人工心臓の最近の進歩

                   茨城大学工学部機械工学領域  増澤徹

1.はじめに

重症心不全患者の治療方法の一つに人工心臓の適用が挙げられる.特に,重篤な心疾患患者のうち心臓移植を受けられる患者はほんのわずかである,例えば米国における重症心不全患者数は年間2万〜6万人と言われているが,実際の移植施行症例数は年間約2500例と全体の1割にも満たない.ひとえにドナー心供給量に限りがあるためであり,移植の代替治療法としても人工心臓の開発が進められている.補助人工心臓の臨床が開始された20世紀末は空気圧で駆動される人工心臓が主であったが,ここ十年,電気駆動型の人工心臓の開発が進み,多くの製品が実現されるに至っている1-4).そこで本稿では,電気駆動型人工心臓の基本的構造と最近の研究動向について説明する.


2.人工心臓とは

人工心臓は全人工心臓と補助人工心臓に大別される(図1参照).全人工心臓は不可逆なまでに荒廃した自己心(心室)を摘出し,機械的な人工心臓と完全に置換しようとするもので,左右心室用の二つの代替血液ポンプを有している.補助人工心臓は自己心を残して,心尖部から脱血して大動脈に送血するバイパス方式で循環補助を行う人工心臓で,一つの血液ポンプからなる.人工心臓開発の黎明期は全人工心臓の開発が主に行われたが,現時点では補助人工心臓の適用が多い.特に最近では,補助人工心臓の進歩に伴い,@心臓移植への橋渡し(Bridge to Transplantation:BTT),A自己心の回復への橋渡し(Bridge to Recovery:BTR),B永久使用(Destination Therapy)と様々な適用が考えられるようになってきた.
血液ポンプの構造から人工心臓を区別すると,拍動流式と連続流式に分けられる(図2参照).拍動流式ポンプは自然心臓と同様に,血液を吸い込んで駆出する形式のポンプで,工学的には容積型ポンプと呼ばれる.血液ポンプ室に一旦血液を溜めるために,流入口,流出口に一方向のみに血液を流す逆止弁(人工弁を使用)が必要となる.ポンプ室構造によりダイアフラム型やプッシャープレート型に分けられる.こなれた技術であるが,「血液ポンプ内で一端血液が貯留されるため,ポンプ内の抗血栓性に注意が必要である」,「人工弁の動特性から高拍動数で駆動ができないので,一定量のポンプ容積が必要であり,思い切った小型化ができない」,「二つの人工弁が必要であるので,価格が高くなる」,「ダイアフラム等のフレキシブルな膜がポンプ室に必要で,その耐久性の確保が必要である」等の課題を有している.
一方,遠心ポンプや軸流ポンプと呼ばれるターボポンプを人工心臓に利用する試みが最近多くなされている.これを連続流式ポンプ(工学的には非容積型ポンプまたはターボポンプ)と呼ぶ.連続流式ポンプではインペラ(羽根車)を回転させ,それにより生じる遠心力,揚力で血液を送出するため,拍動流式に比べ小型化できる.しかし,回転するインペラを支持するための軸受機構やそのシーリングの耐久性を確保するための技術開発が必要である.特に軸受機構に関して,血液中で回転軸を窪みで挟み込み,窪み上で独楽の軸のように接触回転させるピボット軸受,深さ数十〜百ミクロンの溝を回転軸表面やその対向面に彫り込み,回転時に回転面表面の間隙変化に伴って生じる流体力で軸を非接触で支持する動圧軸受,磁気力を用いてインペラを浮かす磁気軸受の3種類が使用されている. ピボット軸受は構造が簡単で軸流ポンプによく用いられているが,接触回転部でも摩耗,血栓形成の防止が課題となる.動圧軸受に関しては精度の高い製作技術が要求されるとともに,動圧効果を得るためには回転面と固定壁の間隙を数十μmまで近づける必要があり,動圧軸受面での溶血回避が課題である.磁力を使う磁気軸受では,磁力は浮上対象物との距離が離れると弱まる負のバネ常数を有しているため,安定した磁気支持を行うためには必ずフィードバックループ制御機構の付加が必要となる.そのために,センサ,高度な演算機構が必要となりシステムが複雑になる.様々な技術課題を解決するために研究開発が進められており,製品に反映されている.

図1_補助人工心臓と全人工心臓 図2_拍動流式と連続流式

3.最近の電気駆動型人工心臓研究開発動向
3.1 全人工心臓


全人工心臓は当初,空気駆動のものが永久使用の目的で使用された.2001年に世界初として電気油圧駆動式全人工心臓の米国AbioMed社のAbioCor(図3)が臨床治験に用いられて全世界的なニュースになった. AbioCorでは左右の心室にあたる二つのダイアフラム型血液ポンプの間に油圧ポンプを配置している.電気駆動の油圧ポンプでオイルを片方のポンプからもう一方のポンプへ移動させることにより交互に拍出する仕組みを採っている.14例に埋め込まれ,2006年に米国FDAの認可を受けている5).現在は,電気機械式に構造を変更したAbioCorIIが開発されている.日本でも国立循環器病センターや東京大学で開発が進められている.図4に国立循環器病センターが開発中の電気油圧式の全人工心臓,図5に東京大学が開発中の波動ポンプを用いた人工心臓を示す.国立循環器病センターのものはAbioCorと同様油圧ポンプで駆動するタイプであるが油圧ポンプに正転逆転が可能な摩擦ポンプ(カスケードポンプ)を用いている.摩擦ポンプは平板インペラ周辺にかかる摩擦力を使って送液するポンプで回転軸と機械式ベアリングをモータと共通にすることで部品点数の減少を図ることができる.仔牛に埋め込み,最長87日の生存例を記録している2,6).東京大学は血液ポンプに独自に考案した波動ポンプを使用した人工心臓を開発中である.波動ポンプは,血液ポンプを仕切る円板を揺動運動させ,巧みにポンプ内部に容積変化を生じさせ血液を拍出するもので,一種の容積型ポンプである.波動ポンプを二つ組み合わせた全人工心臓(UPTAH)と波動ポンプ一つの補助人工心臓(UPVAD)の開発を進めている.UPTAHは直径77mm,厚さ78.5mmと小型で成山羊を用いた動物実験で最長2ヶ月の生存を得ている2,7)

図3_AbioMed社の電気油圧式全人工心臓AbioCor 図5_東京大学で開発中の波動ポンプを用いた全人工心臓UPTAH4.4
図4_国立循環器病センター開発の電気油圧式全人工心臓EARTH

3.2 拍動流型補助人工心臓


現在,海外の臨床で多く用いられている電気駆動方式の拍動流型補助人工心臓はThoratec社のHeartMate I8)(図6)とWorldHeart社のNovacor9)(図7)である.HeartMate Iは低速回転のモータを使用しており,その回転運動をポンプ部に取り付けた鋸歯状のカムにより直線運動に変換することによりポンプのダイアフラムに取り付けられたプッシャープレートを押す構造となっている.図6(右)の写真にダイアフラムが見えている.この膜の下にプッシャープレートがあり,その下にモータとカムから成る駆動部がある.ダイアフラムは紙面に垂直に上下することにより血液を吸引,押し出す.一方,Novacorの駆動部は電磁石ソレノイド(流入口と流出口の間の四角い部分)であり,リンク機構を介してポンプに溜まった血液を押し出す.図7(右)のサック状の血液ポンプをはさみ込む形でリンク機構が形成されており,電磁石ソレノイドが閉じるとリンク機構の腕が閉じ,ポンプを押しつぶす構造になっている.どちらの補助人工心臓も,機械的構造はいたってシンプルで,高い耐久性を有している.これらの補助人工心臓はBTTとして1990年代初頭から臨床応用が始まっており,今まで合わせて4000人以上の患者に埋め込まれている.日本では双方ともに一部の病院で使用され,Novacorは2004年に保険適用にまでなったが,2006年にWorldHeart社が経営上の理由から販売中止を決めており,残念ながら臨床使用不可能の状況である.

図6_Thoratec社の拍動流型人工心臓HeartMateXVE 図7_WorldHeart社の拍動流型補助人工心臓NovacorLVAS
3.3 連続流型補助人工心臓

現在,人工心臓に用いられている連続流型ポンプは軸流ポンプと遠心ポンプの2種類である.軸流ポンプは翼理論を基に設計されたインペラで生じる揚力をもとにポンプ作用するものでインペラの軸方向から流入し,同方向に流出する.現在400症例以上に臨床応用されているMicroMed DeBakey VAD10)(図8)や,150症例以上のJarvik200011)があり,軸流ポンプ+ピボット軸受の構造となっている.また,450症例以上のThoratec社のHeartMate II8)は動圧軸受を使用している.また,磁気軸受を使用しているBerlin Heart社のINCOR12)(図9)は直径30mm,長さ120mm,重さ200gであり,300症例以上に植え込まれている.
遠心ポンプはインペラの遠心力を血液の運動エネルギーに変換するポンプで,ポンプ室中央に流入口をインペラ外周部に流出口を持つ. 2005年5月に日本初の臨床治験を開始したサンメディカル技術研究所の補助人工心臓EVAHEART13,14)は遠心ポンプを採用している.図10に写真とシステム説明図を示す.EVAHEARTは遠心ポンプのインペラ軸を動圧軸受で支持する構造を採っている.軸受部に生理食塩水を循環させる(クールシールシステム)ことにより,その潤滑と冷却を図ることで,デバイスの高寿命化と小型化を図っている.東京女子医大2例,国立循環器病センター1例,計3例のパイロット治験が終了し,全例3ヶ月生存(エンドポイント)をクリア,退院し,在宅療養中である.2006年6月からはエンドポイント6ヶ月生存のピボタル治験を8例実施中で,7例が生存中である.
世界初の磁気浮上型人工心臓であるテルモ社のDuraHeart15,16)も遠心ポンプを採用している.図11に示すようにクローズドインペラの表裏を磁気吸引力で吸引し浮上させ,マグネットカップリング方式でモータの回転力を浮上インペラに伝達する方法を採っている.マグネットカップリング方式とは,インペラに永久磁石を埋め込み,その対面に設置した永久磁石をモータで回すことで,回転エネルギを伝達する方式をいう.ポンプ内には機械的に接触する部位が存在せず,高寿命,低溶血,抗血栓性を有している.2007年2月26日にCEマークを取得し,US,日本への臨床申請に向けて準備を行っている1).ドイツで2004年1月から臨床実験を始め,2007年6月の時点で33症例に達している.6ヶ月以上の補助が14症例,うち1年以上の症例が5例である.カプランマイヤー1年生存率は76%と他の連続流補助人工心臓に比べ,好成績を収めている.
このほか,Arrow社のCorAid17)(遠心ポンプ)やオーストラリアVentracor社のVentrAssist LVAD18)が動圧軸受採用の遠心ポンプで,VentrAssist LVADは,今まで120症例を実施し,米国で治験に入っている.また,DuraHeart以外の磁気浮上型遠心ポンプとして,WorldHeart社WorldHeart Levacor VAD9)が2006年3月から臨床治験を開始している.新しい研究開発の動きとして,アメリカで小児用の補助循環デバイス開発がThe NHLBI Pediatric Circulatory Support Program19)として進められている4)
この他,日本においては,前述の東京大学,東北大学,東京医科歯科大学,産業技術総合研究所,東京電機大学,国立循環器病センター,茨城大学などで各種人工心臓の研究開発が進められている3)


3.4 次世代型人工心臓のための技術:磁気浮上技術

すでに磁気浮上型の人工心臓としてテルモ社のDuraHeartやBerlin Heart社のINCORが製品化されているが,信頼性向上や小型化など,まだまだ技術的に向上する余地があり,磁気浮上技術は次世代の人工心臓のコア技術であることは間違いない.茨城大学では,1998年から人工心臓内の完全摺動部品撤廃を目指して磁気浮上,回転を全て電気的に発生した磁場で制御する完全磁気浮上人工心臓の開発を進めており,磁気浮上技術の一例として紹介する20-22).図12は磁気浮上系とモータを一体化したセルフベアリングモータを用いたラジアル型磁気浮上遠心ポンプである.本磁気浮上系では,一つのステータに,浮上制御用コイルと回転制御用コイルを設置することで,磁気浮上と回転制御を同時に実現し,ポンプ内,モータ内からの摺動部品の完全撤廃と小型化に成功している.より小型化を図るためにステータを中心部に設置し,リング状のロータを浮上,回転させるアウターロータ構造を採っている.ステータは12突極で,各突極に三相四極の回転制御用巻線と二相六極の浮上制御用巻線が巻かれている.ロータのステータコアに対向する内面には薄型の永久磁石を4枚貼り付けている.リング状浮上ロータはステータで径方向かつ中心方向に吸引され,浮くことになる.また,インペラ径方向にかかる流体力と永久磁石の吸引力をバランスさせることでゼロパワー制御を実現し,効率向上を図っている.ロータの軸方向の位置に関しては,互いに引き合っている磁石がずれると元に戻ろうとする受動安定性を用いて拘束することにより制御系の簡略化を図っている.リング状浮上ロータの上面に遠心ポンプの羽根:オープンインペラを形成した.オープンインペラとすることで,軸方向に働く流体力を逃がし,安定した磁気浮上を実現している.大きさは直径79mm,厚み42mmである.本人工心臓は最大揚程149mmHg,最大流量14.7L/min,総消費電力11Wと補助人工心臓として十分なポンプ性能を有している.
テルモ社のDuraHeartと同様に,インペラを軸方向に磁気支持する方法も検討している.マグネットカップリング方式ではどうしても駆動用永久磁石を回すモータに機械的ベアリングが必要になり,人工心臓の機械的寿命を決定する摺動部品が人工心臓内に残ってしまう.そこで,本方式では電気的に生成した回転磁場で回転制御する方式を組み込み,磁気浮上モータを構成している.マグネットカップリング方式を使っているDuraHeartに比較し,効率の面では不利であるが,人工心臓から完全に摺動部品を無くすことができる.図13に磁気浮上ポンプの説明図を示す.インペラの軸方向上部に磁気浮上用ステータを配置し,下部に扁平モータステータを配置することで,浮上インペラを二つのステータで挟み込む構造としている.本方式では上部の磁気浮上用ステータの吸引力と下部のモータステータ吸引力が釣り合うように設計することで,ゼロパワー制御を実現し,高効率化を図っている.本方式は上記セルフベアリングモータに比較してデバイスが軸方向に厚くなるが,磁気浮上系にインペラ上下面の広い面積が利用できるのでより高い吸引力を発生することが可能でステータと浮上インペラ間の距離が長いワイドギャップポンプへの応用が可能となる.そのために,人工心臓のみならず,長期間ECMOや体外循環用のポンプへの応用が期待される.本人工心臓も最大揚程163mmHg,最大流量13.4L/minと補助人工心臓として十分なポンプ性能を有している.

図8_MicroMed社の軸流ポンプ型補助人工心臓TheMicroMed DeBakey VAD 図9_Berlin Heart社の磁気支持型軸流ポンプ型補助人工心臓INCOR
図10_サンメディカル技術研究所の遠心ポンプ型補助人工心臓EVAHEARTLVAS 図11_テルモ社の磁気浮上遠心ポンプ型補助人工心臓 DuraHeartLVAS
図12_茨城大学のラジアル型磁気浮上遠心ポンプ型補助人工心臓 図13_茨城大学のアキシャル型磁気浮上遠心ポンプ型補助人工心臓
4.まとめ

ここ10年間に進歩の著しい,電気駆動型の人工心臓について,最近の状況を報告した.電気駆動型全人工心臓AbioCorの臨床治験,FDA承認,10種類以上に上る連続流型補助人工心臓の製品化,EVAHEARTの国内治験開始,開発企業の統廃合等,人工心臓の領域は産業化段階として活性化している.これからは,過剰気味のデバイスの淘汰が起こるとともに,患者の要求,様態に合わせたデバイス選定や治療法の確立が重要となってくる.また,米国が取り組んでいる小児用人工心臓開発プロジェクトに見られるように,新たな市場,新たなデバイス開発や,磁気浮上技術を中心とした新しい工学技術の研究,開発,導入が進められている.日本もこの流れに乗り遅れないように,次世代を見据えた新たなデバイスの開発,市場投入を図っていく必要がある.


参考文献
1) 増澤徹,医療機器の今後10年間の展望,人工臓器−人工心臓を中心に−,医科器械学,Vol.74、pp.30-34,2004.
2) 医用電磁駆動システム産業化振興のための協同研究委員会,産業化が進む医用電磁駆動システム,電気学会技術報告書,第1040号,2005.
3) 増澤徹,人工臓器−最近の進歩:人工心臓(基礎)、人工臓器35巻3号、P316-319,2006.
4) 増澤徹,柿原功一,福長一義,「医用アクチュエーション技術に関する協同研究委員会中間報告」,電気学会リニアドライブ研究会資料,LD-06-62, p.75-78, 2006
5) http://www.abiomed.com/news/2006_Sept_05_FDA.cfm
6) 医用電磁駆動システム産業化振興のための協同研究委員会,産業化が進む医用電磁駆動システム,電気学会技術報告書,第1040号,2005. pp.6-8.
7) 医用電磁駆動システム産業化振興のための協同研究委員会,産業化が進む医用電磁駆動システム,電気学会技術報告書,第1040号,2005.pp.30-33.
8) http://www.thoratec.com/ventricular-assist-device/heartmate_lvas.htm
9) http://www.worldheart.com/products/novacor_lvas.cfm
10) http://www.micromedtech.com/products.html
11) Wesaby S, Clinical outcomes for the Jarvik 2000 heart, Abstracts of 14th congress of the international society for rotary blood pumps, 80, 2006
12) http://www.berlinheart.com/englisch/medpro/incor/Pumpe/
13) Yamazaki K, Implantable centrifugal LVAD EVAHEART: current status of Japanese clinical trial, Abstracts of 14th congress of the international society for rotary blood pumps, 82, 2006
14) 山崎俊一取締役社長((株)サンメディカル研究所)とのpersonal communication
15) 難治性心不全に対する外科的アプローチ−最近の進歩−9.磁気浮上型人工心臓,野尻千里,日外会誌103( 9 ):607〜610,2002
16) 野尻千里博士(Terumo Heart社)とのpersonal communication
17) Strueber M, et al, Hemodynamic left heart support with the novel axial flow pump HeartMate II in heart failure - The European experience, Abstracts of 14th congress of the international society for rotary blood pumps, 83, 2006
18) http://www.ventracor.com/ventrassist/ventassist_productpr.htm
19) Baldwin JT, et al, The National Heart, Lung, and Blood Institute pediatric circulatory support program, Circulation, 113, 147-155, 2006
20) Masuzawa T, et al, Magnetically suspended centrifugal blood pump with a self-bearing Motor, ASAIO J., 48,(4), 437-442, 2002
21) Onuma H, Masuzawa T, Novel maglev pump with a combined magnetic bearing, ASAIO Journal, 51(1), 50-55, 2005(5)
22) Saito T, Masuzawa T, and Nakayama N, Development of a novel hybrid type magnetic bearing and application to small impeller centrifugal pump for artificial hearts, ライフサポート, 18, 4, pp. 148-158 (2006)