(57)【要約】  患者への身体的負担を軽減した上で、より確実に体内植込み型医療機器への継続的な給電を実現する。生体内に設けられ、体内植込み型医療機器１０に供給する電力を発生させる体内発電システム１００であって、生体内の所定の部位における筋肉組織２０に電圧を印加可能に設けられる電極１０６と、電極への電圧の印加による筋肉組織の収縮の検出に伴い所定の方向に移動可能に設けられる可動部１０８と、可動部の移動に伴って起電力を発生させる発電機構１０４と、一端が可動部と接続され、他端が発電機構と接続される紐状の接続部材１１０と、電極に印加する電圧を制御する制御部１１８と、を備える。
2016031734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内に設けられ、体内植込み型医療機器に供給する電力を発生させる体内発電システムであって、
前記生体内の所定の部位における筋肉組織に電圧を印加可能に設けられる電極と、
前記電極への前記電圧の印加による前記筋肉組織の収縮の検出に伴い所定の方向に移動可能に設けられる可動部と、
前記可動部の移動に伴って起電力を発生させる発電機構と、
前記電極に印加する前記電圧を制御する制御部と、を備えることを特徴とする体内発電システム。
【請求項２】
前記発電機構で発生させた電力を蓄電する二次電池を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の体内発電システム。
【請求項３】
前記発電機構は、
ケーシングと、
前記接続部材と接続され、前記可動部の略直線運動を回転運動に変換するクランクギアと、
前記クランクギアの前記略直線運動から前記回転運動への変換に連動して回転するロータと、
前記ロータの一面の外縁側に前記ケーシングの底面に対向するように環状に設けられる複数の磁石又は電極部材と、
前記ケーシングの底面側の前記磁石又は前記電極部材と対向する部位に環状に設けられる複数のコイル又は起電側電極と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の体内発電システム。
【請求項４】
前記電極部材は、エレクトレットで形成されることを特徴とする請求項３に記載の体内発電システム。
【請求項５】
前記発電機構は、前記複数の磁石と前記コイル、又は前記電極部材と前記起電側電極による発電ユニットが複数設けられる多層構造であることを特徴とする請求項３又は４に記載の体内発電システム。
【請求項６】
前記クランクギアにより変換された前記回転運動と連動して、前記ロータの回転速度を増大させる複数のギア部材を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の体内発電システム。
【請求項７】
前記ロータの回転軸には、前記複数のギア部材のうちの一のギア部材を介して前記ロータを一方向のみに前記回転運動を伝達するワンウェイクラッチが設けられることを特徴とする請求項６に記載の体内発電システム。
【請求項８】
前記ロータの内部には、該ロータの中心から放射方向に伸縮可能な弾性部材を介して移動可能な重りが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の体内発電システム。
【請求項９】
前記所定の部位から前記電極及び前記可動部の離脱を防止可能な固定部材を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の体内発電システム。
【請求項１０】
前記可動部、前記ケーシング、及び前記固定部材は、チタン系金属から形成されることを特徴とする請求項９に記載の体内発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体内植込み型医療機器の給電用電源となる体内発電システム等に関する。本出願は、日本国において２０１４年８月２６日に出願された日本特許出願番号特願２０１４−１７１５６２を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
徐脈や頻拍等の不整脈の症状を呈する心疾患の治療機器として、近年、植込み型心臓ペースメーカ（以下、「ペースメーカ」と記す）や植込み型除細動器（以下、「ＩＣＤ」と記す）、人工心臓等の体内植込み型医療機器が広く用いられている。このような体内植込み型医療機器を体内で自立して作動させるためには、体外で電源とケーブル接続して当該電源から直接給電して駆動させるか、当該医療機器にリチウム電池等の一次電池による給電が行われている。【０００３】
しかしながら、体外の電源から直接ケーブル接続して給電する手法では、皮膚貫通部での感染症や炎症を引き起こすリスクがあり、患者にとっても入浴等の日常生活における各種制約を受けることが課題となる。また、一次電池による給電では、数年毎に電池交換のための外科的な手術が必要となり、患者にとって身体的にも経済的にも負担が大きい。【０００４】
かかる課題を解決するための他の体内植込み型医療機器への給電方法として、特許文献１では、体内植込み型医療機器の給電を二次電池で行って、電磁誘導を用いて体外からリモートで当該医療機器の電源となる二次電池に非接触給電を行う充電システムが開示されている。また、非特許文献１では、電気刺激による筋収縮を利用した圧電型の発電装置を体内に植え込む体内発電システムとして、積層した圧電素子を骨と筋肉−腱単位の間に外科的に組み込んで、電気刺激による筋肉の単収縮を利用して発電する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１５２０９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】B. E. LEWANDOWSKI, K. L. KILGORE, and K. J. GUSTAFSON. In Vivo Demonstration of a Self-Sustaining, Implantable, Stimulated-Muscle-Powered Piezoelectric Generator Prototype
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
体内植込み型医療機器への給電をするに際にして、当該医療機器を装着している患者への身体的負担を軽減した上で、その給電手法が当該患者にとって使い勝手が良好で生活自由度が確保されることが好ましい。また、体内に埋め込まれた体内植込み型医療機器を継続的に作動させるためには、当該体内植込み型医療機器の作動に必要な電力を継続的に給電する必要がある。【０００８】
特許文献１に開示された非接触給電による充電システムでは、電池交換の頻度を減らせるものの、継続的に体内植込み型医療機器を作動させるためには、充電器を携行する必要あり、患者にとって生活自由度の確保に課題が残る。また、非特許文献１に開示された体内発電システムでは、理論上、継続的な給電が可能となるものの、ペースメーカ駆動に必要な数十μＷの電力を発電するために、数百ｇに及ぶ大きさの筋肉の使用が想定されるので、当該発電システムの使用による患者への身体的負担が大きいことが課題として残る。【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、患者への身体的負担を軽減した上で、より確実に体内植込み型医療機器への継続的な給電が可能な、新規かつ改良された体内発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、生体内に設けられ、体内植込み型医療機器に供給する電力を発生させる体内発電システムであって、前記生体内の所定の部位における筋肉組織に電圧を印加可能に設けられる電極と、前記電極への前記電圧の印加による前記筋肉組織の収縮の検出に伴い所定の方向に移動可能に設けられる可動部と、前記可動部の移動に伴って起電力を発生させる発電機構と、前記電極に印加する前記電圧を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。【００１１】
本発明の一態様によれば、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮を利用して発電機構を駆動させて体内で発電できるので、体内植込み型医療機器への継続的な電力供給が可能になる。【００１２】
このとき、本発明の一態様では、前記発電機構で発生させた電力を蓄電する二次電池を更に備えることとしてもよい。【００１３】
このようにすれば、体内で発電させた電力を二次電池に蓄電することにより、体内植込み型医療機器への継続的な給電や電極への電圧印加が可能になる。【００１４】
また、本発明の一態様では、前記発電機構は、ケーシングと、前記接続部材と接続され、前記可動部の略直線運動を回転運動に変換するクランクギアと、前記クランクギアの前記略直線運動から前記回転運動への変換に連動して回転するロータと、前記ロータの一面の外縁側に前記ケーシングの底面に対向するように環状に設けられる複数の磁石又は電極部材と、前記ケーシングの底面側の前記磁石又は前記電極部材と対向する部位に環状に設けられる複数のコイル又は起電側電極と、を備えることとしてもよい。【００１５】
このようにすれば、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮をクランクギアによって略直線運動を回転運動に変換してから、外縁部に環状に磁石又は電極部材を設けたロータがギア部材を介して高速回転させられるので、当該磁石又は電極部材に対向するコイル又は起電側電極に電磁誘導又は静電誘導によって起電力を発生させて発電できる。【００１６】
また、本発明の一態様では、前記電極部材は、エレクトレットで形成されることとしてもよい。【００１７】
このようにすれば、発電機構を小型化及び低速化させた場合でも、効率的に所定の大きさ以上の発電量を確保できる。【００１８】
また、本発明の一態様では、前記発電機構は、前記複数の磁石と前記コイル、又は前記電極部材と前記起電側電極による発電ユニットが複数設けられる多層構造であることとしてもよい。【００１９】
このようにすれば、一つの発電ユニットでの発生電力が少量な場合でも、所定の大きさ以上の電力を発生させることができる。【００２０】
また、本発明の一態様では、前記クランクギアにより変換された前記回転運動と連動して、前記ロータの回転速度を増大させる複数のギア部材を更に備えることとしてもよい。【００２１】
このようにすれば、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮を利用して、効率的に発電機構を駆動させて体内で発電できるようになる。【００２２】
また、本発明の一態様では、前記ロータの回転軸には、前記複数のギア部材のうちの一のギア部材を介して前記ロータを一方向のみに前記回転運動を伝達するワンウェイクラッチが設けられることとしてもよい。【００２３】
このようにすれば、ワンウェイクラッチによってロータの回転方向を一方向に制御することによって、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮による略直線運動をクランクギアによる変換後の回転運動を一方向のみ累積するので、より確実にロータの高速回転状態を維持できる。【００２４】
また、本発明の一態様では、前記ロータの内部には、該ロータの中心から放射方向に伸縮可能な弾性部材を介して移動可能な重りが設けられていることとしてもよい。【００２５】
このようにすれば、ロータの回転数の増加に応じて遠心力で重りが外側に移動することによって、ロータの慣性が大きくなるので、ロータの回転数の増加を緩やかにできる。このため、筋収縮特性に伴う筋収縮エネルギーをロータの回転エネルギーへとより確実に変換することができる。【００２６】
また、本発明の一態様では、前記所定の部位から前記電極及び前記可動部の離脱を防止可能な固定部材を更に備えることとしてもよい。【００２７】
このように、固定部材を設けることによって、電極と可動部が所定の部位から外れなくなるので、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮による可動部の移動に伴う直線運動を発電機構に備わるクランクギアに接続部材を介して確実に伝達できる。【００２８】
また、本発明の一態様では、前記可動部、前記ケーシング、及び前記固定部材は、チタン系金属から形成されることとしてもよい。【００２９】
このようにすれば、体内発電システムを体内に取り付けた際における取り付け部位の筋肉組織が癒着するリスクを低減できる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によれば、体内で発電させた電力を体内植込み型医療機器へ直接給電することによって、定期的な手術や外部機器の携行等を不要とする。このため、患者への身体的負担を軽減した上で、より確実に体内植込み型医療機器への継続的な給電ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムで電極に印加する電圧波形図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムを人体に取り付けた状態を示す説明図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの動作説明図である。
【図５】図５Ａは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の概略構成を示す平面図、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ断面図、図５Ｃは、図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構に設けられるロータの変形例の動作説明図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作説明図である。
【図８】図８Ａは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構の斜視図であり、図８Ｂは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構に設けられるロータの一面側からの斜視図であり、図８Ｃは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構に設けられる起電側電極の斜視図である。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構と、他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構との比較結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の更に他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の構成及び動作の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【００３４】
本発明の一実施形態に係る体内発電システム１００は、ペースメーカやＩＣＤ等の体内植込み型医療機器１０の電池や外部給電に代わる電源として、電気刺激による骨格筋の一部分となる筋肉組織２０の筋収縮を利用した生体内に設けられる体内発電装置である。具体的には、本実施形態の体内発電システム１００は、電気刺激によって筋肉組織２０の収縮を発生させて、その収縮力・収縮変位を利用して発電機構１０４を駆動して、体内植込み型医療機器１０への給電用の電力を人間や動物等の生体内で能動的に発生させる。
【００３５】
本実施形態の体内発電システム１００は、図１に示すように、１対の電極１０６と、可動部１０８と、接続部材となるワイヤ１１０と、固定部材１１２と、発電機構１０４と、整流回路１１４と、二次電池１１６と、及び制御部１１８とを備える。
【００３６】
電極１０６は、生体内の所定の部位における筋肉組織２０に電圧を印加して、１〜２０ｍＡ程度の刺激電流を流す刺激電極としての機能を有する。本実施形態では、１対の陽極と陰極からなる電極１０６が電圧印加による収縮対象となる筋肉組織２０に当接する部位に所定の間隔で設けられている。すなわち、電極１０６は、生体内の所定の部位における筋肉組織２０に電圧を印加可能に設けられている。本実施形態では、電極１０６は、可動部１０８と共に、設置した所定の部位から離脱しないように、固定部材１１２で固定されている。なお、固定部材１１２の詳細については、後述する。
【００３７】
可動部１０８は、電極１０６の近傍に設けられ、当該電極１０６への電圧の印加による筋肉組織２０の収縮に伴って、所定の方向、具体的には、筋肉組織２０の筋線繊走行の方向に移動する機能を有する。すなわち、可動部１０８は、電極１０６への電圧の印加による筋肉組織２０の収縮の検出に伴い筋肉組織２０の筋線繊走行の方向に移動可能に設けられる。本実施形態では、可動部１０８は、紐状の接続部材となるワイヤ１１０を介して、発電機構１０４に備わるクランクギア１２４（図５Ａ参照）と接続されている。なお、可動部１０６の具体的な構成や動作、取り付け方法等の詳細については、後述する。
【００３８】
発電機構１０４は、可動部１０８の移動に伴って起電力を発生させる機能を有する。本実施形態では、発電機構は１０４、可動部１０８の移動に伴って発生する電磁誘導により起電力を発生させる電磁誘導型発電機である。具体的には、本実施形態では、発電機構１０４は、筋肉組織２０に電気刺激を与えた際に、当該筋肉組織２０に発生する筋収縮の検出に伴って移動する可動部１０８がワイヤ１１０を引張して、当該ワイヤ１１０と接続された発電機構１０４に備わるコイル１３６（図５Ｂ参照）に電磁誘導による起電力を発生させる。なお、発電機構１０４の構成及び動作の詳細については、後述する。
【００３９】
交流電源となる発電機構１０４で発生させた電力は、交流電力を直流電力に変換する整流回路１１４を介して、蓄電池等の二次電池１１６に供給されて蓄電される。二次電池１１６に蓄電された電力は、体内植込み型医療機器１０への給電、及び電極１０６を介して筋肉組織２０に印加する新たな電気刺激の発生に用いられる。このように、体内で発電させた電力を二次電池１１６に蓄電することにより、体内植込み型医療機器１０への継続的な給電や、筋肉組織２０に電気刺激を付与するための電極１０６への電圧印加が可能になる。
【００４０】
すなわち、本実施形態の体内発電システム１００は、本発明者が前述した本発明の目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、筋肉組織２０への電気刺激に要する電力よりも、筋肉組織２０の筋収縮に伴う可動体１０８の移動によって発電機構１０４で発生させる電気エネルギーの方が大きいことを利用して創作されたものである。なお、整流回路１１４及び二次電池１１６は、発電機構１０４と一体で設けられる構成としても、別体で設けられる構成としてもよい。
【００４１】
制御部１１８は、電極１０６に印加する電圧の大きさや間隔等を調整することによって、筋肉組織２０に与える刺激電流を制御する機能を有する。具体的には、制御部１１８は、体内植込み型医療機器１０への給電が必要な場合や、二次電池１１６の電池残量が少ない場合等に、電極１０６に印加する電流の大きさや間隔等を調整する。
【００４２】
本実施形態では、筋肉組織２０の収縮を促す電気刺激として、図２に示すような矩形波の交流電圧を電極１０６に印加する。その際に、筋肉組織２０の収縮量を変えるために、印加電圧の振幅Ａ１、継続する刺激電圧のパルス間隔となる繰返し周期Ｔ２、刺激電圧の連続パルスの継続時間となる刺激継続時間Ｔ３を調整する。一方、筋肉組織２０の収縮頻度を変えるために、刺激電圧の連続パルスと次の連続パルスとの間隔となる刺激電圧の間隔（刺激間隔）を調整する。なお、電極１０６に印加する刺激電圧の波形は、図２に示す矩形波に限定されず、例えば、正弦波、三角波、鋸歯状波等の他のパルス形状の交流電圧としてもよい。
【００４３】
このように、制御部１１８によって電極１０６に印加する刺激電圧の大きさや間隔等を調整することによって、筋肉組織２０の収縮頻度や収縮量が変わるので、それに伴って発電機構１０４で発生する起電力の大きさを調節できる。すなわち、制御部１１８で電極１０６への印加電圧の大きさや間隔等を調整することによって、所望の大きさの起電力を確保できるようになる。
【００４４】
また、本実施形態では、１対すなわち２個の電極１０６を設けているが、筋肉組織２０の収縮量を調整するために、２対以上の電極１０６を収縮対象となる筋肉組織２０に設けるようにしてもよい。すなわち、陽極と陰極がそれぞれ複数ずつとなるように、収縮対象となる筋肉組織２０に万遍なく電極１０６を設置して、通電する電極１０６の本数を制御部１１８で選択することによって、筋肉組織２０の収縮量が調整可能となる。これによって、発電機構１０４における起電力の量を調整できるようになる。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの使用状態及び動作について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る体内発電システムを人体に取り付けた状態を示す説明図であり、図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムの動作説明図である。
【００４６】
本実施形態の体内発電システム１００は、図３に示すように、心臓ペースメーカやＩＣＤ等の胸部皮下に設置する体内植込み型医療機器１０を給電対象として、当該体内植込み型医療機器１０の近傍の体内に取り付けられる。具体的には、体内発電システム１００は、生体内の所定の部位における筋肉組織２０として、図３に示すように、大胸筋の鎖骨側に植え込まれる。
【００４７】
そして、図４Ａに示すように、大胸筋２０の上縁側の鎖骨２２から数ｃｍの部位を筋線維走行に垂直に１０ｍｍ程度離断して、かかる離断部２１に板状の可動部１０８を設置する。すなわち、可動部１０８は、大胸筋等の筋肉組織２０の筋線維走行の方向に対して垂直方向に延在する板状部材であり、離断部２１に挿入されるようにして設置される。このように、可動部１０８を設けることによって、電極１０６への電圧の印加に伴い、図４Ｂに示すように、電極１０６と当接する筋肉組織２０の収縮が発生して、可動部１０８は、かかる筋収縮を検出に伴って、当該筋収縮に連動して傾くことによって、筋肉組織２０の筋線維走行の方向に移動する。なお、可動部１０８は、電極１０６の近傍に設けられ、当該電極１０６への電圧の印加による筋肉組織２０の収縮の検出に伴って、筋肉組織２０の筋線維走行の方向に移動可能な構成となっていれば、他の態様の構成及び設置手法としてもよい。
【００４８】
可動部１０８は、取り付けた部位から離脱防止するための固定部材１１２によって固定されている。本実施形態では、固定部材１１２は、図３に示すように、略Ｕ字状断面を有する収縮筋シェル１１２ａと、当該収縮筋シェル１１２ａが可動部１０８の移動に追随して移動可能にするためのボールジョイント１１２ｂと、当該収縮筋シェル１１２ａ及び当該ボールジョイント１１２ｂを鎖骨に固定するための骨接続プレート１１２ｃとから構成される。
【００４９】
具体的には、収縮筋シェル１１２ａで大胸筋の鎖骨側の離断筋を上方から覆ってから、収縮筋シェル１１２ａがボールジョイント１１２ｂ及び骨接続プレート１１２ｃを介して、鎖骨２２に連結される。このため、図４Ｂに示すように、筋肉組織２０の筋収縮による可動部１０８の移動に追随して、可動部１０８を取り付けた鎖骨側の離断筋を上方から覆うので、可動部１０８取り付け部位から外れないようになっている。また、収縮筋シェル１１２ａは、上肢の運動に伴う大胸筋の変位にも追随できるため、体内発電システム１００の装着者の上肢の運動を妨げずに、筋肉による体内発電が可能となる。なお、本実施形態では、収縮筋シェル１１２ａの大きさは、２５×１０×１０ｍｍ程度とする。
【００５０】
また、収縮筋シェル１１２ａの内側には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、導線１０５を介して接続される１対の電極１０６が設けられる。このため、収縮筋シェル１１２ａで可動部１０８を取り付けた鎖骨側の離断筋を上方から覆うことによって、かかる電極１０６が当該離断筋における可動部１０８の近傍に配置されて、電極１０６からの刺激電流による筋収縮に伴う可動部１０８の移動が可能となる。
【００５１】
このように、固定部材１１２として、収縮筋シェル１１２ａ、ボールジョイント１１２ｂ、及び骨接続プレート１１２ｃを設けることによって、電極１０６と可動部１０８が所定の部位から外れなくなる。このため、電極１０６に電圧を印加した際の筋肉組織２０の筋収縮による可動部１０８の移動に伴う直線運動を発電機構１０４に備わるクランクギア１２４（図５Ａ参照）に、確実に伝達できる。
【００５２】
さらに、電圧を印加する電極１０６を有する収縮筋シェル１１２ａの内側では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、筋肉組織２０の離断部２１の一方の断端面２１ａと当接する可動部１０８が連結部１０８ａを介して、ワイヤ１１０と接続される。ワイヤ１１０は、樹脂製のホース１１１内を通って、その他端１１０ａが発電機構１０４に接続されて、筋収縮力を伝達して、当該発電機構１０４で発電させる。また、筋肉組織２０の離断部２１の他方の断端面２１ｂは、収縮筋シェル１１２ａの外側に接続されている。これによって、断端面２１ｂ側の筋肉は、収縮筋シェル１１２ａ、ボールジョイント１１２ｂ、及び骨接続プレート１１２ｃを介して筋収縮力を鎖骨に伝達して、本来の機能を保持することができる。
【００５３】
本実施形態では、発電機構１０４は、電磁誘導方式で発電可能な発電機であり、発電した電力は、図３に示すように、外部出力ライン１２０を介して、給電対象となる体内植込み型医療機器１０に供給される。なお、当該発電機構１０４の本体サイズは、患者の生体内に取り付ける際に、かかる患者の負担とならない程度の大きさであり、外形寸法が３０×３０×６ｍｍ以内とする。
【００５４】
また、本実施形態では、体内発電システム１００を体内に取り付けた際における取り付け部位の筋肉組織２０が癒着するリスクを低減するために、筋肉組織２０と直接接触する部位となる可動部１０８と、発電機構１０４の本体となるケーシング１２２（図５Ａ乃至図５Ｃ参照）と、固定部材となる収縮筋シェル１１２ａ、ボールジョイント１１２ｂ、及び骨接続プレート１１２ｃは、チタン系金属から形成される。本実施形態では、体内発電システム１００として、筋肉組織２０の筋収縮の変位を利用するので、その弊害事象として、手術後の筋肉組織２０の線維化による組織間癒着が考えられる。このため、当該癒着を予防した上で筋収縮の変位を確実に取り出し続けて体内発電を実現するために、可動部１０８、ケーシング１２２、及び固定部材１１２は、生体適合性や耐食性、耐熱性に優れたチタン系金属で形成される。
【００５５】
さらに、本実施形態では、発電機構１０４が電磁誘導型発電機であるので、電磁波を発生して、給電先となる体内植込み型医療機器１０や生体組織への電磁障害を惹起することが懸念される。このため、特に、発電機構１０４のケーシング１２２は、電気伝導性や熱伝導性が極めて低いチタン系金属で形成されることが好ましい。なお、ここで言及する「チタン系金属」とは、チタン単体、酸化チタン等のチタン化合物、及びチタンを主成分とするチタン合金等を示す。
【００５６】
このように、本実施形態に係る体内発電システム１００を生体内に設置することによって、筋肉組織２０の周囲の繊維化による収縮性低下を防ぎながら、骨格筋の一部分のみを利用した体内発電を可能として、体内発電に関与しない筋は、元の機能を保持することができる。また、体内で直接発電した電力を医療機器へ直接給電することによって、体内植込み型医療機器１０への継続的な電力供給が可能となる。このため、電池交換のための定期的な手術を不要とし、また、非接触型充電をするための外部機器の携行も不要とし、さらに、当該体内発電システム１００を体内に取り付けても入浴等の制限が無いので、かかる体内発電システム１００を体内に取り付けた患者の生活の質が向上する。
【００５７】
次に、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の構成について、図面を使用しながら説明する。図５Ａは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の概略構成を示す平面図、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ断面図、図５Ｃは、図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【００５８】
本実施形態に係る体内発電システム１００に備わる発電機構１０４は、電磁誘導による起電力を発生させる電磁誘導型発電機である。発電機構１０４は、図５Ａに示すように、略円柱形状のケーシング１２２内にクランクギア１２４、ロータ１２６、及び複数のギア部材１２８、１３０、１３２が設けられている。また、ケーシング１２２の底面１２２ｂに対向するロータ１２６の下側の一面１２６ａの外縁側には、図５Ａ乃至図５Ｃに示すように、複数の永久磁石１３４が所定の間隔で環状に設けられている。そして、ケーシング１２２の底面１２２ｂには、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、導線が巻回されるコイル１３６がこれらの永久磁石１３４と対向するように、複数個が環状に設けられている。なお、本実施形態では、ロータ１２６の一面１２６ａの外縁側に８個の永久磁石１３４が等間隔で設けられているが、永久磁石１３４の個数は、８個に限定されない。
【００５９】
クランクギア１２４は、図５Ａに示すように、ケーシング１２２の側壁側に設けられる回転軸１２４ａを中心とする略扇形形状の板状部材であり、クランクギア１２４の円弧部１２４ｂに不図示の歯車が設けられている。また、クランクギア１２４は、可動部１０８との接続部材となるワイヤ１１０の一端１１０ａと接続されているので、可動部１０８が移動して変位することによって、ワイヤ１１０を介して、クランクギア１２４が一方向に引張されて回転軸１２４ａを中心に回転運動をする。このため、クランクギア１２４は、可動部１０８の移動に伴う略直線運動を回転運動に変換する機能を有する。
【００６０】
さらに、ワイヤ１１０でクランクギア１２４を引張後に当該クランクギア１２４を元の位置に戻すために、クランクギア１２４には、図５Ａに示すように、ねじりばね１２５が回転軸１２４ａに巻着するように設けられている。ねじりばね１２５は、一端１２５ａがクランクギア１２４に固着され、他端１２５ｂがケーシング１２２の側面１２２ｃに支持されて固定されている。このように、ねじりばね１２５を設けることによって、筋収縮による可動部１０８の変位を利用した略直線運動から回転運動への変換を継続的に行えるようになる。このため、永久磁石１３４を環状に設けたロータ１２６の回転運動の持続性が向上して、発電機構１０４での発電が安定するようになる。
【００６１】
ロータ１２６は、ギア部材１２８、１３０、１３２を介してクランクギア１２４による略直線運動から回転運動への変換に連動して、ケーシング１２２の略中心に設けられる回転軸１３８を中心に回転する略円盤形状の回転子である。ロータ１２６の一面１２６ａの外縁側には、ケーシング１２２の底面１２２ｂに対向するように複数の永久磁石１３４が所定の間隔で設けられている。このため、ロータ１２６が回転することによって、これら永久磁石１３４と対向する部位に設けられるコイル１３６の内側を通過する磁束が変化するので、コイル１３６には、電磁誘導による起電力が発生する。
【００６２】
ギア部材１２８、１３０、１３２は、クランクギア１２４により変換された回転運動と連動してロータ１２６の回転速度を増大させる機能を有する。本実施形態では、図５Ａ乃至図５Ｃに示すように、クランクギア１２４の円弧部１２４ｂと噛合するピニオンギア１２８、当該ピニオンギア１２８と回転軸１２９を共有する第１中間ギア１３０、及び当該第１中間ギア１３０と噛合し、ロータ１２６と回転軸１３８を共有する第２中間ギア１３２の３つのギア部材を有する。
【００６３】
そして、クランクギア１２４、ピニオンギア１２８、第１中間ギア１３０、及び第２中間ギア１３２のギア比がそれぞれ異なるので、クランクギア１２４により変換された回転運動と連動してロータ１２６の回転速度を増大させられる。本実施形態では、これらのギアのギア比が異なるため、クランクギア１２４とピニオンギア１２８、ピニオンギア１２８と第１中間ギア１３０、及び第１中間ギア１３０と第２中間ギア１３２の回転速度の比が、それぞれ１６０：１５、１：１、３：１となる。
【００６４】
このため、ロータ１２６の回転速度をクランクギア１２４により変換された回転運動の回転速度の３０倍以上の大きさに高速化される。本実施形態では、体内植込み型医療機器１０の駆動に必要な数十μＷ程度の電力を確保するためには、ロータ１２６の回転速度を６００ｒｐｍ程度にして高速回転させる必要がある。なお、各ギア１２４、１２８、１３０、１３２のギア比は、ロータ１３０の回転速度を所望の大きさにするために、適宜設定されるので、当該各ギア１２４、１２８、１３０、１３２の回転速度の比は、前述した値に限定されない。
【００６５】
また、本実施形態では、ロータ１２６の回転軸１３８には、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、第２中間ギア１３２を介してロータ１２６を一方向のみに回転運動を伝達するワンウェイクラッチ１４０が設けられている。このように、ワンウェイクラッチ１４０によってロータ１２６の回転方向を一方向に制御することによって、電極１０６に電圧を印加した際の筋肉組織２０の収縮による略直線運動をクランクギア１２４で変換後の回転運動を一方向のみ累積することができる。このため、より確実にロータ１２６の高速回転状態を維持できるようになる。
【００６６】
このように、本実施形態では、発電機構１０４において、電極１０６に電圧を印加した際に発生する筋肉組織２０の収縮を検出して、クランクギア１２４によって略直線運動を回転運動に変換してから、環状に磁石１３４を設けたロータ１２６がギア部材１２８、１３０、１３２を介して高速回転させられる。これによって、当該磁石１３４に対向するコイル１３６に発生する電磁誘導による起電力が発生するようになる。すなわち、体内発電機として電磁誘導方式の発電機構１０４を用いることで，発電効率の向上と使用筋肉量の低減を図れるようになる。
【００６７】
なお、ロータ１２６の高速回転の慣性を高めるために、ロータ１２６の構成を次に説明する変形例の構成としてもよい。図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構に設けられるロータの変形例の動作説明図である。
【００６８】
本変形例に係るロータ２２６は、その内部に中心から放射方向に伸縮可能な弾性部材となるばね２２７を介して移動可能な重り２２８が設けられていることを特徴とする。具体的には、図６Ａに示すように、ロータ２２６の内部には、その中心部２２６ａから外縁部２２６ｂに向けて放射状に４つの溝部２２９が形成されて、これらの溝部２２９の内部に、ばね２２７を介して放射方向に弾性的に移動可能な重り２２８が設けられている。
【００６９】
ロータ２２６をこのような構成とすることによって、ロータ２２６の回転開始時は、ロータ２２６の回転速度が小さく、重り２２８に掛かる遠心力がばね２２７の弾性力よりも小さいので、図６Ａに示すように、重り２２８は、それぞれ中心部２２６ａから近い位置に配置される。その後、ロータ２２６の回転運動の加速に伴って、遠心力で重り２２８が外側に移動するので、ロータ２２６の慣性が大きくなり、惰性回転の始時に慣性が最大となる。
【００７０】
すなわち、ロータ２２６の回転数の増加に応じて、遠心力で重り２２８が外側に変位するので、ロータ２２６の回転運動の慣性が増加するようになり、ロータ２２６の回転数の増加を緩やかにできる。これは、刺激電圧を印加した際に発生する筋肉収縮動作の後半において、収縮速度の増加が緩やかになる特性に即している。このことから、より確実に筋収縮特性に伴う筋収縮エネルギーをロータの回転エネルギーへと変換することができる。このように、ロータ２２６の慣性を回転数に応じて可変化することによって、筋肉の収縮エネルギーをより多くロータの運動エネルギーとして蓄えられるので、発電機構１０４における発電量が増加して、発電効率が向上するようになる。
【００７１】
次に、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作について、図面を使用しながら説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作説明図である。
【００７２】
本実施形態に係る体内発電システム１００は、筋肉組織２０に電圧を印加して刺激電流を流した際に発生する筋肉組織２０の筋収縮による可動部１０８の変位を利用して、永久磁石１３４を環状に設けたロータ１２６を回転させる。そして、当該永久磁石１３４に対向するコイル１３６に電磁誘導によって発生する誘導起電力を取り出す。具体的には、筋収縮による可動部１０８の変位によって、ワイヤ１１０が引張されるので、クランクギア１２４が図７Ａの位置から図７Ｂに示す位置に反時計回りに回転運動をする。
【００７３】
図７Ｂに示すように、ワイヤ１１０によって引張されて、クランクギア１２４が反時計回りに回転運動をすると、クランクギア１２４の円弧部１２４ｂと噛合するピニオンギア１２８が時計回りで回転運動をする。ピニオンギア１２８が回転運動をすることによって、当該ピニオンギア１２８と回転軸１２９を共有し、ギア比が大きい第１中間ギア１３０がピニオンギア１２８と同じ回転速度で時計回りに回転運動するようになる。
【００７４】
そして、第１中間ギア１３０が回転運動をすることによって、図７Ｂに示すように、当該第１中間ギア１３０と噛合する第２中間ギア１３２が反時計回りで回転運動するようになる。第２中間ギア１３２は、ギア比が第１中間ギア１３０より小さいため、第１中間ギア１３０より大きい回転速度で回転運動するようになる。その後、図７Ｂに示すように、第２中間ギア１３２と回転軸１３８を共有するロータ１２６にワンウェイクラッチ１４０を介して、第２中間ギア１３２の反時計回りの回転運動が伝達される。このため、ロータ１２６が第２中間ギア１３２と同じ回転速度で高速回転するようになる。
【００７５】
一方、ワイヤ１１０を引張後は、ワンウェイクラッチ１４０によって、ロータ１２６と第２中間ギア１３２が切り離されるので、第２中間ギア１３２からロータ１２６への回転運動の動力伝達が遮断される。このため、ロータ１２６は、慣性により回転運動を継続するので、ロータ１２６の外縁側に設置した永久磁石１３４と対向するコイル１３６に引き続き電磁誘導による起電力を発生させられる。また、クランクギア１２４は、ねじりばね１２５の復元力によって、図７Ａに示す初期位置に移動する。
【００７６】
このように、本実施形態では、ワイヤ１１０、クランクギア１２４、ピニオンギア１２８、第１中間ギア１３０、第２中間ギア１３２、及びワンウェイクラッチ１４０によって、ロータ１２６に対して筋収縮による可動部１０８の変位に伴う動力伝達を実行している。また、筋収縮が終了してワイヤ１１０を引張後は、ワンウェイクラッチ１４０によって、ロータ１２６と第２中間ギア１３２が切り離されるので、可動部１０８の逆方向への変位による動力伝達を遮断できる。
【００７７】
このため、刺激電流を流した際に発生する筋肉組織２０の筋収縮による可動部１０８の一方向の変位のみをワイヤ１１０、クランクギア１２４、ピニオンギア１２８、第１中間ギア１３０、第２中間ギア１３２、及びワンウェイクラッチ１４０を介して、ロータ１２６の回転運動に利用できるようになる。また、ワンウェイクラッチ１４０を介して、高速回転している第２中間ギア１３２の回転運動をロータ１２６に動力伝達することによって、一方向のみの回転運動の動力伝達を累積させられるので、ロータ１２６の回転運動が慣性によって維持されるようになる。
【００７８】
このため、電磁誘導によるコイル１３６の起電力の発生が安定して持続されるようになる。なお、慣性によるロータ１２６の安定した回転運動を確保するためには、ロータ１２６の慣性が本実施形態の体内発電システム１００に合わせた最適値となるように、ロータ１２６の材料や形状を決定する。また、第１及び第２中間ギア１３０、１３２は、その慣性について耐摩耗性等を考慮しつつ、なるべく慣性が小さくなる材料を選択する。具体的には、ロータ１２６、第１及び第２中間ギア１３０、１３２は、例えば、アルミ等の軽金属又は硬質性の樹脂等で形成される。
【００７９】
なお、本実施形態では、発電機構１０４は、ワイヤ１１０の引張によってクランクギア１２４、ピニオンギア１２８、第１中間ギア１３０、第２中間ギア１３２、及びワンウェイクラッチ１４０を介して、ロータ１２６を回転運動させて、電磁誘導によって起電力を発生させているが、発電機構１０４の構成は、他の態様でも可能である。例えば、カム等の動力伝達機構によって、ワイヤ１１０の引張による動力を永久磁石が搭載された移動部材に伝達して直線的に往復運動させて、当該永久磁石と対向するコイル１３６に電磁誘導で起電力を発生させるようにしてもよい。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態に係る体内発電システム１００では、体内で発電させた電力を体内植込み型医療機器１０へ直接給電するため、定期的な電池交換のための手術や、非接触式給電をするための外部機器の携行等を不要とする。このため、患者への身体的負担を軽減した上で、より確実に体内植込み型医療機器１０への継続的な給電が実現される。
【００８１】
また、電気刺激によって筋肉組織１０の収縮を発生させて、その収縮力・収縮変位を利用して電磁誘導方式の発電機構１０４を駆動して、体内植込み型医療機器１０への給電用の電力を確保する。具体的には、刺激電圧の印加によって２〜３ｃｍ程度の筋肉に収縮が発生した場合に、可動部１０８及びワイヤ１１０のストロークが３ｍｍ程度でも、発電機構１０４に設けられるロータ１２６を６００ｒｐｍ程度に高速回転させることによって、ペースメーカやＩＣＤ等の体内植込み型医療機器１０の駆動に必要な数十μＷ程度の電力を確保できる。
【００８２】
このため、筋肉組織２０を高周波・高頻度で収縮しなくても、比較的コンパクトで高効率な発電が可能となり、体内発電をさせる際における使用筋肉量の低減が図れる。すなわち、大きな筋肉の一部分のみを利用して、それ以外の部分の機能が保持されるので、使用筋肉量の低減による人体への負荷が減少する。
【００８３】
さらに、発電機構１０４の設計次第で同一の仕事に対する筋肉組織２０の収縮変位と収縮力を調節できる。すなわち，同じ１０μＷの仕事（＝収縮変位×収縮力）を筋肉にさせる場合に、筋疲労が発生しにくい変位と力のバランスを設定することができる。
【００８４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の構成について、図面を使用しながら説明する。図８Ａは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構の斜視図であり、図８Ｂは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構に設けられるロータの一面側からの斜視図であり、図８Ｃは、本実施形態の体内発電システムに備わる発電機構に設けられる起電側電極の斜視図である。なお、図８Ａでは、発電機構の各構成要素を説明するために、ケーシングの天板が外された状態を示している。
【００８５】
本実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構３０４は、静電誘導による起電力を発生させる静電誘導型発電機である。本実施形態では、発電機構３０４は、筋肉組織に電気刺激を与えた際の筋収縮に伴って移動する可動部１０８（図１参照）がワイヤ３１０を引張して、当該ワイヤ３１０と接続された発電機構３０４に備わる起電側電極３３６に静電誘導による起電力を発生させることを特徴とする。
【００８６】
発電機構３０４は、図８Ａに示すように、略円柱形状のケーシング３２２内にクランクギア３２４、ロータ３２６、及び回転ギア部材３３２が設けられている。ケーシング３２２の底面３２２ｂに対向するロータ３２６の一面３２６ａの外縁側には、図８Ｂに示すように、複数の電極部材３３４が所定の間隔で環状に設けられている。そして、ケーシング３２２の底面３２２ｂには、図８Ａ及び図８Ｃに示すように、起電側電極３３６がこれらの電極部材３３４と対向するように、複数個が環状に設けられている。
【００８７】
電極部材３３４は、銅等の導電体やフッ素樹脂膜等の荷電体からなるエレクトレットから構成される。電極部材３３４が銅等の導電体で構成される場合には、静電誘導で発電するためには、電極部材３３４に電圧を与えておく必要があるので、発電機構３０４は、例えば、ロータ３２６に設置したスリップリングと、ステータに設置したブラシを介して電極部材３３４に電圧を与えるように構成される。
【００８８】
クランクギア３２４は、図８Ａに示すように、ケーシング３２２の側壁側に設けられる回転軸３２４ａを中心とする略扇形形状の板状部材であり、クランクギア３２４の円弧部３２４ｂに歯車３２４ｂ１が設けられている。また、クランクギア３２４は、可動部１０８との接続部材となるワイヤ３１０の一端３１０ａと接続されているので、可動部１０８が移動して変位することによって、ワイヤ３１０を介して、クランクギア３２４が一方向に引張されて回転軸３２４ａを中心に回転運動をする。このため、クランクギア３２４は、可動部１０８の移動に伴う略直線運動を回転運動に変換する機能を有する。
【００８９】
さらに、ワイヤ３１０でクランクギア３２４を引張後に当該クランクギア３２４を元の位置に戻すために、クランクギア３２４には、図８Ａに示すように、ねじりばね３２５が回転軸３２４ａに巻着するように設けられている。ねじりばね３２５は、一端３２５ａがクランクギア３２４に固着され、他端３２５ｂがケーシング３２２の側面３２２ｃに支持されて固定されている。このように、ねじりばね３２５を設けることによって、筋収縮による可動部１０８の変位を利用した略直線運動から回転運動への変換を継続的に行えるようになる。このため、電極部材３３４を環状に設けたロータ３２６の回転運動の持続性が向上して、発電機構３０４での発電が安定するようになる。
【００９０】
ロータ３２６は、回転ギア部材３３２を介してクランクギア３２４による略直線運動から回転運動への変換に連動して、ケーシング３２２の略中心に設けられる回転軸３３８を中心に回転する略円盤形状の回転子である。ロータ３２６の下側の一面３２６ａの外縁側には、ケーシング３２２の底面３２２ｂに対向するように複数の電極部材３３４が所定の間隔で設けられている。このため、ロータ３２６が回転することによって、これらの電極部材３３４と起電側電極３３６との間の静電容量が変化して、静電誘導により起電側電極３３６に電流が流れて起電力が発生する。
【００９１】
回転ギア部材３３２は、ロータ３２６と回転軸３３８を共有して、クランクギア３２４により変換された回転運動をロータ３２６の回転軸３３８に伝達する機能を有する。本実施形態では、回転ギア部材３３２は、図８Ａに示すように、クランクギア３２４の円弧部３２４ｂの歯車３２４ｂ１と噛合して、クランクギア３２４により変換された回転運動をロータ３２６の回転軸３３８に伝達する。
【００９２】
なお、本実施形態では、クランクギア３２４により変換された回転運動が回転ギア部材３３２を介して、ロータ３２６の回転軸３３８に伝達されるが、第１の実施形態のように、ギア比の異なる複数のギア部材を介することによって、クランクギア３２４により変換された回転運動が回転ギア部材３３２を介して、ロータ３２６の回転軸３３８を高速回転させるように伝達可能な構成にしてもよい。
【００９３】
また、第１の実施形態と同様に、より確実にロータ３２６の高速回転状態を維持可能とするために、ロータ３２６の回転軸３３８には、回転ギア部材３３２を介してロータ３２６を一方向のみに回転運動を伝達するワンウェイクラッチを設けて、ロータ３２６の回転方向を一方向に制御するようにしてもよい。
【００９４】
このように、本実施形態では、発電機構３０４において、電極１０６（図１参照）に電圧を印加した際に発生する筋肉組織２０の収縮を検出して、クランクギア３２４によって略直線運動を回転運動に変換してから、環状に電極部材３３４を設けたロータ３２６が回転ギア部材３３２を介して高速回転させられる。これによって、当該電極部材３３４に対向する起電側電極３３６に静電誘導による起電力が発生するようになる。すなわち、体内発電機として静電誘導方式の発電機構３０４を用いることで，発電効率の向上と使用筋肉量の低減を図れるようになる。
【００９５】
なお、本実施形態では、発電機構３０４は、ワイヤ３１０の引張によってクランクギア３２４及び回転ギア部材３３２を介して、ロータ３２６を回転運動させて、静電誘導によって起電力を発生させているが、発電機構３０４の構成は、他の態様でも可能である。例えば、カム等の動力伝達機構によって、ワイヤ３１０の引張による動力を電極部材が搭載された移動部材に伝達して直線的に往復運動させて、当該電極部材と対向する起電側電極３３６に静電誘導で起電力を発生させるようにしてもよい。
【００９６】
次に、本発明の他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作について、図面を使用しながら説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の他の一実施形態に係る体内発電システムに備わる発電機構の動作説明図である。
【００９７】
本実施形態では、発電機構３０４は、図９Ａに示すように、筋肉組織に電極を介して電圧を印加することによって発生する筋収縮力により回転移動する移動体となるロータ３２６の一面側に、銅等の導電体からなる複数の電極部材３３４が設けられている。また、ロータ３２６側には、銅等の導電体からなる電極部材３３４を高電位にするために電圧を印加する移動体側電源３５０が設けられている。
【００９８】
一方、電極部材３３４と対向する位置、すなわち、ケーシング底面３２２ｂには、銅等の導電体からなり、静電誘導による起電力を発生させる複数の起電側電極３３６が設けられる。そして、これら起電側電極３３６は、充電回路となる二次電池３１６に接続されている。
【００９９】
発電機構３０４をかかる構成とすることによって、筋肉組織に電極を介して電圧を印加することによって発生する筋収縮に伴ってロータ３２６が回転運動すると、電極部材３３４と起電側電極３３６との間の静電容量が変化して、静電誘導により起電側電極３３６に電流が流れて起電力が発生する。このようにして、電気刺激によって筋肉組織の収縮を発生させて、その収縮力・収縮変位を利用して静電誘導方式の発電機構３０４を駆動して、体内植込み型医療機器１０への給電用の電力を確保できるようになる。
【０１００】
また、本実施形態の静電誘導方式の発電機構４０４として、図９Ｂに示すように、ロータ４２６の一面側に設けられる複数の電極部材４３４として、半永久的に電気分極を自ら保持し、周囲に電界を形成可能なフッ素樹脂膜等の荷電体からなるエレクトレットで形成されたものを使用してもよい。電極部材４３４として、エレクトレットで形成されたものを使用すると、半永久的に電荷が保持されるので、図９Ａの発電機構３０４のような移動体側電源３５０が不要となるので、発電機構４０４の小型化が実現できる。
【０１０１】
一方、電極部材４３４と対向する位置、すなわち、ケーシング底面４２２ｂには、銅等の導電体からなり、静電誘導による起電力を発生させる複数の起電側電極４３６が設けられる。そして、これら起電側電極４３６は、充電回路となる二次電池４１６に接続されている。
【０１０２】
発電機構４０４をかかる構成とすることによって、筋肉組織に電極を介して電圧を印加することによって発生する筋収縮に伴ってロータ３２６が回転運動することによって、電極部材３３４と起電側電極３３６との間の静電容量が変化して、静電誘導により起電側電極３３６に電流が流れて起電力が発生する。このようにして、電気刺激によって筋肉組織の収縮を発生させて、その収縮力・収縮変位を利用して静電誘導方式の発電機構３０４を駆動して、体内植込み型医療機器１０への給電用の電力を確保できるようになる。
【０１０３】
このように、電気刺激によって筋肉組織１０の収縮を発生させて、その収縮力・収縮変位を利用して静電誘導方式の発電機構３０４、４０４を駆動して、体内植込み型医療機器１０への給電用の電力を確保することができる。具体的には、刺激電圧の印加によって２〜３ｃｍ程度の筋肉に収縮が発生した場合に、可動部１０８及びワイヤ３１０のストロークが３ｍｍ程度でも、発電機構３０４、４０４に設けられるロータ３２６、４２６を６００ｒｐｍ程度に高速回転させることによって、ペースメーカやＩＣＤ等の体内植込み型医療機器１０の駆動に必要な数十μＷ程度の電力を確保できるようになる。
【０１０４】
このため、電磁誘導型の発電機構１０４と同様に、筋肉組織２０を高周波・高頻度で収縮しなくても、比較的コンパクトで高効率な発電が可能となり、体内発電をさせる際における使用筋肉量の低減が図れる。すなわち、大きな筋肉の一部分のみを利用して、それ以外の部分の機能が保持されるので、使用筋肉量の低減による人体への負荷を減少させる。また、発電機構３０４、４０４の設計次第で同一の仕事に対する筋肉組織２０の収縮変位と収縮力を調節できるので、同じ１０μＷの仕事（＝収縮変位×収縮力）を筋肉にさせる場合に、筋疲労が発生しにくい変位と力のバランスを設定できるようになる。
【０１０５】
また、本実施形態では、静電誘導型の発電機構３０４、４０４によって、起電側電極３３６、４３６に起電力を発生させている。静電誘導型の発電機構３０４、４０４は、前述した本発明の一実施形態に係る体内発電システム１００における電磁誘導型の発電機構１０４と比べて、図１０に示すように、発電機構の寸法ｄとロータ等の移動体の移動速度ｖとの積が小さい場合には、発電量ｐが大きいことが分かる。このことから、静電誘導型の発電機構３０４、４０４は、電磁誘導型の発電機構１０４と比べて、小型化、低速化に有利なことが分かる。
【０１０６】
さらに、発電機構を同じ大きさとした場合に、電磁誘導型の発電機構１０４では、発電ユニットとなる磁石１３４とコイル１３６がそれぞれ数個〜数十個程度の極数が設置されるのに対して、静電誘導型の発電機構３０４、４０４では、発電ユニットとなる電極部材３３４、４３４と起電側電極３３６、４３６をそれぞれ細分化して、１００個以上の極数を設置することができる。すなわち、電磁誘導型の発電機構１０４と比べて、静電誘導型の発電機構３０４、４０４は、多極化が容易に実現できるので、装置本体の小型化、低速度化が可能となる。特に、電極部材４３４をエレクトレットで形成した場合には、発電機構４０４を小型化及び低速化させても、効率的に所定の大きさ以上の発電量を確保できるようになる。
【０１０７】
また、電磁誘導型の発電機構１０４と比べて、静電誘導型の発電機構３０４、４０４は、寸法ｄや速度ｖが大きくした場合には、発電量ｐは、劣るものの、１つあたりの装置本体の大きさの小型化が図れる。このため、複数個の発電機構３０４、４０４を連結して、発電量ｐの合計値を大きして、総発電量を増加させることが容易に実現できる。
【０１０８】
例えば、図１１に示すように、発電機構５０４を移動体５２６側に設けられる電極部材５３４と、ケーシング５２２側に設けられる起電側電極５３６による発電ユニット５３８が複数設けられる多層構造とすることによって、充電回路となる二次電池５１６への総発電量を増加させられる。すなわち、１つの発電ユニット５３８での発生電力が少量な場合でも、複数ユニットを連結することによって、所定の大きさ以上の電力を発生させることができるようになる。
【０１０９】
本実施形態の発電機構５０４は、移動体５２６の往復運動によって、起電側電極５３６に静電誘導による起電力を発生させる発電ユニット５３８となっているが、移動体５２６の回転運動によって、起電側電極５３６に静電誘導による起電力を発生させる構成としてもよい。また、本実施形態における多層構造の発電機構５０４は、小型化が可能な静電誘導型の方が実現し易いものとなっているが、発電ユニット５３８を複数の磁石とコイルによる電磁誘導型の場合でも、実現可能である。
【０１１０】
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【０１１１】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、体内発電システムの構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  体内植込み型医療機器、２０  筋肉組織、１００  体内発電システム、１０４、３０４、４０４、５０４  発電機構、１０５  導線、１０６  電極、１０８  可動部、１１０、３１０  ワイヤ（接続部材）、１１２  固定部材、１１２ａ  収縮筋シェル、１１２ｂ  ボールジョイント、１１２ｃ  骨接続プレート、１１４  整流回路、１１６、３１６、４１６、５１６  二次電池、１１８  制御部、１２０  外部出力ライン、１２２、３２２，５２２  ケーシング、１２２ｂ、３２２ｂ、４２２ｂ  底面、１２４、３２４  クランクギア、１２４ａ、３２４ａ  回転軸、１２４ｂ、３２４ｂ  円弧部、１２５、３２５  ねじりばね、１２６、２２６、３２６  ロータ、１２６ａ、３２６ａ  一面、１２８  ピニオンギア（ギア部材）、１３０  第１中間ギア（ギア部材）、１３２  第２中間ギア（ギア部材）、１３４  永久磁石（磁石）、１３６  コイル、１３８、３３８  回転軸、１４０  ワンウェイクラッチ、２２７  ばね（弾性部材）、２２８  重り、２２９  溝部、３３２  回転ギア部材、３３４、４３４、５３４  電極部材、３３６、４３６、５３６  起電側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月25日(2016.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内に設けられ、体内植込み型医療機器に供給する電力を発生させる体内発電システムであって、
前記生体内の所定の部位における筋肉組織に電気刺激を付与する電圧を印加可能に設けられる電極と、
前記電極への前記電圧の印加による前記筋肉組織の収縮に連動して該筋肉組織の筋線維走行の方向に移動可能に設けられる可動部と、
前記可動部の移動に伴って起電力を発生させる発電機構と、
前記発電機構で発生させた電力を蓄電する二次電池と、
前記電極に印加する前記電圧を制御する制御部と、を備え、
前記二次電池に蓄電された前記電力は、前記体内植込み型医療機器への給電、及び前記筋肉組織への電圧印加に用いられることを特徴とする体内発電システム。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記発電機構は、
ケーシングと、
前記接続部材と接続され、前記可動部の略直線運動を回転運動に変換するクランクギアと、
前記クランクギアの前記略直線運動から前記回転運動への変換に連動して回転するロータと、
前記ロータの一面の外縁側に前記ケーシングの底面に対向するように環状に設けられる複数の磁石又は電極部材と、
前記ケーシングの底面側の前記磁石又は前記電極部材と対向する部位に環状に設けられる複数のコイル又は起電側電極と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の体内発電システム。
【請求項４】
前記電極部材は、エレクトレットで形成され、前記発電機構は、該エレクトレットと前記起電側電極との静電誘導により発電することを特徴とする請求項３に記載の体内発電システム。
【請求項５】
前記発電機構は、前記複数の磁石と前記コイル、又は前記電極部材と前記起電側電極による発電ユニットが複数設けられる多層構造であることを特徴とする請求項３又は４に記載の体内発電システム。
【請求項６】
前記クランクギアにより変換された前記回転運動と連動して、前記ロータの回転速度を増大させる複数のギア部材を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の体内発電システム。
【請求項７】
前記ロータの回転軸には、前記複数のギア部材のうちの一のギア部材を介して前記ロータを一方向のみに前記回転運動を伝達するワンウェイクラッチが設けられることを特徴とする請求項６に記載の体内発電システム。
【請求項８】
前記ロータの内部には、該ロータの中心から放射方向に伸縮可能な弾性部材を介して移動可能な重りが設けられていることを特徴とする請求項１、３乃至７の何れか１項に記載の体内発電システム。
【請求項９】
前記所定の部位から前記電極及び前記可動部の離脱を防止可能な固定部材を更に備えることを特徴とする請求項１、３乃至８の何れか１項に記載の体内発電システム。
【請求項１０】
前記可動部、前記ケーシング、及び前記固定部材は、チタン系金属から形成されることを特徴とする請求項９に記載の体内発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
［００１０］
本発明の一態様は、生体内に設けられ、体内植込み型医療機器に供給する電力を発生させる体内発電システムであって、前記生体内の所定の部位における筋肉組織に電気刺激を付与する電圧を印加可能に設けられる電極と、前記電極への前記電圧の印加による前記筋肉組織の収縮に連動して該筋肉組織の筋線維走行の方向に移動可能に設けられる可動部と、前記可動部の移動に伴って起電力を発生させる発電機構と、前記発電機構で発生させた電力を蓄電する二次電池と、前記電極に印加する前記電圧を制御する制御部と、を備え、前記二次電池に蓄電された前記電力は、前記体内植込み型医療機器への給電、及び前記筋肉組織への電圧印加に用いられることを特徴とする。
［００１１］
本発明の一態様によれば、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮を利用して発電機構を駆動させて体内で発電できるので、体内植込み型医療機器への継続的な電力供給が可能になる。また、体内で発電させた電力を二次電池に蓄電することにより、体内植込み型医療機器への継続的な給電や電極への電圧印加が可能になる。
［００１２］
［００１３］
［００１４］
また、本発明の一態様では、前記発電機構は、ケーシングと、前記接続部材と接続され、前記可動部の略直線運動を回転運動に変換するクランクギアと、前記クランクギアの前記略直線運動から前記回転運動への変換に連動して回転するロータと、前記ロータの一面の外縁側に前記ケーシングの底面に対向するように環状に設けられる複数の磁石又は電極部材と、前記ケーシングの底面側の前記磁石又は前記電極部材と対向する部位に環状に設けられる複数のコイル又は起電側電極と、を備えることとしてもよい。
［００１５］
このようにすれば、電極に電圧を印加して刺激電流を流した際の筋肉組織の収縮をクランクギアによって略直線運動を回転運動に変換してから、外縁部に環状に磁石又は電極部材を設けたロータがギア部材を介して高速回転させられるので、当該磁石又は電極部材に対向するコイル又は起電側電極に電磁誘導又は静電誘導によって起電力を発生させて発電できる。
［００１６］
また、本発明の一態様では、前記電極部材は、エレクトレットで形成され、前記発電機構は、該エレクトレットと前記起電側電極との静電誘導により発電す
【国際調査報告】
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