JP5046449B2

JP5046449B2 - 血液ポンプ

Info

Publication number: JP5046449B2
Application number: JP2001244277A
Authority: JP
Inventors: 健二山崎
Original assignee: Sun Medical Technology Research Corp
Current assignee: Sun Medical Technology Research Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003052809A; US20030039544A1; US6908280B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば人工心臓に用いられる血液ポンプに関し、特に、血栓の発生を抑制する構造を有する血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、人工心臓用のターボ型血液ポンプとしては、軸流式、斜流式、遠心式のものが知られている。これらの血液ポンプは、いずれも体内に埋設し得るように小型でなければならないので、内容積に対する表面積の割合、及び翼とケーシングとの隙間の直径に対する割合が大きい。このため、大幅なエネルギー損失を招き、一般産業用の大型ポンプに比べ、ポンプ効率が著しく低い。
【０００３】
上記血液ポンプの内、遠心式ポンプは、吸入された血液がポンプ基部へ垂直に衝突し、遠心力で直角に曲げられ円周方向に向けられる。このように、遠心式ポンプは、遠心力を利用することにより流れの運動エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換でき、また周速度が軸流式より低いので溶血の低減が期待できる。
【０００４】
また、遠心式ポンプは、一般に、翼板（バックプレート）の有無によって、オープンベーンタイプ、セミオープンベーンタイプ及びクローズドタイプに分類される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
血液ポンプは、当然血液の性質による制約を受ける。血液は、よどんだり、異物や空気との長時間の接触、もしくは高温下にあるなどの理由により凝固し、血栓を形成する。そして、血栓は、さらにこれを足場に成長する。このような血液の性質は、血液ポンプの構造を限定する要因となっている。
【０００６】
上述のクローズドタイプ、もしくはセミオープンタイプのポンプは、バックプレートに翼が取着された構造となっており、このバックプレートとポンプ基部の間にはポンプ機能が働かない。このため、クローズド、もしくはセミオープンタイプのポンプを血液ポンプとして用いると、バックプレートの裏側で血液がよどんでしまい、血栓の発生の要因となるので適当ではない。
【０００７】
これに対し、図７（Ａ）に示したようなオープンベーンタイプの遠心式ポンプは、回転シャフトの先端に翼が直接取着され、バックプレートが無いので、バックプレートを有するタイプのポンプでは血栓が発生しやすかった部分に、血液の流れを生じさせることができる。
【０００８】
しかし、従来型の血液ポンプでは、高いポンプ効率が得られるように、翼がボス周面から一様な平面で延出した構造となっており、図７（Ｂ）のように、２点鎖線の円で示したボス部（ボスとメカニカルシールなど）周面付近の血液は、径方向外側の血液に比べて速度が遅く、ボス部とほぼ等しい速度を有する。したがって、２点鎖線の円内では、血液にとって異物となるもの（例えば、ボスや翼）と接触している時間が長くなるので血栓が生じやすい。血栓が回転部分と固定部分との間にできてしまうと、血液ポンプの翼の回転は阻害される。また、血栓が飛散して体内に流れ出てしまうと、血管を詰まらせてしまう。例えば、血栓が脳に到達すると、脳血栓症を引き起こす。
【０００９】
また、従来型のポンプは、血液の流路が急激に変化し、必ずしも流体力学的に好ましい形状ではない。例えば、従来型の血液ポンプのポンプ基部は、ポンプ部側においてほぼ水平な表面を有するので、その構造上、ポンプ基部と翼との隙間で血液がよどんでしまい、やはり血栓が生じやすい。
【００１０】
このような血栓問題の解決は、他の流体ポンプと異なり、血液ポンプの最大の課題となっている。
【００１１】
上記事情を鑑み、本発明は、血栓の発生を防止し得る血液ポンプを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係わる血液ポンプは、先端が開口した第１のケーシングと、先端に設けられた吸入口と、任意の位置に設けられた吐出口とを有する第２のケーシングと、一端が前記第１のケーシングの先端に、これの開口を覆うように取着され、他端が前記第２のケーシングの基端に、前記第１及び第２のケーシングを仕切るように、取着されたポンプ基部と、前記第１のケーシング内に収納され、前記ポンプ基部のほぼ中央を貫通して延出し、かつ先端にボスが設けられた回転軸を駆動させる駆動部と、前記ボスの外周面から径方向に突設され、かつ周方向に互いに離間された複数の翼と、これら複数の翼及び前記第２のケーシングにより構成されたポンプ部とを具備し、前記複数の翼は、それぞれ翼の平面に、一部切欠した開窓部を有する構成となっている。
【００１３】
好ましくは、前記ポンプ基部の先端と前記ボスの基端との間に、このボスの基端とほぼ同じ径を備えたメカニカルシールが設けられ、前記開窓部は、前記ボスに支持された位置から前記メカニカルシールの回転側を避けるように切欠し、この終端が前記メカニカルシールの摺動面の高さに合わせて形成されている。
【００１４】
図４は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、開窓部の位置４―４におけるボスもしくはメカニカルシールと翼の横断面を概略的に示した断面図である。この断面では、２点鎖線の円内で血液が開窓部を通過でき、図４中、中央の円で示された回転するメカニカルシールの回転側と、２点鎖線の円内の流れの遅い血液との相対速度が大きい。
【００１５】
図５は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、メカニカルシール摺動面の位置５―５におけるメカニカルシールと翼横断面を概略的に示した断面図である。この断面では、翼の内端縁が再びボス部に近づけられており、２点鎖線の円内の血液に、翼によって運動エネルギーが与えられ、図５中、中央の円で示された回転しないメカニカルシールの固定側（ポンプ基部）と、２点鎖線の円内の流れの速い血液との相対速度が大きい。
【００１６】
したがって、血液はボス部周面でよどむことがなく、ボス部や翼の血液接触表面における血栓の形成が抑制される。
【００１７】
さらに好ましい態様においては、前記第２のケーシングの内壁は、先端の前記吸入口から基端に向かってテーパー状に拡開され、前記翼の外端縁にできる限り近づけられた形状を有し、前記ボス及び翼は、この内壁に囲繞されて吸入口の近くまで突出している。
【００１８】
この場合、吸入口がディフューザとして働き、血液は、流路断面積の急激な変化がないように第２のケーシング内に取り込まれ得る。そして、ボス部及び翼が吸入口に近づけられて突出しているので、血液は、血流速度が大きいままポンプ部に送られる。これによって、血栓の形成をさらに効果的に予防することができる。
【００１９】
他の態様において、前記ポンプ基部は、第２のケーシング側に突出した凸部を有し、この凸部の側面は、なだらかに傾斜し、前記翼の内端縁にできる限り近づけられて形成されている。
【００２０】
このような態様では、ポンプ部において自然に血液の流れが生じるようになっており、かつ、血液の急な流路の変化もない。そして、図５のように、翼とポンプ基部ができる限り近づけられて形成されているので、ポンプ基部表面においてもポンプ機能が働く。したがって、効率よく血液に流れを生じさせることができ、血液がよどんでしまうという構造上の問題が、自然に解消されるようになっている。
【００２１】
本発明の血液ポンプにおいて、翼の開窓部の形状、もしくはポンプ基部の凸部の傾斜の程度は、血液の流れがスムーズになればよく、請求項もしくは技術的思想の範囲で限定されない。
【００２２】
また、本発明は、先端が開口した第１のケーシングと、先端に設けられた吸入口と、任意の位置に設けられた吐出口とを有する第２のケーシングと、一端が前記第１のケーシングの先端に、これの開口を覆うように取着され、他端が前記第２のケーシングの基端に、前記第１及び第２のケーシングを仕切るように、取着されたポンプ基部と、前記第１のケーシング内に収納され、前記ポンプ基部のほぼ中央を貫通して延出し、かつ先端にボスが設けられた回転軸を駆動させる駆動部と、前記ボスの外周面から径方向に突設され、かつ周方向に互いに離間された複数の翼と、これら複数の翼及び前記第２のケーシングにより構成されたポンプ部とを具備し、前記複数の翼は、前記吸入口側の各端に、各翼に対して所定の角度傾いて設けられたインデューサを備えている構成となっている。好ましくは、前記インデューサは、前記吸入口に近づけられている。
【００２３】
図３は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、翼の支持部の位置３―３におけるポンプ基部と翼の横断面を概略的に示した断面図である。この図に示したように、ボスに翼が支持されている横断面においては、部分的に開窓部がない翼と等しく、２点鎖線の円内の血液は、ボスやメカニカルシール、もしくは翼とほぼ同じ回転速度で回転されるため、これらとの相対速度が微小になる。したがって、血液は、血液にとっての異物と長時間接触することとなり、血栓を生ずる恐れがある。
【００２４】
そこで、本発明の構成のように、翼にインデューサを設け、吸入口から開窓部への血液の流れを強制的に作ることにより、血液を翼の支持部付近に留まらせず、吸入口から連続した流れとして開窓部へ血液を送ることができる。
【００２５】
すなわち、インデューサが設けられた本発明の血液ポンプにおいては、翼の支持部が無いのと同じ状態である。したがって、翼の支持部付近のボス周面における血液のよどみがなく、血栓の形成を抑えることができる。
【００２６】
また、このインデューサにより、流体力学的に自然な流れのまま血液を取り込み得るので、流れの中での衝撃や、急な流れの変化を抑えられ、溶血を防ぐ、もしくは低減することが可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態における血液ポンプの断面図であり、以下この図を参照して、本発明に係る血液ポンプを詳しく説明する。全体を通して、符号１は、一端が開口した円筒形の第１のケーシング、符号２は、後で詳細に記述するポンプ部３を収納している第２のケーシングである。この第２のケーシング２の先端には、血液を吸い込む吸入口４が、また、円周には、ポンプにより血液が吐出される吐出口（図１において、２点鎖線で概略だけ示した）が設けられ、先端に設けられた吸入口４から基端に向かって、内壁がテーパー状に拡開された形状になっている。また、この第２のケーシング２は、血液の色や状態が視覚的に確認できるように、透明な素材により構成されても良い。
【００２８】
そして符号５は、一端が前記第１のケーシング１の先端に、これの開口を覆うように、第１のケーシング１に、他端が前記第２のケーシング２の基端に、これら第１及び第２のケーシングを仕切るように、例えばねじ結合により取着されたポンプ基部である。このポンプ基部５は、第２のケーシング２側のほぼ中央に、コーン状に盛り上げられた凸部６が形成された円盤形状である。この凸部６の側面は、なだらかに傾斜しており、好ましくは、中央側に湾曲している。
【００２９】
第１のケーシング１内には、例えばモータなどによってポンプを駆動させる駆動部７が収容されており、この駆動部７の回転軸８は、ポンプ基部２の前記凸部６のほぼ中心を貫通してポンプ部３まで延出し、先端にはボス９が設けられている。
【００３０】
そして、前記凸部６の先端とボス９の基端との間には、回転軸８の軸受け内への血液の流入を防止するメカニカルシール１０の回転側が設けられ、このメカニカルシールの固定側は、凸部３の側面の傾斜に合わせてスムーズにつながるように形成されている。また、このメカニカルシール１０は、摺動面が凸部６の先端に位置するように形成されている。これらボス９の基端、メカニカルシール１０の回転側並びに凸部６の先端の各横断面は、ほぼ等しい径を有する円形状で、同心に設けられている。
【００３１】
ボス９は、第２のケーシング２に囲繞され、基端がメカニカルシール１０の他端に取着されてこれの回転側と共に回転し、先端は第２のケーシング２の吸入口４の近くまで突出している。また、このボス９は、吸入口４から吸入してくる血液の流れが自然になるように、縦断面の形状がほぼ放物線状である、流体力学的に好ましい形状で設計されている。
【００３２】
このボス９の外周面から径方向に突設され、かつ周方向に互いに等間隔離間した複数の翼１１が、支持部１２で支持されている。これら翼の支持部１２は、第２のケーシング２の吸入口４から吸入してくる血液を、血液の流速が高いままポンプ部３に取り込むように、ボス９と共に、吸入口４に近い部分に設けられている。
【００３３】
また、前記各翼１１には、図２のように、この翼１１の回転時に、メカニカルシール１０の回転側の周面を避けるように切欠した開窓部１３が設けられている。この開窓部１３は、この内端縁がボス９の基端、すなわち翼の支持部１２の下端からポンプ基部５の凸部６付近にかけて、２つの半弧が点対称に結合されたように形成され、切欠の終端がメカニカルシール１０の前記摺動面の高さに合うようになっている。
【００３４】
ポンプ部３は、上記ボス９、翼１１及び第２のケーシング２により構成されている。そして、上記翼１１の内端縁は、メカニカルシール１０の摺動面の高さ、すなわち上記切欠の終端を始点として、ポンプ基部５（凸部も含む）の表面に限りなく近づけられて沿い、翼１１の外端縁は、支持部１２から、第２のケーシング２のテーパー状の内壁に限りなく近づけられて沿う形状をなして、それぞれポンプ部３の周方向に延出している。
【００３５】
図６は、本発明の好ましい実施の形態において、インデューサ１４が設けられた翼を概略的に示した正面図である。このインデューサ１４は、それぞれ前記複数の翼１１の支持部１２の吸入口４側に設けられている。各インデューサ１４は、翼１１の平面に対し、所定の角度で傾斜している。好ましくは、上記ボス９や翼１１の支持部１２と共に、吸入口４に近い位置に設けられている。
【００３６】
上記吸入口４から吸入される血液は、吸入口４からテーパー状に拡開された第２のケーシング２の内壁がディフューザ１４として働き、血液の流路断面積の急激な変化のない状態で血液ポンプに取り込まれる。そして、流体力学的に好ましい、ほぼ放物線上の縦断面形状を有するボス９の先端によって、自然な流れのまま翼１１の支持部１２に送られる。
【００３７】
この際、好ましくは、血液がインデューサ１４によって強制的に開窓部に流し込まれるように取り込まれ得る。これによって、図３の支持部１２における横断面において、翼１１とこの翼の支持部１２との間において血液が滞留しないようになっている。
【００３８】
開窓部１３の領域に流し込まれた血液は、一部は翼１１によって周方向へ押し流され、一部は開窓部１３へと達する。開窓部１３へ達した血液は、回転しているメカニカルシール１０との相対速度が大きいので、滞留することなくさらに下方へ送られる。
【００３９】
そして、ポンプ基部の低位において、血液は、遠心式ポンプにより速度及び圧力が増大され、円周に設けられた吐出口から吐出される。この際、第２のケーシング２は、翼１１の外端縁及びポンプ基部５表面とできるだけ近づけられた構造になっているので、第２のケーシング２の内壁及びポンプ基部５表面の血液は、ポンプの翼１１によって、滞留することなく強制的に流されるウォッシュアウト効果が働く。
【００４０】
さらに、ポンプ基部５は、コーン状に盛り上げられた凸部６を有し、この凸部６の側面が回転軸８側に湾曲しているので、自然に血液の流れを生じるようになっている。
【００４１】
以上のように、本発明に係る血液ポンプは、血液の流路全体を通して流体力学的に好ましい構造となっており、かつ、血液が滞留せず血栓の形成を抑えられ得るので、吸入された血液の流れをスムーズに周方向に変換することができる。
【００４２】
尚、図７において、本発明の参照符号に１００を加えたものが従来例における参照符号に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態における血液ポンプの縦断面図である。
【図２】図２は、図１の血液ポンプのポンプ部を示す拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、翼の支持部の位置３―３におけるボスと翼の横断面を概略的に示した断面図。
【図４】図４は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、開窓部の位置４―４におけるメカニカルシールと翼の横断面を概略的に示した断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る血液ポンプが４枚の翼を有する場合の、メカニカルシール摺動面の位置５―５におけるポンプ基部と翼の横断面を概略的に示した断面図である。
【図６】図６は、翼に設けられたインデューサを概略的に示した正面図である。
【図７】図7は、従来の血液ポンプの縦断面図、及び断面７Ｂ―７Ｂを概略的に示した横断面図である。
【符号の説明】
１，１０１……第１のケーシング
２，１０２……第２のケーシング
３……ポンプ部
４，１０４……吸入口
５，１０５……ポンプ基部
６……ポンプ基部の凸部
７，１０７……駆動部
８，１０８……回転軸
９，１０９……ボス
１０，１１０……メカニカルシール
１１，１１１……複数の翼
１２……支持部
１３……開窓部
１４……インデューサ
１１５……吐出口

Claims

先端が開口した第１のケーシングと、
先端に設けられた吸入口と、任意の位置に設けられた吐出口とを有する第２のケーシングと、
一端が前記第１のケーシングの先端に、これの開口を覆うように取着され、他端が前記第２のケーシングの基端に、前記第１及び第２のケーシングを仕切るように、取着されたポンプ基部と、
前記第１のケーシング内に収納され、前記ポンプ基部のほぼ中央を貫通して延出し、かつ先端にボスが設けられた回転軸を駆動させる駆動部と、
前記ボスの外周面から径方向に突設され、かつ周方向に互いに離間された複数の翼と、
これら複数の翼及び前記第２のケーシングにより構成されたポンプ部とを具備し、
前記複数の翼は、それぞれ翼の平面に、一部切欠した開窓部であって、内端縁が前記ボスの基端から前記ポンプ基部にかけて形成され、かつ、前記内端縁が再び前記ボスに近づくように形成された開窓部を有することを特徴とする血液ポンプ。
前記ポンプ基部の先端と前記ボスの基端との間に、このボスの基端とほぼ同じ径を備えたメカニカルシールが設けられ、前記開窓部は、前記ボスに支持された位置からこのメカニカルシールの回転側を避けるように切欠し、この切欠の終端が前記メカニカルシールの摺動面の高さに合わせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の血液ポンプ。
前記第２のケーシングの内壁は、先端に設けられた前記吸入口から基端に向かってテーパー状に拡開され、前記翼の外端縁にできる限り近づけられた形状を有し、前記ボス及び翼は、この内壁に囲繞されて吸入口の近くまで突出していることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の血液ポンプ。
前記ポンプ基部は、第２のケーシング側に突出した凸部を有し、この凸部の側面は、なだらかに傾斜し、前記翼の内端縁にできる限り近づけられて形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの１に記載の血液ポンプ。
前記複数の翼は、前記吸入口側の各端に、各翼に対して所定の角度傾いて設けられたインデューサを備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの１に記載の血液ポンプ。
前記インデューサは、前記吸入口に近づけられていることを特徴とする請求項５に記載の血液ポンプ。