JP4744817B2

JP4744817B2 - 経皮的電気エネルギー伝送システム

Info

Publication number: JP4744817B2
Application number: JP2004175013A
Authority: JP
Inventors: 英治岡本; 芳郎山本
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: JP2005349061A

Description

本願発明は、組織を通して給電するための電力伝送システムに関し、詳しくは生体組織を介して対向配設される一対のコイル間に電磁誘導作用を惹起させ非接触で電力を伝送する経皮的電気エネルギー伝送システムに関するものである。

モーター等の電磁形アクチュエーターによって駆動される完全埋め込み形式人工心臓に電気エネルギーを供給するには、腹部または胸部皮膚を貫通させて引き出した導線を通じて有線方式で送電する方法と、腹部または胸部の皮膚表面と皮下に設置した一対のコイル間の電磁誘導作用を利用して経皮的に伝送する方法とがある。前者は、導線貫通部における感染症発生の危険があること、導線によって患者の自由が拘束される等の問題があるために、今日では体内と体外とを皮膚によって完全に遮断した状態でエネルギー供給を可能にする後者、すなわち経皮的電気エネルギー伝送システムが有力である。

経皮的電気エネルギー伝送システムは、体外に取り付けた1次コイルと体内に埋め込んだ２次コイルとの間の電磁誘導作用により、経皮的に体外から体内へ電気エネルギーを伝送するようになっていて、直流電源、交直変換のためのスイッチング回路、変換された交流電流を非接触で体内側に伝送するため１次コイルと２次コイルからなるトランス、整流回路、蓄電器等を具えていて、これらのうち直流電源、スイッチング回路、１次コイルは体外側にあり、２次コイル、整流回路、蓄電器等は体内に埋め込まれている。
従来の経皮的電気エネルギー伝送システムに関連する文献としては以下のものがある。

特開平８−７８２５７特開平８−２３８３２６特開平２００３−１４５３９特表２０００−５０５６８１電磁駆動型人工心臓（電気学会「電磁駆動型人工心臓システム調査専門委員会編」コロナ社刊）

体外側の１次コイルおよび体内側の２次コイルとからなるトランスは、従来の経皮的電気エネルギー伝送システムにおいて双方のコイルともに空芯コイルを用いる方式、双方のコイルはともにフェライト等のコアに線材を巻回したコイルを用いる方式のいずれかである。
１次コイルと２次コイルの双方に空芯コイルを用いる方式では、２次コイルを皮下に埋め込んだ際に生じる皮膚の盛り上がりに１次コイルを被せるように装着することにより、両コイルの磁気結合上の適正な位置関係を得られうえその位置関係の保持も容易である。
しかしながら、両コイルともに空芯コイルを用いるため、両コイル間の磁気結合度が低くエネルギー伝送効率に劣るという問題があり、エネルギー伝送効率の改善すなわち磁気結合度の向上を図るにはコイルを大型化する必要があり、大型化は特に体内に埋め込む２次コイルにおいて制約がある。

一方、１次コイルおよび２次コイルの双方に磁性材コアに線材を巻回して構成されるコイルを用いる方式では、同一大きさで比較した場合、前記方式より高い磁気結合度が得られ、この結果エネルギー伝送効率が向上する。また、伝送効率を同一とする場合、前記空芯コイル方式よりコイルの小型化を実現できる。
しかしながら、この方式では体外側の１次コイルを体内側の２次コイルに対する適正位置へ位置決めすることが難しく、さらに設定し得た場合も体外に装着する１次コイルはヒトの動きによる位置ずれを起こし易く、位置ずれによるエネルギー伝送効率の低下が避けがたい。
また、呼吸等の動きによるコイル間距離の変動に対し相互インダクタンスの変化が空芯型コイルと比較し著しく、このため共振周波数が常に変化することとなり、伝送効率の一定化には伝送周波数の自動同調回路を必要とする。

本願発明は、患者の体内に埋設された医療装置に電気エネルギーを経皮的に伝送するためのシステムであって、経皮的電気エネルギー伝送システムであって、皮膚を介して対向する送電コイルと受電コイルをそれぞれ有する体外回路と体内回路と具え、前記体外回路は直流電源、直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路、制御回路を具え、体内回路は前記送電コイルとの電磁結合により受電コイルに誘起された交流電流を直流電流に変換する整流回路、充電器、二次電池、人工心臓とを具えるとともに、体表面に装着される前記送電コイルは底部が係合部として開口する断面円錐台形状の筐体の内壁面に線材を巻回するとともに筐体の下端に連続してスカート部を有してなる薄型の空芯コイルからなる一方、体内に埋め込まれる受電コイルはコア型コイルを使用してなり、フェライトで形成されるコアは円形基盤とこの中央に一体に突設される線材巻回部としての筒体とから構成し、前記受電コイルの体内埋め込みにより皮膚が盛り上がり体表面に現出する断面山形状の凸状部に前記送電コイルをその有する係合部を凸状部に被せて装着して両コイルの磁心をほぼ同一軸線上に位置させて送電および受電両コイルの巻線部を皮膚組織を間にして至近距離で正対させることにより、両コイル間の良好な磁気結合度を良好に維持して高い電気エネルギー伝送効率を獲得するとともに、さらに、人工心臓による血液流量や血圧等の変動に対応して人工心臓のアクチュエーターの駆動電圧を所定値に維持するために、前記駆動電圧を検知して体外回路の制御回路へ随時フィードバックするための経皮的信号通信手段を具え、この経皮的信号通信手段は皮膚を介して体内側の皮下に埋め込まれた赤外線ＬＥＤと皮膚外に皮膚を介して前記赤外線ＬＥＤに対向して設置される受光素子とにより構成して人工心臓の動作を継続して安全かつ適性に維持できるようにした経皮的電気エネルギー伝送システムを提供して上記従来の課題を解決しようとするものである。

本願発明は、経皮的電気エネルギー伝送システムにおいて、体外側の送電コイルを空芯コイルで構成し、この空芯型送電コイル筐体の底面凹陥部を、磁性材コアを有するコイルである受電コイルによる皮膚面の盛り上がり部分に係合させる構成とすることにより、送電コイルの受電コイルに対する適正な位置決めを容易にでき、しかも体外皮膚面の送電コイルは前記のような係合方式により位置ずれが生じ難く装着する患者の動きを制約することが少ない。また、受電コイルに磁性材によるコアに線材を巻回してなるコイルを採用したので送電コイルとしての空芯コイルを小型化しても、送電コイルと受電コイル間の磁気結合度を良好に維持することができ電気エネルギー伝送効率の向上が実現できる。

経皮的電気エネルギー伝送システム要部であるトランスは皮膚を介して対向する送電コイルと受電コイルからなり、体表面に装着される送電コイルは底部が係合部として開口する断面円錐台形状の筐体の内壁面に線材を巻回してなる薄型の空芯コイルを使用し、一方、体内に埋め込む受電コイルはコア型コイルを使用し、フェライトで形成されるこのコアは円形基盤とこの中央に一体に突設する線材巻回部としての筒体とから構成される。
受電コイルの体内埋め込みにより皮膚が盛り上がり体表面には所定形状の凸状部が現出するが、この凸状部に送電コイルをその係合部を介して装着する。この装着により両コイルの磁心はほぼ同一軸線上に位置し、また両コイルの巻線部も皮膚組織の間隔で正対し両コイル間の良好な磁気結合度が得られる。

以下、本願発明の実施例を説明する。図1は経皮的電気エネルギー伝送システムに係る１実施例の概略構成を示すブロック図である。
図において、Ａは体外回路であり、直流電源１、制御回路２、スイッチング回路３および送電コイル４等を具えている。2次電池による直流電源１から出力される直流電流は制御回路２の制御のもとにスイッチング回路３によって交流に変換された後、この交流電力は送電コイル４および皮膚組織Ｈを間にして対向する受電コイル５とで構成されるトランスの電磁誘導作用により体内側回路Ｂに送り込まれる。
そして、体内回路Ｂは、受電コイル５、整流回路６、充電器７、2次電池８、人工心臓９等からなっている。体内側では、伝送された交流電力は整流回路６により直流電力に変換され、人工心臓９のアクチュエーターや充電器７を介して2次電池８へ供給される。
なお、人工心臓９による血液流量や血圧等の変動に対応して前記アクチュエーターの駆動電圧を所定値に維持するために、駆動電圧を検知して体外回路Ａの制御回路２へ随時フィードバックするようになっているが、このような信号通信は皮膚Ｈを介して体内側の皮下に埋め込まれた赤外線ＬＥＤとこれに対向して皮膚外に設置される受光素子を用いて経皮的になされるが、これらは図示していない。

図2は、前記トランスを構成する送電コイル４と受電コイル５の１実施例を示す斜視図である。図において、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ送電コイル４と受電コイル５とを表している。送電コイル４は、上面と下面が開口する断面ほぼ台形状をなす環状の筐体４ａとこの筐体４ａの内壁に線材を巻回して形成される空芯コイル４ｂとを具えていて、筐体４ａの下端にはスカート部４ｃが設けられている。このスカート４ｃの開口面が送電コイルの係合部を構成している。スカート部４ｃは受電コイル５に対する体表面における位置決め、位置保持に寄与するが、これを設けない場合は前記筐体４ａの下端開口部が係合部を構成することになる。なお、空芯コイル４ｂは筐体４ａを具えない場合もある。
また、受電コイル５は、線材を巻回するコアを有するコイルで構成され、高透磁率材としてのフェライトによるこのコアは円形の基盤５ａとその中央に一体に形成される線材巻回部としての円筒５ｂを具えて、円筒５ｂには線材の巻回による巻き線部５ｃが形成されている。

図3は、前記送電コイル４と受電コイル５との装着状態を示す一部切欠断面図である。
体内側には、受電コイル５が埋め込まれていて、円筒５ｂ、巻き線部５ｃ等により皮膚Ｈの外側が盛り上がり円形状の凸部１０が形成される。そしてこの凸部１０を手掛かりに体外側において送電コイル４を体表面に装着することになる。この装着は、送電コイル４の係合部すなわちスカート部４ｃの中心と前記凸部１０の中心とをほぼ一致させるように位置決めすることにより行う。このような位置決めにより、空芯コイル４ｂと受電コイル５の巻き線部５ｃが皮膚Ｈを間に至近の間隔で互いに適正に対向することになり、送電コイル４と受電コイル５との間で所定の電磁誘導作用が誘起可能になり高効率の経皮的電気エネルギー伝送が実現される。そして、送電コイル４の係合部は受電コイル５による体表面の凸部１０に嵌合する状態になるから、患者の動きにより両コイルの位置関係がずれる惧れはほとんどなく両コイルの位置関係を望ましい磁気結合が得られる状態に容易に保持することができる。なお、図において４ｄは送電コイル４のリード線、５ｄは受電コイル５のリード線である。

次に、上述の実施例における電気エネルギー伝送効率に関して行った実験結果を従来技術との比較において説明する。図4は、前記実験の略構成であり、前述の実施例に係る経皮的電気エネルギー伝送システムの体外回路と体内回路とが皮膚を想定したキムタオル（厚さ５ｍｍ〜８ｍｍ）Ｔを境に対向設定されている。すなわち、図において、Ａは模擬体外回路であり、直流電源装置１、スイッチング回路３および送電コイルとしての空芯型コイル４で構成されている。また、Ｂは模擬体内回路であり、タオルＴを間にして前記空芯型コイル４に対向する位置にある受電コイル５、整流回路６および人工心臓の電力負荷を模擬する電子負荷装置１０とにより構成されている。なお、空芯型コイル４、受電コイル５はそれぞれ前述の図２に関連して説明したものを使用している。

電気エネルギー伝送効率の測定は、電子負荷装置１０により負荷を変化させ、その時の体外回路の直流電源装置１の出力電圧と電流、および体内回路の整流回路から出力される直流電圧と直流電流を測定してエネルギー伝送効率を算出した。
さらに、上記実験構成により、比較例として従来技術すなわち、図4において受電コイル５に替えて空芯型コイル４を使用した経皮的電気エネルギー伝送システムのエネルギー伝送効率をも算出した。

図５は、前記実験において算出した体外回路と体内回路との間におけるエネルギー伝送効率を示すグラフである。このグラフにおいて、（１）は本願発明に係る経皮的電気エネルギー伝送システムによる伝送効率を、また（２）は従来例に係る伝送効率を示している。両者を比較すると、本願発明に係る経皮的電気エネルギー伝送システムによる伝送効率（１）は、いずれの場合も従来例に係る伝送効率（２）を上回り特に実用的な電力範囲で従来例をはるかに凌駕していることが判る。

本願発明の１実施例に係る経皮的電気エネルギー伝送システムの概略構成を示すブロック図である。上図において、トランスを構成する送電コイル４と受電コイル５の１実施例を示す斜視図である。図2に示した送電コイル４と受電コイル５との装着状態を示す一部切欠断面図である。伝送効率の実験装置の構成を示す説明図である。体外回路と体内回路との間におけるエネルギー伝送効率を示すグラフで（１）は本願発明の１実施例、（２）は従来例の伝送効率を示している。

Ａ．．．．．．．．．．体外回路
Ｂ．．．．．．．．．．体内回路
Ｈ．．．．．．．．．．皮膚
１．．．．．．．．．．直流電源
２．．．．．．．．．．制御回路
３．．．．．．．．．．スイッチング回路

Claims

経皮的電気エネルギー伝送システムであって、皮膚を介して対向する送電コイルと受電コイルをそれぞれ有する体外回路と体内回路と具え、前記体外回路は直流電源、直流電流を交流電流に変換するスイッチング回路、制御回路を具え、体内回路は前記送電コイルとの電磁結合により受電コイルに誘起された交流電流を直流電流に変換する整流回路、充電器、二次電池、人工心臓とを具え、体表面に装着される前記送電コイルは底部が係合部として開口する断面円錐台形状の筐体の内壁面に線材を巻回するとともに筐体の下端に連続してスカート部を有してなる薄型の空芯コイルからなる一方、体内に埋め込まれる受電コイルはコア型コイルを使用してなり、フェライトで形成されるコアは円形基盤とこの中央に一体に突設される線材巻回部としての筒体とから構成し、前記受電コイルの体内埋め込みにより皮膚が盛り上がり体表面に現出する断面山形状の凸状部に前記送電コイルをその有する係合部を凸状部に被せて装着して両コイルの磁心をほぼ同一軸線上に位置させて送電および受電両コイルの巻線部を皮膚組織を間にして至近距離で正対させることにより、両コイル間の良好な磁気結合度を良好に維持して高い電気エネルギー伝送効率を獲得するとともに、さらに、人工心臓による血液流量や血圧等の変動に対応して人工心臓のアクチュエーターの駆動電圧を所定値に維持するために、前記駆動電圧を検知して体外回路の制御回路へ随時フィードバックするための経皮的信号通信手段を具え、この経皮的信号通信手段は皮膚を介して体内側の皮下に埋め込まれた赤外線ＬＥＤと皮膚外に皮膚を介して前記赤外線ＬＥＤに対向して設置される受光素子とにより構成して人工心臓の動作を継続して安全かつ適性に維持できるようにしたことを特徴とする経皮的電気エネルギー伝送システム。