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2024-07-30 20:40:00
集中治療を受けている患者や大手術を受けている患者が過度に高い血圧や低い血圧を発症すると、重篤な臓器不全に陥る可能性がある。医療チームにとって、血圧が異常であることを知るだけでは十分ではない。問題の治療に適切な薬を選択するには、医師は血圧が変化した理由を知る必要がある。MIT の新しい研究では、その重要な情報を正確かつリアルタイムで導き出すために必要な数学的枠組みが提示されている。
最近発表された数学的アプローチは、 オープンアクセス研究 IEEE バイオメディカルエンジニアリングトランザクションは、血圧変化の根底にある 2 つの重要な要素、すなわち心臓の血液出力速度 (心拍出量) とその血流に対する動脈系の抵抗 (全身血管抵抗) の比例推定値を生成します。この新しい方法を以前に収集した動物モデルのデータに適用することで、研究者は、末梢動脈血圧の低侵襲測定から得た推定値が、大動脈に置いた侵襲性血流プローブからの追加情報を使用した推定値と正確に一致することを明らかにしました。さらに、推定値は、異常血圧を矯正するために医師が使用するさまざまな薬剤によって動物に誘発される変化を正確に追跡しました。
「私たちのアプローチによる抵抗と心拍出量の推定値は、リアルタイムで血行動態管理の決定を導くために容易に使用できる情報を提供します」と研究著者らは書いている。
さらなる試験を経て規制当局の承認が得られれば、この方法は心臓手術、肝臓移植、集中治療室での治療、その他心血管機能や血液量に影響を及ぼす多くの処置に適用できるだろうと著者らは述べている。
「心臓手術を受ける患者なら誰でもこれを必要とする可能性がある」と研究の主任著者は言う。 エメリー・N・ブラウンブラウンは、MIT のピコワー学習記憶研究所、医療工学科学研究所、脳認知科学部の医療工学および計算神経科学のエドワード・フッド・タプリン教授です。ブラウンは、マサチューセッツ総合病院の麻酔科医でもあり、ハーバード大学医学大学院の麻酔科教授でもあります。「より通常の手術を受ける患者でも、虚血性心疾患など心臓血管系に障害がある可能性があります。血圧が不安定な状態は許されません。」
この研究の主著者は電気工学とコンピュータサイエンス（EECS）の大学院生である。 テイラー・ツリーは、ブラウンとEECSのウィリアム・A・クーリッジ教授であるマンサー・ダーレの共同指導を受けています。
アルゴリズムの進歩
心拍出量と全身抵抗が血圧の2つの主要成分であるという考えは、2要素ウィンドケッセルモデルに由来する。この新しい研究は、血圧測定からこれらの成分を推定するためにこのモデルを使用する最初の研究ではないが、以前の試みは、素早い推定値の更新と推定値の精度の間でトレードオフに遭遇した。つまり、各拍動でより誤った推定値を提供するか、分単位で更新されるより信頼性の高い推定値を提供するかのいずれかの方法だった。バウムが率いるMITチームは、「状態空間」モデリングなどの統計および信号処理技術を適用する新しいアプローチでこのトレードオフを克服した。
「私たちの推定値は、心拍ごとに更新されますが、現在の心拍から情報を得るだけでなく、以前の心拍での状況も考慮します」とバウム氏は言います。「過去の履歴と現在の観察を組み合わせることで、心拍ごとの時間スケールを維持しながら、より信頼性の高い推定値が得られます。」
注目すべきは、結果として得られる心拍出量と全身抵抗の推定値は「比例的」であることだ。つまり、それぞれが単独で推定されるのではなく、数学的に別の補因子と密接に関連しているということだ。しかし、6匹の動物から以前の研究で収集されたデータにこの新しい方法を適用したところ、低侵襲カテーテルを使用した記録から得られた比例推定値は、心血管系管理に匹敵する情報を提供することがわかった。
重要な発見の 1 つは、心臓から離れたさまざまな場所 (脚や腕など) に挿入されたカテーテルからの動脈血圧測定値に基づいて行われた比例推定が、大動脈内に配置されたより侵襲的なカテーテルから得られた推定を反映していたことです。この発見の重要性は、新しい推定方法を使用するシステムは、場合によってはさまざまな末梢動脈に挿入された低侵襲性カテーテルに頼ることができ、それにより、心臓血管状態推定の臨床ゴールド スタンダードである中心動脈カテーテルまたは肺動脈カテーテルを直接心臓に配置するというリスクの高い配置の必要性を回避できることです。
もう一つの重要な発見は、動物が全身血管抵抗または心拍出量のいずれかを調節するために医師が使用する 5 種類の薬剤をそれぞれ投与されたとき、比例推定値が結果として生じる変化を適切に追跡したことです。したがって、この発見は、各要因の比例推定値が生理学的変化を正確に反映していることを示唆しています。
クリニックへ向かう
これらの有望な結果により、現在の方法は臨床現場ですぐに導入でき、周術期ケアチームに重大な血圧変化の根本原因を知らせることができるとバウム氏とブラウン氏は言う。彼らは、臨床機器でこの方法を使用するための規制当局の承認を積極的に求めている。
さらに、研究者らは、この方法を使用する高度な血圧管理アプローチを検証するために、さらなる動物実験を進めています。彼らは、この推定フレームワークに基づいて、動物モデルで血圧を正確に制御する閉ループ システムを開発しました。動物実験が完了すると、彼らは人間でシステムをテストするための規制認可を申請する予定です。
この論文の著者は、バウム、ダーレ、ブラウンのほか、エリー・アダム、クリスチャン・グアイ、ガブリエル・シャンバーグ、モハマドレザ・カゼミ、トーマス・ヘルトである。
この研究は、国立科学財団、国立衛生研究所、Mathworks Fellowship、ピコワー学習記憶研究所、JPB財団の支援を受けて行われた。
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