(57)【要約】移植可能な医療機器に電力を供給するための装置は、磁束の形態で電力を伝達するための１次側回路と、１次側回路から伝達される電力を受け取り、受け取った電力を人体に移植可能な医療機器に供給するための２次側回路とを備え、１次側回路及び２次側回路が物理的に結合しておらず、２次側回路が柔軟なコイルを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体内に移植可能な医療機器に電力を供給するための装置であって、
外部電源から磁束の形態で電力を受け取り、受け取った電力を移植可能な医療機器に供給するための手段を備え、前記手段が柔軟なコイルを含むことを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記移植可能な医療機器の外部表面の少なくとも一部分が、磁束遮蔽材料で覆われている、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記磁束遮蔽材料が強磁性材料を含む、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記コイルの少なくとも一部分が前記コイルを保護するための材料で覆われている、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項５】
前記コイルが前記移植可能な医療機器の表面上に取り付けられている、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項６】
移植可能な医療機器に電力を供給するための装置であって、
磁束の形態で電力を供給するための第１の手段と、
前記第１の手段から前記電力を受け取り、前記受け取った電力を前記移植可能な医療機器に供給するための第２の手段と
を備え、
前記第１及び第２の手段が、物理的に結合しておらず、前記第２の手段が、柔軟なコイルを含むことを特徴とする電力供給装置。
【請求項７】
前記第１の手段が１次側コイルを含み、前記第２の手段中の前記柔軟なコイルが前記１次側コイルから電力を受け取るための２次側コイルである、請求項６に記載の電力供給装置。
【請求項８】
移植可能な医療機器であって、
磁束の形態で電力を受け取り、受け取った電力を供給するための第１の手段と、
前記第１の手段から供給された電力を使用する電子デバイスと
を備え、
前記第１の手段が柔軟なコイルを含むことを特徴とする移植可能な医療機器。
【請求項９】
電力を移植可能な医療機器に供給するための装置であって、
磁束の形態で電力を受け取り、受け取った電力を前記移植可能な医療機器に供給するための第１の手段を備え、
前記第１の手段が実質的に平板型コイルであることを特徴とする電力供給装置。
【請求項１０】
前記コイルが基板上にパターニングされている、請求項９に記載の電力供給装置。
【請求項１１】
前記基板が移植可能な医療機器に取り付けられている、請求項１０に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に移植可能な医療機器に関する。特に、本発明は人体に移植された医療機器に皮膚を通して電力を伝達するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、移植可能な医療機器の分野において、最も切実に要求されているものは、移植される機器の小型化及び軽量化である。移植可能な医療機器の大きさは、機器が挿入される患者の快適性に影響を及ぼす。特に、移植可能な機器が大きい場合、機器を挿入又は取り出すために、人体を大きく切開する必要があり、移植時に出血の増加と感染の危険度の増加を招くおそれがある。
【０００３】
ほとんどの移植可能な医療機器において、電池が全体の５０〜８０％の体積を占めている。しかし、電池は寿命に限りがあるので、周期的に取り替えなければならない。電池の取り替えには、人体に切開口を設ける外科的手術を必要とするが、このような外科的手術は患者にとって大変不便で危険でもある。
【０００４】
このような問題点を解決するために、人体に移植された医療機器に、手術せずに電力を供給する方法についての研究が多く行われてきている。その一つの解決策は皮膚を通しての電力伝達（非接触式電力伝達）である。しかし、従来、研究されている充電装置は、小型で、衝撃等に安定的でなければならないという、移植可能な医療機器の基本的な要求条件を満たすことができなかった。
【０００５】
従来、移植可能な医療機器のための充電装置の一例は、米国特許第４，１４３，６６１号に開示されている。この特許文献には、人体の脚または腰を取り囲むように非常に大きなコイルを人体内に挿入して、それを２次側コイルとして用いる技術を開示している。しかし、このように大きなコイルを挿入することは患者に非常に悪い影響を与える。さらに、人体に挿入された大きなコイルは人体に損傷を与えるおそれがある。
【０００６】
充電装置の他の例は米国特許第５，３５８，５１４号に開示されている。この特許文献には、２次側変圧器、バッテリー及びその他の追加の回路を含む充電装置が開示されている。人体の外部から供給される磁束が充電装置に到達するためには、充電装置を、金属からなるケースに格納することはできないので、医療機器の設計に制限が加えられている。また、２次側変圧器のコンポーネントとして強磁性コア周囲にコイルが巻回された形態を用いるので、２次側変圧器が占める体積が大きく、外部の衝撃によりコアやコイルが壊れるおそれもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述した問題点を解消するためのものであり、移植可能な医療機器で用いられる皮膚を通しての電力伝達装置を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の一態様によれば、外部電源から磁束の形態で電力を受け取り、移植可能な医療機器に受け取った電力を供給するための手段を備え、電力供給手段が柔軟なコイルを含む人体に移植可能な医療機器に電力を供給するための装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、人体外部から電力を磁束の形態で伝達するための第１の回路と、第１の回路から電力を受け取り、受け取った電力を移植可能な医療機器に供給するための第２の回路とを備え、第１の回路と第２の回路が物理的に結合しておらず、第２の回路が柔軟なコイルを含む、移植可能な医療機器に電力を供給するための装置が提供される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、人体外部から磁束の形態で電力を受け取り、受け取った電力を供給するための第１の回路と、第１の回路から供給された電力を使用する電気的デバイスとを備え、第１の回路が柔軟なコイルを含む、移植可能な医療機器が提供される。
【００１１】
本発明のもう一つの態様によれば、人体外部から磁束の形態で電力を受け取り、受け取った電力を人体に移植可能な医療機器に供給するための第１の回路を備え、第１の回路が実質的に平板型であるコイルを含む、移植可能な医療機器に電力を供給するための装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上述の及び他の目的及び特徴は、添付する図面とともに以下の好適実施態様の説明から明らかになるであろう。
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施態様を詳細に説明する。
【００１４】
移植可能な医療機器の平面図が図１に示されており、移植可能な医療機器は外部コイル（図１に示さず）に誘導的に結合している、同心型に巻回されたコイル（「平板型コイル」）を備えている。１次側巻線及び２次側巻線として機能する二つのコイルは、変圧器を形成することによって、外部コイルに連結された外部電源からの電力を、平板型コイルに連結されたバッテリーに誘導的に伝達することができる。
【００１５】
本発明によれば、平板型コイル２０が小型に作製できるので、小型の移植可能な医療機器の外表面に取り付けることができる。平板型コイルをＰＣＢ（Printed Circuit Board）上に、好ましくは柔軟なＰＣＢ上に形成させるための公知の方法を用いることができる。しかし、本発明は、これに限定されず、移植可能な医療機器の表面上に実質的に平板型であるコイルを提供できる多様な方法を用いることができる。
【００１６】
柔軟なＰＣＢは、腕時計及びカメラなどのような小型機器に広く用いられている。例えば、柔軟なＰＣＢは、金属配線の両端部にプラスチック材料を圧着することによって作製される。
【００１７】
柔軟なＰＣＢ上にコイルを装着して平板型コイルを作る方法は多様である。その中の一つの方法は、基板上にコイルをパターニングするものである。この方法は、コイル及び他の各回路構成要素を印刷した後、残りの部分を化学的プロセスで除去する工程を含む。このような方法において、コイルのパターニングの際に、関連する制御回路を同一の回路基板上に同時に実装させることが可能である。
【００１８】
前述したパターニング方法に加えて、銅線を円形に巻回して基板に取り付ける方法も可能である。図１に示すコイルは完全に平板型であるが、コイルが取り付けられ、または形成される移植可能な機器の表面が曲面であれば、そのコイルは平坦でないこともある。言い換えると、「平板型」コイルは柔軟な回路基板の外形に沿って実際に曲がり得る。このような平板型コイルの可撓性は、医療機器の形状がコイルを収容するために制限されないという利点がある。
【００１９】
コイルのゲージ、巻回数、長さは、所望の電力伝達、１次側コイルから人体外部までの距離、バッテリー充電時間などのファクターに依存する。
【００２０】
本発明の一実施態様において、コイルとこのコイルが形成されたＰＣＢは、コイルとＰＣＢの腐食を防止するために、また機器から不純物が人体内に放出されることを防止するために、図１に示すように、シリコンまたはラテックス１０のような医学的に安全な材料で覆われている。
【００２１】
また、隣り合う電子機器から発生した磁束が医療機器に影響を与えないようにするために、磁気遮蔽層４０が、コイルが形成された柔軟な基板と移植可能な医療機器の本体との間に備えられる。磁束を遮蔽させるための方法のうち、最も代表的な方法としては、強磁性材料または化合物で医療機器を取り囲む方法がある。
【００２２】
本発明では、磁気遮蔽層４０として、液状、フィルム状、または固体状のフェライト化合物を用いることができる。液状のフェライト化合物としては、例えば、コンピュータモニターから発生する電磁波の吸収のためのフェライト粉末と塗料の混合物である遮蔽用塗料及びスピーカ用磁性流体がある。このような液状のフェライト化合物の例としては、Samwha Electricsにより生産されるＳＭＦ系列の製品が該当する（ホームページwww.samwha.co.kr/english/products/98.asp参照）。フィルム状のフェライト材料としては，ドイツのSiemensが供給するフェライトポリマー合成フィルムがある（ホームページwww.epcos.de/inf/90/ap/e0001000.htm参照）。固体状の材料は、衝撃に弱くて取り扱いが困難であるので、医療機器の形態や医療機器が挿入される人体の部位に応じて、液状またはフィルム状の材料を用いることが望ましい。
【００２３】
本発明の他の実施態様では、コイルは、移植可能な医療機器のハウジング上にパターニングされ、これは製造工程全体を簡単にする。この場合において、遮蔽層は、医療機器上にフェライト化合物を塗布してコイルパターンを印刷して作製される。その後に、機器の外側の表面全体をシリコン材料ででコーティングする。
【００２４】
図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ本発明の一実施態様による１次側コイルの例示的な正面図及び断面図である。１次側コイルの形状は、人体内に位置する２次側コイルに電力を効率的に伝達するための構造として作製されることが好ましい。一例として、図２の１次側コイルは、同軸方向の中心コラムを備えた磁性体の中空シリンダー内に同心円的に位置する。言い換えると、導電性配線が中空シリンダー内のコラムを中心にして巻回される。電流がコイル２０５に供給されるとき、同軸方向に磁束が発生する。従って、人体内の平板型コイルと１次側コイル組立体を平行に配置することによって、電力伝達効率が向上する。
【００２５】
図３Ａ〜図３Ｄは、例示的な２次側コイルの正面図及び断面図である。図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、２次側コイルは基板の片面または両面上に形成される。前述の通り、図３Ｂ及び図３Ｃに示された基板は、柔軟であり得る。図３Ｄは基板を含まない実施態様を示している。基板の代わりに、別途製造されたコイルが医療機器のハウジング上に直接に取り付けられる。
【００２６】
図３において、２次側コイルは同心型巻線で示されているが、本発明は、このような形状に限定されず、蛇行型、網目型等、任意の形態のコイルを用いることもできる。２次側コイルの全体形状は、コイルが用いられる医療機器の外形及び変圧器の効率等により決定されるということが重要な点である。
【００２７】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは１次側及び２次側コイルが種々の配置で誘導的に結合した場合の実施態様を示す。１次側コイル４０５は人体の外部に配置されて、２次側コイル４２５は人体４１０の内部に配置される。
【００２８】
図４Ａは、２次側コイルが基板４３０上に取り付けられ（または印刷され）て、基板の裏面に遮蔽フィルム４２０が配置された実施態様を示す。図４Ｂにおいては、２次側コイル４２５がシリコンのような保護材料でコーティングされている。図４Ｃにおいては、二つの１次側コイルが身体の両方に配置されて電力伝達を増加させる。
【００２９】
図５Ａは、本発明による電力伝達の回路モデルを示す。動作において、電流は外部電力源５０５から提供され、スイッチ５１５、５１７、５２０及び５２２は、制御手段５３２から発せられた制御信号ｓ１，ｓ２，ｓ３及びｓ４（波形１２０〜１２３参照）により制御される。スイッチ及びキャパシタ５２５の動作によりＡＣ電流ｉ１が１次側コイル５３０に流れる場合、電流ｉ１と実質的に同一の波形を有する電流ｉ２が、誘導的に結合した２次側コイル５３５に誘導される。ＡＣ電流ｉ２はダイオード５４２、５４４、５４６及び５４８により直流電流に整流される。得られた直流電流が医療機器５６０の再充電用バッテリーを充電させるために提供される。図５Ｂは、１次側及び２次側巻線での制御信号及び電流の波形を示す。
【００３０】
なお、再充電用バッテリーを充電させるための公知の回路を用いることもできる。このような回路の例としては、マキシム（ＭＡＸＩＭ）社により提供されるＭＡＸ７４５、ＭＡＸ１６７９、ＭＡＸ１７３６、ＭＡＸ１８７９と、リニアテクノロジー（Linear technology）社により提供されるＬＴＣ１７３２−４／ＬＴＣ１７３２−４．２及びＬＴ１５７１系列がある。（ホームページhttp://dbserv.maxim-ic.com/quick_view2.cfm?qv_pk=2544，http://dbserv.maxim-ic.com/quick_view2.cfm?qv_pk=2094，http://dbserv.maxim-ic.com/quick_view2.cfm?qv_pk=2219，http://dbserv.matrix-ic.com/quick_view2.cfm?qv_pk=1661，http://www.linear-tech.com/prod/datasheet.html?datasheet=606，http://www.linear.com/prod/datasheet?datasheet=575&product_family=powerを参照）。
【００３１】
図６は、本発明による充電システムの一実施態様の機能ブロック図を示す。電圧を安定化させるために、外部電源６０５からのＤＣ電力がまずＤＣ／ＤＣ変換器６１０に供給される。安定化したＤＣ電力がＤＣ／ＡＣ変換器６１５に提供される。ＤＣ／ＡＣ変換器からのＡＣ電流は１次側コイル６２０に印加される。通常、非接触式電力伝達の効率を高めるだけでなく、変圧器を小型化及び軽量化するために、高周波ＡＣ電圧が１次側コイル６２０に供給される。従って、本実施態様で用いられているＤＣ／ＡＣ変換器６１５は数百ｋＨｚの周波数範囲を有するＡＣ電流を発生するものでなければならない。
【００３２】
人体内の２次側において、１次側コイル５２０から伝達された電力は、整流器（ＡＣ／ＤＣ変換器６４５）により直流電流に変換された後、バッテリー６６５を充電させるために、充電手段６５０と制御手段６６０により定電圧に変換される。医療機器では、小型でかつ安定したバッテリーを用いることが好ましい。小型でかつ薄いバッテリーとしては、リチウムイオン電池及びリチウムポリマー電池がある。リチウムイオン電池がより効果的であるものの、リチウムポリマー電池がより安定的であるので好ましい。
【００３３】
図６に示す実施態様において、制御手段６２５、６６０はお互いに無線で通信できる。アンテナ６３０、６５５は、これら制御手段に連結された無線周波数信号を送信及び受信する。例えば、充電動作（例えば、バッテリー電圧）に関連したデータは２次側から１次側に伝送される。このデータは、１次側制御手段６２５によって使用され、ＤＣ／ＡＣ変換器６１５を制御し、かつディスプレイ６３５に表示されてオペレーターが充電過程をモニタリングできるようにする。
【００３４】
図７は、本発明による充電システムの他の実施態様の機能ブロック図を示す。図７に示す実施態様は、２次側の制御器が医療機器７７０と一体型に構成されており、ＡＣ電源７０５が１次側で電源として用いられる点のみを除いて、図６の実施態様と同様である。図６を参照して前述したように、高周波電流が非接触式電力伝達に好適に用いられる。このために、６０Ｈｚの標準ＡＣ電流は、ＡＣ／ＤＣ変換器７１０によりまずＤＣ電流に変換され、次いでＤＣ／ＡＣ変換器７１５により、非常に高い周波数のＡＣ電流に再び変換される。得られたＡＣ電流は１次側コイル７２０に供給される。
【００３５】
図８は、本発明による充電システムのもう一つの実施態様の機能ブロック図を示す。図８に示す実施態様は、１次側及び２次側に、アンテナの代わりにフィルターを備えている点のみを除いて、図６及び図７に示した実施態様と同様である。フィルター８１０、８２０は、１次側巻線から２次側巻線へ誘導的に伝達された電力信号にデータ信号を合成し、その電力信号からデータ信号を取り戻す。データ通信のために電力線を用いる公知の方法がデータを電力信号に合成するために用いられる。例えば、異なる帯域幅の情報信号が電力信号と結合して他方に伝送され、電力信号から情報信号を分離することによって、復元される。
【００３６】
図９は、本発明によって使用者が身に付けることができる補助道具の第１の実施態様を示す図面である。効果的な電力伝達のために、１次側コイルを、可能な限り２次側コイルに接近させるように、人体に位置させることが必要である。これのために、図９及び図１０に示すように、内蔵型の１次側巻線組立体を備えたベルトあるいはベストが提供される。１次側コイルはベルト／ベスト上の多様な地点に配置できる。電力は、電力ケーブルＤを介して外部電源Ｃから１次側コイルに伝達される。
【００３７】
本発明による皮膚を通した電力伝達装置は、人工心臓（Artificial Heart）、ペースメーカー（pacemaker）、移植可能なカーディバータデフィブリィレータ（Implantable Cardiverter Defibrillator）、神経刺激機器（neurostimulator）、ＧＩ刺激機器（GI stimulator）、移植可能なインシュリンポンプ（implantable insulin pump）、移植可能な薬剤注入機器（implantable drug infusion system）、骨成長刺激機器（Bone Growth Stimulation Device）などのように、電力電源を必要とする多様な移植可能な医療機器及びその他の機器に用いることができる。
【００３８】
さらに、本発明の非接触式電力伝達装置によれば、人体に移植された医療機器を人体から外科的手術で取り出すことなしに、医療機器に電力を繰り返し伝達することができる。従って、外科的手術に伴う様々な副作用を防止することができる。また、バッテリーの大きさを小さくすることができるので、機器全体を軽量化かつ小型化できるため、移植により生ずる副作用を最小化することができる。
【００３９】
さらに、再充電用バッテリーを用いるので、医療機器の寿命を実質的に延長させることができる。また、２次側コイルを多様な形状に形成することができるので、人体の内部に収容する医療機器を設計することが容易になる。特に、医療機器を非常に薄く製造することができる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、当業者は、請求項に定義された範囲によってのみ限定されるべき本発明の広い原理と教示から逸脱することなく、種々の改変をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による平板型コイルを備える医療機器の概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施態様による１次側コイルの正面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施態様による１次側コイルの断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施態様による２次側コイルの正面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施態様による２次側コイルの断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施態様による２次側コイルの断面図である。
【図３Ｄ】本発明の実施態様による２次側コイルの正面図である。
【図４Ａ】１次側及び２次側コイルが互いに結合した変圧器の実施態様を示す図面である。
【図４Ｂ】１次側及び２次側コイルが互いに結合した変圧器の実施態様を示す図面である。
【図４Ｃ】１次側及び２次側コイルが互いに結合した変圧器の実施態様を示す図面である。
【図５Ａ】本発明で用いられた変圧器の動作を確認するための実験的な回路の概略図である。
【図５Ｂ】本発明で用いられた変圧器の動作を確認するための実験から得られた電圧波形図である。
【図６】本発明の一実施態様による充電システムの機能ブロック図である。
【図７】本発明の他の実施態様による充電システムの機能ブロック図である。
【図８】本発明のもう一つの実施態様による充電システムの機能ブロック図である。
【図９】本発明による充電システムを用いるための補助道具の第１の実施態様を示す図面である。
【図１０】本発明による充電システムを用いるための補助道具の第２の実施態様を示す図面である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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2004534495.tif 000011
2004534495.tif 000012
2004534495.tif 000013
2004534495.tif 000014
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2004534495.tif 000036
2004534495.tif 000037
【国際調査報告】
2004534495.tif 000038
2004534495.tif 000039