JP2009183715A - 生理学的パラメータを求めるための装置および方法 - Google Patents

生理学的パラメータを求めるための装置および方法 Download PDF

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Abstract

【課題】付加的な非連続的な測定によって取得された基準に基づく測定データの較正。重拍切痕を検出することを必要としないこと。
【解決手段】患者の心拍出量のような少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための装置であって、患者の血液変数の測定値を提供するセンサ装置と、前記測定値を時間tにわたる曲線として記憶するメモリと、前記曲線から平均値を求め、該平均値を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求める評価部とを備える。前記評価部は、さらに、前記曲線のスペクトル密度および/または前記変数の変化を求め、前記平均値、前記スペクトル密度および/または前記変化を使用して、心拍の有効振幅、有効持続期間および前記心拍下での有効面積のうちから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求める。少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記の生理学的パラメータが求められる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための装置であって、患者の血液変数の測定値を提供するよう構成されている少なくとも1つのセンサ装置と、前記測定値を前記血液変数の経時変化を示す少なくとも1つの曲線として記憶する記憶手段と、前記血圧曲線から平均値を求め、該平均値を使用して少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるよう構成されている評価手段とを具備する装置に関するものである。
さらに、本発明は、患者の血液変数の測定値を提供し、前記測定値を前記血液変数の経時変化を示す少なくとも1つの曲線として記憶し、前記血圧曲線から平均値を求め、該平均値を使用して少なくとも1つの生理学的パラメータを求める方法に関するものである。
さらに、本発明は、コンピュータシステム上で実行され、該コンピュータシステムに患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための方法を実行させるコンピュータプログラムを記憶した物理的な記憶媒体に関するものである。
心拍出量、駆出率または1回拍出量のような心臓機能パラメータを求めるための装置および方法は当該技術において周知である。特に、心拍出量は、動脈経路を介して動脈圧を測定する手段によって導出される連続的な血圧波形から得ることができる。一般的に、心拍出量は、1回拍出量と心拍数との積に等しい。
例えば、特許文献１には、動脈圧波形を連続的に測定し、該波形データの自己相関を実行し、最後に、患者に関する既知の精密較正法を使用して、変換された自己相関データに較正係数を乗じることによって心拍出量を決定する心拍出量測定方法が開示されている。
特許文献２には、パルス輪郭分析を使用した、患者のコンプライアンス関数および心拍出量の体内測定技術が開示されている。
しかしながら、心拍出量および/または1回拍出量を連続的に測定するための現在における確実な方法は、通常、追加的な非連続的な測定によって決定される基準値への較正を必要とする。さらに、パルス輪郭分析では、拡張期の脈圧成分から収縮期の脈圧成分を分離するために、重拍切痕の確実な検出が必要である。さらに、状況によっては、例えば大手術中など、動脈圧波形は重拍切痕を全く示さない。さらに、上記の方法は、不整脈または動脈枝からの反射による圧力測定値の乱れよって阻害される。
さらに、一般的に、血行動態計測手順における侵襲度を減少させたいという要求がある。
EP-A-0 920 278公報 EP-A-0 947 941公報
故に、本発明の目的は、心拍出量、駆出率または1回拍出量のような生理学的パラメータを求めるための上記タイプの装置および方法であって、患者について行われた付加的な非連続的な測定によって取得された基準に基づく測定データの較正の必要性に対応することができる装置および方法を提供することである。
本発明の他の目的は、重拍切痕を検出することを必要としない上記タイプの装置および方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、不整脈または動脈枝からの反射による圧力測定値の乱れを最小化することである。
本発明のさらに他の目的は、生理学的パラメータを求める際の侵襲(侵入)度を少なくとも増加させないことである。
本発明の1つの観点に従うと、前記タイプの本発明の装置であって、前記目的は、前記評価手段が、さらに、前記曲線のスペクトル密度S(ω)および前記変数の変化のうちの少なくとも1つを求め、前記平均値、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求め、少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めることを特徴とする装置によって実現される。
好ましい実施の形態において、上記目的は、患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための装置であって、患者の動脈圧の測定値を提供するセンサ装置と、前記測定値を時間tにわたる圧力曲線P(t)として記憶するメモリ手段と、前記曲線から平均的な動脈圧<P>を求め、該平均的な動脈圧<P>を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求める評価手段とを備え、
前記評価手段が、さらに、前記圧力曲線のスペクトル密度S(ω)および前記動脈圧の変化<(δP)2>のうちの少なくとも1つを求め、前記平均的な動脈圧<P>、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記動脈圧の変化<(δP)2>変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求め、少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めることを特徴とする装置によって実現される。
本発明を好ましい実施の形態に焦点を当てて説明するが、本発明は圧力センサ装置以外のセンサ構成を使用した場合でも、上記と同様な評価原理に従って、同様な効果を奏する。例えば、本発明は、(オプト)プレチスモグラフィ(plethysmography)および/または脈拍酸素センサ構成を使用し、前記評価技術を、通常複数の強度信号を含んでよいプレチスモグラフィおよび/または脈拍酸素測定値に基づいて行う。
血圧測定値に基づく以下に説明する評価技術は、圧力曲線の代わりに局部的血液量、局部的血液かん流変数などを示す曲線、および、平均的な動脈圧の代わりに前記変数の平均値を使用しても、上記と同様に有利に実施可能である。すなわち、以下に説明する評価技術において、血圧に依存する項目は、動脈のらん流状態を示すその他の変数に依存する項目に置き変えてよい。
なお、前記曲線は、光センサ構成によって検出される局部的な光透過、および/または、反射に依存する電気信号のような生データから直接に導出されてよい。
(オプト)プレチスモグラフィおよび/または脈拍酸素センサ構成は非侵襲式センサ(例えば、フィンガークリップセンサ、イヤクリップセンサまたは頭に取り付けられるセンサ)を使用することによって容易に実現可能であるので、本発明は、生理学的、特に血力学的なパラメータ測定における侵襲(侵入)度を大幅に減少させまたは排除することができる。
(オプト)プレチスモグラフィおよび/または脈拍酸素センサ自体は、当該技術において広く知られている。プレチスモグラフィは、患者の脈と相互に関連する血液量を測定する技術である。このプレチスモグラフィ技術は、連続的、非侵襲式の血圧または脈拍周波数測定の実現を可能にする。脈拍酸素測定においては、主に2つの選択可能な測定原理、すなわち、透過測定と反射測定とが存在する。前記透過測定は、ランベルト・ベールの法則に従う強度測定に基づく。オプトプレチスモグラフィにおいては、約600nmから約1000nm、通常は約660nmから約940nmの範囲内で、通常2つまたは3つ以上の波長が使用される。適当な測定箇所は、たとえば、指先、耳たぶ、前額部(反射測定用)、鼻、および、つま先である。技術的なセンサの実施態様は、例えば、Vincent Chan, Steve Underwoodの"A Single-Chip Pulsoximeter Design Using the MSP430" SLAA274-2005年11月(http://focus.ti.com/lit/an/slaa274./slaa274.pdf)およびTexas Instruments Medical Applications Guide 1Q2009,37-44ページ(http://focus.ti.com/lit/an/slyb108b./slyb108b.pdf)などの特許文献および非特許文献から広く知られている。
好ましくは、前記少なくとも1つの生理学的パラメータが、1回拍出量SV、心拍出量COおよび駆出率EFのうちの少なくとも1つを含む。
さらに、好ましくは、前記評価手段が、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータとの積として、前記1回拍出量SVを求める。
さらに、前記評価手段が、前記有効継続期間deffを示すモデルパラメータと前記患者の心拍数HRの積として、前記駆出率EFを求める。
とくに好ましくは、前記評価手段が、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータと前記患者の心拍数の近似値との積として、前記心拍出量COを求める。
好ましくは、前記心拍数の近似値が、実際に測定された心拍数HRおよび近似関数λeffのうちから選択されたものであり、前記近似関数λeffが、平均な動脈圧<P>の二乗を被除数とし、ω ＝ 0での前記スペクトル密度S(ω)を除数とした場合の商を含むものである。
さらに、好ましくは、前記評価手段が、前記モデルパラメータを求める際に補正パラメータαを使用するものであり、該補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱程度が低いほど大きくなるものである。
さらに、好ましくは、前記評価手段が、前記補正パラメータαに依存する0から1までのいずれかの値である単調な補正関数σであり、該補正関数σは前記補正パラメータαが1である場合には0の値をとり、前記補正パラメータαが無限大になる場合には1の値をとる。
好ましくは、前記有効振幅Aeffは、前記変化の値<(δP)2>、前記補正関数σと前記平均な動脈圧<P>の二乗との積との和を被除数とし、前記平均な動脈圧<P>を除数とした場合の商として与えられる。
さらに、好ましくは、前記有効振幅Aeffは、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を被除数とし、前記変化の値<(δP)2>、前記補正関数σと前記平均な動脈圧<P>の二乗との積との和を除数とした場合の商として与えられる。
さらに、好ましくは、前記装置は、前記圧力曲線の自己関数のフーリエ変換として前記スペクトル密度S(ω)を求めるためのフーリエ変換手段をさらに具備している。
好ましくは、ω ＝ 0での前記スペクトル密度S(ω)が、前記変化の値に一定の係数を乗じた結果として求められる。
好ましくは、前記評価手段が、パルス輪郭アルゴリズムを使用して、前記圧力曲線から、少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値を求めるものである。
さらに好ましい実施の形態において、前記装置は、前記患者の血液循環の第1の位置における血流に内在的物理数量(例えば、温度、光学/スペクトル特性、または、インジケータ濃度)の移動偏差を付与するための手段と、前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量を経時的に測定するためのセンサ手段とを具備し、前記メモリ手段は、前記第2の位置において前記経時的に測定された前記物理数量を希釈曲線として記録するものであり、前記評価手段は、希釈アルゴリズムを使用して、前記希釈曲線から少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値を求めるものである。
好ましくは、前記評価手段は、前記比較値を較正用に使用する。
好ましくは、前記較正は、前記比較値を用いて、前記モデルパラメータを求める際に使用される補正パラメータαを求めることを含み、前記補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低いほど大きくなるものである。
好ましくは、前記求められた生理学的パラメータと該生理学的パラメータに対応する比較値との差がしきい値を超える場合、前記評価手段は、前記生理学的パラメータを拒絶しまた再算出するよう構成されている。
上記に加えて、前記目的は、患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための方法であって、患者の血液変数の測定値を取り込むステップと、
前記測定値を時間tにわたる前記血液変数を示す曲線として記憶するステップと、前記曲線から平均値を求め、該平均値を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップとを備え、さらに、前記曲線のスペクトル密度S(ω)および前記変数の変化のうちの少なくとも1つを求めるステップと、前記平均値、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求めるステップと、少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップと、をさらに備えることを特徴とする方法によって実現される。
好ましい実施の形態において、患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための方法であって、患者の動脈圧の測定値を読み取るステップと、前記測定値を時間tにわたる圧力曲線P(t)として記憶するステップと、前記圧力曲線P(t)から平均的な動脈圧<P>を求め、該平均的な動脈圧<P>を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップとを備え、さらに、前記圧力曲線のスペクトル密度S(ω)および前記動脈圧の変化<(δP)2>のうちの少なくとも1つを求め、前記平均的な動脈圧<P>、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記動脈圧の変化<(δP)2>変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求め、少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップとを備える方法によって実現される。
好ましくは、前記少なくとも1つの生理学的パラメータが、1回拍出量SV、心拍出量COおよび駆出率EFのうちの少なくとも1つを含む。
上記装置に関して上述したように、血圧測定値に基づく以下に説明する本発明の方法は、圧力曲線の代わりに局部的血液量、局部的血液かん流変数などを示す曲線、および、平均的な動脈圧の代わりに前記変数の平均値を使用しても、上記と同様に有利に実施可能である。すなわち、以下に説明する方法において、血圧に依存する項目は、動脈のらん流状態を示すその他の変数に依存する項目に置き変えてよい。
(オプト)プレチスモグラフィおよび/またはプレチスモグラフィ測定は容易に非侵襲式に実現可能であるので、プレチスモグラフィおよび/または(複数の強度信号を含んでよい)脈拍酸素測定値を使用して本発明の方法を実施すると特に有利である。
好ましくは、前記1回拍出量SVが、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータとの積として求められる。
さらに、好ましくは、前記駆出率EFが、前記有効継続期間deffを示すモデルパラメータと前記患者の心拍数HRの積として求められる。
さらに、好ましくは、前記心拍出量COが、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータと前記患者の心拍数の近似値との積として求められる。
さらに、好ましくは、前記心拍数の近似値が、実際に測定された心拍数HRおよび近似関数λeffのうちから選択されたものであり、前記近似関数λeffが、前記平均的な動脈圧<P>の二乗を被除数とし、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を除数とした場合の商を含むものである。
さらに、前記モデルパラメータを求める際に補正パラメータαが使用されるものであり、該補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低くなるほど大きくなるものである。
さらに、好ましくは、前記補正パラメータαに依存する0から1までのいずれかの値である単調な補正関数σが使用され、該補正関数σは前記補正パラメータαが1である場合には0の値をとり、前記補正パラメータαが無限大になる場合には1の値をとる。
好ましくは、前記有効振幅Aeffは、前記変化の値<(δP)2>、前記補正関数σと前記平均的な動脈圧<P>の二乗との積との和を被除数とし、前記平均値を除数とした場合の商として与えられる。
好ましくは、前記有効振幅Aeffは、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を被除数とし、前記変化の値<(δP)2>、前記補正関数σと前記平均的な動脈圧<P>の二乗との積との和を除数とした場合の商として与えられる。
さらに、好ましくは、前記スペクトル密度S(ω)が、前記曲線の自己関数のフーリエ変換として求められる。
好ましくは、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)が、前記変化に一定の係数を乗じた結果として求められる。
好ましくは、少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値が、脈拍外形アルゴリズムを使用して求められるものである。
好ましくは、前記方法は、前記患者の血液循環の第1の位置における血流に付与された内在的物理数量(例えば、温度、光学/スペクトル特性、または、インジケータ濃度)の移動偏差に関する情報を入力するステップと、前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量の任意の時間にわたる測定値を読み込むステップって測定するステップとを具備し、前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量の経時的な測定値が希釈曲線として記録され、希釈アルゴリズムを使用して、前記希釈曲線から少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値が求められるものである。
好ましくは、前記比較値が較正用に使用される。
さらに、前記較正は、前記比較値を用いて、前記モデルパラメータを求める際に使用される補正パラメータαを求めることを含み、前記補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低いほど大きくなるものである。
好ましくは、前記求められた生理学的パラメータと該生理学的パラメータに対応する比較値との差がしきい値を超える場合、前記生理学的パラメータが拒絶されまた再算出される。
さらに、本発明の好ましい実施の形態は、コンピュータシステムによって実行され、該コンピュータシステムに上述した方法を実行させる物理的記録媒体を具備する。
一般的に、ここで説明する実施の形態のいずれも、実際の適用条件に応じて特に有利なものになる。さらに、技術的に可能であり、また、ここでそうすべきではないと明示しないかぎり、1つの特徴は、当該技術において公知の特徴のみならず他の実施の形態の特徴組み合わせてもよい。
心拍出量を求めるための本発明の方法の好ましい実施の形態を示すフローチャート図であり、破線によって任意の特徴を示し、数値αが中心静脈圧(CVP)および/または心拍数変異度に依存してよいことを示す。 本発明の実施の形態における関数関係σ(α)、すなわち、αの典型的な値に対するσの挙動を示す図。 本発明の実施の形態において式(24) によって求められる心拍出量と、経肺動脈心拍出量の測定によって求められた基準値COrefとの相関関係示す図。 動脈圧センサを使用する本発明の実施の形態に係る装置の全体構成を示す図。 オプトプレチスモグラフィックセンサを使用する本発明の他の実施の形態に係る装置の全体構成を示す図。 図5の構成の変更例を示す図。
図1における実線は、本発明の好ましい実施の形態における最重要ステップを示す図である。図1の破線は、前記実施の形態を変更することにより他の好ましい実施の形態を実現するためのステップを示す。上記好ましい実施の形態についての説明の理解を容易にするために、下記の説明では、根本的な循環原理を説明する。
ここに説明する好ましい実施の形態の主な焦点は心拍出量の測定であるが、他の生理学的パラメータ、特に駆出率または1回拍出量のような心臓機能の特徴を示すパラメータを本発明の装置および方法によって測定することもできる。
図1に示すように、本発明は動脈圧または大動脈圧の測定値を利用するものであり、該測定値は、適当なセンサからの生データ(例えば、電圧または電流)として、または、前処理された状態で提供される。実際の測定は、圧力トランスデューサを有する適当な動脈カテーテルアセンブリを使用し、または、非侵襲式血圧測定値を適用する様々な方法で実現されてよく、このような測定は、従来より周知であり、本発明の方法自体の一部ではない。このように測定された圧力は、時間t、および、時点tkに開始するいくつかの心拍bk(t - tk)の重なりの結果に依存する。動脈樹における反射により、いくつかの心拍が脈圧に影響することがあり、該脈圧は、
Figure 2009183715
 であらわされる。
一般的に、全ての心拍が相互に異なることがあるが、一定期間において、上記式(1)の関数が
Figure 2009183715
 によって適切に記述され得るよう、平均的な心拍b(t)が存在する。
健康的な生物がそうであるように、通常、心拍数HRは一定時間フレーム(例えば、10sec〜200sec)内においてあまり大きく変化せず、連続した心拍はほとんど等間隔であり、心拍の発生はtk = k/HRによって求められる。
しかしながら、強い不整脈が出ている場合、心拍は極めて不規則的に発生する。最悪の状態は独立した心拍のランダムな発生であり、該独立した心拍のランダムな発生は、ポアソン過程によって記述可能である。すなわち、この場合、連続した心拍間の間隔は、
q(tk - tk-1) = HR * exp(-HR * (tk - tk-1))
であるような指数分布qに従って、ランダムに分散される。
この場合、式(3)の重なりが、N.R.campbell著、"The study of discontinuous phenomena."Proc. Camp. Philos. Soc. Math. Physics. Sci.の15巻117 _ 136ページ(1909年)に記載されているようなキャンベル法である。
本実施の形態によると、心臓機能は、2つの状態、すなわち、規則的および不規則的な活動について、測定された圧力関数P(t)の平均的な変化およびスペクトル密度によって、評価可能である。
平均的な動脈圧<P>は、適当な期間Tにわたって測定された圧力P(t)の積分、すなわち、
Figure 2009183715
 から導出される。
前記圧力の変化はδP(t) = P(t) - <P>から算出され、その結果、
Figure 2009183715
 が成り立つ。
前記スペクトル密度は、P(t)の自己相関のフーリエ変換であり、従って、
Figure 2009183715
 によって求められる。
不整脈の場合、式(4)〜(6)に対するキャンベル法適用によって記述可能であり、その結果、次の関数が得られる。
Figure 2009183715
 ここでの前記平均的な心拍b(t)のフーリエ変換
Figure 2009183715
 は、
Figure 2009183715
 である。
周期的な心拍を伴う律動状態については、式(4)〜(6)の適用により、
Figure 2009183715
 となる。
前記パラメータαは、Tよりもはるかに大きい時間スケールにおける心拍変異度に依存する。実用的な実施のために、前記パラメータαは、実験に基づく研究により、または、本発明の原理を考慮して単純に推定され得る。
上記の異なる条件の統合は以下に基づいてなされ得る。式(7)〜(9)および式(11)〜(13)は同じ構造を有する。特に、式(13)におけるαは、心拍b(t)の周期性の精度が低下するのに伴い減少する。最後に、ランダムに発生する心拍については、αは下限(α=1)に近づく傾向があり、式(13)および(11)は同一になる。式(12)および(8)も統合可能である。故に、関数σ(α)が導入され、該関数σ(α)は、αが1に近づくのに伴い0に近づく傾向があり、α>>1の場合σ(α)は1になる。この関係は図2に例示されている。
その結果、心臓の律動的活動、不整脈および中間的活動は、
Figure 2009183715
 によって記述され、
ここで、αおよびσは次のように制限される。
Figure 2009183715
さらに、取得された前記データは、振幅Aおよび継続期間dに関して、平均的な心拍の特徴を付与するよう解釈されてよい。
Figure 2009183715
従って、矩形波を想定した場合、
Figure 2009183715
従って、式(14)を式(16)に導入すると、
Figure 2009183715
 となる。
ここで、指数"eff"は、Aeffおよびdeffが測定された圧力信号P(t)から再構築された有効値であることを示すために導入されている。圧力曲線P(t)において心拍が全く検出されなくても、すべての条件において、このような再構築が可能である。さらに、心拍が矩形波を示していなくても、面積Aeffと継続期間deffとの積は、
Figure 2009183715
 である有効な心拍Feff下での面積となる。
さらに、
Figure 2009183715
 によって求められる比率は、すべての状況における心拍数の近似値を示す。
本実施の形態によると、得られたパラメータは、患者の心臓機能の特性を示すために使用される。特に、前記数量Aeff、deff、λeffおよびこれらの組合せは、1回拍出量SV、心拍出量CO、駆出率EF等の特性を示すために有用である。
具体的には、前記心拍出量COは、
Figure 2009183715
 によって求めることができる。
本発明の方法によって得られた値をテストするために、公知の標準的な基準方法との比較がなされた。この目的のために、本発明の方法に従って心拍出量が測定されるとともに、EP-A-0 637 932に開示された公知の熱希釈技術によって心拍出量が測定された。
前記比較の結果は図3に示されている。ここで、横軸は前記基準方法によって測定された心拍出量(リットル/分)を示し、縦軸は本発明の方法によって測定された心拍出量(リットル/分)を示す。両前記測定における心拍出量の結果は、互いに十分一致している。
さらに、その他の心臓機能である1回拍出量および駆出率も、本発明の方法によって求められたパラメータから容易に得られる。
前記1回拍出量SVは、前記心拍出量を心拍数HRで割ることとによって求められる。すなわち、SV ＝ Aeff * deffである。
さらに、deff * HRは、駆出率EFに対応する。該deff * HRは、その測定値が使用される圧力測定の位置(肺動脈または体動脈)に応じて、左または右心室駆出率のいずれかである。
以下に本発明の他の実施の形態について説明する。
ω ＝ 2πf ＝ 0またはその近くの周波数に関するスペクトル密度が必要な場合、上記本発明の方法を任意に簡略化してよい。その場合、式(6)に従って、圧力Pの変化を使用して
Figure 2009183715
 の近似値を求めることができる。
この簡略化は他の式、特に式(24)に使用することもできる。
さらに、係数1/αは心拍数変異度に依存するので、不整脈についての調整がなされてもよい。
さらに、中心静脈圧CVPは前記係数1/αに影響する。故に、αを確定するために、中心静脈圧(CVP)測定源よって与えられる測定データを直接読み取るまたはユーザ入力によって提供される測定データを直接読み取ることによってCVPを考慮に入れることができる。一般的に、中心静脈圧CVPを測定すること自体は、当該技術において周知であり、本発明の方法の一部ではない。
本発明での変化している心拍数の影響は、圧力サンプル内における心拍数を測定することによって、および、式(23)によって決定された有効心拍数λeffによって検出可能である。特に、心拍数HRと有効心拍数λeffとの比率は、
Figure 2009183715
 となる。故に、本発明を実施する患者モニタシステムを該心拍数変異度に従って調節することが可能である。
ω = 2πf = 0についてのスペクトル密度S(0)も、例えば、
a) ゼロになる傾向のある周波数のスペクトル密度、すなわち、
S(0) = limω→0S(ω)= limf→0S(2πf)、または、
b) 測定されたスペクトルに適当な関数(例えば、S(ω) = S(0) / [1 + (ωτ)2]n+1)に適用すること(ここで、心拍数に対応する局部的な最大値)は無視するのが好ましい。)
によって求めることができる。
図4は、本発明の一実施の形態に係る装置の全体的な構成を示す図である。動脈カテーテル1は、動脈圧を測定するための圧力センサを具備している。該カテーテル1の圧力センサは、圧力トランスデューサ2を介して、患者モニタ装置4の入力チャンネル3に接続されている。前記カテーテル1は、圧力信号を取得するために使用される基端ポート7の傍に、血液温度の測定などの付加的機能を実行するための1つまたは複数の基端ポート8を備えていてよい。前記患者モニタ装置4は、経時的な血圧の測定値を記憶するための適当な記憶手段を含む。
前記患者モニタ装置4は、上述した式に従った演算を行うディジタル信号処理部9を含んでいてよい演算部9と、求められたパラメータ(数値もしくは画像またはそれら両方として)を表示する表示器5と、前記装置を動作させる制御要素10とを具備する。さらに、前記求められたパラメータは、記憶媒体に記憶されてよく、または、印刷されてよい。この目的のために、前記患者モニタ装置4は、周辺機器を接続するための様々なインターフエイスポートを含んでいてよい。
特に好ましい実施の形態によると、ただ1つの動脈圧力センサを有すればよい。前記センサは前記カテーテル1を使用した侵襲式のものとして図示したが、非侵襲式の圧力センサが使用されてもよい。動脈カテーテル1の代わりに、または、動脈カテーテル1に加えて、特に、右心室の駆出率を測定すべき場合、肺動脈カテーテルが使用されてもよい。
様々な侵襲式の圧力センサセンブリが、本発明の実施に特に有利である。脈圧は、基端カテーテルポート7に油圧式で送られて外部センサによって測定されてもよいし、前記カテーテルの先端または先端近くに設置されたセンサを使用してその場で直接に測定されてもよい。容量センサ、ピエゾセンサまたは光式圧力センサ(例えば、ファブリ-ペロー干渉に基づく) が使用されてもよい。
例えば左心室または右心室の下流の大腿動脈、橈骨動脈、上腕動脈、肺動脈またはその他の適当な動脈血管からの第1の脈圧信号Pが、図1に示した処理手順に従って、図4に示した前記装置によって測定される。
式(6)によって、前記演算部9は、適当な時間フレーム(例えば、10〜200秒)内の平均的な脈圧、測定された脈圧に関する変化およびスペクトル密度を算出する。前記スペクトル密度について、任意の高速フーリエ変換手段が使用されてよい。
さらに、ω＝ 0且つα＝ 1の場合、前記演算部9は、式(22)を使用して前記有効面積Feffを算出する。前記有効面積Feffと1回拍出量SVとの関係は1/αによって与えられ、ここで、後者は、実験的に、または、対象患者の基準1回拍出量測定値(例えば、経肺動脈熱希釈)に基づいて求めることができる。このような基準1回拍出量測定を行うために、前記患者モニタ装置4は、例えば、当該技術分野で公知のように、熱希釈測定値のための付加的な入力チャンネルを設け、且つ、前記演算部9で適当な熱希釈アルゴリズムを実行するようにしてよい。
上述のように1回拍出量SVを求めることによって、CO = HR * SVに従って、COを求めることができる。ここで、心拍数HRも、圧力およびスペクトル密度、または、その他の方法で求めることができる。
上述した実施の形態は動脈圧測定に基づくものであるが、本発明は、本明細書の導入部において記載したように、プレチスモグラフィ測定に基づいたものであっても、上記と同様に実施可能である。図5は、透過光の強度を測定し、前記患者モニタ装置4の入力チャンネル3に透過光強度信号を送る光度計手段を使用するオプトプレチスモグラフィックフィンガークリップセンサ11を有する構成を示す。前記患者モニタ装置4は、経時的な光度計測定値を記憶する適当な処理用記憶手段を有する。
前記患者モニタ装置4は、さらに、上述した式に従った演算を行うディジタル信号処理部9を含んでいてよい演算部9を備えているが、前記演算から導出される曲線および項目はプレチスモグラフィ測定に基づく項目に置換されてよい。
上述した他実施の形態と同様に、求められたパラメータを(数値もしくは画像またはそれら両方として)表示する表示器5と、前記装置を動作させる制御要素10とが設けられている。さらに、前記求められたパラメータは、記憶媒体に記憶されてよく、または、印刷されてよい。この目的のために、前記患者モニタ装置4は、周辺機器を接続するための様々なインターフエイスポートを含んでいてよい。
図6に示す実施の形態は、概ね図5の実施の形態と同様に構成されているが、中心静脈カテーテル14を介して、患者の上大静脈における血流に血液温度より低い温度のボーラスを投与するための注入チャンネル13と、動脈血温度を経時的に測定するための温度センサ14とをさらに備えている。動脈血温度と注入されたボーラスの温度および注入時間を示す信号との両方が、それぞれ、付加的な入力チャンネル16,17を介して、前記患者モニタ装置4に入力される。前記患者モニタ装置4のメモリ手段は経時的に測定された動脈血温度を記録し、その記録から熱希釈曲線が求められる。前記患者モニタ装置4は、システムの較正を可能にするために、それ自体公知の熱希釈アルゴリズムを使用して、前記熱希釈曲線から生理学的なパラメータの少なくとも1つの比較値を求める。
1 動脈カテーテル
2 圧力トランスデューサ
4 患者モニタ装置
9 演算部
10 制御要素

Claims (39)

  1. 患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための装置であって、
    患者の血液変数の測定値を提供するセンサ装置と、
    前記測定値を時間tにわたる曲線として記憶するメモリ手段と、
    前記曲線から平均値を求め、該平均値を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求める評価手段とを備え、
    前記評価手段が、さらに、
    前記曲線のスペクトル密度S(ω)および前記変数の変化のうちの少なくとも1つを求め、
    前記平均値、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求め、
    少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求める
    ことを特徴とする装置。
  2. 前記少なくとも1つの生理学的パラメータが、1回拍出量SV、心拍出量COおよび駆出率EFのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の装置。
  3. 前記評価手段が、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータとの積として、前記1回拍出量SVを求める請求項2に記載の装置。
  4. 前記評価手段が、前記有効継続期間deffを示すモデルパラメータと前記患者の心拍数HRの積として、前記駆出率EFを求める請求項2または3に記載の装置。
  5. 前記評価手段が、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータと前記患者の心拍数の近似値との積として、前記心拍出量COを求める請求項2から4までのいずれか1項に記載の装置。
  6. 前記心拍数の近似値が、実際に測定された心拍数HRおよび近似関数λeffのうちから選択されたものであり、前記近似関数λeffが、前記平均値の二乗を被除数とし、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を除数とした場合の商を含むものである請求項5に記載の装置。
  7. 前記評価手段が、前記モデルパラメータを求める際に補正パラメータαを使用するものであり、該補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱程度が低いほど大きくなるものである請求項1から6までのいずれか1項に記載の装置。
  8. 前記評価手段が、前記補正パラメータαに依存する0から1までのいずれかの値である単調な補正関数σであり、該補正関数σは前記補正パラメータαが1である場合には0の値をとり、前記補正パラメータαが無限大になる場合には1の値をとる請求項7に記載の装置。
  9. 前記有効振幅Aeffは、前記変化の値、前記補正関数σと前記平均値の二乗との積との和を被除数とし、前記平均値を除数とした場合の商として与えられる請求項8に記載の装置。
  10. 前記有効振幅Aeffは、ω ＝ 0での前記スペクトル密度S(ω)を被除数とし、前記変化の値、前記補正関数σと前記平均値の二乗との積との和を除数とした場合の商として与えられる請求項8または9に記載の装置。
  11. 前記曲線の自己関数のフーリエ変換として前記スペクトル密度S(ω)を求めるためのフーリエ変換手段をさらに具備した請求項1から10までのいずれか1項に記載の装置。
  12. ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)が、前記変化に値一定の係数を乗じた結果として求められる請求項1から11までのいずれか1項に記載の装置。
  13. 前記評価手段が、パルス輪郭アルゴリズムを使用して、少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値を求めるものである請求項1から12までのいずれか1項に記載の装置。
  14. 前記患者の血液循環の第1の位置における血流に内在的物理数量の移動偏差を付与するための手段と、
    前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量を経時的に測定するためのセンサ手段と
    を具備し、
    前記メモリ手段は、前記第2の位置において前記経時的に測定された前記物理数量を希釈曲線として記録するものであり、前記評価手段は、希釈アルゴリズムを使用して、前記希釈曲線から少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値を求めるものである請求項1から13までのいずれか1項に記載の装置。
  15. 前記評価手段は、前記比較値を較正用に使用する請求項13または14に記載の装置。
  16. 前記較正は、前記比較値を用いて、前記モデルパラメータを求める際に使用される補正パラメータαを求めることを含み、前記補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低いほど大きくなるものである請求項15に記載の装置。
  17. 前記求められた生理学的パラメータと該生理学的パラメータに対応する比較値との差がしきい値を超える場合、前記評価手段は、前記生理学的パラメータを拒絶しまた再算出するよう構成されている請求項13から16までのいずれか1項に記載の装置。
  18. 前記センサ装置が圧力センサ装置を含み、前記血液変数が動脈圧であり、任意時間にわたる前記変数を示す前記曲線が時間tにわたる圧力曲線P(t)であり、前記平均値が平均的な動脈圧<P>である請求項1から17までのいずれか1項に記載の装置。
  19. 前記センサ装置が、プレチスモグラフィおよび/または脈拍酸素計のセンサ構成を含む請求項1から17までのいずれか1項に記載の装置。
  20. 患者の少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるための方法であって、
    患者の血液変数の測定値を取り込むステップと、
    前記測定値を時間tにわたる前記血液変数を示す曲線として記憶するステップと、
    前記曲線から平均値を求め、該平均値を使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップと、
    前記曲線のスペクトル密度S(ω)および前記変数の変化のうちの少なくとも1つを求めるステップと、
    前記平均値、ならびに、前記スペクトル密度S(ω)および前記変化のうちの少なくとも1つを使用して、心拍の有効振幅Aeff、前記心拍の有効持続期間deffおよび前記心拍下での有効面積Feffから選択された値である前記心拍の有効値を示す少なくとも1つのモデルパラメータを求めるステップと、
    少なくとも1つの前記モデルパラメータを使用して前記少なくとも1つの生理学的パラメータを求めるステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
  21. 前記少なくとも1つの生理学的パラメータが、1回拍出量SV、心拍出量COおよび駆出率EFのうちの少なくとも1つを含む請求項20に記載の方法。
  22. 前記1回拍出量SVが、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータとの積として求められる請求項21に記載の方法。
  23. 前記駆出率EFが、前記有効継続期間deffを示すモデルパラメータと前記患者の心拍数HRの積として求められる請求項21または22に記載の方法。
  24. 前記心拍出量COが、前記有効振幅Aeffを示す第1のモデルパラメータと前記有効継続期間deffを示す第2のモデルパラメータと前記患者の心拍数の近似値との積として求められる請求項21から23までのいずれか1項に記載の方法。
  25. 前記心拍数の近似値が、実際に測定された心拍数HRおよび近似関数λeffのうちから選択されたものであり、前記近似関数λeffが、前記平均値の二乗を被除数とし、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を除数とした場合の商を含むものである請求項24に記載の方法。
  26. 前記モデルパラメータを求める際に補正パラメータαが使用されるものであり、該補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低くなるほど大きくなるものである請求項20から25までのいずれか1項に記載の方法。
  27. 前記補正パラメータαに依存する0から1までのいずれかの値である単調な補正関数σが使用され、該補正関数σは前記補正パラメータαが1である場合には0の値をとり、前記補正パラメータαが無限大になる場合には1の値をとる請求項26に記載の方法。
  28. 前記有効振幅Aeffは、前記変化の値、前記補正関数σと前記平均値の二乗との積との和を被除数とし、前記平均値を除数とした場合の商として与えられる請求項27に記載の方法。
  29. 前記有効振幅Aeffは、ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)を被除数とし、前記変化の値、前記補正関数σと前記平均値の二乗との積との和を除数とした場合の商として与えられる請求項27または28に記載の方法。
  30. 前記スペクトル密度S(ω)が、前記曲線の自己関数のフーリエ変換として求められる請求項27から29までのいずれか1項に記載の方法。
  31. ω = 0での前記スペクトル密度S(ω)が、前記変化の値に一定の係数を乗じた結果として求められる請求項20から30までのいずれか1項に記載の方法。
  32. 少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値が、脈拍外形アルゴリズムを使用して求められるものである請求項20から31までのいずれか1項に記載の方法。
  33. 前記患者の血液循環の第1の位置における血流に付与された内在的物理数量の移動偏差に関する情報を入力するステップと、
    前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量の任意の時間にわたる測定値を読み込むステップって測定するステップと
    を具備し、
    前記患者の血液循環の第2の位置における前記物理数量の経時的な測定値が希釈曲線として記録され、希釈アルゴリズムを使用して、前記希釈曲線から少なくとも1つの前記生理学的パラメータの比較値が求められるものである請求項20から32までのいずれか1項に記載の方法。
  34. 前記比較値が較正用に使用される請求項32または33に記載の方法。
  35. 前記較正は、前記比較値を用いて、前記モデルパラメータを求める際に使用される補正パラメータαを求めることを含み、前記補正パラメータαは1以上のいずれかの数値であり、該数値は前記患者の心拍周波数が律動的な状態から逸脱する程度が低いほど大きくなるものである請求項34に記載の方法。
  36. 前記求められた生理学的パラメータと該生理学的パラメータに対応する比較値との差がしきい値を超える場合、前記生理学的パラメータが拒絶されまた再算出される請求項32から35までのいずれか1項に記載の方法。
  37. 前記血液変数が動脈圧であり、任意時間tにわたる前記変数を示す前記曲線が時間tにわたる圧力曲線P(t)であり、前記平均値が平均的な動脈圧<P>である請求項20から36までのいずれか1項に記載の方法。
  38. 前記取り込まれる測定値が、プレチスモグラフィおよび/または脈拍酸素測定の技術によって得られた測定値である請求項20から36までのいずれか1項に記載の方法。
  39. 請求項20から38までのいずれか1項に記載の方法における前記各ステップをコンピュータシステムに実行させるためのプログラムを記録してなる物理的記録媒体。
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