JP2008506472A - 連続的動脈脈拍輪郭分析による心室一回拍出量分散のリアルタイム測定 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、同時係属中の2003年12月5日に出願された米国特許出願番号第10/728,705号、および2004年7月14日に出願された同第10/890,887号の一部継続出願であり、それらに対する優先権を主張し、そしてそれらは参考として援用される。
(発明の分野)
本発明は、一般に心臓モニタリングに関し、そして特に心室一回拍出量分散(SVV)の推定およびこの方法を実行するシステムに関する。
一回拍出量(SV)、心拍出量(CO)などは、疾患の診断のためのみならず、患者を含むヒト被験体および動物被験体の両方の状態の「リアルタイム」モニタリングのためにもまた重要な指標である。従って、これらの心臓パラメーターの1つ以上をモニターするための装置のない病院はほとんどない。多くの技法−侵襲的および非侵襲的、ならびに両者の組み合わせ−が使用され、そして文献ではなおより多くが提案されている。
PPV=100・[PPmax−PPmin]/[1/2(PPmax+PPmin)]
(等式1)
ここで、PPは測定された脈拍圧力、PPmaxおよびPPminは、それぞれ、1回の呼吸(吸息−呼息)周期の間の脈拍圧力の最大および最小のピークからピークまでの値である。
SPV=100・[SPmax−SPmin]/[1/2(SPmax+SPmin)]
(等式2)
ここで、SPは測定された収縮期圧力、SPmaxおよびSPminは、それぞれ、1つの呼吸周期の間の収縮期圧力の最大値および最小値である。
SVV=100・[SVmax−SVmin]/[1/2(SVmax+SVmin)]
(等式3)
ここで、SVは一回拍出量、SVmaxおよびSVminは、それぞれ、1つの呼吸周期の間の一回拍出量の最大値および最小値である。
本発明は、心臓一回拍出量分散(SVV)に等しいか、または誘導可能な心臓パラメーターを決定するための方法および関連システム履行を提供し:侵襲的または非侵襲的のいずれかで決定される、動脈血圧に対応する波形データセットが、決定され、そして少なくとも2つの心臓周期を含む算出間隔に亘り処理システムに入力され;この波形データのセットに対する標準偏差値が次いで各心臓周期に亘って算出され;そして上記SVVの推定値がこの標準偏差値の関数として算出される。
(序論)
最も広い意味で、本発明は、複数の心臓周期に亘る血圧波形の標準偏差の関数として脈拍から脈拍の一回拍出量分散SVVを含む。勿論、本発明は、SVVから派生し得る任意のその他の心臓パラメーターを決定するために用いられ得る。
図1は、ここでは、時間tdia0における拡張期圧力Pdiaの点から、収縮期圧力Psys圧力の時間tsysを通り、血圧がもう一度Pdiaに到達する時間tdia1までの単一の心臓周期に亘ってとられた動脈圧の波形P(t)の例を示す。
連続的または別個の関数またはデータセットfの平均および標準偏差の算出は、非常に周知な手順であり、そして、通常、それぞれギリシャ文字μおよびσによって、または、大部分のプログラミング言語では、meanおよびstdのような関数名によって参照されて示される。従って、μ(f)およびmean(f)は、特定の間隔に亘る関数またはデータセットfの平均を表し、そしてσ(f)およびstd(f)は、その標準偏差を表す。
μ(P)=mean(P)=1/m*SUM[P(k)]
(等式4)
σ(P)=std(P)=sqrt{1/(m−1)*SUM[P(i)−μ(P)]2}
(等式5)
ここで、sqrtは平方根を示し、そしてSUMは、i=0、・・・、(m−1)の間隔に亘る総和を示す。通常、周知の統計学的理由のため、1/mの代わりに1/(m−1)の倍率をかける分散(標準偏差の平方)に対する別個の値式に注意のこと。
心臓拍出量(CO)を算出するための標準的な式は、CO=SV・HRであり、これは、単に、心臓が1分あたりポンプ輸送する血液の量が、それが1周期あたりポンプ輸送する量(SV)に1分間の周期の数を乗じたものに等しいという関係を表しているに過ぎない。HRが与えられれば、問題は、勿論、一定値のSV、または平均SVの知識を想定していることである。圧力波形の拍動性が動脈樹中への心臓の一回拍出量によって生成されるという観察に基づけば、本発明者らの一人は、先に、SVが、動脈圧波形P(t)、またはそれ自身がP(t)に比例している特定のその他の信号の標準偏差に比例しているとして近似され得ることを発見した。従って、SVを推定する1つの方法は、以下の関係を適用することであり
SV=K・σ(P)=K・std(P)
(等式6)
ここで、Kは較正定数であって、そしてこれから、以下が導かれる:
CO=K・σ(P)・HR=K・std(P)・HR
(等式7)
式6を式3に代入して、std(P)の関数であるSVVのための式が得られる:
SVV=100・[std(P)max−std(P)min]/[1/2(std(P)max+std(P)min)]
(等式8)
ここで、std(P)maxおよびstd(P)minは、それぞれ、算出間隔に亘る圧力波形の標準偏差の最大値および最小値である。本発明の好ましい実施形態では、この算出間隔は呼吸サイクルである。
SVV=100・[std(P)max−std(P)min]/mean(std(P))
(等式9)であり、ここで、mean(std(P))は、圧力波形それ自身の平均μ(P)ではなく、圧力波形の標準偏差の平均であるが、このパラメーターは、任意のstd(P)値の算出に含められ得る。また、測定された圧力信号P(t)を条件付けるため、そして次にそれを別個の形態に変換するために用いられる信号条件付け、および変換方法のタイプに依存して(以下を参照のこと)、等式9に倍率をかけることが必要であり得るか、または所望され得る。倍率をかけるか否か、およびそれをどのようにするかは当業者のシステム設計者には自明であり:その理由のため、任意の倍率因子は等式9には示されないが、推定され得る。
上記では、SVV値が各呼吸周期について推定されると仮定した。これは必ずしも必要ではない。むしろ、1つの呼吸周期より大きい算出間隔に亘って(モニタリングセッションの全体時間に亘ってでさえ)、単一のSVV値を算出するために、上記に記載された同じ方法論および等式を用いることが可能であり得る。これは、勿論、周期−周期SVV傾向を示さないが、各モニタリングセッションについてより正確な結果、そしてそれ故、より長い期間(セッション−セッションまたは日−日のような)の傾向のより良好な指標を提供し得る。しかし、常に、「極度」の間隔に亘って算出することは必要ではない。むしろ、SVV値は、1(上記に記載された場合)から上方の範囲にわたるnで任意のn周期時間について算出され得る。
SVV=C・100・std(std(P(k、i))/mean(std(P(k、i)) (等式10)
ここで、Cは、実験的に決定されたスケーリング定数である。本発明の1つの試験では、本発明者らは、この算出間隔に含まれる呼吸周期の数にかかわらず、Cが約2.7であることを決定した;通常の実験方法を用いて、本発明の任意の所定の履行においてCを決定し得る。
図6を参照して、そこでは、心臓または血行力学値Xの測定値X(k)のシークエンスが点としてプロットされている。上記に記載の本発明の実施形態では、X(k)は、std(P(k))で、心臓周期あたり1つの測定値である。しかし、ここで説明される必要に応じたデジタル前処理はまた、収縮期圧力または拍動圧のような任意のその他の心臓または血行力学値、またはドップラー超音波走査から得られる血液速度測定のような非圧力関連パラメーターにさえに適用可能である。
図7は、本発明に従って、圧力を感知し、そしてSVVを算出するための上記の方法を履行するシステムの主要な構成要素を示す。本発明は、現存する患者モニタリングデバイス内に含められ得るか、または専用のモニターとして履行され得る。上記に述べられたように、圧力、または圧力に比例する特定のその他の入力信号が、2つの方法:侵襲的および非侵襲的のいずれか、または、実際に、両方で感知され得る。単に、本発明の最も一般的な履行であることが予期されるので、このシステムは、圧力に転換される特定のその他の入力信号に対向して動脈血圧を測定するとして説明される。
std(P(k))値からSVVを算出するための2つの異なる、しかし関連する方法が上記で説明される−1つは、SVVが単一の呼吸周期に亘って算出され、そしてもう1つは、1より多い呼吸周期に亘る算出間隔について単一のSVV値を算出するために用いられ得る。本発明者らは、動物の大腿動脈および橈骨血圧データに対し本発明の両方のこれらの実施形態を試験した。このデータは、いくつかのブタ実験から収集され、これらは実験室で実施された。実験の間に、左心室容量でいくつかの変化(容量注入または容量抽出)が誘導された。末梢抵抗(血管拡張または血管収縮)の分散が同様に誘導された。本発明の両方の実施形態は、類似のSVV推定値を提供することが見出されたのみならず、これらの推定値が比較のための先行技術の方法を用いて得た推定値に対し優れていることが見出された。
std(P(k))値からSVVを算出するための2つの異なる、しかし関連する方法が上記で説明される−1つは、SVVが単一の呼吸周期に亘って算出され、そしてもう1つは、1より多い呼吸周期に亘る算出間隔について単一のSVV値を算出するために用いられ得る。本発明者らは、動物の大腿動脈および橈骨血圧データに対し本発明の両方のこれらの実施形態を試験した。このデータは、いくつかのブタ実験から収集され、これらは実験室で実施された。実験の間に、左心室容量でいくつかの変化(容量注入または容量抽出)が誘導された。末梢抵抗(血管拡張または血管収縮)の分散が同様に誘導された。本発明の両方の実施形態は、類似のSVV推定値を提供することが見出されたのみならず、これらの推定値が比較のための先行技術の方法を用いて得た推定値に対し優れていることが見出された。
上記で述べたように、本発明は、SVVのみならず、SVVから誘導され得る任意の心臓パラメーターを推定するために用いられ得る。本発明者らは、試験において、例えば、一定の人工呼吸速度および一定の一回呼吸量の機械的人工呼吸の間に、右心室端部拡張期容量(EDV)がSVVに反比例することを発見した。従って:
EDV=c/SVV
(等式11)
ここで、cは、一定であり得る較正係数である。本発明によって提供されるSVV推定値は、従って、EDV、血管充填の程度に比例することが知られている拍出フラクションまたはその他の値を推定するための間接方法として用いられ得る。
Claims (29)
- 心臓一回拍出量分散(SVV)に等しいか、または誘導可能な心臓パラメーターを決定する方法であって:
少なくとも2つの心臓周期を含む算出間隔に亘り動脈血圧に対応する波形データセットを入力する工程;
各心臓周期に亘る波形データセットについて標準偏差値を算出する工程;および
該標準偏差値の関数として該SVVの推定値を算出する工程、を包含する、方法。 - 前記算出間隔に亘り、最大標準偏差値および最小標準偏差値を決定する工程;および
前記SVVの推定値を、該最大標準偏差値および最小標準偏差値の関数として算出する工程、をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 前記算出間隔に亘り、平均標準偏差値を算出する工程;および
該平均標準偏差値に対し、前記最大標準偏差値と前記最小標準偏差値との間の差異に比例しているSVVの推定値を算出する工程をさらに包含する、請求項2に記載の方法。 - 呼吸周期の境界を検出する工程;および
少なくとも1つの呼吸周期である算出間隔を設定する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 前記算出間隔に亘る標準偏差値の標準偏差を算出する工程;
該算出間隔に亘る標準偏差値の平均を算出する工程;および
該標準偏差値の標準偏差と該標準偏差の平均との間の比に比例するSVVの推定値を算出する工程をさらに包含する、請求項4に記載の方法。 - カテーテルに取り付けられた圧力トランスデューサを用いて動脈圧を測定する工程;および
測定された該動脈圧を波形データセットに変換する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 動脈圧を非侵襲的に測定する工程;および
測定された該動脈圧を波形データセットに変換する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 右心室端部拡張期容量の推定値を、前記心臓一回拍出量分散の算出された推定値に反比例するとして算出する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記算出間隔の少なくとも1つに亘る所定の測定基準に従って、算出された標準偏差値に最良に一致する近似関数を算出する工程:
間隔に特異的なサンプリング速度で該近似関数をサンプリングすることによってサンプリングされた近似値のセットを生成する工程;
該サンプリングされた近似値を低パスフィルター処理する工程;および
前記SVVの推定値を、該低パスフィルター処理され、サンプリングされた近似値の関数として算出する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 心臓一回拍出量分散(SVV)に等しいか、または誘導可能な心臓パラメーターを決定するためのシステムであって:
少なくとも2つの心臓周期を含む算出間隔に亘り動脈血圧に対応する波形データセットを決定および入力する配列;
各心臓周期に亘る波形データセットについて標準偏値差値を算出するため;および
該標準偏差値の関数として該SVVの推定値を算出するためのコンピューターで実行可能なコードを含む処理システム、
を備える、システム。 - 前記処理システムが:
前記算出間隔に亘り、最大標準偏差値および最小標準偏差値を決定するため;および
前記SVVの推定値を、該最大標準偏差値および最小標準偏差値の関数として算出するための、さらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記処理システムが:
前記算出間隔に亘り、平均標準偏差値を算出するため;および
該平均標準偏差値に対し、前記最大標準偏差値と前記最小標準偏差値との間の差異に比例しているSVVの推定値を算出するための、さらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項11に記載のシステム。 - 前記算出間隔が少なくとも1つの呼吸周期である、呼吸周期の境界を検出するための機構をさらに備える、請求項10に記載のシステム。
- 前記処理システムが:
前記算出間隔に亘る標準偏差値の標準偏差を算出するため;
該算出間隔に亘る標準偏差値の平均を算出するため;および
該標準偏差値の標準偏差と該標準偏差の平均との間の比に比例するSVVの推定値を算出するための、さらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項13に記載のシステム。 - 動脈圧を測定するカテーテルに取り付けられた圧力トランスデューサ;および
測定された該動脈圧を波形データセットに変換する変換回路をさらに備える、請求項10に記載のシステム。 - 非侵襲的動脈圧測定デバイス;および
測定された該動脈圧を波形データセットに変換する変換回路をさらに備える、請求項10に記載のシステム。 - 前記処理システムが:
右心室端部拡張期容量の推定値を、前記心臓一回拍出量分散の算出された推定値に反比例するとして算出するためのさらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記処理システムが:
前記算出間隔の少なくとも1つに亘る所定の測定基準に従って、算出された標準偏差値に最良に一致する近似関数を算出するため:
間隔に特異的なサンプリング速度で該近似関数をサンプリングすることによってサンプリングされた近似値のセットを生成するため;および
前記SVVの推定値を、低パスフィルターによって、低パスフィルター処理され、サンプリングされた近似値の関数として算出するために、低パスフィルターおよびさらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項10に記載のシステム。 - 心臓または血行力学拍出量値を決定する方法であって:
測定パラメーターの測定値に対応する波形データセットを入力する工程;
該波形データセットから一連の測定値を生成する工程;
所定の測定基準に従って該測定値に最良に一致する近似関数を算出する工程;
少なくとも1つの算出間隔の各々に亘り、間隔に特異的なサンプリング速度で近似関数をサンプリングすることによってサンプリングされた近似値のセットを生成する工程;
該サンプリングされた近似値を低パスフィルター処理する工程;および
該低パス処理され、サンプリング処理された近似値の関数として該拍出量値の推定値を算出する工程を包含する、方法。 - 前記拍出量値が呼吸誘導分散を表示し:
複数の呼吸周期を識別する工程;
心臓周期を検出する工程;
呼吸周期である算出間隔を設定する工程;および
各算出間隔について、各個々の呼吸周期中の心臓周期の数の関数として間隔特異的なサンプリング速度を設定する工程、をさらに包含する、請求項19に記載の方法。 - 前記一連の測定値を生成する工程が、前記波形データセットを予備処理する工程を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記波形データセットが血圧に対応し、各測定値が、各個々の算出間隔に亘る血圧の標準偏差の関数であるとして算出する工程をさらに包含する、請求項19に記載の方法。
- 前記拍出量値が、収縮期圧力分散である、請求項19に記載の方法。
- 前記拍出量値が、脈拍圧力分散である、請求項19に記載の方法。
- 心臓または血行力学拍出量値を決定するためのシステムであって:
測定パラメーターの測定値に対応する波形データセットを決定および入力するための配列;
低パスフィルター;
該波形データセットから一連の測定値を生成するため;所定の測定基準に従って該測定値に最良に一致する近似関数を算出するため;少なくとも1つの算出間隔の各々に亘り、間隔に特異的なサンプリング速度で近似関数をサンプリングすることによってサンプリングされた近似値のセットを生成し;該低パスフィルターによってフィルター処理した後に、サンプリングされた近似値の関数として該拍出量値を算出するための、コンピューターで実行可能なコードを含む処理システム、を備える、システム。 - 前記拍出量値が呼吸誘導分散を表示し:
複数の呼吸周期を識別するための配列;
心臓周期を検出するための配列;をさらに備える請求項25に記載のシステムであって、
ここで、該処理システムが、
呼吸周期である算出間隔を設定するため;および
各算出間隔について、各個々の呼吸周期中の心臓周期の数の関数として間隔特異的なサンプリング速度を設定するためのさらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、請求項25に記載のシステム。 - 前記一連の測定値の予備処理が、前記波形データセットを予備処理することを含む、前記処理システム中に含まれる、予備処理モジュールをさらに含む、請求項25に記載のシステム。
- 前記波形データを決定および入力するための配列が、血圧を決定するための機構を含み、前記波形データセットが血圧に対応する請求項25に記載のシステムであって、
ここで、前記処理システムが、各測定値が各個々の算出間隔に亘る血圧の標準偏差の関数であるとして算出するためのさらなるコンピューターで実行可能なコードをさらに含む、システム。 - 前記拍出量値が、収縮期圧力分散である、請求項25に記載のシステム。
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