磁気浮上式血液ポンプ
【課題】 本発明は磁気浮上式血液ポンプに係り、ポンプヘッドの中期間，長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプを提供する。
【解決手段】ポンプハウジング内に組み込んだコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持すると共に、コーン型インペラの最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて、ポンプヘッド内に血液の２次流れを形成した。
【解決手段】ポンプハウジング内に組み込んだコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持すると共に、コーン型インペラの最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて、ポンプヘッド内に血液の２次流れを形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプヘッド（血液接触部）を使い捨て部品とする遠心血液ポンプに係り、詳しくは該ポンプヘッドの中期間，長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、心臓や血管の手術中，術後に使用される遠心血液ポンプとして、患者の血液と接触するインペラとこれを収容するポンプハウジングからなるポンプヘッドを交換する使い捨て遠心血液ポンプが広く使用されている。
【０００３】
而して、従来、この種の使い捨て遠心血液ポンプでは、インペラがピボットベアリングやメカニカルシールで保護された接触式のベアリングでポンプハウジングに支持されており、例えば非特許文献１には、図１４に示すように断面円錐形状に形成された３枚のコーン１ａ〜１ｃを、夫々、隙間を空けて三層に組み合わせてコーン型インペラ１を形成し、これを接触式のベアリング３と支軸５を用いてポンプハウジング７に回転可能に支持した遠心血液ポンプ９が開示されている。そして、コーン型インペラ１とこれを収容するポンプハウジング７からなるポンプヘッド（血液接触部）１１が使い捨て部分とされている。
【０００４】
そして、前記ポンプヘッド１１は、モータ１３やトルク伝達ディスク１５等を備えた再利用ユニット１７上に着脱自在に装着されており、最下段部の前記コーン１ｃに装着したマグネット１９と、トルク伝達ディスク１５に装着したマグネット２１との間で磁気カップリング２３が発生している。そして、図１４に示すようにモータ１３の駆動でトルク伝達ディスク１５が回転すると、これに連動してコーン型インペラ１が同方向へ回転するため、図１４及び図１５に示すようにポンプハウジング７の頂部の血液流入口２５から流入した血液Ｂにコーン型インペラ１の回転で運転エネルギーが与えられて（コーン型インペラ１の回転が粘性摩擦により血液Ｂに伝えられて）、血液Ｂがポンプハウジング７の側面に設けた血液流出口２７から流出するようになっている。
【非特許文献１】人工心肺ハンドブック（２００４） ５５〜６１頁 編者 安達 秀雄、百瀬 直樹 中外医学社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし乍ら、接触式の前記ベアリング３は、血液Ｂの汚染を避けるため無潤滑で用いられるため、摩耗や摩擦が激しく耐久性に問題があり、このため、使い捨て部分たるポンプヘッド１１の使用期限は最大２日程度に制限されているが、２日毎の交換は医療機関や患者にとって大きな負担になっているのが実情であった。
【０００６】
また、接触式のベアリング３を使用することで、ベアリング３周りの血栓やベアリング３による溶血といった血液ダメージも指摘されていた。
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み案出されたもので、ポンプヘッドの中期間，長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる目的を達成するため、請求項１に係る磁気浮上式血液ポンプは、頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の２次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状の磁気軸受ロータが取り付くコーン型インペラで、前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記磁気軸受ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されて磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記磁気軸受ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、磁気軸受ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、前記ポンプハウジングは、前記磁気軸受ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、ポンプハウジング内に組み込まれるコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッドの中期間，長期間の使用が可能となった。
【００１０】
また、斯様にコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した結果、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて血液の２次流れを形成したことで、コーン型インペラにスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラがスムーズに回転すると共に、血液の滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。
【００１１】
また、モータをポンプヘッドから離間させて、モータの熱がポンプヘッド内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１乃至図１３は請求項１に係る磁気浮上式血液ポンプの一実施形態を示し、図１に示すように本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１は、再利用ユニット３３と、該再利用ユニット３３の上部に着脱自在に取り付くポンプヘッド（血液接触部）３５とからなり、以下に記載するように、ポンプハウジング３７とこの内部に装着された磁気軸受ロータ３９やコーン型インペラ４１等からなるポンプヘッド３５が使い捨て部分で、図２の如くポンプハウジング３７の頂部の血液流入口４３から流入した血液Ｂにコーン型インペラ４１の回転が粘性摩擦により伝えられて、血液Ｂがポンプハウジング３７の側部に設けた血液流出口４５から流出するようになっている。
【００１４】
そして、前記ポンプヘッド３５から離間して配置されたブラシレスＤＣモータ（以下、「ＤＣモータ」という）４７やこれに同期して回転するトルク伝達ディスク４９、また、図１及び図５に示すようにポンプハウジング３７の周囲に設置された４つの磁気軸受用の電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ等を備えた再利用ユニット３３が磁気浮上式血液ポンプ３１の再利用部分で、図２に示すようにポンプハウジング３７（ポンプヘッド３５）は外径がφ１２４、高さが６５ｍｍ、血液流入口４３がφ９に設定され、図１に示すように再利用ユニット３３は１６０ｍｍの高さ寸法と幅寸法に設定されている。
【００１５】
先ず、前記ポンプヘッド３５のコーン型インペラ４１について説明すると、図２乃至図４に示すようにコーン型インペラ４１は、断面円錐形状に形成されたポリカーボネイト製のコーン４１ａ，４１ｂと、同じくポリカーボネイトを用いて断面円錐形状に形成されたコーン４１ｃを、夫々、隙間５５，５７を空けて積層したもので、３枚のコーン４１ａ，４１ｂ，４１ｃには図示しない位置合わせ用の突起と溝が設けられており、これらを接着にて固定した構造となっている。そして、図３及び図４に示すように３枚のコーン４１ａ，４１ｂ，４１ｃの直径は総てφ７９とされ、コーン型インペラ４１全体が５５ｍｍの高さ寸法とφ７９の幅寸法に設定されている。また、図４に示すように前記隙間５５，５７の下流端の間隔は、夫々、２．６ｍｍと１．４ｍｍに設定されている。
【００１６】
そして、図２及び図４に示すように最上段のコーン４１ａと２段目のコーン４１ｂは、図１４のコーン１ａ，１ｂと同様、薄肉に形成されて、夫々の中央に、平面視円形状の血液流下口５９，６１が前記血液流入口４３と同軸上に設けられており、血液流下口５９の直径はφ１４、血液流下口６１の直径はφ９．４に夫々設定されている。
【００１７】
一方、図２及び図４に示すように最下段のコーン４１ｃの中央には、前記血液流入口４３と同軸上に、後述するように血液Ｂの２次流れを作る平面視円形状のウォッシュアウトホール６３が上下方向に亘ってφ８の径寸法で設けられている。そして、コーン４１ｃの底面はポンプハウジング３７に沿った形状とされており、その底部の周縁部に沿って形成された環状の突部６５に磁気軸受ロータ３９が一体的に組み込まれている。
【００１８】
図６は磁気軸受ロータ３９の詳細を示し、図中、６７は厚さ方向に着磁された１個のリング状のネオジム永久磁石、６９，７１は内周面が等間隔で軸方向に歯溝加工された２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）で、ネオジム永久磁石６７を電磁軟鉄リング６９，７１間に一体的に挟み込んで磁気軸受ロータ３９が形成されている。
【００１９】
そして、磁気軸受ロータ３９の上端たる電磁軟鉄リング６９の外周面と、磁気軸受ロータ３９の下端たる電磁軟鉄リング７１の外周面が、夫々、リング状の磁極面７３，７５となっており、２つの磁極面７３，７５間にはネオジム永久磁石６７によって定常的な磁場が発生している。
【００２０】
また、既述したように電磁軟鉄リング６９，７１の内周面は、夫々、軸方向へ等間隔で歯溝加工が行われており、これによって磁気軸受ロータ３９の内周面の上端側と下端側の同一位置に、夫々、複数の歯状の磁極面７７，７９が内方へ等間隔に突設されている。そして、図２または図４に示すように磁気軸受ロータ３９は、前記コーン４１ｃの環状の突部６５内に一体的に組み込まれており、磁気軸受ロータ３９とコーン型インペラ４１はポンプハウジング３７内に収納されている。
【００２１】
図２に示すようにポンプハウジング３７は、コーン型インペラ４１と同一材料で形成されており、既述したようにその頂部と側面に血液流入口４３と血液流出口４５が設けられ、その底部８１は、前記突部６５の外形形状に沿って円筒状に形成されている。
【００２２】
尚、既述したように本実施形態は、電磁軟鉄リング６９，７１の内周面に複数の歯状の磁極面７７，７９を等間隔に設けたが、必ずしもこれらの磁極面７７，７９は等間隔である必要はなく、例えば４つの磁極面７７，７９を、夫々、１００°と８０°の間隔を空けて線対称に設けてもよい。
【００２３】
そして、図１，図５及び図７に示すように再利用ユニット３３の基台８３上に装着したポンプハウジング３７の底部８１を囲むように、電磁石取付台９５を介して基台８３上に４つの電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙが９０°間隔で配置されており、これらの電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙと磁気軸受ロータ３９とで、コーン型インペラ４１の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受８５を構成している。
【００２４】
図１及び図７に示すように磁気軸受８５は、コーン型インペラ４１のスラスト方向（Ｚ方向）を中心とした回転方向（Ψ方向）を除く５自由度での剛性が正となる軸受である。
【００２５】
５自由度とは、図１に示すようにスラスト方向（Ｚ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度と、傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度で、スラスト方向はコーン型インペラ４１の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。
【００２６】
更に、磁気軸受８５は２自由度制御型の磁気軸受で、上記した５自由度のうち、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度のみを制御対象とする。つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）のみが能動型であり、他のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の３自由度に関しては受動型となっている。
【００２７】
以下、磁気軸受８５の構成を説明すると、図１，図５及び図７に示すように電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙは、ｘ方向制御用の２つの電磁石５１ｘ，５３ｘと、ｙ方向制御用の２つの電磁石５１ｙ，５３ｙとで構成され、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘは、磁気軸受ロータ３９（ポンプハウジング３７の底部８１）を挟んでｘ方向に対向配置され、ｙ方向制御用の電磁石５１ｙ，５３ｙは、同じく磁気軸受ロータ３９を挟んでｙ方向に対向配置されている。
【００２８】
電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの構成は全て同一であるため、図７を基に電磁石５１ｙを例に構成を説明すると、電磁石５１ｙは、断面コ字状の電磁軟鉄コア８７の中央にコイル８９を巻き付けたもので、電磁軟鉄コア８７を焼鈍処理をした純鉄で形成すると、磁気軸受８５のヒステリシス損失が低下して電磁石５１ｙの低発熱化に寄与し、ポンプヘッド３５（ポンプハウジング３７）内を流下する血液Ｂの凝固を防止することができる。
【００２９】
また、電磁軟鉄コア８７を粉体コア（純鉄の微粒子を圧縮して接着剤で固めたもの）で形成すると、渦電流損失が低下して電磁石５１ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受８５から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ３９の振動が低減して更なる溶血防止や血液Ｂの凝固防止に寄与する利点を有する。
【００３０】
電磁軟鉄コア８７には、磁気軸受ロータ３９の磁極面７３，７５の各々の部分領域に対向配置される２つの磁極面９１，９３が設けられており、図７に示すように磁極面９１，９３の形状は、磁気軸受ロータ３９の磁極面７３，７５の部分領域に沿った円弧形状である。そして、底部８１を挟んで対峙する磁極面７３，７５と磁極面９１，９３間のギャップは、僅差な寸法に設定されている。
【００３１】
このように、磁気軸受ロータ３９と電磁石５１ｙは、磁極面７３，９１同士が対向配置され、磁極面７５，９３同士が対向配置される。このため、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７によって磁極面７３，７５の間に発生した定常的な磁場は、電磁石５１ｙの磁極面９１，９３を介して内部を通過することになる。
【００３２】
つまり、図７に示すようにネオジム永久磁石６７のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング６９→磁極面７３→ギャップ→磁極面９１→電磁軟鉄コア８７→磁極面９３→ギャップ→磁極面７５→電磁軟鉄リング７１を順に経た後、ネオジム永久磁石６７のＳ極に戻る磁束φの閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
【００３３】
ここで、仮想的な磁気カップリングの剛性の符号は、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた３自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度に於て、磁気軸受ロータ３９が図８の如く理想的な位置から矢印Ａ方向へ変位すると、磁気軸受ロータ３９には磁束φのループによる復元力Ｆ１が働く。
【００３４】
また、図９に示すように傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度に於て、磁気軸受ロータ３９が理想的な位置から矢印Ｂ方向へ傾くと、磁気軸受ロータ３９には磁束φのループによる復元トルクＦ２が働く。
【００３５】
何れの場合にも、磁気軸受ロータ３９は、復元力Ｆ１または復元トルクＦ２によって、図７の如く一方の磁極面７３が電磁石５１ｙの磁極面９１に対向し、他方の磁極面７５が電磁石５１ｙの磁極面９３に対向する状態（つまり理想的な位置に整列した状態）へ向けて動くことになる。
【００３６】
そして、これらの復元力Ｆ１や復元トルクＦ２は、その他の電磁石５１ｘ，５３ｘ，５３ｙに於ても同様に磁気軸受ロータ３９に作用する。
【００３７】
この結果、磁気軸受ロータ３９は、磁極面７３，７５の各々が磁極面９１，９３に対向する整列状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによって、磁気軸受ロータ３９の剛性を充分に確保することができる。
【００３８】
これに対し、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。
【００３９】
このため、本実施形態では、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の磁気カップリング８５の剛性を補正して「正」にする目的で、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘ及びｙ方向制御用の２つの電磁石５１ｙ，５３ｙの各々のコイル８９に励磁電流を供給する。そして、各々のコイル８９に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ９３からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。
【００４０】
図１に示すように再利用ユニット３３の基台８３上に電磁石取付台９５が配置されているが、電磁石５１ｙを挟んで電磁石取付台９５に、９０°の間隔を空けて２本の変位センサ９７が磁気軸受ロータ３９の中心に向かって設置されており、これらの変位センサ９７で磁気軸受ロータ３９のラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を計測するようになっている。
【００４１】
磁気軸受８５の制御装置（図示せず）は、変位センサ９７からの出力信号と、磁気軸受ロータ３９のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、磁気軸受ロータ３９が目標位置に戻るようにフィードバック制御する。
【００４２】
例えば、図１０に示すようにＸ方向の１自由度に於て磁気軸受ロータ３９が理想的な位置から矢印方向へ変位すると、制御装置は、図１１に示すように変位方向とは逆向きの制御力Ｆ３を発生させるため、ｙ方向制御用の電磁石５１ｙ，５３ｙのコイル８９に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。
【００４３】
このため、図１０の如く磁気軸受ロータ３９が電磁石５１ｙの方へ変位すると、制御装置は、図１１に示すように電磁石５１ｙによって磁束φとは逆向きの磁束φ１を発生させ、他方の電磁石５３ｙによって磁束φと同じ向きの磁束φ２を発生させる。このとき、電磁石５１ｙの電磁軟鉄コア８７を含む磁気回路では磁束φが弱められ、電磁石５３ｙの電磁軟鉄コア４３を含む磁気回路では磁束φが強められる。この結果、磁気軸受ロータ３９を電磁石５３ｙの方へ引き戻すような制御力Ｆ３が発生し、磁気軸受ロータ３９，電磁石５３ｙ側でのギャップと電磁石５１ｙ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
【００４４】
そして、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘについても同様のフィードバック制御が行われ、磁気軸受ロータ３９は、電磁石５１ｘ側でのギャップと電磁石５３ｘ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
【００４５】
つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループと電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙからの磁束φ１，φ２のループとの合成によって、仮想的なバネの剛性が「正」になり、磁気軸受ロータ３９の剛性を充分に確保することができる。
【００４６】
このように本実施形態の磁気軸受８５は、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関し、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、更にラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関し、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙからの磁束φ１，φ２のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。即ち、５自由度での高剛性化が実現する。
【００４７】
一方、図１に示すように再利用ユニット３３の下部には、基台８３に固着したモータ取付枠９９を介してＤＣモータ４７がポンプヘッド３５から離間して設置されており、そのモータ軸１０１は、基台８３の上部に取り付くポンプハウジング３７と中心軸を同じくしている。
【００４８】
そして、モータ軸１０１にカップリング１０３を介して熱伝導性の低い材料で形成された動力伝達軸１０５が連結され、該動力伝達軸１０５はベアリング１０７を介して基台８３に回転可能に軸支されている。そして、基台８３の上面に突出する動力伝達軸１０５の先端に、磁気軸受ロータ３９にトルクを伝達するリング状のトルク伝達ディスク４９が平面視円形状の連結部材１０９を介して連結されており、基台８３の上部にポンプヘッド３５を装着した際に、図１及び図１４に示すようにトルク伝達ディスク４９は、ポンプハウジング３７の底部８１と中心軸を同じくしてその内側に配置されるようになっている。
【００４９】
図１２に示すようにトルク伝達ディスク４９は、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７とは逆方向に着磁されたリング状の１個のネオジム永久磁石１１１を、外周面が等間隔で軸方向に歯溝加工が行われた上下２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）１１３，１１５で一体的に挟み込んだ構造となっている。
【００５０】
そして、電磁軟鉄リング１１３，１１５の歯溝加工は、前記電磁軟鉄リング６９，７１の内周面の歯溝加工と一致させて行われており、これにより、トルク伝達ディスク４９の外周面の上端側と下端側に、磁気軸受ロータ３９の磁極面７７，７９に対向する複数の歯状の磁極面１１７，１１９が形成されている。
【００５１】
このため、図１２に示すようにトルク伝達ディスク４９に於ても、ネオジム永久磁石１１１によって磁極面１１７，１１９間に発生した定常的な磁場と、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７によって磁極面７７，７９間に発生した定常的な磁場とで、磁気軸受ロータ３９からトルク伝達ディスク４９間に、矢印に示す磁束φ３の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
【００５２】
而して、この磁気カップリングは、トルク伝達ディスク４９と磁気軸受ロータ３９間に、図１３の如くＤＣモータ４７からのトルクを磁気軸受ロータ３９に伝達してこれを矢印方向へ回転させる働きと、磁気軸受ロータ３９，電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ間の磁気カップリングによる磁気軸受８５と併せて、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを復元する磁気軸受１２１として機能することとなる。
【００５３】
そして、図２に示すように、コーン型インペラ４１の最上段のコーン４１ａの上面とポンプハウジング３７の内周との間にも血液Ｂが流下する隙間１２３が形成されているが、前記磁気軸受８５，１２１により、最下段のコーン４１ｃの突部６５とポンプハウジング３７との間に０．５ｍｍの流体隙間１２５が形成されると共に、コーン４１ｃの底部中央の凹部底面１２７とハウジング３７との間に１．０ｍｍの流体隙間１２９が形成されて、コーン型インペラ４１とハウジング３７との非接触が図られている。そして、図１に示すようにポンプヘッド３５は、前記電磁石取付台９５上に載置されて、ポンプハウジング３７の底部８１がトルク伝達ディスク４９と電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙとの間に挿入されるが、基台８３の上面には、従来周知の真空チャック（固定手段）の吸引孔（図示せず）が開口しており、磁気浮上式血液ポンプ３１の使用時に該吸引孔から真空ポンプで底部８１を吸引して、再利用ユニット３３からのポンプヘッド３５の脱落防止を図っている。
【００５４】
本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１はこのように構成されているから、磁気浮上式血液ポンプ３１の使用に当たり、ポンプハウジング３７の底部８１をトルク伝達ディスク４９と電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙとの間に挿入して、ポンプヘッド３５を電磁石取付台９５上に載置した後、真空ポンプを作動すると、真空チャックによってポンプヘッド３５が再利用ユニット３３上に固定される。
【００５５】
而して、斯様にポンプヘッド３５を再利用ユニット３３上に装着すると、磁気軸受ロータ３９とトルク伝達ディスク４９との間に発生する磁気カップリングと、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙと磁気軸受ロータ３９との間に発生する磁気カップリングとによって、図２の如く磁気軸受ロータ３９が一体的に組み込まれたコーン型インペラ４１がポンプハウジング３７に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。そして、既述したようにこの非接触状態に於て、コーン型インペラ４１の最上段のコーン４１ａの上面とポンプハウジング３７の内周との間に血液Ｂが流下する隙間１２３が形成されると共に、最下段のコーン４１ｃの突部６５とポンプハウジング３７との間に０．５ｍｍの流体隙間１２５が形成され、コーン４１ｃの底部中央の凹部底面１２７とハウジング３７との間に１．０ｍｍの流体隙間１２９が形成される。
【００５６】
そして、この状態でＤＣモータ４７を回転駆動して、図１２の如くトルク伝達ディスク４９を矢印方向へ回転させると、図１３に示すように、トルク伝達ディスク４９と磁気軸受ロータ３９間に発生する磁気カップリングによりトルクが磁気軸受ロータ３９に伝達されて磁気軸受ロータ３９が同方向へ回転し、コーン型インペラ４１が同方向へ回転する。
【００５７】
このため、図２に示すように、ポンプハウジング３７の頂部の血液流入口４３から流入した血液Ｂが前記各隙間１２３，５５，５７する際に、コーン型インペラ４１の回転が粘性摩擦により血液Ｂに伝えられて、血液Ｂがポンプハウジング３７の側部に設けた血液流出口４５から流出する。
【００５８】
また、斯様にコーン型インペラ４１の回転で運動エネルギーが与えられた血液Ｂが、前記流体隙間１２５及び凹部底面１２７からウォッシュアウトホール６３を経て隙間５７に戻る血液Ｂの２次流れが形成される。
【００５９】
この結果、斯かる２次流れにより、コーン型インペラ４１にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ４１がスムーズに回転すると共に、コーン型インペラ４１底部とポンプハウジング３７間に於ける血液Ｂの滞留による血栓形成が防止されることとなる。
【００６０】
そして、既述したようにこのコーン型インペラ４１の回転時に、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを磁気軸受８５，１２１が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を、磁気軸受８５を介して制御装置がフィードバック制御して磁気軸受ロータ３９を理想的な位置に復元するため、コーン型インペラ４１が安定して回転することとなる。
【００６１】
また、ＤＣモータ４７の駆動に伴い、磁場変動による銅損と鉄損によってＤＣモータ４７は発熱するが、既述したように本実施形態は、ＤＣモータ４７をポンプヘッド３５から離間して再利用ユニット３３の下部に配置し、更に動力伝達軸１０５を熱伝導性の低い材料で形成した構造上、ポンプヘッド３５内を流下する血液ＢにＤＣモータ４７の熱が伝達されることがなく、而も、トルク伝達ディスク４９は磁気軸受ロータ３９と同期して回転するため、ポンプヘッド３５近傍で磁場変動が発生することがない。
【００６２】
そして、ポンプヘッド３５を交換する場合には、再利用ユニット３３からポンプヘッド３５を取り外して新たなポンプヘッド３５を再利用ユニット３３に取り付ければよい。
【００６３】
このように、本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１は、ポンプハウジング３７内に組み込まれるコーン型インペラ４１を磁気軸受８５，１２１で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッド３５の中期間，長期間の使用が可能となった。
【００６４】
また、斯様にコーン型インペラ４１を磁気軸受８５，１２１で非接触に支持した結果、本実施形態によれば、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーン４１ｃにウォッシュアウトホール６３を設けて血液Ｂの２次流れを形成したことで、コーン型インペラ４１にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ４１がスムーズに回転すると共に、血液Ｂの滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。
【００６５】
更に、既述したように本実施形態は、ＤＣモータ４７をポンプヘッド３５から離間して再利用ユニット３３の下部に配置すると共に、動力伝達軸１０５を熱伝導性の低い材料で形成して、ＤＣモータ４７の熱がポンプヘッド３５内を流下する血液Ｂに伝達し難い構造としたため、熱による血液Ｂの凝固を確実に防止することができる。
【００６６】
更にまた、既述したように電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの電磁軟鉄コア８７を焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受８５のヒステリシス損失が低下して電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの低発熱化に寄与するため、ポンプヘッド３５内を流下する血液Ｂの凝固を防止することができる。
【００６７】
一方、電磁軟鉄コア８７を粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受８５から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ３９の振動が低減して溶血防止や血液Ｂの凝固防止に寄与する利点を有する。
【００６８】
加えて、本実施形態によれば、使い捨て部分のポンプヘッド３５を真空チャックで再利用ユニット３３に固定しているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ポンプヘッド３５が脱落して不測の事態が発生する虞もない。
【００６９】
尚、上記実施形態では、再利用ユニット３３へのポンプヘッド３５の固定手段として真空チャックを用いたが、ポンプヘッド３５の外周面と電磁石取付台９５との摩擦を利用してポンプヘッド３５の脱落防止を図ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】請求項１の一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプの全体斜視断面図である。
【図２】ポンプヘッドの断面図とその要部拡大断面図である。
【図３】ポンプヘッドの平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図とその要部拡大断面図である。
【図５】磁気軸受ロータと電磁石の平面図である。
【図６】磁気軸受ロータの斜視断面図である。
【図７】磁気軸受ロータと電磁石の斜視断面図である。
【図８】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。
【図９】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。
【図１０】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１１】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１２】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１３】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１４】従来の使い捨て遠心血液ポンプの概略構成図である。
【図１５】従来のコーン型インペラによる血液の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
３１ 磁気浮上式血液ポンプ
３３ 再利用ユニット
３５ ポンプヘッド
３７ ポンプハウジング
３９ 磁気軸受ロータ
４１ コーン型インペラ
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ コーン
４３ 血液流入口
４５ 血液流出口
４７ モータ
４９ トルク伝達ディスク
５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ 電磁石
５５，５７，１２３ 隙間
５９，６１ 血液流下口
６３ ウォッシュアウトホール
６７，１１１ ネオジム永久磁石
６９，７１，１１３，１１５ 電磁軟鉄リング
７３，７５，７７，７９，９１，９３，１１７，１１９ 磁極面
８３ 基台
８５，１２１ 磁気軸受
８７ 電磁軟鉄コア
８９ コイル
９７ 変位センサ
１０１ モータ軸
１２５，１２９ 流体隙間
φ，φ１，φ２，φ３ 磁束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプヘッド（血液接触部）を使い捨て部品とする遠心血液ポンプに係り、詳しくは該ポンプヘッドの中期間，長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、心臓や血管の手術中，術後に使用される遠心血液ポンプとして、患者の血液と接触するインペラとこれを収容するポンプハウジングからなるポンプヘッドを交換する使い捨て遠心血液ポンプが広く使用されている。
【０００３】
而して、従来、この種の使い捨て遠心血液ポンプでは、インペラがピボットベアリングやメカニカルシールで保護された接触式のベアリングでポンプハウジングに支持されており、例えば非特許文献１には、図１４に示すように断面円錐形状に形成された３枚のコーン１ａ〜１ｃを、夫々、隙間を空けて三層に組み合わせてコーン型インペラ１を形成し、これを接触式のベアリング３と支軸５を用いてポンプハウジング７に回転可能に支持した遠心血液ポンプ９が開示されている。そして、コーン型インペラ１とこれを収容するポンプハウジング７からなるポンプヘッド（血液接触部）１１が使い捨て部分とされている。
【０００４】
そして、前記ポンプヘッド１１は、モータ１３やトルク伝達ディスク１５等を備えた再利用ユニット１７上に着脱自在に装着されており、最下段部の前記コーン１ｃに装着したマグネット１９と、トルク伝達ディスク１５に装着したマグネット２１との間で磁気カップリング２３が発生している。そして、図１４に示すようにモータ１３の駆動でトルク伝達ディスク１５が回転すると、これに連動してコーン型インペラ１が同方向へ回転するため、図１４及び図１５に示すようにポンプハウジング７の頂部の血液流入口２５から流入した血液Ｂにコーン型インペラ１の回転で運転エネルギーが与えられて（コーン型インペラ１の回転が粘性摩擦により血液Ｂに伝えられて）、血液Ｂがポンプハウジング７の側面に設けた血液流出口２７から流出するようになっている。
【非特許文献１】人工心肺ハンドブック（２００４） ５５〜６１頁 編者 安達 秀雄、百瀬 直樹 中外医学社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし乍ら、接触式の前記ベアリング３は、血液Ｂの汚染を避けるため無潤滑で用いられるため、摩耗や摩擦が激しく耐久性に問題があり、このため、使い捨て部分たるポンプヘッド１１の使用期限は最大２日程度に制限されているが、２日毎の交換は医療機関や患者にとって大きな負担になっているのが実情であった。
【０００６】
また、接触式のベアリング３を使用することで、ベアリング３周りの血栓やベアリング３による溶血といった血液ダメージも指摘されていた。
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み案出されたもので、ポンプヘッドの中期間，長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる目的を達成するため、請求項１に係る磁気浮上式血液ポンプは、頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の２次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状の磁気軸受ロータが取り付くコーン型インペラで、前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記磁気軸受ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されて磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記磁気軸受ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、磁気軸受ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、前記ポンプハウジングは、前記磁気軸受ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、ポンプハウジング内に組み込まれるコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッドの中期間，長期間の使用が可能となった。
【００１０】
また、斯様にコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した結果、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて血液の２次流れを形成したことで、コーン型インペラにスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラがスムーズに回転すると共に、血液の滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。
【００１１】
また、モータをポンプヘッドから離間させて、モータの熱がポンプヘッド内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１乃至図１３は請求項１に係る磁気浮上式血液ポンプの一実施形態を示し、図１に示すように本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１は、再利用ユニット３３と、該再利用ユニット３３の上部に着脱自在に取り付くポンプヘッド（血液接触部）３５とからなり、以下に記載するように、ポンプハウジング３７とこの内部に装着された磁気軸受ロータ３９やコーン型インペラ４１等からなるポンプヘッド３５が使い捨て部分で、図２の如くポンプハウジング３７の頂部の血液流入口４３から流入した血液Ｂにコーン型インペラ４１の回転が粘性摩擦により伝えられて、血液Ｂがポンプハウジング３７の側部に設けた血液流出口４５から流出するようになっている。
【００１４】
そして、前記ポンプヘッド３５から離間して配置されたブラシレスＤＣモータ（以下、「ＤＣモータ」という）４７やこれに同期して回転するトルク伝達ディスク４９、また、図１及び図５に示すようにポンプハウジング３７の周囲に設置された４つの磁気軸受用の電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ等を備えた再利用ユニット３３が磁気浮上式血液ポンプ３１の再利用部分で、図２に示すようにポンプハウジング３７（ポンプヘッド３５）は外径がφ１２４、高さが６５ｍｍ、血液流入口４３がφ９に設定され、図１に示すように再利用ユニット３３は１６０ｍｍの高さ寸法と幅寸法に設定されている。
【００１５】
先ず、前記ポンプヘッド３５のコーン型インペラ４１について説明すると、図２乃至図４に示すようにコーン型インペラ４１は、断面円錐形状に形成されたポリカーボネイト製のコーン４１ａ，４１ｂと、同じくポリカーボネイトを用いて断面円錐形状に形成されたコーン４１ｃを、夫々、隙間５５，５７を空けて積層したもので、３枚のコーン４１ａ，４１ｂ，４１ｃには図示しない位置合わせ用の突起と溝が設けられており、これらを接着にて固定した構造となっている。そして、図３及び図４に示すように３枚のコーン４１ａ，４１ｂ，４１ｃの直径は総てφ７９とされ、コーン型インペラ４１全体が５５ｍｍの高さ寸法とφ７９の幅寸法に設定されている。また、図４に示すように前記隙間５５，５７の下流端の間隔は、夫々、２．６ｍｍと１．４ｍｍに設定されている。
【００１６】
そして、図２及び図４に示すように最上段のコーン４１ａと２段目のコーン４１ｂは、図１４のコーン１ａ，１ｂと同様、薄肉に形成されて、夫々の中央に、平面視円形状の血液流下口５９，６１が前記血液流入口４３と同軸上に設けられており、血液流下口５９の直径はφ１４、血液流下口６１の直径はφ９．４に夫々設定されている。
【００１７】
一方、図２及び図４に示すように最下段のコーン４１ｃの中央には、前記血液流入口４３と同軸上に、後述するように血液Ｂの２次流れを作る平面視円形状のウォッシュアウトホール６３が上下方向に亘ってφ８の径寸法で設けられている。そして、コーン４１ｃの底面はポンプハウジング３７に沿った形状とされており、その底部の周縁部に沿って形成された環状の突部６５に磁気軸受ロータ３９が一体的に組み込まれている。
【００１８】
図６は磁気軸受ロータ３９の詳細を示し、図中、６７は厚さ方向に着磁された１個のリング状のネオジム永久磁石、６９，７１は内周面が等間隔で軸方向に歯溝加工された２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）で、ネオジム永久磁石６７を電磁軟鉄リング６９，７１間に一体的に挟み込んで磁気軸受ロータ３９が形成されている。
【００１９】
そして、磁気軸受ロータ３９の上端たる電磁軟鉄リング６９の外周面と、磁気軸受ロータ３９の下端たる電磁軟鉄リング７１の外周面が、夫々、リング状の磁極面７３，７５となっており、２つの磁極面７３，７５間にはネオジム永久磁石６７によって定常的な磁場が発生している。
【００２０】
また、既述したように電磁軟鉄リング６９，７１の内周面は、夫々、軸方向へ等間隔で歯溝加工が行われており、これによって磁気軸受ロータ３９の内周面の上端側と下端側の同一位置に、夫々、複数の歯状の磁極面７７，７９が内方へ等間隔に突設されている。そして、図２または図４に示すように磁気軸受ロータ３９は、前記コーン４１ｃの環状の突部６５内に一体的に組み込まれており、磁気軸受ロータ３９とコーン型インペラ４１はポンプハウジング３７内に収納されている。
【００２１】
図２に示すようにポンプハウジング３７は、コーン型インペラ４１と同一材料で形成されており、既述したようにその頂部と側面に血液流入口４３と血液流出口４５が設けられ、その底部８１は、前記突部６５の外形形状に沿って円筒状に形成されている。
【００２２】
尚、既述したように本実施形態は、電磁軟鉄リング６９，７１の内周面に複数の歯状の磁極面７７，７９を等間隔に設けたが、必ずしもこれらの磁極面７７，７９は等間隔である必要はなく、例えば４つの磁極面７７，７９を、夫々、１００°と８０°の間隔を空けて線対称に設けてもよい。
【００２３】
そして、図１，図５及び図７に示すように再利用ユニット３３の基台８３上に装着したポンプハウジング３７の底部８１を囲むように、電磁石取付台９５を介して基台８３上に４つの電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙが９０°間隔で配置されており、これらの電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙと磁気軸受ロータ３９とで、コーン型インペラ４１の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受８５を構成している。
【００２４】
図１及び図７に示すように磁気軸受８５は、コーン型インペラ４１のスラスト方向（Ｚ方向）を中心とした回転方向（Ψ方向）を除く５自由度での剛性が正となる軸受である。
【００２５】
５自由度とは、図１に示すようにスラスト方向（Ｚ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度と、傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度で、スラスト方向はコーン型インペラ４１の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。
【００２６】
更に、磁気軸受８５は２自由度制御型の磁気軸受で、上記した５自由度のうち、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度のみを制御対象とする。つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）のみが能動型であり、他のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の３自由度に関しては受動型となっている。
【００２７】
以下、磁気軸受８５の構成を説明すると、図１，図５及び図７に示すように電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙは、ｘ方向制御用の２つの電磁石５１ｘ，５３ｘと、ｙ方向制御用の２つの電磁石５１ｙ，５３ｙとで構成され、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘは、磁気軸受ロータ３９（ポンプハウジング３７の底部８１）を挟んでｘ方向に対向配置され、ｙ方向制御用の電磁石５１ｙ，５３ｙは、同じく磁気軸受ロータ３９を挟んでｙ方向に対向配置されている。
【００２８】
電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの構成は全て同一であるため、図７を基に電磁石５１ｙを例に構成を説明すると、電磁石５１ｙは、断面コ字状の電磁軟鉄コア８７の中央にコイル８９を巻き付けたもので、電磁軟鉄コア８７を焼鈍処理をした純鉄で形成すると、磁気軸受８５のヒステリシス損失が低下して電磁石５１ｙの低発熱化に寄与し、ポンプヘッド３５（ポンプハウジング３７）内を流下する血液Ｂの凝固を防止することができる。
【００２９】
また、電磁軟鉄コア８７を粉体コア（純鉄の微粒子を圧縮して接着剤で固めたもの）で形成すると、渦電流損失が低下して電磁石５１ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受８５から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ３９の振動が低減して更なる溶血防止や血液Ｂの凝固防止に寄与する利点を有する。
【００３０】
電磁軟鉄コア８７には、磁気軸受ロータ３９の磁極面７３，７５の各々の部分領域に対向配置される２つの磁極面９１，９３が設けられており、図７に示すように磁極面９１，９３の形状は、磁気軸受ロータ３９の磁極面７３，７５の部分領域に沿った円弧形状である。そして、底部８１を挟んで対峙する磁極面７３，７５と磁極面９１，９３間のギャップは、僅差な寸法に設定されている。
【００３１】
このように、磁気軸受ロータ３９と電磁石５１ｙは、磁極面７３，９１同士が対向配置され、磁極面７５，９３同士が対向配置される。このため、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７によって磁極面７３，７５の間に発生した定常的な磁場は、電磁石５１ｙの磁極面９１，９３を介して内部を通過することになる。
【００３２】
つまり、図７に示すようにネオジム永久磁石６７のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング６９→磁極面７３→ギャップ→磁極面９１→電磁軟鉄コア８７→磁極面９３→ギャップ→磁極面７５→電磁軟鉄リング７１を順に経た後、ネオジム永久磁石６７のＳ極に戻る磁束φの閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
【００３３】
ここで、仮想的な磁気カップリングの剛性の符号は、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた３自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度に於て、磁気軸受ロータ３９が図８の如く理想的な位置から矢印Ａ方向へ変位すると、磁気軸受ロータ３９には磁束φのループによる復元力Ｆ１が働く。
【００３４】
また、図９に示すように傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度に於て、磁気軸受ロータ３９が理想的な位置から矢印Ｂ方向へ傾くと、磁気軸受ロータ３９には磁束φのループによる復元トルクＦ２が働く。
【００３５】
何れの場合にも、磁気軸受ロータ３９は、復元力Ｆ１または復元トルクＦ２によって、図７の如く一方の磁極面７３が電磁石５１ｙの磁極面９１に対向し、他方の磁極面７５が電磁石５１ｙの磁極面９３に対向する状態（つまり理想的な位置に整列した状態）へ向けて動くことになる。
【００３６】
そして、これらの復元力Ｆ１や復元トルクＦ２は、その他の電磁石５１ｘ，５３ｘ，５３ｙに於ても同様に磁気軸受ロータ３９に作用する。
【００３７】
この結果、磁気軸受ロータ３９は、磁極面７３，７５の各々が磁極面９１，９３に対向する整列状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによって、磁気軸受ロータ３９の剛性を充分に確保することができる。
【００３８】
これに対し、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。
【００３９】
このため、本実施形態では、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の磁気カップリング８５の剛性を補正して「正」にする目的で、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘ及びｙ方向制御用の２つの電磁石５１ｙ，５３ｙの各々のコイル８９に励磁電流を供給する。そして、各々のコイル８９に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ９３からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。
【００４０】
図１に示すように再利用ユニット３３の基台８３上に電磁石取付台９５が配置されているが、電磁石５１ｙを挟んで電磁石取付台９５に、９０°の間隔を空けて２本の変位センサ９７が磁気軸受ロータ３９の中心に向かって設置されており、これらの変位センサ９７で磁気軸受ロータ３９のラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を計測するようになっている。
【００４１】
磁気軸受８５の制御装置（図示せず）は、変位センサ９７からの出力信号と、磁気軸受ロータ３９のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、磁気軸受ロータ３９が目標位置に戻るようにフィードバック制御する。
【００４２】
例えば、図１０に示すようにＸ方向の１自由度に於て磁気軸受ロータ３９が理想的な位置から矢印方向へ変位すると、制御装置は、図１１に示すように変位方向とは逆向きの制御力Ｆ３を発生させるため、ｙ方向制御用の電磁石５１ｙ，５３ｙのコイル８９に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。
【００４３】
このため、図１０の如く磁気軸受ロータ３９が電磁石５１ｙの方へ変位すると、制御装置は、図１１に示すように電磁石５１ｙによって磁束φとは逆向きの磁束φ１を発生させ、他方の電磁石５３ｙによって磁束φと同じ向きの磁束φ２を発生させる。このとき、電磁石５１ｙの電磁軟鉄コア８７を含む磁気回路では磁束φが弱められ、電磁石５３ｙの電磁軟鉄コア４３を含む磁気回路では磁束φが強められる。この結果、磁気軸受ロータ３９を電磁石５３ｙの方へ引き戻すような制御力Ｆ３が発生し、磁気軸受ロータ３９，電磁石５３ｙ側でのギャップと電磁石５１ｙ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
【００４４】
そして、ｘ方向制御用の電磁石５１ｘ，５３ｘについても同様のフィードバック制御が行われ、磁気軸受ロータ３９は、電磁石５１ｘ側でのギャップと電磁石５３ｘ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
【００４５】
つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループと電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙからの磁束φ１，φ２のループとの合成によって、仮想的なバネの剛性が「正」になり、磁気軸受ロータ３９の剛性を充分に確保することができる。
【００４６】
このように本実施形態の磁気軸受８５は、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関し、ネオジム永久磁石６７からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、更にラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関し、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙからの磁束φ１，φ２のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。即ち、５自由度での高剛性化が実現する。
【００４７】
一方、図１に示すように再利用ユニット３３の下部には、基台８３に固着したモータ取付枠９９を介してＤＣモータ４７がポンプヘッド３５から離間して設置されており、そのモータ軸１０１は、基台８３の上部に取り付くポンプハウジング３７と中心軸を同じくしている。
【００４８】
そして、モータ軸１０１にカップリング１０３を介して熱伝導性の低い材料で形成された動力伝達軸１０５が連結され、該動力伝達軸１０５はベアリング１０７を介して基台８３に回転可能に軸支されている。そして、基台８３の上面に突出する動力伝達軸１０５の先端に、磁気軸受ロータ３９にトルクを伝達するリング状のトルク伝達ディスク４９が平面視円形状の連結部材１０９を介して連結されており、基台８３の上部にポンプヘッド３５を装着した際に、図１及び図１４に示すようにトルク伝達ディスク４９は、ポンプハウジング３７の底部８１と中心軸を同じくしてその内側に配置されるようになっている。
【００４９】
図１２に示すようにトルク伝達ディスク４９は、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７とは逆方向に着磁されたリング状の１個のネオジム永久磁石１１１を、外周面が等間隔で軸方向に歯溝加工が行われた上下２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）１１３，１１５で一体的に挟み込んだ構造となっている。
【００５０】
そして、電磁軟鉄リング１１３，１１５の歯溝加工は、前記電磁軟鉄リング６９，７１の内周面の歯溝加工と一致させて行われており、これにより、トルク伝達ディスク４９の外周面の上端側と下端側に、磁気軸受ロータ３９の磁極面７７，７９に対向する複数の歯状の磁極面１１７，１１９が形成されている。
【００５１】
このため、図１２に示すようにトルク伝達ディスク４９に於ても、ネオジム永久磁石１１１によって磁極面１１７，１１９間に発生した定常的な磁場と、磁気軸受ロータ３９のネオジム永久磁石６７によって磁極面７７，７９間に発生した定常的な磁場とで、磁気軸受ロータ３９からトルク伝達ディスク４９間に、矢印に示す磁束φ３の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
【００５２】
而して、この磁気カップリングは、トルク伝達ディスク４９と磁気軸受ロータ３９間に、図１３の如くＤＣモータ４７からのトルクを磁気軸受ロータ３９に伝達してこれを矢印方向へ回転させる働きと、磁気軸受ロータ３９，電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ間の磁気カップリングによる磁気軸受８５と併せて、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを復元する磁気軸受１２１として機能することとなる。
【００５３】
そして、図２に示すように、コーン型インペラ４１の最上段のコーン４１ａの上面とポンプハウジング３７の内周との間にも血液Ｂが流下する隙間１２３が形成されているが、前記磁気軸受８５，１２１により、最下段のコーン４１ｃの突部６５とポンプハウジング３７との間に０．５ｍｍの流体隙間１２５が形成されると共に、コーン４１ｃの底部中央の凹部底面１２７とハウジング３７との間に１．０ｍｍの流体隙間１２９が形成されて、コーン型インペラ４１とハウジング３７との非接触が図られている。そして、図１に示すようにポンプヘッド３５は、前記電磁石取付台９５上に載置されて、ポンプハウジング３７の底部８１がトルク伝達ディスク４９と電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙとの間に挿入されるが、基台８３の上面には、従来周知の真空チャック（固定手段）の吸引孔（図示せず）が開口しており、磁気浮上式血液ポンプ３１の使用時に該吸引孔から真空ポンプで底部８１を吸引して、再利用ユニット３３からのポンプヘッド３５の脱落防止を図っている。
【００５４】
本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１はこのように構成されているから、磁気浮上式血液ポンプ３１の使用に当たり、ポンプハウジング３７の底部８１をトルク伝達ディスク４９と電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙとの間に挿入して、ポンプヘッド３５を電磁石取付台９５上に載置した後、真空ポンプを作動すると、真空チャックによってポンプヘッド３５が再利用ユニット３３上に固定される。
【００５５】
而して、斯様にポンプヘッド３５を再利用ユニット３３上に装着すると、磁気軸受ロータ３９とトルク伝達ディスク４９との間に発生する磁気カップリングと、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙと磁気軸受ロータ３９との間に発生する磁気カップリングとによって、図２の如く磁気軸受ロータ３９が一体的に組み込まれたコーン型インペラ４１がポンプハウジング３７に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。そして、既述したようにこの非接触状態に於て、コーン型インペラ４１の最上段のコーン４１ａの上面とポンプハウジング３７の内周との間に血液Ｂが流下する隙間１２３が形成されると共に、最下段のコーン４１ｃの突部６５とポンプハウジング３７との間に０．５ｍｍの流体隙間１２５が形成され、コーン４１ｃの底部中央の凹部底面１２７とハウジング３７との間に１．０ｍｍの流体隙間１２９が形成される。
【００５６】
そして、この状態でＤＣモータ４７を回転駆動して、図１２の如くトルク伝達ディスク４９を矢印方向へ回転させると、図１３に示すように、トルク伝達ディスク４９と磁気軸受ロータ３９間に発生する磁気カップリングによりトルクが磁気軸受ロータ３９に伝達されて磁気軸受ロータ３９が同方向へ回転し、コーン型インペラ４１が同方向へ回転する。
【００５７】
このため、図２に示すように、ポンプハウジング３７の頂部の血液流入口４３から流入した血液Ｂが前記各隙間１２３，５５，５７する際に、コーン型インペラ４１の回転が粘性摩擦により血液Ｂに伝えられて、血液Ｂがポンプハウジング３７の側部に設けた血液流出口４５から流出する。
【００５８】
また、斯様にコーン型インペラ４１の回転で運動エネルギーが与えられた血液Ｂが、前記流体隙間１２５及び凹部底面１２７からウォッシュアウトホール６３を経て隙間５７に戻る血液Ｂの２次流れが形成される。
【００５９】
この結果、斯かる２次流れにより、コーン型インペラ４１にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ４１がスムーズに回転すると共に、コーン型インペラ４１底部とポンプハウジング３７間に於ける血液Ｂの滞留による血栓形成が防止されることとなる。
【００６０】
そして、既述したようにこのコーン型インペラ４１の回転時に、磁気軸受ロータ３９のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを磁気軸受８５，１２１が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を、磁気軸受８５を介して制御装置がフィードバック制御して磁気軸受ロータ３９を理想的な位置に復元するため、コーン型インペラ４１が安定して回転することとなる。
【００６１】
また、ＤＣモータ４７の駆動に伴い、磁場変動による銅損と鉄損によってＤＣモータ４７は発熱するが、既述したように本実施形態は、ＤＣモータ４７をポンプヘッド３５から離間して再利用ユニット３３の下部に配置し、更に動力伝達軸１０５を熱伝導性の低い材料で形成した構造上、ポンプヘッド３５内を流下する血液ＢにＤＣモータ４７の熱が伝達されることがなく、而も、トルク伝達ディスク４９は磁気軸受ロータ３９と同期して回転するため、ポンプヘッド３５近傍で磁場変動が発生することがない。
【００６２】
そして、ポンプヘッド３５を交換する場合には、再利用ユニット３３からポンプヘッド３５を取り外して新たなポンプヘッド３５を再利用ユニット３３に取り付ければよい。
【００６３】
このように、本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ３１は、ポンプハウジング３７内に組み込まれるコーン型インペラ４１を磁気軸受８５，１２１で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッド３５の中期間，長期間の使用が可能となった。
【００６４】
また、斯様にコーン型インペラ４１を磁気軸受８５，１２１で非接触に支持した結果、本実施形態によれば、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーン４１ｃにウォッシュアウトホール６３を設けて血液Ｂの２次流れを形成したことで、コーン型インペラ４１にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ４１がスムーズに回転すると共に、血液Ｂの滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。
【００６５】
更に、既述したように本実施形態は、ＤＣモータ４７をポンプヘッド３５から離間して再利用ユニット３３の下部に配置すると共に、動力伝達軸１０５を熱伝導性の低い材料で形成して、ＤＣモータ４７の熱がポンプヘッド３５内を流下する血液Ｂに伝達し難い構造としたため、熱による血液Ｂの凝固を確実に防止することができる。
【００６６】
更にまた、既述したように電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの電磁軟鉄コア８７を焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受８５のヒステリシス損失が低下して電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの低発熱化に寄与するため、ポンプヘッド３５内を流下する血液Ｂの凝固を防止することができる。
【００６７】
一方、電磁軟鉄コア８７を粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受８５から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ３９の振動が低減して溶血防止や血液Ｂの凝固防止に寄与する利点を有する。
【００６８】
加えて、本実施形態によれば、使い捨て部分のポンプヘッド３５を真空チャックで再利用ユニット３３に固定しているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ポンプヘッド３５が脱落して不測の事態が発生する虞もない。
【００６９】
尚、上記実施形態では、再利用ユニット３３へのポンプヘッド３５の固定手段として真空チャックを用いたが、ポンプヘッド３５の外周面と電磁石取付台９５との摩擦を利用してポンプヘッド３５の脱落防止を図ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】請求項１の一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプの全体斜視断面図である。
【図２】ポンプヘッドの断面図とその要部拡大断面図である。
【図３】ポンプヘッドの平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図とその要部拡大断面図である。
【図５】磁気軸受ロータと電磁石の平面図である。
【図６】磁気軸受ロータの斜視断面図である。
【図７】磁気軸受ロータと電磁石の斜視断面図である。
【図８】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。
【図９】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。
【図１０】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１１】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１２】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１３】磁気軸受ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの斜視断面図である。
【図１４】従来の使い捨て遠心血液ポンプの概略構成図である。
【図１５】従来のコーン型インペラによる血液の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
３１ 磁気浮上式血液ポンプ
３３ 再利用ユニット
３５ ポンプヘッド
３７ ポンプハウジング
３９ 磁気軸受ロータ
４１ コーン型インペラ
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ コーン
４３ 血液流入口
４５ 血液流出口
４７ モータ
４９ トルク伝達ディスク
５１ｘ，５１ｙ，５３ｘ，５３ｙ 電磁石
５５，５７，１２３ 隙間
５９，６１ 血液流下口
６３ ウォッシュアウトホール
６７，１１１ ネオジム永久磁石
６９，７１，１１３，１１５ 電磁軟鉄リング
７３，７５，７７，７９，９１，９３，１１７，１１９ 磁極面
８３ 基台
８５，１２１ 磁気軸受
８７ 電磁軟鉄コア
８９ コイル
９７ 変位センサ
１０１ モータ軸
１２５，１２９ 流体隙間
φ，φ１，φ２，φ３ 磁束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、
前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、
前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の２次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータが取り付くコーン型インペラで、
前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、
前記ポンプハウジングは、前記ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする磁気浮上式血液ポンプ。
【請求項１】
頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、
前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、
前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の２次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータが取り付くコーン型インペラで、
前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、
前記ポンプハウジングは、前記ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする磁気浮上式血液ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１０６６９０（Ｐ２００９−１０６６９０Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８４７６６（Ｐ２００７−２８４７６６）
【出願日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、産学共同イノベーション化事業、顕在化ステージにおける委託研究、「磁気浮上ＢｉｏＰｕｍｐの顕在化に関する研究」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０４１７９２５５）国立大学法人 東京医科歯科大学 (228)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、産学共同イノベーション化事業、顕在化ステージにおける委託研究、「磁気浮上ＢｉｏＰｕｍｐの顕在化に関する研究」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０４１７９２５５）国立大学法人 東京医科歯科大学 (228)
【Ｆターム（参考）】
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