JP2005522238A - 心臓の動きをモニタするためのセンサの使用およびシステム - Google Patents
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Abstract
Description
心臓手術後に、特に心臓の血管再生術後に、心筋の動きを容易に測定することができるセンサシステムが、再治療のための早期警告および指示のための優良なモニタリングツールとなるであろう。
2.共振加速度計
3.熱加速度計
4.電気機械センサ(ポジションセンサ、ジャイロスコープ、ポテンショメータ)
5.磁気センサ要素
6.音響センサ要素
7.光センサ要素
8.バイオセンサ(動きの代わりに たとえばpCO2を記録する)
9.上記の組み合わせ。たとえば、バイオセンサは加速度計と一緒に電極内に一体化されてもよい。
バルク微小機器に基づいた方法もまた、縮小(小型化)と共に、これの良好な代替となる。
共振センサ、加速度計およびジャイロセンサの両方は、比較的複雑であり、ジャイロセンサの場合には、コリオリの加速度に基づいている。これらは、高精密センサである。
上記には、導入部に述べられた種類の装置が設けられており、その特徴は、独立請求項から明らかである。本発明のさらなる特徴は、残りの従属請求項から明らかである。
下記において、本発明は、図面を参照してより詳細に説明される。
参照符号2は、伝導性ペースメーカー電極3のすぐ上に配列された加速度計センサを示す。特にこの1−3−軸センサ2は、そのような特別な目的のために十分に小さくするために、マイクロエレクトロメカニカル方法、またはナノエレクトロメカニカル方法(MEMS/NEMS)で開発されていることが認識(envisaged)される。参照符号4は、患者の外部にあるペースメーカー機械にペースメーカーを接続するためのペースメーカーへの絶縁導体となる。ワイヤ5は接続ワイヤである。ワイヤ5の端にはペースメーカーを心筋に配置するためのフック形状針6がある。ワイヤ4の端にはまっすぐな針が設けられており、ワイヤが患者の胸部を通ってペースメーカー機械へ届くことを可能にする。
1.小型。暫定的なペースメーカー電極の伝導性ニップルのサイズと同様のサイズを意味する。
2.心臓の適切な動作に干渉しないような軽量(小圧力)。
3.低周波数に対しての感度、たとえば、0<f<200Hzの区域の周波数であり、すなわち、心臓の動きが構成される様々な周波数構成要素を記録する周波数範囲である。
4.電圧が0<V<2.5Vの範囲における振幅に対して感度、600mV/g以上の感度を有する。
5.センサ素子内の低エネルギ交換。これは、心臓の機能に干渉するような電気パルスをセンサ素子が放出しないことを確実にするために、必須である。
加速度計からのシグナルを読み取るときには、電圧が加速度として読み取られる。このシグナルのフーリエ変換が、シグナルの変化をモニタするのに使用される好適な手順である。これを行う方法のさらなる説明が、下記の実施例に与えられる。
加速データの三軸収集を形成するために互いに対して90度で装着される二つの二軸加速度計(アメリカ合衆国マサチューセッツ州ノーウッドのアナログデバイセズ(Analogue Devices)が扱っているADXL−202)で、実験が行われている。これらのセンサは、加速に対して比例するデジタルまたはアナログの出力シグナルを与えることができる。実験において、より高い割合でのサンプル採取(1kHz)は、センサからのアナログ出力を使用することによって提供された。周囲のノイズ、特に中心から50Hzまでにおけるノイズにより抗力があるようにするために、操作用増幅器がシグナルを干渉するのに使用された。電子機器および二つの加速度計が、小さなポリマーボックス内に置かれ、封止された。基部プレートに小さな孔が開けられ、この孔は心臓へ取り付け(縫合)のために使用された。シグナルは、後述されるように処理された。
原則として、センサの速度および位置は、加速度シグナルの単一および二重の積分化によって再構築されてもよい。しかしながら、センサのローリング(回動又は転がり)が測定されないため完全に正しくはなく、またブラウン運動でのノイズ発生が積算化するとき、主な問題はノイズの存在である。これは、おそらく、できるだけ多くの積分化ノイズを除去するか、または、心臓の加速のパラメータ化されたモデルを構築するか、のいずれかによって解決されると思われ、これは次いで測定データに適合される。そのようなモデルは、たとえば、打切りフーリエ級数に基づいてもよい。しかし、異常な心臓活動のみを検出するために、直接加速シグナルに基づいてさらなる分析を行うことはより有利である。そのような分析は、下記により詳細に説明される。
今、aiは、構成要素ui、viまたはwiを備えたベクトルの長さを示す。次いでこの量は、加速の方向を考慮に入れずに心臓壁の加速を測定する。加速の方向は、ほぼ一定であり心臓壁に対して直角であると予想され、そのため長さのみを調査することによって失われた情報はなかった(ai用に適切なサインが規定される場合)。これはそういうケースではないことがわかった。逆に、加速の方向がほぼ全方向で変動した。下記においての分析は、それにも拘わらず時間系列aiに限定されている。一方向時間系列はより容易に処理されるため、異常な心臓活動を初期の段階で検出することができるように、十分な情報を保っていることがわかった。
aiの分析は、シグナルの周波数分布を評価する高速フーリエ変換(FFT)に基づいている。したがって、加速は一定の回数で、たとえばk回、サンプル採取され、有限の時間系列a1、・・・・・・、akを与える。次いで、FFTは、新しい系列Xiを与えるようにこの系列に適用される。各要素Xiは、時間系列aiの周波数fiのエネルギを示す。もしTが各サンプルの間の時間を示すと、
上述の原則の例示ように、図3を参照すると、これは、スペクトログラムの形状で、シグナルaiの周波数分布の時間に対する展開を示す。各垂直線は、所与の時間点での周波数分布の近似である。スペクトログラムを明確にするために、たとえば、青から黄色を経由して最強としての赤への段階で示される周波数分布を持った色で表してもよい。パルスA1、A2・・・・・・の調和は、次いで水平の黄色い線として現れる。実験の開始後約530から570秒で起こる閉塞時に、調和の強度が変化するのを見ることができる。これは、図4aから4cによって明瞭に示され、時間200、450および650秒の前後の周波数分布を示す。したがって最初の二つは閉塞前からのものであり、ほぼ同一である。他方、図4cは、閉塞後からのものであり、他の二つからの顕著な逸脱を示す。さらに、図5は、例として、時間に対する図3の特定の周波数(約5Hz)用のパルスの第四の調和に対応するエネルギXiを示し、曲線のエネルギピークは色の上述の段階の赤に対応する。
実験中に、閉塞準備するために、実験の開始後300から450秒に、閉塞縫合糸はLAD(左前下降)のまわりの心筋に置かれ、530から570秒にLADは完全に閉塞され、心臓が細動するまで加速度のログ取りが続く。図3は、これが実験の開始後およそ700秒で発生することを示し、1.7Hzで心拍が減少する(より弱い曲線)。最初の150秒もまたぼやけた曲線を示し、これもおそらく、センサを留める間に心臓にストレスがかかることによって発生する。
1.多数回、加速度計をサンプル採取し、スライディング平均によってずれを取り除き、加速ベクトルの長さaiを計算する。
2.FFTによって時間系列aiの周波数分布を計算する。
3.見い出された周波数分布に基づいて、パルスを決定し、A1、A2・・・・・をパルス周波数の第一の倍数エネルギにする。
4.Aiと標準セットとの間の差の二乗和を計算することによって、セットAiを健康な心臓用の標準セットに比較する。大きな二乗和は、異常な心臓活動を示す。
本調査の目的は、冠状脈手術中に虚血の場合に早期に警告を発するために圧電性加速度計によって心臓の表面の動きを検出することであった。冠状バイパス手術用の正規手順後に、CABG(冠動脈バイパス術)、開胸を伴うLIMA−LADが行われた。加速度計は、虚血(心筋への血液の不良供給)中の活動の変化を測定するために、それぞれLIMAおよびLADの閉塞に関する加速度計測定用に尖(左心室)に留められた。
・LIMAの同時閉塞時に、虚血中の活動の変化を検査することができる。
調査されるべきことの詳細は下記の通りであった。
・周波数スペクトルの変化を連続して計算して加速度計によって測定され高速フーリエ変換(FFT)によって分析された、LADの100%閉塞時における活動のパターンの変化によって、いかに早く虚血を検出することができるか。
・センサの配置に対してこの検出は、どれほど感度がよいか。
・測定されている軸方向に対して検出は、どれほど感度がよいか。
・x、y、z方向の結果
・一の軸のみ
・システムの特性は何か。
・システムの感度はどうか。
下記は、データのログ取り用の手順である。
2.設置された加速度計での測定をa秒後に開始した。
3.b秒後に虚血状態を誘発するようにLADを閉塞した。
4.c秒後に、心臓を回復するために閉塞を開放した。
5.加速度計データのログ取りを停止した。
ログファイルは、下記表3に挙げられる。
下記に、動物検査1用のログからのログデータのシグナル分析用の手順が続く。
・ログファイルから加速測定を読み取る。
・カラムの入力、例えば、ログ長さに等しい長さを備えたベクトルとして、分析が必要なカラムすなわち軸方向を入力する。
・これ(サンプル)から512点サブベクトルを取る。
・ベクトル要素からdcずれを引く。
・512サンプル幅を備えたFFT分析を行い、これは結果として新しいベクトルになるが、複雑な要素を備える。
・FFTベクトルにその共役をかけ、次いでベクトルの長さで割ることによって、「エフェクトスペクトル」を計算する。これは、シグナルの周波数の関数としてのエネルギの測定を提供する。
・第一のエネルギベクトルを格納する(図7参照)。このベクトルは、その後の計算用に参照エフェクトスペクトルを形成することができる。
・次いで、計算速度と正確度/感度の要件との間でバランスの取れたインクリメントでフローティングウインドウで同一エネルギベクトルを計算する。図8aおよび8b参照。これらは、それぞれ、60秒後および100秒後のエネルギスペクトルを示す。
・新しいベクトルの各々と第一のエネルギベクトルとの間のユークリッド距離が、二乗された各x値のエネルギの平方根を通して、計算される。
・ユークリッド距離の上限(経験的に求められた最高正常値よりも高い)を超えたとき
・同一ユークリッド距離の逸脱が、求められた上限を超えたとき
・ユークリッド距離がリアルタイムにプロットされ、訓練を受けたオペレータがグラフ画像からの異常な変化も見ることができる。図9は、フローティングエフェクトスペクトルから参照スペクトル(図6参照)へのユークリッド距離の展開を示している。すなわち、フローティングウインドウからのデータを用いて測定することの開始点により、第一のサンプル採取に対するシグナルの変化を見ることを可能にするようにし、これは次いで参照として作用する。図9は、80から170秒の範囲のこの差動値の増加をはっきり示す。
図11は、一番最近に測定されたスペクトルと以前のものとの間のシグナル差を示し、シグナルの変化を登録するのを可能にするようにする。図9との比較から明らかなように、図11の分析方法は、図9においてシグナルの増加を示すものと同一の点で強力なシグナルを提供する。
図15は、本発明の好適な実施の形態にしたがって使用される上記加速センサADXL−202用の回路図の例を示す。
図16は、測定を行うために心臓に置かれるセンサを示す。センサはデータ獲得ユニット10、シグナル処理用のユニット11、さらに、処理されたデータをスクリーンに表示し且つ/または逸脱の場合に音響警告を与える装置12に接続される。次いで、表示された変化または予測される変化は、さらなる外科的処置が必要か否かまたは患者が健康であると告げることができるか否かを決定するための基礎13を形成することができる。
好ましくは、動作センサは、少なくとも一方向の加速に対して感度がよい加速度計を具備するが、代替または追加として、センサの位置決め点における回転運動を測定するためのジャイロスコープを具備してもよい。ジャイロスコープは、他の種類の変化を登録することができ、たとえば、選択された位置自体は停止しているが隣接する位置は動いている場合には、その位置でねじれを引き起こす。
好ましくは、心臓の動きの記録のための本発明による動作センサは、2.5Vの最大振幅で200Hzの周波数範囲(帯域幅)内で少なくとも600mV/gの感度を有する。これを術後用途に使用するのを可能にするために、その容積は、1.5×1.5×4mmよりは小さくなければならず、好ましくは、1×1×2mmの大きさであり、また、生体物質に反応しない外側材料と、心臓の表面上の選択された位置に取り付けるための装置とが設けられなければならず、このセンサはさらに、記録された情報を患者の外部にある計算ユニットへ送るためのシグナル線を具備する。
本発明は、図17に示されるように、心筋の活動の変化をモニタするためのシステムをさらに具備し、センサは、心臓の機能を反映するシグナルを計算ユニットへ発するように設計される。これは、心臓の機能に特徴的なシグナルを放出するために、加速度計内に一体化されているかまたはペースメーカー電極に固定されているさらなるバイオセンサにつながれてもよい。
Claims (20)
- 動作センサの使用であって、前記センサは活動する心臓の表面上の選択された位置に留置されてこの位置の心臓の動きを記録する動作センサの使用。
- 前記使用がバイパス手術に関連した術後にすることを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記位置が術後に、血管再生された冠動脈から血液を受け取る心筋のその部分の中心点として選択されることを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記動作センサが外科的処置を必要とせずにそれ自身の容積と留置具とによって前記位置から取り外し可能であるように設計されることを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記動作センサは、少なくとも一つの方向における加速に対して感度がよい加速度計を具備することを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記動作センサは、前記取付位置での回転運動を測定するためのジャイロスコープを具備することを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記記録された動きは、患者の外部に位置する計算ユニットへ伝達されることを特徴とする請求項1記載の使用。
- 前記動作センサが暫定的なペースメーカー電極内に組み込まれることを特徴とする請求項1記載の使用。
- 心臓の動きを記録するための動作センサであって、このセンサは、2.5Vの最大振幅で200Hzの周波数範囲(帯域幅)内で少なくとも600mV/gの感度を備えた動作センサであり、1.5×1.5×4mm未満の容積を有し、生体物質に反応しない外側材料と、心臓の表面上の選択された位置に留めるための留置具とが設けられており、記録された情報を患者の外部に位置する計算ユニットへ伝達するためのシグナル線をさらに具備する動作センサ。
- 前記センサの容積が1×1×2mm未満であることを特徴とする請求項9記載の動作センサ。
- 少なくとも一つの方向に対して感度がよい加速度計を具備することを特徴とする請求項9または10に記載の動作センサ。
- 前記選択された位置で少なくとも一つの軸を中心にした回転運動を測定するためのジャイロスコープを具備することを特徴とする請求項9〜11の何れかに記載の動作センサ。
- 請求項9〜12の何れかに記載の少なくとも一つの動作センサを具備する、心筋の運動の変化をモニタリングするシステムであって、前記センサは心臓の表面に留められるように設計され、前記センサは前記心臓の活動を反映するシグナルを計算ユニットへ発するように設計されるシステム。
- 心臓の活動に特徴的なシグナルを発信するために、加速度計に一体化されたか、又はペースメーカー電極に固定されたバイオセンサをさらに含むことを特徴とする請求項13記載のシステム。
- シグナルを増幅し計算するように設計された増幅器および計算ユニットと、比較時に逸脱を示すための装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項13または14に記載のシステム。
- 前記計算ユニットが周波数分布を決定するために、高速フーリエ変換を用いることが予定されることを特徴とする請求項15記載のシステム。
- 前記計算ユニットは前記シグナルの周波数分布を決定し、これらは予め設定された標準分布と比較されることを特徴とする請求項15記載のシステム。
- 使用される前記予め設定された標準分布は、前記センサの挿入直後に計算された周波数分布であることを特徴とする請求項15記載のシステム。
- 所定の値からの逸脱を示すための装置を具備し、前記標準分布からの逸脱が一定のレベルを超えるときにはアラームシグナルを発するように設計されたアラームトランスミッタを具備することを特徴とする請求項18記載のシステム。
- 前記動作センサが暫定的なペースメーカー電極内に組み込まれることを特徴とする請求項13記載のシステム。
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