JP6571074B2 - 対象のバイタルサイン情報を決定するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象のバイタルサイン情報を決定するシステム及び方法に関し、特に観察される対象のバイタルサインをリモートで決定する光学測定に関する。

例えば心拍（ＨＲ）、呼吸レート（ＲＲ）又は体温といった対象のバイタルサインは、人の現在の健康状態のインジケーターとして、及び重大な医療イベントの強力な予測器として機能する。このため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者看護設定において、在宅で、又は、更なる健康、余暇及びフィットネス設定において広範囲にモニタされる。

ＵＳ２００９／０２０４１００Ａ１号は、温度感知要素を有する体カバーを開示する。温度感知要素は、近接する皮膚の温度を検出し、局所的に検出された温度を視覚的な及び／又は電気的信号に変換する。体カバーは、温度感知要素により出力される電気信号を視覚的な信号へ変換するのに、局所ディスプレイを含むことができる。その結果、着用者又はカメラが、体カバーから皮膚の状態を読み出すことができる。

ＵＳ４，９４５，９１９号は、鼻腔における異常を診断するため、排出された空気の温度分布をサーモクロミックパターンにおいて表示するサーモクロミック液晶層を有する鼻論理的診断デバイスを開示する。

ＵＳ２０１２／０２８９８５０Ａ１号は、顔の領域の温度範囲にセットされる感熱撮像システムを用いて対象の呼吸を監視することを開示する。７，５００ｎｍから１４，０００ｎｍの赤外線波長範囲において作動するサーマルカメラが、熱画像ビデオシーケンスをキャプチャする。頭部及び顔の端の温度は、キャプチャされた熱画像における顔の特徴、即ち、鼻及び口を位置決めするために用いられる。これは呼吸に関連付けられる。呼気の温度が概して吸気より高い温度を持つので、鼻及び口領域の時間的変動は、呼吸レートを決定するために評価されることができる。代替的な実施形態において、呼吸レートは、鼻孔、口又は胸部の運動により決定される。

ＵＳ２０１２／００５２４６９Ａ１号は、鼻漏コントローラデバイスを開示する。吸い込む（sniffing-in）間の気流は、鼻の周りの領域を冷やし、はき出す（sniffing out）間の気流は、鼻の周りの領域を暖める。温度変化に対して十分に急速に反応するパッドが、対象の鼻に付けられることができる。カメラはここでも、温度変化を検出する。

斯かるシステムの不利な点は、環境温度及び呼気の温度の間に有意な温度差がある場合にだけ、熱測定が機能する点にある。更なる不利な点は、サーマルカメラが高価である点にある。更に、心拍又は酸素飽和といった追加的なバイタルサインを平行して測定するためには、追加的な測定モダリティが必要とされる。

サーマルイメージングに代わるものとして、ＵＳ６，１１０，１２３Ａ号は、運動ベースの呼吸測定を開示する。この技術に関する必要条件は、呼吸相関された運動が、カメラシステムに対して可視でなければならないことである。好ましくは、胸部の運動が観察される。なぜなら、呼吸運動は通常、顔においては見えないからである。しかしながら、患者がベッドで横になり、毛布で覆われる例えば病院設定では、非常に限られた呼吸運動だけが、観察されることができる。更に、胸部運動は、肺へのガスフローを保証しない。更に、運動ベースの呼吸測定は、運動アーチファクトの影響を受けやすい。

本発明の目的は、対象のバイタルサイン情報を目立たない態様かつ経済的に決定する改良されたシステム及び方法を提供することである。バイタルサイン情報を決定する低コストデバイスの機能を改良するシステム及び方法を提供することが特に有利である。

本発明の第１の側面において、対象のバイタルサイン情報を決定するシステムが提示され、これは、
対象への適用のためのマーカーであって、上記対象の生理的処理によりもたらされる上記マーカーの機械的な操作が原因で、光学特性を変化させるよう構成される、マーカーと、
上記マーカーから放射線を検出する検出ユニットと、
上記検出された放射線から上記対象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。

本発明の更なる側面において、上記上述したシステムに用いられるマーカーが提示される。そこでは、上記マーカーが、上記対象への適用のために構成され、上記マーカーは、上記対象の生理的処理によりもたらされる上記マーカーの機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成される。

本発明の更なる側面において、対象のバイタルサイン情報を決定する方法が提示され、これは、
マーカーから放射線を検出するステップであって、上記マーカーが、上記対象に適用され、上記マーカーは、上記対象の生理的処理によりもたらされる上記マーカー（１０、１０'、１０"、４０）の機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成される、ステップと、
上記検出された放射線から上記対象の上記バイタルサイン情報を決定するステップとを有する。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載されるマーカー及び方法が、請求項に記載されるシステム及び従属項に記載されるシステムと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明の文脈にて用いられる「バイタルサイン」という用語は、対象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」という用語は、心拍（ＨＲ）（パルスレートとも呼ばれる）、心拍変動性（パルスレート変動性）、拍動性強さ、潅流、潅流インジケーター、潅流変動性、トラウベ・エラン・マイヤー波、呼吸レート（ＲＲ）、体温、血圧、例えば酸素飽和又はブドウ糖レベルといった血液及び／又は組織及び／又は汗における物質の濃度を含む。一般に、「バイタルサイン」は、例えば心臓パルス又は呼吸活動といった基礎をなす生理的処理を表すことができる。基礎をなす生理的処理を表す生理的信号は、測定及び評価されることができる。

本発明の文脈にて用いられる「バイタルサイン情報」という用語は、上記の１つ又は複数の測定されたバイタルサインを含む。更に、「バイタルサイン情報」という用語は、後続の分析に役立つ、生理的パラメータを参照するデータ、対応する波形トレース、又は時間にわたる生理的パラメータを参照するデータを含む。

バイタルサインを決定する既存の測定デバイスの主要な欠点は、それらが特定の用途向けに仕立てられる点にある。その結果、所望のバイタルサインをカバーするのに、複数の異なるデバイスが必要とされる。例えば、ＵＳ２０１２／０２８９８５０Ａ１号によるサーマルカメラは、呼吸レートを決定するのに使用され、スペクトルの可視部分において作動する追加的なカメラが、遠隔フォトプレチスモグラフィにより心拍を決定するのに使用される。Verkruysseその他による「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信号が、環境光及び従来の消費者向けレベルのビデオカメラを用いてリモートで測定されることができることを示す。異なるデバイスが必要である。なぜなら、所望の基礎をなす物理量は、１つのシングルデバイスでは観察されることができないからである。

ソリューションとして、本発明は、マーカーが対象に適用され、このマーカーが、対象の生理的処理に基づき光学特性を変化させるよう構成されるというアイデアに基づかれる。言い換えると、マーカーは、それ自身は測定モダリティに対して見えないバイタルサイン情報を測定モダリティにより検出可能であるよう変換するために用いられる。

例えば、マーカーは、呼吸ガス容量フローに基づき、例えば色又は輝度といった光学特性を変化させるよう構成される。低コストＣＣＤカメラといった検出ユニットが、マーカーから受信される放射線を検出する。次のステップにおいて、分析ユニットは、検出された放射線を分析して、マーカーの光学特性の時間的変化を評価することにより、呼吸レートを決定する。

本書に使用される「検出ユニット」という用語は、電磁放射を検出するデバイスを指す。それは、マーカーから受信される放射線を検出するよう構成される。好ましい実施形態において、検出ユニットは、例えば光センシティブピクセルのアレイを備えるＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサといった画像センサを持つカメラである。検出ユニットの出力は、放射線データと呼ばれる。例えば、放射線データは、時間にわたる一連の画像、こうして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える。ある実施形態において、検出ユニットは遠隔検出ユニットである。この場合、検出ユニットは、観察された対象から空間的に分離される。ある実施形態において、検出ユニットは、約４２０〜１１００ｎｍのスペクトル範囲における光を検出するよう構成される。

ある実施形態において、マーカーは、対象の生理的処理によりもたらされるマーカーの機械的、物理的又は化学的操作の１つが原因で光学特性を変化させるよう構成される。機械的な操作に関する例として、マーカーは、呼吸が原因によるガス容量フローに基づき、又は、血管の筋肉の活動若しくは膨張により誘導されるストレスに基づき、光学特性を変化させるよう構成される。物理的操作の例として、マーカーは、例えば呼吸により誘導される温度変化に基づき、光学特性を変化させるよう構成される。化学操作の例として、マーカーは、二酸化炭素若しくは他の反応プロダクトといった呼気の構成要素のガス濃度に基づき、又はｐＨ値、湿度などの皮膚表面の化学的性質に基づき、光学特性を変化させるよう構成される。

ある実施形態において、マーカーの変化する光学特性は、反射率及び／又は色である。本書において使用される「反射率」という用語は、輝度又は吸収特性だけでなく、反射も指し、特に鏡面反射も指す。変化する光学特性は、光学特性の見かけの変化も含む。例えば、マーカーの構造要素の方向が、生理的処理に基づき変えられることができる。こうして、マーカーの構造要素の色は実際には変化しない。しかしながら、マーカーの構造要素の異なる方向は、検出ユニットに異なる光学印象を提供する。

更なる実施形態において、マーカーは、パッチであり、特に対象の皮膚への適用に関するパッチである。この実施形態の利点は、医療者が日常的なプラクティスにおいて例えばバンドエイドといったパッチを扱うことにおいて使用されるということである。代替的に、マーカーは、対象に対する、特に対象の皮膚に対する直接的な適用のために構成されることができる。例えば、マーカーは、口紅、軟膏、クリーム又はローション剤の形において提供されることができる。更に代替的に、マーカーは、対象の生理的処理、例えば空気の呼吸フローにより影響を受ける患者に近い管（tubus）又は他の医療器材への適用に関して構成されることができる。

ある実施形態において、上記マーカーは、上記対象の鼻及び／又は口の領域に適用されるよう構成される。適用には口部が特に適している。なぜなら、それは、空気の呼吸フローにより影響を受け、毛布により覆われることがまれだからである。更に有利には、酸素を患者に供給する管を固定するためのパッチは、上口唇領域において、又は、人中に近接して、マーカーを搬送することができる。

ある実施形態において、上記マーカーの表面が、上記表面から突出するフィラメントを有する。有利には、フィラメントは、その光学外観における変化を引き起こす気流により移動されるよう構成される構造要素である。例えば、マーカーの表面は、柔軟なフィラメント、特にガス容量フローといった機械的な操作に基づき移動するよう構成される繊維ファイバーを有する。例えば、表面に上記フィラメントを有するマーカーは、対象の上唇の上の、鼻の下の上口唇領域に付けられる。吸気の間、フィラメントは、ガス容量フローによる影響を受け、上方への方向で、即ち気道に向かって整列配置する。一方、呼気の間、フィラメントは、下方に、即ち気道から離れて移動するよう構成される。マーカーは、フィラメントの方向に基づき、異なる光学印象を提供するよう構成されることができる。

更なる改良において、フィラメントは、第１の光学特性を持つ第１の表面及び第２の光学特性を持つ第２の表面を有する。例えば、第１の表面及び第２の表面は、白及び黒といった異なる色を持つことができ、異なる反射又は散乱特性を持つことができる。好ましくは、第１及び第２の表面は、ハイコントラストを提供する。代替的な実施形態において、フィラメントは、第１の光学特性を持ち、フィラメントがこれから突出するマーカーの表面は、第２の光学特性を持つ。こうして、どれくらい多くの表面が検出ユニットに対して見えるかに基づき、フィラメントの方向に関する情報が推定されることができる。フィラメントの正確な方向を知ることは必須ではない点に留意されたい。なぜなら、マーカーから検出された放射線における相対的な変化を分析することで十分だからである。しかしながら、好ましくは、第１の光学特性及び第２の光学特性は、ハイコントラストを提供する。

ある実施形態において、検出ユニットは、画像センサ又はカメラを有する。有利には、画像センサは、低コストで利用可能な標準的なＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサである。これは、７５００ｎｍから１４０００ｎｍの波長範囲の中赤外線（ＩＲ）又は長ＩＲにおいて作動する高価なサーマルカメラが使用される、ＵＳ２０１２／０２８９８５０Ａ１号において提案されるソリューションと比べると、有意な利点である。

更なる実施形態において、検出ユニットは、非可視放射線、特に近赤外線（ＩＲ）及び／又は近紫外線（ＵＶ）を検出するよう構成される。この実施形態の利点は、バイタルサイン測定が暗闇で実行されることができ、こうして夜に患者を妨げることがない点にある。更に、マーカーの色が可視範囲において対象の皮膚の色に対応するマーカーを使用することが、可能である。こうして、マーカーは、スペクトルの非可視部分における光学特性を変化させるよう構成される。これにより、美的外観が、改良される。近赤外線は、７５０ｎｍから１４００ｎｍの波長範囲として規定されることができる。近紫外線は、３００ｎｍから４００ｎｍの波長範囲として規定されることができる。可視光は、４００ｎｍから７５０ｎｍの波長範囲として規定されることができる。検出ユニットは、可視光に加えて、又は、可視光の代わりに、近赤外線及び／又は近紫外光を検出するよう構成されることができる。

ある実施形態において、検出ユニットは、スペクトル範囲において放射線を検出するよう構成される。この場合、スペクトル範囲は、３００ｎｍ及び１４００ｎｍの間の波長範囲に、好ましくは４００ｎｍ及び１１００ｎｍの間の波長範囲にある。スペクトル範囲は、波長範囲の一部でありえる。例示的な検出ユニットとしてのＣＣＤセンサに関して典型的なスペクトル範囲は、４２０ｎｍ及び１１００ｎｍの間にある。代替的に、スペクトル範囲は、１つ又は複数の別々の又は重なり合うサブ範囲、例えば可視スペクトルの赤、緑の及び青部分をカバーする。

オプションで、対象のバイタルサイン情報を決定するシステムは更に、光源、例えば可視光源、近ＩＲ又は近ＵＶ光源を有する。

ある実施形態において、分析ユニットは、時間にわたり検出された放射線を評価するよう構成される。こうして、絶対値は、わかっている必要はない。例えば、呼吸レートは、測定された放射線データの時系列を評価することにより決定されることができる。有利には、対象の長期のモニタリングは、異なる時点での対象の測定値の比較を可能にする。こうして自己参照システムが可能にされる。これにより、改善又は悪化している状態が、決定されることができる。更に、マーカーの加齢が考慮されることができる。例えば、機械的な操作又は化学操作に基づきその光学特性を変化させるマーカーは時間にわたり劣化する場合ができる。その結果、その光学特性を変化させるその能力が徐々に弱くなる。オプションで、マーカーのこの加齢は、例えば分析ユニットにおいて補正関数を適用することにより考慮されることもできる。

更なる改良において、マーカーは、対象の呼吸に基づき光学特性を変化させるよう構成される。この場合、分析ユニットは、タイダルボリュームに関する情報を得るよう構成される。絶対値を評価することに加えて、例えば減少しているタイダルボリュームを示す相対的な変化が評価されることができる。

別の実施形態では、マーカーは更に、光学特性により対象の生理的特性を視覚化するよう構成される。例えば、化学物質の温度又は濃度といった絶対値がマーカーの光学特性により示されることができる。この場合、光学特性は、対象の生理的処理に基づき変化する。オプションで、マーカーは更に、絶対値を決定するための参照として、マーカー上に参照領域を有する。これは特に有利である。なぜなら、検出ユニットに対する光学特性の外観が、異なる照明状態に依存し、これと共に変化することができるからである。

更なる実施形態において、マーカーは、マーカーを追跡するため、参照のため、夜での測定のため、及び情報符号化のための光学特徴を含む一群の特徴の検出ユニットによる検出に関する１つ又は複数の追加的な光学特徴を有する。例えば、マーカーは、測定される患者に関する情報及び／又は測定手順に関する情報を含むバーコード又はＱＲコードを有することができる。更に、マーカーは、検出された放射線においてマーカーを追跡することを可能にする異なった光学特徴を有することができる。オプションで、システムは更に、検出された放射線においてマーカーを識別する画像処理ユニットを有する。

本発明による対象のバイタルサイン情報を決定するシステムの例示的な実施形態を示す図である。 対象に適用される本発明のある側面によるマーカーを示す図である。 マーカーの機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成されるマーカーの例示的な実施形態を示す図である。 マーカーの機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成されるマーカーの例示的な実施形態を示す図である。 マーカーの代替的な実施形態を示す図である。 マーカーの更なる実施形態を示す図である。 対象の顔に適用される２つのマーカーを示す図である。

本発明のこれらの及び他の側面が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１は、本発明のある側面による対象１００のバイタルサイン情報７を決定するシステム１の例示的な実施形態を示す。システム１は、対象１００に適用されるマーカー１０、検出ユニット２及び分析ユニット６を基本要素として有する。この例において、対象１００のバイタルサイン情報７を決定するシステム１は、臨床設定において使用される。そこでは、対象１００は、ベッド２００において横になる。

マーカー１０は、対象１００の生理的処理に基づき光学特性を変化させよう構成される。この例において、検出ユニット２は、オプションの画像処理ユニット４に接続される。検出ユニット２は、検出された放射線を表す放射線データ３をビデオストリームの形で画像処理ユニット４に提供する。画像処理ユニット４は、放射線データ３においてマーカー１０を識別する。画像処理ユニット４は順に、分析ユニット６に接続される。画像処理ユニット４は、プレ処理された放射線データ５を分析ユニット６に提供する。プレ処理された放射線データ５はこの例では、放射線データ３のビデオストリームの画像のどの領域がマーカー１０を表すかに関する情報を有する。分析ユニット６は順に、対象１００のバイタルサイン情報７を検出された放射線から決定する。

マーカー１０を識別する画像処理ユニット４は、分析ユニット６に組み込まれることもできる。代替的に、放射線データ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画像においてマーカー１０を手動で選択することにより決定されることもできる。代替的に、マーカー１０を持つ対象１００は、検出ユニット２の撮像野において所定の位置に配置されなければならない。その結果、マーカー１０が所定の位置に配置される。しかしながら、画放射線データ３におけるマーカー１０の画像処理ユニット４による自動化された識別が好ましい。図示された例において、マーカー１０は、対象１００の鼻／口の領域１０１の裸の皮膚に直接適用される。代替的なマーカー１０'は、対象１００の左前腕１０２に配置される。マーカー１０、１０'の寸法及び形状は、解剖学的局在に基づき適合されることができる。

対象１００のバイタルサイン情報７を決定するシステム１は、遠隔フォトプレチスモグラフィによりバイタルサインを測定するシステムとして更に構成されることができる。プレチスモグラフィは歴史的に、器官又は体部分のボリューム変化の測定を指し、特にすべての鼓動で対象１００の体を通り進行する心血管パルス波が原因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、関心領域又はボリュームの光反射率又は透過の時間変動変化を評価する光学測定技術である。例えば、心拍を決定するＰＰＧは、血液が周囲組織より光を吸収するため、すべての鼓動での血液量における変動が、対応して透過又は反射率に影響を及ぼすという原理に基づかれる。すべての鼓動は、対象の顔の色における小さい変化を引き起こす。これらの変化は目に見えない。しかし、検出ユニット２は、これらの「わずかな赤面（マイクロブラッシェ）」を検出するよう構成される。時間変動する色の変化は、バイタルサイン情報７として心拍を測定するために分析ユニット６により評価されるＰＰＧ波形として提供されることができる。

心拍に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、例えば呼吸といった更なる生理的現象に起因する情報を有することができる。異なる波長（上記したように典型的に赤及び赤外線）での透過性及び／又は反射率を評価することにより、血中酸素飽和が決定されることができる。

しかしながら、対象１００の皮膚のかすかな変色に基づかれる、例えば対象１００の額１０３で測定される呼吸レートの測定は、良好な信号対ノイズ比を必要とする。しかしながら、これが、必ずしもすべての測定状態下で実現されるものではない。解決策として、従来技術は、呼吸レートを決定するため、サーマルイメージャを使用するか又は代替的に体運動を評価することを開示する。従来技術とは対照的に、本発明は、対象にマーカーを適用することを提案する。そこでは、マーカー１０が、対象１００の生理的処理に基づき、光学特性を変化させるよう構成される。これにより、バイタルサイン情報は、低コストの標準的なＣＣＤセンサといった検出ユニット２により検出可能にされる。この文脈において、検出ユニット２は、バイタルサインカメラと呼ばれることもありえる。

図１におけるシーンは、例えば日光８ａ又は人工光源８ｂといった放射線源により照射される。放射線源８ａ、８ｂは、対象１００の方へ直接又は間接的に放射線８ｄ、８ｅを放出する。追加的又は代替的に、システム１は、対象１００の方へ光８ｆを放出するオプションのシステム光源８ｃを有することもできる。環境光源８ａ、８ｂが充分な光を提供しない場合、又は環境光源８ａ、８ｂのスペクトルが所望のスペクトル領域において充分なパワーを提供しない場合、システム光源８ｃの使用は特に有益である。

オプションの制御ユニット９は、検出ユニット２の感度を制御し、及び／又はシステム光源８ｃのパワーを制御するよう構成される。検出ユニット２として使用される検出器又は画像センサのダイナミックレンジは制限されるので、シャッタ及び電子オフセットは、観察されるシーンにおける照明状況に基づき調整されなければならないかもしれない。システム光源８ｃは、検出ユニット２の画像センサの最適動作点をセットする制御ループの部分でありえる。この文脈における最適は、信号クリッピングがなく、画像センサの個別の検出器の飽和がなく、少なくともマーカー１０、１０'に対応する検出領域に関して良好な信号対ノイズ比を持つ出力信号を指す。

有利には、検出ユニット２は、マーカー１０、１０'を用いてシーンから放射線を検波する標準的な画像センサを有する。好ましい実施形態において、検出ユニットは、３００ｎｍから１４００ｎｍの間、好ましくは４２０ｎｍから１１００ｎｍの間、好ましくは４２０ｎｍから７５０ｎｍの間、好ましくは可視範囲における波長領域において作動する既存のカメラである。検出ユニットの波長領域は好ましくは、少なくともいくつかの近紫外線（ＵＶ）光及び／又はいくつかの近赤外線（ＩＲ）光波長を含む点に留意されたい。対応する検出特性は一般に、低コスト画像センサにおいて、特に市販のＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサにおいて、特にシリコンベースの画像センサにおいて見られる。本書で用いられる画像センサは、７，５００ｎｍから１４，０００ｎｍのミッドからロング赤外線波長範囲において作動するサーマルイメージャを明示的に参照するものではない。こうして、検出ユニット２、分析ユニット６及びマーカー１０を持つシステム１は、かなり低コストで提供されることができる。

ある実施形態において、システム光源８ｃは、非可視放射線８ｆ、特に近赤外線及び／又は近紫外光を放出するよう構成される。これにより、対象１００は、対象１００を妨害することなしに、可視波長スペクトルに関して夜又は暗闇においてモニタされることができる。オプションで、システム光源８ｃは、血中酸素飽和の測定を可能にする同じ及び／又は異なる時間での赤及び赤外線光又は赤及び緑の光といった異なるスペクトル特性を持つ光を放出するよう構成される。これは例えば、Wieringaその他による「Contactless Multiple Wavelength Photo-Plethysmographic Imaging: A First Step Towards "SP02 Camera" Technology」、Annals of Biomedical Engineering、vol. 33、No. 8、2005、pp. 1034-1041に開示される。

マーカーの例示的な実施形態は、図２〜図６を参照して説明される。マーカー１０は、対象１００の生理的処理に基づき、光学特性を変化させるよう構成される。

図２は、対象１００の顔のクローズアップを示す。そこでは、マーカー１０は、対象の鼻及び／又は口の領域１０１への適用のため、特に例えば人中にわたり広がる上口唇領域における対象の鼻１０４の下の領域への適用のために構成される。

図２に示される実施形態では、マーカー１０は、対象１００の生理的処理によりもたらされるマーカー１０の機械的な操作が原因で、光学特性を変化させるよう構成される。斯かるマーカー１０の例示的な実施形態は、図３Ａ及び図３Ｂを参照して表される。

図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、マーカー１０の表面１１は、上記表面１１から突出するフィラメント１２を有する。例えば、これらのフィラメントは、柔軟なフィラメントであり、特に、そばを通過する空気の流れの上を移動するよう構成される繊維ファイバーである。フィラメントは、円形横断面のフィラメントに制限されるものではなく、例えば、薄板構造といった形状も含む。図３Ａの挿入画は、呼気の間のフィラメント１２の方向を示す。そこでは、呼気の空気２０のフローが、呼気の間、マーカーの表面１１のそばを通過し、フィラメント１２を下方に曲げる。

ある実施形態において、フィラメント１２は、第１の光学特性を持つ第１の表面１２ａ及び第２の光学特性を持つ第２の表面１２ｂを有する。例えば図３Ａに示されるように、フィラメント１２の上部表面１２ａは黒いが、下部表面１２ｂは白い。代替的に、第１及び第２の表面は、異なる色、異なる反射又は散乱特性を持つことができる。有利には、第１の表面１２ａ及び第２の表面１２ｂは、高いコントラストを持つ。こうして、呼気の間、検出ユニット２は、より濃い色を見る。

図３Ｂの挿入画は、吸気の間のマーカー１０を示す。そこでは、空気２１のフローは、上方への方向においてマーカー面１１のそばを通る。これにより、フィラメント１２ａは上方への方向に方向付けられ、その結果、フィラメント１２の白い側１２ｂが、検出ユニット２に対して見える。こうして、吸気の間、検出ユニット２は、より明るい画像をキャプチャする。

この実施形態において、分析ユニット６は、時間にわたり検出された放射線を評価するよう構成され、従って、呼気の間の図３Ａに示されるマーカー１０のより暗い外観及び吸気の間の図３Ｂに示されるマーカー１０のより明るい外観の間の変化を分析することができる。これにより、これ自身は可視光学スペクトルに対して見えない、対象の呼吸を参照するバイタルサイン情報が、可能性として低コストの検出ユニット２により検出可能になる。

図４に示されるような代替的な実施形態において、空気２２の呼吸フローは、マーカーの表面１１のすべてのフィラメント１２を同じ方向に方向付けるわけではなく、単に新しい方向づけをもたらすだけである。この場合、いくつかのフィラメントは右側に曲がり、いくつかのフィラメントは左側に曲がる。フィラメントの方向に関する絶対の知識が必須でない点に留意されたい。なぜなら、相対的な変化が評価されることもできるからである。オプションで、第１の光学特性及び第２の光学特性の期間時間が、比較されることができる。例えば、吸気は概して、呼気より短い期間を持つ。更に、呼気はしばしば、呼吸休止により追従される。

オプションで、分析ユニット６は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるようにマーカーを持つ対象１００のタイダルボリュームに関する情報を得るよう構成される。気流がない場合、フィラメントがそのニュートラル位置に常に戻ると仮定すると、２つの例示的なオプションがある。第１のオプションとして、気流と共に移動するフィラメントの数は、呼吸強さに相関する。こうして、変色は、時間にわたる呼吸強さに関する情報を含む。対応する信号の時間にわたる積分は、タイダルボリュームに相関する。第２のオプションとして、各フィラメントは、上部から下部への色／輝度スケール勾配を持つ。呼吸が強くなればなるほど、より多くの各シングルフィラメントが検出ユニット２に対して可視となる。こうしてここでも、平均的色／輝度変化は、時間にわたる呼吸強さを示す。時間にわたる対応する信号の積分はここでも、タイダルボリュームと相関する。

図２を再度参照して、代替的な実施形態において、マーカーは、対象１００の皮膚に直接適用される。例えば、マーカーは、対象の口唇１３に直接適用される比色口紅の形において実現される。例えば、口紅は、例えば、マーカーでの異なる温度、ガス濃度又は湿度をもたらす対象の生理的処理に基づき、一般に光学特性を変化させるよう構成される物質の色又は他の反射率特性を変化させるよう構成される。口唇上に直接マーカーを適用することは、口を通る対象１００の呼吸が、観察されることもできるという利点を持つ。

更なる代替的な実施形態が、図５及び図６を参照して示される。図５において、マーカー１０"が、対象１００に対して間接的に適用される。マーカー１０"は、挿管された患者１００の尿細管システム３０の一部として実現される。この実施形態において、マーカー１０"は、マーカーの化学操作が原因で、即ち吸気及び呼気の異なる二酸化炭素濃度に基づきその色を変化させるよう構成される。変色は、マーカーからの放射線を検出する検出ユニット２を用いて観察され、対応する放射線データ３は、時間にわたり検出された放射線を評価することにより検出された放射線から対象１００のバイタルサイン情報７を決定する分析ユニット６に提供される。

オプションで、レート情報に関する時間変動する光学特性を評価する他に、実際値が、独立情報として使用されることができる。例えば、本書に開示されるバイタルサイン情報を決定するシステム１は、例えば、酸素及び二酸化炭素濃度を決定するため、化学分析的センサから知られる比色及び／又は蛍光定量的な光学測定原理と組み合わせられることができる。酸素濃度を決定するのに、酸素の分圧を測定するためにソル―ゲルにおいて化学複合体の蛍光を使用する動的な蛍光クエンチ又はセンサの既知の原理が存在し、例えばJoseph R. Lakowiczによる「Principles of Fluorescence Spectroscopy」、Third Edition、ISBN: 978-0-387-31278-1、Otto S. Wolf eisらによる「Fiberoptic fluorosensor for oxygen and carbon dioxide」、Anal. Chem.、1988、60 (19)、pp 2028-2030に記載される。二酸化炭素濃度を決定するのに、比色及び蛍光定量的な方法が存在し、例えばRoyce N.その他による「Fluorescent-Dye-Doped Sol-Gel Sensor for Highly Sensitive Carbon Dioxide Gas Detection below Atmospheric Concentrations」、Anal. Chem.、2010、82 (2)、pp 593-600、C. Malins及びB. D. MacCraithによる「Dye-doped organically modified silica glass for fluorescence based carbon dioxide gas detection」、Analyst、1998、123、2373-2376、Hiroyo Segawaその他による「Sensitivity of fiber-optic carbon dioxide sensors utilizing indicator dye」、Sensors and Actuators B：Chemical、Volume 94、Issue 3、1 October 2003、Pages 276-281、Sevinc Zehra Topalその他による「A new absorption based C02 sensor based on Schiff base doped ethyl cellulose」、Turk J Chem.，36 (2012)、503-514に記載される。本発明の文脈においてマーカーに関してこれらの抽象的な概念を使用することは、ガス、組織又は体流体における物質の濃度をリモートで決定することを可能にする。例えば、実際の色といった光学情報は、特定の用途に関して吸気及び呼気の二酸化炭素濃度を決定するのに十分に正確である場合がある。他の場合には、絶対の精度が充分でない場合、吸気フェーズ及び呼気フェーズの間のデルタ値又は代替的にその傾向が評価されることができる。

決定されることができる例示的なパラメータは、呼気の二酸化炭素レベル、酸素濃度（吸気及び／又は呼気）、酸素の消費（呼気及び吸気の間のデルタ）、酸素取り込み（肺に関する効率インジケーター）、温度又は環境温度に対する温度差及び湿度を含むが、これに限定されるものではない。これは更に、化学物質、特に特定の疾患に関連付けられる特定の化学物質の濃度を含む。

精度を増加させるため、追加的な参照情報が提供されることができる。例えば、図５に示されるマーカー１０"は、尿細管システム３０の部分とすることができる。この場合、尿細管システム３０の色が、バイタルサイン情報を決定するシステム１を較正する、特に利用可能な光強度及びスペクトルに対して検出ユニット２を較正するための基準面として機能することができる。追加的又は代替的に、情報は、図６に示されるようにマーカーにおいて、バーコード４１の形でエンコードされることができる。追加的な情報は、例えば、測定手順を構成するため、又は、対象１００の電子健康記録に対して測定されたバイタルサイン情報を自動的に割り当てるため、システム１を較正するのに使用されることができる。

代替的に、マーカーは、対象１００の額１０３への適用のため構成される額パッチ４０として実現されることができる。ある実施形態において、額パッチ４０は、対象１００の体温度に基づき、その色を変化させるよう構成される。ある実施形態において、額パッチ４０は、可視スペクトル範囲における皮膚カラーであり、特に近赤外線及び／又は近紫外線といった非可視波長でその色を変化させる。この実施形態の利点は、変色が、検出ユニット２によりまだ検出されることができるが、視覚的な外観を明らかに妨げない点にある。

オプションで、複数のマーカー１０、４０が、対象１００に適用されることができる。マーカーは、同じ又は異なるバイタルサインが測定されるよう構成されることができる。検出ユニット２は、両方のマーカーから受信される放射線を検出するよう対応して構成される。更に、検出ユニットは、対象１００の皮膚の色の時間変動変化を直接評価することにより、対象のバイタルサイン情報を決定するよう構成されることができる。

結論として、対象のバイタルサイン情報を決定するシステムが、対象への適用のためのマーカーであって、対象の生理的処理に基づき、光学特性を変化させるよう構成されるマーカーと、マーカーからの放射線を検出する検出ユニットと、検出された放射線から対象のバイタルサイン情報を決定する分析ユニットとを有し、バイタルサインの目立たないモニタリングに関するシステムを安いシステムコストで提供する。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。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。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

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

Claims (13)

1. 対象のバイタルサイン情報を決定するシステムであって、
   前記対象への適用のためのマーカーであって、前記対象の呼気及び吸気の気流によりもたらされる前記マーカーの機械的な操作が原因で、光学特性を変化させるよう構成される、マーカーと、
   前記マーカーから放射線を検出する検出ユニットと、
   前記検出された放射線から前記対象のバイタルサイン情報を決定する分析ユニットとを有し、
   前記マーカーの表面が、前記表面から突出するフィラメントを有し、
   前記フィラメントが、第１の光学特性を持つ第１の表面及び第２の光学特性を持つ第２の表面を有する、システム。
2. 前記マーカーの変化する光学特性が、反射率及び／又は色である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マーカーが、パッチである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マーカーが、前記対象の鼻及び／又は口の領域に適用されるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記検出ユニットが、画像センサ又はカメラを有する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記検出ユニットが、非可視放射線を検出するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記マーカーが、スペクトルの非可視部分において光学特性を変化させるよう構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記分析ユニットが、時間にわたり前記検出された放射線を評価するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記マーカーが、前記対象の呼吸に基づき光学特性を変化させるよう構成され、前記分析ユニットは、タイダルボリュームに関する情報を得るよう構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記マーカーが、前記マーカーを追跡するため、参照のため、夜での測定のため、及び情報符号化のための光学特徴を含む一群の特徴の前記検出ユニットによる検出に関する１つ又は複数の追加的な光学特徴を有する、請求項１に記載のシステム。
11. 請求項１に記載のシステムに用いられるデバイスであって、
    対象への適用のためのマーカーから放射線を検出する検出ユニットであって、前記マーカーが、前記対象の呼気及び吸気の気流によりもたらされる前記マーカーの機械的な操作が原因で、光学特性を変化させる、検出ユニットと、
    前記検出された放射線から前記対象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、デバイス。
12. 請求項１に記載のシステムに用いられるマーカーであって、対象への適用のために構成され、前記対象の呼気及び吸気の気流によりもたらされる前記マーカーの機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成される、マーカー。
13. 対象のバイタルサイン情報を決定する方法において、
    マーカーから放射線を検出するステップであって、前記マーカーが、前記対象に適用され、前記マーカーは、前記対象の呼気及び吸気の気流によりもたらされる前記マーカーの機械的な操作が原因で光学特性を変化させるよう構成される、ステップと、
    前記検出された放射線から前記対象の前記バイタルサイン情報を決定するステップとを有し、
    前記マーカーの表面が、前記表面から突出するフィラメントを有し、
    前記フィラメントが、第１の光学特性を持つ第１の表面及び第２の光学特性を持つ第２の表面を有する、方法。

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