JP4769937B2 - 遠心ポンプの流量及び揚程測定装置、及び、拍動する循環系の循環状態評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、遠心ポンプの流量及び揚程測定装置、及び、拍動する循環系の循環状態評価装置に係り、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装置、及び、拍動する循環系の循環状態評価装置に関する。

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から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、再生医療との複合化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、特許文献１や非特許文献１で提案している。

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いる。

特開２００５−１１８２３７号公報 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

しかしながら、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が、補助循環中の心機能評価をするまでには至っていない。

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。

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。

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。

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

請求項１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力を検知する手段と、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、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。

即ち、図１に例示するような遠心ポンプ１０が、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１２ｉから流入する流体を流出口１２ｏ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ュ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ュートでは、中心から出口方向に力が働く。

図２（Ａ）の中段に、同心円ボリュートのポンプ流量、回転数とインペラ横力の関係、図２（Ｂ）の中段に、シングルボリュ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、同心円ボリュート、シングルボリュートのいずれも、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。

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ュートが好適である。

なお、シングルボリュートは、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、推定される流量がＬ１、Ｌ２の２つ出るが、図２（Ｂ）の下段に示す如く、極値Ｌ０の右か左かを判断すれば、どちらの値か、推定できる。

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からポンプ揚程も算出可能である。

従って、磁気軸受や流体軸受のような、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。

なお、ダブルボリュートは、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。

又、請求項２に係る発明は、前記横力を検知する手段を、前記羽根車の変位を検出する変位センサとして、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。

又、請求項３に係る発明は、前記横力を検知する手段を、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て、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。

又、請求項４に係る発明は、前記横力を検知する手段を、該横力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として、前記羽根車に加わる横力を、該横力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ようにしたものである。

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を提供するものである。

又、請求項６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力を検知する手段と、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。

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０〜２０μｍ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。

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、３０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。

前記遠心血液ポンプ３０は、図５に詳細に示す如く、Ｘ方向及びＹ方向の電磁石３２Ｘ、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、３６Ｂ出力のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３８と、該Ａ／Ｄ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Ｄ／Ａ変換器４２と、該Ｄ／Ａ変換器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）が埋め込まれている（非特許文献１参照）。

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）に示す如くであったのが、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に示す如く、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かった。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。

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に示す如く、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。

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

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く、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く、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。

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。

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。

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に示す如く、ポンプケーシング１２の軸シール１２ｓを挿通するシャフト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。

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に示す如く、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。

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。

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に示す如く、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。

図において、１４ｐは、羽根車１４のピボット受である。

なお、ピボット軸受でなく、ジャーナルやスラストのすべり軸受であっても良い。

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。

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。

即ち、本実施形態では、消費電力を低減するべく、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。

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から横力を検出しても良い。

本発明の第５実施形態は、図１に示した如く、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。

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。

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い。

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 本発明によるポンプ流量測定の原理を示す同心円ボリュートのインペラ横力特性の例を示す線図 同じく遠心ポンプの圧力−流量特性の例を示す線図 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 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 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 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 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 同じくロータの挙動の詳細を示す線図 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 同じく第２実施形態を示す断面図 同じく第３実施形態を示す断面図 本発明による測定結果の一例を示す図

符号の説明

１０、６０、７０、８０…遠心ポンプ
１２…ポンプケーシング
１２ｉ…流入口
１２ｏ…流出口
１２ｐ、１４ｐ…ピボット受
１４…羽根車（インペラ）
１６…従動側永久磁石
２０…模擬心臓
３０…磁気浮上遠心血液ポンプ
３１…磁気軸受
３２Ｘ、３２Ｙ…電磁石
３４…ロータ
３６Ａ、３６Ｂ…変位センサ
６２、７６…シャフト
６４、７４…ロードセル
７２…ピボット軸
７８…駆動側永久磁石
９０…圧力センサ

Claims (6)

1. 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力を検知する手段と、
   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。
2. 前記横力を検知する手段が、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１に記載の遠心ポンプの流量測定装置。
3. 前記横力を検知する手段が、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１に記載の遠心ポンプの流量測定装置。
4. 前記横力を検知する手段が、該横力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１に記載の遠心ポンプの流量測装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかで推定されたポンプ流量に基い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。
6. 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力を検知する手段と、
   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。