JP4558288B2 - 弱い生理的信号を検出する生理監視システム - Google Patents

Description

本発明は一般に生理監視に関し、特に、生理的発生源又は非生理的発生源のいずれかから発生されるより強い信号が存在する中で弱い生理的信号を検出すること及び監視することに関する。詳細には、本発明は、複数のセンサから取り出されるデータを記述する複数の方程式を解くことにより信号を分離することに関する。

生理監視の分野においては、他のより強い信号によって不明瞭になる又はそれらの信号と混同される可能性がある特定の信号を測定することが望まれる場合が多い。心臓運動を測定しているときに機器により誘起される振動に起因する信号のように、強い信号は関心信号とは似ていないこともある。しかし、場合によっては、胎児心臓運動と比較したときの母体心臓運動のように、強い信号は関心信号と類似している上に、はるかに大きな規模のものになることがある。いずれの場合にも、弱いほうの信号を検出し且つ監視することが望ましいであろう。

例えば、発育中の胎児の異常又は欠損の有無を検査するためには、胎児の心拍と関連する胎児心拍度数又は波形を判定することが望ましいであろう。しかし、胎児心臓運動は通常は母体の呼吸や心臓の運動によって不明瞭にされてしまう。これらの追加される運動は所望の胎児心拍データの収集及びその品質に影響を及ぼす。加速度計や、その他の運動感知検出器で胎児心臓運動に関する情報を含むデータを収集することはできるが、より強い母体の生理的雑音が存在するために、情報は完全に失われないまでも、強い雑音と混同される。

そのような場合、信号の相対的な強さが問題の原因であって、検出器の感度が問題ではないため、検出器の感度を向上させること又は調整することは決定的な解決方法ではない。例えば、胎児心臓運動の監視の場合、母体心臓運動や母体呼吸の大きさは常に胎児心臓運動よりまさっている。通常、母体心臓運動は胎児心臓運動より相当に大きい。従って、胎児心臓運動を監視するシステムは母体心臓運動、母体呼吸、及び胎児又は母体の動きに起因する非周期的運動成分などの検出された運動のより強い成分から胎児心臓運動を分離することが可能でなければならない。

母体呼吸は、周波数内容が低いために高域フィルタリングにより分離可能であるので、その他の応答から分離できるであろう。しかし、母体心臓運動と胎児心臓運動は類似しているため、それらの運動成分を周波数情報のみに基づいて互いに分離することは通常は不可能である。従って、それらの心臓運動成分を分離するために単一のセンサからポイント測定を実行するのは不適切である。

更に、はるかに強い非生理的信号が存在する中で弱い生理的信号を検出し且つ監視することが望まれる状況が他にも存在する。例えば、医療用機器又は機械装置は心臓運動のような弱い生理的信号を不明瞭にするおそれがある著しく大きな振動を発生することがある。そのような場合、心臓運動と非生理的振動が混同されて、単一のセンサからのポイント測定値を使用する生理的信号の検出及び監視が実行不可能になる。
米国特許第６４５０９５７号

従って、より強い生理的信号及び非生理的信号が存在する中で胎児心臓運動などの弱い生理的信号を検出し且つ監視するための改良された技法が必要とされている。これまで知られていたシステムの欠点に対処するためには、他の生理的信号又は非生理的信号と関連する相対的に強い信号から相対的に弱い信号のセットを識別することを可能にするために簡単明瞭な方法で採用できる技法が特に必要である。

本発明は、より強い生理的信号が存在する中で胎児心臓運動などの混同される又は不明瞭にされる生理的信号を監視するための新奇な技法を提供する。この技法は、一連の連立方程式を解くために使用できる複数の同時データポイントを獲得するために複数のセンサを利用する。方程式を解くことにより、胎児心臓運動、母体心臓運動、母体呼吸及びその他の非周期的運動などの運動成分を分離し、解析することが可能になる。技法は、例えば、分離しなければならない信号の数に応じて少なくとも２つのセンサを使用する。センサ自体は加速度計などのどのような種類の運動感知検出器であっても良い。

複数のセンサにより獲得されたデータポイントは、まず、通常はデータ収集に先立って適用される校正ルーチンにより同期化されるので、各センサにより獲得された各々のデータポイントは互いに時間の上で一致することになる。同期化が実行された後は、各時点に複数のデータポイントが存在しているはずである。そこで、それら複数のデータポイントを使用して、検出された運動成分を記述する連立方程式を解き、それにより、通常は不明瞭にされてしまうと考えられる弱い信号を含めて全ての生理的信号を識別することができる。連立方程式は、テンソル解析を含めて、複数のデータセットを使用して複数の方程式を解くために通常使用される何らかの手段によって解かれれば良い。これにより、本発明の技法では運動感知検出器のアレイ又はセットを使用して、はるかに強い運動と関連する運動成分が存在する中で相対的に弱い運動と関連する運動成分を識別することが可能になる。

本発明の技法の１つの面によれば、胎児心臓運動を監視する方法が提供される。運動感知装置は妊婦の腹部の上又はその周囲に配置され、その後、運動センサごとに同期化調整値を判定するために校正される。その後、各運動センサはデータセットを収集し、それらのデータセットは以前に運動センサごとに得られた同期化調整値を使用して同期化される。次に、同期化データセットを使用して、変数のうちの１つが胎児心臓運動を表している一組の連立方程式を解く。

本発明の技法の別の面によれば、胎児心臓運動を監視する方法が提供される。運動感知装置は妊婦の腹部の上又はその周囲に配置される。各運動センサは運動データセットを収集し、それらのデータセットは同期化される。次に、同期化運動データセットを使用して、運動感知装置ごとに１つの方程式が定義されている一組の連立方程式を解き、それにより、データセットの胎児心臓運動成分を判定する。

本発明の技法の更に別の面によれば、胎児心臓運動を監視するシステムが提供される。システムは、複数の運動感知装置を有するセンサアレイと、各運動感知装置から信号を受信する信号収集回路とを含む。各々の信号は運動感知装置により検出された集合運動を記述している。システムは、信号収集回路から信号を受信する信号解析回路を更に含む。信号解析回路は信号を同期化し、それらの同期化信号を使用して、変数の１つが検出された集合運動のうちの胎児心臓運動成分である一組の連立方程式を解く。

本発明の技法の更に別の面によれば、胎児心臓運動を監視する回路が提供される。生理監視回路は、胎児心臓運動に起因する集合運動データの１つの成分を判定する。胎児心臓運動成分は、複数の同期化運動データセットを使用して一組の連立方程式を解くことにより判定され、それらの連立方程式の数と等しい数の同期化運動データセットが存在している。

本発明の技法の更に別の面によれば、胎児心臓運動を監視するシステムが提供される。システムは、複数の運動感知装置を有するセンサアレイと、各運動感知装置から信号を受信する信号収集回路とを含む。各々の信号は運動感知装置により検出された集合運動を記述している。システムは、信号収集回路から信号を受信する信号解析回路を更に含む。信号解析回路は、信号を同期化する手段と、同期化された信号を使用して、変数の１つが検出された集合運動の胎児心臓運動成分である一組の連立方程式を解く手段とを更に有する。

本発明の上述の利点及び特徴、並びにその他の利点及び特徴は、図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明白になるであろう。

そこで図面、まず最初に図１を参照すると、信号収集回路１２と、信号解析回路１４と、表示回路１６とを含む生理的運動検出システム１０が概略的に示されている。表示回路１６は、オペレータに最終的に使用可能なフォーマットの運動データを提供するモニタ１８などの表示装置又はプリンタ２０に接続されている。「回路」（「circuit」及び「circuitry」）という用語は広い範囲で解釈されるべきであり、回路というときには、ここで説明するプロセスを実行する又は可能にするハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせを含むことを理解すべきである。

信号収集回路１２は、少なくとも１つの運動センサ、通常は３つ又は４つの運動センサを具備するセンサアレイ２４によって患者２２からデータポイントを獲得する。必要とされるセンサの数は、最終的には、識別されるべき信号の数と、関心ある信号を識別するために必要な情報の量及び種類とにより判定される。複数のセンサが利用される場合、センサアレイ２４のセンサは通常は互いに離間して配置され、心拍などの内部生理的運動を検出することが可能である種類のセンサである。通常、胎児心臓運動の測定が望まれる場合には、センサアレイ２４は図１では患者２２として示されている妊婦の腹部の上に配置される。

生理的信号を検出し且つ監視すべきである場合、センサアレイ２４はセンサが埋め込まれているか、又はセンサの相対的位置が固定されるように予めセンサが位置決めされているパッドとして構成されても良い。しかし、希望に応じて、センサアレイ２４は検査担当者が位置決めできるワイヤリード上の固定されていないセンサから構成されていても良いであろう。センサアレイ２４が固定センサ配列で構成されているか、又は移動自在のセンサ配列で構成されているかに関わらず、センサリードは接続点２６で一体にまとめられ、収集されたデータは接続ワイヤ２８によって信号収集回路１２へ送信される。

信号収集回路１２により受信されたデータは、その後、信号解析回路１４へ送信され、そこでデータの同期化が起こる。同期化の過程は、イベントの発生からセンサによるそのイベントの認識までの遅延を判定する。この遅延はセンサ校正係数を比較するために使用できる。センサ校正係数は、様々な信号が等しい強さで現れるように信号の強さも補正できるであろう。様々な出力信号のタイミング及び強さを同期化するために、各センサからの信号はそれぞれ対応するセンサの校正係数により調整される。センサとイベントとの距離はそのセンサの校正係数の重要な一面を構成するが、その間に介在する生理的構造、すなわち、骨や器官も校正係数には寄与するであろう。

信号解析回路１４は、収集されたデータセットをその構成成分に分解できるように、同期化データを使用して連立方程式の系を解く回路又はプログラムを更に具備する。具体的には、胎児心臓機能を検出するという実現形態の例において、センサごとに、任意の瞬時ｔにおいて、検出信号ｓは次の式により定義される。

（１）S(t)=(a)(MR(t))+(ｂ)(MH(t))+(c)(FH(t))+(d)(OT(t))
式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは距離依存スカラー係数であり、ＭＲは母体呼吸であり、ＭＨは母体心臓運動であり、ＦＨは胎児心臓運動であり、ＯＴは妊婦及び胎児の非周期的運動を含むその他の運動である。従って、連立方程式の系は各センサと関連付けられた方程式から構成されている。

更に、信号収集回路１２により収集されたデータ又は信号解析回路１４により生成されたデータを後の参照に備えて格納できるように、運動検出システム１０にメモリ回路３０が含まれていても良い。同様に、信号解析回路１４及び表示回路１６は、それぞれ、処理又は表示のためにメモリ回路３０から情報を検索しても良い。以下の説明においては、便宜上、メモリ回路３０の機能又は使用は検査担当者及び関連回路には透明であると想定する。

次に図２を参照すると、センサアレイ２４の可能なセンサ構成の１つが概略的に示されている。図示されている構成は胎児心臓運動などの生理的信号を検出するために最適化されている。図２に示すように、センサアレイ２４はパッド３４又はその他の接触面の中に配置された４つの運動感知装置３２を含む。図２には破線として示されているリードワイヤ３６はパッド３４の内部に又はパッド３４に沿って配置されており、運動感知装置３２を接続点２６で接続ワイヤ２８に接続する働きをする。パッド３４の内部に配置されている場合、運動感知装置３２の相対的位置は固定されるため、患者２２に装着する前にセンサアレイ２４を校正することが可能である。通常、パッドを患者の身体上に配置する前にパッドに配置されたセンサを校正するときには、既知の信号を使用する。すなわち、運動感知装置３２の相互間の距離は一定であるので、パッド３４を患者２２に装着する前に式（１）の距離依存スカラー係数ａ、ｂ、ｃ及びｄを判定することができる。

別の構成では、運動感知装置３２をパッド３４又はその他の固定構造の内部に配置する必要はない。そのような実施例においては、検査担当者は単に運動感知装置３２を患者２２の関心領域の付近に配置するだけであろう。その場合でも、運動感知装置３２は依然として接続用リードワイヤ３６により接続点２６に接続されたままであろう。そのような場合、一般に、検査担当者が患者の身体上に運動感知装置を配置するまで校正は実行されない。患者２２の身体上に運動感知装置３２が配置された後、式（１）の距離依存スカラー係数ａ、ｂ、ｃ及びｄを判定するために既知の信号を含む校正過程が実行されるであろう。校正過程は手動操作で行われるか、あるいは自動化されていることが可能であり、距離依存スカラー係数ａ、ｂ、ｃ及びｄの校正を可能にするための相対距離情報を提供するであろう。

患者２２の身体上にセンサアレイ２４が配置されたならば、信号収集回路１２は装着されたセンサアレイ２４を介して運動データを収集し始めるが、このとき、運動感知装置３２ごとに一組のデータポイントが収集される。収集されたそれらのデータセットは、この後、信号解析回路１４へ送信され、そこでデータセットは校正情報、すなわち、式（１）の距離依存スカラー係数ａ、ｂ、ｃ及びｄを使用して同期化される。図３を参照すると、４つの非同期化データセットの例が示されている。同期化が欠如しているのは、運動感知装置３２と信号発生源との間の距離が様々に異なることと、それらの間に様々に異なる生理的構造が介在していることによるものであろう。しかし、校正データを使用して収集されたデータセットを処理したならば、図４に示すように、運動イベントが４つの同期化データセットにおいて同じ時点で起こるものとして表現されるようにデータセットを同期化できるであろう。同期化を明示するために、図３及び図４に運動イベント３８を表した。

次に、信号解析回路１４は収集されたデータセットに含まれている情報を使用して、各々の運動感知装置３２と関連する信号式、すなわち、式（１）から構成される連立方程式の系を解く。このようにして、集合運動の個別の成分を識別して、胎児心臓運動（ＦＨ）などの弱い成分を観測することが可能になる。このことは、集合運動線４０を示す図５で見て取ることができる。集合運動線４０の成分はその下方に母体呼吸線４２、母体心臓運動線４４、胎児心臓運動線４６及びその他の非周期的運動線４８として示されている。胎児心臓運動線４６を構成する運動成分は胎児心拍度数及び胎児心拍に関連する一般波形などの有用な診断情報を搬送していることがわかる。

別の実施例においては、監視すべき変数のうちの１つを解くために他の手段を利用できるのであれば、センサアレイ２４は図２に示す４つではなく、３つ以下の運動感知装置３２を含んでいても良い。例えば、母体呼吸はその他の運動成分より周波数が低く、個々のセンサ信号の高域フィルタリングによってその他の運動成分から母体呼吸を分離することが可能である。そのようなフィルタリングを採用した場合、母体呼吸を解く必要がなくなるので、３つの変数ＭＨ４４、ＦＨ４６及びＯＴ４８のみを判定するだけで良い。この実施例では、それら３つの変数に対して３つの方程式を解くだけで良いので、センサアレイ２４で使用される運動感知装置３２は３つだけである。言い換えれば、一般に、未知の変数と同じ数の連立方程式が存在していることになり、各方程式は個別の運動感知装置３２により生成される。

連立方程式自体は当業者に知られている多様な技法により解かれれば良い。複数のデータポイントセットを使用して複数の変数について解くための周知の技法のうちのいずれを利用しても良い。そのような多重変数連立方程式を解くのに適する好ましい技法の１つはテンソル解析であるが、関連する線形代数技法も同様に利用できるであろう。

連立方程式を解いた後、信号解析回路１４は追加の妥当性検査過程を実行しても良い。妥当性検査技法は様々な形態をとる。しかし、適する技法の１つはその他の非周期的運動線４８に対して結果を解析することである。その他の非周期的運動線４８が様々な形態と形状をとることは自明であろうが、一般にその大きさを使用して計算が妥当であることを判定できるであろう。非周期的成分４８の大きさが周期的成分の値を超えるような解は、おそらくは患者の動き、センサアレイ２４のずれなどが原因となって計算が問題の時間については妥当ではないことを示唆する。

様々な種類の医療機器又は関連装置により発生される信号などの強い非生理的信号又は雑音が存在するところで弱い生理的信号を識別できる本発明の技法にはその他にも代替実施例が存在することは当業者には認識されるであろう。２つの信号、すなわち、生理的信号と非生理的信号のみを分離すべきである場合には、図７に示すように、わずかに２つの運動感知装置３２を採用するだけで良い。このような実施例は、強く、永続的な非生理的信号が患者２２を支持するテーブル又はガントリーから又はそれを介して送信されており、心臓運動などの弱い生理的信号の検出及び監視を妨害するような場合に望ましいであろう。

図７に示すように、この種の適用用途例においては、運動感知装置３２は患者２２の、生理的信号の発生源の付近に配置されるのが好ましいであろう。第２の運動感知装置３２は、テーブル５０などの、非生理的信号の発生源又は送信器に配置されれば良い。生理的信号と非生理的信号を分離するために、それぞれの信号は先に説明したように処理される。このようにして、図８に示すような複合信号６０をその成分である、図９に示すような生理的信号６２と非生理的信号６４に分離することができる。従って、より強い非生理的信号６４が存在していても、関心ある生理的信号６２を監視できる。

本発明は様々な変形及び代替形態が可能であるが、例として図面に特定の実施例を示し、詳細に説明した。しかし、本発明はここで開示された特定の形態に限定されないことを理解すべきである。本発明は特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨の範囲内に入るあらゆる変形、等価の構成及び代替構成を含む。

本発明の監視技法のいくつかの面を実現する生理的運動検出システムを概略的に表す図。 本発明の監視技法のいくつかの面を実現する監視パッドを概略的に表す図。 複数のセンサにより収集された生理的運動データポイントの非同期化読み出しを示す図。 複数のセンサにより収集された生理的運動データポイントの同期化読み出しを示す図。 検出された生理的運動の複合読み出しを示す図。 図５で複合として表示されている個別の運動成分の読み出しを示す図。 本発明の監視技法のいくつかの面を実現する運動検出システムを概略的に表す図。 検出された運動の複合読み出しを示す図。 図８で複合として表示されている個別の運動成分の読み出しを示す図。

符号の説明

１０…生理的運動検出システム、１２…信号収集回路、１４…信号解析回路、１６…表示回路、２２…患者、２４…センサアレイ、３０…メモリ回路、３２…運動感知装置、３４…パッド、４０…集合運動線、４２…母体呼吸線、４４…母体心臓運動線、４６…胎児心臓運動線、４８…その他の非周期的運動線、６０…複合信号、６２…生理的信号、６４…非生理的信号

Claims (6)

1. 関心生理的信号（６２）を監視する生理監視システム（１０）において、
   ２つ以上の運動感知装置（３２）を具備するセンサアレイ（２４）と、
   各運動感知装置（３２）からの各々の信号（３８）が集合運動（４０）を記述するように、信号（３８）を受信するように構成された信号収集回路（１２）と、
   前記信号収集回路（１２）から信号（３８）を受信し、信号（３８）を同期化し、且つ関心生理的信号（６２）が少なくとも１つの成分であるような集合運動（４０）の２つ以上の成分が識別されるように、信号（３８）を使用して一組の連立方程式を解くように構成された信号解析回路（１４）とを具備する生理監視システム（１０）。
2. 関心生理的信号（６２）は胎児心拍（４６）に起因する運動成分である請求項１記載の生理監視システム（１０）。
3. 前記信号解析回路（１４）は胎児心拍（４６）に起因する運動成分から胎児心拍度数を判定する請求項２記載の生理監視システム（１０）。
4. 前記信号解析回路（１４）は胎児心拍（４６）に起因する運動成分から胎児心臓波形を判定する請求項２記載の生理監視システム（１０）。
5. 前記センサアレイ（２４）は、前記２つ以上の運動感知装置（３２）が配置されたパッド（３４）を具備する請求項１記載の生理監視システム（１０）。
6. 前記信号解析回路（１４）はテンソル解析により前記一組の連立方程式を解く請求項１記載の生理監視システム（１０）。

Images