JPH01236068A - パルス磁界刺激人工呼吸器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、コイルに間欠的な連続パルス電流を流したと
きに発生する変動磁場を経皮的に横隔神経等に照射し以
て人の呼吸を人工的に行わしめるパルス磁界刺激人工呼
吸器に関する。

（従来の技術） 現在人工呼吸の為に行われている横隔神経の電気刺激は
応急的な処置て、電気が皮膚を刺激し皮膚を痛めるので
長期間は使用できない。丈な、横隔神経に直接電極をつ
ける手術は困難で一般化していない。

現在汎用されている人工呼吸器は、扱いやすさの点から
外部からの陽圧　陽圧で空気を出し入れする装置が大部
分である（　Ｂｉｒｄ式、Ｅｍｅｒｓｏｎ式等）。

これらは、一定の圧あるいは容量の空気を吹込むだけで
あるから構造は簡単であるが、生理学的には肺胞に圧力
がかかり痛めやすいことと肺動脈圧が上がる為に肺循環
血液量が減るという欠陥があり、長期の使用には耐えら
れない。また、気管切開や気管へのチューブ挿管等の手
技を要する。

このために、慢性的な呼吸不全の患者用として考案され
たのか、Ｇｌｅｎｎの電気刺激による横隔膜ベーシング
（Ｊｕｄｓｏｎ、Ｊ、Ｐ、＆　Ｇｌｅｎｎ、Ｗ、Ｗ、Ｌ
、：Ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｌｅｃｔｒｏ
ｐｈｒｅｎｉｃ　ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ：Ｌｏｎｇ−
ｔｅｒｍ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ａ　ｐａｔ
ｉｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｐｒｉｍａｒｙｈｙｐｏｖｅｎｔ
ｉｌａｔｉｏｎ、　　　Ｊ、Ａ、Ｍ　　人、　　　２０
３：１０３３−１０３７．１９６８）である。通電はＲ
Ｆによる無線刺激の方法を採っており、患者は病院を離
れて普通の生活を送ることができる。これは優れた装置
であるが、横隔神経を確実に露出して電極を付ける手術
か難しく、日本ではまた２０例程が永久的な植込手術を
受けているにすきない。

これに対し、パルス磁場の引き起こす誘導電流によって
神経を刺激しようとする試みは多くなされている（例え
ば■ｌｒｗｉｎ、（１，０，ｅｔ　ａｌ、：Ｓｔｉｍｕ
ｌａ−ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｄｉａｃ　ｍｕｓｃｌｅ
　ｂｙ　ａ　ｔｉｍｅｖａｒｙｉｎｇ　ｍａｇ−ｎｅｔ
ｉｃ　ｆｉｅｌｄ、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｍａｇ、
、ＭＡＧ−６：３２１−３２２゜１９７０　　■Ｐｏ１
ｓｏｎ、Ｍ、Ｊ、Ｒ，ｅｔ　ａｌ、：Ｓｔｉｍｕｌａｔ
ｉｏｎ　ｏｆｎｅｒｖｅ　ｔｒｕｎｋｓ　ｗｉｔｈ　ｔ
ｉｍｅｖａｒｙｉｎｇ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ
ｓ。

Ｍｅｄ、　Ｂｉｏｌ、　Ｅｎｇ、　Ｃｏｍｐｕｔ、　２
０：２４３−２４４．１９８２■星亮ほか：パルス磁界
による神経刺激について、医学電子と生体工学、２３（
第２４回ＭＥ学会大会論文集）　：　２４８．１９８５
）。

磁気刺激は、深部への到達が容易てあり皮膚表面を痛め
ないといった利点がある。

そこで、やや深部に位置する横隔神経をパルス磁場の誘
導電流で刺激しようとする試みか、東京女子医大のクル
ープによってなされている。（永野秋雄ほか・経皮的横
隔神経磁気刺激によるレスピレータの基礎的検討、医用
電子と生体工学、２４（第２５回ＭＥ学会大会論文集）
　：　５３９．１９８６）。

用いられている装置は従来のものと同しく、コンデンサ
に蓄えた電気量をサイリスタで瞬時にコイルへ放電する
方式で単一のパルスを出すのみのものである。

（発明か解決しようとする課題） しかし、呼吸筋（随意筋）は心ｐａ（不随意筋）と異な
り、単一のパルスで運動神経の活動電位を単に一度刺激
するたけでは、筋は単線（痙単様の短時間の収縮）を起
こすのみで、機能をもった合理的総合的な動きにはなら
ない。

横隔膜の単線はいわゆる「シ吹っくり」となり、１回の
換気量は４００ｍ１までなかなか達しない。

連続のし今つくってはとても人工呼吸とはいえず、横隔
膜はすくに疲労してしまう。１秒程度の連続した横隔膜
の収縮のなめには、やはり横隔膜ベーシングにおけるよ
うなパルスの連続刺激が必要である。そのパルスは吸気
時間に振幅が漸増するトレインパルスである。

本発明の目的は、上記従来装置の問題点に鑑みて、吸気
時間に強さが漸増するトレインパルス状の刺激を呼吸周
期に合わせて横隔膜に与えることのできるパルス磁界刺
激人工呼吸器を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記の目的を達成するために次の手段構成を
有する。

即ち、本発明のパルス磁界刺激人工呼吸器は、一定の初
期値を有する鋸歯状波電圧を、人の呼吸周期に近い周期
で間欠的に発生する鋸歯状波電圧発生電源と：　磁界発
生用コイルと；　前記鋸歯状波電圧の前記磁界発生用コ
イルへの印加を断続するスイッチング手段と；　前記鋸
歯状波の時間幅内において該時間幅よりも短い周期てス
イッチング手段に断続を行わせるスイッチング制御手段
と、　を具備することを特徴とするものである。

（作　用） 以下、上記手段構成を有する本発明の詳細な説明する。

鋸歯状波電圧発生電源は刺激閾に対応する一定の初期値
から時間の経過につれて振幅が上昇する鋸歯状波電圧を
人の呼吸の周期に近い周期で発生する。この鋸歯状波電
圧はスイッチング手段を介して磁界発生用コイルへ印加
される。スイッチング手段はスイッチング制御手段によ
って、前記鋸歯状波の時間幅内で、該時間幅よりも短い
周期であって、実験的或いは理論的に求められた適切な
周期で断続される。従って磁界発生用コイルには尖頭値
の包絡線がＴ度鋸歯状波電圧の波形と同じになるような
パルス列状の電圧が印加されることになる。そしてそれ
か呼吸周期で繰り返されることになる。

このようなパルス列状の電圧が磁界発生コイルに印加さ
れるとそれに応じた磁界が発生する。

この磁界発生コイルを磁界か横隔神経に達するように例
えは鎖骨付近にあてかうと横隔神経付近に磁界の変化に
起因する渦電流が流れ、この渦電流か横隔神経を刺激し
、横隔膜が収縮する。

今、磁界発生用コイルに流れる電流を■。（ｔ）。

同コイルか作る横隔神経付近の磁束密度をＢ（ｔ）とす
ると、両者の関係は Ｂ　（ｔ　）　ｃＧ　Ｉ　ｃ（ｔ　）　　　　　　　　
　　　　　（１）となる。

磁界によって横隔神経付近に流れる渦電流Ｉ　、（ｔ　
）は Ｉ　ｅ（ｔ　）　ｃｃ　−！！−Ｌｌｌ−−（２）ｄｔ である。

式（１）と式（２〉より Ｉ　ｅ（ｔ　）ｃＣ”　　’−−−−−−〜（３）ｄｔ となり渦電流■８はｄＩ。（ｔ）／ｄｔに比例する。

この渦電漆工。によって横隔神経が刺激され、横隔膜が
収縮する。従ってｄＩｃ／ｄｔか大きくなれば横隔膜の
収縮が強くなる。一方磁界発生用コイルのインダクタン
スをし、同コイルの両端電圧をＶＣとすると、コンデン
サ２の放電の始まりにおいては Ｌ圭ｈｕ丁−■。

ｄｔ 止扉あ−ｏｃｖ。　　　　　−−一（４）’　　ｄｔ となり、式（３）と（４）より １、沈Ｖ。　　　　　　　　　−−−−（５）となり渦
電流■８は磁界発生用コイルへの印加電圧■。に比例す
ることが分かる。

ところで磁界発生用コイルへの印加電圧は前述のように
、吸気時に、尖頭値の包絡線が鋸歯状波のように徐々に
増大してゆくパルス列電圧であるから、渦電流■。も徐
々に増大してゆくので、横隔神経の刺激すなわち呼吸の
深さも徐々に増大してゆき、吸気が自然に近い状態て行
われ、パルス列が終ったところで排気か行われ、排気が
終ったところから同様の動作が再び繰り返され自然に近
い呼吸曲線が得られる。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の実施例の回路図である。

この磁気刺激人工呼吸器は１００■の商用電源に接続さ
れた整流ダイオード１と、平滑コンデンサ２と、ＰＷＭ
　（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　
：パルス幅変調）変調用のフォトターリントントランジ
スタ３と、高周波電源トランス４と、高周波整流タイオ
ード５と、平滑コンデンサ６と高周波チョーク７と、ア
ッテネータ８ａつき電圧フィードバック用の差動増幅器
８ｂと、ＰＷＭ変調回路９と、電荷蓄積用コンデンサ１
０と、これに溜った電荷を負荷である多層ソレノイド１
４に瞬間的に流すためのサリスタｌｌａとパルストラン
スｌｌｂ、およびサイリスタｌｌａを点弧しまた鋸歯状
波発生回路１３ａへ同期信号を供給するためのバースト
波発生回路１２、その同期信号から鋸歯状波を発生させ
るための鋸歯状波発生回路１３ａとボリューム１３ｂ、
および電荷蓄積用コンデンサ１０に蓄積されサイリスタ
ｌｌａを通って流れるパルス電流をパルス磁界に変換す
るための多層ソレノイド１４とから成っている。

以上の構成要素のうち多層ソレノイド１４か手段構成に
いう磁界発生用コイルであり、サイリスタ１１ａとパル
ストランスｌｌｂがスイッチンク手段を構成し、パルス
トランスｌｌｂへ信号を送っているバースト波発生回路
の一部がスイッチング制御手段となっており、その他が
鋸歯状波電圧発生電源を構成している。

なお本実施例における磁界発生用コイルは２×３の平角
銅線を１２列５層の６０回巻とし自己インダクタンスが
約５０μＨのものを用いた。

なお第１図中の■、■、■、　等の番号は第２図に示さ
れた波形タイミング図の番号に対応する。

以下、本実施例の動作を説明する。電源が投入されると
１００■の商用電圧は整流タイオート１で整流され平滑
コンデンサ２に約１４０Ｖの電圧を発生させる。これを
フォトダーリントントランジスタ３によって数１０ｋＨ
ｚの高周波のＰＷＭ変調をさせる。これを高周波電源ト
ランス４に加えるとその２次側に１次側のＰＷＭ変調度
にほぼ比例した高周波電圧か発生するから、これを高周
波整流クイオート５で整流し、平滑コンデンサ６で平滑
する。電源投入直後は平滑コンデンサ６の端子電圧は低
く、差動増幅器８ｂの出力は高い電圧となる。ＰＷＭ変
調回路９は入力電圧か高くなるにつれて出力のデユーテ
ィサイクルが大きくなるようになっており、このとき平
滑コンデンサ６は急速に充電される。充電電圧か高くな
ると差動増幅器８ｂの出力電圧が下かりＰＷＭ変調回路
９の出力のデユーティサイクルか低下して平滑コンデン
サ６への充電電流が減少し、結局差動増幅器８ｂの２つ
の入力電圧か等しくなるまて充電か行われる。いま平滑
コンデンサ６の端子間電圧をＶｌ、アッテネータの分圧
比をｐ、鋸歯状波発生回路１３ａの出力をＶｓとすると
、この状態で以下の式が成立する。

Ｖ、−Ｖ、／ρ　　　　　　　　〜−−−−（６）鋸歯
状波発生回路１３ａの出力■３は第２図■のような鋸波
ようの電圧なので、平滑コンデンサ６の端子間電圧■１
はこれを１／ρ倍した同じく鋸波ようの電圧■となる。

■１は高周波チョーク７を通して電荷蓄積用コンデンサ
１０を充電する。

この充電は数１０ｍ５て完了する（第２図■）。

充電完了後サイリスタｌｌａかバースト波発生回路１２
からのトリ力パルスによって点弧され、電荷蓄積用コン
デンサ１０に蓄積されていた電荷か一気に多層ソレノイ
ド１４に流れる（第２図■）。

このとき高周波チョーク７によって平滑コンデンサ６に
充電されている電荷はあまり流出しない。

多層ソレノイド１４に流れる電流は多層ソレノイド１４
と電荷蓄積用コンデンサ１０て形成される共振回路によ
って数１００μｓ後には反転しようとするので、サイリ
スタｌｌａは開放状態となり多層ソレノイド１４に流れ
る電流は止まる。

そして電荷蓄積用コンデンサ１０には高周波チョーク７
を通して再度充電電流が流入する。

サイリスタｌｌａがバースト波発生回路１２からのトリ
力パルス（第２図■）によって再度点弧されるときには
、電荷蓄積用コンデンサ１０の充電電圧は以前より高電
圧になっているから、多層ソレノイド１４に流出するパ
ルスも波高値か高くなっている。このようにして多層ソ
レノイド１４に流れるパルス電流は徐々に大きくなって
いき、１秒程度連続した後停止する（第２図■）。

さてバースト波発生回路１２はパルス電流の包絡線のタ
イミングを制御するための信号■と、ひとつひとつのパ
ルスのタイミングを制御するための信号■と、信号■と
同しタイミングのサイリスタｌｌａのトリ力パルス信号
■を出力する。

鋸歯状波発生回路１３ａは信号■および同■がら、鋸歯
状波■を発生する。発生される鋸歯状波のレベルはボリ
ューム１３ｂによって可変できる。

以上の結果第２図の■に示すような自然呼吸に近い呼吸
が行われることになる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のパルス磁界刺激人工呼吸器
は横隔神経に刺激を与える磁界発生用コイルに、吸気時
間に相当する時間にパルス尖頭値が刺激閾に対応する初
期値から漸次増加するパルス列電圧を印加し横隔神経付
近にパルス電圧に比例しな渦電流を生せしめ、横隔神経
を刺激し横隔膜収縮を渦電流の漸増に応して強めて行く
ことにより吸気させ、パルス列信号の終ったところで収
縮が解除されて排気が行われ再びパルス電圧が印加され
吸気を開始させるようになっているので、パルス信号列
印加の繰り返し周期を自然呼吸の周期に設定し、パルス
列の振幅の漸増の程度およびパルス間隔を実験データ等
に基づいて適切に設定することにより自然呼吸に近い人
工呼吸を行わせることができるという利点がある。そし
て、磁界発生用コイルを鎖骨付近に当てるだけで即時に
呼吸を開始させられるので自然呼吸が始まるのを待つ間
に他の処置を行うことかできるという利点がある。また
以上から明らかなように従来の電気刺激法のように横隔
神経に電極をつけるような手術や、また、気管切開やチ
ューブ挿管の必要もなく、外部からの陽圧　陽圧て空気
を出し入れする場合のように肺胞を痛めることもなく肺
動脈血が自然に流れ込む状態で呼吸を行わせることかで
きるという極めて顕著な利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパルス磁界刺激人工呼吸器の実施例の
回路図、第２図は第１図の実施例における各部の波形タ
イミング図である。 １　、　整流夕゛イオード、　２・・・　平滑コンデン
サ、　３−−　Ｐ　Ｗ　Ｍ変調用のフォトターリントン
トランジスタ、　４・・・高周波電源トランス、５　・
　高周波整流ダイオード、　６　・・平滑コンデンサ、
　７・・・高周波チョーク、　８ａ　−・・アッテネニ
タ、　８ｂ・・・−電圧フィードハック用の差動増幅器
、　９・・・・ＰＷＭ変調回路、　１０・電荷蓄積用コ
ンデンサ、　ｌｌａ　　・・サイリスク、　ｌｌｂ　　
・・パルストランス、　１２・　バースト波発生回路、
　　１３ａ　　・鋸歯状波発生回路、　１３ｂ　　　・
ボリューム、　　１４・・・多層ソレノイド。 代理人　弁理士　　八　幡　　義　博 質施例の各部の遺形り４ミソグ 牛　２　ド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一定の初期値を有する鋸歯状波電圧を、人の呼吸周期に
   近い周期で間欠的に発生する鋸歯状波電圧発生電源と；
   磁界発生用コイルと；前記鋸歯状波電圧の前記磁界発生
   用コイルへの印加を断続するスイッチング手段と；前記
   鋸歯状波の時間幅内において該時間幅よりも短い周期で
   スイッチング手段に断続を行わせるスイッチング制御手
   段と；を具備することを特徴とするパルス磁界刺激人工
   呼吸器。