆伝搬法について詳細に説明する。
<Step1> 訓練データの選択
図11の内側のループの中で、最初の手続きとして、m番目の訓練データを選択し、このデータに対して、以下の2つのステップを実行する。そのm番目の入力を、(x1 (m), x2 (m), x2 (m))と表記するが、2つのステップの実行中は訓練データを固定するため、右肩の添え字(m)は必要ないため省略する。その代わり、変数の右肩の添え字(m)を層の識別に用いる。すなわち、変数右肩の添え字(1)は第1層(中間層)の変数であること、添え字(2)は第2層(出力層)の変数であることを示す。入力層は第0層とする。
Hereinafter, the error back propagation method will be described in detail.
<Step 1> Selection of training data The m-th training data is selected as the first procedure in the inner loop of FIG. 11, and the following two steps are executed on this data. The m-th input is represented as (x 1 (m) , x 2 (m) , x 2 (m) ), but the right-hand subscript is used to fix the training data during the two steps. Since (m) is not necessary, it is omitted. Instead, the variable's right shoulder index (m) is used to identify the layer. That is, the subscript (1) on the right side of the variable indicates that the variable is for the first layer (intermediate layer), and the subscript (2) indicates that the variable is for the second layer (output layer). The input layer is the 0th layer.

<Step2> 出力の計算
図12に、入力層、中間層、出力層の3層からなるフィードフォワード型ニューラルネットを示す。入力層は、黒ドットで示されるノード(信号の中継点)からなる。中間層、出力層は、白丸で示される素子(ニューロンの工学モデル)からなる。誤差逆伝搬法では、素子として決定的アナログモデルを用いる。
ここで、この素子の動作を図14に示す。素子の入力をx0,x,…,xN,出力をy,結合の重みをw0,w,…,w N,重み付け総和(細胞内電圧)をsとすると、素子の動作は以下のように定式化できる。

Figure 0004787526


なお、ネットワーク中の結線の重み全てに、初期値として、乱数などで発生した無作為な値を割り当てておく。ただし、初期値は全て0としてはならない。 <Step 2> Output Calculation FIG. 12 shows a feedforward type neural network composed of three layers: an input layer, an intermediate layer, and an output layer. The input layer consists of nodes (signal relay points) indicated by black dots. The intermediate layer and the output layer are composed of elements (neuron engineering models) indicated by white circles. In the back propagation method, a deterministic analog model is used as an element.
Here, the operation of this element is shown in FIG. If the input of the element is x 0 , x 1 ,..., X N , the output is y, the coupling weight is w 0 , w 1 ,..., W N , and the weighted sum (intracellular voltage) is s, the operation of the element is It can be formulated as follows.

Figure 0004787526


Note that random values generated by random numbers or the like are assigned as initial values to all the connection weights in the network. However, the initial value must not be all zero.

入力ノードに入力を与えた後、j番目の中間層素子は、入力xi(=yi (0))に結線の重みwij (1)をかけて、i=1,2,3について総和し、まず、重み付け総和

Figure 0004787526

を得る。続いて、sj (1)をシグモイド関数に通して、素子の出力

Figure 0004787526

を得る。中間層素子がj=1,2,…,Nの N個あるとき、これらの全てについて上述の手続きにより中間層素子の出力を求める。出力層素子の出力y1 (2)は、中間層素子の出力yj (1)(j=1,2,…,N)をその入力として受け取り、結線の「重み」wj1 (2)をかけて、重み付け総和

Figure 0004787526


を得る。続いて、s (2)をシグモイド関数に通して、素子の出力

Figure 0004787526

を得る。これがネットワークの出力b1 (=y (2))となる。式(14)は出力層素子の出力、すなわち血液吐出流量(無次元)である。式(14)はシグモイド関数であるため、出力値は0〜1である。したがって、式(14)の値にスケールファクター(換算係数)をかけたものが実際の血液吐出流量となる。スケールファクターをa[L/min]とすると,ポンプ流量Qは以下の式で表される。

Figure 0004787526
After applying the input to the input node, the j-th intermediate layer element adds the connection weight w ij (1) to the input x i (= y i (0) ) and sums up for i = 1, 2, 3 First, the weighted sum

Figure 0004787526

Get. Next, s j (1) is passed through the sigmoid function and the output of the element

Figure 0004787526

Get. When there are N intermediate layer elements j = 1, 2,..., N, the output of the intermediate layer element is obtained for all of them by the above procedure. The output y 1 (2) of the output layer element receives the output y j (1) (j = 1, 2,..., N) of the intermediate layer element as its input, and receives the “weight” w j1 (2) of the connection. Multiply weighted sum

Figure 0004787526


Get. Subsequently, s 1 (2) is passed through the sigmoid function to output the element

Figure 0004787526

Get. This is the output b 1 (= y 1 (2) ) of the network. Expression (14) is the output of the output layer element, that is, the blood discharge flow rate (dimensionless). Since Expression (14) is a sigmoid function, the output value is 0 to 1. Therefore, the actual blood discharge flow rate is obtained by multiplying the value of the equation (14) by the scale factor (conversion coefficient). When the scale factor is a [L / min], the pump flow rate Q is expressed by the following equation.

Figure 0004787526

この実施例では、教師信号を最大流量9L/minで割って規格化しているので、スケールファクターはa=9 L/min である。また、この実施例では、出力層素子は非線形素子(シグモイド関数)であるが、線形素子であっても構わない。このとき、式(14)は、

Figure 0004787526

となる。ここで、bは定数である。出力層素子に線形素子を選ぶ場合は、教師信号の規格化とスケールファクターの乗算は必要ない。 In this embodiment, since the teacher signal is normalized by dividing it by the maximum flow rate of 9 L / min, the scale factor is a = 9 L / min. In this embodiment, the output layer element is a nonlinear element (sigmoid function), but may be a linear element. At this time, the equation (14) becomes

Figure 0004787526

It becomes. Here, b is a constant. When a linear element is selected as the output layer element, normalization of the teacher signal and multiplication of the scale factor are not necessary.

ここで、このネットワークの出力を学習の目標出力と比較する。目標出力をtとすると,誤差評価尺度Eは、

Figure 0004787526


と表される。勾配法の原理により、この評価関数を小さくするように、ネットワーク内部の重みを修正する。 Here, the output of this network is compared with the target output of learning. When the target output and t 1, the error evaluation measure E is,

Figure 0004787526


It is expressed. Based on the principle of the gradient method, the weight inside the network is corrected so as to reduce this evaluation function.

<Step3> 結合重みの修正
ここでは、説明を簡単にするために結合の重みwのみを修正する場合について説明するが、wに加えて細胞内電圧の閾値θを修正しても構わない。wとθを修正することにより、より望ましい関数近似結果が得られる場合がある。
結合の重みの修正手続きを次に示す。まず、結線の重みの修正時(誤差逆伝搬モード)のネットワークの流れを、図13に示す。ノード数、素子数、素子間の結線構造、及び結線の重みは、出力計算時(出力計算モード)に用いた図12と同じであるが、素子の機能と信号の流れる向きが異なる。
<Step 3> Correction of Binding Weight In this example, a case where only the binding weight w is corrected will be described for the sake of simplicity. However, the threshold value θ of the intracellular voltage may be corrected in addition to w. A more desirable function approximation result may be obtained by correcting w and θ.
The procedure for correcting the connection weight is as follows. First, FIG. 13 shows a network flow when the connection weight is corrected (error back propagation mode). The number of nodes, the number of elements, the connection structure between elements, and the weight of the connection are the same as those in FIG. 12 used during output calculation (output calculation mode), but the function of the elements and the direction of signal flow are different.

誤差逆伝搬モードにおける素子機能を図15に示す。素子内部にはメモリがあり、Step2で自分の出力y(=yj (m) 、以下、添え字を省略しyで略記する)を保持しておく。素子の右側から与えられる入力z,z,…,zNに、素子の右側の結線の重みw,w,…,w Nを掛け、重み付け総和


Figure 0004787526


を求めたあと、メモリに保持されているyを用いてα(1-y)yを計算し、これにuを掛け、


Figure 0004787526


を出力する。出力層に関しては、uの値は、

Figure 0004787526


とする。zは左側の層の素子への入力となる。ここで,α(1-y)yは,

Figure 0004787526


なる関係で、シグモイド関数の微分が求まることから出てきたものである。以上のように動作する素子を図13のように接続する。図13の結線構造と結線の重みは図12と全く同様である。図13の右から、Step2で求めたネットワークの出力bと目標出力tとの誤差b−tを加える。この入力に基づき、各層で図15に示した素子機能が働き、素子出力z j (m) が次々と定まる。こうして、誤差逆伝搬モードで各層の素子出力z j (m) を求めた後、これと出力計算モード(Step2)で求めた各層の素子出力yi (m) を用いて、次式により結線の重みを修正する。

Figure 0004787526


wij (m+1)は、第m層の第i素子と第(m+1)層の第j素子を結ぶ結線の重みである。以上の方法により、結線の重みwij (m+1)を修正する。学習は、図11に図示した学習手順の外側のループを全訓練データの誤差評価尺度(式15)が十分小さくなるまで繰り返す。
このようにして、人工ニューラルネットの各素子間の結線の重みwij (m+1)が、上記の学習方法により最終的に決定される。これにより、入力層データと吐出流量との関係式を算出する関係式算出工程が終了する。 FIG. 15 shows element functions in the error back propagation mode. There is a memory inside the element, and its output y (= y j (m) , hereinafter, the subscript is omitted and abbreviated as y) is held in Step 2. Input z 1, z 2 given from the right side of the device, ..., the z N, the weight of the right connection of the elements w 1, w 2, ..., multiplied by w N, weighted sum


Figure 0004787526


After calculating α (1-y) y using y held in the memory, multiply this by u,


Figure 0004787526


Is output. For the output layer, the value of u is

Figure 0004787526


And z is the input to the left layer element. Where α (1-y) y is

Figure 0004787526


This is because the derivative of the sigmoid function is obtained. The elements operating as described above are connected as shown in FIG. The connection structure and connection weight in FIG. 13 are exactly the same as in FIG. From the right side of FIG. 13, an error b 1 −t 1 between the network output b 1 and the target output t 1 obtained in Step 2 is added. Based on this input, the element function shown in FIG. 15 works in each layer, and the element output z j (m) is determined one after another. Thus, after obtaining the element output z j (m) of each layer in the error back propagation mode, using this and the element output y i (m) of each layer obtained in the output calculation mode (Step 2), Correct the weight.

Figure 0004787526


w ij (m + 1) is a weight of a connection line connecting the i-th element in the m-th layer and the j-th element in the (m + 1) -th layer. The connection weight w ij (m + 1) is corrected by the above method. In the learning, the loop outside the learning procedure shown in FIG. 11 is repeated until the error evaluation scale (Equation 15) of all training data becomes sufficiently small.
In this way, the connection weight w ij (m + 1) between the elements of the artificial neural network is finally determined by the learning method described above. Thereby, the relational expression calculating step for calculating the relational expression between the input layer data and the discharge flow rate is completed.

そして、上記のように決定された結線の重み項を含む下記式11ならびに吐出流量を最終的に算出するための他の式12〜14−a(または、14−b)からなる関係式が、関係式記憶部60に記憶される。言い換えれば、本発明の血液ポンプ装置1では、関係式記憶部60には、式(11)〜式(14-a)もしくは式(11)〜式(14-b)が記憶されている。
そして、血液ポンプ装置1の演算部48は、実際に与えられる血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値と、上記の関係式(11)〜(14-a)または(14-b)を用いて、吐出流量を演算する機能を備えている。
And the relational expression consisting of the following expression 11 including the weight term of the connection determined as described above and other expressions 12 to 14-a (or 14-b) for finally calculating the discharge flow rate, It is stored in the relational expression storage unit 60. In other words, in the blood pump device 1 of the present invention, the relational expression storage unit 60 stores Expressions (11) to (14-a) or Expressions (11) to (14-b).
Then, the calculation unit 48 of the blood pump device 1 uses the blood viscosity value calculated from the blood measurement data input unit that is actually given or the blood viscosity value calculated from the input hematocrit value, the impeller rotational speed measurement or calculation function. Using the obtained impeller rotation value, motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or its correction value, and the above relational expressions (11) to (14-a) or (14-b), the discharge flow rate is determined. It has a function to calculate.

具体的には、実際に与えられる血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値を用いて下記式(11)より、中間層素子の重み付け総和sj (1)を算出する。


Figure 0004787526

Specifically, the blood viscosity value input from the blood measurement data input section that is actually given or the blood viscosity value calculated from the input hematocrit value, the impeller rotation value obtained from the impeller rotation number measurement or calculation function, the motor The weighted sum s j (1) of the intermediate layer element is calculated from the following equation (11) using the motor current measurement value obtained by the current value measurement function or its correction value.


Figure 0004787526

続いて、このsj (1)を下記式12のシグモイド関数を用いて、中間層素子の出力yj (1)を求める。


Figure 0004787526


そして、下記式13を用いて、出力層素子の重み付け総和s1 (2)を求める。

Figure 0004787526

Subsequently, the output y j (1) of the intermediate layer element is obtained by using this s j (1) using the sigmoid function of Expression 12 below.


Figure 0004787526


Then, the weighted sum s 1 (2) of the output layer element is obtained using the following equation (13 ) .

Figure 0004787526

そして、出力層素子が非線形の場合には、下記式14−aを用いて、ポンプ流量Qを算出する。

Figure 0004787526


なお、出力層素子が線形素子の場合には、上記式(14−a)ではなく、下記式14−bを用いて、ポンプ流量Qを算出する。

Figure 0004787526


ここで、bは定数である。
よって、この血液ポンプ装置は、血液粘度値もしくはヘマトクリット値と、モータ電流測定値とモータ回転数値を入力とし、3層フィードフォワード型人工ニューラルネットを用いて得た関係式より、吐出流量(血液流量)を算出して出力する機能を備えている。 When the output layer element is nonlinear, the pump flow rate Q is calculated using the following equation 14-a.

Figure 0004787526


When the output layer element is a linear element, the pump flow rate Q is calculated using the following expression 14-b instead of the above expression (14-a).

Figure 0004787526


Here, b is a constant.
Therefore, this blood pump device inputs the blood viscosity value or hematocrit value, the motor current measurement value, and the motor rotation value as input, and from the relational expression obtained using the three-layer feedforward artificial neural network, the discharge flow rate (blood flow rate) ) Is calculated and output.

次に、本発明の血液ポンプ装置の調整方法について説明する。
本発明の血液ポンプ装置の調整方法は、上述した血液ポンプ装置の調整方法であって、対象者に血液ポンプ装置を装着した状態において、ポンプの流量を流量センサを用いて測定し、前記流量センサを用いて測定される吐出流量を教師データとし、吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、ニューラルネットワークを用いて、記憶する入力層データと吐出流量との関係式を修正する関係式修正作業を行うものである。
これは、患者に血液ポンプを適用した直後に、吐出流量算出精度を上げるために、記憶する入力層データと吐出流量との関係式を修正する関係式をカスタマイズするものである。具体的には、結合重みw(場合によっては、閾値θも合わせて)を変更するものである。
Next, a method for adjusting the blood pump device of the present invention will be described.
The blood pump device adjustment method of the present invention is the blood pump device adjustment method described above, wherein the flow rate of the pump is measured using a flow sensor in a state where the blood pump device is mounted on the subject, and the flow sensor The discharge flow rate measured by using the teacher data, blood viscosity value or hematocrit value at the time of discharge flow measurement, motor current measurement value and motor rotation value as input data, using neural network, The relational expression correction work for correcting the relational expression with the discharge flow rate is performed.
This customizes the relational expression for correcting the relational expression between the input layer data to be stored and the discharge flow rate in order to increase the discharge flow rate calculation accuracy immediately after the blood pump is applied to the patient. Specifically, the combination weight w (in some cases, the threshold θ is also changed) is changed.

血液ポンプ装置の記憶部60には、いわゆるオフライン学習により得られた人工ニューラルネットにより得られた上述の関係式を記憶している。そして、患者に血液ポンプを適用した直後に、いわゆるオンライン学習を行う。
具体的には、血液ポンプの流出口付近に流量センサを取付け、吐出流量を測定し、これを教師データとする。また、この吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、記憶している関係式を用いて、吐出流量演算値を算出する。
そして、上述したものと同様に、上記の教師データと演算値を用いて、誤差逆伝搬法(バックプロパゲーション)を行う。この際、血液ポンプ装置は、ニューラルネットワーク算出プログラムを格納した別のコンピュータに接続されており、上記の教師データである吐出流量値、吐出流量演算値、およびこの吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値は、このコンピュータに入力される。そして、このコンピュータは、接続された血液ポンプ装置に記憶されている入力層データと吐出流量との関係式より、下記結合重みwに関する式21を導く。

Figure 0004787526

The storage unit 60 of the blood pump device stores the above-described relational expression obtained by an artificial neural network obtained by so-called offline learning. Then, immediately after applying the blood pump to the patient, so-called online learning is performed.
Specifically, a flow sensor is attached near the outlet of the blood pump, the discharge flow rate is measured, and this is used as teacher data. Further, the blood viscosity value or hematocrit value, the motor current measurement value, and the motor rotation value at the time of the discharge flow rate measurement are used as input layer data, and the discharge flow rate calculation value is calculated using the stored relational expression.
Then, in the same manner as described above, an error back propagation method (back propagation) is performed using the teacher data and the calculated value. At this time, the blood pump device is connected to another computer storing a neural network calculation program, and the discharge flow value, the discharge flow calculation value, and the blood viscosity value at the time of measurement of the discharge flow, which are the teacher data, or The hematocrit value, the motor current measurement value, and the motor rotation value are input to this computer. Then, this computer derives the following expression 21 relating to the coupling weight w from the relational expression between the input layer data stored in the connected blood pump device and the discharge flow rate.

Figure 0004787526

そして、上記結合重み式を用い、さらに、測定された吐出流量を教師データとし、この吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、誤差逆伝搬法(バックプロパゲーション)を行い、上記の式21を再演算する。誤差逆伝搬法により、算出吐出流量と実流量(教師信号)の誤差が小さくなるように、重みwと閾値θの修正が行われる(正確には、式(15)の誤差評価尺度Eが小さくなるように修正を行っていきく)。このように、算出吐出流量と実流量の誤差が小さくなるように学習を繰り返し、誤差が要求仕様の範囲内(例えば、Δ<0.5L/min)となったところで学習をストップする。そして、再演算された結合重みwij (m+1)を用いて、再度上述した関係式(11)〜(14-a)または(14-b)を算出し、血液ポンプ装置の演算部58の記憶部60に記憶されているものと置き換える。これにより、それぞれの患者に適した精度の高い流量予測が可能となる。 Then, using the above combined weight formula, the measured discharge flow rate is used as teacher data, and the blood viscosity value or hematocrit value, motor current measurement value and motor rotation value at the time of this discharge flow measurement are used as input layer data, A propagation method (back propagation) is performed, and the above equation 21 is recalculated. By the back propagation method, the weight w and the threshold value θ are corrected so that the error between the calculated discharge flow rate and the actual flow rate (teacher signal) is reduced (more precisely, the error evaluation scale E in equation (15) is reduced). We will make corrections so that In this way, learning is repeated so that the error between the calculated discharge flow rate and the actual flow rate becomes small, and the learning is stopped when the error falls within the required specification range (for example, Δ <0.5 L / min). Then, the above-described relational expressions (11) to (14-a) or (14-b) are calculated again using the recalculated coupling weight w ij (m + 1), and stored in the calculation unit 58 of the blood pump device. Replace with the one stored in the unit 60. Thereby, highly accurate flow volume prediction suitable for each patient is attained.

具体的には、手術中の患者に血液ポンプを適用し、血液ポンプ装置が備える算出機能による吐出流量演算値と流量センサの実測値を比較し、両者の誤差が大きいとき(仕様範囲外;例えば誤差Δ>=0.5L/min)、流量演算式のカスタマイズに人工ニューラルネットを用いるものである。
患者の手術中(開胸中)に、血液ポンプ装置は算出する吐出流量演算値と流量センサの実測値を比較する。吐出量演算値と流量センサによる実測値の誤差が小さく、要求仕様の誤差範囲内(例えば、Δ<0.5L/min)である場合は、血液ポンプ装置が記憶する吐出流量関連関係式を修正せずに、患者に適用する。逆に、推定値と実測値の誤差が大きい場合(例えば、誤差Δ>=0.5L/min)、オンラインで吐出流量演算部58に実装されている吐出流量関連関係式のカスタマイズを行う。具体的には、コンソールで回転数の設定を行い、ピンチコック(クランプ)などの流量調節手段により流量を変化させて、複数の動作点に対してオンライン学習を行い、誤差が小さくなるように結合の重みwと閾値θを修正する。人工ニューラルネットの推定値と流量センサの実測値の誤差が、仕様の誤差範囲内に入ればオンライン学習を終了し、流量センサを患者から取り外す。この方法により、より精度の高い流量の間接計測(予測)が可能になる。また、この方法により、患者の個人差、ポンプシステムの個体差など、あらゆる誤差要因の影響を排除した血液ポンプ装置を提供することができる。
Specifically, when a blood pump is applied to a patient during surgery and the discharge flow rate calculation value by the calculation function provided in the blood pump device is compared with the actual measurement value of the flow rate sensor, when the error between the two is large (out of specification range; for example, Error Δ> = 0.5 L / min), and an artificial neural network is used to customize the flow rate calculation formula.
During the operation of the patient (during thoracotomy), the blood pump device compares the calculated discharge flow rate value with the actual measurement value of the flow rate sensor. If the error between the discharge volume calculation value and the measured value by the flow sensor is small and within the required specification error range (for example, Δ <0.5L / min), correct the discharge flow rate relational expression stored in the blood pump device. Without applying to the patient. On the other hand, when the error between the estimated value and the actual measurement value is large (for example, error Δ> = 0.5 L / min), the discharge flow rate related relational expression mounted on the discharge flow rate calculation unit 58 is customized online. Specifically, the number of rotations is set on the console, the flow rate is changed by a flow rate adjustment means such as a pinch cock (clamp), and online learning is performed for multiple operating points, so that the error is reduced. The weight w and the threshold θ are corrected. If the error between the estimated value of the artificial neural network and the measured value of the flow sensor falls within the specification error range, online learning is terminated and the flow sensor is removed from the patient. This method enables more accurate indirect measurement (prediction) of the flow rate. In addition, this method can provide a blood pump device that eliminates the influence of all error factors such as individual differences among patients and individual differences among pump systems.

また、本発明の血液ポンプ装置の製造方法としては、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いてポンプ揚程を演算するポンプ揚程演算部を備える血液ポンプ装置の製造方法であって、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データとポンプ揚程との関係式を算出するポンプ揚程関連関係式算出工程と、該ポンプ揚程関連関係式算出工程により得られた入力層データとポンプ揚程との関係式を前記ポンプ揚程演算部に記憶させる記憶工程とを行うものであってもよい。
そして、このように得られる血液ポンプ装置は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データとポンプ揚程との関係式を記憶するポンプ揚程関連関係式記憶部と、該ポンプ揚程関連関係式、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、前記血液粘度値および前記モータ電流測定値ならびに前記インペラ回転数値におけるポンプ揚程を演算するポンプ揚程演算機能を備えるものとなる。
Further, as a method for manufacturing the blood pump device of the present invention, the blood viscosity value input to the blood measurement data input unit or the blood viscosity value calculated from the input hematocrit value, the impeller rotational speed measurement or the calculation function A method of manufacturing a blood pump device comprising a pump head calculation unit that calculates a pump head using an impeller rotation value obtained, a motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or a correction value thereof, and measured in advance The blood viscosity value or hematocrit value, motor current measurement value and motor rotation value at a large number of blood discharge flow rates as input layer data, and the pump head for each input layer data as teacher data, using a neural network, Pump head related function that calculates the relation between data and pump head And wherein calculating step, may perform a storage step of storing a relational expression of the input layer and the data and the pump head obtained by said pump head related equation calculating step to the pump head calculation unit.
The blood pump device thus obtained has a blood viscosity value or hematocrit value, a motor current measurement value, and a motor rotation value at a plurality of blood discharge flow rates measured in advance as input layer data, and a pump related to each input layer data. The pump head related relational expression storage unit for storing the relational expression between the input layer data calculated using the neural network and the pump head and the pump head related relational expression as the teacher data, and the pump head related relational expression, input to the blood measurement data input unit Blood viscosity value calculated from input blood viscosity value or input hematocrit value, impeller rotation value obtained from impeller rotation speed measurement or calculation function, motor current measurement value obtained by motor current value measurement function or correction thereof Value is used to measure the blood viscosity value and the motor current measurement. Values as well as the ones provided with the pump head calculation function for calculating a pump head in the impeller rotational speed value.

ポンプ揚程関連関係式算出工程は、独立して行ってもよいが、上述した吐出流量関連関係式算出工程と同時に行うことが好ましい。これは、ニューラルネットの構成を3層3入力1出力から、3層3入力2出力に変更することにより行うことができる。なお、ポンプの揚程とは、ポンプの流入側と流出側との圧力差をいう。
そして、ポンプ揚程関連関係式算出工程に関する、ニューラルネットの学習に必要な訓練データは、入力として用いるモータ回転数値、モータ電流測定値、血液粘度値(もしくはヘマトクリット値)の3入力と,対応する出力であるポンプ揚程である。この場合、ポンプ揚程が教師信号となる。吐出流量演算部58が、吐出流量演算機能に加えて、ポンプ揚程演算機能を備えることで、本発明の血液ポンプ装置は、ポンプの流体出力とポンプ効率を演算、表示する機能を備えたものとすることができる。すなわち、ニューラルネットが出力する算出吐出流量と算出ポンプ揚程を、それぞれQ,Pとするとポンプの流体出力Wは、
W=P×Q (22)
として算出できる。
The pump head related relational expression calculating step may be performed independently, but is preferably performed simultaneously with the above-described discharge flow rate related relational expression calculating step. This can be done by changing the configuration of the neural network from 3 layers 3 inputs 1 output to 3 layers 3 inputs 2 outputs. The pump head means a pressure difference between the inflow side and the outflow side of the pump.
The training data necessary for learning the neural network related to the pump head related relation formula calculation process includes three inputs of a motor rotation value, a motor current measurement value, and a blood viscosity value (or hematocrit value) used as inputs, and corresponding outputs. This is the pump head. In this case, the pump head becomes a teacher signal. Since the discharge flow rate calculation unit 58 has a pump head calculation function in addition to the discharge flow rate calculation function, the blood pump device of the present invention has a function of calculating and displaying the pump fluid output and pump efficiency. can do. That is, if the calculated discharge flow rate and the calculated pump head output by the neural network are Q and P, respectively, the fluid output W of the pump is
W = P × Q (22)
Can be calculated as

さらに、モータ出力[W],流量出力[W],全損失[W],ポンプ効率η[%]は,次式により算出可能である。
ポンプ効率 η=(PQ/TN)×100 [%] (23)
流体出力=PQ [W] (24)
モータ出力=TN [W] (25)
ポンプにおける全損失=TN−PQ [W] (26)
ポンプ揚程:P [Pa] {(760/1.013)×10−5(mmHg)}
流量:Q [m/s] {60×10(L/min)}
軸トルク:T [Nm] {(1/9.81)×10(gfcm)}
回転数:N [rad/s] {60/(2π)(rpm)}
ここで、軸トルクTは、モータ電流に比例するため、モータ電流測定値より換算することができる。比例係数は、実験により求めておく必要がある。以上の算出方法により、ポンプ効率、流体出力、モータ出力、ポンプ部における全損失を算出する機能を備えた血液ポンプ装置を提供することができる。定期的にエンジニアがこれらの情報をモニタリングすることで、ポンプに異常がないこと、もし異常があった場合、その状態を知ることができる。
Further, the motor output [W], the flow rate output [W], the total loss [W], and the pump efficiency η [%] can be calculated by the following equations.
Pump efficiency η = (PQ / TN) × 100 [%] (23)
Fluid output = PQ [W] (24)
Motor output = TN [W] (25)
Total loss in pump = TN-PQ [W] (26)
Pump head: P [Pa] {(760 / 1.013) × 10 −5 (mmHg)}
Flow rate: Q [m 3 / s] {60 × 10 3 (L / min)}
Shaft torque: T [Nm] {(1 / 9.81) × 10 5 (gfcm)}
Number of revolutions: N [rad / s] {60 / (2π) (rpm)}
Here, since the shaft torque T is proportional to the motor current, it can be converted from the measured motor current. The proportionality coefficient needs to be obtained by experiments. With the above calculation method, it is possible to provide a blood pump device having a function of calculating pump efficiency, fluid output, motor output, and total loss in the pump unit. By regularly monitoring this information by an engineer, it is possible to know that there is no abnormality in the pump, and if there is an abnormality, the state of the pump can be known.

また、吐出流量関連関係式の算出は以下のように行ってもよい。この方法は、患者の手術中(開胸中)に流量センサと組み合わせて学習させるものである。この場合、訓練データは、モータ回転数値、モータ電流測定値、血液粘度値(もしくはヘマトクリット値)の3入力と対応する出力である吐出流量(血液流量)である。吐出流量は、術中の患者に装着した流量センサによる測定値であり、これを教師信号として用いる。学習は、誤差逆伝搬法により行う。学習時間は、開胸手術中の患者にとって負担とならない時間内とし、予測流量が流量センサの出力に十分に追従していることを確認する。学習中は、モータ回転数と流量を仕様の範囲内で変化させる。流量の調節はピンチコック(クランプ)で調節可能である。例えば、本発明の血液ポンプ装置の場合、モータ回転数は1200〜2600rpm(200rpm間隔),回転数は1〜9L/min(1L/min間隔)の範囲で変化させ、学習を実施することが望ましい。この方法を採用した場合、血液ポンプの回転数を学習終了後は、流量センサは患者の体内から外すことができる。   The calculation of the discharge flow rate related relational expression may be performed as follows. In this method, learning is performed in combination with a flow sensor during surgery (opening) of a patient. In this case, the training data is a discharge flow rate (blood flow rate) that is an output corresponding to three inputs of a motor rotation value, a motor current measurement value, and a blood viscosity value (or hematocrit value). The discharge flow rate is a value measured by a flow rate sensor attached to the patient during the operation, and this is used as a teacher signal. Learning is performed by the error back propagation method. The learning time is set to a time that does not become a burden on the patient during the thoracotomy, and it is confirmed that the predicted flow rate sufficiently follows the output of the flow rate sensor. During learning, the motor speed and flow rate are changed within the specified range. The flow rate can be adjusted with a pinch cock (clamp). For example, in the case of the blood pump device of the present invention, it is desirable to perform learning by changing the motor rotation speed in the range of 1200 to 2600 rpm (200 rpm interval) and the rotation speed in the range of 1 to 9 L / min (1 L / min interval). . When this method is adopted, the flow sensor can be removed from the patient's body after learning the number of rotations of the blood pump.

図1は、本発明の血液ポンプ装置の実施例のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a blood pump device of the present invention. 図2は、本発明の血液ポンプ装置に使用される血液ポンプ装置本体部の一例の正面図である。FIG. 2 is a front view of an example of a blood pump device main body used in the blood pump device of the present invention. 図3は、図2に示した血液ポンプ装置本体部の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the blood pump device main body shown in FIG. 図4は、図2に示した実施例の血液ポンプ装置本体部の縦断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the blood pump device main body of the embodiment shown in FIG. 図5は、図2のA−A線断面図である。5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図6は、本発明の血液ポンプ装置の他の実施例のブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of another embodiment of the blood pump device of the present invention. 図7は、シグモイド関数の説明および細胞内電位とインパルス頻度の関係を説明する説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the sigmoid function and the relationship between the intracellular potential and the impulse frequency. 図8は、決定的アナログモデルを説明する説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a definitive analog model. 図9は、フィードフォワード型ニューラルネットを説明する説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a feedforward neural network. 図10は、フィードフォワード型ニューラルネットの一例を説明する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a feedforward neural network. 図11は、逐次更新学習法の学習手続を説明する説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the learning procedure of the sequential update learning method. 図12は、誤差逆伝搬法で学習するフィードフォワード型ニューラルネットを説明する説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining a feedforward neural network that learns by the error back propagation method. 図13は、誤差逆伝搬法モードの信号の流れを説明する説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the signal flow in the error back-propagation mode. 図14は、出力計算モードにおける素子の動作を説明する説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the operation of the element in the output calculation mode. 図15は、誤差逆伝搬モードの素子機能を説明する説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the element function in the error back propagation mode.

符号の説明Explanation of symbols

1 血液ポンプ装置
2 血液ポンプ部
3 インペラ回転トルク発生部
4 インペラ位置制御部
5 血液ポンプ装置本体部
6 制御機構
21 インペラ
25 磁性体
31 ロータ
34 モータ
41 電磁石
20 ハウジング
57 血液測定データ入力部
58 吐出流量演算部
59 表示部
60 吐出流量関連関係式記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Blood pump apparatus 2 Blood pump part 3 Impeller rotational torque generation part 4 Impeller position control part 5 Blood pump apparatus main-body part 6 Control mechanism 21 Impeller 25 Magnetic body 31 Rotor 34 Motor 41 Electromagnet 20 Housing 57 Blood measurement data input part 58 Discharge flow rate Calculation unit 59 Display unit 60 Discharge flow related relational expression storage unit

Claims (14)

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、前記ハウジング内で回転し血液を送液するインペラと、該インペラを回転させるためのモータと、血液測定データ入力部と、インペラ回転数測定または算出機能と、モータ電流値計測機能と、血液吐出流量を演算する吐出流量演算部とを備える血液ポンプ装置であって、
前記吐出流量演算部は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関する血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データと吐出流量との吐出流量関連関係式を記憶する吐出流量関連関係式記憶部と、
該吐出流量関連関係式、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、前記血液粘度値および前記モータ電流測定値ならびに前記インペラ回転数値における血液吐出流量を演算する吐出流量演算機能と、
あらかじめ測定した多数のポンプ揚程値における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程値を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて算出した入力層データとポンプ揚程との関係式を記憶するポンプ揚程関連関係式記憶部と、該ポンプ揚程関連関係式、前記血液測定データ入力部に入力された血液粘度値もしくは入力されたヘマトクリット値より演算された血液粘度値、前記インペラ回転数測定または算出機能より得られるインペラ回転数値、前記モータ電流値計測機能により得られるモータ電流測定値もしくはその補正値とを用いて、前記血液粘度値および前記モータ電流測定値ならびに前記インペラ回転数値におけるポンプ揚程を演算するポンプ揚程演算機能と、
前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程とを用いて、前記ポンプの流体出力を演算する流体出力演算機能を備えることを特徴とする血液ポンプ装置。
A housing having a blood inflow port and a blood outflow port, an impeller that rotates in the housing and feeds blood, a motor for rotating the impeller, a blood measurement data input unit, and an impeller rotational speed measurement or calculation function A blood pump device comprising a motor current value measurement function and a discharge flow rate calculation unit for calculating a blood discharge flow rate,
The discharge flow rate calculation unit uses, as input layer data, blood viscosity values, motor current measurement values, and motor rotation values at a number of pre-measured blood discharge flow rates, and the blood discharge flow rate related to each input layer data as teacher data. A discharge flow rate related relational expression storage unit that stores a discharge flow rate related relational expression between the input layer data calculated using the network and the discharge flow rate;
The discharge flow rate relational expression, the blood viscosity value input to the blood measurement data input unit or the blood viscosity value calculated from the input hematocrit value, the impeller rotation value obtained from the impeller rotation speed measurement or calculation function, Using the motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or its correction value, a discharge flow rate calculation function for calculating the blood discharge flow rate at the blood viscosity value and the motor current measurement value and the impeller rotation value,
An input calculated using a neural network with blood viscosity values, motor current measurement values and motor rotation values as input layer data, and pump head values related to each of the input layer data as teacher data, in a number of pump head values measured in advance. It is calculated from the pump head related relational expression storage unit for storing the relational expression between the layer data and the pump head, the pump head related relational expression, the blood viscosity value inputted into the blood measurement data input part or the inputted hematocrit value. The blood viscosity value and the motor current using the blood viscosity value, the impeller rotation value obtained from the impeller rotation number measurement or calculation function, the motor current measurement value obtained by the motor current value measurement function or the correction value thereof. Pump that calculates pump head at measured value and impeller rotation value Degree and the calculation function,
It has a fluid output calculation function for calculating the fluid output of the pump using the calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function and the calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function. Blood pump device.
前記血液ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、前記インペラは、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ものである請求項1に記載の血液ポンプ装置。 The blood pump device according to claim 1, wherein the blood pump device is a centrifugal blood pump device, and the impeller rotates in the housing and feeds blood by a centrifugal force at the time of rotation. 前記血液ポンプ装置は、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、内部に磁性体を備え、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式血液ポンプ部と、前記遠心式血液ポンプ部の前記インペラ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を備えるインペラ回転トルク発生部と、電磁石を備え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ものである請求項1または2に記載の血液ポンプ装置。 The blood pump device includes a housing having a blood inflow port and a blood outflow port, a magnetic body therein, a centrifugal blood pump having an impeller that rotates within the housing and that feeds blood by centrifugal force during rotation. A rotor including a magnet for attracting the magnetic body of the impeller of the centrifugal blood pump unit, an impeller rotational torque generating unit including a motor for rotating the rotor, and an impeller position control unit including an electromagnet The blood pump device according to claim 1, wherein the impeller rotates in a non-contact state with respect to the housing. 前記血液測定データ入力部は、血液粘度測定値入力部であり、前記血液粘度値は、血液粘度測定値である請求項1ないし3のいずれかに記載の血液ポンプ装置。 The blood pump device according to any one of claims 1 to 3, wherein the blood measurement data input unit is a blood viscosity measurement value input unit, and the blood viscosity value is a blood viscosity measurement value. 前記血液測定データ入力部は、ヘマトクリット値入力部であり、前記血液ポンプ装置は、入力されたヘマトクリット値より血液粘度を演算する血液粘度演算機能を備えている請求項1ないし3のいずれかに記載の血液ポンプ装置。 4. The blood measurement data input unit is a hematocrit value input unit, and the blood pump device has a blood viscosity calculation function for calculating blood viscosity from the input hematocrit value. Blood pump device. 前記血液測定データ入力部は、ヘマトクリット値入力部であり、前記血液ポンプ装置は 入力されたヘマトクリット値より血液粘度を演算する血液粘度演算機能および比重を演算する比重演算機能を備えている請求項1ないし3のいずれかに記載の血液ポンプ装置。 The blood measurement data input unit is a hematocrit value input unit, and the blood pump device includes a blood viscosity calculation function for calculating blood viscosity from an input hematocrit value and a specific gravity calculation function for calculating specific gravity. 4. The blood pump device according to any one of 3 to 3. 前記血液ポンプ装置は、比重入力部もしくは比重演算機能と、前記モータ電流測定値を該比重入力部により入力されたもしくは前記比重演算機能により演算された比重を用いて補正した値をモータ電流測定値とするモータ電流測定値補正機能を備えている請求項1ないし6のいずれかに記載の血液ポンプ装置。 The blood pump device includes a specific gravity input unit or specific gravity calculation function, and a motor current measurement value obtained by correcting the motor current measurement value using the specific gravity input by the specific gravity input unit or calculated by the specific gravity calculation function. The blood pump device according to claim 1, further comprising a motor current measurement value correction function. 前記血液ポンプ装置は、モータ特性による補正機能を備えており、前記モータ電流測定値を当該モータ特性補正機能により補正した値をモータ電流測定値とするモータ電流測定値補正機能を備えている請求項1ないし7のいずれかに記載の血液ポンプ装置。 The blood pump device includes a correction function based on motor characteristics, and a motor current measurement value correction function that uses a value obtained by correcting the motor current measurement value using the motor characteristic correction function as a motor current measurement value. The blood pump device according to any one of 1 to 7. 前記血液ポンプ装置は、前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程と、前記モータ電流測定値より換算される軸トルクと、前記インペラ回転数とを用いて、前記ポンプのポンプ効率を演算するポンプ効率演算機能を備えている請求項1ないし8のいずれかに記載の血液ポンプ装置。The blood pump device includes a calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function, a calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function, a shaft torque converted from the measured motor current value, and the impeller rotation The blood pump device according to any one of claims 1 to 8, further comprising a pump efficiency calculation function for calculating a pump efficiency of the pump using a number. 前記血液ポンプ装置は、前記吐出流量演算機能により算出される算出吐出流量と、前記ポンプ揚程演算機能により算出される算出ポンプ揚程と、前記モータ電流測定値より換算される軸トルクと、前記インペラ回転数とを用いて、前記ポンプにおける全損失を演算するポンプ全損失演算機能を備えている請求項1ないし9のいずれかに記載の血液ポンプ装置。The blood pump device includes a calculated discharge flow rate calculated by the discharge flow rate calculation function, a calculated pump lift calculated by the pump lift calculation function, a shaft torque converted from the measured motor current value, and the impeller rotation The blood pump device according to any one of claims 1 to 9, further comprising a pump total loss calculation function for calculating a total loss in the pump using a number. 請求項1ないし10のいずれかに記載の血液ポンプ装置の調整方法であって、対象者に血液ポンプ装置を装着した状態において、ポンプの流量を流量センサを用いて測定し、前記流量センサを用いて測定される吐出流量を教師データとし、該吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、ニューラルネットワークを用いて、記憶する入力層データと吐出流量との関係式を修正、および前記対象者に血液ポンプ装置を装着した状態において、ポンプの流入側および流出側の圧力を測定し、該測定された圧力値から算出されるポンプ揚程を教師データとし、該吐出流量測定時における血液粘度値もしくはヘマトクリット値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力データとし、ニューラルネットワークを用いて、記憶する入力層データとポンプ揚程との関係式を修正する関係式修正作業を行うことを特徴とする血液ポンプ装置の調整方法。 The method for adjusting a blood pump device according to any one of claims 1 to 10 , wherein the flow rate of the pump is measured using a flow sensor in a state where the blood pump device is attached to a subject, and the flow sensor is used. The discharge flow rate measured in this way is used as teacher data, and the blood viscosity value or hematocrit value, motor current measurement value, and motor rotation value at the time of the discharge flow measurement are used as input data. In a state where the relational expression with the flow rate is corrected , and the blood pump device is mounted on the subject, the pressure on the inflow side and the outflow side of the pump is measured, and the pump head calculated from the measured pressure value is the teacher data Enter the blood viscosity value or hematocrit value, motor current measurement value, and motor rotation value when measuring the discharge flow rate. And data, using a neural network, a method of adjusting the blood pump which is characterized in that a relational expression corrective action to correct the relationship between the input layer data and the pump head for storing. 前記ニューラルネットワークは、入力層、中間層、出力層の3層からなる3層フィードフォワード型ニューラルネットである請求項11に記載の血液ポンプ装置の調整方法。 12. The blood pump device adjustment method according to claim 11, wherein the neural network is a three-layer feedforward neural network including three layers of an input layer, an intermediate layer, and an output layer. 請求項1ないし10のいずれかに記載の血液ポンプ装置の製造方法であって、
該製造方法は、あらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関する血液吐出流量を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データと吐出流量との関係式を算出する関係式算出工程と、該関係式算出工程により得られた入力層データと吐出流量との関係式を前記吐出流量演算部に記憶させる記憶工程、およびあらかじめ測定した多数の血液吐出流量における、血液粘度値、モータ電流測定値およびモータ回転数値を入力層データとし、前記各入力層データに関するポンプ揚程を教師データとして、ニューラルネットワークを用いて、入力層データとポンプ揚程との関係式を算出するポンプ揚程関連関係式算出工程と、該ポンプ揚程関連関係式算出工程により得られた入力層データとポンプ揚程との関係式を前記ポンプ揚程演算部に記憶させる記憶工程とを行うことを特徴とする血液ポンプ装置の製造方法。
A method for manufacturing a blood pump device according to any one of claims 1 to 10 ,
The manufacturing method uses a blood viscosity value, a motor current measurement value, and a motor rotation value at a large number of pre-measured blood discharge flow rates as input layer data, a blood discharge flow rate related to each input layer data as teacher data, and a neural network And a relational expression calculation step for calculating a relational expression between the input layer data and the discharge flow rate, and a relational expression between the input layer data and the discharge flow rate obtained by the relational expression calculation step is stored in the discharge flow rate calculation unit. Using the neural network, the storage step and the blood viscosity value, motor current measurement value and motor rotation value at a number of pre-measured blood discharge flow rates are used as input layer data, and the pump head related to each input layer data is used as teacher data. , A pump head related relational expression calculating step for calculating a relational expression between the input layer data and the pump head; Manufacturing method of a blood pump apparatus characterized by performing a storage step of storing a relational expression of the input layer and the data and the pump head obtained by pump head related equation calculating step to the pump head calculation unit.
前記ニューラルネットワークは、入力層、中間層、出力層の3層からなる3層フィードフォワード型ニューラルネットである請求項13に記載の血液ポンプ装置の製造方法。 The method of manufacturing a blood pump device according to claim 13, wherein the neural network is a three-layer feedforward neural network including three layers of an input layer, an intermediate layer, and an output layer.
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