JP2003079732A - System for assisting respirating, swallowing and coughing function - Google Patents
System for assisting respirating, swallowing and coughing functionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、人工呼吸器や機能
的電気刺激装置に代表される呼吸補助装置の生理的かつ
整合的制御を行うためのシステムに関するものであり、
さらに具体的に言えば、人工ニューロンネットワークを
用いて呼吸・嚥下・咳機能補助装置を制御する技術に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system for physiologically and consistently controlling a breathing assistance device represented by a ventilator and a functional electrical stimulator.
More specifically, the present invention relates to a technique for controlling a breathing / swallowing / coughing function assisting device using an artificial neuron network.
【0002】[0002]
【従来の技術】呼吸を補助する手段としては、現在、広
く普及している陽圧式人工呼吸器と、比較的限られた患
者・病態に用いられる陰圧式人工呼吸器と、高位脊髄損
傷患者などに用いられている横隔膜ペーサー(機能的電
気刺激装置)がある。陽圧式人工呼吸器では制御対象は
気道内圧であるか、気道流速(およびその積分値である
換気量)であり、陰圧式人工呼吸器では陰圧チャンバー
内圧であり、横隔膜ペーサーにあっては刺激パルスであ
る。現在、脳梗塞・脳出血・脳腫瘍術後などの肺胞低換
気や筋萎縮性側索硬化症など神経変性疾患患者の呼吸の
確保には、一般的に気管切開・陽圧式人工呼吸が用いら
れている。2. Description of the Related Art As a means for assisting respiration, a positive pressure type ventilator which is widely used at present, a negative pressure type ventilator used for a relatively limited number of patients and pathological conditions, a patient with high spinal cord injury, etc. There is a diaphragm pacer (functional electrical stimulator) used in. In the positive pressure type ventilator, the controlled object is the airway pressure or the airway flow velocity (and its integrated value, the ventilation volume), and in the negative pressure type ventilator, the negative pressure chamber internal pressure, and in the diaphragm pacer, it is stimulated. It is a pulse. At present, tracheostomy and positive pressure artificial respiration are generally used to secure the respiration of patients with neurodegenerative diseases such as alveolar hypoventilation such as cerebral infarction, cerebral hemorrhage, postoperative brain tumor surgery, and amyotrophic lateral sclerosis. There is.
【0003】呼吸中枢出力は、単純な矩形波や三角波で
はなく、肺・胸郭の機械的特性に適合した非線形パルス
である。しかも、吸気時間・呼気時間・波形パターンと
いったものは、咳や嚥下といった非呼吸性運動によっ
て、またその入るタイミングによって柔軟に変化する。
例えば生理的には、水分や食物を嚥下する際には舌筋の
活動で水分や食物が咽頭へ押し込まれ、誤嚥を防ぐため
に吸息性呼吸ニューロンが抑制を受ける。The respiratory center output is not a simple rectangular wave or triangular wave, but a non-linear pulse adapted to the mechanical characteristics of the lung and thorax. Moreover, the inspiratory time, expiratory time, and waveform pattern flexibly change due to non-respiratory exercise such as coughing and swallowing, and the timing of entry.
For example, physiologically, when swallowing water or food, the activity of the tongue muscle pushes the water or food into the pharynx and suppresses inspiratory respiratory neurons to prevent aspiration.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のい
ずれの制御対象にあっても、現在の制御波形は、ほとん
どが矩形波であり、それ以外でも三角波か正弦波であっ
て呼吸中枢から出される生理的な神経インパルスとはか
け離れている。また、従来の呼吸補助装置には、嚥下時
に吸息性呼吸ニューロンを抑制する制御機構は存在しな
いし、咳反射については全く制御の対象とされておら
ず、喀痰や誤嚥した異物を排出させることができなかっ
た。このため、医療スタッフによる吸引チューブや気管
支ファイバースコープ(あるいは電子スコープ)による頻
回の吸引で気道内クリーニングを行ってきており、患者
にとっては多大な苦痛を伴うものであるし、たとえ疾患
の進行防止と運動や排便・排尿といった各種生理機能回
復に関する医療が進歩しても依然として行動範囲を限定
するものであった。However, in any of the above conventional control objects, most of the current control waveforms are rectangular waves, and in other cases, they are triangular waves or sine waves and are emitted from the respiratory center. It is far from the physiological nerve impulses. In addition, the conventional respiratory assistance device does not have a control mechanism that suppresses inspiratory respiratory neurons during swallowing, and is not subject to control of the cough reflex at all, and discharges sputum and aspirated foreign matter. I couldn't. For this reason, medical staff have been performing airway cleaning with frequent suction using a suction tube or bronchial fiberscope (or electronic scope), which is extremely painful for patients and even prevents disease progression. Even if medical treatments related to recovery of various physiological functions such as exercise, defecation and urination were advanced, the range of action was still limited.
【0005】それ故、この発明の第一の課題は、意識の
ある患者が長期間快適に装着できる呼吸・嚥下・咳機能
補助システムを提供することである。第二の課題は、様
々な疾患・傷害によって損なわれた呼吸・咳・嚥下機能
の補助を、整合性を失うことなく統合的かつ効果的に行
うことができるようなシステムを確立することである。Therefore, a first object of the present invention is to provide a breathing / swallowing / coughing function assisting system which a conscious patient can wear comfortably for a long period of time. The second challenge is to establish a system that can assist the respiratory, cough, and swallowing functions impaired by various diseases and injuries in an integrated and effective manner without losing consistency. .
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
に、この発明の呼吸・嚥下・咳機能補助システムは、呼
吸補助装置と、気管切開チューブを開閉する開閉機構
と、咽頭内圧を検出するセンサーと、被補助者による咳
反射の意思表示を入力する信号入力装置と、常時は生理
的な呼吸中枢出力に近い出力波形を生成し、センサーの
検出信号及び/又は信号入力装置の入力信号に応じて出
力波形を変化させ、呼吸補助装置の吸気操作又は呼気操
作と開閉機構の開閉度を制御する、アナログ回路、デジ
タル回路及びコンピュータプログラムのうちから選ばれ
る1種以上からなるコントローラとを備えることを特徴
とする。In order to solve the problem, a respiratory / swallow / cough function assisting system of the present invention detects a respiratory assist device, an opening / closing mechanism for opening and closing a tracheostomy tube, and a pharyngeal pressure. A sensor and a signal input device that inputs an indication of the cough reflex by the person being assisted, and an output waveform that is close to a physiological respiratory center output at all times is generated, and is used as a detection signal of the sensor and / or an input signal of the signal input device. A controller comprising at least one selected from an analog circuit, a digital circuit, and a computer program, which changes the output waveform in accordance with the operation, and controls the inspiratory operation or expiratory operation of the respiratory assistance device and the degree of opening / closing of the opening / closing mechanism. Is characterized by.
【0007】この発明において、呼吸補助装置は特に限
定されず、陽圧式呼吸器、陰圧式呼吸器、横隔膜ペーサ
ーなどの電気刺激装置のどれであってもよい。開閉機構
は例えば公知の電磁弁やシャッターである。コントロー
ラは、人工ニューロンネットワーク回路(以下、「ネッ
トワーク回路」)を実現したもので、比較的少数(5-10
個)のニューロン群がネットワークを構成しており、1
つのニューロン群内のニューロンが何百何千あろうと群
全体としてのプロパティのみを規定したもので、実際の
複雑なニューロンネットワークに近い振る舞いをする
(発表 Y. Oku and T.E. Dick, NeuroReport 6: 379-38
3, 1995)。In the present invention, the breathing assistance device is not particularly limited, and may be any of electrical stimulation devices such as positive pressure type respirator, negative pressure type respirator, and diaphragm pacer. The opening / closing mechanism is, for example, a known solenoid valve or shutter. The controller is an implementation of an artificial neuron network circuit (hereinafter "network circuit").
1) neurons form a network.
No matter how many neurons there are in one neuron group, there are hundreds or thousands of neurons, and only the properties of the entire group are specified, and it behaves like a real complex neuron network.
(Presentation Y. Oku and TE Dick, NeuroReport 6: 379-38
3, 1995).
【0008】この発明のシステムによれば、コントロー
ラが常時は生理的な呼吸中枢出力に近い出力波形に基づ
いて呼吸補助装置の呼吸操作及び開閉機構の開閉度を制
御し、生体の呼吸を補助する。センサーが咽頭内圧の上
昇を検出したときは、嚥下と判断し、その信号をコント
ローラに伝達し、コントローラが出力波形を変化させて
吸気操作を停止させる。また、被補助者が咳をしたいと
きはその意思表示を信号入力装置に入力する。According to the system of the present invention, the controller always controls the breathing operation of the breathing assistance device and the degree of opening / closing of the opening / closing mechanism based on the output waveform close to the physiological respiratory center output to assist the breathing of the living body. . When the sensor detects an increase in the pharyngeal pressure, it is determined to be swallowing, the signal is transmitted to the controller, and the controller changes the output waveform to stop the inspiration operation. Also, when the person who wants to cough, he / she inputs the intention indication to the signal input device.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】[ネットワーク回路の構成]n個
のニューロン群があり、それらが互いに興奮性又は抑制
性の結合をしているとする。ニューロン群j=1,・・・・,nの
群としての平均膜電位をuj、群としての出力(平均発
火頻度)をxj、減衰時定数をτ(=80ms)、第i群のニュ
ーロン群からの出力が第j群のニューロン群と結合する
時の結合荷重をwji、第j群のニューロン群がネットワ
ーク外部から受ける入力信号の総和をsj、興奮閾値を
hjとおくと、第j群のニューロン群の平均膜電位は、
τduj(t)/dt=-uj+Σwjixj(t)+sj(t)-hj
に従って決まり、出力は、
xj(t)=f(uj(t))
で決定される。fは閾値hjを越えるまでは0、hjを越
えると出力が出始め、単調増加で、ある値で飽和する非
線形飽和形のシグモイド関数である。ここでは、実装を
簡単にするためにhj=0とし、sj(t)=一定値Tjとす
る。fは例えば以下のように定義できる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION [Configuration of Network Circuit] It is assumed that there are n neuron groups, and they are mutually excitatory or inhibitory. The average membrane potential as a group of neuron groups j = 1, ..., N is u j , the output as a group (average firing rate) is x j , the decay time constant is τ (= 80 ms), and the i-th group Let w ji be the connection weight when the output from the neuron group is connected to the j-th group neuron group, s j be the sum of input signals received from the outside of the network by the j-th group neuron group, and h j be the excitation threshold. , The average membrane potential of the jth neuron group is determined according to τdu j (t) / dt = -u j + Σw ji x j (t) + s j (t) -h j , and the output is x j ( t) = f (u j (t)). f is a non-linear saturation type sigmoid function which is 0 until it exceeds the threshold value h j , and an output starts to be output when it exceeds h j , which monotonically increases and saturates at a certain value. Here, to simplify the implementation, h j = 0 and s j (t) = constant value T j . f can be defined as follows, for example.
【0010】f(x)=max(g(x),0)
g(x)=4/(1+e-1.8(x-2))-0.106
さらに、ある種の(後述のI-DEC及びE-DEC)ニューロン
群には、外部刺激が不変でも次第に膜電位が静止膜電位
に戻っていくという順化特性(accommodation property)
をもつと仮定する。この順化特性のモデル化は、順化特
性を持つ第1のニューロン群が結合荷重1で、比較的減
衰時定数の遅い(τ=1.6s)第2の仮想ニューロンと結合
しており、第2のニューロン群が結合荷重で第1のニュ
ーロン群にフィードバック結合しているとすることで実
現される。F (x) = max (g (x), 0) g (x) = 4 / (1 + e −1.8 (x−2) ) −0.106 Furthermore, a certain (I-DEC and E-DEC) accelmodification property that the membrane potential gradually returns to the resting membrane potential even when the external stimulus is unchanged.
Suppose that. In this modeling of the acclimation characteristic, the first neuron group having the acclimation characteristic has a connection weight of 1 and is connected to a second virtual neuron with a relatively slow decay time constant (τ = 1.6s). This is realized by assuming that the two neuron groups are feedback-coupled to the first neuron group by the coupling weight.
【0011】制御に用いるネットワーク回路は、図1に
示すように、呼吸リズムを形成するI-DEC・E-DEC・E-AU
Gの3つの脳幹固有ニューロン群と呼吸運動指令を横隔
膜に伝える一次運動ニューロン群I-AUGと3つの咳介在
ニューロン群(Cough Interneuron)の7ニューロン群
(上記の式でn=7)からなる。ニューロン群間の結合
部分において、●は抑制性結合を、○は興奮性の結合を
表す。The network circuit used for control is, as shown in FIG. 1, I-DEC / E-DEC / E-AU which forms a respiratory rhythm.
It consists of three brainstem proper neuron groups of G, a primary motor neuron group I-AUG which transmits respiratory motion command to the diaphragm, and three neuron groups of cough interneuron (n = 7 in the above formula). In the connection part between neuron groups, ● represents an inhibitory connection and ○ represents an excitatory connection.
【0012】I-DEC・E-DEC・E-AUGおよびI-AUGニューロ
ン群は実際の哺乳動物の脳幹内に存在しているニューロ
ンに対応しており、その名称は発火パターンに由来して
いる。例えば、I-DECは、吸気時に(Inspiratory)漸減性
の(DECrementing)発火をするニューロン群、E-AUGは、
呼気時に(Expiratory)漸増性の(AUGmenting)発火をする
ニューロン群である。公知の電気神経生理学的手法によ
ってI-DEC・E-DEC・E-AUGの3ニューロン群は互いに抑制
性の結合をしており、呼吸パターン形成の主要要素であ
ることがわかっている。また、I-AUGニューロン群はそ
れらの3ニューロン群と抑制性結合をしている。図1に
示したモデル呼吸ニューロン群(I-DEC・E-DEC・E-AUG
・I-AUG)間の結合も、神経生理学的知見に基づいてい
る。The I-DEC / E-DEC / E-AUG and I-AUG neuron groups correspond to neurons existing in the brain stem of an actual mammal, and their names are derived from the firing pattern. . For example, I-DEC is a group of neurons that emits (Inspiratory) tapering (DECrementing) during inspiration, and E-AUG is
It is a group of neurons that emits expiratory (AUGmenting) firing. It is known that the three neuronal groups of I-DEC, E-DEC, and E-AUG are inhibitoryly connected to each other by a known electro-neurophysiological method, and that they are major elements of respiratory pattern formation. In addition, the I-AUG neuron group is in inhibitory connection with these three neuron groups. The model respiratory neuron group shown in Fig. 1 (I-DEC, E-DEC, E-AUG
-I-AUG) binding is also based on neurophysiological findings.
【0013】また、腹筋群を支配する1次運動ニューロ
ンは、E-AUGニューロンと似た発火パターンを呈し、声
門閉鎖筋(M. Thyroarytenoid)の活動はE-DECニューロン
の活動に近似していることがわかっている。The primary motor neurons that control the abdominal muscle group exhibit a firing pattern similar to that of E-AUG neurons, and the activity of the glottal obturator muscle (M. Thyroarytenoid) is similar to that of E-DEC neurons. I know that.
【0014】ニューロン群間の結合強度を定量的に測定
する方法は、これまでのところ確立されていないが、3
つのニューロン群が抑制性の環状結合を有している場
合、すなわち、AがBを、BがCを、CがAを抑制しているよ
うな場合、適当に結合強度を決めてやれば、このネット
ワーク回路はどんなタイミングで外乱が入ろうと再び安
定した振動状態に戻る系すなわちリミット・サイクル振
動子となり得ることが理論的にわかっている。A method for quantitatively measuring the coupling strength between neuron groups has not been established so far.
If two neuron groups have inhibitory cyclic connections, that is, A suppresses B, B suppresses C, and C suppresses A, if the connection strength is appropriately determined, It is theoretically known that this network circuit can be a system that returns to a stable oscillation state, that is, a limit cycle oscillator, no matter what timing the disturbance enters.
【0015】I-DEC・E-DEC・E-AUGの3ニューロン群は、
実際、抑制性環状構造を有しており、電気神経生理学の
知見に基づいたニューロン群間結合に関して、適当に結
合荷重をを設定してシミュレーションを行うと、リミッ
ト・サイクル振動子となる。さらに、I-DEC・E-DECに順
化特性を持つと、I-DECニューロン群に自分自身にフィ
ードバックする自己興奮性結合を持つと仮定すると、ニ
ューロンの膜電位変化を実際のニューロンのそれに一層
近づけることができる。リミット・サイクル振動子に外
部刺激が入ると、振動サイクルが変化する。例えば、呼
吸運動の場合は、上喉頭神経の刺激によって、その刺激
のタイミングが吸気時ならば、吸気が終了して呼気に移
行するか、一時的に抑制されて吸気が延長し、刺激が呼
気時ならば呼気が延長したりする(以下、この特性を位
相応答(phase-resetting)特性という。)。この様にし
てモデル化されたネットワーク回路は、外部刺激に対す
る振る舞いが、哺乳動物呼吸中枢の実際の振る舞いに一
致している。外部刺激には少なくとも咽頭内圧センサー
の検出信号や信号入力装置の入力信号が含まれる。The three neuron groups of I-DEC, E-DEC, and E-AUG are
In fact, it has a suppressive ring structure, and regarding the coupling between neuron groups based on the findings of electroneurological physiology, when a simulation is performed by setting an appropriate coupling load, it becomes a limit cycle oscillator. Furthermore, assuming that the I-DEC and E-DEC have acclimation properties, assuming that the I-DEC neuron group has a self-excitatory connection that feeds back to itself, the change in the membrane potential of the neuron is further enhanced by that of the actual neuron. You can get closer. When the limit cycle oscillator receives an external stimulus, the vibration cycle changes. For example, in the case of respiratory movement, if the timing of the stimulation is inspiration due to stimulation of the superior laryngeal nerve, inspiration ends and transitions to exhalation, or it is temporarily suppressed and inspiration is extended, and stimulation is exhaled. Exhalation may be extended at times (hereinafter, this characteristic is referred to as a phase-resetting characteristic). In the network circuit modeled in this way, the behavior with respect to the external stimulus is consistent with the actual behavior of the mammalian respiratory center. The external stimulus includes at least the detection signal of the pharyngeal pressure sensor and the input signal of the signal input device.
【0016】咳中枢が呼吸中枢とどのような神経結合を
しているのかは、明らかではないが、咳をした時のネッ
トワーク回路の振る舞いに関しては報告がある(発表:
OkuY, Tanaka I, and Ezure K. Activity of bulbar re
spiratory neurons duringfictive coughing and swall
owing in the decerebrate cat. J. Physiol. Lond. 48
0: 309-324, 1994)。いま、咳を最初に引き起こすトリ
ガーとなる入力ニューロン群(膜特性は考えない)をCIN-
1、その刺激より咳パターンを形成するニューロン群をC
IN-2, CIN-3とする。CIN-2とCIN-3は同一の膜特性と同
一の呼吸ニューロンからの入力を受けるので、全く同一
の膜電位変化をするが、両者の違いは、CIN-2が抑制性
ニューロン群で呼吸ニューロン群に対して抑制性に働く
のに対し、CIN-3は興奮性ニューロン群で、咳運動の1
次運動ニューロン群であるという点である。この3つの
咳介在ニューロン群をネットワーク回路に加えることに
よって、このネットワーク回路の咳刺激に対する振る舞
いも、哺乳動物呼吸中枢の実際の振る舞いにある程度一
致させることができる。It is not clear what kind of nerve connection the cough center has with the respiratory center, but there is a report on the behavior of the network circuit when coughing (announcement:
OkuY, Tanaka I, and Ezure K. Activity of bulbar re
spiratory neurons duringfictive coughing and swall
owing in the decerebrate cat. J. Physiol. Lond. 48
0: 309-324, 1994). Now, the input neuron group (not considering the membrane property) that triggers the cough first is CIN-
1. C is the neuron group that forms a cough pattern from the stimulation
IN-2 and CIN-3. Since CIN-2 and CIN-3 receive the same membrane characteristics and input from the same respiratory neuron, they have exactly the same membrane potential changes, but the difference between them is that CIN-2 is a group of inhibitory neurons and respiratory neurons. CIN-3 is an excitatory neuron group that acts as an inhibitor of coughing, whereas
It is a group of secondary motor neurons. By adding these three cough interneurons to the network circuit, the behavior of the network circuit with respect to the cough stimulus can be matched to some extent with the actual behavior of the mammalian respiratory center.
【0017】嚥下反射は、食物などが咽頭腔に達して上
喉頭神経が刺激され、その興奮が脳幹部の嚥下中枢に伝
えられて起こるとされている。上喉頭神経の電気刺激
は、吸気時にはその吸気を一時的に抑制させるか、ある
いは完全に終了させて呼気に移行させる。また、呼気時
の電気刺激は、呼気を延長させる。そのことによって、
嚥下時、あるいは食物などが咽頭腔内にあるとき誤嚥を
効果的に防いでいるものと考えられる。このような、刺
激の入るタイミングによって変化する応答(位相応答)
は、図2に示すように上喉頭神経が上記の人工ニューロ
ンネットワークにおいてE-DECニューロン群を興奮させ
ると仮定すると、再現させることができる。The swallowing reflex is said to occur when food or the like reaches the pharyngeal cavity and stimulates the superior laryngeal nerve, and the excitement is transmitted to the swallowing center of the brain stem. The electrical stimulation of the superior laryngeal nerve either temporarily suppresses the inspiration during inspiration, or completely terminates it and shifts it to exhalation. In addition, the electric stimulation during exhalation prolongs exhalation. By that,
It is considered that aspiration is effectively prevented when swallowing or when food etc. is inside the pharyngeal cavity. Such a response that changes depending on the timing of stimulus (phase response)
Can be reproduced, assuming that the superior laryngeal nerve excites E-DEC neurons in the artificial neural network described above, as shown in FIG.
【0018】この様なネットワーク回路からリアルタイ
ムにシグナルを取り出すには、ネットワークをアナログ
又はデジタル回路でハードウエアとして構成してしまう
方法と、コンピュータプログラムに記述することによっ
てソフトウエアとして構成し、数値微分によってシグナ
ルを取り出す方法があるが、改変の容易さと言う点から
は、後者のほうが柔軟性がある。ここでは、上記のネッ
トワーク回路をC言語を用いて記述し、4次のRunge-Kut
ta法によってリアルタイムに数値解析して得られた出力
を示す。表1は、プログラムに用いたパラメータ値であ
る。図3に信号入力装置からの意思表示入力時のネット
ワーク回路の挙動を示す。In order to extract a signal from such a network circuit in real time, a method in which the network is configured by an analog or digital circuit as hardware and a method in which it is configured as software by describing it in a computer program and numerical differentiation is performed Although there is a method of extracting the signal, the latter is more flexible in terms of easy modification. Here, the above network circuit is described in C language, and the fourth-order Runge-Kut is used.
The output obtained by real-time numerical analysis by the ta method is shown. Table 1 shows the parameter values used in the program. FIG. 3 shows the behavior of the network circuit when the intention input is input from the signal input device.
【0019】[0019]
【表1】 [Table 1]
【0020】[ネットワーク回路のシステムへの実装]
システム全体の模式図を図4に示す。このシステムは、
呼吸補助装置1として横隔膜に取り付けられた横隔神経
電極1a及び同じく腹筋に取り付けられた腹筋電極1b
と、気管切開チューブ2に取り付けられて、そのチュー
ブを開閉する電磁弁3と、咽頭内圧を検出するセンサー
4と、咳の意思表示を入力する信号入力ボタン5と、体
内に埋め込まれたFESコントローラ6と、体外で患者
に保持される電池等の電力供給装置7とを備える。この
うち横隔神経電極1a及びFESコントローラ6は横隔
膜ペーサーに相当する機能を有する。[Implementation of network circuit on system]
A schematic diagram of the entire system is shown in FIG. This system
The phrenic nerve electrode 1a attached to the diaphragm and the abdominal muscle electrode 1b also attached to the abdominal muscle as the breathing assistance device 1.
A solenoid valve 3 attached to the tracheostomy tube 2 to open and close the tube, a sensor 4 for detecting the pressure inside the pharynx, a signal input button 5 for inputting an indication of intention to cough, and an FES controller embedded in the body. 6 and a power supply device 7 such as a battery held by the patient outside the body. Among them, the phrenic nerve electrode 1a and the FES controller 6 have a function corresponding to a diaphragm pacer.
【0021】FESコントローラ6には、常時は生理的
な呼吸中枢出力に近い出力波形を生成し、センサー4の
検出信号及び/又は信号入力ボタン5の入力信号に応じ
て出力波形を変化させ、その出力波形に基づいて、横隔
神経電極1a及び腹筋電極1bに通電し又は電磁弁の開
閉度を制御するネットワーク回路が組まれている。The FES controller 6 normally generates an output waveform close to the physiological respiratory center output, changes the output waveform according to the detection signal of the sensor 4 and / or the input signal of the signal input button 5, and On the basis of the output waveform, a network circuit is built to energize the phrenic nerve electrode 1a and the abdominal muscle electrode 1b or control the degree of opening / closing of the solenoid valve.
【0022】横隔神経電極1aの制御には、I-AUGニュ
ーロン群からの出力を用いる。この出力は、横隔神経活
動を反映しているので、I-AUGニューロン群からの出力
をDA変換した信号波形をエンベロープとするパルス波形
を制御信号として、横隔神経電極1aに通電し横隔膜を
電気刺激する。これにより吸気が補助される。尚、他の
呼吸補助装置の場合は、経時的に呼吸補助装置の換気量
変化をI-AUG波形に一致するよう制御すればよい。運動
時のようにさらに呼気の補助を要するときは、E-AUGニ
ューロン群からの出力をDA変換した信号波形をエンベロ
ープとするパルス波形を制御信号として、腹筋電極1b
に通電し腹筋を電気刺激する。但し、本システムを運動
時にも利用するときは加速度センサのように運動を検知
するセンサをシステムに組み合わせるのが好ましい。咳
の補助手段としては、CIN-3ニューロン群からの出力をD
A変換した信号波形をエンベロープとするパルス波形を
制御信号として、腹筋電極1bに通電し腹筋を電気刺激
する方法がある。この電極は腹筋に置くことに代えて腰
部脊髄に置いても良い。The output from the I-AUG neuron group is used to control the phrenic nerve electrode 1a. Since this output reflects phrenic nerve activity, the pulse waveform with the signal waveform obtained by DA conversion of the output from the I-AUG neuron group as an envelope is used as a control signal to energize the phrenic nerve electrode 1a to cause the diaphragm to pass through. Electrically stimulate. This assists the intake. In the case of other respiratory assistance devices, the change in the ventilation volume of the respiratory assistance device with time may be controlled so as to match the I-AUG waveform. When further exhalation assistance is required such as during exercise, the abdominal muscle electrode 1b is used as a control signal with a pulse waveform having a signal waveform obtained by DA conversion of the output from the E-AUG neuron group as an envelope.
To stimulate the abdominal muscles. However, when the present system is used also during exercise, it is preferable to combine a sensor for detecting exercise, such as an acceleration sensor, with the system. As an aid for coughing, the output from the CIN-3 neuron group is
There is a method of energizing the abdominal muscle electrode 1b to electrically stimulate the abdominal muscle using a pulse waveform having an A-converted signal waveform as an envelope as a control signal. This electrode may be placed on the lumbar spinal cord instead of on the abdominal muscle.
【0023】[声門の閉鎖]痰や異物を排出させる効果
的な咳反射をおこさせるためには、横隔膜筋・腹筋の制
御のほかに、咳の呼出相の最初で声門を閉鎖し、気道内
圧を高めてやる必要がある。いったん高まった気道内圧
が急速に大気圧に開放されることによって咳反射が起こ
るのである。この声門閉鎖の技術は、従来、機能的電気
刺激その他の方法によっても未だ確立されていない。こ
の発明では、気管切開チューブ2先端に電磁弁3を装着
し、信号入力ボタン5を押してCIN-1ニューロン群を興
奮させ、ネットワーク回路全体に作用してCIN-3ニュー
ロン群に出力させる指令を出し、その出力を利用して10
0-150msの間、電磁弁3を閉じることによって、咳の呼
出早期の声門閉鎖と同じ効果を得ることができる。[Glottic Closure] In order to cause an effective cough reflex that expels sputum and foreign substances, in addition to controlling the diaphragm muscles and abdominal muscles, the glottis is closed at the beginning of the cough calling phase to reduce airway pressure. Needs to be raised. The cough reflex occurs because the airway pressure once increased is rapidly released to atmospheric pressure. This glottic closure technique has not previously been established by functional electrical stimulation or other methods. In the present invention, the electromagnetic valve 3 is attached to the end of the tracheostomy tube 2, the signal input button 5 is pressed to excite the CIN-1 neuron group, and a command is issued to act on the entire network circuit and output to the CIN-3 neuron group. , Using its output 10
By closing the solenoid valve 3 for 0-150 ms, the same effect as the glottal closure in the early stage of coughing can be obtained.
【0024】また、嚥下時の誤嚥を防ぐための呼吸調節
(抑制)は、センサー4によって咽頭内圧の変化を電気信
号に変換し、嚥下活動を検出して、E-DECニューロンに
興奮性のフィードバックをさせることによって行える。
E-DECニューロンへの興奮性入力のネットワークに及ぼ
す総体的な影響は、吸気の抑制である。すなわち、吸気
相に入力が入れば図5のように吸気を終了させ呼気へ移
行させる効果、呼気相に入れば図6のように呼気を延長
させる効果がある。この方法によって、嚥下時に吸気動
作が起こって食物などを誤嚥する危険を軽減することが
できる。Respiratory control to prevent aspiration during swallowing
(Suppression) can be performed by converting a change in pharyngeal pressure into an electric signal by the sensor 4, detecting swallowing activity, and causing the E-DEC neuron to perform excitatory feedback.
The overall effect on the network of excitatory inputs to E-DEC neurons is inspiratory depression. That is, if an input is entered in the inspiratory phase, it has the effect of ending the inhalation and shifting to the expiratory breath as shown in FIG. 5, and if entering the expiratory phase, it has the effect of prolonging the exhaled breath as shown in FIG. This method can reduce the risk of inhalation of food or the like due to inhalation during swallowing.
【0025】[0025]
【実施例】ウサギを用いて、人工ニューロンネットワー
ク回路からの出力による横隔神経と腹筋の電気刺激を行
った結果を図7に示す。上段から、横隔神経刺激信号
(Phr; 実際はこの波形をエンベロープとしたパルス波
で刺激している。)、腹筋刺激信号(Abd)、気道流量
(Flow)を示す。気道流量の基準線より上が呼気相、下
が吸気相を示す。図中の咳刺激信号入力は、入力ボタン
5を押したときに相当する。図7より、人工ニューロン
ネットワーク回路からの出力で呼吸パターンと咳パター
ンが生成され、それによって横隔神経と腹筋神経の電気
刺激を行うことにより、呼吸及び咳を補助できたことが
判る。EXAMPLE FIG. 7 shows the result of electrical stimulation of the phrenic nerve and the abdominal muscle by the output from the artificial neuron network circuit using a rabbit. From the top, the phrenic nerve stimulation signal (Phr; actually stimulated by a pulse wave with this waveform as the envelope), abdominal muscle stimulation signal (Abd), and airway flow (Flow) are shown. The expiratory phase is shown above the reference line of the airway flow rate, and the inspiratory phase is shown below. The cough stimulation signal input in the figure corresponds to when the input button 5 is pressed. It can be seen from FIG. 7 that the breathing pattern and the cough pattern are generated by the output from the artificial neuron network circuit, and thereby the electrical stimulation of the phrenic nerve and the abdominal muscle nerve can assist the breathing and the cough.
【0026】[0026]
【発明の効果】本発明は、従来の人工呼吸器には全くな
かった咳・嚥下機能の補助手段を提供するものである。
さらに、従来、極めて狭い適応しか持たなかった横隔膜
ペーサーと組み合わせることによって、従来の人工呼吸
器よりはるかに小型・携帯性に優れた呼吸補助装置の開
発が可能となる。INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a means for assisting a coughing / swallowing function which has never been found in a conventional ventilator.
Furthermore, by combining it with a diaphragm pacer, which has conventionally only been very narrowly adapted, it becomes possible to develop a respiratory assist device that is much smaller and more portable than conventional ventilators.
【図1】 実施形態のシステムに用いる人工ネットワー
ク回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an artificial network circuit used in a system of an embodiment.
【図2】 上記人工ネットワーク回路における嚥下刺激
の入力位置を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an input position of a swallowing stimulus in the artificial network circuit.
【図3】 咳刺激時の上記人工ネットワーク回路の挙動
を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the behavior of the artificial network circuit during cough stimulation.
【図4】 実施形態のシステムを生体に装着した状態を
示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which the system of the embodiment is attached to a living body.
【図5】 吸気相に嚥下刺激を入力した時の上記人工ネ
ットワーク回路の挙動を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the behavior of the artificial network circuit when a swallowing stimulus is input in the inspiratory phase.
【図6】 呼気相に嚥下刺激を入力した時の上記人工ネ
ットワーク回路の挙動を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the behavior of the artificial network circuit when a swallowing stimulus is input in the expiratory phase.
【図7】 人工ネットワーク回路からの出力による電気
刺激を行ったときのウサギの気道流量を示すグラフであ
る。FIG. 7 is a graph showing the airway flow rate of rabbits when electrical stimulation is performed by the output from the artificial network circuit.
1a 横隔神経電極(呼吸補助装置) 1b 腹筋電極(呼吸補助装置) 2 気管切開チューブ 3 電磁弁 4 咽頭内圧センサー 5 信号入力ボタン 6 FESコントローラー 7 電力供給装置 1a Phrenic nerve electrode (respiratory assist device) 1b Abdominal muscle electrode (respiratory assist device) 2 tracheostomy tube 3 Solenoid valve 4 pharyngeal pressure sensor 5 Signal input button 6 FES controller 7 Power supply device
Claims (3)
置と、 常時は生理的な呼吸中枢出力に近い出力波形を生成し、
センサーの検出信号及び/又は信号入力装置の入力信号
に応じて出力波形を変化させ、呼吸補助装置の吸気操作
又は呼気操作と開閉機構の開閉度を制御する、アナログ
回路、デジタル回路及びコンピュータプログラムのうち
から選ばれる1種以上からなるコントローラとを備える
ことを特徴とする呼吸・嚥下・咳機能補助システム。1. A breathing assistance device, an opening / closing mechanism for opening and closing a tracheostomy tube, a sensor for detecting intrapharyngeal pressure, a signal input device for inputting an indication of intention of a cough reflex by a person being assisted, and a physiological input at all times. Generate an output waveform close to the respiratory center output,
An analog circuit, a digital circuit, and a computer program that change the output waveform according to the detection signal of the sensor and / or the input signal of the signal input device to control the inspiratory operation or expiratory operation of the respiratory assistance device and the degree of opening / closing of the opening / closing mechanism A breathing, swallowing, and coughing function assisting system, which is provided with a controller consisting of one or more kinds selected from among them.
に漸減性発火をするE-DECニューロン群及び呼気時に漸
増性発火をするE-AUGニューロン群の3つの脳幹固有ニ
ューロン群と、呼吸運動指令を横隔膜に伝える一次運動
ニューロン群I-AUGと、信号入力装置の入力信号に基づ
いて咳反射のトリガーとなるCIN-1ニューロン群、その
トリガーによって咳パターンを形成するとともに上記脳
幹固有ニューロン群に対して抑制性に働くCIN-2ニュー
ロン群及び興奮性に働くCIN-3ニューロン群の3つの咳
介在ニューロン群とからなる人工ニューロンネットワー
クを備え、 I-DEC、E-DEC及びE-AUGニューロン群は互いに抑制性の
結合をしており、I-AUGニューロン群はそれら3つのニ
ューロン群と抑制性結合をしており、I-DECニューロン
群は順化特性及び自己興奮性結合をもち、E-DECニュー
ロン群は順化特性をもつ請求項1に記載のシステム。2. The controller comprises three I-DEC neuron groups that gradually reduce firing during inspiration, an E-DEC neuron group that gradually reduces firing during exhalation, and an E-AUG neuron group that gradually fires during expiration. Brainstem proper neuron group, primary motor neuron group I-AUG that transmits respiratory movement commands to the diaphragm, CIN-1 neuron group that triggers cough reflex based on the input signal of the signal input device, and the cough pattern is formed by the trigger In addition, an artificial neuron network consisting of three cough interneurons, a CIN-2 neuron group acting inhibitory to the brain stem proper neuron group and a CIN-3 neuron group acting excitatory, is provided. -DEC and E-AUG neuron groups are inhibitoryly connected to each other, I-AUG neuron group is inhibitoryly connected to these three neuron groups, and I-DEC neuron group Acclimation characteristics and have a self-excitatory coupling system of claim 1 E-DEC neuron group with acclimatization characteristics.
電気刺激装置である請求項1に記載のシステム。3. The system of claim 1, wherein the breathing assistance device is an electrical stimulator such as a diaphragm pacer.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001277503A JP2003079732A (en) | 2001-09-13 | 2001-09-13 | System for assisting respirating, swallowing and coughing function |
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