(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに立設した固定軸と、
前記ケーシングのポンプ室内に回転可能に配置し、上流側中心部に流入口を形成したインペラと、
前記固定軸に回転可能に嵌合する円筒状内面を備えたインペラ支持部材と、
インペラ支持部材に永久磁石を内蔵させ、隔壁越しにこの永久磁石を回転駆動させるインペラ駆動装置とを備え、
前記インペラ支持部材の円筒状内面と固定軸間にラジアル動圧軸受を形成し、
インペラ支持部材の上下端面と前記上下端面に対向する部材の面間にそれぞれスラスト動圧軸受を形成し、
前記インペラの高圧側の動圧軸受用作動流体を、各動圧発生用溝により、一方のスラスト動圧軸受からラジアル動圧軸受を介し、他方のスラスト動圧軸受に循環させ、インペラの低圧側に排出したことを特徴とする人工心臓ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は生体の心臓の代わりに、或いは生体の心臓と共に用いる人工心臓用ポンプに関し、特にラジアル方向及びスラスト方向共に動圧軸受により支持した人工心臓ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
我が国においても、臓器移植法が施行され、脳死からの心臓移植が可能となっているが、実情はドナー不足のため、なお残る患者を救う道は人工心臓しかない。人工心臓の研究は古くから行われ、臨床使用も多数報告されている。人工心臓には、生体心臓を切除しないで並列に入れる補助人工心臓と、切除して結合する完全置換人工心臓とがある。従来これらは、ベッドサイドに制御装置を設置した空気駆動型のものがほとんどであったが、近年は腹部埋め込みが可能で、ベルトないしリュックにつけたバッテリを用いて電気駆動する補助人工心臓も開発され、現在の製品ではそのサイズの点から体格の大きい患者用に限られるものの、在宅治療もできる人工心臓が用いられるようになっている。
【０００３】
このような人工心臓をポンプ形式の点から分類すると、大別して拍動流式及び連続流式の２方式が存在する。拍動流型は、１回の拍出毎に定量の血液を送出する方式であり、臨床応用が進んだ補助人工心臓では年単位の使用実績を有するものもある。連続流型は回転機構により連続的に血液を送出する方式であり、送出量がポンプ容積には直接関係せず小型化が容易で、体内埋め込み型の補助人工心臓用に有望である。無拍動流が生体に与える影響については、いくつかの動物実験によると、生理的問題なく生存することが報告されている。ただし、生理的には拍動流が好ましいとされているため、連続流ポンプは生体心臓を残して付ける補助人工心臓として開発が進められている。連続流型ポンプの中には遠心式、軸流式、回転容積式などの個別形式がある。本発明は、この連続流型人工心臓に関するものである。
【０００４】
具体例として、本発明者によって図３に示すような人工心臓用遠心ポンプが発明され、特許第２８０７７８６号として特許されている（特開平１０−３３６６４号）。この人工心臓ポンプによると、図３に示すように遠心式インペラ２２を２つの軸受２６−２８及び２５−３０で支えている。ケーシング２７の下部にはインペラ駆動装置３１を設け、その内部で磁石３３が回転することにより、インペラ内蔵の磁石群２４を回転駆動している。それによりケーシング上部に形成した流入口３４から血液が流入し、ケーシングの下部周囲に設けた流出口からこれを吐出することができるようになっている。なお、上記のような磁気カップリングによりインペラを回転する手段として、可動部分３３を電磁石群に置換したダイレクトドライブ方式の駆動装置を採用したものも開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者が提案した上記人工心臓用ポンプにおいて、インペラの支持は前記のように、ラジアル方向はインペラ円筒部２１外周の磁石２６とこれに対向する位置に配置した支持用磁石２８の反発力により支持し、スラスト方向はインペラ部２２の底面から突出したピボット軸２５を、ケーシングの底壁２９の中心部に設けたピボット受け３０で受けることにより支持している。また、このように支持したインペラを駆動する手段としては、ケーシングの下部に設けたインペラ駆動装置３１を配置し、インペラの底部に設けた磁石群２４に対向して配置した磁石３３を回転させることにより、或いは磁石３３を電磁石としてダイレクトドライブ方式で回転させることによりインペラを駆動する手段を採用している。
【０００６】
しかしながら、上記のようなインペラの支持方式においては、インペラ及びケーシングに多数の磁石を固定する必要があり、ポンプの製造に多くの手数を要するほか、インペラに多数の磁石を固定するためインペラの重量が大きくなる。また、ピボット軸受部分で相互に摩擦摺動し、長期間使用していると摺動接触面に次第に摩耗粉が蓄積してこのポンプの寿命の短縮化の原因となると共に、軸受部分に血液のよどみを発生し血栓の原因となることもある。
【０００７】
本発明は上記のような知見に基づいてなされたもので、従来のものと比較して軽量であり、摩耗粉の発生がなく、かつ軸受部分に血液のよどみを発生することがないようにした人工心臓ポンプを提供することを主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、ケーシングに立設した固定軸と、前記ケーシングのポンプ室内に回転可能に配置し、上流側中心部に流入口を形成したインペラと、 前記固定軸に回転可能に嵌合する円筒状内面を備えたインペラ支持部材と、インペラ支持部材に永久磁石を内蔵させ、隔壁越しにこの永久磁石を回転駆動させるインペラ駆動装置とを備え、前記インペラ支持部材の円筒状内面と固定軸間にラジアル動圧軸受を形成し、インペラ支持部材の上下端面と前記上下端面に対向する部材の面間にそれぞれスラスト動圧軸受を形成し、前記インペラの高圧側の動圧軸受用作動流体を、各動圧発生用溝により、一方のスラスト動圧軸受からラジアル動圧軸受を介し、他方のスラスト動圧軸受に循環させ、インペラの低圧側に排出したことを特徴とする人工心臓ポンプとしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明の実施例の断面図であり、図２は動圧軸受の構成を説明する図である。図１において、放射状に延びる複数のインペラ１を備えたインペラ部２は、その中心部が解放して血液の流入部３を形成しており、インペラ１を後述するように回転駆動するとき、上側ケーシング４に設けた円筒状の流入口５から血液を吸引し、上側ケーシング４に設けた流出口６から吐出している。
【００１２】
インペラ部２の下方にはインペラ支持部材７を固定しており、インペラ支持部材７の内側には軸受部材８を固定している。軸受部材８の下端面１０には、図２（ｃ）に示すようなポンプイン型のスパイラル状パターンを有する下側スラスト用動圧発生溝１１を形成しており、上端面１２には、図２（ａ）に示すようなポンプアウト型のスパイラル状パターンを有する上側スラスト用動圧発生溝１３を形成している。
【００１３】
軸受部材８の中心に形成している円筒状通口部１４には、下側ケーシング１５に固定した下側スラスト受け１６上に固定している固定軸１７を突出して固定しており、固定軸１７の上端部には上側スラスト受け１８を固定部材１９で固定して支持している。前記下側スラスト受け１６は下側スラスト用動圧発生溝１１に対向して配置し、前記上側スラスト受け１８は上側スラスト用動圧発生溝１３に対向して配置している。また、固定軸１７の下方外周には動圧発生用の傾斜溝２０を形成している。
【００１４】
インペラ支持部材７の外周には永久磁石２１を等間隔で配置し、下側ケーシング１５の外周囲には前記永久磁石２１に対向して電磁石２２を配置している。この電磁石２２の極性を順に変更して通電することにより、ダイレクトドライブ式のモータを構成し、インペラ駆動装置２３としている。モータ磁束が径方向に向くように設定することにより、動圧スラスト軸受に過大な負荷をかけないことが可能である。
【００１５】
上記構成により、電磁石２２を前記のように通電し、インペラ支持部材７を回転させることによりインペラ１を備えたインペラ部２を回転させ、血液を流入口５から吸引し、この血液をインペラ１の流入部３から流出部９に至る過程で加圧し、流出口６から吐出する。
【００１６】
このとき、インペラ１の流出部９からの加圧された血液の一部は、図中一点鎖線の矢印で示すように、インペラ部２の下面と下側ケーシング１５の上面との間隙、インペラ支持部材７の外周面と下側ケーシング１５の対向する筒状内壁面との間隙、下側ケーシング１５の底面上及び下側スラスト受け１６の上面との間隙に形成されるスラスト動圧軸受部、固定軸１７の外周面と軸受形成部材８の円筒状内周面との間隙に形成されるラジアル動圧軸受部、軸受形成部材８の上端面と上側スラスト受け１８の下面との間隙に形成されるスラスト動圧軸受部、及びインペラ２の低圧側の流入部３を順に循環する流路が形成される。
【００１７】
このような流路において、下側ケーシング１５の下面と下側スラスト受け１６の上面との間隙には、図示実施例ではインペラ支持部材１１の下面にポンプイン型のスパイラル状パターンを有する下側スラスト用動圧発生溝１１が形成されているので、前記のような流路に沿って流れようとしている血液を、例えば図２（ｃ）に示すように下側スラスト用動圧発生溝１１の外周側から吸引し内周側に吐出する。このとき発生する動圧によって、インペラ部材全体の下側スラスト方向への力を支持している。
【００１８】
下側スラスト用動圧発生溝１１の内周側は、固定軸１７の外周面と軸受形成部材８の円筒状内周面との間隙に連通し、この間隙には図示実施例では固定軸１７の外周に傾斜した動圧発生溝２０を形成しているので、図２（ｂ）に示すように固定軸の下端側から吸引した血液を上端側に吐出する。このとき発生する動圧によって、インペラ部材全体のラジアル方向の支持を行う。
【００１９】
このようにして固定軸１７の上端側に吐出された血液流は、軸受形成部材８の上端面と上側スラスト受け１８の下面との間隙において、図示実施例ではインペラ支持部材１１の上面にポンプアウト型のスパイラル状パターンを有する上側スラスト用動圧発生溝１３が形成されているので、例えば図２（ａ）に示すように、上側スラスト用動圧発生溝１３の内周側から吸引し外周側に吐出する。
【００２０】
ここで吐出された血液は図１に示すようにインペラ１の吸入側３に吸引され、流入口５から吸引した新たな血液と混合され、インペラ１で加圧されて吐出される。このとき発生する動圧によって、インペラ部全体の上側スラスト方向への力を支持しており、前記下側スラスト用動圧発生溝１１による下側スラスト方向への力の支持と共に、インペラ部全体の上下方向の支持を行い、所定の浮動状態に保持している。
【００２１】
上記のような軸受構成及びその作用により、インペラ部材は周囲の上側ケーシング４、下側ケーシング１５、中心の固定軸１３等と接触することなく、安定して回転する。しかもインペラ部材を支持する動圧軸受部分において、動圧を発生する流体は液体でありかつ粘性が高い血液であるので確実な支持を行うことができる。また、この流体はインペラの流出部の高圧側から流入部の低圧側への循環流路中の流体であり、且つこの流路の方向にしたがって流体が流動するように動圧発生溝を形成しているので、動圧発生用作動流体の安定的な流れを生じ、この点でも軸受部における確実な支持を行うことができる。また、軸受部分での血液の安定的な流れにより血液の滞留を生じることがないので、血栓の発生を防止することができる。
【００２２】
一方、図１に示す実施例においては、インペラ部２を支持するインペラ支持部材７の中心側に軸受形成部材８を備える一方、外周側にはインペラ駆動用の永久磁石を配置しているので、インペラ部材を安定して回転させることができ、また人工心臓用ポンプの高さを小さなものとすることができ、全体をコンパクト化することができ、特に体内埋め込み用人工心臓用ポンプとして適する。
【００２３】
なお、上記実施例においてはラジアル方向の動圧軸受として、中心部に固定した固定軸１７の外周に動圧発生溝を設けた例を示したが、軸受形成部材８の内周に設けても良い。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、従来の磁気軸受を用いたものと比較して軽量化することができ、ピボット軸受を用いたものと比較して摩耗粉の発生がなく、かつ軸受部分に血液のよどみを発生することがない人工心臓用ポンプとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の断面図である。
【図２】同実施例の軸受構成の説明図である。
【図３】従来の人工心臓用遠心ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１  インペラ
２  インペラ部
３  流入部
４  上側ケーシング
５  流入口
６  流出口
７  インペラ支持部材
８  軸受部材
９  流出部
１０  下端面
１１  下側スラスト用動圧発生溝
１２  上端面
１３  上側スラスト用動圧発生溝
１４  円筒状通口部
１５  下側ケーシング
１６  下側スラスト受け
１７  固定軸
１８  上側スラスト受け
１９  固定部材
２０  傾斜溝
２１  永久磁石
２２  電磁石
２３  インペラ駆動装置
【図１】
0003834610.tif 000002
【図２】
0003834610.tif 000003
【図３】
0003834610.tif 000004