JPS598969A - 人工膵臓 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、人工膵臓、さらに詳しくは、生体の血糖値
を測定し、この測定結果に応じてインスリンを生体に注
入する機能を有する人工膵臓に関する。

この種の人工膵臓として、生体の血糖値を測定する血糖
値測定部と、インスリン容器、グルカゴン容器、インス
リン用送液ポンプおよびグルカゴン用送液ポンプを備え
生体にインスリンまたはグルカゴンを注入する注入部と
、血糖値の測定結果に基づいてインスリンおよびグルカ
ゴンの注入量を演算しこの演算結果に基づいて注入部の
ポンプを制御する演算制御部とからなり、これらがひと
つの筐体内に組込まれたいわゆるベッドサイド型のもの
が知られている。ところが、従来のベッドサイド型の人
工膵臓では、血糖値測定部の血糖値測定用電極（ｔ？ア
ンサ、注入部の各送液ポンプおよび演算制御部が比較的
大形であるため、装置全体が大形化し、ベッドサイドで
しか使用できないという欠点がある。

また、血糖値測定部は患者から採血した白液を希釈して
血糖値を測定するものであるため、採血による患者の負
担が大きく、長期間連続使用づることができない。

この弁明の目的は、装置全体を小形化するとともに、血
糖値測定のための採血を不要にし、よって長期間連続使
用可能な人工膵臓を提供覆ることにある。

この発明による人工膵臓は、生体の血糖値を測定する血
糖値測定部と、インスリン容器およびインスリン用送液
ポンプを備え生体にインスリンを注入する注入部と、血
糖値の測定結果に基づいてインスリンの注入量を演算し
この演算結果に基づいて注入部のポンプを制御する演算
制御部とからなる人工膵臓において、血糖値測定部が生
体内に挿入される血糖値測定用電極を備え、送液ポンプ
が回転するローラ保持体の周囲に回転自在に取付けられ
た複数のローラに弾性チューブの中間部が引張り状に掛
【ノられているものであり、演算制御部がマイクロコン
ピュータを備えていることを特徴と覆るものである。

この発明の人工膵臓によれば、血糖値測定部が生体内に
挿入される血糖値測定用電極を備え−くいるから、血糖
値測定のための採血が不要であり、患者の負担が小さく
なるため、長期間の使用が可能である。また、血糖値測
定用電極を筐体内に組込む必要がなく、かつ回転するロ
ーラ保持体の周囲に回転自在に取付（プられた複数の［
］−ラに弾性チューブの中間部が引張り状に１卦【プら
れている送液ポンプおよびマイクロコンピュータを用い
ることにより注入部および演算制御部の小形化が可能で
あるため、装置全体を小形化でき、従来のようなベッド
サイド型としででなく携帯用として使用することも可能
である。

以下図面を参照してこの発明の詳細な説明づる。

第１図に示されているように、人工膵臓は、血糖値測定
部（１）と、注入部（２）と、演算制御部（３）とから
構成されている。測定部（１）は、ポーラログラフイを
用いて血糖値を測定する血糖値測定用電極（４）および
ポーラログラフィ電気回路（５）よりなる。注入部（２
）は、インスリン容器（６）、グルカゴン容器（７）、
インスリン用送液ポンプ（８）、グルカゴン用送液ポン
プ（９）および注射針（１０）を備えている。ま／ｊ１
演算制御部（３）には、ＡＤ変換器（１１）、マイクロ
コンビコータ（１２）、ランダム・アクセス・メモリ（
ＩＩ　ＡＭ）（１３＞、プログラマブル・リード・オン
リ・メモリ（ＲＲＯＭ＞（１４）、血糖値表示器（１５
）およびポンプ駆動回路（１６）が含まれている。そし
て、第２図に示されているように、各２個の容器（６）
（７）およびポンプ（８）（９）、血糖値表示器（１５
）ならびに電源用乾電池（１７）が１個の小形の筐体（
１８）に組込まれ、ポーラログラフィ電気回路（５）、
ＡＤ変換器（１１）、マイクロコンピュータ（１２）　
、ＲＡＭ　（１３）　、ＲＲＯＭ　（１４）およびポン
プ駆動回路（１６）が、この筐体（１８）に組込まれた
プリント配線基板（１９）上に設けられている。

血糖値測定用電極（４）は、グル］−スＡキシターゼを
触媒としてグルコースより産出される過酸化水素を電気
分解する際に生ずる電流により血液中などのグルコース
温度を測定するものであり、第３図に詳細に示されてい
るように、白金電極く陽極）（２０）と銀電極（陰極）
　　（２１）とを備えている。白金電極（２０）の電極
反応部としての先端部（２２）およびリード線接続部と
しての後端部を除く部分は、ガラス（２３）にＪこり絶
縁処理されでおり、白金電極（２０）は外面に銀電極（
２１）が溶着されたステンレス鋼製円筒（２４）内に通
されている。白金電極（２０）と円筒（２４）の先端部
は、絶縁材としてのガラス（２３）の先端部を円筒（２
４）の先端部内面に溶着覆ることにより、また両者の後
端部は、プラスチック栓（２５）を白金電極（２０）お
よび円筒（２４）の後端部に嵌め被せることにより、そ
れぞれ固定されている。そして、白金電極先端部（２２
）の表面には過酸化水素透過性の親水性半透膜としての
セルローズアセテート膜（２ｆ’ｉ）が積層され、その
上面には固定化されたグルコースオキシダーゼ膜（２７
）が積層され、さらにその上面にはグルコース・酸素・
過酸化水素透過性の親水性半透膜としてのポリウレタン
膜（２８）が積層されている。白金Ｐｔｔｉ極（２０）
および円筒（２４）の後端部は絶縁処理されたリード線
（２９）（３旬にそれぞれ接続されている。血糖値□測
定用電極（４）は、体内留置用カテーテル（３１）の先
端部に取付けられ、血管中または皮下に挿入される。モ
しで、電ｆｆ１（４）からの信号は、カテーテル＜３１
）内を通してポーラＬｌグラフィ電気回路（５）に導か
れている。ポーラ１」グラフィ電気回路（５）は両電極
（２０）　　（２１）に一定の電圧を印加し、過酸化水
素電解時に生じる電流を測定して増幅する機能を備えて
おり、増幅された電流値が△Ｄ変換器（１１）に送られ
、その値に基づいて血中グルコース濃度すなわら血糖値
が求められる。

この電極（４）を犬の血管中に留置して、犬の血液につ
いてグルコース負荷試験を行なった結果が第４図に示さ
れている。この測定値は、現在一般に行なわれている標
準測定法による測定値とよく一致した。第４図において
、横軸は時間、縦軸は電圧を示しており、１１〜１゛２
間は１００ｍ　ａ　／ｄ　／　、　Ｔ２〜Ｔ３間は２０
０ｍ（＋　／ｄ　ｌ　、　７３〜Ｔ４間は３００ｍｇ／
ｄ／の標準試験液が、Ｔ４〜Ｔ５間は生理食塩水が、■
−５〜丁６間は犬の正常血液がイれぞれ通液され、Ｔ６
およびＴ７で５０％グルコース水溶液５ｃｃが犬の大腿
部に静脈注射されている。

また、基礎的試験の結果、この電極（４）は、ｉｎ　　
ｖ口ｒｏ系において２４時間以上にわたり安全であり、
グルコース温度０〜５００ｍ（１／ｄｌに対する応答反
応に直線性が認められ、応答時間が秒単位で速やかであ
り、３６〜４２°Ｃの温度範囲で安定であり、ｉｎ　　
ｖｉｖｏ動物実験にてグルコース負荷、インスリン低血
糖に対し応答性が良好であるなど、信頼性の高い測定結
果が得られることが確かめられている。

血糖値測定用電極（４）を構成する各部分の材質は、」
上記のものに限らず適宜変更可能０あるが、陽極材■と
しては白金、金のような貴金属が好ましく、陰極材料と
しては銀、塩化銀などが好ましく、絶縁材料としてはガ
ラス、プラスチックなどが好ましく、過酸化水素透過性
の親水性半透膜としてはセルローズ（モノ、ジまたはト
リ）アセテート、廿ルローズブロピＡネー］−、レルロ
ーズブチレートのようなセルローズ誘導体が好ましく、
グルコースオキシダーゼを固定化する担体としては多孔
質のガラスまたはプラスチックなどが好ましい。なお、
グルコース・酸素、過酸化水素透過性の親水性半透膜に
ヘパリンのような血液凝固防止剤が添加されていれば、
電極表面にお【ノる血液凝固を防止できて望ましい。ま
た、グルコースオキシダーゼはＮ極の先端部をグル」−
スオキシダーピ含有液に浸漬し乾燥する操作を繰返ずこ
とにより固定化し、積層してもよい。さらに、電極自体
に可撓性をもたずために、上記のステンレス鋼製円筒（
２４）の代わりにプラスチックチューブを用いてもよい
。この場合には、プラスチックチューブの外面に銀を真
空蒸着し７ｃのち、その上面に銀めっきを施すことによ
り陰極を形成することができる。

２個の容器（６）（７）は、たとえば塩化ビニルフィル
ムまたはシートなどのような可撓性月利よりなり、１枚
の方形状の可撓性材料を二重に折り重ねるか、または２
枚の方形状の可撓性祠料を二重に重ねて、その周縁部を
シールすることにより袋状に形成されている。インスリ
ン容器（６）にはインスリンが、グルカゴン容器（７）
にはグルｊＪゴンがそれぞれ満たされており、各容器（
６）（７）には送液用弾性チューブ（３２）　　（３３
＞の一端部が接続されている。

そして、これら２木のチューブ（３２）　　（３３）の
他端部は筺体（１８）から外に出て１個の注射鉗（１０
）に接続されている。

インスリン用送液ポンプ（８）の詳細が第５図〜第９図
に示されている。すなわち、筺体（１８）に垂直に固定
されるポンプ取付板（３４）のハ面上下に水平固定台（
３５）　　（３６）が対向状に固定されており、下側の
固定台（３６）には減速機付直流モータ（３７）が上向
きに固定され、上側の固定台（３５）にはモータ軸（３
８）と同軸の垂直回転軸（３９）の上下中間部が回転自
在に受りられている。モータ軸（３８）と回転軸り３９
）は、軸継手（４０）によって互いに連結されている。

軸継手（４０）には回転円板（４１）が水平に固定され
ており、この円板（４１）の外周内部には２４個の切欠
き（４２）が等間隔をおいて形成されている。ポンプ取
付板（３４）の片面上部には、円板（４１）周縁部の上
下に配置された発光素子と受光素子を備えた光電式回転
角度検出器（４３）が取付けられている。上側の固定台
（３５）のすぐ上の回転軸（３９）の部分に水平円板状
のローラ抜は止め部材（４４）が一体に形成されており
、これより上側の回転軸（３９）の部分に短円柱状のロ
ーラ保持体（４５）が嵌められている。

ローラ保持体（４５）より上方に突出した回転軸（３９
）の上端部には、他の部分より若干小さい外径を右づる
簿肉円筒部（４６）が形成されており、円板状のローラ
抜は止め部ｔ、ｆｌ（４７）が、円筒部（４６）の外側
に嵌められ、円筒部（４６）の上端を外側に拡げること
により回転軸（３９）に固定されている。ローラ保持体
（４５）は四フッ化エヂレン樹脂よりなり、その下面中
央部には回転軸挿入孔（４８）より直径方向両側に若干
伸びた溝（４９）が形成されχいる。この溝（４９）に
対応づる回転軸（３９）の部分には水平貫通孔（５０）
かあ（）られており、この孔（５０）に水平ビン（５１
）が挿入されている。このビン（５１）の両端部は回転
軸（３９）より突出しで溝（４９）に嵌まってｉＪ′３
つ、このビン（５１）によって回転軸（３９）の回転が
ローラ保持体（４５）に伝えられる。ローラ保持体（４
５）を上下に貫通する４個の円形孔（５２）が回転軸（
３９〉を中心と覆る同一＝円周上に等間隔をおいてあ（
〕られ、ローラ保持体（４５）の外周側面全周に、孔〈
５２）に達する横断面半円状の環状のチコーブ案内溝（
５３）が設けられている。各円形孔（５２）には、その
内径よりわずかに小さい外径を有する円柱状のローラ（
５４）が回転自在に嵌められており、各ローラ（５４）
の外周の一部分が孔（５２）から案内ｉＭ（５３）内に
出ている。ローラ（５４）の上下両端部は非常に背の低
い円錐状に形成されており、ローラ（５４）の長さは上
下のローラ族は止め部１．！ｌ　（４７）　　（４４）
の相互間隔よりわずかに短く、ローラ（５４）は軸方向
にほとんど移動しない。回転軸（３９）、ローラ族（プ
止め部材（４７）およびローラ（５４）にはステンレス
鋼が使用されている。インスリン容器（６）に接続され
た送液用弾性チューブ（３２）の中間部が、次のように
して、ローラ保持体（４５）の約１８０°の範囲にある
ローラ（５４）の案内溝（５３）内に出た部分に引張り
状に掛けられている。りなわら。

上側の固定台（３５）の一端部上面に２個の弾性チュー
ブ保持板（５５）が固定され、各保持板（５５）の上部
にはＵ字形の切欠き（５６）が設（）られており、一方
、デユープ〈３２）の中間部の２箇所にチューブ（３２
）の外径より大きい外径を右する環状のストッパ（５７
）が接着などの適宜な手段によって固定されている。そ
して、これらのストッパ（５７）の間の部分をローラ（
５４）に掛ｉノでチューブ（３２）を引張り、ストッパ
（５７）よりローラ（５４）側の部分を保持板（５５）
のり欠き（５Ｇ）に通してストッパ（５７）を保持板（
５５）に圧接させることにＪζす、チューブ（３２）は
一定の張力をか（プだ状態（−１」−ラ（５４）に掛け
られている。ローラ保持一体（４５）が第６図の矢印一
方向に回転することにより、インスリンは同図に矢印で
示されているように容器（６）からデユープ（３２）を
通って注射針（１ｏ）に送られ、送液量はポンプ（８）
ｉｌｌなわちローラ保持体（４５）の回転角度に比例づ
る。

グルカゴン用送液ポンプ（９）の構成も上記と同様であ
る。

演舞制御部（３）のＦＲＯＭ　（１４）　ニＬＬ、血糖
値の測定結果に基づいてインスリンおよびグルノｊゴン
の注入量を演算し、この演舞結果に基づいて注入部（２
）のポンプ（８）＜９）を制御するためのプログラムが
格納されており、１（ＡＭ（１３）には上記演算式のパ
ラメータや測定データなどが記憶される。演算式のパラ
メータは、患者の体重やインスリンの濃度などにょって
異なり、パラメータ入出力用ターミナル（５８）を使用
して設定される。このターミナル（５８）は、キーボー
ド、プリンタ、ディスプレイおよび電源用電池（５９）
−などを備えており、パラメータ設定時だけ人工膵臓に
接続され、人工膵臓使用中はこれから切離されている。

１：記の人工膵臓は、筐体（１８）を患者の着衣などに
固定し血糖値測定用電極（４）を血管中または皮下に挿
入するとともに注射！１（１０）を血管中または皮下に
挿入した状態で使用される。

そして、次のように、一定時間〈たとえば１分）Ａ３き
に血糖値が測定され、この測定結果に基づいてインスリ
ンおよびグルカゴンの注入量が演算され、必要巾のイン
スリンまたはグルカゴンが注入される。

すなわら、電極（４）からのアナログ信号はポーラログ
ラフィ電気回路（５）で増幅されたのもＡＤ変換器（１
１）によってディジタル信号に変換され、この信号がマ
イクロコンピュータ（１２）に送られる。マイクロコン
ピュータ（１２）は、一定時間おきに、このディジタル
信号に基づいて血糖値を棹出し、これに基づいてインス
リンおよびグルカゴンの注入量を演算する。この演算は
、従来のベッドサイド型の人工膵臓などで行なわれてい
るものと同様であるので、説明を省略づる。このように
して演算されたインスリンおよびグルカゴンの注入量の
少なくともいずれか一方は零であり、白糖値によって、
インスリン、１３よびグルカゴンをいずれか一方だ１ノ
注入する場合と両方とも注入しない場合とがある。そし
て、インスリンまたはグルカゴンを注入する必要がある
場合には、マイクロコンビコ−タ（１２）は、注入量に
応じたポンプ（８）（９）の回転角度を棹出し、ポンプ
駆動回路（１６）に駆動するポンプとぞの回転角度を指
令づる。ポンプ駆動回路（１６）の主要部が第１０図に
示されており、たとえはインスリンが注入される場合に
は、次のように、マイクロコンピュータ（１２）から指
令された角度だ（ノボンプ（８）が回転さけられる。す
なわら、マイクロコンピュータ（１２）からの回転角度
指令は、回転円板（４１）の切欠きく４２）１ピッチ分
（１５°）を１単位とする数で与えられ、この指令値が
ブリセラ１〜付減算ノＪウンタ（６０）にセットされる
。たとえばポンプ（８）を１回転さける必要がある場合
には、２４という指令値がカウンタ（６０）にセットさ
れる。カウンタ（６０）に指令１直がセラ１−されると
、モータ電［（６１）からモータ（３７）に至るモータ
駆動回路り６２）が閉じてポンプ（８）が起動し、円板
（４１）もポンプ（８）と同期して回転する。ポンプ（
８）すなわち円板（４１）が切欠き（４２）　１ビッヂ
分回転する！こびに、回転角度検出器（４３）から波形
整形回路（６３）を通ってカウンタ（６０）に信号が送
られ、この信号が入力するたびにカウンタ（６０）の内
容が１ずつ減算される。そして、カウンタ（６０）の内
容が正である間、ポンプ（８）は回転を続け、カウンタ
（６０）の内容が零になると、モータ駆動回路（６２）
が開いてポンプ（８）が停止づる。このようにマイクロ
コンピュータ（１２）からの指令領分だけポンプ（８）
が回転することにより、これに比例する所定量のインス
リンが容器（６）からチューブ（３２）ｉＪ３よび注射
釦（１０）を通って患者の血管内またＩＪ皮下に注入さ
れる。グルカゴンが注入される場合も同様である。

（１１体内に挿入される血糖値測定用電極は、上記実施
例のものに限らず、適宜変更可能である。

上記実施例の送液ポンプの場合には、１」−ラ保特体の
円形孔にローラが嵌められており、ローラを受（〕るた
めにころがり軸受を必要としないから、従来の同種のも
のに比べて小形に構成でき、かつ部品点数も少なくてす
むため、安価に製作できる。また、ローラ保持体の外周
側面に、円形孔に達覆るチコーブ案内溝が設りられ、【
−１−ラの案内溝内に出ている部分に弾性チューブが掛
りられているのぐ、従来のようにローラを特殊な形状に
したりチューブガイドを設けたりしなくても、弾性デユ
ープの蛇行を確実に防止でき、これによって弾性チュー
ブの寿命を伸ばづことができる。また、上記実施例の送
液ポンプの場合には、直流モータが用いられているので
、パルスモータが用いられる場合に比べて消費電流が少
ないという利点を有する。しかしながら、送液ポンプの
構成は、上記実施例のものに限らず、適宜変更可能であ
る。

２木の送液用弾性デユープの先端は、上記実施例では１
個の注１’ｌ　ＩＩに接続されているが、２個の注射針
に別々に接続されていてもよい。

上記実施例では、注入部（２）はインスリン容器（６）
、グルカゴン容器（７）、インスリン用送液ポンプ（８
）およびグルカゴン用送液ポンプ（９）を備え生体にイ
ンスリンまたはす・ル）Ｊインを注入するものであるが
、注入部はグルカゴン容器およびグル７Ｊゴン用送液ポ
ンプを備えずに生体にインスリンだＩノを注入するもの
であってもよい。また、グルノＪゴンの代わりにグルコ
ースを注入するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例を示し、第１図は全体のブロッ
ク図、第２図は分解斜視図、第３図は血糖値測定用電極
の拡大縦断面図、第４図は第３図の電極を用いて犬の血
液についてグルコース負荷試験を行なった結果を示すグ
ラフ、第５図は送液ポンプの側面図、第６図は同平面図
、第７図および第８図は第６図■−■線および■−■線
の部分拡大断面図、第９図は送液ポンプ主要部の分解斜
視図、第１０図はポンプ駆動回路の主要部を示すブロッ
ク図である。 （１）・・・血糖値測定部、（２〉・・・注入部、（３
）・・・演算制御部、（４）・・・血糖値測定用電極、
（６）・・・インスリン容器、（７）・・・グルカゴン
容器、（８）・・・インスリン用送液ポンプ、（９）・
・・グルカゴン用送液ポンプ、（１２）・・・マイクロ
コンピュータ、（２（＋）・・・白金電極（陽極）、（
２１）・・・銀電極（陰極）、（２２）・・・白金電極
先端部、（２４）・・・円筒、（２６）・・・セルロー
ズアセテート膜（過酸化水素透過性の親水性半透膜）、
（２７）・・・グルコースオキシダーげ膜、（２８）・
・・ポリウレタン膜（グルコース・酸素・過酸化水素透
過性の親水性半透膜）、（３２）　　（３３）・・・弾
性デユープ、（４５）・・・ローラ保持体、（５２）・
・・円形孔、（５３）・・・チューブ案内溝、（５４）
・・・ローラ。 以上 第４図 第６図 第８図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　生体の血糖値を測定する血糖値測定部（１）と
   、インスリン容器（６）およびインスリン用送液ポンプ
   （８）を備え生体にインスリンを注入する注入部（２）
   と、白糖値の測定結果に基づいてインスリンの注入量を
   演算しこの演算結果に基づいて注入部（２）のポンプ（
   ８）を制ｔ［Ｉｉる演算制御部（３）とからなる人工膵
   臓において、血糖値測定部（１）が生体内に挿入される
   血糖値測定用電極（４）を備え、送液ポンプ（８）が回
   転するローラ保持体（４５）の周囲に回転自在に取付（
   プられた複数のローラ（５４）に弾性チューブ（３２）
   の中間部が引張り状に掛けられているものであり、演算
   制御部（３）がマイクロコンピュータ（１２）を億えて
   いることを特徴とする人工膵臓。
2. （２）　血糖値測定用電極（４）が、電極反応部として
   の先端部（２２）およびリード線接続部としての後端部
   を除いて絶縁処理された陽極（２０）と、円筒状の陰極
   （２１）とからなり、陽極（２０）が円筒（２４）内に
   固定されるとともに、陽極（２０）の先端部表面に過酸
   化水素透過性の親水性半透膜（２６）、ついで固定化さ
   れたグルコースオキシダーゼ月１ｌ（２７）、さらにグ
   ルコース・酸素・過酸化水素透過性の親水性半透膜（２
   ８）が順次積層されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の人工膵臓。
3. （３）　送液ポンプ（８）のローラ保持体〈４５）に、
   その回転中心軸と平行な複数の円形孔（５２）が回転中
   心軸を中心とする同一円周上に等間隔をおいてあけられ
   、ローラ保持体（４５）の外周側面に、孔（５２）に達
   しかつ周方向に伸び為チューブ案内溝（５３）が設けら
   れ、ローラ（５４）が回転はしつるが半径方向および軸
   方向にはほとんど移動しないようにローラ保持体（４５
   ）の６孔（５２）に嵌められ、弾性チューブ（３２）の
   中間部が所定数のローラ（５４）の案内ｔｆｉ（５３）
   内に出ている部分に掛けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項または第２項に記載の人工膵臓。
4. （４）　注入部（２）がインスリン容器（６）、グルコ
   ースまたはグルカゴン容器（７）、インスリン用送液ポ
   ンプ（８）およびグルコースまたはグルカゴン用送液ポ
   ンプ（９）を備え生体にインスリンまたはグルコースも
   しくはグルカゴンを注入するものであり、演算制御部（
   ３）が白糖値の測定結果に基づいてインスリンおよびグ
   ルコースまたはグルカゴンの注入量を演算しこの演算結
   果に基づいて注入部（２）の各ポンプ（８）（９）を制
   御リ−るものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項〜第３項のいずれかに記載の人工膵臓。