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人工心臓制御のための迷走神経情報の解析
(Analysis of vagal nerve information for the control of artificial heart system)

松本 直樹

(指導教員:満渕 邦彦 教授,星野 隆行 講師/システム情報第七研究室

研究概要

心不全患者の数は年々増加しており、ドナー数は不足している。そのため体内埋め込み型の人工心臓を実現することが必要であると考えられている。現在人工心臓はハードウェア面では大きな進歩が認められているが、生理的な人工心臓の駆動条件を決める制御技術に関しては、未だ十分な生存期間は達成するものは開発されていない。本研究では新たな制御方法として神経インターフェースを用いた制御法を提案し、脳から自然心へと走行する迷走神経の信号を用いた制御法を確立するために左右の迷走神経の信号が心臓の制御にどのように関与しているか調べる基礎的な計測実験と解析をおこなった。まず、補助人工心臓装着ヤギの左頸部迷走神経から電位を計測し大動脈圧との相互相関を求めた。その結果、大動脈圧の上昇に遅れて、相互相関係数のピークが見られた。このことから、補助人工心臓装着後も心臓に関連した迷走神経信号が計測されることがわかる。次に、wistar種ラットの左右頸部迷走神経の計測と心電信号の同時計測を行い、迷走神経信号と心周期との相関を求めた。その結果、心周期の延長に先行して右迷走神経の計測電位の増加が見られた。また、左迷走神経信号では心周期に対応した変化は見られなかった。このことから、右迷走神経には心臓の活動を抑制し心周期を延長させる情報が出力されていることが示唆される。次に、ヤギの左頸部迷走神経を単離し、大動脈圧と迷走神経信号の同時計測を試みた。この結果、大動脈圧が上昇した際、計測電位も上昇していることがわかった。このことから、大動脈圧の増加に対しそれを抑制する迷走神経信号が出力されていることが示唆される。以上のことから、左右迷走神経から信号を抽出し人工心臓を制御しうる可能性があると考えられる。

Abstract

Patients with heart failure are increasing while there are not enough heart donors for them. They require artificial heart (AH) devices to survive. It is desired to control AH devices with much information concerning the physical condition such as heart rates and amounts of blood flow. In this research, a control method for implantable artificial hearts were investigated. Our proposal is to use neural information on the vagal nerves. The vagal nerve, connecting between the brain and the heart, was supposed to be promising to contain rich information for AH controls. First, the vagal nerve signals from a goat with an implantable ventricular assist device (VAD) was measured, applying a pair of hook electrodes to the left vagal nerve trunk at the neck. As we estimated a mutual correlation between amplitudes of the neural signals and the aortal pressure, a correlation peak was found at 200 ms lag of time, suggesting the neural signals contain a component which represents the information of the aortal pressure. Then, the bilateral vagal nerve activities were recorded from 2 Wistar rats. The right vagal nerve increased their activities prior to the elongation of the cardiac cycle. This suggests that the signal of right vagal nerve had information which controls the cardiac function by elongating cardiac cycle. Finally, an experiment to measure left vagal nerve potentials of a goat was performed. There was a significant correlation between electrode could potentials and the arterial pressure. These results suggest that vagal nerve signal provide good information for AH control.
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