JPS6232945B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は静脈血温度を検知することにより、心
臓の刺激速度を生理的に調節する運動応答性心臓
ペースメーカーに関する。 人体には、運動時の心臓拍出量増大の要求に対
して適応する仕組みが備つている。心臓が適正に
機能しているならば、神経系は運動に応答して心
拍速度を増大させ、末梢抵抗を減少させる。代表
的な心臓ペースメーカーは固定速度で心臓を刺激
するものであり、従つて運動時の心臓拍出量の増
大要求に応ずべく変化することが出来ない。従つ
て、代表的心臓ペースメーカーを使用している人
は、日常の活動が幾分か制限される。 代表的な固定速の心臓ペースメーカーは、１分
間に約72拍の速度で電気刺激を発する。この刺激
は、心臓壁と接触する電極を経て心臓に加えられ
る。電気刺激がペースメーカーから出され、心臓
壁に加えられる毎に心筋は収縮する。この収縮に
より血液は身体にポンプ輸送される。 この元の固定速心臓ペースメーカーから、要求
調節ペースメーカー（demand Pacemaker）に
発展した。この要求調節ペースメーカーは、自然
心拍が検出された場合には刺激の発生を中止す
る。自然心拍の存在は、心電図の正常QRS群
（初期動揺）により示される。心臓の伝導が断続
的な患者には、この要求調節ペースメーカーは有
益であろう。何故ならば、このペースメーカー
は、心臓の正常拍動が発生したならばこれと競合
しないからである。この基本的な要求調節ペース
メーカーに対し、身体の正常応答を良く近似させ
んとの試みで、幾くかの修正が施されてきた。斯
かる修正ペースメーカーの１つに、２刺激速度の
選択を可能とするものがある。ペースメーカーが
定速モードで作動する際には正常速度の刺激を発
生し、断続的自然心拍が検出された場合には低速
度の刺激を発生し、従つて心臓の自然拍動時間よ
り長期化するものである。 心室での電気作用の存在を検知すること
（Sensing）に加え、心房活動の検知も用いられ
ている。心房リズムは正常であるが、心房―心室
間にある種のブロツクのある人がいる。このよう
な人には、心房の各興奮のあとで心室に刺激を送
るような心房―感受ペースメーカーは有益であろ
う。しかしながら、心室伝導問題は心房心拍急速
又は線維性れん縮を頻繁に促進し、心房感受ペー
スメーカーを不活性にするため、この心房ペース
メーカーの使用は制限されていた。 心拍調整の効率を高めんとして、ある種のペー
スメーカーでは、心房―心室同期性の回復を可能
とすべく、心房及び心室の電図による測定を用い
ている。各心臓拍動を生起させるため、先ず心房
を刺激する。正常Ａ―Ｖ結節遅れに等しい遅れの
あと、心室を刺激する。心房収縮を付加すると、
それに同期して心室の正常充填が付加される。斯
かるペースメーカーは、Ａ―Ｖ継時ペースメーカ
ーと称されるが、弛緩終期容積、従つて拍出量を
増加させ、血液流を更に大にする。更にＡ―Ｖペ
ースメーカーには、心房或いは心室が拍動する場
合自然収縮室を刺激しないような二重検知機構が
組込まれている。極く最近、心房及び心室の検
知、心房及び心室の拍動調整、並びに心房及び心
室の抑制を組合せたペースメーカーが開発され
た。このペースメーカーは、一般に「DDD」ペ
ースメーカーと称されている。 前記各モードを使用するペースメーカーは、植
込み後にもプログラム可能である。最適心臓刺激
に対する要求は、患者毎に各々若干の差異があ
る。従つてペースメーカーのパラメーターが植込
み後に変更可能ならば、ペースメーカーは患者の
ニーズに合せて「個人専用化」される。植込み後
にプログラム可能なパラメーターには、拍動速
度、刺激電流及び電図感度が含まれる。Ａ―Ｖ継
時ペースメーカーの場合、Ａ―Ｖ遅れ時間に加
え、心房と心室の両者に関する検知及び刺激がプ
ログラム可能である。 最初の固定速ペースメーカー以来、多数の進歩
があつたが、プログラム可能なペースメーカーに
しても、運動時に身体が必要とする血流増大を検
知するには適切でなく、且つ信頼性も乏しいもの
であつた。心臓電気活動に基く生理的ペースメー
カーは、ペースメーカー使用人口の大部分に対し
適用可能でなかつた。 神経が部分的に遮断された心臓の患者では、心
臓内の電気活動以外の源から、身体への心臓拍出
必要量を検知する必要がある。心臓拍出量の増加
必要性を検知できる生理的指示物は多数存する。
検知情報を提供する試みとしては、心臓に通じる
神経特に交感神経が、心拍速度を自然に増大させ
るよう脳内処理した情報を提供するであろう。不
幸にして、現在の技術は長期の神経インパルス変
換器の使用を禁じている。 血液のPHも測定され、心臓ペースメーカー速度
を調整するために使用された。PH変換器は、長期
間植込み可能であるが、製造が困難であり、従つ
て末だ一般に使用されるに至つていない。 以下の参照文献リストは、本発明にある程度関
連する装置を開示するものである。

【表】 医療機器進歩の会会報（Journal of
Association for Advancement of Medical
Instrumentation）「生理的に調整した心臓ペース
メーカー」クラスナー；ブーキデイス
（Voukydis）；及びナルデラ（Nardella）1966年
11―12月、第14―16及び20頁 フイツシエルの米国特許第3867950号は、固定
拍動速度の再充電可能な心臓ペースメーカーを開
示しており、該ペースメーカーは電源として再充
電可能電池を用いるものであり、電池は患者の皮
膚を通して磁気誘導により再充電される。電子パ
ルス発生回路は出力パルスの速度がバツテリー電
圧の関数として並びに体温の関数としても変化す
るように設計されている。この装置が本発明と異
なるのは、心臓刺激速度を周囲体温 （ambient body temperature）で調節すること、
換言すれば、平均体温を表わす身体中心温度で調
節する点である。周囲体温は、パルス発生回路内
部に配置される温度係数大なるキヤパシターによ
り測定される。周囲体温は筋肉活動の関数として
適正に変化しないので、この装置は筋肉活動に基
く身体の心臓拍出量増大の要求に応答しないであ
ろう。 ゴベリの米国特許第3656487号は、種々変化す
る心拍調整機能と予かじめ設定された速度とを有
する電子式要求調整の心臓ペースメーカーであ
る。本装置は、自然心拍が連続して不在の際に
は、第１脈拍数で心拍速度を刺激するが、自然心
拍には第２の低設定脈拍数以上の任意の速度で許
容する。本装置は、防害電気ノイズパターンがあ
る場合、非要求調整型での操作による第３脈拍数
に戻る。 クラスナーの米国特許第3593718号は、呼吸速
度を用いて電子パルスの発生を変化させる生理的
に調節される心臓ペースメーカーを開示してお
り、該電子パルスは心室に接続された定電流電源
に供給される。別の変法では、２個別々の定電流
電源すなわち心房に接続されたものと心室に接続
されたものにパルスを供給する。但し心室へのパ
ルス供給は遅らせて行なう。 パーデイーの米国特許第3828371号は、血圧に
応答してパルス速度及びストローク長を変化させ
るようにした自己充足型人工心臓を開示してい
る。血圧の変化は感圧トランジスターにて検出さ
れ、それにより血圧に応答して血液のポンプ輸送
速度を変化させるのである。 コレニク他の米国特許第4181133号は、要求調
整の心拍調節並びに予かじめ設定された心拍頻数
ブレークアツプの二重機能を発揮するプログラム
可能な心拍頻数ペースメーカーを開示している。
ペースメーカー操作パラメーター並びに心拍頻数
の認識と応答のパラメーターをプログラムで調整
するために、コマンドパラメーター調節が使用さ
れている。 アレイの米国特許第4023121号は、第１脈拍数
での抑制モードの刺激パルス、及び第２脈拍数で
の第２固定速モードの刺激パルスを発生する要求
調整心臓ペースメーカー用の振動子を開示してい
る。本装置は、許容心拍数の約２倍の拍数のノイ
ズを識別して可変の不応期第２半期を定めるよう
作動する振動子抑制系を付加的に使用している。 リツカルズの米国特許第4228803号は、心臓の
電気活動に敏感な要求調整の発生器を有する生理
的に適応性ある心臓ペースメーカーを開示してい
る。ペースメーカー発生器が供給する拍数調整刺
激と誘発された心室再分極の間隔は、次の刺激の
ための発生器の逃避間隔（escape in terval）を
定め、従つて心拍速度を生理的に調節する。 ボザルゴンザレスの米国特許第4201219号は、
受器（receivers）を経て神経で検出された調節
信号により、刺激パルスの発生を調節する心臓ペ
ースメーカーを開示している。 ウイルツフエルト他の米国特許第4202339号
は、刺激拍数に影響を与える調節変量として血液
の酸素飽和を測定する心臓ペースメーカーを開示
している。血液の酸素飽和の測定は、心臓中に植
込まれた光コンダクタプローブにて行なわれる。 クラスナー他の「生理的に調節される心臓ペー
スメーカー」なる標題の刊行物は、クラスナーの
米国特許第3593718号に開示の心臓ペースメーカ
ー、すなわち呼吸速度を用いて心臓への電子パル
スの発生を変化させるものと類似の心臓ペースメ
ーカーを開示している。 運動に基く高心臓拍出量の必要性に直接応答
し、しかも前記参照文献のいずれにも開示されて
いない生理的指示体の一つは静脈血温度である。
人が運動すると筋肉が仕事をする。筋肉の効率は
完全でないから熱を発生させる。筋肉を動かすこ
とにより発生した付加の廃棄は血流の仕事であ
る。 筋肉が発生した熱は、そこを出る血液の温度を
高める。この血液は、熱放散組織を通過する前に
右心に直接戻る。従つて右心に戻つた血液は、身
体筋肉の仕事量に関する情報を有する。右心室血
液は、身体の上部から上大静脈を経てきた血液と
身体下部から下大静脈を経てきた血液の混合した
ものである。身体のこれら２域からきた血液は右
心房で混合され、右心室で更に混合されて一緒に
なり、そこで心臓から排出される従つて、右心の
血液温度は、身体全体から戻る血液の平均温度で
あり、身体の平均仕事を反映する。運動時温度上
昇の原因となる熱は筋肉活動により発生するの
で、右心室血液温度は運動の平均水準、従つて心
臓拍出量又は心拍速度の増加の必要性を反映す
る。 従つて、本発明の一目的は、心臓の刺激を筋肉
活動の水準に従つて変化させるような改善された
心臓ペースメーカーを提供することである。 本発明のこの目的及び他の目的並びに利点は、
以下の図及び詳細な説明により更に明らかとなる
であろう。 本発明の一実施態様は、静脈血温度を検知する
ための感温手段を包含するものであり、該体温は
アルゴリズムにより正常機能心臓の心拍速度に関
連付けられる。感温手段は、その位置に静脈血が
流れている限り、体内の所望の位置に挿入するこ
とができる。このような位置には右心室および右
心房が含まれ、右心室が特に好ましい。 上記静脈血温度は前記アルゴリズムにより正常
機能心臓の心拍速度に関連付けられる。感温手段
は出力信号を発し、それを感温手段に接続された
アルゴリズム実行手段が受取る。アルゴリズム実
行手段は、静脈血温度と正常機能心臓の心拍速度
の間の数学的関数を表わすアルゴリズムにより、
出力信号を処理・実行する。心臓ペースメーカー
はアルゴリズム実行手段に接続され、心臓の刺激
速度を可変的に調節するため、それに応答する。 第１図イは、筋肉活動期と休息期の電気記録図
のグラフでである。 第１図ロは、筋肉活動期と休息期の心拍速度と
時間の関係を示すグラフである。 第１図ハは、筋肉活動期と休息期の右心室静脈
血温度と時間の関係を示すグラフである。 第２図は、本発明をブロツクダイヤグラムで示
した概要図である。 本発明の諸原理の理解を促進する目的で、図に
示した実施態様につき説明しよう。しかしなが
ら、これにより本発明の範囲を制限せんとするも
のではなく、図示の装置の変更及び更なる修正、
並びに図示されているような本発明の原理を更に
適用することは、当業者が普通に想到するところ
であろう。 運動に基く心臓拍出量増大の身体要求と静脈血
液温度との間にはある関係の存在が測定された。
更に、心臓の右心室に入る血液は、身体上部から
上大静脈を経てきた血液と身体下部から下大静脈
を経てきた血液が組合さつたものであり、右心室
は身体の全筋肉組織から戻る血液の平均温度を測
定する位置として適当である。この温度は身体中
心温度とは異ること、従つて非周囲体温を表わす
ことは重要である。第１図イ，ロ及びハは、正常
試験犬の心電図、右心室血液温度及び心拍速度の
各々と時間との代表的グラフである。点Ｘは運動
開始時点を示し、点Ｙは運動を中止した時点を示
す。第１図ロより、運動期間中は心拍速度は時間
と共に増大し、次の休息期間中には時間と共に減
少することが容易に観測される。第１図ハは、右
心室血液温度も運動期間中には時間と共に増大
し、次の休息期間中は時間と共に減少することを
示している。心拍速度と右心室の静脈血液温度と
の観察された関係に基き、生理的に最適の心拍速
度を発生させるための単純で実際的、且つ実行可
能なアルゴリズムが誘導される。斯くて、右心室
の静脈血液温度と心拍速度の関係は、下記の式に
より表現される。 Ｈ_R＝Ａ＋Ｂ（Ｔ―To）＋Csign（dT／dt） 前式に於て、Ｈ_Rは瞬間心拍速度（拍数／分）
を表わし；Ａは休息心拍速度（拍数／分）を表わ
し；Ｂは運動中の心拍速度対温度の勾配を表わ
し；Ｔは平滑化された瞬間右心室血液温度（℃）
を表わし；Toは休息右心室血液温度（℃）であ
り；係数Ｃは運動開始時の心拍速度（拍数／分）
の初期増加を２で割つたものを表わし；ｄ^T／dt
は時間に関する温度の導関数を表わし；signは数
学記号signum（シグナム）の略であり、即ち関
連変数（この場合dT／dt）が正の値であるとき
には＋１を表わし、関連変数が負の値であるとき
には−１を表わす。 しかしながら、静脈血温度と心拍速度の間で観
察された関係を近似するためのその他の数学式を
誘導することも可能であり、それを調節アルゴリ
ズムとして使用することもできる。更には、前記
の式を単純化することもできる。もつともその際
には最適よりは若干劣つた応答になる。 また、前記の式は試験犬の実験データから誘導
されたものではあるが、人間の被験者から採取さ
れて文献に報告されているデータと一般に一致す
ることは注目を要する。観察データは基本的には
人間のデータに類似しているが、温度―時間曲線
の勾配は、人間の場合指数形で増大するが、試験
犬のデータでは多くの場合ほぼ直線的に増加す
る。この差異はおそらく、人間は発汗により過剰
の熱を発散するが、犬は激しい呼吸により熱を発
散するためであると考えられる。発汗は激しい呼
吸よりもはるかに効率の良い熱発散法なので、低
温では、発汗にて発散された熱は激しい呼吸によ
るものよりも、運動により発生した過剰熱に近
い。従つて、前記の式の係数及びおそらく式の形
も人間被験者に対するものとは若干異るであろ
う。 第２図は、本発明の運動―応答ペースメーカー
１０のブロツクダイヤグラム概要図を示すもので
ある。サーミスタ１１は、心臓１３の右心室１２
の内部に配置される。サーミスタ１１はペースメ
ーカー１０によりエネルギーを付与される。サー
ミスタ１１の抵抗は周知のように温度と共に変化
するので、サーミスタ１１の出力電圧波は瞬間右
心室血液温度を相似的に表わす。サーミスタ１１
はアルゴリズム実行手段１５に接続され、該手段
１５は前記の式に従つてサーミスタ１１からの、
出力電圧波を処理する。Ａ、Ｂ、Ｃ、及びTo
は、本発明の装置を使用せんとする特定の被験者
の実験データにより決定される定数である。この
ため、アルゴリズム実行手段１５は、プログラム
可能チツプ等通常の手段を用いてプログラムされ
る。アルゴリズム実行手段１５のプログラミング
は、アレイ他の米国特許第4164944号に開示のよ
うな、テレメーター信号により外部から調節され
るパラメーター調節回路を用いてなされる。プロ
グラム可能なペースメーカーのその他の例は、ク
ツクペースメーカーコーポレーシヨン（Cook
Pacemaker Corporation、ペンシルベニア州リー
チバーグ）製のモデル325及び325Tのプログラム
可能ペースメーカーである。 アルコリズム実行手段１５はパルス発生器調節
回路１６に接続され、該回路１６はアルゴリズム
実行手段１５からの出力波を受け取る。パルス発
生器調節回路１６は、周知のようにして、パルス
発生器調節回路１６に接続されるパルス発生手段
１７が発生するパルスの速度を論理的に定める。 パルス発生手段１７は、適当な設計のもので、
不連続頻度水準の所望数パルス流を発生し得るも
のならばいずれも可である。また、パルス発生器
調節回路１６は、パルス発生手段１７が発生する
パルスの頻度を、正常機能心臓に見出される最大
及び最小水準に対応、或いはその中に含まれる選
択された最小水準と最大水準の間にパルス頻度が
入るように調節する。斯くして、パルス発生手段
１７は電極手段１８にパルス流を送る。電極手段
１８は、心臓に電気刺激を与えるため、通常知ら
れた方法で心臓壁に取り付けられる。 パルス発生器調節回路１６及びパルス発生手段
１７が、現在使用中の心臓刺激技術のいずれかの
型で設計されるのは当然である。例えば、パルス
発生器調節回路１６及びパルス発生手段１７は、
断続的自然心拍が検出されない場合には可変の調
節された速度で、断続的自然心拍が検出された場
合には低速の固定速度でパルス発生するような、
要求調整ペースメーカー機能で設計される。斯く
て、自然拍動が検出されたならば、更に長時間の
心臓自然拍動が可能となる。別法として、パルス
発生器調節回路１６及びパルス発生手段１７を、
Ａ―Ｖ継時ペースメーカーとして機能するように
設計してもよい。本適用に於ては、心房及び心室
内での電図の検知は、各室内の電極によりなされ
る。心房及び心室の刺激は、心房―心室の同期性
を回復し且つ活活動水準の増加に従つて血流を増
大させるために要求される通りに付与される。Ａ
―Ｖ継時ペースメーカーの１タイプは、ウオルタ
ー他の米国特許第4192316号に開示されている。 身体の筋肉活動水準に合せて、可変的に心臓の
刺激速度を調節すべく本発明の装置を使用するた
め、サーミスタ１１を適当な手段により心臓１３
の右心室１２内部に挿入する。この手段は、例え
ば電極手段１８を載せているものと同じリード上
にサーミスタを載せること等である。アルゴリズ
ム実行手段１５、パルス発生器調節回路１６及び
パルス発生手段１７は共通のケースに収納され、
ケースは皮下に植込まれる。別法として、アルゴ
リズム実行手段１５、パルス発生器調節回路１６
及びパルス発生手段１７が、身体の外部にあつて
一時的な人為心臓刺激を付与する非植込ユニツト
であつてもよい。いずれの場合も、心臓壁に取り
付けた電極により、周知の方法で心臓の刺激を付
与する。斯くて本発明の運動応答性ペースメーカ
ーは、筋肉活動期の心臓拍出量を増加させるよう
生理的に調節された速度での心臓刺激の付与に非
常に好適な装置を開示するものなることが判る。 本発明を図面及び前記記述により詳細に説明し
たが、これは説明用であつて本発明を制限するも
のでなく、単に好適実施態様を示し説明しただけ
であつて、本発明の精神に含まれる全ての変化並
びに変更は保護されんことを望むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図イは、筋肉活動期と休息期の電気記録図
のグラフである。第１図ロは、筋肉活動期と休息
期の心拍速度と時間の関係を示すグラフである。
第１図ハは、筋肉活動期と休息期の右心室静脈血
温度と時間の関係を示すグラフである。第２図
は、本発明をブロツクダイヤグラムで示した概要
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 静脈血温度を検知するための感温手段（但し
   前記静脈血温度はアルゴリズムにより正常機能心
   臓の心拍速度に関連付けられ、前記感温手段は出
   力信号を発する）； 前記静脈血温度と正常機能心臓の心拍速度との
   数学的関数を表すアルゴリズムにより前記出力信
   号を実行するため、前記感温手段に接続されるア
   ルゴリズム実行手段；及び 心臓の刺激速度を可変的に調節するため、前記
   のアルゴリズム実行手段に接続し、かつそれに応
   答する心臓ペースメーカーからなる、身体の筋肉
   活動水準に従つて心臓の刺激速度を可変的に調節
   する手段を包含する心臓ペースメーカー。 ２ 前記のアルゴリズム実行手段出力信号が、正
   常機能心臓の心拍速度の所望の最大水準と最小水
   準に対応する、或はその内部にある最大及び最小
   水準の間で可変的である特許請求の範囲第１項に
   記載の心臓ペースメーカー。 ３ 前記感温手段が、心臓右心室の静脈血温度を
   検知する特許請求の範囲第２項に記載の心臓ペー
   スメーカー。 ４ 前記のアルゴリズム実行手段が、前記心臓ペ
   ースメーカーを前記体内に植込んだ後に、遠隔操
   作によりプログラム可能である特許請求の範囲第
   ３項に記載の心臓ペースメーカー。 ５ 前記感温手段が、サーミスタ、熱電対、半導
   体接点又は光学的液晶温度センサを包含する特許
   請求の範囲第４項に記載の心臓ペースメーカー。 ６ 静脈血温度を検知するための感温手段； 心臓に電気的刺激を与えるための電極手段； 前記検知した静脈血温度のdT／dt（時間に関
   する温度の導関数）を計算し、かつ心拍速度を
   dT／dtに関連づけるあらかじめ定められたアル
   ゴリズムに従つて速度調節シグナルを発生するた
   めのアルゴリズム実行手段；および前記アルゴリ
   ズム実行手段および前記電極手段に接続し、かつ
   心臓の刺激速度を可変的に調節するために前記速
   度調節シグナルに応答する心臓ペースメーカーか
   らなる、身体の筋肉水準に従つて心臓の刺激速度
   を可変的に調節する手段を包含する心臓ペースメ
   ーカー。 ７ 前記アルゴリズム実行手段が、心拍速度を
   dT／dtおよび休息心拍速度に関連づけるあらか
   じめ定められたアルゴリズムに従つて速度調節シ
   グナルを発生する特許請求の範囲第６項に記載の
   心臓ペースメーカー。