KR20100043074A

KR20100043074A - 운동 성능 모니터링 및 모니터

Info

Publication number: KR20100043074A
Application number: KR1020107003410A
Authority: KR
Inventors: 밥스 알. 솔라
Original assignee: 유니버시티 오브 매사추세츠
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-04-27
Also published as: CN101801261B; EP2187804A1; AU2008311221A1; EP2187804A4; KR101530233B1; JP5607525B2; WO2009048659A1; US8818477B2; JP2010533514A; AU2008311221B2; CN101801261A; US20090024013A1; EP2187804B1

Abstract

본 발명은 인간 또는 동물 피검체 내 무산소 역치 및/또는 산소 소비 속도를 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 상기 방법은, 상기 피검체의 조직을 조명 방사선에 노출시키는 단계; 상기 조직으로부터 방출된 방사선을 수집하는 단계로서, 상기 방출된 방사선이 조직으로부터 반사되거나 투과된 조명 방사선의 일부를 포함하는, 단계; 상기 조직의 스펙트럼을 형성하도록 상기 방출된 방사선을 가공하는 단계; 및 상기 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 무산소 역치를 측정하는 단계를 포함한다.

Description

운동 성능 모니터링 및 모니터{Physical Performance Monitoring and Monitors}

관련된 출원에 대한 교차-참조

이 출원은 2007년 7월 13일자로 출원된, 미국 가출원 제 60/949,789호에 대한, 35 U.S.C. § 119(e) 하에서의 우선권을 청구하며, 이의 전체 내용은 본원에 참조로서 통합되어 있다.

기술 분야

이 출원은 운동 수행(physical performance)을 모니터하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

신체상의 물리적 스트레스의 효과는 운동 중 무산소 역치와 산소 소비 속도를 측정함에 의해 평가될 수 있다. 예를 들어, 전문적 및 비전문적 운동선수 둘 모두는 증가성(incremental) 운동 기간 중 상기 파라미터들을 측정함에 의해 훈련 요법의 효능을 양적 평가를 시도할 수 있다. 효과적인 운동 훈련 요법은 전형적으로 무산소 역치와 산소 소비 속도 둘 모두를 증가시킨다.

인간 조직 내 산소 소비 속도는 복잡하고 비싼 가스 분석 장치를 가지고 훈련된 자에 의해 측정될 수 있다. 전형적으로, 이 측정은 실험실에서 수행된다. 대조적으로, 무산소 역치는 운동장에서 측정될 수 있지만, 전형적으로 다중 침습 측정(invasive measurement)(예를 들어, 한 방울의 혈액을 얻기 위해 전형적으로 손가락 스틱을 통해, 여러 번 혈액 추출)을 포함한다. 결과적으로, 무산소 역치를 측정하는 것은, 피검체에 불편함을 주고 시간 소비적일 수 있다.

요약

본 발명은 운동선수 능력 및 체력(fitness) 수준을 모니터하기 위해 운동 중 무산소 역치 및 산소 소비 속도의 비침습 측정을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 산소 소비 측정은 개인의 대사 속도의 양적 평가를 제공한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "산소 소비 속도"는 산소가 산화된 혈액으로부터 제거되는 속도, 특별히 (비록 산소 소비가 항상 발생되지만) 육체 활동의 기간 중에 제거되는 속도를 의미한다. 특별히, 심한 육체 활동의 기간 중 - 예를 들어 체육 행상 또는 훈련기간 중 - 근육 조직에서 산소가 혈액으로부터 소비되는 속도는, 육체 불-활동의 기간 중의 산소 소비 속도에 비해, 많이 증가할 수 있다. 본원의 목적을 위해, 피검체의 조직 내의 산소 소비 속도는 산소 섭취 속도와 동일하다. 비록 용어 "산소 소비 속도"는 과학 문헌에서 더욱 일반적으로 사용되고 본원에서 사용될 것이지만, "산소 섭취 속도(uptake rate)"라는 용어가 본원에서의 산소 소비 속도와 유의어 임은 물론이다.

더구나, 본원에서 사용되는 바와 같이, "무산소 역치"는, 점차 증가하는 더 큰 일(예를 들어, 점차 더 큰 육체 노동(physical exertion))에 따라, 피검체의 혈액 내의 락테이트의 농도의 변화 속도가 증가하는, 산소 소비 속도(또는 운동 강도에 관한 또 다른 양)를 의미한다. 다시 말해, 무산소 역치까지 증가하는 운동 강도를 받는 피검체에 있어서, 피검체의 혈액 락테이트 농도는 시간과 거의 일정한 속도로 증가한다. 피검체의 무산소 역치에 도달되자마자, (비록, 아마 거의 일정한 속도이지만) 피검체의 혈액 락테이트 농도는 급격히 더 빠르게 증가하기 시작한다. 생리학적으로, 무산소 역치는 조직 내 락테이트 생산 속도가 락테이트가 제거되는 속도를 초과하는, 및/또는 CO₂ 생산 속도가 많이 증가하는, 지점에 해당한다.

성능 모니터는, 조직의 pH, 혈액 적혈구 용적, 및 산소 포화도와 같은 생리학적 파라미터를 양적으로 측정하기 위해, 반사율 및/또는 흡수율 측정을 통한, 조직(예를 들어, 인간 피검체 또는 동물 피검체)의 근-적외선 스펙트럼을 측정한다. 이러한 파라미터의 하나 또는 그 초과로부터, 무산소 역치는 측정될 수 있다. 이러한 파라미터 및 심장 박동 속도와 동맥 산소 포화도의 측정치를 사용하여, 산소 소비 속도는 측정될 수 있다. 본원에 기재된 시스템과 방법을 사용하여, 무산소 역치는 여러 번의 침습 측정 방법(예를 들어, 일련의 혈액 채취)을 수행하지 않고도, 그리고 최대 운동 요법을 피검체에 요구하지 않고도, 측정될 수 있다. 따라서, 산소 소비 속도는 대사 차트 및/또는 복잡한 가스 분석 장치 그리고 훈련된 전문가의 도음 없이도 측정될 수 있다.

본원에 기재된 성능 모니터는 인간 환자 또는 말 또는 개와 같은 동물과 같은 피검체에 부착되도록 구성된 휴대용 모니터로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 무산소 역치 및 산소 소비 속도의 하나 또는 물을 측정하기 위한 휴대용 모니터는 조절 가능한(예를 들어 탄성) 스트랩(strap) 또는 접착제 패드를 통해, 피검체의 직접 팔 또는 다리에 부착되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가하여, 상기 휴대용 모니터는, 예를 들어, 옷의, 밸트 또는 허리 밴드에 부착될 수 있고, 센서는 모니터로부터 연장될 수 있고, 부착 메커니즘 예컨대 접착제 패드를 통해 피검체의 피부에 부착될 수 있다. 단일 성능 모니터는 무산소 역치와 산소 소비 속도 둘 모두를 측정하기 위해 사용될 수 있거나, 별도의 성능 모니터들이 이 양들의 하나 또는 둘 모두를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 성능 모니터는, 디스플레이 및/또는 저장 매체로, 무산소 역치와 산소 소비 속도와 같은 생리적 파라미터를 포함하는 데이터를 전달(예를 들어, 무선 전달)할 수 있다. 추가로, 성능 모니터는 유선 및 무선 네트워크를 포함하는, 네트워크를 통해 데이터를 전달할 수 있다.

일반적으로, 제 1 측면에서, 이 공개 내용은 인간 또는 동물 피검체의 무산소 역치를 측정하는 방법으로서, 상기 방법이 상기 피검체의 조직을 조명 방사선에 노출시키는 단계; 상기 조직으로부터 방출된 방사선을 수집하는 단계로서, 상기 방출된 방사선이 조직으로부터 반사되거나 투과된 조명 방사선의 일부를 포함하는, 단계; 상기 조직의 스펙트럼을 형성하도록 상기 방출된 방사선을 가공하는 단계; 및 상기 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 무산소 역치를 측정하는 단계를 포함하는 방법에 특징이 있다.

상기 방법의 구체예는 아래 특징들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.

이 방법은 조직 내 분석물의 복수의 농도 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

이 방법은, 조직의 복수의 pH 값에 기초한, 무산소 역치로서, 여기서 상기 복수의 pH 값 각각이, 조직의 스펙트럼을 측정하고 상기 스펙트럼으로부터 pH 값을 결정함에 의해 얻어지는, 무산소 역치를 포함할 수 있다. 상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것이, 하나 초과의 상기 복수의 pH 값을 수학적 공식에 맞추어 상기 공식의 파라미터를 측정하고 수학적 공식으로부터 상기 무산소 역치를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것이, 상기 복수의 pH 값으로부터 조직의 복수의 수소 이온 농도 값을 측정하고; 하나 초과의 상기 복수의 수소 이온 농도 값을 수학 공식에 맞추어 상기 공식의 파라미터를 측정하며; 상기 수학 공식으로부터 무산소 역치를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 수학 공식이 아래와 같음을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서, x는 운동 강도의 측정치이고, x₀는 무산소 역치에 해당하는 조절가능한 파라미터이며, y는 수소 이온 농도이고, y₁, y₂, s₁, 및 S₂는 조절가능한 파라미터이다. 상기 운동 강도의 측정치가 조직 내 산소 소비 속도일 수 있다.

상기 무산소 역치를 측정하는 것이, 상기 복수의 pH 값으로부터 복수의 조직의 수소 이온 농도 값을 측정하고; 하나 초과의 상기 복수의 수소 이온 농도 값을 수학 공식에 맞추어 상기 공식의 파라미터를 측정하며; 수학 공식의 제 1 미분변수가 변하는 운동 강도의 측정치를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 운동 강도의 측정치가 산소 소비 속도일 수 있다.

상기 무산소 역치를 측정하는 것이, 무산소 역치에 해당하는 조직의 수소 이온 농도 값 또는 pH 값을 특정하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 방법이, 운동 기간 중에 상기 피검체 내 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 모니터하는 것을 포함할 수 있다.

상기 무산소 역치를 측정하는 것이, 무산소 역치에 해당하는 조직의 수소 이온 농도 값 또는 pH 값을 측정하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 방법이, 운동 기간 전에 피검체 내 제 1 pH 값 또는 제 1 수소 이온 농도 값을 측정하고, 운동 기간 후, 상기 피검체 내 제 2 pH 값 또는 제 2 수소 이온 농도 값을 측정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은, 무산소 역치에 해당하는 조직의 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 측정하고, 운동 기간 중 2번 이상 피검체 내 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 추가로 측정하여 피검체의 무산소 역치가 도달되었는지를 평가하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 pH 값 또는 수소 이온 농도 값이 0.1 Hz 또는 그 초과의 주파수로 측정된다.

상기 방법은, 무산소 역치에 기초한 피검체에 의해 수행된 운동 요법의 효능 및 피검체의 물리적 컨디션 중 하나 또는 둘 모두를 평가하는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은 또한 적당히, 본원에 기재된 다른 특징부들 또는 방법 단계 중 임의의 것을 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 인간 또는 동물 피검체의 산소 소비 속도를 측정하는 방법으로서, 상기 방법이, 피검체의 조직을 조명 방사선에 노출시키는 단계; 조직으로부터 방출된 방사선을 수집하는 단계로서, 상기 방출된 방사선이 조직으로부터 반사되거나 투과된 조명 방사선의 일부를 포함하는, 단계; 상기 조직의 스펙트럼을 형성하도록 상기 방출된 방사선을 가공하는 단계; 및 상기 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 산소 소비 속도를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.

상기 방법의 구체예는 하기 특징 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.

상기 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 동맥 산소 포화도와 조직 내 조직 산소 포화도 사이의 차이를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 피검체의 심장 박동 속도에 기초한, 피검체의 스트로크 부피(stroke volumn)를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것이, 조직의 스펙트럼에 기초한 조직 내 적혈구 용적(hematocrit) 수준을 측정하고; 상기 적혈구 용적 수준에 기초한 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

조직 내 산소 소비 속도가 아래 식에 따라 측정될 수 있다.

여기서,

가 조직 내 산소 소비 속도이고, SV가 피검체의 스트로크 부피이며, HR이 피검체의 심장 박동 속도이고, C_(a-b)O₂가 조직 내 동맥 산소 함량과 정맥 산소 함량 사이의 차이이다. 상기 동맥 산소 함량과 정맥 산소 함량의 사이의 차이, C_(a-b)O₂가 조직 내 동맥 산소 포화도와 정맥 산소 포화도의 값 및 조직 내 헤모글로빈 농도에 기초하여 계산될 수 있다.

상기 방법이, 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 무산소 역치를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은 또한, 적당히 본원에 기재된 다른 특징부 또는 방법 단계 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.

추가 측면에서, 본 발명은, 인간 또는 동물 피검체의 조직으로부터 방출된 빛을 탐지하고, 탐지된 빛으로부터 조직의 스펙트럼을 측정하도록 구성된 스펙트로미터; 및 상기 스펙트로미터에 커플링되고, 피검체의 산소 소비 속도와 무산소 역치 중 하나 이상을 조직의 스펙트럼에 기초하여, 측정하도록 구성된 전자 프로세서를 포함하는, 장치에 특징이 있다.

상기 장치의 구체예는 하기 특징부 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.

상기 전자 프로세서가 조직의 복수의 스펙트럼을 측정하고; 조직의 복수의 pH 값을 측정하며(여기서, 상기 복수의 pH 값의 각각은 상기 복수의 스펙트럼 중 하나로부터 얻어질 수 있음); 상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하도록 구성될 수 있다.

상기 스펙트로미터가, 하나 이상의 광 공급원; 조직으로 하나 이상의 광 공급원으로부터의 빛을 전달하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트; 및 탐지자에게 조직으로부터 빛을 전달하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트를 포함하며, 여기서, 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트 및 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트가, 피검체의 몸의 일부에 틀(housing)을 부착하기 위한 부착 기계장치를 포함하는, 틀 내에 포함되어 있다.

상기 하나 이상의 광 공급원이 복수의 광 방출 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 광 공급원이 50nm 또는 그 초과의 최대 스펙트럼 밴드너비의 반만큼의 전체 너비를 가질 수 있다.

상기 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트가 하나의 광 수용 포트를 포함할 수 있다. 상기 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트가 상기 광 수용 포트로부터의 제 1 거리에 위치한 제 1 광 포트 및 상기 광 수용 포트로부터 상기 제 1 거리보다 짧은 제 2 거리에 위치한 제 2 광 포트를 포함할 수 있다. 상기 전자 프로세서가 제 1 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터를 상기 제 2 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터로 수정하도록 구성될 수 있다. 제 1 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터는 조직 및 조직 위에 가로놓인 하나 또는 그 초과 층에 관한 정보를 포함할 수 있다. 제 2 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터는 하나 또는 그 초과의 위에 가로높인 층에 대한 정보를 포함할 수 있다.

상기 장치는, 상기 전자 프로세서와 전기 소통되는 통신 인터페이스를 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 통신 인터페이스가 전자 프로세서로부터의 신호를 하나 이상의 통신 링크 및 네트워크 위의 장치에 전달(예를 들어, 무선 전달)하도록 구성된다. 상기 네트워크가 무선 네트워크(예를 들어, 모바일 휴대폰 네트워크)일 수 있다. 상기 네트워크가 인터넷일 수 있다. 상기 통신 링크가 무선 통신 링크일 수 있다. 상기 장치가 하나 이상의 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터 장치, 휴대폰, 및 디스플레이 장치일 수 있다.

상기 신호가 상기 피검체에 대한 정보를 포함하고, 상기 장치가 피검체에 대한 정보를 모니터하도록 구성된 컴퓨터 장치일 수 있다.

상기 전자 프로세서는 피검체의 스트로크 부피에 기초한 산소 소비 속도, 피검체의 심장 박동 속도, 피검체 내 헤모글로빈 농도 및 피검체 내 동맥과 조직 산소 포화도의 차이를 측정하도록 구성될 수 있다.

시스템은, 데이터 전달 네트워크에 연결된 전기 장치; 및 복수의 모니터 장치로서, 각 모니터 장치가 상기 장치에 상응하는 모니터 장치를 포함하며, 여기서, 각 모니터 장치가 상기 데이터 전달 네트워크 위의 전자 장치로 복수의 인간 또는 동물 피검체 중 하나에 대한 정보를 전달하도록 구성되며, 상기 정보가 피검체의 산소 소비 속도와 무산소 역치 중 하나 이상을 포함한다.

구체예들은 아래의 장점 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.

본원에 기재되어 있는 이 성능 모니터는 휴대용이고 그래서, 현장 시험 환경 및 이동 환경을 포함하는, 여러 환경에서 사용될 수 있다. 이 성능 모니터는, 시험 피검체가 착용하는 그리고 종종 시험 피검체에 불쾌감을 주고 밀실공포(claustrophobic)를 주는, 얼굴 마스크와 마우스피스를 전형적으로 포함하는, 대사 차트 장치의 필요성을 제거한다. 추가로, 본원에 기재된 이 성능 모니터는 비-침습적 측정을 수행하여, 시험 피검체로부터 혈액 및/또는 다른 유체의 추출에 대한 필요성을 제거한다.

추가로, 본원에 기재된 성능 모니터는 시험 피검체 내 산소 소비 속도를 평가하기 위한 대안적 장치보다 더욱 간단하고 덜 비용이 든다. 이 성능 모니터는 매우 훈련된 작업자를 요하지 않고, 국소 디스플레이와 떨어져 있는 모니터링 장치에 실시간 결과를 제공한다.

달리 정의되지 않는다면, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가진다. 비록 본원에 기재된 것과 유사하거나 동일한 방법 및 물질이 본 발명의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 물질은 아래에 기재되어 있다. 본원에서 언급한 모든 공개 문헌, 특허 출원, 특허 및 다른 참조 문헌은 본원에 그대로 참조로서 통합되어 있다. 충돌시, 정의를 포함하는, 본 명세서는 조절할 것이다. 추가로, 이 물질, 방법 및 예는 제한하려는 의도 없이 단지 예시적인 것이다.

하나 또는 그 초과의 구체예의 상세한 설명은 동반되는 도면과 아래의 상세한 설명에서 이뤄진다. 다른 특징부 및 이점들은 이 기재, 도면 및 청구범위로부터 명백할 것이다.

도 1은 퍼포먼스 모니터의 구체예에 대한 개략도이다.
도 2는 퍼포먼스 모니터의 구체예에 대한 개략도이다.
도 3A는 퍼포먼스 모니터의 구체예를 나타내는 사진이다.
도 3B는 모니터 하우징내에 정위된 프로세서 및 디스플레이를 지닌 퍼포먼스 모니터의 내부를 나타내는 사진이다.
도 4A는 네트워크를 통해 장치에 접속된 퍼포먼스 모니터의 개략도이다.
도 4B는 네트워크를 통해 장치에 접속된 다수의 퍼포먼스 모니터의 개략도이다.
도 5는 시험 대상자에 대한 운동 강도의 함수로서 락테이트 농도 및 수소 이온 농도 플롯(plot)이다.
도 6은 첫 번째 시험 대상자에 대한 시간의 함수로서 근적외선 분광계 및 표준 기기를 통해서 측정된 산소 소모율 플롯이다.
도 7은 두 번째 시험 대상자에 대한 시간의 함수로서 근적외선 분광계 및 표준 기기를 통해서 측정된 산소 소모율 플롯이다.
도 8은 운동 강도의 함수로서 심박출량(stroke volume)에 대한 플롯이다.
도 9는 시험 대상자에 대한 무산소 역치(anaerobic threshold)를 나타내는 락테이트 농도 플롯이다.
도 10은 시험 대상자에 대한 무산소 역치를 나타내는 수소 이온 농도 플롯이다.
도 11은 시험 대상자에 대한 무산소 역치를 나타내는 이산화탄소 생성율 플롯이다.
도 12는 9명의 시험 대상자에 대한 락테이트 농도 및 수소 이온 농도로부터 측정된 무산소 역치를 나타내는 플롯이다.
도 13은 10명의 시험 대상자에 대한 수소 이온 농도 및 이산화탄소 생성율로부터 측정된 무산소 역치를 나타내는 플롯이다.
도 14는 퍼포먼스 모니터의 외부도이다.
도 15는 3명의 시험 대상자에 대한 심박수의 함수로서 산정된 심박출량 플롯이다.
도 16은 여성 시험 대상자에 대한 시간의 함수로서 전신 측정 및 근적외선 분광 측정으로부터 측정된 절대 산소 소모율(absolute oxygen consumption rate) 플롯이다.
도 17은 남성 시험 대상자에 대한 시간의 함수로서 전신 측정 및 근적외선 분광 측정으로부터 측정된 절대 산소 소모율 플롯이다.
도 18은 전신 측정 및 근적외선 분광 측정으로부터 측정된 산소 소모율들 사이의 상호 관련을 나타내는 플롯이다.
다양한 도면에서의 유사한 참조 기호는 유사한 소자를 나타낸다.

상세한 설명

적외선 반사 및/또는 흡수 측정이 조직에 대해서 수행되어 대상자, 예컨대, 인간 환자의 일반적인 생리학적 상태를 검정하는데 사용될 수 있는 다수의 파라메터를 측정할 수 있다. 그러한 측정을 수행하기에 적합한 분광계 시스템이, 예를 들어, 2005년 4월 25일 출원된 밥스 알. 솔러(Babs R. Soller) 등에 의한 발명의 명칭 "Spectrometer System for Optical Reflectance Measurements"의 미국특허 제7,245,373호에 개시되어 있으며, 본원에서는 이의 전체 내용이 참조로 통합된다. 일반적으로, 적외선 반사 및/또는 흡수 측정은 살아있는 유기체(예, 인간 및/또는 동물 대상자)의 조직에 대해서 수행될 수 있다.

도 1은 조직 샘플(102)로부터 반사 및/또는 흡수 측정을 수행하기 위한 휴대용 퍼포먼스 모니터(100)의 구체예를 나타낸다. 모니터(100)는 광원(104), 광원(104)을 위한 파워 서플라이(106), 광학대(optical bench), 셔터 시스템(110), 셔터 시스템 드라이버(112), 분광기(114), 광섬유 케이블(116a-c), 프로세서((118) 및 결합 기구(119)를 포함한다. 모니터(100)는 또한 프로세서(118)와 전기 소통관계에 있는 다수의 보조 접속 포트(120, 122, 124, 및 126)를 포함한다. 4개의 접속 포트(connection port)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 모니터(100)의 구체예는 일반적으로 어떠한 수의 보조 연결 포트를 지닐 수 있다. 보조 접속 포트는 프로세서(118)에 대한 다른 센서 및/또는 기기(instrument)의 연결을 가능케 한다. 프로세서(118)는 보조 접속 포트에 접속된 센서 및/또는 기기로부터의 데이터를 수신하도록 구성될 수 있으며, 프로세서는 또한 보조 접속 포트를 통해서 신호를 센서 및/또는 기기에 송신할 수 있다.

광원(104)으로부터의 광은 광학대(108) 내의 광 소자에 의해서 처리되고, 셔터 시스템(110)에 의해서 교대로 차단되거나 통과될 수 있다. 광원(104)으로부터의 광이 셔터 시스템(110)을 통해서 통과하는 경우, 광은 광섬유 케이블(116a 및/또는 116b)을 통해서 결합 기구(119)에 유도되고, 그러한 결합 기구는 케이블(116a, 116b 및 116c)을 샘플(102)에 고정하고 케이블(116a 및/또는 116b)에 의해서 유도된 광이 하나 이상의 입사광 포트(도시되지 않음)를 통해서 샘플(102)상에 입사되게 하도록 구성되어 있다. 입사광 포트는 구멍을 제공하며, 그러한 구멍을 통해서, 케이블(116a 및/또는 116b)로부터 커플링된 광이 통과하여 샘플(102)에 도달한다.

샘플(102)로부터 반사 및/또는 전송된 광이 하나 이상의 광 수신 포트를 통해서 광섬유 케이블(116c)내로 커플링되고 분광기(114)에 유도된다. 일부 구체예에서, 분광기(114)는 또한 또 다른 광섬유 케이블(도 1에는 도시되지 않음)을 통해서 광원(104)(예, 샘플(102)상에 입사되지 않은 광)으로부터 직접 광을 수신할 수 있다. 프로세서(118)에 의해서 제어되는 분광기(114)는 샘플(102)로부터 반사된 광 및/또는 그로부터 흡수된 광의 스펙트럼을 측정한다.

특정의 구체예에서, 퍼포먼스 모니터(100)의 소자들은 조합될 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 셔터 시스템(110) 및/또는 셔터 시스템 드라이버(112)가 광학대(108)의 일부일 수 있다. 또 다른 예로서, 일부 구체예에서, 광원(104)이 광학대(108)의 일부일 수 있다.

분광기(114)는, 일반적으로는, 광 세기의 파장-분해된 측정(wavelength-resolved measurement)을 가능하게 하는 어떠한 유형의 장치 또는 시스템일 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 분광기(114)는 다수의 성분 파장으로 공간적으로 입사광을 분산시키는 분산 소자, 예컨대, 회절 격자 또는 프리즘, 및 성분 파장의 강도를 측정하도록 구성된 검출기(예, CCD 장치, 광다이오드, 광전자 증배관(photomultiplier), 또는 또 다른 그러한 장치)에 성분 파장을 유도하는 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있다. 특정의 구체예에서, 분광기(114)는 또 다른 양상으로, 예컨대, 광대역 필터(optical bandpass filter)의 사용을 통해서, 입사광 빔의 성분 파장의 강도를 측정할 수 있다. 일부 구체예에서, 분광기(114)는 다른 소자를 이용하여 상이한 파장에서 광 세기를 측정할 수 있다.

도 1에 도시된 광섬유 케이블(116a)은 광섬유 케이블(116b) 보다 광섬유 케이블(116c)로부터 더 먼 거리에 있다. 케이블(116c)에 대한 케이블(116a) 및 케이블(116b)의 위치에 대한 적합한 선택에 의해서, 분광기(114)에 의해서 측정된 스펙트럼 데이터가 샘플(102) 내의 관심 근육 조직을 덮고 있는 피부 및/또는 지방 층으로 인한 스펙트럼 효과를 감소시키거나 제거하도록 상호 관련될 수 있다. 예를 들어, 케이블(116c)내로 커플링되고 케이블(116a)로부터 샘플(102)에 유도된 입사광으로부터 유래되는 반사광은 전형적으로는 덮고 있는 피부 및 지방 층, 및 샘플(102) 내의 더 깊게-위치하는 관심 조직(예, 근육 조직) 둘 모두로부터의 기여부분을 포함한다. 반면, 케이블(116c)내로 커플링되고 케이블(116b)로부터 샘플(102)로 유도된 입사광으로부터 유래되는 반사광은 전형적으로는 (대체로) 피부 및 지방 층으로부터의 기여부분을 포함한다. 그 결과, 특정의 구체예에서, 모니터(100)는 케이블(116a) 및 케이블(116b)을 통해서 전달된 입사광으로부터 유래된 반사광을 개별적으로 측정하고 케이블(116b)로부터의 입사광으로부터 유래된 반사광 스펙트럼을 이용하여 케이블(116a)로부터의 입사광으로부터 유래된 스펙트럼을 보정하도록 구성되어서, 덮고 있는 피부 및 지방 층으로부터의 스펙트럼 기여부분을 감소 및/또는 제거할 수 있다. 모니터(100)는 또한 상이한 대상자들 사이의 피부 착색에서의 변화를 보정하도록 구성될 수 있다.

일부 구체예에서, 퍼포먼스 모니터는, 특히, 소형화 및 휴대성의 향상이 요구되는 경우에는, 도 1에 도시된 것보다 더 적은 부품을 포함할 수 있다. 도 2는 보조 접속 포트(120 및 122), 솔리드-스테이트 광원(solid-state light: 104)(예, 광원이 하나 이상의 LED 광원을 포함할 수 있다), 광원 드라이버(106), 광학대(128), 및 분광기(114)와 함께 프로세서(118)를 포함하는 휴대 가능한 모니터(150)의 구체예를 도시하고 있다. 솔리드-스테이트 광원(104)에 의해서 방출된 광은 하우징(134)내의 구멍(130)(또는 다수의 구멍)을 통해서 샘플 조직(102)상에 입사된다. 샘플(102)로부터의 반사 및/또는 전송된 광은 하우징(134)내의 구멍(132)(또는 다수의 구멍)을 통해서 광학대(128)로 유도된다. 광학대(128)은 반사 및/또는 전송된 광을 분광기(114)로 유도하는 광학 소자를 포함한다. 프로세서(118)에 의해서 제어되는 분광기(114)는 샘플(102)로부터의 광의 반사 및/또는 흡수 스펙트럼을 측정한다.

전형적으로는, 솔리드-스테이트 광원(104)은 도 1에 도시된 광원(예, 백열광원)의 분광대역폭(spectral bandwidth)과 유사한 반치폭(full width at half maximum: FWHM)의 분광대역폭을 지니는 비교적 광-대역폭 광(broad-bandwidth light)을 제공한다. 예를 들어, 특정의 구체예에서, 솔리드-스테이트 광원(104)의 FWHM 대역폭은 1nm 또는 그 초과(예, 3 nm 또는 그 초과, 5 nm 또는 그 초과, 10 nm 또는 그 초과, 30 nm 또는 그 초과, 50 nm 또는 그 초과, 75 nm 또는 그 초과, 100nm 또는 그 초과, 200 nm 또는 그 초과, 300 nm 또는 그 초과, 500 nm 또는 그 초과, 700 nm 또는 그 초과, 900 nm 또는 그 초과)이다.

결합 기구(194)를 통해서 시험 대상자의 다리(192) 상에 설치된 센서(190)를 지니는 퍼포먼스 모니터(170)의 구체예가 도 3A에 도시되어 있다. 센서(190)는 광을 다리(192)에 전달하고, 다리(192)로부터 반사된 광을 수집하도록 구성된 광섬유 케이블을 포함한다. 도 3A에서의 모니터(170)는 통신 인터페이스를 통해서 랩탑 컴퓨터(196)에 접속된다. 반사 및/또는 입사 스펙트럼을 포함하는 모니터로부터의 데이터는 통신 인터페이스를 통해서 컴퓨터에 전달될 수 있다. 도 3A에 도시된 구체예에서, 퍼포먼스 모니터(170)는 전자 프로세서를 포함하지 않으며 - 스펙트럼으로부터의 다양한 파라메터의 값들을 측정함을 포함한 처리 기능이 컴퓨터(196)에 의해서 대신 수행된다. 일반적으로, 퍼포먼스 모니터는 그 하우징에 전자 프로세서를 포함하거나 포함하지 않을 수 있고; 모니터가 그 하우징에 전자 프로세서를 포함하지 않는 경우에는, 모니터는 전형적으로는 외부 연산 장치, 예컨대, 테스크탑 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터 및/또는 이동 전화 내의 전자 프로세서에 대한 접속(예, 통신 인터페이스를 통해서)을 포함한다. 외부 장치는 이하 개시된 처리 기능의 일부 또는 전부를 수행할 수 있으며, 예를 들어, 다양한 파라메터의 값들을 디스플레이 하는 디스플레이 인터페이스를 포함할 수 있다.

도 3B는, 모니터 하우징내의 전자 프로세서 및 디스플레이를 포함하지만, 도 3A에 도시된 것과 유사한 퍼포먼스 모니터의 내부도를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 모니터는 8" x 9" x 6"의 치수를 지니며 중량 8 파운드이지만, 다른 치수 및 중량이 또한 가능하다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 퍼포먼스 모니터의 최대 치수는 6" 또는 그 미만 (예, 5.5" 또는 그 미만, 5" 또는 그 미만, 4.5" 또는 그 미만, 4" 또는 그 미만, 3" 또는 그 미만, 2" 또는 그 미만, 1" 또는 그 미만, 0.5" 또는 그 미만, 0.25" 또는 그 미만)이다. 하우징에 의해서 내재된 광섬유 케이블과 광 포트를 포함하는 모니터의 일부가 결합 기구, 예컨대, 부착 패드를 사용함으로서 시험 대상자의 팔에 고정된다. 스냅 접속이 부착 패드와 하우징을 맞물리게 한다. 특정의 구체예에서, 다른 결합 기구, 예컨대, 끈(strap)(도 3B에는 도시되지 않음)이 사용될 수 있다.

디스플레이 및 전자 프로세서에 추가로, 도 3B에 도시된 모니터는 저장 매체, 광학대, 파워 제어 전자장치, 광원 및 드라이버, 및 분광계를 포함한다. 일부 구체예에서, 모니터는 또한 야외 사용을 위한 배터리를 포함할 수 있다. 이러한 크기 및 중량의 모니터가 또한, 예를 들어, 야외뿐만 아니라 실험실 및 트레이닝 센터에서 사용될 수 있다. 연구중의 대상자는 전형적으로는 운동중일 것이다(예, 고정 자전거 또는 트레드밀(treadmill)상에서). 보행중 및 그 밖의 사용을 위해서, 도 3A 및 도 3B에 도시된 모니터중 한 가지 소형화된 모니터가, 예를 들어, 벨트에 부착될 수 있다. 그러한 모니터는, 예를 들어, 비교적 사이드(side) FWHM 분광대역폭을 지니는 광을 제공하는 솔리드-스테이트 광원을 포함할 수 있다. 솔리드-스테이트 광원은 센서상에 직접 위치될 수 있다(예, 대상자의 신체에 부착된 하우징 내에 위치됨). 소형화된 모니터는 배터리를 통해서 전력이 공급될 수 있다.

도 14는 퍼포먼스 모니터의 또 다른 구체예의 외부도를 도시하고 있다. 모니터(180)는 비교적 견고한 재료(예, 플라스틱)로 형성된 하우징(183)을 포함한다. 통신 포트(181)(예, USB 포트)는 모니터(180)로부터의 데이터를 하나 이상의 외부 장치에 송신하고/거나 하나 이상의 외부 장치로부터의 데이터를 수신하도록 구성되어 있다. 전력 접속기(182)는 전원(예, AC 전원 및/또는 DC 전원, 예컨대, 배터리)에 접속하는데 사용된다. 모니터(180)는 또한 배터리를 하우징하도록 구성되는 하우징(183) 내의 별도의 격실을 포함하여, 모니터(180)가 포트(182)를 통한 전원에 접속되지 않으면서 작동할 수 있게 할 수 있다.

하우징(183)상에는 고정장치, 예컨대, 끈을 수용하도록 구성되는 접속기(184)가 위치하고, 그러한 고정장치는 모니터(180)를 대상자(예, 대상자의 다리 또는 팔)에 고정시키는데 사용될 수 있다. 고정장치는 대상자로부터의 모니터의 반복된 결합 및 탈착을 가능하게 하는 재고정 가능한 클로저(re-fastenable closure), 예컨대, 벨크로®(Velcro®) 스트립을 포함할 수 있다.

일부 구체예에서, 퍼포먼스 모니터는 다른 전자 장치와 통신하기 위한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(202)를 지니는 퍼포먼스 모니터(200)가 도 4A에 도시되어 있다. 모니터(200)는 네트워크(204)를 통해서 장치(210)와 통신한다. 특정의 구체예에서, 예를 들어, 장치(210)는 컴퓨터(예, 데스크탑 또는 노트북 컴퓨터, 또는 휴대용 컴퓨터)일 수 있다. 일부 구체예에서, 장치(210)는 이동 전화기, 또는 또 다른 전자 장치, 예컨대, 디스플레이 장치 및/또는 저장 장치일 수 있다. 장치(210)가 이동 전화기인 경우, 장치(210)는 네트워크(204)를 통해서 제 2 장치(도시되지 않음), 예컨대, 컴퓨터와 통신할 수 있으며, 모니터(200)로부터의 데이터를 제 2 장치에 전송하는 전송 장치로서 작용할 수 있다. 일반적으로, 모니터(200)는 인터페이스(202)를 통해서 하나 이상의 장치(210)와 통신할 수 있다.

네트워크(204)는, 일반적으로 전자 디바이스 간의 신호 변화를 지지하는 임의의 네트워크일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 예를 들어, 네트워크(204)는 모니터(200)와 디바이스(210)를 연결하는 케이블(예컨대, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 또는 그 밖의 케이블)을 포함한다. 특정 구체예에서, 네트워크(204)는 휴대폰 네트워크 또는 인터넷과 같은 무선 네트워크이다. 모니터(200)는 모니터(200)와 디바이스(210) 간의 데이터 변경이 허용되기 전에 네트워크(204)에 대해 그 자체로 보증하도록 구성될 수 있다.

몇몇 구체예에서, 다수의 모니터가 네트워크를 통해 하나 또는 그 초과의 전자 디바이스에 연결될 수 있다. 도 4b는 다수의 모니터(200)를 보여주고 있으며, 각각은 통신 인터페이스(communication interface)(202)를 갖는다. 각각의 모니터는 네트워크(204)를 통해 디바이스(210)에 연결되며, 디바이스(210)에 의해 데이터(예컨대, 모니터(200) 및/또는 제어 지시에 의해 측정된 데이터)를 변경할 수 있다.

분광기(114)에 의해 측정된 반사 및/또는 흡수 스펙트럼이 프로세서(118)에 의해 프로세싱되어 샘플 조직(102)에 상응하는 다양한 생리적 파라미터를 측정할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 예를 들어, 스펙트럼으로부터 측정될 수 있는 생리학적 파라미터는 조직의 pH(이로부터, 수소 이온 농도가 유도됨), 조직의 산소 포화도, 혈중 적혈구 용적률(blood hematocrit), 혈중 헤모글로빈 농도, 조직의 산소 분압, 및 물 분율 중 어느 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 각각의 이러한 파라미터를 측정하기 위한 시스템 및 방법은 예를 들어, 그 전부가 본원에 참조로 통합되는 하기의 미국 특허 및 특허 출원에 기술되어 있다[1995년 11월 8일자 출원된 밥스 알. 솔러(Babs R. Soller) 등의 미국 특허 제5,813,403호(발명의 명칭: "Optical Measurement of Tissue pH"); 1998년 2월 4일자 출원된 밥스 알. 솔러 등의 미국 특허 제6,006,119호(발명의 명칭: "Non-Invasive Optical Measurement of Blood Hematocrit"); 2002년 10월 11일자 출원된 밥스 알. 솔러 등의 미국 특허 제6,766,188호(발명의 명칭: "Tissue Oxygen Measurement System"); 및 2007년 5월 30일 출원된 올루솔라 오. 소에미(Olusola O. Soyemi) 등의 미국 특허 공개 번호 US 2008/0097173(발명의 명칭: "Measuring Tissue Oxygenation")].

몇몇 구체예에서, 측정된 스펙트럼은 생리학적 파라미터를 측정하기 전에 보정될 수 있다. 예를 들어, 특정 구체예에서, 조직의 스펙트럼은 근육 조직 위에 있는 피부 및/또는 지방(예컨대, 분광계 시스템과 근육 조직 사이에 위치하는 피부 및/또는 지방)의 층에 의해 광 산란 및/흡수의 효과를 감소시키기 위해 보정될 수 있다. 스펙트럼을 보정하기 위한 시스템 및 방법은 예를 들어, 그 전부가 본원에 참조로 통합되는, 현재 미국 특허 공개 번호 US2007/0038041로서 공개된, 2006년 4월 25일자 출원된 예 양(Ye Yang) 등의 미국 특허 출원 제11/411,538호(발명의 명칭: "Systems and Methods for Correcting Optical Reflectance Measurements")에 기술되어 있다.

반사율 및/또는 흡수율 측정으로부터 측정된 생리학적 파라미터는 그 밖의 생리적으로 중요한 양을 측정하는데 사용될 수 있다. 특히, 본원에서 기술되는 성능 모니터에 의해 측정된 파라미터는 인간 환자와 같은 피검체의 무산소 역치(anaerobic threshold) 및 산소 소비율을 측정하는데 사용될 수 있다.

무산소 역치 및 수소 이온 농도가 조직에서 관련되어 있는데, 그 이유는 운동 기간 동안의 혈액 락테이트의 생성은 조직내 국부적인 pH에 비례하여 변화하기 때문이다. 이에 따라, 무산소 역치를 측정하는데 사용될 수 있는, 피검체의 샘플 조직에서의 락테이트 농도는 조직에서 수소 이온 농도를 측정함으로써 모니터링될 수 있다. 수소 이온 농도는 조직에서의 pH 측정으로부터 직접적으로 측정될 수 있으며, 여기서 수소 이온 농도[H⁺]는 [H⁺] = 10^-pH로서 수학적으로 pH와 관련된다. 조직의 pH는 상기 논의된 바와 같이 근적외선 반사율 및/또는 흡수율 측정으로부터 측정될 수 있다. 이에 따라, 본원에서 기술되는 휴대가능한 성능 모니터가 조직에 대해 수행된 근적외선 측정으로부터 피검체 조직의 혈액 락테이트 농도를 모니터링하는데 사용될 수 있다.

대사율은 본원에서 피검체에 의한 산소 소비율의 측정에 근거하여 평가된다. 조직에서 산소 소비율(

)는 하기와 같이 계산될 수 있다:

상기 식에서, Q는 피검체의 심박출량(cardiac output)이고, C는 숫자 상수(numerical constant) 또는 숫자 함수이고, [Hb]는 헤모글로빈 농도이고, Sa_O2 및 Sv_O2는 조직에서 헤모글로빈에 결합된 산소에 상응하는 동맥 및 조직의 산소 포화도 값이며, Pa_O2 및 Pv_O2는 조직에서 헤모글로빈에 결합되지 않은 동맥 및 조직 산소의 분압이다. 일반적으로, C는 조직내 헤모글로빈 그램당 일반적인 산소 용적(mL)에 상응하는 1.34의 상수 값을 갖는다. 그러나, 일반적으로, C는 환경 및 측정 조건에 의존하여 다른 값을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 예를 들어, C는 심지어 상수가 아닐 수 있다. 즉, C는 다양한 측정 조건의 함수일 수 있다. 예를 들어, C는 피검체의 구출량(stroke volume)에서의 변화에 따라 등급화되는 값을 회복시키는 함수일 수 있다. 심박출량 Q는 구출량(SV)과 심박수(HR)의 곱과 동일이다. 일반적으로 식(1)에서 두번째 용어는 첫번째 용어에 비해 크기가 작고, 무시될 수 있다.

몇몇 구체예에서, 근적외선 반사율 및/또는 흡수율 측정은 피검체의 구출량에 의해 표준화되는

의 상대적 값,

(NIRS)을 측정하는데 사용될 수 있다. 상기 양

(NIRS)은

에 비례하고(예컨대, 상대적 산소 소비율에 상응하는), 피검체 조직에서의 산소 소비율에 대한 기준을 제공한다. 수학적으로,

(NIRS)는 하기 식에 따른 근적외선 스펙트럼 측정으로부터 유도된 양으로부터 측정될 수 있다:

상기 식에서, HR은 피검체의 심박수이고, [Hb]는 피검체 조직의 헤모글로빈 농도이고, Sa_O2는 동맥 산소 포화도이고, Sv_O2는 조직 산소 포화도이다. 상기 식(2)에서의 양은 근적외선 반사율 및/또는 흡수율 측정 및 표준 펄스 산소 측정을 포함하는 여러 측정으로부터 유도되거나 직접적으로 측정될 수 있으며, 이에 따라

(NIRS)가 분광 측정으로부터 직접적으로 측정될 수 있다.

예를 들어, 심박수(HR) 및 동맥 산소 포화도(Sa_O2)는 표준 펄스 산소 측정을 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 측정은 본원에서 기술되는 성능 모니터 상의 어느 한 보조 포트에 연결되는, 별도로 구입가능한 핑거(finger), 포헤드(forhead) 또는 이어 펄스 산소측정 센서(ear pulse oximeter sensor)(예컨대, 넬콜(Nellcor, Pleasanton, CA)로부터 입수가능한 넬콜 옥시맥스™ 패스트 포헤드 센서(Nellcor OxyMax™ Fast Forehead Sensor) 및 펄스 옥시미터 시스템(pulse oximeter system))을 사용하여 달성될 수 있다. 보조 포트(120)를 통해 프로세서(118)에 연결된, 펄스 산소측정기 센서(160)가 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 다르게는, 또는 부가적으로, 본원에서 기술되는 성능 모니터는 적합한 센서 및 프로세싱 소프트웨어를 포함하여 수집된 적외선 스펙트럼으로부터 직접적으로 HR 및 SaO₂의 펄스 산소측정을 기초로 한 측정을 수행할 수 있다.

헤모글로빈 농도[Hb]는 근적외선 스펙트럼으로부터 측정된 적혈구 용적률 수준의 1/3로서 추산될 수 있으며; 본원에서 기술되는 성능 모니터는 상기 논의된 바와 같이 적혈구 용적률 수준을 직접적으로 측정하도록 구성된다. 다르게는, 또는 부가적으로, 헤모글로빈 농도는 근적외선 스펙트럼 측정으로부터 직접적으로 측정될 수 있다.

근육 산소 포화도(Sm_O2)는 정맥(예컨대, 조직) 산소 포화도(SV_O2)와 대략 동일하며, 본원에서 기술되는 성능 모니터는 근육 산소 포화도를 직접적으로 측정함으로써 반사율 및/또는 흡수율로부터 조직 산소 포화도를 측정하도록 구성된다.

몇몇 구체예에서, 근적외선 스펙트럼 측정은 피검체 조직에서의 절대(예컨대, 상대적이라기 보다는) 산소 소비율을 직접적으로 측정하기 위해 사용될 수 있다. 절대 산소 소비율

(abs)는 하기 식에 따른 픽크(Fick) 식으로부터 추산될 수 있다:

상기 식에서, SV는 구출량이고, HR은 심박수이고, C_(a-v)O₂는 동맥 산소 함량(a)과 정맥(v) 산소 함량 간의 차이다. 동맥 산소 함량과 정맥 산소 함량 간의 차는 하기 식에 따라 산출될 수 있다:

상기 식에서, [Hb]는 헤모글로빈 농도이고, Sa_O2 및 Sv_O2는 조직에서 헤모글로빈에 결합된 산소에 상응하는 동맥 및 정맥(예를 들어, 조직)의 산소 포화도 값이며, Pa_O2 및 Pv_O2는 조직에서 헤모글로빈에 결합되지 않은 동맥 및 조직 산소의 분압이다. 일반적으로 식(4)에서 두번째 용어는 첫번째 용어에 비해 크기가 작고, 무시될 수 있다.

근적외선 반사율 및/또는 흡수율 측정은 상기 식(3) 및 (4)에 따라 피검체의 조직에서 절대 산소 소비율

(abs)을 추산하는데 사용될 수 있다. 상기 식(3) 및 (4)에서 각각의 양은 근적외선 반사율 및/또는 흡수율 측정 및 표준 펄스 산소 측정을 포함하는 여러 측정으로부터 유도되거나 직접적으로 측정될 수 있으며, 이에 따라

(abs)가 분광 측정으로부터 직접적으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 논의된 바와 같이, 심박수(HR) 및 동맥 산소 포화도(Sa_O2)는 별도로 구입가능한 핑거, 포헤드 또는 이어 펄스 산소측정 센서를 사용하는, 표준 펄스 산소측정법을 사용하여 측정될 수 있다. 다르게는, 또는 부가적으로, 본원에서 기술되는 성능 모니터는 적합한 센서 및 프로세싱 소프트웨어를 포함하여 수집된 적외선 스펙트럼으로부터 직접적으로 HR 및 SaO₂의 측정을 수행할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 헤모글로빈 농도[Hb]는 근적외선 스펙트럼으로부터 측정된 적혈구 용적률 수준의 1/3로서 추산될 수 있으며; 본원에서 기술되는 성능 모니터가 상기 논의된 바와 같이 적혈구 용적률 수준을 직접적으로 측정하고, 적혈구 용적률 수준으로부터 [Hb]를 측정하도록 구성될 수 있다. 다르게는, 또는 부가적으로, 성능 모니터는 근적외선 스펙트럼으로부터 직접적으로 헤모글로빈 농도를 측정하도록 구성될 수 있다.

근육 산소 포화도(Sm_O2)는 앞서 논의된 바와 같이 정맥(예컨대, 조직) 산소 포화도(SV_O2)와 대략 동일하며, 성능 모니터는 근육 산소 포화도를 직접적으로 측정함으로써 반사율 및/또는 흡수율로부터 조직 산소 포화도를 측정하도록 구성된다.

여러 상이한 방법이 구출량(SV)을 측정하는데 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 예를 들어, 구출량은 본원에서 기술되는 성능 모니터와 인터페이스로 연결되는 장치를 사용하여 직접적으로 측정될 수 있다. 특정 구체예에서, 구출량은 심박수의 측정으로부터 측정될 수 있다. 문헌(Krip et al., Med. Sci. Sports Exerc. 29: 1469-1476(1997))에서는 구출량과 심박수 간에 관련성이 있음을 알려준다. 본원에서 기술되는 성능 모니터는 하기 식에 따라 심박수(HR)을 기초로 하여 구출량(SV)을 측정하도록 구성될 수 있다:

상기 식에서, A, B, 및 D는 조절가능한 파라미터이다. 파라미터 A, B, 및 D 값은 크립(Krip) 등의 방법을 사용하여 안정시 심장초음파 진단도(resting echocardiogram)로부터 SV 값을 추산하고, 추산된 SV 값을 회귀 분석으로 상응하는 측정된 HRV 값을 구하여 A, B, 및 D 값을 결정함으로써 결정될 수 있다. 이러한 파라미터의 값(및/또는 특정 구체예에서, 식(5)의 형태)는 상이한 피검체 중 성별을 고려하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 파라미터 A 및 B는 각각 수치 값 0.0132 및 27.45를 취할 수 있는 반면, 최대 산소 소비율에서의 구출량에 상응하는 파라미터 D는 남성 피검체에 대해서는 0.154 값을, 여성 피검체에 대해 0.096 값을 취할 수 있다.

무산소 역치는 일반적으로 본원에서

값, 또는 혈액 중 락테이트에 상응하는 락테이트 농도 곡선의 1차 도함수가 점증적으로 커지는 일(예를 들어, 점증적으로 커지는 물리적 활동)로 인해 증가하는 경우의 운동 강도와 관련된 또 다른 양으로서 정의된다. 무산소 역치를 결정하기 위해, 락테이트 농도와 관련된 양의 측정값은 하기 피팅(fitting) 식을 사용하여 연립 겹선형 회귀법(simultaneous bilinear regression)으로 분석된다:

상기 식에서, s₁ 및 s₂는 겹선형 피팅 곡선의 두개의 선분(linear segment)의 기울기이고, y₁ 및 y₂는 겹선형 피팅 곡선의 두개의 선분의 절편이고, x는

와 같은 운동 강도와 관련된 양에 상응하고, x_o는 y 대

(또는 운동 강도와 관련된 또 다른 양)의 일차 도함수가 변화하는 경우의

(또는 운동 강도와 관련된 또 다른 양)의 값이다. 상기 양 y는 락테이트 농도와 관련되며, 일반적으로 주목하는 조직에 대한 측정된 값에 상응한다. 예를 들어, y는 혈액 중 측정된 락테이트 농도, 조직에서 측정된 수소 이온 농도, 또는 폐에서의 이산화탄소 생성율에 상응할 수 있다. 겹선형 피팅 식에서 둘 모두의 선분에 공통되는 x_o 값은 또한 무산소 역치로서 언급되며, 조직에서 락테이트 생성율이 락테이트의 제거율을 초과하고/거나, 수소 이온 농도가 증가하고/하거나 CO₂ 생성율에서 큰 증가가 있는 지점을 나타낸다. 일반적으로, 무산소 역치는 피검체가 연장된 기간(예를 들어, 수분) 동안 유지할 수 있는 최고 안정 상태의 운동 강도를 나타낸다.

무산소 역치는 또한 상기 양 y의 값을 구하기 위해 상기 식(6) 이외의 식을 사용하여 상기 양 y의 값을 구함으로써 결정될 수 있다. 일반적으로, 무산소 역치는 양 y의 측정된 값으로부터 x_o 값을 정확하게 결정하는 임의의 피팅 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다.

본원에서 기술되는 성능 모니터는 이들의 휴대가능성 및 비침입성 특성으로 인해 광범위한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 성능 모니터는, 효과적인 섭생이 피검체의 무산소 역치 및 산소 소비율 둘 모두를 증가시켜야 하기 때문에 선수 훈련 섭생의 유효성을 평가하는데 사용될 수 있다. 또한, 성능 모니터는 운동중인 개인을 모니터링하기 위해, 훈련 섭생의 유효성을 평가하기 위해, 그리고 운동하는 개인의 건강이 나빠지지 않도록 하기 위해 피트니스 클럽(fitness club)에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 성능 모니터는 과체중 및 비만이 있는 개인들을 위한 운동 프로그램을 설계하는 것을 돕고 모니터링하는데 사용될 수 있다. 상기 논의된 체육 훈련 계획을 갖는 경우의 회복의 유효성은 본원에 개시된 성능 모니터로 제공된 무산소 역치 및 산소 소비 속도의 측정을 통해 평가될 수 있다. 경주용 동물, 예컨대 말 및 개의 성능이 또한 모니터될 수 있다.

또한, 성능 모니터는 불리한 물리적 조건을 경험할 수 있는 피검체의 건강을 모니터하기 위해 제한된 환경에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 성능 모니터는, 방염복을 입은 소방관, 유해 물질 차단복을 입은 유해 환경에서 일하는 작업자, 생물전 및 화학전에 대항하는 사람, 유해한 생물학적 물질 취급에 대한 보호복을 입은 작업자, 및 격렬한 신체 작업을 행하며 표준 건강 모니터링 장치에 용이하게 접근하지 못하는 밀폐된 환경을 제공하는 옷을 착용한 기타 작업자의 건강을 모니터하는데 사용될 수 있다.

제한된 접근 환경에서 일하는 사람에게로 본원에 개시된 성능 모니터를 추가로 적용하는 경우는, 우주복을 착용하는 우주비행사들에게 적용하는 경우이다. 우주복은 사람이 우주에서 생존할 수 있도록 의복, 장비 및 환경 시스템의 복합 시스템으로 되어 있다. 우주 비행사가 예를 들어 달 표면에서 작업하는 경우에, 그는/그녀는 적절한 산소, 냉각수 및 수시간에 걸쳐 우주복으로부터 CO₂를 제거하기 위한 필터를 지니고 있어야 한다. 아폴로 달 탐사 동안, 지상의 우주비행 관제소(Mission Control)에 있는 생리학자들로 구성된 신진대사 평가 팀(Metabolic Assessment Team)은 우주비행사들의 활동이 우주복 내 소모가능한 자원들에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 우주비행사들에게 조언하기 위해 우주복 센서로부터 되돌아온 기록된 데이터를 분석하였다. 이 평가에 대한 가장 중요한 파라미터는 신진대사율(예를 들어, cal/min 단위의, 열로서 생성된 에너지의 비율이었다). 대략 200ml 산소가 생성된 열의 모든 칼로리에 대해 소모된다.

전형적으로, 신진대사율은 산소 소비 속도를 측정함으로써 평가된다. 그러나, (피검체가 마스크 또는 마우스피스를 착용한 상태에서 배출된 가스의 측정치를 포함하는) 산소 소비 속도를 측정하는 표준 방법은 정확하지 않을 수 있고, 산소 풍부한 밀폐된 우주복 환경과는 양립되지 않을 수 있다. 본원에 개시된 성능 모니터는, 우주복과 같은 밀폐된 환경에서 사용하도록 적합화될 수 있고, 우주비행사에 대한 산소 소비 속도의 연속적(또는 거의 연속적인), 비-침습적 및 상대적으로 비강요적인 모니터링 및 신진대사율의 측정을 가능케 한다. 우주복에 사용하기 위한 모니터는 개개 센서가 고장이 나는 경우에도 여분을 제공하도록 다수 개 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모니터는 우주비행사의 각각의 다리 상에 있는 센서를 포함할 수 있다. 모니터는 또한 심박수 측정을 수행하기 위한 센서 부분으로서 반사율에 기초한 산소포화도 측정기(pulse oximeter)를 포함할 수 있다.

본원에 개시된 성능 모니터에 대한 다른 용도는 수술전 평가 및 회복에 사용하는 것이다. 비-침습적 측정은 수술 지원자가 유산소 능력을 기초로 수술후까지 생존할 것인지를 측정하는데 사용될 수 있고, 상기 유산소 능력은 산소 소비 속도 및/또는 무산소 역치의 측정치로부터 평가될 수 있다. 예를 들어, 큰 복강내 수술을 실시한 고령의 피검체에 있어서, 무산소 역치는 수술후 기간에 심폐 원인으로부터의 사망율에 대한 양호한 지표인 것으로 입증되었다. 무산소 역치 측정에 의한 수술전 스크리닝은, 수술전 관리법의 적절한 선택 및 고위험 피검체의 확인을 가능케 하는 것으로 입증되었다. 특히, 하나의 보고된 연구에서, 알려진 심폐 질환을 가지며 큰 복강내 수술이 계획된 60세 또는 그 초과 연령의 548명의 피검체를, 수술전 평가의 일환으로 수행된 심폐 운동(CPX) 시험에 의해 측정된 심근 허혈의 초음파심장검진 증거 및 무산소 역치를 기초로 1 내지 3개의 관리 전략(ICU, HDU 또는 감시)으로 할당하였다. 전체 피검체 사망율은 3.9%이었고, 사망자의 43%는 부족한 심폐 기능 때문이었으며, 이는 무산소 역치 측정치를 토대로 수술전에 검출되었다. 무산소 역치 측정치에 기초한 감시 관리 및 수술에 대해 적합한 것으로 판단된 임의 피검체에서 심폐 합병증에 관련된 사망은 없었다. 연구 결과는 문헌(Older, Paul et al., "Cardiopulmonary Exercise Testing as a Screening Test for Perioperative Management of Major Surgery in the Elderly," Chest 116: 355-362 (1999))에 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 포함되어 있다. 본원에 개시된 성능 모니터는 피검체의 수술전 평가에 대해 사용될 수 있으며, 무산소 역치가 회전식 운동기구(treadmill) 또는 사이클링 상에서 걷는 피검체의 다리 상의 센서 또는 센서들을 이용하여 측정될 수 있다는 추가적인 이점도 갖는다. 수술 지원자는 마스크를 착용할 필요가 없거나 다른 귀찮은 측정 장비에 노출되지 않는다.

무산소 역치 및/또는 산소 소비 속도의 측정을 통한 수술전 평가가 또한 하기 문헌에 개시되어 있으며, 하기 문헌들 각각의 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다:

다른 용도에는 피검체의 근거리 및/또는 원거리 모니터링이 포함된다. 예를 들어, 본원에 개시된 성능 모니터는 환자 관리 시설, 예컨대 병원 또는 양로원에 있는 피검체를 모니터하는데 사용될 수 있다. 다양한 생리학적 파라미터가 피검체에 의해 착용된 모니터에 의해 측정될 수 있고, 하나 또는 그 초과의 다양한 파라미터를 포함하는 전자 신호가 중앙 모니터링 설비로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 모니터는 병원에 있는 피검체에 의해 착용될 수 있고, 이 피검체에 대한 정보를 다른 모니터링 장치(예를 들어, 다른 장치로부터의 신호를 또한 모니터하는 장치)로 또는 간호사 대기소(nursing station)와 같은 중앙 감시국으로 전달할 수 있다.

프로세싱 하드웨어 및 소프트웨어

샘플로부터 정보를 수집하고, 처리하고, 분석하고 해석하는 다양한 방법에 관한 상기 기술한 단계들은 표준 프로그래밍 기술을 이용하여 컴퓨터 프로그램으로 실행될 수 있다. 상기 프로그램은 프로그래밍가능한 컴퓨터 또는 특수하게 설계된 집적 회로 상에서 실행되도록 설계되며, 각각은 전자 프로세서, 데이터 저장 시스템(메모리 및/또는 저장 엘리먼트를 포함하는), 하나 이상의 입력 장치, 및 하나 이상의 출력 장치, 예컨대 디스플레이 또는 프린터를 포함한다. 프로그램 코드는 본원에 기술된 기능을 수행하고, 하나 또는 그 초과의 출력 장치로 적용되는 출력 정보(예를 들어, 무산소 역치 값 및 산소 소비 속도를 포함하는 생리학적 파라미터 및 이로부터 유도된 수치)를 생성하기 위해 입력 데이터(예를 들어, 검출기로부터의 스펙트럼 데이터)에 적용된다. 그러한 각각의 컴퓨터 프로그램은 고수준 절차 또는 피검체 지향된 프로그래밍 언어, 또는 어셈블리 또는 기계 언어로 실행될 수 있다. 또한, 상기 언어는 컴파일되거나 해석된 언어일 수 있다. 각각의 그러한 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터 또는 다른 기계장치에 의해 판독되는 경우, 컴퓨터에서 프로세서가 본원에 기술된 제어 기능 및 분석을 수행하게 할 수 있는 컴퓨터 또는 기계 판독가능한 저장 매체(예를 들어, CD ROM 또는 자기 디스켓) 상에 저장될 수 있다.

실시예

본원의 개시사항이 하기 실시예에서 추가로 설명되어 있으나, 이는 청구범위에 기재된 개시사항의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

피검체에서 무산소 역치 및 산소 소비 속도를 측정하기 위한 본원에 개시된 성능 모니터의 능력을 평가하기 위해서, 10명의 사람 피검체로 구성된 그룹(5명은 남자이고 5명의 여자임)에 대해 시험 연구를 수행하였다. 각각의 피검체에서 최대 주기의 에르고메트리(ergometry) 프로토콜(운동 강도를 3분 마다 50W씩 증가시킴)을 실시하였다. 피검체가 요구된 케이던스(cadence)에서 더 이상 사이클링할 수 없으면 시험을 종료하였다. 근적외선 스펙트럼을 도 3a에 도시된 모니터와 유사한 성능 모니터를 이용하여 외측광(대퇴)근으로부터 매 10초 단위로 수집하였다. 상기 스펙트럼을 피부 착색 및 기저 지방층으로 인한 변이에 대해 보정하였다.

운동 요법 동안

및 이산화탄소 생성율의 측정을, 신진대사율 측정 차트(metabolic cart)(유타 솔트 레이트 시티에 소재한 파르보 메딕스(Parvo Medics) 제품인 모델 트루 원 2400(model true one 2400))를 사용하여 실시하였다. 심박수 측정을 폴라(Polar) 심박수 모니터(뉴욕 롱 아일랜드에 소재한 폴라 유에스에이(Polar USA) 제품)를 사용하여 실시하였다. 운동 요법의 각 단계에서의 최종 30분 동안에, 작은 혈액 샘플을, 외부 모니터(오하이오 옐로 스프링스에 소재한 와이에스아이 라이프 사이언씨즈(YSI Life Sciences) 제품인 모델 YSI 1500 SPORT)를 사용하여 혈액 락테이트의 측정을 위해 각 피검체의 손가락 끝으로부터 취하였다.

[H⁺](예를 들어, pH), 헤마토크릿, 및 근육 산소 포화도의 값을 근적외선 스펙트럼 측정으로부터 각 피검체에 대해 측정하였다. 운동 동안 각각의 피검체에 대한 박출량을 심박수 측정치로부터 추산하였다. 휴지중인(resting) 심음향도로부터 그리고 크립(Krip) 등의 방법을 기초로, 박출량 값을 10명의 피검체 중 3명에 대해 추산하였다. 추산된 박출량 값을 측정된 심박수 값의 함수로서 방정식(5)에 핏팅하고, 파라미터 A, B 및 D에 대해 값들을 결정하였다. 이들 파라미터 값들을 피검체의 성별에 따라 수정하였다; 남성 및 여성 피검체 모두에 대해, A 및 B값들은 각각 0.0132 및 27.45로 측정되었다. 남성 피검체에 대해 D 값은 0.154로 측정되었고, 여성 피검체에 대해 D값은 0.096으로 측정되었다. 도 15는 추산된 SV값(예를 들어, 심음향도로부터의)이 측정된 HR 값에 대해 플롯팅되어 있는 플롯을 도시한다. 도 15에서의 실선은 파라미터 값 A, B 및 D를 결정하는 최적-핏(best-fit)의 방정식에 상응한다.

산소 소비 속도의 상대 값,

(NIRS)이 상기 논의된 방법을 이용하여 방정식(1) 및 (2)에 따라 피검체 각각에 대해 측정되었다. 또한, 산소 소비 속도의 절대 값,

(abs)이 상기 논의된 방법을 이용하여 방정식 (3) 내지 (5)에 따라 피검체 각각에 대해 측정되었다.

한명의 시험 피검체에 대해 혈액 락테이트(외부 모니터, ●)의 측정 값과 [H⁺](성능 모니터를 이용한 근적외선 측정치)의 측정된 값을 비교하는 그래프가 도 5에 도시되어 있다. 표 1은 9명의 시험 피검체들에 대한 [H⁺] 및 혈액 락테이트 측정치 사이에서의 상관 계수, R²의 값을 제공한다. 9명의 피검체에 대한 평균 R²의 값은 0.88이었다.

동일한 시험 피검체에 대해, 신진대사율 측정 차트를 이용하여 측정된

값을 모니터에 의해 수행된 근적외선 측정으로부터 얻어진

(NIRS)값과 비교하였다. 2명의 상이한 피검체에 대한 운동 프로토콜 동안에 시간의 함수로 측정된

(■) 및

(NIRS)(●)의 측정 값을 비교하는 그래프가 각각 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6 및 7에서의 각각의 피검체에 대한

및

(NIRS)의 값 사이에서의 상관성은 35분의 시험 지속 기간에 걸쳐 비교적 일정하였다.

(NIRS)는, 박출량의 절대값이 알려지지 않았기 때문에 임의 단위로 측정되었고, 이는 도 6 및 7에서의 곡선 사이에서 차이나는 오프셋이 설명하고 있다. 하기 표 2는 10명 피검체 각각에 대해

및

(NIRS)의 측정 값 사이에서의 상관 계수 값을 보여준다. 10명의 피검체에 대한 평균 R² 값은 0.96이었다.

물리적 스트레스가 가해지는 동안(예를 들어, 운동 동안) 피검체를 모니터링하기 위해서는

(NIRS)의 측정이 충분할 수 있다. 예를 들어 체육 훈련 계획은 피검체의

(NIRS)의 최대값을 개선시키는 것으로 예상되어, 이 계획의 유효성이

(NIRS)의 측정을 통해 직접적으로 모니터될 수 있다.

그러나, 몇몇의 구체예에서, 성능 모니터는 절대 단위(예를 들어, 분당 산소 리터)로

를 측정하도록 구성될 수 있다. 특정 구체예에서,

및

(NIRS)의 측정치가 비교될 수 있고, 2개의 상이한 측정치 사이에서 수학적 관계식(예를 들어, 통계학적 관계식)이 상기 비교로부터 도출될 수 있다. 예를 들어, 회귀 방정식은

및

(NIRS)의 측정으로부터(예를 들어, 도 6 및/또는 도 7에서

및

(NIRS)의 수치들 간의 상관관계를 기초로 하여) 유도될 수 있으며, 이에 따라 이러한 회귀 방정식에서

(NIRS)의 측정된 수치로부터

가 계산될 수 있다.

상기에서 논의된 바와 같이, 본원에 기술된 성능 모니터는 방정식 (3)-(5)를 기초로 하여 피검체의 조직에서의 절대 산소소비율,

(abs)를 결정하기 위해 구성될 수 있으며,

(abs)는 10명의 피검체 각각에 대해 결정되었다. 도 16 및 도 17은 검사 프로토콜 동안에 시간의 함수로서, 상이한 두 피검체, 여성 (도 16) 및 남성 (도 17)에 대한 전신

및

(abs)의 직접 측정을 도시한 것이다. 특히 프로토콜의 개시로부터 무산소 역치(AT)에 도달할 때까지 전신

수치 및

(abs) 수치 간에 양호한 일치성이 얻어졌으며, 이는 (예를 들어 도 6 및 도 7에서 도시된 결과와 함께) 본원에 기술된 방법이 피검체의 연속적 또는 반-연속적 모니터링을 위해 적합하다는 것을 나타내는 것이다. 프로토콜의 개시로부터 각 피검체가 무산소 역치에 도달할 때까지 10명의 시험 피검체 모두에 대해 전신

및

(abs) 둘 모두에 대한 수치는 도 18에 도시되어 있다. 이러한 수치들은 R²=0.89, 및 전신

와

(abs) 간에 0.06 L/분의 평균 차이를 가지면서 적절한 상관관계를 나타내었다.

무산소 역치를 초과하는 경우, 전신

와

(abs) 간의 차이는 근육 산소 포화량 (본원에 기술된 성능 모니터에 의해 측정됨)과 실제 정맥 산소 포화량 간의 차이에 기인할 수 있다. 예를 들어, 무산소 역치를 초과하는 경우, 미오글로빈 불포화는 측정된 근육 산소 포화량에 상당히 기여할 수 있다. 본 실시예에서의 차이는 또한 높은 작업 부하에서 박출량의 부정확한 추정의 결과일 수 있다.

상기에서 논의된 바와 같이, 방정식 (1) 및 (2)에 따라 결정되는 상대적 산소소비율,

(NIRS)은 피검체의 심장 펌프에서 각 박동에서의 혈량에 해당하는 박출량(SV)에 의해 표준화된

에 해당한다. 운동하는 동안에 특정 피검체에 대한 SV가 공지되어 있는 경우, 피검체의 산소소비율의 상대적 측정은 산소소비율의 절대 측정으로 전환될 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어, SV는 심초음파검사를 통해 또는 생체 임피던스 측정에 의해 측정될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, SV는 본원에 기술된 성능 모니터에 의해 측정된 하나 이상의 다른 파라미터에 대한 SV와 관련된 상관표 또는 다른 이러한 기준 데이터로부터 추정될 수 있거나, SV는 성능 모니터와 인터페이스로 접속시킨 외부 장치에 의해 측정될 수 있다. SV는 피검체의 성별, 체력 수준, 및/또는 다른 특성에 의존적일 수 있으며, SV와 하나 이상의 다른 파라미터 간의 상관관계는 SV가 피검체에 따라 다양하게 할 수 있는 방식을 고려할 수 있다.

또한, 상기에서 논의된 바와 같이, 일부 구체예에서, SV는 HR과 같은 하나 이상의 측정된 파라미터를 기초로 하여 계산될 수 있다. HR (또는 SV를 결정하기 위해 사용되는 다른 파라미터)이 실시간으로 결정되는 경우, SV 또한 실시간으로 결정될 수 있다. 방정식 (5)와 같은 방정식은 측정된 HR 데이터로부터 SV 수치를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 여러 상이한 수학적 방정식은 HR과 같은 파라미터의 측정된 수치로부터 SV를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

SV의 측정은

(NIRS)가 시험 피검체에 대해 결정되는 각 시간으로 기록될 수 있다. 또한, 특정 구체예에서, SV가 육체적 노동 시간 동안 크게 변하지 않을 수 있는 바, 심지어

(NIRS)와 함께 측정되는 횟수 보다 적은 횟수로 SV를 결정하기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, SV는 항상 특별한 육체적 활동의 과정에 따라 크게 변경되지 않는다; 본 실시예에서, 통상적으로 피검체에서의 절대 산소소비율의 정확한 추정치를 얻기 위하여 피검체에 대한 SV를 연속적으로 결정하는 것이 필요하지 않을 것이다. 대신에, 하나 또는 작은 수의 시간 포인트에서 얻어진 SV의 측정은 연장된 시간에 걸쳐 피검체를 연속적으로 모니터링하는 동안에 사용될 수 있다.

락테이트 농도 수치는 도 9에 도시된 그래프에서 신진대사 차트(metabolic cart) 측정으로부터 결정된

의 수치에 대해 점으로 나타내었다. 무산소 역치를 결정하기 위하여, 락테이트 농도 수치는 방정식 (6)에 의해 제공된 피팅 방정식을 이용하여 동시 이중선형 회귀(simultaneous bilinear regression)로 분석되었다:

상기 식에서, y는 락테이트 농도의 수치이며, s₁ 및 s₂는 이중선형 피팅 곡선의 두개의 선형 세그먼트의 기울기이며, y₁ 및 y₂는 이중선형 피팅 곡선의 두개의 선형 세그먼트의 절편이며, x는

에 해당하며, x₀는 락테이트 농도 대

의 1차 도함수가 변하는 지점에서의

의 수치이다. 이중선형 피팅 방정식에서 두개의 세그먼트에 대해 공통인 수치 x₀는 무산소 역치에 해당하며, 이는 도 9에서 "LAT"로서 도시되어 있다.

무산소 역치는 또한 [H⁺]의 측정으로부터 및/또는 성능 모니터에 의해 기록된 pH 측정으로부터 결정될 수 있다. [H⁺] 및/또는 pH가 락테이트 농도와 관련이 있기 때문에, [H⁺] 및/또는 pH 측정에 의해 결정된 무산소 역치는 혈액 락테이트 농도 측정에 의해 직접적으로 결정된 무산소 역치와 상호관련이 있다. [H⁺]의 수치는 도 10에 도시된 그래프에서 신진대사 차트 측정으로부터 결정된

의 수치에 대해 점으로 나타내었다. 무산소 역치 (도 10에서 "HAT")는 방정식 (6)에 도 10에서의 데이터를 맞춤으로써 결정되었으며, 여기서 y는 [H⁺]의 수치에 해당한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 무산소 역치는 이중선형 피팅 방정식에서 두개의 세그먼트에 대해 공통인

의 수치이고, [H⁺] 대

의 1차 도함수가 변하는 지점에서의 산소소비율에 해당한다.

또한, 무산소 역치는 운동 프로토콜 동안에 형성된 이산화탄소의 측정으로부터 결정될 수 있다. 이산화탄소 생산속도의 수치(VCO₂)는 도 11에 도시된 그래프에서 신진대사 차트 측정으로부터 결정된

의 수치에 대해 점으로 나타내었다. 무산소 역치 (도 11에서 "CAT")는 방정식 (6)에 도 11에서의 데이터를 맞춤으로써 결정되었으며, 여기서 y는 VCO₂의 수치에 해당한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 무산소 역치는 이중선형 피팅 방정식에서 두개의 세그먼트에 대해 공통인

의 수치이고, VCO₂ 대

락테이트 농도, VCO₂, 및 [H⁺]와 같은 측정된 양은 무산소 역치를 결정하기 위해

이외의 양에 대해 점으로 나타낼 수 있다. 일반적으로, 락테이트 농도, VCO₂, 및 [H⁺]는 검사 프로토콜 동안에 운동 세기를 측정하는 임의의 양에 대해 점으로 나타낼 수 있으며, 방정식 (6) 또는 다른 수학적 알고리즘은 측정된 데이터로부터 무산소 역치를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

도 9 내지 도 11에서 결정된 무산소 역치들과 비교함으로써 관찰되는 바와 같이, [H⁺]의 근적외선 측정에 의해 결정된 무산소 역치는 혈액 락테이트 측정 및 이산화탄소 형성으로부터 직접적으로 결정되는 무산소 역치와 상호관련이 있지만, 도 11에서의 곡선은 도 9 및 도 10에서의 곡선 정도의 강력한 이중선형으로 나타내지 않는다. 혈액 락테이트 측정으로부터 결정된 무산소 역치는 1.95 ± 0.27 L/분이었으며, VCO₂ 측정으로부터 결정된 무산소 역치는 1.64 ± 0.08 L/분이었으며, [H⁺] 측정으로부터 결정된 무산소 역치는 1.64 ± 0.15 L/분이었다. 혈액 락테이트 측정에 대한 표준 오차는 더욱 큰데, 이는 보다 적은 데이터 포인트가 무산소 역치 결정을 위한 각 피검체에 대해 입수되기 때문이다.

혈액 락테이트로부터 측정된 무산소 역치와 [H⁺]로부터 측정된 무산소 역치 간의 상관관계는 도 12에서 연구하에서의 9명의 피검체에 대해 도시되어 있다. 평균 상관 계수 R₂ = 0.946으로 얻어졌다. 도 12에서의 데이터에 맞춰진 회귀 라인(점선)은 1.06의 기울기를 갖는다. 통상적으로, [H⁺]의 근적외선 측정으로부터 결정된 무산소 역치의 수치는 직접적으로 측정된 무산소 역치의 수치보다 낮다. 이는 예상된 것인데, 근적외선 반사율 및/또는 흡광 분광법에 의해 이루어지는 pH 측정이 간질액 [H⁺]을 평가하기 때문으로, 이는 수개의 소스로부터 락테이트 농도를 평균화하는 혈액 락테이트 측정보다 세포 밖으로의 수소 이온 이동을 더욱 밀접하게 추적하기 때문이다.

연구하에서의 10명의 피검체에 대한 형성된 이산화탄소로부터 측정된 무산소 역치와 [H⁺] 간의 상관관계는 도 13에 도시되어 있다. 평균 상관 계수 R²=0.849를 얻었다. 도 13에서의 데이터에 맞춰진 회귀 라인(점선)은 1.17의 기울기를 가지며, 이는 강력한 양의 상관관계를 나타내는 것이다.

근적외선 분광학적 측정에 의해 무산소 역치를 결정하는 것의 하나의 장점은 이러한 측정이 연속적이고 (또는 거의 연속적이고) 실시간으로 수행될 수 있다는 것이다. 통상적으로, 무산소 역치의 표준 측정에서, 피검체는 최대한으로 운동하고 이의 무산소 역치는 뽑은 혈액으로부터 락테이트 측정을 기준으로 이후에 결정된다. 그러나, 본원에 기술된 모니터는 통상적인 장치와 비교하여, 무산소 역치 및 다른 파라미터를 상당히 빠르게 (예를 들어, 실시간 또는 거의 실시간) 측정할 수 있다.

일부 구체예에서, 예를 들어, 본원에 기술된 성능 모니터는 측정을 수행하고/거나 0.01 Hz 이상 (예를 들어, 0.05 Hz 이상, 0.1 Hz 이상, 0.5 Hz 이상, 1 Hz 이상), 및/또는 30 Hz 이하 (예를 들어, 20 Hz 이하, 10 Hz 이하, 6 Hz 이하, 4 Hz 이하, 2 Hz 이하)의 주파수에서의 분광 데이터를 기초로 하여 파라미터를 결정할 수 있다.

최대한으로 운동하는 것에 대한 요건은 피검체에서 심장 사건(cardiac event)의 위험성을 증가시킨다. 그러나, 본원에 기술된 성능 모니터에 의해 무산소 역치를 결정함으로써, 운동 세기의 함수에 따른 수소 이온 농도의 경향은 수소 이온 농도 곡선의 기울기 변화의 모니터링에 의해 연속적으로 따르게 될 수 있다. 결론적으로, 피검체는 단지 측정을 완료하기 위해 무산소 역치 보다 약간 높은 수준으로 운동을 하는데; 다시 말해서, 최대 운동이 요건이 아니어서, 피검체에 대한 건강 위험성을 감소시키고, 평가를 위해 요구되는 시간을 줄일 수 있다. 또한, 수소 이온 농도는 피검체의 조직의 직접 측정을 통해 결정되며, 이는 피검체가 무산소 역치에 해당하는 수준으로 운동을 가능하게 한다. 운동선수 훈련(athletic training)의 목적을 위하여, 운동선수가 무산소 역치에 해당하는 수소 이온 농도 (예를 들어, 본원에 기술된 모니터를 이용하여 측정됨)에서 또는 이의 부근에서 계속 훈련하도록 운동선수는 훈련 방법을 조절할 수 있으며, 이는 예를 들어, 지구력 스포츠에 대한 효과적인 훈련 기술인 것으로 알려져 있다.

무산소 역치 및 산소소비율의 측정은 일부 구체예에서 피검체의 평가 및 모니터링을 위해 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소소비율은 무산소 역치를 결정하기 위해 운동 프로토콜을 이행하는 피검체의 운동 세기에 따라 측정될 수 있다. 무산소 역치는 피검체에서의 산소소비율의 함수에 따라 수소 이온 농도의 기울기의 변화로부터 결정될 수 있다. 피검체의 무산소 역치에 해당하는 pH 수치 및/또는 수소 이온 농도가 결정된 직후에, 피검체는 육체적 운동 기간 동안에 피검체의 pH 및/또는 수소 이온 농도를 측정함으로써 (예를 들어, 본원에 기술된 모니터를 이용하여) 모니터링될 수 있다. 피검체가 무산소 역치에서 또는 이의 부근에서 머물도록 하는 운동 세기를 유지시킴으로써, 운동의 유효성이 결정될 수 있다. 통상적으로, 예를 들어, 훈련하는 동안에 무산소 역치에서 또는 이의 부근에서 피검체를 유지시키는 운동선수 훈련 방법은 지구력을 증진시키고 다른 수행 기준을 개선시키는데 효과적이다.

대안적으로, 또는 추가로, 피검체의 pH 및/또는 수소 이온은 운동하는 동안에 피검체의 육체적 활동의 범위를 결정하기 위해 하나 이상의 육체적 운동 기간 전 및/또는 이후에 모니터링될 수 있다. 육체적 활동의 피검체의 수준이 상당한 경우, 운동 전 및 후의 pH 및/또는 수소 이온 농도의 모니터링된 수치는 상당히 다를 수 있으며, 이는 피검체가 운동 이후에 무산소 역치에 보다 가깝다는 것 (예를 들어, 상당히 가깝다는 것)을 나타내는 것이다. 활동의 수준이 비교적 낮기 때문에, pH 및/또는 수소 이온 농도의 단지 작은 변화가 관찰될 수 있으며, 이는 피검체가 무산소 역치 부근에 있지 않음을 나타낸 것이다.

다른 구체예들

전술된 상세한 설명은 예시를 위한 것으로 첨부된 청구범위에 의해 규정된 본 명세서의 범위를 제한하지 않는 것으로 이해된다. 다른 양태, 장점, 및 변형은 하기 청구범위내에 포함된다.

Claims

인간 또는 동물 피검체의 무산소 역치를 측정하는 방법으로서, 상기 방법이:
상기 피검체의 조직을 조명 방사선에 노출시키는 단계;
상기 조직으로부터 방출된 방사선을 수집하는 단계로서, 상기 방출된 방사선이 조직으로부터 반사되거나 전달된 조명 방사선의 일부를 포함하는, 단계;
상기 조직의 스펙트럼을 형성하도록 상기 방출된 방사선을 가공하는 단계; 및
상기 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 무산소 역치를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1항에 있어서, 조직 내 분석물(analyte)의 복수의 농도 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 조직의 복수의 pH 값에 기초한, 무산소 역치를 추가로 측정하는 것을 포함하며, 여기서 상기 복수의 pH 값 각각이, 조직의 스펙트럼을 측정하고 상기 스펙트럼으로부터 pH 값을 결정함에 의해 얻어짐을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것이:
하나 초과의 상기 복수의 pH 값을 수학적 공식에 피팅(fitting)하여, 상기 공식의 파라미터를 측정하고;
수학적 공식으로부터 상기 무산소 역치를 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하는 것이:
상기 복수의 pH 값으로부터 조직의 복수의 수소 이온 농도 값을 측정하고;
하나 초과의 상기 복수의 수소 이온 농도 값을 수학 공식에 피팅하여 상기 공식의 파라미터를 측정하며;
상기 수학 공식으로부터 무산소 역치를 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
제 5항에 있어서, 상기 수학 공식이 아래와 같음을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서, x는 운동 강도의 측정치이고, x₀는 무산소 역치에 해당하는 조절가능한 파라미터이며, y는 수소 이온 농도이고, y₁, y₂, s₁, 및 S₂는 조절가능한 파라미터이다.
제 6항에 있어서, 상기 운동 강도의 측정치가 조직 내 산소 소비 속도임을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 무산소 역치를 측정하는 것이:
상기 복수의 pH 값으로부터 복수의 조직의 수소 이온 농도 값을 측정하고;
하나 초과의 상기 복수의 수소 이온 농도 값을 수학 공식에 피팅하여 상기 공식의 파라미터를 측정하며;
수학 공식의 제 1 미분변수가 변하는 운동 강도의 측정치를 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
제 8항에 있어서, 상기 운동 강도의 측정치가 산소 소비 속도임을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 무산소 역치를 측정하는 것이, 무산소 역치에 해당하는 조직의 수소 이온 농도 값 또는 pH 값을 특정하는 것을 포함하며, 상기 방법이, 운동 기간 중에 상기 피검체 내 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 모니터하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 무산소 역치를 측정하는 것이, 무산소 역치에 해당하는 조직의 수소 이온 농도 값 또는 pH 값을 측정하는 것을 포함하며, 상기 방법이, 운동 기간 전에 피검체 내 제 1 pH 값 또는 제 1 수소 이온 농도 값을 측정하고, 운동 기간 후, 상기 피검체 내 제 2 pH 값 또는 제 2 수소 이온 농도 값을 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
제 1항에 있어서, 무산소 역치에 해당하는 조직의 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 측정하고, 운동 기간 중 2번 이상 피검체 내 pH 값 또는 수소 이온 농도 값을 추가로 측정하여 피검체의 무산소 역치가 도달되었는지를 평가하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 pH 값 또는 수소 이온 농도 값이 0.1Hz 또는 그 초과의 주파수로 측정됨을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 무산소 역치에 기초한 피검체에 의해 수행된 운동 요법의 효능 및 피검체의 물리적 컨디션 중 하나 또는 둘 모두를 평가하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 방법.
인간 또는 동물 피검체의 산소 소비 속도를 측정하는 방법으로서, 상기 방법이:
피검체의 조직을 조명 방사선에 노출시키는 단계;
조직으로부터 방출된 방사선을 수집하는 단계로서, 상기 방출된 방사선이 조직으로부터 반사되거나 전달된 조명 방사선의 일부를 포함하는, 단계;
상기 조직의 스펙트럼을 형성하도록 상기 방출된 방사선을 가공하는 단계; 및
상기 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 산소 소비 속도를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
제 14항에 있어서, 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 동맥 산소 포화도와 조직 내 조직 산소 포화도 사이의 차이를 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서, 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 피검체의 심장 박동 속도에 기초한, 피검체의 스트로크 부피(stroke volumn)를 측정하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서, 산소 소비 속도를 측정하는 것이, 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서, 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것이, 조직의 스펙트럼에 기초한 조직 내 적혈구 용적(hematocrit) 수준을 측정하고; 상기 적혈구 용적 수준에 기초한 조직 내 헤모글로빈 농도를 측정하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 14항에 있어서, 조직 내 산소 소비 속도가 아래 식에 따라 측정됨을 특징으로 하는 방법:

여기서,
가 조직 내 산소 소비 속도이고, SV가 피검체의 스트로크 부피이며, HR이 피검체의 심장 박동 속도이고, C_(a-b)O₂가 조직 내 동맥 산소 함량과 정맥 산소 함량 사이의 차이이다.
제 19항에 있어서, 상기 동맥 산소 함량과 정맥 산소 함량의 사이의 차이, C_(a-b)O₂가 조직 내 동맥 산소 포화도와 정맥 산소 포화도의 값 및 조직 내 헤모글로빈 농도에 기초하여 계산됨을 특징으로 하는 방법.
제 14항에 있어서, 조직의 스펙트럼에 기초하여, 피검체의 무산소 역치를 측정하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 방법.
인간 또는 동물 피검체의 조직으로부터 방출된 빛을 탐지하고, 탐지된 빛으로부터 조직의 스펙트럼을 측정하도록 구성된 스펙트로미터; 및 상기 스펙트로미터에 커플링되고, 피검체의 산소 소비 속도와 무산소 역치 중 하나 이상을 조직의 스펙트럼에 기초하여, 측정하도록 구성된 전자 프로세서를 포함하는, 장치.
제 22항에 있어서, 상기 전자 프로세서가 조직의 복수의 스펙트럼을 측정하고; 조직의 복수의 pH 값을 측정하며(여기서, 상기 복수의 pH 값의 각각은 상기 복수의 스펙트럼 중 하나로부터 얻어짐); 상기 복수의 pH 값에 기초한 무산소 역치를 측정하도록 구성됨을 특징으로 하는, 장치.
제 22항에 있어서, 상기 스펙트로미터가:
하나 이상의 광 공급원;
조직으로 하나 이상의 광 공급원으로부터의 빛을 전달하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트; 및
탐지자에게 조직으로부터 빛을 전달하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트를 포함하며,
여기서, 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트 및 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트가, 피검체의 몸의 일부에 틀(housing)을 부착하기 위한 부착 기계장치를 포함하는, 틀 내에 포함되어 있음을 특징으로 하는, 장치.
제 24항에 있어서, 하나 이상의 광 공급원이 복수의 광 방출 다이오드를 포함함을 특징으로 하는, 장치.
제 24항에 있어서, 상기 하나 또는 그 초과의 광 수용 포트가 하나의 광 수용 포트를 포함하며;
상기 하나 또는 그 초과의 입사 광선 포트가 상기 광 수용 포트로부터의 제 1 거리에 위치한 제 1 광 포트 및 상기 광 수용 포트로부터 상기 제 1 거리보다 짧은 제 2 거리에 위치한 제 2 광 포트를 포함하고;
상기 전자 프로세서가 제 1 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터를 상기 제 2 광 포트로부터의 광으로부터 얻어진 스펙트럼 데이터로 수정하도록 구성됨을 특징으로 하는, 장치.
제 22항에 있어서, 상기 전자 프로세서와 전기 소통되는 통신 인터페이스를 추가로 포함하여, 여기서, 상기 통신 인터페이스가 전자 프로세서로부터의 신호를 하나 이상의 통신 링크 및 네트워크 위의 장치에 전달하도록 구성됨을 특징으로 하는, 장치.
제 27항에 있어서, 상기 장치가 하나 이상의 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터 장치, 휴대폰, 및 디스플레이 장치임을 특징으로 하는, 장치.
제 27항에 있어서, 상기 신호가 상기 피검체로부터의 정보를 포함하고, 상기 장치가 피검체에 대한 정보를 모니터하도록 구성된 컴퓨터 장치임을 특징으로 하는, 장치.
데이터 전달 네트워크에 연결된 전기 장치; 및
복수의 모니터 장치로서, 각 모니터 장치가 제 22항의 장치에 상응하는 모니터 장치를 포함하는 시스템으로서,
여기서, 각 모니터 장치가 상기 데이터 전달 네트워크 위의 전자 장치로 복수의 인간 또는 동물 피검체 중 하나에 대한 정보를 전달하도록 구성되며, 상기 정보가 피검체의 산소 소비 속도와 무산소 역치 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.