JP2012130719A - 希釈装置およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】患者の循環系充満状態を決定するための装置およびコンピュータプログラムを提供する。
【解決手段】希釈曲線を与えるように構成され、希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの比率を導き出すことができる、患者の循環系充満状態を決定するための装置、およびコンピュータ上でコンピュータプログラムを実行動作させた場合、希釈対時間の与えられた測定データに基づき、希釈曲線を作成するステップ、該希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を導き出するステップ、および該患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと該患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率に基づき、患者の循環系充満状態を決定するステップを行なうように構成された命令を有する、患者の循環系充満状態を決定するためのコンピュータプログラム。
【選択図】図３

Description

本発明は、希釈を利用することにより、全体拡張末期容量ＧＥＤＶにより表される患者の循環系充満状態を決定するための装置およびコンピュータプログラムに関する。

一般的に、重症管理診断および重病人の治療において、心拍出量ＣＯ（すなわち、血流）および患者の循環系の循環系充満容積は、患者の健康状態をモニターするための重要な特性であることが知られる。

当該技術の現状によれば、心拍出量ＣＯは、希釈測定を用いて決定されうる。指標の予め決定された量ｍにより定められた指標のボーラスは、患者の上大静脈に注入され、指標濃度ｃ応答は、患者の体循環の下流、例えば、患者の大腿動脈で測定される。指標濃度ｃ応答測定対時間ｔに基づき、希釈曲線は、時間ｔの関数として、指標濃度ｃ応答をプロットすることにより作成される。

希釈曲線の概略的例示は、図２に説明され、図中、横座標（時間軸）および縦座標（指標濃度軸）が、均等目盛である。

希釈曲線を用いて、心拍出量ＣＯは、

（式中、ｍは、指標量、ｃは、指標濃度、及びＣＯは、心拍出量である）
で定義される。

先行技術から知られるように、指標量ｍの注入位置と指標濃度ｃ応答の測定の位置との間の総循環量ＳＶ_iは、循環系充満を推測するための具体的なパラメータである。図１を参照して、総循環量ＳＶ_iは、右心房拡張末期容量Ｖ₂、右心室拡張末期容量Ｖ₄、肺の血液容量Ｖ₁、左心房拡張末期容量Ｖ₃、左心室拡張末期容量Ｖ₅を包含する。循環量Ｖ_1,…_,5のグループの最も大きい容量は、肺の血液容量Ｖ₁である。

総循環量ＳＶ_iは、

（式中、ＳＶ_iは、循環量の合計であり、ＭＴＴは、希釈曲線領域の質量中心として定義される平均循環時間である）
を計算することにより、希釈曲線から導きだされうる。

一般的に、心臓に関連する循環量Ｖ_2,…_,5は、ヒトの循環系充満状態を指すことが知られている。総関連循環量ＳＶ_2,…_,5は、

から導き出されうる。

非特許文献１から、最大容量Ｖ₁は、濃度曲線の下り勾配部分に、単一指数関数を近似させることにより算出されうることがわかる。この関数の時間係数は、下り勾配時間ＤＳＴと称される。すなわち、下り勾配時間ＤＳＴは、指標濃度がｅ^-1の係数で下がる時間である。

したがって、最大容量Ｖ₁は、

（式中、ＣＯは、心拍出量であり、ＤＳＴは、下り勾配時間である）により計算されうる。

冷液を中心静脈に注入すること、および大動脈内に生じた温度変化を測定することにより希釈曲線を作成するための指標として、冷却エネルギーを用いることが普通である。この場合、希釈は、肺内外熱希釈（ｔｒａｎｓｐｕｌｍｏｎａｒｙ ｔｈｅｒｍｏ-ｄｉｌｕｔｉｏｎ）と称される。

肺内外熱希釈の場合、ＳＶ_iは、腹腔内熱容積（熱容量）ＩＴＴＶと称され、循環における最大容量Ｖ₁は、肺の熱容積ＰＴＶと称される。

この点に関して、前記式は、

および

と読むことができる。

特許文献１によれば、肺内外熱希釈の場合、総循環量ＳＶ_iは、全体拡張末期容量ＧＥＤＶと称される。

さらに、前記特許文献１から、全体拡張末期容量ＧＥＤＶは、総心室容量、すなわち、肺容量なしの総小（ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ）混合容量、すなわち、最大混合容量を反映することが知られている。これらの容量は、基本的に、拡張末期心臓容量に対応する。前記全体拡張末期容量ＧＥＤＶは、熱希釈カーブから、すなわち、例えば、腹腔内熱容量ＩＴＴＶと肺の熱容量ＰＴＶとの間の差から決定され得、それは、平均循環時間ＭＴＴと下り勾配時間ＤＳＴとの間の差に心拍出量ＣＯを乗じること、すなわち

により導き出されうる。

前記したように、熱希釈カーブを用いることにより、心拍出量ＣＯおよび平均循環時間ＭＴＴの値を計算する場合、指標濃度ｃは、時間ｔで積分される。正しい結果を得るために、時間ｔにわたる指標濃度の測定は、影響を妨害することにより影響されないことを要する。
米国特許第５，５２６，８１７号明細書 ニューマン（Ｎｅｗｍａｎ）ら、Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、１９５１ Ｎｏｖ；４（５）：第７３５頁〜第７４６頁

しかしながら、熱-希釈曲線の減少部分は、血液再循環流により重ねあわされる。したがって、他方では、この再循環流が測定位置で起こる前に、指標濃度cの測定をやめることが好都合である。

さらに、熱希釈カーブは、かなり長時間の後、上記で述べたように、単一指数関数に収束する。したがって、他方では、高い時間座標で、下り勾配時間ＤＳＴを計算することが好都合である。

したがって、これらの不都合を克服するため、通常、指標濃度ｃの測定を行なう場合、熱希釈カーブは、最大希釈値の４０％のレベルに達するまで記録される。さらに、下り勾配時間ＤＳＴは、残存減衰曲線（図２中、点線で示される）を外挿することにより、通常、最大希釈値の６０％から４０％を含む希釈曲線の切片（ｓｅｃｔｉｏｎ）から評価される。

しかしながら、この外挿は、間違いである。不利な事情がある場合、希釈曲線の外挿により評価されたこの下り勾配時間ＤＳＴ値は、高い時間座標では、対応する正しい値から最大３０％まで異なりうる。

さらに、平均循環時間ＭＴＴが、時間ｔとの乗算を含むものとして定義されるので、希釈曲線の外挿でのエラーは、平均循環時間ＭＴＴの値の正確性に影響を与える。結果として、下り勾配時間ＤＳＴおよび平均循環時間ＭＴＴの不正確な値は、これらの値から計算された全体拡張末期容量ＧＥＤＶの正確度を低下させる。

なおそのうえに、図２を参照すると、希釈曲線は、ベースライン温度ドリフトと重ねあわされる。希釈曲線は、ベースライン温度外挿のレベルを漸近に近似している。希釈曲線の減少を適切に外挿するために、ベースライン温度ドリフトを考慮に入れられるべきである。ベースライン温度ドリフトは、指標の注入の前に、評価されるべきである。

ベースライン温度ドリフトの外挿は、図２中の点線で示される。時間座標の増加と共に、ベースライン温度ドリフトの外挿は、不正確になり、それにより、下り勾配時間ＤＳＴおよび平均循環時間ＭＴＴの計算値の正確性に影響を与える。

本発明の目的は、患者の循環系充満状態を正しく決定する、希釈、特に、肺内外希釈を利用することにより、患者の循環系充満状態を決定するための、装置およびコンピュータプログラムを提供することにある。

本発明によれば、この目的は、希釈曲線を与えるように構成され、希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を導き出すことができる、患者の循環系充満状態を決定するための装置により達成される。

さらに、本発明によれば、この目的は、患者の循環系充満状態を決定するためのコンピュータプログラムにより達成される。前記コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行させた場合、希釈対時間の与えられた測定データに基づき希釈曲線を作成するステップ、該希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの比率を導き出すステップ、および該患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率に基づき、患者の循環系充満状態を決定するステップを行なうように構成された命令を有する。

本発明によれば、希釈を利用することにより、患者の循環系充満状態を決定することは、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率に基づくという事実により、患者の循環系充満状態は、正確に決定されうる。したがって、重症管理診断および重病人の治療における患者の健康状態のモニターは、信頼性がある。

好ましくは、前記装置は、希釈曲線から、正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴとの間の比率を導き出すことができる装置であり、希釈曲線領域の半分に達する時点であると定義される正中循環時間ＭＤＴと、希釈曲線領域の質量中心が位置する時点であると定義される平均循環時間ＭＴＴとの間の比率により、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの比率を決定するように構成される。

さらに、本発明の好適な実施態様によれば、前記コンピュータプログラムは、正中循環時間ＭＤＴおよび平均循環時間ＭＴＴを決定するステップ、該正中循環時間ＭＤＴと該平均循環時間ＭＴＴとの間の比率を決定するステップ、および該正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴとの間の比率により、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定するステップを実行させる。

正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴとの間の比率により、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定することは、それにより、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率が、温度ドリフトおよび血液再循環による影響が少ないので、有利である。したがって、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率は、正しく計算され、それゆえ、患者の健康状態をモニターするための信頼できるパラメータとして用いられる。

好ましくは、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定するため、前記装置およびコンピュータプログラムは、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率のほぼ直線的な関係と正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴとの間の比率とを利用する。

さらに、好ましくは、前記装置およびコンピュータプログラムは、式：

（式中、パラメータａおよびｂは、

に設定される）
を利用する。

なおそのうえに、代替的に、パラメータａおよびｂは、

に設定されることが好ましい。

代替的な態様として、好ましくは、前記装置およびコンピュータプログラムは、希釈曲線の形の非対称の程度により、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定する。

希釈曲線の形の非対称の程度により、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定することは、それにより、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率が温度ドリフトおよび血液再循環による影響が少ないので、有利である。したがって、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率は、正確に計算され得、それゆえ、患者の健康状態をモニターするための信頼できるパラメータとして用いられる。

さらに、前記装置およびコンピュータプログラムは、変曲点ｔ_u、ｔ_d自体の両方で生じる希釈曲線の勾配間の比率ＳＲにより、希釈曲線の形の非対称の程度を決定することが好ましい。

好ましくは、前記装置およびコンピュータプログラムは、式：

を利用することにより、希釈曲線の形の非対称の程度を決定する。

さらに、患者の心容積の分布を決定するため、前記装置およびコンピュータプログラムは、希釈曲線の形を利用することが好ましい。

好ましくは、前記装置およびコンピュータプログラムは、希釈曲線の形を評価するための希釈曲線のピーク形状ＰＳであり、希釈曲線の最小曲半径ｋ_minと希釈曲線のピーク高さｃ_maxとの間の比率であると定義され、希釈曲線の曲半径ｋが、

と定義されるものであるピーク形状ＰＳを決定する。

図１は、肺の循環のモデルを示す。 図２は、希釈曲線を示す。 図３は、図２の希釈曲線で、最大上り勾配、最大下り勾配、およびピーク形状を有するものである。

図２は、希釈曲線のプロット、すなわち、指標濃度軸が縦座標であり、時間軸が横座標である指標濃度対時間の測定データのグラフを示す。両方の軸は、均等目盛である。

時間軸にそって、横座標からはじまり、最初に、希釈曲線は、時間軸に実質的に平行であるベースラインを形成する。

患者の静脈への指標の注入を行なった後、希釈曲線は、極大値に達するまで、上りはじめる。この極大値を通過後、希釈曲線は、下がる。

それまで、希釈曲線は、測定された指標濃度値を用いることにより、作成される。

希釈曲線が極大点とベースラインとの差の４０％のレベルに達成した場合〔図２における測定中止（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｒｅａｋ）〕、希釈曲線は、もはや、測定された指標データにより作成されず、外挿された減少曲線により作成される。

外挿された減少曲線は、ベースラインの外挿線を漸近に、近似させる指数関数により定義される。指数関数の時間係数は、下り勾配時間ＤＳＴと称され、測定中止と極大値の６０％での指標濃度との間の希釈曲線の切片を利用して得られる。

正中循環時間ＭＤＴは、希釈曲線領域の半分に達する時間として定義される。平均循環時間ＭＴＴは、希釈曲線領域の質量中心であるとして定義される。

正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴと全体拡張末期容量ＧＥＤＶと称される総心容積と関連する循環における残りのマイナーな容量との間に、ほぼ直線関係があることが見出された。

したがって、前記全体拡張末期容量ＧＥＤＶは、平均循環時間ＭＴＴと正中循環時間ＭＤＴとの一次関数により計算される。それゆえ、ＩＴＴＶに対するＧＥＤＶの容量比率は、

および

それぞれのように計算される。

係数ａおよびｂは、実験的に決定され、循環のタイプに依存する。

図１は、肺を表す大容量Ｖ₁および遅延Ｄ₁と、右心の心房および心室を表すより小さい容量Ｖ₂、Ｖ₄と、左心の心房および心室を表すより小さい容量Ｖ₃、Ｖ₅とを有する肺循環のモデルを示す。単純化のために、一定の比率のＶ₂：Ｖ₄およびＶ₃：Ｖ₅を想定する。

まず得られた近似の結果として、容量Ｖ₁は、優勢であり、容量Ｖ₂は、マイナーであり、全ての他の容量は、無視できないと考えられる。したがって、係数ａおよびｂは、

に設定される。

しかしながら、この最初の近似は、概算にすぎない。肺系のより正しい数学的モデルを得るために、混合容量Ｖ_iおよび遅延（ｄｅｌａｙｓ）Ｄ_iを組み合わせる。前記遅延（ｄｅｌａｙｓ）は、時間座標を変換することにより考慮され得、単一遅延に集約される。

肺は、容量Ｖ₁と遅延Ｄ₁とによりモデル化される。右心は、右心房および右心室をそれぞれ示す容量Ｖ₂およびＶ₄によりモデル化される。左心は、左心房および左心室をそれぞれ示す容量Ｖ₃およびＶ₅によりモデル化される。

システム出力ｙ、すなわち、下流位置の濃度は、システム入力ｘ、すなわち、指標注入および個々の要素のシステム応答の畳み込みにより見出されうる。

便宜上、曲線領域の指標量は、「１」が選ばれる。他の指標量について、システムアウトプットｙは、恒常的要因を乗じられる。図１の肺の系の好適なモデルは、

および

を提供しうる。

Ｖ₁＞＞Ｖ₂およびＶ₃＝Ｖ₄＝Ｖ₅＝０の非常に短い（ｄｉｒａｃ形状）注入の場合、モデルは、

に帰する。

この式から、ＭＴＴおよびＭＤＴは、分析的に計算されうる。

非常に短い（ｄｉｒａｃ形状）注入で、Ｖ₂＝Ｖ₄がＶ₃＝Ｖ₅と同じでない場合、モデルは、

に帰する。

この式から、ＭＤＴおよびＭＴＴは、本物で見出されうる容量のセットで計算されうる。これらの種々の状態の直線回帰は、

を与える。

平均循環時間ＭＴＴを置き換えるために、これらの関係は、先行技術の式

との組合せでも用いられうる。

ＧＥＤＶ対ＩＴＴＶ比率は、希釈曲線の敬称の非対称性の程度から、代替的に計算されうる。

非対称性の程度は、希釈曲線の最大上り勾配対最大下り勾配勾配比率ＳＲにより、定義される。

図３は、第１の変曲点ｔ_uで生じる最大上り勾配と第２の変曲点ｔ_dで生じる最大下り勾配とを有する希釈曲線を示す。

第１の近似として、容量Ｖ₁は優勢であり、容量Ｖ₂はマイナーであり、全ての他の容量は無視できると考えられる。したがって、全体拡張末期容量ＧＥＤＶは、勾配比率ＳＲの逆関数、すなわち、

により決定される。

逆関数は、ルックアップ表またはキーにより実行される。

より正しい関数は、実際の循環の実験による補正により見出されうる。

なおそのうえに、希釈曲線の希釈ピークの形状は、心容積の分布を決定するのに用いられうる。通常は、心容積は、略同じサイズであるが、１以上の心腔（ｈｅａｒｔ ｃａｍｂｅｒｓ）の病理学的拡張が生じうる。この場合、希釈曲線の希釈ピークは、通常よりもより丸い。このピークの丸みの程度が、一定の限界を超える場合、さらなる診断を行なうためのメッセージが、ドクターに与えられうる。ピーク形状ＰＳは、ピーク高さｃ_maxにわたる最大曲半径ｋ_min、すなわち

および

により、定義される。

上記および前記モデルを考慮すると、患者の循環系充満状態を決定するプロセスは、
・ 希釈対時間の与えられた測定データに基づき、希釈曲線を作成するステップ、
・ 希釈曲線領域の半分にいたる時点として定義される正中循環時間ＭＤＴと希釈曲線領域の質量中心が位置する時点として定義される平均循環時間ＭＴＴとを決定するステップ、
・ 正中循環時間ＭＤＴと平均循環時間ＭＴＴとの間の比率により、式

（式中、パラメータａおよびｂは、

に設定されるか、代替的に、

に設定される）
を利用して、患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率を決定するステップ、
・ 患者の全体拡張末期容量ＧＥＤＶと患者の腹腔内熱容量ＩＴＴＶとの間の比率に基づき、患者の循環系充満状態を決定するステップ、
を含む。

さらに、上記および前記モデルを考慮に入れると、患者の循環系充満状態を決定する代替的なプロセスは、
・ 希釈対時間の提供された測定データに基づき、希釈曲線を作成するステップ
・ 変曲点ｔ_u、ｔ_d自体の両方で生じる希釈曲線の勾配間の比率ＳＲにより、式

を利用して、希釈曲線の形状の非対称性の程度を決定するステップ
・ 希釈曲線の形状の非対称性の程度に基づき、患者の循環系充満状態を決定するステップ
を含む。

なおそのうえに、上記および前記モデルを考慮して、患者の心容積の分布を決定するプロセスは、
・ 希釈対時間の与えられた測定データに基づき、希釈曲線を作成するステップ
・ 希釈曲線の最小曲半径ｋ_minと希釈曲線のピーク高さｃ_maxとの間の比率として定義される希釈曲線のピーク形状ＰＳであり、希釈曲線の曲半径ｋが

として定義されるものである、ピーク形状ＰＳを決定するステップ、
・ 患者の心容積の分布を決定するための希釈曲線のピーク形状ＰＳを用いるステップを含む。

本発明のコンピュータプログラムとしては、コンピュータを、
希釈対時間の与えられた測定データに基づき、希釈曲線を作成する手段、
該希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量（ＧＥＤＶ）と患者の腹腔内熱容量（ＩＴＴＶ）との間の比率を導き出す手段、および
該患者の全体拡張末期容量（ＧＥＤＶ）と該患者の腹腔内熱容量（ＩＴＴＶ）との間の比率に基づき、患者の循環系充満状態を決定する手段
として機能させるように働かせるものである、患者の循環系充満状態を決定するためのコンピュータで実行可能なコンピュータプログラムが挙げられる。また、本発明のコンピュータプログラムとしては、
希釈対時間の与えられた測定データに基づき、希釈曲線を作成するステップ、該希釈曲線から、患者の全体拡張末期容量（ＧＥＤＶ）と患者の腹腔内熱容量（ＩＴＴＶ）との間の比率を導き出すステップ、および
該患者の全体拡張末期容量（ＧＥＤＶ）と該患者の腹腔内熱容量（ＩＴＴＶ）との間の比率に基づき、患者の循環系充満状態を決定するステップ
をコンピュータに実行させるように働かせるものである、患者の循環系充満状態を決定するためのコンピュータプログラムが挙げられる。

Claims (4)

1. 患者の心容積の分布を決定するために希釈曲線の形状を用いるように適合されている装置。
2. 前記装置は、前記希釈曲線の形状を評価するために前記希釈曲線のピーク形状（ＰＳ）を決定するように適合されており、前記ピーク形状（ＰＳ）は、前記希釈曲線の最小曲半径（ｋ _min ）と前記希釈曲線のピーク高さ（ｃ _max ）との間の比率として定義されており、前記希釈曲線の曲半径（ｋ）は、
   

   

   
   として定義されている、請求項１に記載の装置。
3. 複数の命令を有するコンピュータプログラムであって、
   前記複数の命令は、患者の心容積の分布を決定するために希釈曲線の形状を用いるステップを実行するように適合されている、コンピュータプログラム。
4. 前記コンピュータプログラムは、複数の命令を有し、
   前記複数の命令は、前記希釈曲線の形状を評価するために前記希釈曲線のピーク形状（ＰＳ）を決定するステップを実行するように適合されており、前記ピーク形状（ＰＳ）は、前記希釈曲線の最小曲半径（ｋ _min ）と前記希釈曲線のピーク高さ（ｃ _max ）との間の比率として定義されており、前記希釈曲線の曲半径（ｋ）は、
   

   

   
   として定義されている、請求項３に記載のコンピュータプログラム。

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