JP5782452B2 - 光学的呼吸状態センサ - Google Patents

Description

この出願は、患者の呼吸状態を検出する医療モニタに関する。これは、磁気共鳴（ＭＲＩ）撮像環境における走査手順を受けている患者の呼吸状態を検出する信頼性及び精度を改良することに特定の応用を見つけ、特にこの応用に関連して記載される。

ＭＲＩシステムは、画像データを生成するように比較的強力な静止磁場（Ｂ₀）、無線周波数磁場（Ｂ₁）及び磁場勾配（高速変化磁場）を集中させ、方向づける。典型的には、患者モニタのようなＭＲＩスキャナの中又は近くで動作する電子装置は、これらの磁場及び勾配により引き起こされる干渉にさらされる。前記勾配及び無線周波数磁場は、患者又は電子装置を害することができる電流を誘導することもできる。

多くのＭＲＩ走査手順中に、患者の呼吸は、前記患者がＭＲＩ環境にある間にモニタされる。息止め撮像技術において、しばしば、医師、技師及び／又はスキャナ電子装置は、正しい時間に画像データを取得するためにいつ前記患者が呼吸を止めているかを決定するように患者呼吸をモニタしている。患者の呼吸は、取得されたデータに対応する呼吸状態でタグ付けするためにデータ取得中にモニタされることもできる。患者呼吸は、即時の臨床行動が必要であるかどうかを医療関係者に通知するためにもモニタされる。

呼吸をモニタされる患者は、ＭＲＩの磁場内に配置されるので、機器は、上述の磁場及び勾配にさらされる場合に適切に機能しなくてはならない。患者呼吸をモニタする１つの手法は、患者の腹部のまわりにベルトで保持される空気袋で呼吸を測定することを含む。患者が呼吸すると、空気袋内の圧力が増減する。前記空気袋の中に又は隣接して配置された圧力トランスデューサは、圧力差を電気信号に変換する。これに関する問題は、能動電子部品がＭＲＩにより生成される干渉にさらされ、これが、潜在的な精度、信頼性及び安全性の問題を引き起こすことである。他の問題は、能動部品がＭＲＩデータ及び画像に対して悪影響を持つことができることである。他の手法は、ＥＣＧリードを通して高周波数低振幅電圧／電流波形を送り、呼吸波形を得るように振幅の変化が抽出される復調スキームを実行することを含む。これに対する問題は、ＭＲＩ互換ＥＣＧに使用されるリードが高インピーダンスを持ち、この手法が過度に高い電圧／電流なしで機能することを妨げ、患者リスクをもたらすことができることである。更に、前記勾配は、前記リードにおいて電流を誘導することができる。他の手法は、腹部運動をモニタするのに遠隔カメラ又はレーザを使用する。しかしながら、患者、技師、機器又は臨床医師は、レーザ光又はカメラのビューをブロックすることができる。

この出願は、上記の問題等を克服する新しい改良された光学的呼吸状態センサを提供する。

一態様によると、対象モニタが提供される。ベルトが、胸腔又は腹部のような対象の循環的に動く部分を束縛する。光感知装置は、ハウジングと、前記ハウジング内に引っ込むように張力を受けたテープであって、前記テープ及び前記ハウジングの少なくとも一方が前記ベルトに接続される、当該テープと、前記テープとともに運動するパターン上に光を集束するレンズと、前記パターンから反射された光を検出する光子検出器とを含む。光復号器は、前記パターンから反射された光から前記ベルトの運動を決定する。

他の態様によると、ＭＲシステムが提供される。ＭＲスキャナは、検査領域内の対象の一部からＭＲデータを生成する。前記検査領域の中の又は隣接した光感知装置は、ハウジングと、前記ハウジング内に引っ込むように張力を受けたテープであって、前記テープ及び前記ハウジングの少なくとも一方が前記ベルトに接続される、当該テープと、前記テープとともに運動するパターン上に光を集束するレンズと、前記パターンから反射された光を検出する光子検出器とを含む。光復号器は、前記パターンから反射された光から前記ベルトの運動を決定する。

他の態様によると、対象の循環運動を決定する方法が提供される。光が、テープとともに運動するパターン上に集束され、前記テープは、対象の循環的に運動する部分を束縛し、引っ込むように張力を受けたベルトに接続される。前記パターンから反射された光が検出される。前記ベルトの運動は、前記パターンから反射された光から検出される。

１つの利点は、患者の呼吸状態の信頼できる検出にある。

他の利点は、走査手順中のＭＲＩスキャナの干渉なしの動作にある。

他の利点は、呼吸又は他の循環的解剖学的運動に関する位相、速度及び他の情報の正確かつ信頼できる測定にある。

本発明の他の利点は、以下の詳細な説明を読み、理解すると当業者に理解されるだろう。

本発明は、様々な構成要素及び構成要素の組み合わせ、様々なステップ及びステップの組み合わせの形を取りうる。図面は、好適な実施例を説明する目的のみであり、本発明を限定すると解釈されるべきでない。

本出願によるＭＲＩ及び光学的呼吸状態システムの概略図である。 本出願による光学的呼吸状態センサの一実施例の概略図である。 本出願による光学的呼吸状態センサの他の実施例の概略図である。 光学的呼吸状態センサの動作のフローチャート図である。

図１を参照すると、図示されているのは、検査領域１３を通して時間的に一様なＢ₀磁場を発生する主磁石を含む磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム１２である。前記主磁石は、環状若しくはボア型磁石、Ｃ字型オープン磁石、又は他の設計のオープン磁石等であることができる。前記主磁石に隣接して配置された勾配磁場コイルは、磁気共鳴信号を空間的に符号化する、磁化をスポイルする磁場勾配を生成する、又は同様の前記Ｂ₀磁場に対して選択された軸に沿った磁場勾配を発生するように機能する。典型的には、前記勾配磁場は、撮像領域を越えて延在し、典型的には、１メートル以上離れても強力な磁場である。

全身無線周波数コイルのような無線周波数（ＲＦ）コイルアセンブリは、検査領域１３に隣接して配置される。前記ＲＦコイルアセンブリは、前記対象の整列した双極子において磁気共鳴を励起する無線周波数Ｂ₁パルスを発生する。前記無線周波数コイルアセンブリは、撮像領域から発せられる磁気共鳴信号を検出するようにも機能する。オプションとして、ローカル、表面、頭部、又はインビボＲＦコイルが、磁気共鳴信号のより感受性の高い、局所化された空間符号化、励起及び受信のために前記全身ＲＦコイルに加えて又は代わりに提供される。多素子ＲＦコイルアセンブリにおいて、前記ＲＦコイルアセンブリは、Ｂ₁均一性を向上させ、前記対象内の比吸収率（ＳＡＲ）を減少させるように複数の個別のコイル素子を含む。

患者１４の磁気共鳴データを取得するために、撮像されるべき患者１４の一部は、検査領域１３の中に、好ましくは前記主磁場のアイソセンタに又は近くに配置される。スキャンコントローラ１５は、選択された磁気共鳴撮像又は分光法シーケンスに適切でありうるように、前記勾配コイルに前記撮像領域にわたり前記選択された磁場勾配パルスを印加させる勾配増幅器を制御する。前記スキャンコントローラは、前記ＲＦコイルアセンブリに辞意共鳴励起及び操作Ｂ₁パルスを発生させるＲＦトランスミッタを制御する。

前記スキャンコントローラは、前記ＲＦコイルアセンブリに接続され、そこから前記発生された磁気共鳴信号を受信するＲＦ受信器をも制御する。多素子ＲＦコイルアセンブリにおいて、前記ＲＦ受信器は、典型的には、複数の受信器又は前記コイルアセンブリの対応するコイル素子に動作可能に接続されたプリアンプを各々含む複数の受信チャネルを持つ単一の受信器を含む。単一コイル設計において、単一の受信チャネルは、前記受信された磁気共鳴信号を増幅する単一のプリアンプを含む。

ベルト１６は、患者１４の胸腔又は腹部を束縛する。ベルト１６は、患者１４の呼吸又は他の同様な循環的な運動により引き起こされる患者１４の胸腔又は腹部の膨張及び収縮により引き起こされるベルト１６の双方向運動を感知する光感知装置１８に取り付けられる。光感知装置１８は、保持ループ等によりベルト１６の端部の間又はベルト１６と患者支持台若しくはＭＲＩ１２のベッド２０上の固定点との間に取り付けられる。光感知装置１８は、レーザ又は発光ダイオードのような光源２４を持つ１以上のファイバ光ケーブル２２、及び光復号器２６により接続される。光源２４及び光復号器２６は、検査領域１３から離れて、好ましくは５ガウスライン又は撮像視野の外側に配置される。患者１４が呼吸すると、腔膨張は、光感知装置１８に伸長及び収縮させ、前記伸長及び収縮を示す光信号を送信させる。検査領域１３の外側に配置された光復号器２６は、前記伸長及び収縮を示す光信号に対応する電気信号、例えば呼吸運動を示すパルスを生成する。呼吸相回路又はプロセッサ２８は、前記呼吸運動を示す電気信号を現在の呼吸相、例えば吐き出し終了、最大吸い込み及びその間の様々な相又は状態の指示に変換する。一実施例において、呼吸相回路又はプロセッサ２８は、患者１４の呼吸相、呼吸速度及び呼吸又は他の循環的解剖学的運動に関する他の情報を表示するディスプレイを制御する。

スキャンコントローラ１５は、息止め実施例において、呼吸相回路又はプロセッサ２８から前記呼吸相、特に最大吸い込み又は他の選択された息止め相を受け取る。スキャンコントローラ１５は、前記息止め相又は他の選択された相及びその間の休止中にデータを取得するようにＭＲＩスキャナ１２を制御する。他の実施例において、ＭＲＩスキャナ１２の受信器からの画像データは、分類ルーチン又はプロセッサ３２により前記呼吸相によって分類される。画像データメモリ３４は、相ごとに前記画像データを記憶する。再構成プロセッサ３６は、１以上の選択された相の画像を再構成し、前記画像は、画像メモリ３８に記憶される、ディスプレイ４０に表示される、中央メモリに送信される、又は同様のことが行われる。例えば、画像は、複数の呼吸相で再構成され、シネ形式で表示されることができる。

図２を参照すると、一実施例において、光感知装置１８は、平面グリッドパターン又は他の繰り返しパターン５２、例えば一様な間隔の直交配置されたグリッド線を持つテープ５０を含む。光源２４は、前記グリッドパターンの少なくとも一部を照射するように光を提供する。光復号器２６は、前記グリッドパターンの平面における領域からの反射光を受け取る。呼吸相回路又はプロセッサ２８は、テープ５０上の前記グリッドパターンから伸長／収縮の変位、方向及び／又は速度を解釈し、これに対応して前記患者の呼吸相を決定する。例えば、呼吸相回路又はプロセッサ２８は、テープ５０から来る検出光を、幅１、２及び３のバーがあるパターンで循環的に繰り返す、一連のバーとして解釈する。膨張中に、エミッタは、バーの増加するパターン、例えば１、２、３、１、２、３...を検出する。収縮中に、前記パターンは、他の方向に動き、例えば３、２、１、３、２、１...である。呼吸相回路又はプロセッサ２８は、前記パターンを認識し、前記患者が前記パターン動向に基づいて呼吸しているか否かを決定する。このパターン動向から、呼吸相回路又はプロセッサ２８は、前記患者の呼吸サイクルの相をも決定する。オプションとして、呼吸相回路又はプロセッサ２８は、前記患者に対する呼吸モデルを生成する。

ＭＲＩスキャンに対して患者１４を準備している間に、ベルト１６は、前記患者の胸腔又は腹部を束縛するように調節され、光感知装置１８から突き出すテープ５０に取り付けられる。光感知装置１８は、保持ループ５３等を用いて、ベッド２０上の固定点、又はベルト１６の他方の端部に取り付けられる。テープ５０は、光感知装置１８のハウジング内に配置されたガイド５４を通過し、スプール４４に巻きつく。スプール４４は、トーションバネ張力等が、前記スプールのまわりに巻きつき、光感知装置１８内に引っ込むようにテープ１６に付勢するように取り付けられる。患者１４が呼吸すると、腔膨張は、前記テープを光感知装置１８の外に引っ張り、収縮は、スプール４４がテープ５０を光感知装置１８の中に引っ込めることを可能にする。この移動を検出するために、レンズ５６は、光源２４から光ファイバ２２により運ばれる光をテープ５０上のパターン５２上に集束させる。前記テープから反射する光５７は、光子検出器５８により受け取られ、光ファイバ２２により光復号器２６まで運ばれる。テープ５０上のパターン５２は、前記動くテープの変位及びオプションとして方向及び速度が、心位相を抽出するように、呼吸相回路又はプロセッサ２８により解釈されることができる。

図３を参照すると、光感知装置１８の他の実施例において、ギア減速が、解像度及び張力を増加するのに使用される。テープ５０は、ガイド５４を通過し、ステップスプール６２の小さい方の外側直径部分６０に巻きつき、大きい方の外側直径部分は、ギアの歯６４を構成される。このスプール６２は、前記テープを引っ込ませるようにトーションバネ等を用いて、呼吸中に生じる膨張に対して小さな抵抗を持つように張力をかけられる。スプール６２のギアの歯６４は、第２のステップギア６６のギア付き小直径部分を駆動する。第２のステップギア６６の大きい方の外側直径は、呼吸相回路又はプロセッサ２８が変位並びに好ましくは方向及び速度を決定することを可能にする一連のパターン６８を刻み込まれる。変速又は減速ギアの原理を使用することにより、パターン６８の速度及びベルト移動の単位ごとのパターンマーキングの数は、大幅に増加される。これは、解像度を向上させる。レンズ５６は、光源２４から光ファイバ２２により運ばれる光をパターン６８上に集束させ、反射光５７は、光子検出器５８により捕捉され、光ファイバ２２により光復号器２６まで運ばれる。光感知装置１８のケース又は筐体が、周辺光を入らないようにし、保持ループ４０を用いてベッド２０上の固定点又はベルト１６の他方の端部に取り付けられるように構成される。繰り返しパターン又はシーケンス等のようなパターン６８は、前記動くテープの変位、方向及び速度が呼吸相回路又はプロセッサ２８により解釈されうるように構成される。

図４を参照すると、図示されているのは、光学的呼吸状態センサのフローチャートである。ステップ８０において、光は、患者の胸腔及び腹部を束縛する前記ベルトに取り付けられた前記テープ又はギア上のパターンに集束される。ステップ８２において、前記パターンから反射する光が検出される。ステップ８４において、前記ベルトの移動の変位の距離、並びに好ましくは方向及び速度は、前記テープ上の前記パターンから反射された光から復号される。ステップ８６において、前記患者の呼吸相は、前記ベルトの移動の変位の距離、方向及び／又は速度から決定される。

呼吸に関して記載されているが、他の解剖学的運動、特に循環的な運動も、検出されることができる。例えば、脚又は腕のような筋肉の屈曲が、決定されることができる。けいれん又は場合により血流のようなパルス運動が、検出されることができる。例えば、膝屈曲をモニタするようにふくらはぎ及び大腿部上に前記ベルトを配置することにより、関節の屈曲が検出されることができる。

本発明は、好適な実施例を参照して説明されている。修正及び変更は、先行する詳細な説明を読み、理解すると他者が思いつきうる。本発明は、添付の請求項又は同等物の範囲に入る限り、全てのこのような修正及び変更を含むと解釈されると意図される。

Claims (17)

1. 胸腔又は腹部のような対象の循環的に運動する部分を束縛するベルトと、
   ハウジング、
   前記ハウジング内に引っ込むように張力を受けたテープであって、前記テープ及び前記ハウジングの少なくとも一方が前記ベルトと接続される、当該テープ、
   前記テープとともに動くパターン上に光を集束させるレンズ、及び
   前記パターンから反射された光を検出する光子検出器、
   を含む光感知装置と、
   前記パターンから反射された光から前記ベルトの運動を決定する光復号器と、
   を有する対象モニタ。
2. 前記ベルトの前記決定された運動から前記対象の呼吸相を決定する呼吸相回路又はプロセッサ、
   を含む、請求項１に記載の対象モニタ。
3. 前記光感知装置及び前記対象が、ＭＲスキャナの検査領域内に配置される、請求項１及び２のいずれか一項に記載の対象モニタ。
4. 前記光感知装置が、光源及び前記光復号器と１以上のファイバ光ケーブルにより接続される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の対象モニタ。
5. 前記光源及び前記光復号器が、ＭＲスキャナの外側に配置される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の対象モニタ。
6. 前記パターンが、前記ベルトの変位、方向及び速度を決定するように構成される、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の対象モニタ。
7. 検査領域において対象の一部からＭＲデータを発生するＭＲスキャナと、
   前記検査領域において又は隣接して前記光感知装置を配置した請求項１ないし６のいずれか一項に記載の対象モニタと、
   を有するＭＲシステム。
8. 前記検査領域から離され、１以上のファイバ光ケーブルにより前記光感知装置に接続された光復号器、
   を含む、請求項７に記載のＭＲシステム。
9. 前記検査領域から離され、１以上のファイバ光ケーブルにより前記光感知装置に接続された光源、
   を含む、請求項７及び８のいずれか一項に記載のＭＲシステム。
10. 前記対象モニタが、５ガウスラインの中に配置され、前記光復号器が、前記５ガウスラインの外に配置される、請求項８及び９のいずれか一項に記載のＭＲシステム。
11. 対象の循環的な運動を決定する方法において、
    対象の循環的に動く部分を束縛し、引っ込むように張力を受けるベルトに接続されたテープとともに動くパターン上に光を集束するステップと、
    前記パターンから反射された光を検出するステップと、
    前記パターンから反射された光から前記ベルトの運動を決定するステップと、
    を有する方法。
12. 光感知装置が、磁場内に配置される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記パターンが、前記ベルトの変位、方向及び速度を決定するように構成される、請求項１１及び１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ベルトの運動から前記対象の呼吸相を決定するステップ、
    を含む、請求項１１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記対象の前記決定された呼吸相の少なくとも１つを表示するステップ、
    を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記光感知装置が、
    前記ハウジング内に取り付けられたスプールと、
    前記スプールのまわりに巻きつき、前記光感知装置内に引っ込むように前記テープに付勢する張力手段と、
    を有する、請求項１に記載の対象モニタ。
17. 前記光感知装置が、
    前記ハウジング内に取り付けられ、前記テープを巻きつけられる第１の外径部分及び前記第１の外径部分より大きい外径を持つ第２の外径部分を有するステップスプールと、
    第３の外径部分及び前記第３の外径部分より大きい外径を持つ第４の外径部分を有するステップギアであって、前記ステップスプールの第２の外径部分が、前記ステップギアの第３の外径部分を駆動するギアの歯を有し、前記パターンが、前記ステップギアの第４の外径部分に設けられる、ステップギアと、
    を有する、請求項１に記載の対象モニタ。

Images