(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流入ポートと液体流出ポートを有するハウジングと、内部に磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、電磁石を備えるインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、コントローラとを備える遠心式液体ポンプ装置であって、前記コントローラは、前記インペラ位置制御部を用いて前記ハウジング内における前記インペラの浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、前記モータの電流計測機能と、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能と、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した液体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶したデータ記憶部とを備え、さらに、前記液体粘度算出機能は、該データ記憶部のデータと、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量とを用いて液体粘度を算出するものであることを特徴とする遠心式液体ポンプ装置。
【請求項２】
前記コントローラは、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を複数の回転数ごとに予め測定した液体粘度モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶したデータ記憶部を備え、前記液体粘度算出機能は、該データ記憶部のデータと、モータ回転数と、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量とを用いて液体粘度を算出するものである請求項１に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項３】
前記インペラは、前記インペラ位置制御部との軸受のための磁性部材を有し、前記インペラ位置制御部は、前記インペラの磁性部材を吸引するための固定された複数の電磁石と、該インペラの磁性部材の位置を検出するための位置センサーを備えている請求項１または２に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項４】
前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置である請求項１ないし３のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項５】
前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記遠心式血液ポンプ装置は、血液温度検出器を備え、前記コントローラは、該血液温度検出器により検出された血液温度と、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度とを用いてヘマトクリット値を演算するヘマトクリット値演算機能を備える請求項４に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項６】
前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記コントローラは、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第１の設定値以下になった場合に、警報信号を出力するものである請求項４または５に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項７】
前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記コントローラは、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第２の設定値以上になった場合に、警報信号を出力するものである請求項４ないし６のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項８】
前記コントローラは、液体ポンプ装置のモータに流れる電流とモータ回転数と吐出流量との関係を予め測定した吐出流量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶しており、モータ電流値とモータ回転数と前記関係式データと前記液体粘度算出機能により演算された液体粘度とを用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている請求項１ないし７のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項９】
前記コントローラは、設定流量の入力および記憶機能と、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量と前記設定流量を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出流量を設定流量に近づけるように制御する吐出流量制御機能を備えている請求項８に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量演算値と、液体ポンプ装置のモータ回転数と吐出流量と吐出圧力との関係を予め測定した吐出圧力関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データと、モータ回転数とを用いて吐出圧力を演算する吐出圧力演算機能を備えている請求項８または９に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、設定吐出圧力の入力および記憶機能と、該吐出圧力演算機能により演算された吐出圧力と前記設定吐出圧力を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出圧力を設定吐出圧力に近づけるように制御する吐出圧力制御機能を備えている請求項１０に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１２】
前記吐出流量制御機能または前記吐出圧力制御機能のために、前記コントローラは、前記モータ回転数制御機能を備えている請求項８ないし１１のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液などの医療用液体を搬送するための遠心式液体ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。そして、このような遠心式血液ポンプは、血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有している。また、インペラは、内部に磁性体（永久磁石）を備え、インペラの磁性体を吸引するための磁石を備えるロータおよびこのロータを回転させるモータを備えた回転トルク発生機構により回転する。
【０００３】
図１１に、血液ポンプを人工心肺装置に使用した例を示す。図１１において、人工心肺装置１００は、血液ポンプ１０１と人工肺１０２のほかに計測手段としての圧力計１０３が設けられる。血液ポンプ１０１に遠心型を用いる場合には、さらに流量計１０４が必要となる。ところが、上述の圧力計１０３や流量計１０４などの測定装置は高価であるとともに、これら測定装置の接続部が増加し、ここで凝血が発生する可能性が増大する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、血液ポンプを人工心肺装置に使用する場合には、一定時間ごとに採血し、別の装置で血液の状態を検査することが行われる。その際、血液希釈剤の使用によりヘマトクリット値や血液粘度が変化し、血液粘度は血液温度にも依存して変化する。血液粘度の変化はさらに流路内の流速分布を変化させる。このようなヘマトクリット値や流速分布の変化は次のように各種流量計の誤差要因となる。すなわち、人工心肺装置用流量計として電磁流量計や超音波ドップラー流量計が用いられる。電磁流量計では、液体の導電率が出力電圧に大きく影響し、ヘマトクリット値は血液の導電率を大きく変化させるため、ヘマトクリット値の変化が誤差要因となる。また、超音波ドップラー流量計では流速分布の変化が大きな誤差要因であり、血液粘度は流速分布を変えるため、血液粘度が測定精度に影響する。各ヘマトクリット値、粘度ごとに流量系の検定をしておけば、これらの値によって補正することが可能である。これまで、ヘマトクリット値や血液粘度の測定は採血を伴うバッチ処理を必要としていたため、このような補正をリアルタイムで実行することは不可能であった。
また、血液ポンプを体内埋込用に使用した場合には、その収納スペースの問題から流量計や圧力計を設置することができない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、特別な粘度計を用いることなく、液体粘度を容易かつ確実に算出できる粘度算出機能を備えた遠心式液体ポンプ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するものは、液体流入ポートと液体流出ポートを有するハウジングと、内部に磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、電磁石を備えるインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、コントローラとを備える遠心式液体ポンプ装置であって、前記コントローラは、前記インペラ位置制御部を用いて前記ハウジング内における前記インペラの浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、前記モータの電流計測機能と、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能と、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した液体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶したデータ記憶部とを備え、さらに、前記液体粘度算出機能は、該データ記憶部のデータと、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量とを用いて液体粘度を算出するものである遠心式液体ポンプ装置である。
【０００８】
そして、前記コントローラは、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を複数の回転数ごとに予め測定した液体粘度モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶したデータ記憶部を備え、前記液体粘度算出機能は、該データ記憶部のデータと、モータ回転数と、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量とを用いて液体粘度を算出するものであることが好ましい。
【０００９】
さらに、前記インペラは、例えば、前記インペラ位置制御部との軸受のための磁性部材を有し、前記インペラ位置制御部は、前記インペラの磁性部材を吸引するための固定された複数の電磁石と、該インペラの磁性部材の位置を検出するための位置センサーを備えるものである。また、前記遠心式液体ポンプ装置は、例えば、遠心式血液ポンプ装置である。さらに、前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記遠心式血液ポンプ装置は、血液温度検出器を備え、前記コントローラは、該血液温度検出器により検出された血液温度と、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度とを用いてヘマトクリット値を演算するヘマトクリット値演算機能を備えていてもよい。さらに、前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記コントローラは、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第１の設定値以下になった場合に、警報信号を出力するものであることが好ましい。また、前記遠心式液体ポンプ装置は、遠心式血液ポンプ装置であり、さらに、前記コントローラは、前記液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第２の設定値以上になった場合に、警報信号を出力するものであることが好ましい。
【００１０】
そして、前記コントローラは、液体ポンプ装置のモータに流れる電流とモータ回転数と吐出流量との関係を予め測定した吐出流量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶しており、モータ電流値とモータ回転数と前記関係式データと前記液体粘度算出機能により演算された液体粘度とを用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えていることが好ましい。さらに、前記コントローラは、設定流量の入力および記憶機能と、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量と前記設定流量を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出流量を設定流量に近づけるように制御する吐出流量制御機能を備えていることが好ましい。
【００１１】
また、前記コントローラは、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量演算値と、液体ポンプ装置のモータ回転数と吐出流量と吐出圧力との関係を予め測定した吐出圧力関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データと、モータ回転数とを用いて吐出圧力を演算する吐出圧力演算機能を備えていることが好ましい。さらに、前記コントローラは、設定吐出圧力の入力および記憶機能と、該吐出圧力演算機能により演算された吐出圧力と前記設定吐出圧力を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出圧力を設定吐出圧力に近づけるように制御する吐出圧力制御機能を備えていることが好ましい。また、前記吐出流量制御機能または前記吐出圧力制御機能のために、前記コントローラは、前記モータ回転数制御機能を備えていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の遠心式液体ポンプ装置を血液ポンプに応用した実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。図２は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。図３は、図２の遠心式液体ポンプ装置本体部をインペラ部分にて切断した断面図である。図４は、図２に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置の縦断面図であり、インペラのみ図３の屈曲した一点破線により切断した状態を模式的に示してある。図５は、図２に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。
【００１３】
本発明の遠心式液体ポンプ装置１は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３を有するハウジング２０と、内部に磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心式液体ポンプ部２と、遠心式液体ポンプ部２のインペラ２１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるインペラ回転トルク発生部３と、電磁石４１を備えるインペラ位置制御部４を備え、ハウジングに対してインペラ２１が非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部５と、コントローラ６を備える。
【００１４】
コントローラ６は、インペラ位置制御部４を用いてハウジング２０内におけるインペラ２１の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータ３４の電流計測機能と、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラ２１の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ３４の電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能とを備える。
【００１５】
図２ないし図５に示すように、この実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部５は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ２１を有する遠心式液体ポンプ部２と、インペラ２１のためのインペラ回転トルク発生部（非制御式磁気軸受構成部）３と、インペラ２１のためのインペラ位置制御部（制御式磁気軸受構成部）４とを備える。
【００１６】
インペラ２１は、非制御式磁気軸受構成部および制御式磁気軸受構成部の作用により、ハウジング２０内の所定位置に保持された状態で回転する。
ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。血液流出ポート２３は、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。
【００１７】
ハウジング２０内に形成された血液室２４内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ２１が収納されている。インペラ２１は、下面を形成するドーナツ板状部材（下部シュラウド）２７と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材（上部シュラウド）２８と、両者間に形成された複数（６つ）のベーン１８を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（６個）の血液通路２６が形成されている。血液通路２６は、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、湾曲して外周縁まで延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路２６間にベーン１８が形成されている。なお、この実施例では、血液通路２６およびベーン１８は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
【００１８】
そして、インペラ２１には、複数（具体的には、６つ）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引し、かつ回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達可能にするために設けられている。また、このようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、円形であることが好ましい。
【００１９】
また、インペラ２１は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた磁性部材２８を備える。この実施例では、上部シュラウドの全体が、磁性部材２８により形成されている。磁性部材２８は、後述するインペラ位置制御部の電磁石４１によりインペラ２１を血液流入ポート２２側に吸引するために設けられている。磁性部材２８としては、磁性ステンレスまたはニッケルまたは軟鉄部材等が使用される。
【００２０】
インペラ位置制御部４およびインペラ回転トルク発生部３により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ２１は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング２０内において、ハウジング２０の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング２０内を回転する。
【００２１】
インペラ回転トルク発生部３は、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４（内部構造を省略する）からなる。ロータ３１は、回転板３２と回転板３２の一方の面（液体ポンプ側の面）に設けられた複数の永久磁石３３からなる。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
【００２２】
インペラ回転トルク発生部３としては、上述のロータおよびモータを備えるものに限られず、例えば、インペラ２１の永久磁石２５を吸引し、かつ回転駆動させるための複数のステーターコイルからなるものでもよい。また、インペラ回転トルク発生部３には、モータ３４もしくはロータ３１の回転数を検知するためのセンサ３５が設けられている。センサとしては、光学式、磁気式センサが使用できる。また、モータの回転数は、モータコイル間の逆起電力より検知してもよい。
【００２３】
インペラ位置制御部４は、インペラの磁性部材２８を吸引するための固定された複数の電磁石４１と、インペラの磁性部材２８の位置を検出するための位置センサー４２を備えている。具体的には、インペラ位置制御部４は、ハウジング２０内に収納された複数の電磁石４１と、複数の位置センサ４２を有する。インペラ位置制御部の複数（３つ）の電磁石４１および複数（３つ）の位置センサ４２は、それぞれ等角度間隔にて設けられており、電磁石４１と位置センサ４２も等角度間隔にて設けられている。電磁石４１は、鉄心とコイルからなる。電磁石４１は、この実施例では、３個設けられている。電磁石４１は、３個以上、例えば、４つでもよい。３個以上設け、これらの電磁力を位置センサ４２の検知結果を用いて調整することにより、インペラ２１の中心軸（ｚ軸）方向の力を釣り合わせ、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりのモーメントを同じにすることができる。
【００２４】
位置センサ４２は、電磁石４１と磁性部材２８との隙間の間隔を検知し、この検知出力は、電磁石４１のコイルに与えられる電流もしくは電圧を制御する制御部６３にフィードバックされる。また、インペラ２１に重力等による半径方向の力が作用しても、インペラ２１の永久磁石２５とロータ３１の永久磁石３３との間の磁束の剪断力および電磁石４１と磁性部材２８との間の磁束の剪断力が作用するため、インペラ２１はハウジング２０の中心に保持される。
【００２５】
次に、コントローラ６について、図１を用いて説明する。
コントローラ６は、インペラ位置制御機能、インペラ回転トルク制御機能、インペラ位置制御部を用いてハウジング内におけるインペラ２１の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータ３４の電流計測機能と、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラ２１の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ３４の電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能とを備えている。
具体的には、コントローラ６は、コントローラ本体部６１と、モータドライバ６２と、インペラ位置制御用コントロール部６３とを備えている。
モータドライバ６２は、コントローラ本体部６１より出力（指示）されたモータ回転数に対応する電圧を出力しモータ３４を回転させるためのドライバである。
【００２６】
また、インペラ位置制御用コントロール部６３は、コントローラ本体部６１より出力（指示）されたインペラ浮上位置を維持するために電磁石４１に流れる電流または電圧もしくは電流および電圧を制御するためのものである。また、３つの位置センサ４２による検知結果は、インペラ位置制御用コントロール部６３に入力され、インペラ２１の中心軸（ｚ軸）方向の力を釣り合わせ、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりのモーメントが同じになるように、３つの電磁石４１に流れる電流を制御する。なお、また、位置センサ４２による検知結果をコントローラ本体部６１に入力し、コントローラ本体部６１より、３つの電磁石４１個々に与える電圧値を出力させてもよい。
【００２７】
コントローラ本体部６１は、記憶部（ＲＯＭ）６４と、ＣＰＵ６５と、表示部６６と、入力部６７を備えている。表示部６６には、設定吐出流量表示部７１、実行吐出流量表示部７２、設定吐出圧力表示部７３、実行吐出圧力表示部７４、液体温度表示部７５、液体粘度表示部７６、インペラ回転数表示部７７が設けられている。また、入力部６７には、設定吐出流量入力部６８、設定吐出圧力入力部６９が設けられている。
【００２８】
コントローラ本体部６１は、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量（モータ駆動電流変化量）との関係を予め測定した液体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式（例えば、相関式データもしくは粘度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を備え、液体粘度算出機能は、データ記憶部のデータと、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ３４の電流変化量を用いて液体粘度を算出するものである。
【００２９】
言い換えれば、コントローラ本体部６１の記憶部内には、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した液体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された相関式データ（粘度演算式データでもある）が記憶されている。
【００３０】
図６は、粘度（ｃＳｔ）が２，３，４のそれぞれの液体（血液）について、モータ３４（インペラ）が２０００ｒｐｍ、流量５Ｌ／ｍｉｎで一定回転している場合における、直径５０ｍｍのインペラ２１の浮上位置の変化量とモータ電流との関係を示す図である。横軸下段はインペラ浮上位置指令用の入力電圧である。この指令用入力電圧値を用いて、コントローラ本体部６１はその値に対応したインペラ浮上位置（図６の横軸上段）にインペラが位置するように、インペラ位置制御用コントロール部６３を介し電磁石４１に流れる電流を調節する。そして、この実施例では、図６の上段は対応する浮上位置の変化量であり、＋側の指令はインペラ２１をモータ３４側（インペラ回転トルク発生部３側）に、−側の指令は電磁石４１側（インペラ位置制御部４側）にインペラを変位させることを示している。具体的には、この実施例では浮上位置変更用入力電圧指令値（位置変更のための電圧変更量）が０の時（通常状態、言い換えれば、非粘度計測時）のインペラ２１の底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の軸方向隙間は、０．２５ｍｍであり、０．１５ｍｍ浮上位置をモータ３４側に変化させた場合、インペラ２１の底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の隙間は、０．１ｍｍとなる。
【００３１】
インペラ浮上位置変化によって、インペラ２１の液体から受ける摩擦力は変化し、その結果インペラ回転駆動のためのモータ３４の電流は変化する。この摩擦トルクまたはモータ電流の変化量は、インペラ２１の上面下面の面積、インペラ２１とハウジング２０の軸方向隙間及び血液の粘度に影響を受ける。血液粘度が高くなるほどモータ電流は高く、またインペラ浮上位置がポンプ室側壁面に近づき、インペラ２１とハウジング２０の軸方向隙間が小さくなるほどモータ電流は高くなる。インペラ２１の上面下面の面積は一定であるので、インペラ２１の浮上位置を変化させたときのモータ電流変化量を利用することにより、血液粘度を求めることができる。
【００３２】
なお、インペラ２１とハウジング２０との間隙とモータ電流の変化量の関係は、図６に示されるように直線的ではなく、放物線状に変化しており、軸方向隙間の変化量を０．１０以上、好ましくは、０．１５ｍｍ以上とすることにより、２ｃＳｔ程度の液体粘度においても、十分な電流変化量を得ることができる。なお、あまりインペラ２１をハウジング２０内面に近づけすぎると接触する可能性が高くなるため、軸方向隙間は０．０５ｍｍ以上に保つ事が好ましい。
【００３３】
なお、モータ電流値は液体流量に対する依存するため、モータ電流値そのものを用いて粘度を演算することは困難であるが、インペラ２１の浮上位置を変化させることにより得られるモータ電流変化量は、液体流量に依存しないので、この変化量を用いて粘度を演算することができる。与える位置変化量がポンプの大きさに比べて無視できる程度であるため、ポンプ性能に与える影響は無視できる。具体的には、浮上位置を変化させても流量はほとんど変化せず、このときの電流変化はハウジングとインペラ間の円板摩擦損失の変化のみに依存する。つまり、インペラ２１の浮上位置は、インペラ浮上位置指令用の入力電圧にのみ依存し、液体粘度、回転数などには依存しない。
【００３４】
図７は、図６におけるインペラ浮上位置指令用入力電圧変位量（電圧増加量）２．５Ｖ（インペラ浮上位置変位量０．１５ｍｍ、インペラの底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の軸方向隙間０．１０ｍｍ）の状態におけるモータ電流値より、インペラ浮上位置指令用の入力電圧０（インペラ浮上位置変位量０ｍｍ、インペラの底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の軸方向隙間は、０．２５ｍｍ）の状態におけるモータ電流値を引く（除する）ことにより得られるモータ電流変化量と、液体粘度（血液粘度）との関係を示す図である。この図より、モータ電流変化量と液体粘度（血液粘度）とがほぼ直線的相関関係を有することがわかった。また、図７に示された液体粘度−モータ電流変化量関連データより、相関式（回帰直線）でありかつ粘度演算式でもある式を算出することができる。具体的には、この実施例のポンプでは、粘度演算式は、以下のとおりであった。
【００３５】
粘度（ν，ｃＳｔ）＝２４．６３×モータ電流変化量（Ａ）＋０．９０
【００３６】
そして、この実施例では、ＲＯＭ６４の中に、この粘度演算式が記憶されている。
なお、ＲＯＭ６４は、 液体粘度モータ電流変化量関連データ（生データ）のみ記憶し、ＣＰＵ６５は、粘度演算前に相関式（粘度演算式）を演算するものとしてもよい。この場合、コントローラ６は、相関式もしくは粘度演算式演算機能を備えることになる。
そして、ＣＰＵ６５には、この粘度演算式を用いて粘度を演算するために、モータ電流変化量もしくはモータ電流値が入力される。
【００３７】
また、コントローラ本体部６１（具体的には、モータドライバ６２）には、インペラ回転トルク発生部３のモータ回転数検知センサ３５もしくはモータコイルの逆起電力波形より検知された回転数関連信号が入力され、モータドライバ６２により、回転数信号に変換され、この回転数信号はＣＰＵ６５に入力される。ＣＰＵ６５からのインペラ浮上位置指令は、ステップ状に与えてもランプ状に与えてもよい。
【００３８】
また、コントローラ６は、液体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を複数の回転数ごとに予め測定した液体粘度モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データ（例えば、粘度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を備えていてもよい。このようにすれば、作動中のポンプ回転数に近い回転数に変更し粘度演算ができるので、粘度測定のために回転数を大きく変更しなくてもよい。また、複数の回転数について、粘度演算をし、平均値を求めることもできる。
【００３９】
そして、コントローラ本体部６１は、液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第１の設定値以下になった場合に、警報信号を出力する。具体的には、コントローラ本体部６１は、粘度低下警報ランプ８１とブザー８２を備えており、血液粘度が第１の設定値以下となった場合に、警報ランプ８１を点滅させるとともに、ブザー８２を鳴動させる。
【００４０】
さらに、コントローラ本体部６１は、液体粘度算出機能により演算された血液粘度が第２の設定値以上になった場合に、警報信号を出力する。具体的には、コントローラ本体部６１は、粘度上昇警報ランプ８３を備えており、血液粘度が第２の設定値以下となった場合に、警報ランプ８３を点滅させるとともに、ブザー８２を鳴動させる。なお、ブザーは、上記粘度低下時に作動するものと共通のものとしている。ブザーとしては、単一音を発するもの、複数音（例えば、２種）のものいずれでもよく、特に、粘度低下警報と粘度上昇警報とを区別するために、それぞれの警報音を異なるものとすることが望ましい。また、ブザーを個々に異なる（例えば、ブザー音が異なる）ものとしてもよい。
【００４１】
血液粘度が高くなると血栓ができやすいこと、出血により血液粘度が低下することもある。粘度計測の結果を粘度許容値と比較して高すぎた場合あるいは低すぎた場合は警報信号を出力することにより、医師あるいは患者自らの迅速な処置が可能となる。
【００４２】
そして、コントローラ本体部６１は、液体ポンプ装置１のモータ３４に流れる電流とモータ３４の回転数と吐出流量との関係を予め測定した吐出流量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶しており、実際のモータ電流値とモータ３４の回転数と関係式データを用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている。特に、このコントローラ本体部６１では、実際のモータ電流値とモータ回転数と関係式データと上述した液体粘度算出機能により演算された液体粘度を用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている。
【００４３】
図８は、磁気浮上型遠心ポンプの吐出流量とモータ３４の電流との関係を回転数を変えて測定した結果を示す図である。図８の磁気浮上型遠心ポンプの特性は、図４に示されるハウジング２０とインペラ２１との隙間や、流体の粘度により変化するが、予めポンプごとに検定しておけば、図８に示すようにモータ電流とモータ回転数とから吐出流量を得ることができる。
【００４４】
このように、実測することなく吐出流量を得るために、コントローラ本体部６１は、液体ポンプ装置１のモータに流れる電流とモータ回転数と吐出流量との関係を予め測定した吐出流量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶している。吐出流量は、実際のモータ電流値とモータ回転数と関係式データを用いて演算される。
【００４５】
具体的には、コントローラ６のモータ回転数制御機能によってモータ３４に一定の電流および電圧が供給されて、インペラがたとえば２２００ｒｐｍの一定回転数で回転中の場合、図８に示す特性からモータ回転数とモータ駆動電流とから流量を求めることができる。この場合、モータドライバ６２は、コントローラ６のＣＰＵ６５からの指令にもとづいて、モータ回転数がたとえば２２００ｒｐｍとなるようにモータ３４を駆動する。
しかし、一定回転数でのモータ電流と流量との関係を粘度を変えて測定した特性を示す図である図９に示すように、モータ３４の電流と回転数とから流量を演算する場合に、たとえば回転数が２０００ｒｐｍで一定回転していても、血液粘度ν＝１，２，３，４によって一定の流量を得るための電流が異なり、血液粘度の変化が誤差となる。
【００４６】
そこで、本発明ではコントローラ本体部６１において、実際のモータ電流値とモータ回転数と関係式データと、上述した液体粘度算出機能により演算された液体粘度を用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えている。これにより、いわゆる粘度補正が行われ正確な実行吐出流量が演算される。
そして、ＣＰＵ６５は、モータ回転数をモータ回転数表示部に表示し、粘度補正を含む演算により得られた吐出流量を実行流量表示部に表示する。
【００４７】
そして、この実施例のポンプ装置１では、設定流量による液体の送液を行うために、コントローラ本体部６１は、設定流量の入力および記憶機能を備えており、吐出流量演算機能により演算された吐出流量と、設定流量を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出流量を設定流量に近づけるように制御する吐出流量制御機能を備えている。
【００４８】
吐出流量制御としては、フィードバック制御を用いることができ、例えば、実行吐出流量（演算値）が設定吐出流量より少ない場合には、モータ回転数を増加させ、逆に、実行吐出流量（演算値）が設定吐出流量より多い場合には、モータ回転数を減少させることにより行われる。なお、コントローラ本体部６１は、吐出流量演算機能により演算された吐出流量と設定流量とを比較し、両者の差分に対応するポンプ回転数を演算する差分ポンプ回転数演算機能を備え、この機能より演算されたポンプ回転数を現在指示しているポンプ回転数に加減することにより制御する。
【００４９】
また、コントローラ本体部６１は、吐出圧力演算機能を備えている。特に、このコントローラ本体部６１では、上述した液体粘度算出機能により演算された液体粘度を直接もしくは間接的に利用して吐出圧力を演算する吐出圧力演算機能を備えている。具体的には、コントローラ本体部６１のＲＯＭ６４には、液体ポンプ装置１のモータ回転数と吐出流量と吐出圧力との関係を予め測定した吐出圧力関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶しており、上述した吐出流量演算値（粘度補正を含む）と実際のモータ回転数と上記関係式データを用いて吐出圧力を演算し、得られた吐出圧力を実行吐出圧力表示部に表示する。
【００５０】
図１０は、各回転数におけるポンプ吐出流量−圧力特性を示す図である。図８の磁気浮上型遠心ポンプの特性は、流体の粘度により変化するが、予めポンプごとに検定しておけば、図９に示すようにモータ駆動電流とモータ回転数とから吐出流量を得ることができ、図１０の特性より、吐出流量とモータ回転数とから吐出圧力を求めることができる。
【００５１】
上述したように、吐出流量演算機能により、粘度補正が行われた実行吐出流量が演算され、この実行吐出流量と、コントローラ本体部６１が記憶する液体ポンプ装置１のモータ回転数と吐出流量と吐出圧力の関係を予め測定した吐出圧力関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを用いて、実行吐出圧力が演算される。このため、実測することなく、粘度補正が行われた正確な実行吐出圧力を得ることができる。
【００５２】
そして、この実施例のポンプ装置１では、設定吐出圧力による液体の送液を行うために、コントローラ本体部６１は、設定吐出圧力の入力およびその記憶機能を備えており、吐出圧力演算機能により演算された吐出圧力と、設定圧力を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出圧力を設定圧力に近づけるように制御する吐出圧力制御機能を備えている。
【００５３】
吐出圧力制御としては、フィードバック制御を用いることができ、例えば、実行吐出圧力（演算値）が設定吐出圧力より少ない場合には、モータ回転数を増加させ、逆に、実行吐出圧力（演算値）が設定吐出圧力より多い場合には、モータ回転数を減少させることにより行われる。なお、コントローラ本体部６１は、吐出圧力演算機能により演算された吐出圧力と設定圧力とを比較し、両者の差分に対応するポンプ回転数を演算する差分ポンプ回転数演算機能を備え、この機能より演算されたポンプ回転数を現在指示しているポンプ回転数に加減することにより制御する。
【００５４】
また、本発明の遠心式液体ポンプ装置１では、ポンプ部２には、血液温度検出器２９（温度センサ）が設けられており、コントローラ本体部６１は、血液温度検出器２９により検出された血液温度と、血液粘度算出機能により演算された血液粘度とを用いてヘマトクリット値を演算するヘマトクリット値演算機能を備えている。表１は、回転円錐型粘度計を用いて人血液の粘度、ヘマトクリット値、温度の関係の測定結果であり、血液温度と血液粘度からヘマトクリット値の推定が可能であることを示している。
【００５５】
【表１】
0003919896.tif 000002
【００５６】
次に、本発明の遠心式液体ポンプ装置１における粘度演算ステップについて、簡単に説明する。
まず、血液体外循環を開始する前に、コントローラ本体部６１に、設定流量もしくは設定吐出圧力をそれぞれの入力部より入力すると、この設定値は、ＣＰＵ６５に記憶される。そして、その設定値に対応するモータ回転数、モータ電流がＣＰＵ６５により演算され、その値がモータドライバ６２に出力され、その条件にてポンプが回転し、またインペラ浮上位置が通常位置（非粘度計測時）、例えば、インペラ２１の底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の軸方向隙間が０．２５ｍｍとなるように、ＣＰＵ６５はインペラ位置制御用コントロール部６３を介してインペラ位置制御部の電磁石４１の電圧値に対応する電圧（インペラ浮上位置指令電圧）を出力する。これにより、送液が開始される。そして、循環開始後、ＣＰＵ６５は、記憶部に記憶されているデータの回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）にモータの回転数を変更し、さらに、インペラ浮上位置を変更させるために、インペラ浮上位置指令電圧を変更させる。例えば、インペラ浮上位置指令電圧を２．５Ｖとする。これにより、インペラ２１は、約０．１５ｍｍ移動し、インペラ２１の底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の隙間が約０．１ｍｍとなる。
【００５７】
モータ電流値は、逐次コントローラ本体部６１（ＣＰＵ６５）に入力されており、ＣＰＵ６５では、インペラ浮上位置変更前と変更後のモータ電流値よりモータ電流変化量を演算する。そして、ＣＰＵ６５は、再び、インペラ浮上位置を通常位置に戻すために、インペラ浮上位置指令電圧を変更させる。例えば、インペラ浮上位置指令電圧を０Ｖとすることにより、インペラ２１は、約０．１５ｍｍ移動し、インペラ２１の底面とインペラ回転トルク発生部３側のハウジング２０の内面間の隙間が約０．２５ｍｍに復帰する。
【００５８】
そして、コントローラ本体部６１は、このモータ電流変化量と、ＲＯＭ６４に記憶されている粘度演算式とを用いて、ＣＰＵ６５は、粘度を演算する。
通常の流量計、圧力計は粘度変化によって誤差が生ずるが、ここで求められた粘度は流量、圧力の補正にも利用され、精度の高い吐出流量値、吐出圧力値の算出ができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートを有するハウジングと、内部に磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、電磁石を備えるインペラ位置制御部とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、コントローラとを備える遠心式液体ポンプ装置であって、前記コントローラは、前記インペラ位置制御部を用いて前記ハウジング内における前記インペラの浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、前記モータの電流計測機能と、前記インペラ浮上位置制御機能を用いて前記インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータ電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能とを備えている。
このため、特別な装置を設けることなく、インペラの浮上位置を変化させることで、液体粘度をリアルタイムかつ容易に測定することができる。また、得られた液体粘度は、液体粘度管理、例えば、粘度異常警報を出す際、さらには、流量計や圧力計を用いることなく吐出流量、吐出圧力を演算により求める際の補正に用いることができる。
【００６０】
また、前記コントローラは、液体ポンプ装置のモータに流れる電流とモータ回転数と吐出流量との関係を予め測定した吐出流量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データを記憶しており、モータ電流値とモータ回転数と前記関係式データと前記液体粘度算出機能により演算された液体粘度とを用いて吐出流量を演算する吐出流量演算機能を備えているものとすれば、流量計を用いることなく、粘度相違による誤差が極めて少ない正確な吐出流量を演算により求めることができる。
【００６１】
さらに、前記コントローラは、設定流量の入力および記憶機能と、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量と前記設定流量を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出流量を設定流量に近づけるように制御する吐出流量制御機能を備えるものとすれば、吐出流量の管理が容易である。
【００６２】
また、前記コントローラは、前記吐出流量演算機能により演算された吐出流量演算値と、液体ポンプ装置のモータ回転数と吐出流量と吐出圧力との関係を予め測定した吐出圧力関連データもしくはこの関連データより算出された関係式データと、モータ回転数とを用いて吐出圧力を演算する吐出圧力演算機能を備えるものとすれば、圧力計を用いることなく、粘度相違による誤差が極めて少ない正確な吐出圧力を演算により求めることができる。
【００６３】
さらに、前記コントローラは、設定吐出圧力の入力および記憶機能と、該吐出圧力演算機能により演算された吐出圧力と前記設定吐出圧力を比較し、比較結果を用いてモータ回転数を制御し、吐出圧力を設定吐出圧力に近づけるように制御する吐出圧力制御機能を備えるものとすれば、吐出圧力の管理が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。
【図２】図２は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。
【図３】図３は、図２の遠心式液体ポンプ装置本体部をインペラ部分にて切断した断面図である。
【図４】図４は、図２に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置の縦断面図である。
【図５】図５は、図２に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。
【図６】図６は、インペラの浮上位置の変化量とモータ駆動電流との関係を示す図である。
【図７】図７は、遠心式液体ポンプ装置のモータ電流変化量と液体粘度との関係を示す図である。
【図８】図８は、遠心式液体ポンプ装置の吐出流量とモータの駆動電流との関係を示す図である。
【図９】図９は、遠心式液体ポンプ装置のモータ電流と流量の関係を回転数一定で粘度を変えて測定した特性を示す図である。
【図１０】図１０は、遠心式液体ポンプ装置の各回転数におけるポンプ吐出流量と吐出圧力特性を示す図である。
【図１１】図１１は、血液ポンプを人工心肺装置に使用した従来例を示す図である。
【符号の説明】
１  遠心式液体ポンプ装置
２  遠心式液体ポンプ部
３  インペラ回転トルク発生部
４  インペラ位置制御部
５  遠心式液体ポンプ装置本体部
６  コントローラ
２１  インペラ
２５  磁性体
３１  ロータ
３４  モータ
４１  電磁石
２０  ハウジング
６１  コントローラ本体部
６２  モータドライバ
６３  インペラ位置制御用コントロール部
６４  記憶部（ＲＯＭ）
６５  ＣＰＵ
６６  表示部
６７  入力部
【図１】
0003919896.tif 000003
【図２】
0003919896.tif 000004
【図３】
0003919896.tif 000005
【図４】
0003919896.tif 000006
【図５】
0003919896.tif 000007
【図６】
0003919896.tif 000008
【図７】
0003919896.tif 000009
【図８】
0003919896.tif 000010
【図９】
0003919896.tif 000011
【図１０】
0003919896.tif 000012
【図１１】
0003919896.tif 000013