JP2013000404A - 神経刺激装置および神経刺激装置の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】治療効果の向上に寄与しない刺激の増強を省くことにより、電力の浪費および神経への過度な負荷を防ぐ。
【解決手段】心臓を支配する神経に接続される一対の電極３ａ，３ｂ間に電気パルスを出力する神経刺激部５と、電極３ａ，３ｂ間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部７と、該インピーダンス測定部７によって測定されたインピーダンスが増加した場合に、電気パルスのエネルギを増大させるように神経刺激部５を制御する制御部１０とを備える神経刺激装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、神経刺激装置および神経刺激装置の作動方法に関するものである。

従来、迷走神経に接続された電極を介して迷走神経に電気的な刺激を与えることにより、心拍数の上昇や交感神経の興奮を抑制して不整脈を治療する装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。特許文献１および２においては、刺激の強度を強めるまたは頻度を高めることによって、心拍数の上昇をより強く抑制している。

特許第４５６３７８５号公報 特許第４２５２８２６号公報

しかしながら、装置が迷走神経に対して刺激を続けるうちに心拍数の抑制効果が低下してしまうことがある。これには、迷走神経が刺激に対して鈍化する等して刺激に対して生体が十分に反応しなくなる生体側の要因と、電極の位置ずれや神経組織の繊維化等によって電極の接触インピーダンスが増加することにより刺激の電圧が低下する電極側の要因とが存在する。

すなわち、特許文献１および２の装置の場合、生体側の要因によって心拍数の抑制効果が低下してきたときに、それ以上刺激を強めても心拍の抑制効果が得られないにもかかわらず刺激を強めることとなり、電池の消耗を早めたり迷走神経に過度な負荷を与えたりしてしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、治療効果の向上に寄与しない刺激の増強を省くことにより、電力の浪費および神経への過度な負荷を防ぐことができる神経刺激装置および神経刺激装置の作動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、心臓を支配する神経に接続される一対の電極間に電気パルスを出力する神経刺激部と、前記電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、該インピーダンス測定部によって測定されたインピーダンスが増加した場合に、前記電気パルスのエネルギを増大させるように前記神経刺激部を制御する制御部とを備える神経刺激装置を提供する。

本発明によれば、神経刺激部が出力した電気パルスが電極を介して神経に供給されることにより、該神経を興奮させて心臓の機能を改善することができる。
この場合に、インピーダンス測定部は、電気パルスが印加される一対の電極間のインピーダンスを測定し、測定値が増加した場合に制御部が電気パルスのエネルギを増大させる。すなわち、神経に実際に供給される電気パルスが弱くなったときに該電気パルスが増強される。これにより、治療効果の向上に寄与しない刺激の増強を省き、電力の浪費および神経への過度な負荷を防ぐことができる。

上記発明においては、心拍数を測定する心拍数測定部と、前記神経刺激部によって前記電気パルスが出力される前後に前記心拍数測定部によって測定された心拍数の変化量を算出する心拍数変化量算出部とを備え、前記制御部は、前記心拍数変化量算出部によって算出された前記変化量が減少した場合に、前記電気パルスのエネルギを増大させるように前記神経刺激部を制御することとしてもよい。
このようにすることで、電極間のインピーダンスの増加が要因で電気パルスによる心拍の調節効果の低下が生じたときに制御部によって神経に供給される刺激が増強されるので、刺激による神経への負荷をより確実に防ぎつつ心拍数を一定のレベルに調節し続けることができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記インピーダンスが増加していない場合、および、前記インピーダンスが増加していても前記心拍数の変化量が減少しない場合に、前記電気パルスのエネルギを維持したまま次の電気パルスを出力するように前記神経刺激部を制御することとしてもよい。
このようにすることで、電極間インピーダンスの増大によって心拍の調節効果が弱くなったとき以外は刺激の強度が強められることなく維持される。これにより、刺激の不要な増強をさらに確実に省略することができる。

また、上記発明においては、前記制御部が、前記電気パルスの電圧、幅、周波数および出力期間のうち少なくとも１つを増大させることにより、電気パルスのエネルギを増大させることとしてもよい。

また、本発明は、心臓を支配する神経に接続される一対の電極間に電気パルスを出力する神経刺激装置の作動方法であって、前記電極間のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスが増加した場合に前記電気パルスのエネルギを増大するように制御する神経刺激装置の作動方法を提供する。

上記発明においては、前記電気パルスを出力する前後の心拍数の変化量を算出し、算出された変化量が減少している場合に前記電気パルスのエネルギを増大するように制御することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記インピーダンスが増加していない場合、および、前記インピーダンスが増加していても前記心拍数の変化量が減少しない場合に、前記電気パルスのエネルギを維持したまま次の電気パルスを出力するように制御することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記電気パルスの電圧、幅、周波数および出力期間のうち少なくとも１つを増大することとしてもよい。

本発明によれば、治療効果の向上に寄与しない刺激の増強を省くことにより、電力の浪費および神経への過度な負荷を防ぐことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る神経刺激装置の全体構成図である。 図１の神経刺激装置の変形例を示す全体構成図である。 （ａ）図１の神経刺激装置の神経刺激部が出力する刺激パルスの仕様と、（ｂ）該刺激パルスが迷走神経に供給されることによる心拍数の変化とを説明する図である。 図１の神経刺激装置の作動方法を説明するフローチャートである。 図４のフローチャートの続きを示すフローチャートである。

以下に、本発明の一実施形態に係るに神経刺激装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る神経刺激装置１は、図１に示されるように、患者の体外に配置される本体２と、該本体２とリード（図示略）を介して接続された神経電極３および心拍電極４とを備えている。
神経電極３は、例えば、迷走神経の側面に巻き付けられるカフ型であり、体内に埋め込まれて迷走神経に接続されている。神経電極３は、一対の陽極３ａと陰極３ｂとからなる。

心拍電極４は、患者の体表面に接続され、該患者の心拍を検出する。なお、心拍電極４は、心拍を検出可能な位置であれば患者の身体のどの位置に接続されてもよい。例えば、心拍電極４は、体内に埋め込まれて心臓に直接接続されてもよく、神経電極３と同一のリードに設けられて迷走神経の近傍に存在する血管に接続されてもよい。また、心拍電極４は、図２に示されるように、神経電極３と共通で使用され、切替部１５によって後述する刺激パルスの供給、電極間インピーダンスの測定および心拍数の測定が切り替えられながら行われてもよい。

本体２は、神経電極３に刺激パルス（電気パルス）を出力する神経刺激部５と、心拍電極４によって検出された心拍に基づいて心拍数を測定する心拍数測定部６と、神経電極３のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部７と、心拍数測定部６およびインピーダンス測定部７による測定値を記憶する記憶部８と、心拍数測定部６によって測定された心拍数の低下量を算出する心拍数低下量算出部（心拍数変化量算出部）９と、各部５，６，７，９の動作を制御する制御部１０と、電池１１とを備えている。

本体２は、例えば、樹脂製または金属製の筺体を備え、神経刺激部５、心拍数測定部６、インピーダンス測定部７、記憶部８、心拍数低下算出部９、制御部１０および電池１１は筐体内に収容されている。また、本体２は、筐体の外側に該本体２に対して操作者が操作するためのユーザインタフェース１２として表示部１３および操作入力部１４を備えている。

神経刺激部５は、刺激パルスを生成し、生成した刺激パルスを神経電極３の電極３ａ，３ｂ間に出力することにより、迷走神経の電極３ａ，３ｂ間に挟まれた領域に刺激パルスを供給する。神経刺激部５は、図３（ａ）に示されるように、所定の電圧Ｖ１、幅Ｗ１および周波数Ｆ１を有する刺激パルスを繰り返し出力し続ける所定の出力期間Ｔ１と、刺激パルスの出力を停止する所定の休止期間Ｔｏｆｆとを１サイクルとし、このサイクルを繰り返す。神経刺激部５は、刺激パルスの各パラメータについて、電圧Ｖ１が０〜２０Ｖ程度、幅Ｗ１が０〜１ミリ秒、周波数Ｆ１が５〜２０Ｈｚに設定可能となっている。神経刺激部５は、刺激パルスの各パラメータの初期値として、例えば、電圧Ｖ１が５Ｖ、幅Ｗ１が１００μ秒、周波数Ｆ１が１０Ｈｚ、出力時間Ｔ１が１０秒に設定されている。

刺激パルスが神経電極３を介して迷走神経に供給されると、図３（ｂ）に示されるように、刺激パルスの供給開始とともに心拍数が一時的に低下し、刺激パルスの供給停止とともに心拍数は上昇する。ここで、神経刺激部５から各パラメータが同一の値に設定された刺激パルスが出力されても、迷走神経の刺激パルスに対する鈍化や神経電極３と迷走神経との接触状態の変化などが原因で、心拍数の低下量Ｄ，Ｄ’が時間の経過とともに小さくなる、すなわち、刺激パルスによる心拍数抑制効果が弱くなることがある。

心拍数測定部６は、心拍電極４によって検出された心拍の時間間隔の逆数から心拍数を算出する。心拍数測定部６は、算出した心拍数を記憶部８に出力する。

インピーダンス測定部７は、神経電極３の電極３ａ，３ｂ間に電圧を印加し、印加した電圧の降下量を測定し、測定された降下量に基づいて電極３ａ，３ｂ間のインピーダンス（以下、電極間インピーダンスという。）Ｒ１を算出する。電極間インピーダンスＲ１は、神経電極３と迷走神経との間の接触インピーダンス、および、電極３ａ，３ｂ間に配置された迷走神経や体液等の組織のインピーダンスを含む。したがって、各電極３ａ，３ｂの接続位置や接触状態が変化したり、または、電極３ａ，３ｂ間において迷走神経の線維化や体液の付着などが生じたりすることにより、インピーダンス測定部７によって測定される電極間インピーダンスＲ１は徐々に増加し得る。インピーダンス測定部７は、算出した電極間インピーダンスＲ１を記憶部８に出力する。

記憶部８は、心拍数測定部６、インピーダンス測定部７および心拍数低下量算出部（後述）９からそれぞれ入力された心拍数Ｈ１，Ｈ２、電極間インピーダンスＲ１および心拍数低下率Ｄ１を時系列で記憶する。また、記憶部８は、電極間インピーダンスの初期値Ｒ０（後述）および心拍数低下率の初期値Ｄ０（後述）を記憶する。

心拍数低下量算出部９は、神経刺激部５から刺激パルスが出力される直前の心拍数Ｈ１、および、刺激パルスが停止させられる直前の心拍数Ｈ２を記憶部８から読み出し、これらの心拍数Ｈ１，Ｈ２から心拍数の低下量（変化量）を算出する。すなわち、心拍数低下量算出部９は、刺激パルスによって迷走神経が刺激されることに因る心拍数の低下量を算出する。本実施形態においては、心拍数の低下量として心拍数低下率Ｄ１＝（Ｈ１−Ｈ２）／Ｈ１を算出する。心拍数低下量算出部９は、算出した心拍数低下率Ｄ１を制御部１０に出力する。

制御部１０は、刺激パルスの出力１サイクル毎に、インピーダンス測定部７および心拍数低下量算出部９によって電極間インピーダンスＲ１および心拍数低下率Ｄ１をそれぞれ算出させ、算出されたこれらの値Ｒ１，Ｄ１に基づいて、次に神経刺激部５に生成させる刺激パルスのパルス電圧Ｖ１を決定する。

具体的には、制御部１０は、電極間インピーダンスＲ１が初期値Ｒ０から上昇し、かつ、心拍数低下率Ｄ１が初期値Ｄ０から低下している場合に、刺激パルスの電圧Ｖ１を所定の値αだけ大きな値Ｖ１＋αに設定する。すなわち、制御部１０は、電極間インピーダンスＲ１の増加が要因となって刺激パルスによる心拍数抑制効果が低下した場合に、次に出力させる刺激パルスのエネルギを増大させる。

一方、制御部１０は、電極間インピーダンスＲ１が増加していない場合、および、電極間インピーダンスＲ１が増加していても心拍数低下率Ｄ１が低下していない場合は、現在の刺激パルスの電圧を維持したまま次の刺激パルスを出力させる。すなわち、電極間インピーダンスＲ１が増加していないにもかかわらず心拍数低下率Ｄ１が低下した場合は、迷走神経の刺激パルスに対する反応が飽和していること要因であるので、それ以上刺激パルスを増強することなく現在の刺激パルスの強度を維持する。また、電極間インピーダンスＲ１が増加していても心拍数低下率Ｄ１が低下していない場合は、現在の刺激パルスの強度によって十分に心拍数抑制効果が現れているので、現在の刺激パルスの強度を維持する。

電池１１は、１次電池であり、各部５〜１０，１２〜１４にこれらを作動させる電力を供給する。なお、電池１１として充電可能な２次電池が用いられてもよく、また、電池１１を備える代わりにＡＣアダプタ等によって電力が供給される構成であってもよい。

表示部１３は、液晶ディスプレイまたはＬＥＤ（発光ダイオード）ディスプレイ等であり、刺激パルスのパラメータＶ１，Ｗ１，Ｆ１，Ｔ１、心拍数測定部６によって測定された心拍数Ｈ１，Ｈ２、心拍数低下量算出部９によって算出された心拍数低下率Ｄ１などを表示する。操作者は、表示部１３に表示されたこれらの数値を観察することにより、現在の刺激パルスの仕様や刺激パルスによる頻脈の治療効果等を確認することができる。

操作入力部１４は、スイッチやタッチパネル等である。操作者は、操作入力部１４を操作することにより、刺激パルスの各パラメータＶ１，Ｗ１，Ｆ１，Ｔ１の初期値などを設定し、神経刺激の開始・終了の指示を本体２内の制御部１０に入力することができる。

次に、このように構成された神経刺激装置１の作用について図４および図５のフローチャートを参照して説明する。
神経刺激装置１は、神経刺激開始の指示が操作者によって操作入力部１４に入力されることにより作動を開始する（ステップＳ１）。

このときに、神経刺激装置１は、心拍数低下率の初期値Ｄ０を０に初期設定する。また、神経刺激装置１は、電極間インピーダンスを測定し、その測定値を電極間インピーダンスの初期値Ｒ０として記憶部８に記憶する。この初期値Ｒ０の測定は、神経電極３を体内に埋め込んだ直後ではなく、神経電極３と迷走神経との接触状態が安定する時期、例えば、埋め込んでから２週間〜１ヶ月程度後に実施されることが好ましい。

次に、神経刺激装置１は、電極間インピーダンスＲ１および心拍数Ｈ１を測定および記憶してから（ステップＳ２，Ｓ３）、神経刺激部５によって刺激パルスの出力を開始する（ステップＳ４）。神経刺激装置１は、刺激パルスの供給を停止する直前に（ステップＳ５）再度心拍数Ｈ２を測定してから（ステップＳ６）、刺激パルスを停止する（ステップＳ７）。そして、神経刺激装置１は、刺激パルスの出力前後における心拍数Ｈ１，Ｈ２から心拍数低下率Ｄ１を算出する（ステップＳ８）。

神経刺激装置１は、電極間インピーダンスＲ１の初期値Ｒ０に対する変化を判断し（ステップＳ９）、電極間インピーダンスＲ１が増加していた場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）さらに心拍数低下率Ｄ１の変化を判断し（ステップＳ１０）、心拍数低下率Ｄ１が減少していた場合に（ステップＳ１０のＹＥＳ）刺激パルスのパルス電圧をαＶ、例えば、１Ｖだけ大きい値に設定変更する（ステップＳ１１）。一方、神経刺激装置１は、電極間インピーダンスＲ１が増加していなかった場合（ステップＳ９のＮＯ）および心拍数低下率Ｄ１が減少していなかった場合は（ステップＳ１０のＮＯ）、刺激パルスの設定をそのまま維持する。

次に、神経刺激装置１は、現在の心拍数低下率Ｄ１を初期値Ｄ０として記憶部８に記憶することにより初期値Ｄ０を更新した後（ステップＳ１２）、休止期間Ｔｏｆｆを空けて（ステップＳ１３）上述の工程（ステップＳ２〜Ｓ１２）を、操作者によって神経刺激停止の指示が操作入力部１４に入力されるまで（ステップＳ１４）繰り返す。このときに、神経刺激装置１は、電極間インピーダンスＲ１が増加し（ステップＳ９のＹＥＳ）かつ心拍数低下率Ｄ１が低下した（ステップＳ１０のＹＥＳ）場合には、心拍数低下率Ｄ１が一定になるまで（ステップＳ１０のＮＯ）、すなわち、心拍数抑制効果が十分に現れるまで刺激パルスの電圧Ｖ１をαずつ増加させる（ステップＳ１１）。

このように、本実施形態によれば、迷走神経に刺激パルスを供給する度に、電極間インピーダンスＲ１が増加しているか否かを判断し、電極間インピーダンスＲ１の増加によって心拍数低下率Ｄ１が低下している場合には刺激パルスのエネルギを増大する。これにより、神経電極３と迷走神経との接触状態が変化しても、迷走神経に実際に供給される刺激パルスの強度を一定に維持することができる。

また、迷走神経の刺激パルスに対する反応が飽和することによって心拍数の抑制効果が低下している場合にはそれ以上刺激パルスを増強することがない。これにより、治療効果に寄与しないにもかかわらず刺激パルスのエネルギを不要に増大してしまうことがなく、電池１１を浪費することおよび迷走神経に過度な負荷を与えることを防ぐことができる。

なお、本実施形態においては、刺激パルスのエネルギを増大するために刺激パルスの電圧Ｖ１を大きくすることとしたが、これに代えて、刺激パルスの幅Ｗ１、周波数Ｆ１または出力期間Ｔ１を大きくしてもよく、これらのパラメータＶ１，Ｗ１，Ｆ１，Ｔ１のうち複数を大きくしてもよい。

また、本実施形態においては、電極間インピーダンスＲ１が増大したときに、その旨を操作者に対して報知する報知部、例えば、警告灯を点灯するランプや警告音を発するスピーカを備えてもよい。
このようにすることで、患者は神経電極３の接続不良を早期に認識することができる。

また、本実施形態においては、迷走神経を刺激する場合について説明したが、心臓を支配する交感神経または迷走神経以外の副交感神経を刺激することとしてもよい。交感神経を刺激する場合には、心拍数低下量算出部９に代えて、刺激パルスの出力前後における心拍数の上昇量を算出する心拍数上昇量算出部（心拍数変化量算出部）を備え、算出された上昇量が低下したときに刺激パルスのエネルギを増大すればよい。また、交感神経および副交感神経以外の神経を刺激することとしてもよい。

このように迷走神経以外の神経も、刺激が繰り返されることによって刺激に対して徐々に鈍化したり、電極の接触状態が変化したりすることにより、治療対象の臓器に対する治療効果が時間の経過とともに弱まり得る。このときに、刺激による治療効果の低下の要因が神経側と電極側のいずれに存在しているかを判断し、電極側に要因がある場合にのみ刺激を増強することにより、神経への過度な負荷および電力の浪費を防ぐことができる。

１ 神経刺激装置
２ 本体
３ 神経電極
４ 心拍電極
５ 神経刺激部
６ 心拍数測定部
７ インピーダンス測定部
８ 記憶部
９ 心拍数低下量算出部（心拍数変化量算出部）
１０ 制御部
１１ 電池
１２ ユーザインタフェース
１３ 表示部
１４ 操作入力部
１５ 切替部

Claims (8)

1. 心臓を支配する神経に接続される一対の電極間に電気パルスを出力する神経刺激部と、
   前記電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
   該インピーダンス測定部によって測定されたインピーダンスが増加した場合に、前記電気パルスのエネルギを増大させるように前記神経刺激部を制御する制御部とを備える神経刺激装置。
2. 心拍数を測定する心拍数測定部と、
   前記神経刺激部によって前記電気パルスが出力される前後に前記心拍数測定部によって測定された心拍数の変化量を算出する心拍数変化量算出部とを備え、
   前記制御部は、前記心拍数変化量算出部によって算出された前記変化量が減少した場合に、前記電気パルスのエネルギを増大させるように前記神経刺激部を制御する請求項１に記載の神経刺激装置。
3. 前記制御部は、前記インピーダンスが増加していない場合、および、前記インピーダンスが増加していても前記心拍数の変化量が減少しない場合に、前記電気パルスのエネルギを維持したまま次の電気パルスを出力するように前記神経刺激部を制御する請求項２に記載の神経刺激装置。
4. 前記制御部が、前記電気パルスの電圧、幅、周波数および出力期間のうち少なくとも１つを増大させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の神経刺激装置。
5. 心臓を支配する神経に接続される一対の電極間に電気パルスを出力する神経刺激装置の作動方法であって、
   前記電極間のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスが増加した場合に前記電気パルスのエネルギを増大するように制御する神経刺激装置の作動方法。
6. 前記電気パルスを出力する前後の心拍数の変化量を算出し、算出された変化量が減少している場合に前記電気パルスのエネルギを増大するように制御する請求項５に記載の神経刺激装置の作動方法。
7. 前記インピーダンスが増加していない場合、および、前記インピーダンスが増加していても前記心拍数の変化量が減少しない場合に、前記電気パルスのエネルギを維持したまま次の電気パルスを出力するように制御する請求項６に記載の神経刺激装置の作動方法。
8. 前記電気パルスの電圧、幅、周波数および出力期間のうち少なくとも１つを増大させる請求項５から請求項７のいずれかに記載の神経刺激装置の作動方法。

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