JP2017523011A - ポータブル心臓運動モニタ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年6月11日に出願された米国仮特許出願番号第62/010,653号および2015年4月10日に出願された米国仮特許出願番号第62/145,649号に基づく優先権の利益を主張しており、これら仮特許出願の各々は、それらの全体が参考として本明細書によって援用される。
本発明は、米国国立科学財団によるSmall Business Technology Transfer Award 1449060の下、合衆国政府の支援でなされた。合衆国政府は、本発明において特定の権利を有し得る。
家庭で使用され得る、心臓試験および監視デバイスの開発は、医療コストを削減し、患者コンプライアンスを増加させ、患者の生活の質を改善する潜在性を有する。高齢者、身障者、および医療設備への容易なアクセスを伴わない人は、家庭試験デバイスから大いに利益を享受し得る。しかしながら、現在の家庭試験デバイスは、多くの場合、不快であって、使用が困難であって、かつ高価である。いくつかの課題が、依然として、費用効果的であって、使用が単純であって、かつ正確な家庭試験の作成に存在する。
いくつかの実施形態では、本発明は、対象における不規則な心拍を検出する方法であって、a)電磁放射線の波長を対象の心臓に伝送するステップと、b)対象の心臓から反射された電磁信号を検出するステップと、c)対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、対象が不規則な心拍を有するかどうかを判定するステップとを含む、方法を提供する。
ポータブル試験デバイスは、医療コストを削減し、医療設備への即時または容易なアクセスを有していない患者への医療の送達を改善する潜在性を有する。ポータブル心臓運動モニタは、病院または医師のオフィスに出向くことを要求せずに、迅速かつ便利に、患者の心臓ステータスを判定することができる。この便宜性は、患者コンプライアンス増加に起因して、病院訪問の頻度を減少させ、診断率を改善することによって、コストを削減することができる。コンパクトかつポータブルな心臓運動モニタは、高齢者、身障者、または遠隔地域に住んでいる人、そうでなければ、適正な医療を受けるためにうんざりしながら出向く必要があるであろう、患者に、特に利益を提供する。本明細書に説明される発明は、患者の出先でも、患者の家庭でくつろぎながらでも、任意の場所から患者の心臓についての情報を得るための単純であって、費用効果的であって、かつ効率的方法を提供する。
不規則な心拍の診断は、下層の心臓異常または疾患を判定する際に不可欠であり得る。例えば、心房細動を伴う対象は、血塊につながり得る、心房内の血液の貯留に起因して、より高い脳卒中のリスクを有し得る。したがって、心臓活動を迅速かつ容易に監視し得る、デバイスの開発は、心臓状態の効率的かつ効果的診断につながることができる。遠隔で使用され得る、デバイスは、患者コンプライアンスを増加させ、それによって、診断成功率を改善することができる。
本明細書に説明されるデバイスは、対象の心臓活動を監視し、異常を検出するために使用されることができる。監視は、対象の心臓の運動を検出することができる。デバイスはまた、例えば、心臓の残りと比較した心臓の一部の相対的位置、左心房の移動、右心房の移動、左心室の移動、右心室の移動、心臓の寸法変化、心拍数、心拍数のパターン、心拍の規則性、心拍の不規則性、心拍の強度、心拍の激度、心筋の位置、心筋の速度、拡張期の相対強度、収縮期の相対強度、心房の洞調律、心室の洞調律、駆出率、心拍出量、および1回拍出量を検出することができる。
本発明の検出システムは、送信機と、受信機と、アンテナとを備えることができる。送信機は、アンテナによって着目目的物を含む空間の中に照射される、信号を生成することができる。信号は、次いで、着目目的物から反射され得、反射された信号は、受信機によって検出されることができる。受信機は、例えば、視覚または聴覚データに変換するために、信号を増幅することができる。
実施例1:ヒト組織の内側の信号損失の分析
性能は、組織内での最小限の信号損失のために、デバイスを対象上に位置付けることによって最適化されることができる。図6は、ヒトの心臓の前方の皮膚、脂肪、筋肉、および骨の組織厚さ(インチ)を図示する。筋組織の量は、比較的に少ない。レーダ信号が、皮膚、脂肪、筋肉、および骨を含む、種々の組織を通して放射されたとき、レーダ信号の最大損失が、図7に実証されるように、筋組織内で生じた。
本明細書に説明されるデバイスによって生成され、伝送される信号と心筋の相互作用を計算するために、3次元全波シミュレーションが、採用された。このシミュレーションでは、心臓、すなわち、胸腔の3次元モデルが、使用された。最初に、移動しない、したがって、心臓の運動をモデル化するために関連しない胸腔の部分を除去することによって、モデルの複雑性が低減された。次に、心臓モデルは、波シミュレーションプログラムにインポートされ、磁気または電場分布の形態において、アンテナで受信された信号を判定した。最後に、抽出された波形は、回路シミュレータにフィードされ、出力信号と心臓の運動との間の相関を判定した。
種々のコンピュータアーキテクチャが、本発明とともに使用するために好適である。図8は、本発明の例示的実施形態に関連して使用することができる、コンピュータシステム800の第1の例示的アーキテクチャを図示する、ブロック図である。図8で描写されるように、例示的コンピュータシステムは、命令を処理するためのプロセッサ802を含むことができる。プロセッサの非限定的な例は、Intel Core i7TMプロセッサ、Intel Core i5TMプロセッサ、Intel Core i3TMプロセッサ、Intel XeonTMプロセッサ、AMD OpteronTMプロセッサ、Samsung 32ビットRISC ARM 1176JZ(F)−S v1.0TMプロセッサ、ARM Cortex−A8 Samsung S5PC100TMプロセッサ、ARM Cortex−A8 Apple A4TMプロセッサ、Marvell PXA 930TMプロセッサ、または機能的に同等のプロセッサを含む。複数の実行のスレッドを並列処理に使用することができる。いくつかの実施形態では、単一のコンピュータシステム内であろうと、クラスタ内であろうと、または複数のコンピュータ、携帯電話、タブレットコンピューティングデバイス、腕時計ベースのデバイス、リストバンドデバイス、アームバンドデバイス、および/または携帯用情報端末を備えるネットワークを経由してシステムにわたって分配されようと、複数のプロセッサ、または複数のコアを伴うプロセッサを使用することができる。
図8で図示されるように、プロセッサ802によって最近使用された、または頻繁に使用される、命令またはデータのための高速メモリを提供するように、高速キャッシュ801を、プロセッサ802に接続するか、またはそれに組み込むことができる。プロセッサ802は、プロセッサバス805によって、ノースブリッジ806に接続される。ノースブリッジ806は、メモリバス804によってランダムアクセスメモリ(RAM)803に接続され、プロセッサ802によるRAM303へのアクセスを管理する。ノースブリッジ806はまた、チップセットバス807によってサウスブリッジ808に接続される。サウスブリッジ808は、順に、周辺機器用バス809に接続される。周辺機器用バスは、例えば、PCI、PCI−X、PCI Express、または他の周辺機器用バスであり得る。ノースブリッジおよびサウスブリッジは、多くの場合、プロセッサチップセットと称され、プロセッサ、RAM、および周辺機器用バス809上の周辺構成要素間のデータ転送を管理する。いくつかのアーキテクチャでは、別個のノースブリッジチップを使用する代わりに、ノースブリッジの機能性をプロセッサに組み込むことができる。
ソフトウェアおよびデータは、外部記憶装置813に記憶され、プロセッサによる使用のために、RAM803および/またはキャッシュ801にロードすることができる。システム800は、システムリソースを管理するためのオペレーティングシステムを含み、オペレーティングシステムの非限定的実施例は、Linux(登録商標)、Windows(登録商標)TM、MACOSTM、BlackBerry OSTM、iOSTM、AndroidTMおよび他の機能的に同等なオペレーティングシステム、ならびにオペレーティングシステムの上で作動するアプリケーションソフトウェアを含む。
図9は、複数のコンピュータシステム902aおよび902b、複数の携帯電話および携帯用情報端末902c、ならびにネットワークアタッチトストレージ(NAS)901aおよび901bとともに、ネットワーク900を示す略図である。いくつかの実施形態では、システム902a、902b、および902cは、データ記憶を管理し、ネットワークアタッチトストレージ(NAS)901aおよび902bに記憶されたデータのためにデータアクセスを最適化することができる。数学的モデルをデータに使用し、コンピュータシステム902aおよび902b、ならびに携帯電話および携帯用情報端末システム902cにわたって分散型並列処理を使用して評価することができる。コンピュータシステム902aおよび902b、ならびに携帯電話および携帯用情報端末システム902cはまた、ネットワークアタッチトストレージ(NAS)901aおよび901bに記憶されたデータの適応データ再構成のための並列処理を提供することもできる。図9は、例示のみを図示し、多種多様の他のコンピュータアーキテクチャおよびシステムを、本発明の種々の実施形態と併せて使用することができる。例えば、並列処理を提供するために、ブレードサーバを使用することができる。並列処理を提供するように、バックプレーンを通してプロセッサブレードを接続することができる。記憶装置もまた、バックプレーンに、または別個のネットワークインターフェースを通してネットワークアタッチトストレージ(NAS)として接続することができる。
図10は、共有仮想アドレスメモリ空間を使用する、マルチプロセッサコンピュータシステムのブロック図である。このシステムは、共有メモリサブシステム1002にアクセスすることができる、複数のプロセッサ1001a−fを含む。本システムは、複数のプログラマブルハードウェアメモリアルゴリズムプロセッサ(MAP)1003a−fをメモリサブシステム1002に組み込む。各MAP1003a−fは、メモリ1004a−fと、1つまたはそれを上回るフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)1005a−fとを備えることができる。MAPは、構成可能な機能単位を提供し、特定のアルゴリズムまたはアルゴリズムの部分を、それぞれのプロセッサと密接に協調して処理するためにFPGA1005a−fに提供することができる。この例では、各MAPは、これらの目的でプロセッサの全てによって大域的にアクセス可能である。1つの構成では、各MAPは、関連メモリ1004a−fにアクセスするためにダイレクトメモリアクセス(DMA)を使用することができ、それぞれのマイクロプロセッサ1001a−fから独立し、かつそれらとは非同期的に、タスクを実行することを可能にする。この構成では、MAPは、アルゴリズムのパイプライン化および並列実行のために、結果を別のMAPに直接供給することができる。
本明細書に説明される本発明の一実施形態は、図14のパネルAに示される。ヒト対象は、その身体が揺動することを回避し得るように、立位または座位にある。対象は、その手または胸部用ストラップのいずれかを使用して、その身体に取り付けられたレーダデバイスを保持する。ECGは、同時に、手首ならびに左および右足首に取り付けられた3つの電極を伴う3電極ECG回路によって記録される。デバイスおよびECG回路は、信号処理および波形表示を行う、コンピュータに接続される。
3名の対象が、本発明のデバイスを使用して監視された。全データは、対象が呼吸を止めた状態で得られた。図15のパネルAは、健康な若い男性において検出されたECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。図15のパネルBは、健康な高齢男性において検出されたECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。図15のパネルCは、心房細動状態にある不規則な心拍を伴う、高齢男性において検出されたECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。パネルAおよびBでは、小さい第1のパルスが、心房の運動によって生成され、より大きい第2のパルスが、心室の運動によって生成された。パネルAおよびBでは、本発明からのレーダ信号は、ECG信号と相関し、ECG信号と同一周期的性であった。パネルCでは、レーダ信号は、ECG信号と相関したが、心房運動の証拠を殆ど示さなかった。
図16は、呼吸中の実施例5における健康な若い男性において検出されたECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。レーダ心臓運動信号上に重畳された付加的低周波数信号は、呼吸の結果としての胸腔の運動を表す。
実施例4に説明されるように、図17は、本発明の代表的デバイスが実施例5からの健康な若い男性の胸部上の異なる場所に位置付けられるときの、ECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。パネルAは、胸部の中心で測定されたECGおよびレーダ信号を図示する。パネルBは、胸部の中心の上方で測定されたECGおよびレーダ信号を図示する。パネルCは、胸部の中心の下方で測定されたECGおよびレーダ信号を図示する。パネルDは、胸部の中心の左で測定されたECGおよびレーダ信号を図示する。パネルEは、胸部の中心の右で測定されたECGおよびレーダ信号を図示する。これらのグラフは、胸部上の種々の場所におけるデバイスの位置付けが、心臓の異なる部分のビューを可能にしたことを示す。心臓の異なる部分の視認は、種々の心臓異常の評価を補助することができる。
図18は、本発明のデバイスが実施例5からの健康な若い男性の背中に位置付けられたときに得られた、ECG信号(上のグラフ)およびレーダ信号(下のグラフ)を示す。これらのデータは、デバイスを対象の背中に位置付けることによる、心房運動の測定を表す。
図21は、異なる距離における健康な男性対象から得られた3つの測定を示す。これらのデータは全て、対象が呼吸を止めた状態で得られた。これらのデータは、本発明の実施形態を対象からある距離に位置付けることによる、心房運動の測定を表す。
図19のパネルAは、対象の心臓の運動を判定するためのデバイスの実施形態を図示する。アンテナ1902に接続されるレーダシステム1901は、標的1904、例えば、対象の心臓に向かって伝送される波形1903を伝搬する。反射された波形1905が、次いで、アンテナ1902によって受信される。アンテナ1902と標的1904との間の距離は、関数1906d−x(t)によって定義され、式中、dは、アンテナ1902と標的1904との間の一定の距離であって、x(t)は、標的1904の運動機能、例えば、対象の心臓の元々の運動である。パネルB−Dは、アンテナ1902と標的1904との間の3つの異なる距離において測定された波形を表す。
図20は、本発明に説明される連続監視の方法の実施形態を図示する。例えば、対象は、長期監視2001のために、デバイスを継続的に装着し、心不整脈時間2002のパーセンテージを判定することができる。これらのデータは、長期間、例えば、数時間、数日、数週間、または数ヶ月にわたって、記録および記憶される。信号認識ソフトウェアが、医療介護提供者による精査のために、重要な事象を検出およびハイライトする。医療介護提供者は、心不整脈時間2002のパーセンテージを使用して、適切な医療介入2003を判定する。医療介入の非限定的な例として、継続監視、具体的医薬品の有無を問わない電気的除細動、具体的医薬品の有無を問わない心臓切除、およびペースメーカーの導入の有無を問わない心臓切除が挙げられる。
以下の非限定的実施形態は、本発明の例証的実施例を提供するが、本発明の範囲を限定するものではない。
Claims (26)
- 対象における不規則な心拍を検出する方法であって、
a)電磁放射線の波長を前記対象の心臓に伝送するステップと、
b)前記対象の心臓から反射された電磁信号を検出するステップと、
c)前記対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、前記対象が不規則な心拍を有するかどうかを判定するステップと、を含む、方法。 - 前記対象は、前記不規則な心拍のための介入を受けており、前記方法はさらに、前記対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、前記不規則な心拍のための介入が前記不規則な心拍を変調させているかどうかを判定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記対象は、不規則ではない心拍状態のための介入を受けており、前記方法はさらに、前記対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、前記不規則ではない心拍状態のための介入が前記不規則な心拍を誘発しているかどうかを判定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記対象が不規則な心拍を有するかどうかの判定は、前記心臓の一部の動きの分析によって判定される、請求項1に記載の方法。
- 電磁放射線源を前記対象の身体に取り付けるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電磁放射線源は、前記対象の心臓に近接して前記対象の身体に取り付けられる、請求項5に記載の方法。
- 前記電磁放射線源は、前記対象の胸部に取り付けられる、請求項5に記載の方法。
- 前記電磁放射線源は、前記対象の背中に取り付けられる、請求項5に記載の方法。
- 前記対象は、呼吸を止めた状態にある、請求項5に記載の方法。
- 前記対象の心臓に伝送される前記電磁放射線の波長は、高周波である、請求項1に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心房細動と関連付けられる、請求項1に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心房粗動と関連付けられる、請求項1に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心室細動と関連付けられる、請求項1に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心室粗動と関連付けられる、請求項1に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心不整脈と関連付けられる、請求項1に記載の方法。
- 前記対象は、ヒトである、請求項1に記載の方法。
- 方法であって、
a)コンピュータシステムによって、対象の心臓から反射された電磁放射線信号と関連付けられたデータを受信するステップと、
b)前記コンピュータシステムのプロセッサによって、前記対象の心臓から反射された電磁信号と関連付けられたデータと基準を比較するステップと、
c)前記対象の心臓から反射された電磁信号と関連付けられたデータと前記基準の比較に基づいて、前記対象が不規則な心拍を有するかどうかを判定するステップと、
d)前記判定の結果を出力するステップと、を含む、方法。 - 前記対象は、前記不規則な心拍のための介入を受けており、前記方法はさらに、前記対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、前記不規則な心拍のための介入が前記不規則な心拍を変調させているかどうかを判定するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記対象は、不規則ではない心拍状態のための介入を受けており、前記方法はさらに、前記対象の心臓から反射された電磁信号に基づいて、前記不規則ではない心拍状態のための介入が前記不規則な心拍を誘発しているかどうかを判定するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記対象が不規則な心拍を有するかどうかの判定は、前記心臓の一部の動きの分析によって判定される、請求項17に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心房細動と関連付けられる、請求項17に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心房粗動と関連付けられる、請求項17に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心室細動と関連付けられる、請求項17に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心室粗動と関連付けられる、請求項17に記載の方法。
- 前記不規則な心拍は、心不整脈と関連付けられる、請求項17に記載の方法。
- 前記対象は、ヒトである、請求項17に記載の方法。
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