JP2000508194A - インピーダンス心拍動記録法を利用した血行力学パラメータの非侵襲性モニタリング - Google Patents

インピーダンス心拍動記録法を利用した血行力学パラメータの非侵襲性モニタリング

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Abstract

(57)【要約】 胸部バイオインピーダンス信号及び心電図から、心拍数、心拍動一回拍出量及び心拍出量を決定するための方法及び装置。特殊なバイオインピーダンス電極配置を用いる。更に、ひずみを識別して実際の測定時にこれを補正するために、測定即ち検知電極を通して洞様血管テスト信号を用いることによって、バイオインピーダンス信号のゲインフェーズ周波数ひずみを補正する。時間導関数のバイオインピーダンス信号を用い、パワースペクトラムを算出して、心拍数の調波を強調するために新規のオートコンボリューション手順を用いる。患者の心臓サイクルを示していない呼吸波形及びその他の信号は、除去される。バイオインピーダンス信号から左心室駆出時間が求められる。また、心拍動一回拍出量を求めて心拍出量を求めるために、キュービチェック(Kubicek)の式の改良バージョンを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】 インピーダンス心拍動記録法を利用した 血行力学パラメータの非侵襲性モニタリング 技術分野 本発明は一般に、心臓モニタリングに関するものであり、詳細には、左心室の 拍出の開始を正確に検出する胸部バイオインピーダンスと心電図(ECG)信号の 検出および複雑な分析による心拍数(HR)、心拍動一回拍出量(SV)、および心 拍出量(CO)の決定に関するものである。 背景技術 心拍数とは、1分間に心臓が鼓動する回数である。心拍動一回拍出量とは、各 心拍動中にポンピングされる血液の量である。心拍出量とは、1分間にポンピン グされる血液の量であり、一般にカーディアック・フィットネスにおいて最も重 要な尺度であると考えられる。心臓病の診断、患者の総体的な健康の検査、最適 な治療法の決定、そして心臓活動の突然の低下を迅速に発見するために、医師は こういった心臓パラメータに頻繁に頼らなければならない。 心拍出量と、その他の心臓パラメータを測定する現存の方法は、侵襲性および 非侵襲性の2つのカテゴリーに分けることができる。侵襲性の方法では、喉にカ テーテルを導入するというような、専門医による患者の身体への測定装置の挿入 が必要であり、医師、患者の両方にとって不都合が多い。患者はしばしば、かな りの痛みと不快さに耐えなければならず、医師は比較的複雑な処置を施す必要が あり、また、感染性の血液に触る危険に晒される場合もある。現在利用されてい る非侵襲性方法は非常に進歩したものではあるが、それでもまだ著しい欠点を残 している。この方法の殆どが、心臓パラメータを計算するために超音波、心音記 録法、または電気的バイオインピーダンスを利用して測定をする。 バイオインピーダンス測定を採用した方法では、患者の皮膚(主に胸部範囲) に複数の電極を取付け、この電極のいくつかより患者の身体に高周波数、低板幅 の電流を流し、時間に対する患者の細胞の電気インピーダンスの変化を測定し、 電気インピーダンスの変化と心臓パラメータの変化との相互関係を示す。 患者の身体への電極の配置方法は、極限の心臓パラメータ測定の関連する正確 性において重要な役割を果たす。様々な解剖学的要因により、バイオインピーダ ンスの変化と心臓パラメータの変化との間の最適な相互関係を得るためには、電 極を身体の一定の位置に配置しなくてはならない。現在利用されている電極配置 の多くは、胸廓にかかる電位の線(line)が追従する路(paths)を十分に考慮して いないため、心臓測定においてひずみが生じてしまう。さらに、いくつかの電極 配置では、例えば、各々が帯域"n"を設けた影響帯電極A、Bおよび測定帯電極 C、Dといった帯電極を必要とする(第1図参照)。概して、これらの帯電極は ベルト状に患者に巻きつけられ、さらに患者への接近が制限されてしまうため、 蘇生処置中には特に不都合な状態となる。また、首および胸部に配置した場合に は、帯電極は呼吸に伴う動きによって非常に使い難くなってしまう。 恐らく、現存のバイオインピーダンス方法に伴う最も顕著な問題は、バイオイ ンピーダンス測定からの心臓パラメータの不正確な数学的誘導であろう。心室拍 出時間(VET)は、心拍の収縮-拡張周期中における大動脈弁の開放、閉塞間の時 間の測定値であり、これは心拍出量の決定における中間段階として計算されるべ きである。従来技術では、心室拍出時間の決定方法について十分に詳しく示唆し ていない。さらに従来技術では、VETは単一のものではないという事実を考慮し ていない。実際には左VETと右VETとがある。時間導関数(タイム・デリバティブ )インピーダンス信号は、左心室により拍出されたピークにある大動脈血流と比 例するということがわかっている。殆どの患者の場合、左VETと右VETの測定値は 一般に非常に近いが、それでも現在利用されている方法では、左右VETの測定値 間のほんの少しの差によってもバイオインピーダンス解読に誤差を生じてしまう 。 さらに、拍出開始時間の典型的なアルゴリズムは緻密であり、休息中の健康な 患者にのみ有効である。身体トレーニングを受けていたり他の物理的ストレス下 にある患者、または集中治療室に入っている重病患者では正確な数値が得られな い。 バイオインピーダンス信号から一回拍出量を導く従来の方程式はKubicek方程 式として知られており、以下に示す通りである。 SV=R(L/Z0)2・ΔZ ここで、SVは心拍動一回拍出量、Rは血液の抵抗性、Lは内外の電圧感知電極間 の距離、Z0は内部電圧感知電極から決定された平均胸部インピーダンス、そして 、ΔZは血液流入によるインピーダンスの変化を示し、この値のKubicekの推定は 、 ΔZ=(VET)・(dZ/dt)max ここで、VETは左右の心室拍出時間の合計、(dZ/dt)maxは時間微分したインピー ダンス信号の最大負性傾斜変化を示す。バイオインピーダンス心臓モニタリング システムの殆どは、Kubicek方程式の同じ形式を使っている。 しかし、さらに改善をしなくては、Kubicek方程式からは頻繁に不正確な測定 値が出てしまう。これは一部には、両心室がインピーダンスの変化に貢献する事 実のためであり、そのためKubicek方程式によって算出された拍出時間(VET)は 、特に具体的には左の重要な心室と関連することができない。同時に、強力な左 右心室の異時性が観測されると、KubicekのΔZ推定値は無効になる。その結果、 KubicekのSV計算はしばしば実際の一回拍出量と、等しくはないが、比例するた め、相互関連する定数を掛けなければならない。さらに従来技術では、患者のヘ マトクリット(赤血球算定)の波動に従ってRを調整する方法を開示し ていない。輸血を受けている患者の場合、Rの調整は特に重要である。 多くのバイオインピーダンス心拍動記録方法では、呼吸がバイオインピーダン ス信号を干渉してしまうため、患者は各測定の最中に呼吸を止める必要がある。 このような方法はある患者にとっては不都合であり、意識のない患者、または呼 吸を止めることができない患者にとっては無益である。さらに最新の方法には、 信号処理能力を備えているため、信号を拡張し、呼吸の影響を識別し、エラーを 最終計算に入れないように欠陥信号を除去することができるものもある。効果的 な信号処理は、一般にバイオインピーダンス心拍動記録法において正確性を保証 する鍵であり、この領域における改良はこの技術に著しい進歩をもたらす。 発明の開示 本発明は、バイオインピーダンス心拍動記録法と心電図撮影法とを新規に組合 せた、血行力学パラメータを測定する方法を開示するものであり、この方法によ り専門医は、患者の心臓活動の正確でかなり連続的な検査結果を得ることができ る。好ましくは10回以上の心拍といった、共通の時間インターバルにかけて、バ イオインピーダンスの信号と心電図の信号を測定した。 本発明の装置は、患者の皮膚の表面に配置して患者の胸部にかけて高周波数、 低振幅の電流を生じ、バイオインピーダンスの変化を測定するための、一連のス ポット電極を使用している。開示した電極配置は、体内の電位電力線の生理学的 配置を利用している。 同時に本発明の方法では、測定したバイオインピーダンス信号からの拍出時間 の検出をより正確にするために、心電図撮影法を利用することもできる。心電図 撮影は、心電図撮影法として既知のいかなる標準位置でも行える。患者の皮膚に 配置する電極の総数を減らすために、本発明ではバイオインピーダンスとECG 測定で使用するのと同セットの電極を使用することができる(第6B図参照)。 本発明は、赤血球算定の変化に従って、また、異なる患者の身体的構成の違い に従って、心臓パラメーターの計算を連続的に調整する段階を採用することがで きるため、様々に異なる状況において正確性を欠くことなく利用できる。 さらに、本発明は改良されたバイオインピーダンス信号処理方法を備えている 。この方法では、心臓パラメータの正確な結果を得られるようバイオインピーダ ンス信号と心電図撮影の両方を様々な方法で分析するために、コンピュータシス テムを採用することもできる。このコンピュータシステムは、バイオインピーダ ンスとECGの測定に使用する変換器によって生じた利得位相周波数特性を修正す るために利用される。コンピュータシステムは正弦試験曲線を変換器受信機へと 通信し、次に、受信機によって生じた利得位相周波数のひずみを測定、記録する 。変換器を介してコンピュータシステムが受信した「実際の」バイオインピーダ ンス信号はフィルタを通過し、変換器の特性ひずみと、呼吸および動作の物理的 現象とが除去される。利得周波数反応と位相周波数反応の正確性は、5%以内で 修正が可能である。 本発明はさらに、バイオインピーダンス信号計算の改善に利用するQRS複体( 特性心拍波形)とチェックポイント位置を決定するためのECG信号の信号処理方 法を設けている。信号処理は、測定したECG信号のサンプリングと、QRS複体の位 置を強調するフィルタリングとを含んでいてもよい。ピークピーク(peak-to-pe ak)振幅が記録され、しきい値振幅が計算される。しきい値振幅を使って無欠陥 のQES複体が選択される。最終的に、選択された事象についての追加分析が行わ れて、チェックポイント位置が決定する。 本発明のコンピュータシステムは時間導関数バイオインピーダンス信号を導き 、メモリに記憶する。時間導関数バイオインピーダンス信号によって生じた曲線 は時間に関連して図形に描かれ、連続した心周期を呈する。バイオインピーダン ス信号のパワースペクトルは離散的なフーリエ変換で計算され、患者の心拍数を 推定するため、また、各心周期の前部(fronts)を認識するために学習される。 時間導関数バイオインピーダンス信号における心拍数調波を強調するために、新 規の数学的オートコンボリューション(autoconvolution)方法を利用すること ができる。 呼吸波は、パワースペクトル内に包絡線を生じることで除去されるが、次に、 やはりパワースペクトル内の包絡線の外側に存在する心周期信号も除去される。 コンピュータシステムに、バイオインピーダンス信号とECG信号から有効な左 心室拍出時間(ELVET)を導出する新規の方法を採用することもできる。特に、 拍出開始時間の正確な検出は、バイオインピーダンスとECG信号の複体分析に基 づく。ELVETの導出は細かい、多段階の分析であり、これには、ECG曲線上の関連 する点に基づく時間導関数的バイオインピーダンス曲線上の様々な点を求めるこ と、これらの点の内のどれが心臓事象を最も正確に反射するかを決定することが 含まれる。これは、時間導関数バイオインピーダンス曲線の差に近似値を作成す ることを含む、様々な数学的計算を必要とする。 健康な患者の場合は、左右の心室の異時性、または、左右の心室弁間の異時性 は非常に小さい。しかし、重病患者の場合には、Kubicek方程式は左右心室の異 時性のために、一般に時間導関数バイオインピーダンス信号を実際よりも小さく 見積もってしまう。本発明によるコンピュータシステムは、ΔZの正確な値を計 算するために、左右の心室弁間の開放の異時性を呈する信号を自動的に調整する が、インピーダンスは血流によって変化する。 コンピュータシステムは、ELVETとΔZを計算した後にKubicek方程式の改良形 式を採用してELVET、血液抵抗性、患者の具体的な身体構成、そして最大バイオ インピーダンス変化から心拍動一回拍出量を導出する。コンピュータシステムは 時間導関数的バイオインピーダンス信号を分析して、ある収差を有する心周期を 除去する。 最後に、本発明はさらに、有効な心周期を検出する方法を備えている。 図面の簡単な説明 第1図は、患者に装着した帯タイプの電極配置を示す略図である。 第2A図、第2B図、第2C図は、本発明によるスポットタイプの電極配置を 示す略図である。 第3A図は、本発明による測定胸部電極を配置する部分の解剖ゾーンを示す。 第3B図は、第3図の解剖ゾーンを患者に当て嵌めた図を示す。 第4図は本発明による胸部電極の構造を示すものである。 第5A図は、信号微分と調波抑制のために採用した、本発明によるA−フィル タの利得対周波数の特性を示すグラフである。 第5B図は、心周期の前部を強調するために本発明で採用したB‐フィルタの 利得対周波数応答を示すグラフである。 第5C図は、本発明の概要(呼吸および心波)パワースペクトルから呼吸波の パワースペクトルを除去するために採用した濾過を示すグラフである。 第6A図は本発明の原理体系のブランチチャートである。 第6B図は、信号処理のフローチャートであり、本発明の方法を実施するため に採用した装置が示されている。 第7A図は、本発明によるバイオインピーダンス変換器の利得-周波数特性G(f )を示すものである。 第7B図は、本発明によるバイオインピーダンス変換器の位相周波数特性P(f) を示すものである。 使用した、第7A図の特性に関連する復元フィルタを示す。 第7D図は、"R"の位相周波数特性-P(f)、または、本発明によるGPF修正に使 用した、第7B図の特性に関連する復元フィルタを示す。 第8A図は、本発明によるR−フィルタにより修正された変換器信号の、得ら れた利得周波数特性G(f)を示す。 第8B図は、本発明によるR−フィルタにより修正された変換器信号の、得ら れた位相周波数特性P(f)を示す。 第9図は、本発明により生じた時間導関数的バイオインピーダンス信号を、時 間に関連して図形に描いた図であり、同じ時間にかけての血流(ΔZ)による例 示的なインピーダンス変化を示すものである。 第10図は、患者の心臓を横切る電位を、時間(心電図撮影)に関連して図形 に描いたグラフであり、1心拍中のQRS複体のピークピーク(peak-to-peak)振 幅(E1−前部、E2−後部)を示すものである。 第11図は、10秒間かけて心電図撮影で測定した全ピークの散布図である。グ ラフ弧(E1、E2)の座標とQRS複体は右下角の点線で示した円内にある。 第12図は、ECG信号と、時間微分したバイオインピーダンス信号とを、ECG信 号上の時間を示すチェックポイントP、Sa、Sbと、時間微分バイオインピーダン ス信号上のチェックポイントQ、S、Aとに関連して図形に描いたグラフである。 第13図は、ECG、バイオインピーダンスZ(t)、時間微分されたバイオインピ ーダンスdZ/dtのグラフであり、時間に関連した信号はS点とQ点間のバイオイ ンピーダンスの差を示し、Zs-qは健康な患者である。 第14図は、ECG、バイオインピーダンスZ(t)、時間微分されたバイオインピ ーダンスdZ/dtのグラフであり、時間に関連した信号はS点とQ点間のバイオイ ンピーダンスの差を示し、Zs-qは虚血性心臓病を患う患者である。 第15図は、従来のKubicekアルゴリズム方法論と比較し、ELVETを理想の超音 波決定に決定する、発明的方法の相互関係をグラフに示すものである。 本発明を実施する最適な形態 本発明の第1段階は、患者の身体の各区分の細胞に対してバイオインピーダン ス測定を行うことを含む。高周波数、低振幅電流を発生させ、各区分の細胞を通 過した後の電流の変化を検出できるように、電極を皮膚表面の適切な場所に装着 しなければならない(第2A図、第2B図、第3図、第4図参照)。患者の身体 の自由な部分を最大限にするためには、電極は「帯電極」ではなく「スポット電 極」を使用する。スポット電極はディスポーザブル、使い捨てタイプが好ましい 。患者はより自由に動くことができ、患者の皮膚の露呈部分が多いので、専門医 はカテーテルの導入や麻酔投与といった他の医療処置をも施すことができる。 バイオインピーダンス電極システムは、剣状突起レベルにおける検出(測定) 電極20が1対、首に横方向に配置する検出(測定)電極22が1対、左脚に装着す る影響電極24が1個、そして、額に装着する影響電極26が1個の計6個の電極を 採用している。 影響電極24、26には、接触範囲が2cm×2cmの標準ECGスポット電極を使用でき る。上部影響電極26は額の中央、その中央線に配置することが好ましい。低部影 響電極24は左膝、または脚末端部のような左膝以下の場所に配置することが好ま しい。以下の条件を満たす限り、必要であれば、低部影響電極24を膝のレベルよ りも上に配置することができる。 L〉5R ここで、Lは影響電極間の距離であり、Rは胸部の半径である。心臓の解剖学的 非対称を考慮し、右脚ではなく左脚を使う。著しく集中した電位電線が通る大動 脈弓の生理学的配置により、低部影響電極の装着には左脚が最適である。この方 法による影響電極の配置は、測定電極間の影響電流電線の一定の配置を保証する ため、最終の心臓パラメータ測定値の誤差を最小にすることができる。 測定電極の上部の1対にも、接触範囲が2cm×2cmの標準ECGスポット電極を使 用できる。これらの電極は、患者の首の基部から距離Sだけ上の、首の周囲27の 横線に沿って対称的に配置する。距離Sは、首の基部と電極22の中央302との間 の距離として画定し、これは約4cmであることが好ましい。首の基部は、首の横 線の最大湾曲地点に位置すると画定する。上部測定電極22をこの範囲に配置する ことで、首-胸接合における電力線の非線型に起因する誤差を回避できる。 低胸部測定電極20の1対の各々は、12cm2〜30cm2の接触範囲を設けている。も しこの接触範囲を縮小または拡大すると、心拍動一回拍出量が実際よりも少な くなってしまう。12cm2以下の接触面では測定に十分な深さが得られず、体格の 大きな患者にとって特に重大な問題となり、また、30cm2以上の接触面では、さ らなる解剖学的部位にまで測定範囲を広げてしまうことになる。 各々の胸部電極20は、2cm×2cmの接触範囲29を各々設けた4個組の標準ECGス ポット電極28を1セット備えていることが好ましく、各胸部電極のスポット電極 28の頂部の対34は剣状突起レベル38にある(第2B図、第4図参照)。全ての接触 範囲29はホイルまたはワイヤ31に接続している。近隣のスポット電極同士を離間 させる距離Gは約5cmである。スポット電極28の一体型でない場合には、接触範 囲29を伝導ゲルを使用して身体に配置する。このようなデザインは、身体のゾー ンIとIII(第3A図、第3B図)の解剖学的形状を利用するものであり、また、測 定が適当な深さにおいて行われるために誤差の最小化を保証し、異なる患者の身 体的構成の違いを許容する。既述の胸部電極20は胸部の両側に横方向(第2A図、 第2B図、第2C図参照)に、剣状突起レベル38において配置する。第3A図、第3B図 に示すように、配置は、ゾーンIIとIV内の、剣状突起レベル38において身体に延 びる横線の前または後ろのプラスまたはマイナス約10cm以内に行う。 影響電極24、26は患者の身体内に高周波数、低振幅の電流を発生し、検出電極 20、22は身体細胞を通過した後の電流を測定する。細胞の電気インピーダンスは 、発生した電流と測定された電流との間の差から容易に決定することができる。 細胞の電気インピーダンスは、血流、呼吸、その他の要素の結果、時間と共に変 化する。 本発明は、バイオインピーダンス信号と同時に測定したECG信号も使用する。 後述する金属類人工物を除去するための測定後の信号処理は例外として、ECG信 号測定は従来の方法で行うため、これ以上説明しない。 本発明の基本段階では、後で信号処理に使用する、アナログ入力装置(ECGコ ンバータとインピーダンスコンバータ)の利得-位相-周波数(GPF)の特性を決 定する。 パーソナルコンピュータのような、特別にプログラムした一般目的のコンピュ ータを備えることが可能なコンピュータシステムが、検出電極20、22から電流測 定値を受信し、仲介する細胞のインピーダンス(バイオインピーダンス)と、時 間の作用として心臓を横切る電位(ECG)との両方を決定し、最終的にHR(心拍 数)、SV(心拍動一回拍出量)、CO(心拍出量)を計算する。SVを決定する方程 式は、 SV=K・P・(L/Z0)2・ΔZ であり、ここで、Kは新規のスケール要素であり、Pは特定の血液抵抗性であり 、Lは電圧測定または感知電極20、22間の距離であり、Z0は平均または基本の胸 部インピーダンス(感知電極20、22によって決定された)であり、ΔZは血流に よるインピーダンスの変化である。ΔZは次式の通り計算され、 ここで、ELVETは有効な左心室拍出時間であり、(dZ/dt)maxは2つの測定電極か ら得た、時間微分したインピーダンス信号の最大絶対値であり、Zs-qは、S点、 Q点の間バイオインピーダンス差と等しい、左右心室の異時性を利用した新規の 修正要素である(第13図、第14図、添付の説明を参照)。 K項は、異なる患者の身体構成における違いを表す。K要素の値を得るために は、専門医は先ず、従来の手段または市販の超音波計測手段を使って患者の身長 、体重、首27と胸36の周囲の寸法を測定する。次に、専門医はこれらの測定値を コンピータシステムに入力し、コンピータシステムがこれらの測定値を使って胸 部とK要素との有効な横断面範囲を計算する。胸部の有効な横断面範囲(SCHEST )は次式によって得られる。 SCHEST=(PCHEST2+(PNECK・PCHEST)+PNECK2)/12π ここで、PCHESTは患者の胸36の胸囲であり、PNECKは患者の首27の周囲の寸法で ある。次にK要素は次式によって得られる。 ここで、Hは患者の身長、Wは患者の体重、K0、K1、K2、K3は性別と年齢であり 、次式に従属し、存在する。 この様に本発明は、正確さを欠くことなく、患者の異なる身体構成に使用するこ とができる。 人間の血液の電気抵抗性は一定ではない。これは個人によって異なり、また、 同一人物であっても時によって異なる。血液抵抗性は、輸血を受けている患者の 動揺に特に影響され易い。その結果、バイオインピーダンス心拍動記録法の正確 なシステムは、Kubicek方程式の血液抵抗性条件を連続的に変更する手段を備え ていなければならない。 患者の特定の血液抵抗性は、彼または彼女のヘマトクリットに大きく依存する 。毛細血管についてのこれら2つの値の間の関係は次式の通りであり、 P=13.5+4.29・H ここで、Pは特定の血液抵抗性であり、Hは毛細血管ヘマトクリットである。こ の関係は、V.I.Arinchin等による「血液の電気抵抗性を考慮することにより胸部 4極レオグラフィー手段の正確性が増加する」("Taking into account electri cal resistance of blood will increase accuracy of chest tetrapolar rheograph y method,")Journal of Pediatrics(U.S.S.R.)1987,v.7,pp.59-52から採用して いる。ヘマトクリットは、どんな市販の方法を使っても測定することができる。 この測定値を、医療技師がコンピュータシステムに入力するか、または電子手段 によってヘマトクリット測定装置から直接コンピュータシステムへ送られる。 本発明が利用する、(金属類人工物を除去した後に)ECG信号を処理する新規 の方法は以下の段階を設けている。 (i)サンプリングポイントからの信号概算を行う (ii) QRS複体の位置を強調するための特別フィルタリングを行う (iii) 与えられ、記録された時間インターバルに関するピークピーク(peak- to-peak)振幅を測定する (iv) 振幅しきい値を計算する (v) 算出した振幅しきい値を伴うQRSを選択する (vi) チェックポイント位置を決定するための、選択した事象をさらに分析 する 上述の段階(i)は、サンプリング周波数が過度に高くない限り、QRS決定の正確 性と信頼性を増加する上で望ましい。実用性の問題として、このような高周波数 サンプリングは、処理時間に過剰な時間とメモリ容量を消費し、また、規制され たパワースペクトルの信号を実行することが不可能であるため不適当である。本 発明への使用に適した概算の2つのアプローチが考えられる。先 定する)が、ポイントs(n*ΔT)においてその例により完全に説明されていること 。このような信号の正確な近似は次の方程式によって与えられ、 ここで、 である。 最初に信号s(t)のフーリエ変換を計算し、次に小さな位相のずれΔψを全ての 調波に加える別の方法においても同じ結果が得られる。従って、 次に、逆のフーリエ変換を計算した後に、もとのサンプルからτによって置き替 えられたポイントにおけるs(t)の近似値が得られる。この後者のアプローチは、 計算においてより効率的である。両方法とも、メモリのより少ない消費へ導くよ り低いサンプリング値を許容し、要求により、オリジナルの信号の正確な近似の 計算に採用することができる。 次の段階は、QRS複体の位置を強調するためのECG信号のフィルタリングである 。第10図は、典型的なQRS複体、単一心拍内のピークピーク(peak-to-peak)か ら測定した最大振幅を設けた信号ピークを示す。対称的に有限な衝撃応答(FIR) デジタルフィルタは、所望の利得-周波数特性(FGCfilter)から計算する。所望 のGFCfilterはQRS複体のパワースペクトルの分析から作られ、最高12.5Hzの、6H z〜22Hzの帯域を備えている。ここで参照する、 V.S.Gutnikov著、「測定した信号の濾過」(Filtration of measured signals")L eningrad,Energoatomizdat(USSR)1990,pp.172-181に記述されたフィルタ構成の アルゴリズムに従って、所望のGFCfilterを抽象的なフーリエ変換を使 用して有限衝撃特性に変換した。このフィルタはQRS複体を通過し、ECG信号内の 呼吸と運動の物理的現象、PおよびT波を抑圧する。 次の段階では、ピークピーク(peak-to-peak)振幅しきい値を計算し、有効QR S複体を選択する。コンピュータシステムは、その前面(E1)と後面(E2)振幅 前面によって濾過されたECG信号各局部ピークを測定する。第10図参照。各局部 ピークについて、E1はピークの前、あるいは前部極小から次の最も近い極大へと 測定され、また、E2はピークの極大からその後ろ、あるいは後部の極小まで測定 される。第11図は、ピークの分布(散布図)を、時間インターバルまたは10秒間 におけるピークの(E1、E2)座標により示している。第11図はまた、図中の右下 の角の点線で示した円内において強調されたQRS複体を示す。各ピークは(E1、E2 )ベクトルと振幅A1によって特徴付けられており、ここで、 である。 次にコンピュータシステムは、AiとAi+1のと間の最大差のための、分類された{ Ai}列を検索する。例証的なK-th要素に極大が見つかれば、振幅しきい値はT= (Ak+Ak+1)/2と計算できる。従って、もしAjがしきい値Tを超えると、QES複体は ポイントj内に検出される。しきい値Tは各10秒毎のブロックあるいはECGデー タのインターバルにTa=Tak-1+αTkとして採用され、ここで、Tak-1は前データ ブロックに採用されたしきい値であり、Tkは現在のブロックに算出されたしきい 値であり、αは0-1の範囲内の採用のパラメータである。 上記の「しきい値」方法論を使用して認識された各QRS複体は、次に、決定さ れたQRS位置からの-50〜+200mm/秒(ms)のインターバル内でさらに分析される。 コンピュータシステムは、認識された各QRS複体に対して振幅、ピークの連続、 3つのチェックポイントを配置するためのピーク前面の導関数 (第12図)、QRS複体の開始(P点)、基本線からの最大偏差(Sa点、標準ECG 内のピークRと一致する)、そしてQRS複体の終了(Sb点)を決定する。これら のチェックポイントは、以下に説明するバイオインピーダンス信号の分析を改良 (純化)するために使用される。 本発明は、以下の段階を設けた、バイオインピーダンス信号処理の新規手段 を利用する。 (i) デジタル濾過および位相修正 (ii) 心拍数の推定 (iii) 呼吸波の抑圧 (iv) 心周期の決定 (v) チェックポイントの配置 (vi) 妨害人工品のない周期の選択 電子濾過の第1部は、利得−位相−周波数(GPF)修正を得るための、信号の 「復元」R-フィルタの通過を含む。R-フィルタは、バイオインピーダンス変化の 測定に使用した特定の電子変換器によって生じたひずみを補正する。バイオイン ピーダンス変換器(第7図)のGPF特性が、バイオインピーダンス曲線に多大に 影響することはよく知られている。信号からこれらの妨害を除去しなくてはなら ない。R-フィルタは事後信号処理を使用して、線形GPFひずみを修正する。バイ オインピーダンス変換器にR-フィルタを加えたシステムのGPF特性は、位相のず れがゼロであり、例えばバイオインピーダンス信号につき0.3Hz〜30Hz(第8図 参照)というように、与えられた周波数範囲において利得が一定である。従って 、異なるバイオインピーダンス装置の出力の相互関係が得られる。R-フィルタお よびここで説明した他のフィルタ用の、理想的または批判的に明記したフィルタ パラメータと動作特性を除き、その構造は従来のものであり、当業者の知識とし て既にあるため、これ以上の説明はしない。 GPF補正の第1ステップでは、バイオインピーダンス変換器を電気的に生成 された洞様毛細血管(sinusoidal)インピーダンス信号源に接続して、次に、変 換器からの出力を測定する。電子工学的に生成された正弦波インピーダンス信号 は、ベースライン、例えば100〜200オームに対して、0.1〜0.2オー ムの振幅を有する。このような信号は、フォトレジスタ、フォトエミッタ(フォ トダイオード)、電源及びアナログ−デジタル−アナログ(ADA)コンピュー タインターフェースを有する電圧からインピーンダンスへの変換器によって開発 されてきた。一対にされたフォトレジスタ及びフォトエミッタは、フォトレジス タがフォトエミッタの光強度に応じてインピーダンスを変化させることができる ように、遮光ハウジングの内側に連結されている。ADA変換プロセスは、数学 的にモデル化された(mathematically-modeled)正弦波(sinusoidal)の19kH zの周波数におけるデジタルからアナログへの変換、及び100Hzの周波数で1 2bitの解像度におけるアナログからデジタルへの変換を含む。インターフェー スを介して、コンピュータは、0〜75Hzの範囲内の周波数を有する一連の正弦 波(sinusoidal)テスト信号を生成し、変換器の応答を記録する。電圧からイン ピーダンスへの変圧器の動作特性は、0〜5Vの入力信号、及び(前述したよう に)100〜200オームのベースラインで−0.1〜0.1オームの出力信号 を含む。変換器のGPF指標H(f)は、初期テスト信号及び結果として得られ る変換器の応答のスペクトラムから演算され、グラフとして表示されるか、若し くはASCH又はその他のメモリファイルに保存される。システムは、「回復さ せる(restoring)」Rフィルタを演算するために、算出された変換器GPF指 標H(f)を用いる。このRフィルタのGPF指標は、公式には、一定の周波数 範囲内の1/H(f)として記述される。Rフィルタは、また、低周波数及び高 周波数のランダムな干渉を抑制するために、低周波数フィルタ及び高周波数フィ ルタを通して周波数範囲を提供する(図7参照)。Rフィルタによる濾過は、フ ーリエ変換(Fourier Transform)を用いて、周波数ドメインにて行われる。記 録された信号の境界的な影響を消去するために、フーリエ変換と共にガウスの窓 (Gaussian window)を用いることが好ましい。 2Tは記録された信号の持続時間、t<Tは時間、及び「a」は予め決められた、2. 5〜3の範囲にあることが好ましい所定の定数である。記録された信号のフーリ エ像をRフィルタのGPF指標で乗算すると、GPFひずみが抑制されると共に 、信号が更に濾過される。また、逆のフーリエ変換及びガウスの窓による割り算 を用いてもよい。同じステップを、フーリエ変換を行うことなく、時間ドメイン において用いることができる。R濾過後の信号は「回復された」信号として言及 され、この信号は更なる演算に用いられる。 また、このとき、バイオインピーダンス信号について前述した方法と同様の方 法で、ECG接続の識別されたGPF指標は、ECG信号からハードウェアのア ーティファクトを除外するために処理されることに留意されたい。ECG信号及 びバイオインピーダンス信号の両方のGPF補正によって、2つの信号間におけ る時間間隔及び事象(event)時間の真の一致が促進される。 バイオインピーダンス信号プロセッシングの次のステップは、心拍数(HR) の評価である。本発明では、HRを算出するためには2つの方法がある。順序を 表す(ordinal)方法は、前述したように、ECG信号のRピークを検知して、 R−R間隔を算出することである。60を掛けた逆数の値が、心拍数に対応する 。何らかの理由で、Rピークを検知するためにECG信号を処理することができ ない場合は、第2の方法を用いる。第2の方法では、「回復された」バイオイン ピーダンス信号のパワースペクトラムを離散(discrete)フーリエ変換によって 算出し、患者の心拍数(HR)を評価するために用いる。呼吸調波は、非常にし ばしば、バイオインピーダンス信号のパワースペクトラムにおいて最大である。 従って、呼吸調波を抑制しなければならないと共に、HR周波数の応答を強調し なければならない。このために、特殊な変換を用いる。まず、「回復された」信 号のパワースペクトラム(PS)を、Aフィルタのゲイン周波数指標で乗算する (図5A参照)。このフィルタは信号を区別し、更に、呼吸調波は一般的には2 Hz未満にあり、HR調波は0.8Hzを超えることから、好適には1〜3Hzの範囲 から選択された一定の周波数に満たない調波を更に抑制する。クリアな心臓信号 のパワースペクトラムは、周波数HR、2*HR、3*HR等において繰り返し ピークを有する。従って、以下のようなパワースペクトラムのオートコンボリュ ーション(autoconvolution)によって、心拍数の調波が強調される。 ASI(i)はパワースペクトラムのオートコンボリューションの結果であり、PSa(i) は予めAフィルタを通った周波数iの或るスペクトラルラインのパワーである。 周波数が高ければ高いほど、信号対ノイズ比は低くなることから、前述の積にお いて、最初の3つのPSa成分のみを用いることが好ましい。コンピュータシステ ムは、Mas、0.6〜5Hzの範囲内のASI(i)最大値を求めるために、オートコン ボリューションを用いる。Masに関連する周波数は、HRの評価値として見なさ れる。次に、HRの評価を更なる濾過(図5C参照)及び心臓サイクル識別プロ セスにおいて用いる。 精度を向上させ、心臓サイクルの適切な識別を確実にするために、呼吸によっ て生じるバイオインピーダンス信号の逸脱を除去しなければならない。通常、呼 吸の周波数は心拍数の周波数より少ないが、呼吸波形によって、心臓サイクルに よって形成されるパワースペクトラムの最低調波と重複するパワースペクトラム が形成される。従って、概要(summary)パワースペクトラム全体から呼吸の調 波のパワースペクトラムを除去することは不可能である(図5C参照)。心臓拍 動は、呼吸よりも安定で反復性を有するプロセスである。従って、心臓拍動のパ ワースペクトラムは、いくつかの狭いピークから成るものとして考えることがで きる。主要な心臓波形のスプクトラムライン間の全てのパワースペクトラム調波 は、これら主要なスペクトラムラインの横方向のスロープとノイズのパワースペ クトラムの組み合わせである。このような内部調波が減少した場合、ノイズが主 に抑制され、心臓波形は僅かに抑制されるにとどまる。以下に記載するように、 これらの考え方は、呼吸の波形の濾過のためのアルゴリズムの根拠となる。心拍 数(HR)の評価後、前述したように、心臓波形スペクトラムの第1及び第2の 調波が決定される。パワースペクトラムにおいてこれらのスペクトラムピークに 最も近接する局所的な最小値を、それらの範囲と見なすことができる。第1のピ ーク範囲内にある調波を除き、第2のピークの低い方の限界に満たない全ての調 波を、1未満の所定値で乗算する(図5Cに概略を示す)。このことによって、 呼吸波振幅のパワースペクトラムは乗算されたゾーン内にあることから、呼吸波 形の振幅が消去されるが、心臓波形には僅かな影響しか及ぼされない。 バイオインピーダンス信号プロセッシングの次のステップは、心臓サイクルの 検知である。本発明では、心臓サイクルを検知するためにも、2つの方法を用い る。第1の方法は、ECG信号においてQRS波(complexes)位置に応じて、 心臓サイクルの範囲を決定することである。ECGが処理不能である場合は、第 2の方法を用いる。第2の方法では、前述した「回復された」信号は、心臓サイ クルのフロント(fronts)を強調するためにBフィルタに通される(図5B)。 これは、正弦波状の(sinusoid-like)周波数範囲を有する微分用(differentia ting)フィルタである。Bフィルタのパスバンドは、心臓サイクルのフロントに 主に寄与する周波数調波(好ましくは1〜6Hz)に合わせて適応されている。B フィルタを通った信号における局所的な最低値と、これに隣接する局所的な最大 値との間の領域は、サイクルのフロントとして見なされ、ピークからピークまで の時間変化及びピークからピークまでの振幅差変化として説明される。コンピュ ータシステムは、信号がBフィルタ通過後に形成するパワースペクトラムの最初 の5つの調波を解析することによって、時間−振幅エンベロープを生成する。サ イクルのフロントを調べて、或るフロントのピークからピークまでの時間変化及 びピークからピークまでの振幅差変化が、時間−振幅エンベロープ内にある場合 は、このフロントはマークされる。心臓サイクルの認識の信頼度を向上するため に、コンピュータシステムは、選択された領域でピークからピークまでの振幅の 平均及び平方偏差(variance)を算出する。 平方偏差と平均値の比が、好適には0.3である所定値より少ない場合は、全 てのマークされたフロントをチェックポイントの配置及び欠陥のない心臓サイク ルの選択を行う次の段階に移行させる。また、平方偏差と平均値の比が所定値を 上回る場合は、更なる解析を行わなければならない。更なる解析とは、以下のス テップから成る。即ち、(i)試験中の領域を、それらのピークからピークまで の振幅に応じて、平均値より上の群(上の群)と平均値に満たない群(下の群) とから成る2群に分ける。(ii)各群について、平均値、M1及びM2、並びに 平方偏差又は標準偏差、V1及びV2を算出する。(iii)各群において、適切 な数値を以下の不等式: M2+a・V2<M1-a・V1 に挿入する。aは所定値で、好ましくは1.96であり、V1及びV2はそれぞれ 、上の群及び下の群の標準偏差である。(iv)不等式が正しければ、上の群の 領域を心臓サイクルのフロントとして選択し、下の群の領域を更なる考察から除 外する。それ以外の場合は、全ての選択された領域を次の段階に移行させる。 コンピュータシステムは、心拍動一回拍出量(SV)を決定する上での予備ス テップとして、有効左心室駆出時間ELVETを算出するために、時間によって微分 される(time-differentiated)バイオインピーダンス信号における一定のチェ ックポイントを識別する。 本発明では、右心室及び左心室の駆出時間の組み合わせを示す用語であるキュ ービチェック(Kubicek)のVETではなく、左心室のみの駆出時間を示す用語であ るELVETを用いる。時間によって区分されるインピーダンス信号の値は、左心室 から駆出される動脈血流のピークに比例することが知られている。従って、最も 正確なSVの算出には、LVETを用いる必要がある。LVETは以下の式から求められ る。 LVET=ELVET+LVPT ELVETは左心室弁が開いた瞬間(Sポイント)から閉じ始めた瞬間(Tポイント )までの時間である。LVPTは、拡張初期時間(左心室弁が閉じるのに要する時間 )である。血流変化は拡張初期時間中は顕著ではないことから、LDPTは血行力学 的測定手段によって容易に検知可能ではない。このような理由から、本発明では 、LVPT測定を実施しないことの補償として、ELVETと時間に対する最 初の胸部インピーダンス導関数の最大絶対値(dZ/dt)maxの積を用いる。 ELVETの算出には、時間に対してプロットされた時間の導関数の(time-deriva tive)Y(x)のグラフ(図9参照)によって形成される曲線の解析が必要である。 コンピュータシステムは最初に、或る心臓サイクルの時間の導関数インピーダン スY(x)における全体的な最大値を求めて、この値をAポイントと定める。次にコ ンピュータシステムは、Aポイントから、ECG信号のSaポイントに対応する 時間ポイントまで遡及し、これら2つのポイント間のバイオインピーダンス信号 の異常の有無を調べる(図12参照)。重要な異常は、(1)dZ/dtのゼロとの 交点、(2)dZ/dtの局所的な最小値、及び(3)バイオインピーダンス信号の 第3の導関数d3Z/dt3における局所的な最大値である。AポイントとSaポイント との間に、バイオインピーダンス信号の異常が全く認められない場合は、そのサ イクルは欠陥があると考えられ、更なる考察からは除外される。Sbの右側に異 常が認められた場合、Saの右側でこれに最も近接する異常を、駆出開始時間S として選択する。その他の場合は、Sbの左側でこれに最も近接する異常値を駆 出開始時間Sとして選択する。ECG信号を用いることによって、複雑なケース におけるSの認識の安定性が向上する。 ELVETの完了時であるポイントTを識別するために、コンピュータシステムは まず、時間によって区分されるバイオインピーダンス信号においてポイントA後 に、それぞれT1及びT2として示される第1及び第2の局所的な最小値のいずれ かとして選択されるポイントT0を求める(図9参照)。コンピュータシステム はT1及びT2の各ポイントにおける曲線の深さ(振幅)を解析した後T1及びT2 のいずれかを選択する。第2の最小値の深さが第1の最小値の深さの所定の分数 値よりも大きい場合は、T2をT0として選択する。それ以外の場合は、T1を用 いる。ノイズ信号におけるT0検知の安定性を向上させるために、本発明では、 ECG信号のT波の後側又は後縁を求める。T波の後縁は、ECG信号対時間の グラフの曲線におけるQRS波に隣接するECG信号の局所的な最大値から次の 最大値までに認められる。T1又はT2のうちのいずれかがT波の後縁の範囲内に ない 場合は、もう一方の値が振幅に関係なくT0として用いられる。心室駆出の「有 効完了時」であるポイントTは、Y(x)の第2の導関数によって形成される曲線グ ラフにおいてT0より前側でこれに最も近接する局所的最小値として識別される 。ELVETはポイントSとポイントTの間の時間の長さとして算出される。 本発明のELVETを決定する方法は、相関係数r=0.86による超音波ELVET決 定に関連している。キューベチェックの古典的なアルゴリズムでは、相関関係r =0.71のみが与えられている。図15に、古典的な方法、新規な方法及び理 想的な方法による相関関係をグラフで表す。従って、キューベチェックと対称的 に、本発明の方法によって測定される左心室駆出時間は、右心室駆出時間から実 質的に分離して測定される。 通常、駆出開始時間Sは、時間によって微分される(dZ/dt)バイオインピー ダンス信号のゼロとの交点と一致する(図13参照)が、重症患者においてはそ うではない(図14参照)。このような患者については、駆出開始ポイントは、 バイオインピーダンス信号の第1のフロントの「段」又は「異常」に位置する。 有病患者におけるこの「段」又は「異常」特性(「プレウェーブ」ともいう)は 、一般には、左右心室非同期と呼ばれる。 健康な患者については、ECGにおけるQRS波の開始時(Qポイント)のイ ンピーダンス値Zqは、Sポイントにおけるインピーダンス値Zsと殆ど同じであ る。インピーダンスの差はZs-qとして測定される(図13参照)。しかしなが ら、有病患者については、Zs-qは顕著であり得る(図14参照)。Zs-qが小さ い場合は、キュービチェックのΔZ=(dZ/dt)max *VETは、かなり正確である。しか しながら、左右心室不同期を示す重症患者の場合には、キューベチェックの式は 一般にはΔZを過小評価する。従って、「プレウェーブ」の前提は、演算を行う 間に補正されなければならない。本発明では、SポイントとQポイントの間のバ イオインピーダンス差ZS-qをキュービチェックのΔZ評価に加えることによっ て、有病患者における本質的なΔZの過小評価を補正する。このような補正を行 うことによってΔZはより正確に評価され、バイオインピーダンスと温度希釈(t h ermodilution)心臓アウトプット値の間の回帰は線形化される。従って、コンピ ュータシステムは、次式: ΔZ=(dZ/dt)max・ELVET+Zs-q によってΔZを評価する。上記式で、Zs-qはSポイントとQポイントの間におけ るバイオインピーダンスの差である。 コンビュータシステムによって全てのチェックポイントが配置されると、一定 の逸脱を有する心臓サイクルを評価する。この手順においては、ファジー理論及 びフィットネスアルゴリズムが用いられ得る。この目的にはいくつかの基準が用 いられる。コンピュータシステムはまず、各心臓サイクル(ポイントA、ポイン トT、ポイントS)について前述したポイント間の時間の長さが一定の範囲を超 えないことを確認する。また、コンピュータシステムは、心臓サイクルの開始時 と完了時の振幅差が一定の数値を超えないことを確認する。心臓サイクルの開始 時と完了時の振幅差は、心臓サイクルにおける最大振幅の所定パーセンテージを 超えてはならない。更に、ポイントAにおける時間導関数のインピーダンス信号 の振幅の、ポイントTにおける時間導関数のインピーダンス信号に対する比率は 、所定値より大きくなくてはならない。即ち、 Y(A)/Y(T)〉c Y(A)及びY(T)はそれぞれ、ポイントA及びポイントTにおける時間導関数のバイ オインピーダンス信号の値であり、「c」は所定値である。この段階をパスする 心臓サイクルは、「悪くない」と見なされる。コンピュータシステムは次に、バ イオインピーダンス信号のランダムノイズを消去するために、「近接値の基準( neighbors criterion)」のチェックを行う。要素(A1i,A2i,A3i)を伴う3次 元の「近接(nearness)」ベクトルを、10秒間の時間ブロックにおける各一対 の心臓サイクルについて算出する。近接ベクトルの個々の要素を以下の式によっ て求める。 A1i=[Y(Ai)-Y(Aj)][Y(Ai)+Y(Aj)] A2i=(STi-STj)/(STi+STj) Y(x)は、或るポイントxにおける時間によって区分されるインピーダンスであり 、A,T,Bは各心臓サイクルのチェックポイント位置である(図9参照)。STは ポイントS及びTの間の時間であり、i及びjは異なる心臓サイクルである。コン ピュータシステムは全ての算出された近接ベクトルを比較して、近接ベクトルの 振幅が一定のしきい値を超える心臓サイクルを消去する。比較は、2つのしきい 値による解析によって行われる。2つの心臓サイクルの近接ベクトル振幅が第1 の所定値L1未満であれば、類似性は「良好」と見なされる。類似性が「良好」と 見なされない(類似性がL1を超える)が、第2の所定値L2には満たない場合は、 「許容可能」と見なされる。データの10秒ブロックの間、類似性が「許容可能 」と見なされない場合は、コンピュータシステムはテストの対象となっている心 臓サイクルを、最高50例の前の「悪くない」サイクルと比較する。それでもな お、考察中の心臓サイクルに類似するサイクルがない場合は、考察中のサイクル はノイズと見なされ除外される。「良好」な心臓サイクルの量が十分に多ければ 、全ての「許容可能」な心臓サイクルもまた、最終的な演算からは除外される。 最終的な演算において「良好」な心臓サイクルのみが用いられることから、この 方法によって、最大のノイズレベルにおける演算の安定性が向上する。 バイオインピーダンス信号プロセッシングが完了した後、コンピュータシステ ムはデータブロック全体の平均値及び平方偏差と共に、血行力学的パラメータの 最終的な演算を行う。心拍数(HR)及び心拍動一回拍出量(SV)を、未処理 のバイオインピーダンス信号ではなく処理済みのバイオインピーダンス信号を用 いる点を除き、前述したそれぞれの方法に従って再演算する。心拍出量(CO) はHRとSVの積として、即ち、以下の式によって算出される。 CO=SV・HR 本発明の一般的な方法の概略を図6Aに示す。図6Bは、本発明における信号 プロセッシングのフローチャートである。 以上、本発明を好適な実施形態として記載したが、本発明はこれに限定されな いことは、当該分野の通常の技術を有する者によって認識されるであろう。請求 項に記載する本発明の範囲から逸脱することなく、前記実施形態に対して様々な 付加、省略及び変形を行うことが可能である。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1998年5月7日(1998.5.7) 【補正内容】 請求の範囲 1.検知された胸管バイオインピーダンス信号及び心電図から、被検者の心拍数 、心拍動一回拍出量、及び心拍出量を決定するための電極配置であって、 被検者の頭上に配置された上部作用電極(26)と、 被検者の左下肢に配置された下部作用電極(24)と、 被検者の頸部に配置された一対の上部検知電極(22)と、 被検者の胴体に配置された一対の下部検知電極(20)とから成る電極配置。 2.請求項1に記載の電極配置であって、配置方法は更に、 前記上部作用電極(26)は被検者の額に配置されていることと、 前記下部作用電極(24)は被検者の左膝の広い領域に配置されていることと 、 前記一対の下部検知電極(20)は被検者の胸部の両側に横方向に配置されて いることとから成る電極配置。 3.請求項2に記載の電極配置であって、前記上部作用電極(26)は、前記被 検者の額の垂直方向及び水平方向の中央線上での配向のためにスポット電極を備 えている電極配置。 4.請求項2又は請求項3に記載の電極配置であって、前記下部作用電極(24 )はスポット電極を備え、該スポット電極の配置はL<5Rの関係を満たしてお り、Lは前記上部作用電極と前記下部作用電極の間の垂直方向の距離であると共 に、Rは前記被検者胸部の半径である電極配置。 5.請求項4に記載の電極配置であって、前記上部検知電極は、前記被検者頸部 の基部から約4センチメートル上がった位置の水平線に沿って、該被検者頸部の 両側に対称的に配向された一対のスポット電極から成る電極配置。 6.請求項4に記載の電極配置であって、前記下部検知電極は更に、一対の電極 アセンブリを備え、各電極アセンブリは、ほぼ剣状プロセスレベルにて、前記被 検者胸部の両側で横方向に配向された、約12〜約30平方センチメートルの接 触面を有する電極配置。 7.請求項6に記載の電極配置であって、各アセンブリは更に4つのスポット電 極(28)を備え、各スポット電極(28)は約4平方センチメートルの接触面 を有し、各スポット電極(28)は約5センチメートルの辺を有する正方形のコ ーナーの中央に配置され該アセンブリの4つの全スポット電極(28)は電気的 に相互接続されている電極配置。 8.請求項7に記載の電極配置であって、各アセンブリの頂部スポット電極(2 8)は被検者の剣状プロセスレベルに配置されている電極配置。 9.心拍数、心拍動一回拍出量、及び心拍出量を求めるためにバイオインピーダ ンス信号及び心電図を処理するための方法において、 バイオインピーダンスの計測のために、入力アナログ装置のゲインフェーズ周 波数(GPF)特性を登録することと、 心電図の計測のために、入力アナログ装置のゲインフェーズ周波数(GPF) 特性を登録することと、 バイオインピーダンス入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数とし てバイオインピーダンスを計測して、バイオインピーダンス信号を生成すること と、 心電図入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数として心電図を計測 して、心電図(ECG)信号を生成することと、 前に登録したGPF特性に基づき、バイオインピーダンス信号のひずみを補正 することと、 前に登録したGPF特性に基づき、心電図信号のひずみを補正することと、 一定時間における前記心電図信号の各心臓サイクルに関連する有効QRS波を 決定することと、 該有効QRS波にチェックポイントを配置することと、 心拍数を評価するために、前記ECG信号及び前記補正されたバイオインピー ダンス信号のうちの一方を処理することと、 補正されたバイオインピーダンス信号を時間によって変化させることと、 一定時間における該時間によって区分されるバイオインピーダンス信号の各心 臓サイクルについてのチェックポイントを決定することと、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって区分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、有効左心室駆出時間(ELVET )を決定することと、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって区分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、新規の補正係数Zs-qを決定する ことと、 前記ELVET、時間によって区分される最大バイオインピーダンス(dZ/ dt)max、比血液抵抗率(P)、バイオインピーダンスアナログ入力装置の2 つのバイオインピーダンス電圧感知電極の間の距離(L)、ベースラインバイオ インピーダンス(ZD)、前記補正係数Zs-q、及び新規スケール係数(K)の関 数として、心拍動一回拍出量を算出することと、 該心拍動一回拍出量を前記心拍数で乗算することにより心拍出量を算出するこ ととから成る方法。 10.請求項9に記載の方法であって、前記バイオインピーダンス入力アナログ 装置のゲインフェーズ周波数(GPF)特の前記登録は、前記バイオインピーダ ンスの検知にて用いられる変換器のフェーズ周波数及びゲイン周波数特性を、該 検知にて該装置を使用する前に登録することを備えている方法。 11.請求項9に記載の方法であって、測定されたバイオインピーダンス信号の 前記補正は、前記変換器のアウトプットのひずみを除去するために、前記測定さ れたバイオインピーダンスのデジタル濾過及びフェーズ補正とを備えている方法 。 12.請求項9に記載の方法であって、前記心電図インプットアナログ装置のゲ インフェーズ周波数(GPF)特性の前記登録は、前記心電図の検知にて用いら れる変換器のフェーズ周波数及びゲイン周波数特性を、該検知にて該装置を使用 する前に決定することを備えている方法。 13.請求項9に記載の方法であって、測定された心電図信号の前記補正は、前 記変換器の出力のひずみを除去するために、前記測定された心電図のデジタル濾 過及びフェーズ補正とを備えている方法。 14.請求項9に記載の方法であって、前記心拍数評価は、バイオインピーダン ス信号のパワースペクトラムを用いること及び該パワースペクトラムのオートコ ンボリューション(auto-convolution)機能を用いることを備えている方法。 15.請求項9に記載の方法であって、前記心拍数評価は、心電図信号を処理す ることを備えている方法。 16.請求項11に記載の方法であって、測定されたバイオインピーダンス信号 の前記補正は、更に、パワースペクトラムの望ましくない成分を除去し、回復さ れた形態のバイオインピーダンス信号を生成するために、呼吸の波形を抑制する ことを備えている方法。 17.請求項9に記載の方法であって、前記有効QRS波決定は、ピークの振幅 のフロント(E1)及びバック(E2)から、一定時間に心電図にて測定された全 てのピークの分布を決定し、(E1,E2)振幅エンベロープを算出し、エンベロ ープの外側にある全てのピークを除外することを備えている方法。 18.請求項12に記載の方法であって、前記変換器フェーズ周波数及びゲイン 周波数の特性決定は、 約0.2オームのピークピークのインピーダンス及び約100〜200オーム までのベースラインインピーダンスを有する高精度の正弦波(sinusoidal)イン ピーダンス信号を生成することと、 該正弦波インピーダンス信号を前記変換器に接続することと、 該変換器からの出力を測定することと、 所定の周波数範囲における該変換器のゲインフェーズ周波数特性H(f)を算 出することとを備えている方法。 19.請求項18に記載の方法であって、更に、フォトレジスタ、フォトエミッ タ、電源及びアナログ−デジタル−アナログコンピュータインターフェースを有 する電圧からインピーダンスへの変換器を用いて、高精度正弦波(sinusoidal) インピーダンス信号を生成することを備えている方法。 20.請求項19に記載の方法であって、更に、前記インターフェースを介して 所定の振幅及び周波数範囲を有する一対のテスト信号を生成することと、該変圧 器から出力信号を検知することと、前記フェーズ周波数特性及び前記ゲイン周波 数特性を決定するために該出力信号を解析することとを備えている方法。 21.請求項18に記載の方法であって、更に、前記変換器の真の動作特性を所 定の特性に変換することによって、線形ゲインフェーズ周波数ひずみを補正する ために事後信号処理を行うことを備え、フェーズシフトはゼロとされ、ゲインは 所定の周波数範囲内で一定であると想定される方法。 22.心拍数を評価するための方法であって、 バイオインピーダンス信号のパワースペクトラムを算出することと、 信号を区別し、呼吸の調波を抑制するために、選択された振幅−周波数関数に よって該パワースペクトラムを乗算することと、 得られたパワースペクトラムを次式: によってオートコンボリューションすることと、 所定の周波数範囲内のオートコンボルションの最大振幅値を決定することとか ら成る方法。 23.心臓サイクルを決定する方法であって、 心臓サイクルのフロントを強調するためにバイオインピーダンス信号を濾過す ることと、 濾過後に該パワースペクトラムの最初の5つの調波を解析することによって、 該心臓サイクルの時間−振幅エンベロープを算出することと、 算出された該時間−振幅エンベロープを比較することによって、前記心臓サイ クルのフロントを選択することと、 誤差欠陥を有するフロントを除外することとから成る方法。 24.干渉アーティファクトを有する心臓サイクルを消去するために、補正され たバイオインピーダンス信号から有効心臓サイクルを選択するための方法であっ て、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル内で、チェックポイントを参照すること により時間と振幅との関係を検知することと、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル間で、時間と振幅との関係を比較するこ とと、 複数の比較基準に基づき、アーティファクトの存在を示す選択された心臓サイ クルを更に調べることとから成る方法。 25.請求項24に記載の方法であって、更に、 選択された心臓サイクルの個々のサイクルについて複数次元ベクトルを構成す ることと、 該複数次元ベクトルと他の心臓サイクルの複数次元ベクトルとを比較すること と、 前の50の有効心臓サイクル及びその他の候補心臓サイクルと比較したときに 、近接ベクトルがないベクトルを有する心臓サイクルを除外することとを備えて いる方法。 26.測定されたバイオインピーダンス信号及び測定された心電図信号から、有 効左心室駆出時間を求めるための方法であって、 該測定されたバイオインピーダンス信号を濾過して、そこに含まれる呼吸の波 形を抑制することと、 前記測定された心電図信号を濾過することと、 有効心臓サイクルを検知することと、 前記バイオインピーダンス信号Y(x)の時間導関数を算出することと、 時間導関数(dZ/dt)maxの最大値を決定することと、 有効駆出開始時間(Sポイント)を決定することと、 有効駆出完了時間(Tポイント)を決定することと、 有効駆出開始時間と有効駆出完了時間との間の時間差として、有効左心室駆出 時間(ELVET)を算出することとから成る方法。 27.請求項26に記載の方法であって、有効駆出開始時間を決定することは、 或る有効心臓サイクルにて、時間によって区分されるバイオインピーダンス信 号の全体的な最大値を決定して、該最大値をポイントAとして定めることと、 心電図にて対応するポイントAからポイントSaまで時間を遡及することと、 ポイントAとポイントSaの間にて、バイオインピーダンスの異常を調べるこ ととを備え、 該異常が認められない場合は、心臓サイクルはノイズとして除外され、 異常が認められる場合は、ポイントSbの右側にてこれに最も近接する異常を 駆出開始時間Sとして選択し、 それ以外の場合は、ポイントSbの左側にてこれに最も近接する異常を駆出開 始時間Sとして選択する方法。 28.請求項27に記載の方法であって、有効駆出完了時間の決定は、 ポイントAの後で、時間によって微分されるバイオインピーダンス信号にて、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)を決定することと、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)のいずれかで、信 号曲線の深さを解析することと、 第2の局所的最小値(T2)の深さが、第1の局所的最小値(T1)の所定の分 数値より大きい場合は、第2の局所的最小値(T2)をT0として選択し、それ 以外の場合はT1をT0として選択することと、 Y(x)の第2の導関数によって形成される曲線のグラフにて、ポイントT0 より前でこれに最も近接する局所的最小値として、Tポイントを識別することと を備えている方法。 29.請求項28に記載の方法であって、T1及びT2の識別後であってTポイン トの識別前、更にT1及びT2の相対振幅に関わらず、 電子心電図信号のT波の後縁を検知することと、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にあるか否かを決定することと、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にある場合は、T1及びT2の範囲の外側 にある方をT0として選択することを備えている方法。 30.請求項27に記載の方法であって、異常は、dZ/dtのゼロとの交点( Qポイント)、dZ/dtの局所的最小値、及びバイオインピーダンス信号の第 3の時間導関数d3Z/d3tにおける局所的最大値とから成る群より選択される 方法。 31.患者の心拍動一回拍出量を測定する方法であって、 比血液抵抗率Pを決定することと、 患者に適用された2つのバイオインピーダンス電極の間の距離Lを測定するこ とと、 ベース胸部インピーダンスZ0を決定することと、 ELVETを決定することと、 血流によるインピーダンス変化ΔZを決定することと、 次式: SV=K・P・(L/Zη)θ・ΔZ に従い、心拍動一回拍出量SVを算出することとを備え、 Kは患者の体格に関連する新規のスケール係数である方法。 32.請求項31に記載の方法であって、更に、Kを次式: SCHEST=(PCHESTθ+(PNECK・PCHEST)+PNECKθ)/12π によって算出することを備えている方法。 33.請求項32に記載の方法であって、K0,K1,K2及びK3は性別及び年齢 に依存し、以下の範囲内: にある方法。 34.請求項31に記載の方法であって、ΔZを決定することは、 ECG信号のQRS波の開始を同定して、これをポイントQと定めることと、 ポイントS,Zsにてインピーダンスを決定することと、 ポイントQ,ZQにてインピーダンスを決定することと、 ポイントSとポイントQの間のインピーダンスの差Zs-qを算出することと、 以下の式: ΔZ=(dZ/dt)Π・ELVET+Zs-q に従ってΔZを評価することとを備えている方法。 35.バイオインピーダンス信号にて呼吸の波形を抑制するための方法であって 、 信号のフーリエ変換を行うことと、 算出された信号スペクトラムで、心臓サイクルの第1及び第2の周波数調波を 同定することと、 各調波の幅を評価することと、 第1の周波数調波の範囲内にある調波を除き、第2の調波の低い方の限界に満 たない周波数調波を抑制することと、 信号の逆フーリエ変換を演算することとから成る方法。 36.検知された胸部バイオインピーダンス及び心電図の指示値を用いて、血行 力学的パラメータを非侵襲性でモニターするためのシステムであって、 指示値を表すアナログ信号を提供するために、患者における該胸部インピーダ ンス及び心電図の指示値を検知するための電極配置と、 該アナログ信号に関連する誤差を補正するための手段と、 該補正されたアナログ信号をデジタル信号に変換するための手段と、 心拍数の評価、前記バイオインピーダンス信号の呼吸波形の抑制、心臓サイク ルの認識、チェックポイントの配置、アーティファクトを有さない心臓サイクル の選択のうちの少なくとも1つを行うために、該デジタル信号を処理するための 手段とから成るシステム。 37.請求項36に記載のシステムであって、前記アナログ信号に関連する誤差 を補正するための手段は、 バイオインピーダンスを測定するために、入力アナログ装置のゲインフェーズ 周波数(GPF)を登録するための手段と、 心電図を測定するために、入力アナログ装置のゲインフェーズ周波数(GPF )を登録するための手段と、 バイオインピーダンス入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数とし てバイオインピーダンスを計測して、バイオインピーダンス信号を生成するため の手段と、 心電図入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数として心電図を計測 して、心電図(ECG)信号を生成するための手段と、 前に登録したGPF特性に基づき、バイオインピーダンス信号のひずみを補正 する手段と、 前に登録したGPF特性に基づき、心電図信号のひずみを補正する手段とから 成るシステム。 38.請求項37に記載のシステムであって、前記処理するための手段は、 一定時間における前記心電図信号の各心臓サイクルに関連する有効QRS波を 決定する手段と、 該有効QRS波にチェックポイントを配置するための手段と、 心拍数を評価するために、前記ECG信号及び前記補正されたバイオインピー ダンス信号のうちの一方を処理する手段と、 補正されたバィオインピーダンス信号を時間によって変化させる手段と、 一定時間における該時間によって区分されるバイオインピーダンス信号の各心 臓サイクルについてのチェックポイントを決定する手段と、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって区分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、有効左心室駆出時間(ELVET )を決定することと、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって微分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、新規の補正係数Zs-qを決定する こととから成るシステム。 39.請求項37に記載のシステムであって、患者の体格、性別及び示される心 臓拍動波形の特徴に対応して、心拍動一回拍出量を算出するための手段を備えて いるシステム。 40.請求項39に記載のシステムであって、前記拍動容量算出手段は、 前記ELVET、時間によって微分される最大バイオインピーダンス(dZ/ dt)max、比血液抵抗率(P)、バイオインピーダンスアナログ入力装置の2 つのバイオインピーダンス電圧感知電極の間の距離(L)、ベースラインバイオ インピーダンス(Z0)、前記補正係数Zs-q、及び新規スケール係数(K)の関 数として、心拍動一回拍出量を算出するための手段を備えているシステム。 41.請求項40に記載のシステムであって、前記心拍数の評価値によって算出 された心拍動一回拍出量から、心拍出量を算出するための手段を備えているシス テム。 42.請求項37に記載のシステムであって、前記バイオインピーダンス入力ア ナログ装置のゲインフェーズ周波数(GPF)特性を登録するための手段は、前 記バイオインピーダンスの検知にて用いられる変換器のフェーズ周波数及びゲイ ン周波数特性を、該検知にて該装置を使用する前に決定する手段を備えているシ ステム。 43.請求項37に記載のシステムであって、測定されたバイオインピーダンス 信号の前記補正手段は、前記変換器のアウトプットのひずみを除去するために、 前記測定されたバイオインピーダンスのデジタル濾過及びフェーズ補正とを行う 手段を備えているシステム。 44.請求項37に記載のシステムであって、前記心電図入力アナログ装置のゲ インフェーズ周波数(GPF)特性を登録するための装置は、前記心電図の検知 にて用いられる変換器のフェーズ周波数及びゲイン周波数特性を、該検知にて該 装置を使用する前に決定する手段を備えているシステム。 45.請求項37に記載のシステムであって、測定された心電図信号の前記補正 手段は、前記変換器の出力のひずみを除去するために、前記測定された心電図の デジタル濾過及びフェーズ補正とを行う手段を備えているシステム。 46.請求項36に記載のシステムであって、前記処理手段は、バイオインピー ダンス信号のパワースペクトラムを用いること及び該パワースペクトラムのオー トコンボリューション(auto-convolution)機能を用いて心拍数を評価すベク適 応されているシステム。 47.請求項36に記載のシステムであって、前記心拍数評価は、心電図信号を 処理することを備えているシステム。 48.請求項37に記載のシステムであって、測定されたバイオインピーダンス 信号の前記補正手段は、パワースペクトラムの望ましくない成分を除去し、回復 された形態のバイオインピーダンス信号を生成するために、呼吸の波形を抑制す るように適応されているシステム。 49.請求項38に記載のシステムであって、前記有効QRS波を決定する手段 は、ピークの振幅のフロント(E1)及びバック(E2)から、一定時間に心電図 にて測定された全てのピークの分布を決定し、(E1,E2)振幅エンベロープを 算出し、エンベロープの外側にある全てのピークを除外するように適応されてい るシステム。 50.請求項42に記載のシステムであって、前記変換器フェーズ周波数及びゲ イン周波数の特性決定手段は、 約0.2オームのピークピークのインピーダンス及び約100〜200オーム までのベースラインインピーダンスを有する高精度の洞様毛細血管(sinusoidal )インピーダンス信号を生成し、 該洞様毛細血管(sinusoidal)インピーダンス信号を前記変換器に接続し、 該変換器からの出力を測定し、 所定の周波数範囲における該変換器のゲインフェーズ周波数特性を算出するよ うに適応されているシステム。 51.請求項50に記載のシステムであって、更に、フォトレジスタ、フォトエ ミッタ、電源及びアナログ−デジタル−アナログコンピュータインターフェース を備えた電圧からインピーダンスへの変換器を用いて、高精度な洞様毛細血管( sinusoidal)インピーダンス信号を生成する手段を備えているシステム。 52.請求項51に記載のシステムであって、更に、前記インターフェースを介 して所定の振幅及び周波数範囲を有する一対のテスト信号を生成し、該変圧器か ら出力信号を検知し、前記フェーズ周波数特性及び前記ゲイン周波数特性を決定 するために該出力信号を解析するための手段を備えているシステム。 53.請求項50に記載のシステムであって、更に、前記変換器の真の動作特性 を所定の特性に変換することによって、線形ゲインフェーズ周波数ひずみを補正 するために事後信号処理を行うための手段を備え、フェーズシフトはゼロとされ 、ゲインは所定の周波数範囲内で一定であると想定されるシステム。 54.請求項36に記載のシステムであって、前記処理手段は、 バイオインピーダンス信号のパワースペクトラムを算出することと、 信号を区別し、呼吸の調波を抑制するために、選択された振幅−周波数関数に よって該パワースペクトラムを乗算することと、 得られたパワースペクトラムを次式: によってオートコンボリューションすることと、 所定の周波数範囲内のオートコンボルションの最大振幅値を決定することとに よって、心拍数を評価するように適応されているシステム。 55.請求項36に記載のシステムであって、前記処理手段は、 心臓サイクルのフロントを強調するためにバイオインピーダンス信号を濾過す ることと、 濾過後に該パワースペクトラムの最初の5つの調波を解析することによって、 該心臓サイクルの時間−振幅エンベロープを算出することと、 算出された該時間−幅エンベロープを比較することによって、前記心臓サイク ルのフロントを選択することと、 誤差欠陥を有するフロントを除外することとによって、心臓サイクルを認識す るように適応されているシステム。 56.請求項36に記載のシステムであって、前記処理手段は、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル内で、チェックポイントを参照すること により時間と振幅との関係を検知することと、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル間で、時間と振幅との関係を比較するこ とと、 複数の比較基準に基づき、アーティファクトの存在を示す選択された心臓サイ クルを更に調べることとによって、干渉アーティファクトを有する心臓サイクル を消去するために、補正されたバイオインピーダンス信号から有効心臓サイクル を選択するように適応されているシステム。 57.請求項56に記載のシステムであって、前記処理手段は更に、 選択された心臓サイクルの個々のサイクルについて複数次元ベクトルを構成し 、 該複数次元ベクトルと他の心臓サイクルの複数次元ベクトルとを比較し、更に 前の50の有効心臓サイクル及びその他の候補心臓サイクルと比較したときに、 近接ベクトルがないベクトルを有する心臓サイクルを除外するように適応されて いるシステム。 58.請求項38に記載のシステムであって、前記処理手段は、 該測定されたバイオインピーダンス信号を濾過して、そこに含まれる呼吸の波 形を抑制することと、 前記測定された心電図信号を濾過することと、 有効心臓サイクルを検知することと、 前記バイオインピーダンス信号Y(x)の時間導関数を算出することと、 時間導関数(dz/dt)maxの最大値を決定することと、 有効駆出開始時間(Sポイント)を決定することと、 有効駆出完了時間(Tポイント)を決定することと、 有効駆出開始時間と有効駆出完了時間との間の時間差として、有効左心室駆出 時間(ELVET)を算出することとによって、測定されたバイオインピーダン ス信号及び測定された心電図信号から、有効左心室駆出時間を求めるように適応 されているシステム。 59.請求項58に記載のシステムであって、有効駆出開始時間を決定すること は、 或る有効心臓サイクルにて、時間によって区分されるバイオインピーダンス信 号の全体的な最大値を決定して該最大値をポイントAとして定めることと、 心電図にて対応するポイントAからポイントSaまで時間を遡及することと、 ポイントAとポイントSaの間にて、バイオインピーダンスの異常を調べるこ ととによって実行され、 該異常が認められない場合は、心臓サイクルはノイズとして除外され、 異常が認められる場合は、ポイントSbの右側にてこれに最も近接する異常を 駆出開始時間Sとして選択し、 それ以外の場合は、ポイントSbの左側にてこれに最も近接する異常を駆出開 始時間Sとして選択するシステム。 60.請求項59に記載のシステムであって、有効駆出完了時間の決定は、 ポイントAの後で、時間によって区分されるバイオインピーダンス信号にて、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)を決定することと 、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)のいずれかで、信 号曲線の深さを解析することと、 第2の局所的最小値(T2)の深さが、第1の局所的最小値(T1)の所定の分 数値より大きい場合は、第2の局所的最小値(T2)をT0として選択し、それ以 外の場合はT1をT0として選択することと、 Y(x)の第2の導関数によって形成される曲線のグラフにて、ポイントT。 より前でこれに最も近接する局所的最小値として、Tポイントを識別することと によって実行されるシステム。 61.請求項60に記載のシステムであって、T1及びT2の識別後であってTポ イントの識別前には、T1及びT2の相対振幅に関わらず、前記処理手段は更に、 電子心電図信号のT波の後縁を検知し、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にあるか否かを決定し、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にある場合は、T1及びT2の範囲の外側 にある方をT0として選択するように適応されているシステム。 62.請求項59に記載のシステムであって、異常は、dZ/dtのゼロとの交 点(Qポイント)、dZ/dtの局所的最小値、及びバイオインピーダンス信号 の第3の時間導関数d3Z/d3tにおける局所的最大値とから成る群より選択さ れるシステム。 63.請求項39に記載のシステムであって、前記処理手段は、 比血液抵抗率Pを決定することと、 患者に適用された2つのバイオインピーダンス電極の間の距離Lを測定するこ とと、 ベース胸部インピーダンスZηを決定することと、 ELVETを決定することと、 血流によるインピーダンス変化ΔZを決定することと、 次式: SV=K・P・(L/Zη)θ・ΔZ に従い、心拍動一回拍出量SVを算出することとによって、前記患者の心拍動拍 出量を測定するように適応されているとともに、 Kは患者の体格に関連する新規のスケール係数であるシステム。 64.請求項63に記載のシステムであって、更に、次式: SCHEST=(PCHESTθ+(PNECK・PCHEST)+PNECKθ)/12π が成立するシステム。 65.請求項64に記載のシステムであって、K0,K1,K2及びK3は性別 及び年齢に依存し、以下の範囲内: にあるシステム。 66.請求項63に記載のシステムであって、ΔZは、 ECG信号のQRS波の開始を同定して、これをポイントQと定めることと、 ポイントS,Zaにてインピーダンスを決定することと、 ポイントQ,Zqにてインピーダンスを決定することと、 ポイントSとポイントQの間のインピーダンスの差Zs-qを算出することと、 以下の式: ΔZ=(dZ/dt)Π-ELVET+Zs-q に従って評価することとによって決定されるシステム。 67.請求項36に記載のシステムであって、前記処理手段は、 信号のフーリエ変換を行うことと、 算出された信号スペクトラムで、心臓サイクルの第1及び第2の周波数調波を 同定することと、 各調波の幅を評価することと、 第1の周波数調波の範囲内にある調波を除き、第2の調波の低い方の限界に満 たない周波数調波を抑制することと、 信号の逆フーリエ変換を演算することとによって、呼吸のアーティファクトを 抑制するよう適応されているシステム。 68.請求項67に記載のシステムであって、前記電気配置は、 被検者の頭上に配置された上部作用電極と、 被検者の左下肢に配置された下部作用電極と、 被検者の頸部に配置された一対の上部検知電極と、 被検者の胴体に配置された一対の下部検知電極とから成るシステム。 69.請求項68に記載のシステムであって、前記電極配置の配置方法は更に、 被検者の額に配置された上部作用電極と、 被検者の左膝の広い領域に配置された下部作用電極と、 被験者の頸部に配置された一対の上部検知電極と、 被検者の胸部の両側に横方向に配置された一対の下部検知電極とから成るシス テム。 70.請求項69に記載のシステムであって、前記上部作用電極は、前記被検者 の額の垂直方向及び水平方向の中央線上での配向のためにスポット電極を備えて いるシステム。 71.請求項68又は請求項69に記載のシステムであって、前記下部作用電極 はスポット電極を備え、該スポット電極の配置はL<5Rの関係を満たしており 、Lは前記上部作用電極と前記下部作用電極の間の垂直方向の距離であると共に 、Rは前記被検者胸部の半径であるシステム。 72.請求項68、請求項69又は請求項70に記載のシステムであって、前記 上部検知電極は、前記被検者頸部の基部から約4センチメートル上がった位置の 水平線に沿って、該被検者頸部の両側に対称的に配向された一対のスポット電極 から成るシステム。 73.請求項69、請求項70、請求項71又は請求項72に記載のシステムで あって、前記下部検知電極は更に、一対の電極アセンブリを備え、各電極アセン ブリは、ほぼ剣状プロセスレベルにて、前記被検者胸部の両側で横方向に配向さ れた、約12〜約30平方センチメートルの接触面を有するシステム。 74.請求項73に記載のシステムであって、各アセンブリは更に4つのスポッ ト電極を備え、各スポット電極は約4平方センチメートルの接触面を有し、各ス ポット電極は約5センチメートルの辺を有する正方形のコーナーの中央に配置さ れ該アセンブリの4つの全スポット電極は電気的に相互接続されているシステム 。 75.請求項74に記載のシステムであって、各アセンブリの頂部スポット電極 は被検者の剣状プロセスレベルに配置されているシステム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベリァエフ、コンスタンチン エル. ロシア連邦国 125565 モスクワ フェス チヴァリナヤ エステー.5 アーペーペ ー 115 (72)発明者 モロゾフ アレキサンドル アー. ロシア連邦国 129642 モスクワ デズネ バ ステー.6 ベーエルデー.2 アー ペーペー 127 (72)発明者 ヨン、ウェン エイチ. シンガポール国 546628 シンガポール ポー フワト ドライブ 43

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.検知された胸管バイオインピーダンス信号及び心電図から、被検者の心拍数 、心拍動一回拍出量、及び心拍出量を決定するための装置であって、該胸部バイ オインピーダンス信号及び該心電図を検知するための電極アレイを備えている装 置。 2.請求項1に記載の装置であって、 被検者の頭上に配置された上部作用電極と、 被検者の左下肢に配置された下部作用電極と、 被検者の頸部に配置された一対の上部検知電極と、 被検者の胴体に配置された一対の下部検知電極とから成る装置。 3.請求項2に記載の装置であって、 被検者の額に配置された上部作用電極と、 被検者の左膝の広い領域に配置された下部作用電極と、 被検者の頸部に配置された一対の上部検知電極と、 被検者の胸部の両側に横方向に配置された一対の下部検知電極とから成る装置 。 4.請求項3に記載の装置であって、前記上部作用電極は、前記被検者の額の垂 直方向及び水平方向の中央線上での配向のためにスポット電極を備えている装置 。 5.請求項3に記載の装置であって、前記下部作用電極はスポット電極を備え、 該スポット電極の配置はL<5Rの関係を満たしており、Lは前記上部作用電極 と前記下部作用電極の間の垂直方向の距離であると共に、Rは前記被検者胸部の 半径である装置。 6.請求項3に記載の装置であって、前記上部検知電極は、前記被検者頸部の基 部から約4センチメートル上がった位置の水平線に沿って、該被検者頸部の両側 に対称的に配向された一対のスポット電極から成る装置。 7.請求項3に記載の装置であって、前記下部検知電極は更に、一対の電極アセ ンブリを備え、各電極アセンブリは、ほぼ剣状プロセスレベルにて、前記被検者 胸部の両側で横方向に配向された、約12〜約30平方センチメートルの接触面 を有する装置。 8.請求項7に記載の装置であって、各アセンブリは更に4つのスポット電極を 備え、各スポット電極は約4平方センチメートルの接触面を有し、各スポット電 極は約5センチメートルの辺を有する正方形のコーナーの中央に配置され該アセ ンブリの4つの全スポット電極は電気的に相互接続されている装置。 9.請求項8に記載の装置であって、各アセンブリの頂部スポット電極は被検者 の剣状プロセスレベルに配置されている装置。 10.心拍数、心拍動一回拍出量、及び心拍出量を求めるためにバイオインピー ダンス信号及び心電図を処理するための方法において、 バイオインピーダンスの計測のために、入力アナログ装置のゲインフェーズ周 波数(GPF)特性を登録することと、 心電図の計測のために、入力アナログ装置のゲインフェーズ周波数(GPF) 特性を登録することと、 バイオインピーダンス入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数とし てバイオインピーダンスを計測して、バイオインピーダンス信号を生成すること と、 心電図入力アナログ装置で、一定時間、時間に対する関数として心電図を計測 して、心電図(ECG)信号を生成することと、 前に登録したGPF特性に基づき、バイオインピーダンス信号のひずみを補正 することと、 前に登録したGPF特性に基づき、心電図信号のひずみを補正することと、 一定時間における前記心電図信号の各心臓サイクルに関連する有効QRS波を 決定することと、 該有効QRS波にチェックポイントを配置することと、 心拍数を評価するために、前記ECG信号及び前記補正されたバイオインピー ダンス信号のうちの一方を処理することと、 補正されたバイオインピーダンス信号を時間によって微分することと、 一定時間における該時間によって微分されるバイオインピーダンス信号の各心 臓サイクルについてのチェックポイントを決定することと、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって区分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、有効左心室駆出時間(ELVET )を決定することと、 対応するQRSチェックポイントに関連して、該時間によって区分されるバイ オインピーダンスチェックポイントを用いて、新規の補正係数Zs-qを決定する ことと、 前記ELVET、時間によって区分される最大バイオインピーダンス(dZ/ dt)max、比血液抵抗率(P)、バイオインピーダンスアナログ入力装置の 2つのバイオインピーダンス電圧感知電極の間の距離(L)、ベースラインバイ オインピーダンス(Z0)、前記補正係数Zs-q、及び新規スケール係数(K) の関数として、心拍動一回拍出量を算出することと、 該心拍動一回拍出量を前記心拍数で乗算することにより心拍出量を算出するこ ととから成る方法。 11.請求項10に記載の方法であって、前記バイオインピーダンス入力アナロ グ装置のゲインフェーズ周波数(GPF)特の前記登録は、前記バイオインピー ダンスの検知にて用いられる変換器のフェーズ周波数及びゲイン周波数特性を、 該検知にて該装置を使用する前に登録することを備えている方法。 12.請求項10に記載の方法であって、測定されたバイオインピーダンス信号 の前記補正は、前記変換器の出力のひずみを除去するために、前記測定されたバ イオインピーダンスのデジタル濾過及びフェーズ補正とを備えている方法。 13.請求項10に記載の方法であって、前記心電図インプットアナログ装置の ゲインフェーズ周波数(GPF)特性の前記登録は、前記心電図の検知にて用い られる変換器のフェーズ周波数及びゲイン周波数特性を、該検知にて該装置を使 用する前に決定することを備えている方法。 14.請求項10に記載の方法であって、測定された心電図信号の前記補正は、 前記変換器のアウトプットのひずみを除去するために、前記測定された心電図の デジタル濾過及びフェーズ補正とを備えている方法。 15.請求項10に記載の方法であって、前記心拍数評価は、バイオインピーダ ンス信号のパワースペクトラムを用いること及び該パワースペクトラムのオート コンボリューション(auto-convolution)機能を用いることを備えている方法。 16.請求項10に記載の方法であって、前記心拍数評価は、心電図信号を処理 することを備えている方法。 17.請求項12に記載の方法であって、測定されたバイオインピーダンス信号 の前記補正は、更に、パワースペクトラムの望ましくない成分を除去し、回復さ れた形態のバイオインピーダンス信号を生成するために、呼吸の波形を抑制する ことを備えている方法。 18.請求項10に記載の方法であって、前記有効QRS波決定は、ピークの振 幅のフロント(E1)及びバック(E2)から、一定時間に心電図にて測定された 全てのピークの分布を決定し、(E1,E2)振幅エンベロープを算出し、エンベ ロープの外側にある全てのピークを除外することを備えている方法。 19.請求項11に記載の方法であって、前記変換器フェーズ周波数及びゲイン 周波数の特性決定は、 約0.2オームのピークピークのインピーダンス及び約100〜200オーム までのベースラインインピーダンスを有する高精度の正弦波(sinusoidal)イン ピーダンス信号を生成することと、 該正弦波インピーダンス信号を前記変換器に接続することと、 該変換器からのアウトプットを測定することと、 所定の周波数範囲における該変換器のゲインフェーズ周波数特性を算出するこ ととを備えている方法。 20.請求項19に記載の方法であって、更に、フォトレジスタ、フォトエミッ タ、電源及びアナログ−デジタル−アナログコンピュータインターフェースを有 する電圧からインピーダンスへの変換器を用いて、高精度正弦波(sinusoidal) インピーダンス信号を生成することを備えている方法。 21.請求項20に記載の方法であって、更に、前記インターフェースを介して 所定の振幅及び周波数範囲を有する一対のテスト信号を生成することと、該変圧 器から出力信号を検知することと、前記フェーズ周波数特性及び前記ゲイン周波 数特性を決定するために該出力信号を解析することとを備えている方法。 22.請求項19に記載の方法であって、更に、前記変換器の真の動作特性を所 定の特性に変換することによって、線形ゲインフェーズ周波数ひずみを捕正する ために事後信号処理を行うことを備え、フェーズシフトはゼロとされ、ゲインは 所定の周波数範囲内で一定であると想定される方法。 23.心拍数を評価するための方法であって、 バイオインピーダンス信号のパワースペクトラムを算出することと、 信号を微分し、呼吸の調波を抑制するために、選択された振幅−周波数関数に よって該パワースペクトラムを乗算することと、 得られたパワースペクトラムを次式: によってオートコンボリューションすることと、 所定の周波数範囲内のオートコンボリューションの最大振幅値を決定すること とから成る方法。 24.心臓サイクルを決定する方法であって、 心臓サイクルのフロントを強調するためにバイオインピーダンス信号を濾過す ることと、 濾過後に該パワースペクトラムの最初の5つの調波を解析することによって、 該心臓サイクルの時間−振幅エンベロープを算出することと、 算出された該時間−振幅エンベロープを比較することによって、前記心臓サイ クルのフロントを選択することと、 過誤欠陥を有するフロントを除外することとから成る方法。 25.干渉アーティファクトを有する心臓サイクルを消去するために、補正され たバイオインピーダンス信号から有効心臓サイクルを選択するための方法であっ て、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル内で、チェックポイントを参照すること により時間と振幅との関係を検知することと、 複数の心臓サイクルの個々のサイクル間で、時間と振幅との関係を比較するこ とと、 複数の比較基準に基づき、アーティファクトの存在を示す選択された心臓サイ クルを更に調べることとから成る方法。 26.請求項25に記載の方法であって、更に、 選択された心臓サイクルの個々のサイクルについて複数次元ベクトルを構成す ることと、 該複数次元ベクトルと他の心臓サイクルの複数次元ベクトルとを比較すること と、 前の50の有効心臓サイクル及びその他の候補心臓サイクルと比較したときに 、近接ベクトルがないベクトルを有する心臓サイクルを除外することとを備えて いる方法。 27.測定されたバイオインピーダンス信号及び測定された心電図信号から、有 効左心室駆出時間を求めるための方法であって、 該測定されたバイオインピーダンス信号を濾過して、そこに含まれる呼吸の波 形を抑制することと、 前記測定された心電図信号を濾過することと、 有効心臓サイクルを検知することと、 前記バイオインピーダンス信号Y(x)の時間導関数を算出することと、 時間導関数(dZ/dt)maxの最大値を決定することと、 有効駆出開始時間(Sポイント)を決定することと、 有効駆出完了時間(Tポイント)を決定することと、 有効駆出開始時間と有効駆出完了時間との間の時間差として、有効左心室駆出 時間(ELVET)を算出することとから成る方法。 28.請求項27に記載の方法であって、有効駆出開始時間を決定することは、 或る有効心臓サイクルにて、時間によって微分されるバイオインピーダンス信 号の全体的な最大値を決定して、該最大値をポイントAとして定めることと、 心電図にて対応するポイントAからポイントSaまで時間を遡及することと、 ポイントAとポイントSaの間にて、バイオインピーダンスの異常を調べるこ ととを備え、 該異常が認められない場合は、心臓サイクルはノイズとして除外され、 異常が認められる場合は、ポイントSbの右側にてこれに最も近接する異常を 駆出開始時間Sとして選択し、 それ以外の場合は、ポイントSbの左側にてこれに最も近接する異常を駆出開 始時間Sとして選択する方法。 29.請求項28に記載の方法であって、有効駆出完了時間の決定は、 ポイントAの後で、時間によって区分されるバイオインピーダンス信号にて、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)を決定することと、 第1の局所的最小値(T1)及び第2の局所的最小値(T2)のいずれかで、信 号曲線の深さを解析することと、 第2の局所的最小値(T2)の深さが、第1の局所的最小値(T1)の所定の分 数値より大きい場合は、第2の局所的最小値(T2)をT0として選択し、それ以 外の場合はT1をT0として選択することと、 Y(x)の第2の導関数によって形成される曲線のグラフにて、ポイントT0 より前でこれに最も近接する局所的最小値として、Tポイントを識別することと を備えている方法。 30.請求項29に記載の方法であって、T1及びT2の識別後であってTポイン トの識別前、更にT1及びT2の相対振幅に関わらず、 電子心電図信号のT波の後縁を検知することと、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にあるか否かを決定することと、 T1又はT2がT波の後縁範囲より外側にある場合は、T1及びT2の範囲の外側 にある方をT0として選択することを備えている方法。 31.請求項28に記載の方法であって、異常は、dZ/dtのゼロとの交点( Qポイント)、dZ/dtの局所的最小値、及びバイオインピーダンス信号の第 3の時間導関数d3Z/d3tにおける局所的最大値とから成る群より選択される 方法。 32.患者の一回拍出量を測定する方法であって、 比血液抵抗率Pを決定することと、 患者に適用された2つのバイオインピーダンス電極の間の距離Lを測定するこ とと、 ベース胸部インピーダンスZ0を決定することと、 ELVETを決定することと、 血流によるインピーダンス変化ΔZを決定することと、 次式: SV=K・P・(L/Z0)2・ΔZ に従い、一回拍出量SVを算出することとを備え、 Kは患者の体格に関連する新規のスケール係数である方法。 33.請求項32に記載の方法であって、更に、Kを次式: SCHEST=(PCHEST2+PNECK・PCHEST+PNECK2)/12π によって算出することを備えている方法。 34.請求項33に記載の方法であって、K0,K1,K2及びK3は性別及び年齢 に依存し、以下の範囲内: にある方法。 35.請求項32に記載の方法であって、ΔZを決定することは、 ECG信号のQRS波の開始を同定して、これをポイントQと定めることと、 ポイントS,Zsにてインピーダンスを決定することと、 ポイントQ,Zqにてインピーダンスを決定することと、 ポイントSとポイントQの間のインピーダンスの差Zs-qを算出することと、 以下の式: ΔZ=(dZ/dt)max・ELVET+Zs-q に従ってΔZを評価することとを備えている方法。 36.バイオインピーダンス信号にて呼吸の波形を抑制するための方法であって 、 信号のフーリエ変換を行うことと、 算出された信号スペクトラムで、心臓サイクルの第1及び第2の周波数調波を 同定することと、 各調波の幅を評価することと、 第1の周波数調波の範囲内にある調波を除き、第2の調波の低い方の限界に満 たない周波数調波を抑制することと、 信号の逆フーリエ変換を演算することとから成る方法。
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