JPS6215761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は精密なサーボ弁に関するものであり、
更に詳しく言えば水頭症を治療するための流体圧
サーボ装置に関するものである。

サーボ弁装置による水頭症の治療については既
に説明されている。例えばハキム（Hakim）の
米国特許第3886948号及び第3924635号を参照せ
よ。本発明のサーボ弁はこれら特許に開示された
種々のサーボ弁の改良である。しかしながら、本
サーボ弁の利益は一般にサーボ装置に有効であ
り、特に、殆んど全ての装置において、本発明の
構成によつて提供される利益、即ち、ループゲイ
ンを増大させ且つ外来変数に対する装置の感度を
低下せしめることが望ましいことであるので、極
めて小さい圧力及び容量を持つたサーボ装置にお
いて有効である。

〔従来技術〕

一般にサーボ弁、特に水頭症脳髄液排出装置に
使用されるサーボ弁においては、該弁が制御パラ
メータに対して極めて感度がよく且つ他の変数、
例えば入口及び出口圧力に対しては比較的感度が
悪く構成されるのが極めて望ましいことである。
固有的に入口及び出口圧力に対して感度が悪い或
るタイプの弁、例えばゲート弁及び球弁等がある
にはあるが、これらは比較的複雑な構造をしてお
り且つ典型的には装置内に実質的な摩擦要素を導
入し、従つてサーボ作動の正確さを損い、制御パ
ラメータに対する感度を悪くするものである。

極めて小型化されねばならず且つ比較的低い圧
力及び容量にて作動しなければならない例えば水
頭症脳髄液排出サーボ装置のような流体圧装置に
対して、極めて好ましい弁の形態は、米国特許第
3886948号に記載されたような弁要素が該弁を流
通する、即ち入口及び出口からの流れを制御する
べく弁座に坐着して作動する簡単な逆止弁であ
る。すなわち、弁の入口室と出口室との間に隔壁
が形成され、その隔壁の開口に弁座が形成され、
この弁座に入口室から出口室への流れのみを許す
球等の可動弁要素が座着し、そしてこの弁要素は
ばねによつて抑えられる。さらに髄液の圧力に応
答してこのばねの押圧力を抑制するための感知手
段が設けられ、その感知圧力に応答して上記ばね
の力を制御して弁の開閉を行わせる。このような
弁は極めて信頼性があるように作ることができ、
又極めて小型化することができ、更に自浄性を有
するものである。しかしながら、典型的にはこの
ような弁は該弁を横切る圧力差に対して応答する
ものであり、即ち、該弁は入口圧力及び出口圧力
の双方に応答するものである。正に、簡単な逆止
弁として作動されるときは、該弁はそのように作
動することが必要とされる。前記弁がサーボ装置
において利用される場合には、サーボループは、
弁が入口及び圧力に対し或る程度応答するにもか
かわらず、制御変数が弁の開閉作動を行ないそし
て支配するように十分大きなゲインを有さねばな
らない。従つて、もし制御信号が極めて大きくさ
れ得ないのであれば、上流及び下流の圧力の効果
を減少させるべく弁要素それ自体の作用横断面積
を減少させる努力がなされねばならない。例えば
水頭症排液装置のように既に小型化されている装
置において、このことは更に設計を複雑なものと
する。

〔発明の目的〕

本発明は、所望されない変数に対する感度を減
少させそして適当に付与される平衡解除力によつ
て簡単に制御し得る平衡状態を維持することによ
つて、たとえ絶対値が小さい場合であつても、小
さい制御信号によつて比較的大きな圧力及び容量
を制御可能とする。換言すれば、高い感度が提供
される。

本発明の幾つかの目的の中の一つは、入口及び
出口圧力の変動に対して実質的に感応しないサー
ボ弁を提供することであり；極めて信頼性の高い
前記弁を提供することであり；弁要素が比較的簡
単な逆止弁タイプの構造をした前記弁を提供する
ことであり；制御パラメータに対して極めて感度
のよいサーボ弁を提供することであり；比較的低
圧で且つ比較的低流量で作用することができ、従
つて水頭症排液装置に使用するのに適した前記弁
を提供することであり；又比較的簡単で且つ低価
格の構造をした前記弁を提供することである。他
の目的及び特徴は以下の説明から明らかとなるで
あろう。

本発明のサーボ弁は、入口室、出口室、前記両
室を仕切る隔壁、前記隔壁の開口に形成された弁
座、入口圧力が作用する向きに開放しうるように
前記弁座に座着している弁要素、前記弁要素を前
記弁座に押圧する第一ばね、片側が前記入口室に
露出しているダイヤフラムであつて、前記ダイヤ
フラムの変位に比例した力で前記第一ばねを前記
弁要素に作用させるように前記弁要素に関連づけ
られたダイヤフラム、前記ダイヤフラムを入口圧
力に抗する方向に押圧しており入口圧力に応じて
ダイヤフラムが変位しうるようにした第二ばね、
及び前記入口室及び出口室とは別個に形成され且
つ前記ダイヤフラムの反対側の面に制御力を作用
させる制御室、より成る。

本発明によると、第一ばね手段が弁要素に作用
する力はダイヤフラムの変位に比例するから、入
口圧力が変動してもダイヤフラムの変位に比例し
て弁要素の閉鎖力を増大または減少させるから、
入口圧力の変動に対して弁の開閉が不感にされ
る。一方、本発明の弁は制御室に入つて来る圧力
の変動に対しては敏感に応答して所要の弁開閉作
用を行うことができる。

〔発明の具体的な説明〕

本発明に従つたサーボ弁を使用した脳室におけ
る髄液排出装置の配設態様が第１図に表わされて
いる。脳室カテーテル１１が患者の頭蓋１５に設
けた穿孔１３を通しそして更に脳組織を通して脳
室１９へと挿入される。脳室カテーテルはサーボ
弁２１を介して排液カテーテル２３へと連結され
る。排液カテーテルは通常は右房とか腹膜とか他
の適当な排出位置に導かれる。このような連結に
よつて確立された排液通路により、脳髄液
（CSF）が脳室から排出され水頭症の症状が軽減
される。前記米国特許第3886948号の教示に従う
と、脳室の排液は全く自由に行なわれるべきもの
でもなく、又単に或る予め選定された背圧によつ
て制限されるべきでもない。むしろ、脳室からの
流れは、硬膜下空間に植設された、２５で示され
る感知器に付与される力に応答して力学的態様で
制御されるのが好ましい。

前記感知器の一作製方法は、1976年５月25日に
サロモン・ハキム（Salomon Hakim）とドン・
ハリス（Don Haris）に許可された発明の名称が
「植設可能の圧力感知器（Implant able Pressure
Sensor）」である米国特許番号第3958562号に記
載されている。前記感知器は適当な液圧流体が充
填され、そして可撓性の導管２７を介してサーボ
弁に連通される。

感知器２５によつて検知された力は弁を選択的
に開口するための制御パラメータとして作用し、
脳室１９からのCSFの排出を可能ならしめる。
脳室内で特に脳室の大きさの変動により圧力が変
動する結果脳に作用する力の分析については、サ
ロモン・ハキム（Salmon Hakim）、ジヨーゼ・
カブリエル・ヴエネガス（Jose Gabriel
Venegas）及びジヨン・デイー・ブルトン（John
D.Burton）による論文「頭蓋腔、水頭症及び正
常圧力水頭症に関する医学：機械的説明と数学的
モデル」（1976年３月発行の外科神経学
（Surgical Neurology）」第５巻）に述べられてい
る。該論文は、他の諸問題の中で、脳室内の液圧
を単に測定して利用するよりはむしろ脳室状態の
好ましい指示手段として硬膜下の応力を考えると
いう論理的根拠について追究している。

〔実施例１〕 本発明に係るサーボ弁の作動原理は第２図を参
照して容易に説明することができる。第２図に概
略示されたサーボ弁は入口導管４１を有する入口
室４０、出口導管を有する出口室４２、及びこれ
ら両室とは気密的に隔離され且つ制御圧力源に通
じた制御室４４より成る。入口室４０と出口室４
２とは弁要素３１の開閉により連通及び遮断され
る。弁要素３１は円錐座３３に当接して座３３の
方へと偏倚される。該ばね３５の他端は３９で示
される枢動点のまわりに揺動することのできるレ
バー３７に当接されている。入口導管４１は弁座
３３及び圧力感知ダイヤフラム４３の両方と連通
する。

ダイヤフラム４３は比較的堅い中央デイスク部
分４５と柔軟な環状支持手段４７とから成る。ダ
イヤフラムの作動面積は以下の分析においては参
照符号としてＡ１で示される。入口圧力は、ダイ
ヤフラム４３に作用すると同様に、弁球３１に作
用する。即ち、増大する入口圧力は座３３から露
出される球３１の表面部分を突き上げ弁を開放す
る作用をなすということが理解されるであろう。
この圧力が作用し得る有効面積は以下の分析に際
してはＡ２と表わされる。

ダイヤフラム４３はリンク４９によつて弁球３
１とは反対のレバー３７の端部に機械的に連結さ
れる。ばね５１は入口圧力に対抗する偏倚力をダ
イヤフラム４３に付与する。ダイヤフラムが作用
するばねのばね定数はK1で示される。この実施
態様において、ダイヤフラム４３は両方のばね３
５及び５１を圧縮せねばならず、従つてK1は該
ダイヤフラムを基準とした従つてレバー３７によ
つて提供される機械的効果を考慮した前記二つの
ばねのばね定数の和である。従つてばね定数はダ
イヤフラム４３の柔軟性、即ち、該ダイヤフラム
が増大する入口圧力によつて上方向に変位される
程度を決定する。ダイヤフラム４３が増大する入
口圧力によつて上方向に変位されるとき、該運動
はばね３５によつて付与される弁要素３１への偏
倚力をレバー３７を介して変動又は制御すること
が理解されるであろう。ばね３５の固有定数は以
下の分析に際してはK2で示される。これは、他
の全ての要素を拘束した、弁球３１だけの運動に
適用し得るばね定数であるということを理解され
たい。

もしばね定数及びレバーアームの長さが適当に
選択されるならば、ばね３５によつて付与される
偏倚力の調整は、弁の作動が実質的に入口圧力と
無関係になるように、変動する入口圧力によつて
弁要素それ自体に付与される開口力の変動を実質
的に正確に均衡させることができる。この方法に
おいて、弁は制御室４４に出入りする制御流体の
圧力のみに対して極めて感度の高いものとされ
る。この望ましい状態を確立するためにＫ１／Ｋ２＝Ｒ ×Ａ１／Ａ２の関係が保持されるべきである。ここでＲ はレバー３７の二つのアームの長さの比である。
図示される実施態様においては、この比は前記関
係がＫ１／Ｋ２＝Ａ１／Ａ２となるように１であると仮
定する。

より詳しく述べると、第２図から明らかなよう
に、制御室４４に加わる制御圧力の増加はダイヤ
フラム４３に直接作用してこれを図で下方に変位
させる。これによりレバー３７は右へ回動し弁要
素３１を開放させる。逆に制御圧力が減少すれば
弁要素３１は閉鎖する。このように、このサーボ
弁は制御圧力に敏感に反応する。

一方、入口圧力が増大したことを考えると、こ
の入口圧力の増加分は弁要素３１及びダイヤフラ
ム４３へ同時に加わる。ダイヤフラム４３の変位
により生じた力はレバー３７を左へ回動させよう
とし、ばね３５を介して弁要素３１に加わる。従
つて、弁要素３１は上下から押されるから入口圧
力の変動に対しては不感化されていることにな
り、特に上記の式の関係が満たされたときに入口
圧力の変動にはほとんど応答しない。

第２図に図示される装置は入口圧力の変動に対
して実質的に無感応とされ得るが、やはり出口圧
力は、これら圧力変動が又弁要素の有効面積A2
にも作用し得るので、弁の作動に幾分影響を及ぼ
すことがある。もし感知ダイヤフラムの後側が出
口圧力に露呈されるならば、入口及び出口の両圧
に対しては実質的に無感応とされる。第２図の装
置はこの態様を提供するべく変更することができ
るが、この特徴はもし弁座を感知ダイヤフラムそ
れ自体に担持させるならば特に簡単な構造にて提
供され得るであろう。このような装置において、
ダイヤフラムの両側に作用する圧力は、定義によ
つて、弁要素の有効面積の両側に作用する圧力と
明らかに同一となる。水頭症排液装置に使用する
のに適した現在最も好ましい形態が第３図に図示
されている。

〔実施例２〕 第３図を参照すると、一般にデイスク状をした
弁体５５には管状入口ステム５７、管状出口ステ
ム５９及び液圧制御圧力を連通するための管状ス
テム６１を受容するための横方向開口が設けられ
る。弁体は通常適当なプラスチツク製の二つの半
分体６０及び６２にて構成される。弁は上方及び
下方のダイヤフラムを具備する。下方ダイヤフラ
ムは第２図の感知ダイヤフラムに相当し、金属
の、デイスク状をした中央部分６４と、例えばシ
リコーンゴムで形成された柔軟な環状包囲体６３
とを具備する。デイスク６４は球形弁要素６７が
作用し得る弁座６５を具備する。

上方ダイヤフラムは一般に下方ダイヤフラムに
類似しており、剛性デイスク６９及び柔軟な包囲
体即ち支持部材７１を具備する。実質的な相違点
はデイスク６９が弁座を有さず中実とされている
ことである。二つのダイヤフラムはあぶみ形の要
素８１によつて一緒に運動するように連結され
る。あぶみ形要素の広幅下方部分は弁座６５にま
たがつて配設され、ダイヤフラムデイスク６４に
密接される。一方、あぶみ形要素８１の狭い上方
即ちステム部分は他方のダイヤフラムデイスク６
９の孔を貫通しており、最終組立において適当に
固着される。

下方ダイヤフラムは一対の板ばね７２及び７４
によつて入口圧力に抗して偏倚される。これらば
ねは機能においては第２図に図示された装置のば
ね５１に相当する。球形弁要素６７は、機能にお
いては第２図の装置のばね３５に相当する板ばね
７７によつて座６５の方へと偏倚される。ばね
は、第４図に図示されるように、二つの弁体半分
体６０及び６２の間に係止された金属リング７８
に取付けられる。

第３図の実施態様において、入口圧力感知ダイ
ヤフラム６４の運動は、前記実施態様におけるよ
うに弁組立体に対してばねを動かすのではなく、
弁全体をばね７７の方に変位することによつて弁
要素に付与される偏倚力に影響を及ぼす。しかし
ながら効果は同じである。従つて、ばね７７のば
ね定数に関連してばね７２及び７４のばね定数を
適当に選択することによつて、弁の作動は入口圧
力とは実質的に無関係とされ得る。更に、出口圧
力は球形弁要素６７の後側に対してと同様にダイ
ヤフラム６４の反対側に付与される。この実施態
様において、Ｒの値は、ダイヤフラム６４の運動
が直接弁要素６７をその偏倚ばね７７の方へと移
動させるので固有的に１に等しくなる。この実施
態様においては、一方の又は両方のばね装置の各
構成要素を包含するとしたK1の解釈は勿論ダイ
ヤフラムの有効面積が弁座の面積を包含するか否
かに依存するであろう。分析方式にもかかわら
ず、作動は実際にダイヤフラムと弁要素の平行な
たわみを生ぜしめ、そのため増大する入口圧力は
弁要素をその座から離れて持上げることはない。
しかしながらこの平衡状態は制御力によつて簡単
にくずされ、そのため弁の実際の開口作用は制御
パラメータに対し極めて感度のよい状態に保持さ
れる。

第３図の実施態様において、ダイヤフラム６９
の上面に付与される制御圧力は、あぶみ形要素８
１を介し且つダイヤフラム６４に抗して下方向に
力を付与し、従つて前記平衡状態に影響を及ぼす
であろう。従つて、弁は制御圧力の関数として作
動するであろう。この実施態様において、例えば
制御力が機械的に付与されるか又は例えば大気圧
のような或る他の圧力に抗して作用する圧力とし
て付与されるようにした、制御力を付与する他の
手段も又配置され得るであろう。制御信号を付与
するための種々の変更態様が当業者には想到され
るであろうが、本発明に従つた実質的作動、即
ち、入口圧力、出口圧力又は両方に対して実質的
に感応しない弁の作動を可能とする能力に影響を
与えないであろう。

前記説明より、本発明の諸目的は達成され且つ
利益ある効果が得られたということが理解される
であろう。

本発明の範囲内で上記構成において種々の変更
が可能であるので、前記説明及び添附図面は説明
のためであり、本発明を限定するものではないこ
とを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つたサーボ弁を使用した水
頭症治療装置を表わし、患者に該装置を適用した
態様を表わす。又患者の頭の一部分が断面で図示
されている。第２図は本発明に従つた弁の概略図
であり、作動関係を説明するのに有効である。第
３図は本発明に従つて構成された他の形態のサー
ボ弁の一部破断された側面図である。第４図は第
３図の弁側面図であるが、弁内のばねの配置を示
すために90゜回転されている。 図中、主要な符号は以下の通りである。１１：
脳室カテーテル、２１：サーボ弁、２３：排液カ
テーテル、２５：感知器、３１，６７：弁要素、
３３，６５：弁座、３５，７７：第一ばね手段、
３７：レバー、４１，５７：入口導管、４３，６
４：圧力感知ダイヤフラム、５１，７４：第二ば
ね手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入口室、出口室、前記両室を仕切る隔壁、前
   記隔壁に形成された弁座、入口圧力が作用する向
   きに開放しうるように前記弁座に座着している弁
   要素、前記弁要素を前記弁座に押圧する第一ば
   ね、片側が前記入口室に露出しているダイヤフラ
   ムであつて、前記ダイヤフラムの変位に比例した
   力で前記第一ばねを前記弁要素に作用させるよう
   に前記弁要素に関連づけられたダイヤフラム、前
   記ダイヤフラムを入口圧力に抗する方向に押圧し
   ており入口圧力に応じてダイヤフラムが変位しう
   るようにした第二ばね、及び前記入口室及び出口
   室とは別個に形成され且つ前記ダイヤフラムの反
   対側の面に制御力を作用させる制御室、より成る
   入口圧力に対する弁開口の感度が減少したサーボ
   弁。