JPH06506840A - 電位が復元する多機能電極を備えた植込型心臓ペースメーカーのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電位が復元する多機能電極を備えた 植込型心臓ペースメーカーのための装置および方法発明の技術分野 本発明は導線に設けられた電極を備えた植込可能な治療器具に関するものであり 、とくに植込可能な心臓ペースメーカーに関するものである。さらに詳細には、 例えば心臓の鼓動を起こさせる機能および患者あるいは患者の心臓の生理状態を 示すパラメータを測定する機能等の多数の機能を同一の電極を通じて果たすよう に改良された植込型導線に設けられた電極を備えた心臓ペースメーカーに関する も多数の治療器具が人体の特定部位における電位を測定するために電極を使用し ている。例えば化学濃度（ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ）　 、神経の活動、呼吸の速度、あるいは脈拍に関する電気信号を測定するために電 極が用いられている。例えば心臓ペースメーカーは心臓の鼓動を起すように電気 のインパルスにより心臓を刺激する。また、ペースメーカーは刺激が適切に加え られるように心臓の状態を感知する。心臓ペースメーカーの導線に設けられた電 極は、心臓内の電位、導線あるいは組織のインピーダンス、血液のｐＨおよびそ の他のパラメータの特徴を測定するために用いられ得る。電極は、必要な情報を 伝達する信号に加え、離れた位置にある信号もしくは非常に広い範囲の信号、ノ イズあるいは筋肉の活動電位等の不要な信号をも検出する。

感知用電極あるいは他の電極は、例えば心臓に鼓動を起こさせるための心臓への 刺激のような適切な信号により生理的機能を刺激するために用いられる。このよ うな刺激は、望ましい信号を遮蔽する残留成極電圧（ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｐｏｌ ａｒｊｚａｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ）を引き起こすこととなる。

植込型治療器具の設計者にとって、植込まれた電極を通じて正確な信号を検出す ることは、現在においても困難である。適用例によっては、１またはそれ以上の 入力信号を検出し１またはそれ以上の刺激あるいは出力信号を供給することが望 まれている。同時に、各作用のための専用の電極を用いることは得策でない。導 線の望ましいサイズのために、別々に設けられた電極に実質的に接続される電線 の数あるいは電極自体の数が制限される。さらに、別々に設けられた電極間に混 線する内部電極により、別々に設けられた電極の有用性が制限される。

この問題を解決するために、電極の多機能化がこれまでにも行われてきている。

あるインターバルの間に刺激パルスを出力し、別のインターバルで心臓の信号を 感知し、さらに別のインターバルでノイズその他のパラメータを検出するために 同一の電極が用いられている。望ましい信号とノイズとを識別するために帯域フ ィルタリングが行われている。しかしながらこれらの方法は、必ずしも全てのケ ースに効果的なものではない。他の適用例において、第１の重要な信号を消して 第２の重要な信号を検出することが必要な場合に、第１の信号が第２の信号を遮 蔽してしまうことがある。

本発明は上記事情に鑑み、多数の機能に用いることができる電極を有する植込型 治療器具のための装置および方法を提供することを目的とするものである。

また本発明は、入力および出力の両機能のために用いることのできる装置および 電極を提供することを目的とするものである。

さらに本発明は、ある所定のインターバルにおいて背景信号を感知する電極の能 力を損ねるように電極の電位に影響を与える傾向がある１次信号が存在するにも 拘らず、他の所定のインターバルにおいて背景信号から情報を抽出することがで きる植込型装置を提供することを目的とするも本発明は、所定のインターバルに おいて、パラメータの電位特性を測定し、そのインターバルの終了時に電位の値 を記憶する装置に関するものである。連続するインターバルにおいて、その間に 入り込む事象（ｅｖｅｎｔ）は電位の崩壊を引き起こす。この間に入りこむ事象 とは、人体によりあるいは例えばペースメーカーからの刺激等の外部からの刺激 によって生じる固有の電位である。そのような間に入り込む事象が第２のインタ ーバルにおいて生じた場合、測定した電位の記憶値はその第２のインターバルの 終了時に初期値として復元されるであろう。

本発明による装置は、適切なインターバルを見きわめるためのタイミング回路を 有する。電位の復元を必要とする状態が生じたか否かを決定するための制御回路 あるいはソフトウェアが供給される。電位のサンプリングおよび記憶を与えられ た時間に行い、第２の選択された時間に、測定された電位を電極に復元する手段 が供給される。この手段は、電気回路またはソフトウェアを有し、アナログ回路 あるいはデジタルレジスタもしくは記憶回路を有するアナログ−デジタル変換器 を有する。また、検出されたノイズあるいは他の種類の信号に対して適切な反応 をするためのアルゴリズムも供給される。

通常本発明には、生理的、化学的、肉体的あるいは他の電極を含む電極が使用さ れる。また、他の電極において検出された状態を参照して−の電極の初期電位状 態をセットするためにも使用される。

本発明の上述したおよび他の目的ならびに特徴は当業者であれば以下詳細に述べ る添付図面を参照して説明される本発明の好ましい実施例により明らかであろう 。

図面の簡単な説明 １　第１図は人間の心臓断面図内での導線の位置を示す心臓ペースメーカーを備 えた本発明による心臓ペースメーカーシステムの斜視図、 ｉ　第２図は本発明による装置に用いられる心臓ペースメーカーのブロック図、 第３図は本発明による装置のスイッチのタイミングを説明するための論理図、 第４図は時間により変化する電位のグラフ、第５図は選択されたインターバルに より第４図からサンプリングした電位のグラフ、 第６図は各インターバルの開始値を強制的に０とした第４図の電位のサンプリン グを表すグラフ、第７図は連続するインターバルを初期状態として強制的に補完 したサンプルされた各インターバルの周期の状態とともに第４図の電位のサンプ リングを表すグラフ、第８図は第４図に示す電位と同様の電位と固有の心臓減極 信号を組み合せてなる電位のグラフ、第９図は第８図の電位と刺激する心臓の鼓 動のペースとを組み合せたグラフ、 第１Ｏ図は本発明による初期状態の復元と第９図の電位とを組み合せた電位のグ ラフ、および 第１１図は心臓の鼓動および刺激パルスが除かれた第１０図の電位のグラフであ る。

本発明を実施するための最適な実施例 以下本発明の好ましい実施例について説明する。添付図面を参照する場合におい て、本実施例の説明を通して同一の番号は同一の部分を参照するために用いられ ている。本実施例においては植込型の心臓ペースメーカーについて説明している が、当業者であれば本発明が多数の適用例において電位を測定するために適用で きることが理解されるであろう。

第１図は通常の通りに設計された心臓ペースメーカーシステム１（ｌの斜視図で ある。心臓ペースメーカー１２は、心臓内にある感知電極において電気が発生す るものを感知するための容量を有する。導線１４が図に示すようにペースメーカ ー１２と接続されている。図示の実施例において、導線の末端において束部電極 １６を有するように導線が示されている。当業者において知られるように、通常 の固定手段が設けられている。図には突出部（ｔｊｎｅｓ）２１が示されている 。

本発明において束部電極ＩＢは、感知および刺激の両機能を有するものとなって いる。別の冠状電極Ｉ８が心臓の心房内に示されている。また冠状電極１Ｂは電 極を複数とする目的で用いられており、本発明の装置に使用されている。本発明 に使用される電極数は無制限であることが明らかであろう。

第２図は本発明による装置を示す心臓ペースメーカー１２のブロック図である。

図には導線Ｉ４および束部電極１Ｂが示されている。電極１８のような別な電極 のための別な接続が供給される。タイミングおよび制御回路２２が刺激パルスを 心臓に与えるために舷側出力回路（ｐａｃｊｎｇ　０ｕｔｐｕｔ　ｃｉｒｃｕｉ ｔｒｙ）２４を制御し、適切な時間に心臓から得られた感知大刀回路（ｓｅｎｓ ｉｎｇ　１ｎｐｕｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）２６からの信号を受け取る。

舷側と感知との間の複合化についてはペースメーカーの分野では公知であり、こ こでは詳細な説明は省略する。感知された信号は、心臓のＱＲ５群、電極１６に おける成極電位、電磁源からもしくは人体の筋肉がら発せられるノイズ、あるい は呼吸、ｐＨその他の様々な生理的パラメータからなる。

タイミングおよび制御回路２２は、当業者であれば電気ハードウェアあるいはハ ードウェアとソフトウェアとの組合せにより構成することができる。

タイミングおよび制御回路２２の制御により、出力パルスが舷側出力２４より伝 達された後に、第１のスイッチ２８がわずかの時間開じる。第１スイツチ２８が 閉じることにより電極１６は接地されるかあるいはチャージダンプ２９に接続さ れる。次いでタイミングおよび制御回路２２は生理的パラメータのサンプリング 間隔を所定時間計測し始める。サンプリングインターバルの開始時において、タ イミングおよび制御回路はチャージ復元回路３２を電極１６に接続するための復 元スイッチ３０を閉じる。チャージ復元回路３２は、電極の電気の状態を前述し たサンプリングインターバルの終了の段階にまで効率良く復元する。チャージ制 御回路３２は、記憶コンデンサおよびアナログ回路により、あるいはデジタル− アナログ変換器を有するデジタル回路により構成される。

次いでタイミングおよび制御回路２２は、サンプリングインターバルの間に電極 １６において望ましい電位が測定できるように感知入力２６を活性化する。サン プリングインターバルの終了時において、タイミングおよび制御回路２２はわず かの時間チャージ記憶スイッチ３４を閉じ、チャージ記憶手段３Ｂ内に電極１Ｂ の電位値を記憶する。チャージ復元手段３２と同様に、チャージ記憶手段はアナ ログもしくはデジタル回路により構成される。電位測定時、記憶時あるいは復元 時に生ずる電極の電位に対するあらゆる予想される損失は、チャージ記憶手段３ ６からチャージ復元手段３２に移動させる際に補償される。

スイッチ２１１．３０および３４の制御は第３図に示す論理図を参照することよ り理解される。タイミングおよび制御回路２２の制御下においては、全てのスイ ッチは通常開いた状態３８にある。例えば舷側出力２４から刺激パルスが発せら れた後のように電極１６の電位の状態を復元しようとする前に、第１スイツチ２ Ｂが閉じた状態４０となり、電極を接地しそしてすぐに再度開かれる。サンプリ ングインターバルの直前およびスイッチ２８か閉じられた後にチャージ復元スイ ッチ３０が閉じた状態４２となり、チャージ復元回路３２に所定の電位状態とな るまで電極１Ｇを充電することを許容する。電極の電位の状態はこれに関連して 急速に復元し、次いでスイッチ３０が再度開かれる。サンプリングインターバル が終了する直前に、チャージ記憶スイッチ３４が閉じた状態４４となり、チャー ジ記憶手段３６が電極と接続される。電極の電位の状態は非常に短時間のうちに 急速にサンプリングされ、スイッチ３４が再度開かれる。

次いで第４図から第１図に示すグラフを参照して本発明の作用について説明する 。第４図は時間により大きさが変化する電位４６の例を示す。電位は電極により 測定されあるいは検出されるべき信号である。しかしながら、これは電位４６が 電気信号のみにより表されるものではないことを示している。電位４６には、他 の信号、外部ノイズ、または心臓ペースメーカーの場合は電位４６の測定を妨害 しもしくはより困難なものとする出力信号もしくは刺激パルスが含まれる。

第５図は多機能電極による電位４６の理想化した測定結果を表す図である。電極 １６はその感知機能が多様化されているため、電位の要素４８は選択されたイン ターバル５０の間に感知される。望ましい状態においては、複数の電位の要素４ ８は電位４６と非常に似ているものとなり、電位４６についての意味のある情報 を電位の要素４８から抽出することができる。しかしながら、補償されていない 複合化した情報のみでは、第５図に示す波形はたとえあるとしてもほとんど復元 することはできない。なぜなら各要素４ｇの初期状態は、実際には第５図に示す ような各要素の初期状態と対応していないからである。むしろ、各要素は何かし らの値から始まり、要素の真の値に近づくのみである。このような状態を第６図 に示す。各インターバル５０において測定された電位の初期の値が強制的にＯと されている。インターバル５０が始まる前に電極がすぐに接地されるならば、こ のような状態が起こるであろう。もちろん当業者であれば、初期状態を０とする ことが例を単純明瞭なものとするためにのみ選択されたことか理解できるであろ う。望ましい信号４６に関連しない一定のあるいは変化する他のいかなる初期状 態も同様の否定的な効果を有するであろう。各測定インターバル５０の間におい て、システムの固有の測定時間が一定であるため、測定された電位の要素５２は 電位４６の真の値に近づき始めるのみであろう。電位４６についての情報の大部 分が失われると、心臓ペースメーカーのような植込型の器具による応答が誤った ものとなる可能性がある。

本発明による装置および方法を用いた器具においては、第７図の波形は復元され る。各インターバル５０において、測定された電位の大きさはより電位４６の真 の値に近づいたものとなる。各電位の要素５４の終了時に、電位の大きさもしく は他のパラメータか記憶される。次に連続する要素５４の開始時５８において、 前の要素５４の終値５６が電極に復元される。次いで本発明特有のシステムにお ける固有の一定時間において強制的に測定が始まり、電極の電位が電位４６の真 の値に近づき始める。しかしながら、前のインターバルの終了値は、０のような 任意の値よりも次に連続するインターバルの真の開始値により近づこうとするた め、第７図に示すような電位の測定結果は第５図の理想的な測定結果により近づ いたものとなり、これにより第４図に示す真の電位がより正確に示される。

第８図から第１１図は、本発明を心臓ペースメーカーの分野に適用した例を表す 図である。第８図は第４図に示す電位４６に似た信号６ａを示すが、周期的間隔 で心臓内の固有のＱＲ５群６２を加えたものとなっている。このような信号６２ は典型的な健康な心臓の右心室に設けられた電極により検出される。固有のＱＲ ３信号６２は本質的に第４図に示す基礎的な基線電位４６上に加えられる。電位 の基線を抽出するために、低域フィルタあるいは第５図に示したものと類似のサ ンプリング方法が用いられる。このような状態の下で、フィルタリングおよびサ ンプリングにより望ましい情報が適切に抽出される。

しかしながら、心臓ペースメーカーが存在すると別の複雑な状態が生じる。第９ 図は従来の帯域およびサンプリング電極における心臓の舷側の結果を表す図であ る。舷側パルス８４および減極の結果により信号６０の測定結果が分裂させられ る。導線の成極電位（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を減少 させるために用いられる公知の技術であるチャージダンピングは、各パルスの後 に電極の電位を強制的に０にする。

各パルスの間のインターバルにおいて基礎的な基線の電位のサンプリングが行わ れる。舷側のため、サンプリング間隔５０は舷側パルスの後の遅れに関連して測 定時間中不規則なものとなる傾向がある。さらに、チャージダンピングは基線の 情報を除去しサンプル値をひずませる。もちろん測定時間中基線は正常な値に戻 るが、一連の舷側パルス周辺の時間帯においてはかなりの量の情報が失われる。

しかしながら、本発明を用いることにより、基線６０に関する情報は復元される こととなる。第１０図に示すように、１つの要素の終了時の状態は次の時間の要 素６６において復元される。基線はより近づいたものとなる。第１１図は第１０ 図からの基線情報の近似値６１を抽出し、かつ舷側パルスおよび固有のＱＲ８波 を省略した状態を表す図である。第１１図の波形と第８図もくしは第４図の波形 とを比較すると、基線電位のより近い近似値を予想することができる。

本発明の教えあるいは本質的な特徴を離れない範囲において、本発明が他の形態 に具体化できることは当業者であれば明らかであろう。したがって、上述した記 述は説明のために考察されたものであり、これに限定されるものではなく、以下 のクレームにより本発明の範囲が明らかとされる。クレームと同等の範囲内であ れば、いかなる変形あるいは変更をもクレームに加えることが意図できる。

ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５ 国際調査報告　。ｒＴ／ＩＩｃ。、７、。、。。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．電位を測定し、該電位のサンプリングが可能な電極を有する装置において、 一連の第１および第２のインターバルの時間を測定するタイミング手段と、 前記第１のインターバルの間に前記電極における前記電位を測定する測定手段と 、 前記第１のインターバルの終了時に前記電極において測定された前記電位の値を 記憶する記憶手段と、前記第２のインターバルの終了時に前記電極における前記 電位を、前記測定された電位の記憶された値に復元する復元手段とからなること を特徴とする装置。
2. ２．前記記憶された前記電位の値を復元する際の予想される損失を補償する補償 手段をさらに備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
3. ３．前記記憶された前記電位の値の復元に先立ち前記電極を接地する接地手段を さらに備えたことを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。
4. ４．前記記憶手段、前記復元手段および前記接地手段が各手段と前記電極との選 択的な接続および遮断を行うスイッチ手段からなり、前記タイミング手段がさら に前記スイッチ手段を制御する手段からなることを特徴とする請求の範囲第３項 記載の装置。
5. ５．前記スイッチ手段が通常開いた状態となっており、これにより各手段が機能 しているとき以外は前記電極と前記記憶手段、前記復元手段および前記接地手段 とが遮断されることを特徴とする請求の範囲第４項記載の装置。
6. ６．少なくともいくつかの第２のインターバルの間に、前記電極を通じて電気出 力を伝達する手段をさらに備えたことを特徴とする請求の範囲第５項記載の装置 。
7. ７．電極を有し、心臓内の電位を感知する感知手段および前記電位の機能として の前記心臓の鼓動のために前記感知手段と対応する鼓調手段からなる心臓ペース メーカーにおいて、 一連の第１および第２のインターバルの時間を測定するタイミング手段と、 前記第１のインターバルの間に前記電極における前記電位を測定する測定手段と 、 前記第１のインターバルの終了時に前記電極において測定された前記電位の値を 記憶する記憶手段と、前記第２のインターバルの終了時に前記電極における前記 電位を、前記測定された電位の記憶された値に復元する復元手段とからなること を特徴とする心臓ペースメーカー。
8. ８．前記記憶された前記電位の値を復元する際の予想される損失を補償する補償 手段をさらに備えたことを特徴とする請求の範囲第７項記載の心臓ペースメーカ ー。
9. ９．前記記憶された前記電位の値の復元に先立ち前記電極を接地する接地手段を さらに備えたことを特徴とする請求の範囲第８項記載の心臓ペースメーカー。
10. １０．前記記憶手段、前記復元手段および前記接地手段が各手段と導線に設けら れた前記電極との選択的な接続および遮断を行うスイッチ手段からなり、前記タ イミング手段がさらに前記スイッチ手段を制御する手段からなることを特徴とす る請求の範囲第９項記載の心臓ペースメーカー。
11. １１．前記スイッチ手段が通常開いた状態となっており、これにより各手段が機 能しているとき以外は前記電極と前記記憶手段、前記復元手段および前記接地手 段とが遮断されることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の心臓ペースメーカ ー。
12. １２．前記鼓調手段が少なくともいくつかの第２のインターバルの間に、前記電 極を通じて電気出力を伝達する手段であることを特徴とする請求の範囲第１１項 記載の心臓ペースメーカー。
13. １３．サンプリングする電極において電位を測定する方法において、 前記電位をサンプリングし、 一連の第１および第２のインターバルの時間を測定し、前記第１のインターバル の間に前記電極における前記電位を測定し、 前記第１のインターバルの終了時に前記電極において測定された前記電位の値を 記憶し、 前記第２のインターバルの終了時に前記電極における前記電位を、前記測定され た電位の記憶された値に復元することを特徴とする方法。
14. １４．前記記憶された前記電位の値を復元する際の予想される損失をさらに補償 することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の方法。
15. １５．前記記憶された前記電位の値の復元に先立ち前記電極をさらに接地するこ とを特徴とする請求の範囲第１４項記載の装置。
16. １６．記憶手段、復元手段および接地手段と前記電極との選択的な接続および遮 断をさらに行うことを特徴とする請求の範囲第１５項記載の方法。
17. １７．電極において心臓内の電位を感知し、前記電位の機能として前記心臓を鼓 動させる人間の心臓を鼓動させる方法において、 前記感知を、 一連の第１および第２のインターバルの時間を測定し、前記第１のインターバル の間に前記電極における前記電位を測定し、 前記第１のインターバルの終了時に前記電極において測定された前記電位の値を 記憶し、 前記第２のインターバルの終了時に前記電極における前記電位を、前記測定され た電位の記憶された値に復元することにより行うことを特徴とする方法。
18. １８．前記記憶された前記電位の値を復元する際の予想される損失をさらに補償 することを特徴とする請求の範囲第１７項記載の人間の心臓を鼓動させる方法。
19. １９．前記記憶された前記電位の値の復元に先立ち前記電極をさらに接地するこ とを特徴とする請求の範囲第１８項記載の人間の心臓を鼓動させる方法。
20. ２０．記憶手段、復元手段および接地手段と前記電極との選択的な接続および遮 断をさらに行うことを特徴とする請求の範囲第１９項記載の人間の心臓を鼓動さ せる方法。
21. ２１．前記鼓動を、少なくともいくつかの第２のインターバルの間に、前記電極 を通じて電気出力を伝達することにより行うことを特徴とする請求の範囲第２０ 項記載の人間の心臓を鼓動させる方法。