JP7004653B2 - 心室補助血流ポンプ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、心室補助ポンプに関する。本発明は、例えば、電池で給電され、血液循環を補助するために、人体に挿入することを意図したポンプに関する。

心室補助システムの分野において、小さい圧力増加で高流量を生成する軸流ポンプ、および低流量で高圧を生成する遠心ポンプの２種類のポンプが知られている。

どちらの種類のポンプが所与の用途に最も適しているかを判断するために、ポンプ内の血液の比速度の評価がしばしば必要になる。比速度は、所望の流量、上昇高さ（入口と出口との間の圧力差）、および回転速度といった、異なるパラメータの関数として計算される、標準化された変量である。この値を根幹として、ポンプの種類は、比速度が［０－１．２］の遠心式、比速度が［１－２．２］の斜流式、および前述の軸流式から選択することができる。ノモグラムによって、ロータで使用される翼または羽根のための所定の外形を有する、ポンプの種類を選択することが可能になる。

選択したポンプの種類に関わらず、従来技術のほとんどのポンプにせん断応力の存在が認められ、これは、従来技術で用いられているロータおよびケーシング(carter (casing))が、血液内で過剰な渦を生成することによる。せん断応力は、溶血、すなわち赤血球の破壊につながる可能性がある。赤血球が破壊されると、血液が搬送される流量に関わらず、細胞に酸素が届かない。

別の欠点は、血液が停滞することによって血液の塊ができ、血栓症につながることである。

本発明の目的は、血栓症の発生を回避するポンプを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、溶血の発生を回避することである。

これらの目的の少なくとも１つは、流体に沈めることが意図されるポンプで達成され、このポンプは、
―流体の流れを直線的にするために、ガイド羽根を装備した、インデューサと、
―フレア状の中心体を有するロータであって、運動エネルギーを生成することを意図し、かつ流体の流れの方向に対して、インデューサの下流に配置される、ロータと、
―前記中心体の周囲に作成された、少なくとも１つの螺旋羽根であって、フレア状の外形を有し、かつ無限大に向かって巻きピッチが増加する巻きを有し、ケーシングの内部容積が、前記少なくとも１つの螺旋羽根のフレア状の形状と相補的である、螺旋羽根と、
―ロータの周囲にある、ケーシングと、
―流体の流れを直線的にし、かつ流体の圧力を増加させるための羽根を装備したディフューザ（diffuseur（diffuser））であって、流体をロータから外へ排出するように、ロータの下流に配置され、ロータ生成した運動エネルギーを位置エネルギーに変換する、ディフューザと、
―矯正器であって、羽根、および矯正器の入口直径よりも直径が小さい出口オリフィスを装備し、羽根は、オリフィスから出るときに速度を上げて、流体に所定の外形を与えるように、ディフューザから生じた流体をオリフィスに導く、矯正器とを備える。

言い換えれば、螺旋羽根は、螺旋羽根の入射角が、ロータの上流端から下流端にかけて減少するようにロータを取り巻き、入射角は、ロータの回転軸線と、螺旋羽根の外面に対する、接線方向のベクトルとの間の角度として定義される。本出願に主として述べられているように、羽根はロータを取り巻くことができるが、ケーシングの内壁に配置されることもできることに留意されたい。

本明細書で定義される直線的な流体の流れとは、旋回流と比較して直線的ということである。この直線的な流れは、層流であってもよい。

本発明による矯正器は、ポンプの出口で高速値が得られるように流体を集中させることによって、流れの生成を可能にする。一般に、心臓の血管系は、極めて高い循環抵抗を有する。効率的なポンプは、このような循環抵抗を克服するために、十分な圧力で血液を弁の中に推進させることができるポンプである。ポンプ出口圧力は、出口速度と比較して最重要であり、本発明によるポンプでは、最大速度３ｍ／ｓに達することができる。

言い換えれば、矯正器によって、ある位置、すなわち大動脈弁に合わせした位置で、最高速度を得ることが可能な外形を生成するように流体を導くことが可能になり、その結果、層流式に流れが放出される。これにより、ポンプの出口で渦が生成されるのを回避することができる。出口オリフィスの直径は、ケーシングの内径よりも小さい。外径が小さい、例えば、ケーシングの内径の半分または１／３であることにより、負の速度の流れ（出口流の圧力、および均質性の不足による逆流）が生成されるのを回避しながら、圧力パラメータを８０～２００ｍｍＨｇ、速度パラメータを１～３ｍ／ｓの間で調節することが可能になる。

本発明による、ディフューザと矯正器との組立体は、したがって、ポンプを効率化することができる。矯正器は、流れを生成することによって、流体を出口から周囲の媒質の中に直接拡散する。この周囲媒質は、好適には、前記の流体であることができ、好ましくは血液である。

本発明によるインデューサは、キャビテーション、すなわち流体内に泡が生成される現象を回避する。

このポンプは、垂直位置、またはわずかに傾斜した、すなわち垂直な軸線に対して０～５度で傾斜した位置での動作に完全に適合することに留意されたい。本発明によるポンプは、大部分の従来技術のポンプと同様に、横にして動作させることもできる。

螺旋羽根に関しては、フレア状の外形であり、ケーシングの内部容積は、このフレア状の形状と相補的である。大部分の従来技術のポンプにおいて、ケーシングは、直線状の円筒形の内部容積を有し、その結果、羽根の外形は、おおむね長方形である。これは特に、羽根の外径が、長方形の外形を持つケーシングの内径と同一の、等径ポンプである軸流ポンプに当てはまる。このような長方形の外形設計は、ポンプを垂直に配置しなければならないときは、効率的ではない。

本発明によるポンプは、流体が径方向に入り、その後軸線方向にインデューサに向かって係合するように、側面開口を装備した入口室（chambre d'admission （inlet chamber））をさらに備えることができる。この入口室は、円筒形の形状であることができ、前記の開口の下流にあるその上部に、インデューサを収容する受け器を備える。入口室とインデューサとは、互いにしっかりと固定することを意図した、２つの部品で構成されるか、または単一の部品として設計されることができる。

インデューサのガイド羽根は、好適には、ロッドが通過できるように設計され、これによりロータをモータに結合でき、インデューサは、ケーシングとこのモータとの間に配置される。動作時は、（螺旋羽根を有する）中心体が、ポンプの他の部品に接触することなく、ケーシングの内側で回転する。

限定的でない実施形態によれば、ポンプは、中心体の周囲に均一に分配された、合計４つの同一の螺旋羽根を備える。

好ましくは、ロータの中心体は、楕円形の形状、すなわち中心体の側面が湾曲している。この中心体の頭部は、丸められていて羽根を持たない、例えば、オジーブ（d'ogive（ogive））の形状であることができる。

本発明によれば、ディフューザは、その内壁に分配され、かつ周縁部から中央へ延びる直線状のガイド羽根を装備した、中空のシリンダであることができる。その役割は、流体の運動エネルギーの一部を圧力に変換することであり、この圧力は、特に、矯正器で伝達される。また特に、ディフューザのガイド羽根は、中心体の周囲にある、螺旋羽根の巻きの方向とは反対の方向にねじれた形状を有することができる。

本発明の好適な特徴によれば、中心体が羽根のない丸められた頭部を有する場合に、ディフューザが丸められた頭部に被さり、ディフューザの各ガイド羽根は、丸められた頭部の対面部と相補的な形状を有する。ディフューザを形成しているシリンダの内径は、螺旋羽根の下流端において、ケーシングの内径と同一である。

本発明によれば、矯正器は、流体の流れの方向において、ディフューザの下流に配置される。例えば、矯正器の内壁は、直線状のガイド羽根が配置された、円錐の形状であることができる。

本発明による、ディフューザの変形例によれば、このディフューザは、下流方向を向いたオジーブの形状の中央部と、オジーブの基部の周囲にあるシリンダと、このシリンダをオジーブの基部に結合するガイド羽根とを備えることができ、このディフューザは、ディフューザをロータに対して静止状態で保持できるようにする軸受を介して、ロータの下流端と係合することを意図している。このようなディフューザにより、ポンプの出口流の指向性、圧力、および均質性を向上させることが可能になる。

同様に、この実施形態においても、ディフューザのガイド羽根は、中心体の周囲にある、螺旋羽根の巻きの方向とは反対の方向にねじれた形状を有することができる。したがって、ディフューザは、ロータに達した流体の渦巻く性質に対抗する。ディフューザの中を通った後に、流体は、矯正器の作用によって、層流を構成するように完全に補正される。

特に、変形例によれば、矯正器は、流体の流れの方向においてディフューザの下流に配置され、ガイド羽根は、直線状であり、かつ矯正器の中央部にオジーブの頭部を入れられるように設計される。

概して、ロータと螺旋羽根との組立体は、好適に、上流部が遠心式、中央部が斜流式、下流部が軸流式の外形を有することができる。

本発明によるポンプで、ロータとケーシングとの組立体は、
―遠心式のポンプ、すなわち流体が径方向に加速されて軸線方向に到達し、このために、螺旋羽根の下部が、ロータの回転軸線に対して約４５度、例えば、４０～５０度の顕著な角度を有する、
―斜流式のポンプ、すなわち螺旋羽根の巻きの傾斜または湾曲が、それほど顕著でない、
―軸流式のポンプ、すなわち流体が、ロータの回転軸線と平行な方向に導かれる、
という特徴を同時に有する。

この構成により、溶血、すなわち赤血球の破壊につながる可能性がある、せん断応力を制限することが可能になる。赤血球が破壊されると、高流量であっても、細胞に酸素が届かない。

せん断応力は、ポンプの入口および出口で渦巻く血液の影響によって生成される。本発明によるポンプは、遠心式の構造と、軸線式の送出を用いて血液を吸引することによって、渦を回避する。

本発明の好適な特徴によれば、中心体と螺旋羽根との組立体の上流部は、比速度が０～１．２になるように寸法決めされる。また、中心体と螺旋羽根との組立体の中央部は、比速度が１～２．２になるように寸法決めされることができる。最終的に、中心体と螺旋羽根との組立体の中央部は、比速度が２．２よりも大きくなるように寸法決めされることができる。この比速度値により、遠心式、斜流式、または軸線式の構造をそれぞれ分類することができる。

設計前の予備的な理論研究において、達成すべき流量に関しては、その用途および目的に応じ、本発明によるポンプは、比速度を約１にする必要があることが分かった。本発明の技術分野におけるノモグラム、および一般に受け入れられている前提から、当業者は必然的に、遠心式または軸流式の、ポンプまたはタービンの選択を促されることになろう。しかしながら、本発明によるポンプは、非常に特殊で革新的な設計であり、斜流式を含む３種類のポンプが存在する。本発明によるポンプの構造は、種類が一様なポンプまたはタービン用の、従来の設計ハンドブックに従ったものではない。

本発明の好適な特徴によれば、ポンプは、ロータを駆動させ、かつ支持する軸を備え、この軸は、ロータの上流端に固定されて、入口室をその軸線領域において通過する。この軸は、特に、ロータを動かすことができるモータに結合される。

本発明によれば、入口室、インデューサ、ケーシング、およびディフューザは、単一の部品として設計されるか、または相対的に動かないように、互いにしっかりと固定され、ロータは、ケーシング内で回転運動可能に保持される。

入口室内にあるインデューサ、ディフューザ、および矯正器もまた、ロータに対して固定された部品である。

好ましくは、螺旋羽根は、その全長（中心体の下部から上部まで）にわたって同一の径方向高さ（径方向における厚さ）を有する。変形例では、その全長にわたって、変化する径方向高さ（径方向における厚さ）を、好ましく想定することができる。中心体の下部で１～４ｍｍ、上部で１～３ｍｍの高さが、必要とされる圧力および速度の特性に応じて、連続的に変化して、または段階的に設けられることができる。

ポンプの全体的な外部形状は、円形の断面を有するシリンダであるが、正方形、または三角形の断面等、他の種類の断面を想定してもよく、入口室は、ケーシングの全体形状とは異なる全体形状を有してもよい。

本発明の別の態様によれば、前述において定義したようにポンプを駆動させる方法が提供される。この方法において、ロータは、心調律に従って、ポンプに結合されたモータによって作動される。血液は、心拍の律動、具体的には、加速と減速とを伴う正弦波型の律動に従って、ポンプから圧送される。心調律は、モータを制御する制御ユニットに心臓を結合する、プローブを用いて検出することができる。

従来技術のほとんどのポンプが一定の速度で動作するのに反して、心拍数が１分間に６０拍または１２０拍の場合、本発明によるポンプは律動に従い、ポンプの回転は、これに適合される。

本発明の他の利点および特徴は、決して限定的ではない実施形態の詳細な説明、および添付の図を考察することによって明らかになるであろう。
図１は、本発明によるポンプの全般的な外観図である。
図２は、本発明によるポンプの透視内面図である。
図３は、本発明によるポンプの分解図である。
図４は、本発明によるポンプの長手方向断面図である。
図５は、本発明によるポンプの入口室の斜視図である。
図６は、本発明による、入口室に挿入されるインデューサの斜視図である。
図７は、本発明によるケーシングの、異なる視点から見た図を示す。
図８は、本発明によるロータの斜視図である。
図９は、本発明によるディフューザの斜視図である。
図１０は、本発明による矯正器の斜視図である。
図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃは、本発明によるポンプの変形例の図である。
図１２、１３は、図１１ａ～図１１ｃの変形例による、ディフューザの前面斜視図である。
図１４は、ロータの頭部がオジーブの形状になっている変形例による、ロータの図である。
図１５は、図１１ａ～図１１ｃの変形例によるロータの図である。
図１６、１７は、本発明によるインデューサの図である。
図１８、１９は、本発明による矯正器の図である。
図２０は、異なるパラメータの図示を伴う、羽根の断面図である。

図１から分かるように、本発明によるポンプ１は、全体の形状が、円形の断面を有するシリンダであり、血液循環を促進するように、血液等の流体を引き込んで、これを送り出すことを意図したものである。このようなポンプは、特に心室補助のために、人体に取り付けられることを意図している。その長さは約６１．８ｍｍであり、ケーシング２の直径は約１７～２０ｍｍ、下部３ａは、直径が約１５～２０ｍｍである。

本発明によるポンプは、好適には、これに限定されないが、垂直位置、すなわちケーシング２を垂直にして、下部３ａの上方にくるようにして使用することができる。従来技術のほとんどのポンプは、水平モードで使用されている。

本発明によれば、入口室３は、ケーシング２の内部から生じる引き込み動作に基づいて、入口または開口３ｄを介して、流体、特に血液を取り入れる働きをする。流体は、その後、ケーシングの端部にある開口を介して送り出される。

図５は、入口室３をより詳細に示し、入口室３は、下部３ａと上部３ｂとで構成され、この２つの部分は、径方向ガイド３ｃによって結合されており、径方向ガイド３ｃは、入口室の内側に向かって、開口３ｄを区切っている。

下部３ａは、断面が円形のシリンダであり、中央部がトンネル３ｅとなるように、厚い壁を有する。トンネル３ｅの直径は、シリンダの断面の外径よりも小さく、約１５ｍｍである。図５の例において、トンネル３ｅの直径は、約６ｍｍである。

径方向ガイド３ｃは、入口室の軸線と交差する平面に内接する、３枚のプレートである。各プレート３ｃの外面は、上部３ｂの外部側面と同一平面上にある。入口室の軸線を含む中央領域は、流体を通すために空になっている。この中央領域は、トンネル３ｅの直径よりも、直径が大きいトンネルを構成する。

上部３ｂは、上流側、すなわち径方向ガイド３ｃと接触する側の第１の厚さと、下流側にある、第１の厚さよりも薄い第２の厚さとの、２つの異なる厚さを有するシリンダの形状になっている。２つの厚さの間には、段差３ｆがある。このような配置により、厚い部分３ｂにおいて、図６に示すインデューサ４を入口室３の内側に挿入して固定することができる。挿入中は、このインデューサ４は、ガイド３ｃの端部に載せることができる。インデューサ４の寸法は、挿入されると、その上部が段差３ｆと同一平面になるようにされる。他の実施形態が想定されてもよく、例えば、部品３ｂおよび４、または３および４で、単一の部品を構成することができる。インデューサ４は、例えば、シリンダの全体高さにわたって４～６つの径方向ガイド４ａを有する中空のシリンダであり、シリンダの中央に収束する、径方向平面に内接する。インデューサ４は、流体入口ガイドとして働く。これにより、後述する上段における、キャビテーションを制限することが可能になる。ガイド４ａは、層流を生成し、その結果、流体の渦巻く性質が大幅に抑制される。これにより、後述するロータの羽根に対する流体の作用が制限されることによって、このロータの、通常は急速である劣化を遅らせ、かつ低減することが可能になる。

ポンプの別の部品は、鋳造、３Ｄ印刷、機械加工その他によって作ることができる。

図２および図３において、ポンプの別の部品を透視内面図、および分解図で見ることができる。図２では、トンネル３ｅよりも直径が大きい、空洞３ｇを区別することができる。

入口室の上段には、ケーシング６の内部で動くことを意図したロータ５と、ディフューザ７、および矯正器８等の出口部品とが含まれる。図２、図３、および図４に示すロータ５は、対称な単一の軸線を有する、楕円形または卵型、すなわち、一端が細長い、または延伸したオジーブ様である。ロータ５は、したがって、円形の断面（径方向断面）の直径が、下部から上部まで増加し、その後、上端で急速に減少する本体部分である。直径が増加している部分を、有用部分と定義することができる。この増加は、連続的であるが直線的ではないことが好ましく、その結果、有用部分の外部形状は、凸状の壁を有する円錐形である。

好適には、３～５つの羽根が作成される。図２では、有用部分に４つの螺旋羽根５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄがある。各螺旋羽根は、全長にわたって厚さが一定の、または厚さが変化する、曲がりくねった部品であり、その結果、拡大していくピッチを有する螺旋羽根を伴ったロータの外部形状は、やはり凸状の壁を有する円錐形になる。このような革新的な形状のロータ５は、半球状の上部５ｈと、有用部分とを有し、有用部分は、３つの部分に予め切断することができ、（第１の）下部５ｅの特徴（形状、入射角、羽根のピッチ等）は、遠心ポンプのものである。遠心ポンプでは、圧送される流体は、軸線方向に引き込まれて、次に、径方向に加速されて、接線方向に送り出される。この場合、流体は入口室を介して軸線方向に到達し、次に、ロータの基部の顕著な湾曲によって径方向に加速される。この顕著な湾曲は、当業者が知るところのノモグラムを用いて得られ、例えば、１９８９年にＳａｂｅｒｓｋｙ、Ａｃｏｓｔａ、およびＨａｕｐｔｍａｎｎらが発表したノモグラム（Ｒｏｌｆ Ｈ．Ｓａｂｅｒｓｋｙ、Ａ．Ｊ．Ａｃｏｓｔａ、およびＥｄｗａｒｄ Ｇ．Ｈａｕｐｔｍａｎｎ著「Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ：Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ」３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｍａｒｃｈ ６、１９８９、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｄｉｖ）や、またＳｔｅｐａｎｏｆｆ Ａ．（Ｓｔｅｐａｎｏｆｆ Ａ．著「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ａｎｄ Ａｘｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｐｕｍｐｓ」２ｎｄ ｅｄ．１９５７、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｋｒｉｅｇｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）によるノモグラムがある。またケーシング６が、有用部分全体にわたるロータ５の形状と相補的な、凹円錐の内部形状を有することによって、遠心力効果が最適化される。

第２の部分５ｆは、ノモグラムによる斜流形を有する。これは、遠心部に続く中間部であり、遠心部よりも顕著でない湾曲、または回転軸線に対して傾斜した平面を有する。

第３の部分５ｇは、ロータの外部形状と、ケーシングの内部形状とがほぼ直線的で、かつロータの回転軸線と平行な、軸流形を有する。図８は、このようなロータを詳細に示す。

ロータの軸線に、固定されたロッドの形状で軸（図示せず）が設けられる。動作時に、軸は、ロータ５をモータ（図示せず）に結合し、軸は、入口室を通る。回転時に、軸は、入口室の壁に接触することなく回転する。固定するために、軸とロータとは、単一の部品として設計することができ、あるいは軸は、図４に示すボア５ｉを介して、ロータ５に挿入することができる。

図７は、主本体６ａと、第２本体６ｂとで構成される、ケーシング６をより詳細に示す。主本体６ａは、細長いシリンダであり、第２本体は、その外径が、主本体の外径よりも小さいシリンダである。第２本体６ｂは、入口室の上部３ｂに挿入され、そこに固定されて保持されるような形状にされる。好ましくは、第２本体６ｂの下端部は、図５に示す段差３ｆに接する。ケーシング６の内部形状は、螺旋羽根の全長にわたって、ロータの有用部分の外部形状に対して相補的である。しかしながら、ケーシングの上部は内径が均一であり、その結果、断面が円形の、従来の中空のシリンダを構成する。この上部の位置において、ケーシング内部に、ロータの頭部５ｈ、ならびにディフューザ７および矯正器８が配置される。

動作時は、ケーシングの複雑な内部形状によって、遠心、斜流、および軸流機能を生成することが可能になり、その結果、流体は渦を生成することなくポンプに引き込まれて、その後せん断力をかけることなくポンプの上部に推進されるため、赤血球を破壊することはない。本発明によるロータは、その特殊な形状によって、流体に運動エネルギーを伝達することを可能にする。したがって、せん断力をかけることなく流体の速度を変更し、さらに圧力を増加させる。このために、ポンプの出口部品は、特殊な形状を有するだけでなく、出口オリフィスを削減することによって、圧力を増加させるのに役立つ。

図９は、ディフューザ７を示し、これは、ロータの頭部５ｈに被せることを意図したシリンダである。ディフューザは、ロータによって運ばれる流体の流出方向に向けた、ガイド羽根７ａを備える。ガイド羽根の向きによって、流体の運動エネルギーの一部を、位置エネルギーである圧力に変換することが可能になる。ガイド羽根の厚さは、ディフューザの長さに沿って一定にするか、またはロータの頭部の形状に適合するように可変にすることができる。ディフューザ７の高さは、好ましくは、ロータの頭部の高さとほぼ同一である。以下の表は、ディフューザの特性を示す。

図１０は、乱流を排除するように層流を生成して、流体の流出をガイドする役割を持つ、矯正器８を示す。矯正器８は、ディフューザ７を介して、ロータ５から生じる流体を受けるために、基部が開口８ａになっているシリンダである。矯正器８は、その基部にある開口８ａの直径に対して直径が小さい、オリフィス８ｂを備える。

内壁８ｄは、開口８ａから、その前半にかけて凹円錐形状になっており、オリフィス８ｂに向かうその後半にかけて、円錐凸形状になっていることが分かる。流体は、直径の小さいオリフィスに向かって押圧されるときに加圧される。

また、矯正器の中央に収束する径方向平面に内接する、３つのガイド羽根８ｃも見られる。各羽根は、シリンダの中央側よりも、壁側の方が幅が広い薄板である。したがって、シリンダ壁からの距離が増加するにつれて幅が減少する。

説明した構成において、各ガイド羽根は、シリンダの回転軸線に対向する側の外形が、具体的には円弧のように湾曲しており、その結果、ガイド羽根は、オリフィスで互いに接近し、開口８ａで遠く離れるようになる。

矯正器の変形例は、凹状に設計されることができ、その羽根は、矯正器の凹状の内部に沿い、その厚さは、端部８ｂに向かって直線的に増加する。この変形例により、矯正器は、図４の部分５ｈ、または図１４のロータに直接固定されているオジーブ２４´、あるいは別の変形例による、図１２におけるディフューザのオジーブ２４の形状に、適合させることができる。

言い換えれば、矯正器は、用いられるロータの頭部、および／またはディフューザの形状に適合される。

採用可能な寸法を以下の表に示す。

図１１ａ、図１１ｂ、および図１１ｃは、本発明によるポンプの変形例を示す。この変形例は、ポンプから血液を効率的に拡散させるのに特に適している。このポンプの特徴は、ディフューザ２２が、軸受２１によって、ロータ１６の作動領域の端部に配置されることである。この特徴は、ポンプの他の部品と共に図１１ａに示されており、これらの部品は、他の図で説明したものとは異なっているが、この特徴と互換性がありさえすれば、既に説明した部品が使用されることは、当然想定され得る。

より一般的には、羽根車筐体１２があり、これは、血液の入口となる側面開口１３を装備した、円筒形の部品である。羽根車筐体は、実際には、前述したケーシング、入口室、およびインデューサの機能を組み合わせたものであることは、当業者には容易に理解されよう。この羽根車筐体１２は、インデューサを含む単一の部品として設計されてもよく、あるいはこの筐体は、インデューサを追加できる、２つの別の部品として作成されてもよい。言い換えれば、１つの部品のみを有するか、あるいは、図５、図６、および図７に示すように、部分１３を含む下部１４と、インデューサと、部分１５との、３つの別の部品を有してもよい。側面開口１３により、下部１４よりも高い、筐体の上部１５が見えるようになる。上部１５は、ロータ１６ならびにその駆動軸１７を受けるために、中空になっている。駆動軸１７は、下部１４の中央を通ってモータ１０ａまで、下部１４を通過することを意図している。言い換えれば、モータ１０ａは駆動軸１７を保持し、駆動軸１７は、ロータ１６まで下部１４全体を通過し、ロータ１６を回転駆動させるために、これにしっかりと固定される。モータ１０ａは、部分的に、または完全に、下部１４の端部と一体化することができるが、外部に配置することもできる。軸受１０ｂと、モータ１０ａと、血液との間をシールするために、下部１４の内部にシール１１が設けられる。いずれの場合も、シール１１は、部分１３の前で、かつ駆動軸１７をガイドする働きをする、軸受１０ｂ（ここには図示せず）の後に位置する。この軸受１０ｂは、下部１４、またはモータ１０ａ内に位置することができる。

上部１５は、ロータ１６に加えて、軸受２１、ディフューザ２２、および矯正器２６を収容するのに十分な長さがあり、これらの部品は、直列に結合される。

ロータ１６は、中心体の全長にわたって、周囲を４つの螺旋羽根１８が取り巻いている、フレア状の中心体１９で構成される。ロータの頭部は平らに切断されて、スピンドル２０のみが突出している。図１５は、図１１ａ、図１１ｂ、および図１１ｃの変形例によるロータ１６をより詳細に示す。羽根１８の厚さは、フレア状の中心体１９に沿って一定ではないことに留意されたい。スピンドル２０は、軸受２１をメス部品として受けるように寸法決めされた、オスロッドである。

外側軸受リング２１は、ディフューザ２２のハウジング２９（図１３）にしっかり取り付けられ、ディフューザ２２自身が、筐体１２の部分１５の内部に固定される。ロータ１６のスピンドル２０は、内側軸受リング２１に摺動自在に取り付けられ、したがってモータ１０ａの軸受１０ｂと同様に、回転中のロータをガイドすることができる。

矯正器２６は、ディフューザ２２と同様に、筐体１２の上部１５に固定される。矯正器２６は、径方向に配置された直線状の羽根を装備した、中空のシリンダである。ポンプが完全に組み立てられると、矯正器２６は、上部１５の端部と同一平面になるか、または（内部に）はめ込まれる。組立体はモータを含めて、長さが１００ｍｍ未満である。

動作時は、「ブラシレス」型のモータ１０ａが、部品１７～２０から構成される組立体１６を回転させる。開口１３を介して血液が入り、次に、筐体１２の内部に配置されたインデューサ（図示せず）を通る。インデューサは、上部１５の下部において、筐体１２の内壁に径方向に固定された、いくつかの直線状のガイド羽根の形態をとることができる。血液はロータ１６によって引き込まれ、直線流の形態で駆動軸１７全体を通る。血液は、次に、ロータによって回転しながらディフューザに送られ、ディフューザは、螺旋羽根の方向とは反対の方向にねじれた羽根を有している。その後、血液の流れは回転を停止し、次に、矯正器２６を通過することによって直線化され、矯正器２６は、出口オリフィスを通すことによって、高圧の層流を生成する。浸漬した状態で、５００～１００００ｒｐｍの範囲の周波数で動作するポンプが提供される。

図１１ｂおよび図１１ｃにおいて、異なる複数の部品を収容するような形状にされた、羽根車筐体１２の内部を見ることができる。上部１５は、フレア状の形状を内部に有し、これは、ロータ１６の外部形状に接触することなく適合する。羽根２７は、筐体の内壁に直接作成されて、上部１５の上流端にインデューサを形成する。開口１３は、筐体に直接作成され、その結果、筐体の回転軸線に収束する平面に内接する、薄板２８のみが残る。図１１ｂに見られるように、筐体の回転軸線に沿って、駆動軸１７が提供される。流体は、開口１３を介して径方向に入り、ロータの方向に、螺旋羽根同士の間を通って、ディフューザ２２を通過するまでに駆動軸１７全体に送られることが意図される。矯正器の羽根もまた、上部１５の下流端において、内壁に直接作成されることができる。

図１１ｂのシール１１は、流体がモータ１０ａの方に下降するのを防止する。図１１ｂに示す例では、軸受１０ｂは、モータ１０ａと一体化され、モータ１０ａ自身が、下部１４の中に入っている。図１１ｂおよび図１１ｃは、インデューサと矯正器とが、筐体に直接作成された変形例である。

ロータの寸法は、以下の表の通りにすることができる。

ロータからの血液の入射角および出口角は、血液が遠心力によって入口に推進され、軸力によって出口で放出されるような角度にされ、ロータの中央領域は、斜流の力に類似する。螺旋羽根の高さ（径方向の厚さ）は、ロータの下部と上部との間で減少する等、変化できることに留意されたい。さらに、螺旋羽根の側部厚さもまた変化してもよく、例えば、ロータの下部と上部との間で増加することができる。図１４に、高さ「ａ」、および側部厚さ「ｂ」を図式的に示す。異なる実施形態に、同じ寸法を適用することができる。

図１２は、本発明によるディフューザ２２をより詳細に示す。これは、ねじれた羽根２５によってオジーブ２４に結合された、シリンダ２３からなる。図１３は、ディフューザ２２の背面を示す。オジーブ２４はその背面に、軸受２１、およびスピンドル２０を受けるために設けられた、ハウジング２９を有することに留意されたい。

図１４は、オジーブ２４´が一体化されてロータと共に旋回する、別の変形例を示す。この事例では、ディフューザは、シリンダ２３のようなシリンダで構成されるが、このシリンダのみに固定されたねじれた羽根を有し、摩擦を避けるために、オジーブの頭部を最小の厚さで通過させることができる。

図１６および図１７は、図１６において、インデューサ単体３４を図式的に示し、図１７において、このインデューサの羽根３５のみを図式的に示す。このインデューサは、個別に設計されることができる。その後すぐに、入口室にしっかりと固定することができる。また、入口室、または羽根車筐体に直接作成されることができ、この場合羽根は、入口室の内壁、または羽根車筐体の内壁に作成される。インデューサの中央領域は、流体を通すために自由領域にされる。図１７において、インデューサの中央領域は流体の流れを示す。

概して、そして全ての実施形態について、本発明によるインデューサの羽根は、流体が移動する方向において、上流部の方が下流部よりも厚い。厚さの変化は、直線的であることができるが、非連続的であることが好ましく、つまり、一定の厚さに達するまで直線的に変化し、その後、羽根の残りの長さにわたって厚さが一定になる。さらに、羽根を有するシリンダ３６に接触する位置で、羽根が中央端部よりも厚くなることができる。また各羽根の径方向断面と、羽根を有するシリンダ３６の半径との間に、角度が設けられる。以下の表に数値データを示す。

図２０は、異なる設計パラメータが示されている、羽根の断面図である。以下の図式に、異なるパラメータの定義を示す。
羽根３７が示され、その前縁（入口）と後縁（出口）とが示されている。以下のパラメータにより、設計段階で羽根の特性を決定することが可能になる。
入口領域に関して、
Ｕ_１＝羽根の速度
Ｖ_１＝羽根に接触した後の流体の速度（出口速度／最終速度）
Ｗ_１＝羽根に接触する前の流体の速度（入口速度／初速）
Ｖ_Ｕ１＝軸線Ｕ_１における、速度ベクトルＶ_１の射影
Ｖ_ａ１＝タービンの軸線によって定義された軸線における、Ｖ_１およびＷ_１の射影
β_１＝ベクトルＷ_１とタービンの軸線との間の角度
θ_１＝ベクトルＶ_１とタービンの軸線との間の角度
出口領域に関して、
Ｕ_２＝羽根の速度
Ｖ_２＝羽根に接触した後の流体の速度（出口速度／最終速度）
Ｗ_２＝羽根に接触する前の流体の速度（入口速度／初速）
Ｖ_Ｕ２＝軸線Ｕ_２における、速度ベクトルＶ_２の射影
Ｖ_ａ２＝タービンの軸線によって定義された軸線における、Ｖ_２およびＷ_２の射影
β_２＝ベクトルＷ_２とタービンの軸線との間の角度
θ_２＝ベクトルＶ_２とタービンの軸線との間の角度
中央領域に関して、
Ｖ_ｍ＝羽根に接触した後の流体の速度（出口速度／最終速度）
Ｗ_ｍ＝羽根に接触する前の流体の速度（入口速度／初速）
β_ｍ＝ベクトルＷ_ｍとタービンの軸線との間の角度
θ_ｍ＝ベクトルＶ_ｍとタービンの軸線との間の角度

Ｕ、Ｖ、およびＷの組は、流れの速度三角形を構成して、速度ベクトルと、角度β_ｍおよびθ_ｍとの定義の基準となり、ここでｍは、起点が前縁に移動した基準点については１になり、起点が後縁に移動した基準点については２になる。点線は、軸線方向を表す。

図１８および図１９は、本発明による矯正器の前面図および背面図を示す。この矯正器は、個別に作成してからポンプのケーシングに固定することができ、またはケーシングの内壁に直接作成する、すなわち、壁が矯正器のシリンダ３０の内壁と同一の形状にされて、羽根がこの壁に直接設計されることができる。羽根３１は、流体の流れの方向において、上流部が下流部よりも厚い。厚さの変化は、直線的であることができる。図１８は、矯正器の下流側、すなわち流体が出る位置を示す。図１９は、矯正器の上流側、つまり流体入口を示す。この上流側において、羽根３１は、下流側よりも大きい中央空間を残しており、羽根、および羽根を有するシリンダ３０の内壁３２は、矯正器の入口よりも狭い、出口オリフィス３３に流体をガイドするように設計される。

無論、本発明は、説明した例に限定されることはなく、本発明の範囲を超えることなく、これらの例に多くの調整を行うことが可能である。

本発明によるポンプは、特殊な設計によって、血液の質を維持しながら高圧にできることにより、寸法が小さく、容易に心臓に移植することができる。

本発明によるポンプは、生理学的な心調律、つまり振動流によって動作するため、低消費である。

本発明によるポンプは、推進力によって動作し、これは脈拍のリズムである。

本発明によるポンプは、好適には、垂直位置で動作することを意図しており、ロータは垂直に配置され、インデューサを介して流体が入り、ロータを通過して、次にディフューザおよび矯正器を介して上部から出る。従来技術のほとんどのポンプは、水平位置で動作する。本発明によるポンプが、垂直位置で動作できるのは、入口容積および流出容積による。このようなポンプは、例えば、左心室に配置されると、この心室が直接入口と出口とを有するという利点がある。これにより、従来技術の他の装置の場合のような、入口管および／または出口管をなくすことが可能になる。

Claims (20)

1. 流体に沈めることが意図されるポンプ（１）であって、
   前記流体の流れを直線的にするために、ガイド羽根（４ａ）を装備した、インデューサ（４）を備え、
   さらに、
   フレア状の形状の中心体（１９）を有する、ロータ（５、１６）であって、運動エネルギーを生成することを意図し、かつ前記流体の流れの方向に対して、前記インデューサ（４）の下流に配置される、ロータ（５、１６）と、
   前記ロータ（５、１６）を駆動させ、かつ支持するための軸（１７）であって、前記ロータ（５、１６）の上流端に固定され、入口室（３）を軸線方向領域において通過する、軸（１７）と、
   前記中心体の周囲に作成された、少なくとも１つの螺旋羽根（１８）であって、フレア状の外形を有し、かつ無限大に向かって巻きピッチが増加する巻きを有し、ケーシング（６）の内部容積が、前記少なくとも１つの螺旋羽根（１８）の前記フレア状の形状と相補的である、螺旋羽根（１８）と、
   前記ロータ（５、１６）の周囲にあるケーシング（６）と、
   前記流体の流れを直線的にし、かつ前記流体の圧力を増加させるための羽根を装備した、ディフューザ（７、２２）であって、前記流体を前記ロータ（５、１６）から外へ排出するように、前記ロータ（５、１６）の下流に配置され、前記ロータ（５、１６）が生成した前記運動エネルギーを位置エネルギーに変換する、ディフューザ（７、２２）と、
   矯正器（８、２６）であって、ガイド羽根（８ｃ）、および前記矯正器（８、２６）の入口直径よりも直径が小さい出口オリフィス（８ｂ）を装備し、前記ガイド羽根（８ｃ）は、前記オリフィスから出るときに速度を上げて、前記流体に所定の外形を与えるように、前記ディフューザ（７、２２）から生じた前記流体を前記オリフィスに導く、矯正器（８、２６）とを備えることを特徴とする、ポンプ。
2. 前記流体が径方向に入り、その後軸線方向に前記インデューサ（４）に向かって係合するように、側面開口を装備した入口室（３）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記入口室（３）が、円筒形の形状であり、ケーシング（２）が入口室下部（３ａ）の上方にくるようにポンプを垂直位置にしたときに、前記開口の下流にあるその上部に、前記インデューサ（４）を収容する受け器を備えることを特徴とする、請求項２に記載のポンプ。
4. 前記中心体の周囲に均一に分配された、合計４つの同一の螺旋羽根（１８）を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のポンプ。
5. 前記中心体の軸を含む平面で切った、前記ロータ（５、１６）の前記中心体の断面形状が、楕円形の形状であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のポンプ。
6. 前記中心体の頭部が、丸められていて羽根を持たないことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のポンプ。
7. 前記ディフューザ（７、２２）が、その内壁に分配され、かつ周縁部から中央へ延びる直線状のガイド羽根を装備した、中空のシリンダであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のポンプ。
8. 前記ディフューザ（７、２２）が、中空のシリンダであり、前記中心体の周囲にある、前記螺旋羽根（１８）の巻きの方向とは反対の方向にねじれたガイド羽根（７ａ）が、その内壁に分配されていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のポンプ。
9. 前記中心体が羽根のない丸められた頭部を有する場合に、前記ディフューザ（７、２２）が前記丸められた頭部に被さり、前記ディフューザ（７、２２）の各ガイド羽根が、前記丸められた頭部の対面部と相補的な形状を有することを特徴とする、請求項７または８に記載のポンプ。
10. 前記矯正器（８、２６）が、前記流体の流れの方向において、前記ディフューザ（７、２２）の下流に配置され、前記矯正器（８、２６）の内壁が、円錐形の形状であり、矯正器の直線状の前記ガイド羽根（８ｃ）が、前記内壁に配置されることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載のポンプ。
11. 前記ディフューザ（７、２２）が、下流方向を向いたオジーブの形状の中央部と、前記オジーブの基部の周囲にあるシリンダと、前記シリンダを前記オジーブの前記基部に結合する、ガイド羽根（７ａ）とを備え、前記ディフューザ（７、２２）が、前記ディフューザ（７、２２）を前記ロータ（５、１６）に対して静止状態で保持できるようにする軸受を介して、前記ロータ（５、１６）の下流端と係合することを意図していることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のポンプ。
12. 前記ディフューザ（７、２２）の前記ガイド羽根が、前記中心体の周囲にある、前記螺旋羽根（１８）の巻きの方向とは反対の方向にねじれていることを特徴とする、請求項１１に記載のポンプ。
13. 前記矯正器（８、２６）が、前記流体の流れの方向において前記ディフューザ（７、２２）の下流に配置され、前記矯正器（８、２６）のガイド羽根が、直線状であり、かつ前記矯正器（８、２６）の中央部に前記オジーブの前記頭部を入れられるように設計されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のポンプ。
14. 前記ロータ（５、１６）と前記螺旋羽根（１８）との組立体が、上流部が遠心式、中央部が斜流式、下流部が軸流式の外形を有することを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載のポンプ。
15. 前記中心体と前記螺旋羽根（１８）との前記組立体の前記上流部が、比速度が０～１．２になるように寸法決めされることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項に記載のポンプ。
16. 前記中心体と前記螺旋羽根（１８）との前記組立体の前記中央部が、比速度が１～２．２になるように寸法決めされることを特徴とする、請求項１～１５のいずれか一項に記載のポンプ。
17. 前記中心体と前記螺旋羽根（１８）との前記組立体の前記中央部が、比速度が２．２よりも大きくなるように寸法決めされることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載のポンプ。
18. 前記入口室（３）、前記インデューサ、前記ケーシング（６）、および前記ディフューザ（７、２２）が、単一の部品（１２）として設計されるか、または相対的に動かないように、互いにしっかりと固定され、前記ロータ（５、１６）が、前記ケーシング（６）内で回転運動可能に保持されることを特徴とする、請求項１～１７のいずれか一項に記載のポンプ。
19. 前記少なくとも１つの螺旋羽根（１８）が、その全長にわたって同一の径方向高さを有することを特徴とする、請求項１～１８のいずれか一項に記載のポンプ。
20. 前記少なくとも１つの螺旋羽根（１８）が、その全長にわたって、変化する径方向高さを有することを特徴とする、請求項１～１９のいずれか一項に記載のポンプ。
    

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