JP7116042B2 - 被検体の末梢動脈灌流をモニタリングするためのデバイス、システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体の末梢動脈灌流をモニタリングするための処理デバイス、システム及び方法に関する。

末梢灌流は、重症患者について測定する必要がある一般的な血行力学的態様である。フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、灌流をモニタリングするために使用することができる既知の技術である。ＰＰＧは、関心のある領域又は体積の光反射率又は光透過率の経時変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは血液が（周囲の組織よりも）光を吸収するという原理に基づいているので、各心拍での血液量の変動はそれに応じて透過率又は反射率に影響する。心拍数に関する情報に加えて、ＰＰＧ波形は、呼吸等の更なる生理学的現象に起因する情報を含むことができる。異なる波長（典型的には赤及び赤外）における透過率及び／又は反射率を評価することによって、血中酸素飽和度を決定することができる。

患者モニタリングに関連する、ビデオカメラ又はリモートＰＰＧを使用する目立たないバイタルサインモニタリングが実証され発見されている。リモートＰＰＧイメージングは、例えば非特許文献１に説明されている。これは、皮膚内の血液量の時間的変動が皮膚による光吸収の変動につながるという原理に基づいている。そのような変動は、皮膚領域、例えば顔の画像を撮るビデオカメラによって記録することができ、一方、処理は、選択された領域（このシステムでは典型的には頬の部分）にわたるピクセル平均を計算する。この平均信号の周期的な変動を見ることによって、心拍数と呼吸数を抽出することができる。一方、リモートＰＰＧの使用により患者のバイタルサインを取得するためのデバイス、システム及び方法の詳細を説明する更なる刊行物及び特許出願がいくつか存在する。

したがって、動脈血の脈拍は光吸収の変化を引き起こす。光検出器（又は光検出器のアレイ）で観察されるこれらの変化は、ＰＰＧ（フォトプレチスモグラフィ）信号（とりわけ、プレチ波とも呼ばれる）を形成する。血液の脈拍は心臓の鼓動によって引き起こされる、すなわち、ＰＰＧ信号のピークは心臓の個々の鼓動に対応する。したがって、ＰＰＧ信号はそれ自体ハートビート信号である。この信号の正規化された振幅は、波長ごとに異なり、また、波長によっては血液酸素化の関数でもある。

特許文献１及び特許文献２は、哺乳類の被検体の１つ以上の光吸収関連の血液分析物濃度パラメータを測定するためのシステム及び方法を開示している。このシステムは、ａ）少なくとも２つの別個の光の波長で被検体の皮膚を照明し、各波長の相対吸光度を決定することにより、ＰＰＧ測定を行うように構成されたフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）デバイスと；ｂ）被検体のパルスパラメータをレオロジー的に測定するために、被検体の動的光散乱（ＤＬＳ：dynamic light scattering）測定を行うように構成された動的光散乱測定（ＤＬＳ）デバイスと；ｃ）ｉ）ＰＰＧ測定とＤＬＳ測定の結果を時間的に相関させ、ｉｉ）ＰＰＧ測定とＤＬＳ測定との間の時間的相関に従って、１つ以上の光吸収関連の血液分析物濃度パラメータの値を評価するように構成される電子回路とを備える。

非特許文献２は、離れた所での心臓血管の健康状態の光学的判断のためのレーザスペックル検出器の使用について言及している。従来のＰＰＧデバイスは、レーザスペックル検出器を使用して得られた信号を測定するための信頼できる基準として使用される。

非特許文献３は、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）とレーザドップラー流量計（ＬＤＦ：laser Doppler flowmetry）の比較について言及している。

特許文献３は、手首のバンドに搭載され、ドーム形状の構造物で尺骨の先端の上方にある領域を固定する装着型のパルスオキシメトリデバイスを開示している。この領域は測定領域として使用される。測定は、固定領域の上に配置された検出器により行われる。検出器は、固定領域の周囲に位置する、異なる波長の光源によって放射された光を検出する。したがって、反射は反射モードでも透過モードでも測定されないが、放射された光から２０°と６０°の間の角度で測定される。トランス・イルミネーションモードと呼ばれるこのモードは、優れた信号対雑音比を達成することを可能にし、そして手首のオキシメトリデータの連続的で信頼できる測定を可能にする。コヒーレント光散乱（ＣＬＳ）を、動きアーチファクトに対処するために使用できることが更に記載されている。

ＰＰＧ信号が低い場合、２つのシナリオの可能性がある：
ｉ）患者は集中化状態であるか（centralized）、血管硬化を患っている。血管は比較的硬く（高い細動脈及び細静脈緊張により高い血管抵抗をもたらす）、心周期における血液量の変動に対する応答も低い。これは、血管壁が、拍動性圧力／流れ変動を誘発する心拍に反応できないことに対処しなければならない。したがって、血管コンプライアンス、すなわち血圧パルスの到着時に拡張する能力が低い。
ｉｉ）心拍出量が低い。この場合、ＰＰＧ信号の弱さは心拍における低血液量によって引き起こされる。

したがって、末梢灌流についてのＰＰＧモニタリングは、（集中化（centralization）及び／又は血管硬化度に起因する）低血管コンプライアンスによって生じる低拍動性と、低心拍出量に生じる低拍動性を区別することができない。

米国特許出願公開第２０１５／０１０５６３８号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００８２３５５号明細書 国際公開第２０１３／０３０７４４号パンフレット

Wim Verkruysse、Lars O. Svaasand及びJ. Stuart Nelson著"Remote plethysmographic imaging using ambient light"Optics Express、Ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．２６、２００８年１２月 Farley等著"Optical determination of cardiovascular health at a distance"proceedings of the International Society for Optical Engineering (SPIE)、ｖｏｌ．７７０３、７７０３０Ｒ、２０１０年 Lindberg等著"Photoplethysmography, Part 1: Comparison with laser Doppler flowmetry"Medical and Biological Engineering and Computing、ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．１、ｐ．４０－４７、１９９１年 Briers著"Laser Doppler and time-varying speckle: a reconciliation"、the Journal of the Optical Society of America,、ｖｏｌ．１３、ｎｏ．２、１９９６年 Briers著"Laser Doppler, speckle and related techniques for blood perfusion mapping and imaging"、physiol. Meas. ２２、Ｒ３５－Ｒ６６、２００１年

本発明の目的は、低血管コンプライアンスによって生じる低拍動性と低心拍出量によって生じる低拍動性を区別することを可能にする、被検体の末梢動脈灌流のモニタリングで使用するための処理デバイス、システム及び方法を提供することである。特に、良好代償性血液量減少（well-compensated hypovolemia）と不良代償性血液量減少（ill-compensated hypovolemia）との間の区別をサポートする、被検体の末梢動脈灌流のモニタリングで使用するための処理デバイス、システム及び方法を提供することは有利であろう。

本発明の第１の態様では、被検体の末梢動脈灌流のモニタリングで使用するための処理デバイスが提示される。当該処理デバイスは：
－ 被検体の組織領域の第１検出データを受け取り、被検体の皮膚領域の第２検出データを受け取るための入力部であって、第１検出データは、被検体の組織から反射されるか、かつ／又は被検体の組織を透過した放射線を検出することによって経時的に取得され、第２検出データは、皮膚領域に向けて放射されるコヒーレント光に応答して皮膚領域から受け取られる放射線を検出することによって経時的に取得される、入力部と；
第１検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を導出するためのＰＰＧユニットと；
第２検出データから、皮膚領域内の光散乱粒子の流れを示すフロー信号（flow signal）を導出するためのフローユニットと；
ＰＰＧ信号及びフロー信号を評価して末梢動脈灌流に関する情報を取得するための評価ユニットであって、該評価ユニットは、ＰＰＧ信号とフロー信号の組合せ評価（combined evaluation）に基づいて、低血管コンプライアンスの状態（例えば集中化血管状態（centralized vascular condition）及び／又は低心拍出量の状態を決定するよう適合される、評価ユニットと；
を備える。

追加的又は代替的に、評価ユニットは、末梢動脈灌流に関する情報を取得するために、ＰＰＧ信号及びフロー信号を評価するように構成されることができ、ここで評価ユニットは、ＰＰＧ信号とフロー信号の組合せ評価に基づいて、集中化血管状態又は低心拍出量の状態を決定するように適合される。

本発明の更なる態様では、被検体の末梢動脈灌流のモニタリングのためのシステムが提示される。当該システムは：
－ 被検体の組織領域の第１検出データを取得し、被検体の皮膚領域の第２検出データを取得するための検出器であって、第１検出データは、被検体の組織から反射されるか、かつ／又は被検体の組織を透過した放射線を検出することによって経時的に取得され、第２検出データは、経時的に取得される皮膚領域の一連の画像を含む、検出器と；
－ 取得された第１検出データ及び第２検出データに基づいて末梢動脈灌流をモニタリングするための本明細書に開示される処理デバイスと；
を備える。

本発明のまた更なる態様では、対応する方法、コンピュータプログラムがコンピュータで実行されると、コンピュータに本明細書で開示される方法のステップを実行させるためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム、並びにプロセッサによって実行されると、本明細書で開示される方法を実行させるコンピュータプログラム製品を格納する非一時的コンピュータ可読記録媒体も提供される。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項で定義される。特許請求に係る方法、システム、コンピュータプログラム及び媒体は、特許請求されるような、特に従属請求項で定義され、本明細書で開示されるものと同様及び／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。

本発明は、低拍動性に関する上記のあいまいさを軽減するという考えに基づいている。皮膚領域（好ましくは組織領域と同一である）内の光散乱粒子の流れを示すフロー信号（例えばスペックル信号又はレーザドップラー信号）から、特にＰＰＧ信号に加えて取得されるレーザスペックルイメージング又はレーザドップラーのような干渉技術に基づいて、末梢動脈灌流に関する情報を取得することができる。特に、フロー信号が高い流速を示し、ＰＰＧ信号が比較的低い血液量変動を測定するとき、血管コンプライアンスは低い。言い換えると、血管は血流の増加に十分に応答していない。同様の結論を引き出すことができ、正常又は高い血管コンプライアンスは、（ＰＰＧ信号によって測定される）血液量を増加させることによって（スペックル信号又はレーザドップラー信号によって測定可能な）血流速度が高くなるのを防ぐはずである。

一般に、第１検出データと第２検出データは別々に取得される（すなわち、検出器又はデータベースから受信又は取り出される）。例えば検出器（例えばＰＰＧセンサ）を使用して第１検出データを取得し、撮像ユニット（例えばカメラ）を使用して第２検出データを取得することができる。しかしながら、一実施形態では、第１検出データとして第２検出データが使用される、すなわち第１検出データは第２検出データと同一であり、検出器は、第２検出データを表す画像データを取得するための撮像ユニットである。

本明細書で使用されるとき、灌流は、どのくらいの血液が所与の組織領域を通って流れるか、すなわち組織体積当たりの時間当たりの血液量の単位を指す。したがって、灌流は、拍動性血液量又は拍動性血流がない場合も高い可能性がある、すなわち、完全に非拍動性の流れの場合でも高い可能性がある。逆も同様であり、例えば血流の閉塞はあるが高拍動性の入力がある場合、低灌流の場合にも強いＰＰＧ信号が見られる。したがって、本明細書で使用されるとき、（拍動性）ＰＰＧ信号は、拍動性血液量から生じる、すなわち、組織領域内の光の吸収を示す吸収優位信号である。一方、（拍動性）フロー信号は、組織領域内の粒子の（拍動性）運動から生じる。例えば移動する粒子に起因して、スペックルパターンが乱されるか、あるいは周波数シフトが発生する可能性がある。レーザドップラー又はレーザスペックルイメージング（ＬＳＩ：laser speckle imaging）の原理を使用して、フロー信号を決定することができる。したがって、ＰＰＧ信号及びフロー信号は、それぞれ、血液吸収のカラーベースプロービング（color-based probing）及び血液運動のカラーブラインドプロービング（color-blind probing）として説明され得る。

本明細書で使用されるとき、ＰＰＧ信号は、所与の波長における組織領域内の光の吸収を示す従来のＰＰＧ信号と見なすことができる。

本明細書で使用されるとき、フロー信号は、レーザスペックルイメージング（ＬＳＩ）又はレーザドップラーのような技術によって取得することができる。移動物体又は粒子から散乱されるコヒーレント（レーザ）光は、散乱体の速度を測定するために使用され得る強度変動を生じる。レーザドップラー及びスペックルの概要は、Briers著の非特許文献４並びにBriersによるトピックのレビュー報告である非特許文献５に与えられている。フロー信号は、被検体の皮膚領域から受け取った光が、血球のような移動粒子によって乱される程度を示すことができる。要するに、レーザドップラー速度計は、速度を測定するためにドップラー効果によって生じる周波数シフトを使用する。これを使用して体内の血流をモニタリングすることができる。レーザスペックルは、レーザ光で照らされる物体に粒状の外観を与えるランダムな干渉効果を指す。物体が個々の移動散乱体（血球等）を含む場合、スペックルパターンは変動する。

低血管コンプライアンスは、２つの異なる状態、すなわち（ｉ）血管硬化度と（ｉｉ）集中化状態（centralized condition）、に細分されるか又はその原因であると考えられる。血管硬化度は、血管壁の硬さ／弾性を指すことができ、それは例えば年齢とともにそして心血管疾患によって変化し得る。集中化状態とは、身体が末梢組織（腕や脚）の動脈の血管緊張を増加させて（直径を減少させて）、これらの末梢組織への血流を減少させ、より多くの血流を中枢器官へ向けるようとする、代償性心血管状態（compensatory cardiovascular state）を指すことがある。血管硬化度は、時間の経過とともに、典型的には数年程度かけて非常にゆっくりと変化するが、集中化は数秒／数分以内に起こることがある。硬化度の増加と血管緊張の双方が血管コンプライアンス（血圧パルスの到着時に拡張する能力）の低下をもたらす。本明細書で提案される解決策は、ＰＰＧ信号とフロー信号の組合せの評価によって、研究対象の組織内の動脈の血管コンプライアンスを調べることを可能にする。血管コンプライアンスにおける変化の解釈は、これが血管硬化度における変化又は血管緊張における変化に起因するものであるかどうかにかかわらず、その変化が起こる時間スケールに大きく依存する。したがって、本明細書で使用されるとき、血管コンプライアンスという用語は、（年齢に関連する）血管硬化度と集中化の双方を包含することができる。

更なる改良形態では、評価ユニットは、ＰＰＧ信号とフロー信号の組合せ評価に基づいて、良好代償性血液量減少と不良代償性血液量減少の状態を決定するように適合される。

例えば低心拍出量の状態は、末梢組織の血管収縮を引き起こす集中化につながる可能性がある。血管収縮は血管の直径とコンプライアンスを低下させる。血管はこれによって硬くなるが、これは、動脈壁ではなく、動脈の周囲の平滑筋によって引き起こされるので（すなわち、動脈硬化に起因する加齢に関連する硬化ではない）、血管コンプライアンスは低下する。患者が血液量減少になると（すなわち、患者が血液量を失うと）、血液量が下がるとしても、身体は、心拍出量を維持するために流れを心臓に向け直すよう集中化するので、流れは変化しないままであるが、ＰＰＧ信号は最初に減少することが予測される。第２段階として、身体がそれ以上代償／集中化を行うことができないとき、心拍出量及びフロー信号も低下し得る。したがって、組合せの評価は、良好代償性血液量減少と不良代償性血液量減少を区別することを可能にする。有利には、評価ユニットは、ＰＰＧ信号とフロー信号を経時的に評価し、ＰＰＧ信号とフロー信号の一時的な挙動に基づいて、特に血管コンプライアンスの変化（ＰＰＧ対ＬＳＩ）及び流れ（ＬＳＩ）を評価することにより、ＰＰＧ信号とフロー信号の良好代償性血液量減少と不良代償性血液量減少を区別することができる。

一実施形態によると、評価ユニットは、（この場合はスペックル信号を表す）フロー信号によって表されるスペックルパターンを評価するように構成される。拡散媒体が照明されると、干渉がスペックルパターンを作り出す。媒体に動きがある場合、これはスペックルパターンのモーションブラーを引き起こし、これを使用して動きに関する情報を抽出することができる。これは、本実施形態に従って評価される。

これにより、評価ユニットは、好ましくは、スペックルコントラストの変動を検出することによってモーションブラーを評価するように構成される。

別の実施形態によると、評価ユニットは、ＰＰＧ信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分のＰＰＧ比と、フロー信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分のスペックル比を評価するように構成される。ＰＰＧ信号は、呼吸及び運動によって生じるより低い周波数でゆっくり変化するＤＣ成分に重ね合わされる、各心拍による血液量の変化によって生じる拍動性波形（ＡＣ成分）から構成される。ＰＰＧ信号からの類推で、血流信号を、血流速度の変調を反映するＡＣ成分と、血流を反映するＤＣ成分とに分解することができる。２つの信号を組み合わせることは、不十分な末梢灌流を低心拍出量から区別することを可能にする。

評価ユニットは有利には、スペックル比が第１スペックル閾値を超え、かつＰＰＧ比が第１ＰＰＧ閾値未満の場合、被検体の良好代償性血液量減少の状態を決定し、スペックル比が第２スペックル閾値未満であり、かつＰＰＧ比が第１ＰＰＧ閾値未満の場合、被検体の不良代償性血液量減少を決定するように構成される。

別の実施形態では、評価ユニットは、スペックル比が第２スペックル閾値を超え、かつＰＰＧ比が第２ＰＰＧ閾値を超える場合、非コンプライアント血管（non-compliant blood vessels）（及び高い末梢灌流）の状態を決定し、スペックル比が第２スペックル閾値未満であり、かつＰＰＧ比が第２ＰＰＧ閾値を超える場合、コンプライアント血管（compliant blood vessels）の状態を決定するように構成される。上述のように、血管コンプライアンスは、血圧パルスの到着時に拡張する能力を示す。第２ＰＰＧ閾値を超えるＰＰＧ比と組み合わせた（あまりにも）高い流量は、血管が血圧パルスの到着を十分に適応していないことを示す可能性があり、したがって、非コンプライアント（又は十分に適合していない）血管を示す可能性がある。それぞれの閾値は、例えば予め定められよく、以前の測定値から、例えば複数の被検体の測定値の平均として、あるいは同じ被検体の以前の測定値から取得されてもよい。閾値は、適応的であってもよく、例えば一種の学習システムとして、同じ被検体の測定値に基づいて時々調整されてもよい。

任意選択として、評価ユニットは、潅流測定値、より正確には、

によって与えられる、スペックル比に対するＰＰＧ比の比を示すコンプライアンス測定値Ｐを評価するように構成され得る。ここで、スペックル比は、フロー信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分の比であり、ＰＰＧ比は、ＰＰＧ信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分の比である。Pの増加は血管コンプライアンスの増加を示すことができる。ＤＣ流における減少を伴うPの減少は心拍出量の減少を示すことができる。

入力部は、所定の放射線による、特に可視光又は赤外光による組織領域の人工照明に応答して得られる第１検出データを取得するように構成される。この目的のために、システムは、所定の放射線による、特に可視光又は赤外光による組織領域の人工照明のための照明ユニットを含んでよい。例えば１つ以上のＬＥＤを、例えばＰＰＧイメージングで従来的に使用されているような照明ユニットとして使用することができる。フロー信号が導出される第２検出データを取得するために、皮膚領域を照明するためのレーザビームを放射するためのレーザデバイスが、代替又は追加として使用されてもよい。

好ましくは、一実施形態では、皮膚領域を照明するために単一の照明ユニットが使用され、したがって、その皮膚領域は、（これは一般的には好ましいが必須ではないが）ＰＰＧデータが導出される組織領域に対応し、第２検出データの単一のセットのみが取得され、その第２検出データからフロー信号及びＰＰＧ信号が導出される。

一実施形態では、フローユニットは、レーザドップラー及び／又はレーザスペックル技術に基づいてフロー信号を導出するように構成され得る。ドップラー原理によれば、血球のような移動粒子に当たる光は、波長／周波数の変化（ドップラーシフトとも呼ばれる）を受けるが、静的構造に遭遇する光粒子は変化しないで戻る。光の一部は、フォトダイオードのような検出器によってレジストレーションされ得る。ドップラーシフトした光の規模及び周波数分布は血球の数及び速度に直接関係するので、検出データに基づいてフロー信号を計算することができる。したがって、出力信号は、第１波長及び第２波長における微小循環性血流に関する情報を提供することができる。更なる詳細については、レーザドップラー及びレーザスペックル技術の基本原理に関して、Briersによる前述の刊行物を参照されたい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態に関連して明らかになり、説明されるであろう。
本発明によるシステムの第１実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第１実施形態の概略図である。 本発明によるシステムの第２実施形態の概略図である。 ＰＰＧ信号のＡＣ成分及びＤＣ成分を示す図である。 低変調のＰＰＧ信号及び低変調のスペックル信号を示す図である。 低変調のＰＰＧ信号及び高変調のスペックル信号を示す図である。 本発明による方法のフローチャートを示す図である。

図１は、本発明による、被検体１４の末梢動脈灌流をモニタリングするためのシステム１０及び処理デバイス１２の第１実施形態の概略図を示す。以下では、処理デバイス１２をデバイス１２と略称することがある。被検体１４、この例では患者は、例えば病院又は他の医療施設内でベッド１６に横たわっているが、例えば保育器に横たわっている新生児や未熟児、あるいは自宅又は他の別の環境にいる人であってもよい。

デバイス１２に加えて、システム１０は、被検体１４の組織領域１３（例えば額、頬、手等）の第１検出データを取得し、被検体１４の皮膚領域１５（例えば額、頬、手等、すなわち組織領域と同じ領域又は異なる領域）の第２検出データを取得するための検出器１８、１９を備える。第１検出データは、被検体１４の組織から反射され、かつ／又はその組織を透過した放射線を検出することにより経時的に取得される。第２検出データは、経時的に取得される皮膚領域の一連の画像を含む。取得された第１検出データ及び第２検出データに基づいて、デバイス１２は被検体１４の末梢動脈灌流を決定する。

被検体を透過するか、被検体から反射された電磁放射線を検出し、第２検出データを取得するための検出器（信号取得ユニットとも呼ばれる）についての異なる実施形態が存在する。図１に図示されるシステム１０の実施形態では、異なる実施形態が一緒に使用される。

皮膚領域１５から被検体１４の第２検出データを取得するために、検出器は、被検体１４の画像フレームを（リモートから、目立たないように）キャプチャするために、特に、被検体１４の一連の画像フレームを経時的に取得するために、適切なフォトセンサを含むカメラ１８（撮像ユニットとも呼ばれる）を備える。カメラ１８によってキャプチャされる画像フレームは、特に、例えば（デジタル）カメラ内のアナログ又はデジタルフォトセンサによってキャプチャされたビデオシーケンスに対応し得る。そのようなカメラ１８は通常、特定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）でも動作するか、異なるスペクトル範囲についての情報を提供することができる、ＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサ等のフォトセンサを含む。カメラ１８は、アナログ信号又はデジタル信号を提供することができる。画像フレームは、関連するピクセル値を有する複数の画像ピクセルを含む。特に、画像フレームは、フォトセンサの異なる感光性素子でキャプチャされる光強度値を表すピクセルを含む。これらの感光性素子は、特定のスペクトル範囲（すなわち、特定の色を表す）で感光性があり得る。画像フレームは、各々が、例えば額、頬、喉、手等のような被検体の異なる皮膚領域を表す、いくつかの画像ピクセルの少なくとも２つのグループを含む。これにより、画像ピクセルは、フォト検出器の１つの感光性素子及びその（アナログ又はデジタル）出力に対応してよく、あるいは複数の受光性素子の（例えばビニングによる）組合せに基づいて決定されてもよい。

被検体１４の組織領域１３の第１検出データを取得するために、検出器は、組織領域１３からフォトプレチスモグラフィ信号を取得するために被検体１４の組織領域１３に取り付けられるよう構成される光学フォトプレチスモグラフィセンサ１９（接触ＰＰＧセンサとも呼ばれる）を備える。ＰＰＧセンサ１９は、すべての可能な実施形態のうちのほんの数個を挙げると、例えば（血中酸素飽和度を測定するために従来的に使用されるような）フィンガークリップ又は（例えば心拍数を測定するために使用されるような）ステッカーの形態で設計されてよい。ＰＰＧセンサ１９は、他の形態で設計されてもよく、被検体の身体の他の皮膚領域に配置されてもよい。

システム１０は任意選択で、例えば所定の１つ以上の波長範囲（例えば赤、緑及び／又は赤外波長範囲）で組織領域１３を照明するために、ランプ又はレーザのような光源２２（照明源とも呼ばれる）を更に含むことができる。光源２２は特に、コヒーレント光を、特に所定の波長又は波長範囲で放射するためのコヒーレント光源を備える。その照明に応答して組織領域１３から反射される光は、カメラ１８によって検出される。別の実施形態では、専用の光源は設けられないが、環境光を被検体１４の照明に使用する。反射された光から、所望の波長範囲の光（例えば緑、赤及び／又は赤外光、あるいは少なくとも２つの波長チャネルをカバーする十分に大きい波長範囲の光）を検出及び／又は評価することができる。

デバイス１２は好ましくは、決定された情報を表示し、かつ／又はデバイス１２、カメラ１８、ＰＰＧセンサ１９、光源２２及び／又はシステム１０の任意の他のパラメータの設定を変更するインタフェースを医療関係者に提供するために、インタフェース２０に更に接続される。そのようなインタフェース２０は、異なるディスプレイ、ボタン、タッチスクリーン、キーボード又は他のヒューマンマシン・インタフェース手段を含んでよい。

図１に図示されるようなシステム１０は、例えば病院、医療施設、高齢者介護施設等に配置されてよい。患者のモニタリングとは別に、本発明は、新生児モニタリング、一般監視用途、セキュリティモニタリング、あるいはフィットネス機器、ウェアラブル、スマートフォンのようなハンドヘルドデバイス等のような、いわゆるライフスタイル環境等のような他の分野にも適用されてよい。デバイス１２、カメラ１８、ＰＰＧセンサ１９及びインタフェース２０の間の一方向又は双方向通信は、無線又は有線通信インタフェースを介して機能し得る。本発明の他の実施形態は、スタンドアロンでは提供されないが、カメラ１８又はインタフェース２０に一体化されるデバイス１２を含んでよい。

図２は、本発明によるデバイス１２ａの第１実施形態の概略図を図示している。デバイス１２ａは、図１に図示されるシステム１０内のデバイス１２として使用されてよい。デバイス１２ａは、被検体の組織領域の第１検出データを取得し（すなわち取り出す又は受け取る）、被検体の皮膚領域の第２検出データを取得するための入力部（又は入力インタフェース）３０を備える。第１検出データは、被検体の組織から反射され、かつ／又はその組織を透過した放射線を検出することにより、経時的に取得され、第２検出データは、経時的に取得される皮膚領域の一連の画像を含む。

デバイス１２ａは更に、第１検出データからＰＰＧ信号を導出するためのＰＰＧユニット３２と、第２検出データからフロー信号を導出するためのフローユニット３４を含み、フロー信号は、皮膚領域内の光散乱粒子の流れを示す。フロー信号は、例えばスペックルを表すスペックル信号又はドップラーシフトを表すドップラー信号であってよい。評価ユニット３６は、ＰＰＧ信号及びフロー信号を評価して、被検体１４の末梢動脈灌流に関する情報を取得する。有利には、評価ユニット３６は、ＰＰＧ信号とフロー信号を組み合わせた評価に基づいて、低血管コンプライアンスの状態及び／又は低心拍出量の状態を決定する（又はそれらを区別する）ように適合される。言い換えると、評価ユニットは、ＰＰＧ信号とフロー信号の組合せ評価に基づいて、被検体の状態を、低血管コンプライアンスの状態及び／又は低心拍出量の状態として分類するよう適合されることができる。ＰＰＧユニット３２、フローユニット３４及び評価ユニット３６は、例えば１つ以上のプログラムされたプロセッサ又はコンピュータによって、ハードウェア及び／又はソフトウェア実装されてよい。

図３は、本発明によるシステム１０ａの第２実施形態の概略図を示す。図１に図示されるシステム１０の第１実施形態とは異なり、システム１０ａは単一の検出器１８、すなわちカメラ（又は撮像ユニット）のみを備える。したがって、カメラ１８によって取得される第２検出データが、上述のリモートＰＰＧ技術を使用してＰＰＧ信号を導出するための第１検出データとしても使用される。よって、追加のＰＰＧセンサ（図１の１９）は必要とされず、したがって、組織領域は皮膚領域に対応する。

以下に本発明の更なる詳細及び更なる実施形態を説明する。

末梢灌流についてのＰＰＧモニタリングは、低血管コンプライアンス（集中化及び／又は血管硬化度）によって生じる低拍動性と、低心拍出量によって生じる低拍動性とを区別することができない。血管を考慮すると、心拍は拍動性圧力／流れ変動を誘発する。以下の分析では、説明のために正弦圧力変動を考える：
Δp＝Δp₀ cosωt （１）
ここで、Δp₀は圧力定数であり、ωは心拍の周波数である。
この外部刺激に対する反応として、血管壁は拡張又は収縮して、より多くの又は少ない血液量が循環することを可能にする。

血液拍動性をＰＰＧ信号から測定することができる。ＰＰＧは、血圧変動によって生じる組織の微小血管床における血液量の変化を測定する技術である。これは光学的技術であり、経時的に光吸収を測定する。ＰＰＧ信号は、呼吸と運動によって生じるより低い周波数でゆっくり変化する（ＤＣ）成分に重ね合わされる、各心拍での血液量の変化によって生じる、拍動性（ＡＣ）波形からなる。図１及び図３に図示されるように、接触源／検出器ジオメトリを使用する接触式（ｃＰＰＧ）と、カメラを使用するリモート式（ｒＰＰＧ）の双方にこの技術を適用することができる。

流体の流量qは、所与の期間内にある領域を通る同じ場所の近く通過する流体の体積という定義によるものであり、以下のように表すことができる。
q＝vA （２）
ここで、Aは管状形状の断面積であり、vはその領域上の流体の平均速度であり、その双方が、流量が測定される位置でとられる。流体力学から、管状形状を通る流れを所与とすると、外圧Δp、流体の流れq、流体体積∫qdt及び流量変動dq/dtと、管状形状の固有の機械的特性との間に以下の関係を確立することができる：
∫qdt＝CΔp （３）
q＝Δp/R （４）
dq/dt＝Δp/L （５）
ここで、Lはインダクタンスであり、Rは血管抵抗であり、Cは血管壁の弾力性に関連する血管コンプライアンスである。

したがって、拍動性によって生じる流れの変動を、微分方程式の解として表すことができる：

ここで、外力は、式（１）による心臓周期中の血圧の変動である。

ＰＰＧ信号は組織内の血液量と相関する。したがって、これが低い場合、コンプライアンス関係（式３）によれば、ＰＰＧ信号の拍動性成分が低いとき、小さな深度のＰＰＧ信号変調ＡＣ／ＤＣに対応し、これは２通りに解釈することができると結論付けることができる：
ｉ）Cが低い：コンプライアンスが低い。例えば血管硬化；
ｉｉ）Δpが低い：低心拍出量で血液の流れは安定；これはR_qが低いことを意味し、したがって、血流qか血流速度vのいずれかが低い。

したがって、この場合、不十分な末梢灌流（例えば血管硬化又は集中化起因する低コンプライアンス）と低心拍出量とを区別するにはＰＰＧ法のあいまいさがある。

提案されるデバイス、システム及び方法はこのあいまいさを軽減する。低末梢灌流は、低心拍出量又は低血管コンプライアンスCのいずれかに関連付けられる。低心拍出量がある場合、血流と圧力変動との間の血管抵抗の関係Δp＝R_qによれば、血流qは低い。言い換えると、ＰＰＧ信号が低いときに高い血管流量qが観察されれば、これを低心拍出量によって引き起こすことはできない。むしろ、血管壁は、体積を変えること（したがって低血管コンプライアンス）によっては血圧に反応しないが、血流速度を変えることによって血圧に反応する。

以下では、流体力学からの式を使用して、測定された信号、血液量及び血流の間の関係を確立する。層流について血管抵抗Rの式を組み合わせると（ハーゲン・ポアズイユ（Hagen-Poiseuilleの式）：
R＝8ηL／πr⁴ （７）
であり、流れは、抵抗（式４）及びコンプライアンス（式３）に依存し、ここで、Rは血流に対する抵抗、Lは血管の長さ、ηは血液の粘性、rは血管の半径、qは血流、そしてCは血管コンプライアンスであり、以下の関係を導き出すことができる：

ここで、A＝πr²及び式（２）が使用される。

したがって、血管コンプライアンスが非常に低いとき、すなわちC → 0のとき、次いで：

であるか、同等に、

であり、これは、図４に図示されるように、ＰＰＧ信号変調深さ（ＰＰＧ信号のＡＣ／ＤＣ成分）に相関される。

しかしながら、コンプライアンス関係に従って、低い1/A dA/dtを測定することは、低いΔpも意味し得る。関係（４）を使用して、低いΔpは低と同等であると更に結論付けることができる：

明らかに、1/v dv/dtを測定することは、以下のようにあいまいさを軽減することができる。すなわち、1/v dv/dtが低い場合、次いで、1/q dq/dtも低く、これは低心拍出量を意味する。そうでなければ、低い1/A dA/dtについて、1/v dv/dtが高い場合、したがって、1/q dq/dtも高く、これは、Δpは低くはないが、C、すなわち血管コンプライアンスが低いことを意味する。

したがって、1/v dv/dtと1/A dA/dtを測定して組み合わせることは、低心拍出量（及び低末梢灌流）と低血管コンプライアンスの間を区別することを可能にする。血管コンプライアンスの変化を検出することができ、これが心拍出量の低下に起因するものであるかどうかを評価することができる。

以下では、血管の機械的パラメータを推定し、したがって、低末梢灌流からの低心拍出量又は血管コンプライアンスを区別する方法を説明する。このため、ＰＰＧ信号からの1/A dA/dtに加えて1/v dv/dtを推定する必要がある。

血流速度を測定するために、スペックルイメージング、例えばレーザスペックルイメージング（ＬＳＩ）が一実施形態で使用される。光、例えばレーザ光が拡散媒体を照明するとき、干渉が、スペックルとして知られるランダムパターンを作り出す。媒体内に動きがある場合、これはスペックルパターンにおけるモーションブラーを生じる。モーションブラーを使用して、動きに関する情報を抽出することができる。これは、例えばスペックルパターンをイメージングすることによって行われる。速度分布は、スペックルコントラストの変動を分析することによって取得される。

ＰＰＧ信号と同様に、スペックル信号も、血流速度の変調を反映するＡＣ成分と、血流を反映するＤＣ成分とに分解することができる。したがって、２つの信号を組み合わせると、不十分な末梢灌流又は低血管コンプライアンスを、低心拍出量と区別することができる。小さいＡＣ／ＤＣ成分又は小さい1/A dA/dtによりＰＰＧ信号で観察され得る低い血液量変動は、以下に対応する：
ｉ）心拍出量が低い場合、（スペックル（ＬＳＩ）ＡＣ／ＤＣ信号に相関される）血流速度変調深度1/v dv/dtの小さな反応、又は
ｉｉ）血管が非コンプライアント（硬化、集中化を示す）の場合、（ＬＳＩ信号の変調深度に相関される）血流速度1/v dv/dtにおける大きな反応である。血流速度における大きな反応は、高心拍出量を示す。

異なる状況についてのＰＰＧ信号及びスペックル信号（フロー信号の一実施形態として）の例が図５に図示されている。図５Ａは、ＰＰＧ信号における変調及びスペックル信号（ＬＳＩ信号）における変調が、低心拍出量を示す低（小）である状況を示す。低心拍出量に加えて、血管コンプライアンスも低い可能性がある。この状況は、不良代償性血液量減少を示すものと考えることができる。図５Ｂは、ＰＰＧ信号における変調が低く、スペックル信号（ＬＳＩ信号）における変調が、低血管コンプライアンスを示す高（大）である状況を示す。言い換えると、図５Ｂに図示される状況は、（単に）低血管コンプライアンスであるが、十分な心拍出量であることを示すことができる。この状況は、良好代償性血液量減少を示すものと考えることができる。

血管反応について上記で検討した考察を考慮すると、以下の推論が当てはまる可能性があり、以下の表に要約することができる：

スペックル信号が高い流速を示し、ＰＰＧ信号が比較的低い血液量変動を測定するとき、血管コンプライアンスは低い。言い換えると、血管は血流の増加に十分に応答していない。その結果、同様の結論を引き出すことができる。正常又は高い血管コンプライアンスは、血液量（ＰＰＧ信号）を増加させることによって、血流速度（スペックル信号によって測定可能）が高くなることを防ぐはずである。

上記の表の推論に基づいて、以下のコンプライアンス測定値を定義することができる：

Pの増加は血管収縮の増加を示し、Pの減少は心拍出量の減少を示す。

要約すると、提案されたアイデアは、２つの測定方法、すなわちＰＰＧイメージングとフロー信号評価（例えばスペックルイメージング（例えばＬＳＩ）又はレーザドップラーイメージング）を組み合わせる。これは、（非接触型である）シングルカメラ測定、あるいはカメラ測定と接触測定の組合せに基づいてよい。それは一般的に可視光を必要としない。それらの測定からＰＰＧ信号及びフロー信号を導出し、これらの信号から、例えばコンプライアンス測定値Pと、ＰＰＧ信号振幅と、フロー信号振幅の間の機能的関係に基づいて（例えばアルゴリズム又は関数に基づいて）、あるいは表関係（tabular relation）（例えばルックアップテーブル：ＬＵＴに基づいて）に基づいて、末梢動脈灌流に関する所望の情報を取得する。

低心拍出量と低血管コンプライアンスとを区別することに加えて、活動、姿勢、バイオメトリクス及び／又はバイタルサインを、特に取得される第２検出データから、決定及びモニタリングすることができる。動脈灌流に関する決定に加えて、この情報を使用することができる。

提案される解決策の別の利点は、それが局所領域測定に基づいているので、顔や腕等のような容易にアクセス可能な領域におけるコンプライアンスを都合よく測定できることにある。上述のように、方法は好ましくはリモート測定用に設計されるが、接触型で適応されることも可能である。

さらに、光ベースの解決策が提案されるので、測定をスペクトルの不可視部分のいずれかで行うことができ、暗所及び／又は可視範囲における測定を可能にする。

本発明による方法１００の一実施形態のフローチャートが図６に図示されている。第１ステップＳ１０において、被検体の組織領域の第１検出データが取得される。第２ステップＳ１２において、被検体の皮膚領域の第２検出データが取得される。第３ステップＳ１４において、ＰＰＧ信号が第１検出データから導出される。第４ステップＳ１６（第３ステップＳ１４の前に実行されても同時に実行されてもよい）において、フロー信号が第２検出データから導出される。第５ステップＳ１８において、ＰＰＧ信号及びフロー信号を評価して末梢動脈灌流に関する情報を取得する。ＰＰＧ信号と血流信号の組合せ評価に基づいて、低血管コンプライアンスの状態及び／又は低心拍出量の状態を決定することができる。

本発明を、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明してきたが、そのような図示及び説明は、限定ではなく、実例又は例示と見なされるべきであり、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求に係る発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。

特許請求の範囲において、「備える（comprising）」という用語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数を排除しない。単一の要素又は他のユニットが特許請求の範囲に記載されるいくつかの項目の機能を果たすことがある。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用することができない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一緒に又はその一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体のような適切な非一時的媒体に格納／分散され得るが、インターネットや他の有線又は無線の電気通信システムを介するような他の形態で分散されてもよい。

特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、そ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 (16)

1. 被検体の末梢動脈灌流のモニタリングで使用するための処理デバイスにおいて：
   被検体の組織領域の第１検出データを受け取り、被検体の皮膚領域の第２検出データを受け取るための入力部であって、前記第１検出データは、前記被検体の組織から反射されるか、かつ／又は前記被検体の組織を透過した放射線を検出することによって経時的に取得され、前記第２検出データは、前記皮膚領域に向けて放射されるコヒーレント光に応答して前記皮膚領域から受け取られる放射線を検出することによって経時的に取得される、前記入力部と；
   前記第１検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を導出するためのＰＰＧユニットと；
   前記第２検出データから、前記皮膚領域内の光散乱粒子の流れを示すフロー信号を導出するためのフローユニットと；
   前記ＰＰＧ信号及び前記フロー信号を評価して前記末梢動脈灌流に関する情報を取得するための評価ユニットであって、該評価ユニットは、前記ＰＰＧ信号と前記フロー信号の組合せ評価に基づいて、低血管コンプライアンスの状態と低心拍出量の状態を区別するよう適合される、評価ユニットと；
   を備える、処理デバイス。
2. 前記フローユニットは、レーザドップラー及び／又はレーザスペックル技術に基づいて前記フロー信号を導出するよう構成される、
   請求項１に記載の処理デバイス。
3. 前記評価ユニットは、前記フロー信号によって表されるスペックルパターンを評価するよう構成される、
   請求項１に記載の処理デバイス。
4. 前記評価ユニットは、スペックルコントラスト変動を検出することによってモーションブラーを評価するよう構成される、
   請求項３に記載の処理デバイス。
5. 前記評価ユニットは、前記ＰＰＧ信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分のＰＰＧ比と、前記フロー信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分のスペックル比を評価するよう構成される、
   請求項１に記載の処理デバイス。
6. 前記評価ユニットは、前記スペックル比が第１スペックル閾値を超え、かつ前記ＰＰＧ比が第１ＰＰＧ閾値未満の場合、前記被検体の良好代償性血液量減少の状態を決定し、前記スペックル比が第２スペックル閾値未満であり、かつ前記ＰＰＧ比が前記第１ＰＰＧ閾値未満の場合、前記被検体の不良代償性血液量減少の状態を決定するよう構成される、
   請求項５に記載の処理デバイス。
7. 前記評価ユニットは、
   

   

   によって与えられる、前記スペックル比に対する前記ＰＰＧ比の比を示すコンプライアンス測定値Pを評価するように構成され、前記スペックル比は前記フロー信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分の比であり、前記ＰＰＧ比は、前記ＰＰＧ信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分の比である、
   請求項５に記載の処理デバイス。
8. 前記入力部は、所定の放射線による前記組織の人工照明に応答して得られる第１検出データを取得するように構成される、
   請求項１に記載の処理デバイス。
9. 前記第２検出データを前記第１検出データとして使用するように更に構成される、
   請求項１に記載の処理デバイス。
10. 末梢動脈灌流のモニタリングのためのシステムであって、当該システムは：
    被検体の組織領域の第１検出データを取得し、被検体の皮膚領域の第２検出データを取得するための検出器であって、前記第１検出データは、前記被検体の組織から反射されるか、かつ／又は前記被検体の組織を透過した放射線を検出することによって経時的に取得され、前記第２検出データは、経時的に取得される前記皮膚領域の一連の画像を含む、検出器と；
    前記取得された第１検出データ及び第２検出データに基づいて末梢動脈灌流をモニタリングするための請求項１に記載の処理デバイスと；
    を備える、システム。
11. 所定の放射線による前記組織の人工照明のための照明ユニット、
    を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記照明ユニットは、前記皮膚領域を照明するために、コヒーレント光を放射するためのコヒーレント光源を備える、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 末梢動脈灌流のモニタリングで使用するための処理デバイスの作動方法であって、当該作動方法は：
    前記処理デバイスの入力部が、被検体の組織領域の第１検出データを受け取るステップであって、前記第１検出データは、前記被検体の組織から反射され、かつ／又は前記被検体の組織を透過した放射線を検出することによって経時的に取得されたデータである、ステップと；
    前記入力部が、被検体の皮膚領域の第２検出データを受け取るステップであって、前記第２検出データは、前記皮膚領域に向けて放射されるコヒーレント光に応答して前記皮膚領域から受け取られる放射線を検出することによって経時的に取得されたデータである、ステップと；
    前記処理デバイスのＰＰＧユニットが、前記第１検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を導出するステップと；
    前記処理デバイスのフローユニットが、前記第２検出データから、前記皮膚領域内の光散乱粒子の流れを示すフロー信号を導出するステップと；
    前記処理デバイスの評価ユニットが、末梢動脈灌流に関する情報を取得するために前記ＰＰＧ信号及び前記フロー信号を評価し、前記ＰＰＧ信号と前記フロー信号の組合せ評価に基づいて低血管コンプライアンス状態と低心拍出量状態を区別するステップと；
    を含む、作動方法。
14. コンピュータプログラムであって、該コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されると、該コンピュータに請求項１３に記載の作動方法のステップを実行させるためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
15. 前記所定の放射線は、可視光又は赤外光である、請求項８に記載の処理デバイス又は請求項１１に記載のシステム。
16. 前記コヒーレント光源は、レーザビームを放射するためのレーザデバイスである、請求項１２に記載のシステム。

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