触覚センサーの原理は以下の通りである。物体はすべて固有の振動数(固有振動周波数)を有している。一定の共振周波数f0で振動している物体がある別の物体Xに接触すると、周波数が変化し新たな共振周波数fxで振動する。この変化はf(Hz)として表現され、音響工学上、物質の硬さと密接な関係を持つとされる。我々の開発した触覚センサーはこの共振周波数の変化f(Hz)を測定しており、以下の較正直線式により絶対値であるstiffness(gram/mm²)に変換される。

　stiffness(gram/mm²)＝10^∧{(f(Hz)+991.24)/13344.21}

　センサーは、直径7mm、長さ5.5cm、重さ2.1gの筒状で、径3mmの圧電セラミックと検出素子が一体化してセンサーを構成している。本センサーの計測可能深度は約10mmで、f(Hz)をfrequency counterによって毎秒148回、計測することが可能である。計測方法は、直径9mm、長さ3cmのプラスチック製のチューブを架台に固定し、その中にセンサーを通して心臓面に垂直に接触させる。センサーが拍動する心臓に追随して、チューブの中で上下に滑らかにスライドするように、チューブの位置を調節する。

　実験動物として雑種成犬10頭を用い、左開胸下に心嚢を切開し、心膜をつり上げて心臓を露出した。心尖部より左室圧測定用の4F micromanometer-tippedカテーテルと左心室容積測定用の7F volume conductanceカテーテルを挿入し、左心室内に留置した。センサーを左心室表面、左冠状動脈第一対角枝と第二対角枝の間の一定点に接触させた。心筋stiffnessの心拍周期における変化を記録するとともに左室圧および左室容積と心筋stiffnessの関係を検討した。また、心筋stiffnessと左室容積との関係をプロットしたStiffness-Volume loop(S-V loop)を求めた。

　実験1.で使用した雑種成犬10頭を用い、胸腔内下大静脈に閉塞用バルーンを留置した。下大静脈閉塞により左室容積を変化させたところ、心筋stiffnessは容積の減少に伴い減少した。S-V loopは左室容積減少により、左下方へ移動し、左室容積減少に伴う収縮末期stiffnessの変化はほぼ直線を形成した。この直線の傾きをSmax(gram/mm²/mL)と定義した。SmaxとEmaxとの相関を検討することでSmaxと局所elastanceとの関係を明らかにすることとした。10頭中5頭では、正常状態で計測後、propranololの総投与量0.25、0.5、0.75、1.0、1.5mg/kgの各条件下で、EmaxとSmaxを求めた。残りの5頭では、正常状態で計測後、dobutamine1.0、3.0、5.0g/kg/minの持続静注下でEmaxとSmaxを求めた。dobutamine投与中止後、propranolol総投与量0.25、0.5、0.75、1.0mg/kgの各条件下でEmaxとSmaxを求めた。これら10頭の成犬について、各条件下でのEmaxとSmaxの相関を検討した。

　雑種成犬5頭を用い、実験1.および2.と同様に麻酔、開胸を行った。正常状態で計測後、dobutamineを5.0g/kg/minで投与し、左室圧と左室容積とともにstiffnessを経時的に計測した。dobutamineの持続静注中止後、propranolol0.25mg/kgを緩徐に静注し、同様に計測した。

　雑種成犬6頭を用い、冠状動脈左前下行枝の第一対角枝を分枝する末梢側で狭窄を作製した。センサーを左冠状動脈前下行枝と第2対角枝の間の左前下行枝支配領域に接触させた。虚血作製前後での経時的な心筋stiffnessの変化を計測し、虚血作製前後の収縮期末と拡張期末のstiffnessを比較検討した。

　stiffnessは収縮期に上昇し、拡張期に低下するが、収縮期末に大きくなる傾向を示した(図1.)。心筋stiffnessと左室容積との関係をプロットしたS-V loopはPressure-Volume Loopと同様に矩形を示した。正常状態での収縮期末stiffnessは2.38+/-0.22gram/mm²で、拡張期末stiffnessは1.30+/-0.16gram/mm²であった。

図1.心筋stiffnessと左室圧の経時的変化 stiffnessと左室容積の関係(S-V loop)

　成犬10頭のEmaxとSmaxの相関は、各々相関係数0.982、0.985、0.986、0.986、0.973、0.955、0.976、0.983、0.934、0.930といずれも高い相関が得られた。10例全体のEmaxとSmaxの相関関係では相関係数0.889(p<0.0001)と高い相関が得られた(図2.)。

図2.全例のSmaxとEmaxの相関関係

　正常状態での収縮期末stiffnessは2.43+/-0.20gram/mm²で、拡張期末は1.32+/-0.17gram/mm²であった。dobutamine5.0g/kg/min投与での収縮末期stiffnessは3.36+/-0.15gram/mm²で正常状態に比して有意に増大した(p<0.01)。拡張末期stiffnessは1.20+/-0.25gram/mm²で有意差は認めなかった。propranolol2.5mg/kg投与下の収縮末期stiffnessは1.96+/-0.18gram/mm²で正常状態に比して有意に減少した(p<0.01)。拡張末期stiffnessは1.35+/-0.19gram/mm²で有意差は認めなかった。

　虚血前後の左室圧はほとんど変化しなかったが、収縮末期stiffnessは、虚血前が2.74+/-0.49gram/mm²に対して、虚血後が2.18+/-0.46gram/mm²で有意に減少していた(p<0.01)。拡張末期stiffnessは、虚血前が1.03+/-0.25gram/mm²に対して、虚血後が1.28+/-0.26gram/mm²で有意に増大していた(p<0.01)。