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LIFE2013

2013 年 9 月 2 日－4 日 山梨 (山梨大学)

流体動圧軸受を採用した軸流血液ポンプの改良と評価
Improvement of Axial Flow Blood Pump with Hydrodynamic Bearing○ 住倉博仁（国循研）大沼健太郎（国循研）

本間章彦（東電大）福長一義（杏林大）

舟久保昭夫（東電大）大越康晴（東電大）福井康裕（東電大）Hirohito SUMIKURA, National Cerebral and Cardiovascular Center Research InstituteKentaro OHNUMA, National Cerebral and Cardiovascular Center Research InstituteKazuyoshi FUKUNAGA, Kyorin University
Yasuharu OHGOE, Tokyo Denki University
Akihiko HOMMA, Tokyo Denki University
Akio FUNAKUBO, Tokyo Denki University
Yasuhiro FUKUI, Tokyo Denki UniversityAbstract: We are developing an axial flow blood pump with hydrodynamic bearings as ventricular assist device fordestination therapy. The axial flow blood pump is composed of a spindle rotor, a diffuser, a pump housing and a brushless
DC motor. The spindle rotor consists of the enclosed impeller, permanent magnets and two conical spiral groove bearings.
The vane shape was redesigned based upon the computational fluid dynamic simulation. And the brushless DC motor wasalso improved in order to increase the pump efficiency. The prototype pump has a diameter of 54 mm, a length of 121 mm.
The basic performance was evaluated using a closed-loop mock circulation. A flow rate of 5 l/min with a pressure head of
100 mmHg was achieved at a rotational speed of 8,500 rpm. Then a levitation distance of approximately 20 microns wasobtained. The improved axial flow blood pump displayed sufficient hydraulic performance and durability.
Key Words: Axial Flow Blood Pump, Ventricular Assist Device, Hydrodynamic Bearing, Impeller, Mock Circulation
1. 背景
年々増加傾向にある心不全に対し、心臓移植は効果的な治療方法である。しかし、本邦ではドナー数は極めて少な
く、1997 年の臓器移植法の施行以来、僅か 126 例(2012 年3 月)しか行われていない。そのため心臓移植に代わる治療方法として補助人工心臓（Ventricular Assist Device: 以下VAD）の必要性は高い。また、近年では VAD を装着したままで社会復帰を目指す Destination therapy(VAD の恒久的使用)という新たな治療も注目されている。
我々は、Destination therapy に使用可能な高い耐久性を有する VAD を実現するために、流体動圧軸受、およびエンクローズドインペラを採用した軸流血液ポンプを開発中である(1), (2)。現在までに回転数 12,000 rpm にて最大揚程 220mm Hg、最大流量 8.13 l/min が得られ、左心補助条件である流量 5 l/min、圧揚程 100 mm Hg は 9,500 rpm にて達成可能であった。
今回、本軸流血液ポンプの更なる性能向上を目的とし、ポンプ形状の改良、および評価を行ったので報告する。
2. 方法
2-1. 軸流血液ポンプの概要
本軸流血液ポンプは、紡錘型ロータ、静止羽根であるディフューザ、ポンプハウジング、流入・流出ポート、およびブラシレス DC モータから構成した。紡錘型ロータは永久磁石、ロータヨーク、エンクローズドインペラ、および流体動圧軸受である円錐型スパイラル溝付動圧軸受(Conical Spiral Groove Bearing: 以下 CSGB)から構成した。
本軸流血液ポンプは、ポンプ内部に設置した紡錘型ロータを外部のブラシレス DC モータにより回転させることで非接触にて血液を駆出することが可能である。
本軸流血液ポンプの羽根形状に関し、我々は数値流体解
析と遺伝的アルゴリズムを応用した羽根形状の自動最適化システムを構築し、ポンプ性能を向上させるための圧揚程の最大化を実現する羽根形状に関し検討を行ってきた (3)。
今回、その解析結果を基に各羽根を試作した。エンクロー
ズドインペラとディフューザの全長は 20, 10 mm、直径はそれぞれ 14 mm である。
本軸流血液ポンプには、6 スロット 4 極のインナーロー
タ型ブラシレス DC モータが組み込まれている。このモータのヨークと永久磁石形状に関しては、高効率化を目的として三次元磁場解析による形状の検討を行った。モータのステータおよびロータヨークは積層珪素鋼版にて作製し、永久磁石はネオジム磁石とした。また、ステータのコイル巻数は一極あたり 45 巻とした。
紡錘型ロータに組み込まれている CSGB の溝の設計は、Muijderman による理論計算を参考に設計を行った(4)。ここ
で、エンクローズドインペラの形状変更に伴い羽根の全長を 35 mm から 20 mm に縮小したため、CSGB のテーパ角を従来の 30 degree から 45 degree に変更することで全長を縮小した。CSGB は直径 15-25 mm、全長 10 mm、溝数 10 本、溝の深さ 50 μm とした。
改良した軸流血液ポンプは全長 121 mm、直径 54 mm、紡錘型ロータは全長 20 mm、直径 25 mm である(Fig.1)。

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Spindle rotor

Axial flow blood pump

Fig. 1Picture of axial flow blood pump with spindle rotor

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2-2. 実験方法
本軸流血液ポンプを閉ループ模擬循環回路に接続し、ポンプ特性試験を行った。閉ループ模擬循環回路は、試作軸流血液ポンプ、リザーバ、1/2 インチチューブ、超音波流量計(T106, Transonic Systems Inc.)、圧力センサ(PA-500, 日
本電産コパル電子）、およびスロットル弁から構成した。超音波流量計にてポンプの流量、圧力センサにてポンプの流入・流出側圧力をそれぞれ計測した。また、紡錘型ロータに組み込んだ CSGB の浮上性能を評価するために、直径 3.8mm の 渦 電 流 式 変 位 セ ン サ (GP-X3S, SUNX)を 使 用 し 、CSGB の浮上距離の測定を行った(Fig.2)。紡錘型ロータには圧揚程により流入側への軸推力が生じる。そこで、流入側のポンプハウジングに 3 つの渦電流センサを設置し、3点同時に測定を行った。センサは CSGB の円錐表面に対して垂直になるよう設置した。また、ポンプ停止時に CSGBをポンプハウジングに接触させ CSGB を数度毎回転移動させた際のセンサの値を 100 点計測し、その平均値を CSGBの原点とした。
実験は、閉ループ模擬循環回路を使用し、各回転数において流路の後負荷を変化させた際の流量、流入・流出側圧力、および浮上距離を計測した。計測した各圧力より本軸流ポンプの圧揚程を算出した。回路還流液は、粘性 3.3cPの一般的な血液の特性を模擬した 35 wt%のグリセリン水溶液を用いた。
データ計測に関しては、データ収録システム(PowerLab16/30, ADINSTRUMENTS)を用いて、サンプリン
グ周波数 20kHz にて計測を行った。
Eddy current sensor

Eddy current sensors

Bearing housing

Fig. 2

Inlet port side

N=10,000 rpm

Pressure head (mm Hg)

300250200150100500012Fig. 3

3Eddy current sensors position

3. 結果、および考察ポンプ特性試験結果を Fig.3 に示した。回転数 12,000 rpm
にて最大揚程 335 mm Hg、最大流量 9.4 l/min が得られた。
また、左心補助条件である流量 5 l/min、圧揚程 100 mm Hg
は 8,500 rpm にて達成された。従来開発した軸流血液ポンプと比較し、同じ回転数において最大流量・最大圧揚程は高値を示した。また、左心補助条件はより低い回転数で達成可能であったことから、改良した軸流ポンプの性能の向上が確認された。
Fig.4 に CSGB の浮上性能試験結果を示した。紡錘型ロータの浮上距離は、各回転数における 3 つの渦電流センサの浮上距離から平均値、および標準偏差を算出した。CSGBの浮上距離は圧揚程の増加に伴い減少傾向を示した。回転数 8,000, 10,000, 12,000 rpm における浮上距離の平均値は各々20, 18, 16 μm であった。また、左心補助条件においては、回転数 8,500 rpm にて浮上距離約 20 μm が得られ、紡錘型ロータの非接触駆動が確認された。しかし、標準偏差は約 7 μm と得られた浮上距離に対して大きいことが確認された。このことから、紡錘型ロータが振動していると考えられた。

4 5 6 7Flow rate (l/min)

8910hydraulic pump performance

N=8,000 rpm

N=10,000 rpm

N=12,000 rpm

Levitation distance (μm)

302520151050050

100 150 200 250
Pressure head (mm Hg)

Fig. 4CSGB

N=12,000 rpm

350

Levitation
distance

Bearing housing

Inlet port side

N=8,000 rpm

2013 年 9 月 2 日－4 日 山梨 (山梨大学)

300

350

Levitation performance

4. 結語
本研究では、流体動圧軸受を採用した軸流血液ポンプの改良を行った。作製した実機を用いて in vitro 性能試験を行い、ポンプ性能、および浮上性能に関し検討を行った結果、以下の結論を得た。
1.
ポンプ特性試験の結果、改良した軸流血液ポンプの左心補助条件は回転数約 8,500 rpm にて達成可能であり、性能の向上が確認された。
2.
浮上性能試験の結果、回転数 8,500 rpm にて約 20 μm の浮上距離が得られ、紡錘型ロータの流体動圧軸受による非接触駆動が確認された。
参考文献(1) 住倉博仁, 福長一義, 舟久保昭夫, 福井康裕: 軸流血液ポンプ用エンクローズドインペラの提案とCFDを用いた工学的検証, ライフサポート, vol.20, no.1, pp9-16,
2008(2) 住倉博仁, 福長一義, 舟久保昭夫, 福井康裕: 流体動圧軸受を採用した軸流血液ポンプの研究開発, 第21回
「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム 講演論文集, pp265-266, 2009(3) Sumikura H, Kumai H, Fukunaga K, Ohnuma K, Ohgoe Y,Homma A, Funakubo A, Fukui Y, A study on optimizationof vane design for an axial flow blood pump with an
enclosed-impeller using multi-objective genetic algorithm,
20th International Society for Rotary Blood Pumps, abstract
book, pp123, 2012(4) Muijderman EA: Spiral Groove Bearings, Dissertation,
Technological University, Delft, The Netherlands, (1964)

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