JP6864185B2 - 個体の生物学的又は生化学的パラメータを非侵襲的にモニタする方法及びシステム - Google Patents
個体の生物学的又は生化学的パラメータを非侵襲的にモニタする方法及びシステム Download PDFInfo
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Description
として推定されることが可能であり、ここで、βは、スペックルパターンの相対的なシフトδに比例し(すなわち、点Aと点Bとの間の距離)、αは物体の表面の傾斜角であり、λは光学波長である。角度の変化が十分に小さいと仮定すると、相対的なシフトと傾斜の角度との間で線形比例が得られる。
U1は内臓102とマイクロプローブ20の入力端21との間の距離であり、U2はマイクロプローブ20の出力端22の間の距離であり、Vは光学アセンブリ112の光学中心と検出器アレイ10との間の距離であり、Fは光学アセンブリ112の焦点距離である。本開示の焦点ぼけの構成では、上述した関係を用いて得られた光学アセンブリ112の上記位置は、わずかな焦点ぼけが存在するように配慮されていない。例えば、光学アセンブリ112と検出器アレイ111との間の距離は、上述した関係を用いて得られた距離Vとは異なる。
以下のセクションは、血中グルコース濃度と、対象者の手首の皮膚の振動によって引き起こされたスペックルパターンの時間変化(すなわち、空間相関関数の経時変化)を示す時変関数のパラメータとの間の関係を決定するため、本発明者らによって人間の対象者に行われたテストに関して言及する。
で説明され、Cv(t)は時間tにおける静脈中のグルコース濃度であり、Fは血流(血液の量、通常はリットル毎分で表す)であり、q0は、グルコースパルスに対応し、鼓動ごとの血液(Kg)中のグルコースの量(mg)を表し、εは、血液系から抽出されて代謝される(従って、静脈の出口で回収されない)グルコースパルスの断片であり、h(t)は、静脈内のグルコースパルスの出現を遅らせて歪ませる臓器内のグルコースの可逆性脂肪である。
であり、xiがパラメータ値のi番目のサンプルであり、riが参照グルコース測定値のi番目のサンプルであり、Nはサンプルの数である。算出されたサンプルは、すべてのパラメータに関して共通の推定尺度を得るために、RMSE推定量に適用する前に、1のエネルギーを有するように正規化される。
以下のセクションは、血中アルコール濃度と、時間域におけるスペックルパターンの空間相関関数の特徴(例えば相関ピーク及び/又はその値)の経時変化の1以上のパラメータとの間の関係を決定するため、本発明者らによって人間の対象者に実施されたテストに関する。
呼吸は、身体に酸素を供給し、身体から二酸化炭素を除去するプロセスであり、呼吸数は、1分毎になされる呼吸の数である。成人の標準的な数は毎分12〜20呼吸である。
本発明の手法は、血液の凝固条件を決定するためにも用いられ得る。凝固は、出血を止めて負傷を治すために負傷後に血液が凝血塊を形成するプロセスである。プロセスは、凝固因子として知られる血小板及び蛋白質の2つの成分を包含する。血小板は、負傷部位の周辺に生じ、同時に、血漿内の蛋白質が、フィブリンの形成に反応して血小板血栓を増加させる。凝固障害は、凝血因子又は血小板のうちの1つに欠乏又は異常がある時に起きる。過剰な凝固(血栓症)傾向の増大、又は、出血(大出血)のリスクの増大のいずれかがあり得る。血液凝固障害は、遺伝性、又は、別の疾病の結果、又は、薬物の副作用でもあり得る。
で規定される。
血中酸素飽和レベルは、酸素が詰め込まれている赤血球の割合である。赤血球が肺を通過する時、赤血球は、その後身体の臓器に運ばれる酸素で飽和している。酸素が飽和している(酸素飽和)赤血球の正常な割合は95%を超える。酸素飽和度が90%未満に低下する時は、低酸素症であるとみなされる。身体は、血中酸素の適正水準の外側では適切に機能することができない。
図28〜図32を説明する以下のセクションは、眼圧(IOP)と時間域における対象者の眼の振動プロファイルのパラメータとの間の関係を決定するため、本発明者らによってウサギに行われたテストに関する。
と推定することができ、この場合、ρは注入液体の濃度であり、gは重力加速度であり、かつ、Δhが高度差である、式6で得られた圧力値の間のmmHg単位への変換は、以下の変換を用いて算出することができる。
上述したとおり、本発明の手法は、脈圧を決定するために用いることができる。これを行うにあたって、図1Bのシステムと同様のシステムが、血管に隣接する患者の皮膚の領域(例えば手首)を照射するために用いられ得る。スペックルパターンの変動は、上述したとおりに検出されて処理され、相関関数と、相関関数の特徴の時間変動(例えばピーク位置及び/又はピークサイズ)を決定する。空間相関関数の変動は、図6Aに示すプロファイルと同様のプロファイルを有しており、ピークの振幅は、測定(照射)箇所における血流量を示す。本発明者は、測定されたデータ(スペックルパターン)の時間的変動が測定箇所内の血流量(運動)に対応するという事実により、時変空間相関関数の主要ピーク(図6Aのパラメータ1)の振幅が患者の脈圧と良好な相関関係にあることを見出した。
本発明の手法は、反芻動物の生物医学的パラメータを決定するためにも用いることができる。例えば心臓の鼓動のモニタリング、パルスカウント、脈圧及び呼吸カウントなどの反芻動物の生物医学的パラメータのモニタは、この情報が、牛の搾乳及び繁殖のタイミングを最適化するために用いられ得るので、牛の場合には非常に重要であり得る。都合の良いことには、このようなモニタは、動物を扱う時には重要である接触なしに実行される。オプトフォン技術を適用して、主要な動脈に近い位置で牛の皮膚の表面を観察することは、運動のモニタ後及び適切な較正後に、リアルタイムで連続的に上述した生物医学的パラメータの抽出を可能にし得る。
本発明の手法は、生物組織の温度を決定するためにも用いることができる。これを行うにあたって、図1Bのシステムと同様のシステムが、生物組織(例えば身体の皮膚の一部)を照射するために用いられ得る。スペックルパターンの変動は、上述したように検出されて処理され、相関関数と、相関関数の特徴(例えばピーク位置及びピークサイズ)の時間的変動とを決定する。実際には、組織の温度は組織の運動プロファイルに関連している。従って、このプロファイルを抽出することによって、適切な較正後、検査される組織の温度を推定することが可能である。
本発明の手法は、流速及び流量をモニタするためにも用いることができる。流速及び流量は、相関ピークの時間パターンのスペクトル成分の時間的変動に相関しており、相関ピークは、流れをモニタする臓器の表面に生成されたスペックルパターンの連続する焦点ぼけ画像同士の間の相関関数から抽出される。実際には、流れる液体内にナノ粒子を挿入して、それらのナノ粒子からの散乱に起因して生成されたスペックルパターンの経時変化を検査することによって、例えばより早い流れがスペックルパターンのより早い運動を生じさせるので、流速及び流量を推定することができる。従って、流速は、検査されたスペックルパターンの経時的ちらつきに比例する。このちらつきは、相関関係ベースの処理によってリアルタイムで計算することができる。
本発明者らは、ボンドフラクション(bond fractions)の測定/検出を目的とした実験を実施した。この目的を達成するために、ラウドスピーカが、身体の部分、例えば患者の手の近くに配置された。ラウドスピーカは、音響信号、すなわち、患者の手に振動を引き起こす圧力波を生成する。フラクションを有するボンドの運動は、フラクションのないものと異なる。上述したオプトフォン(測定ユニット)は、皮膚及びボンド(一連のスペックルパターンを生成する)の運動を検査するために用いられ、制御ユニットは、このデータを処理して、較正された値からの偏差があるかどうかを識別する(第2の骨折していない手であり得る)。スピーカの強度は、スピーカ同士が配置される距離に依存する。患者の手(概して身体部分)から数センチメートルにスピーカを配置すること、及び、約90dBの強度を適用することによって、スピーカが手を振動させ、及び、ボンドがフラクションを有する場合、健康な手がそうであるように振動しない。このことは、適切な較正を行うこと(すなわち、手が骨折する前をマッピングすること)によって、又は、実質的に対称であると仮定される2つの手同士の間の光学応答を比較することによって、識別することができる。従って、ボンドのフラクションを識別/検出するために本発明の手法を実施するには、最初に、振動プロファイル及び周波数領域によって対象者の折れた骨が検査されることである。この測定は基準測定として用いられる。その後、折れた骨(又は、折れたと仮定される骨)が検査され、その振動プロファイル及び周波数が、差異を抽出するため及び骨が折れているかどうかを定義するための基準測定と比較される。フラクションの存在を識別するにあたって、レーザスポットが手をスキャンし、手をポイントごとにマッピングする。この手法は、フラクションの観察のためのレントゲン画像の代替として又は追加として用いることができる。これは、年配女性などのボンド内のカルシウムの不足の兆候であり得る。
Claims (18)
- 対象者の1または複数の血液関連パラメータのモニタに使用するためのシステムであって、前記システムが:
少なくとも1つの照射光ビームを用いて、身体の1または複数の既定の部分のコヒーレントな焦点ぼけ撮像を行い、前記身体の1つまたは複数の既定の部分の各々について、あるサンプリング時間パターンを有するサンプリング時間中に前記既定の部分から収集されたスペックルパターンのシーケンスを含む、焦点ぼけしたコヒーレント画像データを示す測定データを生成するように、構成されて動作可能な撮像装置を備える光学測定ユニット;および
前記測定データの処理を行って1または複数の血液関連パラメータを決定するように構成されて動作可能なプロセッサであって、前記処理が:
前記スペックルパターンのシーケンスから、相関ピークを有する空間相関関数、少なくとも1つの位置の経時変化に対応する時変空間相関関数、前記サンプリング時間における前記相関ピークのサイズおよび振幅を決定するステップであって、前記時変空間相関関数が、少なくとも1つの部分の各々における身体表面の時間的機械的運動のプロファイルを示す、スペックルパターンの経時変化を示すステップ;および
少なくとも1つの選択されたモデルを用いて、前記相関ピークの位置およびサイズの少なくとも1つの経時変化を示す前記データにモデルに基づく処理を適用し、前記1つまたは複数の血液関連パラメータを決定するステップ;
を備えるプロセッサ;
を備えることを特徴とするシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記モデルに基づく処理が、画像データを前記1または複数の血液関連パラメータに変換する変換因子を示す校正データを利用することを特徴とするシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムにおいて、前記1または複数の血液関連パラメータが、以下:呼吸、脈拍、血液凝固、酸素飽和度測定、血流速度、および血流量の少なくとも1つを含むことを特徴とするシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムにおいて、前記1または複数の血液関連パラメータが、呼吸を含むことを特徴とするシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムが、少なくとも脈拍数および呼吸数を同時にモニタするように構成されて動作可能であることを特徴とするシステム。
- 請求項4または5に記載のシステムにおいて、前記時変空間相関関数が、前記相関ピークの相対シフトの振幅の経時変化に対応し、前記処理が、心拍数パターンを識別して分離し、呼吸運動の除去を行うステップを備えることを特徴とするシステム。
- 請求項6に記載のシステムにおいて、前記呼吸運動の除去が、前記時変空間相関関数のスペクトル領域を検査して、呼吸頻度を識別し、その後に時間信号から呼吸頻度を除去するステップを備えることを特徴とするシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムにおいて、前記1または複数の血液関連パラメータが、血液凝固を含むことを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、前記時変空間相関関数が、前記相関ピークの位置およびサイズの少なくとも1つの経時変化に対応し、前記画像データが、前記身体の1または複数の既定の部分に由来する運動プロファイルを示し、前記処理が、前記画像データを血液の凝固条件を表す国際規格化比パラメータに変換する変換因子を示す校正データを利用するステップを備えることを特徴とするシステム。
- 請求項9に記載のシステムにおいて、前記1または複数の既定の身体部分が、主動脈の近くに位置することを特徴とするシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムにおいて、前記1または複数の血液関連パラメータが、血流速度および血流量の少なくとも1つを含むことを特徴とするシステム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記時変空間相関関数が、前記相関ピークの少なくともスペクトル位置の経時変化に対応し、前記処理が、血流速度を、前記スペックルパターンの経時的ちらつきに比例するものとして決定するステップを備えることを特徴とするシステム。
- 請求項12に記載のシステムにおいて、前記測定データが、少なくとも2つの異なる波長のための前記焦点ぼけしたコヒーレント画像データを示すことを特徴とするシステム。
- 請求項13に記載のシステムが、前記2つの選択された波長にそれぞれ対応する前記画像データの2つのデータ片を処理するステップ、および、前記画像データ片の時間的挙動の間の比を決定して酸素飽和度測定データを決定するステップをさらに備えることを特徴とするシステム。
- 請求項12または13に記載のシステムにおいて、前記画像データが、少なくとも2つの既定の身体部分に対応する少なくとも2つの画像データ片を含む、前記焦点ぼけしたコヒーレント画像データを示すことを特徴とするシステム。
- 請求項15に記載のシステムにおいて、前記少なくとも2つの画像データ片が、前記少なくとも2つの既定の身体部分の上で同時に測定され、前記処理が、前記2つの相関ピークの間の時間的相対シフトを決定し、前記身体部分の間の距離を示すデータを利用して前記血流速度を決定するステップを備えることを特徴とするシステム。
- 請求項12または13に記載のシステムにおいて、前記サンプリング時間パターンがGHz範囲の高サンプリングレートを定義し、前記1または複数の既定の身体部分が主動脈の近くに位置し、前記時間的機械的運動が前記血流速度に関連していることを特徴とするシステム。
- 対象者の1または複数の血液関連パラメータのモニタに使用するための方法であって、前記方法が:
少なくとも1つの照射光ビームを用いて身体の1または複数の既定の部分のコヒーレントな焦点ぼけ撮像を行って得られた焦点ぼけしたコヒーレント画像データを示す、測定データを提供するステップであって、前記測定データが、前記身体の1つまたは複数の既定の部分の各々について、あるサンプリング時間パターンを有するサンプリング時間中に前記既定の部分から収集されたスペックルパターンのシーケンスを含むステップ;および
前記測定データの処理を行って1つまたは複数の血液関連パラメータを決定するステップであって、前記処理が:
前記スペックルパターンのシーケンスから、相関ピークを有する空間相関関数、少なくとも1つの位置の経時変化に対応する時変空間相関関数、前記サンプリング時間における前記相関ピークのサイズおよび振幅を決定するステップであって、前記時変空間相関関数が、少なくとも1つの部分の各々における身体表面の時間的機械的運動のプロファイルを示す、スペックルパターンの経時変化を示すステップ;および
少なくとも1つの選択されたモデルを用いて、前記相関ピークの位置およびサイズの少なくとも1つの経時変化を示す前記データの処理を行い、前記1つまたは複数の血液関連パラメータを決定するステップ;
を備えるステップ;
を備えることを特徴とする方法。
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