体外式除細動器
体外式除細動器は、心室細動（ＶＦ）を呈しているＥＣＧから、このＥＣＧの形態を表している少なくとも１つの特性指標、つまりＶＦの継続時間を導き出すことによりＶＦの相を推定する。ＶＦの継続時間は特性指標の値の関数として計算される。特性指標は、所定期間にわたる、ＥＣＧの中間傾斜、ＥＣＧの平均傾斜、ＥＣＧの相対的に高い周波帯及び低い周波数帯におけるパワーの比、及びＥＣＧのピークの密度と振幅の測度のうちのいずれかを１つ以上含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体外式除細動器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Weisfeldt及びBeckerによる３相時間依存的モデルの発表（Weisfeldt ML, Becker LB: "Resuscitation after cardiac arrest. A 3-phase time-sensitive model"; JAMA. 2002; 288: 3035-3038）を受けて、多くの研究が、心停止の３つの各相に特有の治療アルゴリズムの開発に焦点を当てている。
【０００３】
第一の相は、“電気相”として知られており、心停止からの最初の４分に相当する。この期間中に、緊急の除細動を施すべきである。
【０００４】
第二の相は、“循環相”として知られており、この相は、第一の相の後の別の４分の期間、すなわち心停止後４〜１０分までに発生する。この相の期間中には、かん流を増やしして、心筋を再酸素供給による除細動に備えさせ、これにより治療の成功可能性を増やすために、除細動の前に心肺蘇生（ＣＰＲ）を施すべきである。
【０００５】
最後の相は“代謝相”として知られており、これに有効な治療法は、軽度又は適度な、低体温法、代謝療法、又はカスパーゼ阻害剤を使用することだけである。これらのいずれも、病院内の患者に適用できるものである。
【０００６】
過去の研究により、長期心室細動（ＶＦ）を呈している患者の生存率はかなり低いことが分かった。これらの場合、緊急の除細動は、患者の心電図（ＥＣＧ）を、ある非かん流リズム（すなわちＶＦ）から、他のリズム（すなわちＰＥＡ／心停止）に単に変換するに過ぎないと思われる。また、長期心停止の場合における緊急の除細動は、カウンターショック誘発傷害による虚血心筋を招くことになることも分かった。
【０００７】
心筋の状態は、心臓の筋肉及び他の重要臓器をかん流させるのに有効なＣＰＲ処置を採らなければ、急速に悪化する。短期間（ＶＦの発現から４分未満）のＶＦには、緊急のショック療法を指示するのに対して、長期（ＶＦの発現から４分以上）のＶＦには、除細動の前のＣＰＲが、自己心拍再開（ＲＯＳＣ）の可能性を増やすことが広く認められている。
【０００８】
応答者が、ＶＦのどの相を患者があるかについて、正確な情報を掴めば、彼らは最良の適切な治療を提供して、患者の生存の可能性を向上させることができることは明らかである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、患者の心電図（ＥＣＧ）の分析により心室細動（ＶＦ）の相を推定する手段と、推定された前記相に依存して、緊急のショック療法又はＣＰＲのどちらが勧められるかを指示する手段と、を備える体外式除細動器が提供される。
【００１０】
ある実施形態によれば、前記ＶＦの相を推定する手段は、ＶＦ継続時間を推定し、推定されたＶＦ継続時間を閾値と比較する。このような場合、ＶＦ継続時間は、患者のＥＣＧから少なくとも１つのＶＦの特性指標（quality marker）を導き出し、前記ＶＦ継続時間を前記特性指標の値の関数として計算することにより推定するのが好適である。
【００１１】
特性指標は、所定期間にわたるＥＣＧの中間傾斜（median slope）、所定期間にわたるＥＣＧの平均傾斜、所定期間にわたるＥＣＧの相対的に高い周波数帯と低い周波数帯におけるパワーの比、又は所定期間にわたるＥＣＧのピークの密度と振幅の測度を含む。
【００１２】
他の実施形態では、ＶＦの相を推定する手段は、所定期間にわたる前記ＥＣＧのピークの密度と振幅に係る値を導き出す。
【００１３】
このような場合、前記値は、ＥＣＧの包絡線を構築し、所定期間中に包絡線の上に位置するピークの平均の大きさを測定することにより導き出される。好ましくは、前記値を閾値と比較してＶＦの相を推定する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＶＦが、その発現からの時間と共にどのようにその形態を変化するかを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるＥＣＧの包絡線の構築を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態において使用する図２の包絡線を計算するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図４】本発明を具体化する、自動体外式除細動器のブロック図である。
【図５】さらなる実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、ＶＦがその発現から時間と共にその形態をどのように変化するかを示す。ＶＦの発現直後の初期段階のもの（左）と、１２分後（右）における、ＶＦを呈するＥＣＧが示されている。ＶＦの初期段階においては、高い周波数、高い振幅、高い傾斜、及び高いピーク密度が見られる。これらのＶＦの形態変化は、連続したＶＦの期間中における心筋の悪化状態を反映している。
【００１６】
本発明の実施形態は、ＶＦのいわゆる“特性指標”を用いることに基づいている。本文脈において、ＶＦの特性指標とは、ＶＦを呈しているＥＣＧから導き出されるパラメータのことであり、これはＥＣＧの形態を表わし、従ってＶＦの特性指標は、ＶＦの継続時間によって変化する。
【００１７】
本実施形態は、自動体外式除細動器（ＡＥＤ）に組み込まれるシステムであって、２つの除細動器電極を用いて患者のＥＣＧを測定し、１つ以上のＶＦの特性指標を計算し、その特性指標を用いてＶＦの継続時間を、あるアルゴリズムを用いて推定するシステムを教示する。
【００１８】
従来技術は、明細書中で周波数比（ＦＲ）及び、中間傾斜（ＭＳ）と称する、ＶＦの２つの特性指標を教示している。これに加えて、本明細書では、ピークの密度と振幅（ＤＡ）、及び平均傾斜（ＡＳ）と称する２つの新しいＶＦ特性指標を開示する。
【００１９】
これらの特性指標の全て、いずれか、又は幾つかを、除細動器固有の診断アルゴリズムと併用して用い、蘇生成功の可能性を高めるためにショックを与える前にＣＰＲを施すべくオペレータに可聴又は可視の指示を発生させることができる。
【００２０】
［ＶＦの特性指標］
以下の特性指標、即ち中間傾斜（ＭＳ）、平均傾斜（ＡＳ）、周波数比（ＦＲ）、及びピークの密度と振幅（ＤＡ）を得るために、毎秒当たりｆｓ個のサンプルにおける、Ｎ個のサンプルのウィンドウにおけるＥＣＧの一連のサンプル、x0,x1,…,xN-1を、連続するエポック（epochs）において処理する。
【００２１】
［中間傾斜］
ショック結果の予測子としての中間傾斜は、Eilevstjonnらにより明らかにされている（Eilevstjonn J, Kramer-Johansen J, Sunde K: "Shock outcome is related to prior rhythm and duration of ventricular fibrillation"; Resuscitation. 2007; 75 60-67）。
【００２２】
中間傾斜（ＭＳ）は、
【数１】
により与えられる。
【００２３】
簡素化のため、ここでの傾斜を、２つの連続するサンプルが用いられるxi-xi-1により表す。しかしながら、傾斜を計算するのには、もっと多くの点を用いることができる。この場合には傾斜をスケーリングしてから、中間傾斜の計算用に仕分ける。定義によると、中間値とは、順序付けられたＮ個のサンプルアレイの中央値である。Ｎが奇数である場合、アレイの位置（Ｎ＋１）／２に対応する値が中間値である。そうでなければ（Ｎが偶数である場合）、中間値は、アレイの位置Ｎ／２及びＮ／２＋１に対応する値の合計の半分である。
【００２４】
［平均傾斜］
平均傾斜（ＡＳ）は、
【数２】
により表される。
【００２５】
［周波数比］
ＶＦ継続時間の指標としての周波数比（ＦＲ）は、Shermanにより明らかにされている（Sherman LD: "The frequency ratio: An improved method to estimate ventricular fibrillation duration based on Fourier analysis of the waveform"; Resuscitation. 2006; 69: 479-486）。
【００２６】
Shermanは、ＶＦの波形の周波数分析に基づく方法を提起した。４５頭のブタでＶＦデータを、１２．５分間記録した。５秒のエポックに対するフーリエ周波数スペクトルを計算し、各周波数での平均パワーは、３Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数スペクトルにおけるパワーの増加に伴って、５分の時点にて生じる８Ｈｚ以上の周波数の際立った損失を示した。周波数比は、８Ｈｚ〜２４Ｈｚの高周波数帯のパワーと、３Ｈｚ〜５Ｈｚの低周波数帯のパワーとの比として定義された。この周波数比は、５分にわたるＶＦにおけるエポックの７４％の選択を許容しながら、５分未満のＶＦにおけるエポックの９０％を検出することを示した。周波数比を、７分未満のＶＦのエピソードの９０％を検知するように設定すると、７分にわたるＶＦでそれらトレースの８８％を選択可能であった。周波数比に対する受信者動作特性曲線（ＲＯＣ）は、ＶＦ継続時間の５分での０．９１と、７分での０．９５の特性曲線の面積を有する。
【００２７】
Shermanは、周波数比は、ＶＦ継続時間の強力な推定量であると主張している。しかしながらこれは、提案されている周波数範囲に対して、特に計算的にコストがかかる周波数分析に基づくものである。
【００２８】
Shermanにより提起された処理によると、（時間ドメインにおける）一連のサンプルx0,…,xN-1は、（周波数ドメインにおける）一連のＮ個の複素数X0,…,XN-1に変換される。
【数３】
ここで
は、原始Ｎ乗根である。
【００２９】
周波数指数が
でのパワーを
とする。
【００３０】
低周波数帯（３−５Ｈｚ）は、周波数指数l1からlnに関連付けられる。
【００３１】
次に低周波数帯のパワーは、
【数４】
により表される。
【００３２】
同様に高周波数帯の出力は、
【数５】
により表される。ここで、h1及びhmは、高周波数帯（８−２４Ｈｚ）に対する周波数指数である。
【００３３】
最後に、周波数比（ＦＲ）は、
【数６】
として定義される。
【００３４】
しかしながら、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、時間がかかり、ＣＰＵの膨大なリソースを利用することからして、本実施形態では、全ての周波数を分析する代わりに、異なる周波数の大きさの推定を、整数フィルタを用いて行う。これらのフィルタは、最も重要な貢献をすることが分かっている既知の周波数を個別にフィルタリングする。この技術は、本出願人のアイルランド特許出願第Ｓ２００８／０７８５号に記載されている。
【００３５】
［ピークの密度と振幅］
この特性指標には、ＥＣＧ信号の包絡線を用いる。サンプル毎に、包絡線の外側の目立つ値として定義されるピークが検出されるかどうかチェックする。包絡線は、ＥＣＧ信号を包含するためにＥＣＧ信号から生成される人為的かつ自動調整される信号である。しかしながら、到着するサンプルで目立つサンプルは、包絡線の外側に位置する。包絡線を導出する原理は、光線を特定の傾斜でベースラインに狙いを定めるように構築することであるが、光線はベースラインに対するその光路をサンプルが“遮る”ことによってリセットされる。
【００３６】
図２は、ＶＦ中のＥＣＧ信号に対する包絡線の例である。包絡線１０は、信号１２を“包含”し、特定の瞬時における信号の最大値の概算を提供する。この（局部的な）最大値またはピークは、ベースラインに狙いを定めており、信号の振幅が増加するとリセットされる。上述したように、あるピーク１４は、包絡線の外側（つまり上方）に位置する。
【００３７】
図３には、各サンプルに対応する包絡線を計算するアルゴリズムのフローチャートを示している。使用する変数の説明、及びこれら変数の数値単位での初期値を、以下の表に示す。
【表１】
【００３８】
図２及び上記の表において使用されているパラメータは、毎秒１７０．６サンプルのサンプルレートで用いた。しかし、パラメータは、サンプルレートの変更に従って変更してもよい。
【００３９】
ピークの密度と振幅の特性指標は、
【数７】
により与えられる。ここで、xiが包絡線の外側（つまり上方）にあるピークである場合、wi = |xi|であり、それ以外の場合、wi = 0である。
【００４０】
必要に応じ、ＤＡの式は、ＡＳ及びＭＳの特性指標に対して成したように、fs（サンプルレート）で乗算することができる。fsは定数であるため、この乗算の効果は正にスケーリングであるが、本来のコンセプトは不変である。
【００４１】
［ＶＦ継続時間］
これらの指標からＶＦ継続時間の推定値を計算するためには、以下のモデルを用いる。
【数８】
ここでtは、秒単位での推定されるVFの継続時間であり、A、B、C、D及びＥは、パラメータであり、Qは特性指標の値である。
【００４２】
Qは、２つ以上の特性指標を表わすことができ、一般に、指標値の一次結合、
【数９】
を用いることができる。ここでp、q、r及びsは係数（スケーリングファクタ）である。
【００４３】
A、B、C、D、E、p、q、r及びsは、ＥＣＧの一連の特性を表すものとして知られている、ＶＦ中のＥＣＧ信号のデータベースから経験的に取得される。特定のＥＣＧ信号について、特性指標はサンプル毎に計算される。この特性指標を用いて、tを推定し、これを、ＶＦ継続時間の実時間と比較する。パラメータ及び係数の値は、推定されたＶＦ継続時間と実時間との差を最小にするために、反復的に調整する。
【００４４】
以下は、定数A、B、C、D及びＥが取り得る範囲である。
A = +1〜+1000
B = -500〜+500
C = +1〜+500
D = 0〜+200
E = +1/2〜+5/2
【００４５】
［除細動器のハードウェア］
図４は、本発明を具体化する、自動体外式除細動器のブロック図である。
【００４６】
本実施形態において用いるハードウェアは、自動体外式除細動器にとって標準的なものであり、２つの電極Ｄ１によるＥＣＧ電位の測定を伴い、２つの電極Ｄ１は、必要に応じてショック療法を施すのにも役立つ。
【００４７】
使用時において、患者のＥＣＧは、除細動器の電極Ｄ１により検知され、差動増幅器Ｄ２に渡される。後者は、患者の必要に応じて、電気治療中に除細動器の電極Ｄ１に与えられる高電圧から、回路Ｄ１１により保護される。差動増幅器Ｄ２によって得られた信号（±３ｍＶ）は、一次のハイパスフィルタＤ３に渡される。該ハイパスフィルタＤ３は、差動増幅器Ｄ２への帰還によって直流レベルをゼロに戻し、呼吸及び（１．６Ｈｚ以下の）動きの影響を除去する。フィルタＤ３からの信号は四次のローパスフィルタＤ４に渡され、主要なピックアップ及びその他の（２０Ｈｚ以上の）高周波ノイズを除去する。最後に信号を、増幅器Ｄ５にて、アナログ‐デジタル変換及びサンプリング用にマイクロプロセッサＤ６により、必要とされるレベルにまでスケーリングする。この実施形態では、このようなサンプリングは、毎秒１７０．６サンプルのレートで発生する。
【００４８】
マイクロプロセッサＤ６は、患者が心室細動の状態にあるのか否かを判定するために、既知の技術を利用してＥＣＧ信号を分析するだけでなく、電気治療を施すユーザをガイドするインジケータＤ７を制御する。インジケータは、音声プロンプト、及び／又は、照らされて所定の状態を指示するカラーランプを備えることができる。
【００４９】
ＶＦを検出すると、マイクロプロセッサＤ６は、（以下に記載する）ＶＦ継続時間アルゴリズムを自動的に開始して、現在のＶＦの相を推定する。その結果に応じて、除細動器は、（ショック療法の質、従って、ショック療法に見られるような有効性を高めるために）ＣＰＲの適用を勧めるか、又は緊急のショックを勧める。ショック療法が勧められると、緊急であろうとＣＰＲの後であろうと、マイクロプロセッサＤ６により、充電回路Ｄ８の起動を介してコンデンサＤ９の充電が開始される。コンデンサＤ９の電圧はマイクロプロセッサＤ６により検知され、患者に与えるエネルギーレベルが正しいレベルになると、ブリッジ回路Ｄ１０が起動し、ユーザが、 “ショック”ボタン（不図示）を押した場合に、患者に二相性のショックが与えられる。
【００５０】
図４に示されるハードウェアの大部分は、あらゆる自動体外式除細動器にとって標準的なものである点に留意すべきである。従来の機器との相違点は、ＶＦの持続時間を推定して、ユーザに音声プロンプト、及び／又はカラーランプＤ７により、緊急の電気治療又はＣＰＲ後の電気治療を勧めることができることにある。これは、マイクロプロセッサソフトウェアに組み込まれた新規のアルゴリズムにより達成される。
【００５１】
［除細動器のソフトウェア］
ソフトウェアのアルゴリズムのステップは以下の通りである。
【００５２】
ＶＦが検知された場合、
（ａ）ＥＣＧの前の４秒のエポックに対する特性指標の値Q、又は同様に用いられるそのような値を求める。その後、各デジタルのサンプル用に、値QをＥＣＧの直前の４秒のエポックに対する値Qを更新する。処理時間を最小にするために、Qの、初期計算の後の計算は、フルの計算というよりかむしろ更新処理である。これは、ＣＰＵのオーバーロードを避けると共に、正しい治療を勧めたり、施したりするのに遅れを最小にする。本実施形態においては、指標であるＡＳ及びＤＡだけを計算するのであって、値Qは、
【数１０】
によって与えられる。
【００５３】
（ｂ）ある所定の間隔で、例えば１秒間隔で、Qの現在値に対して、前述のモデルを用いてＶＦの発現からのＶＦの継続時間tを推定する。この実施形態では、以下の値を、前述のモデルに用いた。
A = 480
B = 0
C = 180
D = 85
Ｅ＝+1/2
【００５４】
（ｃ）ＶＦの相を決定する。ｔが２４０秒（４分）未満である場合、ＶＦは電気相にあるとみなされる。
【００５５】
（ｄ）インジケータＤ７による可聴又は可視のガイダンス及びアドバイスにより、ユーザに処置の行動を勧める。
‐ＶＦが電気相にある場合には、緊急のショック療法が勧められ、除細動器のショック回路はイネーブルにされる。
‐ＶＦが電気相にない場合には、ショック療法に先立ってＣＰＲが勧められる。除細動器のショック回路は、ＣＰＲを施すことが勧められるまではイネーブルにされていないが、手動で覆してもよい。
【００５６】
図５は、ＤＡの特性指標の場合に、ＶＦ相を決定する代替のアルゴリズムを示す。これまでのようにステップ１００では、図２及び３を参照して前述したように、各４秒のエポックの間、包絡線１０を計算する。ステップ１１０及び１１２では、ＤＡの特性指標を、エポック内で、包絡線上にあるサンプルの絶対値の平均値として先に示したＤＡに係る式により決定する。
【００５７】
次に、ステップ１１４において、ＤＡの値と、所定の閾値とを比較することによりＶＦの相を直接推定する。本実施形態において、この閾値は０．２９ｍＶ／サンプルとし、ＤＡがこの閾値以上である場合には、ＶＦを、電気相にあるとみなす。従って、緊急のショック療法を勧め、除細動のショック回路をイネーブルにする。
【００５８】
ＤＡが、閾値未満である場合には、ＶＦは電気相にないとみなす。従って、ショック療法に先立ってＣＰＲを勧める。除細動器のショック回路は、ＣＰＲが施されることが勧められるまではイネーブルにされていないが、手動で覆してもよい。
【００５９】
この実施形態によれば、ＶＦ継続時間を推定する必要がない。
【００６０】
本発明は、ここに記載された実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく、改変又は変更可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体外式除細動器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Weisfeldt及びBeckerによる３相時間依存的モデルの発表（Weisfeldt ML, Becker LB: "Resuscitation after cardiac arrest. A 3-phase time-sensitive model"; JAMA. 2002; 288: 3035-3038）を受けて、多くの研究が、心停止の３つの各相に特有の治療アルゴリズムの開発に焦点を当てている。
【０００３】
第一の相は、“電気相”として知られており、心停止からの最初の４分に相当する。この期間中に、緊急の除細動を施すべきである。
【０００４】
第二の相は、“循環相”として知られており、この相は、第一の相の後の別の４分の期間、すなわち心停止後４〜１０分までに発生する。この相の期間中には、かん流を増やしして、心筋を再酸素供給による除細動に備えさせ、これにより治療の成功可能性を増やすために、除細動の前に心肺蘇生（ＣＰＲ）を施すべきである。
【０００５】
最後の相は“代謝相”として知られており、これに有効な治療法は、軽度又は適度な、低体温法、代謝療法、又はカスパーゼ阻害剤を使用することだけである。これらのいずれも、病院内の患者に適用できるものである。
【０００６】
過去の研究により、長期心室細動（ＶＦ）を呈している患者の生存率はかなり低いことが分かった。これらの場合、緊急の除細動は、患者の心電図（ＥＣＧ）を、ある非かん流リズム（すなわちＶＦ）から、他のリズム（すなわちＰＥＡ／心停止）に単に変換するに過ぎないと思われる。また、長期心停止の場合における緊急の除細動は、カウンターショック誘発傷害による虚血心筋を招くことになることも分かった。
【０００７】
心筋の状態は、心臓の筋肉及び他の重要臓器をかん流させるのに有効なＣＰＲ処置を採らなければ、急速に悪化する。短期間（ＶＦの発現から４分未満）のＶＦには、緊急のショック療法を指示するのに対して、長期（ＶＦの発現から４分以上）のＶＦには、除細動の前のＣＰＲが、自己心拍再開（ＲＯＳＣ）の可能性を増やすことが広く認められている。
【０００８】
応答者が、ＶＦのどの相を患者があるかについて、正確な情報を掴めば、彼らは最良の適切な治療を提供して、患者の生存の可能性を向上させることができることは明らかである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、患者の心電図（ＥＣＧ）の分析により心室細動（ＶＦ）の相を推定する手段と、推定された前記相に依存して、緊急のショック療法又はＣＰＲのどちらが勧められるかを指示する手段と、を備える体外式除細動器が提供される。
【００１０】
ある実施形態によれば、前記ＶＦの相を推定する手段は、ＶＦ継続時間を推定し、推定されたＶＦ継続時間を閾値と比較する。このような場合、ＶＦ継続時間は、患者のＥＣＧから少なくとも１つのＶＦの特性指標（quality marker）を導き出し、前記ＶＦ継続時間を前記特性指標の値の関数として計算することにより推定するのが好適である。
【００１１】
特性指標は、所定期間にわたるＥＣＧの中間傾斜（median slope）、所定期間にわたるＥＣＧの平均傾斜、所定期間にわたるＥＣＧの相対的に高い周波数帯と低い周波数帯におけるパワーの比、又は所定期間にわたるＥＣＧのピークの密度と振幅の測度を含む。
【００１２】
他の実施形態では、ＶＦの相を推定する手段は、所定期間にわたる前記ＥＣＧのピークの密度と振幅に係る値を導き出す。
【００１３】
このような場合、前記値は、ＥＣＧの包絡線を構築し、所定期間中に包絡線の上に位置するピークの平均の大きさを測定することにより導き出される。好ましくは、前記値を閾値と比較してＶＦの相を推定する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＶＦが、その発現からの時間と共にどのようにその形態を変化するかを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるＥＣＧの包絡線の構築を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態において使用する図２の包絡線を計算するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図４】本発明を具体化する、自動体外式除細動器のブロック図である。
【図５】さらなる実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、ＶＦがその発現から時間と共にその形態をどのように変化するかを示す。ＶＦの発現直後の初期段階のもの（左）と、１２分後（右）における、ＶＦを呈するＥＣＧが示されている。ＶＦの初期段階においては、高い周波数、高い振幅、高い傾斜、及び高いピーク密度が見られる。これらのＶＦの形態変化は、連続したＶＦの期間中における心筋の悪化状態を反映している。
【００１６】
本発明の実施形態は、ＶＦのいわゆる“特性指標”を用いることに基づいている。本文脈において、ＶＦの特性指標とは、ＶＦを呈しているＥＣＧから導き出されるパラメータのことであり、これはＥＣＧの形態を表わし、従ってＶＦの特性指標は、ＶＦの継続時間によって変化する。
【００１７】
本実施形態は、自動体外式除細動器（ＡＥＤ）に組み込まれるシステムであって、２つの除細動器電極を用いて患者のＥＣＧを測定し、１つ以上のＶＦの特性指標を計算し、その特性指標を用いてＶＦの継続時間を、あるアルゴリズムを用いて推定するシステムを教示する。
【００１８】
従来技術は、明細書中で周波数比（ＦＲ）及び、中間傾斜（ＭＳ）と称する、ＶＦの２つの特性指標を教示している。これに加えて、本明細書では、ピークの密度と振幅（ＤＡ）、及び平均傾斜（ＡＳ）と称する２つの新しいＶＦ特性指標を開示する。
【００１９】
これらの特性指標の全て、いずれか、又は幾つかを、除細動器固有の診断アルゴリズムと併用して用い、蘇生成功の可能性を高めるためにショックを与える前にＣＰＲを施すべくオペレータに可聴又は可視の指示を発生させることができる。
【００２０】
［ＶＦの特性指標］
以下の特性指標、即ち中間傾斜（ＭＳ）、平均傾斜（ＡＳ）、周波数比（ＦＲ）、及びピークの密度と振幅（ＤＡ）を得るために、毎秒当たりｆｓ個のサンプルにおける、Ｎ個のサンプルのウィンドウにおけるＥＣＧの一連のサンプル、x0,x1,…,xN-1を、連続するエポック（epochs）において処理する。
【００２１】
［中間傾斜］
ショック結果の予測子としての中間傾斜は、Eilevstjonnらにより明らかにされている（Eilevstjonn J, Kramer-Johansen J, Sunde K: "Shock outcome is related to prior rhythm and duration of ventricular fibrillation"; Resuscitation. 2007; 75 60-67）。
【００２２】
中間傾斜（ＭＳ）は、
【数１】
により与えられる。
【００２３】
簡素化のため、ここでの傾斜を、２つの連続するサンプルが用いられるxi-xi-1により表す。しかしながら、傾斜を計算するのには、もっと多くの点を用いることができる。この場合には傾斜をスケーリングしてから、中間傾斜の計算用に仕分ける。定義によると、中間値とは、順序付けられたＮ個のサンプルアレイの中央値である。Ｎが奇数である場合、アレイの位置（Ｎ＋１）／２に対応する値が中間値である。そうでなければ（Ｎが偶数である場合）、中間値は、アレイの位置Ｎ／２及びＮ／２＋１に対応する値の合計の半分である。
【００２４】
［平均傾斜］
平均傾斜（ＡＳ）は、
【数２】
により表される。
【００２５】
［周波数比］
ＶＦ継続時間の指標としての周波数比（ＦＲ）は、Shermanにより明らかにされている（Sherman LD: "The frequency ratio: An improved method to estimate ventricular fibrillation duration based on Fourier analysis of the waveform"; Resuscitation. 2006; 69: 479-486）。
【００２６】
Shermanは、ＶＦの波形の周波数分析に基づく方法を提起した。４５頭のブタでＶＦデータを、１２．５分間記録した。５秒のエポックに対するフーリエ周波数スペクトルを計算し、各周波数での平均パワーは、３Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数スペクトルにおけるパワーの増加に伴って、５分の時点にて生じる８Ｈｚ以上の周波数の際立った損失を示した。周波数比は、８Ｈｚ〜２４Ｈｚの高周波数帯のパワーと、３Ｈｚ〜５Ｈｚの低周波数帯のパワーとの比として定義された。この周波数比は、５分にわたるＶＦにおけるエポックの７４％の選択を許容しながら、５分未満のＶＦにおけるエポックの９０％を検出することを示した。周波数比を、７分未満のＶＦのエピソードの９０％を検知するように設定すると、７分にわたるＶＦでそれらトレースの８８％を選択可能であった。周波数比に対する受信者動作特性曲線（ＲＯＣ）は、ＶＦ継続時間の５分での０．９１と、７分での０．９５の特性曲線の面積を有する。
【００２７】
Shermanは、周波数比は、ＶＦ継続時間の強力な推定量であると主張している。しかしながらこれは、提案されている周波数範囲に対して、特に計算的にコストがかかる周波数分析に基づくものである。
【００２８】
Shermanにより提起された処理によると、（時間ドメインにおける）一連のサンプルx0,…,xN-1は、（周波数ドメインにおける）一連のＮ個の複素数X0,…,XN-1に変換される。
【数３】
ここで
は、原始Ｎ乗根である。
【００２９】
周波数指数が
でのパワーを
とする。
【００３０】
低周波数帯（３−５Ｈｚ）は、周波数指数l1からlnに関連付けられる。
【００３１】
次に低周波数帯のパワーは、
【数４】
により表される。
【００３２】
同様に高周波数帯の出力は、
【数５】
により表される。ここで、h1及びhmは、高周波数帯（８−２４Ｈｚ）に対する周波数指数である。
【００３３】
最後に、周波数比（ＦＲ）は、
【数６】
として定義される。
【００３４】
しかしながら、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、時間がかかり、ＣＰＵの膨大なリソースを利用することからして、本実施形態では、全ての周波数を分析する代わりに、異なる周波数の大きさの推定を、整数フィルタを用いて行う。これらのフィルタは、最も重要な貢献をすることが分かっている既知の周波数を個別にフィルタリングする。この技術は、本出願人のアイルランド特許出願第Ｓ２００８／０７８５号に記載されている。
【００３５】
［ピークの密度と振幅］
この特性指標には、ＥＣＧ信号の包絡線を用いる。サンプル毎に、包絡線の外側の目立つ値として定義されるピークが検出されるかどうかチェックする。包絡線は、ＥＣＧ信号を包含するためにＥＣＧ信号から生成される人為的かつ自動調整される信号である。しかしながら、到着するサンプルで目立つサンプルは、包絡線の外側に位置する。包絡線を導出する原理は、光線を特定の傾斜でベースラインに狙いを定めるように構築することであるが、光線はベースラインに対するその光路をサンプルが“遮る”ことによってリセットされる。
【００３６】
図２は、ＶＦ中のＥＣＧ信号に対する包絡線の例である。包絡線１０は、信号１２を“包含”し、特定の瞬時における信号の最大値の概算を提供する。この（局部的な）最大値またはピークは、ベースラインに狙いを定めており、信号の振幅が増加するとリセットされる。上述したように、あるピーク１４は、包絡線の外側（つまり上方）に位置する。
【００３７】
図３には、各サンプルに対応する包絡線を計算するアルゴリズムのフローチャートを示している。使用する変数の説明、及びこれら変数の数値単位での初期値を、以下の表に示す。
【表１】
【００３８】
図２及び上記の表において使用されているパラメータは、毎秒１７０．６サンプルのサンプルレートで用いた。しかし、パラメータは、サンプルレートの変更に従って変更してもよい。
【００３９】
ピークの密度と振幅の特性指標は、
【数７】
により与えられる。ここで、xiが包絡線の外側（つまり上方）にあるピークである場合、wi = |xi|であり、それ以外の場合、wi = 0である。
【００４０】
必要に応じ、ＤＡの式は、ＡＳ及びＭＳの特性指標に対して成したように、fs（サンプルレート）で乗算することができる。fsは定数であるため、この乗算の効果は正にスケーリングであるが、本来のコンセプトは不変である。
【００４１】
［ＶＦ継続時間］
これらの指標からＶＦ継続時間の推定値を計算するためには、以下のモデルを用いる。
【数８】
ここでtは、秒単位での推定されるVFの継続時間であり、A、B、C、D及びＥは、パラメータであり、Qは特性指標の値である。
【００４２】
Qは、２つ以上の特性指標を表わすことができ、一般に、指標値の一次結合、
【数９】
を用いることができる。ここでp、q、r及びsは係数（スケーリングファクタ）である。
【００４３】
A、B、C、D、E、p、q、r及びsは、ＥＣＧの一連の特性を表すものとして知られている、ＶＦ中のＥＣＧ信号のデータベースから経験的に取得される。特定のＥＣＧ信号について、特性指標はサンプル毎に計算される。この特性指標を用いて、tを推定し、これを、ＶＦ継続時間の実時間と比較する。パラメータ及び係数の値は、推定されたＶＦ継続時間と実時間との差を最小にするために、反復的に調整する。
【００４４】
以下は、定数A、B、C、D及びＥが取り得る範囲である。
A = +1〜+1000
B = -500〜+500
C = +1〜+500
D = 0〜+200
E = +1/2〜+5/2
【００４５】
［除細動器のハードウェア］
図４は、本発明を具体化する、自動体外式除細動器のブロック図である。
【００４６】
本実施形態において用いるハードウェアは、自動体外式除細動器にとって標準的なものであり、２つの電極Ｄ１によるＥＣＧ電位の測定を伴い、２つの電極Ｄ１は、必要に応じてショック療法を施すのにも役立つ。
【００４７】
使用時において、患者のＥＣＧは、除細動器の電極Ｄ１により検知され、差動増幅器Ｄ２に渡される。後者は、患者の必要に応じて、電気治療中に除細動器の電極Ｄ１に与えられる高電圧から、回路Ｄ１１により保護される。差動増幅器Ｄ２によって得られた信号（±３ｍＶ）は、一次のハイパスフィルタＤ３に渡される。該ハイパスフィルタＤ３は、差動増幅器Ｄ２への帰還によって直流レベルをゼロに戻し、呼吸及び（１．６Ｈｚ以下の）動きの影響を除去する。フィルタＤ３からの信号は四次のローパスフィルタＤ４に渡され、主要なピックアップ及びその他の（２０Ｈｚ以上の）高周波ノイズを除去する。最後に信号を、増幅器Ｄ５にて、アナログ‐デジタル変換及びサンプリング用にマイクロプロセッサＤ６により、必要とされるレベルにまでスケーリングする。この実施形態では、このようなサンプリングは、毎秒１７０．６サンプルのレートで発生する。
【００４８】
マイクロプロセッサＤ６は、患者が心室細動の状態にあるのか否かを判定するために、既知の技術を利用してＥＣＧ信号を分析するだけでなく、電気治療を施すユーザをガイドするインジケータＤ７を制御する。インジケータは、音声プロンプト、及び／又は、照らされて所定の状態を指示するカラーランプを備えることができる。
【００４９】
ＶＦを検出すると、マイクロプロセッサＤ６は、（以下に記載する）ＶＦ継続時間アルゴリズムを自動的に開始して、現在のＶＦの相を推定する。その結果に応じて、除細動器は、（ショック療法の質、従って、ショック療法に見られるような有効性を高めるために）ＣＰＲの適用を勧めるか、又は緊急のショックを勧める。ショック療法が勧められると、緊急であろうとＣＰＲの後であろうと、マイクロプロセッサＤ６により、充電回路Ｄ８の起動を介してコンデンサＤ９の充電が開始される。コンデンサＤ９の電圧はマイクロプロセッサＤ６により検知され、患者に与えるエネルギーレベルが正しいレベルになると、ブリッジ回路Ｄ１０が起動し、ユーザが、 “ショック”ボタン（不図示）を押した場合に、患者に二相性のショックが与えられる。
【００５０】
図４に示されるハードウェアの大部分は、あらゆる自動体外式除細動器にとって標準的なものである点に留意すべきである。従来の機器との相違点は、ＶＦの持続時間を推定して、ユーザに音声プロンプト、及び／又はカラーランプＤ７により、緊急の電気治療又はＣＰＲ後の電気治療を勧めることができることにある。これは、マイクロプロセッサソフトウェアに組み込まれた新規のアルゴリズムにより達成される。
【００５１】
［除細動器のソフトウェア］
ソフトウェアのアルゴリズムのステップは以下の通りである。
【００５２】
ＶＦが検知された場合、
（ａ）ＥＣＧの前の４秒のエポックに対する特性指標の値Q、又は同様に用いられるそのような値を求める。その後、各デジタルのサンプル用に、値QをＥＣＧの直前の４秒のエポックに対する値Qを更新する。処理時間を最小にするために、Qの、初期計算の後の計算は、フルの計算というよりかむしろ更新処理である。これは、ＣＰＵのオーバーロードを避けると共に、正しい治療を勧めたり、施したりするのに遅れを最小にする。本実施形態においては、指標であるＡＳ及びＤＡだけを計算するのであって、値Qは、
【数１０】
によって与えられる。
【００５３】
（ｂ）ある所定の間隔で、例えば１秒間隔で、Qの現在値に対して、前述のモデルを用いてＶＦの発現からのＶＦの継続時間tを推定する。この実施形態では、以下の値を、前述のモデルに用いた。
A = 480
B = 0
C = 180
D = 85
Ｅ＝+1/2
【００５４】
（ｃ）ＶＦの相を決定する。ｔが２４０秒（４分）未満である場合、ＶＦは電気相にあるとみなされる。
【００５５】
（ｄ）インジケータＤ７による可聴又は可視のガイダンス及びアドバイスにより、ユーザに処置の行動を勧める。
‐ＶＦが電気相にある場合には、緊急のショック療法が勧められ、除細動器のショック回路はイネーブルにされる。
‐ＶＦが電気相にない場合には、ショック療法に先立ってＣＰＲが勧められる。除細動器のショック回路は、ＣＰＲを施すことが勧められるまではイネーブルにされていないが、手動で覆してもよい。
【００５６】
図５は、ＤＡの特性指標の場合に、ＶＦ相を決定する代替のアルゴリズムを示す。これまでのようにステップ１００では、図２及び３を参照して前述したように、各４秒のエポックの間、包絡線１０を計算する。ステップ１１０及び１１２では、ＤＡの特性指標を、エポック内で、包絡線上にあるサンプルの絶対値の平均値として先に示したＤＡに係る式により決定する。
【００５７】
次に、ステップ１１４において、ＤＡの値と、所定の閾値とを比較することによりＶＦの相を直接推定する。本実施形態において、この閾値は０．２９ｍＶ／サンプルとし、ＤＡがこの閾値以上である場合には、ＶＦを、電気相にあるとみなす。従って、緊急のショック療法を勧め、除細動のショック回路をイネーブルにする。
【００５８】
ＤＡが、閾値未満である場合には、ＶＦは電気相にないとみなす。従って、ショック療法に先立ってＣＰＲを勧める。除細動器のショック回路は、ＣＰＲが施されることが勧められるまではイネーブルにされていないが、手動で覆してもよい。
【００５９】
この実施形態によれば、ＶＦ継続時間を推定する必要がない。
【００６０】
本発明は、ここに記載された実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく、改変又は変更可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の心電図（ＥＣＧ）の分析により心室細動（ＶＦ）の相を推定する手段と、
推定された前記相に依存して、緊急のショック療法又は心肺蘇生（ＣＰＲ）のどちらが勧められるかを指示する手段と、
を備える体外式除細動器。
【請求項２】
前記ＶＦの相を推定する手段は、ＶＦ継続時間を推定し、推定された前記ＶＦ継続時間を閾値と比較する、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項３】
前記ＶＦ継続時間は、前記患者のＥＣＧから少なくとも１つのＶＦの特性指標を導き出し、前記ＶＦ継続時間を前記特性指標の値の関数として計算することにより推定される、請求項２に記載の体外式除細動器。
【請求項４】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの中間傾斜を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項５】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの平均傾斜を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項６】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの相対的に高い周波帯及び低い周波数帯におけるパワーの比を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項７】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧのピークの密度と振幅の測度を含む、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項８】
前記特性指標の値の関数としての前記ＶＦ継続時間は、tを秒単位で推定される前記ＶＦ継続時間とし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥを定数とし、Ｑを、前記特性指標が１つの場合の特性指標の値とするか、前記特性指標が２つ以上の場合における特性指標値の線形結合としたとき、
【数１】
として計算される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の体外式除細動器。
【請求項９】
前記ＶＦの相を推定する手段は、所定期間にわたるＥＣＧのピークの密度と振幅に係る値を導き出す、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項１０】
前記値は、前記ＥＣＧの包絡線を構築し、前記所定期間中に前記包絡線の上に位置するピークの平均の大きさを測定することにより導き出される、請求項９に記載の体外式除細動器。
【請求項１１】
前記値は、ＶＦの相を推定するために閾値と比較される、請求項１０に記載の体外式除細動器。
【請求項１】
患者の心電図（ＥＣＧ）の分析により心室細動（ＶＦ）の相を推定する手段と、
推定された前記相に依存して、緊急のショック療法又は心肺蘇生（ＣＰＲ）のどちらが勧められるかを指示する手段と、
を備える体外式除細動器。
【請求項２】
前記ＶＦの相を推定する手段は、ＶＦ継続時間を推定し、推定された前記ＶＦ継続時間を閾値と比較する、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項３】
前記ＶＦ継続時間は、前記患者のＥＣＧから少なくとも１つのＶＦの特性指標を導き出し、前記ＶＦ継続時間を前記特性指標の値の関数として計算することにより推定される、請求項２に記載の体外式除細動器。
【請求項４】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの中間傾斜を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項５】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの平均傾斜を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項６】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧの相対的に高い周波帯及び低い周波数帯におけるパワーの比を含む、請求項３に記載の体外式除細動器。
【請求項７】
前記特性指標は、所定期間にわたる前記ＥＣＧのピークの密度と振幅の測度を含む、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項８】
前記特性指標の値の関数としての前記ＶＦ継続時間は、tを秒単位で推定される前記ＶＦ継続時間とし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥを定数とし、Ｑを、前記特性指標が１つの場合の特性指標の値とするか、前記特性指標が２つ以上の場合における特性指標値の線形結合としたとき、
【数１】
として計算される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の体外式除細動器。
【請求項９】
前記ＶＦの相を推定する手段は、所定期間にわたるＥＣＧのピークの密度と振幅に係る値を導き出す、請求項１に記載の体外式除細動器。
【請求項１０】
前記値は、前記ＥＣＧの包絡線を構築し、前記所定期間中に前記包絡線の上に位置するピークの平均の大きさを測定することにより導き出される、請求項９に記載の体外式除細動器。
【請求項１１】
前記値は、ＶＦの相を推定するために閾値と比較される、請求項１０に記載の体外式除細動器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１２−５２５１７９（Ｐ２０１２−５２５１７９Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０７７３５（Ｐ２０１２−５０７７３５）
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５５７４２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５１１６
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０３３３８４５７）ハートサイン テクノロジーズ リミテッド (8)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５５７４２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５１１６
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０３３３８４５７）ハートサイン テクノロジーズ リミテッド (8)
【Ｆターム（参考）】
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