JPH08501366A - 渦巻き型血液ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 血液などの生体的な流体を吸入するための渦巻きポンプ（１０）は、吸入室（３６）を形成するハウジング（１２）を備えている。吸入室（３６）は、スピンドル（１６）に取り付けられたインペラ（１４）を包囲する。インペラ（１４）は、インペラ（１４）を回転させるための外部回転源と結合させる結合機構を保持する。スピンドル（１６）はインペラ（１４）を自由に回転させるが、スピンドル（１６）の両端部は軸方向および横方向に抑制される。ハウジング（１２）は入口（２４）と出口（２６）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 渦巻き型血液ポンプ発明の背景 本発明はポンプに関する。詳しくは、ポンプのベアリングを吸入された血液か ら保護する回転シールを必要としない渦巻き型血液ポンプに関する。 精密な外科手術では、手術中は手術部位を不動に保持することが必要である。 このため、心臓の吸入作用を必要な時間にわたって停止させることはいずれの場 合においても致命的であるため、初期の心臓手術は困難または不可能であった。 １９６０年代、新規に開発された「心臓−肺」機械を用いることによって、心 臓を長時間にわたって蘇生可能に停止させることが可能になった。このような機 械は、機械的な血液ポンプと血液酸素吸入器との組み合わせよりなる。これらの 機械は、天然の心臓および肺の機能を数時間までの期間にわたって肩代わりする ことが可能であり、これにより、今日の心臓切開手術の広範囲な実行への道を開 いた技術の開発が可能となった。 最初に用いられた実用的な機械的な血液ポンプは蠕動または「ローラ」ポンプ であった。ローラポンプのポンプ作用は、心臓−肺機械を通して血液を運ぶ柔軟 なプラスチック管の一部分を圧縮することによって得られる。移動ローラが管を 半 円形のプラテンに押しつけて、血液を管内を前方に移動させる。移動ローラの速 度および管の直径により血液流速が制御される。 ローラポンプは過去においても現在でも単純で信頼性のあるものであるが、手 術を受けている患者を危険にさらし得る２つの特徴を有している。第１は、血液 の流れが不注意にでも妨害されると、ローラポンプによって生成される圧力が管 の回路の破裂強さを超える恐れがある。第２に、管の回路に空気が誤って入り込 むと、空気が血液と共に患者に送り込まれる結果となる。この様な状況のいずれ の場合においても、患者にとっては重大なまたは致命的な結果となる。 １９７６年、ローラポンプに代わって渦巻き型血液ポンプが心臓−肺機械の「 心臓」として登場した。渦巻きポンプの吸入作用は、吸入室内のインペラの回転 によって得られる。ポンプ圧はインペラの回転速度によって制御される。作動速 度では、過剰な圧力は生成され得ない。さらに、ポンプ内の遠心力が天然の空気 トラップを形成し、空気が大量に入り込むと、吸入作用を阻み停止させる。この ような２つの安全面での特徴およびこれらポンプによって生じる血液損傷が低い ことは現在では広く認識されており、心臓切開手術のために広範囲に使用されて いる。 １９８０年代初期には、機械的な血液ポンプは、手術後、心臓−肺機械を取り 外すことができない患者のための心臓支援ポンプとして使用され得ることが示さ れた。既に利用され ていた渦巻き型血液ポンプはこの状況に直ちに適用され、また同時に心臓手術中 にも、より一般的に用いられるようになった。 血液は脆性であるため、機械的な血液ポンプの設計においていくつかの問題が 生じる。過剰な剪断力により赤血球の崩壊（溶血）が引き起こされる。血液の損 傷および血塊の蓄積を引き起こす高温点を防ぐために、局所的な摩擦領域（シー ルなど）では血流の速度を高くする必要がある。 従来のシャフト駆動によるインペラの回転運動を適用することは、吸入された血 液とポンプ駆動機構との間に殺菌防壁を設ける必要があるため実用的ではない。 このため、渦巻き型ポンプでは、通常は、ポンプのインペラ（またはインペラシ ャフト）と駆動モータとの間に磁気式の結合器が用いられる。 従来の渦巻き型血液ポンプは、インペラシャフトを支持するために、従来のボ ールベアリングを用いている。ベアリングを吸入された血液による汚染から防ぐ ためには回転シールが用いられた。渦巻き型血液ポンプの中にはインペラにより 保持される磁石を用い、一方、インペラは静止シャフトに取り付けられたベアリ ングによって支持されているものがあった。ベアリングを吸入された血液による 汚染から防ぐためにはまた、シャフトシールが必要であった。 血液は腐食性であるため、シャフトシールは通常は比較的短期間で不能となり 、ベアリングは汚染に曝される。シャフ トシールの不能が検出されない場合、ベアリングは加熱し、血液が損傷する。血 液の損傷は溶血、血塊の形成、および発作を引き起こし得る。現在の渦巻き型血 液ポンプの寿命は短いため、頻繁に取り替える必要があり、これがこのような装 置に関して解決すべき最も重要な問題である。発明の要旨 本発明は、血液などの生体的な流体を吸入するためのシームレス渦巻きポンプ である。ポンプは、吸入室を形成するハウジングを有する。軸回りを回転するイ ンペラが吸入室内に配備される。吸入室はインペラ回転軸に配備される入口と、 インペラの周部に沿って配備される出口とを有する。インぺラを回転させる外部 回転源が吸入室より外側に配備される。ハウジングは、インペラの入口側と基部 側の両方が軸方向および横方向に移動するのを抑制する抑制機構（好ましくはジ ャーナルベアリング）を有する。 ハウジングの壁を貫通する可動構成部品がないため、および特に、ハウジング の壁を貫通するトルクを与えるシャフトがないため、本発明は可動構成部品を包 囲するシールを必要とせず、またシール不良の心配がない。回転源は血液に接触 しないため、殺菌が保証され得る。インペラは入口側と基部側の両方で軸方向お よび横方向に移動するのが抑制されるため、インペラの配置または整合ミスの心 配がない。図面の簡単な説明 図１は、本発明の分解斜視図である。 図２は、本発明の平面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、各々、本発明のインペラの平面図および底面図である 。 図４は、図２の４−４線に沿った、本発明の断面図である。 図５は、本発明の入口ベアリング表面の変形例の側断面図である。 図６は、図５の６−６線に沿った、入口ベアリング表面の変形例の平断面図で ある。好適な実施態様の詳細な説明 第１実施例 -- 図１〜図４ 本発明の渦巻き型血液ポンプ１０の１つの好適な実施態様を図１〜図４に示す 。血液ポンプ１０は、インペラ１４を取り囲みシャフトまたはスピンドル１６を 支持するハウジング１２を有する。インペラ１４とスピンドル１６とは回転軸１ ８回りに回転する。ハウジング１２は組立を容易にするために、上包囲部１２Ａ と基部１２Ｂとを含む分離部分よりなり、これらは超音波溶接などによって連結 および密封される。 上包囲部１２Ａは、入口壁２０と、周壁２２と、入口２４と、出口２６とを有 する。基部１２Ｂは、底壁２８と、周壁３０と、取り付けフランジ３２と、台座 ３４とを有する。ポ ンプ室３６（図４）は、入口壁２０と、周壁２２と、底壁２８とによって包囲さ れる容積部分として形成される。 入口２４はＪ字状の管状部材で、入口壁２０に取り付けられた一方の端部３８ と、反対側の自由端部４０とを有する。入口２４の外表面に設けられた隆起部４ ２により、レザバー／酸素吸入器からまたは患者から入口２４の自由端部４０ま で延びる入口管（図示せず）の取り付けが容易となる。 出口２６は周壁２２から自由端部４４まで延びる管状部材である。自由端部４ ４に隣接した隆起部４６により、患者につながれた出口管（図示せず）を出口２ ６に取り付けることが容易となる。 図３Ａに示すように、インペラ１４は回転軸１８回りに矢印Ｒによって示され る回転方向に回転する。インペラ１４は全長にわたる羽根４８と短い羽根５０と を有し、これらはインペラ１４の台部５２に取り付けられている。台部５２は円 盤形状で、上表面５４、底表面５６、外周表面５８、および中央環状穴６０とを 含む。全長にわたる羽根４８はハブ６２から中央環状穴６０を横断して台部５２ まで延び、一方、短い羽根５０は台部５２の上表面５４のみを延びる。 図３Ｂに示すように、台部５２の底表面５６は複数の放射状の溝６３を有する 。溝６３の目的は、インペラ１４が回転するときインペラ１４が入口２４に向か って軸方向に移動するのを防ぐことである。 図４はインペラ１４がスピンドル１６に取り付けられた状 態を示し、これにより、インペラ１４とスピンドル１６とが回転軸１８回りを共 に回転する。スピンドル１６の入口端部１６Ａはジャーナルベアリング６４Ａ内 に延び、この内部で回転する。スピンドル１６の基端部１６Ｂはジャーナルベア リング６４Ｂ内に延び、この内部で回転する。 本発明の抑制機構はジャーナルベアリング６４Ａおよび６４Ｂによって提供さ れ、これらはスピンドル１６を束縛および支持する一方で、スピンドル１６の回 転を可能とする。ジャーナルベアリング６４Ａ、 ６４Ｂは、回転軸１８と同軸 上におよび回転軸の周部に配備される。ジャーナルベアリング６４Ａは、入口２ ４の内側壁の凹部６６に圧入される。ジャーナルベアリング６４Ｂは台座３４の 凹部６８に圧入される。 ジャーナルベアリング６４Ａおよび６４Ｂの各々の凹部の内径は、スピンドル １６の各々の端部１６Ａ、１６Ｂの外径より僅かに大きく、これにより横方向に 少しの隙間が形成される。ジャーナルベアリング６４Ａ、６４Ｂの内側端部表面 間の距離は、スピンドル１６の長さより僅かに大きく、これにより軸方向に少し の隙間が形成される。 インペラ１４の台部５２は磁石７０を有し、これはロータ７４によって保持さ れる磁石７２と結合して、インペラ１４とスピンドル１６とを回転軸１８回りに 回転させる。電気モータ駆動シャフト７６がロータ７４に連結され、トルクを提 供して、磁石７２とロータ７４とを回転軸１８回りに回転させる。磁石７０およ び７２は互いに結合し、これにより、イ ンペラ１４がロータ７４と同じ速度で回転する。従って、駆動シャフト７６の速 度がインペラ１４の速度を決定する。 インペラ１４は、台部５２の底表面５６が底壁２８より少し間隔を開けて上方 に位置するように、スピンドル１６に取り付けられる。インペラ１４は、インペ ラ１４の上部および側部と上包囲部１２Ａとの間に隙間を残すように、ポンプ室 ３６内に嵌入される。 図４ではハウジング１２は薄い取り付け表面７８に隣接して示されている。ハ ウジング１２は取り付けフランジ３２を有し、これによりハウジング１２を取り 付け表面７８に取り付けるのが容易となる。ハウジング１２は取り付け機構（図 示せず）によって取り付け表面７８に取り付けられ得、これにより、血液ポンプ １０が外部回転源（すなわち、ロータ７４および磁石７２）に対して正しく位置 決めされる。第１実施例の動作 患者からの血液は入口２４を通ってポンプ室３６に入る。ポンプ室３６に入る と、入口の流れは回転軸１８で軸方向となる。この入口の流れの方向および位置 により、血液は血液への過剰な力を受けることなく緩慢な方向転換を行うことが できる。血液は回転するインペラの羽根４８および５０に接触し、推進されて出 口２６へおよびこれを通って患者へと戻される。 本発明の血液ポンプ１０は、ポンプ室３６より外側の回転 源によって磁気により駆動される。従って、本発明の血液ポンプ１０では、トル クを提供するシャフトまたは他の部分がハウジング１２の壁を通って延びること はない。これにより、密封を行う必要がなく、またシールの摩耗および漏洩の心 配もない。 ジャーナルベアリング６４Ａおよび６４Ｂによって軸方向および横方向に抑制 されるスピンドル１６によって、インペラ１４の配置または整合ミスの可能性が 防止される。インペラ１４の底表面５６は底壁２８に接触しないため、これらの 表面間での摩擦が防止される。インペラ１４の上部および側部と上包囲部１２Ａ との間に隙間が形成されているため、同様にこれらの表面間の摩擦が防止される 。 抑制機構の構造によって、回転スピンドル１６とハウジング１２との間の摩擦 量が低減される。スピンドル１６の端部１６Ａ、１６Ｂとジャーナルベアリング ６４Ａ、６４Ｂとの間に横方向に少し隙間があるため、スピンドル１６が横方向 に僅かに移動可能となり、構成部品間の圧力を最小限にする。これにより、スピ ンドル１６の端部１６Ａ、１６Ｂとジャーナルベアリング６４Ａ、６４Ｂとの間 の摩擦および熱の蓄積が最小限にされる。スピンドル１６の端部１６Ａ、１６Ｂ とジャーナルベアリング６４Ａ、６４Ｂの内側端部表面との間に軸方向に少し隙 間があるため、構成部品間の圧力が最小限にされ、これによっても摩擦および熱 の蓄積が低減される。 本発明のベアリング６４Ａ、６４Ｂは血流速度が高い領域 に配置される。基部ジャーナルベアリング６４Ｂは、中央環状穴６０の中央部に 台座３４によって配置される。入口ジャーナルベアリング６４Ａは入口２４内に 配置され、吸入室３６に入る血液の入口の流れに曝される。ベアリング６４Ａ、 ６４Ｂのこのような配置により、摩擦熱は生成されても確実に急速に発散される 。 取り付けフランジ３２によって、血液ポンプ１０は迅速に且つ容易に取り外さ れ得、新しいポンプを迅速且つ容易に取り付けることができる。ポンプの取り外 しおよび取り付けが迅速且つ容易に行われ得ることは、殺菌を確実にするために 頻繁に取り替える必要がある場合に役に立つ。ポンプの他の部分を取り替えると き回転源を一緒に取り替える必要がないため、取り替え費用が低減される。 血液ポンプ１０の１つの重要な特徴は、シャフトシールを配備する必要がない ということである。前述のように、シャフトシールが早期に不良となることが現 在利用されている渦巻き型血液ポンプの寿命が比較的短い第１の理由である。 シャフトシールを用いないために、血液中で効果的に作動し得るベアリングを 設計することが必要である。必要なシャフト強さと一致した最小直径のスピンド ル１６を用いることによって、表面速度が最小限にされる。表面速度が最小限に されることによって、血液損傷および血塊形成を引き起こし得る摩擦、摩擦熱、 および剪断力もまた最小限にされる。 スピンドル１６の直径が小さいことにより血液損傷が低減 されるという利点がある一方で、また軸方向のスラストベアリングとして作用す るスピンドル１６、すなわちスピンドル１６の両端部１６Ａおよび１６Ｂでの面 積を低減する。ポンプ１０は磁気式結合器によって駆動されるため、ポンプ１０ が静止状態または低速作動状態にあるとき、磁気式結合器の方向（すなわちロー タ７４の方向）に軸方向の負荷が存在する。磁気式結合器を用いるのでインペラ 磁石７０と駆動磁石７２とが緊密に接近することが必要である。したがって、好 適な設計は、インペラ１４のポンプの入口２４に直面する面にのみインペラ羽根 ４８および５０を配備することである。これによって、インペラ１４の２つの面 を横断する非対称の軸方向の流れが生じ、流れが増大するとポンプの入口２４へ の軸方向の力（「持ち上げ力」）が増大する結果となる。軸方向のスラストベア リングの必要な面積、および従ってスピンドル１６の最小直径はこの最大軸方向 の負荷によって決定される。 図３Ｂに示すように、この持ち上げ力には、好ましくは、インペラ１４の基部 側に半径方向の溝６３を配置することによってこの表面を横断する軸方向の流れ を増大させることによって対抗する。羽根ではなく溝６３を用いることで、非駆 動および駆動磁石７０および７２間の間隔を大きくする必要がない（同じ結合強 さを維持するためにはさらに大きいまたはさらに強力な磁石が必要である）。溝 ６３の数および深さを適切に選択することによって、ポンプ１０は、持ち上げ力 がインペラ１４を、ポンプ１０の作動回転数／分内で、両ベアリング６４Ａおよ び６４Ｂのおよび両スピンドル端部１６Ａおよび１６Ｂの軸方向の負荷が最小で あるように「浮揚する」ように設計され得る。 好適な実施態様では、溝６３は反対の極の隣接する磁石７０間を半径方向に延 長する。これは、図３Ｂにおいて、記号「Ｎ」および「Ｓ」によって示される。第２実施例--図５〜図６ 本発明の変形実施例を図５および図６に示す。この実施例は、真直の入口管２ ６’の中央部に配備されたジャーナルベアリング６４Ａを有する。ジャーナルベ アリング６４Ａは支柱９２によってカップ９０内に支持され、支柱はカップ９０ から入口２６’の内壁まで延びている。これにより、入口２６’が真っ直ぐに（ 図１のＪ字状ではなく）維持される一方で、入口の流れは回転軸１８で軸方向に される。 本発明は好適な実施態様に関連して述べたが、本発明は、形態および詳細にお いて本発明の精神および範囲から離れることなく改変され得ることは、当業者で あれば認識され得る。例えば、スピンドル１６の代わりに、インペラ１４のハブ ６２の中央穴を貫通する静止ピンを用いて、インペラ１４の上面および底面がこ の静止ピンによって軸方向および横方向に移動するのを抑制する一方で、インペ ラ１４をピン回りに自由に回転し得るようにする。また、他の実施態様では、溝 ６ ３は必要ではなく従って省略し得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外部回転源と結合するようにされた、血液などの生体的な流体を吸入する渦 巻きポンプであって、 入口と出口とを有する吸入室を形成するハウジングと、 該吸入室内に包囲され、スピンドル回転軸の回りを回転するスピンドルであっ て、該吸入室の入口側の入口端部と該入口端部の反対側の基部端部とを有するス ピンドルと、 該吸入室内に包囲され、該スピンドル上に該外部回転源とは間隔を開けた状態 で支持されたインペラであって、該インペラを該スピンドル回転軸回りで回転さ せるために該外部回転源と結合させるための結合手段を有するインペラと、 該スピンドルの該入口端部を回転可能に支持しまた受容する入口ジャーナルベ アリングと、 該スピンドルの該基部端部を回転可能に支持しまた受容する基部ジャーナルベ アリングと、 を備えた渦巻きポンプ。 ２．前記結合手段は、前記インペラによって保持され、該インペラを前記スピン ドル回転軸回りで回転させるために前記外部回転源と磁気的に結合するための磁 気手段を備えた、請求項１に記載の渦巻きポンプ。 ３．前記基部ジャーナルベアリングと前記入口ジャーナルベアリングとは、前記 ハウジングに対して回転しない、請求項１に記載の渦巻きポンプ。 ４．前記入口は前記吸入室より外側に配備され、また管周壁 を有し、および 前記入口ジャーナルベアリングは該入口の該管周壁から支持される、請求項１ に記載の渦巻きポンプ。 ５．前記入口は、前記管周壁が前記スピンドル回転軸を横断するように湾曲して いる、請求項４に記載の渦巻きポンプ。 ６．前記インペラが回転するとき、該インペラが、前記入口の方向に軸方向に移 動するのを妨げる手段をさらに備えた、請求項１に記載の渦巻きポンプ。 ７．前記インペラが、前記入口に面する第１の面に羽根を有し、第２の反対側の 面に複数の溝を有する、請求項１に記載の渦巻きポンプ。 ８．血液などの生体的な流体を吸入する渦巻きポンプであって、 入口と出口とを有する吸入室を形成するハウジングと、 該吸入室内に包囲され、スピンドル軸に沿って配置されたスピンドルであって 、該吸入室の入口側の入口端部と該入口端部の反対側の基部端部とを有するスピ ンドルと、 該吸入室より外側に配備された回転手段と、 該吸入室内に包囲され、該スピンドル上に該外部回転源とは間隔を開けた状態 で支持されたインペラであって、該インペラを該スピンドル回転軸回りに回転さ せるために該外部回転源と結合させるための結合手段を有するインペラと、 該ハウジングから支持され、該スピンドルの該入口端部を回転可能に支持しま た受容する入口ロジャーナルベアリングと、 該ハウジングから支持され、該スピンドルの該基部端部を回転可能に支持しま た受容する基部ジャーナルベアリングと、 を備えた渦巻きポンプ。 ９．前記インペラが、前記入口に面する第１の面に羽根を有し、第２の反対側の 面に複数の溝を有する、請求項８に記載の渦巻きポンプ。 10．外部回転源と結合するようにされた、血液などの生体的な流体を吸入する渦 巻きポンプであって、 入口と出口とを有する吸入室を形成するハウジングと、 該吸入室内に包囲され、スピンドル軸の回りを回転するスピンドルであって、 入口端部と該入口端部の反対側の基部端部とを有するスピンドルと、 該吸入室内に包囲され、該スピンドル上に該外部回転源とは間隔を開けた状態 で支持されたインペラであって、該インペラを該スピンドル回転軸回りで回転さ せるために該外部回転源と結合させるための結合手段を有するインペラと、 該吸入室の入口壁に埋め込まれ、該スピンドルの該入口端部を回転可能に支持 しまた受容する入口ジャーナルベアリングと、 を備えた渦巻きポンプ。 11．前記スピンドルの前記基部端部を回転可能に支持しまた受容する基部ジャー ナルベアリングをさらに備えた、請求項１０に記載の渦巻きポンプ。 12．血液などの生休的な流体を吸入する渦巻きポンプであ って、 入口と出口とを有する吸入室を形成するハウジングと、 該吸入室内に包囲され、スピンドル軸に沿って配置され、第１ジャーナルベア リングに挿入された入口端部と、該入口端部の反対側の第２ジャーナルベアリン グに挿入された基部端部とを有するスピンドルであって、該第１ジャーナルベア リングは該吸入室の入口壁に埋め込まれたスピンドルと、 該吸入室より外側に配備された回転手段と、 該吸入室内に包囲され、該スピンドル上に該外部回転源とは間隔を開けた状態 で支持されたインペラであって、該インペラを該スピンドル回転軸回りで回転さ せるために該外部回転源と結合するための結合手段を有するインペラと、 を備えた渦巻きポンプ。