(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
植え込み型除細動器の植え込み部位における体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置において、
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定する設定手段と、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値になる組み合わせを求める演算手段と、
前記演算手段により求められた組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力する出力手段とを備えることを特徴とするコンピュータ装置。
【請求項２】
前記所定値は、前記関数の最小値であり、
前記関数は、
F(x,y,z)＝J(x,y,z)＋λ1d1(x,y,z,J)＋λ2d2(x,y,z,J)
x,y,z：ICD本体の留置部位、J(x,y,z)：除細動が成功する場合のエネルギー値、d1：心臓の重要部位における障害が発生する容積、d2：心臓の非重要部位における障害が発生する容積、λ1及びλ2：重み付け係数、
で表されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ装置。
【請求項３】
前記演算手段による演算結果に基づいて、前記出力手段は、除細動が成功する心臓局所部位と除細動できない心臓局所部位とを識別可能に画像出力することを特徴とする請求項１又は２に記載のコンピュータ装置。
【請求項４】
前記演算手段による演算結果に基づいて、前記出力手段は、心筋障害が発生する心臓局所部位と心筋障害が発生しない局所部位とを識別可能に画像出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコンピュータ装置。
【請求項５】
植え込み型除細動器の植え込み部位における体内電気伝導様式をコンピュータ装置によりシミュレーションする方法において、
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータをコンピュータ装置に記憶させるステップと、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定するステップと、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求めるステップと、
前記組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力するステップとを備えることを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項６】
植え込み型除細動器の植え込み部位における体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置を、
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を
設定する設定手段と、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求める演算手段と、
前記演算手段により求められた組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力する出力手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体内部に植え込む、植え込み型除細動器の植え込み部位で、植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置、さらに詳しくは、植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式から心臓への伝導形態をシミュレーションし、除細動効果と心筋障害の程度を測定するコンピュータ装置、及び該コンピュータ装置によるシミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体内部に植え込む植え込み型除細動器（Implantable Cardioverter Defibrillator :ICD、以下ICDと略す）は、心臓性突然死の原因となる心室頻拍や心室細動などの心室性頻脈性不整脈を治療する体内植え込み型の医療器具である。通常は除細動器本体を前胸部に留置し、本体に接続されたリードを経静脈的に右心室に留置する。ICDは、植え込まれた人体の心拍数を感知し、心拍数があらかじめ設定された基準を上回ると、本体とリードに設置されたコイル電極との間で直流通電（電気ショック）を行い電気的除細動により、心室細動などを停止させ、心臓性突然死を予防する。
【０００３】
ICDの作動により、除細動に成功するエネルギー値（除細動閾値）以上の電気的出力により、除細動が行われるが、その高電流により心筋障害が惹起され、生命予後を悪化させる可能性が示唆され、心筋障害の抑制を目的としたICDの留置部位の検討が行われている（非特許文献１）。
【０００４】
また、近年、経静脈リードを用いない皮下植え込み型除細動器（Subcutaneous Implantable Cardioverter Defibrillator: S-ICD、以下S-ICDと略す）が開発され、リードを血管内ではなく皮下に埋め込む形態のS-ICDによる治療も行われているが、現状において、S-ICDの除細動閾値は、従来の経静脈リードを用いるICDのそれより大きく、ICDと同様に、心筋障害の可能性が指摘されている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】New Heartopics Vol.26 (JAPAN LIFELINE ARRHYTHMIA THERAPY REPORT) 「植込み型除細動器作動時の効果的な体内電流伝導様式に基づく心筋障害の抑制を目的としたデバイス植込み部位の検討」（野呂眞人）、2014.4
【非特許文献２】Computer Simulation of Defibrillations Using Subcutaneous Implantable Cardioverter Defibrillators、Xin Zhu、Mahito Noro and Kaoru Sugi、2014.10
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ICD作動時の出力エネルギー（除細動閾値）を抑制することで、心筋障害の程度を軽減させ、生命予後を改善させる可能性がある。本発明者は、ICDの植え込み部位により除細動閾値が異なるとの着想のもと、コンピュータシミュレーションによりICD作動時の人体内の電気伝導様式から除細動閾値及びそれによる心筋障害の程度を算出する研究を進めてきた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ICDの植え込み部位でのICD除細動閾値とそれによる心筋障害の程度をコンピュータシミュレーションし、心臓への障害が少なく、且つ、より低出力で確実に除細動が行える至適な植え込み部位を判定することができるコンピュータ装置及びシミュレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明のコンピュータ装置は、植え込み型除細動器の植え込み部位における該植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置であって、所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位である、及び植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定する設定手段と、複数の本体留置部位と、複数のリード留置部位との全組み合わせについて、人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値になる組み合わせを求める演算手段と、演算手段により求められた組み合わせにおける本体留置部位とリード留置部位を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のシミュレーション方法は、コンピュータ装置により植え込み型除細動器の植え込み部位における該植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションする方法であって、所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータをコンピュータ装置に記憶させるステップと、人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定するステップと、複数の本体留置部位と、複数のリード留置部位との全組み合わせについて、人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求めるステップと、演算手段により求められた組み合わせにおける本体留置部位とリード留置部位を出力するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のコンピュータ装置及びシミュレーション方法によれば、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たす植え込み型除細動器の最適植え込み部位を決定することができる。また、より低い除細動閾値による除細動により低出力の除細動器の動作が可能となることで、心筋障害の発生を抑制し、さらに、心筋障害の発生する領域をより小さくする部位に除細動器を留置することで、生命予後の悪化を予防することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態におけるコンピュータ装置の構成例を示す。
【図２】本実施の形態におけるシミュレーション処理の全体フローチャートを示す。
【図３】人体モデル作成処理のフローチャートを示す。
【図４】人体モデルの画像例を示す。
【図５】人体モデルの画像データ上に設定されたICD本体とそのリードの留置部位の例を示す。
【図６】シミュレーション演算に求められた電流伝導経路の画像例を示す。
【図７】局所除細動の成否部位画像表示処理のフローチャートである。
【図８】図７の処理により局所除細動の成否部位を可視化した画像例である。
【図９】心筋障害発生部位画像表示処理のフローチャートである。
【図１０】図９の処理により心筋障害発生部位の有無を可視化した画像例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態におけるコンピュータ装置の構成例を示す。コンピュータ装置は、汎用的なパーソナルコンピュータであって、据置型やノートブック型などの形態を問わない。コンピュータ装置は、汎用的なコンピュータ装置のハードウェア構成を有し、バス１１１には、ＣＰＵ１１２、ＲＯＭ１１３、ＲＡＭ１１４、ネットワークインタフェース１１５、入力装置１１６、表示装置１１７及び記憶装置１１８が接続されている。
【００１４】
ＣＰＵ１１２は、データの処理又は演算を行うと共に、バス１１１を介して接続された各種構成要素を制御するものであり、設定手段、演算手段、出力手段として機能する。ＲＯＭ１１３には、予めＣＰＵ１１２の制御手順（コンピュータプログラム）を記憶させておき、このコンピュータプログラムをＣＰＵ１１２が実行することにより、コンピュータ装置は起動する。記憶装置１１８は、例えばハードディスク記憶装置やＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク媒体などであり、本実施の形態におけるシミュレーションを実行するためのコンピュータプログラムを記憶し、そのコンピュータプログラムがＲＡＭ１１４にコピーされて実行される。ＣＰＵ１１２が、このコンピュータプログラムを実行することにより、後述する本実施の形態におけるシミュレーション処理を実行する。ＲＡＭ１１４は、データの入出力、送受信のためのワークメモリ、各構成要素の制御のための一時記憶として用いられる。
【００１５】
ネットワークインタフェース１１５は、ネットワークであるインターネットに接続するためのインターフェースである。入力装置１１６は、例えばキーボード、マウス等であり、各種指定又は入力等を行うことができる。表示装置１１７は、ディスプレイなどの表示手段であり、プリントアウトする場合は、プリンタが表示装置として機能する。
【００１６】
次に、上述のコンピュータ装置により実行される本実施の形態のシミュレーション処理について説明する。
【００１７】
図２は、本実施の形態におけるシミュレーション処理の全体フローチャートを示す。シミュレーション処理を実行するコンピュータプログラムとして、例えば、汎用的なシミュレーションソフトウェアとして知られているSCIRunを用いることができる。
【００１８】
まず、患者本人の人体のCT画像やMRT画像などの医療画像から当人の３次元人体モデルのデータを作成する（S100）。人体モデルは、それに含まれる臓器モデルを含み、医療画像から半自動（画像処理＋手動修正）又は手動で、肺や心臓などの臓器、さらには、骨、皮膚、血管などの人体部位を抽出することで、人体モデルが作成される。人体モデルを構成する臓器や部位は、３次元座標値としてその位置は定義される。人体モデルは、全身でなくともよく、本発明においては、ICDが植え込まれる心臓、肺近辺を含む人体の一部のモデルであってよい。
【００１９】
図３は、人体モデル作成処理のフローチャートを示す。まず、医療画像（CT画像やMRI画像）を読み込み（S101）、画像数値を用いて肺や骨を抽出し、その境界を設定する(S102)。さらに、画像数値を用いて脂肪、心筋、心臓内腔、血管を抽出し、その境界を設定する（S103）。そして、残った組織を筋肉として設定する(S104)。また、後述する有限要素法用の計算モデルとするために、心臓を含む臓器のメッシュモデルを作成する（S105）。
【００２０】
図４は、人体モデルの画像例を示し、人体の前面が表示されている例であり、皮膚を透明にし、臓器を色分け表示が可能であり、例えば心臓などICDが植え込まれる対象となる臓器が他の部位と異なる色付けにて表示される。
【００２１】
図２に戻り、作成された人体モデルおける臓器や部位に対して、導電率（又は抵抗値）を含むパラメータを設定する（S110）。臓器や部位ごとに異なる導電率を設定することで、除細動時のICD本体からリードへの電流伝導及び電圧分布のシミュレーションが可能となる。
【００２２】
そして、作成された人体モデルに対して、ICD本体及びリードの留置部位（位置）を設定する（S120）。ICD本体を留置可能な座標領域が定義され、その留置可能な領域を離散化してICD本体を留置可能な複数の座標位置を生成する。リードについては、留置部位が複数の特定位置（RV、SVA、皮下）に限られ、その特定位置を座標として定義する。２本のリードを留置する形態においても２本のリードそれぞれの留置部位を一つの留置パターンとして、特定位置を定義する。複数の特定位置からリードの留置部位を一つ選択し、そのリード留置部位について、ICD本体の留置可能座標領域内の離散化した全ての留置部位についてシミュレーション演算が実行される。後述するように、ICD本体の位置（留置部位）及びリードの位置（留置部位）のそれぞれ留置可能な位置の全組み合わせが順次選択され、全組み合わせに対してシミュレーション演算処理が実行される。
【００２３】
図５は、人体モデルの画像データ上に設定されたICD本体とそのリードの留置部位の例を示す。図５（ａ）は、リード１本のICD本体が前胸部に留置されている例、図５（ｂ）はリード２本のICD本体が前胸部に留置されている例、図５（ｃ）はリード１本のICD本体が腋窩部に留置されている例を示す。前胸部又は腋窩部における留置可能座標領域内において、ICD本体の留置部位は離散化されて定義され、また、リードの留置部位も、リードの本数も含めた心室内の複数の留置可能な部位が特定位置として定義される。
【００２４】
図２において、ICD本体及びリードの留置部位を設定した後、シミュレーションソフトウェアのアルゴリズムにより、除細動時の電流伝導及び電圧分布についてシミュレーション演算を実行する（S130）。シミュレーション演算は、例えば、共役勾配（conjugate gradient）及びヤコビ前処理（Jacobi preconditioner）を用いた有限要素法により行われ、電流伝導経路及び電圧分布が演算により求められる。また、シミュレーション演算は、ICDの出力エネルギー（Ｊ）の出力可能範囲内で所定単位値（例えば１Ｊ又は0.5Ｊなど）ステップで段階的に複数のエネルギー値について行われる。
【００２５】
除細動閾値（DFT: Defibrillation threshold）は、以下の式で表される。
DFT＝1/2CV2  (J)
【００２６】
CはICDのキャパシタンスであって約130μFの定数である。Vは除細動が成功する条件を満足する場合のICD本体とリード間の最小電圧である。除細動が成功する条件は、シミュレーションにより得られる電圧分布において、局所電位空間差分（1cm間隔の電圧）ΔV＞５V/cmとなる領域が心筋の９０％を超える場合である。除細動に成功する最小のエネルギー値が除細動閾値となる。また、局所電位空間差分ΔV＞30V/cmを超える領域は心筋障害を惹起すると定義されている。
【００２７】
図６は、シミュレーション演算により求められた電流伝導経路の画像例を示す。図６は、３次元画像の正面画像であり、ICD本体からリードへの電気力線が描かれている。電流はこの電気力線に沿って流れ、電圧分布は、電気力線に垂直な等電位面により表すことができる。
【００２８】
シミュレーション演算結果の数値解析により、局所電位空間差分ΔＶを計算し、除細動閾値（DFT）、及び心筋障害が発生した心筋領域の容積を求める(S140)。上述したように、局所電位空間差分ΔV＞５V/cmとなる心筋領域は、局所除細動が成功した領域であり、それ以外の心筋領域は局所除細動に失敗した領域となる。また、局所電位空間差分ΔV＞３０V/cmとなる心筋領域は、心筋障害が発生する領域であり、それ以外の心筋領域は心筋障害を引き起こさない領域となる。
【００２９】
ICDの複数の出力エネルギー値におけるシミュレーション演算において、除細動に成功する場合（局所電位空間差分ΔV＞５V/cmとなる領域が心筋の９０％を超える場合）の最小のエネルギー値を除細動閾値（DFT）と決定し、さらにその場合の、心筋障害を引き起こす心筋領域の容積を決定する。
【００３０】
さらに、心筋障害を引き起こす心筋領域の容積について、心臓の重要部位と非重要部位毎に分けた容積を求める。心臓において、刺激伝導系と呼ばれる部位は、洞房結節と呼ばれる部位で発生した心拍のリズムを心臓全体の心筋に伝え、有効な拍動を行わせるための構造であり、この刺激伝導系に障害が生じると、心筋興奮を伝導できなくなる。そのため、刺激伝導系への障害を考慮してICDの留置部位を調整することが、生命予後の悪化予防につながると考えられることから、刺激伝導系を構成する部位を重要部位とし、それ以外の部位を非重要部位として、それぞれの容積を求める。刺激伝導系を構成する部位は、少なくとも洞房結節、房室結節及びヒス束を含む。
【００３１】
図２において、除細動閾値（DFT）及び心筋障害を引き起こす心筋領域（重要部位、非重要部位それぞれ）の容積を求めた後、最適位置関数F(x,y,z)の値を求める（S150）。
【００３２】
最適位置関数F(x,y,z)は、以下の式で定義される。
F(x,y,z)＝J(x,y,z)＋λ1d1(x,y,z,J)＋λ2d2(x,y,z,J)  ・・・（１）
【００３３】
ここで、x,y,zは、ICD本体の位置、J(x,y,z)は、除細動が成功する場合のエネルギー値、d1は、心臓の重要部位における障害が発生する容積、d2は、心臓の非重要部位における障害が発生する容積、λ1、λ2は重み付け係数であり、通常λ1＞λ2（λ1＋λ2＝１）となる。上記（１）式において、最適位置関数F(x,y,z)の値が最小となる座標(x,y,z)がICD本体の最適部位となる。
【００３４】
ステップS160において、リードの留置部位に関して、すべての特定位置についてシミュレーション演算を行ったか否かを判定する（S160）。シミュレーション演算を行っていないリードの留置部位（リードの本数を含む）がある場合は、リードの留置部位の設定を、残っている留置部位に変更し（S170）、ステップS120からS160の処理を繰り返す。
【００３５】
シミュレーション演算を行っていないリードの留置部位がない場合は、ICD本体の留置部位とリードの留置部位のすべての組み合わせについてシミュレーション演算が行われたことになり、すべてのシミュレーション演算結果のうち、最適位置関数Fが最小となる位置（ICD本体の座標(x,y,z)とその場合のリードの留置部位（リードの本数を含む）の組み合わせ）を決定し、出力する（S180）。出力されるICD本体及びリードの留置部位は、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たす位置であり、このシミュレーション演算により、ICDの最適な留置部位を求めることができる。最適留置部位の出力は画像表示、数値表示として行われる。
【００３６】
S180で決定されたICDの最適留置部位におけるシミュレーション演算結果の画像表示が行われてもよい。シミュレーション演算結果を可視化する画像表示処理として、例えば、局所除細動が成功する部位と失敗した部位を色分け表示する処理、また、心筋障害が発生した部位と発生しない部位とを色分け表示する処理を実行することができる。
【００３７】
図７は、局所除細動の成否部位画像表示処理のフローチャートである。人体モデルの心臓部分のメッシュモデル及び、その部分に対するシミュレーション演算結果（電圧分布及び電位空間差分データ）を読み込み（S200）、各メッシュモデルについての電位空間差分ΔVがΔV＞5V/cmであるかを判定し（S201）、ΔV＞5V/cmである場合は、単元中心に数値１を与え（S202）、そうでない場合は単元中心に数値０を与える(S203)。そして、例えば数値１を青色、数値０を赤色として、心臓メッシュモデルを画像表示する（S204）。
【００３８】
図８は、図７の処理により局所除細動の成否部位を可視化した電圧分布の画像例である。図８に示すように、除細動に成功又は失敗した局所部位を３次元画像として色分け表示して容易に識別可能に可視化することができる。
【００３９】
図９は、心筋障害発生部位画像表示処理のフローチャートである。人体モデルの心臓部分のメッシュモデル及び、その部分に対するシミュレーション演算結果（電圧分布及び電位空間差分データ）を読み込み（S300）、各メッシュモデルについての電位空間差分ΔVがΔV＞30V/cmであるかを判定し（S301）、ΔV＞30V/cmである場合は、単元中心に数値１を与え（S302）、そうでない場合は単元中心に数値０を与える(S303)。そして、例えば数値１を赤色、数値０を青色として、心臓メッシュモデルを画像表示する（S304）。
【００４０】
図１０は、図９の処理により心筋障害発生部位の有無を可視化した電圧分布の画像例である。図１０に示すように、心筋障害が発生した部位及び発生しない部位を３次元画像として色分け表示して容易に識別可能に可視化することができる。
【００４１】
局所除細動の成否位置及び心筋障害の発生位置などの上記画像表示は、ICDの最適留置部位の場合のみに限らず、任意に選択したICDの留置部位について、シミュレーション演算結果に基づいて画像表示処理が可能である。
【００４２】
本実施の形態は以下の効果を有する。すなわち、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たすICDの最適植え込み部位を決定することができる。そして、ICDの植え込み手術前に、患者ごとに最適なICDの植え込み部位を決定することができることから、植え込み手術中のDFTテストが不要となる。また、より低い除細動閾値による除細動により低出力のICD動作が可能となり、心筋障害の発生を抑制し患者の負担を低減できるとともに、ICDの小型化、長寿命化も可能となる。さらに、心筋障害の発生する領域をより小さくする部位（位置）にICDを留置することで、生命予後の悪化を予防することができる。
【００４３】
本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００４４】
１１１：バス、１１２：ＣＰＵ、１１３：ＲＯＭ、１１４：ＲＡＭ、１１５：ネットワークインタフェース、１１６：入力装置、１１７：表示装置、１１８：記憶装置
【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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