JP7356906B2 - 対象の深部体温を決定するデバイス、システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、人又は動物などの対象の深部体温を決定するデバイス、システム及び方法に関する。

深部体温を測定するのに最適な場所は心臓の中心だが、これは医師の監督下でのみ行われることができる。医師は主要な動脈における血温の測定が本当の体温を正確に反映することを知っている。いわゆる側頭動脈スキャン（ＴＡＳ）アプローチを使用して皮膚表面から深部体温を測定するためのいくつかの方法が開発されてきた。このアプローチは、直腸測定に最も近い測定を提供することが示された。側頭動脈は、頸動脈を介して心臓に接続され、動脈系の主幹である大動脈から直接延びている。それは一定の血流を提供する。正確な測定を行うのに必要とされるアクセスを提供するために皮膚表面に十分に接近して配置されるのは、斯かる動脈だけである。それは使いやすい。なぜなら、それは理想的に額の前部に配置されるからである。

ＴＡＳアプローチを使用した目立たない中核温度測定を目的として、いくつかのデバイスが市場に投入される。しかしながら、斯かるデバイスの精度はセンサの空間的配置の精度に依存する。従って、それらは一般に連続使用には適していない。なぜなら、温度検出は、測定領域にわたって連続的に実行されるべきだからである。更に、斯かるデバイスは、例えば発汗により皮膚が湿っている場合、機能しなくなる場合がある。この場合、結果はあまりにも低すぎる深部体温である。

従って、最近、いくつかの新しい方法が提案された。これらの方法は、ＩＲセンサのアレイを用いて、皮膚の一部を走査し、動脈における位置に対応する領域内の「最も熱い」スポットを自動的に検出する。最近市場に導入された対応するデバイスは、皮膚と接触することなく深部体温を正確に測定することができる。しかしながら、斯かるデバイスは目立たない深部体温測定を提供するが、それらは（例えばＮＩＣＵインキュベーター内での）連続的な遠隔監視には適していない。なぜなら、このデバイスは、体のある部分（例えば額）に手動で向けられるべきだからである。

更に、既知のデバイスは、最も高い表面温度を備える皮膚の局所的なスポットが動脈の上の位置に対応するという仮定に依存する。局所的な皮膚刺激性、周囲熱源への近接性などが原因で、これは必ずしも正しいとは限らない。

ＢＬＡＮＩＫ ＮＩＫＯＬＡＩらによる「Ｈｙｂｒｉｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｌｏｎｇ－ ｔｅｒｍ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｋｉｎ ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ」、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．１９（１）、０１６０１２（Ｊａｎ １７，２０１４）．ｄｏｉ:１０．１１１７／１．ＪＢＯ．１９．１．０１６０１２は、フォトプレチスモグラフィ撮像（ＰＰＧＩ）及び赤外線サーモグラフィ撮像（ＩＲＴＩ）を使用する複合ハイブリッドアプリケーションを開示し、これらは広範囲の基本的なバイタルパラメータを監視するために互いを補う。ＰＰＧＩは、古典的な接触ベースのフォトプレチスモグラフィを強化する。確立されたＰＰＧ法の承認された評価アルゴリズムは、ＰＰＧＩを用いて、心拍数、心拍数変動性、呼吸数（ＲＲ）、呼吸変動性（ＲＶ）、及び血管運動性活動の検出に関して容易に適合されることができる。ＩＲＴＩ法は主に、観測対象の温度分布を記録するが、鼻領域における温度分布の発達を分析することにより、ＩＲＴＩからＲＲ及びＲＶに関する情報が得られることもできる。両方のモニタリング法の主な利点は、目立たないデータ取得と、バイタルパラメータ及び身体領域の間の空間的割り当てを評価することができることとである。従って、これらの方法は、長期間のモニタリング又は特別な局所的特性を備える効果のモニタリングを可能にする。

こうして、既知の温度測定方法のこれらの不利益を克服する解決策、即ち動脈の周りの皮膚の一部（例えば額）の方にデバイスを向けるという要求を克服し、これにより連続的な自動化された深部体温測定を可能にする解決策、及び／又はそれらが皮膚の特定の局所的なスポットの測定に依存することを克服する解決策が依然として必要である。

本発明の目的は、皮膚の特定の部分にデバイスを向ける必要なく、正確かつ確実に対象の深部体温を連続的に決定することを可能にするデバイス、システム及び方法を提供することである。

本発明の第１の態様では、対象の深部体温を決定するデバイスが提示され、これは、
対象の皮膚の画像データを取得する画像データ入力と、
上記対象の皮膚の熱センサデータを取得する熱センサデータ入力と、
上記得られた画像データからフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を導出し、最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出する画像解析ユニットと、
上記検出された１つ又は複数の皮膚領域について得られた熱センサデータから上記対象の深部体温を決定する温度決定ユニットとを有する。

本発明のなお更なる態様において、対象の深部体温を決定するシステムが提示され、これは、
対象の皮膚の画像データを取得する撮像ユニットと、
上記対象の皮膚の熱センサデータを取得する熱センサと、
対象の深部体温を決定する本書に開示されるデバイスとを有する。

本発明の更に別の態様では、対応する方法、コンピュータで実行されるとき本書に開示される方法のステップをコンピュータに実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム、及びプロセッサにより実行されるとき、本書に開示される方法を実行させるコンピュータプログラムが格納されたコンピュータ可読記録媒体が提供される。

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。請求項に記載の方法、システム、コンピュータプログラム及び媒体は、請求項に記載されるデバイス、特に従属項に規定されるデバイス、及び本書に開示されるデバイスと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、最も強いＰＰＧ信号を備える皮膚領域（即ち１つ又は複数のピクセルのグループ）を検出するためにＰＰＧ撮像を利用するという考えに基づかれる。従って、本発明は、側頭動脈走査アプローチを利用するが、ＰＰＧ撮像アプローチを使用して動脈周囲の皮膚領域の自動化された位置特定を提供する。

ＰＰＧ撮像は一般的に知られており、例えば多くの特許文書及び論文に記載される。プレチスモグラフィは一般に、器官又は体部位のボリューム変化の測定を意味し、特に鼓動毎に対象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率の時間変動変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、血液が周囲組織より多くの光を吸収する原理に基づかれる。そのため、すべての心拍に伴う血液量における変動は、これに対応して透過又は反射率に影響を及ぼす。心拍数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（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。

この技術は、接触測定に関する接触型ＰＰＧデバイス（例えばパルスオキシメータ）及び目立たない測定に関する非接触型遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイスにおいて評価される。例えば、Ｖｅｒｋｒｕｙｓｓｅらによる「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、周囲光、並びに赤色、緑色及び青色のチャネルを用いる従来の消費者レベルのビデオカメラを用いて、遠隔測定されることができることを示す。

提案されるアプローチは、動脈を備える皮膚領域の周りの関心領域（ＲＯＩ）の検出、及びそのＲＯＩにおける皮膚温度の測定のために２つの異なるモダリティが使用されるという利点を持つ。従って、周囲温度及び皮膚表面温度の他の変化源の影響に対するより高いロバスト性が実現される。更に、動脈周囲のＲＯＩの自動検出のためにＰＰＧ撮像を利用することは、特定の身体部分に向けてセンサ（例えばＩＲセンサ）を手動で向ける必要なしに深部体温の連続自動監視を可能にする。こうして、ＰＰＧ撮像とＲＯＩ空間追跡との提案された組み合わせは、対象の動きの間でさえも連続的な中核体温測定を可能にする。

最も強いＰＰＧ信号を備える皮膚領域を見つけるための様々な好ましい実施形態が存在する。一実施形態では、上記画像解析ユニットが、上記ＰＰＧ信号に基づき、最高の血液拍動性を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出することにより、最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出するよう構成される。別の実施形態では、上記画像解析ユニットは、所定の周波数範囲、特に対象の脈拍数の典型的な周波数範囲において最も高い強度を備えるＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出することにより、最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出するよう構成される。

上記温度決定ユニットが、上記取得された熱センサデータから上記対象の深部体温を２つ以上の検出された皮膚領域に対して別々に決定し、上記２つ以上の検出された皮膚領域に対して決定された深部体温値を組み合わせるよう構成されることができる。これは、温度決定の精度を更に向上させる。

一実施形態では、上記温度決定ユニットが、最も強いＰＰＧ信号を示す皮膚領域の温度と他の皮膚領域の温度との間の差を分析することにより上記対象の深部体温を決定するよう構成されることができる。これは、中核体温を決定するための単純だが正確な方法を提供する。

一実施形態では、上記画像解析ユニットが、１つ又は複数の検出された皮膚領域を経時的に追跡するよう構成される。対象が動いている場合、これは特に好ましい。

更に、一実施形態では、上記画像解析ユニットが、上記取得された画像データにおける上記対象の解剖学的領域及び／又は幾何学的構造を識別し、上記温度決定ユニットは、上記対象の識別された解剖学的領域及び／又は識別された幾何学的構造に基づき、上記中核体温の決定を適合させるよう構成されることができる。例えば、額などの特定の身体領域の周りの領域に対して専用の較正パラメータが使用されることができる。これは、温度決定の精度を更に向上させる。

提案されたシステムは、撮像ユニットと、熱センサと、本書に開示され、簡単に上述したようなデバイスとを有する。熱センサは、長波赤外線スペクトルにおける熱画像を取得する長波カメラユニットを含み得る。撮像ユニットは、可視光及び／又は赤外光スペクトルにおける画像を取得するカメラなどの撮像ユニットを含み得る。

本発明によるシステム及びデバイスの一実施形態の概略的ダイアグラムを示す図である。 対象の顔の例示的な画像を示す図である。 図２に示されるＰＰＧ画像のＰＰＧ振幅の２Ｄマップを示す図である。 対象の顔の例示的な熱画像を示す図である。

本発明のこれらの及び他の態様が、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、本発明による対象の深部体温を決定するシステム１及びデバイス３０の実施形態の概略図を示す。システム１は、対象の皮膚の画像データ１１を取得する撮像ユニット１０、例えば対象の額の一連の画像又はビデオデータを撮影するカメラを含む。システム１は更に、対象の皮膚の熱センサデータ２１を取得する熱センサ２０、例えば対象の額の一連の赤外線画像又は赤外線ビデオデータを撮る赤外線カメラを含む。撮像ユニット１０及び熱センサ２０は、別体のデバイスとして構成されていてもよいし、又は共通のデバイス、例えばカメラデバイスに統合されていてもよい。更に、それらは、画像データと熱センサデータとを同時に取得するよう構成される（例えば、制御又は同期化される）。

システム１は更に、対象の深部体温を決定するデバイス３０を含む。デバイス３０は、例えば専用のデバイスとして、又はこれに応じてプログラムされたプロセッサ若しくはコンピュータとして、ソフトウェア及び／又はハードウェアで実現されることができる。デバイス３０は、撮像ユニット１０及び熱センサ２０とは別に配置され、それらに無線又は有線で接続されてもよいが、代替的に、同じ共通のデバイス、例えば対応するハードウェア及びソフトウェアを備えた、共通のカメラデバイス又はスマートフォンなどのユーザデバイスに一体化されてもよい。
デバイス３０は、撮像ユニット１０により取得された対象の皮膚の画像データ１１を取得する画像データ入力３１と、熱センサ２０により取得された対象の皮膚の熱センサデータ２１を取得する熱センサデータ入力３２とを備える。得られた画像データ１１からＰＰＧ信号を得て、最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域３４を検出する画像解析ユニット３３が設けられる。温度決定ユニット３５は、検出された１つ又は複数の皮膚領域３４に関して得られた熱センサデータ２１から対象の深部体温３６を決定する。

本発明の一実施形態は、ＴＡＳセンサで使用されるのと同じ生理学的原理、即ち側頭動脈より上の表面（皮膚）温度を測定することによる深部体温の推定を利用する。主な根本的な違いは、動脈の上の皮膚領域の自動選択の方法にある。ＴＡＳセンサでは、特定の体の位置（例えば額）における最も熱い皮膚領域が動脈の位置に対応すると仮定される。本発明によれば、この位置は最も強いＰＰＧ振幅を備える領域として検出される。斯かる手法は、周囲温度及びＩＲセンサの分解能の影響に対してより堅牢であり、より正確かつ信頼性があるはずである。

システム１の好ましい実施形態によれば、空間的に整列している２つのタイプのカメラセンサが使用される。広い皮膚領域における血液拍動性を測定する（撮像ユニット１０としての、ＰＰＧ撮像カメラとも呼ばれる）ＲＧＢ又は近赤外（ｎＩＲ）カメラと、撮像ユニットにより検出された関心領域（ＲＯＩ）内の表面温度を測定する（熱センサ２０としての）熱２Ｄセンサ又はＩＲセンサとである。

この実施形態では、第１のステップにおいて、ＲＧＢ又はｎＩＲカメラ（即ち、撮像ユニット１０）は、画像データを取得する。この画像データから、空間位置（１画素又は画素群）ごとにＰＰＧ信号が抽出され、こうして２ＤＰＰＧ画像が形成される。抽出されたＰＰＧ撮像領域内で、大きな振幅のＰＰＧ信号を備える場所の周りの１つ又は複数のＲＯＩが自動的に選択される。選択されたＲＯＩのサイズは、高い血液拍動性を備える領域、及び小さい拍動性を備える領域をカバーするのに十分に大きくあるべきである。

額における２ＤＰＰＧ撮像の実例が、図２及び図４に示される。図２は、対象の顔の例示的な画像を示し、図３は、図２に示される画像における選択された部分５０のＰＰＧ振幅の２Ｄマップを示す。図２における矩形５０内の皮膚領域に対して、ＰＰＧ信号はあらゆる空間位置で抽出され得る。図３に示されるＰＰＧ信号の振幅の２Ｄマップは、この皮膚領域の血液拍動性を示す。

最も強いＰＰＧ信号を備える１つ又は複数のＲＯＩを選択するために皮膚領域の血液拍動性を使用する代わりに、所定の周波数範囲（例えば心拍の典型的な周波数範囲）で最高強度を備えるＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域が使用されることができる。例えば、ＰＰＧ信号のＦＦＴは、それらのＲＯＩを選択するため、ＰＰＧ信号のスペクトルを分析するために行われてもよい。

次に、ＰＰＧ画像から選択された１つ又は複数のＲＯＩが分析されて深部体温が抽出される。

第２のステップにおいて、この実施形態では、撮像ユニット１０と空間的に位置合わせされたサーマルカメラ（即ち、熱センサ２０）が、ＰＰＧ撮像に基づき前のステップにおいて選択された少なくとも１つのＲＯＩを位置合わせする。従って、この実施形態では、熱センサ２０は、撮像ユニット１０により撮像される全皮膚領域から熱センサデータ２１を取得する必要はなく、皮膚領域の１つ又は複数の選択されたＲＯＩからのみ取得する。従って、この好ましい実施形態では、選択されたＲＯＩを熱センサ２０に示すため、デバイス３０、特に画像解析ユニット３３から熱センサ２０に戻る制御信号３６が存在してもよい。これは、熱センサが、選択されたＲＯＩから熱センサデータ２１を取得することを可能にする。この制御信号３６は、図１において破線として示される。

第３のステップにおいて、この実施形態では、熱画像内の選択されたＲＯＩのそれぞれに対して、ＴＡＳアプローチで利用されたのと同じ生理学的効果に基づき、温度測定用の皮膚領域を選択するアプローチが適用される。しかし、空間的に「最も熱い」領域は、局所的に最大のＰＰＧ振幅を備える領域として選択される。このアプローチは、「最も熱い」皮膚スポット（即ち、最大振幅を備えるＰＰＧ信号の周囲の位置）で測定された温度とＲＯＩの他の部分での測定温度との間の差を分析することにより深部体温を抽出するために適用される。図４は、対象の顔の例示的な熱画像を示すことによる一例を示す。

別の実施形態では、いくつかのＲＯＩが、画像データ内でセグメント化され、並行して分析される。更に、温度測定の精度及び堅牢性を改善するため、セグメント化及び第１の並列分析の出力に組み合わせ分析が適用される。

更に別の実施形態では、画像データ内でセグメント化されたＲＯＩにＲＯＩ追跡が適用される。これは、体の動きがあっても深部体温を監視することを可能にする。

なお更なる実施形態では、ＰＰＧ撮像は、（同じ画像データを使用して）解剖学的皮膚セグメント化と組み合わされ、従ってさまざまな解剖学的ＲＯＩに対して、例えば適用されるＴＡＳアルゴリズムを用いて温度決定の適応化が可能にされる。例えば、額の周りの領域に対して専用の較正パラメータが使用されることができる。

更に、更なる別の実施形態では、深度検知（飛行時間又は構造化光）を備えたカメラを使用して頭部が走査され、頭部の幾何学的構造が取得されることができる。ＰＰＧ撮像を顔面形状と組み合わせることにより、ＲＯＩは、中核体温測定のためにより正確にセグメント化又は追跡されることができる。

本発明の有利な用途は、ＮＩＣＵにおける連続的又はスポットチェック監視、体温監視を備えた乳児用電話、及び患者監視の分野にあり得るが、他の用途も一般的に可能である。

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及び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。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な非一時的媒体において格納／配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。

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 (12)

1. 対象の深部体温を決定するデバイスであって、
   対象の皮膚の画像データを取得する画像データ入力部と、
   前記対象の皮膚の熱センサデータを取得する熱センサデータ入力部と、
   前記取得された画像データからフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を導出し、最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出する画像解析ユニットと、
   前記検出された１つ又は複数の皮膚領域について前記取得された熱センサデータから前記対象の深部体温を決定する温度決定ユニットとを有する、デバイス。
2. 前記画像解析ユニットが、前記ＰＰＧ信号に基づき、最高の血液拍動性を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出することにより、前記最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記画像解析ユニットが、所定の周波数範囲内で最も高い強度を備えるＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出することにより、前記最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出する、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記温度決定ユニットが、前記最も強いＰＰＧ信号を示す皮膚領域の温度と他の皮膚領域の温度との間の差を分析することにより前記対象の深部体温を決定する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記画像解析ユニットが、最も強いＰＰＧ信号を持つ２つ以上の皮膚領域を検出し、前記温度決定ユニットが、前記取得された熱センサデータから前記対象の深部体温を２つ以上の検出された皮膚領域に対して別々に決定し、前記２つ以上の検出された皮膚領域に対して決定された深部体温値を組み合わせる、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記画像解析ユニットが、１つ又は複数の検出された皮膚領域を経時的に追跡する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記画像解析ユニットが、前記取得された画像データにおける前記対象の解剖学的領域及び／又は幾何学的構造を識別し、前記温度決定ユニットは、前記対象の識別された解剖学的領域及び／又は識別された幾何学的構造に基づき、前記深部体温の決定を適合させる、請求項１に記載のデバイス。
8. 対象の深部体温を決定するシステムであって、
   対象の皮膚の画像データを取得する撮像ユニットと、
   前記対象の皮膚の熱センサデータを取得する熱センサと、
   前記対象の深部体温を測定する請求項１に記載のデバイスとを有する、システム。
9. 前記熱センサが、長波赤外線スペクトルにおける熱画像を取得する長波カメラユニットを有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記撮像ユニットが、可視及び／又は赤外光スペクトルの画像を取得する撮像ユニットを有する、請求項８に記載のシステム。
11. 対象の深部体温を決定する方法において、
    対象の皮膚の画像データを取得するステップと、
    前記対象の皮膚の熱センサデータを取得するステップと、
    前記取得された画像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、
    最も強いＰＰＧ信号を持つ１つ又は複数の皮膚領域を検出するステップと、
    前記検出された１つ又は複数の皮膚領域について前記取得された熱センサデータから前記対象の深部体温を決定するステップとを有する、方法。
12. 実行されるとき、請求項１１に記載の方法のステップをコンピュータに実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

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