(57)【要約】  方法およびシステムは、外来心不全患者における血行動態状態の信頼性の高い、好都合なかつ費用効率が高い個人向け評価を提供する。本方法および装置は、血行動態状態の判断のために、かつ血行動態状態の日々の変化の判断のために患者の観察を通して得られるデータの脈波波形分析を使用する。患者の観察的評価は、睡眠、着席および起立を含む日常生活の活動中のモニタリングを含む。これらの活動により、心機能または心機能の変化を評価するために使用される静脈還流の変化がもたらされる。本方法およびシステムは、システムによって得られる位置および動き情報を用いることにより体位を推測する。経時的なまたは体位の変化による心機能の変化は、体液過剰からもたらされる変化に焦点を当てて、血行動態状態の評価のために判断される。
2019503824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
心不全の患者の血行動態状態を評価する方法であって、
（ａ）複数の時点の各々において脈波波形を測定することと、
（ｂ）前記脈波波形から心血管機能の１つまたは複数の基準を求めることと、
（ｃ）前記複数の時点にわたって前記心血管機能の基準の変化の程度を判断することと、
（ｄ）前記基準の変化から前記患者の前記血行動態状態を評価することと、
を含む方法。
【請求項２】
心血管機能の表示が、左室駆出時間、脈波伝達時間、脈波振幅、脈波形状、心拍数および心拍数変動のうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表示が、左室駆出時間を含み、前記血行動態状態を評価することが、血行動態的うっ血の程度を判断することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記変化の程度の判断が、前記患者が同じ体位であるときに得られる脈波波形データを使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記体位が仰臥位である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記脈波波形データが、前記患者の睡眠中に取得される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記脈波波形データが、前記患者が同じ睡眠段階にある間に取得される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
心不全の患者の血行動態状態を評価する方法であって、
（ａ）複数の静脈還流レベルにおいて脈波波形を測定することと、
（ｂ）各静脈還流レベルにおいて前記脈波波形から心血管機能のもう１つの基準を求めることと、
（ｃ）前記心血管機能の基準の変動の程度を求めることと、
（ｄ）前記変動の程度から前記患者の前記血行動態状態を評価することと、
を含む方法。
【請求項９】
心血管機能の表示が、左室駆出時間、脈波伝達時間、脈波振幅、脈波形状、心拍数および心拍数変動のうちの１つまたは複数を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
体位の変化によって種々の静脈還流レベルが生成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記体位のうちの１つが仰臥位である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記体位のうちの１つが座位である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記体位のうちの１つが立位である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記体位の変化が、被験者に取り付けられた１つまたは複数のセンサによって求められる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記センサが加速度計を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記加速度計が前腕に取り付けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記体位の変化が、前記患者に取り付けられていないセンサによって求められる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記センサが光学系である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記血行動態状態を評価することが、前記測定された変動を所定閾値と比較することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項２０】
前記閾値が、種々の静脈還流レベルに関連して前記患者に対して事前に測定された変動から求められる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記血行動態状態を評価することが、静脈還流レベルに対する心機能基準の変化の大きさ、変化の方向または両方を求めることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項２２】
静脈還流の減少が心機能の増大に関連するとき、血行動態的うっ血が判断される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
心不全の患者の血行動態状態を評価する方法であって、
（ａ）複数の時点で脈波波形を測定することと、
（ｂ）前記脈波波形から心血管機能のもう１つの基準を求めることと、
（ｃ）前記心血管機能の基準の変動の程度を求めることと、
（ｄ）前記変動が所定閾値未満であるか否かを判断することと、
を含む方法。
【請求項２４】
心血管機能の表示が、左室駆出時間、脈波伝達時間、脈波振幅、脈波形状、心拍数および心拍数変動のうちの１つまたは複数を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記患者の前記血行動態状態を求めることが、患者の動きの評価を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
患者の動きがないことにより、前記患者に対して体位を変える指示を生成することができる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
心機能の変動がないことにより、前記患者に対して体位を変える要求が開始される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
患者の血行動態状態を評価する装置であって、
（ａ）非侵襲的脈波波形測定デバイスと、
（ｂ）複数の時点で脈波波形情報を取得するように構成されたシステムと、
（ｃ）前記脈波測定情報から心機能の変動を求めるように構成された評価システムと、
を含む装置。
【請求項２９】
心血管機能の表示が、左室駆出時間、脈波伝達時間、脈波振幅、脈波形状、心拍数および心拍数変動のうちの１つまたは複数を含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記脈波波形測定デバイスが光電容積脈波を含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
患者動きセンサをさらに含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
静脈還流差を判断するシステムをさらに含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
姿勢を判断するシステムをさらに含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
第１患者姿勢に対応する第１時点において、かつ前記第１患者姿勢とは異なる第２患者姿勢に対応する第２時点において、脈波波形データを取得する、制御システムをさらに含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３５】
静脈還流レベルを変化させる行動をとるように前記患者に指示するように構成された患者通信システムをさらに含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３６】
前記装置が前記患者の通常の日常活動を妨げないように前記患者に取り付けられるように構成されている、請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発明の背景
心不全は、不適切な心拍出量によって発生する。したがって、管理目標は、心機能が限られた患者に対する一回拍出量の最適化に重点が置かれる。一回拍出量は、拡張期の最後における左心室内の血液の容量、すなわち、拡張終期容積によって決定的に左右される。図１は、心不全の患者のグラフによる表現である。心不全の患者における心臓の全体的な機能は、拡張終期充満圧が最適レベルを超える場合の低減した一回拍出量によって定義される。心臓の最適な機能は、限られた範囲の拡張終期圧にわたって発生し、図では「目標容量」と表示され、フランク・スターリング曲線を用いて表される。したがって、これらの患者における体液管理は重要であり、体液の不足により一回拍出量が低減することになり、体液過剰によってもまた一回拍出量が低減することになる。
【０００２】
心不全は、毎年、推定で３００億ドルの米国コストがかかるという重大な医療問題であり、その費用の８０％が入院に起因する。外来管理の改善により入院を低減させることができることは、長年にわたる臨床目標であった。心不全関連の入院の主な原因は、体液過剰である。息切れ、腫れ、疲労、体重増加等、体液過剰に対するこれまでのモニタリング方法は、代償不全および後の入院のリスクを増大させる初期の病態生理学的変化を反映するのに十分、感度が高くない。Lewin J, Ledwidge M, O’Loughlin C, McNally C, McDonald K. Clinical deterioration in established heart failure: what is the value of BNP and weight gain in aiding diagnosis? Eur J Heart Fail. 2005;7(6):953-957。Stevenson L, Perloff JK. The limited reliability of physical signs for estimating hemodynamics in chronic heart failure. JAMA. 1989;261(6):884-888。図２は、体液過剰が増大して入院に至る心不全患者の典型的な臨床経過を示す。図の考察により、全体的な一連の代償不全の後期に、臨床的に観察可能な徴候が発生することが分かる。したがって、心不全患者の管理のために臨床的症候を使用することには、問題がある。
【０００３】
初期の血行動態的うっ血（hemodynamic congestion）を判断する難しさは、近年完成したBetter Effectiveness After Transition-Heart Failure（ＢＥＡＴ−ＨＦ）調査によって実証されている。既存の非侵襲的技術で広範にモニタリングされた１４００人を超える患者を参加させる調査。この調査は、退院前心不全教育、定期的に予定された電話コーチングおよび遠隔モニタリングを含むプロトコルを使用して、心不全患者の積極的な管理を調査した。遠隔モニタリングは、検討するために集中コールセンタに情報を送信するテキスト装置に組み込まれた、Bluetooth対応体重計および血圧／心拍数モニタを含んでいた。所定閾値を超えた場合、患者を呼び出し、臨床スタッフによって決められるように薬物治療を変更した。また、重大な症候が報告された場合、患者の心不全医師に通知し、必要な場合は、患者を救急外来（emergency department）に送った。この広範な臨床調査からの結論は、再入院率にそれほど影響を与えなかった。
【０００４】
入院率の低下は、侵襲的に植え込まれた肺動脈圧モニタリングシステムを使用することによって実証された。CardioMEMS HFシステムは、心不全患者の肺動脈（ＰＡ）圧および心拍数を測定しモニタリングする。このシステムは、植込み型ＰＡセンサ、送達システムおよび患者エレクトロニクスシステム（Patient Electronics system）からなる。植込み型センサは、肺動脈、すなわち、血液を心臓から肺に運ぶ血管内に永久的に配置される。センサは、右心カテーテル処置中に植え込まれる。患者エレクトロニクスシステムは、電子回路ユニットおよびアンテナを含む。患者エレクトロニクスシステムは、センサからＰＡ圧測定値を無線で読み取り、その後、その情報を医師に送信する。医師は、その情報を分析した後、患者の心不全の治療に役立つように薬物治療を変更することができる。５５０人の参加者に装置が植え込まれた臨床調査では、医師がＰＡ圧センサにアクセスすることができた参加者に対して、心不全関連の入院が臨床的にかつ統計的に著しく低減した。このシステムは、植え込むために約２０００ドルかかり、定価が１８，０００ドルである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明は、米国仮特許出願第６２２６３８３９号、同第６２３７５４３１号および同第６２４２３７０１号に関し、それらの各々は参照により本明細書に援用される。本発明の実施形態は、体液過剰のための入院を回避するために心機能を判断する、非侵襲的、非植込み型かつ使用が容易なシステムを提供することにより、現行のモニタリングの限界に対処する。実施形態例は、日々の活動中に体位の変化によって発生する静脈還流の変化を利用する。これらの変化は、位置、動きまたはそれらの組合せを検知するセンサを介して、システムによって特定される。さらに、心血管機能の評価のために脈波波形（pulse contour）情報が使用される。心血管機能評価は、個別に行われ、したがって、身長、体重、年齢および健康レベル等、被験者間の差に影響を受けない。結果としての心血管評価は、その後、診断され、それにより、体液過剰およびあり得る入院を回避するために、予防的に心不全患者を管理することができる。実施形態例は、心血管機能の判断のために装着型（ウェアラブル）デバイスから得られる脈拍の光学的測定、たとえば光電容積脈波（photoplethysmogram）（ＰＰＧ）を使用する。ＰＰＧは、体内の多くの位置から得ることができ、いくつかの実施形態例では、手首に位置する腕時計からまたは指の基部に位置する指輪から導出されるＰＰＧ信号を使用することが好都合である。結果としての脈波波形データは、心血管機能の判断のために体位情報とともに処理することができる。そして、時間の関数として、体位の関数として、またはそれらの組合せの関数として、心血管機能情報を評価して、血行動態的うっ血を示す障害を判断することができる。システムは、観察的に心血管評価のためのデータを取得し、典型的には、患者が具体的な試験プロトコルまたは指示された儀式的行為を行うことを必要としない。システムに、正確な評価を行うことに関連する重要なデータがない場合、患者に対して、センサの位置を調整することにより、または一連の動きを行うことにより、これらのデータ限界に対処するように要求することができる。システムは、非侵襲的センサによって実施することができ、そのため、植込み型センサに付随する危険およびコストの不都合が回避される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、フランク・スターリング曲線の概略図である。
【図２】図２は、経時的な血行動態的うっ血の概略図である。
【図３】図３は、体位変化による血液の移動の概略図である。
【図４】図４は、体位変化に対する正常な反応の概略図である。
【図５】図５は、体位変化に対するＣＨＦ反応の実例である。
【図６】図６は、中心血管および末梢血管における切痕の図である。
【図７】図７は、測定された心臓パラメータの間の関係を示す。
【図８】図８は、体位変化中の本発明によって導出されたＬＶＥＴ変化のプロットである。
【図９】図９は、経時的な体位変化中の本発明によって導出されたＬＶＥＴ変化のプロットである。
【図１０】図１０は、患者間の体位変化によるＬＶＥＴ変化を比較するプロットである。
【図１１】図１１は、本発明によって導出されたＬＶＥＴ変化対下半身陰圧のプロットである。
【図１２】図１２は、本発明によって導出されたＬＶＥＴ変化対一回拍出量のプロットである。
【図１３】図１３は、下半身陰圧中の本発明によって導出された脈波波形変化のプロットである。
【図１４】図１４は、複数のＰＰＧ位置からの本発明によって導出されたＬＶＥＴ変化のプロットである。
【図１５】図１５は、増加する血行動態的うっ血の図である。
【図１６】図１６は、複数日の血行動態的モニタリングの図である。
【図１７】図１７は、単一ユニット心不全モニタリングシステムの例である。
【図１８】図１８は、２ユニット心不全モニタリングシステムの例である。
【図１９】図１９は、３ユニット心不全モニタリングシステムの例である。
【図２０】図２０は、ウエストベルト動きセンサを備えた心不全モニタリングシステムの例である。
【図２１】図２１は、カメラベースの体位センサの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
発明の説明
本発明の実施形態は、外来心不全患者において心血管機能を評価する方法および装置を提供する。実施形態は、体位変化があるときに心血管機能基準を判断するために、装着型ＰＰＧセンサによって得られる脈波波形データを使用する。体位変化は、位置、動きまたはそれらの組合せを検知するセンサによって推測される。実施形態例の動作時、測定プロセスは、本質的に完全に観察的であり、患者が、具体的な試験を行い、定義された行為を行い、またはいかなる侵襲的測定も受ける必要はない。
【０００８】
心不全の病因により、心血管機能の変化は、通常、脈波波形に直接影響を与える体液状態全体の変化に関連する。脈波波形の所定の変化は、一般に体液過剰と呼ばれる、血行動態的うっ血の結果である。外来心不全患者における全体的な心機能を連続的にモニタリングすることができることにより、ケアの改善、医学的管理の最適化、入院の回避に対する機会が与えられる。結果としてのシステムは、初めて、心不全の履歴的な生理学的観察と組み合わされる、現行の無線のジェスチャ認識技術の適用を認める。
【０００９】
定義
本明細書で用いる「容量評価」は、限定されないが、血管内容量、血管外容量、脱水、体内総水分、細胞外液量および血漿量を含む、人体内の容量の全体的な評価を含む。医学では、血管内容量状態は、患者の循環系における血液の量を指し、本質的に、本来は細胞内液および細胞外液両方を含む、身体の全体的な容量状態の血漿成分である。血管内成分は、通常、最も重要であり、容量状態は、時に、血管内容量状態と同義で使用される。
【００１０】
血行動態的うっ血は、左心室充満の増大もしくは血管内圧の上昇、および一回拍出量の低下、またはそれらの組合せとして定義される。心臓のフランク・スターリングの法則（スターリングの法則またはフランク・スターリング機構またはMaestrini心臓の法則としても知られる）では、健康な心臓の一回拍出量は、他のすべての要素が一定のままであるとき、心臓に充満する血液の容量（拡張終期容積）の増大に応じて増加する、と述べられている。健康な心臓では、心室内に流れ込む血液の容量が増大するほど、心臓の壁が伸張し、心拡張中の拡張がより大きくなる。このため、心収縮中の収縮の力が増大し、したがって、大動脈内にポンピングされる血液の量が増加する。不全心では、フランク・スターリング機構は消耗され、すなわち、不全心は、フランク・スターリング曲線の最大値でまたはその近くで動作する。この場合、前負荷の増大により、一回拍出量の変化がなくなるか、または一回拍出量が減少することになる。
【００１１】
拡張終期容積（ＥＤＶ）は、充満（拡張期）の最後における右心室および／または左心室内の血液の容量、または心収縮の直前の心室内の血液の量である。拡張終期容積は、前負荷と同義で使用されることが多い。
【００１２】
本明細書で用いる光電容積脈波（ＰＰＧ）は、組織内の血液量の変化を検出するために使用することができる光学測定技法であり、または心周期に関連する信号を有する。
【００１３】
体位変化または姿勢の変化は、心臓への全体的な静脈還流を変化させる任意のプロセスに適用される一般用語である。一般的な体位には、仰臥位、座位および立位がある。
【００１４】
本明細書で用いる「信号」という用語は、ＰＰＧ等、生物学センサまたは生理学センサによって収集されるかまたは送信される、限定なしにアナログ電気波形またはそのデジタル表現を含む、測定値等の情報を送信する任意の手段を含む。
【００１５】
脈波波形は、脈波形の形状を記述する。末梢脈波形は、大動脈弁の閉鎖から発生する一次波および二次波と、血管樹におけるさまざまな反射との合計を反映する。容量状態、静脈還流、体位および一回拍出量の変化は、これらの一次波に対する二次波の細部およびタイミングに影響を与える。したがって、脈波波形分析は、心機能評価に使用することができる。周波数分析、ウェーブレット変換、分解方法および曲線あてはめを含む、さまざまな脈波形定量化方法がある。曲線あてはめ手法例は、一次脈波および二次脈波の相対的なタイミングおよび振幅を取り込む混合ガウスを使用する。
【００１６】
体位評価システムは、体位変化の検出を可能にする１つまたは複数のセンサを含む。システムは、患者に取り付けることができ、もしくは取り付けられていない位置から患者を観察することができ、またはそれらの組合せとすることができる。
【００１７】
脈波検出システムは、脈波形の測定を可能にする１つまたは複数のセンサを含む。例として、一般にパルスＰＰＧと呼ばれる光学センサが挙げられ、そうした例は、１本または複数本の指、１つまたは複数の耳、１つまたは複数の手首、胸または額を含む、身体上のさまざまな位置で使用することができる。脈波検出システムは、光学撮像によって脈波形を求める画像ベースシステムを含むことができる。他の方法としては、組織内の血液量変化を検出するために使用することができるか、または心周期に関連する信号を有する、任意の技法が挙げられる。ＰＰＧベースの方法に加えて、レーザドップラプローブ、トノメータおよびパルス変換器を使用して、心周期に関する信号を取得することができる。典型的なパルス変換器は、圧電素子を使用して、変換器のアクティブ面に加えられる力を心周期に関連する電気アナログ信号に変換する。
【００１８】
本明細書で用いる「前駆出期」（ＰＥＰ）という要素は、心周期中の心室脱分極の開始から大動脈弁の開放までの時間である。
【００１９】
本明細書で用いる「左室駆出時間」（ＬＶＥＴ）という用語は、大動脈弁の開放で開始し大動脈弁の閉鎖で終了する、左心室からの血液の駆出の時間である。
【００２０】
心機能評価は、ＰＰＧ信号の脈波波形に対して受け取られた情報に基づく心機能の評価である。心機能評価は、一次脈波の検出および切痕の検出によって行われるＬＶＥＴ測定を含むことができる。心機能評価はまた、限定されないが、前駆出期、脈波振幅、心拍数変動、心拍数、呼吸数または脈波波形の他の分解を含む、単独でまたは組合せで使用される、追加の評価基準も含むことができる。
【００２１】
本発明の詳細な説明
正常な心臓における体位変化の生理学
本発明の理解を容易にするために、本発明によって使用される心血管系の特徴について記載する。心血管系は、長期にわたって研究されてきたが、本明細書に記載する特徴および測定の組合せについては、これまで述べられていない。
【００２２】
仰臥位から直立姿勢まで動くことにより、中心血管コンパートメントから、脚、臀部、骨盤および内臓循環における従属領域に、３００ｃｃ〜８００ｃｃの血液が移動する結果となる。図３は、体位変化による血液移動の図である。この図は、患者が仰臥位から立位まで動く際の静脈血液量（陰影付き領域）を示す。胸部コンパートメントは、中心静脈、心臓および肺血液を含み、肺は、不均衡に小さく示されている。数字は、ｃｍＨ２Ｏでの典型的な圧力である。Gauer, 0. H. and Thron, H. L. (1963) Handbook of Physiology, Circulation, Vol. 3 (eds. W. F. Hamilton and P. Dow, American Physiological Society, Bethesda, pp. 2409-2440から変更された図。移動した血液の容量は、脚の長さ、脚のサイズおよび筋肉質量を含むように患者特有の特徴によって決まる。正常な心血管機能を有する患者では、この起立性ストレスが、恒常性を維持するために、一連の代償性心血管反応を引き起こす。
【００２３】
仰臥位から立位への体位変化に対する正常な反応は、Levick, J. Rodney. An introduction to cardiovascular physiology. Butterworth-Heinemann, 2013, page 71から複写された図４に示すように、フランク・スターリング曲線で表される。この図は、以下のようにいくつかの重要な生理学的問題点を実証する。すなわち、（１）体位変化により、心臓への静脈還流が変化し、左室拡張終期圧（ｘ軸）の変化がもたらされ、（２）拡張終期圧の変化は、心拍出量または一回拍出量（ｙ軸）に著しい影響を与える。このプロットは、立位から臥位への体位の変化による一回拍出量によって測定される、心機能の著しい変化を示す。プロットはまた、４００ｍｌのデキストランを注入することによる容量過剰の影響も示す。体液の増量または体液過剰により、正常な心臓では、一回拍出量によって定義されるような心機能は、最大値に達し始める。
【００２４】
心不全での体位変化の生理学
図１に示すように、拡張終期圧の変化に対する罹患心臓の反応は、正常な心臓とは異なる。Murataらは、正常な患者と心臓病患者とにおいて立位ティルト試験（upright tilt test）を使用することにより、体位変化に対する心機能反応を検査した。正常な患者では、立位ティルトにより、心拍数および拡張期圧が上昇し、収縮期圧がわずかに低下し、心拍出量および一回拍出量が著しく減少する。ティルトに対する反応は、正常な患者と比較して、心臓病患者の場合はそれほど明白ではなかった。特に、心拍出量の減少は、著しく低減した。実際には、それらの心臓病患者において、ティルト中の心拍出量の異常な増加が、最低心拍出量で観察された。Murataらの研究は、それらの心不全の患者における体位変化に対する反応の変化を実証している。Murataらによって使用された測定は、ＰＰＧを使用して行われていないが、第２肋間腔内に配置されたマイクロフォンに対する心音図、ＥＫＧを、右頸動脈造影図を介して評価された心拍出量とともに使用して、行われた。動脈造影図は、Ｘ線および特別な色素を用いて動脈内部を見る撮像試験である。心臓、脳、腎臓および身体の他の部分における動脈を見るために使用することができる。Murata, Kazuhiko, et al. “Alterations of circulatory responses to upright tilt in cardiac patients.” Japanese heart journal 22.4 (1981): 551-560。
【００２５】
Abelmannらは、１９６９年に同様の試験を行い、心疾患のある患者は、立位ティルトに対する反応が低減したことを実証した。試験では、患者をティルト台に配置し、患者は水平位置で３０分間横になった。その後、７０°ヘッドアップ位置まで３秒間以内で患者を手作業で上方に傾けた。この著者は、脈圧、拡張期圧および心拍数の変化がないことによって特徴付けられる心不全反応について記載している。著者は、体位に対する反応の低下が、静脈圧の上昇および血液量の増加によると述べている。著者は、健康な患者に対して血液量の急な増加または減少の後に体位変化を行うことにより、この仮定メカニズムを確認した。Abelmann, Walter H., and Khaja Fareeduddin. “Increased tolerance of orthostatic stress in patients with heart disease.” The American journal of cardiology 23.3 (1969): 354-363。
【００２６】
Staffordらは、１９７０年、心不全患者において体位反応がないことを、利尿（患者の体内からの体液除去）によって逆転させることができることを実証した。その著者は、正常な患者と対照的に、うっ血心不全の患者が、ヘッドアップティルト中に心機能の変化をほとんど実証しなかったことを示す。しかしながら、利尿に続き、心不全患者の反応は通常に戻った。Staffordによる刊行物は、前駆出期および左室駆出時間を含む心収縮時間間隔を用いることによって、心機能を評価する。それらの結果は、ここでは図５として複写されており、正常な患者および心不全の患者の両方に対するティルトの関数としての左室駆出時間の変化を示す。Stafford, R. W., W. S. Harris, and A. M. Weissler. “Left ventricular systolic time intervals as indices of postural circulatory stress in man.” Circulation 41.3 (1970): 485-492。
【００２７】
上記刊行物は、体液増加状態と体位変化に対する心機能反応の欠如との間の重大な関連を実証している。本発明者らは、体位変化が、心不全の患者における心血管機能の全体的な評価に有用であり得ることを認めた。さらに、Staffordの論文は、体液状態の正常化により心血管変動性が戻ることになることを実証している（図５Ｂ）。本発明は、これらの生理学的観察を企図し、日常生活の活動とそれらの関連する静脈還流変化とを使用する心不全評価方法を提供する。これらの活動中、脈波波形を測定する非侵襲性の装着型システムによって、心機能を評価することができる。
【００２８】
切痕の測定
本発明は、心不全のモニタリングのために患者によって使用することができるシステムを提供する。ＰＰＧ測定は、非侵襲的、低コストかつ装着可能な測定手法を提供する。心拍数モニタリングまたはパルスオキシメトリ等のＰＰＧ測定の以前の応用では、システムのサンプリングレートが、心機能分析に使用することができる脈波波形を生成するためには低すぎる。本発明は、脈波波形の高分解能評価を可能にするサンプリング周波数でＰＰＧ信号を取得する。
【００２９】
本システムは、ＰＰＧ信号における切痕点を検出する。切痕は、大動脈値閉鎖によってもたらされる、圧力または容量トレースにおける切欠き部である。大動脈値の閉鎖により、大動脈値に流れの瞬間的な中断およびわずかな逆流がもたらされる。この流量の変化により、中心圧力変化がもたらされ、切痕がもたらされる。切痕は、動脈系における減衰のために末梢に伝播するにしたがって変形するが、大動脈閉鎖に対する有効なタイムマーカであり続ける。波形の変形は、中心鎖骨下動脈および末梢上腕動脈における圧力脈波形を示す、Levick, Cardiovascular Physiology, 5th ed., 2010から複写された図６を考察することにより、理解することができる。血管の形態および剛性が人によって生理学的に異なることにより、切痕は異なるように変換されるが、ＰＰＧによって検出され、大動脈閉鎖に対するマーカとしての役割を果たすことができる。
【００３０】
心機能パラメータ
左室駆出時間（ＬＶＥＴ）は、一次波および切痕の検査によりＰＰＧ信号から求めることができる心臓パラメータの例である。ＬＶＥＴは、心室駆出の持続時間、すなわち、大動脈弁開放（ＡＶＯ）から大動脈弁閉鎖（ＡＶＣ）までの時間を定義する。ＬＶＥＴは、指、手首または耳等の末梢部位において記録されたＰＰＧ脈波形から求めることができる。Quarry-Pigottらにより、かつ後にChanらにより示されたように、微分ＰＰＧ波形の注意深い分析により、大動脈弁の開放および閉鎖に対応する遷移点またはピークを特定することができる。Quarry-Pigott, Veronica, Raul Chirife, and David H. Spodick. “Ejection Time by Ear Densitogram and Its Derivative.” Circulation 48.2 (1973): 239-246。Chan, Gregory SH, et al. “Automatic detection of left ventricular ejection time from a finger photoplethysmographic pulse oximetry waveform: comparison with Doppler aortic measurement.” Physiological measurement 28.4 (2007): 439。図７に示す一手法では、ＬＶＥＴは、ＰＰＧ波形の一次導関数における第１ピークと第３ピークとの間の間隔として定義される。別の手法では、ＬＶＥＴは、ＰＰＧ波形の三次導関数における第１ピークと第３ピークとの間の間隔として定義される。
【００３１】
ＬＶＥＴにより、心機能の評価が可能になる。ＬＶＥＴは、一回拍出量に直接関連し、一回拍出量が多いほどＬＶＥＴが長くなる。ＬＶＥＴと一回拍出量との関係は、Weisslerらによって実証された。１９６３年、Weisslerらは、ＬＶＥＴの容量感受性（および、その心拍数関連係数ＬＶＥＴＩ）を調査し、ヘッドアップティルト中の、静脈還流および一回拍出量を低減させるＬＶＥＴＩの著しい低下を示した。Weissler, Arnold M., Leonard C. Harris, and George D. White. “Left ventricular ejection time index in man.” Journal of applied physiology 18.5 (1963): 919-923。その著者は、「一回拍出量（したがって、心拍出量）の減少は、左室駆出時間の低減、したがって、駆出時間係数の減少に反映される」と述べた。ＬＶＥＴはまた、心拍数（ＨＲ）によっても影響を受け、心拍数が高くなるほどＬＶＥＴが低減する。Weisslerらは、左室駆出時間係数（ＬＶＥＴＩ）の使用を示唆し、それは、ＬＶＥＴＩ＝１．６×ＨＲ＋ＬＶＥＴとして計算され、式中、ＨＲは拍／分での心拍数である。ＬＶＥＴに基づく任意の血行動態的評価もまた、心拍数補正係数、ＬＶＥＴＩに基づくことができる。
【００３２】
心血管生理学では、一回拍出量（ＳＶ）は、１回の脈拍毎に左心室からポンピングされる血液の容量である。一回拍出量は、心エコー図からの心室容積の測定値を使用し、脈拍の直前の血液の容量（拡張終期容積と呼ばれる）から脈拍の終了時の心室内の血液の容量（収縮終期容積と呼ばれる）を減じて、計算される。一回拍出量という用語は、心臓の２つの心室の各々に適用することができるが、通常は、左心室を指す。臨床診察において、一回拍出量は、侵襲的カテーテルシステムにより、または心エコー法により測定される。StaffordおよびWeisslerによる研究において上で伝えたように、ＬＶＥＴ期間は、一回拍出量に対する優れた代用物である。Harleyらによる研究は、駆出の期間と一回拍出量との密な直接の線形関係を示した。Harley, Alexander, C. Frank Starmer, and Joseph C. Greenfield Jr. “Pressure-flow studies in man. An evaluation of the duration of the phases of systole.” Journal of Clinical Investigation 48.5 (1969): 895。
【００３３】
ＰＰＧおよび体位による心機能評価
本発明は、血行動態状態を評価するために、脈波波形から導出される心機能パラメータの判断と体位の変化による静脈還流の変更とを組み合わせる。本発明の実施形態は、図８および図９に実証するように、これらの概念を使用可能なシステムに結合する。この例では、検査された患者は、心疾患のない２３歳の男性であり、指の先端部でＰＰＧ測定を行った。患者に対して、連続して４つの異なる体位、すなわち、１）足を上げて台の上で臥位、２）仰臥位、３）座位および４）立位をとり、各体位を１分間維持するように要求した。この一連の動きにより、静脈還流、したがって一回拍出量が徐々に減少する。図８は、バイオリン図を使用して各体位において測定されたＬＶＥＴ測定値の分布および中央値を示す。バイオリン図の考察により、各体位の間、特に、仰臥位から座位および座位から立位への遷移中のＬＶＥＴの低下が分かる。図９は、約２週間にわたって複数回繰り返された同じ測定プロトコルの結果を示す。図の考察により、体位によるＬＶＥＴ変化がロバストであり安定していることが分かる。
【００３４】
患者の身体的特徴、活動レベルおよび全体的な健康が、体位変化によるベースライン一回拍出量および静脈還流の変化に影響を与える。立位への遷移により、中心血管内コンパートメントから脚部、臀部、骨盤および内臓循環における従属領域に３００ｃｃ〜８００ｃｃで変化する血液が移動する結果となる。本発明の実施形態は、個人向け評価システムを使用することにより、この変動問題を軽減することができる。実施形態例は、各患者に対して取得された以前の情報に基づいて心不全評価を行い、個人向け評価をもたらす。図１０は、７人の個人の体位の変化に対する反応を示す。指の先端部で、ＰＰＧ測定を行った。検査される個人は、（被験者１）既知の医学的問題のない、身長５フィート８インチの５２歳の男性、（被験者２）既知の医学的問題のない、身長６フィート３インチの３８歳の男性、（被験者３）既知の医学的問題のない、５フィート６インチの２３歳の男性、（被験者４）代償性心不全の身長５フィート９インチの７７歳の男性、（被験者５）既知の医学的問題のない、身長５フィート０インチの４７歳の女性、（被験者６）２型糖尿病の身長５フィート６インチの５５歳の女性、（被験者７）既知の医学的問題のない、身長５フィート０インチの１９歳の女性であった。すべての被験者が、６５ｍｓを超えるＬＶＥＴの変化を示すが、何人かは、８０ｍｓ程度に大きい変化を示し、被験者間の仰臥位ＬＶＥＴの範囲は、５０ｍｓを超え、１人の個人において観察された範囲（図９）の２倍を超える。被験者間のこの変動の増大は、本発明者による心機能の個人向け評価により感度が向上する結果となることを実証している。
【００３５】
ＰＰＧによる心機能評価
本発明によって企図されるように、ＰＰＧ信号を使用することにより心機能測定を実証する目的で、２９人の被験者で、下半身陰圧（ＬＢＮＰ）を使用することにより静脈還流を変更する臨床検査を行った。ＬＢＮＰ試験は、患者の下肢を気密チャンバ内に配置する。真空を接続し、陰圧を生成する。陰圧により、血液が下半身に移動し、循環量、したがって一回拍出量が実質的に減少する。ＬＢＮＰの適用は、人が起立する際に発生する血液の移動に本質的に類似するが、移動した血液の大きさははるかに大きい可能性がある。ＬＢＮＰ試験プロトコルでは、被験者が失神前症状になるかまたは低血圧症を経験するまで、陰圧を増大させ、上記時点で、陰圧を解除し、被験者の生理機能を正常化した。２９人の被験者は、２１歳〜６５歳の範囲（中央値、４０歳）であり、１３人の女性を含んでいた。指の先端部でＰＰＧ測定を行った。図１１は、行われた３０のＬＢＮＰプロトコルに対する結果を示す。図の考察により、ＬＢＮＰレベルが増大する（記号によって示す）に従い、経時的にＬＶＥＴが体系的に変化することが分かる。システムはまた、試験の回復段階中の高速な反応（0R mmHgとして示す）も示す。図１２は、Finometer（一回拍出量を求めるための臨床的に検証されＦＤＡに認可された参照システム）によって求められる、一回拍出量に対してプロットされた同じ試験からの同じＬＶＥＴ値を示す。これらの図は、合わせて、ＰＰＧ導出ＬＶＥＴ測定値が、静脈還流の変化に対して非常に感度が高く、ＬＶＥＴ測定値が、一回拍出量の変化を忠実に反映することを示す。
【００３６】
重要なことには、ＬＶＥＴは、脈波波形から求めることができる唯一の心機能パラメータではない。図１３は、前述した下半身陰圧（ＬＢＮＰ）プロトコルからのデータに関する脈波波形分解分析の例を示す。およそ１分間のデータブロックを使用して、平均ＰＰＧ波形が形成され、導関数が計算され、０〜１にわたるように正規化される。そして、誤差の二乗和の最小化に基づいて、形式
【数１】
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の混合ガウスモデルが、微分波形にあてはめられる。自由パラメータは、ガウス分布の振幅（Ａｉ）、中心（μｉ）および幅（σｉ）とともに、混合で使用されるガウス分布の数（ｎ）およびオフセット（ｃ）である。この例では、ガウス分布の数は３に設定される。図１３Ａに、波形およびモデルあてはめの例を示す。図の考察により、ＬＢＮＰのレベルが増大し、血管内容量が減少すると、脈波波形は、あてはめられたガウス分布によって捕らえられるいくつかの変化を受ける（Ｇ１、Ｇ２およびＧ３が付されている）ことが分かる。第２波の大きさは、パラメータＡ２によって捕らえられ、ＬＢＮＰにより著しく低減する。図１３Ｂに示すように、第２波および第１波の振幅の比Ａ２／Ａ１は、ＬＢＮＰが解除されると（0R mmHg）、血液量の喪失に対してかつ正常な血行動態状態の回復に対して高い感度を示す。したがって、全体的な脈波波形分析を使用して、非常に個人に特化した方法で心機能を評価することができる。
【００３７】
心機能パラメータは、指先で取得されたＰＰＧ信号に基づいて求めることができる。しかしながら、静脈還流の関数としての脈波波形の変化は、身体上の異なる位置から取得されるＰＰＧ信号においてもまた容易に見られる。図１４は、指の基部（指輪位置）、指の先端および手首の裏（腕時計位置）における同じ人から取得されたＰＰＧ信号に対する、体位の関数としてのＬＶＥＴ分布の変化を示す。体位、したがって静脈還流の変化によるＬＶＥＴの実質的な変化は、３つの部位すべてに対して観察される。
【００３８】
心不全モニタリングシステム
本発明は、心不全、特に血行動態的うっ血の発生の非侵襲的かつ観察的評価の方法およびシステムを提供する。本発明の実施形態は、２０１６年１１月１７日に別個にまたは組み合わせて使用することができる、２つの動作モードを企図する。第１動作モードは、日常生活の活動中に患者を観察することと、体位の関数としてのＬＶＥＴ（または他の心臓パラメータ）の検査により心機能にアクセスすることとを含む。第２動作モードは、患者が同じ体位にあるときに経時的に心機能パラメータを追跡することを含む。これらの心機能、特に血行動態的うっ血の発生にアクセスする方法は、本発明のさまざまな実施形態において、独立して、または組み合わせて使用することができる。
【００３９】
血行動態的うっ血の評価のための変動モニタリング
参照した刊行物に示されているように、体液量の増加または血行動態的うっ血の増大により、体位変化に対する正常な心臓反応が低減するかまたは鈍くなる。図１５Ａは、心不全の患者における正常な体液量から体液過剰までの進行を示す。最上部のグラフ（第１観察期間）では、患者の全体的な反応は、正常血液量状態にある正常な患者の反応に似る。このグラフは、３つの主な体位、すなわち、仰臥位、座位および立位における一回拍出量を示す。この例では、ｙ軸に対して一回拍出量が使用されているが、他の心機能パラメータもまた使用することができることに留意されたい。プロットの右側のバーは、これらの３つの体位において観察される一回拍出量の範囲または変動を示す。
【００４０】
同じ患者が体液を保持し始めると、３つの体位に対する拡張終期圧における右のシフトに示すように、拡張期圧が上昇する。説明の目的で、第２観察期間における患者は、緩やかに体液過剰になるものとみなす。同じ３つの体位が示され、拡張終期圧の同じ相対変化をもたらすが、体位の変化に対する心臓反応は、患者のフランク・スターリング曲線の位置により異なる。一回拍出量の変動の考察により、右側の短い方のバーによって証明されるように、著しい低下が分かる。第３観察期間は、同じ３つの体位を示すが、追加の血行動態的うっ血を含む。追加の体液により、拡張終期圧が上昇し、体位による変動がさらに低減する結果となる。
【００４１】
図１５Ｂは、３つの観察期間中に測定された一回拍出量変動の変化を要約している。試験は、あり得るうっ血性心不全の評価に使用することができる個人向けの反応表面を生成するために、患者内試験の基本的な反復可能性を活用する。このように患者内比較試験を経時的にかつ１日に複数の測定回数で行うことができることにより、心不全代償不全の評価に対して強力な診断試験がもたらされる。
【００４２】
図１５の評価はまた、心機能と体位との間の相対的な関係が、血行動態的うっ血によって変化することも示す。観察期間第１では、仰臥位から立位への進行により、一回拍出量が系統的に低下し、それは、図８および図９に示す測定されたパラメータと一貫する。観察期間第２では、仰臥位−座位と立位との間の遷移により、同じ反応はもたらされない。特に、仰臥位と座位との間の心機能変化の量は、実質的に低減した。第３観察期間では、一回拍出量の変化は、第１観察期間と反対であり、すなわち、患者がより静脈還流の少ない体位に遷移する際に、心機能の向上がある。図１５Ｃは、３つの観察期間中の仰臥位と立位との間の一回拍出量の差を要約している。重要なことには、第３観察期間の間の一回拍出量の差は、負になり、すなわち、血行動態的うっ血を強く示した。したがって、本発明は、心臓パラメータと種々の体位との間の関係を利用して、正常血液量状態から血行動態的うっ血への進行を高度に診断する貴重な情報を提供することができる。
【００４３】
変動モニタリングの説明
本発明は、心機能変動の評価を複数の方法で行うことができる。以下の例は例示であり、他の多くの手法が存在し、本発明において企図される。第１例では、体位評価システムは、仰臥位、座位および立位の体位を判断し、動きが限られたまたは動きのない期間を特定することができる。これらの期間中に、所定時間、または動きが検出されるまで、脈波信号を取得することができる。測定されたＰＰＧは、心機能を判断するために処理することができる。１つの実施形態例では、指ＰＰＧ信号が、３０秒間測定され、切痕のタイミングに基づいて、各脈波に対してＬＶＥＴが求められる。結果としての測定値は合わせて平均され、体位に対する平均ＬＶＥＴが定義される。体位にわたる平均ＬＶＥＴ測定値の変動が計算され、履歴的値または所定閾値と比較される。低い変動は、あり得る体液過剰を示す。
【００４４】
第２例では、変動評価は、体位データが取得される時刻に、あり得る差に対して補償される。生理機能に影響を与える概日リズム変化のために、体位データが得られたときを認識して、データが処理される。たとえば、午後からの立位データが、現変動評価に使用される場合、システムは、午後からの事前に取得された立位データを使用する。本明細書で用いる、同様の時刻は、たとえば、午前、午後および夜として定義することができる、一般的な基準である。この時刻比較プロセスにより、診断精度を向上させることができ、それは、大部分の患者が、夕方近くより低い体液量状態で目覚めるためである。あり得る程度まで、システムは、同様の時刻からのデータを同様の時刻からの履歴データと比較し、それにより、変動評価は、同様の時点で取得された体位データに基づく。
【００４５】
第３例では、システムは、体位間の遷移に焦点を合わせ、心機能評価パラメータの変化の方向および大きさを求める。たとえば、患者が目覚めてその後、立位に進む際の仰臥位から座位への遷移により、日常的に反復可能な遷移評価に対する機会がもたらされる。
【００４６】
第４例では、システムは、患者が座位から歩行に遷移する際の心臓反応を観察する。たとえば、システムは、座位から歩行への遷移として、所与の速度での５歩を含むように観察を定義することができる。座位から歩行への遷移には、心臓が、生理的要求の増大とともに静脈還流の低下を補償する必要がある。これらの二重要求に対する反応は、心臓機能全体に対して診断に用いることができる。各患者の反応は異なるが、個人向けの反応を生成して将来の評価のための比較として使用することができる。
【００４７】
第５例では、体位評価システムからの連続情報が、心臓評価尺度と組み合わされる。システムは、１日の全期間からデータを取得して処理し、動き中に取得されたデータを含むことができる。結果としてのデータを使用して、患者の心機能および動きプロファイルの個人向け特徴付けをもたらすことができる。こうしたデータを使用して、患者に対する正常なまたは典型的な反応パターンを定義し、異常な挙動に対して新規なデータを評価することができる。心不全管理の目的での異常な挙動としては、鈍くなったかまたは低下した動きの変化に関連するわずかな変化、心拍数変動の低減、呼吸数の変化、および典型的な動きに対する心機能反応を挙げることができる。心不全管理には使用されないが、この例では、行動パターン認識（Behavior Pattern Recognition）（ＢＰＲ）ツールが非常に適用可能であり得る。ＢＰＲは、怪しいテロリストおよび犯罪者の行動を攻撃前に検出する戦術的ツールである。それは、予防的方法として設計され、きわめて非合法的な行動に関係する人々の一意の行動特徴を使用する。本発明では、同様の手法を使用して、何日もにわたり情報を集計し、連続的に方法を更新して、血行動態的うっ血の最も早期の発現に関連する心機能のわずかな変化にアクセスする強力なツールをもたらす。
【００４８】
血行動態的うっ血の評価のための傾向モニタリング
心不全代償不全を判断する第２モードは、患者が同じ体位にあるときに経時的に心機能を評価する。たとえば、システムは、毎晩同じ睡眠段階の間であっても、睡眠中の患者の心機能を評価することができる。この種の睡眠段階評価は、毎日評価することができる反復可能な心臓評価をもたらす。例として、システムは、夜間に少なくとも１回、同じ睡眠段階中にデータを取得し得られたデータを処理することができる。そして、任意の一時的な傾向の判断のために、平均または最小ＬＶＥＴを以前のＬＶＥＴ測定値と比較することができる。図１６は、こうしたモニタリングプロセスの例である。図１６に示すように、患者は、１日目〜２０日目にわたって体系的変化は体験していないが、２１日目の一回拍出量の減少によって示すように、心機能の低下を体験し始める。この心機能の低下の傾向は、７日間続き、体液過剰および血行動態的うっ血を明確に示す。システムは、代償不全の初期の指標を提供することができ、それにより、外来環境において介入を施すことができ、入院を回避することができる。
【００４９】
取付型体位評価システム
取付型センサを使用することによる体位評価は、ビデオゲーム娯楽における関心領域である。他の用途としては、高齢者における行動追跡とともに、スポーツにおける動き追跡が挙げられる。たとえば、Najafiらは、胸部に取り付けられた１つの運動センサのみを使用して高齢者の複数の体位（座位、立位および仰臥）および歩行の期間を識別する身体的行動モニタリングの新たな方法を実証した。Najafi, B., Aminian, K., Paraschiv-Ionescu, A., Loew, F., C. J., & Robert, P. (2003). Ambulatory system for human motion analysis using a kinematic sensor: Monitoring of daily physical activity in the elderly. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 50(6), 711-723. http://doi.org/10.1109/TBME.2003.812189。Najafiらは、ジャイロスコープのみのシステムに関しても発表した。Najafi, B., Aminian, K., Loew, F., Blanc, Y., Robert, P. a, & Member, S. (2002). Measurement of Stand - Sit and Sit - Stand Transitions Using a Miniature Gyroscope and Its Application in Fall Risk Evaluation in the Elderly. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 49(8), 843-851. http://doi.org/10.1109/TBME.2002.800763。体位モニタリングの他の例は、外来患者のためのＥＫＧモニタリングで使用されてきた。Jasonらは、めまい、動悸および失神等の一般的な症状の評価のためにホルター（Holter）モニタリング中に患者の体位（臥位、座位、立位、または１つの体位から別の体位への変化）を判断することができることを実証した。Akhtar, S., Matei, V., London, M. J., & Barash, P. G. (2011). Electrocardiographic Monitoring. Kaplan’s Cardiac Anesthesia: The Echo Era, 60208, 452-465。上に参照したシステムは、患者の手、手首または指ではなく胸部に取り付けられたセンサを使用する。便宜上および通常の日常生活との一貫性を保つために、本発明は、体位の判断のために手首または指輪ベースのセンサを使用して同様の性能を達成することができる。
【００５０】
本システムは、指輪または腕時計の動きセンサを使用して、身体的活動の全体的な測定値を求め、活動タイプを分類することができる。本システムは、活動分類を使用して、体位の判断を容易にすることができる。たとえば、椅子から立ち上がる行動が検出された場合、体位は立位として判断することができる。活動認識および周囲の一連の活動は、特に状態−空間モデルを使用して、体位を高度に検出することができる。動きパターンは各個人に幾分か特有であるため、本システムは、初期訓練期間中に訓練することができ、その期間中、患者は、仰臥位、座位または立位まで動いたときを示す。
【００５１】
体位に関する追加の情報は、３軸加速度計で容易に測定されるセンサの傾斜および回転の角度を使用することによって取得することができる。回転情報は、手が立位、座位または臥位と一貫した位置にあるか否かを示すことができる。たとえば、就寝に一貫した活動と、それに続く、長期間の最小限の活動または活動なしと、手がベッドの上に載っていることに一貫するセンサの向きとを特定することによって、睡眠にアクセスすることができる。
【００５２】
体位システムを使用して、さまざまな体位が達成されたことが確実にされる。１日の間に体位の変動が達成されなかった場合、心機能変動は低減し、偽陽性結果の可能性が増大する。患者が指定された期間にわたって体位を変えなかった状況では、本システムは、患者に対して、体位を変えるように促すことができる。本システムは、診断精度を確実にするのに役立つように、観察的試験に関連するこの種の品質制御を提供することができる。
【００５３】
非取付型体位評価システム
ベッドに入るかもしくはベッドから出る、またはテーブルまで往復するという活動により、撮像システムによって取り込み定量化することができる観察的機会がもたらされる。患者の行為は、撮像システムを使用して判断することができる。撮像システムは、ナイトテーブルまたは台所に位置し、映像情報を取り込むために使用することができる。システムは、視覚ベースの活動認識および後続する体位判断を使用して結果としてのデータを処理することができる。視覚ベースの活動認識は、人の動きを含む映像情報に行為または活動ラベルを用いてラベル付けするプロセスである。
【００５４】
こうしたシステムは、ビデオおよびカメラの両方を含む種々の視覚取込み技術を使用して実施することができる。例として、人を検出する動きベースのビデオカメラを使用して、患者の動きを取り込むことができる。システムは、顔認識技術を使用して、または患者の上のもしくは患者に付けられたセンサに信号を送らせることにより、患者を特定することができる。信号は、電磁信号、ＲＦＩＤタグまたは光信号を含む多くの形態をとることができる。明滅する赤外ＬＥＤは、多くの動き検出ビデオカメラに共通する赤外線ビデオ記録を利用することができる。ビデオシステムは、被験者を追跡し、または魚眼（超広角）レンズを使用してシーンを完全に取り込むことができる。
【００５５】
本システムはまた、Microsoft Kinect、Orbbec Astra、Intel Realsense又ははStereolabs Zebステレオカメラ等、構造化光（structured light）または３Ｄカメラシステムを使用して、３次元画像を作成することができる。複数のシステムが、個人の動きを取り込む骨格棒線図（skeleton stick figure）の作成のために骨格追跡を行うことができる。Hanらは、最近、３Ｄ骨格データに基づいて人々の既存の空間−時間表現の幅広い概観を提示し、情報モダリティ、表現符号化、構造および遷移ならびに特徴量設計（feature engineering）の観点からこれらの方法の情報を与える分類および分析を提供する、調査論文を書いた。Han, Fei, et al. “.” arXiv preprint arXiv:1601.01006 (2016)。
【００５６】
視覚ベースの活動認識の使用に加えて、本システムは、患者の全体的な体位を判断するために顔検出を使用することができる。顔検出は、デジタル画像で人の顔を識別する種々のアプリケーションで使用されているコンピュータ技術である。２００１年、Paul ViolaおよびMichael Jonesが、任意の物体を検出する新しいフレームワークを発明し、それを顔検出に対して改良した。このアルゴリズムは、今では、Viola-Jonesフレームワークとして知られている。Viola-Jones法は、非常に高い精度を有し、著しい処理能力は必要としない。本発明で使用される際、顔検出を使用して、画像における顔の位置を特定し、体位を仰臥位、座位または立位として推測することができる。
【００５７】
睡眠周期評価
人の生理機能は、患者の睡眠段階に基づいて変化する。既知の生理学的変化としては、血圧、心拍数、呼吸数、心拍数変動、体温、動きおよび呼吸変動の変化が挙げられる。睡眠段階の判断は、生理学的研究の盛んな分野であった。睡眠ポリグラフィ検査は、睡眠を正確に評価するための究極の判断基準とみなされるが、特に長期の睡眠検査において、費用がかかり、時間がかかりかつ不快である可能性がある。アクティグラフィは、装置が取り付けられる身体の部分の動きの正確な測定値を提供する。この技術は、睡眠／覚醒パターンを評価することができ、安価であるとともに使用が容易であるが、用途に応じて詳細（レム−ノンレム識別等）が不足している。本システムは、ＰＰＧ信号を追加することにより、この限界に対処することができる。ノンレム睡眠中、心拍数および呼吸数は低減し、レム睡眠中、呼吸数および心拍数はより不規則になる。したがって、本システムは、動きセンサを含む腕時計または他のシステムとともにＰＰＧ信号を提供することができ、睡眠段階の判断を可能にすることができる。
【００５８】
通信システム
リモートモニタリングは、遠隔評価場所、医師または病院への患者に関する心機能情報の通信を可能にする機構である。本システムは、直接の面と向かっての対話することなく、評価システムと医院との間の通信を可能にする。
【００５９】
システム要素および実施形態
心不全システムについて、３つの全体的な要素に関して記載することができる。すなわち、（１）脈波検出システム、（２）体位検知システムおよび（３）通信システムである。実施形態は、３つすべてのシステムを含む単一のシステム、または互いに相互作用する３つの独立したシステムを含む、多くの形態をとることができる。
【００６０】
第１実施形態
単一のシステム実施形態例は、単一のハウジングに３つのすべてのシステムから構成される。図１７は、ＰＰＧ測定システム、動きセンサ（マルチアクセス加速度計およびジャイロスコープセンサ）およびＷｉ−ｆｉまたはインターネット・オン・ア・チップ（internet-on-a-chip）サブシステムを含む腕時計の例である。実際には、患者は、腕時計を装着し、腕時計は、連続的にまたは断続的に患者をモニタリングする。電力消費問題のために、システムは、動きおよび活動認識に基づいてスマートサンプリングを行うことができる。たとえば、腕時計は、動きがないかまたは限られている睡眠期間を特定することによって日々の評価を開始し、その後、患者が定義された睡眠段階にあるという評価を行うことができる。そして、システムは、ある期間のＰＰＧデータを取得し、そのデータに対して適切な品質制御を行って、有効な仰臥位体位位置データを確保することができる。そして、システムは、座位または立位への動きを検出するまで低エネルギー状態に移動することができ、その後、追加のＰＰＧデータを取得することができる。システムは、１日の間に上記体位認識プロセスを繰り返し、データを取得することができる。システムは、システムがＷｉ−ｆｉ接続に接続されている間、１日を通して後続する医学的評価のためにデータを送信することができる。さらに、夜間にデータをアップロードすることができる。センサシステムは、患者に対して触覚、聴覚および／または視覚フィードバックを提供して、データの取得およびデータ品質が不適切であると判断されたか否かを通信することができる。不適切なデータのあり得る原因としては、腕時計の不十分な配置、緩い腕時計バンド、過剰な動き、患者による限られた動き、または他の変わった動きが挙げられる。システムは、問題の解決のために推奨を提供することができる。
【００６１】
第２実施形態
心不全モニタリングシステムの実施形態例は、２つの構成要素、すなわち指輪ベースＰＰＧおよび通信システムを含むことができる。指輪は、ＰＰＧ測定システム、慣性測定ユニットおよびBluetooth無線通信システムを含むことができる。指輪システムは、別個のデータ送信局と通信する。データ送信局は、インターネットを介して、携帯電話通信を介して、またはモデムによって通信することができる。図１８は、こうしたシステムの図である。
【００６２】
第３実施形態
心不全モニタリングシステムの実施形態例は、３つのユニット、すなわち、指輪、腕時計および通信システムを含むことができる。一例では、指輪および腕時計はともに作用して、あり得る最適なＰＰＧ信号を取得する。手首ＰＰＧ信号が適切でない場合、指輪が起動してＰＰＧ信号を獲得する。こうしたシステムの利点は、手首において相対的に大きいバッテリを配置するととともに、手首ベースのシステムに追加のセンサを配置することができるということである。図１９は、指輪センサ、腕時計電子回路および動きセンサならびに通信システムを備えたこうしたシステムの図である。
【００６３】
第４実施形態
心不全モニタリングシステムの実施形態例は、３つのユニット、すなわち、指輪ベースＰＰＧ、体位を判断するために使用される１つまたは複数の運動センサおよび通信システムを含むことができる。運動センサは、胴部、脚または腰等の身体の複数の位置に配置して、身体活動に加えて体位を判断することができる。たとえば、胴部センサが垂直に向けられる場合、被験者が座っているかまたは立っている可能性が非常に高い。センサは、ネックレス、靴またはベルト等の装着品に組み込むことができ、それにより、日常生活を妨げない。運動センサおよびＰＰＧセンサは、Bluetooth等のプロトコルを使用してデータ送信システムと通信することができる。図２０は、指輪センサ、ウエスト取付型動きセンサおよび通信システムを備えたこうしたシステムの図である。
【００６４】
第５実施形態
心不全モニタリングシステムの実施形態例は、被験者に取り付けられた脈波センサと、結合された通信／体位測定システムとを含むことができる。結合された通信および体位測定システムは、たとえば台所に、患者の画像を取り込むビデオカメラを含むことができる。カメラは体位の判断を可能にする。脈波センサは、通信システムと通信し、画像およびデータは、望ましい場合は、遠隔処理のためにアップロードすることができる。使用時、脈波センサシステムは、夜間に仰臥位でデータを取得し、他のデータは、台所にいる間に取り込まれる。通信システムはまた、医師とのビデオ通信を行うことができるように、スピーカおよび追加のハードウェアも含むことができる。図２１は、カメラシステムおよび使用中のシステムの図である。
【００６５】
本明細書では、心不全患者の血行動態モニタリングに関して、例示および実施形態について記載した。本システムはまた、血液量減少のモニタリングにも適用可能である。本システムは、出血または不適切な体液消費の評価に対して術後患者のモニタリングを可能にすることができる。高齢者における容量状態の評価は、これらの患者が混乱したように現れることが多いため、困難である可能性がある。診断精密検査は、卒中等の重篤な状態、または血液量減少等のより簡単に治療される状態を含むことができる。本発明の実施形態を使用して、血液量減少の発生に対して高齢者をモニタリングすることができる。
【００６６】
本発明について、さまざまな実施形態例に関連して説明した。上記説明は、単に本発明の原理の適用を例示するものであり、本発明の範囲は、明細書に鑑みて考察される特許請求の範囲によって判断されるべきであることが理解されよう。当業者であれば、本発明の他の変形および変更が明らかとなろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年8月7日(2018.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個人の血行動態状態を評価する方法であって、
（ａ）非侵襲的装着型センサを用いて前記個人の第１脈波波形を測定することと、
（ｂ）前記非侵襲的装着型センサを用いて第２脈波波形を測定することであって、前記第２脈波波形が前記第１脈波波形とは無関係である、測定することと、
（ｃ）前記第１脈波波形内の複数の特徴の間の時間的関係に基づいて前記第１脈波波形から左心室拍出量の第１基準を求めることと、
（ｄ）前記第２脈波波形内の複数の特徴の間の時間的関係に基づいて前記第２脈波波形から左心室拍出量の第２基準を求めることと、
（ｅ）前記第１基準と前記第２基準との間の変動の程度を求めることと、
（ｆ）前記変動の程度から前記個人の前記血行動態状態を評価することと、
を含む方法。
【請求項２】
（ａ）における前記測定の後に、日常生活の活動中の前記個人の体位の変化を検出することをさらに含み、前記個人の第２脈波波形を測定することは、前記体位の変化が検出された後に、前記非侵襲的装着型センサを用いて第２脈波波形を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
日常生活の活動中の前記個人の体位の変化を検出することが、（ａ）における前記測定中に前記個人の第１体位を検出することと、次いで、前記第１体位以外の体位への前記体位の変化を検出することと、次いで、前記体位の前記第１体位への戻りを検出することとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２脈波波形が、前記第１脈波波形が測定された少なくとも３時間後に測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記血行動態状態を評価することが、血行動態的うっ血の程度を求めることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１脈波波形および前記第２脈波波形が、前記個人が同じ睡眠段階にある間に測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記装着型センサが加速度計を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記装着型センサが、前記個人の上肢の遠位面に取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記体位が、前記個人に取り付けられないセンサによって求められる、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記体位が、光学検知システムによって求められる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記血行動態状態を評価することが、前記変動の程度を前記個人に対して事前に求められた変動の程度と比較することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
個人の血行動態状態を評価する装置であって、
（ａ）個人によって装着されるように、かつ脈波波形を測定するように構成された非侵襲的センサと、
（ｂ）前記非侵襲的センサを用いて第１脈波波形および第２脈波波形を測定するように構成された測定制御システムであって、前記第１脈波波形および前記第２脈波波形は互いに独立している、測定制御システムと、
（ｃ）前記第１脈波波形内の複数の特徴の間の時間的関係に基づいて、前記第１脈波波形から左心室拍出量の第１基準を求め、前記第２脈波波形内の複数の特徴の間の時間的関係に基づいて、前記第２脈波波形から左心室拍出量の第２基準を求め、前記第１基準と前記第２基準との間の変動の程度を求め、前記変動の程度から前記血行動態状態を評価するように構成された分析システムと、
を含む装置。
【請求項１３】
前記非侵襲的センサが加速度計を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記非侵襲的センサが、前記個人の上肢の遠位面に取り付けられるように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
個人の体位を判断するように構成された体位サブシステムをさらに含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記測定制御システムが、前記個人の前記体位が前記第１脈波波形の測定後に変化したことを示す、前記体位サブシステムからの信号に応答する前記第２脈波波形を測定するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１脈波波形および前記第２脈波波形が、前記個人が同じ睡眠段階にある間に測定される、請求項３に記載の方法。
【請求項１８】
前記装着型センサが前記個人の指に取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記非侵襲的センサが、前記個人の指に取り付けられるように構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記装着型センサがＰＰＧセンサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記非侵襲的センサがＰＰＧセンサを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
前記非侵襲的センサが、日常生活の活動に対する妨げを回避するように構成されている、請求項１４に記載の装置。
【国際調査報告】
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