(57)【要約】血液ポンプシステムが、ポンプハウジング及びハウジング内のポンプチャンバにおいて回転するインペラを含む。インペラは、第１の側及び第１の側と反対の第２の側を有する。システムは、トルクをインペラに印加する駆動コイルを有するステータと、ポンプチャンバ内でインペラを懸垂させる少なくとも１つの軸受機構とを含む。システムは、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、第１のギャップのサイズ及び第２のギャップのサイズを調整することによって、第１のギャップ及び第２のギャップのそれぞれにおける洗い流し量を制御する位置制御機構を含む。第１のギャップは、第１の側とハウジングとの間の距離によって画定され、第２のギャップは、第２の側とポンプハウジングとの間の距離によって画定される。
2018507349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液ポンプシステムであって、
ポンプハウジングと、
ハウジング内のポンプチャンバにおいて回転し、第１の側及び第１の側と反対の第２の側を有するインペラと、
トルクを前記インペラに印加する駆動コイルを備えるステータと、
前記ポンプチャンバ内で前記インペラを懸垂させる少なくとも１つの軸受機構と、
前記インペラを前記ポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、第１のギャップのサイズ及び第２のギャップのサイズを調整することによって、前記第１のギャップ及び前記第２のギャップのそれぞれにおける洗い流し量を制御する位置制御機構とを備え、
前記第１のギャップは、前記第１の側と前記ハウジングとの間の距離によって画定され、
前記第２のギャップは、前記第２の側と前記ポンプハウジングとの間の距離によって画定される、血液ポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記洗い流し量は、各時間期間の平均洗い流し量である、血液ポンプシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記洗い流し量は、各時間期間のピーク洗い流し量である、血液ポンプシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、トリガ事象に基づいて前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項５】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、前記インペラが速度閾値を横断することに基づいて前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項６】
請求項５に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記速度閾値は、低い速度閾値である、血液ポンプシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、前記インペラと血液ポンプの複数のモータステータコイルとの間の磁束を調整することによって前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、血液の完全な交換のための平均時間以上の時間期間にわたって前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項９】
請求項８に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記時間期間は、前記平均時間の少なくとも２倍である、血液ポンプシステム。
【請求項１０】
血液ポンプシステムであって、
ポンプハウジングと、
ハウジング内のポンプチャンバにおいて回転するインペラと、
トルクを前記インペラに印加する駆動コイルを備えるステータと、
前記ポンプチャンバの第１の端に対して前記インペラを固定する第１の軸受であって、第１の血液ギャップが前記インペラと第１の軸受表面との間に画定される第１の軸受と、
前記ポンプチャンバの第２の端に対して前記インペラを固定する第２の軸受であって、第２の血液ギャップが前記インペラと第２の軸受表面との間に画定される第２の軸受と、
前記インペラを前記ポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、前記第１の血液ギャップを増大させることによって、前記第１の血液ギャップにおける洗い流し量を増大させる位置制御機構と
を備える、血液ポンプシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、前記インペラが速度閾値を横断することに基づいて前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、
第１の相及び第２の相に対応する２つの測定される電流を受け取り、
第３の相に対応する電流を計算し、
前記インペラの速度及び位置を推定し、
前記推定された速度、前記推定された位置及び前記インペラの目的速度に基づいて、要求される電圧出力を生成し、
前記要求される電圧出力を血液ポンプのモータに提供して、前記インペラを軸方向に移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項１３】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、トリガ事象に基づいて前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項１４】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
トリガ事象は、インペラ速度閾値又は時間閾値のうちの１つ又は複数である、血液ポンプシステム。
【請求項１５】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、前記インペラを軸方向に移動させて前記第１の血液ギャップを低減し、前記第２の血液ギャップを増大させることによって該第２の血液ギャップにおける洗い流し量を増大させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項１６】
請求項１０に記載の血液ポンプシステムにおいて、
前記位置制御機構は、前記インペラと血液ポンプの複数のモータステータコイルとの間の磁束を調整することによって前記インペラを移動させるように構成されている、血液ポンプシステム。
【請求項１７】
ハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法であって、
前記インペラを前記ポンプチャンバ内で回転させることであって、前記インペラが前記ポンプチャンバの第１の端にある第１の軸受及び前記ポンプチャンバの第２の端にある第２の軸受によって前記ポンプチャンバ内で懸垂されることと、
前記インペラを前記ポンプチャンバ内で軸方向に移動させることによって、前記第１の軸受によって画定される第１の血液ギャップを増大させるとともに前記第２の軸受によって画定される第２の血液ギャップを低減させることと
を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載のハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法において、
前記インペラを移動させることは、前記インペラと前記血液ポンプの複数のモータステータコイルとの間の磁束を調整することを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載のハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法において、
前記インペラを移動させることは、
第１の相及び第２の相に対応する２つの測定される電流を受け取ること、
第３の相に対応する電流を計算すること、
前記インペラの速度及び位置を推定すること、
前記推定された速度、前記推定された位置及び前記インペラの目的速度に基づいて、要求される電圧出力を生成すること、
前記要求される電圧出力を前記血液ポンプのモータに提供すること
を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載のハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法において、
位置制御機構は、前記インペラを周期的及び断続的に移動させるように構成されている、方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載のハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法において、
位置制御機構は、トリガ事象に基づいて前記インペラを移動させるように構成されている、方法。
【請求項２２】
請求項１７に記載のハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法において、
トリガ事象は、インペラ速度閾値又は時間閾値のうちの１つ又は複数である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、圧送装置に関し、より詳細には、浮上式インペラを有する改良型血液ポンプ及びそれらの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的循環補助（ＭＣＳ）装置が、心不全を患う患者を治療するために一般的に使用されている。１つの例示的なタイプのＭＣＳ装置には、遠心流血液ポンプがある。多くのタイプの循環補助装置が、循環器疾患を患う患者の短期又は長期の補助に利用可能である。例えば、左心補助装置（ＬＶＡＤ）として知られている心臓ポンプシステムは、体外装着ポンプ制御ユニット及びバッテリと関連付けられる埋め込み式ポンプを伴う長期の患者の補助を提供することができる。ＬＶＡＤは、血液を圧送するときに心臓の左側を補助することによって、身体中の循環を改善する。ＬＶＡＤシステムの例には、Ｔｅｒｕｍｏ Ｈｅａｒｔ Ｉｎｃ．（ミシガン州、アナーバー）によって製造されるＤｕｒａＨｅａｒｔ（登録商標）ＬＶＡＳシステム、並びに、Ｔｈｏｒａｔｅｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州、プレザントン）によって製造されるＨｅａｒｔＭａｔｅ ＩＩ（商標）及びＨｅａｒｔＭａｔｅ ＩＩＩ（商標）システムがある。これらのシステムは、通常、血液を左心室から大動脈に圧送するために磁気浮上式インペラを有する遠心力ポンプを使用している。インペラは、電気モータのロータとして形成され、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）等の多相ステータからの回転磁場によって回転する。インペラは、患者の体循環にポンプにより十分な血流を提供するように回転する。
【０００３】
初期のＬＶＡＤシステムは、ボールアンドカップ軸受等の機械軸受を使用していた。最近のＬＶＡＤは、流体力及び／又は磁力を使用してインペラを浮上させる非接触式軸受を使用している。１つの例では、インペラは、流体力及び受動的な磁力の組み合わせによって浮上される。
【０００４】
血液ポンプを、より広範な患者集団を治療するためにより小型化し、より信頼性のあるものにし、改善された結果を伴うようにする傾向がある。この傾向に追従するために、非接触式インペラ懸垂技術が、幾つかのポンプ設計において開発されてきた。この技術の原理は、電磁石、流体力学及び永久磁石からの力の１つ又は組み合わせを使用してポンプインペラを浮上させることである。その一方で、ポンプは、血液細胞の損傷及び血栓の形成を最小限に抑えるために血液適合性であるべきである。そのために、浮上式インペラとポンプハウジングとの間の軸受ギャップが重要な因子になる。小さいギャップは、軸受における血栓形成の高い可能性、又は過剰な剪断応力に起因する上昇した溶結につながる可能性がある。同様に、大きいギャップは、動圧軸受の性能及びポンプの効率を損なう可能性がある。
【０００５】
能動的な磁気軸受を使用する１つのポンプの設計は、電磁石コイルにより生成される磁場を使用してインペラを浮上させることによって、所望の軸受ギャップを達成する。しかし、そのような設計では、インペラ位置を制御するために位置センサ及び電磁石コイルを含む別個の軸受制御システムが必要とされている。
【０００６】
別のポンプ設計は、流体力学的スラスト軸受のみを使用して又は受動的な磁気軸受と組み合わせてインペラを浮上させる。しかし、そのような設計は、通常、インペラの浮上を維持するとともにインペラとポンプハウジングとの間の接触を防止するため、十分な動圧軸受の剛性を提供するように小さい軸受ギャップを必要とする。そのような小さいギャップは、不十分な洗い流しや血栓形成への脆弱性をもたらす可能性があり、したがって、血液適合性を損なう。
【０００７】
インペラを懸垂させるために動圧軸受を使用するポンプは、通常、全ての動作状態にわたって概ね一定のギャップを維持するように設計されている。そのような設計の欠点は、ポンプの流量が増大するとインペラが傾き始めることである。狭いギャップにわたる低圧条件下でのインペラ位置のシフトは、血流の停止を生じ、このことが、軸受表面における血栓形成につながる。この問題を解決するための１つの解決策は、安定したギャップを維持するように受動的な磁気軸受を加えることである。しかし、磁気軸受の解決策は、ポンプのサイズ及びシステムの複雑さを高める。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既知の設計のこれら及び他の問題に対処するポンプが必要とされている。比較的小さいフォームファクタ及び改善された結果を伴うポンプが必要とされている。血栓のリスクを低下させるように、単純な軸受システムを使用するとともに血流のギャップを高めるポンプが必要とされている。ポンプの機械的な設計の複雑さを増大させるか又はポンプの効率を低下させることなく、十分な洗い流しを達成するように軸受ギャップを高める解決策が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
要するに、本発明の種々の態様は、ポンプハウジングと、ハウジング内のポンプチャンバにおいて回転するインペラと、トルクをインペラに印加する駆動コイルを備えるステータと、ポンプチャンバ内でインペラを懸垂させる軸受機構と、位置制御機構とを含む血液ポンプシステムに関する。
【００１０】
本発明の種々の態様は、ポンプハウジングと、ハウジング内のポンプチャンバにおいて回転するインペラと、トルクをインペラに印加する駆動コイルを備えるステータと、ポンプチャンバの第１の端に対してインペラを固定する第１の軸受であって、第１の血液ギャップがインペラと第１の軸受表面との間に画定される第１の軸受と、ポンプチャンバの第２の端に対してインペラを固定する第２の軸受であって、第２の血液ギャップがインペラと第２の軸受表面との間に画定される第２の軸受と、位置制御機構とを含む血液ポンプシステムに関する。
【００１１】
種々の実施形態では、位置制御機構は、ポンプの二次的な流れギャップを交互にするように構成されている。種々の実施形態では、位置制御機構は、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、インペラとハウジングの対向する壁との間の血液ギャップ距離を調整するように構成されている。種々の実施形態では、位置制御機構は、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、第１の血液ギャップを増大させることによって、洗い流し量を増大させるように構成されている。
【００１２】
種々の実施形態では、洗い流し量は、それぞれの時間期間の間の平均洗い流し量である。種々の実施形態では、洗い流し量は、それぞれの時間期間の間のピーク洗い流し量である。例えば、それぞれの時間期間は、インペラが目的位置に移動されて洗い流し量を増大させる間の期間であってもよい。
【００１３】
種々の実施形態では、位置制御機構は、インペラを周期的及び断続的に移動させるように構成されている。位置制御機構は、インペラを、毎分少なくとも数秒間移動させるように構成することができる。位置制御機構は、トリガ事象に基づいてインペラを移動させるように構成することができる。位置制御機構は、インペラが速度閾値を横断することに基づいてインペラを移動させるように構成することができる。速度閾値は低い速度閾値であるものとすることができる。トリガ事象は、低い速度閾値及び時間閾値に基づくものとすることができる。
【００１４】
種々の実施形態では、ポンプは、少なくとも狭い第１のギャップを有する第１の均衡のとれた位置及び狭い第２のギャップを有する第２の均衡のとれた位置を有して構成される。インペラは、第１の均衡のとれた位置及び第２の均衡のとれた位置において実質的に等しい量の時間を費やすように制御される。種々の実施形態では、各均衡のとれた位置においてインペラが費やす時間の量は、ギャップのサイズに反比例する。種々の実施形態では、ギャップのうちの一方は、停止しやすいものとして特定され、インペラは、特定されたギャップから離れた位置においてより長い時間を費やす。
【００１５】
種々の実施形態では、インペラの移動は、自然な心拍と非同期する。種々の実施形態では、インペラの移動は、自然な心拍と同期する。
種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは５０マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは１００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは２００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは１０００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは２０００マイクロメートルである。種々の実施形態では、インペラは、それぞれの血液ギャップを約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約７５％、約８０％又は約９０％だけ低減するような位置に移動する。
【００１６】
本発明の種々の態様は、先行する段落のいずれかにおいて記載されるようなポンプを動作させる方法に関する。
本発明の種々の態様は、ハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法であって、インペラをポンプチャンバ内で回転させることであって、インペラがポンプチャンバの第１の端にある第１の軸受、及び、ポンプチャンバの第２の端にある第２の軸受によってポンプチャンバ内で懸垂されることと、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させることによって、第１の軸受によって画定される第１の血液ギャップを増大させるとともに第２の軸受によって画定される第２の血液ギャップを低減させることとを含む方法に関する。
【００１７】
本発明の種々の態様は、明細書において記載され及び／又は図面のいずれかにおいて示されるような少なくとも１つのシステム、方法又はコンピュータプログラム製品に関する。
【００１８】
１つの態様では、血液ポンプシステムが提供される。ポンプシステムは、ポンプハウジング及びハウジング内でポンプチャンバにおいて回転するインペラを含むことができる。インペラは、第１の側及び第１の側とは反対の第２の側を有することができる。ポンプシステムは、トルクをインペラに印加する駆動コイルを有するステータ、及び、ポンプチャンバ内でインペラを懸垂させる少なくとも１つの軸受機構も含むことができる。ポンプシステムは、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、第１のギャップのサイズ及び第２のギャップのサイズを調整することによって、第１のギャップ及び第２のギャップのそれぞれにおける洗い流し量を制御する位置制御機構を更に含むことができる。第１のギャップは、第１の側とハウジングとの間の距離によって画定されることができ、第２のギャップは、第２の側とポンプハウジングとの間の距離によって画定される。
【００１９】
別の態様では、血液ポンプシステムは、ポンプハウジングと、ハウジング内のポンプチャンバにおいて回転するインペラと、トルクをインペラに印加する駆動コイルを有するステータとを含むことができる。また、ポンプシステムは、ポンプチャンバの第１の端に対してインペラを固定する第１の軸受を含むことができる。第１の血液ギャップは、インペラと第１の軸受表面との間に画定される。また、ポンプシステムは、ポンプチャンバの第２の端に対してインペラを固定する第２の軸受を含むことができる。第２の血液ギャップは、インペラと第２の軸受表面との間に画定される。ポンプシステムは、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させ、第１の血液ギャップを増大させることによって、第１の血液ギャップにおける洗い流し量を増大させる位置制御機構を含むことができる。
【００２０】
別の態様では、ハウジング及びハウジング内のポンプチャンバ内で回転するインペラを含む血液ポンプを動作させる方法が提供される。方法は、インペラをポンプチャンバ内で回転させることを含むことができる。インペラは、ポンプチャンバの第１の端にある第１の軸受及びポンプチャンバの第２の端にある第２の軸受によってポンプチャンバ内で懸垂される。方法は、インペラをポンプチャンバ内で軸方向に移動させることによって、第１の軸受によって画定される第１の血液ギャップを増大させるとともに第２の軸受によって画定される第２の血液ギャップを低減させることを含むこともできる。
【００２１】
本発明の構造及び方法は、本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部を形成する添付の図面、及び、本発明の原理を説明するように一緒に働く発明の以下の詳細な説明から明らかであるか又はより詳細に記載される他の特徴及び利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を使用する回転機械の一例としての埋め込み式ポンプの図。
【図２】図１の例示的な遠心力ポンプの分解斜視図。
【図３】本発明の態様による圧送チャンバ内でほぼセンタリングされた第１の均衡のとれた位置で浮上したインペラを示す図１の例示的なポンプの断面図。
【図４ａ】メイン軸受構成要素によってポンプチャンバ内で偏心して浮上したインペラを示す図１の例示的なポンプの概略図。
【図４ｂ】ポンプチャンバの底部での別の偏心位置に移動したインペラを示す図１のポンプの概略図。
【図４ｃ】ポンプチャンバの上部での別の偏心位置に移動したインペラを示す図１のポンプの概略図。
【図５】本発明によるインペラ位置を制御する方法を示すフロー図。
【図６】本発明によるポンプ制御システムのブロック図。
【図７】本発明によるインペラ位置を制御する方法を示す折れ線グラフ。
【図８】本発明によるインペラ位置を制御する方法を示すフロー図。
【図９】本発明によるインペラを移動させる方法を示すフロー図。
【図１０】本発明によるポンプを始動させる方法を示すフロー図。
【図１１】補助的な電磁軸受を示す本発明の態様による遠心力流れポンプの断面図。
【図１２】本発明の態様による軸流ポンプの断面図であり軸流ポンプが機械軸受を含む断面図。
【図１３】図１２のインペラの斜視図であり矢印が本発明による並進移動方向を示す断面図。
【図１４】本発明の態様による軸流ポンプの断面図。
【図１５】本発明の態様による軸流ポンプの断面図であり軸流ポンプが動圧軸受及び磁気軸受を含む断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ここで、添付の図面にその例が示されている、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。本発明は好ましい実施形態とともに記載されるが、好ましい実施形態は、本発明をそれらの実施形態に限定する意図はないことが理解される。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の主旨及び範囲内に含まれる代替形態、変更形態及び均等物を包含することが意図される。
【００２４】
添付の特許請求の範囲における説明及び正確な定義における便宜上、用語「上」又は「上側」、「下」又は「下側」、「内部」及び「外部」は、図示するような特徴の位置に関して本発明の特徴を記載するのに用いられる。
【００２５】
多くの点において、種々の図面の変更は、先行する変更の図に類似し、添え字「ａ」、「ｂ」、「ｃ」及び「ｄ」が続く同じ参照符号は、対応する部分を指す。
本明細書において用いられる場合、「ギャップ」は概して、当業者によって理解されるように、インペラの周りの二次的な流れギャップを指す。一次的な流れは、インペラブレード領域を通る。二次的な流れギャップは、概ねインペラの周りの他の流体のエリアである。幾つかの点で、二次的な流れギャップは、インペラとハウジング壁との間であり、動圧軸受を画定する。
【００２６】
「機械可読媒体」という用語は、限定はされないが、持ち運び可能又は固定された記憶装置、光学記憶装置、無線チャネル、並びに、命令及び／又はデータを記憶、収容又は担持することが可能な種々の他の媒体を含む。コードセグメント又は機械実行可能命令は、プロシージャ、機能、サブプログラム、プログラム、ルーチン、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、又は、命令、データ構造若しくはプログラムステートメントの任意の組み合わせを表すことができる。コードセグメントは、情報、データ、引数、パラメータ又はメモリ内容を渡し及び／又は受信することによって、別のコードセグメント又はハードウェア回路に結合することができる。情報、引数、パラメータ、データ等は、メモリ共有、メッセージパッシング、トークンパッシング、ネットワーク送信等を含む任意の好適な手段を介して渡すか、転送するか又は送信することができる。
【００２７】
さらに、本発明の実施形態は、少なくとも部分的に、手動で又は自動的に実施することができる。手動又は自動的な実施は、機械、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、又は、それらの任意の組み合わせの使用によって実行するか又は少なくとも補助することができる。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア又はマイクロコードにおいて実施されるとき、必要なタスクを行うためのプログラムコード又はコードセグメントは、機械可読媒体に記憶される。１つ又は複数のプロセッサは、必要なタスクを行うことができる。
【００２８】
本発明の態様は血液ポンプを参照して記載されるが、本発明を他のタイプのポンプに適用できることが理解される。本発明の機構及び方法は、血液ポンプ、並びに、特に、血液を圧送するときの血栓及び溶結の付随するリスク等の、性能に対処するためのインペラ動作位置を調整する能力に関して記載される。本明細書における記載から、本発明を他のポンプ、回転機械及び誘導モータに広範に適用できることが理解される。
【００２９】
図面を参照すると、本発明の態様は、軸受ギャップを改良するか又は制御する能力を可能にする。軸受ギャップを増大させ、洗い流し量を調整するか、軸受表面を潤滑させるか、又は、物質（微粒子、血栓等）を軸受ギャップから除去することが望まれ得る。本発明の別の使用は、ポンプ効率を高めることであってもよい。当該技術分野において既知であるように、モータ効率は、インペラ磁石がモータ駆動コイルに近づくと高まる。本発明の別の使用は、バルク力又は外力（例えば、患者の身体がぶつかること又は動き）に起因するインペラの位置異常を修正することであってもよい。これら及び他の利点は、本発明に従って、複雑な制御システムの必要なく達成することができる。
【００３０】
本発明の種々の態様は、それぞれのギャップのサイズを増大させる位置にインペラを移動させることによって、それぞれのポンプ軸受ギャップにおける洗い流しを改善することに関する。インペラは、或る事象によって周期的に（例えば、時間によって）移動するか又はトリガされる。インペラが上に移動すると、ポンプの底部におけるより大きいギャップがより高い流量につながり、これがさらに、より高い洗い流し量につながる。インペラの上方への移動はまた、或る種の圧送作用においてインペラの上の血液を「絞る」ことができ、これも洗い流し量を増大させる。上方の流体は、インペラが移動すると絞られるが、インペラが新たな位置になると、圧送効果は失われ、一方で、より高い洗い流し量は下のより大きいギャップにおいて依然として残る。換言すると、洗い流し量に対する圧送効果は、特定の時点において生じ、一方で、より大きいギャップ効果は、本来は一時的である。基本的な概念は、ギャップのサイズが洗い流し量に関連付けられることを利用する。洗い流し量は、流体の完全な交換のための平均時間に関する。したがって、洗い流し量で割ったギャップのサイズが数秒に等しい場合、これは、インペラが数秒間だけ移動するべきであることを必ずしも意味しない。多くの場合、インペラは、約１００％、１２０％、１５０％、２００％、又は、より高い信頼を有するために洗い流し量で割ったギャップのサイズによって計算される完全な交換の平均時間の他のパーセンテージの間で移動する。洗い流し流量は、ギャップ幅の３乗に概ね比例する。したがって、理論上、総洗い流し流量は、ギャップが２倍幅広になると、８倍多くなる。Ｗ．Ｋ． Ｃｈａｎ ｅｔ ａｌ．、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｅａｋａｇｅ Ｆｌｏｗ Ｉ Ｄｉｓｋ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ、 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｏｒｇａｎ （２０００）を参照のこと。完全に洗い流すことができない結果として、停止のエリア又は流体が交換されないエリアにおいて血栓症が形成される可能性があるため、洗い流し量は必須である。これは２つのリスクを生じる：１）血栓が取り除かれて身体内に流れる可能性があり、したがって、塞栓症（又は血栓が向かう場所に応じては脳卒中）を引き起こし、２）血栓は弱まることなく続く可能性があり、活性化された部位により多くの血小板を形成させ、これはさらに、トロンビンが付着する部位を提供する。
【００３１】
したがって、ギャップを交互にすることは、小さい全体的なギャップ（良好なポンプ効率、適切なＨＤ軸受動作等）を維持しながらも、動圧軸受の洗い流しを改善することが分かっている。換言すると、ギャップを交互にすることは、全体的なギャップを増大させることなく洗い流しを改善する。
【００３２】
上記の技法は、動圧軸受及び／又は電磁軸受を有するポンプにおいて実施することができる。動圧軸受の設計の場合、インペラの移動に関連する電力損失があることが予期される。電磁石及び動圧溝を使用する１つの実施形態では、電力損失は、少なくとも２つの安定した（偏心）位置を有するように軸受剛性曲線を設計するとともに、これらの少なくとも２つの位置間のインペラの移動を容易にすることによって最小限に抑えることができる。１つの例では、電磁石は、インペラを１つの側から別の側に移動させるためだけに付加的な力を必要とし、そのような力は、インペラを一方の側に保つために必要とされない。
【００３３】
１つの実施形態では、インペラ位置を変更し、インペラと血液チャンバとの間の効果的なギャップを高めるために電磁力制御方法が使用される。この技法は、トルクをインペラに印加するのに使用されるものと同じポンプモータステータコイルを使用し、インペラ位置を調整する。付加的な制御サブシステム及び構成要素は必要ではない。
【００３４】
ここで、同様の構成要素が種々の図面にわたって同様の参照符号によって示される図面を参照すると、心不全患者に埋め込まれた例示的なポンプを示す図１に注意が向けられる。
【００３５】
典型的な心補助システムは、圧送ユニット、駆動電子機器、マイクロプロセッサ制御ユニット、並びに、充電式バッテリ及び／又はＡＣ電源調整回路等のエネルギー源を含む。システムは、遠心力ポンプが患者の胸部に配置される外科的処置中に埋め込まれる。流入導管が左心室に穿刺され、血液をポンプに供給する。流出導管の一端はポンプ出口に機械的に嵌められ、他端は、吻合術によって患者の大動脈に外科的に取り付けられる。ポンプへの経皮的なケーブル接続部が、切開部を通して患者を出て、外部の制御ユニットに接続する。
【００３６】
埋め込み式ポンプの種々の態様は、米国特許第４，５２８，４８５号；同第４，８５７，７８１号；同第５，２２９，６９３号；同第５，５８８，８１２号；同第５，７０８，３４６号；同第５，９１７，２９７号；同第６，１００，６１８号；同第６，２２２，２９０号；同第６，２４９，０６７号；同第６，２６８，６７５号；同第６，３５５，９９８号；同第６，３５１，０４８号；同第６，３６５，９９６号；同第６，５２２，０９３号；同第７，９７２，１２２号；及び、同第８，６８６，６７４号；並びに、米国特許出願公開第２０１４／０２０５４６７号及び同第２０１２／００９５２８１号（これらの特許及び公報の全内容は、全ての目的でこの参照により本明細書に援用される）において示されるとともに記載されている態様と同様である。
【００３７】
例示的なシステムは、インペラを支持する非接触式軸受を有する埋め込み式ポンプを使用する。非接触式軸受（すなわち浮上）は、多くの潜在的な利点を提供する。非接触式軸受は、回転摩擦を低下させるため、理論上、モータの効率を改善し、微粒子を流体内に導入するリスクを低下させる。１つの例で、インペラは、磁気材料を有する上側プレート及び下側プレートを使用する（上側及び下側という用語は、ポンプを任意の向きで動作させることができるため、任意である）。ポンプハウジングの上側からの定常磁場は、上側プレートを引き付け、ポンプハウジングの下側からの回転磁場は下側プレートを引き付ける。これらの力は、インペラが圧送チャンバ内の浮上位置において回転するように協働する。特徴部（図示せず）を、圧送チャンバの壁に形成し、動圧軸受を生成することもでき、この場合、循環する流体からの力もインペラをセンタリングさせる傾向にある。そのような動圧軸受を提供するように適合される動圧溝が、参照により全ての目的で本明細書に援用される、「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｐｕｍｐ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題する、２００８年１２月３０日に発行された米国特許第７，４７０，２４６号に示されている。
【００３８】
例示的なインペラは、各側のチャンバ壁から所定の間隔を有する圧送チャンバ内の最適な位置を有する。適切な間隔を維持することは、剪断応力及びポンプの流れ停止を制限する。高い剪断応力は、血液の溶結（すなわち細胞への損傷）を引き起こす可能性がある。流れ停止は血栓症（すなわち血液凝固）を引き起こす可能性がある。
【００３９】
図１を引き続き参照すると、患者が断片正面図で示されている。患者の腹腔又は心膜１１に外科的に埋め込まれるのは、心室補助装置の圧送ユニット１２である。流入導管（ユニット１２の隠れた側にある）が、心臓の心尖に穿刺し、血液を患者の左心室から圧送ユニット１２内に運ぶ。流出導管１３が、血液を圧送ユニット１２から患者の上行大動脈に運ぶ。経皮的な電力ケーブル１４が、圧送ユニット１２から切開部を介して患者の体外に、患者１０によって装着されるコンパクトな制御ユニット１５まで延びる。制御ユニット１５は、主バッテリパック１６及び／又は外部のＡＣ電源、並びに、内部のバックアップバッテリによって給電される。制御ユニット１５は、圧送ユニット１２内のモータを駆動する整流子回路を含む。
【００４０】
種々の実施形態では、整流子回路及び／又は種々の電子機器は、システムの埋め込まれる側にあるものとすることができる。例えば、種々の電子機器は、ポンプに内蔵して又は別個の気密なハウジング内に位置決めされる。電子機器を埋め込むことの潜在的な利点は、特に、身体外の制御ユニット１５との通信が失われても、ポンプを制御可能であることである。
【００４１】
図２及び図３は、本発明の種々の態様による例示的な遠心力圧送装置を示している。例示的な圧送装置は、インペラの位置を変更するか又は選択するためのインペラ位置コントローラを含む。以下で更に詳細に記載するように、インペラは、一方のポンプギャップを低減させる移動によって概して他方のポンプギャップを増大させ、その逆もまた同様であるように、一定のポンプチャンバとともに位置決めされる。
【００４２】
図２は、図１のシステムにおいて使用される例示的な遠心力ポンプユニット２０を示している。ポンプユニット２０は、インペラ２１、並びに、上側半体２２ａ及び下側半体２２ｂを有するポンプハウジングを含む。インペラ２１は、ハブ２４にわたって圧送チャンバ２３内に配置される。インペラ２１は、複数の羽根２６にわたって挟まれる第１のプレート又はディスク２５及び第２のプレート又はディスク２７を含む。第２のディスク２７は、ハウジング２２ａに当接して配置される浮上磁石構造３４によって生成される浮上磁場と相互作用する複数の埋め込まれる磁石セグメント４４を含む。小さいサイズを達成するために、磁石構造３４は、３６０°の外周にわたって対称的で静的な浮上磁場を提供する１つ又は複数の永久磁石セグメントを含むことができる。第１のディスク２５も、ハウジング２２ｂに当接して配置されるステータアセンブリ３５からの磁場と磁気的に結合する埋め込まれる磁石セグメント４５を収容する。ハウジング２２ａは、患者の心室から血液を受け取るとともに血液を羽根２６に分配するための入口２８を含む。インペラ２１は好ましくは円形であり、外周縁３０を有する。インペラ２１を圧送方向３１に回転可能に駆動することによって、インペラ２１の内側縁において受け取られる血液は、外周３０まで運ばれ、増大した圧力で圧送チャンバ２３内の螺旋状領域３２に入る。加圧された血液は、ハウジング特徴部３３ａ及び３３ｂによって形成される出口３３から流れ出る。流れ分割ガイド壁３６を螺旋状領域３２内に設け、全体的な流れ及びインペラ２１に対して作用する力を安定させることができる。
【００４３】
図３は、均衡のとれた位置に位置付けられているインペラ２１を示している。例示的な実施形態では、均衡のとれた位置は、ポンプチャンバの中心に又はポンプチャンバの中心付近にある。均衡のとれた位置では、インペラに対して作用する力は概して、インペラを安定させるように均衡がとられる。均衡のとれた位置、場合によっては、インペラが動作中に自然に安定するか又は均衡を見出す位置を指す。
【００４４】
しかし、上記の記載から理解されるように、均衡のとれた位置は、必ずしも特定の静的な位置ではない。インペラに対する流体力は、インペラの回転速度が変化すると変化する。さらに、インペラに対する磁気吸引力は、インペラが磁石構造３４及びステータアセンブリ３５に離接するように移動すると変化する。したがって、インペラは概して、回転速度が変化すると新たな均衡のとれた位置を見出す。しかし、以下で記載するように、本発明の態様は、インペラを移動させること、又は、各所与の回転速度について均衡のとれた位置を変化させることに関する。例えば、記載されるインペラ位置制御機構は、回転速度及び他の全てを変化させることなく、インペラを軸方向（上又は下）に移動させることを容易にする。これは、ロータ速度とは関係なくインペラの移動を可能にするという効果を有する。この技法の利点は、ロータ速度を、インペラ位置を変化させることへの懸念なく、（例えば、患者の生理学的な必要性に基づいて医師によって）通常の成り行きで求めることができる。逆に、インペラ位置は、圧送スループットに影響を与えずに変化させることができる。
【００４５】
図３は、ディスク２７がハウジング２２Ａからギャップ４２だけ離間され、インペラディスク２５がハウジング２２Ｂからギャップ４３だけ離間される中心位置に又は中心位置付近に位置付けられているインペラ２１を示している。例示的な実施形態では、中心位置は、均衡のとれた又は偏心地点として選択され、実質的に均一な流入ギャップ４２及びギャップ４３を確実にする。ポンプ動作中、均衡のとれた位置は、（ａ）インペラディスク２７内に埋め込まれる磁気材料４４と浮上磁石構造３４内の永久磁石４０及び４１間の磁気吸引力、（ｂ）ステータアセンブリ３５とインペラディスク２５内の埋め込まれる磁石材料４５との間の磁気吸引力、並びに、（ｃ）ハウジング２２内に動圧溝（図示せず）を形成することによって増大させることができる循環する流体によって加えられる動圧軸受力の相互作用によって維持される。構造３４内の永久磁石を使用することによって、コンパクトな形状が実現され、能動的な浮上磁石制御を実施することの複雑さに関連する潜在的な失敗が回避される。しかし、センタリング位置においてインペラ２１の均衡を適切にとるため、また、インペラ２１に対して作用する他の力が一定ではないため、能動的な位置決め制御が依然として必要とされる。特に、インペラ２１に対して作用する流体力は、インペラ２１の回転速度に従って変化する。さらに、ステータアセンブリ３５によってインペラ２１に印加される引力は、磁場の大きさ、及び、磁場がインペラの磁場位置につながる角度に依存する。１つの実施形態では、引力は、以下でより詳細に記載するように、直流（Ｉｄ）によって生成される。
【００４６】
１つの実施形態では、インペラ位置は、ベクトルモータ制御を使用して制御される。ここで、ベクトルモータ制御を使用してインペラ位置を変更する幾つかの構造及び技法を、図３〜図７を参照して記載する。
【００４７】
図４ａは、図３に示されているものと同様の例示的な遠心力ポンプ５０の主な構造を示している。永久磁石、モータステータ巻線及び動圧軸受の種々の組み合わせを含む、他のポンプ形態を使用できることが理解される。例示的な実施形態では、ロータは、インペラとして形成され、モータによって駆動される。インペラは、以下の方程式として表現することができる組み合わせた力ＦａΣによっても浮上される：
ＦａΣ＝Ｆｈｄｂ＋Ｆｐｍ＋Ｆｅｍ
式中、
ＦａΣは、インペラを浮上させるために組み合わせた力であり、
Ｆｈｄｂは、入口側軸受、モータ側軸受又は双方からの流体力の組み合わせであり、
Ｆｐｍは、永久磁石引力の組み合わせであり、
Ｆｅｍは、モータから生成される磁気的引力である。
【００４８】
インペラが安定すると、ＦａΣはゼロに等しいはずである。通常、Ｆｅｍは、電子システムによって制御され、インペラ位置を調整することができるが、これは、他の全てが受動モードとして固定した構造であるためである。したがって、本発明の基本的な設計の概念は、モータベクトル制御（ＦＯＣ）を適用し、１つのセットのモータコイル及び駆動システムのみを使用して回転させながらもインペラ位置を調整することができるように、力Ｆｅｍを制御することである。そのように、ポンプ構造に付加的なコストがかからない。
【００４９】
図４ａ、図４ｂ及び図４ｃは、本発明の種々の態様によるポンプを示している。図４ａは、ポンプチャンバ内にインペラ５２を有する例示的なポンプ５０を示している。ポンプ５０は、図３におけるポンプ１０と同様に構成される。図４ｂ及び図４ｃは、インペラが本発明に従ってそれぞれ下及び上に移動している以外は、図４ａにおける同じポンプ５０を示している。図４ｂでは、インペラ５２は、ギャップ２がより小さく、ギャップ１が整合的により幅広であるように、降下位置にある。この位置では、ギャップ１にわたる洗い流し量は、図４ａと比較して指数関数的により高い。図４ｃでは、インペラ５２は、ギャップ２がより幅広であり、ギャップ１が整合的により幅狭であるように、上昇位置にある。この位置では、ギャップ２における洗い流し量は、図４ａと比較して指数関数的により高い。
【００５０】
種々の点において、洗い流し量は、それぞれの時間期間の間の平均洗い流し量を指す。種々の点において、洗い流し量はピーク洗い流し量を指す。それぞれの時間期間は、任意の指定された時間期間であるものとすることができ、例えば、インペラが目的位置に移動して洗い流し量を増大させる間の期間である。
【００５１】
図５は、ポンプを制御する例示的な簡略化された方法を示している。ステップＳ１では、ポンプは、インペラが第１の均衡のとれた位置にある状態で動作される。ステップＳ２では、トリガが確認される。それに応じて、インペラはステップＳ３において第２の位置に移動する。その後、インペラは最終的に第１の位置に移動して戻る。
【００５２】
トリガは時間ベース又は事象ベースであるものとすることができる。種々の実施形態では、位置制御機構は、インペラを周期的及び断続的に移動させるように構成されている。換言すると、トリガは、所定の量の時間の経過、並びに／又は、既定の周波数及びサイクルに基づくものであってもよい。１つの例では、位置制御機構は、インペラを毎分少なくとも数秒間移動させるように構成されている。種々の実施形態では、位置制御機構は、インペラが速度閾値を横断することに基づいてインペラを移動させるように構成されている。速度閾値は、低い速度閾値であってもよい。トリガは、低い速度閾値及び時間閾値に基づき得る。例えば、インペラは、低い速度において既定の量の時間よりも長くを費やした後で移動することができる。これは、低い速度がタッチダウン事象、停止及び他の問題につながる可能性があるため、有益である。したがって、インペラは、いずれの微粒子又は血栓もギャップから取り除かれることを確実にするように移動することができる。
【００５３】
種々の実施形態では、ポンプは、少なくとも、狭い第１のギャップを伴う第１の均衡のとれた位置、及び狭い第２のギャップを伴う第２の均衡のとれた位置を有して構成される。図４ａに比して、図４ｂは、狭いギャップ２を画定するインペラを示し、図４ｃは、狭いギャップ１を画定するインペラを示している。ポンプチャンバの寸法は一定であり、全体的なギャップが同様に一定であるため、ギャップ１は、ギャップ２が低減する同じ距離だけ増大する。図４ｃでは、インペラは、ギャップ１が低減され、ギャップ２が同等の量だけ増大するように、第３の均衡のとれた位置まで上方に移動している。
【００５４】
インペラは、第１の均衡のとれた位置及び第２の均衡のとれた位置において実質的に等しい量の時間を費やすように制御することができる。これは、図４ａにおいて示されているように、インペラが通常はセンタリング位置にあるようにポンプが別様に設計されるときに有用である。種々の実施形態では、インペラが各均衡のとれた位置において費やす時間の量は、ギャップのサイズに反比例する。これは、ポンプが一様でないギャップを有するように別様に設計されるときに有用である。種々の実施形態では、ギャップのうちの一方は、停止しやすいものとして特定され、インペラは、特定されたギャップから離れた位置においてより長い時間を費やす。
【００５５】
種々の実施形態では、インペラの移動は自然な心拍と非同期する。種々の実施形態では、インペラの移動は、自然な心拍と同期する。
種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは５０マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは１００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは２００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは１０００マイクロメートルである。種々の実施形態では、通常の動作条件下での総血液ギャップは２０００マイクロメートルである。種々の実施形態では、インペラは、それぞれの血液ギャップを約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約７５％、約８０％又は約９０％だけ低減するような位置に移動する。
【００５６】
図４ａ、図４ｂ及び図４ｃが例示に過ぎないことが理解される。実際に、インペラは自由に懸垂され、或る位置に完璧には固定されない。例示的なポンプは、受動的な力の組み合わせの均衡をとることによってインペラを懸垂させるため、インペラは、実際に、実施中に適度な量の移動を呈する。実際に、インペラは、少なくともｒｐｍ対流体力の関係のために、回転速度に応じて上下に移動する。しかし、既定の回転速度の場合、インペラは、本明細書では説明を簡略化するために「位置」と称される規定されたスペースのエンベロープで通常は抑制される。
【００５７】
機械軸受又は接触軸受は、回転速度及び他の要因に関係なく、僅かな移動を呈するか全く移動しない。それにもかかわらず、接触軸受は、幾らかの動作移動が測定される精密計器を必要とする場合であっても、そのような移動を実証する。多くのタイプの血液ポンプは、例えば、外部の供給源によって洗浄されるとともに潤滑される軸受を使用する。血液に浸される軸受を有するポンプの例は、参照により全ての目的で本明細書に援用される米国特許出願公開第２０１２／００９５２８１号及び米国特許第５，５８８，８１２号に記載されている。１つの例では、ポンプは、ボールアンドカップ等の、血液に浸される接触軸受を含む。１つの例では、軸受は、生理食塩水又は注入液によって洗浄及び／又は潤滑される。生理食塩水の使用は、ポンプが身体外の供給源への流体接続を有するため、経皮ポンプに一般的なシナリオである。接触軸受を有する経皮ポンプの例は、全ての目的で参照により本明細書に援用される米国特許第７，３９３，１８１号及び同第８，５３５，２１１号において開示されている。当業者には理解されるように、流体に接触面間を少なくとも周期的に洗浄させるように設計されている接触軸受は、幾らかの移動を有する。この移動は非接触軸受に対して小さいが（例えば、およそ５倍、１０倍、２０倍、１００倍以上だけより小さい）、幾らかの程度の移動を受ける。
【００５８】
従来の考えでは、血液ポンプ（例えば、左心補助装置）が、装置の寿命にわたって安定したインペラ位置及び一貫性のある血液ギャップを維持するように設計されるべきである。血液ポンプでは、特に、インペラの動きは、多くの場合、溶結及び他の不所望のリスクに関連付けられる。ポンプギャップを低減することによって、血栓及び他の有害事象につながる停止の領域を生じると考えられている。
【００５９】
一方で、ポンプギャップを制御及び設計された方法で調整することは、性能及び結果を実際に改善することができると見出されている。本発明の種々の態様は、インペラ位置を能動的かつ意図的に変更するように構成されているポンプに関する。１つの実施形態では、インペラの均衡のとれた位置は、動作中に変化する。
【００６０】
上述した技法には、インペラを移動させるとともにポンプギャップを交互にするための幾つかの潜在的な利点がある。これらの潜在的な利点のうちの１つは、ピーク洗い流し流速を増大させる能力である。別の潜在的な利点は、総ギャップサイズを増大させることなく、狭いギャップにおいて取り込まれる血栓が集まることを防止又は低減する能力である。さらに、ポンプの効率及び性能は損なわれない。既存の解決策（例えば、安定したギャップの動圧軸受設計）は、狭いギャップのエリアにおいて血流パターンを変化させるために自然な心臓に依拠する（収縮期／拡張期等）。本発明の技法は、自然な心臓の機能、インペラ速度等とは独立して流れパターンを能動的に変化させるため、有利である。また、多くの心不全患者は、軸受ギャップを実際に洗い流すのに十分でない拍動性を有する弱まった自然な心臓を有している。本発明の技法によって、外部の圧力変化及び内部の幾何学的な変化（ロータ位置の変化）の組み合わせが、ポンプ血栓症を引き起こす血流の停止を最小限に抑える。
【００６１】
図６及び図７は、ベクトル制御としても既知である、磁界方向制御（ＦＯＣ）アルゴリズムを使用して永久磁石ロータ（例えば、インペラ）５２の所望の回転を提供するために、ステータに印加される電圧を制御する例示的な方法を示している。ＦＯＣにおいて、ステータ磁場が概して、最大限のトルク効率のために９０°のインペラ位置を先導するべきであることが知られている。インペラに対する引力の大きさは、ステータにおける相電流の大きさに比例する。相電流は、ポンプのトルク要求に従ってＦＯＣアルゴリズムによって調整される。
【００６２】
（１）相電流の大きさ及び（２）インペラの速度の任意の特定の組み合わせにおいて、相電圧を生成するためのＩｄ電流を変更することは、ステータによって生成される引力を変化させることができ、それによって、インペラの均衡に影響を与える。さらに、インペラは、流体力及び磁力の均衡がとられる新たな均衡のとれた位置において定着するまで移動する。このように、インペラは、単にモータ制御信号への調整によって移動する。
【００６３】
図４ｂ、図４ｃ、図５、図６及び図７は、本発明の態様による例示的なシステムを示している。図６は、提案されるインペラ位置制御を用いたポンプ制御システムの概略図である。モータベクトル制御の原理に基づいて、通常は直交電流（Ｉｑ電流）と呼ばれるトルク電流、及び、直流（Ｉｄ電流）と呼ばれるステータコイル磁束電流は、独立して分離及び制御することができる。直交電流Ｉｑ電流は、インペラ回転速度を制御するのに使用される。直流Ｉｄ電流は、インペラに対する結果として生じる引力を生成する電磁石コイルの磁束を制御する。
【００６４】
本発明によると、Ｉｄ電流は、インペラ（ロータ）とモータステータコイルとの間の磁束を高めるか又は弱めることによってインペラ位置を制御し、引力Ｆｅｍを調整するのに使用される。これはさらに、インペラ位置を変化させる（図７において示されている）。種々の実施形態では、引力は、ＦＯＣを使用して位相角を調整することによって生じる。
【００６５】
１つの実施形態では、インペラ位置制御技法は、インペラ位置センサを用いることなく開ループ制御として実施される。１つの実施形態では、インペラ位置制御技法は、インペラ位置センサを用いた閉ループ制御として実施される。
【００６６】
適切な位置決めを確実にするために、インペラ位置の能動的な監視及び制御が、例示的な実施形態では、定常磁場を調整することによって使用されてきた。しかし、位置センサ及び調整可能な磁気源は、かなりの量のスペースを占め、システムの複雑さを増す。したがって、センサの使用は、設計の要件に応じて変わり得る。好適なセンサとしては、限定はされないが、ホール効果センサ、可変リラクタンスセンサ及び加速度計が挙げられる。
【００６７】
開ループ制御を使用する１つの実施形態では、インペラは、図７において示されているようにＩｄ電流を調節することによって、位置を１つの側から別の側に（例えば、入口側からモータ側に）周期的に交互にすることによって制御される。このように、図４ｂ及び図４ｃにおいて示されているような側部ギャップ（ギャップ１及びギャップ２）を増減させることができる。
【００６８】
図６及び図７を引き続き参照すると、位置制御技法は、システムのハードウェア及び／又はソフトウェアに実施することができる。例として、コントローラは、多相電圧信号をステータアセンブリ５３に供給するためにＦＯＣを使用することができる。例示的なステータアセンブリは、３相ステータである。個々の相ａ、ｂ及びｃ並びに電流Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路によって駆動される転流回路として機能するＨブリッジインバータによって駆動することができる。インバータに関連する任意選択的な電流感知回路が、Ｉａ及びＩｂと示される電流信号を提供する少なくとも２相の瞬間的な相電流を測定する。電流計算ブロックが、２つの測定された電流を受け取り、第３の相に対応する電流Ｉｃを計算する。測定された電流は、ベクトル制御（ＦＯＣ）ブロック５４、並びに、インペラの位置及び速度を推定する電流観察ブロック（図示せず）への入力である。インペラ位置及び速度は、速度制御ブロック５５及び位置制御ブロック５６からＦＯＣブロックへの入力である。ポンプを動作させる目的速度又は回転毎分（ｒｐｍ）は、従来の生理学的なモニタによってＦＯＣブロック５４に提供される。目的ｒｐｍは、医療ケア提供者によって設定されるか、又は、心拍、生理的要求、吸引検出等のような種々の患者のパラメータに基づいてアルゴリズムに従って求めることができる。ＦＯＣブロック５４及び駆動電子機器５７は、要求された電圧出力値Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃを生成する。Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃ要求は、速度及び位置を検出するときに使用するために観察ブロックに結合することもできる。
【００６９】
例示的なシステムは、ＦＯＣブロック及び電子機器が磁界方向制御アルゴリズムを変え、それによって、Ｉｄ電流を、必要とされる引力を生成するために独立して変えることができるように構成されているため、従来の構造とは異なる。例示的なシステムは、潜在的に、他の利点と引き換えにそのような効率を犠牲にする。例示的なシステムの利点は特に、インペラ位置を独立して制御する能力である。
【００７０】
図８は、ＦＯＣアルゴリズムを使用してインペラを移動させる方法を示している。１つの実施形態では、本発明は、磁界方向制御アルゴリズムによってインペラ位置制御の一部を強調する、図８において示されているような方法に従って進む。したがって、ステップ６５において、相電流を測定する。測定された相電流に基づいて、ステップ６６において求めるロータ角度に基づいて、ステップ６６においてその時点の速度及びロータ角度を推定する。ステップ６７において、相電流を、２軸座標系に変換し、回転基準フレームにおいて直交電流（Ｉｑ電流と呼ばれる）及び直流（Ｉｄ電流と呼ばれる）値を生成する。直交電流は、トルクを制御してインペラを回転させるのに使用され、直流は、ロータとステータとの間の引力を制御してインペラ位置を制御するのに使用される。ステップ６８において、ステップ６７から変換された直交電流と、インペラ回転に必要な電流との直交電流誤差によって、次の直交電圧を求める。ステップ６９において、ステップ６７から変換された直交電流と、インペラ位置を制御するために引力の交替に必要とされる電流との間の直流誤差によって、次の直流電圧を求める。ステップ７０において、直交電圧及び直流電圧を、ＰＷＭ回路への出力である多相電圧要求を提供するために、静止基準フレームに変換し戻す。
【００７１】
図９は、本発明による回転機械を動作させる別の方法を示すフロー図である。この方法は、ステップＳ１０において、回転磁場を印加することによって、ポンプを動作させてインペラを回転させることを含む。動作中に、インペラは、力の均衡によって均衡のとれた位置（Ｐ１）において浮上及び位置決めされる。上述したように、例示的な実施形態では、インペラは、ステップＳ１１及びＳ１２において、流体力Ｆ１並びに他の軸受力Ｆ２（例えば、ステータ引力、受動的な磁力及び／又は重力のようなバルク力）の組み合わせによって浮上される。次に、ステップＳ１４において、力のうちの少なくとも一方Ｆ２が、インペラを均衡から外して配置するように変更される。ステップＳ１５において、インペラは、新たな位置Ｐ２に移動し、そこで、力の均衡が再びとられる。
【００７２】
図１０を参照すると、１つの実施形態では、インペラ位置制御技法を使用して、ポンプの始動を容易にする。ステップＳ２０において、例示的なポンプは、インペラが回転していないときにインペラが入口側（ハウジングの上部）に当接するように構成されている。流体力のみ又は磁力と組み合わせた通常のポンプでは、インペラは、回転すると壁から離れるように浮上される。インペラとハウジングとの間のギャップに取り込まれる血液は、動圧を生成するが、インペラは、動圧を生成するほど十分な速度で回転しなければならない。最低限の速度が満たされるまで、インペラはハウジング壁に対して擦れる。対照的に、例示的なポンプでは、インペラは、回転の開始前又は回転の開始直後に壁から引き離され、それによって、摩擦の有害な影響を排除する。インペラは、ステップＳ２１において、上述したように、力Ｆを印加することによって壁から引き離される。例えば、引力を加えるために転流角を変更することができる。図７ｂを参照すると、例として、ポンプは、インペラが入口側で静止するように構成することができる。引力をモータ側に印加することによって、インペラは上壁から下に移動する。ステップＳ２２において、インペラが壁から離れた後で、規則的な始動シーケンスを開始する。
【００７３】
図１１は、電磁石を使用する別の実施形態による回転機械を示している。図１１におけるポンプ１００は、図３におけるポンプ１０と種々の点で同様である。しかし、例示的な実施形態では、ポンプ１００は、能動的な電磁石（ＥＭ）システム１０１を含む。電磁石によって生成されるＥＭ力は、インペラを主に又は補助的に移動させるのに使用される。例示的な電磁石１０１は、鉄心及び巻線を含む。ＥＭ力は、巻線に印加される電流を変化させることによって従来の方法で変更される。ＥＭ力の印加は、インペラを位置ＰＥ２まで移動させる。ＥＭ力が、システムに存在する流体力及び受動的な磁力を圧倒できることが理解される。したがって、ＥＭ構造は、比較的均衡のとれた力を印加するように寸法決め及び構成されなければならない。既存のステータアセンブリに勝る電磁石を使用することの利点は、インペラにわたって比較的より大きい位置制御が存在することである。対照的に、上述したように、相電流は、通常、インペラに対する軸方向引力を調整するための主要変数として使用することができない。この実施形態の不都合点は、全体的に別個のＥＭシステムを提供する必要性である。これは、大型の産業用の回転機械では問題とならない可能性があるが、多くのタイプのモータは制限フォームファクタを有する。例えば、埋め込まれるポンプは、より広範な患者集団に対処するために比較的小さくなければならない。
【００７４】
図１２及び図１３は、本発明による別の埋め込み式ポンプを示している。ポンプ２００は、軸流ポンプであることを除いて、上述したポンプ１０及び１００と種々の点で同様である。血液は、概ね直線的な軸方向に、入口２０１を通って入って出口２０２を通って流れ出る。ポンプ２００は、血液を、ポンプハウジングを通して移動させるとともに流体において運動エネルギーを加えるブレードを有するインペラ２１０を含む。
【００７５】
インペラ２１０は、ボールアンドカップ軸受２１２及び２１４によってハウジング内に固定される。ボールアンドカップ軸受は、厳密に公差指定され、インペラを特定の位置に概ね固定する。しかし、例示的な軸受は、インペラの周りの血流によって潤滑及び洗浄される。したがって、ボールアンドカップの表面間に幾らかの流体が存在する。
【００７６】
トルクは、ステータアセンブリ２０５によってインペラに印加される。ステータアセンブリ２０５は巻線を含み、上述したステータアセンブリと同様にＦＯＣアルゴリズムを使用して駆動される。実際に、インペラ位置は、図５及び／又は図９に示す方法に従って進んで調整される。上述したＦＯＣ技法を使用して、インペラはポンプハウジング内で回転される。所望の時点において、インペラに対する軸方向の引力を調整するようにＩｄ電流が調節される。引力がそれぞれの軸受ギャップから血液を絞り出すほど十分である限り、インペラは入口２０１又は出口２０２に向かって軸方向に移動する。ポンプ２００の軸受ギャップは、図４におけるポンプ５０のギャップ１及びギャップ２に比して比較的小さい。しかし、比較的小さいインペラの移動でさえも、軸受ギャップの制御を可能にするために有益である。
【００７７】
洗い流し量を増大させるためにポンプギャップを調整する方法は、機械軸受を有するポンプ設計において特に有益である。軸受における比較的小さいギャップは、非常に僅かな流体の流れしかなく、したがって血栓のリスクがより高いことを意味する。より高い摩擦も、より高い血栓のリスクの一因となる可能性がある。したがって、ボールとカップとの間のギャップを増大させる能力は、小規模であっても、結果の大きな改善につながることができる。
【００７８】
図１４は、ポンプ２００と同様の別のポンプ３００を示している。ポンプ３００は、２つの機械軸受２１２と２１４との間で固定されるインペラを含む。ポンプ３００は、出口が入口から或る角度で延びるため、ポンプ２００とは僅かに異なる。ポンプ３００は、比較的より小さいステータアセンブリを含むポンプ２００に比して比較的コンパクトな設計で構成されるが、同じ包括的な原理を、モータを制御するとともにインペラ位置を調整するために適用することができる。
【００７９】
図１５は、ポンプ４００が非接触式軸受を有する軸流ポンプであることを除いて、ポンプ２００及び３００と同様の別のポンプ４００の断面図である。ポンプ４００は、入口４０１及び出口４０２を有するポンプハウジングを含む。インペラ４１１が、ハウジング内の血流に流れを加えるためにポンプチャンバ内に位置決めされる。インペラは、ステータアセンブリ４０５との相互作用によって駆動される磁気材料から全体的に形成される。
【００８０】
インペラ４１１は、流体力及び受動的な磁力の組み合わせによってポンプチャンバにおいて安定される。磁気材料であるインペラ４１１は、ステータアセンブリ４０５内の磁気材料と相互作用し、軸方向のセンタリング力を提供する。面取り面を有するポンプリング４５２が、インペラの前端に位置決めされ、軸方向（左から右に）及び径方向（頁において上下に）流体力学的安定化力を生成する。永久磁石リング４５０が、Ｎ極がインペラのＮ極に面する向きでインペラの後縁に設けられる。この構成は、軸方向付勢力を生成し、インペラをポンプリング４５２に対して押す。磁石リング４５０は、径方向センタリング力も提供する。最後に、インペラは、深い動圧溝を含み、径方向の安定のために、ポンプチャンバの内側壁に対する動圧力を生成する。
【００８１】
動作時に、インペラは、軸方向及び径方向に安定したままである。インペラの回転速度が変化すると又は他の力（例えば、自然な脈拍）の結果として、幾らかの軸方向移動が存在し得るが、概して、インペラはステータアセンブリの下でセンタリングされたままである。
【００８２】
上述したＦＯＣ制御技法を使用して、インペラ４１１に対するステータアセンブリ４０５の引力を変更することができる。１つの実施形態では、ポンプ４００は、ステータアセンブリ４０５の下でセンタリングされているときにインペラが偏心しているように構成されている。この例では、引力を増大させることは、軸方向移動に抵抗するための軸方向の剛性の増大になる。１つの実施形態では、引力は、インペラ４１１を軸方向に実際に移動させるように変更される。例えば、インペラは、ポンプリング４５２の近くに移動され、血液を、インペラ４１１とリング４５２の表面との間のギャップから絞り出すことができる。インペラは、リング４５２から離れるように移動し、間の血液ギャップを増大させることもできる。このように、インペラ位置制御技法は、ポンプ４００の受動的な軸受構造では可能でなかったであろう能動的な位置制御の要素を加える。
【００８３】
本発明の特定の実施形態の上記の記載は、説明及び記載の目的で提示されている。上記の記載は、網羅的であるか、又は、本発明を開示される正確な形態に限定する意図はなく、上記教示に照らして明らかに多くの変更形態及び変形形態が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最も良く説明するために選択及び記載されており、それによって、当業者が、本発明及び種々の変更形態を含む種々の実施形態を、意図される特定の用途に適したものとして最良に使用することを可能にする。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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