JP6268275B2 - 圧平圧力測定法により生体対象の心拍出量を計算する装置および方法 - Google Patents
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Description
本願は、2013年3月14日に提出された同名称の共同所有同時係属米国特許出願第13/829,061に対する優先権を主張する。本願は、2013年3月14日に提出された「生体対象の心拍出量を計算する装置および方法」(APPARATUS AND METHODS FOR COMPUTING CARDIAC OUTPUT OF A LIVING SUBJECT)という名称の共同所有同時係属米国特許出願第13/827,063号に関連する。
本開示は、概して生体対象の心拍出量を測定する方法および装置に関し、特に実質的に非侵襲技術を使用して生体対象の心拍出量を正確に推定する一側面に関する。
心拍出量(CO)は、1分間などの一定期間に心臓(左心室または右心室)によって押し出される血液の体積を指す。COは、さらに心臓の収縮期における右心室からの出力と左心室からの出力の合計を指すこともでき、数学的には以下のように表される。
CO=1回拍出量×心拍数
心拍数(HR)は、通常は1分間当たりの拍動数(bpm)として測定される、単位時間当たりの心拍の数を指す。1回拍出量(SV)は、拍動毎に一方の心室から送り出される血液の体積を指す。
基礎的な一側面では、本開示は心拍出量の算出装置および方法を備える。一実施形態では、人工知能と機械学習の概念を使用して、従来の線形アプローチの制約を克服する心拍出量の非線形数学モデルを構築する目的で、多次元非線形最適化を実行する。数学モデルは、数学的に最適な形で、生理学的入力ソースデータベクトルを、拍動毎に測定される目標心拍出量値または所定期間にわたる移動平均に対応する短期平均値に関連付ける。
上述したように、心拍出量(CO)は、心臓の収縮期中の右心室からの出力と左心室からの出力の合計を指し、以下のように数学的に表される。
CO=1回拍出量×心拍数
ただし、心拍数(HR)は単位時間当たりの心拍の数(bpm)を指し、1回拍出量(SV)は拍動毎に一方の心室から送り出される血液の体積(mL)を指す。
図2を参照すると、COの算出に使用される数学モデルを生成する、一般化された方法200の例示の実施形態が示されている。
ただし、P(t)はBP信号を表し、Tsysは現在の拍動の収縮期間隔を表す。均一に離散化されたBP信号の場合、導関数は1次差分によって概算することができる。
ただし、dtは、秒単位のBP信号のサンプリング期間である。
ただし、左心室駆出時間(LVET)の概算は以下のように計算される。
CO=VO2/(CA−CV)×100
CO=vti×CSA×心拍数
ただし、CSAは弁開口の断面積を指し(rを弁の半径として、πr2を用いて算出)、vtiはドップラー流れプロファイルのトレースの速度時間積分を指す。
CO=2mL×PP×HR
ただし、
は選択されたモデルを表すM次元非線形関数であり、
はK個の入力ベクトルのセットであり、
はK個の目標CO値のセットである。選択された最小化基準の解という意味での最適値は以下のように定義される。
解は、ガウス−ニュートン法などの非線形最適化方法によって決定することができる。
図3を参照すると、上述の(図2の方法により生成した)数学モデルが与えられたときに個々の対象の心拍出量を算出する例示の方法300が示されている。上述したように、一実施形態では、心拍出量の算出に使用される数学モデルは、個々の患者にこの方法を適用するための装置にソフトウェアアプリケーションとして分配される。その後、装置のオペレータが後述のステップを実行する。
以下のパラメータが与えられる:
行列の抽出とベクトル代数を使用して、以下のように非線形数学モデルにより心拍出量を計算する。
上述したように、心拍出量算出アルゴリズムは、複数の検査対象から複数のデータを受信するように構成される装置によって生成される。装置400の例示の実施形態(図4を参照)は受信した情報を使用して、非線形最適化法により血行力学的データを心拍出量に相関させる。
上述したように、心拍出量の算出アルゴリズムは、臨床医が操作する装置によって実現される例示の実施形態に含まれる。装置は、個々の患者に特有の複数のデータ(すなわち、血行力学的データおよびその他の入力されたデータ)を受信して、対象の心拍出量を算出するように構成される。一実施形態では、図5の装置500がこれらの機能のために利用される。
本明細書に記載されたアルゴリズムは、他の血行力学的パラメータを計算するようにさらに構成されることができる。たとえば、脈圧変動(PPV)および1回拍出量変動(SVV)は、CO算出アルゴリズムを用いてBP拍動毎に計算することのできる脈拍値(SV)サンプルに基づき算出することができる。上述したように、脈圧(PP)は収縮期および拡張期の圧力の既知の値に基づき算出される。付録IおよびIIで与えられる例示のコードに示されるように、1回拍出量(SV)も本明細書に開示される装置および方法を用いて算出される。
PPV=100(PPmax−PPmin)/PPmed
SVV=100(SVmax−SVmin)/SVmed
ただし、PPmaxは直近30秒間に収集された4つの最大PPサンプルの中央値であり、PPminは直近30秒に収集された4つの最小PPサンプルの中央値であり、PPmedは直近30秒に収集されたPPサンプルの中央値である。同じように、SVmaxは直近30秒に収集された4つの最大SVサンプルの中央値であり、SVminは直近30秒に収集された4つの最小SVサンプルの中央値であり、SVmedは直近30秒に収集されたSVサンプルの中央値である。この種の計算により、30秒内の数回の呼吸サイクルにおけるPPおよびSVの平均変動を推定することができる。このおよび他の血行力学的パラメータの算出は、本明細書に論じられる方法および装置を用いて正確にすることができる。
Claims (22)
- 圧力測定データから心拍出量を計算する方法であって、
圧力測定センサの圧平を用いて生体テスト対象について1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値を取得することと、
既定の数学モデルを用いて前記生体テスト対象についての前記1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値を処理することと、
前記処理動作の結果に少なくとも部分的に基づき前記生体テスト対象についての心拍出量値を表示させることと、
を備え、
前記既定の数学モデルは、複数の生体対象から事前に収集されたモデルデータから生成される既定の数学モデルであって、
複数の生体対象のそれぞれについて1つまたはそれ以上の生理学的パラメータ値を取得し、
そのそれぞれが前記複数の生体対象のそれぞれについての前記1つまたはそれ以上の生理学的パラメータ値に少なくとも部分的に基づいている複数の入力ベクトルを生成し、
前記複数の生体対象のそれぞれについて心拍出量測定値を収集し、
前記複数の生体対象のそれぞれについての前記収集された心拍出量測定値に少なくとも基づいて複数の心拍出量の目標値を計算し、
前記複数の入力ベクトルのうちの対応する1つを、前記複数の生体対象のそれぞれについての前記複数の計算された心拍出量の目標値の1つに、非線形最適化アルゴリズムを介して関連付ける
ことによって生成される方法。 - 心拍出量装置であって、
少なくとも1つのインタフェースと、
少なくとも1つの記憶装置と、
非侵襲的測定装置を介して生体テスト対象について血行力学的パラメータデータを測定するよう構成された外部部品と、
少なくとも1つのコンピュータプログラムを実行するよう構成されたプロセッサであって、当該コンピュータプログラムが、実行される際に、当該心拍出量装置に
前記測定された血行力学的パラメータデータを前処理させ、
前記前処理された測定された血行力学パラメータデータと、前記少なくとも1つの記憶装置に記憶された既定の数学モデルであって、複数の生体対象のそれぞれについて少なくとも2つの心拍出量測定値に相関させられる少なくとも事前に取得された生理学的パラメータデータから導出される多次元非線形最適化アルゴリズムを備える数学モデルとに少なくとも部分的に基づいて前記生体テスト対象についての心拍出量パラメータを算出させ、
前記生体テスト対象についての前記心拍出量パラメータを、当該心拍出量装置に関連付けられる表示装置に表示させる
よう構成された複数の命令を備えるコンピュータプログラム、であるプロセッサと、
を備える心拍出量装置。 - 心拍出量を算出するコンピュータプログラムをその上に記憶するよう構成された非一時的コンピュータ可読媒体であって、
プロセッサ装置によって実行される際、
1つの生体テスト対象について複数の血行力学的パラメータデータを取得し、
前記生体テスト対象について前記複数の血行力学的パラメータデータを、前記生体テスト対象の心拍出量値を算出するために事前に提供された数学モデルであって、複数の生体対象のそれぞれについての複数の心拍出量測定値の1つに相関させられる少なくとも複数の事前に取得された生理学的パラメータデータから導出される非線形最適化アルゴリズムを備える数学モデルを用いて処理し、
当該コンピュータ可読媒体に関連付けられる表示装置に、前記生体テスト対象についての前記算出された心拍出量値を表示させる
よう構成された複数の命令を備えるコンピュータ可読媒体。 - 前記生体テスト対象についての前記1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値が、前記生体テスト対象の拡張期圧、収縮期圧、脈圧、平均動脈圧、心拍間隔、動脈の伸展性、収縮期中の最大勾配、または収縮期の面積の、1つまたはそれ以上からなる請求項1の方法。
- 前記心拍出量測定値が、カルジオグラフィベース、またはMRIベースの機構の、1つまたはそれ以上によって取得される、請求項1の方法。
- 前記既定の数学モデルが、前記生体テスト対象について前記取得された1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値を前記複数の計算された心拍出量の目標値の1つに関連付けるよう構成される請求項1の方法。
- 前記生体テスト対象について前記取得された1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値をテスト対象入力ベクトルとして表すことと、前記テスト対象入力ベクトルを前記複数の計算された心拍出量の目標値の1つと相関させることと、をさらに備える請求項1の方法。
- 前記複数の入力ベクトルのそれぞれが、身長、体重、年齢、性別の1つまたはそれ以上をからなる追加のパラメータに少なくとも部分的にさらに基づいている、請求項1の方法。
- 前記非侵襲的測定装置が、前記生体テスト対象の橈骨動脈に適用された連続的な、心拍間圧力測定装置を備える、請求項2の心拍出量装置。
- 前記事前に提供された数学モデルが、
複数の入力ベクトルのそれぞれと、前記複数の生体対象のそれぞれについての複数の計算された心拍出量の目標値の1つとの関連付け
をさらに備え、
前記入力ベクトルのそれぞれが、前記複数の生体対象のそれぞれについての前記複数の生理学的パラメータデータと、前記複数の生体対象のそれぞれについての1つまたはそれ以上の追加のパラメータであって、前記複数の生体対象のそれぞれについての身長、体重、年齢、性別の1つまたはそれ以上を備える追加のパラメータと、を表す、
請求項3の非一時的コンピュータ可読媒体。 - 前記複数の計算された心拍出量の目標値のそれぞれが、前記複数の生体対象のそれぞれについて収集された心拍出量測定値に少なくとも基づくものである、請求項10の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記関連付けが非線形最適化によって達成される、請求項10の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記複数の命令がさらに、前記プロセッサ装置によって実行される際に、前記複数の血行力学的パラメータデータと、前記生体テスト対象についての1つまたはそれ以上の追加のパラメータであって、前記生体テスト対象についての身長、体重、年齢、性別の1つまたはそれ以上をからなる前記生体テスト対象についての追加のパラメータとを前記生体テスト対象についてのテスト対象入力ベクトルとして表し、前記テスト対象入力ベクトルを前記算出された心拍出量の目標値の1つに相関させるように構成される、請求項10の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記1つまたはそれ以上の生理学的パラメータ値が、前記複数の生体対象のそれぞれについての拡張期圧、収縮期圧、脈圧、平均動脈圧、動脈の伸展性、収縮期中の最大勾配、または収縮期の面積の、1つまたはそれ以上からなる、請求項1の方法。
- 前記複数の生体対象のそれぞれについての前記1つまたはそれ以上の生理学的パラメータ値に対応する、前記テスト対象についての前記1つまたはそれ以上の血行力学的パラメータ値を選択することをさらに備える、請求項1の方法。
- 前記非線形最適化アルゴリズムがガウス−ニュートンアルゴリズムからなる、請求項1の方法。
- 前記生体テスト対象について測定された前記血行力学的パラメータデータが、前記生体テスト対象についての拡張期圧データ、収縮期圧データ、脈圧データ、平均動脈圧データ、心拍間隔データ、または動脈の伸展性データの、1つまたはそれ以上からなる、請求項2の心拍出量装置。
- 前記測定された血行力学パラメータデータの前記前処理が、前記生体テスト対象についての収縮期中の最大勾配または収縮期の面積の1つまたはそれ以上を決定するための前記測定された血行力学的パラメータデータの前処理を含む、請求項2の心拍出量装置。
- 前記生理学的パラメータデータが、前記複数の生体対象のそれぞれについての拡張期圧データ、収縮期圧データ、脈圧データ、平均動脈圧データ、心拍間隔データ、動脈の伸展性データ、収縮期中の最大勾配データ、または収縮期の面積データの、1つまたはそれ以上からなる、請求項2の心拍出量装置。
- 前記生体テスト対象についての前記複数の血行力学的パラメータデータが、前記生体テスト対象についての拡張期圧データ、収縮期圧データ、脈圧データ、平均動脈圧データ、心拍間隔データ、動脈の伸展性データ、収縮期中の最大勾配データ、または収縮期の面積データの、2つまたはそれ以上からなる、請求項3の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記複数の生理学的パラメータデータが、前記複数の生体対象のそれぞれについての拡張期圧データ、収縮期圧データ、脈圧データ、平均動脈圧データ、心拍間隔データ、動脈の伸展性データ、収縮期中の最大勾配データ、または収縮期の面積データの、2つまたはそれ以上からなる、請求項3の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記取得された複数の血行力学的パラメータデータが、前記生体テスト対象の橈骨動脈に適用された非侵襲的連続的圧力測定装置から連続的に得られる心拍間データを備える、請求項3の非一時的コンピュータ可読媒体。
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