JP2007500576A - 神経電気コード化信号による呼吸制御 - Google Patents

Abstract

【解決手段】呼吸を制御する方法および装置が提供される。本方法は，身体の器官の機能を表す，記憶領域からの神経電気コード化信号を選択することを含む。選択された神経電気コード化信号は処理部材に伝達される。処理部材は，身体に直接接触させるもので，呼吸を制御するために，身体の器官の機能を調整するために，特別な身体の呼吸神経または器官に，神経電気コード化信号を一斉に伝送するものである。制御モジュールは，選択され，処理部材に伝送される神経電気コード化信号を含み，コンピュータの記憶部は，神経電気コード化信号の記憶および操作のために設けられる。

Description

本出願は，“神経電気コード化神経信号による呼吸制御”と題する米国出願第６０／４７１１０４号に基づく。

本発明は神経電気コード化信号による呼吸の制御に関する。

呼吸は人間の生活の上で基本的な要素である。肺は空気から酸素を取り出し，血液流を介して体全体に送る。肺への空気の取り入れは，多くの刺激に応答して開閉できる，気管支を通して行われる。たとえば，喘息で生じるように，吸入したアレルギー誘発物質に応答して，気管支が粘液をともなって締め付けられ，塞がれると，空気の量が非常に減少，酸欠が生ずる。気管支が締め付けられ，粘液で満たされることが続くと，常に生命が危険にさらされる。本発明は，粘液の分泌を低下させ，気管支の膨張をもたらす方法を提供する。

肺の気道が気管（ウインドパイプ）で始まり，下方に行くと，左右の気管支へと二つに分岐する。それぞれは葉気管支そして分葉気管支へと続く。気管および主気管支がC字形の軟骨フープにより支持されている。フープは大きな気管構成の形状を支持するのに役立つ。その“Ｃ”字形のフープは後方で開き，ここで気管が筋肉により閉じる。気管筋肉は気管支の開閉に重要な役割をもつ。気管支はさらに，直径が２０分の一になる終末細気管支（肺胞のない非常に小さな気道である）へと続く。

気管支は筋肉からなり，脳からの入力を含め，刺激に応じて内径を変化させる。終末細気管支は呼吸細気管支（その壁からの気管支芽をもつ）に分岐する。最後に，気管支は肺胞を裏側に密にもつ肺胞管にいたる。

肺胞は，酸素の交換や二酸化炭素の生成がなされる小さな嚢構造となっている。これらは一般的にエアーザックといわれている。肺の蜂の巣状の領域は呼吸ゾーンとしてしられている。空気で満たされたザックの裏面は，肺胞を開いた状態にするための低表面張力をもつ界面活性剤を分泌する平らな肺胞細胞をもつ。肺血液供給と吸気との間に小さなバリアーがあり，ここで急速なガス交換が生ずる。

気管支およびエアーザックは両肺で機能する。右の肺は三つの肺葉をもち，左の肺は二つの肺葉をもつ。この呼吸系は，基本的に二つの機能，すなわち通気とガス交換をもつ。呼吸のメカニズムは吸気（吸い込み）と呼気（吐き出し）とからなる。通気のための力は大気圧と肺胞の内肺圧との圧力差である。両肺において，三億の肺胞が働く。

肺胞には二つのタイプがある。タイプIは目玉焼きのような形状をもつが，肺胞の壁にまばらに広がる長い細胞（核を除き細胞の機能要素のすべて）延長部をもつ。タイプIIはよりコンパクトで，吐細胞現象により界面活性剤を分泌する。タイプIIの肺胞が破壊され，傷つくと，従順性が低下し，その結果他の合併症に混じって肺水腫となる。空気が体外から肺へと通過すると，空気は次第に湿気を帯び，肺胞に達するときには完全に湿気で満たされる。

肺胞のための血液の供給が，非常に密になった肺疾患の毛細管によりなされる。二酸化炭素は，血液から肺胞（ここで，二酸化炭素が肺のスペースへと逃げる）へと拡散し，同時に肺胞からの酸素が血液中に移り，体全体に送られる。

多くの神経および筋肉が有効な呼吸のための役目を果たす。呼吸のための重要な筋肉は横隔膜ある。通常の呼吸では横隔膜は約１ｃｍ，動くが，力をいれた呼吸では横隔膜は１０ｃｍをも動くことができる。左右の横隔神経により，横隔膜は働くことができる。横隔膜は胸腔を腹腔から分離する膜状の筋肉である。その収縮と弛緩で，通常の静かな呼吸の間，胸部の容積は７５%，変化する。電気的な脳からの信号の結果，横隔膜の収縮は吸気の間生ずる。呼気は，横隔膜が弛緩し，安静時の位置へと戻るときに生ずる。斜角筋および外肋間筋の収縮のために胸部が膨れるときに，呼気に間接的な影響がある。興味深いことに，横隔膜か外肋間筋かのいずれかが，安静時に，十分な通気を維持するために，十分な胸腔の動きを維持することができる。深く激しい呼吸の際しては両方が必要となる。すべての動きは，脳から前述の各筋肉構造への電気的神経信号または波形により制御される。

求心性神経および遠心性神経が一緒になって走っており，呼吸に際して横隔膜を制御するための情報および信号を与えるとき，求心性の低肋間神経の支援を受ける。第四脳神経（滑車神経）は，第３脳神経（動眼神経）および第５脳神経（三叉神経）の両方からの支援とともに，横隔神経を介して横隔膜の動作についての入力を与える。通常の呼吸の間，呼気プロセスは，肺や胸の壁部が通常の平衡な位置に萎縮するにつづいて，ほぼ自動的に達成される。しかし，吸気では，多くの胸部筋肉は，肺を膨らませ，空気を取り入れるための役割を果たす。吸気プロセスは，横隔膜の筋肉が収縮すると，胸腔の容積を増加させることにより達成される。

通常の呼吸の制御はおおむね脳幹の指示である。しかし，脳および視床下部の
辺縁系の一部は，恐怖や怒りを感じたとき，呼吸のパターンを加速することができる。延髄の第９脳神経（舌咽神経）および第１０脳神経（迷走神経）の出口点の近傍，延髄の腹側表面の近くに位置する，毎分の呼吸の制御に関する化学受容体がある。

血液化学を測定するセンサーから付加的な求心性神経は，酸化がどのように進むかについての一種の現状リポートとして働く。最も重要な点は，首の頸動脈の分岐点に位置し，さらにまた動脈の心臓領域，大動脈弓の上下に位置する末梢化学受容体である。求心性神経感応は，呼吸をどのように制御するかについて遠心性神経を指示する前に，処理されるべき，脳への情報を急速にもたらす。前記化学受容体は，気管支，肺，心臓など呼吸および血液循環に関係するすべてのものに，迷走神経が自らの指示波形とともにどのように応答するかについて直接関連する。呼吸および心臓系への求心性入力をもつ圧力，振動，動きを測定する化学受容体もある。肺がどのように循環するから脳に伝える伸縮受容体も肺にある。温度受容体もまた，種々の要素の熱い状態または冷たい状態について脳に応答する。脳幹の延髄および橋領域への他の入力は，筋肉活動を呼吸に調節する固有受容体（筋肉および腱に関連した一種の深部検知）を含む。さらに，身体のホメオスタシスのために必要な微調整作用の際，脈拍，血圧および呼吸を整合させるのに役立つように，延髄の中心ならびに心機能抑制に求心性信号を送る圧受容体もある。

呼吸に関連した中枢神経系（脳）神経は第二，第三，第四，第五，第八，第九，および重要な第十（迷走）脳神経である。第一の脳神経は嗅覚情報を提供し，第二および第三の脳神経は，身体が外部から気づき，早いまたは遅い呼吸レートまたは呼吸の保持を命じることを統合する求心性センサーのように，眼からの入力に関連する。第八の脳神経は，聴覚の求心性入力を与える。授受の求心性感覚神経繊維は，純然たる身体の外部の出来事に応答して身体が呼吸をどのようにすべきかについて情報を与える。

重要であり，主要な呼吸の制御は，交感神経およびその節前神経線維（気管支に埋め込まれた神経節のシナプスは交感神経作用および副交感神経作用でもって弱まる）により行われる。交感神経区分は，気管支に何の作用も及ぼさないか，あるはより多くの空気が呼吸プロセスに加わることができるように，管腔（穴）を広げることができ（喘息の患者には有益となる），一方副交感神経は反対の作用を行うもので，気管支を制限し分泌物を増加させることができる（喘息の患者には害となる）。

本発明は呼吸を制御する方法を提供する。身体内で生成され，伝えられる，記憶された神経電気コード化信号が記憶領域から選択される。選択された波形は，身体と直接接する処理部材に伝えられる。処理部材は，選択された神経電気コード化信号を身体の器官に一斉に伝送する。

神経電気コード化信号は，科学コンピュータのようなコンピュータの記憶領域から選択することができる。選択された神経電気コード化信号を伝達するプロセスは，遠隔的になしても，または制御モジュールに接続された処理部材でもってなされてもよい。伝達は，振動的なものでも，電子的なものでも，あるいは他の適切な方法を介してでもよい。

本発明は，呼吸を制御する装置を提供する。本装置は，身体の器官の機能を示す，収集された，神経電気コード化信号源，身体に直接接する処理部材，処理部材に収集された波形を伝達する手段，および収集された神経電気コード化信号を処理部材から体の器官に一斉に伝送する手段を含む。

伝達手段はデジタル・アナログ変換器を含む。収集された波形源は好適に，デジタル形式で記憶されている，収集された波形を有するコンピュータを含む。コンピュータは，異なるカテゴリーの，収集された神経電気コード化信号のための，別個の記憶領域を含むことができる。

処理部材は，アンテナもしくは電極，またはひとつ以上の波形を身体に一斉に伝送する他の手段からなってもよい。

本発明は本発明の好適な実施例を，図面に関連して記述した説明において詳細に説明されている。

本発明の原理の理解のために，図に示した実施例が参照される。しかし，本発明の範囲を制限するためのものと理解すべきではなく，図示の装置の変形，変更，本発明の原理の適用例が，当業者であれば考え得る。

呼吸の制御は，呼吸の速度および吸入の深さを同時に制御するために，ひとつ以上の神経（五つの神経まで）に電気的波形を送信することを必要とする。喘息もしくは他の呼吸障害または疾病の改善は，酸素を取り入れ，二酸化酸素のような使用済みのガス状化合物を排出すべく，空気を取り入れ，吐き出すために横隔膜および／または肋間筋のリズミカルな動きに関連する。

気管支網の開放（拡張）により，肺の中で，より多くの空気容積に対し酸素のための交換，処理がなされ得る。気管支はまた，肺への空気容積の通過を制限するために閉じる。拡張および／または制限のための神経制御のバランスは，本発明により達成される。

粘液生成が，過剰であると，気管支を通った空気容積流を制限する粘液栓塞を形成する。気管支の内腔で，また気管での場合を除き，肺により粘液は生産されない。この粘液生産は，電気コード化信号により増減する。信号は粘液の量と質のバランスをとることができる。

すべてのコード化した信号は，自然のままでは１ボルトより低い電圧で動作する。適用される電圧が本発明にしたがって２０ボルトまでとなると，必要なコード化信号の伝達または伝導の間，電圧の損失が可能となる。本発明では，電流は常に，２アンペアの出力より低くならなければならない。神経に直接接続された電極による神経への直接の伝導の出力は３ボルトより小さく，１アンペアの十分の一より小さい。

本発明はまた，身体に伝達される波形を制御することにより，気管支の拡張および粘液作用とともに，呼吸の速度および力強さを制御することができる。気管支を開放する能力は，救急室で，深刻な気管支または煙吸飲障害に対する処置に有用となる。気腫のような慢性的な閉塞性気道疾患もまた対処することができる。

深刻な火災または化学吸入疾患の処理を，機械的な呼吸支援を受けながら向上させることができる。疾患による粘液分泌は気道の閉塞をもたらし，緊急処理を行えなくし，生命を危険な状態にする。気管または気管支内の浮腫（腫れ）は，穴の大きさ限定し，酸素欠乏をもたらす。穴の大きさを広げることは処理の間，基本的なこと，あるいは少なくともは望ましい。

肺炎を患った患者の呼吸は，本発明による横隔神経の調節された活動により容易となる。生命を危険にする多数の他の状態を処理することが，よく機能する呼吸系を中心に展開される。したがって，本発明は医者に，患者の酸素接収を改善するために，気道を広げ，呼吸の速度を適切に調節する方法を提供する。この電子処理方法は，呼吸を改善するために，選択された神経に活性化または抑制波形を一斉に伝送することに関する。このような処理は，酸素管理および今利用可能な呼吸のための薬剤の使用により改善することができる。

本発明は，神経電気コード化信号による呼吸の制御のための装置と方法に関する。図１に示されているように，呼吸制御のための一態様の装置１０は，少なくともひとつの処理部材１２，および制御モジュール１４を含む。処理部材１２は身体に直接接して，制御モジュール１４からの神経電気コード化信号を受信する。処理部材１２は，人間または動物の呼吸機能を調整し，働かせる呼吸信号を一斉に伝送する電極，アンテナ，振動子または他の適切な伝導アタッチメントである。処理部材１２は，外科的処理において，適切な神経または呼吸器官に取り付けることができるものである。このような外科処理は，胸部ステレオスコープ処置において，“キー穴（key-hole）”エントランスでもって達成される。さらに，必要であれば，処理部材１２は鼻や口のような身体の口腔に挿入でき，延髄および／または延髄橋の極近傍に位置するように，粘膜または他の膜に穴をあけてもよい。呼吸機能を調節するために知られた神経電気コード化信号は脳幹の極近傍にある神経へと伝達され得る。

制御モジュール１４は少なくとも一つのコントロール部１６およびアンテナ１８を含む。コントロール部１６は装置による身体への信号の伝達を調節する。図１に示されているように，制御モジュール１４および処理部材１２は，装置１０の遠隔操作ができるように，完全に分かれた要素からなる。制御モジュール１４は独特のものでもよく，神経電気コード化信号を処理部材１２へ伝達することができる在来の装置でもよい。

図２に示されているように，装置１０の他の実施例では，制御モジュール１４’および処理部材１２’は接続されている。図面において同様の部材には同じ符号が付けられている。また，図２は，コンピュータ２０’（神経電気コード化信号を記憶する大きな容量をもつ）に接続された装置１０’の他の実施例も示す。処理の間，装置１０’により与えられる出力電圧，電流は，各信号に対して，２０ボルトを越えることもなく，２アンペアを越えることもない。

コンピュータ２０は，複雑で，各器官，器官の機能特有の，唯一の波形信号を記憶するために使用される。制御モジュール１４’へ伝達し，患者の処理のために使用される，コンピュータ２０の記憶された波形ライブラリーから，神経電気コード化信号が選択される。波形信号およびその形成は，特許文献１（２００１年１１月２０日に出願された“身体の器官の機能を調節するための特定の脳波形を記録し，記憶し，一斉に知らせる装置および方法”と題する米国出願，ここの参考文献として組み込まれる）に詳説されている。
米国特許出願第１０／０００００５号明細書

本発明はさらに，図３に示されているように，呼吸制御のための装置１０，１０’を使用する方法を含む。本方法は，工程２２で，目録が作られた神経電気コード化信号のメニューから，ひとつ以上の記憶された神経電気コード化信号を選択することで開始する。選択された神経電気コード化信号は呼吸系を始動させ，停止させ，調整する。このような神経電気コード化信号は，呼吸手順を平衡化し，制御する脳幹により通常生成されるものと似たものである。選択がされると，工程２４で，神経電気コード化信号は，身体の特定の機能を達成するために調節されてもよい。また，神経電気コード化信号が調節される必要がないとされるときには，工程２４はスキップされ，手順は直接工程２６と進む。工程２６では，神経電気コード化信号は装置１０，１０’の処理部材１２，１２’へ伝達される。

処理部材１２，１２’は，神経電気コード化信号を受信すると，工程２８で示されているように，適切な呼吸器官または神経位置へと神経電気コード化信号を一斉に伝送する。装置１０，１０’は，選択された神経への神経電気コード化信号の伝達または一斉伝送を介して，呼吸動作を調節または調整するために，適切な神経電気コード化信号を利用する。ターゲットの器官は，自らの神経電気コード化信号についてのみ“受信（hear）”すると考えられている。その結果，身体は，第一の器官が第二の器官の神経電気コード化信号を受信したために，単純に第一の器官が第二の器官の機能を達成するという危険性はない。

本発明の一実施例では，処理部材１２，１２’による一斉伝送のプロセスは，頸部，頭部，胸部の適切な領域での損傷のない皮膚を通してターゲットの領域４０へ直接伝達または伝送により達成される。このような領域は，信号が入る神経または神経叢に近い位置に接近している。処理部材１２，１２’を，ターゲットの神経に信号を伝達することができる選択された領域の皮膚に接触させる。

本発明の他の実施例では，神経電気コード化信号の一斉伝送のプロセスは，受信神経または神経叢に電極を付設して直接伝導することにより実行される。このことは，選択された，ターゲットの神経に電極を物理的に付設することを必要とする外科的な処理を必要とする。

さらに，本発明の他の実施例では，一斉伝送は，振動形式で神経電気コード化信号を伝達すること（適切な神経が振動信号をコード化した指示を受信し従うことができるようにして，頭部，頸部，胸部の領域４０に送られる）により実行される。処理部材１２，１２’は伝送を補助するために電極伝導性ジェルまたはペースト媒体を使用して，損傷のない皮膚に押し付けられる。

本発明のいろいろな特徴は特に，本発明の図示の例に関連して説明されている。しかし，これら方法および装置は図示のためであり，本発明は特許請求の範囲内で解釈されるべきである。

図１は本発明にしたがった方法を実施する装置の一態様の略示ブロック図である。 図２は本発明にしたがった方法を実施する装置の他の態様の略示ブロック図である。 図３は本発明にしたがった方法のフローチャートである。

Claims (10)

1. 呼吸を制御するための方法であって，
   a. 身体で形成され，身体の神経細胞により伝えられるひとつ以上の波形を，記憶領域から選択する工程と，
   b. 選択された波形を，身体に接する処理部材に伝達または伝導する工程と，
   c. 処理部材からの選択された波形を，身体の呼吸に作用する身体の器官に一斉に伝送する工程と，
   を含む方法。
2. 前記工程aがさらに，前記波形をコンピュータの記憶領域から選択することを含む，請求項１に記載の方法。
3. 前記工程bがさらに，選択された波形を，処理部材に遠隔的に伝達する工程を含む，請求項１に記載の方法。
4. 前記工程bがさらに，選択された波形の振動による伝送を含む，請求項１に記載の方法。
5. 呼吸を制御する装置であって，
   a. 身体の器官の機能を示す，身体で形成され，収集された波形源と，
   b. 身体に直接接するように形成された処理部材と，
   c. 収集された波形のひとつ以上を処理部材に伝達する手段と，
   d. 呼吸を制御するために，処理部材からの収集された波形を，身体の器官に作用する身体の領域に一斉に伝送する手段と，
   を含む装置。
6. 前記伝送手段がデジタル・アナログ変換器を含む，請求項５に記載の装置。
7. 前記波形源が，収集された波形をデジタル形式で記憶するコンピュータを含む，請求項５に記載の装置。
8. 前記コンピュータは，種々の呼吸機能カテゴリーの波形を収集する別個の領域を含む，請求項７に記載の装置。
9. 処理部材が呼吸信号を一斉に伝送するアンテナを含む，請求項５に記載の装置。
10. 処理部材が電極である，請求項５に記載の装置。

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