(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、前記ポンプ室に回転可能に配置されたインペラと、前記インペラを回転可能に支持する上部及び下部軸受けと、前記インペラを回転駆動するための駆動力伝達手段とを備えたターボ式血液ポンプにおいて、
前記上部軸受けは、前記入口ポート下方のポンプ室内に位置するように支持され、前記上部軸受けの上端部を含み前記インペラの軸に直交する面における前記ポンプ室の断面積は、前記ポンプ室との結合部における前記入口ポートの流路断面積に対して十分な大きさを有して、前記上部軸受けによる血流に対する障害が実用上無視できる程度となるように構成され、
前記入口ポートの下端部に複数本の軸受け支柱の一端が固定され、その軸受け支柱は前記ポンプ室に向かって延びており、その先端に前記上部軸受けが支持され、
前記インペラの軸は上端に小径部を有し、前記上部軸受けは下端に軸受孔を有し、前記小径部が前記軸受孔に挿入されて前記軸の上部が前記上部軸受けにより支持されかつ位置決めされ、
前記インペラの軸の前記小径部と大径部との境界部にテーパ部が形成され、前記上部軸受けの端面における前記軸受孔の周囲は、前記インペラの軸のテーパ部に対応する形状を有し、前記インペラの軸のテーパ部は、前記上部軸受けの端面における前記軸受孔の周囲に対向していることを特徴とするターボ式血液ポンプ。
【請求項２】
前記駆動力伝達手段は、前記ハウジングの外側に配置されモータにより回転駆動されるロータに設けられた駆動磁石と、前記インペラに設けられた従動磁石とを有し、前記従動磁石と前記駆動磁石を前記ハウジングの壁を挟んで対向させることにより磁気結合を形成し、前記磁気結合により、前記ロータの回転を前記インペラに伝達するように構成された請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
【請求項３】
前記従動磁石および駆動磁石間に作用する吸引力に基づく磁気結合の方向が、前記インペラの回転軸に対して傾斜するように前記従動磁石および駆動磁石が配置されたことを特徴とする請求項２に記載のターボ式血液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ターボ式の血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。血液ポンプとしては、ターボ式のポンプが主流を占めている。ターボ式ポンプは以下のような構造を持つ。すなわち、内部にポンプ室が形成されたハウジングは、その中央部分に血液導入用の入口ポートを有し、ハウジング外周部に血液吐出用の出口ポートを有する。ポンプ室にはインペラが配置され、インペラの回転により血液を流動させる。
【０００３】
一例として、本発明者らが開発中のターボ式血液ポンプを図５に示す。図５において、２１はハウジングであり、入口ポート２１ａ及び出口ポート（図示せず）を有する。ハウジング２１内部にはポンプ室２２が形成され、インペラ２３が配置されている。インペラ２３は、上部軸受け２４および下部軸受け２５により回転自在に支持されている。ハウジング２１の下部中央に設けられた凹部２１ｂには、ロータ２６が配置されている。ロータ２６は、図示しないが、モータと連結されて回転駆動される。インペラ２３の下部には、ハウジング２１の凹部２１ｂの側壁の内部側に位置するように従動磁石２７が取り付けられている。ロータ２６には、凹部２１ｂの側壁の外部側に位置するように駆動磁石２８が取り付けられている。従って、従動磁石２７と駆動磁石２８の間に作用する径方向の磁気吸引力により、ロータ２６の回転がインペラ２３に伝達される。インペラ２３の回転によりポンプ室２２内の血液は流動して出口ポートから吐出される。それに伴い、入口ポート２１ａから血液が導入され、血液の流れが形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
血液ポンプに要求される仕様の１つとして、血栓形成を引き起こさないことが挙げられる。血液ポンプ内の流路に流れの障害となる構造材が存在すると、血液滞留を生じて血栓形成を起こしやすくなる。図５に示した血液ポンプにおいては、上部軸受け２４が入口ポート２１ａ内に配置されている。上部軸受け２４は、流路としては比較的狭い入口ポート２１ａ内にあって、血流に対して大きな障害となる。特に、軸受け部分の強度を大きくするために太い支柱２９を設置すると、血流に対する障害の程度は極めて大きなものになる。
【０００５】
上記ような問題を解消するために、特開平１０−３３６６４号公報には、インペラにおけるベーンが取り付けられた軸部を中空とし、その中空部を流路とする構造の一例が記載されている。中空の軸部はその外周において、磁気軸受けにより支持されている。この構造によれば、中空部には血流の障害となる部分をなくすことができる。しかしながら、中空の軸部は、直径、長さともにある程度の寸法の大きさが必要であり、装置の小型化を阻む原因となり、また構造も複雑である。例えば小児用の血液ポンプの場合、入口ポートは直径６ｍｍ程度であり、この場合、特開平１０−３３６６４号公報に記載の構造は採用困難である。
【０００６】
一方、インペラの下部に配置した軸受けのみによりインペラを支持する構造を用い、上部の軸受けを不要とすることにより、上記の問題を解消することも考えられる。しかしながら、下部の軸受けのみではインペラの回転が不安定となり易い。特に、モータの回転を磁気結合によりインペラに伝達する構造においては、上下２箇所の軸受けによりインペラを支持することが、安定性の面で望ましい。
【０００７】
本発明は、インペラを上下の軸受けにより支持する際の、上部の軸受けによる血流の妨げを軽減し、血液滞留、血栓形成の問題を生ずるおそれの少ないターボ式血液ポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、ポンプ室に回転可能に配置されたインペラと、インペラを回転可能に支持する上部及び下部軸受けと、インペラを回転駆動するための駆動力伝達手段とを備えたターボ式血液ポンプを前提とする。上記課題を解決するために、上部軸受けは、入口ポート下方のポンプ室内に位置するように支持され、上部軸受けの上端部を含みインペラの軸に直交する面におけるポンプ室の断面積は、ポンプ室との結合部における入口ポートの流路断面積に対して十分な大きさを有して、上部軸受けによる血流に対する障害が実用上無視できる程度となるように構成される。そのために、入口ポートの下端部に複数本の軸受け支柱の一端が固定され、その軸受け支柱はポンプ室に向かって延びており、その先端に上部軸受けが支持される。インペラの軸は上端に小径部を有し、上部軸受けは下端に軸受孔を有し、小径部が軸受孔に挿入されて軸の上部が上部軸受けにより支持されかつ位置決めされる。インペラの軸の小径部と大径部との境界部にテーパ部が形成され、上部軸受けの端面における軸受孔の周囲は、インペラの軸のテーパ部に対応する形状を有し、インペラの軸のテーパ部は、上部軸受けの端面における軸受孔の周囲に対向している。
【０００９】
この構成によれば、上部軸受けによる血流に対する障害は問題にならず、血液滞留、血栓形成の問題を生ずるおそれの少ないターボ式血液ポンプが実現される。
【００１２】
また上記構成は、駆動力伝達手段が、ハウジングの外側に配置されモータにより回転駆動されるロータに設けられた駆動磁石と、インペラに設けられた従動磁石とを有し、従動磁石と駆動磁石をハウジングの壁を挟んで対向させることにより磁気結合を形成し、磁気結合によりロータの回転をインペラに伝達するように構成されたターボ式血流ポンプにおいて効果的である。
【００１３】
その場合、従動磁石および駆動磁石間に作用する吸引力に基づく磁気結合の方向が、インペラの回転軸に対して傾斜するように従動磁石および駆動磁石が配置された構成とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一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。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を有する。ハウジング１には、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。ベーン６の中心部側は回転軸７に結合され、周縁部側は環状連結部８に結合されている。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。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。
【００１５】
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、固定されている。図２（ａ）のロータ１３の平面図に示されるように、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。
【００１６】
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ている。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。
【００１７】
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。図３に、上部軸受け９の部分を拡大した平面図を示す。同図に示すように、３本の軸受け支柱１７が用いられ、各々径方向に延びて流路断面の中心部において上部軸受け９を支持している。図１に示されるように、入口ポート３の下端部内面に固定された軸受け支柱１７は、斜め下方に延びてポンプ室２内に入り込み、その先端に上部軸受け９が支持されている。このようにして上部軸受け９が支持された位置では、流路の断面積が、入口ポート３の流路断面積に比べて十分に大きい。ここで入口ポート３の流路断面積とは、図４に示す断面Ａ−Ａ、すなわち入口ポート３とポンプ室２の結合部における断面積ＳＡである。また、上部軸受け９が支持された位置の流路断面積は、図４に示す断面Ｂ−Ｂ、すなわち、上部軸受け９の上端部の位置でのポンプ室２の断面積ＳＢである。なお、ここでいう流路断面積とは、上部軸受け９および軸受け支柱１７が配置されていない状態での面積である。
【００１８】
上記の構成により、上部軸受け９の血流に対する障害の程度は、実用上問題のない程度まで軽減される。すなわち、入口ポート３における血流は、軸受け支柱１７による妨げは受けるが、上部軸受け９が入口ポート３の内部に位置する場合に比べれば問題にならない。また、ポンプ室２における血流が上部軸受け９により受ける妨げは、流路断面積が拡大された箇所であるため、問題にならない。要するに、上部軸受け９が配置される流路断面積が十分に大きい位置とは、血流に対する障害が実用上問題のない程度に軽減される範囲で、入口ポート３の流路断面積に比べて十分大きいことを意味する。
【００１９】
上部軸受け９を支持する位置を決めるための条件として、断面積ＳＡに対する断面積ＳＢの大きさについて検討したところ、断面積ＳＢが
２．３２×ＳＡ≦ＳＢ≦７．５０×ＳＡ
の範囲であれば、実用的に好適であることが判った。すなわち、断面積ＳＢがこの条件を満たす範囲に上部軸受け９を支持する位置を決めればよい。下限値を外れる場合は血流に障害が及ぶ。また上限値を外れる位置に設定すると、上部軸受け９と下部軸受け１０が近接しすぎてインペラ５を適切に支持することが困難になる。なお、断面積ＳＢの上記範囲は、上部軸受け９および軸受け支柱１７の寸法により影響を受ける。しかしながら、それらの寸法の実用的な範囲においては、上記の範囲は変更を要することなく、実用的な効果を確保できる。
【００２０】
図１に示されるように、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とは、インペラ５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。
【００２１】
このように、磁気結合を形成する面を傾斜させることにより、インペラ５とロータ１３の間に作用する磁気吸引力は、インペラ５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。
【００２２】
しかも、従動磁石１２と駆動磁石１６が配置される面が斜面であることにより、図３に示した径方向に磁気吸引力を作用させる構成に比べて、環状連結部８の外周面の軸方向寸法を大きくすることなく、対向面積を容易に大きくとることが可能となる。従って、大きな周速度で血液と接触する最外周部の表面積が小さくなり、溶血のおそれが軽減される。また、環状連結部８の内周面とハウジング１の内側に形成される血液滞留部も小さくなり、血栓の形成も緩和される。
【００２３】
磁気結合の方向は、図２（ｂ）において、磁気結合部１５の上部傾斜面に直交する直線Ｍにより示される。直線Ｙは回転軸である。磁気結合の方向Ｍが回転軸Ｙに対してなす角αは、３０°±１５°の範囲に設定される。この範囲であれば、上記の効果をバランスのとれた状態で得ることができる。この範囲より大きいと、径方向の磁気結合における問題、すなわち、周速の大きい外周部分の表面積の増大を招き、好ましくない。またこの範囲より小さいと、上下方向の磁気結合における問題、すなわち、下部軸受け１０の負荷の増大を招き、好ましくない。
【００２４】
傾斜面は、ロータ１３の磁気結合部１５が上方に凸となった形状で構成することが好ましい。逆の形状に比べて、インペラ５との間に形成される空間を小さくすることができ、ポンプの小型化に有効だからである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、上部軸受けは、入口ポートの流路断面積に比べて流路の断面積が十分に大きい位置に配置されているので、上部軸受けが血流を妨げる程度は、実用上問題のない程度まで軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるターボ式血液ポンプの断面図
【図２】図１のターボ式血液ポンプのロータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図
【図３】図１のターボ式血液ポンプにおける上部軸受けの部分を拡大して示した平面図
【図４】図１のターボ式血液ポンプにおける上部軸受けを支持する位置の設定について説明するための図
【図５】従来例のターボ式血液ポンプの断面図
【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  インペラ
６  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
２１  ハウジング
２１ａ  入口ポート
２１ｂ  凹部
２２  ポンプ室
２３  インペラ
２４  上部軸受け
２５  下部軸受け
２６  ロータ
２７  従動磁石
２８  駆動磁石
２９  支柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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