(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の呼吸を監視するデバイスであって、
前記被験者の上腕に着用されるよう構成されるトランスデューサであって、前記被験者の胸部の方へエネルギーを放射し、前記被験者の胸部により反射される前記エネルギーを受信するよう構成される、トランスデューサと、
前記トランスデューサに動作可能に結合されるアナライザであって、前記トランスデューサが、前記アナライザの制御の下でエネルギーを放射するよう構成され、前記アナライザは、前記トランスデューサにより受信される前記反射されたエネルギーにおけるドップラー周波数シフトに基づき、前記被験者の呼吸レートを決定するため、前記トランスデューサから受信される信号を処理するよう構成される、アナライザとを有する、デバイス。
【請求項２】
前記トランスデューサが、超音波トランスデューサ又はアンテナを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記被験者の血圧を監視する血圧計カフを更に有し、前記血圧計カフが、前記トランスデューサに機械的に接続可能である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記トランスデューサが、前記血圧計カフに一体化される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記血圧計カフが更に、前記アナライザに電気的に接続可能であり、前記血圧計カフは、前記アナライザから受信される更なる信号に基づき、前記被験者の血圧を監視するよう構成される、請求項３又は４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記アナライザが更に、前記監視された血圧に関するデータを前記血圧計カフから受信するよう構成される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記アナライザが、前記被験者の遠隔監視を可能にするため、前記トランスデューサ又は前記血圧計カフ又はこれらの両方と無線通信を行うよう構成される、請求項３乃至６の任意の一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記アナライザが更に、前記トランスデューサから受信される信号から少なくとも１つの呼吸位相を特定し、前記特定された呼吸位相の期間及び振幅の少なくとも１つを算出するよう構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記アナライザが更に、呼吸の周期性、単位時間当たりの呼吸のサイクルの数、呼吸位相の期間、並びに所定の時間期間及び所定の過去のサイクル数の少なくとも１つにわたる前記呼吸位相の振幅、の少なくとも１つを平均化するよう構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記アナライザが更に、後続の平均値を算出するため、所定の上限及び下限値内にある現在の値又は現在の平均値の所定の倍数内にある値を用いるよう構成される、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記アナライザが、アラーム信号を生成するため、前記周期性、前記単位時間当たりの数、前記１つ又は複数の呼吸位相の期間、及び前記１つ又は複数の呼吸位相の振幅の少なくとも１つをこれらの値のそれぞれに関する少なくとも１つの閾値と比較するよう構成される、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記放射されたエネルギーが、少なくとも１ＧＨｚの周波数を持ち、好ましくは２０ＧＨｚ及び３０ＧＨｚの間にあり、最も好ましくは２４ＧＨｚのオーダーである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記放射されたエネルギーが、少なくとも４０ｋＨｚの周波数を持つ超音波エネルギーである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１４】
被験者の呼吸レートを監視するデバイスの作動方法において、
前記被験者の胸部の方へエネルギーを放射し、前記被験者の胸部により反射される前記エネルギーを受信するよう、被験者の上腕にトランスデューサが配置される配置ステップと、
前記トランスデューサから受信される信号におけるドップラー周波数シフトに基づき、前記被験者の呼吸レートを決定するため、前記トランスデューサから受信される信号を分析する分析ステップとを有する、方法。
【請求項１５】
前記配置ステップが、前記トランスデューサを血圧計カフに機械的に結合する又は一体化することによりなされる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の呼吸レートの測定及びモニタリングの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
人の健康の状態を推定するために、複数の生理的パラメータが測定される。病院において、そして、特に集中治療室（ＩＣＵ）における患者の場合、生理的パラメータは、患者の健康の状態における変動をモニタするために、連続的に測定される。これは、健康状態が悪化するとき、特に、この悪化が生命を危険にさらしそうなとき、タイムリな医学介入を確実にするために実行される。
【０００３】
測定される重要なパラメータの１つは、呼吸レートである。正確さがそれほど要求されない設定において最も一般に使用される方法は、呼吸の間の患者の胸の上昇及び下降を観測し、時計で時間を計りながら、吸気及び呼気サイクルの回数を数えることである。呼吸の際の苦痛が原因で、患者が不規則又は浅い呼吸をするとき、これは問題を含む。
【０００４】
異なるタイプのトランスデューサを用いて呼吸レートを自動的に測定するデバイス及び方法は、この分野において既知である。これらの方法のいくつかは、睡眠研究（睡眠ポリグラフ）における、インピーダンスプレチスモグラフィ、カプノグラフィ（主にＩＣＵにおいて使用される）及びインダクティブ胸部プレチスモグラフィ（Ｒｅｓｐｉｂａｎｄ（登録商標））である。これらのすべての方法は、訓練された人により患者の体又はどこか他の所にセンサを配置することを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願と同じ出願人の米国特許出願公開第ＵＳ２０１００２２２６８７号は、自動車のシートにおいて着席する人の体のバイタルサインをモニタするため、シートベルトに配置される又はシートベルトに一体化される複数のドップラレーダーを使用する方法を開示する。開示された方法は、自動車において着席する人の心拍及び呼吸レートといった体のバイタルサインを邪魔にならないようにモニタする。
【０００６】
従来技術における課題の１つ又は複数を克服する又は緩和する、患者の呼吸レートを測定するデバイス及び方法に関する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この必要性は、請求項１に記載される被験者の呼吸レートを測定するデバイスで対処される。
【０００８】
斯かるデバイスは、当業者が呼吸レートを手動で測定する必要がないという利点を持つことができる。更に、当業者が、患者の近くにセンサを配置する必要もない。このデバイスは呼吸レートを測定するので、データは更なる処理のためシステムに格納若しくは送信されることができるか、又は意志決定を行う若しくは警報を発するため、他の測定されたパラメータと共に使用されることができる。
【０００９】
更に、被験者の呼吸レートを測定する斯かる方法に関する必要性は、請求項１４に記載される方法により対処される。
【００１０】
通常、ＩＣＵにおいて使用される患者モニタは、とりわけ、被験者の血圧を測定するために、血圧計カフを使用する。こうして、開示された方法は、それがトランスデューサをカフに配置するのを便利にするという利点を提供することができる。一旦、カフが被験者により着用されると、被験者の呼吸レートの測定は、別々のトランスデューサを何ら追加的に配置することなしに可能にされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】開示されたデバイスの概略図である。
【図２】開示された方法の線図である。
【図３】開示されたデバイスを使用するときの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
開示されたデバイス及び開示された方法のこれら及び他の側面が、以下の図面を参照して詳述される。
【００１３】
図１は、開示されたデバイス１００の概略図である。トランスデューサ１０７は、被験者の胸部の方へエネルギーを放射する。トランスデューサ１０７は、被験者の胸部により反射されるエネルギーの受信も行う。被験者の呼吸が原因で被験者の胸部が移動するので、反射されたエネルギーの周波数はドップラーシフトを受ける。アナライザ１０５は、トランスデューサ１０７により受信される反射されたエネルギーに対応する信号１０６（ここではトランスデューサ信号と呼ばれる）を受信する。アナライザ１０５は、トランスデューサ信号１０６を分析して、被験者の呼吸レートを決定する。
【００１４】
デバイス及びその処理のより良好な画像を与えるため、発振器１０３は、所定の周波数でエネルギーを生成し、トランスデューサ１０７を駆動する。トランスデューサは好ましくは、高周波エネルギーを対応する電磁放射へと及びその逆に変換するアンテナであるか、又は電気エネルギーを所定の周波数の超音波エネルギーへと及びその逆に変換する超音波トランスデューサである。以降の説明において、説明を簡単にするため、これらのうちの１つだけ、即ち電磁波だけが参照されることになる。必要な変更を加えれば、説明が超音波に対しても適用される点を理解されたい。しかしながら、例外がある場合には、２つのエネルギーの形を参照して、適所で差異が述べられる。
【００１５】
静止したトランスデューサを用いると、エネルギーが静止したオブジェクトにより反射される場合、その中には復調される情報が何もない。しかしながら、反射している表面が、被験者の呼吸と同期して移動する被験者の胸部の表面である場合、運動の少なくとも一部は、放射の方向に平行な方向にある。こうして、反射されたエネルギーの周波数は、ドップラーシフトを経験する。アナライザ１０５は、トランスデューサ信号１０６を復調することができる。トランスデューサ信号１０６又は復調された信号１０６ａは、運動速度、運動振幅及び胸部とセンサとの間の距離への複雑な依存性を呈する。適切な信号処理を使用することにより、被験者の呼吸レートは、トランスデューサ信号１０６又は復調された信号１０６ａから得られることができる。
【００１６】
アナライザ１０５は、復調された信号１０６ａにおいて、完全な呼吸サイクルに対応するパターンを決定するため、信号を分析する。それは、１つの吸気及び１つの呼気を有する各完全なサイクルの少なくとも始めと終わりとを特定する。
【００１７】
アナライザ１０５は、各サイクルに関する時間期間、若しくは各サイクルにおけるパターンの時間期間及び振幅を決定し、又は、所与の時間期間における完全なサイクルの数を計数する。サイクルにおけるパターンは、吸気位相、呼気位相及び、もしあればそれらの間の休止に対応することができる。既に知られているように、低周波を測定するために、各サイクルの時間期間を算出する方法はより正確である。期間の逆数が６０倍されると、呼吸レートに関して最も一般的な単位である分当たりの呼吸回数として、被験者の呼吸レートが生み出される。アナライザ１０５により決定される呼吸レート及び他の値は、適切に出力される（符号１０８）。
【００１８】
ある実施形態において、アナライザ１０５は、トランスデューサ信号１０６又は復調されたトランスデューサ信号１０６ａのフーリエ解析により、呼吸レートを算出する。これは、正確な測定に関して有利である。なぜなら、ノイズの効果が除去又は抑制されることができ、サイクルの開始又は終了点を決定する必要性が除去され、これにより、そこに含まれる曖昧さが減らされる若しくはさらには除去されるからである。
【００１９】
ある実施形態において、デバイスは、モニタ１０９に表示されるのに適した態様において、復調された信号１０６ａを出力することができる。別の好ましい実施形態において、例えば呼吸レート、１つの呼吸（完全なサイクル）に関する時間、又は各吸気及び各呼気に関する時間などといったさまざまな測定された値に関する限界値が、適切なユーザインタフェース１１１を介してデバイスに入力されることができる。個別の値が限界値と交差するときはいつでも、インジケーション又は警報１１０がデバイスにより発行されることができる。インジケーションは、音声警報、視覚的警報又は音声映像警報とすることができる点を理解されたい。ある実施形態において、例えば呼吸レート、呼吸の位相の期間及び振幅といった１つ又は複数の出力が、警報が発行されたとき監視された値又はインシデントの記録を格納するため、中央監視ユニット、ベッドサイドユニット又は中央リポジトリに対して、有線又は無線で出力されることができる。
【００２０】
呼吸は自然な生物学的現象であるので、サイクル間で、サイクル当たりの時間における大きな変動が存在する場合がある。こうして、上述したように算出される呼吸レートがそのまま表示される場合、モニタ１０９上の表示は、かなり急速に変化する場合があり、及び従って、混乱をもたらすか、読むのが困難である場合がある。こうして、出力１０８は、ディスプレイユニットが表示する所定の数の呼吸サイクルの平均とすることができる。代替的に、サイクル毎の呼吸レート及び平均の両方が表示されることができる。時々、被験者は、自発的に又は不本意に、正常より長い呼吸を行う。ある実施形態において、斯かるイベントが起こるとき、斯かる非常に長いサイクルは、平均の算出から外されることができる。
【００２１】
ある実施形態において、トランスデューサ１０７は、図１に示されるように血圧計カフ１０１に配置される。トランスデューサは、例えばフック及びループファスナを用いて、カフに取り外し可能に接続されることができる。被験者の図式的表現においてカフが上腕から少し離れて示される場合であっても、カフ１０１は、被験者の上腕に包まれるか又は上腕に適切に配置される点を理解されたい。トランスデューサ１０７は、カフに配置される。その結果、使用時に、カフが被験者により着用されるとき、エネルギーの放射方向が実質的に被験者の胸部の方へ向かう。放射されたエネルギーが、被験者の胸部に遭遇するとき、エネルギーの少なくとも一部が胸部により反射され、反射されたエネルギーの少なくとも一部が、トランスデューサ１０７により検出される。
【００２２】
図３は、カフ１０１を示す。トランスデューサ１０７は、被験者により着用されるカフ１０１に配置される。この実施形態において、呼吸レート測定デバイス及び血圧計カフベースの血圧測定デバイスは、２つの独立した器具とすることができる。ある実施形態において、請求項１に記載のデバイス及び血圧測定デバイスが、同じエンクロージャに収納される。それは、血圧及び呼吸レートを表示するディスプレイを持つことができる。斯かる場合、アンテナは有利には、モニタされる被験者により着用されるカフに配置される。その結果、被験者の胸部に対するトランスデューサの配置に関して特別なケアが必要なくなる。
【００２３】
以下、開示された方法２００が、図２を参照して詳述される。この方法は、以下のステップを含む。配置ステップ２１３において、トランスデューサが、被験者の腕に配置される。分析ステップ２１５において、トランスデューサから受信される信号が、被験者の呼吸レートを決定するために分析される。
【００２４】
被験者が呼吸するとき、呼吸と同期して、胸部が拡大及び収縮するので、胸部は、呼気及び吸気の間のそれぞれ、トランスデューサから離れて、及びトランスデューサの方へ移動する。この運動は、放射されたエネルギーの周波数におけるシフトを生成する。周波数シフト、即ちドップラーシフトは、呼気の間、負であり、即ち放射された周波数より低い周波数であり、吸気の間、シフトは正である。シフトの大きさは、トランスデューサに対する胸部の運動のレートに比例する。
【００２５】
分析ステップ２１５において、信号における少なくとも１つの時間的パターンが決定される。これは、吸気位相又は呼気位相及びもしあればそれらの間の休止を表す信号の部分が決定されることができることを意味する。少なくとも呼吸の完全なサイクルが決定されることができる。これは、完全な呼吸サイクルの開始及び終了点が決定されることができることを意味する。これは、２つの連続的な呼吸サイクルの開始点が決定されることができることも意味する。
【００２６】
代替的に、呼吸レートは、受信される信号のフーリエ解析により算出されることもできる。これは、正確な測定に関して有利である。なぜなら、ノイズの効果が、より容易に除去されることができ、サイクルの開始又は終了を決定するときの曖昧性が減らされるからである。
【００２７】
決定される完全なサイクルの時間期間が測定される。この測定された時間の逆数が６０倍されるとき、分当たりの呼吸数において呼吸レートが得られる。通常、特定の時間期間におけるサイクル数を数えることにより、より高い周波数が測定され、この周波数がＨｚで算出される。遅い又は長い持続の現象がなければ、各サイクルの時間期間を測定し、適切な単位で、例えばＨｚ又は分当たりのサイクル数で周波数を算出することが好ましい。
【００２８】
測定される値又はそれらの測定に基づき算出される更なる値が、適切に出力される。出力は、英数字ディスプレイの形で、又は光若しくは音声映像表示等で、及びこれらの組み合わせで表示されることができる。表示の態様は、この方法の説明の一部として説明されることはない。
【００２９】
ドップラーを用いて測定を行うのに必要な基本的な方程式が以下に説明される。
【００３０】
被験者の胸部の良好な近似である単一の目標に関するドップラー信号は、式１により
0006005869.tif 000002
として与えられる。ここで、振幅ａ（ｔ）は、ａ（ｔ）＝ａ０であると仮定されることができる。なぜなら、ここでは、大きな被験者運動を無視し、呼吸及び打撃心臓が原因による小さい距離変化（数ｃｍ程度）だけを考慮しているからである。上記の方程式における位相項は、式２により
0006005869.tif 000003
として表されることができる。ここで、
0006005869.tif 000004
は、送信された波の波長であり、
0006005869.tif 000005
は、ｔ＝０に関するセンサ胸部距離である。合計は、４項からなり、呼吸運動（振幅Ａが０．１Ｈｚ〜０．８Ｈｚで５ｍｍ〜３０ｍｍ）によるもの、心臓の鼓動（概して０．５Ｈｚ〜３Ｈｚで＜５ｍｍ）によるもの、患者のグローバルな運動によるもの、及び適用できる場合にはセンサ自体の運動によるものである。
【００３１】
呼吸運動だけがあり、位相項の完璧な推定ができる理想的な測定状況に関しては、式２は
0006005869.tif 000006
まで簡略化されることができ、ここで、ｓ（ｔ）は、ｔ＝０から始まる胸部の変位である。
【００３２】
この方法の１つの変形例において、表示される呼吸レートは、所定の数の過去のサイクルの平均である。１つの変形例において、最新の完全なサイクルに基づかれる現在の呼吸レート及び上述の平均が、一緒に表示される。１つの変形例において、測定又は算出されるパラメータのいずれかが所定の閾値を超えるか又は交差するとき、この出力は警報を含む。
【００３３】
方法のある実施形態において、トランスデューサは、血圧計カフに配置される。ある実施形態において、トランスデューサは、一体部分としてカフに一体化されることができる。カフが被験者の腕に適用されるとき所定の位置及び方向を持つので、トランスデューサは、それに結合又は一体化されることができる。その結果、カフが被験者の腕に適切に適用されるとき、トランスデューサは、呼吸レートの測定のため被験者の胸部に対して適切な位置にある。
【００３４】
この方法は、カフベースの血圧計及び呼吸レートの組合せとしてこれまで説明されてきた。しかしながら、この方法は、例えばＩＣＵ又は他の任意の療養所において、被験者の他のさまざまなパラメータをモニタするモニタリングデバイス又はシステムに対する、又は、これらにおける補助的手段として採用又は実行されることができる点を理解されたい。そのような態様で通常測定及びモニタされるパラメータは、以下に限定されるものではないが、血圧、血中酸素飽和（Ｓｐ０２）、心拍及び体温度等である。
【００３５】
ある実施形態において、電磁波が使用される。他の周波数が使用されることができるが、信頼性が高い結果は、少なくとも１ＧＨｚの周波数で得られることが分かった。好ましくは、周波数は、２０ＧＨｚ及び３０ＧＨｚの間にあり、最も好ましくは、周波数は、２４ＧＨｚの公称値を持つ。別の実施形態では、超音波エネルギーは、少なくとも４０ｋＨｚの周波数で使用される。言い換えると、このデバイス及び方法は、ドップラレーダー又は超音波ベースのドップラーソナーの原理を使用することができる。これは、超音波を用いる音響ドップラーソナーとも呼ばれる。
【００３６】
実施形態が、図面及び明細書において詳細に説明されたが、斯かる図面及び明細書は、例示的なものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。電気接続又は通信が参照される場所がどこであっても、それは有線又は無線態様において実行されることができる点を理解されたい。例えば、呼吸サイクルの各相の期間の測定された値を表示する代わりに、それらの１つ又は複数が、位相の期間及び全体の呼吸サイクルの期間の比率として表示されることなどができる。別個の物として説明されるユニットが、実際には同じ物理ユニットにおいて実現されることができる。ユニットは、例えばマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、プログラマブル論理装置等のさまざまな技術の任意の１つ又は複数のデバイスを用いて構築されることができる。ここでなされた区別は、理解を容易にするためのものであり、上記ユニットの実現及び上記ステップの実行は、当業者により有利な方に変化されることができる。
【００３７】
図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。請求項において、単語「有する」は、記載される要素又はステップ以外の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。シングルプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。
【図１】
0006005869.tif 000007
【図２】
0006005869.tif 000008
【図３】
0006005869.tif 000009