JP4399712B2 - 麻酔時及び鎮静時の覚醒度、痛感度及びストレス度の評価システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は身体の自律神経トーンの分析装置に関し、特には鎮静時及び麻酔時の覚醒度、ストレス度及び痛感度を計測する装置に関する。

関連出願
本願は２００２年４月１日出願の米国仮特許願６０/３６９１４２の優先権を主張する。

麻酔管理には３種類の臨床状態である意識度（すなわち催眠度）、無痛覚度並びに筋肉弛緩度の適正な状態を達成させるべく薬剤の投与量の調整を必要とする。現在、商品としての装置が存在し、意識度（例えばマサチューセッツ州アスペクトメディカルシステムズ社のバイスペクトルインデックス）や筋肉弛緩度を直接的に計測する。今日に至るまで臨床医は、伝統的に心拍数、血圧、発汗及び/又は発涙を介して患者の自律神経状態を分析し、応答不能な患者の麻酔の適正度（すなわち過剰ストレスまたは痛覚の不在）を間接的にモニターしていた。正常対象者の覚醒、ストレスまたは痛覚状態期間には自律神経状態の大きな変化が現れる。すなわち、交感神経トーンの増加と副交感神経トーンの減少が発生し、心拍数や動脈収縮（トーン）が増加して血圧が高まる。筋肉弛緩時は一般的にその反対の現象が起きる。その結果、臨床医は心拍数と血圧とを標準的にモニターし、それら数値の変化に留意する。

本願は患者の麻酔時あるいは鎮静時の自律神経状態を診断するためにパルス波速度（ＰＷＶ）及びパルス移動時間（ＰＴＴ）の新規な利用法を説明する。

ＰＷＶは心室から排出される血液団塊によって発生する動脈系に沿った波面伝播速度である。ＰＷＶは動脈壁にかかる圧力に反比例し、血流自体（０.５ｍ/秒以下）よりも速く（４から５ｍ/秒）移動する。ＰＴＴは波面が一定距離（Ｄ）、例えば大動脈の根元から人差し指までを移動する時間である。移動時間は通常の物理法則通りに速度に関係する（ＰＴＴ=Ｄ/ＰＷＶ）。

ＰＴＴの１つのエスティメータ（推定値提供要素）は当初の心室収縮（ＥＣＧ内のＲ波のピークによる推定）から身体末梢部でのパルス到着時間（指で計測された（例：パルス酸素計）（ＰＰＧ(photoplethysmography signal)の急上昇部による推定）との時間差である。このエスティメータは中立ではないが（すなわち血液を排出する前に心臓は収縮するため、必要以上に長い）、このエスティメータは正確で簡単に計算できる。

ＰＴＴとＰＷＶは動脈トーンと関連しているため、これらパラメータの変動は動脈トーンの自律神経制御の変動を反映する。例えば交感神経活性の増加時（例えば痛覚刺激に反応）には、動脈トーンは増加する（すなわち動脈が硬化し、服従性が減少する）。その結果、ＰＷＶは増加し、ＰＴＴは減少する。反対に、交感神経活性減少時または副交感神経活性（例えば対象者が無意識状態）増加時には動脈トーンは減少する。その結果、ＰＷＶは減少し、ＰＴＴは増加する。

ＰＴＴとＰＷＶの変化は自律神経系と血管硬化（すなわち服従性）の変動を反映するので、これらパラメータは様々な適用形態を対象にして研究されている。

本発明の主たる目的は対象者のストレス、痛感及び覚醒のレベルを数値化するためにＰＴＴを利用することである。

本発明の別目的は心臓から末梢部までのＰＴＴを正確に決定するための方法及び装置の提供である。

本明細書は鎮静時または麻酔時の覚醒度と、ストレスまたは痛みに対する反応の測定のためのＰＴＴモニターシステムを解説する。１好適実施例においてはＰＴＴモニターシステムは信号調整及びデジタル化ハードウェアを介してコンピュータに接続されたＥＣＧ電極とＰＰＧプローブを含んでいる。リードＩは通常はＥＣＧリードとして使用され、ＰＰＧプローブは通常は指に設置される。

ＥＣＧとＰＰＧ波形は連続的に分析され、心臓から手への対象者のＰＰＴの継時推定値を更新及び表示する。それぞれの心臓サイクルに対して基準点が特定され、パルス開始時間（ＥＣＧのＱＲＳ検出）とパルス到達時間（ＰＰＧの最急上昇部）を示す。それぞれの心臓サイクルの開始時間及び到達時間がペアとされ、それぞれの時間差がその鼓動の間隔推定値となる。人工物事後プロセッサ（例えばトリム平均フィルタ）はＰＴＴの平均継時推定値への低見込間隔値の侵入を阻止する。最後に、継時ＰＴＴ推定値は数字で表示され、ＰＴＴトレンドは毎秒更新される。臨床医は継時ＰＴＴ値を直接的に利用しても、最新トレンドに照らして利用してもよい。患者が無意識状態で無ストレス状態、無痛状態であるべきときにＰＴＴが所定の基準値よりも大幅で急激に減少した場合には鎮痛剤（麻酔剤）が追加投与され、ＰＴＴを基準値以上に上昇させる。

以下において本発明のこれら及び他の目的並びに特徴を添付図面を利用して詳細に解説する。

図１と図２で図示するＰＴＴモニター装置２００はコンピュータ２１６（ＣＰＵ２０８、ディスプレー２１０、プリンタ２１２、入力手段２１４等）を含んでいる。コンピュータ２１６はＥＣＧリード１０４とＰＰＧプローブ１０６を介して対象人体１０２から得られたデジタル化されたＥＣＧとＰＰＧ波形を分析する。人体から収集されたアナログＥＣＧとＰＰＧ信号は、ＣＰＵ２０８での分析のためにアナログ-デジタル変換器２０６でサンプリング処理される前にまずそれぞれＥＣＧアンプ/フィルタ２０２とＰＰＧアンプ/フィルタ２０４で調整される。

この好適実施例ではＥＣＧリード１０４は患者の胸部で計測されたリードＩであり、ＰＰＧプローブ１０６は患者の人差指に設置された酸素プローブ（例えばフィンランド国ダテックス-オーメダ社のオキシ-チップ+）である。パルス波信号はトノメータ装置あるいはインベーシブ動脈ラインを介しても取得できる。１好適実施例ではＥＣＧ信号調整アンプ/フィルタ２０２は０.０５Ｈｚで３ｄｂのブレークポイントであり、１０ｍｖＥＣＧがアナログ-デジタルコンバータ２０６の全入力範囲にスケール処理されるようにゲインが調整された４極ハイパスフィルタである。ＰＰＧ信号調整アンプ/フィルタは好適には０.０５Ｈｚで３ｄｂブレークポイントの４極ハイパスフィルタであり、ゲインはＰＰＧ波形の１００％ＳaＯ２がアナログ-デジタルコンバータ２０６の全入力範囲にスケール処理されるように調整されている。例えばＥＣＧ信号はダテックス-オーメダカーディオキャップＩＩシステムのアナログ出力ピン＃１８から回収できる。同様に、ＰＰＧ信号はダテックス-オーメダカプノマックスアルティマシステムのアナログ出力ピン＃２２から回収できる。

アナログ-デジタル変換はコンピュータにインストールされた普通に利用できるアナログ-デジタルコンバータカードあるいはＡ１０００ＥＥＧモニタ（マサチューセッツ州ニュートンのアスペクトメディカルシステムズ社）で実行できる。好適なサンプルレートは毎秒１２８サンプルであり、基準ポイント設置の推定値に不安定要素が増加することを回避するため、それ以下とはなるべきでない。

それぞれの心臓サイクルでＥＣＧ波形３０２及び得られるＰＰＧ波形３０６は分析されてパルス開始時間と到達時間とが特定される。ＱＲＳ検出器３０４は以下で解説するごとき閾値を有したマッチするフィルタを使用してそれぞれのＲ波のピークを検出することでパルス開始時間を決定する。パルス到達検出器３０８はそれぞれのパルス反応の第１変化率のピーク（すなわちＰＰＧ波形の最急上昇部）を検出することでパルス到達時間を以下で説明するごとき閾値を有したマッチするフィルターを使用して決定する。検出された各Ｒ波において、間隔エスティメータ３１０はパルス開始時間と到達時間との差を計測することで所定の鼓動に対して時間間隔を決定する。最大遅延（典型的には５００ｍ秒）内に到達時間が検出されなければ、その間隔は間隔エスティメータ３１０でのさらなる分析が行われない。最後に、ＰＴＴエスティメータ３１４は先行するユーザ定義ウィンドで計算された（この好適実施例では３０秒）トリム平均フィルタ（観測値の中央５０％を使用して人工物間隔を排除）を使用して継時ＰＴＴ推定値を更新する。

この好適実施例ではＱＲＳ検出器３０４とパルス到達検出器３０８に対して使用されるピーク検出器は閾値を有したマッチするフィルタを採用する。これはピーク検出の通常技術である。この好適実施例で使用される方法はＷ.Ａ.Ｈ.エンゲルスとＣ.ジーレンバーグの「ＱＲＳ検出の単スキャンアルゴリズムと特徴抽出」（１９７９年、心臓学のコンピュータ６：３７-４２）で解説されている。このアルゴリズム（毎秒１２５サンプルでサンプルされたデータ用）を実行するhttp://www.physionet.org/physiotools/wfdb/app/sqrs.c.として知られるソフトウェアはＭＩＴリサーチャからで得られる。この方法はアナログ-デジタルコンバータ２０６から連続的に入力データストリームを処理する。

コンピュータディスプレー２１０は継時数値並びにＰＴＴの時間経過の更新として毎秒に更新される（すなわちＰＴＴトレンド）。コンピュータプリンタ２１２は特定のケースを記録するために図５で示すＰＴＴトレンド５０１のハードコピーの記録用としてユーザが利用できる。

ＰＴＴ推定を実行するためのそのようなシステムの１例はダーハン、グリーンワルド、オロフセン、デュマの「ＰＴＴはセボフルラン/Ｎ₂Ｏ麻酔時の麻酔状態の変化を反映する」（麻酔学２００２年；９６：Ａ５４４）で解説されている。セボフルラン/Ｎ２Ｏを使用した４２名の麻酔下患者を対象とした研究で、覚醒状態と検知された手術刺激の変化が心臓鼓動速度（ＨＲ）とバイスペクトルインデックス（ＢＩＳ）並びに心臓鼓動速度変動性（ＨＲＶ）を含んだ伝統的な測定値と比較され、ＰＴＴの有効性が実証された。ＥＣＧと指ＳaＯ２プレシスモグラフ波形は図５で示すように連続的にモニターされた。本発明の方法はＰＴＴの計算に使用された。先行する３０秒間の身体内鼓動間隔の平均と標準偏差は心臓鼓動速度と心臓鼓動速度変動性をそれぞれ推定するのに使用された。

ＰＴＴはサンプル患者トレンドを示す図５で図示するごとく、麻酔導入時に増加し（＃１）、回復時に減少した（＃４）。ＰＴＴ（平均ＳＤ）はＢＩＳ＞７０で計測された軽催眠レベル（すなわち、２８１（１７）ｍ秒）で、さらに深い催眠レベル（すなわち、ＢＩＳ＜７０：３０６（２０）ｍ秒、ｐ＜０.００１）よりも短時間であった。患者トレンドの検討でＰＴＴは痛感刺激に反応して急速に減少することが判明した（例えば挿管時（＃２）や患者の動作時（＃３））。以下の表１で示すように、ＰＴＴは心臓鼓動速度や心臓鼓動速度変動性よりも意識度の客観的計測値（ＢＩＳ）（Ｒ=-０.５２）とさらに強力に相関した。この結果はＰＴＴが意識レベルの変化（すなわちＢＩＳ）による動脈トーンの変動及び麻酔の不適正さを反映することを示す。ＰＴＴの急減少は急性動脈収縮を反映し、感知された痛覚刺激あるいは麻酔からの回復時に発生する。

（表１）意識度の様々な韻律間の相関性

臨床医は瞬間ＰＴＴ値を直接的に利用することも、その最近のトレンドを利用することもできる。覚醒状態の正常対象人体のＰＴＴ（Ｒ波から指のＰＰＧ波形の最急上昇部まで計測）は典型的には２５０ｍ秒である。適度な麻酔では充分な麻酔剤（鎮痛剤）を投与し、ＰＴＴが２５０ｍ秒以上に維持される。患者が無意識で無ストレス及び無痛状態であるべきときにＰＴＴが２５０ｍ秒以下に急低下したら、麻酔剤（鎮痛剤）が追加投与され、ＰＴＴが２５０ｍ秒以上にされる。

前述の臨床アルゴリズムは通常値２５０ｍ秒を覚醒基準モニタ中に計算された特定患者のものと置換することで修正して特定患者専用の麻酔薬量とすることができる。

ＰＷＶはＰＴＴと比例するため、本発明はストレス度、痛感度及び覚醒度を定量手段としてのＰＷＶのモニターを含む。

前述の説明は本発明の解説を目的としている。よって、その変更は本発明の範囲内である。

図１は本発明のデータ取得分析システムを利用した１好適実施例によるＥＣＧ電極とプローブ配置を示す人体図である。

図２は本発明に従って構築されたＥＣＧとＰＰＧデータ取得分析システムの説明図である。

図３は本発明の信号分析法のフロー図である。

図４は３秒間のＥＣＧとＰＰＧ波形概略図であり、その基準点位置を示す。

図５は手術時のＢＩＳとＰＰＴの同時的トレンドを表すグラフである。

Claims (14)

1. 鎮静時あるいは麻酔時にストレス度、痛感度または覚醒度をモニターする装置であって、
   少なくとも１つのＥＣＧ信号を取得する手段と、
   動脈パルス波形を取得する手段と、
   前記ＥＣＧ信号を処理してパルス開始基準点を特定する手段と、
   前記動脈パルス波形を処理してパルス到達基準点を特定する手段と、
   心臓サイクルの前記パルス開始基準点と前記パルス到達基準点との時間差を計算する手段と、
   該時間差の結果から継時ＰＴＴを推定する手段と、
   ＰＴＴの臨床解釈に基いて鎮痛剤あるいは麻酔剤の投与量を決定する手段と、
   を含んで成る装置。
2. 動脈パルス波形はフォトプレシスモグラフを利用して取得することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 動脈パルス波形はトノメータ装置で取得することを特徴とする請求項１記載の装置。
4. パルス開始基準点はＱＲＳ検出で決定されることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. パルス到達基準点はパルス検出で決定されることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 心臓サイクルの前記パルス開始基準点と前記パルス到達基準点との時間差を計算する手段は、
   パルス開始基準点に対しては、次の予め決定された時間間隔内でパルス到達基準点を特定する手段と、
   ペアが特定されれば、開始基準点と到達基準点との時間差を計算する手段と、
   ペアが特定されなければ、前記パルス開始基準点に関係するデータの処理を中止する手段と、
   をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 時間差の結果から継時ＰＴＴを推定する手段は最新値を利用する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 時間差の結果から継時ＰＴＴを推定する手段は最後のＹ秒は５秒から３０秒の間であり、５０％または７５％であるＸ％のトリム平均値を利用する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 時間差の結果から継時ＰＴＴを推定する手段は最後のＹ秒は５秒から３０秒のメジアンフィルタ処理を利用する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
10. ＰＴＴの臨床解釈に基いて鎮痛剤あるいは麻酔剤の投与量を決定する手段は、
    手術または処置刺激によってＰＴＴが基準値以下に減少した場合、充分量の鎮痛剤あるいは麻酔剤を投与してＰＴＴを基準値以上に増加させる手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 予め決定された時間間隔は５００ｍ秒であることを特徴とする請求項６記載の装置。
12. ストレス度、痛感度または覚醒度をモニターするシステムであって、
    ＥＣＧ信号を取得するために少なくとも１つのＥＣＧリードと、
    パルス波形信号を取得するために接続されたプローブと、
    前記ＥＣＧとＰＰＧ信号を分析し、対象のＰＴＴの推定値を対象の心臓からＰＰＧプローブが設置されている他の部位まで計算するためのプロセッサであって、鎮痛剤あるいは麻酔剤の投与量が前記ＰＴＴに基いて調整されるべきか否かを決定するプロセッサと、
    を含んで構成されていることを特徴とするシステム。
13. プローブはフォトプレシスモグラフであることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
14. プローブはトノメータであることを特徴とする請求項１２記載のシステム。

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