● 原 著 人 工 臓 器26(3) 779-784 (1997) 磁 気 回 転 型 血 液 ポ ン プ の 開 発 と そ の 特 性 評 価 に つ い て 永沼 滋.、山家智 之、秋保 洋、小林信 一、静和彦 、仁 田新一、 磯 山隆*、 稲 垣芳孝* 従 来 臨床 に使 用 されて い る血液 ポ ン プには ロー ラー ポ ンプ、 遠 心ポ ン プ とい ったも のが挙 げ られ るが、 それ ぞ れ に欠点 を持 ってお り、 これ を解 決 す る目的 で新 しい血液 吐 出機構 を持 つ 血液 ポ ンプ の開発 を行 った。 初 め にプ ロ トタ イ プポ ンプ と して 外周 直径40m、 内周 直径20mmの ドーナ ヅ状 の管状 流路 を呈 す るハ ウジ ング 内 に直径 10mの 鉄 製 の球(表 面 プラ スチ ッ クコー テ ィン グ)を 配置 し、 これ を ドー ナ ッ状 の 管状 流路 内 を回転 させ るこ とに よ り、 血液 を送 出 させ る。球 は ハ ウジ ング下 部 に配置 した永久 磁石 で磁 気 的 に保持 し、 この永 久磁 石 をDC ブラ シ レスモー タ で回転 させ る機 構 と した。 プ ロ トタイ プポ ンプ では、 模擬 循 環回路 で 後負 荷30mmHgに て流 量 は約1L/min(球 の 回転数:600rpm)で あ った。 そ こで血液 ポ ン プ として必 要 な流量 を、 後 負荷100mmHgで 流量 が約4L/minと 設定 し、 ポ ンプ に改 良 を加 えた。 改良 したポ ン プは外周 直径:66m、 内周 直径:45mm、 高 さ 16mmの ハ ウジ ング と し、 内部 に は直径20m、 高 さ15mの 円柱(ロ ー ラ)を2個 配 置 した。 模擬 循環 回 路 にて 後 負荷100mmHgに て 流量 は約6L/min(回 転数 で2000rpm)を 得 るこ とがで きた。本 ポ ン プは血 液 の吐 出機構 か ら 分類 す る と遠 心ポ ン プの範 疇 に入 る と考 え られ るが、 これ ま でのポ シプ と異 な り、 ボ ンプの 構造 が簡 単 で あ るこ とか ら、物 理 的磨耗 が 少な く、 耐久性 に優 れ 、 また製作 す る上 で も非常 に有 効 であ る もの と考 え られ る。
S. Naganuma, T. Yambe, H. Akiho, S. Kobayashi, K. Shizuka, S. Nitta, T. Isoyama , Y. Inagaki DEVELOPMENT OF A NOVEL CENTRIFUGAL PUMP:MAGNETIC ROTARY PUMP. In order to improve several disadvantage of a centrifugal pump, we have developed a new principle of rotary blood pumps. This Magnetic Rotary Pump (MRP) consists of a brushless DC motor system and a unique shaped pump housing. Basic pump housing is shaped a rounding cylinder, and a magnetized ball roller is set into this cylinder. The radius of a prototype MRP is 2.0 cm, and the height is 1.2 cm. Driving system, a disc on which permanent magnet is fasten is joined to brushless DC motor, is attached to the basal plain of pump housing . This roller is moved round in the cylinder by magnetically, and blood is continuously pushed out. By this prototype MRP, pump output is gained about 1.0 l/min against 30 mmHg afterload under rotational speed of 300 rpm. The advantages of the MRP are as follows;1) Rotation shaft and impeller do not exist. 2) The structure of MRP is very simple . 3) Easy blood sealing is achieved by another centrifugal pump. 4) Hemolysis may be lower because of a shaftless and an impellerless configuration. 5) Optimization in size of MRP may be useful as the pump for human use. KEY WORDS:Magnetic Rotary Pump (MRP) , New type rotary blood pump, Rotation shaftless and impellerless, Magnetized ball roller, Round cylinder shaped housing
Jpn J Artif Organs 26(3), 779-784 (1997) 「は じめ に 」 現在 血 液 ポ ンプ と して 遠 心 ポ ンプ が よ く用 い られ て い る 。 この ポ ンプ に は 、 回転 軸 が あ り、 この 部 分 に血 液 が侵 入 す る こ とに よ る 血球 の破 壊 、凝 血 等 の 問題 が あ り1、2)、 この部 の シ ー リン グが 必 要 とな る 。 この よ うな 欠 点 を解 決 す る た め に 、回 転 軸 を持 た ず 、 ポ ンプ ハ ウジ ング 自体 と完 全 に 独 立 した 血 液 吐 出 シ ス テ ム を持 つ ポ ンプ を 開 発 し3、4)、 この 血 液 ポ ンプ と して の可 能 性 に つ き実験 ・検 討 したの で 報 告 す る 。 「磁 気 回 転 軸 型 ポ ン プ の 基 本 構 造 お よ び 駆 動 メ カ ニ ズ ム 」 本 ポ ンプ を 開発 す る に あ た り基 本 とな る メ カニ ズ ム を検 討 す る た め に プ ロ トタ イ プ の モ デ ル とそ れ を 元 に改 良 を加 え た ポ ンプ の 二 つ を作 成 した 。 Fig. 1に は 、 プ ロ トタ イ プ ポ ンプ の基 本 構 造 を 上 面 お よ び側 面 か ら見 た 断 面 図 を示 した 。ハ ウ ジ ン グ本 体 は 、 内 周 直径120mm、 外 周 直 径:40mm の ドー ナ ツ状 の環 状 流 路 を呈 して お り、流 路 の 断 面 は直 径10mmの 円形 に な って い る 。流 入 口 は環 状 流路 内壁 に あ り、 ポ ン プ上 面 よ り垂 直 に流 入 し、流 出路 は 外 周 壁 か ら遠 心 力 の 働 く方 向 に開 口 して い る 。 流 路 内 に は 、鉄 を プ ラ スチ ック コ ー テ ィ ング し た直 径8mmの 球 を 配 置 した 。 東 北 大 学 加 齢 医 学 研 病 態 計 測 制 御 (〒980-77仙 台 市 青 葉 区 星 陵 町4-1)
Department of Medical Engineer ingand Cardiology, Institutfeor Development, Aging and Cancer, Tohoku Univ. *ア イ シ ン コ ス モ ス 研 究 所(株)AISIN COSMOS Co., LTD
ポ ンプ下 面 に はDCブ ラ シ レス モ ー タ(オ リエ ン タ ル モ ー タ ー社製 、VEXTA、FBL215A)を 接 続 し て お り、 この モ ー タ に は ネオ ジ磁 石 を接 続 した円盤 を 回転 させ る設 計 と し、流 路 内 の鉄 球 はモ ー タに接 続 され た永 久磁 石(ネ オ ジ磁 石)と 磁 気 的 に 結 合 さ れ て お り、DCブ ラ シ レス モ ー タ が 回転 す る こ とで 球 体 はハ ウ ジ ン グ内 を転 動 し、 この運 動 によ り血液 が流 出 す る メカ ニ ズム とな って い る 。 Fig面2には 改 良型 の ポ ン プ を示 してあ る。 この ポ ン プは 血 液 ポ ンプ と して 用 いる よ う に 、 目標 流量 を 後 負 荷100mmHgで6L/mInと 定 め ポ ンプ ハ ウ ジ ン グの サ イ ズ を決 定 した 。 ハ ウジ ング の外 周 直 径 は66mm、 内周 直 径 は45 mm、 高 さ は16mmと し、流 路 の 断 面 は 長 方形 と な って いる 流路 内の 回 転体(ロ ー ラ)は 直径20m m、 高 さ15mmの 円柱 で 、 そ の底 面 に は ネ オ ジ磁 石 を接 着 して い る 。 また ロー ラ は ハ ウ ジ ング 内 の対 称 の 位 置 に2個 配 置 した 。今 回 用 いた ネ オ ジ磁 石 の 形 状 が 円板 形 で あ る ため(一 般 に市 販 され て あ る も ので あ るた め)、 ローラ が 円柱 形 にな って いる 。 ま た ロ ーラ が 回転 す る際 に 回転 む ら を起 こさ な い よ う に 円柱 の 上下 に溝 をつ け た 。 ロ ーラ が2個 配 置 して あ るた め 、 モ ー タ側 の 円板 に も2個 の ネオ ジ磁 石 を接 続 し、 そ の極 性 は ロ ーラ 側 の 磁 石 と反 発 す る よ うに した 。DCモ ー タ の 回転 にて磁 石 の反 発 力 で ロー ラ が 回転 す るよ うに設 計 し た 。 Fig. 3は 改 良 型MRPの 全 体 像(右 側)と ハ ウ ジ ン グ とDCモ ー タ 部 を分 離 した時(左 側)の 写 真 で あ る 。左 側 の 上 の 写 真 は ア ク リル の ハ ウ ジ ン グ 内 に 円 形 の ロ ー ラ が 対 称 の 位 置 に 見 え て お り 、 下 のDC モ ー タ の 円 板 に は 同 様 に2個 の ネ オ ジ磁 石(右 上 、 左 下)が 配 置 して あ る 。(左 上 及 び右 下 の部 分 は マ グ ネ ッ トホ ル ダ ー で あ るが この 場 合 磁 石 を配 置 して お らず 、バ ラ ンス を 取 るた め にス テ ン レス 円板 を置 いて あ る 。)
Fig. 1
Schematic
Illustration
of
Prototype
MR.
Fig. 2 Schematic Illustration of Modified MRP
[実 験 方 法] 1 模 擬 循 環 回路 模 擬 循 環 回 路 を 作成 し、 圧 流 量特 性 を求 め た 。測 定 パ ラ メ ー タ は ポ ンプ 流 出 路 の 圧 、 流 量 、 ロ ー ラの 回 転 数 で 、 プ ロ トタ イ プ ポ ンプ と改 良 型 ポ ン プの2 つ を 用 いた 。(Fig. 4は モ ック 回路 の改 良型 ポ ンプ の写 真 を 示 して あ る。) 流 量 は 日本 光 電 社 製 電磁 流 量 計:MFV3100を 用 い 、 ま た 圧 はCam ino社 製 カ テ ー テ ル チ ッ プ マ ノ メ ー タ:モ デ ル420を 使 用 し計 測 を行 つた 。 電 源 は 交 流100Vを コ ン トロ ー ラ で整 流 し、 電 流 調 節 で ポ ン プ回 転 数 を リニ ア に調 節 が 可 能 で あ る 。 Fig5に は そ の模 式 図 が 示 して あ る が 、 コ ン トロ ー ラ上 部 の つ ま み で0か ら3000回 転 まで 調 節 可 能 で あ る 。(つ ま み 下 の ウ イ ン ドウ は 回 転 数 表 示 部 と な って い る 。)
Fig. 3 Photograph
of Modified
MRP
2 動 物 実 験 健 常 成 山 羊2頭 を用 い 、硫 酸 ケ タ ミ ン0.5mg/kg 筋 注 後 、 ハ ロセ ン吸 入 に よ る緩 徐 な麻 酔 導 入 後 、 気 管 切 開 に よ る気 管 内送 管 を行 い 、酸 素 とハ ロセ ン混 合 気 に よ る強 制 換 気 全 身麻 酔 を維 持 した 。 左 第5肋 骨 床 か らの 開胸 ア プ ロ ーチ に て 、 日本 ゼ オ ン社 製 の 脱 血 力 ニ ュ ー ラ 及 び 送 血 力 ニ ュ ー ラ を そ れ ぞ れ 左 房 、胸 部 下 行 大 動 脈 に装 着 し、左 心 バ イ パ ス 回 路 を 作 製 した 。使 用 したの は 改 良 型MRPで 大 動脈 ・中 心 静 脈 圧 をCam ino社 製 カ テ ー テ ル チ ッ プ も の メ ー タ:モ デ ル420、 大 動 脈 流 量 を 日本 光 電 社 製 電磁 流 量計:MFV3100を 用 い 、血 行 動 態 をモ ニ タ した 。
Fig. 4 Photograph
of
Modified
MRP In
MOCK Circuration
[結 果] モ ッ ク 回 路 に て 、 プ ロ トタ イ プ ポ ン プ は後 負 荷 30mmHgで 、 ロ ー ラ回 転 数500RPMに て約1,0 L/minの 流 量 が得 られ た が 、 これ 以 上 の 後 負荷 及 び 回 転 数 で は ロ ー ラ と モ ー タ側 の 磁 気 的 連 結 が 外 れ 、空 回 り して しま い(脱 跳)、 低 流 量 で の み ポ ン プ と して の 機 能 が果 た す こ と が確 認 さ れ た 。 しか し これ 以 上 の 圧 ・流 量 が 得 られ な か っ た 。 Fig. 4は 改 良 型MRPの モ ッ ク に お け る 写 真 で あ る 。 ハ ウジ ン グ 中央 部 よ り流 入 し(向 か って 左 側 の チ ュ ー ブ)、 流 路 外 周 側 か ら流 出 す る よ うに な って い る(向 か って 右側 の チ ュ-ブ)。 流 出路 側 に は 当 研 究 室 で 開発 した超 音 波 流 量 計(写 真 右 上)が 装 着 され て い る 。 ま た 写 真 に は ハ ウ ジ ン グ 内 の ロ-ラ (白 い 円 柱)と そ れ と90度 ず れ た 位 置 に モ ー タ側 の ネ オ ジ磁 石 が 見 え て いる(ハ ウ ジ ン グ 内下 側)。 改 良 型MRPはFig. 6に 示 す 通 り 、 後 負 荷100 mmHgで ロ ー ラ 回 転 数2000RPMに て6L/ minの 流 量 が得 られ た 。 この ポ ン プは ロ ー ラ を磁 気 の 反 発 で 回 転 させ る た め 、後 負 荷 を 増 大 させ て も ロ ーラ の脱 跳 は 起 きず 、安 定 した血 液 吐 出 を行 い得 た 。 また 流 量 も電 流 調 節 に よ り容 易 に コ ン トロ ール で きた 。 MRPは プ ロ トタ イ プ も 改 良 型 と も 血 行 動 態 と し て 、圧 ・流 量 とも フ ラ ッ トな 定 常 流 を 示 した 。 Fig. 8は 急 性 動 物 実験 に お け るMRP駆 動 の写 真 で あ る 。Fig. 7に は 急 性 動 物 実 験 に お け る 左 心 バ イパ ス(50%バ イ パ ス)の 血 行 動 態 を 示 して あ る が 、 大 動 脈 流 量 ・圧 中 心静 脈 圧 等 、 特 に問 題 は生 ぜ ず 、 そ の 後 完 全 バ イ パ ス を3時 間 行 つ て も 左 心 系 の維 持 は 可 能 で あ っ た 。 また経 過 中 ポ ン プ 自体 に は特 に発 熱 も起 こ らず 、 ポ ンプ ハ ー ド部 分 に 大 きな 問 題 は起 き な か つた 。 [考 察] 「磁 気 回 転 ポ ン プの 可 能 性 」 磁 気 回 転 ポ ン プ(MRP)は 基 本 概 念 と して ポ ン プ と して の 役 割 を果 た す こ と が 、 プ ロ トタ イ プ ポ ンプ に て 確 認 され た 。 しか しプ ロ トタ イ プ ポ ンプ は 右 循 環 回 路 の 実 験 よ り、低 流 量 域 で は ポ ンプ と して の 機 能 を 果 た す が 、 血 液 ポ ン プ 求 め ら れ る 圧(100 mmHg以 上)、 流 量(4∼5L/min以 上)が 得 られ ず 、改 良 が必 要 と され た 。 「改 良 点 」 流 量 増 大 を得 る た め に 、 ポ ン プの 直 径 を20mm 程 度 サ イ ズ ア ップ し、 ハ ウ ジ ン グを 拡 大 させ た 。 ま た 後 負荷 に 耐 え る た め に ハ ウ ジ ング 内 に ロ ー ラ を2 個 挿 入 し、 そ れ に よ り約20%の 効 率 が 上 が り 、更 に ロ ー ラ と モ ー タ の 間 の磁 気 的連 結 力 を 挙 げ る よ う に 、 モ ー タ側 と ロ ー ラ側 の 両 者 に ネ オ ジ磁 石 を 用 い 、 それ ぞれ 磁 石 の相 対 す る 面 が 同 じ極 性 に な る よ う に ネ オ ジ磁 石 を配 置 し、 反 発 力 で ロー ラ が 回 転 す る よ う に設 計 した 。 ま た反 発 力 で ロ ー ラ が 回 転 す る ため 、2個 の ロ ー ラ が逸 脱 し、対 称 の位 置 か ら外 れ る こ と(脱 跳)は な か っ た 。 「磁 気 回転 ポ ンプ の特 徴 」 本 ポ ン プ の特 徴 が ポ ンプ の ハ ウ ジ ン グ内 を回 転 体 が転 動 す る こ とに よ り血 液 を 流 出 す る こ と か ら、本 ポ ン プ の 範 疇 が 容 積 型 の ポ ン プ か 、 速 度 型(遠 心 型)の ポ ンプ に 入 る か 議 論 の 対 象 に な る こ と と思 わ れ る が 、 モ ッ ク 実 験 に お け る ポ ン プ のFlow-Characteristic curveよ り、 同一 の 回転 数 に よ り、 流量 と圧 が リニ ア な 関 係 が認 め られ て お り、遠 心 型 ポ ンプ と考 え られ る 。 782 人 工 臓 器26巻3号 1997年
Fig. 6 Flow Characteristics
of Modified
MRP
in a MOCK
Circuit
「今後 の 課題 」 今 回 の検 討 に て か い り ょ うが たMRPが 後 負 荷 お よ び 流 量 に 対 し、血 液 ポ ン プ と して 使 用 で き る条 件 を 満 た す こ とが で きた が 、現 時 点 で 幾 つ か の 問題 点 が 残 って いる 。 そ の ひ とつ と して ロ ー ラの 形 状 が挙 げ られ る 。 今 回 の ポ ン プ に用 い た ネオ ジ磁 石 は市 販 の も の を 用 い て い る た め 、 磁 石 の 形 状 が 円 盤 形 で あ り、 そ の た め ロ ー ラの 形 状 が 円柱 形 にせ ざ る を得 な か った 。 また 円 柱 の 回 転 む ら を防 ぐた め に 、 円柱 の 上 下 に 溝 を 施 して あ り、 ロ ー ラの 構造 が 目的 とす る も の(球 形 も し くは 楕 円体)に は な つ て い な い 。 こ れ に 関 連 し血 球 破 壊 等 の 問 題 は残 っ て い る 。従 って 現段 階 で は 抗 凝 血 材 料 で ポ ン プ や ロ ー ラ を成 型 して お らず 、今 回 の ポ ン プで の 溶 血 試 験 は施 行 して は い な い。 今 後 の 改 良 点 と して 、 ロ ー ラ 自体 を球 形 の も の を 成 型 し、 この ロ ー ラが 回 転 す る こ と で血 液 の移 動 を 起 こす よ うに させ る シス テ ム を考 えて い る 。 また駆 動 部 もDCブ ラ シ レス モ ー タ か ら リニ ア モ ー タ を 用 いる シス テ ム と し、ポ ン プ全 体 の 縮 小化 構 想 して い る。 [ま とめ] 1. 磁 気 回 転 ポ ン プMRPは 、新 しい血 液 ポ ン プ と して 有 用 な も の とな る可 能 性 が あ る 。 2. MRPは そ の構 造 の 単 純性 に よ り製 造 が簡 単 に で き る 、 ま た と そ の こ とに よ る 血球 破 壊 の 少 な い ポ ン プ に な る可 能 性 が あ る 。Fig. 7 Hemodynamics
of Modified MRP
in acute
animal
experiment
Fig. 8 Photograph
of
Modified
MRP in
acute
animal
experiment
参 考文 献
1. Affeled K,Baurm eister U , Berger E, Frank J:Entw icjlungsarbeiten and Blutkreise Pum pen. Freie Universitat Berlin, A rbeits-und Ergebnisbericht , ppl7-57, 1981
2. A kam atu T, S hiroyam a T, Fukum asu H. Developm ent of Nutating centrifugal blood pum p. A RTIFICIA L HEART 2, 107
, 1990 3. 永 沼 滋 、 仁 田 新 一 、 山 家智 之 、秋 保 洋 、柿 沼 義 人 、 井 筒 憲 司 、 土 本 克 也:新 型 ロ ー リ ン グ ボ ー ル ポ ン プ の 開 発 、 医 用 電 子 と 生 体 工 学 第33巻 、514、1995 4. 永 沼 滋 、 仁 田 新 一 、 山 家 智 之、 秋 保 洋 、 柿 沼 義 人 、 井 筒 憲 司 、 土 本 克 也 。 稲 垣 芳 孝:磁 気 回 転 ポ ン プ の 開 発 第 二 稿 、 医 用 電 子 と 生 体 工 学 第34巻 、534、1996 784 人 工 臓 器26巻3号 1997年