JP2011530316A - 血液分析 - Google Patents

Abstract

対物レンズを有する携帯ビデオカメラを用いて血液分析を行なう。対物レンズが完全に、個体の一部を形成する付属器の少なくとも一部によって少なくとも部分的に塞がれるようにビデオカメラを配置して、ビデオカメラを操作する。次にビデオカメラからの画像信号を解析して、付属器内の血流量についての情報を推定する。この情報は、血流量（例えば脈拍数）又は血液成分に関するものであり得る。ビデオカメラが携帯電話の一部を形成することがあり、対物レンズを指先で完全に塞ぐことができる。結果として生じるデータをリアルタイムで携帯電話に表示することができる。
【選択図】なし

Description

（発明の分野）
本発明は、光を用いて個体の血液の特性に関するデータを得る非侵襲性血液分析方法、及びこの方法を実行するのに適した器具に関する。

（発明の背景）
血液をモニターすることができる装置があることは知られている。血液成分診断、例えば血糖値、酸素飽和、ビリルビン値などの多くの分野で血液特性の測定用の電気光学装置が使用されている。血液特性の測定用の特に周知の技術はパルスオキシメトリである。パルスオキシメトリは、血液が組織を灌流する点、例えば指又は耳たぶで組織を通る２種以上の波長の光（又は赤外）の透過を必要とする。LEDはこの光源であり得る。光ダイオード又は光トランジスタ等の光検出器は、組織の反対側から光の吸収を感知する。多くの場合、光源及びセンサーは、体に付着し、かつケーブルによってデータをプロセッサに送達するクリップ上に取り付けられたハウジング内に収容される。クリップは、それらを身につけると不快であり得るという欠点を有する。別タイプのパルスオキシメトリは、反射光又は後方散乱光に頼り、この場合、光源及び光検出器が並置され；これは、クリップを必要とせずに体の一部に光源及び光検出器を置けるので利用しやすい。それにもかかわらず、反射パルスオキシメトリを使用する際には問題があり、かつ必要な機器は特別の目的で作られるので高価であり得る。超音波を用いて内臓内の流量をモニターすることもあるが、それも特別の目的で作られる機器を必要とする。
例えばＥＰ０７１２６０２（Toa Medical Electronics）は、光源、及び光を適用する検出領域の画像を捕らえるための画像処理装置を用いて、患者のヘモグロビン濃度を測定するための器具を開示している。画像処理装置の対物レンズは、患者の皮膚の表面から離れてうまく保持され；かつ皮膚が見えるのと同じ側から皮膚が照射される。

（発明の記載）
本発明により、対物レンズを有するビデオカメラを用いて血液分析を行なう方法であって、個体の一部を形成する付属器を対物レンズのフレームに直面して(up against)又は対物レンズの一部を塞ぐ制限フレームに直面して配置することによって、対物レンズが、付属器の少なくとも一部によって少なくとも部分的に完全に塞がれるように、ビデオカメラを配置する工程、ビデオカメラを操作する工程、及びビデオカメラからの信号を解析して付属器内の血流量についての情報を推定する工程を含む方法を提供する。
対物レンズが完全に塞がれるので、光は付属器を通じてのみ対物レンズに到達できる。当然のことながら、本方法は、ビデオカメラから付属器の反対側に光源を必要とするが、これは周囲光、太陽光又は人工光であってよい。本方法は、当該光の少なくとも一部が付属器を通過できる必要がある。従って、この明細書では、付属器という用語は、いくらかの光が通過できる人体の一部を指す。付属器は、例えば、耳たぶ、又は指先であってよく、或いは皮膚のひだであってさえよい（光がそれを通過できるほど十分に薄ければ）。
当然のことながら、対象（この場合は付属器の表面である）が対物レンズに近すぎるので、ビデオカメラは典型的に焦点画像を生成できない。それにもかかわらず、驚くべきことに、連続カメラ画像から情報を得ることができる。特に、脈拍数の測定が可能であり；かつ色の変化から血中の酸素又は血糖値の変化などの他の情報を推定することができる。

好ましくはカメラは携帯ビデオカメラであり；かつ好ましくはカラービデオカメラである。或いは、カメラがウェブカメラであってよい。より小さいレンズは指先で塞ぎやすいので、好ましくは対物レンズの直径は15mm以下、さらに好ましくは10mm以下、さらに好ましくは約８mm以下の直径である。対物レンズのフレームはカメラの不可欠な部分であり；通常、対物レンズは該レンズの前面から数mmだけ突出するフレームで囲まれている。例えば短いチューブ又はリングの形で、別個の遮光制限フレームを設けることが好ましい場合もある。対物レンズが指先より大きい場合、制限フレームを設けて、普通は周辺リングでレンズの一部を塞いで、指先で塞ぐことができるより小さい開口を残すことができる。典型的に制限フレームは該レンズの前面から10mm以下、さらに好ましくは６mm以下だけ突出するだろう。このようにどの場合にも対物レンズは完全に塞がれ；対物レンズが十分小さい場合、それは付属器によって完全に塞がれるが、対物レンズがより大きい場合には、それはフレームによって一部が塞がれ、かつ付属器によって一部が塞がれる。それで、どんな場合にも光は付属器を通過することによってのみビデオカメラに到達することができる。

好ましい実施形態では、ビデオカメラが携帯電話などの移動通信装置の一部を形成し、携帯電話自体が、典型的に本発明の方法に適した直径の対物レンズを有するビデオカメラを内蔵する。さらに、携帯電話にソフトウェアをインストールして、携帯電話自体で信号解析を行なえるようにすることができる。従って、信号を得ながら、実質的にリアルタイムで解析を行なうことができる。
代替アレンジメントでは、ビデオ信号を表す、携帯電話からの信号を携帯電話から離れた処理装置に送信する。これは、例えばコンピューターであってよい。そして次に処理装置によって信号を解析する。
本発明を用いて、ある期間にわたって個体の血液の流量及び色のパターンの変化をモニターすることができる。受けたデータを個体の状態又は疾患に関するデータと比較して、試験中に個体から受けたデータと疾患のデータ特性のライブラリーとを一致させることができる。比較を行なうと、個体について分析された血液の特性と、特定の状態又は疾患についての血液の特性との一致を利用して、個体が患っている可能性のある状態の指標を与えることができる。次に適切な治療を当該個体に施すことができ、この場合もやはり、血液を分析して、該治療が効いているかを調べることができる。本発明の特定の利点は、一般人が、如何なる医療装置をも必要とせずに携帯電話で測定を行なえることである。携帯電話内のソフトウェアによって情報を解析し、ほとんどリアルタイムで使用者に情報を提示することができる。追加ソフトウェアは、この情報に基づいて使用者を指導することができる。情報を医療センターに送信することができ、かつ何らかのリスクがある場合には警告を発することができる。本発明は、医療専門家の時間をも節約し、かつ感染症の伝染のリスクを減らすであろう。

（詳細な発明）
ここで単に例として、本発明をさらに詳細に説明する。この例では、2.0メガピクセル（ピクセル数はこれより大きくても小さくてもよいが）のカラービデオカメラ機能を有する携帯電話（米国ではセルフォーン(cell phone)と呼ばれることもある）を利用する。ある場合には、ビデオカメラの対物レンズの直径が約8.0mmであり、かつ幅が７mmであるが、角丸であるため対角線が約８mmの長さの非円形、一般的に矩形のフレームで囲まれている。別の場合には、携帯電話の対物レンズの直径が6.0mmであり、かつフレームが同径のものである。このような携帯電話は容易に入手可能であり、広く利用されており、ポケットに入れて容易に持ち運びできる。本発明の第一実施形態では、画像解析ソフトウェアを携帯電話にインストールする。
使用者は、携帯電話でプログラムを起動する。この例では、プログラムが使用者に、指先が完全に対物レンズを塞ぐように、対物レンズのフレームに直面して自分の指先を置いてから、携帯電話が、指先を通過する光のビデオ画像を撮るように、ビデオカメラ機能を起動するように指導する。当然のことながら、指先が対物レンズに非常に近いので、これは焦点画像ではないが、輝度と色の両方の変動をモニターすることができる。心臓の各拍動は、体の末梢に血液を送り出し、皮下組織内の血管をわずかに拡張する。画像を解析して経時的に輝度の変動を観察することによって、各心拍脈を検出できるので、脈拍数をモニターすることができる。

皮膚への血流量は、いくつかの生理的パラメーターによって調節され、また影響を受けることがある。例えば、呼吸は胸膜内（胸壁と肺の間）圧に影響を及ぼし、呼吸サイクル中の心臓出力の変動につながるので、皮膚への血流量は呼吸によって影響を受ける。輝度ゆらぎの振幅の経時変化を利用して個体の呼吸サイクルをモニターすることができる。
血液の色並びに特有の光波長（例えば赤又は赤外）によって反射及び吸収される光の量は、ヘモグロビンの酸素飽和のレベル、そして、酸素、及び他の成分の濃度によって左右される。酸素飽和ヘモグロビンは明るい赤色であるが、未飽和ヘモグロビンは暗い。従って、画像の色及びその変化の解析により、酸素飽和レベルをモニターすることができる。他成分のレベルの変化をモニター及び解析することも可能である。
この解析は、好ましくは携帯電話内で行なわれる。結果として生じるデータ、例えば脈拍数、呼吸、及び酸素濃度に関するデータを携帯電話のディスプレイに数字又は図表で表示するか、或いは聞き取れるように（合成ボイスを用いて）、例えば「あなたの心拍数は65です、あなたの呼吸数は毎分10です」と言うか、或いはこれらの方法のいずれの組合せで表示してもよい。解析及び表示は好ましくはリアルタイムで行なわれる。

本質的にリアルタイム画像解析をも提供する変形では、ビデオ信号、又はこれらの信号に基づいた情報を連続的に外部装置、例えば携帯コンピューター等に送信するように携帯電話をアレンジする。この送信は無線、又はケーブルを介してであってよい。この場合、外部装置が解析を行ない、モニターしている生理的パラメーターに関するデータを得る。このデータを外部装置によって表示してよく、或いはもとの携帯電話に送信して、そこで表示することができる。実際には、データを外部装置と携帯電話の両方で表示することができる。
代替操作方法では、ビデオ信号を記録するように携帯電話をアレンジする。引き続きビデオ信号が、解析が行なわれる外部装置にダウンロード又は送信される。これはリアルタイムデータを提供しない。当然のことながら、実際には、携帯電話はビデオ信号を記録するのみならず（その後の解析を可能にするため）、外部装置にビデオ信号を連続的に送信することができる（リアルタイム解析を可能にするため）。携帯電話内のリアルタイム解析を利用して、ある生理的パラメーターに関するデータを提供することができる。その後の解析を利用して、他の生理的パラメーターに関するデータを得ることができる。
代案として、専用携帯ビデオカメラ又はウェブカメラ(webcam)を用いて信号を得る。このようなカメラも広く利用され、容易に入手可能であり、それらはより大きい光学的開口を備え、普通はより大きいピクセル数をも備える良質のレンズシステムを有するので、典型的にかなり良質の画像を提供する。対物レンズが指先より大きい場合、対物レンズの周囲に、普通は周辺リングを用いて、対物レンズの一部を塞いで、指先で塞ぐことができる小さい開口を残す制限フレームを設ける必要がある。携帯電話と同様に、携帯ビデオカメラ又はウェブカメラ内で画像解析を行なうことができ、或いはこれとは別に、解析が行なわれる外部装置に画像を送信又はダウンロードすることができる。例えば内臓ビデオカメラのあるノートパソコンで測定を行なうことができる。

携帯ビデオカメラがディスプレイを含む場合、カメラでビュースクリーンを表示するのではなく、上述したように、信号解析で得られたデータをディスプレイが表示することができる。或いはディスプレイがビデオ、ムービー又はフィルムを示し、ビデオの内容及びその順序を使用者の心拍数の変化に応じて修正することができる。例えばビデオはゴルフをするスポーツマンを示すことができ；この使用者の心拍数が穏やかかつリラックスしていることを示唆する場合にはスポーツマンはボールを正確に打っていることが分かるのに対して、心拍数が不安かつ狼狽していることを示唆している場合には打撃が不正確であろう。携帯装置は、いろいろな秩序で整理できる多数のビデオクリップをメモリに記憶させ、かつ心拍数についての現在のデータに応じて次のビデオクリップを選択するだろう。同様に、携帯装置が音声出力を含むことができ、心拍数が許容限界内である限り、音楽を提供することができる。しかし、心拍数が当該限界を超えている場合、音楽を切り又は変えることができる。

上記方法では、光は周囲光源から提供された。本発明の別の変形は、特有の光源を提供することであり；これは特有の状態又は血液成分のより良い診断を達成するのに役立ち得る。例えば光源が特有の光波長を有する小トーチであってよい。それは標準光、LED白色光、赤色光、赤外光、他の可視及び不可視波長の光であってよい。それは好ましくは携帯光源であり、かつ小さいレーザー光、例えば小さいレーザーポインターであってよい。この光源のさらに精巧な変形は、１種より多くの波長を透過できるトーチであり得る（例えばいろいろな波長を透過する２種以上の光源、又はフィルター、或いは２種以上の波長を生成するLED源がある）。このような光源は、異なる色の光を迅速に切り替えることができ、或いは光を非常に速くオンオフすることができる。
従って、付属器を複数の波長で連続的及び反復的に照射することができる。好ましくは光源を、信号解析を行なう携帯電話（又は他の装置）に、例えばUSBリード又は無線で接続して、信号解析を光の変化と同期させることができる。さらなる態様では、光の変化を心拍数などの生理的パラメーターと同期させることができ；これは血液成分の分析で役立ち得る。
特有の光源を提供し、かつ多数の使用者のあるビデオカメラによって受けた光のスペクトルの変化を解析し、同時に各使用者は通常の医療機器でもモニターし、かつ使用者の医療状態の詳細、使用者の血液成分、例えば酸素飽和、CO値、CO₂値、血糖値など及び他のパラメーター、例えば灌流指数をデータベースに保存をもすることによって、この手順は、使用者、彼らの関連状態及び血液パラメーター、並びにビデオカメラでモニターされた色の対応する変化についての情報の大きなリポジトリ(repository)を作り出すだろう。このリポジトリを解析することによって、我々は、特有の状態及び血液成分を診断するための最良の波長の組合せを有する最良の光源を定義することができる。

ビデオカメラを備え、使用者を指導して輝度及び色の変化を解析できる適切なソフトウェアを備える標準的な携帯電話にこのようなポケットトーチを付加すると、携帯電話をいつでもどこでも使用できる個人的な医療診断モニター及びコーチに変換する。例えば携帯電話（ビデオカメラ及びソフトウェアを備える）は、アスリート又はスポーツマンによってトレーニング中の自分の脈拍をモニターするため利用され、或いは緩和モニタリング及びトレーニングのために利用され得る。
各場合、通則として、対物レンズが付属器の表面に近すぎるので、ビデオカメラからの信号は焦点画像を表さない。ビデオカメラからの画像データ、すなわち画像センサーからの信号は、赤色ピクセル、緑色ピクセル、及び青色ピクセルの強度を推定できるデータを含む。信号解析は、例えば全ての赤色ピクセルの強度を加算して総赤色強度Ｒを与える工程；全ての緑色ピクセルの強度を加算して総緑色強度Ｇを与える工程；及び全ての青色ピクセルの強度を加算して総青色強度Ｂを与える工程を含む。光源が周囲光の場合、これらの値をスケーリングし（スケールファクター(scaling factor)ｋで）、合計して総強度値Ｔ＝ｋ１.Ｒ＋ｋ２.Ｇ＋ｋ３.Ｂを与える。
Ｔの経時変化から血流量についての情報を得ることができる。しかし、光源が２つの異なる色の光を交互に与える場合、強度値Ｒ、Ｇ及びＢを別々に解析して血液成分についての情報を推定することができる。

当然のことながら、上記実施形態は単に例として与えたものであり、本発明を制限する意図ではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって決まる。本発明の他の実施形態において、本発明の一実施形態で記載した特徴を個々に又は集合的に使用できることを理解すべきである。

Claims (17)

1. 対物レンズを有するビデオカメラを用いて血液分析を行なう方法であって、下記工程、
   （１）前記対物レンズが個体の一部を形成する付属器の少なくとも一部によって少なくとも部分的に、完全に塞がれるように、前記ビデオカメラを配置する工程であって、該工程が、前記付属器を前記対物レンズのフレームに直面して又は前記対物レンズの一部を塞ぐ制限フレームに直面して配置することによる工程、
   （２）前記ビデオカメラを操作する工程、及び
   （３）前記ビデオカメラからの信号を解析して前記付属器内の血流量についての情報を推定する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記対物レンズが、前記ビデオカメラが前記付属器の焦点画像を生成できないほど十分に前記付属器に近い、請求項１に記載の方法。
3. 前記ビデオカメラが携帯用である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ビデオカメラが移動通信装置の一部を形成する、請求項３に記載の方法。
5. 前記移動通信装置が携帯電話である、請求項４に記載の方法。
6. 前記ビデオカメラを内蔵する携帯装置内で前記信号解析を行なう、請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ビデオカメラが、ディスプレイを含む携帯装置の一部を形成し、かつ前記信号解析によって得られたデータを前記装置のディスプレイ上に表示する、請求項３〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ビデオカメラが、音声出力を含む携帯装置の一部を形成し、かつ前記信号解析によって得られたデータを音声情報として出力する、請求項３〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ビデオカメラがウェブカメラである、請求項１又は２に記載の方法。
10. 前記情報が、血流量、脈拍数、パルス波形、心拍変動、及び呼吸数から選択される少なくとも１つのパラメーターに関連する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記情報が血液成分に関連する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記対物レンズの直径が１５ｍｍ以下である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ビデオカメラがビデオディスプレイと関連づけられ、かつビデオ、フィルム若しくはムービーを使用者に表示する工程、及び前記解析信号から検出された前記使用者の心拍数の変化に応じて前記ビデオ、フィルム若しくはムービーの内容又はその順序を修正する工程を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ビデオカメラが音声出力と関連づけられ、かつ音声ファイルの音楽を使用者に聞かせる工程、及び前記解析信号から検出された前記使用者の心拍数に応じて前記音声出力を修正する工程を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 複数の波長を連続的及び反復的に透過する携帯光源で前記付属器を照射する工程を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法の実行を可能にするためのデータ解析用ソフトウェア。
17. ビデオカメラを含み、かつ請求項１６に記載のデータ解析用ソフトウェアを内蔵するモニタリングシステム。