JPH0510108B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、測定及び検出装置に係り、特に、一
連のパルスより成る周期的な信号の平均繰返し率
を正確に且つ確実に測定するのに有用な電子式の
繰返し率平均化回路及び方法に係る。

従来の技術 繰返し率の平均化及び検出を行なう幾つかの重
要な用途では、大規模な回路を用いず、然も、コ
ストや消費電力を低くしながらも、精度及び信頼
性を非常に高くすることが要求される。このよう
な用途の１つとして、植え込み式のカルジオバー
タ（除細動器）や心臓ペーサのような体内に植え
込まれる医療用機器の機能部品のタイミング取り
動作を制御することが挙げられる。これらの医療
機器は、心臓に障害のある患者に生じる心臓不整
脈を自動的に処置するものである。体内に植え込
まれた医療用機器の部品は、心臓の自発鼓動によ
るリズム、例えば、電気的事象のタイミングで、
作動される。この自発的なリズムの測定が正確で
なかつたり又は確実でなかつたりするような方法
もしくは回路では、植え込まれた装置を作動すべ
き時に作動できなかつたり、或いは、作動すべき
でない時に作動したりすることがある。いずれに
せよ、心臓事象の測定が適切でないことは、望ま
しからぬことである。

冗長度を組み込むか又は複雑な回路を使用すれ
ば精度及び信頼性は得られるが、このようなやり
方は、通常は、非常にコストがかゝり、然も、利
用できる電力や物理的なスペースに制約のある上
記形成の体内に植え込まれる医療用機器には実際
上使用できない。平均繰返し率を測定する１つの
公知技術では、抵抗−キヤパシタンス回路網を使
用して、電気的事象の発生時と発生時との間の時
間を測定している。この抵抗−キヤパシタンス回
路網の欠点は、温度に敏感であつて、例えば、精
度が変化し、それ故、信頼性が低い。更に、この
回路網は、使用に供する前に「調整」をとらねば
ならず、又、その後も、校正状態を維持するため
にはしばしば調整を必要とする。これは、明らか
に望ましくない。

測定されている周期的な信号には、その周期性
にばらつきが生じることがある。これは、特に、
心臓の信号について言えることで、体内に植え込
まれたカルジオバータの「偽警報」を防止するた
めに、繰返し率感知回路とカルジオバータの判断
回路との間に遅延回路を挿入してこのばらつきの
軽減を計つている。このような周期性のばらつき
の一例として、瞬間的な頻拍（10−12鼓動）があ
り、これは、自動カルジオバータ回路によつて生
命を脅かす不整脈として解釈されてしまうことが
ある。このような場合には、不必要な高エネルギ
ーの除細動パルスが患者の心臓に与えられてしま
う。遅延回路は、不規則なパルスを判断回路から
遮断するが、不規則なパルスが持続する場合に
は、これが判断回路に送られて、適切な処置が施
される。

体内に植え込まれる医療用機器の分野だけでな
く、その他の用途においても、高い精度及び信頼
性が要求されると共に、電子式の繰返し率平均化
回路に作動上の制約が課せられる。例えば、タコ
メータや、立ち入りできない遠隔電気系統におい
ても、同程度の信頼性及び精度が要求され、従つ
て、本発明の用途は、体内に植え込む医療用の機
器に限定されるものではない。

発明の構成及び作用 以上に鑑み、本発明の主たる目的は、電気的事
象の平均周期率を正確且つ確実に測定する方法及
び装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、事象の平均周期率の
指示を与えるための、アナログ回路ではなく、デ
ジタル回路を提供することである。

本発明の更に別の目的は、植え込み式の医療用
機器においてその機能部品を作動するのに適した
デジタル式の繰返し率測定方法及び装置を提供す
ることである。

本発明の更に別の目的は、電気的事象の周期率
を測定する回路の所要電力及びサイズを最少にす
ることである。

本発明の更に別の目的は、周期的な電気的事象
の平均繰返し率を測定する際にその周期性のばら
つきを軽減するような繰返し率平均化方法及び回
路を提供することである。

本発明の更に別の目的は、数個のパルスが発生
しただけで電気的事象の平均周期率に素早く近づ
くようなデジタル式の繰返し率平均化回路を提供
することである。

これら及び他の目的を達成するために、本発明
では、制御信号の各々の状態に応答してシフトレ
ジスタ又はカウンタとして働くことのできるデジ
タル回路が提供される。制御信号は、測定しよう
とする周期的信号の電気的事象が発生した際に状
態を変える。上記デジタル回路の段は、一連の制
御ゲートがこれらの段にいかに相互接続されるか
に基づいてカウンタ及びシフトレジスタの両方の
機能を果たす。測定しようとする周期的信号の各
事象パルスは、制御ゲートを介して、上記の段を
シフトレジスタに変え、これら段の内容のシフト
動作を行なう。ここに示す好ましい実施例では、
各事象パルスが上記段の内容を１段シフトして、
効果的に２で分割が行なわれるが、４で分割を行
なう（２つシフト）ような他の分割動作も実施で
きる。各シフト動作の後、制御ゲートは、上記段
をカウンタ形態に戻し、従つて、上記段は、周期
的信号の電気的事象よりも非常に高い割合で発生
するクロツクパルスの数をカウントする。温度ド
リフトの影響がなく且つ校正を必要としないクリ
スタル制御式のクロツク発振器によつてクロツク
パルスを発生するのが好ましい。

デジタルカウンタは、各々のシフト動作の直後
に繰返し率の高いクロツクのタイミング増分数を
登録する。数個のパルスが発生した後、カウンタ
の内容によつて周期的信号の平均繰返し率が決定
される。この動作により、デジタル式の繰返し率
平均化回路は、従来の抵抗−キヤパシタンス回路
網と非常に良く似たやり方で平均繰返し率を決定
するが、調整は不要であり、然も、デジタル繰返
し率平均化回路が温度ドリフトを受けることもな
い。電気的事象の周期性の瞬間的なばらつきも軽
減され、かくて、上記の遅延回路は不要となる。

本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照
とした以下の詳細な説明より明らかとなろう。本
発明は、特許請求の範囲で特に規定する。

実施例 第１図の繰返し率平均化回路１０を植え込み式
のカルジオバータに使用した場合について一例と
して説明する。植え込み式のカルジオバータにお
いては、一般の心臓感知回路１２が、患者の心臓
に接続された電極（図示せず）を介して心臓の信
号を感知する。この回路１２は、心臓の筋肉活動
を表わす心臓信号を増巾する一般のEKG増巾器
を備えている。心臓信号は、一連のEKG波形を
示した第２図Ａに典型的に示されている。

回路１２は、第２図ＡのEKG波形を処理し、
第２図Ｂに示すＲ波信号を発生し、これを、カウ
ンタ／シフトレジスタで実施された繰返し率平均
化回路１０へ供給する。Ｒ波信号は、一連のパル
ス、例えば、電気的事象で構成された周期的な信
号であり、植え込み式のカルジオバータの部品を
作動するためにその平均繰返し率が測定される。

クロツク回路１４は、第２図Ｃに示すような一
連の正確にタイミング取りされた繰返し率の高い
クロツクパルスを発生する。正確な目盛で示され
ていないが、このクロツクの繰返し率は100Hzで
あり、一方、Ｒ波は60鼓動／分、即ち、１Hzで発
生する。シフト動作（以下で詳細に述べる）の直
後に、比較器１６は、マイクロプロセツサ１８の
制御のもとで、カウンタ／シフトレジスタ１０の
デジタルデータ内容を、メモリ２０のデジタルデ
ータ内容と比較する。メモリ２０には、例えば、
生命を脅かす事象、即ち、「細動の脈拍数」を表
わす値が予め記憶されている。メモリ２０は、リ
ードオンリメモリ（ROM）であつてもよいし、
ランダムアクセスメモリ（RAM）であつてもよ
い。カウンタ１０の内容がシフト動作の直後に細
動脈拍数を越えた場合には、比較器１６が信号を
発生してラツチ２２をトリツプさせ、これによ
り、不整脈判断回路２４を始動及び作動させる。
この判断回路は、カウンタ／シフトレジスタ１０
の内容を常時監視することによつて心臓の脈拍を
分析し、脈拍数及びその周期性を確認する。心臓
が細動状態にあることが判断回路２４で決定され
ると、カルジオバータ回路２６が付勢され、患者
の心臓に高エネルギーシヨツクを与える準備がで
きる。又、この回路が、カウンタ／シフトレジス
タ１０の出力に現われる正確な平均化された脈拍
数を容易に得ることができる点にも注目された
い。

第１図に示された本発明のカルジオバータシス
テムの特徴は、カウンタ／シフトレジスタ１０、
クロツク回路１４、比較器１６、及びメモリ２０
で構成された繰返し率平均化回路にある。好まし
い実施例においては、クロツク回路１４は、100
Hzのクロツクパルスを発生するクリスタル制御発
振器である。メモリ２０は、事象、例えば、心臓
の脈拍数が100ないし300鼓動／分を越えた時に比
較器１６がラツチ２２をトリガするように予めプ
ログラムされるか又は予めロードされる。

カウンタ／シフトレジスタ１０によつて平均繰
返し率をいかに測定するかを、第２図ＤないしＥ
について説明する。時間t0、t1、t2、t3、t4及び
t5は、例えばＲ波のような事象の発生を示してい
る。システムが作動の開始にクリアされていると
仮定すれば、カウンタ／シフトレジスタ１０の各
段の内容は「ゼロ」である。時間t0に最初の事象
が生じることによつて回路１０が約１ないし２ミ
リ秒間シフト状態に変えられ、この間にその内容
が１つの位置だけ左にシフトされ（図示されたよ
うに左の方向にいくにつれて下位ビツトになると
仮定すれば）、その内容が２で分割される。シフ
ト作動の後、回路１０は、カウンタに変えられ、
100Hzのクロツクパルスがカウントされる。心臓
鼓動事象が60鼓動／分（１Hz）という全く一定の
繰返し率で生じると仮定すれば、時間t1に、回路
１０が再び瞬間的にシフトレジスタ回路に変えら
れ、その後、シフト動作が行なわれる。時間t1の
シフトの後、カウンタは、50カウントを含む。時
間t2において、別のシフト／２で分割する動作が
行なわれ、この時、カウンタは75カウントを含
む。時間t3において、シフト／２で分割する動作
の後、カウンタは87.5カウントを含む。時間t3で
は、93.75カウントを含む。時間t5では、96.875カ
ウントを含み、等々となつている。明らかなよう
に、カウンタ内のカウントは、比較的僅かな事象
の後、100カウントに達し、これは、１事象／秒、
即ち、60事象／分の平均繰返し率を表わす。

例えば、心臓鼓動の欠落や、感知電極が心臓鼓
動を感知しなつたりすることによつて周期的な事
象が瞬間的に不規則になつたとすれば、カウンタ
は、最初の鼓動欠落後の最初の通常周期鼓動時に
150カウント（例えば、100カウント＋200カウン
ト÷２）を指示し、鼓動欠落後の第２の通常周期
鼓動時に125カウントを指示し、第３の鼓動時に
112.5カウントを指示し、第４の鼓動時に106.25
カウントを指示し、第５の鼓動時に103.125カウ
ントを指示し、というようにして、やがて平均繰
返し率100カウントが再び指示される。心臓が瞬
間的に高い鼓動速度になる場合、即ち、頻拍の場
合にも回路１０は同じ結果に達する。従つて、数
鼓動の後に、瞬間的な不規則性が緩和されること
が明らかであろう。

第３図Ａ及びＢ並びに第４図は、第１図のカウ
ンタ／シフトレジスタ１０の好ましい回路実施例
を示している。第３図Ａ及びＢには、典型的な２
進カウンタ・シフトレジスタ回路が示されてい
る。これら回路の各々は、一連のＤ型フリツプ−
フロツプ段３０ａ又は３０ｂ、３２ａ又は３２
ｂ、並びに、３４ａ又は３４ｂで構成される。各
回路には、説明の目的で３つの段のみが示されて
いる。実際の構成においては、多数の段が回路に
含まれる。第３図Ａの２進カウンタは、入力３６
に送られるクロツクパルスをカウントし、一方、
シフトレジスタは、導体３８に現われるシフト制
御信号に応答してフリツプ−フロツプ段３０ｂ、
３２ｂ及び３４ｂの内容をシフトする。

第４図においては、フリツプ−フロツプの段を
カウンタ形態又はシフトレジスタ形態に相互接続
する多数の制御ゲートを用いることによつて、２
進カウンタ及びシフトレジスタの２つの機能が３
つのフリツプ−フロツプ段３０ｃ，３２ｃ及び３
４ｃに結合される。上記の制御ゲートは、導体３
７を経て送られる状態制御信号に応答し、Ｒ波パ
ルスがこの状態制御信号を構成する。導体３７を
経て送られる「カウント」状態制御信号−これは
低レベル論理Ｒ波信号であるがインバータ３５に
よつて高レベル論理信号に反転される−に応答し
て、制御ゲート４０，４２，４４，４６，５０，
５２及び５４は、段３０ｃ，３２ｃ及び３４ｃ
を、第３図Ａの２進カウンタと同じ機能を果たす
ように相互接続する。ゲート６０，６２，６４，
７０，７２及び７４は、このように機能する間、
フリツプ−フロツプ段３０ｃ，３２ｃ及び３４ｃ
がシフトレジスタ形態になるのを禁止するように
作動不能にされる。

カウンタ形態で接続されている間、入力４１
は、第１図のクリスタル制御クロツク発振器１４
からのクロツクパルスを受け、従つて、フリツプ
−フロツプ段３０ｃ，３２ｃ及び３４ｃは、Ｒ波
パルスとＲ波パルスとの間のクロツクパルス数を
カウントする。前記したように、シフト動作の後
のカウントは、Ｒ波信号の平均繰返し率を指示す
る。

Ｒ波信号（第２図Ｄ）が高レベルになると、制
御ゲート６０，６２，６４，７０，７２及び７４
が作動可能にされ、フリツプ−フロツプの段をシ
フトレジスタ構成にすると同時に、制御ゲート４
０，４２，４４，４６，５０，５２及び５４が作
動不能にされ、カウンタ構成になるのを禁止す
る。Ｒ波パルスが生じた後１又は２ミリ秒以内
に、プロセツサ１８（第１図）は、導体３９を経
て上記作動可能にされた制御ゲート６０，６２及
び６４にシフト制御信号を与え、フリツプ−フロ
ツプ段３０ｃ，３２ｃ及び３４ｃの内容をＱ０，
Ｑ１，Ｑ２…を１段左へシフトさせる。このシフ
ト動作により、シフトレジスタの内容が２で分割
される。

２で分割する動作の直後に、出力Ｑ０，Ｑ１，
Ｑ２…が比較器１６（第１図）へ送られ、前記し
たようにメモリ２０にプログラムされたデジタル
値と比較される。この予めプログラムされた値を
越える時には、判断回路２４の鼓動速度分析動作
が行なわれる。その後、第４図の回路は、フリツ
プ−フロツプの段をシフト形態及びカウント形態
に変える動作を交互に行ない、上記のプロセスが
繰り返される。

前記の目的を達成する本発明の好ましい実施例
について以上に説明した。本発明の精神及び範囲
から逸脱せずに同じ目的を達成するように他の構
成及び変更がなされ得ることが当業者に明らかで
あろう。例えば、Ｄ型フリツプ−フロツプについ
て図示して説明したが、本発明は、Ｊ−Ｋ又は他
の形式のフリツプ−フロツプでも、これらフリツ
プ−フロツプの段が交互にカウンタ及びシフトレ
ジスタとして機能するように上記制御ゲートの回
路接続を変更すれば、同様に実施することができ
る。単一の回路において別の機能を果たすよう
に、フリツプ−フロツプ以外の他の回路部品を使
用することもできる。更に、本発明は、植え込み
式の医療用機器への利用に限定されるものではな
い。多数の他の重要な用途においても、本発明に
よつてもたらされる信頼性、精度及び低電力消費
性が繰返し率平均化回路に要求される。本発明
は、図示して説明した実施例に限定されるものは
なく、特許請求の範囲内に含まれるあらゆる変更
を包含するものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の繰返し率平均化回路を使用
することのできる植え込み式のカルジオバータシ
ステムを示すブロツク回路図であり、第２図Ａ，
Ｂ，Ｃ及びＤは、第１図のデジタル式繰返し率平
均化回路の作動を説明するためのタイミング図で
あり、第３図Ａ及びＢは、回路部品を１つの回路
に結合した本発明のデジタル式繰返し率平均化回
路の合成作動を説明するのに有用なカウンタ及び
シフトレジスタを各々示す図であり、そして、第
４図は、第１図に示した本発明の繰返し率平均化
回路の段及び制御ゲートを示す回路図である。 １０……繰返し率平均化回路、１２……心臓感
知回路、１４……クロツク回路、１６……比較
器、１８……マイクロプロセツサ、２０……メモ
リ、２２……ラツチ、２４……不整脈判断回路、
２６……カルジオバータ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一連のパルスより成る周期的な信号の平均繰
   返し率を決定するためのデジタル式の繰返し率平
   均化回路において、 各々のデジツトを記憶する複数の段と、 第１の状態制御信号に応答して、シフト状態に
   あつては上記段をシフトレジスタとして働くよう
   に作動的に相互接続すると共に、第２の状態制御
   信号に応答して、カウント状態にあつては上記段
   をカウンタとし働くように作動的に相互接続する
   ゲート手段と、 上記回路がカウント状態にある時にカウントす
   べき事象信号を受け取る入力手段と、 上記回路がシフト状態にある時にシフト制御信
   号に応答してシフト動作を行なうシフト入力手段
   と、 前記周期的な信号に応答して、前記第１及び第
   ２の状態制御信号のいづれかを作り出す周期信号
   応答手段とを備えたことを特徴とする回路。 ２ 上記段の各々は、フリツプ−プロツプより成
   り、上記ゲート手段は、複数の制御ゲートと、上
   記第１の状態制御信号に応答して、前記制御ゲー
   トを形成して上記入力手段を上記複数の段のうち
   の第１段に作動的に接続し且つそれに続く各段を
   手前の段に作動的に接続して上記カウント動作を
   行なわせ、更に、上記シフト入力手段を上記回路
   から切断し且つ次々の段の出力を手前の段の入力
   から作動的に切断して上記シフト動作を禁止し、
   前記第２の状態制御信号に応答して、前記制御ゲ
   ートを再形成して上記入力手段を上記第１段から
   切断し且つそれに続く各段を手前の段から作動系
   に切断してカウント動作を禁止する一方、上記シ
   フト入力手段を上記複数の段に接続し且つ次々の
   段の出力を手前の段に入力に作動的に接続してシ
   フト動作を行なわせるような手段とを備えている
   特許請求の範囲第１項に記載の回路、 ３ 一連のパルスより成る周期的信号の平均周期
   率を決定するデジタル式の繰返し率平均化回路に
   おいて、 上記周期的信号を受信する入力手段と、 所与の繰返し率のクロツクパルスを発生するク
   ロツク手段と、 上記クロツクパルスをカウントする複数の段を
   含むカウンタ手段と、 シフトコマンド信号に応答して上記カウンタ手
   段の内容を少なくとも１つの段だけシフトさせる
   シフト手段と、 上記周期信号の各パルスに応答して上記シフト
   コマンド信号を発生し、上記周期信号のパルスが
   何回か発生した後に上記カウンタ手段の内容が上
   記パルス信号の平均周期率を表わすようにするこ
   とを特徴とする回路。 ４ 上記シフト手段は、上記カウンタ手段に接続
   されたシフトレジスタより成り、このシフトレジ
   スタは、上記シフトコマンド信号の各々の発生に
   応答して上記カウンタの内容を少なくとも１段シ
   フトさせる特許請求の範囲第３項に記載のデジタ
   ル式繰返し率平均化回路。 ５ 上記シフト手段及びカウンタ手段は、シフト
   状態又はカウント状態で機能する１つの回路に結
   合され、上記平均化回路は、更に、 状態制御信号を発生する手段と、 上記状態制御信号に応答して、シフト状態にあ
   つては上記段をシフトレジスタとして働くように
   作動的に相互接続し、カウント状態にあつては上
   記段をカウンタとして働くように作動的に相互接
   続するゲート手段とを備えている特許請求の範囲
   第４項に記載のデジタル式繰返し率の平均化回
   路。 ６ 上記カウンタ手段に接続され、上記カウンタ
   の内容をデジタル入力信号と比較し、カウンタの
   内容が上記入力信号に等しいか又はこれを上まわ
   る時に出力信号を発生するような比較手段を更に
   備えた特許請求の範囲第５項に記載のデジタル式
   繰返し率平均化回路。 ７ 一連のパルスより成る周期的信号の平均周期
   率を決定する方法において、 パルス信号の発生時と発生時との間に多数の周
   期的なクロツクパルスをカウントし、 上記周期的信号のパルスが発生するたびに累積
   したカウントを所定の定数で分割し、 上記周期的信号の上記パルスが次々に発生する
   間にクロツクパルスの数を累積し、そして、 上記累積カウントから上記周期的信号の平均パ
   ルス率の表示を導出することを特徴とする方法。 ８ 患者の心臓の状態を監視して、所定の私蔵状
   態を感知した際に電気パルスを与える植え込み式
   の医療用機器において、 心臓の電気的活動を監視する心臓感知回路と、 上記感知回路に接続されて、心臓の平均脈拍数
   を決定するデジタル式の繰返し率平均化回路と、 所定の脈拍数を表わす繰返し率情報を記憶する
   メモリ手段と、 上記メモリ手段及び平均化回路に接続されて、
   上記平均脈拍数を上記所定の脈拍数と比較する手
   段と、 上記比較手段に応答し、上記平均脈拍数が上記
   所定の脈拍数を越えたことが上記比較手段で指示
   された時に除細動処置を施す不整脈判断手段とを
   具備し、 上記デジタル式の繰返し率平均化回路は、 所予の繰返し率のクロツクパルスを発生するク
   ロツク手段と、 上記クロツクパルスをカウントする複数の段を
   含むカウンタ手段と、 シフトコマンド信号に応答して上記カウンタ手
   段の内容を少なくとも１段シフトするシフト手段
   と、 上記心臓信号に応答して上記シフトコマンド信
   号を発生する手段とを備えていることを特徴とす
   る医療用機器。 ９ 生命を脅かす不整脈が生じている心臓に除細
   動エネルギーを与えることのできるカルジオバー
   タ回路を更に備えた特許請求の範囲第８項に記載
   の植え込み式の医療用機器。 １０ 上記シフト手段は、上記カウンタ手段に接
   続されたシフトレジスタより成り、上記シフトレ
   ジスタは、上記シフトコマンド信号が発生される
   たびにこれに応答して上記カウンタの内容を少な
   くとも１段シフトするように働く特許請求の範囲
   第９項に記載の植え込み式の医療用機器。 １１ 上記シフト手段及び上記カウンタ手段は、
   シフト状態又はカウント状態のいずれかで機能す
   る単一の回路に結合され、上記平均化回路は、更
   に、状態制御信号を発生する手段と、この状態制
   御信号に応答して、シフト状態にあつては上記段
   をシフトレジスタとして働くように作動的に相互
   接続し、そしてカウント状態にあつては上記段を
   カウンタとして働くように作動的に相互接続する
   ゲート手段とを備えている特許請求の範囲第１０
   項に記載の植え込み式の医療用機器。