WO2004112868A1

WO2004112868A1 - 人工心筋装置

Info

Publication number: WO2004112868A1
Application number: PCT/JP2004/001695
Authority: WO
Inventors: Tomoyuki Yanbe; Yasuyuki Shiraishi
Original assignee: Tohoku Electronic Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2004-12-29
Also published as: US20060155161A1; JPWO2004112868A1

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

人工心筋装置技術分野

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。背景技術

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、全人工心臓は装霄形状が大きく、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。血液がパイプゃ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 1 0万回拍動する'。 1 0万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。発明の開示

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ィャフラムを有し、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、前記収容部内め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、前記ビストンを動作させるボールスク.リ一とを具備している。

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。図面の簡単な説明

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。発明を実施するための最良の形態

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ァクチユ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 1 0と、この人工心筋本体 1 0を油圧作動させるァクチユエータ部 2 0と、このァクチユエータ 2 0の動作を制御する制御部 3 0と、体外より制御部 3 0にエネルギーを供給する経皮エネルギー伝送システム 4 0と、電源装置 5 0とにより構成されている。人工心筋本体 1 0、ァクチユエータ部 2 0、制御部 3 0、及ぴ経皮エネルギー伝送システム 4 0の受信部 4 1は体内に設けられ、経皮エネルギー伝送システム 4 0の電源装置 5 0及び送信部 4 2は体外に設けられる。また、人ェ心筋本体 1 0は、心臓の外側に例えば縫い付けられ、ァクチユエータ 2 0と制御部 3 0は、肋間に配置される。

図 2に示すように、人工心筋本体 1 0は、流体、例えばシリコーンオイル 1 2 が充填された収容部 1 1と、この収容部 1 1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 1 3と、パイプ 1 4を介して接続されたァクチユエ一タ 2 0を構成するシリンダ 2 1と、このシリンダ 2 1内に設けられたビストン 2 2と、このピストン 2 2を駆動するボールスクリュー 2 3、及ぴボールスクリュ一 2 3を駆動するモータ 2 4とにより構成されている。

収容部 1 1、パイプ 1 4、シリンダ 2 1、ピストン 2 2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ィトにより構成されている。ダイヤフラム 1 3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 1 3は、収容部 1 1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 1 1の一部は心室の裏側に迄延出された延出部 1 5を有し、この延出部 1 5とダイヤフラム 1 3とにより心臓 1が確実に保持される。また、モータ 2 4、ボールスクリュー 2 3 、シリンダ 2 1、及びビストン 2 2は、例えば制御部 3 0とともに、肋間に配置される。 ■.'

ポールスクリュー 2 3は、モータ 2 4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 2 3は、周知のように、スクリューボルト 2 3 a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 2 3 bを有している。ハウジング 2 3 b内のボールはスクリユーボルト 2 3 aに嵌合されている。モータ 2 4はステータ 2 4 aとステータ 2 4 a内に設けられたロータ 2 4 b とを有している。ロータ 2 4 aはハウジング 2 3 bに接続され、ロータ 2 4 aが回転するとハウジング 2 3 bが共に回転し、スクリユーポ.ルト 2 3 aが直線運動する。スクリューポルト 2 3 aは、ロータ 2 4 aの回転方向に応じて往復運動する。このように、モータ 2 4によりボールスクリュー 2 3が駆動されると、ビストン 2 2が往復運動し、シリンダ 2 1内で油圧が発生される。このシリンダ 2 1 内で発生された油圧は、パイプ 1 4を介して収容部 1 1に伝達される。この油圧によりダイヤフラム 1 3が駆動され、心室が押圧される。

図 3は、制御部 3 0の一例を示している。制御部 3 0は、例えばマイクロプロセッサ 3 1を含んでいる。このマイクロプロセッサ 3 1には、前記モータ 2 3を駆動する駆動回路 3 2、例えば血圧センサ 3 3、血流量センサ 3 4が接続されている。前記血圧センサ 3 3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 3 3は、例えばダイヤフラム 1 2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 3 4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 3 4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 4 0は、電源装置 5 0に接続された送信部 4 2及ぴ制御部 3 0に接続された受信部 4 1とにより構成されている。この経皮ェネルギー伝送システム 4 0は、周知の構成であり、送信部 4 2、受信部 4 1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 5 0から出力される電気エネルギーは、送信部 4 2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 4 1のコイルにより受信される。この受信部 4 1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 3 0に供給する。

マイクロプロセッサ 3 1は、血圧センサ 3 3、血流量センサ 3 4から供給される信号に応じて駆動回路 3 2を制御.し、モータ 2 4の動作を制御する。

図 4は、マイクロプロセッサ 3 1の動作の一例を示している。マイクロプロセッサ 3 1は、血圧センサ 3 3、血流量センサ 3 4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 3 3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（S 1、 S 2 ) 、マイクロプロセッサ 3 1は、駆動回路 3 2により、モータ 2 4を駆動してボールスクリュー 2 3の往復運動の幅を広げ、血圧を上げるように動作する（S 3 )。一方、血圧センサ 3 3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 3 1は、駆動回路 3 2により、モータ 2 4を駆動してポールスクリユー 2 3の往復運動の幅を狭め、血圧を下げるように動作する（S 4 ) 。

また、マイクロプロセッサ 3 1は、血流量センサ 3 4の出力信号が基準値より低い場合（S 5、 S 6 ) 、駆動回路 3 2により、モータ 2 4の動作を制御し、ボールスクリュー 2 3の往復運動の周期を速め、血流量を増加させる（S 7 ) 。一方、血流量センサ 3 4の出力信号が基準値より高い場合、駆動回路 3 2により、モータ 2 4の動作を制御し、ボールスクリュー 2 3の往復運動の周期を遅らせ、血流量を低下させる（S 8 ) 。

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 2 4及ぴァクチユエータ 2 0により油圧を発生させ、収容部 1 1に設けられたダイヤフラム 1 3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 1 1、ダイヤフラム 1 3からなる人工心筋本体 1 0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 1 3を駆動するためのァクチユエータ 2 0及び制御部 3 0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、ァクチユエータ 2 0はシリコーンオイル 1 2が充填されたシリンダ 2 1、ピストン 2 2、ボールスクリュー 2 3及びモータ 2 4を有し、モータ 2 4及ぴボールスクリュー 2 3によりピストン 2 2を駆動して油圧を発生させ、この油圧によって収容部 1 1に設けられたダイヤフラム 1 3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 2 4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 2 4及びボールスクリュー 2 3は、力率及ぴ効率が高い。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 2 4及びポールスクリュー 2 3は、非駆動時に、ピストン 2 2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一伝送システム 4 0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。産業上の利用可能性

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

請求の範囲

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ニタと、ノ

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ビストンと、

前記モータの回転運動を往復運動に変換し、前記ビストンを動作させるボールスクリユーと

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。