JPH03504152A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイヤフラムポンプ°゛°゛ ［発明の分野］ 本発明は送り出される流体からダイヤフラム駆動流体を分離するダイヤフラムを 有するポンプに関する。

通常ポンプの外部にある駆動部はダイヤフラムのポンプ作用を生ずるよう駆動流 体の流れを制御する。

か−るポンプは心室の補助袋Ｗ（即ち、埋め込まれない人工心臓）、埋め込まれ 得る或は全体の人工心臓、心臓のポンプ及び同様に動脈支持とじん臓の潅流用の 他の循環支持を含む多種の流体回路に用いられ得る。

［背景技術］ 末期の心臓病に対する心臓のポンプ及びそれ等を含む他の循環支持装置を有する 最も重要な臨床の問題は血栓症と血栓崩壊である。これ等の要素は反凝固剤の治 療によって制御されるが、長い期間及凝固薬品を用いると、一般的に出血が制御 されなくなる。トロムボゲニシイティ（Ｔｈｒｏ＊ｂｏｇｅｎｉｃｉｔｙ）は、 異物との機械的或は化学的な相互作用、不自然な流れのパターンから生ずる大き な機械的応力、一時的な圧力そして或は静止流の範囲内で血液が固まる傾向から 生ずる。

全体の人工心臓についての臨床経験はいくつか制限がある。今迄の所、いくつか の永久的なそして百を超えるブリッジを用いた全体の人工心臓の埋め込み※であ り、これ等は主としてアメリカ合衆国とフランスで用いられていた。

心室の補助装置は、アメリカ合衆国、日本そしてヨーロッパの国々で病気をもっ た心臓の一時的な支持の為、何回も用いられた。これ等の装置の臨床的なそ製造 方法及び高価な事であった。

循環支持装置のトロンポゲニシティはいくつかの構造上及び作用上の要素から生 ずる。血液の要素は機械的及び電子化学的な相互作用により異物と接触する事に よって損傷する。弁支持領域とポンプ室のダイヤフラム接合部とはこれ等の機構 による血栓形成の大きな役割を有している。溶血は流体の隣接する流れが十分異 なる速度を有する特注ずる非常に大きな剪断応力により、又弁閉止によって生じ た“ウォーターハンマー”作用と呼ばれる一時的な圧力により生ずる。これ等の 両条件は流入、流出コンジントと血液ポンプの弁の近くで顕著に生ずる。血行の 停止範囲はポンプ室自身内で生ずる。これ等の問題に打ち勝つのは、常習的な循 環支持の分野においては最も大きなチャレンジの一つである。

循環支持装置用のポンプの設計にか〜る他の重要な要素は、長期間の循環支持の 為に反凝固剤の治療の必要性を減少或は好ましくはなくする事である。

循環する支持装置を通る脈動のない流れよりも連続して脈動する血液の流れから 生ずる生理学上のそして他の利点がある。連続する血液の流れは、血行停止そし て或は血流のよどみを除去するかも知れないが、大きな剪断応力を生ずる。脈動 する流れは自然の波形に似ている大動脈の波形を生ずる。

脈動流を生ずる従来のポンプは、弁を有さない遠心ポンプと弁を有するダイヤフ ラムポンプを含む。

遠心ポンプは駆動力として機械的な撹拌を用いている。弁を用いていないから、 ポンプの休止状態は負荷の余りによって生じた逆流に等しい流量を生ずる血液を 駆動する事によってなされる。

遠心ポンプは安定した流れ或は脈動する正弦曲線流の何れかを生ずるのに適して いる。

従来、遠心ポンプの場合のように撹拌から生ずる溶血はダイヤフラムポンプ場合 のようにウォーターハンマー作用と空洞現象を経る弁によって生じた溶血によっ て釣合っている。然し乍ら、極めてウォーターハンマー作用を減少するセントビ ンセントの機械的な心臓の弁のような最近開発された弁はダイヤフラムポンプで 作られるように改良された。

本発明は脈動する駆動部によって駆動されるダイヤフラムボンプに関し、その目 的は改良された血流特徴、小さい溶血及び小さいトロンポゲニシイティを与える ようなポンプを提供する事にある。

［発明の詳細な 説明の一つの１！様によると、ハウジングと、ベースと、ダイヤフラム及びベー スは駆動室を形成し、ダイヤフラム及びハウジングはポンプ室を形成するように ハウジングとベースとの間の可撓のダイヤフラムと、ポンプ室への入口と、ポン プ室からの出口と、駆動室を駆動室へ及び駆動室からダイヤフラムを駆動する為 、流体を指向させる為に用いられたポンプ駆動部に連結する駆動室内の口とより なり、ポンプ室は略円錐形をなし、出口は円錐形のポンプ室の頂部に位置し、入 口は円錐形のポンプ室のベース面に傾斜した角度で配置され、ポンプ室を通る流 れが連続したらせんの渦巻状になるように、ポンプ室のベースの外部に略接線を なしているダイヤフラムポンプを提供している。

本発明の好ましい実施例によると、ポンプは血液を送る為に用いられ、血液はポ ンプ室に血流に対して接線方向に入り、ポンプ室内の流れを分裂しないでポンプ 室の周囲のまわりの円形の通路内で連続する。円形の運動は、従来よどみの領域 であったダイヤフラムポンプ室の接合部を有効に流出する。ポンプ室内では、ポ ンプ室の丸い軸方向の断面は血液の円形の運動を助長する。流入する血液は下降 するダイヤフラムによって生じた空隙を満たす。ダイヤフラムが上昇すると、循 環する血液は角運動の連続と保持によって強制され、その結果集中するらせんを 形成する。ポンプ室の円錐形状はベース面から軸方向に増加する角速度の原因と なる。頂部に位置した出口は、ポンプ室から血液の出口への最小の抵抗の通路と なる。ダイヤフラムの形状と動きは、円錐形のポンプ室の頂部方向へのらせんの 流れを促進させ、ポンプ室とダイヤフラムとの総ての領域を流出し、心臓収縮中 入口弁を通る反流の量を減少する。その結果、流れのパターンはポンプ及びコン ジットが同一平面であり通常近接軸である従来のポンプにおいて生じるようなコ ンジット間における流れの分離及びよどみを防止する。

［図面の簡単な説明］ 本発明を更に容易に理解し、実際の作用を説明する為に、添付図面を参照する。

第１図は本発明の一実施例による循環支持装置用のポンプの斜視図、 第２図は第１図に示したポンプの平面図、第３図は第２図のＡ−Ａ線に沿う断面 図、第４図は第１図乃至第３図のポンプを組み込んだ循環支持装置の概略の線図 、 第５図は閉止位置における第１図乃至第３図に示したポンプ用のバルブの断面図 、 第６図はバルブが一部開放した状態の第５図と同様の図、 第７図はバルブが全開状態の第６図と同様の図、第８図はバルブが一部閉止した 状態の第７図と同様の図、 第９図は心臓弛緩の初期における第１図乃至第３図に示したポンプの概略図、 第１０図は心臓弛緩の中間における第９図と同様の概略図、 第１１図は心臓弛緩の末期における第１０図と同様の概略図、 第１２図は心臓弛緩の終りにおける第１１図と同様の概略図、 第１３図は心臓収縮の初期における第１２図と同様の概略図、 第１４図は心臓収縮の末期における第１３図と同様の概略図、 第１５図は第１図乃至第３図に示したポンプ用の心臓収縮率に対するポンプの流 量のグラフで、第１６図は第１図乃至第３図に示したポンプの送り時間に対する 自由なプラズマヘモグロビンのグラフである。

第１図乃至第３図に示すポンプ１０はポンプハウジング１１、ベース１２及びそ の間に設けられた駆動ダイヤフラム１３を有する。ポンプハウジング１１とダイ ヤフラム１３はポンプ室１４を形成し、ベース１２とダイヤフラム１３とは駆動 室１５を形成する。

ポンプ室１４はベース１２に隣接した円錐部のベース面１６を有する略円錐であ って、頂部１７はそこから離れている。ポンプハウジング１１のベースには環状 の支持フランジ１日があり、ベース１２の頂部には協同する環状の支持フランジ Ｊ９がある。この場合、ポンプハウジング１１とベース１２とはフランジ１８と １９とを貫通するボルトとナツト２０とによって一体に連結されている。フラン ジ１８と１９とは円周方向のクランピングリングによって一体に連結されても良 い、ダイヤフラム１３は一体にクランプされるか、第１図と第３図とに示すよう にフランジ１８と１９に化学的に接着される。

円錐形のポンプ室１４の頂部には、ベース面１６に直角な出口２１がある。ポン プハウジング１１０ベースに隣接して入口２２があり、この入口はこの場合、ベ ース面１６と垂直に対し４５＠の角度で交叉し、ベースの外部に対して接線をな している。筒状のバルブハウジング２４内に設けられた大口弁２３と、筒状のバ ルブハウジング２６内に設けられた出口弁２５については第５図乃至第８図に関 して以下に述べる。バルブハウジング２４と２６とは夫々ケーブルひも（図示し ない）によって入口２２と出口２１に保持される。

ベース１２はポンプ作用をダイヤフラムに与えて駆動室１５へ又駆動室から流体 を指向するのに通した外部のポンプドライバーに駆動室１５を連結する為の口２ ７を有する。この場合、口２７は入口領域近くでベース１２に組み込まれ、その 長手方向の軸はベース面１６と垂直に対して４５°の角度で交叉する。

本発明の好ましい実施例においては、ポンプハウジング１１とベース１２とは透 明のエポキシで作られている。カーボンファイバーが、入口２２、出口２１、口 ２７及びフランジ１８．１９のまわりでエポキシ内に埋め込まれ、エポキシの機 械的な強度を増大している。この場合、ダイヤフラム１３は生体適合性材料とポ リ塩化ビニールと生体適合性材料とのサンドインチの形をしている。

要素の組み付は後、ダイヤフラム１３とポンプハウジング１１との接合及びポン プハウジング１１とバルブバウシング２４と２６との接合のような不連続可能な 領域はポリウレタン（生体適合性材料）で被覆され、どのような不連続性も防止 する。総ての血液を含む表面（ポンプ室１４、ダイヤフラム１３の内表面、バル ブハウジング２４．２６の内面及び入口２２と出口２１の内面とを含む）は又生 体適合性材料で被覆される。血液のサーキット内の総ての接続部は不連続のない ように作られる事が好ましい。かくして、入口２２と出口２１とは、ポンプハウ ジングとの各接合部において出来るだけ薄くする必要がある。

この場合、ポンプ室１４はベース面１６において７５＋ｓの内径を有し、ベース 面１６から出口２１の根本迄のポンプ室の高さは３５＋ｗ＋である。第３図から 明らかなように、ダイヤフラム１３は半球状をなし、この場合、その中心の深さ は２０ｍである。心臓収縮位置におけるダイヤフラム１３の頂部ζ出口２１の根 本間の距離は１５１ｍである。ベース１２とダイヤフラム１３の形は相補形であ る。

第４図は第１図乃至第３図に示したポンプ１０を組み込んだ血液循環支持装置の 概略の図表である。ポンプ１０の出口２１はバルブハウジング２６を経て管３０ に連結され、右側の垂直支持の場合には、肺の動脈に導かれ、そして入口２２は バルブハウジング２４を介して病人３２の右側の心耳に挿入された引き出し得る カニユーレによって連結された管３１に接続される。

ベース１２の口２７はコンジット３３によって制御部３４に連結され、この制御 部は圧縮空気の供給ライン３５と真空ライン３６とに連結されている。

ライン３７は病人３２からレコーダー４１に心電信号を送る。ライン３８は病人 ３２からレコーダー４１へ心房の圧力の測定を与え、ライン３９は病人からレコ ーダーへバイパスの流れ及び全体の流れの測定を与え、ライン４０は大動脈の圧 力の測定をレコーダー４１に与える。ライン４２は心電信号をレコーダー４１か らコントローラー３４に与え、ライン４３は心房の圧力をレコーダー４１からコ ントローラー３４に与え、そしてライン４４は全体の流れの測定をレコーダー４ １からコントローラー３４に与えている。

不調な心臓の作用が左側の心房の圧力或は全体の流れ（心臓の出カブラスバイパ ス血流）の変化に影響する時は、左側の心房の圧力と全体の流れは一つの心臓の サイクル（所謂心臓収縮期間（％））中においてポンプ期間を変化する事により 同時に予め決められた範囲内に自動的に維持され得る。

第５図乃至第８図に示した入口弁２３はリング４６内に位置するディスク４５を 有する。ディスク４５は環状のフランジ４７を有し、このフランジはディスク４ ５を下方の支持支柱４８とリング４６と一体の上方の支持支柱４９との間に位置 させる。

弁は第５図においては閉止して示しており、その場合、ディスク４５の上面はリ ング４６の内方にむいたフランジ５０に対して当接している。第６図に示すよう に弁が開くと、ディスク４５は第７図に示すように十分に開いた位置に回動し、 且滑る。十分に開いた位置においては、フランジ４７は下方の支持支柱４８に係 合する。第８図に示すように閉止位置に復帰する時は、ディスク４５はリング４ ６方向に滑動して戻り、最終的に第５図に示すように閉止位置に回動して戻る。

薄い弁はその大きなフレームと他の困難性の為に従来は装置を援助するのには用 いられなかったが、本発明のポンプと共には用いられ得る。プラスチックの弾力 性のある弁も又利用し得る。

第９図は、入口弁２３が開き、出口弁２１が閉じている時の心臓のサイクルには おける心臓弛緩期のスタートを示し、矢印Ａ方向に入口に血液が流れ始めるダイ ヤフラム１３の形状を示す。

第１０図は中間の心臓弛緩期を示し、血流のパターンはダイヤフラム１３とポン プハウジング１１の接合部及びダイヤフラム１３の表面を清澄している。

第１１は心臓弛緩期の終りを示し、入口弁２３は閉じ始め、ダイヤフラム１３が 駆動室１５にむかって下方に動くにつれて血流のらせん運動の形を示している。

心臓弛緩期の最終（第１２図）においては、入口２１は閉止し血流のらせん運動 は矢印Ａで示したように発展し続ける。

き流出が始まる。上述したように、出口２２は円錐形のポンプ室１４の頂部に位 置するから、心臓収縮中、血流は矢印Ｂによって示すように出口２２を経て収斂 したらせん形状になる。ダイヤフラム１３の位置の為に、大口弁を経て僅かの逆 流が生ずる。

第１４図は最後の心臓収縮を示し、この場合ダイヤフラム１３による入口２１の 封鎖により入口弁２３を経て僅かな逆流があり、従来よどんだポンプ室の領域を 良好に流出する。心臓収縮の終りを第９図に示す。

第１図乃至第３図に示したポンプの血流パターンの特徴が従来の空気圧ポンプの それと比較された０本発明との比較例として、従来の形のポンプは近軸の入口孔 と出口孔とを有している。流れのパターンは横形の循環１１構内にトレーサーと してアンバーライト（ａ嘘ｂｅｒｌｉｔｅ）粒子を有する水を用いる事により見 うるようになった０本発明のらせんの渦巻きポンプの心臓弛緩期間中、環状の入 口流があり、密着したらせんの渦巻状態で全体の流域に安定して入る。

入口２２から４５°の角度で接線方向の血液の侵入と、連続するらせん状の流れ のパターンは、ダイヤフラムとポンプ室との接合の良好な流出となった。

心臓収縮中、渦巻はらせん状に集中し、血液は頂上に位置した出口２１を経て流 出する。よどみ或は乱流の領域は観察出来ず、トレーサーの大部分は心臓収縮中 見られなかった。連続するらせんの流れが、全体の心臓のサイクルを経て生じ、 新しい相の発作によって妨げられない。

他方、従来のポンプにおいては、各心臓収縮中ポンプ外へのトレーサーの放出は 乱れた流れのパターンと再循環の領域の為殆ど見えなかった。本発明のらせんの 渦巻ポンプの卓えつした流れの特徴は又染料を流出する試験によって明瞭に表示 され、その試験においてはポンプハウジングとダイヤフラム本体との接合部の流 出が確められた。流出はよどみの見得る領域をもった従来のポンプでは不完全で あった。

本発明のらせんの渦巻ポンプは安定した試験を受けた。心臓弛緩の終期において ダイヤフラムをもっているポンプの容積は１２０ｄで、心臓収縮の終期におり容 積は７５Ｍ１となる。１００ｐｓｉ（５７００腸Ｈｇ）迄の圧力試験ではリーク も或はポンプの破損も生じない。

ダイヤフラムは負荷零のもとで毎分１２０ストロークのパルス割合で最大駆動状 態における耐久性の為に試験された。ポンプ作用の３ケ月を超えた後も損傷はな かった。

本発明のらせんの渦巻ポンプは、又横形の循環ループにおいて動的な試験を受け 、種々の生理学上の駆動条件のもとで動作曲線が得られた。代表的な動作データ を第１５図に示し、この第１５図にはポンプ出力と血圧、駆動圧力と心臓収縮率 との間の関係を示している。若し、大きな口径或は短かいカニユーレが用いられ るとより大きな出力が得られた。

本発明のらせんの渦巻ポンプと市販のポンプとの間の生体外の溶血の比較研究は 、２６％の血液容積比を有する夫々１．６　ｆの新しい羊の血液で満たされた２ つの同一の回路を用いてなされた。同一の流れの条件のもとで操作する各ポンプ では、血液は２１時間連続して循環した。試料は自由のプラズマヘモグロビンの 測定の為４時間毎にとられた。その結果、第１６図に示すように、溶血について 従来のポンプ以上の本発明のポンプの優秀性を明瞭に示している。

本発明は特別な形状の円錐形のポンプ室と一般の配置の接線方向の傾斜した入口 に関して述べたが、種々の変形が可能で、実際に実際の状況にあわせて作られる と良い、好ましい傾斜角度は４５°であるが、角度のどちらでも例えば２０％乃 至３０％の範囲は満足し得る。従来のポンプの９０’の角度と同様、零角度では 操作し得ない事が確認された。

円錐の特徴が小児科における使用（小）、内部の大動脈のバルーンポンプ（小） 及び動脈の支持（大）のような他の使用の為変形される時は角度は変化し得る。

本発明の範囲から逸脱しないで、種々の変形が設計及び構造の詳細においてなさ れる。

ゴブ出し時間（ｈｒｓ） ２７ｙ　！−３−＃５　ｅｒｒ　ｈ　；ｋ　：ｆ’ンフシ、２”ＩＶΦグンス゛ マヘ七グｏｅ”ン 国際調査報告 ｒｐｔｅｒｎａｒ＋ｏｎｍｌ＾ｏｓ　　Ｃａ１ｔｏｎ　ｌｌｅ、　　Ｒゴ／Ａｌ ＋　８９７ＯＯ＄５４１　　Ｖ、　　［］　　　　　Ｃ１セ交】【ｖ＾ゴコ１１ ｔＳ直ＣΣ１０シ（ニドＣ１ノピロ唯Ｓｗｒｉｔ　ｙｙｍ　Ｕ（【コニ九ＲＣ旧 −i駄＝ε＋　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１λ守圧Σ町？伍り 江ジヘにロ０第Ｕ、箕３にΣＲロｗＯＮタ＝ご＝ｄ罷Ｖ芭＝舒でｑ（１ケ）Ｗ要 四聾胚＄３７６９９６０　　　　　　ｆｆ　　２３２００１４　　　　　　ＧＢ 　　１４２２００７　　　　　　ＳＥ　　４０５２０５ｉａ）　　　　８７００ ０６０　　　　　　　　０！　　　６６５９５４　　　　　　　　　ＥＰ　　　 　２２８３８７　　　　　　　　Ｅr　　　２００９２０フ 園ＣＦ）ａＥｘ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングと、ベースと、ダイヤフラム及びベースは駆動室を形成し、ダ イヤフラム及びハウジングはポンプ室を形成するようにハウジングとベースとの 間の可撓のダイヤフラムと、ポンプ室への入口と、ポンプ室からの出口と、駆動 室を駆動室へ及び駆動室からダイヤフラムを駆動する為、流体を指向させる為に 用いられたポンプ駆動部に連結する駆動室内の口とようなり、ポンプ室は略円錐 形をなし、出口は円錐形のポンプ室の頂部に位置し、入口は円錐形のポンプ室の ベース面に傾斜した角度で配置され、ポンプ室を通る流れが連続したらせんの渦 巻状になるように、ポンプ室のベースの外部に略接線をなしているダイヤフラム ポンプ。
2. （２）入口はポンプ室のベース面に対して３０°乃至６０°の角度で傾斜してい る請求の範囲第１項記載のダイヤフラムポンプ。
3. （３）入口はポンプ室のベース面に対し４５°の角度で傾斜している請求の範囲 第１項記載のダイヤフラムポンプ。
4. （４）ハウジングとベースの夫々はクランプされ両者間を化学的に接着されたダ イヤフラムの周囲と一体に連結されている周囲のフランジを有する請求の範囲第 １項記載のダイヤフラムポンプ。
5. （５）ダイヤフラムとハウジングとの接目は接目が離れないように生体適合性材 料で被覆されている請求の範囲第１項記載のダイヤフラムポンプ。
6. （６）ハウジングとベースは透明のエポキシから作られ、カーボンファイバーが 入口と出口、駆動室の口とハウジング及びベースのフランジとのまわりに埋め込 まれている請求の範囲第４項記載のダイヤフラムポンプ。
7. （７）入口、出口及びポンプ室の内面は生体適合性材料で被覆されている請求の 範囲第１項記載のダイヤフラムポンプ。
8. （８）生体適合性材料はポリウレタンである請求の範囲第５項或は第７項記載の ダイヤフラムポンプ。
9. （９）ダイヤフラムはポリ塩化ビニールのシートで形成され、シートの各側部に 生体適合性材料の層がある請求の範囲第１項記載のダイヤフラムポンプ。
10. （１０）ベース内側の形とダイヤフラムの内側の形とは相補形である請求の範囲 第１項記載のダイヤフラムポンプ。
11. （１１）ベースの内面は半球状である請求の範囲第１０項記載のダイヤフラムポ ンプ。
12. （１２）入口に連結されたバルブハウジングと出口に連結されたバルブハウジン グとを有する請求の範囲第１項記載のダイヤフラムポンプ。
13. （１３）入口とバルブハウジングとの接目及び出口とバルブハウジングとの接目 は生体適合性材料で被覆され、接目がはなれるのを阻止している請求の範囲第１ ２項記載のダイヤフラムポンプ。
14. （１４）室の周囲の円形の通路内に流体を流し、接線方向に流体が流れるよう、 室のベース面に対して傾斜した角度で室のベースの周囲或は周囲に接近して入口 を経てダイヤフラムにより閉止された円錐形の室に流体を導き、ダイヤフラムが 上昇した時、循環した流れが角度的な運動量の連続と維持によって強制され、集 中するらせんを形成し、室の円錐形はベース面から軸方向に増大する流体の角速 度となるようにポンプのようにダイヤフラムを操作し、そのように形成された流 体の連続するらせんの渦巻を円錐の室の頂部における出口を経て射出するポンピ ング方法。