JP6657220B2 - 二酸化炭素分圧の非侵襲測定のための装置用のセンサヘッド - Google Patents

Description

本明細書で開示する装置及び方法の実施形態は、被験者の被分析物濃度の非侵襲測定の分野に関し、詳細には、被験者の皮膚などの被験者の組織におけるある位置での、例えば耳垂上での、二酸化炭素（ＣＯ_２）分圧又は他の血液ガス分圧の測定に関する。

皮膚に貼るセンサを使用する、二酸化炭素分圧（ｐＣＯ_２）又は酸素分圧（ｐＯ_２）などの血液ガス分圧の非侵襲測定が、いくつかの臨床場面における有用な手法として多くの文献で説明されている。

例えば、米国特許第７４７４９０８号又は同第５４２５８６８号で説明されているような従来技術のセンサでは、皮膚の表面に貼ったセンサでガスを測定する。このセンサには、センサが置かれている皮膚の領域を加熱するための加熱要素が設けられている。センサの接触面が約４０℃〜４４℃の温度まで加熱され、その結果、測定部位における毛細血管床の局所的な血管拡張及び動脈血化がもたらされる。この条件下では、被験者の皮膚の上に置かれたセンサが測定するＣＯ_２分圧は、動脈のＣＯ_２値と高い相関を示す。このことにより、ほとんどの用途に関して十分な精度で動脈のＣＯ_２値を判定及び／又は監視することが可能になる。測定部位をこのような高温に加熱することは、特に、より長い期間にわたるｐＣＯ_２の連続的な監視が求められる場合、皮膚熱傷又は他の好ましくない副作用のリスクを伴う。

また更に、測定の目的が皮膚の灌流又は皮膚灌流の変化を判定することであるため、目的によっては、皮膚の血管拡張は望ましくない。このような目的には、皮膚及び下層組織を加熱するなどのように皮膚の構造を変化させることを避けて、局所的な血管拡張をもたらすことが有利である。

国際公開第２０１１／０２４０８１号では、特に、敗血症性ショックの治療の経過観察及び予後診断のために、患者の組織灌流を評価するために、ｐＣＯ_２センサを患者の耳垂に貼り、わずか３７℃以下に加熱させることによるｐＣＯ_２の測定が提案されている。この従来技術の方法は、測定部位を極めて高温に加熱する必要性を低減するが、測定部位の加熱を依然として伴う。

一般的に、従来技術には、センサと皮膚組織との間の熱勾配に起因して、センサと患者の皮膚組織との間でエネルギーが流れるという欠点がある。この温度勾配によって、測定部位における毛細血管床の局所的な血管拡張が生じる。

一般的に、また特に特定の臨床状況や特定の測定では、結果として得られる測定値の精度を高く維持しつつ、測定部位の加熱を更に避けることが望ましい。特に、局所的な灌流や微小循環に対して測定が与える影響を更に低減する、血液ガスの測定を提供することが望ましい。

特に、特定の臨床条件、例えばショックの最中には、組織の放熱能力が低下する場合があり、そのような状況においては、不要な加熱を避けることが特に望ましくなり得る。

更には、測定部位における灌流又は微小循環の徴候を測定値から得ようとする場合、又はショックを検出する場合、加熱により灌流／微小循環に影響を及ぼすのではなく、灌流／微小循環を監視することが望ましい。

第１の態様によれば、被分析物濃度の非侵襲測定のための装置の実施形態が本明細書で開示される。本装置の実施形態は、第１の熱伝導部及び第１の熱伝導部に配置された第１の熱センサであって、第１の熱伝導部は、患者の組織と熱接続するように適合され、第１の熱センサは、患者の組織の表面上にある位置における温度を示す温度を判定するように動作可能である、第１の熱伝導部及び第１の熱伝導部に配置された第１の熱センサを備える。第１の熱伝導部から断熱された第２の熱伝導部と、第２の熱伝導部に配置された第２の熱センサと、また、被分析物の濃度を示すセンサ信号を生成するように動作可能である被分析物センサと、第２の熱伝導部の温度を制御するように動作可能である加熱装置と、を更に備える。

その結果、本装置は、被分析物センサの温度を安定させて、測定位置における組織と被分析物センサとの間で熱が実質的に流れないようにする、すなわち、被分析物センサの少なくとも表面部分と組織上の位置とが互いに熱平衡に維持されるようにする。

被分析物センサの少なくとも表面部分が組織と熱平衡に保たれるため、測定温度を使用して、被分析物センサのすべての温度依存性を補正できる。特に、現行の電気化学的ｐＣＯ_２センサは、ｐＨ電極、基準電極、電解質及び／又は電解質を覆う様々な膜などの温度依存コンポーネントを含む。また、被験者の組織上に配置される、本装置の部分は、測定信号を信号増幅するための電子回路などの他の温度依存コンポーネントを備える場合もある。これらの温度依存性もまた、判定された温度に基づいて補正され得る。センサ信号は、判定された温度に基づいて、既定の基準温度に関連付けられた計算された被分析物濃度に変換される。センサが熱平衡に維持されることから、判定された温度は組織の温度及びセンサコアの温度に対応する。その結果、この変換によって、すべての関連する温度の影響が補償され得る。

ｐＣＯ_２測定の場合には、温度の影響は、ｐＨ電極電位、傾き及びｐＣＯ_２のための温度補正係数に対する温度の影響を含み得る。一部の実施形態では、被分析物センサは、センサ信号を生成するように動作可能であり、プロセッサは、少なくともセンサ信号とセンサ校正関数とに基づいて、計算された被分析物濃度を計算するように適合される。一部の実施形態では、本装置は、温度依存校正関数を示す温度校正データを記憶するための記憶媒体を備え、プロセッサは、センサ信号と記憶した温度校正データとに基づいて被分析物濃度を計算するように適合される。記憶される温度校正データは、１つ以上の補間表の形態、１つ以上の校正関数の形態及び／又は別の適切な形態などの、様々な仕方で記憶され得る。センサ信号の校正は、当技術分野で周知の任意の適切な校正プロセスで行われてよい。一部の実施形態では、校正は、校正プロセスの所要時間を短縮するために、少なくとも部分的に高温（３７℃よりも高い温度）で行われる。

したがって、本明細書で説明する装置の実施形態は、被分析物センサの温度を組織の温度へ自動的に調整する。被験者の皮膚上にセンサを配置した場合、一般的に、３７℃未満の温度で熱平衡になる。判定された被分析物濃度の精度を高く維持しながら、皮膚熱傷及び被験者の組織を加熱することによる他の好ましくない効果のリスクが回避される。

一般的に、被験者の組織上にある測定位置は、被験者の皮膚上にある位置、例えば、被験者の耳垂又は別の適切な測定位置であり得る。あるいは、体腔の内面又は別の組織の表面上にセンサを配置させてもよい。被分析物センサは、一般的に、組織及び／又は組織の表面における被分析物濃度を測定するように構成され得る。

本装置は、結果として得られる計算された被分析物濃度を、アナログ及び／若しくはデジタル出力信号として並びに／又は任意の他の適切な形態で出力し得る。一部の実施形態では、本装置は、計算された被分析物濃度の値、判定された温度又は計算された被分析物濃度の値と判定された温度との両方を表示するように動作可能であるディスプレイを備える。一部の実施形態では、本装置は、被分析物濃度を長期にわたって監視するように構成される。

一部の実施形態では、被分析物はＣＯ_２であり、被分析物濃度はＣＯ_２分圧（ｐＣＯ_２）である。そのため、このような実施形態では、被分析物センサは、ｐＣＯ_２センサ、例えば、電気化学センサ、光学センサ又は別の適切な形態のセンサを備える。一部の実施形態では、センサは、ｐＨ電極を備える。しかしながら、本明細書で説明する装置の他の実施形態は、酸素分圧（ｐＯ_２）又は１種以上の他の血液ガス分圧などの他のタイプの被分析物濃度を測定するために使用される場合もあることが理解されよう。また他の実施形態では、本装置は、複数の被分析物、例えば、ＣＯ_２とＯ_２との両方を測定するように動作可能であってもよい。

本明細書で説明する装置の実施形態を皮膚ｐＯ_２測定値の判定に使用して、局所的な血管拡張及び動脈血化をもたらさずに、毛細血管床のＯ_２レベルを判定することもでき、ひいては、他のセンサシステムと組み合わせて、動脈血化されていない毛細血管床における組織のＯ_２摂取量に関する追加的な情報を取得することもできる。本明細書で説明する同じ加熱制御システムはまた、他の非侵襲センサシステムのために適用でき、特に、レーザードップラーなどの微細血管構築のグレードを測定するように設計されたセンサ又はＳｔＯ_２センサなどのＮＩＲＳ技術に基づくセンサのために適用できる。

既定の基準温度は、２２℃〜３８℃の温度などの任意の適切な温度、例えば、３２℃〜３８℃、３２℃〜３５℃、又は３７℃などの３５℃〜３８℃であり得る。基準温度は、被験者の活動レベル、皮膚が覆われているか素肌なのかなどの周囲環境並びに周囲環境の温度及び風などによる冷却効果によって決まる。温度はまた、人体のどこにセンサが配置されているかによって決まり、例えば、足の温度は、室温よりもわずかに高いだけの場合もある一方で、中心寄りの身体部分の温度は、体内温度に近い。

第１の熱センサは、組織の表面上にある測定位置と熱伝導接続するように配置されて、第１の熱センサが組織上の上記測定位置における温度を判定できるようにし得る。組織表面と第１の熱センサのすぐそばの周囲環境との間の温位勾配を等しくできるように、熱伝導接続の熱伝導率は、十分に高いものであるべきである。これにより、第１の熱センサが測定する温度は、組織上の測定位置における温度を示し、第１の熱センサは、測定中に組織の温度変化を検出できる。この目的で、第１の熱センサを熱伝導部に埋め込んでもよく、熱伝導部は、動作中に組織と直接接触していてもよいし、第１の熱センサが組織の温度変動を検出するのを妨げないコンポーネント、例えば、１枚以上の膜若しくは他の薄層によって組織から隔てられていてもよい。一般的に、第１の熱伝導部は、測定位置と熱伝導接続し得る。しかし、第１の熱センサは、組織上の測定位置における温度を示す温度を測定するのに、組織上の測定位置と直接接触する必要はない。

一部の実施形態では、本装置は、被分析物センサの少なくとも一部分の温度を示す温度を測定するように動作可能である第２の熱センサを備え、コントローラは、加熱装置を調整して、被分析物センサの上記部分の温度を、第１の熱センサが測定した温度に調整するように構成される。一部の実施形態では、本装置は、
互いに断熱された第１及び第２の熱伝導部と、
第２の熱伝導部に配置された第２の熱センサと、を備え、
加熱装置は、第２の熱伝導部に配置され、第１の熱センサは、第１の熱伝導部に配置され、コントローラは、加熱装置を調整して、第１の熱伝導部と第２の熱伝導部との間の熱の差分を実質的にゼロに維持するように動作可能である。一部の実施形態では、第２の熱伝導部は、本装置の使用中、被験者の組織から断熱されるように配置され、その際、第１の熱伝導部は、第２の熱伝導部よりも、被験者の組織からの断熱の程度を小さくして、組織と第２の熱伝導部との間の熱交換よりも組織と第１の熱伝導部との間の熱交換をより速くできるようにする。一部の実施形態では、第１の熱伝導部は、被験者の組織、例えば、被験者の皮膚と直接接触している場合もある。他の実施形態では、第１の熱伝導部は、１枚以上の膜又は同様の１層以上の薄層によって組織から隔てられている場合もある。一実施形態では、第１及び第２の熱伝導部は、断熱層を挟み込んだ第１及び第２の熱伝導層として実施され得る。加熱装置及び／又は第２の熱センサは、第２の熱伝導部内に加熱装置及び／若しくは第２の熱センサを埋め込むことによって並びに／又は第２の熱伝導部と熱接触するように加熱装置及び／若しくは第２の熱センサを他の方法で配置することによって、第２の熱伝導部に配置され得る。同様に、第１の熱センサは、第１の熱伝導部内に第１の熱センサを埋め込むことによって及び／又は第１の熱伝導部と熱接触するように第１の熱センサを他の方法で配置することによって、第１の熱伝導部に配置され得る。本装置は、第１及び第２の熱センサからの温度信号の差分に基づいて、加熱装置を制御するように構成され得る。被分析物センサは、被分析物センサの少なくとも一部分が第２の熱伝導部に埋め込まれる又は第２の熱伝導部と熱接触するように配置されて、加熱装置が被分析物センサのコア温度を制御できるようにする。ただし、被分析物センサの一部分はまた、第１の熱伝導部内に延在させてもよいし、更には貫通させてもよいことを理解されたい。

これにより、両方の熱センサの温度が同じ場合、このことは、被分析物センサが配置されるセンサコア（例えば、ｐＣＯ_２センサのｐＨ電極／電解質／基準電極）の温度が組織と同じ温度であることを示し、ひいては、熱平衡を示す。

一部の実施形態では、加熱装置は、第２の熱伝導部だけに必要とされ、その際、被験者の組織と熱伝達可能な第１の熱伝導部には、加熱装置は必要とされない。このように、加熱装置は、被験者の組織からセンサのコア内へ、更には、センサヘッドのケーシングを介して周囲環境へ及び／又は被験者の皮膚に接触しているセンサヘッドを接続するケーブルを介して制御ユニットなどの装置の他の部分への熱の流れを阻むだけである。そのため、一部の実施形態では、第１の熱伝導部は加熱装置を持たない。

一部の実施形態では、コントローラは、加熱装置を連続的に調整して、第１の熱伝導部と第２の熱伝導部との間の熱の差分を実質的にゼロに維持するように動作可能である。特に、本装置は、被分析物濃度の測定と同時に、温度制御を行うように構成され得る。温度制御は、連続的に行われ得る。熱の差分を実質的にゼロに維持することは、温度差を、ゼロ又は少なくともわずかな閾値未満、例えば、０．１℃未満に抑制するように動作可能である制御機構を指すことを意図する。

一部の実施形態では、第１及び第２の熱伝導部のうちの一方又は両方は、銀及び／又は別の適切な材料（金など）を備える。第１の熱伝導部と第２の熱伝導部とを互いに離隔する断熱材料は、エポキシ又は別の適切な材料（適切なポリマーなど）を含み得る。断熱層は、第１の熱伝導部と第２の熱伝導部との間を適切に断熱するのに十分な厚さを有する。一部の実施形態では、断熱層の厚さは、少なくとも０．５ｍｍである。一般的に、断熱層の材料の熱伝導率は、熱伝導部の材料（複数可）の熱伝導率よりも低いものであり得る。一部の実施形態では、第１の熱伝導部及び／又は第２の熱伝導部は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以上などの１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも大きい材料から作られ、この材料は、被分析物センサとは干渉しない。断熱材料の熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以下など、１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）以下であり得る。

別の実施形態では、本装置は、
第１の熱センサであって、第１の熱センサが、基準位置における組織の温度を測定するように動作可能である、第１の熱センサと、
測定位置における被分析物濃度を測定するように動作可能である被分析物センサであって、第２の熱センサが、被分析物センサの少なくとも一部分の温度を示す温度を測定するように動作可能である、被分析物センサと、を備え、
コントローラは、加熱装置を調整して、被分析物センサの上記部分の温度を第１の熱センサが測定した温度に調整するように構成される。

第１の熱センサは、被分析物センサと同じセンサヘッド内に一体化してもよいし、被分析物センサに取り付けてもよいし、被分析物センサから延在するのであってもよいし、他の方法で被分析物センサに単一のユニットとして配置してもよいが、測定位置とは異なる基準位置における温度を測定するように動作可能であり得る。基準位置と測定位置とは、組織の表面上における隣接する位置であってもよい。あるいは、第１の熱センサは、被分析物センサを備えるセンサヘッドとは別々に配置され得る別個のセンサヘッドとして設けられてもよい。例えば、一実施形態では、本装置は、
第１の熱センサを備える第１のデバイスであって、第１の熱センサが、上記基準位置における組織の温度、例えば、皮膚の温度を測定するように動作可能である、第１のデバイスと、
第１のデバイスとは別個の第２のデバイスであって、被分析物センサと加熱装置と第２のデバイスの温度を測定するように動作可能である第２の熱センサとを備える、第２のデバイスと、を備え、
コントローラは、加熱装置を調整して、第２のデバイスの温度を第１の熱センサが測定した温度に調整するように構成される。このように、本実施形態によれば、第１及び第２の熱センサは、被験者の組織上において、例えば、互いに極めて近接して別々に配置され得る別個のデバイスに配置され得る。

第１及び第２の熱センサはそれぞれ、サーミスタ若しくは赤外線熱センサなどの光学センサ又は別の適切な熱センサを備え得る。

本発明は、上述及び後述の装置、対応する方法、システム及び製品を含む様々な態様に関するものであり、それぞれが、上述の装置及び／又は他の態様のうちの１つに関して説明される利益及び利点のうちの１つ以上をもたらし、それぞれが、上述の装置及び／又は他の態様のうちの１つに関して説明される実施形態に対応する１つ以上の実施形態を有する。

特に、患者の被分析物濃度を監視するための方法の実施形態が本明細書で開示され、本方法は、
第１の温度センサによって、基準位置における患者の組織の温度を測定することと、
患者の組織上の測定位置にデバイスを配置することであって、デバイスが、加熱装置と被分析物センサとを備える、配置することと、
組織上の上記測定位置における熱平衡を維持するようにデバイスの温度を調整することと、
上記測定位置において、被分析物センサによって、被分析物の濃度を測定することと、を含む。

基準位置における温度が測定位置における温度を示すように、基準位置と測定位置とは同じ位置であってもよいし、異なる位置、例えば、互いに隣接する２つの位置又はさもなければ極めて近接する２つの位置であってもよい。デバイスと測定位置における組織との間で、局所的に熱平衡を維持する。

患者の被分析物濃度を監視するための装置の実施形態は、制御ユニットと、有線又は無線接続を介して処理ユニットに接続可能なセンサヘッドと、を備え得る。この目的で、センサヘッドは、監視デバイスなどの制御ユニットと無線で通信するように動作可能である無線通信インターフェースを備え得る。無線通信インターフェースは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ送信機／受信機又は別の適切な回路を備え得る。センサヘッドは、測定位置において患者の組織と接触させるように構成される。センサヘッドは、熱センサ（複数可）と、加熱装置と、被分析物センサとを備え得る。センサヘッドは、例えば信号増幅器を含み、センサ信号を出力するように構成される信号処理回路を更に備え得る。制御ユニットは、センサ信号を受信し、受信したセンサ信号を計算された被分析物濃度へと変換するように構成されるプロセッサ、例えば、適切にプログラムされたマイクロプロセッサを備え得る。この目的で、制御ユニットは、ハードディスク、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュディスクなどの、変換で使用する校正データを記憶するための記憶媒体を備え得る。制御ユニットは、グラフィカルユーザインターフェースなどを提示するためのディスプレイなどのユーザインターフェースを更に備え得る。制御ユニットは、加熱装置を制御するためのコントローラを更に備え得る。コントローラは、マイクロプロセッサ又は他の回路（プロセッサなど）に一体化されてもよいし、別個のハードウェアモジュールとして実装されてもよい。あるいは、一部の実施形態では、プロセッサ及び／又はコントローラの機能の一部又はすべては、センサヘッドに含まれる回路で実装され得る。

本明細書で開示する本発明の更なる態様は、患者の被分析物濃度の非侵襲測定のためのデバイスの温度を制御するための方法であり、本方法は、デバイスの第１の熱伝導部に配置された第１の温度センサによって、患者の組織の温度を測定することであって、第１の熱伝導部が患者の組織と熱接続する、測定することと、デバイスの第２の熱伝導部の温度を調整することであって、第２の熱伝導部が、患者の組織と第１の熱伝導部との両方から断熱されて、組織と第２の熱伝導部との間の熱平衡を維持する、調整することと、を含む。

当技術分野ではこれまで、皮膚組織を温めて、表皮層における死んで角化した細胞の脂質構造を溶解して、血液ガスに対する角質層の透過性、特に、Ｏ_２が表皮層に容易に拡散しないため、Ｏ_２に対する角質層の透過性を高める必要があると考えられてきた。しかしながら、表皮層を溶解又は除去して、センサが酸素を運搬する細胞と接触できるようにする方法がある。例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１３７９５（Ａ１）号は、２つの電極間のインピーダンスが既定の値に到達するまで、表皮層を機械的に除去するデバイスを開示している。十分な表皮層が除去されたならば、薬剤送達組成物又は被分析物センサが治療部位に貼付される。

センサ信号を計算された被分析物濃度へと変換することは、少なくとも部分的にソフトウェアで実装され、コンピュータ実行可能命令などのプログラムコード手段の実行に起因して、データ処理システム又は他の処理手段上で実行され得ることに留意されたい。ここで、また以下同様に、処理手段という用語は、上記機能を実行するのに適切に適合した任意の回路及び／又はデバイスを含む。特に、上記の用語は、汎用又は専用プログラマブルマイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、専用電子回路など、又はこれらの組み合わせを含む。あるいは、説明される特徴は、ソフトウェアではなく、又はソフトウェアと組み合わせて、ハードワイヤード回路で実装されてもよい。

センサヘッドは、第１の熱伝導部の測定面が組織表面に面する状態かつ第２の熱伝導部が、少なくとも第１の熱伝導部と第２の熱伝導部から第１の熱伝導部を断熱する断熱部とによって、組織表面から隔てられた状態で、組織表面と接触させるように構成され得る。センサヘッドは、組織表面上に配置されて、例えば、測定面を組織表面と直接接触させることによって又は第１の熱伝導部の測定面を覆う１枚以上の膜又は表面層を介して、第１の熱伝導部を組織と熱伝達させるように動作可能であり得る。一部の実施形態では、被分析物センサの少なくとも一部分は、第２の熱伝導部に配置される。

上記及び他の態様は、図面を参照しながら説明される実施形態により、明らかになり、解明される。
非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置のセンサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。 非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置の一実施例の概略ブロック図である。 非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置の二部式センサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。 それぞれ、実験データから取得され、センサ信号を計算されたｐＣＯ_２値へと変換する実施例で使用される、温度依存校正項ＰＣＦ（Ｔ）及びＳＰＦ（Ｔ）のための回帰機能の実施例を示すグラフである。 それぞれ、実験データから取得され、センサ信号を計算されたｐＣＯ_２値へと変換する実施例で使用される、温度依存校正項ＰＣＦ（Ｔ）及びＳＰＦ（Ｔ）のための回帰機能の実施例を示すグラフである。 非侵襲的にｐＣＯ_２及びｐＯ_２を測定するための装置のセンサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。 光学的原理を用いる、非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置のセンサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。

図１は、非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置のセンサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。センサヘッド１０１は、電気絶縁材料、例えば、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）のセンサハウジング１１９を備え、センサハウジング１１９内に、第１及び第２の熱伝導板１０５及び１２０がそれぞれ配置される。板１０５及び１２０は、銀若しくは金又は同様若しくは少なくとも適切な熱伝導特性を有し、化学分析と干渉しない材料から作られ得る。熱伝導板は、エポキシ注型物１２１内に埋め込まれ、エポキシ注型物１２１によって固定される。エポキシ注型物１２１は、板とハウジングとの間の空隙を充たし、熱伝導板１０５及び１２０を隔て、熱伝導板１０５及び１２０の間に挟まれた断熱層１０４を形成する。第１の熱伝導板１０５は、動作中、所望の測定位置において被験者の皮膚１０２と面するように配置されるセンサヘッドの測定面を画定する。第２の熱伝導板１２０は、センサヘッドの中央部分に配置され、動作中、少なくとも断熱層と第１の熱伝導板とによって被験者の皮膚から隔てられる。上記断熱層１０４は、第１の熱伝導板と被験者の皮膚とから第２の熱伝導板１２０を断熱して、一方である第２の熱伝導板と、他方である第１の熱伝導板及び被験者の皮膚との間の熱伝達勾配が小さくなるようにする。断熱層は、例えば、エポキシ、ポリウレタン、又はエポキシと同様の熱特性を有するポリマーから作られ得る。第１の熱伝導板１０５の測定面は、１層以上の薄層１２３によって覆われている。例えば、層は、以下の層、すなわち、電解質層（例えば、電解質溶液に浸漬したスペーサ膜）、テフロン膜、金ブレードのうちの１層以上を含み得る。層１２３のうちの外側の一層、例えば、金ブレード、は、測定中、被験者の皮膚１０２と接触する接触面を画定する。接触面を被験者の皮膚に接触させた状態で配置すると、皮膚と第１の熱伝導板との間のあらゆる温度勾配が実質的に平衡となるまで、層１２３を介して、第１の熱伝導板と被験者の皮膚との間で熱交換が生じる。

制御ユニット／監視装置による生体内モニタリングに関する様々な機能、例えば、電流回路の接続／切断、データ処理などを遠隔制御できるように、センサヘッド１０１は、ハウジング１１９の管状の延長部から延在するケーブル１０８を介して、制御ユニット又は監視装置に接続可能である。

例えば、ＮＴＣ抵抗器又は他の適切なサーミスタの形態の第１の温度センサ１０６は、第１の熱伝導板１０５内に埋め込まれ（又は第１の熱伝導板１０５と少なくとも良好に熱接触し）、接触面と接触する測定部位における皮膚１０２の皮膚温度を測定するように動作可能である。温度センサ１０６は、熱伝導接着剤によって第１の熱伝導板１０５又はその中に接着され、熱センサは、ケーブル１０８を介して制御監視装置に接続可能である。

例えば、ツェナーダイオードの形態の加熱要素１０９は、第２の熱伝導板１２０内に埋め込まれる（又は第２の熱伝導板１０５と熱接触する）。加熱要素１０９は、第２の熱伝導板を加熱するように動作可能である。例えば、ＮＴＣ抵抗器又は他の適切なサーミスタの形態の第２の温度センサ１０７は、第２の熱伝導板１２０内に同様に埋め込まれる（又は第２の熱伝導板１０５と少なくとも良好に熱接触する）。加熱要素１０９と温度センサ１０７とは両方とも、熱伝導接着剤によって第２の熱伝導板１２０又はその中に接着され、加熱要素１０９と温度センサ１０７とはそれぞれ、ケーブル１０８を介して制御監視装置に接続可能である。

センサヘッドは、第２の熱伝導板１２０に配置される第１の部分と、接触面に向けて断熱層１０４及び第１の熱伝導板１０５を通って延在し、測定位置１２２を画定する別の部分とを有するｐＣＯ_２センサ１０３を更に備える。ｐＣＯ_２センサは、断熱層によって取り囲まれていてもよい。ｐＣＯ_２センサ１０３は、ｐＨ測定に基づく周知の方法でｐＣＯ_２測定を行う。この目的で、ｐＣＯ_２センサは、ｐＨガラス電極と、Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極などの基準電極とを備え得る。電極は両方とも、第２の熱伝導板１２０に配置される部分と、接触面に向けて断熱層１０４及び第１の熱伝導板１０５を通って延在する別の部分とを備え得る。

例えば、ｐＣＯ_２センサは、米国特許第５４２５８６８号又は同第６６５４６２２号で説明されているように実施してもよく、これらの特許の内容は、参照することにより本明細書に含まれる。

センサヘッドの動作中、普通であればセンサが組織に対して有する冷却効果を補償するために、加熱装置要素１０９は、第２の熱伝導板１２０を加熱するように制御されて、熱センサ１０７の測定する第２の熱伝導板１２０の温度が、熱センサ１０６の測定する第１の熱伝導板１０５の温度と同じなるようにする。熱センサ１０６及び１０７の両方の温度の読取値が同じ場合、このことは、特に、ｐＣＯ_２センサ１０３、例えば、ｐＨ電極／電解質／基準電極を含む、センサコアの温度が皮膚１０２の下にある組織と同じ温度であること（温度平衡）を示す。

センサヘッドは、追加的なセンサ、例えば、ｐＯ_２センサ、並びに／又は他のコンポーネント、例えば、ｐＣＯ_２センサ１０３及び／若しくは熱センサからのセンサ信号を事前処理するための電子回路を備え得ることが理解されよう。このような事前処理は、熱センサからの温度信号間の差分信号を生成するためのプリアンプ及び／又は回路を含み得る。

図２は、経皮的にｐＣＯ_２を測定するための装置の一実施例の概略ブロック図である。本装置は、センサヘッド１０１と、ケーブル１０８を介してセンサヘッド１０１が接続された制御ユニット２１６とを備える。あるいは、センサヘッドは、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ又は別の近距離無線周波数通信技術を用いる無線インターフェースを介して、制御ユニットに接続されてもよい。センサヘッドは、図１に示すセンサヘッドであってよい。制御ユニット２１６は、処理ユニット２１３と、ユーザインターフェース２１４及びデータ記憶デバイス２１５とを備え、ユーザインターフェース２１４とデータ記憶デバイス２１５との両方とも処理ユニットへ通信可能に連結される。処理ユニット２１３は、任意の適切にプログラムされたＣＰＵ若しくはマイクロプロセッサ又は他の適切な処理手段であり得る。データ記憶デバイス２１５は、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ハードディスク、又はプログラム及び／若しくは他のデータを記憶するための別の適切なデバイスであり得る。ユーザインターフェース２１４は、情報、ユーザが操作オプションを選択したり、パラメータを入力したりできるようにする選択可能なメニュー項目などを表示するためのタッチスクリーンなどのディスプレイを含み得る。ユーザインターフェースは、測定結果をユーザに提示する、ユーザ入力若しくは他のユーザアクションを要求する、選択可能なオプションを提示する、及び／又は指示をユーザに提示するように動作可能であってよい。ユーザインターフェースは、キーパッド、ボタン及び／又はユーザインターフェースデバイスを更に備え得る。

処理ユニット２１３は、信号処理ブロック２１１と、制御ブロック２１２とを備える。図２では別個のブロックとして示されているが、信号処理ブロック２１１と制御ブロック２１２とは、様々な仕方で実装されてよく、例えば、別個のハードウェアモジュールとして、共通のプロセッサによって実装される別個の機能ブロックとして、又は単一の機能ブロックとしても実装され得る。動作中、処理ユニット２１３は、センサヘッド１０１のｐＣＯ_２センサからのセンサ信号と、センサヘッド１０１の熱センサからの温度信号とを受信する。

温度信号に基づいて、制御ブロック２１２は、センサヘッドの加熱装置を制御して、第１及び第２の温度センサによって測定された温度間の差分をできるだけゼロに近くなるように維持する。例えば、加熱装置は、第１及び第２の熱センサからの温度信号間の差分を示す差分信号によって、制御され得る。

センサは、通常、患者に貼る前には周囲空気に曝されていることから、両方の熱センサが測定した温度は、周囲空気の温度である。そして、センサをその接触面で皮膚に接触させると、第１の熱伝導部１０５においてセンサの接触面近くに配置された熱センサ１０６は、組織によって温度Ｔ１に加熱される。この時、他方の熱センサ１０７が測定する温度Ｔ２は、一般的により低く（Ｔ２＜Ｔ１）、制御ブロック２１２は、加熱装置１０９に、温度が等しくＴ２＝Ｔ１なる（又は少なくとも既定の許容差ΔＴ内で等しくなる、すなわち、｜Ｔ２−Ｔ１｜＜ΔＴ）まで、センサヘッドのコア部分を加熱させる（つまり、Ｔ２は上昇する）。制御ユニット２１２は、両方の温度を同じにするために、加熱装置を連続的に調整する。組織の温度が低下した場合、温度Ｔ１は、Ｔ２よりも低くなるため、両方の温度が再び同じになるまで加熱電力を下げる、又は電源を切ることもある。組織の温度が上昇した場合、Ｔ１＝Ｔ２とするために、より多くの加熱電力が加熱装置に送達される。

ｐＣＯ_２センサからのセンサ信号と、熱センサ（平衡時、センサコアの温度Ｔｃｏｒｅは、Ｔ１及びＴ２に等しい）のうちの少なくとも１つからの温度信号とに基づいて、信号処理ブロック２１１は、計算されたＣＯ_２分圧を計算する。この目的で、信号処理ブロックは、１つ以上の温度依存パラメータによって決まり得る、既定の校正式を適用し得る。温度依存パラメータを含む校正式は、制御ユニット２１６の記憶デバイス２１５に記憶され得る。処理ユニットは、そのディスプレイ２１４に、計算されたｐＣＯ_２を表示でき、場合により、判定された温度及び／又はセンサヘッドが皮膚と熱平衡状態にある（｜Ｔ２−Ｔ１｜＜ΔＴ）かどうかに関する指示を表示できる。

ｐＣＯ_２値の計算は、例えば、次式に基づき得る。
ｐＣＯ２＝Ｃ＊ｅｘｐ（（ＭＰ＊ＰＣＦ−ＣＰ）／（ＳＣＦ＊（ＣＰ−ＳＰ）））
ここで、Ｃは、全体の定数であり、ＭＰは、ｐＣＯ_２センサが測定した電位であり、ＰＣＦは、温度依存補正係数であり、ＣＰは、校正電位であり、ＳＣＦは、温度依存傾き補正係数であり、ＳＰは、傾きの電位である。電位に関する補正係数の温度依存（ＰＣＦ（Ｔ））及び傾きに関する補正係数の温度依存（ＳＦＣ（Ｔ））は、実験データから適切な回帰計算によって判定され得る。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、実験データから取得したＰＣＦ（Ｔ）及びＳＰＦ（Ｔ）のための回帰機能の実施例を示す。

図３は、非侵襲的にｐＣＯ_２を測定するための装置の二部式センサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。この実施例では、第１の熱センサは、ｐＣＯ_２センサを備えるセンサヘッド１０１とは別個に被験者の皮膚上に配置され得る、別個の第２のセンサヘッド３１７として実施される。あるいは、第１の熱センサを有する第２のセンサヘッドは、センサヘッド１０１の側面に取り付けられてもよいし、センサヘッド１０１から延在してもよい。いずれの場合も、このような実施形態では、熱センサは、センサヘッド１０１の下の測定部位に隣接するが、測定部位から極めて近接した基準位置における皮膚の温度を測定する。先述の実施例と同様に、センサヘッド１０１は、加熱装置要素１０９と、熱センサと、ｐＣＯ_２センサ１０３の一部分とを含む、熱伝導層１２０を備える。第２のセンサヘッド３１７は、熱伝導層３０５に埋め込まれた別個の熱センサ３０６を備える。あるいは、第２のセンサヘッドは、例えば、赤外光に基づく、別の温度測定技法を用いる熱センサを含んでもよい。先述の実施例と同様に、加熱装置を制御して、ｐＣＯ_２センサの温度が、第２のセンサヘッド３１７の熱センサ３０５で測定した温度に等しくなるように維持し得る。

図５は、非侵襲的にｐＣＯ_２及びｐＯ_２を測定するための装置のセンサヘッドの一実施例の概略ブロック図である。センサヘッド１０１は、図１に示したセンサヘッドと同様のものであり、図１のセンサヘッド１０１と同じコンポーネントを多く備える。同じコンポーネントは、同じ参照符号で示すものとし、ここでは繰り返し説明しない。図５のセンサヘッド１０１は、例えば、ガラスに埋め込まれ得る白金カソードの形態で、ｐＯ_２センサ５２４を更に備える。ｐＯ_２センサ５２４は、第２の熱伝導板１２０に配置される第１の部分と、接触面に向けて断熱層１０４及び第１の熱伝導板１０５を通って延在し、測定位置１２２を画定する別の部分とを有する。ｐＯ_２センサ５２４は、周知の方法でｐＯ_２測定を行う。一実施形態では、ｐＯ_２センサは、電流測定センサであり、このセンサは、ｐＯ_２センサと基準電極との間で電気回路を構成するように動作可能である基準電極（明示的に図示せず）を備える。図５の実施形態では、熱伝導層は、好ましくは、金又は酸化しにくい別の材料から作られる。

図６は、本発明の更なる実施形態を示しており、センサヘッド（４００）は、ガス濃度の測定に光学原理を用いる。センサヘッド（４００）は、患者とのインターフェースとして機能する、膜（４１３）を覆う金属薄層（４１４）を介して、患者の組織に接触する。金属薄層（４１４）は、第１の熱伝導部として機能し、少なくとも隔離層（４０４）によって第２の熱伝導部（４１９）から断熱されている。２つのチムニー（４１８）によって、ガスは、患者の組織から流出して、測定チャンバ（４２３）に流入できる。測定チャンバ（４２３）は、一方の端部が光源（４２１）によって、反対側の端部がデュアルチャネル検出器（４１５）によって閉鎖されている。これより、患者の組織、チムニー（４１８）及び測定チャンバ（４２３）によって、閉じた系が画定される。更なる熱センサ（４０７）が、熱伝導部（４１９）に配置され、加熱要素（４１９）に供給される電力を調整することによってセンサの温度を調整するために使用され得る。このようにして、熱伝導部（４１７）の温度を調整して、熱センサ（４０６）で測定したのと実質的に同じ温度となるようにしてもよく、その結果、患者の組織とセンサ（４００）との間には、熱が実質的に流れない。

一部の実施形態について詳細に説明及び図示してきたが、本発明は、これらに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義された発明の主題の範囲内にある他の仕方でも実施され得る。

本明細書で説明した方法、製品手段、システム及びデバイスは、いくつかの個別要素を備えるハードウェアで実装できる、及び／又は適切にプログラムされたマイクロプロセッサで部分的若しくは全体的に実装できる。いくつかの手段を列挙する装置クレームでは、これらの手段のうちのいくつかを全く同じ品目のハードウェアで、例えば、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ、１つ以上のデジタルシグナルプロセッサなどで実施できる。特定の手段が、互いに異なる従属請求項に挙げられている又は異なる実施形態に説明されているという事実だけでは、これらの手段の組み合わせを有利に使用できないことにはならない。

本明細書で使用する場合「備える（comprises/comprising）」の語は、述べられた特徴、整数、ステップ又はコンポーネントの存在を規定するように使われるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント又はこれらのグループの存在又は追加を排除するものではないことを強調しておきたい。

Claims (15)

1. 二酸化炭素分圧の非侵襲測定のための装置用のセンサヘッドであって、前記センサヘッドが、
   第１の熱伝導部及び前記第１の熱伝導部に配置された第１の熱センサであって、
   前記第１の熱伝導部は、患者の組織と熱接続するように適合され、
   前記第１の熱センサは、患者の組織の表面上にある位置における温度を示す温度を判定するように動作可能である、第１の熱伝導部及び前記第１の熱伝導部に配置された第１の熱センサと、
   前記第１の熱伝導部が患者の組織と熱接続される場合に、前記第１の熱伝導部及び患者の組織から断熱された第２の熱伝導部と、
   前記第２の熱伝導部に配置された第２の熱センサと、
   前記二酸化炭素分圧を示すセンサ信号を生成するように動作可能である被分析物センサと、
   前記第２の熱伝導部の温度を制御するように動作可能である加熱装置と、を備え、
   前記第１の熱伝導部は、前記第１の熱伝導部の温度を制御するための加熱要素を持たないことによって、前記第１の熱伝導部の温度が、前記患者の組織の温度に維持される、
   センサヘッドであって、
   前記第１の熱伝導部が、使用中に被験者の皮膚に面する表面を画定する第１の熱伝導層を備え、前記第１の熱伝導層が、前記第１の熱センサを備え、前記第２の熱伝導部が、前記第２の熱センサと前記加熱装置とを含む第２の熱伝導層を備え、前記センサヘッドが、前記第１の熱伝導層から前記第２の熱伝導層を断熱するように動作可能である断熱層を備える、
   センサヘッド。
2. 前記被分析物センサが、前記第２の熱伝導層と熱接触して配置される、請求項１に記載のセンサヘッド。
3. 前記第１及び第２の熱センサが、前記第１及び第２の熱伝導部のそれぞれの温度間の温度差を判定するように動作可能である、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
4. 前記被分析物センサが、ｐＨ電極を備える、請求項１に記載のセンサヘッド。
5. 前記被分析物センサが、光学的測定チャンバを備える、請求項１に記載のセンサヘッド。
6. 前記センサヘッドが、前記第１及び第２の熱センサが判定した前記温度間の温度差を最小化するように、前記加熱装置に供給する電力を制御するためのコントローラを更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
7. 前記センサヘッドが、前記センサ信号を、計算された被分析物濃度の値へと変換するように構成されるプロセッサを更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
8. 前記第１及び第２の熱伝導部が、断熱層を挟み込んだ第１及び第２の熱伝導層として実施される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
9. 被分析物濃度の非侵襲測定のためのシステムであって、前記システムが、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサヘッドと、
   前記被分析物濃度の値を監視するための監視装置であって、
   前記センサ信号を計算された被分析物濃度の値へと変換するように構成される、プロセッサと、
   少なくとも前記第１の熱センサからの温度信号を受信し、前記加熱装置を調整して、少なくとも前記被分析物センサと前記組織の前記測定位置との間の熱平衡を維持するように動作可能であるコントローラと、を備える、監視装置と、を備える、システム。
10. 前記コントローラが、前記加熱装置を調整して、前記組織の前記位置において３７℃以下の温度で熱平衡を維持するように動作可能である、請求項９に記載のシステム。
11. 前記計算された被分析物濃度の値、前記判定された温度又は前記計算された被分析物濃度の値と前記判定された温度との両方を表示するように動作可能であるディスプレイを更に備える、請求項９又は１０に記載のシステム。
12. 前記被分析物がＣＯ_２であり、前記被分析物濃度がＣＯ_２分圧（ｐＣＯ_２）であり、前記被分析物センサがｐＣＯ_２センサである、請求項９〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 既定の基準温度が、３５℃〜３８℃であり、前記プロセッサが、温度依存校正関数に基づいて、前記判定された温度における前記計算された被分析物濃度の値を、前記規定の基準温度における校正された濃度値に変換する、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記コントローラが、前記加熱装置を連続的に調整して、前記第１の熱伝導部と前記第２の熱伝導部との間の熱の差分を実質的にゼロに維持するように動作可能である、請求項９〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 患者の被分析物濃度の非侵襲測定のためのデバイスの温度を制御するための方法であって、前記方法が、
    前記デバイスの第１の熱伝導部に配置された第１の温度センサによって、前記患者の組織の温度を測定するステップであって、前記第１の熱伝導部が、前記患者の前記組織と熱接続するものと、
    前記デバイスの第２の熱伝導部に配置された加熱要素の温度を調整するステップであって、前記第２の熱伝導部が、前記第１の熱伝導部から断熱されて、前記組織と前記第２の熱伝導部との間で熱平衡を維持するものと、
    を含み、
    前記被分析物濃度が、二酸化炭素分圧を含み、
    前記デバイスの前記第１の熱伝導部は、前記第１の熱伝導部の温度を制御するための加熱要素を持たない、
    方法。