KR20090016744A

KR20090016744A - 조직 산소화의 측정

Info

Publication number: KR20090016744A
Application number: KR1020087032089A
Authority: KR
Inventors: 올루솔라 오. 소예미; 밥스 알. 솔러; 예 양
Original assignee: 유니버시티 오브 매사추세츠
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2009-02-17
Also published as: CN101489482A; KR101399907B1; ES2525795T3; US20080097173A1; JP2010527635A; EP2034893A2; WO2007140422A2; WO2007140422A3; EP2034893B1; US7532919B2; EP2034893A4; DK2034893T3; CA2688050A1; JP5607358B2; CN101489482B; AU2007266481A1

Abstract

본 발명은 표적 조직에서 조직 산소화, 예를 들어, 산소 포화도를 계산하는 방법 및 시스템을 개시하고 있다. 일부 구체예에서, 본 발명의 방법은 (a) 입사 방사선을 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함으로써 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고; (b) 측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하여 입사 방사선이 전파되는 피부와 지방 층으로부터의 기여부분을 감소시키고; (c) 보정된 반사 스펙트럼을 기초로 하여 표적 조직에서의 산소 포화도를 측정하고; (d) 측정된 산소 포화도 값을 산출함을 포함한다.

Description

조직 산소화의 측정{MEASURING TISSUE OXYGENATION}

본 발명은 조직에서 산소 포화도와 같은 성질을 측정하는 것에 관한 것이다.

조직 산소 포화도(SO₂)는 적혈구 중 산소 함량의 측정을 제공한다. 조직 중 SO₂의 측정은 패혈증 및 당뇨병과 같이, 예를 들어 손상된 혈관 혈류를 초래하는 특정 병리학적 질환으로 발생한 미세-혈관 순환 및 조직 세포로의 산소 공급을 측정하기 위해 이용될 수 있다. 조직 SO₂ 측정은 운동 생리학에 이용될 수도 있는데, 운동하는 동안 산소 요구량과 공급량간의 미스매치를 피검체의 물리적 조절의 한도를 측정하는데 이용할 수 있다.

적외선 반사율 측정을 조직 중 다양한 화학 종의 비침습성, 정량적 검출에 이용할 수 있다. 예를 들어, 조직 중 산소화된 및 탈산소화된 헤모글로빈의 조사가 약 700-1000 nm의 범위내에 있는 파장에서 조직의 반사율 측정을 통해 이루어질 수 있다. 이러한 파장 범위에서, 조직에 존재할 수 있고 중요치 않은 다수의 화학 종이 입사 방사선과 단지 약하게 상호작용하고, 헤모글로빈으로부터 발생한 시그널이 다른 화학 성분으로부터 발생한 시그널로부터 분리될 수 있다. 적외 방사선은 통상적으로 조직으로 비교적 깊게 침투하여 근육 심부 및 다른 내부 조직에서 관심 있는 분석물을 측정하기 위해 피부 및 지방과 같은 표면 아래쪽 조직을 탐색하는데 이용될 수 있다. 조직에서 적외선 반사율 측정을 수행하는 적합한 시스템이 미국특허 US2007/0038041호[entitled "SYSTEMS AND METHODS FOR CORRECTING OPTICAL REFLECTANCE MEASUREMENTS," filed on April 25, 2006]에 개시되어 있다.

발명의 개요

적외선 분광 측정으로부터 조직 산소 포화도(SO₂) 및 산소 장력과 같은 다른 양을 측정하는 시스템 및 방법이 본원에 개시된다. 시스템 및 방법은 적어도 부분적으로 조직에 의한 광 감쇠에 대한 방정식에 근거하여 조직 중 산소 포화도를 측정하는 접근법에 기초하며, 여기서 방정식은 조직 성분에 의한 광 흡수 및 산란에 상응하는 항을 포함한다. 광 감쇠 방정식의 일 형태는 측정된 광 감쇠 스펙트럼 및 베르 법칙(Beer's law)의 급수 전개(예컨대, 테일러 급수 전개)에 기초하고, 하기에 상응하는 광 감쇠 항을 포함한다: 산소화된 헴(heme)(헤모글로빈 및 미오글로빈), 탈산소화된 헴, 물, 및 조직에 존재하는 다른 발색단에 의한 흡수; 조직에서의 산란; 및 실험 조건으로부터 생긴 불변 인자. 이러한 기여부분이 2-스테이지 수치적 피팅 절차(fitting procedure)에 의해 정량적으로 결정될 수 있고, 이것은 조직 중 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도를 제공한다. 조직 산소 포화도는 이후 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도로부터 결정될 수 있다. 다른 양도 SO₂의 측정으로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 산소 장력(PO₂)이 PO₂ 내지 SO₂에 관한 수학 방정식으로부터 결정될 수 있다.

조직 산소 포화도 및/또는 산소 장력은 중요한 생리적 진단 및/또는 예측 지표로서 기능할 수 있다. 특히, SO₂는 모세관 혈관수축의 민감한 탐침이며, 조직 중 혈액량의 변화, 또는 상해에 반응한 혈관수축/혈관확장을 초래하는 질환의 진행 및/또는 치료를 탐지하는데 이용될 수 있다. 이러한 질환의 예로는 출혈, 패혈증, 심장병, 및 당뇨병이 있다.

일반적으로, 일 측면에서, 본 발명은 표적 조직 중 산소 포화도를 계산하는 방법을 특징으로 하며, 이 방법은 (a) 입사 방사선을 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함에 의해 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고; (b) 측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하여 이에 대한 입사 방사선이 전파되는 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키고; (c) 보정된 반사 스펙트럼에 기초하여 표적 조직 중 산소 포화도를 결정하고; (d) 결정된 산소 포화도 값을 산출하는 것을 포함한다.

상기 방법의 구체예는 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 산소 포화도를 측정하는 것은 보정된 반사 스펙트럼으로부터 광 감쇠 스펙트럼을 결정하는 것과, 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도된 표적 조직 중 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도에 기초하여 산소 포화도를 계산하는 것을 포함할 수 있고, 여기서 헴은 표적 조직 중 헤모글로빈 및 미오글로빈을 포함한다. 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도는 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅시킴에 의해 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도될 수 있다. 광 감쇠 방정식은 표적 조직 중 산소화된 헴, 탈산소화된 헴, 및 물에 의한 입사광 흡수에 상응하는 항을 포함하는 베르 법칙 방정식을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 감쇠 방정식은 베르 법칙의 흡수 항에 상응하는 다수의 항으로 광 감쇠의 급수 전개(예컨대, 테일러 급수 전개)를 포함할 수 있다. 피팅은 프로세서에 의해 자동으로 수행될 수 있다.

광 감쇠 방정식은 입사광의 파장에 따라 선형으로 변화되는 항을 포함할 수 있는데, 상기 항은 αλ의 함수 형태를 지니고, 여기서 α는 상수이고 λ는 입사광의 파장이다. α의 값은 피팅 동안 제한될 수 있어서 α는 0 미만이거나 0인 값으로만 가정된다. 광 감쇠 방정식은 입사광의 파장과 무관한 상수 항을 포함할 수 있다.

광 감쇠 스펙트럼을 모델에 피팅시키는 것은 2-스테이지 피팅 절차를 수행하는 것을 포함할 수 있는데, 제1 스테이지에서는 하나 이상의 모델 파라미터의 초기 값을 결정하고, 제2 스테이지에서는 광 감쇠 스펙트럼을 제1 스테이지에서 결정된 초기 파라미터값을 포함하는 모델에 피팅시킨다. 광 감쇠 스펙트럼은, 광 감쇠 스펙트럼 및 모델로부터 결정된 광 감쇠 값 사이의 제곱 오차의 합을 최소화함에 의해 모델에 피팅될 수 있다.

광 감쇠 방정식은 광 감쇠 방정식으로부터 결정된 광 감쇠 값 및 광 감쇠 스펙트럼 간의 차이로부터 유도된 기준선 함수를 포함할 수 있다. 광 감쇠 방정식은 표적 조직의 산란 계수에 정비례하고 표적 조직의 흡수 계수에 반비례하는 미분 경로 길이 인자를 포함할 수 있다. 광 감쇠 방정식은 표적 조직 중 입사광의 방사선 확산 모델로부터 유도된 확산 반사율 방정식을 포함할 수 있다.

반사된 방사선의 세기를 측정하는 것은 (a) 광원에서 검출기로의 제1 광학 경로를 따라 제1 광원-검출기 간격에 상응하는 표적 조직으로부터 반사된 방사선을 측정하고; (b) 광원에서 검출기로의 제2 광학 경로를 따라 제1 광원-검출기 간격과 상이한 제2 광원-검출기 간격에 상응하는 표적 조직으로부터 반사된 방사선을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 제1 광원-검출기 간격에서 측정된 반사된 방사선은 표적 조직으로부터의 기여부분 및 광원과 표적 조직 사이에 배치된 조직 층으로부터의 기여부분의 첫 번째 가중치를 더하는 것을 포함할 수 있고, 제2 광원-검출기 간격에서 측정된 반사된 방사선은 첫 번째 가중치와 상이한, 표적 조직으로부터의 기여부분 및 광원과 표적 조직 사이에 배치된 조직 층으로부터의 기여부분의 두 번째 가중치를 더하는 것을 포함할 수 있다. 광원과 표적 조직 사이에 배치된 조직 층은 피부 및 지방층일 수 있다. 반사 스펙트럼의 측정된 세기를 보정하는 것은 제2 광원-검출기 간격에서 측정된 반사된 방사선에 대하여 제1 광원-검출기 간격에서 측정된 반사된 방사선에 기초하여 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은 표적 조직에서의 산소 포화도에 기초하여 표적 조직의 산소 장력을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 환자의 표적 조직에서 총 헤모글로빈의 측정치에 기초하여 환자의 혈관수축 정도를 측정하는 것을 포함할 수 있고, 여기서 총 헤모글로빈은 표적 조직의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도에 기초하여 결정된다.

표적 조직은 인간 내부의 것일 수 있다. 표적 조직은 동물 내부의 것일 수 있다. 표적 조직은 근육 조직일 수 있다.

다수의 파장은 적어도 100개의 파장 또는 이를 초과할 수 있다. 다수의 파장은 700 nm 내지 1000 nm의 파장을 포함할 수 있다 (예컨대, 725 nm 내지 880 nm의 파장).

상기 방법의 구체예는, 적합하다면 본원에 개시된 다른 임의의 방법 단계도 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 환자의 혈액량을 모니터링하는 방법을 특징으로 하며, 이 방법은 (a) 입사 방사선을 환자의 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함에 의해 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고; (b) 측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하여 이에 대한 입사 방사선이 전파되는 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키고; (c) 보정된 반사 스펙트럼에 기초하여 표적 조직에서 총 헴 농도를 결정하고; (d) 총 헴 농도에 기초하여 환자의 혈액량을 평가하고; (e) 평가된 혈액량을 산출하는 것을 포함한다.

상기 방법의 구체예는 하기 특징을 포함할 수 있다.

이 방법은 평가된 혈액량에 기초하여 환자의 출혈, 패혈증, 심장병, 및 당뇨병 중 하나 이상의 경과 스테이지를 평가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법의 구체예는, 적합하다면 본원에 개시된 다른 임의의 방법 단계도 포함할 수 있다.

추가의 측면에서, 본 발명은 표적 조직에서 산소 포화도를 계산하는 방법을 특징으로 하고, 이 방법은 (a) 입사 방사선을 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함에 의해 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고; (b) 반사 스펙트럼으로부터 표적 조직의 광 감쇠 스펙트럼을 결정하고, 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅시키고; (c) 광 감쇠 스펙트럼의 피팅에 기초하여 표적 조직의 산소 포화도를 결정하는 것을 포함한다. 광 감쇠 스펙트럼을 모델에 피팅시키는 것은 2-스테이지 피팅 절차를 수행하는 것을 포함할 수 있는데, 제1 스테이지에서는 하나 이상의 모델 파라미터의 초기 값을 결정하고, 제2 스테이지에서는 광 감쇠 스펙트럼을 제1 스테이지에서 결정된 초기 파라미터 값을 포함하는 모델에 피팅시킨다.

이 방법의 구체예는 하기 특징을 포함할 수 있다.

모델은 αλ의 함수 형태를 지니는 항을 포함할 수 있으며, 여기서 α의 값은 피팅 동안 0 미만이거나 0인 값으로 제한된다. 이 방법의 구체예는, 적합하다면 본원에 개시된 다른 임의의 방법 단계도 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 표적 조직으로 입사 방사선을 유도하도록 배열된 광원, 검출기, 및 검출기에 연결되어 (a) 표적 조직의 반사 스펙트럼을 결정하고; (b) 반사 스펙트럼을 보정하여 이에 대한 입사 방사선이 전파되는 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키고; (c) 보정된 반사 스펙트럼에 기초하여 표적 조직에서 산소 포화도를 결정하도록 배열된 프로세서를 포함하는 시스템을 특징으로 한다.

상기 시스템의 구체예는 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

프로세서는 검출기에게 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정하도록 지시함에 의해 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하도록 배열될 수 있다. 프로세서는 보정된 반사 스펙트럼으로부터 광 감쇠 스펙트럼을 계산하고, 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도된 표적 조직에서의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도에 기초하여 산소 포화도를 계산함에 의해 산소 포화도를 결정하도록 배열될 수 있고, 여기서 헴은 표적 조직의 헤모글로빈 및 미오글로빈을 포함한다.

상기 시스템은 또한 (a) 광원과 검출기 간의 제1 간격에 상응하는, 광원과 검출기 사이의 제1 방사선 경로; 및 (b) 제1 간격과 상이한, 광원과 검출기 간의 제2 간격에 상응하는, 광원과 검출기 사이의 제2 방사선 경로를 포함할 수 있다. 광원으로부터의 입사 방사선은 제1 및 제2 방사선 경로 각각을 따라 표적 조직까지 유도될 수 있고, 표적 조직으로부터 반사된 방사선은 제1 및 제2 방사선 경로 각각을 따라 검출기까지 유도될 수 있다. 프로세서는, 제1 및 제2 광 경로 각각에 따른 반사 스펙트럼을 측정하고, 반사 스펙트럼을 조합시켜 보정된 반사 스펙트럼을 생성함에 의해 측정된 반사 스펙트럼에 대한 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키도록 배열될 수 있다. 제1 및 제2 방사선 경로 각각은 광학 섬유를 포함할 수 있다.

프로세서는, 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅시켜 표적 조직에서 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도를 유도하도록 배열될 수 있다. 모델 광 감쇠 방정식은 표적 조직의 산소화된 헴, 탈산소화된 헴, 및 물에 의한 입사 방사선의 흡수에 상응하는 항을 포함하는 베르 법칙 방정식을 포함할 수 있다.

프로세서는, 산소 포화도로부터 표적 조직의 산소 장력을 결정하도록 배열될 수 있다. 프로세서는 표적 조직 중 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도로부터 표적 조직의 총 헴 농도를 결정하도록 배열될 수 있다. 프로세서는, 총 헴 농도에 기초하여 표적 조직의 혈액량을 평가하도록 배열될 수 있다.

또한 프로세서는, 적합하다면 본원에 개시된 다른 임의의 방법 단계를 수행하도록 배열될 수 있다.

구체예는 하기 이점 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

산소 포화도 및/또는 산소 장력은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 수행된 광 감쇠 측정에 기초하여 결정된다. 헴 이외의 분석물로 인한 흡수 및 산란 효과는 다른 스펙트럼 영역에서 보다 이 영역에서 더 적다. 결과적으로, 헴 흡수는 다른 조직 성분들로 인한 흡수 및 산란 프로세스로부터 정량적으로 분리될 수 있다.

추가로, 적외 방사선은 환자에게 비교적 깊이 침투하여 피부 및 지방층 아래에 위치한 조직(예컨대, 근육 조직)을 검사한다. 적외 방사선의 침투 깊이는, 예를 들어 통상적으로 피부 및 지방층 아래에 비교적 깊게 위치하는 근육 조직에서 산소 포화도의 측정을 가능하게 한다. 적외선 스펙트럼 테이타는 피부 안료에 의한 광 흡수 및 지방에 의한 광 산란에 대해 보정될 수 있으므로, 이러한 보정 없이 다른 방법으로 가능한 것보다 헴 흡수의 더욱 정확한 정량적인 측정을 가능하게 한다. 환자의 조직에서 물 흡수의 효과도 정량적으로 측정되어 헴 흡수와 구별될 수 있다.

측정은 100개 이상의 파장 채널과 같은 (예컨대, 150개 이상의 파장 채널, 200개 이상의 파장 채널, 400개 이상의 파장 채널, 600개 이상의 파장 채널, 1000개 이상의 파장 채널) 비교적 다수의 파장 채널에서 수행된다. 비교적 다수의 측정은, 예를 들어 2개 내지 6개의 파장 채널로부터 테이타를 기록하는 기계에 비해 측정된 테이타의 시그널-대-노이즈 비율을 개선시킨다.

본원에 개시된 측정은 저렴한 휴대용 측정 시스템을 이용하여 비침습적으로 수행된다. 결과는 실시간 또는 거의 실시간으로 보일 수 있고, 이것은 산소 포화도 및/또는 산소 장력의 연속적인 모니터링을 가능하게 한다. 이러한 파라미터가 환자의 특정 의학적 질환과 관련되는 경우, 질환의 경과가 실시간으로 평가될 수 있다. 기계는 수동 조정으로 동작하거나, 오퍼레이터의 간섭없이 완자동식으로 동작할 수 있다.

피팅 파라미터는 산란 및 흡수 프로세스를 더욱 정확하게 정량적으로 분리할 수 있도록 적합하게 제한될 수 있다. 예를 들어, 특정 파장-의존적인 산란 항의 계수는 광 파장의 함수로서 조직 산란의 통상적인 변화에 상관하여, 측정된 광 감쇠 테이타에 대한 감쇠 방정식의 피팅 동안 플러스가 아닌 값만을 취하도록 제한될 수 있다. 피팅 억제의 적합한 선택은 산소화된 헴에 의한 생체내 조직 산란 및 흡수 효과의 정량적인 분리를 개선시킬 수 있다.

광 감쇠 방정식은 2-스테이지 피팅 절차에서 측정된 테이타에 대해 피팅될 수 있다. 피팅 절차의 제1 스테이지는 특정 피팅 파라미터의 초기 값을 결정하고, 피팅 절차의 제2 스테이지는 제1 스테이지에서 측정된 초기 값에서 출발하여, 감쇠 방정식에 대해 측정된 테이타의 최저-에러 피트(fit)를 결정한다. 2-스테이지 피팅 절차는 오퍼레이터에 의한 간섭없이 측정된 스펙트럼 테이타의 피팅을 가능하게 하여 피팅 절차를 수행하는데 요구되는 전체 시간을 감소시킨다. 특정 구체예에서, 2-스테이지 피팅 절차는 1-스테이지 피팅 알고리듬에 비해 피팅 결과의 정확성도 개선시킬 수 있다.

달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업계의 기술자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 지닌다. 본원에 개시된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 이용될 수 있으나, 적합한 방법 및 재료가 하기 기술된다. 임의의 공개문헌, 특허 출원, 특허 및 본원에 언급된 다른 참고문헌과 모순되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시이며 제한하려는 것이 아니다.

본 발명의 하나 이상의 구체예의 상세설명이 첨부된 도면 및 하기 설명에 제시된다. 본 발명의 다른 특징 및 이점이 설명, 도면, 청구범위로부터 자명할 것이다.

도면의 설명

도 1은 표적 조직의 산소 포화도를 측정하기 위한 분광계 시스템의 가능한 일 구체예의 개략도이다.

도 2는 표적 조직의 산소 포화도를 측정하기 위한 분광계 시스템의 또 다른 구체예의 개략도이다.

도 3은 표적 조직에 대한 광 감쇠 스펙트럼으로부터 표적 조직의 산소 포화도를 결정하기 위한 일련의 예시적인 단계를 도시하는 흐름도이다.

도 4는 하체 음압 시험 프로토콜을 겪는 환자에서 뇌졸중 부피의 측정된 퍼센트 변화의 함수로서 총 헤모글로빈의 측정된 퍼센트 변화를 도시하는 플롯이다.

도 5는 하체 음압 시험 프로토콜을 겪는 환자에서 총 말초 저항의 측정된 퍼센트 변화의 함수로서 총 헤모글로빈의 측정된 퍼센트 변화를 도시하는 플롯이다.

도 6은 일련의 상이한 조직 산소 포화도 값에서 비-산란 표적 조직에 대해 계산된 이론상의 광 감쇠 스펙트럼을 도시하는 플롯이다.

도 7은 일련의 상이한 조직 산소 포화도 값에서 산란 표적 조직에 대해 계산된 이론상의 광 감쇠 스펙트럼을 도시하는 플롯이다.

도 8은 상이한 표적 조직에서 산소 포화도의 실제 값 및 산정된 값을 비교하는 플롯이다.

도 9는 하체 음압 시험 프로토콜의 다양한 스테이지에서 채혈된 샘플 및 환자에 대한 비침습적인 적외선 반사율 측정치로부터 측정된 산소 포화도 값을 비교하는 플롯이다.

도 10은 하체 음압 시험 프로토콜의 다양한 스테이지에서 채혈된 샘플 및 환자에 대한 비침습적인 적외선 반사율 측정치로부터 측정된 산소 장력 값을 비교하는 플롯이다.

여러 도면에서 같은 도면 부호는 동일한 엘리먼트를 가리킨다.

상세한 설명

표적 조직(예컨대, 사람 또는 동물의 조직)의 적외선 반사 스펙트럼으로부터 조직 산소 포화도 및 산소 장력과 같은 다른 생리적 양을 측정하는 방법 및 시스템이 본원에 개시된다. 이러한 양들의 값은, 조직 흡수 및 산란을 설명하는 광 감쇠 모델을 분석함에 의해 유도된다. 표적 조직의 반사 스펙트럼을 먼저 적합하게 배열된 분광계 시스템으로 측정한 다음, 스펙트럼을, 예를 들어 분광계 시스템에 연결된 프로세서에 의해 분석한다.

측정 시스템

전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 표적 조직에 의한 입사광의 감쇠를 측정하기 위해 다양한 측정 시스템이 이용될 수 있다. 도 1은 이러한 측정 시스템의 일 구체예의 개략도를 도시한다. 측정 시스템(10)은 광원(12), 탐침 헤드(14), 검출기(16), 프로세서(18) 및 디스플레이(19)를 포함한다. 광원(12)은 광 경로(20)에 연결되어 광 경로(20)를 따라 광원(12)에서 탐침 헤드(14)로 전파되는 방사선을 제공한다. 방사선은 광원(20)으로부터 나와 탐침 헤드(14)에 인접한 표적 조직(30)의 표면(32) 상에 입사된다. 입사 방사선의 일부는 표적 조직(30)에 의해 반사되어 광 경로(22)로 들어간다. 반사된 방사선은 광 경로(22)를 따라 검출기(16)로 전파된다. 검출기(16)는 파장의 함수로서, 반사된 방사선의 세기를 측정하도록 배열된다. 독립형 프로세서 또는 외부 컴퓨터 시스템의 일부와 같은 프로세서(18)는 통신선(24)을 통해 검출기(16)에 연결되어 검출기(16)에 구성 시그널을 제공한다. 또한, 프로세서(18)는 통신선(25)을 통해 검출기(16)에 의해 기록된 스펙트럼 반사 세기 테이타를 수신하도록 배열된다. 프로세서(18)는 스펙트럼 반사 테이타를, 예를 들어 표적 조직(30)에 의한 입사 방사선의 파장-의존적인 감쇠를 평가하는 광 감쇠 테이타로 변환하도록 배열될 수 있다. 도 1에 도시된 대로, 프로세서(18)는 디스플레이(19)와 전기적으로 통신된다. 스펙트럼 반사 테이타, 파장-의존적인 광 감쇠 테이타, 및/또는 측정된 테이타로부터 결정된 다른 테이타 및 생리학적 양은 프로세서(18)에서 디스플레이(19)로 출력될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 측정되고/거나 계산된 테이타는 프로세서(18)에서 추가의 프로세싱을 위해 또 다른 프로세서(도시되지 않음)로, 저장 매체로, 또는 또 다른 장치(예컨대, 컴퓨터 및/또는 무선 통신 장치)로 출력될 수 있다.

광 경로(20 및 22)의 끝은 탐침 헤드(14)의 간격에 의해 분리된다. 일부 구체예에서, 간격 d는 비교적 짧을 수 있고, 예컨대 약 5 mm 이하이다(예컨대, 약 4 mm 이하, 약 3 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 약 1 mm 이하). 또 다른 구체예에서, 간격 d는 비교적 길 수 있고, 예컨대 약 20 mm 이상이다(예컨대, 약 25 mm 이상, 약 30 mm 이상, 약 35 mm 이상). 특정 구체예에서, 탐침 헤드(14)는 시스템 오퍼레이터에 의해 간격 d의 조정이 가능하도록 배열된다. 예를 들어, 간격 d는 탐침 헤드(14)에 인접한 표적 조직(30)의 표면(32)의 특정 깊이 t 내에서 조직으로부터의 기여부분을 포함하는 스펙트럼 테이타를 획득하도록 조정될 수 있다. 일반적으로, 간격 d가 클수록, 측정된 광 감쇠 테이타에 기여하는 조직의 깊이 t도 커진다.

광원(12)은 일반적으로 광범한 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(12)은 백열원, 하나 이상의 발광 다이오드, 레이저-기재 광원, 또는 다른 유형의 광원을 포함할 수 있다. 광원(12)은 전자기 스펙트럼의 하나 이상의 선택된 영역, 예컨대 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 다른 영역에서 방사선을 제공할 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어, 광원(12)은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 방사선을 제공하도록 배열된다. 방사선은 예를 들어 약 700 nm 내지 약 1000 nm의 파장을 포함할 수 있다.

특정 구체예에서, 광원(12)에 의해 제공된 방사선은 다수의 파장을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방사선 파장 분포의 반치폭(full-width at half maximum)은 약 10 nm 이상일 수 있다(예컨대, 약 20 nm 이상, 약 50 nm 이상, 약 100 nm 이상, 약 150 nm 이상, 약 200 nm 이상, 약 250 nm 이상). 방사선의 파장 분포는, 예를 들어 백열 엘리먼트 또는 광대역 발광 다이오드와 같은 단일원 엘리먼트로부터 생성될 수 있거나, 동시에 또는 순차적으로 동작하는 다중원 엘리먼트(예컨대, 다중 발광 다이오드)로부터 생성될 수 있다.

광 경로(20 및 22)는 광원(12)에 의해 제공된 방사선을 보내기 위해 적합한 물질로부터 형성될 수 있다. 특정 구체예에서, 예를 들어, 광 경로(20 및 22) 중 하나 또는 둘모두는 하나 이상의 광섬유에 의해 형성된 도파관일 수 있다. 일부 구체예에서, 광 경로(20 및 22) 중 하나 또는 둘모두는 프로브 해드(14)에 형성되고 방사선을 통과시킬 수 있는 크기를 갖는 개방 통로일 수 있다. 특정 구체예에서, 예를 들어 광원(12) 및 검출기(16) 중 하나 또는 둘모두는 환자의 피부와 직접 접촉하거나, 표적 조직과 직접 접촉하게 배치되어(예를 들어, 피부 및/또는 지방 층에 중첩하지 않고), 광 경로(20 및/또는 22)가 개방 통로를 포함하지 않도록 하지만, 대신에 광학적 궤도를 포함하며, 이와 함께 입사 및 반사된 방사선이 표적 조직에서 전달한다. 일부 구체예에서, 광 경로(20 및 22) 중 하나 또는 둘모두는 다른 타입의 도파관, 예를 들어 포토닉(photonic) 결정 섬유 및/또는 광전달 폴리머 물질을 포함할 수 있다.

검출기(16)는 표적 조직(30)으로부터 반사된 방사선의 파장-의존적 세기를 측정하도록 배열된다. 통상적으로, 검출기(16)는 스펙트럼 검출기, 예를 들어, 분광계이며, 여기에 회절 격자와 같은 파장-분산 성분이 광원(12)에 의해 제공된 방사선의 파장을 포함한 파장 영역에서 사용하기 위해 배열된다. 적합한 분광계는 에를 들어 오션 옵틱스 인크(Ocean Optics Inc. (Dunedin, FL))로부터 입수가능하다. 검출기(16)는 다중 파장에서 방사선의 세기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 검출기(16)는 약 50개 이상의 별도의 파장(예를 들어, 약 100개 이상의 별도의 파장, 약 150개 이상의 별도의 파장, 약 200개 이상의 별도의 파장, 약 400개 이상의 별도의 파장, 약 600개 이상의 별도의 파장, 약 1000개 이상의 별도의 파장)에서 광학적 방사선의 세기를 측정하기 위해 배열된다.

통상적으로 표적 조직(30)으로부터의 파장-의존적 반사 데이타인 검출기(16)에 의해 측정된 스펙트럼 세기 데이타는 널리 공지된 방법을 이용하여 프로세서(18)에 의해 파장-의존적 광감쇠 데이타(예를 들어, 표적 조직(30)의 광감쇠 스펙트럼)로 변환될 수 있다. 이후 논의에서, 표적 조직(30)의 광감쇠 스펙트럼이 참고되지만, 본원에 기술된 방법 및 시스템이 또한 직접적으로 스펙트럼 반사 데이타를 처리하기 위해 사용될 수 있는데, 이는 광감쇠 및 스펙트럼 반사 데이타가 단순한 수학적 변형에 의해 관련되기 때문이다(예를 들어, 다음 섹션에 논의된 방정식 (2)).

스펙트럼 반사를 광감쇠 데이타로 전환시키는 것 이외에, 프로세서(18)는, 하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 산소 포화도 및 산소 압력과 같은 생리학적으로 중요한 양의 측정을 얻기 위해 광감쇠 데이타를 분석하도록 배열될 수 있다. 일반적으로, 프로세서(18)는 본원에 논의된 임의의 분석 단계를 수행하도록 배열될 수 있다.

일부 구체예에서, 광학적 반사 스펙트럼은 하나 초과의 광원-검출기 간격(d)에서 측정될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 두개의 상이한 광원-검출기 간격을 포함하는 측정 시스템(50)의 일 구체예의 개략적인 다이아그램이며, 각각은 조작자에 의해 고정되거나 조절될수 있다. 측정 시스템(50)의 수많은 구성요소는 측정 시스템(10)의 구성요소와 유사하고, 추가로 논의되지 않을 것이다. 측정 시스템(50)은 거리(d_a)에 의해 프로브 해드(14)에서의 광 통로(20)로부터 이격된 제 1 검출 광 통로(22a), 및 d_a 보다 큰 거리 (d_b)에 의해 프로브 해드(14)에서의 광 통로(20)로부터 이격된 제 2 검출 광 통로(22b)를 포함한다.

스펙트럼 반사율 측정은 다수의 광원-검출기 거리에서 검출기(16)에 의해 기록되어 고려되는 하부 조직의 스펙트럼으로부터 중첩하는 조직층의 스펙트럼 흡수 및/또는 산란 효과를 감소시키고/거나 제거할 수 있다. 예를 들어, 짧은 광원-검출기 거리(d_a)에서 기록된 반사 스펙트럼은 통상적으로 표면(32) 가까이의 조직으로부터, 및 표적 조직(30)의 보다 깊은 내부(예를 들어, 주로 표적 조직(30)의 표면(32) 가까이의 조직)로부터의 제 1 비중의 기여를 포함한다. 보다 긴 광원-검출기 거리(d_b)에서 기록된 반사 스펙트럼은 통상적으로 표면(32) 가까이의 조직으로부터, 및 표적 조직(30)의 보다 깊은 내부로부터 제 1 비중과는 상이한 제 2 비중의 기여를 포함한다(예를 들어, 보다 긴 광원-검출기 거리에서의 스펙트럼은 통상적으로 표면(32) 가까이의 조직으로부터, 및 표면(32) 아래의 조직으로부터 상당한 기여를 포함한다.). 두개의 상이한 광원-검출기 거리에서 기록된 반사율 데이타는 적절한 알고리듬을 이용하여 처리되어 표면(32)에 인접한 조직층을 중첩시킴으로 인해 스펙트럼 기여를 제거하고, 이는 하부(예를 들어, 보다 깊은) 조직 층에만 기인한 스펙트럼 기여를 주로 유지시킬 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 광원-검출기 거리는 스펙트럼 반사율 측정의 선택성을 개선시키기 위해(예를 들어, 환자의 피부 표면 아래의 특정 깊이에서 조직에 선택적으로 신호를 보내기 위해) 조작자에 의해 조절될 수 있다.

예로서, 일부 구체예에서, 표적 조직(30)은 프로브 해드(14)에 가까운 피부 및 지방의 층들, 및 피부 및 지방층들 아래에 있는(예를 들어 프로브 해드(14)로부터 보다 먼 거리의) 고려되는 근육 조직을 포함할 수 있다. 피부(피부 색소를 포함) 및 지방 층들에 의한 광흡수 및/또는 산란으로 일어나는 광감쇠 데이타에 대한 기여는 광감쇠 데이타로부터 감소되거나 제거되어 고려되는 근육 조직에 선택적으로 신호가 보내어지는 정확도를 개선시킬 수 있다. 적합한 측정 시스템 및 처리 알고리듬은 예를 들어, 미국공개번호 US 2007/0038041 (발명의 명칭 "SYSTEMS AND METHODS FOR CORRECTING OPTICAL REFLECTANCE MEASUREMENTS")에 기술되어 있다.

일부 구체예에서, 다수의 광원-검출기 거리에서의 스펙트럼 반사율 데이타는 단일 검출 광 경로 및 다수의 소스 광 경로(예를 들어, 하나의 방사선원에서 프로브 해드(14)로의 광 커플링을 위한 다수의 경로)를 갖는 시스템에 의해 측정될 수 있다. 일반적으로, 측정 시스템의 특정 배열은 중첩 조직 층들의 스펙트럼 효과를 제거하기 위해 사용되는 처리 알고리듬을 실질적으로 변경시키지 않거나 광감쇠 스펙트럼으로부터 산소 포화 및 산소 압력과 같은 양을 결정하기 위해 사용되는 분석 알고리듬을 변경시키지 않는다.

표적 조직(30)으로부터 스펙트럼 반사율 데이타를 측정하고 표적 조직에 상응하는 파장-의존적 광감쇠 데이타로 데이타를 변형시키면서, 프로세서(18)는 광감쇠 데이타를 분석하도록 배열되어 표적 조직에 대한 고려되는 양의 수치를 얻는다. 이러한 양을 얻기 위한 프로세서(18)에 포함되는 다양한 분석 알고리듬은 하기에 기재된다.

산소 포화도의 결정

조직 산소측정법에서, 적외선은 혈액에서 헴 구성성분을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 전자기 스펙트럼 중 가시광선 부분에서의 방사선이 혈액 헴에 의해 도한 흡수되지만, 적외선 광은 통상적으로 조직으로 보다 깊이 침투하며, 광산란의 효과는 통상적으로 가시광 파장 보다 적외선 파장에서 보다 적다. 근육 세포에서, 예를 들어, 미오글로빈 및 헤모글로빈은 입사 방사선 통로에 각각 존재하며, 각각은 적외선을 흡수한다. 작은 혈관(예를 들어, 소동맥, 모세혈관, 및 소정맥)에서, 적외선 흡수의 변화는 주로 산소화 및 비-산소화된 헴의 농도의 변화를 반영한다. 결론적으로, 조직 산소 포화도(SO₂)는 하기 방정식에 따라 규정된다:

여기서, c_(HbO2+MbO2)는 조직에서 산소화된 헴의 전체 농도이며(Hb=헤모글로빈, Mb=미오글로빈), c_(Hb+Mb)는 조직에서 탈산소화된 헴의 전체 농도이다. 총량 C_Hb+Mb+C_Hb02+Mb02는 조직에서 헴의 전체 농도이다. 헤모글로빈 및 미오글로빈은 스펙트럼 중 대부분의 적외선 영역을 통해 유사한 흡수 프로필을 가지며, 본원에 기술된 적외선 반사율 측정 기술은 헤모글로빈 및 미오글로빈 둘 모두에 대해 민감하다.

입사광에 노출되는 표적 조직에 대한 모델 광감쇠 스펙트럼(A_model(λ))은 일반적으로 입사광 세기 및 반사광 세기의 비의 알고리듬으로서 규정된다. 다양한 상이한 모델은 표적 조직의 광감쇠 스펙트럼을 기술하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어, 테일러 급수 전개 방법은 문헌[Stratonnikov, A.A. and Loschenov, V.B., "Evaluation of blood oxygen saturation in vivo from diffuse reflectance spectra," Journal of Biomedical Optics 6: 457-467 (2001)]에 기술된 바와 같이, 하나 이상의 흡수 항의 함수로서 광감쇠 스펙트럼을 표현하기 위해 사용될 수 있다. A_model(λ)을 위한 적합한 테일어 급수 전개는 하기와 같다:

상기 식에서, I₀(λ)는 입사광 세기(예를 들어, 광원 세기)이며, I(λ)는 조직으로부터의 반사광 세기이며, λ는 광파장이며, c₀ 및 c₁은 상수이며, <L>은 조직을 통한 반사광의 평균 경로 길이이며, ε_Hb(λ)는 탈산소화된 헤모글로빈에 대한 파장-의존적 소멸 상수이며, ε_Hb02(λ)는 산소화된 헤모글로빈에 대한 파장-의존적 소멸 상수이며, c_wat는 조직에서 물의 농도이며, ε_wat(λ)는 물에 대한 파장-의존적 소멸 상수이다. 헤모글로빈 및 미오글로빈은 스펙트럼 중 적외선 영역에서 유사한 소멸 상수를 가지며, 산소화 및 탈산소화된 헤모글로빈의 소멸 상수는 또한 방정식 (2)에서 미오글로빈 흡수를 모델링하기 위해 사용된다. 방정식 (2)에서의 여러 파라미터에 대한 값의 측정은 하기에서 보다 상세히 기술된다.

통상적으로, 실험 조건하에서 절대 광원 세기 I₀(λ)를 결정하는 것은 어렵다. 따라서, 일부 구체예에서, 99% 반사 표준물질로부터의 반사광 세기, I_ref(λ)는 광감쇠를 모델링할 때 I₀(λ) 대신에 사용된다. 적합한 99% 반사 표준물질은 예를 들어 랩스페릭 인크(Labspherc, Inc. (North Sutton, NH))로부터 입수가능한 모델 SRT-99-050을 포함한다. I₀(λ) 대신에 측정된 실험적 반사광 세기 I_ref(λ)와 관련하여, 측정된 광감쇠 스펙트럼 A_exp(λ)은 하기와 같다:

반사광 세기 I_ref(λ)는 통상적으로 파장-독립적 상수 인자에 의해 I₀(λ)와 상이하며, 이는 표적 조직의 실험적으로 측정된 광감쇠 스펙트럼에 대한 일정한 부가적 기여로서 나타난다. 방정식 (2)에서의 상수 c₀는 광감쇠 스펙트럼에 대한 이러한 부가적 기여를 나타낸다. 또한, c₀는 또한 헤모글로빈, 미오글로빈, 및 물 이외의 표적 조직에서의 발색단 및 다른 종에 의한 파장-독립적 흡수 및/또는 산란을 나타낸다. 유사하게는, 상수 c₁은 헤모글로빈, 미오글로빈, 및 물 이외의 표적 조직에서의 발색단 및 다른 종으로부터의 파장-의존적 광흡수 및/또는 산란을 나타낸다. <L>이 곱해진 오른쪽 항은 표적 조직에서 헤모글로빈, 미오글로빈, 및 물에 의한 입사광의 감쇠를 나타낸다.

통상적으로, 표적 조직에서의 광감쇠는 광흡수 및 광산란 과정 둘모두를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 광은 혈관내 및 혈관외 물 모두에 의해, 및 피부에서의 멜라닌 색소에 의해 소혈관에서 헤모글로빈 및 세포에서 미오글로빈에 의해 흡수된다. 광은 물리적 구조, 예를 들어 혈관 및 근섬유에 의해, 및 고려되는 근육 조직 위에 존재하는 지방(예를 들어, 측정 시스템의 프로브 해드와 근육 조직 사이에 배치된 지방)에 의해 산란될 수 있다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 근육 조직 및 비-근육 조직을 포함하는 많은 다양한 조직 유형에서 산소 포화도 및 다른 생리학적 양의 계산에 일반적으로 적용될 수 있고, SO₂의 결정과 관련하여 논의된 단계들 중 어느 하나가 근육 조직 및 비-근육 조직 둘 모두에서 SO₂를 계산하기 위해 또한 수행될 수 있다. 근육조직에서 산소 포화도를 측정하는 것은 예를 들어 혈관수축/혈관확장의 특히 민감한 진단 지표를 제공한다.

도 3은 표적 조직에 대한 광 감쇠 스펙트럼 A_exp(λ)으로부터 표적 조직의 산소 포화도를 계산하기 위한 일련의 단계를 도시하는 플로우 챠트 (100)이다. 첫 번째 단계 (102)에서, 하나 이상의 광 반사 스펙트럼이 표적 조직으로부터 수집되고, 광 감쇠 스펙트럼이 방정식 (3)을 통해 계산된다.

임의의 단계 (104)에서, 모델 A_model(λ)이 표적 조직에서 광 감쇠를 설명하기 위해 선택될 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어 선택된 모델은 표적 조직에서 광 흡수 및 광 산란 둘 모두를 설명한다. 특정 구체예에서, 모델은 산소화된 헤모글로빈 및 미오글로빈, 탈산소화된 헤모글로빈 및 미오글로빈, 물, 및 표적 조직에 존재하는 다른 종 중 하나 이상에 상응하는 항들을 포함한다. 선택될 수 있는 적절한 모델은 예를 들어 방정식 (2)로 표현된다. 일반적으로, 본원에 개시된 시스템은 표적 조직에서 광 감쇠를 설명하기 위한 하나 이상의 모델을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 시스템은 단지 하나의 모델을 포함한다. 특정 구체예에서, 시스템은 다수의 모델을 포함하며, 모델 A_model(λ)의 선택은 예를 들어 인간 조작자로부터의 입력을 기초로 할 수 있다.

단계 (106)에서, 단계 (104)에서 선택된 모델이 표적 조직에서 계산된 광 감쇠값을 결정하기 위해 사용되며, 다양한 모델 파라미터가 계산된 광 감쇠값 및 측정된 광 감쇠 스펙트럼 간의 차이의 제곱의 합을 최소화시키기 위해 조정된다. 계산된 광 감쇠값과 측정된 광 감쇠 스펙트럼 간의 차이의 제곱의 합인 χ²는 다음과 같이 기재될 수 있으며, 여기서 광 감쇠 스펙트럼은 λ_min과 λ_max 사이의 일련의 파장 λ_i에서 측정된다 (그리고 이론적 광 감쇠값이 계산된다):

χ²의 값은 A_model(λ)에서 특정한 조정될 수 있는 파라미터의 값을 산출하기 위해 최소화된다. 예를 들어, 방정식 (2)로 표현된 모델이 선택된 경우, 함수 χ²는 파라미터 c₀, c₁, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, c_wat, 및 <L>의 값을 산출하기 위해 최소화된다.

모델 파라미터의 정확한 값을 수득하기 위해, 비선형 최소 제곱 피팅 알고리듬이 방정식 (4)에서 χ²를 최소화시키는 데에 사용된다. 일부 구체예에서, 특정 모델 파라미터에 대한 피팅 제약이 수득되는 파라미터 값의 정확성을 개선시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 보다 짧은 파장 광이 전형적으로 보다 긴 파장 광 보다 조직 구조로부터 더욱 효율적으로 산란되고, 이에 따라 파장 의존성 산란 효율 곡선은 양이 아닌 기울기를 지닌 선형 함수 형태에 의해 설명될 수 있다. 조직 구조에 대한 감소된 산란 계수 μ_s'는 일반적으로 다음과 같은 함수에 의해 설명될 수 있다:

상기 식에서, a와 b는 상수이며, b는 ≤0이다. 전형적으로, 산소화된된 헤모글로빈으로 인한 측정된 광 감쇠 스펙트럼의 부분은 스펙트럼의 적외선 영역에서 양의 기울기를 지닌다. 따라서, 방정식 (2)로 표현된 모델이 선택된 경우, 파라미터 c₁은 c₁이 ≤0이 되도록 피팅 동안 제약을 받을 수 있다. 이러한 제약은 산소화된된 헴(heme), 산란, 및 비교적 평탄한 배경으로부터의 광 감쇠 스펙트럼에 대한 기여 사이의 크로스-토크(cross-talk)를 제거함으로써 개선된 파라미터 값 결정을 가능하게 한다.

특정 조직에 대해, 파라미터 c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat의 값에 대한 양호한 초기 평가치를 구하는 것이 가능할 수 있다 (예를 들어, 건강한 인간 환자의 경우). 다른 조직에 대해, 이들 파라미터에 대한 양호한 초기 평가치에 도달하는 것이 더욱 어려울 수 있다. 그러나, 파라미터 값의 초기 평가치를 구하는 것은 전형적으로 조작자 개입을 포함하며, 인간 조작자의 기술 수준의 차이로 인해 발생하는 가변성에 종속된다. 전형적으로, 예를 들어 건강한 인간 환자의 경우, c_Hb+Mb의 값은 약 40μmol/L일 수 있고, c_HbO2+MbO2의 값은 약 60μmol/L일 수 있고, c_wat의 값은 약 60%일 수 있다. 이들 값은 파라미터 c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat에 대한 초기 평가치로서 사용될 수 있다.

인간 조작자로부터의 입력에 의존하는 것에 대한 대안으로서, 본원에 개시된 시스템 및 방법은 2-스테이지 피팅 절차를 이용하여 자동화된 방식으로 (예를 들어, 조작자 입력없이) 모델 파라미터의 초기 값 및 최종 값 둘 모두를 또한 결정할 수 있다. 2-스테이지 피팅 절차는 모델 파라미터 중 일부 또는 전부의 양호한 초기값을 자동적으로 결정하고, 그 후 방정식 (4)에서 χ²의 값을 최소화시킴으로써 최종 파라미터 값을 결정하기 위해 본원에 개시된 모델 중 어느 하나에 일반적으로 적용될 수 있다.

예로서, 방정식 (2)로 표현된 모델이 단계 (104)에서 선택된 경우, c₀, c₁, 및 <L>의 양호한 초기값은 파라미터 c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat의 값을 고정하고, 파라미터 c₀, c₁, 및 <L>의 값을 가변시키기 위해 최소-제곱 최소화 절차를 이용함으로써 스윕 방법(sweep method)을 이용하여 결정될 수 있다. 이러한 기법은 조정될 수 있는 파라미터로서 단지 c₀, c₁, 및 <L>을 지닌 방정식 (4)에서 χ²의 값을 최소화시키는 것에 상응한다. c₀, c₁, 및 <L>의 양호한 초기값이 χ²의 최소화를 통해 결정된 경우, 이들 값은 고정되고, 방정식 (4)에서 χ²의 값은 파라미터 c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat가 가변될 수 있게 함으로써 스윕 방법을 통해 재차 최소화된다. 최소화 절차로부터 수득된 이들 파라미터에 대한 값은 양호한 초기값에 상응한다.

2-스테이지 피팅 절차의 두 번째 스테이지는 6가지 파라미터 c₀, c₁, <L>, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat 각각이 가변될 수 있는 (앞서 논의된 바와 같이 부과된 임의의 피팅 제약에 종속됨) 방정식 (4)에서 χ²의 값을 최소화시키고, 절차의 첫 번째 스테이지에서 결정된 이러한 6가지 파라미터의 양호한 초기값으로부터 출발하는 것을 포함한다. 절차의 두 번째 스테이지 후에 수득된 이들 파라미터의 값은 파라미터의 최종값이다. 일반적으로, 임의의 적용된 제약에 종속되는 방정식 (4)에서 χ²의 값을 최소화시킬 수 있는 임의의 피팅 알고리듬이 본원에 개시된 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다. 방정식 (4)에서 χ²의 값을 최소화시키는 데에 사용될 수 있는 피팅 알고리듬의 한 가지 예는 레벤버그-마쿼르트(Levenberg-Marquardt) 알고리듬이다.

상기 논의된 2-스테이지 피팅 절차는 다수의 이점을 제공할 수 있다. 특히, 피팅 절차의 두 번째 스테이지를 파라미터의 양호한 초기값을 사용하여 개시함으로써, 두 번째 스테이지는 그렇지 않은 경우에 비해 수렴쪽으로 더욱 신속히 진행한다. 또한, 피팅 결과는 전형적으로 더욱 정확한데, 이는 비선형 최소-제곱 피팅 알고리듬이 지역 (반드시 전역일 필요는 없음) 극소점에 덜 빠질 것으로 여겨지기 때문이다.

본원에 개시된 시스템 및 방법에서 광 감쇠 스펙트럼을 선택된 광 감쇠 모델에 피팅시키기 위해 사용될 수 있는 한 가지 알고리듬은 문헌 [Price, K.V., "Differential Evolution: A practical approach to global optimization," (Germany: Springer-Verlag, 2005)]에 기재된 차분 진화 (Differential Evolution, DE) 방법으로 일컬어지는 유전 알고리듬의 유형이다. DE 알고리듬은 이의 초기 모집단과 관계없이 함수의 극단치에 수렴하는 전역 최적화 알고리듬이다. DE 알고리듬은 전형적으로 다른 전역 최적화 알고리듬에 비해 보다 빠르게 수렴하고 보다 적은 제어 변수를 사용한다. DE 알고리듬이 전역 극소점으로 수렴하기 때문에, DE 알고리듬은 일부 구체예에서 상기 논의된 피팅 절차의 첫 번째 스테이지를 수행하지 않으며 사용될 수 있다. 즉, 스윕 방법을 통해 스펙트럼을 먼저 피팅시켜서 모델 파라미터의 초기 평가치를 결정하지 않으며 광 감쇠 스펙트럼을 광 감쇠 모델에 피팅시키는 데에 DE 알고리듬이 사용되는 1-스테이지 피팅 절차가 사용될 수 있다.

모델 파라미터의 최종값이 결정된 경우, 표적 조직에서 산소 포화도가 단계 (108)에서 계산된다. 산소 포화도는 방정식 (1)에 따라 계산되므로, 단계 (104)에서 선택된 모델은 c_Hb+Mb 및 c_HbO2+MbO2을 포함한다. 이들 파라미터의 값이 단계 (106)에서 결정된 후, SO₂가 단계 (108)에서 이들 파라미터의 값으로부터 계산된다

산소 장력(oxygen tension)의 결정

플로우 챠트 (100)에서 임의적인 단계 (110)에서, 표적 조직의 산소 장력은 단계 (108)에서 결정된 산소 포화도 값으로부터 계산된다. 산소 장력은 다양한 알고리듬을 이용하여 산소 포화도로부터 계산될 수 있다. 예를 들어, 산소 장력은 문헌 [Severinghaus, J.W., "Simple, accurate equations for human blood O₂ dissociation computations," J. Appl. Physiol.: Respirat. Environ. Exercise Physiol., 46:599-602 (1979)]에 기재된 하기 관계식을 이용하여 계산될 수 있다:

방정식 (6)은 플로우 챠트 (100)의 단계 (110)에서 표준 생리학적 조건하에서의 산소 포화도로부터 산소 장력의 간단한 계산을 가능하게 한다.

적용

본원에 개시된 시스템 및 방법을 통해 측정된 산소 포화도 및/또는 산소 장력은 환자에서 모세혈관수축의 민감한 진단 지표를 제공한다. 출혈 및 내출혈의 과정 초기에, 근육 조직내의 모세혈관이 수축되어 혈액이 가장 필요한 심장 및 뇌로 혈액을 유도시킨다. 또한, 혈관수축은 혈압을 비교적 정상 수준으로 유지시키는 것을 돕는데, 그 결과 혈압은 전형적으로 단지 출혈성 쇼크의 후기 지표를 제공한다.

본원에 개시된 시스템 및 방법의 민감도를 평가하기 위해, 10명의 시험 피검자들이 하체음압 (LBNP)의 크기를 점진적으로 증가시키는 것을 포함하는 시험 프로토콜을 받게 하였다. LBNP 프로토콜은 5분의 기선 기간에 이어, -15, -30, -45, 및 -60 mmHg로의 5분 간격의 챔버 감압에 이어, 심혈관 허탈의 개시 또는 -100 mmHg에서의 5분의 완결시까지 5분 마다 -10 mmHg의 추가 증분으로 구성되었다. 적외선 반사 스펙트럼은 근거리 및 장거리 광원-검출기(source-detector) 간격 둘 모두를 지닌 광섬유 센서를 사용하여 프로토콜 전반에 걸쳐 연속적으로 기록되었다. 센서는 전완(forearm)의 심지굴근(flexor digitorum profundus)상에 놓여졌다.

근육 조직내의 산소 포화도 및 산소 장력은 상기 개시된 방법을 이용하여 반사 스펙트럼으로부터 생성된 광 감쇠 스펙트럼으로부터 계산되었다. 반사 스펙트럼은 광 감쇠 스펙트럼을 생성시키기 전에 피부 색소 및 지방에 의한 광 흡수 및/또는 산란으로부터의 기여를 제거하도록 보정되었다. 혈액 샘플은 LBNP 프로토콜의 각각의 스테이지의 최종 시점에서 각각의 시험 피검자로부터 채취되었다. 각각의 피검자에 대한 산소 포화도는 코-옥시미터(co-oximeter) 기기를 사용하여 혈액 샘플로부터 측정되었고, 산소 장력은 혈액 가스 분석기를 사용하여 측정되었다.

또한, LBNP 프로토콜의 각각의 레벨에서 각각의 피검자에 대해, 1회 심박출량 (SV), 전체 말초 저항 (TPR), 및 전체 헤모글로빈 (HbT) (근육 조직내의 산소화된 헤모글로빈 및 탈산소화된 헤모글로빈 및 미오글로빈의 합)의 변화가 이들 파라미터의 기선값을 기준으로 하여 결정되었다. 박동간(beat-to-beat) 1회 심박출량은 HIC-2000 Bio-Electric Impedence Cardiograph (입수처: Bio-Impedance Technology, Chapel Hill, NC)를 사용하는 흉부 전기 바이오임피던스(thoracic electrical bioimpedance)를 이용하여 비침입적으로 측정되었다. 흉부 전기 바이오임피던스 기법은 중간액와선의 검상 돌기(xiphoid process)에 놓여진 2개의 외부-표면 전극에 의해 흉곽에 가해진 저강도 (예를 들어, 4 mA) 고주파수 (예를 들어, 70 kHz) 교류 전류에 대한 흉곽의 저항 변화를 기초로 한다. 심실 SV (mL 단위/박동)는 하기 부분적으로 경험적인 공식으로부터 결정된다:

여기서, p(단위, ohm-cm)는 혈액 저항(통상적으로 약 135 ohm-cm)이며, f(단위, cm)는 두개의 내부 픽-업(pick-up) 전극 간의 평균 거리이며, Z₀(단위, ohm)는 평균 베이스라인 흉부 임피던스이며, LVET(단위, 초)는 좌심실 방출시간이며, (dZ/dt)_min는 영(zero) 라인으로부터의 시간 피크(예를 들어, Z-포인트)에 대한 측정된 흉부 임피던스의 높이이다. 심박출량 (Q)은 심박동수 (HR)와 SV의 곱으로서 계산되며, TPR은 동맥압의 평균 수치를 Q로 나누므로써 산정된다.

도 4는 1회 심박출량에서 측정된 변화백분율의 함수로서 전체 헤모글로빈에서 측정된 변화백분율을 나타낸 것이다. 전체 헤모글로빈과 1회 심박출량에서의 변화율 간의 상관관계는 도 4에서 실선으로 표시되는 바와 같이 대략 선형이다. 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 도 4에서 나타낸 상관관계에 대한 하나의 가능한 설명은 혈액량이 감소함에 따라 1회 심박출량이 떨어진다는 것이다. 도 5에서, 전체 헤모글로빈에서의 변화율은 전말초저항에서의 변화율의 함수로서 플롯팅된다. 이러한 상관관계는 실선으로 나타낸 바와 같이 대략 선형이다. 그러나, 도 5는 전체 헤모글로빈에서의 변화가 전말초저항에서의 변화와 반비례로 관련되는 것으로 나타낸다. 통상적으로, 전말초저항은 혈관수축이 일어날 때 증가한다. 따라서, 근육 조직에서의 전체 헤모글로빈의 측정(상기에서 논의된 바와 같이 산소화되고 탈산소화된 헤모글로빈의 농도를 측정하여 측정)은 환자의 혈관수축의 개시 및 진행에 대한 정확한 진단을 제공한다.

더욱 일반적으로, 혈관수축 및/또는 혈관확장은 표적 조직에서의 혈액량의 변화를 형성시키며, 전체 헤모글로빈을 모니터하므로써, 조직에서의 혈액량(예를 들어, 환자에게서 시간에 따른 혈액량의 변화)이 평가될 수 있다. 본원에 기술된 방법에 의해 결정된 SO₂ 및 PO₂의 값은 또한 표적 조직에서 혈액량의 민감한 프로브를 제공하고, 모니터 및 평가 목적을 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로, HbT, SO₂ 및 PO₂와 같은 양의 측정은 조직에서의 혈액량의 변화, 및/또는 손상에 대한 반응으로 혈관수축/혈관확장을 초래하는 임의의 질환 또는 질병의 진행 추적 및 이의 치료를 위해 유용하다. 진행을 추적할 수 있는 상태의 예로는 출혈 및 패혈증을 위한 진단, 및 치료의 평가; 심장 질환 및 당뇨병을 수반하는 미세혈관 변성; 및 혈관수축 및/또는 혈관확장을 통해 혈압을 상승시키는 약물의 효과를 포함한다. 동물 환자에서, 특정 기관에 대한 약물의 국부적 효과가 추적될 수 있다.

일 예로서, 환자에게 출혈이 일어날 때, 특정 환자 조직에서의 혈액량의 손실은 전체 헤모글로빈을 측정하므로써 모니터될 수 있다. 추가로, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 전체 헤모글로빈은 혈액량과 선형으로 비례한다. 그러므로, 시간에 따라 HbT를 모니터하므로써, 출혈의 진행 스테이지가 평가될 수 있다. HbT의 변화는 출혈이 멈추거나 조절되는지의 여부, 예를 들어 또는 출혈 상태가 악화되는지의 여부를 평가하기 위해 사용될 수 있다.

다른 예로서, 환자가 패혈증, 즉 미세순환 질환으로 고통당할 때, 환자의 특정 조직에서의 작은 혈관은 막히게 되어, 보다 적은 혈액량(및 산소-결핍된 혈액)이 환자의 조직에 존재하게 된다. 일반적으로, 패혈증 지속됨에 따라, 혈액 조직에서의 산소-결핍 수준이 증가한다. 관류가 회복되는 경우, 패혈증 질병은 완화되며, 혈액 산소화(oxygenation) 및 혈액량 둘모두가 환자의 조직에서 증가한다. 본원에 기술되는 바와 같이, 환자의 조직에서 HbT 및/또는 SO₂ 및/또는 PO₂를 모니터하므로써, 패혈증의 진행 속도가 평가될 수 있다. 예를 들어, 표적 조직에서의 패혈증 질병이 악화될 때, 조직에서의 HbT의 값은 감소하며, 혈액량도 감소한다. 조직에서의 패혈증이 완화됨에 따라, 조직에서의 HbT의 값은 증가하며 혈액량도 증가한다. 유사한 상관관계는 표적 조직에서 SO₂ 및 PO₂의 평가로부터 결정된 혈액량을 기초로 하여 패혈증을 평가하는데 적용한다.

제 3 예로서, 환자가 심장 질환 또는 당뇨병으로 고통당할 때, 이러한 질병으로부터 초래된 아테롬성 동맥 경화증은 챌린지(challenge)에 대한 반응의 혈관 수축을 억제한다. 반대로, 건강한 환자에게서, 챌린지에 대한 반응의 혈관수축은 혈압을 유지시킨다. 따라서, 심장 질환 또는 당뇨병과 같은 질병의 진행은 환자에게서 HbT 및/또는 SO₂ 및/또는 PO₂를 모니터하므로써 평가될 수 있다. 통상적으로, 예를 들어, 이러한 질병들 중 하나로 고통당하는 환자는 그 자세를 변경시키거나 챌린지를 나타내는 운동 프로토콜에 주어지며, SO₂ 및/또는 PO₂ 및/또는 HbT의 값은 환자의 선택된 표적 조직으로부터 결정된다. 환자의 혈관이 혈관수축되지 않음으로 인해, 환자에 대한 SO₂ 및/또는 PO₂ 및/또는 HbT에서의 측정된 변화는, 이러한 파라미터들에서의 측정된 변화가 보다 건강한 환자에 대한 것 보다 적을 것이다. 건강한 환자의 조직에 대한 기준값과 비교하여 (또는 보다 조기 스테이지의 질환에서 동일한 환자로부터 측정된 이러한 파라미터의 값과 비교하여) 고통당하는 환자의 조직에 대한 SO₂ 및/또는 PO₂ 및/또는 HbT의 값의 차이를 측정함으로써, 심장 질환 및 당뇨병과 같은 질병의 진행이 평가될 수 있다.

일반적으로, 상기에서 논의된 바와 같이, 여러 질병을 평가하고 추적하기 위한 HbT, SO₂ 및 PO₂의 양의 측정은 혈관수축을 자극하여 혈압을 유지시키고/거나 혈관확장을 자극하여 혈액 흐름을 개선시키는 개입 동안에 수행된다. 이러한 개입의 예는 하나 이상의 혈관을 패색시킴, 피검체를 운동시킴, 피검체이 자세를 변경시킴을 포함한다.

실행

본원에 기술된 방정식 및 알고리듬은 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 둘모두의 조합에서 실행될 수 있다. 본원에 기술된 이러한 방법 단계 및 계산은 표준 프로그래밍 기술을 이용하여 컴퓨터 프로그램에서 실행될 수 있다. 이러한 프로그램은 프로그램가능한 프로세서(예를 들어, 프로세서(18) 또는 컴퓨터, 예를 들어 마이크로컴퓨터 상에서 실행하도록 디자인 될 수 있으며, 각각은 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 데이타 저장 시스템(휘발성 및 비휘발성 메모리 및/또는 저장 구성요소를 포함), 하나 이상의 입력 디바이스, 예를 들어 키보드 또는 푸시 버튼 어래이, 및 하나 이상의 출력 디바이스, 예를 들어, CRT, LCD, 또는 프린터를 포함한다. 프로그램 코드는 본원에 기술된 함수를 수행하기 위해 입력 데이타에 적용된다. 출력 정보는 하나 이상의 출력 디바이스, 예를 들어 프린터, 또는 CRT 또는 다른 모니터, 또는 예를 들어 리모트 모니터링을 위한 웹사이트로의 액세스를 갖는 컴퓨터 모니터 상의 웹페이지에 적용된다.

본원에 기술된 시스템에서 사용되는 각 프로그램은 바람직하게는 컴퓨터 시스템과 소통하기 위해 고수준 절차 또는 목적 지향된 프로그램 언어로 실행된다. 그러나, 프로그램은 요망되는 경우, 어셈블리 또는 기계언어로 실행될 수 있다. 임의의 경우에, 언어는 컴파일되거나 해석된 언어일 수 있다.

이러한 각 컴퓨터 프로그램은, 일반적이거나 특정한 목적의 프로그램화 가능한 컴퓨터 매체에 의해서 해독 가능한 저장 매체 또는 디바이스가 본원에 기술된 과정을 수행하기 위해 컴퓨터에 의해 해독될 때 컴퓨터를 배열시키고 작동시키기 위해, 그러한 저장 매체 또는 디바이스에 저장될 수 있다. 프로그램은 또한 컴퓨터 프로그램으로 배열된, 컴퓨터-해독가능한 저장 매체로서 실행되는 것으로 고려될 수 있으며, 여기서 이렇게 배열된 저장 매체는 컴퓨터에서의 프로세서가 본원에 기술된 함수를 수행하기 위해 특정 방식 및 미리 규정된 방식으로 작동하도록 한다.

임의의 소통 네트워크가 원격 모니터링으로부터의 결과를 얻기 위해 사용될 수 있지만, 인터넷 또는 무선 시스템은 데이타를 전송하기 위한 유용한 대체수단을 제공한다.

실시예

본 발명은 하기 실시예에서 추가로 기술될 것이며, 이는 특허청구범위에 기술된 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.

실시예 1

본원에 기술된 시스템 및 방법의 정확도를 구하기 위하여, 자극된 조직 감쇠 스펙트럼을 표적 조직에서 4개의 상이한 광산란 상태에 대해 계산하였으며, 도 3의 방법 단계를 4개의 광산란상태 각각으로부터의 데이타에 적용하여 산소 포화 값을 결정하였다. 4개의 광산란상태는 고려되는 4개의 상이한 표적 조직에 상응한다. 각 표적 조직에 대해, 자극된 광 감쇠 스펙트럼을 8개의 상이한 이론적 SO₂ 값 각각에 대해 계산하였다: 0%, 10%, 20%, 40%, 50%, 60%, 80%, 및 100%.

비산란, 흡수 표적 조직에 해당되는 광감쇠 스펙트럼을 발생시키기 위하여, 단지 헤모글로빈으로부터의 기여에 해당하는 항을 갖는 람베르트-베르(Lambert-Beer) 방정식을 사용하였다.

상기 식에서, L은 표적 조직을 통한 감쇠된 광의 경로 길이이며, C_Hb, C_HbO2, 및 C_wat는 각각 표적 조직에서의 탈산소화된 헤모글로빈, 산소화된 헤모글로빈, 및 물의 농도이며, ε_Hb(λ) ε_HbO2(λ), 및 ε_wat(λ)는 각각 파장 λ의 함수로서 탈산소화된 헤모글로빈, 산소화된 헤모글로빈, 및 물의 소광 계수이다. 이러한 파라미터의 수치들은 비산란, 흡수 표적 조직에 대한 광감쇠 스펙트럼을 발생시키도록 선택되었다.

광감쇠 스펙트럼은 또한 광산란이 일어나는 세개의 상이한 표적 조직에 대해 계산되었다. 단일층 무한 슬래브(slab) 확산 모델은, 하기 함수 형태를 갖는 모델로부터 조직 흡수 계수 μ_a(λ), 감소된 산란 계수 μ_s'(λ) 및 광원-프로브 간격 d의 선택된 수치에 대해 광감쇠 스펙트럼을 발생시키기 위해 선택되었다.

여기서, 양 σ(λ)은 하기 방정식에 따라 계산된다:

세개의 상이한 광산란 표적 조직에 대한 광감쇠 스펙트럼을 계산하기 위하여, 산소화된 헤모글로빈 및 탈산소화된 헤모글로빈의 농도에 대한 수치는 SO₂의 이론치를 고정시키도록 선택되었으며, 흡수 계수 μ_a(λ)에 대한 수치가 선택되었다. 또한, 각 광산란 표적 조직에 대한 감소된 광산란 계수 μ_s'(λ)의 수치가 선택되었다. 세개의 상이한 광산란 표적 조직은 하박(forearm), 송아지, 및 환자의 정상 두부에 해당된다. 이러한 각 조직에 대한 감소된 산란 계수 μ_s'(λ)는 각각 하기 방정식 (11), (12) 및 (13)에 따라 계산되었다:

방정식 (11) 내지 (13)은 문헌[Matcher, S.J. et al., "In vivo measurements of the wavelength dependence of tissue-scattering coefficients between 760 and 900 nm measured with time-resolved spectroscopy," Applied Optics, 36:386-396 (1997)]에 기술된 것이다. 방정식 (11) 내지 (13)에서, μ_s'(λ)의 단위는 cm^-1이며, λ의 단위는 nm이다. 방정식 (11) 내지 (13)에 해당하는 세개의 상이한 표적 조직에 대한 광감쇠 스펙트럼은 725 nm 내지 880 nm 사이의 일련의 파장 지점에서 계산되었다.

광감쇠 모델에 대한 계산된 광감쇠 데이타를 피팅하여 결정된 SO₂의 수치의 정확도를 평가하기 위하여, 각 조직에 대한 SO₂의 측정된 수치와 이론치 사이의 측정 R²의 계수가 계산되었다. 또한, 추정된 측정 오차를 기술하는 예측제곱근평균제곱오차(root-mean-square error of prediction: RMSEP)의 값은 하기 방정식에 따라 계산되었다.

여기서, N은 광감쇠 스펙트럼의 수이며,

및

는 각각 SO₂의 이론적 및 실험적으로 결정된 수치이다. 비교적 높은 수치의 R²(예를 들어, 1에 가까운 수치) 및 비교적 낮은 수치의 RMSEP는 실험적으로 결정된 SO₂ 수치가 정확함(이론적 SO₂ 수치와 매우 밀접하게 매칭됨)을 지시한다.

방정식 (8)을 이용하여 계산된 자극된 광감쇠 스펙트럼은 일련의 SO₂의 이론치에 대해 도 6에 나타내었다. 도 6에서의 광감쇠 스펙트럼은 입사광을 산란시키지 않는 표적 조직에 해당한다(예를 들어, 광감쇠는 단지 흡수에 의해 일어난다). 환자의 하박에 해당하는 표적 조직에 대해 산란하는 광에 대해 계산된 자극된 광감쇠 스펙트럼은 SO₂의 일련의 이론치에 대해 도 7에 나타내었다. 도 6 및 도 7 각각에서, 60%의 물농도 C_wat 및 3 cm의 광원-검출기 간격은 계산에서 사용되었다.

도 8은 도 3에 도시된 과정에 따라 방정식 (2)에 의해 제공된 모델에 대해 방정식 (8) 내지 (13)을 이용하여 계산된 광감쇠 스펙트럼의 4개의 셋트를 피팅하므로써 결정된, SO₂의 실제(이론치) 및 산정된(측정된) 수치를 도시한 플롯이다. 사용된 피팅 알고리듬은 상기 논의된 레벤베르그-마르쿠아르트(Levenberg-Marquardt) 최적화 방법이다. 0.99 내지 1의 R² 값은 네개의 세트의 감쇠 스펙트럼 각각에 대해 얻어졌으며(예를 들어, 네개의 상이한 표적 조직 각각에 대해), 최대 RMSEP는 5% SO₂ 미만이다. 비교적 높은 R²의 값 및 비교적 낮은 RMSEP 값은, 네개의 표적 조직 각각에서의 SO₂의 정확한 측정이 달성됨을 지시하는 것이다. 비교를 위하여, 이론적 광감쇠 스펙트럼은 또한 DE 알고리듬을 이용하여 방정식 (2)에 피팅되었으며, 피팅 절차로부터 얻어진 모델 파라미터의 값은 SO₂값을 계산하기 위해 사용되었다. 이러한 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 네개의 표적 조직 중 세개에 대해, DE 알고리듬에 의해 결정된 SO₂에 대한 RMSEP는 레벤베르그-마르쿠아르트 알고리듬에 의해 결정된 SO₂에 대한 RMSEP 보다 낮다.

표 1

실시예 2

인간 환자에게서 출혈 쇼크의 초기 스테이지를 자극하기 위하여, 5명의 인간 시험 피검체에서 점진적으로 증가하는 배율의 하부 몸체 네가티브 압력 (LBNP)을 포함한 시험 프로토콜을 수행하였다. LBNP 프로토콜은 5분 베이스라인 기간 이후, 5분 간격의 -15, -30, -45, 및 -60 mm Hg로의 챔버 감압, 이후 심혈관 쇠약의 개시, 또는 -100 mm Hg에서 5분 완료 까지 매 5분 마다 -10 mm Hg의 추가 증가로 이루어진다. 적외선 반사 스펙트럼을 짧은 거리 및 긴 거리 광원-검출기 간격 모두를 갖는 광섬유 센서를 이용하여 전체 프로토콜 동안 연속적으로 기록하였다. 센서를 하박의 심지굴근 상에 배치시켰다.

근육 조직에서 산소 포화도 및 산소 압력을 상기 논의된 방법을 이용하여 반사 스펙트럼으로부터 발생된 광감쇠 스펙트럼으로부터 계산하였다. 반사 스펙트럼을 광감쇠 스펙트럼을 발생시키기 전에 피부 색소 및 지방에 의한 광흡수 및/또는 산란으로부터의 기여를 제거하기 위해 보정하였다. 혈액 샘플을 LBNP 프로토콜의 각 스테이지의 마지막 분에 각 시험 피검체로부터 회수하였다. 각 피검체에 대한 산소 포화도를 코-옥시미터(co-oximeter) 기기를 이용하여 혈액 샘플로부터 측정하고, 산소 압력을 혈액 가스 분석기를 이용하여 측정하였다.

도 9는 5개의 시험 피검체 각각에 대해 LNBP 프로토콜의 여러 스테이지에서 회수된 혈액 샘플(0_2Hb (%) 혈액)으로부터 측정된 산소 포화도와 적외선 반사율 측정(NlRS SO₂ (%))에 의해 측정된 산소 포화도 간의 상관관계를 나타낸 것이다. 도 10은 5개의 피검체 각각에 대한 LNBP 프로토콜 동안에 회수된 혈액 샘플(Venous PO₂)로부터의 산소 압력과 적외선 반사율 측정(NIRS PO₂)에 의해 측정된 산소 압력 간의 상관관계를 나타낸 것이다. 도 9에서, SO₂에서의 RMSEP는 약 8%이며, 도 10에서, PO₂에서의 RMSEP는 약 3.3 mm Hg이다. 이러한 비교적 낮은 예측 오차는, 적외선 반사율 측정에 의해 결정된 SO₂ 및 PO₂ 값이 표적 조직에서 실제 SO₂ 및 PO₂ 값에 정확하게 상응함을 지시하는 것이다. SO₂ 및 PO₂ 값의 정확도는 추가로, 본원에 기술된 시스템 및 방법이 환자에서 출혈 쇼크와 같은 질병의 정확하고 민감한 진단을 제공함을 지시한다.

다른 구체예

본원에 기술된 시스템 및 방법은 표적 조직에서 SO₂ 및 PO₂와 같은 다른 생리학적 양을 결정하기 위하여, 다른 광감쇠 모델(예를 들어, 방정식 (2) 이외의 모델)을 사용할 수 있다. 3개의 상이한 대체 모델은 논의될 것이며, 다른 모델 또한 가능하다. 하기 대체 모델은 방정식 (8) 내지 (13)을 사용하여 발생된 이론적 광감쇠 스펙트럼의 세트를 피팅하고, 각 모델에 대해 4개의 상이한 표적 조직(예를 들어, 비산란 조직, 하박 조직, 송아지 조직 및 정상 두부 조직)을 각 모델에 대응시키고, 각 모델을 이용하여 각 표적 조직에 대해 결정된 SO₂의 값에 대한 결정 계수 및 RMSEP 값을 계산하여 정확도를 조사하였다.

모델 2

상기 논의된 바와 같이, 측정된 광감쇠 스펙트럼은 방정식 (2)에 의해 제공된 모델에 대해 피팅될 수 있다. 피팅 절차에 따라서, 파라미터 c₀, c₁, <L>, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat의 값은 얻어진다. 이러한 파라미터의 값을 이용하여, 파장-의존적 베이스라인 스펙트럼을 파라미터의 피팅된 값을 갖는 방정식 (2)에 의해 제공된 모델과, 측정된 광감쇠 스펙트럼 간의 차이로부터 계산하였다. 베이스라인 스펙트럼을 하기 방정식에 따라 계산하였다.

여기서,

는 최적의-피팅 파라미터 값을 갖는 방정식 (2)에 의해 제공된 광감쇠 모델 함수이다.

이후, 후속 단계에서, 초기 파라미터 값으로서 파라미터 c₀, c₁, <L>, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat의 피팅된 값과 함께, 측정된 광감쇠 스펙트럼을 하기 모델 방정식에 대해 피팅하였다.

방정식 (16)에 의해 제공된 모델에서, c₂는 다른 피팅 파라미터와 함께 변화되는 배율인자이다. 방정식 (16)을 측정된 광감쇠 스펙트럼에 피팅시키므로써 얻어진 c_Hb+Mb 및 c_HbO2+MbO2의 규정된 값으로부터, SO₂ 및 PO₂의 값을 계산하였다.

먼저, 베이스라인 스펙트럼 bspect(λ)을 결정하고, 두번째로 방정식 (16)에서 이러한 파라미터들의 피팅된 값으로부터 SO₂ 및 PO₂를 결정하는 이러한 다단계 피팅 절차는 방정식 (16)에서 파라미터들의 보다 정확한 측정을 제공하며, 이에 따라 보다 정확한 SO₂ 및 PO₂ 값을 제공한다. 하기 표 2는 방정식 (8) 내지 (13)을 이용하여 광감쇠 스펙트럼이 자극된 4개의 상이한 이론적 표적 조직 각각에 대해 계산된 R² 및 RMSEP 값을 나타낸 것이다. 상기 논의된 다단계 피팅 절차를 이용하여 이론적 광감쇠 스펙트럼의 피팅으로부터 결정된 SO₂의 값을 SO₂의 이론적 값과 비교하였으며, 이는 각 조직에 대해 0.99의 R² 값, 및 6% 미만의 SO₂의 RMSEP 값을 얻었다. 비교적 높은 R² 값 및 비교적 낮은 RMSEP 값은, 모델 2가 표적 조직에서 SO₂의 정확한 측정을 제공함을 나타내는 것이다.

표 2

모델 3

본 모델에서, 흡수 및 산란에 의한 광감쇠는 유사한 함수 형태를 갖는다. 모델 방정식은 하기와 같다:

상기 식에서, μ_a(λ) 및 μ_s(λ)는 각각 표적 조직의 파장-의존적 흡수 및 산란 계수이며, c₁은 상수이며, d는 광원-검출기 거리이며, dpf(λ)는 조직에 대한 미분 경로 길이이다. 산란 계수 μ_s(λ)는 μ_s'(λ) = (1-g) μ_s(λ)에 따라 감소된 산란 계수 μ_s'(λ)와 관련이 있으며, 여기서, g는 산란각의 평균 코사인에 해당하는 이방성 인자이다.

상기 논의된 바와 같이, 99% 반사 기준으로부터 절대 광세기 I₀(λ)와 기준 광세기 I_ref(λ) 간에 차이에 대해 보정하기 위하여, 상수 항 c₀가 방정식 (17)에 첨가되어 하기 모델 방정식을 얻을 수 있다:

방정식 (18)에서, 흡수 계수 μ_a(λ)는 하기 방정식에 따라 표적 조직에서 흡수 구성성분의 농도와 관련이 있다:

(19)

하기 방정식에 따른 감소된 산란계수 μ_s'(λ)는 두 상수 c₂ 및 c₃의 함수이다:

피팅 절차(fitting procedure) 동안, 제한이 c₃에 부과되어 c₃<0이 되게 한다.

미분 경로 길이 인자(differential path length factor)는 하기 방정식에 따른 감소된 확산 계수 및 흡수 계수의 함수로서 나타낸다:

비선형 레벤베르크-마르쿠아르트 최소 제곱 피팅 절차(nonlinear Levenberg-Marquardt least-square fitting procedure)를 이용하여 이론적인(예, 가상) 광 감쇠 스펙트럼을 방정식 (18) 내지 (21)에 주어진 모델에 피팅함으로써 다양한 모델 변수 값을 측정하였다. SO₂의 값은 방정식 (19)에서의 피팅된 파라미터 값으로부터 계산되었다. 표 3은 실험적으로 측정한 SO₂ 값과 이론적인 SO₂ 값의 비교로부터의 R² 및 RMSEP 결과를 나타내고 있다. 표에 나타낸 바와 같이, 모든 4 개의 표적 조직에 대한 R² 값은 0.97 또는 그 초과이며, RMSEP 값은 10% SO₂ 미만이다. 이들 통계적 측정은 모델 3이 표적 조직에서 SO₂의 정확한 측정을 제공함을 나타낸다.

모델 2에 대한 결과와 비교할 때, 모델 3은 본 발명에서 평가된 시험 테이타에 대해서 평균상 약간 덜 정확한 결과를 제공하는 듯하다. 그러나, 특정의 조직에서, 모델 3은 보다 정확한 SO₂측정을 제공할 수 있다(예를 들어, 정상 두부 표적 조직에 대한 결과를 비교하는 경우).

표 3

표적 조직 타입	R²	RMSEP(%SO₂)
비산란	0.99	1.81
하박 산란	0.97	9.37
송아지 산란	0.97	7.09
정상 두부 산란	0.99	5.18

모델 4

확산 이론을 기초로 한 모델이 또한 본원에 개시된 시스템 및 방법에 이용될 수 있다. 확산 이론에 따르면, 약 2cm 더 긴 광원-검출기 거리 d에서 반-무한 산란 매질(semi-infinite scattering medium)로부터 방출된 연속파 광 방사선의 확산 반사, R(d,λ)는 다음 방정식으로 주어진다:

여기서, C는 d와는 독립적이며 내부 스펙큘라 반사 파라미터(internal specular reflection parameter)와 관련된 상수이다. C의 값은 표적 조직 및 주변 매질의 굴절율에 좌우된다. μ_eff(λ) 값은 하기 방정식에 따라서 계산된다:

흡수 계수 μ_a(λ)는 방정식(19)에서와 같이 계산되며, 감소된 산란 계수 μ_s'(λ)은 방정식(20)에서와 같이 계산된다. 상수 항 c_o는 또한 상기된 I_o(λ)와I_ref(λ) 사이의 차이를 상쇄하도록 첨가되어서 모델 광 감쇠 방정식이 다음 방정식이 되게 한다:

2-스테이지 비선형 최소제곱 피팅 절차는 방정식 (19), (20), 및 (22) 내지 (24)를 4 개의 상이한 표적 조직 각각을 위한 이론적인 테이타에 피팅함으로써 상기 방정식에 의해서 주어진 모델의 파라미터를 측정하는데 사용되었다. 테이타에 대한 모든 모델 파라미터의 피팅을 수행하기 전에, 피팅 절차의 첫 번째 스테이지에서, 파라미터 C의 양호한 초기 값을 스위프 방법(sweep method)을 이용함으로써 얻었다. 파라미터 c₀, c₂, c₃, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat의 값은 일정하게 고정되며, 이론적인 광 감쇠 스펙트럼이 방정식(24)에 피팅되어, 단지 C가 모델 파라미터중에서 변화되게 하였다. 테이타를 방정식(24)에 피팅하는 것은 방정식(4)와 연관되어 논의된 바와 같은 모델과 이론적인 테이타 사이의 차이의 제곱 χ²의 합을 최소로 함을 포함한다. 스위프 방법으로부터 얻은 C 값은 파라미터 C에 대한 양호한 산정치와 상응하였다.

피팅 절차의 두 번째 스테이지에서, 첫 번째 스테이지에서 측정된 C 값을 방정식(22)에서의 최종 값(예, 상수로서 고정)으로 사용하고, 파라미터 c₀, c₂, c₃, c_Hb+Mb, c_HbO2+MbO2, 및 c_wat 각각을 피팅 동안 변화시키면서, 이론적인 광 감쇠 스펙트럼을 방정식(24)에 피팅하였다. 이러한 방법으로, 여섯개의 파라미터의 정확한 값을 얻었으며, 표적 세포 각각 중의 SO₂를 피팅 절차로부터의 c_Hb+Mb및 c_HbO2+MbO2의 값을 기초로 하여 계산하였다. 하기 표 4는 실험적으로 측정된 SO₂ 값과 이론적인 SO₂ 값의 비교에 의한 R² 및 RMSEP 결과를 나타낸다. 표에 나타낸 바와 같이, R² 값은 모든 4 개의 표적 조직에 대해서 0.99였으며, RMSEP 값은 7% SO₂ 미만이었다. 이들 통계적 측정값은 모델 4가 4 가지의 표적 조직중의 정확한 SO₂ 측정을 위해서 제공되었음을 나타내고 있다. R² 및 RMSEP을 기초로 하면, 모델 2, 3, 및 4 각각에 대한 결과가 비교적 정확하게 달성되었다.

표 4

표적 조직 타입	R²	RMSEP(%SO₂)
비산란	0.99	1.52
하박 산란	0.99	5.35
송아지 산란	0.99	6.36
정상 두부 산란	0.99	5.99

본 발명이 상세한 설명으로 기재되고 있지만, 상기 설명은 본 발명의 범위를 예시하고자 하는 것이 이로써 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서 한정됨을 이해해야 한다. 그 밖의 관점, 이점 및 변화가 하기 청구범위의 범위내에 있는 것이다.

Claims

표적 조직에서 산소 포화도를 계산하는 방법으로서,

입사 방사선을 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함으로써 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고;

측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하여 입사 방사선이 전파되는 피부와 지방 층으로부터의 기여부분을 감소시키고;

보정된 반사 스펙트럼을 기초로 하여 표적 조직에서의 산소 포화도를 측정하고;

측정된 산소 포화도 값을 산출하는 방법.
제 1항에 있어서, 산소 포화도를 측정하는 것이 보정된 반사 스펙트럼으로부터 광 감쇠 스펙트럼을 측정하고, 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도된 표적 조직중의 산소화된 및 탈산소화된 헴(heme)의 농도를 기초로 하여 산소 포화도를 계산함을 포함하고, 헴이 표적 조직중의 헤모글로빈과 미오글로빈을 포함하는 방법.
제 2항에 있어서, 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도가 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅(fitting)함으로써 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도되는 방법.
제 3항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 표적 조직중의 산소화된 헴, 탈산소화된 헴 및 물에 의한 입사 광 흡수에 대응하는 항(term)들을 포함하는 베르 법칙 방정식(Beer's Law equation)을 포함하는 방법.
제 4항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 베르 법칙 흡수 항에 대응하는 다수의 항으로 광 감쇠 급수 전개(series expansion of light attenuation)를 포함하는 방법
제 5항에 있어서, 광 감쇠의 급수 전개가 테일러 광 감쇠 급수 전개(Taylor series expansion of light attenuation)를 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 입사광의 파장에 따라서 선형으로 변화하는 항을 포함하며, 항은 α가 상수이며 λ가 입사광의 파장인 함수형 αλ를 지니는 방법.
제 3항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 입사광의 파장과는 독립된 상수 항을 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 광 감쇠 스펙트럼을 모델에 피팅하는 것이, 첫 번째 스테 이지에서, 하나 이상의 모델 파라미터의 초기 값이 측정되고, 두 번째 스테이지에서, 광 감쇠 스펙트럼이 모델에 피팅되는 2-스테이지 피팅 절차를 수행함을 포함하고, 모델이 첫 번째 스테이지에서 측정된 초기 파라미터 값을 포함하는 방법.
제 9항에 있어서, 광 감쇠 스펙트럼이 광 감쇠 스펙트럼과 모델로부터 측정된 광 감쇠 값 사이의 차이의 제곱합을 최소화시킴으로써 모델에 피팅되는 방법.
제 3항에 있어서, 피팅이 프로세서에 의해서 자동으로 수행되는 방법.
제 7항에 있어서, α의 값이 피팅동안 제한되어 α가 단지 0(제로)이거나 그 미만인 값이 되는 방법.
제 4항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 광 감쇠 방정식으로부터 측정된 광 감쇠 값과 광 감쇠 스펙트럼 사이의 차이로부터 유도된 기저 함수(baseline function)를 추가로 포함하는 방법.
제 4항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 표적 조직의 산란 계수에 의해서 직접적으로 및 표적 조직의 흡수 계수에 의해서 역으로 변화하는 미분 경로 길이 인자를 추가로 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 광 감쇠 방정식이 표적 조직의 입사광의 방사선 확산 모델로부터 유도된 확산 반사 방정식을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 반사된 방사선의 세기를 측정하는 것이, 광원으로부터 검출기까지의 첫번째 광행로를 따라서, 첫 번째 광원-검출기 공간에 대응하는 표적 조직으로부터의 반사된 방사선을 측정하고; 광원으로부터 검출기까지의 두 번째 광행로를 따라서, 첫 번째 광원-검출기 공간과는 다른 두 번째 광원-검출기 공간에 대응하는 표적 조직으로부터 반사된 방사선을 측정함을 포함하는 방법.
제 16항에 있어서, 첫 번째 광원-검출기 공간에서 측정된 반사 방사선이 표적 조직으로부터 및 광원과 표적 조직 사이에 위치된 조직 층으로부터의 첫 번째 기여 가중치를 포함하고, 두 번째 광원-검출기 공간에서 측정된 반사 방사선이 첫 번째 가중치와는 상이한 표적 조직으로부터 및 광원과 표적 조직 사이에 위치된 조직 층으로부터의 두 번째 기여 가중치를 포함하는 방법.
제 17항에 있어서, 광원과 표적 조직 사이에 위치된 조직 층이 피부 및 지방 층인 방법.
제 18항에 있어서, 측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하는 것이 첫 번째 광원-검출기 공간에서 측정된 반사 방사선을 기초로 하여 두 번째 광원-검출기 공 간에서 측정된 반사 방사선에 대한 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시킴을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 표적 조직에서의 산소 포화도를 기초로 하여 표적 조직에서 산소 장력을 측정함을 추가로 포함하는 방법.
제 2항에 있어서, 환자의 표적 조직에서의 전체 헤모글로빈의 측정치를 기초로 하여 환자에서의 혈관수축 수준을 평가함을 추가로 포함하고, 상기 전체 헤모글로빈이 표적 조직중의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도를 기초로 하여 측정되는 방법.
제 1항에 있어서, 표적 조직이 사람내의 조직인 방법.
제 1항에 있어서, 표적 조직이 동물내의 조직인 방법.
제 1항에 있어서, 다수의 파장이 100개 이상의 파장을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 다수의 파장이 700nm 내지 1000mn의 파장을 포함하는 방법.
제 22항에 있어서, 다수의 파장이 725nm 내지 880mn의 파장을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 표적 조직이 근육 조직인 방법.
환자의 혈액량을 모니터링하는 방법으로서,

입사 방사선을 환자의 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함으로써 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고;

측정된 반사 스펙트럼의 세기를 보정하여 입사 방사선이 전파되는 피부와 지방 층으로부터의 기여부분을 감소시키고;

보정된 반사 스펙트럼을 기초로 하여 표적 조직에서의 전체 헴 농도를 측정하고;

전체 헴 농도를 기초로 하여 환자의 혈액량을 평가하고;

평가된 혈액량을 산출하는 방법.
제 28항에 있어서, 평가된 혈액량을 기초로 하여 환자에서의 출혈, 패혈증, 심장 질환 및 당뇨중 하나 이상의 진행 스테이지를 평가함을 추가로 포함하는 방법.
표적 조직에서 산소 포화도를 계산하는 방법으로서,

입사 방사선을 환자의 표적 조직에 유도하고 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정함으로써 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고;

반사 스펙트럼으로부터의 표적 조직의 광 감쇠 스펙트럼을 측정하고, 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅하고;

광 감쇠 스펙트럼의 피팅을 기초로 하여 표적 조직에서의 산소 포화도를 측정함을 포함하고,

광 감쇠 스펙트럼을 모델에 피팅하는 것이, 첫 번째 스테이지에서, 하나 이상의 모델 파라미터의 초기 값이 측정되고, 두 번째 스테이지에서, 광 감쇠 스펙트럼이 모델에 피팅되는 2-스테이지 피팅 절차를 수행함을 포함하고, 모델이 첫 번째 스테이지에서 측정된 초기 파라미터 값을 포함하는 방법.
제 30항에 있어서, 모델이 함수형 αλ를 지니는 항을 포함하고, α의 값이 피팅 동안 0(제로) 또는 그 미만이 되게 한정되는 방법.
표적 조직에 입사 방사선을 유도하도록 구성된 광원;

검출기; 및

표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하고, 반사 스펙트럼을 보정하여 입사 방사선이 전파되는 피부 및 지방층으로부터의 기여부분을 감소시키고, 보정된 반사 스펙트럼을 기초로 하여 표적 조직에서의 산소 포화도를 측정하도록 구성되고, 검출기에 결합되어 있는 프로세서를 포함하는 시스템.
제 32항에 있어서, 프로세서가 다수의 방사선 파장에서 표적 조직으로부터 반사된 방사선의 세기를 측정하도록 검출기를 유도함으로써 표적 조직의 반사 스펙트럼을 측정하도록 구성되는 시스템.
제 32항에 있어서, 프로세서가 보정된 반사 스펙트럼으로부터 광 감쇠 스펙트럼을 계산하고 광 감쇠 스펙트럼으로부터 유도되는 표적 조직에서의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도를 기초로 하여 산소 포화도를 계산함으로써 산소 포화도를 측정하도록 구성되고, 헴이 표적 조직중의 헤모글로빈 및 미오글로빈을 포함하는 시스템.
제 32항에 있어서, 광원과 검출기 사이에 존재하며, 광원과 검출기 사이의 첫 번째 거리에 대응하는 첫 번째 방사선 경로; 및 광원과 검출기 사이에 존재하며, 광원과 검출기 사이의 두 번째 거리에 대응하고 첫 번째 거리와는 다른 두 번째 방사선 경로를 추가로 포함하고;

광원으로부터의 입사 방사선이 첫 번째 및 두 번째 방사선 경로 각각을 따라서 표적 조직에 유도되고, 표적 조직으로부터 반사된 방사선이 첫 번째 및 두 번째 방사선 경로 각각을 따라서 검출기에 유도되는 시스템.
제 35항에 있어서, 프로세서가 첫 번째 및 두 번째 광행로 각각을 따른 반사 스펙트럼을 측정하고 그러한 반사 스펙트럼을 조합하여 보정된 반사 스펙트럼을 생성시킴으로써 피부 및 지방층으로부터 측정된 반사 스펙트럼에 대한 기여부분을 감소시키도록 구성되는 시스템.
제 35항에 있어서, 첫 번째 및 두 번째 방사선 경로 각각이 광섬유를 포함하는 시스템.
제 34항에 있어서, 프로세서가 광 감쇠 스펙트럼을 모델 광 감쇠 방정식에 피팅함으로써 표적 조직에서의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도를 유도하도록 구성되는 시스템.
제 38항에 있어서, 모델 광 감쇠 방정식이 표적 조직에서 산소화된 헴, 탈산소화된 헴 및 물에 의한 입사 방사선의 흡수에 대응하는 항(term)을 포함하는 베르 법칙 방정식을 포함하는 시스템.
제 32항에 있어서, 프로세서가 산소 포화도로부터 표적 조직에서의 산소 장력을 측정하도록 추가로 구성되는 시스템.
제 34항에 있어서, 프로세서가 표적 조직중의 산소화된 및 탈산소화된 헴의 농도로부터 표적 조직중의 전체 헴 농도를 측정하도록 추가로 구성되는 시스템.
제 41항에 있어서, 프로세서가 전체 헴 농도를 기초로 하여 표적 조직중의 혈액량을 평가하도록 추가로 구성되는 시스템.