JPH08238310A

JPH08238310A - 遠心ポンプ駆動制御装置及びそれを用いた体外循環血液回路

Info

Publication number: JPH08238310A
Application number: JP7045600A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Oshiyama; 広明押山
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】体外循環回路内の流体流量の設定、変更が容易
な遠心ポンプ駆動制御装置及びそれを備えた体外循環血
液回路の提供。【構成】遠心ポンプ固有のポンプ特性（パラメータ）を
利用して、体外循環回路１００内の流体（血液）の流量
を流量センサー５で把握して、流体の有する特性を表す
式、圧力センサー４ａ，４ｂ，４ｃで測定された回路内
の圧力をもとに遠心ポンプ２のモータの回転数を制御す
る。このため、動脈圧の変動などの後の負荷が変動して
も流量を容易に調節できる。また、流量を設定変更に
は、操作キーで設定流量を入力することにより自動的に
遠心ポンプの回転数が設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人工肺等の医療用装置
を含む液体流路内の液体を移送させるための遠心ポンプ
の駆動制御装置及びそれを用いた体外循環血液回路に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、狭心症や弁膜症等の患者に対して
行われる開心術にあっては、心停止する間の体外循環あ
るいは補助循環の血液ポンプとしてローラポンプが数多
く用いられている。

【０００３】最近では、ローラポンプに比べ血液損傷が
小さく、気泡に対する安全性等が高いために、遠心ポン
プが開心術用の血液ポンプとして用いられるようになっ
てきている。流量設定を行う際には、患者の体表面積に
合わせて循環流量を一定に保つために、多回転のつまみ
を廻して行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、循環時
間が長時間に亙って行われたり、後負荷が変動すると流
量が変動してしまう、つまり、体外循環中等に患者の動
脈圧が変動してしまうと流量が変動するという問題があ
った。

【０００５】遠心ポンプを駆動させて流体を循環させて
いる時に、つまみで廻して回転数を変化させ、流量調節
を行う。回転数を上げると吐出圧が上がり、それに伴い
流量が上がるが、急激な流量変化を行いたい場合には困
難な場合があった。

【０００６】特に人工肺等を用いた体外循環血液回路に
あっては、回路内の液体（血液）流量変化を行う場合、
遠心ポンプの過剰な回転数変化により液体（血液）流が
逆流したり、過大流になる虞れがあった。

【０００７】本発明は、従来の遠心ポンプの上述した問
題点の改善を図るためになされたものであり、遠心ポン
プによる体外循環を行っている際、循環回路の抵抗が変
動しても流量をほぼ一定に保ったり、流量変動を迅速に
調節することが容易、かつ、安全に行える遠心ポンプ遠
心ポンプ駆動制御装置及びそれを用いた体外循環血液回
路を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による遠心ポンプ
駆動制御装置は、遠心ポンプを回転させるための回転伝
達手段と、遠心ポンプにより吐出された流体の流量を計
測する流量計測手段と、流量設定入力手段と、それらに
電源を供給するとともに制御を行う遠心ポンプ駆動制御
装置であって、遠心ポンプの回転数と流量から流体が流
れる循環回路の流体パラメータを算出する手段と、流体
パラメータ及び流量設定入力手段に入力された流量に基
づいて遠心ポンプの回転伝達手段の回転数を制御する制
御手段と、制御手段により設定制御された回転数で循環
回路の流量の調節を行うものである。

【０００９】本発明による遠心ポンプ駆動制御装置を用
いた体外循環血液回路は、遠心ポンプと、遠心ポンプを
回転させるための回転伝達手段と、遠心ポンプにより吐
出された流体の流量を計測する流量計測手段と、それら
に電源を供給するとともに制御を行う遠心ポンプ駆動制
御装置を備えた体外循環血液回路であって、遠心ポンプ
駆動制御装置は、遠心ポンプの回転数と流量から流体が
流れる循環回路の流体パラメータを算出する手段と、流
体パラメータ及び流量設定入力手段に入力された流量に
基づいて遠心ポンプの回転伝達手段の回転数を制御する
制御手段と、制御手段により設定制御された回転数で循
環回路の流量の調節を行うものである。

【００１０】

【作用】遠心ポンプの実回転数、吐出流量、吐出圧は相
関しており、これらの関係を示す実験式で表すことがで
きる。即ち、ある回転数と、ある血液流量で循環を行っ
ている場合、その時の遠心ポンプが吐出している圧力が
解る。

【００１１】また、遠心ポンプが送液しなければならな
い吐出圧は、体外循環回路の流体抵抗、患者の送血圧、
リザーバー（貯血槽）から患者までの落差圧とで表すこ
とができる。

【００１２】送血圧と落差圧は、流体（血液）の流れに
影響されることがなく、循環回路の回路特性（パラメー
タ）は、流量との相関があり、これらすべての圧力は流
量との関係式で表される。

【００１３】よって、体外循環中に送血圧と落差圧が解
れば遠心ポンプの実回転数と血液流量から循環回路の回
路抵抗の係数を導き出すことができる。さらには、循環
回路における流量変動が伴えば、送血圧と落差圧も算出
可能となる。

【００１４】遠心ポンプのポンプ特性式と、循環によっ
て得られた流体特性式と、これらの式をもとに遠心ポン
プの実回転数を制御すれば迅速かつ安定した流量制御が
行える。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照しつつ、実施例に係る
遠心ポンプ駆動制御装置について詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明に係る遠心ポンプ駆動制御
装置を用いた体外循環血液回路である。図１において、
１は遠心ポンプ駆動制御装置、２は遠心ポンプ、３は人
工肺、４ａ，４ｂ，４ｃは体外循環血液回路１００に設
けられた歪ゲージ等による圧力センサー、５は体外循環
血液回路１００内の流体の流量を測定する流量計、６は
リザーバー等のタンク、７ａ，７ｂはカテールチューブ
である。

【００１７】実際における体外循環血液回路１００で
は、７ａは送血用カテーテル、７ｂは脱血用カテーテル
である。体外循環血液回路１００において、遠心ポンプ
により吐出（送液）された流体（血液）は、人工肺３に
より血液中の二酸化炭素が酸素と交換され、カテーテル
チューブ７ａを経てタンク６に貯留された後、カテーテ
ルチューブ７ｂを経て遠心ポンプ２に戻るという循環が
なされる。

【００１８】本発明における遠心ポンプ２は、その回転
数（Ｔ：ｒｐｍ）、流量（Ｑ：Ｌ／分）、遠心ポンプの
吐出圧（Ｐ：ｍｍＨｇ）との関係は、実験的に次式で表
すことができる（但し、使用血液は、ヘマトクリット
（Ｈｔ）値３５％の牛血、温度３７℃）。

【００１９】Ｐ＝９３×（Ｔ／１０００）²−３．５×Ｑ（１）一方、体外循環血液回路１００の流体の特性は、一般に
次式で表せる。

【００２０】 ΔＰｃ＝ａ×Ｑ^b （２）ここで、ΔＰｃは体外循環回路抵抗（ｍｍＨｇ）、Ｑは
流量（Ｌ／分）、ａは回路長，回路の内径，カテーテル
チューブ材質等に関連するパラメータ、ｂは回路内を流
れる流体（血液）の乱れ等に関連するパラメータであ
り、１≦ｂ≦２である。

【００２１】従って、体外循環血液回路１００において
遠心ポンプが送出しなければならない吐出圧は、次式で
表すことができる。

【００２２】Ｐ＝ΔＰｃ＋Ｐａｏ＋Ｐｓｔ＝ａ×Ｑ^b＋Ｐａｏ＋Ｐｓｔ（３）（ここで、Ｐａｏは送血圧、Ｐｓｔは落差圧である）また、Ｐ＝９３×（Ｔ／１０００）²−３．５×Ｑ＝ａ×Ｑ^b＋Ｐａｏ＋Ｐｓｔ（４）が成り立つ。

【００２３】従って、Ｐａｏ，Ｐｓｔを一定として流体
を循環させる場合、パラメータａ，ｂを最初に求めてお
くことにより、Ｑは、Ｔの関数となり、体外循環回路１
００の流量の制御を行うことができる。

【００２４】例えば、遠心ポンプ２が回転数２０００ｒ
ｐｍ、流量４Ｌ／分で体外循環回路１００内を循環して
いる場合、遠心ポンプ２が吐出している圧力は３５８ｍ
ｍＨｇである。

【００２５】また、送血圧を８０ｍｍＨｇ、落差圧を３
０ｍｍＨｇとしてパラメータｂを１．５（パラメータｂ
は、流体の流れの乱れ等に関連するパラメータである
が、流体力学による実験式では導管内内を流体が流れる
時、層流ではｂ＝１、乱流ではｂ＝１．７５等で表され
る。例えば、人工肺等を設けた体外循環血液回路は多様
な流れの組み合わせであり、ｂ＝１．２５〜１．７５程
度であるが、本実施例の場合は、一般的な回路を用いた
もので、ｂ＝１．５とした。）とすると、パラメータａ
は３１となる。この条件で体外循環を行っている場合、
循環する流体の流量を３Ｌ／分に変化させる場合、回転
数を１７４０ｒｐｍとすればよいことになる。

【００２６】参考例として、流量変動量に合わせて遠心
ポンプの回転数を変動させる流量制御について述べる。
遠心ポンプ２の回転数を２０００ｒｐｍ、流量４Ｌ／分
で循環させている場合に、循環流量を３Ｌ／分に変更さ
せようとする場合、単純に遠心ポンプ２の回転数の割合
を変化させるとすると２０００×（３／４）ｒｐｍ＝１
５００ｒｐｍとなる。

【００２７】しかしながら、回転数１５００ｒｐｍで
は、この体外循環回路では、２Ｌ／分の流量しか得られ
ないことになってしまう。

【００２８】図２は、本願発明の遠心ポンプ駆動制御装
置とともに適用する遠心ポンプを示すもので、図２
（ａ）はその断面図、図２（ｂ）は平面図である。

【００２９】８はハウジングで、ポリカーボネート系樹
脂、アクリル系樹脂のような透明性の熱可塑性樹脂等で
形成され、外径Ｄ１は９０ｍｍ程度、内径は８５ｍｍ程
度、血液の充填量は４０〜５０ｃｃ程度、血液導入口１
３ｂの内径は８ｍｍ程度、血液導出口１３ａの内径は８
ｍｍ程度、１１はハウジング８内に設けられた外径Ｄ２
が８０ｍｍ程度の回転体１１で、ベアリング１５により
回動可能に軸支され、その上部には液体（血液）流路１
２が６本所定間隔離間して形成されている。

【００３０】液体流路１２は、ほぼ直線状の凹状の溝部
を有し、断面積は、８ｍｍ（幅）×４ｍｍ（深さ）程度
である。また、この液体流路１２は、血液導入口１３ｂ
の軸線に対してほぼ接線方向に設けられている。

【００３１】この回転体１１内部には、外部からの磁力
により回転させるための従動マグネット１４が設けら
れ、設定回転数は、０〜３０００ｒｐｍ、循環可能な回
転数は、１０００〜３０００ｒｐｍとなっている。な
お、９は回転シャフト、１０はシール部材である。

【００３２】図３は、本願発明の遠心ポンプ駆動制御装
置１の構成を示すブロック図である。２０は操作キー
で、ａは電源をＯＮ，ＯＦＦするためのキー、ｂは遠心
ポンプ２を駆動するためのスタートキー、ｃは遠心ポン
プ２を停止するためのストップキー、ｄはオペレータに
対して表示部２７に指示等の各種情報を表示させるため
のキーである。なお、ｂ，ｃは、１つのキーであっても
よい。３１は、流量設定入力するための流量設定入力キ
ーである。

【００３３】ＣＰＵ（中央制御装置）２２は、バス３２
を介してＲＯＭ２４，ＲＡＭ２５，ＬＥＤ駆動回路２
６，キーボードインターフェース回路２１等の各部と接
続されている。

【００３４】ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）２４
は、この遠心ポンプ駆動制御装置１の各種の制御を行う
ためのプログラムとともに、上述の式（４），パラメー
タａ，ｂ等を格納したメモリ（記憶部）である。

【００３５】ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）２
５は、この遠心ポンプ駆動制御装置１の駆動制御を行う
上で必要とされる各種データを一時的に記憶するための
メモリである。

【００３６】ＬＥＤ駆動回路２６は、流量，指示等の各
種情報を液晶（ＬＣＤ）などで表示する表示部２７及び
遠心ポンプ２の実回転数を表示する回転数表示部２８の
駆動制御するものである。なお、表示部２７、回転数表
示部２８を同一パネルとしてもよい。

【００３７】キーボードインターフェース回路２１は、
操作キー２０で入力された信号をＣＰＵ２２に送り、Ｃ
ＰＵ２２を介してＲＯＭ２４に記憶された制御情報に基
づいてモータ駆動回路３１を制御して、遠心ポンプ２の
モータＭの回転数を設定された回転数に制御する。

【００３８】モータＭの近傍には、エンコーダなどの回
転数検出センサー３０が設けられており、モータＭの実
回転数が測定される。この回転数は、モータ駆動回路２
９を介して、カウンタ２３に送り、ＬＥＤ駆動回路２６
を駆動して、回転数表示部２８に表示させるとともに、
流量を表示部２７に表示させる。

【００３９】また、ブザーをナースコールシステムに接
続しておけば、作業に伴う種々の情報や警報がナースセ
ンタで一括して把握できる。

【００４０】次に、本願発明の遠心ポンプ駆動制御装置
の動作について図４を参照して説明する。

【００４１】電源投入キー２０ａをＯＮすることにより
電源が投入され（Ｓ１）、プログラムがスタートする
と、種々の変数が初期化される（Ｓ２）。

【００４２】オペレーターがスタートキー２０ｂをＯＮ
（Ｓ３）すると、スタート信号がＣＰＵ２２を介してモ
ータ駆動回路２９に入力し、モータＭを駆動が開始され
る（Ｓ４）。このときモータＭは、体外循環回路には設
定された流体流量となるよう設定された回転数で駆動
し、それに従動して、回転体１１の内部の従動マグネッ
ト１４が回転することにより回転体１１が回転すること
により、流体（血液）流入口１３ｂから流入した流体
（血液）は、液体流路１２を経て流体（血液）導出口１
３ｂから流体（血液）が吐出し、体外循環回路に流体
（血液）が流れる。

【００４３】この時の流体流量は、流量センサー５で測
定され、送血圧（Ｐａｏ），落差圧（Ｐｓｔ）は圧力セ
ンサー４ａ，４ｂ，４ｃで測定される（Ｓ５）。

【００４４】この時のモータＭの回転数を回転数表示部
２８に表示させるとともに、流量を表示部２７に表示さ
せる（Ｓ６）。

【００４５】流体（血液）の流量の設定を変更する場
合、流量設定入力キー３１により所望の流量を入力する
（Ｓ７）ことにより、ＣＰＵ２２が駆動し、ＲＯＭ２４
によりモータＭの回転数が設定される。入力された流量
値に対して、実際の流量が入力値に同一になるまで回転
数が演算される（Ｓ８〜Ｓ１０）。

【００４６】所定の回転数が設定された後、流体流量が
流量センサー５で測定され、送血圧（Ｐａｏ），落差圧
（Ｐｓｔ）が圧力センサー４ａ，４ｂ，４ｃで測定さ
れ、回転数とともに表示部に表示され（Ｓ１１）、モー
タＭの駆動が続行される（Ｓ１２）。

【００４７】所定の処理が終了すると、オペレーターが
スタートキー２０ｂをＯＦＦ（Ｓ１３）、電源スイッチ
をＯＦＦ（Ｓ１４）することにより全工程が終了する。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
動脈圧の変動などの後負荷が変動しても体外循環回路の
流体の流量をほぼ設定通りに制御が容易となり、その流
量をほぼ一定に保つことができる。

【００４９】さらに、人工肺などの医療用装置を設けた
体外循環回路においても、流体の流量をほぼ設定通りに
制御が容易となり、その流量をほぼ一定に保つことがで
きる。

【００５０】また、流量を変化させる場合には、所望の
流量を入力するだけで、迅速かつ安全に流量を変化させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る遠心ポンプ駆動制御装置を用い
た体外循環回路を示す図である。

【図２】本発明に係わる遠心ポンプを示す図である。

【図３】本発明に係る遠心ポンプ駆動制御装置のブロ
ック図である。

【図４】本発明に係る遠心ポンプ駆動制御装置のフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１…遠心ポンプ駆動制御装置２…遠心ポンプ３…人工肺４ａ，ｂ，ｃ…圧力センサー５…流量計６…タンク７ａ，ｂ…カテーテルチューブ２０…操作キー２１…キーボードインターフェース回路２２…ＣＰＵ２４…ＲＯＭ２５…ＲＡＭ２６…ＬＥＤ駆動回路２７…表示部２９…モータ駆動回路３１…流量設定入力キー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】遠心ポンプを回転させるための回転伝達
手段と、該遠心ポンプにより吐出された流体の流量を計
測する流量計測手段と、流量設定入力手段と、それらに
電源を供給するとともに制御を行う遠心ポンプ駆動制御
装置であって、遠心ポンプの回転数と循環回路中の液体
の流量から該液体が流れる該循環回路の流体パラメータ
を算出する手段と、該流体パラメータ及び該流量設定入
力手段に入力された流量に基づいて該遠心ポンプの回転
伝達手段の回転数を制御する制御手段と、該制御手段に
より設定制御された回転数で該循環回路の流量の調節を
行うことを特徴とする遠心ポンプ駆動制御装置。
【請求項２】遠心ポンプと、遠心ポンプを回転させる
ための回転伝達手段と、該遠心ポンプにより吐出された
流体の流量を計測する流量計測手段と、流量設定入力手
段と、それらに電源を供給するとともに制御を行う遠心
ポンプ駆動制御装置を備えた体外循環血液回路であっ
て、該遠心ポンプ駆動制御装置は、該遠心ポンプの回転
数と循環回路中の液体の流量から該液体が流れる循環回
路の流体パラメータを算出する手段と、該流体パラメー
タ及び該流量設定入力手段に入力された流量に基づいて
該遠心ポンプの回転伝達手段の回転数を制御する制御手
段と、該制御手段により設定制御された回転数で該循環
回路の流量の調節を行うことを特徴とする体外循環血液
回路。
【請求項３】人工肺をさらに備えたものであることを
特徴とする請求項２記載の体外循環血液回路。