JP2004073725A

JP2004073725A - 経皮的エネルギ移送装置

Info

Publication number: JP2004073725A
Application number: JP2002241790A
Authority: JP
Inventors: Koji Murai; 村井　剛次
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】就寝時において患者に意識させることなく二次電池の充電を行うとともに、緊急時における素早い対応を可能とすることにより、患者の精神的及び肉体的負担を軽減することができる経皮的エネルギ移送装置を提供する。
【解決手段】体内に埋め込まれて二次電池４と電気的に接続された体内コイルＢと、患者が就寝するためのベッド１を上下に挟んでギャップ部Ｇを有する磁性体２と、該磁性体２に巻着された体外コイルＡと、該体外コイルＡに電圧を印加するための外部電源５とを具備し、体外コイルＡによりベッド１上の所定範囲内で磁場を生じさせ、該磁場によって体内コイルＢに電磁誘導作用を生じさせて体内に埋め込まれた二次電池４に電気エネルギを供給する構成とされたものである。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、皮膚を完全に閉じた状態で体内に埋め込まれて使用される体内埋込装置に対し、経皮的に電気エネルギを移送するための経皮的エネルギ移送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体を構成する臓器や他の部位を代替又は補助すべく体内に埋め込まれる体内埋込装置として、例えばペースメーカー、人工心臓、人工膵臓及び人工筋肉等が挙げられる。これら体内埋込装置は、主に電力が必要であるため、その給電については種々の手段・方法が提案されているが、体外の電源と常時通電可能な配線を施すと普段の生活に支障を生じさせてしまうことから、通常、充電可能な二次電池を体内埋込装置側に具備させて電力供給を行っている。
【０００３】
然るに、かかる二次電池による給電においても、充電の際は体外の電源との接続が必要となるため、当該二次電池から皮膚を貫通して体外に電線を露出させておき、充電時に該電線の先に電源を接続する構成のものが実用化されている。しかし、このような構成においては、電線が貫通した皮膚から種々の細菌等が浸入し易く、そこから感染症を引き起こす可能性があるため、それに対する予防対策も必要であった。
【０００４】
かかる要望に応えるべく、皮膚を閉じた状態（即ち、皮膚を貫くものがない状態）で二次電池と共に体内埋込装置を埋設しておき、経皮的に外部の電源から電力を供給する経皮的エネルギ移送装置が近年提案されており、例えば特開平７―２９９１５０号公報に開示されている。
【０００５】
上記公報で開示された技術によれば、心臓の動作を補助するための体内埋込装置（ペースメーカー）と、該体内埋込装置に電気エネルギを付与するための二次電池と、該二次電池と電気的に接続された体内コイルとが皮膚を閉じた状態で体内に配設されており、二次電池の充電時には、外部の電源と接続された体外コイルに電流を流すことより経皮的に二次電池の充電を行っていた。
【０００６】
即ち、体内コイルに対し皮膚を介して体外コイルを当接させつつ該体外コイルに電流を流すと、コイル中空部を貫く磁力線から成る磁場が生じ、この磁場により体内コイルに対して誘導電流を生じさせ、二次電池に電気エネルギを供給していた。これにより、感染防止を図りつつ体内埋込装置が具備する二次電池の充電を容易に行うことができる経皮的エネルギ移送装置を得ていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記経皮的エネルギ移送装置においては、通常は外部電源との結線が不要であるため、患者の活動範囲が広がって不便を解消するものの、充電時においては体外コイルを皮膚に当接させる都合上、外部電源と体外コイルとを結ぶ電線の長さの範囲内でしか活動ができず、患者の不便を完全に解消するものではなかった。即ち、充電には通常数時間乃至数十時間必要であるため、その間の患者の活動範囲が著しく狭められてしまい、患者の負担は依然重いものとなっていた。
【０００８】
また、患者の就寝時に二次電池の充電を行うようにして、活動範囲の制限による患者の負担を軽減することも考え得るが、電線が接続されていることへの違和感はなくなるものではなく、睡眠の妨げとなるとともに、夜間の緊急時における避難等の対応が遅れてしまう虞があるため、患者の健康及び安全の観点から問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、就寝時において患者に意識させることなく二次電池の充電を行うとともに、緊急時における素早い対応を可能とすることにより、患者の精神的及び肉体的負担を軽減することができる経皮的エネルギ移送装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、体内に埋設される体内埋込装置の電源である二次電池に対し、体外から経皮的に電気エネルギを供給するための経皮的エネルギ移送装置であって、体内に埋め込まれ、前記二次電池と電気的に接続された体内コイルと、就寝の際使用される掛け布団又は敷き布団の少なくとも一方の内部に配設された体外コイルと、該体外コイルに電流を供給するための外部電源とを具備し、前記体外コイルによる磁場で前記体内コイルに電磁誘導作用を生じさせて前記二次電池に電気エネルギを供給することを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、就寝のため患者が敷き布団上で横になった際、敷き布団内の体外コイルに外部電源から電流を流すと、当該体外コイルから磁場が生じ、患者の体内に埋設された体内コイルに電磁誘導作用が生じるので、この電磁誘導作用により起電された電気エネルギを二次電池に送って充電する。
【００１２】
一方、敷き布団上で患者が横になるとともに掛け布団を掛けた際、掛け布団内の体外コイルに外部電源から電流を流しても、上記作用が生じ、二次電池が充電されることとなる。従って、少なくとも掛け布団又は敷き布団のいずれか一方に体外コイルを配設すれば足りるが、両者に配設するようにしてもよく、両者に配設した場合であっても、体外コイルを任意に選択していずれか一方のみに電流を流すようにしてもよい。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記体外コイルが、前記掛け布団及び敷き布団の双方に配設され、これら２つの体外コイルに対し同方向に電流を流してヘルムホルツコイルを成すことを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、ヘルムホルツコイル内に（２つの体外コイルを挟んで）患者が就寝することとなり、体外コイルの通電により生じる磁場の磁力線が、患者の体内コイルに対し略直交する方向に作用することとなる。即ち、図８に示すように、掛け布団（又は敷き布団）のみに体外コイルＡを配設した場合、通電により生じる磁場の磁力線ｍは、体内コイルＣ近傍において曲線を描くように作用するため、当該体内コイルＣから逸れてしまうものが多いのに対し、図９に示すように、掛け布団及び敷き布団のそれぞれに体外コイルＡ及びＢを配設してヘルムホルツコイルを構成した場合、通電により生じる磁場の磁力線ｍは、体内コイルＣ近傍において直線を描くように作用し、当該体内コイルＣに対しより多くの磁力線ｍが通過するようになるので、電磁誘導による電気エネルギが増大する。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記体外コイルの直径が、前記体内コイルの直径に比べて十分に大きいことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置は、図１に示すように、外科手術により体内に埋設される体内埋込装置（例えば、人工膵臓）３の電源である二次電池４に対し、体外から経皮的に電気エネルギを供給するためのものであり、患者の体内に埋め込まれた体内コイルＣと、体外コイルＡ及びＢと、外部電源１とから主に構成される。
【００１７】
二次電池４は、体内に埋め込まれることを考慮して、体積及び重量に対するエネルギ密度が高く、安全性に優れたものを選択採用するのが好ましく、ニッケルカドミウム二次電池やニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等が好ましい。但し、体内埋込のための条件をクリアし、充放電特性に優れたものであれば、他の二次電池を採用してもよい。
【００１８】
体内コイルＣは、外科手術により患者の皮下（例えば、腹部における皮膚の直下）に埋め込まれるとともに、巻き部より連なる電線７により二次電池４と電気的に接続されたものであり、１ｍｍ^２程度の断面積をもつリッツ線を中空部の直径が１５０〜２００ｍｍ程度となるよう所定回数（３〜５回程度が好ましい）巻いて構成されている。巻き回数は、１〜５０回程度としてもよい。尚、本実施形態の如き銅から成る体内コイルＣに代えて、銀やアルミ等他の材質としてもよいが、柔軟性及び耐久性の観点から撚り線であるのが好ましい。
【００１９】
体外コイルＡは、図２に示すように、就寝の際に使用される掛け布団５内に配設されたもので、１〜２ｍｍ^２程度の断面積をもつ銅撚線を中空部の直径が１００〜９００ｍｍ（好ましくは４００〜６００ｍｍ）程度となるよう１０〜２００回（５０回程度程度が最も好ましい）巻いて構成されているが、かかる体外コイルＡの代わりに、導電性及び可撓性に富んだ他の材質により構成したものとしてもよい。尚、図示の如く複数の結束バンド８によって巻き部の所望位置を結束しておくのが好ましい。
【００２０】
また、体外コイルＡを体内コイルＣになるべく近づけるため、図３に示すように、掛け布団５の裏面５ａ側（就寝者が触れる面側）に配設するのが好ましく、特に、掛け布団５を覆うための布団カバー（不図示）を使用する際には、該布団カバーの内側であって掛け布団５の裏面５ａ側に体外コイルＡを配設するようにすれば、より体内コイルＣに近づけることができる。更に、体外コイルＡは掛け布団５と一体的となっていれば足り、例えば掛け布団５又は上記布団カバーの裏面５ａ側に体外コイルＡをファスナ等で接着させるようにしてもよい。
【００２１】
体外コイルＢは、図４に示すように、就寝の際に使用される敷き布団６内に配設されたもので、体外コイルＡと同様の材質から成るものであるが、体外コイルＡと異なる材質から成るものとしてもよい。即ち、体外コイルＡは、掛け布団５に配設されて就寝者に覆い被さる都合上、高い可撓性が要求されるのに対し、体外コイルＢは、敷き布団６に配設されるため、体外コイルＡ程は可撓性が要求されないが、就寝者の体重が常に付与された状態となり、高い耐久性が要求される。
【００２２】
従って、体外コイルＡとＢとを構成する材質を異ならせて、体外コイルＡを可撓性の高いもの、体外コイルＢを耐久性の高いものとすれば、装置の寿命を延ばすことができ、信頼性を向上させることができる。
【００２３】
また、体外コイルＡと同様、体外コイルＢを体内コイルＣになるべく近づけるため、図５で示すように、敷き布団６の上面６ａ側（就寝者が触れる面側）に配設するのが好ましく、特に、敷き布団６を覆うためのシーツ（不図示）を使用する際には、該シーツの内側であって敷き布団６の上面６ａ側に体外コイルＢを配設するようにすれば、より体内コイルＣに近づけることができる。尚、図示の如く複数の結束バンド８によって巻き部の所望位置を結束しておくのが好ましい。
【００２４】
ここで、体外コイルＡが配設される掛け布団５には、掛け毛布等就寝者を上から覆うもの全てを含むものとするとともに、体外コイルＢが配設される敷き布団６には、就寝用ベッドに設置されたマットレス等就寝者が横たわる対象の全てのものを含むものとする。また、就寝者に埋め込まれた体内コイルＣを挟み込むように、体外コイルＡ及びＢを配置して、体内コイルＣに与える磁場の影響を大きいものとしている。
【００２５】
更に、体外コイルＡ及びＢの直径は、体内コイルＣの直径に比べて十分に大きなものとするのが好ましく、この場合、二次電池４に充電し得る範囲が広がり、掛け布団５又は敷き布団６に対して患者が横たわることができる範囲を広く確保することができる。体外コイルＣの直径に対して十分な大きさの体内コイルＣにおける直径とは、例えば直径で体内コイル５０〜１００ｍｍに対して体外コイル４００〜６００ｍｍ程度が最も好ましく、実用に耐え得る範囲としては、体内コイル３０〜１５０ｍｍに対して体外コイル１００〜９００ｍｍ程度が好ましい。尚、体外コイルＡ、Ｂ及び体内コイルＣの中空部の形状は円形に限らず、楕円形等種々の形状とすることができる。
【００２６】
外部電源１は、図６に示すように、上記体外コイルＡ及びＢに電流を供給するためのもので、商用電源から成るＤＣ電源１ａと、スイッチング回路１ｂとから主に構成されており、ＤＣ電源１ａによる直流電力をスイッチング回路１ｂが具備するパワーＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子によるスイッチングにより交流電力に変換している。尚、当該外部電源１にて印加する電流は、体外コイルＡ及びＢの双方にそれぞれ１Ａ未満とするのが好ましく、スイッチング回路１ｂにより生じるスイッチング周波数は、１００ｋＨｚ程度とするのが好ましい。
【００２７】
かかる交流電力は、電線２を介して体外コイルＡ及びＢに送られ、これら体外コイルＡ及びＢと体内コイルＣとの間に生じる電磁誘導作用により患者の体内へと伝送される。体内コイルＣで受け入れられた交流電力は、図７で示すように、電線７を介して整流回路９に送られ、そこで直流電力に変換される一方、該直流電力が二次電池４に伝送されて体内埋込装置３の電源とされる。尚、同図点線で示すように、整流回路９と体内埋込装置３とを直接接続するバイパスを設け、電磁誘導作用により生じた電力を二次電池４の充電に利用しつつ体内埋込装置３の駆動に利用するよう構成してもよい。
【００２８】
一方、体外コイルＡ及びＢを流れる電流の向きは、常に同方向となるよう同期制御する必要があるが、スイッチング回路１ｂから出力される電流を二股に分けた配線構造とすれば、別途の同期装置を不要とすることができる。このように、互いに向かい合ったコイルに対して同方向の電流を流すようにしたコイルは、一般にヘルムホルツコイルといい、本明細書においてもこのように定義する。
【００２９】
次に、上記経皮的エネルギ移送装置における作用について説明する。
まず、就寝のための掛け布団５及び敷き布団６内に、図２〜図５に示すように、体外コイルＡ及びＢを配設しておく。そして、外部電源１をオンにするとともに、体内に体内埋込装置３が埋め込まれた患者が敷き布団６上に横たわって掛け布団５を掛けると、図９に示すように、上下方向に向かう磁力線ｍから成る磁場が生じ、電磁誘導作用により体内コイルＣに電流が流れる。
【００３０】
この時、外部電源１からは交流電力が供給され、ヘルムホルツコイルを成す体外コイルＡ及びＢを流れる電流が、常に同じ方向に流れるよう同期しているので、電流ｉ１が流れる場合は磁力線ｍが下方に向かい、電流ｉ２が流れる場合は磁力線ｍが上方に向かう。これら磁力線ｍ（下方及び上方へ向かうものの両者）は、体内コイルＣ近傍においては、床面に対して略垂直な方向に向かうため、体外コイルＡ又はＢのいずれか一方を配設した場合（図８参照）に比べ、より多くの磁力線ｍを体内コイルＣが受けることができ、電磁誘導作用により生じる電流を大きくすることができる。
【００３１】
上記電磁誘導作用による交流電力が整流回路９で直流電力に変換され、二次電池４を充電することとなる。この二次電池４から伝送される電気エネルギが体内埋込装置３を駆動させ、臓器や他の要素に代わる所定の機能を行い、又はこれら臓器や他の要素の補助動作を行うこととなる。患者の就寝完了とともに、外部電源１をオフにして、一連の充電操作が完了する。尚、二次電池４の充電が満充電となった後は、それを検知して外部電源１をオフにしてもよいし、充電時間を予め設定しておきタイマにて外部電源１をオフにするよう構成してもよい。
【００３２】
本実施形態によれば、患者が所定時間の就寝が終わって目覚めると二次電池４の充電が完了しているため、就寝時において患者に意識させることなく二次電池の充電を行うことができるとともに、患者は外部電源１と接続されていないので、電線の接続による違和感がない睡眠を確保でき、緊急時における素早い対応を可能とすることができる。従って、二次電池４の充電時における患者の精神的及び肉体的負担を著しく軽減することができる。
【００３３】
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば掛け布団５又は敷き布団６のいずれか一方に体外コイルを配設するようにしてもよく、この場合であっても、患者と外部電源１とを接続する電線は不要であるため、電線の接続による違和感がない睡眠を確保することができる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、掛け布団又は敷き布団内に体外コイルを配設して患者の就寝時に二次電池の充電を行わせるようにしたので、就寝時において患者に意識させることなく二次電池の充電を行うとともに、緊急時における素早い対応を可能とすることにより、患者の精神的及び肉体的負担を軽減することができる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、患者の就寝時、ヘルムホルツコイル内に体内コイルが位置して、より多くの磁力線が付与されるため、効率的に二次電池に対して充電することができる。
【００３６】
請求項３の発明によれば、体外コイルの直径が体内コイルの直径に比べて十分に大きいので、二次電池に充電し得る範囲が広がり、掛け布団又は敷き布団に対して患者が横たわることができる範囲を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置を示す模式図
【図２】本発明の実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置における掛け布団内に配設された体外コイルを示す模式図
【図３】図２中のＸ−Ｘ線断面図
【図４】本発明の実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置における敷き布団内に配設された体外コイルを示す模式図
【図５】図４中のＹ−Ｙ線断面図
【図６】本発明の実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置の外部電源を示すブロック図
【図７】本発明の実施形態に係る経皮的エネルギ移送装置の体内コイル及びそれと接続された装置を示すブロック図
【図８】１つの体外コイルに通電させて生じた磁力線の状態を示す模式図
【図９】ヘルムホルツコイルに通電させて生じた磁力線の状態を示す模式図
【符号の説明】
１…外部電源
１ａ…ＤＣ電源
１ｂ…スイッチング回路
２…電線
３…体内埋込装置
４…二次電池
５…掛け布団
５ａ…裏面
６…敷き布団
６ａ…上面
７…電線
８…結束バンド
９…整流回路
Ａ、Ｂ…体外コイル
Ｃ…体内コイル

Claims

体内に埋設される体内埋込装置の電源である二次電池に対し、体外から経皮的に電気エネルギを供給するための経皮的エネルギ移送装置であって、
体内に埋め込まれ、前記二次電池と電気的に接続された体内コイルと、
就寝の際使用される掛け布団又は敷き布団の少なくとも一方に配設された体外コイルと、
該体外コイルに電流を供給するための外部電源と、
を具備し、前記体外コイルによる磁場で前記体内コイルに電磁誘導作用を生じさせて前記二次電池に電気エネルギを供給することを特徴とする経皮的エネルギ移送装置。
前記体外コイルは、前記掛け布団及び敷き布団の双方に配設され、これら２つの体外コイルに対し同方向に電流を流してヘルムホルツコイルを成すことを特徴とする請求項１記載の経皮的エネルギ移送装置。
前記体外コイルの直径は、前記体内コイルの直径に比べて十分に大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の経皮的エネルギ移送装置。