JP2017536904A - 改善された生理学的監視のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

被験者を監視するためのシステムおよび方法が提示される。このシステムは、磁場を生成するための少なくとも１つの磁気源と、磁場内に配置された磁気センサのアレイとを含む検出装置を含む。センサアレイは、１つ以上の磁性粒子を含む流体を運ぶ管に沿った複数の位置において複数の磁場測定値を取得する。さらに、システムは、検出装置に通信可能に結合した処理サブシステムを含み、処理サブシステムは、磁化−緩和、磁場の割り出された勾配に向かう磁性粒子のバルク運動、静磁気学、および運動量の保存の原理にもとづいて変動磁場における流体の挙動を定義する結合モデルにもとづき、磁性粒子の磁化−緩和によって引き起こされる測定値の変化を割り出す。処理サブシステムは、割り出された変化にもとづいて１つ以上の所望のパラメータの値を推定する。【選択図】図１

Description

本明細書の実施形態は、広くには、生理学的監視に関し、より詳細には、磁気センサのアレイを用いた生理学的パラメータのよりよい推定のためのシステムおよび方法に関する。

生体信号および／または血流特性などの患者の生理学的パラメータの継続的な監視は、生理学的異常の早期検出を可能にし、したがって人命を救う介入のためのタイムリーな警報をもたらす。とくに、外傷、手術、および集中治療室の状況におけるマルチパラメータモニタの日常的な使用は、近年の医療結果を大幅に改善している。例えば、酸素飽和度（ＳｐＯ２）、心拍出量、および／または血圧を監視して、動脈低酸素血症、血液量減少、および／または内出血などの生命を脅かす医学的状態の検出を助けるために、パルス酸素濃度計、超音波流量計、および圧力カフセンサが、日常的に使用されている。しかしながら、このような従来からの生理学的監視装置は、病院外で日常的に使用するためには、多くの場合に大きすぎ、かつ／または法外に高価である。

したがって、患者の生理学的パラメータの非侵襲的な監視を可能にするために、特定の可搬の電気式、機械式、および光学式の監視装置が開発されている。これらの装置のいくつかは、例えば、患者に動作可能に結合させることができる胸部ストライプ（ｃｈｅｓｔ ｓｔｒｉｐｅ）、ソックスアタッチメント（ｓｏｃｋｓ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）、腕時計、または指アタッチメント（ｆｉｎｇｅｒ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）にて実現され得る。しかしながら、これらの可搬の装置の使用は、皮膚への直接の接触、複雑な処理、不充分な監視能力、かなりの電力消費、および／または訓練されたオペレータの必要性を伴う。さらに、従来からの装置を使用して行われる測定は、患者の運動および／または周囲の振動によって引き起こされる運動アーチファクトの影響を非常に受けやすい。

特定の他の従来からの監視方法は、心拍数、血流、および圧力の監視に用いられる血液変調磁気シグネチャ（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｌｏｏｄ）（ＭＭＳＢ）を検出するための小型かつ低電力の磁気センサの使用を提案している。これらの従来からの方法においては、磁気センサが、近傍に配置された永久磁石によって生成される均一な磁場を継続的に測定するために、患者の人差し指などの対象領域の付近に配置される。次いで、磁場測定値を使用し、経験的モデルにもとづいて、患者に対応する流速および動脈膨張などの特定の生理学的パラメータを割り出すことができる。

このような経験的モデルは、磁場の測定値を特定の生理学的パラメータに相関付けようと試みているが、経験的モデルは、血液の磁化緩和などの特定の磁気特性を考慮していない。さらに、経験的モデルは、血流、幾何学的形状、および血液と生成された磁場との間の磁気相互作用の正確な表現を、提供することができない。これらの従来からのモデルは、磁場の測定値に対する血液の特定の磁気特性の影響を無視しているため、このような従来からの監視方法を用いて割り出された生理学的パラメータの値は、不正確である可能性があり、したがって臨床用途には不適当かもしれない。

米国特許出願公開第２０１０／０６６３６３号明細書

本明細書のいくつかの態様によれば、被験者を監視するためのシステム、方法、および方法を実行すべく１つ以上のプロセッサによって実行されることができる命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体が提示される。このシステムは、磁場を生成するための少なくとも１つの磁気源と、磁場内に配置された磁気センサのアレイとを含む検出装置を含む。磁気センサのアレイは、１つ以上の磁性粒子を有する流体を含む管に沿った複数の位置において磁場に対応する複数の測定値を取得する。さらに、システムは、検出装置に通信可能に結合した処理サブシステムを含む。処理サブシステムは、磁化−緩和、割り出された磁場勾配に向かう流体内の磁性粒子のバルク運動、静磁気学、および運動量の保存の原理にもとづいて変動磁場における流体の挙動を定義する結合モデルにもとづき、流体内の磁性粒子の磁化−緩和によって引き起こされる測定値の変化を割り出す。続いて、処理サブシステムは、割り出された変化にもとづいて１つ以上の所望のパラメータの値を推定する。

本開示のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されると考えられ、添付の図面において、類似の文字は、図面の全体を通して類似の部分を表している。

本明細書のいくつかの態様による典型的な監視システムを示すブロック図である。 図１の監視システムで使用するための種々の磁気源の典型的な向きの概略図である。 図１の監視システムで使用される磁気センサの典型的な向きの概略図である。 図１の監視システムで使用するための磁気センサの典型的なアレイの概略図である。 図１の監視システムで使用するための磁気センサの別の典型的なアレイの概略図である。 図１の監視システムで使用するための流れ、磁化、および磁気検出の間の関係を定義する結合モデルの図式的表現である。 血流に影響する現象の選択されたサブセットに焦点を当てた結合モデルの典型的な実施例の図式的表現である。 血流が存在する場合および存在しない場合における磁場測定値に対応する実験結果のグラフ表示である。 本明細書のいくつかの態様による生理学的パラメータを監視するための典型的な方法を示すフロー図である。

以下の説明は、患者の生理学的パラメータのよりよい監視のためのシステムおよび方法を提示する。とくに、本明細書に例示される特定の実施形態は、使いやすく、非侵襲的であり、設置面積が小さく、軽量であり、耐久性に富み、低電力である監視システムおよび方法を説明する。監視システムおよび方法の実施形態は、患者の生理学的パラメータを改善された精度で監視するために、変動磁場および磁気センサのアレイを使用する。具体的には、本明細書に記載の実施形態は、病院、診療所、自宅、および／または通院の状況において、リアルタイムで、患者の病状を追跡し、さらには／あるいは投薬、運動、および生活様式の変更の患者への影響の継続的な評価を提供するために適した装用可能な患者モニタを提示する。

さらに、本システムおよび方法の実施形態は、流体の流れと、磁化と、磁気検出との間の関係を正確に定義する三次元（３Ｄ）結合数学モデルも提供する。正確に定義された関係により、取得された磁気応答信号を１つ以上の病理学的状態に効率的に相関付けることが可能となり、より多くの情報にもとづいた臨床診断および／または効率的な治療計画が可能となる。

分かりやすくするために、本システムおよび方法の実施形態を、結合モデルを用いる取得された磁気応答信号の正確な評価にもとづく血流、血圧、および血中酸素（ＳｐＯ２）レベルなどの生理学的パラメータの正確な割り出しに関して説明する。しかしながら、本システムおよび方法の特定の実施形態は、非破壊試験の用途など、他の医療および／または非医療の用途においても使用することができる。例えば、本方法およびシステムの特定の実施形態は、油およびガスパイプラインの亀裂の検出ならびに軸受の摩耗の検出に使用するための他の磁性流体のモデル化に使用することができる。本システムの種々の実施例の実施に適した典型的な環境が、図１を参照して以下のセクションで説明される。

図１は、患者などの被験者のリアルタイムでの監視に用いられる典型的な監視システム１００を示す。分かりやすくするために、システム１００は、患者に対応する心拍数、血流、および／または動脈血圧などの生理学的パラメータの非侵襲的な監視に関して説明される。しかしながら、血中酸素、拍出量、動脈硬化、動脈膨張、およびヘモグロビン量などの他の生理学的パラメータも、システム１００を使用して同様に割り出すことができる。さらに、特定の実施形態においては、システム１００を、例えば血中酸素および／または他の血流の異常の判断を可能にするために、血中酸素モニタ、ドップラ超音波システム、および／または光学式の心拍モニタなどの他の監視システムに通信可能に組み合わせることができる。あるいは、すでに述べたように、システム１００のいくつかの実施形態は、医療監視以外の用途において流れの特性を割り出すために使用することもできる。

現時点において考えられる実施形態においては、システム１００を、少なくとも被験者の１つ以上の対象領域の体表動脈における血流速度または流量を表す血流の近傍の磁場の測定にもとづいて、患者の生理学的パラメータを割り出すように構成することができる。とくに、システム１００は、結合数学モデルにもとづいて磁場の測定値から正確な血流特性を割り出すことができる。本明細書の特定の態様によれば、結合モデルは、血流と、磁化と、磁場の測定値と間の１つ以上の関係を正確に定義するように計算され、監視システム１００のより効率的な設計、その配置、および測定された磁気応答信号の評価を可能にする。さらに、一実施形態において、結合モデルの使用は、測定された磁気応答信号の１つ以上の異なる特性を識別し、１つ以上の生理学的パラメータと相関させ、患者の病理学的状態の識別を助けることができる。

この目的のために、特定の実施形態において、システム１００は、患者の病理学的状態に対応する１つ以上の臨床的に有用な指標を割り出すために、患者の対象領域に接触または近接して配置される検出装置１０２を含む。対象領域は、例えば、患者の指、手首、足首、および／または頭部領域に対応し得る。一般に、対象領域は、鉄担持化合物などの１つ以上の磁性粒子を有する血液を患者の身体の種々の部分へと運ぶ血管１０４を含むことができる。一実施形態においては、外部磁場１０６の影響下での血管１０４を流れる血液の挙動の識別が、臨床的に有用な指標の割り出しを助けることができる。

したがって、特定の実施形態において、検出装置１０２は、血管１０４の近傍に所望の大きさおよび／または方向を有する磁場１０６を生成するように構成された少なくとも１つの磁気源１０８を含む。この目的のために、磁気源１０８は、例えば、永久磁石、電磁石、および／またはワイヤのコイルを含む。さらに、検出装置１０２は、血管１０４を通る拍動血流に起因する磁場１０６の変化の測定に使用するために、基板１１２上に配置された磁気センサのアレイ１１０（「磁気センサアレイ１１０」）を含む。

とくに、特定の実施形態においては、検出装置１０２を、磁気センサアレイ１１０によって測定される磁場１０６の変化を表す出力電圧信号を生成するように構成することができる。しかしながら、出力信号は、外部磁場、周囲振動、ならびに／あるいは手首および／またはつま先の動きなどの患者の運動によって、歪むことがある。したがって、特定の実施形態において、検出装置１０２は、磁気源１０８によって生成された磁場１０６を変調するように構成された送信コイルなどの磁場変調器１１４をさらに含むことができる。とくには、一実施形態において、変調器１１４は、生成される磁場１０６が時間ドメインおよび／または空間ドメインにおいて変化するように、磁気源１０８を変調する。変動磁場１０６の使用は、磁気センサアレイ１１０から受信される応答信号を変動磁場１０６と照合することにより、磁気センサアレイ１１０によって割り出される測定値のノイズの低減および／または信号対雑音比（ＳＮＲ）の改善を助ける。変動磁場１０６の使用によって達成されるノイズの低減は、運動アーチファクトを軽減し、したがって患者の生理学的パラメータを監視するためのロバストなシステムを提供する。

とくに、特定の実施形態においては、磁気センサアレイ１１０を用いた複数の場所での磁場１０６の同時測定が、血中酸素および拍出量などの複雑な生理学的パラメータさえも割り出すために凝集的（ｃｏｈｅｓｉｖｅｌｙ）に使用することができる情報をもたらすことができる。一実施形態においては、同時測定を、磁気センサアレイ１１０において磁気源１０８から種々の距離に配置された１つ以上の磁気センサ１１６、１１８、および１２０によって得ることができる。磁気センサ１１６、１１８、および１２０は、例えば、１つ以上の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、半導体磁気抵抗（ＳＭＲ）センサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、トンネル磁気抵抗（ＳＭＲ）センサ、および／または任意の他の適切な磁気センサを含むことができる。

特定の実施形態においては、検出装置１０２は、正確な磁場測定値の割り出しに適した磁気源１０８ならびに磁気センサ１１６、１１８、および１２０のさまざまな構成を採用することができる。とくには、一実施形態において、検出装置１０２は、種々の空間位置における磁場測定値に対する種々の構成および拍動血流の影響の割り出しにおいて助けとなる磁気源１０８および磁気センサ１１６の種々の構成を含むことができる。検出装置１０２において用いるための磁気源１０８ならびに磁気センサ１１６、１１８、および１２０の特定の典型的な実施形態が、図２および図３に示されている。

とくに、図２は、図１のシステム１００において使用される種々の磁気源の特定の典型的な形状、サイズ、および／または向きを示している。一実施形態においては、磁気源は、約１０ミリメートル（ｍｍ）×約５ｍｍのサイズを有する矩形の磁石２０２に対応することができる。さらに、磁石２０２を、磁石２０２のそれぞれの極が磁石２０２の上面および下面に位置するように、対象の血管の長手軸に対して水平方向に配置することができる。別の実施形態において、磁気源は、種々のサイズを有する１つ以上の矩形の磁石２０４および２０６を含むことができる。例えば、磁石２０４および２０６を、血管の長手軸に対して垂直方向および／または所望の角度に配置することができる。あるいは、磁気源は、患者の血管の近傍に変動磁場を生成するように構成された円形の磁気源２０８を含むことができる。特定のさらなる実施形態において、システム１００は、交互のＮ極およびＳ極を有する磁気源２１０を含む。交互の磁極は、磁気源２１０が大きな磁場勾配を生み出すことを可能にする。したがって、一実施形態においては、磁気源２１０に近接して配置された複数のＳＭＲセンサ２１２を、大きな磁場勾配によって引き起こされる血液の最大の減磁（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）に対応する位置を検出するように構成することができる。

図２は、磁気源のいくつかの形状、サイズ、および／または向きしか示していないが、図示された磁気源の種々の組み合わせならびに／あるいは磁気源の他の適切な形状およびサイズを、所望の大きさ、方向、および／または周波数を有する変動磁場１０６を生成するためにシステム１００において使用することができる。

さらに、図３は、図１のシステム１００において使用される種々の磁気センサの特定の典型的な種類、サイズ、および／または向きを示している。例えば、磁気センサは、血管内の血流の方向と平行に配置され得るＧＭＲセンサ３０２を含むことができる。あるいは、磁気センサは、血流の方向に対して垂直に配置されたＧＭＲセンサ３０４を含むことができる。さらに、特定の実施形態において、磁気センサは、血流の方向に対して平行またはある角度に配置されたＡＭＲセンサ３０６および／またはＳＭＲセンサ３０８を含むことができる。特定の実施形態において、磁気センサ３０２、３０４、３０６、および３０８は、例えば、電力の供給を受け取り、さらには／あるいは対応する出力信号の測定を可能にするための１つ以上の入力および／または出力リード線を含むことができる。

図３は、磁気センサの少数の構成だけを示しているが、他の特定の実施形態は、磁気センサのさらなる種類、サイズ、および／または向きを採用してもよい。例えば、一実施形態において、磁気センサは、約１ｍｍ×１ｍｍのサイズを有し、外部電源を使用せずに動作するように構成された複数のＳＭＲセンサ３１０を含むことができる。ＳＭＲセンサの使用は、磁場による血液の磁化および／または減磁の程度を示すより大きな出力信号を提供し得る。さらに、ＳＭＲセンサの使用は、他の磁気抵抗センサと比較して、より低いノイズフロアでの磁場測定値の割り出しに役立つことができる。具体的には、ＳＭＲセンサは、従来入手可能なＧＭＲセンサよりも４桁高い磁場および１０桁優れた感度を提供することができる。したがって、特定の実施形態においては、ＳＭＲセンサを、交互の磁極を有する永久磁石のアレイの上または付近に配置することにより、拍動血流によって生じる磁場歪みを低減する鋭い磁場勾配を生成することができる。磁場歪みの低減は、１つ以上の生理学的パラメータの値に正確に相関付けることができる正確な磁場測定を可能にする。

したがって、種々の磁気センサの使用は、各々のセンサ−磁石ペアを横切る際のパルスの流速および進行の測定において助けとなる小型モニタ（例えば、直径約１インチ）を製造することを可能にする。したがって、一実施形態においては、各々の磁気センサを横切るパルス間の割り出された時間遅延および磁気センサ間の距離にもとづいて、流れおよびパルス波の速度（どちらもメートル／秒で測定される）を正確に計算することができる。

再び図１を参照すると、種々のサイズ、形状、向き、および／または感度を有する磁気源１０８ならびに磁気センサ１１６、１１８、および１２０を、１つ以上の磁場特性の最適な測定を可能にするために、基板１１２上に所望のパターンで配置することができる。具体的には、磁気源１０８と磁気センサ１１６、１１８、および１２０との間の距離を、最適な磁場測定を可能にするために磁場１０６の強度にもとづいて選択的に構成することができる。例えば、約１０００ガウスの強度を有する磁場１０６内で検出装置１０２を動作させる場合、磁気センサ１１６、１１８、および１２０を、基板１１２上で磁気源１０８から約５〜１０ミリメートル（ｍｍ）の距離に配置することができる。磁気センサ１１６、１１８、および１２０、ならびに磁気源１０８の他の適切な構成を、対象領域を横切って流れる血液の拍動流および他の磁気特性に起因する磁場１０６の変化を検出装置１０２によって測定することができるように、磁場１０６の種々の特性に合わせて割り出すことができる。

さらに、一実施形態においては、検出装置１０２を、非侵襲および／または非接触の磁場測定値を取得するために、例えば対象領域から約２〜１５ｍｍの距離など、対象領域の近くに配置することができる。しかしながら、代案の実施形態においては、検出装置１０２を、血管１０４に沿った複数の位置において拍動血流によって変調された磁場１０６を測定するために、患者の四肢ならびに／あるいは心臓および胸部の領域などの対象領域に接触させて配置することができる。特定の実施形態においては、検出装置１０２の非接触または接触の構成を、磁気センサ１１６、１１８、および１２０によって種々の相対位置において変動磁場１０６をより効率的に測定できるように選択することができる。検出装置１０２の非接触または接触配置の選択は、磁気センサアレイ１１０に含まれる磁気源１０８ならびに／あるいは１つ以上の磁気センサ１１６、１１８、および１２０の感度、種類、サイズ、相対位置、および／または向きにもとづいてもよい。

図４は、例えば、患者の手首の付近に配置された磁気センサアレイ４０２を含む典型的な検出装置４００を示している。具体的には、図４に示す実施形態において、磁気センサアレイ４０２は、例えば約５ｍｍの互いの距離で基板上に配置された磁気源４０４および磁気センサ４０６の１つ以上のペアを含む。さらに、磁気源４０４および磁気センサ４０６は、患者に対応する橈骨および／または尺骨動脈に沿った複数の空間位置に直線的に配置される。直線的に配置された磁気源４０４および磁気センサ４０６は、患者の手に沿った複数の空間位置における磁場特性の測定を可能にする。複数の位置での磁場測定は、運動アーチファクトの軽減を可能にし、したがって所望の血流パラメータをより正確に割り出すうえで役に立つより大きな磁気応答信号の取得を可能にする。例えば、複数の位置において得られた磁場測定値は、患者に対応する血圧、流量、および／または対応する異常を割り出すうえで助けとなることができる。

さらに、図５は、患者の複数の対象領域またはその近くに配置された磁気センサアレイ５０２を含む別の典型的な検出装置５００を示している。具体的には、磁気センサアレイ５０２は、患者の手首、足首、肘窩、額、および／または頸部の付近などの複数の対象領域に配置することができる複数の磁気センサを含むことができる。同じ選択された時間期間（例えば、約１秒）における複数の対象領域での同時の磁場測定は、異常な流れの特性などの複雑な生理学的パラメータをより正確に割り出すために凝集的に使用することができる追加の情報を提供する。次いで、同時の磁場測定から割り出された生理学的パラメータを、リアルタイムで末梢動脈疾患などの１つ以上の病理学的状態に相関付けることができる。

一例として、手首および額領域における同時の磁場測定は、頸動脈および／または大脳動脈における血流量の異常な減少を割り出し、頸動脈および／または大脳動脈のアテローム性動脈硬化症の存在を知らせるうえで役立つことができる。別の例では、手首および足首領域における同時の測定は、手首および足首領域の間の血流の差を割り出すことにより、末梢動脈疾患の存在を知らせるうえで役立つことができる。このように、異なる対象領域における同時の磁場測定は、医師が複雑な健康状態を非侵襲的に診断し、かつ／またはタイムリーなやり方で患者に適切な治療を処方することを可能にできる。

再び図１を参照すると、検出装置１０２を、基板１１２を介して種々の対象領域に適切に配置されるように構成することができる。この目的のために、一実施形態において、基板１１２は、所望の磁場測定値を得るべく検出装置１０２を対象領域上または対象領域の近くに配置することができるように、適切なサイズおよび形状のポリアミドなどの可撓および／または従順（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ）な材料を含むことができる。しかしながら、代案の実施形態においては、基板１１２は、最適な磁場測定のために磁気センサ１１６、１１８、および１２０を磁場１０６および血管１０４に対して適切に配置することを可能にする堅固な材料ならびに／あるいは堅固な材料と可撓な材料との組み合わせを含むことができる。

さらに、特定の実施形態において、基板１１２は、磁気センサ１１６、１１８、および１２０をシステム１００の１つ以上の他の構成要素に動作可能に結合させるように構成された１つ以上の相互接続１２２および１２４を含むことができる。例えば、一実施形態において、相互接続１２２および１２４は、動作のための外部の電源の受け取りおよび／または応答信号の出力のそれぞれのために、ＧＭＲセンサ１１６を電源１２６へと動作可能に結合させることができる。あるいは、基板１１２は、例えば外部電源を必要としないＳＭＲセンサ１１８を他のシステム構成要素とやり取りさせるための追加の回路を含むことができる。特定の他の実施形態において、基板１１２は、変動磁場１０６を検出して測定するためにＡＭＲセンサ１２０を設定するための追加の初期化回路（図示せず）をさらに含むことができる。

本明細書の特定の態様によれば、磁気センサ１１６、１１８、および１２０を、磁場１０６の微小な変化を検出し、検出された変化を比例出力電圧信号に変換するように構成することができる。したがって、一実施形態において、磁気センサ１１６、１１８、および１２０は、シリコン基板上に堆積させられ、抵抗ストリップ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｔｒｉｐ）を形成するようにパターン加工されたパーマロイ（ニッケル−鉄）などの磁気抵抗材料の薄膜を含むことができる。このような複数の抵抗器を、例えば、既知の磁場にさらされたときに予測可能な出力電圧をもたらすように、ハーフまたはフルのホイートストンブリッジ構成に接続することができる。一般に、磁気センサ１１６、１１８、および１２０への外部磁場の印加は、対応する磁化ベクトルの再配向を生じさせ、対応する電気抵抗の変化をもたらす。次いで、電気抵抗の変化は、対応する磁気センサ１１６、１１８、および１２０によって検出された磁場１０６の微小な変化に相関付けることができる出力電圧の発生を引き起こす。

したがって、一実施形態においては、磁気センサ１１６、１１８、および１２０を、血管１０４を通る拍動血流によって引き起こされる変動磁場１０６の微小な変化を検出するように構成することができる。とくに、磁場１０６の微小な変化は、例えば磁気センサ１１６に対応する相互接続１２２をまたいで、割り出された電位の印加を生じさせる可能性がある。次いで、印加された電位は、磁気センサ１１６の対応する抵抗の変化を引き起こし、これは、相互接続１２４をまたいで測定され得る出力電圧信号に線形に変換され得る。特定の実施形態においては、システム１００を、例えば患者に対応する１つ以上の病理学的状態の検出において使用するために、測定された出力信号を使用して磁場の変化を定量化するように構成することができる。

とくに、一実施形態においては、システム１００を、磁気センサ１１６、１１８、および１２０によって得られた測定にもとづいて生理学的パラメータを正確に割り出すために結合モデルを使用するように構成することができる。しかしながら、システム１００は、局所的、一定、かつ一方向の磁場を使用する従来からの磁気検出装置と異なり、磁気センサ１１６、１１８、および１２０から受信した磁気応答信号にもとづいて生理学的パラメータを割り出すために変動磁場１０６を使用するように構成される。変動磁場１０６は、血液が磁気源１０８および磁気センサアレイ１１０の下方を流れるとき、血液の短時間の磁化および減磁を引き起こす。血管１０４を通る血液の減磁および拍動流は、磁場１０６に微小であるが依然として識別可能である歪みを生じさせ、したがって患者の１つ以上の病理学的状態に相関付けることができる比例磁気応答信号を生じさせる。

具体的には、特定の実施形態において、システム１００は、磁気応答信号のうちの拍動血流に対応する成分と、磁気源１０８から遠ざかるように流れる血液の磁化緩和に対応する成分とを区別するために、結合モデルを使用して磁気応答信号を処理することができる。

この目的のために、一実施形態において、システム１００は、磁気応答信号を処理して臨床的に有用な情報を割り出すように構成された処理サブシステム１２８を含む。したがって、処理サブシステム１２８は、例えば、１つ以上の汎用または特定用途向けのプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、および／またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ならびに／あるいは他の適切な処理装置を含むことができる。

さらに、一実施形態においては、処理サブシステム１２８を、血管１０４に沿った種々の空間位置において測定された出力信号を増幅および／またはデジタル化するように構成することができる。具体的には、特定の実施形態において、処理サブシステム１２８は、磁気源１０８ならびに磁気センサ１１６、１１８、および１２０の種々の構成を使用して異なる空間位置において取得された典型的には低出力な信号を増幅およびデジタル化するように構成された増幅器１３０およびデジタイザ１３２をさらに含むことができる。さらに、処理サブシステム１２８を、有線および／または無線の結合手段１３３を介して検出装置１０２へと通信可能に結合させ、磁気応答信号を受信することができる。具体的には、検出装置１０２は、有線および／または無線インターフェースモジュール、送信器、受信器、エンコーダ、および／またはデコーダなど、有線および／または無線の結合手段１３３を介して処理サブシステム１２８と通信するための追加の電子回路（図示せず）を含むことができる。

特定の実施形態において、有線および／または無線の結合手段１３３は、例えば、１つ以上の電気ケーブル、磁気結合手段、および／または静電結合手段を含むことができる。さらに、有線および／または無線の結合手段１３３は、バックプレーンまたはデジタルバス、有線通信ネットワーク、および／または無線通信ネットワークなどのデジタル通信リンクも含むことができる。さらに、一実施形態において、有線および／または無線の結合手段１３３は、処理サブシステム１２８を、ピクチャアーカイブおよび通信システム（ＰＡＣＳ）、遠隔通信装置、および／またはデジタル化された磁気応答信号から臨床関連情報を割り出すための病院情報システム（ＨＩＳ）など、追加の装置（図示せず）へと通信可能に結合させることができる。

前述のように、処理サブシステム１２８を、結合モデルを使用してデジタル化された出力信号から生理学的パラメータの値などの臨床関連情報を割り出すように構成することができる。とくに、結合モデルの使用は、デジタル化された磁気応答信号に対応する有用成分およびノイズ成分の区別を助けることで、生理学的パラメータのより効率的な割り出しを可能にすることができる。生理学的パラメータを割り出すためにシステム１００によって使用される結合モデルの実施形態が、図６および図７を参照してより詳細に説明される。

さらに、一実施形態においては、処理サブシステム１２８を、割り出された生理学的パラメータの値および／またはデジタル化された磁気応答信号をストレージリポジトリ（ｓｔｏｒａｇｅ ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ）１３４に記憶するように構成することができる。この目的のために、ストレージリポジトリ１３４は、例えば、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、ディスクドライブ、ソリッドステートメモリデバイス、および／またはフラッシュメモリを含むことができる。さらに、ストレージリポジトリ１３４は、デジタル化された磁気応答信号から生理学的パラメータおよび対応する病理学的状態を割り出す際に使用するための結合モデルに対応する情報および／または実行可能命令を記憶することができる。特定の実施形態において、ストレージリポジトリ１３４は、診断の手順において使用するためのオペレータから受け取られるコマンドおよび入力を記憶することもできる。

したがって、一実施形態において、システム１００は、オペレータの入力およびコマンドを受け取るために、キーボード、タッチスクリーン、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）１３８、マイクロホン、マウス、ボタン、スイッチ、表示装置１４０、オーディオデバイス、および／またはビデオデバイスなどの１つ以上のユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス１３６を含むことができる。典型的な実施形態において、Ｉ／Ｏデバイス１３６は、オペレータが例えばローカルまたはリモート表示装置１４０上のＧＵＩ１３８を介して１つ以上の対象領域および／または撮像パラメータを選択できるように、有線および／または無線の結合手段１３３を介して処理サブシステム１２８に動作可能に結合する。さらに、処理サブシステム１２８を、リアルタイムでの検討、診断、分析、および／または患者の治療に使用するために、デジタル化された磁気応答信号から得られた臨床情報および／または割り出された生理学的パラメータの値を表示装置１４０に伝達するように構成することができる。

さらに、特定の実施形態においては、処理サブシステム１２８を、聴覚および／または視覚による警報メッセージをＩ／Ｏデバイス１３６へと警報サブシステム１４２を介して伝達するように構成することができる。具体的には、一実施形態において、処理サブシステム１２８は、警報サブシステム１４２を、血液の圧力または量などの１つ以上の生理学的パラメータの値が所望のしきい値の範囲外である場合に警報メッセージを伝達するように構成することができる。例えば、警報サブシステム１４２を、生理学的パラメータの値が臨床的に規定され、事前にプログラムされ、かつ／またはユーザによって定められたしきい値を外れる場合に、電子メール、ショートメッセージングサービス（ＳＭＳ）、および／またはポップアップによってＨＩＳまたは選択された携帯電話番号などの遠隔接続されたシステムへと警報メッセージを伝達するように構成することができる。

このように、システム１００の実施形態は、患者に対応する１つ以上の生理学的パラメータの継続的な監視に使用される低電力、カフレス（ｃｕｆｆ−ｌｅｓｓ）、非侵襲、かつ可搬の検出装置を提供する。とくに、磁気センサアレイ１１０の使用により、より高いＳＮＲをもたらし、浮遊磁場に対するロバスト性を向上させるより強力かつ冗長な出力信号の生成が可能になる。さらに、アレイ化されたセンサ設計は、複数の場所での同時の磁場測定を助け、複雑な生理学的パラメータを割り出すために凝集的に使用することができるより多くの情報をもたらす。例えば、情報を、初期の医学的に厳しい条件に適した血流、血圧、ヘモグロビン量、および血中酸素レベルなどの生理学的パラメータの継続的な監視に使用することができる。

さらに、システム１００の実施形態は、磁化および減磁の遅延を識別し、血液の量、酸素レベル、および流速の変化に相関付けることによって、生理学的パラメータのより正確な推定をもたらすために、結合モデルを使用する。流体の流れ、磁化、および磁気検出の間の関係を規定する結合モデルの特定の実施形態を、図６を参照してより詳細に説明する。

図６が、図１の監視システムにおいて使用される結合モデルの概略図６００を示している。分かりやすくするために、図６の１つ以上の態様が、図１に示した監視システム１００の構成要素を参照して、以下の説明において説明される。

前述したように、従来からの非侵襲の血流監視システムは、磁場測定値を特定の生理学的パラメータに相関付けることを試みる経験的モデルを使用する。しかしながら、経験的モデルは、変動する血液成分および変動する血流に起因する磁場の乱れの変化を考慮していない。さらに、経験的モデルは、患者の動き、周囲の振動、ならびに／あるいは近傍の金属および／または電子機器の存在に起因する磁気妨害によって容易に損なわれる可能性がある血液の拍動に注目している。したがって、経験的モデルは、血液と生じる磁場との間の流れ、幾何学的形状、および磁気相互作用の写実的な表現を欠いている。

対照的に、本明細書の実施形態は、磁場１０６の影響下での血液の挙動を正確に表す結合モデルを使用する。とくに、結合モデルは、運動量の保存を表すナビエ・ストークス方程式、磁化緩和、および静磁気を表すマクスウェル方程式の実施形態にもとづいて、血液の挙動を表す。

一般に、赤血球中の鉄担持化合物の存在ゆえに、検出装置１０２の下方を流れる血液は、磁気源１０８によって生成された磁場１０６の影響下で磁化される。さらに、血液は、磁場１０６から流れ去るにつれて減磁する。磁場１０６の影響下でのこの拍動血流は、磁場１０６に磁気センサ１１６、１１８、および１２０によって測定することができる微小な歪みを引き起こす。とくに、磁気センサ１１６、１１８、および１２０は、測定された乱れを表す出力信号を生成し、これを１つ以上の生理学的パラメータに相関付けることができる。

しかしながら、測定された磁場１０６の乱れに対応する出力信号は、血液の拍動運動だけに依存するものではない可能性がある。とくには、出力信号の１つ以上の成分が、測定された磁場の乱れと生理学的パラメータとの間の関係をより正確に表すうえで助けとなり得る血液の磁化および／または減磁に対応する可能性がある。本明細書の特定の態様によれば、結合モデルが、血液の挙動を正確に表現することによって所望の生理的パラメータの正確な値の割り出しを可能にするために、運動量の保存および静磁気学に照らして血液の磁化および／または減磁ならびに磁気飽和の影響などの磁気パラメータの作用を記述する。

とくに、図６が、磁性粒子を含む流体と外部磁場との間の流れの相互作用を完全に表すロバストな強磁性流体力学（ｆｅｒｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）結合モデル（流れ磁化検出（ｆｌｏｗ−ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｎｇ））を示している。本明細書の特定の典型的な態様によれば、流体と磁場との間の相互作用を、流体がアイドル状態にあるときおよび流体が静磁場の磁場作用の下にあるときに生じることが本発明の発明者によって発見された２つの主要な現象によって表すことができる。２つの現象は、血液の磁化および減磁、ならびに磁場勾配に向かう流体内の磁性粒子のバルク運動を含む。

流体の磁化および減磁は、以下のように説明することができる。アイドル状態では、流体内の磁性粒子は、磁場作用の下で、自身の磁気モーメントを局所磁場の方向に整列させ、流体を特定の程度まで磁化させようとする。磁化された流体が磁場作用を離れると、流体は、静磁場と相互作用し、磁場の歪みを引き起こす。とくに、信号の乱れの範囲は、印加される磁場の強さおよび流体の磁気特性に依存して、強度が変化する。さらに、流体の磁化は、ひとたび磁場作用を離れると、有効緩和時間にてゼロへと減衰する。

さらに、磁場勾配へと向かう流体内の磁性粒子のバルク運動を、以下のように説明することができる。アイドル状態では、流体粒子は、最大磁場勾配点に向かって集まる。ひとたび流体が磁場作用を離れると、流体は、流体の分散に起因して不均一な濃度を示し、結果として、この濃度プロファイルの上方で測定される磁場に影響を及ぼす。とくに、流体粒子は、ひとたび磁場領域を離れると分散する。したがって、磁気センサは、バルク運動の現象を利用するために、磁気源に近接して配置される。

一般に、流体の磁化および減磁は、外部磁場の強度、および低磁場密度においてはマイクロ秒のオーダであり得る流体の減磁時間に大きく依存する。さらに、磁性粒子のバルク運動は、磁場の強度にかかわらず達成可能な強い磁場勾配の存在に依存する。本明細書の典型的な態様によれば、結合モデルは、両方の現象を考慮する。さらに、一実施形態において、結合モデルは、単一の磁石を使用して基本結合モデルを構築することによって、磁気センサの信号強度および感度にもとづく各々の磁気応答信号の取得の実現可能性を定める。さらに、各々の現象の信号強度が割り出される。さらに、磁場強度および磁場勾配の信号強度への影響が、感度研究にもとづいて定められる。続いて、磁石設計（量、形状、整列、など）を、信号強度を最大にし、生理学的パラメータをより高い精度で割り出すためにモデル化された信号を取得するように調節することができる。

図７は、血流に影響を及ぼす現象の選択されたサブセットに焦点を当てた結合モデルの典型的な実施例の図式的な表現７００を示している。とくに、結合モデルにおいて、線および角運動量の保存を、強磁性流体力学を支配する流体力学方程式を用いて表すことができる。したがって、例えば、血液（または、任意の他の磁性流体）の線および角運動量の保存を、式（１）および式（２）を用いて表すことができる。

ここで、ｖは血液の流速（メートル／秒）に対応し、ωは回転速度（１／秒）に対応し、ｐは圧力（ニュートン／メートル²）に対応し、ρは流体密度（キログラム／メートル²）に対応し、ηは動粘度（Ｎｓ／ｍ２）に相当し、Ｉは流体慣性モーメント密度［ｋｇ／ｍ］に相当し、ζは渦粘度［Ｎｓ／ｍ２］に対応し、γは回転粘度のせん断係数［Ｎｓ］に対応し、Ｆ［Ｎ］およびＴ［Ｎｍ］は、血液に作用する単位体積当たりの物体力およびトルク（この文脈においては、磁力およびトルク）に対応する。

さらに、血液の磁化を、外部磁場の存在下で局所磁場の方向に沿って血液中の磁性粒子の磁気モーメント（ｍ）を整列させるものとして定義することができる。しかしながら、このような整列は、ブラウン緩和（τΒ）およびＮｅｅｌ機構ゆえに妨げられ得る。ブラウン緩和は、磁気モーメントｍの各々を対応する磁性粒子と共に回転させるのに対し、Ｎｅｅｌ機構は、磁気モーメントｍを基準時間（τΝ）で磁性粒子の内部で回転させる一方で、磁性粒子そのものは回転しない。一実施形態において、Ｎｅｅｌ緩和時間定数は、磁気異方性エネルギー密度に依存する。したがって、Ｎｅｅｌ緩和時間定数の値は、印加された磁場によって変化する。さらに、結合モデルにおいて、外部磁場がゼロに設定される場合、血液の磁化Ｍは、式（３）を用いて表される有効緩和時間（τ_eff）でゼロへと減衰し得る。

さらに、血液の磁化の緩和は、式（４）を用いて表すことができる。

ここで、Ｍ_eqは、平衡磁化［Ａ／ｍ］に対応し、ランジュバン方程式によって与えられる。

さらに、ランジュバン方程式は、式（５）を用いて表すことができる。

ここで、Ｍ_satは、血液の飽和磁化に対応する一方で、αは、印加された磁場および温度に依存するフィッティングパラメータに対応する。

本明細書の態様によれば、血液の磁気特性は、磁気センサ１１６、１１８、および１２０から受け取られる出力信号に影響を及ぼす。とくに、本発明の発明者は、出力信号に大きな影響を及ぼす特性として、磁化／減磁に要する時間に相当する緩和時間（τ_eff）、および血液の磁化の最大可能レベルに相当する飽和磁化（Ｍ_sat）が含まれると判断した。したがって、典型的な実施例においては、緩和時間τ_effに対応する値を、ヘマトクリット含量、酸素レベル、および温度に依存すると判断する一方で、飽和磁化Ｍｓａｔを、シミュレートされたヘモグロビン磁化率に依存すると判断した。

さらに、結合モデルにおいて、磁場分布を、例えば、式（６）および（７）で定義されるマクスウェルの式を使用して記述することができる。

▽．Ｂ＝０ （６）
▽×Ｈ＝Ｊ （７）
ここで、Ｂ［Ｔ］は磁場密度に対応し、Ｈは磁場強度に対応し、Ｊ［Ａ／ｍ２］は電流密度に対応する。

一実施形態においては、磁場密度Ｂと強度Ｈとの間の関係を、式（８）〜（１１）を用いて表すことができる。

Ｂ＝μＨ （８）
μ＝μ₀μ_r （９）
Ｍ＝χＨ （１０）
μ_r＝χ＋１ （１１）
ここで、μは血液の透磁率に対応し、μ₀は真空の透磁率に対応し、μ_rは血液の比透磁率に対応し、χは血液の磁化率に対応する。

ここで、脱酸素化血液または静脈血が、反磁性（χ＜０）を示す一方で、酸素化した動脈血は、常磁性（χ＞０）を示すことに注目できる。

さらに、磁化された血液は、外部磁場と相互作用して、血液中の各々の磁化粒子に引力を生成する。とくに、磁力は、血液への物体力およびトルクとして現れる。したがって、単位体積当たりの血液への磁力およびトルクは、例えば式（１２）および式（１３）を用いて表すことができる。

Ｆ＝μ₀（Ｍ．∇）Ｈ （１２）
Ｔ＝μ₀Ｍ×Ｈ （１３）
ここで、μ₀は自由空間の透磁率に相当し、Ｍは磁化に相当し、Ｈは磁場強度に相当する。

式（１２）および（１３）から明らかなように、内部磁力およびトルクは、磁場Ｈおよび血液磁化Ｍに比例する。したがって、血液に対する内部磁力およびトルクは無視でき、したがって式（２）は排除される。さらに、血液を非導電性の媒体であると仮定すると、結合モデルに対応する簡略化された方程式系は、式（１４）〜（１５）を使用して表すことができる。

さらに、一実施形態においては、例えば、磁場測定値とフローシステムとの間の結合を、移動メッシュ技術を使用して実施することができる。移動メッシュ技術は、アイドル状態およびフロー状態における血液の磁化、および磁気源１０８から流れ去る血液の減磁を考慮する。とくに、血液の磁化／減磁は、式（１５）を用いて考慮することができる。

特定の実施形態においては、脱酸素化および酸素化血液の磁化率、血液密度、動粘度、真空の透磁率、心拍数、血管の直径、および磁石直径などの１つ以上のパラメータが、以前の臨床的および／または実験的な実施例から割り出された参照値から割り出される。さらに、血液は、滑りのない状態のニュートン流体であると仮定される。さらに、血管内の血流の駆動力は、従来から、血管における圧力の勾配として認識されている。したがって、血圧についての拍動の入口境界条件が、入口において使用される一方で、ゼロの圧力が血管の出口に割り当てられる。したがって、一実施形態において、入口圧力パルスを、式（１６）を使用して表すことができる。

ここで、ｐ₀は基準圧力に相当し、ｆは患者の心拍の周波数に相当する。

さらに、特定の実施形態においては、血流速度などの１つ以上の生理学的パラメータを、式（３）〜（１３）および式（１６）を用いて印加磁場の存在下での血液の磁化−緩和を割り出すことによって、推定することができる。次いで、割り出された磁化−緩和を、方程式（１４）および（１５）に定義された簡略化された方程式系にもとづいて血液の速度を割り出すために使用することができる。

したがって、結合モデルは、血液の磁化緩和および磁気飽和などの特定の磁気特性にもとづく磁場測定値と生理学的パラメータとの間の関係の強化された記述を提供する。次いで、磁場測定値と生理学的パラメータとの間の関係の強化された記述を、効率的な生理学的監視のための装用可能な装置の設計および動作を最適化するために使用することができる。

典型的な実施態様において、結合モデルによって定義される磁場測定値、磁化−緩和、および血流の間の関係を、検証した。とくに、磁場測定を、複数の因子を変化させ、得られる磁場測定値の挙動を評価することによって得た。変化させた因子の特定の例を、表１に列挙する。

典型的な実施例において、磁場測定値は、より少ない流れ（２０ｂｐｍ）の状態および流れのない状態において、測定された磁場の最大値の磁石へと向かうシフトを示した。異なる血流状態は、血液の異なる磁化率および／または減磁率を生じる。次いで、磁化率および減磁率の変化は、同じ場所で、しかしながら異なる流れの条件において得られる磁場測定値に、対応する変化を引き起こす。

例として、図８は、血液の流れが存在する場合および存在しない場合のそれぞれにおいて、図１の検出装置１０２などの非侵襲のセンサによって得られた典型的な磁場測定値に対応するグラフ表示８０２および８０４を示している。グラフ表示８０２に示されるように、磁場測定値を流れる血液の存在下で得たとき、明確な最大値および最小値を有する強い出力信号が観察される。対照的に、グラフ表示８０４は、血流がない場合に磁気センサによって得られた実質的に一定の信号を示している。このように、グラフ表示８０２および８０４の図は、磁場測定値および対応するＭＭＳＢにおける流れの重要性を示している。とくに、すでに述べたように、流れる血液の減衰する磁化は、磁気センサから遠い領域で得られる測定値と比較して、磁気センサに近接する領域で得られる磁場測定値に顕著な変化を引き起こす。

本明細書の特定の態様によれば、結合モデルは、血液の減磁に起因すると考えられる磁場測定値の変化を、血液の流量、量、および／または圧力などの１つ以上の生理学的パラメータに効率的に相関付けるうえで、助けとなることができる。次いで、本システムおよび方法を使用する生理学的パラメータの継続的な監視は、患者に対応する１つ以上の病理学的状態のタイムリーな診断および／または治療を支援するために、医師にリアルタイムの情報を提供することができる。図１のシステムを使用して被験者の生理学的パラメータを監視するための本方法の一実施形態を、図８を参照してより詳細に説明する。

とくに、図９は、被験者に対応する生理学的パラメータを監視するための典型的な方法を示すフロー図９００を示している。典型的な方法を、コンピューティングシステムまたはプロセッサ上に記憶され、かつ／またはコンピューティングシステムまたはプロセッサ上で実行されるコンピュータ実行可能命令の全体的な文脈において説明することができる。一般に、コンピュータ実行可能命令は、特定の機能を実行し、あるいは特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、プロシージャ、モジュール、関数、などを含むことができる。また、この典型的な方法は、有線および／または無線通信ネットワークを介してリンクされた遠隔処理デバイスによって最適化機能が実行される分散コンピューティング環境においても実施され得る。分散コンピューティング環境において、コンピュータ実行可能命令は、メモリ記憶装置を含むローカルおよびリモートの両方のコンピュータ記憶媒体に位置することができる。

さらに、図９において、典型的な方法は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施され得る動作を表す論理フローチャートにおけるブロックの集合として示される。典型的な方法に対応する磁場の変調、複数の測定値の取得、および１つ以上の所望のパラメータの値の推定などの機能を示すために、種々の動作がブロックにて示されている。ソフトウェアの文脈において、ブロックは、１つ以上の処理サブシステムによって実行されたときに列挙された動作を実行するコンピュータ命令を表す。

典型的な方法が記載される順序は、限定として解釈されることを意図するものではなく、任意の数の記載されたブロックを任意の順序で組み合わせて、本明細書に開示される典型的な方法または均等な代替方法を実施することができる。さらに、特定のブロックは、本明細書に記載された主題の技術的思想および技術的範囲から逸脱することなく、典型的な方法から削除されてもよく、あるいは追加の機能を有する追加のブロックによって増強されてもよい。検討の目的のために、典型的な方法を、図１のナビゲーションシステム１００の構成要素を参照して説明する。しかしながら、本方法は、磁気センサを使用する種々の他の医療および／または非医療のシステムにおいてノイズ除去を改善するために使用することも可能である。

本方法は、磁気源および磁気センサのアレイを含む検出装置を、１つ以上の磁性粒子を含む流体を運ぶ管を含む被験者の対象領域に動作可能に結合させるステップ９０２において始まる。一実施形態において、流体は、血管を通って流れる患者の血液に対応する。しかしながら、別の実施形態において、流体は、パイプラインを流れるオイルまたはガスに対応してもよい。さらに、特定の実施形態において、動作可能な結合は、例えば検出装置を流体を運ぶ管に直接接触させて配置すること、あるいはパッチまたは機械的手段を使用して、流体を運ぶ管の上方（例えば、１ｍｍ）に配置することを伴い得る。

さらに、ステップ９０４において、磁場を、磁気源を使用して生成することができる。とくには、所望の大きさおよび／または方向を有する磁場を、例えば、永久磁石、電磁石、および／またはコイル磁石を用いて、生成することができる。さらに、ステップ９０６において、生成された磁場は、磁場が所望の周波数で時間ドメインおよび／または空間ドメインにおいて変化するように変調されてもよい。変動磁場の使用は、磁気センサアレイから受信される出力信号を変動磁場と照合することによって、割り出される磁場測定値に対応するノイズフロアを低減することができる。ノイズフロアの低減は、モーションアーチファクトの減少をもたらし、したがって生理学的パラメータを監視するためのロバストなシステムをもたらす。

さらに、ステップ９０８において、変動磁場に対応する複数の測定値を、変動磁場内に配置された磁気センサのアレイを使用して、管に沿った複数の位置において得ることができる。とくに、一実施形態においては、測定値のうちの２つ以上を、同時に得ることができる。あるいは、２つ以上の測定値が、順次に、あるいは任意の所望の順序で割り出されてもよい。さらに、測定値は、異なる形状、サイズ、向き、および／または磁気源からの距離を有する磁気センサを使用して割り出されてよい。一実施形態においては、例えば、異なるサイズおよび向きを有するＡＭＲ、ＧＭＲ、および／またはＳＭＲセンサを使用して、血流によって引き起こされる磁場の乱れを測定することができる。

さらに、ステップ９１０において、結合モデルにもとづいて、管を通って流れる流体の磁化−緩和によって引き起こされる複数の測定値の変動を、割り出すことができる。前述のように、磁場測定値は、磁気源から流れ去る血液の短い磁化−緩和によって著しく影響される。結合モデルは、血液の磁化−緩和、磁場測定値、ならびに血流を支配する線および角運動量の保存の間の割り出された関係にもとづいて、磁化された血液の挙動を正確に記述する。結合モデルの一実施形態は、図６および図７を参照して詳細に説明される。具体的には、結合モデルは、血管を通る拍動血流によって引き起こされる変動とは異なる血液の磁化緩和によって引き起こされる磁場測定値の変動の割り出しを助ける。

さらに、ステップ９１２において、１つ以上の所望のパラメータの値を、割り出された変動にもとづいて推定することができる。とくに、一実施形態においては、流速および方向、血圧、心拍数、および酸素化などの１つ以上の生理学的パラメータを、例えば式１０および１５を使用して、割り出された変動に対応する出力信号の振幅に相関付けることができる。次いで、生理学的パラメータの推定値を、リアルタイムで患者の病理学的状態を評価および／または監視するために使用することができる。例えば、血流パラメータを、血液量減少、内出血、心拍出量、および／またはアテローム性動脈硬化症によって引き起こされる流れの規制などの種々の異常を検出するために使用することができる。さらに、例えば、血流パラメータを、血行再建の直後の流れの回復を評価するための治療後の監視および血管新生後の血栓症の監視にも使用することができる。

さらに、ステップ９１４において、所望のパラメータの１つ以上の値が所定のしきい値の外にある場合に、聴覚による警報および／または視覚による警報を生成することができる。ステップ９１２を参照して前述したように、患者に対応する生理学的パラメータを、リアルタイムで患者の病理学的状態を評価するために継続的に監視することができる。したがって、血中酸素、血圧、および／または心拍数などの１つ以上の生理学的パラメータが臨床的に規定されたしきい値を下回って低下したと判断される場合に、医師に患者の状態について警報するために、聴覚および／または視覚による警報を生成することができる。これに加え、あるいはこれに代えて、特定の実施形態においては、警報メッセージを、患者への迅速な医学的配慮の提供を助けるために、電子メール、ショートメッセージングサービス（ＳＭＳ）、および／またポップアップによってＨＩＳまたは選択された携帯電話番号などの遠隔接続システムへと伝えることができる。

したがって、本システムおよび方法の実施形態は、種々の異常の早期検出を助けるために、患者の１つ以上の生理学的パラメータの非侵襲的かつ継続的な監視を可能にする。とくに、本明細書に記載された実施形態は、磁化−緩和、静磁場、および運動量の保存の原理にもとづいて拍動する血液の挙動を正確に定義する結合モデルを提示する。血液の正確に定義された挙動は、患者の健康状態を評価するための１つ以上の生理学的パラメータへの磁場測定値の効率的な相関付けを助けることができる。

さらに、本システムの実施形態は、直接の皮膚接触を必要とせず、身体の動きに対してロバストである低電力、軽量、低コスト、可搬、かつ非侵襲の検出装置も開示する。さらに、検出装置の小型かつ柔軟な性質により、対象領域にセンサを配置するための規則があまり厳格でなくてよく、したがって従来からの監視装置の使用では対処不可能であり得る足首などの対象領域における使用を可能にできる。さらに、検出装置における磁気センサのアレイの使用は、より高い信号対雑音比をもたらし、浮遊磁場に対するロバスト性を向上させるより強力かつ冗長な出力信号の生成を可能にする。さらに、アレイ化されたセンサ設計は、複数の場所での同時の磁場測定を助け、複雑な生理学的パラメータを割り出すために凝集的に使用することができるより多くの情報をもたらす。

今回の説明は、結合モデルを用いた血液の挙動の正確なモデル化およびモデル化された挙動にもとづく患者の生理学的監視に関して開示されているが、本方法およびシステムの別の実施形態は、他の医療および／または非医療の適用分野においても使用可能である。例えば、本方法およびシステムの特定の実施形態を、それぞれオイル、ガス、および／または軸受油の挙動を定義する結合モデルにもとづくオイルおよびガスパイプラインの亀裂の検出ならびに軸受の摩耗の検出など、非破壊評価研究において使用するための油などの他の磁性流体のモデル化に使用することができる。

本システムおよび方法の種々の実施形態の特定の特徴が、特定の図面のみに示され、かつ／または特定の図面に関してのみ説明され、他の図面には示されず、かつ／または他の図面に関しては説明されないかもしれないが、これは便宜上のものにすぎないことに留意されたい。記載された特徴、構造、および／または特性は、例えばさらなるアセンブリおよび技術を構築するために、種々の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせられ、さらには／あるいは交換可能に使用されてよいことを、理解すべきである。さらに、例えば磁場変調器１１４、処理サブシステム１２８、および警報サブシステム１４２によって実行され得る例、実演、および処理ステップなど、上述の例、実演、および処理ステップは、プロセッサベースのシステム上の適切なコードを使用して、単一の装置または複数の装置によって実行されてよい。

本開示の種々の実施例が、本明細書に記載されたステップのいくつかまたはすべてを、異なる順序で実行してもよく、あるいは実質的に同時に、すなわち並行して実行してもよいことに、注意すべきである。さらに、これらの機能は、これらに限られるわけではないがＰｙｔｈｏｎ、Ｃ＋＋、またはＪａｖａ（登録商標）など、さまざまなプログラミング言語で実装できる。そのようなコードは、データリポジトリチップ、ローカルまたはリモートのハードディスク、光ディスク（すなわち、ＣＤまたはＤＶＤ）、ソリッドステートドライブ、または他の媒体など、格納されたコードを実行するためにプロセッサベースのシステムによってアクセスすることができる１つ以上の有形の機械可読媒体に格納され、あるいは格納されるように構成されてよい。

本開示の特定の特徴だけを本明細書において図示および説明したが、当業者であれば、多数の改良および変更に想到できるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、そのようなすべての改良および変更を本開示の真の精神の範囲に包含されるものとして含むように意図されていることを、理解すべきである。

１００ 監視システム、ナビゲーションシステム
１０２ 検出装置
１０４ 血管
１０６ 外部磁場、変動磁場
１０８ 磁気源
１１０ 磁気センサアレイ
１１２ 基板
１１４ 磁場変調器
１１６ 磁気センサ、ＧＭＲセンサ
１１８ 磁気センサ、ＳＭＲセンサ
１２０ 磁気センサ、ＡＭＲセンサ
１２２ 相互接続
１２４ 相互接続
１２６ 電源
１２８ 処理サブシステム
１３０ 増幅器
１３２ デジタイザ
１３３ 有線および／または無線結合手段
１３４ ストレージリポジトリ
１３６ Ｉ／Ｏデバイス
１３８ ユーザインターフェイス
１４０ リモート表示装置
１４２ 警報サブシステム
２０２ 磁石
２０３ 磁石
２０４ 磁石
２０６ 磁石
２０８ 磁気源
２１０ 磁気源
２１２ ＳＭＲセンサ
３０２ 磁気センサ、ＧＭＲセンサ
３０４ 磁気センサ、ＧＭＲセンサ
３０６ 磁気センサ、ＡＭＲセンサ
３０８ 磁気センサ、ＳＭＲセンサ
４００ 検出装置
４０２ 磁気センサアレイ
４０４ 磁気源
４０６ 磁気センサ
５００ 検出装置
５０２ 磁気センサアレイ
６００ 結合モデル
７００ 結合モデル
９０２ ステップ
９０４ ステップ
９０６ ステップ
９０８ ステップ
９１０ ステップ
９１２ ステップ
９１４ ステップ

Claims (23)

1. 被験者を監視するためのシステム（１００）であって、
   磁場（１０６）を生成するための少なくとも１つの磁気源（１０８、２０８、４０４）と、
   前記磁場（１０６）内に配置され、１つ以上の磁性粒子を含む流体を含む管（１０４）に沿った複数の位置において前記磁場（１０６）に対応する複数の測定値を得る磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）と、
   検出装置（１０２、４００、５００）に通信可能に結合した処理サブシステム（１２８）であって、
   磁化−緩和、前記磁場（１０６）の割り出された勾配に向かう前記流体内の前記磁性粒子のバルク運動、静磁気学、および運動量の保存の原理にもとづいて前記変動磁場（１０６）における前記流体の挙動を定義する結合モデルにもとづいて、前記管（１０４）を通って流れる前記流体内の前記磁性粒子の磁化−緩和によって引き起こされる前記複数の測定値の変化を割り出し、
   前記割り出された変化にもとづいて１つ以上の所望のパラメータの値を推定する、
   処理サブシステム（１２８）と
   を含む検出装置（１０２、４００、５００）
   を備えたシステム（１００）。
2. 前記磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）は、１つ以上の半導体磁気抵抗センサを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記少なくとも１つの磁気源（１０８、２０８、４０４）は、交互のＮ極およびＳ極を有する複数の磁気源（２１０）に相当し、前記半導体磁気抵抗センサは、複数の磁気源（２１０）の上に配置されるか、前記複数の磁気源（２１０）から所定の距離に配置されるか、あるいはそれらの組み合わせである、請求項２に記載のシステム（１００）。
4. 前記磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）は、磁気抵抗センサ、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサ、コイルセンサ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
5. 前記磁気源（１０８、２０８、４０４）と前記磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）とが配置された基板（１１２）をさらに備え、前記基板（１１２）は、可撓な基板、堅固な基板、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
6. 前記磁気源（１０８、２０８、４０４）および前記磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）は、１つ以上の選択された向きで前記基板（１１２）上に配置されるか、１つ以上の選択されたサイズを有するか、あるいはそれらの組み合わせである、請求項５に記載のシステム（１００）。
7. 前記磁気センサのアレイ（１１０、４０２、５０２）内の１つ以上の磁気センサ（１１６、１１８、１２０、３０２、３０４、３０６、４０６）は、前記磁気源（１０８、２０８、４０４）からの１つ以上の選択された距離において前記基板（１１２）上に配置される、請求項５に記載のシステム（１００）。
8. 前記検出装置（１０２、４００、５００）に動作可能に結合させられ、時間ドメイン、空間ドメイン、またはそれらの組み合わせにおいて前記磁場（１０６）を変化させる変調器（１１４）、
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム（１００）。
9. 前記検出装置は、有線結合手段、無線結合手段、またはそれらの組み合わせ（１３３）によって前記処理サブシステム（１２８）に通信可能に結合させられる、請求項１に記載のシステム（１００）。
10. １つ以上の所望のパラメータの値が所定のしきい値の外にある場合に、聴覚による警報、視覚による警報、またはそれらの組み合わせを生成する警報サブシステム（１４２）、
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム（１００）。
11. 前記流体は、血液を含み、前記１つ以上の所望のパラメータは、血液量、血圧、血中酸素、心拍数、心拍出量、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
12. 前記処理サブシステム（１２８）は、別の生理学的監視装置に動作可能に結合させられる、請求項１１に記載のシステム（１００）。
13. 前記生理学的監視装置は、血中酸素モニタ、ドップラ超音波システム、光学式の心拍モニタ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載のシステム（１００）。
14. 前記処理サブシステム（１２８）は、前記１つ以上の所望のパラメータの値および前記生理学的監視装置を使用して割り出された情報にもとづいて、前記被験者の病理学的状態を判断する、請求項１２に記載のシステム（１００）。
15. 前記流体は、非生物学的流体を含み、前記非生物学的流体は、オイル、ガソリン、水、ガス、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
16. 被験者を監視するための方法であって、
    少なくとも１つの磁気源を使用して、時間ドメイン、空間ドメイン、またはそれらの組み合わせにおいて変化する変動磁場をもたらすステップ（９０６）と、
    前記変動磁場内に配置された１つ以上の磁気センサを使用して、１つ以上の磁性粒子を含む流体を含む管に沿った複数の位置において前記変動磁場に対応する複数の測定値を取得するステップ（９０８）と、
    結合モデルにもとづいて前記管を通って流れる前記流体の磁化−緩和によって引き起こされる前記複数の測定値の変化を割り出すステップ（９１０）と、
    前記割り出された変化にもとづいて１つ以上の所望のパラメータの値を推定するステップ（９１２）と
    を含む方法。
17. 磁化−緩和、前記磁場の割り出された勾配に向かう前記流体内の前記磁性粒子のバルク運動、静磁気学、および運動量の保存の原理にもとづいて前記変動磁場における前記流体内の前記磁性粒子の挙動を定義するように前記結合モデルを生成するステップ、
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数の測定値を取得するステップ（９０８）は、前記管に沿った前記複数の位置において前記変動磁場を同時に測定することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記１つ以上の所望のパラメータの値を継続的に監視するステップ、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記所望のパラメータの１つ以上の値が所定のしきい値の外にある場合に、聴覚による警報、視覚による警報、またはそれらの組み合わせを生成するステップ（９１４）、
    をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
21. １つ以上の所望のパラメータの前記値にもとづいて、前記被験者の病理学的状態を判断するステップ、
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
22. １つ以上の所望のパラメータの前記値を、有線結合手段、無線結合手段、またはそれらの組み合わせを介して前記磁気センサのアレイへと遠隔接続されたシステムに通信するステップ、
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
23. 被験者を監視するための方法を実行するために１つ以上のプロセッサによって実行することができる命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
    少なくとも１つの磁気源を使用して、時間ドメイン、空間ドメイン、またはそれらの組み合わせにおいて変化する変動磁場をもたらすステップ（９０６）と、
    前記変動磁場内に配置された１つ以上の磁気センサを使用して、１つ以上の磁性粒子を含む流体を含む管に沿った複数の位置において前記変動磁場に対応する複数の測定値を取得するステップ（９０８）と、
    磁化−緩和、前記磁場の割り出された勾配に向かう前記流体のバルク運動、静磁気学、および運動量の保存の原理にもとづいて前記変動磁場における前記流体の挙動を定義する結合モデルにもとづいて、前記管を通って流れる前記流体の磁化−緩和によって引き起こされる前記複数の測定値の変化を割り出すステップ（９１０）と、
    前記割り出された変化にもとづいて１つ以上の所望のパラメータの値を推定するステップ（９１２）と
    を含む非一時的なコンピュータ可読媒体。