JPWO2004112868A1 - 人工心筋装置 - Google Patents

Abstract

収容部（１１）は心臓（１）の外壁に当接されたダイヤフラム（１３）を有し、内部にシリコーンオイル（１２）が収容されている。アクチュエータ（２０）はモータ（２４）に駆動され、収容部（１１）内のシリコーンオイル（１２）に圧力を印加してダイヤフラムを駆動する。制御部（３０）はモータの動作を制御する。

Description

本発明は、例えば心臓に装着され心臓の動きを補助する人工心筋装置に関する。

欠陥を有する心臓を置換したり、心臓の機能を補助したりするため、人工心臓が開発されている。全人工心臓は、心臓を切除し、心臓の代わりに埋め込むシステムであり、補助人工心臓は心臓の動きの一部を補うポンプシステムである。
全人工心臓は欧米で臨床応用が始まっている。しかし、一般に、全人工心臓は装置形状が大きく、日本人には適用することが困難である。一方、補助人工心臓は、体外設置型と、埋め込み型とがある。体外設置型は、日本国内においても使用されている。しかし、患者は補助人工心臓の駆動装置から離れることが困難であり、寝たきりの状態を強いられる。また、埋め込み型の補助人工心臓が欧米において開発されている。しかし、これも形状が大き過ぎるため、小柄な日本人には適用することが困難である。
そこで、小型化を目指して遠心ポンプを利用した補助人工心臓なども開発されている（非特許文献１）。しかし、この装置の場合、脈拍を作ることが困難であり、脈のない血液循環となるため、非生理的である。また、これらの人工心臓及び補助人工心臓は、装置が血液に接触するため、血栓形成の危険性が高く、患者は脳卒中を起こす可能性を有している。
［非特許文献１］
Ｗｉｅｓｅｌｔｈａｌｅｒ ＧＭ，Ｓｃｈｉｍａ Ｈ，Ｈｉｅｓｍａｙｒ Ｍ，Ｐａｃｈｅｒ Ｒ，Ｌａｕｆｅｒ Ｇ，Ｎｏｏｎ ＧＰ，ＤｅＢａｋｅｙ Ｍ，Ｗｏｌｎｅｒ Ｅ．Ｆｉｒｓｔ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＤｅＢａｋｅｙ ＶＡＤ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ａｘｉａｌ−ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ．Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ．２０００ Ｆｅｂ １；１０１（４）：３５６−９．
上記のように、従来の全人工心臓や補助人工心臓は、血栓形成の問題を有している。すなわち、従来の装置は、血管等からパイプを介して血管をポンプ内に導入し、さらに、ポンプからパイプを介して血管に還流される。血液がパイプやポンプのような人工材料に触れると、血液は必ず固まる。血液の凝固を防止するため、種々の抗血栓材料の開発や血流の維持による血栓形成の予防策がとられている。しかし、完全な予防は困難である。
血栓を予防するために人工心臓は常に拍動して血流を維持しなくてはならない。しかし、人工心臓の耐久性を向上させるためには問題が大きい。例えば人間の心臓は一日におよそ１０万回拍動する。１０万回の拍動に耐えることが可能であり、小型の人工心臓の開発が望まれている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、血栓形成を防止でき、小型且つ耐久性に優れた人工心筋装置を提供しようとするものである。

本発明の人工心筋装置は、上記課題を解決するため、心臓外壁に当接されたダイヤフラムを有し、内部に流体が収容された収容部と、前記収容部に接続され、前記収容部内の流体に圧力を印加して前記ダイヤフラムを駆動する圧力発生部と、前記圧力発生部を駆動するモータと、前記モータを制御する制御部とを具備している。
また、前記人工心筋装置において、圧力発生部は、シリンダと、前記シリンダ内を往復動作可能なピストンと、前記モータの回転運動を往復運動に変換し、前記ピストンを動作させるボールスクリューとを具備している。
さらに、前記人工心筋装置において、前記ダイヤフラムの近傍に配置され、前記心臓からの圧力を検出する第１のセンサと、前記血液の流量を検出する第２のセンサとをさらに具備し、前記制御部は、前記第１、第２のセンサの検出出力信号に応じて前記モータの動作を制御する。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図１は、人工心筋装置を体内に装着した状態を示す構成図である。
図２は、人工心筋装置の一実施例を示す構成図である。
図３は、人工心筋装置の制御系の一実施例を示す構成図である。
図４は、制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る人工心筋装置の一実施例を示している。この人工心筋装置は、例えば埋め込み型で流体の圧力により心臓１を外側から直接押すシステムであり、所謂ハイドローリックアクチュエータにより構成された人工心筋装置である。この人工心筋装置は、心室の外部に装着される人工心筋本体１０と、この人工心筋本体１０を油圧で作動させるアクチュエータ部２０と、このアクチュエータ２０の動作を制御する制御部３０と、体外より制御部３０にエネルギーを供給する経皮エネルギー伝送システム４０と、電源装置５０とにより構成されている。人工心筋本体１０、アクチュエータ部２０、制御部３０、及び経皮エネルギー伝送システム４０の受信部４１は体内に設けられ、経皮エネルギー伝送システム４０の電源装置５０及び送信部４２は体外に設けられる。また、人工心筋本体１０は、心臓の外側に例えば縫い付けられ、アクチュエータ２０と制御部３０は、肋間に配置される。
図２に示すように、人工心筋本体１０は、流体、例えばシリコーンオイル１２が充填された収容部１１と、この収容部１１に設けられ、流体の圧力に応じて形状が変化するダイヤフラム１３と、パイプ１４を介して接続されたアクチュエータ２０を構成するシリンダ２１と、このシリンダ２１内に設けられたピストン２２と、このピストン２２を駆動するボールスクリュー２３、及びボールスクリュー２３を駆動するモータ２４とにより構成されている。
収容部１１、パイプ１４、シリンダ２１、ピストン２２は、所要の剛性を有し、且つ生体に対して拒絶反応のない材料、例えばポリカーボネイトにより構成されている。ダイヤフラム１３は、フレキシブルで、経年変化が極めて少なく、且つ生体に対して拒絶反応のない材料、例えばシリコンゴムにより構成されている。ダイヤフラム１３は、収容部１１が心室に装着された状態において、心室外壁に密着され、流体の圧力により心室を押圧する。さらに、収容部１１の一部は心室の裏側に迄延出された延出部１５を有し、この延出部１５とダイヤフラム１３とにより心臓１が確実に保持される。また、モータ２４、ボールスクリュー２３、シリンダ２１、及びピストン２２は、例えば制御部３０とともに、肋間に配置される。
ボールスクリュー２３は、モータ２４の回転運動をボールねじにより往復運動に変換する。このボールスクリュー２３は、周知のように、スクリューボルト２３ａ及び図示せぬボールが収容された例えば円筒形状のハウジング２３ｂを有している。ハウジング２３ｂ内のボールはスクリューボルト２３ａに嵌合されている。モータ２４はステータ２４ａとステータ２４ａ内に設けられたロータ２４ｂとを有している。ロータ２４ａはハウジング２３ｂに接続され、ロータ２４ａが回転するとハウジング２３ｂが共に回転し、スクリューボルト２３ａが直線運動する。スクリューボルト２３ａは、ロータ２４ａの回転方向に応じて往復運動する。このように、モータ２４によりボールスクリュー２３が駆動されると、ピストン２２が往復運動し、シリンダ２１内で油圧が発生される。このシリンダ２１内で発生された油圧は、パイプ１４を介して収容部１１に伝達される。この油圧によりダイヤフラム１３が駆動され、心室が押圧される。
図３は、制御部３０の一例を示している。制御部３０は、例えばマイクロプロセッサ３１を含んでいる。このマイクロプロセッサ３１には、前記モータ２３を駆動する駆動回路３２、例えば血圧センサ３３、血流量センサ３４が接続されている。前記血圧センサ３３は例えば圧力センサにより構成されている。この血圧センサ３３は、例えばダイヤフラム１２と心室の間に配置され、心臓からの圧力を検出する。血流量センサ３４は、例えば超音波血流センサにより構成され、この血流量センサ３４は、例えば心臓近傍の血管の外壁に配置され、血流量を検出する。
経皮エネルギー伝送システム４０は、電源装置５０に接続された送信部４２及び制御部３０に接続された受信部４１とにより構成されている。この経皮エネルギー伝送システム４０は、周知の構成であり、送信部４２、受信部４１は、それぞれコイルを含んでおり、これらコイルが皮膚を介して電磁気的に結合されている。電源装置５０から出力される電気エネルギーは、送信部４２のコイルにより電磁気信号に変換されて送信され、受信部４１のコイルにより受信される。この受信部４１は、受信した電磁気信号を電気エネルギーに変換して制御部３０に供給する。
マイクロプロセッサ３１は、血圧センサ３３、血流量センサ３４から供給される信号に応じて駆動回路３２を制御し、モータ２４の動作を制御する。
図４は、マイクロプロセッサ３１の動作の一例を示している。マイクロプロセッサ３１は、血圧センサ３３、血流量センサ３４の出力信号と基準値を比較する。この結果、例えば血圧センサ３３の出力信号により、血圧が基準値より低下したことが検出された場合（Ｓ１、Ｓ２）、マイクロプロセッサ３１は、駆動回路３２により、モータ２４を駆動してボールスクリュー２３の往復運動の幅を広げ、血圧を上げるように動作する（Ｓ３）。一方、血圧センサ３３の出力信号により、血圧が基準値より上昇したことが検出された場合、マイクロプロセッサ３１は、駆動回路３２により、モータ２４を駆動してボールスクリュー２３の往復運動の幅を狭め、血圧を下げるように動作する（Ｓ４）。
また、マイクロプロセッサ３１は、血流量センサ３４の出力信号が基準値より低い場合（Ｓ５、Ｓ６）、駆動回路３２により、モータ２４の動作を制御し、ボールスクリュー２３の往復運動の周期を速め、血流量を増加させる（Ｓ７）。一方、血流量センサ３４の出力信号が基準値より高い場合、駆動回路３２により、モータ２４の動作を制御し、ボールスクリュー２３の往復運動の周期を遅らせ、血流量を低下させる（Ｓ８）。
なお、上記人工心筋装置は、常時動作させる必要はなく、血圧、及び血流量の変化に応じて、必要なときのみ動作される。
上記実施形態の人工心筋装置によれば、モータ２４及びアクチュエータ２０により油圧を発生させ、収容部１１に設けられたダイヤフラム１３を油圧により駆動することにより、心筋を外部から押圧し、心臓の動きを補助している。このため、人工心筋装置を構成する各部は、心臓を介して循環する血液に接触しない。したがって、血栓の形成を防止することができる。
しかも、この人工心筋装置は、血液を直接循環させるポンプ形状ではなく、収容部１１、ダイヤフラム１３からなる人工心筋本体１０は、心室の外壁の一部に取着できる大きさである。且つ、ダイヤフラム１３を駆動するためのアクチュエータ２０及び制御部３０は、肋間に収まる程度に小型化が可能である。このため、体型の大小に拘わらず、この人工心筋装置を体内に容易に収容することが可能である。
また、アクチュエータ２０はシリコーンオイル１２が充填されたシリンダ２１、ピストン２２、ボールスクリュー２３及びモータ２４を有し、モータ２４及びボールスクリュー２３によりピストン２２を駆動して油圧を発生させ、この油圧によって収容部１１に設けられたダイヤフラム１３を駆動することにより、心筋を押圧している。このため、モータ２４の回転方向、速度及びトルクを制御することにより、必要な脈拍、血圧、及び血流量を設定することができる。
しかも、モータ２４及びボールスクリュー２３は、力率及び効率が高い。このため、省エネルギーにより、心臓に対する力学的な補助を容易且つ正確に制御することが可能である。また、モータ２４及びボールスクリュー２３は、非駆動時に、ピストン２２の位置変位に対してフリーである。このため、心臓の自然な鼓動による負荷に対して自由に動くため、心臓への負荷を軽減できる。
さらに、上記人工心筋装置は、従来の人工心臓のように、血栓を防止するために常時動作して血流を維持する必要がなく、必要なときのみ駆動される。このため、駆動部品の耐久性を向上でき、人工心筋装置の耐用年数を向上できる。
また、人工心筋装置を駆動するためのエネルギーは、無線による経皮エネルギー伝送システム４０を用いている。このため、体外から皮膚を貫通する配線を必要としないため、細菌感染の危険がない利点を有している。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。

以上、詳述したように本発明によれば、血栓形成を防止でき、小型且つ耐久性に優れた人工心筋装置を提供できる。

Claims (3)

1. 心臓外壁に当接されたダイヤフラムを有し、内部に流体が収容された収容部と、
   前記収容部に接続され、前記収容部内の流体に圧力を印加して前記ダイヤフラムを駆動する圧力発生部と、
   前記圧力発生部を駆動するモータと、
   前記モータの動作を制御する制御部と
   を具備することを特徴とする人工心筋装置。
2. 前記圧力発生部は、シリンダと、
   前記シリンダ内を往復動作可能なピストンと、
   前記モータの回転運動を往復運動に変換し、前記ピストンを動作させるボールスクリューと
   を具備することを特徴とする請求の範囲１に記載の人工心筋装置。
3. 前記ダイヤフラムの近傍に配置され、前記心臓からの圧力を検出する第１のセンサと、
   前記血液の流量を検出する第２のセンサとをさらに具備し、
   前記制御部は、前記第１、第２のセンサの検出出力信号に応じて前記モータの動作を制御することを特徴とする請求の範囲１に記載の人工心筋装置。

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