JP4767464B2 - 血液に関する信号の非侵襲的な測定のための光学装置および該装置のためのフィンガーホルダ - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の分野］
本発明は患者の生理学的パラメータの非侵襲的測定の分野に属し、血液に関する信号を測定するための装置に関する。
【０００２】
［発明の背景］
血液の酸素飽和度、たとえばグルコースなど血液中に含まれた物質の濃度など種々の血液に関するパラメータを決定することを目的とした、血液に関する信号の非侵襲的な測定のための多くの技術が開発されている。これらの技術は典型的には測定装置またはプローブを利用しており、患者の体（典型的には指）に取りつけられるように設計されており、指に光を照射し、当該光の応答を検知するための光学的アセンブリを含んでいる。
【０００３】
公知の多くの装置は、分光測光の技術に基づいている。これらの技術によれば、組織は異なる波長の光によって照射され、光検知器は当該組織からの戻り光を検知する。検知された戻り光の分析は要求される生物学的変数の決定を可能にする。当該方法の正確さは種々の条件に依存する。当該条件は、検知された信号に関連するものや、照射された組織に関連するものである。この技術では、低いＳＮ比（signal to noise ratio）、アーチファクト（artifact）および戻った脈動信号が非常に低いという事実のために、よい結果が得られない。
【０００４】
最近開発された技術では、前述の欠点を克服する方向に向けられた種々の解決法が提案されている。米国特許第５，１３１，３９１号明細書には、外科などの侵襲または非侵襲治療のあいだに発生するかもしれない血管の収縮に関係する課題を解決することを目的とした脈動オキシメータ（oxymeter）が開示されている。この目的のために、該脈動オキシメータは、光検知器に加えてウォーミング（warming）・デバイスを有している。
【０００５】
米国特許第５，６３８，８１８号明細書には、加圧し得る組織中で信号を測定する過程でノイズを減少するように構成した改良された光学プローブを有する測定装置が開示されている。当該プローブは挿入されるべき指のための開口を有するベース（base）を備えており、該開口は、光検知器が指と接触しないように設けられたチャンバへと導く。光源はチャンバ上の指に押さえつけられる。この構成は透過光の光路を維持することを可能にする。前記光源と指との間にはＳＮ比を改善するように散乱媒体が介装されている。同一の発明者の後の特許（米国特許第５，７８２，７５７号）明細書には、ディスポーザブルの光学プローブと、パッドが設けられたクリップオン（clip-on）の形態のブラケットとが開示されている。当該プローブは、患者の指先に快適に適合するように設計されている。
【０００６】
国際公開第ＷＯ９８４３０９６号公報には、体の一部に測定が加えられる測定装置であって、少なくとも２つの圧力変調周波数によって厚さが調波変調される測定装置である。この体の一部には少なくとも２つの異なる波長によって照射され、そのうちの少なくとも１つが、決定されるべき血液成分の光学的吸収の範囲内にある。
【０００７】
日本国特開平１０−３３５１２号公報には、挿入されるべき患者の指のためのスロット（slot）をもつ測定装置が開示されている。該スロットの壁は絶縁材料によって被覆されている。光源と検知器とが指の両側に存在するように当該スロットの両側に設けられる。
【０００８】
ドイツ特許第１９６２９３４２号公報には、僅かに圧力を加えるように一方の側に指を保持するためのホルダーの形態の測定装置が開示されている。当該装置は指から反射された光を分析する。
【０００９】
上述の装置は自然の脈動信号を扱っている。これらの装置によって実際に測定されるものは強められた光学的脈動信号である。通常の光学的脈動信号は典型的には全光伝送量（transmission）の２〜３％であることは知られている。前述の装置は、全光伝送量の８〜１０％に達する強化された脈動信号を得ることができる。この自然の脈動信号の強化は前記特定された種類の従来技術の１つの境界である。
【００１０】
［発明の要旨］
本発明は、本出願の譲受人に割り当てられる同時係属中の国際出願ＰＣＴ／ＩＬ９９／００３３１号に開示される閉塞に基づいた技法を活用する血液パラメータの非侵襲的測定用新規光学測定装置を提供する。この技法にしたがって、血流停止の状態は測定場所にある媒質の中に作成され、測定値はこの状態のあいだに採取される。測定された信号は、このようにして拍動性ではない。これにより、拍動性の信号に対処する従来の技法の光応答に比べて、媒質の測定される光応答を大幅に改善することができる。
【００１１】
このようにして、本発明は、血液停止状態のあいだに採取される測定値が、正常な血流の状態のあいだに採取される血液関係信号に比較して、血液関係信号の大幅な増加に対処するという事実を利用する。測定場所において患者の器官内での血流停止状態を作成するために、収縮圧を超える（over-systolic）圧力が、正常な血流方向に関して測定場所の上流の任意の位置で適用される。
【００１２】
本発明の主要な考え方は、測定場所で媒質を加熱し、要すれば圧力を加える効果が、測定される血液関係信号をなおさらに改善するという事実に基づいている。発明による測定装置は、測定装置を保持する患者の器官に取り付けるための支持アセンブリを含み、加熱要素、および閉鎖ないしは閉塞アセンブリを備える。測定装置は、患者の組織ないしは器官に取り付けられている支持アセンブリの作動できる位置にあるときに、正常な血流方向の第２の閉塞された位置から間隔をあけて置かれる器官上での第１場所での光学測定を適用する照明／検出アセンブリを備える。一方、加熱要素は、第１の測定場所の近傍の器官を所望の温度まで加熱できるようにし、他方、器官の加圧および快適な固定を実現することができ、測定のあいだの照明検出アセンブリを基準にしたその変位を妨げる。
【００１３】
このようにして、発明の１つの態様にしたがって、血液関係信号の非侵襲的測定を実行するための光学測定装置が提供され、該装置は、
−患者の末端器官に取り付けるための支持アセンブリであって、その上の第１の部位にある器官を係合し、それを所望の温度まで加熱するための加熱要素を備える支持アセンブリと、
−支持アセンブリの上に取り付けられる測定装置であって、前記第１の領域を照明し、照明される領域の光応答を検出し、それを表すデータを生成するために使用できる照明検出アセンブリを備える測定装置と、
−実質的に収縮圧を超える圧力を、正常な血流方向に関して前記第１の領域の上流に位置する患者の体の第２の領域にかけるために使用できる閉塞アセンブリと、
−測定を選択的に作動し、検出される光応答を示すデータを解析し、患者の血液の少なくとも１つの所望のパラメータを決定するために測定装置に結合され、このアセンブリを選択的に動作するための閉塞アセンブリに結合される制御装置と、
を備える。
【００１４】
閉塞アセンブリは、収縮圧を超える圧力をかけるための空気式駆動装置に関連付けられるカフを含む。該カフは、第２領域にある患者の器官の上に取り付け可能なリング、またはベルクロ（登録商標）状のファスナー付きのバンドのどちらかである。
【００１５】
好ましくは、加熱要素は実質的に可撓である。支持アセンブリは、照明検出アセンブリを支持し、加熱要素をその内面に取り付けさせるクリップの形をしてよい。代わりに、支持アセンブリは、照明検出アセンブリを支える実質的に可撓な加熱要素の形を取ってよい。この目的のために、加熱要素は、測定を受けている領域（つまり第１の領域）内の器官の回りに巻きつけられるカフ状のクッションの形を取る。このカフ状のクッションは、油空圧ドライバに結合され、ともに、所望される実質的に収縮圧以下（under-systolic、たとえば、１０ｍｍＨｇから５０ｍｍＨｇ）の圧力を供給するための加圧アセンブリを構成する。この加圧アセンブリは、一方では、カフ状のクッションをある特定の患者に対して調整し、他方では第１領域内での患者の器官のわずかな加圧を提供し、それにより測定された信号を改善することを目的としている。
【００１６】
好ましくは測定中の領域を加熱するための所望の温度は約３７°から３８°である。加熱は、連続的に、または短い熱パルス（たとえば、伝記エネルギーまたは光エネルギー）を適用し、測定領域の所望の温度までの加熱を加速することによって実施することができる。
【００１７】
加熱要素は、熱伝導性（thermoconductive）材料から、あるいはその中に加熱器が実現されている非導電材料から作られるフィルムの形を取ってよい。加熱要素は、２層または３層の構造であってよい。２層構造が使用される場合、患者の器官に接触している第１層は絶縁材料から作られ、第２層は電気的に伝導性（つまり、加熱）材料から作られる。３層構造が使用される場合、患者の器官と接触する第１の層は絶縁材料から作られ、第２の中間層は加熱材料から作られ、第３の層は誘電材料から作られる。
【００１８】
照明検出アセンブリは、任意の既知の種類であってよい。該アセンブリは、照明される領域を通して伝達される光、またはそこから散乱される（反射される）光のどちらかを検出するために設計されてよい。
【００１９】
好ましくは、測定中の患者の器官は、患者の指である。
【００２０】
本発明の別の態様にしたがって、血液関係信号の非侵襲性測定用の測定装置で使用される指保持器が備えられ、該指保持器は、
−指の領域を係合するための加熱要素を備える患者の指に取り付けるための支持アセンブリであって、該加熱要素が所望の温度まで前記領域を加熱するために使用できる支持アセンブリと、
−前記支持アセンブリに取り付けられる測定装置であって、そこでは前記領域の近傍にある測定場所で指を照明し、照明される場所の光応答を検出し、それを表すデータを生成するために使用できる照明検出アセンブリを備える測定装置と、を備える。
【００２１】
好ましくは、指保持器は、収縮圧以下の圧力を測定場所内の指に適用するために使用できる加圧アセンブリも備える。
【００２２】
［好ましい実施態様の詳細な説明］
さらに具体的には、本発明は患者の指とともに使用され、したがって本出願に関して後述される。
【００２３】
図１を参照すると、患者の指Ｆに適用される、発明の１つの実施態様にしたがって構築される測定装置１が描かれる。装置１は、指Ｆの上の第１場所に位置する測定ユニット２、指Ｆの第２場所に位置する閉鎖ないしは閉塞アセンブリ４、ユニット２とアセンブリ４を連結する可撓コネクタ６、およびユニット２およびアセンブリ４に結合される制御ユニット８のような主要な構築パーツを備える。可撓または堅いかのどちらかであってよいコネクタ６の提供はオプションである。
【００２４】
測定ユニット２は、測定ユニットを、クリップ１０の向かい合う側面１０Ａと１０Ｂのあいだに挟まれる患者の指に快適に固定する（支持アセンブリを構成する）クリップの形をした指保持器１０を含む。クリップ１０の向かい合うパーツも、照明装置１１Ａと検出（ないしは検知）装置１１Ｂをそれぞれ保持するために役立つ。このような照明検出アセンブリの構造および動作は、それ自体として既知であるため、以下を注記する以外に具体的に説明される必要はない。検出装置１１Ｂが照明された領域（つまり、照明された領域の光応答）を通して伝達され、それを表すデータを生成する光成分を検出するために対処された適切なセンサ手段を含む一方、照明装置１１Ａは、少なくとも２つの異なる波長の光で指の領域を照明するための適切な光源を含む。照明検出アセンブリは、指から反射される光を検出するように設計および収容できるだろうことが注記されなければならない。
【００２５】
検出装置によって生成されるデータ（測定されたデータ）は、波長ごとに検出された光の輝度の時間依存性を示す。これらのデータは、測定されたデータを解析し、患者の血液の所望されるパラメータ、たとえば、ヘモグロビン、グルコース、コレステロール等の濃度を決定するために適切なソフトウェアによって動作される制御ユニット８の処理ユーティリティに伝達される。これらのパラメータの決定に適切な計算方式は、前述された同時係属中の出願に開示され、本発明の一部を形成しない。
【００２６】
測定ユニット２の中にさらに備えられるのは、クリップ１０の内面に取り付けられ、電源１６に結合されるクッション１４である。クッション１４は、指Ｆの快適な固定を実現し、測定中に照明検出アセンブリを基準にしたその変位を妨げるために可撓性材料から作られる。クッション１４の厚さを変えることによって、その可撓性は、所望のとおりに調整することができる。
【００２７】
クッション１４は、好ましくは電源１６によって提供される電気的な供給に反応して所望される温度（たとえば３５°から３９°）まで指を加熱するために適切な電気的な抵抗を有する熱導電性材料から作られる。このような可撓で、熱導電性の材料とは、ゴム、シリコン、ＰＶＣ、熱可塑性樹脂、および炭素または金属充填剤を含むその他の材料であってよい。
【００２８】
閉塞アセンブリ４は、代わりに制御ユニット８の対応するユーティリティに結合される油空圧ドライバ（pneumatic dricer）１８に結合される可撓カフ１２を含む。制御装置は、一定の収縮圧を超える圧力（たとえば、２７０ｍｍＨｇから３００ｍｍＨｇであるが、通常は特定の患者ごとに調整可能）を指Ｆの第２場所に適用するために駆動装置１８を選択的に動作する。明確に示されていないが、このようなリング状のカフ１２がベルクロ（登録商標）状のファスナーを有するバンドで置換されてよいことは注記されなければならない。
【００２９】
装置１の主要な実用可能な原則は、以下に基づいている。培地（たとえば、患者の指）を含む血流の光学的な特性は、血流の停止を引き起こすときに時間内に変化し始めることが発明者によって見つけられ、前述された同時係続出願の中に開示された。言い換えると、いったん血流停止状態が確立されると、光学的な特性は劇的に変化し始め、その結果、それらは約２５％から４５％、ときには６０％も超えて正常な血流の特性から変化する。したがって、光学的な測定の精度（つまり、ＳＮ比）は、それぞれが入射放射線のさまざまな波長のある少なくとも２つのタイムリに分離される測定セッションを実施することによって大幅に改善することができる。これらの２つのセッションでの指の光応答は、本質的に互いに異なる。測定が達成される測定セッションの少なくとも１つが、一時的な血流停止の間または遷移血流状態のあいだのどちらかに選ばれる必要がある。代わりに、単一血流閉塞を使用することができる。つまり、単一の長い閉塞測定が採取され、解析できる。
【００３０】
このようにして、患者は装置１を着用し、制御装置は収縮圧を超える圧力を生じさせるために駆動装置１８を作動する。血流停止の状態の確立を決定すると、制御ユニット８は、前述されたように１つまたは複数の測定セッションを実施するために測定ユニット２を動作し、制御ユニット８の処理ユーティリティはデータ解析を実行する。
【００３１】
図２は、それぞれ加熱効果を伴なわないおよび伴なう装置１を用いて測定される血液関係信号Ｒの時間依存性に対応する実験的な結果を提示する２つのグラフＧ１およびＧ２を示す。図示されるように、装置１の適用は、加熱効果によって大幅に増加される総伝達強度の約３０％から４０％の強力な光学信号を生じさせる。
【００３２】
発明の別の実施態様にしたがって構築され、動作される測定装置１００を示す図３が参照される。理解を容易にするために、同じ参照番号が装置１と１００で同一であるそれらの構成要素を特定するために使用される。装置１００は、装置１に一般的に類似して構築されるが、装置１の指保持器に比較していくぶん異なるように設計された指保持器を有する。ここでは、クリップ１０およびクッション１４は、制御ユニット８によって動作される油空圧ドライバ１１２に結合される可撓な熱伝導性カフ１１０によって置換される。カフ１１０および油空圧ドライバ１１２は、ともに加圧アセンブリを構成する。特に示されないが、この加圧アセンブリが図１のクリップ１０に取り付けられてよいことが注意されなければならない。言い換えると、加圧アセンブリは、クッション１４だけを置換してよい。一般的には、指保持器は、加熱要素と加圧要素の両方を含んでよい。
【００３３】
カフ１１０は、照明および検出装置１１Ａと１１Ｂを支持し、電子的な要素の必要とされる耐熱性を提供する。装置１００を動作させるために、所望される大幅に低い圧力（たとえば、１０ｍｍＨｇから５０ｍｍＨｇ）がカフ１１０に適用され、適切な電圧がそこに供給される。
【００３４】
カフ１１０は、前記に一覧表示される可撓熱伝導性材料の１つから作られる。これらの材料は、プレス成形法、射出成形等などの任意の既知の適切な技法によって製造することができ、たとえば範囲１Ｖから２４Ｖ内の低圧での動作を可能にする幅広い範囲の電気的な抵抗を有してよい。この電圧供給は、医療装置に許容できる。約２〜３Ｗという低い電力供給は、測定装置を便利に可搬できるようにする電池の使用に対処する。
【００３５】
前述されたように、クッション１４（図１）またはカフ１１０（図２）は、熱伝導性の抵抗材料から完全に製造できるだろう。しかしながら、非導電性要素が使用され、その中に加熱要素が埋め込まれてよいことが注記されなければならない。代わりに、カフは、２つの部分または層から構成できるだろう。言い換えると、クッションは２層または３層構造を有してよい。２層構造のケースでは、指と接触している上部層が、シリコン、ゴム、ポリエチレン等などの絶縁材料から作られ、下部層は導電性のシリコン、ゴムまたはその他の導電性材料などの加熱材料から作られる。３層構造の場合には、中間層が、ＮｉＣｒフィルム、ワイヤ等の電子導電性シリコン、ゴムまたは可撓金属材料などの加熱材料から作られ、下部層は非導電シリコンまたはゴムなどの誘電体材料から作られる。電気的な接触は、製造プロセスのあいだに可撓クッションまたはカフに設置されてよいか、あるいはそれ以降の別個のプロセスで組み立てられるかのどちらかであってよい。
【００３６】
今度は図４を見ると、収縮圧以下の圧力の適用と関連付けられる追加空気式手段の使用を回避し、それにより測定装置をなおさらに可搬にさせることを目的とした発明の別の実施態様が描かれる。この目的のために、支持アセンブリ３０４は、指Ｆの上に置かれる可撓加熱クッション１４、およびばね部分３０５Ａを有する収縮可能なリングまたはキャップ３０５を備える。リング３０５は、電圧供給（図示されていない）によって加熱された後に、ばね３０５の張力に逆らってクッションに圧力をかける。この圧力がばねの最大許容張力を超えると、それは引き裂かれ、それによって電気回路を開き、加熱を停止する。
【００３７】
本発明の優位点はこのようにして自明である。発明による測定装置は可搬であり、操作しやすい。装置は低電圧供給を使用するために安価である。調整できる直径の支持アセンブリ、つまりクリップ１０および可撓クッション１４（図１）、カフ１１０（図３）、またはリング３０５（図４）付きのクッション１４の提供により、指の位置の快適な取り付けが可能になる。加熱要素は測定された信号を改善し、測定されている領域のわずかな加圧がこれらの信号をなおさらに改善する。
【００３８】
当業者は、多様な変形および変更が、添付の特許請求の範囲によって定義されるその範囲から逸脱することなく前述されたように例示されるように発明の好ましい実施態様に適用されてよいことを容易に理解するだろう。
【００３９】
発明を理解し、それが実践問題としてどのように実施されてよいのかを確かめるために、好ましい実施態様が、ここで添付図面に関して非制限例によってのみ記述されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、患者の指に適用される、発明の１つの実施態様による測定装置を描く。
【図２】 図２は、図１の装置によって実施される閉塞ベースの測定の主要な原則を描く。
【図３】 図３は、測定装置の別の実施態様を描く。
【図４】 図４は、測定装置の異なる構造を有する発明のまだ別の実施態様を描く。

Claims (23)

1. 血液に関する非侵襲的な測定に使用するための光学的測定装置であって、
   該装置が、
   指または足指のような患者の遠位端の組織に取りつけるための支持アセンブリであって、該組織の少なくとも一部を所望の温度に加熱するための加熱要素を備えた支持アセンブリと、
   前記支持アセンブリに取りつけられた測定ユニットであって、第１の領域を照明し、当該照明された領域の光応答を検知し、当該光応答を表示するデータを発生するために動作可能な照明検知アセンブリを備えた測定ユニットと、
   正常な血流の方向に関して前記第１の領域の上流側に位置づけられる第２の領域に収縮圧を超える圧力を加えるための閉鎖アセンブリと、
   前記測定ユニットに結合され、かつ収縮圧を超える圧力の印加と測定とを実行するために前記閉鎖アセンブリに結合され、これによって検知された光応答を表示する測定データの発生と、患者の血液の少なくとも１つの所望のパラメータを決定するための当該データの分析とを可能にする制御ユニット
   とを備え、
   前記制御ユニットが、前記閉鎖アセンブリを動作して収縮圧を超える圧力を前記第２の領域に加え、これによって第１の部位に血流停止の状態を生成し、かつ前記測定ユニットを動作して血流停止の状態のあいだ前記第１の領域に測定を加え、これによって測定されたデータが、血液に関する信号を表示する強められた非脈動の光応答信号の時間依存性を表示し、
   前記加熱要素が前記加熱要素の少なくとも一部と係合するために実質的に可撓性を有し、前記第１の領域の少なくとも一部の加熱が前記非脈動の光応答信号が３０％以上にまで強められることを引き起こす
   ことを特徴とする装置。
2. 前記所望の温度が３５℃〜３９℃である請求項１記載の装置。
3. 前記加熱要素が熱伝導性材料を含んでなる請求項１記載の装置。
4. 前記加熱要素が、当該加熱要素内に設けられたヒータと共に非導電性の材料から製造されてなる請求項１記載の装置。
5. 前記加熱要素が、絶縁材料から製造され患者の組織と接触する第１の層、および熱伝導性の材料から製造された第２の層からなる２層を備えている請求項１記載の装置。
6. 前記加熱要素が、絶縁材料から製造され患者の組織と接触する第１の層、加熱材料から製造された中間層、および誘電体材料から製造された第３の層からなる３層を備えてなる請求項１記載の装置。
7. 前記熱伝導性材料が導電性のシリコンである請求項３または５記載の装置。
8. 前記熱伝導性材料が導電性のゴムである請求項３または５記載の装置。
9. 前記誘電体材料が非導電性のシリコンである請求項６記載の装置。
10. 前記誘電体材料が非導電性のゴムである請求項６記載の装置。
11. 前記支持アセンブリが、前記第１の領域の近傍で患者の組織に実質的に収縮圧以下の所望の圧力を加えるための加圧アセンブリを備えてなる請求項１記載の装置。
12. 前記加圧アセンブリが、所望の圧力を加えるための前記制御ユニットによって動作される油空圧ドライバに結合されたカフ状のクッションの形をした加熱要素を備えてなる請求項１１記載の装置。
13. 前記所望の圧力が１０〜５０ｍｍＨｇである請求項１２記載の装置。
14. 前記閉鎖アセンブリが、前記第２の領域を包むためのカフ状のクッション部材と、前記制御ユニットによって動作されているとき、前記第２の領域に実質的に収縮圧を超える圧力を加えるように、当該カフ状のクッション部材に結合された油空圧ドライバとを備えてなる請求項１記載の装置。
15. 前記カフ状のクッション部材が患者の組織に取りつけ可能なリングである請求項１４記載の装置。
16. 前記カフ状のクッション部材が、患者の組織上にリングを形成するように面ファスナを有する湾曲部である請求項１４記載の装置。
17. 前記支持アセンブリがクリップ状の部材を備えてなる請求項１記載の装置。
18. 前記収縮圧を超える圧力が２７０乃至３００ｍｍＨｇである請求項１記載の装置。
19. 前記患者の組織が患者の指である請求項１記載の装置。
20. 指の第１の領域の強められた非脈動光応答を検知することによって血液に関する信号の非侵襲的な測定において使用するために請求項１記載の光学的測定装置に用いられるフィンガーホルダであって、
    該フィンガーホルダが、
    患者の指に取りつけるための支持アセンブリであって、指の第１の領域の少なくとも一部と係合して所望の温度に加熱するための実質的に可撓性を有する加熱要素を備えた支持アセンブリと、
    前記支持アセンブリに取りつけられた測定ユニットと、
    光学的測定のあいだ前記第１の領域の近傍において所望の効果を引き起こすように動作し得る圧力印加アセンブリ
    とを備えてなるフィンガーホルダ。
21. 前記圧力印加アセンブリが前記支持アセンブリ内に組み込まれ、前記所望の効果が実質的に収縮圧以下の圧力による前記第１の領域の近傍の加圧である請求項２０記載のフィンガーホルダ。
22. 前記加熱要素が、実質的に収縮圧以下の圧力を加えるように動作し得る油空圧ドライバに結合されたカフ状のクッションの形で前記圧力印加アセンブリに組み込まれてなる請求項２１記載のフィンガーホルダ。
23. 前記圧力印加アセンブリが、前記指の第２の領域に適用可能な閉鎖アセンブリである請求項２０記載のフィンガーアセンブリ。

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