JP2018064961A - ロバストな校正および自己補正のための組織オキシメトリプローブジオメトリ - Google Patents
ロバストな校正および自己補正のための組織オキシメトリプローブジオメトリ Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】コンパクトなオキシメータセンサ装置用のセンサヘッドは、光源120a、120cおよび光検出器125a〜125hを含む。コンパクトなオキシメータセンサ装置具体化は完全に自立型であり、別個のシステムユニットに有線または無線で接続する必要がない。光源および検出器は、コンパクトなプローブにおけるロバストな校正および自己補正を可能にするさまざまな光源−検出器の対の距離を有する円形配置に配置される。他の光源−検出器の配置も可能である。
【選択図】図2C
Description
関連出願との相互参照
本特許出願は、2012年5月3日に出願された米国仮特許出願番号第61/642,389号、第61/642,393号、第61/642,395号および第61/642,399号、ならびに2012年8月10日に出願された米国仮特許出願番号第61/682,146号の利益を主張し、これらの米国仮特許出願は、本願で引用されるすべての他の引例とともに引用によって援用される。
本発明は概して、組織内の酸素レベルを監視する光学系に関する。より具体的には、本発明は、光を発して検出するためのセンサヘッド上の光源および検出器を含むオキシメータに関する。
術中および回復期などの臨床設定で用いられることが多い。たとえば、手術中、オキシメータはさまざまな理想的でない状況で正確な酸素飽和度測定を迅速に果たすことが可能でなければならない。既存のオキシメータは、測定速度がそれほど重要でない手術後の組織監視には十分であるが、既存のオキシメータは大幅に変動し、たとえばオキシメータが血液と接触した場合など、さまざまな要素が正確な読取の妨げになり得る手術時に用いられると、不正確な飽和度測定を提供する。
コンパクトなオキシメータセンサプローブ用のセンサヘッドは、光源および光検出器を含む。プローブ具体化は完全に自立型であり、別個のシステムユニットに有線または無線で接続する必要がない。光源および検出器プローブは、コンパクトなプローブにおけるロバストな校正および自己補正を可能にするさまざまな光源−検出器の対の距離を有する円形配置に配置される。他の光源−検出器の配置も可能である。
の検出に基づいて、上記複数の検出器の各検出器によって検出器応答を生成することと、上記検出器応答同士の相違点を決定することとを含む。当該方法はさらに、上記相違点に基づいて校正関数を生成することを含み、上記校正関数が上記検出器応答に適用される場合に、上記検出器応答の相違点は等化される。
被験動物および被験者のさまざまな生理学的性質の非侵襲的測定のために分光法が用いられている。可視光(たとえば赤色)および近赤外分光法は、このスペクトル範囲における生体組織の散乱が比較的低いため、利用されることが多い。ヒト組織は、たとえば、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メラニン、水、脂質、およびシトクロムなどの多数の発色団を含む。ヘモグロビンは、可視および近赤外スペクトル範囲のほとんどについて組織内の優勢な発色団である。700〜900ナノメートル範囲では、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンは非常に異なる吸収特徴を有する。したがって、可視および近赤外分光法は、組織ヘモグロビン酸素飽和度および総ヘモグロビン濃度などの生理的媒質内の酸素レベルを測定するために適用されている。
いて開発されている。生理的媒質の均質で半無限のモデルでは、TRSおよびPMSの両方を用いて、光子拡散近似またはモンテカルロモデルを用いることによって媒質の吸収係数および減少散乱係数が得られる。複数の波長における吸収係数から、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度が求められ得、組織酸素飽和度が計算され得る。CWSは一般に、散乱および吸収の効果を分離するのに十分な情報を有していない。それは典型的に、組織散乱についての仮定を必要とする修正されたベール・ランバート方程式(modified Beer-Lambert equation)を解くために用いられており、2つ以上の波長がレシオメトリック的に用いられ、別の方法では当該方程式を解くために必要とされる光路長をなくす。CWSは、その一般に用いられる形態において、相対的な酸素飽和度のみを提供し、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの絶対酸素飽和度または濃度を提供することはできない。
の技術の両方とも、比較的少量の組織の内部の測定(すなわち2,3ミリメートル以内の「局所」測定)が困難なことである。これらの技術は典型的に、少量の組織を通る短い通過時間に関連付けられる小さい時間変化または位相シフトのため、「局部」測定(最小で1センチメートル)のために用いられる。これに対して、CWSはより低コストで製造され得るが、広帯域スペクトル情報を含むことによって、または空間情報を含むことによって向上がなされない限り、上述のようにその有用性が典型的に制限されてしまう。
乱とは独立して求めることができ、それによって発色団濃度の絶対測定を可能にする、一種の近赤外分光法である。
図1Aは、一実施形態に係る自立型の組織オキシメトリ装置100の簡略された画像である。オキシメータプローブは、単一の筐体またはハウジング内に含まれる構成要素(たとえば図1Bに列挙される構成要素)を含む。組織オキシメトリ装置100は、他の装置と通信または相互に作用する必要なく、手術中および手術後などに組織オキシメトリ測定を行うように構成される。具体化では、装置はハンドヘルド型であり、ケーブルを介してまたは無線で別の外部構成要素に接続する必要なく、組織オキシメトリ測定を行ってこれらの測定値を表示し得る。測定および計算を行う電子装置は、ハンドヘルド装置のハウジングまたは筐体内に完全に含まれる。装置は、ケーブルまたは無線接続のない、スタンドアローンのハンドヘルド組織オキシメータプローブである。
上の光源を含み得る。特定の具体化によると、組織オキシメトリプローブ115は3つの光源120a,120bおよび120cを含むが、他の特定の具体化によると、光源120aおよび120cなどの2つの光源を含む。図2Aおよび図2Bに示される組織オキシメトリプローブ115の特定の具体化は3つの光源120a,120bおよび120cを含むが、図2Cに示される組織オキシメトリプローブ115の特定の具体化はより少ない光源を含む。具体的には、図2Cに示される組織オキシメトリプローブ115は2つの光源120aおよび120cを有し、光源120bは省略されている。付加的な光源(図示せず)を追加してもよい。
特定の具体化では、検出器125は、4個以上の(たとえば14個の)一意の光源−検出器距離が作り出されるように、外側光源120aおよび120cに対して位置決めされる。光源−検出器距離の数が増えると、これを用いてより高い精度、より高速な校正、および冗長性(複製の光源−検出器距離が設けられる場合)を得ることができる。少なくとも2つの光源−検出器距離は約1.5ミリメートル以下(たとえば0.5ミリメートル、
最大で約1.7ミリメートル)であり、少なくとも2つ以上の光源−検出器距離は約2.5ミリメートル以上(たとえば1.5ミリメートル、最大で約3.2ミリメートル)である。
数の両方の関数である。少なくとも2つの検出器125が少なくとも1つの光源120から1.5ミリメートルまたはより近くに位置決めされ、少なくとも2つの検出器が少なくとも1つの光源120から2.5ミリメートルまたはより遠くに位置決めされた状態で、散乱係数および吸収係数を独立して求めることができる。
出器距離D4と、光源120cと検出器125eとの間の光源−検出器距離D5も同一であり得る。光源−検出器距離D4およびD5は、光源120aおよび120cについての最長の光源−検出器距離である。上記の説明は例の実施形態のためのものである。たとえば、最短の光源−検出器距離の隣、および最長の光源−検出器距離の隣など、他の光源−検出器距離の対が同一であってもよい。
限に抑えられる。PCBが有する層はより少なくてもよい。ゆえに、この設計によって複雑度が低下し、製造性および歩留りが向上し、信号経路内の寄生振動が減少し、コストが削減される。当該設計は、たとえば、単一のユニットまたはパッケージ内に統合された2つ以上の検出器125と比較して、別々の検出器125などの別々の構成要素の使用を支持する。別々の検出器をはより安価に使用できるか、またはより容易にソースできるか、またはその両方である。別々の検出器の円形配置によって、PCBの比較的コンパクトなスペースにおける比較的多数の一意の光源-検出器位置が可能になる。
ート525に接続され得、LED開口プレート525には、外側光源120aおよび120cから発せられる光がレンズ510および515の組に向かって前方に進むことができるようにするために1つ以上の開口が形成されている。レンズプレート520は前方PCB505の後部に接続され得、前方PCB505にも、放射光が前方に進むことができるようにするために多数の開口が形成され得る。コンタクトプレート530が前方PCB505の前部に結合され得、コンタクトプレート530にも、放射光が組織オキシメトリ装置100から前方に進むことができるようにするために、かつ組織から反射される光が検出器125に進むことができるようにするために開口が形成され得る。
図6は、一実施形態に係る光源−検出器の各対を校正するための方法のハイレベルフロー図である。このハイレベルフロー図は1つの例の実施形態を表わす。実施形態の範囲から逸脱することなく、ハイレベルフロー図にステップを追加、削除、または組合わせることができる。
源120aおよびその後で120cについて反射光を受光している時に検出器について2つの校正関数が異なる場合、所与の組織ファントムについての反射データの差は、光源120aおよび120cから発せられる光の強度の差に起因する。校正関数は、たとえば、実際の組織内の酸素飽和度測定のために組織オキシメトリ装置100を使用している時に検出器125によって生成される反射データに適用され得、これによって、検出器125の固有ゲインまたはロスがあれば、かつ光源125からの光の強度の差があれば補償され得る。具体的には、校正関数は、検出器によって生成される生の反射データについて光源−検出器の対ごとに適用される。
組織のモルまたは種類の存在を示し得る。不均質性はさらに、プローブの一部が傷の端を超えたこと、またはプローブの一部が血で覆われていることも示し得る。
図9は、組織に対する、または組織ファントムを用いた酸素飽和度測定時に外側光源120aおよび120cによって発せられる光の量を校正するための方法のハイレベルフロー図である。このハイレベルフロー図は1つの例の実施形態を表わす。実施形態の範囲から逸脱することなく、ハイレベルフロー図にステップを追加、削除、または組合わせることができる。
器125aおよび125eによって生成される反射データも実質的に一致すべきである。これらの反射データの対が一致しない場合は、外側光源120aおよび120cの光源出力およびこれらの外側光源によって発せられる光の量も不一致であり得る。
れる飽和度測定においてみられる変動および不正確が制限される。先に述べた校正、自己補正および他の特徴は高速で正確な組織オキシメトリ装置につながり得、これは、インプラントを用いる乳房再建および手術環境における壊死の危険がある組織領域の検出に関する他のものに従事する形成外科医にとって望ましい。
Claims (34)
- 組織オキシメトリ装置用のセンサヘッドであって、
光を発生して組織内に発するための少なくとも第1の光源および第2の光源と、
前記組織からの反射に続いて前記光を検出するための一組の検出器とを備え、
前記一組の検出器に含まれる第1の検出器および第2の検出器は、前記第1の光源および前記第2の光源の少なくとも一方から約1.5ミリメートルまたはより近くに位置決めされ、
前記一組の検出器に含まれる第3の検出器および第4の検出器は、前記第1の光源および前記第2の光源の少なくとも一方から約2.5ミリメートルまたはより遠くに位置決めされる、センサヘッド。 - 前記第1、前記第2、前記第3および前記第4の検出器は円上に配置される、請求項1に記載のセンサヘッド。
- 前記一組の検出器は、前記円上に配置される第5、第6、第7、および第8の検出器を含む、請求項2に記載のセンサヘッド。
- 前記第1の光源および前記第2の光源は、前記円の二等分線上に直線状に配置される、請求項2に記載のセンサヘッド。
- 前記第1および前記第2の検出器は、それぞれ前記第1の光源および前記第2の光源から等距離であり、
前記第1の検出器は、前記一組の検出器のすべての他の検出器と比べて前記第1の光源により近く、
前記第2の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第2の光源により近い、請求項4に記載のセンサヘッド。 - 前記第3および前記第4の検出器は、それぞれ前記第1の光源および前記第2の光源から等距離であり、
前記第3の検出器は、前記一組の検出器のすべての他の検出器と比べて前記第1の光源からより遠く、
前記第4の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第2の光源からより遠い、請求項4に記載のセンサヘッド。 - 前記第1の光源と前記第2の光源との中間の前記二等分線上に位置決めされる第3の光源をさらに備える、請求項4に記載のセンサヘッド。
- 前記第3の光源は、前記一組の検出器のすべての検出器から等距離である、請求項7に記載のセンサヘッド。
- 組織オキシメトリ装置用のセンサヘッドであって、
円形配置に位置決めされる一組の検出器と、
前記円形配置の円の二等分線上に直線状に位置決めされる第1および第2の光源とを備え、
前記一組の検出器に含まれる第1の検出器は、前記第1の光源から第1の距離であり、
前記一組の検出器に含まれる第2の検出器は、前記第2の光源から第2の距離であり、
前記第1の距離および前記第2の距離は等しい、センサヘッド。 - 前記第1の検出器は、前記一組の検出器のすべての他の検出器と比べて前記第1の光源
に最も近く、
第2の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第2の光源に最も近い、請求項9に記載のセンサヘッド。 - 前記第1の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第2の光源から最も遠く、前記第2の光源から第3の距離であり、
前記第2の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第1の光源から最も遠く、前記第1の光源から第4の距離であり、
前記第3の距離および前記第4の距離は等しい、請求項10に記載のセンサヘッド。 - 前記一組の検出器のすべての検出器に対する前記第1の光源および前記第2の光源の光源−検出器距離は、前記第1および前記第2の距離を除いて、かつ前記第4および前記第5の距離を除いて一意である、請求項11に記載のセンサヘッド。
- 前記光源−検出器距離は、14個の一意の距離を含む、請求項12に記載のセンサヘッド。
- 前記第1の光源と前記第2の光源との中間の前記二等分線上に位置決めされる第3の光源をさらに備える、請求項9に記載のセンサヘッド。
- 前記第3の光源は、前記一組の検出器のすべての検出器から等距離である、請求項14に記載のセンサヘッド。
- 前記一組の検出器は8個の検出器を含む、請求項9に記載のセンサヘッド。
- 前記第1の検出器は、前記一組の検出器のすべての他の検出器と比べて前記第1の光源に次に最も近く、
第2の検出器は、前記一組の検出器の前記すべての他の検出器と比べて前記第2の光源に次に最も近い、請求項9に記載のセンサヘッド。 - 組織オキシメトリ装置の検出器を校正するための方法であって、
光源から組織ファントム内に光を発することと、
前記組織ファントムからの反射に続いて、前記光源から発せられる前記光を複数の検出器において検出することと、
前記光源から発せられる前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器によって一組の検出器応答を生成することと、
前記一組の検出器応答と、前記組織ファントムについての反射率曲線とを比較することと、
前記一組の検出器応答と前記反射率曲線との比較に基づいて、一組の校正関数を生成することとを備え、前記一組の校正関数の各校正関数は、一意の光源−検出器の対に関連付けられており、前記方法はさらに、
前記一組の校正関数を前記組織オキシメトリ装置のメモリに記憶することを備える、方法。 - 第2の光源から前記組織ファントム内に光を発することと、
前記組織ファントムからの反射に続いて、前記第2の光源から発せられる前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記第2の光源から発せられる前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器によって第2の一組の検出器応答を生成することと、
前記第2の一組の検出器応答と、前記組織ファントムについての前記反射率曲線とを比
較することと、
前記第2の一組の検出器応答と前記反射率曲線との比較に基づいて、第2の一組の校正関数を生成することとを備え、前記第2の一組の校正関数の各校正関数は、一意の第2の光源−検出器の対に関連付けられており、さらに、
前記第2の一組の校正関数を前記組織オキシメトリ装置の前記メモリに記憶することを備える、請求項18に記載の方法。 - 第2の光源から前記組織ファントム内に光を発することと、
前記組織ファントムからの反射に続いて、前記第2の光源から発せられる前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記第2の光源から発せられる前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器によって第2の一組の検出器応答を生成することと、
前記第2の一組の検出器応答と、前記組織ファントムについての前記反射率曲線とを比較することと、
前記第2の一組の検出器応答と前記反射率曲線との比較に基づいて、第2の一組の校正関数を生成することとを備え、前記第2の一組の校正関数の各校正関数は、一意の第2の光源−検出器の対に関連付けられており、さらに、
前記第2の一組の校正関数を前記組織オキシメトリ装置の前記メモリに記憶することと、
少なくとも別の組織ファントムについて請求項18のことを繰返すこととを備え、前記一組の校正関数は、最初に言及した前記組織ファントムおよび前記別の組織ファントムについてのものである、請求項18に記載の方法。 - 第2の光源から前記組織ファントム内に光を発することと、
前記組織ファントムからの反射に続いて、前記第2の光源から発せられる前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記第2の光源から発せられる前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器によって第2の一組の検出器応答を生成することと、
前記第2の一組の検出器応答と、前記組織ファントムについての前記反射率曲線とを比較することと、
前記第2の一組の検出器応答と前記反射率曲線との比較に基づいて、第2の一組の校正関数を生成することとを備え、前記第2の一組の校正関数の各校正関数は、一意の第2の光源−検出器の対に関連付けられており、さらに、
前記第2の一組の校正関数を前記組織オキシメトリ装置の前記メモリに記憶することと、
少なくとも別の組織ファントムについて請求項18のことを繰返すこととを備え、前記一組の校正関数は、最初に言及した前記組織ファントムおよび前記別の組織ファントムについてのものであり、さらに、
前記少なくとも別の組織ファントムについて以下のステップを繰返すことを備え、前記第2の一組の校正関数は、最初に言及した前記組織ファントムおよび前記別の組織ファントムについてのものであり、前記以下のステップは、
第2の光源から前記組織ファントム内に光を発することと、
前記組織ファントムからの反射に続いて、前記第2の光源から発せられる前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記第2の光源から発せられる前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器によって第2の一組の検出器応答を生成することと、
前記第2の一組の検出器応答と、前記組織ファントムについての前記反射率曲線とを比較することと、
前記第2の一組の検出器応答と前記反射率曲線との比較に基づいて、第2の一組の校正関数を生成することとを含み、前記第2の一組の校正関数の各校正関数は、一意の第2の
光源−検出器の対に関連付けられており、前記以下のステップはさらに、
前記第2の一組の校正関数を前記組織オキシメトリ装置の前記メモリに記憶することを含む、請求項18に記載の方法。 - 組織オキシメトリ装置の検出器を校正するための方法であって、
光源から組織ファントム内に光を発することを備え、前記光源は複数の検出器から等距離であり、前記方法はさらに、
前記組織ファントムから反射される前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記組織ファントムから反射される前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器の各検出器によって検出器応答を生成することと、
前記検出器応答同士の相違点を決定することと、
前記相違点に基づいて校正関数を生成することとを備え、前記校正関数が前記検出器応答に適用される場合に、前記検出器応答同士の差は等化される、方法。 - 前記検出器によって生成される生の反射データを補正する際に使用するために、前記校正関数を前記組織オキシメトリ装置のメモリに記憶することを備える、請求項22に記載の方法。
- 組織オキシメトリ装置のセンサヘッドを操作するための方法であって、
光源から組織内に光を発することを備え、前記光源は複数の検出器から等距離であり、前記方法はさらに、
前記組織から反射される前記光を前記複数の検出器において検出することと、
前記組織から反射される前記光の検出に基づいて、前記複数の検出器の各検出器によって検出器応答を生成することと、
前記検出器の1つについての前記検出器応答の少なくとも1つが、前記検出器の他の検出器の前記検出器応答と少なくとも閾値だけ異なるか否か判断することと、
前記検出器の前記1つについての前記検出器応答の前記少なくとも1つが、前記検出器の前記他の検出器の前記検出器応答と少なくとも前記閾値だけ異なる場合、前記検出器応答の前記少なくとも1つを無視することとを備える、方法。 - 多数の前記検出器の検出器応答が、少なくとも前記閾値だけ異なるか否か判断することと、
前記多数の前記検出器の検出器応答が少なくとも前記閾値だけ異なる場合、前記検出器の前記検出器応答を無視することとを備える、請求項24に記載の方法。 - 前記検出器応答が無視される場合、酸素飽和度が現在測定不可能であるとの表示を生成することを備える、請求項25に記載の方法。
- 組織オキシメトリ装置の光源を校正するための方法であって、
第1の光源から組織内に光を発することと、
前記組織からの反射に続いて、前記第1の光源によって発せられる前記光を第1の検出器において検出することとを備え、前記第1の検出器は、前記第1の光源から第1の距離であり、前記方法はさらに、
前記第1の検出器における前記光の検出に基づいて、第1の検出器応答を生成することと、
第2の光源から前記組織内に光を発することと、
前記組織からの反射に続いて、前記第2の光源によって発せられる前記光を第2の検出器において検出することとを備え、前記第2の検出器は、前記第2の光源から第2の距離であり、前記第1の距離および前記第2の距離は等しく、前記方法はさらに、
前記第2の光源によって発せられる前記光の前記第2の検出器における検出に基づいて、第2の検出器応答を生成することと、
前記第1の検出器応答および前記第2の検出器応答が等しくない場合、前記第1の検出器応答および前記第2の検出器応答に基づいて校正関数を生成することとを備える、方法。 - 前記第1の検出器は、一組の他の検出器と比べて前記第1の光源に最も近く、前記第2の検出器は、前記一組の他の検出器と比べて前記第2の光源に最も近い、請求項27に記載の方法。
- 前記組織からの反射に続いて、前記第1の光源によって発せられる前記光を前記第2の検出器において検出することを備え、前記第2の検出器は、前記第1の光源から第3の距離であり、さらに、
前記第1の光源によって発生される前記光の前記第2の検出器における検出に基づいて、第3の検出器応答を生成することと、
前記組織からの反射に続いて、前記第2の光源によって発せられる前記光を前記第1の検出器において検出することとを備え、前記第1の検出器は、前記第2の光源から第4の距離であり、前記第3の距離および前記第4の距離は等しく、さらに、
前記第2の光源によって発生される前記光の前記第1の検出器における検出に基づいて、第4の検出器応答を生成することと、
前記第3の検出器応答および前記第4の検出器応答が等しくない場合、前記第3の検出器応答および前記第4の検出器応答に基づいて第2の校正関数を生成することとを備える、請求項27に記載の方法。 - 前記第1の検出器は、前記一組の他の検出器と比べて前記第2の光源から最も遠く、前記第2の検出器は、前記一組の他の検出器と比べて前記第2の光源から最も遠い、請求項29に記載の方法。
- 前記検出器によって生成される生の反射データを補正する際に使用するために、前記第2の校正関数を記憶することを備える、請求項29に記載の方法。
- 酸素飽和度測定を行うことと、
最初に言及した前記校正関数および前記第2の校正関数を用いて前記酸素飽和度測定を補正することとを備える、請求項29に記載の方法。 - 前記組織の酸素飽和度測定の際に使用するために、前記校正関数を記憶することを備える、請求項29に記載の方法。
- 酸素飽和度測定を行うことと、
前記校正関数用いて前記酸素飽和度測定を補正することとを備える、請求項29に記載の方法。
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