JP6554720B2 - 血中カルシウム濃度測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、人間を含む動物の心電位に基づいて体内の血液成分、特にカルシウム濃度を推定する方法に関する。
乳牛は、日本国内で約１４０万頭以上が飼養され、年間約８０万頭が分娩している。しかし、この分娩牛のおよそ９％が産後に起立不能となり、その１割が数日内に死廃となり、酪農業における大きな損失要因となっている。起立不能の原因は、産後に血中のカルシウム（Ｃａ）濃度が低下する低Ｃａ血症と、その他の要因に分けられ、それぞれ対処法が異なる。そのため、発症時に低Ｃａ血症か否かの素早い診断が求められるが、これまでは侵襲を伴い時間のかかる血液検査以外に有効な科学的診断方法は無く、実際は目視によって診断される場合がほとんどだった。
人間や、ほ乳類における心電波形のＱＴ間隔（Ｑ波の開始時刻からＴ波の終了時刻）と、血中Ｃａ濃度との間に因果関係があることは古くから知られている。Ｑ波からＴ波までの波形は心臓の心室筋の活動を表すもので、ＱＲＳ波が心室筋の脱分極（筋の活動）、Ｔ波が心室筋の再分極（次の活動のための準備）に当たる。このとき、血中のＣａイオンが筋細胞内へ流出入し、筋活動を制御する。Ｃａが不足するとこの流出入速度が遅くなるため、この時間間隔も延長（ＱＴ延長）する。だが、このＱＴ延長現象を用いた血中Ｃａ濃度の定量化技術は統計処理方法の問題でこれまで確立されていなかった。
そこで、本願の発明者らは、心電位と血中Ｃａ濃度を同時に測定して回帰推定式を作成し、心電計により血中Ｃａ濃度を推定する技術を開発した（先行文献１）。一般に心電位のＱ波の開始時刻やＴ波の終了時刻は精確な特定が難しいが、代わりに検出が容易なＳ波とＴ波のピーク時刻を用いる事で精度を向上させており、本手法の確立により血液採取によらない非侵襲で極めて迅速な低Ｃａ血症の診断が可能となった。
成績概要書（北海道立総合研究機構畜産試験場、２０１０）
「ホルスタイン種乳牛における泌乳ステージおよび年齢とイオン化カルシウムの関係」（獣医輸液研究会会誌，Ｖｏｌ．５（１）、２００５）
しかし、乳牛は産次の増加、加齢に伴って低Ｃａ血症が発生しやすくなることが知られており（先行文献２）、心電位のデータを用いただけでは低Ｃａ血症の診断を確実に行うことが難しい場合があった。つまり、心電位の波形は血中Ｃａ濃度だけでなく、産次や年齢、すなわち出産回数など、その他の要因にも影響を受けることから、心電位のデータのみに基づくだけでは十分な精度が得られない場合があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、推定精度の問題を解決するため、心電位のデータに基づくことを基本としつつも、より精度よく血中Ｃａ濃度を推定することが可能な測定方法を提供することを目的とする。
本特許出願における第１の発明は、心電位のＳ波のピーク時刻から、直後のＴ波のピーク時刻までの経過時間であるＳＴピーク間隔を、心拍間隔によって補正したＳＴｃピーク補正間隔の逆数を説明変数とした回帰推定式から血中カルシウム濃度を推定する血中カルシウム濃度測定方法において、説明変数として前記ＳＴｃピーク補正間隔の逆数に加え、年齢及び産次のうち、いずれか一つを用いた重回帰分析によって血中カルシウム濃度を推定することを特徴としている。
本特許出願における第２の発明は、上記第１の発明において、前記回帰推定式における説明変数として、前記ＳＴｃピーク補正間隔の逆数を２次式、累乗式として、その重回帰分析により血中カルシウム濃度を推定することを特徴としている。
本発明の第１の発明によれば、心電位Ｓ波ピーク時刻から直後のＴ波ピーク時刻までのＳＴピーク間隔を心拍間隔で補正したＳＴｃピーク補正間隔の逆数、並びに、産次を用いることで、体動などの要因に対する影響を少なくした精度の高い血中Ｃａ濃度の推定が可能となる。
本発明の第２の発明によれば、実際に測定された血中カルシウム濃度に対し、高い相関を有し、乳牛の低カルシウム血症を精度よく、容易且つ迅速に推定することが可能である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る血中カルシウム濃度測定方法について説明する。
（血中カルシウム濃度測定方法の実施例）
まず、本手法の基本原理について説明する。図１は一般的な乳牛の心電位を示した図、図２は心電位を測定する場合に乳牛に取り付ける電極の位置を模式的に示した図である。
図１に示される心電位は、図２のように、心電計２０４のマイナス電極２０１を左肩に、プラス電極２０２を左脇に配置して得られ、各電極から検出される心電位は心電計２０４に出力され、その心電位はアンプなどを介して後述するタブレット端末、ノートパソコンなどの解析機器に入力される。また、２０３は心電計２０４の基準電極である。
図１に示すように、心電位は心臓の一拍の間にＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔと５つのピーク電位の波形が順に出力される。先に説明したＱＴ間隔は、このＱ波の開始時刻からＴ波の終了時刻までの経過時間である。
まず、本手法の基本原理について説明する。図１は一般的な乳牛の心電位を示した図、図２は心電位を測定する場合に乳牛に取り付ける電極の位置を模式的に示した図である。
図１に示される心電位は、図２のように、心電計２０４のマイナス電極２０１を左肩に、プラス電極２０２を左脇に配置して得られ、各電極から検出される心電位は心電計２０４に出力され、その心電位はアンプなどを介して後述するタブレット端末、ノートパソコンなどの解析機器に入力される。また、２０３は心電計２０４の基準電極である。
図１に示すように、心電位は心臓の一拍の間にＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔと５つのピーク電位の波形が順に出力される。先に説明したＱＴ間隔は、このＱ波の開始時刻からＴ波の終了時刻までの経過時間である。
血中Ｃａ濃度が低下すると、心筋へのＣａイオンの流出入速度が遅くなり、ＱＴ間隔が全体的に伸張され、ＱＴ延長と呼ばれる現象が発生する。図３（ａ）は正常な牛の心電図、図３（ｂ）は低Ｃａ血症の牛のものである。これらの図から明らかなように、低Ｃａ血症の牛の心電図は正常な牛にくらべ、Ｑ波やＳ波からＴ波までの時間が延長しているのがわかる。
ＱＴ間隔は、心拍間隔、すなわち拍動から次の拍動までの時間によっても変動する。心拍間隔が短くなるとＱＴ間隔も短くなることが一般に知られている。心拍間隔の影響を補正する方法でよく知られたものでは、数１のようにＱＴ間隔を心拍間隔ＳＳ（単位は秒）のｄ＝１／２乗（平方根）で除したＢａｚｅｔｔ補正や、ｄ＝１／３乗（立方根）で除したＦｒｉｄｅｒｉｃｉａ補正等がある。これらの補正ＱＴ間隔をここではＱＴｃ間隔と呼ぶ。心拍間隔は、図１ではＳ波ピークの時間間隔であるＳＳ間隔としているが、人間ではＲ波を用いたＲＲ間隔を用いることが一般的であり、またＰ波やＴ波など任意の心電位の特徴点の時刻を用いた間隔でもよい。
本実施形態では、ＱＴ間隔の代わりに、Ｓ波のピークからＴ波のピークまでの時間であるＳＴピーク間隔、並びにその補正値であるＳＴｃピーク補正間隔（数２）を用いる。ＱＴ 間隔とＳＴピーク間隔は極めて相関が高くほぼ比例の関係にあり、置換が可能である。また、ＳＴｃピーク間隔を用いる利点としては、体動などノイズ混入量の大きい乳牛の心電位測定ではＱ波の開始やＴ波の終了の検知よりも、波高の高いＳ波やＴ波のピークの検知が容易で、正確なことが挙げられる。
発明者らは、約３００頭の乳牛のＳＴｃ ピーク補正間隔と血中Ｃａ濃度について統計解析を実施した結果、ＳＴｃピーク補正間隔の逆数と、産次とを説明変数とした場合に、血中Ｃａ濃度（目的変数）が高い相関で線型の関係となり、その関係は次式の数３で表されることを見出した。
即ち、産次が増加すると低カルシウム血症になるリスクが高まるが、本願の発明者は、血中Ｃａ濃度の推定につき、産次を含めた重回帰分析を利用して行った結果、実測値と、推定結果との間には高い相関が見られた。
即ち、産次が増加すると低カルシウム血症になるリスクが高まるが、本願の発明者は、血中Ｃａ濃度の推定につき、産次を含めた重回帰分析を利用して行った結果、実測値と、推定結果との間には高い相関が見られた。
数３のＮは産次、ｃは定数である。また、係数ａは４．１６〜４．５２、ｂは−０．２３〜−０．１７、ｃは−５．０６〜−３．８８の範囲にある。
本願の発明者らは過去に数３のうち産次を含まない回帰推定式を開発しているが、本発明により説明変数として産次を加えた回帰推定式を用いた結果、血中Ｃａ濃度推定の標準誤差は、従来の回帰推定式では０．８４だったのが、０．７８へと７％以上減少させることが可能となった。
さらに、回帰推定の方法として本手法では、図４Ａ（ａ）に示されるように、数３の式によって表される線形の単回帰式、重回帰式を用いているが、下記の数４，数５に示される２次式、３次式などの多項式や対数、指数、べき乗などの非線形回帰、また混合モデルを用いた回帰でもよい。
例えば、数４の２次式による回帰分析の結果は、図４Ａ（ｂ）に、数５の累乗式による分析の結果は図４Ａ(ｃ)にそれぞれ記載されている。これらはいずれもＳＴｃピーク補正間隔 の逆数を用いて分析した線形を描いているが、実際に測定された血中カルシウム濃度に対し、いずれも高い相関を有しており、さらに産次や年齢等を説明変数に加えれば精度は向上する。
図４Ｂは産次Ｎが２の場合、図４Ｃは産次Ｎが７の場合を示したグラフである。これらの図にも示されるように、血中カルシウム濃度の実測値と、回帰推定式から得られる線形との間には高い相関が見られ、本実施例では精度良く血中カルシウム濃度を推定することが可能である。これらの図に示されている破線は、産次が２および７の乳牛をそれぞれ抽出し、ＳＴｃピーク補正間隔の逆数を説明変数Ｘ、血中Ｃａ濃度を目的変数Ｙとして単回帰により推定したものである。もちろん、ここでも前記に示した各非線形回帰や、混合モデルを用いた回帰を用いてもよい。
混合モデルは重回帰分析の特殊な方法の一つで、簡単に言うと産次ごとの傾きや切片を統合的に分析できる方法であり、当該方法を加えることで、回帰分析の手法のバリエーションを拡大することができる。
なお、本実施例では産次Ｎを説明変数としているが、産次と年齢は相関が高いことから変換係数を用いて、産次を年齢に置き換えてもよい。また、図５で示した各測定値との相関関係より、他の説明変数として搾乳時間や日乳量、体温、分娩後日数を加えて回帰を行ってもよい。ここで、図５に示されるデータは分娩後０〜２日経った３０４頭の乳牛のものである。
（本発明の血中Ｃａ測定方法を実施する際に利用される測定システムの実施例）
次いで本発明の血中Ｃａ測定方法を実施する際に利用される測定システムについて説明する。図６は、測定システムの回路構成を示すブロックである。
同図に示されるように、本実施例の測定システムは、心電位測定部１０１、解析表示部１１１等を備えて構成され、心電位測定部１０１は、乳牛に取り付けられる電極並びに当該電極が接続された心電計、アンプ等を含む機器であり、解析表示部１１１は検出された心電位に基づいて、血中カルシウム濃度を回帰式によって算出するタブレット端末やパーソナルコンピュータ等の解析機器である。
次いで本発明の血中Ｃａ測定方法を実施する際に利用される測定システムについて説明する。図６は、測定システムの回路構成を示すブロックである。
同図に示されるように、本実施例の測定システムは、心電位測定部１０１、解析表示部１１１等を備えて構成され、心電位測定部１０１は、乳牛に取り付けられる電極並びに当該電極が接続された心電計、アンプ等を含む機器であり、解析表示部１１１は検出された心電位に基づいて、血中カルシウム濃度を回帰式によって算出するタブレット端末やパーソナルコンピュータ等の解析機器である。
この測定システムの例では、心電位測定部１０１内、若しくは外部の心電位計と接続された心電位センサ部１０２によって乳牛の心電位を検出し、アナログフィルタ１０３によりノイズや不要な周波数帯を除去した後、デジタル変換処理部１０４によってコンピュータ処理可能な数値にデジタル変換する。なお、検出された心電位は有線若しくはブルートゥース規格などの無線装置を介して解析表示部１１１へデジタル信号として出力することが可能である。
さらに、心電位波形検出部１１２、ＳＴｃ間隔算出部１１３等を具備する解析表示部１１１では検出された心電位に基づいて、血中Ｃａ濃度が算出される。以下に血中Ｃａ濃度を算出する際の具体的な処理手順を示す。
まず、心電位波形検出部１１２では心電位のＳ波、Ｔ波のピーク時刻が常時入力されてモニタされている。
まず、心電位波形検出部１１２では心電位のＳ波、Ｔ波のピーク時刻が常時入力されてモニタされている。
そして、心電位波形検出部１１２からＳＴｃ間隔算出部１１３にＳ波、Ｔ波のピーク時刻を入力することによりＳＴ間隔 、ＳＳ間隔をそれぞれ算出するとともに、心拍間隔ＳＳの影響を補正する前述の数２の式に基づき、ＳＴｃピーク補正間隔を求める。
さらに、このＳＴｃピーク補正間隔と、産次や年齢等の情報とを情報部１１４から、血中Ｃａ濃度計算部１１５に入力し、数３の式に基づいて血中Ｃａ濃度を回帰推定し、結果出力部１１６ へ出力する。算出された血中Ｃａ濃度の推定値は、結果出力部１１６により、解析表示部１１１におけるＬＣＤ等のディスプレイ装置に表示されるとともに、図示しない記憶装置や記憶媒体に蓄積され、算出された推定値を目的に応じて利用することができるようになっている。
さらに、このＳＴｃピーク補正間隔と、産次や年齢等の情報とを情報部１１４から、血中Ｃａ濃度計算部１１５に入力し、数３の式に基づいて血中Ｃａ濃度を回帰推定し、結果出力部１１６ へ出力する。算出された血中Ｃａ濃度の推定値は、結果出力部１１６により、解析表示部１１１におけるＬＣＤ等のディスプレイ装置に表示されるとともに、図示しない記憶装置や記憶媒体に蓄積され、算出された推定値を目的に応じて利用することができるようになっている。
なお、本例の測定システムでは心電位測定部１０１と解析表示部１１１とを分離して構成しているが、これらは心電位計とタブレット端末やノート型のパーソナルコンピュータ等、一体化されたものでもよい。或いは、解析表示部１１１のうち、血中Ｃａ濃度を算出する心電位波形検出部１１２、ＳＴｃ間隔算出部１１３等の解析装置はインターネットのサーバ上にあってもよい。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が可能であることはもちろんである。
前述したように本発明に係る血中カルシウム濃度測定方法によれば、乳牛の低カルシウム血症を精度よく、容易且つ迅速に推定することが可能となり、特に産後の乳牛に対し適切な治療を行うことができる。また、正常な乳牛に対する無駄な投薬を減少させることも同時に可能となり、酪農業における効率化の一助となる。
本発明は、乳牛は勿論、人間を含む動物の血中成分を分析する医療機器関連産業などにて、利用可能である。
１０１ 心電位測定部
１０２ 心電位センサ部
１０３ アナログフィルタ
１０４ デジタル変換処理部
１１１ 解析表示部
１１２ 心電位波形検出部
１１３ ＳＴｃ間隔算出部
１１４ 産次／年齢情報部
１１５ 血中Ｃａ濃度計算部
１１６ 結果出力部
２０１ 心電計のマイナス電極
２０２ 心電計のプラス電極
２０３ 心電計の基準電極
２０４ 心電計
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２０１ 心電計のマイナス電極
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Claims (2)
- 心電位のＳ波のピーク時刻から、直後のＴ波のピーク時刻までの経過時間であるＳＴピーク間隔を、心拍間隔によって補正したＳＴｃピーク補正間隔の逆数を説明変数とした回帰推定式から血中カルシウム濃度を推定する血中カルシウム濃度測定方法において、
説明変数として前記ＳＴｃピーク補正間隔の逆数に加え、年齢及び産次のうち、いずれか一つを用いた重回帰分析によって血中カルシウム濃度を推定することを特徴とする血中カルシウム濃度測定方法。 - 前記回帰推定式における説明変数として、前記ＳＴｃピーク補正間隔の逆数を２次式、累乗式として、その重回帰分析により血中カルシウム濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載の血中カルシウム濃度測定方法。
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|---|---|---|---|
| JP2015018051A JP6554720B2 (ja) | 2015-02-01 | 2015-02-01 | 血中カルシウム濃度測定方法 |
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| JP2015018051A JP6554720B2 (ja) | 2015-02-01 | 2015-02-01 | 血中カルシウム濃度測定方法 |
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| JP2016163598A JP2016163598A (ja) | 2016-09-08 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2015018051A Active JP6554720B2 (ja) | 2015-02-01 | 2015-02-01 | 血中カルシウム濃度測定方法 |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010086753A2 (en) * | 2009-01-30 | 2010-08-05 | Isabel Jimenez Acquarone | Method and apparatus for physiological assessment in mammals |
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2015
- 2015-02-01 JP JP2015018051A patent/JP6554720B2/ja active Active
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