JP5316944B2

JP5316944B2 - 生体組織切断・接着用装置

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Publication number: JP5316944B2
Application number: JP2009056483A
Authority: JP
Inventors: 栄雄山口
Original assignee: Kanagawa University
Current assignee: Kanagawa University
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010207385A

Description

この発明は、外科手術等の医療措置における人体細胞等の生体組織の切断・接着についてペルチェ効果を利用して行う装置の構造に関する。

外科手術等の医療措置で人体細胞等の生体組織の切断を行う場合において、発熱による止血を図ると共に処置箇所周辺の生体組織への熱影響を抑制することの双方を目的とした手術装置は、例えば特許文献１等に示されるように既に公知である。この特許文献１に示される手術装置は、処置箇所を熱して止血、組織接着をなすものでメス部と熱吸収部とからなる作用部と、この作用部へエネルギーを供給するもので光源及びこの光源からメス部に照射される光線の導路を備えた駆動部と、これら作用部及び駆動部の一部を収納する筐体とで構成されたものとなっている。

また、ペルチェ（ｐｅｌｔｉｅｒ）効果による冷却及び加熱を利用して、針部の先端部を加熱したり冷却したりするペルチェモジュールが、例えば特許文献２等に示されるように、本願の出願人等により既に公知となっている。この特許文献２に示されるペルチェモジュールは、所定の間隔を空けるかたちで対向させて配置した第１の半導体プレート及び第２の半導体プレートと、この第１の半導体プレートと第２の半導体プレートとの間に介在してこれらの第１の半導体プレートの内面のうち長手方向の一方端側及び第２の半導体プレートの内面のうち長手方向の一方端側とを接続する接合部と、第１の半導体プレートと第２の半導体プレートとについて、外面のうち長手方向の接合部とは反対側端に配置された電極とで構成され、接合部には第１の半導体プレート及び第２の半導体プレートの長手方向に沿って突出した針部が設けられたものとなっている。

特開２００８−１７９１７号公報特開２００８−１４１１６１号公報

しかしながら、特許文献１に示される手術装置では、メス部の加熱をするための機構として光源、光源の導路及び光反射防止層を必要とし、メス部の消熱をするための機構として熱吸収部を必要とするものであり、メス部の加熱用、消熱用として個別に構成を採らなければならないので、部品点数の相対的な増大、これに基づく製造コストの相対的な上昇、並びに形態の小型化の困難性を招くという不具合を有する。

これに対し、特許文献２に示されるペルチェモジュールは、ペルチェ効果として、加熱及び冷却の双方の機能を１つの機構に持たせることができるもので上記不具合を有しないところ、消費電力に対して吸熱することのできる熱量が少なく、大きな吸熱量を得るためには大容量の電源が必要となるもので、切断・接着用部位の冷却をしようとしても、図６及び図７に示されるように、１０Ａ又は２０Ａの電源での切断・接着用部位の計測温度が最低でも０℃以上に留まりさほど低くならないものである。

また、特許文献２に示されるペルチェモジュールでは、２０Ａの電源を用いた場合でも、切断・接着用部位が約３０℃から所望の温度の２００℃まで上昇するのに要する時間が図８に示されるように実験結果では５．６秒であるが、切断・接着用部位が加熱状態の温度の２００℃強から約３０℃まで下降するのに要する時間は、図９に示されるように実験結果では４．８秒と、相対的に経過時間が長いものとなっている。

そこで、本発明は、ペルチェ効果を利用して切断・接着用部位の加熱と冷却とを行うにあたり、切断・接着用部位の計測温度を冷却時に相対的に低くすることができ、切断・接着用部位が所定の温度まで下降するための時間の短縮化も図ることができる生体組織切断・接着用装置を提供することを目的とする。

この発明に係る生体組織切断・接着用装置は、対向させて配置したものでそれぞれ異なる特性を有する素材から成る第１の半導体部及び第２の半導体部と、これらの第１及び第２の半導体部のそれぞれに配置された第１及び第２の電極兼熱交換部と、前記第１の半導体部と前記第２の半導体部との間に介在されて前記第１の半導体部と前記第２の半導体部とを接合するもので熱伝導性を有する接合部と、前記第１の電極兼熱交換部と前記第２の電極兼熱交換部とにそれぞれ配置された第１及び第２の電極とから少なくとも構成され、前記接合部には前記第１の半導体部及び前記第２の半導体部の端よりも外部に突出した切断・接着用部位が形成されていると共に、前記第１の半導体部及び前記第２の半導体部に直流電流を供給する電流源を有する電気回路と、液状の熱交換媒体が循環して流れる熱交換媒体循環路と、この熱交換媒体循環路上に配置されて液状の熱交換媒体の送出を行うポンプと、前記熱交換媒体循環路上に配置されて液状の熱交換媒体を一時的に貯める貯液槽とを有し、前記熱交換媒体循環路は、前記第１の電極兼熱交換部及び前記第２の電極兼熱交換部の内部を通過する経路が採られていることを特徴としている（請求項１）。ここで、第１及び第２の半導体部は、温熱を発生させる温熱源及び／又は冷熱を発生させる冷熱源として機能するものである。第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部は、熱交換媒体との熱交換により放熱することでこの第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部と接する第１及び第２の半導体部、ひいては接合部を冷却することが可能であるのみならず、熱交換媒体との熱交換により吸熱することでこの第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部と接する第１及び第２の半導体部、ひいては接合部を加熱することも可能である。液状の熱交換媒体は、第１及び第２の半導体部、ひいては切断・接着用部位の冷却用及び／又は加熱用として用いられるもので、液状の熱交換媒体の種類としては例えば水等が挙げられる。また、切断・接着用部位は、先端が鋭利なメスやナイフ等の刃体状をなしていても、細い棒体とその先端が錐状に尖った部分とからなる針状をなしていても良い。電流源は、実験では１０Ａと２０Ａとのものを用いたがこれらのアンペア数のものに限定されない。

これにより、生体組織切断・接着用装置を構成する第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部内を液状の熱交換媒体が通過するので、切断・接着用部位の冷却を図る場合には、相対的に温度の低い熱交換媒体について熱交換媒体循環路内を循環させることにより、ペルチェ効果による冷却以外に熱交換媒体との熱交換でも第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部が冷却されるので冷却能力を向上させることができる。反対に、切断・接着用部位の加熱を図る場合には、相対的に温度の高い熱交換媒体について熱交換媒体循環路内を循環させることにより、ペルチェ効果による加熱以外に熱交換媒体との熱交換でも第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部が加熱されるので加熱能力を向上させることもできる。

そして、この発明に係る生体組織切断・接着用装置では、前記電気回路は、前記電流源から前記電極に流れる電流の向きを正逆自由に切り換えることができる電流切換え手段を有することを特徴としている（請求項２）。電流切換え手段は、スイッチ等のハードウエア的なものであっても、ソフトウエア的なものであっても良い。

これにより、例えば第１の半導体部をＮ型半導体とし、第２の半導体をＰ型半導体とし、電気回路の電流の向きを第１の半導体部から第２の半導体部に流れるようにした場合には、接合部の一部をなす切断・接着用部位に対しペルチェ効果による吸熱作用で対象物を冷却することができ、電流切換え手段で電気回路の電流の向きを第２の半導体部から第１の半導体部に流れるように逆にした場合には、接合部の一部をなす切断・接着用部位に対しペルチェ効果による発熱作用で対象物を加熱することができる。

以上のように、この発明によれば、第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部内を液状の熱交換媒体が通過する熱交換媒体循環路を有するので、切断・接着用部位の冷却を図る場合には、相対的に温度の低い熱交換媒体について熱交換媒体循環路内を循環させることにより、熱交換媒体との熱交換で第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部が冷却されてその冷却能力がペルチェ効果による冷却のみよりも相対的に向上するため、第１の半導体部及び第２の半導体部ひいては接合部の冷却をより一層図ることができるので、更に切断・接着用部位が冷却されることから、相対的に短時間で且つ相対的に低い温度まで、切断・接着用部位を冷却することができる。また、切断・接着用部位の加熱を図る場合には、相対的に温度の高い熱交換媒体について熱交換媒体循環路内を循環させることにより、熱交換媒体との熱交換で第１の電極兼熱交換部及び第２の電極兼熱交換部が加熱されてその加熱能力がペルチェ効果による加熱のみよりも相対的に向上するため、第１の半導体部及び第２の半導体部ひいては接合部の加熱をより一層図ることができるので、更に切断・接着用部位が加熱されることから、相対的に短時間で且つ相対的に高い温度まで切断・接着用部位を加熱することもできる。もっとも、相対的に温度の低い熱交換媒体について熱交換媒体循環路内を循環させたままの場合でも、ペルチェ効果を利用して切断・接着用部位を所定の温度まで加熱することは可能である。

また、この発明によれば、例えば第１の半導体部をＮ型半導体とし、第２の半導体をＰ型半導体として、電気回路の電流の向きを第１の半導体部から第２の半導体部に流れるようにした場合には、接合部の一部をなす切断・接着用部位に対しペルチェ効果による吸熱作用で対象物を冷却することができ、電流切換え手段で電気回路の電流の向きを第２の半導体部から第１の半導体部に流れるように逆にした場合には、接合部の一部をなす切断・接着用部位に対しペルチェ効果による放熱作用で対象物を加熱することができるので、この発明に係る生体組織切断・接着用装置について、止血しつつ生体組織を切断する目的にも、周囲の細胞を生かしたまま生体組織を切断する目的にも用いることができ、汎用性を持たせることが可能となる。

図１は、この発明に係る生体組織切断・接着用装置の一例を示した概略図であり、図１（ａ）は、同上の生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位、電気回路、熱交換媒体の循環路を説明するための図面、図１（ｂ）は、同上の生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位の変形例を示すための図面である。図２は、同上の生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を１０Ａとした場合の切断・接着用部位における温度変化を示す特性線図である。図３は、同上の生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部における温度変化を示す特性線図である。図４は、同上の生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部位が所定温度まで上昇するのに要する時間を示す特性線図である。図５は、同上の生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部位が所定温度まで下降するのに要する時間を示す特性線図である。図６は、従来の熱交換媒体循環路を有しない生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を１０Ａとした場合の切断・接着用部位における温度変化を示す特性線図である。図７は、従来の熱交換媒体循環路を有しない生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部位における温度変化を示す特性線図である。図８は、従来の熱交換媒体循環路を有しない生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部位が所定温度まで上昇するのに要する時間を示す特性線図である。図９は、従来の熱交換媒体循環路を有しない生体組織切断・接着用装置について電流源のアンペア数を２０Ａとした場合の切断・接着用部位が所定温度まで下降するのに要する時間を示す特性線図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１において、この発明に係る生体組織切断・接着用装置の一例が示されており、かかる生体組織切断・接着用装置は、半導体部２及び半導体部３と、接合部４と、電極兼熱交換部５、６と、半導体部２と接合部４との間に介在した導電性ペースト部７ａ、半導体部３と接合部４との間に介在した導電性ペースト部７ｂ、半導体部２と電極兼熱交換部５との間に介在した導電性ペースト部７ｃ、及び半導体部２と電極兼熱交換部６との間に介在した導電性ペースト部７ｄ、電極兼熱交換部５、６に各々配置された電極８、９により基本的に構成される生体組織切断・接着用装置本体１と、電気回路１０と、熱交換媒体循環路１１とを備えたものである。

このうち、生体組織切断・接着用装置本体１を構成する半導体部２、半導体部３は、相互に異なる特性を有する金属（導体）又は半導体で形成されている。半導体部２は例えばＮ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３が用いられ、半導体部３は例えばＰ型Ｂｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３が用いられている。

また、生体組織切断・接着用装置本体１を構成する電極兼熱交換部５、６は、電極として機能すると共に半導体部２、３からの熱を放す放熱手段、熱を吸収して半導体部２、３に伝達する吸熱手段として機能するもので、この実施形態では、厚みが相対的に薄い長尺の直方体形状（プレート形状）をなしている。これに伴い、電極兼熱交換部５、６は、それぞれ相対的に幅の広い略長方形状の面５ａ、５ｂ又は面６ａ、６ｂを有している。更に、電極兼熱交換部５、６は、この実施形態では面５ａと面６ａとが対向し且つこの面５ａと面６ａとの間に上記半導体部２、３及び後述する接合部４、導電性ペースト部７ａ乃至７ｄが介在可能な寸法での間隔を開けるようにしつつ配置されたものとなっている。

そして、電極兼熱交換部５、６の面５ａ、６ａ間のうち当該面５ａ、６ａの長手方向の一方側端近傍部位には、後述する接合部８が介在され、面５ｂ、６ｂのうち当該面５ｂ、６ｂの接合部４とは反対側の長手方向の端近傍部位には、後述する電極８、９がそれぞれ配置されている。

更に、上記生体組織切断・接着用装置本体１を構成する接合部４は、熱伝導性に優れていると共に硬質な素材で形成されているもので、その先端が図１（ａ）に示されるように、半導体部２、３及び電極兼熱交換部５、６の長手方向に沿った方向の端部より外部に突出し、その突出した先端部部位は手術用メスやナイフ等の先端が鋭利な刃状体の形状をなした切断・接着用部位１５となっている。もっとも、この切断・接着用部位１５の形状は、この図１（ａ）に示される形状に限定されず、例えば図１（ｂ）に示されるように、細い棒体とその先端が錐状に尖った部分とからなる針状をなしていても良い。

更にまた、接合部４と半導体部２との間には導電性ペースト部７ａが層状に介在し、接合部４と半導体部３との間には導電性ペースト部７ｂが層状に介在していると共に、半導体部２と電極兼熱交換部５との間には導電性ペースト部７ｃが層状に介在し、半導体部３と電極兼熱交換部６との間には導電性ペースト部７ｄが層状に介在したものとなっている。

そして、上記生体組織切断・接着用装置本体１を構成する電極８、９は、電極兼熱交換部５の面５ｂと電極兼熱交換部６の面６ｂとにおいて、その長手方向のうち接合部４とは反対側端の近傍部位に配置されている。これらの電極８、９は金属製のもので、例えばＣｕ電極等が用いられると共に、直流電流を供給する電流源１８と配線１９等を通じてそれぞれ電気回路１０と電気的に接続されている。この電流源１８には、蓄電池、発電機、一般商用電源等が用いられるが、直流電流を供給することができればその種類は問わない。

また、この実施形態では、電流源１８から供給される電流の向きを正逆自由に切り換えるための変換器２０が電気回路１０上に配置されている。変換器２０は、この実施形態では、電流源１８を有する配線部２１、電流源１８をバイパスする配線部２２、２３及び、この配線部２１と配線部２２又は配線部２１と配線部２３との切り換えを行うスイッチ２４、２５で構成されたものとなっているが、一例を示したものにすぎず、この構成に限定されないものである。

このような構成とすることにより、この発明に係る生体組織切断・接着用装置でも、半導体部２をＮ型半導体、半導体部３をＰ型半導体とし、例えば変換器２０で電流源１８から電極８側に向けて直流電流が流れるように設定した場合には、半導体部２から接合部４、接合部４から半導体部３へと直流電流が流れるため、ペルチェ効果による吸熱作用により接合部４の一部を構成する切断・接着用部位１５の温度が低下するので、生体組織切断・接着用装置を周囲の細胞を生かしたまま生体組織を切断する目的で用いることができる。また、例えば変換器２０で電流源１８から電極５側に向けて直流電流が流れるように設定した場合には、半導体部３から接合部４、接合部４から半導体部２へと直流電流が流れるため、ペルチェ効果による発熱作用により接合部４の一部を構成する切断・接着用部位１５の温度が上昇するので、生体組織切断・接着用装置を止血しつつ生体組織を切断する目的で用いることができる。

ところで、熱交換媒体循環路１１は、水等の液状の熱交換媒体を一時的に貯めることができる貯液槽２７と、この貯液槽２７から熱交換媒体を汲み上げるポンプ２８と、貯液槽２７からポンプ２８、ポンプ２８から貯液槽２７へと熱交換媒体を循環させるべく貯液槽２７とポンプ２８とを適宜配管接合する配管２９とを有して構成されている。

この配管２９は、電極兼熱交換部５内をその長手方向に沿って電極８側から切断・接着用部位１５側に向けて延びるかたちで貫通した後、電極兼熱交換部６内をその長手方向に沿って切断・接着用部位１５側から電極９側に向けて逆方向に延びるかたちで貫通した部位を有しているもので、少なくとも電極兼熱交換部５内及び半電極兼熱交換部６内では熱伝導性に優れた素材で形成されている。もっとも、電極兼熱交換部５内及び電極兼熱交換部６内に配管２９を通す代わりに電極兼熱交換部５及び電極兼熱交換部６に貫通孔を設け、これらの貫通孔と配管２９とを接続させたものとしても良い。

この発明に係る生体組織切断・接着用装置は、熱交換媒体循環路１１を有することにより、相対的に温度の低い水等の液状の熱交換媒体を流した場合には、熱交換媒体との熱交換により電極兼熱交換部５、６が冷却されて半導体部２、３からの放熱能力が相対的に向上するので、半導体部２、３が吸熱・冷却されて、これに伴い切断・接着用部位１５も更に冷却され、相対的に温度の高い水等の液状の熱交換媒体を流した場合には、熱交換媒体との熱交換により電極兼熱交換部５、６が加熱されて半導体部２、３への加熱能力が相対的に向上するので、半導体部２、３が加熱されて、これに伴い切断・接着用部位１５も更に加熱されることとなる。

このことは、図２から図５に示される本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の実験結果と図６から図９に示される特許文献２に係る生体組織切断・接着用装置の実験結果からも導くことができる。

すなわち、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置において、約０℃から１０℃までの範囲の温度の水が熱交換媒体循環路１１内を循環して流れる条件と電流源１８のアンペア数を１０Ａとした条件との下、切断・接着用部位１５の温度変化を計測した場合には、図２に示されるように、切断・接着用部位１５は、最低温度で約−１０℃まで下降し、最高温度で７０℃まで上昇するとの結果を得ることができた。

また、約０℃から１０℃までの範囲の温度の水が熱交換媒体循環路１１内を循環して流れる条件と電流源１８のアンペア数を２０Ａとした条件との下、切断・接着用部位１５の温度変化を計測した場合には、図３に示されるように、切断・接着用部位１５は、最低温度で約−２５℃まで下降し、最高温度で１７５℃まで上昇するとの結果を得ることができた。

これにより、電流源１８のアンペア数を１０Ａとした共通条件で、熱交換媒体循環路１１を有する本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位１５の図２に示す温度変化と、熱交換媒体循環路１１を有しない従来例に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位１５の図６に示す温度変化とを対比すると、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の方が切断・接着用部位１５の最低温度が著しく低くなっている。

また、電流源１８のアンペア数を２０Ａとした共通条件で、熱交換媒体循環路１１を有する本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位１５の図３に示す温度変化と、熱交換媒体循環路１１を有しない従来例に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位１５の図７に示す温度変化とを対比した場合でも、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の方が切断・接着用部位１５の最低温度が著しく低くなっている

しかるに、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置は、従来例に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位が冷却時にあっては切断・接着用部位があまり低くならなかったという課題を解決していると認定することができる。

しかも、この発明に係る生体組織切断・接着用装置は、熱交換媒体循環路１１を有することにより、約０℃から１０℃までの範囲の温度の水が熱交換媒体循環路１１内を循環して流れる条件と電流源１８のアンペア数を２０Ａとした条件との下、図３で示される最低温度の約−２５℃から最高温度の約１７５℃まで切断・接着用部位１５の温度が上昇する時間を計測したところ、図４に示されるように、６．９秒との結果を得ることができた。

また、約０℃から１０℃までの範囲の温度の水が熱交換媒体循環路１１内を循環して流れる条件と電流源１８のアンペア数を２０Ａとした条件との下、今度は反対に、図３で示される最高温度の約１７５℃から最低温度の約−２５℃まで切断・接着用部位１５の温度が下降する時間を計測したところ、図５に示されるように、３．０秒との結果を得ることができた。

これにより、電流源１８のアンペア数を２０Ａとした共通条件で、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位１５と従来例に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位とについて、各々の最低温度から最高温度まで上昇するための時間は、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の方が長いものの、各々の最高温度から最低温度まで下降するための時間は、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置の方が短くなっている。

しかるに、本願発明に係る生体組織切断・接着用装置は、従来例に係る生体組織切断・接着用装置の切断・接着用部位が冷却時にあっては切断・接着用部位の所望の温度まで低下する時間が相対的に長いという課題を解決していると認定することができる。

１生体組織切断・接着用装置本体
２半導体部（第１の半導体部）
３半導体部（第２の半導体部）
４接合部
５電極兼熱交換部
６電極兼熱交換部
８電極（第１の電極）
９電極（第２の電極）
１０電気回路
１１熱交換媒体循環路
１５切断・接着用部位
１８電流源
１９配線
２０変換器（電流切換え手段）
２１配線部
２２配線部
２３配線部
２４スイッチ
２５スイッチ
２７貯液槽
２８ポンプ
２９配管

Claims

対向させて配置したものでそれぞれ異なる特性を有する素材から成る第１の半導体部及び第２の半導体部と、これらの第１及び第２の半導体部のそれぞれに配置された第１及び第２の電極兼熱交換部と、前記第１の半導体部と前記第２の半導体部との間に介在されて前記第１の半導体部と前記第２の半導体部とを接合するもので熱伝導性を有する接合部と、前記第１の電極兼熱交換部と前記第２の電極兼熱交換部とにそれぞれ配置された第１及び第２の電極とから少なくとも構成され、前記接合部には前記第１の半導体部及び前記第２の半導体部の端よりも外部に突出した切断・接着用部位が形成されていると共に、
前記第１の半導体部及び前記第２の半導体部に直流電流を供給する電流源を有する電気回路と、液状の熱交換媒体が循環して流れる熱交換媒体循環路と、この熱交換媒体循環路上に配置されて液状の熱交換媒体の送出を行うポンプと、前記熱交換媒体循環路上に配置されて液状の熱交換媒体を一時的に貯める貯液槽とを有し、
前記熱交換媒体循環路は、前記第１の電極兼熱交換部及び前記第２の電極兼熱交換部の内部を通過する経路が採られていることを特徴とする生体組織切断・接着用装置。
前記電気回路は、前記電流源から前記電極に流れる電流の向きを正逆自由に切り換えることができる電流切換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載の生体組織切断・接着用装置。