JP7124168B2 - 階層型適応閉ループ輸液蘇生及び心血管薬投与システム - Google Patents
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Description
[001] 本願は、2017年5月12日に出願された米国仮特許出願第62/505,232号の利益を主張するものであり、この仮特許出願は全体として参照により本明細書に援用される。
[002] 本発明は、米国陸軍医学研究司令部(US Army Medical Research and Material Command)によるW81XWH-14-C-1385及び国立科学財団(National Science Foundation)によるIIP-1648292に基づく連邦政府の支援を受けて行われた。連邦政府は本発明に一定の権利を有する。
[003] 信頼性が高く、且つ一貫性のある輸液蘇生(即ち、輸液の静脈内投与)は、ヒト及び動物集団における周術期の及び集中治療室(ICU)での輸液管理に決定的に重要である。輸液蘇生の目標は、循環系の血液量を許容可能なレベルに回復させて十分な組織内灌流を確保することである。しかしながら、患者内及び患者間で生理学的パラメータのばらつきが大きく、且つ様々な病気及び薬物治療の効果があるため、患者の蘇生不足及び過剰蘇生が起こり得る。
[004] 本願に引用される各特許、刊行物、及び非特許文献は、各々が個別に参照により援用されたものとして本明細書によって全体として参照により援用される。
[005] 一部の実施形態において、本開示は、輸液蘇生及び/又は心血管薬投与方法を提供し、この方法は、a)対象への輸液及び/又は心血管薬の注入速度をある注入速度で開始すること;b)階層型制御アーキテクチャシステムにより対象に取り付けられた少なくとも1つの医用モニタリング装置から対象の血行動態センサデータを受け取ることであって、階層型制御アーキテクチャシステムが、少なくとも1つの適応制御器と;論理型制御器とを含み;対象の血行動態データが論理型制御器及び少なくとも1つの適応制御器によって受け取られ、少なくとも1つの適応制御器と論理型制御器とが互いに通信していること;c)少なくとも1つの適応制御器により、対象の血行動態データ、過去の注入速度、並びに少なくとも1つの適応制御器の内部パラメータ及び状態に基づき改変注入速度を生成すること;d)論理型制御器により、少なくとも1つの適応制御器の動作を支配する規則に対象の血行動態データ及び少なくとも1つの適応制御器状態が違反していないことを確認すること;e)改変注入速度を論理型制御器から少なくとも1つの注入ポンプに送ること;f)1つ又は複数の注入速度を受け取り次第、少なくとも1つの注入ポンプにより、輸液及び/又は心血管薬を1つ又は複数の改変注入速度で対象に自動的に投与すること;及びg)設定された時間間隔でステップb)~f)を繰り返すことを含む。
[033] 信頼性が高く、且つ一貫性のある輸液蘇生(即ち、輸液の静脈内投与)は、ヒト及び動物集団における周術期の及び集中治療室(ICU)での輸液管理に決定的に重要である。輸液管理は、外科患者並びに循環血液量減少、敗血症、重症敗血症、敗血症性ショック、熱傷、及び他の病態に罹患している患者に必要である。輸液蘇生の目標は、十分な組織内灌流(即ち、組織への血液供給)を確保するため、循環系の血液量を許容可能なレベルに回復させることである。しかしながら、患者内及び患者間で生理学的パラメータのばらつきが大きく、且つ様々な病気及び薬物治療の効果があるため、患者の蘇生不足及び過剰蘇生が起こり得る。
[038] 本開示は、微小血管交換システムをモデル化して体内の輸液分布を特徴付ける。
[044] 本開示は、コンパートメントモデルを用いて体内の心血管薬分布をモデル化する。
[048] 本開示は、閉ループ輸液蘇生及び/又は心血管薬投与システム用の適応制御アーキテクチャフレームワークを提供する。本開示の輸液蘇生及び/又は心血管薬投与システムは、1つのモニタリングシステム又は一組のモニタリングシステムからデータを受け取る。一部の実施形態において、輸液蘇生及び/又は心血管薬投与システムは1つ又は複数の既存のモニタリングシステムからデータを受け取る。一部の実施形態において、輸液蘇生及び/又は心血管薬投与システムは1つ又は複数の内蔵モニタリングシステムからデータを受け取る。一部の実施形態において、輸液蘇生及び/又は心血管薬投与システムは1つ又は複数の増設モニタリングシステムからデータを受け取る。
[054] 本開示は、患者モニタリング装置、内蔵モニタリング装置、増設モニタリングモジュール、又はセンサからの入力に基づき好適な注入速度を決定することが可能である。注入速度は、患者モニタリング装置、内蔵モニタリング装置、増設モニタリングモジュール、又はセンサからの入力に基づき調整され得る。本開示の適応制御フレームワークは、いかなる患者特異的情報(例えば、年齢、性別、体重、診断)も必要としない。更に、本フレームワークは患者ダイナミクス及び患者特異的生理学的パラメータの正確なモデルを必要としない。
実施例1:下位レベル適応制御アーキテクチャを用いて輸液又は薬物注入速度を計算する
[075] 本開示は、下位レベル適応制御アーキテクチャを用いて輸液又は心血管薬注入速度を計算する方法について記載する。下位レベル適応制御アーキテクチャは、輸液投与のみ、心血管投与のみ、又は輸液及び心血管薬投与が関わる問題に適用される。組み合わされた輸液及び心血管薬投与の場合、並列で動く2つの下位レベル適応制御器が実装され、輸液及び心血管薬の注入速度を計算する。輸液又は心血管薬注入速度は下位レベル適応制御アーキテクチャを用いて以下のステップで計算される:
1)輸液又は心血管薬投与のエンドポイントを測定することのできるセンサを選択する。輸液投与について、エンドポイントには、一回拍出量変化量、脈圧変化量、平均動脈圧、動的動脈エラスタンス、尿排出率、脈波変動指数、動的動脈エラスタンス、中心静脈圧、収縮期圧、拡張期圧、又は収縮期圧変化量などの変数が含まれる。心血管薬投与について、エンドポイントには、平均動脈圧、心拍出量、心係数、心拍数、収縮期圧、拡張期圧、全身血管抵抗、又は中心静脈圧などの変数が含まれる。センサの値は記録され、ウィンドウ平均法又は他の雑音低減技法を用いて平滑化される。測定は観血的又は非観血的に実施することが可能である。
2)制御器アーキテクチャは、2コンパートメント、3コンパートメント、又はnコンパートメントモデル(輸液又は心血管薬分布を特徴付ける)、並びに仮想状態からなる拡張ダイナミカルシステムモデルによって患者がモデル化されると仮定する。仮想状態は、循環中の輸液容積(輸液管理の場合)又は循環中の心血管薬質量(心血管薬管理の場合)と幾らかの時間差を伴い同じトレンドに従う。
3)動的観測器(推定器)を使用して定常状態(平衡)値からの仮想状態及び循環中の輸液容積(輸液管理の場合)又は循環中の心血管薬質量(心血管薬管理の場合)の偏差を推定する。
4)関数近似器(例えば、ニューラルネットワーク又はウェーブレット等)を使用して、拡張ダイナミカルシステムによってモデル化される患者の未知のダイナミクス及び患者のパラメータを近似する。
5)関数近似器の重み(又は係数)、センサ測定値、及び時間t-Δtにおける適応制御器によって計算された注入速度を用いて新しい注入速度が計算される。或いは、関数近似器の重み(又は係数)、センサ測定値、及び時間t-Δt及びt-2Δtにおける適応制御器によって計算された注入速度を用いて新しい注入速度が計算される。
6)新しい注入速度が更なる処理のため上位レベル制御器に送られる。
7)動的観測器、センサ測定値、及び時間t-Δtにおける適応制御器によって計算された注入速度によって提供される推定値を用いて関数近似器の重み(又は係数)が更新される。或いは、関数近似器の重みは、動的観測器、センサ測定値、及び時間t-Δt及びt-2Δtにおける適応制御器によって計算された注入速度によって提供される推定値を用いて更新される。
8)T秒/分(例えば、1秒、10秒、1分、2分等)の遅延が導入される。
9)ステップ3)が繰り返され、ループが閉じられる。
[077] 2コンパートメントモデルを用いて閉ループ輸液蘇生アーキテクチャを構築する。3コンパートメント以上のコンパートメントモデルについても同じ手法が適用される。
式中、u(t)は輸液注入速度であり、JL(t)は間質組織から循環への容積移動速度であり、Jt(t)は循環から間質組織への容積移動速度であり、Jurine(t)、Jblood(t)、及びJevaporation(t)は、それぞれ尿産生、出血、又は蒸発(及び他のタイプの不感水分損失)に起因した輸液容積の損失を表す。更に、ablood(t)は出血からのタンパク質(アルブミン)質量損失速度を表し、Qt(t)は循環から間質組織へのアルブミン質量移動速度であり、及びQL(t)は間質組織から循環へのアルブミン質量移動速度である。
式中、t≧0について、v(t)=[vc(t),ac(t),vt(t),at(t)]Tであり、vc(t)、ac(t)、vt(t)、及びat(t)は、それぞれ、循環中の輸液容積、循環中のアルブミン質量、間質組織中の輸液容積、及び間質組織中のアルブミン質量を表す。加えて、f1(v)及びf3(v)は、それぞれ循環中及び組織コンパートメント中の輸液交換速度を特徴付ける関数を表し、f2(v)及びf4(v)は、それぞれ循環中及び組織コンパートメント中のアルブミン交換速度を特徴付ける関数を表し、g(v(t))は輸液注入がコンパートメントモデルに及ぼす効果を特徴付ける。関数f1(v)、f2(v)、及びf3(v)には、Jurine(t)、Jblood(t)、Jevaporation(t)、及びablood(t)を含め、外部環境との容積又は質量の交換を示す変数が組み込まれていることに留意されたい。vc,0、ac,0、vt,0、及びac,0は、それぞれt=0における循環中及び間質組織中の容積及びアルブミン質量を表すことに留意されたい。また、関数f1(v)、f2(v)、f3(v)、f4(v)、及びg(v)は、概して各個別の患者について未知であることにも留意されたい。
式中、c1、c2∈Rは設計パラメータである。次に、各変数のその平衡状態(定常状態値)からの偏差を定量化する誤差変数を定義する。誤差変数は式(6)~(10)によって定義される:
ef(t)=xf(t)-xf,e (6)
ev,c(t)=vc(t)-Vc,e (7)
ea,c(t)=ac(t)-ac,e (8)
ev,t(t)=ac(t)-ac,e (9)
ea,t(t)=at(t)-at,e (10)
式中、ef(t)は仮想状態平衡値xf,eからの仮想状態の偏差を表し、ev,c(t)は循環中の輸液容積のその平衡値vc,eからの偏差を表し、ea,c(t)はアルブミン質量のその平衡値ac,eからの偏差を表し、ev,t(t)は組織中の輸液容積のその平衡値vt,eからの偏差を表し、及びea,t(t)はアルブミン質量のその平衡値at,eからの偏差を表す。
式中、t≧0について、ev(t)=[ev,c(t),ea,c(t),ev,t(t),ea,t(t)]であり、及びf1(v(t))、f2(v(t))、f3(v(t))、f4(v(t))、g(v(t))は、式(6)~(10)を用いて変数変換を行った後、それぞれ、
と書き換えられる。次にパラメータα1及びα2(式中α1、α2∈R)を導入し、式(12)は以下のとおり書き換えられる
式中、
及び
及び
を近似する。具体的には、
式中
は2組の基底関数であり、
は、基底関数に対応する時変重み(又は係数)であり、εp及びεqは近似誤差である。
のシグモイドニューラルネットワーク基底関数を使用することができる。α1、α2、c1、及びc2は、
が漸近的に安定している(即ち、Aの全ての固有値の実部が負である)ように選択することができる。これらのパラメータの一つの具体的な選択は、c1=100、c2=-100、α1=0、及びα2=-100である。
[085] 2コンパートメントモデルを用いて、本明細書に開示される閉ループ心血管投与アーキテクチャを構築する。3コンパートメント以上のコンパートメントモデルについても同じ手法が適用される。
式中、u(t)は薬物注入速度であり、JM(t)は代謝の結果としての循環からの薬物質量排出速度であり、Jt(t)は循環から組織への薬物質量移動速度であり、Jc(t)は組織から循環への薬物質量移動速度であり、Jother(t)は代謝以外の循環からの(例えば、出血の結果としての)薬物排出速度である。
式中、t≧0について、d(t)=[dc(t)、dt(t)]Tであり、dc(t)及びdt(t)は、それぞれ循環中及び組織中の心血管薬質量を表す。加えて、f1(d)及びf2(d)は、それぞれ循環中及び組織コンパートメント中の薬物質量交換速度を特徴付ける関数を表し、g(d(t))は心血管薬注入がコンパートメントモデルに及ぼす効果を特徴付ける。関数f1(d)、及びf2(v)には、外部環境との質量の交換を示す変数、即ち、Jother(t)、及びJM(t)が組み込まれていることに留意されたい。dc,0、及びdt,0は、それぞれt=0における循環中及び組織中の薬物質量を表すことに留意されたい。また、関数f1(d)、f2(d)、及びg(d)は、概して各個別の患者について未知であることにも留意されたい。
式中、c1、c2∈Rは設計パラメータである。次に、各変数のその平衡状態(定常状態値)からの偏差を定量化する誤差変数を定義する。誤差変数は式(23)~(26)によって定義される:
ef(t)=xf(t)-xf,e (23)
ed,c(t)=dc(t)-dc,e (24)
ed,t(t)=dt(t)-dt,e (25)
式中、ef(t)は仮想状態平衡値xf,eからの仮想状態の偏差を表し、ed,c(t)は循環中の心血管薬質量のその平衡値dc,eからの偏差を表し、及びed,t(t)は組織中の心血管薬質量のその平衡値dt,eからの偏差を表す。
故に、(20)~(22)は以下のとおり書き換えることができる
式中、t≧0について、ed(t)=[ed,c(t),ed,t(t)]であり、及びf1(d(t))、f2(d(t))、g(d(t))は、式(23)~(26)を用いて変数変換を行った後、それぞれ、
と書き換えられる。次にパラメータα1及びα2(式中α1、α2∈R)を導入し、式(12)は以下のとおり書き換えられる
式中
及び
及び
を近似する。具体的には、
式中、
は2組の基底関数であり、
は、基底関数に対応する時変重み(又は係数)であり、εp及びεqは近似誤差である。
のシグモイドニューラルネットワーク基底関数を使用することができる。α1、α2、c1、及びc2は、
が漸近的に安定している(即ち、Aの全ての固有値の実部が負である)ように選択することができる。これらのパラメータの一つの具体的な選択は、c1=0.2、c2=0.013、α1=0、及びα2=-0.2である。
[092] 各時刻tにおいて、制御器(輸液又は心血管薬用)の注入速度は以下によって与えられる
式中
及び
σ1,...,σnodeはシグモイドパラメータ(例えば-100~100の範囲をとる)であり、nnodeはニューラルネットワークのノードの数を表し(例えば、nnode=8)、及びm(t)は、時間tにおける輸液又は薬物投与のエンドポイントとして使用される平滑化後の(雑音除去後の)センサ測定値を表す(例えば、輸液蘇生について一回拍出量変化量、尿排出率、平均動脈圧、中心静脈圧、収縮期圧変化量等;及び心血管薬投与について平均動脈圧、心拍数、収縮期圧、拡張期圧、全身血管抵抗、中心静脈圧等)。u(t)は、時間tにおける計算された注入速度を表す。例えば、平滑化後の(雑音除去後の)センサ測定値は、ウィンドウ平均を移動させることにより求めることができ、ここでは時間ウィンドウ内(例えば2分)のセンサ測定値の平均値が計算され、m(t)に割り当てられる。センサ値を前処理すると、雑音の多い又は無効と見られる測定値を落とすことができ、ウィンドウ平均法に許容可能な値のみが含まれる。
式中、xc(t)=[xc,1(t),xc,2(t)]Tは、ef(t)及びev,c(t)(輸液蘇生の場合)又はef(t)及びed,c(t)(心血管薬投与の場合)の推定値を表し、β1、β2>0は設計パラメータを表し(例えば、β1=0.02及びβ2=0.04)、及び他のパラメータの代表値はL=[-1,0]T、B0=[0,1]T、及びC=[-1,0]Tによって与えられる。加えて、mtargetは、輸液蘇生又は心血管薬投与のエンドポイントの所望の値であり(例えば、輸液蘇生について目標が13%の一回拍出量変化量を維持することである場合、mtarget=13;同様に、心血管薬投与について目標が65mmHgの平均動脈圧を維持することである場合、mtarget=65)、及び
は、
式中
によって与えられるリャプノフ方程式を満たす。
且つ上記のパラメータ値が使用される場合、心血管薬投与について
及び輸液蘇生について
である。加えて、関数Γ(θ,y)を用いて制御器パラメータが有界なままであることが確実にされる。この関数は、以下として定義される:
式中、f:Rn→Rは、以下として定義される
θmax>0、εθ>0、∇(・)は勾配演算子を表し、及び││・││はユークリッドノルムを表す。例えば、θmax=1e6及びεθ=1e-5である。
[096] 適応制御フレームワークを使用して、t=0において2ml/kg/minの速度で失血している70kg患者の輸液蘇生をシミュレートする。目標は、一回拍出量変化量測定値を15%に維持することである。シミュレーションには0.001時間(3.6秒)のΔtを使用し、β1=2、β2=4、及びnnode=8である。患者モデルにコンパートメントモデルを含めて輸液分布をモデル化し、及び循環中の容積とSVVとの間の関係は、イヌでの実験結果に基づき非線形関係に基づいた。
[0100] 種々の出血/循環血液量減少シナリオで本開示の適応制御フレームワークを使用して5匹のイヌに自動化及び半自動化(臨床意思決定支援)輸液蘇生を提供した。
[0124] 上位レベル制御器はルールベースエキスパートシステムとして設計し、以下の働きをした:
i)下位レベル制御器(輸液蘇生モジュール及び/又は心血管薬投与モジュール)関数を起こり得る異常に関してモニタする;
ii)患者の全身状態並びに輸液療法及び/又は心血管薬投与に対する応答をモニタする;
iii)閉ループモードの場合に輸液蘇生モジュール、心血管薬投与モジュール、又は両方をエンゲージすることを決め、及びこれらのモジュールのエンゲージタイミングを決める;
iv)センサ不良又は最大安全限界を超える注入速度に関連するシナリオを取り扱う;
v)臨床意思決定支援のケースでユーザが計算された注入速度に同意しない場合、下位レベル制御器(輸液蘇生モジュール又は心血管薬投与モジュール)状態を修正する;
vi)潜在的な問題に対処するための臨床意思決定支援を提供する;及び
vii)臨床意思決定支援モードにおいて、注入速度を更新する必要があるときユーザに新しい注入速度を通知する。
>閾値(例えば、0.1、又は1、10等);又はii)閾値(例えば、1、2、3、4回等)を超える上位レベル制御器による下位レベル制御器のリセット回数、又はiii)注入が継続的に増加している間に、ユーザ設定による期間内に測定値(例えば、SVV又は平均動脈圧)と目標値との間の絶対差が減少しなかった。センサ不良又は測定値が入手不可能な場合、上位レベル制御器が下位レベル制御器を無効にし、注入速度をユーザ設定によるバックアップ注入速度に設定した。
[0133] 適応制御フレームワークを使用して、敗血症及び関連する低血圧症を起こしている70kg患者の心血管薬(昇圧薬)投与をシミュレートした。目標は、平均動脈圧を65に維持することであった。シミュレーションには0.1分(6秒)のΔtを使用し、β1=6e-5、β2=13e-6、及びnnode=8であった。昇圧薬のみを投与して75mmHgの平均動脈圧を維持した。患者モデルは、血行動態のモデル化に心血管モデルを含み、輸液分布のモデル化にコンパートメントモデルを含んだ。
[0136] 適応制御フレームワークを使用して、敗血症の結果として低血圧症を有する70kg患者の輸液蘇生をシミュレートした。目標は、平均動脈圧を75mmHgに維持することであった。シミュレーションには0.1分(6秒)のΔtを使用し、β1=0.02、β2=0.04、及びnnode=8であった。患者モデルは、血行動態のモデル化に心血管モデリングを含み、輸液分布のモデル化にコンパートメントモデルを含んだ。
[0139] 適応制御フレームワークを使用して、敗血症の結果として低血圧症を有する70kg患者の輸液蘇生及び心血管薬(昇圧薬エピネフリン)投与をシミュレートした。目標は、75mmHgの平均動脈圧及び12%の一回拍出量変化量(SVV)を維持することであった。シミュレーションには0.1分(6秒)のΔtを使用し、輸液蘇生モジュールについてβ1=0.02、β2=0.04、及びnnode=8、及び心血管薬投与モジュールについてβ1=6e-5、β2=13e-6、及びnnode=8であった。シミュレーションにはクリスタロイド輸液及びエピネフリン(昇圧薬)が含まれた。輸液蘇生モジュールがSVVデータを使用して輸液注入速度を計算し、心血管薬投与モジュールが平均動脈圧(MAP)を使用して昇圧薬注入速度を計算した。上位レベル制御器は初めに輸液蘇生モジュールをエンゲージして輸液注入を提供した。30分後、輸液注入後に平均動脈圧が改善しなかったことに伴い上位レベル制御器は心血管投与モジュールをエンゲージした。患者モデルは、血行動態のモデル化に心血管モデリングを含み、輸液分布のモデル化にコンパートメントモデルを含んだ。シミュレーションの開始は、患者の状態が急激に悪化するときである。
[0144] ハードウェアプラットフォームを開発して輸液蘇生システム及び心血管薬投与システムを実装した。このシステムは、処理モジュールと関連タッチスクリーンとで構成される。処理モジュールは、血行動態モニタ(観血的又は非観血的測定)又は血圧モジュール(動脈ラインに接続された圧力トランスデューサーによる観血的測定又は非観血的測定のいずれか)から有線接続を介してデータを受け取ることが可能である。加えて、処理モジュールは、有線接続を介して注入ポンプにリアルタイム注入速度データを送ることが可能である。受け取った経時的測定値及び経時的注入速度などのグラフの表示には、タッチスクリーンが使用される。メインダッシュボードもまた、現在の測定値、現在の注入速度、及び輸液/薬物の総注入容積を表示する。タッチスクリーンにより、ユーザは、システムが要求する種々のパラメータを指定することが可能になる。例えば、ユーザが、目標測定値、初期注入速度、バックアップ注入速度(センサデータが欠測している場合、閉ループシステムが切り離され、ユーザが引き継ぐまでバックアップ注入速度に移行する)、最高注入速度及び他の変数を設定する。臨床意思決定支援のケースでは、タッチスクリーンを使用して新しい注入速度値を通信することによりユーザの承認を依頼するか、又はユーザが速度を修正できるようにする。ユーザが注入速度を承認すると、処理モジュールは注入ポンプの注入速度をユーザが承認した注入速度に更新する。
Claims (31)
- 対象の血行動態測定値を調節するための臨床意思決定支援を提供するためのコンピュータにより実施される方法であって、
a)ユーザインターフェースを介して、少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を受け取ること、
b)前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を、直近のユーザ承認済み注入速度としてデータベースに記録すること、
c)階層型制御アーキテクチャシステムにより対象の血行動態測定値をセンサから受け取ることであって、
前記階層型制御アーキテクチャシステムが、
a.少なくとも1つの下位レベル制御器及び
b.上位レベル論理制御器
を含み、
前記対象の血行動態測定値が前記上位レベル論理制御器及び前記少なくとも1つの下位レベル制御器によって受け取られ、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器と前記上位レベル論理制御器とが互いに通信しており、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、
a.前記対象の生理学的パラメータの現在の値を推定するための一組の動的観測器状態を含む動的観測器及び
b.一組の基底関数及び一組の重みを含む関数近似器を使用して前記対象の未知のダイナミクスを近似するダイナミカルシステム
を含むこと、
d)前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みの値を初期化すること、
e)前記一組の重みの現在の値と、前記一組の動的観測器状態と、前記血行動態測定値の現在の値とに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みを更新すること、
f)前記少なくとも1つの下位レベル制御器により、前記対象の血行動態測定値と、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みとに少なくとも部分的に基づいて、改変注入速度を生成すること、
g)前記上位レベル論理制御器により、前記改変注入速度が前記ユーザに通知するための必要条件を満たすかどうかを確認すること、
h)ステップg)において前記改変注入速度が前記必要条件を満たす場合には、前記少なくとも1つの下位レベル制御器からの前記改変注入速度を表示すること、
i)前記ユーザに、前記改変注入速度を承認するか、又は前記改変注入速度を別の値に変更するかのいずれかを行うよう要求すること、
j)前記上位レベル論理制御器により、前記データベース内の前記直近のユーザ承認済み注入速度の値を、前記ユーザによって承認された前記改変注入速度に、又はステップi)において前記ユーザにより変更された場合には前記改変注入速度の前記別の値に、置換すること、
k)前記上位レベル論理制御器により、ステップi)において前記ユーザにより変更された場合には前記改変注入速度の前記別の値に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みの少なくとも1つの要素の前記値を新しい値にリセットし、それ以外の場合には前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みは同じままにしておくこと及び
l)前記輸液及び/又は心血管薬を前記データベース内の前記直近のユーザ承認済み注入速度で前記対象に投与することにより、前記対象の血行動態測定値を調節すること、
を含む、方法。 - 前記関数近似器が、シグモイド基底関数によるニューラルネットワークである、請求項1に記載の方法。
- 前記ユーザは、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の少なくとも1つの性能基準に違反があるか否かを通知される、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記少なくとも1つの性能基準の違反が、設定された時間間隔における前記対象の前記血行動態測定値と目標血行動態データとの差を設定閾値と比較することにより決定される、請求項3に記載の方法。
- 前記階層型制御アーキテクチャシステムが第2の下位レベル制御器を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の下位レベル制御器が、前記上位レベル論理制御器を介してエンゲージされ、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の少なくとも1つの性能基準に違反がある場合には、前記上位レベル論理制御器が前記第2の下位レベル制御器の更なるエンゲージを推奨する、請求項5に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記性能基準が、前記1つ又は複数の輸液及び/又は心血管薬の投与中における前記対象の前記血行動態測定値の改善を含む、請求項6に記載の方法
- 前記直近のユーザ承認済み注入速度で前記輸液及び/又は薬を投与するために、前記直近のユーザ承認済み注入速度が注入ポンプに送られる、請求項1に記載の方法。
- 輸液及び/又は心血管薬の、コンピュータにより実行される、投与方法であって、
a)ユーザインターフェースを介して、少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を受け取ること、
b)前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を、直近のユーザ承認済み注入速度としてデータベースに記録すること、
c)階層型制御アーキテクチャシステムにより対象の血行動態測定値をセンサから受け取ることであって、
前記階層型制御アーキテクチャシステムが、
a.少なくとも1つの下位レベル制御器及び
b.上位レベル論理制御器
を含み、
前記対象の血行動態測定値が前記上位レベル論理制御器及び前記少なくとも1つの下位レベル制御器によって受け取られ、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器と前記上位レベル論理制御器とが互いに通信しており、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、前記対象のダイナミカルシステムモデルに適合する内部ダイナミカルシステムモデルを有すること、
d)前記下位レベル制御器が前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に等しい注入速度を生成するように、前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルのパラメータを初期化すること、
e)前記血行動態測定値と、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルのパラメータとに少なくとも部分的に基づいて、前記下位レベル制御器により、設定された時間間隔で新しい注入速度を生成すること、
f)前記新しい注入速度が生成され次第、前記上位レベル論理制御器により、前記新しい注入速度が前記ユーザに通知するための必要条件を満たすかどうかを確認すること;
g)ステップf)において前記新しい注入速度が前記必要条件を満たすか否かを前記ユーザに通知すること、
h)前記ユーザに前記新しい注入速度を承認するか、又は前記新しい注入速度を別の値に変更するかのいずれかを行うよう要求すること、
i)前記上位レベル論理制御器により、前記データベース内の前記直近のユーザ承認済み注入速度の値を、前記ユーザによって承認された前記改変注入速度に、又はステップh)において前記ユーザにより変更された場合には前記改変注入速度の前記別の値に、置換すること、
j)ステップh)において前記ユーザにより変更された場合には前記改変注入速度の前記別の値に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルの少なくとも1つのパラメータを新しい値にリセットし、それ以外の場合には前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みは同じままにすること及び
k)前記輸液及び/又は心血管薬を前記直近のユーザ承認済み注入速度で前記対象に投与すること、
を含む、方法。 - 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルが、一組の基底関数及び一組の重みを含む関数近似器を使用して、前記対象の体内の前記輸液及び/又は薬の分布を表す未知の関数を近似する、請求項9に記載の方法。
- 前記関数近似器が、シグモイド基底関数によるニューラルネットワークである、請求項10に記載の方法。
- 前記新しい注入速度が前記別の値に変更された場合には、前記直近のユーザ承認済み注入速度に少なくとも部分的に基づいて、前記一組の重みの少なくとも1つの要素が前記新しい値にリセットされる、請求項10に記載の方法。
- 前記階層型制御アーキテクチャシステムが第2の下位レベル制御器を更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第1の下位レベル制御器が、前記上位レベル論理制御器を介して最初にエンゲージされ、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の少なくとも1つの性能基準に違反がある場合には、前記上位レベル論理制御器が前記第2の下位レベル制御器の更なるエンゲージを推奨する、請求項13に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記性能基準が、1つ又は複数の輸液及び/又は心血管薬の投与中における前記対象の血行動態測定値の改善を含む、請求項14に記載の方法
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムの前記パラメータの現在の値と、前記対象の前記血行動態測定値とに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムの前記パラメータを更新することにより、前記内部ダイナミカルシステムモデルが前記対象の前記ダイナミカルシステムモデルに適合する、請求項9に記載の方法。
- 対象の血行動態測定値を調節するための閉ループ制御を提供するためのコンピュータにより実施される方法であって、
a)ユーザインターフェースを介して、少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を受け取ること、
b)階層型制御アーキテクチャシステムにより対象の血行動態測定値をセンサから受け取ることであって、
前記階層型制御アーキテクチャシステムが、
a.少なくとも1つの下位レベル制御器及び
b.上位レベル論理制御器
を含み、
前記対象の血行動態測定値が前記上位レベル論理制御器及び前記少なくとも1つの下位レベル制御器によって受け取られ、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器と前記上位レベル論理制御器とが互いに通信しており、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、
a.前記対象の生理学的パラメータの現在の値を推定するための一組の動的観測器状態を含む動的観測器及び
b.一組の基底関数及び一組の重みを含む関数近似器を使用して前記対象の未知のダイナミクスを近似するダイナミカルシステム
を含むこと、
c)前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みの値を初期化すること、
d)前記一組の重みの現在の値と、前記一組の動的観測器状態と、前記血行動態測定値の現在の値とに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みを更新すること、
e)前記少なくとも1つの下位レベル制御器により、前記対象の血行動態測定値と、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みとに少なくとも部分的に基づいて、改変注入速度を生成すること、
f)前記少なくとも1つの下位レベル制御器の少なくとも1つの性能基準に違反がある場合には、前記ユーザに通知し、前記少なくとも1つの下位レベル制御器を切り離すこと、
g)注入ポンプに送り、前記改変注入速度で前記輸液及び/又は薬を投与することにより、前記対象の血行動態測定値を調節すること、
を含む、方法。 - 前記関数近似器が、シグモイド基底関数によるニューラルネットワークである、請求項17に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記少なくとも1つの性能基準の違反が、設定された時間間隔における前記対象の前記血行動態測定値と目標血行動態データとの差を設定閾値と比較することにより決定される、請求項17に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、前記上位レベル論理制御器により最初にエンゲージされる第1の下位レベル制御器を含み、少なくとも1つの患者に関する性能基準に違反がある場合に、前記上位レベル論理制御器が自動的に第2の下位レベル制御器をエンゲージする、請求項17に記載の方法。
- 前記患者に関する性能基準が、前記1つ又は複数の輸液及び/又は心血管薬の投与中における前記対象の前記血行動態測定値の改善を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記上位レベル論理制御器が、前記改変注入速度が前記ユーザによって指定された安全範囲内にあることを確認し、前記安全範囲内にない場合には、前記上位レベル論理制御器が、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記一組の重みの少なくとも1つの値を変更する、請求項17に記載の方法。
- 輸液及び/又は心血管薬の、コンピュータにより実行される、投与方法であって、
a)ユーザインターフェースを介して、少なくとも1つのユーザ指定の注入速度を受け取ること、
b)階層型制御アーキテクチャシステムにより対象の血行動態測定値をセンサから受け取ることであって、
前記階層型制御アーキテクチャシステムが、
a.少なくとも1つの下位レベル制御器及び
b.上位レベル論理制御器
を含み、
前記対象の血行動態測定値が前記上位レベル論理制御器及び前記少なくとも1つの下位レベル制御器によって受け取られ、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器と前記上位レベル論理制御器とが互いに通信しており、
前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、前記対象のダイナミカルシステムモデルに適合する内部ダイナミカルシステムモデルを有すること、
c)前記下位レベル制御器が前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に等しい注入速度を生成するように、前記少なくとも1つのユーザ指定の注入速度に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルのパラメータを初期化すること、
d)前記血行動態測定値と、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルの前記パラメータとに少なくとも部分的に基づいて、前記下位レベル制御器により、設定された時間間隔で新しい注入速度を生成すること、
e)前記少なくとも1つの下位レベル制御器の少なくとも1つの性能基準に違反がある場合には、前記ユーザに通知し、前記少なくとも1つの下位レベル制御器を切り離すこと、
f)前記新しい注入速度で前記対象に前記輸液及び/又は心血管薬を投与すること、
を含む、方法。 - 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記少なくとも1つの性能基準の違反が、設定された時間間隔における前記対象の前記血行動態測定値と目標血行動態データとの差を設定閾値と比較することにより決定される、請求項23に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルが、一組の基底関数及び一組の重みを含む関数近似器を使用して、前記対象の体内の前記輸液及び/又は薬の分布を表す未知の関数を近似する、請求項23に記載の方法。
- 前記関数近似器が、シグモイド基底関数によるニューラルネットワークである、請求項25に記載の方法。
- 前記新しい注入速度が前記安全範囲外にある場合には、前記一組の重みの少なくとも1つの要素が新しい値にリセットされる、請求項25に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器が、前記上位レベル論理制御器により最初にエンゲージされる第1の下位レベル制御器を含み、少なくとも1つの患者に関する性能基準に違反がある場合に、前記上位レベル論理制御器が自動的に第2の下位レベル制御器をエンゲージする、請求項23に記載の方法。
- 前記患者に関する性能基準が、1つ又は複数の輸液及び/又は心血管薬の投与中における前記対象の血行動態測定値の改善を含む、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムの前記パラメータの現在の値と、前記対象の前記血行動態測定値とに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムの前記パラメータを更新することにより、前記内部ダイナミカルシステムモデルが前記対象の前記ダイナミカルシステムモデルに適合する、請求項23に記載の方法。
- 前記上位レベル論理制御器が、前記新しい注入速度が前記ユーザによって指定された安全範囲内にあることを確認し、前記安全範囲内にない場合には、前記上位レベル論理制御器が、前記少なくとも1つの下位レベル制御器の前記内部ダイナミカルシステムモデルの少なくとも1つのパラメータ変更する、請求項23に記載の方法。
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