JP2016537069A - 光生理センサ及び組み立て方法 - Google Patents

Abstract

光生理（ＯＰ）センサの組み立て方法は、（ｉ）モニタすべき少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的特性をモデル化することと、（ｉｉ）モデルの適用により操作可能な光生理（ＯＰ）センサのための最適な光学設計を決定して少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的性質をモニタすることと、（ｉｉｉ）決定された光学設計に対してＯＰセンサを作成することを含む。ＯＰセンサのための最適な光学設計は、（ｉ）光源からのモニタすべき生体組織のタイプを介して光検出器に伝送する光についてのモデル化された光路長に基づき、光検出器からの複数の光源のそれぞれの最適な間隔を決定することと、（ｉｉ）光検出器から異なる距離で異なる波長の光源を配置することとを含む。

Description

本発明は光生理（ＯＰ）センサなどのセンサを組み立てる方法に関する。本発明の一態様はまた、ＯＰセンサを含む生理学的センサシステムに関し、特に、関連する照明源の幾何学的分布に関する。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、皮膚の表面付近の血液量や血流の変化をモニタリングするための非侵襲的な光学技術であり、種々の生理学的パラメータを決定する。この原理は、光が生体組織を通過し又は生体組織から反射される強度の変化を測定するために照明源及び光検出器を使用する。上記検出された光信号は分析された後、心拍によって刺激されるように生体を通る血液の脈動と相関している。ＰＰＧに関する詳細な背景情報は、非特許文献１の本論題で見つけることができ、本発明者ら及びその同僚らによる非特許文献２〜１０の論文も同様である。

特許文献１の先願（参照により本明細書に組み込まれる）において、出願人は、複数の照明パルスを用いて目標を順次照明することと、血液循環系内の血液の酸素飽和度に依存する血液パルスのリアルタイム画像を提供するための複数の画像パルス信号を統合することを含む、画像を形成する方法について説明する。

（ＰＰＧを含む）光生理的な技術は、ライフスタイルで誘発される慢性疾患や高齢化人口の増大に応じて先進国で急速に成長している世界のモバイルヘルス市場にも適用可能である。この技術には２つの主な用途は以下のとおりである。
（ｉ）例えばスポーツパフォーマンスのためか、もしくは一般的な健康、フィットネスレベルを維持又は向上させる自己モニタリング；および
（ｉｉ）慢性疾患患者又は術後ケアを受けたものの重要なヘルスパラメータを捕捉する臨床医のモニタリング。
さらに、モニタリングは、基礎となる疾患を同定又は確認するために行ってもよく、又は、根底にある状態を追跡して悪化を防ぐために早期警告信号を提供するためにリスクの患者の重要なパラメータをモニタする。

国際公開第２００９／０３０９３４号公報

Ｊｏｈｎ Ａｌｌｅｎ， "Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ"， Ｐｈｙｓｉｏｌ． Ｍｅａｓ． ２８ （２００７） Ｒ１−Ｒ３９ Ｓｈｉ， Ｐ．， Ａｚｏｒｉｎ Ｐｅｒｉｓ， Ｖ．， Ｅｃｈｉａｄｉｓ， Ａ．， Ｚｈｅｎｇ， Ｊ．， Ｚｈｕ， Ｙ．， Ｃｈｅａｎｇ， Ｐ． Ｙ． Ｓ．， Ｈｕ， Ｓ．＊， "Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ｔｏｗａｒｄｓ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｈｕｍａｎ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ"， Ｊ Ｍｅｄ． Ｂｉｏｌ． Ｅｎｇ． Ｖｏｌ．３０ Ｉｓｓ ３０ （２０１０）： １６１−１６７ Ｓｈｉ， Ｐ．， Ｈｕ， Ｓ．＊， Ｚｈｕ， Ｙ．， Ｚｈｅｎｇ， Ｊ．， Ｑｉｕ， Ｙ．， Ｃｈｅａｎｇ， Ｐ． Ｙ． Ｓ．， "Ｉｎｓｉｇｈｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｉｃｒｏｔｉｃ ｎｏｔｃｈ ｉｎ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｉｎｇｅｒ ｔｉｐ ｏｆ ｙｏｕｎｇ ａｄｕｌｔｓ"， Ｊ Ｍｅｄ Ｅｎｇ Ｔｅｃｈ， Ｖｏｌ． ３１， Ｉｓｓ ８ （２００９）， ６２８−６３３ Ｓｈｉ， Ｐ．， Ｚｈｕ Ｙ．， Ａｌｌｅｎ， Ｊ．， Ｈｕ， Ｓ．＊， "Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｇｇｅｄ Ｐｏｉｎｃａｒｅ ｐｌｏｔｓ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ"， Ｍｅｄ Ｅｎｇ． Ｐｈｙｓ． ３１ （２００９） ８６６−８７１， ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ｍｅｄｅｎｇｐｈｙ．２００９．０５．００１ Ｓｈｉ， Ｐ．， Ｈｕ， Ｓ．， Ｚｈｕ， Ｙ．， "Ａ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ａｔｔｅｍｐｔ ｔｏ Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍｉｃ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ"， Ｊ Ｍｅｄ． Ｂｉｏｌｏｇ． Ｅｎｇ．， Ｖｏｌ．２８， Ｉｓｓ ４ （２００８）： １７３−１８０ Ａｚｏｒｉｎ−Ｐｅｒｉｓ， Ｖ．， Ｈｕ， Ｓ．＊， Ｓｍｉｔｈ， "Ａ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｒｙ"， Ｐ． Ｒ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．６４４６ （２００７）， ｐｐ．６４４６０Ｔ Ａｌｚａｈｒａｎｉ ， Ａ．， Ｈｕ， Ｓ．， "Ａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ａｒｔｅｆａｃｔ ｉｎ Ｎｅｗ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｅｒ"， ＳＩＥＣＰＣ− Ａｐｒ ２０１３ Ｚｈａｎｇ， Ｘ．， Ｈｕ， Ｓ．＊， Ｌｉｕ， Ｃ．， Ａｚｏｒｉｎ−Ｐｅｒｉｓ， Ｖ．， Ｉｍｍｓ， Ｒ ．， "Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｅｎａｂｌｅ ｔｏ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｔｃｈ ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ"， Ｐｒｏｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ Ｃｏｎｆ （ＥＳＴＣ） ２０１２ Ｈｕ， Ｓ．＊， Ａｚｏｒｉｎ Ｐｅｒｉｓ Ｖ．， Ｚｈｅｎｇ Ｊ．， "Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｏｐｔｏ−ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｉｓｓｕｅ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｉｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ"， Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ＥＭＢＣ ３２， ２０１０， １： ５７７６−５７７９ Ｈｕ， Ｓ．＊， Ａｚｏｒｉｎ Ｐｅｒｉｓ Ｖ．， Ｅｃｈｉａｄｉｓ Ａ．， Ｚｈｅｎｇ Ｊ．， ａｎｄ Ｓｈｉ Ｐ．， "Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ： ｆｒｏｍ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｏ ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ ｆｒｏｍ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｉｍａｇｉｎｇ"， Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ＥＭＢＣ ３１， ２００９， １： ６５５０−６５５３

現在のＰＰＧシステムに関連して、パルス酸素測定デバイス（血中酸素飽和度を決定する）は最も一般的である。しかしながら、生きている組織の光散乱効果、誘発されるアーチファクトの動き、もしくは、汗、スキンクリーム又はスプレーの効果については考慮していないので不正確である。

消費者のフィットネス市場では、電気胸ストラップベースの連続的な心拍数モニタリングシステムがしばしば使用される。しかしながら、これらは、頻繁に使用するのに不人気で不快で目障りになる傾向がある。その他のウェアラブルモニタシステムは、心拍及び／又は呼吸数のような個々のパラメータを測定することができる腕時計ベースのセンサを含め、市場に浮上している。しかしながら、同時に血中酸素飽和度などの生理学的パラメータのより広い範囲を測定することができるウェアラブルセンサは現在存在しない。

従って、本発明の目的は前述の問題に対処するのに役立つ、光生理（ＯＰ）センサ及びその組み立て方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、光生理（ＯＰ）センサを組み立てる方法が提供され、前記方法は、
モニタすべき少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的特性をモデル化することと、
モデルの適用により、操作可能な光生理（ＯＰ）センサのための最適な光学設計を決定することと、
少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的性質をモニタすることと、
決定された光学設計に対してＯＰセンサを作成することとを含み、
前記ＯＰセンサのための最適な光学設計は、
各光源からモニタすべき生体組織タイプを介して光検出器へ伝送する光に対するモデル化された光路長に基づいて、光検出器からの複数の光源の最適な間隔を決定することと、
前記光検出器から異なる距離で異なる波長の光源を配置することとを含む。

従って、本発明のこの態様の実施形態は、非侵襲ＯＰセンサの組立方法（その設計を含む）を提供し、当該ＯＰセンサは、生理学的パラメータに関する光学データが確実かつ正確に求めることができるように、理想的にモニタすべき生体組織タイプで使用するように構成される。ＯＰセンサは光生理学的評価（例えば、心拍数、呼吸数、血中酸素飽和度、心拍変動、脈波伝播速度、血圧や体温をモニタするための）、バイオフィードバック又は分光偏光を必要とするアプリケーション用に設計され得る。ある特定の実施形態では、ＯＰセンサは、消費者のフィットネス市場向けに設計されてもよい（例えば、生体に装着軽量のセンサを介して連続的な心拍数のモニタリングを提供する）。他の用途では、ＯＰセンサは、患者の臨床モニタリングにおいて使用するために設計されてもよい。ある特定の実施形態において、検出されたパラメータは（例えば、心血管疾患や糖尿病の）疾患の進行をモニタ又は追跡するために使用することができる。

モデルは、基本的に光信号がモニタされる生体組織と相互作用するかについての知識を提供することは理解されるであろう。

この方法はまた、生体組織タイプを介しての計算された光路長に基づいて、光検出器からの光源のそれぞれの最適な間隔を決定する特に、ＯＰセンサのための最適な光学設計は、光検出器から異なる距離で異なる波長の光源の位置を含む。

ＯＰセンサのための最適な光学設計は、同一の波長又は波長帯の光を生成するように構成された複数の光源を使用することを含んでいてもよい。前記センサは、光検出器で捕捉された放射線の品質に基づき、光生理学的測定において使用するための１つ以上の前記複数の光源を選択するように構成される。

また、ＯＰセンサのための最適な光学設計が構成さ複数の光源の使用を含んでいてもよい２つ以上の波長又は波長帯の光を生成し、各光源は、上記光源の波長の関数である、光検出器からの距離に位置することができる。すなわち、各光源の位置は、光検出器の各光源から生体組織タイプを通過する光の期待される光路長に基づいて決定される。少なくとも１つの生体組織タイプは、組織部位（例えば、しかし指、首、つま先、耳、寺、手首、手のひら、腕、腰、太もも、腹部、額、顔、頭皮、背中や胸、これらに限定されない）、組織の色、組織厚み、組織年齢及び組織状態（例えば、ドライ、ウェット、汗まみれ、焼け、スキンクリームやスプレーでコーティングされる）のうちの１つ以上を含むことができる。少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的特性は、吸収係数、散乱係数、屈折率及び光学密度のうちの１つ以上を含むことができる。

本発明のいくつかの実施形態において、センサは（例えば、特定の組織部位などの）特定の用途のために設計され得る。他の実施形態では、センサ（例えば複数の可能な組織部位に）複数の可能な用途のために設計されてもよい。別の方法として、センサアレイは、１つ以上の組織部位上で使用するために提供されてもよい。

モデルは、放射輸送理論に基づくことができる。モデルは、生体組織タイプの光学特性とともに生体組織タイプの幾何学モデルを含むことができる。光学特性は、１つ以上の波長で考えることができる。

数学的モデルは、有限要素法の使用を含み、少なくとも１つの生体組織タイプの仮想表現から有効な光の生理学的パラメータを導出してもよい。

ＯＰセンサに最適な光学設計を決定するステップは、生体組織タイプから最適の透過又は反射のために光の１つ以上の波長又は波長帯を決定するためのモデルを用いることを含んでいてもよい。ＯＰセンサにおいて最適な光学設計を決定するステップは、体組織タイプの最適な照明のための光源の配置及び／又は強度を決定するためのモデルを使用して含んでもよい。

複数の光路長は複数の波長で計算される。

モデルは式１０に示すように、生体組織タイプの表面上の点（ｘ，ｙ）に透過する微小光パワーｄＰを定義することを含んでもよい。

ここで、Ｉ_０（λ、ｘ、ｙ）は、生体組織タイプの全面に入射し、指数関数的減衰の対象となる生体組織タイプの光学密度ρ（λ）の関数である全光線を表す。光源−検出器の間隔は次式で示すように、生体組織タイプの表面上の、光源の点（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）および任意の検出器の点（ｘ，ｙ）で定義される。

ｘ₋からｘ_＋までの範囲のベクトルｘと、ｙ₋からｙ_＋までの範囲のベクトルｙとで定義された生体組織タイプの表面上の有限矩形領域の検出器によって受信される光パワーは式１１の通りである。

モデルは式１３に示すように、正規化された生理パルス関数ψ（ｔ）、吸収、散乱及び拍動係数μ_ａｉ（λ），μ_ｓｉ（λ）及びμ_ｐｉ（λ）を用いて、動的光学密度ρ（λ，ｌ’，ｔ）の点で、動的でかつ多層生体組織タイプの光学応答を定義することを含んでもよく、層番号ｉは１からＮまでの範囲である。

モデルは式１４〜式１６に示すように、式１３の静的成分

と、動的成分

を含むことができる。

モデルは式１７、１９及び２１に示すように、ベクトルｘとｙで定義される矩形検出器に伝送される光パワーの静的成分

と動的成分

とを定義するための式１０及び１１の積分の和のルールを使用することを含んでいてもよい。

モデルは式２２に示すように、正規化ピーク動的電力の点で検出された信号の品質Ｑを定義することを含むことができる。

ここで、最強のパワー過渡が収縮期心臓の圧力で発生するので、ピークの動的パワーは動的消費電力の最小値を用いて定義され、その圧力はセンサから取得した光信号の谷として現れる。

モデルは式（２３）に示すように、波長λにおける光源のための最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）を定義することを含むことができる。

モデルは、最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）が式２４に示すように、光源の位置（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）を中心とする円として、もしくは逆に検出器の位置（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）を中心とする円として表されるように、生体組織タイプの円筒対称性と光均一性を仮定することを含んでもよい。

光源は可視光を生成し、又は生成しなくてもよい。例えば、光源は（近赤外放射に対して可視に相当する）およそ４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内の波長を有することができる。

ＯＰセンサは、モニタ対象の生体組織と接触するように構成することができる。その場合において、において、センサは、着用可能なパッチ又は腕時計の形態で提供されてもよい。別の方法として、ＯＰセンサは、モニタすべき生体組織と非接触のために構成されてもよい。その場合において、センサは（例えば、臨床使用のために）専用のデバイス上に提供されてもよいし、又はガラスの携帯電話、カメラ、タブレット、ＰＤＡ、ペア又は他の携帯デバイスに組み込まれてもよい。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による方法によって組み立てられた光生理（ＯＰ）のセンサが設けられている。

本発明の第３の態様によれば、光生理（ＯＰ）センサは以下の構成を有して設けられる。光生理（ＯＰ）センサは、
複数の光源と、
上記光源からの光がモニタ対象の生体組織タイプを介して伝送した後に、１つ以上の光源から放射された放射線を捕捉するように構成された少なくとも１つの光検出器と、
上記複数の光源は、モニタ対象の生体組織タイプの光生理学的特性のモデルによって決定される位置において光検出器に対して相対的に配置され、
前記光検出器からの各光源の最適な間隔は、各光源からの光がモニタすべき生体組織タイプを介して光検出器に伝送するモデル化された光路長に基づいており、
前記異なる波長の光源は光検出器から異なる距離に配置される。

複数の光源は、同一の波長又は波長帯の光を発生するように構成することができ、センサは、捕捉された放射線の品質に基づき、光生理学的測定において使用するための１つ以上の前記複数の光源を選択するように動作可能である。

複数の光源は、２つ以上の波長又は波長帯の光を発生するように構成することができ、各光源は、光源の波長の関数である、光検出器からの距離に位置することができる。

複数の光源を変調することができる。例えば、生体組織への多重化信号を提供するように複数の光源を振幅変調するように構成することができる。ここで、一度検出されるとき、各個別の光源からの信号の測定を可能にするか、光源（すなわち、チャンネル）のセットに多重分離することができる。例えば、矩形波（すなわち、ＤＣ）特性、もしくは、正弦波変調を用いて振幅変調を行ってもよく、ロックイン増幅器の使用を含んでもよい。一例として、第１のチャンネルは、その後非アクティブ時間の有限の期間、それぞれ他のチャンネルについて繰り返す手順のために活性化することができる。プロセス全体は、各チャンネルからの複数のサンプルを得るために数回繰り返すことができる。特定の実施形態において、それぞれのチャンネルが起動された後、光検出器からの各信号サンプルの捕捉は、所定の時間で開始することができる。また、それぞれのチャンネルの前に得られたシグナルの最適な安定性及び信号対雑音比を確保するために不活性化される前に所定の時間で終了してもよい。

従って、いくつかの実施形態において、マルチタイムゲーティング手法（ＭＴＧ）は、（例えば、生体内測定に）適用されてもよく、これにより、（個々に、又は共通の波長グループに）光源の複数の動作を変調して光検出器からの捕捉信号を復調してもよい。

ＯＰセンサは、生体組織の生体内光の生理学的特性をモニタするように構成された光学バイオセンサと考えることができる。

特定の実施形態では、光検出器は、光源のアレイ内の中央に配置され、各光源は、光源の波長の関数である光検出器からの距離に位置している。例えば、各光源は、光検出器を中心とする円の円周上に配置することができ、前記各円の半径は、それぞれの光源の波長の関数である。

特定の実施形態において、カメラは、光源のアレイ内の中央に位置する光検出器を構成してもよいし、接触又は非接触イメージングに用いることができる。いくつかの実施形態では、カメラは、制御可能なフラッシュライトを含むことができ、フラッシュの光が光源として使用されてもよい。

本発明の第２又は第３の態様のＯＰセンサは、さらに、光検出器からの測定信号に基づいて複数の光源を活性化して非活性化するように動作可能なコントローラを含んでいてもよい。特定の実施形態において、コントローラは選択的に活性化して非活性化することで複数の光源を変調して時分割多重された照明を作成するように動作可能である。コントローラは、その後、光検出器からの応答を復調して（例えば、同じ波長で）同時に動作可能である複数の光源の各光源又はグループから複数の信号を決定する。コントローラは、所望の光の生理学的特性を得るために使用するために最も適したものを決定するために導出された信号を分析することができる。

複数の光源は、２つ以上の波長又は波長帯の光を発生するように構成することができる（例えば、個々の光源は、他の光源とは異なる特定の波長の光を発生するように構成することができ、又は、個々の光源は異なる波長の光を生成するように適合するように構成することができる）。このことは異なる波長で有利であるが、生体組織がモニタされることと異なって相互作用する（暗い肌の色で使用する場合、例えば、特定の波長は強い信号を提供することができる）。従って、関心の光生理学的特性を決定するためにその後の分析のため、最も強い又は最も信頼性の高い信号を生成する波長を選択することができることが有用である。

さらに、又はあるいは、複数の（冗長な又は参照）光源が同じ波長又は波長帯の光を発生するように構成されてもよい。このことは、破損又は不整列する１つの光源がロバスト性の増大を有することを提供することができ、その結果、光検出器で検出された低品質の信号が得られる。

特定の実施形態において、複数の波長の使用は、所望の信号品質を達成するために、及び／又は特定の生理学的パラメータを決定するために必要とされ得る。そのためには、複数の波長で複数の信号を取得する必要がある。いくつかの組織の場所では、いくつかの特定の波長は、所望の信号を取得するために適当ではないかもしれない（すなわち、それらは十分な組織の中に深く浸透していないか、又は組織表面によって散乱されてもよい）。従って、複数の波長を使用すると、信号のより信頼性の獲得とセンサのより堅牢な全体的なパフォーマンスを確保することができる。

一般的に、複数の光源及び／又は複数の波長を使用することは、非常にセンサの機能性及び適応性を向上させることができ、単一のセンサが正確に複数の組織タイプの光生理学的特性を測定するために使用することができるようになる。すなわち、複数の光源及び／又は複数の波長を使用することは、被験体の組織上の複数の位置からのバイタルサインのより信頼性の高い測定を可能にすることができる。

組織上の光源の既知の分布（例えば、同一円周上の各光源の間に９０度間隔で同心円の周りに間隔をあけて配置）を用いて、ＯＰモデルは、動き（移動又は運動）特性を決定するために使用されてもよい。例えば単一波長のため、すべての光源の全体的な強度に対する各光源からの強度の相対的変化を見ることによって、センサと組織との間の傾きの度合いを推定することができる。光検出器の組織を介して光源からの光の平均光路長は、動きアーチファクトの正確な定量化を計算するために使用することができる。また、モーションセンサ（例えば、３次元加速度計）は、任意の動きの代替説明を提供するために、センサ上に設けてもよい。このセンサはその動きの光学的に誘導される特性との比較のための基準として使用することができる。

複数の光源は、非干渉性又は半コヒーレント電磁放射を生成するように構成されてもよい。

少なくとも１つの光検出器は、放射線がモニタされる生体組織を介して移動（反射又は透過によって）した後に、複数の光源のうちの１つ、いくつか又はすべての光源から放射された放射線を捕捉するように構成されてもよい。

ＯＰセンサは独立した信号は、少なくとも１つの光検出器からの出力に、各個々の光源の排他的な寄与から得られるように（例えば、多重化により）構成されてもよい。別の方法として、独立した信号は、各個別の波長又は波長帯から、少なくとも１つの光検出器からの出力に対する寄与から光で入手することができる。

コントローラは、信号品質メトリックに基づいて、複数の光源を選択的に活性化及び／又は非活性化するように構成することができる。信号品質メトリックは、それぞれ独立した信号を分析して複数の光源を調整し又は無効にすることができ、当該複数の光源からの独立した信号は、エネルギーを保存し及び／又は少なくとも１つの光検出器からの出力の最適な信頼性を提供するように導出される。この点で、コントローラは、本発明（以下に定義）の第４の態様による方法を実施するように構成することができる。

光検出器にモニタすべき生体組織を通過する光のための複数の利用可能な経路が存在することを複数の光源の使用で確保できることは理解されるであろう。従って、光検出器からの出力がより正確で信頼性が高くなるように、信号品質メトリック（基準）がノイズのある又は低品質の信号に対して分離し又は除去することが可能である。また、複数の信号経路を使用することは、信号の平均化又は他の処理の可能性があることを意味する（例えば、複数の堅固な信号が検出された場合）。このような技術はまた、運動誘発性アーチファクトに対するセンサの抵抗性を改善するために適用することができる。

従って、ＯＰセンサの実施形態は、検出された信号の品質を最適化するために使用中において自動的にモニタされる生体組織に対するセンサ特性を調整するように構成することができる（例えば、光源又は波長活性化同様の強度を変化させることによって）このように、センサがモニタする組織タイプ（又はタイプ）の光生理学的モデルを適用して設計されるだけでなく、センサは、例えばアカウントにユーザの年齢や皮膚に適用される汗やクリームの蓄積を考慮するために動的に使用中にその設定を調整することができる。

ＯＰセンサは、電池などの統合された電源を介して電力が供給されてもよい。別の方法として、ＯＰセンサは、誘導性電力結合のような無線電力伝送を介して電力が供給されてもよい。

ＯＰセンサは、基地局又は上位サーバと無線通信するように構成することができる。

ＯＰセンサは、貼付パッチのように構成することができ、これは、直接モニタすべき生体組織に取り付けることができる。パッチは、任意の適切なサイズであってもよいが、簡便にコインサイズであってもよい。有利なことに、それを身に着けている人を妨げたり迷惑にならないように、パッチは、軽量で目立たないし防水にもなる。

ＯＰセンサは、低コストの使い捨てセンサとして、もしくは長期的又は反復使用のために構成されてもよい。

ＯＰセンサは、再充電を必要とせずに（例えば、数時間又は数日間）連続的（動的）データ収集用に構成されていてもよい。

本発明の第４の態様によれば、複数の光源を備え、光源からの光がモニタすべき生体組織を介して伝送した後１つ以上の複数の光源から放射された放射線を捕捉するように構成された少なくとも１つの光検出器を備える光生理（ＯＰ）センサを制御する方法が提供される。
上記方法は、
少なくとも１つの光検出器からの出力に、各個々の光源の寄与から独立した信号を得ることと、
それぞれの独立した信号の信号品質の１つ以上の測定を実行することと、
各個々の光源の照射強度を変更し、信号品質の測定を繰り返すことと、
独立した信号の信号品質の上昇を受けている個々の光源の強度を変更して信号品質の測定を繰り返すことと、
独立した信号の信号品質の低下を受けている個々の光源の強度の変更を逆転して信号品質の測定を繰り返すことと、
信号に対応する信号品質がピークに達するときの個々の光源の強度を固定することと、
独立した信号がしきい値以下である複数の光源を選択的に不活性化することを含む。

本発明の第２又は第３の態様に従って定義されるような方法は、前記ＯＰセンサに適用することができる。本発明の第４の態様の方法は、効果的にモニタされる組織タイプのために使用される各光源又は波長の強度を最適化する方法を提供することは理解されるであろう。センサが最初に起動したときの方法は初期設定処理として適用することができる。さらに、又はあるいは、上記方法は周期的に適用してもいし、もしくは、使用時に各光源の強度を再設定するように特定の信号条件が満たされたときに適用してもよい。

本発明の第５の態様によれば、下記の構成を有する光生理（ＯＰ）システムが提供される。光生理（ＯＰ）システムは、
本発明の第２又は第３の態様に係る光生理（ＯＰ）センサと、
光検出器によって測定された信号を分析して少なくとも１つの生理的パラメータを決定するように構成された分析器とを備える。

分析器は、測定された信号からの生理学的パラメータを導出するために光生理学的モデルを使用することができる。光生理学的モデルは、時間及び／又は血液組成の関数としての血液量と光信号との相関のより信頼性の高い解釈を提供するように。生体組織タイプ（例えば、組織部位、色、太さ、年齢や条件を含む）の基本的な理解に基づいてモニタされる。

少なくとも１つの生理的パラメータは血中酸素飽和度、心拍数、脈拍速度、呼吸数、血圧、体温、又は、ユーザの状態や気分の指標（例えば、アクティブ、睡眠、ストレス）を含んでもよい。

ＯＰシステムは、ユーザインターフェースを含んでもよい。ユーザインターフェースは、モニタ対象の生理学的パラメータを選択することを可能にするように構成されてもよい。

ＯＰシステムは、ユーザに決定生理的パラメータを通信するように構成されたディスプレイを備えることができる。

ＯＰシステムは、決定された生理学的パラメータを記憶するためのデータ管理システムを備えることができる。

ＯＰシステムはスタンドアロンシステムとして構成することができ、例えば、腕時計、携帯電話又は他のパーソナル・デバイスで具体化できる。追加的又は代替的に、ＯＰシステムは、分散システムとして構成することができる。例えば、センサは、クライアントモジュール（例えば、パッチ又は腕時計）を構成することができる。１つ以上の分析器、ユーザインターフェース、ディスプレイ及びデータ管理システムは、遠隔基地局又はホストサーバを介して提供されてもよい。その場合において、クライアントモジュールは、基地局又は上位サーバと無線通信するように構成することができる。加えて、ＯＰシステムは、（携帯電話やインターネットアプリケーションの形態で提供され得る）コンピュータソフトウェアを介して制御可能である。ユーザは、収集したデータのモニタ、記録、処理及び表示を制御することができる。

本発明の実施形態にかかる光生理（ＯＰ）センサを設計する方法のフロー図を示す。 本発明の実施形態にかかる、ＯＰセンサの概略上面図である。 本発明の実施形態にかかる第１のＯＰシステムの概略図である。 本発明の実施形態にかかる第２のＯＰシステムの概略図である。 本発明の実施形態にかかる第３のＯＰシステムの概略図である。 図３ＡのＯＰシステムのより詳細な概略図を示す。 図３ＣのＯＰシステムのより詳細な概略図を示す。 一般的なセンサ処理／制御ルーチンを示し、これは本発明の実施形態で使用することができる。 信号処理ルーチンを示し、これは本発明の実施形態における前記光源の制御のために個々の光源から発する信号のために使用され得る。 本発明の実施形態で使用する１つ以上の光源を含む光チャンネルを選択するためのプロセスを示す。

以下、本発明の具体的な実施形態について添付の図面を参照して説明する。

図１を参照すると、本発明の実施形態にかかるセンサ１２光生理（ＯＰ）（設計を含む）を組み立てる方法の流れが図１０に示される。この方法は、数学的にモニタすべき生体組織タイプの光生理学的特性をモデル化するためのモデル１４を用いることと、生体組織タイプの光生理学的特性をモニタするように動作可能であるように、光生理（ＯＰ）センサ１２のための最適な光学設計１６の適用により、生理学的モデル１４を決定することとを含む。このように、本発明の態様は、光検出サブシステムのためのデータ駆動型の設計アプローチにも関する。また、前記方法は決定された光学設計にＯＰセンサ１２を作成することを含む。ＯＰセンサ１２のための最適な光学設計は、（ｉ）各光源２８からモニタすべき生体組織を介して光検出器３０に伝送する光に対してモデル化された光路長に基づいて、光検出器３０から複数の光源２８のそれぞれへの最適な間隔を決定することと、（ｉｉ）光検出器３０から異なる距離で異なる波長の光源２８を配置することとを含む。

従来技術のシステムにおいて、ランベルト・ベールのモデルは、これを通じて光が伝送する材料の特性に光の吸収を関連付けるために適用される。しかし、生体組織の光生理学的特性を確立しようとするときに、このようなアプローチは真に代表的であるには余りにも基本であることが見出されました。従って、生体組織の様々な特性をモニタすることを考慮に入れた光生理学的モデル１４が必要とされる。

図示のように、光生理学的モデル１４は、放射輸送理論１８に基づいており、様々な波長（例えば、１からｎまでラベルされ、ここで、ｎは正の整数である。）での生体組織の光学特性２２の詳細と共に生体組織部位の形状モデル２０を含む。この情報に基づいて、モデル１４は、（様々なｎ個の波長で）生体組織を通る光路長２４を算出する。光路長は、ＯＰセンサ１２の最適な設計を作成するように光検出器３０（ｎ個の波長のそれぞれで）からの各光源２８の最適な間隔２６を決定するために使用される。

適切な光生理学的モデル１４のための複数の式について以下に説明する。ここで、その構成要素のますます適切な実施例は複雑性のために導出される。

媒質（例えば、生体組織タイプ）を通過する光透過（光伝送）は式１に従って指数関数的減衰として表すことができる。

この式は、光学密度ρ（λ）を有する媒体を通って移動するように、媒体Ｉ_０（λ）に入る波長λにおける光の強度の指数関数的減衰について説明する。

Ｉ_０（λ）は全体にわたって一定に保たれ、式２のように、光源強度Ｉ_Ｓ（λ）と、媒体から反射される光の強度Ｉ_Ｒ（λ）で表すことができる。

反射による強度の損失は、代替的に、式（３）に従って反射係数（Ｃ_Ｒ）又は透過（Ｃ_Ｔ）を使用して表すことができる。ここで、係数は０と１の間の値を有する。

媒体の光学密度は式４に従って、その吸収係数μ_ａ（λ）と光路長Ｌの観点から説明することができる。

式１〜４は単一の光路の場合を表し、ここで、透過強度は検出した時点で全体的に評価されることが理解されるであろう。

我々はいま非常に散乱媒体のより複雑な場合を考える。光源光は、組織のボリュームに散在される場合、光の増加分は、検出器への平均光路長の増加によって吸収により失われる。この光の一部は、光検出器の表面内に入らない場合があり、光学密度は式５に従って、このような損失を考慮するために再定式化することができる。

この式において、Ｌは検出された光の有効経路長を表し、媒体の散乱係数μ_ｓ（λ）の関数である。光学密度はさらに式６のとおり、特性μ_ａｉ（λ），μ_ｓｉ（λ）を有するＮ層媒体の場合のために再定式化することができる。ここで、層番号ｉは１からＮまでの範囲である。

我々はいま２次元（フラット）外面を含むＮ層媒体のより厳密な場合を考える。その上に光源と光検出器を配置することができる。媒体Ｉ_０に入力する光強度と、光源光の光強度Ｉ_Ｓとの関係は式７の通りに表すことができる。

点光源の場合には、我々は式（８）に示すように、光源のピーク出力強度

と放射分布δ_Ｓとを用いて再定式化できる。

この式は、点光源の法線について円筒対称性を有する放射を仮定する。ここで、媒質外での光の吸収と散乱は無視できると考え、伝送距離に対する強度の損失が逆二乗法則に従う。この式は、媒体の平坦な外面に点光源からの放射輝度の投影を可能にする。ここで、ｚ_ｓは、点光源と表面との間の法線距離であり、光源の法線からの放射輝度の角度は次式で表される。

位置（ｘ，ｙ）における媒体の表面に入射する光の経路長は次式で表される。

円筒対称性媒体の光学的均一性を仮定すると、波長λにおける光源光の光密度ρは式９に従って、光源−検出器の間隔ｌ’の関数として定式化できる。

この式において光源−検出器の間隔は媒体の表面上における光源の点（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）と任意の検出器の点（ｘ，ｙ）の観点で次式で定義される。

我々はいま、式１０に示すように、媒体の表面全体にわたる媒体Ｉ_０（λ，ｘ，ｙ）に入射する光を統合することで式１を再定式化することができる。

この式は、点（ｘ，ｙ）における微小の透過光パワーｄＰを表す。ｘ₋からｘ_＋までの範囲のベクトルｘと、ｙ₋からｙ_＋までの範囲のベクトルｙとで定義された媒体の表面上の有限の矩形領域の検出のために、我々は式（１１）に示すように、検出器によって受信された光パワーを導出できる。

我々はいま、光の時変透過係数Ｉ（λ，ｔ）を有する動的な媒体（例えば、パルス化された血液が通過する組織）の場合について考える。ここで、式１は式１２のように再公式化することができる。

この式において、媒体に対する動的光学密度は当該媒体の動的特性をモデルする。実際のシステムにおいて、これらの動的特性は、生体組織部位の生理から生じ、その形状の変化とその吸収や散乱特性として現れる。２次元（フラット）外面を含むＮ層媒体のより複雑な場合には、我々は、拍動係数μ_ｐｉ（λ）を使用して媒体の動的な性質を式１３のように、モデル化することができる。ここで、ｉは１からＮまでの範囲にある層番号であり、ψ（ｔ）は正規化生理パルス関数である。

光学密度は式１４〜１６に示すように、静的成分

と動的成分

に分離することができる。

式１０及び１１の積分の和のルールを使用して、我々は式１７〜式２１に示すように、、同様にベクトルｘとｙで定義される矩形検出器のために伝送される光パワーの静的成分

と動的成分

を定義することができる。

我々はいま、このようなセンサ１２のような光の生理学的センサの設計における光生理学的モデル１４の実用化を検討する。この目的を達成するために、我々は式２２に示すように、正規化ピークの動的パワーの点で検出された信号の品質Ｑを定義することができる。

この式において、最強のパワートランジェントが収縮期心臓の圧力に起因するとして、ピーク動的消費電力は、動的消費電力の最小値を使用して定義される。これは、センサから取得した光信号の谷として現れる。我々は、式（２３）に示すように、波長λにおける光源に最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）を定義することができる。

前述のように媒体の円筒対称性と光学的均一性を仮定すると、最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）は式２４に示すように、光源の位置（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）を中心とする円、もしくは逆に検出器の位置（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）を中心とした円として表すことができる。

最後に、我々は、このようなセンサ１２のような光の生理学的センサから取得された信号を使用して、生理学的パラメータの決意で光生理学的モデル１４の実用化を検討する。上記パラメータの決定は、典型的には、検出された信号で明らかに収縮期ピークの時間的位置の知識に依存している。式２５は、生理的なパルス波での単一周期の極小として、単一の収縮期ピークの時間位置ｔ_ｎを定義する。ここで、周期は時間ｔ_ａｎと時間ｔ_ｂｎとの間に発生する。

我々は、動脈血Ｓ中の酸素飽和度を考慮し、このことは式２６〜２８に示すように、２つの波長λ_１，λ_２での照明からの正規化された動的強度Ｒ_１とＲ_２の比Ｒの関数として定義することができる。

式２８における校正定数Ｃ_１〜Ｃ_４は、２つの異なる波長λ_１，λ_２で発光する光源用の光学特性に依存しており、光の生理学的センサの較正手順によって決定することができる。

我々はまたパルス間の間隔（ＰＰＩ）を考慮することができ、このことは式２９に示すように、時間ｔ_１，ｔ_２，…，ｔ_Ｎで発生する隣接収縮期ピーク間の時間間隔Δｔ_１，Δｔ_２，…，Δｔ_Ｎ−１として定義することができる。

時間間隔Δｔ_Ｎは被験者の生理学的状態に関連する統計的尺度を計算するために次いで使用することができる。

従って、本発明の実施形態で使用するために適した光生理学的モデル１４は、以下のいずれか又はすべてを含んでもよい。
（ｉ）本明細書で詳述した複数の式、それらの置換、又はそれらの個別の派生物（すなわち、数値的に解ける式）の１つ又はそれ以上の式；
（ｉｉ）それらの発光波長及び空間分布を含む１つ以上の光源の数値又は数学的記述。
（ｉｉｉ）組織の層の組の、厚さと静的及び動的な光学特性を含む生体組織部位の数値又は数学的記述（例えば、表皮、真皮表面、表面的な皮膚叢、深い真皮、深い真皮叢、皮下脂肪）；
（ｉｖ）光源−検出器の間隔ｌ_ｓ−ｄ及び散乱係数μ_ｓの関数としての有効な光路長Ｌの数値又は数学的記述。これらは例えば、放射輸送方程式又はＰ１（拡散）近似式の有限要素解を使用して、関心対象の生体組織部位の３次元幾何学モデルに適用される。

このように、モデル１４の要素を組み合わせて、モニタされるべき生体組織に特異的な光生理学的特性のセットを使用して、我々は、光源２８とＯＰセンサ１２の光検出器３０のための最適な場所を導き出すことができる。

最もよく図示された図２に示すように、モデル１４によって設計されたＯＰセンサ１２において、光検出器３０は実質的に矩形であり、正方形のパッチ３２の中央部に設けられている。ここで、光検出器３０は、各光源２８からの光が生体組織を通って移動した後に光検出器３０によりモニタされるように、複数の光源のそれぞれからの放射線を捕捉することができるように設けられる。本実施形態では、光源２８は４列に延在して光検出器３０の周りに分布しており、上記４列は光検出器３０の各辺と整列される。光源２８の各列は、４つの異なる波長の１つの光を生成するように構成されることは理解されるであろう。従って、各列は円３４の円周上に配置される（図１参照）、円３４は光検出器３０の中央に配置され、その結果、各円３４の半径はその行の各光源２８の波長の光に対して決定された最適な間隔２６に基づいて決定される。

また、図２は、パッチ３２の各隅に４つの追加（オプション）検出素子３６の位置を示している。検出素子３６は、例えば、温度センサやモーションセンサにより構成でき、当該センサなどの感知要素は光学的、光音響的、音響的又は電気機械を含む様々な技術に基づくことができる。

図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃはそれぞれ、本発明の実施形態にかかる、第１のＯＰシステム４０と、第２のＯＰシステム４２と、第３のＯＰシステム４４とを示す。

第１のＯＰシステムクライアント装置４６を備え、これは上述のＯＰセンサ１２に加えて、電子回路のコントローラ４８を備える。以下により詳細に記載されるように、コントローラ４８は、センサ１２の光源２８、複数の活性化又は非活性化するように動作可能である。加えて、コントローラ４８は、光検出器３０からの測定された強度のシーケンスを受信するように構成されたアナログ−デジタル変換器５８を含む。この場合において、光検出器３０からの測定強度は、複数（即ち、多重化）の信号として解釈されるべきである場合、コントローラ４８はこれらの信号を多重分離（すなわち、デマルチプレクス）するように構成される。コントローラ４８はまた、多重分離するように構成された信号処理分析器６４を備え、光検出器３０によって取得された１つ又は複数の信号に静的及び動的成分を測定し、そして続いてそこから１つ以上の生理学的パラメータを決定するためにこれらの測定値（例えば、血中酸素飽和度、心拍数、脈拍速度、呼吸数、血圧、体温、又は、ユーザの状態や気分の指標）を使用する。

信号処理分析器６４は、１つ以上のデジタルフィルタの使用を介して１つ以上の検出された信号の静的及び動的な成分を分離し、そしてその後、これらの静的及び動的な成分の振幅を測定するように構成することができる。前記フィルタの周波数帯域は下記に従って設定することができる。まず生理学的パラメータが決定され、精度のレベルはアプリケーションにより要求され、各信号が遭遇するノイズのレベルによって決定される。一旦分離された後、各静的成分の振幅は、容易に入手可能である。ピークの振幅を検出することにより、各動的成分の振幅を決定することができる。又は代替的に、山と谷の振幅を検出し、続いて隣接するピークと谷の差の絶対値を取ることによって各動的成分の振幅を決定することができる。別の方法として、信号処理分析器６４は、高速フーリエ変換を使用して対応する周波数スペクトルに各信号に変換するように構成することができる。そして静的及び動的な成分の振幅は、各周波数スペクトルのピークの振幅を決定することで測定することができる。

本実施形態の信号処理分析器６４は、上述の光生理学的モデル１４を使用して測定値から、目的の生理的パラメータを導出するために測定された信号の静的及び動的成分を導出するように構成される。

コントローラ４８は、センサ素子の制御に関係する特定のパラメータを調整する手段を備える。例えば、光源２８は変調され、ここで、変調された光源２８のレートと、複数のサンプルが光検出器３０から取得されるレート、信号処理分析器６４によって使用されるフィルタパラメータがコントローラ４８により調整される。ＯＰシステム４０は、ＯＰシステムの動作の過程で取得された品質基準に従って、及び／又は前記システムの動作のユーザ定義のモードに応じて調整するように構成することができる。さらに、調整がＯＰシステム４０の動作の過程を中断することなく行うことができる。

コントローラ４８はさらに、ホスト装置５０に決定された生理学的パラメータに関するデータを透過するように構成された無線通信機能６６、６８を備える。ホストシステム５０は、ローカルコンピュータ又はネットワークサーバによって提供することができる。ホストシステム５０は、生理学的パラメータを選択するため、ユーザがモニタできるようにするユーザインターフェースが設けられており、ユーザインターフェースにおいて、ディスプレイは決定された生理学的パラメータを通信でユーザに表示するために設けられ、データ管理システムは、ユーザと将来の使用のために記憶するために設けられる。

第２のＯＰシステム４２は第１ＯＰシステム４０と実質的に同様であるが、単一の電子回路のコントローラ４８に連結された２つのＯＰセンサ１２を備える。各ＯＰセンサ１２は、測定される生理的パラメータのより正確な決定を行うために電子回路のコントローラ４８が検出された信号を合成することができるように実質的に同様であってももよい。別の方法として、各ＯＰセンサ１２は、（例えば、指や首など）異なる生体組織タイプで使用するように構成することができる。電子回路のコントローラ４８は、特定の用途に使用されるＯＰセンサ１２を選択するように構成することができる。

第３のＯＰシステム４４は第２のＯＰシステム４２と実質的に同様であるが、前記クライアント装置４６はオプション機能として提供されるホストシステム５０への通信を有してスタンドアロンシステムとして構成される。従って、クライアント装置４６は、生理学的パラメータを選択するようにユーザをモニタすることを可能にするユーザインターフェース５２を備え、ユーザに決定した生理的パラメータを通信するためのディスプレイを含む。クライアント装置４６は、将来使用するために決定された生理学的パラメータを記憶するためのデータ管理システムを含んでいてもよい。

図４Ａ及び４Ｂは、上述された、第１のＯＰシステム４０及び第３のＯＰシステム４４のより詳細な概略図である。各場合において、ＯＰセンサ１２は、図２に配置されるように、複数の光源２８と、１つ以上の光センサ（例えば、光検出器３０）と、温度センサと、モーションセンサ（動きセンサ）３６を備える。加えて、電子回路のコントローラ４８は、光源ドライバ５４、アンプ５６、デジタル変換器５８、データ記憶部６０、マイクロコントローラ６２、（上述の）信号処理分析器６４、通信システム６６とアンテナ６８の類似物を含む。ホストシステム５０は（これは、図４Ｂにはオプションである）上述したようにユーザの制御７０、データ記憶装置７２とディスプレイ７４の形式でのユーザインターフェース７０を備える。図４ＢのスタンドアロンＯＰシステム４４はまた、前述したユーザインターフェース５２を含む。説明したように作動させるＯＰシステムを生成するために、これらの構成要素を構成する方法は当業者によって理解されるであろう。

特定の実施形態では、ＯＰセンサ１２が（例えば、多重化を介して）独立した信号は、光検出器３０の出力にそれぞれ個別の光源２８（又は、光源２８の各列）の排他的な寄与から得られるように構成されていてもよい。また、コントローラ４８は、信号品質メトリックに基づき選択的に光源２８を活性化及び／又は非活性化するように構成することができる。例えば、コントローラ４８は、以下のように構成することができる。
（１）光検出器３０から出力までの各光源２８の寄与から独立した信号を得る。
（２）それぞれの独立した信号の信号品質の１つ以上の測定を実行する。
（３）各個々の光源２８の照明強度を変更して信号品質の測定を繰り返す。
（４）さらに、個々の光源２８の強度を変更する。
（５）その独立した信号の信号品質の上昇を受けて、信号品質の測定を繰り返す。
（６）個々の光源２８の強度の変更を逆転させる。
（７）その独立した信号の信号品質の低下を受けていると信号品質の測定を繰り返す。
（８）信号に対応する信号品質がピークに達したときに個々の光源２８の強度を修正する。
（９）独立した信号がしきい値以下であるときに選択的に光源２８を無効化する。
従って、コントローラ４８は、個々の光源２８からの信号強度を最適化するように構成されてもよい。これは、図６に関連して以下に説明する信号品質の評価と同様に処理する別の処理の前に、各光源が定常状態で動作していることを確実にするために初期化ステップとして実行することができる。

前述したように、複数の光源２８を使用することは、光検出器３０にモニタすべき生体組織を通過する光のための複数の利用可能な経路が存在することを保証できる。従って、光検出器３０からの出力がより正確で信頼性が高くなるように、信号品質メトリックを適用するためにノイズの多い又は低品質の信号を間隔又は除去するようにすることが可能である。このような技術を用いて、本発明の実施形態は、使用中に検出された信号の品質を最適化するように、自動的にモニタされる生体組織に対するセンサ特性を調整するために使用することができる（例えば、活性化される複数の光源又は波長及びその強度を変化させることにより）。従って、現在のセンサがモニタする組織タイプ（又はタイプ）の光生理学的モデルを適用して設計されるだけでなく、例えばユーザの年齢や皮膚に適用される汗やクリームの蓄積を考慮するために動的に使用中にその設定を調整することができる。

図５は、本発明の実施形態で使用することができる一般的なセンサ処理／制御ルーチンを示す。この場合において、複数の光源のチャンネル（１からＭまでラベル付けされる）は、光源数（１からＮまでラベル付けされる）の複数の光源を含チャンネルを備える。複数の光源は同じ波長の光を発生するように構成される。各チャンネルを構成する（及び同じ波長を有する）光源は光検出器から等距離に配置される。異なるチャンネルは、ＯＰＭの式２２に従って信号品質の計算に基づき光検出器に対して異なる距離に配置される。

図示されるように、第１のチャンネルは（例えば電子モジュール４８によって）個々の光源から得られる順次処理信号によって処理される。図６に関連して以下に説明するように、チャンネル内の各光源からの信号までが評価される。このプロセスは、次以降の各チャンネルを構成する各光源のために繰り返される。

各個別の光源からの信号の処理は図６に示され、信号品質値（ＳｉｇＱ）を０に初期化することを含む（例えばいわゆる０〜６のスケールを用いて、０は低品質の信号を示し、６は高品質の信号を表す）。次に、システムは、光源が有効になっているかどうかを確認する。そして、その場合において、光検出器によって捕捉信号のＡＣ振幅を測定する。信号が有効になっていない場合は、光源がオンにされ、信号品質値が３に設定される（少数の読み取り値が必要とされるように）。そしてシステムは、光源を再度有効にするかどうかを判断するためにチェックする。その場合において、タイマーは、例えば、使用することができる光検出器によって捕捉信号のＡＣ振幅を測定する前に、０．５秒又は１秒の遅延を導入する。このことは、光源が最初にスイッチオンされた後に安定した測定が使用されることを確実にするのを援助する。

ＡＣ振幅を測定するときに、光検出器の光強度から取られたＡＣ振幅の最後のｎ個の測定値は、呼び出され、そして、ＡＣ振幅が安定しているか否かを判断して決定する。ＡＣ振幅が安定している場合、光検出器によって捕捉信号のＤＣ振幅の前に測定される前に信号品質値が１だけインクリメントされる。ＡＣ振幅が安定していない場合（すなわち例えば、しきい値を超える変動性がある）ＤＣ振幅が測定される前に信号品質値がインクリメントされない。

前記のように、ＤＣ振幅を測定する場合、光検出器の光強度から採取したＤＣ振幅の最後のｎ個の測定値は呼び出され、そして、ＤＣ振幅が安定しているか否かを判断して決定する。ＤＣ振幅が安定している場合、光検出器によって捕捉された信号のピークが決定される前に信号品質値が１だけインクリメントされる。ＤＣ振幅が安定していない場合（すなわち例えば、しきい値を越える変動性がある）ピークが決定される前に信号品質値がインクリメントされない。

最後のｍ個の連続ピーク間の複数の時間間隔はその後呼び出されて測定され、時間間隔が所定の範囲内にあるか否かが判断して決定する。この範囲は測定される生理的パラメータに依存している。時間間隔が範囲内にある場合、光検出器によって捕捉された信号における谷の前に決定されて信号品質値が１だけインクリメントされる。時間間隔の範囲内にない場合、トラフが決定される前に信号品質値がインクリメントされない。

前記のように、最後のｍ個の連続した谷の間の複数の時間間隔はその後呼び出されて測定される。時間間隔が所定の範囲内にあるか否かが判断して決定する。この範囲は、測定される生理的パラメータに依存している。時間間隔の範囲内にある場合、ＡＣ／ＤＣ比が計算される前に信号品質値が１だけインクリメントされる。時間間隔の範囲内にない場合、ＡＣ／ＤＣ比が計算される前に信号品質値がインクリメントされない。

ＡＣ／ＤＣ比は、最後のｎ個の値にわたって安定している場合、組織タイプは、ＡＣ／ＤＣルックアップテーブルから決定される前に信号品質値が１だけインクリメントされる。ＡＣ／ＤＣ比が安定していない場合、組織タイプがクリアされる。両方の場合において、信号品質値は（例えば４又は５である）しきい値と比較される。信号品質値がしきい値よりも大きい場合、光源が有効（活性化）にされる。しかしながら、信号品質値がしきい値より大きくない場合、タイマーがリセットされ、光源が無効になる。

ＡＣ／ＤＣ比が効果的に生体組織を通って効果的な光路長の静的成分及び動的な成分の比を与えることができることは理解されるであろう。ルックアップテーブルは好ましくは、上述したような光生理学的モデルを使用して作成される。従って、正確に特定の組織タイプにＡＣ／ＤＣ比を関連付けるように用いることができる、波長及び経路長を考慮に入れることができる。

本発明の実施形態において、図６のプロセスは従って、各チャンネルの各個々の光源の信号品質を評価するために使用してすることができ、光源のそれぞれから生じる信号の静的成分及び動的成分に基づいて組織タイプを決定することができる。

（チャンネルあたりれる個々の光源とは対照的に）チャンネルを選択的に点灯するためのプロセスが、本発明の実施例で使用する図７に示される。この場合、チャンネル品質値ＣｈａｎＱは最初に０に設定される（初期化される）。各チャンネル内の個々の光源からの信号を決定するために順番に、（例えば、図６のプロセスに基づき）各光源に対して有効になっているか否かチェックされる。有効にされた各光源に対して、チャンネル品質値が１だけインクリメントされる。もし各チャンネルの総チャンネル品質値が所定のしきい値を超えた場合に、上記チャンネルが有効にされる。しかしながら、総チャンネル品質値がしきい値を超えない場合、そのチャンネルは無効になる。この方法では、最も有効光源を有するチャンネルは（例えば、所望の生理学的パラメータを決定するために）優先してさらなる測定に使用するために選択される。さらに、チャンネル品質の知識は、特定の生理学的パラメータの信頼性を決定するために使用され得る。

種々の改変が本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態になされ得ることが当業者によって理解される。例えば、一実施形態に関連して説明した特徴は混合してもよいし、１つ以上の他の実施形態に関連して説明した特徴と一致させてもよい。

Claims (18)

1. 光生理（ＯＰ）センサを組み立てる方法であって、
   前記方法は、
   モニタすべき少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的特性をモデル化することと、
   モデルの適用により、操作可能な光生理（ＯＰ）センサのための最適な光学設計を決定して少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的性質をモニタすることと、
   決定された光学設計に対してＯＰセンサを作成することとを含み、
   前記ＯＰセンサのための最適な光学設計は、
   各光源からモニタすべき生体組織タイプを介して光検出器への光のモデル化された光路長に基づいて、前記光検出器からの複数の光源のそれぞれの最適な間隔を決定することと、
   前記光検出器から異なる距離で異なる波長の光源を配置することとを含む光生理（ＯＰ）センサの組み立て方法。
2. 前記ＯＰセンサのための最適な光学設計は、同一の波長又は波長帯の光を生成するように構成された複数の光源を使用することを含み、
   前記センサは、前記光検出器で捕捉された放射線の品質に基づき、光生理学的測定において使用するための１つ以上の前記複数の光源を選択するように構成される請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの生体組織タイプは、組織部位、組織の色、組織厚み、組織年齢及び組織状態のうちの１つ以上を含み、
   前記少なくとも１つの生体組織タイプの光生理学的特性は、吸収係数、散乱係数、屈折率及び光学密度のうちの１つ以上を含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記モデルは微小光パワーｄＰを含むことを定義することと、
   前記微小光パワーｄＰは式１０に従って生体組織タイプの表面上の点（ｘ，ｙ）を透過し、
   

   

   ここで、Ｉ_０（λ，ｘ，ｙ）は全光線を表し、前記全光線は、生体組織タイプの全面に入射し、指数関数的減衰の対象となり、前記指数関数的減衰は生体組織タイプの光学密度ρ（λ）の関数であり、
   光源−検出器の間隔は次式のように、生体組織タイプの表面上における、光源の点（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）と、任意の検出器の点（ｘ，ｙ）で定義され、
   

   

   ｘ₋からｘ_＋までの範囲のベクトルｘと、ｙ₋からｙ_＋までの範囲のベクトルｙとによって定義された生体組織タイプの表面上に有限の矩形領域の検出のために、前記検出器によって受信される光パワーは式１１の通りである、
   

   

   請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の方法。
5. 前記モデルは式１３のように、正規化された生理的パルス関数ψ（ｔ）と、吸収、散乱及び拍動係数μ_ａｉ（λ），μ_ｓｉ（λ），μ_ｐｉ（λ）とをそれぞれ用いて、その動的光学密度ρ（λ，ｌ’，ｔ）に関して動的でかつ多層生体組織タイプの光学応答を定義することを含み、層番号ｉは１からＮまでの範囲である、
   

   

   請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の方法。
6. 前記モデルは式１４〜１６に従って、式１３の静的成分
   

   

   と、動的成分
   

   

   の分離を含む、
   

   

   請求項５に記載の方法。
7. 前記モデルは式１７、１９及び２１に従って、ベクトルｘとベクトルｙで定義される矩形の検出器のための透過された光パワーの静的成分
   

   

   及び動的成分
   

   

   を定義するための式１０及び１１の積分の加算ルールを用いることを含む、
   

   

   請求項６に記載の方法。
8. 前記モデルは式２３に従って、波長λにおける光源に対して最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）を定義することを含む、
   

   

   請求項７に記載の方法。
9. 前記モデルは式２４に従って、最適な光源−検出器の間隔ｌ’（λ）は、前記光源の位置（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）を中心とする円として表現され、もしくは逆に前記検出器の位置（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）を中心とする円として表現されるように、モニタすべき生体組織タイプの円筒対称性と光均一性を仮定することを含む、
   

   

   請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の方法。
10. 請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の方法により組み立てられた光生理（ＯＰ）センサ。
11. 複数の光源と、
    前記光源からの光がモニタすべき生体組織タイプを介して伝送した後、１つ以上の光源から放射される放射線を捕捉するように構成された少なくとも１つの光検出器とを備えた光生理（ＯＰ）センサであって、
    前記複数の光源はそれぞれ、モニタすべき生体組織タイプの光生理学的特性のモデルによって決定される位置の光検出器に対して相対的に配置され、
    前記光検出器からの各光源の最適な間隔は、各光源からモニタすべき生体組織タイプを介して前記光検出器まで伝送する光に対してモデル化された複数の光路長に基づき、
    異なる複数の波長の複数の光源は前記光検出器から異なる複数の距離に配置される光生理（ＯＰ）センサ。
12. 複数の光源は同一の波長又は同一の波長帯の光を発生するように構成され、
    前記センサは捕捉された放射線の品質に基づて光生理学的測定において使用するための１つ以上の前記複数の光源を選択するように動作可能である、
    請求項１１に記載のＯＰセンサ。
13. 前記各光源は、前記光検出器を中心とする円の円周上に配置され、
    前記各円の半径はそれぞれの光源の波長の関数である、
    請求項１１に記載のＯＰセンサ。
14. 前記ＯＰセンサはさらに、前記光検出器からの測定信号に基づいて、前記複数の光源を活性化及び非活性化するように動作可能なコントローラを備える、
    請求項１１〜１３のうちのいずれか１つに記載のＯＰセンサ。
15. 請求項１０〜１４のうちのいずれか１つに記載の光生理（ＯＰ）センサと、
    前記光検出器によって測定された信号を分析して前記光検出器からの少なくとも１つの生理的パラメータを決定する分析器とを備える、
    光生理（ＯＰ）システム。
16. 添付図面を参照してここで実質的に記載される、光生理（ＯＰ）センサを組み立てる方法。
17. 添付図面を参照してここで実質的に記載される、光生理（ＯＰ）センサ。
18. 添付図面を参照してここで実質的に記載される、光生理（ＯＰ）システム。

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