JP7473177B2 - Blood vessel stiffness estimation method, blood vessel stiffness estimation device, and program - Google Patents
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Description
本発明は、血管剛性推定方法、血管剛性推定装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to a vascular stiffness estimation method, a vascular stiffness estimation device, and a program.
従来、血管剛性の変化を指標として、自律神経活動などの身体の状態を把握する方法が開発されている(例えば、非特許文献1)。非特許文献1では、血管剛性と筋交感神経活動との相関関係に着目し、血管剛性から自律神経活動の働きを評価する方法が開示されている。 Conventionally, methods have been developed for grasping the state of the body, such as autonomic nerve activity, by using changes in vascular stiffness as an index (for example, Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 1 focuses on the correlation between vascular stiffness and muscle sympathetic nerve activity, and discloses a method for evaluating the function of autonomic nerve activity from vascular stiffness.
非特許文献1では、血管剛性として、血圧と指尖容積脈波との関係に基づく対数線形化末梢血管粘弾性モデルを用いて推定される末梢の血管剛性を用いることとしている。また、非特許文献1の血管剛性推定方法では、指数関数となる指尖容積脈波を含む剛性項を消去して血管剛性を算出するため、心拍を基準とした差分計算を行っているので、心拍1拍ごとに血管剛性が推定される。 In Non-Patent Document 1, peripheral vascular stiffness is estimated using a log-linear peripheral vascular viscoelasticity model based on the relationship between blood pressure and fingertip volume pulse wave. In addition, the vascular stiffness estimation method in Non-Patent Document 1 calculates vascular stiffness by eliminating stiffness terms including the fingertip volume pulse wave, which is an exponential function, and therefore performs a difference calculation based on the heartbeat, so vascular stiffness is estimated for each heartbeat.
しかしながら、身体の状態を精度よく把握するためには、血管剛性をより細かく、すなわち高いサンプリング周波数で推定することが求められる。 However, in order to accurately grasp the state of the body, it is necessary to estimate vascular stiffness more precisely, i.e., at a higher sampling frequency.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、心拍より高いサンプリング周波数で血管剛性を推定可能な血管剛性推定方法、血管剛性推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a vascular stiffness estimation method, a vascular stiffness estimation device, and a program that can estimate vascular stiffness at a sampling frequency higher than the heart rate.
上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係る血管剛性推定方法は、
容積脈波と血圧との関係で表され、前記容積脈波の二階微分を含む慣性項、前記容積脈波の一階微分を含む粘性項及び前記容積脈波の指数関数を含む剛性項を含む血管剛性モデルに基づいて、前記容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータ、前記容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータ、前記剛性項を線形近似して得られる前記容積脈波の係数である剛性パラメータ及び定数項を所定の窓幅で最小二乗法によって推定する、第1推定工程と、
前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、血管剛性を推定する、第2推定工程と、を含む。
In order to achieve the above object, a blood vessel stiffness estimation method according to a first aspect of the present invention includes:
a first estimation step of estimating an inertia parameter which is a coefficient of the second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of the first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term by a least squares method with a predetermined window width based on a vascular stiffness model which is expressed by the relationship between the volume pulse wave and blood pressure and which includes an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term which is a coefficient of the volume pulse wave, and a stiffness term which is an exponential function of the volume pulse wave;
and a second estimation step of estimating vascular stiffness by substituting the inertial parameters and the viscosity parameters into the vascular stiffness model and using a least squares method with the window width .
また、前記血管剛性モデルは、以下に示す対数線形化末梢血管粘弾性モデル
である、
こととしてもよい。
The vascular stiffness model is a log-linearized peripheral vascular viscoelasticity model shown below.
This may also be the case.
また、前記血管剛性は、心拍より高いサンプリング周波数で推定される、
こととしてもよい。
In addition, the vascular stiffness is estimated at a sampling frequency higher than the heart rate.
This may also be the case.
また、前記第2推定工程では、
平均血圧以上の範囲で最小二乗法を適用することにより、
前記血管剛性を推定する、
こととしてもよい。
Further, in the second estimation step,
By applying the least squares method to the range above the mean blood pressure,
estimating the vascular stiffness;
This may also be the case.
また、前記第1推定工程及び前記第2推定工程の最小二乗法の窓幅は、
心拍間隔よりも長い、
こととしてもよい。
Furthermore, the window width of the least squares method in the first estimation step and the second estimation step is
longer than the heartbeat interval,
This may also be the case.
また、前記血圧と前記容積脈波との時間差を補正する時間差補正工程を含む、
こととしてもよい。
Also, a time difference correction step of correcting a time difference between the blood pressure and the volume pulse wave is included.
This may also be the case.
また、前記時間差補正工程では、
心拍ごとに、対応する個別時間差を算出し、前記第1推定工程の最小二乗法の窓幅に対する各心拍の影響度合いに基づいた重みを前記個別時間差に乗じて得られる調整後個別時間差に基づいて、前記時間差を算出する、
こととしてもよい。
In addition, in the time difference correction step,
calculating a corresponding individual time difference for each heartbeat, and calculating the time difference based on an adjusted individual time difference obtained by multiplying the individual time difference by a weight based on the degree of influence of each heartbeat on a window width of the least squares method in the first estimation step;
This may also be the case.
また、本発明の第2の観点に係る血管剛性推定装置は、
容積脈波と血圧との関係で表され、前記容積脈波の二階微分を含む慣性項、前記容積脈波の一階微分を含む粘性項及び前記容積脈波の指数関数を含む剛性項を含む血管剛性モデルに基づいて、血管剛性を推定する演算部を備え、
前記演算部は、
前記血管剛性モデルのうち、前記容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータ、前記容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータ、前記剛性項を線形近似して得られる前記容積脈波の係数である剛性パラメータ及び定数項を所定の窓幅で最小二乗法によって推定し、
推定された前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、前記血管剛性を推定する。
Further, a blood vessel stiffness estimation device according to a second aspect of the present invention comprises:
a calculation unit that estimates vascular stiffness based on a vascular stiffness model that is expressed by a relationship between a volume pulse wave and a blood pressure, and that includes an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term including a first derivative of the volume pulse wave, and a stiffness term including an exponential function of the volume pulse wave,
The calculation unit is
an inertia parameter which is a coefficient of a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of a first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term of the vascular stiffness model are estimated by a least squares method with a predetermined window width ;
The estimated inertial parameters and viscosity parameters are substituted into the vascular stiffness model, and the vascular stiffness is estimated by using the least squares method with the window width .
また、本発明の第3の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
容積脈波と血圧との関係で表され、前記容積脈波の二階微分を含む慣性項、前記容積脈波の一階微分を含む粘性項及び前記容積脈波の指数関数を含む剛性項を含む血管剛性モデルに基づいて、
前記容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータ、前記容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータ、前記剛性項を線形近似して得られる前記容積脈波の係数である剛性パラメータ及び定数項を所定の窓幅で最小二乗法によって推定し、
前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、血管剛性を推定する演算部、
として機能させる。
Moreover, a program according to a third aspect of the present invention comprises:
Computer,
Based on a vascular stiffness model expressed by a relationship between a volume pulse wave and a blood pressure, the model including an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term including a first derivative of the volume pulse wave, and a stiffness term including an exponential function of the volume pulse wave,
an inertia parameter which is a coefficient of a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of a first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term are estimated by a least squares method with a predetermined window width ;
a calculation unit that estimates vascular stiffness by substituting the inertial parameter and the viscosity parameter into the vascular stiffness model and using a least squares method with the window width ;
Function as.
本発明の血管剛性推定方法、血管剛性推定装置およびプログラムによれば、サンプリング時刻ごとに、最小二乗法を用いて慣性パラメータ及び粘性パラメータを推定し、推定された慣性パラメータ及び粘性パラメータを用いて血管剛性を推定する。したがって、心拍より高いサンプリング周波数で血管剛性を推定することが可能である。 According to the vascular stiffness estimation method, vascular stiffness estimation device, and program of the present invention, the inertial parameter and the viscosity parameter are estimated using the least squares method for each sampling time, and the vascular stiffness is estimated using the estimated inertial parameter and the viscosity parameter. Therefore, it is possible to estimate the vascular stiffness at a sampling frequency higher than the heart rate.
以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る血管剛性推定装置1について説明する。図1のブロック図に示すように、血管剛性推定装置1は、センサ10、推定装置本体20を備える。 The following describes a vascular stiffness estimation device 1 according to an embodiment of the present invention, with reference to the drawings. As shown in the block diagram of FIG. 1, the vascular stiffness estimation device 1 includes a sensor 10 and an estimation device main body 20.
センサ10は、取得する生体信号の種類に合わせて選択される検出器である。取得する生体信号は、血管剛性βを算出するために用いられる時系列信号であり、例えば、心臓の活動を示す心電、血圧、血管の容積変化を示す容積脈波等である。 The sensor 10 is a detector that is selected according to the type of biosignal to be acquired. The biosignal to be acquired is a time-series signal used to calculate vascular stiffness β, such as an electrocardiogram indicating cardiac activity, blood pressure, or a volume pulse wave indicating changes in the volume of blood vessels.
推定装置本体20は、例えばコンピュータ装置であり、制御部21、記憶部22、表示部23、入力部24を備える。 The estimation device main body 20 is, for example, a computer device, and includes a control unit 21, a memory unit 22, a display unit 23, and an input unit 24.
制御部21は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、水晶発振器等から構成されており、血管剛性推定装置1の動作を制御する。また、制御部21は、センサ10で取得された生体信号と、予め記憶部22に記憶されている血管剛性βの算出モデル(以下、血管剛性モデルという。)とに基づいて、血管剛性βを算出する。制御部21は、制御部21のROM、記憶部22等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをRAMに読み込んでCPUを動作させることにより、図1に示す制御部21の各機能を実現させる。これにより、制御部21は、生体信号取得部211、演算部212として動作する。 The control unit 21 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a crystal oscillator, etc., and controls the operation of the vascular stiffness estimation device 1. The control unit 21 also calculates vascular stiffness β based on the biosignal acquired by the sensor 10 and a calculation model of vascular stiffness β (hereinafter referred to as the vascular stiffness model) previously stored in the storage unit 22. The control unit 21 loads various operation programs and data stored in the ROM, storage unit 22, etc. of the control unit 21 into the RAM and operates the CPU, thereby realizing each function of the control unit 21 shown in FIG. 1. As a result, the control unit 21 operates as a biosignal acquisition unit 211 and a calculation unit 212.
生体信号取得部211は、センサ10を制御して、被験者の生体信号を取得する。また、取得した生体信号を記憶部22へ送信し、記憶させる。本実施の形態では、複数のセンサ10を用いて、同時に複数の生体信号、すなわち心電、血圧、容積脈波等が取得される。 The biosignal acquisition unit 211 controls the sensor 10 to acquire the biosignal of the subject. It also transmits the acquired biosignal to the memory unit 22 for storage. In this embodiment, multiple sensors 10 are used to simultaneously acquire multiple biosignals, i.e., electrocardiogram, blood pressure, volume pulse wave, etc.
演算部212は、生体信号取得部211でセンサ10から取得した生体信号と血管剛性モデルとに基づいて、血管剛性βを算出する。また、演算部212は、算出された血管剛性βを推定結果として記憶部22に記憶させる。血管剛性βの推定方法の詳細については、後述する。 The calculation unit 212 calculates the vascular stiffness β based on the biosignal acquired from the sensor 10 by the biosignal acquisition unit 211 and the vascular stiffness model. The calculation unit 212 also stores the calculated vascular stiffness β as an estimation result in the storage unit 22. Details of the method for estimating the vascular stiffness β will be described later.
記憶部22は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、血管剛性モデル、演算部212で算出された血管剛性βの推定結果等を記憶する。 The memory unit 22 is a non-volatile memory such as a hard disk or flash memory, and stores the vascular stiffness model, the estimated results of vascular stiffness β calculated by the calculation unit 212, etc.
表示部23は、コンピュータ装置である推定装置本体20に備えられた表示用デバイスであり、例えば液晶パネルである。表示部23は、センサ10で取得された生体信号、演算部212で推定された血管剛性β等を表示する。 The display unit 23 is a display device provided in the estimation device main body 20, which is a computer device, and is, for example, a liquid crystal panel. The display unit 23 displays the biosignal acquired by the sensor 10, the vascular stiffness β estimated by the calculation unit 212, etc.
入力部24は、生体信号取得の開始、終了指示、血管剛性βを推定するためのパラメータ等を入力するための入力デバイスである。入力部24は、推定装置本体20に備えられたキーボード、マウス等である。 The input unit 24 is an input device for inputting instructions to start and end biosignal acquisition, parameters for estimating vascular stiffness β, etc. The input unit 24 is a keyboard, mouse, etc. provided on the estimation device main body 20.
続いて、血管剛性推定装置1を用いた血管剛性推定方法について、図2のフローチャートを参照しつつ、具体的に説明する。本実施の形態では、心電、動脈血圧及び指尖容積脈波を生体信号として取得して、生体信号と血管剛性算出モデルとに基づいて血管剛性βを推定する場合を例として説明する。 Next, a method for estimating vascular stiffness using the vascular stiffness estimation device 1 will be specifically described with reference to the flowchart in FIG. 2. In this embodiment, an example will be described in which electrocardiogram, arterial blood pressure, and fingertip volume pulse wave are acquired as biosignals, and vascular stiffness β is estimated based on the biosignals and a vascular stiffness calculation model.
まず、測定工程として、医師等の測定者は、心電、動脈血圧及び指尖容積脈波を測定するためのセンサ10を、被験者に装着する。そして、測定者は、入力部24を操作して、心電、動脈血圧及び指尖容積脈波の取得を開始する。生体信号取得部211は、生体信号の取得開始指示により、センサ10を制御して、被験者の心電、動脈血圧及び指尖容積脈波を取得する(ステップS11)。生体信号取得部211は、取得した生体信号のデータを記憶部22へ送信し、記憶部22に記憶させる(ステップS12)。 First, in the measurement process, a measurer such as a doctor attaches the sensor 10 for measuring the electrocardiogram, arterial blood pressure, and fingertip volume pulse wave to the subject. The measurer then operates the input unit 24 to start acquiring the electrocardiogram, arterial blood pressure, and fingertip volume pulse wave. The biosignal acquisition unit 211 controls the sensor 10 in response to an instruction to start acquiring the biosignal, and acquires the electrocardiogram, arterial blood pressure, and fingertip volume pulse wave of the subject (step S11). The biosignal acquisition unit 211 transmits the acquired biosignal data to the storage unit 22, and stores it in the storage unit 22 (step S12).
続いて、第1推定工程として、演算部212は、生体信号取得部211で取得した生体信号のデータと、記憶部22に予め記憶されている血管剛性βの算出モデルに基づいて、パラメータ推定を行う(ステップ13)。 Next, as a first estimation step, the calculation unit 212 performs parameter estimation based on the biosignal data acquired by the biosignal acquisition unit 211 and a calculation model of vascular stiffness β pre-stored in the memory unit 22 (step 13).
ここで、第1推定工程に係るパラメータ推定について詳細に説明する。本実施の形態に係る血管剛性βの算出モデルは、以下の式(1)に示す対数線形化末梢血管粘弾性モデルである。
静脈影響項Pbβnl(Pl(t))は、被験者の動脈で計測される動脈血圧、指尖容積脈波に対する影響を考慮するためのパラメータであり、例えば、高血圧、うっ血性心不全などの心臓の影響、駆血、重力などの静脈の影響等が考慮される。静脈影響Pbβnl(Pl(t))は、被験者及び計測状況に応じて適宜調整される。 The venous influence term Pbβnl ( Pl (t)) is a parameter for taking into consideration influences on the arterial blood pressure and fingertip volume pulse wave measured in the artery of the subject, and takes into consideration, for example, cardiac influences such as hypertension and congestive heart failure, venous influences such as avascularization and gravity, etc. The venous influence Pbβnl ( Pl (t)) is appropriately adjusted depending on the subject and the measurement conditions.
式(1)の血管剛性モデルは、容積脈波と血圧との関係で表され、容積脈波の二階微分を含む慣性項、容積脈波の一階微分を含む粘性項及び容積脈波の指数関数を含む剛性項を含む。 The vascular stiffness model in equation (1) is expressed as the relationship between the volume pulse wave and blood pressure, and includes an inertia term including the second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term including the first derivative of the volume pulse wave, and a stiffness term including an exponential function of the volume pulse wave.
式(1)の指数項について、Pl(t)=0まわりでマクローリン展開を行い、線形近似すると、以下の式(2)となる。
慣性μ、粘性η、exp{Pbβnl+Pbβnl(0)}、剛性パラメータβAは、任意の窓幅wの血圧Pb(t)、容積脈波Pl(t)を用いて、式(2)に基づき線形最小二乗法を実行することによって推定することができる。 The inertia μ, viscosity η, exp{P bβnl +P bβnl (0)}, and stiffness parameter β A can be estimated by performing a linear least squares method based on equation (2) using the blood pressure P b (t) and volume pulse wave P l (t) of an arbitrary window width w.
本実施の形態に係る演算部212は、窓幅wとして、センサ10で測定された動脈血圧Pb(t)、容積脈波Pl(t)を用い、上記で推定した容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータのμ、容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータのη、剛性項を線形近似して得られる容積脈波の係数である剛性パラメータのβA、定数項であるexp{Pbβnl+Pbβnl(0)}を最小二乗法によって推定する。窓幅w及びサンプリング周波数は、特に限定されないが、上記複数のパラメータを最小二乗法で推定するのに適した値に設定することが好ましい。 The calculation unit 212 according to this embodiment uses the arterial blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) measured by the sensor 10 as a window width w, and estimates the inertia parameter μ, which is the coefficient of the second derivative of the estimated volume pulse wave, the viscosity parameter η, which is the coefficient of the first derivative of the volume pulse wave, the stiffness parameter βA , which is the coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and the constant term exp{ Pbβnl + Pbβnl (0)} by the least squares method. The window width w and the sampling frequency are not particularly limited, but are preferably set to values suitable for estimating the above multiple parameters by the least squares method.
これにより、血管剛性推定装置1は、任意の窓幅wでパラメータ推定を行うことができ、心拍より高いサンプリング周波数でパラメータ推定を行うことが可能である。すなわち、以下の式に示す従来のパラメータ推定方法のように、心拍(R波)でタイミングを調整し、異なる時刻の差分から、指数項を消去してパラメータ推定を行う必要がないので、本発明の方法では、より高いサンプリング周波数でパラメータ推定を行うことができる。
図2のフローチャートに戻り、第2推定工程として、演算部212は、第1推定工程で推定された慣性μ、粘性ηを用いて、血管剛性βを推定する(ステップS14)。具体的な推定方法は以下の通りである。 Returning to the flowchart in FIG. 2, in the second estimation step, the calculation unit 212 estimates the vascular stiffness β using the inertia μ and viscosity η estimated in the first estimation step (step S14). The specific estimation method is as follows.
式(1)を指数項とそれ以外の項で整理し、両辺に自然対数をとると、以下の式(3)となる。
ここで、右辺の各項は、第1推定工程で推定された慣性μ、粘性ηと測定データから数値として求めることができる。演算部212は、式(3)に慣性μ、粘性ηを代入して、最小二乗法を適用することにより血管剛性βを推定する。 Here, each term on the right side can be calculated as a numerical value from the inertia μ and viscosity η estimated in the first estimation step and the measurement data. The calculation unit 212 estimates the vascular stiffness β by substituting the inertia μ and viscosity η into equation (3) and applying the least squares method.
また、最小二乗法は、静脈影響を受けない範囲で行う。具体的には、血圧Pb(t)が、平均血圧以上となる範囲で最小二乗法による推定を行う。これにより、式(3)の左辺第3項を0として、血管剛性β、基準血圧Pbβ0を推定することができる。そして、演算部212は、推定された血管剛性βと対応するサンプリング時刻とを記憶部22に記憶させる。 Furthermore, the least squares method is performed within a range that is not affected by veins. Specifically, the least squares method is used to estimate within a range in which the blood pressure P b (t) is equal to or greater than the mean blood pressure. This makes it possible to estimate the vascular stiffness β and the reference blood pressure P bβ0 by setting the third term on the left side of equation (3) to 0. The calculation unit 212 then stores the estimated vascular stiffness β and the corresponding sampling time in the storage unit 22.
演算部212は、血管剛性推定処理が、予め定められた終了条件に達するまで(ステップS15のNO)、サンプリングステップを進めて窓幅wをずらしながら(ステップS16)、ステップS13からS14の血管剛性βの推定処理を繰り返す。 The calculation unit 212 repeats the process of estimating vascular stiffness β from steps S13 to S14 while advancing the sampling step and shifting the window width w (step S16) until the vascular stiffness estimation process reaches a predetermined end condition (NO in step S15).
また、制御部21は、血管剛性推定処理が、予め定められた所定の終了条件に達した場合(ステップS15のYES)、血管剛性βの推定を終了する。そして、制御部21は、推定結果としての血管剛性βを表示部23に表示させるとともに、記憶部22に記憶させる(ステップS17)。 When the vascular stiffness estimation process reaches a predetermined end condition (YES in step S15), the control unit 21 ends the estimation of the vascular stiffness β. Then, the control unit 21 causes the display unit 23 to display the vascular stiffness β as the estimation result, and causes the storage unit 22 to store it (step S17).
以上説明したように、本実施の形態に係る血管剛性推定方法では、第1推定工程において、心拍数に拘束されることなく、最小二乗法によって各項のパラメータを推定する。また、第2推定工程として、第1推定工程で推定された慣性μ、粘性ηを用いて血管剛性βを推定するので、心拍より高いサンプリング周波数で血管剛性を推定することが可能である。 As described above, in the vascular stiffness estimation method according to this embodiment, in the first estimation step, the parameters of each term are estimated by the least squares method without being restricted by the heart rate. In addition, in the second estimation step, the vascular stiffness β is estimated using the inertia μ and viscosity η estimated in the first estimation step, so that it is possible to estimate the vascular stiffness at a sampling frequency higher than the heart rate.
(実施の形態2)
実施の形態1では、式(1)の血管剛性モデルで用いられる血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時刻の差は考慮せず、計測された時刻tにおける血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)とを用いて血管剛性βを推定することとした。一般的に、血圧Pb(t)の測定箇所と容積脈波Pl(t)の測定箇所とは同一の箇所ではなく、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)とは、被験者の体に別個の測定器具を取り付けて測定される。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) used in the vascular stiffness model of formula (1) is not taken into consideration, and the vascular stiffness β is estimated using the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) at the measured time t. Generally, the measurement location of the blood pressure Pb (t) and the measurement location of the volume pulse wave Pl (t) are not the same, and the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) are measured by attaching separate measuring instruments to the subject's body.
したがって、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との間には血流による変化に時間的な誤差が生じる。血管剛性βの推定間隔を小さくし、サンプリング周波数を高めると、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との間の時間的な誤差の影響が大きくなると考えられる。よって、精度よく血管剛性βを推定するためには、血圧Pb(t)の変化と容積脈波Pl(t)の変化との間の時間差を補正することが求められる。本実施の形態では、血管剛性βの推定を行う前に、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との間の時間差を補正する場合について説明する。 Therefore, a time error occurs between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) in the change due to blood flow. It is considered that if the estimation interval of the vascular stiffness β is reduced and the sampling frequency is increased, the influence of the time error between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) becomes large. Therefore, in order to estimate the vascular stiffness β with high accuracy, it is required to correct the time difference between the change in the blood pressure Pb (t) and the change in the volume pulse wave Pl (t). In this embodiment, a case will be described in which the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) is corrected before estimating the vascular stiffness β.
本実施の形態に係る血管剛性推定装置1では、演算部212が、測定された血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)とに基づいて、血管剛性βを推定する前に、時間差補正工程として、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差を補正する点で、実施の形態1と異なる。その他、血管剛性推定装置1に係るセンサ10、推定装置本体20の記憶部22、表示部23等の構成については、実施の形態1と同様であるので同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。 The vascular stiffness estimation device 1 according to this embodiment differs from embodiment 1 in that the calculation unit 212 corrects the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) as a time difference correction step before estimating vascular stiffness β based on the measured blood pressure Pb (t) and volume pulse wave Pl (t). The configurations of the sensor 10, the storage unit 22 of the estimation device main body 20, the display unit 23, and the like according to the vascular stiffness estimation device 1 are the same as those in embodiment 1, so they are denoted by the same reference numerals and detailed description will be omitted.
図3のフローチャートを参照しつつ、本実施の形態に係る血管剛性推定方法について具体的に説明する。ステップS31~S32に係る測定工程は、実施の形態1に係るステップS11~S12の計測工程と同様である。続いて、演算部212は、時間差補正工程として、記憶部22に記憶されている測定データに基づいて、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差を補正する。時間差補正に用いる測定データは、例えば、図4に示すように、心電、血圧Pb(t)、容積脈波Pl(t)とする。 The vascular stiffness estimation method according to the present embodiment will be specifically described with reference to the flowchart in Fig. 3. The measurement steps in steps S31 to S32 are the same as the measurement steps in steps S11 to S12 in the first embodiment. Next, as a time difference correction step, the calculation unit 212 corrects the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) based on the measurement data stored in the storage unit 22. The measurement data used for the time difference correction may be, for example, the electrocardiogram, the blood pressure Pb (t), and the volume pulse wave Pl (t) as shown in Fig. 4.
本実施の形態に係る窓幅w、すなわち第1推定工程、第2推定工程の最小二乗法で用いられる窓時間は、1.2秒としている。したがって、通常、窓幅wは、心拍間隔よりも長いので、窓幅w内には、心電データから得られる心拍、すなわちR波は、1つ又は2つ存在する。演算部212は、時間差補正工程として、血管剛性推定を行う対象の窓幅w内にR波がいくつあるかを示す心拍回数Pkを算出する(ステップS33)。 The window width w according to this embodiment, i.e., the window time used in the least squares method in the first estimation step and the second estimation step, is set to 1.2 seconds. Therefore, since the window width w is usually longer than the heartbeat interval, one or two heartbeats, i.e., R waves, obtained from the electrocardiogram data are present within the window width w. As a time difference correction step, the calculation unit 212 calculates the number of heartbeats Pk indicating the number of R waves within the window width w for which vascular stiffness estimation is performed (step S33).
続いて、演算部212は、窓幅wにおいて、窓の開始時刻から、窓幅w内の最初のR波ピークまでの時間である重みw1を算出する(ステップS34)。 Next, the calculator 212 calculates a weight w1, which is the time from the start time of the window to the first R-wave peak within the window width w (step S34).
心拍回数Pkが1である場合(ステップS35のYES)、演算部212は、最初のR波ピークから窓の終了時刻までの時間である重みw2を算出するとともに、重みw3=0と設定する(ステップS36)。 If the heart rate P k is 1 (YES in step S35), the calculator 212 calculates a weight w 2 which is the time from the first R wave peak to the end time of the window, and sets a weight w 3 =0 (step S36).
心拍回数Pkが2である場合(ステップS35のNO)、演算部212は、最初のR波ピークから、2つ目のR波ピークまでの時間である重みw2を算出する。さらに、演算部212は、2つ目のR波ピークから窓の終了時刻までの時間である重みw3を算出する(ステップS37)。 If the number of heartbeats Pk is 2 (NO in step S35), the calculator 212 calculates a weight w2 , which is the time from the first R wave peak to the second R wave peak. Furthermore, the calculator 212 calculates a weight w3 , which is the time from the second R wave peak to the end time of the window (step S37).
続いて、演算部212は、血圧Pb(t)の変曲点の時刻を算出する。変曲点は、血圧Pb(t)の1階微分の値が極大となる時刻である。また、演算部212は、変曲点の時刻として、窓の開始時刻以前で、窓の開始時刻から最も近い変曲点の時刻(φb1)、窓の開始時刻以降で窓の開始時刻から最も近い変曲点の時刻(φb2)、及びφb2の次の変曲点の時刻(φb3)の3つを算出する(ステップS38)。 Next, the calculation unit 212 calculates the time of the inflection point of the blood pressure Pb (t). The inflection point is the time when the first derivative of the blood pressure Pb (t) is maximized. The calculation unit 212 also calculates three times of inflection points: the time ( φb1 ) of the inflection point that is before the window start time and closest to the window start time, the time ( φb2 ) of the inflection point that is after the window start time and closest to the window start time, and the time ( φb3 ) of the inflection point next to φb2 (step S38).
また、演算部212は、容積脈波Pl(t)の変曲点の時刻を算出する。変曲点は、容積脈波Pl(t)の1階微分の値が極大となる時刻である。また、演算部212は、変曲点の時刻として、窓の開始時刻以前で、窓の開始時刻から最も近い変曲点の時刻(φl1)、窓の開始時刻以降で窓の開始時刻から最も近い変曲点の時刻(φl2)、及びφl2の次の変曲点の時刻(φl3)の3つを算出する(ステップS39)。 The calculation unit 212 also calculates the time of an inflection point of the volume pulse wave P l (t). The inflection point is the time when the first derivative of the volume pulse wave P l (t) is maximized. The calculation unit 212 also calculates three times of inflection points: the time (φl 1 ) of the inflection point that is before the window start time and closest to the window start time, the time (φl 2 ) of the inflection point that is after the window start time and closest to the window start time, and the time (φl 3 ) of the inflection point next to φl 2 (step S39).
演算部212は、上記で算出した変曲点ごとの血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差を算出する(ステップS40)。具体的には、φb1とφl1との差を第1の個別時間差φ1、φb2とφl2との差を第2の個別時間差φ2、φb3とφl3との差を第3の個別時間差φ3とする。 The calculator 212 calculates the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t) for each of the calculated inflection points (step S40). Specifically, the difference between φb1 and φl1 is the first individual time difference φ1, the difference between φb2 and φl2 is the second individual time difference φ2, and the difference between φb3 and φl3 is the third individual time difference φ3.
演算部212は、算出した個別時間差φ1~φ3、重みw1~w3に基づいて、以下の式(4)から、補正値τを算出する。
すなわち、演算部212は、心拍ごとに、対応する個別時間差φ1~φ3を算出する。そして、演算部212は、窓幅wに対する各心拍の影響度合いに基づいた重みw1~w3を個別時間差に乗じて、式(4)の各項に対応する調整後個別時間差を算出する。演算部212は、調整後個別時間差に基づいて、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差である補正値τを算出する。 That is, the calculation unit 212 calculates the corresponding individual time differences φ1 to φ3 for each heartbeat. Then, the calculation unit 212 multiplies the individual time differences by weights w1 to w3 based on the degree of influence of each heartbeat on the window width w to calculate adjusted individual time differences corresponding to each term in equation (4). The calculation unit 212 calculates a correction value τ, which is the time difference between the blood pressure Pb (t) and the volume pulse wave Pl (t), based on the adjusted individual time differences.
以下、血管剛性推定装置1は、実施の形態1と同様の第1推定工程(ステップS41)、第2推定工程(ステップS42)で、血管剛性βの推定を行う。この際、演算部212は、ステップS40で算出した補正値τを用いて、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差を補正して用いる。具体的には、以下の式(5)に示すように、Pb(t)と容積脈波Pl(t-τ)とを用いて血管剛性βを推定する。
血管剛性推定装置1は、予め定められた所定の終了条件に達するまで(ステップS43のNO)、サンプリングステップを進めて窓幅wをずらす(ステップS44)。そして、各サンプリングステップで、時間差補正工程、第1推定工程及び第2推定工程を実施して、血管剛性βの推定処理を行う。予め定められた所定の終了条件に達すると(ステップS43のYES)、血管剛性推定装置1は、推定結果を表示部23に表示させるとともに、記憶部22に記憶させる(ステップS45)。 The vascular stiffness estimation device 1 advances the sampling steps and shifts the window width w (step S44) until a predetermined end condition is reached (NO in step S43). Then, in each sampling step, a time difference correction step, a first estimation step, and a second estimation step are performed to estimate the vascular stiffness β. When the predetermined end condition is reached (YES in step S43), the vascular stiffness estimation device 1 displays the estimation result on the display unit 23 and stores it in the memory unit 22 (step S45).
以上説明したように、本実施の形態に係る血管剛性推定装置1では、血圧Pb(t)と容積脈波Pl(t)との時間差を補正して血管剛性βを推定するので、血圧Pb(t)の測定箇所と容積脈波Pl(t)の測定箇所との距離にかかわらず、精度よく血管剛性βを推定することが可能である。 As described above, the vascular stiffness estimation device 1 according to this embodiment estimates vascular stiffness β by correcting the time difference between blood pressure P b (t) and the volume pulse wave P l (t), and therefore can accurately estimate vascular stiffness β regardless of the distance between the measurement point of blood pressure P b (t) and the measurement point of the volume pulse wave P l (t).
本実施の形態では、第1推定工程に係る窓幅wと第2推定工程の窓幅wは同じであることとしたが、これに限られない。例えば、第1推定工程の窓幅wと第2推定工程の窓幅wとが異なる場合、いずれかの工程の窓幅wを適宜選択して、時間差を表す補正値τを算出すればよい。 In this embodiment, the window width w for the first estimation process and the window width w for the second estimation process are the same, but this is not limited to the above. For example, if the window width w for the first estimation process and the window width w for the second estimation process are different, the window width w for either process can be appropriately selected to calculate the correction value τ representing the time difference.
また、本実施の形態では、3つの個別時間差に基づいて補正値τを算出することとしたが、これに限られない。例えば、窓幅wをより大きく設定した場合、被験者の心拍数が大きい場合等、窓幅wに係る心拍数に応じて個別時間差の数を増加させることとしてもよい。 In addition, in this embodiment, the correction value τ is calculated based on three individual time differences, but this is not limited to this. For example, when the window width w is set larger, or when the subject's heart rate is high, the number of individual time differences may be increased according to the heart rate related to the window width w.
(数値例)
以下、実施の形態2の血管剛性推定方法を用いて、血管剛性βを推定し、血管剛性βのパワースペクトル密度(PSD:Power Spectral Density)を算出した例について説明する。本例では、胸腔鏡下交感神経遮断術を受ける患者15名を被験者とし、サンプリング周波数を5Hzとして生体情報を取得して、右手の血管剛性βを推定した。解析区間は、図5に示す期間のうち右交感神経幹遮断直前の30秒間(第1解析区間)と、右交感神経幹遮断60秒後からの30秒間(第2解析区間)である。また、PSD算出法として、Burg法を用いる。
(Numerical example)
Hereinafter, an example of estimating vascular stiffness β and calculating the power spectral density (PSD) of vascular stiffness β using the vascular stiffness estimation method of the second embodiment will be described. In this example, 15 patients undergoing thoracoscopic sympathectomy were used as subjects, and biological information was acquired at a sampling frequency of 5 Hz to estimate vascular stiffness β in the right hand. The analysis interval is 30 seconds (first analysis interval) immediately before the right sympathetic trunk blockade and 30 seconds (second analysis interval) 60 seconds after the right sympathetic trunk blockade in the period shown in FIG. 5. In addition, the Burg method is used as the PSD calculation method.
図6(A)は、右交感神経刺激中である第1解析区間のPSDを示している。より詳細には、図6(A)に示すグラフは、全体のパワー値の合計で除することにより、正規化されたPSDに基づいて、被験者15名分の正規化PSDを示している。また、被験者15名分の正規化PSDの平均を太線で示している。従来の血管剛性推定方法では、心拍1拍ごとに、血管剛性βを推定していたので、血管剛性βの時間変化に含まれる周波数成分を詳細に分析することは難しかった。しかしながら、図6(A)、(B)のPSDのグラフに示すように、本発明に係る血管剛性推定方法によれば、詳細な周波数成分分析を行うことができる。例えば、図6(A)、(B)のグラフから、1~1.5Hz付近にピークを確認することができ、血管剛性βが、心拍リズムを反映していると推測できる。 Figure 6 (A) shows the PSD of the first analysis interval during right sympathetic nerve stimulation. More specifically, the graph shown in Figure 6 (A) shows the normalized PSD of 15 subjects based on the PSD normalized by dividing by the total power value. The average of the normalized PSD of the 15 subjects is also shown by the thick line. In the conventional vascular stiffness estimation method, the vascular stiffness β was estimated for each heartbeat, so it was difficult to analyze in detail the frequency components contained in the time change of the vascular stiffness β. However, as shown in the PSD graphs of Figures 6 (A) and (B), the vascular stiffness estimation method of the present invention can perform detailed frequency component analysis. For example, a peak can be confirmed in the vicinity of 1 to 1.5 Hz from the graphs of Figures 6 (A) and (B), and it can be inferred that the vascular stiffness β reflects the heartbeat rhythm.
また、0.2Hz付近のピークから、血管剛性βが、呼吸リズムを反映していると推測できる。さらに、0.1Hz付近のピークから、血管剛性βと収縮期血圧の低周波成分との相関関係を分析することができる。 In addition, from the peak near 0.2 Hz, it can be inferred that vascular stiffness β reflects respiratory rhythm. Furthermore, from the peak near 0.1 Hz, it is possible to analyze the correlation between vascular stiffness β and the low-frequency components of systolic blood pressure.
以上、説明したように、本発明に係る血管剛性推定方法及び血管剛性推定装置によれば、心拍のタイミングに拘束されず、心拍より高いサンプリング周波数で血管剛性βを推定することができるので、より詳細に身体状態の分析を行うことができる。 As described above, the vascular stiffness estimation method and vascular stiffness estimation device according to the present invention can estimate vascular stiffness β at a sampling frequency higher than the heart rate without being restricted by the timing of the heart rate, allowing for more detailed analysis of the physical condition.
また、本実施の形態に係る血管剛性推定方法は、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、上記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、USBメモリ、DVD-ROM等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、コンピュータ装置を上記の血管剛性推定方法を実行する推定装置として機能させることができる。 The vascular stiffness estimation method according to this embodiment can be realized using a normal computer system. For example, a computer program for executing the above operations can be stored and distributed on a computer-readable recording medium such as a USB memory or a DVD-ROM, and the computer program can be installed on a computer to cause the computer to function as an estimation device that executes the above vascular stiffness estimation method.
また、本実施の形態では、センサ10で取得した生体信号である動脈血圧、指尖容積脈波から、推定装置本体20で血管剛性βを推定することとしたが、これに限られない。例えば、過去に取得され、記憶部22に記憶されている生体信号を、演算部212に読み込んで、血管剛性βの推定を行うこととしてもよい。また、遠隔地の被験者に装着されたセンサ10から、推定装置本体20へネットワークを介して生体信号を読み込んで、血管剛性βを推定することとしてもよい。 In addition, in this embodiment, the vascular stiffness β is estimated by the estimation device main body 20 from the biosignals, such as arterial blood pressure and fingertip volume pulse wave, acquired by the sensor 10, but this is not limited to the above. For example, biosignals previously acquired and stored in the memory unit 22 may be read into the calculation unit 212 to estimate the vascular stiffness β. Furthermore, biosignals may be read from a sensor 10 worn by a subject in a remote location via a network into the estimation device main body 20 to estimate the vascular stiffness β.
本発明は、身体の状態を把握するための血管剛性推定に好適である。特に、血管剛性の時間変化から、様々な周波数の信号に由来する身体状態の変化を推定する場合の血管剛性推定に好適である。 The present invention is suitable for estimating vascular stiffness to grasp the state of the body. In particular, the present invention is suitable for estimating vascular stiffness when estimating changes in the state of the body derived from signals of various frequencies from changes in vascular stiffness over time.
1 血管剛性推定装置、10 センサ、20 推定装置本体、21 制御部、211 生体信号取得部、212 演算部、22 記憶部、23 表示部、24 入力部 1 Blood vessel stiffness estimation device, 10 Sensor, 20 Estimation device main body, 21 Control unit, 211 Biosignal acquisition unit, 212 Calculation unit, 22 Memory unit, 23 Display unit, 24 Input unit
Claims (9)
前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、血管剛性を推定する、第2推定工程と、を含む、
ことを特徴とする血管剛性推定方法。 a first estimation step of estimating an inertia parameter which is a coefficient of the second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of the first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term by a least squares method with a predetermined window width based on a vascular stiffness model which is expressed by the relationship between the volume pulse wave and blood pressure and which includes an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term which is a coefficient of the volume pulse wave, and a stiffness term which is an exponential function of the volume pulse wave;
and a second estimation step of estimating vascular stiffness by substituting the inertial parameter and the viscosity parameter into the vascular stiffness model and using a least squares method with the window width.
A method for estimating blood vessel stiffness comprising:
である、
ことを特徴とする請求項1に記載の血管剛性推定方法。 The vascular stiffness model is a log-linearized peripheral vascular viscoelasticity model shown below.
The method for estimating blood vessel stiffness according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の血管剛性推定方法。 The vascular stiffness is estimated at a sampling frequency higher than the heart rate.
3. The method for estimating blood vessel stiffness according to claim 1 or 2.
平均血圧以上の範囲で最小二乗法を適用することにより、
前記血管剛性を推定する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の血管剛性推定方法。 In the second estimation step,
By applying the least squares method to the range above the mean blood pressure,
estimating the vascular stiffness;
The method for estimating blood vessel stiffness according to any one of claims 1 to 3.
心拍間隔よりも長い、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の血管剛性推定方法。 The window width of the least squares method in the first estimation step and the second estimation step is
longer than the heartbeat interval,
The method for estimating blood vessel stiffness according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の血管剛性推定方法。 a time difference correction step of correcting a time difference between the blood pressure and the volume pulse wave,
The method for estimating blood vessel stiffness according to any one of claims 1 to 5.
心拍ごとに、対応する個別時間差を算出し、前記第1推定工程の最小二乗法の前記窓幅に対する各心拍の影響度合いに基づいた重みを前記個別時間差に乗じて得られる調整後個別時間差に基づいて、前記時間差を算出する、
ことを特徴とする請求項6に記載の血管剛性推定方法。 In the time difference correction step,
calculating a corresponding individual time difference for each heartbeat, and calculating the time difference based on an adjusted individual time difference obtained by multiplying the individual time difference by a weight based on the degree of influence of each heartbeat on the window width of the least squares method in the first estimation step;
The method for estimating blood vessel stiffness according to claim 6 .
前記演算部は、
前記血管剛性モデルのうち、前記容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータ、前記容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータ、前記剛性項を線形近似して得られる前記容積脈波の係数である剛性パラメータ及び定数項を所定の窓幅で最小二乗法によって推定し、
推定された前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、前記血管剛性を推定する、
ことを特徴とする血管剛性推定装置。 a calculation unit that estimates vascular stiffness based on a vascular stiffness model that is expressed by a relationship between a volume pulse wave and a blood pressure, and that includes an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term including a first derivative of the volume pulse wave, and a stiffness term including an exponential function of the volume pulse wave,
The calculation unit is
an inertia parameter which is a coefficient of a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of a first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term of the vascular stiffness model are estimated by a least squares method with a predetermined window width ;
the estimated inertial parameter and the estimated viscosity parameter are substituted into the vascular stiffness model, and the vascular stiffness is estimated by using a least squares method with the window width ;
A blood vessel stiffness estimation device comprising:
容積脈波と血圧との関係で表され、前記容積脈波の二階微分を含む慣性項、前記容積脈波の一階微分を含む粘性項及び前記容積脈波の指数関数を含む剛性項を含む血管剛性モデルに基づいて、
前記容積脈波の二階微分の係数である慣性パラメータ、前記容積脈波の一階微分の係数である粘性パラメータ、前記剛性項を線形近似して得られる前記容積脈波の係数である剛性パラメータ及び定数項を所定の窓幅で最小二乗法によって推定し、
前記慣性パラメータ及び前記粘性パラメータを前記血管剛性モデルに代入して、前記窓幅で最小二乗法を用いることにより、血管剛性を推定する演算部、
として機能させるプログラム。
Computer,
Based on a vascular stiffness model expressed by a relationship between a volume pulse wave and a blood pressure, the model including an inertia term including a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity term including a first derivative of the volume pulse wave, and a stiffness term including an exponential function of the volume pulse wave,
an inertia parameter which is a coefficient of a second derivative of the volume pulse wave, a viscosity parameter which is a coefficient of a first derivative of the volume pulse wave, a stiffness parameter which is a coefficient of the volume pulse wave obtained by linearly approximating the stiffness term, and a constant term are estimated by a least squares method with a predetermined window width ;
a calculation unit that estimates vascular stiffness by substituting the inertial parameter and the viscosity parameter into the vascular stiffness model and using a least squares method with the window width ;
A program that functions as a
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