JP2010517711A - 心臓機能のパラメータを測定する方法及び装置 - Google Patents
心臓機能のパラメータを測定する方法及び装置 Download PDFInfo
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Abstract
患者の心臓血管の少なくとも１つのパラメータを非侵襲的に測定する装置が提供される。この装置は、波長範囲が４００ｎｍから１０００ｎｍの光を放射する少なくとも１つの光源と、この光源によって放射された光を受け取り、受け取られた光に基づいて出力を発生するように適合された少なくとも１つの光検出器と、光源から心臓血管の近くの患者の外部組織の部位に光を配送し、光検出器が光を受け取ることを容易にするための少なくとも１つのプローブとを備える。前記光は患者の組織から反射される、又は患者の組織を透過し、前記光検出器の出力は血管のパラメータと相関される。この装置及び／又はシステムを用いて心臓パラメータをモニタリング／測定するシステム及び方法も提供される。
Description
本発明は、心拍出量や中心静脈血中酸素付加（central venous blood oxygenation）などの心臓機能を含む人体の生体機能モニタする技術に関する。本発明は特に、血流、血液容量、及び血中酸素飽和度などの心臓パラメータを非侵襲性でかつ連続的にモニタリングを行うための光学的な方法及び装置に関する。
頸静脈の脈拍を評価することは、心臓血管検査の欠くことができない部分であり、重要な臨床診断価値を有している［１−２］。頸静脈の脈拍は、右心房及び右心室の充填及び収縮によって引き起こされた血流及び中心静脈内の圧力が変化することによって発生される。頸静脈の脈拍を臨床検査する２つの主要な目的には、中心静脈圧を評価すること及び波形を検査することが含まれる。右心房へ向かうより直接的なルートがあるため、右内部頸静脈はこの目的にはより優れている。これらの測定値に基づいて、医師は右心房における血流力学的な事象にアクセスすることができ、これにより心臓病や心臓異常を診断することができる。例えば、頸静脈圧が高い最も一般的な原因は、肺動脈弁狭窄、肺高血圧、又は右心室梗塞に対する二次的な右心室不全にかかっている患者で発生するような右心室圧力の増加である。静脈圧は、三尖弁狭窄又は右心房粘液腫などの右心室への流入に対する閉塞が発生したとき、又は構造上の心膜疾患により右心室への流入が妨げられる場合にも高められる。それは大静脈閉塞から、また時には、血液容量が増加した結果として生じることがある。閉塞性の呼吸器系統の病気にかかっている患者は、呼気の間にのみ静脈圧が高まることがある。
静脈の脈拍と波形を測定する従来技術は、文献［３］の中で説明されている。患者は静脈の拍動を可視化するために、最適なトランク・エレベーション（trunk elevation）の程度で検査される。静脈圧は、右心房までの垂直距離である、振動する静脈列の上部から胸骨角脈拍（sternal angle plus）の大きさまでの垂直距離として、定規によって測定される。静脈拍動は一般に極めて小さいという事実のため、また患者にとって面倒な問題であるため、この方法は医師が適切な値のみを使用し提供するため、やり甲斐のある方法である。
心拍出量は、分当たりに循環する血液の体積として定義される。それは１回拍出量（心臓がそれぞれ収縮することによって放出した量）によって乗算された心拍数に等しい。心拍出量は、心臓血管の健康をモニタリングする場合の最も重要な項目である［４］。循環状態の正確な臨床的評価は、ＩＣＵ内の重病患者及び心臓、胸、又は血管の病気を患っている患者には特に望ましく、また外来患者の治療の長期にわたるフォローアップでは有益であることが証明されている。患者の血流力学状態が急速に変わるため、心拍出量を連続的にモニタリングすることにより、治療を直ぐに修正できるようにする情報が提供される。心拍出量や血圧の測定値は、末梢抵抗を計算するために使用することもできる。
Jansen（J.R.C. Jansen、「Novel methods of invasive/non-invasive cardiac output monitoring」、European Society for Intravenous Anesthesiaの第７回年次総会のアブストラクト、リスボン、２００４年）は、心拍出量のモニタリング技術に対する８つの望ましい特性を説明している、すなわち、精度、再現可能性又は正確さ、応答時間が速いこと、オペレータの独立性、容易に使用できること、連続的に使用できること、費用有効性、及び死亡率や罹患率が増加しないこと、である。
肺動脈カテーテル（ＰＡＣ）熱希釈法は一般的に、心拍出量をモニタリングするための臨床基準として受け入れられており、Conway 及び Lund-Johansenによって説明されているように［６］、それに対して他の全ての方法が比較される。この技術が極めて侵襲的で、複雑かつ高価であるため、その方法に取って代わるために多くの新しい方法が開発されてきたが、これまでどれも受け入れられていない。心拍出量を測定するための種々の技術に対する新しい検討が、Linton 及び Gilonの文献［５］の中で行われている。この記事は非／最小限の侵襲的な方法と侵襲的な方法の両方を列挙しており、またそれぞれの利点と難点を比較している。これらの技術の幾つかの短い説明を下記に示す。
インジケータ希釈技術
経肺動脈熱希釈（ＰｉＣＣＯ技術としても周知である、Pulsion Medical Technologies of Munich、ドイツ）、経肺動脈リチウム希釈法（LiDCO Group plc of London、英国）、及び他の方法（Vigilance、 Baxter； Opti-Q、 Abbott；及び TruCCOMS、 AorTech）を含む幾つかのインジケータ希釈技術が存在する。それらの技術のアプリケーションは、３つの主要な条件を仮定している、すなわち、血液とインジケータが完全にミクシングされること、注入場所と検出場所との間にインジケータの損失がないこと、血流が一定であることである。インジケータ希釈技術に関連したエラーは主に、Lund-Johansenが説明しているように［７−８］、これらの条件に対する違反が生じたことに関連する。
経肺動脈熱希釈（ＰｉＣＣＯ技術としても周知である、Pulsion Medical Technologies of Munich、ドイツ）、経肺動脈リチウム希釈法（LiDCO Group plc of London、英国）、及び他の方法（Vigilance、 Baxter； Opti-Q、 Abbott；及び TruCCOMS、 AorTech）を含む幾つかのインジケータ希釈技術が存在する。それらの技術のアプリケーションは、３つの主要な条件を仮定している、すなわち、血液とインジケータが完全にミクシングされること、注入場所と検出場所との間にインジケータの損失がないこと、血流が一定であることである。インジケータ希釈技術に関連したエラーは主に、Lund-Johansenが説明しているように［７−８］、これらの条件に対する違反が生じたことに関連する。
フィックの原理
直接酸素式フィックの方法（direct oxygen Fick approach）は現在のところ、Keinanenらによって説明されたように［９−１０］、心拍出量を測定するための標準的な基準技術である。その方法は一般に、現在利用できる最も正確な方法と考えられている。ＮＩＣＯ（Novametrix）システムは非侵襲的な装置であり、Boteroらによって説明されたように［１１］、フィックの原理に適用されまた気道ガスの測定にもっぱら依存する。この方法は、Nielssonらが説明したように［１１］、患者における未知の呼吸／灌流に関する不均等のため、熱希釈法とＣＯ2再呼吸心拍出量（CO2-rebreathing cardiac output）との間に調和が見られないことを示している。
直接酸素式フィックの方法（direct oxygen Fick approach）は現在のところ、Keinanenらによって説明されたように［９−１０］、心拍出量を測定するための標準的な基準技術である。その方法は一般に、現在利用できる最も正確な方法と考えられている。ＮＩＣＯ（Novametrix）システムは非侵襲的な装置であり、Boteroらによって説明されたように［１１］、フィックの原理に適用されまた気道ガスの測定にもっぱら依存する。この方法は、Nielssonらが説明したように［１１］、患者における未知の呼吸／灌流に関する不均等のため、熱希釈法とＣＯ2再呼吸心拍出量（CO2-rebreathing cardiac output）との間に調和が見られないことを示している。
バイオインピーダンス（Bio-Impedance）及び伝導技術
このバイオインピーダンス法は簡単で安価な方法として開発され、非侵襲的な方法で人体の心臓血管系及び／又は（デ）−ハイドレイション（(de)-hydration）状態に関する情報を与える。ここ数年の間に、胸部インピーダンス測定システムのダイバーシチも開発されている。これらのシステムは、拍動間の時間ベースでＣＯを測定する。大部分は結果が不満足な研究が報告されているが、幾つかの例外的な事例では、基準の方法との良好な相関関数が得られた。これらの研究の多くは、胸部インピーダンス法に関する不満足な物理的原理を参照している。このことは、Pattersonの「Fundamentals of impedance cardiography」、IEEE Engineering in Medicine and Biology 1989、３５ページ、の中で記載されて、不一致を説明している。
このバイオインピーダンス法は簡単で安価な方法として開発され、非侵襲的な方法で人体の心臓血管系及び／又は（デ）−ハイドレイション（(de)-hydration）状態に関する情報を与える。ここ数年の間に、胸部インピーダンス測定システムのダイバーシチも開発されている。これらのシステムは、拍動間の時間ベースでＣＯを測定する。大部分は結果が不満足な研究が報告されているが、幾つかの例外的な事例では、基準の方法との良好な相関関数が得られた。これらの研究の多くは、胸部インピーダンス法に関する不満足な物理的原理を参照している。このことは、Pattersonの「Fundamentals of impedance cardiography」、IEEE Engineering in Medicine and Biology 1989、３５ページ、の中で記載されて、不一致を説明している。
エコー−ドップラ式超音波法
この技術は超音波及びドップラ効果を使用して、心拍出量を測定する。大動脈を通過する血流速度が、返ってくる超音波の周波数の中で「ドップラ偏移」を引き起こす。胸大動脈上の食道内部に配置されたエコー・ウィンドウが付いたエコー−ドップラ用プローブは、Schmidlinらが説明しているように［１３］、大動脈の流速を測定するために使用できる。大動脈の断面積は、Deltex Medical PLC社（ Chichester、英国）によって作られたCardioQなどの装置の中で想定されるか、又は例えば、Arrow Internationalによって作られたHemoSonic装置の中で同時に測定される。これらの低侵襲的技術用いて測定されるものは大動脈の血流であり、心拍出量ではない。大動脈の血流と心拍出量との間の固定された関係が想定される。エコー−ドップラ超音波装置は、正確な信頼できる結果を得るために、超音波装置のオペレータ側に平均以上の技術レベルを要求している。
この技術は超音波及びドップラ効果を使用して、心拍出量を測定する。大動脈を通過する血流速度が、返ってくる超音波の周波数の中で「ドップラ偏移」を引き起こす。胸大動脈上の食道内部に配置されたエコー・ウィンドウが付いたエコー−ドップラ用プローブは、Schmidlinらが説明しているように［１３］、大動脈の流速を測定するために使用できる。大動脈の断面積は、Deltex Medical PLC社（ Chichester、英国）によって作られたCardioQなどの装置の中で想定されるか、又は例えば、Arrow Internationalによって作られたHemoSonic装置の中で同時に測定される。これらの低侵襲的技術用いて測定されるものは大動脈の血流であり、心拍出量ではない。大動脈の血流と心拍出量との間の固定された関係が想定される。エコー−ドップラ超音波装置は、正確な信頼できる結果を得るために、超音波装置のオペレータ側に平均以上の技術レベルを要求している。
動脈拍動式輪郭分析
パルス輪郭分析に基づいた心拍出量の評価は、心拍出量は直接測定されないが、診断基準又はモデル［１４−１７］に基づいて圧力の拍動から計算されるため、間接的な方法である。３つのパルス輪郭方法が、現在利用可能である、すなわち、PiCCO (Pulsion)、 PulseCO (LiDCO) 及び Modelflow (TNO/BMI)である。これらのパルス輪郭方法の３つとも、侵襲的に測定された動脈の血圧を利用しており、それらの方法を較正する必要がある。PiCCOは経肺動脈の熱希釈によって、LiDCOは経肺動脈リチウム希釈によって、及びModelflowは、換気サイクルにわたって等しく広がった３又は４個の従来の熱希釈の測定値によって較正される。
パルス輪郭分析に基づいた心拍出量の評価は、心拍出量は直接測定されないが、診断基準又はモデル［１４−１７］に基づいて圧力の拍動から計算されるため、間接的な方法である。３つのパルス輪郭方法が、現在利用可能である、すなわち、PiCCO (Pulsion)、 PulseCO (LiDCO) 及び Modelflow (TNO/BMI)である。これらのパルス輪郭方法の３つとも、侵襲的に測定された動脈の血圧を利用しており、それらの方法を較正する必要がある。PiCCOは経肺動脈の熱希釈によって、LiDCOは経肺動脈リチウム希釈によって、及びModelflowは、換気サイクルにわたって等しく広がった３又は４個の従来の熱希釈の測定値によって較正される。
近赤外線による分光法が、動物や人間などの被験者の様々な生物学的特性を非侵襲的に測定するために使用されている。近赤外線による分光法の基となる基本的な原理は、次のようになる、すなわち、組織などの生物学的な媒体は、透過された低エネルギーの近赤外線光子と相互作用することができる種々の光吸収物体（発色団）及び光散乱物体を含んでいる。例えば、人体の酸素が除去されたヘモグロビン及び酸化されたヘモグロビンは、４００ｎｍから１０００ｎｍのスペクトル範囲では最も有力な発色団である。このため、拡散光学分光法は、組織ヘモグロビンの酸素飽和度に関して、生理学的な媒体の中の酸素レベルを非侵襲的に測定するために適用されている。拡散光学分光法に対する技術的な背景は、例えば、Neumanによる「Pulse Oximetry: Physical Principles, Technical Realization and Present Limitations」 @ Adv. Exp. Med. BioL、第２２０巻、ページ 135-144、１９８７年、及び Severinghausによる「History and Recent Developments in Pulse Oximetry」@ Scan. J. Clin. and Lab. Investigations、第５３巻、ページ 105-111、１９９３年、の中で説明されている。
可視及び近赤外光（４００ｎｍ〜１０００ｎｍ）を組織の性質は大いに散乱させるため、血液の酸化を計算するために組織内で血管を非侵襲的に選択するように拡散光学分光法を適用することは困難である。このため、拡散光学分光法は、組織媒体内の動脈、静脈、及び毛細管からの、組み合わされた又は平均の血液の酸化を測定するために使用されているに過ぎない。しかしながら、多くの臨床上のアプリケーションでは、特定の血管の血液の酸化を知ることが望ましい。そうするために、測定を行うために目標の血管に挿入する必要があるカテーテルを使用することを含む様々な侵襲的な方法が開発されてきた。
心拍出量を測定する上述された技術のどれも、前述された８つの「Jansen」の診断基準の全てを組み合わせないため、誰もJansenらによって説明された［１８］ような、従来の熱希釈技術を置き換えることができない。従来の熱希釈法は極めて侵襲的で、複雑かつ高価であるが、心拍出量を測定するための選択する方法が残っている。前述されたことを考えると、臨床的な状況の中で、心拍出量をリアルタイムでモニタリングするための正確で信頼性が高く費用効果的で使い易い非侵襲的な方法を開発することが極めて望ましい。
本発明は、静脈の血流、静脈の血圧、及び酸化を含む血液の内容を光学的に測定することによって、心臓のパラメータを非侵襲的な方法で連続的にモニタすることができる装置、システム及び方法を提供する。
このため、本発明の１つの態様では、患者の心臓血管の少なくとも１つのパラメータを非侵襲的に測定するための装置が提供される。この装置は、波長範囲が４００ｎｍから１０００ｎｍの光を放射する少なくとも１つの光源と、この光源によって放射された光を受け取り、かつ受け取られた光に基づいて出力を発生するように適合された少なくとも１つの光検出器と、光源から心臓血管の近くの患者の外部組織の部位に光を配送し、かつ光検出器が光を受け取ることを容易にするための少なくとも１つのプローブとを具備し、前記光は患者の組織から反射されるか又は患者の組織を透過し、前記光検出器の出力は血管のパラメータと相関される。
本発明の別の態様では、患者の心臓血管のパラメータをモニタするのに有用な装置が提供される。この装置は、波長範囲が４００ｎｍから１０００ｎｍの光を放射するように適合された少なくとも１つの光放射部品と、光放射部品が放射した光を受け取り、かつ前記光を記録可能な出力に変換するように適合された少なくとも１つの光受取り部品と、光放射部品から心臓血管の近くの患者の外部組織の部位に光を配送し、かつ前記患者の部位から反射された又は前記患者の部位を透過した光を光受取り部品が受け取ることを容易にする少なくとも１つのプローブとを具備し、前記光は患者の組織から反射されるか又は患者の組織を透過する。
本発明の別の態様では、患者の心臓血管のパラメータをモニタするのに有用なシステムが提供される。このシステムは、波長範囲が４００ｎｍから１０００ｎｍの光を放射するように適合された少なくとも１つの光放射部品と、光放射部品が放射した光を受光し、かつ前記光を記録可能な出力に変換するように適合された少なくとも１つの光受取り部品と、光放射部品から心臓血管の近くの患者の外部組織の部位に光を配送し、かつ前記患者の部位から反射された又は前記患者の部位を透過した光を光受取り部品が受け取ることを容易にする少なくとも１つのプローブと、前記光受取り部品からの出力を目に見える形状に変換するように適合された光処理装置とを具備し、前記光は患者の組織から反射されるか又は患者の組織を透過する。
本発明の別の態様では、患者の心臓血管のパラメータを決定するための方法が提供される。この方法には、波長が４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の光ビームを、血管近傍の患者の外部組織の部位に向けるステップと、組織の部位から反射された又は組織の部位を透過した光を検出するステップと、検出された光を時間軸上の出力信号に変換するステップと、この出力信号を用いて血管のパラメータを計算するステップとが含まれている。
本発明の別の態様では、患者の発色団の血液コンテンツを測定する方法が提供される。この方法には、少なくとも第１及び第２の選択された波長を有する光ビームを、心臓血管の近傍の、患者の外部組織の部位に向けるステップと、組織から反射された光又は組織を透過した光を選択された波長で検出するステップと、変形ベール−ランバートの法則（Beer Lambert's law）に基づいて、前記発色団の血液コンテンツを決定するために、検出された光を出力電流に変換するステップとが含まれ、前記選択された波長は、前記発色団の吸収特性に基づいている。
さらに別の態様では、患者の心臓血管の血液の酸素化を決定するための方法が提供される。この方法には、第１の波長７８０ｎｍを有する第１の光ビームと第２の波長８５０ｎｍを有する第２の光ビームを、心臓血管の近傍の、患者の外部組織の部位に向けるステップと、組織から反射された光又は組織を透過した光を第１及び第２の波長で検出するステップと、変形ベール−ランバートの法則に基づいて、心臓血管の血液の酸素化を計算するために、検出された光を第１及び第２の波長に対する出力電流に変換するステップとが含まれている。
本発明の別の態様では、患者の中心静脈圧力を決定する方法が提供される。この方法には、波長が４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の光ビームを、胸骨角から始まって頸静脈に沿って患者の一連の外部組織の部位に向けるステップと、組織の部位から反射された又は各組織の部位を透過した光を検出するステップと、検出された光を、静脈に沿った最高位置を決定して信号（ｄ）を発生させるために、時間軸上の出力信号に変換するステップと、式Ｐ＝（ｄ＋５）ｓｉｎ９に基づいて、中心静脈圧力（Ｐ）を計算するステップとが含まれ、９は患者の水平位置から傾斜した身体角度である。
本発明のこれらのまた他の態様は、以下の詳細な説明及び図面を参照すれば明らかになるであろう。
図１Ａに示されているように、患者の心臓機能のパラメータを測定するための装置１０が提供される。この装置１０は、波長範囲が、例えば、可視光と赤外光の４００ｎｍから１０００ｎｍの光を放射する光源２０と、（図２に示されているように）光源２０からの光を受け取り、受け取った光を出力信号に変換するように適合された光検出器３０と、（図１Ｂに示されているように）患者の心臓血管の近傍の外部部位に配置されたパッチ・プローブ２８とを備えている。このパッチ・プローブ２８は、光源２０／光検出器３０と選択された外部の患者の部位との間の装置のインターフェースとして機能する。従って、プローブ２８は、光源２０が放射した光を選択された患者の部位に配送することを可能／容易にし、また患者から反射された光又は患者を通って透過された光を光検出器３０に転送する。可視信号を発生させるために、装置１０は信号処理構成部品４０（図３）をさらに備えている。この信号処理構成部品４０は光検出器３０と通信して、光検出器３０が受け取った光を心臓血管の記録可能な可視信号又は波形に変換する（例えば、圧力波形又は中心静脈拍動などの血管に関する測定可能な特性又はパラメータの時間的経過プロットを示す）。
光源２０は、レーザダイオード（例えば、ＲＬＴ７６０５Ｇ、７６０ｎｍ、５ｍＷ、ｓｍ、９．０ｍｍｈ、又はＲＬＴ８５１０ＭＧ、８５０ｎｍ、１０ｍＷ、ｓｍ、５．６ｍｍ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は、４０ｎｍから１０００ｎｍの範囲の選択された波長、例えば、７８０ｎｍと８５０ｎｍの範囲の波長を放射する広帯域の光源などの任意の適当な光源とすることができる。１つの実施形態では、この光源は、例えば、周波数発振器との関連で２つ以上の波長の光を放射するように適合される。光源２０は、１２Ｖの直流電源などの適当な電源１８によって給電される。光源２０からの光は、内部頸静脈、外部頸静脈及び頸動脈などの、心臓血管の直ぐそばの患者の少なくとも１つの外部組織の部位に向けられるが、内部頸静脈が好ましい。例えば、首は心臓パラメータをモニタするための適当な部位に相当する。
図５Ａ／図５Ｂに示されているように、１つの実施形態では、光源２０からの光は、光学レンズ２２に向けられるか、又は光学レンズ２２によって転送用光ファイバのバンドルなどの転送手段２４に焦点が合わせられて、選択された患者の部位に送られる。光ファイバのバンドルなどの受取り手段２６は、患者の部位から反射／透過された光を受け取り、この光を光検出器３０（図５Ａ）に移送するために使用することもできる。当業者は理解されるように、各光ファイバのバンドルは、光源２０から放射された波長の光を転送するのに適当な材料で製造されたファイバを組み込んでいる。例えば、光源２０が可視の波長範囲の光を放射する場合、複数モードのプラスチック又はガラスの光ファイバを使用できる。光ファイバ・バンドルのファイバの数と直径は経験的に最適化されて、所定のアプリケーションで最高の信号対雑音比を提供する。図５Ａ／図５Ｂに示された実施形態では、転送用及び受取り用の光ファイバ・バンドル２４、２６は、別個の離れた場所の一方でパッチ・プローブ２８の中に設けられるか、又は１つの場所で一緒にされる。
図６Ａ／図６Ｂに示されているように、光学ミラー２９を使用して、転送用ファイバ・バンドル２４からの光を選択された患者の部位の組織に方向付ける又は反射することができ、また患者の部位から反射又は転送された光を受取り用ファイバ・バンドル２６に向けることができる（図６）。別の方法では、図６Ｂに示されているように、光源２０及び光検出器３０はパッチ・プローブ２８の中に直接設定されて、光ファイバを不要にしている。さらに別の実施形態では、前述の実施形態の組合せが使用される。この実施形態では、光源２０がプローブ２８の中に直接設けられて、光を患者の部位に転送し、同時に反射／転送された光は光ファイバ２６によって受け取られて光検出器３０に送られる。逆の実施形態も使用することができる。この場合、プローブ２８は、光源からの光を患者の部位に送り出すための転送用光ファイバ２４と、反射／転送された光受け取るためにプローブ２８内に直接設けられた光検出器３０を備えている（図６Ｃ）。このため、光源２０と光検出器３０はそれぞれプローブ２８に連結される（例えば、プローブ２８と一体的に形成されるように、又はプローブ２８内に直接設けられるように装着される）。
光源２０又は転送用光ファイバ２４は、光検出器３０又は受取り用光ファイバ２６として同じパッチ・プローブ２８の中に設けられるか、又は反射／転送された光を検出できるように、検出器３０又は受取り用光ファイバ２６から適当な距離以内で患者の別の部位に配置するために、別のパッチ・プローブ２８の中に設けられる。光を患者の部位に送る構成部品（光源又は転送用光ファイバ）とこの患者の部位からの光を受け取る構成部品（光検出器又は受取り用光ファイバ）との間の距離は、各構成部品の性質により異なるが、代表的な距離は一般に２ｃｍと４ｃｍとの間、例えば、３ｃｍである。
パッチ・プローブ２８は、皮膚上に配置するように適合された、例えば光源、光検出器、光ファイバ又はミラーなど、内蔵される電子的／光学的な構成部品を保持するのに適当な任意の材料から作ることができる。そのような適当な材料の１つの例は、医用ゴムである。パッチ２８は、手作業で所定の位置に保持される、接着剤で所定の位置に保持される（パッチの一方の側は、ヒドロゲル接着剤などの皮膚に接着する材料でコートされる）、又は結合又は固定することができるストラップを用いて所定の位置に保持される。バンドの対向する端部は、取付けを容易にするためにまた装置を所定の位置に保持するために、ベルクロ（Velcro）などの接着剤を含むこともできる。
光検出器３０は、受け取った反射／転送された光を電流や電圧などの記録可能な出力に変換する。本発明の装置に使用するための適当な光検出器の例は、シリコン・フォトダイオード（例えば、Hamamatsu社の S8553）である。必要な場合、集光レンズを組み込んで、光検出器３０が受け取るように、反射又は転送された光ビームの焦点を再度合わせることができる。当業者は理解されているように、シリコン・フォトダイオードは半導体の光センサであり、半導体のＰ−Ｎ接合が光で照射されると電流又は電圧を発生する。従って、光検出器３０は、受け取った光信号に応じて電流／電圧信号を発生する。このため、光検出器３０が発生した電流／電圧の信号出力は、光検出器３０で受け取られた光信号の瞬間的な光量に比例する。その結果、光検出器３０は、受け取られた光とその特性に依存する時間的に変化する出力（例えば、時間の関数としての電流／電圧）を提供する。
本発明の１つの態様では、例えば図５、８又は１６に示されているようなシステムが提供される。このシステムでは、装置１０の光検出器３０は、信号処理装置４０に接続される。この信号処理装置４０は、光検出器３０によって与えられた信号（例えば、時間的に変化する電流／電圧信号）を受け取り、そしてこの信号を波形などの可視出力に変換するように動作する。従って、この信号処理装置４０は、光検出器３０によって与えられた出力を、ディスプレイ（例えば、４４）上で表示するために記録可能な出力にディジタイズするように動作できる。
図５又は図８を参照すると、光を放射するための少なくとも１つの光源２０と、光を外部の患者の組織部位に送出することを容易にするためのプローブ２８と、光源２０が放射した光を受け取り（この光は、組織の部位から反射されるか又はそこを透過する）、またこの光をそれに応じて電流／電圧信号に変換するように構成された少なくとも１つの光検出器３０と、光検出器３０からの信号を時間的に変化する波形などの可視出力に変換する信号処理装置４０と、から構成されるシステムが提供されている。以下に説明されるように、この信号処理装置４０は、光検出器３０からの信号（例えば、電流／電圧）をディジタイズするマイクロプロセッサ（例えば、ディジタル信号プロセッサ、Texas Instruments社）又はディジタル取得ボード４２、及びモニタなどの表示ユニット４４を備えている。この表示ユニット４４は、マイクロプロセッサ４２（図５）と通信するか又はマイクロプロセッサに接続されて、信号を波形として表示する機能を有している。
別の方法では、当業者は理解されるように、また図５Ｂに示されているように、信号処理装置４０は表示ユニット４４から分離されて、外部の表示ユニット４４と通信して信号処理装置４０の出力を表示する。便宜のため、モニタはポータブルで電池式にすることができる。別の実施形態によれば、信号処理装置４０は、望ましい心臓パラメータの出力の表示を受け取るために（例えば、ユーザーインターフェースを介して又は望ましい心臓パラメータの所定の選択による）、アルゴリズム処理モジュール４１（例えば、図８に示されている）をさらに備えることができる。このアルゴリズム処理モジュール４１は、光検出器３０から受け取った信号を、望ましい心臓パラメータの出力（例えば、血圧波形）に変換するように動作することができる。
図１６を参照すると、信号処理装置４０は、１つ以上の個々のコンピューティング装置１０１上で実行することができる。装置１０１は一般に、接続体２１８を介して装置インフラ部２０４に接続された、ネットワークインターフェース・カード又はモデムなどのネットワーク接続インターフェース２００を備えることができる。この接続インターフェース２００は、装置１０１が動作する間にネットワーク１１（例えば、インターネットなどのイントラネット及び／又はエクストラネット）に接続することができ、これにより装置１０１は、必要に応じて、互いに通信することができる。このネットワーク１１は、例えば、光検出器３０によって信号処理装置４０に与えられた出力信号（例えば、電流／電圧信号）の通信を支援することができる。
装置１０１は、図１６に示されているように、ユーザと対話するために接続体２２２によって装置インフラ２０４に接続されたユーザーインターフェース２０２も備えることができる。このユーザーインターフェース２０２は、QWERTYキーボード、キーパッド、トラックホイール（trackwheel）、スタイラス（stylus）、マウス、マイクロフォンなどの１つ以上のユーザ入力装置、及びＬＥＤスクリーン・ディスプレイ及び／又はスピーカなどのユーザ出力装置を備えることができるが、これらに限定されることはない。スクリーンがタッチセンシティブ・パネルの場合は、ディスプレイを装置インフラ２０４によって制御されたユーザ入力装置として使用することができる。
装置１０１の動作は、装置インフラ２０４によって円滑にされる。この装置インフラ２０４は、１つ以上のコンピュータ・プロセッサ２０８（例えば、デジタル・シグナル・プロセッサ）を備えると共に、関連するメモリ２１０（例えば、ランダムアクセス・メモリ）を搭載することができる。コンピュータ・プロセッサ２０８は、タスクに関連した命令を実行することによって、ネットワークインターフェース２００、ユーザーインターフェース２０２及び他のコンピューティング装置１０１のアプリケーション用プログラム／ハードウェア２０７の動作を通して意図されたタスクを実行するように構成されたコンピューティング装置１０１の動作を円滑にする。これらのタスクに関連した命令は、メモリ２１０の中に配置されたオペレーティングシステム及び／又はソフトウェア・アプリケーション２０７によって、及び／又は特定のタスクを実行するように設計されたプロセッサ２０８の電子回路／ディジタル回路の中に構成されたオペラビリティによって与えられる。さらに、装置インフラ２０４は、プロセッサ２０８に命令を与えるために、プロセッサ２０８に接続されたコンピュータが読取り可能記録媒体２１２を備えることができることが認められる。このコンピュータが読取り可能な媒体２１２は、一例として、磁気ディスク、磁気テープ、ＣＤ／ＤＶＤ ＲＯＭなどの光学的に読取り可能な媒体、及びメモリカードといったハードウェア及び／又はソフトウェアを含むことができる。いずれの場合にも、このコンピュータが読取り可能な媒体２１２は、小型ディスク、フロッピー（登録商標）・ディスケット、カセット、ハードディスク・ドライブ、ソリッドステート・メモリカード、又はメモリモジュール２１０の中に設けられたＲＡＭの形態を取ることができる。コンピュータが読取り可能な媒体２１２の上に列挙された例は、単独で又は組み合わせて使用できることに注意されたい。装置メモリ２１０及び／又はコンピュータが読取り可能な媒体２１２は、例えば、光検出器３０から受け取られた信号を処理する場合に使用するための望ましい出力（例えば、圧力波形）を記憶するために使用することができる。
さらに、コンピューティング装置１０１は、オペレーティングシステムの機能／動作を含む所定の機能／動作を実行するためのコード又は機械が読取り可能な命令を含む実行可能なアプリケーション２０７を内蔵することができることが認識される。本願で使用されるプロセッサ２０８は、前述の実施例によって説明された動作を実行するように構成された装置及び／又は機械が読取り可能な命令の組である。本願で使用されるように、プロセッサ２０８は、ハードウェア、ファームウェア、及び／又はソフトウェアのいずれか１つ又はそれらの組合せを備えることができる。このプロセッサ２０８は、実行可能な処理手順又は情報装置が使用するために、情報を操作する、分析する、修正する、変換する又は転送することによって、及び／又は出力装置に情報を送ることによって情報に基づいて動作する。プロセッサ２０８は、例えば、コントローラ又はマイクロプロセッサの機能を使用する又は備えることができる。従って、信号処理装置４０及び／又は光検出器３０の機能は、ハードウェア、ソフトウェア又は両者の組合せの中で実行することができる。そのため、装置として及び／又は機械が読取り可能な命令の組としてプロセッサ２０８を使用することは、便宜上、以後総称して、プロセッサ／モジュールと呼ばれる。
コンピューティング装置１０１は、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、携帯電話、及びコンテンツ・プレーヤとすることができることは理解されよう。さらに、各サーバのコンピューティング装置１０１は、１つのコンピュータシステムとして示されていても、要望どおりにコンピュータ・プロセッサのネットワークとして実行されることができることも理解されよう。
図８を参照すると、信号処理装置４０が（例えば、アルゴリズム処理モジュール４１を介して）アルゴリズムを実行して、光検出器３０から受け取った信号を波形に変換する。この波形は、心臓活動に関連した光信号の時間的に変化する成分であり、この成分は血流、流速、血液容量、血圧及び血管内の血液の酸素化又は物理的な置換などの血液コンテンツ（blood content）などの動的な情報に変換することができる。
１つの実施形態では、例えば、信号は圧力波形に変換される。中心静脈の圧力波形が頸静脈内部の血液容量に比例し、かつ光検出器から受け取られた信号（例えば、電流／電圧信号）の振幅が血液容量に逆比例するため、中心静脈の圧力波形は、下記のように、光検出器によって受け取られた信号を反転するアルゴリズムによって構成される。
Ｐ（ｔ）〜１／Ｓ（ｔ）
ここで、Ｐは圧力波形であり、Ｓは光検出器からの信号（例えば、電流／電圧信号）である。
Ｐ（ｔ）〜１／Ｓ（ｔ）
ここで、Ｐは圧力波形であり、Ｓは光検出器からの信号（例えば、電流／電圧信号）である。
例えば１０データ点／ｍｍといった規則的なユーザが決定した間隔で収集された吸光値は、心臓パラメータ又は心臓出力に関連したスプレットシートとして記憶される。表示ユニット４４は、（アルゴリズム処理モジュール４１を介して）実行されたアルゴリズムに基づいて、選択された血管波形をリアルタイムで時間軸上で表示するように機能する。この波形は、以下に説明するように、例えば心臓パラメータ又は心臓出力を計算するために使用することができる。
本発明を用いて得られた波形（例えば、光検出器によって取得され、また信号処理装置４０によって処理された信号に基づいて発生された波形）のサンプル表示が、図４に示されている。図から分かるように、光検出器３０によって検出された信号に、は時間経過による変動が存在する。この変動は、選択された血管の拍動から結果的に生じ、血管内の血液容量やコンテンツ（酸素飽和度など）で変化する。選択された血管内の血液容量及びコンテンツは光の吸収に影響するため、振幅が変化する信号が結果として生じる。例えば、頸静脈の脈拍が頸静脈内の血液容量を増加及び減少させるにつれて、検出された（例えば、光検出器３０によって受け取られた）光信号の振幅は、それぞれ減少及び増加する。受け取られた信号の振幅の時間軸上のプロットは、頸静脈の拍動の波形を表す。
本発明の別の実施形態では、中心静脈の血液の血中酸素飽和度などの血液コンテンツを測定するように動作できる装置１００が提供される。頸静脈、特に右内部頸静脈が、図１に示されているように、上大静脈に直接接続されているため、頸静脈の波形は中心静脈血液のパラメータを表す。
この利点のために、装置１００は、図７及び図８に示されているように、それぞれが４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の異なる波長の光を放射する少なくとも２つの光源１２０を備えている。この装置はまた、所定の波長で転送又は反射された光を受け取るように適合された光検出器１３０を、各光源１２０に対して備えている。上記に示したように、各光転送部品（例えば、光源１２０又は転送用光ファイバ１２４）及び光受取り部品（例えば、光検出器１３０又は受取り用光ファイバ１２６）がパッチ・プローブ１２８の中に設けられ、図７Ａ又は図７Ｂに示されている。しかしながら、当業者は理解されるように、装置１００の機能に影響しない光転送部品及び光受取り部品の別の配列が存在する。例えば、装置１００は、それぞれが光転送部品及び光受取り部品を有する複数のパッチ・プローブ１２８を備えることができる。別の方法では、装置１００は、複数の光転送部品及び光受取り部品を有する単一のパッチ１２８を備えることができる。さらに別の方法では、装置１００は、１つ以上の光転送部品及び光受取り部品を有する第１のパッチ１２８と、１つ以上の光転送部品及び対応する光受取り部品を有する第２のパッチとを備えることができる。上記に示したように、パッチの数やその配列に関係なく、この装置は信号受取り装置１４０を備えた前述のシステムに組み込まれて、光検出器１３０の出力を、例えば望ましい形態に変換することができる。
種々の波形の心臓血管の脈拍に関連して検出された信号内の時間的経過による変動を使用して、血中酸素飽和度や心臓血管の脈拍に関連した他のパラメータなどの血液コンテンツを計算することができる。血中酸素飽和度を検出された信号内の変動の関数として計算するには種々の方法が存在する。この検出された信号は、例えば７８０ｎｍと８５０ｎｍの複数の光波長における心臓血管の脈拍によって発生される。当業者は理解されるように、血液コンテンツを決定するために使用される選択された波長は、測定される血液パラメータにより変化する。例えば、６９０ｎｍと８３０ｎｍの波長を使用して、それぞれ、非酸化ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンのコンテンツを得ることができる。９５０ｎｍの波長を使用して、血液の含水量を得ることができる。さらに、目的とする血液パラメータは、後で述べるように、光子拡散式、光子搬送式、又は変形ベール・ランバートの法則によって決定することができる。
変形ベール・ランバートの法則
検出された信号（例えば、電流）は、下記のように表すことができる。
ここで、
は、波長λ1において光検出器が提供した信号である。
は、波長λ1における光源からの信号である。
は、定常組織媒体の血液（steady tissue medium blood）の非酸化及び酸化ヘモグロビンの濃度である。
は、頸静脈の脈拍によって引き起こされた非酸化及び酸化ヘモグロビンの濃度の変化である。
は、血中酸素飽和度を計算するための、波長λ1における非酸化及び酸化ヘモグロビンの吸収特性である。他の発色団の血中飽和度も、例えば、水、チトクロム酸化物などのチトクロム、及びコレステロールを含む選択された発色団に対して、適切な減衰係数（ε）を式の中で置き換えることによって計算することができる。
は、境界条件によって決定される定数である。
検出された信号（例えば、電流）は、下記のように表すことができる。
光検出器によって検出され、頸静脈の脈拍によって引き起こされた信号に対する光源から放射された信号による信号内の相対的な変化は、第１の波長に対して下記のように表される。
又は
同様に、第２の光波長に対する放射された信号と検出された信号との間の信号内の変化は、下記のように表される。
次に、頸静脈の脈拍から生じた血液酸化が、下記の式を用いて決定される。
使用する場合、光源２０と光検出器３０を備える装置１０のパッチ・プローブ２８は、一般に、患者の首の上の、例えば内部頸静脈などの選択された血管近くの部位に配置される。患者が水平から約３０度傾いて横たわることが望ましい。患者は、血管の脈拍を測定する工程の間は、規則正しい呼吸を続ける。光源２０からの光は、患者の首の目標部位から反射されるか又は転送されて、光検出器３０で検出される。光検出器３０は、検出された光を出力信号（例えば、電流／電圧）に変換し、この出力信号はディジタイズされて、選択された血管の脈拍の波形を結果として生じて、時間の関数として振幅が表示される。異なる波形を用いて得られた信号の振幅をランバートの法則に基づいて使用して、血液酸化を測定することができる。
別の実施形態では、図９Ａ〜図９Ｃに示されているように、それぞれが４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の光の選択された波長を放射する１つ以上の光源２２０を備えた装置２００が提供される。各光源２２０は、それぞれが所定の周波数で放射された光を受け取るように適合された少なくとも２つの光検出器２３０に結合されている。前述されたように、装置２００は、例えば図５に例示されているように、必要に応じて、システム内に組み込まれる。
装置２００は、頸静脈の脈拍と頸動脈の脈拍といった複数の心臓血管の脈拍を同時に測定するのに有用であり、これにより図１０に示されているように２つの波形が発生され、また前述されたように、中心静脈の酸素化ＳjvＯ2に加えて動脈血液の酸素化ＳaＯ2を同時に測定する場合に便利である。当業者は理解されるように、光源２２０が複数の場合は、各光源は順々に点灯されて、この光源から放射される光の振幅は１０ｋＨｚ又は２０ｋＨｚといった選択された周波数で変調される。別の方法では、１つの光源２２０によって放射された光は、１０ｋＨｚ又は２０ｋＨｚというような２つの交番周波数で順次変調されることができる。光検出器からの出力（例えば、電流／電圧）は、例えば、バンドパス・フィルタを用いて、光源から放射された所定の周波数と相関を取るために選択された周波数でフィルタ処理される。このバンドパス・フィルタは、１０ｋＨｚ又は２０ｋＨｚ信号などの選択された周波数は通過できるようにするが、信号内の他の周波数成分の通過を阻止することができる。
別の実施形態では、心臓出力が測定されるか又はモニタされる。頸静脈の脈拍は中心静脈血液を表し、混合静脈血液と関連しているため、心臓出力の傾向は、下記のようにフィックの法則（Fick's Law）を用いて計算することができる。
ここで、ＣＯＩは、単位体表面当たりの心臓出力（ＣＯ）を表す心臓出力指数である。
ＯＣＲは、単位体表面当たりの酸素消費量（ＯＣ）を表す酸素消費率である。
ＳaＯ2は、動脈血液の酸素飽和度である。
ＳjvＯ2は、静脈血液の酸素飽和度である。
ＳaＯ2とＳjvＯ2は、上記で略述したように、本発明による装置を用いて決定することができる。
下記の式は、単位体表面当たりではなく全体としての心臓出力（ＣＯ）を表している。
ＯＣＲは、単位体表面当たりの酸素消費量（ＯＣ）を表す酸素消費率である。
ＳaＯ2は、動脈血液の酸素飽和度である。
ＳjvＯ2は、静脈血液の酸素飽和度である。
ＳaＯ2とＳjvＯ2は、上記で略述したように、本発明による装置を用いて決定することができる。
下記の式は、単位体表面当たりではなく全体としての心臓出力（ＣＯ）を表している。
酸素消費量又は酸素消費率が多くの臨床工程の間では一定であるため、心臓出力指数又は心臓出力の傾向を信頼性高くモニタすることができる。
別の実施形態では、中心静脈圧力を測定する方法が提供される。中心静脈圧力は、右心房に近い大静脈の圧力である。中心静脈圧力が異常に高いことは、右心房の心機能不全の初期の徴候である。現在は、中心静脈圧力は、内部頸静脈を通して大静脈まで挿入される侵襲性カテーテルにより測定される。
頸静脈の内部に満たされた血液の長さが中心静脈圧力を直接反映するという事実に基づいた、患者の中心静脈の血圧を測定する方法が提供される。圧力波が存在する頸静脈に沿った最も高い位置を決定することにより、静脈の血圧を測定するために使用される情報が提供される。このため、この方法は、波形を発生させるために、頸静脈に沿った最も高い位置を決定するステップを含んでいる。この「最も高い位置」は、胸骨角から測定される。この胸骨角は、二次的な軟骨性連結（結合）の形態の胸骨柄と胸骨の本体の接合部によって形成された角度である。これは、胸骨柄体軟骨結合又はルイ角（Angle of Louis）とも呼ばれる。
４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の波長の光ビームを患者の頸静脈に近い外部組織の部位に向けて、この組織の部位から反射された又は組織の部位を通って転送された光を検出し、かつ波形を発生するためにこの検出された光を時間に対する出力信号に変換することによって、波形が得られる。波形を発生させるための頸静脈に沿った最も高い位置は、次の最も高い位置が波形を発生しないときに決定される。
平均の中心静脈圧力（Ｐ）は、下記のように計算される。
Ｐ＝（ｄ＋５）＊ｓｉｎ９
ここで、ｄは、胸骨角から波形を発生する最も高い位置までの距離である。ｄに５を加えると、胸骨角から右心房までの距離が表される。記号９は、水平位置に対する上体の傾斜角度である。
Ｐ＝（ｄ＋５）＊ｓｉｎ９
ここで、ｄは、胸骨角から波形を発生する最も高い位置までの距離である。ｄに５を加えると、胸骨角から右心房までの距離が表される。記号９は、水平位置に対する上体の傾斜角度である。
心静脈から波形を取得することにより、中心血圧を下記のように計算することができる。
Ｐ＝ａ＋ｂＴ／ｔ
ここで、ａは、首の上のセンサの位置に関係する定数であり、ｂは、光源とセンサの光検出器との間の距離に関係する定数である。また、Ｔはパルス幅であり、ｔはパルスの平均立上り及び立下り時間である。
Ｐ＝ａ＋ｂＴ／ｔ
ここで、ａは、首の上のセンサの位置に関係する定数であり、ｂは、光源とセンサの光検出器との間の距離に関係する定数である。また、Ｔはパルス幅であり、ｔはパルスの平均立上り及び立下り時間である。
中心静脈圧力を測定する方法に基づいて、装置３００が提供される。この装置３００は、図１３に示されているように、内部又は外部頸静脈などの心静脈の血液レベルを測定するに適当な長さに沿って互いに隣接して配置された一連の光源３２０を備えている。この長さは一般に、約１．５から１０ｃｍである。各光源３２０は、６００ｎｍから９００ｎｍの波長の光を放射し、その対応する光源３２０から反射又は透過された光を検出するのに適当な対応する光検出器３３０に関連付けられている。この装置３００は、光源（３２０）と光検出器（３３０）との間のインターフェースとして機能し、また患者の心静脈などの選択された心臓血管の近くの部位に配置するように適合されたパッチ・プローブ３２８をさらに備えている。このプローブ３２８は、光源３２０と光検出器３３０を直接組み込むことができる、又はその代わり、それぞれ、光源と光検出器に接続された光転送用光ファイバと光受取り用光ファイバを組み込む、又はこれらの組合せ、例えば、光源と光受取り用光ファイバ又は光転送用光ファイバと光検出器を組み込むことができる。さらに、この装置３００を、前述されたように、光検出器の出力を望ましい形態に変換する信号処理装置を備えたシステムの中に組み込むことができる。
使用する場合、装置３００は、一連の端末光源が胸骨角と並ばされて患者の適当な部位に配置される。各光源からの光は、その対応する光検出器に向けられる。各光検出器からの信号（例えば、電流／電圧）はモニタされて（又はモニタされる可視の波形出力などの別の出力の形態に変換するために信号処理装置に転送される）、出力があるかどうかが決定される。次に、出力、例えば波形、を発生するために静脈に沿った最も高い位置（ｄ）が、一連の各光検出器からの出力に基づいて決定される。次に、平均の中心静脈圧力（Ｐ）が、前述されたように計算される。
図１４は、前述されたように、中心静脈圧力を測定するのに有用な装置３００の別の実施形態を例示している。各実施形態は、光源と光検出器の異なった構成を備えている。例えば、図１４Ａは、１つの光源と最も高い位置（ｄ）を決定するために静脈に沿って順次隣接している光検出器のアレイを備えた、出力、例えば波形を得るために使用される装置を例示している。図１４Ｂは、図示のように、静脈に沿って配置する（光源−検出器、光源−検出器といった）交互的な構成の逐次的な光源−検出器の対を備えた装置を例示している。図１４Ｃは、交互的な光源−検出器の対の複数の行を備えた、図１４Ｂの装置に類似した装置を例示している。当業者は理解されるように、図１に示された装置は、胸骨角から静脈に沿って上方に順次波形を読み取ることによって、出力信号（例えば、波形）を発生させるために静脈に沿った最も高い位置（ｄ）を決定するために使用することもできる。さらに、前に説明されたように、装置は、その構成に関係なく、信号処理装置を備えたシステムの中に組み込まれて、光検出器の出力を圧力波形などの可視出力に変換することができる。
中心静脈圧力は、前述されたように、例えば圧力波形を決定するような圧力検出器と外部的に印加された圧力を用いて決定することもできる。この場合、前述されたように、圧力波形が得られて、表示ユニット４４によってモニタされる。次に、外部圧力が皮膚表面から選択された静脈血管に印加され、同時に圧力波形（ベースラインの圧力を示す）がモニタされる。外部から印加された圧力は、表示ユニットをモニタすることによって決定される圧力波形が消滅するまで増加される。この時、中心静脈圧力Ｐcが下記のように決定される。
Ｐc＝Ｐef−Ｐei
ここで、Ｐefは、圧力波形が消滅したときに外部から印加された圧力値であり、Ｐeiは、圧力波形が変化し始めたとき（すなわち、波形の振幅が減少し始めたとき）の圧力値である。
Ｐc＝Ｐef−Ｐei
ここで、Ｐefは、圧力波形が消滅したときに外部から印加された圧力値であり、Ｐeiは、圧力波形が変化し始めたとき（すなわち、波形の振幅が減少し始めたとき）の圧力値である。
２つの光源−検出器の組、又はそれぞれが光源−検出器の組を備えた２つのパッチを具備した装置が、前述の方法に基づいて使用される。
中心静脈の血流速度も、本発明による装置を用いて測定することができる。圧力波形の立上り又は立下り時間（ｔ）、又は立上り又は立下り時間の平均を測定することによって、中心静脈の血流を下記のように計算することができる。
ｖ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは光源と光検出器との間の空間であり、ｔは圧力波形の立上り時間（底部からピークまで）である。
ｖ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは光源と光検出器との間の空間であり、ｔは圧力波形の立上り時間（底部からピークまで）である。
血流は、下記に基づいて推定される。
Ｆ＝ｖ ｘ Ｓ
ここで、Ｓは血管の断面積であり、超音波画像診断によって得ることができ、速度（ｖ）は上記のように決定される。
Ｆ＝ｖ ｘ Ｓ
ここで、Ｓは血管の断面積であり、超音波画像診断によって得ることができ、速度（ｖ）は上記のように決定される。
本発明のさらに別の実施形態では、遠隔で心静脈から出力を発生するように適合された、図１の装置に対応する装置が提供される。このため、この装置は患者の望ましい部位、例えば心臓血管に極めて接近した患者の首上の部位に光ビームを与えることができる遠隔の光源と、この患者の望ましい部位で反射された光源からの光を受け取るように適合されたＣＣＤカメラなどの遠隔光検出器を備えている。前述されたように、光検出器は出力信号（例えば、電流／電圧）を発生し、この出力信号は信号処理装置によって処理されて、表示ユニット上で表示するための可視出力（例えば、波形）を生ずる。
本発明の実施形態は下記の特定の実施例を参照して説明されるが、これに限定されると解釈してはならない。
実施例１−患者の静脈拍動の測定
被験者の静脈拍動が、図１に示された装置を用いて得られた。患者は約３０度シートを倒して椅子に横たわる。装置のセンサ・パッチが、患者の首の内部頸静脈上の部位に配置された。被験者が正常な呼吸を維持している間に、静脈拍動が測定され記録された。図１２は、記録された波形を例示している。検出された信号の振幅がｙ軸に沿って示され、一方ｘ軸は時間を示している。
被験者の静脈拍動が、図１に示された装置を用いて得られた。患者は約３０度シートを倒して椅子に横たわる。装置のセンサ・パッチが、患者の首の内部頸静脈上の部位に配置された。被験者が正常な呼吸を維持している間に、静脈拍動が測定され記録された。図１２は、記録された波形を例示している。検出された信号の振幅がｙ軸に沿って示され、一方ｘ軸は時間を示している。
実施例２−患者の中心静脈の圧力の測定
被験者の中心静脈の圧力が、図１３に示された装置を用いて得られた。装置のセンサ・パッチが、装置のターミナルの光源／検出器が被験者の胸骨角になるように、患者の首の内部頸静脈上の部位に配置された。患者が正常な呼吸をしている間に、図１５Ａに示されているように、患者が平に横たわる（０度の傾斜、例えば、水平）、部分的に起き上がる（水平から４５度の傾斜）及び垂直に座る（水平から９０度の傾斜）ときに、静脈圧力が身体位置の関数として測定及び記録された。図１５Ｂで例示された波形が示すように、測定された圧力は健康な被験者の予想された中心静脈の圧力と矛盾せず、身体位置が水平から立ち上がるにつれて減少している。
被験者の中心静脈の圧力が、図１３に示された装置を用いて得られた。装置のセンサ・パッチが、装置のターミナルの光源／検出器が被験者の胸骨角になるように、患者の首の内部頸静脈上の部位に配置された。患者が正常な呼吸をしている間に、図１５Ａに示されているように、患者が平に横たわる（０度の傾斜、例えば、水平）、部分的に起き上がる（水平から４５度の傾斜）及び垂直に座る（水平から９０度の傾斜）ときに、静脈圧力が身体位置の関数として測定及び記録された。図１５Ｂで例示された波形が示すように、測定された圧力は健康な被験者の予想された中心静脈の圧力と矛盾せず、身体位置が水平から立ち上がるにつれて減少している。
参考文献
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１０．Doiらによる文献「Frequently repeated Fick cardiac output measurements during anesthesia」、J. Clin. Monit. 6、１０７〜１１２ページ、１９９０年
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１４．Manningらによる文献「Validity and reliability of diastolic pulse contour analysis (Windkessel model) in humans」、Hypertension. 2002 May; 39(5):963-8
１５．Lintonらによる文献文献「Pulse contour analysis versus thermodilution in cardiac surgery」、Acta Anaesthesiol Scand 2002; 46:424
１６．Jansenらによる文献「Estimation of changes in cardiac output from arterial blood pressure waveform in the upper limb」、Br J Anaesth 2001; 86:486
１７．文献「A comparison of cardiac output derived from the arterial pressure wave against thermodilution in cardiac surgery patients」、Br J Anaesth 2001; 87:212
１８．Jansenらによる文献「An adequate strategy for the thermodilution technique in patients during mechanical ventilation」、Intensive Care Med 1990; 16:422
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Claims (23)
- 患者の内部頸静脈、外部頸静脈、頸動脈及び上大静脈からなるグループから選択された心臓血管のパラメータをモニタするのに有用なシステムであって、
４００ｎｍから１０００ｎｍの波長範囲の光を放射するように適合された少なくとも１つの光放射部品と、
前記光放射部品によって放射されて、患者の組織から反射されるか又は患者の組織を通って透過された光を受け取り、かつ前記光を記録可能な出力に変換するように適合された少なくとも１つの光受取り部品と、
前記光放射部品からの光を心臓血管の近くの患者の外部組織の部位に光を配送すること、かつ前記光受取り部品によって前記患者の部位から反射された又は前記患者の部位を通って透過された光を受け取ることを容易にする少なくとも１つのプローブと、
前記光受取り部品と通信して、選択された心臓血管内の血液容量又は血流における変動を表し、かつ血流速度、血圧、血液コンテンツ及び血液酸素化のグループから選択された頸静脈又は中心静脈のパラメータをそこから計算するため、前記光受取り部品からの出力を変換するように適合された信号処理装置と
を備える、システム。 - 前記信号処理装置が、選択された心臓血管内の血液容量又は血流における変動を表して、これにより圧力波形を発生するため、前記光受取り部品からの出力を反転させるアルゴリズムを実行する請求項１に記載のシステム。
- 前記光放射部品が少なくとも１つの光源を備え、前記光受取り部品が少なくとも１つの光検出器を備える請求項３に記載のシステム。
- 前記光源と前記光検出器が前記プローブの中に組み込まれる請求項１に記載のシステム。
- ４００ｎｍから１０００ｎｍの波長範囲の少なくとも２つの異なる波長の光を放射及び受け取る請求項１に記載のシステム。
- 複数の光源と複数の光検出器を備え、前記それぞれの光源が対応する光検出器によって受け取られる光を放射する請求項１に記載のシステム。
- 前記光源が２つ以上の波長の光を放射するように適合される請求項３に記載のシステム。
- それぞれが異なる波長の光を放射する少なくとも第１及び第２の光源を具備し、かつ少なくとも第１及び第２の光検出器を備え、前記第１の光検出器が前記第１の光源からの光を受け取るように適合され、前記第２の光検出器が前記第２の光源からの光を受け取るように適合される請求項５に記載のシステム。
- 複数のプローブを備え、前記それぞれのプローブが少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの光検出器を有する請求項１に記載のシステム。
- 前記プローブが患者の皮膚の上に置くように適合される請求項１に記載のシステム。
- 前記光放射部品が、光源及び光転送用光ファイバを含み、前記ファイバが前記プローブの中に置かれる請求項１に記載のシステム。
- 前記光受取り部品が光検出器と光受取り用光ファイバを有し、前記ファイバが前記プローブの中に設けられる請求項１に記載のシステム。
- 前記信号処理装置がマイクロプロセッサ及び表示ユニットを有する請求項１に記載のシステム。
- 患者の内部頸静脈、外部頸静脈、頸動脈及び上大静脈からなるグループから選択された心臓血管のパラメータを測定する方法であって、
４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の波長を有する光ビームを選択された血管の近くの患者の外部組織の部位に向けるステップと、
組織の部位から反射された又は組織の部位を通って透過された光を検出するステップ、及び前記選択された心臓血管内の血液容量又は血流の変動を表すため、前記選択された光を時間に関する出力信号に変換するステップと、
前記出力信号に基づいて、血流速度、血圧、血液酸素化及び血液コンテンツのグループから選択された頸静脈又は中心静脈のパラメータを計算するステップと
を含む、方法。 - 前記出力信号が電流又は電圧である請求項１４に記載の方法。
- 前記出力信号が時間的に変化する可視出力に変換される請求項１４に記載の方法。
- 前記時間的に変化する可視出力が波形である請求項１６に記載の方法。
- ２つ以上の光ビームを患者の同じ又は異なる組織の部位に向けるステップを含み、それぞれのビームが４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の異なる波長を有する請求項１４に記載の方法。
- 前記それぞれの波長の光が２つの異なる血管に関する出力信号を発生するように検出される請求項１８に記載の方法。
- 患者の発色団の血液コンテンツを測定する方法であって、
少なくとも第１及び第２の選択された波長を有する光ビームを、内部頸静脈、外部頸静脈、頸動脈及び上大静脈からなるグループから選択された心臓血管の近傍の、患者の外部組織の部位に向けるステップと、
組織から反射された光又は組織を透過した光を選択された波長で検出するステップと、
変形ベール−ランバートの法則に基づいて、前記発色団の血液コンテンツを決定するため、前記検出された光を出力電流に変換するステップと
を含み、前記選択された波長が前記発色団の吸収特性に基づいている、方法。 - 患者の内部頸静脈、外部頸静脈、頸動脈及び上大静脈からなるグループから選択された心臓血管の血液の酸素化を決定するための方法であって、
第１の波長７８０ｎｍを有する第１の光ビームと第２の波長８５０ｎｍを有する第２の光ビームを、心臓血管の近傍の、患者の外部組織の部位に向けるステップと、
組織から反射された光又は組織を透過した光を第１及び第２の波長で検出するステップと、
変形ベール−ランバートの法則に基づいて、心臓血管の血液の酸素化を計算するために、検出された光を第１及び第２の波長に対する出力電流に変換するステップと
を含む、方法。 - 患者の心臓出力を決定する方法であって、
請求項２１で定義されたような内部頸静脈の血液の酸素化を計算するステップと、
請求項２１で定義されたような頸動脈の血液の酸素化を計算するステップと、
内部頸静脈血液と頸動脈に対する前記検出された血液の酸素化を用いるフィックの法則に基づいて心臓出力を計算するステップと
を含む、方法。 - 患者の中心静脈圧力を決定する方法であって、
４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の波長を有する光ビームを、胸骨角から初めて頸静脈に沿って患者の一連の外部組織の部位に向けるステップと、
組織の部位から反射された光又は各組織の部位を通って透過された光を検出するステップと、
信号（ｄ）を発生させるための静脈に沿った最も高い位置を決定するために、前記検出された光を時間に関する出力信号に変換するステップと、
式Ｐ＝（５＋ｄ）＊ｓｉｎ９に基づいて中心静脈圧力（Ｐ）を計算するステップと
を含み、ここで、９は、患者の水平位置からの傾斜された身体の角度である、方法。
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