(57)【要約】  本明細書に開示の装置および方法は、身体の部分からの信号の検出による疾患診断に関する。この信号は音響信号でよく、こうした音響信号を用いて、冠状動脈などの動脈内の閉塞の存在、重症度、および/または位置を診断することができる。こうした信号は、例えば、受動受信などの非侵襲的な方法で検出することができる。かかる方法によって、侵襲的な血管造影手技、および血管形成手技に伴う多くの問題を回避することができる。本明細書に記載の装置および方法は、冠状動脈内の閉塞を診断するための使用のみに限定されるものではなく、ヒト、およびヒト以外の動物の様々な生医学的診断に広く使用することができる。
2008528112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠状動脈内の血流によって発せられた音響エネルギーを受信し、かつ解析するための診断装置であって、
それぞれが、センサによって受信された音響エネルギーに応じて信号を生成するように構成された1つまたは複数のセンサと、
(i)前記1つまたは複数のセンサのそれぞれから前記信号を受信し、かつ(ii)前記受信した信号に応じて1つまたは複数のデジタル信号を生成するように構成された、ハウジングを備えた測定モジュールと、
(i)前記測定モジュールから前記1つまたは複数のデジタル信号を受信し、(ii)前記1つまたは複数のデジタル信号に調整手順を実施し、かつ(iii)前記冠状動脈内の異常を示すウェーブレット診断パラメータを生成するために、前記1つまたは複数の調整されたデジタル信号の1つまたは複数の部分にウェーブレット変換を実施するように構成された、ハウジングを備えた解析モジュールと、
前記センサの少なくとも1つからの信号の少なくとも一部分が、心拍動によって発せられているかどうかを示す検証パラメータを求めるように構成された検証モジュールと、
前記解析モジュールから前記ウェーブレット診断パラメータを受信し、かつ前記異常の重症度を示す情報を通信するように構成された出力モジュールと、
を具備し、
前記検証モジュールは、前記測定モジュールもしくは前記解析モジュールと通信するように、または前記測定モジュールもしくは前記解析モジュールの内部に配置されるようにさらに構成された診断装置。
【請求項２】
前記測定モジュールおよび前記検証モジュールが、同じハウジング内に配置される、請求項1に記載の診断装置。
【請求項３】
前記測定モジュールの前記ハウジングが、前記解析モジュールの前記ハウジングとは遠隔に配置されるように構成される、請求項1に記載の診断装置。
【請求項４】
前記測定モジュールが可搬式である、請求項3に記載の診断装置。
【請求項５】
前記測定モジュールが手持ち式である、請求項4に記載の診断装置。
【請求項６】
前記調整手順が、前記1つまたは複数のデジタル信号の周波数スペクトルに関する情報を提供する前記1つまたは複数のデジタル信号に実施される変換を具備する、請求項1に記載の診断装置。
【請求項７】
前記変換がフーリエ変換を具備する、請求項6に記載の診断装置。
【請求項８】
前記ウェーブレット変換が、モルレーウェーブレット、ハールウェーブレット、ドブシーウェーブレット、エルミートウェーブレット、メキシカンハットウェーブレット、および直交ウェーブレットからなる群から選択されたマザーウェーブレットを具備する、請求項1に記載の診断装置。
【請求項９】
前記ウェーブレット変換が、前記デジタル信号の1つの一部分から選択されたマザーウェーブレットを具備する、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１０】
前記ウェーブレット変換が、前記異常を表すように選択されたマザーウェーブレットを具備する、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１１】
前記異常が、動脈の閉塞または狭窄である、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１２】
前記解析モジュールが、1つまたは複数のマザーウェーブレットを用いて前記ウェーブレット変換を実施するように構成される、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１３】
前記解析モジュールが、前記1つまたは複数のデジタル信号をワイヤレス通信ネットワークから受信する、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１４】
前記出力モジュールが、前記測定モジュールの前記ハウジング内または前記ハウジング上に配置される、請求項1に記載の診断装置。
【請求項１５】
それぞれが、生体の外側に配置されるように構成され、かつ、それぞれが、冠状動脈内の血流によって発せられた約300ヘルツから約1500ヘルツの範囲の音響エネルギーに応じて信号を生成するように構成された、1つまたは複数の音響センサと、
解剖学的構造の構造または向きに関する情報を提供するように構成され、かつ超音波装置、磁気共鳴画像法装置、X線装置、心電図装置、脳波図装置、およびコンピュータ断層撮影装置からなる群から選択された解剖学的センサと、
(i)前記音響センサの1つまたは複数から前記信号を受信し、かつ(ii)前記受信した信号に応じて1つまたは複数のデジタル信号を生成するように構成された、ハウジングを備えた測定モジュールと、
前記測定モジュールから前記1つまたは複数のデジタル信号を受信するように構成され、かつ前記冠状動脈内の異常を表すウェーブレット診断パラメータを生成するために、前記1つまたは複数のデジタル信号の1つまたは複数の部分にウェーブレット変換を実施する、ハウジングを備えた解析モジュールであって、前記1つまたは複数の解剖学的センサから前記情報を受信し、かつ前記冠状動脈内の前記異常と、前記解剖学的構造の前記構造または前記向きとの間の解剖学的対応を求めるようにさらに構成された解析モジュールと、
前記解析モジュールから、前記ウェーブレット診断パラメータおよび前記診断対応を受信し、かつ前記異常の重症度、および前記解剖学的構造に対するその解剖学的対応を表す情報を通信するように構成された出力モジュールと、
を具備する診断装置。
【請求項１６】
前記解剖学的構造が心臓を含む、請求項15に記載の診断装置。
【請求項１７】
心拍数を表す信号を生成するように構成された心拍動センサをさらに具備する、請求項15に記載の診断装置。
【請求項１８】
前記心拍動センサが、心電図センサまたは脈拍センサを具備する、請求項17に記載の診断装置。
【請求項１９】
それぞれが、生体の外側に配置されるように構成され、かつ、それぞれが、冠状動脈内の血流によって発せられた音響エネルギーに応じて信号を生成するように構成された、1つまたは複数の音響センサと、
心拍動を表す心拍動信号を生成するように構成された心拍動センサと、
(i)前記1つまたは複数の音響センサのそれぞれ、および前記心拍動センサから前記信号を受信し、(ii)前記1つまたは複数の音響センサから受信した前記信号に応じて1つまたは複数のデジタル信号を生成し、かつ(iii)前記心拍動センサから受信した前記心拍動信号に応じてデジタル心拍動信号を生成するように構成された、ハウジングを備えた測定モジュールと、
(i)前記測定モジュールから、前記1つまたは複数のデジタル信号および前記デジタル心拍動信号を受信し、(ii)前記デジタル心拍動信号から、1つまたは複数の心拍動の1つまたは複数の部分を求め、(iii)前記1つまたは複数のデジタル信号の、前記1つまたは複数の心拍動の前記1つまたは複数の部分に対応する部分にウェーブレット変換を実施し、かつ(iv)前記冠状動脈内の異常を表すウェーブレット診断パラメータを生成するように構成された、ハウジングを備えた解析モジュールと、
前記解析モジュールから前記ウェーブレット診断パラメータを受信し、かつ前記異常の重症度を表す情報を通信するように構成された出力モジュールと、
を具備する診断装置。
【請求項２０】
前記1つまたは複数の心拍動センサが、心電図センサまたは脈拍センサを具備する、請求項19に記載の診断装置。
【請求項２１】
前記測定モジュールが可搬式である、請求項19に記載の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願の相互参照)
本願は、以下の特許出願の優先権を主張するものであり、これらの出願のそれぞれを、参照によりそれらの全体を本明細書に組み込み、そのそれぞれを本明細書の一部とする。2005年1月20日出願の米国特許仮出願第60/645284号、名称「APPARATUS AND METHOD FOR NON-INVASIVE DIAGNOSING OF CORONARY ARTERY DISEASE」、2005年2月17日出願の米国特許仮出願第60/654840号、名称「APPARATUS AND METHOD FOR NON-INVASIVE DIAGNOSING OF CORONARY ARTERY DISEASE」、2005年4月15日出願の米国特許仮出願第60/671954号、名称「APPARATUS AND METHOD FOR NON-INVASIVE DIAGNOSING OF CORONARY ARTERY DISEASE」、および2005年7月14日出願の米国特許仮出願第60/699812号、名称「NON-INVASIVE TOOL FOR CORONARY ARTERY DIAGNOSIS USING SIGNAL CHARACTERISTIC ANALYSIS (CADSCAN) AND ISO-SURFACE OPTIMAL MEMBRANE-ADHERENT COMPLIANT (ISOMAC) SENSORS」。本願はまた、以下の出願を参照によりその全体を本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。2004年4月23日出願の米国特許出願第10/830719号、名称「APPARATUS AND METHOD FOR NON-INVASIVE DIAGNOSING OF CORONARY ARTERY DISEASE」。
【０００２】
本明細書に開示の本発明は、一般に、身体からの信号を感知し、処理する装置および方法に関し、特に、身体からの音響信号を感知し、処理する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第60/645284号
【特許文献２】米国特許仮出願第60/654840号
【特許文献３】米国特許仮出願第60/671954号
【特許文献４】米国特許仮出願第60/699812号
【特許文献５】米国特許出願第10/830719号
【特許文献６】米国特許第6178386号
【特許文献７】米国特許出願第60/692515号
【特許文献８】米国特許第5885222号
【特許文献９】米国特許第5365937号
【非特許文献１】J. L. Semmlowら、「Noninvasive Detection of Coronary Artery Disease Using Parametric Spectral Analysis Methods」、33〜35頁、IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine、1990年3月
【非特許文献２】Y. M. Akayら、「Noninvasive Acoustical Detection of Coronary Artery Disease: A Comparative Study of Signal Processing Methods」、571〜578頁、IEEE Transactions on Biomedical Engineering、第40巻、第6号、1993年6月
【非特許文献３】Randy K. Young、「Wavelet Theory and Its Applications」、Kluwer Academic Publishers
【非特許文献４】Mellenら、「Closed-Form Solution for Determining Emitter Location Using Time Difference of Arrival Measurements」、IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1056〜1058頁、第39巻、第3号、2003年7月
【非特許文献５】M. Akay、「Wavelet Applications in Medicine」、IEEE Spectrum、50〜56頁、1997年5月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書に開示の装置および方法は、身体の部分からの信号の検出による疾患診断に関する。この信号は音響信号でよく、こうした音響信号を用いて、冠状動脈などの動脈内の閉塞の存在、重症度(severity)、および/または位置を診断することができる。こうした信号は、例えば、受動受信などの非侵襲的な方法で検出することができる。かかる方法によって、侵襲的な血管造影手技、および血管形成手技に伴う多くの問題を回避することができる。本明細書に記載の装置および方法は、冠状動脈内の閉塞を診断するための使用のみに限定されるものではなく、ヒト、およびヒト以外の動物の様々な生医学的診断に広く使用することができる。
【０００５】
本発明の上記その他の目的および利点を、添付の図面を参照しながら実施形態の詳細な説明でさらに説明する。諸図を通して、同じ参照番号は同じ要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
身体の器官および組織は、身体の部分を介して伝送される音響エネルギーを発生することがある。こうした音響エネルギーは、音波を含み得、この音波とは、しばしば、音響エネルギーが介して進む媒質の振動である。この媒質は、音波の伝播と同じ方向に圧縮され、圧縮波を形成する。音波は音速で伝播し、音速は、一部には音波が介して進む媒質に依存する。例えば、身体の軟部組織における音速は、約1540m/秒となり得、一方、骨組織における音速は約4000m/秒となり得る。身体によって生じる音波は、身体の様々な器官または領域内の細胞または体液の動き、筋肉の動き、肺への吸気などに関連し得る。こうした音はそれぞれ、医師が診断目的で使用することができる情報を含み得る。例えば、ポンピングしている心臓、心臓弁の開閉、および/または脈管構造内を通る血流によって生じる音は、患者の心臓および脈管構造に関する健康状態についての情報を提供することができる。
【０００７】
数多くの患者が、コレステロールまたはプラーク堆積物が身体の血管または動脈の内壁に蓄積するという危険な医療状態に直面している。冠状動脈疾患とは、かかる蓄積が心臓動脈の内壁に生じる場合を指す。図1は、心臓100および主冠状動脈を示す。プラークまたはコレステロールの蓄積は、動脈の遮閉(blockage)の一因となり得、冠状動脈内に深刻な遮閉が生じた場合には、致命的な心臓発作が起こる恐れがある。その音を生み出す生物物理学的過程が明らかになったとき、体内で生じる音響信号を用いる医学的診断が可能である。
【０００８】
図2は、血漿211aおよび赤血球(red blood cell, erythrocyte)211bを患者の全身に搬送する動脈210を示す。冠状動脈疾患を有する患者では、動脈210の内壁にコレステロールまたはプラーク層212が形成されている。このプラーク層212によって、罹患動脈の血液搬送能力が低減し、それによって、動脈を通る血流、および動脈により供給され、組織(例えば、筋組織)に送達される血液量が低減し、その結果、組織に栄養分および酸素が不足することになる。プラーク層212はまた、罹患動脈の壁を弱化させ得る。図2に示すように、プラーク堆積物213によって、動脈210の狭小(narrowing)215が生じ得る。動脈のこうした狭小215は、本明細書では、狭窄(stenosis)または閉塞(occlusion)と呼ぶことがある。本明細書では、用語「狭窄」および「閉塞」は、広義の用語であり、それらの通常の意味で使用するものである。明白な記載のない限りこれらのみに限定されるものではなく、どのような異常な狭小、遮閉(部分的または全体のいずれも)、または血管もしくは管状器官の断面積の縮小も含まれる。用語「狭窄」および「閉塞」には、これらのみに限定されるものではないが、冠状動脈疾患によって生じる冠状動脈の狭小または遮閉が含まれる。用語「狭窄」と「閉塞」とは、特に記載のない限り、互いに置き換え可能なように使用される。
【０００９】
プラーク212に割れ214が生じ、凝血塊(血栓)が動脈210内に形成されることになる。図2の上側挿入図は、部分閉塞217(例えば、動脈210の断面積が縮小している)をもたらした壁血栓216を概略的に示している。部分閉塞217は、患者によっては、不安定狭心症を引き起こす恐れがあり、また、塞栓を形成する傾向があり、その結果、元の閉塞217の下流にさらなる閉塞が生じる恐れがある。図2の下側挿入図は、完全閉塞219(例えば、動脈210の断面積が実質的に完全に遮閉されている)をもたらした血栓218を概略的に示している。完全閉塞219は、患者によっては、心筋梗塞を引き起こす恐れがある。凝血塊(図2に示す例示の凝血塊216や218など)によって、プラーク蓄積によって生じた問題がさらに悪化する恐れがある。プラーク212によって血管または動脈が少なくとも部分的に閉塞するだけでなく、凝血塊が血管の閉塞部分に留まることになり、遮閉問題がさらに悪化する恐れがある。当然ながら、凝血塊自体も塞栓を形成し、脈管構造内のプラーク蓄積が生じた所と同じ位置でなくとも、身体の他の血管または動脈を完全に、または部分的に閉塞する可能性がある。冠状動脈内の凝血塊は、多くの心臓発作の原因となっている。
【００１０】
現在、冠状動脈疾患を診断するために、数多くの侵襲的技術が使用されている。例えば、「血管造影」は、(例えば、大腿動脈または他の大動脈を介して)カテーテルを体内に挿入する必要がある極めて侵襲的な手技である。次いで、カテーテルは、検査すべき血管または動脈、例えば冠状動脈に到達するまで脈管構造を通して送られる。この手技は、その極めて侵襲的な性質に関連する多くの欠点を有するとともに、非常に有害な副作用の危険を生じる可能性がある。図3は、血管造影に必要となり得るカテーテルの長さを示す。カテーテル316が、患者318の大腿動脈の挿入点から、血管320を通り、患者の心臓322内に延びる様子が概略的に示されている。血管造影およびその後の血管形成手技には、かかるカテーテル導入が必要となり得る。血管形成術とは、血管側面上のプラーク堆積物を、圧縮、除去、または他の形でその形状を変形させることによって、血管内の閉塞を治療するものである。冠状動脈疾患を診断するこれらの方法の極めて侵襲的な性質のため、本明細書に記載のような非侵襲的な診断装置および方法が強く求められている。
【００１１】
上述のように、冠状動脈疾患は、血液が通る通路の狭小を引き起こす恐れがある。多くの生物系はより複雑であるものの、比較的狭い部分を有する通路を通る流体動の物理的性質を説明する一助として、簡略化モデルが有用となり得る。図4Aおよび4Bは、長さに沿って断面積420が変動する通路410を概略的に示す。断面420の面積は、狭窄領域430で最小値まで減少し、その後、その元の値まで増大している。ポンプ(例えば、図1に示す心臓)によって、通路410を通る流体に定常流がもたらされる。図4Aは、流体速度が一定、円滑、かつ規則的である層流状態を概略的に示す。流体の一部分が辿る経路を示す流体動ライン440が、狭窄部430に近づくにつれて滑らかに収束し、狭窄部430を通過した後、滑らかに発散している。流速は、初期値(矢印450aで示す)から滑らかに増大し、狭窄部430の位置で最大値に達し、初期値まで滑らかに低減して戻っている(矢印450bで示す)。層流は、典型的には低い流速でしか生じず、一般に、層流によって生じるどのような音も最小となる。図4Bは、乱流状態を概略的に示し、この状態は、典型的には流速が層流状態で見られる流速よりも高い場合に生じる。流速は、図4Aの初期値450aと同様の初期値(矢印450cで示す)から滑らかに増大し、この流速は、狭窄部430に近づくにつれて増大する。しかし、図4Aの層流とは異なり、狭窄部430を通過した領域460の乱流は、不安定、不規則、かつ無秩序な流速450dを特徴とする。通路410の乱流部分460の流体圧力は増大し、このため、ポンプによってその流量を維持することはより困難となる。この乱流によって、通路410の壁に応力が生じ、その結果、損傷がもたらされる可能性がある。この乱流によって、乱流領域460の乱流渦の不規則なパターンが突如生じることになり、この状態は、図4Aに示す滑らかな層流ライン440とは対照的となり得る。こうした乱流は、特有の音波を発生し、この音波は、乱流領域460から伝播していく。乱流によって生じる音は、一般に、層流によって生じる音よりも大きく(例えば、より高い音響振幅を有する)、周波数がより高い。例えば、心雑音に関連する乱流および/または他の生理的現象は、聴診器によって聞くことができる。
【００１２】
図4Aおよび4Bの簡略化モデルに比べて、冠状動脈内の閉塞は、概して、モデル通路410の狭小部分430ほどには滑らかでも緩やかでもなく、したがって、図4Bのモデルに示す乱流よりも複雑な乱流をもたらし得る。例えば、図2は、プラークの割れ、亀裂、および破裂による血管のいくつかの閉塞を概略的に示す。閉塞217、219は、構造的に極めて不規則となり得、異なる多孔度を有し得る。さらに、閉塞217、219は不規則な形状の血栓216、218を含み得る。さらに、体内では、血流は、一定の断面積を有する血管部分でさえも、必ずしも一定速度で生じるわけではなく、これは、心臓が、一定で連続した力で流動方向にポンピングするのではなく、周期的なパルスでポンピングするためである。また、血管および動脈は、圧力下で外方に膨張することがあるだけでなく、それらの周辺の筋肉によって収縮することもある。こうした生物学的要因によって、冠状動脈が一定の断面積を有する可能性が低減する。しかし、上記のように、プラーク蓄積物によって冠状動脈の弾性が低下することがあり、したがって、冠状動脈疾患患者ではこうした作用が低減することになり得る。
【００１３】
冠状動脈内のプラーク蓄積物から生じる流体通路の狭小または閉塞によって引き起こされる乱流は、音響エネルギーを発生する。こうした乱流は、動脈閉塞を有しない健常な患者では一般に見られないか、または少なくとも同程度まで見られることはなく、したがって、かかる乱流の有無、ならびにかかる乱流の他の特徴を用いて、冠状動脈疾患を診断することができる。乱流は、流体通路内の閉塞の下流側(例えば、図4Bの領域460)など、閉塞を通過してから特に強くなり得る。流体乱流は、高周波音または音響信号を発生し得る。これらの信号は、心臓のポンピングサイクルの、心拡張期間と呼ばれる部分の間で検出することができる。心臓サイクルのこの部分は、心臓の筋肉が強く収縮しておらず、心臓弁が心臓のポンピングサイクルの他の部分に比べて比較的静かであるため、比較的静かである。
【００１４】
心臓などの身体器官によって生じた音響エネルギーは、身体の外側に配置された1つまたは複数の音響センサによって、非侵襲的に検出し、モニタすることができる。これらのセンサは、音波が音響センサに到達したときの、入力音波の振幅に対応する振幅を有するアナログ信号を生成することができる。音響エネルギーまたは音響強度は、音波振幅の二乗に比例する。したがって、検出されるアナログ信号は、絶えず変動する時間関数となり得、この信号は、処理のためにハードウェアまたはソフトウェアモジュールに伝送することができる。一般に、アナログ信号は、アナログ信号を1組の離散時間でサンプリングすることによってデジタル信号に変換される。この変換には、アナログ−デジタル変換器(ADC)を使用することができる。デジタル信号は、サンプリング時間における音響信号値の組を含む。典型的には、アナログ信号は、固定したサンプリングレート、例えば22,000Hzでサンプリングされる。このサンプリングレートは、処理すべき信号の周波数および/もしくは任意の雑音の周波数、または他の特徴に応じて、調節または同調(tune)させることができる。サンプリングレートは、装置内の他の構成要素の処理速度に依存し得る。
【００１５】
(音響信号の解析)
いくつかの実施形態では、患者の冠状動脈内の閉塞を検出する装置および方法が提供される。この装置は、患者の身体(例えば、患者の胸部上の既知の位置)に取り付ける1つまたは複数の音響センサを有することができる。これらのセンサは、身体によって生じた音響信号を受信し、それらの音響信号を解析するために、例えば音響信号に比例した電気信号を生成することによって、装置の別の部分に通信することができる。評価すべき信号を識別するために、閾値振幅範囲、または周波数範囲、または時間範囲を設定することができる。これらの信号を処理して、冠状動脈内の1つの閉塞、もしくは複数の閉塞の存在および/または重症度を求めることができる。いくつかの実施形態では、この方法は、閉塞の位置を、1つまたは複数の音響センサの位置に対して、または心臓の解剖学的構造に対して求めることをさらに含む。
【００１６】
この信号処理方法は、信号を増幅、フィルタリング、デジタル化、同期、および/または多重化することを含む。こうした処理は、信号の、心拍動または心拍動の心拡張期部分に対応する部分を識別することをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、この処理方法によって、心拍動の心収縮期部分および/または心拡張期部分の始まりを示す事象を識別することができる。ある実施形態では、こうした事象は、音響信号の、所定の周波数範囲内にある部分、および/または閾値振幅を超える部分を含み得る。特定の周波数を有し、かつ閾値振幅を超える音響信号は、1つまたは複数の冠状動脈内の閉塞の存在を示し得る。
【００１７】
この信号処理方法は、音響センサから受信した信号の様々な組合せを変換することをさらに含むことができる。この変換には、フーリエ変換、ウェーブレット変換、または他の信号解析変換が含まれ得る。いくつかの実施形態では、信号に2つ以上の変換を適用することができる。ウェーブレット変換解析では、信号の時間遅延およびスケール(周波数)解析を実現することができる。時間遅延パラメータおよびスケールパラメータを用いて、心音(または冠状動脈内部の乱流から生じた音)が身体中を進み、音響センサによって検出されるのにかかる時間を推定することができる。いくつかの実施形態では、相対的な時間遅延を評価して、冠状動脈の1つにある閉塞の位置を求めることができる。ウェーブレット変換パラメータが極大値を有する箇所の時間遅延およびスケールパラメータの値を識別することができ、この値を用いて、閉塞の重症度を求めることができる。他の実施形態では、ウェーブレット係数の一部分の重心(centroid)を用いて、時間遅延を求めることができる。他の実施形態では、ウェーブレット係数の分散を用いて、冠状動脈疾患の存在または重症度を示すことができる。
【００１８】
本明細書に開示のある実施形態の方法は、複数の音響センサを患者の胸部に取り付けること、複数の音響センサのそれぞれから、患者の複数の心拍動を表す信号を受信すること、評価すべき信号を識別するために、閾値振幅および周波数範囲を設定すること、ならびに、冠状動脈内の閉塞の存在または重症度、および複数の音響センサの位置に対する閉塞の位置を求めるために信号を処理すること、のいくつか、または全てを含むことができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、患者の冠状動脈内の閉塞を検出する方法は、信号処理の一部として、信号を増幅、デジタル化、フィルタリング、同期、および/または多重化することの1つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、患者の冠状動脈内の閉塞を検出する方法は、処理ステップの一部として、設定周波数範囲内の、設定閾値振幅を超える信号振幅の存在を識別することを含むことができる。ある実施形態では、この方法の処理ステップは、複数の音響センサから受信した信号の少なくとも1つにウェーブレット変換解析を行うことをさらに含むことができる。ウェーブレット変換解析は、時間領域解析もしくは周波数解析のいずれか、またはその両方を実現することができる。いくつかの実施形態では、患者の冠状動脈内の閉塞を検出する方法は、閉塞の少なくとも1つの位置を、複数の音響センサの少なくとも1つの位置に対して、または患者の心臓の視覚化に対して、またはテキストによる記載によって表示することをさらに含むことができる。さらに、この方法は閉塞の重症度に関する情報を表示することを含むことができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、患者の冠状動脈内の閉塞を検出する方法は、患者の胸部上の識別された基準点に対して既知の位置で音響センサを取り付けることをさらに含むことができる。この場合、閉塞の位置を、音響センサおよび/または基準点の位置に対して識別することができる。
【００２１】
(ウェーブレット変換を用いた信号処理)
上述のように、音響センサは、心臓によって発せられた音波(または動脈の乱流によって生じた音波)に対応する音響信号を受信する。この音響信号は、センサの位置に到達した音波の振幅を表す。ある実施形態では、音響センサは、アナログ受信信号を生成することによってこの音波に応答する。かかる実施形態では、アナログ受信信号は、例えば、アナログ−デジタル変換器によって、増幅、フィルタリング、サンプリング、およびデジタル化されて、デジタル信号を生成することができる。このデジタル信号は、心臓によって発せられ、センサによってサンプリング時間で受信された音波の振幅を表すものである。このデジタル信号は、数多くの既知の信号処理技術を用いて処理することができる。例えば、いくつかの実施形態では、デジタル信号をさらにフィルタリングして、周囲音響雑音などの望ましくない、または外生の信号成分を除去することができる。さらに、フィルタリングの前後いずれにおいても、デジタル信号に様々な変換を適用することができる。例えば、デジタル信号にフーリエ変換を適用して、異なる周波数で振動する音波の音響エネルギー量を求めることができる。
【００２２】
フーリエ解析を適用した方法では、デジタル信号は、それぞれが異なった、一定の周波数で振動する正弦基底関数(正弦および余弦)の重み付和として分解される。正弦基底関数の振幅は、時間が経っても減衰せず、これは、この基底関数が時間領域において無限の広がりを有することを意味する。フーリエ解析を用いると、それぞれ異なる周波数において、信号にどれだけ多くの音響エネルギー(またはパワー)が含まれているかを計算することができる。
【００２３】
冠状動脈閉塞は、約500Hz〜約1000Hzの周波数範囲の音響エネルギーを発生し得ることが判明している。例えば、J. L. Semmlowら、「Noninvasive Detection of Coronary Artery Disease Using Parametric Spectral Analysis Methods」、33〜35頁、IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine、1990年3月、およびY. M. Akayら、「Noninvasive Acoustical Detection of Coronary Artery Disease: A Comparative Study of Signal Processing Methods」、571〜578頁、IEEE Transactions on Biomedical Engineering、第40巻、第6号、1993年6月を参照されたい。上記文献のどちらも、参照によりそれらの全体を本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。乱流音響エネルギーに対応する振幅および周波数範囲は、患者によって異なり得るものであり、前述の約500Hz〜1000Hzの範囲は、診断目的に有用となり得る音響周波数範囲の一例として挙げたものにすぎない。例えば、この周波数範囲は、患者によっては、約300Hz〜2000Hzとなり得る。他の周波数、すなわち、より高い周波数、および/またはより低い周波数が冠状動脈閉塞によって生じることもあり、こうした周波数は、ヒト以外の動物では異なり得る。さらに、身体の他のタイプの異常または罹患部分によって発せられる音響エネルギーは、異なる周波数範囲を含むことがある。
【００２４】
信号は、中心周波数および帯域幅によって特徴付けることができる。中心周波数は、信号の平均周波数を表し、帯域幅は、音響エネルギーの大部分を含む周波数範囲を表す。中心周波数および帯域幅は、フーリエ解析技術を用いて求めることができる。信号は、帯域幅と中心周波数との比である比帯域に応じて、狭帯域または広帯域として分類することができる。狭帯域信号は、1よりも小さい比帯域を有し、これは、それらのエネルギーの大部分が、中心周波数周囲の狭帯域内に存在することを意味する。一方、広帯域信号は、1よりも大きい比帯域を有し、これは、それらのエネルギーのかなりの部分が、中心周波数から離れた周波数に存在することを意味する。
【００２５】
さらに、信号は、定常、または非定常として特徴付けることができる。定常信号は、一定の、またはゆっくり変動する統計的属性を有し、したがって、特定の時間における信号のスナップショットは、別の時間でとったスナップショットと同様の統計的属性を示す傾向にある。非定常信号は、ランダム成分を有し得、したがって、特定の時間における信号のスナップショットは、その同じ信号の異なる時間でとったスナップショットとは、極く僅かな一致しか持たないと考えられる。
【００２６】
フーリエ解析に使用する正弦基底関数は、一定周波数で振動し、時間とともに減衰することはないので、フーリエ法は、狭帯域の定常信号に適し得る。しかし、心臓によって発せられる音響エネルギーは、広帯域の非定常信号を含み得る。例えば、ある患者の心臓信号から測定した比帯域は、約2.2に等しいことが判明しており、これは、1(狭帯域から広帯域への移行の境界を画する点)よりも大きい。さらに、閉塞した動脈内の血流は、乱流を特徴とすることが知られており、この乱流は、一般にランダムで、非定常なプロセスである。したがって、心臓信号の解析には、広帯域の非定常音響信号に適した信号解析技術が有用となり得る。かかる技術を、フーリエ法または他の信号解析技術とともに使用することができる。
【００２７】
ウェーブレット解析は、一部には、広帯域の非定常信号の解析方法を実現するために開発されたものである。ウェーブレット変換では、信号は、ウェーブレットと呼ばれる基底関数に分解される。無限の広がりを有する正弦フーリエ基底関数とは異なり、ウェーブレットは、中心時間周辺に位置し、それらの振幅は、中心時間の前後の時間では小さくなる。ウェーブレットは、フーリエ基底関数と同様に振動性であるが、ウェーブレットは、一般に、固定周波数では振動しない。図5は、ウェーブレット500の代表的な例を示し、これは「モルレーウェーブレット(Morlet wavelet)」として知られる。図5は、時間tの関数としてのモルレーウェーブレット500の振幅のプロットである。モルレーウェーブレット500は振動性であり、中心時間t=0周辺に集中し、t=0から離れるにつれて振幅が減衰している。
【００２８】
ウェーブレット変換で使用するウェーブレット関数はそれぞれ、単一の「マザーウェーブレット(mother wavelet)」(「解析ウェーブレット」とも呼ばれる)から得られる。マザーウェーブレットから得られるウェーブレットは、「ドーターウェーブレット(daughter wavelet)」と呼ばれる。ドーターウェーブレットは、(i)マザーウェーブレットを時間において平行移動(translate)(シフト)する、(ii)マザーウェーブレットを振幅においてスケーリング(scaling)(拡大または縮小)することによって、マザーウェーブレットから得られる。したがって、ドーターウェーブレットは、マザーウェーブレットを平行移動しスケーリングした複製である。信号のウェーブレット変換は、信号が、平行移動およびスケーリングの各値において、ドーターウェーブレットといかによく相関するかを測定する数学的顕微鏡である。実際上、ウェーブレット変換では、平行移動パラメータおよびスケールパラメータを調節することによって、数学的顕微鏡の焦点を変え、信号の詳細を様々な時間および様々な周波数で分析することができる。ウェーブレット変換に関するさらなる詳細については、Randy K. Young著、「Wavelet Theory and Its Applications」、Kluwer Academic Publishersなどの一般に入手可能な多くの教本で知ることができ、この教本が開示する全体を参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【００２９】
ウェーブレット解析の利点は、正弦や余弦などの、多様性が少なく極めて周期的な関数を一般に必要とするフーリエ解析とは異なり、非常に多種多様なマザーウェーブレット関数がある点である。適当なマザーウェーブレットを選択することによって、信号の様々な数学的アスペクトを解析することができる。例えば、図5に示すモルレーウェーブレット500は、信号が波エネルギーの短期間「バースト(burst)」を含むかどうかを判断するのに適し得る。マザーウェーブレットは、時間的に局所化された関数であり、適切にスケーリングし平行移動することができるので、ウェーブレット変換は、心臓からの信号などの、広帯域の非定常信号を解析するのに適当である。
【００３０】
時間tの関数としてのマザーウェーブレットの値を、関数g(t)で示す。例えば、図5に示すモルレーマザーウェーブレット500は、以下の数学関数によって表すことができる。
【００３１】
【数１】
2008528112.tif 000003
【００３２】
式中、σは調節可能なパラメータである(図5では5に等しくなるように設定されている)。ドーターウェーブレットは、マザーウェーブレットをスケーリングし、平行移動した複製である。時間平行移動パラメータをτで示し、スケールパラメータをsで示すこととする。より大きいτ値は、マザーウェーブレットの時間におけるより大きい平行移動に対応する。より大きいs値は、より長い時間スケールおよびより低い周波数に対応する。より小さいs値は、より短い時間スケールおよびより高い周波数に対応する。したがって、ドーターウェーブレットの振動周波数は、そのスケールパラメータに反比例する。スケーリングし平行移動したドーターウェーブレットを、gs,τ(t)で示し、以下の関係式で定義する。
【００３３】
【数２】
2008528112.tif 000004
【００３４】
ドーターウェーブレットのエネルギーを、マザーウェーブレットのエネルギーと同等に保持するように、正規化係数
【数３】
2008528112.tif 000005
が選択されている。ウェーブレット法の他の実施形態では、この正規化係数は、異なるように選択することもできる。
【００３５】
スケールパラメータ値が大きい(低周波)場合、ドーターウェーブレットは、マザーウェーブレットを拡大し減衰させた複製となる。スケールパラメータ値が小さい(高周波)場合、ドーターウェーブレットは、マザーウェーブレットを縮小し増幅させた複製となる。図6A〜6Dは、モルレーマザーウェーブレット500から得られたドーターウェーブレット610〜640の4つの例を示す。図6Aでは、ドーターウェーブレット610は、スケーリングされていない(例えば、s=1)が、τ=5まで平行移動(右にシフト)されている。図6Bでは、ドーターウェーブレット620は、平行移動されていない(例えば、τ=0)が、s=5までスケーリングされており、したがって、マザーウェーブレット500を拡大し減衰させた複製となっている。図6Cでは、ドーターウェーブレット630は、平行移動されていないが、s=1/2までスケーリングされており、したがって、マザーウェーブレット500を縮小し増幅させた複製となっている。最後に、図6Dでは、ドーターウェーブレット640は、平行移動(τ=3)され、かつスケーリング(s=1/3)されている。図6A〜6Dは4つの例示ウェーブレットを示しているが、スケールパラメータおよび平行移動パラメータのあらゆる可能値に対応するドーターウェーブレットは無限に存在する。図6A〜6Dに示す例示ウェーブレットは、信号に存在し得る振動特性に整合するように、任意にシフトしスケーリングすることができるウェーブレットの数学的能力を示している。
【００３６】
ウェーブレット解析の利点は、数多くの数学関数をマザーウェーブレットに選択できる点である。関数g(t)がマザーウェーブレットとして「許容される(admissible)」(例えば、数学的に許容される)ための数学的要件は、その関数が振動し、有限エネルギーを有し、平均値ゼロを有することである。関数g(t)がマザーウェーブレットとして許容されるための十分条件は、以下の「許容定数」cgが有限(無限未満)であることである。
【００３７】
【数４】
2008528112.tif 000006
【００３８】
式3では、G(ω)は、g(t)のフーリエ変換であり、ωはtに対する周波数変数共役である。式3の積分を有限にするには、関数G(ω)は、ω=0でゼロに等しくなければならず、このことから、マザーウェーブレットの平均値はゼロでなければならないことが示されよう。
【００３９】
【数５】
2008528112.tif 000007
【００４０】
数多くの自然信号が、この許容条件を満たし、マザーウェーブレットとして使用することができる。
【００４１】
信号r(t)の、マザーウェーブレットg(t)に関する連続ウェーブレット変換(Continuous Wavelet Transform)(CWT)が、全ての時間値にわたって以下の積分から求められる。
【００４２】
【数６】
2008528112.tif 000008
【００４３】
gに付されたアスタリスクは、複素共役を示す。式5の表記は、ウェーブレット変換、すなわちWTが、角括弧内の2つの数量、すなわち、入力信号rと、マザーウェーブレットgとによって定義されることを示している。いかなる所与の信号およびマザーウェーブレットでも、ウェーブレット変換は、括弧内の2つの独立したスケール変数sおよび平行移動変数τの関数となる。
【００４４】
式2のドーターウェーブレットの定義から、いかなるスケール値および平行移動値でも、ウェーブレット変換は、信号の積分にドーターウェーブレットの複素共役を乗じたものとなることがわかる。
【００４５】
【数７】
2008528112.tif 000009
【００４６】
したがって、連続ウェーブレット変換の値は、信号とドーターウェーブレットとの整合または「重なり(overlap)」の測度(measure)である。信号とドーターウェーブレットとの整合が高くなればなるほど、ウェーブレット変換の値も大きくなる。連続ウェーブレット変換の利点の1つは、マザーウェーブレットを任意に平行移動しスケーリングし、その後、信号と相関させることができる能力に由来する。もう1つの利点は、信号内の対象とする特性の、予想される、または既知の形状に概ね整合するマザーウェーブレットを予め選択することができる能力に由来する。実際上、ウェーブレット変換は、マザーウェーブレットがその信号特性によりよく整合する程度まで、より優れた数学的顕微鏡として働くことになる。
【００４７】
信号の連続ウェーブレット変換は、膨大な量の情報を含み、考えられ得るあらゆるスケールおよび平行移動で評価するのは計算上困難となり得る。連続ウェーブレット変換を二次元(s,τ)平面の有限な数の点でサンプリングするのが一般的である。サンプリングされた変換は、離散ウェーブレット変換(Discrete Wavelet Transform)(DWT)として知られ、有限な数の点のいずれか1つにおける離散ウェーブレット変換の値は、ウェーブレット係数として知られる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、有限な数のサンプル点を選択して、(s,τ)平面にグリッド(またはメッシュ)を形成する。いくつかの実施形態では、サンプル点のグリッドは二進(底が2)グリッドとなるように選択され、したがって、スケールパラメータおよび平行移動パラメータの両方の対数的サンプリングとなっている。二進グリッドの一実施形態では、サンプル点は、以下に従って選択することができる。
s=2-j          j=0,1,2,...,J
τ=2-jkτ0      k=0,1,2,...,2j  ・・・(7)
【００４９】
整数指数jおよびkの対は、グリッド上のサンプル点を標示している。指数jは、スケールにおける離散ステップに対応し、指数kは、平行移動における離散ステップに対応している。スケール指数jは、ゼロ値から最大値Jまで及ぶ。より小さいスケールがより大きい周波数に対応することを想起すると、式7は、より大きい指数値jは、より高い周波数に対応することを示している。例えば、jの最小値(j=0)は、最大スケール(s=1)、および信号内の対象となる最低周波数に対応する。より大きい値は、より小さいスケールおよびより高い周波数に対応する。一例として、10に等しいj値は、最大スケールよりも1/210=1/1024小さい時間スケール、および、それに対応して、対象となる最低周波数よりも210=1024高い周波数に対応する。したがって、最大指数値Jは、グリッドのスケールパラメータが、対象となる周波数範囲全体にわたるように選択することができる。本明細書にて論じる装置および方法のいくつかの実施形態では、最大指数値Jは16に等しかった。
【００５０】
平行移動における離散ステップは、時間パラメータ、すなわちτ0に比例し、このパラメータは、課題に合うように調節することができる。例えば、ある実施形態では、時間パラメータは、患者の心拍動の持続時間、またはセンサが受信する信号の持続時間に等しくなるように設定することができる。平行移動における離散ステップはまた、式7の係数2-jの存在のため、スケールパラメータにも依存する。したがって、離散平行移動ステップは、より高い周波数(より高いj)ではより小さくなる。離散平行移動ステップのサイズは、jに伴って変動するので、平行移動ステップの最大数、すなわち2jもまた、指数jに依存する。離散時間平行移動ステップのサイズは、より高い周波数でより小さくなり、したがって、ウェーブレットによって、それらの周波数で信号特性を適切に分析することができる。
【００５１】
図7は、スケールパラメータと平行移動パラメータの関数として、式7によって得られる二進グリッドの実施形態の時間−周波数分解能のプロット700を示す概略図である。横軸710は、右に向かって増大する時間平行移動パラメータをτ(およびk)で表している。縦軸712は、互いに反比例の関係にあるスケールパラメータと周波数を表している。図7では、周波数は、縦軸712に沿って上方に増大し、したがって、スケールは、軸712に沿って下方に増大する。指数jの値は、軸712の底部ほどより小さくなり、頂部ではj値はより大きくなる。
【００５２】
図7は、(s,τ)平面全体にわたる時間−周波数分解能セル720(図7の長方形の箱720)を示している。分解能とは、任意の特定のサンプル点においてウェーブレットによって識別することができる信号の細部量(amount of detail)を指す。セル720の面積718はいずれも、プロット700のその位置におけるウェーブレット分解能に対応している。セル720の横方向幅722は、時間における分解能を表し、セル720の縦方向高さ724は、スケール(または周波数)における分解能に対応している。セル720の面積は、横方向幅722と縦方向高さ724の積である。
【００５３】
図7は、周波数が二進グリッドで対数的にサンプリングされていることを示す。プロット700の底部は、最低周波数を表している。次に高い周波数は、前の周波数の2倍となっていっている。したがって、分解能セル720の縦方向高さ724は、上方に向けて増大している。式7で二進グリッドを選択した結果、サンプリング周波数は、オクターブとして構成されることになる。図7はまた、平行移動ステップの横方向幅722はスケールに依存することを示している。例えば、ウェーブレット変換では、より高い信号周波数特性を解析することができるように、平行移動ステップの横方向幅722はより高い周波数ではより小さくなっている。かかる細かい平行移動ステップは、よりゆっくり変動する信号特性を分析するには必要でないため、平行移動ステップの横方向幅722は、プロット700の底部に向かって増大している。したがって、二進グリッド[例えば式7]の利点は、各周波数において信号特性を解析するために、平行移動ステップが大きさ(magnitude)を自動的に調節する点である。
【００５４】
図7に示すように、時間−周波数分解能セル720の面積718は、(s,τ)平面におけるセルの位置に依存する。セル720の面積718は、信号を解析するために使用するドーターウェーブレットの「サイズ(size)」に比例する。図7は、この比例関係を、各スケールで使用するドーターウェーブレットの例を示すことによって概略的に示している。より低い周波数では、ドーターウェーブレット730aは、低周波数を有する信号特性と相関させるために拡大し減衰してある。より高い周波数では、ドーターウェーブレット730b、730c、および730dは、より高い周波数を有する信号特性と相関させるために圧縮し増幅してある。ドーターウェーブレットのマザーウェーブレットとの数学的関係[式2]は、ドーターウェーブレットが、(s,τ)平面におけるあらゆるスケールで、信号特性を効果的に分析することができるように選択されている。さらに、二進グリッド[例えば、式7]に従って(s,τ)平面をサンプリングすることは、各時間−周波数セル720の比帯域(帯域幅と中心周波数との比)がスケールとは独立となるため、有利となる。
【００５５】
他の実施形態では、異なるサンプルグリッドを使用することもできる。例えば、いくつかの実施形態は、スケールパラメータおよび平行移動パラメータの両方において、対数ではなく、線形のグリッドを使用することもできる。他の実施形態では、対数線形または線形対数サンプルグリッドを使用することもできる。数多くの選択肢が可能である。例えば、ある実施形態では、式7に類似したサンプルグリッドが使用され、ここでは、スケール指数は、値j=1、2、4、8、12、16を含み、これらの値は、周波数62.5Hz、125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1000Hzに対応する。
【００５６】
上記で論じたように、式5で定義される連続ウェーブレット変換を、グリッドのサンプル点[例えば、式7]で評価して、離散ウェーブレット変換を形成することができる。サンプル点における式5の値は、ウェーブレット係数と呼ばれる。ウェーブレット係数は、サンプルグリッドに対応する指数jおよびkで標示することができる一続きの数である。ある実施形態では、信号は、一連の実数によって表される。かかる実施形態では、ウェーブレットもまた、実数によって表される[例えば、式1は、実数値関数である]。したがって、これらの実施形態では、ウェーブレット係数もまた、実数となる。しかし、他の実施形態では、信号、ウェーブレット、またはそのどちらとも、複素数(例えば実数部と虚数部を有する数)で表すことができ、ウェーブレット係数も複素数であってよい。
【００５７】
ウェーブレット係数は、様々な数値法のいずれを用いても評価することができる。一実施形態では、式5の積分は、例えば、シンプソンの法則などの数値求積法によって計算することができる。別の実施形態では、信号r(t)およびマザーウェーブレットg(t)は、サンプリングしデジタル化することができる。最大スケール(s=1,j=0))では、ウェーブレット係数は、信号とマザーウェーブレットとの相互相関に等しくなる。式5の積分は、デジタル化信号とマザーウェーブレットの積を適切に足し合わせることによって計算することができる。ある実施形態では、機械語累乗算命令を用いて、処理速度を増大させることができる。二進グリッドでは、後続のスケールはそれぞれ1/2ずつ小さくなっていくので、後続のスケールのドーターウェーブレットは、マザーウェーブレットを間引き(decimate)した(例えば、2でサブサンプル(subsample)した)複製となる。したがって、スケール指数jの各値では、ウェーブレット係数は、数値分野で周知の間引き加算法(decimation-and-summation process)によって計算することができる。さらに別の実施形態では、離散ウェーブレット変換は、信号の低域および高域フィルタリングを用いるサブバンド符号化アルゴリズムに従って計算することができる。
【００５８】
ウェーブレット変換法の利点は、マザーウェーブレットに広範囲の選択肢がある点である。上記で論じたように、許容可能なウェーブレットは、振動性で、有限エネルギーを有し、平均値がゼロであるどのような関数でもよい。数多くの関数がこうした特性を有し、マザーウェーブレットとなることができる。一般に使用されているウェーブレットは、考案者の名前をとり、例えば、モルレー(Morlet)ウェーブレット、またはドブシー(Daubechies)ウェーブレットなどと名付けられてきた。本明細書に開示のシステムおよび方法の様々な実施形態は、ハール(Haar)、モルレー、またはドブシーウェーブレットを利用している。他の実施形態では、他のどのようなタイプの連続または離散ウェーブレットも使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、エルミート(Hermitian)ウェーブレット、メキシカンハット(Mexican hat)ウェーブレット、コイフレット(coiflet)、シムレット(symlet)ウェーブレット、または直交もしくは双直交ウェーブレット類のどのようなものも使用することができる。
【００５９】
冠状動脈疾患を診断するある実施形態では、モルレーウェーブレットによって、適当な結果が得られることが判明した。かかる実施形態では、調節可能なパラメータ値σ[式(1)参照]を、例えば、10Hz、62.5Hz、750Hz、1000Hz、または2000Hzなどの周波数に対応するように設定することができる。他の実施形態では、調節可能なパラメータσを、サンプルグリッド上のスケールの1つ、例えば、最も低い、(または最も高い)スケールパラメータなどに対応する周波数に等しくなるように設定することができる。他の実施形態では、モルレーウェーブレット以外のマザーウェーブレットを使用することもできる。
【００６０】
本明細書に開示のシステムおよび方法のいくつかの実施形態では、罹患した心臓からの信号の一部分を使用してマザーウェーブレットを構築することができる。この部分は、冠状動脈疾患に特徴的または典型的な信号または信号特性を含み得る。特定の心臓信号が、冠状動脈疾患の影響を最も明白に示すため、この信号をマザーウェーブレットとして選択することができる。信号のこの部分がウェーブレット許容条件を満たすように保証することによって、この部分を、マザーウェーブレットを構築するためのテンプレートとして使用することができる。一実施形態では、マザーウェーブレットとして使用する前に、代表的な心臓信号をサンプリングし、デジタル化することができる。
【００６１】
本明細書に開示のシステムおよび方法のいくつかの実施形態では、個々の患者自身の心臓信号の一部分をマザーウェーブレットとして使用することができる。本システムおよび方法の他の実施形態では、より正確な診断を実現するために、2つ以上のマザーウェーブレットを用いてウェーブレット解析を実施することができる。一実施形態では、マザーウェーブレットのタイプは、これらの方法を施す医療専門家によって改変することができる。
【００６２】
ある好ましい実施形態では、本明細書にて論じたウェーブレット変換法を冠状動脈疾患の診断に適用することができるが、これらの方法は、他の疾患、状態、症状、障害、症候群、または病理の診断または特徴付け(characterization)にも応用できることを理解されたい。本方法および装置は、他の身体器官または組織にも応用することができる。本明細書に開示の方法および装置をヒトの疾患に関して説明してきたが、これのみに限定されるものではなく、本方法およびシステムは、ヒト以外の動物の疾患にも応用することができる。
【００６３】
さらに、いくつかの実施形態では、ウェーブレット法をフーリエ法、または他の信号処理法とともに用いて、追加の診断情報を提供することができる。例えば、一実施形態では、フーリエ法を有利に用いて、冠状動脈閉塞によって生じる乱流音響エネルギーの周波数範囲を求め、ウェーブレット法を有利に用いて、その閉塞の重症度および/または位置を求めることができる。
【００６４】
(音響センサによる音響エネルギーの検出)
図8は、患者の体内に存在し得る狭窄820の検出および位置に関するさらなる態様を概略的に示す。体内、体上、または身体を取り囲むどのような点の位置も、三次元座標系810を参照して識別すると好都合である。図8に示す座標系810は、各点が(x,y,z)座標によって参照されるデカルト座標系である。他の実施形態では、例えば、球面座標系などの異なる座標系を使用することもできる。図8は、座標位置(xs,ys,zs)に位置する狭窄820を示している。狭窄820は、患者の体内に伝送される音響エネルギー830を発生する。1つまたは複数の音響センサ840a〜840dが、位置(xi,yi,zi)に配置され、整数iは、各センサを標示する添え字である。センサの総数をNで示す場合、添え字iは、i=0(第1のセンサ)からi=N-1(N番目のセンサ)の範囲となる。例えば、図8は、(x0,y0,z0)に位置する第1のセンサ840aと、(x1,y1,z1)に位置する第2のセンサ840bと、(x2,y2,z2)に位置する第3のセンサ840cと、(x3,y3,z3)に位置する第4のセンサ840dとを示している。センサの総数は、1、2、3、4、5個、またはそれ以上であってもよい。図8に示す実施形態では、4つのセンサが示されているが、他の実施形態では、より少数の、またはより多数のセンサを使用してもよい。
【００６５】
音響エネルギー830は、狭窄820から経路842a〜842dに沿って各センサ840a〜840dに伝播する。(xs,ys,zs)にある狭窄から(xi,yi,zi)にあるi番目のセンサまでの経路長diは、ピタゴラスの方程式から求められる。
【００６６】
【数８】
2008528112.tif 000010
【００６７】
非侵襲的なある実施形態では、センサ840a〜840dは、患者の体表上に配置される。しかし、他の実施形態では、1つまたは複数のセンサ840a〜840dは、患者の体腔内に配置することもできる。センサ840a〜840dは、必ずしもそうする必要はないが、狭窄820を実質的に取り囲み、かつ、実質的に同一直線上、または実質的に同一平面上でない構成位置に配置することが好ましい。例えば、センサ840a〜840dは、広範囲にわたる視角からの心臓の三次元図をもたらすように並べることができる。いくつかの実施形態では、センサ840a〜840dは、心臓聴診点に配置される。いくつかの実施形態では、センサ840a〜840dは、必ずしもそうする必要はないが、狭窄820から各センサ840a〜840dに至る音響エネルギー830が、実質的に同種の体組織中を通って進むような位置に配置することが好ましい。これらの実施形態では、音速の値は、経路842a〜842dのそれぞれに沿って実質的に同じとなる。例えば、肺組織の実質部分を回避する経路を選択すると有利である。というのは、空気中の音速(約340m/秒)は、身体の軟部組織中の音速(約1540m/秒)とは大幅に異なるからである。同様に、いくつかの有利な実施形態では、骨の実質部分(音速が約4000m/秒に等しい)を含む経路は回避される。
【００６８】
(音響信号に適用するウェーブレット変換法)
以下の例示モデルは、音響信号中の冠状動脈狭窄の存在および/または位置を診断するためのウェーブレット変換法の一実施形態を示す。この例示モデルは、開示のシステムおよび方法の範囲を限定するものではなく、ウェーブレット変換法の例示的な例を示すものである。本装置および方法の他の実施形態では、音響信号、および体組織内でのその伝播について、異なるモデルを採用することもできる。
【００６９】
この例示モデルでは、狭窄は、音響信号A(t)を発するものとする。この音響信号には、狭窄を通過した血液の乱流によって生じた音波が含まれる。この乱流は、約500Hz〜約1000Hzの範囲の周波数を有する音波を発生し得る。図8に示すように、音響エネルギー830は、全身にわたって、かつ経路842a〜842dに沿って各センサ840a〜840dに伝播し、そこで信号は受信される。例示モデルでは、伝播速度を定常値cとし、この値は、身体の軟部組織中の音波伝播速度である1540m/秒となるように取ることができる。しかし、他のモデルでは、非定常値を使用することもできよう。
【００７０】
音響信号が経路に沿ってi番目のセンサに伝播する際、この信号は、体組織による吸収および拡散によって減衰し拡大(スケーリング)される。さらに、音速は有限であるため、この信号がi番目のセンサに到達するには有限の伝播時間τiが必要となる。伝播時間τiは、経路長と音速に関連し、定速運動方程式τi=di/cによって表される。最後に、信号は雑音によって劣化し得る。これらの物理的作用の組合せは、i番目のセンサが受信する音響信号を以下のようにモデル化できることを示唆している。
【００７１】
【数９】
2008528112.tif 000011
【００７２】
式9では、αiが減衰を表し、siが拡大(スケーリング)を表し、τiが狭窄820からの発生からセンサ840a〜840dでの受信までの間の音響信号の伝播時間を表している。信号中の雑音、すなわちni(t)は、発せられた信号A(t)と相関のないランダム統計プロセス(random statistical process)であるとする。
【００７３】
i番目のセンサで受信される信号のウェーブレット変換は、式5にRi(t)を代入することによって得られる。雑音項ni(t)のウェーブレット変換は平均するとゼロとなり、これは、雑音がマザーウェーブレット(t)とは相関していないからである。i番目のセンサで受信される信号のウェーブレット変換の結果は、以下のように表記することができる。
【００７４】
【数１０】
2008528112.tif 000012
【００７５】
式10は、容易に測定可能な量である受信信号のウェーブレット変換が、減衰パラメータαiに、狭窄820によって発せられた音響信号A(t)のウェーブレット変換を乗じた値に等しいことを示している。したがって、発せられた信号A(t)が、時間における減衰、拡大、平行移動の物理的作用、および雑音による劣化によって改変されたとしても、発せられた信号の根底を成す特性は、それでもなお式10のウェーブレット変換から推定することができる。しかし、式10は、これらの物理的作用のため、発せられた信号のウェーブレット変換を、右側の括弧内に示す、スケーリングしシフトした引数(argument)で評価する必要があることを示している。
【００７６】
本明細書に開示のシステムおよび方法のある実施形態では、マザーウェーブレットg(t)は、冠状動脈心疾患に特徴的または典型的な信号特性と概ね整合する形状を有するように選択される。例示として、例示モデルのマザーウェーブレットgは、信号特性Aに正比例するものとみなす。この例示の例では、式10の右側のウェーブレット変換は、マザーウェーブレットがシフトされず、スケーリングされていない、すなわち例えば(1,0)であるとき、極大値を有すると予想される。式10の右端の括弧内の引数を(1,0)に設定することによって、測定されたウェーブレット変換WT[Ri,g]がs=siおよびt=tiで極大値を有することがわかる。したがって、測定されたウェーブレット変換WT[Ri,g]のピークを識別することによって、各センサについて、拡大パラメータsiおよび伝播時間τiの値を推定することができる。ウェーブレット変換から得られる伝播時間τiは、以下でさらに論じる狭窄820の位置を計算するシステムおよび方法で使用することができる。
【００７７】
ウェーブレット変換係数のピークは、数多くの周知の数値技術によって識別することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ウェーブレット係数の絶対量のピークが識別され、他の実施形態では、信号中の音響エネルギーをよりよく表す、ウェーブレット係数の二乗値のピークが識別される。データに複数のピークが存在することは、患者の冠状動脈内に2つ以上の狭窄が存在することを示し得る。
【００７８】
上記で論じた例示モデルは、身体器官または組織から受信した音響信号のウェーブレット解析から得られる結果の例示を示すものである。この例示モデルは、本明細書に開示の原理に従ったウェーブレット変換技術の範囲を限定するものではない。異なる仮定を組み込んだ異なる数学モデルに関しても、これらに類似の式および結果を展開することができる。例えば、ある実施形態では、受信信号の1つを基準信号として扱い、この基準信号の一部分からマザーウェーブレットが選択される。ウェーブレット許容基準を確実に満たすように、この部分を適切にスケーリングし、シフトすることができる。かかる実施形態では、より大きいデータ組を生成するように、各センサを基準信号として順次扱うことができ、こうすることによって、正確度および精度を増大させることができる。いくつかの好ましい実施形態では、受信信号のウェーブレット変換のピークを用いて、音響信号の拡大パラメータおよび伝播時間を計算することができる。上記その他の実施形態に関連する方法のさらなる詳細が、2001年1月23日発行の米国特許第6178386号、名称「Method and Apparatus for Fault Detection」に見られ、この特許の全体を参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【００７９】
したがって、ある実施形態では、受信された各音響エネルギー信号は、ウェーブレット変換によって処理され、ウェーブレット変換のピークを用いて拡大パラメータおよび伝播時間パラメータを求めることができる。他の実施形態では、拡大パラメータおよび伝播時間パラメータは、例えば、平均分散分析などの他の数学または統計分析法を用いて求めることができる。
【００８０】
(狭窄座標位置の決定)
いくつかの実施形態では、上記で論じたウェーブレット変換法を用いて、音響エネルギー830が狭窄820から各センサ840a〜840dに伝播するのにかかる時間τiを求めている(図8参照)。狭窄820の位置は、ある条件下で伝播時間から推定できることが知られている。様々な方法を用い、上記で論じたウェーブレット変換法から得られたデータを用いて狭窄820の座標位置(xs,ys,zs)を計算することができる。
【００８１】
ある実施形態では、到来時間差(Time Difference of Arrival)(TDOA)法を用いて狭窄820の位置を求めている。これらの実施形態では、センサの1つを基準センサに定義し(例えば、i=0の添え字が付された第1のセンサ)、TDOAによって、他のN-1センサの1つの、基準センサに対する伝播時間の差を測定する。したがって、i番目のセンサのTDOAは以下の式から求められる。
Δτi=τi-τ0, (i=1,...,N-1)  ・・・(11)
【００８２】
TDOAに対応する距離差(Range Difference)(RD)は、狭窄820からi番目のセンサ(di)までの音響伝播経路長と、狭窄820から基準センサ(d0)までの音響伝播経路長との差である。全ての伝播経路842a〜842dで音速cが同じであるとすると、これらの距離差は、定速運動方程式および式8のピタゴラスの方程式を用いることによって、以下の式で到来時間差と関連付けることができる。
【００８３】
【数１１】
2008528112.tif 000013
【００８４】
音速cを既知の値とし、センサ座標およびTDOAは測定量であるので、式12は、狭窄の3つの未知の座標についてN-1の方程式を表す。したがって、狭窄820の位置を求める一意の解を見出すには、センサNの数は、4つ以上でなければならない。ある好ましい実施形態では、身体の軟部組織を表す音速値(1540m/秒)を採用している。
【００８５】
いくつかの実施形態では、重心アルゴリズム(centroid algorithm)を用いて、式11のTDOAを求めている。到来時間は、音響信号のウェーブレット変換の一部分の重心として求められ、TDOAは、2つのセンサ、例えば、i番目のセンサと基準センサとの到来時間の差である。重心アルゴリズムでは、重み付和を用いて到来時間を求める。ある実施形態では、ウェーブレット変換の、重心アルゴリズムに使用される部分は、心拍動の心拡張期部分に対応する。これらの実施形態のいくつかでは、この部分は、予め選択されたスケールパラメータ値、例えば、特徴的な乱流周波数に対応するスケールでのウェーブレット変換に対応する。ある特定の実施形態では、750Hzの音響音に対応するスケールj=12が選択される。ある実施形態では、重心アルゴリズムは、予め選択されたスケール値(例えばj=12)および信号の心拡張期部分の範囲内にある全ての平行移動(k)に関して、重み係数としてウェーブレット係数の絶対値、すなわち|WT(j,k)|を使用している。他の実施形態では、音響エネルギーを表すウェーブレット係数の二乗を重み係数として使用すること、または、異なる重み付関数を選択することもできる。数多くの変形形態が可能である。
【００８６】
いくつかの実施形態では、基準センサ(例えば、i=0)が受信した音響信号のウェーブレットアレイの最大値が求められ、この最大値に対応する平行移動パラメータの値が、ピーク指標k0として保存される。信号の重心が、ウェーブレットアレイの、ピーク指標k0の両側の長さLの窓に対応する部分にわたって評価される。Lの値は、信号のサンプリングレートに依存し得る。サンプリングレートが22kHzである実施形態では、窓の長さは、5回のサンプリング期間に等しい。i番目の信号の重心はCiで示され、以下のように定義される。
【００８７】
【数１２】
2008528112.tif 000014
【００８８】
式中、WTiは、i番目の信号のウェーブレット変換である。式13を用いると、基準信号の重心C0、および他のセンサそれぞれが受信した信号の重心Ciが求められる。i番目のセンサのTDOA[式11参照]は、これらの値の算術差、すなわちCi-C0として定義される。ピーク指標位置ではなく、重心値を使用することによって、TDOAを評価できる正確度を向上させることができる。
【００８９】
重心アルゴリズムの他の実施形態では、予め選択されたスケール(j=12など)を使用するのではなく、式13で使用する重み付係数が、ウェーブレット係数の平均に対応する。かかる一実施形態では、ウェーブレット係数は、乱流音響信号に対応するスケールパラメータ全体にわたって平均される。他の実施形態では、ウェーブレット係数の二乗を式13に使用する。
【００９０】
ウェーブレット係数データに2つ以上のピークが存在する場合、患者に2つ以上の狭窄が存在することを示し得る。したがって、いくつかの実施形態では、複数のピークを用いて、複数の狭窄の座標位置を識別している。
【００９１】
狭窄の座標位置が求められる正確度は、サンプリング周波数に依存し、これは、サンプリング周波数が、TDOAが測定され得る正確度を制限するからである。サンプリング周波数が高くなればなるほど、より低いサンプリング周波数よりも高い正確度で狭窄の座標位置を求めることができる。本発明の診断装置のいくつかの実施形態では、22kHzのサンプリング周波数を用い、狭窄の座標位置を患者の胸腔内に収まる範囲で求めることができる。本装置の他の実施形態では、22kHzよりも高いサンプリング周波数、例えば120kHzなどを使用することもできる。より高い周波数を使用した実施形態では、狭窄の座標位置を、例えば心臓の四分円の1つに対応する正確度で求めることができる。十分に高いサンプリング周波数では、狭窄の座標位置は、1cm以下の範囲で求めることができる。
【００９２】
狭窄の座標位置を、患者の心臓内の物理的位置(例えば、特定の冠状動脈内の位置)に関連付けるには、胸腔内の心臓の向きの判断が必要となる。いくつかの実施形態では、例えば、心電図、超音波、CATスキャン、磁気共鳴画像(MRI)またはX線映像などの追加の医療手技によって、心臓の向きおよび位置、ならびに他の解剖学的構造を求めることができる。かかる情報は、音響感知処理装置の実施形態に電子的に転送することができる。かかる情報は、例えば、キーパッド、タッチスクリーン、音声認識などの入力装置を用いて音響処理装置に入力することができる。他の実施形態では、心臓の向きは、医療専門家が実施する検査によって推定することもできる。他の実施形態では、他の臨床手技を使用することもできる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、(例えば、前述の方法のいずれかによって)1組のTDOAを求め、音速c(例えば1540m/秒)を推定した後、式12から狭窄の座標位置を求めることができる。いくつかの実施形態では、反復最小二乗法によって式12の解を求め、「最も合致する(best fit)」狭窄位置を見出している。他の実施形態では、例えば、最大尤推定アルゴリズムなどの統計法を用いて、式12の最も蓋然的な解を求めている。ある好ましい実施形態では、式12に閉形式解を用いて、狭窄位置を直接求めており、これは、閉形式解によって正確な位置が得られ、かつ、反復法、非線形法、または統計法よりも演算要求が少ないからである。いくつかの実施形態では、Mellenらによって記載された閉形式アルゴリズム「Closed-Form Solution for Determining Emitter Location Using Time Difference of Arrival Measurements」、IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems、1056〜1058頁、第39巻、第3号、2003年7月を使用しており、この文献を参照によりその全体を本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。他の実施形態では、音速を、狭窄位置とともに求めるべき未知量として扱うこともできる。
【００９４】
(好ましい実施形態の動作方法)
図9は、患者の冠状動脈内の1つまたは複数の狭窄の存在、重症度、および/または位置を診断する方法の実施形態を示す流れ図900を示す。ブロック910〜980は、本方法の実施形態で実施することができる機能、モジュール、または動作を表す。他の実施形態では、追加の、または異なるブロックを使用することもでき、そうした追加の、または異なるブロックは、異なる順序で行うことができる。流れ図900は、本明細書に開示の方法の一実施形態を示すが、この流れ図900は、本方法の範囲を限定するものではなく、本明細書に開示の原理に従った例示的な流れ図として示すものである。
【００９５】
ブロック910で、狭窄の存在、重症度、および/または位置を求める準備として、1つまたは複数の音響センサを患者の身体に配置する。ある好ましい実施形態の詳細を教示する目的で、以下の考察では、4つの音響センサを使用するものとする。しかし、これは、本方法を限定するものではなく、他の実施形態では、より少数の、またはより多数のセンサを使用することができる。
【００９６】
図10Aは、音響センサを配置する好ましい一実施形態を示す。この実施形態では、4つのセンサ1036A〜1036Dが、患者1018の胸部1064の、心臓1022、肋骨1066、胸骨底部1068(剣状突起)、および中央線C-Cに対して既知の位置で取り付けられている。参考までに、図10Aは、右冠状動脈1072および左冠状動脈1074を示している。心臓1022の左側境界は、参照番号1078で識別される。図10Aには、狭窄1076も示されている。
【００９７】
いくつかの実施形態では、センサ1036A〜1036Dは、本明細書にてブロック920〜980を参照しながら論じる信号処理解析を実施するように構成された装置1044と電気的に導通するように構成されている。図10Aに示す実施形態では、電気線1038を用いて、センサ1036A〜1036Dと装置1044との間の電気導通を確立しているが、他の実施形態では、電気導通は、例えば、電磁放射を用いたワイヤレス通信などの方法によって確立することもできる。
【００９８】
いくつかの実施形態では、胸骨底部1068を、座標(xR,yR,zR)を有する基準点Rとして使用することができる。便宜上、基準点Rを、図8に示す座標系810の原点に選択することができる。図10Aに示す実施形態では、センサ1036Aを座標(xA,yA,zA)を有する点Aに配置し、センサ1036Bを座標(xB,yB,zB)を有する点Bに配置し、センサ1036Cを座標(xC,yC,zC)を有する点Cに配置し、センサ1036Dを座標(xD,yD,zD)を有する点Dに配置している。
【００９９】
ある実施形態では、センサ1036Aは、心臓1022の右側境界1070付近に配置されている。例えば、センサ1036Aは、胸部1064の右側の、第4肋骨1067の直ぐ上、かつ中央線C-Cの約1インチ(2.54cm)左に配置することができる。これらの実施形態のいくつかでは、センサ1036Bは、センサ1036Aの反対側に、中央線C-Cの右に約1インチ(2.54cm)間隔を置いて並べられている。図10Aに示す実施形態では、センサ1036Bは、左前下行枝1080付近に配置されている。いくつかの実施形態では、センサ1036Cは、患者1018の左側の、胸部1064と上腕1084との間で、心臓1022の尖部1082に並べられている。センサ1036Dは、中央線C-Cの約1インチ(2.54cm)右に配置され、胸骨底部1068に並べられている。
【０１００】
図10Bは、音響センサを患者の身体に配置する別の実施形態を示す。この実施形態では、センサ1036Aは、第3肋間隙の、胸骨底部1068(剣状突起)を貫通する中央線C-Cの2インチ(5.08cm)右に配置されている。センサ1036Bは、第3肋間隙の、中央線C-Cの2インチ(5.08cm)左に配置されている。センサ1036Dは、第5肋間隙の、中央線C-Cの2インチ(5.08cm)左に配置されている。センサ1036Dは、センサ1036Bの下の第5肋間隙の、中心線C-Cの2インチ(5.08cm)左に配置されている。最後に、センサ1036Cは、腋窩中線に、センサ1036Dとほぼ同じ高さで配置されている。ここで説明した位置は全て、患者側から見たものである。
【０１０１】
本明細書に開示の方法のいくつかの実施形態では、センサ位置1036A〜1036Dは、診断手技を施す医療専門家の判断に委ねることができる。例えば、医療専門家は、患者の胸部の聴診を(例えば、聴診器で聞くことによって)実施した後、聴診の結果に基づいてセンサを配置することができる。これらの実施形態では、医療専門家の、患者の解剖学的構造に関する個人的な知識を利用して、センサを有利な位置に配置することができる。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、センサ1036A〜1036Dを配置してから、センサの座標位置を求めることができる。図10Cは、センサ1036A〜1036Dを配置し、それらのセンサそれぞれの座標を求める実施形態を示している。この実施形態では、センサ1036A〜1036Dは、検査の間、患者1018が着用する、既知のサイズおよび形状の胸部テンプレート1090に取り付けられる。胸部テンプレート1090は既知のサイズを有するので、センサ1036A〜1036Dの座標位置を正確に求めることができる。この胸部テンプレート1090は、音響測定が行われる間、患者1018の胸部1064を実質的に取り囲むように配置される。いくつかの実施形態では、胸部テンプレート1090は、紙または布から製作することができ、センサ1036A〜1036Dが配置されることになる穴または印を備えることができる。胸部テンプレート1090は、様々なサイズおよび形状で製作することができる。ある実施形態では、胸部テンプレート1090は、患者の胸部に沿うことができる伸縮可能な材料から製作することができる。胸部テンプレート1090の利点は、検査の間、患者の胸部を覆い隠す点である。
【０１０３】
他の実施形態では、センサの1つ(例えば、第1のセンサ1036A)を、胸骨底部1068の基準位置Rに配置する。他のセンサ(例えば、センサ1036B〜1036D)の座標は、患者1018の体表に沿って、第1のセンサ1036Aから他のセンサ1036B〜1036Dそれぞれまでの弧の長さおよび方向を測定することによって求められる。本方法のいくつかの実施形態では、医療専門家は、定規または巻尺を使用して、基準センサに対して、または他のセンサの1つまたは複数に対して、1つまたは複数の所定の方向で弧の長さを求めることができる。医療専門家は、測定値を(例えば、キーパッド、タッチスクリーン、または位置指示装置を介して)診断装置に直接入力するか、または、後からデータ入力するために、測定値を患者カルテまたは報告書または臨床記録に記録することができる。弧の長さおよび方向は、ユークリッド幾何学の原理を用いてセンサのデカルト座標に変換することができる。一実施形態では、医療専門家は、患者カルテまたは報告書に以下の距離、すなわち、患者の胸部1064を横切って水平に(例えば、図10A、10Bに示す中央線C-Cに実質的に垂直な線に沿って)測定した、センサ1036Aと1036Bとの間の距離、胸骨底部1068の基準位置Rから、センサ1036Aと1036Bとをつなぐ線までの中央線C-Cに沿った距離、基準位置Rとセンサ1036Dとの間の距離、および、センサ1036Dとセンサ1036Cとの間の距離を記す。
【０１０４】
他の実施形態では、センサはそれぞれ、他のセンサの1つまたは複数によって受信される信号を伝送することができる。センサ座標は、標準の反響定位技術または三角測量技術を用いて求めることができる。さらに他の実施形態では、座標は、例えば、全地球測位システム(GPS)などの衛星航法システムと原理が同様または同一である可搬式装置上の位置などの他の点を基準にして求められる。
【０１０５】
図9に示す流れ図900の実施形態のブロック920で、ブロック910で患者の身体に配置したセンサによって音響信号を取得する。ある好ましい実施形態では、音響信号が患者の心臓によって発せられ、この音響信号は、冠状動脈疾患の存在および/または重症度を診断するのに使用することができる信号特性を含み得る。
【０１０６】
センサは、心臓などの器官または他の生物学的構成要素(biological entity)が発する音響エネルギーに応答し、こうした音響エネルギーには、1つまたは複数の狭窄からの音響信号が含まれる。センサは、周囲騒音から遮蔽し、体内から生じる音響信号を感知するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、センサは、患者の皮膚に音響的に結合される。図8を参照して本明細書でさらに説明するように、各センサは、アナログ音響エネルギーを検出し、この音響エネルギーを表す信号を、信号処理のために追加のハードウェア/ソフトウェア構成要素に通信する。これらの実施形態のいくつかでは、センサは、例えば、アナログ信号を伝送し、このアナログ信号は、アナログ−デジタル変換器(ADC)などの他の構成要素によってサンプリングされ、デジタル化される。他の実施形態では、センサは、デジタル化信号を伝送する。ある実施形態では、センサは超音波トランスデューサを備え、この超音波トランスデューサは、超音波送信器、受信器、マイク、および/または圧電装置を備え得る。いくつかの実施形態では、センサの1つまたは複数を較正の目的で使用することができる。ブロック910および920の実施形態で使用するのに適したセンサのさらなる詳細について以下で論じる。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、センサを患者の身体に配置した後、心臓の測定を行う前に検証工程(validation process)を実施することができる。検証ステップによって、センサが身体に正しく配置される可能性、および各センサからの信号が、室内騒音などの外生信号ではなく、身体信号、例えば心拍動に対応する可能性が有利には増大する。さらに、検証ステップによって、不良センサからのデータが、後続の解析に使用される可能性が低減することになる。
【０１０８】
検証工程のいくつかの実施形態では、各センサからの音響信号は、例えば350Hzなどのレートでサンプリングされる。各センサからのデータは、クリッピングのために、例えば、信号振幅が上限(4090カウントなど)と下限(0カウントなど)との間にあるかチェックされる。各センサによって、身体信号、外生雑音信号が取得されているか、または信号が取得されていない(平坦線)かを示すために、様々な統計パラメータが計算される。いくつかの実施形態では、統計分散値、および信号の勾配が周期的に更新される。例えば、分散および勾配は、信号の所定の部分が受信される度に再計算することができる。一実施形態では、所定の部分のサイズは、サンプリングレートに、1/25秒などのサンプリング時間を乗じたものとなるように選択される。例えば、分散または勾配が、信号から予想される範囲外であった場合、この診断装置は、不良コード(fault code)を患者、使用者、医師、臨床医、診断医、または医療専門家に通信することができる。この不良コードは、センサの1つ(または複数)が、身体信号を検出できていないことを示す。その場合、検査を実施している医療専門家は、センサを配置し直し、測定を再開することができる。不良コードには、聴覚信号(例えば、ベルまたはトーンなどの音)が含まれ得る。いくつかの実施形態では、診断装置は、不良コードが解除されるまで、さらなる信号取得を阻止することになる。ある好ましい実施形態では、センサが受信する信号の分散が、例えば、10〜500,000カウント2(counts2)の範囲外である場合、不良コードが医療専門家に通信される。他の実施形態では、検証工程により、受信信号と、例えば基準心拍動信号などの予想信号との比較に基づいて不良コードを送信するかどうか決定することができる。
【０１０９】
さらに他の実施形態では、検証工程は、センサの1つまたは複数が、他のセンサによって受信されることになる信号を伝送する自己検査手順を含むことができる。伝送信号が受信されない、歪みが生じる(distorted)、または、有効な診断測定には低すぎる信号対雑音比を有する場合、潜在的機能不良を示す不良コードを通信することができる。
【０１１０】
信号取得工程の間、必ずしもそうする必要はないが、患者はまっすぐに座り、息を止めることが好ましい。ある実施形態では、約8秒間データが取られ、典型的には約6〜16回の心拍動が含まれる。他の実施形態では、データは、どのような長さの時間でも取ることができ、患者は楽に呼吸することができる。他の実施形態では、患者の呼吸音が識別され、フィルタ除去され、したがって、呼吸の間も所望の音響測定値が得られる。
【０１１１】
図9に示す流れ図900の実施形態のブロック930で、音響信号を、追加のハードウェアもしくはソフトウェアモジュールまたは構成要素によってさらに処理するために、例えば、これらの信号を増幅、フィルタリング、同期、デジタル化、および/また多重化することによって調整する(condition)ことができる。狭窄によって発せられた音響信号は、幾何学的効果(例えば逆二乗則)によって、また、体組織による吸収および拡散によって減衰する。したがって、いくつかの実施形態では、センサのそれぞれからの信号は増幅され、増幅器利得は、異なるセンサによって異なり得る。いくつかの実施形態では、アナログ音響信号は、望ましくない高周波雑音成分を除去し、後続のデジタル信号が確実にナイキストサンプリングされるように、低域フィルタリングされる。音響フィルタの通過帯域は、対象となる信号周波数が大幅に減衰せず通過するように十分高くなければならない。例えば、いくつかの実施形態では、アナログ信号は、2.5kHzよりも高い信号周波数を除去するために低域フィルタリングされる。低域フィルタのこの選択は、冠状動脈閉塞によって発生し、典型的には約500Hz〜約1000Hzで生じる乱流音響エネルギーを保持するものである。フィルタリングされたアナログ信号は、結果として得られるデジタル信号にエイリアシング作用が確実に存在しないように、5.0kHzよりも高いレートでサンプリングすることができる。一実施形態では、22kHzのサンプリングレートが使用され、これは、ナイキスト基準で必要とされる最小周波数よりも十分高い。他の実施形態では、アナログ音響信号は、例えば、患者の呼吸または心臓弁などの低周波成分を除去するために高域フィルタリングすることもできる。
【０１１２】
サンプリング後、デジタル信号を、1つまたは複数のデジタルフィルタに通過させることができる。ある実施形態では、フィルタは、線形フィルタでよく、有限インパルス応答(Finite Impulse Response)(FIR)フィルタおよび/または無限インパルス応答(Infinite Impulse Response)(IIR)フィルタが含まれ得る。例えば、一実施形態では、通過帯域周波数が1100Hz、阻止帯域周波数が1500Hz、および通過帯域リップルが0.5dB以下のオーダ100のFIR低域フィルタを使用している。このデジタルフィルタは、有利には、信号の雑音および他のスプリアス高周波成分を除去することができる。他のフィルタ、例えば、高域フィルタ、帯域通過フィルタ、帯域消去フィルタ、ノッチフィルタ、または他の適当なフィルタなども使用することができる。フィルタには、例えば、ウィーナー(Wiener)フィルタまたはカルマン(Kalman)フィルタが含まれ得る。ある実施形態では、デジタル信号は、例えば、基本の心臓サイクルを表す患者の呼吸および心音に起因する低周波成分を除去するために高域フィルタリングされる。かかる実施形態では、個々の心拍動を識別した後(例えば、ブロック940を実施した後)、高域フィルタリングを実施する。一実施形態では、帯域通過フィルタを用いて、信号の、約300Hz〜1500Hzの範囲外の周波数成分を減衰させる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、デジタル信号に1つまたは複数の調整手順を実施する。この調整手順には、上述のようなデジタルフィルタリングが含まれ得る。ある実施形態では、この調整手順は、デジタル信号用の周波数スペクトルに関する情報を生成するように、デジタル信号に適用される変換を含む。例えば、かかる実施形態では、デジタル信号は、例えば、センサが周波数間隔の範囲で受信した音響エネルギー(またはパワー)を示すスペクトルを生成するようにフーリエ変換される。この周波数スペクトルを用いて、デジタル信号の、例えば、冠状動脈狭窄から発せられた乱流音響エネルギーを含む部分を識別することができる。いくつかの実施形態では、デジタルフィルタの特徴は、周波数スペクトルの結果に基づいて決定することができる。例えば、帯域通過フィルタの通過帯域は、周波数スペクトルの、信号対雑音レベルで診断解析に適した乱流音響エネルギーを含んでいそうな周波数範囲を識別することによって決定することができる。さらに、例えば、ウィーナーフィルタをデジタル信号に適用することによって雑音を適切にフィルタ除去するために、周波数スペクトルを用いてシステム内の雑音を特徴付けることができる。
【０１１４】
他の実施形態では、他の調整手順をデジタル信号に適用することができる。例えば、パラメトリックモデリング法、例えば、移動平均法、または自己回帰モデル、または自己回帰移動平均モデルなどを使用することができる。ある実施形態では、調整手順は、時間領域または周波数領域のいずれにおいても、自己相関法または相互相関法などの相関法を含むことができる。
【０１１５】
ある患者では、狭窄からの音響信号は、患者の身体から発せられる他の音響信号に比べて、比較的低い振幅を有し得る。したがって、音響信号の、バックグラウンド音波の振幅が低減したときに取得された部分を解析すると有利である。図9に示す流れ図900の実施形態のブロック940で、ブロック950〜980で解析を行うために、センサが受信した信号の適当な部分を選択する。
【０１１６】
図11Aは、ヒトの心拍動の概略図(ウィガーズ(Wiggers)図)1110を示し、心臓サイクルの主要な動作が識別されている。心拍動は、一般に2つの主要な位相、すなわち心収縮期および心拡張期に分けることができる。心収縮期は、血液を心室から送り出す心筋の収縮であり、心拡張期は、心収縮期後の心筋の弛緩であり、この間に心室は血液で再び充満される。心拡張期の間、大動脈弁は閉鎖し、冠状動脈を通る血流はその最大量となる。したがって、心拡張期部分では、冠状動脈閉塞によって生じた乱流からの音が最大となるはずであり、また、大動脈弁からの音が最小となるはずであるため、特に有利である。
【０１１７】
図11Bは、ヒトの心拍動の例示の心音図1120を示す。心収縮期部分および心拡張期部分が示されている。図11Bは、心臓からの音響信号1130の振幅を経過時間の関数として示している。図11Bは、音響信号の振幅が、心拍動の心拡張期部分の間の方が、心拍動の心収縮期部分の間よりも低いことを示している。
【０１１８】
図11Cは、ボランティア患者の音響信号1160の振幅のグラフ1150を経過時間の関数として示している。第1の心音1170a〜1170cは、心拍動の心収縮期部分の始めの房室弁の閉鎖によって生じている。第2の心音1180a〜1180cは、心拍動の心収縮期部分の終わりの大動脈および肺弁の閉鎖によって生じている。図11Cに示すように、心拍動の心拡張期部分1190は、第2の心音1180aから始まり、続く心拍動の第1の心音1170bで終わっている。図11Cは、音響信号1160の振幅が、心拍動の心拡張期部分の間は比較的低いことを示している(図11Bも参照されたい)。
【０１１９】
したがって、ブロック940のある実施形態では、心臓信号の心拡張期部分1190が解析のために選択される。というのは、心拡張期部分の間、心臓弁の開閉によって生じる音響信号が最小となるからである。かかる実施形態では、心拡張期部分1190の中央部分1195を、その有利な信号対雑音比または他の特性のために選択することができる。
【０１２０】
ブロック940のいくつかの実施形態では、心拡張期部分1190は、以下の方法によって求めることができる。測定を実施する医療専門家は、聴診器で心臓の音を聞くことによって患者の心拍数Bを求める。Bの典型値は、1分当たり約70拍(bpm)である。必ずしもそうする必要はないが、心拍数Bは、±10bpmの範囲内で求めることが好ましい。患者の心拍数が50bpm未満または120bpm超である場合、または、心拍数が不規則である(心房細動または異所性律動異常)場合、または、患者が重篤な低血圧を示す(心収縮期圧が<90mm-Hg)場合、この患者の測定をさらに続行することは勧められない。いくつかの実施形態では、医療専門家は、後の解析のために、心拍数Bを臨床記録または病院報告書に入力することができ、一方、他の実施形態では、医療専門家は、例えば、キーパッド、タッチスクリーン、または位置指示装置を用いて、心拍数Bを診断装置に直接入力することができる。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、心拍数Bは、音響測定と同時に施される心電図(EKG)から求めることもできる。ある実施形態では、診断装置は、例えば、PQRST心臓シーケンスの連続するR波間の持続時間を測定することによって心拍数を求めるために使用される1つまたは複数のEKGセンサを備えることができる。他の実施形態では、診断装置は、心拍数を求めるために、動脈、例えば頸動脈の圧脈拍を検出するように構成された1つまたは複数の動脈拍センサを備えることができる。
【０１２２】
医療専門家によって(または他の方法によって)推定された心拍数Bに基づいて、デジタル化された音響信号の、1つの個別の心拍動に対応する部分が選択される。信号のこの部分は、サンプリングレート(Hz)を心拍数(1秒当たりの拍数)で割ったものに等しい長さLBを有する。この部分の信号の最大値は、周知のピーク探知アルゴリズム(peak finding algorithm)を用いて特定される。この部分のピーク位置は、第1の心拍動の始まりを示す。
【０１２３】
第1のピークを30%過ぎたサンプル点から始まり、第1のピークを130%過ぎたサンプル点で終わる長さLBを有する範囲内で、第2の心拍動が信号の最大値として識別される。第1のピークと第2のピークとの時間差は、心拍動持続時間の(より正確な)更新推定値となるように設定され、長さLBもそれに対応して更新される。後続の心拍動は、信号の次の最大点を調べることによって求められる。例えば、いくつかの実施形態では、前の心拍動を60%過ぎて始まる長さLBを有する範囲で最大値が調べられている。信号の残りの部分は、心拍動が全て識別されるまで調べられることもある。さらに、いくつかの実施形態では、この手順によって判明した最大値を相互比較して、それらの最大点が、雑音ではなく心音に対応していることを検証する。最大点が心音でありそうにない場合、収束結果(convergent result)が得られるまで、上記で論じた工程を繰り返すことができる。
【０１２４】
ある好ましい実施形態では、最大点に対応する位置が保存され、LBが信号の最も短い心拍動の長さに等しく設定される。信号、心拍動の位置、および長さLBは、流れ図900のブロック950〜980の解析の前に保存される。かかる実施形態では、本方法によって判明した信号の最大点は、第1の心音に対応する。他の実施形態では、類似の手順を用いて、第2の心音の位置を求めることもできる。
【０１２５】
個々の心拍動の位置を求めた後、本装置および方法では、次に心臓信号の、心拍動の心拡張期部分に対応する部分を識別する。いくつかの実施形態では、第1および第2の心音を用いて、心拡張期部分を識別する。第1および第2の音は、音響振幅の大きいピークに対応し(図11Bおよび11C参照)、これらのピークは、本明細書で論じたピーク探知技術によって、または、時間領域信号解析に適した他のどのようなピーク探知アルゴリズムによっても識別することができる。これらのピーク間の音響信号は、(例えば、時間窓によって)抽出し、保存し、流れ図900のブロック950〜980で使用することができる。
【０１２６】
他の実施形態では、信号の心拡張期部分は、信号の、予め選択された心拍動長さLBの範囲内の一部分となると考えられる。例えば、ある実施形態では、この範囲は、心拍動長さLBの35%〜81%に対応し得る。この範囲は、患者によって異なり得る。これらの実施形態のいくつかでは、心拡張期部分1190の中央部分1195(図11C参照)が、心拡張期の始めと終わりを示す弁音から離れた位置にあるため、この部分をさらなる解析のために選択することができる。さらに、冠状動脈を流れる血液の流速は、中央部分1195でその最大値となり得るため、乱流音響信号は中央部分1195で最大となり得る。いくつかの実施形態では、中央部分1195は、心拍動長さLBの58%〜67%の範囲に対応する。他の実施形態では、異なる範囲を使用することもできる。
【０１２７】
ある実施形態では、ブロック940の手順を各センサ信号に適用する。他の実施形態では、この手順を1つの基準センサに適用し、この基準センサで判明した心拍動識別を他のセンサに適用する。かかる一実施形態では、基準センサは、図10Aおよび10Bに示すセンサ1036Bに対応し、これは、このセンサが、左前下行枝の上という位置にあるために、より高い信号対雑音比で信号を受信するからである。
【０１２８】
冠状動脈疾患以外の疾患を診断するように構成されたブロック940の実施形態では、受信音響信号の一部分をやはり、ブロック950〜980でさらに解析するために選択することができるが、この選択部分は、音響信号の心拡張期部分とは異なる部分と対応し得る。
【０１２９】
図9に示す流れ図900の実施形態のブロック950で、心拍動の心拡張期部分に対応する音響信号を、図5〜7を参照して本明細書で説明した方法を使用してウェーブレット変換する。ブロック950のいくつかの実施形態では、単一の心拍動からの心拡張期部分が解析される。他の実施形態では、2つ以上の心拍動からの心拡張期部分が解析され、こうすることによってデータの信号対雑音比を改善することができ、正確度および精度が向上することになる。図5〜6Dを参照しながら説明したように、ウェーブレット変換法のある好ましい実施形態では、モルレーマザーウェーブレット500を用いて、冠状動脈内の1つまたは複数の狭窄が発した音響信号を識別している。
【０１３０】
図9に示す流れ図900の実施形態のブロック960で、患者の心臓にある1つまたは複数の狭窄の存在を検出するために、音響信号のウェーブレット変換を解析する。いくつかの実施形態では、ウェーブレット係数は、閉塞の存在または重症度を示す1つまたは複数のパラメータに組み合わせることができる。例えば、ブロック960のある実施形態では、ブロック950で生成されたウェーブレット係数から、ウェーブレット診断パラメータ(Wavelet Diagnostic Parameter)(WDP)を計算する。このウェーブレット診断パラメータは、狭窄の存在および/または重症度を示す。
【０１３１】
流体乱流は、空間的に間欠的、散発的、無秩序であり得る。乱流はまた、自己相似性を呈し得、すなわち、適当な再スケーリング後、音響信号のある部分が、別の部分と統計的に等価となる。したがって、流体乱流は、スケールの範囲全体にわたって自己相似統計構造を呈するフラクタルプロセスとして特徴付けることができる。ハースト係数として知られる数学パラメータが、フラクタルプロセスの次元の測度である。実験によって、ハースト係数Hが、冠状動脈内の閉塞の存在および/または重症度を示し得ることが示唆されている。ハースト係数Hは、心臓信号のウェーブレット係数の統計データから推定することができる。例えば、本方法のいくつかの実施形態では、各スケールにおけるウェーブレット係数の分散が求められる。自己相似フラクタルプロセスでは、ハースト係数Hは、分散対数対スケール対数のプロットである勾配γに関連し、H=(γ-1)/2となる。この勾配γは、例えば最小二乗解析などの回帰分析によって求めることができる。例えば、M. Akayの「Wavelet Applications in Medicine」、IEEE Spectrum、50〜56頁、1997年5月を参照されたい。上記文献を参照によりその全体を本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【０１３２】
本装置および方法のいくつかの実施形態では、ウェーブレット診断パラメータは、ハースト係数H、例えばWDP=Hである。他の実施形態では、ウェーブレット診断パラメータは、例えば
【数１３】
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などの、勾配γの異なる関数である。他の実施形態では、ウェーブレット係数から求められる異なる統計パラメータをWDPに選択することもできる。他の実施形態では、ウェーブレット係数を異なる形で組み合わせて、WDPを生成することもできる。さらに、WDPは、例えば、フーリエ係数などの他の信号処理係数から推定することもできる。乱流の他の理論によって、ハースト係数以外の、乱流を示す追加のパラメータを生成することができ、いくつかの実施形態では、これらの新しいパラメータをWDPとすることができる。
【０１３３】
図12Aは、音響データから冠状動脈閉塞の存在を診断する方法の実施形態の他の態様を示す概略ブロック図1200である。ブロック図1200では、各心拍動からのデジタル化音響信号を、ブロック1204〜1230を含むループ内で解析する。ブロック1208で、各心拍動の心拡張期部分を保存する。いくつかの実施形態では、心拡張期部分は、図11A〜11C、および図9の流れ図900のブロック940を参照しながら上記で説明したように識別することができる。例えば、心拡張期部分は、心拍動の長さの35%〜81%の部分に対応するように選択することができる。ブロック1212で、心拍動の心拡張期部分の離散ウェーブレット変換を実施し、これによって、サンプルグリッド上のスケールパラメータおよび平行移動パラメータの各値においてウェーブレット係数を生成する。例えば、ある実施形態では、式7の例示のグリッドに類似したサンプルグリッドを、離散ウェーブレット変換に使用することができる。かかる実施形態では、スケールパラメータは、j=1、2、4、8、12、16であり、これらは、62.5Hz、125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1000Hzの周波数に対応する。
【０１３４】
ブロック1212のいくつかの実施形態では、ウェーブレット係数の値は、間引き加算法によって求めることができる。例えば、一実施形態では、62.5Hzのモルレーマザーウェーブレットを解析ウェーブレットとして採用し、このウェーブレットを、信号の心拡張期部分のサンプル数に比例した長さを有する第1のアレイ内に保存する。このアレイの長さは、一実施形態では、1860サンプル分である。ドーターウェーブレットを、第1のアレイの長さをスケール指数jで割ったものに等しい長さを有する第2のアレイ内に保存する。ドーターウェーブレットの値は、第1のアレイ内に保存されたマザーウェーブレットの値を1/jに間引きすることによって得られる。ドーターウェーブレットのサンプル点がマザーウェーブレットのサンプル点に対応しない場合、マザーウェーブレットの最も近いサンプル点が選択される。ウェーブレット変換すべき心拡張期信号を、心拍動の35%〜81%の部分となるように選択し、第3のアレイ内に保存する。ある実施形態では、ウェーブレット係数は、式6(積分を和で置き換えたもの)から、ドーターウェーブレットアレイを心拡張期信号アレイに沿って平行移動し、アレイの重なり合う領域の内積を取ることによって計算する。ウェーブレット係数の値は、内積の値に等しい。内積は、いくつかの実施形態では、ドーターウェーブレットアレイおよび心拡張期信号アレイの値の算術積の和に等しい。ある実施形態では、内積は、機械語累乗算命令を用いて計算することができ、これは、演算が高速で、効率が良い。ウェーブレット係数を計算するいくつかの実施形態では、平行移動パラメータに縁効果が生じ得、すなわち、ドーターウェーブレットアレイが、心拡張期信号アレイの第1の要素、または最後の要素を越えて延び得る。このような場合、信号アレイのゼロ詰め(zero-padding)を使用することができる。他の実施形態では、心拍動の中央部分1195(図11C)だけが次の解析で使用されるので、縁効果は低減している。
【０１３５】
ウェーブレット係数の統計分散を、概略図1200のブロック1216〜1222に対応するループで評価する。ブロック1218に示すように、いくつかの実施形態では、スケール指数jの各値について、平行移動パラメータの選択された範囲だけを使用して、分散を計算する。この範囲は、心拍動の中央部分1195(図11C参照)に対応し、縁効果を最小限に抑え、心拡張期の適当な部分に対応するように選択されている。ウェーブレット係数は、心拡張期部分1190(図11C参照)全体について計算することができるが、中央範囲1195の範囲外の平行移動パラメータに対応する係数は、分散を計算する際に無視することができる。いくつかの実施形態では、ウェーブレット係数は、心拍動長さの35%〜81%に対応する心拡張期部分1190について計算されるが、中央部分1195は心拍動長さの58%〜67%の範囲に対応する。
【０１３６】
ブロック1226で、分散の勾配γを計算する。いくつかの実施形態では、分散データは、冪乗則となると考えられ、ここでは、分散は、スケールのγ乗に比例する。したがって、γは、分散対数対スケール対数のプロットのデータ点の勾配として求めることができる。いくつかの実施形態では、2を底とする対数を勾配解析に使用している。二進グリッド[例えば式7]を用いた実施形態では、勾配γは、分散対数対スケール指数jのプロットから求めることができる。勾配γは、例えば、最小二乗解析などの標準の線形回帰分析によって求めることができる。勾配γは、患者の心拍動のそれぞれについて求められる。
【０１３７】
ブロック1234で、ブロック1226で判明した勾配からウェーブレット診断パラメータ(WDP)を評価する。上述のように、いくつかの実施形態では、WDPは、ハースト係数Hに等しく、(γ-1)/2から計算される。他の実施形態では、異なる関数関係が有効な診断情報を提供することが判明している。例えば、一実施形態では、WDPは、関係
【数１４】
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から得られる。
【０１３８】
ブロック1234で、個々の心拍動について求められたWDPの平均値としてWDPを求めることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ブロック1204〜1230のループで8つの心拍動を使用し、WDPは、8つの個々のWDPの算術平均となっている。算術平均値の使用は、個々の心拍動のサブセットの、信号対雑音が低い心拡張期部分によって生じる不正確さを低減させるのに有利となり得る。ある好ましい実施形態では、平均を求めるのに8つの心拍動を使用しているが、他の実施形態では、異なる数の心拍動を使用することもでき、個々の心拍動のWDPを異なる算術法または統計法に従って組み合わせることもできる。さらに他の実施形態では、例えば、解析を行う医療専門家に個々の値を出力することなどによって、個々のWDPのそれぞれを診断の目的に使用することもできる。数多くの変形形態が可能である。
【０１３９】
ブロック1204〜1230で使用する心拍動の数は、図12Aに記載の方法の異なる実施形態では異なってもよい。例えば、8つの心拍動で、不正確度が低減し、精度が増大することが判明している。しかし、他の実施形態では、心拍動の数は、1〜16以上の範囲でもよい。心拍動は、単一の測定から、または複数の測定から得ることができる。心拍動の測定は、必ずしもそうする必要はないが、患者の状態が測定間隔の間に悪化する可能性を低減させるために、時間的に近接して取ることが好ましい。ある実施形態では、患者は、呼吸からの音響信号を最小限に抑えるために、測定の間、息を止めるように指示される。したがって、ブロック1204〜1230で使用する心拍動の数は、患者が息を止めることができる時間に依存し得る。他の実施形態では、医療専門家は、いくつかの心拍動に関して音響測定を行い、その数の心拍動のサブセットを、ブロック1204〜1230での後続の処理のために選択することができる。いくつかの実施形態では、こうしたサブセットは、例えば、医療専門家の診断判断に基づいて選択することができ、一方、他の実施形態では、こうしたサブセットは、最も高い信号対雑音を有する心拍動に対応し得る。他の実施形態では、方法1200は、最適な心拍動をさらなる解析のために選択する追加のブロックを含むことができる。
【０１４０】
図12Bは、ウェーブレット係数のプロット1250をスケールパラメータと平行移動パラメータの関数として示している。横軸は平行移動パラメータを表し、サンプルの数で測定されている。縦軸は、1つの心拍動の心拡張期中央部分1195に対応する、ウェーブレット係数の絶対値を表す。ウェーブレット係数が、6つのスケールパラメータ値、すなわちj=1、2、4、8、12、16で示され、これらはそれぞれ、62.5Hz、125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1000Hzの周波数に対応する。図12Bに示すもののようなウェーブレット係数を、図12Aに示す診断方法のブロック1218で使用し、また、他の目的、例えば狭窄位置の決定などのために使用することもできる。
【０１４１】
図9に示す流れ図900の実施形態のブロック970で、ブロック960で計算したウェーブレット診断パラメータを用いて患者の冠状動脈疾患の重症度を推定することができる。図13は、ウェーブレット診断パラメータが、冠状動脈疾患の重症度といかに相関するかを示す流れ図1300の実施形態である。ブロック1320で、一揃いのウェーブレット診断パラメータを取得する。この一揃いは、健常者から健常でない者までわたる患者のコホート(cohort)に対応し得る。最も高い正確度を得るには、このコホートは、統計的に有意な患者群を表すことが好ましい。ブロック1330で、コホートの患者各自について1つまたは複数の比較診断パラメータを取得する。例えば、一実施形態では、比較診断パラメータは、侵襲的な血管造影手技によって求められた閉塞パーセンテージである。ブロック1340で、測定されたウェーブレット診断パラメータと、測定された比較診断パラメータとの統計相関を求めるために、それらのパラメータに基づいた統計解析を実施する。例えば、一実施形態では、ウェーブレット診断パラメータと、侵襲的な血管造影から求められた閉塞パーセンテージとの相関を評価する。ブロック1340の結果を用いて、ウェーブレット診断パラメータを疾患の重症度と相関させることができる。したがって、医療専門家は、疾患の重症度を判定するために、侵襲的な比較手順を実施するのではなく、有利には、本明細書に開示の非侵襲的な方法の実施形態を実施することができる。
【０１４２】
開示の方法のいくつかの実施形態は、冠状動脈内の閉塞を検出するための診断ツールとして使用することができるが、他の実施形態では、冠状動脈以外の位置にある狭窄または閉塞を識別し、位置を特定するために使用することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、頭蓋内血管、脚部血管、および他の血管内の狭窄を診断することができる。いくつかの実施形態を用いて、例えば、大動脈動脈瘤を診断することができる。他の実施形態を用いて、動脈および静脈内の不適正に機能している弁を診断することができる。ある実施形態は、例えば、胎児心臓病を含む胎児疾患の出生前小児診断に使用することができる。
【０１４３】
他の実施形態は、脈管内超音波技術とともに使用することができる。例えば、超音波トランスデューサを動脈内に挿入し、本明細書に記載の診断装置を用いて、発せられた超音波信号を検出し、解析することができる。また、いくつかの実施形態は、診断医が患者のより完全な診断解析を行えるように、例えば、心電図または脳波図などの他の診断法とともに使用することができる。
【０１４４】
本音響方法の実施形態を用いて、他の疾患によって生じた音響信号を検出することもできる。例えば、この診断装置を用いて、疾患により肺音が改変する肺疾患を診断することができる。他の実施形態を用いて、腫瘍、癌、または他の成長物によって生じる身体音の変化を検出することもできる。
【０１４５】
さらに、本明細書に開示のウェーブレット解析法は、音響信号または非音響信号に適用することができる。いくつかの実施形態では、ウェーブレット解析は、例えば、心電図または脳波図で生じる電気信号に対して実施することもできる。
【０１４６】
他の実施形態では、本明細書に開示の装置および方法を獣医手技に用いて、ヒト以外の動物の疾患を診断することもできる。
【０１４７】
(好ましい実施形態の使用方法)
本明細書に開示の診断装置のある実施形態を用いて、冠状動脈内の閉塞の存在、重症度、および/または位置を求めることができる。いくつかの実施形態では、この診断装置は、21歳以上の男性患者または女性患者に使用することができる。必ずしもそうである必要はないが、急性冠不全症候群の可能性を示す臨床症状が見られ、かつ、5分以内に3回、8秒間息を止める能力を有する患者が好ましい。図13を参照して上記で論じたように、ウェーブレット診断結果を、例えば、血管形成術などの他の比較診断結果と比較する研究に参加する患者は、研究への参加とは無関係に血管造影法を必要とすることがある。さらに、心収縮期圧の血圧が90mm-Hg未満を示す重篤な低血圧を有する患者、不規則な心拍リズム(心房細動または異所性律動異常)を有する患者、または心拍数が50bpm未満または120bpm超である患者が、この診断手技を受けることは勧められない。
【０１４８】
この診断装置は、例えば、臨床または病院環境、医院、または患者宅など、様々な場面で使用することができる。診断装置のいくつかの実施形態は、1つまたは複数のセンサと、センサを診断装置に接続するように構成された1つまたは複数の電気ケーブルとを含む。この診断装置は、入出力ユニット(または別々の入力ユニットおよび出力ユニット)を含むことができる。ある実施形態では、以下の手順に従ってこの診断装置を使用することができるが、この手順は例示のものであり、実施可能な使用方法の範囲を限定するものではない。
1.診断装置の使用者は、1つまたは複数のセンサを配置するために患者の胸部を整えることができる。
a.センサを配置する位置に過剰な体毛がある場合には剃り落とす。
b.患者にプライバシーのための紙製ガウンを与える(患者が望む場合)。
c.センサを配置する領域にアルコール綿を局部的に使用して、皮膚を清浄する。
2.センサを電気ケーブルに接続する。
3.電気ケーブルを、例えば、装置1410、1431、または1510などの診断装置に接続する。各センサが、ユニット側の対応する標示のされたセンサジャックに接続されていることを確認する。
4.患者を楽な姿勢で座らせる。
5.各センサから接着性の裏張りを取り除き、センサを、例えば、図10Aおよび10Bに示したような位置で患者に付着する。
6.例えば、フラッシュメモリカードなどのメモリ記憶装置が診断装置に挿入されていることを確認する。
a.一実施形態では、フラッシュメモリカードは、そのラベルを下に向け、切欠き隅部が装置の上面に向くように挿入しなければならない。
b.一実施形態では、この装置は、フラッシュメモリカードを適切に挿入しない限り機能しない。
7.直流電力ソケットから外側プラグを取り外すことによって装置を始動させることができる。この外側プラグは、後で使用するために取っておくことができる。
8.この装置は、入出力ユニットを含むことができる。例えば、一実施形態では、この装置は、タッチスクリーンを含み、このスクリーンは、初めはブランク画面を表示することになる。使用者は、ブランク画面に触れて続行することができる。
9.入出力ユニットは、センサが患者と装置の双方にしっかりと接続されていることを確認するように使用者に知らせることがある。例えば、一実施形態では、タッチスクリーンに「センサを接続したらここに触れてください(Touch here when sensors are connected)」と表示される。
10.入出力装置に、装置を識別するIDコードを入力する。例えば、一実施形態では、IDコードは、タッチスクリーンの底部に示される。
11.この装置は、使用者が自己検査プログラムを開始するように促すことができる。例えば、一実施形態では、使用者は、タッチスクリーンに触れて自己検査プログラムを開始する。
12.この装置は、センサの接続状態を入出力ユニット上に示すことができる。全てのセンサが適切に接続されると、この装置は、音響信号データを取得し始めるように使用者に知らせることができる。例えば、一実施形態では、各センサをその接続状態とともに列挙した表がタッチスクリーン上に表示される。いずれかのセンサが「未接続(Not Connected)」と表示されている場合、使用者は、そのセンサがしっかりと患者に取り付けられ、電気ケーブルが装置に適切に接続されていることを確認するようにチェックすることができる。全てのセンサが「接続済(Connected)」と表示されると、底部のボタンが、「ここに触れて検査を開始してください(Touch here to begin test)」と表示することになる。
13.患者に、8秒間息を止め、動かない、または話さないように指示する。
14.診断検査を開始する。例えば、一実施形態では、使用者は、タッチスクリーンの「ここに触れてください(Touch here)」と表示された位置を軽くたたいてデータ取得を開始することができる。
a.いくつかの実施形態では、タッチスクリーンに一旦触れた後は、このタッチスクリーンは、診断検査のデータ取得部分が続く間(例えば8秒)完全に暗くなる。
15.データ取得が完了すると、この装置は使用者に知らせることができる。例えば、いくつかの実施形態では、「データ処理中...(Processing data...)」というメッセージボックスがタッチスクリーン上に表示される。いくつかの実施形態では、この装置は可聴音を発することもできる。
a.この時点で、データ取得は完了し、患者は自由に呼吸し、動き、話すことができる。
16.信号処理が完了すると、この装置は使用者に知らせることができる。例えば、いくつかの実施形態では、タッチスクリーンは、「検査終了、データが保存されました(Test Complete, Data Stored)」というメッセージボックスを表示することになる。
17.適当な待ち時間の後、この装置は、別の診断測定が可能となり、その旨を使用者に知らせる。例えば、いくつかの実施形態では、待ち時間は約10秒でよく、「ここに触れて再始動してください(Touch here to restart)」というメッセージボックスがタッチスクリーン上に表示されることになる。
18.いくつかの実施形態では、必ずしもそうする必要はないが、測定検査を繰り返して、より優れた正確度および精度を確実にすることが好ましい。例えば、いくつかの実施形態では、手順11〜17をさらに2回繰り返すように使用者に促すことができる。他の実施形態では、この検査をより多く繰り返しても、または全く繰り返さなくてもよい。
19.全てのデータ組が収集された後、使用者は、センサの位置を求めることができる。例えば、いくつかの実施形態では、図10Aおよび10Bを参照しながら上記で説明したように、センサ間の距離を測定するように使用者に巻尺が与えられる。いくつかの実施形態では、使用者は、症例報告書にセンサ距離を記録することができ、一方、他の実施形態では、使用者は、タッチスクリーンを介して装置にこれらの距離を入力することができる。
20.患者からセンサを取り外す。
21.センサを電気ケーブルから外し、センサを片付ける。
22.外側プラグを再度挿入して、装置の電源を切る。
23.装置の不使用時、この装置は充電器などの電源に接続しておくことができる。この装置のいくつかの実施形態では、こうするには、外側プラグを直流電力ソケットから取り外し、充電器を装置のコネクタに挿入する必要がある場合もある。
【０１４９】
様々な使用方法が可能であり、他の実施形態では、異なる手順および/または追加の手順を使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、これらの手順は、同様の順序で、または異なる順序で実施することができる。この使用方法は、測定の例に応じて変えることができる。例えば、使用方法の1つでは、ウェーブレット診断パラメータを比較診断パラメータと相関させる統計研究の例を実現することができるが、医院、クリニック、および/また医院の例では、異なる使用方法を実現することもできる。
【０１５０】
(好ましい実施形態のハードウェア構成および電子回路)
図14Aは、ヒトの冠状動脈内の閉塞などの生物学的現象を診断する装置1410の実施形態の概略図である。センサ1414は、生物学的現象に関連するデータ(例えばアナログ音響データ)を集めることができる。これらのセンサは、(例えば、有線電気接続によって、または、例えば、802.11b無線技術もしくはブルートゥース(Bluetooth)を用いたワイヤレス接続によって)データを診断装置1418に送信することができる。いくつかの実施形態では、図14Aに診断装置1418の一部分として示した部分は、診断装置ではなく、センサ自体に付随させることもできる。
【０１５１】
診断装置1418は、信号調整部分1430、アナログ−デジタル(A/D)変換器1440、処理装置1450(例えばデジタル信号処理装置、すなわち「DSP」)、および入出力(I/O)処理装置1460を含むことができる。いくつかの実施形態では、装置1410は、処理装置1450に結合され、外部装置を処理装置1450に結合するための外部バス(図示せず)をさらに備えることができる。この診断ツールは、処理装置1450を初期化するための不揮発性メモリをさらに備えることができる。この不揮発性メモリは、処理装置1450内に組み込むことができる。
【０１５２】
診断装置1418の下位構成要素(subcomponent)は、容器内の別個の装置でよく、または、数多くの様々な形で組み合わせる(またはそれらの処理役割を分担させる)こともできる。例えば、同じコンピュータチップが、処理装置1450とI/O処理装置1460の両方の役割を遂行することができる。いくつかの実施形態では、A/D変換器1440と信号調整部分1430とが、同じチップ内または同じボード上にあってもよい。いくつかの実施形態では、診断装置1418は、例えば、信号をデジタル化、フィルタリング、同期、および/または多重化することによって信号を処理し、次いで、処理済信号を他の構成要素に伝送または通信することができる。
【０１５３】
I/O処理装置1460は、様々な装置とインターフェイスし通信することができる。かかる装置には、出力装置1470(例えば、表示装置、モニタ、音声プロンプト、音声合成システム、印刷装置など)、記憶装置1480(例えば、メモリカード、磁気ディスクまたはテープ、フラッシュドライブ、光ディスク、プリントアウト、可搬式ハードドライブなど)、および入力装置1490(例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ダイヤル、ボタン、つまみ、スイッチ、音声認識システムなど)が含まれ得る。I/O処理装置1460とインターフェイスするこれらの装置の機能は、組み合わせることができる。例えば、出力装置1470と入力装置1490はどちらも1つのタッチスクリーンを含むことができる。いくつかの実施形態では、装置1410は、複数の処理装置および/または複数の下位構成要素を備えることができる。例えば、使用者が、様々な入力装置1490を介して装置からデータを得るための、複数の表示装置または複数のオプションがあってもよい。図14Aに示す構成要素および下位構成要素は、様々な組合せで、かつ多様な構成で組み合わせ、かつ/または接続することができる。
【０１５４】
いくつかの実施形態では、信号調整および/またはアナログ−デジタル変換は、センサに連結された可搬式ユニット内で行うことができ、結果として得られるデジタル信号を別個の処理ユニットに送信し、そこでさらなる処理(ウェーブレット解析など)を実施することができる。しかし、装置1410は可搬式である必要はない。いくつかの実施形態では、装置1410は、自立ツールとして構成する、または、他の関連する診断ツールを支持するハウジングに取付け可能とすることもできる。いくつかの実施形態では、可搬性は、可搬式ユニットに求められる処理量を低減し、演算信号処理のより多くを、可搬性のより少ない基地局(base station)で実施するようにすることによって高められる。したがって、可搬式ユニットは、データを収集し保存することができ、こうしたデータは、データを処理する基地局に後ほどダウンロードされる。基地局は、診断装置1418に示す様々な構成要素を含むことができ、センサは、データを保存するメモリをさらに含むことができる。しかし、いくつかの実施形態では、信号調整および/またはアナログ−デジタル変換は、基地局にダウンロードされる前に可搬式ユニット内で実施することができる。
【０１５５】
可搬式ユニット1431および基地局1435を備える診断装置1410の実施形態が、前面斜視図(図14E)および後面斜視図(図14F)で概略的に示されている。可搬式ユニット1431は、医療専門家が手に持って使用するのに適したサイズおよび重量を有するように構成されている。可搬式ユニット1431は、例えば、乱流動脈流からのアナログ音響データなどのデータを患者から取得する1つまたは複数のセンサ(図示せず)から入力信号を受信するように構成されている。可搬式ユニット1431は、この可搬式ユニット1431に電力を供給するパワーパックを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーパックは、ユニット1431に直流電力を供給する電池を備える。ある実施形態では、可搬式ユニット1431は、入力信号を調整し、その入力信号をデジタル信号に変換するようにさらに構成されている。かかる実施形態では、信号調整は、信号の増幅および/またはフィルタリングを含み得、信号変換には、アナログ−デジタル変換器を使用することができる。これらの実施形態のいくつかでは、可搬式ユニット1431はまた、図9のブロック920を参照しながら説明した方法によって、入力センサ信号を検証することができる。他の実施形態では、可搬式ユニット1431は、デジタル信号を保存および/または伝送するように構成することができる。例えば、可搬式ユニット1431は、後ほど基地局1435にダウンロードするために、デジタル信号を保存する不揮発性メモリ装置を含むことができる。他の実施形態では、可搬式ユニット1431は、デジタル信号を有線通信またはワイヤレス通信によって基地ユニット1435に伝送するように構成することができる。
【０１５６】
図14Eおよび14Fに示す実施形態では、可搬式ユニット1431は、表示装置1433aおよびキーパッド1434を備える。キーパッド1434は、可搬式ユニット1431に、例えば、患者識別番号、患者情報(年齢、性別、心拍数など)、データ、時間、または他の適当な情報などの入力を行うために使用される。表示装置1433aは、例えば、センサが適正に機能しているかどうかを示す不良コードなどの情報を出力するために使用される。いくつかの実施形態では、キーパッド1434は使用されず、表示装置1431が、入力および出力の両機能に使用することができるタッチスクリーンを備えている。
【０１５７】
図14Eおよび14Fに示すように、基地局1435は、不使用時に可搬式ユニット1431を保持するように構成された1つまたは複数のドッキングポート1432を備えることができる。図14Eおよび14Fに示す実施形態では、基地局1435の上面に4つのドッキングポート1432が配設されており、したがって、医療専門家は、可搬式ユニットに容易にアクセスすることができる。図14Eおよび14Fでは、基地局1435の左側に示された3つのドッキングポート1423は「空(empty)」(例えば、可搬式ユニット1431を保持していない)であり、1つのドッキングポート1432が「使用中(full)」(例えば、可搬式ユニット1431を保持している)である。空のドッキングポート1432は、追加の可搬式ユニット1431を使用後に受けるのに使用することができる。他の実施形態では、基地局1435は、より少数の、またはより多数のドッキングポート1432で構成することができ、また、ドッキングポート1432は、基地局1435に対して異なる構成、向き、および位置で配置してもよい。いくつかの実施形態では、ドッキングポート1432は、基地局1435とは別個の独立ユニットであってもよいが、基地局1435と通信するように構成される。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、ドッキングポート1432は、不使用時に可搬式ユニット1431を保持することに加えて、可搬式ユニット1431に電力を供給するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、再充電可能なパワーパックをユニット1431内に配設することができ、このパワーパックを、有利にはドッキングポート1432に配設している間に再充電することができる。ある好ましい実施形態では、電気インターロックシステムによって、可搬式ユニット1431がドッキングポート1432に取り付けられているときに、患者が感電する、または電流が患者に達するのを防止するように、ユニット1431が患者の測定に使用されることが防止されている。これらの実施形態では、インターロックシステムが測定実施を可能とするには、可搬式ユニット1431をドッキングポート1432から完全に取り外されなければならない(したがって、基地局1435から電気的に切断される)。他の実施形態では、ドッキングポート1432は、さらなる処理、解析、および/または保存のために、デジタル信号データを可搬式ユニット1431から基地局1435にダウンロードすることができるように構成される。例えば、図14Eおよび14Fに示す実施形態では、デジタル信号は、ドッキングポート1432内に含まれる電気接続によって、可搬式ユニット1431から伝送される。他の実施形態では、デジタル信号は、ワイヤレス通信ネットワークを介して基地局1435に転送することができる。
【０１５９】
他の実施形態では、可搬式ユニット1431は、無線周波数識別(RFID)装置を含むことができ、この装置を用いて、例えば、各可搬式ユニット1431に割り当てられた一意の識別コードなどの情報を基地局1435に通信することができる。ある実施形態では、識別コードを有利に使用して、可搬式ユニット1431によって取られ、基地局1435にダウンロードされる測定値の完全性(integrity)、セキュリティ、およびプライバシーを確保している。
【０１６０】
いくつかの実施形態では、基地局1435は、デジタル信号を解析し、処理するために使用する電子回路を含むハウジング1439を備える。例えば、基地局1435は、例えば、デジタル信号のウェーブレット変換を実施して、冠状動脈心疾患などの疾患の存在または重症度を示すウェーブレット診断パラメータを生成する処理装置を含むことができる。図14Eに示すように、基地局1435は、処理結果を視覚化するために使用することができる表示装置1433bを含む。例えば、表示装置1433bは、冠状動脈閉塞の存在、重症度、および/または位置のテキスト表示または図形表示を示すことができる。いくつかの実施形態では、基地局1435は、表示装置1433aに出力するために、ウェーブレット診断パラメータ(または他の関連する診断情報)を可搬式ユニット1431に通信することができる。図14Eに示すように、表示装置1433bは、基地局1435に回動可能に取り付けることができ、したがって、表示装置1433bは、使いやすいように適切に向きを変えることができる。基地局1435は、自立ツールとして、または他の診断ツールを支持するハウジングに取付け可能なように構成することができる。
【０１６１】
図14Fは、装置1410の実施形態の後面斜視図を概略的に示し、交流電源コネクタ1436、冷却ファン排出口1438、およびコネクタパネル1437を示している。コネクタパネル1437は、1つまたは複数の周辺装置ポートを、ハウジング1439内に配設された電子回路と通信する外部バスに結合するように構成することができる。周辺装置ポートには、例えば、シリアルポート、パラレルポート、ユニバーサルシリアルバス(USB)ポート、IEEE1394(ファイヤワイヤ(FireWire))ポートが含まれ得る。コネクタパネル1437を介して、例えば、キーボード、マウス、ハードドライブ、光学ドライブ、プリンタ、プロッタ、表示装置、スキャナ、または他の適当な装置などを含めた様々な周辺装置を基地局1435に結合することができる。コネクタパネル1437はまた、メモリカード読取り機、フロッピー(登録商標)ドライブ、光ドライブ(例えば、CD-ROMドライブまたはDVDドライブ)、または他の適当な構成要素を含むように構成することができる。
【０１６２】
図14Eおよび14Fに示す診断装置1410の他の実施形態では、信号取得作業と信号解析作業とを、異なるように分担することもできる。例えば、一実施形態では、可搬式ユニット1431がデジタル信号のウェーブレット変換を実施し、ウェーブレット係数をウェーブレット診断パラメータにさらに処理するために基地局1435に通信することができる。他の実施形態では、可搬式ユニット1431は、患者データおよび結果のセキュリティおよびプライバシーを強化するために、デジタル信号を基地局1435に通信する前にこの信号を暗号化することができる。他の変形形態および構成が可能であり、図14Eおよび14Fは、可搬式ユニット1431および基地局1435を備える診断装置1410の実施形態の範囲を限定するものではない。
【０１６３】
図14Bは、冠状動脈内の閉塞を検出する装置1412の一実施形態を概略的に示している。診断装置1412は、図14Aを一般化した装置1410の例である。4つの音響センサが、1416A、1416B、1416C、1416Dで標示されている。センサ1416A〜1416Dは、心臓などの器官または他の生物学的単位によって発せられた音響エネルギーに応答し、この音響エネルギーは、狭窄からの音響信号を含み得る。これらのセンサは、周囲騒音から遮蔽し、体内から発せられる音響信号を感知するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、センサ1416A〜1416Dは、患者の皮膚に音響的に結合される。図8を参照しながら本明細書にてさらに説明したように、各センサは、アナログ音響エネルギーを検出し、こうした音響エネルギーを表す信号を、信号処理のために追加のハードウェア/ソフトウェア構成要素に伝送する。いくつかの実施形態では、センサ1416A〜1416Dはアナログ信号を伝送し、このアナログ信号は、例えば、アナログ−デジタル変換器1442などの他の構成要素によってサンプリングされ、デジタル化される。他の実施形態では、センサ1416A〜1416Dは、デジタル化された信号を伝送する。ある実施形態では、センサ1416A〜1416Dは、超音波トランスデューサを備え、これは、超音波送信器、受信器、マイク、および/または圧電装置を備え得る。
【０１６４】
本明細書に開示のシステムおよび方法で使用するのに適したセンサには、例えば、型番BM20A322P01音響トランスデューサ(Andromed社、カナダ、ケベック)などのAndrosonix生物音センサが含まれる。他の実施形態では、センサは、市販前通知(premarket notification)(K021389:10/01/2005)によって「生物音モニタセンサ(Biological Sound Monitor Sensor)」として市販が許可されたAndromed社製トランスデューサを備える。
【０１６５】
ある好ましい実施形態では、センサは、広範囲にわたる方向から到達する音響信号に応答するものであると有利である。さらに、2つ以上の音響感応材料層を備えるセンサでは、それらの層が、音響信号が実質的に同時に各層に到達するように十分に狭い間隔で隔てられていると有利である。かかる適当なセンサには、2005年6月21日出願の米国特許出願第60/692515号、名称「Acoustic Sensor」に開示の音響センサが含まれ得、上記特許出願の全体を参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【０１６６】
いくつかの実施形態では、適当なセンサには、1999年3月23日発行のKassalらの米国特許第5885222号、名称「Disposable Acoustic Pad Sensors」に開示のセンサが含まれ、上記特許の全体を参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。別の適当なセンサ構成が、1994年11月22日発行のReevesらの米国特許第5365937号、名称「Disposable Sensing Device with Contaneous Conformance」に記載されており、その全体を参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【０１６７】
ある実施形態では、センサは、処理要素を含むように構成され、この処理要素には、マイクロチップ、マイクロプロセッサ、無線周波数識別装置(RFID)、または他の処理装置が含まれ得る。この処理要素を有利に用いて、診断装置1420に伝送する前に、信号の前処理を行うことができる。さらに、かつ任意選択で、この処理要素を用いて他の構成要素または装置とインターフェイスさせ、それによってセンサの識別、位置、検証、または較正に関する情報を提供することができる。
【０１６８】
ある実施形態では、診断装置1420は、自宅での使用、および自己モニタ用に患者に提供することができる。かかる実施形態では、センサ1416A〜1416Dは、ある期間の間、患者によって着用されるように構成することができる。様々な時間間隔で、患者は、例えば、センサ1416A〜1416Dを診断装置1420に接続し、音響測定を実施することによって、自身の健康状態の自己検査を行うことができる。自己検査の結果は、診断装置1420に保存されるか、または、解析のために結果を病院、医師、または診断医に伝送することができる。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、各音響センサ1416A〜1416Dは、電気信号をセンサ1416A〜1416Dと診断装置1420の他の構成要素との間で受け渡し可能とするケーブル1421を介して診断装置1420に接続されている。例えば、電気信号は、センサ1416A〜1416Dによって検出された振動に対応する音響データを伝達することができる。ケーブル1421は、有利には、装置1412と患者との間で延びるのに十分なほど可とうで長い。ケーブル1421は、センサ1416と診断装置1420との間を渡る電気信号の完全性を保護するために遮蔽することができる。記載のいくつかの実施形態は4つのセンサを含むが、より多数の、またはより少数のセンサを使用してもよい。ある実施形態では、センサ1416A〜1416Dは、ワイヤレス通信プロトコルを介して、または光電子プロトコルを介して診断装置1420と通信するように構成することもできる。
【０１７０】
装置1412は、ケーブル1421を装置1412内部の回路に接続することを可能とするコネクタ1422をさらに含む。この回路は、図14Aの一般化した診断装置1418の例である診断装置1420を含むことができる。例示の診断装置1420は、信号処理用の2つの異なる回路板を備える。第1の回路板1442は、いくつかの信号調整機能と、信号のアナログ−デジタル変換とを兼ねており、さらに、表示装置1472を駆動するのに必要となる処理電力を供給する。したがって、第1の回路板1442は、信号調整ユニット1430、A/D変換器1440、およびI/O処理装置1460(図14Aのそれぞれ)の機能を全て同じ回路板上で実施する複合構成要素(combined component)の例である。
【０１７１】
いくつかの実施形態では、表示装置1472は、入力装置1490の機能も実施することができるタッチスクリーンである。タッチスクリーンとして機能する場合、表示装置1472は、適宜、第1の回路板1442に信号を送信し、そこから信号を受信することができる。したがって、使用者は、表示装置1472によって、診断装置1418を制御し、かつ/またはそれと相互作用することが可能となる。
【０１７２】
第2の回路板1452は、例えば、上記で論じたウェーブレット変換数学演算を用いてデータを解析するのに必要となり得るデジタル信号処理電力を供給する。したがって、第2の回路板1452は、図14Aの処理装置1450の例である。第2の回路板1452は、ニューヨーク、ヨンカーズのEZ-Labs(ez-labs.com)から入手可能なEZ-Lite板でよい。しかし、他の回路板を使用することもできる。いくつかの実施形態では、このシステムは、C、C++、Visual DSP++、MATLAB(登録商標)、Maple(登録商標)、Mathematica(登録商標)、BASIC、FORTRAN、Pascal、JAVA(登録商標)、または別のプログラム言語を実行する。したがって、回路板1452は、上記の流れ図で説明した計算および動作を実施して、音響センサ1416A〜1416Dからのデータ信号を処理することができる。他の実施形態では、信号解析を実施する命令は、ソフトウェアモジュール、ハードウェアモジュール、またはファームウェアモジュールに含まれ得る。
【０１７３】
コネクタ1487によって、第1の回路板1442を第2の回路板1452に接続することができる。コネクタ1487は、複数のチャネルからの電気信号およびデータを、2つの回路板1442と1452との間に受け渡すことを可能とする強化モジュール型アナログフロントエンド(enhanced modular analog front end)(EMAFE)コネクタでよい。
【０１７４】
さらに、装置1412は、直流または交流電流が装置1412を流れることを可能とする回路を完全なものにすることができる「オン/オフ」制御部1492を含む。いくつかの実施形態では、電力は、バッテリパック1493によって供給される直流(DC)の形態である。バッテリパック1493によって、この装置に可搬性をもたらすことができ、この装置を配電網にプラグ接続する必要を低減、またはなくすことができる。いくつかの実施形態では、装置1412は、ジャック1494を介して直流電力で電力供給することもできる。直流電力によって、バッテリパック1493を再充電することが可能となり、したがって装置の可搬性が向上する。例えば、いくつかの実施形態では、この装置は、不使用時に再充電用受台に配置することによって再充電することができる、可搬式の手持ち装置とすることができる。いくつかの実施形態では、装置1412(またはその一部分)は、エネルギーの使用を最小限に抑えるために、自動的にオフになるように設計されている。例えば、この装置は、ある一定時間使用されずにいると、自動的にオフになるか、またはより低い電力使用量に切り換わることができる。かかる期間は、例えば、5分とすることができる。いくつかの実施形態では、使用者は、かかる非動作状態が自動的に起動されるまでの時間を、より長く、またはより短くするように装置の設定を変更することができる。
【０１７５】
バッテリパック1493は、どのようなタイプの蓄電装置、または可搬式の発電技術も含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、1回使用の使い捨てユニットである電池を使用し、他の実施形態は、再充電可能なユニットを使用している。バッテリパック1493は、様々な実施形態において、アルカリ電池、ニッケル−カドミウム(NiCad)電池、ニッケル−金属水素(NiMH)電池、リチウムイオン電池、または他のタイプの電池を含むことができる。バッテリパック1493は、ある期間の間(例えば、1日など)、または数人の患者(例えば、医療専門家が勤務時間の間に看ることのできる典型的な患者数など)分の測定を行う能力を有するように構成することができる。測定を行うように構成された可搬式ユニットと、解析機能を実施するように構成された、より可搬性の少ない基地局とを備える装置1412の実施形態では、可搬式ユニットは、基地局上、または基地局内に配設されている間に再充電されるように構成することができる。さらに、かかる実施形態では、可搬式ユニットが基地局上、または基地局内に配設されている間にデータ測定値をダウンロードすることができる。いくつかの実施形態では、可搬式ユニットは、ドッキング受台または再充電用受台に配設することができ、この受台は、基地局と通信するように構成されている。
【０１７６】
バッテリパック1493は、取外し可能な電池ユニットを備えるように構成することができ、したがって、放電したバッテリユニットを取り外し、十分に充電済みの電池ユニットと取り換えることができる。ある実施形態では、バッテリパック1493は、室内灯などの周囲光源から装置1420に十分な電力を供給するように構成することができる、太陽電池などの光起電素子を備えることができる。他の実施形態では、例えば、電気化学素子、燃料電池、機械式またはねじ巻式電源など、他の発電技術を使用することもできる。
【０１７７】
装置1412は、例えば、無停電電源装置(UPS)などのバックアップ電源を備えることができ、有利には、これを用いると、停電中にも測定を行い、解析を実施することを可能とすることができる。装置1412はまた、国際的に利用可能な広範囲にわたる入力電圧(例えば、110〜240ボルト、50〜60Hzの交流)の使用を可能とするように構成された汎用電源アダプタを備えることができる。
【０１７８】
図14Bに示すように、いくつかの実施形態では、記憶装置1480は、ハウジングのスロットを介して診断装置1420と接続するように構成されたメモリカード、例えば、セキュアデジタル(SD)カード1482などを備えることができる。SDカード1482は、例えば、不揮発性メモリを備えることができ、診断装置1420から取り外すことができる。SDカード1482は、患者データまたは結果を、例えば、データ保存、ファイル保管(archiving)、または処理の目的で他の装置に転送するために、他の装置に接続することができる。他の実施形態では、メモリカード1482は、他のタイプの揮発性または不揮発性メモリ装置、あるいはフラッシュメモリ装置を備えることができる。ある実施形態では、メモリカード1482には、セキュアデジタル(SD)、コンパクトフラッシュ(登録商標)(CF)、メモリスティック(MS)、マルチメディアカード(MMC)、xD-Pictureカード(xD)、またはSmartMedia(登録商標)(SM)カードが含まれ得る。様々な実施形態において、メモリカード1482は、EEPROM(Electrically-erasable Programmable Read-Only Memory)、または不揮発性読取り書込みメモリ(NonVolatile Read-Write Memory)(NVRWM)、または他のどのようなタイプの半導体メモリも含むことができる。他の実施形態では、例えば、バッテリバックアップ式ランダムアクセスメモリ、磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory)(MRAM)、バブルメモリ、ミニハードディスク、または微小電気機械システム(MicroElectroMechanical Systems)(MEMS)メモリ装置などの他のタイプの記憶装置を使用することもできる。さらに他の実施形態では、装置1412は、光ファイバまたはケーブル接続を介して他の装置と通信するように構成される。
【０１７９】
いくつかの実施形態では、装置1412は、患者データを、将来取り出すことが可能な媒体に保存する。この媒体は、例えば、使用者が患者データまたは結果を、記憶媒体中のデータベース、または別の診断装置、またはデータネットワークに転送することを可能とするフラッシュメモリ、または他の可搬式メモリ装置であってよい。いくつかの実施形態では、データ/結果は、有線接続(例えば、金属線、ケーブル、光ファイバ、地上電話線、モデムなど)を介して伝送される。他の実施形態では、患者データまたは結果は、例えば、ブルートゥースワイヤレス技術、または別のワイヤレス、セル方式、または衛星伝送プロトコルを用いて、データベースまたはネットワークにワイヤレスに伝送することもできる。ワイヤレス技術には、地上波および/または衛星信号伝送が含まれ得、こうしたワイヤレス通信は、狭帯域または広帯域信号を介して行うことができる。ネットワークには、ローカルエリアネットワーク(LAN)または広域ネットワーク(WAN)が含まれ得る。ある実施形態では、装置1412は、有線通信、およびワイヤレス通信のどちらも実施するように構成することができる。いくつかの実施形態では、装置1412は、取得した患者データをリアルタイムに伝送することができ、一方、他の実施形態では、装置1412は、データを後で伝送することができ、これは、例えば、利用可能なネットワーク帯域幅および/もしくはネットワークまたは解析待ち行列プロトコルに依存し得る。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、装置1412は、可搬式ユニットが信号取得および測定機能を実施し、可搬性のより少ない基地局が、信号解析機能(例えば、ウェーブレット診断パラメータの計算)を実施するように構成することができる。かかる実施形態では、装置1412は、可搬式ユニットが基地局と通信し、基地局が記憶媒体、データネットワーク、または情報システムと通信するように構成することができる。かかる実施形態では、可搬式ユニットは、無線周波数識別(RFID)装置を含むように構成することができ、この装置は、例えば、装置識別データ、位置データ、追跡データなどを提供することができる。RFID装置により、登録された可搬式ユニットだけが基地局と通信することを許可することによって、セキュリティを強化することができる。
【０１８１】
患者データおよび/または測定結果は、患者データベース内に保存することができ、したがって、使用者は、データまたは結果を前の測定値と比較することが可能である。患者データまたは結果は、ローカルまたは遠隔装置、ネットワーク、またはノードに保存することができる。例えば、一実施形態では、患者データまたは結果は、病院情報システム(Hospital Information System)(HIS)に通信され、そこで、そうしたデータまたは結果は、その患者を看護する他の医療専門家と共有することができる。いくつかの実施形態では、装置1412は、データベースまたはHIS内の、異なる患者年齢層や身体タイプの情報に従って較正することができる。かかる情報は、例えば、フラッシュメモリカード、または外部データベースに保存することができる。装置1412によって、使用者は、例えば、診断結果を年齢層や身体タイプにわたって比較することができる。診断結果は、セキュリティを強化するために暗号化することができる。
【０１８２】
いくつかの実施形態では、装置1412は、患者の測定値または結果を、例えば、プリンタ、プロッタ、または表示装置などの図形表示装置に出力する能力を含む。装置1412からのデータは、例えば、ワイヤレスネットワークを介して、パラレルまたはシリアルポート、ユニバーサルシリアルバス(USB)、またはIEEE 1394(例えばファイヤワイヤ)接続を備えるケーブルを介して、または可搬式のメモリ装置を介して、図形表示装置に送信することができる。装置1412の出力は、例えば、数字、または文字スケールで示すことができ、または、閉塞の重症度を示すため、色分けされたフォーマットで示すことができ、かつ/または、走査結果の二次元または三次元表示を示すようにフォーマット化することもできる。結果は、患者の内部または外部の解剖学的構造と同時に表示することができる。いくつかの実施形態では、装置1412は、どのような閉塞の位置も適当な言語で説明を生成することが可能である。かかる説明は、例えば、装置1412が走査の完了時に自動的に生成することができる臨床的なテキスト説明であってもよい。いくつかの実施形態では、装置1412は、トーン、ベル、聴覚信号などの音響出力を生成することができ、または、患者情報を提供する音声合成システムを使用することもできる。
【０１８３】
図形表示装置は、例えば、レーザプリンタ、インクジェットプリンタ、感熱プリンタなどのプリンタ、または患者データまたは結果に対応する有形記録を提供するように構成された他の装置を備えることができる。この図形表示装置はまた、例えば、モニタ、ブラウン管(CRT)表示装置、液晶表示装置(LCD)、発光ダイオード(LED)装置、MEMS表示装置、または他の単色、グレースケール、またはカラー表示装置などの表示装置ユニットを備えることができる。可搬式ユニットおよび基地局を備える装置1412の実施形態では、ユニットか、または両方ともが、図形表示装置を含むように構成することができ、それらはそれぞれ、同じ、または異なるフォーマットでデータを出力するように構成することができる。例えば、可搬式ユニットは、信号取得、および信号検証に関する情報を出力することができ、基地局は、ウェーブレット診断パラメータまたは閉塞位置などの患者の診断情報を出力することができる。
【０１８４】
図形表示装置は、データをテキストフォーマットおよび/または図形フォーマットで出力することができる。いくつかの実施形態では、装置1412は、例えば、PDF(Portable Document Format)、HTML(HyperText Markup Language)、ASCII、リッチテキストフォーマット(RTF)、Microsoft(登録商標)Word(登録商標)またはOffice(登録商標)フォーマット、JPEG(Joint Photographic Experts Group)、GIF(Graphics Interchange Format)、PNG(Portable Network Graphics)、ビットマップ(BMP)などの標準の業界フォーマットでデータを提供するように構成されている。患者データまたは結果は、例えば、データベースプログラム(例えば、SQL(Structured Query Language)またはMicrosoft(登録商標)Access(登録商標)を用いたフォーマット)、数学解析プログラム(例えばMATLAB(登録商標)、Maple(登録商標)、またはMathematica(登録商標))、コンピュータグラフィクスプログラム(例えば、Autodesk(登録商標)、AutoCAD(登録商標)、Microsoft(登録商標)PowerPoint(登録商標)、またはVisio(登録商標))、あるいは他の業界標準プログラムまたは登録商標プログラムなどの、他の適当なプログラムに含めるのに適したフォーマットで出力することができる。ある実施形態では、図形出力は、医療保険会社が使用するのに適した形とすることができる。
【０１８５】
図形フォーマットには、二次元および三次元視覚化プロトコルが含まれ得る。いくつかの実施形態では、図形表示装置は、患者データまたは結果を、例えば、MPEG(Moving Picture Experts Grouop format)、AVI(Audio Video Interleave format)、Apple(登録商標)QuickTime(登録商標)フォーマット、または他の適当な業界フォーマットまたは登録商標フォーマットなどのフォーマットで、動画またはビデオとして出力することができる。
【０１８６】
いくつかの実施形態では、図形表示装置は、様々な図形を生成するように構成することができ、これを用いて、患者データまたは結果の適当な視覚化を実現することができる。一実施形態では、図形表示装置は、患者が使用するのに適したフォーマットで、かつ/または医師、臨床医、診断医、または医療専門家が使用するのに適したフォーマットで、データを出力することができる。例えば、患者の閉塞の重症度の時刻歴を示すグラフは、疾患軽減療法の有効性をモニタするのに有用となり得る。さらに、図形は、患者データまたは結果と他の診断パラメータとの相関を示すことができる。例えば、一実施形態では、グラフは、患者のウェーブレット診断パラメータ、心拍数、肥満度指数、閉塞位置などを示すことができる。他の患者のデータを保存する、または他の患者のデータへのアクセスを有する実施形態では、図形表示装置は、例えば、適当な患者統計コホート全員の複数のウェーブレット診断パラメータを示すことができる。かかるデータを使用して、有利には、コホート構成員の治療結果を追跡することができる。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、装置1412は、他の診断技術と適合性があり、したがって、より優れた診断を得るために、診断装置1420からの結果を、他の手技から得られる情報に組み込むことができる。本明細書にて論じた方法に加えて使用するのに適した他の診断技術には、例えば、磁気共鳴画像法(MRI)、コンピュータ断層撮影法(Computer Aided Tomography)(CAT)、陽電子放射断層撮影法(Positron Emission Tomography)(PET)、X線、超音波、心電図、脳波図、血圧、血液化学、ストレステスト、および/または肥満度指数(BMI)が含まれる。他の診断手技もまた同様に利用することができる。
【０１８８】
図14Cは、図14Bの装置1412の概略的な側断面図を示す。図14Cは、図14Bで概略的に重ね合わせて示した様々な構成要素の相対位置を示している。診断装置1420は、一実施形態では、約2インチ(5.08cm)の厚さ1498を有することができる。表示装置1472に取り付けられた取外し可能なカバー1495が、装置1412本体の残りの部分から切り離された状態で示されている。
【０１８９】
図14Dは、診断装置1423、表示装置1473、ケーブル1419、および音響センサ1417を含む診断装置1413の実施形態の写真である。診断装置1423は、一般に、例えば、丈夫であるが持ち運び可能な金属またはプラスチック箱などのハウジング内に収容し、それによって保護することができる。
【０１９０】
図15Aは、生物学的現象を診断する装置1510の実施形態の概略図である。様々な下位構成要素が示されている。図15Aはまた、信号および工程どのような順序で生じるか、また、信号をあるやり方で様々な構成要素に伝送することができるかを示す流れ図でもある。
【０１９１】
装置1510は、4つのセンサ1514A〜1514D、アナログ信号調整器1530、アナログ−デジタル変換器(ADC)1540、デジタル信号処理装置(DSP)1550、入出力処理装置(I/O処理装置)1560、タッチスクリーンを備えたLCD表示装置1570、取外し式データカード1580、充電器1591、バッテリパック1593、および電源装置1595を含む。図15Aに示す実施形態では、充電器1591およびセンサ1514A〜1514D以外の構成要素は全て、診断装置1518の一部である。
【０１９２】
ある実施形態では、装置1510は、以下に従って構成し、機能することができる。センサ1514A〜1514Dは、生体適合性接着剤で被検者の皮膚に取り付けられる圧電PVDF音響センサである。センサ1514A〜1514Dは、身体からの音響エネルギーを、さらなる処理のためにアナログ電気信号に変換する。アナログ信号調整器1530が、センサからアナログ電気信号を受信し、低域フィルタアンチエイリアシングフィルタによってそれらの信号をフィルタリングし、増幅させる。
【０１９３】
アナログ−デジタル変換器1540は、調整済アナログ信号を受け取るとともに、デジタル信号を生成するように、それらのアナログ信号をあるサンプリングレートでサンプリングする。ある実施形態では、サンプリングレートは、例えば、2kHz、4kHz、5kHz、22kHz、44kHz、120kHz、500kHz、1MHz、または他の適当なサンプリングレートであってもよい。必ずしもそうである必要はないが、サンプリングレートは、低域フィルタリングされたアナログ信号が、ナイキストサンプリングされる、すなわち、例えば、低域フィルタリングされたアナログ信号に存在する最大周波数の2倍以上のレートでサンプリングされるほど十分に大きいことが好ましい。この工程の間、4つの信号は全て同時にサンプリングされ、次いで、さらなる処理のためにデータバス(図示せず)に提供される。他の実施形態では、4つの信号は、順次サンプリングすることもできる。
【０１９４】
デジタル信号処理装置1550を用いて、アナログ−デジタル変換器1540用のサンプリングレートを定義し、データを揮発性メモリ(DSP1550の一部分とすることができる)に移し、センサ1514A〜1514Dが接続され、機能し、心拍動を感知しているかを検証するアルゴリズムを実行することができる。DSP1550は、例えば、図9のブロック930を参照しながらさらに説明したように、デジタルFIRフィルタなどの別の低域フィルタをデジタル信号に適用し、このデジタル信号をウェーブレット変換解析のために、単一の心拍動心拡張期間に分解(parse)する。ウェーブレット解析が完了すると、動脈血流内の乱流を表す周波数の有無に基づいて、ウェーブレット診断パラメータが生成される。
【０１９５】
入出力処理装置1560が、LCD表示装置1570を介してシステム動作を整合(coordinate)させる。I/O処理装置1560は、グラフィカルユーザインターフェイス(GUI)を含むことができ、それによって、図形出力を、情報を与える有用な形にフォーマット化することができる。電源を入れる(これは、充電器1591への入力解除に対応する)と、処理装置は、取外し式データカード1580(例えば、不揮発性またはフラッシュメモリカード)が、システムに取り付けられているか確認するためにチェックする。データカード1580がない場合、使用者にカードを挿入するように指示するエラーメッセージがLCD表示装置1570に表示される。カードがあると、様々な図形メッセージまたはテキストメッセージがLCD表示装置1570に送信され、使用者のタッチスクリーンによる応答が処理されて、データ収集および保存が整合される。I/O処理装置1560はまた、記録されている各データ組に、ユニットのシリアル番号および増分記録番号からなる識別子を割り当てる。さらに、I/O処理装置1560は、生データ、およびデジタル信号処理装置1550からのどのような処理結果も、取外し式データカード1580の不揮発性メモリに保存する。I/O処理装置1560はまた、センサ1514A〜1514Dからの信号が非動作状態になるかどうかモニタし、10分などの適当な時間の経過後、節電モードに入る。節電モードに入った後は、タッチスクリーン動作によって、このユニットは再始動することになる。
【０１９６】
タッチスクリーンを備えたLCD表示装置1570によって、I/O処理装置1560が生成した指示または情報が使用者に視覚的に提供される。このLCD表示装置はまた、使用者からの触覚応答を受け取り、こうした応答をI/O処理装置1560に提供する。
【０１９７】
いくつかの実施形態では、取外し式データカード1580は、I/O処理装置1560からデータを受信し、そのデータを保存するフラッシュメモリベースの装置を備える。カード1580は、データを大容量記憶システム(図示せず)に転送し、実施可能なさらなるデータ解析を行い、データをファイル保管するために装置1510から取り外される。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、例示の構成要素は、可搬式ユニット1520を備えることができ、この可搬式ユニット1520は、手に持って使用するのに適したサイズおよび重量を有するように構成することができる。バッテリパック1593は、装置1510に電力を供給するリチウムイオン電池を備えることができる。装置1510が可搬式ユニット1520を含む場合、使用者への感電を予防する様々な機構が有利となり得る。例えば、いくつかの実施形態では、充電器1591が接続されている間は、可搬式ユニット1520(および/または装置1510)によって信号測定を実施することが不可能となるインターロックシステムがある。これらの実施形態では、信号取得に備えて電源装置1595から可搬式ユニット1520に電力供給する前に、このユニット1520を充電器1591から取り外さなければならない。バッテリパック1593は、過充電、過度の電流流出、および低電圧に対する保護を含み、それによってバッテリパック1593のさらなる放電が阻止される。
【０１９９】
電源装置1595は、バッテリパック1593から電力を受け取り、可搬式ユニット1520の全ての構成要素で使用できるように電力を調整する。電源装置1595は、構成要素に必要となる電圧を供給するための様々な電圧調整器を備えることができる。充電器1591は、バッテリパック1593に適当な電圧および電流を供給するように特別に設計することができる。電源装置1595は、交流電圧を受け入れるように構成することができ、また、適当な国際交流電圧の組合せを受け入れるように構成された汎用電源アダプタを含むことができる。この装置1510は、可搬式ユニット1520が患者の信号を測定するために使用されている間は、電力が可搬式ユニット1520に流れるのを防止するインターロックを含むことができる。かかるインターロックは、患者が感電する、または過剰な電流が患者に達するのを防止している。
【０２００】
図15Bおよび15Cは、図14Aの装置1410および/または図15Aの装置1510と同様に機能することができる、処理ユニット1532用の電子回路の概略図を示す。しかし、この代替実施形態では、いくつかの構成要素は、異なっていてもよい。例えば、この実施形態では、6つの音響センサ1536A〜1536Fが、ケーブル1538を介して処理ユニット1532に結合されている。いくつかの実施形態では、センサ1536A〜1536Fは、患者の心拍動をモニタし、心音を表す信号を伝送するように患者の胸部に接着された超音波パッチである。
【０２０１】
センサ1536A〜1536Fから受信した信号を増幅し、増幅済信号を複数の演算増幅器1540に伝送するように、各センサ1536A〜1536Fに前置増幅器1538を結合することができる。例示の実施形態では、演算増幅器1540は、約18デシベルの公称利得で1kHzまで平坦な周波数応答を有するシングルエンド(single ended)低雑音増幅器である。この演算増幅器は、少なくとも1つのアナログ−デジタル変換器1542に結合された出力を含む。アナログ−デジタル変換器1542は、演算増幅器1540から受信した信号のデジタル化、多重化、同期、および局在化(localizing)の少なくとも1つを行い、ダイナミックメモリ(DMA)チップ1546を介してデジタル信号をデジタル信号処理装置ユニット1544に伝送するためのものである。例によって図15Bに示すように、アナログ−デジタル変換器1542は、Analog Devices(登録商標)AD 7864またはAD 7874である。
【０２０２】
デジタル信号処理装置ユニット1544は、アナログ−デジタル変換器1542に結合され、センサ1536A〜1536Fから受信した信号を処理するデジタル信号処理装置コア(DSPコア)1518を含む。一実施形態では、デジタル信号処理装置ユニット1544は、Analog Devices(登録商標)ADSP-21065 32ビット浮動小数点DSPを備える。DSPコア1518は、汎用入出力インターフェイス(GPIO)1548を介して表示装置1528およびキーボード1529に結合されている。処理装置1544ユニットはまた、DSPコア1518に結合されたランダムアクセスメモリ(RAM)1550、ならびにDSPコア1518をSDRAMメモリ1554に結合するSDRAMインターフェイス1554を含む。読出し専用メモリ(ROM)1556が、DSPコア1518用の起動命令またはブート命令を保存するためにDSPコア1518に結合されている。外部バス1558が、フラッシュカード1531を、DSPコア1518ならびにモデム1560に結合するためにDSPコア1518に結合されている。フラッシュカード1531とモデム1560とはどちらも、DSPコア1518と外部装置との間でのデータの転送を実現する。この処理ユニット1532はまた、ハウジング1526内に取り付けられ、処理ユニット1532に電力を供給するバッテリ1562を含む。
【０２０３】
図16A〜16Nは、図14Aの装置1410、および/または図15Aの装置1510、および/または図15Bおよび15Cに示す処理ユニット1532と同様に機能することができる装置の実施形態用の電子回路の概略図である。
【０２０４】
図16Aは、音響センサ(例えば、センサ1416A〜1416D、またはセンサ1516A〜1516D)から来る4つのリード1602用のコネクタを概略的に示す。これらのリードは、音響センサを、例えば、信号調整器1430または1530などの信号調整器に接続することができる。4つのチャネル、すなわちチャネルA〜Dが示されているが、他の実施形態では、より少数の、またはより多数のチャネルを使用することができる。
【０２０５】
図16Bは、アンチエイリアシングフィルタ1604を概略的に示す。このアンチエイリアシングフィルタは、例えば、図14Aの信号調整部分1430および/または図15Aのアナログ信号調整器1530の一部とすることができる。図16Aに示すチャネルA〜D用のコネクタは、図16BのチャネルA〜D用のコネクタに接続する。この図は、様々な電気接続(黒実線)、コンデンサ(Cで標示され、マイクロファラド単位の容量を有する)、および抵抗器(Rで標示され、オーム単位の抵抗を有する)を示している。いくつかのアース接続もまた、示されている。
【０２０６】
図16Cは、アナログ入力チャネルAおよびBに対応する差動増幅器1614を概略的に示す。これらの差動増幅器は、同じ利得を有する。入力信号は、「入力チャネル」に沿ってこれらの差動増幅器1614に入り、「出力チャネル」に沿って出力される。各差動増幅器は、基準電圧に接続されている。
【０２０７】
図16Dは、アナログ入力チャネルCおよびDに対応する差動増幅器1616を概略的に示す。これらの差動増幅器は同じ利得を有するが、図16Cの差動増幅器1614の利得とは異なる利得である。入力信号は、「入力チャネル」に沿ってこれらの差動増幅器1616に入り、「出力チャネル」に沿って出力される。各差動増幅器は、基準電圧に接続されている。
【０２０８】
図16Cおよび16Dの回路は、入力チャネルからの信号を増幅し、かつ/または調整する。ゆえに、図14Aの信号調整部分1430および/または図15Aのアナログ信号調整器1530の役割を少なくとも部分的に果たしている。
【０２０９】
図16Eは、アナログ−デジタル変換器(ADC)1640に関連する電子回路を概略的に示す。このADC 1640は、例えば、例示のAnalog Devices(登録商標) AD7864 ADCチップ1642を備えることができる。ADCチップ1642への入力は、「出力チャネル」A〜Dと標示されているが、これは、それらの入力が、図16Cおよび16Dの差動増幅器1614および1616からの出力であるためである。ADCチップ1642は、入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、それらのデジタル信号を図示のようにDSPに出力する。このADC 1640は、例えば、図14AのADC 1440および/または図15Aのアナログ−デジタル変換器1540の役割を少なくとも部分的に果たすことができる。
【０２１０】
電圧基準バッファ1644が、図16Cおよび16Dの差動増幅器1614および1616に接続している。このバッファ1644は、電圧を2.5ボルトまでバイアスして、正および負の電源装置の必要を回避している。図16Eはまた、減結合コンデンサ(decoupling capacitor)1646を示している。
【０２１１】
(図14Aの処理装置1450、および図15Aのデジタル信号処理装置1550に関して概括的に説明した)DSPも、(図14Aの入出力処理装置1460および図15Aの入出力処理装置1560に関して概括的に説明した)I/O処理装置も、図16A〜16Nの概略回路図には特に示されていないが、図示の構成要素のいくつかは、これらの処理装置と接続するように設計されている。例えば、I/O処理装置(図示せず)は、ARM(登録商標)(Advanced Risc Machine)処理装置でよく、DSPは、上述のように、EZ-Lite kitを備えることができる。ある実施形態では、DSPは、16、32、または64ビット縮小命令セットコンピュータ(reduced instruction set computer)(RISC)装置、または他の適当なマイクロプロセッサまたはコンピュータを備えることができる。センサからの信号は、DSPインターフェイスを介してARM処理装置に送信することができ、このARM処理装置は、入力装置にインターフェイスサポート(例えば、タッチスクリーンまたはキーパッドなど)をもたらし、記憶装置(例えばメモリカードなど)へのデータ保存を管理し、さらに、表示装置(例えば、LCDモニタなど)上にテキストとして、または図形として表示すべき情報をフォーマット化する。
【０２１２】
図16Fは、DSPをI/O処理装置に接続することができるEMAFEコネクタ(図14Bのコネクタ1487など)の概略図である。
【０２１３】
図16G、16H、および16Jは、電気構成要素同士を接続するために使用することができるSharp(登録商標)LH7A404カードエンジンコネクタの概略図である。
【０２１４】
図16Gは、I/O処理装置を他の構成要素に接続することができる電気コネクタを概略的に示す。いくつかの実施形態では、このコネクタは、例えば、I/O処理装置を表示装置に接続することができる。
【０２１５】
図16Hは、I/O処理装置を、タッチスクリーンを備えたLCD表示装置などの他の構成要素に接続することができる電気コネクタを概略的に示す。このタッチスクリーンは、使用者が画面の一部分(例えば、左側など)に触れると、タッチチャネル1652(例えば、「左に触れる(touch left)」と標示されたチャネル)を介して信号をI/O処理装置に送信することができる。
【０２１６】
図16Iは、I/O処理装置を、タッチスクリーンを備えたLCD表示装置などの他の構成要素に接続することができる別の電気コネクタを概略的に示す。図16Hおよび16Iに示すコネクタは、例えば、I/O処理装置1460を、例えば、図14Aの入力装置1470および/または出力装置1490に接続する一助となることができる。いくつかの実施形態では、図16Hおよび16Iに示すコネクタは、I/O処理装置1560を、図15Aのタッチスクリーンを備えたLCD表示装置1570に接続する一助となることができる。
【０２１７】
図16Jおよび16Kは、I/O処理装置を、メモリカードなどの他の構成要素に接続することができる電気コネクタを概略的に示す。図16Jおよび16Kに示すコネクタは、例えば、I/O処理装置1460を、例えば、図14Aの記憶装置1480に接続する一助となることができる。いくつかの実施形態では、図16Jおよび16Kに示すコネクタは、I/O処理装置1560を、図15Aの取外し式データカード1580に接続する一助となることができる。
【０２１８】
図16Lは、電源装置に関連する電子回路を概略的に示す。2つの電力調整回路1672を用いて、アナログ回路に供給される電力から、デジタル回路に供給される電力を減結合(decouple)することができる。電力順序付け(power sequencing)部分1674を用いて、様々な回路処理装置チップの様々な部分に正しい順序で電力を供給することができる。
【０２１９】
図16Mおよび16Nは、デバッグ(debugging)の目的で、本明細書に記載の他の回路の様々な部分に接続することができる診断回路を概略的に示す。これらの診断回路は、例えば、DSPに接続することができる。
【０２２０】
以下の表に、図16A〜16Nに示す電子回路と共に有利に使用することができる電子部品の例の一覧を示す。
【０２２１】
【表１Ａ】
2008528112.tif 000017
【表１Ｂ】
2008528112.tif 000018
【表１Ｃ】
2008528112.tif 000019
【表１Ｄ】
2008528112.tif 000020
【表１Ｅ】
2008528112.tif 000021
【０２２２】
本発明の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で示したものであり、網羅的なものでも、本発明を開示の形に限定するものでもない。上記の開示を考慮すれば、明白な改変形態および変形形態が可能である。記載の実施形態は、当業者が本発明を様々な実施形態において利用し、企図される特定の使用に適した様々な改変形態と共に利用することが可能となるように、本発明の原理およびその実際的な応用例を例示するものである。本明細書に記載の特徴、ステップ、および構成要素は、可能な場合には組み合わせて、開示の本発明の追加の実施形態を成すことができる。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲によって定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０２２３】
【図１】冠状動脈を示すヒトの心臓の図である。
【図２】亀裂プラークによって部分的に狭小化した冠状動脈の断面図である。挿入図は、部分閉塞血栓、および完全閉塞血栓を示す。
【図３】血管形成手技または血管造影手技のために患者に挿入されたカテーテル装置を概略的に示す図である。
【図４Ａ】狭小部分を有するパイプ中の流体動を概略的に示す図であり、層流を概略的に示す。
【図４Ｂ】狭小部分を有するパイプ中の流体動を概略的に示す図であり、狭小部分下流の乱流を概略的に示す。
【図５】モルレーマザーウェーブレットを示す図である。
【図６Ａ】図5に示すモルレーマザーウェーブレットのドーターウェーブレットを示す図である。
【図６Ｂ】図5に示すモルレーマザーウェーブレットのドーターウェーブレットを示す図である。
【図６Ｃ】図5に示すモルレーマザーウェーブレットのドーターウェーブレットを示す図である。
【図６Ｄ】図5に示すモルレーマザーウェーブレットのドーターウェーブレットを示す図である。
【図７】離散ウェーブレット変換用のサンプリンググリッドを概略的に示す図であり、4つの時間−周波数分解能セルに対応するドーターウェーブレットの例を示す。
【図８】(xs,ys,zs)に位置する狭窄、狭窄によって発せられる音波、および(xi,yi,zi)に位置し、それらの音波を受信する複数の音響センサを示すのに好都合なデカルト座標系を概略的に示す図である。
【図９】冠状動脈閉塞を診断する方法の概括的なステップを示す流れ図である。
【図１０Ａ】音響センサと、その下にある、それらのセンサが上に配置される身体の解剖学的構造との間の概括的な対応を概略的に示す図である。
【図１０Ｂ】音響センサを患者の身体に配置する実施形態を概略的に示す図である。
【図１０Ｃ】音響センサを患者の身体に配置するためのテンプレートの実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ａ】様々な心臓信号、および心臓信号に現れる特徴を示す図である。
【図１１Ｂ】様々な心臓信号、および心臓信号に現れる特徴を示す図である。
【図１１Ｃ】様々な心臓信号、および心臓信号に現れる特徴を示す図である。
【図１２Ａ】音響データから冠状動脈閉塞の存在を診断する方法を示す概略ブロック図である。
【図１２Ｂ】6つの異なるスケールパラメータ値について、心拍動の心拡張期部分から得られたウェーブレット係数の絶対値のプロットである。
【図１３】ウェーブレット診断パラメータを比較診断パラメータと統計相関させる方法を示す流れ図である。
【図１４Ａ】冠状動脈疾患を診断する装置の実施形態を概略的に示す図である。
【図１４Ｂ】冠状動脈疾患を診断する装置の実施形態を概略的に示す平面図である。
【図１４Ｃ】図14Bに示す実施形態を概略的に示す側面図である。
【図１４Ｄ】冠状動脈疾患を診断する装置の実施形態の写真である。
【図１４Ｅ】可搬式ユニットおよび基地局を備える診断装置の実施形態を概略的に示す前面斜視図である。
【図１４Ｆ】図14Eに示す診断装置を概略的に示す後面斜視図である。
【図１５Ａ】診断装置の実施形態に使用することができる一般的な電子アーキテクチャを概略的に示す図である。
【図１５Ｂ】冠状動脈疾患を診断する装置の実施形態を概略的に示す機能ブロック図である。
【図１５Ｃ】冠状動脈疾患を診断する装置の実施形態を概略的に示す機能ブロック図である。
【図１６Ａ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｂ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｃ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｄ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｅ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｆ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｇ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｈ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｉ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｊ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｋ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｌ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｍ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【図１６Ｎ】冠状動脈疾患を診断する装置で使用するのに適した電子回路を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【０２２４】
1410  診断装置
1412  診断装置
1413  診断装置
1414  センサ
1416A、1416B、1416C、1416D  音響センサ
1417  音響センサ
1418  診断装置
1419  ケーブル
1420  診断装置
1421  ケーブル
1422  コネクタ
1423  診断装置
1430  信号調整ユニット
1431  可搬式ユニット
1432  ドッキングポート
1433a、1433b  表示装置
1434  キーパッド
1435  基地局
1436  交流電源コネクタ
1437  コネクタパネル
1438  冷却ファン排出口
1439  ハウジング
1440  アナログ-デジタル(A/D)変換器
1442  第1の回路板
1450  処理装置
1452  第2の回路板
1460  入出力(I/O)処理装置
1470  出力装置
1472  表示装置
1473  表示装置
1480  記憶装置
1482  メモリカード
1487  コネクタ
1490  入力装置
1492  オン/オフ制御部
1493  バッテリパック
1494  ジャック
1495  カバー
1498  厚さ
1510  装置
1514A、1514B、1514C、1514D  センサ
1518  診断装置/デジタル信号処理装置コア(DSPコア)
1520  可搬式ユニット
1526  ハウジング
1528  表示装置
1529  キーボード
1530  アナログ信号調整器
1531  フラッシュカード
1532  処理ユニット
1536A、1536B、1536C、1536D、1536E、1536F  音響センサ
1538  ケーブル/前置増幅器
1540  アナログ-デジタル変換器(ADC)/演算増幅器
1542  アナログ-デジタル変換器
1544  デジタル信号処理装置ユニット
1546  ダイナミックメモリ(DMA)チップ
1548  汎用入出力インターフェイス(GPIO)
1550  デジタル信号処理装置(DSP)/ランダムアクセスメモリ(RAM)
1554  SDRAMメモリ/SDRAMインターフェイス
1556  読出し専用メモリ(ROM)
1558  外部バス
1560  入出力処理装置/モデム
1562  バッテリ
1570  表示装置
1580  取外し式データカード
1591  充電器
1593  バッテリパック
1595  電源装置
【図１】
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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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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2008528112.tif 000052
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１６Ｈ】
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【図１６Ｉ】
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【図１６Ｊ】
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【図１６Ｋ】
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【図１６Ｌ】
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【図１６Ｍ】
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【図１６Ｎ】
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【国際調査報告】
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2008528112.tif 000068
2008528112.tif 000069