(57)【要約】呼吸器系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成し身体に伝達する段階を一般に含む呼吸を制御する方法。
2009502449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被療者の呼吸を制御する方法であって、
被療者の呼吸系によって調整信号として認識可能な第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、
少なくとも前記第１の疑似神経電気符号化信号を被療者の身体に伝達し、それにより被療者の呼吸系の制御を実行する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記疑似神経電気符号化信号は、信号包絡線内で変調された周波数の周波数調整信号を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記信号包絡線は、第１の期間で約０Ｖの初期電圧から最大電圧領域まで遷移し、第２の期間で約０Ｖまで遷移する正電圧領域を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記信号包絡線は前記正電圧領域に実質的に対応する負電圧領域を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の期間は約５０ミリ秒〜１秒の範囲にある、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の期間は約１００ミリ秒〜１秒の範囲にある、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記最大電圧領域内の最大電圧は約１００ｍＶ〜２０Ｖの範囲にある、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記疑似神経電気符号化信号は、約５０〜１０００Ｈｚの範囲の周波数で前記信号包絡線内で周波数変調される、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記疑似神経電気符号化信号は、約４００ミリ秒〜２．０秒の範囲の第２の期間に周波数変調される、請求項２３に記載の方法。
【請求項１０】
被療者の呼吸を制御する方法であって、
被療者の呼吸系によって調整信号としてそれぞれ認識可能な複数の疑似神経電気符号化信号を含む信号列を生成する段階と、
前記信号列を被療者の身体に伝達し、それにより被療者の呼吸器系の制御を実行する段階と、
を含む方法。
【請求項１１】
呼吸を制御する方法であって、
被療者の呼吸状態を監視し、被療者の呼吸系の状態を示す少なくとも１つの呼吸器系状態信号を提供する段階と、
被療者の呼吸系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、
前記呼吸器系状態信号に応じて前記第１の疑似神経電気符号化信号を前記被療者に伝達する段階と、
を含む方法。
【請求項１２】
被療者の呼吸を制御する方法であって、
前記被療者の身体内で自然に生成される少なくとも１つの波形信号に実質的に対応する第１の疑似神経電気符号化信号を少なくとも含む少なくとも第１の波形信号を生成する段階と、
前記第１の波形信号を前記被療者の身体に直接伝達し、それにより前記被療者の呼吸系の制御を実行する段階と、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第１の波形信号は前記被療者の神経系に伝達される、請求項１１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の疑似神経電気符号化信号は、実質的に第２の被療者の身体内で自然に生成された波形信号に対応する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００３年５月１６日に出願された米国仮出願番号６０／４７１，１０４号に基づく米国出願番号１０／８４７，７３８（現在の米国特許第６，９３７，９０３号）の一部継続出願である２００５年５月１３日に出願された米国出願第１１／１２９，２６４号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、一般に、呼吸を監視し制御するための医学的方法およびシステムに関する。より詳細には、本発明は、疑似（simulated）神経電気符号化信号によって呼吸を制御する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
当該技術分野で周知のとおり、脳は、神経系全体に伝達される電気信号（即ち、活動電位または波形信号）によって呼吸を調整（または、制御）する。神経系は、２つの構成要素を有し、それは、脳と脊髄からなる中枢神経系と、一般に脳と脊髄の外部にある神経細胞（即ち、ニューロン）と末梢神経とからなる末梢神経系である。この２つの神経系は、解剖学的には別々であるが、機能的には相互接続されている。
【０００４】
図示したように、末梢神経系は、神経細胞（即ち、ニューロン）とニューロンを支持するグリア細胞（即ち、グリア）で構成される。脳からの信号を伝える活動中のニューロンユニットは、「遠心性」神経と呼ばれる。センサまたは状態情報を脳に伝えるのは「求心性」神経である。
【０００５】
当該技術分野で知られているように、典型的なニューロンは、（ｉ）細胞体、（ｉｉ）樹状突起、（ｉｉｉ）軸索および（ｉｖ）シナプス前末端の４つの形態学的に定義された領域を含む。細胞体（体（soma））は、細胞の代謝の中心である。細胞体は、細胞の遺伝子を格納する核と、細胞のタンパク質を合成する粗面および滑面小胞体を含む。
【０００６】
細胞体は、一般に、樹状突起と軸索の２つのタイプの派生物（または、突起）を有する。ほとんどのニューロンは、いくつかの樹状突起を有し、そのような突起は、樹状に分岐し、他の神経細胞から信号を受け取るための主な機構として働く。
【０００７】
軸索は、ニューロンの主要な伝導ユニットである。軸索は、短いものは約０．１ｍｍから長いものは約２ｍまでの長さに沿って電気信号を伝えることができる。多くの軸索は、いくつかの枝に分かれ、それにより様々な標的に情報が伝えられる。
【０００８】
軸索の終端の近くで、軸索は、他のニューロンと接触する細い枝に分かれる。接触点はシナプスと呼ばれる。信号を伝達する細胞はシナプス前部細胞と呼ばれ、信号を受け取る細胞はシナプス後部細胞と呼ばれる。軸索の枝（即ち、シナプス前末端）上の特殊な突起部分は、シナプス前部細胞内の伝達部位として働く。
【０００９】
ほとんどの軸索は、シナプス後部のニューロンの樹状突起の近くで終端する。しかしながら、通信が細胞体で行われることもあり、または頻度は低いもののシナプス後部細胞の軸索の最初の部分または最後の部分で行われることもある。
【００１０】
効率的な呼吸（respiration and breathing）には、多数の神経と筋肉が関係する。呼吸に専ら関わる最も重要な筋肉は横隔膜である。横隔膜は、腹腔から胸腔を分離するシート状筋肉である。
【００１１】
通常の周期的な呼吸の場合、横隔膜は約１ｃｍ移動する。しかしながら、強制された呼吸では、横隔膜は、最大１０ｃｍ動くことができる。左側と右側の横隔神経が横隔膜の動きを活動化する。
【００１２】
横隔膜の収縮と緩和により、正常な安静呼吸中に胸腔内の体積が７５％変化する。吸息の際に横隔膜の収縮が起こる。呼息は、横隔膜が弛緩しその静止位置に戻るときに行われる。横隔膜および関連する筋肉と構造物のすべての動きは、脳から出る符号化された電気信号によって制御される。
【００１３】
呼吸器系および関連する筋肉構造の詳細は、参照のために全体が明示的に本明細書に組み込まれた同時係属出願第１０／８４７，７３８号に説明されている。
【００１４】
呼吸に関係する主要な神経は、第９および第１０脳神経、横隔神経および肋間神経である。舌咽神経（第９脳神経）は、頚動脈小体を刺激し、血液中のＣＯ2レベルを検出する。迷走神経（第１０脳神経）は、喉頭、咽頭、および気管支を含む胸部内臓器からの知覚入力を提供する。横隔神経は、脊髄神経Ｃ３、Ｃ４およびＣ５から出て、横隔膜を刺激する。肋間神経は、脊髄神経Ｔ７〜１１から出て肋間筋を刺激する。
【００１５】
様々な求心性知覚神経繊維は、身体外部の固有のイベントに応じて身体がどのような呼吸を行うべきかの情報を提供する。
【００１６】
重要な呼吸制御は、迷走神経と、神経節内でシナプスを形成する神経前節の神経繊維によって活動化される。神経節は気管支に埋め込まれ、気管支は、交感神経および副交感神経活動でも刺激される。
【００１７】
交感神経分割が、気管支に影響を及ぼすことがなく、あるいは呼吸中に管腔（内腔）を拡大してより多くの空気が入ることを可能にし（喘息患者に有効）、一方、副交感神経プロセスは、反対の効果を示し、気管支を収縮させ分泌を高める可能性がある（喘息患者に有害なことがある）ことは多くの文献に記載されている。
【００１８】
呼吸を制御するために軸索に沿って伝達される電気信号（活動電位と呼ばれる）は、高速で過渡的な「全か無の」神経インパルスである。活動電位は、一般に、約１００ミリボルト（ｍＶ）で約１ミリ秒の持続時間を有する。活動電位は、軸索に沿って約１〜１００メートル／秒の範囲の速度で中断や歪みなしに伝達される。このインパルスは、軸索を通るときに連続的に再生されるため、活動電位の大きさは、軸索の全体にわたって一定のままである。
【００１９】
「神経信号（neurosignal）」とは、多くの活動電位を含む合成信号である。神経信号は、また、適切な器官機能のための命令セットを含む。したがって、呼吸神経信号は、横隔膜が効率的な換気を行うための、筋肉運動の頻度、初期筋張力、程度（または深さ）などに関する情報を含む命令セットを含む。
【００２０】
したがって、神経信号または「神経電気符号化信号」は、全臓器機能の完全な情報セットを含む符号である。２００５年５月９日に出願された同時係属出願第１１／１２５，４８０に記載されているように、本明細書で参照される「疑似神経電気符号過信号」で実施される神経信号が分離され、記録され、標準化され、被療者物（即ち、患者）に伝達された後で、生成された神経固有の指示（即ち、信号）を使って呼吸を制御し、これにより多くの呼吸器系疾患を治療することができる。前述の疾患には、睡眠時無呼吸、喘息、過度粘液産生、急性気管支炎、肺気腫があるがこれらに限定されない。
【００２１】
当該技術分野で知られているように、睡眠時無呼吸は、一般に、睡眠中の呼吸の一時的停止として定義される。閉塞性睡眠時無呼吸は、睡眠中の呼吸器の上気道の再発性閉塞である。脳が睡眠中に呼吸を行うように呼吸筋に適切な信号を送らないときに中枢性睡眠時無呼吸が起こる。睡眠時無呼吸を患った人は、場合によっては深刻なオキシヘモグロビン不飽和化により、睡眠の分断ならびに睡眠中の呼吸（または換気）の完全またはほぼ完全な停止を経験する。
【００２２】
気道の虚脱（collapse）のメカニズムの研究から、睡眠のいくつかの段階で上気道部分を安定化させる筋肉の一般的弛緩があることが分かった。この筋肉の一般的弛緩が、睡眠時無呼吸を引き起こす因子であると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
呼吸を制御しまた睡眠時無呼吸などの呼吸器疾患を治療するために、活動電位または符号化電気神経信号を記録するための装置または記録するステップを含む各種の機器、システムおよび方法が開発された。しかしながら、信号は、一般に、様々な処理にかけられた後で、換気装置などの「機械的」装置またはシステムの調整に使用される。実例は、特許文献１（米国特許第６，３６０，７４０号）と特許文献２（米国特許第６，６５１，６５２号）に開示されているシステムである。
【特許文献１】米国特許第６，３６０，７４０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，６５１，６５２号明細書
【００２４】
特許文献１（米国特許第６，３６０，７４０号）では、呼吸支援を提供するシステムおよび方法が開示されている。前述の方法は、患者の呼吸中枢で生成された「呼吸信号」を記録する段階を含む。「呼吸信号」は、筋肉刺激装置または換気装置を制御するために処理され使用される。
【００２５】
特許文献２（米国特許第６，６５１，６５２号）では、睡眠時無呼吸を処理するシステムおよび方法が開示されている。前述のシステムは、神経電気信号を捕捉し呼吸と関係する信号の成分を抽出するように適応される呼吸センサを含む。これらの信号は、同様に、換気装置を制御するために処理され使用される。
【００２６】
前述の特許に開示されたシステムと方法ならびにほとんどの既知のシステムと関連した重大な欠点は、生成され伝達される制御信号が、「ユーザにより決定され」また「装置により決定された」ものであることである。従って、前述の「制御信号」は、身体内で生成された信号と関連しないかまたはその信号を表しておらず、従って伝達された場合に呼吸器系の制御または調整に有効でなくなる。
【００２７】
従って、呼吸系の制御に有効な疑似神経電気符号化信号を生成し身体内に伝達するための手段を含む、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することが望ましい。
【００２８】
従って、本発明の目的は、呼吸を制御するための先行技術の方法およびシステムと関連した欠点を克服する、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【００２９】
本発明の別の目的は、呼吸器系の制御に有効な疑似神経電気符号化信号を生成し身体に伝達するための手段を有する、呼吸を制御する方法およびシステムを提供することである。
【００３０】
本発明の別の目的は、疑似神経電気符号化信号を身体内の神経系に直接伝達するための手段を有する、呼吸を制御する方法およびシステムを提供することである。
【００３１】
本発明の別の目的は、身体中で生成され且つ呼吸の制御に有効な波形信号を記録するための手段を有する、呼吸を制御する方法およびシステムを提供することである。
【００３２】
本発明の別の目的は、記録された波形信号から身体内で生成された少なくとも１つの符号化波形信号を表す基準呼吸信号を生成するように適応された処理手段を有する、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【００３３】
本発明の別の目的は、記録した呼吸の波形信号を基準呼吸信号と比較し、記録された波形信号の関数として呼吸信号を生成するように適応された処理手段を有する、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【００３４】
本発明の別の目的は、呼吸異常を検出する監視手段を有する、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【００３５】
本発明の別の目的は、被療者が無呼吸イベントを経験しているかどうかを検出するセンサを有する、呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【００３６】
本発明の別の目的は、睡眠時無呼吸、喘息、過度粘液産生、急性気管支炎および肺気腫を含む呼吸器系疾患の治療に利用し易い呼吸を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
以上の目的および以下で言及し明らかになる目的により、呼吸を制御する方法は、一般に、（ｉ）呼吸器系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、（ｉｉ）呼吸器系を制御する第１の疑似神経電気符号化信号を身体に伝達する段階とを含む。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態では、疑似神経電気符号化信号は、周波数調整信号を含む。疑似神経電気符号化信号は、所定の信号包絡線内で変調されることが好ましい。
【００３９】
一実施形態では、信号包絡線は、約ゼロ（０）の初期電圧から第１の期間の最大電圧領域に遷移し、第２の期間の約ゼロ（０）の低い電圧に遷移する正電圧領域と、正電圧領域に実質的に対応する負電圧領域を有する。
【００４０】
疑似神経電気符号化信号は、約５０〜１０００Ｈｚの範囲の周波数の信号包絡線内で変調された周波数であることが好ましい。
【００４１】
変調された神経電気符号化信号の最大電圧またはピーク振幅は、約１００ｍＶ〜２０Ｖの範囲にあることが好ましい。
【００４２】
本発明の一実施形態では、ピーク電圧または振幅の時間は、約５０ミリ秒〜２．０秒の範囲にある。
【００４３】
本発明の一実施形態では、疑似神経電気符号化信号は、被療者の神経系に伝達される。別の実施形態では、疑似神経電気符号化信号は、首部、頭部または胸部上の標的ゾーンの近くに伝達される。
【００４４】
本発明の更に他の実施形態では、被療者の呼吸を制御する方法は、一般に、（ｉ）呼吸器系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、（ｉｉ）被療者の呼吸状態を監視し、呼吸器系の異常機能に応じて少なくとも１つの呼吸器系状態信号を提供する段階と、（ｉｉｉ）呼吸困難または呼吸異常を示す呼吸状態信号に応じて第１の疑似神経電気符号化信号を身体に伝達する段階とを含む。
【００４５】
更に他の機能と利点は、添付図面に示したような本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになり、図では、類似の参照不某は、一般に、図全体にわたって同じ部分または要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明を詳細に説明する前に、本発明が、具体的に例示した装置、システム、構造または方法に限定されず、従って当然ながら様々な変形を有することができることを理解されたい。従って、本発明を実施する際に、本明細書に記載したものと類似または等価ないくつかの装置、システムおよび方法を使用することができるが、本明細書では好ましい材料および方法を説明する。
【００４７】
また、本明細書で使用する用語は、単に本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、限定しようとするものではないことを理解されたい。
【００４８】
特に断らない限り、本明細書で使用される技術用語と科学用語はすべて、本発明が関係する技術分野の熟練技術者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。
【００４９】
更に、本明細書の以上または以下に記載した全ての出版物、特許、および特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００５０】
最後に、本明細書および併記の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形は、内容で特に断らない限り、複数の対象を含む。従って、例えば、「波形信号（a waveform signal）」を参照するときは、２つ以上のそのような信号が含まれ、「呼吸器疾患（a respiratory disorder）」を参照するときは、２つ以上のそのような疾患が含まれる。
【００５１】
定義
用語「神経系」は、本明細書で使用されるとき、脊髄、延髄、橋、小脳、中脳、間脳および大脳半球を含む中枢神経系と、ニューロンとグリアを含む末梢神経系を意味する。
【００５２】
用語「波形」と「波形信号」は、本明細書で使用されるとき、神経符号（neurocode）、神経信号およびその成分とセグメントを含む、身体内で生成され身体内のニューロンによって伝えられる合成電気信号を意味する。
【００５３】
用語「疑似波形信号」は、本明細書で使用されるとき、実質的に「波形信号」に対応する電気信号を意味する。
【００５４】
用語「信号包絡線」は、本明細書で使用されるとき、「波形信号」またはその一部分（即ち、信号区分）によって定義される包絡線または領域を意味する。
【００５５】
用語「疑似神経電気符号化信号」は、本明細書で使用されるとき、「信号包絡線」内で変調された電気信号を意味する。
【００５６】
用語「信号列」は、本明細書で使用されるとき、前に定義した「疑似神経電気符号化信号」や「疑似波形」信号などの複数の信号を有する合成信号を意味する。
【００５７】
本明細書で特に断らない限り、本発明の処理手段によって生成された疑似神経電気符号化信号は、連続または設定された間隔で被療者に伝達されるように設計され適応される。
【００５８】
用語「呼吸」は、本明細書で使用されるとき、呼吸プロセスを意味する。
【００５９】
用語「呼吸器系」は、本明細書で使用されるとき、横隔膜、肺、鼻、喉、喉頭、気管および気管支を含む呼吸機能に役立つ臓器およびこれと関連した神経系を限定なしに意味する。
【００６０】
用語「標的ゾーン」は、本明細書で使用されるとき、電気信号の印加によって、標的神経に信号を直接印加（または、伝達）することなく所望の神経制御を行うことができる神経系の部分に近い身体の領域を限定なしに意味する。
【００６１】
用語「患者」と「被療者」は、本明細書で使用されるとき、人間と動物を意味する。
【００６２】
用語「神経叢」は、本明細書で使用されるとき、中枢神経系の外にある神経繊維の分枝またはもつれ（tangle）を意味する。
【００６３】
用語「神経中枢」は、本明細書で使用されるとき、中枢神経系の外にある経細胞体群を意味する。
【００６４】
用語「睡眠時無呼吸」は、本明細書で使用されるとき、呼吸の一時的停止または呼吸数の減少を意味する。
【００６５】
用語「呼吸器系疾患」、「呼吸器疾患」および「逆呼吸イベント（adverse respiratory event）」は、本明細書で使用されるとき、正常な呼吸プロセスを妨げる呼吸器系の機能障害も意味する。そのような機能障害は、脊髄損傷と分断などの多数の既知の因子およびイベントによって引き起こされることがある。
【００６６】
本発明は、呼吸を制御するための先行技術の方法およびシステムと関連した短所と欠点を実質的に減少させるかまたはなくす。本発明の一実施形態において、被療者の呼吸を制御する方法は、一般に、被療者の呼吸系によって調整信号として認識可能な少なくとも１つの疑似神経電気符号化信号を生成し、その疑似神経電気符号化信号を被療者の身体に伝達する段階を含む。本発明の好ましい実施形態では、疑似神経電気符号化信号は、被療者の神経系に伝達される。
【００６７】
図示したように、呼吸と関連した神経電気信号は、延髄の呼吸中枢から生じる。これらの信号は、呼吸中枢からあるいは呼吸筋組織に信号を伝える神経に沿って捕捉または収集することができる。しかしながら、前述の信号を捕捉するのには横隔神経が特に適していることが分かっている。
【００６８】
横隔神経から符号化された信号を捕捉し、神経電気信号（または、符号化された波形信号）を記憶し、処理し、伝達する方法およびシステムは、２００１年１１月２０日に出願された同時係属出願番号１０／０００，００５と、２００５年５月９日に出願された出願番号＿＿＿＿＿＿（代理人整理番号：ＳＣＭ−０２−００９ＣＩＰ）に記載されており、これらの出願は、参照のためその全体が本明細書に組み込まれる。
【００６９】
最初に図１Ａと図１Ｂを参照すると、人間（および動物）の横隔膜の遠心性動作に有効な典型的な波形信号が示されており、図１Ａは、間に休止期間１２Ａ、１２Ｂがある３つの信号１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを示し、図１Ｂは、信号１０Ｂの拡大図である。前述の信号は、頸椎と横隔膜の間に延びる横隔神経を横断する。
【００７０】
当業者は、信号１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが、身体運動や環境の変化に対する反応などの様々な因子の関数として変化することを理解するであろう。また、当業者は、同様に、信号区分１４のパルスの存在、形状および数が、筋（または、筋群）の信号によって変化する可能性があることを理解するであろう。
【００７１】
以上のように、前述の信号は、周波数、初期筋張力、筋肉運動の程度（または深さ）など、吸息と関係した符号化された情報を含む。
【００７２】
本発明の一実施形態によれば、図１Ａと図１ｂに示した信号のように、呼吸の制御に有効な身体内で生成された神経電気信号が捕捉され、プロセッサまたは制御モジュールに伝達される。
【００７３】
制御モジュールは、捕捉した信号を記憶するように適応された記憶手段を有することが好ましい。好ましい実施形態では、制御モジュールは、更に、（プロセッサによって抽出された）捕捉した信号の成分を、信号成分によって実行される機能に従って記憶手段に記憶するように適応される。
【００７４】
本発明によれば、次に、記憶した信号を使用して基準呼吸信号（base-line respiration signal）を設定することができる。次に、被療者から捕捉した「異常」な呼吸信号（および、成分）を比較し、後述するように、被療者に伝達するための波形信号または修正基準信号を生成するようにモジュールをプログラムすることができる。この修正には、例えば、呼吸信号の振幅を大きくしたり、信号周波数を高くしたりすることがある。
【００７５】
本発明によれば、捕捉した神経電気信号は、既知の手段によって処理され、少なくとも１つの捕捉神経電気信号を表し且つ呼吸の制御に有効な（即ち、脳または呼吸器系によって調節信号と認識された）波形信号（または、神経電気符号化信号）が、制御モジュールによって生成される。同様に、疑似波形信号は、制御モジュールの記憶手段に記憶される。
【００７６】
本発明の一実施形態では、呼吸を制御するために、疑似波形信号（または、疑似神経電気符号化信号）が、記憶手段からアクセスされ、トランスミッタ（または、プローブ）を介して被療者に伝達される。
【００７７】
本発明によれば、信号を伝達する際の電圧損失を考慮するために、疑似波形信号の印加電圧は、最大２０ボルト以内でよい。電流は、２アンペア未満の出力に維持されることが好ましい。
【００７８】
神経へは、その神経に直接接続された電極を介して、３ボルト未満の出力と０．１アンペア未満の電流が直接流されることが好ましい。
【００７９】
次に図２を参照すると、本発明の呼吸制御システム２０Ａの一実施形態の概略図が示されている。図２に示したように、制御システム２０Ａは、被療者と通信可能な信号センサ（点線で示し符号２１を付した）から神経電気符号化信号または「波形信号」を受け取るように適応された制御モジュール２２と、少なくとも１つの処置要素２４を有する。
【００８０】
処置要素２４は身体と通信するように適応され、制御モジュール２２から疑似波形信号または疑似神経電気符号化信号を受け取る。本発明によれば、処置要素２４は、人間または動物の呼吸機能を調整または操作する呼吸信号を伝達するための電極、アンテナ、振動変換器（seismic transducer）、または他の適切な形の伝導用付属装置を含むことができる。
【００８１】
処置要素２４は、外科的プロセスによって適切な神経または呼吸器に取り付けることができる。そのような手術は、例えば、胸郭立体鏡手順における「キーホール」の入口で達成することができる。必要に応じて、処置要素２４をより適切に配置するために、より拡張性の高い開胸術手法を採用することができる。
【００８２】
更に、必要に応じて、処置要素２４を、鼻や口などの体腔に挿入することができ、ムチンや他の膜を突き刺すように位置決めすることができ、それにより要素２４は、延髄および／または橋（pons）のすぐ近くに配置される。次に、本発明の疑似信号を、脳幹のすぐ近くにある神経に伝達することができる。
【００８３】
図２に示したように、制御モジュール２２と処置要素２４は、システム２０Ａの遠隔操作を可能にする全く別々の要素でよい。本発明によれば、制御モジュール２２は、独特なものでよく、即ち、固有の操作および／または被療者に適合されてもよく、従来の装置を含んでもよい。
【００８４】
次に図３を参照すると、本発明の制御システム２０Ｂの更に他の実施形態が示されている。図３に示したように、システム２０Ｂは、図２に示したシステム２０Ａと似ている。しかしながら、この実施形態では、制御モジュール２２と処置要素２４が接続されている。
【００８５】
次に図４を参照すると、本発明の制御システム２０Ｃの更に別の実施形態が示されている。図４に示したように、制御システム２０Ｃは、同様に、制御モジュール２２と処置要素２４を含む。システム２０Ｃは、更に、少なくとも１つの信号センサ２１を含む。
【００８６】
システム２０Ｃは、また、処理モジュール（または、コンピュータ）２６を含む。本発明によれば、処理モジュール２６は、個別の構成要素でもよく、点線で示したように制御モジュール２２’のサブシステムでもよい。
【００８７】
以上示したように、処理モジュール（または、制御モジュール）は、捕捉した呼吸信号を記憶するように適応された記憶手段を含むこととが好ましい。好ましい実施形態では、処理モジュール２６は、更に、信号成分によって実行される機能に従って、捕捉した呼吸信号成分を抽出し記憶手段に記憶するように適応される。
【００８８】
本発明によれば、本発明の一実施形態において、被療者の呼吸を制御する方法は、呼吸器系によって調整信号として認識可能な第１の疑似波形信号を生成する段階と、（ｉｉ）第１の疑似波形信号を身体に伝達して呼吸器系を制御する段階とを含む。
【００８９】
本発明の別の実施形態では、呼吸を制御する方法は、被療者の身体内で生成され且つ呼吸の制御に有効な符号化波形信号を捕捉する段階と、（ｉｉ）呼吸器系によって調整信号として認識可能な第１の疑似波形信号を生成する段階と、（ｉｉｉ）第１の疑似波形信号を身体に伝達する段階とを含む。
【００９０】
本発明の一実施形態では、第１の疑似波形信号は、捕捉した波形信号の少なくとも１つに実質的に対応し且つ呼吸系の制御に有効な少なくとも第２の疑似波形信号を含む。
【００９１】
本発明の一実施形態では、第１の疑似波形信号は、被療者の神経系に伝達される。別の実施形態では、第１の疑似波形信号は、首部、頭部または胸部上の標的ゾーンの近くに伝達される。
【００９２】
本発明によれば、疑似波形信号は、被療者に伝達される前に、必要に応じて調整（または、調節）することができる。
【００９３】
本発明の別の実施形態において、呼吸を制御する方法は、一般に、（ｉ）身体内で生成され且つ呼吸の制御に有効な符号化波形信号を捕捉する段階と、（ｉｉ）捕捉した信号成分によって実行される機能に従って、捕捉した波形信号の成分を記憶するように適応された記憶媒体に記憶する段階と、（ｉｉｉ）捕捉した波形信号の少なくとも１つに実質的に対応する第１の疑似波形信号を生成する段階と、（ｉｖ）第１の疑似波形信号を身体に伝達して呼吸器系を制御する段階とを含む。
【００９４】
本発明の別の実施形態では、呼吸を制御する方法は、一般に、（ｉ）呼吸の制御に有効で且つ第１の被療者の身体内で生成された第１の複数の波形信号を捕捉する段階と、（ｉｉ）第１の複数の波形信号から基準呼吸波形信号を生成する段階と、（ｉｉｉ）呼吸の制御に有効で且つ第１の被療者の身体内で生成された第２の波形信号を捕捉する段階と、（ｉｖ）基準波形信号を第２の波形信号と比較する段階と、（ｖ）基準信号と第２の波形信号の比較に基づいて第３の波形信号を生成する段階と、（ｖｉ）呼吸の制御に有効な第３の波形信号を身体に伝達する段階とを含む方法。
【００９５】
本発明の一実施形態では、第１の複数の波形信号が、複数の被療者から捕捉される。
【００９６】
本発明の一実施形態では、被療者の身体に波形信号を伝達する段階は、首部、頭部または胸部の選択された適切なゾーンにある無傷の皮膚を介して直接伝導または伝達することによって達成される。そのようなゾーンは、信号が印加する神経または神経叢の位置に近い。
【００９７】
本発明の他の実施形態では、被療者の身体に波形信号を伝達する段階は、受け取る神経または神経叢に電極を取り付けることによる直接伝導によって達成される。これには、選択した標的神経に電極を物理的に取り付ける外科的介入が必要である。
【００９８】
本発明の更に別の実施形態では、被療者の身体に信号を伝達する段階は、信号を振動形式に変換することによって達成される。次に、振動信号は、適切な「神経」が振動信号の符号化された指示を受け取りその指示に従うことを可能にするように頭部、首部または胸部の領域に伝達される。
【００９９】
次に図５Ａと図５Ｂを参照すると、本発明の装置および方法によって生成された疑似波形信号１９０、１９１が示されている。前述の信号は、単に本発明の装置と方法によって生成することができる疑似波形信号を表しており、本発明の範囲をいかなる形でも限定するように解釈されるべきでない。
【０１００】
最初に図５Ａを参照すると、伝達された信号の正側の半分だけを示す典型的な横隔膜疑似波形信号１９０が示されている。信号１９０は、初期区分１９２とスパイク区分１９３の２つの区分だけからなる。
【０１０１】
次に図５Ｂを参照すると、５００Ｈｚで完全に変調された典型的な横隔膜疑似波形信号１９１が示されている。信号１９１は、初期区分１９４とスパイク区分１９５の同じ２つの区分を含む。
【０１０２】
前述のように、本発明の疑似神経電気符号化信号は、所定の信号包絡線内で変調された周波数調整信号を含む。本発明によれば、信号包絡線は、身体内で生成された波形信号（または、波形信号の区分）によって定義され、従ってその波形信号から得られる。
【０１０３】
次に図７を参照すると、呼吸器系の制御に有効な横隔神経から捕捉された波形信号１６が示されている。図７に示したように、信号１６は、一実施形態において、信号振幅遷移点１７（即ち、外形が信号によって定義された）の近くに配置された信号包絡線２２０を定義する。
【０１０４】
本発明によれば、信号包絡線２２０は、図８に示したように信号１６によって定義された形状の約１００％あるはその一部分を表すことができる。例えば、１つの想起された実施形態では、信号包絡線は、ベース信号によって定義された包絡線（または、形状）の約８０％を表わす。
【０１０５】
図８に示したように、信号包絡線２２０は、約０Ｖ（ｔ０）に等しい初期電圧から第１の期間（ｔ１）の最大電圧領域２２６に遷移し（即ち、ｔ０→ｔ１）、次に第２の期間（ｔ２）の約０Ｖまで遷移する（即ち、ｔ０→ｔ２）ことが好ましい正電圧領域２２２を有する。信号包絡線２２０は、また、正電圧領域２２２に実質的に対応するのが好ましい負電圧領域２２４を有する。
【０１０６】
ｔ１は、被療者の通常の呼吸数により、約５０ミリ秒〜１秒の範囲、より好ましくは約１００ミリ秒〜９００ミリ秒の範囲であることが好ましい。ｔ２は、約１００ミリ秒〜１秒の範囲にあることが好ましい。
【０１０７】
本発明の一実施形態では、領域２２６内の最大電圧は、約１００ｍＶ〜２０Ｖの範囲、より好ましくは約１５０ｍＶ〜２Ｖの範囲にある。
【０１０８】
好ましくは、最大電圧領域２２６は、約０．０００１〜２５ミリ秒の範囲の期間（「ｔ３」と示した）が関連付けられている。
【０１０９】
本発明によれば、信号包絡線２２０と、従ってその信号包絡線内で変調された信号を修正して、０Ｖから最大電圧（即ち、振幅）までの遷移時間（即ち、ｔ０からｔ１）を増減させ、最大電圧領域内の最大電圧および／または時間ｔ３を増減させ、かつ／または最大電圧から０Ｖ（ｔ２）への遷移を増減することができる。
【０１１０】
次に図９を参照すると、信号包絡線２２０内で５００Ｈｚで変調された疑似神経電気符号化信号２３０の一実施形態が示されている。図示したように、本発明によれば、疑似神経電気符号化信号は、信号包絡線内で多くの周波数で変調することができる。
【０１１１】
本発明の疑似神経電気符号化信号は、約４００ミリ秒〜２．０秒の範囲の期間（即ち、ｔ０からｔ２）に、約５０〜１０００Ｈｚの範囲の周波数の信号包絡線内で周波数変調されることが好ましい。当業者によって理解されるように、前述の時間は、被療者の正常な呼吸数に依存する。
【０１１２】
本発明の好ましい実施形態では、疑似神経電気符号化信号は、約０．５〜１．０秒の範囲の期間に約５０〜３００Ｈｚの範囲の周波数の信号包絡線内で周波数変調される。
【０１１３】
本発明によれば、本発明の疑似神経電気符号化信号を使用して、複数の疑似神経電気符号化信号を含む「信号列」を構成することができる。信号列は、連続した疑似神経電気符号化信号列からなることもでき、１つまたは複数の疑似神経電気符号化信号に挟まれた信号または休止期間（即ち、電圧と電流がゼロ）を含むこともできる。
【０１１４】
信号列は、また、実質的に類似の疑似神経電気符号化信号、様々な疑似神経電気符号化信号（例えば、様々な信号包絡線で変調された）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。
【０１１５】
本発明の更に実施形態によれば、被療者の呼吸を制御する方法は、呼吸器系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、（ｉｉ）第１の疑似神経電気符号化信号を身体に伝達して呼吸器系を制御する段階とを含む。
【０１１６】
本発明の一実施形態では、第１の疑似神経電気符号化信号は、被療者の神経系に伝達される。別の実施形態では、第１の疑似神経電気符号化信号は、首部、頭部または胸部上の標的ゾーンの近くに伝達される。
【０１１７】
本発明の更に実施形態によれば、被療者の呼吸を制御する方法は、呼吸器系によって調整信号として認識可能な複数の疑似神経電気符号化信号を含む第１の信号列を生成する段階と、（ｉｉ）第１の信号列を身体に伝達して呼吸器系を制御する段階とを含む。
【０１１８】
本発明によれば、呼吸の制御は、いくつかの例では、呼吸数と吸入の深さを制御するために、同時に最大８つの神経を含む１つまたは複数の神経内に１つまたは複数の疑似神経電気符号化信号を伝達しなければならない場合がある。例えば、喘息や他の呼吸障害または疾病の矯正は、酸素を抽出しまた二酸化炭素などの不用なガス化合物を廃棄するために空気を吸い込み吐き出す横隔膜および／または肋間筋の周期的動作を必要とする。
【０１１９】
当該技術分野で既知のように、気管支の管状網を開く（拡張）すると、肺内でより多くの空気を交換してその酸素分を処理できるようになる。拡張プロセスは、本発明の信号の伝達によって制御することができる。また、気管支を閉じて肺に通る空気の量を制限することができる。従って、本発明の方法と装置により、神経の拡張および／または狭窄を制御するバランスをとることができる。
【０１２０】
更に、粘液産生が過度の場合、気管支全体に流れる空気の流れを制限する粘液状の栓ができる可能性がある。当該技術分野で知られているように、粘液は肺では作成されず、気管支の内腔と気管で作成される。
【０１２１】
しかしながら、本発明の信号の伝達によって前述の粘液産生を増減させることができる。従って、本発明の前述の信号の伝達により、粘液の質と量のバランスを保つことができる。
【０１２２】
従って、本発明は、疑似神経電気符号化信号を生成し身体に伝達することによって、気管支拡張と気管支内の粘液作用と共に、呼吸数と呼吸の強さを有効に制御する方法および装置を提供する。このような気管支を開ける能力は、急性気管支炎または煤煙吸入損傷の緊急処置に役立つ。肺気腫などの慢性気道閉塞性疾患にも対処することができる。
【０１２３】
急性の火傷や化学物質吸入障害の治療も、機械的呼吸支援を使用しながら、本発明の方法および装置によって促進することができる。また、けがによる粘液分泌は、気道を塞ぐ原因になり、応急処置を受け付けず、生命を危険な状態にする。気管または気管支内の浮腫（腫れ物）は、内腔径を制限し酸素欠乏を引き起こしやすい。治療する際、内腔径を開く能力は不可欠かまたは少なくとも望ましい。
【０１２４】
更に、本発明の方法および装置によって横隔神経の活動を調整することによって、肺炎患者の呼吸労力を軽減することができる。また、適切に機能する呼吸器系には、生命を脅かす他の多くの症状の処置が集中する。従って、本発明は、気管支を開き呼吸数を微調整して患者の酸素化を改善する方法を医者に提供する。この電子的処置方法（一実施形態では）は、特定の神経に活動または抑制疑似神経電気信号を伝達して呼吸を改善することを含む。本発明によれば、そのような処置は、現在使用可能な酸素投与と呼吸薬の使用によって強化することができる。
【０１２５】
本発明の方法および装置は、また、閉塞性睡眠時無呼吸（または、中枢性睡眠時無呼吸）や他の呼吸器疾患の治療に使用することができる。次に図６を参照すると、睡眠時無呼吸の治療に使用することができる呼吸制御システム３０の一実施形態が示されている。図６に示したように、システム３０は、被療者の呼吸状態を監視し、呼吸状態を示す少なくとも１つの信号を伝達するように適応された少なくとも１つの呼吸センサ３２を含む。
【０１２６】
本発明によれば、呼吸状態（および、従って睡眠障害）は、横隔膜運動、呼吸数、血液中のＯ2および／またはＣＯ2のレベル、首部の筋張力、喉または肺の気道内の空気の通過（または、欠如）（即ち、換気）を含む多くの因子によって決定することができる。従って、本発明の範囲内で、様々なセンサを使用して、前述の因子を検出し、従って呼吸器疾患の発症を検出することができる。
【０１２７】
システム３０は、更に、呼吸センサ３２から呼吸器系状態信号を受け取るように適応されたプロセッサ３６を有する。プロセッサ３６は、更に、呼吸信号プローブ（点線で示し、符号３４を付けた）によって記録された符号化波形信号を受け取るように適応される。
【０１２８】
本発明の好ましい実施形態では、プロセッサ３６は、捕捉した符号化波形信号と呼吸器系状態信号を記憶する記憶手段を有する。プロセッサ３６は、更に、波形信号の成分を抽出し、信号成分を記憶手段に記憶するように適応される。
【０１２９】
好ましい実施形態では、プロセッサ３６は、呼吸異常を示す呼吸器系状態信号および／または呼吸器系の苦痛を示す波形信号成分を検出し、呼吸の制御に有効な少なくとも１つの疑似神経電気符号化信号を生成するようにプログラムされる。
【０１３０】
図６を参照すると、疑似神経電気信号は、被療者の身体と通信可能であるように適応されたトランスミッタ３８に伝達される。トランスミッタ３８は、疑似神経電気信号を被療者の身体に伝達し（前述と類似の方法で）、検出した呼吸異常を制御し好ましくは改善するように適応される。
【０１３１】
本発明によれば、疑似神経電気信号は、横隔膜を収縮させるために横隔神経に伝達され、咽頭筋を締めるために舌下神経に伝達され、且つ／または正常な脳波パターンを維持するために迷走神経に伝達されることが好ましい。単一の信号または複数の信号を互いに組み合わせて伝達することができる。
【０１３２】
従って、本発明の更に他の実施形態によれば、被療者の呼吸を制御する方法は、一般に、（ｉ）呼吸器系によって調整信号として認識可能な少なくとも第１の疑似神経電気符号化信号を生成する段階と、（ｉｉ）被療者の呼吸状態を監視し、呼吸器系の異常な機能に応じて少なくとも１つの呼吸器系状態信号を提供する段階と、（ｉｉｉ）呼吸困難または呼吸異常を示す呼吸状態信号に応じて疑似神経電気符号化信号を身体に伝達して呼吸器系を制御する段階とを含む。
【０１３３】
例
以下の例は、当業者が本発明をより明確に理解し実施することを可能にするために提供される。これらの例は、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでなく、単に本発明の代表として解釈されるべきである。
【０１３４】
例１
３頭の豚に、様々に周波数変調された疑似神経電気符号化信号を印加した。４００ミリ秒、８００ミリ秒、１．２秒および２．０秒の４つの異なる変調周期を有する４つの信号を使用した。各信号の電圧レベルは、＋／−２００ｍＶ、＋／−２３０ｍＶ、および＋／−２５０ｍＶであった。各信号は、約５００Ｈｚの周波数で、図８に示した包絡線と実質的に類似の信号包絡線内で変調された。
【０１３５】
各信号を印加しながら、吸気一回換気量（tidal volume in）、呼気一回換気量（tidal volume out）、酸素飽和度とＣＯ２の生理学的パラメータを監視した。
【０１３６】
１つの代表的な調査による結果を下の表ＩＩ〜Ｖに示す。
【０１３７】
【表２】
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【０１３８】
【表３】
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【０１３９】
【表４】
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【０１４０】
【表５】
2009502449.tif 000006
【０１４１】
表ＩＩ〜Ｖから分かるように、一回換気量、酸素飽和度、および呼気終末二酸化炭素（ends tidal CO2）レベルは、信号伝達期間と伝達する信号の電圧によって変化する。この調査では、最大一回換気量は、８００ミリ秒で電圧が＋／−２５０ｍＶの信号で達成された。最大酸素レベルは、１．２秒で電圧が＋／−２３０ｍＶの信号で達成された。最小ＣＯ２レベルは、４００ミリ秒で電圧＋／−２００ｍＶの信号で達成された。
【０１４２】
従って、一回換気量を増減するか、酸素レベルを最大にするか、あるいは二酸化炭素濃度を最小にするか、これらの組み合わせのために、本発明の疑似神経電気符号化信号を修正して所望の結果を達成することができることは当業者に明らかであろう。
【０１４３】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は、様々な用途や状況に適応させるために本発明に様々な変更および修正を加えることができる。従って、そのような変更と修正は、適正且つ公正であり、さらに特許請求の範囲内にあるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１Ａ】身体から捕捉された呼吸器系の制御に有効な波形信号の図である。
【図１Ｂ】身体から捕捉された呼吸器系の制御に有効な波形信号の図である。
【図２】本発明による呼吸制御システムの一実施形態の概略図である。
【図３】本発明による呼吸制御システムの別の実施形態の概略図である。
【図４】本発明による呼吸制御システムの更に別の実施形態の概略図である。
【図５Ａ】本発明のプロセス手段によって生成された波形信号の図である。
【図５Ｂ】本発明のプロセス手段によって生成された波形信号の図である。
【図６】本発明による睡眠時無呼吸の治療に使用することができる呼吸制御システムの一実施形態の概略図である。
【図７】本発明による、呼吸器系の制御に有効な横隔神経から捕捉した波形信号およびそれと関連した信号包絡線を示す図である。
【図８】本発明の信号包絡線の一実施形態の図である。
【図９】本発明の疑似神経電気符号化信号の一実施形態の図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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