JP4018342B2 - 軸受不使用血液ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は一時的乃至長期間に及ぶ血液搬送用の、ロータリーポンプ原理により作動する軸受不使用血液ポンプに関する。
【０００２】
一時的な短期間血液搬送用体外血液ポンプが用いられており、これは回転駆動されるインペラーを含んで構成される。前記インペラーはポンプケーシング内で軸受上に支持されている。この種の血液ポンプの実例はEP 0 451 376 B1およびDE 43 21 260 C1中に記載されている。ポンプケーシングの外部に配置される回転ロータによる電磁カップリングを介して駆動される。インペラーを支持する軸受は血液ポンプとの接続に際して問題を引き起こす。それは軸受において血栓症を生ずる可能性があるからである。更に、軸受の研磨粒子が血液を汚染する危険が存在する。血液の浸透に対する軸受保護のために設計されたシールもまた、中期乃至長期使用（数日乃至数年）に関し不適切となっていた。インペラーの機械的支持部を備えた血液ポンプは上述の理由の故で長期使用に関して適切ではない。磁気軸受を有するポンプシステム（US 5 385 581 A, DE 196 13 388 A1）は電磁軸受手段においてインペラーを無接触的に支持するものであるが、可成りの制御努力と嵩張る形状を必要とするものである。それは複雑な支持構造の故であり、そこでは有効なインペラーの調心のために広い範囲で付加的なエネルギーを供給せねばならないからである。
【０００３】
本発明の目的は、ポンプケーシング内で回転するロータを有する血液ポンプであって、血液汚染および血栓症の危険を最小限としたものを提供することである。
【０００４】
この目的は請求項１記載の特徴を有する発明によって解決される。
【０００５】
本発明による血液ポンプは如何なる機械的軸受をも設けていない、軸受不使用の血液ポンプである。このインペラーはポンプケーシング中の限定されたクリアランス内で支障無く可動である。このインペラーは外部の磁気駆動手段によって回転されるので、自己調心である。ブレードの少なくとも前面側は支持面を含んで構成され、これらは回転の間中インペラーを流体力学的に上昇させる。インペラー内の永久磁石の静的吸引力ならびに駆動手段は、このインペラーを駆動手段に対面するポンプケーシング壁に対して押圧する傾向を有する。しかしながら、インペラー内の支持面はインペラーを回転の間中底面から、そのインペラーを血液のクッション上を滑って該壁から或る距離を保つようにして上昇させる。軸受不使用インペラーは、流体力学的に作用する駆動力と組み合わせた永久磁石によってポンプケーシング内で受動的に調心される。インペラーの横方向の調心もまた、駆動手段と協働する磁石によって行われる。この方法において、軸受およびシャフト不使用の血液ポンプであって、インペラーがポンプケーシング内に懸垂されるものを創出することが可能である。
【０００６】
本発明による軸受不使用血液ポンプは、如何なる軸受も滑動シールも設けないという事実によって、血液の血栓症および血液中への異物の浸透の危険が減少されるという利点を提供する。従って、本発明による血液ポンプは短期間適用の体外血液ポンプとして使用可能であるのみならず、また長期間稼働用の移植可能血液ポンプとしても使用出来る。この血液ポンプは、低い調心誘導損失の故で高能率で作動可能であり、この場合所要キャパシティーは、たとえバッテリー駆動のポータブル装置として構成されたとしてもポンプが長い耐用寿命を有するように、生理学的に関連する作動条件下で６Ｗの範囲内に収まっている。
【０００７】
インペラーはポンプケーシングの入口から底部壁に延在する真っ直ぐに連続した通路を含んで構成してもよい。従って、このインペラーは両側に羽根を備えている。
【０００８】
好ましくは、インペラーブレードは、それらが円板状または円錐状支持体の円周壁の相互に反対側に突出するように配置されている。このインペラーはポンプケーシングの底部壁と共に狭いギャップを形成する円板を形成することはない。これがまた、血栓症の危険を減少させる。ポンプケーシングの全領域において、血液流はデッドウォーター領域の危険を伴うことなく維持される。
【０００９】
上から見ると、ブレードは本質的に三角形構造を有しており、そしてブレード側の磁石を含んで構成される。ブレードの三角形状は、ブレード間で利用可能な液体通路領域を全半径にわたって一定に保持し得るように半径を増大させると共にブレード体積を増加させるものである。従って、ポンプケーシングの円錐形度(conicality)、すなわち、全ての円周に関して略同一の容量が得られるのを保証することを要する円錐形度を減少または排除するものである。
【００１０】
本発明による血液ポンプは遠心ポンプであり、ここでは出口がポンプケーシングの外縁に対し実質的に接線方向に配列されている。出口において最大圧力が生じるので、半径方向の力が生成され、これはインペラーを出口から離れて押圧する傾向がある。この偏心力を打ち消すために、本発明の好ましい側面によればポンプケーシングに外周リングディフューザ(ring diffuser)が設けられており、このリングディフューザは接線方向出口において終端している。前記リングディフューザは螺旋状ダクトであって、出口において生じる圧力をポンプケーシングの全周に分散させることによってインペラーに対する調心効果を有するものである。
【００１１】
以下に本発明の実施態様を図面を参照することによって詳細に説明する。
【００１２】
図１に示した血液ポンプは切頭円周壁１１を有するポンプケーシング１０、実質的にフラットな底部壁１２および外周円筒形壁１３であって、前記底部壁１２と前記円周壁１１との間に延在するものを含んで構成される。血液は軸方向入口１４を経由してポンプケーシングに供給され、そしてケーシング外周上の接線方向出口１５を経由してポンプケーシングを去るものである。
【００１３】
ポンプケーシング１０内でインペラー１６は回転可能に配列される。前記インペラーは切頭支持体１７を含んで構成され、その傾斜は円周壁１１の傾斜の大きさの略半分である。支持体１７はあらゆる場所において略同一の厚さを有する表面部材から調製される。支持体１７上には頂部および底部に突出するブレード１８、１９が配列され、頂部から見ると上部ブレード１８および下部ブレード１９は合同である。すなわち、それらは同一の突出表面を有している。
【００１４】
前記ブレード１８、１９は頂部から見ると三角形状を有しており、支持体１７の外周円と合致する凸状外周面２０、回転方向に先導する凸状前面２１および凹状内面２２を含んで構成される。前記凸状前面２１はその内縁２３において凹状内面２２と合致する。３組のブレード対の内縁２３円周上に存在する円は、入口１４の軸方向延長部内に配列される円形通路２４の境界を形成する。これはインペラー１６が、真っ直ぐな軸方向通路２４は底部壁１２に向かって下方に延びるように、その中央において開放されていることを意味し、前記通路２４内に延びる中央隆起部２５が底部壁１２中に設けられる。通路２４の横断面積は少なくとも入口１４の面積程度に大きい。
【００１５】
インペラーが回転すると、各内縁２３は同一の前面２１の外縁２６に先行する。これは、前面２１が媒質に渦巻き運動を設定することによって前記媒質を半径方向外側に押圧することを意味する。後縁２７は外縁２６と同一の通路に沿って移動する。
【００１６】
上部ブレード１８の上方側２８は、ポンプケーシングの円周面１１と同一のテーパー角度を有する切頭面内を移動する。ブレードの上方側２８とポンプケーシングの円錐外周面１１との間にはギャップが形成され、これがインペラーの軸方向運動に必要とされる遊びをもたらす。
【００１７】
下部ブレード１９の下方側は支持面３０を形成し、これはインペラーが矢印３１で示される方向に回転されると、ポンプケーシングの底部壁１２からインペラーを上昇させる。前記支持面は、ブレードの下方側で前面２１の下縁が底部壁１２に対して後端、すなわち端縁２７よりも大きな距離をへだてて位置するという状態で形成される。このやり方で、ギャップが支持面３０と底部壁１２との間に形成され、このギャップは、そのギャップ内の液体がインペラーを上昇させるように、後端に向かって減少する。更に、底部壁上方のギャップの垂直方向高さは内縁２３から外側に向かって増加し、それによってインペラーは半径方向にも調心される。円周方向における支持面３０の傾斜角αは約２乃至４°である。
【００１８】
頂上から見ると三角形状を有するブレード１８、１９はそれぞれ北極Ｎおよび南極Ｓを有する磁石３２を備えている。前記磁石は２枚のブレード１８、１９を通して延在する。
【００１９】
血液ポンプは、上方にポンプケーシング１０が配置される外部磁気駆動手段３３によって駆動される。前記駆動手段は軸受３５において支持されるロータ３４を含み、これはその外周上に複数の磁石３６を備えている。前記各磁石３６はポンプケーシング１０内に配置された磁石３２を吸引する。ロータ３４は固定された電磁石３７により回転される。各電磁石３７はＵ字型ヨークを含んで構成され、ロータ３４の外周に配列された磁石３８はそれを通る。電磁石３７の極は、それらが、ロータ３４に沿って保持される回転磁界を生成するように周期的に変更される。磁気的に結合された磁石３２および３６を介して、ロータ３４はインペラー１６を回転する。磁石３２以外のインペラー１６のあらゆるパーツはプラスチック材料または他の非磁気材料から調製される。
【００２０】
駆動磁石３６におけるロータ磁石３２の磁石配列のタイプがインペラー１６の半径方向調心をもたらす。このようにして、２本のデカルト軸および３本の回転軸が規定される。磁石吸引力の方向における最後に残る自由度は、支持壁３０と底部壁１２との間に形成され円周方向に延びる収斂性ギャップによって決定される。従って、回転すると、インペラーは磁石吸引力に抗して底部壁１２から上昇する。インペラーの十分な円周方向速度が達成されると、支持力を有する血液フィルムが、収斂性ギャップ内に形成され、インペラーは混合摩擦を伴うことなくポンプケーシング内に懸垂される。
【００２１】
図５に示された実施態様において、ケーシング１０ａはフラットな底部壁１１と、実質的にこれに平行に延在するフラットな上部壁１１ａとを含む。ブレード１８、１９が頂部および底部に対して突出している支持体１７ａは、フラットな円板である。
【００２２】
図５によれば、外部駆動手段３３ａは電磁石４０であって、ポンプケーシング１０ａの円周上に分配され、周辺磁界を生成するものを含んで構成される。電磁石４０のヨークはインペラー１６ａの磁石３２に直接作用する。ここではまた、磁石はインペラーの回転駆動を行うのみならず、その半径方向の調心をも行うものである。インペラーの軸方向調心のために、ブレードには、それらの下方側に、傾斜させた支持面３０およびそれらの上方側に傾斜させた支持面４１を備えており、前記支持面は、ポンプケーシングの上部壁１１ａと共に収斂性の調心ギャップを形成するものである。
【００２３】
ブレード１８、１９は図７に示したブレード形状を有し、第一実施態様における形状とは羽根が回転方向から見て前方方向に湾曲している点で変形されている。全ての場合、ブレードは通路２４まで延びており、そして（円周方向における）ブレード幅は通路２４から外側に向かって、各ブレードが支持体１７および１７ａの端縁においてそれぞれその最大幅を有するように、増加している。
【００２４】
図６によれば、ポンプケーシング１０ａは通常、フラットな上部壁１１ａおよび円筒形外周壁１３を備えたフラットな円筒形状を有している。インペラー１６ａの回転の間中、出口１５において最大圧力が形成されるので、この圧力が、ポンプケーシングの出口に対向する側にインペラーを押圧することがあるかも知れない。この圧力の影響力を補償するために、リングディフューザ４４がポンプケーシングの円周の周りに延在しているが、前記リングディフューザ４４はポンプケーシングの円周を完全に包囲しており、かつ螺旋形の膨出物であって、その横断面積が入口端部から出口１５へ向かって連続的に拡大するものとして形成されている。
【００２５】
図８乃至１０に示された実施態様は広い範囲で図５乃至７に示したそれに対応している。ポンプケーシング１０ｂは実質的にフラットな上部側１１ａとフラットな底部壁１２とを備えるフラットな円筒として構成されている。下部ブレード１９の下側は流体力学的支持面３０であって、これは前記実施態様におけるように、前端縁に向かって増大している。更に、図８に示した支持面３０は外側に向かって増大している。
【００２６】
駆動手段３３ｂは、軸受３５に支持され、インペラー１６ｂの磁石３２と協働する磁石３６を備える円板ロータモータ４５を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 血液ポンプの第一実施態様を横切る概略縦断面図である。
【図２】 図１に示した血液ポンプのポンプケーシングを示す斜視図である。
【図３】 図１に示したポンプのインペラーを示す図である。
【図４】 図１に示したポンプのインペラーの他の斜視図である。
【図５】 血液ポンプの第二実施態様を示す図である。
【図６】 図５に示したポンプのポンプケーシングの斜視図である。
【図７】 図５に示したポンプのインペラーの斜視図である。
【図８】 血液ポンプの第三実施態様を示す図である。
【図９】 図８に示した血液ポンプのポンプケーシングを示す図である。
【図１０】 図８に示した血液ポンプのインペラーを示す図である。
【符号の説明】
１０ ポンプケーシング
１２ 底部面
１４ 軸方向入口
１５ 出口
１６ インペラー
１９ ブレード
３０ 支持面
３２，３６ 磁気カップリング
３３ 外部磁気駆動手段

Claims (8)

1. 軸方向入口（１４）および円周上に配置された出口（１５）を含むポンプケーシング（１０）を有し、かつポンプケーシング（１０）内に回転自在に配列されたインペラー（１６）を有し、前記インペラー（１６）は外部磁気駆動手段（３３）と協働するように構成した磁石（３２）を備えており、インペラー（１６）はポンプケーシング（１０）中の限定されたクリアランス内で自由に可動であり、駆動手段（３３）に面するインペラー（１６）の下部側のブレード（１９）はインペラー（１６）の回転に伴い流体力学的に上昇する力を生じるように形成された支持面（３０）を備える軸受不使用血液ポンプにおいて、前記インペラー（１６）は如何なる軸受をも伴わずに配置され、かつポンプケーシング（１０）の軸方向入口（１４）から延長する通路（２４）を備えることを特徴とする、軸受不使用血液ポンプ。
2. インペラー（１６）がシャフトを全く有さず、かつ入口（１４）から底部壁（１２）へ延在する真っ直ぐで連続した通路（２４）を備えることを特徴とする請求項１による血液ポンプ。
3. ブレード（１８、１９）は、それらが円板状または切頭状の支持体（１７）の対向表面から突出するように配列されることを特徴とする請求項１または２による血液ポンプ。
4. 頂部から見て、ブレード（１８、１９）は実質的に三角形状を有し、半径が増加するにつれてブレード幅が増加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかによる血液ポンプ。
5. ブレード（１８、１９）が磁石（３２）を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかによる血液ポンプ。
6. ブレード（１８、１９）が支持体（１７）の円形輪郭に沿って凸状となった外表面（２０）を有することを特徴とする請求項４による血液ポンプ。
7. ブレード（１８、１９）はインペラーの回転方向において後端である後端縁（２７）を有し、ブレード（１９）の支持面（３０）が、該後端縁（２７）に向って傾斜することを特徴とする請求項４による血液ポンプ。
8. 周縁リングディフューザ（４４）がポンプケーシング（１０ａ）上に設けられ、その周縁ディフューザ（４４）は接線方向出口（１５）において終端するとともに螺旋形の膨出物として形成され、その横断面積が入口端部から出口（１５）に向けて連続的に拡大することにより出口（１５）における最大圧力の形成を防止することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかによる血液ポンプ。

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