OS1-3-9
LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

磁気浮上全人工心臓のポンプ内部圧力分布解明のための CFD 解析
CFD Analysis of inner pressure distribution in a magnetically suspended Total Artificial Heart pump
○ 太田晶子（茨城大）
西村宣彦（茨城大）

増澤徹（茨城大）ダニエル・ティムス（BiVACOR Pty. Ltd.）

Akiko OTA, Ibaraki University Toru MASUZAWA, Ibaraki University
Nobuhiko NISHIMURA, Ibaraki University Daniel L. TIMSS, BiVACOR Pty Ltd
Abstract: A magnetically suspended total artificial heart has been developed with a single magnetically suspended motor.
The device has double pumps which replace left and right ventricles. Impellers of left and right blood pumps, which areconnected with a rod, are set at the both end of the maglev stator and driven at identical rotating speed. The HQ curves of
the total artificial heart pump which have rotor-impeller with balancing holes are flat. This total artificial heart pump whichhave rotor-impeller with balancing holes achieves that the pump head change response to the flow rate change is small. The
inlet side average pressure is almost same compare with the pump which has rotor-impeller without balancing holes andwith balancing holes. On the other hand, the rod side average pressure of left heart pump which have rotor-impeller withbalancing holes is smaller than without balancing holes, and each values are 63mmHg, 48mmHg, respectively. The
pressure distribution of this total artificial heart pump is mostly influenced by the left bottom pressure (rod side pressure).
Key Words: Total Artificial Heart, CFD Analysis, Magnetically Suspended Total Artificial Heart, Pump design index
1. 緒言
現在，重篤心不全患者に対する治療方法に補助人工心臓の適用があり実用化が進んでいる．それらの多くは左心または右心のみを補助する片心補助人工心臓である．しかし，片心補助人工心臓を適応した患者の 10~20 %は両心不全を併発するという報告がある (1)．そのため，片心補助人工心臓の適応患者の増加に従い全置換型人工心臓の需要が増えていくと考えられる．我々は１つの磁気浮上モーターを用いて左右２つのポンプを同一回転数で駆動させることで，小型化を図る磁気浮上全人工心臓ポンプの研究開発を行っている (2)．
本全人工心臓ポンプは生体の前負荷（圧力）に対して，浮上インペラの軸方向位置を変化させることで左右ポンプ拍出量のバランスを取る構造を採用している．インペラの浮上位置は，ポンプ駆動中に発生する内部圧力分布に影響を受ける (3)．本ポンプは２つのポンプから成り立つ特殊な構造のため，左右のポンプ駆動中に圧力分布がどのように変化するか不明である．また，片心補助用ポンプではインペラ底面の流れを促し血液の停滞を防ぐためにバランシングホール（Balancing holes: BHs）を設けることがあるが，２つのポンプを有する全人工心臓ポンプではバランシング
ホールの有無で内部の流れ場・圧力場がどのように変化するか不明である．
そこで，インペラ軸方向位置による拍出量バランス制御のため， CFD 解析（Computational Fluid Dynamics Analysis）を用いてバランシングホールの有無による内部の圧力分布を調査したので報告する．
2. 方法
2-1 磁気浮上全人工心臓の概要
Fig.1 に本研究室で開発中の磁気浮上全人工心臓の概略
図を示す．
本人工心臓は中央に設置した磁気浮上モータと上下に設置した二つの遠心ポンプから構成される．磁気浮上モータ
ーは左心側に磁気軸受用，右心側にモータステータ用の電磁石コアが配置され一体となっている．磁気浮上モーター−1−を挟み込むように，回転用と浮上用の二枚のロータディスクが配置され，中央を貫通する連結ロッドにより接続されている．そのため左右ポンプのロータは同一回転数で駆動する．また，左右のロータディスクにはインペラ羽根を固定一体化し，ケーシングに封入することで左右の遠心ポンプを形成している．左右遠心ポンプ間は連結ロッド部で接続され，隙間があるため相互に流体の移動が可能である．
この隙間は連結ロッド部における血液のウォッシュアウトの役割を果たしている．

Left pump

Left atrial
Impeller

Aorta

Rotor disk
Magnetic bearing
Connecting rod

Washout channel

Motor stator
Rotor disk
Pulmonary artery
Right pump

Impeller

Right atrial

Fig.1 Total artificial heart with single maglev motor
2-2 磁気浮上全人工心臓試作機の寸法・形状
本研究室ではまずポンプ性能，流量バランス制御の評価のため，磁気浮上全人工心臓の試作機を製作した．
（Fig.2）
左右のローターインペラ径はそれぞれ左心φ50mm，右心φ40mm で，インペラ羽根の高さは左心 3mm，右心 1.5mmである．左右一体のローターインペラに付加したバランシ
ングホールは，φ3mm で 90 度ごとの配置で４つ設けた．
連結ロッド部のウォッシュアウトチャネルの径方向間隙は0.1mm である．ローターインペラ上底面とポンプケーシン
グの軸方向間隙長を Table.1 に示す．

LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

Left heart side

Rotating part

50 mm

Static part
tetrahedral mesh1.2 mmhexahedral mesh
0.5 mm40 mmhexahedral mesh tetrahedral mesh
0.5 mm
1.2 mmRight heart sidehexahedral mesh1.5 mmApproximately 160,000mesh(without BHs)

220,000mesh(without BHs)

Approximately 190,000mesh(with BHs)

300,000mesh(with BHs)

A: Regular size meshFig.2 Total artificial heart test model

Rotating part

Table.1 Axial clearance between the pump casing and therotor-impeller
NumberClearance gap [mm]
10.4
20.8
31.1
40.6

Static part
tetrahedral mesh
0.5 mmhexahedral mesh
0.1 mm1:Inlet side of the left impeller, 2:Rod side of the left impeller
3:Rod side of the right impeller, 4:Inlet side of the rightimpeller
2-3 CFD 解析モデルと条件
Fig.3 に CFD 解析メッシュモデルを示す．解析対象となるモデルは磁気浮上全人工心臓試作機で，ローターインペラにバランシングホールが有るモデル・無いモデルの２種類のモデルを用意した．またそれぞれのモデルにおいて，解析時間と解析精度の妥当性を確認するため，２種類のメッシュサイズのメッシュモデルを作成し，計４個のメッシュモデルを解析した．
メッシュ数は Regular size の回転部が約 16 万(without BHs)，約 19 万(with BHs)，静止部が約 22 万メッシュ(without BHs)，
約 30 万(with BHs)，また Smaller size の回転部が約 500 万(without BHs)，約 500 万(with BHs)，静止部が約 420 万メッシュ（without BHs），400 万メッシュ(with BHs)である．連結ロッド部のウォッシュアウトチャネル流路はヘキサメッシュで作成し，径方向間隙 0.1mm に対しレギュラーサイズのモデルで 13 メッシュ，スモールサイズのモデルで 18 メッシュのメッシュを作成した．
本ポンプ解析は汎用流体解析ソフト ANSYS CFX Ver14.0を用いて，フローズンローター法を用いた定常解析を行った．ポンプ内部は乱流とみなし，乱流モデルとして SST モデル（Shear Stress Transport Model）を使用した．境界条件
は実験条件と対応させるため，左右共に流入口を実験から求めた圧力値として設定し，流出口を流量設定とし 0～10L/min で 5 L/min 刻みずつ変化させた．またそれぞれの境界条件において回転数を 1000～2500rpm で 500rpm 刻みで変化させ解析を行った．作動流体は実験値と比較するため水の物性値を使用し，非圧縮性ニュートン流体で密度ρ=997
kg/m3・粘度μ=0.8899×10-3 Pa・s として計算した．

tetrahedral mesh
0.3 mmApproximately 5,000,000mesh(without BHs)
Approximately 5,000,000mesh(with BHs)

hexahedral mesh
0.1 mmhexahedral mesh
1.0 mm

4,200,000mesh(without BHs)
4,200,000mesh(with BHs)

B: Smaller size meshFig.3 Mesh model for CFD analysis
2-4 左右ポンプ揚程の算出
本解析では，左右の入口境界条件に実験から求めた圧力値，出口境界条件に流量を設定した時の左右ポンプの揚程を算出した．CFD 解析の計算結果から求めた左心出口圧から境界条件で設定した左心入口圧を引いたものを左心揚程，同様に右心出口圧から右心入口圧を引いたものを右心揚程とした．また，境界条件の出口流量と回転数を変化させた
各条件における揚程をそれぞれ算出し，左右ポンプそれぞれの流量変化による揚程変化，すなわち HQ 特性を求めた．
さらに左右それぞれのポンプにおいて，バランシングホールの有無に対する HQ 特性の違いを検討した．
3. 結果・考察
Fig.4 にレギュラーサイズメッシュモデルで解析した HQ特性結果を示す．HQ 特性を実験値と比較した．
左右心共にバランシングホールが有りのものが無しに比べ，HQ 曲線の傾きが小さかった．本ポンプはローターインペラにバランシングホールが有る場合，流量変化に伴う圧力変化が小さいことがわかった．実験においても，バランシングホール有りのインペラの場合，HQ 曲線の傾きは小さ
く，CFD 解析と同様の傾向を示した．

−2−LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

Left heart pump head [mmHg]

HQ property（Left heart side pump)160.0

140.0
120.0
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0024681012

Right heart pump head [mmHg]

Flow Rate[L/min]
HQ property（Right heart side pump)(a). Regular mesh size result (without BHs)

160.0
140.0
120.0

100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.002468

Flow Rate[L/min]10(b). Smaller mesh size result (with BHs)

12ex: experiment, BHs: Balancing Holes
Fig.4 HQ property of CFD analysis compare with experiment
次に，メッシュサイズの違いによる揚程結果を比較した．
Fig.5 に回転数 2100rpm，流入口圧 0mmHg，流出口流量5L/min 時のポンプ駆動時における，メッシュサイズの違いによる揚程結果を示す．
Left Regular Mesh Data
Left Smaller Mesh Data
Left Experiment Data
Right regular mesh data
Right Smaller Mesh Data
Right Experiment Data

120.0Pump Head [mmHg](c). Regular mesh size result (without BHs)

100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0

without BHs(d). Smaller mesh size result (with BHs)
Fig.6 Pressure contour figure of axial direction(Contour range: 0~100mmHg)

with BHs

Fig.5 Left and Right pump head at 2100rpm, 5L/min
バランシングホールが有る場合，メッシュサイズを小さくすると左右心揚程とも実験値と近い値になった．バランシングホールが無い場合，右心側ではメッシュサイズが小さい方が実験値と近い値に，左心側ではメッシュサイズが大きい方が実験値と近い値になった．

Fig.6 に回転数 2100rpm，流入口圧 0mmHg，流出口流量5L/min 時のポンプ駆動時における，メッシュサイズの違いによる内部圧力コンター図を示す．
ローターインペラにバランシングホールが有る場合，バランシングホール部のインペラ上底面で圧力が平衡化して−3−

LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)いることがわかる．一方，バランシングホールが無い場合は，バランシングホール部での左心インペラの底面の圧力が上面に比べ高いことがわかる．
また，右心側はバランシングホールの有無に関わらず，上底面の差圧はあまりないことがわかる．よって本全人工心臓ポンプの左右圧力分布はほぼ左心側ポンプによって発生する圧力が支配することが考えられる．
メッシュサイズで比較すると，バランシングホールが無い場合，(a)レギュラーメッシュと比較して(b)スモールメッ
シュの左心出口部分の圧力が高くなっていることがわかる．
またバランシングホールが有る場合，(c)レギュラーメッシ
ュと比較して(d)スモールメッシュは左心出口部の圧力が低くなっている．
Ave.71 mmHg

Ave.73 mmHg(a). Regular mesh size result (b). Smaller mesh size result(without BHs) (Contour range: 0~100mmHg)
Ave.73 mmHg

Ave.70 mmHg(c). Regular mesh size result (d). Smaller mesh size result(with BHs) (Contour range: 0~100mmHg)
Fig.7 Pressure contour figure of left pump inlet side
Ave.63 mmHg

Ave.64 mmHg(a). Regular mesh size result (b). Smaller mesh size result(without BHs) (Contour range: 0~100mmHg)
Ave.48 mmHg

Ave.46 mmHg(c). Regular mesh size result (d). Smaller mesh size result(with BHs) (Contour range: 0~100mmHg)
Fig.8 Pressure contour figure of left pump shaft side

Fig.7 に左心ポンプ上面と入口側ケーシングの間隙の圧力コンター図を示す．Fig.8 に左心ポンプ底面と軸側ケーシングの間隙の圧力コンター図を示す．
バランシングホールが無い場合，スモールメッシュの平均上面圧と平均底面圧の差圧 9mmHg がレギュラーメッシ
ュの平均上面圧と平均底面圧の差圧 8mmHg に比べ高い．
一方，バランシングホールが無い場合，レギュラーメッシ
ュの平均上面圧と平均底面圧の差圧 25mmHg 方がスモー
ルメッシュの平均上面圧と平均底面圧の差圧 24mmHg に比べ高い．よって，左心ポンプのインペラ上底面差圧が揚程に影響していると考えられる．同様に右心側でもインペラ上底面の差圧が揚程に影響していると考えられる．
またバランシングホールの有無で比較した場合，バランシングホールの有無に関わらずインペラ上面（インレット側）では圧力が同じであるのに対し，バランシングホールが有る場合インペラ底面（軸側）では平均圧力が低い．この差が，バランシングホール有無の揚程の違いを生みだしていると考えられる．
メッシュの妥当性については，さらに多くのポンプ駆動点での解析結果と実験値を比較し，検討していく必要がある．
4. 結論
インペラ軸方向位置による拍出量バランス制御のため，
CFD 解析を用いてバランシングホールの有無による内部の圧力分布を調査した．左右のローターインペラにバランシングホールが有る場合，無い場合に比べ，流量変化に伴う揚程変化の少ないポンプ特性であった．また，本全人工心臓ポンプの左右圧力分布はほぼ左心側ポンプによって発生する圧力が支配し，バランシングホールの有無も左心側での影響が大きいことがわかった．バランシングホールが付加されたローターインペラの場合，無付加に比べ左心底面側の平均圧力が低くなることがわかった．
本人工心臓ポンプは左心底面側の圧力により，インペラ浮上位置が決まると考えられる．生体の前負荷，すなわち左右インレット側の圧力に対して，浮上インペラの軸方向位置を変化させるために，インペラ上面の影響が大きくなるような内部圧力分布をもつポンプ形状である必要がある．
今後，左右のインペラ上面の連結ロッド部のウォッシュアウト間隙を調整し圧力分布がどう変化するか検討していく．また，実際の生体の変化に合わせた圧力・流量の境界条件を用いて CFD 解析を行い，生体変化に合わせて内部圧力がどう変化するか検討していく．
参考文献(1) Stevenson LW, 他; American College of Cardiology
Steering Committee. Mechanical cardiac Support
2000:Current applications and future trial design, J Am
College Cardiology, vol. 37, pp. 340-370, 2001.
(2) 増澤徹，佐々木瑛祐，Daniel・L・Tims，両心補助人工心臓BiVACOR Bi-VAD用磁気浮上モータ，日本AEM学会誌，Vol. 18-2，pp78-84，2010(3) Masuzawa T, Ohta A, Tanaka N, Qian Y, Tsukiya T.,
Estimation of changes in dynamic hydraulic force in amagnetically suspended centrifugal blood pump withtransient computational fluid dynamics analysis., J ArtifOrgans. 2009;vol. 12-3, pp150-159−4−