KR20140040112A - 혈액 펌프 흐름 추정법 - Google Patents

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KR20140040112A
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페르난도 카사스
카를로스 러예스
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하트웨어, 인코포레이티드
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Abstract

체내 매립형 혈액펌프에서 혈액의 유량은 펌프의 로터에 대한 추력과 관련된 파라미터에 적어도 부분적으로 측정된다. 파라미터는 그의 축을 따라 로터의 변위에 관련된 파라미터, 즉 고정자의 하나 이상의 코일에서 발생하는 역기전력의 함수일 수 있다. 역기전력은 전원이 모터 구동 회로에 의해 코일 또는 코일 세트에 적용되지 않는 동안, 특정한 코일 또는 코일 세트의 오픈상 기간 중에 측정할 수 있다. 추력과 관련된 파라미터는 로터의 회전속도, 로터에 공급된 전류의 크기, 또는 이들 모두와 관련하여 사용하여 유량을 측정할 수 있다. 펌프는 측정 유량에 반응하여 제어할 수 있다.

Description

혈액 펌프 흐름 추정법{Flow Estimation In a Blood Pump}
본 발명은 혈액 펌프, 혈액 펌프를 사용하는 방법 및 혈액 펌프와 함께 사용하기 위해 적합한 제어회로에 관한 것이다.
체내 매립형 혈액 펌프(implantable blood pump)는 말기 심장 질환 환자에게 도움을 제공하는데 사용할 수 있다. 혈액 펌프는 환자의 혈관 시스템으로부터 혈액을 접수하고 환자의 혈관 시스템에 혈액을 다시 밀어냄으로써 동작한다. 환자의 혈액 흐름에 운동량 및 압력을 가함으로써, 혈액 펌프는 심장의 펌프 작용을 증진하거나 또는 대체할 수 있다. 예를 들어, 혈액 펌프는 심실 보조 장치 또는 "VAD"로서 구성할 수 있다. "VAD"가 좌심실의 펌프작용을 돕기 위해 사용되는 경우, 본 장치는 심장의 좌심실로부터 혈액을 끌어내어 대동맥으로 혈액을 방출한다.
심장에 임상적으로 유용한 도움을 제공하기 위해, 혈액펌프는 실질적인 혈액 유량으로 혈액을 밀어내야 한다. 성인 환자의 경우, 심실 보조장치가 환자의 필요에 따라 약 10-110 mmHg의 펌프에 걸쳐 차등압에서 분당 약 1-10 리터로 혈액을 펌프하도록 배열될 수 있다. 환자의 필요는 연령, 신장 및 기타 요인에 따라 변할 수 있다.
혈액펌프를 통해 혈액을 밀어내는 속도를 모니터링하는 것이 바람직하다. 예를 들면, VAD가 심실에 혈액의 유입 속도를 초과하는 유량에서 동작하는 경우, VAD는 뇌실이 붕괴되어 혈액이 본질적으로 없어지는, 뇌실 내 흡입 조건을 생성할 것이다. 이러한 조건은 바람직하지 않다. 이러한 상태에서 혈액펌프를 통한 유량은 급격히 감소할 것이다. 마찬가지로, 펌프의 흡입구나 유출구가 폐색되면 유량이 감소할 것이다. 펌프를 통한 유량이 부족하면, 본 장치는 환자에게 충분한 순환 지원을 제공하지 않을 것이다. 과도한 흐름은 바람직하지 않은 조건을 만들 수 있다. 따라서, 그것을 제어하는 혈액펌프에 의해 생성된 혈액 유량을 모니터링 할 수 있는 혈액 펌프 컨트롤러를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 한 가지 양상은 체내 매립형 혈액 펌프 시스템을 제공한다. 본 발명의 이러한 양상에 따른 시스템은 바람직하게는 펌프 및 제어회로를 포함한다. 상기 펌프는 축을 갖는 하우징, 및 하우징 내에 배치된 로터(rotor)를 포함한다. 상기 제어회로는 펌프에 동작가능하게 결합되며 또한 축을 따라 로터상에서 추력(thrust)과 관련된 파라미터를 결정하고 또한 적어도 부분적으로는 상기 파라미터에 기초하여 혈액의 유량을 결정하도록 구성된다. 상기 제어회로는 적어도 부분적으로 상기 측정 유량에 기초하여 펌프의 동작을 제어하기 위해 배열될 수 있다. 추력(thrust)과 관련된 파라미터는 펌프 고정자(pump stator)의 코일 또는 코일에서 발생하는 역기전력(back electromotive force) 일 수 있다.
또 다른 양상에서, 혈액 펌프의 동작을 제어하기 위한 제어회로가 제공된다. 본 발명의 이러한 양상에 따른 제어회로는 바람직하게는 파라미터 측정 회로 및 유량 측정 회로를 포함한다. 파라미터 측정 회로는 바람직하게는 펌프의 로터에 의해 발생되는 추력과 관련된 파라미터를 결정하도록 동작한다. 유량 측정 회로는 적어도 부분적으로 파라미터에 기초하여 혈액의 유량을 결정하도록 동작한다. 펌프 구동 회로는 또한 측정 유량에 기초하여 펌프를 제어하기 위해 동작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 체내 매립형 혈액 펌프를 제어하는 방법이 제공된다. 본 방법은 바람직하게는 펌프의 로터에 의해 발생되는 추력과 관련된 파라미터를 결정하고 또한 펌프를 통해 혈액의 유량을 측정하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 유량은 펌프의 로터의 파라미터와 회전속도에 기초하여 결정된다. 본 방법은 측정 유량에 기초하여 펌프의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 혈액 펌프 시스템의 개략적인 부분 단면도이다
도 2는 도 1에서의 선 2-2을 따라 취한 개략적 단면도이다.
도 3은 도 1의 혈액 펌프 시스템의 부분 기능 블록 다이어그램, 부분 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 3의 혈액 펌프의 고정자에서 코일을 통해 샘플링된 전압의 그래프를 도시한다.
도 5는 도 1 내지 3의 혈액 펌프 시스템에서 사용되는 하드웨어 및 소프트웨어를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 1 내지 3의 혈액 펌프 시스템의 동작에서 특정한 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 도 1 내지 3의 시스템에서 사용되는 동작 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8 및 9는 방법 도 7의 일부를 도시하는 상세한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 혈액 펌프 시스템의 부분적으로, 부분 블록 다어어그램, 부분 단면도이다.
도 1-3은 본 발명의 실시형태에 따른 혈액 펌프 시스템 100을 도시한다. 이러한 실시양태에 따른 혈액 펌프 시스템 100은 혈액 펌프 101에 케이블 피드(cable feed) 150를 통해 연결된 제어회로 140을 포함한다. 혈액펌프 101은 축 A를 갖는 보어(bore) 112를 한정하는 하우징 110을 포함한다. 로터 120은 상기 보어 내에 배치된다. 로터 120은 보어의 축에 수직인 유동 방향으로 영구 자화성(permarnent magnetization)를 갖는다. 로터는 로터가 회전할 때 보어 112에 평행한 하류 방향 D로 혈액을 밀어내도록 구성된 임펠러(impeller)를 구성한다.
펌프는 또한 고정자 130을 포함한다. 고정자(stator)는 WYE 또는 델타 형상으로 연결되고 하우징 110의 원주 주위에 배치된 코일 132a-e (도 2)를 포함한다. 코일은 서로 정반대 쌍으로 배열된다. 따라서 코일 132a 및 132b는 한 쌍을 형성하며, 코일 132c 및 132d는 또 다른 한 쌍을 형성하고, 코일 132e 및 132f는 또 다른 쌍을 형성한다. 상기 코일들이 3상 전류(3-phase current)를 사용하여 구동되는 경우, 이들은 보어 축에 횡방향으로 보어 축 주위에 회전하는 자기장을 제공한다. 자기장은 로터 120의 자기장과 상호작용하여 로터가 회전하는 원인이 될 것이다. 동작에 있어서 로터 120은 자기력, 동유체력, 또는 이들의 조합에 의해 보어 112 내에서 중단될 수 있다. 바람직하게, 이들 힘은 정상 작동 중에 하우징 110에 접촉하지 않도록 로터를 지지한다. 펌프 101과 같은 중단된 로터 혈액 펌프에 대한 더 자세한 사항은 "Axial Flow Pump with Multi-Grooved Rotor"란 명칭의 미국 특허출원 공개 제2007-0100196호에서 제공되며, 이의 기술내용은 여기서 참고로 도입된다.
제어회로 140은 구동 회로 310, 전류 측정 모듈 320, 속도 측정 모듈 330, BEMF 측정 모듈 340, 변환 모듈 350, 유량 측정 모듈 360, 및 펌프 제어 모듈 370을 포함한다. 이들 모듈은 이들의 개별적인 기능들을 참조하여 도시하고 설명한다. 모듈 310-370 중 하나 이상은 디지털 회로에서, 또는 아날로그 회로에서 범용 또는 특수 목적의 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템에서 동작하는 소프트웨어를 사용하여 실행할 수 있다.
구동회로 310은 삼상전류를 갖는 펌프 101에 전원공급하기 위한 전기회로이다. 삼상전류의 각 상은 바람직하게는 전력이 구동회로에 의해 인가되지 않는 꺼짐(off) 또는 "오픈상(open-phase)" 기간 및 전력이 인가되는 켜짐(on) 또는 "클로즈드상(closed-phase)" 기간을 교류함을 포함하는 일반적으로 직사각형 파의 형태이다. 다양한 상의 기간은 어느 순간에, 코일의 두 쌍이 켜짐 또는 클로즈드 상이고 또한 한 쌍이 꺼짐 또는 클로즈드 상이 되도록 배열된다. 다양한 상들의 오픈상 또는 클로즈드상 기간들은 다양한 쌍의 코일들이 차례차례로 오픈상으로 되어서 로터를 작동하는 회전 자기장을 생성하도록 배열된다. 구동회로 310은 각각의 켜짐 또는 클로즈드상 기간 중에 펄스폭 변조를 적용한다. 따라서 각각의 켜짐 또는 클로즈드상 기간 중에, 코일의 쌍들에 인가되는 전압은 반복적인 클로즈드상 및 오픈 상 기간의 직사각형 파형의 주파수보다 훨씬 더 높은 펄스변조 또는 쵸핑 주파수(chopping frequence)에서 선택된 최대 값과 제로 사이에서 반복적으로 변화한다.
예를 들면, 도 4는 코일 쌍 132a와 132b에 대한 전압을 보여준다. 각각의 켜짐 또는 클로즈드 상 기간 410 및 430 중에, 구동 회로에 의해 인가된 전압은 반복적으로 쵸핑되거나 또는 펄스폭 변조된다. 오픈상 기간 420 및 440 중에, 코일 132a와 132b는 구동회로 310에 의해 동력이 끊어진다. 오픈상 기간 중에, 상대적으로 작은 전압은 코일 132a 및 132b에 걸쳐 나타난다. 이 전압은 회전자석 로터 120에 의해 코일 쌍 132a 및 132b에서 유도된 전압으로 주로 구성된다. 이 유도전압은 "BEMF"의 역전자기력(back electromagnetic force)으로 언급된다. BEMF는 일반적으로 정현파 방식으로 변화하며, 오픈 기간은 정현파 변화(sinusoidal variation)의 제로 교차점에 해당한다. 오픈기간 중에 코일 쌍에 나타나는 전압은 클로즈드 상 또는 켜짐 상태에 있는 다른 코일에서 변동 펄스-폭 변조 전류에 의해 쌍 132a 및 132b에서 유도된 전압을 나타내는 약간의 고주파 성분들을 포함한다. 오픈 기간 420 및 440 중에, 코일 쌍 132a와 132b에 대한 전압은 소정의 임계값 (예, +/- 0.5V)보다 더 적다.
도 3으로 돌아가서, 전류 측정 모듈 320은 펌프 101에 공급되는 전류의 양을 측정하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 측정 모듈은 코일 쌍 132a와 132b와 직렬 공지의 저항, 공지의 저항에 대한 전압을 샘플링하도록 배열되어 각각의 샘플이 코일쌍을 통과하는 순간 전류를 나타내도록 하는 아날로그-디지털 컨버터는 물론, 코일쌍을 통과하는 평균 전류의 측정을 제공하기 위해 이들 샘플을 평균하도록 배열된 평균 회로를 포함할 수 있다.
제어회로는 추가로 전압 샘플링 회로 315를 포함한다. 전압 샘플링 회로는 코일 쌍 132a 및 132b에 걸쳐 연결되고 또한 코일 쌍에 걸쳐 나타나는 전압의 연속적인 샘플을 캡처하도록 배열된 아날로그-대-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 전압 샘플링 회로는 또한 필터링된 일련의 값을 제공하도록, 구동 회로에 의해 사용되는 펄스-폭 변조 또는 쵸핑 주파수에서 또는 그 이상에서 샘플링된 전압의 변화를 억제하기 위한 디지털 필터를 포함할 수 있다. 택일적으로, 샘플링 회로는 A/D 컨버터와 코일쌍 사이에 연결된 아날로그 로우-패스 필터(analog low-pass filter)를 포함할 수 있다.
속도측정 모듈 330은 샘플링 회로로부터 필터 값을 받을 수 있도록 샘플링 회로 315에 동작가능하게 연결된다. 속도측정 모듈은 이들 값으로부터 자기장의 회전 속도 및 이에 따라 로터 120의 회전 속도를 추론하도록 배열된다. 예를 들면, 속도측정 모듈은 코일 쌍 132a와 132b에 대한 전압이 오픈상 기간의 시작으로서 오픈상 기간과 관련된 임계값 이하로 떨어질 때의 시간을 기록하고 또한 연속적인 오픈상 기간의 시작 사이의 간격을 계산하도록 배열할 수 있다. 회전 속도는 이 시간에 반비례한다.
BEMF 측정 모듈 340도 또한 샘플링 회로 315로부터 샘플링된 전압값의 흐름을 수신하고, 또한 오픈상 기간 중에 필터 전압값을 기록하도록 연결된다. 이들 필터 값은 펌프에 의해 발생된 BEMF를 나타낸다. 변환 모듈 350은 BEMF 측정모듈 340에 연결된다. 변환모듈은 BEMF의 함수 값을 결정하기 위해 BEMF 측정 모듈 340에 의해 수집된 데이터를 처리한다. 이 함수(function)는 본 명세서에서 F(BEMF)로 언급된다. F(BEMF)는 각각의 오픈상 기간 중의 시간에 대한 BEMF의 변화율, 즉 BEMF 대 시간의 절대 기울기 값일 수 있다. BEMF 측정 모듈 340과 같이, 변환 모듈 350은 또한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 실행할 수 있다.
흐름 측정 모듈 360은 펌프 101를 통해 혈액을 밀어내는 속도를 측정하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 흐름 측정 모듈은 전류측정 모듈 320, 속도 측정 모듈 330 및 변환 모듈 350에 동작가능하게 연결되어서, 흐름 측정 모듈 360이 전류, 속도 및 F(BEMF)를 나타내는 값들을 수신하도록 한다. 흐름 측정 모듈은 이하에 더 설명되는 바와 같이 이런 정보에 기초하여 펌프로부터 유량을 측정하도록 배열된다. 펌프제어 모듈 370은 흐름 측정 모듈 360에 동작가능하게 연결되어서, 펌프제어 모듈 370이 흐름 측정 모듈로부터 유량을 나타내는 값들을 수신하도록 한다. 펌프 제어 모듈은 또한 구동 회로 310에 연결된다. 펌프 제어 모듈은 적어도 부분적으로 유량에 기초하여 원하는 펌프속도를 측정하고 그에 따라 구동 회로 310을 명령하도록 배열된다. 따라서, 펌프 제어모듈은 이하에 더 설명되는 바와 같이 흐름 측정 모듈 370에 의해 측정되는 혈액 유량에 기초하여 펌프 100을 제어할 수 있다.
동작에 있어서, 제어회로 140은 구동회로 310을 거쳐 펌프 101에 전원 공급하여, 로터 120이 회전하는 원인이 된다. 로터 120이 회전함에 따라, 혈액은 유입 단부 380을 통하여 펌프 101에 들어가며, 그 후에 혈액은 유출 단부 390으로부터 로터 120에 의해 추진된다. 혈액이 펌프 101을 통과함에 따라, 로터 120에 추력(thrust)을 부여한다. 이 추력의 크기는 펌프를 통해 혈액의 유량과 관련되어 있다.
상기 논의한 바와 같이, 로터 120은 자성 및 유체역학적 힘에 의해 제자리에 유지된다. 그러나 이들 힘은 무한 강직성을 갖는 로터를 보유하지 않는다. 따라서, 로터 120에 부여된 추력은 로터 120이 유입단부 380을 향하여 변위 거리 D로 이동하는 원인이 된다. 추력 값의 적어도 일부 범위에서, 거리 D는 추력의 크기와 관련되어 있으며, 따라서 혈액 유량과 관련된다. 거리 D는 도면의 명확성을 위해 도 3에서 크게 확대도시되어 있으며, 실제로, 거리 D는 로터 및 펌프의 치수에 비하여 작다. 로터 120의 축 방향 변위는 로터와 펌프의 코일 132 사이의 배열을 변화시킨다. 이것은 로터와 고정자의 코일 사이의 자기 상호 작용을 변경하며, 따라서 BEMF을 변화시킨다. 이런 변화의 효과는 특히 제로 추력 상태에서 로터와 코일 사이의 배열에 따라 또한 로터와 코일의 형상에 따라 달라질 것이다. 그러나, 특정 점도의 혈액으로 특정 속도로 동작하는 임의의 특정 펌프에 있어서, 그 효과는 반복가능하고 예측가능하다. 도 1-3의 펌프를 위한 하나의 펌프속도와 혈액 점도에서 BEMF와 유량 사이의 관계는 도 6에서 곡선 620으로 표시된다. 도 1-3의 특수한 실시형태에서, BEMF는 적어도 제로와 유량 T 사이의 범위에서 혈액 유량이 증가함에 따라 증가한다. 본 발명은 어떠한 동작 이론으로 제한되지 않지만, 로터에 대한 추력은 펌프의 유입 단부를 향하여 상류 방향의 반응성분들과 유출 단부를 향하여 하류 방향의 점성 성분들의 복합물인 것으로 믿어진다. 제로 유량에서는, 반응 성분들이 우세하므로 추력이 상류로 향한다. 유량이 0으부터 증가함에 따라, 점성 성분들이 증가하고, 따라서 추력의 크기가 감소한다. 추력이 감소함에 따라, 거리 D는 감소하고 로터는 코일과 더 양호한 배열로 이동하고, 그리하여 BEMF이 증가한다.
F(BEMF) (오픈상 기간에 BEMF의 변화 속도)는 BEMF에 비례하기 때문에, 동일 곡선 620은 F(BEMF)와 혈액 유량 사이의 관계를 나타낸다. 다른 방법으로 말하면, F(BEMF)은 로터에 대한 추력과 관련된 파라미터이다. 흐름 측정 모듈 360은 하기에 더 설명하는 바와 같이 이 파라미터에 부분적으로 기초하여 펌프를 통해 혈액의 유량을 측정한다. 또한 도 6에 도시한 바와 같이, 펌프에 의해 소비되는 전류는 유량에 따라 달라진다. 곡선 610은 특수한 펌프 작동 속도에서 유량으로 전류의 변화를 보여준다. 흐름 측정 모듈 360은 유량을 측정하기 위해 전류와 F(BEMF)를 둘 다 사용한다. 간단히, 흐름 측정 모듈은 유량의 초기 추정치를 유도하기 위해 F(BEMF)의 값과 F(BEMF)사이의 관계를 사용한다. 이 초기 추정치는 유량이 여기에서 "기준"값(fiducial value)으로 언급되는 값 M 이하인 것을 나타내는 경우, 흐름 측정 모듈은 곡선 610의 왼쪽 영역에 나타내는 전류와 유량 사이의 관계 및 전류의 값을 사용하여 유량을 측정한다. 유량의 초기 추정치는 유량이 기준점 값 M 이상인 것을 나타내는 경우, 흐름 측정 모듈은 곡선 610의 오른쪽 영역에 표시된 전류와 유량 사이의 관계 및 전류의 값을 사용하여 유량을 측정한다.
도 3을 참조하여 상기에 기술된 다양한 모듈은 다양한 모듈과 관련된 기능들을 수행하는 범용 프로세서에 의해 적어도 부분적으로 실행된다. 도 5는 이러한 실행을 도시한다. 도시한 바와 같이, 제어회로 140은 프로세서 510, 메모리 520, 데이터 530, 인스트럭션 540, 및 인터페이스 550를 사용하여 실행된다. 메모리 520은 프로세서 510에 의해 실행될 수 있는 인스트럭션 540을 포함하는 프로세스 510에 의해 액세스 가능한 정보를 저장한다. 메모리는 또한 프로세서로 검색하고 조작하거나 또는 저장될 수 있는 데이터 530를 포함한다. 메모리는 하드 드라이브, 메모리 카드, ROM, RAM, DVD, CD-ROM, 쓰기 가능, 및 읽기 전용 메모리와 같은 프로세서로 액세스 가능한 정보를 저장할 수 있는 모든 유형이 될 수 있다. 프로세서 510은 상업적으로 입수가능한 프로세서와 같은 임의의 잘 알려진 프로세서일 수 있다. 택일적으로, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 컨트롤러일 수 있다.
데이터 530은 인스트럭션 550에 따라 프로세서 510에 의해 검색하고, 저장하거나 또는 변경할 수 있다. 데이터는 또한 임의의 컴퓨터 해독 가능한 형식, 예를 들면 이들로 제한되지 않지만, 2진값, ASCII 또는 유니코드(Unicode)로 포맷할 수 있다. 더욱이, 데이터는 다른 메모리 (다른 네트워크 위치를 포함)에 저장된 숫자, 설명 텍스트, 독점 코드, 포인터, 참조 데이터와 같은 관련 정보, 또는 관련 데이터를 계산하기 위한 기능으로 사용되는 정보를 포함할 수 있다.
전류 대 흐름 테이블(current-to-flow table) 532는 도 6에 도시된 함수의 테이블 표시이다. 전류 대 흐름 테이블 532는 소정량의 전류가 펌프 101에 전원공급하기 위해 사용되는 경우 생기는 하나 이상의 혈액 유량을 확인할 수 있다. 전류 대 흐름 테이블 532의 한 실시예는 표 1에 제공된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 전류와 흐름 사이의 관계 610은 단일 값 함수가 아니다. 곡선 610은, 예를 들면, C 암페어가 펌프 101에 전원공급하기 위해 사용되는 경우 펌프 101은 F 1 L/min 또는 F 2 L/min에서 혈액을 밀어낼 수 있다는 것을 예시한다. 다시 말하면, 플롯(plot)은 이 실시형태에서, 전류와 혈액 유량 사이에 다 대 일 매핑(many-to-one mapping)이 있음을 예시한다. 또한 곡선 610으로 나타낸 바와같이, 상기 관계는, 기준 값 M 리터/분 이하인 전류 대 흐름 관계의 왼쪽 영역에서 임의의 흐름에 있어서는, 전류와 흐름 사이의 일대 일 매핑(one-to-one mapping)이 있도록 한다. 기준 값 M 리터/분 이상의 임의 흐름에 있어서, 전류와 흐름 사이에 상이한 일 대 일 매핑이 있다.
따라서 표 1에 도시된 바와같이, 전류 대 흐름 맵(current-to flow map)은 각각의 전류 값에 대한 복수개의 유량 값, 즉 외쪽 영역과 관련된 값 및 오른쪽 영역과 관련된 값을 저장한다. 기준 유량에 해당하는 전류 값(표 1의 실시예에서 1.0 앰프)에서, 두개의 값은 동일하며; 전류 대 흐름 테이블 532는 펌프 101이 1.0 앰프의 전류로 전원공급하는 경우에 2 L/분의 속도로 혈액을 펌프한다는 것을 나타낸다. 1.2 앰프의 전류에서, 혈액 유량은 1.5 L/min 또는 3.0 L/min이다. 전류 대 흐름 관계는 펌프의 동작 속도, 즉 로터의 회전속도에 따라 변화한다. 전류 대 흐름 관계는 또한 혈액의 점도에 따라 변화한다. 혈액의 점도는 주로 적혈구, 즉 적혈구가 차지하는 혈액 용적의 비율과 관련되어 있다. 따라서, 전류 대 흐름 테이블은 상이한 세트의 값을 저장하며, 이들 값의 각각은 광범위한 특정 펌프 동작 속도 및 혈액 점도와 연관되어 있다. 각각의 이러한 세트의 값들은 기준값 M을 포함한다. 다른 펌프 동작 속도 및 점도에 대한 값의 세트들은 보간법(interpolation)에 의해 저장 세트로부터 계산된다. 흐름 계산 모듈은 인터페이스 550를 통해 외부근원으로부터 시스템에 공급된 적혈구 또는 혈액 점도 값 및 펌프의 동작 속도에 기초하여 적절한 세트의 값들을 선택한다. 전류 대 흐름 페이블 532는 파일, 데이터 구조로서, 데이터 베이스의 일부로서, 또는 다른 적절한 형태로 실행할 수 있다.
전류 대 흐름 맵
전류 유량 혈액 유량-왼쪽영역 혈액 유량 - 오른쪽 영역
1.0 앰프 2.0 L/min 2.0 L/min
1.2 앰프 1.5 L/min 3.0 L/min
1.4 앰프 1.0 L/min 4.0 L/min
F(BEMF) 대 흐름 테이블 534는 도 6에 도시된 함수 620의 테이블 표시일 수 있다. F(BEMF) 대 흐름 테이블 534는 코일 쌍 132a 및 132b에서 F(BEMF)가 시간에 따라 특정의 비율로 변한다는 것을 F(BEMF)가 나타내는 경우에 펌프 101를 통해 밀어내는 혈액의 유량을 식별한다. F(BEMF) 대 흐름 관계는 또한 펌프 동작 속도 및 점도 즉 헤마토크릿 값(hematocrit)에 따라 변화한다. 따라서 테이블 534는 상이한 세트의 데이터를 포함하며, 이들 데이터의 각각은 로터 120의 소정의 회전속도 및 소정의 점도와 관련되어 있다. 여기에 다시 저장 데이터에 표시되지 않은 펌프 동작 속도 및 혈액 점도에 대한 값들은 보간법에 의해 유도된다.
F(BEMF) 대 흐름 테이블 534의 한 실시예는 표 2에서 제공된다. 이 실시예에 따르면, BEMF 대 흐름 테이블 534는 코일 132a에서 BEMF가 5.5V/s의 속도로 변하는 경우, 펌프 101이 2.5 L/분의 속도로 혈액을 밀어낸다는 것을 나타낸다. BEMF-대- 흐름 테이블 534는 파일, 데이터 구조로서, 데이터베이스의 일부로서, 또는 다른 적절한 형태로 실행될 수 있다.
BEMF 대 흐름 맵
F(BEMF) 혈액 유량(@ 10000 rpm)
0.2 V/s 0.75 L/min
0.4 V/s 1.5 L/min
0.5 V/s 2.0 L/min
0.55 V/s 2.4 L/min
0.60 V/s 2.5 L/min
상기 표의 각각에서 데이터는 실제 펌프 또는 유사한 형상의 샘플 펌프를 사용하여 실험적으로 측정할 수 있다. 그 외에, 상기 표의 각각은 펌프 101가 배치되기 전에 메모리 520에 미리 로딩할 수 있다.
인스트럭션 540은 프로세서에 의해 직접적으로 (예: 기계 코드) 또는 간접적으로 (예: 스크립트) 실행하고자 하는 인스트럭션(instruction)일 수 있다. 그 점에서, 용어 "인스트럭션", "단계" 및 "프로그램"은 여기에서 상호 교환적으로 사용할 수 있다. 인스트럭션은 프로세서에 의한 직접 처리를 위한 목적 코드 형식으로, 또는 명령시 해석하거나 미리 편집하는 독립 소스 코드 모듈의 스크립트 또는 컬렉션을 포함하는 임의의 다른 컴퓨터 언어로 저장할 수 있다. 인스트럭션의 기능, 방법 및 과정은 이하에 더욱 자세하게 설명된다. 흐름 추정 모듈 542는 이하에 더욱 설명되는 바와 같은 펌프 101에 의해 생성되는 혈액 유량을 측정하기 위한 인스트럭션을 포함할 수 있는 반면, 펌프 제어 모듈 544는 구동 회로 310 (도 3)의 동작을 제어하며, 그리하여 펌프 101을 제어하기 위한 인스트럭션을 포함할 수 있다. 인스트럭션 540에 따른 동작은 도 7를 참조하여 이하에 더욱 논의된다.
제어 회로 140은 유입 장치 560에 제어 회로 140을 연결하는 인터페이스 550을 임의로 포함할 수 있다. 인터페이스 550은 아날로그 인터페이스 (예를 들어, 오디오 인터페이스) 또는 디지털 인터페이스, 예를 들어 블루투스(Bluetooth), TCP/IP, 3G 등이 될 수 있다. 제어 회로가 환자의 신체 내에 배치하기에 적합한 매립형 구조에서 실행되는 경우, 인터페이스 550은 환자의 피부를 통해 신호를 통신하기 위한 공지 요소들을 포함할 수 있다. 유출 장치 560은, 스피커, 통신 단말기 (예를 들면, 컴퓨터, 휴대폰) 또는 다른 유형의 장치일 수 있다.
도 5는 동일 블록내에 있는 것으로 프로세서와 메모리를 기능적으로 예시하지만, 프로세서와 메모리는 동일한 물리적 하우징 내에 저장되거나 저장될 수 없는 복수개의 프로세서 및 메모리를 실제로 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 메모리는 정보를 저장할 수 있는 하나 이상의 매체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 인스트럭션을 보유하는 매체는 인스트럭션을 비-일시적 형태로 유지한다. 인스트럭션과 데이터의 일부 또는 전부는 아직 프로세서에 의해 액세스 가능한 물리적 원격위치에 저장할 수 있다. 마찬가지로, 프로세서는 병렬로 동작하거나 그렇지 않을 수 있는 프로세서의 컬렉션을 실제로 포함할 수 있다.
도 7은 펌프 101을 통해 혈액을 밀어내는 속도를 측정하기 위한 과정 700의 흐름도를 도시한다. 작업 710에서, 제어회로 140은 펌프 101에 전원공급하기 위해 사용되는 전류의 양을 측정한다.
작업 720에서, 제어회로는 펌프 101를 나오는 혈액의 흐름에 의해 로터 120에 부여되는 추력과 관련된 파라미터를 결정한다. 이 실시형태에서, 결정된 파라미터는 함수 F(BEMF), 즉 상술한 바와 같은 코일 쌍 132a와 132b의 오픈상 기간 중에 BEMF의 변화속도이다. 도 8은 단계 720의 하위 단계를 도시한다. F(BEMF)를 결정하기 위하여, 제어회로 140은 코일쌍 132a와 132b에 대한 전압을 먼저 샘플링한다. 하나의 실시형태에서, 예를 들어, 샘플링 주파수는 200 kHz (작업 810)일 수 있다. 이어서 샘플은 평균 필터를 사용하여 필터링할 수 있다. 예를 들어, 필터는 Vout[i] = K* Vin[i] + (1-K)* Vout [i-1] (여기서 0 ≤ K ≤ 1 (작업 820))로 표시될 수 있다. 다음에 제어회로 140은 오픈상 기간을 확인한다. 몇 가지 양상에서, 샘플링 신호의 전압 수준에 기초하는 오픈상 기간은 소정의 임계값 (작업 830) 아래에 있다. 하나 이상의 오픈상 기간이 확인되면, 제어회로 140은 확인된 오픈상 기간 중에 코일 130a에 대한 전압을 측정한다. 측정전압은 BEMF (작업 840)이다. 제어회로는 F(BEMF), 즉 오픈상 기간 (작업 850) 중에 BEMF 값으로부터 BEMF의 변화속도를 계산한다. 변화의 속도는 모든 샘플링 주파수(예를 들면, 200kHz)에서 취한 전압 샘플의 임의의 수(예, 2, 20, 200)를 사용하여 측정할 수 있다. 바람직하게는, F(BEMF)의 계산은 실시간으로 일어난다.
작업 730 (도 7)에서, 제어회로 140은 로터 120의 회전속도를 측정한다. 상기에서 논의한 바와 같이 제어회로는 코일 쌍 132a와 132b에 대한 전압을 샘플링하고, 코일에 걸쳐 나타나는 전압이 이론치 전압보다 작은 오픈상 기간을 확인하고, 또한 단위 시간 당 또는 오픈상 기간의 수를 결정하거나, 동등하게, 특정 코일에 대한 연속적인 오픈상 기간 사이의 시간을 결정한다. 제어회로는 이 측정에 기초하여 속도를 측정한다. 큰 단위 시간 당 오픈상 기간이 더 크거나 또는 연속적인 오픈상 기간 사이의 시간이 작을 수록, 속도는 더 빠르다.
작업 740에서, 제어회로 140은 작업 720에서 결정되는 추력과 관련된 파라미터에 기초하여 펌프 101을 통해 혈액을 밀어내는 속도를 측정한다.
작업 740에 포함된 작업은 도 9에 더욱 자세하게 도시되어 있다. 작업 910에서, 제어 단자는 펌프가 동작하는 속도를 위해, 혈액 유량에 대한 BEMF 기울기를 매핑 하는 기능, 즉 F(BEMF) 대 흐름 테이블 534 (상기 도 10 및 표 II)를 검색한다. 작업 920에서, 제어회로 140은 F(BEMF)의 값이 함수 620 (도 6)와 관련된 소정의 임계값 이상인지 또는 그 이하인지를 결정한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 임계 값 T는 펌프가 동작하는 속도에서 전류 대 유량 관계 610의 왼쪽 및 오른쪽 영역을 분리하는 기준점에서 혈액 유량 M과 동일하거나 또는 대략 동일한 값이다. 제어 회로는 F(BEMF) 대 흐름 테이블 534 (상기 표 II)를 사용하여, F(BEMF)의 값에 해당하는 유량의 값을 검색할 수 있다. 이 과정에서 제어회로는 표준 보간법 기술을 사용하여 저장된 값들 사이에 보간할 수 있다. 다음에 상기 회로는 검색된 흐름값을 임계값 T와 비교하고, F(BEMF)로 표시된 흐름 값이 임계값 T 이상 또는 그 이하인지를 결정한다. 택일적으로, F(BEMF) 및 흐름 사이에 일 대 일 매핑이 있기 때문에, 동일한 단계는 흐름의 임계값 T에 해당하는 T'(도 6)로 표시된 F(BEMF)의 임계값을 F(BEMF)와 비교하여 수행할 수 있다. 이러한 택일적 방법을 사용하는 경우, 메모리는 전체 F(BEMF) 대 흐름 테이블 534을 저장할 수 없지만, 대신에 각각의 동작 속도 관련 값 T'를 단순히 저장할 수 있다.
작업 930에서, 제어회로 140은 펌프 101에 의해 공급되는 전류의 량을 매핑하는 함수 610, 즉 전류 대 흐름 테이블 532 (상기 도 5 및 표 1)을 검색한다.
작업 940에서, 제어회로 140은 두 가지의 상이한 경로 중의 하나로 나뉜다. 임계값 비교(작업 920)는 F(BEMF)이 임계값 T (도 6) 이하이라는 것을 나타내면, 작업 950이 실행된다. 그렇지 않으면, 제어회로 140은 작업 960을 실행한다.
작업 950에서, 제어회로 140은 함수 610의 왼쪽 부분에 기초하여 펌프 101를 통해 혈액을 밀어내는 속도를 측정한다. 함수 610의 왼쪽 부분을 평가하기 위해 제어회로 140은 인덱스로서 전류의 값을 사용하고 또한 왼쪽 부분에 속하는 전류 대 흐름 테이블 532 (및 상기 표 1)의 진입으로부터 상응하는 흐름의 값을 검색한다. 택일적으로, 제어회로 140은 동일량의 전류에 해당하는 두개 이상의 혈액 유량값을 얻은 다음 가장 작은 것을 검색할 수 있다. 어느 하나의 과정에서, 전류의 값이 저장 값 사이에 속하는 경우 표준 외삽 기술이 사용될 수 있다.
작업 960에서, 제어회로 140은 함수 410의 오른쪽 부분에 기초하여 펌프 101를 통해 혈액을 밀어내는 속도를 측정한다. 함수 610의 오른쪽 부분을 평가하기 위해, 제어회로 140은 인덱스로서 전류의 값을 사용하여 오른쪽 부분에 속하는 전류 대 흐름 테이블 532 (및 상기 표 1)의 진입으로부터 상응하는 흐름 값을 결정할 수 있다. 택일적으로, 제어회로 140은 동일량의 전류에 해당하는 두 개 이상의 혈액 유량 값을 얻은 다음 가장 큰 것을 선택할 수 있다. 어느 하나의 과정에서, 전류 값이 저장 값들 사이에 속하는 경우에 표준 외삽 기술이 사용될 수 있다.
작업 750 (도 7)에서, 제어회로 740은 펌프 101의 동작을 제어하거나 또는 측정 유량에 반응하여 다른 작업을 수행한다. 예를 들어, 제어회로는 예를 들어, 몇 분으로 미리 조정된 시간에 걸쳐 측정시 유량 설정값 및 유량의 이동 평균을 유지할 수 있다. 유량 설정값은 환자의 심장박동수, 호흡율 또는 혈액산소 수준과 같은 생리적 파라미터에 기초하여 결정되는 값 또는 고정값이 될 수 있다. 유량의 새로운 값이 소정량을 초과하여 이동평균 아래에 있는 경우, 이것은 펌프 흡입구에서 흡입 조건을 생성하거나 또는 펌프의 유출구가 차단된다는 것을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 펌프가 좌심실로부터 혈액을 뽑아내는 경우, 흡입조건이 일어날 수 있으며, 펌프의 유입구가 심장을 박동하도록 위치하는 경우, 흡입구의 개방이 좌심실의 벽에 대하여 멈추며 또한 개방이 차단된다. 이러한 상황에서, 유량은 심장의 박동 운동이 유입구를 주기적으로 차단하고 차단 해제함에 따라 변동할 수 있다. 대조적으로, 펌프의 유출구가 차단되는 경우, 유량은 일반적으로 이러한 변동없이 낮은 값으로 유지할 것이다. 제어회로는 펌프의 흡입조건과 지속적인 차단 사이에 구별할 수 있다. 흡입조건이 발견되는 경우, 제어회로는 구동회로에 명령하여 컨디션을 클리어하게 돕기 위하여 펌프의 속도를 순간적으로 줄일 수 있다. 유량이 순간적인 속도 감소에 반응하여 증가하면, 제어 회로는 구동회로에 명령하여 펌프의 속도를 점진적으로 증가시킬 수 있다. 펌프 속도의 순간적인 감소가 낮은 유량을 치료하지 않는 경우, 제어회로는 유출 장치 560에 인터페이스 550 (도 5)를 통해 알람 신호(작업 760, 도 7)를 발할 수 있으므로, 환자나 간병인에게 문제가 통지된다. 또한 유량 감소가 막힘을 나타내는 경우에, 제어회로는 동일한 알람 신호 또는 다른 알람 신호를 발할 수 있다. 혈액의 이동평균 유량이 설정점 아래에 있다고 판단되는 경우, 제어회로 140은 펌프 101의 속도를 높일 수 있다. 혈액 유량이 설정점 이상이면, 제어회로 101은 펌프 속도를 줄일 수 있다.
도 7-9는 실시예로서 제공된다. 도 7-9와 관련된 작업의 적어도 일부는 도시된 것과 상이한 순서로 수행되거나, 동시에 수행되거나 또는 전부를 생략할 수 있다.
상기에서 논의된 실시형태에서, 유량의 계산은 BEMF의 특수한 함수, 즉 오픈 상 기간 동안 BEMF의 변화 또는 경사 속도를 기초로 한다. 그러나 BEMF의 다른 함수를 사용할 수 있다. 예를 들어, BEMF의 함수는 단순히 감지된 BEMF의 크기일 수 있다. 다른 방법으로 말하면, 본 명세서에서 사용되는 표현 "BEMF의 함수"는 BEMF 자체 뿐만 아니라 BEMF의 다른 함수를 포함한다. 유량 측정을 위한 파라미터로서 BEMF의 함수를 사용하면, 펌프내에 추가 변환기를 도입할 필요가 없기 때문에 특히 유리하다. 실제로, 펌프의 코일은 BEMF를 측정하는 변환기로 작용하며, 따라서 로터의 변위를 측정하고 로터의 추력을 간접적으로 측정한다.
로터에 대한 추력과 관련된 다른 파라미터는 BEMF의 함수 대신에 사용될 수있다. 예를 들어, 펌프가 로터의 축 방향 위치를 직접적으로 측정할 수 있는 코일 이외의 다른 트랜스듀서가 장착되는 경우, 제어회로 140은 변위를 나타내는 트랜스듀서로부터 신호의 전체 또는 일부에 기초하여 유량을 측정할 수 있다. 다른 방법으로 말하면, 변위는 로터에 대한 추력과 관련된 파라미터이다. 로터에 대한 추력과 관련된 다른 파라미터가 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 혈액펌프 시스템 1000은 로터에 대한 추력의 효과를 방해하고 또한 실질적으로 일정한 축 위치에서 로터를 유지하기 위해 로터에 대한 축 방향 힘을 발휘하는 능동 제어 모듈을 포함하는 능동 제어 시스템을 도입한다. 능동 제어 시스템의 추가 실시예는 "Magnetically Levitated Blood Pump With Optimization Method Enabling Miniaturization"란 명칭의 미국 특허출원 공개 제20110237863호에 제공되어 있다.
시스템 1000은 펌프 1001 및 제어회로 1070을 포함한다. 펌프 1001은 하우징 1010 내에 배치되고 고정자 1030에 의해 작동되는 로터 1020을 포함한다. 로터 1020은 코일 1030을 포함한다. 펌프 101 (도 1)과 달리, 펌프 1001 (도 10)은 또한 펌프 1001에 의해 추진되는 혈류에 의해 로터 1020에 부여된 추력에 반대 방향으로 유사한 크기인 로터 1020에 대한 축방향 힘을 발휘하는 자기장을 생성하기 위한 전자석 1040a-b를 포함한다. 전자석에 의해 생산된 힘은 추력을 밸런스 하며 또한 로터 1020을 제자리에 유지시킨다.
제어회로 1070은 능동 제어모듈 1072 및 흐름 측정 모듈 1070을 포함할 수 있다. 능동 제어 모듈 1072는 유입 신호(들) 1050 및 유출 제어 신호(들) 1060을 수신할 수 있다. 이 실시예에서, 제어신호 1060은 전자석 1040a-b중의 적어도 하나에 의해 생성되는 자기장의 크기를 제어한다. 제어신호 1060은 전자석 1040a를 작동하는 컨트롤러로 향하는 디지탈, 전자석 1040a-b에 전원공급하는데 사용되는 아날로그 전류, 또는 임의의 다른 신호일 수 있다. 제어신호 1060은 펌프 101에 의해 혈액 유출의 흐름에 의해 로터 100에 부여된 추력을 상쇄하는데 사용되는 전자석 1040a-b의 자기장의 크기를 설정하기 때문에, 제어신호는 추력에 직접적인 관계를 가진다.
신호 1060은 추력과 관련된 파라미터의 또 다른 실시예를 구성하며 또한 그것은 혈액유량을 측정하는데 사용할 수 있다. 흐름 측정 모듈 1074은 제어신호 1060을 수신하고 해당 혈액 유량을 일치시켜 펌프 1001에 의해 생성된 혈액 유량을 측정할 수 있다. 예를 들어, 테이블은 제어신호 1040의 상이한 값을 혈액 유량에 관련시키는 제어회로 140의 메모리에 저장할 수 있다. 여기서 다시, 테이블은 서로 다른 펌프 동작 속도 및 혈액 점도의 상이한 세트의 데이터를 포함할 수 있다. 흐름 측정 모듈 1074는 제어신호 1060의 값을 해당 혈액 유량과 일치시키기 위하여 테이블을 사용할 수 있다.
또 다른 배열에서, 추력은 직접 측정할 수 있다. 예를 들면, 펌프가 축 이동에 대하여 로터를 유지하는 베어링을 포함하는 경우, 베어링은 압전소자 또는 다른 힘 트랜스듀서를 통합할 수 있다. 힘 트랜스듀서기로부터의 신호 또는 신호의 기능은 추력과 관련된 파라미터로서 사용할 수 있다.
도 1-9를 참조하여 설명된 실시형태에서, 추력과 관련된 파라미터 F(BEMF)는 전류 대 흐름 관계 610 (도 6)의 일부, 즉 곡선의 왼쪽 또는 오른쪽 부분을 선택하는데 사용된다. 이 방법의 변형에서, 시스템은 F(BEMF)로 표시되는 유량 값이 임계값 T 이하일 때마다 F(BEMF) 대 흐름 테이블 534 (상기 도 5 및 표 2)를 사용하여 F(BEMF)로부터 직접 흐름을 결정할 수 있으며, 또한 F(BEMF)로 표시되는 유량 값이 임계값 T 이상인 경우 전류 대 흐름 관계 610의 오른쪽 부분에 기초하여 유량을 측정할 수 있다. 도 1-9를 참조하여 상기에서 설명한 특수한 시스템에서, F(BEMF)과 흐름 사이의 관계는 임계값 이상의 값의 경우, 곡선 620의 기울기가 상대적으로 작아지는 것과 같은 것이다. 이 영역에서, 흐름의 큰 변화는 F(BEMF)에서 단지 작은 변화에 해당한다. 이것은 F(BEMF)로부터 유량을 정확하게 흐름을 확인하는 것이 어렵다. 그러나, 상이한 로터 및 코일 형태를 갖는 다른 시스템에서, F(BEMF)과 흐름 사이의 관계는 모니터링 할 유량의 전체 범위에 걸쳐 유량 단위 변화 당 F(BEMF)의 더 많은 실질적인 변화를 제공한다. 이러한 경우에, 유량은 펌프에 의해 사용되는 전류를 참조하지 않고, 오로지 F(BEMF)에 기초하여 측정할 수 있다. 마찬가지로, 추력과 관련된 다른 파라미터가 사용되는 경우, 유량의 측정은 전적으로 이러한 다른 파라미터를 기초로 할 수 있다. 또 다른 대체예에서, F(BEMF)와 같은 추력과 관련된 파라미터는 파라미터가 제한된 범위의 유량에만 유용한 경우에도 전류 대 흐름 관계를 사용하지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 1-9에서 사용되는 것과 동일한 F(BEMF)을 사용하면, 시스템은 도 6에서 임계값 T' 이하의 비교적 낮은 임계값과 F(BEMF)의 값을 비교함으로써 클로즈드 또는 흡입 이벤트를 감지할 수 있다. 이 배열에서, F(BEMF)은 이를 유량값으로 변환하지 않고 펌프를 제어하거나 또는 모니터링 하기 위한 파라미터로서 사용된다. 예를 들어, 본 시스템은 알람 신호를 발하도록 간단히 배열할 수 있거나, 또는 F(BEMF)이 특정 시간에 대한 임계값 이하로 유지할 때마다 다른 소정의 조치를 취할 수 있다. 유사한 전략은 추력과 관련된 다른 파라미터와 함께 사용할 수 있다. 또 다른 변형에서, 본 시스템은 F(BEMF)와 연관된 유량을 평가하고 그 값을 유량의 정상 동작 범위 이하의 낮은 임계값과 비교한다.
제어회로 140은 상기에서 기술된 바와 같은 룩업 테이블(lookup table) 형태로 F(BEMF) 등의 파라미터와 흐름 사이의 관계 또는 전류와 흐름 사이의 관계를 저장할 필요가 없다. 제어회로는 혈액이 추력과 관련된 파라미터의 함수로서 펌프에 의해 추진되는 속도를 모델화 하는 수식, 예를 들어, 함수 620 (도 6)에 대한 수식을 검색하고 평가할 수 있다. 마찬가지로, 제어 회로는 전류 대 흐름 관계에 대한 수식, 예를 들어 함수 610에 대한 수식을 검색하고 평가할 수 있다.
상기에서 설명한 실시형태에서, 제어회로에 의해 측정된 유량은 펌프의 동작을 제어하는데 사용된다. 다른 실시형태에서, 제어회로는 유량을 단순히 측정하며 또한 외부 장치에 유량을 나타내는 신호를 보낼 수 있으며, 또한 펌프의 동작을 제어할 수 없다.
상술한 시스템은 체내 매립된 혈액펌프를 통하여 유량을 측정할 수 있기 때문에, 본 시스템은 또한 펌프에 걸쳐 압력 강하를 추론할 수 있다. 주어진 점도와 펌프의 동작 속도에서, 유량과 압력 강하 사이에 일정한 관계가 있다. 주어진 펌프 디자인에 있어서, 이러한 관계는 실험에 의해 발견될 수 있으며, 데이터의 테이블에 표시될 수 있다. 따라서, 본 시스템은 유량으로부터 압력 강하를 계산하고 또한 유량 대신에 또는 유량에 추가하여 압력 강하를 보고할 수 있다.
상기에서 설명한 기술은 혈액 이외의 펌핑 유체의 유량을 결정하는데 사용할 수 있다. 더욱이, 상기 실시예들은 축류 펌프에 초점을 맞추고 있지만, 상기에서 설명한 기술은 로터에 대한 추력이 유량에 따라, 예를 들면 특정의 방사형 흐름 원심 펌프에서 변하는 경우에 다른 펌프와 함께 사용할 수 있다.
상기에서 언급한 특징들의 이들 및 다른 변경과 조합은 특허청구범위로 정의된 바와 같은 특허 대상으로부터 벗어나지 않고 이용할 수 있기 때문에, 모범적인 양상의 전술한 설명은 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 특허 대상을 한정하는 것이 아니라 예시적으로 해석되어야 한다. 또한 본 명세서에 기술된 실시예들의 단서 (및 "과 같은", "예를 들어", "포함하는" 등으로 표시되는 문구)는 특허 대상을 구체적인 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 차라리 이들 실시예는 많은 가능한 양상들의 일부만을 예시하는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. (a) 축을 갖는 하우징, 및 상기 하우징 내에 배치된 로터(rotor)를 포함하는 펌프; 및
    (b) 상기 펌프에 동작가능하게 결합된 제어 회로;를 포함하고,
    상기 로터는 상기 축 주위에 회전가능하고, 상기 제어회로는 상기 축을 따라 상기 로터에 대한 추력(thrust)과 관련된 파라미터를 결정하고, 상기 파라미터에 적어도 부분적으로는 기초하여 혈액의 유량을 측정하도록 구성되는,
    체내 매립형 혈액 펌프 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 로터의 회전속도 및 상기 파라미터에 기초하여 유량을 측정하는,
    체내 매립형 혈액 펌프 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 축을 따라 상기 로터의 변위와 관련되는,
    체내 매립형 혈액 펌프 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 제어회로에 동작가능하게 결합된 고정자를 포함하고, 상기 고정자는 회전 자기장을 상기 로터에 적용하기 위한 복수개의 코일을 도입하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 복수개의 코일 중 하나 이상에 역기전력(BEMF)을 기초로 하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어회로가 오픈상 기간 중에 상기 고정자에서 첫번째 코일에 대한 전압을 샘플링하도록 추가로 동작가능하고, 여기서
    (i) 상기 첫번째 코일은 구동되지 않으며, 또한
    (ⅱ) 상기 고정자에서 적어도 하나의 다른 코일은 구동되고;
    따라서 상기 오픈상 기간 중에 역기전력(BEMF)의 함수를 결정하며, 여기서 혈액의 유량은 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 적어도 부분적으로 기초하여 측정하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어회로가 메모리에 결합된 프로세서를 포함하고, 상기 메모리는 상기 로터의 회전 속도 및 오픈상 기간 중에 BEMF의 함수의 상이한 값을 상이한 유량과 관련하는 테이블을 저장하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제어회로가 샘플링된 전압에 기초하여 상기 로터의 회전속도를 측정하도록 동작하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 로터의 회전 속도 및 BEMF의 함수와 관련하여 상기 펌프에 공급되는 전류의 양에 기초하여 혈액 유량을 측정하도록 구성되는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수와 관련하여 유량이 임계값 미만인 경우에만 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하여 유량을 측정하고, 또한 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 유량이 임계값 이상인 경우에 전류 량에 기초하여 혈액의 유량을 측정하도록 동작하는,
    체내 매립형 혈액 펌프 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 혈액 유량은 적어도 약간의 전류 값에서 임계값 이하의 유량의 첫번째 값 및 임계값 이상의 두번째 값이 존재하도록 전류와 유량 사이의 이 대 일 매핑이 있으며, 또한 상기 시스템은 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 유량이 임계값 이하 또는 그 이상인지에 따라 첫번째 또는 두번째 값을 선택하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 기능이 BEMF의 변화속도를 기초로 하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로가 메모리에 결합된 프로세서를 포함하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 로터 상에 축방향 자기력을 생산하기 위한 전자석; 및
    상기 축을 따라 실질적으로 고정된 위치에서 상기 로터를 유지시키기 위하여 축방향 자기력의 크기를 고정하기 위한 제어 신호를 발생시키는 능동 제어 회로;를 더 포함하고,
    상기 파라미터는 상기 제어 신호에 기초하여 상기 제어 회로에 의해 결정하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 회로가 측정 유량에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펌프의 동작을 조절하기 위한 펌프 제어 모듈을 포함하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
  16. 체내 매립형 혈액펌프의 동작을 모니터링하기 위한 제어 회로로서,
    펌프의 로터에 의해 발생되는 추력과 관련된 파라미터를 결정하기 위해 작동하는 파라미터 측정 회로;
    파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 혈액의 유량을 측정하기 위해 작동하는 유량 측정 회로를 포함하는,
    제어 회로.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 파라미터가 상기 로터의 회전 축을 따라 상기 로터의 변위에 관련되어 있는,
    제어회로.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 파라미터가 상기 펌프의 코일에서 역기전력(BEMF)과 관련되어 있는,
    제어회로.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제어 회로가 오픈상 기간 중에 고정자에서 첫번째 코일에 대한 전압을 샘플링하기 위해 작동하고, 여기서
    (i) 상기 첫번째 코일은 구동되지 않으며, 또한
    (ⅱ) 상기 고정자에서 적어도 하나의 다른 코일은 구동되고;
    따라서 상기 오픈상 기간 중에 역기전력(BEMF)의 함수를 평가하며, 유량은 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 기능에 적어도 부분적으로 기초하여 측정하는,
    제어회로.
  20. 제 19항에 있어서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에 결합된 메모리;를 더 포함하고,
    상기 메모리는 상기 로터의 회전속도 및 상기 오픈 상 기간 중에 BEMF의 함수의 상이한 값들을 상이한 유량과 관련하는 테이블을 저장하는,
    제어회로.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 제어 회로는 샘플링된 전압에 기초하여 상기 로터의 회전속도를 측정하기 위해 동작하는,
    제어회로.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 펌프를 구동하기 위해 상기 펌프에 공급되는 전류의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 혈액 유량을 측정하도록 추가로 구성되는,
    제어회로.
  23. 제 22항에 있어서,
    혈액의 유량은 상기 로터의 회전 속도 및 BEMF의 기능에 기초하는 유량이 임계값 미만인 경우에만 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 기능에 기초하여 측정하고, 또한 유량이 임계값 이상인 경우 펌프에 공급되는 전류의 크기에 기초하여 측정되는,
    제어회로.
  24. 제 22항에 있어서,
    혈액 유량은 적어도 약간의 전류 값에 있어서 임계값 이하의 유량의 첫번째 값 및 임계값 이상의 두번째 값이 존재하도록 전류와 유량 사이의 이 대 일 매핑이 있으며, 또한 상기 시스템은 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 유량이 임계값 이하 또는 그 이상인지에 따라 첫번째 또는 두번째 값을 선택하는,
    제어회로.
  25. 제 19항에 있어서,
    BEMF의 함수는 BEMF의 변화속도인,
    제어회로.
  26. 제 16항에 있어서,
    유량 측정 회로에 의해 측정되는 유량에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펌프의 동작을 제어하기 위해 동작하는 펌프 제어 모듈을 더 포함하는,
    제어회로.
  27. 제 16항에 있어서,
    추력과 관련된 파라미터가 상기 로터를 상기 펌프 내에 정위치에 유지시키기 위해 전자석에 적용된 제어 신호의 함수인,
    제어회로.
  28. 체내 매립형 혈액펌프의 동작을 모니터링하는 방법으로서,
    펌프의 로터에 의해 발생되는 추력(thrust)과 관련된 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 펌프를 통해 혈액의 유량을 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 유량은 적어도 부분적으로는 상기 펌프의 로터의 회전속도 및 파라미터에 기초하여 측정되는.
    방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    파라미터가 로터의 회전 축을 따라 로터의 변위에 관련되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    펌프가 로터를 회전시키기 위한 고정자를 포함하고, 상기 고정자는 회전 전기장을 발생하기 위한 복수개의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법,
  31. 제 30항에 있어서,
    (i) 첫번째 코일이 구동되지 않으며, 그리고
    (ⅱ) 고정자에서 적어도 하나의 다른 코일이 구동되는,
    오픈상 기간 중에 상기 고정자에서 첫번째 코일에 대한 전압을 샘플링하는 단계; 및
    유량이 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 기능에 기초하여 측정되는,
    상기 오픈상 기간 중에 역기전력(BEMF)의 함수를 평가하는 단계;를 더 포함하는,
    방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 샘플링 전압에 기초하여 상기 로터의 회전 속도를 측정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  33. 제 31항에 있어서,
    상기 펌프에 공급되는 전류의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펌프를 통한 혈액의 유량을 측정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 혈액의 유량은 상기 로터의 회전 속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 유량이 임계값 미만인 경우에만 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하여 결정되고, 또한 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 전유량이 임계값 이상인 경우 전류의 크기에 기초하여 측정되는,
    방법.
  35. 제 33항에 있어서,
    상기 혈액 유량은 적어도 약간의 전류 값에서 임계값 이하의 유량의 첫번째 값 및 임계값 이상의 두번째 값이 존재하도록 전류와 유량 사이의 이 대 일 매핑이 있으며, 또한 상기 시스템은 상기 로터의 회전속도 및 BEMF의 함수에 기초하는 유량이 임계값 이하 또는 그 이상인지에 따라 첫번째 또는 두번째 값을 선택하는,
    방법.
  36. 제 32항에 있어서,
    BEMF의 함수는 BEMF 변화율인,
    방법.
  37. 제 31항에 있어서,
    측정 유량에 기초하여 펌프의 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  38. (a) 축을 갖는 하우징, 및 축 주위에 회전하기 위한 하우징 내에 배치된 로터(rotor), 및 상기 로터에 회전 자기장을 적용시키기 위한 복수개의 코일을 도입하는 하우징에 고정된 고정자를 포함하는 펌프; 및
    (b) 상기 고정자의 코일중 적어도 하나에 동작가능하게 결합된 제어 회로;를 포함하고,
    상기 제어 회로는 복수개의 코일 중 적어도 하나에서 역기전력(BEMF)의 함수를 모니터링하기 위해 구성되는,
    체내 매립형 혈액 펌프 시스템.
  39. 제 38항에 있어서,
    상기 제어 회로가 오픈상 기간 중에 고정자에서 첫번째 코일에 대한 전압을 샘플링하기 위해 작동하고, 여기서
    (i) 상기 첫번째 코일은 구동되지 않으며, 그리고
    (ⅱ) 상기 고정자에서 적어도 하나의 다른 코일은 구동되고;
    따라서 상기 오픈상 기간 중에 역기전력(BEMF)의 함수를 평가하는,
    매립형 혈액펌프 시스템.
  40. 제 38항에 있어서,
    상기 제어 회로는 BEMF의 함수에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펌프를 통한 혈액의 유량을 계산하기 위해 동작하는,
    체내 매립형 혈액펌프 시스템.
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