蠕動ポンプが医療用途などでどのように機能するか

著者: ジェレミー・クック

蠕動ポンプはどのように機能するのでしょうか?

蠕動ポンプは蠕動運動の原理に基づいて作動します。この文脈では、蠕動運動は波動で柔軟なチューブを圧縮する形をとります。この動作により、チューブ内に形成された動的に密閉されたチャンバーを通して流体が押し出され、吸い込まれます。

同じ原理が人間の消化管でも利用されており、筋肉が食道の筋肉を収縮して食べ物を口から胃へ押し出します。自然な蠕動運動は、虫の運動でも観察できます。虫の外部形状は同じように振動し、A地点からB地点まで移動します。

機械式蠕動ポンプの場合、モーターが湾曲した外周面に固定されたチューブの長さに沿ってローラーを回転させます。これにより、モーターの速度に正比例する流量で液体が徐々に輸送されます。蠕動ポンプの部品に作用するその他の変数としては、ローターの数や、モーター シャフトに対するローターの位置の円周などがあります。円周が大きいほど、一定の回転速度での流量が大きくなります。

アローは 蠕動ポンプの選択、幅広い モーター制御部品 および関連する センサー さまざまなポンプ用途に適しています。下の写真は 重力デジタルポンプRCサーボのように動作できるようにするコントロールが組み込まれています。モーターの速度と方向、つまり流れの速度と方向は、特殊なRC PWM形式によって制御されます。蠕動ポンプの原理を説明するために、この装置を部分的に分解し、ユニットのギアモーターによって駆動される3つのローラーを明らかにしました。

画像: Jeremy Cook | ギア付きDCモーターに取り付けられた蠕動ポンプ ヘッド。ポンプの表面または内部に塵粒子やその他の汚染物質が存在する可能性がありますが、チューブ内部や流体自体とは相互作用しません。

画像: ジェレミー・クック | 蠕動ポンプヘッドを分解し、内部のローラー リテーナーを取り外した状態。動作中、ローラーが柔軟なチューブを順次圧縮して蠕動運動を生み出します。

これら3つのローラーが中央シャフトによって回転すると、チューブが順次圧縮され、ポンプ自体に直接接触することなく液体が輸送されます。この特定の蠕動ポンプヘッドを分解するには、いくつかのタブを押すだけです。動作をテストするために、ここにあるArduinoサーボ スイープの例を大幅に変更した実装に基づいて、ポンプを Arduino Uno に接続してパルスを送信しました。 予想通り、自動プライミングが可能で、貯水槽から小さな測定バイアルまで水を循環させることができました。

画像: ジェレミー・クック

画像: スクリーンキャプチャ

時間が経つにつれて、蠕動ポンプのチューブが摩耗することが、このタイプのポンプの欠点です。もう1つは、流れの性質が本質的に脈動しており、安定した流れではないことです。ポンプは通常、チューブに簡単にアクセスできるように設計されていますが、摩耗や輸送する物質との適合のためにチューブを交換する必要がある場合があります。たとえば、酸性の液体を扱うためのディスペンサーには、医療用途の血液やその他の生体液を扱うためのものとはまったく異なるチューブが必要になります。

医療用途向け蠕動ポンプ

体が消化のために自然の蠕動ポンプを使用するのと同じように、人工蠕動ポンプは医療、製薬、生物学的液体輸送のニーズに対応するのに適しています。特に、外部輸液ポンプは、モーターの回転に基づいて、制御された方法で患者に必要な液体や薬剤を送達するのに非常に便利です。

心肺バイパスや透析などの他の状況では、蠕動ポンプは閉ループで体液を体外へ輸送するために使用されることがあります。蠕動ポンプを血液輸送に使用するという先駆的な方法は、当時は医学生で、後に有名な心臓血管外科医となるマイケル・デバキーによって1932年に開発されました。この技術は当初は輸血に使用され、その後は心肺バイパス手術に使用されました。

どのような医療状況でも、患者が適切な量の薬剤を投与され、体液の適切な流量が維持されるように、ポンプの動作を監視する必要があります。最新の電子制御により、エンドユーザーにとってはこれが容易になりますが、正確で精密な読み取り、機器の応答、医療スタッフへのユーザー警告を確実にするために、適切な予防措置を講じる必要があります。蠕動ポンプは一般的に信頼性が高く、メンテナンスもほとんど必要ありませんが、最終的には患者の命がかかっているため、ミスは許されません。

蠕動ポンプへの電力供給

蠕動ポンプは、 AC、 DC、 BLDC、 ステッピング モーターなど、さまざまなモーターによって駆動されます。ギアボックス を駆動モーターと組み合わせて使用すると、最高速度と流量は低下しますが、モーターの速度を下げてローラーへのトルクを増やすことができます。

モーター制御は、 リレー またはHブリッジ設定を使用するのと同じくらい簡単ですが、ソリッド ステート モーター ドライバーを利用して正確な速度制御を行うことで、ノイズや振動を低減できる可能性があります (医療用途で役立ちます)。ステッピング モーターは、適切なドライバーを介して角度の動きを直接制御できるため、精密な液体分配に特に適しています。フィードバックのニーズに応じて、モーターの回転を直接感知したり、結果として生じる流体の流れを測定したりすることもできます。望ましい流量とセンサー入力をハードウェア処理によって組み合わせることで、最適かつ正確な流体供給を実現できます。

大まかに言えば、蠕動ポンプ システムは、モーターの回転 (そして最終的にはローラーの動き) を測定された流体の流れと相関させて、適切に調整する必要があります。流体の粘度が流量に影響を与える可能性があるため、液体を切り替えるときにはこのようなキャリブレーションを実行する必要がある場合があります。

蠕動ポンプ: 医療用途などに最適なオプション

患者の血液やその他の生体液を送液したり、医薬品製造用の機器を制御したり、さまざまな業界で液体を移動したりする必要がある場合、蠕動ポンプは液体輸送を実行するための優れた手段となります。ポンプ自体のメンテナンスは通常ほとんど必要ありませんが、エンジニアはチューブの選択と使用年数に注意し、システムを最大限に活用するために適切なサポート電子機器を選択する必要があります。