(57)【要約】  状態空間モデル（ＳＳＭ）は、個人の心臓および任意には循環系をシミュレートする心臓クラスタ状態機械によって決定された心臓のポンピング機能および制御機能を表わすよう適合された、コンピュータによって計算されるモデルである。状態空間モデルは、相互作用する別個の状態機械、心筋細胞状態機械および容量形ポンプ状態機械のうち２つのグループを含む。
2009545003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
状態空間モデル（ＳＳＭ）であって、個人の心臓および任意には循環系をシミュレートする心臓クラスタ状態機械によって決定された心臓のポンピング機能および制御機能を表わすよう適合される、コンピュータによって計算されたモデルであって、
前記状態空間モデルは、すべての筋細胞機能を、容量を除いて、前記モデルに関する境界条件の影響を受けた心臓および任意には循環系の不完全および／または完全なワイヤフレームおよび／または表面メッシュモデルに変換するよう適合され、さらに、前記状態空間モデルは、相互作用する別個の状態機械、心筋細胞状態機械、および容量形ポンプ状態機械の相互作用のうち２つのグループを含むことを特徴とする、状態空間モデル。
【請求項２】
前記容量形ポンプ状態機械は、心室中隔（ＩＶＳ）状態機械を含む、請求項１に記載の状態空間モデル。
【請求項３】
前記容量形ポンプ状態機械はデルタＶポンプ状態機械（ＤＰＳＭ）を含む、請求項１または２に記載の状態空間モデル。
【請求項４】
前記心筋細胞状態機械は、動作している心筋細胞の構造および境界条件ならびにそれらの相互関係を分子レベルおよびミクロレベルで説明するメインモジュールを含み、内部モジュールを備えており、筋細胞容量を外部に残し、構造材料および動力源として伝導系を含む心筋細胞機能を分子レベルおよびミクロレベルで説明し、この場合、伸長化によって抵抗を得、静的動作によって堅固になり、短縮化により動的動作をもたらす可能性があり、容量形ポンプ状態機械によって決定された外形および区域に搬送される、請求項１に記載の状態空間モデル。
【請求項５】
前記容量形ポンプ状態機械は、心臓の右側および左側を生成する２つの容量形ポンプ状態機械、たとえばデルタＶポンプ状態機械、を融合させることによって作り出された機械的装置として、二次元および／または三次元で心臓の幾何学的記述として、心臓の構造を概略的に示すサブモジュールに分割されたメインモジュールを含む、請求項１に記載の状態空間モデル。
【請求項６】
前記容量形ポンプ状態機械はさらに、第３の容量形ポンプ状態機械を生成する２つの容量形ポンプ状態機械の融合の結果として心室中隔の構造および機能を説明する心室中隔モジュール（ＩＶＳ）；デルタＶピストンの構造および機能を説明するデルタＶピストン（ＤＶＰ）モジュール；左右の心室および心耳の構造の構成および機能を説明するＲＡ−ＬＡ構造モジュール；ならびに、筋肉容量の、一次元、二次元または三次元での外側形状および任意には内側形状のライン、ワイヤフレームおよび／または表面メッシュからなる容量形ポンプ状態機械モジュールを含む、請求項５に記載の状態空間モデル。
【請求項７】
前記ＳＳＭは、相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化される、たとえば離散および／または動的状態図としてこれらの関連するデータを表わし得る心臓状態アナライザ（ＨＳＡ）によって分析される、請求項１から６のいずれかに記載の状態空間モデル。
【請求項８】
グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）モジュールは、心臓および任意には循環系のポンピング機能および調節機能を説明する（ＨＳＡ）によって得られた、相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化された、たとえば１つまたはいくつかの相互作用する離散および／または動的時間関連状態図を図示する、請求項１から７のいずれかに記載の状態空間モデル。
【請求項９】
有効比率アナライザ（ＥＲＡ）モジュールは、相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化されたＳＳＭに接続されて、心臓の機械的機能の結果を、ＳＳＭによって得られた心筋再配置と比較し、前記ＥＲＡは、好ましくは、構造材料および動力源として筋肉の有効比を表し、任意には向上させるのに用いられ得る、請求項１から８のいずれかに記載の状態空間モデル。
【請求項１０】
心臓状態シミュレータ（ＨＳＳ）は、相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化されるＳＳＭのモジュールに対してさまざまな種類の境界条件の変化が与える影響をシミュレートするよう、学習目的でＳＳＭに接続される、請求項１から９のいずれかに記載の状態空間モデル。
【請求項１１】
前記ＳＳＭは、関連するデータ、たとえば離散および／または動的時間関連状態図を作成するための、ＨＳＡおよびＧＵＩをも含む単純な検査装置、たとえば、圧力センサ、マイクロフォン、フォトセンサまたは酸素濃度計に配置される、請求項７および８に記載の状態空間モデル。
【請求項１２】
相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化された、ＳＳＭに従ってＨＳＡによって計算される、たとえば動的三角測量によって、心臓のポンピング機能および調節機能に関連する相互作用ポイント、外形および／または区域をマッピングすることにより、一次元、二次元および／または三次元で単純かつ迅速な検査方法を作成するのに用いられる、請求項７に記載の状態空間モデル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、検査方法およびデータベースにおいて実現されるべき心臓の新奇な状態空間モデルに関する。
【０００２】
本願は、心臓および循環系のポンピング機能および調節機能をシミュレートするのに適用可能な心臓クラスタ状態機械に関する、本願の出願人に譲渡されたＰＣＴ／ＳＥ２００６／０００１１４（国際出願日２００６年１月２５日）に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の分野
心臓の調節機能はこれまで十分には理解されておらず、特に心拍数が高い場合の心臓のポンピング機能も説明することができなかった。筋肉の機能は、心臓および筋細胞の伝導系に加えて、分子レベルに至るまで知られている。心臓および循環系の検査はすべて、心臓の機能的構造とは無関係に、他の観察結果に関連付けられた観察結果に基づいている。これは、心臓が圧搾機能により、このため機械的機能が多少なくても流れのポンピングおよび調節を行なうという考えに依拠し得る。このために、心臓の検査およびコンピュータモデリングはすべて、心臓の機能を理解かつ分析しようと試みて、心筋の活動に焦点が合わされている。これにより、多くの場合に、心臓の機能を評価するのに十分な情報を得るために、さまざまな種類の観察結果を用いて多くの検査を実行しなければならなくなる。これらの評価は、依然として、心臓の真のポンピング機能および調節機能を説明するのに用いることはできない。
【０００４】
この発明の背景は、心臓がそれ自体のポンピング機能において、ピストンポンプまたは圧力および吸引ポンプのようであること、さらに正確には、有限筋細胞状態機械のクラスタ心臓状態機械、および、流入によって制御される能力を有する第３のデルタＶ心臓ポンプを作り出す２つの相互作用するデルタＶポンプ状態機械のようであるという洞察に基づいている。さらに、心臓の構造は、心房および心耳の収縮を受継いだブースタ機能を有しており、結果としてデルタＶピストンのストローク長さを伸ばすことができる。
【０００５】
発明の背景
ルンドバック・Ｓ（Lundback S.）の論文「心臓のポンピングおよび心室中隔の機能（"Cardiac Pumping and Function of the Ventricular Septum"）」（ストックホルム（Stockholm）、１９８６年）において、人の心臓のポンピングおよび調節が一般的な観点とは異なる態様で行なわれることが主張されている。
【０００６】
この引用された刊行物によれば、健康な心臓は実質的にその外形および容積を変えることなくそのポンピング動作を行なう。
【０００７】
心臓のポンピングおよび調節機能に関する理論が上述の刊行物に提示された結果、新しい部類のポンプ、いわゆる動的容量形ポンプまたはデルタ（Δ）容積ポンプ（ΔＶポンプと略される）、が登場した。
【０００８】
ΔＶポンプの原理を、図１ａおよび図１ｂを参照して説明する。当該ポンプは、直径ｄ１を有する上部シリンダ２と直径ｄ２を有する下部シリンダ４とを含む。ここでは、ｄ２＞ｄ１である。これらの２本のシリンダは第３のシリンダ６を介して互いに接続される。当該第３のシリンダ６は、上部シリンダと下部シリンダとの間で自由に移動可能に配置されている。この移動可能なシリンダ６は、たとえば心臓における僧帽弁に対応する弁８を
その最下部に備える。この弁の上の容量は心房容量（Ｖａ）と定義され、当該弁の下の容量は心室容量（Ｖｖ）と定義される。下部シリンダは、たとえば心臓における大動脈弁に対応する流出弁１０をその最下部に備える。図１ｂから分かるように、移動可能なシリンダが下方に、すなわち図におけるΔＶに動かされると、移動可能なシリンダと下部シリンダの内壁との間に、リング状の円筒形の容積が徐々に得られる。これにより、移動可能なシリンダがその上方位置とその下方位置との間で動くときに容量ΔＶとともに容量Ｖａ＋Ｖｖが減少することとなる。
【０００９】
エネルギ源（図示せず）は、移動可能なシリンダをその上方位置から下方位置に移動させるよう適合される。これによりポンプについてのストロークの長さＬが規定される。移動可能なシリンダがその最低位置まで移動すると、流出弁が強制的に開かれ、容量Ｖｖの一部が排出される。次いで、移動可能なシリンダはエネルギ源から解放され、ポンプへの流入がある場合には、圧力勾配によってもたらされる液圧力によってその上方位置に戻り得る。これは、デルタＶ機能（ΔＶ機能）と称される。ＡｖおよびＡａが上部および下部のシリンダの断面積をそれぞれ指定する場合、ΔＶはＬ（Ａｖ−Ａａ）に等しくなる。
【００１０】
ＷＯ−０１／８８６４２は、心臓の分析、診断および治療の方法の向上を可能にするために、ΔＶポンプの上述の原理に基づいて心臓の機能の数学的モデルを用いることによって心臓のポンピング動作の表示を作り出すよう適合されたコンピュータベースのシステムに関する。心臓は、１つの動的容量形ポンプまたは２つの相互接続された動的容量形ポンプ、すなわちΔＶポンプ、のコンピュータベースの表現によってモデル化される。
【００１１】
多くの異なる要件、すなわち境界条件は、循環系におけるその構造、動力源、ならびにポンピングおよび調節機能を説明する数学的モデルをポンプに実現すると、一般に満たされるはずである。循環系が、心臓と同様に２つの循環系と、当該２つの循環系間の流れが常にバランスのとれた状態であるポンプとを含む場合、より多くの境界条件が存在することとなる。
【００１２】
通常、個人の心臓および循環系は、流れ、心拍数、および変力性刺激が低い安静時に検査される。心臓および循環系が良好または不良な状態にあるかどうかを示すすべての基準値のほとんどが、心臓の無負荷拍出動作中に求められ、比較される。これらの状況の間、デルタＶ原理のエネルギ−機械変換特性は、心臓のポンピング、充填、および調節機能についてあまり顕著でない。これは、空動き圧搾容量形ポンプとして、「フランク−スターリングの法則（Frank-Starling law）」の調節機能とともに心臓の圧搾ポンピング機能が今日の心臓および循環系診断のための土台としてすでに存在しているというのが理由の１つであり得るからである。
【００１３】
ＭＲＩ（磁気共鳴映像法；Magnetic Resonance Imaging）およびスピンＣＴ（スピニングコンピュータ断層撮影；Spinning Computer aided Tomography）のような新しい検査方法、ならびにＴＶＩ（組織速度映像法；Tissue Velocity Imaging）および反射体ベースの速度映像法（reflector based velocity imaging）（２Ｄストレイン）を用いる超音波技術の範囲内でのさらなる進歩により偽の動きの視覚化が低減され、心臓が、筋肉の圧搾運動とともにＡＶ（心房−心室；Atria-Ventricular）プレーンの長手方向の運動でポンピングしていることが明らかになっている。ＡＶプレーンは、左心室における僧帽弁輪の開口部として規定され、これに応じて、三尖弁の開口部が右心室のためのＡＶプレーンとして機能することとなる。右心室の機能はめったに論じられない。どのような種類の力が心室の充填に作用しているかを説明するために多くの議論が始まっているが、球形のピストンの真の面積とデルタＶ機能とは未だに理解されていない。拡張心不全のような言葉が、人気のある科学的議論の主題となった。ピストンのようなポンピング機能についての新しい洞察において、何が心臓にその調節機能を与えるかということはまだ議論の主題とな
っていない。
【００１４】
古いかまたは新しい検査方法を用いても、心臓の検査は判別が非常に難しくなり得る多くの情報をもたらす。すべての機械的な装置は、動作原理の背後にある力学が十分に既知であるならば、状態図において表現され得る。このことは、機械的な装置としての心臓については当てはまらない。心臓の充填および調節機能は数世紀にわたって論じられてきた。未知の力学とともに、心臓の複雑な構造および運動により、非常に低い流量および心拍数でも、心臓内の異なる活動および機能が寄与するものを判断することがほとんど不可能になる。より高い流量および心拍数では、すべての検査方法が多かれ少なかれ、カオス的な情報出力を示す。このことと、圧搾機能で心臓がポンピングしているという一般的な考えとが、おそらくは、心臓の機能を理解および分析しようと試みて心筋細胞の活動に焦点が合わされてきたことの理由であるだろう。
【００１５】
この発明の包括的な目的は、クラスタ状態機械としての心臓、および任意には冠動脈系を含む循環系の機能を分子レベルに至るまで記録、分析、検証、表示、シミュレートおよび通信するために、さまざまな種類の検査方法における処理手段によって一次元、二次元または三次元で使用することのできるシステムを製造することである。これにより、実質的な方法で、心臓のポンピング機能および調節機能についての知識が向上し、より優れかつ迅速な診断用および治療用工具および方法がもたらされることとなる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
この発明の包括的目的は、独立クレームに従った状態空間モデルによって実現される。
【００１７】
好ましい実施例は、従属クレームによって記載される。
この発明の第１の好ましい実施例に従うと、心臓およびそのすべての機能についての状態空間モデル（ＳＳＭ：State Space Model）が作成される。ＳＳＭは、ＳＳＭに関連する入力手段マネージャ（ＩＭＭ：Input Mean Manager）によって、心臓、および任意には循環系の検査方法からのデータを処理することができる。ＩＭＭは、処理手段によって、筋細胞のすべての機能をそれらの容積から分離し、これらのデータを転送し、モデルに関する境界条件の影響を用いて心臓と、任意には循環系とについての不完全および／または完全なワイヤフレームおよび／または表面メッシュモデルを作成し得る。これらのデータおよび他のデータは、相互接続管理システム（ＩＭＳ：Interconnecting Management System）によって任意に処理および組織化される相互作用データ、たとえば離散および／または動的状態図、として心臓状態アナライザによって表示され得る。
【００１８】
ＳＳＭからの出力は、相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって任意に処理および組織化されるこれらの関連するデータを、たとえば離散および／または動的状態図として示し得る心臓状態アナライザ（ＨＳＡ：Heart State Analyzer）によって分析される。
【００１９】
この発明の第２の好ましい実施例に従うと、好ましくはＩＭＳによって管理されるＳＳＭに従った心臓状態バリデータ（ＨＳＶ：Heart State Validator）モジュールが作成される。ＳＳＭにおけるすべてのモジュールは、心臓および任意には循環系のポンピング機能および調節機能を生成するよう相互作用している。心臓および任意には循環系のすべての機能を示すために格納されたデータを手動および／または自動で検証することのできる制御データを作成するための、比較および計算による多くの実現可能性が存在する。
【００２０】
この発明の第３の好ましい実施例に従うと、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ：Graphical User Interface）モジュールが作成される。当該ＧＵＩモジュールは、
好ましくはＩＭＳによって管理され、ＳＳＭに従って、心臓および任意には循環系のポンピング機能および調節機能を分子レベルに至るまで説明する１つまたはいくつかの、相互作用する離散および動的時間関連状態図を図示し得る。
【００２１】
この発明の第４の好ましい実施例に従うと、効率比アナライザ（ＥＲＡ：Efficiency Rate Analyzer）モジュールが作成される。当該ＥＲＡモジュールは、好ましくはＩＭＳによって管理されＳＳＭに従って心臓の機械的機能の結果を心筋の再配置と比較することにより、構造材料および動力源として筋肉の効率比を算出し、任意には向上させるのに用いることができる。
【００２２】
この発明の第５の好ましい実施例に従うと、心臓状態シミュレータ（ＨＳＳ：Heart State Simulator）が作成される。任意には循環系は、好ましくはＩＭＳによって管理されるＳＳＭに従って冠動脈系（図２）を含む。このシミュレータは、学習目的で使用可能であり、さまざまな種類の境界条件の変化がＳＳＭのモジュールに対して及ぼすこととなる影響をシミュレートし得る。
【００２３】
この発明の第６の好ましい実施例に従うと、好ましくはＩＭＳによって管理されるＳＳＭに従ったデータベースが作成される。さらなるプロセスにおいては、ＳＳＭに従った人工知能（ＡＩ）システムが作成され得る。
【００２４】
この発明の第７の好ましい実施例に従うと、圧力センサ、マイクロホン、光センサ、酸素濃度計のような単純な検査装置が作成される。これらは、好ましくはＩＭＳによって処理されるＳＳＭに従ったＨＳＡおよびＧＵＩを備えており、体内および体外の両方で使用されるべき離散および／または動的時間関連状態図を作成することができ、個人の心臓および任意には循環系のための制御装置として、たとえば遠隔医療によって手動および／または自動で機能し得る。
【００２５】
この発明の第８の実施例に従うと、ＳＳＭは、ＨＳＡによって計算される動的な三角測量によって心臓の機能を見出すのに用いられる。次いで、一次元、二次元および／または三次元の能動的外形のこのマッピングを用いて、心臓または心臓の一部のワイヤフレームおよび／または表面メッシュモデルを作成し得る。
【００２６】
この発明の第９の好ましい実施例に従うと、心臓のポンピング機能および調節機能の相互作用を説明する単純かつ迅速な方法が提供される。
【００２７】
ＳＳＭを用いることにより、さまざまな外部および／または内部のパラメータが心臓のポンピング機能および調節機能をいつ、どこで、なぜおよび如何に変更するかを認識および理解することがはるかに容易になるだろう。これは、学習プロセス時には非常に有用であり、特に、これまで知られていなかった心臓の調節機能を研究および分析するのに非常に有用になり得る。
【００２８】
ＳＳＭはさらに、たとえば、心筋細胞および他の細胞の化学的およびミクロの伝導レベルならびに循環系に関する機能に至るまで、パラメータの変化を用いて、心臓および循環系のその機能の処理、表示およびシミュレーションに使用するのに非常に適している。
【００２９】
データベースは、たとえば、分析、処理、表示、シミュレーション、診断、予後診断、内科的および外科的治療を支援するためのものとして手動および／または自動で用いることができる。
【００３０】
このように、外部の流れ、圧力および音を監視するような粗く単純であり短時間で済む
検査方法であっても、心臓の機能を判断するのに用いることができる。これにより、ＳＳＭが、たとえば、医療処置、健康管理および訓練の追跡調査として個人の循環系をオンライン通信で検査するための在宅医療装置内のソフトウェアおよび任意にはハードウェアとして適したものとなる。
【００３１】
このように、この発明の包括的目的は、さまざまな種類の検査方法における処理手段によって、クラスタ状態機械としての心臓および任意には冠動脈系を含む循環系の機能を、一次元、二次元または三次元で、分子レベルに至るまで記録、分析、検証、表示、シミュレートおよび通信するのに用いることのできるシステムを作成することによって達成される。
【００３２】
これは、任意には相互接続管理システム（ＩＭＳ）によって処理および組織化される離散および／または動的時間関連状態図として、心臓状態アナライザ（ＨＳＡ）によって分析される心臓およびそのすべての機能の状態空間モデル（ＳＳＭ）を作成することによって達成される。
【００３３】
ＳＳＭが関連している状態条件には、
周囲の区域、筋細胞の機能方法、デルタＶポンプ機能、心室中隔（ＩＶＳ）の相互作用、ならびに心臓の内外へのおよび心臓の内部および外部での流れ、圧力、圧力勾配が含まれる。
【００３４】
心臓状態バリデータ（ＨＳＶ）、心臓状態シミュレート（ＨＳＳ）、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）、効率比アナライザ（ＥＲＡ）モジュールおよびＳＳＭに従った基準データベースとしての追加のモジュールとともに、相互接続管理システム（ＩＭＳ）は、たとえば、記録、検証、通信、データベース管理、分析、処理、表示およびシミュレーション用に用いることにより、知識、診断および治療を改善させることができる。
【００３５】
技術士によって用いられる以外に、ＳＳＭは、個人の循環系をたとえばオンラインで通信するために、脈拍、心音および血圧モニタなどの在宅医療装置において極めて好適である。これらは、たとえば、治療、健康管理および訓練の調査を追跡するのに用いることもできる。
【００３６】
ＳＳＭはさらに、たとえば、データベースからのデータを用いて記録、分析、計算およびモデリングのモジュールを手動および／または自動でサポートして、情報を向上させ、より確実な検査方法をもたらし得る。
【００３７】
心臓の真のポンピング機能および調節機能を知ることにより、発明者は、現在、新しく、より効率的で時間のかからない検査、分析、シミュレート、および表示の方法を用いると、より効率的な診断、予後診断、治療、通信、およびデータベースの処理が提供可能になることを発見した。これは、基本的には、心臓のいわゆる状態空間モデル（ＳＳＭ）を作成することによって行なわれ、相互作用モジュールにおいて、筋細胞の機能ごとの塊を分離して、冠循環系を含む心臓の内外への、ならびに心臓の内部および外部における境界条件、たとえば筋細胞機能、周囲区域、圧力、圧力勾配、および流れの変化に関連した心臓の構造、ポンピング機能および調節機能に焦点を合わせている。このモデルは、ヒトの心臓の機械的モデルに依拠している。当該モデルは、あまり複雑ではないが、心臓の機械的なポンピング機能および調節機能を捉えている。これにより、他の方策に比べて多くの有益な特性がもたらされる（「ブラックボックス（black box）」；有限要素などを含むモデル）。当該モデルは、既知の観察結果の間に補間する場合、および、既知の観察結果の空間外に補間する場合、強い性能を示すと想定され得る。計算時にモデルを展開させる
とコンピュータリソースが制限され、計算結果をほぼ瞬間的に得ることできる。
【００３８】
このモデルを用いると、検査方法、記録および分析システムなどの焦点をポンピング機能および調節機能の最終的な結果に合わせることが可能となり、今日ほどではないとしても、心臓の機能を理解および表示しようと試みて筋細胞の活動に焦点を当わせることが可能になるだろう。
【００３９】
心臓の調節機能は特に興味深いものである。というのも、調節機能不全は、肺高血圧、呼吸困難、肺水腫、ひどい不快感を引起こし、さらには死亡をもたらすものであるからである。ポンピング機能が低下すると、結果として分時拍出量が低下し、これにより、個人の身体作業能力が低下するが、通常は不快感や死亡には至らない。子供、標準的な個人および十分に訓練された運動選手の心臓を比較してみる。健康な状態では、彼らの調節機能は同じであるが、ポンピング能力はすべて異なっている。
【００４０】
この発明の好ましい実施例に従うと、状態空間モデル（ＳＳＭ）は、この明細書中において相互接続管理システム（ＩＭＳ）と称される相互接続システムに組込まれて、広範なフレームワークとして機能し、心臓および循環系についてのさまざまな種類の情報間の接続を関連付け得る。ＳＳＭを任意に処理するＩＭＳは、さまざまな種類の検査方法および装置ならびにデータベースにおいて使用されて、心臓の機能を、分離された相互作用層として記録、分析、計算、シミュレート、表示および通信し得る。
【００４１】
ＩＭＳは、ＳＳＭを含むことにより、心筋細胞の構造および機能の両方に関連付けられているので、心筋細胞についてのすべての知識、コンピュータモデリングなどを心臓の構造、ポンピング機能および調節機能に関連付けて示すことができる。
【００４２】
ＩＭＳはまた、管理装置として、冠動脈系を含む循環系全体に関する環境条件を満たし得る。
【００４３】
ＩＭＳは、心臓の機械的機能に焦点を合わせることができるため、高速でさほど複雑でない検査方法および分析システムを用いて、心臓のポンピング機能および調節機能を評価および表示することができる。これにより、ＩＭＳは、たとえば、個人の循環系についてオンラインで通信するものとして在宅医療装置に非常に適したものとなる。
【００４４】
この発明を添付の図面に関連付けて以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１ａ】ΔＶポンプの原理を概略的に示す図である。
【図１ｂ】ΔＶポンプの原理を概略的に示す図である。
【図２】ＳＳＭに従った人の循環系のモデルの例をこの発明に従って示す図である。
【図３】クラスタ状態機械としての心臓を相互作用モジュールに分割した図を示す、この発明の第１の好ましい実施例に従った状態空間モデル（ＳＳＭ）のアーキテクチャを示す図である。
【図４Ａ】この発明に従って実現された、心臓の２Ｄワイヤフレームモデルの例を示す図である。
【図４Ｂ】この発明に従って実現された、心臓の２Ｄワイヤフレームモデルの例を示す図である。
【図４Ｃ】この発明に従って実現された、心臓の２Ｄワイヤフレームモデルの例を示す図である。
【図４Ｄ】この発明に従って実現された、心臓の２Ｄワイヤフレームモデルの例を示す図である。
【図５】この発明の好ましい実施例１〜５に従った、固有のモジュールを備えた相互接続管理システムを示す図である。
【図６】この発明に従った論理状態図の例を示す図である。
【図７Ａ】たとえば、右心室（ＲＶ）のデルタＶピストンの中間部分と左心室（ＬＶ）のデルタＶピストンの側方部分との２つのポイントにおける速度変化によって得られる離散時間関連イベントを示す、機能している標準的な心臓の超音波記録によってこの発明に従って実現される離散時間関連状態図の例を示す図である。
【図７Ｂ】変化した機械的機能の背後にあるさらなる情報を与えるために筋肉の塊の再配置時における機能不全を示すべく準備された中心部における「標的（Bulls eyes）」として表示される追加の写真とともに、図７Ａにおいて実現される病理的に機能する心臓の超音波記録によってこの発明に従って実現される離散時間関連状態図の例を示す図である。
【図８】左心室（ＬＶ）の側方部分に位置するデルタＶピストンの１つのポイントにおける運動を示す超音波記録によってこの発明に従って実現される動的時間関連状態図の例を示す図である。
【図９】内外の変化に関連付けて、たとえば２Ｄ、３Ｄの幾何学的構造、容量および調節機能を記録することのできる撮像装置においてＳＳＭを如何に実現するかについて、プログラミングステップを例として概略的に示す図である。
【図１０】血圧監視装置においてＳＳＭを如何に実現するかを、プログラミングステップを例として概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
発明の好ましい実施例の詳細な説明
この発明のすべての局面を完全に説明するために、上記で特定されたＰＣＴ出願（ＰＣＴ／ＳＥ２００６／０００１１４）の詳細な説明の部分を以下に含む必要があると考えられる。
【００４７】
心臓およびその機能を再現する手掛りは、自然が実現可能であった基本的な境界条件を定義して、心臓のポンピングおよび調節機能を作り出すことである。
【００４８】
この発明の背後にある根本的な原理に従うと、これは、心臓を、技術的に、通常自然によって設定される動的境界条件で動作する心臓クラスタ状態機械に変換することによって達成される。心臓クラスタ状態機械は、有限心筋細胞状態機械の動的境界条件を、ΔＶポンプ状態機械の動的境界条件に適合された筋肉の合胞体、すなわち心筋、に融合させた結果である（図３）。これにより、上記の有限心筋細胞状態機械および上記のΔＶポンプ状態機械の動的境界条件に従うこととなる心臓クラスタ状態機械が作成される。
【００４９】
心臓クラスタ状態機械の動作条件は、体内の心臓の動作条件に等しく、一般に利用可能な計算、撮像、記憶および分析システムを用いることにより表現され得る。
【００５０】
以上に簡潔に述べたように、この発明は、心臓の従来のポンピング運動である圧搾機能でポンピングするのではなく、心臓がデルタ（Δ）Ｖピストンまたは球形のＡＶピストンと称されるピストン状のユニットによる前後運動でポンピングしているという観察結果に基づいている。ピストンの区域は、より平坦な区域および湾曲した区域からなる。平坦な区域は繊維輪のリング、ＡＶリングおよびその４つの弁からなり、これは、それが大動脈および肺動脈、肺動脈幹、の接続区域を含むことを意味する。
【００５１】
２次元映像では凸状であるか、または３次元映像では球形である湾曲した区域は、平坦な区域、すなわち繊維輪のリングに接続された左右の筋肉からなる。
【００５２】
ΔＶピストンは、心尖の方に引張られ、心室に含まれる血液を強制的に肺循環および体循環させるとき、同時に、ΔＶ心臓ポンプおよびその周囲の区域の境界条件の結果として心房およびその心耳に血液を引込むだろう。ΔＶピストンの凸状部分や区域は、周囲の組織と直接接触している大動脈および肺動脈の突出た区域を含む心膜と直接接触しており、直接的なΔＶ容積を形成するだろう。ΔＶピストンの区域は周囲の容積と間接的に接触しており、間接的なΔＶ容積を形成するだろう。このような区域は大部分が心耳によって覆われ、ある程度までが肺動脈幹および大動脈によって覆われている。
【００５３】
心室拡張期の初期の間、心室筋が弛緩し始める段階中、ΔＶピストンは、心室の収縮中に作り出したΔＶ容積を満たすことによってその初期位置に戻り始める。これは、塊の動的力および静的力の影響を受けて、かつ、心室収縮期中におけるΔＶピストンの下方への動きによって作り出される心臓構造およびその周囲区域に蓄積されたエネルギによってなされる。ΔＶ区域にわたる圧力勾配は液圧によるΔＶピストンの戻りをもたらし、ΔＶ機能と称される。
【００５４】
外部の容積変化はほとんどが、心臓の尖部−横隔膜部分における弾性的なサスペンションのかかる区域における、ΔＶピストンの動きに関連した直接的および間接的なΔＶ容積である。右心室および左心室の相対的な容積を変化させる心臓の能力（引用された論文に記載される）は、主に、共通の心室壁、すなわち心室中隔（ＩＶＳ：Intra Ventricular Septum）、の動きによって遂行される。心室拡張期中、筋肉が弛緩した状態である間、ＩＶＳは、２つの心室間の圧力勾配に依存してその形および位置を適合させ得る。心室収縮期中、心室中隔は、左心室の心筋の残りの部分とともに、実質的に交差した円形の断面構成を呈し、心拡張期中にその形および位置とは無関係に異なる位置をとる。これは、心室収縮期中、左心室の圧力が常に右心室の圧力よりも高いためである。心拡張期中の、すなわち弛緩した状態での心室中隔の構成および位置が、心収縮期中の、すなわち活動状態である構成および位置と異なる場合、横隔膜ポンプのように機能する心室中隔は、このため、一方の心室に供給する１回拍出量を増大させ、他方の心室に供給する１回拍出量をこれに応じて低減させる。このように、心室中隔は、循環系（肺循環および体循環）の２つの支脈間のバランスを維持するよう複動式の調節を実現する。
【００５５】
心臓を心臓クラスタ状態機械として説明するのに必要な動的境界条件は、筋細胞の動作原理についての細分された境界条件と、ΔＶポンプ状態機械である心臓の動作原理についての細分された境界条件との例を与えることによって明確にされる。
【００５６】
Ｉ  有限状態機械としての筋細胞の動的境界条件は、以下のとおり、境界条件と動作原理とに細分することができる。
【００５７】
Ｉａ  心臓のポンピング機能および調節機能についての最適な順序を同期的に実現するために、動力を生成し、伝導系の部分である有限筋肉状態機械をトリガさせる化学的、電気的および機械的な方法の境界条件。
【００５８】
Ｉｂ  筋収縮時により厚くなる筋肉のために十分な空間を保った状態で堅固な構築、伸張および短縮を可能にする、筋細胞の周りの結合組織網の境界条件。
【００５９】
Ｉｃ  ΔＶポンプのように作用するが、循環系を厳密にバランスのとれた状態に保つように当該循環系に対して機能する４室の容量ポンプを作り出すよう筋細胞を構成する境界条件。当然、２室および３室の心臓は他の条件を有することとなる。
【００６０】
ＩＩ  ΔＶポンプ状態機械として動作する心臓の動的境界条件は、以下のように境界条件および動作原理に細分される。
【００６１】
ＩＩａ  心臓のΔＶ機能をサポートする機能および特性を有する入口および出口を備えた４室の容積を封じ込める周囲組織の境界条件。
【００６２】
ＩＩｂ  弁と出口の血管とを備え、心臓の内部の連続的な容積を供給する容積と排出する容積とに分け、さらに、ΔＶ機能をもたらすよう構成されたΔＶ容積を生成する、可動ΔＶピストンの境界条件。
【００６３】
通常のポンプを備えた従来の循環系においては、流入および流出の両方を制御するのは、通常、ポンプの速度である。これは、動的容量形ポンプ、すなわちΔＶポンプには当てはまらない。これらは本質的に流入によって制御される。ΔＶ容積がもたらすΔＶ機能により、ストロークの長さが決定され、心臓の場合にはΔＶポンプとしての心臓の大きさが決定される。これは、ΔＶ心臓ポンプがその真のポンピング機能および調節機能を示すかまたはもたらすよう循環系に組込まれなければならないことを意味する。このように、静脈還流を制御する動的境界条件は、心拍出量の制御に極めて重要な役割を果たすだろう。ΔＶ心臓ポンプは、心拍数および力が十分に高ければ、その入口の血管から入ってくる血液を常に吐出そうとするだろう。これは以前には十分に理解されていなかった。ΔＶ心臓ポンプをサポートするのに必要であるかまたはΔＶ心臓ポンプによってサポートされている循環系の主な動的境界条件は、図２にしたがって以下のとおり説明することができる。
【００６４】
ＩＩＩ  中心静脈容量の動的境界条件（たとえば、心臓に通じている肺静脈を含むより大きな静脈の圧力、流れ、容量、張力）。
【００６５】
ＩＶ  末梢静脈容量の動的境界条件（たとえば、容量血管の血液容積交換および貯蔵容量）。
【００６６】
Ｖ  中心動脈容量の動的境界条件（たとえば、心臓から出る肺動脈を含むより大きな動脈の圧力、流れ、容量、張力）。
【００６７】
ＶＩ  末梢動脈容量の動的境界条件（たとえば、異なる時に異なる器官をサポートするのに必要な血液量の変動、移行ゾーンにおける流量についての活動による制御、および静脈圧の値までの圧力低下）。
【００６８】
ＶＩＩ  全血液容量、血液密度、粘度および剪断などを維持する動的境界条件。
ＶＩＩＩ  心拍数および血圧を制御するための動的境界条件。
【００６９】
心臓をΔＶ心臓ポンプとして呈示すると、本来の循環系を調節およびシミュレートすることができるだろう。心臓の機能と循環系の機能との相乗作用がよりよく理解されることとなり、心臓が機能する場合、いつ、どこで、どのように、そしてなぜ機能するのかという疑問に対する回答の要求を増大させるだろう。これは、たとえば医学的処置、集中治療および研究に非常に有用となるだろう。
【００７０】
言換えれば、筋細胞は各々、それ自体の動作レジメンについての条件を満たし、心臓をΔＶポンプとして構築する構造の一部としての要件をも満たすように配置／構成されなければならない。短縮および肥厚化によって動力を作り出す動作レジメンと、その背後にある境界条件とは周知である。
【００７１】
あらゆる状況下における心臓の実験的動作モデルがすべて、圧搾機能とともに説明されてきた。これは明らかに、心臓が、律動的に反作用するやり方で心房および心室の外部の圧搾運動によってそのポンピングおよび調節機能を実行すると想定された場合に当てはま
る。
【００７２】
新しい磁気共鳴映像技術（ＭＲＩ）では、有力な研究者間での４世代目の見解は、心臓が筋肉の圧搾運動とともにＡＶプレーンのピストンのような動きでポンピングするという概念を採用している。ＡＶプレーンは、左心室における僧帽弁輪の開口部、および、これに応じて右心室における三尖弁の開口部として規定されている。右心室の機能はほとんど論じられていない。
【００７３】
短縮および肥厚化することによる筋細胞の動作の仕方は、ひとたび心臓におけるような閉容積が作られると問題を引起こすことになる。筋細胞の容積は、その動作状態の間は一定のままである。これはすべての動作している筋細胞がそうであるということを意味する。なぜならば、その肥厚化はその近隣の細胞などに対して影響を及ぼすことになるからである。心臓全体および特に左心室の短手軸の観点での容積の形状は、おおよそ円形形状である。これは特に、心臓が圧搾ポンピング機能によりポンピング機能を行なうならば、すべての筋細胞は、その過程においてすべての方向にそれ自体と近隣の細胞とを押し、引き、再配置する際、および中央に向かって肥厚化する際に、相互作用するはずであるということを意味する。
【００７４】
大きな球状のデルタＶピストンは自然に作り出された。このピストンはＡＶリングのはるか下から始まって、心室の外側形状の円錐部分がＡＶリングに最終的に接続される球形状に進展する。この形成された球形の区域は、広範囲に心耳およびそれらの縁部によって覆われ、大動脈および肺動脈幹の流出路とともにデルタＶピストンを作り出す。このデルタＶピストンの大きな区域により、ストローク長さを伸ばす必要性が低減され、流れに対する筋肉の障害物が低減され、かつデルタＶ容積が作り出される。
【００７５】
長手方向時計回り外側「層」と内側長手方向反時計回り「層」とにおける組織化された筋細胞がＸ方向を形成し、その間に増強円形方向「層」を備える。小柱の複雑な網とともに、これらの方向付けられた筋細胞が、心膜嚢およびその周辺によって設定される外側形状に追随し得る長手方向の運動および狭窄を作り出す。
【００７６】
短縮および肥厚化による筋肉の動作の仕方は、適切な生理学的順序でパックおよびアンパックを行なうのに問題となるだろう。筋肉壁が厚ければ厚いほど、これらの課題を解決するのが難しくなり、最後には筋肉が心臓のポンピングおよび調節機能に対する障害物となるだろう。
【００７７】
筋細胞は、実質的には、静的動作または動的動作中にはその容量を変えない。これは、心房、心耳または心室によって生成される容量が常に一定の筋容量を含むだろうことを意味する。デルタＶポンプとしての心臓の構造においては、構造材料の弛緩した特性や堅固な特性が必要とされ、また、動力源も必要性とされる。筋細胞が動作する方法では、心臓周囲および圧力勾配のサポートを受けてこれらの必要性を満たすことができる。
【００７８】
状態空間モデル（ＳＳＭ）のアーキテクチャを示す図３を詳細に記載する。ここでは、容量形ポンプとしてデルタＶポンプを用いることにより、心臓のすべての制御要件が満たされている。
【００７９】
論理状態図によって説明されるクラスタ状態機械としての心臓（Ｓ１〜Ｓ７、図６を参照）は、状態空間モデル（ＳＳＭ）における相互作用モジュールとして相互作用するモジュールの２本の主要なラインに再分割され得る。相互作用する機械、有限心筋細胞状態機械およびデルタＶポンプ状態機械が分けられている。
【００８０】
第１のカラム（図３）は、有限心筋細胞状態機械を説明する。当該カラムは、「心筋細胞構造」モジュールから始まる。このモジュールは、ミクロの栄養伝達および他の化学反応を含め、筋細胞の構造およびそれらの相互作用を分子およびミクロのレベルで説明する。このラインにおける次のモジュール「心筋細胞機能」では、伸長化によって抵抗を得、静的動作によって堅固になり、短縮化によって動的動作をもたらす可能性のある構造材料として心筋細胞機能を説明する。このモジュールはまた、伝導系を含む。このラインにおける第３および最後のモジュールは「筋細胞状態機械」であり、その質量および機能をすべて備えた心筋細胞を含む。当該モジュールで注意すべき点は、筋細胞がそのすべての状態である間に実質的に一定の容積を有しており、このため、伸長化によって薄くなり、短縮化によって厚くなることである。これは、このモジュールが、その動作状態中に筋肉の塊の再配置に対処するために心臓のアーキテクチャに対処していることを意味する。
【００８１】
第２のカラムはデルタＶポンプ状態機械を説明する。これは、心臓の構造を心臓の幾何学的記述として２Ｄおよび／または３Ｄで概略的に示しているサブモジュールに分割されたメインモジュールから始まる。機械的装置としての心臓は、心臓の右側および左側をなす２つのデルタＶポンプ状態機械を融合することよって作り出される。右心室および左心室ＲＶおよびＬＶは出口容積であり、左右の心房および心耳によって作り出されるＲＡおよびＬＡは入口容積である。心臓の右側および左側はともに第３のデルタＶポンプすなわち心臓全体を作り出す。
【００８２】
第２のカラムにおける第２のモジュールは、第３のデルタＶポンプ状態機械を生成する２つのデルタＶポンプ状態機械を融合した結果として、心室中隔（ＩＶＳ）の構造および機能を説明する。機械的な視点から、ＩＶＳは出口容積ＲＶおよびＬＶを互いから分離する。入口容積ＲＡおよびＬＡは、大部分が卵円孔の小さな膜である心房中隔とともに、肺動脈および大動脈の流出路によって分離されている。図４Ｄのメインモジュールにおいて矢印で示されるＩＶＳの相互作用運動は、心臓のポンピング機能および調節機能に大きな影響を及ぼすこととなる。ＩＶＳの機能を以下に詳細に説明する。
【００８３】
ＲＶおよびＬＶからの肺動脈および大動脈の入口容積および出口区域を分割するラインにより、デルタＶピストンが形成される。その構造および機能は第２のカラムにおける第３のモジュールにおいて説明される。４つのすべての弁を保持する線維輪への心室容量の接続部は球形である。これにより、デルタＶピストンは、筋細胞の容量の外側形状によって作り出される球形を有することとなる。この区域は非常に大きいが、心房および心耳によって大部分が覆われている。この構成により、ピストン区域が入口容積に向かって広くなり、デルタＶ容積を形成する区域が小さくなる。これらの構成はまた、心房および心耳の収縮によってデルタＶピストンのストローク長さを増大させるブースタ構成、すなわち「ＲＡおよびＬＡ−ブースト」、として極めて適している。
【００８４】
第４のモジュールは、左右の心房および心耳の収縮の構造および機能を説明する。これらの構造および機能を、論理離散時間関連状態図を示しつつ以下に詳細に説明する。
【００８５】
第４のモジュールは第５のモジュール「デルタＶポンプ状態機械」で終わる。このモジュールは、１Ｄ〜３Ｄである筋肉容量の外側形状、および任意には内側形状のライン、ワイヤフレームおよび／または表面メッシュからなる。ラインおよびワイヤフレームならびに／または表面メッシュは、筋肉容量を有していないが、筋肉容量を任意に囲み得る。これらのライン、ワイヤフレームまたは表面メッシュは、心筋細胞と同じ機能を有するようサポートされ、活性形状として分類される。この変換は、モジュール「心筋細胞機能」から「デルタＶポンプ状態機械」までを指す矢印によって示されている。この動作が可能となるのは、心筋細胞が受動的、静的または動的な動作中にはそれらの容量を実質的に変化させないという事実によるものである。これは、実際には、モジュール「デルタＶポンプ
状態機械」が、筋細胞の容量を０にまで減らすことによって、モジュール「心臓クラスタ状態機械」から実現されることを意味する。このようにして、心臓の検査中に心臓の機械的構造に焦点が合わされることとなる。筋肉質量、すなわち心臓クラスタ状態機械モジュール、の一定の容量および再配置を用いることにより、特に心臓の内外における、および内外への容量変位が検査および分析されるべき対称物である場合に検査値を生成することが可能となる。さらに、再配置のパターンを機械的機能とともに用いることにより、心臓の性能をシミュレート、検証および計算することが可能となる。
【００８６】
クラスタ状態機械としての心臓との他の機械的な相互作用は、「周囲区域の影響」および「流れおよび圧力の影響」である。これらの２つのモジュールは、心臓の内外の幾何学的構造を絶えず或る程度変化させることとなる。通常の状況下では、これらのモジュールは、デルタＶピストンのデルタＶ関数とともに相互作用して、肺循環系と主な循環系との間で流れおよび圧力の完璧なバランスを維持するために、心臓の投入出力のバランスを取るようにするだろう。
【００８７】
図４Ａ〜図４Ｄの詳細な説明
心臓のポンピング機能および調節機能に対する周囲区域の影響を理解するために、心臓クラスタ状態機械のモデル（図４Ａ）およびデルタＶポンプ状態機械のモデル（図４Ｂ〜図４Ｄ）が作成された。
【００８８】
図４Ａは、心臓を通る長軸の切取部の局所的な概略図である。なお、その位置は胸郭と背骨の領域との間である。附属物を有する心耳は、流出路にて、大動脈および肺動脈の周りの縁部を平滑化する。
【００８９】
図４Ｂは、心臓のポンピング機能および調節機能を作り出す表面の形状の概略図である。流出および流入路ならびに弁は図示されない。円は、圧縮不可能な血液および噴門上部ならびに心膜の滑りやすい面が作り出す第１種てこの機能と容易な摺動とについての記号である。矢印は、心臓内部の液圧力のバランスをとるのに必要とされる筋細胞の機能によってもたらされる一般的な力を示す。ＲＡおよびＬＡは、心耳と変形可能なファットウェッジ（fat wedge）の容積とに対応する湾曲部分を有する右心房（Right Atria）および左心房（Left Atria）を示す。ＲＶ、ＬＶおよびＩＶＳは、右心室（Right Ventricle）、左心室（Left Ventricle）、および心室間の中隔（Inter Ventricular Septum）を示す。
【００９０】
図４Ｃは、球状のデルタＶピストンを心臓の上部に導くとともに、続く心室収縮のストロークの長さを増加させる心房の収縮を示す。大きな矢印は、これらの領域における運動に対する強い抵抗を示す。
【００９１】
最後に、図４Ｄは、デルタＶピストンのピストンタイプのポンピング機能を示し、右心室および左心室からの一回拍出量を作り出す容積をどこで見出すかを示す。なお、内部のデルタＶ容積は、右心室から容積を「盗む」。流出路の区域は示されていないが、象徴的に含まれる。さらに、胸郭（胸壁）に沿った摺動運動により、心臓嚢を横隔膜に固定することにより行われるデルタＶピストンの運動に対して反作用力が必要になる結果として、尖部−横隔膜領域において弾性的なサスペンションがもたらされることとなる。
【００９２】
図４Ａ〜図４Ｄを分析する際に、心臓がこれらの３つのオプションのうちの１つ以上にしたがってそのポンピングおよび調節を実行しなければならないことは明らかである。
【００９３】
１．外側形状が変化し、したがって外側容積も変化する。
２．心臓内のピストンの、ピストン様の運動を伴う一定の外側形状。
【００９４】
３．ポンピング機能および／または調節機能を用いた往復運動による容積変化において、心臓のレンダリングの右半分と左半分との間に隔壁ＩＶＳのダイヤフラムポンプのような運動を伴う一定の外側形状。
【００９５】
これらのすべての実現可能性は、図３におけるＳＳＭに従って、図４Ａ〜図４Ｄに図示のとおり、自然界で利用されてきた。
【００９６】
本質的に、デルタＶポンプは、ピストンの運動によりデルタＶ容積に関連する外部の容積変化をもたらし得る区域を常に有している。これらの容積とピストンとの相互作用により、デルタＶピストンおよびデルタＶの機能が表現される。
【００９７】
生体において、ピストンは４つの弁と、さらに大動脈および肺動脈幹といった出口血管とを保持する。心膜嚢および血管を含む心臓の構造全体は柔軟性があり、弾性反動要素をある程度有する。心臓の周囲も、胸郭および脊髄を除いて柔軟である。心膜嚢の横隔膜筋に対する強力な付着、および胸壁に対する液圧による付着により、心臓を含む心膜嚢は呼吸時に胸壁に対して平行に自由に動くことになり、ポンピング動作の間には、心室の収縮の終了時に、心膜嚢の内部の塊全体を運動している状態に保つ弾力性サスペンションとしての重要な機能を有する。心尖での弾力性サスペンションは、デルタＶピストンのストロークの長さを低減させることになるが、他の反動力、静的力および動的力とともに、圧力勾配の増大により、デルタＶ機能によって、デルタＶピストンの液圧還流に動力を与え得る。心臓に対する心臓の上部および入口の血管の液圧および機械的な付着は、心尖区域とは反対側にあるこの区域が心房および心耳の収縮中、ならびに心室の収縮中の両方において、適切な位置に保たれることになる。
【００９８】
２つのデルタＶポンプＲＶおよびＬＶを融合することにより、共通の壁、すなわち、心室中隔（ＩＶＳ）が作り出される。これは、横隔膜ポンプとして機能し、複動式の調節ユニットとして作用して、肺循環系にわたって適切な流れおよび圧力を維持する。
【００９９】
ＩＶＳの運動は、心臓のポンピング機能および調節機能の状態を視覚化する際に、診断上、非常に重要である。
【０１００】
上述のとおり、筋肉の肥厚化の方法は、心臓の機械的構造に焦点を合わせるために、容積のうち囲まれた外側形状の内部における筋肉容量を一定的に再分配するものとして考慮にされなければならない。これは、心室容量間の相互作用する容量変化をもたらすものがＩＶＳの主要な外側形状の動きであることを意味している。収縮期および拡張期の圧力は通常心臓の左側の方がより高いので、ＩＶＳを含む左心室は球状となるだろう。これにより、筋細胞は、心室の収縮の間、右心室に向かう圧力勾配に耐えるよう方向付けされることになる。これは、ＩＶＳの筋肉の塊が、その肥厚化を左心室の内腔に向けることになることを意味する。言い換えると、２つの心室間で容積を変化させるのは、右心室容積の隣の表面区域の運動になる。
【０１０１】
心室中隔は、２種類の運動を有すると見なされる。１つは、横隔膜の運動と平行であり、左心室内の容積を変化させないが、右心室の容積をある程度変化させるものである。心室中隔の他方の運動は、一方側で一回拍出量を増加させるとともに他方側で一回拍出量を減少させることにより心室間で相互作用する。これにより、ＩＶＳによる通常の機能の下で、肺循環系にわたって適切な流れおよび圧力を維持するという非常に効果的な二重の調整機能が得られることとなる。
【０１０２】
ＩＶＳの長手方向の運動は、右心室と左心室との間の第３の容積交換に寄与する（図４Ｄ）。この容積は、以前には知られておらず、ＡＶリングへの心室中隔の球状の接続によ
って、また、或る程度までは大動脈および肺動脈幹の流出路によって作り出されるものであり、図３におけるＳＳＭの下で説明される左側のデルタＶポンプに属する内部デルタＶ容積を作り出す。これは、内部デルタＶ容積（図４Ｄ）を作り出す左心室が、各脈拍ごとに、デルタＶピストンの液圧還流中に戻されることになる容積である、右心室の一回拍出量から「盗み出す（steal）」ことを意味する。
【０１０３】
心房の収縮は、ストロークの長さをデルタＶピストンまで伸ばすブースタユニットであると見なされてもよい。ピストンは、大部分の区域が、二重の折込まれた心耳およびそれらの鋭い筋肉縁部によって覆われており、収縮によって引込まれ得る。これにより、周囲区域が崩れないか、またはデルタＶピストンがリフトアップされなければ、完全真空が発生する状況が瞬時に作り出される。後者は、デルタＶピストンの上方向の運動によって血液および筋肉の容量が再配置されてデルタＶピストンの上方と下方とで容積変位が等しくなるために生じるものである（図４Ｃ）。この結果、心臓の内側、外側、心臓へのまたは心臓からのすべての塊（masses)の速度の変化が最低限になるだろう。高い流量および心拍数では、したがってデルタＶ機能の背後にある強い力では、伝達系の結果として以外の心房の収縮は、一回拍出量に対してほとんど影響を及ぼさないだろう。これに対して、心不全の場合には、生命維持効果を有し得る。
【０１０４】
この発明に従うと、ＳＳＭは、心臓状態アナライザ（ＨＳＡ）（図５）を作り出すためのモデルとして用いられてきた。ＨＳＡは、ＳＳＭのモジュール内での現在の動作を、離散および／または動的時間関連状態図として、いずれのポイントにおいてもソフトウェアおよび／またはハードウェアによって示すことができる。入力手段マネージャ（ＩＭＭ）は、すべての入力データを処理してフィルタにかけて、より高度な検査方法で、たとえば縁部検出アルゴリズムおよび組織追跡を用いることにより、活性形状および区域を見出すことができ、これにより、ＳＳＭに従って、ポンピング機能および調節機能がもたらされ、こうして、筋肉容量がこれらの活性形状および区域から幾らか分離される。これらのデータがＨＳＡによって処理されて、心臓の機能についての関連する情報が作成され得る。一次元、二次元および／または三次元でのこれらの関係を、たとえば動的な三角測量によって用いて、心臓または心臓の部分についての簡潔かつ高速な検査方法、ワイヤフレームおよび／または表面メッシュモデルを作成することができる。
【０１０５】
心臓周期全体における活性形状は、非常に滑らかで公知の代数的形状を有している。デルタＶピストンの球形部分の外形、および、心臓嚢の固定部分に近い心臓壁の外形は、（壁面を昇る）運動による誤った投影のために重要なデータがひどく歪んでいる区域に該当する。これらのデータは、内側形状と、これにより筋肉容量の再分配とが測量される場合、さらに歪むこととなる。ＳＳＭを使用すると、筋肉容量の再配置の歪みを減らすことができる。心臓のポンピング機能と調節機能との相互作用（図４Ａ〜図４Ｄ）を知ることにより、真の運動および活動から偽の運動および活動を分けるのに用いることができるマッピング点、区域、容量および三角形などを作成することがより容易になる。
【０１０６】
これは、心臓状態バリデータ（ＨＳＶ）モジュールによって行なわれる。このようにして、イベント、運動、容量および容量移行などが、心臓の異なる区画間で、心臓の内外における冠動脈流を含む流入および流出と比較され、検証され得る。さらに、一定の筋肉容量およびそれらの再分配運動は、相互作用するポンピング機能および調節機能の背後にあるさらなる検証および情報のために用いることができる。
【０１０７】
個人の心臓の機械的なポンピング機能および調節機能について良好な見解を得るための容易かつ迅速な方法は、ＳＳＭに従って、ＩＶＳの運動に関連した心臓の右側および左側におけるデルタＶピストンの運動を追跡することである。
【０１０８】
ＨＳＡの活動を制御、処理および組織化するために、相互接続管理システム（ＩＭＳ）（図５）が製造された。これは、たとえば、記録、検証、通信、データベース管理、分析、処理、表示およびシミュレーションのために使用される内外のモジュールの広範なフレームワークにも対応し得る。
【０１０９】
このようにして、心臓の境界条件およびその機能をすべて、ＳＳＭに従って示すことができる。
【０１１０】
ＨＳＡの活動は、論理、離散時間関連状態図として説明することもできる。ここでは、ＳＳＭに従った心臓のこのような図の一例を示す。実用上の理由から、この例は、左側のΔＶ心臓ポンプだけに関する離散時間関連状態図として説明することとする。当然、同じイベントが右側のΔＶ心臓ポンプにも関連し得る。これらの２つのポンプの間におけるＩＶＳの相互作用は、心臓のポンピングおよび調節機能にとって極めて重要であるので、いずれにしても、ある程度まで解説することとする。
【０１１１】
特に図６を参照しつつさまざまな状態を詳細に説明する。
状態１
緩慢なΔＶ段階
この段階は以前には緩慢な充填段階と称されていた。しかしながら、心臓がΔＶポンプとして動作するこの文脈においては、「緩慢なΔＶ段階」の方がより適切である。これは、高速なΔＶ段階が直接的に連続すること、すなわち、ΔＶピストンの戻る動きである。流れが緩慢で低速である間、緩速なΔＶ段階は比較的長くなる。
【０１１２】
この段階中、心房および心室の両方の筋細胞ならびに心室中隔は完全に弛緩している。心臓の左半分と右半分とは主に心膜内の共通の容積と見なされてもよい。これにより、心臓の右半分と左半分とがそれぞれ、入ってくる血管とともにコンプライアンス容積を形成することとなる。左心房と右心房とに入ってくる流れのエネルギにより、ΔＶピストンが動く近傍で心臓の容積が主に増大することとなる。これによりΔＶ機能に対するエネルギが生成され、結果として、ΔＶピストンがその形状および位置を変化させ、さらに繊維輪のリングに対する引張力を生成することとなる。入ってくる流れのエネルギは、本質的には心室中隔によって妨害されることなく両方の心室に伝達される。
【０１１３】
心臓の全容積は心拍数および流入量に依存している。
ΔＶポンプのサイズはこの状態中に設定されることとなる。
【０１１４】
心膜およびその環境は主に、起り得る心臓の容積拡張を制限するものとなる。この段階中、流入する血液における静的力は最も顕著な力となる。間接的なΔＶ容積を形成する表面（大部分は心房の心耳）は、この段階中、心臓の上部への方向にΔＶピストンを押す如何なる正味の力にも寄与しない。その動作を行なうのは、主に、ΔＶピストンに接続された心臓と外側に向かう血管との拡張によって形成される直接的なΔＶ容積である。心臓が卵のような形をしているので、正味の力と、心臓の上部に向かうΔＶピストンの運動とが制限されることとなる。ΔＶピストンは中立的なバランスのとれた位置に入るだろう。これにより、ΔＶピストンのストロークの長さが制限されるが、ΔＶピストンが広くなることにより、包含される容積が大きくなる。
【０１１５】
こうして、ΔＶポンプとしての心臓は、入ってくる流れおよび心拍数に関連してそのサイズおよび形を適合させる。
【０１１６】
心臓の右半分および左半分のそれぞれの充填圧力により、心室中隔にわたる圧力勾配が決定される。この圧力勾配により、右心室と左心室との間の心室中隔の形状および位置が
決定される。
【０１１７】
この状態ならびに状態２および３が、前の状態（状態７）とともに、心室中隔の二重の調節機能のための前提条件を形成する。
【０１１８】
状態２
心房収縮期段階
既定の教示に従うと、心房収縮期の収縮およびその関連するＥＣＧ信号は、心臓のポンピング機能を説明する際の出発点であった。２回の心房収縮間の時間は、心臓周期または心臓サイクルを表わした。
【０１１９】
心臓がΔＶポンプとして動作するという発見は、入ってくる流れによってそのポンピング機能および調節機能が主に制御されることを意味し、これはまた、論理離散時間関連状態図としての心臓サイクルについての説明が、まず、緩慢なΔＶ段階から最適に説明されることを意味している。実際上の理由およびＥＣＧの理由から、心房の収縮から状態図を開始することが好都合であり得る。心房収縮期段階の結果は、多くの異なるパラメータに依存しており、結果として、ある状況下では、心房収縮が心臓のポンピング機能に何も追加しないのに対して、他の状況下では、それが生命維持に寄与する可能性がある。
【０１２０】
状態７におけるΔＶ機能の背後にある低速度および低運動量の間、心房収縮は状態１におけるその中立位置の上方にΔＶピストンを上げるのに寄与する。心房収縮は高速の活動である。心房およびその心耳を心膜およびΔＶピストンの球形部分に液圧で付着させることにより、心房収縮中に、弛緩した形成可能なΔＶピストンの上部上で心臓嚢に沿って引込み摺動運動がもたらされる。これは、心臓の上部の方向にΔＶピストンを押し進める液圧力を引起すだろう。収縮中、塊の最低限の外部および内部加速で心房と心室との間の血液容積が再分配されることとなる。ΔＶピストンを心臓の上部へと引くことは高速の心房収縮に好都合である。というのも、内部および外部の塊の動きに対する運動量が大きいからである。心臓の全容積が心房収縮中においてかなり一定であるので、心臓嚢に対するΔＶピストンの摺動運動は、結果として、心房と心室との間の血液の再分配だけをもたらすこととなる。心房収縮期中に外部の流入容積を必要とし得る区域はおおよそ肺動脈幹および大動脈の流出路のみである。これらの区域は直接的および間接的なΔＶ容積をもたらし得る。心房収縮中には右心房への流入があるが、通常、左心房からわずかな逆流がある。これは、肺静脈中のわずかなコンプライアンス容積と、左心耳がΔＶピストンと肺静脈との間で圧搾され、こうして引込み収縮中に当該静脈を広げるという事実とに依存する可能性が高くなる。流れが大きくおよび心拍数が高い間、高速で戻るΔＶピストンの背後にある運動量が大きければ、ΔＶ機能の背後にある流動力学によりΔＶピストンがその中立位置へと移動する。心臓をフルサイズのΔＶポンプに導く緩慢なΔＶ段階の役割が低減される。これは、大きな動的力と心臓をフルサイズで維持することのできる静的力のバックグラウンドとによるものである。心房収縮はおおよそ、心臓基部へのΔＶピストンのさらなる動きに寄与し得ない。
【０１２１】
多くの理由、すなわちΔＶピストンの戻る動きの背後にある低運動量、によって引起こされる小さなΔＶピストン運動の間、すなわち段階６では、心房収縮は、心臓の基部へとΔＶピストンを上げることにより１回拍出量のうち６０％にまで寄与し得る。
【０１２２】
高流量および低流量ならびに高心拍数および低心拍数のそれぞれの間、さらに心不全の間での心房収縮の重要性に関する劇的な違いの背後にあるメカニズムは、これまでに機械的に説明されたことはなかった。これは、ポンピング機能のために心耳が果たす役割にも当てはまる。ΔＶポンプとしての心臓は、心房収縮およびポンピング機能のための心耳の役割についての重要な機械的説明を与える。
【０１２３】
これはまた、心房収縮が進行しているにもかかわらず、なぜ心臓への流入の継続が可能であるかを説明する。
【０１２４】
心房収縮期の後、心室収縮排出段階が続くが、ここでは３つの状態に分けられる。この段階中の圧力は、通常、左心室においてはるかに高いので、左心室は、ΔＶ心臓ポンプと共同で動作する別個のΔＶポンプであると見なされ得る。
【０１２５】
状態３
前収縮期の容積−張力段階
心房収縮後、伝導系は、あるＡＶ遅延の後、同期された順序で、心室における筋細胞の脱分極を開始する。（以前には等容性段階と称された）状態３の間、筋肉は心臓への動力を生成しなければならないだけでなく、構成材料として、次の時間間隔内に高い力が加えられる心臓の部分の補強も行わなければならない。
【０１２６】
心室中隔、心室の尖部分および円錐部分ならびに乳頭筋を最初に活動させる。その後数ミリ秒内に、この活動の開始が心臓の残りの部分、つまり球形の括約筋のような心室の部分すなわちΔＶピストン、に広がる。心室の活動方法は「ソフトスタート（soft start）」と見なされてもよく、ΔＶピストンがその弛緩の動きや戻る動きを開始するその後の段階中に有用となる。
【０１２７】
この活動の開始は、尖部に向かうΔＶピストン運動の推測を最適化するパターンに追従する。心室中隔は、左心室と右心室との間の圧力勾配に耐えるために安定化を開始する。左心室は、ΔＶピストンの内部セクタであるその外部形状の直接連続部として、心室間の中隔とＡＶリングおよび大動脈の流出路への接続部とで整形し、これにより右心室の容積と相互に作用することになる。
【０１２８】
心室心筋の活動が開始されると心筋の緊張が高まることとなる。この結果として、その構造によりΔＶピストンと心臓の尖部−横隔膜領域との間のギャップを狭くすることと、閉じ込められた血液容量に対する圧力勾配を生成することとを求める力ベクトルがもたらされる。張力は、動きに対する抵抗が最低となる場に動きをもたらすだろう。心臓を心膜および周囲の組織に液圧で付着させることにより、心房収縮中の場合と同様に、心膜嚢に沿った心室筋の摺動運動が作り出される。これは、内部および外部の塊の動きに対する抵抗が大きいためである。内部における血液容積の再分配は、心房と心室との間で、但し逆方向になされ、結果として、実質的に逆流なしに弁が閉じられることとなる。ＡＶリングに堅固に接続されるとともに心耳および心膜に液圧で接続されているΔＶピストンの周辺区域を連続的に引下げると、筋肉の塊および封じ込められた血液容積に関連した凹形状がもたらされる。この湾曲した形は第１種てこのように機能し、曲げたり引いたりすることによって強い力勾配を生成し、かつそれに耐えることができる。当然、これは、心室壁にわたる圧力勾配がはるかに高い左心室における円形に方向付けされた筋繊維のさらなる強固な補強を必要とする。
【０１２９】
ストロークの長さの単位あたりの容積交換が最大になるのはこの湾曲した区域内であり、ここと、肺動脈幹および大動脈の流出路とにおいても直接的および間接的なΔＶ容積がもたらされる。
【０１３０】
この状態の初期においては、右心室および左心室は、心房および流入血管に連通している容積を備えた単一の容積と見なされる。ΔＶピストンを引下ろし、弁を閉じる間、心室内の圧力が高まる。心室中隔の動きは、ここでは、心房収縮の終わりに心室中隔の各側における静的圧力と動的圧力との間にどんな関係があったか、さらに、心室筋がどのように
活動されるかを反映している。
【０１３１】
状態３の終わりに、容積の再分配により、ΔＶピストン、ＡＶ弁および心室中隔ならびにΔＶピストンの内部セクタを始動させて、これらが、右心室および左心室からの流出を開始させる圧力に到達する際にもたらされる圧力勾配に耐えるのに必要な形状および張力を呈するようにする。通常の状況にある間、これらのすべての適合が、高速の容積変化の外部の抵抗とバランスがとれた状態で行われており、さらに、これは、内部の高速の容積変化とバランスのとれたΔＶピストンの動きにも関連している。ΔＶピストンの摺動運動の結果としての内部の容積変化のほとんどは、内部における血液容積の再分配によって起る(図４）。心房への流入は、特に高い流量で継続可能であるが、これは、それらが、特に心耳がΔＶピストンの凸状の筋肉部分を覆っている区域と、アクセスするのが難しい容積を心耳が満たしている大動脈および肺の根元の周りの区域とにおいて弛緩していることによるものである。
【０１３２】
状態３は、ΔＶポンプである心臓と、肺および主要な循環系への流れのための調節器である心室中隔とについての多くの重要なイベントおよび時間マーカを含む。マーキングポイントを心室中隔の異なる位置に置くと、それは、心臓および循環系の動作についての多くの情報を与える進行中の活動を検知する大きくて敏感な圧膜として機能し得る。このイベントはまた、より単純な記録方法、たとえば心尖拍動図、によって監視可能である。
【０１３３】
状態４
進行的（Progressive）張力および流れ段階
段階４は、インデックスマークとして大動脈弁の開口部から始まり、マーカとして大動脈流出部の上部で終わる。この段階中、ΔＶピストンの動きにより、進行的張力と心臓に対する流出入とがもたらされる。圧力は、通常、左心室においてはるかに高くなる。これにより、心室中隔が主に左心室の他の部分と同じ形をとることとなる。収縮期の形状および位置が心室収縮前の形状および位置からずれる場合、心室間で容積の適合が行なわれる。
【０１３４】
状態３から直接連続しているので、球形のΔＶピストンは直接的および間接的なΔＶ容積をもたらすだろう。これらの容積は、外部の抵抗および反動力ならびにこれらの容積内の血圧の上昇により、ΔＶ容積を発生させる区域にわたって圧力勾配の純増加をもたらすこととなる。
【０１３５】
塊の加速には動力およびエネルギが必要である。加速されるべき塊は、ΔＶピストンの動きに直接的および間接的に関連している組織をすべて含む。これらの組織は、心臓内および心臓を出入りする血管中のすべての血液、心筋自体、ならびに心臓の環境における塊である。さらに、たとえば大動脈および肺動脈幹の動きと心臓のねじり力とによって作り出される内部および外部の張力、反動力ならびに摩擦損失のためにエネルギを追加しなければならない。
【０１３６】
段階４の間、ΔＶピストンを尖部の方に引張るために、より大きな反対方向の力が必要とされる。このことと、液圧で胸壁に付着させられる心臓嚢に心臓が液圧によって付着することとにより、胸壁に平行な心室シリンダの円錐部分の上方への運動が増大する。この現象は、滑りやすい表面の上を表面と平行な力で摺動し得るが直角の力に高い抵抗を与え得る真空カップで再現することができる。
【０１３７】
性質により、心臓嚢が、強固な接続された組織で、胸骨にではなく横隔膜筋に固定されているが、この場合、当該嚢は、流体継手によりおおよそ固定されている。この構成により呼吸メカニズムに関する問題が回避される。
【０１３８】
このように、心臓嚢を固定することにより、心臓嚢の尖部横隔膜領域を弾性的なサスペンションとして機能させ、これにより、胸壁に対して尖部および横隔膜が曲がったり持ち上がったりすることとなる。このサスペンションは、ΔＶピストンが発生させるすべての反作用力に多かれ少なかれ対処する。反作用する抵抗および反動する力のほとんどが、ΔＶ容積の生成によって、そして、大動脈および肺動脈幹を引張ったり捩ったりすることによって、共通のΔＶピストンの外で生成される。ΔＶピストンと横隔膜区域との間の反作用力は、これらの区域を両方向に分離しようとする。これらのイベントおよびエネルギは、次の段階におけるポンピング機能のために復元されることになる。高いコンプライアンスおよび低い抵抗では、この状態は、低いコンプライアンスおよび高い抵抗の場合よりも長くなる。これは良好な診断ツールとなり得る。
【０１３９】
脈拍のプレスチモグラフィ、たとえば心尖拍動図のようなさらに単純な方法または装置でこの段階中に測定を行ない、ΔＶ心臓ポンプである心臓に対しこれらのデータを参照することにより、多くの場合、特定の循環系内における心臓のポンピング機能および調節機能についての十分な情報が与えられるだろう。
【０１４０】
状態５
後退的な流れおよび張力段階
この段階は、段階４から直接続いており、マーカとして大動脈弁を閉じることで終了する。この段階中、流れおよび張力はともに、ΔＶ心臓ポンプと共同で動作する別個のΔＶポンプであると見なすことのできる左心室において低下し始める。段階４の後、ΔＶピストンの降下運動が始まる。ΔＶ容積は依然として整形されるが、心房および心耳への流入によって間接的なΔＶ容積が補充され得る。尖部に向かう方向において胸郭に沿った正味の動きがある限り、大動脈および肺動脈の捩りは続く。ΔＶピストンの筋部分における第１の梃子の機能によってなされ得る、左心室壁にわたる圧力勾配に耐え得る共通の筋収縮がある限り、大動脈を通る流出は続く。ΔＶピストンのこの部分および左心室の横隔膜部分が有する外力は、心室内の圧力ともに、これらの区域を互いから分離しようとする。
【０１４１】
段階５の終わりの期間中、ΔＶピストンの上方の反作用力が低下する。その理由として、部分的には塊の加速が止まったこと、また部分的には、心房に入ってくる静脈におけるコンプライアンス容積と特に心耳に位置する間接的なΔＶ容積とが補充され始めたことが挙げられる。固体部として見られる心室は、横隔膜の区域における反動力がより強いために、段階３の前にこの区域が取っていた中立位置に戻り始め得る。機械的に結合されているために、この戻る動きはまた、ΔＶピストンの相対的な動きをもたらし、ΔＶピストンと尖部との間の実際の動きが低下しかつ停止するにもかかわらず、心房の容積に連続的に流入する可能性をもたらす。加えて、大動脈および肺動脈幹における圧力および流れが低下し、結果としてそれらの直径が小さくなって、心房および心耳への接触を通じて心房シリンダへの連続的な流入の余地を与える。相対的な動きは、ΔＶピストンの実際の動きでもあるが、肺動脈幹の流出路の領域において最も顕著である。
【０１４２】
ΔＶピストンの上方の継続的な流入および心臓からの低減しつつある流出は、この段階中に互いに交差することとなる。これは、心室収縮期の終了前に心臓の全容積が最低となることを意味する。
【０１４３】
脈拍のプレスチモグラフィ部、たとえば心尖拍動図のような実に単純な方法でこの段階中に測定を行ない、ΔＶ心臓ポンプである心臓に対しこれらのデータを参照することにより、多くの場合、特定の循環系内における心臓のポンピング機能および調節機能についての十分な情報が与えられるだろう。
【０１４４】
この段階は実際上の理由から大動脈弁を閉じることで終了するが、進行中のプロセスの最中にあり、以下に状態６の下でさらに説明される。
【０１４５】
状態６
前拡張期の張力−容積段階
この段階は、以前には等容性拡張期段階と称された。
【０１４６】
この段階は、状態３に比べて逆に行なわれる機械的動作を備える。これは、この説明された領域、すなわち左心室、の圧力勾配を解放するために左心室の容積を増大させなければならないことを意味する。これは、心臓への進行中の流入を妨害することなく、より高い心拍数で行うことができ、分時拍出量はまた、流出が継続する可能性を残している。段階５における進行中のプロセスは、心臓の周囲への圧力勾配が低下した状態で、先に述べたように、ΔＶピストンの筋部分と肺動脈幹および大動脈の流出路とに集中される。さらに、これらの区域は、左心室の一部となる横隔膜と密接した区域とともに、胸郭に沿った心室壁の伸長および摺動運動によりこれらの区域を互いから分離しようとする収縮する反動力を有する。心臓のこの表面はまた、ΔＶピストンと尖部との間の最長距離を表わしており、ＡＶリングおよび肺動脈幹の急な湾曲部に対する心室筋の非常に強固な凸状の付着部を有する。ΔＶピストンのこの部分は、左心耳および右心耳によって十分に覆われており、筋力の強いサポートを必要とする。このサポートが低下すると、ΔＶピストンおよび横隔膜区域の２つの区域が分離され始める。これはともに張力の低下につながり、これが容積の内部での再分配を招き、最終的に三尖弁および僧帽弁を開く。このイベントはまた、より単純な記録方法、たとえば心尖拍動図、によって監視することができる。
【０１４７】
状態７
高速なΔＶ段階
心拡張期におけるΔＶピストンの高速な戻る運動は段階６から直接的に続いている。適合された弛緩とは、周囲に蓄積されたエネルギ、すなわち心臓のねじりが、最適な方法でΔＶピストンを心臓の上部の方に戻すことのできるやり方で解放され得ることを意味する。適合された弛緩により、横隔膜区域からΔＶピストン全体を分けようとした反動力が完全に解放される。これにより、尖部に向かう方向において、流入する血液にエネルギが追加されることとなる。流入する血液の静的力および動的力は、ΔＶピストンを意味するΔＶ容積を作り出した区域に対して圧力をかけ、ΔＶピストンを動かすことによりこれらの区域の補充をもたらすこととなる。また、ΔＶピストンの動きにより、心耳と心房と心室との間に、さらには、初期の段階においても心室中隔の往復運動によって心室間に、血液の再分配がもたらされる。尖部への方向における増大した動的力は、心臓の上部に向かってΔＶピストンを充填し、押すことにより最終的に静的力および動的力を吸収するΔＶ容積（直接および間接ΔＶ容積）によって反転されるだろう。この動作はΔＶ機能と称され、ΔＶピストンに高速な心拡張期の戻りをもたらし、さらに、流れのパラドックスとともに逆流なしに弁を閉じる動的力を弁の後方に与えるだろう。ΔＶピストンが戻ることにより、左心室筋が薄くなり、心臓内においてΔＶピストンから尖部に向かって伸びる内部の蠕動性の膨張波面のように見える動きがもたらされることとなる。
【０１４８】
このイベントはまた、より単純な記録方法、たとえば心尖拍動図、によって監視することができる。
【０１４９】
低心拍数では、ΔＶピストンは行過ぎたり、反動する動きを行なったりする。これは、直接的および間接的なΔＶ容積の方向にΔＶピストンを押す弁の後方における膨張波において血液が獲得および蓄積した慣性力の影響である。動的力がなくなると、静的力が優位になり、ΔＶピストンを中立的な膨張位置、すなわち状態１へと導くことになる。
【０１５０】
より高い流量およびより高い心拍数では、緩慢なΔＶ段階（状態１）、心房収縮期段階（状態２）、および、ある程度、流動力学の点で前収縮期の容積−張力段階（状態３）の初期部分のうちの一部に影響が及ぼされるだろう。大量の動的エネルギをもった膨張波によって移送されるΔＶピストンの高速な拡張期の戻りの後に、ほぼ直接的に心室収縮（状態３）が続く。これは、図６の状態図において概略的に示される。
【０１５１】
強い膨張波および慣性力により、ΔＶピストンが、心房収縮期がなし得るよりもはるかに高く心臓の上部にまで導かれるだろう。
【０１５２】
高い流量および高い心拍数では、ΔＶポンプは、当該ポンプにおける流体を含む流出入する流体の慣性により、出口弁を必要とすることなく或る程度連続的な流出をもたらし始める。流入は依然としてΔＶ機能をもたらすだろう。ΔＶポンプは、１回拍出量を、ピストン面積にストロークの長さを掛けることによって算出することのできる結果よりも増大させ始める。
【０１５３】
ΔＶ心臓ポンプに適用されたこれらの状況により、高い流入量および高い心拍数の間、血流における静的力および動的力のために、高速のΔＶ段階が開始する時点で心臓の容積がほぼフルサイズでΔＶピストンよりも高く維持される。同時に、ΔＶピストンを下回る心臓の容積は流出の慣性により低くなるだろう。これは、以前には理解されていなかった駆出率の増加をもたらすだろう。
【０１５４】
この発明の第３の実施例に従うと、好ましくはＩＭＳによって処理される、ＳＳＭに従ったグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）が開発された。
【０１５５】
心臓状態アナライザ（ＨＳＡ）（図５）は、ＧＵＩによって図示可能な離散および／または動的時間関連状態図に対し、ＳＳＭのモジュール内の如何なるポイントにもおける活動の入力データを分析、および／または直接的にオンラインで変換するよう、ソフトウェアおよび／またはハードウェアによって適合される。入力データは、心臓の内外のさまざまな検査区域およびさまざまな検査方法から集められたデータであり得る。
【０１５６】
使用されるべき信号は、検査ツールおよび検査された区域に応じて品質が異なる可能性がある。入力データが少なければ、表示可能な詳細な状態図も少なくなる可能性がある。心臓の機能の背後にある機能的構造が公知であり、ＳＳＭにおける相互作用するモジュールによって表現されるので、詳細な情報の必要性を劇的に減らすことできる。失われた重要な情報が、同じおよび／または他の検査方法により同じおよび／または他の検査された区域において次の心拍中に追加されてもよい。これは、さまざまな検査方法および検査された部位を混合して、心筋細胞と任意には循環系とについてのより詳細な状態図をミクロレベルにまで生成することができることを意味する。
【０１５７】
ＳＳＭは、ＧＵＩによって２つのタイプの状態図で図解することができる。一方は離散時間関連状態図として分類され、他方は、動的時間関連状態図として分類される。
【０１５８】
離散時間関連状態図は、時間に関連したステップにおいてイベントを示す状態図である。これらのステップ間における情報は表示されない。
【０１５９】
超音波心臓検査法のような検査方法は、好ましくはＩＭＳによって処理されるＳＳＭに従ったＨＳＡおよびＧＵＩによって、２つの相互作用する離散時間関連状態図へと同時に変換できるデータを、たとえば組織速度映像法（ＴＶＩ）によって生成することができる。当該２つの状態図のうちの一方は心臓の右側からの図を表わし、他方は、心臓の左側からの図を示す。これは、図７Ａおよび図７Ｂに示されており、外側のリングは心臓の左側
を表わし、内側のリングは心臓の右側を表わしている。流れ、圧力、心拍数、薬物療法などが異なっている場合の、停止中の左右の状態図についての規定された状態間の時間差は、心臓機能の評価に非常に有用になるだろう。規定された状態が、高い解像度で追跡する速度によって設定されるので、これは、高い作業負荷、たとえば試験運転であっても容易で安定した文書化になるだろう。
【０１６０】
ペースメーカー、心臓除細動器、除細動器などの埋込可能な装置は、さまざまな種類のセンサを用いて容易に生理学的活動をピックアップし、実現されたＨＳＡによりこれらを時間に関連した離散または動的状態図に変換して、治療および当該装置の変形例を分析、通信、調節および最適化して、たとえば冠動脈流に関連する心臓の活動を効率的にし得る。
【０１６１】
多くの検査方法は、フレーム率が制限されており、このため、所望されるか否かにかかわらず、心臓の大抵の機能が離散時間関連状態図によって本質的に示される。しかしながら、多くの場合、サンプリングレートは動的なイベントを示すのに十分に高く、このため、ＨＳＡによって動的時間関連状態図として送出可能なデータを生成することができる。
【０１６２】
ＳＳＭにおけるモジュールが相互作用し、これらの相互作用が公知であるので、心臓および任意には循環系のポンピング機能および調節機能を分子レベルまで図示する相互作用状態図を作成する多くの機会が存在する。
【０１６３】
図７Ａおよび図７Ｂが示す例において、図７Ａでは２つ、そして図７Ｂでは３つの離散時間相互作用、時間関連状態図を用いて、非常に迅速かつ容易に、右側および左側の心室間で相互作用する機械的機能を表示する。１回の心臓サイクル全体を表す循環系の状態図間の区域を用いて、心室中隔（ＩＶＳ）の真の運動を動的時間関連状態図として示すこととなる。
【０１６４】
図８が示す例においては、離散時間関連状態図は、左心室の側方部分における、デルタＶピストンのあるポイントでの運動を参照した動的状態図が重ね合わされている。
【０１６５】
超音波心臓検査法、スピンＣＴ、ＭＲＩおよびガンマカメラのような記録方法は、すべて、心臓および心臓自体の循環系との間の流れを含む、心臓全体および心臓内部の構造の動きを示すのに用いることができる。これらは、圧力を或る程度表示することもできる。これらは、それぞれ毎分約２００、６０、３０のフレーム率で、「通常の幅」のフレーム率を用いて、２Ｄのセクタ走査またはフレームにより心臓の運動をすべて表示し得る。これらは、筋肉の圧搾運動に焦点を合わせた３Ｄ視覚化を行なうためのすべてのオブジェクトである。これに従うと、３Ｄによりコンピュータ容量が高くなり、フレーム率が低下し、解像度が低くなり、計算が不正確になる。依然として、これらは心臓の機械的機能を示さない。
【０１６６】
これらは、筋細胞の運動機能障害に繋がる伝導の異常、虚血部位、梗塞形成のような局所的な心筋の障害を検出および表示し得る。これは、高い心拍数であっても、筋肉活動を表示し得る組織速度映像法（ＴＶＩ）のような新しいアルゴリズムを用いて行われる。ＴＶＩ信号は、ノイズに対して極めて耐性が高く、また、ＨＳＡが心臓の内外における如何なる部位においてもＳＳＭに従って時間関連状態図として示すのに好適な入力信号である。
【０１６７】
歪み速度撮像法（ＳＲＩ）は別の新しいアルゴリズム／方法であり、これを用いて、長手方向（伸張および短縮）ならびに／または横方向（薄厚および肥厚）の変形速度を計測することができる。後者の方法は、筋肉における局所的な欠陥を見出すのに優れているが
、非常に緩慢で、心拍が速いとアーティファクトを作り出してしまう。
【０１６８】
ＳＳＭに従うと、筋肉容量は、多少なりともＩＭＭ（図５）によりクラスタ状態機械として心臓から分離されて、デルタＶ心臓状態機械（図３）を作成し得る。これは検査方法の焦点を外形に合わせたものであり、運動により、心臓のポンピング機能および調節機能が生成される（図４Ａ〜図４Ｄ）。これらの活動中の外形および密接に関わる区域は、心臓の１回拍動中にはかなり滑らかであり、公知の形状および相互作用を有しており、たとえば（上述の）マッピングにより１Ｄ〜３ＤでＨＳＡおよびＨＳＶによって検出されて、心臓の１回拍動中における心臓の内外におけるイベント、容量および容量変化を計算および検証するのに用いることができる。心臓の機能不全によるデルタＶ容積、弾力性サスペンション容積、流出入容積、容積対張力および張力対容積、調節容積、逆流容積、ならびに他の容積の変化等が、定量化および表示され得る。
【０１６９】
ＩＭＭおよび好ましくはＩＭＳ（図５）によって管理されるＳＳＭに従った心臓の１Ｄ〜３Ｄ表現を作成するマッピング測定は、ポンピング機能および調節機能の機械的活動を表すのに好適であるだけでなく、心臓のポンピング機能と調節機能との間の相互作用を説明する方法へと発展させることもできる。これは、たとえば、ＩＶＳにおける１つ以上のポイント、ならびに、左右のそれぞれのデルタＶポンプピストンにおける、場合によっては、ＲＶおよびＬＶの他の外形および区域における他のポイントを適合させる動的な三角測量によって実行可能である。この三角測量法を同じやり方で用いて、たとえば、ポンピング区域および調節区域の運動と比較するために用いられる筋肉容量の再配置運動を測定してもよい。心臓の相互作用する機能を表わす１Ｄ〜３Ｄを生成するマッピングおよび三角方法は、同じコンピュータパワーを必要とせず、フレーム率を増大させ、検証済みデータを生成し、さまざまな種類の容量および容量変位を定量化し得る。これはまた、単純かつ迅速な検査方法をもたらすのに用いられてもよい。
【０１７０】
心臓自体の内部の循環系を含む心臓嚢内部のすべての構造は理論的には圧縮できない。短縮化および肥厚化により筋細胞が動作する方法は、完全に不整合であり抵抗のある状態（たとえば、心室細動）で、容量が一定であるために組織化されずに収縮および弛緩しており、筋肉容量の再配置を引起こすが、如何なる有用な機械的動作にもつながらず、このため、有用なポンピング機能および調節機能に対する有効なパワー比率を０（ゼロ）にまで低減させることとなる。
【０１７１】
この発明の第４の実施例に従うと、有効比率アナライザ（ＥＲＡ）モジュールは、好ましくはＩＭＳによって管理されるＳＳＭに従った心筋再配置と心臓の機械的機能の結果を比較することによって生成される。これは、構造材料および動力源として筋肉の有効率を計算し、かつ随意には向上させるのに用いることができる。
【０１７２】
これは、図９に従って、超音波心臓検査法、スピンＣＴ、ＭＲＩおよびガンマカメラのような既存の検査方法において、ＳＳＭに従って任意にはＩＭＳによって処理されるＨＳＡ、ＨＳＶ、ＥＲＡおよびＧＵＩのようなモジュールおよびＩＭＭを実現することによって行なわれてもよい。たとえば組織速度曲線（図７Ｂ）を三角測量することにより、機械的機能の状態図を筋肉再配置の状態図と組合せることにより、有効比率を計算し、たとえばペースメーカーによって向上させる可能性が生じるだろう。
【０１７３】
ＳＳＭに従った心臓の機能の背後にある機能的構造の相互作用が公知であるので、多くの場合、完全な３Ｄの検査を行う必要がなくなる。図７Ｂにおけるように、特に追加された筋肉の再配置パターンを有する心臓の１つ以上のセクタにおいて動的な三角測量法を用いることにより、多くの場合、心臓の機械的なポンピング機能および調節機能の十分な診断証拠が作成されるだろう。これらの配置を用いることによっても、上述のとおり、さほ
ど高度ではなく安価でより迅速な検査方法をもたらすことができる。
【０１７４】
この発明の第５の好ましい実施例に従うと、心臓状態アナライザ（ＨＳＡ）が製造される。任意には、循環系は、好ましくはＩＭＳによって管理されるＳＳＭに従った冠動脈系（図２）を含む。このシミュレータは、学習の目的で用いることができ、異なる種類の境界条件の変化がＳＳＭのモジュールに対してどのような影響を及ぼすかをシミュレートすることができる。これは、内科的および外科的治療、ならびに、心臓および循環系に影響を及ぼし得る他の要因がシミュレート可能であることを意味する。
【０１７５】
この発明の第６の好ましい実施例に従うと、情報システムが作成される。当該情報システムは、好ましくはＩＭＳによって処理されるＳＳＭに従った分析およびシミュレーションモジュールを手動および／または自動でサポートおよび改善し得る。これらは、ＳＳＭのモジュールに従った心臓および循環系に対し、さまざまな内科的および外科的治療がどのような種類の影響を及ぼすかをサポートするのに非常に有用であり得る。データベースシステムはまた、たとえば、治療、ならびに、たとえば患者（個々の容量反応治療）、健康管理および訓練中の運動選手のための追跡調査についての参考基準としての役割を果たし得る。
【０１７６】
この発明の第７の好ましい実施例に従うと、圧力センサ、マイクロフォン、フォトセンサ、酸素濃度計などの単純な検査ユニットが製造される。これは、たとえば遠隔治療により、手動および／または自動で、個人の心臓および任意には循環系のための制御装置としての役割を果たし得るＩＭＳによって好ましくは処理されるＳＳＭに従ったＨＳＡおよびＧＵＩを備えており、体内および体外の両方で用いられるべき離散および／または動的時間関連状態図を生成することができる。
【０１７７】
図１０は、ＩＭＳによって処理されるＳＳＭに従ったモジュールＨＳＡおよびＧＵＩおよびＩＭＭを備えた血圧計の例を示す。
【０１７８】
心臓の周囲から監視される状態図は、多少なりとも左心室の機能とみなされることとなる。１つの例外としては、右心室への流入を、ほぼ確実に、或る程度反映する尖部−横隔膜部分の動きである。このセンサは、好ましくは尖部、より大きな動脈および毛細血管に近い体表面に取付けられた速度センサとして実現されるものであり、個人の心臓および循環系の機能を制御するものとして使用され得る状態図を生成するのに十分なデータを実時間で心拍ごとに集めることができる。
【０１７９】
心臓によって作り出される機械的活動は、結果として、心臓の内外への液圧作用を引起こす。血管のコンプライアンスおよび抵抗と、それら自体のいくらかの活動とが、元の活動の歪みを引起こすことなる。たとえば心尖拍動図および／または超音波方法によって心臓付近で生成された時間関連状態図を、たとえば圧力センサまたはマイクロフォンによって、毛細血管レベル（たとえば酸素濃度計）での、より大きな動脈にわたる時間関連状態図と比較することにより、停止中と動作中とで比較されたこれらの歪みが「標準化」され得る。これにより、循環系に関する診断値になり得る個々に関連する変換された変換値が生成され、さらに、ＳＳＭに従った心臓の機械的活動についての情報をもたらし得る、ＧＵＩによって表わされる個々の新しい具体的な時間関連状態図が与えられることとなる。
【０１８０】
このような装置の典型的なグラフ表示は、ＥＣＧ、血圧監視、呼吸、胸痛、ラクトースの認識および警報信号などによって観察される他の関連情報を含め、図７Ａ〜図７Ｂと非常によく似ていてもよい。これらの時間関連状態図は、分析および通信が極めて容易である。治療および／または訓練の効果の追跡調査に興味のある当業者であれば、このような装置を用いて、たとえば、評価のために、携帯電話を介してデータベースおよび／または
医療センターに手動および／または自動でリンクされ得る時間関連状態図を生成することができる。心室収縮期中に冠動脈の流れが０付近まで低減することが既知であるので、時間関連状態図はまた、最適化、診断および警告システムとしても用いることができる。
【０１８１】
この発明に従った状態空間モデルおよび関連するすべてのモジュールは、標準的なコンピュータソフトウェアまたは特定的に設計されたソフトウェアによって、コンピュータソフトウェアおよびハードウェア手段によって実現される。情報は、データベース、好ましくはリレーショナルデータベースにおいて組織化されてもよい。処理手段は、パーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサまたは特定用途向け装置であってもよい。
【０１８２】
この発明は上述の好ましい実施例に限定されない。さまざまな代替例、変更例および同等例が用いられてもよい。したがって、上述の実施例は、添付の特許請求の範囲によって規定されるこの発明の範囲を限定するものとして理解されるべきではない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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