JP2022509541A - 哺乳動物対象の生理学的パラメータを測定するためのセンサネットワーク及びその適用 - Google Patents
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Abstract
Description
このPCT出願は、2018年10月31日に出願された米国仮特許出願第62/753,303号、同第62/753,453号及び同第62/753,625号の各々の優先権及び利益を主張するものであり、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
センサシステムのそれぞれは、各センサシステムの機能性に応じて、図2A~2Gに概略的に示すように、複数の電気部品を備える。図2A~2C及び2Fのそれぞれは、本発明の異なる実施形態による心電図(ECG)センサシステムの概略図を示し、これは、温度及び位置/運動などの追加の生理学的パラメータを測定するように構成される。電極及び加速度計は、増幅器及びフィルタなどの相補的な電気部品に接続される。図2A、2B、2D及び2Gの各々は、温度センサを含む、本発明の異なる実施形態によるフォトプレチスモグラフィ(PPG)センサシステムを示す。PPGセンサは、光検出器と、発光ダイオード(LED)を含む赤外線又は赤色光などの光源とを含む。関連する電子部品は、増幅器及びフィルタを含む。Bluetooth(登録商標)低エネルギー(BLE)通信を含む、マイクロプロセッサへの無線通信。
図6は、本発明の一実施形態によるセンサネットワークシステムの動作のフローチャートを示す。例示的な実施形態では、センサネットワークの動作は、バッテリモジュールが充電される必要があるか否かのチェックを開始する。充電が必要な場合、システムは、オンボードメモリを同期させ、ファームウェア更新を実行し、その後、バッテリモジュールが充電される必要があるかどうかをチェックするために戻る。充電が必要でない場合、システムは周辺機器を初期化し、低電力モードに入り、センサシステムが接続されているか否かをチェックする。そうでない場合、センサネットワークシステムは、ホストに接続することを要求するように通知し、次いで、低電力モードに入る。そうである場合、センサシステムは信号をサンプリングし、サンプリングされた信号はデジタル信号処理(DSP)で処理される。処理された信号は、BLE転送されるとともに、転送物をオンボードメモリログに書き込む。その後、信号サンプリングプロセスを繰り返す。システムは、携帯電話、ハンドヘルド、及びコンピュータを含む、任意の数のハードウェアデバイス及びプラットフォームと互換性がある。
図12を参照すると、心拍数について、標準治療システムと比較した実験システムからの平均差が、本発明の特定の実施形態によれば、18人の被験者にわたって集計され-0.47拍動/分であった。平均差の標準偏差は3.0拍動/分であった。したがって、データの95%は、6.0拍動/分未満の偏差内に入る。実験的な無線システムの一致は、より低い心拍数(<100拍動/分)及びより高い心拍数(>170拍動/分)で同等のままであった。
センサネットワークは、2人の早産及び低出生体重新生児(<2000g)に展開される。第1のセンサシステム1910は、既存の監視電極に隣接して胸部に展開される。第2のセンサシステム1950は、パルスオキシメトリのために足に配置される。標準治療パルスオキシメータを対側四肢に配置する。第1のセンサシステムは、中央胸部上に配置される。第1及び第2のセンサシステム1910及び1950の下にある皮膚は、センサ除去の15分後に、紅斑、刺激、水疱形成、又はびらんの目に見える徴候を示さず、これは図18A~18Bに示される。
図20の左側パネルは、矢印で示すように、温度センサの2つの異なる構成を示す。左上パネルでは、温度プローブは補助電気部品と共に配置される。左下パネルでは、温度プローブは、他の電気部品から約3cmの距離移動している。右側の画像は、皮膚へのデバイスの装着を示す。その目的は、デバイスと中核体温測定との間の相関をさらに改善することである。
特定の実施形態では、KMCをシミュレートすることができ、図24~27に示すように、新生児は母親の胸部に配置され、保持され、又はベッド上で睡眠し、センサシステム内に加速度計を有するセンサネットワークによって位置が監視される。図24は、腕に保持され、KMC位置で身体に対して保持された、睡眠中の3次元センサ位置(x,y,z)のグラフ表示である。図25は、写真によって反映される異なる位置にある乳児について、加速度計を有するセンサシステムによって判定される平均(x、y、z)位置を示す。図26は、睡眠、摂食、保持、及びKMC位置に対する位置結果のグラフ表示である。図27は、本発明の特定の実施形態による、測定(x,y,z)位置のまとめである。さらに、加速度計センサを使用して、時間とともに乳児の位置の視覚的再現を提供し、体位を1つ又は複数の監視された生理学的パラメータと関連付けることができる。
本発明によれば、センサネットワークは、特に、ある範囲の情報を迅速かつ自然に伝達するユーザインターフェースに関して、高度に構成可能かつユーザフレンドリである。ユーザインターフェースの様々な例が、図32A~38に提供されている。
図39は、本発明の一実施形態によるセンサネットワークの遠隔医療用途を示す。センサネットワークは、一意の患者識別子情報を有する無線出力を有する。出力は、出力データをさらに処理するためのディスプレイユニット及びプロセッサを有し得るリーダーに提供される。処理されたデータは、医師/臨床医及び/又は患者ポータルに提供されてもよく、安全な遠隔ログインは、承認された介護者及び個人のみがデータへのアクセスを有することを確実にする。患者/家族の一員と介護者との間に双方向通信があってもよい。介護者は、患者がいる遠隔地との双方向通信を有することができ、それによって、適切な注文が効率的かつ迅速に現場の介護者に伝達されることを確実にする。したがって、センサ出力は、新生児の介護者及びその提供者の両方によって見ることができる。救命救急において訓練された熟練した新生児専門医の利用可能性は、発展途上国又は地方共同体において制限される。本開示におけるウェアラブルセンサはまた、安全な医師/臨床医ビューを可能にし、eNICUケアを可能にすることができる。
Claims (47)
- 哺乳動物対象の生理学的パラメータを測定するためのセンサネットワークであって:
互いに時間同期された複数の空間的に分離されたセンサシステムであって、前記複数の空間的に分離されたセンサシステムの各々は、前記哺乳動物対象のそれぞれの位置に取り付けられ、少なくとも1つの生理学的パラメータを測定するためのセンサ部材と、前記センサ部材からデータを受信し、前記受信したデータを処理するために前記センサ部材に結合されたマイクロプロセッサを有するシステムオンチップ(SoC)と、無線データ送信及び無線電力ハーベスティングのために前記SoCに結合されたトランシーバとを備える、複数の空間的に分離されたセンサシステムと;
前記複数の空間的に分離されたセンサシステムとの間でデータを無線送信するために、前記複数の空間的に分離されたセンサシステムと無線通信するように適合されたマイクロコントローラユニット(MCU)と;を含む、センサネットワーク。 - 各2つの隣接するセンサシステムは、最小距離と最大距離との間で調整可能なそれぞれの距離によって空間的に分離される、請求項1に記載のセンサネットワーク。
- 前記複数の空間的に分離されたセンサシステムは、前記哺乳動物対象の中心領域に取り付けられるように構成された第1のセンサシステムと、前記哺乳動物対象の先端領域に取り付けられるように構成された第2のセンサシステムとを備える、請求項1に記載のセンサネットワーク。
- 前記中心領域は、前記哺乳動物対象の胸部領域、胸骨上切痕領域を含む頸部領域、及び額領域又は大泉門領域を含む頭部領域のうちの1つ又は複数を含み、前記先端領域は、前記哺乳動物対象の四肢領域、足領域、手領域、足指爪領域、及び指爪領域のうちの1つ又は複数を含む、請求項3に記載のセンサネットワーク。
- 前記第1のセンサシステムの前記センサ部材は、心電図(ECG)生成のために互いに空間的に離れた少なくとも2つの電極を備える、請求項4に記載のセンサネットワーク。
- 前記第2のセンサシステムの前記センサ部材は、センサフットプリント内に配置された光源及び光検出器を備えるフォトプレチスモグラム(PPG)センサを備える、請求項4に記載のセンサネットワーク。
- 前記センサ部材が:
位置及び動きのうちの少なくとも1つを測定するための加速度計と;
動き、力、角速度、及び向きのうちの少なくとも1つを測定するための慣性測定ユニット(IMU)と;
温度を測定するための温度センサと;のうちの1つ又は複数をさらに備える、請求項5又は6に記載のセンサネットワーク。 - 前記加速度計又は前記IMUは、心理心電図(SCG)及び呼吸数のうちの少なくとも1つを測定するために使用される、請求項7に記載のセンサネットワーク。
- 前記加速度計又は前記IMUは、モーションアーチファクトモジュールと共に使用されて、バイタルサインをモーションアーチファクトの対象として識別し、モーションアーチファクトを修正する、請求項7に記載のセンサネットワーク。
- 前記センサ部材は、ECGセンサ、EKGセンサ、パルスオキシメータセンサ、温度センサ、血圧センサ、加速度計、又は音響センサのうちの1つ又は複数を備える、請求項1に記載のセンサネットワーク。
- 前記生理学的パラメータは、1回拍出量及び駆出率を含む心臓活動、酸素化レベル、温度、皮膚温度差、体動、体位、呼吸パラメータ、血圧、泣き時間、泣き頻度、嚥下回数、嚥下頻度、胸壁変位、心音、体幹位置、非同期四肢運動、発話、並びに生体力学的摂動のうちの1つ以上を含む、請求項1に記載のセンサネットワーク。
- 前記MCUは:
前記複数の空間的に分離されたセンサシステムから前記生理学的パラメータの測定データを受信して処理するステップと;
前記生理学的パラメータの前記処理されたデータを患者データベース、クラウドサーバ、及びモバイルデバイスのうちの少なくとも1つに送信するステップと;
少なくとも1つのバイタルサインに関連する1つ又は複数の重要なパラメータを連続的にマルチモーダル監視するステップと;センサ異常信号出力状態が発生したときを施術者又は介護者に通知するステップと;
前記重要なパラメータのうちの1つ又は複数が所定の範囲外であるアラームバイタルサイン読み取り条件が発生したときにアラームを生成し、前記アラームを施術者又は介護者に通知するステップと;のうちの少なくとも1つの機能を実行するように構成された、請求項1から11のいずれか一項に記載のセンサネットワーク。 - 前記1つ又は複数の重要なパラメータは、心臓パラメータ、脳活動、温度、体動、呼吸パラメータ、酸素化、発声パラメータ、嚥下パラメータ、並びに血圧及び血流のうちの1つ又は複数である、請求項12に記載のセンサネットワーク。
- 前記MCUは:
心拍数、心拍変動、呼吸数、呼吸努力、及び泣き時間を含む前記生理学的パラメータに基づいて、前記哺乳動物対象の身体の疼痛を評価し、前記疼痛が評価される場所を施術者又は介護者に通知するステップと;
前記身体の様々な位置に配置された前記センサシステムのパルスオキシメータによって測定された末梢酸素飽和度(SpO2)から導出された位置特異的パルスオキシメトリに基づいて、前記哺乳動物対象の局所血液灌流を評価するステップと;
呼吸数の突然の減少又は停止と、それに続く心拍数の代償的な増加及びSpO2の減少との場合の無呼吸事象を検出し、前記無呼吸事象が発生したときに施術者又は介護者に通知し、センサシステム自体を振動させて、その位置を変化させるか又は睡眠から覚醒するように哺乳動物対象をトリガするステップと;
異なる位置に配置された前記複数の空間的に分離されたセンサシステムによって測定された前記生理学的パラメータに基づいて解剖学的病理の位置を特定するステップと;のうちの少なくとも1つの機能をさらに実行するように構成された、請求項1~13のいずれか1項に記載のセンサネットワーク。 - 前記MCUは、前記生理学的パラメータのリアルタイム表示、前記生理学的パラメータの記録、及びアラームのうちの少なくとも1つのためのモバイルデバイスを備える、請求項1~14のいずれか一項に記載のセンサネットワーク。
- 前記モバイルデバイスは、前記複数の空間的に分離されたセンサシステムと双方向無線通信する、請求項15に記載のセンサネットワーク。
- 前記モバイルデバイスは、患者データベースと無線通信する、請求項16に記載のセンサネットワーク。
- 前記モバイルデバイスは、前記複数の生理学的パラメータを表示するためのグラフィカルユーザインターフェースを有するハンドヘルドデバイス又はポータブルデバイスである、請求項17に記載のセンサネットワーク。
- 前記センサシステムに無線で電力供給するための電源ユニットをさらに備える、請求項1~14のいずれか一項に記載のセンサネットワーク。
- 外部電源なしで少なくとも24時間無線で動作可能である、請求項19に記載のセンサネットワーク。
- 前記複数の空間的に分離されたセンサシステムのうちの少なくとも1つは、所定のトリガ信号が検出されると、前記哺乳動物対象に刺激を提供するための力を生成するように構成される、アクチュエータをさらに備える、請求項1-20のいずれか1項に記載のセンサネットワーク。
- 前記刺激が、前記哺乳動物対象を鎮静させるための穏やかな振動を含む、請求項21に記載のセンサネットワーク。
- 前記アクチュエータが、電気機械モータ、ヒータ、及び電気刺激器のうちの1つ又は複数である、請求項21に記載のセンサネットワーク。
- 前記複数の空間的に分離されたセンサシステムの各々は:
前記センサ部材、前記SoC、及び前記トランシーバを含む複数の電子部品に電気的に接続する複数の可撓性かつ伸縮性の相互接続部と;
組織に面する表面及び環境に面する表面を形成するために、前記電子部品及び前記複数の可撓性かつ伸縮性の相互接続部を取り囲むエラストマー封止層であって、前記組織に面する表面が、前記哺乳動物対象の皮膚表面に適合するように構成される、エラストマー封止層と、をさらに備える、請求項1-23のいずれか一項に記載のセンサネットワーク。 - 前記トランシーバは、単一リンクを通して同時無線データ送信及び無線電力ハーベスティングを可能にするように構成される磁気ループアンテナを備える、請求項24に記載のセンサネットワーク。
- 前記複数の空間的に分離されたセンサシステムの各々の前記電子部品は、前記センサシステムに電力を提供するためのバッテリをさらに備え、前記エラストマー封止層は、使用中に前記バッテリを前記哺乳動物対象から電気的に絶縁するように構成される、請求項25に記載のセンサネットワーク。
- 前記バッテリが、無線再充電によって動作可能に再充電される再充電可能バッテリである、請求項26に記載のセンサネットワーク。
- 前記複数の空間的に分離されたセンサシステムの各々の前記電子部品は、バッテリ爆発を回避するための短絡保護部品又はバッテリ回路である故障防止要素をさらに備える、請求項26に記載のセンサネットワーク。
- 前記封止層が難燃性材料を備える、請求項26に記載のセンサネットワーク。
- 前記哺乳動物対象が、ヒト対象又は非ヒト対象である、請求項1~29のいずれか一項に記載のセンサネットワーク。
- 哺乳動物対象の生理学的パラメータを測定するための方法であって:
請求項1-29のいずれか一項に記載のセンサネットワークを展開するステップであって、少なくとも1つの第1のセンサシステムが、前記哺乳動物対象の中心領域に取り付けられ、少なくとも1つの第2のセンサシステムが、前記第1のセンサシステム及び前記第2のセンサシステムが距離によって空間的に分離されるように、前記哺乳動物対象の先端領域に取り付けられる、ステップと;
前記複数の空間的に分離されたセンサシステムを共通の時間基準に同期させるステップと;
前記複数の空間的に分離されたセンサシステムから前記生理学的パラメータのデータを測定するステップと;
前記時間同期された測定された生理学的パラメータを無線送信するステップと;を備える方法。 - 前記時間同期された測定された生理学的パラメータを前記無線送信するステップは、前記複数の空間的に分離されたセンサシステムと無線通信する前記マイクロコントローラユニット(MCU)を用いて実行される、請求項32に記載の方法。
- 前記時間同期された測定された生理学的パラメータを前記無線送信するステップは:
前記複数の空間的に分離されたセンサシステムから前記生理学的パラメータの測定データを受信して処理するステップと;
前記生理学的パラメータの前記処理されたデータを患者データベース、クラウドサーバ、及びモバイルデバイスのうちの少なくとも1つに送信するステップと;を含む、請求項32に記載の方法。 - 前記無線送信された生理学的パラメータを一意の患者識別子と関連付け、それによって、前記患者データベース、前記クラウドサーバ、及び前記モバイルデバイスのうちの少なくとも1つにおいて前記生理学的パラメータを前記哺乳動物対象と識別するステップをさらに備える、請求項32に記載の方法。
- 前記生理学的パラメータに基づいて、正常なバイタルサイン読み取り状態、異常なセンサ出力状態、又はアラームバイタルサイン読み取り状態を識別するステップをさらに備える、請求項32に記載の方法。
- 前記異常なセンサ出力状態が:
センサシステムの、組織に面する表面が、下にある患者表面と密に接触していないリードオフ状態;
患者モーションアーチファクト;又は
少なくとも2つの異なるセンサシステムに対する出力偏差;のうちの1つまたは複数である、請求項35に記載の方法。 - 前記異常なセンサ出力状態は、前記第1のセンサシステムから検出された少なくとも1つのバイタルサインが、前記第2のセンサから検出されたバイタルサインと25%以上異なる場合に識別される、請求項36に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのバイタルサインに関連する1つ又は複数の重要なパラメータを連続的にマルチモーダル監視するステップと、前記センサ異常信号出力状態が発生したときに施術者又は介護者に通知するステップと、をさらに備える、請求項37に記載の方法。
- 前記重要なパラメータのうちの1つ又は複数が所定の範囲外である前記アラームバイタルサイン読み取り条件が発生したときにアラームを生成し、前記アラームを施術者又は介護者に通知するステップをさらに備える、請求項38に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の重要なパラメータは、心臓パラメータ、脳活動、温度、体動、呼吸パラメータ、酸素化、発声パラメータ、嚥下パラメータ、並びに血圧及び血流のうちの1つ又は複数である、請求項38又は39に記載の方法。
- 心拍数、心拍変動、呼吸数、呼吸努力、及び泣き時間を含む前記生理学的パラメータに基づいて、前記哺乳動物対象の身体の疼痛を評価し、前記疼痛が評価される場所を施術者又は介護者に通知するステップと;
前記身体の様々な位置に配置された前記センサシステムのパルスオキシメータによって測定された末梢酸素飽和度(SpO2)から導出された位置特異的パルスオキシメトリに基づいて、前記哺乳動物対象の局所血液灌流を評価するステップと;
呼吸数の突然の減少又は停止と、それに続く心拍数の代償的な増加及びSpO2の減少との場合の無呼吸事象を検出し、前記無呼吸事象が発生したときに施術者又は介護者に通知し、センサシステム自体を振動させて、その位置を変化させるか又は睡眠から覚醒するように哺乳動物対象をトリガするステップと;
異なる位置に配置された前記複数の空間的に分離されたセンサシステムによって測定された前記生理学的パラメータに基づいて解剖学的病理の位置を特定するステップと;のうちの少なくとも1つをさらに備える、請求項31から40のいずれか一項に記載の方法。 - 前記生理学的パラメータ、通知、及び前記アラームのうちの少なくとも1つを、グラフィカルユーザインターフェースを有するディスプレイに表示するステップをさらに備える、請求項31~41のいずれか一項に記載の方法。
- ユーザが前記生理学的パラメータにアクセスすることができる前に安全なログインを要求することによって前記生理学的パラメータの前記表示を安全にするステップをさらに含む、請求項42に記載の方法。
- 前記ユーザは、施術者又は介護者であり、前記哺乳動物対象又は家族の一員であり、前記生理学的パラメータに基づいて、前記施術者又は介護者と前記哺乳動物対象又は家族の一員との間で無線通信するステップをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- 前記生理学的パラメータに基づいて、遠隔の施術者又は介護者から前記哺乳動物対象に近接する施術者又は介護者にコマンドを安全に送信するステップをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- 所定のトリガ信号が検出されたときに、前記哺乳動物対象に刺激を与えるための力を生成するようにアクチュエータを作動させるステップをさらに含み、前記刺激は、前記哺乳動物対象を鎮静させるための穏やかな振動を含む、請求項31~46のいずれか一項に記載の方法。
- 1つ又は複数のプロセッサによって実行されると、請求項31から46のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を記憶する非一時的有形コンピュータ可読媒体。
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