(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体入口と液体出口とを有する空間内に封入配置され、外部に隣接配置された磁石の回転により、その回転数と同じ回転数で回転して該液体入口から液体出口に血液を送る、磁石または磁性体に連結もしくは磁石または磁性体が埋入されたインペラを備えた遠心ポンプと、該遠心ポンプの該インペラを回転駆動させる磁石とモータを備えた駆動部とを有する遠心ポンプ駆動装置において、
前記駆動部のモータの電流値を測定する電流計と回転数を測定する回転計を有するとともに、前記遠心ポンプの入口圧力と出口圧力を測定する圧力計を有し、
前記電流値と回転数より流量と遠心ポンプの入口圧力と出口圧力とから算出差圧値を算出し、
前記遠心ポンプの入口圧力と出口圧力の測定値から実測差圧値を測定し、
前記実測差圧値を前記算出差圧値と比較して、前記実測圧力差と前記算出圧力差の差を算出可能に構成されていることを特徴とする遠心ポンプ駆動装置。
【請求項２】
遠心ポンプに流れる液体の粘性係数情報を入力又は切り替えによって、流量算出値を補正する第１補正手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ駆動装置。
【請求項３】
遠心ポンプの損失電流値の入力又は切り替えによって、流量算出値を補正する第２補正手段を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心ポンプ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体外循環等に用いられる遠心ポンプ駆動装置に関し、さらに詳細には安価な流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
血液ポンプは、体外循環においては一旦取り出した血液を患者へ返血に用いられる、開心術の人工心肺装置のポンプであり、補助人工心臓装置においては患者の心臓のポンプ作用そのものを補助代行するためなどに用いられている。
従来、これらの目的で開心術に使用される血液ポンプのほとんどがローラーポンプであったが、安全性に対する要求が強いことなどから、最近は遠心ポンプの使用が増加している。遠心ポンプは当初、補助循環や分離体外循環等に使用されていたが、(1)危険な高圧が発生しない、(2)空気混入に対する安全性が高い、(3)過度な陰圧を生じない、(4)ローラーポンプのように使用前に圧閉度調節する必要がない、(5)ローラーポンプより血球損傷が少ない、(6)ローラーポンプでみられる、ポンプチューブ内面の擦れ合いによる磨耗粉が発生しない、(7)駆動装置が小型でバッテリーを内蔵する機種が多く、可搬性に優れる、などの様々な利点の認識が進み、我が国でも一般開心術や分離体外循環にも使用する施設が増加している。
【０００３】
図１は遠心ポンプの一例を示す図であり、この遠心ポンプは、遠心ポンプ１と、図示しない駆動部とを備えて構成されている。遠心ポンプ１は、血液入口２と血液出口３とを有する空間内に密封配置され、駆動部の磁石に吸引される磁石４を備え、該駆動部の磁石の回転により回転して該血液入口２から血液出口３に向けて血液を送るインペラ５を備えている。このインペラ５は、頂部に突出形成されたシャフト６先端に接する頂部ピボットベアリング７と、底部突起に接する底部ピボットベアリング８による２点支持によって回転自在に支持されている。インペラの上面には第１ベーン５ａが設けられ、下面には第２ベーン９が設けられており、インペラ５が一定方向に回転すると血液入口２から血液出口３に向けて血液やクリアプライム液などの液体を送るようになっている。
この遠心ポンプ１を駆動させる駆動部は、上部に取り付ける遠心ポンプ１の磁石４を強く吸引するための磁石と、この磁石を回転させるモータとを備えている。この駆動部のモータを駆動すると、インペラは同じ回転数で回転し、上部に取り付けた遠心ポンプ１のインペラ５が回転し、血液入口２から血液出口３に向けて液体が送られる。尚、磁石４は駆動部の磁石と同じ回転数になれば低コストの磁性体に置き替えてもかまわない。
【０００４】
この遠心ポンプは、同じ回転数で運転しても、圧力負荷が変動すると流量が変化するため、ポンプ流量を知るための流量計を別途設ける必要があり、ポンプ流量を一定に保つには常に流量計を監視し、回転数を適当に操作する必要がある。従来、遠心ポンプの流量を測定し、且つ任意の流量となるようにモータの回転数を適宜調節するためのコントローラを備えた遠心ポンプ駆動装置が提供されている。さらに、この種の遠心ポンプ駆動装置において、流量を測定するための流量計としては、超音波流量計と電磁流量計が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の遠心ポンプ駆動装置用流量計には、次のような問題があった。
超音波流量計は、その測定原理からクリアプライム液の流量を測定できず、また１Ｌ／分以下の低流量域の精度が悪い。また現在市販されている装置は高価格である。さらに流量センサがチューブサイズ毎に必要となる。加えて測定誤差が５〜１０％程度と大きい、などの問題がある。
また電磁流量計は超音波流量計よりもさらに高価である。さらに流量センサがチューブサイズ毎に必要となるなどの問題がある。測定誤差は５％程度で超音波流量計よりはよい。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、従来の超音波流量計や電磁流量計よりも安価な流量測定手段を備えた遠心ポンプ駆動装置の提供を目的としている。
また本発明の別な目的は、遠心ポンプの経時劣化による交換時期を示唆できる遠心ポンプ駆動装置の提供である。
本発明のさらに別な目的は、切り替え操作によってクリアプライム液と血液の両方の流量測定が精度よくできる流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置の提供である。
本発明のさらに別な目的は、切り替え操作によって損失電流の異なる各種の遠心ポンプに応じて流量測定を正確に実施可能な流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置の提供である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、液体入口と液体出口とを有する空間内に封入配置され、外部に隣接配置された磁石の回転により、その回転数と同じ回転数で回転して該液体入口から液体出口に血液を送る、磁石または磁性体に連結もしくは磁石または磁性体が埋入されたインペラを備えた遠心ポンプと、該遠心ポンプの該インペラを回転駆動させる磁石とモータを備えた駆動部とを有する遠心ポンプ駆動装置において、前記駆動部のモータの電流値を測定する電流計と回転数を測定する回転計を有するとともに、前記遠心ポンプの入口圧力と出口圧力を測定する圧力計を有し、前記電流値と回転数より流量と遠心ポンプの入口圧力と出口圧力とから算出差圧値を算出し、前記遠心ポンプの入口圧力と出口圧力の測定値から実測差圧値を測定し、、前記実測圧力差と前記算出圧力差の差を算出可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ駆動装置を提供する。
【０００９】
また、本発明の遠心ポンプ駆動装置において、遠心ポンプに流れる液体の粘性係数情報を入力又は切り替えによって、流量算出値を補正する第１補正手段を含む構成とすることができる。
【００１０】
さらに、本発明の遠心ポンプ駆動装置において、遠心ポンプの損失電流値の入力又は切り替えによって、流量算出値を補正する第２補正手段を含む構成とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の遠心ポンプ駆動装置の参考例を示す図である。この遠心ポンプ駆動装置１０は、血液入口２と血液出口３とを有する空間内に密封配置され、駆動部１１内の磁石（図示略）の回転により回転して該血液入口２から血液出口３に血液を送るインペラ５を備えた遠心ポンプ１と、該遠心ポンプ１のインペラ５を回転駆動させる磁石とモータ（図示略）とを備えた駆動部１１と、この駆動部１１のモータの電流値を測定する電流計１２と回転数を測定する回転計（図示略）を有し、その電流値と回転数より流量と遠心ポンプの入口圧力と出口圧力との差圧を算出する流量計１３を備えた構成になっている。
【００１２】
この遠心ポンプ駆動装置１０の流量計１３は、駆動部１１のモータの電流値（トルクと比例：遠心ポンプ１を含んだモータの損失電流を除く）と回転数（ｒｐｍ）から流量と遠心ポンプ１の前後（即ち血液入口２と血液出口３）の差圧を算出可能になっている。さらに流量計１３に加え、該モータの回転数を制御するための図示しない回転設定部が設けられ、算出した流量及び／又は差圧が任意となるようにモータの回転数を制御可能になっている。流量の精度と信頼性、その他後述する付加機能を必要としなければ、このシンプルな構成だけで十分に流量測定の目的を達成することができる。
【００１３】
この流量計１３は、測定した電流値と回転数のうち回転数を表示し、それらのデータをもとに流量又は流量及び差圧を簡単に算出できる構成とし得、さらに測定した電流値と回転数をもとに流量、及び差圧を任意に表示する表示機能を設けることができるし、また算出した流量及び／又は差圧が一定範囲内となるようにモータの回転数を自動的に制御する自動制御機構を設けることもできる。
【００１４】
図３は本発明の遠心ポンプ駆動装置の第１の実施形態を示す図である。この遠心ポンプ駆動装置２０は、図２に示す遠心ポンプ駆動装置１０と同様の構成要素を備えて構成され、さらに遠心ポンプ１の血液入口２及び血液出口３の圧力を測定する圧力計２１，２２を含むとともに、流量計２４が、駆動部１１のモータの電流値を測定する電流計１２と回転数を測定する回転計（図示略）と、前記圧力計２１，２２の圧力測定データを、若しくは血液入口２側及び血液出口３側の差圧及び／又は血液入口圧と血液出口圧を表示する圧力表示部２３を備えた構成になっている。
【００１５】
前述の参考例による遠心ポンプ駆動装置１０は、血液の流れを直接モニターしていない。そこで第１の実施形態では、その血液流れのモニターを汎用性の高い圧力計２１，２２によって測定し、血液入口２側及び血液出口３側の差圧を検出可能とした。圧力計２１，２２としては、小型で簡単な構造の圧力センサを利用することができる。前述した通り電流計１２と回転計の測定結果から算出された差圧（算出差圧）と、それとは別に測定された血液入口２側及び血液出口３側の差圧（実測差圧）とを比較することによって正確な流量を確認し且つ校正することができる。また独立した血液流量の実測実施により信頼性を向上させることができる。さらに遠心ポンプ１のインペラ５を支持する軸受の経時劣化による回転抵抗値増加によって、実測差圧値と算出差圧値の差が拡大することから、遠心ポンプ１の交換時期を示唆することができる。
【００１６】
図４は本発明の遠心ポンプ駆動装置の第２の実施形態を示す図である。この遠心ポンプ駆動装置３０は、図３に示す遠心ポンプ駆動装置２０と同様の構成要素を備えて構成され、さらに流量計３２が、駆動部１１のモータの電流値を測定する電流計１２と回転数を測定する回転計（図示略）と、圧力計２１，２２の圧力測定データ若しくは血液入口２側及び血液出口３側の差圧を表示する圧力表示部２３と、遠心ポンプ１内を流れる液体の粘性係数情報の入力又は切り替えによって流量値を補正する第１補正手段３１を備えた構成になっている。
【００１７】
この第１補正手段３１は、流量計３２に付設された、或いは流量計３２に接続されたキーボード等の入力手段を用いて入力した粘性係数情報を、予め記録された粘性係数情報と比較し、その粘度において最適な流量表示となるように補正できる。これによって、本実施形態の遠心ポンプ駆動装置３０は、血液だけでなく、それとは粘度の異なるクリアプライム液等の液体の流量測定を精度良く測定することができる。
粘性係数情報としては、血液又は他の液体の粘性係数値以外にＨｔ（ヘマトクリット値）、Ｈｂ（ヘモグロビン量）、ＴＰ（総タンパク量）等がある。
本実施形態において、第１の補正手段３１による簡便な切り替え方式として、例えばＨｔ値の３段程度（０〜１０％、１０〜２５％、２５％〜）の区別によって切り替える方式を採用することができる。
【００１８】
図５は本発明の遠心ポンプ駆動装置の第３の実施形態を示す図である。この遠心ポンプ駆動装置４０は、図４に示す遠心ポンプ駆動装置３０と同様の構成要素を備えて構成され、さらに流量計４２が、駆動部１１のモータの電流値を測定する電流計１２と回転数を測定する回転計（図示略）と、圧力計２１，２２の圧力測定データ若しくは血液入口２側及び血液出口３側の差圧を表示する圧力表示部２３と、遠心ポンプ１内を流れる液体の粘性係数情報の入力又は切り替えによって流量値を補正する第１補正手段３１と、遠心ポンプ駆動装置の損失電流値の入力又は切り替えによって流量値を補正する第２補正手段４１を備えた構成になっている。
【００１９】
電流値は遠心ポンプ１を含むモータの損失電流を除いた電流値を用いる。この電流値は、各種の駆動部１１と各種の遠心ポンプ１の組み合わせによる固定値である。その固定値の差を校正するために、各メーカーからの遠心ポンプ１による固定値を記憶させておき、新規使用の際、及び遠心ポンプ１を別種のものに交換する際に、この第２の補正手段３１に該当する遠心ポンプ１の固定値を新規に入力するか、表示された遠心ポンプ１の商品番号表示等を切り替えることによって、多種の遠心ポンプ１に対応でき、その固定値によって校正された正確な流量値を算出し、表示することができる。駆動部１１は現状と同様に、アダプタの使用、外部モータの交換等で対応することができる。
【００２０】
このように本発明によれば、従来の超音波流量計や電磁流量計よりも安価な流量測定手段を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
また本発明によれば、遠心ポンプの経時劣化による交換時期を示唆できる遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
さらに、切り替え操作によってクリアプライム液と血液の両方の流量測定ができる流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
さらにまた、切り替え操作によって損失電流の異なる各種の遠心ポンプ駆動装置に応じて流量測定を正確に実施可能な流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
【００２１】
さらに、遠心ポンプの流量が下がった場合、従来の流量計では流量下限警報表示を発するだけであったが、本発明では差圧を連続測定しているので、流量低下の原因が脱血不良か送血圧上昇か推測しやすく、迅速な対応が可能となる。
特にＰＣＰＳ（経皮的心肺補助システム）においては、脱血圧と送血圧を連続測定していることになるので、流量低下の原因が脱血不良か送血圧上昇か判断でき、極めて有効である。
【００２２】
【実施例】
［システム概要］
市販の遠心ポンプと駆動部と本実施例用に作製したコントローラ（流量計）を用いて遠心ポンプ駆動装置を作製し、その性能を調べた。
【００２３】
（遠心ポンプ）
京セラ（株）製のピボットベアリングを採用した二点支持式小型遠心ポンプ（Ｃ１Ｅ３）を用いた。この遠心ポンプの流量圧力特性を図６に示し、且つその仕様を次に記す。
・遠心ポンプ（Ｃ１Ｅ３）の仕様
外径[mm]：８６
高さ[mm]：４８
重量[g]：１２４
内部容量[ml]：４０
回転数[rpm]：Ｍａｘ４０００
吐出圧[mmHg]：５００
吐出流量[L/min]：１０
流入、吐出ポートサイズ[inch]：３／８
【００２４】
（駆動部）
駆動部モータ及び専用ドライバにはソフトロニクス社製ＤＣブラシレスモータを用いた。このモータの仕様を次に示す。
・モータの仕様
電源電圧：ＤＣ２４Ｖ
モータ形式：Ｍ０２８型
定格出力：４５Ｗ
定格回転数：３０００ｒｐｍ
定格トルク：１．５ｋｇｆｃｍ
定格電流：３Ａ
最大電流：５Ａ
モータの種類：３相ＤＣブラシレスモータ
モータ構造：アウターロータ、スター結線
磁極数：４極
スロット数：６スロット
ロータ位置検出：ホールＩＣ
絶縁階級：Ｅ種（１２０℃）
保護機能：過負荷保護（サーマルプロテクタ）
仕様環境：温度０〜４０℃（凍結のないこと）
湿度８５％ＲＨ以下（結露のないこと）
絶縁抵抗：ＤＣ５００Ｖメガーにて１００ＭΩ以上（ケース〜コイル間）
絶縁耐圧：ＡＣ１０００Ｖで１分間以上なし（ケース〜コイル間）
【００２５】
（コントローラ（流量計））
本実施例で用いたコントローラ（流量計）は、図２に示したように駆動部のモータの電流値と回転数を測定できるとともに、つまみを調整することでモータの回転数を変化させることが可能な構造とした。使用したコントローラは単体で３２０ｇ、遠心ポンプと駆動部を合わせた総重量でも１２９０ｇと非常に軽量でコンパクトなサイズであるため、持ち運びも容易に行うことができる。
【００２６】
［実施例１：流量圧力推定］
１．グリセリン水溶液の濃度と粘性係数の関係
血液中の赤血球成分の割合を示すヘマトクリット値と粘性係数及び温度の関係図を図７に示す。図７から、血液はヘマトクリット値、温度が変化することで粘性係数が大幅に変化することが確認できた。
次に、グリセリン水溶液の粘性係数を厳密に調整し流量圧力推定精度の向上を図るため、グリセリン水溶液の濃度と粘性係数の関係について実験を行った。
粘性係数の測定には、Ｂ形粘度計（４８４０；トキメック）を用いた。
【００２７】
各グリセリン水溶液の濃度における粘性係数の計測実験の手順を示す。
▲１▼水とグリセリンの密度と重さを考慮することにより各グリセリン水溶液の濃度を調整し、１０個のサンプルグリセリン水溶液を用意した。
▲２▼グリセリン水溶液の温度を３０℃にした。
▲３▼粘度計を用いて粘性係数を計測した。
▲４▼各グリセリン水溶液の濃度−粘性係数のグラフを作成した。
▲５▼各グリセリン水溶液の濃度−粘性係数のグラフから多項近似式により関係式を算出した。
【００２８】
３０℃の各グリセリン水溶液の濃度−粘性係数の関係図を図８に示す。
また、このグラフより算出した関係式を次式（１）に示す。
Ｍ＝0.0032ｎ2−0.511ｎ＋3.6599      （１）
（式中、Ｍはグリセリン水溶液濃度（％）、ｎは粘性係数（ｃＰ）である）
推定式の算出にこの粘性係数の値を考慮することによって、流量圧力推定の高精度化を図ることができる。このため実験には血液の変化に近いグリセリン水溶液を用いることとし、グリセリン水溶液の濃度と粘性係数の関係について実験を行った結果、算出した各グリセリン水溶液の濃度−粘性係数の関係式から粘性係数を考慮した実験が可能となった。
【００２９】
２．モータ単体の損失電流の計測
本実施例では推定式算出にモータ回転数とトルクを用いる。一般にＤＣブラシレスモータにおいて発生するトルクは、モータの特性上モータに流れる電流値に比例する。そこで本研究の推定式算出にはトルク値ではなく電流値を用いることにした。モータ駆動時に流れる電流はモータ自身を駆動させる電流値と遠心ポンプを動作させる電流値の和である。そこで、モータ駆動時の電流値からモータ単体での損失電流を差し引くことで遠心ポンプを動作させる電流値、すなわちトルクを算出することが可能である。この実験ではモータ単体での損失電流を計測する。
【００３０】
モータ単体での損失電流を角速度から算出するための実験手順を示す。
▲１▼モータを無負荷状態で０〜３５００[rpm]の範囲で任意に回転させた。
▲２▼各回転数の電流値を計測した。
▲３▼角速度−損失電流のグラフを作成した。
▲４▼角速度−損失電流の関係式を算出した。
【００３１】
無負荷時のモータ損失電流値の測定結果を図９に示す。
また、無負荷時のモータ損失電流の測定結果からの損失電流と角速度の関係式を次式（２）に示す。
Ｉ＝0.0008ω＋0.0416    （２）
（式中、ωはモータの角速度[rad/s]を示し、Ｉはモータ単体での損失電流[A]を示す）
【００３２】
この実験結果より、モータの角速度とモータ単体での損失電流の関係式が求められた。この式（２）を用いることで、各回転数におけるモータの損失電流値を求めることが可能になった。これにより、グリセリン水溶液を用いた実験時の電流値からこの損失電流値を引くことにより、トルクの増減による電流変化を取り出すことが可能になった。
【００３３】
３．流量推定式の算出
簡便な回路構成を実現させるために、遠心ポンプ駆動時のモータ電流値及び回転数から、流量の推定を試みた。推定式算出において電流値は前述したモータ単体での損失電流を差し引いた遠心ポンプの動作に必要なトルクを得るための電流値を用いた。また、実験に用いたグリセリン水溶液は、前述した式（１）を用いて粘性係数の調整を行った。表１に粘性係数のグリセリン水溶液の濃度への換算表の一例を示す。
【表１】
0004440499.tif 000002
【００３４】
実験に用いた循環回路の模式図を図１０に示す。図１０中、符号１は遠心ポンプ、１１はモータを含む駆動部、５０は電磁血流計（ＭＦＶ−３２００；日本光電社製）、５１は圧力計（ＡＰ−６１１Ｇ；日本光電社製）、５２は液体（グリセリン水溶液）を貯留するためのリザーバ、５３は流量調節用のクランプである。
各濃度のグリセリン水溶液を実験用循環回路に充填し、温度を３０℃に保った。循環実験中は、回転数を一定にした状態で流量をクランプの調整により変化させた。
流量推定式算出のために行った流量−電流特性実験の手順を示す。
▲１▼粘性係数２．０[cP]、３．０[cP]、４．０[cP]に調整したグリセリン水溶液を実験回路に充填した。
▲２▼回転数を１０００〜３５００ｒｐｍの範囲において５００ｒｐｍ刻みで変化させ、各回転数で一定に保った。
▲３▼各回転数で流量を１[L/min]刻みに０[L/min]から最大流量まで変化させ、このときの電流値を計測した。
粘性係数２．０[cP]における流量−電流特性図を図１１に示す。
粘性係数３．０[cP]における流量−電流特性図を図１２に示す。
粘性係数４．０[cP]における流量−電流特性図を図１３に示す。
【００３５】
図１１〜図１３の流量−電流特性図から、モータの特性は各粘性係数の実験においても同様な傾きを示したが、グラフの切片である流量０[L/min]の電流値は粘性係数が大きくなれば同じ回転数でも上昇することが確認できた。よって、流量圧力推定には正確な粘性係数を考慮する必要があるものと考えられた。
以上を考慮し角速度を用いて、流量軸方向と電流軸方向に対し軸変換処理を行った。この軸変換により、測定データを一直線上に表すことが可能であり、流量推定式を算出することが可能である。
一例として、粘性係数３．０[cP]の流量−電流特性図（図１２）を用いて流量推定式の算出過程について記す。
電流軸の変換は、図１２の流量０[L/min]における電流値に着目し、回転数（角速度）に対する電流値の特性を調べた。粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における角速度−損失電流特性図を図１４に示す。
【００３６】
図１４より粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における角速度−損失電流特性図を次式（３）に示す。
Ｉ＝2.0×10-06×ω2.308    （３）
Ｒ２＝0.9998
（式中、Ｉは遠心ポンプ損失電流[A]、ωは角速度[rad/s]を示す）
【００３７】
図１４と式（３）から、粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]におけるポンプ損失電流は、回転角速度ωの２．３０８乗に上昇していることが示されている。そのため、流量０[L/min]における損失電流値の各切片を２．３０８乗で割ることにより、軸上の一点に集中させることができる。この角速度の２．３０８乗で割る操作を全てのデータに対して行った結果を図１５に示す。
図１５において、回転数の上昇とともに傾きが小さくなっていることが示されている。そこで各データの流量値を角速度の累乗で割ることにより、全ての傾きを同じにすることが可能である。各角速度と傾きの特性図を図１６に示す。
【００３８】
図１６から、角速度と傾きの関係式はｙを切片とすると角速度ωを用いて次式（４）のように示される。
ｙ＝63.139ω-0.7079    （４）
この式（４）より、角速度の上昇により傾きが角速度の０．７０７９乗で減少していることが示される。これにより、流量値を角速度の０．７０７９乗で割ることにより、傾き全てが一致することになる。
流量方向と電流方向への軸変換の操作により全てのデータが一直線上に表現できる。粘性係数３．０[cP]の流量−電流特性図の全てのデータに軸変換を行った結果を図１７に示す。
【００３９】
図１７で一直線上に表現された特性図を線形近似式により特性式を求めると次式（５）のように示される。この式が粘性係数３．０[cP]における流量推定式となる。
Ｉ’＝0.3062Ｑ’＋17.445    （５）
同様の軸変換操作を各粘性係数の流量−電流特性図について行うことで、各粘性係数における流量推定式を求めることが可能である。
この時の各軸方向軸変換の累乗値を表２に示す。
【表２】
0004440499.tif 000003
【００４０】
表２から、各粘性係数の累乗値の平均値を用いて、流量、電流方向への軸変換式は次のように示し、再度各粘性係数の流量−電流特性図に軸変換を行った結果を図１８に示す。
電流方向の軸変換式  Ｉ’＝Ｉ／ω2.19×１０7
流量方向の軸変換式  Ｑ’＝Ｑ／ω0.63×200
【００４１】
図１８から各粘性係数における流量推定式は以下のように算出した。
粘性係数２．０[cP]の流量推定式
Ｉ’2.0＝0.415Ｑ’＋30.4
粘性係数３．０[cP]の流量推定式
Ｉ’3.0＝0.415Ｑ’＋33.0
粘性係数４．０[cP]の流量推定式
Ｉ’4.0＝0.4234Ｑ’＋35.1
【００４２】
以上より、粘性係数の違いによって各流量推定式の傾きは殆ど変化せず、切片のみが30.4、33.0、35.1と傾きに比例した時、大きく変化していることが確認できた。このため流量推定式の傾きには各粘性係数の推定式の傾き平均値を用いることとした。また、切片は粘性係数の変化により変化するため、粘性係数を考慮する必要があると考えられた。粘性係数と切片の関係を図１９に示す。
【００４３】
図１９より、切片と粘性係数の関係式は次式（６）のように示される。
Ｍ＝0.0032ｎ2−0.511ｎ＋3.6599    （６）
（式中、Ｍはグリセリン水溶液濃度[%]、ｎは粘性係数[cP]を示す）
以上より、粘性係数を考慮した一般化流量と一般化電流の関係式を次式に示す。
Ｉ’＝0.4181Ｑ’＋（2.2895ｎ＋26.013）
（流量推定のための実験式）
Ｑ’＝（Ｉ’−(2.2895ｎ＋26.013））／0.4181    （７）
（式中、Ｉは電流[A]、Ｑは流量[L/min]、ｎは粘性係数[cP]である）
【００４４】
以上の通り流量推定式が流量−電流特性図の実験結果（図１１〜図１３）より算出された。
図１８より粘性係数の変化により推定式の傾きは殆ど変化せず、切片のみが変化することが示された。そのため流量推定式の傾きは各粘性係数の推定式の平均値を用いることとし、切片は式（６）を用いて推定式の算出を行った。これにより、遠心ポンプ駆動装置の流量測定を回転数と電流値のみから行うよりも、液体の粘性係数も計測し考慮することが好ましいことが示された。
【００４５】
４．圧力推定式の算出
流量と回転数より圧力推定式の算出を試みた。圧力推定式算出において流量は前述した通り推定した流量値を用いた。また、実験に用いたグリセリン水溶液は、前述した式（１）を用いて粘性係数の調整を行った。
【００４６】
各濃度のグリセリン水溶液を実験用循環回路に充填し温度を３０℃に保った。実験循環回路は図１０に示す。
循環実験中は、回転数を一定にした状態で流量をクランプの調整により変化させた。次に実験手順を示す。
▲１▼粘性係数２．０[cP]、３．０[cP]、４．０[cP]に調整したグリセリン水溶液を実験回路に充填した。
▲２▼回転数を１０００〜３５００[rpm]において５００[rpm]刻みで変化させ、各回転数で一定に保った。
▲３▼各回転数で流量を１[L/min]刻みに最大圧力まで変化させ、この時の遠心ポンプの入口圧と出口圧を計測し、圧力差とした。
粘性係数２．０[cP]の時の流量−圧力特性図を図２０に示す。
粘性係数３．０[cP]の時の流量−圧力特性図を図２１に示す。
粘性係数４．０[cP]の時の流量−圧力特性図を図２２に示す。
【００４７】
図２０〜図２２の流量−圧力特性図から、回転数より求められる角速度を用いて、流量軸方向と電流軸方向に対し、軸変換処理を行った。これにより、測定値を一直線上に表すことができ、圧力推定式を算出することが可能となった。
粘性係数３．０[cP]の流量−圧力差特性図（図２１）を用いて圧力推定式の算出過程について述べる。
圧力軸の変換は、図２１の流量０[L/min]における圧力差に着目し、回転数（角速度）に対する圧力差の特性を調べた。粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における角速度−圧力差特性図を図２３に示す。
【００４８】
図２３より粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における角速度−圧力差特性図を次式（８）に示す。
Ｐ＝0.0021×ω2.1439    （８）
Ｒ２＝1.0
（式中、Ｐは圧力差[mmHg]、ωは角速度[rad/s]を示す。）
【００４９】
この式（８）から、粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における圧力差は、回転角速度ωの２．１４３９乗に上昇していることが示されている。そのため、流量０[L/min]における圧力差の各切片を２．１４３９乗で割ることにより、切片は一点に集中させることができる。この角速度の２．１４３９乗で割る操作を全てのデータに対して行った結果を図２４に示す。これが、圧力方向の軸変換となり次式のように示すことができる。
Ｐ’＝Ｐ／ω2.05
（式中、Ｐ’は軸変換後の圧力差、ωは角速度を示す）
【００５０】
図２４において流量方向に軸変換を行う。しかし、圧力の場合、流量の変換時のように傾きがないため、軸変換の累乗値は最も相関の高いものを用いることとした。その結果、流量方向に１．１乗で割ることで、同一曲線上に表すことが示された。粘性係数３．０[cP]の流量−圧力差特性図の全てのデータに対し軸変換を行った結果を図２５に示す。
図２５で同一曲線上に表現された特性図から、多項式近似式により特性式を求めると次式のように表される。この式は粘性係数３．０[cP]における圧力推定式となる。
Ｐ’＝0.00007ω2−0.00076ω＋20.568
Ｒ2＝0.9581
【００５１】
同様の軸変換操作を各粘性係数の流量−圧力差特性図に行うことで、各粘性係数における圧力推定式を求めることが可能である。
この時の、各軸方向の軸変換の累乗値を表３に示す。この各粘性係数の累乗値の平均値を用いて、再度各粘性係数の流量−圧力差特性図に軸変換を行った結果を図２６に示す。
【表３】
0004440499.tif 000004
【００５２】
粘性係数２．０[cP]の流量推定式
Ｐ’2.0＝−0.0003Ｑ''2＋0.0036Ｑ''＋33.68
粘性係数３．０[cP]の流量推定式
Ｐ’3.0＝−0.0002Ｑ''2＋0.0128Ｑ''＋33.79
粘性係数４．０[cP]の流量推定式
Ｐ’4.0＝−0.0002Ｑ''2＋0.0048Ｑ''＋34.18
【００５３】
図２６に示されるように、各粘性係数の軸変換後の特性は、ほぼ同一曲線状に表現できるため、各粘性係数における特性の違いを推定式に考慮する必要はないと考えられる。そこで、各粘性係数における特性式の平均を圧力推定式とした。
圧力推定のための実験式（１０）
Ｐ’＝−0.0002Ｑ''2＋0.007Ｑ''＋33.88    （１０）
【００５４】
以上の通り、圧力推定式（１０）が流量−圧力差特性図の実験結果より算出された。圧力推定式には、前記「３．流量推定式の算出」において推定した流量を用いた。そのため、流量に大幅な推定誤差が生じれば、圧力推定にも影響を及ぼすこととなり、推定誤差が生じるものと考えられる。
【００５５】
５．牛血液を用いた流量圧力推定式の評価実験
流量圧力推定式の評価実験として、グリセリン水溶液を用いた時と同じ実験回路において、実際に牛血液を用いて推定式の評価実験を行った。
次に実験手順を示す。
▲１▼牛血液を３０℃でヘマトクリット値４０％に調整し、実験回路に充填する。
▲２▼回転数を１０００〜３５００[rpm]において推定式の評価実験を行う。
【００５６】
流量推定式の評価方法として計測流量値に対する推定流量値をグラフ上にプロットし、ｙ＝ｘの値からのずれを比較した。流量推定式の精度図を図２７に示し、これまでの流量推定式の精度図を図２８に示す。圧力推定式の精度図を図２９に示す。また、従来の推定式との流量及び圧力推定精度の比較表を表４、表５に示す。
【表４】
0004440499.tif 000005
【表５】
0004440499.tif 000006
【００５７】
牛血液を用いた流量推定式評価実験において、平均流量精度２．０％、最大推定流量誤差０．５６[L/min]と高い精度を得ることが示された。流量推定誤差の要因としては、血液はグリセリン水溶液と比較した場合、循環中の温度等の要因による粘性の変化が生じると考えられる。しかし、粘性係数を考慮することで推定式の精度が従来に比較し大幅に向上したことから、流量推定における粘性係数の重要性が示された。
現在のシステムでは、循環中に変化する血液の粘性係数を測定することは困難であるために、粘性係数情報を入力又は切替により与えて測定精度を上げたが、今後何らかの方法によりリアルタイムな粘性係数を知ることができることが望まれる。
また、牛血液を用いた圧力推定式評価実験において、平均圧力精度５．８％、最大推定圧力誤差３０．７[mmHg]となった。圧力推定式には、前記「３．流量推定式の算出」において推定した流量を用いている。そのため、流量に推定誤差が生じれば、圧力推定にも推定誤差が生じるものと考えられる。
【００５８】
［実施例２：小型コントロールシステム］
１．推定流量圧力表示システム
８ビットマイクロコンピュータを用いて、推定パラメータである電流値と回転数をリアルタイムにマイコンに取り込むことで、前記実施例１で算出・評価を行った流量推定式により、血液循環中に流量表示が可能な小型システムの試作を行った。実験溶液の粘性係数は、予め粘度計を用いて計測を行い入力した。
推定システムのブロック図を図３０に示す。
【００５９】
駆動部に用いられているＤＣブラシレスモータには、ロータの位置検出用にホールセンサが内蔵されている。このホールセンサからの出力は方形波であるため、その出力回数は周波数計を用いることにより計測が可能である。このモータでは、１回転する間にホールセンサから２回出力があるため、周波数計に表示される周波数を３０倍することによって一分間あたりの回転数[rpm]に換算することができる。周波数計には秋月電子通商製「ＰＩＣ１６Ｃ７１ 使用液晶表示周波数カウンタキットVer.2」を用いた。
【００６０】
前記の通り８ビットマイクロコンピュータを用いた流量推定システムの試作を行った。試作した表示部により、実質的に流量計として使用し得る小型遠心ポンプ駆動装置コントローラの実現が可能となった。また、循環中に変化する粘性係数をリアルタイムに検知し、推定式に組み込むことが可能になればより高精度な推定が行えると考えられる。
【００６１】
２．オンライン粘度計の検討
実施例１において、流量の推定には血液の粘性係数の影響を受けることが示された。そのため、磁歪素子を用いた超音波振動子により、小型でリアルタイムに粘性係数が計測可能なオンライン粘度計について検討を行った。
磁歪振動子は、磁性体の磁歪現象を利用した電気音響変換器として、超音波の発生及び検出のために古くから用いられており、音響測深機、魚群探知機、ソナー、或いは超音波を利用した洗浄、乳化、分散、殺菌、機械加工、溶接などに広く利用されている。
消磁された強磁性体が磁化されると外形が僅かに変化する。この現象を磁歪という。鉄の丸棒を長さｌに沿って磁化するとδｌだけ伸びる。この比δｌ／ｌを磁歪λで表す。
λ＝δｌ／ｌ
このλは鉄では１０-5程度であり、符号は正を伸びとする。磁界の方向の磁歪による効果を縦効果といい、磁界に垂直な磁歪を横効果というが、体積効果である体積磁歪はあまり大きくなく、したがって普通縦効果と横効果とは逆符号である。磁歪は磁界に対しては履歴を伴うが、磁化に対しては１価関数である。磁歪現象は最初Ｊｏｕｌｅによって発見され、ジュール効果とも言う。この逆効果はビラリ効果という。
磁歪振動子には角形振動子と環状振動子がある。金属磁歪材料を用いる場合には渦電流を減らすために薄板にし、表面絶縁を施して積層固着するが、フェライト磁歪材料の場合にはその必要がない。
磁性体の静磁歪量は磁化の方向を反対にしても変化せず、消磁状態では小振幅の振動に対する動的な磁歪変換の機能はない。したがって、磁歪振動子を使用する場合には、偏奇磁化を与える必要がある。フェライト振動子の場合は磁石偏奇磁化方式が多く用いられる。これは磁気回路に磁石を入れて偏奇磁化を与え、直流偏奇電流を不要にしたものである。磁石の中に交流磁束を通す必要があるから、金属の磁石は使用できず、バリウムフェライトが使用される。
磁歪振動子は殆どの場合、機械的共振周波数で使用される。したがって、振動子の振動方向の寸法は超音波の周波数によってほぼ決まる。このような寸法上の制約もあって、磁歪振動子の使用される周波数は主として数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲である。
静磁歪による振動子の伸縮率は非常に小さいが、機械的共振の状態ではそれよりはるかに大きな振動が生ずる。零進を強くしていくとその振動による応力が破壊限度を超えて振動子が壊れてしまうこともある。
【００６２】
強磁性体に磁界を加えるとその磁化にともなって磁界方向に歪みを生ずる。磁気歪みには幾つかの型があるが、粘度の測定に重要なのは、磁気歪み効果またはジュール効果と呼ばれる縦方向の長さが変化する現象および、磁化された材料に応力を加えると透磁率が変化するビラリ効果または逆磁気ひずみ効果と呼ばれる縦方向の長さが変化する現象および、磁化された材料に応力を加えると透磁率が変化するビラリ効果または逆磁気歪み効果と呼ばれる現象である。
液体中で振動子を発振させると、素子の伸び縮みを妨げる力が生じる。この力を受けることにより素子の透磁率が変化する。透磁率が変化することによりコイルのインダクタンスが変化し、インピーダンスが変化する。この変化を測定する。この振動片粘度計の特徴は透明、不透明を問わず管内を流れる流体の粘性係数を連続的に測定できる点である。
【００６３】
実験に用いたＴＤＫ（株）製、超音波発振用磁歪振動子フェライトの主な特性について表６に示す。また、超音波振動子の外形を図３１に、また各部の寸法を表７に示す。
【表６】
0004440499.tif 000007
【表７】
0004440499.tif 000008
【００６４】
図３２に示す実験装置を用いて、サンプル溶液（グリセリン１００％、グリセリン５０％水溶液及び水）をビーカに入れ、液体中に振動子を入れた時の電圧波形および電圧値を測定した。
図３３〜図３５にそれぞれのサンプル溶液でオシロスコープを用いて測定した電圧波形を示す。図３３はグリセリン１００％の時の電圧波形を、図３４はグリセリン５０％水溶液の時の電圧波形を、図３５は水の時の電圧波形をそれぞれ示す。
図３３〜図３５に示した実験結果より、グリセリンの濃度の違いによる電圧波形の変化が示された。
【００６５】
本実施例１，２では、二点支持式遠心ポンプ駆動装置（Ｃ１Ｅ３；京セラ製）を用いたＰＣＰＳシステムの小型化について検討を行った。
モータの特性実験を行い、粘性係数を考慮し流量圧力推定式を算出した。推定式の評価実験として、実際に牛血液を用いて評価実験を行った。血液における流量の推定精度は２．０％と高精度となり、各流量において安定した流量推定結果が得られた。また、市販されている遠心ポンプシステムに用いられている超音波流量計の誤差が±１０％程度、電磁流量計の誤差が±５％程度と報告されていることから、本実施例における流量推定精度の高さが確認できた。
圧力推定精度は５．８％と圧力についても高精度な推定結果が得られた。
流量圧力推定において流体の粘性係数も重要な推定要素であり、新たに粘性係数を推定式に代入することで流量圧力推定精度が大幅に改善されることが示された。また、マイクロコンピュータを用いてモータ駆動部を制御し、推定流量値と推定圧力値を表示させることで流量計と圧力計を必要としない小型遠心ポンプ循環システムの実現の可能性が示唆された。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の超音波流量計や電磁流量計よりも安価な流量測定手段を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
また、遠心ポンプの経時劣化による交換時期を示唆できる、より安全性の高い遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
さらに切り替え操作によってクリアプライム液と血液の両方の流量測定ができる流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
また、切り替え操作によって損失電流の異なる各種の遠心ポンプ駆動装置に応じて流量測定を正確に実施可能な流量計を備えた遠心ポンプ駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  遠心ポンプを例示する縦断面図である。
【図２】  本発明による遠心ポンプ駆動装置の参考例を示す構成図である。
【図３】  本発明による遠心ポンプ駆動装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図４】  本発明による遠心ポンプ駆動装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図５】  本発明による遠心ポンプ駆動装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図６】  本発明に係る実施例の結果を示し、使用した遠心ポンプの流量圧力特性を示すグラフである。
【図７】  各ヘマトクリット値と粘性係数及び温度の関係を示すグラフである。
【図８】  グリセリン水溶液の濃度と粘性係数の関係を示すグラフである。
【図９】  モータ損失電流と角速度の関係を示すグラフである。
【図１０】  実験で用いた循環回路の構成図である。
【図１１】  粘性係数２．０[cP]における流量−電流特性図である。
【図１２】  粘性係数３．０[cP]における流量−電流特性図である。
【図１３】  粘性係数４．０[cP]における流量−電流特性図である。
【図１４】  粘性係数３．０[cP]の流量０[L/min]における角速度−損失電流特性図である。
【図１５】  流量一般化電流特性図である。
【図１６】  角速度−傾き特性図である。
【図１７】  一般化流量−一般化電流特性図である。
【図１８】  各粘性係数の一般化流量−一般化電流特性図である。
【図１９】  切片−粘性係数特性図である。
【図２０】  粘性係数２．０[cP]における流量−圧力差特性図である。
【図２１】  粘性係数３．０[cP]における流量−圧力差特性図である。
【図２２】  粘性係数４．０[cP]における流量−圧力差特性図である。
【図２３】  角速度−圧力特性図である。
【図２４】  流量−一般化圧力特性図である。
【図２５】  一般化流量−一般化圧力差特性図である。
【図２６】  各粘性係数の一般化流量−一般化圧力特性図である。
【図２７】  粘性を考慮した流量推定式の精度図である。
【図２８】  従来の流量推定式の精度図である。
【図２９】  粘性を考慮した圧力推定式の精度図である。
【図３０】  小型コントロールシステムの推定システムブロック図である。
【図３１】  実験に用いた超音波振動子の外形を示す斜視図である。
【図３２】  電圧波形測定用実験装置の構成図である。
【図３３】  グリセリン１００％で測定した電圧波形を示す図である。
【図３４】  グリセリン５０％水溶液で測定した電圧波形を示す図である。
【図３５】  水で測定した電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
１  遠心ポンプ
２  血液入口
３  血液出口
４  磁石
５  インペラ
１０，２０，３０，４０  遠心ポンプ駆動装置
１１  駆動部
１２  電流計
１３，２４，３２，４２  流量計
２１，２２  圧力計
３１  第１の補正手段
４１  第２の補正手段
【図１】
0004440499.tif 000009
【図２】
0004440499.tif 000010
【図３】
0004440499.tif 000011
【図４】
0004440499.tif 000012
【図５】
0004440499.tif 000013
【図６】
0004440499.tif 000014
【図７】
0004440499.tif 000015
【図８】
0004440499.tif 000016
【図９】
0004440499.tif 000017
【図１０】
0004440499.tif 000018
【図１１】
0004440499.tif 000019
【図１２】
0004440499.tif 000020
【図１３】
0004440499.tif 000021
【図１４】
0004440499.tif 000022
【図１５】
0004440499.tif 000023
【図１６】
0004440499.tif 000024
【図１７】
0004440499.tif 000025
【図１８】
0004440499.tif 000026
【図１９】
0004440499.tif 000027
【図２０】
0004440499.tif 000028
【図２１】
0004440499.tif 000029
【図２２】
0004440499.tif 000030
【図２３】
0004440499.tif 000031
【図２４】
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【図２５】
0004440499.tif 000033
【図２６】
0004440499.tif 000034
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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