JP2019536488A

JP2019536488A - 心弾動図（ｂｃｇの波）から機械的心収縮事象を検出する方法と装置。

Info

Publication number: JP2019536488A
Application number: JP2018567728A
Authority: JP
Inventors: アレニー，ラモンパラス; アロンソ，ラモンカサネッラ; クラペルス，ホアンゴメス
Original assignee: ウニベルジテートポリテクニカデカタル−ニア
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US20190320942A1; ES2656765A1; EP3492004A4; EP3492004A1; CN109788914A; ES2656765B1; KR20190032302A; WO2018020064A1

Abstract

【課題】被験者の身体の心弾図（ＢＣＧ）から機械的な心収縮事象を検出する本発明の方法を提供する。【解決手段】被験者の身体の心弾図（ＢＣＧ）から機械的な心収縮事象を検出する本発明の方法は（ａ）被験者の身体の機械的応答を補償する変換関数を被験者のＢＣＧの波に、前記変換関数全体／機械的応答全体が所定の周波数範囲内で平坦になるよう、適用するステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）から得られた信号の基準点から、機械的な心収縮事象を検出するステップとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、物理的方法により生理学的パラメータを測定するシステムに関し、特に心弾動図（ＢＣＧの波）から機械的な心収縮事象を検出する方法と装置に関する。

心収縮事象は心臓の健康状態を非侵襲で評価するのに有効である。心収縮事象の間の間隔は、所謂心収縮時間間隔（ＳＴＩ：Systolic Time Interval）と称するが、心収縮事象に直接関連する電気的パラメータと機械的パラメータに関する情報を提供する。それ故に医療業界においてはそれを診断ツールとして用いることができると広く知られている。最も興味深いＳＴＩのあるものは、１：予駆出期（ＰＥＰ：Pre-Ejection Period）、２：心臓心室の電気的活性時と血液が大動脈に駆出される時間の間の遅延時間、３：左心室駆出時間（ＬＶＥＴ＊Left Vetricular Ejection Time)、４：大動脈弁が開閉する間の時間間隔である。診療的観点からすると、長すぎるＰＥＰは心筋収縮性と脈管の弾力性の減少に関連し、短いＬＶＥＴは脈管の劣化と心筋が弱っていることを示す。従ってＰＥＰ／ＬＶＥＴの値（商）は、ＳＴＩの値と共に用いられ、心臓の健康状態を評価する。これに関しては特許文献１に記載されている。

心収縮事象（例：大動脈弁の閉鎖）も、根本部位から先端部位への脈拍伝搬時間（ＰＴＴ：Pulse Transit Time）の測定値として用いられる。これは動脈の弾力性を表し、循環系の健康状態を評価するのに用いられている。特に大動脈のＰＴＴは、心臓血管（ＣＶ：CardioVascular）のリスク・ファクタの存在とアテローム性動脈硬化症に関連する。これは、将来の致死性と非致死性の心臓血管の事象（例：心筋梗塞、脳卒中、血管移植、心臓発作、大動脈症、全死亡）のリスクの優れた予測因子として示されている。これに関しては特許文献２を参照されたい。更にＰＴＴを用いて、動脈の圧力変動を評価し、様々な校正方法を用いて動脈の絶対圧を測定するのに用いられる。これに関しては特許文献３を参照されたい。

非特許文献１：S. S. Ahmed, G. E. Levinson, C. J. Schwartz, and P. O. Ettinger, “Systolic Time Intervals as Measures of the Contractile State of the Left Ventricular Myocardium in Man,” Circulation, DOI 10.1161/01.CIR.46.3.559.
非特許文献２；C. Vlachopoulos, K. Aznaouridis, and C. Stefanadis, “Prediction of Cardiovascular Events and All-cause Mortality With Arterial Stiffness: a Systematic Review and Meta-analysis,” Journal American College Cardiology, DOI 10.1016/j.jacc.2009.10.061.
非特許文献３： D. Buxi, J. M. Redouté, and M. R. Yuce, “A Survey on Signals and Systems in Ambulatory Blood Pressure Monitoring Using Pulse Transit Time,” Physiological Measurements, DOI 10.1088/0967-3334/36/3/R1.
非特許文献４： A. M. Weissler, W. S. Harris, and C. D. Schoenfeld, “Systolic Time Intervals in Heart Failure in Man,” Circulation, DOI 10.1161/01.CIR.37.2.149.
非特許文献５： L. Jensen, J. Yakimets, and K. K. Teo, “A Review of Impedance Cardiography,” Hear. Lung J. Acute Crit. Care, DOI 10.1016/S0147-9563(05)80036-6.
非特許文献６： O. T. Inan, P. F. Migeotte, K.-S. Park, M. Etemadi, K. Tavakolian, et al., “Ballistocardiography and Seismocardiography: a Review of Recent Advances,” IEEE Journal of Biomedical Health and Informatics, DOI 10.1109/JBHI.2014.2361732,

心収縮事象は、心電図：ＥＣＧ（ElectroCardiGram）を用いた診療装置の非侵襲性手段により測定される。ＥＣＧは、心臓の電気的活性を表し、心室の電気的活性を決定できる。ドップラー心エコー図（Doppler echocardigram）は、機械的事象（例：大動脈弁の開閉）を特定するのに用いることができる。ＥＣＧは表面に貼った電極から容易に得ることができるが、ドップラー心エコー図を用いた機械的心収縮事象の測定は、熟練作業員を必要とし、頸動脈の露出と水性ジェルを用意する必要がある。これは測定手順が長くなり、被験者に不快感を与える。

ドップラー心エコー図は、心音図（ＰＣＧ：PhonoCardioGraph）と頸動脈に配置されたパルス型の圧力センサーを用いて、省くことができる。この装置を用いて、大動脈弁の閉鎖は、ＰＣＧ上のＳ２音の開始により直接示される。ＬＶＥＴは頸動脈のパルス信号上で測定できる。大動脈弁の開放は、Ｓ２の開始時からＬＶＥＴを減算することにより計算できる。これに関しては特許文献４を参照されたい。この方法は、胸部領域を露出することはないがセンサーを配置することは依然として面倒であり、特に頸動脈上に圧力パルスセンサーを配置することは面倒であり、それ故にこの手順は使用されていない。

機械的な心収縮事象を検出する別の方法は、インピーダンス心臓曲線（ＩＣＧ：Impedance CardioGram）を用いることである。これは、首の根本に配置される電極と、ヒクシトテライン（xiphosternal：剣上の胸の骨のライン）の高さにある胸の周囲に配置される電極との間で測定された胸郭インピーダンス（thoracic impedance）の変化を記録することで得られる。これに関しては特許文献５を参照されたい。機械的な心収縮事象を検出するこの方法は、比較的単純であるが、胸の部分を露出し接着性のある電極を配置する必要があり、これにより測定手順が長くなり、かつ被験者に不快感を与える。

心収縮事象から機械的活性に関する情報を得て被験者に対する測定準備をそれ程必要としない別の方法は、心振動図（ＳＣＧ：seismocardigram)の基準点から得られる。このＳＣＧは胸郭に配置された加速度計から得られる。これに関しては特許文献６を参照されたい。胸郭に加速度計を配置することは、電極を固定するよりも簡単であり、服の上から行うことができるが、加速度計の配置は測定信号の形状と振幅に大きな影響を及ぼし、その方向は測定軸の間の交差の原因となり、測定値が安定しない。

センサー（心収縮事象から得られる機械的活性に関する情報を得る装置）を被験者の身体に配置する必要がなくかつ測定軸の間のクロッシング（crossing between measurment axes）を回避できる別の方法は、心動図（ＢＣＧ：ballistocardiogram）の基準点（fiducial point）から得られる。これは、心脈拍の間、心臓から大動脈への血流の駆出の結果とし人体の重力中心の変化を反映し、かつ動脈ツリーを流れる圧力パルスの事後の伝搬を反映する。ＢＣＧは様々な装置から得られる、その中のある物は、センサーが埋設された、体重計、椅子、シート、ベッドのような日用品である。これに関しては特許文献４を参照されたい。センサーは身体に直接配置されないが、身体は、ＢＣＧセンサが埋設されている構成要素（プラットホーム、体重計、椅子、シート、ベッド、アクセサリー、カーペット、枕、あるいはシートカバー等）と自然に接触する。この場合ＢＣＧは、素早くかつ快適に得ることができる場合によっては長期に渡って得ることができる。しかしＢＣＧのＩ波とＪ波は、ある装置には既に組み込まれて、大動脈弁の開口時の変化を間接的に検出し、心電図（ＥＣＧ）のＱ波からＰＥＰを予測する。しかしＱ波は大動脈弁の開口時から大幅に遅れる。この目的のためにＱ波を使用することは、その遅延を修正するために更正が必要である。更に基準点は、ＢＣＧ内では大動脈弁の閉鎖時の正しい指標とは見なされない。

機械的な心収縮事象がＢＣＧから検出できる場合には、心臓の健康状態はより快適にかつ長期に渡って評価することができ、更に連続的なモニタリングが可能となる。この方法は、機械的な心収縮事象例えばＰＴＴに関連し動脈の硬さあるいは動脈の血圧を評価する他の健康指標を計算するのに極めて重要である。

本発明は、心動図ＢＣＧから機械的心収縮事象を検出する方法と装置に関する。本発明の方法は、被験者の生のＢＣＧに変換関数を適用し、この被験者の身体の機械的応答を、心臓と大動脈の根本での機械的活性に帰属する信号を再構成し、基準点を検出して、この再構成された信号に基づいて大動脈弁の開閉を特定することである。ＢＣＧは、被験者の身体に接触する１つの要素内に組み込まれたセンサーから得られる。ＢＣＧを用いることにより、被験者にセンサーを配置する必要がなくなる。

本発明の方法は、ＢＣＧ波は、各心拍時の血液の心臓駆出から得られ、被験者の身体内を伝搬する。この記録された信号は、これらの波に加えて被験者の身体の応答を含むという仮定に基づく。しかしこれは、心臓と大動脈起始部（基部）で実際に発生する機械的心収縮事象の信頼できる観測結果を生まない。従って本発明の方法は、第１に変換関数をＢＣＧに適用して、被験者の身体の機械的応答を、グローバルな応答が平坦となり所定の周波数範囲（通常０．５Ｈｚから５０Ｈｚの間）内でゼロのフェーズを有するように補償し、心臓と大動脈起始部（基部）で生成された機械的事象の寄与のみを再構成された信号上に残す。

体重計に埋め込まれたＢＣＧ測定システム上に載る被験者の身体の通常許される機械的応答は、２次の低域フィルタでモデル化される。この低域フィルタは、共振周波数ｆｒ（＝５Ｈｚ）とダンピング計数ｋｄ（＝０．２）を有する。機械的応答の効果／影響を補償できる変換関数（transfer function）は、例えば機械的応答のポール（極）上で即ちゼロ・ポールプロット（pole-zero plot）上で即ち（２πｆｒｋｄ，±ｊ２πｆｒ√１−ｋｄ２）で２つのゼロを具備する。そして上限のカットオフ周波数ｆｃ即ち（２πｆｃ，０）で２つのポールを有する。別の方法を適用して、特定の被験者の身体の機械的応答を特徴付けるパラメータｆｒとｋｄの正確な値を得ることができる。例えばこのパラメータは、被験者の生体データ（biometric data）と、基準グループの被験者から得られた統計データとを比較することにより、あるいは被験者そのものにより行われる挙動／動作に応答して記録された信号から見積もられる。変換関数をＢＣＧの記録に適用した結果は、心臓と大動脈起始部（基部）で発生した機械的活性に対応する信号である。２つの波群Ｂ１，Ｂ２は、大動脈弁の開閉に属する基準点として用いることができる。

本発明の方法は、技術者により、心臓と大動脈起始部（基部）で発生した機械的動きに属する信号を、被験者のＢＣＧと同一の被験者の身体の機械的応答の予測値から再構成し、機械的心収縮事象に対応する基準点を視覚的に特定することができる。しかし、本発明の方法の最適な実行は、ＢＣＧに被験者の身体の機械的応答を補償する変換関数を適用できる信号処理システムを含む装置により実現できる。これは得られた信号の基準点を自動的に見つけ出す。更に結果を別の装置と通信するあるいはそれに表示することのできる通信システムにより実現される。

本発明の利点は、ＢＣＧのみを用いて、機械的な心収縮事象の検出が可能となることである。かくしてドップラー心エコー図と心音図ＰＣＧを用いる必要はない。かくして簡単、高速、快適な測定が可能となり、通常使用されるシステムに比較すると長期に渡って使用可能である。

本発明の一実施例による被験者の身体に接触する要素を構成するＢＣＧ波を得る体重計を表す図。同一の被験者から同時に得られた４つの波（上から順に、ＥＣＧ波、体重計から得られたＢＣＧ波、心臓と大動脈起始部（基部）で発生した機械的動きに対応する信号波、ＰＣＧ波）を表す縦軸と経過時間を表す横軸を有するグラフ。被験者の身体の機械的応答を測定する間記録されたＢＣＧ波の時間経過（共振周波数とダンピング計数が測定される）を表すグラフ。被験者の身体の機械的応答（−−−で示す）と、それを補償／修正するために適用される変換関数（・・・で示す）と、その合成結果としての全体的な応答（実線で示す）を示すグラフ。図４の左図の縦軸は振幅（ｄＢ）、横軸は周波数（Ｈｚ）を表す。右図の縦軸は位相（°）、横軸は周波数（Ｈｚ）を表す。

図１の本発明の一実施例によれば、体重計１に組み込まれた本発明のシステムは、センサー２とアナログ信号処理装置３から、心臓からの血液の駆出（cardiac ejection）に起因する機械的動き（mechanical activity）を表す縦方向（身長方向）の心弾動図（ＢＣＧ）波形を得る。センサー２は体重計１に組み込まれたストレン・ゲージからなる。

このＢＣＧから、デジタル信号処理システム４は、被験者の身体の機械的応答を補償／修正する変換関数を適用して、０．５Ｈｚから５０Ｈｚまでの所定の周波数範囲内において全体的な変換関数／応答がフラットで位相シフトがゼロとなるようにし、その結果得られた信号は心臓と大動脈起始部（基部）で発生した機械的動きにのみ応答するようになる。この実施例においては、身体の機械的応答は、２次の低域フィルタＬＰＦ（共振周波数ｆｒ＝５Ｈｚでダンピング計数ｋｄ＝０．２）でモデル化される。その結果適用された変換関数は、ＬＰＦのポールと一致する２つのゼロ点と、アッパー・カットオフ周波数ｆｃ＝５０Ｈｚで二重のポールを有する。その後デジタル信号処理システム４は、得られた信号の基準点（fiducial point）を検出し、これにより大動脈弁の開閉の特定が可能となる。開閉は、この実施例においては、それぞれ図２の波Ｂ１と波Ｂ２の開始点に対応する。最後に通信モジュール５が、ＬＣＤスクリーン上に測定された値を表示する。

図２において、大動脈弁の解放時に発生するＢ１波群と閉鎖時に発生するＢ２波群は、明確に特定可能であり、それらの開始時は大動脈弁の開放と閉鎖を検出する基準点として用いることができる。同時に測定した心音図ＰＣＧも基準を提供する。波群Ｂ１の開始は、心動図ＢＣＧのＩ波の前でかつ心音図ＰＣＧのＳ１音の間に発生し、大動脈弁の開放時と予測される。波群Ｂ２の発生の開始は、ＰＣＧのＳ２音の開始時で発生し、大動脈弁の閉鎖時を示す。

被験者の身体の機械的応答のより正確な予測値を得るために、本発明の第２実施例においては、この予測は、被験者により行われる所作に応答するシステムから得られる。この方法においては、被験者は体重計に一方又は両方の「かかと」で軽く接触する。図３はこの所作の間得られた信号の一例を示す。
同図から共振周波数ｆｒは、次式を用いて決定される。
ｆｒ＝Ｎ／（ｔ２−ｔ１）
ここでｔ１とｔ２は、２つのピークのタイミングであり、Ｎはそれらの間の完全なサイクルの数である。
ダンピング計数ｋｄは、次式を用いて決定される。
Ｋｄ＝ｌｏｇ（Ｖ１−Ｖ２）／２πＮ
Ｖ１とＶ２はこのサイクルのピーク値である。

図４は、共振周波数ｆｒとダンピング計数ｋｄから計算された身体の機械的応答、それを補償するための変換関数（連続する点で示す）、全周波数応答（実線で示す）を示す。全周波数応答は、所定の周波数範囲で平坦であり、位相シフトはゼロである。

本発明は、その構成と使用される材料、ＢＣＧを得るために用いられるセンサーの選択と、心臓と大動脈起始部（基部）で発生した機械的動きに応答する信号上の基準点を特性する方法等の実施態様は様々あるが、これはいずれも本発明の範囲内に含まれる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するためのものではない。また同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。「少なくとも１つ或いは複数」、「と／又は」は、それらの内の１つに限定されない。例えば「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」単独のみならず「Ａ，Ｂ或いはＢ，Ｃ更には又Ａ，Ｂ，Ｃ」のように複数のもの、ＡとＢの組合せＡとＢとＣの組合せでもよい。「Ａ，Ｂと／又はＣ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならず、ＡとＢの２つ、或いはＡとＢとＣの全部を含んでもよい。本明細書において「Ａを含む」「Ａを有する」は、Ａ以外のものを含んでもよい。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１：体重計
２：センサー
３：アナログ信号処理装置
４：デジタル信号処理システム
５：通信モジュール
ＢＣＧ：心動図
ＰＴＴ：脈拍伝搬時間
ＰＰＧ：光体積曲線
ＩＰＧ：インピーダンス心臓曲線
ＳＴＩ：心収縮時間間隔
ＰＥＰ：予駆出期間
ＬＶＥＴ：左心室駆出時間
ＣＶ：心臓血管
ＥＣＧ：心電図
ＰＣＧ：心音図

Claims

被験者の身体の心弾動図（以下「ＢＣＧの波」と称する）から機械的な心収縮事象を検出する方法において、
（ａ）被験者の身体の機械的応答を補償する変換関数を被験者の身体のＢＣＧの波に、前記変換関数全体／機械的応答全体が所定の周波数範囲内で平坦になるよう、適用するステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）から得られた信号の基準点から、機械的な心収縮事象を検出するステップと
を有する
ことを特徴とする被験者のＢＣＧの波から機械的な心収縮事象を検出する方法。
前記被験者の身体の機械的応答は、機械的な二次低域フィルタとしてモデル化されている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記二次低域フィルタの共振応答は４Ｈｚと８Ｈｚの間の定数でモデル化され、ダンピング計数は０．５と０．００５の間の定数でモデル化されている
ことを特徴とする請求項２記載の方法。
前記被験者の身体の機械的応答のパラメータは、参照被験者群から得られた統計データを参照し前記被験者の生物統計データから計算される
ことを特徴とする請求項１−２のいずれか１項に記載の方法。
前記被験者の身体の機械的応答のパラメータは利用者の所作から得られたデータから計算される
ことを特徴とする請求項１−２のいずれか１項に記載の方法。
前記低域フィルタ通過後得られた信号の基準点を用いて、大動脈弁の開放時点を検出する
ことを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の方法。
前記大動脈弁の開放時点は、心臓と大動脈起始部で発生した機械的動きの第１波群（Ｂ１）の開始点から検出される
ことを特徴とする請求項６記載の方法。
前記低域フィルタ通過後得られた信号の基準点を用いて、大動脈弁の閉鎖時点を検出する
ことを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の方法。
前記大動脈弁の閉鎖時点は、心臓と大動脈起始部で発生した機械的動きの第２波群（Ｂ２）の開始点から検出される
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
被験者の身体の心弾図（以下「ＢＣＧの波」と称する）から機械的な心収縮事象を検出する装置において、
（ａ）被験者の身体の機械的応答を補償する変換関数を被験者のＢＣＧの波に、前記変換関数全体／機械的応答全体が所定の周波数範囲内で平坦になるよう、適用する信号処理システムの第１部分と、
（ｂ）前記第１部分からの出力から得られた信号から基準点を検出し、前記基準点から大動脈弁の開閉時点を特定する信号処理システムの第２部分と、
（ｃ）前記第１と第２の部分により得られた結果を、ユーザ又は別の装置とやり取りする通信システムと、
を有する
ことを特徴とする被験者のＢＣＧの波から機械的な心収縮事象を検出する装置。