JP6742970B2 - 肺換気の局所的特性を検出および視覚化するために、電気インピーダンストモグラフィ装置のデータを処理および視覚化する装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体の肺換気の局所的特性を検出および視覚化するために、電気インピーダンストモグラフィ装置のデータを処理および視覚化する装置に関する。

本発明による装置によれば、換気時の肺の伸展性に関して比較量とは異なる特性を有する肺区域の表示の特別な形態が実現される。

特性が対応づけられる肺区域として挙げられるのは、一方では個々の肺区域または肺胞（alveolus胞状部）に過膨張が生じている区域であり、他方では肺胞が潰れており、つまり個々の肺区域または肺胞（alveolus胞状部）に虚脱が生じている肺区域である。

電気インピーダンストモグラフィ装置は従来技術によって知られており、電気インピーダンス測定により得られた信号およびそれらの信号から取得されたデータならびにデータ流に基づき、１つの画像、複数の画像、または連続的な画像シーケンスを生成するように構成され、そのために設けられている。それらの画像または画像シーケンスによって、骨、皮膚、体液および器官特に肺といった種々の体部組織の導電率の差が示され、これは患者の状態を観測するのに役立つものである。

たとえば米国特許第６，２３６，８８６号明細書（US 6,236,886）には、複数の電極が配置され、少なくとも２つの電極において電流が給電され、それ以外の電極において信号が検出される電気インピーダンストモグラフィ装置について記載されており、さらに骨、皮膚および血管など体部の導電率の分布を特定するための画像再構成アルゴリズムを用いた方法が示されており、この場合、基本構成として、信号検出コンポーネント（電極）、信号処理コンポーネント（増幅器、Ａ／Ｄ変換器）、給電コンポーネント（発生器、電圧／電流変換器、電流制限器）、および制御コンポーネントが設けられている。

米国特許出願公開第５，８０７，２５１号明細書（US 5,807,251）に記載されているように、ＥＩＴの臨床用途において、複数の電極から成るセットを電極リングとして用意することが知られている。それらの電極のセットは、たとえば患者の胸郭周囲などに互いに所定の間隔で皮膚と電気的に接触させて配置される。電流入力信号または電圧入力信号が、互いに隣り合って配置された電極から成る可能な電極ペアのうち、複数の異なる電極ペアの間に、またはすべての電極ペアの間に、それぞれ交替しながら加えられる。互いに隣り合って配置された電極のペアのうち１つのペアに入力信号が加えられる間に、残りの電極の互いに隣り合うペア各々の間で、電流または電圧が測定され、得られた測定データが処理されて、電極リングが周囲に配置された患者横断面全体にわたる固有の電気抵抗の分布が描出され、画面に表示される。

電気インピーダンストモグラフィ（ＥＩＴ）は、放射線による他の画像生成方法（レントゲン装置、放射線によるコンピュータトモグラフィ）とは異なり、患者に有害な放射線負荷が発生しない、という利点を有する。また、ソノグラフィ方法とは異なりＥＩＴによれば、電極ベルトを用いることで患者の胸部全体および肺の代表的な横断面にわたって、連続的な画像捕捉を行うことができる。

良好に換気されている肺組織のインピーダンスと、あまり良好には換気されていない肺組織のインピーダンスとは、互いに著しく異なることから、特にＥＩＴを用いることによって、いずれの肺区域が目下良好に換気されており、いずれの肺区域があまり良好には換気されていないのか、という肺の性状描出を、体部横断方向平面におけるいわゆる「換気イメージ」として、画像で実現できるようになる。

換気される肺の局所的分布を分析するための基本的な前提は、個々の呼吸特にその吸気相と呼気相を時間的に分解できるよう画像シーケンスの再構成を可能にするサンプリングレートで、測定値を捕捉することである。これによれば、換気される肺の局所的分布を、吸気終末状態と呼気終末状態において分析することもできるし、吸気中および呼気中の時間特性も調べることができ、それらに基づき種々の肺区域において肺のメカニズムの作用、事象および経過特性に関して推定を下せるようになる。

肺のメカニズムの事象および経過特性とはたとえば、気道および気管支もしくは細気管支ならびに肺胞における流れ抵抗に起因する空気の流入時間特性または流出時間特性であり、さらには吸気継続期間中もしくは呼気継続時間中の種々の肺区域間における再配分でもある。

また、たとえば人工呼吸の圧力が高すぎるときにも低すぎるときにも、肺のメカニズムによる別の作用が発生して、いくつかの肺区域内の肺胞が一方では過剰な膨満（Overdistension, Hyperdistension, 肺気腫）に起因して、他方では不十分な開通圧力に起因して肺胞が虚脱し、その結果、それらの肺胞は血液循環による酸素と二酸化炭素のガス交換に使われなくなってしまう。

肺のメカニズムによる局所的な事象および経過特性の一例が、専門家向け記事 “Tidal recruitment assessed by electrical impedance tomography and computed tomography in a porcine model of lung injury”，［Critical Care Med 2011 Vol. 40, No. 3］に記載されている。圧力制御された人工呼吸であるのかまたは容量制御された人工呼吸であるのかなど、種々の異なる人工呼吸形態は、患者に適合された人工呼吸パラメータたとえば換気量（Ｖｔ）、呼吸頻度（Respiratory Rate：ＲＲ）、吸気と呼気の比（I:E-Ratio）、吸気および呼気の休止、吸気圧力（Ｐｉｎｓｐ）、呼気終末陽圧（Positive endexpiratoric pressure：ＰＥＥＰ）などと共に、吸気の時間経過中に呼吸ガスが種々の肺区域にどのように流入するのか、という点でそれぞれ異なる。つまり、いくつかの肺区域が過膨張している可能性がある一方、ほぼ同じ時点で他の肺区域では、個々の肺胞に対する開通圧力が、それらを開通して虚脱状態を終わらせるには低すぎる、という状況が発生する場合がある。

ガス交換に及ぼされる可能性のある作用については、専門家向け記事“Tidal recruitment assessed by electrical impedance tomography and computed tomography in a porcine model of lung injury”， ［Critical Care Med 2011 Vol. 40, No. 3］に記載されており、これによれば、人工呼吸の手法によって肺区域のガス交換において、いわゆる「換気リクルートメント（Tidal recruitment）」に起因して生じる遅延が引き起こされる。「換気リクルートメント」とは、以下のような肺区域の状態を表すものである。すなわちこの状態においては、個々のまたは複数の虚脱した肺胞が、その他の肺区域に比べると、吸気中は圧力が高まってからはじめて遅延して開通し、呼気中は人工呼吸圧力が弱まると、残りの肺区域と比べると再び早めに閉鎖し、つまり虚脱する。

この場合、人工呼吸圧力および人工呼吸圧力経過特性の調整によって、どのように、いつ、どの肺区域に「換気リクルートメント」が加えられるのか、について作用が及ぼされる。つまりこれら個々のまたは複数の虚脱した肺胞に関しては、他の肺区域に比べると、吸気継続時間も短くなるし呼気継続時間も短くなる。

人工呼吸パラメータの設定および人工呼吸パラメータの継続的なコントロールのために、過膨張および虚脱した胞（肺胞）の区域を視覚化するのが有利である。過膨張および虚脱に関する人工呼吸パラメータについて、専門家向け記事“Bedside estimation of recruitable alveolar collapse and hyperdistension by electrical impedance tomography”，［Intensive Care Med. 2009］には、電気インピーダンストモグラフィ（ＥＩＴ）と放射線によるコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）とを時間的に同時に適用して、過膨張（Hyperdistension）および／または虚脱（collapse）の状態が生じている肺区域をどのようにして識別できるのか、が記載されている。このため、人工呼吸圧力の値を関与させ、吸気相および呼気相の終了時にそれぞれ所定の時点で呼気終末陽圧を段階的に下げるよう所期のように操作措置（ＰＥＥＰトライアル）を行うことによって、個々の肺区域のできりかぎり最善または最大のコンプライアンスすなわち伸展性のイメージが求められる。コンプライアンスは、臨床および医学の分野では、容量変化と圧力変化との商として定義されている。測定単位はｌ／ｋＰａであり、医学ではしばしばｍｌ／ｃｍ Ｈ_２Ｏが用いられる。容量変化と等価なものとして、電気インピーダンストモグラフィにより過膨張と虚脱を特定する場合には、ＥＩＴにより捕捉されたインピーダンスまたはインピーダンス変化が利用される。

欧州特許第１２９２２２４号明細書（EP 1 292 224 B2）には、電気インピーダンストモグラフィにより得られたデータを表示する方法および装置について記載されている。この文献には、評価のための種々の特別なモードについて述べられており、これらのモードに基づき患者の肺の状態分析が行われる。たとえば相対モードが設けられており、このモードによれば、経過した期間に関する換気の二次元分布の局所的変化が処理され、換気のダイナミクスを処理するために、位相シフトモードが用いられる。さらに潅流モードが設けられており、このモードによって肺の潅流の二次元分布が作成される。さらにこの欧州特許第１２９２２２４号明細書に記載されているモードは、絶対モード、時定数モードおよび局所肺活量測定モードである。これら種々のモードは、様々な肺状態を区別するために用いられる。

この欧州特許第１２９２２２４号明細書に記載されたすべてのモードに共通しているのは、過膨張または虚脱など局所的に異なる肺状態を合わせて表示できるようにするモードおよびモードの組み合わせが提供されない、ということである。

本発明の課題は、これまで述べてきた従来技術の欠点を踏まえて、ＥＩＴデータから肺の種々の局所的特性を求め、それら種々の局所的特性を１つの共通の表示としてまとめることができるようにした装置を提供することである。

これらの課題およびその他の課題は、独立請求項である添付の請求項１によって解決される。

従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されており、以下で個所によっては図１を参照しながらそれらの実施形態について説明する。

最初に、本特許出願において用いられる概念について詳しく説明する。

「観測期間」とは、本発明の内容に即していえば、時間経過中の１つの時間区間のことである。かかる観測期間の開始と終了は、決められた時点または整合可能な時点によって与えられるか、あるいは呼吸または人工呼吸の特性によって定められた事象によって与えられる。呼吸または人工呼吸をもとに定められる観測期間の例は、１つの呼吸サイクル、複数の呼吸サイクル、呼吸サイクルの一部分たとえば息の吸い込み（吸気）、吸気休止、息の吐き出し（呼気）、呼気休止である。機械による人工呼吸に特有のさらに別の観測期間を、特有の人工呼吸操作措置の一部または時間区間であるプラトー圧、ＰＩＰ圧（Positive Inspiratoric Pressure ＰＩＰ）またはＰＥＥＰ圧（Positive End Expiratoric Pressure ＰＥＥＰ）、ＰＩＰ圧またはＰＥＥＰ圧の段階、ＰＩＰ圧またはＰＥＥＰ圧の上昇傾斜または下降傾斜、といった特定の圧力レベルを有する期間とすることができ、これらの期間は人工呼吸形態の所定の特性（たとえばBi- Level Positive Airway Pressure ＢｉＰＡＰ）に対応する。

「ＥＩＴ測定信号」とは、本発明の内容に即していえば、ＥＩＴ装置により電極群または電極ベルトを用いて捕捉可能な信号またはデータのことである。これらの信号またはデータとして様々な信号形態のＥＩＴ測定信号が挙げられ、たとえば電極または電極群に対応づけられた、あるいは電極のポジションまたは電極ベルトにおける電極群のポジションにおける電圧または電圧測定信号、電流または電流測定信号であり、さらには電圧および電流から導出された電気抵抗値または電気インピーダンス値である。

「測定サイクル」とは、本発明の内容に即していえば、複数の給電電極ペアにおいて給電を行うと共に、それ以外の電極ではそれぞれ１つの対応する測定周期が行われる一連の流れのことである。この場合、かかる測定サイクルは、ＥＩＴデータの処理において一般的には、いわゆる「フレーム」または「タイムフレーム」と呼ばれる。１つの測定サイクルは、複数の測定周期が合わさったものである。本発明の内容に即していえば、１つの測定周期において、２つの給電用電極いわゆる給電電極ペアにおいて信号の給電が行われ、これら双方の給電用電極とは異なる他の電極では、ＥＩＴ測定信号の捕捉が行われる。したがって測定サイクルの一部である１つの測定周期は、ＥＩＴデータの処理においては一般には「部分フレーム」と呼ばれる。

「制御信号」とは、本発明の内容に即していえば、単独の制御信号、複数の制御信号から成る集合の一部である１つの制御信号のことであり、さらには複数の制御信号または複数の制御信号から成る集合のことである。

「出力信号」とは、本発明の内容に即していえば、単独の出力信号、複数の出力信号から成る集合の一部である１つの出力信号のことであり、さらには複数の出力信号または複数の出力信号から成る集合のことである。

「肺の換気イメージ」とは、本発明の内容に即していえば、特定の時点で局所的に分解された、肺の横断方向の視点での局所的インピーダンスの分布を表したものに相応する。これらのインピーダンスは、測定サイクル中に連続的に求められる。局所的インピーダンスは、息を吸い込み吐き出すリズムで局所的な肺胞が空気で満たされる度合いを表す。換気イメージの表示は、一般的な表示手法によれば、生体胸部の水平方向切断平面において、いわゆる背側ビューとして行われる。

肺の複数の換気イメージを時間順に示すことで、たとえば画像シーケンスまたはフィルム（映像）として示すことで、インピーダンスの変化が表され、ひいては個々の局所的肺区域の換気の時間的変化が表される。

本発明による装置は、画像生成用のデータの作成に適した電気インピーダンストモグラフィ装置により得られた、肺または胸部の少なくとも１つの区域のＥＩＴデータを処理および視覚化するために、
・データ入力ユニット、
・計算および制御ユニット、および
・出力ユニット、
を備えている。

データ入力ユニットは、肺または胸部の少なくとも１つの区域のＥＩＴデータを、受け取りかつ供給するように構成されている。ＥＩＴデータは複数の肺区域について、１つの観測期間にわたる肺の少なくとも１つの部位における局所的肺換気状態を表す。１つの典型的な観測期間は、ＥＩＴデータを伴う多数の測定サイクル（タイムフレーム、部分フレーム）を含む１つのＥＩＴ捕捉期間である。

データ入力ユニットはさらに、たとえば麻酔器または人工呼吸器から供給される人工呼吸プロセスにより生じる圧力値を、受け取りかつ供給するように構成されている。

データ入力ユニットはさらに、たとえば医用測定機器、医用診断機器たとえば生理学的モニタ、医用治療機器または医用処置機器から、好ましくは麻酔器または人工呼吸器などから供給されるデータを、受け取りかつ供給するように構成されている。

データ入力ユニットはオプションとして好ましくはさらに、医用治療機器または医用処置機器好ましくは麻酔器または人工呼吸器から供給される人工呼吸制御データを、受け取りかつ供給するように構成されている。

このためデータ入力ユニットは、好ましくはインタフェース要素と整合要素とを備えている。インタフェース要素とはたとえば、レベル変換器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、過電圧保護部品、論理素子、ならびにデータおよび信号を有線または無線で受け取るためのさらに別の電子的構成要素などであり、整合要素とはたとえば、計算および制御ユニットにおいてさらに処理するために信号およびデータを整合するための、コード変換要素またはプロトコル変換要素などである。

計算および制御ユニットは以下のように構成されている。すなわち、
・ＥＩＴデータから、少なくとも１つの肺区域の局所的インピーダンスおよび局所的インピーダンス変化を特定し、
・局所的インピーダンス値および局所的インピーダンス変化から、観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性を示す供給されたデータを考慮して、肺の伸展性（コンプライアンス）に対する尺度を示す肺の局所的特性を含むデータセットを求め、
・求められた肺の局所的特性を含むデータセットを、この局所的特性が局所的肺区域の過膨張を示すか否か、について第１の比較基準に基づき評価し、
・局所的過膨張を示す局所的特性を有する局所的肺区域を表す第２の制御信号を発生しかつ供給し、
・求められた局所的特性を含むデータセットを、この局所的特性が局所的肺区域の虚脱を示すか否か、について第２の比較基準に基づき評価し、
・局所的虚脱を示す局所的特性を有する局所的肺区域を表す第３の制御信号を発生しかつ供給する、
ように構成されている。

肺の局所的特性の特定は計算および制御ユニットによって、ＥＩＴ装置から供給されるＥＩＴデータに基づき、少なくとも１つの肺区域のインピーダンスまたはインピーダンス変化が特定されるようにして行われる。通常、ＥＩＴデータは、電圧測定値または電流測定値として供給されている。この場合、計算および制御ユニットをＥＩＴ装置の一部として構成できることも、本発明の内容に共に含まれている。

さらに計算および制御ユニットによって、観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性を示すデータが考慮される。

本発明によれば肺の局所的特性の特定は、観測期間に関連づけられた比較基準に基づき行われ、それらの比較基準は、それぞれ個々の肺区域において肺区域の「可能なかぎり最良の伸展性」（ベストコンプライアンス）を示すものである。

好ましくは、観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性を示すデータとして、以下のような複数の呼気相が適用される。すなわちそれらの呼気相は、人工呼吸圧力の変化を伴う操作措置の段階として、呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）の値が互いに異なる観測期間である。したがってこれらの値について、それぞれＥＩＴデータから求められ互いに異なる呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）の値に対応する、局所的インピーダンスおよび局所的インピーダンス変化を用いることができ、これによって局所的肺区域についてそれぞれ伸展性（コンプライアンス）に対する尺度が求められる。

呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）の互いに異なる段階を発生させるために有利である適切な操作措置は、いわゆるＰＥＥＰトライアルであって、このＰＥＥＰトライアルによれば、出発値からスタートして人工呼吸圧力が、すなわちそれぞれ呼気終了時に人工呼吸圧力を低減する目標値となる呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）の圧力レベルが、段階的に高められるか（インクリメントＰＥＥＰトライアル）、または段階的に低くされる（デクリメントＰＥＥＰトライアル）。

出力信号を発生、供給または出力するために、出力ユニットにおいて第２の制御信号および第３の制御信号が用いられる。出力信号は、第１の比較基準または第２の比較基準からそれぞれ隔たっている局所的特性を有する局所的肺区域を表示するための特性イメージを表す。

つまり出力信号は、局所的虚脱または局所的膨張を示す局所的特性を有する１つまたは複数の肺区域における個々の局所的特性の特性イメージを表している。

したがって有利であるのは、この出力信号を、１つの共通の表示において出力するために用い、この共通の表示において、過膨張を含む肺区域も虚脱を含む肺区域も同時に見ることができるようにすることである。

ここで「出力信号」とは、本発明の内容に即していえば、局所的特性を表す要素のほかに、以下のような情報要素も含むことができ、これらの情報要素によって、ハッチング、カラー、グレー階調ベースのグラフィックコーディング、輝度レベル、カラーの透明段階または飽和段階またはパターンを用いて、局所的区域の強調を実現することができ、つまりはデータ出力ユニットによって画像としてグラフィカルかつ／または視覚的に表示させることができる。

これによって有利には、共通の表示の評価の可能性が高められる。それというのも、特に関心のある局所的肺区域つまり虚脱または過膨張が存在する局所的肺区域が、共通の表示において際立つように見えるようになるからである。これによって得られる利点とは、過膨張と虚脱の局所的特性について肺換気状態を推定するために重要な関わりをもつ局所的特性が対象となるよう用意されたビューが、ただ１つの共通の表示において時間的に同時に、かつ直接互いに区別できるように、ユーザに提供されることであり、この場合、過膨張と虚脱について互いに別々に視覚化された２つの表示において、変化を視覚的にかつ認識に基づき同時に捉えなくてもよい。

このようにすることで後続の出力ユニットは、実質的に虚脱していない肺区域および過膨張していない肺区域を、淡青色から白色に至る青色のカラースケールで、換気の度合いに対するグラフィック段階として表示することができ、虚脱と過膨張の局所的特性をそれぞれ異なるカラースケールで表示することができ、たとえば過膨張については暗赤色から淡赤色に至る赤色のカラースケールで、また、虚脱を含む区域については淡褐色から暗褐色に至る褐色のカラースケールで、過膨張または虚脱についてそれぞれ種々の度合いに対するグラフィック段階として表示することができる。

計算および制御ユニットは、この計算および制御ユニットの既述の役割を実施するために、データ処理、計算およびシーケンス制御のための要素を有しており、たとえばマイクロコントローラ（μＣ）、マイクロプロセッサ（μＰ）、信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ロジック素子（ＦＰＧＡ，ＰＬＤ）、メモリ素子（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＳＤ−ＲＡＭ）、およびこれらの組み合わせのバリエーションを、たとえば「組み込みシステム」の形態で有しており、これらは互いに連携するように構成されかつ互いに整合されており、またはプログラミングにより構成されていて、肺の局所的特性を特定するために、画像生成用のデータの作成に適したＥＩＴ装置によって得られたデータを処理および視覚化するために必要とされるステップを実行し、さらに肺の特性イメージを表示するための出力信号を準備処理する。

出力ユニットは、画像準備処理およびデータ出力ユニットとして、出力信号を用いて肺の局所的特性を出力、供給または表示するように構成されている。

出力ユニットは、出力信号を発生、供給または表示するように構成されている。出力信号は、好ましくは映像信号（たとえば映像出力、コンポーネント映像、Ｓ映像、ＨＤＭＩ，ＶＧＡ，ＤＶＩ，ＲＧＢ）として、以下のように構成されている。すなわち、出力ユニットと無線または有線（ＷＬＡＮ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＷｉＦｉ）で接続された表示ユニットに、またはデータ出力ユニット自体に、肺の局所的特性をグラフィカルに、数値として、または画像として表示できるように構成されている。

１つの好ましい実施形態によれば、計算および制御ユニットは、少なくとも１つの肺区域の局所的インピーダンスおよび局所的インピーダンス変化をＥＩＴデータから特定し、特定された局所的インピーダンスおよび局所的インピーダンス変化から、肺におけるインピーダンス値およびインピーダンス変化の目下の局所的分布の換気イメージを求め、求められた目下の肺の換気イメージを表す第１の制御信号を発生しかつ供給するように構成されている。

１つの好ましい実施形態によれば、グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素を備えたデータ出力ユニットが、ＥＩＴデータを処理および視覚化する装置内に配置されており、またはこの装置に接続されている。グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素は、出力信号を用いて視覚化を行うように構成されている。

この場合、求められた換気イメージおよび／または特性イメージの、グラフィックビジュアライゼーションのための１つの構成要素を用いた視覚化は、第１の制御信号および／または第２の制御信号および／または第３の制御信号および／または出力信号を用いて行われる。好ましくは、グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素を用いた視覚化を、換気イメージと特性イメージとを組み合わせた１つの表示において行うことができる。この場合、グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素により組み合わせられた表示を、好ましくはたとえば画面上で水平方向または垂直方向に分割された表示として（分割スクリーン）構成してもよいし、あるいは表示ウィンドウを任意に選択可能にかつオーバラップさせてまたは上下に重ね合わせて画面上に配置したものとして構成してもよい。

１つの好ましい実施形態によれば、計算および制御ユニットにより、人工呼吸プロセスの圧力測定値を示すデータに基づき、呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す値が観測期間中に求められる。

さらに別の好ましい実施形態によれば、計算および制御ユニットにより、伸展性を示す局所的特性に基づき、かつ人工呼吸プロセスの圧力測定値を示すデータに基づき、かつ／または複数の局所的肺区域に関する呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）から、観測期間において最大の局所的伸展性を含むデータセットが求められる。

さらに別の好ましい実施形態によれば、計算および制御ユニットにより、最大の局所的伸展性を含むデータセットと呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す値とに基づき、観測期間中、第１の比較基準が決定される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、計算および制御ユニットにより、最大の局所的伸展性を含むデータセットと呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す値とに基づき、観測期間中、第２の比較基準が決定される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、観測期間として、１つの吸気相と１つの呼気相とをそれぞれ含む少なくとも２つの呼吸サイクルから成る継続時間が選択される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、観測期間として、人工呼吸圧力の変化を伴う操作措置の継続時間が選択され、好ましくは１つの吸気相と１つの呼気相とをそれぞれ含む複数の呼吸サイクルを伴うデクリメントＰＥＥＰトライアルまたはインクリメントＰＥＥＰトライアルの継続時間が選択される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、人工呼吸器または麻酔器からデータが供給される。

人工呼吸器または麻酔器からデータが供給される場合、それらのデータにはたとえば、換気量（Ｖｔ）、呼吸頻度（Respiratory Rate：ＲＲ）、吸気と呼気の比（I:E-Ratio）、吸気および呼気の休止、吸気圧力（Ｐｉｎｓｐ）、呼気終末陽圧（Positive endexpiratoric pressure：ＰＥＥＰ）を示すデータを含めることができる。これらのデータから計算および制御ユニットによって、吸気終末および呼気終末ならびに呼気開始または吸気開始といった人工呼吸プロセス中の時点およびそれらの時点に対応する圧力値を求めることができる。

さらに別の好ましい実施形態によれば、肺の特性を検出および視覚化する装置は、人工呼吸実施機能および／または麻酔実施機能、インピーダンストモグラフィ（ＥＩＴ）実施機能、および肺の特性を検出および視覚化する機能を備えた機器または機器の組み合わせとして構成されている。

次に、本発明について、図１を参照しながら対応する図面の説明を通して、さらに詳しく説明する。ただしこれによっても、本発明の一般的着想が制限されるものではない。

虚脱と過膨張の局所的特性の画像表示を伴ってデータを処理および視覚化するための装置を示す概略図

図１には、データを処理および視覚化する装置１０が示されている。装置１０は基本構成要素として、データ入力ユニット５０、計算および制御ユニット７０、画像準備処理および出力ユニット８０、ならびにデータ出力ユニット９０を備えている。

ＥＩＴ装置３０から、ＥＩＴデータ３がデータ入力ユニット５０を介して計算および制御ユニット７０へ伝達または案内される。計算および制御ユニット７０において、ＥＩＴデータ３がさらに処理される。計算および制御ユニット７０内に設けられているインピーダンス計算ユニット７１は、ＥＩＴデータ３の入力後、肺の局所的インピーダンス値７１０を計算する。ここでは種々の局所的肺区域のインピーダンス値７１０が計算され、それらの値によって、ＥＩＴ装置３０により得られたＥＩＴデータ３に基づき、生体の肺におけるインピーダンス分布を視覚化することができる。インピーダンスは、各肺区域の換気もしくは換気品質の様々な度合いを表す。

インピーダンス計算ユニット７１により得られたインピーダンス値７１０およびインピーダンス変化は、肺の換気イメージを表すものであり、画像準備処理および出力ユニット８０における画像加工処理ユニット８１の第１の制御信号１７として、後続処理のために供給される。

人工呼吸器４０から圧力値２０が、人工呼吸器４０の測定または動作データ４として、計算および制御ユニット７０内に配置されたデータ供給ユニット７２へ、データ入力ユニット５０を介して伝達または案内される。計算および制御ユニット７０において、測定または動作データ４は、データ統合ユニット７３により準備処理されて供給され、第１の特性検出ユニット７４および第２の特性検出ユニット７５によって、インピーダンス値７１０と共にさらに処理される。別の選択肢として、動作データ４を、さらに別のデータとも連携させて、データネットワーク１００１たとえば病院内のイントラネットなどを介して間接的に、データ供給ユニット７２へ案内することができる。

データ統合およびデータ準備処理ユニット７３は、以下のように構成され、以下のために設けられている。すなわち、たとえば人工呼吸器により実施される操作措置によりいわゆるＰＥＥＰトライアル中に生じる呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）の種々の段階の結果として発生するまたは発生した測定または動作データ４と関連させて、肺の局所的呼気終末インピーダンス値のデータセットが求められ、呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す局所的値７２０と共に準備処理されたデータセットとして供給される。

この場合、肺の１つの区域（ピクセル）に対して、数学的アプローチは以下のとおりとなる。

デクリメントＰＥＥＰトライアルすなわち出発値からのＰＥＥＰレベルの段階的な低減によって、肺の伸展性に対する基準尺度いわゆる「コンプライアンス（compliance）」が、局所的インピーダンス変化７１と対応するＰＥＥＰ値との商として求められる。

この場合、ＰＥＥＰ値の出発値は、この出発値がちょうど以下のようになるのと同じ大きさに選定される。すなわち、その値であれば平均的に肺の僅かな過膨張から出発できるように選定されるのである。局所的肺区域ごとにいわゆる「ベストコンプライアンス（best compliance）」が求められ、したがって肺区域の換気に適用された圧力に基づく状態が特に有利となる値が求められ、つまり肺区域すなわち肺胞が最大に膨張し、ひいてはその肺区域内における血液循環と呼吸ガスとの最適な局所的ガス交換のために、過度に高い圧力により過膨張することなく、最大表面を有することになる大きさに、呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）が選定されている。「ベストコンプライアンス」はたとえば、ＰＥＥＰトライアルのデクリメントプロセスにおいて、以下の値が「ベストコンプライアンス」として求められることによって決定される。すなわちその値よりも下げてさらに圧力を低減したならば、商として伸展性（コンプライアンス）のあまりよくない尺度が算出されるような値が、「ベストコンプライアンス」として求められることによって決定される。「コンプライアンス」および「ベストコンプライアンス」を求めることについて、この個所で既述の専門家向け記事"Bedside estimation of recruitable alveolar collapse and hyperdistension by electrical impedance tomography", [Intensive Care Med 2009]を参照されたい。

これに続いて各局所的区域に対して、種々のＰＥＥＰレベルについて求められた伸展性の局所的尺度が、「ベストコンプライアンス」と関係づけられる。これは、過膨張を示す第１の特性を第１の比較基準７６に基づき求めるために、計算および制御ユニット７０内に第１の特性検出ユニット７４が設けられていることによって行われる。さらに、虚脱を示す第２の特性を第２の比較基準７７に基づき求めるために、計算および制御ユニット７０内に第２の特性検出ユニット７５が設けられている。

第１および第２の比較基準は「ベストコンプライアンス」から導出され、たとえば「ベストコンプライアンス」よりも１０％高い値および１０％低い値であり、または「ベストコンプライアンス」と等しい値である。

かかるＰＥＥＰトライアルを、有利には圧力制御された人工呼吸の場合に、複数のＰＥＥＰレベルを有するデクリメントＰＥＥＰトライアルとして、複数のＰＥＥＰレベル間で一定の予め定められた圧力差を有する既知の圧力レベルからスタートするように実施すれば、過膨張もしくは虚脱を計算するための数式から、それぞれ異なるＰＥＥＰレベルの圧力差が消去されて、数学的アプローチが簡略化される。「コンプライアンス」、「ベストコンプライアンス」、「虚脱」ならびに「過膨張」を求めるための数学的関係について、この個所で既述の専門家向け記事"Bedside estimation of recruitable alveolar collapse and hyperdistension by electrical impedance tomography", [Intensive Care Med 2009]を参照されたい。

以下の数式１，２，３ａ，３ｂは、一定の圧力変化段階ΔＰでＰＥＥＰトライアルを実施すれば可能であるように、一定の圧力差ΔＰのときに過膨張と虚脱の尺度（コンプライアンス）を求めれば、数式１を数式２に適用し、数式３ｂを用いることで、圧力差ΔＰが消去される様子を簡単に示すために用いたにすぎない。

数式３ａは、圧力差ΔＰの数学的消去の数学的中間ステップを示す。

このようにすれば、個々のＰＥＥＰ段階間の圧力差ΔＰの個々の絶対値に関する知識がなくても、インピーダンス値７１からＰＥＥＰトライアルによる局所的肺区域の特性を求めることができる。この場合、供給されたＥＩＴデータ３がＰＥＥＰトライアル中に得られたことを示す情報が、計算および制御ユニット７０に提供されればよい。ＰＥＥＰトライアルがその際にデクリメンタルに実施されたのかインクリメンタルに実施されたのか、という情報は、評価のために役立つけれども必須ではなく、このことは同様に出発値についても出発点についても当てはまる。

人工呼吸が圧力制御されているときに実施されるＰＥＥＰトライアルのために特に、人工呼吸器４０の測定または動作データ４が得られないときに、大雑把な推定の１つのバリエーションとして、個々のＰＥＥＰ段階間の圧力差ΔＰの代わりに、いわゆる「ＤＥＬＩ値」（Delta-Endexpiratoric Lung Impedance）を代替値として用いることもできる。このために必要とされるのは、この推定に基づき、等間隔の圧力差ΔＰから、捕捉されたＥＩＴデータ３においてやはりそれらの圧力差ΔＰにほぼ同期した等間隔のインピーダンス変化７１がＤＥＬＩ値として得られるように、ＰＥＥＰトライアルが人工呼吸器４０によって実施された、ということだけである。

第１の特性検出ユニット７４は、第１の比較基準７６とインピーダンス値およびインピーダンス変化７１０に基づき、呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す局所的値７２０を含むデータセットを考慮しながら、過膨張特性を示す局所的肺区域を求め、過膨張特性を示す第２の制御信号２７を発生する。

第２の制御信号２７は、画像準備処理および出力ユニット８０内の画像加工処理ユニット８１に供給されて、さらにデータが加工処理される。

第２の特性検出ユニット７５は、第２の比較基準７７とインピーダンス値およびインピーダンス変化７１０に基づき、呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す局所的値７２０を含むデータセットを考慮しながら、虚脱特性を示す局所的肺区域を求め、虚脱特性を示す第３の制御信号２８を発生する。

第３の制御信号２８は、画像準備処理および出力ユニット８０内の画像加工処理ユニット８１に供給されて、さらにデータが加工処理される。

第１の比較基準７６および第２の比較基準７７は、「ベストコンプライアンス」から導出される基準であり、この場合、第１の比較基準７６は、「ベストコンプライアンス」よりも強い局所的肺区域の膨満または過膨張を伴う状態を示し、第２の比較基準７７は、「ベストコンプライアンス」よりも弱い局所的肺区域の充満または膨張を伴う状態を示す。

１つの特別な変形実施形態によれば、第１の比較基準７６と第２の比較基準７７とが互いに等しく選定されているように構成することができ、たとえば、「ベストコンプライアンス」よりも強い膨満を伴う状態として、または局所的肺区域の「ベストコンプライアンス」よりも弱い充満を伴う状態として、または局所的肺区域の「ベストコンプライアンス」の状態と等しく選定されているように構成することができる。

画像加工処理ユニット８１は、第２の制御信号２７および第３の制御信号２８から出力信号３７を発生する。この出力信号３７は、局所的肺区域の換気状態に関する情報の画像表示を、特性イメージ９００として背側ビューで表すものである。第１の制御信号１７を出力信号３７に関与させることによって、特性イメージ９００を、肺の目下の換気を表す求められた肺換気イメージと組み合わせて表示できるようになり、これをたとえば分割された表示画面（分割スクリーン）の形態で実現してもよいし、またはオプションとして有利な実施形態によれば、表示ウィンドウを任意に選択可能にかつオーバラップさせてまたは上下に重ね合わせて表示画面上に配置したものとして実現してもよい。

ここで示した図１の場合、出力信号３７はたとえば、装置１０と接続されたデータ出力ユニット９０へ供給される。このデータ出力ユニット９０には、様々な要素が設けられている。つまりたとえば、グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素たとえば画面またはスクリーン９９が設けられている。さらにデータ出力ユニット９０には、キーボード９７’またはロータリーノブ９７といった操作要素９７，９７’が配置されている。さらにデータ出力ユニット９０にはオプションとして、たとえば図１には詳細には示されていない外部のデータディスプレイ１０００または病院データネットワーク１００１（ＬＡＮ、ＷＡＮ、ＷＬＡＮ、イーサネット、ＷｉＦｉ）など、他の機器とのデータ交換のためのインタフェース９８が設けられている。

グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素９９において、特性イメージ９００が表示される。別の選択肢として、または付加的に、データネットワーク１００１によるデータ交換を介して装置１０と接続された外部のデータディスプレイ１００２にも、特性イメージ９００’を表示させることができる。

過膨張が識別された肺区域は、肺輪郭表示において特別にマーキングされた区域Ａ，９０７としてレンダリングされており、グラフィカルに特別に強調されている。虚脱が識別された肺区域は、肺輪郭表示において特別にマーキングされた区域Ｃ，９０９としてレンダリングされており、グラフィカルに特別に強調されている。虚脱も過膨張も識別されていない肺区域は、ここに示した図１では区域Ｂ，９０８として表示されている。

有利には、特性イメージ９００におけるマーキングＡ，９０７およびＣ，９０９のやり方が、互いに異なる手法で行われ、たとえば（ここに示した図１に例示されているように）それぞれ異なるテクスチャパターンまたはハッチングパターンとして行われ、あるいはカラーバリエーションによっても行われる。

これによって得られる利点とは、換気状態の推定に重要な関わりをもつ局所的特性が対象になるよう用意されたビューがユーザに提供される、ということである。このようにして用意されたビューによって、ユーザは視覚および認識に基づく換気状態の検出を簡単に行えるようになる。

図１に示したようにハッチングによって強調する代わりに、カラー、グレー階調に基づくグラフィックコーディングまたはテクスチャ、輝度、カラーの透明段階または飽和段階またはパターンを用いた表示および強調が、出力信号３７に情報として含まれるようにすることができ、このようにして区域Ａ，９０７、Ｂ，９０８およびＣ，９０９を区別するために、それらの表示および強調をグラフィックで視覚的に画面９９に表示させることができる。

３ ＥＩＴデータ
４ 人工呼吸器の動作データ
１０ データを処理および視覚化する装置
１７ 第１の制御信号（換気イメージ）
２０ 圧力測定値
２７ 第２の制御信号（過膨張）
２８ 第３の制御信号（虚脱）
３０ 電気インピーダンストモグラフィ装置
３７ 出力信号
４０ 人工呼吸器
５０ データ入力ユニット
７０ 計算および制御ユニット
７１ インピーダンス計算ユニット
７２ データ供給ユニット
７３ データ統合ユニット（圧力値／インピーダンス値）
７４ 第１の特性検出ユニット
７５ 第２の特性検出ユニット
７６ 第１の比較基準
７７ 第２の比較基準
８０ 画像準備処理および出力ユニット
８１ 画像加工処理ユニット
９０ データ出力ユニット
９７，９７’ 操作要素
９８ インタフェース
９９ グラフィックビジュアライゼーションのための構成要素（画面、スクリーン）
７１０ インピーダンス値
７２０ 圧力値
９００，９００’ 特性イメージ
９０７ マーキングされた区域Ａ（過膨張）
９０８ 特別にマーキングされていない区域Ｂ
９０９ マーキングされた区域Ｃ（虚脱）
１０００ 双方向で接続されたデータ処理機器
１００１ データネットワーク、イントラネット、インターネット
１００２ 外部のデータディスプレイ

Claims (8)

1. 肺の特性を検出および視覚化するために少なくとも１つの肺区域のＥＩＴデータ（３）を処理および視覚化する装置（１０）であって、前記ＥＩＴデータ（３）は、電気インピーダンストモグラフィ装置（３０）により得られたものであり、
   ・データ入力ユニット（５０）と、
   ・計算および制御ユニット（７０）と、
   ・出力ユニット（８０）と、
   が設けられており、
   前記データ入力ユニット（５０）は、前記少なくとも１つの肺区域の前記ＥＩＴデータ（３）を、１つの観測期間にわたって受け取りかつ供給するように構成されており、
   前記データ入力ユニット（５０）は、前記観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性（２０）を示すデータ（４）を、受け取りかつ供給するように構成されており、
   前記計算および制御ユニット（７０）は、以下のように構成されており、すなわち、
   ・前記ＥＩＴデータ（３）から、前記少なくとも１つの肺区域の局所的インピーダンス値および局所的インピーダンス変化を特定し、
   ・前記局所的インピーダンス値および前記局所的インピーダンス変化から、前記観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性（２０）を示す前記データ（４）を考慮して、肺の伸展性に対する尺度を示す肺の局所的特性を含むデータセットを求め、
   ・前記肺の局所的特性を含むデータセットを、前記肺の局所的特性が局所的肺区域の過膨張を示すか否かについて、第１の比較基準（７６）に基づき評価し、
   ・局所的過膨張を示す局所的特性を有する前記局所的肺区域を表す第２の制御信号（２７）を発生しかつ供給し、
   ・前記肺の局所的特性を含むデータセットを、前記肺の局所的特性が局所的肺区域の虚脱を示すか否かについて、第２の比較基準（７７）に基づき評価し、
   ・局所的虚脱を示す局所的特性を有する前記局所的肺区域を表す第３の制御信号（２８）を発生しかつ供給する、
   ように構成されており、
   前記出力ユニット（８０）は、前記第２の制御信号（２７）および前記第３の制御信号（２８）を用いて、出力信号（３７）を発生、供給または出力するように構成されており、
   前記出力信号（３７）は、それぞれ前記第１の比較基準（７６）または前記第２の比較基準（７７）とは隔たっている局所的特性を有する局所的肺区域を表示するための特性イメージ（９００）を表し、
   前記計算および制御ユニット（７０）により、伸展性を示す前記局所的特性に基づき、かつ、人工呼吸圧力の圧力経過特性（２０）を示す前記データ（４）に基づき、かつ、複数の局所的肺区域に関する呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）から、前記観測期間中の最大の局所的伸展性を含むデータセットが求められる、
   装置（１０）。
2. 前記計算および制御ユニット（７０）は、
   少なくとも１つの肺区域の局所的インピーダンス値（７１０）および局所的インピーダンス変化を、前記ＥＩＴデータ（３）から求め、
   前記局所的インピーダンス値（７１０）および前記局所的インピーダンス変化から、肺のインピーダンス値（７１０）およびインピーダンス変化の目下の局所的分布を含む換気イメージを求め、
   求められた肺の換気イメージを表す第１の制御信号（１７）を発生しかつ供給する、
   ように構成されている、
   請求項１記載の装置（１０）。
3. グラフィックビジュアリゼーションのための構成要素（９９）を備えたデータ出力ユニット（９０）が、ＥＩＴデータ（３）を処理および視覚化する前記装置（１０）内に配置されており、または、前記装置（１０）に接続されており、
   前記データ出力ユニット（９０）は、前記第１の制御信号（１７）および／または前記第２の制御信号（２７）および／または前記第３の制御信号（２８）および／または前記出力信号（３７）を用いて、求められた換気イメージおよび／または特性イメージ（９００）を視覚化するように構成されている、
   請求項２記載の装置（１０）。
4. 前記計算および制御ユニット（７０）により、人工呼吸圧力の圧力経過特性（２０）を示す前記データ（４）に基づき、呼気終末陽圧値（ＰＥＥＰ）を示す値（７２０）が前記観測期間中に求められる、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置（１０）。
5. 前記観測期間として、１つの吸気継続時間と１つの呼気継続時間とをそれぞれ含む少なくとも２つの呼吸サイクルから成る継続時間が選択される、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（１０）。
6. 前記観測期間として、前記人工呼吸圧力の変化を伴う操作措置の継続時間が選択され、好ましくは、１つの吸気相と１つの呼気相とをそれぞれ含む複数の呼吸サイクルを有するデクリメントＰＥＥＰトライアルまたはインクリメントＰＥＥＰトライアルの継続時間が選択される、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置（１０）。
7. 前記観測期間中の人工呼吸圧力の圧力経過特性（２０）を示す前記データ（４）が、人工呼吸器（４０）または麻酔器から供給される、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置（１０）。
8. 肺の特性を検出および視覚化する前記装置（１０）は、人工呼吸実施機能（４０）および／または麻酔実施機能、インピーダンストモグラフィ（ＥＩＴ）実施機能（３０）、および、肺の特性を検出および視覚化する機能（９０，９００）を備えた機器または機器の組み合わせとして構成されている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の装置（１０）。

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