JP6367838B2 - バイタルサイン情報の決定に使用する発光エリアを有するマーカー - Google Patents

Description

本発明は、被験者のバイタルサイン情報を決定するのに使用するマーカーに関する。さらに、本発明は、観察される被験者のバイタルサインを遠隔から決定するのに使用され得る光学的測定アプローチに関する。このコンテキストでは、光学的測定は、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）、より具体的にはパルスオキシメトリを指す。

人のバイタルサイン、例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は血中酸素飽和度は、人の現在の状態のインジケータ及び重大な医療事象の強力な予測因子として役立つ。この理由から、バイタルサインは、入院患者及び外来患者の治療環境において、家で、又は更なる健康、レジャー、及びフィットネス環境において、広範囲にわたってモニタリングされる。

バイタルサインを測定する一つのやり方は、プレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは、一般に、臓器又は身体部位のボリューム変化の測定、特に、心拍毎に被験者の身体を伝搬する心血管パルス波によるボリューム変化の検出を指す。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心エリア又は関心ボリュームの光の反射又は透過の時間変化を評価する光学的測定技術である。ＰＰＧは、血液が周辺組織よりも光を吸収するので、心拍毎の血液ボリュームの変化は、これに対応して透過又は反射に影響を与えるという原理に基づく。心拍についての情報の他に、ＰＰＧ波形は、呼吸などの他の生理現象に起因する情報を含むことができる。異なる波長（一般に赤色及び赤外線）での透過率及び／又は反射性を評価することによって、血中酸素飽和度が決定され得る。

被験者の心拍数及び酸素飽和度を測定するための従来のパルスオキシメータは、被験者の皮膚、例えば指先、耳たぶ、又は額に取り付けられる。それ故、これらは、「接触型」ＰＰＧデバイスと呼ばれる。一般的なパルスオキシメータは、光源として赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤと、患者の組織を透過した光を検出するための一つのフォトダイオードとを有する。市販のパルスオキシメータは、赤色波長での測定と赤外線波長での測定との間を素早く切り替え、これにより、２つの異なる波長で組織の同じエリア又はボリュームの透過率を測定する。これは、時分割多重化方式と呼ばれる。各波長での継時的な透過率は、赤色波長及び赤外線波長に対するＰＰＧ波形を提供する。接触型ＰＰＧは、基本的に非侵襲的技術と見なされるが、パルスオキシメータは被験者に直接取り付けられ、任意のケーブルが動く自由度を制限するため、接触型ＰＰＧ測定は、しばしば不快なものに感じられる。

最近、邪魔にならない測定のための、非接触型の、遠隔ＰＰＧデバイスが導入されている。遠隔ＰＰＧは、光源、すなわち一般的に関心被験者から離れて配置される放射光源を利用する。同様に、検出器として、例えばカメラ又は光検出器が関心被験者から離れて配置され得る。これにより、遠隔プレチスモグラフィシステム及びデバイスは、邪魔にならず、医学的だけでなく非医学的な日常のアプリケーションに良好に適すると考えられる。

Verkruysse等の"Remote plethysmographic imaging using ambient light", Optics Express, 16(26), 22 December 2008, pp. 21434-21445は、フォトプレチスモグラフィ信号は、環境光及び従来の消費者レベルのビデオカメラを用いて遠隔から測定され得ることを示す。

カメラベースの、非接触型の生理学的測定は、所望のバイタルサイン情報を抽出するために、適切な波長の十分な光を必要とする。これは、環境照明がこれに応じて設定されることを確実にすることによって達成され得る。しかしながら、睡眠中、測定の間、明かりをつけなければならない場合、これは、患者又は他のモニタリングされる被験者にとって大いなる不快となり得る。さらに、照明の光学スペクトルが要件を満たすことが重要である。例えば、血液の酸素飽和度を測定するためには、規定された波長、一般に赤色光及び赤外線の光を使用することが重要である。

本発明の目的は、暗い部屋で、例えば夜に、又は環境照明の光学スペクトルが特定の測定に要求される波長を含まないケースにおいて、非接触型のバイタルサイン測定を可能とすることである。

本発明の第１態様では、被験者のバイタルサイン情報の決定に使用するマーカーであって、反射される光からバイタルサイン情報を決定するために被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアと、マーカーを被験者に付着する付着手段とを有する当該マーカーが示される。

本発明の他の態様では、被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムであって、上記に説明されたマーカーと、マーカーによって被験者の皮膚に向かって放射され、被験者の皮膚から反射される放射光を検出するための検出ユニットと、被験者の皮膚から反射された検出される放射光から被験者のバイタルサイン情報を決定するための分析ユニットとを有する当該システムが示される。

本発明の他の態様では、上記に説明されたマーカーと共に使用するデバイスであって、マーカーによって被験者の皮膚に向かって放射され、被験者の皮膚から反射される放射光を検出する検出ユニットと、被験者の皮膚から反射された検出される放射光から被験者のバイタルサイン情報を決定するための分析ユニットとを有する当該デバイスが示される。

本発明の他の態様では、被験者のバイタルサイン情報を決定するための方法であって、上記に説明されたマーカーを被験者に適用するステップと、マーカーによって被験者の皮膚に向かって放射され、被験者の皮膚から反射される放射光を検出するステップと、被験者の皮膚から反射された検出される放射光から被験者のバイタルサイン情報を決定するステップとを有する方法が示される。

本発明のさらに他の態様では、コンピュータで実行される場合に、被験者に適用されたマーカーによって被験者の皮膚に向かって放射され、被験者の皮膚から反射される放射光を検出するステップと、被験者の皮膚から反射された検出される放射光から被験者のバイタルサイン情報を決定するステップとを、コンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムが提供される。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に規定される。請求項に係るシステム、デバイス、方法及びコンピュータプログラムは、請求項に係るマーカー及び従属請求項に規定される実施形態と同様の及び／又は同一の好ましい実施形態を有することを理解されたい。

発明者は、バイタルサイン情報が決定されるべき被験者の皮膚の関心領域を選択的に照明することが有利であることを見出した。特に、夜の間、これは、邪魔にならないバイタルサイン測定を可能とする。現場全体を広く照明する代わりに、関心領域を照明するだけで十分である。本発明によれば、これは、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアを有するマーカーによって達成される。該マーカーは、さらに、マーカーを被験者に付着する付着手段と有する。したがって、マーカーは、関心領域に直接適用され、必要な場合に被験者の皮膚に向かって光を直接放射する。発光マーカーは、服、ブランケット、ベッドシート又は被験者に近接する任意のアイテムに適用され得る。有利には、マーカーは、被験者の皮膚に直接適用される。発光マーカーは、被験者の皮膚に直接適用されるため、患者が動いても皮膚組織の正確な関心領域が照明される。

マーカーは、被験者の皮膚に向かって光を放射する。光の一部は被験者の皮膚、特に皮膚組織の上層に浸透し、該組織の内側から反射される。反射された光は、組織内での光の時間変化する吸収及び／又は透過により、時間変化する強度を有する。この時間変化する強度は、観察される被験者のバイタルサイン情報を決定するために分析される。吸収及び／又は透過は、心拍毎に被験者の身体を伝搬する心血管パルス波に起因する血管のボリューム変化のために、変化する。

光と生体組織との相互作用は複雑であり、（多重）散乱、後方散乱、吸収、透過及び（拡散）反射の光学的プロセスを含む。このコンテキストで使用される「反射」なる用語は、スペクトル反射に限定されるものと解釈されるべきではなく、前述の光と組織との相互作用の種類及び任意のこれらの組み合わせを含む。

本発明のコンテキスト中で使用される「バイタルサイン」なる用語は、被験者の生理的パラメータ及び派生パラメータを指す。特に、「バイタルサイン」なる用語は、心拍数（ＨＲ）（パルス数とも呼ばれることもある）、心拍数変動（パルス数変動）、拍動性強度、潅流、潅流インジケータ、潅流変動、トラウベ・ヘーリング・マイヤー波、呼吸数（ＲＲ）、体温、血圧、酸素飽和度又は血糖値などの血液中及び／又は組織中の物質の濃度を含む。

本発明のコンテキスト中で使用される「バイタルサイン情報」なる用語は、上に定義した１つ又は複数の測定されたバイタルサインを含む。さらに、「バイタルサイン情報」なる用語は、生理学的パラメータに関するデータ、対応する波形トレース又は後続の分析に役立てることができる継時的な生理学的パラメータに関するデータを含む。

本発明のコンテキスト中で使用される「エリア」なる用語は、互いに接続される必要が無い複数のサブエリアも含む。

好ましい実施形態によれば、マーカーエリアは、被験者の皮膚に向かって光を放射するための蛍光顔料及び／又は発光顔料を有する。有利には、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアは、発光によって、したがって、特に化学反応に起因する化学発光によって又は代替的にリン光によって、測定部位を照明する物質を含む。

代替的に、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアは、蛍光によって、入射環境光からの波長を種々異なる波長に変換する物質を有する。蛍光顔料は、第１波長の光を第２波長の光に変換する。有利には、前記第１波長は不可視の波長である。蛍光を使用することで、測定部位を不可視の環境光、例えば紫外線又は赤外線の光で、夜の間、患者の邪魔をすることなく、照明することが可能である。任意選択で、蛍光及び発光顔料は、同じマーカーの同じ又は別々のマーカーエリア中に組み合わされる。

蛍光による波長の変換は、環境光スペクトルが測定に要求される波長を含まない日中のバイタルサイン測定にも役立つ。例えば、通常のガス放電ランプは、しばしば血中酸素飽和度の測定をするのに十分な赤外光を含まない。蛍光顔料は、エネルギーを、任意の利用可能な波長から測定に必要な特定の波長に変換することができる。

ここで使用されるように、「波長」なる用語は、さらに波長の帯域又は波長部分を指す。これは、限定されたスペクトル幅を有するスペクトル範囲として理解されるべきである。例えば、光学フィルタに対しては、「波長」なる用語は、フィルタの通過帯域を指す。よって、「波長」なる用語は、単一波長に限定されず、中心波長の周辺の、例えば数ナノメートル又は数十ナノメートルの波長範囲にも使用される。さらに、フィルタのコンテキスト中の「波長」なる用語は、全く同一のフィルタ要素の複数の不連続なスペクトル範囲を指すことができる。

本発明の他の態様によれば、マーカーは、第１波長の光を放射する第１マーカーエリア及び／又は第２波長の光を放射する第２マーカーエリアを有する。第１マーカーエリア及び第２マーカーエリアは、分離され、直接隣接され、重ねられ、さらに同じ場所にあることも可能である。少なくとも部分的に分離される第１マーカーエリア及び第２マーカーエリアの使用は、第１マーカーエリア及び第２マーカーエリアが、バイタルサイン情報を決定するために評価され得る空間的に分離されるエリアを規定するので、有利である。各マーカーエリアは、物質の濃度が、組織から反射される２つの異なる波長の光の比較に基づいて決定され得るように、異なる波長の光を発光するように構成される。この種類のマーカーの使用は、カメラなどの検出ユニットに特定の追加的なフィルタを必要としないという有利な点を有する。種々異なる波長の異なるエリアは、検出ユニット、画像処理ユニット、又は分析ユニットにおいて、空間分解によって分離され得る。したがって、単一の検出ユニットは、全ての必要な情報を取得することができ、これはシステムの低コストにとって有益である。

任意選択で、マーカーは、さらに、他の波長の光を放射するように構成されるマーカーエリアを有する。関心波長は、赤外線及び紫外線波長を含む電磁放射光の不可視の波長も有する。

さらに別の実施形態では、マーカーは、さらに、光を透過するための透過エリアを有する。マーカーを外側から囲む組織から反射される光を検出するだけでなく、マーカーに囲まれる領域からの光も検出することが有利である。透過エリアは、マーカーの開口部で有り得る。代替的に、透過エリアは所望の波長の光を透過するマーカーエリアである又は例えば可視、赤外線、及び紫外線スペクトル全体にわたって単に透明である。透過エリアは、「窓」又は「光学窓」とも呼ばれる。透過エリアは、任意選択で所望の波長の光のみが透過されることを確実にする光学フィルタ板などの光学フィルタを有し得る。フィルタ板の種類は、吸収フィルタだけでなく誘電体フィルタも含む。

この発明のバリエーションによれば、マーカーは、第１波長の光を透過する第１透過エリア及び／又は第２波長の光を透過する第２透過エリアを有する。これによって、第１透過エリア及び第２透過エリアは、バイタルサイン情報を決定するための空間的に分離されるエリアを規定する。各透過エリアは、物質の濃度が、上述の有利な点を備える２つの異なる波長の光の比較に基づいて決定され得るように、種々異なる波長の光を透過するように構成される。

他の実施態様によれば、マーカーは不透明なマーカーエリアを有する。有利には、不透明なマーカーエリアは、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアからの光が、被験者の皮膚に向かってのみ、少なくとも大部分放射されることを確実にする。不透明なマーカーエリアは、発光マーカーエリアの上部の遮光体或いは１又は複数の発光マーカーエリアによって放射される１又は複数の波長の光を少なくとも阻止するマーカーの一部分として理解され得る。発光マーカーエリアから直接来る光は、被験者の皮膚から反射される光よりもずっと強いことが有り得る。したがって、検出プロセスでは、不透明なマーカーエリアが使用されない場合、検出器のダイナミックレンジの問題又は１つの検出器ピクセルからその近隣への漏れ効果の問題が起こり得る。さらに、不透明マーカーエリアは、種々異なる光の放射又は透過のためのマーカーエリアを分離するために使用され得る。

他の実施形態では、マーカーは、所定の反射特性の基準エリアを有する。この基準エリアは、波長の所定の範囲に対する反射特性が知られているので、較正に使用され得る。特に、マーカーを照明する任意の光源及び前記光源を制御する任意の制御ユニットが使用されるとき、基準エリアは、検出ユニットの感度を調整する並びに／又は光源のパワー及び／若しくはスペクトルを調整するために役立てることができる。マーカーは、２つ以上の基準エリアも有し得、各基準エリアは種々異なる反射特性を有する。例えば、赤色基準エリアが赤色スペクトル領域における光学パワーを測定するのに使用される一方で、赤外線の光を反射する基準エリアは、赤外線スペクトル領域における光学パワーを測定するのに使用される。これらの測定に基づいて、検出ユニットの感度は調整され得る。代替的に、測定時間は、十分に良好な信号雑音比を達成するために調整される。

さらに、基準エリアは、環境光及び／又は人工光源の任意の一時的な又はスペクトルの外乱、例えば日中のゆっくりとした変化又は５０／６０ヘルツフリッカ若しくは光源のパルス幅変調などの系統的な影響を決定するのに使用され得る。第１及び／又は第２マーカーエリアからの測定された強度は、このような外乱を補償し得る。

さらに別の実施形態では、マーカーは、さらに、図形的パターンを有する。好ましくは、図形的パターンは、高い画像コントラスト、例えば白黒パターンを有する。代替的に、図形的パターンは、明確に識別し得る種々異なる色を有する。好ましくは、図形的パターンは、バーコード、マトリックス・バーコード、英数文字、ＱＲコード（登録商標）又はこれらに類するものなど機械可読であるように最適化される。画像処理方法による検出にとって、不特定の画像特徴を分析するよりも、観察場における特定の図形的パターンを検出する方が容易である。任意選択で、図形的パターンは、測定されたバイタルサイン情報を患者又は患者の身体部位に割り当てるための患者識別子などの情報を保存する機械可読コードである。符号化された情報は、バイタルサイン情報、例えば測定されるべきバイタルサイン情報について要求される感度又は情報を決定するためのシステムを構成する構成データを有し得る。代替的に、図形的パターンは、バイタルサイン情報を決定するための関心領域の位置、例えばマーカーの位置に対する位置についての情報を提供する。マーカーエリアのアレンジメントだけでなく、マーカーのサイズ及び／又は形状も図形的パターンと捉えられる。さらに、図形的パターンは、暗い環境でも可読にするために、蛍光性又は発光性に作ることができる。

本発明によるマーカーの他の実施形態では、光の放射は、化学反応によって活性化される。化学反応に起因する発光による光の放射は、化学発光とも呼ばれる。これは、例えば、ラミネーションによって達成され得る。この例では、マーカーは、製造され、個々に分割され、その後、使用直前に、互いに取り付けられ又は貼り付けられる別々の部品又は層を有する。別々の部品の各々は、その後、互いに反応して発光によって光を放射する物質の一つを含む。物質が物理的に接触されるとすぐに、反応は開始する。

他の例では、少なくとも物質の一つは、マーカーからの発光が必要となればすぐにマーカー上にプリントされるインクの成分である。マーカーは、発光反応に必要な第２成分を含むキャリア材料を含む。プリンティングアプローチは、その後、プリントプロセスにおいて混合される化学反応のための物質の各々を含む２つの異なるインクにとっても都合が良い。

他の例では、マーカーは、第１基本成分である一方、第２成分は液体に含まれる。液体がマーカーの表面に与えられるとすぐに、例えばマーカーの上に液体をスプレーする又は刷毛で塗るとすぐに、反応が開始する。

本発明の好ましい実施形態では、マーカーは、マーカーの機械的安定性を提供する担持層と、被験者の皮膚に向かって光を放射するための蛍光及び／又は発光顔料を有する発光層と、マーカーを被験者に付着するための接着剤を有する付着層とを有する。一般に、担持層は、マーカーの機械的安定性を提供する要素として考えられ得る。例えば担持要素は、紙、織物、ラバー又は他の材料、特に医療アプリケーションのためのパッチに使用する特定の材料を含む材料のグループの中の材料から作ることができる。有利には、接着剤は、特に医療アプリケーションのための生体適合性接着剤である。

代替的な実施形態では、発光マーカーは、被験者の皮膚に直接適用される。さらなる機械的安定化が必要でないように、例えば、塗料、インク、若しくは染料（dye）の一種、又は一般に発光物質を含む流体又は液体が、被験者の皮膚に向かって光を放射するためのマーカーエリアを形成するために、被験者の皮膚に直接適用される。被験者の皮膚は、要求される機械的安定化を提供する。このコンテキストでは、付着手段は、発光物質を含むキャリア流体を意味する。

本発明の態様では、上記に説明されたマーカーを被験者の皮膚に適用するためのアプリケータが示される。アプリケータは、発光マーカーを被験者の皮膚に直接適用するために使用される。例えば、アプリケータは、キャリア流体及び発光物質を含むペン又はハイライターの一種である。代替的に、アプリケータは、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアのための物資を、被験者の皮膚の上に直接、スタンプする又はラバープリントするスタンプである。任意選択で、マーカーが被験者の皮膚に適用されると、発光が化学反応によって活性化される。代替的に、発光反応のための成分を備える２つのインクは、これらを互いの上にラバープリントすることによって、被験者の皮膚の上で接触させる。

本発明のコンテキストは、上記に説明されたマーカーと、検出ユニットと、分析ユニットとを有する、被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムである。

ここで使用されるように、「検出ユニット」なる用語は、電磁放射光を検出するためのデバイスを指す。該ユニットは、被験者の皮膚に向かってマーカーによって放射され、被験者の皮膚から反射される放射光を検出するように構成される。よって、被験者の皮膚組織に浸透し、該組織から反射された光が検出され得る。この反射された放射光は、関心バイタルサイン情報を有する。好ましい実施形態では、検出ユニットは、感光性ピクセルのアレイを有するＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサなどのイメージセンサを備えるカメラである。検出ユニットの出力は、放射光データと呼ばれる。例えば、放射光データは、一連の継時的なイメージ、例えばビデオストリームである。カメラは、モノクロ又はカラーカメラであり得る。

受光された放射光、特に、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアの周囲から、及びさらに任意の選択的な透過エリアから受光された光は、皮膚に浸透し、組織の内側から反射される光を含む。この受光された放射光は、組織内の光の時間変化する吸収及び／又は透過に起因して、時間変化する強度を有する。

任意選択で、システムはさらに光源を有する。この光源は、被験者のバイタルサイン情報の決定において評価される波長及び／又はその後被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアの蛍光顔料によって測定に要求される波長に変換される波長、特に不可視の波長であり得る。さらに任意選択で、システムは、検出ユニットがその最適動作点で、特に、例えばノイズ又は飽和効果が測定を妨げない点で動作され得るように、光パワーを制御する制御ユニットを有する。

分析ユニットは、被験者の皮膚から反射された検出される放射光から被験者のバイタルサイン情報を決定するように構成される。分析ユニットは、検出ユニットから放射光データを受け取る。被験者の心拍数を決定するには、単一の波長で受光された時間変化する放射光を評価することで十分である。しかしながら、物質の濃度を決定する、例えば酸素飽和度又は血糖値を決定するためには、異なる波長の放射光の分析が必要とされる。

さらに別の実施形態によれば、システムは、さらに、検出された放射光におけるマーカーを識別するための画像処理ユニットを有する。画像処理ユニットは、検出ユニットと分析ユニットとの間に位置付けられる任意の要素である。画像処理ユニットは、放射光データ、例えばビデオストリームを検出ユニットから受け取る。画像処理ユニットは、受け取った放射光データにおけるマーカーを識別するための画像処理手段を有する。例えば、マーカーは、ビデオストリームのイメージの中で識別され得る特定の特徴を有する。画像処理から知られる分析方法及びビデオ分析が適用され得る。画像処理ユニットは、分析ユニットに、放射光データ中のマーカーの位置についての情報を含む、処理された放射光データを提供し得る。特に、暗闇では、発光マーカーによって生じる放射光は、容易に識別され得る。例えば、画像処理ユニットは、マーカーから放射光を受光する又はマーカーの周囲からの光を反射するイメージセンサの一部を示すピクセル又はピクセルのグループを識別する。任意選択で、画像処理ユニットは、分析ユニットに組み込まれ得る。

本発明のこれら及び他の態様は、後述する実施態様から明らかとなり、かかる実施態様を参照して明確になるであろう。

図１は、本発明による被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムの例示的な実施態様を示す。 図２ａは、マーカーの第１の実施形態の側面図を示す。 図２ｂは、マーカーの第１の実施形態の平面図を示す。 図３ａは、マーカーの第２の実施形態の側面図を示す。 図３ｂは、マーカーの第２の実施形態の底面図を示す。 図４は、マーカーの第３の実施形態の側面図を示す。 図５は、本発明によるシステムを用いたバイタルサイン情報の決定を示す。 図６は、マーカーの第４の実施形態の側面図を示す。 図７は、マーカーの第５の実施形態の側面図を示す。 図８ａは、マーカーの第６の実施形態の平面図を示す。 図８ｂは、マーカーの第６の実施形態の底面図を示す。 図９ａは、マーカーの第７の実施形態の平面図を示す。 図９ｂは、マーカーの第７の実施形態の底面図を示す。

図１は、マーカー１０と、前記マーカーと共に使用するデバイス１３を有する、被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステム１の例示的な実施形態を示す。マーカー１０は、被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリア１１を有する。光は、反射される光からバイタルサイン情報を決定するために、被験者の皮膚に向かって放射される。マーカー１０と共に使用するデバイス１３は、検出ユニット２と、分析ユニット６とを基本部品として有する。この例では、被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムが、被験者１００がベッド１０３に横たわる臨床環境において採用されている。

検出ユニット２は、被験者１００の皮膚に向かってマーカー１０によって放射され、被験者１００の皮膚から反射される放射光を検出するように構成される。言い換えると、光は、マーカー１０によって被験者の皮膚に向かって放射され、そこで少なくとも光の一部は反射される。反射された光は、次いで検出ユニット２によって検出される。この例では、検出ユニット２は、任意の画像処理ユニット４に接続される。検出ユニット２は、検出された放射光を示す放射光データ３を、画像処理ユニット４にビデオストリーム形式で提供する。画像処理ユニット４は、放射光データ３中のマーカー１０を識別する。画像処理ユニット４は同様に、分析ユニット６に接続される。画像処理ユニット４は、予め処理した放射光データ５を分析ユニット６に提供する。この例における予め処理した放射光データ５は、放射光データ３中のビデオストリームのイメージのどの領域が、マーカー１０及びマーカー１０の周囲を表現しているかについての情報を有する。分析ユニット６は同様に、マーカー１０の周囲、すなわちマーカーによって皮膚に向かって放射された光が反射される皮膚のエリアから受光した放射光からの時間変化する強度から、被験者のバイタルサイン情報７を決定する。単一のマーカーエリアを有するこの例では、バイタルサイン情報は、心拍数を含む。

マーカー１０を識別するための画像処理ユニット４は、分析ユニット６に組み込まれ得る。代替的に、放射光データ３は、分析ユニット６に直接提供される。この場合、マーカー１０は、ビデオストリームのイメージ中のマーカー１０及び周辺エリアを手動で選択することによって決定され得る。代替的に、マーカー１０を備える被験者１００は、マーカー１０が所定の位置に位置付けられるように、検出ユニット２内の所定の位置に位置付けられなければならない。しかしながら、画像処理ユニット４による放射光データ３中のマーカー１０の自動識別が好ましい。

示された例では、マーカー１０は、被験者１００の額１０１の素肌に直接適用される。代替的なマーカー１０´は、被験者１００の左前腕１０２に位置付けられる。マーカー１０、１０´のサイズ及び形状は、解剖学的位置に依存して適合され得る。

被験者１００の額１０１上のマーカー１０はさらに、光を透過する透過エリア１２を有する。これにより、被験者の組織から透過エリア１２に反射された光も、検出ユニット２によって検出され、分析ユニット６によって評価される。

先行技術によるシステムでは、現場は、太陽光７ａ又は人工光源７ｂなどの放射光源によって照明されなければならない。放射光源７ａ、７ｂは、被験者１００に向けて直接的に又は間接的に放射光８ａ、８ｂを放射する。

本発明によるシステム１を用いることで、このような光源７ａ、７ｂはもはや必要ではない。つまり、少なくとも放射光源は、特定のバイタルサイン測定に要求される波長を含む必要はない。マーカー１０が、被験者の皮膚に向かって光を放射する発光顔料を有するケースでは、環境光源は全く必要ない。マーカー１０が、被験者１００の皮膚に向かって光を放射する蛍光顔料を有するケースでは、環境光のスペクトルに関する要件は緩和され得る。放射光８ｃを被験者に向かって放射する任意のシステム光源７ｃを使用することも可能である。有利には、システム光源によって放射される放射光８ｃは、測定部位を紫外線又は赤外線のスペクトル領域の不可視光で照明する。これによって、被験者１００は、例えば夜の間、邪魔されない。蛍光顔料は、エネルギーを、吸収した光８ｃからバイタルサイン測定に必要な特定の波長に変換する。

任意の制御ユニット９は、検出ユニット２の感度を制御する及び／又はシステム光源７ｃのパワーを制御するように適合される。検出ユニット２として使用される検出器又はイメージセンサのダイナミックレンジは限定されているため、シャッター及び／又は電子オフセットは、観察場における照明状況に従って調整される必要がある。システム光源７ｃは、イメージセンサ及び検出ユニット２の最適動作点を設定するための制御ループの一部であり得る。このテキストにおける最適とは、信号クリッピングのない出力信号、イメージセンサの個々の検出器の飽和がないこと、及びマーカー１０、１０´及びこれらの周囲に対応する検出エリアに対して少なくとも良好な信号雑音比を指す。

図２は、本発明による被験者１００のバイタルサイン情報の決定するのに使用するマーカー２０を例示する。マーカー２０は、マーカー２０に機械的安定性を提供するための担持層と、被験者の皮膚１０４に向かって光を放射するための発光層２２と、マーカー２０を被験者の皮膚１０４に付着するための接着剤を有する付着層２３とを有する。被験者の皮膚又は皮膚組織１０４は、血管１０５を有する。

第１の例では、発光層２２は、発光層２２に含まれる発光顔料からの発光によって光２４を放射する。この例では、担持層２１は、不透明である、すなわち、担持層２１は、少なくとも発光顔料の放射スペクトルの光を透過しない。

光２４は、発光層２２から被験者の皮膚１０４に向かって放射され、皮膚組織に浸透する。光の一部は吸収されるが、光の一部は組織１０４内で反射される２５。組織１０４の血管１０５を脈動する血液は、心拍毎に光の透過及び反射に影響を与える。よって、組織１０４を出る反射された光の一部２６は、心拍毎に被験者の身体を伝搬する心血管パルス波を示す時間変化する強度を有する。マーカーの下で吸収される光２７は、検出することができない。

図２ｂは、被験者の皮膚１０４に適用されたマーカー２０の平面図を示す。この例では、組織１０４を出る反射された光の一部２６は、マーカー２０の周囲で検出され得る。

図２ａの第２の例では、発光層２２は、被験者の皮膚１０４に向かって光を放射する蛍光顔料を含む。この例では、光源２８は、第１の紫外線の不可視の波長の光を、マーカー２０を備える被験者に向かって放射する。担持層２１は、この第１の波長に対して透明である。

図２ａの第３の例では、担持層２１は省略される。別々の発光層２２及び付着層２３を用いる代わりに、これらの層は、被験者１００の皮膚１０４に直接適用されるインクによって取って替わられる。インクは、光を放射する発光顔料を有する。光の一部は、被験者の皮膚に向かって放射される。よって、インクは、被験者の皮膚に発光顔料を付着するためにも役立つ。このコンテキストにおける付着手段は、インクを被験者の皮膚上に担持し、これによって発光顔料が移動するのを防止するためのインクの（化学）成分である。

任意選択で、光の放射が、少なくともマーカーエリアの一部の被験者の皮膚から遠ざかるのを阻止するために、付加的な不透明なインクの層が、インクの発光層の上に適用される。先の例の通り、組織１０４を出る反射された光の一部２６は、マーカー２０の周囲で検出され得る。知られた画像処理技術は、マーカーの周囲を識別するのに使用され得る。

図３ａは、本発明によるマーカーの他の実施形態の平面図を示す。被験者の皮膚に適用されるとき、描かれた上面は、検出ユニット２に向かって面し、被験者の皮膚から遠ざかる。マーカー３０は、第１の図形的パターン３１と第２の図形的パターン３２とを有する。任意選択で、図形的パターンは、蛍光及び／又は発光顔料も含む。これによって、図形的パターンは、暗闇でも検出され得る。

マーカー３０はさらに、光を透過する第１透過エリア３３及び第２透過エリア３４を有する。

図３ｂは、図３ａのマーカーの底面図、すなわち、被験者１００の皮膚１０４に向かって面するマーカーの側を示す。マーカー３０は、第１波長の光を透過する第１マーカーエリア３５と、第２波長の光を透過する第２マーカーエリア３６とを有する。被験者の皮膚に適用されると、第１波長の光は、第１透過エリア３３で大部分は検出され、第２波長で放射される光は、第２透過エリア３４で大部分は検出される。透過エリア３３、３４は、窓又は光学窓とも呼ばれる。この例では、光学窓は、マーカー３０は、マーカー３０が被験者１００の皮膚１０４に適用されたときに、マーカー３０の下の組織の測定部位を発光によって照明する化学的に活性化されたエリアによって取り囲まれる。

図４は、第１波長の光を放射する第１マーカーエリア４２と、第２波長の光を放射する第２マーカーエリア４８とを有するマーカー４０の類似する実施形態を示す。この実施形態では、第１マーカーエリア４２と第２マーカーエリア４８とを有する発光層が、接着層４３によって被験者の皮膚１０４に貼り付けられる担持層４１の上に適用される。この例における担持層４１及び接着層４３は透明である。

第１マーカーエリア４２は、被験者の皮膚１０４に向かって光４４を放射する。一部の光は、組織の内側で反射される４５。第１波長の光４６は、第１マーカーエリアの中心に形成された光学窓を通って皮膚組織１０４を出て、第２波長の光４９は、第２マーカーエリア４８の中心に形成された光学窓を通って皮膚組織１０４を出る。よって、時間変化する強度中にフォトプレチスモグラフィ情報を保持する２つの異なる波長の光が、被験者の皮膚を２つの空間的に分離されたエリアから出る。マーカー４０の中心部４７は、不透明であり、光を透過しない。これは、２つのマーカーエリア４２、４８の分離をより良くする。

図５は、本発明によるシステム１を用いた被験者のバイタルサイン情報の決定を描写する。図５は、検出ユニット５２及び図４のマーカー４０を示す。

検出ユニット５２は、受光光学素子５１、例えば受光レンズと、イメージセンサを形成する光検出素子又はピクセルのアレイ５５とを有する。第１マーカーエリア４２の中心に形成された光学窓から受光する光４６は、ピクセル５６の第１グループ又はアレイに撮像される。これに対応して、第２マーカーエリア４８の中心に形成された光学窓から受光する光４９は、ピクセル５７の第２グループに撮像される。組織１０４の光の吸収は時間変化するため、検出ユニット２２のイメージセンサに入射する光強度も時間変化する。組織１０４の光の吸収は波長に依存するため、ピクセル５６の第１グループ及びピクセル５７の第２グループに入射する光強度は異なる。ピクセル５６のエリアで時間変化する強度は、カーブ５８によって表現される。ピクセル５７のグループに入射する時間変化する強度は、カーブ５９によって表現される。

被験者のパルス数は、カーブ５８又は５９の内の一つの時間変化する強度から直接決定され得る。しかしながら、血中酸素飽和度をフォトプレチスモグラフィによって決定するには、以下の例示的に説明されるように、少なくとも２つの波長が必要である。

接触型パルスオキシメータは、通常、赤色（Ｒ）光及び赤外線（ＩＲ）（又はより正確には、いくつかのケースでは赤外線付近の）光を、関心被験者の血管組織に透過させる。それぞれの光の部分（Ｒ／ＩＲ）は、代替的な（高速スイッチング）やり方で透過され、検出され得る。それぞれのスペクトル部分が酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）及び還元ヘモグロビン（Ｈｂ）によって別々に吸収される場合、血中酸素飽和度は徐々に処理され得る。酸素飽和度（ＳＯ_２）評価アルゴリズムは、赤色及び赤外線部分に関する信号比を利用し得る。さらに、アルゴリズムは、非パルス信号成分を考慮し得る。一般に、ＰＰＧ信号は、ＤＣ成分及び比較的小さなパルスＡＣ成分を有する。さらに、ＳＯ_２評価は、一般的に、処理された値に適用される経験的に導きだ出された較正因子に関係する。一般的に、較正因子（又は較正カーブ）は、侵襲的な血中酸素飽和度測定に関係する基準測定の下で決定される。ＰＰＧデバイスは基本的に、一般的にＨｂＯ_２及びＨｂの比に関係する血中酸素飽和度値に変換される必要がある（スペクトル）信号部分の比を検出するので、較正因子が要求される。例えば、本開示を限定する意図はないが、血中酸素飽和度評価は、以下の一般式

に基づくことができるのに対し、ＰＰＧデバイスは、少なくとも２つの波長でのスペクトル反応から、単に間接的にＨｂＯ_２及びＨｂを検出する。

一般に、特性信号として測定された強度カーブ５８、５９は、かなり一定した（ＤＣ）部分と、ＤＣ部分と重ね合わされる交流（ＡＣ）部分とを含むと考えられる。信号処理手段を適用することで、ＡＣ部分は抽出され得、さらに、外乱を補償し得る。例えば、特性信号のＡＣ部分は、被験者１００の血管活動、特に心拍をはっきりと示し得る優位周波数を有することができる。さらに、特性信号、特にＡＣ部分は、他のバイタルパラメータを示し得る。これに関して、動脈血中酸素飽和度の検出は、アプリケーションの重要な分野であり得る。上記に示された通り、基本的に、動脈血中酸素飽和度代表値は、その明確なスペクトル部分での特性信号のＡＣ部分の振る舞いを考慮に入れて算出され得る。言い換えると、動脈血中酸素飽和度の度合いは、血管での種々異なる放射光吸収に反映され得る。さらに、酸素化の程度に起因する吸収における違いも、種々異なるスペクトル部分にわたって大きく変化するという事実を利用することができる。また、信号のＤＣ部分は、血中酸素飽和度検出に利用することができる。一般的に、ＤＣ成分は、組織、静脈血及び非パルス動脈血の全体の光吸収を示す。対照的に、ＡＣ成分は、パルス動脈血の吸収を示し得る。結果として、動脈血中酸素飽和度（ＳａＯ_２）の決定は、

として示され得、ここで、Ｃは較正パラメータである。Ｃは、ＡＣ／ＤＣ関係に適用可能な多くの様々な較正パラメータを表してもよく、したがって、式（２）の厳格な代数的意味で解釈されるべきではない。例えばＣは、固定の一定値、固定の定数のセット、又は調整可能な較正パラメータを表してもよい。例として、別の例示的なＳａＯ_２導出モデルは、

と示され得、ここで、Ｃ_１及びＣ_２は、線形近似値の較正パラメータと考えられ得る。例示的な実施形態では、信号較正パラメータ決定は、パラメータＣ_１を調整する又は適合させるために行われ得る。さらに、代替案では、ＳａＯ_２導出は、さらに、分析ユニット６に蓄積される（又は分析ユニット６がアクセス可能な）値テーブルに基づいてもよい。値テーブル（つまりデータベース）が、検出されたＰＰＧ信号及び所望の較正パラメータとの間の関係の離散的な表現のために提供されてもよい。その場合においても、適合可能な較正パラメータが、バイタルパラメータ決定の精度を改善するために適用されてもよい。

式（２）及び（３）は、主として例示的な目的で示されていることを理解されたい。これらは、本開示の範囲を限定するものとして見なされるべきではない。実際には、当業者は、さらに適切なＳａＯ_２導出モデルを決定し、確立してもよい。代替的な波長の組み合わせは、例えば緑色及び赤色の組み合わせは、検出されるべき物質に依存して使用され得る。ＳａＯ_２の測定が詳細に説明されてきたが、これは、血液及び／又は組織中の物質の濃度を測定する一般概念の例として理解されるべきである。

図６は、図４のマーカー４０の変更形態を示す。第２マーカーエリアは、マーカー６０がこのエリアで透明であるように、単に除かれている。光源６１は、赤外線の、不可視の波長の光６２をマーカー６０を備える被験者１００の皮膚組織１０４の上に放射する。光の一部は、皮膚組織に浸透し６２、反射され６３、再び組織１０４を出る６４。組織１０４を出る光６４は、パルス吸収変動によって、強度変調される。第１マーカーエリア６５は、エネルギーを、光源６１によって放射された光６２から赤色光に変換する蛍光顔料を含む。この赤色光の一部は、皮膚に向かって放射され、皮膚組織に浸透し６６、反射され６７、再び組織１０４を出る６８。この第１（赤色）波長で組織１０４を出る光６８と、この第２（赤外線）波長で組織１０４を出る光６４とは、組織１０４の物質の濃度を決定するために使用され得る。任意選択で、第１マーカーエリアの下部の担持層は、光源６１の波長の光を阻止するフィルタとして作用する。

図７は、本発明によるマーカー７０の他の実施形態を示す。マーカーは、この場合も同様に、担持層７１、発光層７２、及び付着層７３を有する。マーカー７０は、被験者１００の皮膚１０４に貼り付けられる。この実施形態では、発光層７２は、少なくとも第１波長の光を放射する発光顔料と、第２波長の光を放射する蛍光顔料と、を含む。代替的に、発光層７２は、広帯域エミッタである。マーカー７０は、基準エリア７４ａ、７５ａ、７６ａと、２つの異なる波長の光を透過するように構成される透過エリア７５ｂ、７６ｂと、透明マーカーエリア７４ｂとを特徴とする。

この実施形態では、マーカーは、接着層７３のおかげで被験者１００の皮膚に直接適用することができるパッチ又はバンドエイド（登録商標）である。代替的に、マーカー７０自体は、接着剤を含まないが、代替的な固定手段、例えばマーカーの付着手段として作用するバンデージ又はテープによって、被験者の皮膚に固定される。

この実施形態では、担持層７１は、光を透過しない不透明なゴムのような材料から作られる。したがって、担持要素は、マーカーエリア７４ｂ、７５ｂ、７６ｂの位置にある開口部又は窓を特徴とする。各窓７４ｂ、７５ｂ、７６ｂには、光学フィルタ板が配置され、７５ｂの光学フィルタ板は、第１波長の光を透過するように構成され、７６ｂの光学フィルタ板は、第２波長の光を透過するように構成される。７４ｂの光学窓は、周波数選択性フィルタを有しないが、発光顔料７２が、基準として又は較正のために検出ユニットから見ることができるように、透明である。発光層への直接の光学的アクセスは、発光が、測定タスクにとって依然として十分に強いかを決定するためにも有利である。任意選択で、接着層７３は、７６ｂに基づいて例示的に示されるように、より良好な透過特性のために、光学窓の下部から除去され得る。

基準エリア７５ａ、７６ａは、特定の波長のための基準エリアである。好ましくは、基準エリアの色は、隣接するフィルタの透過波長に対応する。例えば、マーカーエリア７５ｂは緑色光を透過するように構成され、基準エリア７５ａは、特に、マーカーの上に入射される放射光の中にどの位緑色光があるかという基準として役立てることができるように、緑色を有する。実施形態では、蛍光が使用されると、このような基準エリアは、環境光のスペクトル及び強度が環境光を用いる測定にとって十分であるか、又は追加のシステム光源が活性化されるべきかを決定するのに使用され得る。

図８ａは、本発明によるマーカー８０の他の例示的実施形態の平面図を示し、図８ｂは、同じものの底面図を示す。所望の測定に依存して、光学窓８５ｂ、８６ｂをできる限り近接して配置する必要があり得る。図８に示されるように、光学窓８５ｂ、８６ｂは、窓間の波長クロストークを防止する光学フィルタと結合され得る。環境光効果を特徴づけるために、これは、異なる反射特性の不透明な基準エリア８５ａ、８６ａとも結合され得る。フィルタが光学窓８５ｂ、８６ｂに使用される場合、要求される波長のための発光顔料は、共通の発光層８２で混合され得、マーカー８０の底面全体に広げられる。

この実施形態では、マーカーは、不透明な担持層８１を有する。発光層８２は、透明光学窓８４ｂを通して上面からも見ることができる。

マーカー８０はさらに、配列のための図形的パターン８７と、患者識別のための英数文字の形式の図形的パターン８８とを有する。

図９ａは、本発明によるマーカー９０の他の実施形態の平面図を示し、図９ｂは、同じものの底面図を示す。マーカー９０は、透明な担持層９１と、組織に向かって全ての必要な波長、特に第１波長及び第２波長を放射する蛍光顔料の組み合わせ９２とを有する。マーカー９０は、第１波長の基準エリア９５ａと、第２波長の基準エリア９６ａとを有する。さらに、マーカー９０は、第１波長の光を透過する第１透過エリアを構成する光学フィルタ９５ｂと、第２波長の光を透過する第２透過エリアを構成する光学フィルタ９６ｂとを有する。顔料９２が第１及び第２波長の光を放射しても、フィルタは、一つの所望の波長の光のみを透過させる。したがって、種々異なる波長の信号は、空間分解及び続く分析のために空間的に分離される。

この実施形態では、基準エリア９５ａ、９６ａ及びフィルタ９５ｂ、９６ｂは、チェックボードデザインに配置されるが、他のアレンジメントも可能である。特に、一つの波長が他の波長よりも弱い場合、両方の波長で同様の光強度を有するために、より大きなエリアは弱い波長のために使用され得る。示された実施形態が２つの異なる波長の使用を表現していても、付加的な波長が評価され得ることが理解されるべきである。時間変化する強度のみに関心がある場合、単一波長の評価が十分であり得る。

本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されたが、このような図示及び説明は、解説的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。すなわち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、当業者により、請求項に係る発明を実施する際に、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から理解され、達成され得る。

請求項において「有する(comprising)」なる単語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと合わせて、又は他のハードウェアの一部として供給される、光学記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な非一時的な媒体において記憶／配布されてもよいが、さらに、他の形態で、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線の遠隔通信システムなどを介して配信されてもよい。

請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. 被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムに使用するマーカーであって、
   前記システムは、前記マーカーによって前記被験者の皮膚に向かって放射され、前記被験者の皮膚から反射される放射光を検出する遠隔検出ユニットを有し、
   前記マーカーは、
   前記反射される光からバイタルサイン情報を遠隔から決定するために、前記被験者の皮膚に向かって光を放射するマーカーエリアと、
   前記マーカーを前記被験者に付着する付着手段と
   有する、マーカー。
2. 前記マーカーエリアは、前記被験者の皮膚に向かって光を放射するための蛍光顔料及び／又は発光顔料を含む、請求項１に記載のマーカー。
3. 前記蛍光顔料は、第１波長の光を第２波長の光に変換し、前記第１波長は不可視の波長である、請求項２に記載のマーカー。
4. 第１波長の光を放射する第１マーカーエリア及び／又は第２波長の光を放射する第２マーカーエリアを有する、請求項１に記載のマーカー。
5. 光を透過する透過エリアを有する、請求項１に記載のマーカー。
6. 第１波長の光を透過する第１透過エリア及び／又は第２波長の光を透過する第２透過エリアを有する、請求項５に記載のマーカー。
7. 不透明なマーカーエリアを有する、請求項１に記載のマーカー。
8. 所定の反射特性の基準エリアをさらに有する、請求項１に記載のマーカー。
9. 図形的パターンをさらに有する、請求項１に記載のマーカー。
10. 前記マーカーの機械的安定性を提供する担持層と、
    前記被験者の皮膚に向かって光を放射するための蛍光及び／又は発光顔料を含む発光層と、
    前記被験者に前記マーカーを付着するための接着剤を含む付着層と
    を有する、請求項１に記載のマーカー。
11. 被験者のバイタルサイン情報を決定するためのシステムであって、
    請求項１に記載のマーカーと、
    前記マーカーによって前記被験者の皮膚に向かって放射され、前記被験者の皮膚から反射される放射光を検出する遠隔検出ユニットと、
    前記被験者の皮膚から反射される前記検出された放射光から前記被験者のバイタルサイン情報を決定する分析ユニットと
    を有する、システム。
12. 被験者のバイタルサイン情報を決定するための方法であって、
    請求項１に記載のマーカーを前記被験者に適用するステップと、
    前記マーカーによって前記被験者の皮膚に向かって放射され、前記被験者の皮膚から反射される放射光を遠隔で検出するステップと、
    前記被験者の皮膚から反射される前記検出された放射光から前記被験者のバイタルサイン情報を決定するステップと
    を有する、方法。