WO2007018044A1 - 遠心ポンプの流量及び揚程測定方法、装置、及び、拍動する循環系の循環状態評価装置 - Google Patents

Abstract

　羽根車１４が回転する遠心ポンプ１０、３０、６０、７０、８０において、羽根車１４の回転時に該羽根車１４に加わる横力に基づいて、ポンプの流量及び揚程を推定すると共に、拍動する循環系の循環状態を評価する。これにより、遠心ポンプでの流量及び揚程測定、及び、遠心ポンプによる循環補助中の循環機能評価を可能とする。

Description

明 細 書

遠心ポンプの流量及び揚程測定方法、装置、及び、拍動する循環系の 循環状態評価装置

技術分野

[0001] 本発明は、遠心ポンプの流量及び揚程測定方法、装置、及び、拍動する循環系の 循環状態評価装置に係る。特に、人工心臓を用いた機械的補助循環における心機 能評価に用いるのに好適な、遠心ポンプの流量及び揚程測定方法、装置、及び、拍 動する循環系の循環状態評価装置に関する。

背景技術

[0002] 薬物療法で救命し得ない重症心不全患者に対して、例えば体内埋め込み型又は 体外設置型の補助用人工心臓を用いた機械的循環補助は非常に有効であり、その 治療法として、（1)心移植までのつなぎ、（2)自己心機能の回復を目的とした治療、（ 3)半永久的な使用法が挙げられる。機械的補助循環は患者の全身状態改善に有 効であり、（2)の治療法のような補助人工心臓力 の離脱に至る症例も報告されてい る。心移植が進まない日本において、（2)の治療法は非常に有用で、将来展望のあ る治療手段であり、再生医療との複合ィ匕医療という観点からも、今後可能性のある治 療法である。このような機械的循環補助に好適な、連続流型の体内埋め込み型、又 は、体外設置用のディスポーザブル型磁気浮上遠心血液ポンプを、発明者の一部 は、特開 2005— 118237号公報 (以下特許文献 1)や高谷節雄「磁気軸受を用いた 完全非接触式ロータリー遠心血液ポンプ」東京医科歯科大学生体材料工学研究所 年報 Vol. 38 (2004) 38— 41頁（以下非特許文献 1)で提案して 、る。

[0003] 又、このような定常流ポンプでの循環補助における吸付き現象を回避するための検 知システムやモータ速度制御システムとして、（1)モータ電流波形を用いるもの、（2) 送血管に取り付けた血流計を用いるもの、（3)モータ回転数とポンプ内の圧力センサ から流量を推定するものが既に提案されて ヽる。

[0004] し力しながら、これらのシステムは、補助循環中の吸付き現象を回避するのには有 効である力 補助循環中の心機能評価をするまでには至っていない。 [0005] なお、モータ電流波形の周波数解析及びパワースペクトルを用いて、モータ電流か ら心機能を評価することが考えられるが、予め個体に合わせた校正が必要、経時的 なデータのモニタ及び蓄積が必要、数学的演算処理が必要なため連続的なモニタ が難しい、モータ電流のノイズの影響が出力結果に大きく影響する等の問題点を有 していた。

[0006] 又、ポンプ拍出量を計測するには、別体の流量計等を用いる必要があるという問題 点も有していた。

発明の開示

[0007] 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、流量計等を用いず に遠心ポンプの拍出量を計測可能とすることを第 1の課題とする。

[0008] 本発明は、又、連続的で安定性が高ぐ感度が良い評価出力が可能であり、信頼 性の高!、循環状態評価を行なうことを第 2の課題とする。

[0009] 請求項 1に係る発明は、羽根車が回転する遠心ポンプにおいて、前記羽根車の回 転時に該羽根車に加わる横力に基づいて、ポンプの流量を推定することにより、前記 第 1の課題を解決したものである。

[0010] 即ち、図 1に例示するような遠心ポンプ 10力 羽根車 (インペラとも称する） 14の回 転数一定の元で、流入口 12 も流入する流体を流出口 12οから定常的に拍出する とき、ポンプケーシング 12内部の流体力の変化により、羽根車 14には横力が発生す る。理論的には、その横力は主にボリユート形状によって決定され、ケーシング内部 の流体力のアンバランスによって引き起こされる。図 2 (A)の上段に示す同心円ボリュ ートや、図 2 (B)の上段に示すシングルボリユートでは、中心から出口方向に力が働く

[0011] 図 2 (A)の中段に、同心円ボリユートのポンプ流量、回転数とインペラ横力の関係、 図 2 (B)の中段に、シングルボリユートのポンプ流量とインペラ横力の関係を示す。図 2から明らかなように、同心円ボリユート、シングルボリユートのいずれも、インペラ横力 又はその横力発生の元となるポンプケーシング内部圧力を測定することにより、回転 数とインペラ横力の関係からポンプ流量が算出可能である。

[0012] これには、横力と流量との関係に、図 2 (A)の中段に示したような線形性が見られる 同心円ボリユートが好適である。

[0013] なお、シングルボリユートは、図 2 (B)の中段に示したように、ポンプの最大効率付 近で極値を持つ 2次曲線となるので、インペラ横力を計測すると、推定される流量力 1、 L2の 2つ出るが、図 2 (B)の下段に示す如ぐ極値 LOの右か左かを判断すれば、 どちらの値力、推定できる。

[0014] 更に、図 3に示す圧力—流量線図より、ポンプ流量と羽根車回転数力もポンプ揚程 も算出可能である。

[0015] 従って、磁気軸受ゃ流体軸受のような、ある一定のばね剛性で支持された羽根車 については、その変位計測を行なうことにより、横力推定、流量推定、揚程推定が可 能である。又、軸シール型やピボット型等の接触型軸受であっても、同様に流量推定

、揚程推定が可能である。

[0016] なお、ダブルボリユートは、ケーシング内部のアンバランスな流体力を緩和、削減す る効果があり、横力の発生には不向きである。

[0017] 又、請求項 2に係る発明は、前記羽根車に加わる横力を、羽根車の変位挙動により 検出するようにしたものである。

[0018] 又、請求項 3に係る発明は、前記羽根車に加わる横力を、羽根車を所定位置に維 持するための制御値により検出するようにしたものである。

[0019] 又、請求項 4に係る発明は、前記羽根車に加わる横力を、該横カ発生の元となるポ ンプケ一シング内部圧力により検出するようにしたものである。

[0020] 又、請求項 5に係る発明は、前記のようにして推定されたポンプ流量に基いてボン プ揚程を推定するようにしたものである。

[0021] 又、請求項 6に係る発明は、羽根車が回転する遠心ポンプの流量測定装置におい て、前記羽根車の回転時に該羽根車に加わる横カを検知する手段と、該横力に基 づいて、ポンプの流量を推定する手段と、を備えたことを特徴とする遠心ポンプの流 量測定装置を提供するものである。

[0022] 又、請求項 7に係る発明は、前記横カを検知する手段を、前記羽根車の変位を検 出する変位センサとしたものである。

[0023] 又、請求項 8に係る発明は、前記横カを検知する手段を、前記羽根車を所定位置 に維持するための制御値を検出する手段としたものである。

[0024] 又、請求項 9に係る発明は、前記横カを検知する手段を、該横カ発生の元となるポ ンプケ一シング内部圧力を検出する圧力センサとしたものである。

[0025] 又、請求項 10に係る発明は、前記のようにして推定されたポンプ流量に基いてボン プ揚程を推定することを特徴とする遠心ポンプの揚程測定装置を提供するものであ る。

[0026] 又、請求項 11に係る発明は、羽根車が回転する遠心ポンプを用いて循環補助され る、拍動する循環系の循環状態評価装置であって、前記羽根車の回転時に該羽根 車に加わる横カを検知する手段と、該横力に基づいて、拍動する循環系の循環状態 を評価する手段と、を備えることにより、前記第 2の課題を解決したものである。

[0027] 即ち、補助循環下で非接触に支持された羽根車は、左心室の拍動流成分、ポンプ 内部の流体力により 0〜20 mの間で微小振動する。この現象を、発明者等は、図 4 に示すような模擬循環回路で評価し、その挙動モデル (ポンプ理論及び磁気軸受理 論)、心機能との関連性を明らかにした。

[0028] 図 4において、 20は、例えば空気圧ポンプドライバ 22により駆動される模擬心臓、 3 0は、例えば発明者の一部が特許文献 1や非特許文献 1で提案した磁気浮上遠心血 液ポンプ、 50は大動脈側コンプライアンスタンク、 54は体内の末梢抵抗に相当する 抵抗、 56は心房側リザーバ、 24は左心室圧力計、 46はポンプ流量計、 48は大動脈 流量計、 52は大動脈圧力計、 58は心房圧力計である。

[0029] 前記遠心血液ポンプ 30は、図 5に詳細に示す如ぐ X方向及び Y方向の電磁石 32 X、 32Yにより磁気浮上されるロータ 34と、該ロータ 34の変位を 2方向で検出するた めの、例えば渦電流センサでなる変位センサ 36A、 36Bと、該変位センサ 36A、 36 B出力のアナログ信号をデジタル信号に変換する AZD変換器 38と、該 AZD変換 器 38の出力を処理して、ロータ 34の位置をフィードバック制御するための信号を出 力するデジタル信号プロセッサ 40と、該デジタル信号プロセッサ 40の出力を電磁石 32X、 32Yに与えるためのアナログ信号に変換する DZA変翻 42と、該 DZA変 42の出力を増幅して電磁石 32X、 32Yに入力するアンプ 44とを備えた磁気軸 受 31を備えており、前記ロータ 34上に羽根車（図示省略）がモールドされると共に、 該ロータ 34内に羽根車を非接触で回転駆動するための駆動用磁石（図示省略)が 埋め込まれて!/ヽる (非特許文献 1参照)。

[0030] 前記のような模擬循環回路において、模擬心臓 20を停止した定常流の状態では、 前記羽根車の挙動（ポンプケーシングとのギャップ）が図 6 (A)に示す如くであつたの 力 模擬心臓 20を駆動して拍動を加えると、図 6 (B)に示す如くとなり、図 7に示す如 ぐその周期 Pから拍動数が検出でき、その振幅 Aから脈圧や左心室圧、ポンプ流量 を検出できることが分力つた。図 8に、左心室最大圧とインペラの振幅 Aの関係の例 を示す。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

[0031] なお、拍動成分の検出については、 XY方向に対して 2つ以上あることが望ましい。

これは、拍動流下でのロータの回転が複雑で、図 9に示す如ぐロータの回転数の周 波数でロータが公転し、その回転中心が、拍動流成分により、拍動流成分の周波数 で横力の方向に往復運動するからである。

[0032] 本発明によれば、流量計等を用いることなぐ遠心ポンプの拍出量を計測すること ができる。

[0033] 更に、本発明により、拍動する循環系の循環状態を評価するようにした場合は、補 助循環中の補助流量だけでなぐ自己心の心機能評価が可能となり、モータ電流波 形信号を用いた評価法に比べ、連続的で安定性が高ぐ感度が良い評価出力が可 能となる。又、例えば心室圧の変動が直接羽根車の挙動に作用するため、非常に信 頼性の高い出力が得られる。

[0034] 従って、補助循環中の心不全治療において、カテーテル、画像診断機器、内科的 薬物を用いた心臓負荷試験等を必要とせず、簡便且つ常時連続的に心機能及び補 助循環状態を評価できる。よって、心不全患者のリハビリテーションや心機能の回復 に有用である。又、この装置の出力結果から、羽根車回転数を変動させることで、ポ ンプ拍出流量を目標流量に合わせることも可能となる。又、補助循環中の吸付きや 逆流、キンク等の異常現象も即座に検出可能となる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]本発明の対象である遠心ポンプの一例の構成を示す (A)平面図及び (B)断面 図 [図 2]本発明によるポンプ流量測定の原理を示す同心円ボリユートのインペラ横カ特 性の例を示す線図

[図 3]同じく遠心ポンプの圧力一流量特性の例を示す線図

[図 4]本発明による循環状態評価に用いた模擬循環回路の例を示す回路図

[図 5]同じくその遠心血液ポンプに用いた磁気軸受を示す (A)斜視図及び (B)回路 図

[図 6]本発明による循環状態評価の原理を示す、磁気浮上羽根車の拍動の有無によ る挙動の変化を比較して示す図

[図 7]同じく拍動がある時の羽根車の挙動と心拍数、補助流量、ポンプ揚程の推定方 法を示す線図

[図 8]同じく左心室最大圧とインペラ振幅の関係の例を示す線図

[図 9]同じくロータの挙動の詳細を示す線図

[図 10]本発明により遠心ポンプの流量を測定するための第 1実施形態を示す断面図

[図 11]同じく第 2実施形態を示す断面図

[図 12]同じく第 3実施形態を示す断面図

[図 13]本発明による測定結果の一例を示す図

発明を実施するための最良の形態

[0036] 以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

[0037] 本発明の第 1実施形態は、本発明を、軸シール型の接触軸受を有するシャフト直 結型の遠心ポンプの流量測定に適用したもので、図 10に示す如ぐポンプケーシン グ 12の軸シール 12sを揷通するシャフト 62により回転される羽根車 14を備えた遠心 ポンプ 60において、前記シャフト 62にロードセル 64を設けて、羽根車 14に作用する 横力を検出するようにしたものである。

[0038] 本発明の第 2実施形態は、本発明を、上下にピボット型の接触軸受を有する、シー ルレスの磁気カップリング型の遠心ポンプの流量測定に適用したもので、図 11に示 す如ぐポンプケーシング 12内の上下に配設されたピボット受 12pと、上下に伸びる ピボット軸 72により支持される羽根車 14を備えた遠心ポンプ 70において、前記上下 のピボット受 12pにそれぞれロードセル 74を設けて、その出力の和により、羽根車 14 に作用する横力を検出するようにしたものである。これは、片当たりがあるので、その 影響を避けるためである。

[0039] 図において、 16は、羽根車 14に埋め込まれた従動側永久磁石、 76はシャフト、 78 は、該シャフト 76に埋め込まれた駆動側永久磁石である。

[0040] 本発明の第 3実施形態は、本発明を、下側のみにピボット型の接触軸受を有するシ ールレスの磁気カップリング型の遠心ポンプの流量測定に適用したもので、図 12に 示す如ぐポンプケーシング 12内の下側のみに配設されたピボット受 12pと、下に伸 びるピボット軸 72により支持される羽根車 14を備えた遠心ポンプ 80において、前記 ピボット受 12pにロードセル 74を設けて、羽根車 14に作用する横力を検出するように したものである。これは、片当たりの心配が無いので、ロードセル 1つで良い。

[0041] 図において、 14pは、羽根車 14のピボット受である。

[0042] なお、ピボット軸受でなぐジャーナルゃスラストのすべり軸受であっても良い。

[0043] 前記第 1〜第 3実施形態によれば、接触軸受であるので、横力を直接検出できる。

[0044] 本発明の第 4実施形態は、図 5に示した磁気軸受 31を備えた遠心ポンプに本発明 を適用したもので、前記変位センサ 36A、 36Bの出力により、羽根車の変位を検出 するようにしたものである。

[0045] 即ち、本実施形態では、消費電力を低減するべぐ定常制御電流値が最小となる 所を目標値として制御するので、目標値は変動するが、インペラ挙動により、横力を 測定できる。

[0046] なお、浮上させる位置を所定位置に予め固定し、そこを目標値としてフィードバック 制御する場合には、そのフィードバック制御値力も横力を検出しても良い。

[0047] 本発明の第 5実施形態は、図 1に示した如ぐポンプケーシング 12の例えば出口近 傍の圧力変動が大である所に圧力センサ 90を設けて、ポンプケーシング 12の内部 圧力を検出するようにしたものである。

[0048] 図 13に、 (A)心疾患のある心臓、及び、（B)回復後の心臓に対する X軸及び Y軸 方向の信号の例を比較して示す。心機能の回復状態が一目瞭然である。

産業上の利用可能性

[0049] なお、前記実施形態においては、本発明が、機械的循環補助系に適用されていた が、本発明の適用対象はこれに限定されず、人体を対象としない循環系の循環状態 評価や、遠心ポンプ単体の流量測定にも同様に適用可能である。

又、非接触軸受の種類も、磁気浮上による磁気軸受に限定されず、動圧浮上等に よる流体軸受であってもよ 、。

Claims

請求の範囲

[I] 羽根車が回転する遠心ポンプにおいて、

前記羽根車の回転時に該羽根車に加わる横力に基づいて、ポンプの流量を推定 することを特徴とする遠心ポンプの流量測定方法。

[2] 前記羽根車に加わる横力を、羽根車の変位挙動により検出することを特徴とする請 求項 1に記載の遠心ポンプの流量測定方法。

[3] 前記羽根車に加わる横力を、羽根車を所定位置に維持するための制御値により検 出することを特徴とする請求項 1に記載の遠心ポンプの流量測定方法。

[4] 前記羽根車に加わる横力を、該横カ発生の元となるポンプケーシング内部圧力に より検出することを特徴とする請求項 1に記載の遠心ポンプの流量測定方法。

[5] 請求項 1乃至 4の 、ずれかで推定されたポンプ流量に基 ヽてポンプ揚程を推定す ることを特徴とする遠心ポンプの揚程測定方法。

[6] 羽根車が回転する遠心ポンプの流量測定装置において、

前記羽根車の回転時に該羽根車に加わる横カを検知する手段と、

該横力に基づいて、ポンプの流量を推定する手段と、

を備えたことを特徴とする遠心ポンプの流量測定装置。

[7] 前記横カを検知する手段が、前記羽根車の変位を検出する変位センサであること を特徴とする請求項 6に記載の遠心ポンプの流量測定装置。

[8] 前記横カを検知する手段が、前記羽根車を所定位置に維持するための制御値を 検出する手段であることを特徴とする請求項 6に記載の遠心ポンプの流量測定装置

[9] 前記横カを検知する手段が、該横カ発生の元となるポンプケーシング内部圧力を 検出する圧力センサであることを特徴とする請求項 6に記載の遠心ポンプの流量測 装置。

[10] 請求項 6至 9の!、ずれかで推定されたポンプ流量に基!、てポンプ揚程を推定する ことを特徴とする遠心ポンプの揚程測定装置。

[II] 羽根車が回転する遠心ポンプを用いて循環補助される、拍動する循環系の循環状 態評価装置であって、 前記羽根車の回転時に該羽根車に加わる横カを検知する手段と、 該横カに基づ!、て、拍動する循環系の循環状態を評価する手段と、 を備えたことを特徴とする、拍動する循環系の循環状態評価装置。