JP2764420B2 - ガス駆動式補助循環装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガス駆動式補助循環装置に関するものであ
り、例えば、開胸手術中の血液循環を代行するために、
血液循環回路中の血液ポンプとしてのサック袋にガス圧
力の加圧と減圧を交互にかけることにより、血液を回路
に循環させる人工心臓機器並びに大動脈バルーンパンピ
ングなどのように、心臓の血液循環出力の低下をガス圧
で補助するガス駆動式補助循環装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ 血液循環に関する医療用機器に、ガスの圧力を駆動源
として、血液を循環させるものが多い。

例えば、人工心臓では、血液の循環回路にある弁付き
のサック部を密閉容器に入れ、この容器内の圧力を増減
させてサック袋の収縮と弛緩を周期的に行わせて、血液
を循環させるものが使用されている。

また、血液の補助循環法として、バルーンを心臓左心
室出口の大動脈血管内に入れ、該バルーンを、ガス圧で
膨張と収縮を周期的に反復して、動脈の血液循環流、特
に、冠状動脈への潅流を補助する治療が広く行われてい
る。

その他にバルーンを使用する医療機器においても、ガ
ス圧力を駆動させて速やかな膨張と収縮をさせる方法が
行われており、ガス駆動式補助循環装置は将来において
種々の医療機器に応用される可能性がある。

ここの使用されているサック袋又はバルーンは薄い軟
質プラスチック又はゴム製であり、しかも形状が膨張時
と収縮時では大きく変化し、使用時間も長時間に及ぶ場
合もあり、しかも、その周期が秒単位であり膨張収縮の
反復頻度も非常に多い。

そのため、過酷な力が使用中に材質にかかり、材質膜
にピンホールや亀裂等が発生して血液などが漏れたり、
血液中に駆動用加圧ガスが混入したり、又はこの破損箇
所から一気に破裂する危険性があるが、従来はこのよう
な異常を軽微な段階で迅速に検知することはできなかっ
た。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上記ガス駆動式補助循環装置において、駆
動用ガス循環回路において、系内に体液の漏れが発生し
た場合に直ちにこれを検知できるガス駆動式補助循環装
置に提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、ガス回路内にリークした血液などの体
液を直ちに検知するため、化学センサをガス循環回路内
に設ける方法を採用して、体液中の物質の種類とこれを
検知する化学センサの種類の組み合わせを選択すること
により本発明を完成した。

すなわち、本発明は、ガス圧発生部、膜を介して体液
にガス圧を伝えるガス圧作動部及びこれら両者をつなぐ
連結部とからなるガス駆動式補助循環装置のガス循環回
路に、体液中に含有される物質を感知する化学センサを
設けたことを特徴とするガス駆動式補助循環装置を提供
するものである。

本発明の適用される医療機器としては、例えば、人間
の治療及び診断並びに医療の研究のために使用する実験
動物に使用する人工心臓などの機器が挙げられる。

本発明装置のガス圧発生部は、系内のガス圧を加圧し
たり減圧したりして、ガスを循環する装置であり、ここ
にいう循環には、ガス通路をガスが往復する場合も含ま
れる。

本発明装置のガス循環系内のガス圧力を、通常は−0.
5＋1.0気圧（ゲージ圧）の間の２点の圧力に設定して、
一定時間間隔でこの２点の圧力下に系内の圧力を調節す
る装置である。

血液循環の場合の圧力変更の周期は、医療又は実験が
適用される人又は動物の脈拍に応じて設定される。

本発明装置に用いるガスとしては、空気、窒素などの
無毒性ガスを使用することができるが、安全性の点及び
センサに対する反応性の点からヘリウム不活性ガスが望
ましい。

本発明装置において、設定された系内の高圧と低圧の
反復切り換えは、それぞれの圧力に調節された陽圧タン
クと陰圧タンクを設け、両タンクに連結した電磁弁で周
期的に切り換えて、これらタンクをガス循環回路系に接
続して行うことができる。

陰圧タンクは、設定圧力が１気圧の場合は、大気圧を
利用して、省略することができる。

陽圧タンク及び陰圧タンクの圧力は、圧力センサと圧
縮ポンプ又はガスボンベの電磁弁との連動により自動的
に調節することができる。

本発明装置のガス圧を作動させる作動部は、医療機器
本体に応じて種々の形態に別れ、例えば、人工心臓の場
合は、種々の形態の血液循環用サック袋とこれを収納す
る容器からなり、この容器の一部にガス圧発生部からの
管が取り付けられていて、ガス圧が陽圧と陰圧に転換さ
れるのに応じて、血液循環用サック袋が収縮と膨張とを
反復繰り返す。

また、本発明装置では、大動脈バルーンのように、血
液循環補助として血管内に使用するバルーンをガス圧作
動部にする場合もあり、この場合は、血管内部に挿入さ
れたバルーンが、陽圧と陰圧に応じて、膨張と収縮を反
復して、ガス圧を作動させる。

本発明は、上記のような血液循環補助装置以外に、バ
ルーンを作動させる他の医療機器のガス駆動式補助循環
装置にも使用することができる。

本発明装置は、ガス圧発生部とガス圧作動部との間は
ある程度の距離があり、これらを常に連続通気させる管
が必要である。

本発明に用いる連結管は、通気を確保するとともに、
圧力の変化を敏感に伝達する材質である必要がある。

人工心臓の場合は、径が大きくて硬質なものが望まし
く、バルーン用には、血管内を通過するため細く可撓性
を有するものが望ましい。

本発明装置は、これら医療機器のガス駆動式補助循環
装置のガス循環回路内に化学センサを設けたことに特徴
がある。

本発明装置の化学センサとは、ガスセンサ、イオンセ
ンサ又はバイオセンサがあり、ガス作動部又は連結管が
接する血液、リンパ液などの体液中に含まれる物質を吸
着又はこれと反応して、電気抵抗、電圧、温度などを変
化させるものを使用することができる。

本発明装置のセンサが検知する体液中に含まれる物質
としては、水、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩
素イオン、酸素（動脈系）、炭酸ガス（静脈系）、グル
コースなどを例示することができる。

例えば、血液中のナトリウムイオン又は塩素イオンを
検出するイオンセンサ又は血液中の水分又は溶存酸素若
しくは溶存炭酸ガスの吸着を検出するガスセンサなどを
使用することができる。

このような化学センサとして、例えば、セラミック湿
度センサ、表面制御型半導体ガスセンサ、FET型イオン
センサ、FET型バイオセンサ、FET型湿度センサなどが適
している。

これらの化学センサは、本発明装置のガス循環回路系
内に１個又は複数個設け、該系内にリークした血液など
の体液に存在する物質の種類に応じてこれらを検知する
に適したセンサを選択することができる。

例えば、ナトリウムイオン（イオンセンサ）、水分
（湿度センサ）、酸素（酸素ガスセンサ）、炭酸ガス
（ガスセンサ）、グルコース（バイオセンサ）などを検
知することができる。

これらの中で、体液の中に含まれるナトリウムイオン
及びカリウムイオンを選択的に検知するナトリウム感応
膜を付けたイオンセンサが特に好適である。

本発明において、化学センサはガス圧作動部と連結管
の境界付近又がガス圧発生部と連結管の境界付近に設け
るのが望ましい。

連結管が人体内で体液に接する場合、例えば、大動脈
バルーンにおいて、連結管が軟質で細い場合は、ガス圧
作動系内で発生したガスは直ちにガス圧発生部まで到達
するので、ガス圧発生部と管の境界付近にセンサを設置
するのが望ましい。この方法により連結管部の漏れも検
知することができる。

また、人工心臓などの場合は、連結管が太いので、セ
ンサの設置はガス圧作動部の出口付近にする方が速く検
知できるので望ましい。

本発明を実施例の図面によりさらに詳細に説明する。

第１図は人工心臓機器における本発明の装置の系統図
であり、陽圧タンク１と陰圧タンク２とは電磁弁３を介
して連結管４を経由して人工心臓６中のガス圧作動部５
に接続している。

本実施例の人造心臓は、ガス圧発生部により、周期的
に加圧と減圧を系内に発生させ、この圧力をガス圧作動
部において血液循環系にあるサック袋に作用させて血液
を循環させるものである。

この実施例では、FET型イオンセンサ７がガス圧作動
部の出口に設置されている。

このセンサは、長さ6.5mmで幅150μｍ×500μｍとい
う寸法であり、第２〜３図のような構造を有し、このセ
ンサのSi₃N₄絶縁膜上の感応膜として、アルミノシリケ
ートを含んだガラス膜からなるナトリウムイオン選択性
感応膜をつけたものが使用されている。

ナトリウムイオン感応膜としては、他に、例えば、ボ
ロンシリケートのような３価の元素を含んだものを使用
することができる。

これらのイオンセンサは微量のナトリウムイオン及び
カリウムイオンが感応膜に付着すると電位差の変動とし
て敏感に検知することができる。

このセンサは、例えば、第４図の回路を適用して使用
することができる。

この人工心臓の系において血液が血液ポンプのサック
袋からリークした場合に、噴霧状に浮遊又は落下する血
液滴が減圧吸引時にヘリウムガスに流されて本発明装置
の作動部の出口にあるイオンセンサに付着し、該微量の
血液滴中に含有されるナトリウムイオン及びカリウムイ
オンをイオンセンサが選択的に検知して、サック袋のピ
ンホール的破損の段階で、応急修理又は人工心臓の血液
ポンプ部品などの取り替えを遅滞なく行うことができ
る。

リークした血液滴は、ガス圧作動部のヘリウムガス中
を重力により落下するので、センサのあるガスの出口は
下部に設けるのが速く検知できる点で望ましい。複数の
センサを設置すれば、破損を速く検知できる上、破損位
置を発見しやすい利点もある。

本発明装置は、開胸手術において人工心臓を使用中の
異常を検知するため以外に、使用前に試験して、サック
袋などのガス圧作動部に血液循環系からの微細なピンホ
ールが発生していないことを確認するのに用いることが
できる。

この場合は、血液循環系には、生理食塩水を循環さ
せ、これによりテストを行い、リークのないことをイオ
ンセンサで確認してから、実際の手術に使用することが
できる。

次に、第５図は、大動脈バルーンに本発明装置を適用
した場合の実施例の系統図である。

ガス圧発生部は、第１図と同一であり、細い可撓性管
の先端に、バルーンを設けたものであり、これをガス圧
発生部によるガス圧で膨張又は収縮させ、このバルーン
の体積の増減で血液中に陽圧と陰圧を発生させて、血液
の循環を補助するものである。

これは大腿部から血管に挿入されたバルーンが左心室
の出口に到達して作動させるものである。

この実施例の場合は、ガス圧発生部の出口にガスセン
サが設けられている。

このガスセンサは、半導体に電極を付けて、半導体表
面にガスが吸着すると電気抵抗が低下する現象を利用す
るもの又は酸化ジルコニウムの両側に酸素濃度に濃淡が
できると起電力を発生する現象を利用した酸素を選択的
に検知するセンサを使用することができる。

この大動脈バルーンの内部ガス圧は、ヘリウムガスに
より作動している。従って、ヘリウム以外の極性ガスを
吸着する半導体を用いて、本発明装置のガスセンサにす
ることができる。

大動脈の血液は、酸素を含有しており、もし、バルー
ンが破れて血液がバルーン内に入ると、減圧タンクに接
続して吸引したときに、ヘリウムガスとともに、酸素ガ
スがガス圧発生部まで到達する。

これにより、ガスセンサ又は酸素センサが直ちに酸素
ガスを検知して異常があったことを知ることができる。

本実施例において連結管の径が大きく、減圧によって
管の断面形状があまり変形しないものを使用した場合
は、バルーンの出口にもガスセンサを設けておく方がリ
ークを速く検知できるので望ましい。

上記の実施例のセンサの代わりに、湿度センサを設
け、循環ガス中の相対湿度の増加を検出して、異常を察
知する方法も使用することができる。

湿度センサとしては、セラミックなどの無機材料が水
分を吸着すると電気抵抗が低下する現象を利用するもの
及びFET型湿度センサがある。

前者の無機材料湿度センサとしては、セラミック、塩
化リチウム、炭素膜、セレン薄膜、アルマイトなどを使
用することができる。

FET型湿度センサ、例えば、第６図のような構造のも
のを使用して、水分がセンサに吸着するとゲート電位が
負になることにより、相対湿度の増加を検知することが
できる。

このセンサによれば相対湿度の２％程度の増加を検知
でき、これにより、血液がバルーン内部に侵入した場合
の湿度の上昇を感知すれば、血液又は水分を含む体液の
存在を感度よく発見することができる。

本発明装置に用いるセンサは、小型であるので、ガス
回路のどの位置にも付着させることができ、端子から導
線を気密性を保ちながら外部に引き出して検知回路に接
続することができる。

実施例１ 第１図の系統図の人工心臓装置に、第２〜３図のイオ
ンセンサを設けて、第４図の検出回路により検出実験を
行った。この場合、連結管は長さ5mで内径8mmのものを
使用した。

血液の代わりに、生理食塩水を循環させて、圧力作動
ガスとしてヘリウムガスを用いて、陽圧タンクと陰圧タ
ンクとを、0.8秒の周期で切り換えて交互に作動させ
た。

陽圧タタンクの圧力は0.3気圧として、陰圧タンクの
圧力を−0.1気圧とした。

サック袋からの一回の吐出量70mlで、定常状態で運転
したが、ナトリウムイオンはセンサに感知されなかっ
た。

定常運転になってから、容量5mlの注射器に、循環食
塩水と同じものを、0.1mlを取り、これをガス圧作動部
の側面のゴム栓から一気に噴射し、ストップウォッチに
よりナトリウムイオン検出までの時間を測定した。

同様に、0.2ml及び1mlを一気に噴射して注入し、スト
ップウォッチにより検出までの時間を測定した。

３回注入後、それぞれ、0.8秒後、0.4秒後及び0.1秒
後にナトリウムイオンの存在がセンサにより検出され
た。

実施例２ 実施例１と同様の循環回路において、湿度センサを使
用して、同様の実験を行い、検出時間として、0.6秒、
0.3秒及び0.1秒を得た。

［発明の効果］ 本発明のガス駆動式補助循環装置は、ガス循環系のリ
ークを早期に発見でき、破損が使用不能程度になる前に
他の装置に交換又は応急修理できる余地を与える利点が
ある。

また、医療機器の使用前のリーク試験としても使用で
き、そのため、非常事態のみでなく、手術前に試運転と
して使用する場合も迅速に結果が分かるので便利であ
る。

本発明では、検出のため化学センサを使用しており、
体液中の検出物質及びそれに対するセンサの種類の適切
な組み合わせを選択すれば、感度が鋭敏な上、検出端子
を非常に小さくできる利点があり医療機器のどの部分に
でも設置できる点で便利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の人工心臓用ガス駆動式補助
循環装置の系統図であり、第２図はナトリウムイオンセ
ンサの縦断面図であり、第３図は、その３平面における
横断面図であり、第４図はセンサの検知回路を示す回路
図であり、第５図は本発明の他の実施例である大動脈バ
ルーンの場合の系統図であり、第６図は本発明装置に使
用する湿度センサの構造を示す断面図である。 図中の符号は、1;陽圧タンク、2;陰圧タンク、3;電磁
弁、4;連結管、5;ガス圧作動部、6;左心室用人工心臓、
7;センサ、8;圧力センサ、9;サック袋、11;ゲート、12;
ドレイン端子、13;ソース端子、14;ナトリウム感応層、
15;厚さ1000オングストロームのSi₃N₄、16;厚さ1000オ
ングストロームSiO₂、17;厚さ6000オングストロームのS
iO₂、18;ハンダ、19;Cu層、20;Cr層、21;比較電極、22;
イオンセンサ、23;電解液、30;絶縁膜（Si₃N₄）、31;ゲ
ート絶縁膜（SiO₂）、32;ソース電極、33;湿度センサ、
34;二重ゲート電極構造、35;上部ゲート電極（透湿
性）、36;下部ゲート電極、37;ドレイン電極、38;電
極、39;シリコン基板、40;FET型湿度センサ部、41;湿度
センサ部である。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス圧発生部、膜を介して体液にガス圧を
   伝えるガス圧作動部及びこれら両者をつなぐ連結部とか
   らなるガス駆動式補助循環装置のガス循環回路に体液中
   に含有される物質を感知する化学センサを設けたことを
   特徴とするガス駆動式補助循環装置。
2. 【請求項２】体液が血液である請求項１記載のガス駆動
   式補助循環装置。
3. 【請求項３】化学センサがナトリウムイオンセンサであ
   る請求項２記載のガス駆動式補助循環装置。