JP6637975B2 - 血液透析アクセスのシミュレーションと最適化のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
関連出願
本出願は、２０１４年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／０７４，６９８号に対する利益を主張する２０１５年１月１３日に出願された米国非仮特許出願第１４／５９５，５０３号の優先権の利益を主張し、その全ての開示内容が参照により本明細書に援用される。
本出願は、２０１４年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／０７４，６９８号に対する利益を主張する２０１５年１月１３日に出願された米国非仮特許出願第１４／５９５，５０３号の優先権の利益を主張し、その全ての開示内容が参照により本明細書に援用される。
開示分野
本開示の様々な実施形態は、概して疾患評価、治療計画及びその関連方法に関する。より具体的には、本開示の特定の実施形態は、血液透析アクセスをシミュレートし、最適化するためのシステム及び方法に関する。
本開示の様々な実施形態は、概して疾患評価、治療計画及びその関連方法に関する。より具体的には、本開示の特定の実施形態は、血液透析アクセスをシミュレートし、最適化するためのシステム及び方法に関する。
血液透析は、外部機器を用いて、血液をろ過し、余分な塩分や有害物質を取り除くプロセスである。例えば、血液を血液透析装置に送り、患者の血液循環に戻すことができる。血液は、バスキュラーアクセスを通って体内に出入りすることができる。例えば、患者の静脈にカニューレを導入して、血液のバスキュラーアクセスを作ることができる。その結果、血液を血液透析装置に送り、カニューレを通して患者の血液循環に戻すことができる。挿管を容易にし、多くの候補部位の有効性を確かなものにするために、より太い静脈を使用し得る。これは、動脈血流を静脈に流すことによって可能になる。２種類のバスキュラーアクセス治療は、動静脈フィステル（ＡＶＦ）（動脈と静脈を直接結合し得る）と動静脈移植片（ＡＶＧ）（合成移植片を動脈と静脈の間に付着し得る）を含む。心拍出量の必要量は、治療前後（例えば、血流のシャント前後）で変化し得る。例えば、動静脈接続によって、静脈内の血圧が上昇したり、血流が増加したりすることができる。静脈は、直径を太くしたり、厚みを増したりして、このシャントに徐々に適応し得る。この適応プロセスには１ヶ月から１年程度かかる可能性がある。一度適応すると、多くの他の候補部位が連続挿管や血液透析に利用できる。
しかし、心臓治療後の心仕事量の変化が、健康リスクを生み出す可能性がある。例えば、動脈から静脈へ血流を流すことで、システム全体の抵抗力が低下し、心拍出量を高めるように血行動態に変化をもたらす場合がある。心拍出量の必要量が増えることで、心臓により多くの負担をかける場合もあるし、鬱血性心不全のリスクを高めることにつながる場合もある。更に、治療で血管形状が変化して、血栓になりやすい可能性がある血管内の部位を変化させることがある。最適なＡＶＧは障害を受けた血行動態の部位を最小限にとどめ、結果として、血栓になりやすい部位を最小限にし得る。
したがって、透析を成功させ、四肢に行き渡るに充分なかん流を維持するだけの血流があり、同時に、血行動態の変化を最小限にして、患者を脅かす程に心臓への負荷が高まらないようにすることが望まれる。更に、バスキュラーアクセス移植部位または／もしくはバスキュラーアクセス移植型を最適化することで治療計画を改善することが望まれる。本開示はバスキュラーアクセス手順で生じ得る血行動態の変化を予知することで治療計画を改善することを目的としている。
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明は、例示的で説明的なものに過ぎず、本開示を制限するものではない。
本開示のある態様によれば、システム及び方法は血液透析アクセスをシミュレートし、最適化するために開示される。
一方法は、患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信し、解剖学的モデル部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出し、解剖学的モデル部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートし、バスキュラーアクセスを有する解剖学的モデル部分の治療後形状の治療後血行動態特性を算出し、治療前血行動態特性または治療後血行動態特性の表示を生成することを含む。
別の実施形態に従って、血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するシステム（血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する命令を蓄積するデータ記憶装置）、及び、患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信し、解剖学的モデル部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出し、解剖学的モデル部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートし、バスキュラーアクセスを有する解剖学的モデル部分の治療後形状の治療後血行動態特性を算出し、または治療前血行動態特性または治療後血行動態特性の表示を生成するように設定されたプロセッサー。
別の実施形態に従って、血液透析アクセスをシミュレートし、最適化する方法を実行するコンピューター実行可能なプログラミング命令を含むコンピューターシステム上で利用する非一時的コンピューター可読媒体であって、該方法は、患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信し、解剖学的モデル部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出し、解剖学的モデル部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートし、バスキュラーアクセスを有する解剖学的モデル部分の治療後形状の治療後血行動態特性を算出し、及び治療前血行動態特性または治療後血行動態特性の表示を生成することを含む、非一時的コンピューター可読媒体。
開示された実施形態の追加目的と利点は、部分的には後述の記述に記載され、部分的には記述から明白であり、または、開示された実施形態を実践することで得られる。開示された実施形態の目的と利点は、添付の請求項で特に指摘された要素及び組み合わせにより実現され得られる。
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明は、両方とも例示的で説明的なものに過ぎず、クレームされた開示された実施形態を制限するものではないことが理解される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するコンピューター実装される方法であって、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む、前記コンピューター実装される方法。
（項目２）
前記血行動態特性が血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目３）
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記計画された治療の前記形状に基づいた前記治療後形態を作成する前記解剖学的モデルを変更することと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目４）
前記計画された治療が移植片を含む、項目３に記載のコンピューター実装される方法。
（項目５）
前記解剖学的モデルの前記部分として１つまたはそれ以上の候補位置を受信または測定することを更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目６）
前記バスキュラーアクセスを最適化するコスト関数を定義することと、
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くことと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目７）
前記血液透析アクセスの外科手術の１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を受信することと、
前記治療後形状のシミュレーションの制約として前記１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出することと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目８）
前記治療後血行動態特性に基づいた前記バスキュラーアクセスの治療または治療部位を選択することを更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目９）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するシステムであって、
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する命令を蓄積するデータ記憶装置と、
前記命令を実行するように設定されたプロセッサーであって、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む方法を実施する前記命令を実行するように設定された前記プロセッサーと、を含む、前記システム。
（項目１０）
前記血行動態特性が、血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記システムが、
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定するように、及び
前記計画された治療の前記形状に基づいて前記治療後形状を作り出す前記解剖学的モデルを変更するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１２）
前記計画された治療が移植片を含む、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
前記システムが、前記解剖学的モデルの部分として１つまたはそれ以上の候補位置を受信する、または測定するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１４）
前記システムが、
前記バスキュラーアクセスを最適化するコスト関数を定義するように、及び
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１５）
前記システムが、
前記血液透析アクセスの１つまたはそれ以上の実行不可能な外科的形状を受信するように、及び
前記治療後形状のシミュレーションの制約として、前記１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１６）
前記システムが、前記治療後血行動態特性に基づいて前記バスキュラーアクセスの治療または治療部位を選択するように更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１７）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する方法を実施するコンピューター上で実施可能なプログラミング命令を含むコンピューターステム上で利用する非一時的コンピューター可読媒体であって、
前記方法が、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む、前記非一時的コンピューター可読媒体。
（項目１８）
前記血行動態特性が血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
（項目１９）
前記方法が、
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記計画された治療の前記形状に基づいて前記治療後形状を作り出す前記解剖学的モデルを変更することと、を更に含む、項目１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
（項目２０）
前記計画された治療が移植片を含む、項目１９に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するコンピューター実装される方法であって、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む、前記コンピューター実装される方法。
（項目２）
前記血行動態特性が血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目３）
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記計画された治療の前記形状に基づいた前記治療後形態を作成する前記解剖学的モデルを変更することと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目４）
前記計画された治療が移植片を含む、項目３に記載のコンピューター実装される方法。
（項目５）
前記解剖学的モデルの前記部分として１つまたはそれ以上の候補位置を受信または測定することを更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目６）
前記バスキュラーアクセスを最適化するコスト関数を定義することと、
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くことと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目７）
前記血液透析アクセスの外科手術の１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を受信することと、
前記治療後形状のシミュレーションの制約として前記１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出することと、を更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目８）
前記治療後血行動態特性に基づいた前記バスキュラーアクセスの治療または治療部位を選択することを更に含む、項目１に記載のコンピューター実装される方法。
（項目９）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するシステムであって、
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する命令を蓄積するデータ記憶装置と、
前記命令を実行するように設定されたプロセッサーであって、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む方法を実施する前記命令を実行するように設定された前記プロセッサーと、を含む、前記システム。
（項目１０）
前記血行動態特性が、血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記システムが、
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定するように、及び
前記計画された治療の前記形状に基づいて前記治療後形状を作り出す前記解剖学的モデルを変更するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１２）
前記計画された治療が移植片を含む、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
前記システムが、前記解剖学的モデルの部分として１つまたはそれ以上の候補位置を受信する、または測定するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１４）
前記システムが、
前記バスキュラーアクセスを最適化するコスト関数を定義するように、及び
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１５）
前記システムが、
前記血液透析アクセスの１つまたはそれ以上の実行不可能な外科的形状を受信するように、及び
前記治療後形状のシミュレーションの制約として、前記１つまたはそれ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出するように、更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１６）
前記システムが、前記治療後血行動態特性に基づいて前記バスキュラーアクセスの治療または治療部位を選択するように更に設定された、項目９に記載のシステム。
（項目１７）
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する方法を実施するコンピューター上で実施可能なプログラミング命令を含むコンピューターステム上で利用する非一時的コンピューター可読媒体であって、
前記方法が、
患者の血管系の患者固有の解剖学的モデルを受信することと、
前記解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
前記解剖学的モデルの前記部分のバスキュラーアクセスの治療後形状をシミュレートすることと、
前記バスキュラーアクセスを有する前記解剖学的モデルの前記部分の前記治療後形状の治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療前血行動態特性または前記治療後血行動態特性の表示を生成することと、を含む、前記非一時的コンピューター可読媒体。
（項目１８）
前記血行動態特性が血圧、血流速度または心拍出量を含む、項目１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
（項目１９）
前記方法が、
前記バスキュラーアクセスを画定する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記計画された治療の前記形状に基づいて前記治療後形状を作り出す前記解剖学的モデルを変更することと、を更に含む、項目１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
（項目２０）
前記計画された治療が移植片を含む、項目１９に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図は、様々な例示的な実施形態を説明し、説明とともに、開示された実施形態の原則を説明する役割を果たす。
ここから、本開示の例示的な実施形態を詳細に参照し、その実施例は添付図で示す。可能な限り、同一または類似部分を参照する際には、図を通して、同一の参照番号を使用する。
ＡＶＧ（複数可）またはＡＶＦ（複数可）を通して動脈から静脈に血流を流すことで、全身の血管抵抗を弱め、結果として、心拍出量を増加させることができる。心拍出量の需要が高まることで、結果として、心臓により大きな負担がかかり、鬱血性心不全のリスクを高めることにつながる可能性がある。そこで、バスキュラーアクセスの目的には、四肢まで充分なかん流を維持し、また心臓への負荷が危険なレベルにまで達しないことを保証しつつ、静脈への血流を増やすことも含み得る。更に、最適なＡＶＧは障害のある血液状態にある部位を最小限にしつつ、同時に血栓症になりがちな部位を最小限にすることができる。
本開示は血流を改善しつつ患者に危険をもたらさないバスキュラーアクセスをよりよく供給するために血液透析アクセスをシミュレートし、最適化するシステム及び方法を含む。例えば、シミュレーションと最適化には、移植形状やフィステル形状に加え、バスキュラーアクセスを行う様々な場所（複数可）の評価や比較も含む。各「治療」は、一箇所、複数個所でのバスキュラーアクセスや、単一の移植片またはフィステル、複数の移植片またはフィステルまたはそれらの組み合わせを含むことができる。一つの実施形態は、例えば、異なる治療に対し、治療前後の血流をシミュレートして比較することで、様々な治療を評価することを含むことができる。
一つの実施形態は、更に、血液透析アクセスに対して最適化を実施することを含むことができる。例えば、最適化は、最適な血液特性（例えば、血流）を判断するコスト関数の定義を含み得る。コスト関数は、異なる治療に対する血流のシミュレーションから治療前後の計算も組み入れることができる。ある場合には、最適な血管透析アクセス治療を選択または見つけることは、コスト関数を最小限に抑えるために、あらゆる可能性のある血管移植片（移植タイプ及び／または患者の血管系の移植部位）で、最適化を実施することも含むことができる。別の場合には、最適化は、コスト関数を最小限に抑えるために、利用可能なバスキュラーアクセス移植片のサブセットに対して実施することができる。
例えば、ＡＶＧまたはＡＶＦによる心臓への負荷の増加が、例えば、三次元ナビエ・ストークス方程式を解くこと、低次元モデルまたは機械学習法を利用することにより、原形状で透析前の血流シミュレーションを行うことによりモデル化し得る。血圧と流量を関連付ける抵抗境界条件（複数可）は、モデル境界で提供される場合もある。大動脈の入口表面では、心血流と圧力は、心室エラスタンスの関数を用いて体循環に結び付けられ得る。圧力は、心室容量に基づくことができ、エラスタンスの関数を用いて流量に関連し得るので、心室エラスタンスの関数は、心血流、圧力及び体循環の関係性を反映することができる。
治療後の血行動態は、ＡＶＧまたはＡＶＦを決定する幾何学変数に基づく手順を反映する修正幾何学を用いて、同一方程式を解くことで算出することができる。結果として生じる大動脈血圧と流量は、左心室ＰＶループと同様に、治療後の心臓負担の変化を推定するのに利用されることができる。治療後の心臓への負荷またはその他の対象となる血行動態量は利用者（例えば、内科医）に報告することができる。
対象となる血行動態量は、血量、例えば、患者の血管系や患者の血管系の一部を通る血量や血流速度などを含むことができる。対象となる量になり得る他の血行動態特性は、せん断応力及び／またはＡＶＧを通る粒子滞留時間を含むことができる。せん断応力と特定のＡＶＧを通る粒子滞留時間を観測して、充分な量の血流を提供して透析を成功させ、その一方で、ＡＶＧが透析に使用されていない時にＡＶＧ内での血栓のリスクを減らすことができる。更に、血行動態特性の別の実施例は、末梢かん流圧力やフィステルの後の動脈の血流を含むことができる。例えば、ＡＶＦの後の血管の位置の末梢かん流及び血流の評価は、移植片が、四肢から血液を「盗んで」しまい、虚血／兆候または指の壊疽を引き起こすかどうかを識別するのに役立つことができる。
このような方法は、治療計画や、バスキュラーアクセス治療の結果である血行動態の変化を予測するのに役立つことができる。
図を参照すると、図１には、例示的な実施形態によって血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する例示的なシステム１００とネットワークのブロック図が描かれている。特に、図１には複数の内科医１０２と第三者提供者１０４が描かれ、その誰もが、１つまたはそれ以上のコンピューター、サーバー、及び／または手持ち式の携帯装置を通じて、インターネットのような電子ネットワーク１０１に接続することができる。内科医１０２及び／または第三者提供者１０４は、１人またはそれ以上の患者の解剖学的構造の画像を作り出すか、その他の方法で入手することができる。内科医１０２及び／または第三者提供者１０４はまた、年齢、病歴、血圧、血流粘度、患者の活動または運動レベルなどの患者固有の情報をいかなる組み合わせでも入手することができる。内科医１０２及び／または第三者提供者１０４は、解剖学的構造の画像及び／または患者固有の情報を、電子ネットワーク１０１を通して、サーバーシステム１０６に送信することができる。サーバーシステム１０６は、内科医１０２及び／または第三者提供者１０４から受信した画像及びデータを蓄積する記憶装置を含むことができる。サーバーシステム１０６は、また、記憶装置に蓄積されている画像及びデータを処理する処理装置を含むことができる。本開示では、「患者」は、対象となるいかなる個人をも指すことができる。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、血液透析アクセスをシミュレートし、血液透析アクセスを最適化する一般的な実施形態のフローチャートを描いている。図３Ａは、血液透析アクセスをシミュレートする特定の実施形態のフローチャートを描いている。図３Ｂは、血液透析アクセスを最適化する特定の実施形態のフローチャートを描いている。
図２Ａは、例示的な実施形態によって、血液透析アクセスをシミュレートする例示的な方法２００のブロック図である。図２Ａの方法は、電子ネットワーク１０１を通して、内科医１０２及び／または第三者提供者１０４から受信した情報、画像及びデータに基づいたサーバーシステム１０６が実施することができる。
一つの実施形態では、ステップ２０１は対象となるシステム（例えば、個人の解剖学的構造）のデジタル画像を獲得及び（例えば、対象となるシステムの機能を表現するなど）計算モデルを再構築することを含むことができる。例えば、デジタル表現は、吻合またはシャント可能な動脈と静脈、ならびに対象となるシステムの動脈と静脈を含む動静脈系から分岐する血管を含み得る。一つの実施形態では、血管は大動脈に由来し得る。動脈の三次元モデルは、例えば、モデルを通るセンターラインを算出したり、センターラインにわたって動脈と静脈を分割したりすることで、再構築され得る。
一つの実施形態では、ステップ２０１は更に吻合の候補パラメーター（例えば、吻合の位置など）の獲得を含み得る。ステップ２０１はまた実行不可能な手術またはある種の手術形態を実行不可能にし得る外来的制限を得ることを含み得る。
一つの実施形態では、ステップ２０３は治療前ＡＶシステム形状の血行動態の算出を含み得る。再構築された形状の血液特性は、ナビエ・ストークス方程式を解くことで算出できる。例えば、算出は、（例えば、ステップ２０１からの）再構築された形状上の有限要素メッシュの作成を含む場合があり、出口表面で血圧と血流を関連付ける適度な境界条件を記述する。境界条件は局所組織かん流需要に基づいて計算され得る。微細血管の容量を含む、他の境界条件も提供され得る。大動脈の入口では、左心室の時間変動するエラスタンスの関数が入力として与えられ得る。あるいは、血圧または速度は入口表面の入力として与えられ得る。
代替方法として、または加えて、ステップ２０３は血行動態や対象となる関連する量の値を求める低次元モデルを用いることを含み得る。低次元モデルは、ポアズイユの法則を非線形狭窄症圧力損失モデルと、ならびに血液の運動エネルギーを説明するためにベルヌーイ方程式と、組み合わせることを含み得る。その代替方法として、またはそれに加えて、ステップ２０３は１次元波動方程式を解くことを含み得る。
代替方法として、または加えて、ステップ２０３は（例えば、２０１３年５月１６日に出願された米国非仮特許出願第１３／８９５，８９３号に記載され、該特許の全開示が参照により援用される）血行動態の値を求める機械学習アプローチを用いることを含み得る。血行動態に作用する計算モデルの特徴も計算され得る。一部の例では、三次元シミュレーションのデータベースを用いて計算されたリグレッサーは、（例えば、本出願に記載されているように）対象となる血行動態量に流入量を位置づけるために用いられ得る。
一つの実施形態では、ステップ２０５は治療後の解剖学形状の血行動態をシミュレートしたり算出したりすることを含み得る。治療後の患者の形状は、計画された治療形状を模倣するように候補吻合部位でセグメンテーションを変更して作り出されることができる。ステップ２０３に記された広義に分類される３つの方法のいずれも、治療後の対象となる血行動態量の算出に用いることができる。
一つの実施形態では、ステップ２０７はシミュレーションの結果を出力することを含み得る。例えば、治療前と治療後の血行動態の差異を利用者（例えば、内科医）に示すまたは報告することができる。一つの実施形態では、ステップ２０７は、更に、画像、図形及び／または双方向の特徴を含む比較のためにレンダリングすることを含み得る。
図２Ｂは、例示的な実施形態により、血液透析アクセスを最適化する例示的な方法２２０のブロック図である。図２Ｂの方法は、電子ネットワーク１０１を通して内科医１０２及び／または第三者提供者１０４から受信した情報、画像、及びデータに基づいてサーバーシステム１０６によって実施できる。
シミュレーションを行うことで、１つまたはそれ以上の位置で、１つもしくはそれ以上のＡＶＧ及び／またはＡＶＦを含む、最適な治療形状を算出する実行可能な代替案を提供できる。最適なパラメーターは、コスト関数を最小化して算出できる。一つの実施形態では、ステップ２２１は、血液透析アクセスを最適化するコスト関数の定義、受信または特定を含み得る。例えば、一般的なコスト関数は下記のように定義され得る。
Coutput(Pre,Post)は、心臓の心拍出量の関数、Cflowは、シャント位置より末梢の静脈血流及び動脈血流の関数とすることができ、Chemoはシャント位置付近の血栓形成リスクの関数とすることができ、及び、Cotherは、血行動態に拠り得るいかなる他の問題固有コスト関数の関数とすることができる。より詳しくは、コスト関数は下記のように定義され得る。
α１、α２、α３、及びα４は、異なるコスト関数の重みを含み得る。α１、α２、α３、及びα４は、異なるユニットを有し得、利用者は患者の病歴（例えば、過去に冠動脈バイパス移植手術を受けた患者に対しては、α２、α３及びβiをゼロにして、第１項のみを最適化に利用することができる）に基づいて値を選択することができる。第１項のＥは心拍出量（Ｅpost−Ｅpre）間の違いを含むことができ、下記のように定義され得る。
ＰとＶは左心室の圧力と容量として定義し得る。第２項Ｑdialyzerは最大化を目的とした透析装置を通る血流を含むことができる。第３項（Ｈpost−Ｈpre）のＨは障害を受けた血行動態を定量化する項を含むことができる。例えば、Ｈは下記に定義される低壁せん断応力領域になり得る。
τは、局部の壁せん断応力になり得、
は臨界カットオフとなり得、臨界カットオフよりも低い場合、表面は障害を受けているとみなされる。
更に、移植片の血栓症はＡＶＧの失敗を引き起こし得る。一つの実施形態では、コスト関数は、例えば血液レオロジーまたは凝固のモデリングをすることで、血栓症の傾向を示す言葉（例えば、「Ｔ」）を含み得る。血行動態や血液粘性に基づいた様々な凝固モデルＴを使用することで、例えば、血液組成、血小板の活性化や抑制に影響を与える要因、凝固カスケードの活性化や抑制に影響を与える要因（例えば、多層カスケード内のいかなる点においても）、抗凝血剤の存在または使用と抗凝血剤の不存在または不使用の対比、血液粘性（透析患者は貧血になり得るので）など、血管内凝固を促進または抑制する１つまたはそれ以上の血液特性を説明し得る。血小板の活性化または抑制に影響を与える要因は、例えば、血小板凝集阻害の開始を含み得る。凝固モデルは、更に、例えば、抗凝固剤を使用している患者の血流のモデリングにおいて、せん断率及び／または化学経路を説明し得る。
一つの実施形態では、Ｔは血行動態から算出される血流速度場を使って粒子を運ぶことによって計算され得る。例えば、粒子は、血小板活性化関数に基づいて決定されることができるが、代わりに、（例えば、変形テンソルを用いて）速度勾配に基づいて決定されることができる。例えば、活性化閾値が交差する時、活性血小板は特定されることができる。Ｔを算出するということは、経時的に活性血小板の進化と活動を解明することを含み得る。別の例示的な血小板活性化モデルは、せん断圧力に基づいたべき法則モデルを含む場合があり、粒子を運ぶということは、問題形状の入口にあるシミュレートした血液細胞を放出すること及びシミュレートした血液細胞の経路を、経時的にたどる血流速度域に基づいて細胞を増殖させることを含み得る。このようなべき法則を用いて、血液細胞の滞留時間を算出することで、血栓を作り出す血液細胞の傾向を定量化することができる。例えば、滞留時間が長いほど、血栓形成の傾向は高くなる。患者の血液粘性は速度域に影響を与える可能性があり、その結果、滞留時間にも影響を与える。
コスト関数に付け加えられ得る、対象となる血行動態量をコード化する他のいかなる項でも、項
で表すことができる。項の非線形の組み合わせも使うことができる。
最適な治療を見つけるために、ステップ２２３の一実施形態はコスト関数Ｃを最小化するパラメーターを探すための最適化法を選択して特定することを含み得る。（ｉ）派生物のない最適化技術（例えば、パターン探索、ネルダーミードアルゴリズムなど）、（ｉｉ）勾配に基づいた擬似ニュートンアルゴリズム（例えば、ＢＦＧＳ）または（ｉｉｉ）グローバル最適化法（例えば、進化的探索アルゴリズム）を含むいずれかの最適化法を利用して最適条件を見つけることができる。非常に高い値まで（例えば、１０^１０）制約領域内のパラメーターを位置づけることで、制約を組み込むことができる。ステップ２２５は最適化法の実施を含み得、ステップ２２７は異なる最適条件を求めるため、最適化法の結果を出力すること及び／またはコスト関数のアップデートや変更を含み得る。
図３Ａは、上腕動脈と肘正中静脈の間にあるＡＶＧの予測モデリングとシミュレーションを行う例示的な方法３００のブロック図で、血液透析アクセスをシミュレートする一つの例示的な実施形態である。図３Ｂは、例示的な実施形態により、ＡＶＧを最適化する例示的な方法３２０のブロック図である。図３Ａと図３Ｂの方法は、電子ネットワーク１０１を通して内科医１０２及び／または第三者提供者１０４から受信する情報、画像及びデータに基づいて、サーバーシステム１０６で実行することができる。例示的な方法３００及び３２０は、いかなる他の動脈及び静脈の間にあるＡＶＧにも応用できる。更に、例示的な方法３００及び３２０は、例えば半径などの移植固有パラメーターを最適化パラメーターセットから取り除くことができるＡＶＦに拡張することができる。
一つの実施形態では、ステップ３０１はシステム（例えば、対象となる患者の血管系または解剖学的構造）のデジタル画像の獲得及びシステムの血行動態特性を表す計算モデルの再構築を含み得る。例えば、システム及び計算モデルは患者の大動脈、上腕動脈、肘正中静脈及び（可能であれば）例えば頭部動脈、鎖骨下動脈及び橈骨動脈などの他の動脈の一部を含むことができる。上腕動脈及び肘正中静脈、大動脈の一部及び他の目に見える動脈及び静脈の三次元モデルは、自動アルゴリズム及び手動編集の組み合わせを用いて再構築することができる。
ステップ３０１は更に利用可能な移植片の半径を受信または測定することを含むこともできる。動脈及び静脈の吻合の候補部位またはパラメーターは、測定または入力として受信することもできるし、実行不可能な外科的形状は制約として利用できる。
一つの実施形態で、ステップ３０３はＡＶＧ移植前のモデルの血行動態の算出を含み得る。（例えば、ステップ３０１からの）再構築された形状での血流シミュレーションは、計算モデルの有限要素メッシュを構築して実行されることができる。血圧及び血流速度は、例えばナビエ・ストークス方程式を解くことで、有限要素メッシュの頂点で算出することができる。モデルへの入口では、大動脈入口流及び血圧は、心室エラスタンスの関数で引き起こされた低次元心臓モデルに結び付けられることができる。出口では、血圧と血流率を関連付ける抵抗境界条件が規定され得る。人口で平均化した公称圧力と公称血流率の比を決定することで、異なる動脈に対して、これらの値を得ることができる。例えば、橈骨動脈の圧力及び血流率は、それぞれ約１５０ｍｍ Ｈｇ及び約６００ｍｌ／分であり得る。対象となる血行動態量は、ナビエ・ストークス方程式を用いて、血圧及び血流速度から算出できる。
一つの実施形態では、ステップ３０５は仮想ＡＶＧのモデリングを含み得る。例えば、ステップ３０５は候補部位（例えば、ステップ３０１で提供される部位）に移植片を挿入することで、ＡＶＧの仮想モデルを構築することを含み得る。橈骨の円筒形容器（例えば、ステップ３０１から）を作り出したり、ステップ３０１から構築される計算幾何学上で円筒形容器及び一連のブール演算を用いて吻合を作り出すことで実行されることができる。もしくは、患者固有の形状の陰的表現が可能であれば、円筒形移植片の陰的モデルが、移植片の挿入に関係する形状変化をモデルするのに利用され得る。一つの実施形態では、この手順は、一度は上腕動脈で、もう一度は肘正中静脈で、２度実行されることもある。新形状の有限要素メッシュが構築されることもある。
一つの実施形態では、ステップ３０７はＡＶＧ移植後の対象となる血行動態量の算出を含み得る。一つの実施形態では、ステップ３０９は対象となるＡＶＧ前の血行動態量と対象となるモデル化されたＡＶＧ後の血行動態量の比較の報告を含み得る。例えば、ステップ３０９は、ステップ３０１で入力として提供された１つまたはそれ以上の候補ＡＶＧパラメーターの比較の報告を含み得る。
図３Ｂに関しては、図３Ｂで示される方法３２０はＡＶＧの半径と位置を最適化することを含み得る。一つの実施形態では、方法３２０のステップ３２１は、ＡＶＧ移植を最適化するコスト関数を定義することを含み得る。コスト関数は、ＡＶＧ最適化に貢献するパラメーターを含み得る。例えば、一つのパラメーターは移植片の半径を含み得る。移植片の半径はＡＶＧのシャント抵抗に影響を与えることもある。移植片の半径が大きければ大きいほど、ＡＶＧを通るシャント血流の量も多くなり得る。血管移植片の湾曲と同様に、長さもまたパラメーターとして扱われ得る。移植片は、前腕を下に行き、１８０度回転して、肘前部に戻ってくることがあるので、移植片の湾曲は重要であり得る。更に、ＡＶＧの角度も局所血行動態に影響し得、例えば、血液の鬱血や再循環などの逆の血行動態になり得る。吻合位置は、処置結果に影響を与える別のパラメーターになり得る。移植片は、例えば動脈及び静脈の吻合位置によって、様々な異なる経路を取ることもできる。モデルの望ましい拍出量は、吻合に最適な部位の選択を含み得る。例示的なコスト関数は以下のように定義され得る。
上記方程式の第１項、第２項及び最終項は一般的な実施形態で定義される（及びそれらの公称値で正規化される）方程式と同じであり得る。ＡＶＧ固有項（例えば、Ｑｄｉｓｔａｌ）が加えられることで、確実に、血流のほとんどが分流されることなく、充分な血液が四肢に行き渡るようにすることもできる。このことで、患者が、外科手術直後に四肢の感覚を失う、または四肢の循環不全になる状態を防ぐ手助けをすることもできる。とりわけ、Ｑｄｉｓｔａｌは動脈吻合部位から遠い血流であり得る。
一つの実施形態では、ステップ３２３は停止基準の受信、作成または特定を含む場合がある。一つの実施形態では、ステップ３２５は派生物のないネルダーミード最適化法を用いて、コスト関数を最小化し得るパラメーターを算出することを含むことができる。一組みのランダム・イニシャル・パラメーターが選択され得る。続いて、ネルダーミードアルゴリズムの各ステップで、新しいパラメーターは、既存ポイントを用いる複数の単体を構成してから、反射、縮小、収縮または縮小から演算を選択することで特定され得る。一つの実施形態では、ステップ３２７は、ステップ３２５で算出されたパラメーターが停止基準に合うかどうかを決定し、停止基準に到達するまで、継続してステップ３２５を実施することを含み得る。一つの実施形態では、ステップ３２９は、停止基準が満たされた際に算出されたパラメーターを最適治療パラメーターとして、例えば、電子記憶媒体及び／または利用者インターフェイスに出力することを含み得る。
血液透析は、透析アクセスで生ずる心臓血管リスクを含む、一連のリスクを示すことがある。様々なアクセス治療が血管形状を変えることがあり、これは血行動態を変え、血栓または危険水準の心臓への負担を引き起こす。血行動態の変化で、患者が危険に陥ることがないことを保障しつつ、透析を成功させるに足る充分な血流を保障することが望まれる。本開示は、このように、バスキュラーアクセス治療の結果生じ得る血行動態の変化を予測することで、治療計画を改善するシステム及び方法を提供する。該システム及び方法は、アクセス治療をシミュレートし、患者に最適な治療を施すためにシミュレーションの結果を比較することを含む。
本発明の他の実施形態は、本明細書の考慮及び本明細書に開示される本発明の実践から当業者に明らかになる。本明細書及び実施例が単なる例示とみなされ、本発明の真の範囲及び趣旨が以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
Claims (20)
- 血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するコンピューター実装される方法であって、前記方法が、
患者の血管系の患者固有の三次元解剖学的モデルを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
バスキュラーアクセス治療オプションを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの前記形状を修正することにより、前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションについて、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの治療後形状を定義する修正された三次元解剖学的モデルを生成することであって、前記治療後形状が、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記治療前形状とは異なる、ことと、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの前記治療後形状を定義する前記修正された三次元解剖学的モデルの血行動態特性の計算モデルを決定することと、
前記修正された三次元解剖学的モデルに関係する前記計算モデルを用いて治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療後血行動態特性の表示を生成することと
を含む、コンピューター実装される方法。 - 前記血行動態特性が、血圧、血流速度または心拍出量を含む、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。
- 前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションを定義する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記治療後形状が前記計画された治療の前記形状に基づくように前記受信された三次元解剖学的モデルを修正することと
を更に含む、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。 - 前記計画された治療が、移植片を含む、請求項３に記載のコンピューター実装される方法。
- 前記受信された三次元解剖学的モデルの１つ以上の候補位置を受信または測定することを更に含み、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分が、前記１つ以上の候補位置の１つから選択される、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。
- 前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションを最適化するコスト関数を定義することと、
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くことと
を更に含む、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。 - 前記血液透析アクセスの１つ以上の実行不可能な外科的形状を受信することと、
前記治療後形状のシミュレーションの制約として前記１つ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出することと
を更に含む、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。 - 前記治療後血行動態特性に基づいて前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの治療または治療部位を選択することを更に含む、請求項１に記載のコンピューター実装される方法。
- 血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化するシステムであって、前記システムが、
血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する命令を記憶するデータ記憶装置と、
前記命令を実行することにより方法を実行するように設定されたプロセッサーと
を含み、
前記方法が、
患者の血管系の患者固有の三次元解剖学的モデルを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
バスキュラーアクセス治療オプションを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの前記形状を修正することにより、前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションについて、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの治療後形状を定義する修正された三次元解剖学的モデルを生成することであって、前記治療後形状が、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記治療前形状とは異なる、ことと、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの前記治療後形状を定義する前記修正された三次元解剖学的モデルの血行動態特性の計算モデルを決定することと、
前記修正された三次元解剖学的モデルに関係する前記計算モデルを用いて治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療後血行動態特性の表示を生成することと
を含む、システム。 - 前記血行動態特性が、血圧、血流速度または心拍出量を含む、請求項９に記載のシステム。
- 前記システムが、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションを定義する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記治療後形状が前記計画された治療の前記形状に基づくように前記受信された三次元解剖学的モデルを修正することと
を実行するように更に設定されている、請求項９に記載のシステム。 - 前記計画された治療が、移植片を含む、請求項１１に記載のシステム。
- 前記システムが、前記受信された三次元解剖学的モデルの１つ以上の候補位置を受信または測定するように更に設定されており、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分が、前記１つ以上の候補位置の１つから選択される、請求項９に記載のシステム。
- 前記システムが、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションを最適化するコスト関数を定義することと、
前記治療前血行動態特性及び前記治療後血行動態特性を用いて前記コスト関数を解くことと
を実行するように更に設定されている、請求項９に記載のシステム。 - 前記システムが、
前記血液透析アクセスの１つ以上の実行不可能な外科的形状を受信することと、
前記治療後形状のシミュレーションの制約として前記１つ以上の実行不可能な形状を用いて前記治療後血行動態特性を算出することと
を実行するように更に設定されている、請求項９に記載のシステム。 - 前記システムが、前記治療後血行動態特性に基づいて前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの治療または治療部位を選択するように更に設定されている、請求項９に記載のシステム。
- 血液透析アクセスをシミュレートまたは最適化する方法を実施するコンピューター上で実施可能なプログラミング命令を含むコンピューターシステム上で使用する非一時的コンピューター可読媒体であって、
前記方法が、
患者の血管系の患者固有の三次元解剖学的モデルを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの部分の治療前形状の治療前血行動態特性を算出することと、
バスキュラーアクセス治療オプションを受信することと、
前記受信された三次元解剖学的モデルの前記形状を修正することにより、前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションについて、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの治療後形状を定義する修正された三次元解剖学的モデルを生成することであって、前記治療後形状が、前記受信された三次元解剖学的モデルの前記部分の前記治療前形状とは異なる、ことと、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションの前記治療後形状を定義する前記修正された三次元解剖学的モデルの血行動態特性の計算モデルを決定することと、
前記修正された三次元解剖学的モデルに関係する前記計算モデルを用いて治療後血行動態特性を算出することと、
前記治療後血行動態特性の表示を生成することと
を含む、非一時的コンピューター可読媒体。 - 前記血行動態特性が、血圧、血流速度または心拍出量を含む、請求項１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
- 前記方法が、
前記受信されたバスキュラーアクセス治療オプションを定義する計画された治療の形状を受信または決定することと、
前記治療後形状が前記計画された治療の前記形状に基づくように前記受信された三次元解剖学的モデルを修正することと
を更に含む、請求項１７に記載の非一時的コンピューター可読媒体。 - 前記計画された治療が、移植片を含む、請求項１９に記載の非一時的コンピューター可読媒体。
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