JP5215580B2 - 人工心臓ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、血液を圧送する軸流式の人工心臓ポンプに関する。

従来、一般的なポンプのオープンインペラは、翼端からの漏れによる体積効率悪化を避けるため、翼端を鋭利な角とすることが多い。翼端部の形状は、たとえば小型化に有利な軸流ポンプ等を採用して血液を圧送する人工心臓ポンプにおいても同様である。（たとえば、非特許文献１及び２参照）

ここで、従来例として人工心臓ポンプの要部を図６に示して簡単に説明する。この人工心臓ポンプ１は軸流式であり、ハウジング２の内部に収容された羽根車（インペラ）３が回転することにより、図中に矢印で示す流れ方向（回転軸線方向）へ血液を圧送する。羽根車３は回転軸４の外周に突出する板厚Ｔの翼５を備えており、翼５の先端部である翼端部５ａとハウジング２の内壁面２ａとの間には微小な翼端隙間Ｓが形成されている。
翼５の先端部５ａは、板厚Ｔのまま特別な加工は施されておらず、従って、先端角部が略直角に形成されるとともに、翼端隙間Ｓを形成している血液の流れ方向の距離は板厚Ｔと一致する。

日本機械学会 バイオエンジニアリング部門 BIOENGINEERING NEWS No.23 3-1 「人工心臓の歴史」（京都大学 工学研究科／赤松 映明） １９９７年１月２０日（http://www.jsme.or.jp/bio/news/23/23-3-1.html） 財団法人医療機器センター 高度医療機器開発データベース 研究事業報告書ＤＢ 平成１０年度 人工臓器に関する開発研究「数値流体解析を用いた高機能送血用ターボポンプ設計理論の確立と開発」（国立循環器病センター研究所 人工臓器部室員／築谷 朋典）（http://www.jaame.or.jp/kenkyu/pdf/10_04_1_1.pdf）

ところで、軸流ポンプにおいては、羽根車の先端部（翼端部）が静止系から見て最も移動速度が大きくなる場所である。一方、血液中には柔らかい赤血球や血小板等の血液成分が含まれているので、たとえば軸流ポンプ等の人工心臓ポンプを用いて血液を圧送する場合には、赤血球を破壊する溶血やポンプ内で血液が固まる血栓など、血液の機能を損なうような現象を防止することが望まれる。

ここで、上述した軸流式の人工心臓ポンプ１における溶血を具体的に説明する。この溶血は、赤血球がインペラ先端部である翼端部５ａのような高速の移動部と静止部であるハウジング２の内面２ａとの間に形成された翼端隙間Ｓを通過するとき、この領域に作用する強いせん断応力によって赤血球が破壊される現象である。なお、赤血球の大きさは、直径が８μｍ程度、厚さが１．７μｍ程度である。

通常、人工心臓ポンプとして使用される軸流ポンプの場合、羽根車３の翼５は直径が２０ｍｍ程度と小型である。また、羽根車３の回転数は６０００〜１００００ｒｐｍ程度の高速であるから、翼端部５ａの周速度はおおよそ６〜１０ｍ／秒に達する。一方、翼端隙間Ｓは通常０．１ｍｍオーダー以下と微小であるから、翼端隙間Ｓにおけるせん断速度は１０^５
／sec オーダーの大きなものとなる。すなわち、従来構造の人工心臓ポンプ１では、翼５の板厚Ｔと一致する範囲が翼端隙間Ｓとなるので、この翼端隙間Ｓを通過して流れる間に大きなせん断速度（応力）を受けて溶血を生じることとなる。
また、翼端部５ａは大きなせん断速度を受ける高せん断応力領域であるから、翼端部５ａにバリなどの突起物があると溶血の原因になるとの指摘もある。

また、赤血球や血小板のサイズは数μｍ程度と小さなものであるから、ハウジング２や羽根車３等の接液部表面にこれより大きな表面粗さの凹凸が存在すると、この凹凸に赤血球や血小板がトラップされて血栓の原因となる。さらに、たとえば羽根車３の翼根元のように、血液の流れが滞留しやすい角部を有する形状になっている場所においても血栓を生じやすいとの指摘もある。
なお、翼端隙間Ｓを広げることでせん断速度を低下させることも考えられるが、このような対応は溶血を生じにくくする反面、漏れ流量の増加によりポンプ効率を低下させるという別の問題が生じるため好ましくない。

このように、軸流ポンプ等の人工心臓ポンプにおいては、溶血や血栓など血液の機能を損なうような現象が生じることを防止することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶血や血栓など血液の機能を損なうような現象が生じることを防止した人工心臓ポンプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る人工心臓ポンプは、ハウジング内に収容された羽根車を回転させて血液を圧送するための人工心臓ポンプであって、前記羽根車に形成された翼の板厚が、前記ハウジングの内壁面側となる翼端部の形状を、前記板厚の二分の一を半径とする半円形状の円弧、先端部の流れ方向両側を面取した三角形状、または、前記三角形状の先端角部を丸めたＲ形状のいずれかとし、前記翼端部において所要板厚より小さな値に設定されているとともに、前記羽根車に形成された翼の根元に血液成分の最小径より大きな値のコーナーＲを形成したことを特徴とするものである。

このような人工心臓ポンプによれば、羽根車に形成された翼の板厚が、ハウジングの内壁面側となる翼端部において所要板厚より小さな値に設定されているとともに、ハウジングの内壁面側となる翼端部の形状を、板厚の二分の一を半径とする半円形状の円弧、先端部の流れ方向両側を面取した三角形状、または、三角形状の先端角部を丸めたＲ形状のいずれかとしたので、血液の流れが大きなせん断速度（応力）にさらされる時間や距離を短縮することができる。すなわち、翼端隙間Ｓを広げることなく同じ値に維持し、かつ、血液の流れ方向における翼端隙間Ｓの領域を短縮することにより、赤血球が大きなせん断速度の作用により破損しやすい領域を低減することができる。
また、このような人工心臓ポンプによれば、羽根車に形成された翼の根元に血液成分の最小径より大きな値のコーナーＲを形成したので、血液の滞留が生じにくくなる。この場合、コーナーＲの半径は、血液成分の最小径（２μｍ程度）と比較して十分に大きい１００μｍ程度以上とすることが好ましい。

上記の発明において、接液部の表面粗さは、最大高さ（Ｒmax ）が血液成分の最小径より小さな値となるように加工されていることが好ましく、これにより、赤血球や血小板等の血液成分は、その最小径より小さい表面粗さの凹凸部分にトラップされることなくスムーズに流れるようになる。
上記の発明において、前記羽根車が血液を回転軸線方向へ圧送する軸流式ポンプであることが好ましく、これにより、人工心臓ポンプの小型化が容易になる。

上述した本発明によれば、翼端隙間Ｓを最小限に維持してポンプ効率を確保するとともに、溶血や血栓など血液の機能を損なう現象が生じることを防止した人工心臓ポンプの提供を可能にするという顕著な効果を得られる。

以下、本発明に係る人工心臓ポンプの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す人工心臓ポンプ１０は、羽根車の回転で圧送される流体の流れが回転軸線方向となる軸流式のポンプである。この人工心臓ポンプ１０は、ハウジング１１の内部に収納されて回転する羽根車１２を備えている。
羽根車１２は、回転軸１３の外周面から外向きに突出して設けた板厚Ｔの翼１４を備えている。図示の例では、複数に分割された翼１４が回転軸１３の外周面に突設され、たとえば図２に示すように、各翼１４の先端部である翼端部１４ａがＲ付けされて円弧状に形成されている。すなわち、羽根車１２に形成された翼１４の板厚については、ハウジング１１の内壁面１１ａ側となる翼端部１４ａにおいて、強度やポンプ性能等の諸条件に応じて定まる所要の板厚Ｔより小さな値に設定されている。

図２に示す翼端部１４ａは、板厚Ｔの二分の一を半径ｒ（Ｔ＝２ｒ）とする半円形状の円弧とされ、ハウジング１１の内壁面１１ａと翼端部１４ａの先端部との間には、翼端隙間Ｓが形成されている。この翼端隙間Ｓは、図６に示した従来構造と同じ値に設定されている。
この結果、翼端部１４ａと内壁面１１ａとの間に形成される翼端隙間Ｓの最小値は同じ値になるものの、最小値の翼端隙間Ｓが流れ方向へ継続する長さについては、円弧の頂点部分のみとなるため、翼１４の板厚Ｔより大幅に短くなる。

従って、羽根車１２が回転して血液を流れ方向へ圧送すると、血液は大きなせん断速度を受ける翼端隙間Ｓを通過するが、最も大きなせん断速度を受ける領域は、流れ方向の長さについては円弧の頂点部分のみになるので、従来の板厚Ｔに相当する長さと比較すれば大幅に短縮されている。すなわち、羽根車１２に形成された翼１４の板厚は、ハウジング１１の内壁面１１ａ側となる翼端部１４ａにおいて所要板厚Ｔより小さな値に設定されているので、血液の流れが大きなせん断速度（応力）にさらされる距離や時間を短縮することができる。
この結果、最小の翼端隙間Ｓを広げることなく同じ値に維持し、かつ、血液の流れ方向において最小となる翼端隙間Ｓの領域を短縮できるので、ポンプ効率の低下を低減しつつ赤血球が大きなせん断速度の作用を受けて破損しやすい領域を低減し、溶血の発生を抑制することができる。また、翼端部１４ａを半円形状とすることにより、血流に対する鋭端部をなくすこともできるので、これによっても溶血を抑えることができる。

ところで、翼１４の翼端部形状については、上述した半円形の形状に限定されることはなく、たとえば以下に説明する変形例が可能である。
図３（ａ）に示す第１変形例は、所要板厚Ｔの翼１４Ａが、先端部の流れ方向両側を面取した三角形状の翼端部１４ｂを備えている。この翼端部１４ｂは、内壁面１１ａとの間に翼端隙間Ｓを形成する角部（三角形の頂点）を形成している。
このため、翼端隙間Ｓが最小となる領域は、翼端部１４ｂの角部（頂点）のみとなるので、最小の翼端隙間Ｓを広げることなく同じ値に維持し、かつ、血液の流れ方向において最小となる翼端隙間Ｓの領域を短縮することができる。従って、赤血球が大きなせん断速度の作用を受けて破損しやすい領域を低減し、溶血の発生を抑制することができる。

また、図３（ｂ）に示す第２変形例の翼端部１４ｃは、第１変形例に示した翼端部１４ｂの角部を丸めてＲ形状としたものである。この翼端部１４ｃは、上述した実施形態及び第１変形例と同様に、内壁面１１ａとの間に形成される最小の翼端隙間Ｓを広げることなく同じ値に維持し、かつ、血液の流れ方向において最小となる翼端隙間Ｓの領域を短縮することができる。
従って、赤血球が大きなせん断速度の作用を受けて破損しやすい領域を低減し、溶血の発生を抑制することができる。また、先端部をＲ形状にして角部をなくしたことにより、血流に対する鋭端部をなくすこともできるので、これによっても溶血を抑えることができる。

続いて、翼１４が回転軸１３から突出する部分である根元形状について、図４を参照して説明する。
図４に示すように、羽根車１２に形成された翼１４の根元には、血液成分の最小径より大きな値のコーナーＲの根元部１３ａが形成されている。この根元部１３ａは、コーナーＲの半径が赤血球や血小板等の血液成分が有する最小径と比較して十分に大きい値とすることが好ましく、具体的には、血液成分の最小径である２μｍ程度に対して十分に大きな値である１００μｍ程度以上の半径に形成することが好ましい。

このようなコーナーＲの根元部１３ａとすることにより、人工心臓ポンプの運転中において、血液成分の径よりはるかに大きなＲ形状の根元部１３ａ付近には、血液成分が淀んで滞留することなくスムーズに流れていく。このため、翼１４の根元部１３ａに血液成分が滞留することを防止し、この滞留の結果として人工心臓ポンプ１０内で血栓が生じることを防止できる。

ところで、上述した人工心臓ポンプ１０は、血液が流れる接液部の表面粗さについて、以下に説明するように設定する。すなわち、ハウジング１１や羽根車１２等の接液部３０については、たとえば図５に示すように、最大高さ（Ｒmax ）が血液成分の最小径より小さな値となるような表面粗さに加工する。

具体的に説明すると、赤血球や血小板等の血液成分２０は、その最小径Ｗより小さい最大高さＲmax の表面粗さに加工された接液部３０を通過して流れることにより、表面粗さの凹凸部分にトラップされることなくスムーズに流れるようになる。ここで、血液成分２０の最小径Ｗは、赤血球の厚さや血小板の径が２μｍ程度であるから、最大高さＲmax
については２μｍ以下にすればよい。
上述した表面粗さに加工した人工心臓ポンプ１０は、ポンプ内を流れる血液が接液する接液部表面の凹凸に血液成分をトラップされないため、血液の滞留によりポンプ内に血栓が生じることを防止できる。

上述したように、本発明の人工心臓ポンプ１０によれば、翼端隙間Ｓを最小限に維持してポンプ効率を確保するとともに、溶血や血栓など血液の機能を損なう現象が生じることを実用上問題のないレベルまで防止または抑制することができる。
また、上述した実施形態では、人工心臓ポンプを小型化に有利な軸流ポンプ式として説明をしたが、たとえば遠心ポンプなど他のターボ形ポンプにも適用可能なことは言うまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る人工心臓ポンプの要部構成を示す図である。 図１に示す羽根車の翼について、先端部（翼端部）の形状を示す断面図である。 図２の変形例を示す断面図であり、（ａ）は第１変形例、（ｂ）は第２変形例である。 図１に示す羽根車の翼について、回転軸から突出する翼の根元部分を拡大して示す断面図である。 図１に示す人工心臓ポンプの接液部表面粗さを拡大して示す説明図である。 従来の人工心臓ポンプに係る図で、（ａ）は要部構成を示す図、（ｂ）は翼の先端部（翼端部）形状を示す断面図である。

符号の説明

１０ 人工心臓ポンプ
１１ ハウジング
１２ 羽根車
１３ 回転軸
１３ａ 根元部
１４，１４Ａ，１４Ｂ 翼
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 翼端部
２０ 血液成分
３０ 接液部
Ｔ 板厚
Ｓ 翼端隙間

Claims (3)

1. ハウジング内に収容された羽根車を回転させて血液を圧送するための人工心臓ポンプであって、
   前記羽根車に形成された翼の板厚が、前記ハウジングの内壁面側となる翼端部の形状を、前記板厚の二分の一を半径とする半円形状の円弧、先端部の流れ方向両側を面取した三角形状、または、前記三角形状の先端角部を丸めたＲ形状のいずれかにして、前記翼端部において所要板厚より小さな値に設定されているとともに、
   前記羽根車に形成された翼の根元に血液成分の最小径より大きな値のコーナーＲを形成したことを特徴とする人工心臓ポンプ。
2. 接液部の表面粗さは、最大高さ（Ｒmax）が血液成分の最小径より小さな値となるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載の人工心臓ポンプ。
3. 前記羽根車が血液を回転軸線方向へ圧送する軸流式ポンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の人工心臓ポンプ。

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