JP5883018B2 - 少なくとも1つの血管内部の血圧を測定するための装置、システム、および方法 - Google Patents

少なくとも1つの血管内部の血圧を測定するための装置、システム、および方法 Download PDF

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Description

関連出願に対する相互参照
この出願は、2010年10月27日に出願された米国特許出願第61/407,368号による優先権を主張し、その全体の開示は、参照によって本明細書に援用される。
本開示の例示的な実施形態は、概して、測定装置、システム、および方法に関し、特に、血管(複数可)の外部の光学測定を用いた少なくとも1つの血管内部の圧および流れを測定するための装置、システム、および方法に関する。
血圧は、急性から慢性までの健康状態の範囲を知るための重要なパラメータである。現在、血圧計カフおよび聴診技術は、観血法に頼らずに、血圧を判定するための正確な方法として考えられている。しかしながら、血圧計カフの使用は、例えば以下のいくつかの欠点に悩まされる可能性が高い。
・血圧計カフは、概して、非連続の平均血圧測定のみを提供する。
・測定は、いくつかの規則正しい誤差要因に悩まされる、および/または、比較的健常人に限られる場合がある。
・測定は、身体上の限られた位置での血圧を確認するためのみに用いられ得る可能性が高い。
光周波数領域画像法(「OFDI」)、波長掃引型光コヒーレンス断層映像法(「SS−OCT」)、およびスペクトル領域光コヒーレンス断層映像法(「SD−OCT」)を含むが、それらに限定されないフーリエ領域光コヒーレンス断層映像法(フーリエ領域OCT)を含む光コヒーレンス断層映像法(「OCT」)は、概して、深さに応じて散乱を測定する低コヒーレンス干渉法および/または光周波数領域干渉処理を利用することができる。上記断層映像法のうちのいくつかは、特許文献1(公開日:2005年5月26日)(国際特許出願第PCT/US2004/029148号(出願日:2004年9月8日))、特許文献2(公開日:2006年5月4日)(米国特許出願第11/266,779号(出願日:2005年11月2日))、特許文献3(公開日:2005年1月27日)(米国特許出願第10/501,276号(出願日:2004年7月9日))、および特許文献4(公開日:2002年5月9日)に記載される。
外部光学測定を用いて、正確且つ確実に血圧を測定することができるのであれば、それは非臨床状況において、(例えば未熟なユーザによって)身体上の位置の多くの監視される血圧における高速の心拍間隔の変化を助長するだろう。
従来、血管内部の血圧を推定するために非侵襲的光学測定を利用する他の概念/手順が記載されている。このような概念は光電式容積脈波記録法(非特許文献1を参照)、およびレーザスペックル(非特許文献2を参照)などを含む。しかしながら、これらの手順は、概して、心拍出量による圧力波によってもたらされる動脈内の形態学的変化の検出に依存する。したがって、これらの手順は、例えば動脈壁および他の生理学的因子の弾性など、推定することが困難な量に依存する。これらの依存性は、このような手順の実用性を制限する。
したがって、上記の本明細書に記述された従来のアプローチ、手順、および/またはシステムの不備の少なくともいくつかを解決および/または克服することは有用かもしれない。
国際公開第2005/047813号 米国特許出願公開第2006/0093276号明細書 米国特許出願公開第2005/0018201号明細書 米国特許出願公開第2002/0122246号明細書
Y.−Z.YoonおよびG.−W.Yoon「光電式容積脈波記録法による非拘束性血圧測定(Nonconstrained Blood Pressure Measurement by Photoplethysmography)」J.Opt.Soc.Korea10,91−95(2006年) J.Biomed.Opt.15,061707(2010年11月22日);doi:10.11 17/1.3505008
したがって、本発明の目的の1つは、このような従来技術のアプローチ、手順、方法、およびシステムの不備および/または限界を低減または解決することにある。したがって、血管(複数可)の外部の光学測定を用いて少なくとも1つの血管の内部の流れおよび圧を測定し、このような不備のいくつかを少なくとも克服するために、例示的な手順、方法、システム、および装置を提供することができる。
例えば、本開示の例示的な実施形態によれば、例えば、収縮期血圧、拡張期血圧、脈圧、平均動脈圧、当業者とって周知の他の測定基準などの導き出された臨床的指標に血圧情報の光学測定を変換することが可能である。さらに、本開示の1つの例示的な実施形態によれば、例えば、低減されたまたは最小限の位置制限を有することができ、且つソフトウェア配置またはソフトウェアプログラムを介して(例えば部分的にまたは全体的に)実施することができる例示的な相関の手順、システム、および装置を提供することができる。
本開示の特有の例示的な実施形態において、動脈内部の血圧に関する情報を取得するために(例えば)外部、上腕の鎖骨下動脈、橈骨、尺骨または頚動脈の外部測定のために構成することができる既存のOCT(または他の光学測定様式)デバイス、システム、方法、および/または装置を利用することが可能である。
本開示の特定の例示的な実施形態によれば、少なくとも1つの構造に関する情報を取得するための装置、システム、および方法を提供することができる。例えば、装置から、外部である少なくとも1つの構造に、少なくとも1つの第1の電磁放射を(例えば、少なくとも1つの第1の配置を用いて)転送することは可能である。少なくとも1つの構造(それは、第1の電磁放射(複数可)に基づく)から提供される少なくとも1つの第2の電磁放射を(例えば、少なくとも1つの第2の配置を用いて)検出することができる。また、(例えば、少なくとも1つの第3の配置を用いて)第2の電磁放射(複数可)に基づいて構造(複数可)の少なくとも1つの特性を定量し、特性(複数可)に基づいて構造(複数可)の少なくとも1つの部分の圧に関連するデータを取得することは可能である。
本開示の別の例示的な実施形態によれば、特性(複数可)は、(i)構造(複数可)の屈折率、および/または(ii)屈折率の変化を含むことができる。第3の配置(複数可)は、部分(複数可)の温度を測定し、ならびに/または、温度および特性(複数可)を用いて圧に関連するデータ取得するようにさらに構成することができる。構造(複数可)は、解剖学的構造(例えば血管)を含むことができ、圧は、血管内部で提供され得る。特性(複数可)は、その部分(複数可)の少なくとも1つの赤血球の構造に関連することができる。解剖学的構造は、また、筋膜区画も含むことができ、圧は、筋膜区画内部で提供され得る。
本開示のさらに別の例示的な実施形態によれば、第1の配置(複数可)を、少なくとも1つの第3の電磁放射を参照(reference)に転送するようにさらに構成することができ、第2の配置(複数可)を、構造(複数可)から提供される第2の電磁放射(複数可)を検出し、第3の電磁放射(複数可)に関連づけられた参照から提供される少なくとも1つの第4の放射に干渉され得るように構成することができる。例えば、第1および第2の配置は、(i)低コヒーレンス干渉計測定システム、(ii)光周波数領域画像法システム、および/または(iii)スペクトル領域光コヒーレンス断層映像法システムを形成することができる。第1の電磁放射(複数可)は、光放射を含むことができる。第2の電磁放射(複数可)は、(i)構造(複数可)上の異なる空間的位置または(ii)構造(複数可)とは異なる時間的位置から提供される複数の別個の放射を含むことができる。特性(複数可)は、構造(複数可)のスペックルパターンを含むことができる。特性(複数可)は、スペックルパターンに基づいて定量することができる屈折率をさらに含むことができる。第3の配置(複数可)は、スペックルパターンを、前記部分(複数可)から異なる波長または時間にて取得されたさらなるスペックルパターンに相関させることができる。
本開示のなおさらなる例示的な実施形態によれば、特性(複数可)は、(i)構造(複数可)の屈折率、および/または(ii)屈折率の変化を含むことができる。第2の配置(複数可)は、電磁放射の波長に基づいて、または、構造上の第1の電磁放射(複数可)の入射角度に対する構造(複数可)からの放射角度に基づいて電磁放射を検出することができる。解剖学的構造は(i)目、(ii)耳、(iii)脳区画、(iv)脊髄管、(v)気道、(vi)心臓腔、(vii)胃腸器官、および/または(viii)膀胱を含むことができる。特性(複数可)は、(i)第1の電磁放射(複数可)に対する第2の電磁放射(複数可)の位相、または(ii)位相の変化を含むことができる。特性(複数可)は、また(i)第4の電磁放射(複数可)に対する電磁放射(複数可)の位相、または(ii)位相の変化を含むことができる。
本開示の別の例示的な実施形態によれば、装置、システム、および方法を、解剖学的構造内部の血圧を測定するために提供することができる。例えば、解剖学的構造の少なくとも1つの外部部分に、少なくとも1つの放射を方向づけるために構成された少なくとも1つの第1のプローブ配置を用いることは可能である。さらに、解剖学的構造から反射された放射を検出するように構成される少なくとも1つの第2の配置を提供することが可能である。さらに、プローブ配置を介して解剖学的構造から提供される第1の放射と、その波長に応じて参照経路から提供される第2の放射との間の干渉を検出するために、少なくとも1つの第3の配置を提供することができる。さらに、信号に応じて血流の少なくとも1つの特性を定量するように構成することができる少なくとも1つの第4の配置を提供することができる。例えば、第4の配置(複数可)は、干渉の強度に応じて、および/または、プローブ配置(複数可)を介して解剖学的構造上に入射される第1の放射によって生成された自己干渉(例えばスペックル)パターンに応じて、特性(複数可)を定量することができる。
第1のプローブ配置(複数可)は、携帯型の装置を含むことができる。解剖学的構造は、動脈、静脈、または皮膚表面上のあらゆる位置を含むことができる。第1の放射または第2の放射の少なくとも1つの波長は、経時的に変化することができる。第2の配置は、干渉の個別の波長域を検出するように各々が構成された検出器の少なくとも1つの配置を含むことができる。
第1のプローブ配置(複数可)は、装置の動作の間、不動に構成することができる。第2および/または第3の配置(複数可)は、時刻に応じて特性を定量することができる、および/または、さらなる生理学的測定と同期的に定量することができる。さらなる生理学的測定は、EKG、温度、または心拍数になり得る。第3の配置(複数可)は、薬剤の投与の前および/または後に特性を定量することができる。
本開示の例示的な実施形態のこれらおよび他の目的、特徴、および有利性は、添付の特許請求の範囲に関連づけられた本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読み進めることよって明らかになるだろう。
本開示のさらなる目的、特徴、および有利性は、本開示の例示的な実施形態を示す添付の図面に関連づけられた以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
本開示による光学測定装置、システム、および/または配置の第1の例示的な実施形態のブロック図である。 本開示による光学測定装置、システム、および/または配置の第2の例示的な実施形態のブロック図である。 異なる圧および温度での水および血液の光学特性の変動を示す例示的な画像および図である。 異なる圧および温度での水および血液の光学特性の変動を示す例示的なグラフである。 異なる圧および温度での水および血液の光学特性の変動を示す例示的なグラフである。 異なる圧および温度での水および血液の光学特性の変動を示す例示的なグラフである。 光学的および他の測定からの圧を測定するための、本開示の好ましい実施形態による方法、装置、システム、および/または配置によって利用された例示的な手順を記載するブロック図である。 OCT技術により測定できる屈折率の例示的な最小可分解差を実証する図およびグラフの図である。
特に明記しない限り、図面を通じて、示される実施形態の同様の特徴、要素、構成要素、または部分を指すために、同じ参照番号および参照符号を用いる。さらに、以下、図面を参照しながら本開示を詳細に説明するが、その説明は例示的実施形態に関連して行う。添付された特許請求の範囲によって規定されるような本開示の真の範囲および精神から逸脱せずに、記載された例示的実施形態に対して、変更および修正を行うことができるように意図される。
図1Aは、本開示の第1の例示的な実施形態による光学測定システムのブロック図を示す。例えば、例示的なシステムおよび/または配置は、試料140に対して少なくとも1つの第1の放射を送り出すための、1つ以上の電磁放射源(例えば、少なくとも1つの光源)100と、調整光学素子110を含むことができる。例えば、第1の放射(複数可)の反射によって生成された少なくとも1つの第2の放射は、検出光学素子120を貫通することができ、その後、プロセッサと記憶媒体(例えば、ハードドライブ、CD−ROM、フロッピー(登録商標)ディスク、メモリースティック、およびその組み合わせなど)とを含むことができる検出および処理配置130上に入射される。
図1Bは、本開示の第2の例示的な実施形態による光学測定システムのブロック図を示す。この例示的なシステムおよび/または配置は、解剖学的構造170に対して放射を送り出すための伝送および検出光学素子160を含むことができる手持プローブ150を含むことができる。例示的なプローブ150は、その近位端部にてプロセッサと記憶媒体(例えば、ハードドライブ、CD−ROM、フロッピー(登録商標)ディスク、メモリースティック、およびその組み合わせなど)とを含むことができる検出および処理システム、装置、または配置190に(例えば光ファイバ180を介して)連結することができる。
図2は、異なる圧および温度における水および血液の光学特性の変動を示す例示的な画像、図、およびグラフを図示する。血液および水のための関連する光学パラメータの概要を、図2において異なる圧で図示する。例えば、動脈や毛細血管内の圧が高まるにつれて、赤血球は、変形200、したがって、グラフ230に示すように、異なる偏光状態210で、且つ異なる方向220に、電磁放射(例えば光)を散乱させる。さらに、グラフ240に示すよう水の屈折率は、線形関係260、圧250とともに変化することができる。また、複雑化要因は、水の屈折率が、線形下降関係180温度170とともに変化することができるということであり得る。データは、R.S.Brock,X.−H.Hu,P.Yang,およびJ.Lu「並列FDTDコードの評価および変形赤血球による光散乱のモデリングへの応用(Evaluation of a parallel FDTD code and application to modeling of light scattering by deformed red blood cells)」Opt.Express13,5279−5292(2005年)、および「波長、温度、および圧に応じた一般の水物質の屈折率のリリース(Release on the Refractive Index of Ordinary Water Substance as a Function of Wavelength, Temperature and Pressure)」国際水蒸気性質協会,エルランゲン,ドイツ,1997年から得られる。
図3は、本開示の例示的な実施形態に従う光学測定から、圧の定量のための例示的な方法および/または手順の例示的なフローチャートを示す。例えば、複数の独立した初期測定を計算することができる。このような例示的な測定は、例えば以下のものを含むことができる。
・手順300において提供されるように、図1の装置を用いる光学測定。
手順320において提供されるように、標準の機器(例えば電子体温計)を用いる温度測定。
・手順330において示すように、従来の機器(例えば、EKG、パルスオキシメータなど)を用いる心拍数測定。
次の定量手順のステップ340において、本明細書に記載され、且つ図2に示された例示的なパラメータを用いて、光学測定を圧に変換することができる。さらに、温度の変動によってもたらされた計算における誤差を補正するために、温度測定を用いることができる。例示的な定量手順における次のステップ350は、例えばロックイン検出機構の使用を通じて信号内の非心臓性の変化を排斥することによって、測定の検出感度を高める心拍数測定330を利用することができる。
図1Aおよび図1Bに示す例示的な光学機器を、散乱および屈折率の非常に小さな変化を検出するように構成することができる。圧における生理学的変化に関連する屈折率変化は、例えば50mmHg当たり約1×10−6であり得る。図4の図400として示すように、半径1mmを有する血管内のこの変化を検出すると、これは、次式の光の位相の全体の変化に結びつくことができる。
Figure 0005883018
この例示的な結果は少量であるように見え得るが、他の光学的技術、システム、および/または装置の中で、OFDIおよびレーザスペックル画像化の例示的な技術、システム、および/または装置によって、このような例示的な変化を測定することができる。一例として、典型的なOFDIシステムの位相感度は、図4の実例410から与えることができる。このような位相感度は、サンプル信号420に依存し得る。基準測定によって提供された信号の強さによって定められたプラトーに達するまで、例示的な測定曲線430は、図4に示すように、測定信号とともに減少する。この例示的な基準測定(それはガラスカバースリップまたは同様のものによって提供され得る)が、十分に高く、且つサンプル信号が45dBよりも勝っている場合、例示的なOFDIシステムは、5ミリラド未満の位相変化を分割することができる。これらの例示的な変化は、図3に示すフローチャートに示す例示的な手順を用いて、もとの血管内部の圧力変化にリンクされ得る。そのデータは、以下のものから提供され得る。すなわち、B.J.Vakoc、S.H.Yun、J.F.deBoe、G.J.Tearney、およびB.e.Bouma「位相分解光周波数領域画像法(Phase−resolved optical frequency domain imaging)」Optics Express13、5483(2005年)。
以上に述べたものは、本発明の原理を例示したにすぎない。本明細書における教示に鑑みて、説明した実施形態に対して、様々な修正および変更を行うことができることは、当業者にとって明らかであろう。実際、本開示の好ましい実施形態による、配置、システム、および方法は、あらゆるOCTシステム、OFDIシステム、SD−OCTシステム、または他の画像処理システムとともに用いるおよび/または実施することができる。また、例えば、2005年5月26日の国際公開第2005/047813号として国際特許公報に記載され、2004年9月8日に出願された国際特許出願第PCT/US2004/029148号明細書、2006年5月4日に米国特許出願公開第2006/0093276号として公開され、2005年11月2日に出願された米国特許出願第11/266,779号明細書、2005年1月27日に米国特許出願公開第2005/0018201号として公開され、2004年7月9日に出願された米国特許出願第10/501,276号明細書、および2002年5月9日に公開された米国特許出願公開第2002/0122246号明細書に記載されたものとともに用いるおよび/または実施することができ、それらの開示は、参照によりそれらの全体が本明細書に援用される。したがって、本明細書に明示的に図示または記載していないが、本開示の原理を具現化し、したがって本開示の精神および範囲内に含まれる、多くのシステム、構成、および方法を当業者が発明することができることを理解されたい。さらに、以上の参照により従来技術の知識を本明細書に明示的に援用しなかった範囲にも、その全体を本明細書に明示的に援用する。さらに、本明細書に記載された例示的な実施形態は、互いにおよび互換的に一緒に動作することができる。本明細書において、以上参照したすべての文献の全体を参照により本明細書に援用する。

Claims (23)

  1. 少なくとも1つの構造のための情報を取得するための装置であって、光コヒーレンス断層映像法システムを形成するために、
    装置から外部ある少なくとも1つの構造に少なくとも1つの第1の電磁放射を転送するように構成された少なくとも1つの第1の配置と、
    前記少なくとも1つの第1の電磁放射に基づいて前記少なくとも1つの構造から提供される少なくとも1つの第2の電磁放射を検出するように構成された少なくとも1つの第2の配置と、
    (i)前記少なくとも1つの第2の電磁放射に基づいて、前記少なくとも1つの構造の少なくとも1つの特性を定量し、(ii)前記少なくとも1つの特性に基づいて前記少なくとも1つの構造の少なくとも1つの部分の圧に関連するデータを取得するように構成された少なくとも1つの第3の配置と
    を備える装置。
  2. 前記少なくとも1つの特性は、(i)前記少なくとも1つの構造の屈折率、または(ii)前記屈折率の変化のうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の装置。
  3. 前記少なくとも1つの第3の配置は、前記少なくとも1つの部分の温度を測定するようにさらに構成される請求項1に記載の装置。
  4. 前記少なくとも1つの第3の配置は、前記温度および前記少なくとも1つの特性を用いて、前記圧に関連するデータを取得する請求項3に記載の装置。
  5. 前記少なくとも1つの構造は、解剖学的構造を含む請求項1に記載の装置。
  6. 前記解剖学的構造は、血管を含む請求項5に記載の装置。
  7. 前記圧は、血管内部で提供される請求項6に記載の装置。
  8. 前記少なくとも1つの特性は、前記少なくとも1つの部分の少なくとも1つの赤血球の構造に関連する請求項6に記載の装置。
  9. 前記解剖学的構造は、筋膜区画を含む請求項5に記載の装置。
  10. 前記圧は、前記筋膜区画内部で提供される請求項9に記載の装置。
  11. 前記少なくとも1つの第1の配置は、少なくとも1つの第3の電磁放射を参照に転送するようにさらに構成され、前記少なくとも1つの第2の配置は、前記少なくとも1つの構造から提供される前記少なくとも1つの第2の電磁放射を検出し、前記少なくとも1つの第3の電磁放射に関連づけられた前記参照から提供される少なくとも1つの第4の放射に干渉されるように構成される請求項1に記載の装置。
  12. 前記第1および第2の配置は、(i)低コヒーレンス干渉計測定システム、(ii)光周波数領域画像法システム、または(iii)スペクトル領域光コヒーレンス断層映像法システムのうちの少なくとも1つを形成する請求項11に記載の装置。
  13. 前記少なくとも1つの第1の電磁放射は、光放射である請求項1に記載の装置。
  14. 前記少なくとも1つの第2の電磁放射は、(i)前記少なくとも1つの構造上の異なる空間的位置、または(ii)前記少なくとも1つの構造とは異なる時間的位置から提供される複数の別個の放射である請求項1に記載の装置。
  15. 前記少なくとも1つの特性は、前記少なくとも1つの部分のスペックルパターンである請求項14に記載の装置。
  16. 前記少なくとも1つの特性は、前記スペックルパターンに基づいて定量される屈折率をさらに含む請求項15に記載の装置。
  17. 前記少なくとも1つの第3の配置は、前記少なくとも1つの部分から異なる波長または時間にて取得されたさらなるスペックルパターンに、前記スペックルパターンを相関させる請求項16に記載の装置。
  18. 前記少なくとも1つの特性は、(i)前記少なくとも1つの構造の屈折率、または(ii)前記屈折率の変化のうちの少なくとも1つを含む請求項15に記載の装置。
  19. 前記少なくとも1つの第2の配置は、前記少なくとも1つの第2の電磁放射の波長に基づいて、または、前記少なくとも1つの構造上の前記少なくとも1つの第1の電磁放射の入射角度に対する前記少なくとも1つの構造からの放射角度に基づいて、前記少なくとも1つの第2の電磁放射を検出する請求項1に記載の装置。
  20. 前記解剖学的構造は、(i)目、(ii)耳、(iii)脳区画、(iv)脊髄管、(v)気道、(vi)心臓腔、(vii)胃腸器官、または(viii)膀胱のうちの少なくとも1つを含む請求項5に記載の装置。
  21. 前記少なくとも1つの特性は、(i)前記少なくとも1つの第1の電磁放射に対する前記少なくとも1つの第2の電磁放射の位相、または(ii)前記位相の変化のうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の装置。
  22. 前記少なくとも1つの特性は、(i)前記少なくとも1つの第4の電磁放射に対する前記少なくとも1つの第2の電磁放射の位相、または(ii)前記位相の変化のうちの少なくとも1つを含む請求項11に記載の装置。
  23. 少なくとも1つの構造のための情報を取得するために、装置によって実行される方法であって、光コヒーレンス断層映像法システムを形成するために、
    前記装置から、外部である前記少なくとも1つの構造に、少なくとも1つの第1の電磁放射を転送するステップと、
    前記少なくとも1つの第1の電磁放射に基づいて前記少なくとも1つの構造から提供される少なくとも1つの第2の電磁放射を検出するステップと、
    前記少なくとも1つの第2の電磁放射に基づいて、前記少なくとも1つの構造の少なくとも1つの特性を定量するステップと、
    前記少なくとも1つの特性に基づいて前記少なくとも1つの構造の少なくとも1つの部分の圧に関連するデータを取得するステップと
    を含む方法。
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