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リードレス心臓ペースメーカーの体外通信の検討

リードレス心臓ペースメーカー（LCP）は, 心拍管理のための最先端技術となっています. MicroPort CRMでは, 数値シミュレーションを用いて, 多ノードのLCPシステム間の通信を最適化しています.

Dixita Patel 著
2021年 5月

近年のペースメーカー技術では, 電子機器の改良や電池の小型化などにより, リードレス心臓ペースメーカー（LCP）の開発が可能になっています. LCPは, 発電機と電極が一体化したカプセル型のシステムで, 故障の原因となるポケット型や経静脈型のリード線を必要としません. 現在市販されているLCPは, 心臓の1カ所でペースを上げるものですが, 単室以上の刺激が必要な患者には, マルチノードLCPシステム（図1）を使用することができます. マルチノードLCPシステムが正常に機能するためには, 植え込まれたすべての機器間の同期が必要です. しかし, 標準的に使用されている通信技術では, 消費電力やサイズの面で制約があり, 適さない場合があります.

システムと通信をより効率的にするために, マイクロポートCRMの研究者は, ガルバニック体外通信（IBC）を用いてシミュレーションを行い, これらの設計上の課題を調査しています. IBCは, デバイス間の通信を促進するために, 電力に最適化されたソリューションを提供し, マルチノードLCPシステムの同期化に貢献します.

LCPアプリケーション用体内通信トランシーバー

体内通信（Intrabody Communication: IBC）は,電極ペアを用いて体組織を介してインパルスを送信し, その信号を受信する第2の電極ペアに送る近距離通信方式です. この方法は, 超低消費電力で動作し, ペーシングに使用する電極が通信用の電界も提供するため, 追加のアンテナは必要ありません.

マイクロポートCRM社の電子技術者であるMirko Maldari氏のチームは, このようなタイプの通信チャネルの特性をさらに高めるための新しい方法を提案しました.「IBCでは,（コイルやアンテナの代わりに）電極を使って通信するので,消費電力とサイズの両方を最適化することができます」とMaldari氏は述べています. 今回の研究では, 図1に示すように, 心臓の右心房と右心室に埋め込まれた2つのカプセルからなるシステムを用いて, 生体内での研究が行われました. さらに, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを用いてチャネルの減衰を測定し, 組織内でどの程度の電力が散逸するかを推定しました.

シミュレーションによるIBCパスロスの解

マイクロポート社のチームは, 電子設計自動化企業であるSynopsys Inc.,と共同でSynopsys Simpleware™ ソフトウェアを使用し, COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアにインポート可能な人間の胴体のモデルを開発しました（図3）. このモデルは, IT'IS財団チューリッヒが検証したヒトのファントムで, 具体的には34歳の男性を表現したDukeモデルをベースにしています.

臓器,筋肉,骨,軟部組織,軟骨を含む幾何学的モデルを作成しました. COMSOL Multiphysics^® にインポートした後, 心筋と血液を区別するために, 心臓の部屋の近似版を構築しました. Maldari 氏は次のように述べています.「心筋と血液は電気的特性が異なるので, これらの特徴を含めることは, 私のアプリケーションにとって重要でした」.その後, COMSOL Multiphysics^®を用いて2つの同一のLCPカプセルを設計し, 心腔内チャネルの減衰レベルを推定しました.

カプセルは2つの異なる向きで解析され, いずれもチャネル距離は9cmでした. シミュレーションは，COMSOL Multiphysics^®のアドオン製品であるAC/DCモジュールの電流インターフェースを用いた準静力学的アプローチで行い，40KHzから20MHzの周波数範囲でチャネルの減衰を計算しました. 図4の結果は, ワーストケースシナリオ（垂直）とベストケースシナリオ（平行）の右心房（RA）カプセルの位置を示しています. ベストケースのシナリオでは，受信ダイポールにかかる差動電圧が高くなっています. 両シナリオの減衰レベルを図5に示しますが, その差は約11dBです. 40 kHzから20 MHzまでは, どちらのケースでも減衰量が5 dBほど減少しています. この結果から, Maldari氏とそのチームは, カプセルの相対的な位置と向きがチャネルの減衰に強く影響することを確認できました.

MicroPort社にとっては,プロトタイプを準備する前に, 減衰レベルを見積もることが重要でした.「研究者や科学者として, 我々は動物実験の量を減らそうとしています. シミュレーションによってそれが可能になりました」とMaldari氏は述べています. "シミュレーションはそれを可能にしてくれました. "シミュレーションは, 生体組織内の信号の挙動を実験的に調べる前に推定するための強力なツールです. シミュレーションを利用することで, ガルバニックIBC通信の正確なモデルを定義し, LCPシステム用のトランシーバーを最適化することができました.

IBCの今後の計画

マイクロポート社では, 今後さらに研究を進め, 電極サイズや双極子の長さなどの特定の入力パラメーターが, より完全な電界パラメーターセットに与える影響を解析する予定です. そうすれば, 拡張期と収縮期の間の減衰の違いを指摘するのに役立つでしょう. 現在, 研究者たちは, LCPの同期を目的とした超低消費電力の受信機の設計に取り組んでいます. この新しい受信機は, 二室型ペースメーカーに画期的な革新をもたらす可能性があります.