JPS60134920A - ポンプ流量補償システム - Google Patents

ポンプ流量補償システム

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JPS60134920A
JPS60134920A JP59171659A JP17165984A JPS60134920A JP S60134920 A JPS60134920 A JP S60134920A JP 59171659 A JP59171659 A JP 59171659A JP 17165984 A JP17165984 A JP 17165984A JP S60134920 A JPS60134920 A JP S60134920A
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JP
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pressure
pump
flow rate
speed
constant
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JP59171659A
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デニス・ラモン・ジヨージ
マイケル・ジヨセフ・スタインメツツ
ロバート・アラン・ウエバー
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International Business Machines Corp
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International Business Machines Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/20—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by changing the driving speed
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M1/00—Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/36—Other treatment of blood in a by-pass of the natural circulatory system, e.g. temperature adaptation, irradiation ; Extra-corporeal blood circuits
    • A61M1/3621—Extra-corporeal blood circuits
    • A61M1/3639—Blood pressure control, pressure transducers specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/01—Pressure before the pump inlet
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一般に血液などの生物学的液体を取り扱うシ
ステムに関するものであり、より具体的には、ぜん動式
ポンプ（ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ　ｐｕｍｐ）によって
、かかるポンプの入力側の圧力が負または正のとき、液
体の流量を一定に保つための装置に関するものである。
さらに具体的にいえば、本発明は、ポンプの入力が負圧
条件のとき、必要なポンプ速度の増分変化を表す出力信
号をもたらすマイクロプロセッサを使用するものである
。
マイクロプロセッサの出力は、検出されたポンプの入力
圧Ｐ０、ポンプ特性曲線の直線的に減少する部分の延長
部が所与のポンプの圧力−流量曲線上の圧力軸と交わる
ときの圧力である圧力Ｐ１、ならびに所期の流量Ｑｏに
もとづいている。それから、生じる出力は、プログラマ
ブル・タイマとドライバー増幅器を介してステップ・モ
ータに印加される。ポンプに機械的に連結されたモータ
は、流量を一定に維持するような速度でポンプを駆動す
る。
［従来技術］ 患者が閉鎖系の一部分として血液処理装置に接続される
、血液などの生物学的液体の処理において、１つの主要
目的は、ぜん動式ポンプの入力側での正から負への圧力
変化を含む条件の下で、処理装置に送られる血液を流量
を一定に保つことである。圧力変化は、患者の血圧低下
を含めて多数の原因から生しることがあり、血液処理作
業中に大幅に変動することがあり得る。
圧力変化による流量の変動は、補剛管を使用するか、ま
たは許容入力圧を制限するごとによって最小限に抑える
ことができる。しかし、前者の方法は、ポンプの１〜ル
クが大きくなければならないので、より大型のモータが
必要となる。また、後者の方法は、システムの要求のた
めに可能でないことがある。
米国特許第３８８２８６１号には、既存の血液ポンプ制
御装置に作用して、血液管路中の負圧の変化として反映
される患者血液の流量変化に直接対応して、ポンプ流星
を絶えず変化させる、血液ポンプ用補助制御装置が示さ
れている。この特許では、負圧がポンプから上流側で検
出され、その結果血液流量が減少すると（より大きな負
圧が検出されると）ポンプ速度が減少し、また血液流量
が増大すると（より小さな負圧が検出されると）ポンプ
速度が増大するようになっている。したがって、ポンプ
は利用できる血液供給源によって許される最高速度でし
か働かないため、血液管路と血管の真空によるへこみに
よって、ポンプのスターベーションが起こることが避け
られる。本発明（よ、ポンプへの入力圧が負圧条件のと
き、ポンプ特性曲線に従ってその流量が変化するポンプ
の入力側での流量を一定に保とうとする点で、この発明
と異なっている。この特許は、ポンプ特性曲線によって
何らかの形で拘束を受けているとは思われず、血液流量
が減少すると速度が下がり、血液流量が増大すると速度
が上がるが、本発明では、ポンプの入力側で圧力が検出
され、血液流量が減少するにもかかわらずポンプ速度が
増大する。この特許は、負圧を一定に保とうとするもの
であるが、本発明は負圧の変化にかかられず流量を一定
に保とうとするものである。
米国特許第４０５５１７９号には、検出された血中グル
コース濃度にもとづいて所期の出力信号を出すようにプ
ログラミングされたコンピュータの制御下で、インシュ
リンをポンプで患者体内に注入する、検出装置、コンピ
ュータ及びポンプシステムが示されている。この特許で
は、ポンプ中の圧力も流量も連続制御されない。ポンプ
の特性には考慮を払わずに、インシュリン注入速度のみ
が制御される。
米国特許第４０８０９６６号には、制御装置により、血
圧の増大に応じて高血圧制御剤を併給することが示され
ている。制御装置の出力がポンプを制御する。ポンプ入
力圧を検出することについての教示はなく、また流量を
一定に保つための手段も示されていない。
米国特許第３９４６７３１号は、圧力がポンプから下流
側で検出され、検出された圧力が予定限界の一方または
他方に向って移動する場合に、ポンプ輸送速度を制御す
る信号が制御装置に印加される。この特許で・は、ポン
プ入力側の圧力を一定に保つことがその意図であると思
われるが、本発明では、圧力化にかかわらず流量を一定
に保つことが意図されている。
［発明が解決しようとする問題点コ 従って、ぜん動式ポンプを通過する血液またはその他の
生物学的液体の流量が、ポンプ入力側の負圧の変化にか
かわらず一定に保たれる、マイクロプロセッサ制御式シ
ステムを提供することが本発明の目的である。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は、ポンプがそのポンプ特性曲線の負圧部分で人
力圧変化を受けるとき、ぜん動式ポンプの流量を一定に
保つための装置に関するものである。かかる状況では、
ポンプ速度を手動で増大させることによって流量の減少
を大幅に補償することができるが、この方法は、大部分
の場合、時間がかかり、非常に大まかな調節以上のこと
をやるには効率が低いものである。補剛管と大型モータ
の使用など他の方法は、高価であり、微細制御を受けな
い固定条件を表す６本装置は、非侵入的な圧力検出器を
用いてポンプの入力圧を検出することによって、これら
の難点を克服するものである。
検出器のアナログ出力が、アナログ・デジタル変換器（
ＡＤＣ）によって変換され、適当にプログラミングされ
た市販のマイクロプロセッサに入力として印加される。
マイクロプロセッサへの他の入力は、所期の流量Ｑｏ、
ポンプ定数Ｋ、及びポンプ特性（圧力−流量）曲線から
得られる定数Ｐｊである。
圧力がゼロまたは正の場合、流計は基本的に一定であり
、従って所与の流量をもたらすために必要なポンプ速度
も一定である。しかし圧力か負の場合は、ポンプ速度を
一定に保つと流量は圧力と共に降ｒする。この流量降下
はある点までは直線的であり、それ以降は急速にゼロに
まで下がる。
様々な流量について各曲線の直線部分を圧力軸まで外挿
すると、それらは同じ点Ｐｊで交わる傾向をもつ。この
点Ｐ　ｉは、所与のポンプ輸送システムでは一定である
。
Ｐ−０の場合、ポンプ速度はＳ。−ＫＱ、で与えられる
。ただし、 Ｑ、二所期の流量（ｍＱ／分） Ｋ＝水ポンプ数 Ｓ、−ポンプ速度（ＲＰＭ） しかし、Ｐ〈０の場合は、流量を一定に保つには速度を
上げねばならない。補正係数は、ポンプ特性曲線から下
記のようにしてめられる。
相似三角形を使って Ｑ　Ｑ。
Ｐｉ　Ｐｉ−Ｐ。
但し、Ｐｏ＝検出器によって決定される圧力Ｑ＝正圧力
ＰｏのときＱｏが得られるような、圧力ゼロのときの等
側流量。
Ｑ＝ＫＳまたはＱｏ＝：ＫＳｏである。従って代入によ
って Ｐｉ Ｐ　ｊ、−Ｐ　。
Ｐｉ 現するために８０を変更すべき補正係数である。
所期の流量Ｑｏ、ポンプ定数Ｋ及びＰｊをマイクロプロ
セッサに人力すると、プロセッサは、ＡＤＣの出力を連
続的に抽出して、補正係数を計算する。
この補正係数を用いて、ステップモータを必要とされる
新しい速度で駆動するための信号が得られる。
［実施例コ ここで第２図を参照すると、本発明の実施に使用される
種類のせん動性ポンプの圧力（Ｐ）−流量（Ｑ）曲線が
示されている。この際、使用するポンプは、臨床医が血
液処理技術で使用してｂするものと大差ない。
第２図の曲線は、所与の型式のポンプむ二対するポンプ
特性曲線とも呼ばれており、通常（よ様々なポンプ速度
での圧力（Ｐ）に対する流量（Ｑ）の変イヒを示す、複
数のないし１群の特性曲線を含んで％’ｌる。
第１図には１本発明の利用に関する構想を番よっきりと
示すために、これらの特性曲線のうち２本だけを示した
。
第２図において、異なる２種の速度につし）での、ぜん
動ポンプの入力側の圧力がゼロの場合と正の場合の特性
曲線１．２は、一定の流量を示してＱ）る。圧力が正の
場合には、一般に次式が成立する。
Ｑ＝ＫＳ、ただし Ｑニ流量（ｍｌｌ／分） Ｓ−ポンプ速度（ＲＰＭ） Ｋ−ポンプ定数（ｍＱ／回転） 圧力がゼロまたは正の場合、流量は基本的に一定であり
、従って所与の流量をもたらすために必要なポンプ速度
は一定である。しかし、圧力が負の場合には、ポンプ速
度を一定に保つと、それぞれ曲線１及び２の部分３及び
４に示されているように、流量は圧力と共に直線的に降
下する。それぞれ曲線線１．２の点５．６まで変化は直
線的であり、それぞれ曲線１．２の実線部分７．８て示
されるように、点５．６で流量はゼロに向って急速に降
下する。本発明者等は、それぞれ曲線１．２の直線部分
３．４を第２図の破線９．１−０によって示されるよう
に圧力軸まで外挿すると、破線９．１Ｏは同じ点Ｐｉで
交わる傾向があることを発見した。ポンプヘッド、配管
などの因子を含む所与のポンプ・システムでは、点Ｐｉ
は固定されている。
流量がポンプ速度に正比例する限り、流量が降下すると
、同じ流量を維持するためにポンプ速度を一卜げなけれ
ばならないことになる。圧力がゼロ及び正の場合、流量
と速度が正比例する関係から、この速度決定は比較的簡
単である。しかし、圧力が負の場合は、速度と流量の関
係はなお正比例であるが、これまで、所期の流量を実現
するためにポンプを駆動すべき速度を決定するための簡
単な方法はなかった。所怪のポンプ輸送システムについ
てＰＬがぼぼ一定であることがわかったので、出願者等
は、相似三角形の関係を用いて、ポンプ入力圧がゼロ以
下に降下したとき所期のポンプ速度をもたらすための決
定を、リアルタイムで行なうことができることを見つけ
た。
再度第２図を参照し、ポンプ・システムが特性曲線１上
で正の圧力条件で作動しており、所期の流ｉＱ０が実現
されると仮定すると、次式によってＳｏが得られる。
ＳｏニＫＱ。
作動中に入力圧がゼロ以下に降下し、ポンプ速度は一定
のままである場合、流量は降下し、また同じ流量を保つ
には、速度をある量だけ上げなければならない。この量
は、まず同じ流量を保つことが望ましい場合、より大き
な流量をもたらし、従ってより大きなポンプ速度を必要
とする別の特性曲線を使用することによってそれが実現
できることに気づけば、決定できる。特性曲線上にＰｏ
とＱｏの値によって決まる点を決定することによって、
適正な特性曲線が選゛択される。選択された曲線は、流
量Ｑを表し、圧力がＰｏまで降下したとき、それがめる
流量Ｑｏを与える。Ｑの値から、ポンプ速度Ｓを貫１算
することができる。すなわち、第２図において、人力圧
がＰｏまで降下する場合、破線Ｐ。
−ｄとＱｏ−ｄの間の交点が、新しい特性曲線上の点を
決定する。この点を点Ｐｉと結びｐ＝ｏ軸まで延長する
と、それは新しい速度Ｓに比例する流量Ｑでその軸と交
わる。後者の速度は、ポンプ入力側の圧力が圧力Ｐ０に
降下したとき新しい特性曲線２上で所期の流量Ｑｏを与
える速度である。
相似三角形を用いて、Ｑの値を第２図から下記のように
数学的にめることができる。
Ｐｉ　Ｐｉ−Ｐ。
但し、Ｐｉは所与のポンプ・システ１１に対する一定の
既知の値。
Ｐｏは人力圧がそこまで降下する負の圧力。
Ｑｏは圧力とは無関係に維持すべき所期の流量。
Ｑは圧力Ｐ０のとき所期の流量を与える、圧力ゼロのと
きの新しい流量である。
特性曲線１上で流量Ｑ０を与える速度を８０として、５
ｏ＝ＫＱｏ、また特性曲線２・上で流量Ｑを与える新し
い速度をＳとしてＳ　＝　Ｋ　Ｑであることがわかると
、代入によってＳを直接求めることができ、下記の結果
が得られる。
」下記の関係は、検出された入力端圧力Ｐ０、所与のポ
ンプ・システムに対する固定値Ｐｊ５、及び所期の流量
からめられる速度Ｓｏを入力とするマイクロプロセッサ
を使用して、リアルタイムで容易に実現することができ
る。速度Ｓｏに係数Ｐｉ／　（Ｐｉ−Ｐｏ）を掛けると
、新しい速度Ｓがめられる。こうして、負圧が変化する
条件の下で流量を一定に保つことができる。
次に、第１図を参照すると、本発明の教示によれば、負
圧が変化する条件のもとて一定の流量をもたらす、ポン
プ輸送システムの概略的部分ブロック・ダイアゲラ１１
が示されている。このシステムは、ステップ・モータの
速度を以前の速度から新しい速度に調節するための補正
係数ｐｊ、／　（Ｐｉ−Ｐｏ）を出力とするマイクロプ
ロセッサを含んでいる。
第１図には、ぜん動式ポンプ１３の入力ポート側の圧力
を決定するための圧力検出器１２を含む、ポンプ・シス
テム１１の概略的部分ブロック・ダイアグラムが示され
ている。圧力検出器１２は、アナログ出力を与え、それ
がアナログ・デジタル変換器（Ａｔ）Ｃ）１．４の入力
端子に送られる。ＡＤＣ１４の出力は、マイクロプロセ
ッサ（μＰ）１５に入力として印加される。ポンプ特性
曲線の直線的に減少する延長部分が圧力軸と交わるとき
の圧力Ｐｊの値と、圧力が正のときの所期の一定流量で
あるＱｏの値が、マイクロプロセッサ１５に記憶される
。マイクロプロセッサは、その出力端子に、流量を一定
値Ｑｏに保つため、ステップ・モータ１６を駆動すべき
ポンプ速度を得るために速度Ｓｏを変化させるべき量を
表す、デジタル信号を出す。さらに、所与のポンプに対
する固定値であるポンプ定数Ｋがマイクロプロセッサ１
５に入力として印加される。それから生じる出力が、方
形波を出力とするプログラマブル・タイマ１７に印加さ
れる。この方形波の周波数か、ステップ・モータ１６の
速度を決定する。方形波出力はドライバー増幅器１８を
介してモータ１６に印加される。
モータ１６は、第１図で破線１９によって示される機械
的リンク機構によって、ぜん動式ポンプ１３を駆動する
。
以上負圧条件での圧力変動しこ関して、本システムの作
動を考察してきたが、正圧条件での圧力変動にも同じ方
法が使用できることを認識すべきである。
ここで、第３図を参照すると、第３図でそれぞれ記号Ｑ
。、Ｑ□と記しである一対の特性曲線３０゜３１が示さ
れている。どちらの曲線も正圧条件の圧力に対する流量
の直線的変化を示している。すなわち、圧力とは無関係
に流量を一定に保ちたい場合、ポンプ速度を少し小さな
速度に下げなければならないことになる。新しいより小
さな速度は、第３図から相似三角形の原理を使って、Ｑ
をそれが正のポンプ入力圧Ｐ０と点ｄ１で交わるまで右
に延長することによってめることができる。選択された
曲線は、圧力がＰｏまで上ったとき所期の流量Ｑｏを与
える流量Ｑ１を表す特性曲線３１上にある。圧力Ｐｏで
流量を所期の一定値Ｑ。に保つには。
圧力ゼロのときの流量を、従って速度を決定しなければ
ならない。これは、特性曲線３１がゼロ圧力軸と交わる
。第３図の点ｑ１である。流量の値、従って速度の値は
、三角形１’１ＰｏｄｌとＰｉＯｑｉを使って、下記の
関係からめることができる。
ＱＯＰｊ＋Ｐ。
ｑｌ　Ｐｉ 項Ｐｉ／　（Ｐｉ　十Ｐｏ）は、ポンプ人力圧Ｐ０のと
き一定流ｆｉＱ。を与えるように、圧力ゼロのときのポ
ンプ速度Ｓｏを、減らすべき係数である。新しい速度Ｓ
１は、Ｓｏに項Ｐｉ／　（Ｐｉ十Ｐｏ）を掛けたもので
ある。
正圧条件でのシステム操作の全体は、上記に負圧条件で
の操作に関して説明したものと同じである。
実際には、第１図のシステムは、血液をその成分に分離
する遠心分離機を組み込んだ、Ｉ　８Ｍ２９９７血液処
理装置などの血液処理装置と一緒に使用される。このシ
ステムは、全血液を患者から採取して、遠心分離機で処
理し、一部の成分を患者に直接戻すという点で閉じてい
る。上記のＩＢＭ２９９７血液処理装置以外にも、第１
図に関して論じた全てのニレメン！−が市販されている
。
この構想は本発明を実施する際に必ず採用されるが、本
発明の精神から外れることなく、異なるぜん動式ポンプ
の駆動方式を使用することができることを認識すべきで
ある。すなわち、マイクロプロセッサ１５の出力を、デ
ジタル・アナログ変換器を用いてアナログ信号に逆変換
することができる。次にアナログ信号を電圧−周波数変
換器に印加して、その出力をドライバ増幅器１８に印加
することができる。また別法として、デジタル・アナロ
グ変換器を用いて、それ以上の変換なしに直流モータを
駆動することもできる。
［発明の効果］ 本発明のシステムによれば、ポンプ入力側の圧力の変化
にかかられす、流量が一定に保たれる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の教示にもとづいて、負圧が変化する
条件の下で一定の流量をもたらす、ポンプ輸送システム
の概略的部分ブロック・ダイアグラムである。 第２図は、ぜん動式ポンプに対する入力圧（Ｐ）−流量
（Ｑ）曲線である。この曲線は、ポンプ特性曲線とも呼
ばれ、２種の速度について圧力と流量の変化を示す一対
の特性曲線を含んでいる。 第３図は、圧力が正の場合に流量が圧力と共に直線的に
変化する点を除いては、第１図に示したものと類似の、
ぜん動式ポンプに対する入力圧（Ｐ）−流量（Ｑ）曲線
である。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　岡　１）　次　生 （外１名） 圧力−Ｐ 第２図 第３図 圧力ーＰ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ゼロよりも小さな圧力の場合に少なくとも該圧力の一部
    では圧力の減少と共に流量が線型的に減少するような圧
    力対流量特性を有する蝙動式ポンプの速度を制御するシ
    ステムであって、」−記ポンプの入力圧力Ｐｏがゼロか
    ら変化する時に該圧力Ｐ　ｏを検知しアナログ出力を与
    える検知装置と、上記アナログ出力をディジタル形式に
    変換する装置と、上記変換装置に接続され、上記Ｐｏが
    ゼロから変化する時に一定流量を維持するために、上記
    Ｐｏが負の場合はＰ　ｊ／　（Ｐ　ｉ−／　Ｐ　ｏ　）
    の因子だけ上記ポンプの速度を変化させる出力を与える
    マイクロプロセッサ装置（但し上記Ｐｉは上記ポンプ特
    性曲線の直線部分を外挿した曲線が圧力軸と交差する点
    の圧力）と、上記マイクロプロセッサ装置の出力に応答
    して上記ポンプの速度を変化させる装置とを有するポン
    プの流量補償システム。
JP59171659A 1983-12-20 1984-08-20 ポンプ流量補償システム Pending JPS60134920A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/563,718 US4468219A (en) 1983-12-20 1983-12-20 Pump flow rate compensation system
US563718 1983-12-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS60134920A true JPS60134920A (ja) 1985-07-18

Family

ID=24251617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP59171659A Pending JPS60134920A (ja) 1983-12-20 1984-08-20 ポンプ流量補償システム

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4468219A (ja)
EP (1) EP0154681B1 (ja)
JP (1) JPS60134920A (ja)
DE (1) DE3465251D1 (ja)

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