(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプアクチュエータの消費電力に基いて、血液ポンプシステムの異常状態を検知する方法を提供する。【解決手段】ポンプアクチュエータの消費電力の時間に対する微分値を消費電力に対してプロットすることで、プロットパターンが得られる。プロットパターン面積の変化および／またはプロットパターンの動きはポンプの状態の変化を示し、プロットパターン面積の経時変化に対応する心臓ポンプ面積（ＨＰＡ）指数と、プロットパターン位置の経時変化（例えばプロットパターンが移動した距離に相当する）に対応する心臓ポンプ位置（ＨＰＰ）指数が設定できる。ＨＰＰ指数に対するＨＰＡ指数をプロッティングすることで、ポンプの状態変化を監視し、ポンプの異常状態を検知することができる。【選択図】図３
2005080982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液ポンプシステムのポンプアクチュエータの電力消費微分値を監視するステップと；
ポンプアクチュエータの電力消費の時間に対する微分値をポンプアクチュエータの電力消費に対しプロットしてプロットパターンを得るステップと；を含み、
前記プロットパターンの変化がポンプシステムの状態の変化を示すポンプシステムの異常状態を検知する方法。
【請求項２】
前記プロットパターンの変化が前記プロットパターンの面積または位置の変化のいずれかを少なくとも１つ含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プロットパターンの面積の減少が前記ポンプシステムの流量の減少を示す、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記プロットパターンの面積の減少および移動が前記ポンプシステムの流量の減少を示す、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
プロットパターンの面積の経時変化に対応する心臓ポンプ面積（ＨＰＡ）指数を確立すること；
プロットパターンの位置の経時変化に対応する心臓ポンプ位置（ＨＰＰ）指数を確立すること；
ＨＰＰ指数に対しＨＰＡ指数をプロットすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ＨＰＰ指数に対するＨＰＡ指数の前記プロットの変化を監視することによりポンプシステムの異常状態を検知することを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記異常状態の前記検知に応じて更に前記ポンプシステムを制御することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記異常状態が吸引状態、過剰ポンピング状態、またはポンピング不足の１つを含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記吸引状態は前記ＨＰＡおよびＨＰＰの大きさの増加により示され；
前記過剰ポンピング状態は前記ＨＰＡおよび前記ＨＰＰの大きさの増加により示され；そして  前記ポンピング不足は前記ＨＰＡおよび前記ＨＰＰの大きさの減少により示される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００２年、９月１０日出願の米国仮特許出願第６０／４０９，９２３号の利益を請求するものであり、前記仮出願はここに参照され組込まれ、その一部を構成する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は障害のあるヒトの心臓を補助するロータリー式血液ポンプの制御に関する。より具体的には、本発明は埋込式血液ポンプの異常状態の検知に関する。これまで心臓補助装置としての使用を目的とした様々なタイプのロータリー式血液ポンプが開発されており、現在も開発が進められている。拍動ポンプと比較してロータリー式血液ポンプには、小型で効率が高く、設計も簡易である等いくつかの優位点がある。しかしこのようなロータリー式血液ポンプのためのサーボ制御システムはまだ開発されていない。現時点ではポンプの回転速度は手動操作によって制御しなければならないため、一般に、オペレーターは集中治療室内で患者を監視してポンプおよび患者の状態を監視する必要がある。このようなロータリー式血液ポンプを左心室補助装置（ＬＶＡＳ）として用いる場合、一定のポンプ回転速度により圧力ヘッドが減圧されるとポンプ流量は増加するはずである。それはこれらパラメータが、ポンプインペラーの固定回転速度とは無関係に患者の生理的状態に応じて自動的に調整されるからである。しかし生理的変化あるいはポンピング過剰により静脈還流が急激に減少しすぎると、ポンプの入口ポートに高い陰圧が生じることがあり、それにより心房および静脈内が吸引状態になり、結果的に重大な損傷をひき起こし、死を招くことさえある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のシステムでは、ポンプ流量は一般に流量計により測定され、そしてポンプのインペラーの位置は超音波センサにより測定される。流量計またはその他のセンサを使用せずにポンプシステムの異常状態を検知するのは有益である。従って、ポンプシステムの異常状態をポンプアクチュエータの消費電力から推測し、検知するのは好適である。本発明の方法は、前記およびその他の利点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はポンプアクチュエータの消費電力に基いて、血液ポンプシステムの異常状態を検知する方法を提供する。ポンプアクチュエータの消費電力の時間に対する微分値を消費電力に対してプロットすることで、プロットパターンが得られる。プロットパターン面積の変化および／またはプロットパターンの動きはポンプの状態の変化を示し、プロットパターン面積の経時変化に対応する心臓ポンプ面積（ＨＰＡ）指数と、プロットパターン位置の経時変化（例えばプロットパターンが移動した距離に相当する）に対応する心臓ポンプ位置（ＨＰＰ）指数が設定できる。ＨＰＰ指数に対するＨＰＡ指数をプロッティングすることで、ポンプの状態変化を監視し、ポンプの異常状態を検知することができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は流量計またはその他のセンサを必要としない、埋込式血液ポンプの異常状態の検知に関する。
【０００６】
本発明はポンプアクチュエータの消費電力に基いて、血液ポンプシステムの異常状態を検知する方法を提供する。ポンプアクチュエータの消費電力とポンプシステムの状態の間には相関関係がある。ポンプシステムの急激な変化はポンプアクチュエータの消費電力に対する微分値を監視することで検知できる。ポンプアクチュエータの消費電力の時間に対する微分値を消費電力に対してプロットすることで、プロットパターンが得られる。そうすればポンプシステムの状態はプロットパターンの面積および／またはプロットパターンの位置と関連付けることができる。異常状態は、プロットパターンの面積の変化および／またはプロットパターンの位置の変化という形で現れる。例えばポンプシステムの流量が減少すればプロットパターンの面積が減少し、プロットパターンの位置が移動する。ポンプシステムの正常な状態におけるいかなる変化をも検知する手段を提供するために、プロットパターンの移動（心臓ポンプ位置（ＨＰＰ）指数で表される）に対するプロットパターンの面積の変化（心臓ポンプ面積（ＨＰＡ）指数で表される）がプロットされる。異常状態には、吸引状態、ポンピング過剰状態、またはポンピング不足状態などが挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は以下添付の図面と共に説明するが、図面中の同一の要素には同一の数字が付けられている。
【０００８】
以下の詳細な説明は、単に好適実施態様例を提供するものであり、発明の範囲や応用性または構成を制限するものではない。むしろ以下の好適実施態様例の詳細な説明は、当業者が発明の好適実施態様を実行できる説明を提供するものである。添付の請求の範囲に記載されている発明の精神および範囲から逸脱すること無く、要素の機能および配置に様々な変化を加えることができることは言うまでもない。
【０００９】
本発明はポンプシステムの異常状態を検知するために、ポンプアクチュエータの消費電力とポンプシステムの状態の相関関係を利用する。
【００１０】
発明の方法の実施態様例を図１Ａ〜１Ｃに示す。本発明ではポンプシステムの急激な変化をポンプアクチュエータの消費電力の時系列微分値を監視することで検知する。図１Ａは時間によるポンプアクチュエータの消費電力のプロットを示す。図１Ｂはポンプアクチュエータの消費電力の時系列微分値のプロットを示す。発明の実施態様例では時間に対する消費電力の微分値（図１Ｂ）を消費電力に対してプロットして図１Ｃに示すプロットパターンを得る。ポンプシステムの状態はこのプロットパターンの面積およびプロットパターンの位置に関係している。従ってプロットパターンの面積の変化および／またはプロットパターンの位置は、ポンプシステムの状態の変化を示す。図１Ａ〜１Ｃは、正常なポンプ状態５と異常なポンプ状態１０双方のプロットを示している。
【００１１】
例えば図２に示すように、流量が変化すると（例えばｉｎ  ｖｉｖｏ検査中に流入移植体を賦課するなどして）異常状態が発生する。この異常状態はプロットパターンの面積の変化およびプロットパターンの位置の変化として示される。図２は流量が減少するにつれて、プロットパターンに現われる面積が減少し、プロットが左に移動することを示している。図２に示す例では、例えば毎分約３リットルの正常な流量ではプロットパターン１２に現われる。流量が毎分約１リットルに減少すると、プロットパターンはプロットパターン１４に示されるように左に移動し、面積が減少する。流量がさらに毎分約０．１リットルまで減少すると、プロットパターン１６に示されるようにさらに左に移動し、プロットパターンの面積もさらに減少する。プロットパターン面積の経時変化に対応する心臓ポンプ面積（ＨＰＡ）指数と、プロットパターンの経時的な位置変化に対応する（例えばプロットパターンが移動した距離に対応する）心臓ポンプ位置（ＨＰＰ）指数を設定することができる。例えば正常状態はＨＰＡ１．０およびＨＰＰ１．０で表わすことができる。プロットパターン面積の増加はＨＰＡ指数の上昇（例えばＨＰＡ１．２）、減少はＨＰＡ指数の下降という形で現われる。プロットパターンの左への移動はＨＰＰの減少（例えばＨＰＰ０．８）、右への移動はＨＰＰの増加となって現われる。図３に示すように、ＨＰＰ指数に対しＨＰＡ指数をプロットすることでポンプの状態が判断できる。
【００１２】
図３に示す例では、毎分４．５リットルの正常流量が設定され、結果は正常状態２４である。流量が毎分３．５リットル以下まで減少すると異常状態２６が検知される。このようにして流量計またはその他のセンサを必要とせずにポンプシステムの異常状態を検知することができる。ひとたび異常状態が検知されると、ポンプシステムを制御して正常状態に復帰することができる。異常状態は吸引状態、ポンピング過剰状態、またはポンピング不足状態の場合がある。吸引状態はＨＰＡおよびＨＰＰ値の増加により示される。ポンピング過剰状態もＨＰＡおよびＨＰＰ値の増加により示される。ポンピング不足状態はＨＰＡおよびＨＰＰ値の減少により示される。
【００１３】
従って、本発明が流量計またはその他のセンサを必要とせずに、ポンプシステムの状態を正確に検知するのに好適でコスト効率の良い方法を提供することは明らかである。
【００１４】
本発明は様々な実施態様を例示して説明されているが、特許請求の範囲に記載の発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改良や適応を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃ）.本発明の実施態様例によるポンプシステムの異常状態の検知に用いられるプロットパターンの構成を例示している：
【図２】本発明の実施態様例によるポンプ流入制限時の流量変化に対応したプロットパターン変化を示している。
【図３】本発明の実施態様例によるＨＰＰ指数に対するＨＰＡ指数のプロットを示している。
【図１−Ａ】
2005080982.tif 000003
【図１−Ｂ】
2005080982.tif 000004
【図１−Ｃ】
2005080982.tif 000005
【図２】
2005080982.tif 000006
【図３】
2005080982.tif 000007
【外国語明細書】
METHODS FOR DETECTING AN ABNORMAL CONDITION
OF A BLOOD PUMP SYSTEM
This
application claims the benefit of U.S.
provisional patent application no. 60/409,923 filed on September 10, 2002, which is incorporated herein and made a part hereof by reference.
BACKGROUND OF THE INVENTION
The
present invention relates to the control of rotary blood pumps for assisting a
failing human heart. More specifically, the present invention relates to the
detection of an abnormal condition of an implantable blood pump.  
Various types of rotary blood pumps have been developed and are
currently under development for use as heart assist devices. Compared to pulsatile pumps, rotary blood pumps have several
advantages, including smaller size, higher efficiency, and a simpler design. 
However, a servo control system for such rotary blood pumps has yet
to be developed. Typically, operators have had to monitor patients in the
intensive care unit in order to observe the condition of the pump and the
patient, as manual intervention is currently required for controlling the
rotational speed of the pump. 
If such a rotary blood pump is to be used as a left ventricular
assist device (LVAS), the pump flow should be increased when the pressurehead is decreased with the fixed rotational speed
of the pump, because these parameters automatically adjust to the patient’s
physiological condition, regardless of the fixed rotational speed of the pump
impeller. However, when the venous return
suddenly becomes too low because of physiological changes or overpumping, a high negative pressure may result at the
inlet port of the pump, which may lead to a suction condition within the atrium
and veins, which may result in serious injury or even death.
In prior art systems, pump flow is typically measured by a flow
meter and the position of the impeller of the pump is measured by an ultrasonic
sensor.
It would
be advantageous to detect an abnormal condition of the pump system without the
need for a flow meter or other 
sensors. It would be advantageous to detect an abnormal condition of the
pump system that is derived from power consumption of the pump actuator. 
The methods of the present invention provide the foregoing and other advantages.
SUMMARY
OF THE INVENTION
The
present invention relates to the detection of an abnormal condition of an implantable
blood pump without the need for flow meters or other sensors. 
The
present invention provides methods for detecting an abnormal condition of a
blood pump system based on the power consumption of the pump actuator. There is
a relationship between
the power consumption of the pump actuator and the condition of the pump
system. Rapid changes in the pump system may be detected by monitoring
differentiated power consumption of the pump actuator over time. 
By
plotting differentiated power consumption of the pump actuator over time
against the power consumption, a plot pattern may be obtained. The condition of
the pump system may then be related to the area of the plot pattern and/or the
position of the plot pattern. An abnormal condition will result in a change of
the plot pattern area and/or a change in position of the plot pattern. For
example, a reduction in the flow rate of the pump system may result in a
reduced area of the plot pattern and a shift in position of the plot pattern. 
The
changing area of the plot pattern (represented by a Heart Pump Area (HPA)
index) can be plotted against the movement of the plot pattern (represented by
a Heart Pump Position (HPP) index) to provide a means for detecting any change
in the normal condition of the pump system. An abnormal condition may include a
suction condition, an overpumping condition, or an underpumping condition. 
BRIEF DESCRIPTION OF THE
DRAWINGS
The present invention will hereinafter be described in conjunction
with the appended drawing figures, wherein like numerals denote like elements,
and:
Figure
1 (Figures 1A, 1B and 1C) illustrates the formation of the plot pattern used to
detect the abnormal condition of the pump system in accordance with an example
embodiment of the invention;
Figure 2 shows the change in the plot pattern in response to a
change in flow rate during restriction of pump inflow in accordance with an
example embodiment of the invention; and
Figure
3 shows a plot of the HPA index against the HPP index in accordance with an example
embodiment of the invention.
DETAILED DESCRIPTION OF
THE INVENTION
The ensuing
detailed description provides preferred exemplary embodiments only, and is not
intended to limit the scope, applicability, or configuration of the invention.
Rather, the ensuing detailed description of the preferred exemplary embodiments
will provide those skilled in the art with an enabling description for
implementing a preferred embodiment of the invention. It should be understood
that various changes may be made in the function and arrangement of elements
without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in
the appended claims. 
The
present invention takes advantage of the relationship between the power
consumption of the pump actuator and the condition of the pump system in order
to detect an abnormal condition of the pump system.
An
example embodiment of the inventive method is shown in Figures 1A-1C. With the
present invention, rapid changes in the pump system may be detected by
monitoring differentiated power consumption of the pump actuator over time.
Figure 1A shows a plot of the power consumption of the pump actuator over time.
Figure 1B shows a plot of differentiated power consumption of the pump actuator
over time. In an example embodiment of the invention, differentiated power
consumption over time (Figure 1B) may be plotted against the power consumption
(Figure 1A) to provide a plot pattern as shown in Figure 1C. The condition of
the pump system is related to the area of the plot pattern and the position of
the plot pattern. Therefore, a change in the area and/or position of the plot
pattern indicates a change in condition of the pump system. Figures 1A-1C show
plots for both a normal pump condition 5 and an abnormal pump condition 10. 
For
example, as shown in Figure 2, when the flow rate is changed (e.g., by clamping
the inflow graft in an in vivo study)
an abnormal condition develops. This abnormal condition may be indicated by a
change in area of the plot pattern and a change in position of the plot
pattern. Figure 2 shows that as the flow rate is decreased, the area of the
resulting plot pattern is reduced and is shifted toward the left of the plot.
In the example shown in Figure 2, a normal flow rate of, for example,
approximately 3.0 liters per minute results in plot pattern 12. When the flow
rate is reduced to approximately 1.0 liter per minute, the plot pattern is
shifted to the left and has a reduced area, as shown by plot pattern 14. A
further reduction in the flow rate to approximately 0.1 liters per minute
results in a further shift of the plot pattern to the left and a further
reduction in the area of the plot pattern, as shown by plot pattern 16.
A Heart Pump Area (HPA) index may be established which corresponds
to the changing area of the plot pattern over time. A Heart Pump Position (HPP)
index may be established which corresponds to the changing position of the plot
pattern over time (e.g., corresponding to the distance the plot pattern has
moved). For example, a normal condition may be indicated by an HPA of 1.0 and
an HPP of 1.0. An increase in the area of the plot pattern will result in an
increased HPA index (e.g., an HPA of 1.2), and vice versa. A shift to the left of the plot pattern will result in
a decrease of the HPP (e.g., an HPP of 0.8), and vice versa. 
As shown
in Figure 3, by plotting the HPA index against the HPP index, the condition of
the pump can be determined. In the example shown in Figure 3, a normal flow
rate of 4.5 liters per minute is established, resulting in a normal condition
24. An abnormal condition 26 is detected when the flow rate is reduced to below
3.5 liters per minute. In this manner, an abnormal condition of the pump system
can be detected without the need for a flow meter or other sensor.
Once the abnormal condition is detected, the pump system can then be
controlled to restore the normal condition. 
The abnormal condition may be a
suction condition, an overpumping condition, or a underpumping condition. The suction condition may be indicated
an increase in magnitude of the HPA and the HPP. The overpumping
condition may be indicated by an increase in magnitude of the HPA and the HPP.
The underpumping condition may be indicated by a
decrease in the magnitude of the HPA and the HPP. 
It
should now be appreciated that the present invention provides advantageous
methods for accurately detecting the condition of a pump system in a
cost-effective manner without the need for flow meters or sensors.
Although
the invention has been described in connection with various illustrated
embodiments, numerous modifications and adaptations may be made thereto without
departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the
claims.
What is claimed is:
1. A method for detecting an abnormal condition of an implantable
blood pump system, comprising:
monitoring
differentiated power consumption of a pump actuator of the blood pump system;
and
plotting
differentiated power consumption of the pump actuator over time against the
power consumption of the pump actuator to provide a plot pattern;
wherein
a change in the plot pattern indicate a change in condition of the pump system.
2. A method in accordance with claim 1, wherein said change in the
plot pattern comprises at least one of a change in area or position of said
plot pattern.
3. A method in accordance with claim 2, wherein a reduced area of
said plot pattern indicates a reduced flow rate of said pump system. 
4. A method in accordance with claim 2, wherein a reduced area and a
shift of said plot pattern indicates a reduced flow rate of said pump system. 
5. A method in accordance with claim 1, further comprising:
establishing
a Heart Pump Area (HPA) index corresponding to a changing area of the plot
pattern over time;
establishing
a Heart Pump Position (HPP) index corresponding to a changing position of the
plot pattern over time;
plotting
the HPA index against the HPP index.
6. A method in accordance with claim 5, further comprising:
detecting an abnormal condition
of the pump system by monitoring changes in said plot of the HPA index against
the HPP index.
7. A method in accordance with claim 6, further comprising:
controlling
said pump system in response to said detection of said abnormal condition.  
8. A method in accordance with claim 6, wherein said abnormal condition
comprises one of a suction condition, an overpumping
condition, or a underpumping condition.
9. A method in accordance with claim 8, wherein:
said
suction condition is indicated by an increase in magnitude of said HPA and said
HPP;
said
overpumping condition is indicated by an increase in
magnitude of said HPA and said HPP; and
said
underpumping condition is indicated by a decrease in
the magnitude of said HPA and said HPP.
ABSTRACT
The present invention provides methods
for detecting an abnormal condition of a blood pump system based on the power
consumption of the pump actuator. By plotting differentiated power consumption
of the pump actuator over time against the power consumption, a plot pattern is
obtained. A change of the plot pattern area and/or a movement of the plot
pattern will indicate a change in condition of the pump. A Heart Pump Area
(HPA) index may be established which corresponds to the changing area of the
plot pattern over time. A Heart Pump Position (HPP) index may be established
which corresponds to the changing position of the plot pattern over time (e.g.,
corresponding to the distance the plot pattern has moved). By plotting the HPA
index against the HPP index, changes in the condition of the pump can be
monitored and any abnormal condition of the pump can be detected.
Representative Drawing       Fig. 1
2005080982.tif 000008
2005080982.tif 000009
2005080982.tif 000010