JP4655231B2 - ターボ式血液ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、血液を搬送するための血液ポンプ、特に、インぺラの回転によって血液に遠心力を与えて流動させる方式のターボ式血液ポンプに関する。

血液ポンプは、人工心肺装置等における体外血液循環を行うために不可欠である。血液ポンプの一つとして、ターボ式血液ポンプが知られている。ターボ式血液ポンプは、入口および出口ポートを有するポンプ室内でインペラ（羽根車）を回転させることにより、遠心力により、血液を送液するための差圧を発生させる。

ターボ式血液ポンプは、血液ポンプの小型化、軽量化、低コスト化が可能である。また、ローラポンプ型の血液ポンプのようにチューブの損傷などがなく、血液ポンプの耐久性に優れているので、長時間の連続運転に好適に使用することができる。したがって、ターボ式血液ポンプは、人工心肺装置や開心術後の心補助装置の体外循環回路用の血液ポンプとして、主流になりつつある。

例えば特許文献１に記載されているターボ式血液ポンプの例では、インペラは、円錐形の台座の円錐面上に複数個の羽根が放射状に設けられた構造を有する。この台座の底面は、ハウジングの底面のほぼ全体を覆う程度の面積を有するので、台座近傍における渦流の発生がなく、渦流による溶血の問題はない。

しかし、台座の下面とハウジングとの間に必然的に存在する間隙に、血液が滞留する淀み部が形成され、インペラの軸受け部に発生した熱が淀み部の血液に蓄積される。そして、インペラの回転による剪断力と合わせて、淀み部における溶血が生じるという問題を発生する。これを解決するために特許文献１では、台座に、上面から下面まで貫通する血液流通孔が設けられている。それにより、淀み部の血液は軸受け部の近傍を通過し血液流通孔を通つて台座の上面に達し、羽根車の外径方向に向かってスムーズに流れ、滞留防止効果を得ることができる。

一方、特許文献１のターボ式血液ポンプでは、インペラを駆動力をハウジング壁を介して磁気結合により外部から付与する構造が用いられている。すなわちインペラの円錐形台座の下部に磁石が装着され、ハウジングの外部下方に駆動用の磁石が配置されてインペラの磁石と対向している。駆動用の磁石はモータにより回転駆動され、磁気結合によりインペラの磁石を介してインペラが回転駆動される。

ところが、インペラを回動自在に支持するための構造、すなわち軸受け構造は、インペラの下端部に配置されているだけである。また、円錐形台座の底面は、ハウジングの底面のほぼ全体を覆うような大きさを有するため、インペラを回転させるために外部から与える駆動力は大きなものとなる。その結果、駆動力を与えるための磁気結合による引力が作用すると、下端部のみの支持構造のためにインペラの支持状態が不安定になり易い。

この問題を解消するために、特許文献２に記載されたターボ式血液ポンプでは、図６に示すような構造を有する。同図において、１はハウジングであり、血液を通過させ流動させるためのポンプ室２を形成し、ポンプ室２の上部に連通する入口ポート３と、ポンプ室２の側部に連通する出口ポート４が設けられている。ポンプ室２内にはインペラ５が配置されている。インペラ５は、６枚のベーン６、回転軸７、及びリング状の環状連結部８を有する。インペラ５の上面図を図７に示す。

図７に示すように、６枚のベーン６は、大きいベーン６ａと小さいベーン６ｂの２種類の形状のものを含み、それらが交互に配置されている。大きいベーン６ａは、中心側端部がアーム１８により回転軸７に結合され、周縁側端部が環状連結部８に結合されている。小さいベーン６ｂは、中心側端部が回転軸７には結合されず自由端となっており、周縁側端部のみが環状連結部８に結合されている。ベーン６の全てを回転軸７に結合すると、アーム１８の数が多くなって流路の妨げになるため、好ましくないからである。アーム１８はインペラの回転を（回転）軸に伝える上で、最小限の数を有していれば良い。図から判るように、インペラ５は、環状連結部８の内側の領域に空間１９を有し、ベーン６の間を上下に貫通する流路が形成される。

図６に示すように、回転軸７は、ハウジング１に設けた上部軸受け９及び下部軸受け１０により、回転自在に支持されている。環状連結部８には、磁石ケース１１が設けられ、磁石ケース１１には従動磁石１２が埋設され、固定されている。従動磁石１２は、円柱状であり、環状連結部８の周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。環状連結部８及び磁石ケース１１は円筒形内周面を形成している。

ハウジング１の下部には、ロータ１３が配置されている。ロータ１３は、互いに結合された駆動軸１４と、略円柱状の磁気結合部１５を有する。駆動軸１４は、図示しないが、回転自在に支持されるとともに、モータ等の回転駆動源に連結されて回転駆動される。また、ロータ１３とハウジング１とは、図示しないが、相互の位置関係が一定に保持されている。磁気結合部１５の上面部には駆動磁石１６が埋設され、固定されている。駆動磁石１６は円柱状であり、周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。

駆動磁石１６は、ハウジング１の壁を挟んで従動磁石１２と対向する位置関係となるように配置されている。従って、ロータ１３とインペラ５との間は、磁気的に連結された状態が形成され、ロータ１３を回転させることにより、インペラ５が磁気結合を介して回転駆動される。

ハウジング１の底部の中央部には、上方、すなわちポンプ室２内部に突出した円筒形外周面を有する台座２０が形成されている。台座２０は、インペラ５の下部の、従動磁石１２および環状連結部８の内側の領域の空間１９を埋めるように形成され、空間の体積を最少限に抑制している。それにより、ポンプ室２内の血液充填量が抑制される。

上部軸受け９は、入口ポート３の下方であって、ポンプ室２に入り込んだ位置に配置されている。入口ポート３の下端部内面に３本の軸受け支柱１７が設けられ、斜め下方に延びてポンプ室２内に入り込み、入口ポート３の流路断面の中心部においてその先端に上部軸受け９が支持されている。下部軸受け１０は、台座２０の上面部中央に設けられている。

以上のような構造のターボ式血液ポンプは、インペラ５が上部軸受け９と下部軸受け１０により、上下で支持されている。そのため、インペラ５の支持状態は安定し、安定した血液供給状態を得ることができる。しかも、環状連結部８は、特許文献１における円錐形台座のようにハウジング１の底面全体を覆う大きさではなく、インペラ５は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域に空間を有する。したがって、インペラ５は軽量であり、駆動力が小さくて済む。

また、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域に、ベーン６の間を上下に貫通する流路が形成されるので、特許文献１における血液流通孔の作用と同様に、インペラ５の下部に形成される淀み部の血液は、下部軸受け１０の近傍を通過してインペラ５の上部に達し、羽根車の外径方向に向かって流れる。
特開平４−２２４７６０号公報 特開２００２−８５５５４号公報

しかしながら、特許文献２に開示された従来例の血液ポンプの構造の場合、回転軸７の周辺、例えば台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍に、血栓の形成が多く見られることが判明した。

実験の結果、インペラ５とハウジング１底面の間の間隙における血液は、インペラ５の中心に向かって流動するものの、環状連結部８の内側の間隙部２１においては血液流の流速が小さくなり、特に、台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍では十分な速度の血液流が形成されないことが判った。そのため血液が滞留し、下部軸受け１０の発生する熱が溶血の主要な原因となっている。また、前記滞留により、下部軸受け近傍では、血栓を形成し易い状態になっている。

本発明は、インペラの回転軸が上下の軸受けで支持され、ベーンの外周縁部の下部が環状連結部により連結された構造を有し、下部軸受けの近傍における血栓の形成が抑制されたターボ式血液ポンプを提供することを目的とする。

本発明のターボ式血液ポンプは、ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを有するハウジングと、前記ポンプ室内に回転自在に支持されたインペラと、前記インペラを回転駆動するための駆動力伝達要素とを備え、前記インペラは、上部軸受けと下部軸受けにより上下端で回転自在に支持された回転軸と、複数のベーンと、少なくとも一部の前記ベーンの内周側を前記回転軸に結合するアームと、前記各ベーンの外周側に連結された環状連結部と、前記環状連結部の下部に配置された従動磁石部とを有し、前記駆動力伝達要素は、前記ハウジングの外側下部に配置され回動可能なロータに設けられた駆動磁石部と前記インペラの前記従動磁石部とが、前記ハウジングの底部壁を挟んで対向し、磁気結合を介して前記ロータの回転が前記インペラに伝達されることにより構成される。

上記課題を解決するために、前記インペラは、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の前記ベーンの下方に配置された封鎖部材を備え、前記封鎖部材は、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の空間を、少なくとも前記回転軸の周囲に開口を残して封鎖している。

上記構成によれば、インペラとハウジング底面の間の間隙における血液は、封鎖部材の下面に沿ってインペラの中心に向かって流動した後、封鎖部材の開口を通って上昇する。そのとき、下部軸受けに隣接し回転軸に沿って、十分な速度の血液流が形成され、血液の滞留を発生させることがない。従って、従来例の構造では、血液が滞留して下部軸受けの発生する熱により血栓が形成され易かった領域も、常に洗い流される状態になるため、血栓の形成が抑制される。また、当該部位では、上述した血液の流れにより、下部軸受けが発生する熱による血液の温度上昇も抑制できる。

本発明のターボ式血液ポンプにおいて、前記環状連結部及び前記従動磁石部の形成する円筒形内周面に包囲された前記インペラの下部の領域の空間に対応させて、前記ハウジングの底部中央部に上方に突出した円筒形外周面を有する台座が形成され、前記台座に前記下部軸受けが設けられた構成とすることが好ましい。

前記封鎖部材の開口部は、前記回転軸と同心の円形であり、前記封鎖部材の開口部の直径をｄ、前記台座の円筒面の直径をＤとしたとき、前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲に設定されていることが好ましい。より好ましくは、前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．２２５Ｄの範囲に設定される。

前記封鎖部材の前記開口部は、前記回転軸と同心の円形の領域から放射状に延びた複数の放射状領域を含む構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態におけるターボ式血液ポンプについて、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１におけるターボ式血液ポンプの基本的な構造は、図６および図７に示した従来例のものと同様である。従って、図６および図７に示した要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

図１は、本実施の形態におけるターボ式血液ポンプを示す断面図である。ハウジング１はポンプ室２を形成し、ポンプ室２の上部に入口ポート３が、ポンプ室２の側部に出口ポート４が設けられている。インペラ２２は、ベーン６がアーム１８を介して回転軸７に取り付けられ、ベーン６の周縁部側が環状連結部８に結合された構造を有する。

図２にインペラ２２の上面図、図３に同断面図を示す。図２に示すように、６枚のベーン６は、大きいベーン６ａと小さいベーン６ｂからなり、交互に配置されている。大きいベーン６ａは、中心側端部がアーム１８により回転軸７に結合され、小さいベーン６ｂは、中心側端部が回転軸７には結合されず自由端となっており、周縁側端部のみが環状連結部８に結合されている。

図１に示すように、回転軸７は、ハウジング１に設けた上部軸受け９及び下部軸受け１０により、回転自在に支持されている。環状連結部８には、磁石ケース１１が設けられ、磁石ケース１１には従動磁石１２が埋設、固定されている。ハウジング１の下部には、互いに結合された駆動軸１４と略円柱状の磁気結合部１５を有するロータ１３が配置されている。磁気結合部１５の上面部には駆動磁石１６が埋設、固定されている。駆動磁石１６は、ハウジング１の壁を挟んで従動磁石１２と対向する位置関係となるように配置され、ロータ１３とインペラ２２との間は、磁気的に連結された状態が形成される。

従動磁石１２が設置された環状連結部８の面は、回転軸７に対して直交せず、所定の角度を有する傾斜面である。同様に駆動磁石１６が設置された磁気結合部１５の上面も傾斜面である。このように、従動磁石１２と駆動磁石１６とが、インペラ２２の回転軸に対して傾斜した面において磁気結合を形成していることにより、インペラ２２とロータ１３の間に作用する磁気吸引力は、インペラ２２の回転軸に対して傾斜した方向に発生する。その結果、下部軸受け１０に対する下向きの負荷が軽減される。従って、下部軸受け１０の摩耗が緩和され、磁気結合の強さを十分な大きさにすることができる。

図３に示すように、インペラ２２は、環状連結部８の内側の領域に空間１９を有する。環状連結部８および磁石ケース１１の内周面は、円筒面を形成している。図１に示すように、ハウジング１の底部の中央部には、上方、すなわちポンプ室２内部に突出した円筒形外周面を有する台座２０が形成されている。台座２０は、インペラ２２の下部の、従動磁石１２および環状連結部８の内側の領域の空間１９を埋めるように形成され、空間の体積を最少限に抑制している。

上部軸受け９は、入口ポート３の下端部内面に設けられた３本の軸受け支柱１７の先端に支持されている。下部軸受け１０は、台座２０の上面部中央に設けられている。

図２、図３に明瞭に示されるように、インペラ１１は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域のベーン６の下方に配置された封鎖部材２３を有する。封鎖部材２３は、回転軸７と環状連結部８の間に亘る領域の空間からベーン６の間に貫通する流路を、回転軸７の周囲に一部の開口部２４を残して封鎖している。封鎖部材２３を設けることにより、回転軸７の周辺、例えば、台座２０の上面の下部軸受け１０の近傍における、血栓の形成を以下に説明するとおり抑制することができる。

すなわち、封鎖部材２３を設けることにより、インペラ２２とハウジング１底面の間の間隙における血液は、封鎖部材２３の下面に沿ってインペラ５の中心に向かって流動した後、封鎖部材２３の開口部２４を通って上昇する。そのとき、下部軸受け１０に隣接し回転軸７に沿って、十分な速度の血液流が形成され、血液の滞留を発生させることがない。従って、従来例の構造では血液が滞留して血栓が形成された領域も、常に洗い流される状態になるため、血栓の形成が抑制されるものと考えられる。

封鎖部材２３により得られる効果を確認するための実験の結果について、図４に示す。血栓形成の評価用の試験液として、油絵具６に対してオイルを４の重量比で混合した液体を用いた。図１に示すターボ式血液ポンプの構造における、封鎖部材２３の開口部２４の直径を変えながら、試験液をポンプ駆動により循環させて、台座２０の上面に形成された油膜の大きさを検査した。ポンプ流量は２．０Ｌ／ｍｉｎ、回転数は４０００ｍｉｎ^-1、循環時間は２分とした。

図４に示すグラフにおいて、横軸は、封鎖部材２３の開口部２４の直径ｄである。縦軸は、形成された油膜（残存油膜）の直径の、台座２０の直径に対する割合（％）を示す。但し、台座２０の直径は、台座２０の円筒面の直径Ｄ（＝２０ｍｍ）で表す。回転軸７の直径は２ｍｍ、環状連結部８の内周面の直径は２２ｍｍである。従って、開口部２４の直径ｄは、２ｍｍ〜２２ｍｍの間で変化させた。

開口部２４の直径ｄを２２ｍｍ（封鎖部材２３なし）から小さくするのに伴い、１３ｍｍ付近から残存油膜の割合が減少し始める。そして、直径ｄ＝６ｍｍになると、直径ｄを小さくすることによる残存油膜の減少の効果が緩やかになる。直径ｄ＝２．４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲で、残存油膜の減少の効果が最も大きかった。２．４ｍｍより小さくなると、逆に残存油膜の割合は増大した。これは血液の流路が小さくなりすぎるためである。

以上のとおり、開口部２４の直径ｄは、血栓の形成を抑制するためには２．４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲とすることが最適である。一方、他の条件を考慮して、開口部２４の直径ｄを上記の最適な範囲よりも大きめ、すなわち４．５ｍｍを超えて６ｍｍまでの大きさにしても、血栓の形成を抑制する効果は、実用上は十分に得られる。なお、開口部２４の直径ｄの適当な範囲は、ターボ式血液ポンプの寸法によって若干変わるが、通常用いられる範囲のターボ式血液ポンプであれば、以下のように規格化した範囲とすれば、所望の効果を得ることが可能である。

すなわち、台座２０の円筒面の直径Ｄに対して、開口部２４の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲、好ましくは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．２２５Ｄの範囲に設定すればよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるターボ式血液ポンプについて、図５に示すインペラ２５の上面図を参照して説明する。本実施の形態におけるターボ式血液ポンプの構造は、概ね実施の形態１におけるものと同様である。

本実施の形態においては、図５に示すように、インペラ２５の封鎖部材２６の形状のみが、実施の形態１とは相違する。すなわち、封鎖部材２６の開口部は、回転軸７と同心の円形の領域２７を有するとともに、更に、円形の領域２７から放射状に延びた複数の放射状領域２８を含む。

封鎖部材２６の開口部をこのような形状にしても、円形の領域２７による血栓の形成を抑制する効果を、実用上十分な程度に得ることが可能である。加えて、放射状領域２８を設けることにより、プライミングの効率を向上させることが可能である。但し、放射状領域２８の開口率を大きくしすぎると、血栓の形成を抑制する効果が減少する影響が出る。従って、各部分の形状・寸法に合わせ、両方の効果のバランスを考慮して放射状領域２８の開口率を決定することが望ましい。

本発明のターボ式血液ポンプによれば、インペラが上下の軸受けで支持され、ベーンの外周縁部の下部が環状連結部により連結された構造における、下部軸受けの近傍における血栓の形成が抑制され、人工心肺装置等における体外血液循環を行うための血液ポンプとして好適である。

本発明の実施の形態１におけるターボ式血液ポンプの断面図 図１のターボ式血液ポンプのインペラの上面図 同インペラの断面図 図１のターボ式血液ポンプにおける血栓形成を抑制する効果を試験した実験結果を示す図 本発明の実施の形態２におけるターボ式血液ポンプのインペラを示す上面図 従来例のターボ式血液ポンプの断面図 図６のターボ式血液ポンプのインペラの上面図

符号の説明

１ ハウジング
２ ポンプ室
３ 入口ポート
４ 出口ポート
５、２２、２５ インペラ
６ ベーン
６ａ 大きいベーン
６ｂ 小さいベーン
７ 回転軸
８ 環状連結部
９ 上部軸受け
１０ 下部軸受け
１１ 磁石ケース
１２ 従動磁石
１３ ロータ
１４ 駆動軸
１５ 磁気結合部
１６ 駆動磁石
１７ 軸受け支柱
１８ アーム
１９ 空間
２０ 台座
２１ 間隙部
２３、２６ 封鎖部材
２４ 開口部
２７ 円形の領域
２８ 放射状領域

Claims (5)

1. ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを有するハウジングと、
   前記ポンプ室内に回転自在に支持されたインペラと、
   前記インペラを回転駆動するための駆動力伝達要素とを備え、
   前記インペラは、上部軸受けと下部軸受けにより上下端で回転自在に支持された回転軸と、複数のベーンと、少なくとも一部の前記ベーンの内周側を前記回転軸に結合するアームと、前記各ベーンの外周側に連結された環状連結部と、前記環状連結部の下部に配置された従動磁石部とを有し、
   前記駆動力伝達要素は、前記ハウジングの外側下部に配置され回動可能なロータに設けられた駆動磁石部と前記インペラの前記従動磁石部とが、前記ハウジングの底部壁を挟んで対向し、磁気結合を介して前記ロータの回転が前記インペラに伝達されることにより構成されたターボ式血液ポンプにおいて、
   前記インペラは、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の前記ベーンの下方に配置された封鎖部材を備え、
   前記封鎖部材は、前記回転軸と前記環状連結部の間に亘る領域の空間を、少なくとも前記回転軸の周囲に開口部を残して封鎖していることを特徴とするターボ式血液ポンプ。
2. 前記環状連結部及び前記従動磁石部の形成する円筒形内周面に包囲された前記インペラの下部の領域の空間に対応させて、前記ハウジングの底部中央部に上方に突出した円筒形外周面を有する台座が形成され、前記台座に前記下部軸受けが設けられた請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
3. 前記封鎖部材の開口部は、前記回転軸と同心の円形であり、
   前記封鎖部材の開口部の直径をｄ、前記台座の円筒形外周面の直径をＤとしたとき、前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．３Ｄの範囲に設定されている請求項２に記載のターボ式血液ポンプ。
4. 前記開口部の直径ｄは、０．１２Ｄ≦ｄ≦０．２２５Ｄの範囲に設定されている請求項３に記載のターボ式血液ポンプ。
5. 前記封鎖部材の前記開口部は、前記回転軸と同心の円形の領域から放射状に延びた複数の放射状領域を含む請求項３に記載のターボ式血液ポンプ。

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