KR20140034118A - 생체 내 조직 산소화의 결정 - Google Patents

생체 내 조직 산소화의 결정 Download PDF

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KR20140034118A
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케네쓰 세크만
로릴리 아라카키
웨인 키실스키
제레미 쉐버
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유니버시티 오브 워싱톤 스루 이츠 센터 포 커머셜리제이션
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Abstract

비침습적으로 예컨대, 근육과 같은 조직의 생체 내 산소화를 결정하는 시스템 및 방법은 가시광선 파장 범위 및 근적외선(NIR) 파장 범위 둘 다의 내에서 광학적으로 상기 조직의 정보를 얻기 위해 광학적인 방법들을 사용한다. 상기 조명 광은 예컨대, 상기 NIR 광보다 1차수 보다 더 큰 세기를 갖는 가시광선을 포함하는, 상기 흡광 스펙트럼과 대략적으로 일치하는 세기 내에서 형상을 갖춘다. 트레이닝 데이터는 가시광선 및 NIR 범위들 둘 다에서 동시에 건강한 환자로부터 획득되고 근육 산소화를 계산하기 위해 사용된다.

Description

생체 내 조직 산소화의 결정{DETERNIMATION OF TISSUE OXYGENATION IN VIVO}
특정 분석 물질의 존재에 대한 검출 및/또는 모니터링(monitoring)에 관한 것이다.
특정 분석 물질의 존재에 대한 검출 및/또는 모니터링을 위한 비침습적 시스템들의 이점은 해당 기술 분야에서, 특히 생물학 분야에서 잘 알려져 있다. 예컨대, 맥박 산소포화도 측정기(pulse oximetry)에서 센서는 환자의 몸 위, 예컨대 환자의 손가락에, 배치된다. 센서는 환자를 통과하도록 적색 광 및 적외선(IR)을 순차적으로 방출하고, 환자를 통해 전송되는 결과 광(resulting light)을 검출한다. 심장 박동에 따른 상기 두 광의 파장의 각각의 흡광도(absorbance) 변화는 박동성 동맥혈(pulsing arterial blood) 만의 산소화를 결정하기 위해서 측정 및 사용된다. 적색 광 및 적외선(IR)의 흡광도는 혈액의 산소화를 계산하기 위해 사용된다.
사람 또는 다른 포유동물 내의 생채 내 조직의 산소화를 결정 및/또는 모니터링 하는 방법들 및 시스템들은 많은 응용 분야(application)를 가진다. 응용 분야의 예를 들면,
● 외과 수술 중 환자가 전신 마취되어 있을 때 의사들이 환자의 관류(perfusion) 및 산소화를 모니터 하는 것은 중요하다. 낮은 근육 산소화는 관류 및 산소화 문제들의 조기 경보를 제공할 것이다. 산소화 모니터는 몸에 대한 박동성 혈류(pulsatile flow)가 제한되고 맥박 산소포화도 측정기가 실행 가능한 선택 사항이 아닐 때 혈관우회로술(bypass surgery) 동안에 특히 유용할 것이다.
● 순환 쇼크(Circulatory shock)는 몸의 장기 및 조직에 대해 불충분한 산소를 초래할 수 있는 생명을 위협하는 의학적 상태이다. 쇼크는, 예컨대 외상성 쇼크(traumatic shock), 심장성 쇼크(cardiogenic shock), 패혈성 쇼크(septic shock), 신경성 쇼크(neurogenic shock), 과민성 쇼크(anaphylactic shock) 및 유사한 쇼크를 포함한다. 특히 일 예로, 근육 산소화 프로브(probe)는 환자분류 및 초기 의학적 처치(triage and initial medical management)를 - 예컨대, 전쟁 상황, 다수 희생자 발생 사고 상황 및 다수의 사상자와 관련된 다른 시나리오들을 - 개선시키는데 유용할 것이다.
● 산소화 모니터 또는 프로브는 또한 신생아(및 미숙아) 환자들의 모니터링을 포함하는 산소 적정(oxygen titration)을 정련(refining)함에 있어서 이점이 있다. 근육 산소 측정은 다른 기존의 추가 산소(supplemental oxygen)의 적정 방법들 보다 더 민감하다. 미숙아들 및 다른 환자들에의 산소 공급(oxygen support)의 더 나은 조정(modulation)은 과도한 산소 치료(장기적인 폐 손상을 발생시킬 수 있음)뿐만 아니라 불충분한 산소(뇌 또는 다른 장기의 손상을 발생시킬 수 있음)의 위험도 줄일 것이다.
● 조직 산소화 모니터는 운동 생리학(exercise physiology) 및 스포츠 의학 응용 분야들(sports medicine applications)에 유익할 수 있다. 특히, 근육 산소화는 유산소 능력(aerobic capacity), 근육 무산소 대사(muscle anaerobic metabolism) 및 수행 능력(performance)의 지표이다.
● 환자의 이송 중 및 병원 입원 전 조기 평가(early evaluation)의 일부로써 근육 산소화를 측정하는 것은 더 빠른 치료 및 더 좋은 결과로 이어질 수 있다.
● 종종 외상(trauma)은 체 구분(body compartment) 내의 상승된 압력에 의해 혈관 압박으로 이어질 수 있고 궁극적으로는 산소화의 부족 및 조직 괴사로 이어질 수 있다. 조직 산소화 프로브는 산소화 감소 및 조직 괴사 증가를 식별하는 것을 도울 수 있어 치료가 조기에 시작되게 할 수 있다.
● 생체 내 산소화 프로브는 이식될 조직의 생존가능성(viability)을 결정하기 위해 사용될 수 있고, 이식된 조직 내의 재관류(reperfusion)의 진전을 모니터 하기 위해 사용될 수 있다.
● 생체 내 산소화 프로브는 말초 혈관 질환(peripheral vascular disease)에 대한 모니터 및/또는 검출에 사용될 수 있고, 또한/또는 동맥 및 혈관 수술 시 조직 관류 상태의 식별을 돕기 위해 사용될 수 있다. 프로브는 예컨대, 외과의가 절단을 수행할 것인지 및 어디를 절단할 것인지를 결정하는 것을 돕는 것처럼 혈관 질병이 있는 말단부(extremities)내의 조직 생존가능성의 식별에 있어서 특히 도움이 될 수 있다.
근육 산소화 또는 포화도는 순환 쇼크의 조기 또는 리딩(leading) 신호로 사용될 수 있다. 쇼크는 애덤 실버맨(Silverman, Adam)(2005년 10월)의 "inadequate substrate for aerobic cellular respiration." 및 소아과 응급의학 프랙티스 2(Pediatric Emergency Medicine Practices 2)(10) 의 "Shock: A Common Pathway for Life Threatening Pediatric Illnesses and Injuries,"에 의해 특정된 생명을 위협하는 의학적 상태이다. 그 초기 단계에서, 쇼크는 일반적으로 조직 내의 불충분한 산소 레벨(level)로 설명될 수 있다. 예컨대, 패혈증(sepsis), 심기능 장애(heart dysfunction) 및 출혈(hemorrhage)을 포함하는 몇몇 상태들이 쇼크의 개시(onset)를 유발할 수 있다. 만약 치료되지 않고 남겨지면, 쇼크는 다발성 장기부전(Multiple Organ Dysfunction Syndrome; MODS) 및 사망으로 이어질 수 있다.
순환 쇼크의 임상학적으로 중요한 측면은 하나 또는 그 이상의 양의 피드백 메커니즘들(positive feedback mechanism)에 의해 발전한다는 것이고, 따라서 치료되지 않고 남겨지면 영구적 손상 또는 사망으로 빠르게 심화될 수 있다. 쇼크의 조기 검출은 의학적 치료에 대한 비용을 줄일 뿐만 아니라 환자의 결과를 최적화 하는데 결정적이다.
현재 쇼크를 인지하는 방법들은 비직접적이거나, 비확정적이거나 또는 느리다. 이들 방법들은 불특정적인 활력징후(vital sign)들 및 연관된 대사적(metabolic) 지연 및 절차상의 지연들을 갖는 혈액 샘플 화학반응을 모니터링 하는 것을 포함한다. 높은 젖산(lactate) 레벨은 쇼크의 존재에 대한 대사적 반응을 나타내지만, 근육 내에서 서서히 줄어들어 진행이 느리고 쇼크의 개시 시에 일어나는 전신에 영향을 주는(systemic) 산소화에 비해 뒤떨어진다. 침습적인 카테터(catheter)들은 쇼크를 검출하기 위해 사용되지 않지만 알려진 심각한 쇼크의 경우들에는 사용될 수도 있다. 이 카테터들은 비싸며 고도로 숙련된 인원에 의해 삽입되어야 한다.
근육 산소화의 연속적인 측정은, 과소생(over-resuscitation)을 방지하는 동안 환자들이 필요로 하는 것을 제공하면서, 의사(physician)들이 세포의 산소화의 정규화(normalization)가 달성됨에 따라 치료법을 정제하게 할 수 있다. 불필요한 수혈 및 과도한 수액 공급(fluid administration)이 결과를 악화시킨다는 것은 상당히 정립되었다.
이 때, 보건 및 생리학의 다양한 분야에서 사용되고 있는 몇몇 상업적 근적외선 분광 장치(NIRS)들이 있다. 전통적인(traditional) NIRS 장치들은 근적외선 영역에서 2 내지 6의 불연속 파장(discrete wavelength)들을 측정한다. 예시적인 NIRS 장치들은 솔라(Soller) 등의 미국 특허출원 공개번호 2011/0205535에 개시되어 있고, 그 개시는 여기에 참조로서 전부 포함된다.
조직의 산소화를 검출하고 모니터링 하는 개선된 방법들, 시스템들 및 장치들에 대한 필요성이 남아있다. 또한 빠르게 순환 쇼크를 검출하기 위해 환자들을 모니터 하는 개선된 방법들, 시스템들 및 장치들에 대한 임상적 필요성도 있다.
본 요약은 하기의 상세한 설명에서 자세히 설명될 간략화된 양식내의 개념들을 선정하여 소개하는 것이 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 중요 특징을 식별하기 위해 의도된 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 결정함에 있어서 도움으로 사용되도록 의도된 것도 아니다.
앞서 논의한 대로, 생체 내 조직 산소화의 검출은 많은 사용 방법을 가질 것이다. 조직 산소화를 검출하는 방법들 및 기구들은 여기에 개시된다.
트레이닝 데이터(training data)의 세트(set)를 생성하는 방법은 생체 내 조직 산소화를 결정하기 위해 유용하며, 프로브(probe)를 제공하는 단계 - 상기 프로브는 (i) NIR 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있고 제1 방사속(radiant flux)을 갖는 제1 광원, (ii) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원 및 (iii) 광 검출기를 포함함 - 를 포함한다. 복수의 건강한 대상(subject)들에 대해, 상기 프로브는 방출된 광으로부터 비롯된 흡광 스펙트럼들을 상기 검출기가 검출하도록 배치된다. 각각의 검출된 흡광 스펙트럼에 대해, [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb](하기에서 정의됨)가 계산되며, 스펙트럼이 검출된 시간의 조직의 산소화를 계산하기 위해 사용된다. 계산의 결과값들은 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된다. 데이터는 트레이닝 데이터의 세트를 생성하기 위해 많은 건강한 대상들로부터 수집되고 분석된다. 상기 방법의 일 실시예에서, 상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수(order of magnitude)보다 더 크다. 상기 제1 및 제2 광원들은 가시광선 및 NIR 영역에서 동시에 흡광도 특성을 검출하는 능력을 향상시키는 방사-세기-형상을 갖는 조명(radiant-intensity-sculpted illumination)을 만들어 낸다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 광원은 프로브의 말단면(distal face)으로부터 발산하며, 상기 하나 혹은 두 광원 전부는 예컨대, 인광 코팅물들을 포함하거나 혹은 포함하지 않는 발광 다이오드들과 같이, 협동하여(cooperatively) 소기의 형상을 갖춘 방사속 조명(desired sculpted radiant flux illumination)를 만들어 내는 복수의 조명 소자를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광원은 단속적으로(intermittently) 동기화하여(synchronously) 광을 방출할 수 있다.
상기 방법의 일 실시예에서 가시광선 및 NIR 범위 내에서 검출된 스펙트럼의 연속적인 제1 및 제2 부분들은 추출되고 연접(concatenate)되며, 새로운 연접된 스펙트럼들이 분석에 사용된다. 새로운 스펙트럼의 NIR 부분은 가시광선 부분과 유사한 크기(예컨대, 넓이 또는 피크(peak))를 갖도록 크기가 조정(scale)될 수 있다. 가시광선 부분은 가시광선 파장 580nm를 포함할 수 있고, NIR 부분은 NIR 파장 760nm를 포함할 수 있다.
생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법은 앞서 논의한 트레이닝 데이터를 생성하는 것을 포함하며, 유사한 프로브를 사용하는 환자로부터 유사한 스펙트럼의 데이터를 획득하는 것을 포함하고, 상기 환자에 대한 조직 산소화를 계산하기 위해 상기 환자 및 상기 트레이닝 데이터를 사용하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 국소 가중 회기(Locally Weighted Regression; LWR) 모형(model)은 트레이닝 데이터를 사용하여 구성되며, LWR 모형은 조직 산소화를 계산하기 위해 환자 데이터를 수신한다.
생체 내 조직 산소화를 결정하기 위해 유용한 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법은, 제1 프로브(probe)를 제공하는 단계 - 상기 제1 프로브는 (i) 제1 방사속(radiant flux)을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원, (ii) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원 및 (iii) 광 검출기를 포함함 - 를 포함한다. 복수의 건강한 대상들에 대해, 상기 제1 및 제2 광원에 의해 방출된 광으로부터 비롯된 대상들의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 상기 광 검출기가 검출하도록 상기 제1 프로브를 배치한다. 검출된 흡광 스펙트럼들은 박동성 동맥혈(pulsatile arterial blood) 단독 만은 아닌 조직의 일부의 산소화를 계산하기 위해 사용된다. (i) 검출된 흡광 스펙트럼들로부터 계산된 데이터 및 (ii) 계산된 조직 산소화들을 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하고, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하기 위해 복수의 대상들에 대해 단계들 (b) 내지 (d)를 반복한다.
일 실시예에서, 조직 산소화는 미오글로빈(myoglobin) 포화도로 정의될 수 있으며, 상기 미오글로빈 포화도는 [oxyMb] 및 [deoxyMb]로부터 계산되며, oxyMb는 옥시미오글로빈(oxymyoglobin)이고 deoxyMb는 디옥시미오글로빈(deoxymyoglobin)이다. 농도들, [oxyMb] 및 [deoxyMb]는 각각의 검출된 흡광 스펙트럼으로부터 계산된다.
또 다른 실시예에서, 조직 산소화는 헤모글로빈(hemoglobin) 포화도로 정의 될 수 있으며, 상기 헤모글로빈 포화도는 [oxyHb] 및 [deoxyHb]로부터 계산되며, oxyHb는 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)이고 deoxyHb는 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)이다. 농도들, [oxyHb] 및 [deoxyHb]는 각각의 검출된 흡광 스펙트럼으로부터 계산된다. 헤모글로빈 포화도는 박동성 동맥혈, 비박동성 동맥혈 및 정맥혈로부터의 기여분들(contributions)을 포함한다.
생체 내 트레이닝 세트를 생성하는 단계, 유사한 프로브를 사용하여 유사한 스펙트럼의 데이터를 환자로부터 획득하는 단계 및 상기 환자 및 트레이닝 데이터로부터의 상기 스펙트럼의 데이터를 상기 환자로부터의 조직 산소화를 계산하기 위해 사용하는 단계를 포함하는 앞서 설명한 것과 같은 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법이 사용될 수 있다.
대상 내의 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브는, (a) 제1 방사속을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원, (b) 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원, 및 (c) 상기 제1 및 제2 광원들에 의해 방출된 광으로부터 비롯된 상기 대상의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 동작할 수 있는 광 검출기를 포함한다.
일 실시예에서, 제2 방사속은 제1 방사속보다 적어도 1 차수보다 더 크고 협동하여 상기 제2 방사속을 만들어내는 복수의 조명 소자들을 포함한다. 상기 복수의 조명 소자들은 바람직하게는 광 검출기에 중심을 둔 원호(circular arc)를 따라 배치되고, 특정 실시예에서 상기 원호는 90°보다 더 확장하지 않는다.
후술될 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있는 상술된 측면들 및 본 발명의 수반하는 많은 이점들은, 하기에 수반하는 도면들과 결합하여 받아들여질 때, 더 쉽게 인식될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 생체 내 조직의 산소화를 측정 및/또는 모니터링 하는 시스템의 개요를 제공하는 블록도이다.
도 2는 옥시헤모글로빈 및 디옥시헤모글로빈 용액들의 흡광 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 도 1에서 도시한 프로브의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 트레이닝 데이터의 유용한 세트를 생성하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시된 방법에 의해 획득된 트레이닝 데이터를 사용하는 방법을 도시한 흐름도이다.
생물의 조직과 같은 혼탁한 매체(turbid medium)내의 분석 물질을 검출하는 비침습적 방법들, 기구들 및 시스템들이 개시된다. 조직 내의 산소화를 결정하는 비침습적 수단들은 이점들을 제공할 것이며 많은 생물학 및 의학적인 응용 분야가 있다. 예컨대, 조직 산소화는 생리학 및 병리학에 속하는 잠재적 문제들의 조기 신호를 제공한다. 근육 산소화를 모니터링 하는 시스템은 또한 심장 외과(cardiac surgery), 스포츠 의학 및 이와 유사한 분야와 같은 임상학적인 분야들에서 적용될 수 있었다. 특정 실시예에서, 환자 내 쇼크의 조기 검출을 제공하는 근육 산소화(Muscle oxygenation; Mox)를 모니터링 하는 장치 및 방법이 설명된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 배경이 되는 기술에서 전술한 예시적인 응용 분야들을 포함하여, 본 발명의 시사점들이 다른 응용 분야에 쉽게 적용될 수 있음이 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
전체로서 참조로 포함되는 아라카키(Arakaki) 등의 미국 특허 번호 5,931,779에서, 본 발명자들 중 몇몇(some of the present inventors)은 실시간 미오글로빈 산소포화도의 생체 내 측정에 관한 시스템 및 방법을 개시했다. 전체로서 참조로 포함되는 세크만(Schenkman) 등의 미국 특허 출원 공개번호 2007/0265513에서, 본 발명자들 중 몇몇은 캘리브레이션 스펙트럼들 및 반사율 스펙트럼을 사용하여 미토콘드리아의 특성을 결정하는 시스템 및 방법을 개시했다. 전체로서 참조로 포함되는 마시넥(Marcinek) 등의 미국 특허 출원 공개번호 2008/0033263에서, 본 발명자들 중 몇몇은 스펙트럼의 피크들 간의 피크 위치들에 기반한 헤모글로빈 및 미오글로빈의 비율을 계산하는 시스템 및 방법을 개시했다. 전체로서 참조로 포함되는 Schenkman 등의 미국 특허 출원 공개번호 2008/0200780에서, 본 발명자들 중 몇몇은 다변량 곡면 해상도(multivariate curve resolution) 알고리즘을 사용하여 세포의 정력적 파라미터의 추정값을 생성하는 방법 및 시스템을 개시했다.
선행 기술의 근적외선 분광 시스템과는 대조적으로, 본 발명에 따른 시스템(100)은 가시광선 스펙트럼 및 근적외선(NIR) 스펙트럼 둘 다 내에서의 광의 연속적인 파장들을 측정한다. 적어도 일부분의 스펙트럼의 가시광선 영역의 추가는 근육 산소화 및 순환 쇼크의 더 빠른 검출에 대해 향상된 민감도를 가능하게 한다. 여기서 사용되는 가시광선은 400내지 700nm범위 내의 파장을 갖는 전자기파 방사선(electromagnetic radiation)을 포함하는 것으로 명정된다. 여기서 사용되는 근적외선은 700 내지 3000nm의 범위 내의 파장을 갖는 전자기파 방사선 포함하는 것으로 명정된다.
도 1은 본 발명에 따른 생체 내 조직의 산소화를 측정 및/또는 모니터링 하는 시스템(100)의 개요를 제공하는 블록도이다. 시스템(100)은 가시광선 광원(104), NIR 광원(106) 및 광 검출기(108)를 갖는 프로브(102)를 포함한다. 가시광선 광원(104) 및 NIR 광원(106)은 프로브(102)가 인접한 조직의 소기의(desired) 영역을 조명한다. 예컨대, 가시광선 및 근적외선은 사용자의 피부 및 수액(fluid)을 통해 소기의 조직의 영역을 조명하도록 전송된다.
광 검출기(108)는 소기의 조직의 영역으로부터 반사되거나 조직의 소기의 영역을 통해 전송되는 광을 수신하고 검출된 광을 분광계(spectrometer), 분광측광기(spectrophotometer) 또는 유사 장치(110)로 전송한다. 센서와 프리즘, 회절 격자(grating) 또는 슬릿을 갖는 것들을 포함하는, 분광계(110)의 다양한 유형이 고려된다. 프리즘(또는 격자 또는 슬릿) 및 센서는 고정되거나 밀릴 수 있다(stationary or swept). 예컨대, 예시적인 시스템(100)은 격자를 포함하는 섬유 광학(fiber optic) 분광측광기(110)을 포함하고 광 다이오드 어레이(photodiode array), 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD) 또는 능동 픽셀 센서(CMOS APS)와 같은 상보성 금속 산화막 반도체(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; CMOS)와 같은 광 검출기를 포함한다.
검출된 스펙트럼들은 프로세서, 예컨대, 처리를 위해 전통적인(conventional) 컴퓨터 시스템(112)으로 전송된다. 컴퓨터 시스템(112)의 특별히 상세한 내용은 본 발명에서 중요하지 않다. 예시적인 시스템에서, 컴퓨터 시스템(112)은 스펙트럼의 데이터를 수신하기 위한 아날로그-투-디지털(analog to digital) 변환기로의 커플링을 위한 입력 인터페이스를 포함한다. 키보드, 마우스, 트랙볼(trackball), 터치 패드, 프린터, 인터페이스 및 시스템(100)의 구성요소를 제어 또는 모니터링 하기 위해 구성되는 다른 요소들과 같이 잘 알려진 구성요소들이 컴퓨터 시스템(112)을 구성할 수 있다.
컴퓨터 시스템(112)은 나아가 가시광선 광원(104) 및 근적외선 광원(106)을 제어할 수 있다. 현재 일 실시예에서, 예컨대, 가시광선 광원(104) 및 근적외선 광원(106)은 동기화되어(synchronously) 단속적으로(intermittently) 광을 방출하도록 제어된다. 컴퓨터 시스템(112)은 본 문서의 다른 어디에서 설명되는 알고리즘을 실시하기 위한 명령들을 실행하기 위해 구성된 프로세서를 포함한다. 상기 명령들, 알고리즘 및 데이터는 메모리에 저장되거나 입력으로부터 수신될 수 있다. 메모리는, 다양한 예시에서, 휘발성 또는 비휘발성 메모리 또는 저장 장치를 포함한다. 일반적으로 디스플레이 장치(114)는 시스템(100) 및/또는 스펙트럼들의 분석의 결과를 표시하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 장치(114)는 분석의 결과가 교정 조치(remedial action)가 필요한 경우 의료인(healthcare provider)에게 알리기 위한 시각적 또는 청각적 경고를 포함할 수 있다.
쇼크에 대해 모니터 하도록 개작된(adaped) 본 발명의 일 실시예에서, 프로브(102)는, 예컨대, 손의 손바닥 근육 그룹(group) 상에서, 환자에게 부착될 수 있다. 가시광선 광원(104) 및 근적외선 광원(106)은 근육 조직을 조명하며, 분광계(110)로 되돌아간 반사된 광은 기록된다. 스펙트럼들은, 하기의 설명처럼, 근육 산소화(Mox)를 계산하기 위한 분석을 위해 컴퓨터 시스템(112)으로 제공된다. 만약 Mox가 환자가 순환 쇼크를 경험하고 있음을 나타낸다면, 돌보는 사람(caregiver)은 적절한 조치를 취하도록 경고를 받는다.
Mox는 쇼크의 조기 지표가 되는 것으로 발견되었다. 게다가, Mox는 유순한(mild) 쇼크, 보통(moderate)의 쇼크 및 심각한(severe) 쇼크를 구별하기 위해 사용될 수 있다. 극히 심하게 병든 환자들의 낮은 Mox는, 몸이 심장, 뇌 및 간과 같은 몸의 중요한 장기들로의 혈액의 흐름을 보호하려고 함으로써 피부 및 근육으로부터 혈액 흐름이 우선적으로 옮겨져(shunted) 있기 때문에, 쇼크의 초기 단계들을 식별하기 위해 사용될 수 있다.
Mox는 근육 조직 내의 세포의 산소화 측정값이며 미오글로빈 및 헤모글로빈의 산소포화도들의 가중 평균(weighted average)이 된다. 가중치(weighting)는 광 경로(light path)내의 총 미오글로빈 및 총 헤모글로빈의 상대적 농도들에 의존한다.
다른 실시예에서, 컴퓨터 시스템(112)은 미오글로빈 포화도로 정의되는 조직 산소화를 계산하기 위한 분석을 수행할 수 있다. 미오글로빈은 근육 세포들 내에 포함되어 있기 때문에, 미오글로빈 포화도는 쇼크의 검출 및 극히 심하게 병든 환자들의 모니터링에 유용하게 사용될 세포 내의(intracellular) 산소화의 측정값이 된다.
또 다른 실시예에서, 조직 산소화는 헤모글로빈 포화도로 정의될 수 있다. 헤모글로빈 포화도 측정값들은 박동성 혈류를 갖는 환자들에 종속되지 않을 것이며, 박동성 동맥혈, 비박동성 동맥혈 및 정맥혈의 총(aggregate) 포화도 측정값이다. 헤모글로빈 포화도는 근육 조직 내 및 뇌와 같은 미오글로빈을 포함하지 않는 다른 조직들 내에서 측정될 수 있다.
모니터링 시스템(100)의 일 실시예에서, 프로브(102)는 획득된 광학적 스펙트럼의 정보의 반사 또는 전송의 유용성(usefulness)을 개선시키는 형상을 갖추거나(scupled) 형태가 갖춰진(shaped) 세기(또는 방사속)의 조명으로 조직을 조명하도록 구성된다. 예컨대, 현재의 실시예에서 가시광선 광원(104)은 NIR 광원(106)에 의해 제공되는 NIR 조명보다 1차수로 더 큰 방사속을 갖는 가시광선 영역(예컨대 545 내지 580nm)내의 광으로 소기의 조직을 조명하도록 구성된다. 입사 조명(incident illumination)의 프로파일(profile)을 조직의 기대 흡광도에 매칭(matching)함으로써, 검출된 스펙트럼들의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)가 최적화될 수 있고, 전통적인(traditional) 광대역(broadband) 광원으로 획득되는 것 보다 더 높은 품질의 광학적 스펙트럼들이 획득된다. 방사속들 간의 차이는 1차수 보다 작거나 클 수 있지만, 가시광선 광원(104)이 NIR 광원보다 상당히 더 큰 방사속을 만들어 낼 것으로 생각된다.
형상을 갖춘 조명(sculpted illumination)으로부터의 향상된 성능의 이유를 이해하기 위해 도 2를 참조한다. 도 2는 옥시헤모글로빈 및 디옥시헤모글로빈 용액들의 흡광 스펙트럼을 나타낸다. 혈액 내의 헤모글로빈은 산소와 결합하며 폐로부터 몸 조직들로 산소를 운반하고 조직들에서 산소 결합을 해제하고 발생한(resultant) 이산화탄소를 폐로 다시 운반한다. 옥시헤모글로빈은 헤모글로빈이 산소와 결합할 때 생성되고, 디옥시헤모글로빈은 헤모글로빈에 산소 분자들이 결합되지 않을 때 생성된다. (미오글로빈은 근육 조직 내의 산소가 결합된 단백질(oxygen binding protein)이고 유사하게 산소 분자들에 결합(옥시미오글로빈)되거나 산소 분자들과 결합되지 않을(디옥시미오글로빈) 수 있다.)
도 2로부터 옥시헤모글로빈에 대한 흡광 스펙트럼이 디옥시헤모글로빈에 대한 흡광 스펙트럼과 다름이 보여질 수 있다. 상기의 흡광 특성들의 차이는 헤모글로빈의 산소화를 광학적으로 평가하기 위해 사용될 수 있다. 상기의 산소화를 정확하게 평가하는 능력은 가시광선 영역 및 NIR 영역 양 자의 산소화 곡선(oxygenation curve)의 특징을 봄으로써 향상될 수 있다. 하지만, 가시광선 영역(및 더 특별하게는 545 내지 580nm의 범위) 내의 옥시헤모글로빈에 대한 흡광도 또는 광학적 밀도(optical density)의 피크들은 NIR 영역(예컨대, 약 760nm) 내의 디옥시헤모글로빈의 흡광도의 피크들보다 대략 1차수로 더 크다. 그러므로, 전통적인(conventional) 광대역 광원이 사용된다면, 가시광선 영역 내에 수집되는 광의 총량은 NIR 영역 내에 수집되는 광량보다 대략 10배로 더 작을 것이다. 게다가, 산란체(scatterer)를 포함하지 않은 헤모글로빈의 용액으로부터 흡광 스펙트럼을 수집하였기 때문에 도 2는 최선 케이스의 시나리오(best case scenario)를 도시한다. 생물의 조직에서와 같이, 광 산란이 상당해지면, 가시광선 영역으로부터 수집된 광은 NIR 영역에서보다 3차수만큼으로 더 작을 수 있다. 옥시미오글로빈 및 디옥시미오글로빈에 대한 흡광 스펙트럼 또한 질적으로 유사한 방식으로 상이하다. 흡광 스펙트럼들의 상기 차이는 조직 산소화(예컨대, Mox, 미오글로빈 포화도 또는 헤모글로빈 포화도)를 계산하기 위해 분석될 수 있다.
그러나, 전통적인(conventional) 광대역 광원(가시광선 및 NIR 영역에 걸친)이 헤모글로빈을 포함하는 생물의 조직으로부터 스펙트럼들을 획득하기 위해 사용되는 경우, 검출기는 가시광선 영역 내에서 측정 가능한 신호를 검출할 수 없을 수 있고(예컨대, 가시광선 범위 광자들이 검출되지 않을 수 있음), 검출기는 NIR 영역에서 포화(예컨대, 검출기가 카운트(count)할 수 있는 것보다 더 많은 NIR 광자들이 도달하여 최대 값이 등록될 수 있음)될 수 있다. 어느 쪽의 경우에서도, 검출기의 동작 범위(dynamic range)는 가시광선 및 NIR 영역 스펙트럼들을 동시에 둘 다 측정할 수 있을 만큼 크지 않을 수 있다.
프로브 광원들(104 및 106)은 일반적으로 기대 흡광 스펙트럼과 매치(match)되는 세기 또는 방사속 프로파일을 갖는 형상을 갖춘 조명을 만들어 낸다. 다시 말해, 높은 흡광도들을 갖는 파장 영역들 내의 조명의 방사속은 더 낮은 흡광도들을 갖는 파장 영역들 내의 조명의 방사속 보다 더 높을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 가시광선 광원(104)은 NIR 광원(106)에 의해 만들어지는 대응하는 방사속보다 1차수 이상 더 큰 방사속으로 목표 조직(target tissue)를 조명하도록 구성된다.
많은 다른 방법들이 대략적으로 조명 광을 목표의 흡광도 특성들과 대략적으로 일치시키기 위해 사용될 수 있으며 본 발명에 의해 고려된다. 예컨대, 소기의 형상을 갖춘 조명을 만들어 내기 위해 광대역 광원과 함께 필터들이 사용될 수 있다. 일반적으로 바람직한 실시예에서, 가시광선 광원(104) 및 NIR 광원(106)은 프로브(102)의 말단면(distal face)으로부터 광을 방출하도록 배치된 발광 다이오드(LED)들과 함께 구현된다. 개시된 프로브는 프로브(102)의 표면(face)에 배치된 LED들을 사용하지만, 다른 구성들(configurations)도 고려된다. 예컨대, 섬유 광학(fiber optic) 실시예에서 광원들은 프로브(102)로부터 떨어져 배치되고 광은 광섬유 케이블을 통해 프로브 표면으로 전송된다.
도 3은 검사되어야 할 사용자 또는 조직에 대하여 배치되도록 구성된 하우징(118)을 갖는 도 1에 나타난 프로브(102)의 일 실시예를 도시한다. 하우징(118)은 단단하게(rigidly) 제작될 수 있고, 사용자에게 적합할(conformable) 수 있다. 가시광선 광원(104)는 가시광선 파장(예컨대, 520 내지 620nm) 내의 광을 방출하는 복수의 LED들(120)을 포함하고 NIR 광원은 NIR 파장(예컨대, 740 내지 790nm) 내에서 방출하는 하나의 LED(122)이다. 본 실시예에서 프로브(102)는 13개의 가시광선 LED들(120)을 포함한다. 프로브(102)는 가시광선 조명의 세기가 NIR 조명의 세기보다 대략 1차수로 더 크도록 목표 조직을 조명하도록 구성된다.
광 검출기(108), 예컨대 전통적인(conventional) CMOS 수광소자(photodetector)(124)는 목표 조직으로부터 반사된 광을 검출하기 위해 하우징(118)내에 배치된다. 바람직하게는, 가시광선 LED들(120) 및 NIR LED(122)는 LED들(120 및 122)이 검출기(124)로부터 모두 같은 거리에 있도록 모두 검출기(124)에 중심을 둔 원호를 따라 배치된다. LED들(120 및 122)로부터 검출기(124)까지의 거리는 조직 및 수집되고 있는 스펙트럼의 정보의 특성들에 의존하여, 광 수집을 최적화하기 위해 선택된다. 특히, LED들 및 검출기 간의 거리는 조직으로의 관통의 소기의 깊이(desired depth of penetration)를 제공하도록 선택된다. 이는 알려진 조직 체적 내에서 조직의 동차 샘플링(homogeneous sampling)을 감안(allows for)한다.
본 발명에서 중요하지는 않지만, 본 실시예에서 LED들(120 및 122)은 검출기(124)에 중심을 둔 완전한 원이기 보다는 대략 90°의 부분을 포함하는 원호를 따라 배치됨이 인정될 수 있어야 한다. 이러한 구성은 프로브 크기를 합리적으로 유지하면서 LED들과 검출기 사이의 큰 간격들(예컨대 15 내지 20mm)을 유리하게끔 감안한다. LED들과 검출기 사이의 알려진 일정한 간격들은 피부 표면으로부터 조직으로의 일정한 광 관통의 깊이를 제공한다. LED들(120 및 122) 및/또는 검출기(124)는 바람직하게는 검출기(124)가 미광(stray light)으로부터 보호되도록 하우징(118)내에 배치된다.
프로브(102)는 가시광선 및 NIR LED들(120 및 122)을 제어하는 컴퓨터 시스템(112)과 체결(engage)된 제1 커넥터(126) 및 검출기(124)로부터 분광계(110)로 광 신호를 전송하기 위해 체결된 제2 커넥터(128)를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 가시광선 및 NIR 광원들(104 및 106)은 프로브의 표면으로부터 멀리 떨어져서(remotely) 동작되고(generated), 제1 섬유 광학 시스템은 광을 프로브의 표면(face)으로 전송하기 위해 사용되며, 제2 섬유 광학 시스템은 광을 검출기(124)로부터 분광계(110)로 되돌린다.
프로브(102)는 반사율(reflectance) 스팩트럼의 정보를 비침습적으로 수집하도록 구성된다. 검출기는 예컨대, 의학적 진단, 운동 생리학 및 유사한 목적을 위해 사람들 또는 다른 포유동물들 내의 반사율 광학 스펙트럼 수집을 위해 사용될 수 있다.
본 발명자들에 의한 연구들에서, Mox는 쇼크의 조기 탐지에 효과가 있음이 발견되었다. 최근 연구에서, 다른 대상들 내의 실시간 Mox 측정값을 제공하기 위해 사용되는 국소 가중 회귀(LWR) 모형을 구성(build)하는 20명의 건강한 대상자들의 손바닥 근육으로부터 스펙트럼들이 획득됐다. LWR은 "국소(local)" 데이터 포인트(point)들에 더 큰 효과를 주고 더 멀리 떨어진 데이터 포인트에는 더 적은 가중치를 주는 가중법(weighting scheme)을 도입함으로써 전통적인(conventional) 선형 또는 비선형 최소 자승 회귀 모형(least squares regression model)을 수정하는 비모수적 학습 알고리즘(nonparametric learning algorithm)이다.
건강한 대상들로부터의 스펙트럼의 데이터는 다음의 기본 프로토콜(basic protocol)을 사용하여 획득된다. 대상들의 각각은 대상의 손바닥 근육 그룹 상에 배치된 프로브(102)를 갖춘 도 1에 나타난 모니터링 시스템(100)과 기능적으로 유사한 시스템을 사용하여 모니터 되었다. 대상은 실내 공기에서 호흡한 후 산소 100%에서 호흡하고, 스펙트럼의 데이터가 수집되는 동안 상박(upper arm)의 손목 윗부분 혈압의 팽창에 의해 만들어지는 15분 동안 팔 허혈(arm ischemia)을 겪었다.
각 대상으로부터의 스펙트럼들은 다변량 곡면 해상도(Multivariate Curve Resolution; MCR)을 사용하여 분석되었다. MCR은 해당 기술 분야에서 알려진 스펙트럼의 기법들의 그룹이다. 현재의 방법에서, MCR은 대상들로부터 획득된 스펙트럼들로부터 Mox의 정확한 측정값들을 산출하기 위해 사용된다. 하지만, MCR은 그 반복적인 성질(iterative nature) 때문에 실시간 측정을 위해서는 실용적이지 않다. 하기에 충분히 더 설명된 것처럼 Mox 및 스펙트럼들에 대한 MCR 값들은 LWR 모형을 양성(train)하기 위해 사용되었고 상기의 모형을 만들어 낸다.
건강한 대상들로부터 스펙트럼의 데이터를 획득하기 위한 일반적으로 바람직한 프로토콜(protocol) 및 트레이닝 데이터의 유용한 세트를 생성하는 바람직한 방법은 이제 도 4의 흐름도를 참조하여 더 자세히 설명될 것이다. 먼저, 단계(200)에서, 건강한 대상들로부터의 스펙트럼들의 데이터 세트들이 획득된다. 건강한 대상들 각각은 공기를 호흡하는 동안 3분 동안의 휴식(rest)을 겪고 나서 100% 산소를 호흡하는 동안 3분의 휴식을 겪는다. 대상의 상박 주위의 손목 윗부분 혈압이 200mmHg 또는 수축기 혈압(systolic blood pressure)의 60mmHg 상회 중 어느 편이던 더 작은 편까지 팽창함에 의해 대상의 팔에는 15분 기간의 혀혈이 이후에 나타난다. 보통의 순환(circulation)이 이루어질 수 있도록 5 분의 회복 기간이 뒤 따른다. 앞서 설명한 시스템(100)과 기능적으로 유사한 시스템을 사용하는 프로토콜의 전반에 걸쳐 스펙트럼들이 획득된다.
단계(202)에서, 각 스펙트럼의 파장에 대한 2차 도함수가 취해진다. 스펙트럼들의 2차 도함수를 사용하는 것은 산소화된 스펙트럼 및 탈산소화된 스펙트럼 간의 차이들을 더 크게 하고 산란(scattering)의 효과의 몇몇을 제거한다.
현재의 실시예에서, 스펙트럼의 관심 부분(interesting portion)들에 상응하는 수집된 스펙트럼들의 부분들만 분석에 사용된다. 앞서 논의한 것처럼, 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈, 옥시미오글로빈 및 디옥시미오글로빈에 대한 흡광 스펙트럼의 관심 피크(interesting peak)들은 일반적으로 580nm 주위의 가시광선 영역 내(예컨대, 570 내지 588nm) 및 760nm 주위의 근적외선 영역 내(예컨대, 740 내지 777nm)에 있다. 수집된 스펙트럼의 각각의 선택된 관심 부분들은 가시광선 및 NIR 스펙트럼들의 가장 연관된 부분들(most relevant portions)만을 포함하는 분석을 위한 스펙트럼들을 만들어내도록 추출되고 연접된다(단계(204)). 상기의 분석 내에서 스펙트럼의 연관된 부분들만을 포함하는 것은 잡음을 여과하여 걸러내고(filter out)하고 상기의 분석을 Mox에 대해 더 민감하게 만든다.
더 일반적으로, 생물의 조직들 또는 샘플들 내에, 많은 광학적 활성 종들(optically active species)이 존재할 수 있다. 다파장(multi wavelenth) 스펙트럼의 분석을 향상시키기 위해, 스펙트럼 정보의 측면들은 소기의 스펙트럼 영역들의 선택에 의해 배경(background) 스펙트럼 정보(또는 잡음)보다 증폭될 수 있다. 이들 선택된 스펙트럼 영역들이 새로운 스펙트럼 어레이(array)로 연접될 때, 예컨대 MRC과 같은 분석의 전통적인(conventional) 방법들에 의해 정보는 분석될 수 있고, 결과는 향상된 관심 대상물질 농도들의 측정값이 된다.
현재의 특정 예시에서, 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈, 옥시헤모글로빈 및 디옥시헤모글로빈에 대한 알려진 피크들 주위의 스펙트럼 데이터의 연접된 부분들의 분석은 MCR과 같은 스펙트럼의 방법들의 접근법을 사용하는 분석을 향상시킨다. 580nm 주위의 가시광선 영역에서 반사된 광의 측정값은, 이러한 발색단(chromophore)들이 이 영역 내에서 흡수하기 때문에, 옥시미오글로빈 및 옥시헤모글로빈의 농도들에 관한 정보를 산출한다. 미오글로빈 및 헤모글로빈 포화도의 절대정량(absolute quantification)은 디옥시미오글로빈 및 디옥시헤모글로빈의 농도들의 측정값을 더함으로써 가능해진다. 이들 발색단들은 760nm 주위의 NIR 영역 내에서 흡수한다.
미오글로빈 및 헤모글로빈의 산소화된 및 탈산소화된 형태들(forms)이 흡수하는 영역들 주위의 파장 영역들만을 보존 및 분석은 효과가 있는 것으로 증명되었다. MCR은 샘플 내에 현존하는 각 발색단 스펙트럼의 모양을 결정함에 적합한 최소 자승을 사용하는 반복적인 알고리즘(iterative algorithm)이다. 발명자들은 MCR이, 조직 내 현존하는 다른 발색단들로부터의 잡음 및 흡광도를 포함하는, 스펙트럼들의 덜-흥미로운(less-interesting) 부분들을 제거하거나 무시함으로써 발색단들의 교정 흡광도 특성들을 모음에 있어서(converging on) 더 나은 기회를 제공한다고 믿는다. 스펙트럼의 분석 전 인접하지 않은(non-contiguous) 파장 영역들의 선택 및 연접은 스펙트럼 데이터의 다른 유형들의 분석에 있어서 이점을 제공한다. 예컨대, 또 다른 응용 분야에서는 시토크롬 옥시다아제(cytochrome oxidase) 또는 시토크롬 c(cytochrome c) 흡광도들 주위의 스펙트럼 영역들이 시토크롬 옥시다아제 또는 시토크롬 c의 농도들 또는 산화들의 측정값을 향상시키기 위해 선택될 수 있음이 고려된다.
단계(206)에서, 각각의 연접된 스펙트럼의 NIR 부분은 스펙트럼의 가시광선 부분과 비교하여 크게 조정된다. NIR 흡광도들의 크기들은 가시광선 흡광도들의 크기들보다 훨씬 더 작다. 크기 조정 단계가 본 발명에서 중요하지는 않지만 정규화하는 크기 조정 없이는 산소화된 Mox 값들에 대해 잘못되게 MCR이 왜곡(bias)될 수 있다.
단계(208)에서, 연접된 스펙트럼들은 이후 크기가 조정(정규화)된다. 예컨대, 곡선들의 각각의 아래의 넓이는 1과 같다. 정규화는 MCR을 위한 예비 단계로써 필요하다. 단계(210)에서, 평균 중심화(mean centering)가 이후 모든 스펙트럼들에 적용된다.
Mox는 트레이닝 세트 내의 각 스펙트럼으로부터 결정되어야 한다. 일반적으로 바람직한 방법에서, 단계(212)에서, 데이터 세트 내의 각각의 스펙트럼에 대한 Mox 값들을 획득하기 위해 MCR이 사용된다. MCR은 복잡한 스펙트럼들 내의 흡수종(absorbing specie)의 개별적인 농도들을 결정할 수 있는 반복적인 스펙트럼의 분석 방법이다. 일 실시예에서, 각 반복적인 단계에서 MCR은 동시에 각각의 스펙트럼 내의 두 가지 구성요소들인 하기에 정의된 oxyMbHb 및 deoxyMbHb의 농도들을 측정한다.
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및
Figure pct00002
모든 반복적인 단계에서, MCR은 또한 순수한 구성요소 스펙트럼들의 모양(shape)을 결정하기 위한 구성요소 농도들의 현재의 예측값들을 사용한다. MCR이 oxyMbHb 및 deoxyMbHb의 순수한 구성요소 스펙트럼들의 모양 및 데이터 세트 내의 각각의 스펙트럼에서의 이들의 상대적인 농도들을 모았을 때, Mox는 대상의 데이터 세트 내의 각 스펙트럼으로부터 하기와 같이 계산된다.
Figure pct00003
미오글로빈 포화도(Mb sat)는 [oxyMb] 및 [deoxyMb]의 MCR 결정(determination)으로부터 하기와 같이 계산될 수 있다.
Figure pct00004
[oxyHb] 및 [deoxyHb]의 농도들은 또한 헤모글로빈 포화도(Hb sat)의 계산의 결과로, MCR에 의해 하기와 같이 결정될 수 있다.
Figure pct00005
농도들인 [oxyMb], [deoxyMb], [oxyHb] 및 [deoxyHb]는 MCR을 사용하여 동시에 결정될 수 있다. 헤모글로빈 포화도는 MCR을 사용하여 미오글로빈이 존재하지 않는 조직들 내에서 결정될 수 있다.
단계(214)에서, 만약 추가적인 건강한 대상들이 포함된다면, 데이터 수집은 추가적인 대상들과 함께 계속된다. 많은 대상들로부터의 스펙트럼들 및 MCR로 결정된, 각각의 스펙트럼에 대한 연관된 Mox, Mb sat 또는 Hb sat 값들은 트레이닝 세트를 포함한다. 단계(216)에서, 시험 대상들(test subjects)로부터 계산된 트레이닝 데이터의 세트는 이후 LWR 모형을 구성하는데 사용될 수 있다.
LWR 모형은 환자들 또는 다른 대상들의 실시간 모니터링 또는 검사를 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단계(220)에서 스펙트럼들이 환자로부터 수집되면, 스펙트럼들은, 2차 도함수를 취하는 단계(222), 선택된 부분들을 연접하는 단계(224), NIR 부분의 크기를 조정하는 단계(226), 정규화하는 단계(228) 및 평균 중심화 단계(230)를 포함하는, LWR 트레이닝 세트 스펙트럼들이 처리되는 것과 같은 방법으로 전처리 된다.
이전 작업에서, 본 발명은 골격근 및 심근 내의 미오글로빈 포화도를 효과적으로 측정하기 위해 부분 최소 자승(partial least squares; PLS)을 사용했다. 불행하게도, 생체 밖에서 수집되는 스펙트럼들과 함께 양성되는(trained with) 전역 최소 자승법(global PLS method)은 Mox의 실시간 측정을 허용하지 않는다. 일반적으로 바람직한 방법은 따라서 PLS와 함께 LWR을 사용하여 실시간으로 스펙트럼들로부터 Mox를 계산하는 것이다. 특히 환자로부터 획득된 각각의 새로운 스펙트럼에 대해, LWR은 생체 내 트레이닝 세트 내의 스펙트럼들로부터 국소 PLS 모형을 구성하며(단계(232)), 이는 상기의 새로운 스펙트럼과 최대한 유사한 것이다. LWR방법은 예컨대, Mox 측정에 기여하는 새로운 스펙트럼으로부터 매우(vastly) 다른 멜라닌(melanin) 및 지질 특성을 갖는 트레이닝 세트 스펙트럼들은 허용하지 않는다. 이는 본질적으로 멜라닌 및 지질 내용물을 반사하고 Mox에는 관련되지 않는 스펙트럼의 특성들을 위한 효과적인 필터를 생성한다. 단계(234)에서, 국소 PLS 모형을 적용함으로써 각각의 시험세트 스펙트럼으로부터 Mox가 계산된다.
LWR 트레이닝 세트 내의 스펙트럼들이 환자들 내에서 발견되는 광범위한 물리적 특성들을 포함(encompass)할 때, 적절한 트레이닝 세트 스펙트럼이 이용 가능함을 보장함으로써 Mox 측정의 견고성(robustness)이 개선된다. 사람 대상들에 대한 좋은 정확성이 상대적으로 작은 트레이닝 세트를 갖는 LWR를 사용하여 나타내어(demonstrated) 졌다.
LWR 모형의 다른 유형들은 조직 산소화를 측정하기 위해 구성된다. Mb sat는 트레이닝 세트 내의 스펙트럼들로부터 측정될 수 있으며 환자의 스펙트럼들로부터 Mb sat를 측정할 LWR 모형을 구성하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, Hb sat는 미오글로빈을 포함하거나 포함하지 않는 조직으로부터의 트레이닝 세트 스펙트럼들로부터 측정될 수 있다. 이들 Hb sat 값들은 트레이닝 세트 스펙트럼들과 함께 환자의 스펙트럼으로부터 Hb sat를 측정할 LWR 모형을 구성하기 위해 사용될 수 있다.
예시들
근육 산소화는 쇼크의 조기 지표이며, 건강한 상태로부터 유순한 쇼크, 보통의 쇼크 및 심각한 쇼크를 구별할 수 있다. 한 연구에서, Mox는 57명의 외상 환자들의 각각에 대해 응급실 입원 후 15분 동안 가능한 한 빨리 측정되었다. 각각의 환자의 쇼크 심각성은 최대 동맥 젖산 또는 염기 결핍(base deficit), 최대 심박수 및 스펙트럼의 획득 시작 후 처음 한 시간 동안 기록된 최소 수축기 혈압(systolic blood pressure)에 기반한 점수 시스템(scoring system)를 사용하여 결정되었다. 유순한 쇼크, 보통의 쇼크 및 심각한 쇼크 동안 Mox는 건강한 통제값(controls)(p < 0.01)과 상당히 달랐다.
뉴질랜드 흰색 토끼들에게 3회 증분(three increments)의 채혈에 의한 출혈 쇼크(hemorrhagic shock)가 일어나게 하였다. 대한 주요한 결과는 Mox가 쇼크의 개시를 검출할 수 있다는 것이다. 토끼를 100% 산소(O2)로부터 공기로 옮긴 후, 첫 번째 채혈 후 Mox는 기준 값(baseline value)보다 상당히 감소되었다. 동일한 지점에서, 젖산은 여전히 정상이었다. Mox는 보통 및 심각한 쇼크 동안 점진적으로 줄어들고 이후 소생(resuscitation)과 함께 증가한다. Mox는 경동맥(carotid artery) 내에 배치된 카테터를 통해 측정되는 평균 동맥압(Mean Arterial Pressure; MAP)의 경향을 근사하게(closely) 따랐다. 젖산 레벨은 쇼크 동안 상승하였으며, 소생과 함께 하강하지만 MAP 및 Mox의 변화보다 늦게 뒤쳐진다. 맥박 산소포화도 측정기에 의해 측정된 동맥혈 포화도는 쇼크에 민감하지 않다. 이 연구는 쇼크를 조기에 검출하고 소생 동안의 환자 상태를 지속적으로 모니터 하는 Mox의 잠재성을 보여준다.
스펙트럼들은 3회의 동일한 증분으로 총 혈액량의 약 40%가 채혈됨에 의한 출혈 쇼크가 일어난 토끼에게서 연속적으로 획득됐다. 4 구성요소(a four-component) 다변량 곡면 해상도(MCR) 분석이 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈, 옥시헤모글로빈 및 디옥시헤모글로빈의 농도들을 동시에 측정하기 위해 사용되었다. 각 스펙트럼으로부터의 Mb 포화도 및 Hb 포화도의 계산이 수반되었다. MCR에 앞서, 모든 스펙트럼들은 2차 도함수, 가시광선 및 NIR 파장 영역들의 특정 부분들을 보존하도록 하는 연접, 가시광선/NIR 크기 조정, 정규화 및 평균 중심화로 전처리 되었다.
Hb 포화도 및 Mb 포화도는 생체 내에서 따로 측정되었다. Hb 포화도는 채혈(처음 3개의 점선들) 및 혈액 재투입과 함께 Mb 포화도보다 더 큰 변동을 보여주었다. 이는 빠른 채혈 및 투입과 함께 헤모글로빈 농도들이 일시적으로 상당히 변화하기 때문인 것으로 예상된다.
동맥(박동성 및 비박동성) 및 정맥혈은 Hb 포화도 측정에 기여한다. Hb 포화도의 측정은 맥박 산소포화도 측정기에서처럼 박동성 혈류를 필요로 하지 않는다. Mb 포화도는 산소에 결합된 미오글로빈의 부분의 측정값이다. 미오글로빈은 근육 세포 내에 포함되며, Mb 포화도는 산소화의 세포내의 측정이다.
앞서 설명한 특정한 예시적인 실시예는 근육의 산소화가 계산되는 일반적으로 바람직한 실시예를 지시하지만, 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진자에게는 본 출원의 시사점들에 따라 뇌의 내부와 같이, 미오글로빈이 없는 다른 조직의 산소화를 계산하는 것으로 상기 방법이 확장될 수 있음은 자명하다. 검출된 근육의 흡광 스펙트럼을 사용하지 않는 이러한 응용 분야들에서는, 동맥의 혼합, 모세혈관(capillary) 및 정맥 헤모글로빈의 스펙트럼이, 적절하게 형상을 갖춘 광원들, 연접된 스펙트럼 조각들(segments), 트레이닝 데이터를 개발하기 위한 스펙트럼의 방법 및 박동성 동맥혈이 아닌 조직의 산소화를 결정하기 위한 LWR 방법을 사용하여 일반적으로 분석될 수 있을 것이다. 본 발명을 사용한 헤모글로빈 포화도의 측정은 맥박 산소포화도 측정기처럼 박동성 신호의 존재에 의존하지는 않을 것이다.
실례가 되는 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 그것으로 만들어지는 다양한 변경 사항들은 인정될 것이다.

Claims (37)

  1. 생체 내 조직 산소화를 결정하기 위해 유용한 트레이닝 데이터(training data)의 세트(set)를 생성하는 방법에 있어서,
    제1 프로브(probe)를 제공하는 (a) 단계 - 상기 제1 프로브는 (i) 제1 방사속(radiant flux)을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원, (ii) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원 및 (iii) 광 검출기(light detector)를 포함함 -;
    대상(subject)에 대해, 상기 광 검출기가 상기 대상의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 상기 프로브를 배치하는 (b) 단계 - 상기 검출된 흡광 스펙트럼들은 상기 제1 및 상기 제2 광원들에 의해 방출된 광으로부터 비롯됨 -;
    상기 조직 내의 옥시미오글로빈(oxymyoglobin)의 농도 및 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 농도의 합([oxyMbHb])을 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 (c) 단계;
    상기 조직 내의 디옥시미오글로빈(oxymyoglobin)의 농도 및 디옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 농도의 합([deoxyMbHb])을 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 (d) 단계;
    상기 [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb]로부터 상기 조직의 산소화들(oxygenations)을 계산하는 (e) 단계;
    (i) 상기 검출된 흡광 스펙트럼들로부터 계산된 데이터 및 (ii) 상기 계산된 조직 산소화들을 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 (f) 단계; 및
    트레이닝 데이터의 세트를 생성하기 위해 복수의 대상들에 대해 단계들 (b) 내지 (f)를 반복하는 (g) 단계
    를 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수(order of magnitude)보다 더 큰, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 프로브는 말단면(distal face)을 포함하며, 나아가 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 상기 말단면으로부터 광을 방출하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광원은 협동하여 상기 제2 방사속을 만들어내는 복수의 조명 소자(lighting element)들을 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 조명 소자들은 발광 다이오드들을 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 각각 원호(circular arc)를 따라 배치된 상기 프로브의 상기 말단면 상의 위치들로부터 광을 방출하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드들은 상기 발광 다이오드들이 미오글로빈의 최대 흡수 파장(peak absorbance wavelength) 및 헤모글로빈의 최대 흡수 파장에 유계(bounded)되는 범위 내의 최대 세기 파장(peak intensity wavelength)을 갖는 광을 방출시키도록 하는 인광 코팅물(phosphor coating)을 더 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제1 광원은 미오글로빈의 최대 흡수 파장 및 헤모글로빈의 최대 흡수 파장에 유계되는 범위 내의 파장을 갖는 근적외선을 방출하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 검출된 흡광 스펙트럼의 제1 연속 부분 및 상기 검출된 흡광 스펙트럼의 제2 연속 부분을 추출하는 단계를 더 포함하고, 상기 [oxyMbHb]를 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼을 사용하는 단계는 상기 제1 연속 부분 및 상기 제2 연속 부분만 사용하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 연속 부분은 가시광선 파장(visible wavelength) 580nm를 포함하고, 상기 제2 연속 부분은 근적외선 파장(near infrared wavelength) 760nm를 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 연속 부분 및 상기 제2 연속 부분은 [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb]를 계산함에 앞서 연접된(concatenated), 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb]는 동시에 계산되는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 주기적으로 동기화(synchronously)되어 광을 방출하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  14. 제 1 프로브를 제공하는 (a) 단계 - 상기 제1 프로브는 (i) 제1 방사속을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원, (ii) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원 및 (iii) 광 검출기를 포함함 - ;
    대상에 대해, 상기 광 검출기가 상기 대상의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 동작할 수 있도록 상기 프로브를 배치하는 (b) 단계 - 상기 검출된 흡광 스펙트럼들은 상기 제1 및 상기 제2 광원들에 의해 방출된 광으로부터 비롯됨 -;
    상기 조직 내의 옥시미오글로빈의 농도 및 옥시헤모글로빈의 농도의 합([oxyMbHb])을 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 (c) 단계;
    상기 조직 내의 디옥시미오글로빈의 농도 및 디옥시헤모글로빈의 농도의 합([deoxyMbHb])을 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 (d) 단계;
    상기 [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb]로부터 상기 대상에 대한 조직 산소화들을 계산하는 (e) 단계;
    데이터의 트레이닝 세트를 생성하기 위해 복수의 대상들에 대해 단계들 (b) 내지 (e)를 반복하는 (f) 단계;
    상기 제 1 프로브와 유사하게 동작 할 수 있는 제2 프로브를 제공하고 유사 제1광원, 유사 제2 광원 및 유사 광 검출기를 포함하고, 상기 광 검출기가 환자의 조직으로부터 반사되거나 환자의 조직을 통해 전송되고 상기 유사 제1 및 상기 유사 제2 광원에 의해 방출된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 동작할 수 있도록 상기 프로브를 배치하는 (g) 단계; 및
    상기 데이터의 트레이닝 세트 및 상기 제2 프로브에 의해 검출된 상기 흡광 스펙트럼으로부터 상기 환자에 대한 조직 산소화를 계산하는 (h) 단계를 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수보다 더 큰, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    대상 조직의 각각은 근육이고 상기 환자 조직은 근육인, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 광원은 협동하여 상기 제2 방사속을 만들어내는 복수의 조명 소자들을 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 복수의 조명 소자들은 발광 다이오드들을 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 데이터의 트레이닝 세트는 국소 가중 회귀 모형(locally weighted regression model)을 구성하고, 상기 환자에 대한 상기 조직 산소화는 상기 국소 가중 회귀 모형을 상기 제2 프로브에 의해 검출된 데이터에 적용함으로써 계산되는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드들은 상기 발광 다이오드들이 미오글로빈의 최대 흡수 파장 및 헤모글로빈의 최대 흡수 파장에 유계되는 범위 내의 최대 세기 파장을 갖는 광을 방출시키도록 하는 인광 코팅물을 더 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  21. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 미오글로빈의 최대 흡수 파장 및 헤모글로빈의 최대 흡수 파장에 유계되는 범위 내의 파장을 갖는 근적외선을 방출하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  22. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 프로브에 의해 검출된 상기 흡광 스펙트럼의 제1 연속 부분 및 상기 제2 프로브에 의해 검출된 상기 흡광 스펙트럼의 제2 연속 부분을 추출하는 단계를 더 포함하고, 상기 데이터의 트레이닝 세트 및 상기 제2 프로브에 의해 검출된 상기 흡광 스펙트럼으로부터 상기 환자에 대한 상기 조직 산소화를 계산하는 단계는 상기 제2 프로브에 의해 검출된 상기 흡광 스펙트럼의 상기 제1 연속 부분 및 상기 제2 연속 부분만 사용하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 연속 부분은 가시광선 파장 580nm를 포함하고, 상기 제2 연속 부분은 근적외선 파장 760nm를 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 제1 연속 부분 및 상기 제2 연속 부분은 조직 산소화를 계산함에 앞서 연접된, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  25. 제14 항에 있어서,
    제2 프로브는 순환 쇼크(circulatory shock)를 검출하기 위해 환자를 모니터(monitor) 하도록 동작할 수 있는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  26. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 주기적으로 동시에 광을 방출하는, 생체 내 조직 산소화를 결정하는 방법.
  27. 생체 내 조직 산소화를 결정하기 위해 유용한 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법에 있어서,
    제1 프로브(probe)를 제공하는 (a) 단계 - 상기 제1 프로브는 (i) 제1 방사속(radiant flux)을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원, (ii) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원 및 (iii) 광 검출기(light detector)를 포함함 -;
    대상에 대해, 상기 광 검출기가 상기 제1 및 상기 제2 광원들에 의해 방출된 광으로부터 비롯된 상기 대상의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 상기 제1 프로브를 배치하는 (b) 단계;
    박동성 동맥혈(pulsatile arterial blood) 단독 만은 아닌 상기 조직의 일부의 산소화를 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 (c) 단계;
    (i) 상기 검출된 흡광 스펙트럼들로부터 계산된 데이터 및 (ii) 상기 계산된 조직 산소화들을 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 (d) 단계; 및
    트레이닝 데이터의 세트를 생성하기 위해 복수의 대상들에 대해 단계들 (b) 내지 (d)를 반복하는 (e) 단계
    를 포함하는, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수보다 더 큰, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  29. 제27 항에 있어서,
    박동성 동맥혈(pulsatile arterial blood) 단독 만은 아닌 상기 조직의 상기 일부의 산소화를 계산하기 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼들을 사용하는 상기 단계는,
    (i) 미오글로빈 포화도(myoglobin saturation) 를 결정하기 위해 상기 조직 내의 옥시미오글로빈의 농도들 및 디옥시미오글로빈의 농도들을 계산하는 것,
    (ii) 헤모글로빈의 포화도(hemoglobin saturation)를 결정하기 위해 상기 조직 내의 옥시헤모글로빈의 농도들 및 디옥시헤모글로빈의 농도들을 계산하는 것, 또는
    (iii) 상기 옥시미오글로빈의 농도 및 상기 옥시헤모글로빈의 농도의 합을 나타내는 값([oxyMbHb])을 계산하고 디옥시미오글로빈 및 디옥시헤모글로빈의 합을 나타내는 값([deoxoyMbHb])을 계산하고, 상기 조직의 산소화를 결정하기 위해 상기 계산된 [oxyMbHb] 및 [deoxyMbHb]를 사용하는 것
    을 위해 상기 검출된 흡광 스펙트럼을 사용하는,
    트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  30. 제27 항에 있어서,
    상기 대상은 포유동물인, 트레이닝 데이터의 세트를 생성하는 방법.
  31. 대상 내의 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브에 있어서,
    (a) 제1 방사속(radiant flux)을 갖는 근적외선 스펙트럼 내의 광을 방출하도록 동작할 수 있는 제1 광원을 포함하고,
    (b) 상기 제1 방사속보다 더 큰 제2 방사속을 갖는 가시광선 스펙트럼 내의 광을 동시에 방출하도록 동작할 수 있는 제2 광원, 및
    (c) 상기 제1 및 상기 제2 광원들에 의해 방출된 광으로부터 비롯된 상기 대상의 조직으로부터 반사되거나 상기 대상의 조직을 통해 전송된 광의 흡광 스펙트럼들을 검출하도록 동작할 수 있는 광 검출기를 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  32. 제31 항에 있어서,
    상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수보다 더 큰, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  33. 제31 항에 있어서,
    상기 제2 광원은 협동하여 상기 제2 방사속을 만들어내는 복수의 조명 소자들을 포함하는, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  34. 제33 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 하나의 조명 소자를 포함하고, 상기 제2 광원은 적어도 10개의 조명 소자들을 포함하며, 상기 제2 방사속은 상기 제1 방사속보다 적어도 1 차수보다 더 큰, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  35. 제34 항에 있어서,
    상기 하나의 조명 소자 및 상기 적어도 10개의 조명 소자들은 모두 상기 광 검출기로부터 같은 거리에 배치되는, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  36. 제31 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 적어도 하나의 근적외선(NIR) 파장 조명 소자를 포함하고 상기 제2 광원은 적어도 10개의 가시광선 파장 조명 소자들을 포함하며, 나아가 상기 적어도 10개의 가시광선 파장 조명 소자들은 상기 광 검출기에 중심을 둔 원호를 따라 배치되는, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
  37. 제36 항에 있어서,
    상기 적어도 10개의 가시광선 파장 조명 소자에 의해 정의되는 상기 원호는 90°보다 크게 확장하지 않는, 생체 내 조직 산소화를 검출하는 프로브.
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