JP2005510313A - 電気的神経受容体波形による喘息および呼吸疾患の処置 - Google Patents

Abstract

喘息および呼吸疾患を処置する方法および装置。方法は、身体の器官の機能を示す波形を格納領域から選択する。選択された波形は、身体に直接接触する処置部材に送信され、この処置部材が次に波形を特定の身体器官に送信し、身体器官の機能を調節する。処置部材への送信を制御するために制御モジュールが備えられる。制御モジュールは選択され処置部材に送信される波形を有し、波形の格納容量と操作性を増すために、コンピュータ記憶装置が備えられてもよい。

Description

これは、２０００年１１月２７日に出願された出願番号６０／２５３，２４３、「電気的神経受容体波形による喘息および呼吸疾患の処置」の本出願である。

本発明は、電気的神経受容体波形による喘息および呼吸疾患の処置方法に関する。

呼吸は、人間の生命維持の重要な要素である。肺は空気から酸素を取り出し、血流を通じて身体全体に運ぶ。空気を肺へと送るには気管支を通り、これは多くの刺激に応じて開いたり閉じたりできる。例えば、喘息の時のように、吸い込まれたアレルゲンに反応して気管支が収縮し、粘液でふさがれると、空気の量が非常に少なくなり、酸素不足が起こる。気管支樹が頻繁に収縮したり粘液で塞がれたりしていくと、常に生命の危機となる。本発明は、粘液分泌率を下げ、気管支樹の拡張を起こす方法を提案するものである。

肺の気道は気管から始まって、気管が左右の気管支に分岐するまで下向きに続く。各気管支は肺に入ると葉気管支となり、次に区気管支になる。気管と主気管支とはＣの形をした軟骨性の輪で支えられている。この輪は、大きい方の気管支構造の形を維持している。「Ｃ」は、気管支が筋肉によって閉じられている後方に向かって開いている。気管支筋肉は、気管支を開いたり閉じたりするのに重要な役割を果たす。気管支のプロセスが進むに従って、気管支が肺胞を除いた最小気道である終末細気管支に達するまでには、その直径は約２０回収縮する。

気管支は筋肉から成り、管腔（内側）直径が脳からの情報提供を含む刺激に反応して変化する。終末細気管支は、壁のところどころに肺胞芽を有する呼吸細気管支へ枝分かれする。最後に、細気管支は肺胞が一杯に敷き詰められた肺胞管に到達する。

肺胞は、小さな嚢状構造を持ち、ここで酸素と二酸化炭素の交換が行われる。これらは一般的に肺胞嚢と呼ばれている。肺の胞状領域は、呼吸域として知られている。空気で満たされた嚢が平坦な肺胞細胞で覆われている。肺胞細胞は肺胞の開存性を保つため（開いた状態にするため）に、低表面張力サーファクタントを分泌する。肺の血液と吸い込まれた空気との間にはとても薄い仕切りのみが存在し、ここで素早くガスの交換が起こる。

気管支と肺胞嚢は、両肺内で働く。右肺には３葉あり、左肺には２葉ある。この呼吸システムには基本的に２つの機能があり、それは換気とガス交換である。呼吸の仕組みは吸気（息の吸い込み）と呼気（息の吐き出し）とから成る。換気の駆動力は、大気圧と肺胞内の肺内圧との圧力の違いである。両肺で約３，０００万個の肺胞がある。

肺胞には２つのタイプがある。タイプＩは、目玉焼きのような形をしており、肺胞壁上に薄く広がる長い細胞質（核を除く細胞の全ての実効的部分）拡張部を有する。タイプＩＩは、より小型であり、エキソサイトーシスによってサーファクタントを分泌する。タイプＩＩの肺胞が破壊されたり損傷を受けたりすると、サーファクタント欠乏がおこり、伸展性が低下し、肺水腫その他の合併症が起こる。空気は身体の外から肺に送られるとき、徐々に湿気を与えられ、肺胞に到達する頃には湿気で満たされている。

肺胞への血液への供給は、高密度の網の目にはりめぐらされた肺毛細血管のネットワークによって行われる。二酸化炭素は血液から肺胞に拡散され肺の隙間に逃げていき、一方酸素は肺胞から直接血流に乗って身体全体へ移動する。

効果的に呼吸を行うためにはたくさんの神経と筋肉が機能する。呼吸に用いられる最も重要な筋肉は横隔膜である。通常の周期的な呼吸では横隔膜は約１ｃｍ動くが、強制呼吸時には１０ｃｍまで動くことができる。左右の横隔神経が横隔膜の動きを起こさせる。横隔膜はシート形の筋肉で、腹腔と胸腔を分離している。通常の安静呼吸時には、横隔膜の収縮と弛緩により、胸部の体積は７５％変化する。吸気中には、脳からの電気信号により横隔膜は縮む。呼気は、横隔膜が弛緩して静止位置に戻るときに起こる。斜角筋および外肋間筋が収縮し、胸部が拡大すると、吸気に間接的な影響がある。おもしろいことに、横隔膜と外肋間筋のどちらか一方でも安静時の適切な呼吸運動を維持するための適切な胸腔運動を維持することができる。しかし、激しい運動の際には、両方が加わって荒く早い息づかいをする。すべての動きは脳から上述した各筋肉構造への電気神経信号または波形によって制御される。

求心性神経および遠心性神経は共に伝達を行い、求心性低部肋間神経の助けを借りて横隔膜が呼吸時の役割を果たすように制御する情報および信号を送る。第４神経（滑車神経）は第３神経（動眼神経）と第５神経（三叉神経）の助けを借りて、横隔神経経由で横隔膜を動作させるのに重要な役割を果たす。通常の呼吸動作では、肺および胸壁は通常の平衡位置に戻ろうと縮むため、呼出過程はほとんど自動的に行われる。しかし、吸気では、肺を拡張して空気を吸い込むために多くの胸部筋肉が働く。吸気過程は横隔膜が縮んで胸腔の体積が増すことによって達成される。

通常呼吸の制御は、主として脳幹からの指示で行われる。しかし、脳および視床下部の辺縁系の一部は恐れや怒りを感じたときに呼吸パターンを促進する能力を持つ。分単位の呼吸制御を行う化学受容器が存在し、これらは延髄の第９（舌咽神経）および第１０（迷走神経）神経の出口近く、つまり延髄の腹側表面の近くに位置する。

血液成分を測定する感覚器官から生じる他の求心性神経は酸素供給がどのように進められているかについての現状報告の一種として動作する。最も重要なのは首の頸動脈の分岐と心臓のアーチの上下にある大動脈の末梢化学受容器である。求心性神経支配は、呼吸をどのように制御するかについて遠心性神経に指示を出す前に脳にすばやく情報を伝達し、計算させる。上述の化学受容器は呼吸や血液循環に関係する気管支、肺、および心臓に対して迷走神経がどのように反応して指示波形を送るかに直接的に関わる。さらに、呼吸および心臓系に求心性入力を行う圧力、振動、運動を測定する機械的受容器も存在する。また、肺の中には、肺がどのように循環するかを脳に伝える伸張受容器が存在する。さらに、様々な器官の温冷状況について脳に伝える熱受容器も存在する。脳幹の髄質および脳橋部分への他の入力としては、呼吸に伴う筋肉活動を調整する固有受容器（筋肉や腱に関する深部知覚の一種）がある。また、髄質の心臓抑制だけでなく髄質中心に求心性信号を送り、脈拍、血圧および呼吸数を微調整して合わせる圧受容器も存在する。

呼吸に関わる中枢神経系（脳）神経は第２、第３、第４、第５、第８、第９、および重要な第１０（迷走神経）神経である。第１の脳神経は嗅覚情報を供給し、第２と第３神経は、身体が外部から知覚したものを統合し、呼吸を早くしたり、遅くしたり、またはとめたりするように要求する、求心性感覚器官としての眼からの入力に関する。第８の脳神経は、聴覚求心性入力を行う。様々な求心性感覚系が身体そのものの外の事象に応答して身体がどのように呼吸するかについての情報を提供する。

重要で、鍵でさえある呼吸器制御は迷走神経と気管支に埋め込まれた神経節の中でシナプスを形成する節前神経繊維によって行われるが、気管支は交換神経性および副交感神経性の活動によっても活動が弱まる。交感神経部は気管支になんら影響を及ぼさないか、管腔（内腔）を膨張させて呼吸過程においてより多くの空気が入るようにできる。これは喘息の患者には有益である。一方、副交感神経の処理は反対の効果をもたらし、気管支を収縮させて分泌物を増やす。これは、喘息患者にとっては有害である。

本発明は、喘息および呼吸疾患の処置方法を提供する。体内で発生し、伝達される波形が蓄えられ、記憶領域から選択される。選択された波形は身体と直接的に接する処置部材に送られる。そして処置部材は選択された波形を体内の器官に送信する。

波形は科学計算機のような計算機の記憶領域から選択されてもよい。選択された波形を送信する処理は、遠隔的におこなわれてもよく、制御モジュールに接続された処置部材を用いてもよい。送信はサイスミック（seismic）でも、電子的でも、その他の適当な方法であってもよい。

本発明はさらに、喘息および呼吸疾患を処置する装置をも提供する。この装置は、機能している身体の器官を示す波形を集めた波形源と、身体と直接接触する処置部材と、集められた波形を処置部材に送信（トランスミット）する手段と、集められた波形を処置部材から身体の器官に送信（ブロードキャスト）する手段とを備える。

送信する手段は、デジタル−アナログ変換器を有してもよい。好ましくは、集められる波形源はデジタルフォーマットで記憶された波形集合を有するコンピュータである。このコンピュータは、異なるカテゴリーに属する波形用の個別の記憶領域を有してもよい。

処置部材は、身体に直接１以上の波形を送信するアンテナまたは電極、または他の手段を有してもよい。

本発明は、以下の最良の態様の例と図面により詳しく記載されている。

本発明の原理の理解のために、図面に示された実施形態を参照する。このことによって本発明の範囲が制限されるものではなく、図示された装置の変更や改良、図示された本発明の原理の更なる適用は、本発明が属する分野の当業者であれば通常起こりうるものと考えられる。

呼吸器系の疾患の処置には、１つ以上の神経、同時には５つまでの神経に電気波形を送る必要がある。喘息や他の呼吸障害や疾病の改善には、横隔膜と肋間筋とが周期的に動き、空気を出し入れして酸素を取り出し、二酸化炭素などの排気ガス化合物を放出することが必要である。

気管支ネットワークが開く（膨張する）と、より多くの量の空気が交換され、肺の中で含有する酸素が処理される。この膨張過程は符号化された波形信号によって電気的に制御される。気管支を閉じて肺に流れる空気の量を制限することもできる。本発明によって膨張および／または収縮のための神経制御のバランスを保つことができる。

粘液の生成が多すぎると、気管支を流れる空気の量を制限するムコイドプラグが形成される。気管支の内腔と気管を除いて、肺からは粘液は生成されない。粘液の生成は電気的符号化信号によって増加させたり減少させたりすることができる。信号により、粘液の質と量のバランスをとることが可能である。

すべての符号化信号は通常１ボルト未満で動作する。必要な符号化信号を送信したり導通したりする間の電圧損失を考慮して、本発明によれば最大２０ボルトまでの印加電圧が許容できる。本発明では電流の出力は常に２アンペア未満でなければならない。神経に直接接続された電極を介して神経に直接導通する事により、３ボルト未満で０．１アンペア未満の電流の出力がある。

本発明は、身体へ送信される波形を制御することにより、呼吸の速度および強さ、気管支の膨張、および気管支の粘液の作用を制御することができる。このような、気管支を開くという能力は、救急処置室で深刻な気管支炎を処置するのに有益である。気腫の様な慢性の気道閉塞疾患をも扱うことができる。

深刻な火または薬剤による気道の傷害の処置は、機械的な呼吸補助を用いることによって向上される。傷害が介在する粘液の分泌もまた気道閉塞をもたらし、緊急処置をしにくくし、命の危険を招く。気管や気管支内の浮腫（腫れ物）は内腔寸法を制限し、酸素不足を招きやすい。内腔の寸法を広げることは、処置中不可欠あるいは少なくとも望ましい。

肺炎を患った患者が呼吸するのに要する労力は、本発明による横隔神経活動の調節により、緩和される。他の生死に関わる状態の処置は、呼吸器系が満足に働くようにすることを中心にする。よって、本発明は医師に患者の気管支を開いて呼吸速度を微調整し、酸素供給を向上させる方法を提供するものである。この電子処理方法は、起動または抑制波形を選択した神経上に送信し、呼吸を促進することを含む。このような処置は、酸素投与と現在使用可能な呼吸器用の薬剤を用いることにより、さらに強化される。

本発明は、神経受容体波形によって喘息および呼吸疾患の処置を行う装置および方法を含む。図１に示す、喘息および呼吸疾患を処置する装置１０の１形態は、少なくとも１つの処置部材１２と、制御モジュール１４とを備える。処置部材１２は、身体と直接接触し、制御モジュール１４からの符号化電気波形を受信する。処置部材１２は電極、アンテナ、サイスミック振動子、その他適当な形態の導通アッタチメントであって、人間あるいは動物の呼吸機能を調整または操作する呼吸信号を送信するためのものである。処置部材１２は、外科的な処理によって適当な神経に取り付けられてもよい。このような外科手術は、胸部ステレオスコープ処理の「鍵穴」孔を用いて行うことができる。必要であれば、処置部材１２をより適切に配置するために、もっと拡張的な開胸手法をとってもよい。さらに、必要であれば、処置部材１２は、鼻や口のような身体の開口部に挿入され、粘液性その他の細胞膜を突き抜けて延髄および／または脳橋の近くに到達してもよい。次に呼吸機能を調節することで知られている波形信号が、脳幹の近くにある神経に送られる。

制御モジュール１４は少なくとも一つの制御手段１６と、アンテナ１８とを備える。制御手段１６は、装置が身体への信号送信を調整できるようにする。図１に示すように、制御モジュール１４と処置部材１２とは、装置１０を遠隔操作できるように全く分離した構成部材であってもよい。制御モジュール１４は独自のものであってもよく、処置部材１２に送信される波形信号を供給できる従来装置のいずれかであってもよい。

図２に示す装置１０の他の実施形態では、制御モジュール１４’と処置部材１２’とは接続されている。図中、同様の部材は同じ参照番号を有している。さらに、図２は波形信号を格納するためのより大きな容量を有するコンピュータ２０に接続される装置１０’の他の実施形態を示す。処置中、装置１０’からの出力電圧およびアンペア数は各信号について２０ボルトおよび２アンペアを越えない。

コンピュータ２０は、複合されていて各器官および各器官の機能に固有である、固有波形信号を格納するのに用いられる。コンピュータ２０の波形格納ライブラリから選択された波形信号が、制御モジュール１４’に送られ、患者の処置に用いられる。波形信号とその生成については、２００１年１１月２０日に出願された米国特許出願番号 、「身体器官の機能を調節するために特有の脳波形を記録、格納、および送信する装置および方法」により詳しく記載されており、ここに参照することによりその開示内容を本明細書に組み込むものとする。

図３に示すように、本発明は装置１０，１０’を用いて喘息その他の呼吸疾患を処置する方法を含む。この方法は、ステップ２２で示された（カタログされた）波形のメニューから１以上の格納符号化電気波形信号を選択することで始まる。選択された波形信号は、呼吸系を活性化、非活性化、あるいは調整する。これらの波形信号は、呼吸過程のバランスをとったり制御したりするために脳幹構造が自然に発生するものに似ている。選択された波形信号はステップ２４において身体内で特定の機能を果たすように調整される。あるいは、波形信号を調整する必要がないと判断された場合、ステップ２４はスキップされ、プロセスは直接ステップ２６に進む。ステップ２６では、波形信号は装置１０，１０’の処置部材１２，１２’に送信される。

波形信号を受信すると、処置部材１２，１２’はステップ２８に示すように、波形信号を適当な場所に送信する。装置１０，１０’は適当な波形信号を用いて電気信号を選択された神経に導通または送信することを介して呼吸動作を調整又は調節する。ターゲット器官のみが自己の個別波形を固有に「聞く」ことができると思われる。その結果、第１の器官が第２の器官の波形を受信したということだけでその第１の器官が第２の器官の機能を果たしてしまうという危険は身体にはない。

本発明の１実施形態では、処置部材１２，１２’による送信プロセスは首、頭、あるいは胸部の選択された適当な領域において無傷の状態の皮膚を介した直接導通または送信によって行われる。このような領域は信号が加えられる神経または神経叢に近い場所である。処置部材１２，１２’はターゲット神経に信号を送信することが可能な、選択されたターゲット領域の皮膚に接するようにされる。

本発明の他の実施形態では、波形を送信するプロセスは、電極を受信神経または神経叢に取り付けて直接導通する事によって成し遂げられる。これは、電極を選択されたターゲット神経に物理的に取り付けるための外科的操作を必要とする。

本発明のさらに他の実施形態では、送信のプロセスは、波形をサイスミック形態に置き換え、適当な「神経」がそのようなサイスミック信号を受信し符号化された指示に従うことが可能なやり方で頭、首、または胸部の１領域に送る。処置部材１２，１２’は導通を助ける電極導通ジェルまたはペースト媒体を用いて無傷の状態の皮膚に押し当てられる。

本発明の様々な特徴が、本発明の図示された実施形態に関して個々に示され、記載された。しかし、これら特定の製品、およびその製造方法は例証であって限定ではなく、本発明は添付の請求項の記載内で最大限に解釈されるものとする。

本発明による方法を実行する装置の一形態の概略図。 本発明による方法を実行する装置の他の形態の概略図。 本発明による方法のフローチャート。

Claims (10)

1. ａ．格納領域から身体内で発生され身体内のニューロンによって伝達される１以上の波形を選択する過程と、
   ｂ．前記選択された波形を身体に接触する処置部材に送信または伝える過程と、
   ｃ．前記選択された波形を前記処置部材から身体内の器官に送信する過程と、
   を備える、喘息および呼吸疾患の処置方法。
2. 前記「ａ」の過程は、前記波形をコンピュータの格納領域から選択することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記「ｂ」の過程は、前記選択された波形を遠隔的に前記処置部材へ送信することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記「ｂ」の過程は、前記選択された波形をサイスミック送信することを含む、請求項１に記載の方法。
5. ａ．身体の器官の機能を示す集められた波形の波形源と、
   ｂ．身体に直接接触する処置部材と、
   ｃ．前記集められた波形のうち１以上を前記処置部材に送信する手段と、
   ｄ．前記集められた波形を前記処置部材から身体の器官に送信し、器官の機能を刺激する手段と、
   を備えることを特徴とする、喘息および呼吸疾患を処置するための装置。
6. 前記送信する手段はデジタル−アナログ変換器を有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記波形源は、デジタルフォーマットで集められた波形を格納するコンピュータを有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. 前記コンピュータは異なる呼吸機能カテゴリーの波形を集めるための個別の格納領域を有することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記処置部材は、呼吸信号を送信するアンテナを有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
10. 前記処置部材は電極を有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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