JP4534026B2 - 埋込み可能な駆動部を備える医療装置、およびその電源制御方法 - Google Patents
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Description
越地耕二、益田幸一郎、周英明、宇都宮敏男、高野久輝、阿久津哲造:完全埋込式人工心臓駆動用経皮エネルギー伝送システムの開発.人工臓器 18: 533−536, 1989 松木英敏、越地耕二:生体へのエネルギー伝送システム.平成4年電気学会全国大会講演会論文集:S.21−4,1992
図1は、第1実施形態の埋込型人工心臓装置10のブロック図を示す。埋込型人工心臓装置10は、主な構成要素として、体内埋込型の駆動部としての人工心臓駆動部30、人工心臓駆動部30を駆動する電力を発生するための電源部12、および人工心臓駆動部30を駆動するための電力を伝送するための経皮トランス40を有する。
人工心臓駆動部30はアクチュエータである人工心臓ポンプ36、外部からの電力を整流平滑して人工心臓ポンプ36に供給するための整流平滑回路32、充放電により電力を一時的に蓄える2次電池38、人工心臓ポンプ36に対する電力の供給源を整流平滑回路32または2次電池38のいずれかに切り替える切替回路34とを有する。TETからのエネルギー伝送が絶たれた際には体内に埋込んだバックアップ用の2次電池38により人工心臓ポンプ36を駆動する。駆動部には、人工心臓ポンプ36を駆動するため供給される電力による駆動部側電圧が生じる。本実施形態において、この駆動部側電圧は、整流平滑回路32の変換出力電圧である。
電源部12は、商用電力の変換装置または電池といった、直流電力を発生する直流電源14と、直流電源14に接続され、直流電源14からの直流電力を交流電力に変換して1次コイル22に供給するDC−ACインバータであるスイッチング回路16と、スイッチング回路16の出力電圧および供給側電流としての出力電流を検知する電流検知部である検知部17と、検知部17の検知結果に基づいて直流電源14の出力電圧を制御する電圧制御部15と、を有する。電源部12は、駆動部を駆動する電力を出力するため、供給側電流および供給側電圧を発生する。本実施形態では、供給側電圧は直流電源14の出力電圧であり、供給側電流は直流電源14の出力電流である。
経皮トランス40は、体外の1次コイル22および体内埋込み可能な2次コイル24を有している。1次コイル22は、電源部12に接続されて、電源部12からの電力が入力され、2次コイル24は、人工心臓駆動部30に接続され、人工心臓駆動部30に電力を供給する。
図4に、供給側電圧の制御を停止した状態での、人工心臓駆動部30の人工心臓ポンプ36での電圧変動の様子のグラフを示す。これは人工心臓ポンプ36の拍動数が110bpmの時のものであるが、電圧は拍動と同じ周期で変動していることが確認できる。電圧変動の原因を確認するため人工心臓ポンプ36の代わりに電子負荷装置(菊水電子工業株式会社製PLZ153W)を接続し、TETS入力電圧を37V一定にして、負荷抵抗値変化時の出力電圧を測定した(図5)。図5グラフに示すように、電圧は負荷抵抗値の増加に伴い増加していることが分かる。すなわち電圧の変動は、人工心臓ポンプ36の負荷抵抗値に相当するものの変化により生じている。
本実施形態の構成において、任意の負荷抵抗値で、スイッチング回路16の出力電圧と出力電流(すなわち、1次側電圧と1次側電流)の関係が、上述した関係式および近似曲線が成り立つようスイッチング回路16の出力電圧の制御を行った。
上記第1実施形態のAC−ACエネルギー伝送部(経皮トランス部)の制御では、等価回路を用いて理論的に2次側電圧の予測に必要な1次側電圧、電流の関係を求めた。実用される埋込型人工心臓装置10のDC−DCエネルギー伝送部(ECTETSの入力から出力まで)では、このAC−ACエネルギー伝送部に加え、スイッチング回路、整流平滑回路といった過渡的な変化をする回路が含まれる。次に、本発明の第2実施形態として、DC−DCエネルギー伝送部に渡る制御を説明する。
次に、DC−DCエネルギー伝送部での出力電圧の制御の例として、図10に示す近似曲線のデータを用い、電圧制御部15に、直流電源14の電源電圧と電源電流を制御させた例を説明する。ここで、人工心臓ポンプ36の代わりとして電子負荷装置を接続し、10〜100[Ω]の範囲で負荷抵抗値を変化させた。
上述の例では、時間的に変化のない定負荷の場合を説明したが、次に、時間的に変化する負荷に対して、駆動側電圧を24[V]一定とするように電圧制御部15において、電源電圧を追従制御する例を説明する。
12 電源部
14 直流電源
15 電圧制御部
16 スイッチング回路
17 検知部(電流検知部)
18 経皮トランス(トランス)
22 1次コイル
24 2次コイル
30 人工心臓駆動部(駆動部)
32 整流平滑回路
34 切替回路
36 人工心臓ポンプ
38 2次電池
40 経皮トランス
41 トロイダル型フェライトコア
42、44 コア部材
72 GPIB通信インターフェイス
74 電子負荷装置
100 埋込型人工心臓装置
117 検知部
Claims (3)
- 体内埋込み可能な駆動部と、
前記駆動部を駆動する電力として供給側電流および供給側電圧を発生する電源部と、
前記電源部からの電力が入力する1次コイル、および、前記電源部から前記1次コイルを介して伝送された電力により前記駆動部に駆動部側電流および駆動部側電圧を供給する2次コイルを有するトランスと、を備え、
前記電源部は、
前記1次コイルに入力した前記供給側電流を検知する電流検知部と、
前記電流検知部の検知結果を含むパラメータを、前記電源部と、前記トランスと、前記駆動部と、を構成要素とする電気的な等価回路の閉路方程式に算入して、前記2次コイルから前記駆動部に供給される前記駆動部側電圧をほぼ一定の目標値とするための前記供給側電圧の目標値を演算し、当該供給側電圧の目標値に基づいて、前記電源部で発生する前記供給側電圧を制御する電圧制御部と、
を備えることを特徴とする医療装置。 - 前記電源部は、直流電力を発生する直流電源および前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し前記1次コイルに供給するスイッチング回路を備え、
前記駆動部は、前記2次コイルからの交流電力を直流電力に変換する整流平滑回路を備え、
前記供給側電圧は前記スイッチング回路の出力電圧であり、前記供給側電流は前記スイッチング回路の出力電流であり、前記駆動部側電圧は、前記2次コイルの出力電圧であることを特徴とする請求項1記載の医療装置。 - 前記電源部は、直流電力を発生する直流電源および前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し前記1次コイルに供給するスイッチング回路を備え、
前記駆動部は、前記2次コイルからの交流電力を直流電力に変換する整流平滑回路を備え、
前記供給側電圧は前記直流電源の出力電圧であり、前記供給側電流は前記直流電源の出力電流であり、前記駆動部側電圧は、前記整流平滑回路の変換出力電圧であることを特徴とする請求項1記載の医療装置。
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