JP2022534290A - 大動脈内圧の予測 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年5月31日に提出されかつ参照により本明細書に組み入れられる米国特許仮出願第62/855,389号の恩典を主張する。
本技術は、経弁マイクロ軸流心臓ポンプから血行力学的支持を受けている患者の大動脈内圧を予測するためのシステムおよび方法に関する。
機械学習は、コンピュータビジョン、自然言語処理、音声認識、および臨床ヘルスケアなど、さまざまに異なる技術分野において、予測を提供するために適用され、成功している。機械学習アルゴリズムの例には、ベイズのアルゴリズム、クラスター化アルゴリズム、決定木アルゴリズム、次元低減アルゴリズム、インスタンスベースアルゴリズム、深層学習アルゴリズム、回帰アルゴリズム、正則化アルゴリズム、およびルールベース機械学習アルゴリズムが含まれる。臨床ヘルスケアにおいて、機械学習アルゴリズムは、死亡リスクのモデル化、在院期間の予想、生理学的衰退の検出、および表現型の分類に用いられている。例えばHarutyunyan et al., Multitask learning and benchmarking with clinical time series data, Scientific Data, doi: 10.1038/s41597-019-0103-9, 2017(非特許文献1); Purushothama et al., Benchmarking deep learning models on large healthcare datasets, Journal of Biomedical Informatics 83, 112-134, 2018(非特許文献2)を参照されたい。しかし、疾患と治療に対する患者の応答とを医師がリアルタイムで早期に検出することを助けうる、生理学的応答を予測するためのシステムおよび方法に対するニーズが依然として存在している。
これまで、機械学習アルゴリズムは、血行力学的支持を受けている患者の大動脈内圧(例えば、最新の大動脈内圧、平均大動脈内圧、大動脈内圧の中央値、大動脈内圧の最大値、大動脈内圧の最小値、大動脈内圧の範囲、収縮期の大動脈内圧、拡張期の大動脈内圧など) を予測するためには用いられてこなかった。患者の大動脈内圧を予想することは難しく、それには、大動脈内血圧の高周波時系列が現在のところ公的に利用可能ではないことも部分的な理由である。さらに、大動脈内血圧の時系列は、ノイズが多くかつ非定常性が高い可能性がある。さらに、長期的な予想については予想誤差および不確実性が劇的に増大する。
経弁マイクロ軸流ポンプが患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得すること、
前記期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得すること、
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、大動脈内圧測定結果のセットとモータースピード測定結果のセットとに基づき、患者の大動脈内圧を予測すること、および、
患者の予測大動脈内圧に基づいて、モーターのスピード設定を自動的に調整すること。
経弁マイクロ軸流ポンプが患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得すること、
前記期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得すること、および、
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、大動脈内圧測定結果のセットとモータースピード測定結果のセットとに基づき、患者の大動脈内圧を予測すること。
ディスプレイは患者の予測大動脈内圧を表示するよう構成される。
経弁マイクロ軸流心臓ポンプを患者の体内に挿入する段階;
経弁マイクロ軸流ポンプが患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に経弁マイクロ軸流心臓ポンプ上に位置する圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得する段階;
前記期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得する段階;
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、大動脈内圧測定結果のセットとモータースピード測定結果のセットとに基づき、患者の大動脈内圧を予測する段階;および、
患者の予測大動脈内圧に基づいて、モーターのスピード設定を自動的に調整する段階。
本開示の実施形態を、図面を参照しながら詳しく説明する;図面において、類似する符番は同様または同一の要素を指す。理解されるべき点として、本開示の実施形態は本開示の例にすぎず、さまざまな形態で具現化されうる。不必要な詳細によって本開示を不明瞭にすることを回避するため、周知の機能または構築様式を詳細には説明しない。したがって、本明細書に開示する構造的および機能的な具体的詳細は、限定的なものとして解釈されるべきでなく、特許請求の範囲のための根拠として、および、妥当に詳細な構造であれば事実上任意の構造において本開示をさまざまに利用できるよう当業者に教示するための代表的な根拠としてのみ、解釈されるべきである。
アテンション関数は並列で行われる。いくつかの実施形態において、パフォーマンスを向上させるため、トランスフォーマーモデルにおいて残差接続およびドロップアウトが用いられてもよい。本開示の文脈において、トランスフォーマーモデルは数値時系列に適用されているので、位置情報の埋め込み(positional embedding)の代わりに入力の絶対ポジションが用いられてもよい。トランスフォーマーモデルの全体的な構造700を図7に図示する。図に示すように、エンコーダは、1つのマルチヘッドアテンション層と、1つのフル接続層とを含有し;デコーダは、1つのマスクされたマルチヘッドアテンション層と、1つのマルチヘッドアテンション層と、1つのフル接続層とを含有する。トランスフォーマーモデルに関する追加情報は、参照により本明細書に組み入れられるVaswani et al., Attention Is All You Need, arXiv:1706.03762v5, 2017に記載されている。
Claims (27)
- モーターと圧力センサーとを具備する経弁マイクロ軸流心臓ポンプと;
該経弁マイクロ軸流ポンプが患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に該圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得すること、
該期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得すること、
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、該大動脈内圧測定結果のセットおよび該モータースピード測定結果のセットに基づき、患者の大動脈内圧を予測すること、ならびに
該患者の該予測大動脈内圧に基づいて、該モーターのスピード設定を自動的に調整すること
を行うよう構成された、1つまたは複数のプロセッサと
を具備するシステム。 - 前記1つまたは複数のプロセッサが、前記期間中のモーターのエネルギー取込みに対応する電流測定結果のセットを取得するようさらに構成され、かつ、前記予測が該電流測定結果のセットにさらに基づく、請求項1記載のシステム。
- 経弁マイクロ軸流心臓ポンプが、
チューブと;
1つまたは複数の開口部であってそれを通って血液がモーターによって該チューブ内に吸い込まれてもよい該開口部を有する、インレットエリアと;
1つまたは複数の開口部であってそれを通って血液が該モーターによって該チューブから吐出されてもよい該開口部を有する、アウトレットエリアと
をさらに具備し、かつ、前記圧力センサーが該アウトレットエリアに連結されている、請求項1記載のシステム。 - 経弁マイクロ軸流心臓ポンプが、前記インレットエリアに連結された追加的な圧力センサーをさらに具備し、
前記1つまたは複数のプロセッサが、前記期間中に該追加的な圧力センサーによって測定された圧力値に対応する左室圧測定結果のセットを取得するようさらに構成され、かつ、
前記予測が該左室圧測定結果のセットにさらに基づく、
請求項3記載のシステム。 - 前記機械学習モデルが深層学習モデルである、請求項1記載のシステム。
- 深層学習モデルが、自己回帰和分移動平均(ARIMA)モデル、ディープニューラルネットワーク(DNN)モデル、再帰型シーケンスツーシーケンス(Recurrent Sequence to Sequence)モデル、アテンション付き再帰型シーケンスツーシーケンスモデル、トランスフォーマー(Transformer)モデル、時間畳み込みニューラルネットワーク(TCN)モデル、または畳み込みニューラルピラミッド(Convolutional Neural Pyramid)モデルである、請求項5記載のシステム。
- 深層学習モデルが、Legendreメモリユニット(LMU)を伴う再帰型シーケンスツーシーケンスモデルである、請求項5記載のシステム。
- 前記機械学習モデルが、増加シーケンスと、減少シーケンスと、定常シーケンスとを含むデータセット上でトレーニングされ、かつ、
各シーケンスが大動脈内圧測定結果およびモータースピード測定結果を含む、
請求項1記載のシステム。 - シーケンス内の大動脈内圧測定結果が既定の閾値を上回って増加しているならばそのシーケンスは増加しており、シーケンス内の大動脈内圧測定結果が該既定の閾値を上回って減少しているならばそのシーケンスは減少しており、シーケンス内の大動脈内圧測定結果が該既定の閾値を上回って増加も減少もしていないならばそのシーケンスは定常である、請求項8記載のシステム。
- 前記既定の閾値が10 mmHgである、請求項9記載のシステム。
- 各シーケンスが、既定の数の大動脈圧測定結果およびモータースピード測定結果を含む、請求項8記載のシステム。
- 各シーケンスが、リアルタイム(RT)の大動脈内圧測定結果およびモータースピード測定結果を含む、請求項8記載のシステム。
- 各シーケンスが、平均時間(AT)の大動脈内圧測定結果およびモータースピード測定結果を含む、請求項8記載のシステム。
- 前記機械学習モデルが、増加シーケンスおよび減少シーケンスのみを含むデータセット上でトレーニングされ、かつ、
各シーケンスが大動脈内圧測定結果およびモータースピード測定結果を含む、
請求項1記載のシステム。 - シーケンス内の大動脈内圧測定結果が既定の閾値を上回って増加しているならばそのシーケンスは増加しており、シーケンス内の大動脈内圧測定結果が該既定の閾値を上回って減少しているならばそのシーケンスは減少している、請求項13記載のシステム。
- 患者の予測大動脈内圧に基づいて、モーターのスピード設定を自動的に調整することが、
該患者の該予測大動脈内圧が該患者の最新の大動脈内圧よりも既定量を上回って小さい時に、該モーターの該スピード設定を一時的に増大させること
を含む、請求項1記載のシステム。 - モーターと圧力センサーとを具備する経弁マイクロ軸流心臓ポンプと;
該経弁マイクロ軸流ポンプが患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に該圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得すること、
該期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得すること、ならびに
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、該大動脈内圧測定結果のセットおよび該モータースピード測定結果のセットに基づき、該患者の大動脈内圧を予測すること
を行うよう構成された、1つまたは複数のプロセッサと;
該患者の該予測大動脈内圧を表示するよう構成されたディスプレイと
を具備するシステム。 - 前記ディスプレイが、患者の予測大動脈内圧を該患者の最新の大動脈内圧およびモーターの最新のスピード設定と同時に表示するよう構成される、請求項17記載のシステム。
- 前記ディスプレイが、患者の予測大動脈内圧が該患者の最新の大動脈内圧よりも既定量を上回って小さい時にアラートを表示するようさらに構成される、請求項17記載のシステム。
- 前記ディスプレイが、患者の予測大動脈内圧をグラフの一部として表示するよう構成される、請求項17記載のシステム。
- 患者体内に受け入れられた経弁マイクロ軸流心臓ポンプで該患者を処置するための方法であって、以下の段階を含む、該方法:
経弁マイクロ軸流心臓ポンプを患者の体内に挿入する段階;
該経弁マイクロ軸流ポンプが該患者の心臓内に少なくとも部分的に位置しているある期間中に該経弁マイクロ軸流心臓ポンプ上に位置する圧力センサーによって測定された圧力値に対応する大動脈内圧測定結果のセットを取得する段階;
該期間中のモーターの回転スピードに対応するモータースピード測定結果のセットを取得する段階;
トレーニングされた機械学習モデルを用いて、該大動脈内圧測定結果のセットおよび該モータースピード測定結果のセットに基づき、該患者の大動脈内圧を予測する段階;ならびに
該患者の該予測大動脈内圧に基づいて、該モーターのスピード設定を自動的に調整する段階。 - 前記期間中のモーターのエネルギー取込みに対応する電流測定結果のセットを取得する段階をさらに含み、かつ、前記予測が該電流測定結果のセットにさらに基づく、請求項21記載の方法。
- 経弁マイクロ軸流心臓ポンプが、
チューブと;
1つまたは複数の開口部であってそれを通って血液がモーターによって該チューブ内に吸い込まれてもよい該開口部を有する、インレットエリアと;
1つまたは複数の開口部であってそれを通って血液が該モーターによって該チューブから吐出されてもよい該開口部を有する、アウトレットエリアと
をさらに具備し、かつ、前記圧力センサーが該アウトレットエリアに連結されている、請求項21記載の方法。 - 経弁マイクロ軸流心臓ポンプが、前記インレットエリアに連結された追加的な圧力センサーをさらに具備し、
前記方法が、前記期間中に該追加的な圧力センサーによって測定された圧力値に対応する左室圧測定結果のセットを取得する段階をさらに含み、かつ、
前記予測が該左室圧測定結果のセットにさらに基づく、
請求項23記載の方法。 - 患者に提供される薬物の量を予測大動脈内圧に基づいて調整する段階をさらに含む、請求項21記載の方法。
- 大動脈内圧が増大すると予測されるならばモータースピードを低減させる段階をさらに含む、請求項21記載の方法。
- 大動脈内圧が低減すると予測されるならばモータースピードを増大させる段階をさらに含む、請求項21記載の方法。
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