JPH09502377A - 筋肉エネルギー変換器 - Google Patents

筋肉エネルギー変換器

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JPH09502377A
JPH09502377A JP7527122A JP52712295A JPH09502377A JP H09502377 A JPH09502377 A JP H09502377A JP 7527122 A JP7527122 A JP 7527122A JP 52712295 A JP52712295 A JP 52712295A JP H09502377 A JPH09502377 A JP H09502377A
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piston
muscle
cylinder
magnet
magnet part
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JP7527122A
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アール． トランブル，デニス
エイ． マゴバーン，ジェームズ
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アレゲーニー・シンガー リサーチ インスティチュート
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Abstract

(57)【要約】 筋肉エネルギー変換器であって、ピストン(12)はアタッチメントヘッド(14)により筋肉に繋がれ、シリンダー(16)はマグネット(22)(24)とローリングダイヤフラム(28)(30)により、軸方向に摺動可能に維持されることにより、可変容積のチャンバーを作り、筋肉が縮むとき、血液を供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 筋肉エネルギー変換器関連出願の記載 この出願には、同時に出願された米国特許出願(発明の名称「オクルーダ装置 及び製造方法」；出願人ジョン ジェイ．パセラ及びリチャード イー．クラー ク；代理人整理番号ＡＨＳ−３)と、同時に出願された米国特許出願(発明の名称 「血液ポンプ装置及び製造方法」；出願人ジョン ジェイ．パセラ、アンドリュ ー エイチ．ゴールドスタイン、デニス アール・トランブル、リチャード イ ー．クラーク及びフレッド ダブリュ．モエラー；代理人整理番号ＡＨＳ−４) を記載加入するものとする。発明の分野 本発明は医療装置に関する。より具体的には、筋力を他の形態の身体の仕事に 変換する装置に関する。発明の背景 心臓を補助するためのエネルギー源として、体内の骨格筋を利用するという考 え方は新規なものではない。訓練を受けていない骨格筋が、短時間(分乃至時間 のオーダ)であれば、循環支持体(circulatory support)を提供できることは、多 くの研究者達により示されている。し かしながら、初期の研究によれば、筋肉が早期に疲労する問題があり、長期間に 亘る生体力学的補助のためのエネルギー源として骨格筋を使用することに悲観的 であった。このため、研究者達は電気的刺激を長期に亘って与えることにより、 骨格筋を条件付けする(conditioning)可能性を探索するようになった。 長期に亘って筋肉刺激を与える場合、その最終的目標は、筋肉を疲労し難い状 態に変えることである。それは血液を連続的に送り出すことのできる酸化性筋肉 であり、心筋層のようなことを実行することである。心臓筋及び骨格筋は両方と も、化学的エネルギーを機械的仕事に変換する収縮性蛋白質を含んでいるが、骨 格筋は、生理学的及び変態特性が異なる数種類の筋肉細胞を有している。これら の収縮性繊維は、糖分解性（疲労し易い）であるか、酸化性（疲労し難い）のど ちらかである。攣縮の遅い(slow-twitch)筋肉は、一般的に酸化性であるが、よ りパワフルな攣縮の速い(fast-twitch)筋肉は、糖分解性又は酸化性のどちらか である。長期に亘る循環補助を行なうために骨格筋を利用する場合、その条件付 けを行なうために、これらの繊維を変換して糖分解性から酸化性に代謝する必要 がある。 攣縮の速い筋肉繊維を、攣縮が遅く疲労し難い繊維に変換できることは、１９ ７０年代中頃、サーモンス(Salmons)とスレータ(Sreter)により示された［Salmo ns，S.， and Sreter，F．Significance of impulse activity in the transformation of skeletal muscle type． Nature，vol．263，30-34，1976］。それ以降、骨格 筋の条件付けに対する関心が増し、現在の研究の主要テーマとなっている［Sret er，F.，Pinter，K.，Jolesz，F.，and Mabuchi，K.，Fast to slow transforma tion of fast muscles in response to long-term phasic stimulation．Experi mental Neurology，vol．75，95-102，1982；Macoviak，J.，Stephenson，L.，A rmenti，F.，Kelly，A.，Alavi，A.，Mackler，T.，Cox，J.，Palatianos，G.， and Edmunds，L.，Electrical conditioning of in situ skeletal muscle for replacement of myocardium．J．Surgical Research，vol．32，429-439，1982 ］。最近になって、フレイ(Frey)とデュワー(Dewar)は、短いパルス列、即ちパ ルスの「バースト(burst)」が、収縮を持続させるのに有効であり、骨格筋は疲 労抵抗性の繊維に完全に変換することを示した［Frey，M.，Thoma，H.，Gruber ，H.，Stohr，H.，Huber，L.，Havel，M.，and Steiner，E． The chronically stimulated muscle as an energy source for artificial organs．Eur．Surgic al Research，vol．16，232-237，1984；Dewar，M.，and Ciu，R．Cardiomyopla sty and the pulse-train stimulator．Biomechanical Cardiac Assist，Futura Publ．Co.，43-58，1986］。 この知識を得てからは、条件付けされた収縮組織の置換を利用するように工夫 された新技術が数多く開発された。適用例として、心筋形成術(cardiomyoplasty )、拡張期の逆脈動(counterpulsation)、心臓補助装置を駆動するためのエネル ギー源としての筋肉の使用を挙げることができる。これまで、この新しい動力源 を得るために、心臓、大動脈又は人工管の周りに筋肉弁(muscle flap)を巻き付 けたり、筋肉を新しい心室(neo-ventricle)に整形することが数多く試みられて いる［Magovern，G.，Park，S.，Kao，R.，Christlieb，I.，and Magovern，Jr. ，G． Dynamic cardiomyoplasty in patients． J．Heart Transplantation，vo l．9，258-263，1990; Pattison，C.，Cumming，D.，Williamson，A.，Clayton -Jones，D.，Dunn，M.，Goldspink，G.，and Yacoub，M．Aortic counterpulsat ion for up to 28 days with autologous latissimus dorsi in sheep． J．Tho racic Cardiovascular Surgery，vol．102，766-773，1991; Mannion，J.，Hamm ond，R.，and Stephenson，L．Hydraulic pouches of canine latissimus dorsi ; potential for left ventricular assistance． J．Thoracic Cardiovascular Surgery，vol．91，534-544，1986; Hammond，R.，Bridges，C.，DiMeo，F.，a nd Stephenson，L． Performance of skeletal muscle ventricles: effects o f ventricular chamber size． J．Heart Transplanta tion，vol．9，252-257，1990］。 これら努力のうち、成功例は極く限られたものである。その理由として、得ら れる動力量が不十分であること、弛緩が遅いこと、筋肉が萎縮すること、血栓塞 栓症が生ずることが挙げられる。筋肉弁を巻き付けることは、筋肉エネルギーを 集めるための手段として非能率的であって、筋肉が完全に可動化(mobilization) させる必要があるから、血液供給を幾分妨げることになり、繊維症の発症を増加 させる。骨格筋から有用な仕事を得るための方法として、筋肉の巻付け法はベス トでないことは明らかであり、他の供給法を探索すべきである。 以前の研究によれば、ある程度大きい骨格筋は、筋肉が元の位置に(in situ) 残され、直線的な収縮が許容される場合、大量の好気性（定常状態）エネルギー を作り出せることが知られている。例えば、ウゴリニ(Ugolini)は、人間の大腰 筋のエネルギーバランスに関し、定常状態の能力を５.１９ワットであると予想 した論文を発表した［Ugolini，F．Skeletal muscle for artificial heart dri ve: theory and in vivo experiments． Biomechanical Cardiac Assist，Futu ra Publ．Co.，193-210，1986］。このエネルギーを動力源に効率良く変換する 手段を工夫することができれば、このエネルギーレベルは、液圧式人工心臓を駆 動するのに必要な電力量を十分に超えている (液圧式人工心臓の駆動に必要な電 力は 典型的には１.２ワットよりも小さい)。 この目的に対しては、筋肉の仕事を利用するための最も効果的な方法の１つは 、論理的には、その当初挿入位置から取り外されて液圧エネルギー変換器に再接 続された筋肉の腱について線形的な配置をすることであろう。この仮説は最近、 サカキバラによって調べられており、広背筋の性能を、ロール（ラップ）型、圧 縮型及び線形型の３つの方向で評価している［Sakakibara，N.，Tedoriya，T.， Takemura，H.，Kawasuji，M.，Misaki，T.，and Watanabe，Y． Linear muscle contraction for actuation of a muscle-powered cardiac assist device(MCAD )：an ex vivo pilot study． ASAIO Abstracts，vol．21，p．53，1992］。こ の研究は、線形型では、仕事出力がラップ型に比べて６倍の改善を示し、圧縮型 に対して５０％の上昇を示した。 その他に、パーデュー・ユニバーシティのゲッデス(Geddes)の行なった研究で は、循環の液圧モデルにおける弁付嚢を押圧するために、３種類の異なるグルー プの筋肉（直線的に収縮する）を用いている［Geddes，L.，BadyIak，S.，Tacke r，W.，and Janas，W． Output power and metabolic input power of skeletal muscle contracting linearly to compress a pouch in a mock circulatory s ystem． J．Thoracic and Cardiovascular Surgery，vol．104，1435-1442，199 2］。出力と、変換さ れた入力は、１分当たり１０〜４０の収縮率で測定された。筋肉の血液の流れは 、仕事が行なわれている間、著しい増加を示した。条件未調整の筋肉が使用され たけれども、疲労は問題にならなかった。全てのグループに対して、２ワットを 超える連続的な電力発生が記録され、エネルギー変換効率は心臓筋の場合（１０ ％）に近似している。これらデータに基づいて、ゲッデスは、循環を補助するた めに、骨格筋の線形度を短縮するエネルギー交信スキームを見つけるべきと結論 づけている。 線形的に収縮する筋肉を用いてポンプを駆動するという概念は、既に１９６４ 年頃の文献に記載されており、クッセロウ(Kusserow)とクラップ(Clapp)は、バ ネ負荷されたダイヤフラムポンプを駆動するために、大腿部の四頭筋を用いてい る［Kusserow,B.，and Clapp，J． A small ventricle-type pump for prolonge d perfusions: construction and initial studies，including attempts to p ower a pump biologically with skeletal muscle． Trans．ASAIO，vol．10，7 4-78，1964］。それ以降、数多くの研究者達がこのテーマを研究してきたが、そ のような装置開発のために重要な試みが発表されたのは、やっと１９９２年のサ サキであった［Sasaki，E.，Hirose，H.，Murakawa，S.，Mori，Y.，Yamada，T. ，Itoh，H.，Ishikawa，M.，Senga，S.，Sakai，S.，Katagiri，Y.，Hashimoto ，M.，Fuwa，S.，and Azuma，K． A skeletal muscle actuator for an artificial heart． ASAIO Journal，vol ．38，507-511，1992］。ササキのシステムは、可撓性のロッド、シース、クラ ンク及びカムを用いて、筋力をプッシャー板ポンプに伝達するようにしたもので ある。この装置は、未訓練の広背筋と模擬循環系を用いて犬の中でテストが行な われた。毎分６０ビートのとき、この装置は、７５mmHgの後荷重（afterload） に対して、２００分間、０.８〜２.０L／分を維持した。出力電力は２.５mW／グ ラムであり、システム効率は５０％近くあった。 もっと最近になって、ファーラー（Farrar）とヒル（Hill）は、埋込み可能な 種々の装置の動力源として、筋力による線形プル式エネルギー変換器を新たに開 発した［Farrar，D.，and Hill，J． A new skeletal linear-pull energy conv ertor as a power source for prosthetic circulatory support devices． J． Heart and Lung Transplantation，vol．11，341-350，1992］。この装置は、ピ ストン型アクチュエータを収容する金属製シリンダーからなり、筋肉はアクチュ エータに取り付けられている。筋肉が収縮するとき、２ml以下の液圧用流体は、 血液ポンプに通じる移送ラインの中に移される。弛緩の間、ポンプの充填と筋肉 の伸長を補助するためにバネが用いられる。しかしながら、この装置には次の問 題がある。例えば、エネルギー変換器の要素は、すぐ入手する ことはできたが、エネルギー損失を最少にするための工夫が全くなされていなか った。このため、この装置の効率は２２.５％にしかならないことがわかった。 筋力を利用した補助装置に対する関心高まっていることは明白である。しかし ながら、従来の機構を用いて作られたこれまでのシステムでは、摩擦損失と要素 の摩耗という問題がある。これは人工装具の寿命を制限するだけでなく、筋肉か ら得られる仕事量を低下させる。骨格筋の好気性能力は限界があるので、今後の 研究では、長期間の使用を達成し効率的な筋肉の使用を図るために、システム効 率を最適化することに焦点を当てねばならない。発明の要旨 本発明は筋肉エネルギーの変換器に関する。筋肉エネルギー変換器はピストン を具えており、該ピストンは筋肉に接続するためのアタッチメントヘッドを有し ている。筋肉エネルギー変換器はさらにシリンダーを具えており、該シリンダー はチャンバーを有し、該チャンバー内にピストンが配備されている。筋肉がピス トンを移動させるときチャンバー内の流体を運ぶために、システムはポートを有 している。シリンダー内におけるピストンの移動は、摩擦なしで行なわれるのが 望ましい。 ピストンは第１のマグネット部を具え、シリンダーは第２のマグネットを具え ている。第１のマグネット部と 第２のマグネット部は互いに反発し合う磁場を形成し、ピストンをシリンダー内 の適当位置に維持できるようにする。ピストンとシリンダーの間には、ローリン グダイヤフラム(rolling diaphragm)のシール機構が接続されるのが望ましい。 ローリングダイヤフラム機構は、第１のローリングダイヤフラムと第２のローリ ングダイヤフラムを具えており、第２のダイヤフラムは、第１のダイヤフラムと 間隔があり、第１のダイヤフラムに対向している。第１マグネット部と第２マグ ネット部は、反発し合う磁場が、ピストンの軸方向と径方向に対して傾くように 配置され、ピストンは、径方向に位置調節する力と、軸方向に予荷重(preload) を加える力の２つの力を受けることができるようにする。例えば、第１マグネッ ト部と第２マグネット部は、多数の山部が連なり、山部は傾斜面が平坦であり、 反発し合う磁場は、軸方向と径方向に対して傾いて発せられる。滑らかな外表面 を形成するために、山部には、非磁性材料のカバーが配備することもできる。 筋肉エネルギー変換器は、ピストンストローク調節機構を具えることが望まし い。ストローク調節機構は、望ましくは、真ん中にリングマグネットがピストン に固定されており、第２マグネット部の第１の部分と第２の部分に対向している 。リングマグネットは、第１の部分と第２の部分の間の空間に配備され、移動可 能である。シ リンダーは、身体の骨に取り付けるための取付具を具えることもできる。 本発明はまた、筋肉エネルギーを使用する方法でもある。本発明の方法は、筋 肉を、ピストンのアタッチメントヘッドに取り付けるステップを含んでおり、筋 肉はピストンをシリンダー内で移動させて、シリンダー内の流体を加圧すること ができる。次に、ピストンの第１マグネット部とシリンダーの第２マグネット部 によって発生する反発し合う磁場により、ピストンを非摩擦状態でシリンダー内 で維持するステップがある。第１マグネット部と第２マグネット部により、ピス トンへの予荷重を作り出すステップを有することが望ましい。取付けステップの 後、体内で仕事を行なうために、例えば血液を供給するために、流体を使用する ステップを有することが望ましい。図面の簡単な説明 添付の図面には、発明の望ましい実施例と、発明を実施する望ましい方法が示 されている。 図１は、筋肉エネルギー変換器を示す略説明図である。 図２ａ及び図２ｂは、腱に接続するためのスロットを設けたアタッチメントヘ ッドを有する筋肉エネルギー変換器を示す略説明図である。 図３は、マグネット部の山部の連なりと、反対方向の磁力線の傾斜を示す略説 明図である。 図４ａ乃至図４ｅは、傾斜部を有する円筒状マグネット部を形成するためにリ ングマグネットの作製を示す略説明図である。 図５は、ストローク調節機構を有する筋肉エネルギー変換器の一実施例を示す 略説明図である。 図６は、磁力を変えるために、リングマグネットの間にスペーサを配備した筋 肉エネルギー変換器を示す略説明図である。 図７ａ乃至図７ｃは、筋肉エネルギー変換器の圧縮サイクルの略説明図である 。 図７ｄは、筋肉エネルギー変換器のピストンの変位に対する、軸方向の予荷重 の力との関係を示すグラフである。 図８は、実験のために、犬の中に埋め込まれた筋肉エネルギー変換器を示す略 説明図である。 図９は、筋肉エネルギー変換器の望ましい実施例を示す略説明図である。 図１０は、装置に動力を供給するために、完成システムにおける筋肉エネルギ ー変換器を示す略説明図である。望ましい実施例の説明 図面中、同様な要素又は同一の要素については、全図を通じて同じ引用符号を 付している。より具体的には、図１を参照すると、筋肉エネルギー変換器(10)を 示している。筋肉エネルギー変換器(10)は、ピストン(12)を具 えており、該ピストンは筋肉(13)に接続するためのアタッチメントヘッド(14)を 有している。筋肉エネルギー変換器(10)は、チャンバー(18)を有するシリンダー (16)を具えており、チャンバー内にピストン(12)が収容される。シリンダー(16) は、筋肉がピストン(12)を動かすときチャンバー(18)内の流体を移送するための ポート(20)を有している。シリンダー(16)内におけるピストン(12)の移動は摩擦 なしで行なわれるのが望ましい。シリンダー(16)内のピストン(12)を非摩擦状態 に維持するために、ピストン(12)はその周りに第１のマグネット部(22)を具えて おり、シリンダー(16)は第２のマグネット部(24)を具えている。第１マグネット 部(22)と第２マグネット部(24)は、互いに隣接するように配備されて、反発し合 う磁場を作り、シリンダー(16)内でピストン(12)を所望の配列(alignment)に維 持できるようにしている。ピストン(12)とシリンダー(16)の間には、ローリング ダイヤフラムシール機構(26)を接続することもできる。ローリングダイヤフラム 機構(26)は、第１のローリングダイヤフラム(28)と第２のローリングダイヤフラ ム(30)を具え、第１及び第２のダイヤフラムは互いに間隔をあけて配備される。 図３に示される如く、ピストン(12)はシリンダー(16)に関して軸方向Ａに移動 する。軸方向Ａは、径方向Ｒと直交する方向である。望ましくは、第１マグネッ ト部(2 2)と第２マグネット部(24)は、その反発し合う磁場が、軸方向Ａに関して、軸方 向と径方向の間の角度αとなるように配備され、ピストン(12)が、傾きを有する 反発磁界により、径方向への位置調整力と、軸方向の予荷重の両方の力を受ける ようにする。ピストン(12)とシリンダー壁(16)の間での位置調整の問題を解消す ることにより、筋肉は、図２ｂに示される如く効果的に取り付けられることがで きる。解剖学的に、筋肉はピストン表面(15)の側部に取り付けられる。従って、 筋肉が動くと、軸方向下向きの力だけでなく、径方向にも力が付与され、ピスト ン(12)をシリンダー(16)の内側に傾けて、シリンダーと接触させることになる。 本発明は、このような傾きの問題を解消させるものである。 筋肉の腱とピストンとの間をしっかりと取り付けることは重要である。この物 理的な接合が維持されない場合、筋力を長期間に亘って、動力源に利用すること ができないことは明らかである。一例として、図１に示される如く、縫製パッチ を含んでいる。腱は、Dacron(商標名)又はGortex(商標名)の如き材料に直接縫い 合わされる。従って、腱はパッチを覆い、筋肉は短くなってピストン(12)をシリ ンダー(16)の中に移動させる。 図２ａに示されるように、筋肉(13)との接合を強く信頼性の高いものとするた めに、アタッチメントヘッド(14)に機械加工を施し、スロット(17)を形成するこ とがで きる。これらスロット(17)の中に、筋肉(13)の腱(21)を引張って通過させること ができ、図２ｂの如く、筋肉自身に縫い付けることができる。スロット(17)は、 腱(21)を自動的に支持できる形状に屈曲形成されている。このような構造にする ことにより、腱とパッチの境界面をなくすことができるから、腱と腱の固定位置 は非常に強いものとなり、安定性にすぐれる。 マグネット部(22)をピストン(12)の外側に沿って、マグネット部(24)をシリン ダー(16)の内側に沿って埋め込むことにより、径方向の力が筋肉(13)により供給 されるにも拘わらず、反発力を利用して非接触位置に調整維持される。さらに、 マグネット部(22)(24)、ローリングダイヤフラム機構(26)の組合せによって、実 質的に機械的摩擦のない筋肉駆動ポンプが作られ、前述の筋肉エネルギー変換器 (10)の効率を高度に高めることができる。 ローリングダイヤフラム機構(26)は、公称の運転、シリンダー(16)に関するピ ストン(12)の平行調整、及びシリンダー(16)とピストン(12)との間における空間 を維持するために、２つの基本的条件を必要とする。第１の条件は、第１マグネ ット部(22)と第２マグネット部(24)によって維持される。第２の条件は、図１に 示されるように、第１のローリングダイヤフラム(28)の上に反転させた第２のロ ーリングダイヤフラム(30)を用いることにより、インビボで維持される。 第２（外部）のローリングダイヤフラム(30)は、第１のローリングダイヤフラ ム(28)を生物学的残屑のない状態に保持する役割を果たすから、第１のダイヤフ ラムは滑らかに動き続ける。この保護がない場合、血液生成物は、第１ローリン グダイヤフラム(28)と、ピストン及びシリンダーの壁との間に蓄積する虞れがあ り、ローリングダイヤフラム(28)と接触し、ダイヤフラムを汚すことになる。 第２の外部ローリングダイヤフラム(30)は、ポンプ(10)全体を覆う外側コーテ ィングと一体につくることができる。上昇ストローク（例えば、心臓拡張）中の ピストン(12)の作用により、外部ローリングダイヤフラム(30)のコンボルーショ ン(convolution)の中に入り込んだ異物を追い出すことができ、これにより、第 １のローリングダイヤフラム(28)を清浄に保つことができる。 筋肉とのバランスをもたらす（例えば、筋肉を元の長さに引き戻す）ために、 ピストン(12)に予荷重を加えることが好ましい。装置内でバネを使用しないよう にするために、マグネット部(22)(24)の配置は、図３に示される如く、反発磁界 が側壁と直交するのではなく、互いに角度αで接近するような構成にすることが 望ましい。軸方向は矢印Ａで示されており、径方向は矢印Ｒで示されている。 この磁気角度αを達成するために、第１マグネット部 (22)と第２マグネット部(24)の内表面は、連続する山部を有し、図３に示す如く 、所望の磁気角度αと直交する平らな表面(34)を形成している。これが必要な理 由は、図４ｅに示す如く、磁束線は常に強磁性物質の表面に対して直角に出入り するという事実による。 磁力線が傾斜するように配置したことにより、径方向と軸方向の両方向に斥力 が作られる。径方向成分は、ピストン(12)をシリンダー(16)内の所定位置に調整 維持する役割を有する。軸方向成分は、収縮と収縮の間の負荷位置にピストン(1 2)を戻すために必要な力を供給する。 これら力の大きさは、磁場強度、磁場方向及びマグネット分離(magnet separa tion)の関数である。図４ｄにおいて、径方向の力のベクトルＦRは軸方向の運動 を妨げないので、ＦRはできるだけ大きくすることが望ましい。軸方向の力のベ クトルＦAは、後荷重を受けたとき筋肉を短縮できるほどに小さいものであらね ばならないが、他方では筋肉が元の長さに速やかに復帰できるほどに大きなもの であらねばならない。 各マグネット部(22)(24)の山部(32)には、滑らかな外表面を形成するために、 非磁性材料(36)を充填することが好ましい。これは、ピストン(12)とシリンダー (16)が万一接触したときのチッピングを防止するためであり、ローリングダイヤ フラム(28)(30)の表面をより良好なものとするためである。 山部(32)を効率良く形成するには、図４に示される如く、積み重ねられたリン グマグネット(40)を用いて以下のステップにより形成することができる。 １．最初に、図４ａ乃至図４ｃに示される如く、ＮｄＦｅＢ又はＳｍＣｏの材質 からなり、径方向に磁化されたリングワッシャー(40)を準備する。このワッシャ ーは、例えば、Ａは２.５cm、Ｂは１.５cm及びＣは０.１cmである。 ２．リング(40)の内表面(42)に機械加工を施し、角度α（例えば１５度）を形成 する。 ３．これらのリング(40)を多数枚積み重ねて、図４ｄに示す如く円筒体を形成す る。ここで、ＦRは半径方向の力のベクトル、ＦAは軸方向の力のベクトルであり 、Ｆは合力のベクトルである。磁場は、径方向に向かう部分が多くなり、軸方向 に向かう成分が少なくなるようにする(α＝１５°のとき、ＦR＝Ｆcos１５°＝ ０.９６Ｆ、及びＦA＝Ｆsin１５°＝０.２５Ｆ)。 ４．山部(32)を非磁性材料で充填し、チッピングを防止する (内径は小さくしな い)。 ５．表面全体を非磁性材料(46)(例えば、アルミニウム)の薄い層で被覆し、構造 の強化を図り、安定化させる。 ６．小さい方のリング(40)についてステップ１乃至ステップ５を繰り返し、ピス トン(12)に第１マグネット部(22)を作る(但し、最も外側の表面に機械加工を施 して幾 らかの角度を形成することを除く。なお、必ずしもαに等しくする必要はない) 。 径方向に磁化されたリング(40)は、製造者が異なっても共通の形状であるから 、円筒形のマグネット部(22)(24)は、簡単な機械加工及び積層技術を用いて容易 に組み立てることができる。得られる磁場の操作は、力の磁力線が強磁性材料を 直角に出入りするという事実を利用して行なうことができる。磁場の方向は、図 ４ｅに示される如く、リングが機械加工される角度に応じて変動する。 ピストン／シリンダー装置の動的特性は、リング(40)を機械加工したときの角 度α、リング(40)の外径Ａ、内径Ｂ及び厚さＣ、又はリング(40)の軸方向配置数 を変えることによって変えることもできる。 もしピストン(12)が長軸に沿って自由に動くことができる場合、ローリングダ イヤフラム(28)(30)はロール状態にならなくなり(unroll)、システムを固定する 虞れがある。この問題を解消するために、内部にストローク調節器機構(48)を設 けることができる。図５に示される如く、機構(48)は、中央にディスク状マグネ ット(50)を具えており、該マグネットの半径Ｒ1は、シリンダー(16)の第２マグ ネット部(24)の離間した２つの部分(52)(54)の内側半径Ｒ2よりも僅かに大きい 。中央のディスク(50)は、ピストン(12)の中心に配置される。第２マグネット部 (24)は２つの部分(52)(54)に分割される。２つの部分 (52)(54)の間には、２つの部分からなるスペーサ(56)を設けることができる。中 央のディスク状マグネット(50)は磁化されており、例えば、そのＮ極は装置の頂 部に面し、Ｓ極はＩ／Ｏポート(20)の方に向けられている。シリンダー(16)の頂 部に配置された第１の部分(52)のマグネットは、Ｎ極が、ピストンとシリンダー のギャップに面している。この磁力線の向きは、シリンダー(16)底部における第 ２の部分(54)のマグネットでは逆である。スペーサ(56)の長さにより、ピストン (12)の移動可能距離が決められる。 図７ａに示されるように、ピストン(12)がその予荷重位置の方に進む（シリン ダーの頂部から外に出て行く）とき、中央のディスクマグネット(50)のＮ極は、 第１の部分(52)のマグネットのＮ極に近接し、その動きを遅くする。ディスク(5 0)は、(52)の部分の最も底部のマグネットの１mm以内まで近づくとき、斥力と受 動筋肉(passive muscle)の張力は、軸方向の予荷重の力とのバランスにより、ピ ストン(12)は停止するだろう。第１の部分(52)の一番下のリングマグネット(60) は、図６に示される如く、そのＮ局が、第１の部分を構成するスタック(52)の他 のマグネットの方向とは反対の向きに中央ディスクマグネットに対して向けられ るように、機械加工が施される。 図７ｃに示される如く、圧縮（筋肉の収縮）中、中央の ディスクマグネット(50)のＳ極は、第２の部分(54)のマグネットのＳ極に接近し 、再びその動きを遅くする。ディスク(50)が第２部分(54)の最も上側のマグネッ ト(62)の１mm以内にくるとき、斥力は軸方向の支持力と合成され、筋肉の圧縮力 とのバランスにより、ピストン(12)を停止させる。第２部分の一番上のリングマ グネット(62)は、そのＳ極が、スタックの他のマグネットと同じ方向で中央のデ ィスクマグネットの同極に対して向けられるように、機械加工が施される。 図５及び図９に示されるこのような構成は、接触表面がなく軸方向に安定化を もたらし、装置の組立て及び分解を行なうための簡単な手段を提供する。頂部と 底部は、径方向に安定な状態が最も必要とされるが、この構成によりその径方向 の安定状態が維持され、ローリングダイヤフラム(28)(30)を分離することにより 、径方向の安定性はさらに高められる。このような構造により、装置の内側への アクセスが可能となり、必要に応じて、その部分を調べたり、内部ベアリング流 体を導入することができる。リングマグネットを積み重ねることにより、ピスト ン(12)の第１マグネット部(22)の中央部(64)の磁場を小さくすることができる。 この現象は、スタック内の隣接するマグネットから発生する反発磁力によるもの と考えられている。反発し合うマグネットを対向配置することにより、個々のネ オジミウム／鉄リング内部の磁区が 小さくなり、これによってその全体磁化は低下する。中央部(64)のマグネットは 隣りのマグネットにより弱められ、シリンダー(16)の第１部分(52)と第２部分(5 4)の磁場から過度の力が与えられ易くなる。図５に示されるように、シリンダー スタックの上下にピストンマグネットが存在することにより、軸方向に反対向き の力が発生し、装置の予荷重を小さくさせる。実際、第１マグネット部(22)の弱 められた中央リングがシリンダースタックの頂部に接近し、より強力な端部マグ ネットが底部に接近するとき、軸方向の予荷重のトータルの力によって方向は逆 転することが判った。 図６に示される如く、積み重ねられたリングに及ぼす脱磁効果を最少にするた めに、スペーサ(66)をベアリング構造の中に導入することもできる。各スペーサ (66)は、磁気リングを所定距離だけ離間する役割を有し、相対透磁率は約１.０ であることが好ましい。磁力線が反対側の極に戻る前に、磁力線をピストンとシ リンダーのギャップ(68)の中に進入させるには、低透磁率が好ましく、これによ って、ピストン(12)とシリンダー(16)の間の反発力を最大にすることができる。 ピストン(12)が伸びるのに必要な予荷重に反作用する力をなくすために、ピス トン(12)の選択された部分を非磁性のセグメント(68)と置き換えることもできる 。この実施例は側方の支持力を著しく損なうことはない。それ は、ポンプサイクルの全体を通じて、残りのマグネットにより十分に支持され得 るためである。 図７ａに示される如く、中央の磁気ディスク(50)はその上隣りのマグネット(6 1)と、ピストン(12)の最下部にあるリングマグネット(69)を組み合わせて、スト ロークの最上部（完全に伸びた位置）にある予荷重とバランスをとる。図７ｃの 如く完全に圧縮された状態のとき、磁気ディスク(50)は反作用が加えられて、予 荷重を負荷し、筋力に反作用が及ぶ。 マグネットは、クックソンのBremag（ネオジミウム鉄ボロンの接合）から作ら れ、所定形状に容易に機械加工することができる。マグネットリングの具体例と して、以下のものを示すことができる。 デクスター・マグネチックス・インコーポレイテッド(Dexter Magnetics，Inc .)製の変更されたシリンダーマグネット＃ＮＢ０４８Ａは次の通りである。 Ａ： １.８１” Ｂ： ０.０７１０” Ｃ： ０.０７９” ピストンマグネット＃ＮＢ０４７Ｃは次の通りである。 Ａ： ０.５９８： Ｂ： ０.３３５” Ｃ： ０.０９８ シリンダーのギャップ（セグメント(52)(54)の離間距 離に等しい）は０.８６６”(２.２cm)である。 ダイヤフラムは、ベロフラム・コーポレイション(Bellofram Corp.)製の４-７ １(６０)７０-ＢＢＪ-１であり、最大ストローク長さは０.９８”(２.４９cm)で ある。 スペーサを設けることにより、力／変位曲線が変化して、図７ｄに示されるグ ラフに近似する。図７ａに示される如く、完全に伸びた状態のとき、中央のディ スク(50)と第２部分のリングマグネットの「ブレーキ」力により、予荷重と釣り 合う(その結果、軸方向の合力はゼロとなる)。ピストン(12)がチャンバー(18)の 中に進む（図７ｂ）と、ブレーキ力は直ちに小さくなり、より多くのマグネット が接近するにつれて予荷重は強められる(マグネットスタックにより生ずる「塊 状(lumpy)」磁場により、リップリング(rippling)を生ずることもある)。 図７ｃに示される如く、圧縮力が最大に近いとき、最大の軸方向の力がディス ク(50)のブレーキ力と合成され、大きな予荷重を作り出し、ピストン(12)を停止 させ、最終的にその方向を逆転させる。ディスク(50)のブレーキ力は短い距離だ け作用し、ピストンストロークの最上部及び最下部でのみ作用する。 本発明は、筋肉エネルギーを使用する方法でもある。本発明の方法は、筋肉を ピストンのアタッチメントヘッドに取り付けて、筋肉によりピストンをシリンダ ー内で移動させて、シリンダー内の流体を加圧するステップを 有している。次に、ピストンの第１マグネット部とシリンダーの第２マグネット 部によって発生する反対方向の磁界により、シリンダー内のピストンを無摩擦の 状態に維持するステップがある。第１マグネット部と第２マグネット部により、 予荷重をピストンに作り出すステップのあることが望ましい。取り付けた後、人 体が仕事を実行するために、例えば血液を供給するために、流体を使用するステ ップのあることが望ましい。 発明の効果を調べるために、図８に示される如く、筋肉エネルギー変換器を犬 の中に埋め込む。シリンダー(16)は、リブ支持ブラケット(70)を用いて、リブ(7 2)の間に取り付けられる。ヘッド(14)は広背筋(71)に取り付けられる。筋肉の動 きにより、液圧流体は移動させられ、加圧される。流体(79)は、埋め込まれた後 荷重装置(76)の中に流れて、流量プローブ(78)で測定される。ローリングダイヤ フラム(80)で後荷重装置(76)が密封される。液圧流体(79)を移動させるために、 注入ポート(82)が設けられる。 図９に示されるように、本発明の望ましい実施例において、ピストン(12)はピ ストン軸(84)がシリンダー(16)の中を通っている。軸(84)の周りには、ポリウレ タンのワッシャー(85)、上部マグネットピストンスタック(86)、次にローリング ダイヤフラム(30)の端部(フランジ)、次に、ピストンのマグネット部(22)の上部 (88)、そして中 央の非磁性ピストンスタック(90)が順に配備される。さらに、ピストン軸(84)の 周りには、中央にマグネットリング(50)を有するピストンのマグネット部の下部 (92)が配備され、次に、下部のマグネットピストンスタック(94)がある。ピスト ン装置の全体は、ピストンクランプ板(96)とピストンクランプボルト(98)と共に 積み重ねられて保持される。 シリンダー(16)は、シリンダーハウジング(100)、第１マグネット部(52)、一 体型のスペーサシリンダー(56)及び第２マグネット部(54)を具備している。ポー ト(20)は、ネジ付コレット(104)を用いて、シリンダーハウジング(100)のネジ付 端部(102)に接続される。Ｏリング(106)は、シリンダーハウジング(100)とポー ト(20)の間に配備される。シリンダー(16)に対して無摩擦状態でピストン(12)を 流体シールするために、第１のローリングダイヤフラム(28)と第２のローリング ダイヤフラム(30)が用いられる。 図９に示される筋肉エネルギー変換器(10)の組立てについて、次の如く説明す る。 １．ポリウレタン製ワッシャー(85)を、ピストンの軸・ヘッドアッセンブリ(84) のヘッド(14)の下側にスライドさせる； ２．上部ピストンスタック(86)を、ワッシャー(85)と、ピストンの軸・ヘッドア ッセンブリ(84)にスライドさせ て、マグネットを適当な向きにする； ３．上部のローリングダイヤフラム(30)をシリンダーハウジング(100)の内側に 置いて、そのフランジによってハウジング(100)の内側天井部を覆う(ローリング ダイヤフラムは回転しない)； ４．上部ローリングダイヤフラムのフランジ(30)がハウジング(100)に押し当て られるように、上部シリンダースタック(52)をシリンダーハウジング(100)の中 にスライドさせて、マグネットを適当な向きにする； ５．上部シリンダースタック(52)に当たるように、スペーサシリンダー(56)をシ リンダーハウジング(100)の中にスライドさせる； ６．ワッシャー(85)と上部ピストンスタックを用いて、上部ピストンスタック(8 6)が上部ローリングダイヤフラム(30)の側壁の内部に当たるように、ピストンの 軸・ヘッドアッセンブリ(84)を、上部ローリングダイヤフラム(30)の開口部の中 をスライドさせる； ７．中央のピストンスタック(90)を、上部ローリングダイヤフラム(30)が上部ピ ストンスタック(86)に当たるまでピストンの軸アッセンブリ(84)の上にスライド させ、マグネットを適切な向きにする； ８．上部ローリングダイヤフラム(30)がコンボルーションを形成する（例えば、 自らの上に巻き付ける）ように、一部組み立てたピストン(12)を、シリンダーハ ウジング (100)の頂部の方に移動させる； ９．スペーサシリンダー(56)に当たるように、下部シリンダースタック(54)をシ リンダーハウジング(100)の中でスライドさせて、マグネットを所望の向きにす る； １０．巻かれた下部ローリングダイヤフラム(28)を、ピストン軸アッセンブリ(8 4)の上に置いて、その側壁が中央のピストンスタック(90)と下部シリンダースタ ック(54)によって完全に支持されるようにする； １１．下部ローリングダイヤフラム(28)が中央のピストンスタック(90)に当接す るまで、下部ピストンスタック(94)をピストン軸アッセンブリ(84)の上をスライ ドさせ、マグネットを適切な向きにする； １２．ピストンクランプ板(96)を下部ピストンスタック(94)の底部の中心部に配 置する； １３．ピストンクランプボルト(98)を、ピストンクランプ板(96)の中央の穴に通 し、ピストン軸アッセンブリ(84)のネジ部にネジ込む； １４．ピストンクランプボルト(98)を締め付けて、全てのピストン要素を一緒に きつく押圧し、両方のローリングダイヤフラムヘッドを、ピストンスタック(86) (90)(94)の間にて堅く保持する； １５．出口ポート(20)の上部の山部(107)の中にＯリング(106)を配置する； １６．入口／出口ポート(20)を、下部ローリングダイヤ フラム(28)のフランジに当たる位置に配置し、Ｏリング(106)をシリンダーハウ ジング(100)の下部リム(109)に対向させる； １７．ネジ付コレット(104)を入口／出口ポート(20)の上に配置し、コレット(10 4)をシリンダーハウジング(100)のネジ部に螺合することによりシリンダーハウ ジング(100)に固定する。 １８．ネジ付コレットを締め付けて、内部のシリンダー要素(52)(54)(56)を、シ リンダーハウジング(100)と入口／出口ポート(20)の間で押し付け、ローリング ダイヤフラムフランジ(28)(30)を両方とも、シリンダースタックとハウジング(1 00)(20)の間に固定して保持する。 要素は非磁性材料（例えば、アルミニウム、チタン、３００シリーズのステン レス鋼、プラスチック等）を機械加工することにより形成することが好ましい。 磁界を操作する手段のような特定要素に対しては、透磁率の異なる材料を選択す ることができる。 筋肉エネルギー変換器(10)を用いたシステム全体を図１０に示している。筋肉 (13)は、制御手段(116)にコントロールされた刺激具(114)を用いて刺激される。 埋込み可能な何種類かのパルス列発生器（ＩＰＧｓ）を用いて、骨格筋を刺激し て条件調節を行ない、筋肉エネルギー変換器(10)に動力を供給する。Itrel 7420 (Medtronic)の神経刺激具は、埋込み可能なパルス列発生器であり、種 々の筋肉トレーニング観察に使用されている。しかしながら、これは心臓と同調 させる(synchronized)ことができないので、心室を補助するために、筋肉を用い る実験には適さない。Medtronic SP1005の心筋刺激具の拡張された能力を利用し た研究が数多くあり、この刺激具は、心臓の動きと同期させて、或は４番目のビ ート毎の周期として、広範囲のパルス列を発生させることができる。心臓と同期 させた筋肉ペース取り器として、その他に、Prometheus IPG (Medtronic)及びTe lectronics CSMの２種類がしばしば使用される。両方とも、広範囲の刺激変化を 与えることが可能であり、種々のトレーニングとペース取り訓練を行なうことが できる。これらの変数には、同期比(１０番目のビート毎)、バースト時間、パル ス間隔、パルス幅、バースト遅延、及びパルス振幅が含まれる。さらに、Promet heus IPGは、自動的にバースト時間を調節し、検知された心臓サイクルの一部と して遅延させるという独特の能力を有している。 心臓の筋肉とは異なり、骨格筋は電気シンシチウムとしては機能しない。それ 故、コーディネートされた収縮を起こすには、運動神経を刺激するのが最も能率 的である。収縮反応に対する電極位置と刺激プロフィールの影響を調べるために 、犬の広背筋（ＬＤＭ）を７つ用いて実験を行なった。２種類の神経鞘（ＰＮ） 二極リード線を、胸背神経の上で、該胸背神経とＬＤＭの接合部近傍に取 り付ける。４つの単極筋肉内（ＩＭ）電極を、ＬＤＭを横切って縫合する。１番 目の電極を神経の分岐部の基部に最も近い位置に置き、他の３つはＬＤＭを３等 分するように配置する。０.１〜１０.０ボルトの範囲で単一刺激とバースト刺激 を与え、その間における等尺性収縮力(isometric contractile force)のピーク を測定した。夫々が６パルスから成るパルス列が、３０Ｈｚの周波数で加えられ た。 閾値電圧(計測可能な張力を発生させるのに必要な最低電圧)、プラトー電圧（ 最大の力を発生させるのに必要な最低電圧）及び最大の力を測定した。その結果 を表１に示す。神経鞘リード線は、単一刺激モード及びバースト刺激モードの両 モードにおいて、どのＩＭ電極対よりも遥かに低い閾値電圧とプラトー電圧を示 した。神経脈管茎とＩＭ電極対の距離が大きくなるにつれて、閾値電圧及びプラ トー電圧は、漸次増加した。単一刺激の場合に較べて、バースト刺激を与えた場 合、使用した電極の如何に拘わらず、最大の力ははるかに高くなった。 この研究［Furnary A.，Trumble，D.,Vu，T.，Magovern，G.，Kao，R.; Perin eural leads and burst stimulation optimize contraction of skeletal muscl e．ASAIO Transactions，vol．37，164-166，1991］から、筋肉刺激に対して、 ＰＮリード線がより効果的であることがわかる。更に、運動神経に悪影響を及ぼ さないようにして、これらのリードを使って最長１年間の調査を行なったところ 、電極の種類にかかわらず、バースト刺激は、単一刺激よりも大きな最大力を引 き出した。 等尺性持続の研究［Kao，R.，Trumble，D.，Magovern，G.; Fatigue resistan ce muscle with preserved force and mass for cardiac assist．J．Cardiac S urgery， vol．6，210-217，1991］では、通常の麻酔をかけた６頭の羊について、神経鞘 電極及びパルス発生器を埋め込むために、左右のＬＤ筋肉を周囲から分離した。 それぞれの筋肉は、組織の癒着と再脈管化(revascularization)を防ぐため、外 科用薄膜に包んだ。１０日間の回復期間をおいた後、左側の筋肉は、３か月間か けて徐々にペースを上げた(３０〜１２０パルス列／分)。各々が６パルスから成 るバースト刺激を、３０Hzにて、１９０msecの時間間隔で加えた。手術後４か月 で、各ＬＤ筋肉の腱の端部は、その上腕の挿入部から取り除いて、等尺力(isome tric force)測定用の歪みゲージトランスデューサに取り付けた。各動物の左右 両筋肉に２時間刺激を与えて、収縮させた。その後、分離し、切除して重量測定 した。冷凍組織の生検(biopsies)を用いて、クレアチンリン酸、アデノシン三リ ン酸(ＡＴＰ)、ラクタート及びグリコーゲン含有量を測定し、同時にミオシンＡ ＴＰａｓｅとスクシナートデヒドロゲナーゼ（ＳＤＨ）の活動度(activities)を 測定した。 条件付けした筋肉は、対照筋肉(control muscle)と比べて、動脈の直径が３０ ％大きく、平常時の血流は４０％多かった。耐久テストでは、３乃至５倍の血流 増が観察された。条件付けをした筋肉では、定常率の等尺力が３.０５Ｎであっ たのに対し、対照筋肉群では、０.７９Ｎという結果だった。質量と断面積につ いては、条件を 付けた筋肉と付けない筋肉では同様なものであった。電気的に条件付けすること により、耐疲労性繊維成分は３３％から９２％に増加した。これは、ミオシンＡ ＴＰａｓｅの活動度によって示されている。疲労テストの初期の段階では、条件 付けされた筋肉の場合、ラクタートの生成は少なく、変換後の筋肉の酸化能力が 高まったことを示している。このことは、酸素摂取量が増加し、ＳＤＨ活動が活 発になったことでも裏付けられる。上記研究によれば、保存された筋肉質量(pre served muscle mass)と強い収縮力を持つ耐疲労性筋肉を作り出すことができる ことを示している。 等尺性テストでは筋肉の強さを測定するが、筋肉が縮むことは許容されないた め、仕事量と収縮速度を求めることができない。この問題を解決するために、筋 肉により作動するピストンポンプ（ＭＡＰＰ）が考案され作製された［Trumble ，D.，Kao，R.，Magovern，G.; Quantification of skeletal work capacity fo r circulatory assistance． Cardiovascular Sci．& Tech.: Basic and Applie d II，388-389，1991］。この装置は、エネルギーを、ペンステート(Penn State )の模擬循環系の流体力学的圧力と流れに効率良く変換することにより、所定ペ ースで動く筋肉からもたらされる外部仕事の量を定量化するものである。 筋肉は、固定プーリに架けられた細いケーブルによっ てＭＡＰＰに取り付けられ、レバーの一端に固定される。レバーの他端には、ロ ーリングダイヤフラムに配備されたピストンが取り付けられている。筋肉が収縮 すると、レバーの一端が引き上げられ、それと等しい距離だけピストンは押し下 げられる。ピストンの下には、流体が満たされたチャンバーがあり、チャンバー の各端部には流れ方向を一定にするための可傾式のディスクバルブが設けられて いる。ポンプチャンバー内の圧力と、模擬循環系の全身系及び静脈の弾性チャン バー(compliance chamber)内の圧力が測定される。流れの測定は、ＭＡＰＰの流 出口に設置された超音波流量プローブを用いて行なわれる。ベンチテストでは、 ＭＡＰＰ系内に、認識できる程のエネルギー損失は認められなかった。この主た る理由は、ピストンヘッドがローリングダイヤフラムにより無摩擦で支持される ことによる。その結果、筋肉収縮によって生成したエネルギーは、圧力と流量の 形態で直接測定することができる。 ＭＡＰＰ／模擬ループ系を使用して、犬のＬＤ筋肉６本を評価した。これらの 筋肉は切り離されていないため、側副循環(collateral circulation)を保つこと ができる。専用の刺激リード線は、胸背神経の上に埋め込まれた。横に切り取ら れて、ＬＤ筋の腱は上腕部に挿入され、ＭＡＰＰに繋がれた。ＬＤ筋がその元位 置での長さ(in situ length)に戻るように予荷重を調節し、パルス列は毎 分６０パルスの割合で加えられた。また、各々が１１パルスからなるバースト刺 激が４３Hzの割合で加えられた。これら条件の下では、平均ピーク電力レベルは １０.７５ワットに達し、短縮中の平均電力は５.５ワットを越えていた。この性 能レベルは、これまでの数多くの報告のレベルをはるかに上回るものであり、筋 肉環流の改善を示すものである。これは、ＬＤ筋が元の位置に(in situ)留まり 、単血管茎上の胸壁から可動化されていない結果による。これら筋肉の平均質量 は２００g程度にすぎないため、これらのデータは特に有望視されている。 典型的な左心室(３５０g)は、１００mmHgの圧力勾配に対して５.０L/分を動か すために、収縮する間に約３.３ワットを発生できなければならない。これら犬 のＬＤ筋肉の場合、エネルギー発生量は３８％増であり、質量は４３％減であっ た。これらの結果から、大きな骨格筋(＞４５０g)は、全体の循環を支えるのに 充分な機械的仕事を発生させることができることを意味する(これは、条件付け の過程において、筋肉が５０％も弱められても構わない)。 図１０に示すように、筋肉エネルギー変換器(10)は、以下に述べる種々の装置 (110)への動力供給源として使用することができる。 ａ．大動脈内のバルーンポンプ。 これは、筋肉腱(21)が筋肉エネルギー変換器(10)のヘ ッド(14)に取り付けられており、収縮によって、ピストン(12)がシリンダー(16) の中に引き込められる。加圧された流体は、流出口(20)を通過する。流出口(20) は、圧縮不能の流体で満たされた非弾性導管を通り、大動脈内バルーンポンプ(1 10)に連通する。この結果、変換器(10)から移動した流体は、遅滞なく、同じ容 量の流体がバルーンポンプ(110)の中に押し込まれる。この加圧流体(79)は、バ ルーンを直接充満させることもできるし、或は、大動脈の逆脈動用としてより適 するようにするため、第２のピストンを作動させて、小容量・高圧力流体を、大 容量・低圧力に変換させることもできる。筋肉の収縮は、心臓の筋肉刺激具(114 )によって行なわれるようにし、心臓をモニターし、筋肉にバースト刺激を与え ることにより、収縮が、心臓サイクルの拡張期に対応して行なわれるようにする 。このように、流体(79)は、大動脈壁内でバルーンを膨らませて血液を移動させ るので、心臓の後荷重は減少し、冠状動脈の灌流が増加する。収縮の後、前述し た軸方向の予荷重である磁力によってピストン(12)がシリンダー(16)から押し出 され、流体(79)が筋肉エネルギー変換器(10)の方に戻されて、バルーンは収縮す る。 ｂ．大動脈外の逆脈動ポンプ。 これは、バルーンの膨脹又はプッシャー板の作用によって、大動脈が外部から 圧縮される。これ以外について は、前述の(ａ)と同じ要領にて作動させられる。この装置は、血液と接触する要 素を採用していないから、血栓症、溶血、バルーンの石灰化による合併症(compl ications)を避けることができる。このバルーンオクルーダ装置については、ジ ョン ジェー．パスラ及びリチャードイー．クラークにより本出願と同日付で提 出された発明の名称「オクルーダ装置及び製造方法」（米国特許出願第 号） （代理人整理番号ＡＨＳ−３）の出願書類に記載されている。 ｃ．心室内バルーンポンプ。 これは、バルーンが心臓の心室腔内に配置されており、心臓からの排出量を増 やすと共に本来の心臓に要求される仕事量を少なくするために、心搏周期の収縮 期にバルーンが膨らむようにしている。これ以外については、前述の(ａ)と同じ 要領にて作動させられる。 ｄ．心臓圧縮装置。 これは、加圧された流体(79)が心臓外部の液圧応用機構(110)を作動させる（ 例えば、プッシャー板、バルーンパッチ等）ものである。心臓からの排出量を増 やすと共に本来の心臓に要求される仕事量を少なくするために、心搏周期の収縮 期に心外膜(epicardium)の直接移動によって心室が圧縮される。これ以外につい ては、前述の(ａ)と同じ要領にて作動させられる。この装置は、血液と接触する 要素を採用していないから、血栓症、溶血、バル ーンの石灰化による合併症を避けることができる。 ｅ．容積移送式(positive displacement)心室補助装置(左又は右)。 これは、加圧された流体がプッシャー板を移動させ、次に、そのプッシャー板 が、血液で満たされた可撓性袋を圧縮し、心搏周期の収縮期にポンプから血液を 排出するようにしている。これ以外については、前述の(ａ)と同じ要領にて作動 させられる。 ｆ．容積移送式両心室補助装置と人工心臓。 これは、２つの血液ポンプが同時に作動させられる点以外は、前記(ｅ)と同じ である。 本発明は、心臓以外についても各種の応用が可能であり、以下の応用例を例示 することができる。 ｇ．液圧式バルーンオクルーダ装置。 前記(ａ)と同様な液圧駆動法を採用しているが、装置(110)は、幾つかの血管 又は人工管の周りで膨張するため、内腔がつぶされて流れが制限される点で、( ａ)とは異なる。筋肉の収縮は、筋肉刺激具(114)により起こる。筋肉刺激具(114 )は、何らかの原因（例えば、埋め込まれた遠心ポンプのモータ故障等）によっ て自動的に作動させることもあるし、マグネットをその上部に載置し手操作で作 動させることもある(例えば、人工括約筋として利用される)。 ｈ．人工肢の随意筋アクチュエータ。 前記(ａ)と同様な液圧駆動法を採用しているが、この装置(110)は、液圧ピス トンが人工肢（例えば、義肘、義手、義膝等）の関節に液圧式ピストンが接続さ れている点で、(ａ)とは異なる。この方法では、人工肢の作動は、筋肉エネルギ ー変換器(10)に取り付けられた筋肉を随意的に収縮及び弛緩させることにより行 なわれる。 ｉ．呼吸を補助するための液圧移送式ダイヤフラム(又はその代替となる人工器 官)。 前記(ａ)と同様な液圧駆動法を採用しているが、この装置(110)（例えば、ピ ストン）は、ダイヤフラム（或は、その代替人工器官）を下方に移動させるため 、胸内圧力は低下し、続いて空気の吸入が行なわれる。この点で(ａ)とは異なる 。筋肉エネルギー変換器(10)の磁気ベアリングにより、ダイヤフラムピストンか ら流体を能動的に除去することにより、空気の吐出しの補助も同じ様に行なうこ とができる。筋肉の収縮と、それに続く筋肉エネルギー変換器の圧縮は、筋肉刺 激具(114)によって行なわれる。筋肉刺激具(114)は、横隔膜神経からの刺激によ っても作動するし、制御手段(116)の中に予めプログラミングしておき、一定の 割合でバースト刺激を加えることもできる。 ｊ．リンパ液の流通促進具。 前記(ａ)と同様な液圧駆動法を用いて大リンパ管を液圧により圧縮するもので ある。しかし、この装置(110) （例えば、流体を満たしたバルーン）は、主リンパ管を周期的に圧搾することに より、その内容物を流出させ、リンパ液の流量が増加するようにしている点で( ａ)とは異なる。筋肉の収縮と、それに続く筋肉エネルギー変換器(10)の圧縮は 、筋肉刺激具(114)によって行なわれ、刺激具は予めプログラミングされ、一定 の割合でバースト刺激を加えることができるようにしている。 前述した通り、実施例に基づいて本発明を詳細に説明したが、それら実施例は 例示を目的とするものであり、当該分野の専門家であれば、特許請求の範囲に記 載された以外についても、発明の精神及び範囲から逸脱することなく変形を成し 得るものと理解されるべきである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．筋肉エネルギー変換器であって： ピストンを具え、該ピストンは筋肉に接続するためのアタッチメントヘッド を有しており； ピストンが収容されるチャンバーを有するシリンダーを具え、該シリンダー は、筋肉がピストンを移動させるときにチャンバー内の流体を移送するためのポ ートを有しており、ピストンは第１のマグネット部を具え、シリンダーは第２の マグネット部を具えており、第１マグネット部と第２マグネット部は互いに反発 し合う磁場を形成し、ピストンを、シリンダーと同軸に維持する。 ２．請求項１に記載の筋肉エネルギー変換器であって、シリンダー内のピストン の移動は、実質的に摩擦なしで行なわれる。 ３．請求項２に記載の筋肉エネルギー変換器であって、ローリングダイヤフラム のシール機構が、ピストンとシリンダーの間に接続されている。 ４．請求項３に記載の筋肉エネルギー変換器であって、ローリングダイヤフラム 機構は、第１のローリングダイヤフラムと第２のローリングダイヤフラムを具え ており、第２のローリングダイヤフラムは第１のローリングダイヤフラムと間隔 があり、第１のローリングダ イヤフラムに対向している。 ５．請求項４に記載の筋肉エネルギー変換器であって、ピストンはシリンダーに 関して、径方向と直交する軸方向に移動し、第１マグネット部と第２マグネット 部の互いに反発し合う磁場は軸方向と径方向に対して角度をなしており、ピスト ンは径方向の位置を調整する力と、軸方向の予荷重を加える力を受けるようにし ている。 ６．請求項５に記載の筋肉エネルギー変換器であって、第１マグネット部と第２ マグネット部は、多数の山部が連なり、山部は傾斜面が平坦であり、反発し合う 磁場は、軸方向と径方向に対して傾いて発せられる。 ７．請求項６に記載の筋肉エネルギー変換器であって、第１マグネット部と第２ マグネット部は、滑らかな外表面を形成するために、山部に非磁性材料のカバー が配備される。 ８．請求項７に記載の筋肉エネルギー変換器であって、アッタチメントヘッドは 少なくとも１の径路を有しており、該径路を通して筋肉の一端部が取り付けられ る。 ９．請求項８に記載の筋肉エネルギー変換器であって、ストローク調節機構を含 んでいる。 １０．請求項９に記載の筋肉エネルギー変換器であって、ストローク調節機構は 、中央にリングマグネットがピストンに固定されており、リングマグネットは第 ２マ グネット部の第１の部分と第２の部分に対向し、リングマグネットは、第１の部 分と第２の部分の間の空間に配備され、移動可能である。 １１．請求項１に記載の筋肉エネルギー変換器であって、シリンダーは、体内に 安定して取り付けるための手段を具えている。 １２．請求項１１に記載の筋肉エネルギー変換器であって、第１マグネット部と 第２マグネット部は、リングマグネットを積み重ねた構成であり、リングマグネ ットの各々は、角度に対応して傾斜するエッジ部を有している。 １３．請求項１２に記載の筋肉エネルギー変換器であって、第１マグネット部と 第２マグネット部は、幾つかのリングマグネットの間に非磁性材料のリングスペ ーサが配備されている。 １４．筋肉エネルギーを使用する方法であって： 筋肉によりピストンをシリンダー内を移動させて、シリンダー内の流体を加 圧するために、筋肉をピストンのアタッチメントヘッドに取り付けるステップ； 及び ピストンの第１マグネット部とシリンダーの第２マグネット部によって発生 する反発方向の磁場により、ピストンをシリンダー内で非摩擦状態に維持するス テップ、を有している。 １５．請求項１４に記載の方法であって、第１マグネット部と第２マグネット部 により、ピストンへの予荷重を作るステップを含んでいる。 １６．請求項１５に記載の方法であって、取付けステップは、筋肉の腱をアタッ チメントヘッドのスロットの中を通し、その腱を筋肉に戻して縫合するステップ を含んでいる。 １７．請求項１５に記載の方法であって、取付けステップの後、体内で仕事を行 なうために、流体を使用するステップがある。 １８．磁気ベアリングであって： ピストンを具え、該ピストンは、ピストンを移動させる機構に接続するため のアタッチメントヘッドを有しており； ピストンが収容されるチャンバーを有するシリンダーを具え、該シリンダー は、ピストンが移動するときチャンバー内の流体を移送するためのポートを有し ており、ピストンは第１のマグネット部を具え、シリンダーは第２のマグネット 部を具えており、第１マグネット部と第２マグネット部は互いに反発し合う磁場 を形成し、ピストンを、シリンダーと同軸に維持するようにしており、ピストン は実質的に摩擦なしでシリンダー内を移動可能である。
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