(57)【要約】組織中の浮腫をモニタするために熱システムが提供される。熱エネルギーが、組織含水量がモニタされる組織部位１２で組織に供給される。加熱されたプローブ１０が組織部位（１２）に導入される。加熱されたプローブは、含水量に応じて変動する固有熱特性の関数としての熱反応を組織中で起こさせる。組織含水量は、プローブ１０によって検出される熱反応と、電源１６によりプローブに供給されたエネルギーと、含水量モデル２６によってモデリングされる組織含水量および熱特性の関係とから決定される。
2004530478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織の含水量を定量化する方法であって、
組織含水量が定量化される部位で組織にサーミスタを接触させるステップと、
組織の体積の温度を上昇させるように、サーミスタを通電するステップと、
組織の前記体積の組織含水量を、少なくとも一方が所定の方法で制御される、前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付けるモデルから得られる値に応じて計算するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記通電するステップが、サーミスタを周期的に通電して組織の体積の温度を周期的に上昇および下降させるステップを含み、
前記計算するステップが、少なくとも一方が予め定められている、各通電サイクルで前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および各通電サイクルでの前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付けるルックアップリファレンスから得られる値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を各通電サイクルで計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
生体組織中の含水量を定量化する方法であって、
含水量に応じて変動する、少なくとも１つの組織の固有熱特性に機能的に関連する熱反応を起こさせるように、熱エネルギーを供給するステップと、
前記熱反応と、前記供給するステップで供給される熱エネルギーとに機能的に関連する信号を生成するステップと、
前記信号と、組織含水量および前記固有熱特性を関連付けるモデルとを用いて、前記組織の含水量を計算するステップとを含む、方法。
【請求項４】
生体組織中の含水量を定量化する方法であって、
組織の熱伝導率に機能的に関連する熱反応を起こさせるように、組織の体積を加熱するステップと、
前記熱反応と、前記加熱するステップで供給される熱エネルギーとに機能的に関連する信号を生成するステップと、
前記加熱するステップ中の第１の時間間隔における組織の体積の固有熱伝導率を計算するステップと、
前記加熱するステップ中の後の時間間隔における計算された固有熱伝導率の値を用いて組織の体積の潅流を計算するステップと、
計算された潅流の値を用いて、前記第１の時間間隔における固有熱伝導率を再計算するステップと、
再計算された固有熱伝導率の値が実質的に不変な値に収束するまで、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップであって、潅流の各再計算では、前に計算された固有熱伝導率の値を用い、固有熱伝導率の各再計算では、前に計算された潅流の値を用いる、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップと、
組織の固有熱伝導率値を対応する組織含水量値に関連付けるステップと、
前記実質的に不変な固有熱伝導率の値と、熱伝導率値および組織含水量の関係から得られる実質的に等価な固有熱伝導率の値とに応じて、組織の体積の含水量を計算するステップとを含む、方法。
【請求項５】
生体組織の含水量を定量化する方法であって、
サーミスタを含水量が定量化される部位で組織に接触させて配置するステップと、
ある時間間隔中にサーミスタを通電してサーミスタの温度を上昇させ、前記部位の組織を前記部位の組織のベースライン温度より上に加熱するステップと、
熱が組織中を伝達される速度を組織含水量に関連付けるステップと、
前記時間間隔中にサーミスタに供給される電力と、前記部位でサーミスタからの熱が組織中を伝達される速度と、前記関連付けるステップで確立された関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を定量化するステップとを含む、方法。
【請求項６】
選択された部位での生体組織の含水量をモニタする方法であって、
前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させるステップと、
各温度サイクル中に、前記温度を周期的に上昇および下降させるステップで用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する前記部位での組織の熱特性とに機能的に関連する信号を生成するステップと、
組織の熱特性の組織含水量に対する関係のモデルを用いて、各温度サイクル中に、前記信号を生成するステップで得られる信号とモデリングされた関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を計算するステップとを含む、方法。
【請求項７】
生体組織の含水量をモニタする方法であって、
サーミスタ周囲の組織に熱接触するよう構成された通電可能なサーミスタを、組織内に導入するステップと、
前記サーミスタを周期的に通電および非通電して、周囲組織の温度を周期的に上昇および下降させるステップと、
各通電および非通電サイクル中に、前記サーミスタを通電させるのに用いられる電力と周囲組織の熱伝導率とに機能的に関連する信号を生成するステップと、
組織含水量および組織の熱伝導率の関係をモデリングするステップと、
各通電および非通電サイクル中の第１の時間間隔における周囲組織の固有熱伝導率の値を計算するステップと、
計算された固有熱伝導率の値を用いて、各通電および非通電サイクル中の後の時間間隔における潅流を計算するステップと、
計算された潅流の値を用いて、前記第１の時間間隔における固有熱伝導率を再計算するステップと、
再計算された固有熱伝導率の値が実質的に不変な値に収束するまで、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップであって、潅流の各再計算では、前に計算された固有熱伝導率の値を用い、固有熱伝導率の各再計算では、前に計算された潅流の値を用いる、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップと、
前記実質的に不変な固有熱伝導率の値と、前記モデリングするステップにより得られる関係とに応じて、周囲組織の含水量を各通電および非通電サイクル中に計算するステップとを含む、方法。
【請求項８】
生体組織の含水量を評価する方法であって、
熱エネルギーを組織に供給して、選択された部位での組織の温度を上昇させるステップと、
少なくとも一方が予め定められている、加熱ステップで用いられる電力および選択された部位での組織の温度上昇、ならびに、組織伝導率または組織拡散率を組織含水量と関連付けるモデルによって与えられる値に応じて、選択された部位での組織の組織含水量を表す値を計算するステップとを含む、方法。
【請求項９】
身体中の部位での生体組織中の含水量を評価する方法であって、
サーミスタを導入して含水量が評価される部位で組織に接触させるステップと、
サーミスタの温度を前記部位での組織のベースライン温度より上に上昇させるように、サーミスタを通電するステップと、
前記通電するステップでサーミスタに供給されるエネルギーと、サーミスタからの熱が前記部位で組織中を伝達される速度とに応じて、信号を生成するステップと、
熱が組織中を伝達される速度を組織含水量に相関させる知られている関係と、前記生成するステップで得られる信号とを用いて、前記部位での組織の含水量を表す信号を生成するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
生体組織の含水量を定量化するためのシステムであって、
組織の体積を加熱するサーミスタと、
組織の体積の温度を上昇させるように、前記サーミスタを通電する手段と、
組織伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記通電する手段および前記関連付ける手段と連絡して、少なくとも一方が所定の方法で制御される、前記サーミスタを加熱するのに用いられる電力および前記サーミスタの温度上昇、ならびに、前記関連付ける手段から得られる含水量値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を計算する手段とを備える、システム。
【請求項１１】
前記通電する手段が、前記サーミスタを周期的に通電して組織の体積の温度を周期的に上昇および下降させる手段を含み、
前記関連付ける手段がルックアップリファレンスを含み、
前記計算手段が、少なくとも一方が予め定められている、各通電サイクルで前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および各通電サイクルでの前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付ける前記ルックアップリファレンスから得られる含水値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を各通電サイクルで計算する手段を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
生体組織中の含水量を評価するためのシステムであって、
組織含水量が評価される部位で組織に熱接触するサーミスタ手段と、
前記部位での組織の温度を上昇および下降させるように、前記サーミスタ手段を通電および非通電する手段と、
前記サーミスタ手段を通電させるのに用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する、前記部位での組織の少なくとも１つの熱特性とに応じて、通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段と、
組織含水量と組織の前記少なくとも１つの熱特性との関係をモデリングする手段と、
前記信号を生成する手段により得られる信号と、前記モデリングする手段によりモデリングされる関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を通電および非通電サイクル中に評価する手段とを備える、システム。
【請求項１３】
前記通電する手段が、前記サーミスタ手段を周期的に通電および非通電して前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させる手段を備え、
前記信号を生成する手段が、各通電および非通電サイクル中に前記サーミスタ手段を通電させるのに用いられる電力と、前記部位での組織の少なくとも１つの熱特性とに応じて、各通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段を備え、
前記含水量を評価する手段が、各通電および非通電サイクルで前記信号を生成する手段により得られる信号と、前記モデリングする手段によりモデリングされる関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を各通電および非通電サイクルで評価する手段を備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記信号を生成する手段が、前記部位での組織の熱伝導率と、前記サーミスタ手段を通電するのに用いられる電力とに応じて信号を生成する手段を備える、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記信号を生成する手段が、前記部位での組織の熱拡散率と、前記サーミスタ手段を通電するのに用いられる電力とに応じて信号を生成する手段を備える、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記サーミスタ手段が、組織含水量が評価される部位で組織内に侵襲的に導入されるように構成されたプローブと、前記部位で組織と接触するように前記プローブに取り付けられた少なくとも１個のサーミスタとを備える、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記サーミスタ手段が、組織含水量が評価される部位で組織表面と熱接触するように構成された非侵襲プローブと、前記部位で組織と接触するように前記プローブに取り付けられた少なくとも１個のサーミスタとを備える、請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１８】
生体組織中の含水量をモニタするためのシステムであって、
組織含水量が定量化される部位で組織表面と接触するように構成されたプローブと、
組織表面と熱接触するように構成された、前記プローブ上のサーミスタと、
前記サーミスタが組織表面に接触しているとき、前記サーミスタを周期的に通電および非通電して、前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させる手段と、
前記サーミスタを通電させるのに用いられる電力に応じて、各通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段と、
組織の含水量を組織伝導率に相関させる手段と、
各通電および非通電サイクルで前記生成する手段により生成される信号と、前記相関させる手段により確立される相関関係とに応じて、各通電および非通電サイクルで前記部位での組織の含水量を定量化する手段とを備える、システム。
【請求項１９】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
選択された部位で組織に熱エネルギーを供給する手段と、
組織含水量を、組織含水量に応じて変動する組織の熱特性に関連付ける手段と、
前記部位での組織の前記熱特性に応じる前記部位の組織中で起こされる熱反応を示す手段と、
前記関連付ける手段によって確立された関係と、前記部位で組織に熱エネルギーを供給するのに用いられるエネルギーと、前記部位の組織中で起こされる熱反応とに応じて、前記部位での組織の含水量を示す手段とを備える、システム。
【請求項２０】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織を加熱する手段と、
組織含水量を、組織含水量に応じて変動する組織の固有熱特性に関連付けるモデリング手段と、
評価される組織を加熱するために前記加熱する手段によって用いられる電力と、評価される組織の前記固有熱特性に応じる評価される組織中で起こされる熱反応とに応じて、信号を生成する手段と、
前記生成する手段および前記モデリング手段と連絡して、前記生成する手段により生成される信号と、前記モデリング手段によって確立された関係とに応じて、評価される組織の含水量を示す信号を生成する手段とを備える、システム。
【請求項２１】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織と熱的に連絡するように構成されたサーミスタと、
前記サーミスタを加熱し、前記サーミスタを加熱するのに用いられる電力と前記サーミスタの温度上昇とに機能的に関連する信号を生成する制御手段と、
組織の熱伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記制御手段および前記関連付ける手段と連絡して、前記制御手段により生成される信号と前記関連付ける手段によって確立された関係とに応じて、評価される組織の含水量を示す信号を生成する手段とを備える、システム。
【請求項２２】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織と熱的に連絡するように構成されたサーミスタと、
前記サーミスタを加熱する通電手段と、
組織の熱伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記関連付ける手段によって確立される関係と、前記サーミスタを加熱するのに用いられるエネルギーと、前記サーミスタの温度上昇とに応じて、評価される組織の含水量を示す手段とを備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水量を定量化、モニタ、および評価するための、方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
身体中の部位における異常なまたは過剰な液体の貯留である浮腫は、身体に損傷を与えるストレスを生じさせ、器官の正常な機能を阻害するおそれがある。浮腫は、組織中の血流を阻害し、体血圧を上昇させ、そうでなければ、健康な身体機能を低下させる。
【０００３】
浮腫は、しばしば患部への血流の圧迫をもたらす腫脹を生じさせる。これは、心臓、腎臓、脳、筋肉組織、およびその他の器官にストレスを及ぼすおそれがある。浮腫の原因には、外傷、熱傷、過敏性反応、血栓性静脈炎、および疾患が含まれる。浮腫は、栄養不良、肥満、および運動不足から生じるおそれもある。心臓では、浮腫が心不全を引き起こすことがある。心臓性浮腫は、心臓壁の体積を増加させ、心壁壁は肥厚して心臓の房室の体積を減少させる。心拍出量は減少し、心臓の負荷が増加する。頭部外傷は、しばしば結果として浮腫をもたらす。重症の頭部損傷は、ほとんどの場合、脳組織中の過剰な液体の貯留および脳腫脹に伴って起こる。脳が腫大すると、組織の体積増加が、硬い頭蓋腔によって限定される。結果として生じる血圧の増加により血液の供給が制限され、これが緩和されなければ脳障害が引き起こされる。筋肉組織では、浮腫が区画症候群を引き起こすおそれがある。損傷が、組織の体積に過剰な液体の貯留および腫脹をもたらす可能性がある。腫脹組織の体積は、周囲の組織によって制約されるので、組織に対する血液の供給が制限される。
【０００４】
過剰な液体が組織内に蓄積した場合、これに関連する生理的な悪影響を回避するため、また治療の補助として、その状態を緩和する必要がある。浮腫は、しばしば低血流量とこれに付随する問題に伴って起こり、あらゆる身体の部位または器官に影響するおそれがある。組織含水量は、その時々に、時には急速に変化することがあるため、あらゆる身体の組織または器官内の組織含水量を検出し、継続してモニタできる浮腫モニタが必要である。
【０００５】
肺水腫測定用などの従来の浮腫測定用デバイスは、血流内に直接インジケータを注入する必要がある。循環系内に導入されるカテーテルが、インジケータを送り出し、反応を検出する。このようなデバイスの１つが、Ｔｒａｕｔｍａｎらに発行された米国特許第４，６７６，２５２号に記載されている。Ｋｏへの米国特許第４，８１９，６４８号は、電磁気的に脳のインピーダンスの変化を検知して、脳の液体レベルをモニタするためのデバイスを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
身体の任意の選択された組織または器官内の含水量または浮腫の状態を定量化し、継続的にその変化をモニタするためのシステムを提供することが、本発明の目的である。
【０００７】
組織含水量と、組織含水量に応じて変動する組織の熱特性との関係をモデリングすることによって、組織含水量を定量化することが、本発明の別の目的である。
【０００８】
熱プローブが、選択された部位で生体組織と熱的に連絡するよう導入され、かつ通電されて熱エネルギーを組織に伝達し、組織含水量が組織含水量に応じて変動する熱特性から決定される、浮腫モニタを提供することが、本発明の目的である。
【０００９】
選択された部位で組織を加熱するのに用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する熱特性とに応じて、組織含水量を評価することが、本発明の課題である。
【００１０】
選択された部位で組織を加熱するために用いられる電力と、組織の熱伝導率とに応じて、組織中の浮腫を定量化することが、本発明の別の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、対象組織の熱エネルギー付与に対する熱反応を検出し、熱反応および熱エネルギーまたは用いられる電力に応じて含水量を計算することによって、生体組織中の含水量（浮腫）のモニタがなされる。組織の特定の熱特性は、組織含水量に応じて変動する。例えば、組織の熱拡散率および熱伝導率は、組織の含水量が増加するにつれて増加する。したがって、選択された組織サンプルまたは器官における熱の導入に対する熱反応は、これらの特性に応じる。ここで、組織含水量および浮腫の用語は、本質的には同意語であり、浮腫は異常に高い組織含水量の状態である。
【００１２】
好ましい実施形態として、本発明は、組織と接触して熱的に連絡し、モニタと電気的に連絡する熱プローブを含む。プローブは埋め込みサーミスタを内蔵している。低侵襲プローブにおいて、遠位サーミスタが、狭径カテーテル（１ｍｍ径）の先端に埋め込まれている。カテーテルは、検査される部位の組織内に挿入されて、周囲の組織と熱接触する。組織と熱接触するように構成されたサーミスタは、組織の温度ベースラインよりわずかに熱く加熱される。（例えば、サーミスタ表面の温度は、組織の温度ベースラインより約２℃上の所定温度まで上昇されてもよい。）第２のまたは近位のサーミスタが、組織ベースライン温度をモニタし、ベースライン温度の変動を補正するためにプローブ中に埋め込まれてもよい。遠位サーミスタは、制御回路内の電源によって間隔をあけて加熱される。ある間隔で温度を上昇させるの用いられる電力は、サーミスタ位置の組織中の、例えば熱伝導率および／または熱拡散率などの選択された熱特性の値を示す。検知された温度は、加熱に対する組織の熱反応に機能的に関連する電源からの信号となり、この信号は、組織含水量を示す値を計算するのに用いられる。以下の例は熱伝導率に基づいている。
【００１３】
サーミスタが、含水量が評価される部位の生体組織と熱接触すると、加熱されたサーミスタによって散逸された電力（典型的には０．００５から０．０１Ｗの範囲内）は、組織が、組織中の伝導および組織の血流による対流の両方によって熱を伝える能力の指標を与える。動作中、サーミスタは通電され、熱場がサーミスタと接触する周囲の組織内に伝播する。場の初期伝播は、実質的に特有の組織の伝導率（熱伝導率）に起因する。その後の場の伝播は、組織の対流（血流または潅流）により大きく影響される。モニタまたはデータプロセッサが、プローブを制御し、データを記録し、かつ組織の特有熱伝導特性と組織の血流による対流熱伝達とを区別する。サーミスタ部位の組織の特有または固有熱伝導率は、対流熱伝達の効果とは分離され、組織における熱場の伝播の初期速度から決定される。
【００１４】
次に、加熱されたサーミスタの熱伝導および対流効果がそれによって区別され、分離されるデータ処理技術を検討する。有効な過渡条件のもとに、すなわち、システムが定常状態に達するのに必要な時間に対して短い時間で測定が行われる。したがって、組織内で起こる温度変化が、時間とともに任意に選択された方法で変動されることができる。組織を加熱するのに必要な電力と結果として生じる温度変化とが記録される。固有熱伝導率値は、初期時間期間に得られるデータを用いて計算される。熱伝導率値は、プローブ部位の組織の含水量（または浮腫）を評価するのに使用される。組織の含水量は、組織の固有熱伝導率と、組織固有伝導率値の組織含水量値に対する関係のモデルを用いて導出されるデータとに応じて計算される。
【００１５】
モニタの手順ではよくあることだが、許容または最適動作に適切であると見なされる範囲内に保持されるべき許容誤差がいくらか存在する。伝導率（または他の熱特性）を直接計算しても、含水量を許容可能な精度で計算することにならない場合には、含水量の計算精度を最適化するために反復プロセスを用いてもよい。例えば、計算は、各サイクル内の２つ以上の選択された時間での測定を含む、一連の加熱サイクルを要する熱モデルに基づくことができる。これらの測定は、選択された部位の組織の温度が、第１の非摂動値から第２の値に上昇され、緩和されて非摂動値に戻るまでの温度変化サイクル中に行われる。熱モデルおよび関連する数学の方程式は、Ｂｏｗｍａｎらへの米国特許第４，８５２，０２７号に記載されている。組織の熱伝導率を評価するのに用いられるデータが、全体的な温度変化サイクル中の少なくとも２つの選択された時間期間に行われる測定を含んでいる場合、データ処理は、プローブ部位の組織の伝導率に対する最終的な解に比較的迅速に収束するように、対話型または反復演算で行われる。一実施形態では、サーミスタが通電されて、選択された部位の組織を非摂動温度値から第２のより高い温度値へと加熱し、それから非摂動値へと減衰、すなわち冷却させる。サーミスタ周囲の組織の体積平均温度における時間に応じて、任意に選択された変化を生じるようさせる任意の適切な方法で、サーミスタを通電するために電力が印加される。測定は、加熱および冷却サイクル中の少なくとも２つの選択された時間期間に行われる。組織中の流動（潅流）の関連する測定に対する効果は、加熱サイクルの初期段階中に最小（実質的に無視できる）となり、サイクルの後の部分中には大きくなる。特に、流動の効果は、サイクルの加熱部分中よりも冷却部分中に大きくなる。
【００１６】
反復計算において、サーミスタの温度は、各加熱サイクルを初期化し、各サイクルの終わりで緩和するように上昇される。固有熱伝導率（または熱拡散率）の値の初期決定は、初期の第１の時間期間中およびその後の各加熱サイクル中に計算される。第１時間期間の計算は、各加熱サイクルの初期段階で行われる。組織の潅流による組織中の対流熱伝達効果の計算は、初期時間期間において得られる伝導率値および第２の時間期間で得られる潅流データを用いて、後に加熱サイクルにおける第２の時間期間で別に計算され、第２の時間期間中の対流熱伝達の効果は、第１の時間期間中の対流熱伝達の効果よりも大きい。第２の時間期間で得られる潅流値は、第１の時間期間における熱伝導率の第２のより正確な値を再計算するのに用いられる。このプロセスは必要な回数だけ繰り返すことができる。潅流の各計算では、前の計算で得られる伝導率の値が用いられる。同様に、熱伝導率の連続的な各計算では、潅流の前の値が用いられる。反復プロセスにより、連続的な計算で熱伝導率の同じ値が得られる収束につながる。この伝導率の値は、プローブ位置の組織の含水量を計算するのに使用することができる。
【００１７】
上記実施形態における浮腫の計算は、このように組織の潅流および組織の固有熱伝導性により生じる対流熱伝導効果である対象組織の有効熱伝導率に配慮しており、対流熱伝達効果（潅流）を固有熱伝導率から分離する（同様に、有効熱拡散率は、組織の固有熱拡散率および潅流と関連する拡散効果である。）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示したようなシステムと、例えば、図２Ａに示した型のプローブとが、本発明の技術を具体的に実施することができる。示したように、プローブ１０は組織１２中に没入されている。カテーテル１１上に取り付けられた自己加熱遠位サーミスタ１４は、電源および制御回路１６からの電力によって加熱される。図１において、電源および制御回路１６によって供給されるヒータ電圧は、Ｖｈ（ｔ）で表されている。サーミスタ１４は通電されて、組織１２の周辺部分を加熱する。サーミスタ１４の平均温度は、電源および制御回路１６によって、初期平衡温度より上のまたは組織１２のベースライン温度より上の所定レベルまで急速に上昇される。組織１２中の典型的な熱分布パターンが図２Ｂに図示されている。サーミスタビードの中央で最高温度となり、そこから全方向において基準温度まで、すなわち、サーミスタ部位周囲の非摂動組織のベースライン温度まで下がる。組織の温度が加熱されたサーミスタによって任意の相当な程度まで上昇される、サーミスタ１４周囲の組織の部分は、測定領域と呼ばれる。
【００１９】
熱がサーミスタ１４から伝達される速度は、組織１２の有効熱伝導率に応じる。所定の上昇温度レベルを維持するためにこうしてサーミスタで使用または散逸される電力も、周囲組織の有効熱伝導率に応じる。生体組織の有効熱伝導率は、組織の固有熱伝導率および組織潅流（すなわち、組織中の対流の効果）の２つの主要な成分を有する。組織の固有熱伝導率は組織含水量に応じる。したがって、サーミスタ１４から組織１２への熱伝達の速度も、含水量に応じる。サーミスタ１４（動作モードでは加熱され、検知モードでは加熱されない電気抵抗サーミスタビード）の両端の電圧Ｖｈ（ｔ）は、それから有効熱伝導率の決定がなされるパラメータを与える。データプロセッサ２０では、固有熱伝導率の熱効果および潅流の熱効果が分離され、固有熱伝導率値が、組織含水量の計算に使用される。
【００２０】
電源および制御回路１６からの信号Ｖｈ（ｔ）は、制御回路１６によってサーミスタ１４に供給された電力または熱エネルギーを表しており、その値もまた、加熱により生じる組織中の熱反応に応じる。信号Ｖｈ（ｔ）は、組織１２の有効熱伝導率に機能的に関連しており、適当なアナログデジタルコンバータ１５により、固有熱伝導率を計算するデジタルデータプロセッサ２０にデジタル形式で供給される。近位サーミスタ１８は、サーミスタ１４の熱範囲または測定領域の外側にくるようにプローブ１０上に配置されており、ベースライン温度をモニタし、ベースライン温度の変動に合わせて調節する信号Ｖｓ（ｔ）を与える。近位サーミスタ１８は、ベースライン温度の変動が、効果的なモニタを妨げるほど大きい（または大きくなると予想される）ところで使用される選択肢である。安定した熱環境においては、サーミスタ１８によって行われる補正は必要でない。
【００２１】
データプロセッサ２０は、制御回路１６からの電力に関連する信号、およびサーミスタ１８（使用した場合）からのベースライン信号を処理し、表示デバイス２２に組織含水量を表す値の信号を与える。表示デバイスは、それから組織含水量の評価を表示する。より詳細には、熱特性モデル２４（これがデータプロセッサ２０のアルゴリズム形成部とされてもよい）は、電源１６、含水量モデル２６（これもデータプロセッサ２０のアルゴリズム形成部とされてよい）、およびプローブ１０と連絡している。熱特性モデル２４は、サーミスタ１４に（制御回路１６によって与えられる信号Ｖｈ（ｔ）により）供給される電力に応じる固有熱伝導率（ｋ）と、ベースライン調整が必要な実施形態においては、サーミスタ１８からのベースライン信号とを決定する。含水量モデル２６と熱特性モデル２４とを利用して、データプロセッサ２０は組織１２の含水量を計算する。
【００２２】
図１に示す実施形態では、固有熱伝導率データ信号が、熱特性モデル２４から含水量モデル２６に与えられる。含水量モデル２６は、伝導率値を対応する組織含水量の値に関連付ける。含水量モデル２６によって与えられる組織含水量または浮腫値は、適当な表示のために表示デバイス２２に伝達される。組織含水量または浮腫は、熱特性モデル２４によって与えられる伝導率信号を対応する組織含水量値に相関させる含水量モデル２６によって決定される。熱特性モデル２４および含水量モデル２６は、さらに以下で説明される。
【００２３】
与えられた例は、サーミスタを加熱するために電力が与えられ、したがってその周囲の組織が加熱される、サーミスタ１４をその上に有する侵襲プローブ１０の使用に向けられる。しかしながら、本発明はそのように限定されない。例えば、組織中に没入されたプローブに電力を与えることによって、内部のまたは侵襲的な意味で組織に熱を加えるよりもむしろ、外部熱源から組織に非侵襲的に熱を加えることができる。非侵襲的な使用に適合されるプローブの例は、Ｂｏｗｍａｎらへの米国特許第４，８５９，０７８号およびＤｉｔｔｍａｒらへの米国特許第４，８４１，５４３号に示されている。これらのようなプローブは、プローブで皮膚または内部器官を穿通することなく、表皮または、外科処置中には内部器官の表皮に用いることができる。測定領域内の組織の部分は、組織のベースライン温度より上に加熱される組織の部分である。
【００２４】
脳における浮腫をモニタするための本発明のシステムが、概略的に図３に図示されている。頭部の外傷および外科処置の症例によっては、頭蓋骨３０に１つ以上の開口またはバーホール３２が形成され、中空ボルト３４が嵌め込まれて脳腔へのアクセスを提供する。中空ボルトは、プローブ１０を導入するための脳へのアクセスとして作用することができる。プローブ１０は、中空ボルト３４を通されて、脳組織中に遠位サーミスタ１４を埋め込む。ベースラインモニタ近位サーミスタ１８を用いる実施形態では、プローブ１０は、サーミスタ１８も脳組織中に埋め込まれるように位置決めされる。脳浮腫は、外科処置中にモニタされ、処置後もモニタすることができる。組織含水量データの一用途は、適切な処置または外科的介入を行うことができるように、血流を圧迫させるのに十分な脳の腫脹に伴って起こる浮腫の状態を特定することである。心臓外科などの他の外科処置では、プローブ１０または非侵襲プローブが、心臓または周囲の組織に適用されて、それらの位置での組織液体貯留を評価してもよい。
【００２５】
次に、組織含水量モデル２６について説明する。組織含水量モデルは、組織含水量とともに知られている様に変動する組織の熱特性をモデルリングするために構築されてよい。例えば、モデルによって、熱が組織中を伝達する速度の値を、対応する組織含水量値と関連付けることができる。モデルと選択された部位の組織の部分を加熱するために供給される電力とによって確立される関係を、その部位の組織の含水量を定量化するのに使用することができる。組織の熱伝導率に基づくこのような１つのモデルは、可能なあるいはありうる固定熱伝導率値を、対応する組織含水量の値に相関させる経験的モデルである。このモデルは、組織、水、脂肪、およびタンパク質を構成する３つの主成分の伝導率に基づいている。水の熱伝導率は、６．２３ｍＷ／（ｃｍ・℃）であり、脂肪およびタンパク質の両方の伝導率は、およそ２．００ｍＷ／（ｃｍ・℃）である。脂肪およびタンパク質に対する値は、互いに十分に接近しており、水の値とは十分に区別できるので、有効モデルは、脂肪およびタンパク質の両方の仮定される近似値（例えば２．０）か、脂肪およびタンパク質個々の値のいずれかに基づくことができる。含水量の種々の比率での組織の伝導率の経験的モデルは、（３７℃で２．８５ｍＷ／（ｃｍ・℃）の熱伝導率を有する）グリセロールを脂肪およびタンパク質についてモデルとした、水−グリコール混合物を用いて構築することができる。水−グリコール混合物を用いて行われる測定は、図４に示される曲線をもたらした。本発明の適用の大半がこの範囲に入るのだが、６０％から１００％の含水量の範囲では、データポイントが、伝導率と略直線的な関係を有する含水量を示す直線にほぼ収まる。データポイントに適合する直線は、次のように表せる。
【数１】
2004530478.tif 000003
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。６０％より下の含水量では、水−グリコール混合物中で測定されたデータポイントは直線的ではなかった。含水量０％から１００％の全範囲にわたってデータに適合する曲線は、次のように表せる。
【数２】
2004530478.tif 000004
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。
【００２６】
経験的モデルは、熱伝導率データが採取される組織サンプルの水、脂肪、およびタンパク質含有量についての個々に確認されていれば、組織の実測にも基づくことができる。
【００２７】
さらに、モデルは、脂肪、タンパク質、および水の熱伝導率の理論値に基づくことができる。一例を図５に示す。ここで、熱伝導率とパーセント質量含水量との間には実質的に直線関係がある。この関係は次のように表せる。
【数３】
2004530478.tif 000005
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表し、ならびにａ、ｂ、ｃ、およびｄは定数である。この式は上記の数式２と同様の形である。
【００２８】
上記参照された組織の固有熱伝導性のモデルは、組織の体積の伝導率が、質量分率で重みづけされた各構成成分の伝導率に応じる、という原理に基づいている。すなわち、
【数４】
2004530478.tif 000006
ここで、ｍｔは組織の質量であり、ｍｈは水成分の質量であり、ｍｆは脂肪成分の質量であり、ならびにｍｐはタンパク質成分の質量である。
【００２９】
数式４を組織の質量（ｍｔ）で割って質量分率を求めると、結果は、
【数５】
2004530478.tif 000007
ここで、γ＝ｍｈ／ｍｔ＝組織中の水の質量分率、β＝ｍｆ／ｍｔ＝組織中の脂肪の質量分率、ならびにθ＝ｍｐ／ｍｔ＝組織中のタンパク質の質量分率。
【００３０】
したがって、組織の伝導率は質量分率に関して次のように表せる。
【数６】
2004530478.tif 000008
ここで、ｋｔは組織の伝導率であり、ｋｈは組織中の水の伝導率であり、ｋｆは組織中の脂肪の伝導率であり、ならびにｋｐは組織中のタンパク質の伝導率である。
【００３１】
同様に、組織の他の熱特性（拡散率等）は質量分率に関して次のように表せる。
【数７】
2004530478.tif 000009
ここで、αｔは組織の熱特性（拡散率等）であり、αｈは組織中の水の熱特性であり、αｆは組織中の脂肪の熱特性であり、ならびにαｐは組織中のタンパク質の熱特性である。
【００３２】
さらに、両者の関係が知られていれば、１つの組織含水量モデルが別のモデルから構築されてもよい。例えば、熱拡散率の場合には、伝導率（ｋ）と拡散率（α）の関係は次のように表される。
【数８】
2004530478.tif 000010
ここで、ρおよびｃはそれぞれ密度および熱容量である。したがって、拡散率用の含水量モデルは、伝導率モデルから容易に計算することができる。
【００３３】
拡散率用のモデルは、例えば、伝導率モデルの経験的展開と関連して説明されたのと同じ水―グリコール混合物を用いて経験的に求めることもできる。このようなモデルの１つが、図６によって示されている。図６のデータポイントに適合する曲線は次のように表せる。
【数９】
2004530478.tif 000011
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。
【００３４】
組織の含水量が変化するので、この変化が、伝導率および拡散率等の熱特性の固有値の対応する変化に反映される。組織の損傷中は、例えば、含水量が、一般に増加して浮腫の状態になる。本発明によれば、損傷領域において、例えば固有熱伝導率等の、組織の水に応じる熱特性の少なくとも１つの測定が行われ、組織含水量の定量化（すなわち浮腫の定量化）に用いられる。データプロセッサ２０は、上記参照したうちの１つなどの、伝導率および組織含水量の関係のモデルとともにプログラムされる。このシステムは、上記の組織含水量モデルにしたがって熱伝導率データを処理して、組織の質量パーセント含水量（または浮腫）を定量化し、適切な表示を提供する。
【００３５】
含水量モデル２６は、伝導率または拡散率等の組織の熱特性の任意の知られている値に対して、組織含水量に対応または関連する値を提供する、ルックアップリファレンスとして機能してもよい。
【００３６】
代替データ処理技術では、実際の伝導率の値信号を計算せずに、組織含水量を直接一次データから計算できることが理解されよう。例えば、回路１６によって供給されたデータ、（図１の代替含水量モデル２６’によって図示したような）組織含水量のモデルからの入力、およびプローブ１０からのデータに応じて、データプロセッサ２０に含水量を計算させることができる。代替含水量モデル２６’は、伝導率および拡散率等の組織の熱特性値を含水量に相関させるルックアップリファレンスとして機能する。代替含水量モデル２６’は、データプロセッサ２０に相関された含水量値の入力を与え、データプロセッサ２０は、代替含水量モデル２６’からの相関データ入力、サーミスタ１４を加熱するのに必要な電力に機能的に関連する制御回路１６からの信号、およびプローブ１０からのベースライン信号の３つの入力に応じて対象組織の含水量を計算する。
【００３７】
上述の技術は、含水量に応じて変動する熱特性（例えば、熱伝導率または熱拡散率）の測定に基づいて、選択された組織における組織含水量を計算するものである。継続的にモニタするために、上記のように計算された浮腫の値は、迅速に連続して再計算される。サーミスタ１４は、周期的に通電および非通電されて反復加熱サイクルを生成し、浮腫が、各通電サイクルにおいてサーミスタ温度の上昇および下降のそれぞれの間に再計算される。本発明の上記技術によって、例えば３分から６分毎の最新の浮腫値を得ることができる。
【００３８】
熱特性モデル２４についての説明、ならびに有効熱伝導率、熱拡散率、および固有熱伝導率を決定する方法の数学的処理は、上記参照したＢｏｗｍａｎらへの米国特許第４，０５９，９８２号および第４，８５２，０２７号に記載されている。そこで教示されているように、サーミスタを加熱するのに種々の加熱プロトコルを使用することができる。サーミスタ１４を一定または所定の温度まで加熱することができ、または、サーミスタ温度を一定または所定の電力で加熱する間に測定することができ、あるいは他の加熱プロトコルを使用することができる。全てのプロトコルにおいて、同じ原理を用いる手順がデータ分析に使用される。サーミスタを加熱するのに用いられる電力およびサーミスタの温度上昇は、組織含水量の計算への関数入力であり、含水量の計算では、その値の一つが予め決められている。２つの加熱プロトコルについて、一方の加熱プロトコルは図７に関連して、他方のプロトコルは図８、図９Ａ、および図９Ｂに関連して説明する。
【００３９】
図７において、平均ビード温度Ｖｂおよび加熱電力Ｐのグラフ表示が、双方とも時間の関数で示されている。図示されている特定の手順では、電力Ｐは、サーミスタビード温度Ｖｂが、選択されたレベルＶｂ２まで急速に上昇して組織の部分を加熱するように、印加され、電力がゼロに減少される（遮断される）までの選択された時間期間（例えば、時間ｔｉまで）中そのレベルに維持され、温度Ｖｂは、示された一般的な様態でベースライン温度まで下降して、通電および非通電の１サイクルが完了する。
【００４０】
以下に述べるように、例えば、初期には、図７の「Ａ」で図示される時間範囲または時間枠でその加熱部分において、後で「Ｂ」で加熱部分において、全体的な加熱／冷却サイクル中の異なる時間になされた測定から導出されたデータとともに、近似アルゴリズムを使用することができる。
【００４１】
時間枠「Ａ」中に取得したデータは、組織の伝導性（すなわち伝導率）に支配され、組織中の流動（潅流）の効果は比較的低い。時間枠「Ｂ」中に取得したデータは、加熱が継続するにつれ後で発生し、潅流に大きく影響を受ける（すなわち、組織中の流動の効果は時間枠「Ａ」よりも大きい。）。
【００４２】
時間枠「Ａ」および「Ｂ」で使用可能なデータ分析アルゴリズムの一例が、図１０のフローチャートで図示されている。前述のように、時間枠「Ｂ」中の媒体の流動の効果は、時間枠「Ａ」中よりも大きい（図７）。時間枠「Ａ」および「Ｂ」についての計算は、以下のように行われる。（１）温度変化を生じさせるために必要な温度または電力のいずれかを所定の方式で制御しながら、サーミスタの温度を第１の温度（Ｔ１）から第２の温度（Ｔ２）まで変化させて熱サイクルを初期化し、（２）加熱サイクルの最後に温度を第２の温度から最終温度（Ｔｆ）まで緩和し、（３）温度および電力を測定し、（４）時間枠「Ａ」中に固有熱伝導率および／または拡散率の値を計算し、（５）潅流の値をゼロとして、ステップ（４）からの値および含水量を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（６）計算された組織含水量値を表示する。
【００４３】
あるいは、上記ステップ（５）において得られたものより小さい許容誤差が必要とされる場合には、ステップ（４）に続いて次のように反復計算が行われる。（７）ステップ（４）からの固有熱伝導率および／または拡散率の計算値を用いて、時間枠「Ｂ」中に潅流の値を計算し、（８）時間枠「Ａ」中に計算された固有熱伝導率および／または拡散率、ならびに時間枠「Ｂ」中に計算された潅流の値の計算値を用いて、時間枠「Ａ」中に固有熱伝導率および／または拡散率を再計算し、（９）固有熱伝導率および／または拡散率の再計算値などを用いて、時間枠「Ｂ」中に潅流の値を再計算し、（１０）このような再計算された潅流の値および再計算された固有熱伝導率および／または拡散率の値を用いて、固有熱伝導率および／または拡散率を再度再計算し、（１１）実質的に変化しない熱伝導率および／または拡散率値へ収束するまで、ステップ（９）および（１０）を繰り返し、（１２）ステップ（１１）からの値および含水量モデルを用いて計算して組織含水量（浮腫）を定量化し、（１３）計算された組織含水量を表示する。
【００４４】
図１１は、熱特性値を計算することなく、組織の伝導率または他の熱特性により影響を受ける種々のパラメータから含水量が決定される、別の実施形態を示している。温度、電力、および両方（Ｐ／ΔＴ）を組織含水量（％Ｈ２０）に関連付けるモデルが、含水量の直接計算に使用される。モデルは経験または理論に基づいてよい。ステップは、（１）温度変化を生じさせるために必要な温度または電力のいずれかを制御しながら、サーミスタの温度を第１の温度（Ｔ１）から第２の温度（Ｔ２）まで変化させて熱サイクルを初期化し、（２）加熱サイクルの最後に温度を第２の温度から最終温度（Ｔｆ）まで緩和し、（３）温度（Ｔ）および電力（Ｐ）を測定し、（４）電力の温度の変化に対する比（Ｐ／ΔＴ）を決定し、（５）組み合わせたモデルを用いて、ステップ（４）から生じるＰ／ΔＴの値に対応する含水量値を決定し（６）含水量値を表示する。
【００４５】
アルゴリズムの別の例を、図８、図９Ａ、および図９Ｂに関連して説明する。図８は、図７に示されたのと同様の通電サイクルを図示している。図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ熱伝導率および熱拡散率データの外挿を図示している。浮腫の計算は次のステップから構成される。（１）Ｘ、ＸＩ、ＸＩＩ等である複数の時間枠ＸＩ中に、ゼロの仮定潅流値を用いて複数の有効熱伝導率および／または熱拡散率値を計算し、（２）ステップ（１）で得られた熱伝導率および／または熱拡散率値を、固有熱伝導率および／または固有熱拡散率値の値を得るように、時間ｔ０の上まで、すなわち加熱を開始する瞬間まで外挿する（図９Ａおよび９Ｂを参照）。（ポイントＸ、ＸＩ、ＸＩＩ、等は、各時間枠内の同じ基準化された位置、例えば各時間枠の中央または端部で選択される。）外挿された値は、非潅流固有熱伝導率（ｋ）値および非潅流固有熱拡散率（α）値となる。（３）ステップ（２）からの値を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（４）計算された組織含水量値を表示する。実質的に許容誤差のない組織含水量（浮腫）の値は、次のステップにしたがって計算プロセスを継続することにより求めることができる。（５）上記ステップ（２）からの固有熱伝導率および拡散率値の外挿値を用いて、潅流効果が起こる間の選択された時間、例えば時間枠「Ｙ」（図８）での潅流を計算し、（６）選択された時間枠「Ｙ」の計算された潅流値を用いて、前記複数の時間枠ＸＩでの固有熱伝導率および拡散率値を再計算し、（７）ステップ（６）で得られた熱伝導率および熱拡散率値を時間ｔ０まで外挿し、（８）固有熱伝導率および熱拡散率値が実質的に不変な値に収束するまでステップ（６）および（７）を繰り返し、（９）ステップ（８）からの値を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（１０）計算された組織含水量値を表示する。
【００４６】
上述の例示的な実施形態では、限られた時間期間に温度がより高いレベルまで上昇され、維持される手順が説明されたが、この分析技術は、温度が適切なレベルまで上昇され、すぐに非摂動値まで緩和される場合に得られる測定にも適用してよく、熱特性測定に最も重要な時間は、加熱サイクルが開始される時間または瞬間である。
【００４７】
本発明は、請求の範囲により規定される場合を除き、上述した特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステムのブロック図である。
【図２Ａ】図１に図示された本発明の実施形態に関連して有用なプローブの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの加熱されたプローブにより生成される、組織中の熱分布の典型的パターンを示す図である。
【図３】脳組織のモニタに適用された本発明の概略図である。
【図４】経験的含水量モデルを、伝導率対質量パーセント含水量の曲線として示す図である。
【図５】理論的含水量モデルを示す図である。
【図６】経験的含水量モデルを熱拡散率対質量パーセント含水量の曲線として示す図である。
【図７】本発明の実施形態にしたがって、時間の関数としてサーミスタ温度および電力の曲線を描いた図である。
【図８】本発明の別の実施形態にしたがって、時間の関数としてサーミスタ温度の曲線を示す図である。
【図９Ａ】図８に関連して述べられた本発明の実施形態に関する、熱伝導率の外挿曲線である。
【図９Ｂ】図８に関連して述べられた本発明の実施形態に関する、熱拡散率の外挿曲線である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の別の例示的な実施形態を示すフローチャートである。
【図１】
2004530478.tif 000012
【図２Ａ】
2004530478.tif 000013
【図２Ｂ】
2004530478.tif 000014
【図３】
2004530478.tif 000015
【図４】
2004530478.tif 000016
【図５】
2004530478.tif 000017
【図６】
2004530478.tif 000018
【図７】
2004530478.tif 000019
【図８】
2004530478.tif 000020
【図９Ａ】
2004530478.tif 000021
【図９Ｂ】
2004530478.tif 000022
【図１０】
2004530478.tif 000023
【図１１】
2004530478.tif 000024
【国際公開パンフレット】
2004530478.tif 000025
2004530478.tif 000026
2004530478.tif 000027
2004530478.tif 000028
2004530478.tif 000029
2004530478.tif 000030
2004530478.tif 000031
2004530478.tif 000032
2004530478.tif 000033
2004530478.tif 000034
2004530478.tif 000035
2004530478.tif 000036
2004530478.tif 000037
2004530478.tif 000038
2004530478.tif 000039
2004530478.tif 000040
2004530478.tif 000041
2004530478.tif 000042
2004530478.tif 000043
2004530478.tif 000044
2004530478.tif 000045
2004530478.tif 000046
2004530478.tif 000047
2004530478.tif 000048
2004530478.tif 000049
2004530478.tif 000050
2004530478.tif 000051
2004530478.tif 000052
2004530478.tif 000053
2004530478.tif 000054
2004530478.tif 000055
2004530478.tif 000056
2004530478.tif 000057
2004530478.tif 000058
2004530478.tif 000059
2004530478.tif 000060
2004530478.tif 000061
2004530478.tif 000062
2004530478.tif 000063
2004530478.tif 000064
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004530478.tif 000065
2004530478.tif 000066
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月4日(2003.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織の含水量を定量化する方法であって、
組織含水量が定量化される部位で組織にサーミスタを接触させるステップと、
組織の体積の温度を上昇させるように、サーミスタを通電するステップと、
組織の前記体積の組織含水量を、少なくとも一方が所定の方法で制御される、前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付けるモデルから得られる値に応じて計算するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記通電するステップが、サーミスタを周期的に通電して組織の体積の温度を周期的に上昇および下降させるステップを含み、
前記計算するステップが、少なくとも一方が予め定められている、各通電サイクルで前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および各通電サイクルでの前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付けるルックアップリファレンスから得られる値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を各通電サイクルで計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
生体組織中の含水量を定量化する方法であって、
組織の熱伝導率に機能的に関連する熱反応を起こさせるように、組織の体積を加熱するステップと、
前記熱反応と、前記加熱するステップで供給される熱エネルギーとに機能的に関連する信号を生成するステップと、
前記加熱するステップ中の第１の時間間隔における組織の体積の固有熱伝導率を計算するステップと、
前記加熱するステップ中の後の時間間隔における計算された固有熱伝導率の値を用いて組織の体積の潅流を計算するステップと、
計算された潅流の値を用いて、前記第１の時間間隔における固有熱伝導率を再計算するステップと、
再計算された固有熱伝導率の値が実質的に不変な値に収束するまで、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップであって、潅流の各再計算では、前に計算された固有熱伝導率の値を用い、固有熱伝導率の各再計算では、前に計算された潅流の値を用いる、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップと、
組織の固有熱伝導率値を対応する組織含水量値に関連付けるステップと、
前記実質的に不変な固有熱伝導率の値と、熱伝導率値および組織含水量の関係から得られる実質的に等価な固有熱伝導率の値とに応じて、組織の体積の含水量を計算するステップとを含む、方法。
【請求項４】
生体組織の含水量を定量化する方法であって、
サーミスタを含水量が定量化される部位で組織に接触させて配置するステップと、
ある時間間隔中にサーミスタを通電してサーミスタの温度を上昇させ、前記部位の組織を前記部位の組織のベースライン温度より上に加熱するステップと、
熱が組織中を伝達される速度を組織含水量に関連付けるステップと、
前記時間間隔中にサーミスタに供給される電力と、前記部位でサーミスタからの熱が組織中を伝達される速度と、前記関連付けるステップで確立された関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を定量化するステップとを含む、方法。
【請求項５】
選択された部位での生体組織の含水量をモニタする方法であって、
前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させるステップと、
各温度サイクル中に、前記温度を周期的に上昇および下降させるステップで用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する前記部位での組織の熱特性とに機能的に関連する信号を生成するステップと、
組織の熱特性の組織含水量に対する関係のモデルを用いて、各温度サイクル中に、前記信号を生成するステップで得られる信号とモデリングされた関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を計算するステップとを含む、方法。
【請求項６】
生体組織の含水量をモニタする方法であって、
サーミスタ周囲の組織に熱接触するよう構成された通電可能なサーミスタを、組織内に導入するステップと、
前記サーミスタを周期的に通電および非通電して、周囲組織の温度を周期的に上昇および下降させるステップと、
各通電および非通電サイクル中に、前記サーミスタを通電させるのに用いられる電力と周囲組織の熱伝導率とに機能的に関連する信号を生成するステップと、
組織含水量および組織の熱伝導率の関係をモデリングするステップと、
各通電および非通電サイクル中の第１の時間間隔における周囲組織の固有熱伝導率の値を計算するステップと、
計算された固有熱伝導率の値を用いて、各通電および非通電サイクル中の後の時間間隔における潅流を計算するステップと、
計算された潅流の値を用いて、前記第１の時間間隔における固有熱伝導率を再計算するステップと、
再計算された固有熱伝導率の値が実質的に不変な値に収束するまで、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップであって、潅流の各再計算では、前に計算された固有熱伝導率の値を用い、固有熱伝導率の各再計算では、前に計算された潅流の値を用いる、交互に潅流および固有熱伝導率の値を再計算するステップと、
前記実質的に不変な固有熱伝導率の値と、前記モデリングするステップにより得られる関係とに応じて、周囲組織の含水量を各通電および非通電サイクル中に計算するステップとを含む、方法。
【請求項７】
生体組織の含水量を評価する方法であって、
熱エネルギーを組織に供給して、選択された部位での組織の温度を上昇させるステップと、
少なくとも一方が予め定められている、加熱ステップで用いられる電力および選択された部位での組織の温度上昇、ならびに、組織伝導率または組織拡散率を組織含水量と関連付けるモデルによって与えられる値に応じて、選択された部位での組織の組織含水量を表す値を計算するステップとを含む、方法。
【請求項８】
身体中の部位での生体組織中の含水量を評価する方法であって、
サーミスタを導入して含水量が評価される部位で組織に接触させるステップと、
サーミスタの温度を前記部位での組織のベースライン温度より上に上昇させるように、サーミスタを通電するステップと、
前記通電するステップでサーミスタに供給されるエネルギーと、サーミスタからの熱が前記部位で組織中を伝達される速度とに応じて、信号を生成するステップと、
熱が組織中を伝達される速度を組織含水量に相関させる知られている関係と、前記生成するステップで得られる信号とを用いて、前記部位での組織の含水量を表す信号を生成するステップとを含む、方法。
【請求項９】
生体組織の含水量を定量化するためのシステムであって、
組織の体積を加熱するサーミスタと、
組織の体積の温度を上昇させるように、前記サーミスタを通電する手段と、
組織伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記通電する手段および前記関連付ける手段と連絡して、少なくとも一方が所定の方法で制御される、前記サーミスタを加熱するのに用いられる電力および前記サーミスタの温度上昇、ならびに、前記関連付ける手段から得られる含水量値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を計算する手段とを備える、システム。
【請求項１０】
前記通電する手段が、前記サーミスタを周期的に通電して組織の体積の温度を周期的に上昇および下降させる手段を含み、
前記関連付ける手段がルックアップリファレンスを含み、
前記計算手段が、少なくとも一方が予め定められている、各通電サイクルで前記サーミスタを加熱するのに使用される電力および各通電サイクルでの前記サーミスタの温度上昇、ならびに、組織伝導率を組織含水量に関連付ける前記ルックアップリファレンスから得られる含水値に応じて、組織の前記体積の組織含水量を各通電サイクルで計算する手段を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
生体組織中の含水量を評価するためのシステムであって、
組織含水量が評価される部位で組織に熱接触するサーミスタ手段と、
前記部位での組織の温度を上昇および下降させるように、前記サーミスタ手段を通電および非通電する手段と、
前記サーミスタ手段を通電させるのに用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する、前記部位での組織の少なくとも１つの熱特性とに応じて、通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段と、
組織含水量と組織の前記少なくとも１つの熱特性との関係をモデリングする手段と、
前記信号を生成する手段により得られる信号と、前記モデリングする手段によりモデリングされる関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を通電および非通電サイクル中に評価する手段とを備える、システム。
【請求項１２】
前記通電する手段が、前記サーミスタ手段を周期的に通電および非通電して前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させる手段を備え、
前記信号を生成する手段が、各通電および非通電サイクル中に前記サーミスタ手段を通電させるのに用いられる電力と、前記部位での組織の少なくとも１つの熱特性とに応じて、各通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段を備え、
前記含水量を評価する手段が、各通電および非通電サイクルで前記信号を生成する手段により得られる信号と、前記モデリングする手段によりモデリングされる関係とに応じて、前記部位での組織の含水量を各通電および非通電サイクルで評価する手段を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記信号を生成する手段が、前記部位での組織の熱伝導率と、前記サーミスタ手段を通電するのに用いられる電力とに応じて信号を生成する手段を備える、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記信号を生成する手段が、前記部位での組織の熱拡散率と、前記サーミスタ手段を通電するのに用いられる電力とに応じて信号を生成する手段を備える、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記サーミスタ手段が、組織含水量が評価される部位で組織内に侵襲的に導入されるように構成されたプローブと、前記部位で組織と接触するように前記プローブに取り付けられた少なくとも１個のサーミスタとを備える、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記サーミスタ手段が、組織含水量が評価される部位で組織表面と熱接触するように構成された非侵襲プローブと、前記部位で組織と接触するように前記プローブに取り付けられた少なくとも１個のサーミスタとを備える、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１７】
生体組織中の含水量をモニタするためのシステムであって、
組織含水量が定量化される部位で組織表面と接触するように構成されたプローブと、
組織表面と熱接触するように構成された、前記プローブ上のサーミスタと、
前記サーミスタが組織表面に接触しているとき、前記サーミスタを周期的に通電および非通電して、前記部位での組織の温度を周期的に上昇および下降させる手段と、
前記サーミスタを通電させるのに用いられる電力に応じて、各通電および非通電サイクル中に信号を生成する手段と、
組織の含水量を組織伝導率に相関させる手段と、
各通電および非通電サイクルで前記生成する手段により生成される信号と、前記相関させる手段により確立される相関関係とに応じて、各通電および非通電サイクルで前記部位での組織の含水量を定量化する手段とを備える、システム。
【請求項１８】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
選択された部位で組織に熱エネルギーを供給する手段と、
組織含水量を、組織含水量に応じて変動する組織の熱特性に関連付ける手段と、
前記部位での組織の前記熱特性に応じる前記部位の組織中で起こされる熱反応を示す手段と、
前記関連付ける手段によって確立された関係と、前記部位で組織に熱エネルギーを供給するのに用いられるエネルギーと、前記部位の組織中で起こされる熱反応とに応じて、前記部位での組織の含水量を示す手段とを備える、システム。
【請求項１９】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織を加熱する手段と、
組織含水量を、組織含水量に応じて変動する組織の固有熱特性に関連付けるモデリング手段と、
評価される組織を加熱するために前記加熱する手段によって用いられる電力と、評価される組織の前記固有熱特性に応じる評価される組織中で起こされる熱反応とに応じて、信号を生成する手段と、
前記生成する手段および前記モデリング手段と連絡して、前記生成する手段により生成される信号と、前記モデリング手段によって確立された関係とに応じて、評価される組織の含水量を示す信号を生成する手段とを備える、システム。
【請求項２０】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織と熱的に連絡するように構成されたサーミスタと、
前記サーミスタを加熱し、前記サーミスタを加熱するのに用いられる電力と前記サーミスタの温度上昇とに機能的に関連する信号を生成する制御手段と、
組織の熱伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記制御手段および前記関連付ける手段と連絡して、前記制御手段により生成される信号と前記関連付ける手段によって確立された関係とに応じて、評価される組織の含水量を示す信号を生成する手段とを備える、システム。
【請求項２１】
組織の含水量を評価するためのシステムであって、
評価される組織と熱的に連絡するように構成されたサーミスタと、
前記サーミスタを加熱する通電手段と、
組織の熱伝導率を組織含水量に関連付ける手段と、
前記関連付ける手段によって確立される関係と、前記サーミスタを加熱するのに用いられるエネルギーと、前記サーミスタの温度上昇とに応じて、評価される組織の含水量を示す手段とを備える、システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水量を定量化、モニタ、および評価するための、方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
身体中の部位における異常なまたは過剰な液体の貯留である浮腫は、身体に損傷を与えるストレスを生じさせ、器官の正常な機能を阻害するおそれがある。浮腫は、組織中の血流を阻害し、体血圧を上昇させ、そうでなければ、健康な身体機能を低下させる。
【０００３】
浮腫は、しばしば患部への血流の圧迫をもたらす腫脹を生じさせる。これは、心臓、腎臓、脳、筋肉組織、およびその他の器官にストレスを及ぼすおそれがある。浮腫の原因には、外傷、熱傷、過敏性反応、血栓性静脈炎、および疾患が含まれる。浮腫は、栄養不良、肥満、および運動不足から生じるおそれもある。心臓では、浮腫が心不全を引き起こすことがある。心臓性浮腫は、心臓壁の体積を増加させ、心壁壁は肥厚して心臓の房室の体積を減少させる。心拍出量は減少し、心臓の負荷が増加する。頭部外傷は、しばしば結果として浮腫をもたらす。重症の頭部損傷は、ほとんどの場合、脳組織中の過剰な液体の貯留および脳腫脹に伴って起こる。脳が腫大すると、組織の体積増加が、硬い頭蓋腔によって限定される。結果として生じる血圧の増加により血液の供給が制限され、これが緩和されなければ脳障害が引き起こされる。筋肉組織では、浮腫が区画症候群を引き起こすおそれがある。損傷が、組織の体積に過剰な液体の貯留および腫脹をもたらす可能性がある。腫脹組織の体積は、周囲の組織によって制約されるので、組織に対する血液の供給が制限される。
【０００４】
過剰な液体が組織内に蓄積した場合、これに関連する生理的な悪影響を回避するため、また治療の補助として、その状態を緩和する必要がある。浮腫は、しばしば低血流量とこれに付随する問題に伴って起こり、あらゆる身体の部位または器官に影響するおそれがある。組織含水量は、その時々に、時には急速に変化することがあるため、あらゆる身体の組織または器官内の組織含水量を検出し、継続してモニタできる浮腫モニタが必要である。
【０００５】
肺水腫測定用などの従来の浮腫測定用デバイスは、血流内に直接インジケータを注入する必要がある。循環系内に導入されるカテーテルが、インジケータを送り出し、反応を検出する。このようなデバイスの１つが、Ｔｒａｕｔｍａｎらに発行された米国特許第４，６７６，２５２号に記載されている。Ｋｏへの米国特許第４，８１９，６４８号は、電磁気的に脳のインピーダンスの変化を検知して、脳の液体レベルをモニタするためのデバイスを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
身体の任意の選択された組織または器官内の含水量または浮腫の状態を定量化し、継続的にその変化をモニタするためのシステムを提供することが、本発明の目的である。
【０００７】
組織含水量と、組織含水量に応じて変動する組織の熱特性との関係をモデリングすることによって、組織含水量を定量化することが、本発明の別の目的である。
【０００８】
熱プローブが、選択された部位で生体組織と熱的に連絡するよう導入され、かつ通電されて熱エネルギーを組織に伝達し、組織含水量が組織含水量に応じて変動する熱特性から決定される、浮腫モニタを提供することが、本発明の目的である。
【０００９】
選択された部位で組織を加熱するのに用いられる電力と、組織含水量に応じて変動する熱特性とに応じて、組織含水量を評価することが、本発明の課題である。
【００１０】
選択された部位で組織を加熱するために用いられる電力と、組織の熱伝導率とに応じて、組織中の浮腫を定量化することが、本発明の別の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、対象組織の熱エネルギー付与に対する熱反応を検出し、熱反応および熱エネルギーまたは用いられる電力に応じて含水量を計算することによって、生体組織中の含水量（浮腫）のモニタがなされる。組織の特定の熱特性は、組織含水量に応じて変動する。例えば、組織の熱拡散率および熱伝導率は、組織の含水量が増加するにつれて増加する。したがって、選択された組織サンプルまたは器官における熱の導入に対する熱反応は、これらの特性に応じる。ここで、組織含水量および浮腫の用語は、本質的には同意語であり、浮腫は異常に高い組織含水量の状態である。
【００１２】
好ましい実施形態として、本発明は、組織と接触して熱的に連絡し、モニタと電気的に連絡する熱プローブを含む。プローブは埋め込みサーミスタを内蔵している。低侵襲プローブにおいて、遠位サーミスタが、狭径カテーテル（１ｍｍ径）の先端に埋め込まれている。カテーテルは、検査される部位の組織内に挿入されて、周囲の組織と熱接触する。組織と熱接触するように構成されたサーミスタは、組織の温度ベースラインよりわずかに熱く加熱される。（例えば、サーミスタ表面の温度は、組織の温度ベースラインより約２℃上の所定温度まで上昇されてもよい。）第２のまたは近位のサーミスタが、組織ベースライン温度をモニタし、ベースライン温度の変動を補正するためにプローブ中に埋め込まれてもよい。遠位サーミスタは、制御回路内の電源によって間隔をあけて加熱される。ある間隔で温度を上昇させるの用いられる電力は、サーミスタ位置の組織中の、例えば熱伝導率および／または熱拡散率などの選択された熱特性の値を示す。検知された温度は、加熱に対する組織の熱反応に機能的に関連する電源からの信号となり、この信号は、組織含水量を示す値を計算するのに用いられる。以下の例は熱伝導率に基づいている。
【００１３】
サーミスタが、含水量が評価される部位の生体組織と熱接触すると、加熱されたサーミスタによって散逸された電力（典型的には０．００５から０．０１Ｗの範囲内）は、組織が、組織中の伝導および組織の血流による対流の両方によって熱を伝える能力の指標を与える。動作中、サーミスタは通電され、熱場がサーミスタと接触する周囲の組織内に伝播する。場の初期伝播は、実質的に特有の組織の伝導率（熱伝導率）に起因する。その後の場の伝播は、組織の対流（血流または潅流）により大きく影響される。モニタまたはデータプロセッサが、プローブを制御し、データを記録し、かつ組織の特有熱伝導特性と組織の血流による対流熱伝達とを区別する。サーミスタ部位の組織の特有または固有熱伝導率は、対流熱伝達の効果とは分離され、組織における熱場の伝播の初期速度から決定される。
【００１４】
次に、加熱されたサーミスタの熱伝導および対流効果がそれによって区別され、分離されるデータ処理技術を検討する。有効な過渡条件のもとに、すなわち、システムが定常状態に達するのに必要な時間に対して短い時間で測定が行われる。したがって、組織内で起こる温度変化が、時間とともに任意に選択された方法で変動されることができる。組織を加熱するのに必要な電力と結果として生じる温度変化とが記録される。固有熱伝導率値は、初期時間期間に得られるデータを用いて計算される。熱伝導率値は、プローブ部位の組織の含水量（または浮腫）を評価するのに使用される。組織の含水量は、組織の固有熱伝導率と、組織固有伝導率値の組織含水量値に対する関係のモデルを用いて導出されるデータとに応じて計算される。
【００１５】
モニタの手順ではよくあることだが、許容または最適動作に適切であると見なされる範囲内に保持されるべき許容誤差がいくらか存在する。伝導率（または他の熱特性）を直接計算しても、含水量を許容可能な精度で計算することにならない場合には、含水量の計算精度を最適化するために反復プロセスを用いてもよい。例えば、計算は、各サイクル内の２つ以上の選択された時間での測定を含む、一連の加熱サイクルを要する熱モデルに基づくことができる。これらの測定は、選択された部位の組織の温度が、第１の非摂動値から第２の値に上昇され、緩和されて非摂動値に戻るまでの温度変化サイクル中に行われる。熱モデルおよび関連する数学の方程式は、Ｂｏｗｍａｎらへの米国特許第４，８５２，０２７号に記載されている。組織の熱伝導率を評価するのに用いられるデータが、全体的な温度変化サイクル中の少なくとも２つの選択された時間期間に行われる測定を含んでいる場合、データ処理は、プローブ部位の組織の伝導率に対する最終的な解に比較的迅速に収束するように、対話型または反復演算で行われる。一実施形態では、サーミスタが通電されて、選択された部位の組織を非摂動温度値から第２のより高い温度値へと加熱し、それから非摂動値へと減衰、すなわち冷却させる。サーミスタ周囲の組織の体積平均温度における時間に応じて、任意に選択された変化を生じるようさせる任意の適切な方法で、サーミスタを通電するために電力が印加される。測定は、加熱および冷却サイクル中の少なくとも２つの選択された時間期間に行われる。組織中の流動（潅流）の関連する測定に対する効果は、加熱サイクルの初期段階中に最小（実質的に無視できる）となり、サイクルの後の部分中には大きくなる。特に、流動の効果は、サイクルの加熱部分中よりも冷却部分中に大きくなる。
【００１６】
反復計算において、サーミスタの温度は、各加熱サイクルを初期化し、各サイクルの終わりで緩和するように上昇される。固有熱伝導率（または熱拡散率）の値の初期決定は、初期の第１の時間期間中およびその後の各加熱サイクル中に計算される。第１時間期間の計算は、各加熱サイクルの初期段階で行われる。組織の潅流による組織中の対流熱伝達効果の計算は、初期時間期間において得られる伝導率値および第２の時間期間で得られる潅流データを用いて、後に加熱サイクルにおける第２の時間期間で別に計算され、第２の時間期間中の対流熱伝達の効果は、第１の時間期間中の対流熱伝達の効果よりも大きい。第２の時間期間で得られる潅流値は、第１の時間期間における熱伝導率の第２のより正確な値を再計算するのに用いられる。このプロセスは必要な回数だけ繰り返すことができる。潅流の各計算では、前の計算で得られる伝導率の値が用いられる。同様に、熱伝導率の連続的な各計算では、潅流の前の値が用いられる。反復プロセスにより、連続的な計算で熱伝導率の同じ値が得られる収束につながる。この伝導率の値は、プローブ位置の組織の含水量を計算するのに使用することができる。
【００１７】
上記実施形態における浮腫の計算は、このように組織の潅流および組織の固有熱伝導性により生じる対流熱伝導効果である対象組織の有効熱伝導率に配慮しており、対流熱伝達効果（潅流）を固有熱伝導率から分離する（同様に、有効熱拡散率は、組織の固有熱拡散率および潅流と関連する拡散効果である。）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示したようなシステムと、例えば、図２Ａに示した型のプローブとが、本発明の技術を具体的に実施することができる。示したように、プローブ１０は組織１２中に没入されている。カテーテル１１上に取り付けられた自己加熱遠位サーミスタ１４は、電源および制御回路１６からの電力によって加熱される。図１において、電源および制御回路１６によって供給されるヒータ電圧は、Ｖｈ（ｔ）で表されている。サーミスタ１４は通電されて、組織１２の周辺部分を加熱する。サーミスタ１４の平均温度は、電源および制御回路１６によって、初期平衡温度より上のまたは組織１２のベースライン温度より上の所定レベルまで急速に上昇される。組織１２中の典型的な熱分布パターンが図２Ｂに図示されている。サーミスタビードの中央で最高温度となり、そこから全方向において基準温度まで、すなわち、サーミスタ部位周囲の非摂動組織のベースライン温度まで下がる。組織の温度が加熱されたサーミスタによって任意の相当な程度まで上昇される、サーミスタ１４周囲の組織の部分は、測定領域と呼ばれる。
【００１９】
熱がサーミスタ１４から伝達される速度は、組織１２の有効熱伝導率に応じる。所定の上昇温度レベルを維持するためにこうしてサーミスタで使用または散逸される電力も、周囲組織の有効熱伝導率に応じる。生体組織の有効熱伝導率は、組織の固有熱伝導率および組織潅流（すなわち、組織中の対流の効果）の２つの主要な成分を有する。組織の固有熱伝導率は組織含水量に応じる。したがって、サーミスタ１４から組織１２への熱伝達の速度も、含水量に応じる。サーミスタ１４（動作モードでは加熱され、検知モードでは加熱されない電気抵抗サーミスタビード）の両端の電圧Ｖｈ（ｔ）は、それから有効熱伝導率の決定がなされるパラメータを与える。データプロセッサ２０では、固有熱伝導率の熱効果および潅流の熱効果が分離され、固有熱伝導率値が、組織含水量の計算に使用される。
【００２０】
電源および制御回路１６からの信号Ｖｈ（ｔ）は、制御回路１６によってサーミスタ１４に供給された電力または熱エネルギーを表しており、その値もまた、加熱により生じる組織中の熱反応に応じる。信号Ｖｈ（ｔ）は、組織１２の有効熱伝導率に機能的に関連しており、適当なアナログデジタルコンバータ１５により、固有熱伝導率を計算するデジタルデータプロセッサ２０にデジタル形式で供給される。近位サーミスタ１８は、サーミスタ１４の熱範囲または測定領域の外側にくるようにプローブ１０上に配置されており、ベースライン温度をモニタし、ベースライン温度の変動に合わせて調節する信号Ｖｇ（ｔ）を与える。近位サーミスタ１８は、ベースライン温度の変動が、効果的なモニタを妨げるほど大きい（または大きくなると予想される）ところで使用される選択肢である。安定した熱環境においては、サーミスタ１８によって行われる補正は必要でない。
【００２１】
データプロセッサ２０は、制御回路１６からの電力に関連する信号、およびサーミスタ１８（使用した場合）からのベースライン信号を処理し、表示デバイス２２に組織含水量を表す値の信号を与える。表示デバイスは、それから組織含水量の評価を表示する。より詳細には、熱特性モデル２４（これがデータプロセッサ２０のアルゴリズム形成部とされてもよい）は、電源１６、含水量モデル２６（これもデータプロセッサ２０のアルゴリズム形成部とされてよい）、およびプローブ１０と連絡している。熱特性モデル２４は、サーミスタ１４に（制御回路１６によって与えられる信号Ｖｈ（ｔ）により）供給される電力に応じる固有熱伝導率（ｋ）と、ベースライン調整が必要な実施形態においては、サーミスタ１８からのベースライン信号とを決定する。含水量モデル２６と熱特性モデル２４とを利用して、データプロセッサ２０は組織１２の含水量を計算する。
【００２２】
図１に示す実施形態では、固有熱伝導率データ信号が、熱特性モデル２４から含水量モデル２６に与えられる。含水量モデル２６は、伝導率値を対応する組織含水量の値に関連付ける。含水量モデル２６によって与えられる組織含水量または浮腫値は、適当な表示のために表示デバイス２２に伝達される。組織含水量または浮腫は、熱特性モデル２４によって与えられる伝導率信号を対応する組織含水量値に相関させる含水量モデル２６によって決定される。熱特性モデル２４および含水量モデル２６は、さらに以下で説明される。
【００２３】
与えられた例は、サーミスタを加熱するために電力が与えられ、したがってその周囲の組織が加熱される、サーミスタ１４をその上に有する侵襲プローブ１０の使用に向けられる。しかしながら、本発明はそのように限定されない。例えば、組織中に没入されたプローブに電力を与えることによって、内部のまたは侵襲的な意味で組織に熱を加えるよりもむしろ、外部熱源から組織に非侵襲的に熱を加えることができる。非侵襲的な使用に適合されるプローブの例は、Ｂｏｗｍａｎらへの米国特許第４，８５９，０７８号およびＤｉｔｔｍａｒらへの米国特許第４，８４１，５４３号に示されている。これらのようなプローブは、プローブで皮膚または内部器官を穿通することなく、表皮または、外科処置中には内部器官の表皮に用いることができる。測定領域内の組織の部分は、組織のベースライン温度より上に加熱される組織の部分である。
【００２４】
脳における浮腫をモニタするための本発明のシステムが、概略的に図３に図示されている。頭部の外傷および外科処置の症例によっては、頭蓋骨３０に１つ以上の開口またはバーホール３２が形成され、中空ボルト３４が嵌め込まれて脳腔へのアクセスを提供する。中空ボルトは、プローブ１０を導入するための脳へのアクセスとして作用することができる。プローブ１０は、中空ボルト３４を通されて、脳組織中に遠位サーミスタ１４を埋め込む。ベースラインモニタ近位サーミスタ１８を用いる実施形態では、プローブ１０は、サーミスタ１８も脳組織中に埋め込まれるように位置決めされる。脳浮腫は、外科処置中にモニタされ、処置後もモニタすることができる。組織含水量データの一用途は、適切な処置または外科的介入を行うことができるように、血流を圧迫させるのに十分な脳の腫脹に伴って起こる浮腫の状態を特定することである。心臓外科などの他の外科処置では、プローブ１０または非侵襲プローブが、心臓または周囲の組織に適用されて、それらの位置での組織液体貯留を評価してもよい。
【００２５】
次に、組織含水量モデル２６について説明する。組織含水量モデルは、組織含水量とともに知られている様に変動する組織の熱特性をモデルリングするために構築されてよい。例えば、モデルによって、熱が組織中を伝達する速度の値を、対応する組織含水量値と関連付けることができる。モデルと選択された部位の組織の部分を加熱するために供給される電力とによって確立される関係を、その部位の組織の含水量を定量化するのに使用することができる。組織の熱伝導率に基づくこのような１つのモデルは、可能なあるいはありうる固定熱伝導率値を、対応する組織含水量の値に相関させる経験的モデルである。このモデルは、組織、水、脂肪、およびタンパク質を構成する３つの主成分の伝導率に基づいている。水の熱伝導率は、６．２３ｍＷ／（ｃｍ・℃）であり、脂肪およびタンパク質の両方の伝導率は、およそ２．００ｍＷ／（ｃｍ・℃）である。脂肪およびタンパク質に対する値は、互いに十分に接近しており、水の値とは十分に区別できるので、有効モデルは、脂肪およびタンパク質の両方の仮定される近似値（例えば２．０）か、脂肪およびタンパク質個々の値のいずれかに基づくことができる。含水量の種々の比率での組織の伝導率の経験的モデルは、（３７℃で２．８５ｍＷ／（ｃｍ・℃）の熱伝導率を有する）グリセロールを脂肪およびタンパク質についてモデルとした、水−グリコール混合物を用いて構築することができる。水−グリコール混合物を用いて行われる測定は、図４に示される曲線をもたらした。本発明の適用の大半がこの範囲に入るのだが、６０％から１００％の含水量の範囲では、データポイントが、伝導率と略直線的な関係を有する含水量を示す直線にほぼ収まる。データポイントに適合する直線は、次のように表せる。
【数１】
2004530478.tif 000067
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。６０％より下の含水量では、水−グリコール混合物中で測定されたデータポイントは直線的ではなかった。含水量０％から１００％の全範囲にわたってデータに適合する曲線は、次のように表せる。
【数２】
2004530478.tif 000068
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。
【００２６】
経験的モデルは、熱伝導率データが採取される組織サンプルの水、脂肪、およびタンパク質含有量についての個々に確認されていれば、組織の実測にも基づくことができる。
【００２７】
さらに、モデルは、脂肪、タンパク質、および水の熱伝導率の理論値に基づくことができる。一例を図５に示す。ここで、熱伝導率とパーセント質量含水量との間には実質的に直線関係がある。この関係は次のように表せる。
【数３】
2004530478.tif 000069
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表し、ならびにａ、ｂ、ｃ、およびｄは定数である。この式は上記の数式２と同様の形である。
【００２８】
上記参照された組織の固有熱伝導性のモデルは、組織の体積の伝導率が、質量分率で重みづけされた各構成成分の伝導率に応じる、という原理に基づいている。すなわち、
【数４】
2004530478.tif 000070
ここで、ｍｔは組織の質量であり、ｍｈは水成分の質量であり、ｍｆは脂肪成分の質量であり、ならびにｍｐはタンパク質成分の質量である。
【００２９】
数式４を組織の質量（ｍｔ）で割って質量分率を求めると、結果は、
【数５】
2004530478.tif 000071
ここで、γ＝ｍｈ／ｍｔ＝組織中の水の質量分率、β＝ｍｆ／ｍｔ＝組織中の脂肪の質量分率、ならびにθ＝ｍｐ／ｍｔ＝組織中のタンパク質の質量分率。
【００３０】
したがって、組織の伝導率は質量分率に関して次のように表せる。
【数６】
2004530478.tif 000072
ここで、ｋｔは組織の伝導率であり、ｋｈは組織中の水の伝導率であり、ｋｆは組織中の脂肪の伝導率であり、ならびにｋｐは組織中のタンパク質の伝導率である。
【００３１】
同様に、組織の他の熱特性（拡散率等）は質量分率に関して次のように表せる。
【数７】
2004530478.tif 000073
ここで、αｔは組織の熱特性（拡散率等）であり、αｈは組織中の水の熱特性であり、αｆは組織中の脂肪の熱特性であり、ならびにαｐは組織中のタンパク質の熱特性である。
【００３２】
さらに、両者の関係が知られていれば、１つの組織含水量モデルが別のモデルから構築されてもよい。例えば、熱拡散率の場合には、伝導率（ｋ）と拡散率（α）の関係は次のように表される。
【数８】
2004530478.tif 000074
ここで、ρおよびｃはそれぞれ密度および熱容量である。したがって、拡散率用の含水量モデルは、伝導率モデルから容易に計算することができる。
【００３３】
拡散率用のモデルは、例えば、伝導率モデルの経験的展開と関連して説明されたのと同じ水―グリコール混合物を用いて経験的に求めることもできる。このようなモデルの１つが、図６によって示されている。図６のデータポイントに適合する曲線は次のように表せる。
【数９】
2004530478.tif 000075
ここで、「ｙ」は熱伝導率を表し、「ｘ」は質量パーセント含水量を表す。
【００３４】
組織の含水量が変化するので、この変化が、伝導率および拡散率等の熱特性の固有値の対応する変化に反映される。組織の損傷中は、例えば、含水量が、一般に増加して浮腫の状態になる。本発明によれば、損傷領域において、例えば固有熱伝導率等の、組織の水に応じる熱特性の少なくとも１つの測定が行われ、組織含水量の定量化（すなわち浮腫の定量化）に用いられる。データプロセッサ２０は、上記参照したうちの１つなどの、伝導率および組織含水量の関係のモデルとともにプログラムされる。このシステムは、上記の組織含水量モデルにしたがって熱伝導率データを処理して、組織の質量パーセント含水量（または浮腫）を定量化し、適切な表示を提供する。
【００３５】
含水量モデル２６は、伝導率または拡散率等の組織の熱特性の任意の知られている値に対して、組織含水量に対応または関連する値を提供する、ルックアップリファレンスとして機能してもよい。
【００３６】
代替データ処理技術では、実際の伝導率の値信号を計算せずに、組織含水量を直接一次データから計算できることが理解されよう。例えば、回路１６によって供給されたデータ、（図１の代替含水量モデル２６’によって図示したような）組織含水量のモデルからの入力、およびプローブ１０からのデータに応じて、データプロセッサ２０に含水量を計算させることができる。代替含水量モデル２６’は、伝導率および拡散率等の組織の熱特性値を含水量に相関させるルックアップリファレンスとして機能する。代替含水量モデル２６’は、データプロセッサ２０に相関された含水量値の入力を与え、データプロセッサ２０は、代替含水量モデル２６’からの相関データ入力、サーミスタ１４を加熱するのに必要な電力に機能的に関連する制御回路１６からの信号、およびプローブ１０からのベースライン信号の３つの入力に応じて対象組織の含水量を計算する。
【００３７】
上述の技術は、含水量に応じて変動する熱特性（例えば、熱伝導率または熱拡散率）の測定に基づいて、選択された組織における組織含水量を計算するものである。継続的にモニタするために、上記のように計算された浮腫の値は、迅速に連続して再計算される。サーミスタ１４は、周期的に通電および非通電されて反復加熱サイクルを生成し、浮腫が、各通電サイクルにおいてサーミスタ温度の上昇および下降のそれぞれの間に再計算される。本発明の上記技術によって、例えば３分から６分毎の最新の浮腫値を得ることができる。
【００３８】
熱特性モデル２４についての説明、ならびに有効熱伝導率、熱拡散率、および固有熱伝導率を決定する方法の数学的処理は、上記参照したＢｏｗｍａｎらへの米国特許第４，０５９，９８２号および第４，８５２，０２７号に記載されている。そこで教示されているように、サーミスタを加熱するのに種々の加熱プロトコルを使用することができる。サーミスタ１４を一定または所定の温度まで加熱することができ、または、サーミスタ温度を一定または所定の電力で加熱する間に測定することができ、あるいは他の加熱プロトコルを使用することができる。全てのプロトコルにおいて、同じ原理を用いる手順がデータ分析に使用される。サーミスタを加熱するのに用いられる電力およびサーミスタの温度上昇は、組織含水量の計算への関数入力であり、含水量の計算では、その値の一つが予め決められている。２つの加熱プロトコルについて、一方の加熱プロトコルは図７に関連して、他方のプロトコルは図８、図９Ａ、および図９Ｂに関連して説明する。
【００３９】
図７において、平均ビード温度Ｖｂおよび加熱電力Ｐのグラフ表示が、双方とも時間の関数で示されている。図示されている特定の手順では、電力Ｐは、サーミスタビード温度Ｖｂが、選択されたレベルＶｂ２まで急速に上昇して組織の部分を加熱するように、印加され、電力がゼロに減少される（遮断される）までの選択された時間期間（例えば、時間ｔｉまで）中そのレベルに維持され、温度Ｖｂは、示された一般的な様態でベースライン温度まで下降して、通電および非通電の１サイクルが完了する。
【００４０】
以下に述べるように、例えば、初期には、図７の「Ａ」で図示される時間範囲または時間枠でその加熱部分において、後で「Ｂ」で加熱部分において、全体的な加熱／冷却サイクル中の異なる時間になされた測定から導出されたデータとともに、近似アルゴリズムを使用することができる。
【００４１】
時間枠「Ａ」中に取得したデータは、組織の伝導性（すなわち伝導率）に支配され、組織中の流動（潅流）の効果は比較的低い。時間枠「Ｂ」中に取得したデータは、加熱が継続するにつれ後で発生し、潅流に大きく影響を受ける（すなわち、組織中の流動の効果は時間枠「Ａ」よりも大きい。）。
【００４２】
時間枠「Ａ」および「Ｂ」で使用可能なデータ分析アルゴリズムの一例が、図１０のフローチャートで図示されている。前述のように、時間枠「Ｂ」中の媒体の流動の効果は、時間枠「Ａ」中よりも大きい（図７）。時間枠「Ａ」および「Ｂ」についての計算は、以下のように行われる。（１）温度変化を生じさせるために必要な温度または電力のいずれかを所定の方式で制御しながら、サーミスタの温度を第１の温度（Ｔ１）から第２の温度（Ｔ２）まで変化させて熱サイクルを初期化し、（２）加熱サイクルの最後に温度を第２の温度から最終温度（Ｔｆ）まで緩和し、（３）温度および電力を測定し、（４）時間枠「Ａ」中に固有熱伝導率および／または拡散率の値を計算し、（５）潅流の値をゼロとして、ステップ（４）からの値および含水量を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（６）計算された組織含水量値を表示する。
【００４３】
あるいは、上記ステップ（５）において得られたものより小さい許容誤差が必要とされる場合には、ステップ（４）に続いて次のように反復計算が行われる。（７）ステップ（４）からの固有熱伝導率および／または拡散率の計算値を用いて、時間枠「Ｂ」中に潅流の値を計算し、（８）時間枠「Ａ」中に計算された固有熱伝導率および／または拡散率、ならびに時間枠「Ｂ」中に計算された潅流の値の計算値を用いて、時間枠「Ａ」中に固有熱伝導率および／または拡散率を再計算し、（９）固有熱伝導率および／または拡散率の再計算値などを用いて、時間枠「Ｂ」中に潅流の値を再計算し、（１０）このような再計算された潅流の値および再計算された固有熱伝導率および／または拡散率の値を用いて、固有熱伝導率および／または拡散率を再度再計算し、（１１）実質的に変化しない熱伝導率および／または拡散率値へ収束するまで、ステップ（９）および（１０）を繰り返し、（１２）ステップ（１１）からの値および含水量モデルを用いて計算して組織含水量（浮腫）を定量化し、（１３）計算された組織含水量を表示する。
【００４４】
図１１は、熱特性値を計算することなく、組織の伝導率または他の熱特性により影響を受ける種々のパラメータから含水量が決定される、別の実施形態を示している。温度、電力、および両方（Ｐ／ΔＴ）を組織含水量（％Ｈ２０）に関連付けるモデルが、含水量の直接計算に使用される。モデルは経験または理論に基づいてよい。ステップは、（１）温度変化を生じさせるために必要な温度または電力のいずれかを制御しながら、サーミスタの温度を第１の温度（Ｔ１）から第２の温度（Ｔ２）まで変化させて熱サイクルを初期化し、（２）加熱サイクルの最後に温度を第２の温度から最終温度（Ｔｆ）まで緩和し、（３）温度（Ｔ）および電力（Ｐ）を測定し、（４）電力の温度の変化に対する比（Ｐ／ΔＴ）を決定し、（５）組み合わせたモデルを用いて、ステップ（４）から生じるＰ／ΔＴの値に対応する含水量値を決定し（６）含水量値を表示する。
【００４５】
アルゴリズムの別の例を、図８、図９Ａ、および図９Ｂに関連して説明する。図８は、図７に示されたのと同様の通電サイクルを図示している。図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ熱伝導率および熱拡散率データの外挿を図示している。浮腫の計算は次のステップから構成される。（１）Ｘ、ＸＩ、ＸＩＩ等である複数の時間枠ＸＩ中に、ゼロの仮定潅流値を用いて複数の有効熱伝導率および／または熱拡散率値を計算し、（２）ステップ（１）で得られた熱伝導率および／または熱拡散率値を、固有熱伝導率および／または固有熱拡散率値の値を得るように、時間ｔ０の上まで、すなわち加熱を開始する瞬間まで外挿する（図９Ａおよび９Ｂを参照）。（ポイントＸ、ＸＩ、ＸＩＩ、等は、各時間枠内の同じ基準化された位置、例えば各時間枠の中央または端部で選択される。）外挿された値は、非潅流固有熱伝導率（ｋ）値および非潅流固有熱拡散率（α）値となる。（３）ステップ（２）からの値を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（４）計算された組織含水量値を表示する。実質的に許容誤差のない組織含水量（浮腫）の値は、次のステップにしたがって計算プロセスを継続することにより求めることができる。（５）上記ステップ（２）からの固有熱伝導率および拡散率値の外挿値を用いて、潅流効果が起こる間の選択された時間、例えば時間枠「Ｙ」（図８）での潅流を計算し、（６）選択された時間枠「Ｙ」の計算された潅流値を用いて、前記複数の時間枠ＸＩでの固有熱伝導率および拡散率値を再計算し、（７）ステップ（６）で得られた熱伝導率および熱拡散率値を時間ｔ０まで外挿し、（８）固有熱伝導率および熱拡散率値が実質的に不変な値に収束するまでステップ（６）および（７）を繰り返し、（９）ステップ（８）からの値を用いて組織含水量（浮腫）を計算し、（１０）計算された組織含水量値を表示する。
【００４６】
上述の例示的な実施形態では、限られた時間期間に温度がより高いレベルまで上昇され、維持される手順が説明されたが、この分析技術は、温度が適切なレベルまで上昇され、すぐに非摂動値まで緩和される場合に得られる測定にも適用してよく、熱特性測定に最も重要な時間は、加熱サイクルが開始される時間または瞬間である。
【００４７】
本発明は、請求の範囲により規定される場合を除き、上述した特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステムのブロック図である。
【図２Ａ】図１に図示された本発明の実施形態に関連して有用なプローブの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの加熱されたプローブにより生成される、組織中の熱分布の典型的パターンを示す図である。
【図３】脳組織のモニタに適用された本発明の概略図である。
【図４】経験的含水量モデルを、伝導率対質量パーセント含水量の曲線として示す図である。
【図５】理論的含水量モデルを示す図である。
【図６】経験的含水量モデルを熱拡散率対質量パーセント含水量の曲線として示す図である。
【図７】本発明の実施形態にしたがって、時間の関数としてサーミスタ温度および電力の曲線を描いた図である。
【図８】本発明の別の実施形態にしたがって、時間の関数としてサーミスタ温度の曲線を示す図である。
【図９Ａ】図８に関連して述べられた本発明の実施形態に関する、熱伝導率の外挿曲線である。
【図９Ｂ】図８に関連して述べられた本発明の実施形態に関する、熱拡散率の外挿曲線である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の別の例示的な実施形態を示すフローチャートである。




【国際調査報告】
2004530478.tif 000076