人工心臓は、現在では心臓移植へのブリッジとして、また開心術後の補助心臓として日常的に臨床応用されるに至っているが、完全人工心臓の制御法に関しては未だ確立された方法がない.現在までに行われてきた制御方法においては、心拍出量を正常範囲に保つ方法や動脈圧を一定に保つという方法で長期の生存が得られているが、これらの制御法では循環制御系の応答を適切に反映できず、慢性動物実験では中心静脈圧の上昇など循環系パラメータに異常がみられ、また運動時の制御法に関しても生体の要求を十分反映しえないなどの問題点があるため、現在までに生理的な制御は実現していない.

　本研究は、末梢血管抵抗の逆数(1/R)を基本入力とした完全人工心臓の新しい自動制御法(1/R制御)により完全人工心臓の生理的な制御を実現させることを目的とした.

　従来の制御法は、生体の要求量を反映すると考えられる循環系パラメータに一定の目標値を設定し、その目標値を満足するように人工心臓を駆動する方法であるのに対し、本研究で提唱する制御方法は、人工心臓を装着した生体自身に人工心臓を制御させようとするものである.すなわち、生体自身が人工心臓を制御することができれば、生体の状態により制御目標値は自動的に変更されるからである.生体が循環系を制御するために直接操作可能なパラメータには、心拍数、一回拍出量(収縮力)および末梢血管抵抗の3つがあるが、完全人工心臓においては末梢血管抵抗のみとなる.本研究では、末梢血管抵抗の逆数(1/R:コンダクタンス)を基本入力とした制御方法(1/R制御)により、生体が末梢血管抵抗を操作することにより自身で心拍出量や動脈圧を操作できるような制御法を実現させることを試みた.

　1/R制御で、長期的にも安定した制御が可能であることが慢性動物実験により示され、最長360日の生存(1993年7月19日現在、空気圧駆動式完全人工心臓の動物実験としては世界最長生存記録)を得ることができた.

　血行動態を比較してみると、固定駆動では大動脈圧と右心房圧の上昇がみられたが、1/R制御ではそれらの異常はみられず、長期的にも生理的な値を維持していた.また、固定駆動では心拍出量はほぼ一定に保たれており、その変動が非常に少ないに対して、1/R制御では、自然心臓と同様に、心拍出量は生体の状態により絶えず変動し、その変動状態も自然心臓と同様となっていた.上半身と下半身の血流量をみると、固定駆動では、上半身と下半身で一定の心拍出量を奪い合っているような関係となっていたが、1/R制御では、自然心臓と同様に、心拍出量は上半身や下半身の要求量を反映して変動していた.さらに、運動負荷を与えると、心拍出量は自動的に増加し、このときの拍動数増加率のプロファイルは自然心臓における心拍数増加率のそれらとほぼ同様であり、人工心臓の最大拍出量までは、1/R制御が自然心臓に匹敵する制御性を持っていることがわかった.また、1/R制御では、生化学データやホルモン値に異常はみられず、長期制御例では貧血も改善し、心拍出量がヘマトクリット値の低下に伴い増加するという生理的な関係がみられた.このような完全人工心臓の生理的な制御法は従来にはないものであり、また、日常動作時から運動時までの調節を一つの制御ロジックで実現した、完全な自動制御法も従来にはなく、いずれも本研究が最初の成功例である.

　1/R制御関数は、循環系パラメータを入力として目標心拍出量を出力する関数であるが、関数のみでは心拍出量や大動脈圧の絶対値を決定できないOpen loop関数である.この関数で心拍出量や大動脈圧は生理的な値に保たれ、かつ長期的にも制御が安定していたことから、制御は心臓が切除された生体に残存する制御系を利用してClosed loopとなっていることがわかる.これより、1/R制御は、フィードバック経路の主要部分を生体側が受け持った特殊なフィードバック制御であり、1/R制御関数はそのフィードバック経路の一部を形成するだけの関数であると考えられる.また、1/R制御関数は、(1)個体差に左右されない関数である、(2)生理的パラメータで記述された汎用関数であるため、基本的にはどのような人工心臓にも応用可能である、という特色を持つ.

　以上より、1/R制御は、従来の完全人工心臓の制御法と比較して格段に優れた自動制御法であり、また現時点においては自然心臓の制御に最も近い制御法である.1/R制御を含めた自動制御の問題点としては、計測系に関係したトラブルが無視できないため、実用化のためには計測系に関する改善が必要である.