JP4105770B2 - 非円形流体軸受ジャーナルを備えたロトダイナミック血液ポンプ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、ポンプの技術、及びより詳細には、心臓若しくは血液ポンプ又は心室機能補助装置として使用するのに適したポンプに関する。本発明は、生物学的心臓のポンプ機能を完全に引き受ける又は補助することが意図された、特に生きている人間、又は動物の血液用ポンプに適用できる。しかし、本発明は一般に軸受を含有する環境に一般的に適用できるので、本発明が流体式ジャーナル軸受を含む幅広い適用を有することは理解されるであろう。
人工血液ポンプ、つまりヒトの心臓のポンプ機能を補助する若しくは完全に引き受ける非生物学的装置を提供するために、バイオメディカル技術工学の分野において多大な努力が費やされてきた。これらの装置はヒトの心血管系内に手術によって導入される。それらが機能するのは独特の生物学的環境であるため、血液ポンプは主として血液損傷の防止及び循環系からの血液損失の防止に関連する極めて精確な作動要件を満たさなければならない。もちろん、装置の作動の確実性及び寿命も又重要な問題である。
血液ポンプは、通常の生物学的プロセス中には通例経験されない流体運動を血液に与える。この流体運動は血球の完全性を危うくさせ、ポンプで送り出された血液が経験する過度の流体せん断及び摩擦力のために溶血−血球膜の損傷−が発生するであろう過度の危険性を引き起こすことがある。この危険性は、典型的にはポンプのインペラとハウジングの間の液体流路を含むポンプ内の小さな血液流路内では特に重大となる。ポンプで送り出された血球の完全性も又、血液ポンプの可動部間での摩擦によって熱が発生するために高リスクとなる。摩擦エネルギーは望ましくない血液の血塊形成又は凝固を発生させ、最終的には血栓が生じることがある。摩擦エネルギーはさらに、ポンプ構造内又は血液内でのタンパク質沈着物の形成の可能性を増加させることがある。これらの作用を抑制する目的で、ポンプ内の血流を利用して血液ポンプ部品への洗浄及び冷却作用を生じさせることがしばしば試みられてきた。さらに、血液はポンプの可動部を潤滑させるためにも使用されてきた。
最新技術を例示する血液ポンプはＧｏｌｄｉｎｇ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第５，３４２，１７７号に開示されており、その主題は参照用としてここに組み込まれる。その中で開示された発明は、血液に軸運動を与えるためのインペラを含む環状ロータ素子とロータの内側に配置された固定軸受素子またはステータとの間で血液潤滑ジャーナル軸受を利用するロトダイナミック血液ポンプを提供する。駆動手段はステータ内に配置されており、磁気によってロータに結合されている。環状ロータは、軸延長部と協働して２つの流路を限定する。第１流路はポンプ入口から出口へ通じている。第２流路は、ポンプのそれがなければ停滞してしまう領域を通過する連続流を提供する。この第２流路の少なくとも一部はロータとステータとの間でラジアル流体軸受を形成するために細くなっている。米国特許第５，３４２，１７７号に開示されている発明の１つの態様に従うと、ステータ内に受け入れられている駆動素子の軸はロータの軸に比して故意に偏っている。この方法では、既知の磁力が軸受流体圧力とは反対側でロータに偏って加えられ、軸受安定性の増加が達成される。最新技術の血液ポンプのジャーナル軸受における洗浄、冷却及び、特に潤滑機能のための血流使用は、血液完全性保存に関連する独特の問題を生じさせる。
一般に、ジャーナル軸受はラジアル加重を受ける回転式円筒形部材を支持するためにしばしば使用されている。これらの軸受は、ラジアル加重とは反対側で回転部材と静止部材の間に存在する荷重負担皮膜又は潤滑液のクッションに頼っている。流体皮膜軸受の背後にある作動原理は、潤滑液が流体の粘性により荷重負担皮膜内にジャーナルによって流入させられることにある。流路が軸受ロータの回転方向に集中すると、この作動は荷重負担皮膜においてジャーナルを浮動させてラジアル加重を負担するために十分な力を生じさせる圧力野を生じさせる。流路が集中するに従って、流体圧は上昇するであろう。これとは逆に、流路が分散すると流体圧は低下し、このために流体軸受設計においてキャビテーション（空洞化）が問題となる。概して、流体軸受作動は主として潤滑剤の粘性、軸受コンポーネントの速度、及び軸受の形状、従って潤滑皮膜の形状によって特徴付けられる。上記の制限に加えて、ジャーナル軸受は回転中に発生して可動部間の接触及びもしかすると経時的に軸受への損傷を引き起こす可能性のある過度の振動を防止するような形状に形成されなければならない。回転部材におけるほんの微細な不均衡は、部材が回転するにつれて振動を起こし始めることがある。ジャーナル軸受システムに適正な安定性がなければ、振動は過度になり、軸受隙間に比較して相当に大きな振幅で軸受部品の振動運動を生じさせることがある。この不安定性は通常、適切な潤滑剤を選択することによって少なくとも部分的には緩和される。
血液の流体及び潤滑特性が油のような従来型潤滑剤の流体及び潤滑特性と相違することは驚くに当たらない。このため血液ポンプのジャーナル軸受における潤滑剤としての血液の使用は独特の問題を引き起こす。一方では、ジャーナル軸受がそれを通って流れる血液の完全性を保持し、さらにポンプの構成部品を適正に洗浄及び冷却するために十分な流れを許容することが極めて重要である。他方では、ジャーナルの寸法は軸受の動的安定性が損なわれないような寸法でなければならない。
発明の簡単な概要
本発明は、それを通過する血流量が適正であること、血液の完全性が保存されること、及び軸受安定性が保持されることを保証するジャーナル軸受の形状を組み込んでいる血液ポンプを提供することにより上記の問題その他を処理する新規かつ有用な装置を予測している。端的には、本発明は非円形の形状を特徴とする潤滑式ジャーナル軸受を提供する。ここで使用する用語の「非円形」は、完全な円ではない断面形状、つまり変化する半径を有する形状を意味する。「非円形」は、一定半径の部分を組み込んでいる形状を含むであろう。ある実施態様では、軸受の静止軸受素子、若しくはステータには荷重負担皮膜とは反対側の領域で半楕円形の外面が備わっている。
本発明によって提供される１つの利点は、本発明に従って形成されたジャーナル軸受が流路断面積の増加及びこれに相応してポンプを通過する流量の増加を提供することである。これは血液のポンプ内での滞留時間の低下を生じさせ、血栓症又はタンパク質蓄積が発生する可能性を減少させる。
本発明によって提供されるもう１つの利点は、ポンプにおけるロータ及びステータ素子間の隙間の増加を提供し、それによって隙間を通過する血液におけるせん断応力を低下させ、溶血が発生する可能性を減少させることである。
本発明によって提供されるさらにもう１つの長所は、安定性及び自励振動に対する抵抗の増加を特徴とする軸受ジャーナルを提供することである。
本発明のその他の長所及び利益は、本明細書を完全に読んで理解することにより当業者には明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明は、一定の部品及び部品の配置において物理的形態を取るが、その好ましい実施態様は本明細書において詳細に説明し、本発明の一部を形成する添付の図面において図解する：
図１は、本発明に従って形成された血液ポンプの側面図であり、特にポンプのハウジング及び入口から出口への流路を示している。
図２は、概して図１の線２−２に沿って切り取られた左側端面図である。
図３は、主題発明の第１の好ましい実施態様の拡大縦断面図である。
図４は、特にポンプの構成部分及び静止軸受素子の非円形の形状を図解している図３の線４−４に沿って切り取られた略断面図である。
図５は、様々な角度でのステータ半径を示している本発明に記載のステータの断面図である。
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明の好ましい実施態様を図解することが意図されており、これを限定することは意図されていない図面を参照すると、これらの図面はハウジング１２を含み、入口１４及び出口１６を有するポンプ１０を示している。図面は軸方向入口と、半径方向若しくは接線方向出口とを示しているが、これらは本発明の必須特徴ではない。血液適用では、ポンプは生体内に植え込むためのサイズにすることができ、さらに好ましくはヒトのための補助装置として使用される。ポンプは、より大型装置の実質的問題を回避するために心室内にさえ植込み可能であるようなサイズにできることを言及しておかなければならない。
特に図１〜３を参照すると、ハウジング１２はより詳細にはロータ部分１８、及びこの特定実施態様ではロータ並びに駆動手段を部分的に収容している駆動装置のハウジング若しくは出口部分２０から構成されるように示されている。好ましい実施態様ではポンプは生体内に植え込むために適合しているので、ハウジング部分は例えば研磨チタンのような適切な生体適合性材料から形成される。ハウジング部分１８、２０は従来型締付け装置２２を用いて一緒に締め付けられ、例えばＯリング２４のような従来型密封装置を用いて密封されている。Ｏリングは間隙がないように締まりばめが形成されているか、又は接着されている重複係合２６の領域に配置されている。
ハウジング部分２０には、端壁３２から突き出ている軸方向延長部３０が組み込まれている。軸方向延長部には、電動ワインディング３４及びモータ装置３８の積層組立体若しくは鉄製スタック３６が受け入れられている。モータはカバー４２及び例えばネジ４４のような締付け具によって出口ハウジング部分に保持されている。カバーは、Ｏリング４６によって出口ハウジング部分に密封されている。延長部３０は端壁から実質的寸法を突き出ており、実際にロータハウジング部分内を通って入口１４に向かって伸びている。この配置は一般に環状ポンプ室４８を提供する。
ハウジング延長部３０の上方に受け入れられているのは環状ロータ６０である。ロータは被覆された永久磁石組立体６２、及び第１及び第２インペラ羽根セット６４、６６を含んでいる。モータとインペラとの間には相互連結する軸はなく、つまり軸なしロータである。さらに、モータとインペラとの間の軸封装置が排除されているので、従って上記で考察した先行技術の構造における問題の多くが未然に防がれる。好ましい実施態様では、ポンプロータ６８における永久磁石組立体６２が、ハウジング延長部３０の非磁気壁を通してロータをモータステータ（スタック及びワインディング）へ半径方向に結合する。ここでモータの回転素子、即ち永久磁石組立体６２の方が径が大きく、静止素子、即ちステータ３４、３６を取り囲んでいるので、この配置が本質的に通常の市販モータ配置とは反対であることを言及しておかなければならない。この電動モータは、ハウジングに相対してポンプロータの回転運動を作り出すために役立つ限りにおいて、本発明のこの実施態様を駆動させるための手段として機能する。ステータ組立体は駆動素子であり、永久磁石組立体はこのバージョンの駆動手段の被駆動素子である。
図３を特に参照すると、第１若しくは主要インペラ羽根セット６４は複数の混合流インペラ羽根を含んでいる。半径流又は軸流の羽根の配置も又本発明の範囲内に含むことができよう。図示されているインペラは３枚羽可変親ネジである。第２インペラ羽根セット６６は、このデザイン態様においては複数の半径流インペラ羽根から構成されている。
ハウジング１２内のロータ６０の配置は、ロータ６０と、入口１４からポンプ室の環状出口コレクタ７２へ横断しているハウジングの内壁との間の連続する第１流路７０を限定している。連続する第２流路７４は、ハウジング延長部３０とポンプロータ６０の内径との間で形成されている。第２流路７４は、通過する流れに比較しておそらく０．０２０〜０．０３０インチの一般に大きな隙間を有しているが、ポンプ作動中は第１及び第２流体軸受８０、８２を限定するためにロータの反対側端部でおよそ０．００３〜０．００５インチへ狭まっている。第１軸受８０は、入口１４に面しているモータハウジング延長部３０の部分の末端８４に配置されている。
第２流路７４を通る流れが緩慢である又は流速が存在しないために発生する流体損傷又は沈着を回避するようにポンプ作用を改善するためには、連続洗浄流が必要とされる。第２インペラ羽根セット６６は、血液をコレクタ７２内に排出することにより第２流路から取り除く。過度の圧力低下を防止するために、複数の円周方向に間隔を開けて配置された開口部９０が一般に第１及び第２流路の間で半径方向に伸びており、流体が第１流路から第２流路へ流れるのを許容する。第１インペラ羽根セット６４によって作り出された圧力上昇の作用の下で、血流は開口部９０から流路７４に沿ってインペラ入口１４へ横断する。第２インペラ羽根セットも又流体を開口部９０から軸受８２へ通過させ、端壁３２を抜けてコレクタ７２内に流体を排出する。
環状ポンプロータ６０はハウジング１２内で自由に受け入れられているので、例えば軸受８０、８２、又はハウジングの内壁緊密な隙間領域においてポンプで送り出される流体又は機械的コンポーネントへの損傷が発生しないように、その運動が制御されることが重要である。ポンプの対称的デザインはラジアル荷重が小さくなることを許容し、これによって軸受８０、８２で０．００１のオーダーの大きな流体皮膜厚さが生じる。これは、どちらも意図されたポンプの使用にとって明白に不利益であるポンプ構成部品上の機械的摩耗を回避し、血液の流体せん断を最小限に抑える。他方、荷重が低すぎると、軸受は周知の渦流モードとなり、皮膜厚さ及び軸受が破壊される。この作動モードでは、固定軸の周囲で回転する代わりにロータはステータの周囲を３６０度回転し、ロータ及びステータの全表面を摩耗させる。
図４は、図３における線４−４に沿って切り取った断面を示している。ここではロータは一般に環状領域６０によって、及びステータ、若しくは静止軸受素子は領域３０によって示されている。領域３６は、電動モータの鉄製スタック又はモータワインディング組立体であってよい電動ステータ若しくは駆動素子を表している。米国特許第５，３２４，１７７号に記載の発明に従うと、駆動素子３６の中心線１００は静止軸受素子若しくはステータ３０の中心線１０２に対して偏って置かれている。この偏りの結果として、領域１０４では磁力が高く、領域１０６では磁力が小さくなり、軸受荷重の周知の制御された大きさ及び方向を生じさせる。ロータ上のラジアル荷重は、偏りによって生じた重力と磁力から生じる力となるであろう。ロータ３０上のラジアル荷重の一般方向は矢印Ａによって表され、一般には領域１０４にある軸受負荷ゾーンは血液皮膜における圧力分散を生じさせるが、これはロータ６０がステータ３０上で浮動するようにラジアル荷重を緩和するために粘性力によってその中に吸収される。
本発明によると、ステータ３０には負荷ゾーンとは反対側の領域に半楕円面１５０が備えられている。点線１５２は円形ステータプロファイルの参照線を表している。そこから読み取れるように、楕円面１５０は全体領域１０６内のロータ６０とステータ３０との間で隙間の増加を生じさせる。楕円面は、ステータ３０の直径に相当する主軸を有している。
図５は、本発明による好ましい実施態様のステータ３０の断面を図解している。表Ａは、負荷ゾーンの中心Ｃから９０〜１８０度の角度でのステータ半径を示している。同一半径値が１８０度の地点の周囲で対称的に負荷ゾーンの中心Ｃから１８０〜２７０度の角度に一致することは認識されるであろう。
半楕円面１５０とかみ合う１００及び１０２（図４）の偏りの方向の周囲を中心とする半円を含むステータ形状を参照しながら本発明の好ましい実施態様を説明したが、本発明によって他の寸法及び非円形表面形状が予測されることは認識されるであろう。このため上記の説明は本発明を限定すると見なされるべきではない。むしろ、上記の説明は本発明を例示することが意図されており、その範囲は添付のクレームにおいて限定される。

Claims (20)

1. ロトダイナミック血液ポンプであって、
   軸、並びにハウジング内部と液体連通している入口及び出口を有するハウジング、
   該ハウジング内に受け入れられているインペラを有するロータであって、該ロータは、ハウジングと該ロータとの間に第１流路が、および該ロータと静止軸受素子の間に第２流路がそれぞれ形成されるように、静止軸受素子及びハウジングから間隔が開けられており、前記第１流路が入口と出口の間で伸びているロータ、及び該ロータを回転可能に支持するための静止軸受素子であって、前記静止軸受素子は、流路断面積を増加させるように、半径方向断面において曲率が変化する輪郭形状を有する、流体軸受を形成させるために狭くなっている第２流路を含むポンプ。
2. 前記輪郭形状が円形部分を含む請求項１に記載のポンプ。
3. 前記輪郭形状が半楕円形部分を含む請求項１に記載のポンプ。
4. 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項１に記載のポンプ。
5. さらにロータを駆動させるための磁気駆動素子を含み、ロータ上で予め定められた半径方向の力を作り出すために、静止軸受素子の軸に対して駆動素子が半径方向に偏っている請求項１に記載のポンプ。
6. その輪郭形状が磁気駆動素子の磁力が高い、軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、該負荷ゾーンの反対側の領域で楕円形部分を含む請求項５に記載のポンプ。
7. 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子の間の半径方向隙間が、磁気駆動素子の磁力が高い負荷ゾーンにおけるより該負荷ゾーンとは反対側の領域における方が大きい請求項５に記載のポンプ。
8. ロトダイナミツク血液ポンプであって、
   軸、並びにハウジング内部と液体連通している入口及び出口を有するハウジング、
   ハウジングに対して選択的回転のために該ハウジング内に受け入れられている軸なしロータであって、前記ロータは、ハウジングと該ロータとの間に第１流路が、および該ロータと静止軸受素子の間に第２流路がそれぞれ形成されるように、静止軸受素子及びハウジングから間隔が開けられており、前記第１流路が入口と出口の間で伸びている軸なしロータ、
   ロータに受け入れられている強磁性組立体並びにハウジング内に据え付けられている電動モータステータ及びワインディング組立体を含み、モータステータの軸がハウジングの軸に対して半径方向に配置されている、ハウジングに対してロータを回転させるための駆動装置、及び
   ロータを回転可能に支持するための静止軸受素子であって、該静止軸受素子は、流路断面積を増加させるように、半径方向断面において曲率が変化する輪郭形状を有する、流体軸受を形成するために狭くなっている第２流路を含むポンプ。
9. 前記輪郭形状が円形部分を含む請求項８に記載のポンプ。
10. 前記輪郭形状が半楕円形部分を含む請求項８に記載のポンプ。
11. 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項８に記載のポンプ。
12. さらにロータを駆動させるための磁気駆動素子を含み、ロータ上で予め定められた半径方向の力を作り出すために、静止軸受素子の軸に対して駆動素子が半径方向に偏っている請求項８に記載のポンプ。
13. その輪郭形状が磁気駆動素子の磁力が高い、軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、該負荷ゾーンの反対側の領域で楕円形部分を含む請求項１２記載のポンプ。
14. 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子との間の半径方向隙間が、磁気駆動素子の磁力が高い負荷ゾーンにおけるより該負荷ゾーンとは反対側の領域における方が大きい請求項１２に記載のポンプ。
15. 下記を含むロトダイナミック血液ポンプであって、
    軸、並びにハウジング内部と液体連通している入口及び出口を有するハウジングであって、端壁からハウジング内に向かって軸方向に伸びている静止軸受素子を含んでいるハウジング、
    それに対する選択的回転のために静止軸受素子の周囲でハウジング内に受け入れられている環状ロータであって、前記ロータは、ハウジングと該ロータとの間に第１流路が、および該ロータと静止軸受素子の間に第２流路がそれぞれ形成されるように、静止軸受素子及びハウジングから間隔が開けられており、前記第１流路が入口と出口の間で伸びていて入口から出口へ流れを推進するためにロータ上でインペラ羽根セットを含んでいる環状ロータ、
    ロータに受け入れられている強磁性組立体並びにハウジング内に据え付けられている電動モータステータ及びワインディング組立体を含み、モータステータの軸がハウジングの軸に対して半径方向に配置されている、ハウジングに対してロータを回転させるための駆動装置、及び
    静止軸受素子が、流路断面積を増加させるように、半径方向断面において曲率が変化する輪郭形状を有する、流体軸受を形成するために狭くなっている第２流路を含むポンプ。
16. 前記輪郭形状が円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。
17. 前記輪郭形状が半楕円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。
18. 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項１５に記載のポンプ。
19. その形状が、強磁性組立体と電動モータステータ及びワインディング組立体との間の磁力が高い軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、該負荷ゾーンの反対側の領域で楕円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。
20. 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子との間の半径方向隙間が、強磁性組立体と電動モータステータ及びワインディング組立体との間の磁力が高い負荷ゾーンにおけるより該負荷ゾーンとは反対側の領域における方が大きい請求項１５に記載のポンプ。

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