JP2023524469A - バイタルサイン又は健康モニタリングシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、フォトプレチスモグラムへの静脈毛細血管の寄与が２５％未満に低減されるパルスオキシメトリ法に関する。【選択図】図４Ｂ

Description

本開示は、患者の体に配置されたフォトプレチスモグラフィセンサを使用するパルスオキシメトリ法に関する。測定されたフォトプレチスモグラムへの静脈毛細血管の寄与は２５％未満である。この静脈毛細血管の低い寄与は、フォトプレチスモグラフィセンサを患者の特定の位置、例えば背中に配置することによって、又は時間的に一致して取得された別の信号、例えばＥＣＧ信号でフォトプレチスモグラムを処理することによって得ることができる。

ソフトウェア、電子装置、センサ技術、及び材料科学の進歩は、患者モニタリング技術に革命をもたらした。特に、多くのデバイス及びシステムが様々なバイタルサイン又は健康モニタリング用途で利用できるようになっている。しかしながら、パラメータ決定のための効果的なデータ収集及び／又は操作のうちの１つ又は複数を提供するバイタルサイン又は健康モニタリングデバイス及びシステムにはまだ改善が望まれる場合がある。特に、パルスオキシメトリを決定する通常の方法は、反射率のフォトプレチスモグラムの取得に基づいている。しかしながら、フォトプレチスモグラフィセンサによって収集される信号は、ＳｐＯ２の決定を可能にする周期的な動脈の寄与と、動脈の寄与にランダムに重ね合わされる、したがってＳｐＯ２の決定の精度を低下させる静脈の寄与が組み合わされたものである。この現象は、「静脈シフト」としてよく知られている。

場合によっては短期若しくは長期のデータを収集及び転送する並びに／又はイベントをリアルタイム若しくは実質的にリアルタイムでモニタリングすることができる、場合によっては、多変数パラメータの決定を含み得る、堅牢で便利なモニタリングを含むように、患者及びその医師のためのさらなる代替が開発され得る。

本開示では、バイタルサイン及び健康モニタリングシステム及び方法の一般的な文脈で、「静脈シフト」を取り除く方法が特定されている。

本明細書で説明されるのは、場合によっては新生児、乳児、母親／親、アスリート、又は患者などの１人以上の個人の心臓及び／又は呼吸データの長期の感知及び／又は記録のためのパラメータ決定のためのいくつかの代替的な医療モニタリングデバイス、システム、及び／又は方法である。いくつかの代替的な実装及び用途が、本明細書の下で及び本明細書の全体を通して要約及び／又は例示される。特に、パルスオキシメトリ法が本明細書で説明される。

１つの代替的な態様では、本発明は、健康デバイスが、限定はされないが、心電図（ＥＣＧ）のイオンポテンシャルの変化を測定するための電極、及び／又は１つ以上の光源と１つ以上の光検出器のうちの１つ又は様々な１つ若しくは複数を含み、場合によってはＬＥＤとフォトダイオードのペア若しくはグループを含む、光学ベースの酸素飽和度測定のための１つ又は複数のセンサによって収集された時間的に一致する（ｔｉｍｅ－ｃｏｎｃｏｒｄａｎｔ）測定値からの１人以上の個人の１つ又は複数の生理学的パラメータをモニタリングするように構成される実装を含み得る。

本発明の別の代替的な態様では、血圧の決定は、場合によっては脈波伝達時間の決定からなされ得る。脈波伝達時間は、心臓の圧力波が心臓から体内の他の場所に伝わるまでの時間である。次いで、脈波伝達時間の測定値を使用して血圧を推定することができる。脈波伝達時間を生成するために、ＥＣＧなどからの心拍タイミングとフォトプレチスモグラム（別名、ＰＰＧ）信号を用いることができる。このような信号は、従来の又は他の開発予定のプロセス及び／若しくはデバイス又はシステムから生成され得るか、又は、このような信号は、以下にも説明するような１つ以上のウェアラブル健康モニタリングデバイスから取得され得ることに留意されたい。

別の代替的な態様では、本発明は、場合によっては、時間的に一致するパルスオキシメトリ信号及びＥＣＧ信号から酸素飽和度パラメータを測定及び／又は決定するための１つ以上の方法及び／又はデバイスを含み得る。一部の実装では、ＥＣＧ信号を使用して、そこから酸素飽和度の値が決定され得るパルスオキシメトリ信号の定数成分及び主要な周期的成分（例えば、ＤＣ及びＡＣ成分）を決定するために収集され平均されるパルスオキシメトリデータの間隔又は「フレーム」を定義することができる。パルスオキシメトリセンサ及びＥＣＧセンサを備えたこのような実装の患者ウェアラブルデバイスは、このような信号取得のために患者の胸部又は代替的に患者の背中に配置されたときに特に有用であり得る。

したがって、本開示は、パルスオキシメトリ法であって、
－ 患者の体にフォトプレチスモグラフィセンサを配置することと、
－ 静脈毛細血管の寄与が２５％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満のフォトプレチスモグラムを測定することと、
－ フォトプレチスモグラムでの動脈拍動を決定することと、
－ Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ法を使用して末梢酸素飽和度を求めることと、
を含むパルスオキシメトリ法に関する。

第１の変形例において、静脈毛細血管の寄与が２５％未満のフォトプレチスモグラムを測定することは、
－ フォトプレチスモグラムと時間的に一致する心電図をとることと、
－ 前記心電図で連続する心拍のＱＲＳ群を検出することと、
－ 隣接する２つの心拍間の時間間隔にわたるフォトプレチスモグラムの一連のフレームを定義することと、
－ 静脈毛細血管の寄与が２５％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満である前記時間間隔にわたるフォトプレチスモグラムを作成するべく、これらのフレームのうちの２つ以上を各時間点で集約することと、
を含む。

第１の変形例の一実施形態において、パルスオキシメトリ法は、
－ 各心拍について時間的に一致する心電図及びフォトプレチスモグラムから脈波伝達時間を求めることと、
－ １０～４５心拍を含む期間にわたる脈波伝達時間の標準偏差を計算することと、
－ 脈波伝達時間の標準偏差から末梢酸素飽和度測定の信頼度を判定することと、
をさらに含む。

第１の変形例の一実施形態において、好ましくは反射赤外信号に基づく波形と反射赤色光信号に基づく波形とを含む、異なる波長の２つ以上のフォトプレチスモグラフィ波形が決定される。

第１の変形例の一実施形態において、前記フォトプレチスモグラムのそれぞれの定数成分及び一次周期的成分が決定される。

第１の変形例の一実施形態において、一連のフレームを定義することは、前記心電図信号の特徴に基づいて前記フォトプレチスモグラムの間隔を定義し、このような複数の間隔にわたる前記フォトプレチスモグラムの値を平均することを含む。

第１の変形例の一実施形態において、前記フォトプレチスモグラムの前記定数成分及び前記一次周期的成分は、前記平均値から決定される。

第１の変形例の一実施形態において、前記心電図は、それぞれ前記各心拍のピーク値を有するＲ波信号を含み、前記間隔は、Ｒ波信号のピーク値に対して決定される。

パルスオキシメトリ法の第２の変形例において、フォトプレチスモグラフィセンサは、接着剤層によって取り囲まれた光学レンズを含み、光学レンズは、静脈毛細血管のみを圧迫するのに十分な大きさの圧力を維持するべく突き出ている。

パルスオキシメトリ法の第３の変形例において、フォトプレチスモグラフィセンサは、患者の皮膚に接着されることを意図された基板上に配置され、基板から０．１ｍｍを超える、好ましくは０．５ｍｍを超える厚さだけ突き出ている。

パルスオキシメトリ法の第４の変形例において、フォトプレチスモグラフィセンサは、患者の背中、好ましくは首のうなじの近く、より好ましくは椎骨上、理想的にはＴ１椎骨上に配置される。

４つの変形例のすべての特徴を組み合わせることができ、これにより、「静脈シフト」現象の軽減が向上する。

定義
「ＳｐＯ２」は、末梢酸素飽和度を指し、これは、酸素によって占有される血流中のヘモグロビン結合部位のパーセンテージである、酸素飽和レベル（Ｏ２Ｓａｔ）の推定値である。ここで、ＳｐＯ２とＯ２Ｓａｔは同等である。

「ＰＰＧ」は、フォトプレチスモグラム、すなわち、時間の関数としてフォトプレチスモグラフィセンサによって取得された信号を指す。フォトプレチスモグラフィセンサは、光源（普通は、決定された色の可視光源又は赤外光源である発光ダイオード（ＬＥＤ））と、光検出器（普通は、フォトダイオード又は他の光感知センサ）を含む。ここで、ＰＰＧ信号はＰＰＧに相当し、ＰＰＧセンサはフォトプレチスモグラフィセンサを指す。

「ＥＣＧ」又は「ＥＫＧ」は、心電図、すなわち、心臓活動に関連付けられ、電極によって取得される電気信号を指す。特に、「リード１ ＥＣＧ」は、電極によって取得され、双極肢の横方向に関連するＥＣＧ信号を指す。

「ＥＣＧ ＱＲＳ」は、正常な心電図で見られる３つのグラフィカルな偏向の組み合わせである、ＱＲＳ群を指す。

「ＰＴＴ」は、心臓の脈波が体全体を移動するのにかかる時間である、脈波伝達時間を指す。特に、ＰＴＴは、心拍のＥＣＧ ＱＲＳ及びこの心拍に関連するＰＰＧ波形のピークからの距離として評価され得る。

「静脈シフト」は、静脈での光の吸収によるＰＰＧ信号の歪みを指す。

「集約波形」は、複数の波形を組み合わせた波形を指す。組み合わせは、好ましくは単純な和であるが、加重和又は加重平均でもあり得る。

本明細書で開示されるパルスオキシメトリ法を実施するのに適したデバイスのいくつかの代替を示す図である。 「静脈シフト」を示す図である。 静脈シフトを軽減する方法を示す図である。図２Ｅ及び図２Ｆは、時間（秒）に対するＥＣＧ信号及びＰＰＧ信号（任意単位）を示す。図２Ｇ～図２Ｉは、時間（単位は時間サンプリング周期、ここでは１／６４秒）に対するＰＰＧ信号（太い実線で赤色信号、点線で赤外信号（任意単位））を示す。 時間（秒）に対する脈波伝達時間（ＰＴＴ、単位は時間サンプリング周期、ここでは１／６４秒）の標準偏差を上に示し、対応する時間に対するＳｐＯ２（％）を下に示す図である。 代替的な使用方法を含むフローチャートである。 患者の胸骨へのデバイスの適用を示す図である。 患者の背中へのデバイスの適用を示す図である。 患者の胸骨（上）又は背中（下）に配置されたデバイスからのＳｐＯ２の決定を比較する図である。 静脈毛細血管の圧迫により静脈シフトの軽減を可能にするデバイスの一実施形態を示す図である。図５Ａは、背臥位の患者に配置されたデバイスを示す。図５Ｂは、横向きに横たわっている患者に配置されたデバイスを示す。胸部の力

がかかり、プリーツでデバイスが屈曲し、これにより、ＰＰＧセンサ５１１を含むデバイスの部分でモーメント

が発生し、最終的にＰＰＧセンサの下で患者にかかる圧力

が増加する。
静脈毛細血管の圧迫により静脈シフトの軽減を可能にするデバイスの別の実施形態を示す。図５Ｃでは、ＰＰＧセンサ５１１が患者の皮膚と単に接触しているため、静脈（Ｖ）と動脈（Ａ）が僅かに圧迫されている。図５Ｄでは、ＰＰＧセンサ５１１がデバイスから突き出ることを可能にする、圧縮可能な接着剤フォーム５１３が使用されており、これにより、患者の体にかかる圧力が増加し、静脈毛細血管（Ｖ）はＰＰＧ信号にあまり寄与しないように圧迫され、一方、血圧によって、動脈（Ａ）はＰＰＧ信号に正常に寄与するように十分に開いた状態に保たれる。 同期されたＥＣＧ信号及びＰＰＧ信号を使用してＳｐＯ２を測定するための一実施形態の特徴を示す図である。 ＳｐＯ２を決定するための一実施形態を示すフローチャートである。 ＳｐＯ２を決定するための代替的な実施形態の流れ図である。 時間（秒）に対するＰＰＧ信号（任意単位）を示す図である。強調された領域８００で信号の飽和が発生している。 対応する時間（秒）に対するＳｐＯ２（％）を示す図である。強調された領域８１０でＳｐＯ２の減少が生じており、これは実際にはＰＰＧ信号の飽和に関連するアーチファクトである。 本明細書で開示されるデバイスでの時間（秒）に対するＳｐＯ２測定（％）の結果（９Ａ及び９Ｃ）と、市販のフィンガーオキシメータでの結果（９Ｂ及び９Ｄ）を比較する図である。図９Ａ及び図９Ｂは、肌の色が薄い患者（フィッツパトリックスコアが２）の測定値である。図９Ｃ及び図９Ｄは、肌の色が濃い患者（フィッツパトリックスコアが６よりも大きい）の測定値である。

本発明は様々な修正及び代替的な形態が可能であるが、本発明の詳細は、図面及び以下の説明において限定ではない例として本明細書に示されている。しかしながら、その意図は、本発明を説明された特定の実施形態に限定することではないことを理解されたい。その意図は、本明細書に記載されているか又は本明細書の文字通りの言葉又は図面を超えている場合であっても本明細書に含まれているかのように十分に理解できる本発明の精神及び範囲内にあるすべての修正、均等物、及び代替を包含することである。

一般に、本発明に含まれるのは、オンボディの多機能のバイオメトリックセンサである。これらのデバイスは、とりわけ、他の可能なオプションの中でも、ＥＣＧ、ＰＰＧ、体温、呼吸、及び活動のうちの１つ又は複数又はすべてなどの身体機能をモニタリングする。このようなデバイスは、多くの場合、接着剤、しばしば使い捨ての接着剤により、被検者の胸骨に若しくはその上に若しくはそれに隣接して若しくはその近くに或いは被検者の胸部に又は被検者の背中に、動作可能に取り付けるように構成され得る。このようなデバイスは、通常、多くの場合、これに限定されないが、ユーザに対して小型で薄く（例えば、およそ±１．５インチ×３インチ×１／４インチ又はおよそ３０ｍｍ×１００ｍｍ×６．３ｍｍのオーダーであり、実際のサイズはこれに限定されないが、とりわけ、他の特徴の中でも、体のサイズ及び実際のコンポーネントの利用可能性に依存し得る）、通常、乳児から病的肥満の成人までの幅広い被検者によって装着可能であるように構成され得る。

一態様では、本発明のシステムは、心電図（別名、ＥＣＧ又はＥＫＧ）、フォトプレチスモグラム（別名、ＰＰＧ）、パルスオキシメトリ、体温、呼吸及び／又は患者の加速又は移動信号、及び／又は例えば心拍音又は呼吸音などの音声又は音信号のうちの１つ又は複数又はすべてなどの生理学的パラメータをモニタリングするためのデバイスを含み得る。

一部の実装では、本発明のデバイスは、とりわけ、包括的な長期の心臓モニタリング用であり得る。そのような特徴は、必ずしもそうとは限らないが、リード１ ＥＣＧ、ＰＰＧ、パルスオキシメータ、加速度計、温度センサ、及び／若しくはボタン又は手動の患者イベントマーキングのための他のインジケータのうちのいずれか１つ又は複数を含み得る。このようなデバイスは、バイタルサインが発生するのと同時又は非常に近い時間にバイタルサインを表示するべくリアルタイム又はほぼリアルタイムで通信するように適合され得る。他の一部の実装では、このようなデバイスは、例えば、最大約２週間の連続データを記憶することができ（しかし、代替的な実装ではより多く又は少なく実行可能である）、このデータは、一部の実装では、ＵＳＢ又は他の許容できるデータ接続による一例のように、無線又は有線であるかどうかにかかわらず、コンピュータ接続を介して短時間で、一例としてわずか約９０秒で（しかし、代替的な実装ではより多くの又は少ない時間で実行可能である）クリニック又は他のコンピュータにダウンロードされ得る。リアルタイム又はほぼリアルタイムの実装では、データ通信は、ハードワイヤ接続を介することができ、或いはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ又は他の無線データ通信によることができ、ディスプレイモニタ又は表示用のコンピュータに直接行うことができ、又はネットワーク経由で又はさらには移動体通信を介して行うことができ、ディスプレイ又は遠隔コンピュータへのさらなる通信のために１つ以上のリモートサーバ、例えば「クラウド」へのデータ通信を含み得る。コンパニオンソフトウェアデータ分析パッケージは、自動化されたイベントの取り込みを提供する及び／又は即時の若しくは遅延したローカルデータ解釈を可能にするように適合され得る。

断続的な心臓の異常は、通常、患者の身体検査中に発生しなければ、医師が検出及び／又は診断するのは難しい場合が多い。本発明のデバイスは、一部の実装において１つ又はいくつかのバイタルサインの連続的又は実質的に連続的なモニタリングであり得るものにより、この問題に対処することができる。

一部の代替的な限定ではない実装では、センサシステムは、拡張されたダイナミックレンジの信号取得回路を含み得る。ＰＰＧ信号での関心ある信号は、小さな脈動波である。酸素飽和度（ＳｐＯ２）レベルの計算及び導出に必要とされる分解能を得るには、この脈動波を高度に増幅しなければならない。場合によっては、モーションアーチファクトの存在下での増幅により、信号が増幅器を飽和させる可能性があり、結果的に信号損失が生じる可能性がある。例えば、１２ビットのＡ／Ｄ（アナログ－デジタル）変換器を使用している場合、生ＰＰＧ信号の測定範囲は約４０９６レベルであった。この増幅器と変換器の組み合わせを使用した結果が図８Ａにグラフ形式で示されている。過飽和及び信号の誤表示が、丸で囲まれた領域８００で示されている。この丸で囲まれた領域は、ＰＰＧ信号が飽和している、又はレイリングと呼ばれることがある箇所を示す。図８Ｂでは、丸で囲まれた領域８１０は、図８Ａで説明された飽和又はレイリングに起因するＰＰＧからの信号の損失の結果として、導出されたＳｐＯ２レベルがどのように誤表示される及び／又は歪むかを示す。Ａ／Ｄ変換器を１２ビットから２４ビットに高めると、ダイナミックレンジで約６０ｄＢの利得が得られる。２４ビットのＡ／Ｄ変換器の使用は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように増幅器が飽和して結果的に導出されたＳｐＯ２レベルが歪む可能性を排除するのに役立つ可能性がある。

一部の代替的な限定ではない実装では、センサシステムは、患者の生理機能に応じて信号取得を最適化及び最大化するための動的自動利得制御を有し得る。固定利得増幅器は、すべての生理機能に適しているとは限らない。例えば、肌の色が非常に濃い患者は、比較的高いレベルの利得を必要とするが、肌の色が薄い人は、はるかに低いレベルの利得を必要とする場合がある。固定利得増幅器は、すべての生理機能についての拍動性信号を最大化及び最適化する能力を制限する場合がある。したがって、本発明のデバイスは、多くの異なるレベルの利得制御、場合によっては２、３、４、５、６、７、８、９、又はそれ以上の異なるレベルの利得制御を有し得る。したがって、これらの異なるレベルの利得制御により、遭遇する異なる生理機能に適したレベルの利得を自動設定することができる。

一部の実装では、本発明のデバイスは、５１２レベルのＤＣオフセットを可能にし得る。この制御により、信号は常に増幅器の範囲の中央に配置され、最大の増幅と制限された歪みが可能となる。ＤＣオフセットにより、信号を増幅器の入力範囲の中央に適正に設定することができる。ＤＣオフセットが本発明のデバイスに組み込まれていなければ、肌の色が非常に濃いと、ＤＣオフセットが増幅器の範囲の下限近くになり、顕著な歪みなしに信号を増幅する能力が制限される可能性がある。

一部の実装では、本発明のデバイスは、２５６レベルのＬＥＤ光制御を有することができ、これにより、各生理機能についてのより効率的な制御が可能となり、デバイスの効率が高まり、デバイスの装着時間が延びる。増幅器の利得と同様に、生理機能が異なれば、必要なＬＥＤ光の強さも異なる。ＬＥＤの電力は、システムでバッテリ電力を最も消費するものの１つであるため、ＬＥＤの制御、管理、又は使用が非能率的であると、バッテリの使用が非能率的となり、したがって、寿命又は装着時間が短くなる可能性がある。

図９Ａ及び図９Ｃは、本発明のデバイスによるＳｐＯ２測定の結果を示す。図９Ｂ及び図９Ｄは、市販のフィンガーオキシメータによるＳｐＯ２測定の結果を提供する。図９Ａ及び図９Ｂでは、フィッツパトリックスコアが２である肌の色が薄い個人にテストが同時に行われたことに留意されたい。図９Ａでは、本発明のデバイスが個人の胸部に配置され、図９Ｂでは、フィンガーパルスオキシメータが個人の指に配置されている。図９Ｃ及び図９Ｄでは、肌の色が非常に濃い又はフィッツパトリックスコアが６よりも大きい個人にテストが同時に行われたことに留意されたい。図９Ｃでは、本発明のデバイスが個人の胸部に配置され、図９Ｄでは、フィンガーパルスオキシメータが個人の指に配置されている。両方のテストで、すなわち、肌の色が非常に薄い人でも肌の色が非常に濃い人でも、本発明のデバイスは、工業的に製造されているフィンガーパルスオキシメータの結果と非常に類似した結果をもたらすことができ、これは、本発明のデバイスが経時的なＳｐＯ２レベルに関する正確な情報を提供し得ることを実証している。

一部の実装では、本発明のウェアラブルデバイスの長さは、およそ８０ｍｍ（約３．１４９インチ）であり得る。一部の態様では、より短い長さは、特定の生理学的トポグラフィに対してデバイスが大きすぎる場合に起こり得るデバイスの接着の喪失及び電極の持ち上がり又は外れを減らすことによって、デバイスの装着時間を増すことができる。さらに一部の実装では、デバイスは、被検者への接着の完全性を高め得る、よりフレキシブルな回路基板設計を組み込むことができる。

本発明のデバイスの一部の代替的な実装では、デバイスは、ＥＣＧ測定及び計算に必要なデータを得るために２つだけの電極を使用し得る。一態様では、２つの電極を使用すると、電極の持ち上がり及びその後の信号損失の変化が少なく又は小さくなり得るため、デバイスの信頼性が高まる可能性がある。さらに、一部の実装では、１つの電極がストリップの本体に一体化され、第２の（又は第３の）電極がテザーで接続され、これは２つの電極の機械的な動きを分離し、したがって、各電極から得られた信号からのモーションノイズが大いに低減又は減少する可能性がある。テザー接続電極はフレキシブルな電極エクステンダを介して取り付けられるので、テザー接続電極は、電極の様々な相対的位置決めを可能にし得る。電極の相対的位置決めを変更できることの１つの利点は、特定の研究で異なるＥＣＧ形態が必要とされる場合があることであり、したがって、電極の位置を変更できれば、様々なＥＣＧ形態を測定できるデバイスを必要とする研究にデバイスを使用できるようになる可能性がある。さらに、一部の実装では、自動利得制御（本明細書の他の箇所で説明される）とともに高感度増幅器及びフィルタを使用するコンディショニング回路のアナログフロントエンド（ＡＦＥ又はアナログフロントエンドコントローラ（ＡＦＥＣ））セットは、すべての年齢及び生理機能についてより高い信頼性及びＥＣＧ分解能を可能にし得る。

サブパートの図１Ａ～図１Ｇによって定義され、それらのいずれか及び／又はすべてを含む図１は、コンポーネント側又は上側１０１（又は５０１）と、患者側又は回路側１０２（又は５０２）と、参照符号１０３（又は５０３）で概して識別される１つ以上の内側電気層と、細長いストリップ層１０５（又は５０５）とを有するデバイス１００（又は５００又は５００ａ）を示す。ストリップ層１０５は、その上及び／又はその中に電子機器を有し得る。図１Ａは、いくつかの限定ではない実装において、本発明で用いられ得るいくつかの他の要素と共に実質的に透明なデバイスと考えられ得るものであるこれらを等角図で示す。より具体的には、図１Ｂは上側１０１の平面図、図１Ｃは下側の患者側１０２の平面図、及び図１Ｄは第１の立面側面図である。

本発明の随意的な電子機器の多くは、１つ以上の電子機器層１０３に配置することができ、ここで概して示すように、電子機器は、細長いストリップ層１０５上の若しくは細長いストリップ層１０５内の動作位置に固定するため又は細長いストリップ層１０５に対して他の方法で機能的に配置するために、材料１０４（又は１２１ａ）（いくつかの例については図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｄ、及び図１Ｆ参照）、医療グレードのシリコーン、プラスチックなど、又はポッティング材料内にカプセル化され得る。ポッティング材料又は他の材料はまた又は代替的に、多くの実装において、水又は汗の中の使用環境でも電子機器を動作させ続けるために電子機器の防水性又は水密性又は耐水性の被覆を提供し得る。１つ以上のアクセスポイント、接合部、又は他の機能ユニット１０６が、その中又は下に配置された電子機器への外部アクセス及び／又は通信のために、カプセル化材料１０４のいずれかの側部上に及び／又はそれを通して設けられ得る。図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｄは、上側に４つのこのようなアクセス部１０６を示している。これらは、とりわけ、高Ｚデータ通信ポート及び／又は充電接点を含み得る。このデバイス１００の上側又はコンポーネント側１０１は、いくつかの例では、例えば１つ以上のポート１０６を介したデータ通信又は転送のために及び／又は充電のために、ＨＳ ＵＳＢコネクタのみが露出された状態で、保護及び／又は防水のためにシリコーン化合物でコーティングされ得る。

細長いストリップ層１０５（又は５０５）は、電子機器１０３（又は５０３）とさらに後述する導電性パッド又は接点１０８、１０９、及び１１０との通信のための電気リード線又は他の内側層導体、例えば、図１Ｄに示されたリード１０７などの回路又は回路部分であるか又はこれを含み得る（１０８及び１０９は、いくつかの例では、心電計、ＥＣＧのための、ＡｇＣｌ（プリントなど）、高インピーダンス／高Ｚ銀又は銅／銀電極であり、１１０は、時には参照電極であり得る）。多くの実装において、ストリップ層１０５（又は５０５）は、許容できる変形、ねじれ、屈曲などを提供し、それでもその上の及び／又は中の堅牢な電気回路接続を保持すると理解される、フレックス回路であり得るか又はこれを含み得る。電子機器１０３及び電極１０８、１０９、１１０は、層１０５の、電子機器１０３の場合は上部に、電極１０８、１０９、１１０の場合は下部又は患者側に取り付けられて示されているが、このような要素は、実際には、層１０５内に形成され得るか又は他の方法で配置され得る、又は少なくとも、層１０５と共に、層１０５上に、又は層１０５に隣接する１つ以上の層の相対的な動作位置に比較的区別なく配置され得ることに留意されたい。同様に、無数であり得るリード又はトレース１０７の一部が（図１Ｄの破線表現によって）埋め込まれて示されているが、これらは上側又は下側にあってもよく、他の皮膚側の電気通信から絶縁するために上側の可能性が高い。最初に上側（又は下側）にある場合、トレースはその後、絶縁性封止材料又は同様の保護カバー（個別に示されていない）、及び／又は多くの実装では、層１０５の全体又は大部分のフレキシブルな代替を維持するためにフレキシブルな材料で覆われ得る。

図１Ａ～図１Ｄの実装（とりわけ、以下にも示され説明される）では、すべての回路がフレキシブル回路基板１０５に比較的直接に取り付けられて示されており、現在のフレキシブル基板ではおそらくあまり好ましくないが依然として実行可能な選択肢である。しかしながら、一部の代替では、被検者に面するフレキシブルカード基板を図１Ａ～図１Ｄの基板１０５よりも比較的可撓性にするために、大きな集積コンポーネント及び他のコンポーネントのすべてではないにしても多くを、それにもかかわらずフレキシブル回路基板に作動可能に接続することができる別の比較的剛性の高いプリント回路基板（別名、ＰＣＢ）に再配置することができる。これらは、図１Ｅ及び図５Ａのデバイス５００及び５００ａで示されている。

より具体的には、サブパートの図１Ｅ及び図１Ｇは、コンポーネント側又は上側５０１と、患者側又は回路側５０２と、参照符号５０３で概して識別される１つ以上の電気層とをそれぞれ有するデバイス５００又は代替的なデバイス５００ａを示す。また、その中に細長いストリップ層又は回路層５０５も配置される。回路層５０５は、その上及び／又はその中に電子機器、例えば、ＥＣＧ電極、ＰＰＧデバイス／センサ、温度センサ、及びマイクロフォン、例えば、ピエゾマイクロフォンを有し得る。図１Ｅ、図４Ａ、及び図４Ｂは、いくつかの限定ではない実装において、本発明で用いられ得るいくつかの他の要素と共に実質的に透明又は半透明なデバイスと考えられ得るものであるこれらを等角図で示す。図１Ｅ、図４Ａ、及び図４Ｂは、著しく撓んで示されているフレキシブル又はフレックス回路層である第１の層５０３ａを含む、概して積み重ねられる２つ以上の層を示し、ここでは被検者ユーザ（ユーザ又は装着者１０００は図４Ａ及び図４Ｂで概して識別される）で使用されているのでアーチ状に示されている。第２の又は中間回路層５０５は、ここでは、その上に、それに、及び／又はその中に接続された電気接続及び／又は回路コンポーネントをより容易に維持するために、円弧状又はアーチ状又は他の様態に撓むことを意図されていない比較的剛性の材料基板である。ここでは同じくフレキシブル層である随意的な第３の層５０３ｂも、ここでは回路層５０５の上に示されており、ここでは第３の層５０３ｂは、１つ以上のデータ通信デバイス５０６を介して、ここではアンテナ５０６を介して、データ通信機能を有する。

アンテナ５０６の説明は、好ましくは、それがデバイス５００／５００ａのエンベロープ内に嵌る、例えば、カスタムフィットし得るように設計され得るということである。これは最小定在波比と最大順方向電力で２．４ＧＨｚで共振し得る。これを達成するために、回路基板、シリコーンカバー、及び接着剤が定位置にある状態で、その場で、人体上で、能動要素の長さ、幅、及び誘電体の厚さが最適化され得る。新規な特徴は、通常、共振周波数で等しい長さの２つの要素（１つは受動、もう１つは能動）で構築されるダイポールアンテナであり得る。本明細書で示され説明されるダイポールの実装は、共振周波数で能動要素を用いるが、受動要素として人体を用いる。

図１Ｇは、随意的な第３の電極５１０（テザー接続電極）、電極エクステンダ５０４、シリコーンカバー５３０、プリーツ５３１、バッテリケージ５２０、及び取り外し可能なバッテリケージカバー５３３を含む、デバイス５００又は５００ａなどの三次元の上面図を提供する。取り外し可能なバッテリケージカバー５３３は、バッテリケージ５２０に対して定位置に固定することができる回転可能な摩擦嵌合型の（又は代替的にバヨネット式の）キャップであり得る。一部の実装では、取り外し可能なバッテリケージカバー５３３は、取り外し可能なバッテリケージカバー５３３がバッテリケージ及びより一般的にはデバイスに対して定位置に固定されているかどうかをユーザが判断するのを助けるために基準点マーキング５３６と位置合わせされるロック解除インジケータ５３４及びロックインジケータ５３５を有し得る。さらに、一部の実装では、バッテリケージカバー５３３は、バッテリケージカバーの表面から突き出るハンドル５３７をさらに有することができ、これは、ユーザがバッテリケージカバーを回す（ねじ込む又は緩める）及び固定するのを支援することができる。代替的に、バッテリケージカバー５３３はまた、ユーザがバッテリケージカバーを回す（ねじ込む又は緩める）のを支援するために、１つ以上のくぼみ５３８を有し得る。場合によっては、バッテリケージカバーは、外部条件からのバッテリコンパートメントの防水性を提供するために、キャップの下側の円周の周りにシリコーン、ゴム、又は他の適切な材料（図には示されていない）のシール材料を有し得る。

他のコンポーネントの説明に戻ると、患者側１０２では、図１Ｃのように、ＥＣＧ電極１０８、１０９、及び１１０は、患者の皮膚と実質的に直接接触するために露出されたままにされ得る（しかし、少なくとも、間に導電性ゲルが適用される可能性が高い）、及び／又は、多くの実装において、患者側の電極１０８、１０９、及び／又は１１０は、後述するように導電性接着剤材料によって覆われ得る。電極は、例えば、生体適合性及び高い信号品質のために銀／塩化銀などの堅牢な高導電性材料でめっきされるか又はそのような材料で作製され、一部の実装では、非常に堅牢であり、１つの限定ではない例では、患者間の約１０００回以上のアルコール洗浄サイクルに耐えるように適合され得る。場合によっては、これらの銀／塩化銀電極は、フレキシブル回路基板又はフレキシブルプリント回路に直接プリントすることができ、さらに他の例では、銀／塩化銀電極は、製作プロセスにおける個別の別個のステップでフレキシブル回路基板又はフレキシブルプリント回路に取り付けるか又は固定することができる。窓又は他の通信チャネル又は開口部１１１、１１２（図１Ｃ）が、パルスオキシメータのために、例えば、ＬＥＤ及びセンサのために設けられ得る。このような開口部１１１、１１２（例えば、図１Ｃ）は、通常、患者の皮膚との間の最適な光通信のために配置されるであろう。電子機器１０３のより近くに配置され及び／又は接続される１つ以上の光導管１１１ａ／１１２ａ（及び１１１ｂ／１１２ｂ）の代替的な配置が、図１Ｄの限定ではない例に示されている。様々な代替的な配置が本発明で使用可能であり、それらのいくつかをさらに後述する。

一部の実装では、太陽光又は他の周辺光源によって引き起こされるノイズを打ち消すために、（ＬＥＤをオフにした状態で）周辺光のサンプリングを行い、次いで、これを各パルスオキシメトリ信号から差し引くことができる。

ＬＥＤとフォトダイオード／センサの組み合わせは、一部の実装では、高効率一体化センサと呼ばれる場合もある。この構成は、ＳｐＯ２（末梢毛細血管酸素飽和度）の決定において実装され得る。

図１Ｆでは、ＬＥＤ及びセンサ１１１ｃ／１１１ｄ／１１２ｃのためのシリコーンカバー又は封止材料１２１ａの実装は、カバーの外面１２１ｂにある又はこれに隣接した凸レンズを含み得る。多くの実装において、外面とレンズは同一のものであり、及び／又はレンズは、封止材料１２１ａの表面１２１ｂによって画定され得る。これにより、胸部又は額（例えば、乳児若しくは新生児）又は背中又あるいは他の方法にかかわらず患者ユーザの体に取り付けられた、パルスオキシメトリＬＥＤエミッタ１１１ｃ／１１１ｄ及び１つ以上のフォトダイオードセンサ１１２ｃが皮膚表面と相互作用するための構造及び方法が提供される。代替オプションでは、ＰＰＧは、フレキシブル基板５０３ａに取り付けられ、接着剤層１１３から僅かに突き出て、装着者１０００の皮膚１００１と接触することができる。この実装では、デバイス１００は、ＬＥＤ１１１ｃ（赤色ＬＥＤ）及び１１１ｄ（赤外ＬＥＤ）及び随意的に緑色ＬＥＤ（図示せず）を含むＰＰＧユニットに作動可能に接続され得ることに注目されたい。ＬＥＤは、患者の皮膚に光を投射し、そこで光は組織に進入し、次いで、フォトダイオード又は光センサの方にはね返されるか又は散乱される。図１Ｆでは、患者の骨１００２も図に示されている。図１Ｆに示されているＰＰＧセンサは、約５ｍｍ^２であり、センサ及びＬＥＤを取り囲む外円の直径は、対応する約８ｍｍであり得る。一部の実装では、赤色ＬＥＤ光源の中央から対応するセンサの中央までの好ましい距離に対して約３．２ｍｍの赤色を設定することができ、赤外ＬＥＤ光源及び緑色ＬＥＤ光源の中央から対応するセンサまでの約３．７ｍｍの好ましい距離を設定することができる。

より具体的には、本明細書で別途説明されるように、本発明のシステム及び／又はデバイス１００は、選択された波長の１つ以上のＬＥＤエミッタ１１１ｃ／１１１ｄ（及び随意的にさらなるＬＥＤエミッタ）と、１つ以上のフォトダイオードセンサを使用することができる。しかしながら、装着者１０００の皮膚１００１へのＬＥＤ／センサの組み合わせの結合を最大にするために、光学的に透明な医療グレードのシリコーンからなる封止材料及び／又はレンズ１２１ａ／１２１ｂを、ＬＥＤ／センサの組み合わせ１１１ｃ／１１１ｄ／１１２ｃをカバーする状態でその上に成形するか、又は後で取り付けることができるように成形することができる。多くの実装において、例えば図１Ｆのように、レンズ１２１ｂは、本質的に部分的に球形又はほぼ半球形であり得る。他の形状の湾曲も同様に有用であり得る。湾曲は、装着者の移動などによるかどうかにかかわらず、デバイス１００が移動し得るときの皮膚接触の喪失を低減することができる。すなわち、図１Ｆでの装着者１０００又は装着者１０００に対するデバイス１００の移動は、結果的に皮膚１００１上の及び皮膚１００１に対するレンズの準転がり接触を生じることがある。皮膚接触が良好に維持されることは、中断のない及び／又はノイズが低減された良好なデータ収集を意味する。

さらなる注記として、図１Ｆのような湾曲したレンズ１２１ｂオプションについて、レンズの半径は、患者の皮膚１００１を透過して患者の骨１００２で反射した後の、光源１１１ｃ／１１１ｄから光センサ１１２ｃへの光伝搬を最大にするように設計され得る。レンズの高さは、デバイス１００の複合接着剤１１３の上及び皮膚の中に突き出ることを可能にするように設計され得るが、結果的に悪いデータを生じる可能性があるので毛細血管床を乱すほど深くはない。さらに、皮膚を透過するのに用いられるＬＥＤ、例えば、赤色及び赤外及び／又は緑色ＬＥＤは、非常に広い一連の放射角度をもたらし、したがって、多数の反射された一連の光波が多様な湾曲面によってセンサに合焦されるので、ＬＥＤ光波放射の曲率半径及び角度は必ずしも高度に制御される必要はない。すなわち、湾曲面は、移動（偶発的な又は意図的な）のなかで接触を維持するのに役立ち、皮膚を通過する透過角度及びセンサに戻る反射の角度にはそれほど重要ではない。言い換えれば、多くの異なる曲率半径が有効であり、データ／波の透過及び反射にほとんど差はなく、ＬＥＤの広角放射は、様々な半径に対応する。むしろ、湾曲は、デバイス１００の移動に起因する接触の維持においてより多くの制限を有し得る。例えば、より平坦な湾曲は容易に曲がらない場合があり、曲率半径が非常に小さいと、それほど多くのデータは送受信されない。

一部の実装では、約１２．６ｍｍ×６．６ｍｍの区画内にＬＥＤ及びセンサを有するデバイスにおいて、有用であることがわかった曲率半径は、約２０～４０であった（２０．３４ｍｍと３９．９４ｍｍの両方の曲率半径が有用であることがわかった）。ＬＥＤは、一方の側又は他方の側又は２つの対向する側に、又はおそらくセンサの周りの４つ以上の実質的に等距離の点にあってもよく、望ましい結果をもたらし得ることにさらに留意されたい。

さらに、本発明のパルスオキシメトリは、複数の光源及び／又はセンサを有し得ることに留意されたい。典型的なパルスオキシメトリ回路は、波長ごとに１つの光源（ＬＥＤ）（通常は、赤色、赤外、及び場合によっては後述するさらなる例に関する緑色又は赤色／赤外の長時間平均を含むその他の光源）を用いる。しかしながら、本発明のデバイス及び／又は方法は、各波長の複数の光源を利用することができる。これは、局所的なモーションアーチファクトの影響を減らすために、患者／装着者の内／上の毛細血管床のより広い領域のインテロゲーションを可能にし得る。同様に、同じ又は類似の目的又は利点のために複数のセンサを用いることができる。

したがって、動脈血酸素含有量の測定は、オキシヘモグロビンの有無に応じて異なる光吸収を呈する、通常は赤色及び赤外パルス光源からの光信号（心拍光信号と呼ばれることもある）を用いて行うことができる。要約すると、透過システムは光源と光検出器で用いられる。

ここでは、反射システムが典型的であり、これらは多くの場合、邪魔にならず、おそらくよりポータブルであるといういくつかの利点を有する。本明細書で説明したように、このような反射システムは、通常、赤色及び赤外光源と、フォトダイオードセンサ又は検出器、又はこれらのコンポーネントの複数の構成を使用する。また、説明したように、１つの実装／方法は、１つ以上の中央大面積フォトダイオード／センサ／検出器と、フォトダイオードに隣接するか又はその周りに配列された１つ以上のＬＥＤ光源、多くの場合、赤色及び赤外ＬＥＤ光源のそれぞれのうちの１つ又は複数を使用する。また、説明したように、代替的な構成は、各波長タイプ（赤色、赤外、随意的に緑色など）のうちの１つ又は複数を有する、１つ以上の光源の中央ＬＥＤ光源セットと、中央ＬＥＤを取り囲む複数の大面積フォトダイオード又は光センサを使用する。このような構成は、ＬＥＤの周りに２又は３又は４つのこのような検出器を使用して、ＬＥＤから皮膚及び他の組織を通ったより多くの光散乱を収集し得る。

代替的な接着剤に戻ると、図１Ｄは本発明で用いられ得る接着剤１１３の第１の例を提供する。接着層１１３は、ここでは、デバイス１００又は代替的にデバイス５００の底面１０２に適用するための両面接着剤であり、第２の面は、おそらく人間の患者の皮膚（図示せず）に接着するための異なるタイプの接着剤を備える。接着層を取り付けるために選択される材料が異なるという点で、通常、デバイス１００に接続するための回路又は回路基板材料、及び患者側で患者の皮膚（別個に図示せず）に接着するために、異なるタイプの材料を用いることができる。患者への適用が望まれるまで患者側で保護バッキング１１４が使用され得る。多くの用途において、接着剤１１３は、好ましくは一方向又は実質的に一方向に、例えば、接着剤の接触面に垂直な軸方向にのみ導電性であり得るという点で異方性であることに留意されたい。したがって、信号通信のための良好な導電接触は、このような接着剤を通じて／接着剤を通じて電気接点又は電極１０８、１０９、及び１１０に通じることができる。パルスオキシメトリ及び／又は温度感知に通常関係する光データの通信のために層１０５内の／層１０５を通る光導管１１１ａ／１１２ａと協働してそれを通じて光を通信するための、対応する１つ以上の光開口１１１ｂ／１１２ｂが図１Ｄの例の接着剤１１３に示されていることに留意されたい。

接着剤に関連するさらなる代替が用いられ得る。一部の実装では、１つ又は複数のモーションアーチファクトを低減する特性を有する複合接着剤ストリップが用いられ得る。典型的なＥＣＧ取付システムは、電極上に配置される導電性ゲルを用いる。しかしながら、ここでは、デバイスの選択された領域又はフットプリント全体をカバーする、積層された接着剤の連続シートに組み込まれるハイドロゲル接着剤が用いられ得る。ハイドロゲル自体が強い接着特性を有するという事実は、接着剤でデバイスを完全に覆うことと相まって、デバイスと患者の皮膚との強い結合を保証し得る。モーションアーチファクトの低減に寄与するのは、胸骨上のデバイスの代替的な垂直配置であり、これは、ＥＣＧ信号、フォトプレチスモグラフィ波形、及び酸素飽和信号のうちの１つ又は複数に関するモーションアーチファクトの低減をもたらす。

本発明のデバイス及びシステム及び方法は、通常、「反射パルスオキシメトリ」と呼ばれる技術を使用して、ストリップデバイスからＯ２Ｓａｔデータを取得する。本発明の多くの実装において、２つの波長の光が、皮膚上及び皮膚内、並びに毛細血管床内に照射され、その後、反射してフォトダイオードセンサに進む。次いで、これらの反射波長を使用してＯ２ｓａｔを計算する。他方では、多くの業界標準デバイスが「透過パルスオキシメトリ」を採用しており、その場合、光が付属器を透過し、毛細血管床を通り、付属器の反対側にあるフォトダイオードセンサに進む。透過光は酸素飽和度を計算するのに用いられる。

反射法に関連した固有の課題がある。ここで対処される１つは、「静脈シフト」と呼ばれ、以前から識別されており、他者による数多くの刊行物の主題となっている。

「静脈シフト」は、テスト被検者が背臥位から左向き又は右向きに位置を変えるときに時折発生する、導出されたＯ２Ｓａｔ値の突然の減少として現れる。図２Ａ及び図２Ｂは、「シフト」（別名、「静脈シフトに起因する不正確な酸素飽和度」）の良い例を提供する。これらのシフトの例では、被検者は背臥位で横たわってから右向きに方向転換する。すぐにＯ２Ｓａｔの約９５％から約８０％への低下が現れる（図２Ａの時間に対する活動信号（任意単位）のブリップは活動を示し、対応する図２Ｂは、時間点２３：００：００より前の関連するポイント２５０での時間に対する見かけのＯ２Ｓａｔの低下（％）を同時に示し、ポイント２５０は図２Ａ及び図２Ｂに対応して示されている）。

「静脈シフト」はまた、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように生ＰＰＧ波形に現れ得る。図２Ｃの波形２５１は実質的に正常であり、図２Ｄの波形２５２はシフトされている。言い換えれば、図２Ｃは、実質的に正確なＳｐＯ２が得られる正常な単一の動脈拍動ＰＰＧ波形２５１を示す。しかしながら、図２Ｄは、反して不正確なＳｐＯ２が得られる単一の動脈静脈拍動２５２を示す。

この「静脈シフト」は、光の吸収への静脈毛細血管の寄与を示し、光学センサによって測定され、フォトプレチスモグラムに現れる。ここで、フォトプレチスモグラムにおける静脈毛細血管の寄与は、以下のように定義される。生ＰＰＧ波形は、動脈拍動、すなわち、各心拍での周期的及び定期的な動脈容積の増加、に相関する光吸収の重ね合わせであり、動脈拍動の規則性は心拍により支配され、光吸収は心拍との時間相関なしにホワイトノイズと同等に見える静脈の流れと相関する。同等のホワイトノイズの強度をＰＰＧ波形の強度で割ったものとして定義される比が、静脈毛細血管の寄与である。

代替的に、静脈毛細血管の寄与は、ＰＰＧ波形のフーリエ変換から導出され得る。実際、心拍周波数（及びその倍数）に関連付けられるフーリエ係数は、関心ある周期的信号、すなわち、動脈の寄与に対応し、一方、他のフーリエ係数は、フィルタリングにより除外される非周期的信号、すなわち、静脈の寄与に関連付けられる。したがって、静脈毛細血管の寄与は、非周期的信号に関連付けられるフーリエ係数の振幅で定義され得る。

さらに、信号処理方法を使用して、「変形した」ＰＰＧ波形２５２に対してアルゴリズムを実行し、静脈波形の寄与を除去することによって、変形した波形２５２を正確なＳｐＯ２読取値を得るために用いられ得る波形に変換することができる。

静脈シフト軽減と呼ばれる、静脈波形によって難読化された反射ＰＰＧ信号から動脈拍動を抽出する方法では、ＰＰＧ波形からＳｐＯ２を計算するために、波形内の動脈拍動を見つける必要があり、Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓを使用してＳｐＯ２を計算することができる。

図２Ｅでは、ＥＣＧは明るい灰色で示され、赤色（太い実線）及び赤外（点線）ＰＰＧ波形は動脈拍動を表す。各ＥＣＧ ＱＲＳ群の後に単一のパルスが存在することに注目されたく、これは予想されることである。図２Ｅでは、ＰＰＧ波形はほぼ周期的であり、静脈毛細血管の寄与は約５％と推定される。ＥＣＧ ＱＲＳ及びＰＰＧ波形のピークからの距離は、脈波伝達時間（ＰＴＴ）として知られている。ＰＴＴは、血圧の小さな変化に対して比較的一定であり、相対血圧の決定にも使用することができる。

特定の条件下で、この波形は、静脈プールと考えられるもの、又は動脈波形と結合した静脈拍動性波形によって歪む可能性があり、この歪みにより、従来の方法でＳｐＯ２を導出するのにすぐには役立たない波形が生じる。

図２Ｆでは、ＰＰＧ信号が歪んでおり、ＳｐＯ２を導出する従来の方法では値が不正確となることがわかる。実際、ＰＰＧ波形は、心拍にほぼ同期しているが、ランダムな変動の影響を強く受けたピークの明確な繰り返しを示しており、静脈毛細血管の寄与は約５０％と推定される。しかしながら、ＥＣＧ及びＰＰＧ波形の同時の及び同期した取り込みによる本発明のデバイス及び方法及びシステムでは、この信号から正しい真の動脈拍動を抽出することができる。

これは、ＥＣＧ ＱＲＳを基準として時間的にどこに動脈拍動が存在するかをおおよそ知ることによって可能となる。図２Ｅから単一のパルスを抽出する場合、動脈拍動のピークのおおよそのタイミングがわかる。図２Ｇでは、ｘ軸の時間０は、Ｑ波の立ち上りエッジで決定されるＥＣＧ ＱＲＳ群のファイアリングであり、動脈拍動のピークは、そのイベントの後のおよそ１２ユニットに存在する。これらのユニットは、ＰＰＧ信号取得のサンプルレートを表し、このケースでは、１つの限定ではない例として６４サンプル／秒である。したがって、１２ユニットは、１２／６４秒を表す。

以下で説明する「フレーミング」技術を使用すると、開始点としてＥＣＧ ＱＲＳを使用し、各フレームの終了点として心拍数の周波数よりも小さい特定の数を使用して、ｘフレームの集約に基づいて平均ＰＰＧ波形を形成することができる。図２Ｆからの歪んだ波形を取り上げ、この技術を適用すると、図２Ｈに示される集約波形が得られる。

この方法でＰＰＧ波形を集約し、ＥＣＧに対して真の拍動性ピークがどこに存在するべきかを知ること（およそ１２ユニット、黒の矢印で強調される）で、動脈拍動を見つけることができる。これをさらに一歩進めて、図２Ｈに挿入された灰色長方形内の信号の部分だけを分離し、信号処理技術を適用すると、図２Ｉに示すように動脈拍動のより典型的な信号が得られる。

図２Ｉでの信号は、図２Ｆに示された歪んだ波形から取り上げられた真の動脈拍動性信号を表す。ピークはおよそ１２ユニットで生じることに注目されたく、これはこのケースでは図２Ｇから示されるように予想されるところである。次いで、必要に応じて正しいＳｐＯ２値を得るべく、この信号を通常のＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算で使用することができる。

この手法は、ＥＣＧ ＱＲＳを基準として時間的にどこに動脈拍動波形が存在するかをおおよそ決定すること、決定することは、その単一の動脈拍動についての第１及び第２の光波長からの第１及び第２のパルス波形を含む動脈拍動波形から単一の動脈拍動を抽出し、単一の動脈拍動のピークのおおよそのタイミングを見つけることをさらに含む；ＥＣＧ ＱＲＳ群のファイアリングであるｘ軸の時間０を確立し、そのイベントの後のおよそｎユニットに存在する単一の動脈拍動のピークを確立すること、これらのユニットはＰＰＧ信号取得のサンプルレートを表す；「フレーミング」技術を使用して、開始点としてＥＣＧ ＱＲＳを使用し、各フレームの終了点として心拍数の周波数よりも小さい特定の数を使用して、ｘフレームの集約に基づいて平均ＰＰＧ波形を形成すること；歪んだ波形を取り上げ、このフレーミング技術を適用し、集約波形を作成すること；波形を集約し、ＥＣＧに対して真の拍動性ピークがどこに存在するべきか（およそｎユニット）を知り、動脈拍動を見つけること；動脈拍動のより典型的な信号を生成するべく、信号の一部だけを分離し、信号処理技術を適用すること；正しいＳｐＯ２値を得るべく、この信号を通常のＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算で使用すること、によって実施され得る。

代替的に、この手法は、ＥＣＧ ＱＲＳから単一の動脈拍動を決定すること、決定することは、その単一の動脈拍動についての第１及び第２の光波長からの第１及び第２のパルス波形を含むＥＣＧ ＱＲＳの動脈拍動波形から単一の動脈拍動を抽出し、単一の動脈拍動のピークのおおよそのタイミングを見つけることをさらに含む；ＥＣＧ ＱＲＳ群のファイアリングであるｘ軸の時間０を確立し、そのイベントの後のおよそｎユニットに存在する単一の動脈拍動のピークを確立すること、これらのユニットはＰＰＧ信号取得のサンプルレートを表す；フレーミングを使用して、開始点としてＥＣＧ ＱＲＳを使用し、各フレームの終了点として心拍数の周波数よりも小さい特定の数を使用して、ｘフレームの集約に基づいて平均ＰＰＧ波形を形成すること；歪んだ波形を取り上げ、このフレーミングを適用し、集約波形を作成すること；波形を集約し、ＥＣＧに対して真の拍動性ピークがどこに存在するべきか（およそｎユニット）を知り、動脈拍動を見つけること；動脈拍動のより典型的な信号を生成するべく、信号の一部だけを分離し、信号処理技術を適用すること；正しいＳｐＯ２値を得るべく、この信号を通常のＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算で使用すること、によって実施され得る。

多面的なソリューションが本明細書で説明される。しかしながら本発明の適用範囲は、一緒に考えられるか又は個別に考えられるかにかかわらず、以下に提示する手法のうちのいずれか１つ又は複数に及ぶ可能性がある。患者が本発明のストリップデバイスを胸骨上に垂直に装着し、背臥位（図５Ａ参照）から例えば左向き又は右向きに動くときに、胸筋がＰＰＧセンサを皮膚から押し離す傾向がある（図５Ｂ参照）という問題が発生する可能性があることに再度注目されたい。センサが毛細血管床に圧力をかけていないとき、脱酸素化された静脈血と酸素化された動脈血との両方が、酸素飽和度を計算する「Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ」法に寄与する（図５Ｃ参照）。圧迫されていない静脈毛細血管からの脱酸素化された信号がＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算を低下させ、結果的にＯ２Ｓａｔの読取値が約８０％まで低くなり、不正確となることは明らかである。

図４Ａは、患者１０００の胸部へのデバイス５００、５００ａの配置を示し、図４Ｂは、患者１０００の背中１０００ａ、首１０００ｃのうなじ１０００ｂの近く、その上、又はそのすぐ下へのデバイス５００、５００ａの配置を示す。

第１の方法では、接触圧の損失に対抗するために、新規な接着剤設計が採用され得る。静脈毛細血管は動脈毛細血管よりも圧力がはるかに低いため、動脈毛細血管よりも先に圧迫され、結果的に動脈血がＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算での唯一の要素となる（図５Ｄ参照）。接着剤５１３、例えば圧縮可能なフォーム接着剤、及び／又は基板５０３ａに、プリーツ／ヒンジ５０３ｈに隣接して「段」がつけられ、ＰＰＧセンサ５１１が静脈毛細血管のみを圧迫するのに十分な大きさの圧力を維持するのに十分に「突出」することが可能となる。「突出」とは、患者の皮膚及び静脈を圧迫するべく、ＰＰＧセンサがデバイスの基板から十分な厚さだけ、少なくとも０．１ｍｍ、通常は０．５ｍｍ突き出ることを意味する。段付き基板又は基板上に配置されるように構成された段付き接着剤を含むデバイスが特に適している。

第２の方法では、静脈毛細血管に圧力をかけることは、体の特定の部分にストリップを配置することによって達成される。例えば、ＰＰＧセンサ５１１が胸骨上にあり、ＥＣＧ電極部が胸筋上にある状態で、ストリップを胸骨上に水平に配置することができる。患者が横向きに寝返りを打つと、プリーツ／ヒンジにより、基板５０３ａが図５Ｂに示すように屈曲し、ＰＰＧセンサ５１１にレバーアームが適用され、結果的に静脈毛細血管が圧迫される。

デバイス５００、５００ａを被検者の背中の、首のうなじの近くに配置することは、体の前部の胸骨上又はその近くに配置すること（図４Ａ参照）よりも明らかな及び／又は可能な顕著な利点を有する。第１の例では、デバイス５００、５００ａが胸骨に配置され、被検者１０００が横向きに横たわるとき、胸筋及び脂肪がデバイスの周りを圧迫する傾向がある。これにより、毛細血管床の静脈がうっ血し、ＰＰＧ測定値が歪むことになる。正確なＰＰＧ測定値は、動脈毛細血管のみに依存する。静脈シフト軽減で概説された軽減方法に加えて、図４Ｂに示すように背中へのデバイスの配置は非常に効果的であることが示されており、おそらく、静脈毛細血管がＰＰＧの読取値を歪めるのを排除することにさえ近づくかもしれない。図４Ｃは、生理学的信号を同時に記録する２つのデバイスでの個人のＳｐＯ２の決定を示し、第１のデバイスは胸骨に配置され（上）、第２のデバイスは首の椎骨Ｔ１に配置される（下）。取得中に、加速度計が個人の動きを記録し（任意単位のピーク）、患者の実際の位置を判定することを可能にする（Ｓは背臥位、Ｌ／Ｒは横臥位）。この位置は、ＳｐＯ２信号の下に時間的に対応して示される。胸骨上で取得された信号は、横臥位に相関するシフト（上のグラフの点線矢印で示される）、すなわち、ＳｐＯ２値の低下を示し、対応するＰＰＧ波形が図２Ｆに示されている。このアーチファクトはデバイスを背中に配置するとほぼ解消され、対応するＰＰＧ波形が図２Ｅに示されている。背中の筋肉及び脂肪は、胸筋のようにデバイスの周りで圧迫されないため、横向きに横たわっていてもＰＰＧの読取値が不正確になることはない。

実験データを見ると、Ｏ２Ｓａｔの読取値は、一般に胸骨でよりも背中での方がはるかに平坦であることは明らかであり、背中での配置の一貫性が高いことを実証している。

有利なことに、デバイス５００、５００ａは首のうなじの近くに配置される。さらに、光の反射を改善するために、ＰＰＧセンサは骨上に配置される。「上に」とは、放出された光が骨に向けられ、骨で反射されるようにＰＰＧセンサが配置されることを意味する。ＰＰＧセンサを第一胸椎（Ｔ１と表記される）に配置することで、静脈毛細血管の寄与が２５％未満、通常は１０％未満で特に良好な結果が得られる。

さらなる注記として、可撓性のテザー５０４上の遠隔ＥＣＧ電極５１０は、最良の信号のために配置されるように構成され得る（図４Ａには図示せず）。デバイス５００、５００ａが背中に配置されるとき、テザー５０４は、電極５１０を肩の上の体の前部又は背中の最良の信号のために選択された位置にセットするように配置され得る。

第３の方法は、信号処理技術を含み、最初に、シフトされた静脈ＰＰＧ波形が発生しているかどうかを識別し、次に、その影響を改善して、正確なＲａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ計算を可能にする。

図２Ｃからわかるように、「良好な」ＰＰＧ波形２５１は、Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ式を使用してＳｐＯ２を決定するために用いることができる単一の動脈拍動波形を生じる。しかしながら、センサによってかかる圧力が不十分であるために、より低圧力の静脈拍動が動脈拍動に加わるとき、変形した波形（図２Ｄの２５２）が生じる。信号処理技術を使用して、この変形した信号２５２を標準のＰＰＧ波形２５１とは異なるものとして検出することができ、結果的に導出されたＳｐＯ２を不正確なものとして無効にすることができる。

本明細書で開示される方法は、以下のうちの１つ又は複数を含むときに特に適している：
－ デバイスの周りの筋肉又は脂肪を圧迫しない
－ 毛細血管床の静脈をうっ血しない、及び／又は
－ ＰＰＧ又はＥＣＧの読取値を歪めない、及び／又は
－ Ｏ２飽和の読取値を平坦化する。

多くの実装において、本発明のシステムは、ＥＣＧ電極と共に動作する他の回路を含むことができ、したがって、他のセンサを伴って、以下の時間的に一致するトレースを提供することができる：ｉ）ＥＣＧのＰ波、ＱＲＳ波、及びＴ波、ｉｉ）パルスオキシメトリで測定したＯ２Ｓａｔを決定するのに用いられるＰＰＧ波形、及び／又はｉｉｉ）身体活動の指標を提供するための、３軸加速度計で測定されるｘｙｚ加速度。このような回路は、以下の電気的仕様のうちの１つ又は複数に実装することができる。一部の実装では、システム全体では２週間（以上）ほどの連続実行時間が含まれる場合があり、このような時間の間にデータを収集する。一部の実装は、１０００回以上の使用を提供するように適合され得る。代替案は、流体又は湿気への暴露後又は暴露中であっても動作可能性を有することができ、一部のそのような例では、耐水性又は防水性又は水密性であり、場合によっては、（低塩水に）十分に浸漬されたときに十分に動作可能であり続ける。他の実装は、約９０秒未満でのフルデータ転送のためにＨＳ ＵＳＢを使用する例などの高速データ転送を含み得る。通常、充電式バッテリを用いることができる。

さらに代替的な実装は、電子「接地」を含み得る。これは、もっぱらフレキシブル回路基板上に取り付けられる本発明のデバイスでは、接地板機能は、信号リード線に隣接する同軸接地リード線によって提供され得る。このタイプの接地システムの主な寄与は、デバイスが皮膚に順応して接着するのに必要な可撓性をもたらし得ることである。この代替的な実装は、本発明の図面には示されていないことに留意されたい。

心電計、ＥＫＧ又はＥＣＧについて、一部の実装は、約１０メガオームを超える入力インピーダンスを含み、一部の実装は、０．１～４８Ｈｚの帯域幅で動作することができ、一部はおよそ２５６Ｈｚのサンプリングレートで動作し、１２ビット分解能を実装することができる。ＰＰＧ及びパルスオキシメータについて、６６０及び９４０ｎｍの波長、約８０～１００のＳｐＯ２範囲、０．０５～４．８Ｈｚの帯域幅、１６Ｈｚのサンプリングレート、及び１２ビット分解能で動作することができる。加速度計について、３軸測定を採用することができ、一部の実装では、±２Ｇの範囲、１６Ｈｚのサンプリングレート、及び１２ビット分解能を使用する。本発明の一部の実装は、０．１～４８Ｈｚの帯域幅で動作することができ、一部はおよそ２５６Ｈｚのサンプリングレートで動作し、２４ビット分解能を実装し得る。２４ビットのＡ／Ｄ変換器を使用すると、ダイナミックレンジで約６０ｄＢの利得が得られ、増幅器が「飽和」又は「レイリング」する可能性が低減し、したがって、単に１２ビット分解能が用いられる場合にＰＰＧによって発生し得る信号エラー又は損失の問題が低減する。

一部の実装では、しばしば従来の３つの、ここでは第３の電極の代わりに、２つの電極が用いられ、例えば、図１Ｇの５１０は随意的なものであり、５０８及び５０９はより主要である。従来のＴＩチップは、同じことを達成する１つの方法であり、ＴＩは、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎである。別のオプションは、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃｏｒｐｏｒａｔｅ Ｏｆｆｉｃｅ ２３５５ Ｗｅｓｔ Ｃｈａｎｄｌｅｒ Ｂｌｖｄ． Ｃｈａｎｄｌｅｒ， ＡＺ ８５２２４－６１９９）からの、ラージデュアルパーティションフラッシュプログラムメモリ及びＵＳＢ Ｏｎ－Ｔｈｅ－Ｇｏ（ＯＴＧ）を備えたＰＩＣ２４ＦＪ１０２４ＧＡ６１０／ＧＢ６１０系列の１６ビットマイクロコントローラである。そうするために、２つの発振器を使用して、１つのチップ上で２つのＥＣＧ及び１つのＰＰＧの分析を、したがって常に同期した状態で、提供することができる（ＡＦＥデバイス）。３電極は、特に駆動電極では、例えば、皮膚に水疱を生じさせる可能性を含むいくつかの理由で、より困難である。温度センサ、ピエゾマイクロフォン、及び加速度計も、マイクロプロセッサの内部発振器を使用して同期して測定することができる。また、第３の電極の除去だけでなく、ＰＰＧ、肌の色の調整、他の感度のために電極、生理学的差異（前述の肌の色）、自動利得制御を選択するというさらなるオプションが可能である。以前の１０ビットに対して２４ビットで、利得が制御され、ＴＩチップはＤＣリップルに対するＤＣオフセットを可能にする。

ここで、いくつかの要約の方法論が、図３に関連して理解され得るが、他のものは、本発明の開示の残りの部分を通じて及びその一部として理解され得る。図３のフローチャート３００は、代替のうちのいくつかを実証し、最初の操作３０１は、患者へのデバイス１００の適用であり得る。次いで、図のように、流れ線３１１による移行において、データ収集動作３０２が実施され得る。これは、連続的又は実質的に連続的な収集、或いは特定の間隔での又は定期的な収集、或いはおそらくワンタイムイベント収集も含み得ることに留意されたい。これは、収集するデータのタイプに依存するか、及び／又は他の特徴又は代替、例えばＥＣＧの場合に、例えば長期的なデータ量が望まれるかどうか、又は例えばパルスオキシメトリの場合のように相対的な単一のデータポイントが有用であり得るかどうか、に依存する場合がある（例えば明らかに低すぎる場合に、単一の飽和点が重要になる場合があるが、しかし、時間の経過に伴う傾向を示す比較データが実際はより一般的であり得る）。

図３のフローチャート３００にいくつかの代替が存在し、第１の代替は、データ送信動作３０３への流れ線３１２に従い、デバイス１００からデータ分析及び／又は記憶装置及び／又はシステムへの無線又は有線（例えば、ＵＳＢ又は他の）データ通信のいずれかを含む。このポイントからのオプションも示されている。しかしながら、第１の代替は、患者の相対的な健康状態の判定及び／又は状態診断のためにデータを分析するデータ分析動作３０４への流れ線３１３に従うことを含み得る。コンピューティングシステム、例えば、コンピュータをこの分析のために用いることもできる。しかしながら、いくつかの分析を行うことができるように十分なインテリジェンスをデバイス１００の電子機器１０３に又はデバイス１００自体に組み込むこともできる。限定ではない例は、例えば、低い（又はいくつかの例では、おそらく高い）閾値レベルに達したときにインジケータ又は警報がすべてデバイス１００の電子機器１０３上で／によってアクティブ化されるか、又は代替的に、ユーザに警告するべく携帯電話又はタブレットコンピュータに無線で通信される、パルスオキシメトリに関連した閾値比較であり得る。

同様のこのような例は、それ自体が部分３１２ｂ及び３１２ｃに分岐する随意的な代替的な流れ線３１２ａによって考慮され得る。流れ線３１２ａに続いて、次いで、第１の例示的なパス３１２ｂで、データ送信動作３０３のスキップが理解され、それにより、分析３０４は、実質的なデータ転送なしに達成され得る。これは、例えば上記の閾値の例によるかどうかにかかわらず、オンボード分析を説明することができ、又は場合によっては、電子機器１０３上に／内にどれだけのインテリジェンスが組み込まれるかに応じて、より詳細な分析を含むことができる。別の見方は、送信動作３０３が用いられたとしても、どれだけの送信が関係し得るかに関するものであり、これは、患者の皮膚から、導体１０８、１０９、及び／又は１１０を通してトレース１０７を通して、そこで分析するための電子機器１０３へのあるレベルでのデータの送信を含み得る。他の例では、もちろん、送信は、他のコンピューティングリソースへのオフボードダウンロードを含み得る。場合によっては、このようなデータのオフロードにより、より高度なコンピューティングパワーリソースを使用したより高度な分析が可能となり得るか又は提供され得る。

さらなる代替は、主として、使用される場合、いつでも、どこにでも、データストレージを含み得る。インテリジェンスと同様に、デバイス１００に搭載された電子機器１０３内で／によってストレージ又はメモリの一部が利用可能となるか又はまったく利用可能ではない場合がある。多かれ少なかれいくらかのストレージがデバイス１００で利用可能となる場合、データ３０５のいくらかの記憶を達成するためにパス３１２ｃへの流れ線３１２ａが用いられ得る。これは多くの場合、必ずしも送信又は分析の前である必要はない（一部のタイプのデータについては、別の動作を開始する又は実施する前に、特定の動作を完了する必要なしに、記憶と送信又は記憶と分析が行われるように、複数のパスが同時に、並行して、しかしおそらく同時に又は順次にではなく、採用され得ることに留意されたい（例えば、パス３１２ｂ及び３１２ｃは完全に他のパスを排除して採用される必要はない））。流れ線３１３ａは、送信後のデータストレージを示す。したがって、記憶３０５後（又は中に）、記憶されたデータについて、流れ線３１５ａをたどってパス３１５ｂを経由して動作３０３で送信することができ、及び／又はパス３１５ｃを経由して動作３０４で分析することができる。多くの場合、オンボードストレージの例でもあるこのようなストレージの例では、データを収集してローカルメモリに記憶し、後で分析のために１つ以上の堅牢なコンピューティングリソースにオフロード／送信することができる。往々にして、これは、例えば、数日又は数週間或いはそれ以上の長期のデータ収集を含むことがあり、したがって、患者が診療所又は他の医療施設から離れているときの遠隔収集を含み得る。したがって、患者の実際の状況で患者からデータを収集することができる。次いで、収集後に、データをデバイス１００上のそのストレージから所望のコンピューティングリソースに送り返すことができ、このような送信は、無線又は有線、或いは、例えば最終的な分析のためにインターネットを介して指定されたコンピュータにデータを通信し得るパーソナルコンピュータへのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ又はＷｉ－Ｆｉ接続との両方の組み合わせであり得る。別の例は、コンピュータへの、ＰＣ又はメインフレームのいずれかへのＵＳＢ接続を含み、分析のための患者コンピュータ又は医師コンピュータへの接続であり得る。

例えば、激しい運動中の心室性不整脈を明らかにする心電図トレースが、休息期間中の同じ不整脈とは異なるように解釈され得る。動きに応じて大きく変化する血中酸素飽和度レベルは、とりわけ、安静時よりも深刻な状態を示していることがある。４つの生理学的パラメータのさらに多くの組み合わせが可能であり、考えられる問題を表示及び強調表示する本発明のソフトウェアの能力は、医師の診断に大いに役立つであろう。したがって、本明細書に記載のシステムは、有益なデータ解釈を提供することができる。

この目的に向けて支援することができる特徴のうちのいくつかは、図３の動作３０３及び３０４のうちの１つ又は複数に包含され、デバイス１００上で収集されたデータは、かなり単純にコンピューティングリソース（ここでも、オンボードデバイス１００、又はそれとは別個のもののいずれであろうとも）に通信／送信され得る。一例として、デバイスが適用された患者（動作３０１）が、データを収集（動作３０２）した試験期間後に診療所に戻ることができるとき、デバイスが、例えばＵＳＢなどの１つ又は複数の代替的なデータ伝送を介して、診療所のコンピュータ（Ｗｉｎｄｏｗｓ又はＭａｃ）に接続され、患者が待っている間、医師による即時の分析が可能となる（デバイス１００は、最初に患者から取り外すことができるか、又はさらなるデータが必要かどうかを判断するための送信及び分析が行われるまで取り付けたままにすることができることに留意されたい）。一部の実装では、データ分析時間は比較的速く、およそ１５分未満、１０分未満、及び５分未満である場合があり、一部の実装では、分析ソフトウェアを通じて医師をガイドするべくユーザフレンドリーなＧＵＩ（グラフィックユーザインターフェース）を使用して実現され得る。

分析／ソフトウェアパッケージが、結果を医師に様々なフォーマットで提示するために配置され得る。一部の実装では、試験結果の概要が、より詳細な結果と共に又はその代わりに提示され得る。いずれの場合も、検出された異常及び／又は患者によってトリガされたイベントの要約が、概要の一部として及び／又はより詳細な提示の一部として提供され得る。個々の異常又は患者によりトリガされたイベントを選択することで、医師がＥＣＧ及び／又は他のセンサからの生データを含むさらなる詳細を見ることができるようにするための望ましい融通性がもたらされる。パッケージは、データを印刷し、業界標準のＥＨＲ（電子健康記録）フォーマットで注釈を付けて保存することもできる。

前述のように、本発明の一態様では、特に、パルスオキシメトリセンサが患者の胸などのノイズが発生しやすい場所に配置されている状況で、パルスオキシメトリ信号のノイズを低減し、酸素飽和度の値の計算を可能にするために、パルスオキシメトリ信号と時間的に一致して収集されたＥＣＧ信号が用いられ得る。この手法は、本開示の全体を通して「フレーミング」と呼ばれる。一部の実装では、この態様は、（ａ）複数の心拍にわたる心電図信号を測定するステップと、（ｂ）心電図信号と１つ以上のパルスオキシメトリ信号が１つ以上の心拍にわたって時間的に一致するように、複数の心拍にわたって１つ以上のパルスオキシメトリ信号を測定するステップと、（ｃ）心電図信号の一部と１つ以上のパルスオキシメトリ信号を１つ以上の心拍にわたって時間的に一致する様態で比較して、１つ以上のパルスオキシメトリ信号のそれぞれの定数成分及び主要な周期的成分を決定するステップと、（ｄ）１つ以上のパルスオキシメトリ信号の定数成分及び主要な周期的成分から酸素飽和度を求めるステップによって実施され得る。ＥＣＧ信号及びパルスオキシメトリ信号の測定は、本発明のデバイスの実装によって実施され得る。特に、パルスオキシメトリ信号は、本発明のデバイスの光検出器によって収集された反射赤外信号及び反射赤色光信号であり得る。代替としては、赤色及び赤外の一方又は両方に加えて又はその代わりに、例えば緑色などの他の色が挙げられる。このような代替を以下でさらに説明する。

心拍に対応するパルスオキシメトリ信号の間隔は、このような信号を時間的に一致するＥＣＧ信号と比較することによって決定され得る。例えば（限定することを意図しない）、このような間隔を識別するために、時間的に一致するＥＣＧ信号の連続するＲ波ピークが用いられ得るが、ＥＣＧ信号の他の特徴も同様に用いられ得る。このような間隔が識別されると、パルスオキシメトリ信号の信号ノイズを低減し、定数成分（「ＤＣ成分」と呼ばれることもある）と主要な周期的成分（「ＡＣ成分」と呼ばれることもある）のより信頼できる値を得るために、間隔内の対応する時間での値を平均され得る（例えば、Ｗａｒｎｅｒ ｅｔ ａｌ， Ａｎｅｓｔｈｅｓｉｏｌｏｇｙ， １０８： ９５０－９５８（２００８））。或る間隔内に記録される信号値の数は、使用する検出器及び処理電子機器の信号サンプリングレートに依存する。また、間隔は持続時間が異なる場合があるため、間隔内の値のサブセットに平均化が適用される場合がある。後述するように、酸素飽和度値は、従来のアルゴリズムを使用してこのようなＤＣ及びＡＣ成分から計算され得る。このような平均が計算され得る心拍又は間隔の数は、以下に示すように大きく異なり得る。一部の実装では、１つ以上の心拍又は間隔からの信号を分析することができ、他の実装では、複数の心拍又は間隔からの信号を分析することができ、一部の実装では、このような数は、２～２５の範囲内、又は５～２０の範囲内、又は１０～２０の範囲内であり得る。

説明したように、パルスオキシメトリ法では、赤色及び赤外波長でフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）信号が測定される。ＤＣ又は平均値が推定され、差し引かれ、ＡＣ又は拍動性信号の比が推定及び／又は平均される。後述するように、２つの信号間の線形回帰を用いることができる。しかしながら、赤色信号と赤外信号との両方に同様のノイズが存在するため、パフォーマンスは制限される。光は、水又は他の組織よりも血液にはるかに多く吸収されるため、緑色光（約５５０ｎｍ）を使用して取得されたフォトプレチスモグラフィは、モーションノイズに対してより耐性がある。しかしながら、スペクトルの緑色領域での酸素化された血液と脱酸素化された血液との違いは、赤色の場合よりもはるかに小さい。代替的に、拍動性信号の形状を決定するために、緑色ＰＰＧ信号（又は赤色／赤外の長時間平均（以下を参照））が用いられ得る。拍動性波形の形状を推定するために、任意の数の異なる波長（緑色、赤色、及び赤外など）の加重平均が用いられ得る。

ＥＣＧ又は緑色ＰＰＧ（など）又は赤色／赤外の長時間平均（以下を参照）データは、異なる光波長の２つ以上のフォトプレチスモグラフと時間的に一致する状態で記録され得る。心拍は、ＥＣＧ又は緑色ＰＰＧ信号で検出される。これらの心拍により、２つの隣接する心拍間の時間にわたるフォトプレチスモグラムデータの「フレーム」を定義することができる。次いで、これらのフレームのうちの２つ以上を各時間点で平均して、時間間隔の平均フレームを作成することができる。フォトプレチスモグラムは心拍と相関しているため、フォトプレチスモグラフ信号はこの平均化により強化される。しかしながら、心拍と時間的に相関していないモーションアーチファクト又は他のノイズ源は減少する。したがって、平均フレームの信号対ノイズ比は、通常、個々のフレームの信号対ノイズ比よりも高い。

異なる光波長の少なくとも２つのフォトプレチスモグラフの平均フレームが作成されると、線形回帰を使用して２つの平均フレーム信号間の利得を推定することができる。この利得値を使用して、血中酸素飽和度情報又はヘモグロビン、二酸化炭素などの血液中に存在する他の成分を推定することができる。このプロセスは、そうするためにさらなる及び／又は代替的な光波長について繰り返され得る。

本発明の例示的／代替的な方法は、特定の及び／又は個別の信号間の、それが用いられ得る場合／ときには赤色及び赤外及び／又は緑色フレーム信号間の、利得を求めることを含み得る。これらは、最初に２つのフレームを平均することによって見つけることができる。これにより、ノイズが低減された信号を得ることができる。利得は、赤色対組み合わせ及び赤外対組み合わせの線形回帰を行い、これらの２つの結果の比を求めること、又は赤色対緑色との組み合わせ及び赤外対緑色との組み合わせの線形回帰を行い、これらの２つの結果の比を求めること、又は赤色対緑色及び赤外対緑色の線形回帰を行い、これらの２つの結果の比を求めること、又は緑色を赤色及び赤外のそれぞれと組み合わせてこれらの結果の比を使用する線形回帰によって求められる。

別の方法は、可能な利得値を選択することと、前記利得値を平均フレーム信号に乗算することと、異なる波長の平均フレームに関する残差を求めることとを含む。このプロセスは、いくつかの考えられる利得値に対して繰り返され得る。線形単回帰は大域的最小値の利得値を見つけるが、この方法では極小値を見つけることができる。したがって、大域的最小値が、モーションアーチファクト、静脈血の動き、又は別のノイズ源によって生じる相関を表す可能性が高い場合、それは無視され、代わりに極小値が選択され得る。

また別の方法では、はるかに長時間にわたる赤色信号及び／又は赤外信号のアンサンブル平均を使用して脈波形状を決定し、次いで、より短時間平均の信号をその波形形状に適合させる。基本的に、上記の緑色光信号又はＥＣＧ信号は、赤色／赤外の長時間平均に置き換えることができる。

前述のように、上記態様を実装するための本発明の患者ウェアラブルデバイスは、このような測定のノイズの多い領域、例えば、胸部位置などの顕著な局所的な皮膚の動きがある場所又はＰＰＧ波形への静脈毛細血管の顕著な寄与が存在する場所で酸素飽和度をモニタリングするのに特に有用であり得る。

本発明の上記の態様の一実装が図６Ａ～図６Ｃに示されている。図６Ａでは、曲線Ａ（６００）は、赤外反射についての本発明のデバイスのフォトダイオードの時間（秒）で変化する出力（任意単位）を示し、曲線Ｂ（６０２）は、赤色光反射についてのデバイスのフォトダイオードの時間で変化する出力（任意単位）を示す。一部の実装では、皮膚は、赤色及び赤外ＬＥＤで交互に照射され、生成された信号は同じフォトダイオードで収集される。図６Ｂでは、曲線Ｃ（６０４）で示される、時間的に同期した（すなわち時間的に一致する）ＥＣＧデータ（又は代替的に／追加的に前述の緑色ＰＰＧデータ又は赤色／赤外の長時間平均）が、図６Ａのプロットに追加されている。ＥＣＧデータのピーク値（例えば、ピーク６０６及び６０８）を使用して、パルスオキシメトリデータのフレーム又は間隔を定義することができる。さらなる連続するフレーム又は間隔が６１０、６１２及び６１４で示されており、さらなるフレームは同様に決定され得る。この態様によれば、複数のフレームからパルスオキシメトリデータが収集される。フレームの数は、特定の用途に応じて大きく異なり得る。一部の実装では、収集されるフレームの数は５～２５であり、一実装では、フレームの数は８から１０の間である。通常、パルスオキシメトリデータのフレーム又は間隔には、異なる数の信号サンプルが含まれている。すなわち、センサからの出力は、３２サンプル／秒などの所定の速度でサンプリングされ得る。ＥＣＧ（又は緑色ＰＰＧ又は赤色／赤外の長時間平均）のピーク間の時間が変化する場合、フレームあたりのサンプルの数も変化する。一実装では、フレームの開始点として作用するＥＣＧ（又は緑色ＰＰＧ又は赤色／赤外の長時間平均）データの特徴は、パルスオキシメトリデータの関連するピークがフレームのほぼ中間点又は中央になるように選択され、その後、フレームごとに所定の数の信号サンプルが記録される。好ましくは、この実装では、所定の数は、パルスオキシメトリ信号のピークがほぼフレームの中央にあることを保証するのに十分な大きさとなるように選択される。所定の値を超える時間点に対応するサンプル値は使用されない。データの複数のフレームが収集された後で、フレームの対応する時間点での値の平均が計算される。パルスオキシメトリデータのこのようなＡＣ及びＤＣ成分からの平均値が求められ、次いで、ｒａｔｉｏ－ｏｆ－ｒａｔｉｏｓアルゴリズム、例えばＣｙｐｒｅｓｓ ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒのドキュメントＮｏ．００１－２６７７９ Ｒｅｖ Ａ（２０１０年１月１８日）などの従来の方法によって相対酸素飽和度を計算するのに用いられる。この基本的な手順は、図６Ｃのフローチャートに要約されている。最初に、フレームサイズ（サンプルの数の観点での）が決定される（６２０）。次に、各フレーム内の対応する時間点でのサンプルの値が合計され（６２２）、その後、各フレームの各時間点での平均値が計算される（６２４）、次に、ノイズが低減された赤外及び赤色及び／又は緑色光反射のＡＣ及びＤＣ成分が得られる。一部の実装では、これらの成分の値は、従来のアルゴリズムを使用して酸素飽和度を計算するために用いることができる（６２６）。酸素飽和度の相対値は、特定の実装の測定値を較正することによって絶対値に変換することができる。較正は、個人が様々な大気中の酸素濃度にさらされ、測定される酸素飽和度値が対応する酸素レベルに関連している制御された環境で実行することができる。

ＥＣＧ及び／又は緑色ＰＰＧ又は赤色／赤外の長時間平均信号をパルスオキシメトリ信号と比較する上記の実装に加えて、このような比較の他の実装の範囲は当業者の理解の範囲内にある。例えば、ノイズの存在下でパルスオキシメトリ信号のＡＣ成分のピークを見つけるために、パルスオキシメトリの最大値及び／又は最小値の前後の特徴的な時間に位置する時間的に一致するＥＣＧ信号の特徴を使用して、複数の心拍にわたって平均されたときの（心拍にわたるパルスオキシメトリ信号のすべての値を平均する必要はない）パルスオキシメトリのピーク値及び最小値を確実に決定することができる。例えば、或る間隔内で、ＥＣＧ信号のＲ波ピークが、特徴的に、パルスオキシメトリ信号の最大値のｘミリ秒前にあり、且つ、パルスオキシメトリ信号の最小値よりもｙミリ秒ひきずっている場合、パルスオキシメトリ信号のＡＣ成分に関する重要な情報は、パルスオキシメトリ信号の２つの値だけを繰り返し測定することによって得られる。

一部の実装では、心拍タイミング（例えば、ＥＣＧからの）及びＰＰＧ信号は、脈波伝達時間、すなわち、圧力波が心臓から体内の他の場所に伝わるまでの時間を求めるのに用いることができる。次いで、脈波伝達時間の測定値を使用して血圧を決定又は推定することができる。心拍タイミング、ＥＣＧ、及び／又はＰＰＧ信号は、従来の又は他の開発予定の方法、システム、又はデバイスによって生成され得るか、又は、本明細書に別段の記載があるようなウェアラブルデバイスによって開発され得ることに留意されたい。すなわち、本発明のアルゴリズムは、ウェアラブル心臓デバイスで使用できるだけでなく、別個に使用することもできる。

本明細書の他の場所に開示されているように、いくつかの心拍のＰＰＧ信号は、それぞれ心拍と相関させることで平均することができる。その結果、心拍数に相関するＰＰＧ信号が強化され、相関していないノイズが減少したＰＰＧフレームが得られる。さらに、ＰＰＧフレームは心拍のタイミングと既に相関しているので、フレーム自体の開始又は終了のいずれかに対してピーク又は最小のいずれかの位置を決定することにより、脈波伝達時間を推定することができる。これは、最小及び／又は最大のサンプルを見つけること、又は信号を補間して、測定されたサンプル間のポイントを見つけることのいずれかによって行われ得る。例えば、補間は、２次フィット、３次スプライン、デジタルフィルタリング、又は多くの他の方法で行われ得る。

脈波伝達時間も、ＰＰＧフレームをサンプル信号と相関させることによって推定することができる。２つの信号を互いに対してシフトさせることにより、最大の相関をもたらす時間シフトが決定され得る。サンプル信号が予想されるＰＰＧフレームの近似値である場合、最大の相関をもつ時間シフトを使用して脈波伝達時間を求めることができる。

本明細書で開示されるすべての方法において、脈波伝達時間（ＰＴＴとしても知られている）は、ＰＰＧによる血中酸素の決定における誤差の指標として同様に、又は代替的に用いることができる。ＰＴＴは、心臓の脈波が被検者の体の心臓から特定の距離に配置されたセンサまで移動するのにかかる時間の測定値である。ＰＴＴは、ＥＣＧ波形とＰＰＧ波形の両方を提供するウェアラブルデバイスでの収縮期血圧の相対測定の代わりによく用いられる。ＰＰＧ波形がモーションアーチファクト又は静脈毛細血管アーチファクトなどの他の非動脈波形によって変調されるとき、波形は非常に不安定になり、血中酸素の不正確な決定につながる可能性がある。したがって、経時的なＰＴＴの安定性の測定は、導出された酸素レベルの信頼度を判定する技術として用いることができる。

正常な機能では、拍動性波形は、形状と測定部位への到達時間に関して比較的静的である。しかしながら、ＰＰＧ波形がモーションアーチファクト又は静脈血管アーチファクトなどの他の非動脈波形によって変調されるとき、波形は非常に不安定になり、血中酸素の不正確な決定につながる可能性がある。このため、経時的なＰＴＴの安定性の測定は、ＳｐＯ２としても知られている導出された酸素レベルの信頼度を判定する技術として用いることができる。以下に、ＰＴＴの安定性が短時間にわたるＰＴＴの標準偏差によって決定されるこの技術の実証を示し、これは、導出された酸素レベルにおける誤差を示す。図２Ｊでは、正常からの偏差が、水平マーカ４４９付近から水平マーカポイント１２８９付近の少し後まで、ＰＴＴの標準偏差で示されている。対応するＳｐＯ２曲線では、酸素の決定における偏差が、ポイント４４９から１２８９の少し後まで、対応して示されている。したがって、ＰＴＴ標準偏差は、酸素の決定における誤差、すなわち、ＳｐＯ２濃度をレポートする際に信号送信する又は他の方法で通信する又は使用することができる誤差を示す。

ＰＰＧによるＳｐＯ２の決定における誤差の指標として脈波伝達時間の使用を実装するために、３ステップの方法が実施され得る。第１のステップにおいて、各心拍について時間的に一致する心電図及びフォトプレチスモグラムから脈波伝達時間が求められる。次いで、通常の心拍数の１０秒～３０秒の時間に対応する１０～４５心拍を含む期間にわたる脈波伝達時間の標準偏差が計算される。最後に、ＰＴＴの標準偏差が閾値を超えるとき、ＳｐＯ２の決定と共に信頼度が発行される。信頼度は、ＰＴＴの標準偏差の値及び／又はＰＴＴの標準偏差が決定された閾値を上回る時間に応じて、いくつかの値をとり得る。ＰＴＴは、血圧とセンサの正確な位置に依存するため、患者ごとに大きく異なる。したがって、閾値は患者ごとにあらかじめ決めておく必要がある。例えば、ＰＴＴは、ＰＴＴの平均値及び標準偏差をもたらす短い較正期間中に測定され得る。次いで、較正中に測定されたＰＴＴ標準偏差の関数として閾値が決定され得る。

本発明の例示的な方法論又はアルゴリズムがここで説明され、図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃに示される。最初に、このような方法７１０（パート７１０ａ、７１０ｂ、及び／又は７１０ｃを含む及び／又はそれらにより定義される）は、例えば図７Ａに示すように、入力として少なくとも１つの心拍（典型的なＥＣＧ）信号７１２及び少なくとも１つのＰＰＧ信号７１１を取得する。各心拍からＲ波又は他のＥＣＧ特徴を検出することによって心拍タイミング情報を生成するために心拍タイミング情報／信号７１２が使用され、心拍タイミング情報のより良好な推定値を得るために複数のＥＣＧ信号（すなわち、体上の位置からの異なるリード）が使用され得る。ＰＰＧ信号７１１は、単一の光波長又は複数の光波長からの信号を使用することができる。各ＰＰＧ信号７１１に関連する対応する心拍タイミング情報を使用して、各ＰＰＧ信号７１１が「フレーム」（図７ＡのＰＰＧフレーム１、ＰＰＧフレーム２、及びＰＰＧフレームＮ参照）にセグメント化され、各フレームには、対応する１つの心拍の持続時間にわたる単一波長のＰＰＧ信号が含まれる。

随意的に、しかし典型的には、ＰＰＧ信号品質の推定も行われ得る。この例は、図７Ｂの方法パート７１０ｂとして示される。この推定は、ＰＰＧ信号の分散、ＰＰＧ信号の推定信号対ノイズ比、ＰＰＧ信号飽和、加速度計又はジャイロスコープからの患者の動き情報、ＥＣＧ又はインピーダンス測定のノイズ推定、又はＰＰＧ信号品質に関する他の情報を考慮し得る。図７Ｂに示されているのは、加速度計信号７１３をＰＰＧ信号７１１と併せて使用してＰＰＧ信号品質値／推定７１４を生成する例である。この信号品質の推定７１４を心拍タイミング情報７１２と併せて使用して、各フレームの利得（図７ＢのＰＰＧフレーム１利得、ＰＰＧフレーム２利得、及びＰＰＧフレームＮ利得参照）を生成することができ、信号品質が低いと利得が低くなる。計算時間を減らすために、信号品質の推定７１４を省略することができ、利得情報に定数を使用することができる。

図７Ｃに示すように、利得情報（図７ＢからのＰＰＧフレーム１利得、ＰＰＧフレーム２利得、及びＰＰＧフレームＮ利得）をフレーム情報（図７ＡからのＰＰＧフレーム１、ＰＰＧフレーム２、及びＰＰＧフレームＮ）と共に使用して（ここでは組み合わされた／操作されたものとして示される）、重み付されたｎサンプル移動平均フレーム７１５を作成することができ、心拍タイミングと相関しているＰＰＧ信号が強化され、相関していないノイズが低減される。フレーム（ｎ）７１５に含まれるサンプルの数は、ノイズを低減するように又は応答時間を減少させるように適合され得る。フレームは、さらに遠くにあって潜在的に関連性が低いフレームに関して、最近の又は近い将来のフレームの寄与を増大させるべく時間によってさらに重み付けされ得る。この時間によるさらなる重み付けは、ＩＩＲ（無限インパルス応答）又はＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを使用して実施することができる。

平均フレーム７１５が所与の瞬間に生成されると、心拍に対するフレーム信号のシフトを見つけることによって脈波伝達時間７１６を求めることができる。これは、信号が最小又は最大であるサンプルインデックス７１７を見つけて、これをフレーム境界（心拍タイミング）と比較して脈波伝達時間を求めることで簡単に行われ得る。より正確な結果を得るために、最小又は最大値の周りにスプライン又は多項式のあてはめを使用して信号を補間することができ７１８、サンプルレートよりも高精度で最小又は最大を決定することができる。最後に、平均フレームがテンプレートに対してシフトされている参照フレームテンプレートとフレームを比較することができる７１９。平均フレームとテンプレートとの相関が最も高いシフトは、伝達時間７１６を示す。この参照テンプレートは、所定の信号であり得るか、又は、既知の伝達時間での長期のフレーム平均を使用することによって適応され得る。

このような方法論は、従来の及び／又は開発予定の技術を含むがこれらに限定されない様々なソースから得られた、又は、どちらか一方又は他方を単独で又は一緒に、及び／又は以下でさらに説明するようにウェアラブルデバイス及び／又はシステムから得られた品質信号（ＰＰＧ分散、推定ＰＰＧ信号対ノイズ比、ＰＰＧ信号飽和、患者の動きの加速度計又はジャイロスコープデータ、ＥＣＧ又はインピーダンス測定のノイズ推定、又はＰＰＧ信号品質に関する他の情報）と一緒に得ることができる、ＰＰＧ及び心拍タイミング情報と共に用いることができることに留意されたい。

Claims (12)

1. パルスオキシメトリ法であって、
   患者の体にフォトプレチスモグラフィセンサを配置することと、
   静脈毛細血管の寄与が２５％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満のフォトプレチスモグラムを測定することと、
   前記フォトプレチスモグラムでの動脈拍動を決定することと、
   Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｒａｔｉｏｓ法を使用して末梢酸素飽和度を求めることと、
   を含む、パルスオキシメトリ法。
2. 静脈毛細血管の寄与が２５％未満のフォトプレチスモグラムを測定することは、
   フォトプレチスモグラムと時間的に一致する心電図をとることと、
   前記心電図で連続する心拍のＱＲＳ群を検出することと、
   隣接する２つの心拍間の時間間隔にわたるフォトプレチスモグラムの一連のフレームを定義することと、
   静脈毛細血管の寄与が２５％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満である前記時間間隔にわたるフォトプレチスモグラムを作成するべく、これらのフレームのうちの２つ以上を各時間点で集約することと、
   を含む、請求項１に記載のパルスオキシメトリ法。
3. 各心拍について時間的に一致する心電図及びフォトプレチスモグラムから脈波伝達時間を求めることと、
   １０～４５心拍を含む期間にわたる脈波伝達時間の標準偏差を計算することと、
   前記脈波伝達時間の標準偏差から末梢酸素飽和度測定の信頼度を判定することと、
   をさらに含む、請求項２に記載のパルスオキシメトリ法。
4. 好ましくは反射赤外信号に基づく波形と反射赤色光信号に基づく波形とを含む、異なる波長の２つ以上のフォトプレチスモグラフィ波形が決定される、請求項２又は請求項３に記載のパルスオキシメトリ法。
5. 前記フォトプレチスモグラムのそれぞれの定数成分及び一次周期的成分が決定される、請求項２～請求項４のいずれか一項に記載のパルスオキシメトリ法。
6. 前記一連のフレームを定義することは、前記心電図信号の特徴に基づいて前記フォトプレチスモグラムの間隔を定義し、このような複数の間隔にわたる前記フォトプレチスモグラムの値を平均することを含む、請求項２～請求項５のいずれか一項に記載のパルスオキシメトリ法。
7. 前記フォトプレチスモグラムの前記定数成分及び前記一次周期的成分は、前記平均値から決定される、請求項５及び請求項６に記載のパルスオキシメトリ法。
8. 前記心電図は、それぞれ前記各心拍のピーク値を有するＲ波信号を含み、前記間隔は、前記Ｒ波信号のピーク値に対して決定される、請求項６又は請求項７に記載のパルスオキシメトリ法。
9. フォトプレチスモグラフィセンサ及びＥＣＧセンサを含むパルスオキシメータであって、請求項２～請求項８のいずれか一項に記載のパルスオキシメトリ法を実施するのに適するパルスオキシメータ。
10. 前記フォトプレチスモグラフィセンサは、接着剤層によって取り囲まれた光学レンズを含み、前記光学レンズは、静脈毛細血管のみを圧迫するのに十分な大きさの圧力を維持するべく突き出ている、請求項１に記載のパルスオキシメトリ法。
11. 前記フォトプレチスモグラフィセンサは、患者の皮膚に接着されることを意図された基板上に配置され、前記基板から０．１ｍｍを超える、好ましくは０．５ｍｍを超える厚さだけ突き出ている、請求項１に記載のパルスオキシメトリ法。
12. 前記フォトプレチスモグラフィセンサは、患者の背中、好ましくは首のうなじの近く、より好ましくは椎骨上、理想的にはＴ１椎骨上に配置される、請求項１に記載のパルスオキシメトリ法。

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