JP6866399B2 - カメラ及びパルスオキシメータを使用した高解像度血液灌流撮像 - Google Patents

Description

血液灌流は、体内の血管を通して末端の器官や組織へ至る血液の流れである。血流（又は血液灌流）は、酸素を細胞へ確実に運搬し、代謝恒常性を維持する上で極めて重要である。血液灌流は、一般に組織の場所によって異なり、また代謝要求の変化によって時間と共に変化し得る為、血液灌流の経時的な空間マップ、即ち３次元量が測定される。例えば、組織修復時や循環性ショック発生時、及び創傷治癒の間、身体の生理機能が変化することによって局所的に灌流が動的に変化する。基準灌流、即ち皮膚表面直下の血液の灌流を測定することは、集中治療時や、形成手術、再建手術、及び火傷手術時の組織生存度評価の際、及び創傷診断時等、内科及び外科のいずれにおいても重要である。

米国特許公開第２０１６／０１４３５３８明細書

本概要は、以下の詳細な説明において更に説明する概念のいくつかを紹介するものである。本概要は、特許請求する主題の重要な又は不可欠な特徴を特定することは意図しておらず、また、特許請求する主題の範囲を限定するための補助として使用することも意図していない。

一態様において、本明細書に記載の実施形態は、拍動血液灌流マップを測定するためのマルチセンサ撮像システムであって、基準血液量波形を生成する１つ以上の高精度血流センサと、第２血液量波形を生成する１つ以上の低精度血流センサと、少なくとも１つの動作可能な接続部によって高精度血流センサ及び１つ以上の低精度血流センサに接続され、基準血液量波形及び第２血液量波形を解析することによって拍動血液灌流マップを生成する制御部とを備えるマルチセンサ撮像システムに関する。

他の一態様において、本開示の実施形態は、患者の基準部位に配置した１つ以上の高精度血流センサを使用して基準血液量波形を得ることと、これと同時に、１つ以上の低精度血流センサを使用して患者の身体の任意の対象領域の第２血液量波形を得ることと、基準血液量波形を使用して第２血液量波形の振幅を推定することと、拍動灌流マップに比例する、血液量波形の振幅の空間マップを生成することとを含む拍動血液灌流マップを測定する方法に関する。

特許請求する主題の他の態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲によって明らかになるであろう。

添付図面を参照し、発明の特定の実施形態を説明する。しかし、添付図面は、開示の特定の態様又は実施方法のみを例として示すものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。

本開示の実施形態に係る推定血液灌流マップの画素ブロックあたりの平均ＳＮ比（ｄＢ）の変化を示すグラフである。 カメラのみの方法を使用した推定血液灌流マップの、対応する画素ブロックあたりのＳＮ比を示すグラフである。 図３（ａ）は、本開示の実施形態に係る、数人の患者の平均灌流の時間的な変動を示す図の１つであり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の患者の、指定時点である５０秒、１５０秒、及び１８０秒における代表的な血液灌流画像を示す図である。 図４（ａ）は、本開示の実施形態に係る、数人の患者の平均灌流の時間的な変動を示す図の１つであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の患者の、指定時点である５０秒、１５０秒、及び１８０秒における代表的な血液灌流画像を示す図である。 図５（ａ）は、本開示の実施形態に係る、数人の患者の平均灌流の時間的な変動を示す図の１つであり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の患者の、指定時点である５０秒、１５０秒、及び１８０秒における代表的な血液灌流画像を示す図である。 図６（ａ）は、本開示の実施形態に係る、数人の患者の平均灌流の時間的な変動を示す図の１つであり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の患者の、指定時点である５０秒、１５０秒、及び１８０秒における代表的な血液灌流画像を示す図である。 本開示の実施形態に係る様々なシステム構成の１つを示す図である。 本開示の実施形態に係る様々なシステム構成の１つを示す図である。 本開示の実施形態に係る様々なシステム構成の１つを示す図である。 本開示の実施形態に係る様々なシステム構成の１つを示す図である。 本開示の実施形態に係る様々なシステム構成の１つを示す図である。 本開示の実施形態に係る方法を描いたフロー図である。

添付の図を参照して具体的な実施形態を以下に説明する。以下の説明において、多くの詳細な具体例を開示の例として記載している。これらの具体例がなくても本開示の１つ以上の実施形態が実施可能であり、また開示の範囲から逸脱することなく多くの変形形態又は修正形態が可能であることを当業者は理解するであろう。説明が分かり難くなるのを避ける為、当業者に知られている特定の詳細は省略している。

本明細書に開示する実施形態は全体として、拍動血液灌流マップを生成するための方法、システム、及び装置に関する。より具体的には、本明細書に開示する実施形態は、高精度血流センサと、低精度血流センサと、高精度血流センサ及び低精度血流センサに少なくとも１つの動作可能な接続部によって接続された制御部とによって形成された、拍動血液灌流マップを測定するためのマルチセンサ撮像システムに関する。１つ以上の実施形態において、本開示に係るシステム及び方法は、高精度センサ（例えば、パルスオキシメータ等）を低精度センサ（ビデオカメラ等）に組み合わせることによって血液灌流を測定するためのマルチセンサ方式を含み、血液灌流マップを生成することができる。いくつかの実施形態では、血液灌流撮像時の信号モデルの違いが、カメラ動作パラメータの差異の根拠になり得る。血液灌流撮像時の信号モデルは、カメラ及びパルスオキシメータからの測定値を組み合わせることによって３次元血液灌流マップを推定する最大尤度（ＭＬ）推定器を含んでよい。

上記のように、血液灌流は、体内の血管を通して末端の器官や組織へ至る血液の流れである。血液灌流は、周期的な変動で変化する拍動流である為、身体の特定の領域における拍動血液灌流を測定することによって、様々な病状の診断に有益な情報を提供する拍動血液灌流マップを生成することができる。灌流測定は、糖尿病性足潰瘍等の基準動脈疾患（ＰＡＤ）の診断、手術中の患者の灌流の監視、及び集中治療室（ＩＣＵ）における救命救急患者の監視にとって重要である。しかし、レーザードップラー流量計や（パルスオキシメータのみを使用して測定される）灌流指数等の血液灌流を測定するための既存の点方式は、診断上の価値を有する可能性のある、血液灌流における空間的変化を捕捉しない為、有用ではない。

レーザースペックルコントラスト撮像、レーザードップラー撮像装置、及び蛍光血管造影等の血液灌流を測定するための既存の撮像方式が、血液灌流マップを測定するために市販されている。しかし、これらの装置は、（ｉ）かさばり、特殊な測定手順を必要とし、（ｉｉ）進行中の治療を妨げたり患者に不快感を与えたりする可能性がある為、一般的に手術室や集中治療室（ＩＣＵ）のベッド脇では使用されず、（ｉｉｉ）患者の診断のためのポイントオブケア用装置として日常的に使用するには高価すぎる。本開示に係る方法及びシステムでは、安価で使い易いマルチセンサカメラ型の方式を使用して、信頼性の高い空間的及び時間的な血液灌流マップを得ることができる。

本開示に係る方法は、測定装置のシステムからの測定値を組み合わせて、患者の身体の広い領域に亘る高精度拍動血液灌流マップを生成する方法を提供する。具体的には、本開示に係るマルチセンサ撮像システムは、１つ以上の全く異なる装置を組み合わせ、拍動灌流マップの精度を向上させることができ、この為、臨床用途として有用であり、臨床装置としての更なる開発に適している。

本開示に係る方法は、患者の複数のセンサ測定値を組み合わせることによって拍動血液灌流マップを生成することができる。１つ以上の実施形態において、拍動血液灌流マップを作成するための撮像システムは、複数のセンサ及び１つ以上の制御部を備えてよく、センサと制御部とは１つ以上の動作可能な接続部によって結合されてよい。いくつかの実施形態において、センサ測定値は異なる種類のセンサから得られてよい。複数のセンサ測定値を組み合わせることによって、１つのセンサ又は同種の複数のセンサから得られる血液灌流マップと比較して、拍動血液灌流マップの精度を向上させることができる。

様々な実施形態において、高精度血液量センサは、患者の身体の基準位置における血液量の変化を測定し、基準血液量波形を生成する。この基準血液量波形を、任意の低精度血液量センサと組み合わせることによって、血液灌流撮像の全体的な精度を向上することができる。例えば、高精度血液量センサを使用して、第１基準血液量の変化波形を生成し、次にこの第１基準血液量の変化波形を使用して、患者の身体の同じ領域又は別の領域における血液量を測定する低精度血液量センサから得られた第２血液量波形の精度を向上させることができる。また、低精度血液量センサから得られる測定値は、高精度血流センサと同じ撮像領域からの情報を含んでもよく、又は異なる領域からの情報を含んでもよい。１つ以上の実施形態において、高精度血液量センサは、患者の身体の基準部位に配置してもよい。本明細書で定義するように、基準部位は、患者の身体の外部（又は内部）の任意の部分の領域であり、指、若しくは耳たぶ、若しくはつま先、若しくは額（パルスオキシメータの場合）、胸（心電図の場合）等、又は動脈カテーテルの場合、手首、肘、鼠径部、若しくは足等である。本明細書で定義するように、患者の身体の撮像部位は、血液灌流マップの測定が必要な任意の外部又は内部身体部位とする。

上記のように、本開示に係るマルチセンサ撮像システムは、１つ以上の全く異なる装置を組み合わせ、高精度血液量センサ（パルスオキシメータ等）からの信頼性の高い血液量波形を基準として用い、この基準波形を、カメラ等の低精度血液量センサから得られるノイズを含む血液量波形と関連付けることができる。いくつかの実施形態において、基準波形はカメラの各画素と関連づけられ、撮像される任意の皮膚表面の、正確で高分解能の灌流マップが作製される。この構成については、下記の適用例の項で、図７に関して更に詳細に説明する。

１つ以上の実施形態において、高精度血液量センサは、基準位置における局所的な血液量の変化を求めるパルスオキシメータを含んでよく、この局所的な血液量の変化を使用して、血液灌流を得ることができる。パルスオキシメータは、狭い領域の血液灌流を高精度に測定する物理的な装置であってよい。パルスオキシメータは、基準部位における局所的な血液量を経時的に測定してよく、これによって基準部位の血流と等しい血液量の変化率を求めることができる。

基準部位における心臓関連のパルス信号を測定するのに、血液量センサではなく、心電計又は動脈カテーテル等の他の高精度センサを使用して、本開示から逸脱することなく脈圧波形を測定することも考えられる。

高精度血液量センサが、低精度血流センサと同じカメラ又は別のカメラでよいということも考えられる。いくつかの実施形態において、高精度血液センサは、基準皮膚表面の映像を記録するように構成されてよく、参照によってその全体が援用される特許文献１に記載されたものを含む複数の技術を使用することにより、この映像を使用して信頼性の高い血液量波形を生成することができる。この構成については、下記の適用例の項で、図８及び図１２に関して更に詳細に説明する。１つ以上の実施形態において、カメラ視野領域上の特定の異なる領域を選択することによって、単一のカメラが高精度血流センサ及び低精度血流センサの両方として機能してよい。例えば、許容可能なＳＮ比を有するＣＣＤチップ上の画素の一部を高精度の血液測定値を記録するために割り当て、残りを１つ以上の低血流感知領域に使用して目標灌流マップを作成してもよい。

１つ以上の実施形態において、低精度血流センサは、患者の身体の基準部位及び複数の撮像部位の両方の画像を生成する、ビデオカメラ等の物理的な装置であってよい。このような実施形態では、撮像部位は、患者の身体の内部又は外部の部位であってよい。物理的な装置は、例えば、電荷結合素子、又は光に当たると画像等の電気信号を生成する他の構造を備えてよい。

低精度血流センサによって生成される画像は、高精度血流センサが基準部位における局所的な血流を測定するのと同じ時間に亘って生成されてよい。高精度血流センサが基準部位における局所的な血流を測定するのと同じ時間に亘って基準部位の画像を生成することによって、基準部位の画像を、測定された基準部位の局所的な血流と関連付けすることができる。更に、生成された画像の画素によって、各画素に対応する患者の各位置における患者の血流の大まかな推定を得ることができる。

低精度センサの実施形態は、１つのカメラには限定されない。低精度センサは、患者の身体の各部を別々に撮像する任意の数のカメラを含んでもよい。更に、撮像される患者の部位は、例えば、患者の皮膚等の外部の部位に限定されない。カメラを使用して、患者の内部部位を撮像してもよい。例えば、器官や創傷部位、即ち、腸、腎臓、肺、心臓、脳等の身体の内部器官を、腹腔鏡カメラを使用するか、又は開腹手術中に外部に取り付けられたカメラを使用して、本開示から逸脱することなく撮像することができる。この構成については、下記の適用例の項で、図７に関して更に詳細に説明する。

高精度血流センサ及び低精度血流センサの少なくとも一方が、光学フィルタを備えたカメラを含むことも考えられる。緑、赤、青、赤外（ＩＲ）、近赤外等の動作放射波長範囲の任意の組合せを選択する光学フィルタが市販されている。光の波長が異なると浸透深さが異なることから、異なるフィルタを利用することによって異なる深さにおける血液灌流の推定が可能になる。即ち、異なるフィルタを用いることによって、厳密な断層映像ではないが、断層映像に近い血流データの生成が可能になる。更に、高精度血流センサ及び低精度血流センサのそれぞれが、同じ又は異なる光学フィルタを備えたカメラであってもよい。いくつかの実施形態において、高精度血流センサ及び低精度血流センサの両方あるいはいずれか一方として機能するカメラの前に配置したフィルタを、適切な励起光源を使用することによって補完してもよい。例えば、カメラが赤外線フィルタを備える場合、赤外線光源を使用してカメラが受ける信号を強調することができる。

１つ以上の実施形態において、高精度センサはパルスオキシメータであり、低精度センサはカメラである。パルスオキシメータ及びカメラは共に、基準部位における血液量の経時的変化を、光学手段を介して測定する。パルスオキシメータは、単純なスポット測定装置であり、１つの身体位置の血液量波形を信頼性よく測定できるが、皮膚表面の広い領域の空間測定を同時に行うことはできない。これに対し、カメラによる血液量波形測定値にはノイズが含まれるが、カメラを使用すると、特有の空間的な範囲に応じて、撮像する皮膚表面の広い領域の空間測定を同時に行うことができる。画像センサの各画素は、撮像する皮膚表面の位置に実質的に対応して（距離を置いて）取り付けられ、その位置の血液量波形の、個別ではあるがノイズを含む測定値を提供するパルスオキシメータと考えることができる。

１つ以上の実施形態において、マルチセンサ撮像システムは、少なくとも１つの制御部を備えてよい。本実施形態によれば、制御部は、患者の身体の局所的な血流測定と、基準部位及び撮像部位の画像と、に基づき拍動血流マップを生成するように構成されたハードウェア装置であってよい。制御部は、１つ以上の動作可能な接続部によって高精度センサ及び低精度センサに接続されてよい。

１つ以上の実施形態において、ハードウェア装置は、例えば、特定用途向け集積回路、デジタルシグナルプロセッサ、プログラマブルゲートアレイ、集積回路、又は回路を含むプリント回路基板であってよい。ハードウェア装置が、制御部のプロセッサが実行すると、制御部に本明細書に記載の制御部の機能を実行させる命令を格納する、コンピュータで読取可能な非一時的な媒体を含むことも考えられる。

本実施形態によれば、制御部は、高精度センサからの局所的な血流測定値、及び低精度センサが生成した画像を得ることによって拍動血流マップを生成してもよい。例えば、制御部は、高精度センサからの測定値を動作可能な接続部によって得てよい。他の例では、制御部は、制御部に動作可能に接続され、測定値及び画像が保存された記憶装置から測定値及び画像を得てもよい。

本明細書に説明するように、制御部は、低精度血流センサから得た画像を解析し、高精度血流センサが患者の身体の血流測定を行った周辺部位に関連付けられた少なくとも１つの画素を求めてもよい。制御部は、例えば、生成された画像と周辺部位との予め決められた空間的関係を使用して画像を解析してよい。他の例では、制御部は、画像認識を使用することによって画像を解析してよく、患者の身体の既知の部位を特定し、既知の部位に基づき、予め決められた既知の部位と基準部位の空間的関係を使用して、少なくとも画像の画素を特定する。

例えば、高精度センサがパルスオキシメータであり、低精度センサがＣＭＯＳ／ＣＣＤカメラである場合、拍動血液灌流マップを測定する方法は以下のアルゴリズムを含んでよい。まず、パルスオキシメータを使用し、身体の信頼度の高い位置において基準血液量波形を得る。次に、皮膚表面上又は任意の内部組織の任意の対象領域（ＲＯＩ）の映像がＣＭＯＳ／ＣＣＤカメラを使用して同時に記録される。このような実施形態においては、緑色光学フィルタ等の光学フィルタをカメラの前に配置してもよい。しかし、目標とする領域の深さによって他の光学フィルタを使用することも考えられる。その後、カメラセンサの各画素ブロックから得た血液量波形の振幅が、パルスオキシメータを使用して記録した基準血液量波形を前提として推定される。より詳細には、後述するように、式４で表される振幅の最尤推定器を使用してもよい。このような実施形態においては、生成された血液量波形の振幅の空間マップは、拍動灌流マップに比例する。パルスオキシメータから得た血液量波形を基準として使用することにより、増幅が固定されていることから振幅推定器の精度が向上する。この構成については、下記の適用例の項で、図７に関して更に詳細に説明する。

単一のカメラではなくカメラアレイを使用することもでき、各カメラが、各カメラの前に異なる光学フィルタ（例えば、緑、赤、赤外等）を有し、異なる組織深さにおける拍動灌流マップを得ることも考えられる。光は波長が長いほど、組織の深くまで浸透する。これによって、光の単一波長を使用して得られる単なるトポグラフィーマップではなく、拍動灌流のトモグラフィーが得られる可能性がある。

１つ以上の実施形態において、基準血液量波形は、カメラベースの方法を使用して（例えば、参照によってその全体が援用される特許文献１に記載のカメラベースのフォトプレチスモグラム推定を使用して）推定してもよい。

可視光及び近赤外光の組織への浸透深さの限界が数ミリメートルであることが、本発明の制限の１つになる可能性がある。そのような場合、本明細書に記載のような方式は、皮膚表面直下又は内部組織直下の末梢灌流の測定に制限される可能性がある。これについて、上記に強調した用途の場合、例えば、集中治療室における患者の監視、末梢動脈疾患の診断のため、若しくは、手術中に内部又は外部の血液灌流を監視するための末梢灌流の測定、又は集中治療室における末梢灌流の測定等の場合、許容可能と考えられる。灌流を測定するための他の全ての撮像方式（例えば、レーザースペックルコントラスト撮像、レーザードップラー灌流撮像、又は蛍光血管造影）も、同様の制限を受ける可能性がある。

血液灌流信号モデル

本明細書で定義するように、血流（又は血液灌流）は、血液量の変化率である。血管内の血液の量は、一般に、心臓の鼓動と同期して変化する。心拍数は、恒常性維持機能においてほぼ一定であるので、血液量の変化率は、血液量波形の振幅に比例する。従って、血液量波形の振幅を、異なる組織位置において経時的に推定することにより、空間的血液灌流マップを測定する。１つ以上の実施形態において、本開示に係る方法は、カメラ及び他の光学装置等の情報源を含む光学情報から血液量波形を生成する血液灌流信号モデルを採用してよい。

血液灌流推定

本開示に係るマルチセンサ撮像システムを使用した血液灌流推定は、光学装置からの未処理映像記録に対して実行される連続する２つの前処理段階を含んでもよい。前処理段階の後、カメラ及びパルスオキシメータの記録からの処理された灌流信号は血液灌流マップを推定するために融合される。

上記ＭＬ推定の信号対雑音比は、対象とする信号のＳＮ比と同じであり、式６に示すように推定できる。

モーション補正

誤差は、基準パルス波形に比例する為、本発明の１つ以上の実施形態において、（従来のオプティカルフローアルゴリズムのどれを使用しても含まれる）オプティカルフローパス中の誤差を除去することができる。従って、オプティカルフローパス中の誤差は、得られた誤差を含むオプティカルフローパスから、パルス信号を無相関化することによって除去できる。オプティカルフロー中の誤差が除去されると、訂正したオプティカルフローパスを使用して、信頼性の高い血液灌流マップを得ることができる。この構成については、下記の適用例の項で、図１０に関して更に詳細に説明する。

本発明の１つ以上の実施形態において、撮像する皮膚表面の血液量の変化による明るさの変動に対して変化しない、任意の特殊なオプティカルフローアルゴリズムを使用して、正しいオプティカルフローパスを得ることができる。正しいオプティカルフローパスを得るために、空間勾配特徴のマッチングに基づくもの、画像の質感をマッチングするもの、又は明るさに対し変動が生じない、平均減算正規化相互相関、センサス変換、又は平均減算した絶対差の和をマッチングするもの等、明るさに対し変動が生じないオプティカルフローアルゴリズム、又は他の任意の明るさに対し変動が生じない特徴を使用することができる。明るさに対し変動が生じないオプティカルフロー方法を使用して誤差の無いオプティカルフローパスを得ると、次に誤差の無いオプティカルフローパスを使用して、信頼性の高い血液灌流マップを得ることができる。この構成については、下記の適用例の項で、図１１に関して更に詳細に説明する。１つ以上の実施形態において、制御部は、求められた画像の各画素のオプティカルフローパスを使用して、患者の各撮像部位における局所的血流を求めることができる。

いくつかの実施形態において、開示のマルチセンサ方式は、灌流マップの画素あたりの信号対雑音比を、最大３ｄＢ改善することができる。例えば、マルチセンサ法を使用して、カメラのみの方法と比較して２〜３倍の空間分解能をもつ灌流マップが作成されている。閉塞後反応性充血（ＰＯＨＲ）テスト中に、本開示のマルチセンサ撮像システムを使用して手のひらの血液灌流を測定すると、既存のレーザードップラー式灌流監視装置を使用したデータを再現できるが、このシステムははるかにコストが低く、移動可能な構成であり、臨床装置として更なる開発に適している。１つ以上の実施形態において、本開示に係るマルチセンサ撮像システムは、４×４画素ブロックの最小空間平均を含み、血液灌流マップを生成するカメラのみを使用する技術と比較して、画素ブロックあたり０．５〜３ｄＢ高い信号対雑音比（ＳＮ比）をもつ血液灌流マップを作成することができる。以下の例に示すように、標準化された閉塞後反応性充血（ＰＯＨＲ）試験を４人の健康な個体に対して行うことによってマルチセンサの機能性が確認された。また得られた血液灌流測定値が、レーザードップラー灌流監視装置を使用して測定された公開されているＯＨＲ試験応答曲線と一致することがわかった。

（実施例）

以下の実施例は、本開示に係るマルチセンサ撮像システムの特性を更に示すために提示するものであり、添付の特許請求の範囲に明白に示さない限り、開示の範囲を制限すると解釈すべきではない。

２組の実験を提示した。第１の組では、本明細書に記載のマルチセンサ撮像システムと、ＡＤコンバータの量子化レベルの機能としてカメラのみの方法とを使用し、血液灌流撮像の画素ブロックあたりの平均ＳＮ比を特徴付けるように制御された実験を行い、空間平均化フィルタサイズＭが使用された。第２の組の実験では、４つの健康な個体に対して標準の閉塞後反応性充血（ＰＯＨＲ）テストを行い、閉塞事象の前、その途中、及び後に、手のひらの血液灌流の変化を測定した。

実験構成には、５２０ｎｍ〜５６０ｎｍの光通過帯域を有する緑色光学フィルタを配置した単色ＣＭＯＳカメラ（ＰｏｉｎｔＧｒｅｙ製Ｇｒａｓｓｈｏｐｐｅｒ ＧＳ３−Ｕ３−２３Ｓ６Ｍ−Ｃ）が含まれている。ヘモグロビンの吸収スペクトルのピーク波長が約５３０ｎｍである為、緑色光学フィルタを使用すると、カメラを使用した血液量波形のＳＮ比が改善する。カメラは、３０ｆｐｓで動作し、自動ゲインコントロール及びガンマ補正はオフとし、露出時間は１２ｍｓとする。全ての実験において、カメラは、支持台の上に置かれた手のひらの映像を記録する。手のひらへ流れる血流の閉塞は、標準的な加圧カフを同じ手の腕に使用して行った。Ｂｉｏｐａｃ ｓｙｓｔｅｍ製データ取得ユニットＭＰ１５０を基準パルスオキシメータとして使用して、もう一方の手の中指から、血液量波形を同時に記録した。

（ａ）灌流撮像のＳＮ比

図１は、本明細書に記載のマルチセンサ撮像システムを使用した推定血液灌流マップの（式（６）を使用して計算した）画素ブロックあたりの平均ＳＮ比（ｄＢ）の変動を、空間平均化フィルタサイズＭ^２を２０×２０から２×２まで変化させて示したものである。図２は、カメラのみの方法を使用した推定血液灌流マップの画素ブロックあたりの対応するＳＮ比を示す。灌流推定の時間窓Ｔは、両方の方法において１０秒に設定する。制御された本実験の間、手の動きによるモーションアーチファクトは小さい状態に維持される為、ノイズ源はカメラ取得処理に起因する。本明細書に記載のマルチセンサから得られた血液灌流マップでは、カメラのみの方法と比較して画素ブロックあたり平均して０．５〜３ｄＢのＳＮ比の改善が観測された。

（ｂ）ＰＯＨＲ試験

この実験では、異なる皮膚の色調を有する４人に対して（白人：１、アジア系：１、及び有色人種：２）、灌流推定の基準線を得るために閉塞の前に手のひらの映像を２分間記録し、閉塞中に計１分間の映像、閉塞後に２分間の映像を記録した。図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、及び図６（ａ）は、閉塞試験の前、途中、後の、４人の被験者の手のひらにおける平均血液灌流の時間的な変動を示す。ＲＦは、閉塞前の静止流量（灌流）、ＭＦは、閉塞終了直後の最大流量である。４人の健康な個体のＰＯＨＲ試験中の手のひらにおける平均灌流の時間的な変動（指を除く手のひらの領域の全ての画素ブロックに亘って平均したもの）を、閉塞の前、途中、後について示している。灌流推定の時間窓Ｔは、閉塞による急激な灌流の変化を記録するために、４秒間の重複期間（スライディング窓）をもつ５秒に設定された。図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、及び図６（ｂ）は、図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、及び図６（ａ）のそれぞれの患者の指定した時点、５０秒、１５０秒、及び１８０秒における代表的なオプティカルフロー画像を示す。図６（ａ）に示すマーキング（長円は被験者４のこの特徴を強調するために使用した）内の推定血液灌流における急激な落ち込みは、基準パルスオキシメータから得た血液量波形の記録アーチファクトに起因する。

これらのＰＯＨＲ応答曲線は、レーザードップラー式の灌流監視によって推定したＰＯＨＲ曲線とよく一致する。（ＲＦで示す）閉塞前の平均灌流は、（ＭＦで示す）閉塞開放直後の平均灌流より低く、ＭＦ／ＲＦの比も動脈の健康状態を評価する診断的価値を有する。平均灌流の基準線周辺の変動は、平滑筋の収縮及び拡張における変化によって生じる血管緊張の周期的な変動に起因する可能性があり、毎分４〜１０サイクル（ｃｐｍ）である。被験者３に関し、推定血液灌流のｔ＝５０秒あたりの急激な落ち込みは、基準パルスオキシメータから得た血液量波形の記録アーチファクトに起因する。

各被験者のＰＯＨＲ応答曲線に隣接して、閉塞及び解放の一連の過程の（破線の矢印で示した）特定の時間における血液灌流の２次元空間マップを示す画像を挿入している。これらの空間マップは、Ｍ^２＝４×４の空間平均化フィルタを使用して生成されている。空間マップ中、暗い画素ブロックほど血液灌流の流れが遅いことを示し、明るい画素ブロックほど血液灌流の流れが速いことを示す。記録された血液灌流には空間的に差異がある。例えば、手のひらの指の根元に近い領域は灌流が速いことを示しているのに対し、手のひらの掌線周辺の領域は血液灌流が遅いことを示している。カメラのみの方法を用いて生成した、ノイズを含む血液灌流マップから、同様の結論を導くのは困難である。本明細書に記載のマルチセンサ撮像システムを使用し、手の閉塞の前、途中、後の血液灌流マップの経時的な映像を使用して、血流の動態を可視化することも可能である。

適用例

本明細書に記載のマルチセンサ撮像システムは、移動可能で安価な血液灌流監視システムとして使用できる。このシステムは、糖尿病患者の創傷治癒の監視、形成外科手術における微小血管再建処置後の皮弁の灌流の監視、皮膚の内皮機能の評価に適用可能である。集中治療室（ＩＣＵ）や手術室（ＯＲ）内のような、多くのケースにおいて、レーザードップラー撮像のような既存のシステムが容易に使用できないのに対し、特許請求するマルチセンサシステムは、受動的で、離れた場所で操作可能な為、このようなケースに適している。本システムによって、手術中やＩＣＵ治療のベッド脇におけるリアルタイムでの血液灌流及び微小循環の監視が実現する可能性がある。

次に図７を参照して、本開示に係るシステム構成を示す。基準パルス信号を確立するために、高精度撮像装置７０２を患者の基準部位に固定する。対象とする第２測定部位に、１つ以上の低精度撮像装置７０４を取り付ける。基準血液灌流が、７０６において確立され、第２測定部位から得た７０８の画像情報と併せて使用される。７０６及び７０８からの情報は、本開示に係る技術を使用して組み合わされ、拍動血液灌流マップが作成される。

次に図８を参照して、本開示に係る追加のシステム構成を示す。基準パルス信号を確立するために、低精度撮像装置８０２を患者の基準部位に固定する。この場合、基準部位は、内部部位、又は、手首や手等の表面近傍の血流量が多い身体領域等、拍動情報に誤差が含まれにくい部位であってよい。これに加え、１つ以上の低精度撮像装置８０４が、対象とする第２測定部位に取り付けられる。基準血液灌流が、８０６において確立され、第２測定部位から得た８０８の画像情報と併せて使用される。８０６及び８０８からの情報は、本開示に係る技術を使用して組み合わされ、拍動血液灌流マップが作成される。

次に図９を参照し、本開示に係る追加のシステム構成を示す。基準パルス信号を確立するために、高精度撮像装置９０２を患者の基準部位に固定する。これに加え、１つ以上の低精度撮像装置９０４の焦点が、対象とする第２測定部位に合わせられる。この場合、身体の１つ以上の内部部位を見るために腹腔鏡又は他の適切な内視鏡が使用される。基準血液灌流が、９０６において確立され、第２測定部位から得た９０８の画像情報と併せて使用される。次いで、９０６及び９０８からの情報は、本開示に係る技術を使用して組み合わされ、拍動血液灌流マップが作成される。

次に図１０（ａ）〜図１０（ｄ）を参照し、低精度撮像装置からのオプティカルフローをパルスオキシメータ等の基準装置からの入力を使用して修正する一実施形態を示す。特に図１０（ａ）を参照すると、低精度血流センサから得たオプティカルフローのｘ−成分（黒の記録線）が、時間の関数として描かれている。同様に、オプティカルフローのｙ−成分を図１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）の両方において、オプティカルフロー情報に重ねて、グラウンドトルースオプティカルフロー（灰色記録線）も示しており、これは患者における点の真の動きであり、ｑと定義する。明るさが一定と仮定することによるオプティカルフロー中の誤差は、図１０（ｃ）に示すパルス信号ｐ（ｔ）に比例する。オプティカルフロー中の誤差をここでは疑似モーションとも呼ぶ。

次に図１１を参照し、１１０２の不安定な被験者からモーションアーチファクトを除去する一実施形態を示す。図１１内の１１０６から始まるフローチャートに示すように、患者又は被験者が動くと撮像する皮膚表面も動く。これに対処するために、明るさに対し変動が生じないオプティカルフローアルゴリズムを使用し、誤差の無いオプティカルフローパスｘ（ｔ）を得る。次に、誤差の無いオプティカルフローパスを１１１０で使用し、本開示の方法に従って血液灌流マップを作成する。

本開示に係る方法の可能な実行手順の概略を示すために、図１２にフロー図を示す。図１２に示すように、カメラ又はカメラアレイ等の低精度撮像装置１２０２を使用して、患者の任意の部位の血流を測定する。低精度撮像装置１２０２から受けた映像記録は、次いで、１２０４において、種々のフィルタ技術を使用した事前処理、及びＡＣ／ＤＣ比を使用した照度の正規化、の一方または両方を行ってもよい。次に、１２１８において、本開示に係る技術を使用して、映像記録から血液量信号を抽出する。高精度又は低精度撮像装置１２１４から得た基準測定値を使用し、次に１２１２において遅延τを求める。遅延τは高精度血流測定値と低精度血流測定値との間の時間遅延であり、これを使用し、１２１６において基準血流測定値の時間整合を行う。高精度血流センサ１２１４からの時間整合された基準血流測定値を使用し、次に１２２０において、低精度撮像装置１２０２の部位から灌流マップを推定する。次いで、灌流測定値を集めて拍動血液灌流マップを作成することができる。

低精度撮像装置１２０２から受けたオプティカルフローに誤差が検出された場合、１２０６において、明るさに対し変動が生じない特徴を使用してオプティカルフローを修正してよく、次に１２０８において、本発明の方法に従って高精度撮像装置１２１４からの１２１６の時間情報を使用して残りの誤差を補正してもよい。次いで、上に説明したように本方法を１２１８から継続してもよい。

他の一実施形態においては、カメラやカメラアレイ等の低精度撮像装置１２０２を使用して、基準高精度血流信号を得ることも可能である。従って、本実施形態では、１２１４と１２０２は同じ装置であり、即ち、カメラ又はカメラアレイである。低精度装置から高精度基準血流信号を得るために、撮像する皮膚表面から高いＳＮ比の領域を選択することができる。ＳＮ比が高い領域を選択するための可能性のある手法の１つは、参照によってその全体が援用される特許文献１に記載のＤｉｓｔａｎｃｅＰＰＧアルゴリズムを使用することである。次に１２２０において、高精度基準血流信号を使用して、低精度撮像装置１２０２の部位からの灌流マップを推定する。次いで、灌流測定値を集めて拍動血液灌流マップを作成することができる。

本開示の１つ以上の実施形態は、以下の利点を提供することができる。本明細書に記載のシステムは移動可能で安価な血液灌流監視システムを提供する。加えて、本実施形態に係るシステムは、以下のものを提供することができる。１）ＩＣＵの救命救急患者のベッド脇における、リアルタイムでの拍動血液灌流及び微小循環の監視、２）糖尿病患者の創傷治癒の監視、３）形成外科手術の患者の微小血管再建処置後の皮弁血液灌流の監視、４）例えば、顔、手、足等の異なる身体位置の基準血液灌流を測定することによる手術中の患者の麻酔レベルの監視、５）手術中及び手術後の両方あるいは一方における胃腸管外科患者の内部器官組織の血液灌流の監視。

以上、本発明を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、本開示から利益を得る当業者は、本明細書で説明する本発明の範囲を逸脱することなく他の実施形態を考案できることを理解するであろう。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (19)

1. 拍動血液灌流マップを測定するためのマルチセンサ撮像システムであって、
   患者の基準部位に配置され、基準血液量波形を生成する１つ以上の高精度血流センサと、
   前記患者の任意の部位における第２血液量波形を生成する１つ以上の低精度血流センサと、
   少なくとも１つの動作可能な接続部によって前記１つ以上の高精度血流センサ及び前記１つ以上の低精度血流センサに接続され、前記基準血液量波形及び前記第２血液量波形を解析することによって前記拍動血液灌流マップを生成し、前記１つ以上の高精度血流センサから得られた前記基準血液量波形を使用して、前記１つ以上の低精度血流センサから得られた前記第２血液量波形の精度を向上する制御部と
   を備えるマルチセンサ撮像システム。
2. 前記１つ以上の高精度血流センサが、パルスオキシメータ、心電計、動脈カテーテル、及びカメラ式フォトプレチスモグラフィ装置からなる群から選ばれた１つ又は複数のものである、請求項１に記載のマルチセンサ撮像システム。
3. 前記１つ以上の高精度血流センサ及び前記１つ以上の低精度血流センサが、同じ物理カメラ装置の同じ視野又は異なる視野を参照する、請求項１に記載のマルチセンサ撮像システム。
4. 前記１つ以上の低精度血流センサが、前記患者の身体の基準部位及び撮像部位の少なくともいずれかにおける血流を測定する、請求項１に記載のマルチセンサ撮像システム。
5. 前記撮像部位が、前記患者の前記身体の内部部位又は外部部位である、請求項４に記載のマルチセンサ撮像システム。
6. 前記１つ以上の低精度血流センサが、光に当たると電気信号を生成する構造を少なくとも備える物理的な装置である、請求項４に記載のマルチセンサ撮像システム。
7. 前記１つ以上の高精度血流センサが基準部位における局所的血流を測定する期間と同じ期間に亘って、前記１つ以上の低精度血流センサが画像を生成する、請求項６に記載のマルチセンサ撮像システム。
8. 光に当たると電気信号を生成する構造を少なくも備える前記物理的な装置がカメラであり、前記カメラが光学フィルタを備える、請求項６に記載のマルチセンサ撮像システム。
9. 前記高精度血流センサの１つ以上及び前記１つ以上の低精度血流センサがカメラであり、少なくとも１つのカメラが光学フィルタを備えている、請求項１に記載のマルチセンサ撮像システム。
10. 前記少なくとも１つのカメラが赤外線カメラである、請求項９に記載のマルチセンサ撮像システム。
11. 光源が、前記少なくとも１つのカメラが備える前記光学フィルタの透過波長領域に対応する波長領域で被験者を照らす、請求項９に記載のマルチセンサ撮像システム。
12. 前記制御部が、局所的血流測定値と、前記患者の身体の１つ以上の基準部位の画像と、前記患者の前記身体の１つ以上の撮像部位の画像とに基づき、拍動血液灌流マップを生成するハードウェア装置である、請求項１に記載のマルチセンサ撮像システム。
13. 拍動血液灌流マップを測定する方法であって、
    患者の基準部位に配置した１つ以上の高精度血流センサ（動脈カテーテルを除く）を使用して基準血液量波形を得る手順と、
    これと同時に、１つ以上の低精度血流センサを使用して前記患者の身体の任意の対象領域の第２血液量波形を得る手順と、
    前記基準血液量波形を使用して前記第２血液量波形の振幅を推定する手順と、
    拍動灌流マップに比例する、前記血液量波形の前記振幅の空間マップを生成する手順と、
    を含み、
    さらに、前記１つ以上の高精度血流センサから得られた前記基準血液量波形を使用して、前記１つ以上の低精度血流センサから得られた前記第２血液量波形の精度を向上する手順と、
    を含む、拍動血液灌流マップを測定する方法。
14. 前記１つ以上の高精度血流センサが、パルスオキシメータ、心電計、及びカメラ式フォトプレチスモグラフィ装置からなる群から選ばれた１つ又は複数のものである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記高精度血流センサの１つ以上及び前記１つ以上の低精度血流センサがカメラであり、少なくとも１つのカメラが光学フィルタを備えている、請求項１３に記載の方法。
16. 前記振幅を推定することが、前記高精度血流センサを使用して記録した前記基準血液量波形を前提として、前記カメラセンサの各画素ブロックから得た前記第２血液量波形の前記振幅を推定することによって行われる、請求項１３に記載の方法。
17. 前記１つ以上の高精度血流センサがパルスオキシメータであり、前記１つ以上の低精度血流センサがビデオカメラを備える場合、前記ビデオカメラセンサの各画素ブロックから得た前記第２血液量波形の振幅が、パルスオキシメータを使用して記録した前記基準血液量波形を前提に推定される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記１つ以上の低精度血流センサに対応するオプティカルパスからパルス信号を無相関化することによって前記血液灌流マップから誤差を除去する手順を更に含む、請求項１３に記載の方法。
19. 対象領域の血液量の変化に起因する明るさの変動に対し変動が生じないオプティカルフローアルゴリズムを用いて、前記血液灌流マップから誤差を除去する手順を更に含む、請求項１３に記載の方法。

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