JP6726171B2 - 胸骨から生理パラメータを測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、胸部の骨の部位からの生理パラメータを非侵襲的にモニタまたは測定する分野一般に関する。より具体的には、本発明は、いくつかの呼吸パラメータおよび中心的に関与する心臓パラメータを測定することに関する。

光プレチスモグラフィ（ＰＰＧ）では、光源、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光が皮膚に向けられ、その光は皮膚組織内で吸収され、散乱され、反射されることが知られている。少量の反射光は、ＬＥＤに隣接して配置された光検出器（ＰＤ）によって（反射モード）、または、ＬＥＤの反対側の位置に配置されたＰＤによって（透過モード）受光される。ＰＤ信号の変化は、下層組織における血流および血液量の変化に関連する。ＰＰＧ信号が心血管系に関する貴重な情報を提供できることは、一般的に認識されている。ＰＰＧ信号の正確な素性が分かっていないにもかかわらず、ＰＰＧ技術は、心拍数、酸素飽和度、血圧および末梢血循環を測定するための市販の医療機器の広い範囲で用いられている。

筋組織または骨などの深部組織に関連した血流に関する測定が、国際公開第2007/097702号パンフレットに開示されている。国際公開第2007/097702号パンフレットは、血管区画および深部組織の血管のような柔軟性が制限された血管における血液特性をモニタするための光プレチスモグラフ（ＰＰＧ）信号の生成、検出および評価方法を開示している。本開示の底辺にあるのは、近赤外および青緑色波長の光（光子）の吸収、散乱および反射に及ぼす赤血球の配向および軸方向移動の影響である。本開示では、近赤外波長光源および青緑色波長光源は、光検出器から特定の距離を置いて配置される。この方法は、血液特性および時間経過に伴うこれらの特性の変化の連続的で非侵襲的なモニタリングを可能にする。この方法によって得られるデータは、骨の血管組織またはアテローム性動脈硬化のような柔軟性に欠けるか、もしくは、柔軟性が制限される血管、もしくは、硬化した血管における血圧、血流、拍動性血液量および赤血球速度を含む。

米国特許出願公開第2013/0060098号明細書は、胸骨上のような被検体の表面上に取り付けるのに適したモニタ装置を開示している。この装置は、光プレチスモグラフ（ＰＰＧ）に基づく光学測定用のセンサを有し、装置の光学的配置に起因して、軟組織上での測定にのみ適合している。C. Schreinerらの"Blood Oxygen Level Measurement with a chest-based Pulse Oximetry Prototype System", Computing in Cardiology 2010; 37; 537-540に開示された装置についても同様である。ここでも、装置の光学的配置は、軟組織上の測定に使用されることにのみ適合している。

救急車中や救急診療所では、心臓機能、呼吸機能、血圧、体温などに関連した必須の生理パラメータを測定するために、周辺にある別個の機器やシステムの多くが使用されるが、これは面倒で、時間が係り、且つ高価である。従って、必須パラメータの多くを評価、測定および/またはモニタするために簡単に使用使用でき費用対効果の高い単一の方法、装置およびシステムが必要とされている。具体的には、１つのセンサを使用し、健康な人および患者の両方を含む多くの人が誤った呼吸パターンを発症することが示されているため、患者の気道を妨げないことが求められている。このような呼吸不全は、自己努力を徐々に削ぐ悪循環の始まりとなるかもしれない。

したがって、本開示の実施例は、好ましくは、添付の特許請求の範囲に従った、骨組織からの生理パラメータを光学的に測定するためのデバイス、システムおよび方法を提供することにより、上記のような当分野における１つ以上の欠陥、不利益または課題の１つまたは任意の組み合わせの軽減、緩和もしくは除去を追求する。

新しいシステムは、新規の身体の部位、胸骨または胸部の骨におけるモニタリングを可能とし、それにより、胸郭の周りおよび胸骨中の特別な身体構造上のアーキテクチャおよび血流制御を使用する。これにより、気道を妨げることなく、心拍数、心拍変動および動脈酸素飽和度ＳａＯ_２などの中心的に関与する心臓測定を提示することなく、１つの光センサのみから呼吸および心臓脈管のパラメータをモニタすることが可能になる。

本開示の別の態様によれば、被験体の少なくとも１つの生理パラメータを測定するためのシステムが開示される。このシステムは、皮膚と並置されるセンサを含む。センサは、胸部の骨または隔壁を照明するための少なくとも１つの光源と、胸部の骨または隔壁に関連する血管からの反射光および／または散乱光を測定するための検出器と、を備える。システムは、センサの動作を制御するように構成された制御ユニットと、少なくとも１つの生理パラメータを決定するために血管中の血流および/または血管からの測定データ中の体積指標を分析するように構成された分析ユニットとをさらに含む。

新規の計測器は、光学システムであって、胸骨のような骨組織に近接して適用される唯一のセンサから、少なくとも１０の異なる呼吸パラメータと、少なくとも２つの心臓脈管パラメータと、を測定するために用いることができる。

開示されたシステムは、特に、胸部からの呼吸に関連した多くのパラメータをモニタするために使用され、ＣＯＰＤ、喘息、線維筋痛、睡眠時の無呼吸、首肩領域の痛み、腰痛を有する呼吸不全の患者の診断、治療および経過観察のための全く新しいツールを提供する。

開示されたシステムを使用してモニタできる他の呼吸関連の障害/疾患は、リウマチ性関節炎、脊椎炎、全身性エリテマトーデス、炎症性筋疾患などのようなリウマチ性疾患を有する患者である。呼吸不全を伴うことのある他の疾患または障害には、有毛動物アレルギー、花粉／草アレルギー、芳香過敏、トラウマ、期待行動（expectation perfprmance)、ＡＤＨＤの子供、睡眠時の無呼吸、うつ病、不安発作などがあります。

このシステムは、救急車、ヘリコプターまたはボートによる輸送中、もしくは、救急部署における心肺蘇生（ＨＬＲ）に関連して、事故現場における３つのバイタルサイン、心拍数、呼吸数および酸素飽和度の同時記録のための緊急用途に使用することができる。例えば、ショック状態および低体温の間に、心拍数（頻脈および徐脈）と同じように呼吸数の異なる段階（多呼吸および緩除呼吸の両方）がある。

非侵襲、且つ無線のシステムは、マルチパラメータのオンラインモニタリング、および診断、治療判断およびリハビリテーション様式の最適化によって、人の生活の質を改善することができる。

開示されたシステムのいくつかの例では、光源は、少なくとも１つの近赤外光源、および/または、少なくとも１つの赤色光源、および/または、緑色光源を含む。異なる光源は、異なるパラメータを測定するために使用できる。赤色光源は、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の近赤外光源を参照して、オキシヘモグロビンおよび/またはデオキシヘモグロビンの変動を測定するために使用できる。

追加的および/または代替的に、９００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の波長を有する近赤外光源は、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の近赤外光源を参照して、オキシヘモグロビンおよび/またはデオキシヘモグロビンの変動を測定するために使用できる。

緑色光は、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の近赤外光源を参照してヘモグロビン含有量を測定するために使用できる。

開示されたシステムのいくつかの例では、光源の波長は、赤色光源が６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの間の波長を有し、近赤外光源が８００ｎｍ〜８１０ｎｍの間の波長、および/または、９００ｎｍ〜９５０ｎｍの間の波長を有するするように、４００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内であっても良い。緑色光源は、５４０ｎｍ〜５９０ｎｍの間の波長を有することができる。

いくつかの例では、開示されたシステムは、センサの動作中に得られる測定データを記憶するように構成されたメモリユニットをさらに備える。

いくつかの例では、開示されたシステムは、被験者の胸部の骨または隔壁に隣接する皮膚部位にセンサを保持することに適合した保持要素を備える。

いくつかの例では、開示されたシステムは、記録された情報を受信ユニットに転送するために無線で接続される。

いくつかの例では、受信ユニットは、制御ユニットおよび/または分析ユニットに接続されてもよい。

開示されたシステムのいくつかの例では、保持要素は皮膚接着部材である。

開示されたシステムのいくつかの例では、血管の血流および/または体積は、動脈の血流および/または体積である。

開示されたシステムのいくつかの例では、少なくとも１つの光源および少なくとも１つの検出器は、左右の胸部内動脈およびそれらに対応する収合静脈から現出する血管を覆う二重のライン構成に配置され、センサの長さは、測定中にカバーされる血液の体積に相関する。

この構成は、左右の胸部内動脈およびそれらに対応する集合静脈から現出する血管を覆うために使用される。この構成は、測定データの信号対雑音比を改善する。

開示されたシステムのいくつかの例では、分析ユニットは、赤色光と近赤外線との間の比率、および/または、異なる波長を有する２つの近赤外光の間の比率に基づいて酸素飽和度を検出するように構成される。分析ユニットは、基準となる近赤外光と緑色光との間の比率に基づいてヘモグロビン含有量を検出するように構成されていてもよい。

本開示のいくつかのさらなる態様において、被験体の胸部の骨または胸骨に関連する血管の血流および/または体積指標に基づいて少なくとも１つの生理学的パラメータを非侵襲的に決定する方法が開示される。この方法は、被検体の胸部の骨または隔壁の皮膚部位に配置されることに適合した少なくとも１つの光源および/または少なくとも１つの検出器を含むセンサを提供することを含む。この方法は、少なくとも１つの光源からの光を胸部の骨または隔壁に伝搬させ、胸部の骨または隔壁に関連する血管によって反射および/または散乱される伝搬光の少なくとも一部を検出するステップをさらに含むことができる。この方法はまた、少なくとも１つの生理パラメータを決定するために少なくとも１つの検出器によって検出された反射光および/または散乱光を分析および評価することを含むことができる。

いくつかの例では、開示された方法は、硬化した血管または柔軟性が制限された血管における血流を評価することを含む。

開示されたシステムのいくつかの例では、分析および評価は、胸骨の血流供給組織から評価される。胸骨への血流は、胸骨の他の部分への血流供給と同調して変化する。

開示されたシステムのいくつかの例では、少なくとも１つの生理学的パラメータは、呼吸数、吸気時間、呼気時間、通常時の呼吸効率、最大呼吸効率、吸気リザーブ、呼気リザーブ、吸気係数、呼気係数、心拍数（拍動/分）、呼吸曲線またはパターン、酸素飽和度ＳａＯ_２（％）、ヘモグロビン含有量または温度のいずれかである。

開示されたシステムのいくつかの例では、パラメータはリアルタイムでモニタされる。

開示されたシステムのいくつかの例では、血管の血流および/または体積は、動脈の血流および/または体積である。

なお、「含む/備える」という用語は、本明細書中で使用される場合、記載された特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するために用いられ、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素もしくはそのグループの存在または追加を排除するものではない。

本開示の実施例から可能なこれらおよび他の態様、特徴および利点は、添付の図面を参照した本開示の実施例の以下の説明から明らかとなる。

胸部の骨および胸骨への血流の模式的な概観を示す。 本開示に係るセンサシステムの一例の概略図を示す。 本開示に係る装置、および、胸部の骨または胸骨に並置される皮膚部位の位置を例示する。 リード線を有するセンサ構成を例示する。 本開示による例示的な方法の模式的な概観を表す。 目的を説明するための健康な被験者の胸骨における任意の例示的な呼吸力曲線の記録を図示のために表示する。 健康な被験体の胸骨における呼吸力曲線の記録を、気道において同時に行われた肺活量測定の記録と比較して示す。 健康な被験者の胸骨における呼吸力曲線の記録を、気道において同時に行われたカプノグラフィの記録と比較して示す。 慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）の患者の胸骨における歩行試験中の呼吸力曲線の記録を示す。 嚢胞性線維症の患者の運動前後における呼吸能力および呼吸パターンを示す。 自発的な呼吸保持中における比率を示す。 本開示による装置、および、動物において胸部の骨または胸骨へ並置された位置の例を示している。

以下、本発明の具体的な実施例について添付図面を参照して説明する。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で実施されても良く、ここに記載された例に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの例は、本開示が詳細かつ完結し、本開示の範囲の全てを当業者に伝えるように提供される。添付の図面に表されている実施例の詳細な説明に使用される用語は、本開示を限定することを意図するものではない。図面において、同様の番号は同様の要素を示す。

以下の説明は、胸部の骨、特に、胸骨に並置される位置に関連して測定またはモニタされた血流特性から生理パラメータを決定するための装置および方法に適用可能な本開示の例にフォーカスしている。しかしながら、本開示はこの用途に限定される訳ではなく、硬化した血管または柔軟性が制限された血管における血流特性の評価、監視および/または測定を実行可能な他の多くの位置に適用できることが認識されるであろう。

図１は、胸郭および胸骨１の周囲の血流の概要を模式的に示す。胸部の骨、特に、胸骨は、胸郭周囲の血管構成および生理学に関連する特別な機能を有することが研究により示されている。鎖骨下動脈１０から分岐する胸部内動脈１１および対応する集合静脈は、肋間筋１２および胸骨１３の両方に分岐している。肋間筋１２は、呼吸を補助する。さらに、腹筋に分岐し、胸部内動脈および対応する側枝静脈につながる下半身からの動脈１４がある。腹筋への分岐は、呼吸を補助する。これは、胸骨への血流が、ａ）呼吸と同調した胸腔内の圧力変化、ｂ）胸部および腹部の筋肉区画の動きに関連し、特に、強制呼吸中に起こる血液循環、により容易に変調されるであろうことを意味する。

さらに、胸骨内の血流は、心臓の鼓動に同調した定常的且つ脈動的な血流によっても変調される。胸骨は（赤色骨髄における）血液細胞が生成される場所であるため、血液に対する特別な栄養または代謝を必要とせず、血液が高度に灌流される。

本願発明者は、胸部の骨または胸骨１に並置される位置のセンサ１５を用いた、その高度に灌流される胸骨における血流測定が、呼吸および心臓活動の両方のいくつかの特徴およびバイタルパラメータのモニタリングを可能とすることを見出した。

センサ１５の胸骨直上の配置は、（ＣＯＰＤ、喘息などの患者には不適切な呼吸抵抗を導入する肺活量計のように）気道を妨げることなく全体の呼吸パターンに追従することも可能にする。

センサ１５の胸骨直上の配置は、心臓とセンサの位置との間の距離が比較的短くなることに起因して、心臓活動に対応する血流変動がより中心的な要因として測定されることも意味する。

図１は、制御ユニットとセンサの両方を含む１つのユニットだけ用いたセンサ１５の胸骨上の位置の一例を示している。肋骨および胸部の骨の上におけるセンサ１５の他の位置も考えられる。

図２は、本開示によるセンサシステム２を模式的に例示している。センサシステム２は、血管中の血流のような血液の流れ、および/または、胸部の骨に関連するか、もしくは、被験者の胸部周辺および胸骨における体積指標に基づいて、少なくとも１つの生理学的パラメータを決定するための医療システムである。センサシステム２は、皮膚と並置するセンサ２２を含む。センサ２２は、胸部の骨または隔壁を照明するための少なくとも１つの光源２１と、胸部の骨の中もしくはその周り、または、隔壁内の血管からの反射光および/または散乱光を検出し、記録するための少なくとも１つの検出器２３を含む。光源２１は、好ましくは、少なくとも１つの近赤外光源、および/または、少なくとも１つの赤色光源、および/または、少なくとも１つの紫と緑の間の光源であっても良い。小さなサイズによりセンサ２２における使用に適する光源の例は、ＬＥＤであり、例えば、近赤外ＬＥＤ、または赤色ＬＥＤ、または紫から緑のＬＥＤである。

４００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲の波長、例えば、５４０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の波長は、胸骨における血流変動を測定するために使用できる。使用される波長は、測定されるべきパラメータに依存する。例えば、８００ｎｍ?８１０ｎｍ付近の波長を有する光源は、基準として用いられるであろう。血液中の酸素レベルの変動は、この波長範囲を用いて検出することができないからである。酸素飽和度を検出するためには、オキシヘモグロビンおよび／またはデオキシヘモグロビンには、６４０〜６８０ｎｍの範囲、例えば、６６０ｎｍ付近の波長を用い、および／または、オキシヘモグロビンおよび／またはデオキシヘモグロビンには、９００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲、例えば、９４０ｎｍの波長のいずれかを用いる光源を使用できる。これらの範囲を用いた測定光の反射および／または散乱により、胸骨における血中酸素飽和度ＳａＯ_２（％）を検出することができる。この検出は、市販のパルスオキシメータ（酸素濃度計）で使用されているアルゴリズムとは異なるアルゴリズムに基づいて実施される。酸素含有量は、２つの波長、例えば、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の近赤外および６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の赤色光の間の反射および/または散乱された光のトータル（ＤＣ）の比率により決定することができる。追加的および/または代替的に、いくつかの例では、酸素含有量は、９００ｎｍ〜９５０ｎｍおよび８００〜８１０ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲内の２つの波長の間の光の反射および／または散乱のトータル（ＤＣ）の比率により決定されても良い。標準的な実験法を用いて化学実験室で測定された酸素飽和度ではあるが、これらの比率は、血液試料中の酸素飽和度に対応することが実験的に見出されている。反射および/または散乱された光の全量および定常的な代謝を要し高度に灌流された胸骨により、ＳａＯ_２として表示される測定された酸素飽和度は、動脈起因と見なされる。

ヘモグロビンの含有量を決定するために、４００ｎｍ〜５９０ｎｍの間のような紫から緑の範囲の波長を有する光源、５４０ｎｍ〜５９０ｎｍの間、例えば、約５６０ｎｍの緑色光源を用いて、胸骨中の血管からの光反射信号および/または光散乱信号を検出できることが発見された。通常、この波長範囲内の細胞組織からの反射光および/または散乱光は、吸収が非常に高いために検出されることはない。ヘモグロビンの含有量は、例えば、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の近赤外および５４０ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の緑色光のような、２つの波長間の反射および/または散乱された光の全量（ＤＣ）の比率により決定されても良い。

また、いくつかの例では、センサ２１は、光プレチスモグラフ（ＰＰＧ）タイプのセンサであっても良い。

センサシステム２は、センサ２２に接続され、センサシステム２の動作を制御するように構成された制御ユニット２０をさらに備える。センサ２２および制御ユニットは、例えば、ブルートゥース（登録商標）を用いて有線または無線により接続することができる。

制御ユニット２０は、分析ユニット２５を含むか、分析ユニット２５に接続されるかのいずれかである。分析ユニット２５は、少なくとも１つの生理パラメータを得るために検出され記録された光からの測定データを分析するように構成される。

分析は、センサを携帯した被験者の部位で行う必要はなく、測定と同時に行う必要もない。分析は、例えば、必要に応じて後で行うことができる。

一方、いくつかの例では、分析は、測定と同時に、すなわちリアルタイムで実行されても良い。

いくつかの例では、センサシステムは、記録された情報を受信ユニットに転送するために無線接続することが可能である。受信ユニットは、制御ユニットおよび/または分析ユニットのいずれかに接続される。

さらに、いくつかの例では、制御ユニット２０は、センサシステム２を動作させるときにセンサ２２から得られる検出され記録された光からの測定データを記憶するように構成されたメモリユニット２４を含むか、または、メモリユニット２４に接続される。

さらに、いくつかの例では、センサシステム２は、測定された反射光および/または散乱光に基づいて呼吸力曲線をプロットするためのユニットをさらに備える。

センサ２２は、いくつかの例では、センサ２２と皮膚との間の特別なインタフェースセットアップ／接続を使用して皮膚に取り付けることができる。このインターフェースは、両面接着テープ、接着スプレー、皮膚接着剤、ゼリー、センサ２２を包む軟質材料および/または負圧であっても良い。

また、いくつかの例では、センサ２２は、ブラジャー、Ｔシャツ、シャツ、アンダーシャートなどの着用可能な繊維材の一部として皮膚に取り付けられてもよい。

さらに、いくつかの例では、システムは、軟質組織から血圧を測定するために開発された第２のシステムと結合されてもよい。第２のシステムは、手首または足首から血圧測定を提供できる。収縮時の血圧を測定するためのそのようなセンサシステムの一例は、WO 2006/049571に開示されている。開示された収縮時の血圧を測定するための方法および手段は、その全体を本明細書に援用する。援用された開示は、収縮時の足首血圧を測定するための開示された柔軟性パッドに関する。このパッドは、発光ダイオードと光検出器のペアを２以上含む。それらのペアは平行に配置され、検出器は、それぞれのダイオードによって組織内に放出され、そこから反射および／または散乱された光の検出に適合する。パッドは、発光ダイオードに電力を供給する導電手段、および、検出器を検出器信号分析のための電子機器と通信させるため導電手段および無線手段から選択された手段をさらに含む。

パッドは、システム内に含まれても良く、システムは、拡張可能なカフと、そのカフを拡張および収縮させるためのポンプ手段??とを含む。このシステムは、カフ内の圧力を記録するためのゲージ手段と、光検出器信号を増幅するための電子手段と、をさらに含むことができる。

本開示の援用された部分は、被験者の収縮時の血圧を測定するための方法にも関する。この方法は、拡張可能なカフを含むアセンブリと、発光ダイオードおよび光検出器の２以上のペアを含む柔軟性の測定パッドと、パッドと通信する電子制御ユニットと、を含む。前脛骨動脈に近接し、それと実質的に平行に１つのペアを配置し、後脛骨動脈に近接し、それと実質的に平行に他のペアを配置するために、被験者の足首または手首領域の皮膚と接触させて、パッドまたはパッドとカフとの組み合わせを配置する。この方法は、前後脛骨動脈を通る血流を止めるのに十分な圧力にカフを拡張させることを含む。カフを拡張させた後、以下のステップが実行される。
・ダイオードを発光している間にカフを収縮させる。
・収縮中に光検出器によって細胞組織から反射および/または散乱された光を記録する。
・収縮中のカフ圧を記録する。
・前脛骨動脈および/または後脛骨動脈において血流が戻ったカフ圧を特定するために記録された光信号を分析する。

図３は、胸部の骨または胸骨に配置されたセンサシステムの２つの例を示す。図示した例では、センサシステムは胸骨に配置されている。

これらの例では、センサシステムは、制御ユニットとセンサとを含む。センサは、制御ユニットへ記録されたデータを転送するか、もしくは制御ユニットから記録されたデータを転送するか、またはその両方のために無線技術を使用して受信ユニットと通信するように構成される。受信ユニットは、被験者の情報を病院、医師または看護師に転送するためのコンピュータ、読み取りプレート、携帯電話、または他の通信プラットフォームであっても良い。

図３の実施例（ａ）において、センサ３１は、好ましくは胸部の骨上、好ましくは胸骨に位置する。制御ユニット３０は、シャツ、Ｔシャツまたは他の衣類の胸ポケット内、または、ズボンのベルト、または、被験者に近接して皮膚表面に配置することができる。センサ３１は、分離されて皮膚に取り付けられる。使用されるセンサは、いくつかの例では、光プレチスモグラフ（ＰＰＧ）タイプのセンサであってもよい。図示された例では、センサ３１と制御ユニット３０は、ワイヤを用いて接続されている。また、センサ３１と制御ユニットとを無線技術を用いて接続しても良い。

図３の実施例（ｂ）では、センサおよび制御ユニットは、１つのデバイス３２に統合されている。

さらに、いくつかの構成例では、実施例（ａ）および実施例（ｂ）のセンサシステムの両方は、制御ユニット上にディスプレイを備えることができる。ディスプレイは、バイタルパラメータなどのデータを制御ユニット上に直接示すように構成することができる。

図４は、センサ構成４の一例をプリント回路カードとして示す。図示された例は、接続リードと、ＬＥＤ４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂおよび光検出器４０ａ〜４０ｄの二重のライン配置と、を含む。図４に示すセンサ構成４の例では、ＬＥＤは、近赤外ＬＥＤ４１ａ、４１ｂおよび赤色ＬＥＤ４２ａ、４２ｂであってもよい。

光源および検出器は、胸部の骨中および／またはその周辺もしくは中隔骨中の血管に、その光が浸透し、到達するように光学的に配置内に実施される。

二重のライン構成は、左右の胸部内動脈（図１参照）およびそれらに対応する集合静脈から現出する血管を覆うために好ましい。センサの長さは、測定中に覆われる血液の体積と相関するであろう。これら両方の要素は、大きな体積の血液の記録を可能とし、ＰＰＧ信号の強度、結果として信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるであろう。

より一般的には、センサの光源および光検出器の配置は、好ましくは、胸部の骨または隔壁の左から右および長さを覆い、これにより、胸部の骨または隔壁の中もしくはその周りの血管を可能な限り多く覆う広い測定面積を提供する。

また、少なくとも１つの近赤外ＬＥＤを含む構成、例えば、６４０〜６８０ｎｍの間の波長を有するＬＥＤのような、少なくとも１つの赤色ＬＥＤと組み合わされた８００ｎｍ〜８１０ｎｍの波長を有するＬＥＤを含む、ＬＥＤと光検出器の他の構成も可能である。

代替的および/または付加的に、いくつかの例では、その構成は、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの間の波長を有する少なくとも１つ、および、９００ｎｍ〜９５０ｎｍの間の波長を有する少なくとも１つのような、少なくとも２つの近赤外光ＬＥＤを含むことができる。

代替的および/または付加的に、いくつかの例では、その構成は、４００ｎｍ〜５９０ｎｍ、例えば、５５０〜５９０ｎｍの間の波長を有する少なくとも１つのＬＥＤを含むことができる。

この構成は、主に、胸部における骨の位置である身体的構造および測定されるべきバイタルパラメータに依存する。

さらに、いくつかの例では、センサ４の配線基板には、胸骨上の身体構造の外形、例えば、男性および女性の両方の身体構造の外形に適合する特殊な形状に成型された硬質または部分的に柔軟性を有するシリコーン、アクリル、または、他の材料を選択する。

図５は、例示的な方法５の模式的な概要を示している。この方法は、被験者の胸部の骨または胸郭の周りおよび胸骨内における測定による血管血流のような血流および/または体積などの特性に基づいて少なくとも１つの生理パラメータを非侵襲的に測定するためのものである。この方法は、被験者の胸部の骨または隔壁の皮膚部位に配置するのに適した５０の提供を含む。センサは、少なくとも１つの光源と少なくとも１つの検出器とを含む。適切なセンサの一例は、本開示によるセンサである。この方法は、少なくとも１つの光源から胸部の骨または隔壁への光伝送２１をさらに含む。骨中の血管から反射および/または散乱された戻り光の一部を検出器を使用して検出５２する。検出された光に関連する測定データを記録５３し、少なくとも１つの生理パラメータを得るために検出され記録された光からの測定データを分析５４する。

図６は、目的を表すために任意の例示的な呼吸力曲線６を示している。呼吸力（ＰＰ）曲線６は、健康な被験者の胸骨からの光プレチスモグラフの記録により得られる。上方への振れは吸気を示し、下方への振れは呼気を示す。

図６のＲＰ曲線６から、呼吸に関連したいくつかのパラメータを抽出することができる。
６８．ＲＰ曲線（好ましくはＬＰフィルタリングの後）のピークカウントによる呼吸速度（呼吸／分）
６３．吸気時間（秒）
６４．呼気時間（秒）
６０．正常呼吸の間の振幅（Ｖ）は、正常呼吸の間の呼吸効率を表す。呼吸量（ＴＶ）または呼吸深度と同様。
６５．ゆっくりとした最大呼気が後に続く、ゆっくりとした（強制的ではない）最大吸気の間の最大振幅（Ｖ）は、最大限の試みの間におけるの呼吸効率を表す。肺活量（ＶＣ）と同様に、振幅で正規化される。
６１．最大呼吸の間における吸気の余裕（Ｖ）。振幅で正規化される。
６２．最大呼気の間における呼気余裕（Ｖ）。振幅で正規化される。
６６．吸気効率＝（ΔＲＰ／Δｔ）は、吸気中における、ａ）閉塞による呼吸抵抗、および/または、ｂ）呼吸活動/能力の程度を表す。
６７．呼気効率＝（ΔＲＰ／Δｔ）は、呼気中における、ａ）閉塞による呼吸抵抗、および/または、ｂ）呼吸活動/能力の程度を表す。
６９．さらに、心拍数（拍動／分）は、（図６のＲＰ曲線のハイパスフィルタリング後における）心臓の同期ピークのカウントにより測定しても良い。

さらに、呼吸曲線またはパターンを観察することができる。

さらに、上述の技術により、酸素飽和度ＳａＯ_２（％）を測定することができる。酸素含有量は、２つの波長間、例えば、８０４および６６０ｎｍ、および/または、９４０ｎｍおよび８０４ｎｍの光反射および/または光散乱の全量（ＤＣ）の比率により決定される。酸素飽和度は標準的な実験法を用いて化学実験室で測定されるが、この比率は、実験的に血液試料中の酸素飽和度に対応することが見出されている。光反射および/または光散乱の総量および定常的な代謝を必要とする高度に灌流された胸骨に起因して、測定された酸素飽和度は動脈起源であると見なされ、ＳａＯ_２として示される。

被験者/患者が、例えば、１秒間の強制的な吸気および呼気、ＦＥＶ_１を行う時、より多くの呼吸パラメータをＲＰ曲線から抽出することができる。

やわらかい細胞組織のＰＰＧを用いて呼吸速度（１分間の呼吸数）、および、呼吸曲線もしくはパターンをモニタすることは以前より可能であった。しかしながら、胸部の骨または胸骨について記録された場合、やわらかい細胞組織における記録と比較して、呼吸曲線はより明確であり信号強度が高い。したがって、胸骨上の記録から抽出した場合、呼吸周波数の計算は、技術的に非常に容易である。

呼吸数（１分間の呼吸数）、および、呼吸曲線またはパターンは別として、やわらかい細胞組織上においてＰＰＧを用いて他のパラメータをモニタすることは、現時点まで不可能であった。なぜなら、特別な身体構造上の血管構成、血管分岐および胸部区画への高度の血液供給に起因して、呼吸信号が十分に高いＳ/Ｎ（信号対雑音比）をもって明確となるのは胸部の骨もしくは胸骨だけである。これは、部分的には、胸骨の赤色骨髄における細胞の生成、および、呼吸活動に関わる肋間および腹部の筋肉への血液の必要性、および、心臓およびより大きな血管の近傍にあることに起因する。さらなるパラメータは、心臓と胸骨との間の短い距離に起因して、測定曲線に見られる心拍の曲線形状である。

測定された生理パラメータから、患者が高体温または低体温を有するか否かおよびその程度を間接的に判定することが可能である。

図７は、ここに開示されたシステムおよび方法１１０（下側の曲線）および肺活量計１００（空気量を反映）を用いて同時記録した、健康な被験者の安静時における最大吸気（上向きの振れ）および呼気（下向きの振れ）および呼吸保持時を表している。呼吸力曲線１１０は、全段階で肺活量測定曲線１００に追随し、呼吸数も一致する。

図８は、ここに開示されたシステムおよび方法１１０（上側の曲線）およびカプノグラフ１３０（下側の曲線）を用いて同時記録した、健康な被験者の安静時および（呼吸数を増した）過換気時を示す。呼吸力曲線１２０は、健康な被験者の胸骨からの記録より得られる。カプノグラフ１３０の記録は、気道から得られ、吸息および呼気中のＣＯ_２濃度の変動を反映し、これらの方法の比較によれば、呼吸速度に高い類似性が見られる。

図９は、ここに開示されたシステムおよび方法を使用して記録されたＣＯＰＤを有する女性患者の６分間の歩行試験中における呼吸力曲線１４０を示す。呼吸力曲線は、歩行手順を実行可能とするための深い息が示されている。これは、ここに開示されたシステムおよび方法を利用する場合、異なる機能不全呼吸を有する患者に対する呼吸パターンを追跡し反映できることを具体的に示している。

図１０は、ここに開示されたシステムおよび方法を使用した嚢胞性線維症の患者の記録を示している。患者は、痰および粘液を排出するために、４５分間、呼吸性の運動、呼気抵抗呼吸および薬剤の吸入を行った。図１０は、運動前（１４５）および運動後（１４６）の呼吸容量および呼吸パターンを示している。このように、心呼吸（RespiHeart）（Ｖ）によって測定されたピークツーピーク値（呼吸量に対応する）は、運動後に１０倍、運動前（１４５）のピークツーピーク値３００運動後（１４６）のピークツーピーク値３０００へ、１０倍に増えている。また、（患者の言によれば）運動後により多くの空気を吸い込むことが容易であることを示す呼吸パターンの変化もあった。

図１１は、１人のフリーダイバーが息を止めている間（横臥位）の８０４および６６０ｎｍにおける２つの波長間の光の反射および／または散乱の総量（ＤＣ）の比率１５０を示しており、ここに開示されたシステムおよび方法による記録により測定され、酸素飽和度に対してプロットされている。酸素飽和度は、パルスオキシメータ（Allen J 2007 Photoplethysmographyおよび臨床生理学的測定におけるその適用、Physiol. Meas. 28：R1-R39）によって測定された。この例は、開示されたシステムおよび方法の酸素飽和度の変動に追従する能力を実証している。

図１２は、本開示によるシステム２０１の例と、動物２００における胸部の骨または胸骨２０３に並置された位置を示している。この例では、システム２０１は、手段２０２を用いて固定されている。固定手段２０２は、ラチェットストラップまたは弾性ストラップのようなストラップとすることができる。システムのセンサは体毛中に配置されても良く、または、システム２０１のセンサを動物２００の皮膚上に直接配置できる場所を得るために局所的に毛を剃っても良い。

本開示は、特定の例を参照して説明されている。しかしながら、上記以外の他の例も、本開示の範囲内で同様に可能である。ハードウェアまたはソフトウェアによってこの方法を実行する上述とは異なるステップが、本開示の範囲内で提供されてもよい。本開示の異なる特徴およびステップは、記載されたもの以外の組み合せに結合されても良い。本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (14)

1. 被験者の胸部の骨または胸骨における血管の血流および/または体積特性に基づいて少なくとも１つの生理パラメータを非侵襲的に測定する方法であって、
   前記被験者の前記胸部の骨または前記胸骨の皮膚部位への配置に適合し、２重にライン配置された、光源および検出器を含むセンサであって、その長さが測定中に覆われる血液の体積に相関し、前記光源は、８００ｎｍ〜８１０ｎｍの波長を有する少なくとも１つの近赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）、および、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長を有する２つの赤色ＬＥＤを含み、前記検出器は、４つの光検出器を含み、前記光源および前記光検出器は、胸部の骨中および／またはその周辺もしくは中隔骨中の血管に光が浸透し到達するように光学的に配置されたセンサを提供し、
   前記光源および前記検出器の前記２重のライン構成が左右の胸部内動脈およびそれらに対応する集合静脈から現出する血管を覆うように、前記センサを配置し、
   前記光源の少なくとも１つから前記胸部の骨または前記胸骨に光を照射し、
   前記胸部の骨または前記胸骨における血管によって反射および/または散乱される前記照射光の少なくとも一部を検出し、
   前記少なくとも１つの生理パラメータを決定するために前記検出器の少なくとも１つによって検出された前記反射光および/または散乱光を分析および評価し、
   前記少なくとも１つの生理パラメータは、胸骨の酸素飽和度ＳａＯ_２（％）であり、前記近赤外の波長および前記赤色の波長のそれぞれにおける光の反射および／または散乱の総量の比により決定される方法。
2. 硬化した血管または柔軟性が限定された血管における血流を評価する請求項１記載の方法。
3. 前記分析および評価は、前記胸骨の血流供給構造から評価され、
   前記胸骨への前記血流は、前記胸骨の他の部分への前記血流供給と同期して変化する請求項２記載の方法。
4. 前記生理パラメータは、呼吸速度、吸気時間、呼気時間、通常の呼吸効率、最大努力時の呼吸効率、吸気余裕、呼気余裕、吸気係数、呼気係数、心拍数（拍動/分）、呼吸曲線もしくはパターン、酸素飽和度ＳａＯ_２（％）、ヘモグロビン含有量または温度のいずれかである請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記生理パラメータをリアルタイムで監視する請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記光源の波長範囲は、４００ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記光源が少なくとも１つの緑色ＬＥＤをさらに含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記赤色ＬＥＤは、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の波長を有し、
   前記近赤外ＬＥＤは、８００ｎｍ〜８１０ｎｍおよび／または９００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の波長を有し、
   前記緑色ＬＥＤは、５４０ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の波長を有する請求項７記載の方法。
9. 前記照射光のうちの波長の異なる２つの近赤外光間の反射光および／または散乱光の全量の比率により酸素飽和度を決定する請求項６〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. 前記照射光のうちの、反射および／または散乱された緑色光の総量と、反射および／または散乱された近赤外光の総量と、の間の比率によりヘモグロビン含有量を決定する請求項７または８に記載の方法。
11. 前記照射光のうちの８００ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲の波長の近赤外光を基準として用いる請求項６〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 前記分析および評価において、前記少なくとも１つの生理パラメータを決定するために前記少なくとも１つの検出器により検出された反射光および／または散乱光は、被験者の吸気および呼気間における時間（ｔ）に対する呼吸力（ＲＰ）曲線の記録を含む請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの生理パラメータは、吸気期間においてΔＲＰ／Δｔの式で計算される吸気係数である請求項１２記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの生理パラメータは、呼気期間においてΔＲＰ／Δｔの式で計算される呼気係数である請求項１２記載の方法。