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第2730号 2007年4月30日


【寄稿】

脳低温管理の完全自動化へ
脳挫傷,脳梗塞,脳出血,心筋梗塞などに福音を願って

若松秀俊(東京医科歯科大学大学院教授・保健衛生学研究科)
大野喜久郎(東京医科歯科大学大学院教授・医歯学総合研究科)


 東京医科歯科大学の生体機能支援システムと関連教室の研究グループが高度な救命救急医療システムを開発した。これは全身生理状態の連続監視システムと連動した,急性脳障害の長期間にわたる低温治療のための脳温自動制御システムである。同大学倫理委員会で承認を得て,現在臨床応用試験の段階にある。

 脳を低温に一定期間維持することは急性脳障害の治療に有効であることが確認されているが,効果的な脳温を得るための全身冷却には免疫系や呼吸・循環系の正常機能を大きく侵襲する危険性があり,治療には精密な温度管理を要する。この,システム制御理論に基づいた厳密な脳温管理の完全自動化により,医療従事者の負担を軽減すると同時に,脳低温療法を「誰でもどこでも」受けられる治療法として普及させることが可能となり,救命救急医療や回復過程の医療だけでなく医療経済にも大きく貢献できると考えている。

 本研究グループでは,表面冷却法による速やかで精確な水冷,空冷の脳温制御システムを開発して臨床応用に備えていること,また空冷式では救急車に搭載したり,一般家庭でエアコンと組み合わせて医師不在の場合にも十分に対応できることを紹介し,同時にこの医療分野の臨床専門家による多方面からの諸々のご支援を願うものである。

医学的観点から

 林成之博士らによって確立された脳低温療法は,頭部外傷や虚血性脳疾患など脳に重度の障害を受けたとき,冷却により神経細胞の二次的な壊死を防ぐ治療法である。これによって,多くの場合死に至った患者が後遺症も少なく多数蘇生し,近年では心停止患者の治療にも応用されている。この方法は,ホルモンバランスや脳血流,酸素供給など脳温と脳圧などに影響を及ぼすあらゆる因子を視野に入れた全身状態の管理である。その中で,脳の重度障害時に脳温を数日から数週間にわたって32―34℃に冷却することにより,主としてエネルギー不全細胞死の抑制と神経内分泌過剰反応の抑制が認められている。前者についてはCa2+の恒常性の改善,フリーラジカルの作用抑制,抗アポトーシス物質の活性化,ドーパミンA10神経群障害の抑制によるものである。後者については,視床下部―下垂体―副腎系の過剰反応によるカテコールアミン過剰に起因する障害脳細胞の回復阻害である。ところで,32℃以下の低体温ではエネルギー代謝低下による障害細胞の回復阻害や循環系不全の危険性がある。したがって,二次的障害の防止と回復効果のある脳低温を精確に保つうえで,生理的に安全な範囲内の体温制御によってのみ救命率向上が保証される。すなわち,そのシステムの性能如何によっては生命の危険に直結しかねない困難な制御でもある。

工学的観点から

 脳温は,カテーテルが脳組織に挿入されていれば直接,それ以外では鼓膜温を自動測定するが,併せて深部体温も測定する。自動制御系の構成については患者の内外の環境変化に対して制御則を変えることができる適応制御と,医療従事者の経験や知識を反映できるファジー制御を用いた。いずれの場合にも脳温の目標値や,ブランケットの接触具合,内部発熱量,室温などの環境変化だけでなく,患者の生理状態の変化,個体差による違いを克服できることが基本になる。このシステムは,上記の制御アルゴリズムを用いて適切な冷却水温を刻々と算出・調節するものである。したがって,まったく人手を介さず,医師が与えた臨床的に望ましい目標温度に,脳温を長時間にわたって制御することが期待できる。

概念的汎用性

 患者の全身を冷却する脳低温療法は,従来は多くの人手と患者の詳細な観察によってのみ,適正に行うことが可能であった。これに要する労力と費用を考慮した救命率の向上,後遺症の抑制などを実現する脳低温療法の普及は脳死・臓器移植にも大きな関連があり,この種の医療の見直しなどの学問的重要性をも内包している。本方法は熱伝導過程の理論的考察から身体各部の温度分布と脳組織における冷却作用の関係の知見に基づいており,自動制御の様子は脳温管理モニタで表示され,その経過を確認できる。加えて,脳低温療法と同様の原理で,呼気ガス濃度を望ましい目標値に設定するだけで,呼吸管理の自動化が可能なシステムもすでに開発している。すなわち,全身麻酔下でまったく人手を掛けずに長期間にわたって目標値の許容範囲内に呼吸動態の自動制御をするものである。

 また,同様の観点から脳圧制御を手がけ,脳圧降下薬剤の投与量と時期の最適自動制御の実現を図っている。全身麻酔下で行う脳低温療法の生理状態の判断のために,呼吸ガス濃度,動脈血酸素飽和度,心電図,血圧,体温などの状態を集約して全身状態を平明に表示し,異常時に警報を発生するシステムも現在研究中である。

 患者の個体差や個別性が医学の基本で不可侵の概念である中で,この方法の実現性は周囲からの理解が長い間得られなかった。当然のことながら生体内に存在する,内部の構造を含む代謝循環システムなどの個体差は避けがたい事実である。にもかかわらず,本システムは内外に存在するすべての熱的変化を反映する物理的環境変化を検知しながら,制御システムの設計を刻々繰り返し行うことによってマクロ的にその目標値を実現するものである。すなわち表現上は語弊を免れ得ないが,内部の変化が量子力学に対応するとすれば,全体に現れる変化を総体として扱うニュートン力学に対応する手法といえるものであろう。

今後の展望

 脳低温療法の臨床応用には,冷却部位や冷却深度などの未知の特性を含め,生理学的に適切な脳温制御法の新たな発見や,代謝に本質的関連をもつ体温管理とそれらに関する新しい医学的知見が期待される。臨床応用試験の段階にある水冷式システムに加え,空冷式システムも同様の域にあり,軽量かつ高効率の脳温自動管理に連なるので,施設内だけでなく救急車内など搬送中の脳低温療法の迅速導入が期待できる。その他,新生児仮死,循環不全による酸素欠乏症,手術中および予後改善などにも大きな期待がもてる。


若松秀俊氏
1972年横浜国大工学研究科修士課程修了。同年東医歯大助手,足利工大助教授,福井大教授を経て,92年より現職。工学博士。生体機能システム制御,医療福祉看護情報システムの研究に従事。電子機器制御装置と関連ソフトウェアの開発により工学の理論と技術を臨床の種々の場面に応用し,これからの医療・看護のあり方を模索している。