JP2021013677A

JP2021013677A - 生体等価ファントムおよび心電位模擬方法

Info

Publication number: JP2021013677A
Application number: JP2019131131A
Authority: JP
Inventors: 孝弘伊藤; Takahiro Ito; 晃正平田; Akimasa Hirata; 辰仁中根; Tatsuhito Nakane; 松浦　伸昭; Nobuaki Matsuura; 伸昭松浦; 都甲　浩芳; Hiroyoshi Toko; 浩芳都甲
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-02-12

Abstract

【課題】できるだけ少ない種類の材質によって構成された生体等価ファントムで、より実際に近い心電波形が再現できるようにする。【解決手段】人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体１０１と、ファントム本体１０１に内蔵され、ファントム本体１０１の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源１０２とを備える。また、信号源１０２の位置は、ファントム本体１０１の、心臓が配置される領域内で変更可能とされている。ここで、ファントム本体１０１は、導電率が０．２４±０．０２［Ｓ／ｍ］の単一の材料から構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、心電位を再現する生体等価ファントムおよび心電位模擬方法に関する。

現在、各種の研究のために、人体の代わりに、人体と等価な物質からなる擬似人体（生体等価ファントム）が利用される。例えば、体表面心電位を模擬した波形を発生させることのできる生体等価ファントムは、シャツなどに電極を組み込んだ心電計測ウェアの開発などに有用と考えられる。

しかしながら、人体を構成する各組織はそれぞれ特有の導電率を持っており、生体等価ファントムにおいてそれらを詳細に再現することは一般的に困難である。生体等価ファントムは、できるだけ少ない種類の材質によって構成できることが望ましい。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、できるだけ少ない種類の材質によって構成された生体等価ファントムで、より実際に近い心電波形が再現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る生体等価ファントムは、人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体と、ファントム本体に内蔵され、ファントム本体の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源とを備え、信号源の位置は、心臓が配置される領域内で変更可能とされている。

また、本発明に係る心電位模擬方法は、人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体と、ファントム本体に内蔵され、ファントム本体の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源とを備える生体等価ファントムを用いた心電位模擬方法であって、信号源の位置を、心臓が配置される領域内で、設定されている時間毎に変更する第１ステップと、設定されている時間毎に変更されている信号源の位置毎に、信号源に由来する体表面電位を求める第２ステップと、時間毎に求めた複数の体表面電位の分布より心電位を模擬した波形を求める第３ステップとを備える。

以上説明したように、本発明によれば、人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体に内蔵した信号源の位置を、心臓が配置される領域内で変更可能としたので、できるだけ少ない種類の材質によって構成された生体等価ファントムで、より実際に近い心電波形が再現できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る生体等価ファントムの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る心電位模擬方法を説明するフローチャートである。図３は、人体を模した３次元の人体モデルを示す説明図である。図４は、人体モデルにおける胸部誘導Ｖ１〜Ｖ６を説明する説明図である。図５は、図４に示す胸部誘導Ｖ１〜Ｖ６での標準的な心電図波形を示す波形図である。図６は、電気双極子の配置箇所の例を説明するための説明図である。図７は、図６に示すように電気双極子の位置を順次変えながら算出した一連の体表面電位分布を示す説明図である。図８は、伝搬時間の算出を説明するための説明図である。図９は、図６に示した電気双極子の配置箇所により心電位模擬方法により求めた心電位を模擬した波形の例を示す特性図である。図１０Ａは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ１における波形の計算結果を示す特性図である。図１０Ｂは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ２における波形の計算結果を示す特性図である。図１０Ｃは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ３における波形の計算結果を示す特性図である。図１０Ｄは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ４における波形の計算結果を示す特性図である。図１０Ｅは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ５における波形の計算結果を示す特性図である。図１０Ｆは、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの、Ｖ６における波形の計算結果を示す特性図である。図１１は、図３の（ａ）に示す人体モデルおよび図３の（ｂ）に示す人体モデルでの計算結果の差異を、平均二乗誤差の和をとって評価した結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態に係る生体等価ファントムについて図１を参照して説明する。この生体等価ファントムは、人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体１０１と、ファントム本体１０１に内蔵され、ファントム本体１０１の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源１０２とを備える。また、信号源１０２の位置は、ファントム本体１０１の、心臓が配置される領域内で変更可能とされている。ここで、ファントム本体１０１は、導電率が０．２４±０．０２［Ｓ／ｍ］の単一の材料から構成されている。

次に、本発明の実施の形態に係る心電位模擬方法について図２を参照して説明する。
この心電位模擬方法は、ファントム本体１０１と信号源１０２とを備える上述した生体等価ファントムを用いた心電位模擬方法である。

まず、ステップＳ１０１で、実施の形態に係る生体等価ファントムにおいて、心臓の部分の所定の箇所に、信号源１０２を配置する。信号源１０２は、例えば、電気双極子である。次に、ステップＳ１０２で、信号源１０２に由来する体表面電位を求める。

上述したステップＳ１０１，Ｓ１０２を、信号源１０２の位置を、設定されている時間毎に、設定されている測定箇所に逐次に変更して繰り返す（ステップＳ１０４）。すべての測定箇所における体表面電位を求めたら（ステップＳ１０３のｙｅｓ）、動作を終了する。

上述したように、実施の形態に係る心電位模擬方法は、信号源１０２の位置を、実施の形態に係る生体等価ファントムの心臓が配置される領域内で、設定されている時間毎に変更し（第１ステップ）、設定されている時間毎に変更されている信号源１０２の位置毎に、信号源１０２に由来する体表面電位を求め（第２ステップ）、時間毎に求めた複数の体表面電位の分布より心電位を模擬した波形を求める（第３ステップ）ようにしたものである。

なお、体表面電位は、電磁界シミュレーションにより模擬的に計算することができる。用いる計算機は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）と主記憶装置と外部記憶装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作することで、上述した各機能が実現される。また、各機能は、ネットワーク接続装置を用いることで複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

以下、より詳細に説明する。

近年、分子・細胞レベルの挙動から、血圧・心電図までを再現する心臓シミュレータなどが開発されているが、これにはいわゆるスーパーコンピュータと呼ばれるレベルの大がかりな計算機が必要である（参考文献１：研究紹介心臓シミュレータの概要、UT-Heart Laboratory、国立大学法人東京大学、［２０１９年６月３日検索］、（http://www.sml.k.u-tokyo.ac.jp/report/report01a.html））。

一方、人体を模した３次元の人体モデルの心臓部分に電気双極子を配置し、その位置を一定の時間毎に変更しながら体表面電位を求め、求めた体表面電位から心電位を模擬した波形を求める方法は、市販されている計算機などでも容易に実施することができる。

ここで、人体モデルについて説明する。例えば、図３の（ａ）に示す人体モデルがある（参考文献２：高精度な暴露評価技術に関する研究−数値人体モデルの開発−、生体ＥＭＣ、［２０１９年６月３日検索］、（http://emc.nict.go.jp/bio/model/model01_1.html））。この人体モデルは、皮膚、筋肉、心臓等、５１種類の組織で構成されており、２ｍｍの分解能を有するボクセルモデルである。それぞれの組織の導電率などの物性値は、実際に即した値を用いるべきものであり、計算の実施者において適宜設定することができる。以下に、計算で使用した生体組織ごとの導電率を示す。

一方、図３の（ｂ）に示す人体モデルは、上述した人体モデルの全ボクセルを、同一の組織とした計算モデルである。
次に、図４に示すＶ１〜Ｖ６は、よく知られているように、心電図を測定する際の胸部誘導（電極）の位置である。なお、胸部誘導電位Ｖ_nは、以下に示す式（１）により求められる。

また、四肢誘導電位として、標準四肢誘導は、Ｉ１＝φ_L−φ_R，Ｉ₂＝φ_F−φ_R，Ｉ１＝φ_F−φ_Lであり、増大単極肢誘導は、ａＶ_R＝−（Ｉ１＋Ｉ２）／２，ａＶ_L＝（２・Ｉ１−Ｉ２）／２，ａＶ_F＝（２・Ｉ１−Ｉ２）／２である。

また、胸部誘導Ｖ１〜Ｖ６での標準的な心電図波形を、図５に示す。Ｖ１からＶ６にかけて、心電波形の中のＱＲＳ波のおもな向きがマイナスからプラスへと変化している。後述する計算例では、この位置で観測される波形を求める。なお、後述する計算例の計算に用いた計算機は、ＣＰＵに、インテル株式会社製の「Ｘｅｏｎ（登録商標）Ｇｏｌｄ５１２０（２．２ＧＨｚ）」を２個用い、主記憶装置は９６ＧＢとしている。

次に、電気双極子の配置箇所について、図６を用いて説明する。なお、図６の（ａ）は、心臓の断面図を示しており、図６の（ｂ）は、（ａ）の断面図に対応する形で計算モデルの心臓部分を抜き出したものを示している。また、図６の（ｂ）において、「◆」により電気双極子を順次配置する位置を示している。電気双極子を配置することによって発生する微小電流を入力源とし、電磁界解析により、体表面電位を計算する。電磁界解析は、例えばＳＰＦＤ（Ｓｃａｌａｒ−ＰｏｔｅｎｔｉａｌＦｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｅｆｅｒｅｎｃｅ）法などを用いることができる。電気双極子の電荷量等は、発生させようとしている電位量等を勘案して、計算の実施者において設定する。本計算例では、電荷量を０．１ｍＣとした。なお、複数の電気双極子を同時に心臓内に配置することもあるが、この場合、電荷量の合計が０．１ｍＣとなるように設定する。

心電図の構成として、まず、ある位置に配置した単体の電気双極子を入力源とした際の体表面電位をＳＰＦＤ法で算出する。図７に、図３の（ａ）に示す計算モデルに対して、電気双極子の位置を順次変えながら算出した一連の体表面電位分布を示す。そして、電気的興奮の伝搬時間をその伝搬速度と電気双極子間の移動距離を用いて計算する。

ここで、電気的興奮の伝搬時間を、電気的興奮の伝搬速度と電気双極子間の移動距離を用いて求める。電気的興奮の伝搬速度に関しては、以下の表に示すように設定した（参考文献３：J. Malmivuo and R. Plonsey, Bioelectromagnetism : principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields, Oxford University Press, pp. 188-191, 1995.参考文献４： R. E. Klabunde, Cardiovascular physiology concepts, Second Edition, Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins/Wolters Kluwer, pp. 21-23, 2012.）。

計算した体表面電位分布上で、対象とする胸部誘導（Ｖ１〜Ｖ６）に該当する電位を、図８に示すように後処理で求めた伝搬時間に対応させて時間軸上で統合することで、心電図の構成を行う。

伝搬時間の算出について説明すると、時間（時系列）的に連続する２つの電気双極子の位置を、順にｘ１、ｘ２とし、各々の入力源とした対象とする誘導位置での体表面電位を、φ１、φ２とする。体表面電位がφ１である時刻をｔ１、移動した電気双極子間の距離｜ｘ２−ｘ１｜を、伝搬時間で除した値（時間）をΔｔとすると、体表面電位がφ２となる時刻ｔ２は、ｔ２＝ｔ１＋Δｔで与えられる。このように、各々の電気双極子について求めた体表面電位を時系列にプロットすることで、心電位を模擬した波形が得られる。

図６の（ｂ）に「◆」で示す電気双極子の位置を矢印に沿って移動させ、電磁界シミュレーションにより求めた胸部誘導Ｖ１〜Ｖ６における体表面電位を、上述したように時間軸上で整列させて得られた波形を図９に示す。Ｖ１〜Ｖ６のすべての誘導において、図５に示したように、ＱＲＳ波のおもな向きが、Ｓ波からＲ波へ移行する形を模擬できていることが分かる。

次に、図３の（ｂ）に示した単一組織の計算モデル（人体モデル）に対し、特定の導電率を与えて同様の計算を実施し、前述した図３の（ａ）に示す人体モデルでの計算結果と比較する。なお、以下では、図３の（ｂ）に示した計算モデルの組織の導電率を０．２４［Ｓ／ｍ］とする。図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃ，図１０Ｄ，図１０Ｅ，図１０Ｆは、Ｖ１〜Ｖ６における波形を示す。実線は、図３の（ａ）に示す人体モデルでの波形を示し、点線は、図３の（ｂ）に示す人体モデルでの波形を示す。両者は、概ね類似した波形となっていることが分かる。

次に、上述した２つの結果の差異を、下に示すような、平均二乗誤差の和をとって評価した結果を、図１１に示す。

導電率が０．２４［Ｓ／ｍ］を中心に、０．２２〜０．２６［Ｓ／ｍ］のときに、平均二乗誤差の和は、よく低減されている。したがって、単一材質で構成された生体等価ファントムにおいては、導電率を０．２４±０．０２［Ｓ／ｍ］とすることで、詳細に構成された生体等価ファントムに最も近い心電位波形を再現することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体に内蔵した信号源の位置を、心臓が配置される領域内で変更可能としたので、できるだけ少ない種類の材質によって構成された生体等価ファントムで、より実際に近い心電波形が再現できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…ファントム本体、１０２…信号源。

Claims

人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体と、
前記ファントム本体に内蔵され、前記ファントム本体の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源と
を備え、
前記信号源の位置は、心臓が配置される領域内で変更可能とされていることを特徴とする生体等価ファントム。
請求項１記載の生体等価ファントムにおいて、
前記ファントム本体は、導電率が０．２４±０．０２［Ｓ／ｍ］の単一の材料から構成されていることを特徴とする生体等価ファントム。
人体を模した形状とされて単一の材料から構成されたファントム本体と、
前記ファントム本体に内蔵され、前記ファントム本体の表面に、心電位による体表面電位を模擬した波形の電気信号を発生させる信号源と
を備える生体等価ファントムを用いた心電位模擬方法であって、
前記信号源の位置を、心臓が配置される領域内で、設定されている時間毎に変更する第１ステップと、
設定されている時間毎に変更されている前記信号源の位置毎に、前記信号源に由来する体表面電位を求める第２ステップと、
時間毎に求めた複数の体表面電位の分布より心電位を模擬した波形を求める第３ステップと
を備えることを特徴とする心電位模擬方法。
請求項３記載の心電位模擬方法において、
前記ファントム本体は、導電率が０．２４±０．０２［Ｓ／ｍ］の単一の材料から構成されていることを特徴とする心電位模擬方法。