JP7530919B2 - 予測表示システム及び予測表示システムの作動方法 - Google Patents
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Description
そこで、予めこのような術後合併症の発生を予測するため、例えばAKIでは、近年腎臓の傷害に鋭敏で血清クレアチニンよりも早期に検出が可能なバイオマーカーが複数報告されている(例えば、特許文献1等)。
日本ではNGAL、L-FABPが保険収載されているほか、世界的にはNGAL、IGFBP-7/TIMP-2の報告が多い。いずれも数時間乃至12時間程度での腎障害の検出が可能である。
また、手術患者のおよそ3分の1が発症し、一度発症すると医療コスト、滞在日数等が大きく増加するが、透析につながる慢性腎不全リスクが9倍にまで上昇するとの報告もあり、如何にリスク段階で食い止めるかが非常に重要であるという問題もある。
しかし、乏尿などの尿量の変化は、腎臓の傷害に伴って、全例に生じるわけではない。また、血清クレアチニンの上昇も腎臓が障害を受けてから1日~2日経過後に上昇するというタイムラグもあり、血清クレアチニンの上昇に気づいてからでは、予防的な介入は難しい状況となっているという問題もあった。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
(体外循環装置10について)
図1は、本発明の実施の形態である「予測表示システム」で使用される「体外循環装置10」の主な構成を示す概略説明図である。
図1に示す、体外循環装置10は、「体外循環動作」を実行する。この「体外循環動作」では、例えば、心臓外科手術によって一時的に心臓における血液循環が停止されるような場合に、血液と循環動作と、血液に対するガス交換動作(酸素付加及び/又は二酸化炭素除去)と、が体外循環装置10により行われる。
そして、このリザーバ3に貯留されていた血液を人工肺部である例えば、人工肺4へ送る。その後、人工肺4により血液中のガス交換を行って血液の酸素化を行った後に、酸素化が行われた血液を再び患者Pに戻すことにより、人工肺体外血液循環を行うことができる。
このように、体外循環装置10は、心臓と肺の代わりを行う装置となっている。
以下、脱血カニューレ5から送血カニューレ6へ至る循環回路、吸引カニューレ7からリザーバ3に至る回路、ベントカニューレ8からリザーバ3に至る回路及び心筋保護液バッグ20から心筋保護カニューレ9へ至る回路等について順に説明する。
図1に示すように、患者Pの上大静脈及び下大静脈に挿入され留置される脱血カニューレ5を介して脱血された血液が脱血チューブ24を経てリザーバ3に導かれる。
また、脱血チューブ24には、図1に示すように、酸素飽和度モニタ30、血液ガスモニタ31が形成されている。
人工肺4に導かれた血液は、上述のように、人工肺4により血液中のガス交換を行って血液の酸素化を行った後に、送液チューブ13を介して送血カニューレ6から患者Pの体内に戻される。
このようにリザーバ3が血液を一時的に貯留することにより、患者Pから脱血された血液は過不足なく患者Pへ戻される構成となっている。
手術中に出血した血液は、図1に示す吸引カニューレ7から吸引カニューレチューブ16を介して、リザーバ3に導かれ、貯留される。
回路には、吸引ポンプ(脱血ポンプ)17が配置され、この吸引ポンプ17の動作により、血液がリザーバ(貯血槽)3に導かれる。
左心室や大動脈基部等の空気を抜くためのベントカニューレ8は、ベントカニューレチューブ18を介して、リザーバ3に導かれる。
この回路には、ベントポンプ19が配置され、このベントポンプ19の動作により、空気や血液等がリザーバ3に導かれる。
心筋保護液は、心筋保護液バッグ20内に収容され、心筋保護液チューブ21と心筋保護カニューレ9を介して、患者Pへ投与される。
この回路には、心筋保護液用ポンプ22が配置され、この心筋保護液用ポンプ22の動作により、心筋保護液が患者P側へ送液される。
この心筋保護液チューブ21には、熱交換器23が配置されている。
図2に示すように、コントローラ40は、「データ取得部41」を有している。
データ取得部41は、図2に示すように、病院等が有する「EHR(Electronic Health Record)サーバ50」やクラウド51から各種データを取得する。
この「EHRサーバ50」は、電子健康記録サーバであり、患者等の医療データが記録されている。
また、このEHRサーバは、データウエアハウス(DWH)とされていても構わない。
また、図2に示すように、コントローラ40のデータ記録部45は、その記録された内容を、表示部46のみならず、外部通信・表示媒体53等で表示しても構わない。
この外部通信・表示媒体53としては、例えば、図1の酸素飽和度モニタ30や血液ガスモニタ31等が挙げられる。
通信は、有線のみならず無線であっても構わない。
図2に示すように、バイタルデータ生成デバイス60は、患者データ生成部61、患者データ解析部62及びエッジ側データ表示部63を有している。
一定の処理速度が必要なデータを取り扱う際には、それに対応した装置となっていることが好ましく、例えば、GPU(Graphics Processing Unit)やKPU(Kernel Processing Unit)などを搭載してもよい。
本発明の予測表示システムの予測のタイミングは、手術の術前、術中、術後のいずれでも可能な構成となっている。
具体的には、術前の場合は、患者Pのバイタルデータ等の各種データが入力されたタイミングをトリガーに予測する場合のみならず、データ入力が完了し、コントローラ40等の予測ボタンを押したところで予測する場合も含まれる。
図3は、本実施の形態にかかる予想表示システムの動作例等を示す概略フローチャートである。
同フローチャートは、患者Pの手術の術中に、術前及び術中のデータを用いて、術後合併症の予測表示を行う例であり、かかる例で、以下、動作等を説明する。
そして、医師等の医療情報担当者が術後の例えば、AKI等の合併症を予測するために、本システムを用いる。
先ず、図3のステップ(以下「ST」という。)1で、システムを開始させる。
ST2で、情報がインプットされていないときは、ST3へ進む。
一方、ST2で、情報がインプットされているときは、ST4へ進む。
ここで、必要なデータは、具体的には「術前データ」及び「術中データ」である。
そこで、以下、「術前データ」と「術中データ」を説明する。
術前データには、EHRサーバ50等に記録されている「患者背景」「術前腎機能」「血液検査結果」「糖尿病有無」「既往歴情報」等が含まれる。
また、術前データには、手術に関する情報である術式、病変部位、術者、麻酔科医が含まれる。
術中データは、主に「体外循環装置10」から取得されたデータで、例えば、「バイタル情報」「手術情報」「末梢組織酵素レベル」「血液循環状態情報」「体外循環装置の人工心肺(CPB)循環状態情報」等が含まれる。
「バイタル情報」は、BP(血圧)、HR(心拍数)、ECG(心電図)、尿量、SpO2(酸素飽和度)、動脈圧、末梢酸素飽和度、深部体温等が含まれる。
「手術情報」には、手術時間、CPB(人工心肺装置)駆動時間、大動脈遮断の有無、投薬量、薬剤の種類、麻酔導入時間、輸血有無等が含まれる。
「末梢組織酸素レベル」には、rSO2(組織酸素飽和度)、SpO2(酸素飽和度)、脈拍数等が含まれる。
「血液循環状態情報」には、pH(水素イオン指数)、pO2(酸素分圧)、Ht(水素イオン指数)、Hb(ヘモグロビン)、DO2(酸素運動量)、pCO2(二酸化炭素分圧)、Temp(温度)等が含まれる。
「体外循環装置の人工心肺(CPB)循環状態情報」には、Temp(温度)、ポンプの回転数、ポンプの流量、大動脈遮断時間、血液の循環時間等が含まれる。
次いで、ST6へ進み、データ取得インターフェイスのない追加のインプット情報があるか否かを判断する。
ST6で、追加のインプット情報があると判断されたときは、ST7へ進む。
次いで、ST8では、データ解析部で解析に必要な形にし、データ記録部45に記録する。
次いで、ST9へ進む。ST9では、学習済みアルゴリズムを用いて、予測を行う。
この「機械学習」は、「教師あり学習」に分類され、「学習」と「認識・予測」の2段階に分けて実行される。
そして、この「学習済みアルゴリズム」に基づき、「機械学習」の「認識・予測」を行う。
次いで、ST10へ進む。ST10では、予測結果をデータ記録部45に記録し、表示部46に表示する。
以上で、術後合併症の発症リスクの予測情報が、手術中の医師等の医療従事者に報知される。
本実施の形態における「合併症の発症リスクの予測表示」は、例えば、合併症の発症リスクが低減される設定値を予測し、その値を表示部46に表示する等が含まれる。
また、本発明では、この設定値を任意の指定値に変更した場合の合併症の発症リスクを併せて表示しても構わない。
また、改善するための医行為として「昇圧剤投与開始」等も併せて表示する。
また、改善するための医行為として、「血液濃縮器回路オープン」や「利尿剤の準備」等も表示される。
さらに、手術に関する情報である術式、病変部位、手術時間、術者、麻酔科医、投薬量、薬剤の種類、麻酔導入時間、輸血有無等のうち、少なくとも1つを利用して、合併症の発症リスクを予測し、表示する構成としても構わない。
本変形例の構成の多くは、上述の第1の実施の形態と同様であるため、同一符号を付す等して説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
また、体外循環装置10の吸引ポンプ(脱血ポンプ)17および送血ポンプ2のいずれかの流量および回転数を変更する構成としても良く、体外循環装置10の血液濃縮器回路の有無を判別し、表示し、制御する構成としても構わない。
術中にバイタル情報であるBP(血圧)が低下したとの情報を取得すると、設定値や指定値等に基づいて、学習済みアルゴリズムにより、2分後も同じBP(血圧)ならば「脳梗塞リスク」が上昇したと予測し、体外循環装置10の循環条件を変更し、「昇圧剤投与開始」等を行う。
この際、麻酔科医の意思を確認するステップが追加されてもよい。この場合、表示された指示に対し、承諾した際に昇圧剤投与を実際に開始する。
本実施の形態の構成の多くは、上述の第1の実施の形態と同様であるため、同一構成については、説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本実施の形態では、上述の第1の実施の形態と異なり、「学習済みアルゴリズム」の工程を用いて、「医療経済性に関する指標」を予測する構成となっている。
また、同実施の形態では、ICU滞在日数の延長やCRRT(持続的腎代替療法)等の「コスト」に関する医療行為が将来発生するかについても上述の「術前データ」や「術中データ」等に基づき、「学習済みアルゴリズム」の工程を用いて予測する構成となっている。
本実施の形態では、図4等の「医療経済性に関する指標」や「コストに関する医療行為が将来発生する可能性の予測」の情報と、上述の第1の実施の形態の「術後合併症の発症リスクの予測」を組み合わせた「マトリックス表上でのリスクの位置を2次元的に予測」を作成し、表示部46に表示する。
すなわち、このマトリックス表は、主要の合併症の発症リスクが高い群、低い群と医療経済性に関わるICU滞在日数、院内死亡、CRRT導入確率の高い群、低い群を2次元で表示し、ICU滞在中に、前記マトリックス表のどの領域に移行するかを予測し、表示することができる。
例えば、合併症の発症リスクの高い群と低い群は、7日以内の合併症の発症の有無等で区分され、ICU滞在日数の多寡は、例えば、ICUに3日以上、滞在したか否かで区分される。
また、院内死亡は、7日以内の死亡か否かで区分される。
図6及び図7に示すように、このようなマトリックス表を用いることで、主要の合併症の発症リスクが高い群、低い群と浮腫、感染等の対処が必要な症状発生リスク高い群、低い群を2次元で、どの領域に移行するかを予測し、表示することができる。
構築される際には、過去の術前データ、術中データを用いて回帰分析、機械学習、ニューラルネットワーク(NN)などの手法により作製される。
術前データとしては、例えば、上述の術式等があり、術中データとして、例えば、上述のバイタル情報等があり、術後合併症のデータと紐づけたデータを用いることで、アルゴリズム構築が行える。
アルゴリズムの構築においては、一般的な線形回帰分析、ロジスティック回帰分析、SVM(Support Vector Machine)、ランダムフォレスト、決定木などのほか、複数のモデルを用いたアンサンブル学習を用いてもよい。
例えば、LightGBM、Gradient Boostingなどがこれに該当する。
これらの手法は、常に精度の高い方法が更新されているため、より精度の出る方法を選択してもよい。
ニューラルネットワークにおいては、データの種類や得られるデータの形式により、Conventional Neural Network(CNN)、Recurrent Neural Network(RNN)、Generative Adversarial Networks(GAN)などの方法が用いられればよい。
その際には、データ取得部41と連携したアルゴリズム生成部において、アルゴリズム構築に必要な元データの更新をしつつ、予測を行うことが可能となり、現状に即し、リアルタイムにアップデートされる構成となる。
その際の精度の指標としては、感度、特異度により評価する混同行列(Confusion Matrix)を行い、AUROC(Area Under Reciever Operating Curve)を用いてもよいし、正解率(Accuracy)、適合率(Precision)、再現率(Recall)、F値(F1 score)などを用いる。
これは、「予測システム」内において、自動で行ってもよいし、元データが更新されるたびに、どのモデルを用いるかを選択できるようになっていてもよい。
また、これらのモデルの精度は、患者の治療成績、予後に大きく関わるため、病院内等での選択のほかに、通信を介して外部から制御する構成があってもよい。
Claims (16)
- 術前および術中にとられる血液ガスのパラメータであるpH(水素イオン指数)、pO2(酸素分圧)、Ht(ヘマトクリット値)、Hb(ヘモグロビン)、DO2(酸素運搬量)、pCO2(動脈血二酸化炭素分圧)の少なくとも1つを用いて、術後に生じる合併症の発症リスクを予測し、
体外循環装置の動作中に取得されるデータのうち、血液ガスのパラメータであるpH、pO2、Ht、Hb、DO2、pCO2の少なくとも1つと、前記体外循環装置の動作条件であるポンプ流量、ポンプ回転数、温度、血液の循環時間、大動脈遮断時間の少なくとも1つを利用して、医療経済性に関わるICU(集中治療室)滞在日数、院内死亡の有無、持続的腎代替療法(CRRT)導入有無のうち少なくとも1つの指標を予測し、
「医療経済性に関する指標」や「コストに関する医療行為が将来発生する可能性の予測」の情報と、「術後合併症の発症リスクの予測」を組み合わせ、マトリックス表上で、リスクの位置を2次元的に予測可能なデータを作成し、表示することを特徴とする予測表示システム。 - 前記「医療経済性に関する指標」には、前記ICU滞在日数、前記院内死亡の有無、前記持続的腎代替療法(CRRT)導入の有無の情報が含まれ、
前記「コストに関する医療行為が将来発生する可能性の予測」の情報には、前記ICU滞在日数の延長の情報が含まれ、
前記術後合併症が、急性腎障害(AKI)で、前記マトリックス表には、前記AKI発症リスクが高い群と低い群並びに、前記医療経済性又は浮腫が高い群と低い群がマトリックス状に表示され、患者が前記ICU滞在中に、どの領域に移行するかを予測可能に表示することを特徴とする請求項1に記載の予測表示システム。 - 前記合併症が、術後に発症する急性腎障害であることを特徴とする請求項1に記載の予測表示システム。
- バイタルデータである動脈圧、心拍数、ECG(心電図)、尿量、末梢酸素飽和度、体の内部の温度である深部体温の少なくとも1つを利用して、術後の急性腎障害の発症リスクを予測し、表示することを特徴とする請求項3に記載の予測表示システム。
- 前記合併症の発症リスクが、術後の前記合併症である低心拍出量症候群(LOS)、急性腎障害(AKI)、脳梗塞、縦郭炎、急性呼吸窮迫症候群(ARDS)のうち少なくとも1つの発症リスクであることを特徴とする請求項1に記載の予測表示システム。
- 前記発症リスクを用いて予測し、術後の前記合併症の発症リスクが低減する可能性の高い前記体外循環装置の体外循環条件を解析し、表示することを特徴とする請求項5に記載の予測表示システム。
- 前記体外循環装置の脱血ポンプおよび送血ポンプのいずれかの流量および回転数の変更を示唆することを特徴とする請求項6に記載の予測表示システム。
- 術後の前記合併症の発症リスクに基づいて、前記体外循環装置の血液濃縮器回路の必要性の有無を判断し、表示することを特徴とする請求項6に記載の予測表示システム。
- 前記体外循環条件を前記予測に基づいて自動的に変更することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の予測表示システム。
- 前記予測に基づいて術後の前記合併症の発症リスクの低減に向けた投薬システムの制御を行うことを特徴とする請求項5に記載の予測表示システム。
- 患者の特性として予後に影響する年齢、性別、住所、人種、家族構成、既往症、術前検査値のうち少なくとも1つを利用して、前記合併症の発症リスクを予測し、表示することを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の予測表示システム。
- 手術に関する情報である術式、病変部位、手術時間、術者、麻酔科医、投薬量、薬剤の種類、麻酔導入時間、輸血有無のうち少なくとも1つを利用して、前記合併症の発症リスクを予測し、表示することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の予測表示システム。
- 前記マトリックス表は、主要の前記合併症の発症リスクと別の管理項目を縦軸横軸に取って2次元で表示し、ICU滞在中に、前記マトリックス表のどの領域に移行するかを予測し、表示することを特徴とする請求項1に記載の予測表示システム。
- 前記マトリックス表は、主要の前記合併症の発症リスクが高い群、低い群と前記医療経済性に関わるICU滞在日数、前記院内死亡、前記CRRT導入確率の高い群、低い群を2次元で表示し、前記医療経済性に関わるICU滞在中に、前記マトリックス表のどの領域に移行するかを予測し、表示することを特徴とする請求項13に記載の予測表示システム。
- 前記マトリックス表が、主要の前記合併症の発症リスクが高い群、低い群と浮腫、感染などの対処が必要な症状の発生リスクが高い群、低い群を有し、前記マトリックス表において2次元で、どの領域に移行するかを予測し、表示することを特徴とする請求項1に記載の予測表示システム。
- 術前および術中にとられる血液ガスのパラメータであるpH(水素イオン指数)、pO2(酸素分圧)、Ht(ヘマトクリット値)、Hb(ヘモグロビン)、DO2(酸素運搬量)、pCO2(動脈血二酸化炭素分圧)の少なくとも1つを用いて、術後に生じる合併症の発症リスクを予測し、
体外循環装置の動作中に取得されるデータのうち、血液ガスのパラメータであるpH、pO2、Ht、Hb、DO2、pCO2の少なくとも1つと、前記体外循環装置の動作条件であるポンプ流量、ポンプ回転数、温度、血液の循環時間、大動脈遮断時間の少なくとも1つを利用して、医療経済性に関わるICU(集中治療室)滞在日数、院内死亡の有無、持続的腎代替療法(CRRT)導入有無のうち少なくとも1つの指標を予測し、
「医療経済性に関する指標」や「コストに関する医療行為が将来発生する可能性の予測」の情報と、「術後合併症の発症リスクの予測」を組み合わせ、マトリックス表上で、リスクの位置を2次元的に予測可能なデータを作成し、表示することを特徴とする予測表示システムの作動方法。
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