JP2008149161A - 心臓のペースを調節する装置、及び心臓ペースを調整する装置を操作する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】心拍出量の修正により心臓のペースを調整する装置の提供。
【解決手段】心臓の筋肉セグメントに電気信号を加える１つまたは複数の電極２７、２９と、励起刺激及び非励起刺激の少なくとも１つを含む刺激であって、前記１または複数の電極に供給される、刺激を発生するように構成される信号発生回路２６と、前記信号発生回路２６を、心臓のペース調整のための前記励起刺激と、一回拍出量を増加させるように前記非励起刺激を発生するように制御する制御回路と、を備え、前記非励起刺激は、それが心臓に適用された場合には、心臓の筋肉細胞に伝播する活動電位を生じさせないことを特徴とする、拍出量を修正しながら心臓のペースを調節する装置。
【選択図】図１
【解決手段】心臓の筋肉セグメントに電気信号を加える１つまたは複数の電極２７、２９と、励起刺激及び非励起刺激の少なくとも１つを含む刺激であって、前記１または複数の電極に供給される、刺激を発生するように構成される信号発生回路２６と、前記信号発生回路２６を、心臓のペース調整のための前記励起刺激と、一回拍出量を増加させるように前記非励起刺激を発生するように制御する制御回路と、を備え、前記非励起刺激は、それが心臓に適用された場合には、心臓の筋肉細胞に伝播する活動電位を生じさせないことを特徴とする、拍出量を修正しながら心臓のペースを調節する装置。
【選択図】図１
Description
心拍出量拡大型ペースメーカ発明の分野 本発明は全体的には心臓治療装置に関し、特に心臓のペースメーカに関する。
心臓は筋肉でできたポンプで、その機械的な運動は、右の心房で発生され心臓全体に伝えられる電気刺激により制御されている。心臓が通常の状態の場合、電気刺激は、右の心房の洞房結節にある一群のペースメーカ細胞の活動電位として発生する。心臓病の中には、先天的であれ後天的であれ自然の心拍速度を埋め込まれたペースメーカによる人工心拍速度と置換したり、自然の心拍速度を人工の心拍速度で支援する必要のある病もある。当技術分野で周知のペースメーカは、人工の励起パルスを心臓の組織に送り、心臓のリズムを調整する。
心拍出量、すなわち、単位時間当りの心臓の出量とは一回拍出量と心拍数の積である。したがって、心拍出量の変動は心拍数または一回拍出量の変化によってうみだされる。一回拍出量は、たとえば、心臓の収縮効率の変化や、心臓の筋繊維の長さの変化や、繊維の長さとは無関係の心臓の筋肉の収縮性の変化などにより影響を及ぼされる。心拍数と心臓のリズムは心拍出量に直接的または間接的に影響を及ぼす。というのも心拍数と心臓のリズムの変化は心筋の収縮性にも影響を及ぼすからである。
人体は通常、主に運動中の心拍数の変化および／または一回拍出量への適応などにより生理的な要求に応えて心拍出量を調整する。しかし、病変があれば、調整機構に損傷が発生しているものがある。
人工的に心拍速度が調整された心臓は、通常、天然の電気刺激と比べて、人工刺激下では効率的な収縮が損失するために、通常の心拍出量の３０％以上を失うことになる。本特許出願の文脈では、この低下は心拍ペース誘導心拍出量（ＰＩＣＯ）損失と呼ばれる。
さらに、心拍ペース調整の必要を示唆される場合には、心臓病、特に、心拍出量を低下させる心筋梗塞（ＭＩ）の場合を含む虚血性心疾患（ＩＨＤ）の結果であることが多い。こうした低下は、本特許出願では、全心拍出量（ＧＣＯ）損失と呼ばれる。
特開昭６２−２７５４７１号公報
電子ペースメーカは心拍数を増加させることで一時的に心拍出量を増加させるが、この増加は、心臓病患者が通常ささえられないほど心臓の筋肉のエネルギを消費してしまう。新型のペースメーカは２つ以上の点で刺激を起こし、励起パルス振幅、比率およびタイミングの最適化を可能にするが、こうしたペースメーカは、ペース調整による心拍出量の損失に直接的に対処しているわけでもないし、心臓病理による損失に対処しているわけでもない。こうした損失は主に一回拍出量の低下につながり、心臓のペース調整の悪化が進む。細動除去器は、不整脈が発生すると治療するのに有益である（ただし患者は痛みを感じるし心臓に傷がつく）が、心不全の長期的な治療を提供するものではない。したがって、当技術分野で周知の治療はどれも効果的で長期間にわたって心拍出量を調整することはできない。というのは、そうした治療は心拍数の調整を狙ったもので、一回拍出量を増やし心臓の収縮の効率を高める必要性に応えてはいない。
心臓の電気機械特性ならびにこうした特性に影響を及ぼす当技術分野で周知の方法は、PCT特許出願PCT/IL97/00012の「発明の背景」の項により完全に説明されている。このPCT特許出願は本特許出願の譲渡人に譲渡され、その開示は参考のため本明細書に組み込まれている。
発明者は、非励起電気刺激パルスを心臓筋肉のセグメントに加えることで、心臓の電気活動に応じて適切に調節され、心拍出量を調節することができることを解明した。
したがって、本発明の目的は、心拍出量の人工心臓ペース調整および効果的な調節を可能にする装置、なかでも、心臓の一回拍出量を増やすことで心拍出量を増加させる装置を提供することにある。
本発明は、電気信号を心臓の筋肉セグメントに加える１つまたは複数の埋込型電極と信号発生回路を含む心拍出量の調整によって心臓のペース調整を行う装置を提供する。この信号発生回路は、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに励起電気パルスを加えて心臓のペースを調整し、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに非励起パルスを加えて、心拍出量を調整する。
本発明の他の態様は、心臓に１つまたは複数の電極を埋め込み、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに励起電気パルスを加えて心臓のペースを調整し、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに非励起刺激パルスを加えて心拍出量の効率を調整する工程を含む、心拍出量を増加させることで心臓のペースを調整する方法に関する。
本特許出願と請求の範囲では、用語「非励起電気刺激」は、心臓の筋肉細胞に伝播する新しい活動電位を誘導しない電気パルスを示す。さらに、こうしたパルスは、心臓の筋肉の選ばれたセグメントで心臓の収縮性を調整することで、活動電位に対する心臓の筋肉の反応に影響を及ぼす。特に、上記のPCT特許出願PCT/IL97/00012に記載され参考のため本明細書に統合されているように、発明者は、適切な強度の非励起電気刺激パルスを加えて、心臓の電気活動に応じて適切に調節されて、選ばれた筋肉節の収縮が増減され、したがって、心臓の一回拍出量が増減することを解明した。この発見が本発明の基礎をかたちづくっている。
本発明の好適実施例によると、非励起刺激パルスがペースメーカの動作に連動しており、中でも、非励起刺激パルスがペースメーカにより発生されたペース調節パルスにより同期化される実施例もある。本発明の他の実施例では、その装置に１つまたは複数のセンサを備えて、心臓の筋肉の局所の運動を関知して、特に、例えばＶＶＩやＤＤＤペースメーカなど当技術分野で周知のペースメーカがある期間非活動状態になるときに、非励起刺激パルスがペースメーカから独立してトリガーされる。
本発明の好適実施例では、心拍出量増大ペースメーカ（ＣＯＥＰ）は、心拍ペース調節ユニットと非励起刺激ユニットから構成される。ペース調節ユニットは、当技術分野では周知のように、ペース調節パルスを心臓の筋肉に送る。非励起刺激ユニットは、パース調節パルスと同期して、刺激パルスを心臓の筋肉の少なくとも１つのセグメントに伝えて、ペース調節パルスに対する筋肉の反応を増大させ、好ましくは、心臓の一回拍出量を増加させる。これら２つのユニットのそれぞれは、被験心臓に埋め込む１つまたは複数の電極とそれらに接続されている信号発生回路から構成される。この回路は、当技術分野で周知のペースメーカで使用されたものと同様に、埋込型の場合には容器に入れるのが好ましく、電源として同様の型のバッテリを使用するのも好ましい。
したがって、本発明の好適実施例では、ＣＯＥＰ装置は励起電気刺激を加えて、心臓の筋肉の組織の活動電位を発生することで心臓のペースを調節し、非励起刺激を加えて筋肉の能動電位への反応を調整する。この点において、前記装置は、励起刺激しか加えない当技術分野で周知のペースメーカと他の埋込型心臓電子装置とは根本的に異なっている。ＣＯＥＰを使用して心臓のペースを調節するときには、ペース調節に関する心臓の動きは、通常のペースメーカが使用された場合とほぼ同じである。しかし、非励起刺激を心臓に加えることで、ＣＯＥＰにより心拍出量が一回拍出量と心拍数を調整することで要求に応じて調節される。ＣＯＥＰは、通常ペース調整から引き起こされる心拍出量の損失を補償するのに使用され、他の心臓病変による心拍出量の低下の問題を処理するのにも使用できる。
好ましくは、ＣＯＥＰ装置は、患者の治療上の需要や状態に応じて、励起および非励起刺激を加えたり、または励起または非励起刺激のみを加えるよう調整できる。したがって、たとえば、励起刺激はほぼ日夜の全時間にわたって加えられるが、非励起刺激は、日中、患者が心拍出量の上昇を必要とするとき、または他の任意の望ましい時間だけに加えられる。励起および非励起刺激のパラメータは一緒に調整されて、望ましい治療上の効果が協働して達成されることになる。
本発明の態様を記載する際に、ペース調節ユニットおよび非励起刺激ユニットは、説明を簡潔にするために、別々の装置で呼ばれているが、本発明の好適実施例の中には、これらのユニットは共通の、統合型電子回路を用いて実施されているものもある。同様に、本発明の好適実施例では、ペース調節および非励起刺激パルスを加えるために同じ電極を使用できる。さらに、本発明の好適実施例はＣＯＥＰ装置を参照して説明されるが、本発明の態様の中には、従来のペースメーカを適切に修正および／または再プログラムすることで実施されて、ペースメーカが通常発生するペース調節パルスに非励起刺激パルスを加えるものもある。当然のことながら、こうした実施例と修正は本発明の範囲内である。
本発明の好適実施例の中には、ペース調節ユニットが、当技術分野では周知のように、ペース調節を最適化させるために複数のペース調節電極から構成されているものもある。より一般的には、本発明の原理は、当技術分野で周知の適応モードおよび心拍数応答ペース調節モードなどペース調節の任意の適切なモードに関連して心拍出量を達成するために非励起刺激を加えるＣＯＥＰ装置を製造するために適用できることが理解できるであろう。
本発明の好適実施例では、非励起刺激ユニットは、好ましくは少なくとも５mm2、より好ましくは少なくとも１cm2最も好ましくは少なくとも４cm2の心臓との比較的広い接触領域をもつ複数の電極を含み、好ましくは、さらに炭素または他の導電性材料を含む。代替的または追加的には、非励起刺激ユニットは、複数の刺激電極、好ましくは刺激ネットを含み、この刺激ネットはほぼ心臓の部分をカバーする複数の相互接続された呼出し可能な電極から成り、非励起信号が加えられる心臓部分のサイズを調整できる。電極の設計やその様々な好適実施例に関する考慮事項は上記の'012PCT出願、および同一の日に出願され参考のため本明細書に組み込まれているPCT特許出願「心拍出量コントローラ（Cardiac Output Controller）」に記載されている。
通常は非励起刺激ユニットはペース調節ユニットにより発生されたペース調節パルスに応じてトリガーされるが、本発明の好適実施例の中では、ＣＯＥＰは１つまたは複数のセンサ、好ましくは感知電極を含み、これらの電極は心臓の組織の局所電気活動を感知するものである。代替的または追加的には、刺激電極の１つまたは複数個は感知電極としても動作する。感知電極により感知された信号は回路機構により受信されて、非励起刺激ユニットをトリガーするのに使用され、代替的または追加的には、適応ペース調節モードでペース調節ユニットにより使用可能である。追加的に、回路機構は信号を分析して、たとえば、ＱＴ間隔を定めて、それに応じて刺激パルスを調整する。
さらに代替的には、体表面電極を使用してＥＣＧ信号を検出し、この信号は次いで非励起刺激パルスを同期化するのに使用される。他の種類のセンサもこの目的に使用できる。たとえば、心臓の中に入ったりその表面に配置された圧力センサまたは他の機構センサであり、心臓の筋肉の動きが感知される。
本発明の好適実施例の中には、ペース調節電極の１つまたは複数および非励起刺激電極の１つまたは複数が２つまたはそれ以上の異なる心房に配置されているものもある。好ましくは、ペース調節電極が右の心房に埋め込まれて、非励起刺激電極を左の心房に埋め込まれる。代わりに、すべての電極を心臓の同じ房に配置させることもできる。さらに代わりに、電極の１つまたは複数個を、心房の１つの外壁上の心外膜に配置可能であったり、心筋に埋込型であったりする。
本発明の好適実施例では、非励起刺激電極を、心臓の血管に極めて近くの心臓壁に置いている。発明者は、血管の近くに電極を配置すれば、一般に、一回拍出量と収縮効率を増大させるときの非刺激性励起パルスの効果が増大することを解明した。
本発明の好適実施例の中には、電極の最適な配置は、局所の心臓の動きおよび／または力の分布図を参照して判定される。好ましくは、電極を挿入する前に、心臓の地図が作成される。たとえば、米国特許第5568809号に記載の電気生理学地図とPCT特許出願PCT/IL97/00011に記載の位相従属幾何マップである。前記PCT特許は本特許出願の譲渡人に譲渡され、上記両文献とも参考のため本明細書に組み込まれている。次いで、電極はマップに応じて配置される。代替的または追加的には、電極の埋込み時には、それらの位置は可変で、血行動態のバラツキの結果が観察されて、電極に対する最適な固定位置が発見される。
本発明の好適実施例では、非励起刺激パルスがペース調節および非励起刺激電極間に加えられる。代わりに、非励起刺激パルスを、非励起刺激電極と信号発生回路ケースまたは双極非励起刺激電極上に加える場合がある。
本発明の好適実施例では、心拍出量の変化率は非励起刺激パルスの特性を変えることで調整される。これは、心臓に加える電気信号の強さ、すなわち、上記のように'012PCT出願に記載されているようにパルス電圧または、電流、パルスタイミング、パルス持続時間およびパルス波形と周波数を変えることで達成される。特に、発明者は、非励起信号の形状が心拍出量の増減の大きさを定めることを解明している。
本発明の他の好適実施例では、ＣＯＥＰ装置はさらに、血流量検出器や心室の圧力検出器などの１つまたは複数の生理機能センサをさらに含み、心拍出量を評価して必要に応じてその調節機能を調整する。こうした調整は、信号発生回路自体によって内部で実行される。代わりに、外部遠隔測定ユニットは、ＣＯＥＰ装置の動作に関する生理パラメータを監視して、パラメータの値に応じて装置を再プログラム可能である。
本発明の他の実施例はさらに、当該出願の原出願と同日に出願され参考のために本明細書に統合されている上記のPCT特許出願「心拍出量コントローラ（Cardiac Output Controller）」に記載されている。ＣＯＥＰ装置を使用する他の態様はさらにPCT特許出願「筋肉の収縮を調整する装置と方法（Apparatus and Method for Controlling the Contractility of Muscles）」にも説明されている。このPCT出願は、本特許出願の譲渡人に譲渡され、その開示は参照のため本明細書に組み込まれている。
本発明の好適実施例は、PCT特許出願「筋肉の収縮を調整する薬と装置の結合体（Drug-Device Combination for Controlling the Contractility of Muscles）（明細書第4425/WO/97）」に記載されているように適切な薬と関連したり、PCT特許出願「心臓の筋肉の囲込み（Fencing of Cardiac Muscles）（明細書第4437/WO/97）」に記載されているように、心臓の細動を防ぐ装置と方法と関連して使用することもできる。これらのPCT特許出願は同じ日付に出願されて、本出願の譲渡人に譲渡される。これらの出願の開示も参考のため本明細書に統合されている。
したがって、本発明の好適実施例によると、心拍出量の修正により心臓のペースを調節する装置が提供され、前記装置は、 心臓の筋肉セグメントに電気信号を送る１つまたは複数の電極と、 励起電気パルスを前記１つまたは複数の電極に送り、心臓のペースを調節し、非励起刺激パルスを前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに送り前記心拍出量を修正する信号発生回路と、を含む。
好ましくは、前記回路は、非励起刺激パルスをペース調節パルスと同期する。
これは最も好ましくはペース調節パルスと非励起刺激パルスの間の所定の時間オフセットを導入することで実行される。本発明の好適実施例では、前記回路は、ペース調節パルスに対して所定の時間遅延した位置で複数の非励起刺激パルスの列を発生する。
前記１つまたは複数の電極は、非励起刺激パルスが適用される双極非励起刺激電極を備えているのが好ましい。
追加的または代替的には、前記１つまたは複数の電極は、ペース調節電極と非励起刺激電極を備えており、前記非励起刺激パルスを非励起刺激電極とペース調節電極の間に加える。
好ましくは、前記信号発生回路は埋込型ケースに入れられて、非励起刺激パルスを前記１つまたは複数の電極の１つと埋込型ケースの間に加えるのが好ましい。
本発明の好適実施例では、前記装置は、心臓の動きを感知する少なくとも１つのセンサ、好ましくは心臓の電気活動を感知する電極を備えている。このセンサは前記信号発生回路に接続されている。この回路は心臓の動きに応じてパルスを発生する。前記信号発生回路は、センサに応答して非励起パルスを発生しながら励起パルスの付加を中断するのが好ましい。追加的または代替的に、前記回路が心臓の電気活動のＱＴ間隔を検出する。
前記１つまたは複数の電極は、面積が少なくとも５mm2、好ましくは少なくとも１cm2、最も好ましくは少なくとも４cm2の少なくとも１つの非励起刺激電極を備えているのが好ましい。
本発明の好適実施例では、少なくとも１つの非励起刺激電極が呼出し可能な電極のネットを備えている。他の好適実施例では、前記信号発生回路は、非励起刺激パルスが加えられる心臓セグメントの領域部分の広さを変える。
本発明の他の好適実施例では、前記装置は、遠隔測定器を備え、心臓の機能を示すデータを受け取り前記信号発生回路をプログラムしてそのデータに応答してパルスを調整する。
非励起刺激パルスを加えると、心拍出量が増加したり、代わりに、減少したりする。追加的又は代替的には、非励起刺激パルスを加えると、心臓の収縮の効率が高まる。
本発明の好適実施例に応じて、心臓の収縮を修正することで心臓のペースを調整する方法も提供されており、前記方法は、１つまたは複数の電極を被験心臓に付加する工程と、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに励起電気パルスを送り、心臓のペースを調節する工程と、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに非励起刺激パルスを送り、心臓の収縮の効率を調整する工程と、を含む。
好ましくは、非励起刺激パルスの伝達には、励起ペース調節パルスとパルスを同期させる工程が含まれる。これはペース調節パルスに対してパルスの時間オフセットを調整することで実行される。
本発明の好適実施例では、励起および非励起パルスの伝達には前記１つまたは複数の電極の共通の電極にパルスを送る工程が含まれる。
前記１つまたは複数の電極を付加する工程には、心臓の第１房にペース調節電極を埋め込み、他の房に非励起刺激電極を埋め込む工程を備えるのが好ましい。
代替的または追加的には、前記１つまたは複数の電極を付加する工程には、心臓の第１房に複数の電極を埋め込んだり、および／または心臓の複数の房のそれぞれに少なくとも１つの非励起刺激電極を埋め込む工程が含まれる。
さらに代替的または追加的に、前記１つまたは複数の電極を付加する工程には電極を心外膜に固定する工程が含まれる。
本発明の好適実施例では、前記方法は、心臓の動きを感知する少なくとも１つのセンサを被験体に付加し、非励起刺激パルスの伝送には心臓の動きに応じたパルスを発生する工程が備えられている。
少なくとも１つのセンサを付加する工程には、心臓に少なくとも１つの感知電極を埋め込む工程が含まれるのが好ましい。さらに好ましくは、パルスの発生には、感知電極により受信された電気信号のＱＴ間隔の検出と、それに応じたパルスの発生が含まれる。前記方法は、心臓の動きに応じた非励起パルスを送りながら励起パルスの伝達を中断させる工程を備えるのが好ましい。
追加的または代替的に、少なくとも１つのセンサを付加する工程には、体表面電極を被験者に付加する工程が含まれる。
さらに追加的または代替的には、少なくとも１つのセンサを付加する工程には、流れセンサおよび／または圧力センサおよび／または酸素センサおよび／または温度センサを付加する工程が含まれる。
本発明の好適実施例では、パルスの発生工程には、遠隔操作によりセンサから信号を受信し、それに応じてパルスのパラメータを変える工程が備えられている。
好ましくは、電極の付加では、面積が少なくとも５mm2、好ましくは少なくとも１cm2、最も好ましくは少なくとも４cm2の心臓のセグメントに非励起パルスを送るように電極が付加される。
本発明の好適実施例では、非励起パルスの伝達には、非励起パルスが加えられる心臓の領域を変化させる工程が含まれている。
好ましくは、非励起パルスの伝達には、電圧、電流、持続時間、タイミング遅延、波形、波形周波数などのパラメータの群からパルスの１つまたは複数のパラメータを変える工程が含まれている。
さらに好ましくは、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに非励起パルスを送った後で、その反対の極の他のパルスは電極に送られる。
好ましくは、効率の修正には、心拍出量の増加、またはその減少が含まれている。追加的または代替的には、効率の修正には心臓の収縮効率を高めることが含まれている。
本発明は、以下に示す図面と共に、好適実施例の以下に示す詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
図１はＣＯＥＰ装置２０の概略図であり、ペース調整されている患者の心拍出量を増加させる。ＣＯＥＰ装置２０は、制御ユニットケース２６と、ペース調節電極２９と、非励起刺激電極２７とを含む。電極２７は、広域導電性電極、たとえば、熱分解炭素またはガラス性炭素電極を含み、その面積は少なくとも５mm2である。このことは上記の「心拍出量コントローラ（Cardiac Output Controller）」特許出願に記載されている。しかし、電極２７は、この目的に適切な種類の埋込型の電極ならどの型でもかまわない。ペース調節電極２９は当技術分野で周知の任意の適切な種類のペース調節電極を含むことができる。
電極２７と２９は抗凝血物質を、できれば徐放形状に塗布したり、抗凝血物質を心臓の組織に溶出させ、電極上およびその周囲に血塊が形成されるのを防ぐのが好ましい。こうした電極は、たとえばMedtronic社のCAPSUREモデル4003電極（Medtronic CAPSURE model 4003 electroce）など当技術分野で周知のステロイド溶出電極と同様の方式で製造可能である。前記の例示電極は、SuttonとBourgeoisによる「心臓のペース調節の基礎（The Foundations of Cardiac Pacing）」の７３頁に記載されている。これは参考のため本明細書に組み込まれている。
制御ユニットケース２６は、当技術分野で周知の埋込型ペースメーカコントローラと同様に患者の胸に埋め込まれる。このケース２６は信号発生回路２２（以下で図３に図示され図３を参照しながら説明される）を備えている。回路２２は非励起刺激電極２７を駆動して非励起刺激パルスを心臓の筋肉組織に付加する。
好ましくはペース調節電極２９により被験者の心臓に付加されたペース調節パルスに応答し、同時に同期して、パルスが回路により発生されたトリガーインパルスにより起動される。
装置２０は１つのペース調節電極２９と１つの非励起刺激電極２７を備えているように図示されているが、他の好適実施例では、ＣＯＥＰ装置は様々な種類と寸法の多数のペース調節および刺激電極を含んでいる場合もあることを理解すべきである。その上、さらに他の好適実施例では、単一電極がペース調節および非励起刺激のために使用可能である。
図１に示す実施例では、装置２０もオプションの感知電極２５を備えている。
この電極２５は心臓の組織から局所のエレクトログラム信号を受け取る。代わりに、電極２７と２９の一方または両方がこの目的のために感知電極として動作可能である。エレクトログラムは信号発生回路２２により受け取られ、この回路２２は、エレクトログラムに反応して非励起刺激を調節する。
図２Ａは、本発明の好適実施例による患者４０の心臓３２に埋込まれた電極２７と２９を示す概略図である。オプションの感知電極２５はこの図から除かれている。ペース調節電極２９は右の心室３４の隔膜に埋め込まれるのが好ましい。
非励起刺激電極２７は左の心室３６の壁に埋め込まれている。電極２７と２９は、適切な血管を通って埋込型ケース２６に至るワイヤにより接続されている。このケース２６は患者の胸に埋め込むのが好ましい。電極２９によりペース調節パルスを加えた後で、ＣＯＥＰ装置２０は刺激パルスを発生し、このパルスは電極２７に送られて、電極２７が接触する心室３６の壁部の少なくとも一部の収縮を拡大させて、それにより心室の一回拍出量が増えるようになるのが好ましい。
図２Ａの実施例はさらにオプションの遠隔操作装置２８も備えている。この装置２８はケース２６の回路２２と通信している。好ましくは、回路２２は、当技術分野で周知のように、電子メモリを含み、このメモリは装置２０の機能に関連した電気生理学パラメータの値を受け取って記憶する。遠隔操作装置２８はこうしたパラメータを読み取って、分析して、それに応じて回路２２を再プログラムして、ＣＯＥＰ装置の機能を最適化する。
図２Ｂは、本発明の他の好適実施例による追加電極が埋め込まれている心臓３２を示す概略断面図である。この実施例では、複数の非励起刺激電極３８が左の心室に埋め込まれており、心室の壁部の広い領域を刺激する。好ましくは、これらの電極は呼出し可能ネットを形成するので、刺激された壁部の領域の広さを変えたり調整したりできるし、さらに／または複数の電極の中の異なる電極に加えられた刺激パルスの相対的なタイミングを変えることができる。電極ネットと刺激領域の調節と刺激パルスのタイミングは、参考のため本明細書に組み込まれている上記の「心拍出量コントローラ（Cardiac Output Controller）」PCT特許出願に一層詳細に記載されている。領域とタイミングは心拍出量の増大を最適にするように調整されるのが好ましい。
図２Ｂに示す実施例はさらに右の心室３４中の複数のペース調節電極３９と左の心室３６の頂部の感知電極２５も備えている。流れセンサや圧力センサなどの他の生理面のセンサ３４を大動脈に配置する。センサ４３からの信号は同様にケース２６内の回路２２に送られて、心室の収縮を評価するのに使用されるので、電極３８により加えられた刺激を調整して心拍出量を望ましい量に増加させる。
たとえば、電極により加えられた非励起刺激パルスの強度、持続時間、領域の広さおよび／または（電極３９に加えられたペース調節パルスに対する）遅延を、望ましい増加が達成されるまで、変えることができる。当然のことながら、図２Ｂに示すものの他に、電極２５とセンサ４３はどちらも心臓の他の位置に配置できる。
図２Ｃは、本発明のさらに他の好適実施例による電極が固定されている心臓の３２の概略断面図である。この場合には、ペース調節電極３９が右の心房３５に埋め込まれている。非励起刺激電極３８は左の心室３６の心外膜に外科手術により埋め込まれる。
図２Ａないし図２Ｃではペース調節および非励起刺激電極が特定の位置に配置されているが、当然のことながら、他の位置に電極を配置することも可能である。たとえば、特に厳しい心不全の場合には、非励起刺激電極も、ソラスコープ（thorascope）または他の最小の範囲の外科手術方法により、右の心室および／または１方または両方の心房の心外膜面内またはその上にも配置可能である。同様に、ペース調節電極は、当技術分野に周知の多室ペース調節の方法に応じて、心臓の２つ、３つまたは４つすべての室に配置可能である。追加的にまたは代替的に、ペース調節および非励起刺激電極の少なくとも数個は、当技術分野で周知の「浮動電極」であり、心臓の壁部には固定されておらず、心臓の室内で移動可能である。各場合の最適な電極配置は心臓の特定の病変状態の関数であり、上記のように、電極を配置する前に心臓の地図を作ることで確認可能なのが好ましい。
上記の「心拍出量コントローラ（Cardiac Output Controller）」PCT特許出願に記載されているように、非励起刺激電極はさらに心臓の血管に挿入し配置することもできる。
図２Ｄは、本発明の代替実施例に応じて、ＣＯＥＰ装置２０に接続して使用される刺激探針４６の概略図である。探針４６は、ペース調節電極４７と−−単極が好ましい−−非励起パルスが間に加えられる２つの非励起刺激電極４８を備えている。探針は心臓の１つの室に埋め込むことができるので、電極の配置の仕事が単純化できる。代わりに、探針４６が長く、狭く、さらに好ましくは柔軟なので、心臓の血管の１本に挿入可能である。
図３は、本発明の好適実施例による、信号発生回路２２を示す概略構成図である。回路２２は、非励起刺激部１００とペース調節部１２０ならびにオプションの感知部１１０と検出回路１０４を含む。オプションとして、回路２２も、図２Ａに示す遠隔操作装置２８など遠隔操作および外部プログラム部とも通信する。
動作の標準モードでは、ペース調節部１２０と刺激部１００がトリガーされて、パルスを、ペース調節部１２０のパルス発生器１２２に応じてペース調節電極２９と刺激電極２７に加える。パルス発生器は、当技術分野で周知のペース調節の任意のモード、たとえば、ＤＤＤ，ＤＤＤＲおよびＶＶＩモードで心臓のペースを調節させるようにプログラムされて制御される。
しかし、回路２２は、感知電極２５から受け取ったエレクトログラム信号または体表面電極からのＥＣＧ信号に応答して適応モードで動作する場合もある。このモードでは、感知部１１０はエレクトログラム信号を受け取り処理する。検出回路１０４は処理された信号を受け取り、当技術分野で周知のように、エレクトログラムの活動波形を感知して、その波形に応じてトリガーパルスを発生する。
トリガーパルスは刺激部１００に送られる。ペース調節部１２０は、上記の標準モードにおけるように、パルス発生器１２２の制御下で動作を続ける。
感知部１１０は、信号ブランキング部１０１と、信号ブランキング論理１０２と、差動増幅器／信号処理回路１０３とを含む。ペース調節部１２０または刺激部１００の出力が活動状態の場合には、ブランキングは、検出回路１０４への入力を禁止して、システムが刺激アーティファクトによるトリガーパルスを発生するのを防ぐ。
ペース調節部１２０は、パルス発生器１２２と定電流部（ＣＣＵ）１２５と１２６を備えている。ＣＣＵはパルス発生器１２２から受信したトリガーに応答して出力ペース調節パルスを発生する。出力パルスは、たとえば図２Ｂに示すようなペース調節電極２９ならびに１つまたはそれ以上のオプションの追加ペース調節電極に加えられる。複数のペース調節電極が使用されると、遅延部１２７により電極に加えられたペース調節パルスの相対的なタイミングが制御および調節可能になる。
刺激部１００は、トリガー分割器１０５を含む。この分割器１０５は、パルス発生器１２２または検出回路１０４または外部トリガー入力３０からの入力トリガーパルスに応答して修正トリガーパルスを発生する。トリガー分割器により装置20のユーザは心臓の鼓動毎または所定の数の鼓動に一度だけ刺激パルスが加えられるかどうかを選択できる。刺激部１００はさらに信号発生器１０６と１０７および定電流部（ＣＣＵ）１０８と１０９を備えている。信号発生器１０６と１０７は、修正トリガーパルスに応答して、以下に説明されているように、事前定義された特徴の電圧信号を発生する。定電流部１０８と１０９は、信号発生器からの入力電圧信号を出力電流パルスに変換する。２つのチャンネル刺激出力チャンネルは図３に示され、異なる刺激パルスが２つ以上の異なる刺激電極に加えられる。しかし、当然のことながら、チャンネルの内１つしか使用しなくてもよいか、または代わりに、追加チャンネルが追加されて追加刺激電極が駆動される。
図４は、本発明の好適実施例によるＣＯＥＰ装置20を用いたペース調節患者の心拍出力を増加させる方法を示す流れ図である。ペース調節パラメータと非励起刺激パラメータが最初に患者の条件に合うように入力される。心臓から受信したエレクトログラムまたはＥＣＧ信号に応答して標準の自己トリガーモードまたは適応モードで刺激部１００が動作するようにＣＯＥＰ装置が設定されている。
どちらの場合でも、トリガーパルスがパルス発生器１２２により発生されてＣＣＵ部１２５（およびオプションとして遅延の後で、ＣＣＵ部１２６）に加えられる。このＣＣＵ部１２５は電極２９へのペース調節パルス出力を発生する。トリガーパルスは同様に非励起刺激部１００に入力され、ＣＣＵ部１０８ならびにオプションのＣＣＵ部１０９は、事前定義またはユーザ定義特徴をもつ非励起刺激パルスを発生する。これらのパルスは非励起刺激電極２７により心臓に送られる。
オプションとして、電気信号または他の生理信号は、図２Ｂに示すように、たとえば電極２５および／またはセンサ４３により心臓から受信される。これらの信号は、以後のサイクルで適用されるペース調節および／または非励起刺激パラメータを調整する際に使用される。これらの信号は回路２２内で処理されたりオンラインで使用されたり、これらの信号は遠隔操作装置２８に転送される。遠隔操作装置２８は信号を分析し、それに応じて回路を再プログラムする。
図５は、本発明の好適実施例による、ペース調節電極２９により加えられたペース調節パルス６０と、刺激電極２７により加えられる非励起刺激パルス５１を含む装置２０により心臓３２に加えられるパルスの概略図である。図に示すように、パルス発生器１２２によりトリガーパルスが発生されるとすぐにペース調節パルス６０を起動するのが好ましい。ペース調節パルスの振幅と持続時間は、当技術分野で周知の心臓ペース調節の原理に応じている。
本発明の好適実施例では、心拍出量の調節はパルス５１のいくつかの特徴を変えることで達成される。非励起刺激エネルギは、基線パルス５３の形で刺激電極２３に加えられる。この基線パルス５３の基線振幅は、図５の矢印５４で示してあるように、好ましくは０．１ないし１０mA、オプションとして最高５０mAに至り、その持続時間は、矢印５２により示してあるように、１ないし３００ミリ秒間が好ましく、１０ないし８０ミリ秒間がいっそう好ましい。図５の矢印３０で示してあるように、トリガー入力とパルス５３の開始の間に１ないし５００ミリ秒の遅延が発生するように信号発生器１０６と１０７が制御されるのが好ましい。反対の極の他のパルス（図示せず）がパルス５３に続いて、上記の'012PCT出願に記載されているように、組織の分極化と電極の劣化の問題を防ぐのが好ましい。
周波数が最高１０KHzで、振幅が、矢印５６により示してあるように、基線振幅に相当する波形５８がパルス５３の基線振幅に重ねられる。波形５８は本明細書では矩形として示してあるが、正弦波またはのこぎり歯状波など他の適切な波形も使用できる。非刺激性パルス５１の適切な振幅、持続時間、遅延、波形などを調整して、心拍出量の望ましい増幅または減少をもたらす。
非励起刺激パルス５１は、様々な電気経路に沿って心臓３２に送られる。たとえば、図２Ａを参照して説明された好適実施例では、刺激電極２７は単極電極として動作し、パルス５１は電極２７とケース２６の間に加えられる。ケース２６は電導材料からつくられるのが好ましい。代わりに、刺激電極２７とペース調節電極２９の間にパルスを加えることができる。さらに代替的に、図２Ｂを参照すると、複数の刺激電極３８は単極モードで動作可能であるが、パルス５１は１対の電極間に加えられる。
図６ないし図２９は、本発明の好適実施例による、回路２２の機能を実施するのに使用される回路を示す電子概略構成図である。図６Ａと図６Ｂに示すように、回路には、ＥＣＧプロセッサ１３０と、第１ＣＣＵ部１４０と、第２ＣＣＵ部１４２と、主制御回路１５０とが含まれている。これらは協働して図３に示し該図を参照しながら説明される回路２２の機能を実行する。
図７ないし図２９は、図６Ａと図６Ｂの要素の実施の詳細を示す回路図である。これらの図は、当業者が本発明を実施可能になるのに十分と考えられる。これらの構成図の様々な態様が以下に説明される。
図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは主制御回路１５０を示す。この回路１５０は、マイクロコントローラＭＰＵ１、好ましくは当技術分野で周知の8051型マイクロコントローラに基づいている。マイクロコントローラは、刺激パルスのパラメータのプログラムパラメータなどのユーザコマンドを通信インタフェースを介して受け取る。マイクロコントローラは、ADO-AD7として記されているデータバスを介して回路２２の他の要素を制御する。
図８Ａと図８Ｂは、ＥＣＧプロセッサ１３０の詳細を示す。このプロセッサ１３０は、患者の体から電気信号を受信して、処理して、上記のようにトリガーパルスを発生して、非励起刺激を駆動する。ＥＣＧプロセッサ１３０には、ＥＣＧ増幅器１５２と、ＥＣＧ信号処理部１５４と、Ａ／Ｄ変換器１５６と、検出コントローラ１５８とが備えられている。ＥＣＧ増幅器１５２は図９に詳細に示してあり、差動増幅器とプログラム式利得増幅器とブランキング部から構成される。
図１０Ａと図１０Ｂに示すように、信号処理部１５４が、クロック発生器により選択可能なプログラム式高パスフィルタ、低パスフィルタおよびノッチフィルタを含み、さらにノッチフィルタを迂回するアナログスイッチも含む。Ａ／Ｄ変換器１５６は図１１に示してある。図１２Ａと図１２Ｂは、他の8051型マイクロコントローラＭＰＵ２を含むコントローラ１５８を示す。このコントローラ１５８は、ＥＣＧ信号を分析してトリガーパルスを発生する。
図１３Ａと、図１３Ｂと、図１３Ｃは第ＩＣＣＵ部１４０を示す。この第１ＣＣＵ部１４０は非励起刺激パルスの２つのチャンネルを発生する。ＣＣＵ部１４０は２つの制御部１６２と１６４と、波形発生器１６６と１６８と、電源部１７０と１７４と、波形選択器１７２とを備えている。図１４Ａと図１４Ｂは波形発生器１６６の細部を示している。この波形発生器１６６は、２つの非励起チャンネルの第１チャンネルを駆動する。これに対して、図１７Ａと図１７Ｂは波形発生器１６８を示し、この波形発生器１６８は発生器１６６とほぼ同様であり、第２チャンネルを駆動する。図１５Ａと、図１５Ｂと、図１５Ｃは制御部１６２を示し、この制御部１６２は発生器１６６からの波形を受け取り拡大縮小調整する。図１５Ｃは制御部１６２と１６４の両方に対して共通のタイミング制御論理を示す。図１８Ａと、図１８Ｂと、図１８Ｃと、図１８Ｄは制御部１６４を示す。
図１８Ａと図１８Ｂは図１５Ａと図１５Ｂのそれと同様の波形縮小拡大回路を示す。図１８Ｃと図１８Ｄは、２つの刺激チャンネルにより発生されたパルスの相対遅延を制御する回路を含む。図１６と図１９はそれぞれ電源部１７４と１７８の細部を示し、図２０は波形選択器１７６を示す。
図２１は、当技術分野で周知のペースメーカと同様に、所定の比率のペース調節パルスとその間の相対遅延を発生するための、２つのＣＣＵチャンネル１８０と１８２を含む第２ＣＣＵ部１４２を示す。図２２Ａと、図２２Ｂと、図２２Ｃはチャンネル１８０の細部を示す。図２３Ａと図２３Ｂはチャンネル１８２の細部を示し、チャンネル１８２はチャンネル１８０（図２２Ｂに図示）と同じスイッチとカウンタにより切り替えられる。
図２４と、図２５Ａと、図２５Ｂと、図２６と、図２７Ａと、図２７Ｂは分離回路の細部を示す。この分離回路は、外部電源に接続されている間に回路２２が動作しているときに使用される。
上記の好適実施例の中で、たとえば、図２Ａに示してある実施例では、回路２２は埋込型ケース２６内に保持されているように示してあるが、図６ないし図３０により例示されている回路の特定の実施例は、現在実施されている発明の最上の方式にしたがって、外部の枕元に置くケースに含める方が一層適切である。当然のことながら、図６ないし図３０の回路は、当技術分野で周知の方法と電子装置、なかでも埋込型ペースメーカで現在使用されているものなどを用いて、埋込型ケースに適合するように適切に変更されて微小化される。他方で、亀裂骨折からの回復や外科手術中など心臓のペースを調整しなければならなかったり、心拍出量を一時的に調整しなければならないときに、ペース調節や非励起刺激を外部の臨床ケースなどを用いて実施するのが最善である環境もある。
当然のことながら、上記の好適実施例は例として参照されており、請求の範囲だけが本発明の範囲を制限するものである。
Claims (16)
- 心臓の筋肉セグメントに電気信号を加える１つまたは複数の電極と、
励起刺激及び非励起刺激の少なくとも１つを含む刺激であって、前記１または複数の電極に供給される、刺激を発生するように構成される信号発生回路と、
前記信号発生回路を、心臓のペース調整のための前記励起刺激と、一回拍出量を増加させるように前記非励起刺激を発生するように制御する制御回路と、を備え、
前記非励起刺激は、それが心臓に適用された場合には、心臓の筋肉細胞に伝播する活動電位を生じさせないことを特徴とする、拍出量を修正しながら心臓のペースを調節する装置。 - 前記刺激は、双極電極によって与えられる請求項１に記載の装置。
- 前記励起刺激は、前記非励起刺激と同じ１又は複数の電極に与えられる請求項１又は２に記載の装置。
- 前記励起刺激は、前記非励起刺激とは異なる１又は複数の電極に与えられる請求項１又は２に記載の装置。
- 前記信号発生回路及び前記制御回路は全て、集積回路として提供される請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
- 前記信号発生回路及び前記制御回路は全て、埋込型ケース内に入っている請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
- さらに、拍出量を増加させる必要性を示す信号を発生するセンサを備える請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
- 前記刺激信号は、別々の励起及び非励起刺激を含む、心臓の周期ごとに２つの別々の刺激信号で構成される請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
- 前記制御回路は、前記刺激が心不全を治療するように前記信号発生回路を制御するように構成される請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
- 前記制御回路は、前記非励起刺激が、前記励起刺激によって発生した一回拍出量の減少を補償するように前記信号発生回路を制御する請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
- 前記制御回路は、前記励起刺激と前記非励起刺激とを選択的に与えるように前記信号発生回路を制御する請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
- 前記制御回路は、前記刺激を変更することによって、前記刺激によって影響を受ける心臓の筋肉の領域を選択的に変更するように前記信号発生回路を制御する請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
- 前記制御回路は、前記励起刺激及び非励起刺激の両方のパラメータを調和させながら変更するように前記信号発生回路を制御する請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
- さらに電気的センサを備え、前記制御回路は、前記電気センサからの入力に基づいて、前記非励起刺激の適用時間を予測するように前記信号発生回路を制御する請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
- 心臓のペースを調整する装置を動作させる方法であって、
（a）心臓をペーシングするのに適する励起刺激を発生する工程と、
（b）心臓に適用された場合に一回拍出量を増加させるように構成された非励起刺激であって、伝播する活動電位を生じさせないように、前記励起刺激と相対的な時間に、非励起刺激を発生する工程と、
を含む方法。 - さらに、心臓の調整の必要性を検知する工程と、
前記検知された必要性に応答して、前記非励起刺激のパラメータを修正する工程と、
を含む請求項１５に記載の方法。
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