【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドナーの腸骨等に吸引針を注入して骨髄を吸引採取するように構成した骨髄採取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、骨髄移植（Ｂｏｎｅ Ｍａｒｒｏｗ Ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ：ＢＭＴ）は、白血病、悪性リンパ腫等の血液疾患、免疫疾患等への効果的な治療法として確立されつつあり、骨髄移植に伴うドナーからの造血幹細胞採取は今後も増加することが予想されている。骨髄移植法では、患者の造血能を強力な化学療法により破壊し、その後、造血能再構築のためドナーから採取した骨髄液（造血幹細胞を含む）を患者に輸注する。今日の主流であるドナーからの移植用骨髄採取方法としては、例えば下記非特許文献１に例示されるような、１９７０年代にＴｈｏｍａｓらによって採用されたＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ（吸引法）が一般的に用いられている。該Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄは、骨髄採取針を用いてドナーの腸骨から骨髄を吸引する方法で、内科医にとっても手技が容易であること、骨髄採取針やシリンジ等、比較的簡単な器具で手技が行えることから、広く臨床において普及し、確立した手法となっている。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｅ．Ｄ．Ｔｈｏｍａｓ，Ｒ．Ｓｔｏｒｂ共著「Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｈｕｍａｎ ｍａｒｒｏｗ ｇｒａｆｔｉｎｇ」Ｂｌｏｏｄ，１９７０年１０月３６（４）ＰＰ５０７〜５１５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄによる骨髄採取法は、内科医にとっても手技が容易であり、骨髄採取針やシリンジ等、比較的簡単な器具で手技が行えるものの、ドナーに及ぼす侵襲例がいくつか報告される等、多くの課題を含んでいる。従来のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは、ドナーへの合併症を引き起こし易く、ごく少例ではあるものの、重篤な合併症によりドナーの生命に危険が及ぶ場合も報告されている。Ｂｕｃｋｎｅｒらは、１１６０名のドナーのうち、６名が生命に関わる合併症（心肺機能不全、感染症、脳血管塞栓等）を発症したことを報告している。また、重篤なもの以外でも、日本骨髄移植推進財団の公表した統計によれば（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊ．ｄｐ．ｏｒ．ｊｐ）、１３．６％のドナーが３８度以上の発熱を起こし、また８２％が術後の痛みを訴えている。
【０００５】
一般的に、ドナーの合併症は、骨髄採取針による多数回の穿刺、低濃度骨髄の大量採取に伴う出血、長時間の全身麻酔の主に３つの要因が絡み合って生じていると言える。骨髄採取針を用いたＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは、１回の穿刺で１０ｍｌ程度の骨髄しか採取できないため、必要量である５００〜１２００ｍｌの骨髄を採取するためには５０〜３００回程度の穿刺を行う必要がある。そして、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは採取骨髄の濃度が低いため、必要数の造血幹細胞を得るためには、多量の骨髄を採取しなければならない。その結果、手技に時間を要して、数時間の全身麻酔をドナーに施す必要がある。さらに、患者にとっても、濃度の低い骨髄はすなわち末梢血混入の多い骨髄ということになり、特にＴ細胞はＧＶＨＤ（Ｇｒａｆｔ ｖｓ．Ｈｏｓｔ Ｄｉｓｅａｓｅ）の原因となり得る。池原らの報告によれば、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄにより採取された骨髄は２０％以上の末梢血由来のＴ細胞を包含している。
【０００６】
そこで、本発明は、前記従来の単なる吸引法（Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）における諸課題を解決して、ドナーへの低侵襲を可能にしつつ、体内への穿刺角度の自由度が高くかつ穿刺が容易で、多量の骨髄を短時間で広範囲から効率よく吸引することを可能にした骨髄採取装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、ドナーの腸骨等に吸引針を注入して骨髄を吸引採取するように構成した骨髄採取装置において、マニピュレータにパワーユニットにより駆動され吸引機能を備えた回転自在で屈曲自在な軟性ドリルを設置したことを特徴とする。また本発明は、前記軟性ドリルの先端に穿孔用デバイスを有することを特徴とする。また本発明は、前記穿孔用デバイスの先端を鈍形状に構成したことを特徴とする。また本発明は、前記軟性ドリルは、パワーユニットの陰圧発生用アクチュエータに接続された軟性の吸引管と、該吸引管に挿入されてパワーユニットにより回転駆動され先端に穿孔用デバイスを有するワイヤ部材とで構成されたことを特徴とする。また本発明は、前記マニピュレータ内部あるいはパワーユニット内部に、ワイヤ部材をその軸方向に振動させる加振機構を配設したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。
【０００８】
【実施の形態】
以下、本発明の骨髄採取装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の骨髄採取装置の概念図、図２は試作機のシステム構成図、図３は本発明の骨髄採取装置における発生陰圧の従来のものとの比較試験結果図、図４〜図１３は本発明の骨髄採取装置およびその評価実験の詳細を示す図である。本発明の基本的な構成は、図１に示すように、ドナーの腸骨等に吸引針を注入して骨髄を吸引採取するように構成した骨髄採取装置において、マニピュレータ１にパワーユニット３により駆動され吸引機能を備えた回転自在で屈曲自在な軟性ドリル２を設置したことを特徴とする。
【０００９】
以下、本発明の骨髄採取装置の実施の形態について詳細に説明する。本件発明者は従来のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄによる骨髄採取の問題点に対し、図１のような骨髄移植用造血幹細胞採取マニピュレータを用いた骨髄採取装置を提案する。先端に穿孔用デバイスとしてのエンドミル２Ａ（穿孔用デバイスとして、圧電素子、電気メス、超音波メス、様々な形状のエンドミル等も採用され得る）を持つカテーテル状デバイス（骨穿孔小型軟性ドリル）２を装備したマニピュレータ（造血幹細胞採取マニピュレータ）１を、骨髄採取針をトロッカーとして腸骨骨髄腔へ挿入するものである。その後、軟性ドリル２を骨髄腔を皮質骨に沿って受動的に屈曲しながら穿孔し、１回の穿刺で広範囲から骨髄を採取する。吸引についても、マニピュレータ１に接続されたパワーユニット３で機械的に陰圧を発生させることで、効率的に骨髄を採取する。臨床においてはドナー骨髄採取の低侵襲化だけでなく、患者・医師の立場からも、ＧＶＨＤの緩和、所要時間の短縮化につながるという利点がある。
【００１０】
このような概念設計に基づいて、図２に示すような造血幹細胞採取マニピュレータ試作機を製作し、骨髄採取実験等の評価実験を行った。以下、試作した装置のシステム構成、各部の詳細について述べる。
＜要求仕様＞
骨髄の採取箇所である腸骨の形状について、成人女性の標準的な腸骨モデルを参考に検討を行った。厚さは５〜２４ｍｍ、幅（上前腸骨棘〜上後腸骨棘）１５３ｍｍであった。腸骨に対し骨穿孔小型軟性ドリル２で穿孔し、広範囲から骨髄を採取するためには、ドリル直径が５ｍｍ以下、ドリル全長が１００〜１５０ｍｍ以上である必要がある。また腸骨稜の曲率半径は６０ｍｍ以上であり、骨穿孔小型軟性ドリルを腸骨に挿入するには、曲線的な穿孔が必要となる。つまり、ドリル自体が屈曲しなければならない。現在、能動的な屈曲自由度を持った様々な手術用デバイスが研究・開発されているが、本試験で扱う試作機においては受動的な軟性のみ与え、能動的な屈曲機構は搭載しないこととする。なぜならば、腸骨表面は硬い皮質骨で覆われており、一旦骨髄腔に骨穿孔小型軟性ドリルが挿入されれば、皮質骨を貫通し外部に突出することは難しく、任意方向に屈曲する必要性がないためである。つまり、皮質骨がガイドのような役割を果たし、皮質骨に沿って能動的に屈曲しながら、海綿骨を穿孔できるからである。
【００１１】
＜システム概観＞
造血幹細胞採取マニピュレータは、図１および図２に示すように、パワーユニット３、マニピュレータ１、骨穿孔小型軟性ドリル２の３つの部位から構成される。パワーユニット３は、骨髄を吸引するための陰圧発生用アクチュエータ３Ｂと、海綿骨に穿孔するためのドリル先端部のエンドミル２Ａの回転用アクチュエータ３Ａとから構成される。陰圧はリニアスライダ直動機構により、シリンジポンプと同様な方法でシリンジ（６０ｍｌ）を牽引し発生させる。マニピュレータ１は施術者が把持し、プッシュスイッチ（後述する図６の▲６▼参照）により骨髄吸引の操作を行う。軟性ドリル２の先端から吸引された骨髄は、抗凝固剤であるヘパリンと混合されて回収バッグに集められる。図４は本発明の造血幹細胞採取マニピュレータである骨髄採取装置のブロック構成図である。これにより明確なように、パワーユニット３のアクチュエータ３Ａ、３Ｂ、マニピュレータ１の操作用プッシュスイッチ、先端エンドミル２Ａの回転を制御する光ファイバセンサ等の各機械要素の制御は、マニピュレータ１におけるユーザーインターフェース６を介して、プログラム格納型プログラマブルコントローラ７により一括してシーケンシャルに行われることが理解される。
【００１２】
＜骨穿孔小型軟性ドリル＞
図５に示すように、軟性ドリル２は、海綿骨を穿孔する先端エンドミル２Ａと、吸引した骨髄のルートとなる軟性吸引管（チューブ）２Ｂとから構成される。先端エンドミル２Ａには、ワイヤ部材（ステンレスワイヤ：φ０．８ｍｍ）２Ｃを用いてパワーユニット３の回転用アクチュエータ３Ａで生成する回転力を伝達する。ワイヤ部材２Ｃは、ＰＴＦＥからなる軟性チューブ２Ｂ内に挿通配設され、マニピュレータ１部において、回転用アクチュエータ３Ａによって回転駆動される可撓軸４（図１および図２参照）と接続される。先端エンドミル２Ａは、皮質骨に比べて脆い海綿骨を効率よく穿孔するため、φ３．５ｍｍのマイナスドライバー先端形状に似た鈍な形状とされる（図５（ｂ））。先端が鈍なため、海綿骨のみを穿孔して、他の臓器を誤って損傷する虞れが軽減でき、安全性が向上する。また、先端部から吸引される骨髄の流量を確保するためと、切削片によるルートの閉塞を防ぐため、ＰＴＦＥ性の軟性チューブ２Ｂの内径はφ２．７ｍｍとし、通常の骨髄採取針の内径φ１．６ｍｍと比して大きく設計される。腸骨の広範囲に到達可能な長さとして、トロッカーとなる骨髄採取針と挿入される骨穿孔小型軟性ドリルの全長は２５０ｍｍに設定した。
【００１３】
＜造血幹細胞採取マニピュレータ＞
図６に示すように、本発明の骨髄採取装置におけるマニピュレータ１は主に２つの機能を有する。１つはパワーユニット３で生成された回転力と、陰圧を軟性ドリル２に伝達することであり、もう１つはマニピュレータ１の直動運動（骨髄腔への挿入・引抜き）と陰圧発生を施術者の操作により制御するところの、マン・マシンインターフェースの機能である。パワーユニット３からの回転力は加振機構▲９▼を介して先端エンドミル２Ａに伝達される。加振機構▲９▼は、凹凸を持つ２つの部品同士の衝突により、先端エンドミル２Ａに対して軸方向に１６．７Ｈｚ（２５０ｒｐｍの時）の振動を生じさせ、先端エンドミル２Ａにによる海綿骨の破壊、穿孔を補助する。加えて、皮質骨を誤って貫通し他の臓器を損傷することがないよう、先端エンドミル２Ａの軸方向に骨からの反力が一定以上加わらない限り、加振機構▲９▼へ回転力が伝達されない構造とした。反力は加振機構に内蔵されたスプリングに生じる変位を、光ファイバセンサ（Ｅ３Ｘ−ＤＡ２１−Ｎ，Ｅ３２−Ｔ１４Ｌ，Ｏｍｒｏｎ）を用いて計測した。
【００１４】
＜パワーユニット＞
シリンジを牽引し陰圧を発生させるため、図２に示すように、パワーユニット３にはリニアスライダからなる陰圧発生用アクチュエータ３Ｂが装備されている。スライダにはディスポーザブルシリンジ（６０ｍｌ）が取り付けられ、ストロークは１００ｍｍ、シリンジポンプと同様な機構となっている。ただし、陰圧を発生させる際のリニアスライダの駆動速度は最高１０００ｍｍ／ｓｅｃと高速であり、強い陰圧を発生することが可能である。図６（ａ）に示すように、シリンジと造血幹細胞採取マニピュレータ１はチェックバルブ▲３▼を介して接続され、機械の誤作動で逆流を生じて骨髄内に陽圧を加えることがないよう設計される。また、パワーユニット３では回転用アクチュエータであるＡＣサーボモータ３Ａを用いて先端エンドミル２Ａへの回転力を生成している。モータ軸は、可撓軸▲１▼（図１および図２では符号４：全長８００ｍｍ，φ８．０ｍｍ）と加振機構▲９▼とを介して先端エンドミル２Ａへの回転軸▲４▼（ワイヤ部材 ２Ｃ）に接続される。
【００１５】
＜評価実験結果＞
造血幹細胞採取マニピュレータは、海綿骨に対する穿孔と、骨髄採取の主に２つの機能を有している。先ず、ブタ腸骨を利用し、骨穿孔に関する骨穿孔小型軟性ドリルの機械的性能評価実験を行い、次にファントムを用いて骨髄採取に関するマニピュレータの機械的性能評価を行った。その後、マニピュレータを用いてブタ生体からの骨髄採取を行い、有用性の検討、問題点の明確化を行った。
【００１６】
＜骨穿孔に関する性能評価＞
ヒトの骨と類似した切削特性を持つとされるブタ腸骨に対し、試作した骨穿孔小型軟性ドリルを用いて穿孔実験を行い、機械的性能評価を行った。Ｉｎ ｖｉｔｒｏの状態で、ブタ腸骨の腸骨稜へ骨髄採取針を穿刺し、それを通して骨穿孔小型軟性ドリルを骨髄腔へ挿入した。先ず、エンドミル回転数と穿孔速度の関係を計測し、また加振機構の有無による穿孔速度の違いを検証した。結果を図７（ａ）に示す。回転数の増加に伴い緩やかに穿孔速度が増加したが、２００ｒｐｍ程度を境に急激に穿孔速度が増加している。そして、加振機構を駆動させながら穿孔した場合の穿孔速度が、駆動させなかった場合に比して特に２００ｒｐｍ以上の区間で大きく上回った。次に、腸骨の広範囲を穿孔しながら骨髄採取するための穿孔深さについての評価を行った。骨穿孔小型軟性ドリルをブタ腸骨稜から可能な限り穿孔していき、切削した穴の全長を計測した（図７（ｂ））。その結果、皮質骨を貫通することなく海綿骨を穿孔し、皮質骨に到達した際には穿孔方向を変えながら、全長が７５．０〜１３１ｍｍの曲率を持った細穴（φ３．９ｍｍ）を穿孔することが可能であった。
【００１７】
＜骨髄採取に関する性能評価 ＞
骨髄採取に関する試作機の性能評価を行うため、パワーユニット３で陰圧発生用アクチュエータ３Ｂにより発生する陰圧の計測を行った。その後、試作機を用いて骨髄ファントムの採取を行い、ファントム採取量・採取範囲の評価を行った。先ず、パワーユニットを利用した採取法と既存のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄの骨髄採取能力を比較するため、両者の採取時に発生する陰圧を計測した。Ｉｎ ｖｉｔｒｏの状態でブタ腸骨稜に対し直接骨髄採取針を穿刺した後、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは１０ｃｃシリンジを接続して吸引、パワーユニットを用いた方法では骨髄採取針を通して骨髄腔に挿入した後吸引を行い、シリンジ部に生じた陰圧を圧力センサ（ＡＰ−４４，Ｋｅｙｅｎｃｅ）を用いて計測した（図８）。その結果、本発明のパワーユニットを用いた方法（図８（ｂ））が、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを用いた従来のもの（図８（ａ）に比べ、高い陰圧を長時間加えることが可能であった。
【００１８】
Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを用いた場合が最高−８５．１Ｋｐａで平均４．９７秒間陰圧を発生していたのに対し、パワーユニットを利用した場合は最高−９７．８Ｋｐａ、平均５．９６間陰圧を発生することが可能であった。また、平均発生圧力は、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄが−４１．８Ｋｐａであったのに対し、パワーユニットを用いた場合は−７６．９Ｋｐａであった。この結果より、パワーユニットを用いた方法がＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに比べて強い陰圧を発生することが可能であるため、骨髄を吸引する充分な陰圧が得られると考えられる。図３は、シリンジポンプと同様な機構を利用してデバイス先端部に陰圧を間欠的に発生させた場合の試験結果で、図面左側のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを用いた従来のものに比較して、図面右側の本発明のパワーユニットを用いた方法でも、高い陰圧が長時間、間欠的に発生していることが確認された。このことは、抹消血の混入の少ない骨髄を効率的に吸引するために有効であることが理解される。
【００１９】
次に、試作した骨髄採取装置（パワーユニット・造血幹細胞採取マニピュレータ・骨穿孔小型軟性ドリル）による骨髄の採取能力を評価するため、発生した陰圧により軟性ドリル２の先端から骨髄ファントムを吸引し、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄと比較した。骨髄ファントムとしては、φ７０ｍｍ×１２０ｍｍの円筒状の寒天を用い、ファントムの中心付近から造血幹細胞採取マニピュレータ、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄそれぞれを用いて吸引採取を行った後、ファントムの重量の減少、吸引された形状を比較した（図９）。その結果、１回の穿刺で吸引されたファントムの重量は、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは３．１０ｇであった（図９（ａ））のに対し、マニピュレータを用いた場合は１８．１ｇであった（図９（ｂ））。このことから、マニピュレータを用いて骨穿孔軟性ドリル先端から骨髄を吸引することで、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに比してより広範囲から骨髄が吸引できると考えられる。
【００２０】
＜実験動物での骨髄採取実験＞
図１０に示すように、試作機を用いて実験動物からの骨髄採取実験を行い、採取した骨髄の血球数カウント、塗抹標本の観察を通して、造血幹細胞採取マニピュレータの有用性を検討した。また、生体に対し試作機を利用して一連の骨髄採取を行うことで、臨床応用における可能性の評価、問題点の明確化を行った。骨髄採取実験を行う前に、実験動物（ブタ，４３Ｋｇ，雌）に対して試作機を応用するための、図１１に示すような造血幹細胞採取マニピュレータシステムを制作した。先ず、ブタ腸骨稜へ骨髄採取針を穿刺し、骨髄腔まで到達させる。ただし、ブタはヒトと異なり腸骨稜が皮膚から深い位置にあり、経皮的にはアプローチし難いため、ここでは皮膚の一部を切開し、腸骨稜の一部を露出させた後穿刺を行った。次に、骨穿孔小型軟性ドリル先端を、骨髄採取針をトロッカーとして骨髄腔に挿入する。海綿骨からの反力がある場合のみ先端のエンドミルが駆動し、腸骨内の海綿骨を穿孔していく。穿孔と同時に、術者がプッシュボタンを操作することで、パワーユニットにより陰圧が生成され、海綿骨の切削片と共に骨髄を吸引する。
【００２１】
採取された骨髄は自動的に抗凝固剤であるヘパリンを含んだ生理食塩水と混合され、溶媒の入った回収バッグに収集される。３つのチェックバルブを流路上に配置することで、採取された骨髄が生理食塩水と混合され、回収されるという流れを生成している。つまり、パワーユニットで陰圧を生じている間は、チェックバルブは骨髄腔からマニピュレータの方向に骨髄を流し、生理食塩水と混合する。逆に陽圧を生じている間は、チェックバルブはマニピュレータから回収バッグへ骨髄を流し入れる。これは同時に、陽圧（脂肪塞栓症などの合併症の原因となりうる）が骨髄腔に加わることを防ぐ機能も兼ねている。評価実験の第一に、採取骨髄の血球数について、造血幹細胞採取マニピュレータと既存のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄの比較を行った。前述したシステムにより試作機を用いて骨髄を採取し、一方で、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを用いて骨髄（２．０ｃｃ）を採取した。その後、両サンプルの有核細胞数（造血幹細胞を含む）をカウントした。造血幹細胞採取マニピュレータとＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄは手法が大きく異なり、単純に比較することは難しいため、濃度（ｃｅｌｌｓ／ｕｌ）、単位時間あたりに採取された有核細胞数（ｃｅｌｌｓ／ｍｉｎ）、１ヶ所の穿刺あたりに採取された有核細胞数（（ｃｅｌｌｓ／ｐｕｎｃｔｕｒｅ）について比較を行った。結果を図１２に示す。
【００２２】
造血幹細胞採取マニピュレータを用いた場合、単位時間あたりに採取できる有核細胞数はＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに比して２．０５倍であった。さらに、１ヶ所の穿刺あたりに採取される有核細胞数は６．０４倍であった。これらの結果から、造血幹細胞採取マニピュレータを用いることで、最小限の穿刺で効率よく骨髄採取が行えると考えられる。ただし、濃度に関してはＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを用いた場合がより高濃度（３．７３倍）の骨髄を採取することが可能であった。次に、採取された骨髄の塗抹標本を作成し、マニピュレータとＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを顕微鏡下で比較した。造血幹細胞採取マニピュレータは、前述のようにＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに比して高い陰圧を発生するため、血球細胞膜の変形・破壊を引き起こす可能性がある。そこで、これらの血球への悪影響を確認するため、塗抹標本（図１３）を顕微鏡下で観察したが、両者の間に肉眼で観察される差は見出せなかった。よって、試作機のパワーユニットで生じる陰圧は、顕微鏡下で観察される限りでは、骨髄採取に適当な範囲の圧力であると考えられる。
【００２３】
＜結論＞
骨髄移植におけるドナーからの骨髄採取の低侵襲化を実現するため、骨穿孔小型軟性ドリルを装備した造血幹細胞採取マニピュレータを考案し、試作機を設計・製作した。その結果、以下の結論を得た。
（１）腸骨海綿骨を穿孔し、骨髄採取ルートを形成するための、骨穿孔小型軟性ドリルを考案し、試作機を製作した。ブタ腸骨に対する穿孔実験結果より、ドリル回転数２００ｒｐｍにおいて毎分３２．１ｍｍの穿孔速度で、皮質骨に沿って海綿骨を７５．０〜１３１ｍｍの曲率を持った孔を穿孔することが可能であった。また、マニピュレータに内蔵されたエンドミルの加振機構の優位性も確認された。よって、加振機構を有する骨穿孔小型軟性ドリルを用い、ヒト腸骨内の広範囲にアプローチが可能であることが確認された。
【００２４】
（２）造血幹細胞マニピュレータに接続されたパワーユニットにより、既存のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに比べて強い陰圧を長時間生成できることが明らかとなった。Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄでは時間平均−４１．８Ｋｐａの陰圧を４．９７ｓｅｃであったが、本マニピュレータでは−７６．９Ｋｐａを５．９６ｓｅｃ生成することが可能であった。加えて、ファントムの採取実験を行った結果、本マニピュレータを利用することでＡｓｐｉｒａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄの約６倍量のファントムを採取することが可能であった。これらの結果から、造血幹細胞採取マニピュレータ試作機が、効率的に骨髄を採取できる機械的性能を有することが明らかとなった。
【００２５】
（３）実験動物を用いての骨髄採取実験の結果より、いくつかの実用上の問題点も明らかとなったが、造血幹細胞採取マニピュレータを用いることで最小限の穿刺回数で効率的に骨髄を採取できる可能性も示唆された。マニピュレータにより、単位時間あたりに採取できた骨髄中の有核細胞数は、既存のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄに対して２．０５倍となった。さらに、１回の穿刺で採取できた骨髄中の有核細胞数は、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄの６．０４倍となり、造血幹細胞採取マニピュレータが大きく上回った。ただし、採取された骨髄濃度については、Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄの方がより濃度の高い骨髄を採取することが可能であった。また、塗抹標本の顕微鏡像では、造血幹細胞採取マニピュレータを用いたことによる血球の破壊・変形などは確認されなかった。
【００２６】
以上の結果より、骨穿孔小型軟性ドリルを用いて腸骨海綿骨に曲線的に穿孔し、パワーユニットを用いて骨髄を機械的に吸引するところの、造血幹細胞採取マニピュレータの有用性が示された。今後は、動物実験で明らかとなった問題点の解消やユーザインタフェースの改良を行うとともに、動物実験を通じてさらなる装置の改良を重ねていく必要がある。
【００２７】
以上、本発明の骨髄採取装置の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、パワーユニットの形状、形式（陰圧発生用アクチュエータを往復動リニアスライダの他、骨髄液に損傷を与える虞れのない遠心ポンプ等により構成したり、陰圧発生用アクチュエータを回転用アクチュエータに付設した各種ポンプ等に兼用させることもできる。）、マニピュレータの形状、形式、ワイヤ部材および軟性チューブの材質ならびにこれらの間の関連構成を含む軟性ドリルの形状、形式（回転駆動されるワイヤ部材の周囲に配設される軟性チューブから陰圧を利用して骨髄を吸引するものに代えて、回転かつ軸方向に振動するワイヤ部材のみを準備し、該ワイヤ部材を中空状に構成するとともに、パワーユニット部にワイヤの回転に伴って陰圧を発生させる遠心ポンプ機能を付与して、前記中空部を通じて骨髄を吸引するように構成することもできる。また、吸引ポンプの挙動を切り換えるか吐出ポンプを併設して、正圧を付与できるように構成し、穿孔、採取に先立って軟性チューブから生理食塩水等を灌流させ、灌流を伴う吸引構成とすることも可能である。）、穿孔用デバイスの形式（エンドミル形態の他、圧電素子、電気メス、超音波メス、様々な形状のエンドミル等）、形状（先端エンドミルの形状：鈍形状の形態等）、ワイヤ部材の可撓軸との連結形態、加振機構の形式等については適宜選定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ドナーの腸骨等に吸引針を注入して骨髄を吸引採取するように構成した骨髄採取装置において、マニピュレータにパワーユニットにより駆動され吸引機能を備えた回転自在で屈曲自在な軟性ドリルを設置したことにより、１回の穿刺にて、軟性ドリルが骨髄腔を皮質骨に沿って受動的に屈曲しながら穿孔しつつ、広範囲から多量の骨髄を採取することができ、採取時間の短縮化とドナーの体細胞等への侵襲も小さくて済む。
【００２９】
また、前記軟性ドリルの先端に穿孔用デバイスを有する場合は、穿刺効率が向上するとともに、骨髄が効率よく分離され、採取量を増大させることが可能となる。 さらに、前記穿孔用デバイスの先端を鈍形状に構成した場合は、海綿骨のみ穿孔して他の臓器を損傷させないので、ドナーの体細胞等に対する侵襲がさらに軽減され、安全性が向上する。
さらにまた、前記軟性ドリルが、パワーユニットの陰圧発生用アクチュエータに接続された軟性の吸引管と、該吸引管に挿入されてパワーユニットにより回転駆動され先端に穿孔用デバイスを有するワイヤ部材とで構成された場合は、穿刺のために回転駆動されるワイヤ部材のガイド部材として機能する軟性の吸引管を採取した骨髄の通路として利用できる。
【００３０】
また、前記マニピュレータ内部あるいはパワーユニット内部に、ワイヤ部材をその軸方向に振動させる加振機構を配設した場合は、穿刺速度を向上させて骨髄の採取効率を格段に向上させることができる。
かくして、本発明によれば、ドナーへの低侵襲を可能にしつつ、体内への穿刺角度の自由度が高くかつ穿刺が容易で、多量の骨髄を短時間で広範囲から効率よく吸引することを可能にした骨髄採取装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の骨髄採取装置の１つの実施の形態を示す概念図である。
【図２】同、試作機のシステム構成図である。
【図３】同、本発明の骨髄採取装置における発生陰圧の従来のものとの比較試験結果図である。
【図４】同、本発明の造血幹細胞採取マニピュレータである骨髄採取装置のブロック構成図である。
【図５】同、軟性ドリルの拡大写真図である。
【図６】同、マニピュレータの拡大写真図である。
【図７】同、加振機構の有無と回転数の増加と穿孔速度との関係図である。
【図８】本発明の骨髄採取装置における発生陰圧の従来のものとの比較試験結果図である。
【図９】本発明の骨髄採取装置と従来のものとの骨髄の採取能力の比較写真図である。
【図１０】本発明の試作機による実験動物からの骨髄採取実験写真図である。
【図１１】本発明の造血幹細胞採取マニピュレータシステムによる動物実験図である。
【図１２】本発明の骨髄採取装置と従来のものとの１ヶ所の穿刺あたりに採取された有核細胞数の比較図である。
【図１３】塗抹標本を顕微鏡下で観察した写真図である。
【図１４】従来のＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄを示す概念図である。
【符号の説明】
１ マニピュレータ
２ 軟性ドリル（骨穿孔小型軟性ドリル）
２Ａ 穿孔用デバイス（エンドミル等）
２Ｂ 軟性チューブ（吸引管）
２Ｃ ワイヤ部材（ステンレスワイヤ）
３ パワーユニット（アクチュエータユニット）
３Ａ 陰圧発生用アクチュエータ
３Ｂ 回転用アクチュエータ
４ 可撓軸（フレキシブルシャフト）
５ 吸引管（Ｍａｒｒｏｗ Ｃｅｌｌｓ）
６ ユーザーインターフェース
７ 制御器（プログラム格納型プログラマブルコントローラ）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bone marrow sampling apparatus configured to inject a suction needle into a iliac bone or the like of a donor to suck and collect bone marrow.
[0002]
[Prior art]
In recent years, bone marrow transplantation (BMT) has been established as an effective treatment for blood diseases such as leukemia and malignant lymphoma, and immune diseases, and the collection of hematopoietic stem cells from donors accompanying bone marrow transplantation will be carried out in the future. Is also expected to increase. In bone marrow transplantation, a patient's hematopoietic potential is destroyed by intense chemotherapy, and bone marrow fluid (including hematopoietic stem cells) collected from a donor is then infused into the patient for hematopoietic reconstitution. As a method of collecting bone marrow for transplantation from a donor, which is the mainstream of today, for example, Aspilation Method (aspiration method) adopted by Thomas et al. In the 1970s, as exemplified in Non-Patent Document 1 below, is generally used. ing. The Aspilation Method is a method in which bone marrow is aspirated from the iliac bone of a donor using a bone marrow collection needle. The procedure is easy for a physician, and the procedure can be performed with relatively simple instruments such as a bone marrow collection needle and a syringe. Therefore, it is widely used in clinical practice and has become an established method.
[0003]
[Non-patent document 1]
E. FIG. D. Thomas, R.A. Storb co-authored "Technique for human marlow grafting" Blood, October 36, 1970 (4) PP507-515.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional bone marrow collection method using an aspiration method is easy for a physician to perform the procedure. Although the procedure can be performed with a relatively simple instrument such as a bone marrow collection needle or a syringe, there are a number of invasive cases affecting a donor. Many issues have been reported. In the conventional Aspilation Method, complications to the donor are likely to occur, and in very few cases, serious complications have been reported to endanger the life of the donor. Buckner et al. Report that out of 1160 donors, six developed life-threatening complications (cardiopulmonary dysfunction, infection, cerebral vascular embolism, etc.). According to statistics published by the Japan Bone Marrow Transplantation Promotion Foundation (http://www.j.dp.or.jp), 13.6% of donors have a fever of 38 ° C. or higher, except for severe ones. And 82% complain of postoperative pain.
[0005]
In general, it can be said that the complications of the donor are mainly caused by three factors, that is, a large number of punctures with a bone marrow sampling needle, bleeding accompanying a large amount of low-concentration bone marrow, and prolonged general anesthesia. In the Aspiration Method using a bone marrow collection needle, only about 10 ml of bone marrow can be collected by one puncture, so it is necessary to perform 50 to 300 punctures to collect the required amount of 500 to 1200 ml of bone marrow. is there. In addition, since the concentration of the collected bone marrow is low in the aspiration method, a large amount of bone marrow must be collected to obtain a required number of hematopoietic stem cells. As a result, the procedure is time consuming and requires a few hours of general anesthesia for the donor. Furthermore, for patients, bone marrow having a low concentration means bone marrow with a high peripheral blood contamination, and in particular, T cells can cause GVHD (Graft vs. Host Disease). According to a report by Ikehara et al., Bone marrow collected by the Aspiration Method contains more than 20% of T cells derived from peripheral blood.
[0006]
Therefore, the present invention solves the problems in the conventional simple aspiration method (Aspiration Method), and enables a minimal invasion of the donor, while having a high degree of freedom in the puncture angle into the body and easy puncture. It is an object of the present invention to provide a bone marrow collecting apparatus which enables a large amount of bone marrow to be efficiently sucked from a wide range in a short time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention provides a bone marrow sampling device configured to inject a suction needle into the iliac bone or the like of a donor to suck and collect bone marrow, wherein the manipulator is driven by a power unit by a power unit and has a rotatable and bendable soft. It is characterized by having a drill. Further, the present invention is characterized in that the soft drill has a drilling device at a tip thereof. Further, the present invention is characterized in that the tip of the perforating device is formed in a blunt shape. Further, the present invention provides the soft drill, comprising: a soft suction pipe connected to a negative pressure generating actuator of a power unit; and a wire member inserted into the suction pipe, rotated and driven by the power unit, and having a perforation device at a distal end. It is characterized by comprising. Further, the present invention is characterized in that a vibrating mechanism for vibrating a wire member in an axial direction is disposed inside the manipulator or the power unit, and these are used as means for solving the problem. .
[0008]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the bone marrow collecting apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of a bone marrow sampling apparatus of the present invention, FIG. 2 is a system configuration diagram of a prototype machine, FIG. 3 is a comparison test result of a negative pressure generated in a bone marrow sampling apparatus of the present invention with a conventional apparatus, and FIGS. FIG. 13 is a diagram showing details of the bone marrow collecting apparatus of the present invention and an evaluation experiment thereof. The basic configuration of the present invention is, as shown in FIG. 1, a bone marrow collecting apparatus in which a suction needle is injected into a iliac bone of a donor to suction and collect bone marrow, and the manipulator 1 is driven by a power unit 3. A rotatable and bendable soft drill 2 having a suction function is provided.
[0009]
Hereinafter, embodiments of the bone marrow collecting apparatus of the present invention will be described in detail. The inventor of the present invention proposes a bone marrow collecting apparatus using a hematopoietic stem cell collecting manipulator for bone marrow transplantation as shown in FIG. 1 in order to solve the problem of bone marrow collection by the conventional Aspilation Method. A catheter-like device (a small-sized bone-drilling soft drill) 2 having an end mill 2A (a piezoelectric element, an electric scalpel, an ultrasonic scalpel, an end mill of various shapes, etc. may be used as a device for perforation) at its end. The equipped manipulator (hematopoietic stem cell collection manipulator) 1 is inserted into the iliac bone marrow cavity using a bone marrow collection needle as a trocar. Thereafter, the soft drill 2 is perforated while passively bending the medullary cavity along the cortical bone, and the bone marrow is collected from a wide area by one puncture. As for suction, the power unit 3 connected to the manipulator 1 mechanically generates a negative pressure, thereby efficiently collecting bone marrow. In the clinic, there is an advantage that not only the invasiveness of donor bone marrow collection is reduced, but also from the viewpoint of patients and physicians, GVHD is alleviated and the required time is shortened.
[0010]
Based on such a conceptual design, a prototype hematopoietic stem cell collection manipulator as shown in FIG. 2 was manufactured, and evaluation experiments such as a bone marrow collection experiment were performed. Hereinafter, the system configuration of the prototype device and details of each unit will be described.
<Required specifications>
The shape of the iliac bone, where bone marrow was collected, was examined with reference to a standard iliac model of an adult female. The thickness was 5 to 24 mm and the width (upper anterior iliac spine to superior posterior iliac spine) was 153 mm. In order to pierce the iliac bone with the small-sized bone drill 2 and collect bone marrow from a wide range, the drill diameter must be 5 mm or less and the total length of the drill must be 100 to 150 mm or more. In addition, the radius of curvature of the iliac crest is 60 mm or more, and a curved perforation is required to insert a small-sized bone drill into the iliac bone. That is, the drill itself must bend. Currently, various surgical devices with active bending degrees of freedom are being researched and developed.However, the prototype used in this test only gives passive flexibility and does not mount an active bending mechanism. I do. Because the iliac surface is covered with hard cortical bone, it is difficult to penetrate the cortical bone and protrude to the outside once a small soft drill is inserted into the medullary cavity, and it is necessary to bend in any direction. It is because there is no sex. That is, the cortical bone plays a role as a guide, and can perforate the cancellous bone while actively bending along the cortical bone.
[0011]
<Overview of the system>
As shown in FIGS. 1 and 2, the hematopoietic stem cell collection manipulator includes three parts: a power unit 3, a manipulator 1, and a small soft drill 2 for drilling bone. The power unit 3 includes a negative pressure generating actuator 3B for sucking bone marrow, and a rotating actuator 3A of an end mill 2A at a tip end of a drill for drilling in cancellous bone. The negative pressure is generated by pulling the syringe (60 ml) by a linear slider linear movement mechanism in the same manner as the syringe pump. The operator holds the manipulator 1 and performs a bone marrow aspiration operation by a push switch (see (6) in FIG. 6 described later). The bone marrow aspirated from the tip of the soft drill 2 is mixed with heparin, an anticoagulant, and collected in a collection bag. FIG. 4 is a block diagram showing a bone marrow collecting apparatus which is a hematopoietic stem cell collecting manipulator of the present invention. As is clear from this, the control of each mechanical element such as the actuators 3A and 3B of the power unit 3, the push switch for operating the manipulator 1, and the optical fiber sensor for controlling the rotation of the end mill 2A is performed by the user interface 6 of the manipulator 1. Thus, it is understood that the operations are collectively and sequentially performed by the program storage type programmable controller 7.
[0012]
<Bone drilling small soft drill>
As shown in FIG. 5, the soft drill 2 includes a tip end mill 2A for piercing cancellous bone, and a soft suction tube (tube) 2B serving as a route for sucked bone marrow. The rotational force generated by the rotation actuator 3A of the power unit 3 is transmitted to the tip end mill 2A using a wire member (stainless steel wire: φ0.8 mm) 2C. The wire member 2C is inserted and disposed in a flexible tube 2B made of PTFE, and is connected to a flexible shaft 4 (see FIGS. 1 and 2) that is rotationally driven by a rotation actuator 3A in a manipulator 1 portion. The tip end mill 2A has a blunt shape similar to a φ3.5 mm minus screwdriver tip shape in order to efficiently pierce trabecular bone which is more brittle than cortical bone (FIG. 5 (b)). Since the tip is dull, it is possible to reduce the risk of accidentally damaging other organs by piercing only the cancellous bone, thereby improving safety. Further, in order to secure the flow rate of the bone marrow sucked from the distal end portion and to prevent the route from being blocked by the cut pieces, the inner diameter of the PTFE flexible tube 2B is set to 2.7 mm, and the inner diameter of the normal bone marrow sampling needle is set to φ1. It is designed to be larger than 6 mm. The total length of a bone marrow sampling needle serving as a trocar and a bone-punching small soft drill to be inserted was set to 250 mm so that the iliac bone could reach a wide area.
[0013]
<Hematopoietic stem cell collection manipulator>
As shown in FIG. 6, the manipulator 1 in the bone marrow sampling apparatus of the present invention has mainly two functions. One is to transmit the rotational force generated by the power unit 3 and the negative pressure to the soft drill 2, and the other is to perform the linear motion of the manipulator 1 (insertion / extraction into the medullary cavity) and the generation of the negative pressure. This is a man-machine interface function that is controlled by the operator. The torque from the power unit 3 is transmitted to the end mill 2A via the vibration mechanism (9). The vibrating mechanism (9) causes the end end mill 2A to vibrate axially at 16.7 Hz (at 250 rpm) due to the collision between the two parts having irregularities, and the cantilever bone generated by the end end mill 2A. Assists destruction and perforation. In addition, in order to prevent accidental penetration of cortical bone and damage to other organs, as long as a reaction force from the bone is not applied more than a certain amount in the axial direction of the end mill 2A, a rotational force is applied to the vibration mechanism (9). The structure is not transmitted. The reaction force was obtained by measuring a displacement generated in a spring built in the vibration mechanism using an optical fiber sensor (E3X-DA21-N, E32-T14L, Omron).
[0014]
<Power unit>
As shown in FIG. 2, the power unit 3 is equipped with a negative pressure generating actuator 3B composed of a linear slider for pulling the syringe to generate a negative pressure. A disposable syringe (60 ml) is attached to the slider, has a stroke of 100 mm, and has a mechanism similar to that of a syringe pump. However, the driving speed of the linear slider when generating a negative pressure is as high as 1000 mm / sec at the maximum, and a strong negative pressure can be generated. As shown in FIG. 6 (a), the syringe and the hematopoietic stem cell collection manipulator 1 are connected via a check valve {circle around (3)}, and are designed so as not to apply a positive pressure into the bone marrow due to reverse flow due to a malfunction of the machine. Is done. Further, the power unit 3 generates a rotational force to the end mill 2A using an AC servomotor 3A which is a rotary actuator. The motor shaft comprises a flexible shaft (1) (in FIG. 1 and FIG. 2, reference numeral 4: total length 800 mm, φ8.0 mm) and a rotating shaft (4) (wire) to the end mill 2A via a vibration mechanism (9). 2C).
[0015]
<Evaluation experiment results>
The hematopoietic stem cell collection manipulator has two main functions of perforating cancellous bone and collecting bone marrow. First, a mechanical performance evaluation experiment of a small-sized bone drill for drilling bone was performed using a porcine iliac bone, and then a mechanical performance evaluation of a manipulator for bone marrow collection was performed using a phantom. After that, bone marrow was collected from the pig body using a manipulator, and its usefulness was investigated and problems were clarified.
[0016]
<Performance evaluation on bone perforation>
A drilling experiment was performed on a porcine iliac bone, which is considered to have similar cutting characteristics to human bone, using a prototyped small-sized bone drill, and mechanical performance was evaluated. Under in vitro conditions, a bone marrow sampling needle was punctured into the iliac crest of the porcine iliac, through which a bone drilling small soft drill was inserted into the medullary cavity. First, the relationship between the number of revolutions of the end mill and the drilling speed was measured, and the difference in the drilling speed with and without the vibration mechanism was verified. The results are shown in FIG. The perforation speed gradually increased with an increase in the rotation speed, but the perforation speed sharply increased at about 200 rpm. Then, the perforation speed when the perforation was performed while the vibration mechanism was being driven was significantly higher than the case where the perforation was not driven, particularly in the section of 200 rpm or more. Next, the perforation depth for collecting bone marrow while perforating a wide area of the iliac bone was evaluated. Bone drilling A small soft drill was drilled from the porcine iliac crest as much as possible, and the total length of the cut hole was measured (FIG. 7 (b)). As a result, the cancellous bone is perforated without penetrating the cortical bone, and when reaching the cortical bone, the hole (φ3.9 mm) having a curvature of 75.0 to 131 mm in total length is changed while changing the direction of the perforation. It was possible to pierce.
[0017]
<Performance evaluation on bone marrow collection>
In order to evaluate the performance of the prototype for bone marrow collection, the power unit 3 measured the negative pressure generated by the negative pressure generating actuator 3B. Thereafter, bone marrow phantoms were collected using a prototype, and the amount and range of phantom collection were evaluated. First, in order to compare the bone marrow collecting ability of the conventional method with the collection method using the power unit, the negative pressure generated during the collection of both was measured. After piercing the iliac crest directly into the pig iliac crest in the in vitro state, aspirating by connecting a 10 cc syringe with the Aspilation Method, and inserting into the medullary cavity through the bone marrow sampling needle with the power unit method The negative pressure generated in the syringe was measured using a pressure sensor (AP-44, Keyence) (FIG. 8). As a result, the method using the power unit of the present invention (FIG. 8B) was able to apply a higher negative pressure for a longer time than the conventional method using the Aspilation Method (FIG. 8A). .
[0018]
When the Aspilation Method was used, a negative pressure was generated at a maximum of -85.1 Kpa for an average of 4.97 seconds, whereas when a power unit was used, a negative pressure was generated at a maximum of -97.8 Kpa and an average of 5.96 negative pressure was generated. It was possible to do. The average generation pressure was −41.8 Kpa when the Aspilation Method was −41.8 Kpa, and was −76.9 Kpa when the power unit was used. From this result, it is considered that the method using the power unit can generate a stronger negative pressure than the Aspilation Method, and thus a sufficient negative pressure for sucking the bone marrow can be obtained. FIG. 3 shows a test result when a negative pressure is generated intermittently at the tip of the device using the same mechanism as that of the syringe pump. The drawing is compared with the conventional one using the Aspilation Method on the left side of the drawing. In the method using the power unit of the present invention on the right side, it was confirmed that a high negative pressure was generated intermittently for a long time. It is understood that this is effective for efficiently aspirating bone marrow with little contamination of peripheral blood.
[0019]
Next, in order to evaluate the ability of the prototyped bone marrow collecting device (power unit, hematopoietic stem cell collecting manipulator, bone drilling small soft drill) to collect bone marrow, the bone marrow phantom was sucked from the tip of the soft drill 2 by the generated negative pressure, and the spiral was used. Method. As a bone marrow phantom, a cylindrical agar of φ70 mm × 120 mm was used, and after performing aspiration and collection using a hematopoietic stem cell collection manipulator and an Aspilation Method from the vicinity of the center of the phantom, the weight of the phantom was reduced, and the sucked shape was determined. A comparison was made (FIG. 9). As a result, the weight of the phantom sucked in one puncture was 3.10 g in the Aspilation Method (FIG. 9A), whereas it was 18.1 g in the case of using the manipulator (FIG. 9A). 9 (b)). From this, it is considered that bone marrow can be aspirated from a wider range by using a manipulator to aspirate bone marrow from the tip of a bone drilling soft drill, as compared to the Aspiration Method.
[0020]
<Bone marrow collection experiment in laboratory animals>
As shown in FIG. 10, a bone marrow collection experiment was performed from experimental animals using a prototype machine, and the usefulness of a hematopoietic stem cell collection manipulator was examined through blood cell count of the collected bone marrow and observation of a smear. In addition, by performing a series of bone marrow collections on the living body using a prototype, we evaluated the potential for clinical application and clarified the problems. Prior to performing the bone marrow collection experiment, a hematopoietic stem cell collection manipulator system as shown in FIG. 11 was prepared for applying the prototype to an experimental animal (pig, 43 kg, female). First, a bone marrow sampling needle is punctured into the pig iliac crest to reach the bone marrow cavity. However, in pigs, unlike humans, the iliac crest is deep from the skin, making it difficult to approach percutaneously.In this case, a part of the skin is incised, and a portion of the iliac crest is exposed and then punctured. Was done. Next, the tip of the bone drilling small soft drill is inserted into the medullary cavity using the bone marrow sampling needle as a trocar. Only when there is a reaction force from the cancellous bone, the end mill at the tip is driven to perforate the cancellous bone in the iliac bone. Simultaneously with the perforation, the surgeon operates the push button to generate a negative pressure by the power unit, and aspirates the bone marrow together with the cancellous bone cuttings.
[0021]
The collected bone marrow is automatically mixed with a physiological saline solution containing heparin, an anticoagulant, and collected in a collection bag containing a solvent. By arranging the three check valves on the flow path, the collected bone marrow is mixed with the physiological saline, and generates a flow of being collected. In other words, while negative pressure is being generated in the power unit, the check valve allows the bone marrow to flow from the medullary cavity toward the manipulator and mixes with the physiological saline. Conversely, during positive pressure, the check valve flushes bone marrow from the manipulator into the collection bag. This also serves to prevent positive pressure (which can cause complications such as fat embolism) from being applied to the medullary cavity. In the first evaluation experiment, the blood count of the collected bone marrow was compared between the hematopoietic stem cell collection manipulator and the existing Aspilation Method. Bone marrow was harvested using the prototype system with the system described above, while bone marrow (2.0 cc) was harvested using Aspilation Method. Thereafter, the number of nucleated cells (including hematopoietic stem cells) of both samples was counted. Since hematopoietic stem cell collection manipulators and the aspiration method are very different in technique, and it is difficult to simply compare them, the concentration (cells / ul), the number of nucleated cells collected per unit time (cells / min), and one puncture A comparison was made with respect to the number of nucleated cells collected per cell ((cells / puncture)), and the results are shown in FIG.
[0022]
When the hematopoietic stem cell collection manipulator was used, the number of nucleated cells that could be collected per unit time was 2.05 times that of the Aspilation Method. Further, the number of nucleated cells collected per puncture was 6.04 times. From these results, it is considered that the use of the hematopoietic stem cell collection manipulator enables efficient bone marrow collection with minimal puncture. However, with respect to the concentration, it was possible to collect a higher concentration (3.73 times) of bone marrow when the Aspilation Method was used. Next, a smear sample of the collected bone marrow was prepared, and the manipulator and the Aspilation Method were compared under a microscope. As described above, the hematopoietic stem cell collection manipulator generates a higher negative pressure than the Aspilation Method, and thus may cause deformation and destruction of the blood cell membrane. Then, in order to confirm these adverse effects on blood cells, the smear (FIG. 13) was observed under a microscope, but no difference between the two was observed with the naked eye. Therefore, it is considered that the negative pressure generated by the power unit of the prototype is in a range suitable for bone marrow collection as far as it is observed under a microscope.
[0023]
<Conclusion>
In order to make bone marrow collection from donor in bone marrow transplantation less invasive, a hematopoietic stem cell collection manipulator equipped with a small soft drill for bone drilling was devised, and a prototype was designed and manufactured. As a result, the following conclusions were obtained.
(1) A small-sized bone-drilling soft drill for drilling iliac cancellous bone and forming a bone marrow collection route was devised, and a prototype was manufactured. From the results of drilling experiments on porcine iliac bone, it is possible to drill cancellous bone along the cortical bone with a curvature of 75.0 to 131 mm at a drilling speed of 32.1 mm per minute at a drill rotation speed of 200 rpm. there were. In addition, the superiority of the vibrating mechanism of the end mill built in the manipulator was confirmed. Therefore, it was confirmed that it is possible to approach a wide area in the human iliac bone using a small-sized bone drill having a vibration mechanism.
[0024]
(2) It was clarified that the power unit connected to the hematopoietic stem cell manipulator can generate a strong negative pressure for a long time as compared with the existing Aspilation Method. In the Aspilation Method, the time average negative pressure of -41.8 Kpa was 4.97 sec, but in this manipulator, -76.9 Kpa was able to be generated for 5.96 sec. In addition, as a result of performing a phantom collection experiment, it was possible to collect a phantom in an amount about six times as large as the Aspiration Method by using the present manipulator. From these results, it was clarified that the prototype hematopoietic stem cell collection manipulator has the mechanical performance to efficiently collect bone marrow.
[0025]
(3) Although some practical problems were clarified from the results of bone marrow collection experiments using experimental animals, the use of hematopoietic stem cell collection manipulators enabled efficient bone marrow with a minimum number of punctures. It was suggested that it could be collected. The number of nucleated cells in bone marrow collected per unit time by the manipulator was 2.05 times that of the existing Aspilation Method. Furthermore, the number of nucleated cells in the bone marrow that could be collected by one puncture was 6.04 times the Aspilation Method, greatly exceeding the hematopoietic stem cell collection manipulator. However, with regard to the collected bone marrow concentration, it was possible to collect bone marrow having a higher concentration in the Aspilation Method. In the microscopic image of the smear, no destruction or deformation of blood cells due to the use of the hematopoietic stem cell collection manipulator was observed.
[0026]
From the above results, the usefulness of the hematopoietic stem cell collection manipulator, in which a small soft drill for bone perforation is used to perforate the iliac trabecular bone in a curved manner and the bone marrow is mechanically aspirated using a power unit, was demonstrated. In the future, it is necessary to eliminate the problems clarified in animal experiments and improve the user interface, and to further improve the device through animal experiments.
[0027]
The embodiment of the bone marrow sampling apparatus of the present invention has been described above. However, within the scope of the present invention, the shape and type of the power unit (the negative pressure generating actuator may be damaged by bone marrow fluid in addition to the reciprocating linear slider) It is also possible to use a centrifugal pump or the like that does not give rise to the pressure, or to use the actuator for generating negative pressure also as various pumps attached to the rotary actuator.), The shape and type of the manipulator, the wire member and the flexible tube. The shape and type of the soft drill including the material and the related configuration between them (instead of using a negative pressure to suck the bone marrow from a soft tube disposed around the wire member driven by rotation, Only a wire member that vibrates in the axial direction is prepared, the wire member is formed in a hollow shape, and the power unit is shaded with the rotation of the wire. It is also possible to provide a centrifugal pump function for generating the pressure, and to suck the bone marrow through the hollow portion. Prior to perforation and collection, it is possible to perfuse physiological saline or the like from a flexible tube to form a suction configuration accompanied by perfusion.) A type of perforation device (in addition to an end mill form, a piezoelectric element, an electric device) Scalpels, ultrasonic scalpels, end mills of various shapes, etc.), shape (shape of end end mill: blunt shape, etc.), connection form of wire member to flexible shaft, type of vibration mechanism, etc. are appropriately selected. be able to.
[0028]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, in a bone marrow sampling apparatus configured to inject a suction needle into the iliac bone or the like of a donor to suction and collect bone marrow, the manipulator is driven by the power unit to perform the suction function. With the installation of a rotatable and bendable soft drill equipped with the tool, a single puncture allows the soft drill to pierce the bone marrow cavity passively along the cortical bone while piercing it, and remove a large amount of bone marrow from a wide range. The collection can be performed, and the collection time can be shortened and the invasion of the donor's somatic cells and the like can be reduced.
[0029]
In addition, when a drilling device is provided at the tip of the soft drill, the puncture efficiency is improved, the bone marrow is efficiently separated, and the amount of the collected bone can be increased. Furthermore, when the distal end of the perforating device is configured to be blunt, only the cancellous bone is perforated without damaging other organs, so that invasion of the donor's somatic cells and the like is further reduced, and safety is improved.
Furthermore, the soft drill is constituted by a soft suction pipe connected to a negative pressure generating actuator of a power unit, and a wire member inserted into the suction pipe and driven to rotate by the power unit and having a perforation device at a distal end. In this case, a soft suction tube that functions as a guide member for a wire member that is driven to rotate for puncturing can be used as a passage for the collected bone marrow.
[0030]
When a vibration mechanism for vibrating the wire member in the axial direction is provided inside the manipulator or the power unit, the puncture speed can be improved and the efficiency of collecting bone marrow can be remarkably improved.
Thus, according to the present invention, it is possible to efficiently aspirate a large amount of bone marrow from a wide range in a short time while allowing a minimal invasion of the donor and having a high degree of freedom in the puncture angle into the body and easy puncture. A bone marrow harvesting device is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing one embodiment of a bone marrow collecting apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a system configuration diagram of the prototype.
FIG. 3 is a diagram showing a comparison test result of a negative pressure generated in a bone marrow collecting apparatus of the present invention with a conventional apparatus.
FIG. 4 is a block diagram showing a bone marrow collecting apparatus as a hematopoietic stem cell collecting manipulator of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged photograph of the same soft drill.
FIG. 6 is an enlarged photograph of the manipulator.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the presence or absence of a vibration mechanism, an increase in the number of rotations, and a perforation speed.
FIG. 8 is a graph showing a comparison test result of a negative pressure generated in the bone marrow collecting apparatus of the present invention with a conventional one.
FIG. 9 is a comparison photograph of the bone marrow collecting ability of the bone marrow collecting apparatus of the present invention and the conventional apparatus.
FIG. 10 is a photograph of an experiment for collecting bone marrow from an experimental animal using the prototype of the present invention.
FIG. 11 is an animal experiment diagram using the hematopoietic stem cell collection manipulator system of the present invention.
FIG. 12 is a comparison diagram of the number of nucleated cells collected per single puncture between the bone marrow collecting apparatus of the present invention and the conventional apparatus.
FIG. 13 is a photograph showing a smear sample observed under a microscope.
FIG. 14 is a conceptual diagram showing a conventional aspilation method.
[Explanation of symbols]
1 Manipulator
2 soft drills (small soft drills for bone drilling)
2A Drilling device (end mill, etc.)
2B flexible tube (suction tube)
2C wire member (stainless steel wire)
3 Power unit (actuator unit)
3A Negative pressure generating actuator
3B Rotary actuator
4 Flexible shaft (flexible shaft)
5 Suction tube (Marrow Cells)
6 User interface
7 Controller (program storage type programmable controller)
