第4回東京かつしか
作曲コンクール
2017年5月4 開催

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電磁エネルギーを用いた


　　医療技術に関する研究

体内埋込型人工心臓について

なぜ人工心臓が必要なの？

　心臓移植以外助かる道がないとされている重症心不全患者が増加してきています．日本においても，心臓移植ができるようになりましたが，重症心不全患者の人口に対して，心臓提供者（ドナー）に成り得る方の人口はとても少ないのが現状です．このため，人工心臓の一刻も早い実用化が望まれています．

人工心臓は販売されているの？

人工心臓には大きく２つのタイプがあります．�@補助人工心臓(Ventricular Assist System)と�A完全置換型人工心臓です．
�@補助人工心臓は，自然心臓と並列に装着する人工心臓ですでに販売され実用化されています．90年代は，ノバコア(Edwards Lifesciences Corporation),ハートメート(Thoratec Corporation),国循型(国立循環器病センター研究所)等の拍動型の補助人工心臓が治療に用いられていましたが，現在は，ハートメート�U, エバハート，ＨＶＡＤ，など、様々な小型な回転式の補助人工心臓が治療に用いられています．こちらは主に，心臓移植までの橋渡しや，自然心臓の治療として用いられています．
一方，�A完全置換型人工心臓（Total artificial heart）は，自然心臓を完全に取り去ってしまい，すべての機能を置き換えてしまう人工心臓です．このタイプはまだ開発段階であり，販売はされておりません．

どうやって血液を送り出すの？

　人工心臓は，これまでは空気駆動方式のものが主流となっていました．空気駆動方式とは，体外からチューブを体内に挿入し，（補助）人工心臓のなかにあるポンプ室の一部に空気を送りこみます．この圧力で膜やプレートを動かして血液を送る方式です．
　これに対し，現在用いられているものは，すべて電気駆動方式です．電気エネルギーを用いてモータを動かし，この動力を直線運動に変換し，プレートや膜で血液を送ったり，モータで羽根車をまわし直接血液を送り出すものがほとんどです．
　空気駆動方式の場合．空気チューブが体外の装置とつながれているので，患者さんの生活の質が下がってしまいます．これに対して，電気駆動方式の場合，体内に電池などの電気エネルギー源を埋め込むことで，体外装置と体外装置と体内装置をつなぐケーブルも不要となり，患者さんは自由に動くことができるようになります．ただ，現時点では，まだ，電気駆動方式の場合でも，電線が体外の装置とつながれているので，患者さんの生活の質が高いとは言えません．

電気で動く人工心臓は，電池で動くの？

　人工心臓は１分間に5〜10Lmもの血液を送り出さなければならないので，現在開発中のある完全置換型人工心臓の場合を例にとると，平均10〜20Wの程度の電力が必要になっています．
　電池に換算してこのエネルギー量を考えてみましょう．二次電池（充放電できる）を例にとって見積もってみましょう．現在最も体積当たりのエネルギー密度が高いと言われている電池の一つに，リチウムイオン二次電池があります．皆さんがよく利用する単３電池よりも一回り大きい程度のサイズのもので考えてみますと，1.8〜2.5Wを１時間流せる程度のエネルギー量があります．１日間連続駆動するためには，約170本必要になります．一日交代で充電する場合を考えても340本必要です．とても体に入る大きさではないですし，電池だけでは，エネルギーが全く足りないことがわかります．

体内に大きな電力源を置く方法はないの？

これまでに，様々な方法が提案されてきました．�@体内に核エネルギーを埋め込んだらどうかという提案については，安全上の観点から実用化には至っていません．�A体内で発電できないかなどの提案についても，得られるエネルギー量が小さいことから実用化には至っていません．最も有力な方法とされたのは，�B電磁誘導コイルを用いて，体外から体内にワイアレスで電力供給する方法です．
　そこで私たちは，電磁誘導による電力伝送がどの程度可能なのか，また身体には安全なのか研究を行ってきました．これらの研究の一部をもう少し詳しく説明します．現在は，さらにその他の体内埋込機器や産業用の非接触電力伝送などに利用できないかと研究を進めるとともに，電磁エネルギーを用いたその他医療機器の開発も行っています．

体内埋込機器へのエネルギー伝送（体外結合型の成果を簡単にまとめたものですが，要旨なので，わかりにくいと思います．済みません．）

心臓置換を必要とする末期的不可逆性の重症心不全患者の治療と社会復帰の手段として，完全埋込型全人工心臓（以降，TAHと呼ぶ）の開発に寄せられる期待は大きく，その課題の一つにエネルギー供給の問題があります．ペースメーカのように消費電力が微少なものは体内一次電池で5〜10年のエネルギー供給を行うことが可能でありますが，TAHのように常時10〜20Wを必要とする埋込機器の場合，体内に入る量の一次電池では数時間しかエネルギーを供給することができないため，現実には不可能であります．そして，電線が皮膚を通過することで起こる感染症の問題があります．また，患者さんの生活の質を向上させるためにも最適な方法が求められています．
　この方法の一つとして，電磁誘導の法則を用いて非侵襲で経皮的に行うエネルギー伝送（経皮エネルギー伝送(Transcutaneous Energy Transmission)）があり，今日最も有力とされています．現在までに国内外で様々な経皮エネルギー伝送システムが考案されていますが，これまでのものは，体が動くことによって伝送量が変化したり，伝送効率が著しく低下する等の問題がありました．さらに，経皮エネルギー伝送によって発生する電磁界が生体や周辺装置に及ぼす影響等，安全面からの検討はほとんど行われておらず，原理的な動作の確認に留まっているのが現状でありました．
　我々は，これらの問題を解決するために，生体に装着する電磁誘導用トランス・フォーマ（経皮トランス）の結合方式を従来のものと全く異なるものにした"体外結合型方式"（本名称は我々で命名）に注目し，これを用いた経皮エネルギー伝送システムの研究・開発に取り組んできました．従来までに，明らかにされていなかった体外結合型経皮トランスの解析理論及び設計手法を確立し，体外結合型経皮トランスがこれまでのものに比べ，優れた伝送効率や伝送安定性を有していることを理論的・実験的に明らかにしました．そして，エネルギー伝送効率と伝送安定性を飛躍的に向上させることに成功しました．また，生体に装着したときの安全性の評価として，�@経皮トランス近傍の生体組織に吸収される単位質量当たりの電力（これを比吸収率SARと呼ばれる）の計算や�A生体内誘導電流の評価，�B伝導性妨害波や�C放射性妨害波の評価と抑制のための検討，�Dシリコーンでコーティングした経皮トランスの体内コイルや体内回路をヤギに埋め込んでの慢性動物実験評価（4ヶ月間常時20〜40Wを伝送）等を行い，いずれも問題ない程度であること示しました．さらに，患者の入浴時や何らかの原因で体外からの経皮的エネルギー供給が不可能となった場合を考慮して，体内バックアップ用二次電池（リチウムイオン）と組み合わせた経皮エネルギー伝送システムについても検討し，60分程度であればバックアップが可能になるようにシステムを改良してきました．
　2003年には国立循環器病センター研究所で開発中の電気油圧駆動方式完全置換型全人工心臓のバックアップ二次電池を含む体外結合型経皮エネルギー伝送システムの動物実験による総合評価を本邦初で行っており，30日以上の生存を記録する等，良好な結果を得ています．

他にどんなものが対象になるの？
カプセル内視鏡や，人工膵臓，ペースメーカなどもこの技術で電力伝送ができます．また，家電機器やモバイル機器，電機自動の充電なども対象になります．その他，容量結合方式による電力伝送など，柴研究室で新しく提案した方法もあり．これらは体内深部に留置する低消費電力のセンサなどへのワイヤレス電力供給も可能です．いろいろな分野への応用が可能です．

今どんな研究をしているの？
非接触電力伝送を実用化しようとすると，ＥＭＩの問題や，生体影響の問題を解決しなければなりません．ＥＭＩの研究では，実際に，電磁ノイズを測定したり，電磁界解析により求めたりしています．また，生体影響についても，模擬人体を使って実測を行ったり，ＴＬＭ法やＦＤＴＤ法による電磁界解析を用いて．一般的な生体安全ガイドライン以下に収まるかどうか調べています．また，エネルギーだけでなく，情報通信システムの研究も行っています．柴研究室では，この他にも，医療，建築，環境　をキーワードとした電磁力を用いた様々な研究をおこなっています．

研究発表など新しい情報は，研究室のホームページの方を見ていただいたいと思います．ただ，基本的に，ＨＰの更新が遅いので，情報は古いものもあります．もし，一緒に研究を行いたい方など，研究に関して興味がある方がおられましたら，お気軽に柴までご連絡ください．