JP5267227B2 - ターボ式血液ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、血液を搬送するための血液ポンプ、特に、インぺラの回転によって血液に遠心力を与えて流動させる方式のターボ式血液ポンプに関する。

血液ポンプは、人工心肺装置等における体外血液循環を行うために不可欠である。血液ポンプの一つとして、ターボ式血液ポンプが知られている。ターボ式血液ポンプでは、入口および出口ポートを有するポンプ室内でインペラ（羽根車）を回転させることにより、遠心力により、血液を送液するための差圧を発生させる。

ターボ式血液ポンプは、その動作原理の故に、血液ポンプの小型化、軽量化、低コスト化が可能である。また、ローラポンプ型の血液ポンプのようにチューブの損傷などがなく、血液ポンプの耐久性に優れているので、長時間の連続運転に好適に使用することができる。したがって、ターボ式血液ポンプは、人工心肺装置や開心術後の心補助装置の体外循環回路用の血液ポンプとして、主流になりつつある。

例えば特許文献１に記載されているターボ式血液ポンプは、図６に示すような構造を有する。同図において、１はハウジングであり、血液を通過させ流動させるためのポンプ室２を形成し、ポンプ室２の上部に連通する入口ポート３と、ポンプ室２の側部に連通する出口ポート４が設けられている。ポンプ室２内にはインペラ５が配置されている。インペラ５は、６枚のベーン６、回転軸７、及びリング状の環状連結部８を有する。インペラ５の上面図を図７Ａに示す。

図７Ａに示すように、６枚のベーンは、長い主ベーン６ａと短い副ベーン６ｂの２種類の形状のものを含み、それらが交互に配置されている。なお、主ベーン６ａと副ベーン６ｂを総称して、ベーン６と記す。主ベーン６ａは、中心側端部がアーム１８により回転軸７に結合され、周縁側端部が環状連結部８に結合されている。副ベーン６ｂは、中心側端部が回転軸７には結合されず自由端となっており、周縁側端部のみが環状連結部８に結合されている。ベーン６の全てを回転軸７に結合すると、アーム１８の数が多くなって流路の妨げになるため、好ましくないからである。アーム１８はインペラの回転を回転軸７に伝える上で、最小限の数を有していれば良い。なお、図６におけるベーン６の断面形状は、図示の便宜上、図７Ａにおける主ベーン６ａのみに沿ったものが示されている。

図７Ａでは図示が簡略化されているが、ベーン６（主ベーン６ａ及び副ベーン６ｂとも）は、図７Ｂに示すような３次元曲面形状を有する。すなわち、入口ポート３から流入する血液がベーン６に接触（衝突）する入口側（インペラ５の中心部）における、ベーン６の上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン入口線Ｋと称する。また、血液がベーン６から離れる出口側（インペラ５の外周縁部）におけるベーン６の上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン出口線Ｌと称する。ベーン入口線Ｋは、回転軸７に対しねじれの位置にあり、ベーン出口線Ｌは、ベーン入口線Ｋに対しねじれの位置にある。

例えば、回転軸７の方向に対してベーン出口線Ｌは平行であるが、ベーン入口線Ｋが成す角度γは、例えば約３０°になるように設定される。このようにして、入口部と出口部の間でベーン入口線Ｋとベーン出口線Ｌの間を結ぶ面により形成されたベーン６は、ねじれた形状の３次元曲面を形成している。これにより、充分な駆出能を有しながら、ベーン６の出口側で発生するキャビテーション（流れの剥離、渦流）を抑制し、溶血の低減した血液ポンプを実現できる。

図６に示すように、回転軸７は、ハウジング１に設けた上部軸受け９及び下部軸受け１０により、回転自在に支持されている。環状連結部８には、磁石ケース１１が設けられ、磁石ケース１１には従動磁石１２が埋設され、固定されている。従動磁石１２は、円柱状であり、環状連結部８の周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。環状連結部８及び磁石ケース１１は円筒形内周面を形成している。

ハウジング１の下部には、ロータ１３が配置されている。ロータ１３は、互いに結合された駆動軸１４と、略円柱状の磁気結合部１５を有する。駆動軸１４は、図示しないが、回転自在に支持されるとともに、モータ等の回転駆動源に連結されて回転駆動される。また、ロータ１３とハウジング１とは、図示しない要素により、相互の位置関係が一定に保持されている。磁気結合部１５の上面部には駆動磁石１６が埋設され、固定されている。駆動磁石１６は円柱状であり、周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。

駆動磁石１６は、ハウジング１の壁を挟んで従動磁石１２と対向する位置関係となるように配置されている。従って、ロータ１３とインペラ５との間は、磁気的に連結された状態が形成され、ロータ１３を回転させることにより、インペラ５が磁気結合を介して回転駆動される。

従動磁石１２が設置された環状連結部８の面は、回転軸７に対して直交せず、所定の角度を有する傾斜面である。同様に駆動磁石１６が設置された磁気結合部１５の上面も傾斜面である。このように、従動磁石１２と駆動磁石１６とが、インペラ５の回転軸に対して傾斜した面において磁気結合を形成していることにより、インペラ５とロータ１３の間に作用する磁気吸引力は、インペラ５の回転軸に対して傾斜した方向に発生する。その結果、下部軸受け１０に対する下向きの負荷が軽減される。従って、下部軸受け１０の摩耗が緩和され、磁気結合の強さを十分な大きさにすることができる。

図から判るように、インペラ５は、環状連結部８の内側の領域に空間１９を有し、ベーン６の間を上下に貫通する流路が形成される。ハウジング１の底部の中央部には、上方、すなわちポンプ室２内部に突出した円筒形外周面を有する台座２０が形成されている。台座２０は、インペラ５の下部の、従動磁石１２および環状連結部８の内側の領域の空間１９を埋めるように形成され、空間の体積を最少限に抑制している。それにより、ポンプ室２内の血液充填量が低減される。

上部軸受け９は、入口ポート３の下方であって、ポンプ室２に入り込んだ位置に配置されている。入口ポート３の下端部内面に３本の軸受け支柱１７が設けられ、斜め下方に延びてポンプ室２内に入り込み、入口ポート３の流路断面の中心部においてその先端に上部軸受け９が支持されている。下部軸受け１０は、台座２０の上面部中央に設けられている。

以上のような構造のターボ式血液ポンプでは、インペラ５が上部軸受け９と下部軸受け１０により、上下位置で支持されている。そのため、インペラ５の支持状態、従って回転状態は安定し、安定した血液供給を実現することができる。しかも、環状連結部８は、ハウジング１の底面全体を覆う大きさではなく、インペラ５は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域に空間を有する。したがって、インペラ５は軽量であり、駆動力が小さくて済む。

また、血液ポンプの長期使用時の問題として、血液の滞留部における血栓の形成が挙げられる。例えば、従来の血液ポンプのインペラの下部には血液が滞留し易く、血栓が形成される惧れがあるが、特許文献１に開示された上記構成は、血液の滞留部の解消にも効果的である。すなわち、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域に、ベーン６の間を上下に貫通する流路が形成されるので、インペラ５の下部に流れてきた血液は、下部軸受け１０の近傍を通過してベーン６に達し、ベーン６の外径方向に向かって流れ出るからである。このような作用により、血液の滞留が抑制される。

しかしながら、特許文献１に開示された血液ポンプの構造の場合、回転軸７の周辺、例えば台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍に、血栓の形成が多く見られる。実験の結果、インペラ５とハウジング１底面の間の間隙における血液は、インペラ５の中心に向かって流動するものの、環状連結部８の内側の間隙部２１においては血液流の流速が小さくなり、特に、台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍では十分な速度の血液流が形成されないことが判った。そのため血液が滞留し、下部軸受け１０の発生する熱が溶血の主要な原因となっている。また、前記滞留により、下部軸受け近傍では、血栓を形成し易い状態になっている。

この問題を解決するために、特許文献２には、図８の断面図に示すような構造のターボ式血液ポンプが開示されている。この血液ポンプは、図６に示した従来例と比べて、インペラ２２の構造が相違する。図９にインペラ２２の上面図、図１０に同断面図を示す。

図９、図１０に明瞭に示されるように、インペラ２２は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域のベーン６の下方に配置された封鎖部材２３を有する。閉鎖部材２３は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域の空間からベーン６の間に貫通する流路を、回転軸７の周囲に一部の開口部２４を残して封鎖している。封鎖部材２３を設けることにより、回転軸７の周辺、例えば、台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍における、血栓の形成を以下に説明するとおり抑制することができる。

すなわち、封鎖部材２３を設けることにより、インペラ２２とハウジング１底面の間の間隙における血液は、封鎖部材２３の下面に沿ってインペラ５の中心に向かって流動した後、封鎖部材２３の開口部２４を通って上昇する。そのとき、下部軸受け１０に隣接し回転軸７に沿って、十分な速度の血液流が形成され、血液の滞留を発生させることがない。従って、特許文献１の構造では血液が滞留して血栓が形成された領域も、常に洗浄される状態になるため、血栓の形成が抑制される。

特開２００２−８５５５４号公報 特開２００８−１８３２２９号公報

特許文献２に開示された血液ポンプに設けられた封鎖部材２３は、下部軸受け１０近傍の血栓抑制には効果を発揮するが、上部軸受け９近傍では洗浄効果が十分には得られない。

ターボ式ポンプではベーン６が軸中心部にまで届いておらず、そこでは流れが澱みやすい状態にあるからである。また、インペラ５とハウジング１の上部内壁との間隙が大きいため、いわゆる２次流れによる洗浄効果が弱い。すなわち、ベーン６の出口側から出て、インペラ２２の上面とハウジング１の内壁面との間の間隙を通ってベーン６の入口側に戻る血液の流れ（２次流れ）が、上部軸受け９の近傍まで達し難いからである。そのため、上部軸受けの近傍における血栓の形成の抑制は十分とは言えない。

従って本発明は、インペラの回転軸が上下の軸受けで支持され、上部軸受けの近傍における血流による洗浄効果が十分に得られるターボ式血液ポンプを提供することを目的とする。

本発明のターボ式血液ポンプは、ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを形成するハウジングと、前記ポンプ室内に回転自在に支持されたインペラと、前記ハウジングの外側下部に配置され回動可能なロータと、前記インペラを回転駆動するための駆動力伝達要素とを備え、前記インペラは、上部軸受けと下部軸受けにより上下端で回転自在に支持された回転軸と、内周縁側で前記回転軸と接続された複数のベーンと、前記各ベーンの外周縁側を連結する環状連結部と、前記環状連結部の下部に配置された従動磁石部とを有し、前記駆動力伝達要素は、前記従動磁石部と前記ロータに設けられた駆動磁石部との間の磁気結合により構成される。

上記課題を解決するために、本発明のターボ式血液ポンプは、前記ベーンはその上縁が屈曲し、屈曲点を境にして外周縁側である外縁部ベーン上縁、及び中心側である中心部ベーン上縁が形成されており、前記外縁部ベーン上縁が前記回転軸方向の下方と成す角度を外縁部ベーン上縁角αと定義し、前記中心部ベーン上縁が前記回転軸方向の下方と成す角度を中心部ベーン上縁角βと定義したとき、前記外縁部ベーン上縁角α及び前記中心部ベーン上縁角βはともに鋭角であって、α＜βであり、前記ベーンの上縁に対向する領域における前記ハウジングの前記ポンプ室内壁面は、前記ベーンの上縁に沿った形状を有することを特徴とする。

上記構成によれば、中心部ベーン上縁角βが外縁部ベーン上縁角αよりも小さく、ハウジングの内壁面が中心部ベーン上縁に沿った形状を有することにより、インペラの上部とハウジングの上部内壁面との間の間隙が狭くなる。これにより、上部軸受けの近傍における流動状態が改善され、血流による洗浄効果が向上する。すなわち、ベーンの出口側から出て、インペラの上面とハウジングの内壁面との間の間隙を通ってベーンの入口側に戻る血液の流れが、上部軸受けの近傍まで達する状態が得られ易いからである。

本発明の実施の形態１におけるターボ式血液ポンプの断面図 図１のターボ式血液ポンプのインペラの上面図 同インペラの断面図 本発明の実施の形態２におけるターボ式血液ポンプの断面図 図４のターボ式血液ポンプのインペラの断面図 従来例のターボ式血液ポンプの断面図 図６のターボ式血液ポンプのインペラの上面図 図７Ａのインペラにおける１枚のベーンの形状を示す斜視図 他の従来例のターボ式血液ポンプの断面図 図８のターボ式血液ポンプのインペラの上面図 同インペラの断面図

本発明のターボ式血液ポンプは、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

すなわち、前記上部軸受けの少なくとも一部は、前記入口ポート内に配置されている構成とすることが好ましい。

また、前記ベーンは、内周縁側が前記回転軸の位置まで延在して前記回転軸と直接結合していることが好ましい。それにより、インペラの中心部での流動状態が良好になり、上部軸受け近傍での洗浄効果が更に向上する。

また、前記入口ポートから流入する血液が前記ベーンに接触する入口部における、前記ベーンの上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン入口線Ｋと定義し、血液が前記ベーンから離れる出口部における前記ベーンの上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン出口線Ｌと定義したとき、前記ベーンは各々、前記ベーン入口線Ｋが、前記回転軸に対しねじれの位置にあり、かつ前記ベーン出口線Ｌが、前記ベーン入口線Ｋに対しねじれの位置にあるような三次元曲面形状を有し、前記ベーンは、前記外周縁側の所定範囲の領域では所定の前記ねじれ形状を有し、その内周縁側の領域では直線形状を成して前記回転軸と結合していることが好ましい。

この構成のようにベーンの始端と終端がねじれの関係にある場合、内周縁側の端部をそのまま延長しても回転軸を通過せず、インペラが極端に屈曲する。そこで、ポンプの駆出能や溶血に影響する部分のみ、従来と同様にベーンにねじれを与え、回転軸まで延長させる部分はインペラのねじれ解消して直線的に延長させることにより、無理のない形状とすることができる。

また、前記ベーンにおける前記外周縁側の所定の前記ねじれ形状を有する領域の長さをＰｔｗとし、前記ベーンの前記直線形状を有する領域の長さをＰｓｔとしたとき、
０．５８＜Ｐｔｗ／（Ｐｔｗ＋Ｐｓｔ）＜０．８０
を満足するように、長さＰｔｗ及び長さＰｓｔが調整されることが好ましい。

また、前記ベーン上縁角αは３０〜６０度の間に設定され、前記ベーン上縁角βは７０〜９０度の間に設定されていることが好ましい。

また、前記インペラの径方向における、前記外縁部ベーン上縁の領域の長さＬｉに対する前記中心部ベーン上縁の領域の長さＬｏの比Ｌｏ／Ｌｉは、０．７５〜３．２０の間に設定されていることが好ましい。

また、前記インペラは、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の前記ベーンの下方に配置された封鎖部材を備え、前記閉鎖部材は、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の空間を、少なくとも前記回転軸の周囲に開口部を残して封鎖していることが好ましい。

この場合、前記環状連結部及び前記従動磁石部の形成する円筒形内周面に包囲された前記インペラの下部の領域の空間を埋めるように、前記ハウジングの底部中央部に上方に突出した円筒形外周面を有する台座が形成されて、前記台座に前記下部軸受けが設けられ、前記閉鎖部材の開口部は、前記回転軸と同心の円形であり、前記閉鎖部材の開口部の直径をｄ、前記台座の円筒形外周面の直径をＤとしたとき、前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲に設定されていることが好ましい。

また、外周縁側が前記環状連結部に接続され、内周縁側が自由端となった副ベーンが前記ベーン間に配置された構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態におけるターボ式血液ポンプについて、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるターボ式血液ポンプを示す断面図である。このターボ式血液ポンプの基本的な構造は、図６、図７Ａ及び図７Ｂに示した従来例のものと同様である。従って、図６および図７に示した要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

本実施の形態の血液ポンプは、ハウジング３０、及びインペラ３１が、従来例から改良された形態を有する。図２にインペラ３１の上面図、図３に同断面図を示す。図２に示すように、６枚のベーンは、主ベーン３２ａと副ベーン３２ｂからなり、交互に配置されている。主ベーン３２ａと副ベーン３２ｂを総称して、ベーン３２と記す。但し、主ベーン３２ａと副ベーン３２ｂに分けず、全てが主ベーン３２ａとして形成された構成でもよい。なお、図１及び図３におけるベーン３２の断面形状は、図示の便宜上、図２における主ベーン３２ａのみに沿ったものが示されている。ベーン３２は、基本的には図７Ｂに示したベーン６と同様、ねじれた３次元曲面形状を有する。

本実施の形態では、主ベーン３２ａは中心側端部が延長されて、図６、図７Ａ等に示した従来例のようなアーム１８を介することなく、回転軸７に直接結合されている。副ベーン３２ｂは、従来例と同様、中心側端部が回転軸７には結合されず自由端となっており、周縁側端部のみが環状連結部８に結合されている。

図に明瞭に示されるように、ベーン３２（主ベーン３２ａ、副ベーン３２ｂとも）の上縁は、回転軸７の軸方向における高さが変化する屈曲点３４を有する。屈曲点３４を境にして、外周縁側を外縁部ベーン上縁３３ａ、中心側を中心部ベーン上縁３３ｂと称する。

図３に示すように、外縁部ベーン上縁３３ａが回転軸７に平行な方向Ｙの下方と成す角度を外縁部ベーン上縁角αと定義し、中心部ベーン上縁３３ｂが方向Ｙの下方と成す角度を中心部ベーン上縁角βと定義する。外縁部ベーン上縁角α及び中心部ベーン上縁角βはともに鋭角であって、α＜βである。言いかえれば、中心部ベーン上縁３３ｂの方が、外縁部ベーン上縁３３ａよりも水平に近い傾斜を形成している。

上述のようなベーン３２の上縁の形状に合わせて、特に、中心部ベーン上縁３３ｂに対向する領域では、ハウジング３０のポンプ室３５の内壁面は、中心部ベーン上縁３３ｂに沿った形状を有する。中心部ベーン上縁３３ｂがより水平に近くなった結果、中心部ベーン上縁３３ｂに沿った形状を有するハウジング３０の内壁面と、上部軸受け９との位置関係は接近する。そのため、入口ポート３も上部軸受け９に近接し、軸受け支柱１７及び上部軸受け９の少なくとも一部は、入口ポート３内に配置された状態になる。

以上のように、ベーン３２が屈曲点３４を有し、中心部ベーン上縁角βが外縁部ベーン上縁角αよりも大きくなって、ハウジング３０のポンプ室３５の内壁面が、中心部ベーン上縁３３ｂに沿った形状を有することにより、インペラ３１の上部とハウジング３０の上部内壁面との間の間隙が狭くなる。これにより、上部軸受け９の近傍における流動状態が改善され、血流による洗浄効果が向上する。何故ならば、インペラ３１により駆出力を受けた血液のいわゆる２次流れ、すなわち、ベーン３２の出口側から出て、インペラ３１の上面とハウジング３０のポンプ室３５の内壁面との間の間隙を通ってベーン３２の入口側に戻る血液の流れが、上部軸受け９の近傍まで達する状態が得られ易くなるからである。

この構成によれば、ベーン３２の上部の翼面の面積が減少することになるが、インペラ３１の上部は駆出にあまり影響しないため、ある程度までは、駆出力の面での影響は考慮不要である。

上記効果を得るためには、ベーン上縁角αは３０〜６０度の間に設定され、ベーン上縁角βは７０〜９０度の間に設定されることが望ましい。

また、インペラ３１の径方向における、外縁部ベーン上縁３３ａの領域の長さＬｉに対する中心部ベーン上縁３３ｂの領域の長さＬｏの比Ｌｏ／Ｌｉは、０．７５〜３．２０の間に設定されることが望ましい。

また、上部軸受け９の近傍での流動状態を改善するには、主ベーン３２ａのように、中心側端部が回転軸７まで延長されていることが望ましい。これにより、インペラ３１の中心部での流動状態が良好になる。但し、ベーン３２は図７Ｂに示したベーン６と同様、ねじれた３次元曲面形状を有する。そのため、主ベーン３２ａを延長して回転軸７に直接結合させる場合、従来のベーン３２のねじれをそのままの状態にして主ベーン３２ａの中心側を延長すると、主ベーン３２ａの中心側端部は回転軸７から逸れて、相互の結合が困難になる。

そこで、本実施の形態では図２に示すように、主ベーン３２ａは、その長手方向における所定の位置Ｐを境界として、出口側（インペラ３１の外縁側）のねじれ部と、入口側（インペラ３１の中心側）の直線部とに区分されている。つまり、主ベーン３２ａの外縁端から内縁端に向けて位置Ｐまで上述のようなねじれが形成され、位置Ｐよりも中心側ではねじれを形成することなく直線形状を成している。これにより、主ベーン３２ａの中心側端部を容易に回転軸７に結合させることが可能となっている。

このように、主ベーン３２ａにおいてポンプの駆出能や溶血に影響する部分のみ従来と同様の構造とし、回転軸７まで延長する部分はねじれ解消して直線的に延長することにより、送血量（駆出能）の確保、溶血低減、等のポンプの性能を維持しながら、インペラ３１の中心部での流動状態を改善することができる。上記の効果を有するため、Ｐの位置決めが重要となるが、図２に示すように主ベーンのねじれ部（に相当する直線部分）の長さをＰｔｗとし、主ベーンの直線部分の長さをＰｓｔとしたとき、０．５８＜Ｐｔｗ／（Ｐｔｗ＋Ｐｓｔ）＜０．８０の範囲となるように、Ｐ位置を調整することが望ましい。

以上のような本実施の形態のターボ式血液ポンプにおいて、上部軸受け９の近傍における血液流による洗浄効果を向上させて、血栓の形成を抑制する効果を得るためには、ベーン３２の上縁に屈曲点３４を設け、外縁部ベーン上縁角αよりも中心部ベーン上縁角βを大きくして、インペラ３１の上部とハウジング３０の内壁面との間の間隙を狭くすることが、最も効果的である。

併せて、主ベーン３２ａの中心側端部が回転軸７まで延長された構成とすることにより、上部軸受け９の近傍での流動状態がより良好となり、血栓の形成を抑制する効果がより向上する。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるターボ式血液ポンプを示す断面図である。このターボ式血液ポンプの基本的な構造は、図１に示した実施の形態１のものと同様である。従って、図１に示した要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

本実施の形態の血液ポンプは、実施の形態１の構成に対して、図８〜図１０の従来例に示したような閉鎖部材２３が付加された構成を有する。図５に、図４のターボ式血液ポンプにおけるインペラ３１の断面図を示す。

図４及び図５に示されるように、インペラ３１は、実施の形態１と同様のベーン３２の構成を有するとともに、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域のベーン３２の下方に配置された封鎖部材２３を有する。閉鎖部材２３は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域の空間からベーン３２の間に貫通する流路を、回転軸７の周囲に一部の開口部２４を残して封鎖している。封鎖部材２３を設けることにより、回転軸７の周辺、例えば、台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍における、血栓の形成を抑制することができる。

すなわち、封鎖部材２３を設けることにより、インペラ３１とハウジング３０底面の間の間隙における血液は、封鎖部材２３の下面に沿ってインペラ３１の中心に向かって流動した後、封鎖部材２３の開口部２４を通って上昇する。そのとき、下部軸受け１０に隣接し回転軸７に沿って、十分な速度の血液流が形成され、血液の滞留を発生させることがない。従って、下部軸受け１０の近傍が常に洗い流される状態になるため、血栓の形成が抑制される。

一方、実施の形態１と同様、ベーン３２の上縁に屈曲点３４を設け、外縁部ベーン上縁角αよりも中心部ベーン上縁角βを大きくして、インペラ３１の上部とハウジング３０の内壁面との間の間隙を狭くすることにより、上部軸受け９の近傍での血液流による洗浄効果が向上し、血栓の形成を抑制する効果が改善される。これに、主ベーン３２ａの中心側端部が回転軸７まで延長された構成を加えることが望ましく、それにより、ポンプ性能を維持しつつ、上部軸受け９の近傍での洗浄効果が更に向上する。

以上のとおり、ベーン３２の上縁形状を改良し、封鎖部材２３を設けることにより、ターボ式血液ポンプ全体として、上部軸受け９及び下部軸受け１０の近傍の血液流による洗浄効果が向上し、血栓の発生を抑制する効果が実用上十分なものとなる。

次に、封鎖部材２３の開口部２４の条件を設定するための実験の結果について説明する。血栓形成の評価用の試験液として、油絵具６に対してオイルを４の重量比で混合した液体を用いた。図４に示すターボ式血液ポンプの構造における、封鎖部材２３の開口部２４の直径ｄを変えながら、試験液をポンプ駆動により循環させて、台座２０の上面に形成された油膜の大きさを検査した。

台座２０の円筒面の直径Ｄは２０ｍｍとし、回転軸７の直径は２ｍｍ、環状連結部８の内周面の直径は２２ｍｍとした。従って、開口部２４の直径ｄは、２ｍｍ〜２２ｍｍの間で変化させた。ポンプ流量は２．０Ｌ／ｍｉｎ、回転数は４０００ｍｉｎ^-1、循環時間は２分とした。

開口部２４の直径ｄを２２ｍｍ（封鎖部材２３なし）から小さくするのに伴い、１３ｍｍ付近から残存油膜の割合が減少し始める。そして、直径ｄ＝６ｍｍになると、直径ｄを小さくすることによる残存油膜の減少の効果が緩やかになる。直径ｄ＝２．４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲で、残存油膜の減少の効果が最も大きかった。２．４ｍｍより小さくなると、逆に残存油膜の割合は増大した。これは血液の流路が小さくなりすぎるためである。

以上のとおり、開口部２４の直径ｄは、血栓の形成を抑制するためには２．４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲とすることが最適である。一方、他の条件を考慮して、開口部２４の直径ｄを上記の最適な範囲よりも大きめ、すなわち４．５ｍｍを超えて６ｍｍまでの大きさにしても、血栓の形成を抑制する効果は、実用上は十分に得られる。なお、開口部２４の直径ｄの適当な範囲は、ターボ式血液ポンプの寸法によって若干変わるが、通常用いられる範囲のターボ式血液ポンプであれば、以下のように規格化した範囲とすれば、所望の効果を得ることが可能である。

すなわち、台座２０の円筒面の直径Ｄに対して、開口部２４の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲、好ましくは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．２２５Ｄの範囲に設定すればよい。

本発明のターボ式血液ポンプによれば、インペラを支持する上部軸受けの近傍における血流による洗浄効果が向上して血栓の形成が抑制されるので、人工心肺装置等における体外血液循環を行うための血液ポンプとして好適である。

１、３０ ハウジング
２、３５ ポンプ室
３ 入口ポート
４ 出口ポート
５、２２、３１ インペラ
６、３２ ベーン
６ａ、３２ａ 主ベーン
６ｂ、３２ｂ 副ベーン
７ 回転軸
８ 環状連結部
９ 上部軸受け
１０ 下部軸受け
１１ 磁石ケース
１２ 従動磁石
１３ ロータ
１４ 駆動軸
１５ 磁気結合部
１６ 駆動磁石
１７ 軸受け支柱
１８ アーム
１９ 空間
２０ 台座
２１ 間隙部
２３ 封鎖部材
２４ 開口部
３３ａ 外縁部ベーン上縁
３３ｂ 中心部ベーン上縁
３４ 屈曲点

Claims (10)

1. ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを形成するハウジングと、
   前記ポンプ室内に回転自在に支持されたインペラと、
   前記ハウジングの外側下部に配置され回動可能なロータと、
   前記インペラを回転駆動するための駆動力伝達要素とを備え、
   前記インペラは、上部軸受けと下部軸受けにより上下端で回転自在に支持された回転軸と、内周縁側で前記回転軸と接続された複数のベーンと、前記各ベーンの外周縁側を連結する環状連結部と、前記環状連結部の下部に配置された従動磁石部とを有し、
   前記駆動力伝達要素は、前記従動磁石部と前記ロータに設けられた駆動磁石部との間の磁気結合により構成されたターボ式血液ポンプにおいて、
   前記ベーンはその上縁が屈曲し、屈曲点を境にして外周縁側である外縁部ベーン上縁、及び中心側である中心部ベーン上縁が形成されており、
   前記外縁部ベーン上縁が前記回転軸方向の下方と成す角度を外縁部ベーン上縁角αと定義し、前記中心部ベーン上縁が前記回転軸方向の下方と成す角度を中心部ベーン上縁角βと定義したとき、前記外縁部ベーン上縁角α及び前記中心部ベーン上縁角βはともに鋭角であって、α＜βであり、
   前記ベーンの上縁に対向する領域における前記ハウジングの前記ポンプ室内壁面は、前記ベーンの上縁に沿った形状を有することを特徴とするターボ式血液ポンプ。
2. 前記上部軸受けの少なくとも一部は、前記入口ポート内に配置されている請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
3. 前記ベーンは、内周縁側が前記回転軸の位置まで延在して前記回転軸と直接結合している請求項１または２に記載のターボ式血液ポンプ。
4. 前記入口ポートから流入する血液が前記ベーンに接触する入口部における前記ベーンの上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン入口線Ｋと定義し、血液が前記ベーンから離れる出口部における前記ベーンの上部端と下部端とを結ぶ線分をベーン出口線Ｌと定義したとき、
   前記ベーンは各々、前記ベーン入口線Ｋが、前記回転軸に対しねじれの位置にあり、かつ前記ベーン出口線Ｌが、前記ベーン入口線Ｋに対しねじれの位置にあるような三次元曲面形状を有し、
   前記ベーンは、前記外周縁側の所定範囲の領域では所定の前記ねじれ形状を有し、その内周縁側の領域では直線形状を成して前記回転軸と結合している請求項３に記載のターボ式血液ポンプ。
5. 前記ベーンにおける前記外周縁側の所定の前記ねじれ形状を有する領域の長さをＰｔｗとし、前記ベーンの前記直線形状を有する領域の長さをＰｓｔとしたとき、
   ０．５８＜Ｐｔｗ／（Ｐｔｗ＋Ｐｓｔ）＜０．８０
   を満足するように、長さＰｔｗ及び長さＰｓｔが調整された請求項４に記載のターボ式血液ポンプ。
6. 前記ベーン上縁角αは３０〜６０度の間に設定され、前記ベーン上縁角βは７０〜９０度の間に設定された請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ式血液ポンプ。
7. 前記インペラの径方向における、前記外縁部ベーン上縁の領域の長さＬｉに対する前記中心部ベーン上縁の領域の長さＬｏの比Ｌｏ／Ｌｉは、０．７５〜３．２０の間に設定された１〜６のいずれか１項に記載のターボ式血液ポンプ。
8. 前記インペラは、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の前記ベーンの下方に配置された封鎖部材を備え、
   前記閉鎖部材は、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の空間を、少なくとも前記回転軸の周囲に開口部を残して封鎖している請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ式血液ポンプ。
9. 前記環状連結部及び前記従動磁石部の形成する円筒形内周面に包囲された前記インペラの下部の領域の空間を埋めるように、前記ハウジングの底部中央部に上方に突出した円筒形外周面を有する台座が形成されて、前記台座に前記下部軸受けが設けられ、
   前記閉鎖部材の開口部は、前記回転軸と同心の円形であり、
   前記閉鎖部材の開口部の直径をｄ、前記台座の円筒形外周面の直径をＤとしたとき、前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲に設定されている請求項８に記載のターボ式血液ポンプ。
10. 外周縁側が前記環状連結部に接続され、内周縁側が自由端となった副ベーンが前記ベーン間に配置された請求項１〜９のいずれか１項に記載のターボ式血液ポンプ。

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