電気刺激による筋収縮を用いた植込み型医療機器用体内発電システム東京工業大学大学院総合理工学研究科佐原玄太東京工業大学 ○土方精密工学研究所亘，進士忠彦 1 従来技術とその問題点化学電池による給電神経刺激装置 50 W ケーブルによる給電人工心臓 10 W 人工内耳 150 W 除細動器 10 W ペースメーカ 10 W ✘給電ケーブルの皮膚貫通・貫通部の感染症・入浴等の制限 ✘定期的な電池交換手術・身体的，経済的負担・電池残量に対する不安 2 従来技術とその問題点電磁誘導を用いた非接触給電体内体外人工心臓 10 W 受電コイル送電コイル体外装置 ✘送電コイルの位置ずれ（伝送効率低下） ✘コイルの発熱 ✘身体，医療機器の電磁波暴露受電電流送電電力 ✘バッテリ切れの心配 3 従来技術とその問題点電磁誘導を用いた非接触給電人工心臓人工心臓 10 W 受電コイル受電コイル送電コイル体外装置送電コイル ✘送電コイルの位置ずれ（伝送効率低下） ✘コイルの発熱体外装置 AbioCor® (ABIOMED社) 現在は販売中止 ✘身体，医療機器の電磁波暴露 ✘バッテリ切れの心配 4 従来技術とその問題点体内発電システム ✔電池交換手術不要 ✔電池残量の懸念不要エネルギ源発電法 ✔外部機器不要・心拍（血流，血圧，心筋運動）・呼吸（気圧，横隔膜運動）・体の動き（慣性）・体温（熱）・電磁誘導・圧電効果・熱電効果・栄養（糖）数μW ～数十μW ・電気化学反応 5 従来技術とその問題点体内発電システム ✔電池交換手術不要 ✔電池残量の懸念不要 ✔外部機器不要エネルギ源・心拍（血流，血圧，心筋運動）・呼吸（気圧，横隔膜運動）・体の動き（慣性）低出力低エネルギ密度エネルギ収集困難・体温（熱）・栄養（糖）・骨格筋収縮電気刺激により収縮高出力高エネルギ密度能動的にエネルギ産出コンパクト，高効率 6 新技術の特徴提案する体内発電システム能動的な電気刺激電極化学エネルギ体内のブドウ糖＋酸素運動エネルギ生体筋肉の収縮 ✔体内に豊富に存在電気エネルギ電磁誘導型発電機構の駆動蓄電・給電 ✔高変換効率 ✔高エネルギ密度体内の豊富な化学エネルギを電気エネルギに変換するシステム 7 従来技術との比較実用化化学電池 ✘交換手術一部実用化研究段階本提案電源ケーブルの電磁誘導式体内発電体内発電引出し（糖分・体温・（電気刺激による血圧変化など）筋収縮）非接触給電 ✘感染症 ✘体外装置携行 ✔体外装置不要 ✔体外装置不要 ✘行動制限（入浴等） ✘電磁波暴露 ✘低出力 ✔高出力・高効率 ✘発電量制御困難 ✔発電量制御可能  電源供給課題解決による植込み型医療デバイスの導入容易化  使用筋肉量の調節で発電容量の選択可能なため，様々なデバイスに適用可能  患者の身体的・経済的負担の軽減 8 発電システムの概略鎖骨・大胸筋の上縁を切断し，発電機構に接続・発電機構サイズ：30×6mm 大胸筋ボールジョイント収縮筋シェルペースメーカ等発電機構上腕骨刺激電極ワイヤ 9 発電システムの概略・大胸筋の上縁を切断し，発電機構に接続鎖骨・発電機構サイズ：30×6mm 大胸筋ボールジョイント収縮筋シェルペースメーカ等発電機構刺激刺激電極発電ワイヤ 10 発電機構設計例ワンウェイクラッチ 30 t=6 ワイヤ（筋肉に接続） (i) 往復→回転運動変換クランクギア (ii) 増速部中継ギア (ii) 発電部ロータ：永久磁石ステータ：コイル 11 カエルを用いた電気刺激による筋収縮特性調査 12 筋収縮特性測定セットアップレーザ変位計刺激電極錘カエルの後脚 20mm 使用筋肉量:2g 13 筋肉の刺激に用いる電気信号・電気刺激：連続矩形波電圧 5.0 sec 2.0 sec 継続時間（msec）電圧の正負を反転 → 一方向電流の影響回避可変パラメータ ① 繰返し周波数 ② 継続時間 ③ 振幅 →今後最適化の余地ありパルス幅 (0.2 msec) 1/ f 振幅（V） f : 繰返し周波数 (Hz) 14 筋収縮特性測定実験の結果 Laser displacement sensor 筋収縮実験時の動画 15 筋収縮特性測定実験の結果 3.5 筋収縮距離 [mm] 3.0 2.5 2.0 ストローク3.2mm ＠定荷重0.37N →1.2 mJ →（1収縮/60 s ならば）20 μW (筋肉量2g) 1.5 1.0 →10g程度の筋肉量で100Wの見込み 0.5 刺激電圧 [V] 0.0 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 時間 [msec] 16 想定される用途 • ペースメーカや除細動器等，従来，電池を使用していた植込み型医療デバイスの電源 • 健康モニタリング装置や人工網膜等，将来実現が見込まれる植込み型医療デバイスの電源 17 実用化に向けた課題 • 試作機を生体筋肉に接続した状態での，損失，及び発電量の評価 • 生体適合性を考慮した材料の適用，及び動物を用いた植込み試験 • 筋疲労や筋収縮力を考慮した最適な刺激信号の探索 • 高出力化の検討 18 企業への期待 • 精密，微小部品の加工や小型発電機構を得意とし，医療分野への展開を考えている企業との提携を希望 • 体内植込み型医療デバイスを開発/販売中の企業には，電力源として本技術の適用に関する共同研究を希望 • 体内エネルギーハーベスティングに興味のある企業との共同開発を希望 19 本技術に関する知的財産権 • • • • 発明の名称：体内発電システム出願番号：特願2014-171562 出願人：東京工業大学発明者：佐原玄太，土方亘，進士忠彦 20 お問い合わせ先東京工業大学産学連携コーディネーター松下近ＴＥＬ 03－5734 － 7693 ＦＡＸ 03－5734 － 7694 e-mail matsushita＠sangaku.titech.ac.jp 21