JP2018511403A - 生体熱伝達の個人化推定を提供するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するシステム及び方法が開示される。１つの方法は、患者の少なくとも１つの血管を含む、患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、血管モデル、組織モデル、または受信された熱容量の推定に基づいて、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと、を含む。【選択図】図２

Description

関連出願（複数可）の相互参照
本出願は、２０１５年４月２日に出願された米国特許仮出願第６２／１４１，９１１号に対する優先権を主張し、当仮出願の開示内容全体は、参照により全て本明細書に組み込まれるものとする。

本開示の様々な実施形態は概して、疾病評定、治療計画、及び関連方法に関する。より具体的には、本開示の特定の実施形態は、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するシステム及び方法に関する。

人間の身体は、一定体温を維持する精密な恒常性維持機構を有するが、それでもなお外部温度に敏感であり得る。いくつかの温度変化は、身体全体に影響を与え、例えば低体温、高体温、熱中症、及び／または熱疲憊といった生命を脅かす可能性があり得る状態を引き起こし得る。これらの状態は、例えば復温、液体摂取、暖水／冷水浸漬といった様々な方法を通して、またはより高度な機構により、治療され得る。他の温度変化は、例えば癌を治療するため、または心房細動もしくは心室頻拍を治療するための高周波（ＲＦ）アブレーションまたは冷凍アブレーションを応用する療法として、局所的に適用され得る。これらの事例において、周囲の健康な組織を保存するように試みながら病理組織に故意にダメージを与えるために、極端な温度が使用され得る。しかしながら、熱伝達は、例えば多数の異なる物質（例えば組織、液体、骨）を通した熱拡散、血管システムの環流、及び／または身体の外部温度を含む様々な要因に左右され得るため、人間の身体における熱伝達は予測することが複雑で難しくあり得る。加えて、温度を調整もしくは調節する身体の能力は個人の身体によって異なり、これが原因で、熱関連疾病の易発程度、または治療に対する反応程度は、人々により異なり得る。

従って、個人に特有の生体熱伝達の把握が要望されている。例えば、個人の身体全体における、ならびに／または孤立器官及び身体の部分における生体熱（例えば熱伝達または熱分布）をモデル化することが要望されている。さらに、温度関連治療の効力を評価することが要望されている。

前述の一般的説明及び以下の詳細説明は、単に模範及び解説であり、開示内容を制限するものではない。

本開示のある態様による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するシステム及び方法が開示される。

１つの方法は、患者の少なくとも１つの血管を含む、患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、血管モデル、組織モデル、または受信された熱容量の推定に基づいて、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと、を含む。

別の実施形態による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するシステムは、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する命令を記憶するデータ記憶デバイスと、プロセッサとを備え、当プロセッサは、患者の少なくとも１つの血管を含む、患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、血管モデル、組織モデル、または受信された熱容量の推定に基づいて、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと、を実行するように構成される。

別の実施形態による、コンピュータシステム上で使用される非一時的コンピュータ可読媒体は、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する方法を実施するためのコンピュータ実行可能プログラム命令を含み、当方法は、患者の少なくとも１つの血管を含む、患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、血管モデル、組織モデル、または受信された熱容量の推定に基づいて、患者特有組織モデルの組織の一部、または組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することとを含む。

開示される実施形態の追加の目的及び利点は、部分的に以下の説明に明記され、部分的に本説明から明らかであり、または開示される実施形態の実践により学ばれ得る。開示される実施形態の目的及び利点は、添付される請求項において特に指摘される要素及び組み合わせを用いて実現及び達成される。

前述の一般的説明及び以下の詳細説明は共に、単に模範及び解説であり、請求される開示実施形態を制限するものではないことを理解されたい。

本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を成す添付図面は、様々な代表的実施形態を例示し、説明と共に、開示される実施形態の原理を説明するのに役立つ。

本開示の代表的実施形態による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する代表的システム及びネットワークのブロック図である。 本開示の代表的実施形態による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する代表的方法のフロー図である。 本開示の代表的実施形態による、患者の身体における熱伝達の個人化実施例を生成する代表的方法のフロー図である。 本開示の代表的実施形態による、体温の急激な変化を伴う患者の身体における熱伝達の個人化実施例を生成する代表的方法のフロー図である。 本開示の代表的実施形態による、アブレーションを受けた患者の心筋における熱伝達を分析する代表的方法のフロー図である。 本開示の代表的実施形態による、アブレーションを受けた患者の組織における熱伝達を分析する代表的方法のフロー図である。 本開示の代表的実施形態による、筋骨格組織における熱伝達を分析する代表的方法のフロー図である。

ここで、本開示の代表的実施形態に対し詳しく参照が行われ、その実施例が添付図面において例示される。可能な限り、同一または同様の部分を指すために図面を通して同一の参照番号が使用される。

前述のように、個人に特有の生体熱伝達の把握が要望されている。例えば、患者の身体における生体熱（例えば熱伝達または熱分布）をモデル化する能力により、疾病の重症度及び治療の適切性の評価は改善され得る。

本開示は、患者の身体における熱分布に対する血流、組織、及び外部環境の影響をモデル化することにより、患者における生体熱伝達を特定するシステム及び方法を説明する。例えば、システム及び方法は、患者の身体全体にわたる生体熱のモデル化、ならびに／または孤立器官及び身体の部分における生体熱伝達のモデル化の両方に対処し得る。以下の技術及び説明のうちのいずれも、患者の身体全体、患者の身体のある器官全体、または身体もしくは器官の１つまたは複数の部分を通した熱伝達の分析を含むと解釈されるべきであることを理解されたい。本開示の実施形態により、例えば身体全体の温度状態の緩和または局所適用療法において、患者に対する温度関連治療の効力を計画すること及び評定することが可能となり得る。ひいては、本開示の実施形態は、効果的な温度関連治療の評定または推薦を提供し、新たな温度関連治療及びデバイスの設計及び開発を支援する。

ここで図面を参照すると、図１は、代表的実施形態による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する代表的システム１００及びネットワークのブロック図を示す。具体的に、図１は、複数の医師１０２及び第三者プロバイダ１０４を描き、これらのうちのいずれも、１つまたは複数のコンピュータ、サーバ、及び／または手持ち型モバイルデバイスを通してインターネット等の電子ネットワーク１０１へ接続され得る。医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４は、１人または複数の患者の解剖学的構造の画像を作成あるいは取得し得る。医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４はまた、例えば年齢、治療歴、血圧、血液粘度、体温、患者の活動もしくは運動レベル等、任意の組み合わせの患者特有情報を取得し得る。医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４は、解剖学的画像及び／または患者特有情報を、電子ネットワーク１０１を介してサーバシステム１０６へ送信し得る。サーバシステム１０６は、医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される画像及びデータを記憶する記憶デバイスを含み得る。サーバシステム１０６はまた、記憶デバイスに記憶される画像及びデータを処理する処理デバイスを含み得る。本開示の目的のため、「患者」は、診断または治療分析が行われている任意の個体または人、あるいは１つまたは複数の個体の診断または治療分析に対応付けられた任意の個体または人を指し得る。

図２は、対象組織における熱分布を推定する方法の一般的実施形態を示す。図３及び図４は、患者の身体全体またはその部分にわたる熱伝達を評価する代表的方法を示す。例えば、図３は、患者の身体の温度調節を分析する代表的方法を示す。図４は、患者の身体の一部における急速冷却または加熱を含み得る療法に関連して、身体の温度調節を分析する代表的方法を示す。図５Ａ、５Ｂ、及び６は、患者の身体の特定部分における熱伝達を評価する代表的方法を示す。例えば、図５Ａ及び５Ｂは、患者の心筋における、及び／または患者の組織におけるアブレーションからの熱伝達をそれぞれ分析する代表的方法を示す。図６は、例えば患者の皮膚に外部から当てられる加熱もしくは冷却装置からの、筋骨格組織における熱伝達の代表的方法を示す。加熱もしくは冷却装置には、加熱パック／パッドもしくは冷却パック、または電子もしくは他の医療デバイスが含まれ得る。

図２〜６において描かれる実施形態のいずれも、例えば血液循環、血流温度、及び／または患者の解剖学的構造の変形または変更を含むように修正され得る。血液循環における変更は、患者における熱伝達をより良く制御し、及び／または医療処置の安全性を高めるために、医師が一時的に局所の血液循環を高め得るまたは低め得る（例えば止血帯、バルーンカテーテル、高圧室等により）シナリオを反映し得る。このような実施形態において、上記の方法のうちのいずれも、例えば修正血液循環を反映するよう血流シミュレーションの境界条件を調整することにより、この高められたもしくは低められた血液循環を成すように修正され得る。修正血液循環はさらに、血流の一時停止を含み得る。例えば、ある手術は、ある時間の間に血流を停止させることを伴い、例えば手術中に脳／心臓を保護する超全身低体温法を含み得る。血液循環に対する任意の範囲の変更をモデル化及び評定するために、開示されるシステム及び方法は修正され得る。

別の修正は、例えば局所的環境を変えるために、血流内へ注入される加熱／冷却ボーラスをモデル化することを含み得る。この種類の変更により、患者の身体に対するより安全／より効果的な加熱／冷却の適用または導入が可能となり得る。このような実施形態は、例えば移流拡散方程式を解く時に、ある時間にわたり血液における差分加熱／冷却を導入することにより、計算され得る。

さらに、図２〜６に描かれる代表的方法のうちのいずれも、患者の解剖学的構造における血行再建または対象組織変更を反映させるために修正された患者モデルを含むがこれに限定されない修正患者モデル、及び／または移流拡散方程式のパラメータ変更と併せて使用され得る。

図２は、代表的実施形態による、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する代表的方法２００のフロー図である。図２の方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ２０１は、患者の身体の少なくとも一部における血流需要の推定を受信することを含み得る。例えば、ステップ２０１は、サーバシステム１０６の電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、患者特有血管モデルを受信することを含み得る。具体的に、患者特有血管モデルを受信することは、サーバシステム１０６にて患者特有血管モデルを生成すること、または電子ネットワーク（例えば電子ネットワーク１０１）を介して患者特有血管モデルを受信することを含み得る。血管構造は、例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）または磁気共鳴（ＭＲ）撮像を含む撮像を介して、取得され得る。患者特有血管モデルは、血管モデルの１つまたは複数の部分における血流需要の推定を含み得る。

一実施形態において、ステップ２０３は、少なくとも熱伝達が推定され得る組織の患者特有組織モデルを受信することを含み得る。一実施形態において、患者特有組織モデルは、電子記憶媒体において受信され得る。熱伝達が推定され得る組織モデル及び／または組織は、「対象組織」と称され得る。

一実施形態において、ステップ２０５は、対象組織及び／または周囲環境（例えば解剖学的環境すなわち患者環境）の１つまたは複数の区域の熱容量の推定、例えば温度を受信することを含み得る。一実施形態において、患者環境は周囲環境を含み、周囲環境には、例えば患者の心臓または脳内の温度（複数可）に作用し得る患者の心臓または脳の周りの環境といった、対象組織を囲む環境が含まれ得る。一実施形態において、熱容量の推定は、１つの時点での対象組織及び／または周囲環境の１つまたは複数の区域の温度を含み得る。例えば、当時点は、初期時（例えばＴ_０）として機能し得る。ステップ２０５の温度推定は、例えば（全身）中核体熱から与えられる、周囲解剖学的環境の初期温度を含み得る。このような中核体熱は、体温、活動レベル等に由来し得る。

一実施形態において、ステップ２０７は、血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織及び／または血液の熱分布の推定を決定することを含み得る。ステップ２０７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、モバイルフォン、タブレット等）を使用して実行され得る。

一実施形態において、ステップ２０９は、熱分布（例えばステップ２０７の熱分布）の推定を、電子記憶媒体及び／またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット）へ出力することを含み得る。ユーザディスプレイは、患者特有血管モデルの推定熱分布を描画すること、及び／または対象組織（例えば組織モデル）の推定熱分布を描画することを含み得る。ステップ２０９はさらに、組織モデルを通した熱分布のシミュレーション（例えば色分けされた温度マップ）、描画された血管及び／または組織モデルにおける任意の場所の血液循環、温度、またはモデル形状を調整するための対話型オプションまたはプロンプト、モデル化を求める様々な治療（温度ベース及び非温度ベース治療を含む）に対応付けられたメニュー選択、熱分布の時間枠を調整するためのオプションまたは提案（例えば生体熱変化の追跡評定を行う時間間隔または回数の推薦）、様々なモデル化生体熱シナリオの比較（１人の患者、及び患者間の比較用）等、これらのうちの１つまたは複数を含む機能を含み得る。比較用表示は、患者特有血管モデル及び／または組織モデルの様々な部分を表示する重畳表示及び／または並列パネルを含み得る。

図３及び４は、患者の身体における熱伝達の分析を描く。言い換えると、図３及び４に示される方法は、体温調整の研究に関連し得る。体温調整は、低体温、高体温、熱中症、及び／または熱疲憊を含む状態により呼び起され得る代謝機能である。患者の身体全体における熱伝達の分析は、これらの状態のうちの１つに対処する療法の効力を評価することに役立ち得る、またはこれらの状態に対処する新たな治療方法を開発し得る。図３は、このような熱伝達の分析の代表的方法を示す。図４は、患者の身体全体におけるこのような熱伝達の分析の代表的方法を示し、当分析は、患者の身体の一部に対し急激な冷却及び／または加熱を適用し得る療法を少なくとも採用することにより、代謝状態のうちの１つまたは複数を治療することを伴い得る。

図３は、代表的実施形態による、患者の身体における熱伝達を分析する代表的方法３００のフロー図である。図３の方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ３０１は、電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、患者の身体全体の血管構造の患者特有血管モデルを受信することを含み得る。当モデルは、大血管（例えばＣＴ及び／またはＭＲを含む撮像を介して取得される）、及び／または組織を潅流する毛細血管を含み得る。毛細血管は、測定またはシミュレートされ得る（例えば制約付き構造最適化を介して生成され得る）。血管モデルは、動脈、静脈、または動脈と静脈のある組み合わせを含み得る。

一実施形態において、ステップ３０３は、電子記憶媒体において、器官及び筋肉（例えば対象組織）を含む患者組織の患者特有モデルを受信することを含み得る。当モデルは、医用撮像スキャンから（例えばＣＴまたはＭＲ撮像を介して）抽出され得る。

一実施形態において、ステップ３０５は、１つの時点での対象組織の１つまたは複数の区域における熱容量の推定を受信することを含み得る。一実施形態において、対象組織は、低減温度（低体温）及び／または上昇温度（高体温）で一様に推定またはモデル化され得る。体温調整の間に熱を供給することで知られる深部器官（例えば肝臓、脳、及び／または心臓）は、患者の恒常温度（例えば３７℃）に近い温度で初期化され得る。

一実施形態において、ステップ３０７は、心血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織の熱分布の推定を決定することを含み得る。一実施形態において、ステップ３０７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、モバイルフォン、タブレット等）を使用して、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。

例えば、ステップ３０７は、血管モデル（ステップ３０１の血管モデル）における血流を特定することにより、熱分布を推定することを含み得る。血流を推定することは、３Ｄ計算流体力学、減次モデル、及び／またはデータベースからの推定（例えば機械学習を使用）を伴う分析を含み得る。血流を推定することはまた、血流需要を特定することを含み得る。例えば、ステップ３０７は、血流需要の推定（例えば対象組織質量または全血管容量から）に基づいて、患者の血管構造における患者特有血流推定を実行することを含み得る。血流需要は、流量レート、血流速度、または流速場（血管区分または対象組織の一部の断面における）を含み得る。血流需要は、例えば身体活動中の酸素需要量を満たすために心筋により提供される血流量といった、器官が代謝要求を満たすために十分な血流量を含み得る。血流需要は、組織または器官単位あたりの血流レートとして表され、血流需要は、その組織または器官に供給を行う血管構造を通した当血流レートにより満たされ得る。言い換えると、ステップ３０７の一実施形態は、組織質量または血管容量の血流需要を推定することと、組織質量への、または血管容量を通る血流を特定することと（それぞれの組織または血管構造の血流需要を前提に）、特定された血流から組織または血管構造を通した熱分布を推定することとを含み得る。

血流を用いた熱分布の特定の一実施形態は、様々な患者の生理状態または外部状況の下の患者の血流を反映するために、細動脈血管拡張及び／または血管収縮モデル化を含み得る。例えば、細動脈血管拡張及び／または血管収縮モデル化は、高体温状態での増加皮膚潅流圧のモデル化、または低体温状態での減少皮膚潅流圧のモデル化を含み得る。細動脈血管拡張及び／または血管収縮のモデル化は、組織または器官における温度に基づいて、供給動脈系の１つまたは複数の流出口における境界条件モデル内の抵抗を低減または増加させることにより、あるいは、またはさらに、組織自体の中の明確な微小循環ネットワークモデルの内径を変えることにより、実行され得る。

熱分布は、移流拡散方程式を介して血流から特定され得る。例えば、ステップ３０７は、温度に関する移流拡散方程式を解くことにより患者特有熱伝達を特定することを含み、対象組織における熱の移流を提供するために、推定血流速場（例えば推定血流及び／または血流需要から）が推測され得る。

いくつかの実施形態において、患者の熱伝達特性（例えば伝導性）は、撮像源または文献から取得されるデータから割り当てられ得る。別の選択肢は、対象組織における一定物質特性を推測することを含み得る。患者特有熱伝達をモデル化する境界条件は、皮膚境界において適用され得る（例えば室温に対するディリクレ境界条件を使用し、高体温状態の間の汗の蒸発による皮膚境界における損失をモデル化する）。いくつかの事例において、１つまたは複数の追加時点での推定熱分布を提示するために、熱伝達方程式（移流拡散方程式）は、固定時間（例えば数秒）に関して、または周期的定常解に関して、解かれ得る。

一実施形態において、ステップ３０９は、対象組織における１つまたは複数の推定熱分布を、例えば電子記憶媒体またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット等）へ出力することを含み得る。

図４は、代表的実施形態による、体温が急激に変化し得る患者の身体における熱伝達を分析する代表的方法４００のフロー図である。図４の方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ４０１は、電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、身体全体の血管構造の患者特有血管モデルを受信することを含み得る。当モデルは、大血管（例えばＣＴまたはＭＲ等の撮像を介して取得される）、及び／または組織を潅流する毛細血管を含み得る。毛細血管は、測定及び／またはシミュレートされ得る（例えば制約付き構造最適化を介して）。血管モデルは、動脈、静脈、または動脈と静脈のある組み合わせを含み得る。

一実施形態において、ステップ４０３は、電子記憶媒体において、器官及び筋肉（対象組織）を含む患者組織の患者特有モデルを受信することを含み得る。当モデルは、医用撮像スキャン（例えばＣＴまたはＭＲ）から抽出され得る。

一実施形態において、ステップ４０５は、１つの時点での対象組織の１つまたは複数の区域における熱容量の推定を受信することを含み得る。一実施形態において、対象組織は、低減温度（低体温）及び／または上昇温度（高体温）で一様に推定またはモデル化され得る。体温調整の間に熱を供給することで知られる深部器官（例えば肝臓、脳、及び心臓）は、恒常温度（例えば摂氏３７℃）に近い温度で初期化され得る。

一実施形態において、ステップ４０７は、心血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。一実施形態において、ステップ４０７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、モバイルフォン、タブレット等）を使用して、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。

血流の推定は、シミュレートされた生理状態の心血管モデルにおける血流を最初に特定することにより、決定され得る。例えば、ステップ４０７は、患者の血流需要の推定（例えば対象組織質量または全血管容量から）を使用して、患者の血管構造における患者特有血流推定を実行することを含み得る。血流を推定することは、３Ｄ計算流体力学、減次モデル、またはデータベースからの血流推定（例えば機械学習を使用）を分析することを含み得る。血流を用いた熱分布の特定の一実施形態は、様々な患者の生理状態または外部状況の下の患者の血流を反映するために、細動脈血管拡張及び／または血管収縮モデル化を含み得る。例えば、細動脈血管拡張及び／または血管収縮モデル化は、高体温状態での増加皮膚潅流圧のモデル化、または低体温状態での減少皮膚潅流圧のモデル化を含み得る。

一実施形態において、患者特有熱伝達は、移流拡散方程式を解くことにより、特定され得る。例えば、ステップ４０７は、熱集中に関する移流拡散方程式を解くことを含み、対象組織における移流を提供するために、推定血流速場（例えば推定血流及び／または血流需要から）が推測され得る。

熱分布を推定するステップ４０７は、推定を決定するための１つまたは複数の条件を設定することを含み得る。例えば、患者の熱伝達特性（例えば拡散率）は、撮像源または文献から取得されるデータから割り当てられ得る。熱分布を推定するための条件を設定する別の選択肢は、対象組織における一定物質特性を推測することを含み得る。境界条件は、皮膚境界において適用され得る（例えば室温に対するディリクレ境界条件を使用し、高体温状態の間の汗の蒸発による皮膚境界における損失をモデル化する）。特に、適用される加熱／冷却源は、加熱／冷却源により影響を受ける皮膚の一部にわたり一定温度（例えばデバイスにより熱いまたは冷たい）を固定化するディリクレ境界条件として、仮想的に適用され得る。１つまたは複数の追加時点での推定熱分布を提示するために、熱伝達方程式は、固定時間（例えば数秒）に関して、または周期的定常解に関して、解かれ得る。

一実施形態において、ステップ４０９は、対象組織における１つまたは複数の推定熱分布を、例えば電子記憶媒体またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット等）へ出力することを含み得る。

図５Ａ、５Ｂ、及び６は、患者の身体の少なくとも複数の部分における局所的熱伝達の代表的分析を含み得る。例えば、図５Ａ及び５Ｂの代表的方法は、患者の身体の様々な部分におけるアブレーションに関連した熱伝達の分析を含む。図５Ａは、アブレーションに伴う心筋における熱伝達を分析する代表的方法を含み得る。心筋における熱伝達の分析は、ＲＦアブレーションまたは冷凍アブレーション処置（例えば左室頻拍、上室頻拍、ウォルフパーキンソンホワイト症候群、心房頻拍、多源性心房頻拍、または心房細動を治療するため）の効力を評定し、及び／またはアブレーションの好ましいまたは最適な設定を決定し得る。図５Ｂは、アブレーションに伴う組織（例えば器官組織）における熱伝達を分析する代表的方法を含み得る。器官組織における熱伝達の分析は、ＲＦアブレーション、冷凍アブレーション、外照射または高周波数超音波（ＨＩＦＵ）を使用して行われるアブレーション、低温、及び／または冷凍療法治療処置（例えば肝臓、骨、肺、脾臓、皮膚、前立腺、または腎臓の癌を、腫瘍または病害を破壊することにより治療するため）の効力を評定するのに役立ち得る。図６において説明される代表的方法は、筋骨格組織における熱伝達の分析を含む。筋骨格組織における熱伝達の分析は、例えばスポーツ医学において、皮膚の外側に当てられる加熱または冷却装置から患者の筋肉への熱伝達の効力を評定するのに役に立ち得る。このような分析は、加熱／冷却装置のサイズ、温度、及び／または場所の設定を決定するのに役立ち、ならびにより効果的な加熱／冷却装置の設計を支援し得る。

図５Ａは、代表的実施形態による、アブレーションに伴う患者の心筋における熱伝達を分析する代表的方法５００のフロー図である。図５Ａの方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ５０１は、電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、患者特有冠血管モデルを受信することを含み得る。当モデルは、大冠血管（例えばＣＴ及び／またはＭＲを含む撮像を介して取得される）を含み、及び／または組織を潅流する毛細血管を含み得る。毛細血管は、測定またはシミュレートされ得る（例えば制約付き構造最適化を介して）。血管モデルは、動脈、静脈、または動脈と静脈のある組み合わせを含み得る。

一実施形態において、ステップ５０３は、電子記憶媒体において、対象組織として心筋（または心外膜、心房壁等）を含む患者組織の患者特有モデルを受信することを含み得る。当モデルは、医用撮像スキャン（例えばＣＴ及び／またはＭＲ）から抽出され得る。

一実施形態において、ステップ５０５は、１つの時点での対象組織の１つまたは複数の区域における熱容量の推定を受信することを含み得る。一実施形態において、対象組織は、局所的区域において事前指定温度に（例えばＲＦアブレーションに関しては４ｍｍの区域において摂氏５０℃の温度、または冷凍アブレーションに関しては摂氏−１０℃〜７０℃の温度に）設定され得るアブレーションカテーテルの場所を除いて、体温にて一様に推定またはモデル化され得る。対象組織におけるアブレーションカテーテルの場所は、仮想的に表され得る（例えば事前処置シミュレーション及び計画のために）、あるいは処置中のその実際の場所に表され得る（例えばカテーテル先端上の配置を用いて）。

一実施形態において、ステップ５０７は、心血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織及び／または血液における熱分布の推定を決定することを含み得る。一実施形態において、ステップ５０７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、モバイルフォン、タブレット等）を使用して、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。

推定は、シミュレートされた生理状態の心血管モデルにおける血流を最初に特定することにより、決定され得る。例えば、ステップ５０７は、患者の血流需要の推定を使用して、患者の冠血管における患者特有血流推定を実行することを含み得る。血流需要は、全血管容量または心筋質量（例えば対象組織の質量）に基づいた血流需要を含み得る。血流を推定することは、３Ｄ計算流体力学、減次モデル、またはデータベースからの血流推定（例えば機械学習を使用）を分析することを含み得る。

一実施形態において、患者特有熱伝達は、移流拡散方程式を解くことにより、特定され得る。例えば、ステップ５０７は、熱集中に関する移流拡散方程式を解くことを含み、対象組織における移流を提供するために、推定血流速場（例えば推定血流及び／または血流需要から）が推測され得る。

熱分布を推定するステップ５０７は、推定を決定するための１つまたは複数の条件を設定することを含み得る。例えば、患者の熱伝達特性（例えば拡散率）は、撮像源または文献から取得されるデータから割り当てられ得る。別の選択肢は、対象組織における一定物質特性を推測することを含み得る。境界条件は、経験的導出値を使用して（例えば心内膜及び心外膜の恒常温度を伴うディリクレ境界条件を使用して）、及び／または別の計算モデル（例えば身体全体における熱伝達モデルまたは動的心臓における拍動血流モデル）と合わせることにより、心内膜及び心外膜の面に適用され得る。例えば１つまたは複数の追加時点での推定熱分布を提示するために、熱伝達方程式は、固定時間（例えば数秒）に関して、または周期的定常解に関して、解かれ得る。

一実施形態において、ステップ５０９は、対象組織における１つまたは複数の推定熱分布を、例えば電子記憶媒体またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット等）へ出力することを含み得る。

図５Ｂは、代表的実施形態による、アブレーションに伴う組織における熱伝達を分析する代表的方法５２０のフロー図である。図５Ｂの方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ５２１は、電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、対象組織及び／または周辺組織内の血管構造の患者特有血管モデルを受信することを含み得る。当モデルは、大血管（例えばＣＴまたはＭＲ等の撮像を介して取得される）を含み、及び／または組織を潅流する毛細血管を含み得る。毛細血管は、測定またはシミュレートされ得る（例えば制約付き構造最適化を介して）。血管モデルは、動脈、静脈、または動脈と静脈のある組み合わせを含み得る。

一実施形態において、ステップ５２３は、電子記憶媒体において、対象組織としての対象アブレーション組織（例えば腫瘍または病害を含む組織）の患者特有モデルを受信することを含み得る。いくつかの実施形態において、組織は、器官組織、例えば肝臓組織、肺組織、及び／または腎臓組織を含み得る。当モデルは、医用撮像スキャン（例えばＣＴまたはＭＲ）から抽出され得る。

一実施形態において、ステップ５２５は、１つの時点での対象組織の１つまたは複数の区域における熱容量の推定を受信することを含み得る。一実施形態において、対象組織は、局所的区域において事前指定温度に（例えばＲＦアブレーションに関しては４ｍｍの区域において摂氏５０℃の温度、または冷凍アブレーションに関しては摂氏−１０℃〜７０℃の温度に）設定されるアブレーションカテーテルの場所を除いて、体温にて一様に推定またはモデル化され得る。身体がモデル化され得る温度は、周囲温度から、及び／または局所的加熱／冷却が患者にとってより安全となるように制御される全身温度を介して、導き出され得る。対象組織におけるアブレーションカテーテルの場所は、仮想的に表され得る（例えば事前処置シミュレーション及び計画のために）、あるいは処置中のその実際の場所に表され得る（例えばカテーテル先端上の配置を用いて）。

一実施形態において、ステップ５２７は、血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織及び／または血液における熱分布の推定を決定することを含み得る。一実施形態において、ステップ５２７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、モバイルフォン、タブレット等）を使用して、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。

熱分布の推定は、シミュレートされた生理状態の血管モデルにおける血流を特定することにより、決定され得る。例えば、ステップ５２７は、患者の血流需要の推定（例えば対象組織質量または全血管容量から）を使用して、患者の血管構造における患者特有血流推定を実行することを含み得る。血流を推定することは、３Ｄ計算流体力学、減次モデル、またはデータベースからの血流推定（例えば機械学習を使用）を分析することを含み得る。

一実施形態において、患者特有熱伝達は、移流拡散方程式を解くことにより、特定され得る。例えば、ステップ５２７は、熱集中に関する移流拡散方程式を解くことを含み、対象組織における移流を提供するために、推定血流速場（例えば推定血流及び／または血流需要から）が推測され得る。

熱分布を推定するステップ５２７は、推定を決定するための１つまたは複数の条件を設定することを含み得る。例えば、患者の熱伝達特性（例えば拡散率）は、撮像源または文献から取得されるデータから割り当てられ得る。別の選択肢は、対象組織における一定物質特性を推測することを含み得る。境界条件は、経験的導出値を使用して（例えば対象組織面の恒常温度を伴うディリクレ境界条件を使用して）、及び／または別の計算モデル（例えば多数の器官、脂肪、体液、骨等を含む身体全体における熱伝達モデル）と合わせることにより、心内膜及び心外膜の面に適用され得る。例えば１つまたは複数の追加時点での推定熱分布を提示するために、熱伝達方程式は、固定時間（例えば数秒）に関して、または周期的定常解に関して、解かれ得る。

一実施形態において、ステップ５２９は、対象組織における１つまたは複数の推定熱分布を、例えば電子記憶媒体またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット等）へ出力することを含み得る。

図６は、代表的実施形態による、筋骨格組織における熱伝達を分析する代表的方法６００のフロー図である。図６の方法は、電子ネットワーク１０１を介して医師１０２及び／または第三者プロバイダ１０４から受信される情報、画像、及びデータに基づいて、サーバシステム１０６により実行され得る。

一実施形態において、ステップ６０１は、電子記憶媒体（例えばハードドライブ、ネットワークドライブ、クラウドドライブ、モバイルフォン、タブレット等）において、患者特有末梢血管モデルを受信することを含み得る。当モデルは、大末梢血管（例えばＣＴまたはＭＲ等の撮像を介して取得される）のうちの１つまたは複数を含み、ならびに／または、対象筋肉組織を潅流する毛細血管及び／もしくは体外部（例えば皮膚）を潅流する毛細血管を含み得る。毛細血管は、測定またはシミュレートされ得る（例えば制約付き構造最適化を介して）。血管モデルは、動脈、静脈、または動脈と静脈のある組み合わせを含み得る。

一実施形態において、ステップ６０３は、電子記憶媒体において、対象組織としての対象筋肉組織（例えば大腿四頭筋またはその他の腕、脚、臀部、手、もしくは足の筋肉）の患者特有モデルを受信することを含み得る。当モデルは、医用撮像スキャン（例えばＣＴまたはＭＲ）から抽出され得る。より包括的モデルのために、対象組織に、特定筋肉と周辺筋肉、骨、脂肪、及び体液が取り込まれ得る。周辺筋肉、骨、脂肪、及び体液の初期温度は、体温、活動レベル等に由来する（全身）中核体熱により与えられ得る。

一実施形態において、ステップ６０５は、１つの時点での対象組織の１つまたは複数の区域における熱容量の推定を受信することを含み得る。一実施形態において、対象組織は、体外部の局所的区域における加熱／冷却装置の場所を除いて、体温にて一様に推定またはモデル化され得る。対象組織における加熱／冷却装置の場所は、仮想的に表され得る（例えば事前適用シミュレーション及び計画のために）、あるいは適用中のその実際の場所に表され得る（例えばカテーテル先端上の配置を用いて）。一実施形態において、身体がモデル化され得る温度は、周囲温度に由来し得る。

一実施形態において、ステップ６０７は、血管モデル、対象組織モデル、及び／または熱容量の初期推定に基づいて、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。一実施形態において、ステップ６０７は、プロセッサ（例えばラップトップ、デスクトップ、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、モバイルフォン、タブレット等）を使用して、第２時点での対象組織における熱分布の推定を決定することを含み得る。

推定は、シミュレートされた生理状態の心血管モデルにおける血流を特定することにより、決定され得る。例えば、ステップ６０７は、患者の血流需要の推定（例えば対象筋肉質量または全血管容量から）を使用して、患者の冠血管における患者特有血流推定を実行することを含み得る。血流を推定することは、３Ｄ計算流体力学、減次モデル、及び／またはデータベースからの血流推定（例えば機械学習を使用）を分析することを含み得る。

一実施形態において、患者特有熱伝達は、移流拡散方程式を解くことにより、特定され得る。例えば、ステップ６０７は、熱集中に関する移流拡散方程式を解くことを含み、対象組織における移流を提供するために、推定血流速場（例えば推定血流及び／または血流需要から）が推測され得る。

熱分布を推定するステップ６０７は、推定を決定するための１つまたは複数の条件を設定することを含み得る。例えば、患者の熱伝達特性（例えば拡散率）は、撮像源または文献から取得されるデータから割り当てられ得る。別の選択肢は、対象組織における一定物質特性を推測することを含み得る。境界条件は、経験的導出値及び／もしくは例えば中核体温、活動レベルに基づく推定値を使用して、ならびに／または別の計算モデル（例えば身体全体における熱伝達モデルまたは動的心臓における拍動血流モデル）と合わせることにより、対象組織面に適用され得る。あるいは、またはさらに、境界条件は、より広い視界において適用され得る（例えば、恒常体温境界条件が、例えば医用画像の全視界により包囲されるより大きな解剖学的モデルの境界にて適用される）。熱伝達方程式は、固定時間（例えば数秒）に関して、及び／または周期的定常解に関して、解かれ得る。熱伝達方程式からの１つまたは複数の解は、１つまたは複数の追加時点での推定熱分布を提示するために使用され得る。

一実施形態において、ステップ６０９は、対象組織における１つまたは複数の推定熱分布を、例えば電子記憶媒体またはユーザディスプレイ（例えばモニタ、モバイルフォン、タブレット等）へ出力することを含み得る。

温度を調節する、または温度変化に反応する身体能力は、個人間で変わり得る。温度関連状況は患者に負の影響を与え得る（例えば低体温または高体温を生じる）、あるいは患者を治療するために温度は使用され得る（例えば低体温／高体温の治療において、またはアブレーションにおいて）。異なる患者は、各患者の身体が生体熱伝達を行い得る独自の方法に応じて、温度及び治療に対し異なった反応をし得る。本開示は、個人に特有の生体熱伝達を特定するシステム及び方法を含む。例えば、本開示は、患者特有の撮像から抽出される個人の解剖学的構造専用の生体熱伝達をモデル化するシステム及び方法を含む。例えば、本開示は、患者の解剖学的構造を通した血流から熱分布を推定することにより、患者特有生体熱伝達をモデル化する代表的実施形態を含む。患者特有生体熱伝達の把握により、温度関連疾患及び治療の治療有効性は向上し得る。

本発明の他の実施形態は、本明細書において開示される本発明の詳述及び実践を考慮することにより、当業者には明らかであろう。詳述及び実施例は単に模範とみなされ、本発明の真の範囲及び趣旨は以下の請求項により示されることが意図される。

Claims (20)

1. 患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するコンピュータ実施方法であって、
   患者の少なくとも１つの血管を含む、前記患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、
   前記患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、
   前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、
   前記血管モデル、前記組織モデル、または前記受信された熱容量の推定に基づいて、前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、
   前記決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと、
   を含む、前記コンピュータ実施方法。
2. 前記組織の一部の前記熱容量の推定は、第１時点での前記組織の一部または前記周囲組織の前記熱容量を含み、
   前記熱分布の推定は、前記第１時点とは異なる第２時点での熱分布を含む、
   請求項１に記載のコンピュータ実施方法。
3. 前記熱容量の推定は、均一値として推定される、請求項１に記載のコンピュータ実施方法。
4. 前記組織モデルまたは血管モデルの場所における温度源の導入を決定することであって、前記熱容量の推定は、前記温度源の前記場所を除いて一様である、前記組織モデルまたは血管モデルの前記場所における前記温度源の導入を前記決定することを
   さらに含む、請求項３に記載のコンピュータ実施方法。
5. 前記温度源は、アブレーション、加熱装置、または冷却装置に対応付けられる、請求項４に記載のコンピュータ実施方法。
6. 前記血管モデルを使用して、前記組織モデルの血流需要を特定することを
   さらに含む請求項１に記載のコンピュータ実施方法。
7. 前記特定された血流需要及び熱伝達方程式に基づいて、前記熱分布の推定を決定することを
   さらに含む請求項６に記載のコンピュータ実施方法。
8. 前記血管モデルは、前記患者の解剖学的構造の大血管及び毛細血管を含む、請求項１に記載のコンピュータ実施方法。
9. 患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供するシステムであって、
   患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する命令を記憶するデータ記憶デバイスと、
   方法を実施するため前記命令を実行するように構成されるプロセッサと
   を備え、前記方法は、
   患者の少なくとも１つの血管を含む、前記患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、
   前記患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、
   前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、
   前記血管モデル、前記組織モデル、または前記受信された熱容量の推定に基づいて、前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、
   前記決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと、
   を含む、前記システム。
10. 前記組織の一部の前記熱容量の推定は、第１時点での前記組織の一部または前記周囲組織の前記熱容量を含み、
    前記熱分布の推定は、前記第１時点とは異なる第２時点での熱分布を含む、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記熱容量の推定は、均一値として推定される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記組織モデルまたは血管モデルの場所における温度源の導入を決定することであって、前記熱容量の推定は、前記温度源の前記場所を除いて一様である、前記組織モデルまたは血管モデルの前記場所における前記温度源の導入を前記決定することを
    実行するようにさらに構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記温度源は、アブレーション、加熱装置、または冷却装置に対応付けられる、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記血管モデルを使用して、前記組織モデルの血流需要を特定する
    ようにさらに構成される、請求項９に記載のシステム。
15. 前記特定された血流需要及び熱伝達方程式に基づいて、前記熱分布の推定を決定する
    ようにさらに構成される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記血管モデルは、前記患者の解剖学的構造の大血管及び毛細血管を含む、請求項９に記載のシステム。
17. コンピュータシステム上で使用される非一時的コンピュータ可読媒体であって、患者の身体または患者の身体の一部を通した生体熱伝達の個人化推定を提供する方法を実施するためのコンピュータ実行可能プログラム命令を含み、前記方法は、
    患者の少なくとも１つの血管を含む、前記患者の解剖学的構造の患者特有血管モデルを受信することと、
    前記患者の解剖学的構造の組織の少なくとも一部を含む患者特有組織モデルを受信することと、
    前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱容量の推定を受信することと、
    前記血管モデル、前記組織モデル、または前記受信された熱容量の推定に基づいて、前記患者特有組織モデルの前記組織の一部、または前記組織の一部の周りの組織の熱分布の推定を決定することと、
    前記決定された熱分布の推定を記憶媒体またはユーザディスプレイへ出力することと
    を含む、前記非一時的コンピュータ可読媒体。
18. 前記組織の一部の前記熱容量の推定は、第１時点での前記組織の一部または前記周囲組織の前記熱容量を含み、
    前記熱分布の推定は、前記第１時点とは異なる第２時点での熱分布を含む、
    請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
19. 前記熱容量の推定は、均一値として推定される、請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
20. 前記方法はさらに、
    前記組織モデルまたは血管モデルの場所における温度源の導入を決定することであって、前記熱容量の推定は、前記温度源の前記場所を除いて一様である、前記組織モデルまたは血管モデルの前記場所における前記温度源の導入を前記決定することを
    さらに含む、請求項１９に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。