JP4471843B2 - 複数の心臓部位における相対的脱分極の決定 - Google Patents

Description

本発明は、ペースメーカ及び埋込可能型監視デバイスなどの心拍リズム管理デバイスに関する。

心拍リズム管理デバイスは、不整脈に対処するために心臓の選択されたチャンバに電気的刺激を与える埋込可能型デバイスである。たとえば、ペースメーカは、一定のリズムのペーシング・パルスで心臓を整調する心拍管理デバイスである。ペースメーカが一般的に最も用いられる状況は、心室拍数が遅すぎる徐脈に対処する場合である。恒常的又は間欠的な房室性伝導障害（すなわちＡＶブロック）や洞不全症候群が、恒常的なペーシングが必要となる徐脈の最も一般的な原因を代表する。適切に作動した場合、ペースメーカは、最低心拍数を強いることによって、代謝要求を満足させるために、心臓機能の不良を適切なリズムに整調させる。

ペーシング療法は、心臓機能の異常により心拍出量が正常より低くなり、その心拍出量が末梢組織の代謝要求に十分に答えるレベル以下になる臨床症候群に関係する心不全の処置にも用いることができる。補正されないと、通常、随伴する静脈うっ血や肺うっ血によってうっ血性心不全となる。心不全は様々な原因で起こり得るが、最も一般的には虚血性心疾患による。心不全患者の一部は、心室内及び／又は心室間伝導障害（たとえば脚ブロック）を持っていることが示されており、したがって、電気刺激を用いて心室収縮の同期性を改善することにより心拍出量を増加することができる。別の伝導障害が心房でも起こり得る。したがって、心臓再同期療法と呼ばれる、心臓収縮の協調性を改善するように心房及び／又は心室に電気的刺激を与える心拍リズム管理デバイスが開発されてきた。

本発明は、別々のペーシング電極によって感知された諸心筋部位の相対的脱分極時間を決定する方法と装置に関する。その情報が、次いで、ペーシング療法を最適に実施するために、ペーシング電極を選択するのに用いることができる。

本発明によれば、心拍リズム管理デバイスは、選択された各心筋部位を感知する感知／ペーシング電極をセンスアンプの差動入力に接続し、次いで、その結果得られる２相電位図信号中の正のピークと負のピークの順序から相対的脱分極時間を決定することにより、選択した２つの心筋部位での心臓収縮中の相対的脱分極時間を決定するようにプログラムされている。

心臓再同期療法を最も効果的に適用するには、ペーシング電極を配置する１つ又は複数の最適な部位を選択し、複数部位再同期ペーシングの場合は、複数のペーシング部位にペーシング・パルスを出力する最適な順序を選択する必要がある。再同期療法のためにペーシング部位を選択する一つの方法は、固有収縮期収縮中のペーシング部位候補の伝導遅れを計測することである。それにより、固有収縮中により遅く興奮させられる１つ又は複数の心筋部位を、ペーシング部位として選択することができる。興奮が遅い部位をペーシングすること、又は複数の部位をそれぞれの伝導遅れに対応する順序でペーシングすることにより、所望の再同期と、より調和した収縮がもたらされる。以下に説明するように、本発明は、感知チャンネルを１つだけしか用いる必要なしに、別々の２個の利用可能なペーシング電極によって感知された心筋部位の相対的脱分極時間を決定する技術を提示する。

１．例示的デバイスの説明
埋込可能型ペースメーカによる従来の心臓ペーシングは、心筋に電気的に接触している電極にペーシング・パルスを出力することにより、心臓の興奮性電気刺激を含む。ペースメーカは通常患者の胸部の皮下に埋め込まれ、上大静脈系の血管を通って心臓に入るリード線によって電極に接続される。電極は、電極部位の心臓の電気的活動を表す電位図の信号を発生する感知チャンネルに組み込むことができ、かつ／又は電極部位にペーシング・パルスを出力するペーシング・チャンネルに組み込むことができる。

図１に、複数の感知チャンネルとペーシング・チャンネルを有する複数部位ペースメーカのブロック図を示す。（本明細書で用いられる術語として、「ペースメーカ」は電気的除細動器／除細動器など、ペーシング機能を有する全ての心拍リズム管理デバイスを意味すると理解すべきである）。ペースメーカの制御部は、双方向性のデータバスを介して記憶装置１２と通信するマイクロプロセッサ１０から成っており、記憶装置１２は、通常、プログラムを格納するＲＯＭ（読み取り専用記憶装置）やデータを記憶するＲＡＭ（ランダム・アクセス記憶装置）を備える。制御部は、状態機械式設計を用いた別のタイプの論理回路（たとえば、個別部品やプログラマブル・ロジック・アレイ）によって実装することもできるが、マイクロプロセッサに基づいたシステムが好ましい。本明細書では、制御部のプログラムは、特定の機能を果たすように構成された論理回路、又は記憶装置やその他の記憶媒体に格納された実行可能なコードのどちらかを指すと理解するべきである。制御部は、プログラムされた多数のモードでペースメーカを動作させることができる。プログラムされているモードは、感知されたイベントに応じ、ある時間間隔毎にどのようにペーシング・パルスを出力するかを定めている。また、制御部が外部のプログラマと通信できるように、遠隔測定インタフェース８０が設けられている。

図１に示される実施形態は３つの感知／ペーシング・チャンネルを有し、ペーシング・チャンネルは電極に接続されたパルス発生器で構成され、感知チャンネルは電極に接続されたセンスアンプで構成されている。マイクロプロセッサによって制御されるＭＯＳ切換ネットワーク７０が、電極をセンスアンプの入力からパルス発生器の出力へ切り替えるのに使用されている。また、切換ネットワーク７０は、制御部によって、利用可能な電極の異なる組み合わせで感知チャンネル及びペーシング・チャンネルを構成させることもできる。チャンネルは、心房チャンネル及び心室チャンネルのどちらにも構成させることができ、デバイスは、従来の追跡あり又は追跡なしの心室単独部位ペーシング、両心室ペーシング、あるいは単独心房の複数部位のペーシングを出力することができる。一構成例では、右心房の感知／ペーシング・チャンネルは、２極リード線４３ｃ上のリング電極４３ａとチップ電極４３ｂ、センスアンプ４１、パルス発生器４２、さらにはチャンネル・インタフェース４０を有する。右心室感知／ペーシング・チャンネルは、２極リード線２３ｃ上のリング電極２３ａとチップ電極２３ｂ、センスアンプ２１、パルス発生器２２、さらにはチャンネル・インタフェース２０を有し、左心室感知／ペーシング・チャンネルは、２極リード線３３ｃ上のリング電極３３ａとチップ電極３３ｂ、センスアンプ３１、パルス発生器３２、チャンネル・インタフェース３０を有する。チャンネル・インタフェースは、マイクロプロセッサ１０のポートと双方向に通信し、センスアンプからの感知信号入力をディジタル化するＡＤ変換器と、センスアンプの利得及び閾値を調節するために書き込めるレジスタと、ペーシング・パルス出力を制御し、かつ／又はペーシング・パルスの振幅を変化させるためのレジスタとを有する。この実施形態では、デバイスは２個の電極を有する２極性のリード線を装備し、その電極はペーシング・パルスを出力し、かつ／又は固有活動を感知するのに使用される。他の実施形態では、感知及びペーシング用に単一の電極を有する単極のリード線を採用することもできる。切換ネットワーク７０は、単極又は２極リード線上の電極の基準をデバイスハウジング又は金属缶６０にすることによって、単極の感知又はペーシング用のチャンネルを構成することができる。

制御部１０は、記憶装置に格納されたプログラムの命令に従ってデバイスの動作全体を制御する。制御部１０は、感知チャンネルからの電位図信号を解釈し、ペーシング・モードに従ってペーシング出力を制御する。ペースメーカの感知回路は、特定のチャンネルの電極によって感知された電圧から心房と心室の電位図信号を生成する。心房又は感知チャンネルの電位図信号が特定の閾値を越えたとき、制御部は、ペーシングを加えるか、抑えるかするためにペーシング・アルゴリズムが使用する心房知覚又は心室知覚それぞれを検出する。電位図は表面ＥＣＧに類似しており、固有又はペーシングいずれの拍動に対してもその間に生じる心臓脱分極の振幅及び時間経過を示す。

２．ペーシング療法
徐脈ペーシング・モードは、ある最低心拍数を維持させるように心房及び／又は心室を整調するのに用いるペーシング・アルゴリズムを指す。ペーシングが同期しないと不整脈を誘発する危険性があるので、徐脈を扱う殆どのペースメーカは、ある定められた間隔中に生じる心臓のイベントを感知してペーシング・パルスの発生又は抑制のいずれかを行ういわゆるデマンド・モードで同期的に動作するようにプログラムされている。抑制型デマンド・ペーシング・モードは感知された固有活動に従ってペーシングを制御するために補充収縮間隔を使用する。抑制型デマンド・モードでは、心臓サイクル中、チャンバによる固有心拍がその間検出されない一定の補充収縮間隔が経過した後にだけ、ペーシング・パルスが心臓チャンバに送られる。たとえば、心室をペーシングするための心室補充収縮間隔は、各心室の知覚又はペーシングで再開されるべき各心室のイベントの間隔として定義することができる。心房補充収縮間隔も、単独に、又は心室のペーシングに加えて心房をペーシングする間隔と定義することができる。また、心室は心房追跡モードでペーシングすることができ、心房追跡モードでは、心房の知覚又はペーシングで始まり心室の知覚又はペーシングで終了する心房−心室補充収縮間隔が、心室を心房と同期してペーシングするのに用いられる。

心臓再同期療法は、心房及び／又は心室の同期した収縮を回復又は維持し、それによってポンプ効率を改善するように、１つ又は複数の心臓チャンバに加えられるペーシング刺激により行う。心室再同期ペーシングは、直接イオノトロピックではないが、再同期によって心室がより同調して収縮し、ポンプ効率が改善し心拍出量が増加する結果になるので、心室間又は心室内伝導障害を有する患者の心不全を扱うのに有用である。心房の再同期ペーシングはまた、一部の患者にとって、特に心房不整脈の発症を防止するのに有益である。再同期ペーシングには、通常、心臓サイクル中に、心房又は心室のいずれかの複数の部位にペーシング出力を行うことを含む。複数の部位は、単一の心臓チャンバ中、両心室中、又は両心房中に配置することができる。複数部位のペーシングでは、収縮がよりよく同調する結果となる刺激の広まりの効果を得るために心房又は心室を複数の部位でペーシングする。両心室再同期ペーシングは、両方の心室それぞれの収縮を同調するために両心室をペーシングする複数部位ペーシングの一例である。複数部位ペーシングは、チャンバをより同調して収縮させるために、１つだけのチャンバに適用することもできる。複数部位再同期療法を施す１つの方法では、ある部位を同期徐脈ペーシング・モードでペーシングし、同時に、１つ又は複数の別のペーシング部位に、選択された１つ又は複数の感知及びペーシング・イベントとの関連で定義された時間で１つ又は複数のペーシング出力を加え、その選択された１つ又は複数の感知及びペーシング・イベントは、徐脈ペーシング・モードの補充収縮間隔又はペーシング間隔の再設定も行う。

３．ペーシング部位の選択
正常な心拍数では、心臓のＨｉｓ−Ｐｕｒｋｉｎｊｅ専用伝導網が、興奮インパルスを洞房結節から房室性結節へ、そしてそこから心室心筋へと速やかに伝導し、両心室に同期した収縮を行わせる。心筋領域中に固定された電極による人工ペーシングは、心室全体に興奮を伝導するのに心臓の正常な専用伝導システムを利用しない。というのは、専用伝導システムに入り込めるのは、房室性結節が発したインパルスのみであるからである。したがって、心室のペーシング部位からの興奮の伝播は、大幅に伝導の遅い心室筋繊維のみを介して進行せざるをえず、ペーシング電極によって刺激される部分の心室筋は、電極からより遠位に位置する部分の心室筋よりかなり早く収縮する。

ペーシングされた心臓チャンバの収縮の仕方を決定するのは、各ペーシング・パルスを加えた後の興奮の広がり方であるので、再同期療法を最適に適用するために、ペーシング部位の選択は極めて大切である。ペーシングの結果、固有収縮とは異なる方法で脱分極が広がるので、伝導異常による一部の患者は、上記の従来の単一の心室及び／又は心房部位での徐脈ペーシングによっても、心臓同期の改善を見ることができる。したがって、ペースメーカを、異なるペーシング部位に配置された複数の利用可能なペーシング電極で構成すれば、従来の徐脈又は再同期ペーシングのいずれも、使用すべき電極を賢明に選択することにより最適化することができる。たとえば、単一部位の徐脈ペーシングの場合には、固有収縮中に他の利用可能なペーシング部位より先に脱分極するようになる部位を使用することによって、ペーシング収縮を固有収縮に多少とも類似させることが望ましいこともある。再同調療法の場合は、単一部位ペーシング又は複数部位ペーシングのいずれで行う場合も、治療の目的は、自然に行うよりも同期した収縮を行わせることである。このためには、固有収縮中に他の利用可能なペーシング部位より遅く脱分極する部位を単一ペーシング部位又は最初のペーシング部位として使用する必要がある。このように施されるペーシング療法は、したがってより同期した収縮を生成し、固有収縮の間に心筋が経験する機械的応力の空間的パターンを逆転させることにより、望ましくない心臓リモデリングを防止又は逆転することさえできる。

４．脱分極時間の測定
上記で説明したように、ペーシング部位が、利用可能なペーシング部位の中から、固有収縮中のそれらの部位の相対的脱分極時間に従って選択されるなら、ペースメーカによるペーシング療法をより適切に施すことができる。また、複数部位ペーシングの場合に、多重ペーシング順序の最初のペーシング用に選択した部位へペーシングした結果生じる収縮の間の相対的脱分極時間によって選択される、諸部位の特定の脱分極パターンを生成することが望ましい場合もある。埋込後のペースメーカの諸利用可能な部位のペーシング又は固有収縮中の相対的脱分極時間は、利用可能な電極を有するチャンネルを、各チャンネルに単極の電位図信号が生成されるように構成することにより決定することができる。それにより、各利用可能なペーシング部位の脱分極時間は、電位図信号中に収縮中の正又は負のピークとして示される。

しかし、上記の方法による相対的脱分極時間の決定は、ペースメーカ作動中の全体のペーシング又は固有サイクルの間に脱分極時間が決定される各ペーシング電極にチャンネルを占有させることが含まれる。このことは、デバイスが各心臓チャンバに対して１つしか感知チャンネルを装備しておらず、通常の作動中は感知チャンネルを全て使用する場合には、問題になる。この状況においては、ある心臓チャンバの中での代替ペーシング部位の相対的脱分極時間を決定するために、１つの心臓チャンバの感知チャンネルが別のチャンバの代替ペーシング電極の１つをテストするのに使用されるので、その心臓チャンバは１心臓サイクル中完全に感知されない。たとえば、図１の例示的構成では、３つの感知チャンネルが、通常、両心室及び右心房を感知するのに使用されている。１つの心室の代替ペーシング部位（たとえば、チップ電極２３ｂ及びリング電極２３ａでペーシングされる部位）の相対的脱分極時間を決定するために、代替ペーシング部位それぞれに対して１つの感知チャンネルを使用する必要がある。そのことは、他方の心室又はチャンバのいずれかが、代替電極がテストされる収縮の間、感知されないことになる。

２つの代替ペーシング部位の相対的脱分極時間を決定するために利用可能な感知チャンネルを使用するより巧みな手法は、２つの単極電位図ではなく単一の２極電位図から相対的脱分極時間を決定することである。収縮中に心筋中を広がる脱分極の波面は、電気双極子で近似的にモデル化することができる、周囲導体中の電位分布を生成する。脱分極の波面が各電極に近づくにつれて、電極がセンスアンプの正又は負の差動入力のどちらに接続されているかによって、電極信号中に正又は負のピークが生成される。たとえば、正のピークは、負の増幅器入力に接続された電極の脱分極を表す。図２Ａ及び２Ｂは、同じ２個の左心室電極から記録された、単極及び２極の左心室の電位図の例を示す。単極電位図波形ＵＷＦ１とＵＦＷ２は、それぞれ脱分極波面が各電極部位に到達したときに負のピークを示している。２極電位図波面ＢＷＦは、別個の正及び負のピークＰＰ２とＮＰ２をそれぞれ有する２相であり、各ピークは、センスアンプの差動入力に接続された電極の１つによって感知された心筋部位の脱分極を表している。したがって、２個の電極の脱分極時間は、２相電位図信号の正及び負のピークの順序によって決定することができる。ピークの順序は、電位図信号が生成された時に、正及び負のピークそれぞれをピーク検出アナログ回路又はそのディジタル同等回路を用いて検出することにより決定することができる。あるいは、電位図信号をある時間間隔（たとえば、５０〜１００ｍｓ）で記録しその記録からピークを決定することもできる。後者のアプローチは、脱分極波面が電極に近づくにつれてその等価双極子の向きが変わるように２個の電極が配置されている場合に好ましい。その配置により、たとえば、波面に最も近い正ピーク式接続の電極が、正のピークの前に小さ目の負のピークを生成する。

図３は、適切にプログラムされたデバイスによって実行される、２個の電極ＬＶ１とＬＶ２によって感知される部位の相対的脱分極時間を決定する例示的実装形態を示す。各電極からの電位図信号を、ステップＳ１で、ＬＶ１とＬＶ２をそれぞれセンスアンプの正及び負の入力に接続することによって差動増幅する。最良の成果を得るために、その結果得られた電位図信号は、次いでステップＳ２で帯域濾波される（ディジタル的に、又はアナログ・フィルタで実行される）。ステップＳ３で、デバイスは固有収縮を示す知覚を待ち、次いで負及び正のピークの位置を見出す。（あるいは、デバイスは、ペーシング出力を待ち、次いで、双極子による応答電位図中の負及び正のピークを決定する。）次いでステップＳ４で、デバイスは、負のピークが最初に生じていれば、デバイスＬＶ１が最初の波面を感知したと決定し、正のピークが最初に生じていれば、デバイスＬＶ２が最初の波面を感知したと決定する。

上記の手法による利用可能なペーシング部位の脱分極時間の決定、及び、それに対応するペーシング電極の選択は、外部のプログラマが植込みデバイスと交信することにより、又は、制御部が単独で自動的に行うことができる。利用するペーシング電極が選択されると、デバイスは、選択された電極を含むペーシング・チャンネルを、切換ネットワークを用いて構成することができる。相対的脱分極時間が決定されている２個の電極は、異なるリード線又は同じ２極リード線に組み込むことができる。前者の場合、ペーシング・チャンネルは、デバイスハウジング又は別の離間した電極を基準として、選択した心臓刺激用電極を用いる単極ペーシング・チャンネルとして構成することができる。後者の場合、ペーシング・チャンネルは、選択した電極をカソードとして用い、２極リード線の他方の電極をアノードとして用いる２極ペーシング・チャンネルとして構成することができる。

したがって、上記の手法は、２個の利用可能な感知／ペーシング電極によって感知される部位の相対的脱分極時間でも決定することができる。デバイスは、感知／ペーシング電極で感知されている選択された心筋部位のグループの、心臓収縮中の相対的脱分極時間によるソートを、そのグループの心筋部位の諸対を選択してその相対的脱分極時間を決定することによって行うようにプログラムすることができる。

本発明は、前述の特定の実施形態に関連して説明してきたが、多くの変更形態、変形形態、及び修正形態が当業者にとって明らかであろう。そのような他の変更形態、変形形態、及び修正形態は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。

本発明を実施するための例示的な心拍管理デバイスのブロック図である。 単極電位図の例を示す図（Ａ）と２極電位図の例を示す図（Ｂ）である。 感知した部位の相対的脱分極時間を２相電位図から決定する手法の例示的な実装形態を示す図である。

Claims (11)

1. 選択された複数の心筋の近傍に配置された複数の電極と、
   前記複数の電極の選択された諸対から受け取った電位図信号を増幅する複数のセンスアンプと、
   前記複数の電極の選択された対にペーシング・パルスを出力するための少なくとも１つのパルス発生器と、
   前記ペーシング・パルスの出力を制御し、電位図信号を解釈する制御部と、
   選択された電極対を選択されたセンスアンプ又は選択されたパルス発生器に接続する、制御部によって動作する切換ネットワークと
   を備える心拍リズム管理デバイスであって、
   制御部が、選択された２つの心筋部位の心臓収縮中の相対的脱分極時間を決定することを含む機能を果たすための実行可能な命令でプログラムされており、その相対的脱分極時間の決定が：
   選択された各心筋部位を感知する電極の選択された対をセンスアンプの正または負の差動入力に接続し、前記選択された心筋部位のひとつにおいて脱分極の発生における正のピークまたは負のピークを生成する２極電位図を生成し、その結果得られる前記２極電位図における前記正のピークと前記負のピークの順序および位置から相対的脱分極時間を測定することにより行われる、心拍リズム管理デバイス。
2. 制御部が、選択された心筋部位の固有の心臓収縮中の相対的脱分極時間を決定するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
3. 制御部が、選択された心筋部位のペーシングによる心臓収縮中の相対的脱分極時間を決定するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
4. センスアンプの差動入力に接続された前記２個の電極が単一のリード線に組み込まれる請求項１に記載のデバイス。
5. センスアンプの差動入力に接続された前記２個の電極が別々のリード線に組み込まれる請求項１に記載のデバイス。
6. 制御部が、センスアンプの差動入力に接続された前記２個の電極からの心臓収縮中の電位図信号を記録し、記録された電位図を処理して電位図信号の正のピーク及び負のピークが発生した時間を決定するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
7. 制御部が、別々の電極によって感知されている選択された心筋部位からなるグループの、心臓収縮中の相対的脱分極時間によるソートを、前記心筋部位のグループの選択された諸対の前記相対的脱分極時間を決定することによって行うようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
8. 制御部は、電極が感知した心筋部位の相対的脱分極時間を、別の利用可能な電極が感知した別の心筋部位と比較することによって選択した電極でペーシング・チャンネルを構成するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
9. 制御部が、２極リード線の第１の電極及び第２の電極による２極ペーシングのためのペーシング・チャンネルを、第１と第２の電極のうち心臓収縮中に心筋部位を最後に感知した電極をカソードに選択することによって構成するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
10. さらに、制御部が、２極リード線の第１の電極及び第２の電極による２極ペーシングのためのペーシング・チャンネルを、第１と第２の電極のうち心臓収縮中に心筋部位を最初に感知した電極をカソードに選択することによって構成するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。
11. さらに、制御部が、選択する電極が感知した心筋部位の相対的脱分極時間を、別の利用可能な電極が感知した別の心筋部位と比較して或るリード線の電極を選択することにより、単極ペーシングのためのペーシング・チャンネルを構成するようにプログラムされている請求項１に記載のデバイス。

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