JP2008528099A - 心臓をシミュレートする心臓クラスタ状態機械 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、データベースを用いることによって心臓のポンピングおよび調節機能を説明する、独立クレームに従った心臓クラスタ状態機械に関する。当該システムは、多数のさまざまな医療上の検査方法および装置に関して適用可能である。
ルンドバック・エス(Lundback S.)の論文「心臓のポンピングおよび心室中隔の機能("Cardiac Pumping and Function of the Ventricular Septum")」(ストックホルム(Stockholm)、1986年)においては、人の心臓のポンピングおよび調節が一般的な考えとは異なる態様で行なわれることが主張されている。引用された刊行物によれば、健康な心臓は実質的にその外形および容積を変えることなくそのポンピング動作を行なう。
れるはずである。循環系が、心臓と同様に2つの循環系と、当該2つの循環系間の流れが常にバランスのとれた状態であるポンプとを含む場合、より多くの境界条件が存在することとなる。
上述の目的は、独立クレームに従った心臓クラスタ状態機械によって達成される。
特に、この発明は、クラスタ状態機械である心臓についての好ましくはリレーショナルデータベースに記憶された動的境界条件に関連付けられるシステムに関する。このクラスタ状態機械は、有限の心筋細胞状態機械の動的境界条件とΔVポンプ状態機械の動的境界条件とが融合した結果である。新しく作り出された機械は、以下の文面において心臓クラスタ状態機械またはΔV心臓ポンプと称されるクラスタ状態機械である。ΔV心臓ポンプの機能の動的境界条件、および他の公知の動的境界条件、たとえば、心臓を囲む組織の境界条件、血管の緊張、血液容量、心臓の刺激などによって、心臓が実際に機能する方法が本質的に2つの主要な再現方法で再現され得る。
、有効なデータの源であり、データベースにおいて表わされる。この方法は、心臓および循環系におけるその動的機能を十分に詳細に再現することはできないが、心臓の真のポンピングおよび調節機能を説明するデータベースとして機能することはできる。当該データベースは、性別、年齢、体重、健康状態などの条件が同じである何百もの個人から得られた理想的なデータ、および/または、たとえば方法1から得られた1人の個人からのデータであってもよい。1人の個人からのデータベースは、理想的なデータを有するデータベースと比較され得るか、または、たとえば治療、身体訓練などの効果を比較するために別の時間における同じ個人からのデータベースと比較され得る。
心臓およびその機能を再現する手掛りは、自然が実現可能であった基本的な境界条件を規定して、心臓のポンピングおよび調節機能をもたらすことである。
析するよう適合される。入力値は、ある期間にわたって生理学的データに関連する値を検出するよう適合された医療用測定装置によって単一の値または混合された値として得られてもよい。
V心臓ポンプは、周波数および動力が十分に高ければ、その入口の血管から入ってくる血液を常に吐出そうとするだろう。これは以前には十分に理解されていなかった。ΔV心臓ポンプをサポートするのに必要であるかまたはΔV心臓ポンプによってサポートされている循環系の主な動的境界条件は以下のとおり説明することができる。
VIII 心拍数および血圧を制御するための動的境界条件。
もたらす。ポンピング機能を与えるものとして心筋の肥厚化がある。ごく最近、この理論は、電子顕微鏡検査で薄切りされた心筋を検査した解剖学の専門家によって完全に否定された。彼らは、相対的に摺動し得る層を見出せなかった。彼らは、それまでに分かっていた筋繊維の配向と、左心室が筋肉の中心に強固な円形に配向された筋細胞を有することとを検証した。これは右心室には当てはまらなかった。
心膜嚢に向かう内膜、
内膜、および、流出量から流入量を分ける弁を備えたAVリング、
心室中隔の区域を右心室に向かって先細にする内膜、ならびに、
右側および左側の心房および心耳を互いから分け、大動脈の出口と肺動脈幹とを分ける複雑であるが非常に機能的な内膜、である。
緩慢なΔV段階
この段階は以前には緩速な充填段階と称されていた。しかしながら、この文脈においては、心臓がΔVポンプとして動作する場合、「緩慢なΔV段階」の方がより適切である。これは、直接的に続いている高速のΔV段階、すなわち、ΔVピストンの戻る動きである。流れが緩慢で低速である間、緩速なΔV段階は比較的長くなる。この段階中、心房および心室の両方の筋細胞ならびに心室中隔は完全に弛緩している。心臓の左半分と右半分とは主に心膜内の共通の容積と見なされる可能性がある。これにより、心臓の右半分と左半分とがそれぞれ、入ってくる血管とともにコンプライアンス容積を形成することとなる。左心房と右心房とに入ってくる流れのエネルギにより、結果として、主にΔVピストンが動く近傍で心臓の容積が増大することとなる。これによりΔV機能に対するエネルギが生
成され、結果として、ΔVピストンがその形状および位置を変化させ、さらに繊維輪に対する引張力を生成することとなる。入っていくる流れのエネルギは、本質的に心室中隔によって妨害されることなく両方の心室に伝達される。
ΔVポンプのサイズはこの状態である間に設定されるだろう。
心房収縮期段階
既定の教示に従うと、心房収縮期の収縮およびその関連するECG信号は、心臓のポンピング機能を説明する際の出発点であった。2回の心房収縮間の時間は、心臓周期または心臓サイクルを表わした。心臓がΔVポンプとして動作することの発見は、入ってくる流れについてそのポンピング機能および制御機能が制御されることを意味し、これはまた、心臓サイクルについての説明が緩慢なΔV段階から始まるべきであることを意味している。心房収縮期段階の結果は、多くの異なるパラメータに依存しており、結果として、ある状況下では、心房収縮が心臓のポンピング機能に何も追加しないのに対して、他の状況下では、それが生命維持に寄与することとなる可能性がある。
大きい場合、ΔV機能の背後にある流動力学によりΔVピストンが押されてその中立位置へと移動する。心臓をフルサイズのΔVポンプにする緩慢なΔV段階の役割が低減されるが、これは、心臓をフルサイズで維持することのできる大きな動的力と静的力の背景環境とによるものである。心房収縮は、多かれ少なかれ、心臓基部へのΔVピストンのさらなる動きに寄与し得ない。
前収縮期の容積−張力段階
心房収縮後、伝導系は、あるAV遅延の後、同期された順序で、心室における筋細胞の脱分極を開始する。(先に等容性段階と称した)状態3の間、筋肉は心臓への動力を生成しなければならないだけでなく、構成材料として、次の時間間隔内に高い力が加えられる心臓の部分の補強も行わなければならない。
形状がもたらされる。この湾曲した形は第1種てこのように機能し、曲げて引くことによって強い力勾配を生成し、これに耐えることができる。当然、これは、心室壁にわたる圧力勾配がはるかに高い左心室における円形に配向された筋繊維の強固な補強の追加を必要とする。ストローク長さの単位あたりの容積交換が最大になるのはこの湾曲した区域内であり、ここと、大動脈および肺動脈幹の流出路とにおいても直接的および間接的なΔV容積がもたらされる。
漸進的(Progressive)張力および流れ段階
段階4は、インデックスマークとして大動脈弁の開口部から始まり、マーカとして大動脈流出部の上部で終わる。この段階中、ΔVピストンの動きにより、漸進的張力と心臓に対する流出入とがもたらされる。圧力は、通常、左心室においてはるかに高くなる。これにより、心室中隔が主に左心室の他の部分と同じ形をとることとなる。収縮期の形状および位置が心室収縮前の形状および位置からずれる場合、心室間で容積の適応が行なわれる。状態3から直接連続しているので、球形のΔVピストンは直接的および間接的なΔV容積をもたらすだろう。これらの容積は、外部の抵抗および反動する力ならびにこれらの容積内の血圧の上昇のために、ΔV容積を発生させる区域にわたって圧力勾配の純増加をもたらすだろう。
とされる。このために、さらに、液圧で胸壁に付着させられる心臓嚢に心臓を液圧で付着させるために、胸壁と平行な心室の円筒部の円錐部分で上方への運動が増大する。この現象は、滑りやすい表面の上を表面と平行な力で摺動し得るが直角の力に高い抵抗を与え得る真空カップで再現することができる。
逆進的な流れおよび張力段階
この段階は、段階4から直接続いており、マーカとして大動脈弁を閉じることで終わる。この段階中、流れおよび張力はともに、ΔV心臓ポンプと共同で動作する別個のΔVポンプであると見なすことのできる左心室において低下し始める。段階4の後、ΔVピストンの降下運動が始まる。ΔV容積は依然として整形されるが、但し、心房および心耳への流入によって間接的なΔV容積が補充され得る。胸郭に沿って尖部に向かう方向に動きがある限り、大動脈および肺動脈の捩りは続く。ΔVピストンの筋部分における第1のてこの機能によってなされ得る、左心室壁にわたる圧力勾配に耐え得る共通の筋収縮がある限り、大動脈を通る流出は続く。ΔVピストンのこの部分および左心室の横隔膜部分が有する外力は、心室内の圧力ともに、これらの区域を互いから分けることを必要とする。段階4および段階5の間、ΔVピストンを上回る反対方向の力が低下する。その理由として、一部には塊の加速が止まったこと、また一部には、心房に入ってくる静脈におけるコンプライアンス容積と特に心耳に位置する間接的なΔV容積とが補充され始めたことが挙げられる。固体の単体として見られる心室は、横隔膜の区域における反動力がより強いために、段階3の前にこの区域が取っていた中立位置に戻り始めることができる。機械的に結合されているので、この戻る動きはまた、ΔVピストンの相対的な動きをもたらし、ΔVピストンと円錐の先端部との間の実際の動きが低下しかつ停止するにもかかわらず、心房の容積に連続的に流入する可能性をもたらす。加えて、大動脈および肺動脈幹における圧力および流れが低下すると、結果としてそれらの直径が低減して、心房および心耳への接触を通じて心房の円筒部に連続的に流入させるための余地を与える。相対的な動きはΔVピストンの実際の動きでもあるが、肺動脈幹の流出路の領域において最も顕著である。
中に互いに交差することとなる。これは、心室収縮期の終了前に心臓の全容積が最低となることを意味する。
前拡張期の張力−容積段階
この段階は、先に等容性拡張期段階と称された。この段階は、状態3に比べて逆に行なわれる機械的動作を備える。これは、この説明された領域、すなわち左心室、の圧力勾配を解放するために左心室の容積を増大させなければならないことを意味する。これは、心臓への継続的な入口の流れを妨害することなく、より高い心拍数で行うことができ、分時拍出量はまた、出口の流れが継続する可能性を残す。段階5における進行中のプロセスは、心臓の周囲への圧力勾配が低下した状態で、先に述べたように、ΔVピストンの筋部分と大動脈および肺動脈幹の流出路とに集中される。さらに、これらの区域は、左心室の一部である横隔膜と密接した区域とともに、収縮する反動力を有しており、これは、胸郭に沿った心室壁の伸長および摺動運動によりこれらの区域を互いから分離することを必要とする。心臓のこの表面はまた、ΔVピストンと尖部との間の最長距離を表わしており、AVリングおよび肺動脈幹の急な湾曲部に対する心室筋の非常に強固な凸状の取付部を有する。ΔVピストンのこの部分は、左心耳および右心耳によって十分に覆われており、筋力の強いサポートを必要とする。このサポートが低下すると、ΔVピストンおよび横隔膜区域の2つの区域が離され始める。これはともに張力の低下につながり、これが容積の内部の再分配を招き、最終的に僧帽弁および三尖弁を開く。この事象はまた、より単純な位置合せ方法、たとえば心尖拍動図、によって監視することができる。
高速なΔV段階
心拡張期におけるΔVピストンの高速な戻る運動は段階6から直接的に続いている。適合された弛緩とは、周囲に蓄積されたエネルギ、すなわち心臓のねじりが、最適な方法でΔVピストンを心臓の上部の方に戻すことのできるやり方で解放され得ることを意味する。適合された弛緩により、横隔膜区域からΔVピストン全体を分けることを必要とした反動力が完全に解放される。これにより、尖部に向かう方向に、入流する血液にエネルギが追加されることとなる。入流する血液の静的力および動的力は、ΔVピストンを意味するΔV容積を作り出した区域に対して圧力をかけ、ΔVピストンを動かすことによりこれらの区域の補充をもたらすだろう。また、ΔVピストンの動きにより、心耳と心房と心室との間に、さらには、初期の段階においても心室中隔の往復運動によって心室間に、血液の再分配がもたらされる。尖部の方向への増大した動的力は、心臓の上部に向かってΔVピストンを押す直接的および間接的なΔV容積を満たすことにより、静的力および動的力を最終的に吸収するΔV容積によって逆にされるだろう。この動作はΔV機能と称され、ΔVピストンに高速な心拡張期の戻りをもたらし、さらに、流れのパラドックスとともに逆流なしに弁を閉じる動的力を弁の後方に与えるだろう。ΔVピストンが戻ることにより、左心室筋が薄くなり、心臓内においてΔVピストンから尖部に向かって伸びる内部の蠕動性の膨張波面のように見える動きがもたらされることとなる。
方法1
人または動物の本来の循環系における心臓の機能を再現する複雑さは、今日のハードウェアおよび周知のソフトウェアの及ぶ範囲内にあり得るリレーショナルデータベースを作成することによって最小限に低減させることができる。これは、たとえば、上述のとおりΔV心臓ポンプの動的境界条件を生成しこれに対処するよう適合された処理手段6で図4に従って行なわれる。
すことができ、当該動的なデータベースは、自動的に処理手段で、および/またはオペレータによる対話型制御で、および/または混合した検査方法で、心臓およびその真の機能ならびに流動力学を再構築し得る。動的なデータベースはまた、心筋細胞と循環系に影響を及ぼす他の細胞とにおける化学的な微小レベルでの動的境界条件を含み得る。このように、方法番号1は、循環系全体を調整およびシミュレートすることができ、たとえば、いつ、どこで、どのように、そしてなぜ、或る治療が心臓および循環系に影響を及ぼすのかについての情報を得るのに用いることができる。
ΔV心臓ポンプを制御する動的境界条件および関連する循環系の境界条件が明らかになると、これらのデータは、ΔVポンプである心臓の1つ以上の論理状態図に関する有効なデータとしてデータベースに記憶され得る。記憶されたデータは、性別、年齢、体重、健康状態などのような条件が同じである何百もの個人から得られた理想的なデータであり得る。これはまた、方法1から得られる1人の個人からの有効なデータであり得る。新しい入力データは理想的なデータベースと比較され得るか、または、たとえば治療、身体訓練などの効果を比較するために、別の時点での同じ個人からのデータベースと比較され得る。方法2を実現する際の処理手段6の計算能力は、方法1と比べて低い可能性がある。
を生成することのできる小型の圧力センサとともに、小型で安価であるが高度な検査ユニットをもたらし得る。これらは、時計、電話、血圧監視ユニットなどに組込まれてもよく、入力データをデータベース内の関連データと比較することによって、実際の個人についての心臓および循環系の診断機能を制御し、さらには与えるのに十分な出力値を生成し得る。この方法はまた、外部装置、およびたとえばペースメーカのような埋込まれた装置における心臓および循環系のさほど威力のない刺激モデルにおいて用いることができる。このように、ストロークごとの心機能は、たとえば流れおよび圧力のプロファイルの入力値を理想値と比較することによってチェックおよび補正することができる。比較された結果により、様々なイグニッション区域などにおけるイグニッション力、時間およびイグニッション命令の出力を修正して、心臓のポンピングおよび調節機能を補正および最適化することができる。
Claims (12)
- ΔVポンプ状態機械を形成するために有限の心筋細胞状態機械の融合によって実現される、個人の心臓および任意には循環系をシミュレートする心臓クラスタ状態機械。
- 状態機械は、前記心筋細胞状態機械および前記ΔVポンプ状態機械の境界条件によって規定される、請求項1に記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記クラスタ状態機械は、周囲の組織ならびに心臓に対する入口および出口の血管の境界条件に従って動作する、請求項2に記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記クラスタ状態機械は、入口ゾーンとして心臓の心耳を有する、請求項3に記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記クラスタ状態機械は、これらのシステムにおいて生成される境界条件を有する1つまたは2つの閉鎖循環系の役に立っている、請求項1から4のいずれかに記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記状態機械は、
心臓および循環系に関する入力値の組(4)を受信し、前記値の組を処理手段(6)に与えるための入力手段(2)と、
前記処理手段(6)とを含むシステムによって実現され、
前記処理手段(6)は、前記入力値の組を用いることにより、心筋細胞状態機械の動作レジメンおよび前記心臓クラスタ状態機械のΔVポンプ状態機械の動作レジメンをともに満たすようにリレーショナルデータベースシステムを決定するよう適合される、請求項5に記載の心臓クラスタ状態機械。 - 前記処理手段は、前記決定されたリレーショナルデータベースシステムを用いることによってさらなる入力値を分析するよう適合される、請求項6に記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記シミュレートされた心臓および循環系は表示手段において表示される、請求項6または7に記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記処理手段は、シミュレートされた心臓の補正を行なうよう適合される、請求項1から8のいずれかに記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記処理手段は、治療上の処置、たとえば訓練、手術または薬剤治療を決定するためにデータベースシステムからの情報を用いるよう適合される、請求項6から9のいずれかに記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記入力値の組は、データを向上させ、有効にするために、超音波、磁気共鳴、X線、ガンマ放射によって得られる心臓の単一のもしくは混合した撮像データおよび他のデータとして、または、心臓および生理学的状態、たとえば脈拍のプレスチモグラフィ、脈拍および/もしくは流れの測定値、圧力および/もしくは容積の経時的変化についての他の撮像データとして測定される、請求項6から10のいずれかに記載の心臓クラスタ状態機械。
- 前記システムは、外部装置、たとえば血圧測定装置もしくは脈圧センサ、または、埋込み可能な装置、たとえば埋込み可能な心臓刺激装置に含まれる、請求項5から10のいず
れかに記載の心臓クラスタ状態機械。
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