(57)【要約】【課題】  構造及び制御を簡単にし、装置全体の小型化を図る。【解決手段】  人工ポンプ駆動装置１は、モータ１２により発生される回転駆動力を、減速機１４及び非円形歯車機構１５を介してエアーシリンダ機構１１のクランクシャフト１１５に伝達することにより、ピストン１１２を往復動作させる。これによりエアーシリンダ機構１１がエアーの吐出、吸引を繰り返し、このエアーの吐出、吸引をエアーホース１６を介して血液ポンプ２の一次側のエアー室２３に伝達することにより、血液ポンプ２を直接駆動することができる。エアーシリンダ１１により生成される圧力パターンは、非円形歯車機構１５の歯車の形状により付与される。【選択図】  図１
2006346440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工ポンプの一次側に接続されて前記人工ポンプの一次側の圧力が陽圧過程と陰圧過程とを交互に繰り返す所定の圧力パターンとなるように、駆動流体の吐出と吸引とを繰り返すことにより前記人工ポンプを駆動する人工ポンプ駆動装置において、
回転軸を一定の所定速度で回転させるモータと、
このモータの回転軸に直接又は減速機を介して連結された非円形歯車機構と、
この非円形歯車機構を介して伝達された前記モータの回転駆動力によって回転駆動されるクランクシャフトと、
このクランクシャフトに連結されて往復動するピストンと、
このピストンを内部に往復動自在に収容するシリンダと、
このシリンダの一端を塞いで前記シリンダ及びピストンと共に前記駆動流体が収容される駆動流体室を形成すると共に前記駆動流体の入出力口を備えたシリンダカバーと、
前記駆動流体室の入出力口に接続されて前記駆動流体室と前記人工ポンプの一次側とを連通させて駆動流体路を形成する駆動流体ホースとを備え、
前記非円形歯車機構は、前記人工ポンプの一次側に予め設定された前記陽圧過程及び陰圧過程のピーク値及び時間比となる前記所定の圧力パターンを付与するように前記ピストンを駆動させる形状の複数の非円形歯車により構成されている
ことを特徴とする人工ポンプ駆動装置。
【請求項２】
前記所定の圧力パターンは、前記陰圧過程が前記陽圧過程よりも期間が長くピーク値が小さくなる圧力パターンであることを特徴とする請求項１記載の人工ポンプ駆動装置。
【請求項３】
前記駆動流体室に接続されて前記駆動流体室の陰圧が所定圧力を超えたときに前記駆動流体路に駆動流体を導入する陰圧制御弁を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の人工ポンプ駆動装置。
【請求項４】
前記駆動流体室に接続されて前記駆動流体室の陽圧が所定圧力を超えたときに前記駆動流体路から駆動流体を吐出する陽圧制御弁を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の人工ポンプ駆動装置。
【請求項５】
前記陰圧制御弁と直列に接続されて前記駆動流体を前記駆動流体室に導入する方向にのみ流す第１の逆止弁を設けたことを特徴とする請求項３記載の人工ポンプ駆動装置。
【請求項６】
前記陽圧制御弁と直列に接続されて前記駆動流体を前記駆動流体室から吐出する方向にのみ流す第２の逆止弁を設けたことを特徴とする請求項４記載の人工ポンプ駆動装置。
【請求項７】
前記人工ポンプの一次側の圧力を検出する圧力センサと、
この圧力センサで検出された圧力から前記人工ポンプの一次側の陽圧及び陰圧が予め設定された設定値に達しているか及び予め設定された上限値及び下限値を超えていないかを判定する判定手段と、
この判定手段の判定結果を表示する表示手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の人工ポンプ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工心臓等に利用する血液ポンプや心臓機能を補助するためのバルーンポンプ等の人工ポンプを駆動するための人工ポンプ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高度心不全患者に対して補助人工心臓が用いられている。この補助人工心臓は、例えば特許文献１等に開示されており、図８に示すように、血液ポンプ２とこれを駆動するための人工ポンプ駆動装置５とにより構成される。人工ポンプ駆動装置５は、血液ポンプ２を駆動するための油圧ポンプ５２を備え、この油圧ポンプ５２による駆動力を、アイソレータ５１を介して血液ポンプ２に伝達する。アイソレータ５１は、その内部空間が、可撓性を有するフッ素ゴム等からなるダイアフラム５１１によって一次側室５１２と二次側室５１３とに画成されている。アイソレータ５１の一次側室５１２には、低粘度で生体への影響が少ないシリコンオイル等の液媒体が封入され、アイソレータ５１の二次側室５１３には、空気が封入されている。
【０００３】
油圧ポンプ５２は、モータ５２３によってインペラ５２０を、図中Ａで示す方向とＢで示す方向に交互に回転させることにより、液媒体を、第２ポート５２１ｂから配管６２を介してリザーブポンプ５４に送り込む吸引期間と、液媒体を、第１ポート５２１ａから配管５１を介してアイソレータ５１の一次側室５１２に送り込む拍出期間とを繰り返す。吸引期間では、アイソレータ５１の一次側室５１２の容積は縮小され、二次側室５１３の容積は拡張される。二次側室５１３はその容積の拡張に伴って減圧するが、この圧力減少は配管６３を介して血液ポンプ２の流体室２３に伝達され、流体室２３が減圧して容積を縮小させるので、血液室２４内に血液が送り込まれる。一方、拍出期間では、アイソレータ５１の一次側室５１２の容積は拡張され、二次側室５１３の容積は縮小される。二次側室５１３はその容積の縮小に伴って増圧するが、この圧力上昇は配管６３を介して血液ポンプ２の流体室２３に伝達され、流体室２３が増圧して容積を拡張させるので、血液室２４内から血液が送り出される。
【０００４】
アイソレータ５１の一次側室５１２には一次側圧力センサ６４が、二次側室５１３には二次側圧力センサ６５がそれぞれ取り付けられている。一次側圧力センサ６４で計測された一次側室内の圧力及び、二次側圧力センサ６５で計測された二次側室内の圧力は、制御回路５３に伝達される。制御回路５３は、センサ６４，６５で検出された圧力に基づき、アイソレータ５１の二次側圧力が、血液ポンプに求められる特殊な圧力カーブを描くように、油圧ポンプ５２のモータ５２３の回転方向及び回転速度を制御すると共に吸排気用開閉バルブ６６を開閉制御する。圧力カーブは、血液ポンプの場合、陽圧期間が陰圧期間よりも短く、陽圧期間のピーク値が陰圧期間のピーク値よりも大きい曲線となる。
【特許文献１】特開２００３−７０９０６号公報（段落００１６〜００２４、図１、図１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような人工ポンプ駆動装置の場合、可搬性を考慮すると極力小型であることが望まれる。しかしながら、上述した従来の人工ポンプ駆動装置では、特殊な圧力カーブに合わせるために、油圧ポンプを正逆回転させて液媒体をアイソレータとリザーブポンプとの間で往復動させる構造であるため、駆動部分の構成が複雑で、且つ制御回路による油圧ポンプの制御も複雑であった。このため、装置全体の小型化を図ることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、構造及び制御が簡単で装置全体の小型化を図ることができる人工ポンプ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る人工ポンプ駆動装置は、人工ポンプの一次側に接続されて前記人工ポンプの一次側の圧力が陽圧過程と陰圧過程とを交互に繰り返す所定の圧力パターンとなるように、駆動流体の吐出と吸引とを繰り返すことにより前記人工ポンプを駆動する人工ポンプ駆動装置において、回転軸を一定の所定速度で回転させるモータと、このモータの回転軸に直接又は減速機を介して連結された非円形歯車機構と、この非円形歯車機構を介して伝達された前記モータの回転駆動力によって回転駆動されるクランクシャフトと、このクランクシャフトに連結されて往復動するピストンと、このピストンを内部に往復動自在に収容するシリンダと、このシリンダの一端を塞いで前記シリンダ及びピストンと共に前記駆動流体が収容される駆動流体室を形成すると共に前記駆動流体の入出力口を備えたシリンダカバーと、前記駆動流体室の入出力口に接続されて前記駆動流体室と前記人工ポンプの一次側とを連通させて駆動流体路を形成する駆動流体ホースとを備え、前記非円形歯車機構が、前記人工ポンプの一次側に予め設定された前記陽圧過程及び陰圧過程のピーク値及び時間比となる前記所定の圧力パターンを付与するように前記ピストンを駆動させる形状の複数の非円形歯車により構成されていることを特徴としている。
【０００８】
前記所定の圧力パターンは、例えば前記陰圧過程が前記陽圧過程よりも期間が長くピーク値が小さくなる圧力パターンである。
【０００９】
本発明の一実施形態においては、前記駆動流体室に接続されて前記駆動流体室の陰圧が所定圧力を超えたときに前記駆動流体路に駆動流体を導入する陰圧制御弁を備えている。また、本発明の他の実施形態においては、前記駆動流体室に接続されて前記駆動流体室の陽圧が所定圧力を超えたときに前記駆動流体路から駆動流体を吐出する陽圧制御弁を備えている。
【００１０】
なお、これら陽圧制御弁及び陰圧制御弁には、それぞれ逆止弁を直列に設けることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の更に他の実施形態では、前記人工ポンプの一次側の圧力を検出する圧力センサと、この圧力センサで検出された圧力から前記人工ポンプの一次側の陽圧及び陰圧が予め設定された設定値に達しているか及び予め設定された上限値及び下限値を超えていないかを判定する判定手段と、この判定手段の判定結果を表示する表示手段とを更に備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、モータの回転駆動力を、非円形歯車機構を介してピストンに伝達し、ピストン、シリンダ及びカバーからなる流体シリンダ機構が駆動流体の吐出、吸引を繰り返すことにより、人工ポンプを直接駆動するようにしている。その際の圧力パターンは、非円形歯車の形状により付与される。このため、本発明によれば、従来のように、油圧ポンプと人工ポンプとの間に液媒体で駆動されるアイソレータを介在させたり、リザーブポンプを設けたり、モータを所定の速度パターンに従って往復駆動するための制御機構が全く不要となり、装置の大幅な小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る人工ポンプ駆動装置の構成を示す図である。また、図２は、同装置の要部を示す図で、（ａ）は断面図（一部は（ｂ）のＡ−Ａ′断面図）、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【００１５】
この人工ポンプ駆動装置１は、人工ポンプである血液ポンプ２の一次側に接続されて、血液ポンプ２を所定の圧力パターンで直接駆動する。人工ポンプ駆動装置１は、エアーシリンダ機構１１と、このエアーシリンダ機構１１の駆動源となるモータ１２とを有する。
【００１６】
エアーシリンダ機構１１は、円筒状のシリンダ１１１の内部に、円筒状のピストン１１２をシリンダ１１１の軸心に沿って往復動自在に同軸配置したものである。シリンダ１１１の基端側には矩形状のクランクケース１１３が設けられ、このクランクケース１１３の両側面から内側に延びる軸受け１１４にクランクシャフト１１５が回転自在に支持されている。クランクシャフト１１５は、偏心位置にクランクピン１１６を有し、このクランクピン１１６とピストン１１２とがコンロッド１１７を介して連結されている。シリンダ１１１の先端側には、シリンダ１１１の先端を塞いでシリンダ１１１及びピストン１１２と共にエアー室１１８を形成すると共にエアー入出力口１１９ａが形成されたシリンダカバー１１９が設けられている。
【００１７】
モータ１２は、回転数設定器１３によって設定された速度で定速回転する。モータ１２には、回転数を減速させる減速機１４が連結されている。減速機１４から出力される回転駆動力は、非円形歯車機構１５を介してクランクケース１１３の側面を貫通して外部に突出したクランクシャフト１１５の一端に伝達される。非円形歯車機構１５は、２つの非円形歯車１５１，１５２を所定の相対角度で組み合わせたもので、血液ポンプ２の一次側に所定の圧力パターンを付与するようにピストン１１２を駆動させる形状に形成されている。
【００１８】
シリンダカバー１１９のエアー入出力口１１９ａと血液ポンプ２の一次側との間には、エアーシリンダ機構１１のエアー室１１８と血液ポンプ２の一次側とを連絡する駆動流体であるエアーの流路を形成するエアーホース１６が接続されている。エアーホース１６には、それから分岐する分岐ホース１７が接続され、この分岐ホース１７の先端に陰圧制御弁１８及び陽圧制御弁１９が接続されている。陰圧制御弁１８は、エアーホース１６内のエアー圧力が所定圧を下回ったときに、大気からエアーをエアーホース１６内に導入する。陽圧制御弁１９は、エアーホース１６内のエアー圧力が所定圧を上回ったときに、大気にエアーを放出する。
【００１９】
血液ポンプ２は、ハウジング２１と、このハウジング２１内に取り付けられたダイアフラム２２とを備えている。ダイアフラム２２によってハウジング２１内の空間は一次側のエアー室２３と二次側の血液室２４とに分割されている。血液室２４には、人間の血管に繋がる逆止弁付きの吸入口２５及び吐出口２６が設けられている。
【００２０】
次に、このように構成された本実施形態に係る人工ポンプ駆動装置の動作について説明する。
【００２１】
回転数設定器１３によって目標回転数が設定されると、モータ１２は内部の図示しない回転制御回路の動作により、設定された回転数で回転軸を定速回転させる。この回転は減速機１４及び非円形歯車機構１５を介してクランクシャフト１１５に伝達される。クランクシャフト１１５が回転すると、ピストン１１２は、シリンダ１１１内を往復動する。このピストン１１２の往復動により、エアーシリンダ機構１１は、エアー入出力口１１９ａを介してエアーの吐出と吸い込みを繰り返し、これに連動して血液ポンプ２のダイアフラム２２を往復動させる。
【００２２】
図３は、ピストン１１２が下死点（ａ）、クランクシャフト１１５が９０度回転（ｂ）、ピストン１１２が上死点（ｃ）、クランクシャフト１１５が２７０度回転（ｄ）の各状態における各部の位置関係を示している。ピストン１１２が下死点（ａ）から上昇して上死点（ｃ）に至るまでは、非円形歯車１５１，１５２が大きなギア比でピストン１１２を高速駆動し、上死点（ｃ）から次の下死点（ａ）までは、非円形歯車１５１，１５２が小さなギア比でピストン１１２を低速駆動する。
【００２３】
これにより、血液ポンプ２のエアー室２３の圧力パターンは、図４に示すような圧力パターンとなる。この圧力パターンは、ピーク値が約２５０ｍｍＨｇとなる陽圧過程と、ピーク値が約−５０ｍｍＨｇとなる陰圧過程とを交互に繰り返し、陽圧過程が陰圧過程よりも短い期間となっているパターンである。参考までに、従来技術の装置の圧力パターンとｓｉｎ波に沿った圧力パターンとを示す。
【００２４】
エアーシリンダ機構１１の動作中、ピストン１１２とシリンダ１１１の内周面とは摺動するので、この摺動時にエアー室１１８のエアーは若干リークする。エアーがリークすると、血液ポンプ２のダイアフラム２２を駆動するためのエアー量が低下するので、ピストン１１２の往復運動と血液ポンプ２のダイアフラム２２の往復運動とを連動させることが困難になる。そこで、陰圧制御弁１８は、一定の真空圧以上に真空度が高くなると作動して大気圧をエアーホース１６の内部に取り込んで、エアー量の低下を防止する。これにより、ピストン１１２とダイアフラム２２の往復運動を連動させることが可能になる。
【００２５】
特に人工心臓用の血液ポンプの場合、吸い込み圧力が−５０ｍｍＨｇよりマイナスになると、心臓壁がカニューレに吸い付く吸い付き現象が発生する。このため、血液ポンプ２が高真空にならないように陰圧制御弁１８で陰圧を制御することが必要である。
【００２６】
また、エアーホース１６を、例えば３６０ｃｍ以上と長くすると、チャンバー効果が得られるので、これによってもピーク的な真空圧の上昇を抑えることができる。
【００２７】
なお、陰圧制御弁１８には、誤ってエアーホース１６をつぶしてしまったようなときに高真空になるのを防止するという機能もある。
【００２８】
一方、誤ってエアーシリンダ機構１１と血液ポンプ２とを接続しているエアーホース１６が外れてしまった場合には、再度、エアーホース１６を接続したのちにエアーホース１６内の陽圧が異常に高くなることが予想されるが、陽圧制御弁１９は、そのような場合に動作してエアー室２３が所定圧を超えないようにする。これにより、エアーホース１６が外れた場合でも、モータ１２の電源をＯＦＦにしなくても、単にエアーホース１６を再接続するだけで、ピストン１１２の往復運動とダイアフラム２２の往復運動とが直ちに連動するようになる。
【００２９】
なお、人工心臓用の血液ポンプの場合、血液の吐出圧力は、２５０ｍｍＨｇ前後に設定する必要がある。従って、陽圧制御弁１９は、そのような圧力となるように設定される。
【００３０】
また、この場合にも、陽圧制御弁１９には、誤ってエアーホース１６をつぶしてしまったようなときに高圧になるのを防止するという機能もある。
【００３１】
図５は、本発明の他の実施形態を示す図である。
【００３２】
この実施形態では、陰圧制御弁１８及び陽圧制御弁１９にそれぞれ逆止弁３１，３２を直列に接続している。
【００３３】
この実施形態によれば、陰圧制御弁１８を介して大気にエアーが抜けたり、陽圧制御弁１９を介してエアーがエアーホース１６内に導入されるという不具合を防止することができる。
【００３４】
図６は、本発明の更に他の実施形態を示す図である。
【００３５】
この実施形態では、血液ポンプ２の一次側の陰圧及び陽圧が、それぞれ陰圧設定値ＮＳ及び陽圧設定値ＰＳに達しているか、また、それぞれ下限陽圧ＮＭ及び上限陽圧ＰＭを超えていないかを検出するコントローラ４を設けている点が先の実施形態とは異なっている。
【００３６】
コントローラ４は、分岐ホース１７から更に分岐する分岐ホース１７ａを介して血液ポンプ２の一次側の陽圧及び陰圧をそれぞれ検出する圧力センサ４１及び圧力センサ４２と、圧力センサ４１で検出された圧力と陽圧設定値ＰＳ及び上限陽圧値ＰＭとを比較する比較器４３と、圧力センサ４２で検出された圧力と陰圧設定値ＮＳ及び下限陰圧値ＮＭとを比較する比較器４４と、これら比較器４３，４４の比較結果に基づいて血液ポンプ２の一次側の圧力状態を表示する表示器４５とを備えて構成されている。なお、陰圧制御弁１８及び陽圧制御弁１９には、それぞれ圧力調整用のつまみ１８ａ，１９ａが設けられている。コントローラ４に与えられる陰圧設定値ＮＳ及び陽圧設定値ＰＳは、それぞれつまみ１８ａ，１９ａによる設定値と連動して入力されても良いし、別個に入力されていても良い。
【００３７】
このように構成された人工ポンプ駆動装置によれば、図７に示すように、血液ポンプ２の一次側の陽圧が陽圧設定値ＰＳに達していること、上限陽圧値ＰＭを超えていないこと、また、血液ポンプ２の一次側の陰圧が陰圧設定値ＮＳに達していること、下限陰圧値ＮＭを超えていないことを、それぞれコントローラ４で検出し、表示器４５で表示することができる。このため、コントローラ４の表示器４５の表示を確認しながら、陰圧制御弁１８及び陽圧制御弁１９のつまみ１８ａ，１９ａを調整することにより、血縁ポンプ２の一次側の圧力の設定及び調整が極めて容易になり、且つ、血液ポンプ２が常に最適な圧力で駆動されていることを容易に確認することが可能になる。
【００３８】
なお、上記実施形態において、コントローラ４は、２つの圧力センサ４１，４２と、２つの比較器４３，４４とを用いたが、圧力センサを１つにし、この圧力センサで検出された圧力値の最大値及び最小値から陽圧及び陰圧のピーク値を検出してコンピュータの内部で圧力設定値及び限界値と比較するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る人工ポンプ駆動装置の構成を示す図である。
【図２】同装置の要部を示す図で、（ａ）は断面図（一部は（ｂ）のＡ−Ａ′断面図）、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【図３】同装置の動作を説明するための図である。
【図４】同装置の圧力波形を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態に係る人工ポンプ駆動装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の更に他の実施形態に係る人工ポンプ駆動装置の構成を示す図である。
【図７】同装置の圧力波形を示すグラフである。
【図８】従来の人工ポンプ駆動装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，５…人工ポンプ駆動装置、２…血液ポンプ、４…コントローラ、１１…エアーシリンダ機構、１２…モータ、１３…回転数設定器、１４…減速機、１５…非円形歯車機構、１６…エアーホース、１７…分岐ホース、１８…陰圧制御弁、１９…陽圧制御弁、４１，４２…圧力センサ、４３，４４…比較器、４５…表示器、１１１…シリンダ、１１２…ピストン、１１３…ケース、１１５…クランクシャフト、１１７…コンロッド。
【図１】
2006346440.tif 000003
【図２】
2006346440.tif 000004
【図３】
2006346440.tif 000005
【図４】
2006346440.tif 000006
【図５】
2006346440.tif 000007
【図６】
2006346440.tif 000008
【図７】
2006346440.tif 000009
【図８】
2006346440.tif 000010