JP2018102670A - 上下肢の脈波波形から腹部大動脈瘤(aaa)を検出する原理 - Google Patents
上下肢の脈波波形から腹部大動脈瘤(aaa)を検出する原理 Download PDFInfo
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Abstract
Description
,(JCS2011), JCS Joint Working Group, Circulation Journal Vol.77, March 2013)によると、大動脈壁の一部が局所的に拡張して瘤を形成する場合、または直径(外径)が正常径の1.5倍(胸部で45mm,腹部で30mm)を超えて拡大した場合と定義されている。大動脈瘤としては、図1(A)に示すような紡錘状大動脈瘤と、図1(B)に示すような、嚢状大動脈瘤とが存在する。
被験者における腹部大動脈瘤の有無を判定する測定装置であって、
上記被験者の上腕と足首とのそれぞれの時系列の脈波信号を取得する脈波信号取得部と、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とに基づいて上腕−足首間脈波伝播速度を求める脈波伝播速度算出部と、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とから、伝達関数を算出して、少なくとも位相線図を作成する伝達関数算出部と、
各被験者の位相線図を4つのグループのいずれかに分類する位相線図分類部とを備え、この位相線図分類部は、上記位相線図が表された周波数対位相平面上に、上記上腕−足首間脈波伝播速度に対応して傾斜した位相遅れを表すbaPWV線を設定して、各被験者の位相線図を、
上記baPWV線に対して位相線図が沿っている第1グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が徐々に離れる第2グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が階段状に離れる第3グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が一旦離れ、再び接近する第4グループと
に分類し、
上記4つのグループのいずれかに位相線図が分類された各被験者について、それぞれのグループに対応して設定された判定基準によって、腹部大動脈瘤の有無を判定する動脈瘤判定部を備えたことを特徴とする。
上記伝達関数算出部は、上記位相線図に加えて、ゲイン線図を作成し、
上記動脈瘤判定部は、上記判定基準を定めるために、
上記周波数対位相平面上で、予め定められた対象周波数範囲における上記baPWV線と上記位相線図との間の差分の総和を表す第1パラメータと、
上記ゲイン線図において振幅最大値を与える周波数を表す第2パラメータと、
上記ゲイン線図において上記脈波信号の基本周波数のゲインと同じゲインを与える周波数を表す第3パラメータと、
上記被験者と年齢、性別および血圧が同じである健常者について統計図表から求められた統計的上腕−足首間脈波伝播速度と、上記被験者について実測された上記上腕−足首間脈波伝播速度との間の差分を表す第4パラメータと
を算出して用いることを特徴とする。
上記第1グループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータが予め定められた第1上下限範囲内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、上記第4パラメータが上記第1上下限範囲外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第2グループおよび上記第3グループに対応して設定された判定基準は、
上記第1パラメータ、上記第2パラメータがそれぞれ予め定められた第1閾値未満、第2閾値未満であるとき腹部大動脈瘤なしと判定し、
上記第1パラメータが上記第1閾値以上であり、または、上記第2パラメータが上記第2閾値を上回る第3閾値以上であるとき腹部大動脈瘤ありと判定し、また、
上記第1パラメータが上記第1閾値未満で、かつ、上記第2パラメータが上記第2閾値以上、上記第3閾値未満である場合は、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とを直交軸とするパラメータ平面内で、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とで定まるデータ点が予め定められた第1許容領域内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、そのデータ点が上記第1許容領域外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第4グループについては、
上記第4グループを、上記第3パラメータが予め定められた第4閾値以下であるか否かに応じて第1サブグループと第2サブグループとに分類し、
上記第1サブグループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータが予め定められた第2上下限範囲内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、上記第4パラメータが上記第2上下限範囲外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第2サブグループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とを直交軸とするパラメータ平面内で、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とで定まるデータ点が予め定められた第2許容領域内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、そのデータ点が上記第2許容領域外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準である
ことを特徴とする。
被験者における腹部大動脈瘤の有無を判定する測定方法であって、
上記被験者の上腕と足首とのそれぞれの時系列の脈波信号を取得するステップと、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とに基づいて上腕−足首間脈波伝播速度を求めるステップと、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とから、伝達関数を算出して、ゲイン線図および位相線図を作成するステップと、
各被験者の位相線図を4つのグループのいずれかに分類するステップとを備え、このステップは、上記位相線図が表された周波数対位相平面上に、上記上腕−足首間脈波伝播速度に対応して傾斜した位相遅れを表すbaPWV線を設定して、各被験者の位相線図を、
上記baPWV線に対して位相線図が沿っている第1グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が徐々に離れる第2グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が階段状に離れる第3グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が一旦離れ、再び接近する第4グループと
に分類し、
上記4つのグループのいずれかに位相線図が分類された各被験者について、それぞれのグループに対応して設定された判定基準によって、腹部大動脈瘤の有無を判定するステップを備えたことを特徴とする。
アルゴリズムの構築および検証に用いる症例データベースを次のようにして構築した。
(1−1)データ取得のための装置
被験者の上腕および下肢の脈波信号を、オムロンコーリン株式会社(東京、日本)製の血圧脈波検査装置(BP203RPEIII Form3またはBP−203RPEII Form2)(符号100で表す。)により取得した。図3Aに示すように、この装置100は、架台110に載置された本体1と、4つのカフ24ar,24al,24br,24blと、心音または心電測定用ツール111と、プリンタ112とを含んでいる。本体1には、表示部4と、操作部6とが設けられている。4つのカフ24ar,24al,24br,24blは、それぞれ被験者の右足首、左足首、右上腕、左上腕に装着される仕様になっている。以下の説明では、右足首、左足首用のカフ24ar,24alをカフ24aと総称し、右上腕、左上腕用のカフ24br,24blをカフ24bと総称する。
上述の装置100を用いて、被験者200の四肢の血圧値(収縮期血圧(Systolic Blood Pressure;SBP)および拡張期血圧(Diastolic Blood Pressure;DBP))を同時に測定し、足関節上腕血圧比ABI(Ankle Brachial Index)を算出するとともに、血圧測定後、所定のカフ圧で一定時間四肢の脈波信号を取得し、上腕−足首間脈波伝播速度baPWV(brachial ankle Pulse Wave Velocity)を取得した。
腹部大動脈瘤(AAA)の有無を判定するために、上腕−足首間脈波伝播速度baPWV、位相線図などの臨床データを元にした新たなアルゴリズムを、次のようにして構築した。図5は、腹部大動脈瘤の有無を判定するための処理フローを、既述の脈波信号の取得(ステップS11)および上腕−足首間脈波伝播速度baPWVの取得(ステップS12)を含めて、一実施形態の測定方法の処理フローとして示している。
まず、時系列の脈波信号を、時間的に複数の処理ブロックに区分して、腹部大動脈瘤の有無を判定するために使用すべき処理ブロックを選別した(図5のステップS13)。
次に、上腕の脈波信号と足首の脈波信号とから、伝達関数を算出して、ゲイン線図および位相線図を作成した(図5のステップS14)。
G=Sxyave/Sxxave ・・・(Eq.1)
この後、学習群のデータのうち次のi)、ii)のいずれかに該当するデータを、正確に大動脈瘤の有無が検出できないデータであるとして、エラーとして排除した(図5のステップS15)。
i)下肢狭窄の疑いがあるデータ
下肢狭窄を発症している場合、上腕に比較し下肢の脈圧が小さくなるため、脈波の振幅成分を周波数軸で見た場合、上腕と下肢の振幅比は高調波になるほど大きくなる。そこで、ゲイン線図において、第1次高調波のゲインが基本周波数のゲイン以下であるデータを下肢狭窄の疑いのあるデータとして、エラーとして排除した。
ii)不規則脈波の混入の疑いのあるデータ
処理ブロック選別後の処理ブロック数が全16処理ブロックのうち4処理ブロック以下(全4処理ブロックの場合は1処理ブロック以下)であり、かつ平均脈波間隔に対し±25%以上の拍が残りの処理ブロックに含まれている場合、不規則脈波の混入の疑いのあるデータとして、エラーとして排除した。これにより、前述の処理ブロック選別で除去しきれなかった不規則脈波の混入を除去した。
次に、各被験者の位相線図を4つのグループのいずれかに分類した(図5のステップS16)。これは、学習群の伝達関数Gを算出し位相線図を算出すると、それらの位相線図の形状が大別して図7A〜図7Dに示す4つのグループに分類される可能性が見えたからである。
−2π・balength/baPWV ・・・(Eq.2)
(表2)位相線図の分類条件
次に、上述の位相線図、ゲイン線図より腹部大動脈瘤のデータに特有の現象を表す特徴パラメータとして、次に述べる第1パラメータPR1、第2パラメータPR2、第3パラメータPR3、および、第4パラメータPR4の、計4つのパラメータを算出した(図5のステップS17)。
PR4≡ΔbaPWV=(ノモグラム推測baPWV)−(実測baPWV)
・・・(Eq.3)
例えば、84歳、女性、収縮期血圧(SBP)140mmHgの被験者の実測baPWVが、図9(A)中に△印P1で示すように、1340m/sであったとする。この場合、被験者と年齢、性別および血圧が同じである健常者についてのノモグラム推測baPWVは、図9(A)中に○印P0で示すように、2100m/sである。したがって、第4パラメータPR4≡ΔbaPWV=760m/sとして求められる。この第4パラメータPR4は腹部大動脈瘤における2つの事象を表す指標である。1つは、腹部大動脈瘤の発生機序の一つである動脈硬化(大動脈の伸展性)を表している。動脈硬化が進行(大動脈の伸展性が低下)するとbaPWVは速くなるため、第4パラメータPR4は正の値をとり得る。一方、ブラムウエル(Bramwell)とヒル(Hill)らの文献(“Velocity of transmission of the pulse-Wave and elasticity of arteries”, Bramwell JC, Hill AV, Lancet, 1922; 199(5149); 891-892)によると、大動脈瘤の患者では頸動脈―橈骨動脈PWVが減少すると報告されている。これは、大動脈瘤による大動脈内径の拡大、あるいは大動脈壁性状の変化によりbaPWVが低下するためと考えられる。このことより、第4パラメータPR4は負の値をとり得る。
4つのグループG1〜G4と4つのパラメータPR4を組み合わせて、腹部大動脈瘤検出の感度および特異度が最良となる決定木を作成した。すなわち、それぞれのグループG1〜G4に対応して、腹部大動脈瘤の有無を判定するための判定基準を作成した。これにより、4つのグループG1〜G4のいずれかに位相線図が分類された各被験者について、それぞれのグループG1〜G4に対応した判定基準によって、腹部大動脈瘤の有無を判定した(図5のステップS18)。
第1グループG1は位相線図に著明な変化がないことから腹部大動脈瘤の可能性が低いグループである。そこで、図10(A)に示すように、第4パラメータPR4が第1上下限範囲UL1内にあるとき(この例では、−141<PR4<375.5であるとき)、腹部大動脈瘤なしと判定した。一方、第4パラメータPR4に基づいて、腹部大動脈瘤の影響により実測baPWVが減少していると考えられるとき(この例では、PR4≧375.5であるとき)、もしくは、腹部大動脈瘤の影響により動脈の伸展性が低下していると考えられるとき(この例では、PR4≦−141であるとき)、腹部大動脈瘤ありと判定した。
第2グループG2および第3グループG3は位相線図において著明な変化が見られることから、腹部大動脈瘤ありの可能性が高いグループである。そこで、図10(B)に示すように、第1パラメータPR1が位相線図の変化が小さいと考えられる第1閾値α1未満(この例では、PR1<25)であり、かつ、第2パラメータPR2が動脈の伸展性が低下していないと考えられる第2閾値α2未満(この例では、PR2<2)であるとき、腹部大動脈瘤なしと判定した。一方、第1パラメータPR1に基づいて位相線図の変化が大きいと考えられるとき(この例では、PR1≧25であるとき)、または、第2パラメータPR2に基づいて動脈の伸展性が低下していると考えられるとき(この例では、第2パラメータPR2に対する第2閾値α2(=2)を上回る第3閾値α3(=3)を設定して、PR2≧3)である場合、腹部大動脈瘤ありと判定した。
Th1=−0.7261×(実測baPWV)+1384 ・・・(Eq.4)
この式(Eq.4)を導入した理由は、第2グループG2および第3グループG3は、腹部大動脈瘤ありの可能性が高いことから、第4パラメータPR4の値だけではなく、実測baPWVとの関係も考慮するのが望ましいからである。一方、パラメータ平面PL1内で、第4パラメータPR4と実測baPWVとで定まるデータ点が第1許容領域CA1外にあるときは、腹部大動脈瘤ありと判定した。
第4グループG4も位相線図において著明な変化が見られることから、腹部大動脈瘤ありの可能性が高いグループである。そこで、まず、図10(D)に示すように、第4グループG4を、第3パラメータPR3が第4閾値α4(=5)以下であるか否かに応じて第1サブグループG4−1と第2サブグループG4−2とに分類した。
Th2=−1.1093×(実測baPWV)+1804.7 ・・・(Eq.5)
一方、パラメータ平面PL1内で、第4パラメータPR4と実測baPWVとで定まるデータ点が第2許容領域CA2外にあるときは、腹部大動脈瘤ありと判定した。
図15は、本発明の一実施形態に係る測定装置(全体を符号100Aで示す。)の概略ブロック構成を示している。この測定装置100Aは、被験者における腹部大動脈瘤の有無を判定する測定装置であって、上述の新たなアルゴリズムを含む測定方法を実施するものに相当する。
上記baPWV線に対して位相線図が沿っている第1グループG1と、
周波数fが大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が徐々に離れる第2グループG2と、
周波数fが大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が階段状に離れる第3グループG3と、
周波数fが大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が一旦離れ、再び接近する第4グループG4と
に分類する。分類に際しては、既に表2に示した位相線図の分類条件を用いる。
さらに、上述の実施形態に係る測定方法を実現させるためのプログラムを提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、CD−ROM(Compact Disk - Read Only Memory)、ROM、RAMおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて非一時的(non-transitory)に記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて非一時的に記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。このようなプログラムを、例えば既述のオムロンコーリン株式会社(東京、日本)製の血圧脈波検査装置(BP203RPEIII Form3またはBP−203RPEII Form2)のコンピュータ(処理部2)にインストールすれば、上述の測定方法を実行することができる。
102 臨床データ取得部
103 脈波信号取得部
104 信号処理部
105 脈波伝播速度算出部
106 伝達関数算出部
107 位相線図分類部
108 動脈瘤判定部
109 出力部
Claims (5)
- 被験者における腹部大動脈瘤の有無を判定する測定装置であって、
上記被験者の上腕と足首とのそれぞれの時系列の脈波信号を取得する脈波信号取得部と、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とに基づいて上腕−足首間脈波伝播速度を求める脈波伝播速度算出部と、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とから、伝達関数を算出して、少なくとも位相線図を作成する伝達関数算出部と、
各被験者の位相線図を4つのグループのいずれかに分類する位相線図分類部とを備え、この位相線図分類部は、上記位相線図が表された周波数対位相平面上に、上記上腕−足首間脈波伝播速度に対応して傾斜した位相遅れを表すbaPWV線を設定して、各被験者の位相線図を、
上記baPWV線に対して位相線図が沿っている第1グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が徐々に離れる第2グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が階段状に離れる第3グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が一旦離れ、再び接近する第4グループと
に分類し、
上記4つのグループのいずれかに位相線図が分類された各被験者について、それぞれのグループに対応して設定された判定基準によって、腹部大動脈瘤の有無を判定する動脈瘤判定部を備えたことを特徴とする測定装置。 - 請求項1に記載の測定装置において、
上記伝達関数算出部は、上記位相線図に加えて、ゲイン線図を作成し、
上記動脈瘤判定部は、上記判定基準を定めるために、
上記周波数対位相平面上で、予め定められた対象周波数範囲における上記baPWV線と上記位相線図との間の差分の総和を表す第1パラメータと、
上記ゲイン線図において振幅最大値を与える周波数を表す第2パラメータと、
上記ゲイン線図において上記脈波信号の基本周波数のゲインと同じゲインを与える周波数を表す第3パラメータと、
上記被験者と年齢、性別および血圧が同じである健常者について統計図表から求められた統計的上腕−足首間脈波伝播速度と、上記被験者について実測された上記上腕−足首間脈波伝播速度との間の差分を表す第4パラメータと
を算出して用いることを特徴とする測定装置。 - 請求項2に記載の測定装置において、
上記第1グループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータが予め定められた第1上下限範囲内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、上記第4パラメータが上記第1上下限範囲外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第2グループおよび上記第3グループに対応して設定された判定基準は、
上記第1パラメータ、上記第2パラメータがそれぞれ予め定められた第1閾値未満、第2閾値未満であるとき腹部大動脈瘤なしと判定し、
上記第1パラメータが上記第1閾値以上であり、または、上記第2パラメータが上記第2閾値を上回る第3閾値以上であるとき腹部大動脈瘤ありと判定し、また、
上記第1パラメータが上記第1閾値未満で、かつ、上記第2パラメータが上記第2閾値以上、上記第3閾値未満である場合は、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とを直交軸とするパラメータ平面内で、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とで定まるデータ点が予め定められた第1許容領域内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、そのデータ点が上記第1許容領域外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第4グループについては、
上記第4グループを、上記第3パラメータが予め定められた第4閾値以下であるか否かに応じて第1サブグループと第2サブグループとに分類し、
上記第1サブグループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータが予め定められた第2上下限範囲内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、上記第4パラメータが上記第2上下限範囲外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準であり、
上記第2サブグループに対応して設定された判定基準は、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とを直交軸とするパラメータ平面内で、上記第4パラメータと上記上腕−足首間脈波伝播速度とで定まるデータ点が予め定められた第2許容領域内にあるとき腹部大動脈瘤なしと判定する一方、そのデータ点が上記第2許容領域外にあるとき腹部大動脈瘤ありと判定する基準である
ことを特徴とする測定装置。 - 被験者における腹部大動脈瘤の有無を判定する測定方法であって、
上記被験者の上腕と足首とのそれぞれの時系列の脈波信号を取得するステップと、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とに基づいて上腕−足首間脈波伝播速度を求めるステップと、
上記上腕の脈波信号と上記足首の脈波信号とから、伝達関数を算出して、ゲイン線図および位相線図を作成するステップと、
各被験者の位相線図を4つのグループのいずれかに分類するステップとを備え、このステップは、上記位相線図が表された周波数対位相平面上に、上記上腕−足首間脈波伝播速度に対応して傾斜した位相遅れを表すbaPWV線を設定して、各被験者の位相線図を、
上記baPWV線に対して位相線図が沿っている第1グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が徐々に離れる第2グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が階段状に離れる第3グループと、
周波数が大きくなるに連れて、上記baPWV線に対して位相線図が一旦離れ、再び接近する第4グループと
に分類し、
上記4つのグループのいずれかに位相線図が分類された各被験者について、それぞれのグループに対応して設定された判定基準によって、腹部大動脈瘤の有無を判定するステップを備えたことを特徴とする測定方法。 - 請求項4に記載の測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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