JP6567493B2 - 組織状態を判定するための多周波数信号処理分類子 - Google Patents
組織状態を判定するための多周波数信号処理分類子 Download PDFInfo
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Description
35U.S.C.§119(e)にしたがって、本出願は、2013年3月15日出願の米国特許仮出願第61/788,858号および2013年4月11日出願の米国特許仮出願第61/810,846号の出願日への優先権を主張する。これらの出願の全開示内容が参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、組織の状態を判定するための生体電気インピーダンスの使用に関する。
いくつかの異なる医学的状態-浮腫、出血、血腫、虚血、脱水、腫瘍の存在、感染、脳変性、血管外遊出、内出血、母体出血などは、異常な組織水分含量および水分含量分布と関連している。生物学的組織は、計測可能な電気的性質、たとえば細胞内および細胞外イオン溶液、容量性細胞膜、帯電高分子および極性水を有する化合物を含有する。これらの化合物の組み合わせが、組成および構造の点で、組織全体の電磁的性質に影響する。そのようなものとして、組織全体の電磁的性質を評価することによって異常な組織水分含量、ひいてはこれらの医学的状態を検出する技術が開発されている。
[本発明1001]
第一の誘導コイルと第二の誘導コイルとの間に組織を配置する工程;
ある周波数範囲で交流電流を駆動して該第一の誘導コイルに通す工程;
該周波数範囲で該第二の誘導コイル中に発生した該交流電流を計測する工程;および
該周波数範囲で該第一の誘導コイルと該第二の誘導コイルとの間の該交流電流の位相シフトを測定してVEPS組織シグネチャを得る工程
を含む、VEPS組織シグネチャを得る方法。
[本発明1002]
周波数範囲が1Hz〜1THz内である、本発明1001の方法。
[本発明1003]
周波数範囲が1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1002の方法。
[本発明1004]
周波数範囲が0.1MHz〜150MHz内である、本発明1003の方法。
[本発明1005]
周波数範囲が1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1002の方法。
[本発明1006]
周波数範囲が100MHz〜500MHz内である、本発明1005の方法。
[本発明1007]
第二の周波数範囲で交流電流を駆動して第一の誘導コイルに通す工程、
該第二の周波数範囲で第二の誘導コイル中に発生した該交流電流を計測する工程、
該第二の周波数範囲で該第一の誘導コイルと該第二の誘導コイルとの間の該交流電流の位相シフトを測定する工程、および
第一の周波数範囲および該第二の周波数範囲に基づいてVEPS組織シグネチャを得る工程
をさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1008]
第二の周波数範囲が1Hz〜1THzの範囲内である、本発明1007の方法。
[本発明1009]
第二の周波数範囲が1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1008の方法。
[本発明1010]
第二の周波数範囲が0.1MHz〜150MHzの範囲内である、本発明1009の方法。
[本発明1011]
第二の周波数範囲が1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1008の方法。
[本発明1012]
第二の周波数範囲が100MHz〜500MHzの範囲内である、本発明1011の方法。
[本発明1013]
第一および第二の誘導コイルが組織と接触しない、本発明1001の方法。
[本発明1014]
組織が、脳組織、肺組織、心組織、筋組織、皮膚組織、腎組織、角膜組織、肝組織、腹部組織、頭部組織、脚部組織、腕部組織、骨盤組織、胸部組織、前立腺組織、乳房組織、食道組織、消化管組織および体幹組織からなる群から選択される、本発明1001の方法。
[本発明1015]
VEPS組織シグネチャを得る工程、および
該組織シグネチャに基づいて対象における組織の状態を判定する工程
を含む、対象における組織の状態の判定を提供する方法。
[本発明1016]
状態が、浮腫、出血、血腫、虚血、脱水、腫瘍の存在、感染、脳変性、血管外遊出、内出血、母体出血および年齢に対する組織健康度からなる群から選択される、本発明1015の方法。
[本発明1017]
判定する工程が、
VEPS組織シグネチャを基準と比較する工程、および
該比較に基づいて判定を提供する工程
を含む、本発明1015の方法。
[本発明1018]
比較する工程が、組織シグネチャを分類子のパネルに対してグラフ式にプロットする工程を含む、本発明1017の方法。
[本発明1019]
臨床パラメータを測定する工程をさらに含む、本発明1015の方法。
[本発明1020]
臨床パラメータが対象の年齢である、本発明1019の方法。
[本発明1021]
判定が、対象の診断を提供するために使用され、前記方法が、
組織の状態の該判定に基づいて該対象の診断を提供する工程
をさらに含む、本発明1015の方法。
[本発明1022]
判定が、対象の予後を提供するために使用され、前記方法が、
組織の状態の該判定に基づいて該対象の予後を提供する工程
をさらに含む、本発明1015の方法。
[本発明1023]
判定が、対象の健康度または治療的処置に対する応答性をモニタするために使用され、前記方法が、
第二の時点で第二のVEPSシグネチャを得る工程、ならびに
第一のVEPSシグネチャおよび該第二のVEPSシグネチャの判定に基づいて該対象の健康度または治療的処置に対する応答性をモニタする工程
をさらに含む、本発明1015の方法。
[本発明1024]
互いに向かい合わせに配置された第一の誘導コイルおよび第二の誘導コイル;ならびに
該第二の誘導コイルに操作可能に接続されており、かつ、二つ以上の周波数範囲の一つまたは複数の周波数で該第一の誘導コイルと該第二の誘導コイルとの間の一つまたは複数の交流電流の位相シフトを計測するように構成されている、計測システム
を備える、VEPS組織シグネチャを得るためのシステム。
[本発明1025]
二つ以上の周波数範囲の少なくとも一つが1Hz〜1THzの範囲内である、本発明1024の方法。
[本発明1026]
二つ以上の周波数範囲の少なくとも一つが1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1025の方法。
[本発明1027]
二つ以上の周波数範囲の少なくとも一つが0.1MHz〜150MHzの範囲内である、本発明1026の方法。
[本発明1028]
二つ以上の周波数範囲の少なくとも一つが1KHz〜20GHzの範囲内である、本発明1025の方法。
[本発明1029]
二つ以上の周波数範囲の少なくとも一つが100MHz〜500MHzの範囲内である、本発明1028の方法。
[本発明1030]
第一および第二の誘導コイルが組織と接触しない、本発明1024の方法。
[本発明1031]
組織が、脳組織、肺組織、心組織、筋組織、皮膚組織、腎組織、角膜組織、肝組織、腹部組織、頭部組織、脚部組織、腕部組織、骨盤組織、胸部組織、前立腺組織、乳房組織、食道組織、消化管組織および体幹組織からなる群から選択される、本発明1024の方法。
[本発明1032]
二つ以上の周波数範囲に対応する複数の周波数からVEPS値を計算するように構成されたデータプロセッサモジュールをさらに備える、本発明1024のシステム。
ボリューメトリック電磁位相シフト分光法(VEPS)ベースの組織分析法が提供される。本方法の局面は、組織に関するVEPSベースの組織分類子または「シグネチャ」を得る工程を含む。これらの方法は、個人における組織、たとえば脳組織、肺組織、心組織、筋組織、皮膚組織、腎組織、角膜組織、肝組織、腹部組織、頭部組織、脚部組織、腕部組織、骨盤組織、胸部組織、体幹組織、前立腺組織、乳房組織、食道組織、消化管組織などの状態を非侵襲的に判定する際に特に有用である。また、本方法を実施する際に有用であるそれらの装置およびシステムが提供される。本発明のこれらおよび他の目的、利点および特徴は、以下さらに詳細に説明する組成および方法の詳細を読むことにより、当業者には明らかになるであろう。
本発明のいくつかの局面において、組織の状態を判定するための方法、装置およびそれらのシステムが提供される。本発明の態様は組織の電磁的性質の計測に関する。外部的に印加された電流に対する組織の生体電気インピーダンスまたは「生体インピーダンス」、たとえば位相シフト、振幅のシフト、波長のシフトなどの計測が、これらの態様において特に関心対象となる。本発明の局面をさらに説明する中で、以下の説明は、ボリューメトリック電磁位相シフト分光法(VEPS)を使用して位相シフトを計測することによって組織の状態を判定することに焦点を置く。しかし、当業者は、本方法、装置およびシステムが、たとえば本明細書に記載される、または当技術分野において公知であるような生体電気インピーダンスの結果としての他の波動特性の変化を計測することによって組織の状態を判定することをも包含することを容易に理解するであろう。
本明細書に記載される「レポート」とは、対象モニタリング評価およびその結果に関して関心対象となる情報を提供するレポート要素を含む電子的または有形のドキュメントである。いくつかの態様において、対象レポートは、たとえば上記でより詳細に説明したVEPS組織シグネチャを得ることに関する本方法の局面として、少なくともVEPSシグネチャを含む。いくつかの態様において、対象レポートは、少なくとも、組織状態の特性決定、すなわち浮腫性、血腫を有するもの、出血性、虚血性、腫瘍を含むものなどとしての分類、たとえば上記でより詳細に説明した、組織を特徴決定する、または個人のための医学的診断を提供することに関する本方法の局面としての、医学的状態の診断を含む。対象レポートは、完全または部分的に電子的に生成されることができる。対象レポートはさらに、1)試験施設に関する情報;2)サービスプロバイダ情報;3)患者データ;4)サンプルデータ;5)a)用いた基準値、およびb)たとえば分析される組織に関するVEPS組織シグネチャを含むことができる試験データをはじめとする様々な情報を含むことができる評価レポート;6)他の特徴の一つまたは複数を含むことができる。
また、上記方法の一つまたは複数を実施するための装置およびシステムが提供される。その装置およびシステムは大きく異なり得、デジタルシンセサイザ、トランシーバ、位相検出器、データ取得モジュール、データ処理モジュールなどの一つまたは複数を含み得る。
本明細書に開示される組成、方法、装置およびシステムは、対象中の組織の健康度を分析する技術における進歩を提供する。本明細書に開示される発見よりも前には、たとえば、心臓血管系の健康度および機能を判定するために血圧を計測するような、正常なヒト脳の健康度のための簡単な計測可能な基準またはパラメータは存在しなかった。本開示は、ある単一時点で実施されるVEPSまたは任意の種類のVEPS様計測(たとえば振幅と位相シフトとの組み合わせを含む)が、健康なヒト組織、たとえばヒト脳のための計測しやすいパラメータとして働き得、かつ、ヒト心臓血管系の健康度を判定するための血圧計測の使用と同様に、正常なヒト脳健康度およびこの種の望ましい指標に影響する治療をモニタするために使用されることができることを実証する。図5、6および7は、健康、疾患および医学的処置の効能を識別するためのパラメータとして、罹患患者および健康な患者の両方に関して様々な単一周波数VEPS計測および複数周波数VEPS計測の組み合わせから得ることができる様々な医学的洞察の例を示す。
組織浮腫とは、組織中の流体の量の増加を伴う病理学的状態である。流体の蓄積は、細胞外、細胞内または両方であり得る。細胞外浮腫は、限外ろ過の増加または再吸収の減少によって引き起こされる。細胞内浮腫は、虚血およびその結果としての細胞内高浸透圧によって、または細胞外低張性の結果として引き起こされ得る。この状態は、浮腫タイプとは無関係に、組織中の液体の量が増し、通常はイベント発生後の時間の関数として平衡が変化する状態である。組織浮腫は、脳または肺で起こる場合、重大な問題である。脳において、細胞外浮腫は、大脳半球卒中ののち数時間または数日の期間をかけて遅延的に発症し、高い死亡率の原因である。虚血性脳浮腫は、組織Na+および水分含量の増加とともに始まり、血液脳関門の崩壊ならびに実質および血管系そのもの両方の梗塞とともに継続する。
外傷が、すべての年齢グループにおいて三番目に多い死因であり、人生の最初の30年間において死因第一位である。すべての外傷のうち、腹部および骨盤の外傷が致死率の約20%に寄与する。加えて、腹部出血からの死は、外傷患者における予防可能な死に一般的な原因である。出血は世界中の母体死亡の1/4の原因である。死は、出産に伴う出血の発生から2時間足らずで起こり得る。腹部出血は、外傷に加えて、いくつかの術後状態においても起こる。残念ながら、早期腹腔内出血は、バイタルサイン(脈拍または血圧)によって検出することはできず、危険な量の血液が腹腔中に入ってはじめて明らかになる。したがって、腹部出血からの死亡は、外傷患者における予防可能な死に一般的な原因である。しかし、腹腔内出血の早期検出は、患者生存においてきわめて重要な役割を演じ得る。
血管外遊出とは、血液、血清、リンパまたは治療薬の、体組織中への望まれない直接的通過または漏出である。徴候および症候は、注射部位に限局化した痛みの突然の発生、注射部位における突然の赤みもしくは極度の蒼白または静脈注射針への血液逆流の損失を含み得る。血管外遊出は、皮膚および組織の壊死ならびに「コンパートメント症候群」(動脈圧迫の漸増および血液供給の減少によって引き起こされる病理学的状態)を招き得る。
組織が老化するにつれ、ステレオタイプな構造的、化学的および機能的変化が起こる。特定の例において、変化は早期に起こって、組織の「早老」または「病理学的老化」を生じさせ得る。
材料および方法
誘導位相シフト計測のための生物物理学的考慮事項
この治験に使用したヒト頭部/コイル幾何学構成の模式図が図1に示されている。装置は非常にシンプルである。装置は、誘導子−センサ構造中の異なる半径の二つの結合されたコイルからなる。コイルは同軸に心合わせされている。脳(頭部)がコイルの間に配置される。交流電流Iejwtが誘導子コイルに注入される。交流電流は一次磁場Bを発生させ、この一次磁場がセンサコイルによって検出される。コイル間に閉じ込められた組織の量が一次磁場の摂動(ΔB)を生じさせる。摂動は、コイル間の量の脳組織の複素インピーダンスの関数である。摂動は、センサコイル中の磁場B+ΔBを一次磁場Bと比較することによって評価される。磁場の変化が脳組成複素インピーダンスのボリューメトリック変化を表す。磁場の変化を検出するためのロバストな方法が、誘導子コイルとセンサコイルとの間の位相シフトを計測する方法である。注入電流周波数の関数として位相シフトを計測すると、「ボリューメトリック電磁位相シフト分光法」(VEPS)データが生成される。位相シフトを計測する簡単な方法が「電圧相対電圧」構成による方法である(Mori, K., Met al. (2002), "Temporal profile of changes in brain tissue extracellular space and extracellular ion (Na+, K+) concentrations after cerebral ischemia and the effects of mild cerebral hypothermia." Journal of neurotrauma 19 (10): 1261-1270;Schwan, H.P. (1957), "Electrical properties of tissue and cell suspensions", Adv. Biol. Med. Phys., 5:147-209)。この構成においては、誘導子コイル中の電圧とセンサコイル中の電圧との間の周波数依存性位相差を使用してVEPSを評価する。
以下、VEPSデータ取得装置を簡潔に説明する。このシステムは、五つのモジュール:デジタルシンセサイザ、トランシーバ、位相検出器、データ取得およびデータ処理からなる。モジュールは図1のブロック図に示されている。デジタルシンセサイザは信号発生器AD9958(Analog Device Inc. Norwood, MA, USA)である。これは、約10mA rmsの正弦波電流Icos(ωt)を1〜200MHzの周波数範囲で供給する。電流は、PC制御下、事前にプログラムされた等間隔の200の周波数で供給される。トランシーバは、10cmの距離で分けられた半径R1=3.2cmおよびR2=11cmの二つの同心コイルからなる。両コイルは、成人頭部のために特別に設計された人間工学的プラスチックハーネスに巻かれた10回転分の磁性ワイヤAWG22から構築されたものである(図2)。ファラデーの法則から計算されるコイルインダクタンスは、誘導子コイルおよびセンサコイルの場合でそれぞれ約67.4および796.4μHである。推定相互インダクタンス係数は約M=72.8μHである。誘導ピックアップを避けるために、コイルのリードはねじれている。位相検出には市販品装置AD8302(Analog Devices Inc. Norwood, MA, USA)を使用した。AD8302は、二つの信号の間の位相の差を10mV/度の分解能で計測するための完全集積RF ICである。誘導子コイルおよびセンサコイルからの信号は、図1に示すように、5X前置増幅器SR445(Standford Research System Inc. Sunnyvale, CA, USA)を経由してデジタルシンセサイザおよび位相検出モジュールに接続される。データ取得(A/D)モジュールは10ビットアナログ・デジタルモジュールマイクロコントローラ18F4550(Microchip Technology Inc., Chandler, Arizona, USA)を使用する。各周波数のVEPSデータは、その周波数での1024回の計測の平均である。センササンプル速度は48kSample/secである。臨床VEPS誘導子・センサプロトタイプの写真および重症管理室(CCU)中でそれを脳損傷患者の頭部に配置した様子が図2に示されている。
包含基準は、金属製の補綴物またはペースメーカを有しない18〜70歳の男女であった。図3は治験の流れ図を示す。この治験は、二つの対象グループ:a)健康なボランティア(46名、18〜48歳)およびb)以下の疾患:神経感染症、脳血管イベントまたは頭蓋脳損傷のいずれか一つの結果としてCCUに収容された脳損傷患者(8名、27〜70歳)から非侵襲的VEPSデータを取得することからなる。脳損傷患者は、疾患の起源に関して二つの典型的臨床状態:a)浮腫-出血を伴わないびまん性または限局性浮腫、およびb)血腫-硬膜外、硬膜下、実質またはくも膜下腔(well)限局性血腫へとさらに分類した。血腫は浮腫を伴うが、簡潔さのために、本発明者らは、主要な血液貯留病理の理由で、脳損傷+血腫の状態を「血腫」と呼ぶことを選択した。VEPS治験の前に、神経放射線科が患者の脳病理をコンピュータ断層撮影(CT)によって評価した。健康なボランティアおよび患者の両方において、本発明者らは、a)一般的な1mm分解能テープを用いる頭蓋脳周囲(CP)およびb)前記プロトタイプを用いる事前にプログラムされた200の周波数(等間隔)での1〜200MHzの範囲のVEPSを計測した。VEPSデータをCPに関して正規化して、VEPS計測に対する固有頭部体積の影響を最小化した。健康なボランティアからのVEPS/CPデータを脳損傷患者からのデータと比較した。脳損傷患者のうち、浮腫と診断された患者と「血腫」と診断された患者との間でVEPS/CPデータを比較した。相対的に小さなサンプル数のため、ノンパラメトリック統計マン・ホイットニーU検定を多周波数VEPS/CPデータ分析に適用した。この統計的分析はプログラムSTATISTICA V7.0(Stat Soft. Inc)を用い、有意レベル基準はp<0.05であった。
ここの報告する治験は、46名の健康なボランティア(18〜48歳)および8名の脳損傷患者(27〜70歳)で実施した。対象関連の個人データおよび対象の頭蓋脳周囲(CP)[cm]の一覧を表1に掲載する。
生物学的組織表示の複素インピーダンスはDCからGHzの周波数範囲で三つの特徴的な分散を示す(Grimnes S., et al. "Bioimpedance and Bioelectricity Basics" (2000). Academic Press USA)。三つの主な誘電分散の誘電率および伝導率がα、βおよびγと標識されている。これらは、それぞれDCからMHzを通過してGHzまで増大する周波数で起こる。α分散は、帯電細胞膜表面を包囲する対イオン雰囲気中の緩和によって引き起こされ、β分散はMaxwell-Wagner緩和(二つの異なる誘電体の間の境界を含む材料中で起こる界面緩和過程)によって引き起こされ、γ分散は組織内の遊離水の緩和によって引き起こされる(Schurer, L., et al. "Is postischaemic water accumulation related to delayed postischaemic hypoperfusion in rat brain?" (1998). Acta Neurochirurgica 94(3-4): 150-154)。
Claims (11)
- 第一の誘導コイルと第二の誘導コイルとの間に組織を配置する工程;
二つ以上の周波数範囲のそれぞれにおいて、一つまたは複数の周波数で交流電流を駆動して該第一の誘導コイルに通す工程;
該二つ以上の周波数範囲のそれぞれにおいて、該一つまたは複数の周波数で該第二の誘導コイル中に発生した該交流電流を計測する工程;
該二つ以上の周波数範囲のそれぞれにおいて、該一つまたは複数の周波数で、該第一の誘導コイルと該第二の誘導コイルとの間の該交流電流の、複数の位相シフトを測定する工程;
該二つ以上の周波数範囲における複数の位相シフトに基づき、VEPS組織シグネチャを得る工程;および
該VEPS組織シグネチャを基準または基準パネルと比較する工程
を含む、VEPS組織シグネチャを得る方法であって、
該二つ以上の周波数範囲は、1MHz〜70MHzである第一の周波数範囲と、100MHz〜500MHzである第二の周波数範囲とを含む、
前記方法。 - 前記第一の周波数範囲が10MHz〜60MHzである、請求項1記載の方法。
- 前記第二の周波数範囲が130MHz〜190MHzである、請求項1記載の方法。
- 第一および第二の誘導コイルが組織と接触しない、請求項1記載の方法。
- 組織が、脳組織、肺組織、心組織、筋組織、皮膚組織、腎組織、角膜組織、肝組織、腹部組織、頭部組織、脚部組織、腕部組織、骨盤組織、胸部組織、前立腺組織、乳房組織、食道組織、消化管組織および体幹組織からなる群から選択される、請求項1記載の方法。
- 互いに向かい合わせに配置された第一の誘導コイルおよび第二の誘導コイル;ならびに
該第二の誘導コイルに操作可能に接続されており、かつ、二つ以上の周波数範囲のそれぞれにおいて、一つまたは複数の周波数で該第一の誘導コイルと該第二の誘導コイルとの間の一つまたは複数の交流電流の位相シフトを計測し、
該二つ以上の周波数範囲における複数の位相シフトに基づき、VEPS組織シグネチャを得、かつ、
該VEPS組織シグネチャを基準または基準パネルと比較する
ように構成されている、計測システム
を備える、VEPS組織シグネチャを得るためのシステムであって、
該二つ以上の周波数範囲は、1MHz〜70MHzである第一の周波数範囲と、100MHz〜500MHzである第二の周波数範囲とを含む、
前記システム。 - 前記第一の周波数範囲が10MHz〜60MHzである、請求項6記載のシステム。
- 前記第二の周波数範囲が130MHz〜190MHzである、請求項6記載のシステム。
- 第一および第二の誘導コイルが組織と接触しない、請求項6記載のシステム。
- 組織が、脳組織、肺組織、心組織、筋組織、皮膚組織、腎組織、角膜組織、肝組織、腹部組織、頭部組織、脚部組織、腕部組織、骨盤組織、胸部組織、前立腺組織、乳房組織、食道組織、消化管組織および体幹組織からなる群から選択される、請求項6記載のシステム。
- 二つ以上の周波数範囲に対応する複数の周波数からVEPS値を計算するように構成されたデータプロセッサモジュールをさらに備える、請求項6記載のシステム。
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