(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液ポンプのロータを、回転するように支持するように構成されたベアリングにおいて、
ロータの回転軸を取り囲む周辺構造体と、
血液ポンプによって送られるほぼすべての血液が通る、前記周辺構造体の内部の流路と、
前記周辺構造体から前記回転軸に向かって延びる2つ以上のロータ支持ブレードであって、それぞれ前記流路をほぼ通って延び、かつ、前記ブレードのそれぞれが細長い流線形であるブレードとを備え、
a)前記ブレードがそれぞれ、前記流路によって他のブレードから分離された別個の表面で終端し、前記流路が前記ロータのハブから前記ブレードの半径方向全長だけ延び、
b)前記ブレードがそれぞれ、各ブレードの端面に隣接した前記ロータの表面の長手方向の輪郭に一致する長手方向の輪郭を有し、それによって、各ブレードの先端における前記ブレードと前記ロータとの間の直接血液で潤滑される機械的支持を維持しながら、前記ロータが自由に回転できるようになっていることを特徴とするベアリング。
【請求項２】
前記ブレードおよび前記ブレードと接触している前記ロータの部分が、高耐摩耗性材料と超硬質材料の表面コーティングとで構成され、前記高耐摩耗性材料がセラミックまたはチタンの少なくとも1つを含み、前記超硬質材料の表面コーティングが窒化チタンまたはダイヤモンドライクカーボンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項３】
前記周辺支持体がリングであり、前記ブレードが前記リングと一体的に形成されることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項４】
前記ポンプロータの他端を支持するため、同じタイプの第2のベアリングをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項５】
前記長手方向の輪郭が、前記ロータの前記回転軸に対して10から25%の角度の直線であることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項６】
前記長手方向の輪郭が円弧を含むことを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項７】
前記長手方向の輪郭が前記ロータの前記回転軸に平行な線をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載のベアリング。
【請求項８】
ポンプインペラブレードをさらに備え、前記ロータ支持ブレードに接触する前記ロータの最大部分の直径が前記ポンプインペラブレードの先端直径の半分よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項９】
前記ブレードが、前記ポンプの整流機構(flow straighteners)として機能するようにさらに湾曲されることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項１０】
各ブレードの端部の表面が、前記ロータと前記ブレードの支持面との間の回転流の方向で断面積が減少していく先細状の流体チャネルを形成するように形作られることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項１１】
ポンプを流れるすべての血液が通る血液ポンプ流路の外壁から内向きに延びる2つ以上の流線形ブレードであって、回転するポンプロータの表面と接触し、それにより前記ロータを保持し、その軸を中心として回転するように支持することによって、前記ロータを支持するように構成されたブレードを備え、
前記血液ポンプ流路が、前記2つ以上の流線形ブレードによって少なくとも2つのまったく妨げられない流路に分割され、前記2つの流路がそれぞれ、
a．外側の固定壁と、
b．2つのブレードの側面から成る2つの固定側壁と、
c．前記ロータの回転するベアリング面から成る内側の回転壁とを有することを特徴とする血液浸漬型ベアリング。
【請求項１２】
前記ブレードおよび前記ブレードと接触している前記ロータの部分が、高耐摩耗性材料と超硬質材料の表面コーティングとで構成され、前記高耐摩耗性材料がセラミックまたはチタンの少なくとも1つを含み、前記超硬質材料の表面コーティングが窒化チタンまたはダイヤモンドライクカーボンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項11に記載のベアリング。
【請求項１３】
前記外壁がリングであり、前記ブレードが前記リングと一体的に形成されることを特徴とする請求項11に記載のベアリング。
【請求項１４】
ポンプインペラブレードをさらに備え、前記流線形ブレードに接触する前記ロータの最大部分の直径が前記ポンプインペラブレードの先端直径の半分よりも小さいことを特徴とする請求項11に記載のベアリング。
【請求項１５】
前記ブレードが、前記血液ポンプの整流機構として機能するように湾曲されることを特徴とする請求項11に記載のベアリング。
【請求項１６】
各ブレードの端部の表面が、前記ロータと前記ブレードの支持面との間の回転流の方向で断面積が減少していく先細状の流体チャネルを形成するように形作られることを特徴とする請求項11に記載のベアリング。
【請求項１７】
ロータを、回転するように支持するための回転式血液ポンプベアリングにおいて、
断面が円形であり、ロータの回転軸上で軸方向に整列された2つの先細状の耐摩耗性ベアリングシャフト部材と、
高速血流によって十分に洗い流されるように構成された、複数の分離した流線形の耐摩耗性ベアリング支持ブレードであって、このベアリング支持ブレードは前記血液ポンプの整流機構として機能するように細長くかつ湾曲させられ、前記ブレードの少なくとも2つの先端が各ベアリングシャフト部材に接触し、前記ロータを機械的に保持してその回転運動を制限するとともに、前記ブレード先端に対する各ベアリングシャフトの滑り接触によってそのラジアルベアリング荷重およびスラストベアリング荷重を支持するブレードとを備えることを特徴とするベアリング。
【請求項１８】
前記ブレードおよび前記ブレードと接触している前記ベアリングシャフト部材の部分が、高耐摩耗性材料と超硬質材料の表面コーティングとで構成され、前記高耐摩耗性材料がセラミックまたはチタンの少なくとも1つを含み、前記超硬質材料の表面コーティングが窒化チタンまたはダイヤモンドライクカーボンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項17に記載のベアリング。
【請求項１９】
前記ベアリング支持ブレードを血液ポンプに取り付けるための、前記ベアリング支持ブレードと一体の材料のリングをさらに備えることを特徴とする請求項17に記載のベアリング。
【請求項２０】
ポンプインペラブレードをさらに備え、前記ベアリング支持ブレードに接触する前記ベアリングシャフト部材の最大部分の直径が前記ポンプインペラブレードの先端直径の半分よりも小さいことを特徴とする請求項17に記載のベアリング。
【請求項２１】
各ブレードの端部の表面が、前記ロータと前記ブレードの支持面との間の回転流の方向で断面積が減少していく先細状の流体チャネルを形成するように形作られることを特徴とする請求項17に記載のベアリング。
【請求項２２】
ポンプロータと、
請求項1に記載の少なくとも1つのベアリングであって、前記ポンプロータを、回転するように支持するベアリングと、を備えることを特徴とする血液ポンプ。
【請求項２３】
血液ポンプのロータを、回転するように支持するように構成されたベアリングであって、
ロータの回転軸を取り囲む周辺構造体と、
前記周辺構造体から前記ロータの回転軸に向かって延びる少なくとも2つのロータ支持ブレードと、を備え、
前記少なくとも2つのロータ支持ブレードがそれぞれ、端面に隣接したロータ部分の輪郭に一致する端面輪郭を有する前記端面で終端し、
前記少なくとも2つのロータ支持ブレードがそれぞれ、前記ロータ支持ブレードの前記端面と前記ロータとの間に空間を残すように構成され、血液ポンプの動作中、前記空間が前記端面および前記ロータと直接接触している血液層によって塞がれるようになっていることを特徴とするベアリング。
【請求項２４】
電磁力を提供してポンプを始動させるように構成されたモータステータを含むポンプハウジングと、
前記電磁力によって軸を中心として回転するように構成されたポンプロータと、
血液を推進して前記ポンプに通すように構成された、前記ロータに固着されたポンプインペラと、
前記ロータを支持して前記軸を中心として回転させるように構成された、機械的接触血液浸漬型ベアリングと、を備え、
前記機械的接触ベアリングは、前記ロータの2つの端部にほぼ隣接して配置された二組の耐摩耗性の接触する固定ベアリング構成要素および回転ベアリング構成要素を含み、
前記ベアリング構成要素の各組が、円筒形の、または長手方向のテーパもしくは輪郭を有する回転シャフト部材と、前記シャフト部材を回転するように支持する2つ以上の固定部材とを含み、
前記機械的ベアリング構成要素が、前記回転ベアリング構成要素と固定ベアリング構成要素との間の接合部に形成された円周方向の割れ目が存在しないように構成されることを特徴とする耐血栓性の回転式血液ポンプ。
【請求項２５】
前記ポンプを通る血液のほぼすべてが前記ベアリング部材を洗い流して血栓の形成を防ぐようになっていることを特徴とする請求項24に記載の血液ポンプ。
【請求項２６】
各ベアリングの組が、前記ロータの回転軸に向かって延びるほぼ環状のポンプ流路の外径において支持され、前記ベアリングシャフト部材の運動を回転に制限するように形作られた2つ以上の固定のブレードを含むことを特徴とする請求項24に記載の血液ポンプ。
【請求項２７】
モータステータハウジングの孔の中に位置付けられた電磁作動のポンプロータを備え、前記ロータが、前記モータハウジングから前記孔の中へ内向きに延びる流線形の固定ブレードを備える血液浸漬型機械的接触ベアリングによって、回転するように支持され、前記ブレードの端部が、離散的に分離した接触位置で前記ロータ上に取り付けられる回転ベアリング構成要素を支持するように形作られ、それによって、前記ブレード間を血液が妨げられることなく自由に流れて、前記ベアリングのすべての表面を高速流で洗い流すことができるようになっていることを特徴とする耐血栓性の回転式血液ポンプ。
【請求項２８】
前記ブレード間に構造体を有さないことを特徴とする請求項27に記載の回転式血液ポンプ。
【請求項２９】
前記回転ベアリング構成要素が、前記ロータの各端部上に取り付けられる、軸方向に整列され反対方向で先細になった円錐形シャフトを含み、各円錐形シャフトが、前記固定ブレードの精密に一致する凹状先端部と機械的に滑り接触している表面部分を含むことを特徴とする請求項27に記載の回転式血液ポンプ。
【請求項３０】
モータステータハウジングを通る孔の中に位置付けられた電磁作動のポンプロータを備え、前記ロータが、前記モータハウジングから前記孔の中へ内向きに延びる流線形の固定ブレードを備える血液浸漬型機械的接触ベアリングによって、回転するように支持され、前記ブレードの端部が、前記ロータ上に取り付けられる回転ベアリング構成要素を支持し、その結果、前記ロータが、前記ブレードの先端部との離散的に分離した接触位置で前記ロータに取り付けられたベアリング構成要素の円周の周りで支持され、前記ブレード間を血液が妨げられることなく自由に流れることを可能にし、前記ブレードが前記ハウジングに接する前記ブレードの外側端部を除いて前記ブレード間に相互接続を有さないことを特徴とする耐血栓性の回転式血液ポンプ。
【請求項３１】
血液フローをすべてベアリング構造に直接流すことによって、そのベアリングを高速流で洗い流すように構成された、耐血栓性血液ポンプに使用される機械的接触ベアリング構造であって、
ポンプインペラを支持し、同軸の尖った円錐形の耐摩耗性表面を各端部に有する回転シャフトと、
前記シャフトの各端部において前記先細状のシャフト表面の周りに配置される、2つの固定の支持リングと、
前記支持リングそれぞれから内向きに突出する2つ以上の固定の流線形ブレードであって、ブレードの長さおよびブレードの先端の形状が前記円錐形の表面の位置および角度に精密に一致し、その結果、前記固定の支持リングが前記ポンプ構造によって外部で保持されているとき、前記ブレード先端と前記ロータとの間に最小限の間隙のみを残してブレードが前記シャフトを緊密に閉じ込め、前記シャフトを回転運動に制限する、ブレードとを備え、
前記ブレードが、固定のリングそれぞれと前記ロータとの間の空間をブレードの数に等しいいくつかの流路に分割し、前記ベアリング構造が前記血液ポンプとの組み合わせで流れをすべて前記流路に流すように構成され、
前記流路全体が前記ベアリング構造の構成要素によって境界を定められ、
各流路が、前記支持リングのうち1つの一部分を含む外壁と、前記ブレードのうち2つの側面から成る2つの半径方向に延びる側壁と、前記回転する円錐形のシャフト表面の一部分から成る中央壁とを有し、
前記流路がそれぞれ、完全に妨げられず、他のいずれの構造も有さないことを特徴とするベアリング構造。
【請求項３２】
前記流線形ブレードが前記ポンプ構造に直接固着され、前記支持リングには固着されず、前記流路それぞれの前記外壁が前記ポンプ構造の一部分を含むことを特徴とする請求項31に記載のベアリング構造。
【請求項３３】
前記ブレードの先端それぞれの一部分が、前記ブレードと前記円錐形のシャフトとの間に先細の間隙を形成するように構成され、前記間隙の半径方向の広がりが前記シャフトの回転方向で減少し、それによって、前記シャフトを支持する圧力を有する流体力学膜を作ることを特徴とする請求項31に記載のベアリング構造。
【請求項３４】
前記血液ポンプによって送られる血液がすべて前記流路を通ることを特徴とする請求項1に記載のベアリング。
【請求項３５】
回転式血液ポンプに使用される耐血栓性機械的血液浸漬型ベアリングであって、
前記ポンプを流れる血液がすべてその間を通る固定の外壁と回転する内壁とを有する概して環状の血液流路内に取り付けられる、固定のならびに回転する生体適合性耐摩耗性機械的ベアリング構成要素と、
前記血液ポンプのロータに固着される、耐摩耗性のロータシャフトベアリング部材と、
前記流路の前記外壁に固着される固定のベアリング構成要素を含む2つ以上の流線形ブレードであって、血栓形成を防ぐために間を適切に洗い流すことを可能にするのに十分な距離だけ互いに分離され、前記流路の半径方向の距離全体にわたって延び、流線形ブレードの内向きの先端がそれぞれ前記ロータシャフトベアリング部材と接触して、前記ロータに加えられる荷重を支持しながら前記シャフトベアリング部材の回転を可能にする、流線形ブレードとを備えることを特徴とするベアリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
過去十年にわたって、短期的および長期的な循環器系のサポートのための回転式流体力学血液ポンプの使用が拡大してきた。本出願時における単一の心臓補助装置を用いた患者による最長の生存期間は7年間であり、血液浸漬型(blood immersed)セラミックベアリングを備えたJarvik 2000軸流左室補助人工心臓を継続して利用している。Jarvik 2000心臓を使用する200を超える症例において、これまで摩耗または疲労破壊によって機械的ベアリングが機能しなくなったことはない。Jarvik 2000を大部分において模範としているHeartMate II VADなど、血液浸漬型セラミックベアリングを利用する補助人工心臓の他のモデルも、耐久性があることが分かっている。Jarvik 2000のベアリング設計のコンピュータ解析は、10〜20年以上の耐久性が得られる可能性が高いという予想を裏付けている。
【背景技術】
【０００２】
任意の回転式ポンプでは、旋回するインペラが流体力学エネルギーを流体に付与する。回転式ポンプはすべて、流体を収容するハウジングと、ハウジング内で旋回し、流体にエネルギーを付与するロータと、ロータを支持して回転できるようにするベアリングシステムとの3つの要素を含まなければならない。それに加えて、ポンプは、密閉されたシャフトによる、または磁力によるものであってもよいトルクをロータに伝達する手段を必要とする。
【０００３】
これらの要件を達成するために多種多様な要素を使用する回転式血液ポンプが開示されており、回転式血液ポンプの従来技術は現在では数百の特許を含む。一般に、1)流体膜潤滑または流体力学的流体支持を使用する機械的ベアリングと、2)流体浮上と、3)磁気浮上との3つのタイプのベアリング機構が用いられる。また、スラスト支持およびラジアル支持のため、これらの様々な組み合わせが用いられる。
【０００４】
本発明は、主に、ラジアルベアリング荷重を支持するために流体膜潤滑が用いられ、かつ完全または部分的な磁気スラスト荷重支持が付加的に提供されてもよい、機械的な血液浸漬型ベアリングを扱う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第4,994,078号明細書
【特許文献２】米国特許第6,093,001号明細書
【特許文献３】米国特許第5,947,892号明細書
【特許文献４】米国特許第5,613,935号明細書
【特許文献５】米国特許第5,692,882号明細書
【特許文献６】米国特許公開第2007/0004959号明細書
【特許文献７】米国特許公開第2007/0078293号明細書
【特許文献８】米国特許第5,211,546号明細書
【特許文献９】米国特許第6,761,532号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロータを支持する非常に信頼性が高く耐久性のある手段を提供することに加えて、血液ポンプのベアリングシステムは、血液適合性であって、血液障害または血栓形成をほとんど引き起こさないものでなければならない。機械的ベアリングの場合、これは一般に、本発明者の過去の米国特許(Jarvik、第4,994,078号)にて主張しているように、ベアリングの回転部品と固定部品との接合部を高流速で洗い流す(high flow washing)ことによって達成される。本発明は、078号特許を改善して、ベアリングのより良好な血流での洗い流しを実現する重要な新しい構造を提供するものである。
【０００７】
通常、機械的ベアリングを組み込んだ軸流血液ポンプは、その中央部においてより大きな直径を有し、各端部の小径へと先細になった、先細状のロータを使用する。これにより、小径のベアリングを使用することが可能になるが、そのことは、より大きな直径のベアリングに比べてベアリング面における摩擦が低減されるという理由で有利である。これにより、摩耗、ベアリングによる消費電力、および発熱が制限される。従来技術からの例としては、スモールボールインカップベアリング(small ball in cup bearings)(Burgreen、米国特許第6,093,001号)、オリーブおよび受石を備えたジュエルベアリング(Benkowski、米国特許第5,947,892号)、円錐形のスラストベアリング面を備えたスリーブベアリング(Jarvik、米国特許第5,613,935号)、平坦なスラストベアリング面を備えたスリーブベアリング(Bozeman、米国特許第5,692,882号)、およびスラスト荷重とラジアル荷重の両方を支えるように適合された、溝付きの円錐形の流体力学ベアリング(Carrier、米国特許公開第2007/0004959号)が挙げられる。
【０００８】
従来技術に開示されている機械的な血液浸漬型ベアリングに対する別の手法は、Shambaughによって米国特許公開第2007/0078293号に開示されているような、ポンプインペラブレードの先端上またはインペラブレードを取り囲むシュラウド上の潤滑支持(lubricated support)であり、該特許公開は、円筒状部分とスラスト荷重を支持する先細状部分とを有する幅広のブレード先端上で支持されるロータを開示している。米国特許第5,211,546号の図7Aにおいて、Isaacsonは、インペラブレードの先端上で支持されたシュラウド上で流体力学的に支持されるインペラを開示した。これらの構成は両方とも、ブレード先端またはシュラウドの回転速度は先端直径において最大なので、回転するインペラと固定のハウジングとの間の間隙における粘性摩擦が高いという不利な点を有する。
【０００９】
磁気浮上を十分に使用する血液ポンプは、磁気浮上したロータと固定のハウジングとの間の間隙の寸法が十分に大きく、間隙内でのせん断による血液障害または電力損失が無視できるものであるように設計することができる。完全な磁気浮上式の血液ポンプの不利な点は、機械的ベアリングを使用する小型ポンプに比べて比較的大型かつ複雑であることである。より大きなサイズおよび重量に加えて、それらは、ロータの安定性を維持するために動的な電磁気フィードバック制御を必要とし、このことによってエレクトロニクスの信頼性の問題が提起される。磁気支持が失われると、ロータは、ハウジングまたはステータブレードに「押し入り」、それによって損傷が起こる場合がある。Antakiの米国特許第6,761,532号は、磁気支持システムが故障した場合の損傷を低減または排除するため、磁気浮上式血液ポンプのブレード先端、ロータハブ、およびハウジング上に耐摩耗性コーティングを提供している。図1において、Antikiは、磁気ベアリングシステムが故障した場合に、ロータハブ38の先細状部分がステータブレード36の先端に接触することができる構造を示している。図示された構造は、本発明のいくつかの実施形態に類似しているように見えるが、ロータがハウジング内でのその通常の回転軸から傾斜し、かつ軸方向の制約がないので、ロータのための安定したベアリングシステムを提供していない。
【００１０】
本発明のベアリングシステムでは、流体力学血液ポンプのロータは、回転中心に近いそのハブに接触する支持ブレードの先端の噛み合い部分上で回転可能に支持され、回転するベアリング面が固定のベアリング面に対する適正な噛み合い位置から係脱するのを防ぐため、軸方向で制約される。好ましい実施形態では、ロータの各端部にある2つの向かい合ったベアリングが、軸方向および半径方向の運動を1インチの5千万分の1程度に制限するとともに、完全に制約のない回転自由度を提供する。
【００１１】
本発明の最も重要な態様は、血栓を防ぐための、ベアリングを流れる血液によってそれを洗い流すパターンを含む。他のすべての血液浸漬型機械的ベアリングの設計は、インペラブレードの先端上でロータを支持するもの(上述した不利な点を有する)を除いて、血流に対してベアリング材料の完全な円周方向のリングを提示する。これは局所的な血行停滞の領域である。一部の血栓は表面で生じる傾向がある。そのため、ベアリングの回転部品と固定部品との接合部に隣接したロータを取り囲む血栓の連続的な円周方向のリングが形成される。ポンプのこの領域を流れる十分に高い血流が提供される場合、血栓のリングは、薄い隆起(torus)の形態で制限されたままであり、ポンプの機能を十分に妨げる大きさにならないことがある。しかし、材料が感染した場合、または血流が低すぎるレベルまで低減された場合、または患者の血液が凝固性の場合、血栓の量は増加することがある。本発明は、上述したような血栓の隆起の成長を助ける可能性がある、ベアリング材料のあらゆる連続的なリングを排除するとともに、ベアリング面の円周方向の相対速度を実際的な最低値に制限する(ベアリングの直径がポンプインペラ先端の直径よりもはるかに小さいため)。このことは、他の血液浸漬型ベアリング設計を超える主要な改善を意味する。
【００１２】
インペラ先端の直径に比べて小さな直径を有するロータ表面の部分は、高耐摩耗性材料で作られ、その回転軸に垂直なあらゆる地点において断面が円形である。この表面は円筒形、円錐形、または他の形状であってもよい。ロータの円周の周りでほぼ均等に間隔を空けて配置され、ロータ上のベアリング表面と回転接触している噛み合い面を有する、2つ以上の支柱の先端は、ロータがその回転軸から離れて半径方向に動くのを防ぐ。支柱の端部の接触面は、ベアリングがその上で回転するベアリング「パッド」を構成する。好ましい実施形態では、ロータの各端部の近くにこれらの支柱が二組あり、ベアリングパッドは、ラジアルおよびスラスト両方の支持部材として作用するように先細にされる。支柱は細長く流線形であり、短いブレードの外観を有する。ロータの各端部に3つのそのような支持ブレードを備えた構成では、ロータの表面におけるブレード間の空間は、ポンプを通って進むほぼ軸方向の流れによって自由に洗い流される。したがって、この範囲では、拡張して問題につながる可能性がある血栓の隆起が形成されることが回避される。完全な磁気浮上式のポンプもそうであり得るように、この種のベアリングを使用する血液ポンプは、血栓の蓄積が最後まで完全にないままであるように設計することができる。しかし、本発明の機械的ベアリングを使用するポンプは、はるかに単純で、はるかに小型であり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
1．本発明の1つの目的は、血栓がその中で始まり得る「行き止まり」ポケットを有さない血液浸漬型ベアリングを提供することである。
【００１４】
2．本発明の別の目的は、血栓の形成が無期限にないままである回転式血液ポンプの機械的ベアリングを提供することである。
【００１５】
3．本発明の別の目的は、血液由来の流体膜によって潤滑され、完全な流体力学的流体膜の支持がないとしても、10年間を超えて適正に機能することができる血液適合性の耐摩耗性材料から作成される、機械的ベアリングを提供することである。
【００１６】
4．本発明のさらなる目的は、大動脈弁の無冠尖に埋め込むのに十分な小ささである直径10mm長さ2cm未満までの軸流VAD全体の小型化を可能にする、非常に空間効率の良い血液ポンプベアリングシステムを提供することである。
【００１７】
5．本発明の追加の目的は、抗凝血剤なしで、または最小限しか用いずに使用するのに適した小型の回転式血液ポンプベアリングを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】4つのタイプの血液浸漬型ベアリング設計を有する従来技術からの汎用軸流ポンプを示す4つの縦断面図である。
【図１Ａ】米国特許第6,093,001号に類似した、球面ベアリングを有する従来技術のポンプを示す図である。
【図１Ｂ】米国特許第5,692,882号に類似した、ピンの先端上に平坦なスラストベアリング面を備えたピンインスリーブラジアルベアリング(pin in sleeve radial bearings)を有する従来技術のポンプを示す図である。
【図１Ｃ】米国特許第5,613,935号に類似した、ラジアル荷重の一部をやはり支持する先細状のスラストベアリング面を備えたピンインスリーブラジアルベアリングを有する従来技術のポンプを示す図である。
【図１Ｄ】米国特許公開第2007/0004959号に類似した、ラジアル荷重およびスラスト荷重の両方を支持する流体力学的な先細機構およびランド機構を備えた円錐形のスリーブベアリングを有する従来技術のポンプを示す図である。
【図２】血栓の隆起がその上に形成され得る円周方向の連続面を形成する、回転部品と固定部品との接合部に隣接した構造の表面を示す、図1に示されるポンプそれぞれの流出側ベアリングを示す4つの拡大詳細縦断面図である。
【図２Ａ】球状カップベアリング上の血栓の隆起を示す断面図である。
【図２Ｂ】平面スラストベアリング面を備えたピンインスリーブベアリング上の血栓の隆起を示す断面図である。
【図２Ｃ】円錐形のスラストベアリング面を備えたピンインスリーブベアリング上の血栓の隆起を示す断面図である。
【図２Ｄ】円錐形の流体力学ベアリング上の血栓の隆起を示す断面図である。
【図３】本発明のベアリング構造を組み込んだ好ましい実施形態の軸流血液ポンプを示す縦断面図である。
【図４】ロータハブの円錐形部分および3つの流線形支柱を示す、ポンプロータの一端にある本発明のベアリング構造を示す斜視図である。
【図５】表面の全360°を表すように「広げた」ロータの円錐形のベアリング面を示す図であり、支柱の周りを洗い流す流れを示す矢印とともに3つの支柱の形状を示した図である。
【図６】好ましい実施形態によるベアリング構成要素およびロータの先細状の端部を示す縦断面図である。
【図７】支柱と接触している円筒形のロータハブを有し、丸み付けられた形状を有する段差と、スラスト荷重を支えるために支柱の縁部上に対応する丸み付けられた形状とを有する本発明の一実施形態を示す縦断面図である。
【図８Ａ】支柱のパッド上のラジアル荷重ベアリングと組み合わされた磁気スラスト荷重ベアリングを組み込んだ本発明の別の実施形態の1つの位置を示す図である。
【図８Ｂ】支柱のパッド上のラジアル荷重ベアリングと組み合わされた磁気スラスト荷重ベアリングを組み込んだ本発明の別の実施形態の1つの位置を示す図である。
【図９】図8Aに示されるS9で切断した図8Aに示されるポンプを示す図であり、図4にも「分解されて」示される図3の好ましい実施形態に使用されるような、外側支持リングと一体に形成された3つの支柱を示す図である。
【図１０】ロータおよび2つの支柱の円形断面を示す、2つの支柱のみを利用する一実施形態を示す断面図である。
【図１１】各支柱の端部にベアリングパッドの先細状部分を有する構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、回転式血液ポンプロータのラジアル荷重ならびにスラスト荷重を支えるのに適した、特定のタイプの血液浸漬型ベアリングを含む。この種のベアリングを利用する個々の血液ポンプ設計それぞれの詳細に応じて、ベアリング面は、混合膜潤滑と機械的に滑り接触してもよく、または、回転部品および固定部品の機械的接触がない完全な流体力学的支持を実現してもよい。一般に、ベアリング構成要素は、セラミックなどの血液適合性の高耐摩耗性材料で作成される。用語「セラミック」が本発明のこの明細書で使用される場合、熱分解炭素、窒化チタン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクコーティング、インコネルなどの高耐腐食性金属など、広範囲の材料が使用されてもよいことを理解されたい。好ましい実施形態では、ベアリングは、ポンプインペラの最大先端直径に比べて直径が小さい。これにより、インペラの回転速度(十分な流れおよび圧力を発生させるのに必要な速度)に比べて低い回転速度が保たれ、摩擦、発熱、および摩耗が最小限に抑えられる。10,000RPMで作動するインペラ先端の直径が0.600の一般的な成人用サイズの軸流ポンプを考えると、インペラ先端の速度は26フィート/秒となる。ロータのテーパに接触する支柱の表面の最大直径が0.1である場合、摩擦位置における表面速度はわずかに4.3フィート/秒となる。これは、従来技術において開示されてきたように、インペラブレードの外側上で軸流ロータおよびインペラを支持することに比べて、回転軸に近い支柱の先端上でロータを支持することの利点を示す。
【００２０】
本発明の本質は、流線形の支柱の先端上でポンプロータを支持することを含む。この最も大きな利点は、ベアリング面の洗い流しが従来技術のベアリング設計に比べて改善されることであり、本発明は、血栓が無期限に完全にないままである可能性をもつベアリングを提供する。これとは対照的に、現在開示されている軸流ポンプの血液浸漬型ベアリング設計はすべて、ベアリングにおける回転部品と固定部品との接合部のすぐ近傍に連続的な周面を有する。このタイプの臨床的に使用されるポンプでは、この表面は血栓の小さな蓄積を形成する場合が多く、それが、ロータ先端またはベアリングシャフトを取り囲む血栓の連続的なリングまたは隆起となる。隆起はロータまたはベアリングシャフトの周りで捕捉されるので、吸着され定着し、拡大する可能性がある。血栓を形成するフィブリンは非常に付着力のある鎖状の物質であり、高速血流で洗い流す力によって付着しないようにされない場合、シャフトの周りに巻き付く。従来技術のベアリングの連続的な周面はまた、小さな割れ目によって、流れの停滞または再循環の非常に小さな領域に位置することがある。血栓形成を起こしやすいこれらの特徴の排除は、ベアリング面すべてを流れる高速流を維持することと組み合わせて、本発明の顕著な利点である。
【００２１】
図1および図2は、血液浸漬型ベアリングを備えたすべての従来技術の軸流ポンプ(インペラ先端の外側上で支持されるポンプを除く)に見られる不利な機械的構造を示す。
【００２２】
図1A、1B、1C、および1Dを参照すると、各図において、軸流血液ポンプのハウジング2は、ロータ6内に収容された永久磁石8に掛けられる電磁力によってポンプロータ6を回転させるモータステータ4を含むほぼ管状の構造である。ロータは、一般的にはブレードとハウジング16の内径との間に小さな先端の隙間を有して作動するインペラブレード10,12を支持する。ロータが回転するにつれて、矢印によって示されるように、血液がポンプの流入側から流出側に送られる。通常、流出側ステータブレードは、回転流体運動量を圧力エネルギーに変換するため、インペラの下流に設けられて、流出側ステータが設けられない場合よりもポンプが効率的になる。単純にするため、流出側ステータは図1および図2からは省略されている。ロータの各端部におけるベアリングの固定構成要素を支持するため、固定の支持部材が設けられる。図1A、B、およびDに示されるように、ハブ18,20があってもよく、または、図1Cに示されるケージ22および湾曲した流路24の壁など、他の構造があってもよい。血液浸漬型ベアリングの各組は、ポンプロータに固着された回転構成要素と、各端部においてロータの回転軸を中心にし、何らかの手段によってポンプハウジングに取り付けられた固定構成要素とを含む。
【００２３】
図2A、B、C、およびDは、図1A、1B、1C、および1Dにそれぞれ示されるポンプのベアリングの流出側の拡大図である。各縦断面図の右側は、ポンプから取り外した場合に血栓の隆起が現れる側の端面図(切断していない)である。図2Aには、ロータ26上の球面が固定のカップ28に係合しているボールアンドカップタイプのベアリングが示される。これらの部品両方の周囲はそれぞれ360°円周方向に延び、血栓の隆起30が図示されるように形成される可能性がある。図2Bは、小径のピン32がスリーブ34内に係合しているピンインスリーブベアリング設計を示す。回転構成要素と固定構成要素との間の割れ目を埋めている血栓の隆起36が示される。図2Cには、スリーブ40内に入る円筒形のピン部分38と、ラジアル荷重とスラスト荷重の組み合わせを支える先細状部分42とを備えたピンインスリーブベアリングが示される。血栓の隆起44はやはりこの設計の上に形成される可能性があり、4つがすべて示すのと同様に、荷重支持面46に隣接した完全な周面を有する。図2Dは、ロータの先細状部分50を取り囲む円錐形のベアリングスリーブを示す。他の設計と同様に、連続的な周面52が血栓の隆起54の形成を促進する。
【００２４】
図3を参照すると、好ましい実施形態は、モータステータ58を収容するポンプハウジング56、モータ電力線59、モータ磁石62を収容するポンプロータ60、インペラブレード64,66、および2つの先細状のセラミック回転ベアリングシャフト68,70を含む。ポンプハウジングの内径から内向きに延びる流体力学的な流出ステータブレード72,74が示される。ロータの各端部で、ベアリング支柱76,78,80,82が、ポンプハウジングの内径から内向きに延びて、84,86で示されるように先細状のロータベアリングシャフトに接触する。この実施形態では、3つの支柱がハウジングの各端部で使用されるが、断面図であるため、2つのみが見えており、の1つのみのロータとの接触が見えている。したがって、ポンプには、ロータの各端部に3つ、合計で6つの支柱があるが、図10に示されるように、ロータの端部に2つしか支柱がない実施形態を使用することができ、その場合、支柱126および128は、部品間の嵌合が密接である場合にロータ124を捕捉する。支柱は、超硬質セラミック材料で構成され、3つの流線形の支柱すべてを支持するリングと一体的に作成されてもよい。これは、3つの支柱80,82,88がすべて支持リング90と一体的に形成されている図4で最もよく見られ、さらに、回転のために心出しされた先細状のシャフト122を保持する3つの支柱114,116,118と一体的に形成された支持リング120を示す図9に示される。支柱114,118、ロータの先細状のシャフト122の一部分、および支柱支持リング120の一部分によって縁取られたチャネルが画定される。このチャネルは、矢印121によって示されるそのラジアル長さ全体に関して妨げられない。チャネルは、図3の構成と同様にアキシアル長さに沿って先細になっていてもよく、または、図8の構成と同様に先細になっていなくてもよいが、いずれの場合も、ハブ、支柱の側面、および支持リングの内側境界のみが存在する。
【００２５】
図3を参照すると、ポリウレタンなどの血液適合性材料から成る弾性ワッシャ87が任意に使用されて、ベアリング支柱面およびロータシャフトに対して軽いアキシアル予荷重を提供してもよい。図3では、弾性ワッシャは支持リング90にアキシアル荷重を掛け、それによって先細状のベアリングシャフトおよび支柱の表面が、組立体の部品すべてが適正に嵌合しているという条件で、ポンプの流入端部および流出端部両方で接触する。図5は、回転するセラミックベアリングシャフト70の先細面の図である。3つの斜交平行線を付けた楕円形は、3つの流線形の支柱80,82,88のフットプリント81,83,89を表す。これらの「フットプリント」それぞれの周りの流れを表した矢印は、血栓が隆起を形成することがあるベアリング支柱構造上に、連続的な周面または割れ目がないことを示す。先細状のセラミックベアリングシャフトは、支柱の接点の近傍に連続的で平滑な研磨面を有する。図6は、血栓の隆起の形成を促進する円周方向の間隙または割れ目がベアリングになく、かつ円周方向の構造がないことをさらに示す、セラミックベアリング構成要素の拡大図である。これは、支柱の接触位置の間にある先細状の回転するセラミックベアリングの表面における最適な血液での洗い流しによって防がれる。
【００２６】
図7は、スラスト荷重を支えるように構成された支柱96の端部の半径と噛み合うように形成された、小さな段差94を有する円筒形の耐摩耗性の回転するベアリング支柱92を利用する、本発明の一実施形態を示す。
【００２７】
図8Aおよび図8Bは、ラジアルベアリング荷重が、ロータの軸方向運動を可能にするように設計された円筒形表面98上で支持される、本発明のさらなる実施形態を示す。ポンプが停止したときのロータの位置は図8Aに示される。ロータは、ロータの両端における軸方向運動から厳しく制約されない。矢印100の方向の磁力は、モータ磁石とモータステータの積層(図3に示される構成と同様)の偏心によって提供され、それによって、ポンプが停止したときに機械的なセラミックのストップピン102がロータシャフト104の端部上に接触するように、ロータが軸方向でピンに押し付けられる。ポンプが稼動しているとき、流体によって矢印106の方向で掛けられる圧力による力が発生して、ロータシャフト104の端部とストップピン102の端部との間に間隙108が開くように、矢印106によって示される同じ方向でロータを動かす。この間隙は、血栓形成を防ぐため、流れによって十分に洗い流される。磁力が適正範囲内である場合、ポンプは作動するにしたがって機械的ベアリングによって半径方向で支持され、スラスト荷重が完全に磁気的に発生する。
【００２８】
図11は、支持ポストの先端がロータを支援する流体力学の力を増加させるように形作られる実施形態を示す。3つの支柱134,136および138の先端は、ロータが矢印132によって示される方向で旋回するにつれてロータの表面に非常に近い血液の膜に加えられる粘性流体力によって、支柱とロータとの間の間隙に血液が流れるにつれて血液が入りこむ、先細状のチャネル142を作り出す輪郭を有する。多くの流体力学ベアリング設計の表面には一般的なこの構造は、潤滑を改善し、また、本発明のいくつかの実施形態において十分な流体力学的流体支持を提供してもよい。
【００２９】
本発明の明細書に開示された情報は、本発明者が記載してきた原理を代表するものであることを意図する。したがって、上述した本発明の目的、および上述の説明から明白になった目的が効率的に獲得され、また、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の物品および構造において特定の変更が行われてもよいことが理解されるであろう。上述の説明に含まれ、添付図面に示されるすべての主題は、限定的な意味ではなく例示的なものとして解釈されるべきであるものとする。また、以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載した本発明の総括的な特徴および特定の特徴をすべて包含するものであり、本発明の範囲のすべての記述は意味上はその範囲に含まれると言ってもよいことが理解される。
【符号の説明】
【００３０】
56  ハウジング
58  モータステータ
59  電力線
60  ポンプロータ
62  モータ磁石
64  インペラブレード
66  インペラブレード
68  ベアリングシャフト
70  ベアリングシャフト
72  ステータブレード
74  ステータブレード
76  支柱
78  支柱
80  支柱
82  支柱
87  ワッシャ
90  支持リング
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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