JP2006000631A - Internally implantable auxiliary artificial heart - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、重症末期心不全患者の心機能補助のために体内に埋め込んだ状態で不全心臓に装着して使用する体内埋込式補助人工心臓に関するものである。 The present invention relates to an implantable auxiliary artificial heart that is used by being attached to a failing heart in a state of being implanted in the body for assisting cardiac function of a patient with severe end-stage heart failure.
従来の体内埋込式補助人工心臓は、サック型およびダイヤフラム型の容積型ポンプを機械方式や電磁流体方式で駆動する方式の補助人工心臓が実用化されている。これらの補助人工心臓は、生理的な拍動流を実現できる点で非常に優れているが、米国で開発されたものしかなく、欧米人を対象としているためサイズが大きく、日本人のような小柄な体格の人には適応が限定されるという問題点がある。一方、体内埋込式補助人工心臓の小型化を目指して、遠心ポンプや軸流ポンプを利用したものが試験臨床段階にあるが、これらの補助人工心臓では拍動流を作ることが困難なため、非生理的な連続流の補助人工心臓として使用するしかないという問題点がある。 As a conventional implantable auxiliary artificial heart, an auxiliary artificial heart of a type that drives a sac type and a diaphragm type positive displacement pump by a mechanical method or an electromagnetic fluid method has been put into practical use. These assistive artificial hearts are very good in that they can achieve physiological pulsatile flow, but they are only developed in the United States and are large in size because they are intended for Westerners. There is a problem that adaptation is limited to people with a small physique. On the other hand, with the aim of miniaturization of implantable auxiliary artificial hearts, centrifugal pumps and axial flow pumps are in the clinical trial stage, but it is difficult to create pulsatile flow with these auxiliary artificial hearts. There is a problem that it can only be used as a non-physiological continuous flow auxiliary artificial heart.
従って、日本人のような小柄な体格の人にも埋め込めるサイズの生理的な拍動流の体内埋込式補助人工心臓の実現が待ち望まれている。 Therefore, there is a long-awaited realization of an implantable auxiliary artificial heart with a physiological pulsatile flow that can be embedded in a small physique such as the Japanese.
本発明は、これを実現するために、波動ポンプ(本発明者の一人である阿部裕輔が先行発明した特許第3285386号公報記載のポンプの一般名称)を使用し、これを小型化、高耐久化および高性能化する技術を開発して、拍動流の体内埋込式補助人工心臓を実現するものである。 In order to realize this, the present invention uses a wave pump (general name of the pump described in Japanese Patent No. 3285386 previously invented by Yusuke Abe, one of the present inventors), which is reduced in size and highly durable. To develop a pulsatile and implantable assistive heart by developing a technology to improve the performance and performance.
体内埋込式補助人工心臓の基本構成は、波動ポンプ、駆動軸およびモーターからなる。 The basic configuration of the implantable auxiliary artificial heart includes a wave pump, a drive shaft, and a motor.
波動ポンプは、一方に切り欠きのある円板を、その切り欠きにかみ合うように仕切りをもつチャンバーの中に設置し、仕切りを挟んで入出力口が開口するポンプであり、モーターの回転運動を円板の揺動運動に変換して流体を入力口から出力口に移動させる容積移動型の連続流ポンプである。 A wave pump is a pump in which a disk with a notch on one side is installed in a chamber with a partition so as to engage with the notch, and an input / output port opens across the partition. This is a volume-moving continuous flow pump that converts fluid from an input port to an output port by converting it into a rocking motion of a disk.
波動ポンプの特徴は、モーターの回転を制御することにより、生理的な拍動流を駆出できる点にある。この特徴を利用し、本発明では、波動ポンプを拍動流モードで使用する。 A feature of the wave pump is that a physiological pulsatile flow can be ejected by controlling the rotation of the motor. Utilizing this feature, the present invention uses a wave pump in a pulsatile flow mode.
波動ポンプの小型化、高耐久化および高性能化のためには、ポンプ自体の耐久性と製作精度を同時に向上させることが必要であった。従来は、ポリウレタン樹脂製の円板を使用し、膜を接着して使用していたが、これでは膜接着部の耐久性と製作精度に限界があり、また円板も樹脂成形後の変形があるため歩留まりが悪いという問題があった。これを改善する方法として、熱可塑性の材料もしくはセグメント化ポリウレタンを用い、円板をインサートして膜を円板に一体化して射出成形することに成功した。熱可塑性の材料としては、熱可塑性エラストマーが良く、特にウレタン系が適しており、エステル系エラストマー、エーテル系エラストマー、ポリカーボ系エラストマーが使用できることが分かった。その他の熱可塑性エラストマーとして、塩化ビニール系、スチレン系、オリフィン系、フッ素系も使用可能であった。また、膜に連続して膜材料で円板の表面を被覆するという方法で駆動軸を完全にシールすることに成功した。さらに、波動ポンプの小型化のためにはポンプ効率を上げる必要があるが、ポリウレタン樹脂では円板の揺動運動に伴い円板が屈曲変形するためにポンプ効率が落ちるという現象が発生することが分かり、円板の剛性が非常に重要であることが分かった。この問題に対処する方法として、円板の材質を、グラスファイバー、カーボンファイバー、チタン酸カルシューム等を添加した複合材であるPBT(ポリブチレンテレフタレート)、POM(ポリオキシメチレン)、PP(ポリプロピレン)、TPU(熱可塑性ポリウレタン)などの剛性素材もしくは、チタン系、ステンレス系、鉄系、アルミ系などの金属を使用すればよいことが分かった。 In order to reduce the size, durability, and performance of wave pumps, it was necessary to simultaneously improve the durability and manufacturing accuracy of the pump itself. In the past, polyurethane resin discs were used and the membrane was bonded, but this limited the durability and manufacturing accuracy of the membrane adhesion part, and the disc also deformed after resin molding. As a result, there was a problem that the yield was poor. As a method for improving this, a thermoplastic material or segmented polyurethane was used, and a disk was inserted and the film was integrated with the disk and injection molded successfully. As the thermoplastic material, it was found that thermoplastic elastomers are good, urethane type is particularly suitable, and ester elastomers, ether elastomers, and polycarbonate elastomers can be used. Other thermoplastic elastomers that can be used include vinyl chloride, styrene, oliffin, and fluorine. In addition, the drive shaft was completely sealed by a method in which the surface of the disk was covered with a film material continuously from the film. Furthermore, in order to reduce the size of the wave pump, it is necessary to increase the pump efficiency, but in polyurethane resin, the phenomenon that the pump efficiency decreases due to the bending and deformation of the disk due to the rocking motion of the disk may occur. It turns out that the rigidity of the disk is very important. As a method of dealing with this problem, the material of the disk is a composite material added with glass fiber, carbon fiber, calcium titanate, etc. PBT (polybutylene terephthalate), POM (polyoxymethylene), PP (polypropylene), It has been found that a rigid material such as TPU (thermoplastic polyurethane) or a metal such as titanium, stainless steel, iron or aluminum may be used.
駆動軸も小型高耐久化する必要があった。従来は波動ポンプの中心に回転防止機構と揺動機構を同心円上に配置して駆動軸を構成していたが、これでは駆動軸の直径が大きくなるため、波動ポンプの中心の空間を大きくしなければならず、ポンプの性能が低下する。ポンプの性能を上げるためには、波動ポンプの中心の空間を小さくする必要があるが、これを実現するためには駆動軸の直径を小さくしなくてはならない。また、従来の駆動軸構造では、回転防止機構にリングを使用するため、駆動軸に十分な耐久性が得られなかった。ポンプの性能を上げることと駆動軸の耐久性を上げることを同時に実現する方法として、回転防止機構と揺動機構を分離し、回転防止機構のみを波動ポンプの中心部に設置し、揺動機構は回転防止機構に直列に接続した状態で駆動軸を構成する構造を考案した。 The drive shaft also needed to be small and highly durable. Conventionally, the drive shaft is configured by concentrically arranging the rotation prevention mechanism and the swing mechanism at the center of the wave pump. However, this increases the diameter of the drive shaft, so the space at the center of the wave pump is increased. And the performance of the pump is reduced. In order to improve the performance of the pump, it is necessary to reduce the space at the center of the wave pump. To achieve this, the diameter of the drive shaft must be reduced. Moreover, in the conventional drive shaft structure, since a ring is used for the rotation prevention mechanism, sufficient durability cannot be obtained for the drive shaft. As a method to improve the performance of the pump and the durability of the drive shaft at the same time, the rotation prevention mechanism and the swing mechanism are separated, and only the rotation prevention mechanism is installed at the center of the wave pump. Has devised a structure in which the drive shaft is configured in series with an anti-rotation mechanism.
体内埋込式補助人工心臓を実現するためには、駆動軸の小型高耐久化と同時に、作動音の低減も重要であり、体内から騒音が発生することを防止しなければならない。従来は、駆動軸を支えるベアリングの一部を駆動軸の外部に設置し、同ベアリングをモーターの固定子部に固定していたが、固定子をポンプに固定するときに精度差が発生するため作動音が発生した。これを防止するために、駆動軸にベアリングを全て内蔵することにより精度差による作動音を大幅に低減した。 In order to realize an implantable auxiliary artificial heart, it is important to reduce the operating noise as well as to make the drive shaft smaller and more durable, and it is necessary to prevent the generation of noise from the body. Previously, a part of the bearing that supported the drive shaft was installed outside the drive shaft, and the bearing was fixed to the stator part of the motor. However, there is a difference in accuracy when the stator is fixed to the pump. An operating noise occurred. In order to prevent this, the operation noise due to the difference in accuracy has been greatly reduced by incorporating all the bearings in the drive shaft.
補助人工心臓の小型化のためには、モーターも小型扁平化する必要があった。これを実現する方法として、揺動機構に可動子を一体化し、さらに波動ポンプに接続した扁平形状の固定子を用いてモーターを構成した。 In order to reduce the size of the auxiliary artificial heart, it was necessary to reduce the size of the motor. As a method for realizing this, a motor was constructed using a flat stator that was integrated with a swing mechanism and connected to a wave pump.
また、人工心臓として重要な性能は、抗血栓性であり、波動ポンプ内の血液接触面に抗血栓性を持たせる必要がある。その方法として、波動ポンプ内の血液接触面を全て抗血栓材料で被覆した。抗血栓性の被覆材料としては、セグメント化ポリウレタン、MPCポリマー、ヘパリンコーティングおよびゼラチンコーティングなどが使用できる。短期間の使用条件では、いずれを使用しても良いが、数ヶ月レベルの長期の抗血栓性を得るには、セグメント化ポリウレタンもしくはMPCポリマーでコーティングすることがよいことが分かった。また、セグメント化ポリウレタンとMPCポリマーの重層コーティングの方法も成功した。 Further, an important performance as an artificial heart is antithrombogenicity, and it is necessary to impart antithrombogenicity to the blood contact surface in the wave pump. As a method, all blood contact surfaces in the wave pump were coated with an antithrombotic material. As the antithrombogenic coating material, segmented polyurethane, MPC polymer, heparin coating, gelatin coating and the like can be used. Under short-term use conditions, either may be used, but it has been found that it is better to coat with segmented polyurethane or MPC polymer to obtain long-term antithrombogenic properties on the order of several months. The method of multilayer coating of segmented polyurethane and MPC polymer was also successful.
回転防止機構に関しては、従来は歯車による噛み合わせやリングとベアリングを用いたユニバーサルジョイントなどを使用していたが、歯車では作動音が大きく、またリングとベアリングでは耐久性に問題があった。最終的に、十字型の軸とブッシュにより構成された回転防止機構を考案することにより、これらの問題を解決した。 Regarding the rotation prevention mechanism, conventionally, gear meshing and a universal joint using a ring and a bearing have been used. However, the operation noise is large in the gear, and there is a problem in durability in the ring and the bearing. Finally, these problems were solved by devising an anti-rotation mechanism composed of a cross-shaped shaft and bush.
駆動軸のバランスも重要な課題であった。従来は波動ポンプの中心に回転防止機構と揺動機構を同心円上に構成して駆動軸を構成していたため、自動的に動バランスは取れたが、回転防止機構と揺動機構を分離し、直列に接続したことにより、動バランスが自動的に取れなくなり振動が発生した。振動を防止するため、揺動機構内部に重りを埋め込み、動バランスを取った。 The balance of the drive shaft was also an important issue. Conventionally, the anti-rotation mechanism and the oscillating mechanism were concentrically arranged at the center of the wave pump to configure the drive shaft, so the dynamic balance was automatically taken, but the anti-rotation mechanism and the oscillating mechanism were separated, Due to the connection in series, the dynamic balance was not automatically achieved and vibration occurred. In order to prevent vibration, a weight was embedded inside the swing mechanism to achieve a dynamic balance.
補助人工心臓の小型高性能化に伴い、モーターの発熱が問題となっため、波動ポンプのハウジングにヒートシンクを埋め込み、モーターの熱をこれに誘導して、血液で冷却できる構造とした。 As the auxiliary artificial heart becomes smaller and more efficient, heat generation of the motor becomes a problem. Therefore, a heat sink is embedded in the housing of the wave pump, and the heat of the motor is induced to cool the blood.
以上の構成で、体内埋込式補助人工心臓の著しい小型化、高耐久化および高性能化を達成し、日本人のような小柄な体格の人にも埋め込めるサイズの体内埋込式補助人工心臓を実現することができた。 With the above configuration, the implantable auxiliary artificial heart has achieved significant size reduction, high durability, and high performance, and can be implanted into a person with a small physique such as the Japanese. I was able to realize the heart.
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1のような体内埋込式補助人工心臓システムを構成する。この補助人工心臓システムは、左心室のポンプ機能を補助するもので、体内埋込式補助人工心臓1、バッテリーおよび経皮情報伝送システムを内蔵した体内埋込式制御装置2、経皮エネルギー伝送システム3および体外システム4により構成される。体内埋込式補助人工心臓1は左心室に接続される。左心宣と右心室の両心を補助するシステムを構成する場合には、体内埋込式補助人工心臓1を2個と、体内埋込式制御装置2、経皮エネルギー伝送システム3および体外システム4で構成すればよい。この場合には、2個の体内埋込式補助人工心臓1は、それぞれ左心室および右心室に接続される。本発明は、体内埋込式補助人工心臓1に関するものである。 An implantable assistive heart system as shown in FIG. 1 is configured. This auxiliary artificial heart system assists the pumping function of the left ventricle. The implantable auxiliary
以下、図2、図3および図4を用いて説明する。体内埋込式補助人工心臓1は、波動ポンプ5、駆動軸6およびモーター7からなる。 Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 2, 3, and 4. The implantable auxiliary
波動ポンプ5の円板8はチタンで作製した。この円板8に駆動軸シール用のポリウレタン製の膜9が一体成形され、かつ同時に円板の血液接触面部分が0.5ミリメートル程度の厚さで同じ材料のポリウレタンで被覆されるように、円板をインサートして一体でポリウレタンを射出成形した。膜の材料は熱可塑性エラストマー(商品名:ミラクトラン、日本ミラクトラン社)もしくはセグメント化ポリウレタン(商品名:カルディオマットもしくはK−3、日本ゼオン社)を使用した。 The
ハウジング10はポリウレタン用いて真空注形で作製した。ハウジングの片面で、モーターのステーターに対面する面には、ヒートシンク11を埋め込んだ。 The
円板8に一体成型された駆動軸シール用の膜9は、ハウジングにリング12で固定し、さらに、同部を溶剤を用いて接着した。 The drive
ポンプ内部の血液接触面部分には、20ミクロン程度の厚さでセグメント化ポリウレタン(商品名:K−3)を被覆した。なお、セグメント化ポリウレタンを被覆しない場合には、MPCポリマーを被覆した。また、両者を複合して被覆する場合には、セグメント化ポリウレタンを被覆した後、さらにMPCポリマーを被覆した。 The blood contact surface portion inside the pump was coated with segmented polyurethane (trade name: K-3) with a thickness of about 20 microns. When the segmented polyurethane was not coated, the MPC polymer was coated. Further, in the case of covering both in combination, after coating with segmented polyurethane, the MPC polymer was further coated.
駆動軸6は、回転防止機構13と揺動機構14からなる。回転防止機構13は円板8の中心に位置するようにし、ユニバーサルジョイントの形態で中心に十字型の軸15とブッシュ16を使用して、直交する一軸は円板8に、もう一軸はハウジング10に固定した。 The
揺動部14では、ベアリング17を用いてモーター7の回転運動を揺動運動に変換する。回転防止機構13の円板8への固定部分は、同時に揺動機構14に接続されているため、この揺動機構14の運動が円板8の揺動運動に変換される。揺動機構14は、台座18に内蔵したベアリング19により回転自在に固定されるようにし、台座18はハウジング10に固定した。また、揺動機構14には、動バランスを取るためのタングステン製のウエイト20を埋め込んだ。 In the
モーター7は、台座18に一部被さるような形状で、揺動機構14に一体化した可動子21と、波動ポンプ5に接続した扁平形状の固定子22を用いて構成した。可動子21は、軟鉄を芯にし、複数個のネオジウム鉄磁石を接着して作製し、錆び防止のために表面を窒化チタンで被覆した。固定子22は、エポキシで包埋した。また、固定子22には、ヒートシンク23と温度センサー24を組み込んだ。このヒートシンク23は台座18に接触し、台座18はハウジング10のヒートシンク11に接触しているため、固定子22の発熱は血液で冷却できる構造になっている。 The
以上の構成で、サイズとしては、直径69ミリメートル、幅35ミリメートルを実現し、体内埋込式補助人工心臓の著しい小型化を達成した。性能としては、図5のごとく、正常平均血圧の圧負荷で最高毎分13リットル程度の連続流出力が得られており、拍動流でも十分な性能を持っている。抗血栓性に関しては、現在までの動物実験では、電気系トラブルが完全に解決できていないために実験動物は2ヶ月程度の生存に留まっているが、抗凝固療法や抗血小板両方を施さなくても血栓の形成を見ていない。経験的には、セグメント化ポリウレタン単独で約10ヶ月、MPCポリマー単独で約7ヶ月、MPCポリマーとセグメント化ポリウレタンの複合で年単位の抗血栓性が得られるはずである。 With the above configuration, the size is 69 mm and the width is 35 mm, and the implantable auxiliary artificial heart has been significantly reduced in size. As shown in FIG. 5, a continuous flow output of about 13 liters per minute is obtained with a normal average blood pressure pressure load as shown in FIG. 5, and the pulsating flow has sufficient performance. With regard to antithrombogenicity, in animal experiments up to now, the electrical system troubles have not been completely solved, so the experimental animals have survived for about two months, but both anticoagulant therapy and antiplatelet have not been applied. Even did not see the formation of blood clots. Empirically, the segmented polyurethane alone should provide about 10 months, the MPC polymer alone about 7 months, and the MPC polymer and segmented polyurethane composite can provide yearly antithrombogenicity.
以上のごとく、本発明により、日本人のような小柄な体格の人にも埋め込めるサイズの生理的な拍動流の体内埋込式補助人工心臓を実現することができるため、臓器移植法案ができたにもかかわらず、著しいドナー不足により心臓移植医療が定着しない我が国において、心臓移植を待ち望んで亡くなってゆく末期重症心不全患者の生命を救うことができる。 As described above, according to the present invention, an implantable auxiliary artificial heart with a physiological pulsatile flow of a size that can be embedded in a person with a small physique such as a Japanese can be realized. In spite of being able to do so, it is possible to save the lives of patients with end-stage severe heart failure who have died waiting for heart transplantation in Japan, where heart transplantation is not established due to a significant donor shortage.
本発明の基となった基礎研究は、医薬品医療機器総合機構・保健医療分野における基礎研究推進事業による研究助成により行われたものである。 The basic research on which the present invention was based was carried out by a research grant through the Basic Research Promotion Project in the Pharmaceuticals and Medical Devices Agency / Health and Medical Field.
1 体内埋込式補助人工心臓
2 体内埋込式制御装置
3 経皮エネルギー伝送システム
4 体外システム
5 波動ポンプ
6 駆動軸
7 モーター
8 円板
9 膜
10 ハウジング
11 ヒートシンク
12 リング
13 回転防止機構
14 揺動機構
15 十字型の軸
16 ブッシュ
17 ベアリング
18 台座
19 ベアリング
20 ウエイト
21 可動子
22 固定子
23 ヒートシンク
24 温度センサーDESCRIPTION OF
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