JP5598838B2 - 患者の脳血管自動調節状態を判断する方法、システム、データ処理部、コンピュータ可読媒体及びプログラム - Google Patents
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Description
ここで、本発明の1実施形態におけるCOxは、レーザドップラー血流計測法により求められるABPを自動調節の区切点の下へとゆっくりと低下させる間、子豚の乳児の脳のモデルの低血圧および子豚で継続して計測されたCOxにより自動調節の失敗に対する感度が高いと仮定する。そこで、低血圧に起因する自動調節の欠如を検出するCOxの感度および特異性を求めた。さらにCOxを、同様ではあるが観血的な方法であるレーザドップラー指標(LDx)(前頭皮質(frontoparietal cortex)で計測したレーザドップラー血流とABPとの間の線形相関係数を利用する)との間で比較した。ここで我々は、COxおよびLDxが、それぞれ出所が異なってはいるが、自動制御血管反応性計測値が一致する、と想定した。
全ての手順は、Johns Hopkins University Animal Care and Use Committeeにより承認されており、国立衛生研究所の動物実験基準を満たしている。
生後3〜8日の2.2−3.9kgの子豚(n=6)を、5%イソフルレン、50%亜酸化窒素、および酸素平衡の吸入により麻酔にかけた。気管開口術により機械的に通気口を設けた。抹消静脈へのルートを確保して、ベクロニウム(5mgのボーラス投与および2mg/hrの点滴)およびフェンタニル(25μgのボーラス投与および25μg/hrの点滴)を投与した。実験中イソフルレンは0.5%低減し、外科手術中フェンタニルは、対象心拍数が190を切り正常血圧である間10―50μg/hrの間で滴定した。記録期間中、血圧はアクティブに低下した際には、フェンタニルを50μg/hr(殆どの子豚について20μg/kg/hr)で点滴して、前負荷の反応として頻拍させた。吸入ガスに比してイソフルレンは0.5%で維持され、亜酸化窒素は50%で維持された。故に、記録期間における麻酔は、一義的には麻酔剤ベースであり、副麻酔補給(sub-anesthetic supplementation)として吸入剤を利用した。この組み合わせは、動物を楽にして、吸入麻酔剤の脳血管反応に対する影響を低減させるべく選択された。子豚は加温パッド上に置き、脳および直腸の温度を摂氏38.5度から39.5度に保った。空調はpH7.35−7.45に保ちPaO2を200−300mmHgに保った。
大腿部の静脈にカニューレを相互に(bilaterally)挿入して、薬物点滴および血圧監視および5Frの食道バルーンカテーテル(Copper Surgical,Trundall,CT)用に中央静脈線を確保した。大腿部の動脈に、血圧および血液ガス監視線を確保するカニューレを挿入した。正中線のブレグマの水平方向且つ吻側に4mm開頭して、外部脳室ドレインカテーテルを配置して、ICP監視用にトランスデュースした。さらに最初の開頭に対して水平方向か且つ吻側に4mm開頭して、切開された硬膜から前頭皮質の表面に接するよう、レーザドップラープローブ(Moor Instruments,Devon,U.K.)を配置した。プローブは、大血管の上の配設した際に生じがちな高いベースライン流量値を避け、頭蓋骨に接着されたゴム製のワッシャで固定された。さらに三回目の開頭を後頭部頭蓋骨に対して正中線の水平方向に行い、脳温度プローブを配置した。皮膚を頭蓋骨に戻して、傷をきっちり縫い合わせて、温度を維持し、脳酸素濃度計を較正する条件を揃えた。
INVOS(インビボの光学的分光器)小児脳酸素濃度計プローブ(Somanetics,Troy,MI)を、目の上の、前頭皮質と後頭皮質とを横切る位置、且つ、前述の開頭部とは反対側に配設し、且つ、矢状静脈洞を避けて正中線の水平方向に1cmの発光ダイオードを配設した。その後、プローブの脳の特異性をCO2対抗量でテストして、換気を増して、呼気終末CO2を少なくとも10mmHg低減させた。脳酸素濃度計測値を、腎臓の上に配置されたプローブから採った酸素濃度計測値と比較した。脳酸素濃度計側値は低減しており(1.2±0.1%/mmHg;±SD)、腎臓酸素濃度計測値は変化がなかった(0.0±0.1%/mmHg)。
血圧トランスデューサ(ABP、ICP)、レーザドップラーププローブ、およびINVOS脳酸素濃度計測計からの波形をアナログデジタルコンバータからICM+ソフトウェア(Cambridge University,Cambridge,UK)により60Hzでサンプリングした。INVOS酸素濃度計の時間分解能は、4秒である。これら信号はその後互いに重複しない10秒平均値として時間積分されるが、これは、10秒時間窓の移動平均フィルタを利用して0.1Hzでリサンプリングするのに等しい。この処理により、高周波ノイズが動物の呼吸およびパルス周波数から除去されるが、ナイキスト定理によると、0.05Hz未満で起こる発振および過渡電流(transient)検知を可能とする。CPPは、ABPおよびICPの10秒の平均値間の差異として算出された。
継続した移動ピアソン相関係数(moving Pearson's correlation coefficient)を、CPPとレーザドップラーとの間で行うことでLDxを生成し、あるいは、CPPと脳酸素濃度計の出力との間に行うことでCOxを生成した。300秒の間の連続した、対の、10秒平均値を各計算に利用して、30個のデータ点を各指標に組み込む。これら指標は、重複する期間で60秒毎に計算および記録される。
上述のモニタを配置すると、下大静脈内のバルーンカテーテルは、徐々にシリンジポンプからの食塩液注入で膨らみ、ABPが4−5時間かけて10mmHgにまでゆっくりと低減する(図3)。脳酸素濃度計、レーザドップラー血流計、COx、およびLDxの値は、60秒ごとにリアルタイムに記録され、それらが収集されたCPPにより同時に分類された。低血圧が長期間に亘り誘発され、CPPの自然発生的な変化が各準定常状態CPP範囲に亘り起こり、COxの適切な信号対雑音比を提供するのに十分な時間的余裕が与えられた。
レーザドップラー血流対CPPの散布図を、SigmaStatソフトウェア(Systat,San Jose,CA)を利用して、各子豚の全てのデータについて作成した。最少の誤差平方和(RSE)の組み合わせを有する2つの回帰線に区切ったCPPが、自動調節の区切点として決定および定義された。加えて、脳血管耐性(CVR)の相対変化をベースラインのCPP/レーザドップラー血流比のパーセントとして算出した。
Prism software(GraphPad,San Diego,CA)を利用して、COxおよびLDxのレシーバ‐オペレータ特性(ROC)を求めた。これに関しては、各子豚の各CPPの平均指標値を、各子豚についてレーザドップラー血流自動調節関係から導き出したCPP区切点の上下で二分した。
COxのLDxに対する回帰分析および線形相関付けを、Prism softwareおよびブランドアルトマン分析を用いて、LDx−COxおよびCOx/LDxを平均値に適用することで行った。この分析は、収集された全ての指標対に対して、および、同じCPPで同じ子豚について収集された平均値について行われた。
ICM Plus softwareを利用して、ABPを入力として利用して、且つ、レーザドップラー血流または脳酸素濃度を出力として利用して、コヒーレンスの相互スペクトル解析を行った。1Hzから0.001Hzの範囲の周波数におけるコヒーレンスについて、低血圧状態および通常血圧状態の間で比較を行った。これらは公式データではないが、提示する時間領域分析のサンプリングおよび計算パラメータを構築するのに利用された(「考察」の項を参照のこと)。
表1が示すように、動脈のpH、PaCO2、および脳温度は、正常血圧で(CPP>50mmHg)、自動調節区切点の上の中程度の血圧で(CPP30−50mmHg)、および自動調節区切点の下の苛酷な低血圧で(CPP<30mmHg)、正常の生理学上の範囲にあった。CO2−反応が酸素濃度計測値に影響するのを避けるべく、PaCO2を一定に保つことを考えたが、各子豚の心拍出量が重篤なレベルに至っては少量の減少が見られた。この少量の減少はPaCO2に対して比較的不変の、離散的な300秒の間隔での圧力パッシビティ(pressure passivity)を評価しているので、自動調節指標へバイアスをかけたとは考えにくい。
この結果は、ABPと脳酸素濃度測定値との間の時間領域の相関付けにより、自然発生的な自動調節血管反応性を定量化することができ、その結果生じる指標が、子豚のモデルの低血圧に起因する自動調節機能の低減に対して高感度であることを示している。この方法は、臨床適用に際して幾らかの魅力的な特性を有する。実験した動物において行ったようにCOx出力は継続しており60秒毎に更新される。COxは、CPP等の臨床パラメータの関数として臨床的に(at the bedside)示すことができ、自動調節処理の管理変化の影響を示す。COxの算出は頭蓋外科手術を要さず、ABPの自然発生的な変化を利用することができるので、不安定な患者に対してABPの急激な変化を引き起こす必要がなくなる。
ABPおよびCBFの代用物の間の連合関係(associative relationship)は、周波数領域における分析と、時間領域における分析という2種類に大まかに分類される方法により、動的に評価される。周波数領域分析は(コヒーレンス、伝達関数、または位相のずれに基づく)は、さもなくば静止型のシステム内のABPの定期的且つ周期的な波または誘発された変化に対して適している。この分析法は、通常は生体系に厳密には存在しない線形および定常性(stationarity)を前提としている(Giller CA, Mueller M. Linearity and non-linearity in cerebral hemodynamics. Med Eng Phys. 2003;25(8):633-646)。時間領域分析は、ここでCOsおよびLDxと共に提示されたローパスフィルタされたABPおよびCBF波間の線形相関付けとして行われるが、このフィルタリングはテストのスペクトル範囲を制限する。この種類の分析で自動調節を画定するには、自動調節の失敗により生じるCPPおよび酸素濃度計測値の相関付けを包括する臨床意義のある波長期間が分かっている必要がある。我々が0−0.04Hzの周波数に注目したのは、3つの仮定に基づいている。先ず第一に、最も重要なことであるが、未熟児におけるNIRSおよびABP間のコヒーレンスに周波数領域分析を用いたTsujiらの業績がある(Tsuji M, Saul JP, du Pessis A, et al. Cerebral intravascular oxygenation correlates with mean arterial pressure in critically ill premature infants. Pediatrics. 2000;106(4):625-632)。Tsujiらは、0.01Hz未満の周波数で高いコヒーレンスを有するサブグループを特定して、このグループ内で脳室内出血の発生が多いことを発見し、自動調節機能の損傷の結果なのではないかと推論した。この発見は、臨床意義のあるABPおよびCBFの間の相関付けを画定する際の、これら低周波数の有益性を示唆している。選択された周波数についての第二の理由付けは、ICP由来の自動調節指標(PRx)に由来しており、これは、ICPの「B」徐波をABPと相関付ける。PRxは、頭部に外傷を負った患者の結果と関連付けられることが既に示されており、自動調節処理のマーカとして考えられている(Czosnyka M, Smielewski P, Kirkpatrick P, Laing RJ, Menon D, Pickard JD. Continuous assessment of the cerebra vasomotor reactivity in head injury. Neurosurgery. 1997;41(1):11-7;discussion 17-9)。我々のデータベースにおいては、これらICP徐波は余りに散発的であるのでフーリエ変換分析では明瞭に現れないが、子豚から得られた生の波形では特定でき、これらの存続期間は65−300秒と計測され、これは0.015から0.003Hzの周波数に相当する。最後の理由付けは、本研究で利用した子豚のABPおよびNIRSの波形のコヒーレンス分析に由来する。自動調節下限未満の血圧で得られた波形においては、0.04Hz未満の周波数で、特に、0.02Hz未満の周波数で、コヒーレンスが発見された。このコヒーレンスは、正常血圧中に得られた波形には見られなかった。
こうしてCOxの感度および特異性の誤差の源が理解されたので、改善策が立てられるようになった。ABPの一時的および自然発生的な変化により、短時間で血圧が大きく変化する方法と比して、信号対雑音比が低減する。信号対雑音比を増加させる2つの明確な解決法を選択することができるが、その2つの方法とは、(a)各指標計算のためにサンプリング時間を増加させること、または、(b)指標間の多数の離散的な計算結果を平均化すること、である。我々は二番目の解決法を選択した、というのは、臨床意義のある変数(CPP、温度、血液ガス、鎮静状態等)によるソーティングが可能であるので、一番目の解決法と同じデータ平滑化効果を有するとはいっても利便性が高いので、より有益であるからである。これら変数は、5分間のほうが、20分または60分という期間よりもより不変である可能性が高い。我々の実験設計は、これら変数の制御を行うことでCPPの変化による効果を隔離することを目指しているが、PaCO2も若干ずれた。脳内O2消費の動的変化はCOxにも影響しうる。フェンタニル、亜酸化窒素、およびイソフルレンによる麻酔を採択することで、COx計算に利用される各300秒間にO2消費が安定すると想定した。
自動調節機能の臨床的監視の重要な目的は、自動調節機能を向上させるケアパラメータの説明である。自動調節機能に損傷を受けていない患者は、神経損傷を負っても生存する確率が高く、この可換ロジックとして、自動調節機能の向上により、神経損傷からの復帰および生存の可能性を高めることができることが示唆される(Steiner LA, Czosnyka M, Piechnik SK, et al. Continuous monitoring of cerebrovascular pressure reactivity allows determination of optimal cerebral perfusion pressure in patients with traumatic brain injury. Crit Care Med. 2002;30(4):733-738; Czosnyka M, Smielewski P, Kirkpatrick P, Laing RJ, Menon D, Pickard JD. Continuous assessment of the cerebral vasomotor reactivity in head injury. Neurosurgery. 1997;41(1):11-7; discussion 17-9; Hiler M, Czosnyka M, Hutchinson P, et al. Predictive value of initial computerized tomography scan, intracranial pressure, and state of autoregulation in patients with traumatic brain injury. J Neurosurg. 2006; 104(5):731-737)。臨床的に自動調節機能を定量化する道具により、この仮説をテストすることができる。COxが非観血的なので、神経外科的な介入を経ない、または経ることのできない急性神経炎症(acute neurologic processes)を起こしている患者(中程度の頭部外傷、発作、髄膜炎を有する患者、および、心臓矯正手術のために心肺バイパス手術を受けた患者、または急性胸部症候群のために交換輸血を受けた患者等を含む)に対する適用が可能である。さらにCOxは、観血的監視により得られる他の指標に加えて、重篤な頭部外傷の場合に血圧自動調節機能の監視に対して追加されることで有益となりうる。
Claims (26)
- コンピュータが、患者の血圧の情報を取得する段階と、
前記コンピュータが、前記血圧の情報を取得する段階と実質的に同時に、非観血的に計測された前記患者の脳の静脈の酸素含有量の情報を取得する段階と、
前記コンピュータが、前記血圧および前記静脈の酸素含有量を時間領域で相関付ける段階と、
前記コンピュータが、前記血圧および前記静脈の酸素含有量の前記相関付けに基づいて、前記患者の脳血管自動調節状態を決定する段階と、
を備える方法。 - 前記患者の血圧の情報を取得する段階は、
前記コンピュータが、閾値周波数未満の周波数を有し、時間に依存する血圧変動のみを取得するよう、前記血圧をローパスフィルタリングする段階を有する、
請求項1に記載の方法。 - 前記患者の血圧の情報を取得する段階は、
前記コンピュータが、閾値周波数未満の周波数を有し、時間に依存する血圧変動のみを取得するよう、動脈の血圧をローパスフィルタリングする値を持つように、選択された実質的に周期的なサンプリングレートで前記患者の動脈の血圧の情報を取得する段階を有する、
請求項1に記載の方法。 - 前記患者の脳の静脈の酸素含有量の情報を取得する段階は、
前記コンピュータが、前記患者の動脈の血圧の情報を取得する段階と同期して、前記患者の静脈の酸素含有量の情報を取得する段階を有する、
請求項3に記載の方法。 - 前記血圧および前記静脈の酸素含有量を時間領域で相関付ける段階は、
前記コンピュータが、前記患者の前記脳血管自動調節状態を示す値を有する線形相関係数を算出する段階を有する、
請求項3または4に記載の方法。 - 前記コンピュータが、前記線形相関係数を動脈の血圧の関数として表示して、前記患者の前記脳血管自動調節状態を示すパターンを提供する段階をさらに備える、
請求項5に記載の方法。 - 前記コンピュータが、前記患者の頭蓋内圧の情報を取得して、前記線形相関係数を前記患者の脳潅流圧の関数として表示して、前記患者の前記脳血管自動調節状態を示すパターンを提供する段階をさらに備え、
前記脳潅流圧は、前記動脈の血圧と前記頭蓋内圧との間の差として算出される、
請求項5に記載の方法。 - 前記患者の脳の静脈の酸素含有量の情報を取得する段階は、
前記コンピュータが、前記患者の頭部の外部近傍に配設された近赤外線源から前記患者の脳内に向けられた近赤外線照射の差分吸収の情報を取得する段階を有する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。 - 患者の脳血管自動調節機能を診断するシステムであって、
前記患者の頭部の外部近傍に配設された脳酸素濃度計と、
前記患者に取り付けられた血圧監視デバイスと、
前記脳酸素濃度計および前記血圧監視デバイスと通信可能な信号処理部と、を備え、
前記脳酸素濃度計は、前記患者の脳内の血中における酸素含有量の計測値を複数回採り、酸素含有量信号を前記信号処理部へ出力し、
前記血圧監視デバイスは、前記酸素含有量の計測と実質的に同期して前記患者の動脈の血圧の計測値を複数回採り、動脈の血圧信号を前記信号処理部へ出力し、
前記信号処理部は、前記酸素含有量信号および前記動脈の血圧信号に基づいて、時間領域で複数回、線形相関係数を算出する、
システム。 - 前記脳酸素濃度計および前記信号処理部のうち少なくとも一方は、前記酸素含有量信号をローパスフィルタリングする、
請求項9に記載のシステム。 - 前記血圧監視デバイスおよび前記信号処理部のうち少なくとも一方は、前記動脈の血圧信号をローパスフィルタリングする、
請求項9または10に記載のシステム。 - 前記酸素濃度計は近赤外線分光器である、
請求項9〜11のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記血圧監視デバイスは動脈の血圧監視デバイスを有する、
請求項9〜12のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記血圧監視デバイスは頭蓋内圧の監視デバイスを有する、
請求項9〜13のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記信号処理部は、前記患者の前記動脈の血圧の計測値および前記頭蓋内圧の計測値に基づいて、前記患者の脳潅流圧を算出する、
請求項14に記載のシステム。 - 前記患者の他の生体物理学データに関して前記線形相関係数の値を表示する表示部をさらに備える、
請求項9〜15のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記線形相関係数が表示される前記患者の前記他の生体物理学データは、前記患者の動脈の血圧および脳潅流圧のうち少なくとも一方である、
請求項16に記載のシステム。 - 前記線形相関係数が表示される前記患者の前記他の生体物理学データは、前記患者の脳潅流圧である、
請求項16に記載のシステム。 - 患者の脳血管自動調節機能を診断するシステムで利用されるデータ処理部であって、
前記患者に関する計測された動脈血圧データの動脈血圧信号を受信し、前記患者の脳に関する外部的に計測された静脈酸素含有量データの静脈酸素含有量信号を受信する、少なくとも1つの信号入力ポートと、
前記動脈血圧信号および前記静脈酸素含有量信号を受信して相関付けて、前記患者の脳血管自動調節状態を示す相関係数を提供する、信号相関部と、
前記相関係数を出力して、前記相関係数に基づいて前記患者の前記脳血管自動調節状態を示す、信号出力ポートと、
を備える、
データ処理部。 - 前記患者に関する計測された動脈血圧データおよび前記患者の脳に関する外部的に計測された静脈酸素含有量データのうち少なくとも1つを、前記信号相関部による相関付けの前にフィルタリングするローパスフィルタをさらに備える、
請求項19に記載のデータ処理部。 - 前記少なくとも1つの信号入力ポートは、さらに、前記患者に関する計測された頭蓋内圧データの頭蓋内圧信号を受信する、
請求項19または20に記載のデータ処理部。 - 前記患者に関する計測された動脈血圧データおよび前記患者の脳に関する計測された頭蓋内圧データに基づいて、脳潅流圧を算出する脳潅流圧算出部をさらに備える、
請求項19〜21のいずれか1項に記載のデータ処理部。 - 患者の脳血管自動調節機能を診断するシステム用のデータを処理するようプログラミングされたコンピュータ可読媒体であって、
前記患者に関する計測された血圧データの血圧信号を受信し、前記患者の脳に関する外部的に計測された静脈酸素含有量データの静脈酸素含有量信号を受信する、少なくとも1つの信号受信部と、
前記血圧信号と前記静脈酸素含有量信号とを受信して相関付けて、前記患者の脳血管自動調節状態を示す相関係数を提供する、信号相関部と、
前記相関係数を出力して、前記相関係数に基づいて前記患者の前記脳血管自動調節状態を示す、信号出力部と、
を備えるコンピュータ可読媒体。 - 前記血圧および前記酸素含有量のうち少なくとも1つは、0.04Hz未満の計測値となるようローパスフィルタリングされる、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 - 前記血圧および前記酸素含有量のうち少なくとも1つは、0.003Hz〜0.015Hzの計測値となるようローパスフィルタリングされる、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 - コンピュータに、請求項1〜8、24及び25のいずれか1項に記載の方法を実行させるためのプログラム。
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