(57)【要約】例えば、筋肉等の組織酸素化を非侵襲的に判定するシステムおよび方法として、ｉｎ  ｖｉｖｏにおいて光学的方法を使用し、可視波長域および近赤外（ＮＩＲ）波長域の両方において組織を光学的に調査する。例えば、近赤外光より１桁大きい強度を有する可視光により、照明光を吸光度スペクトルがおおよそ一致する強度に調整する。健康な患者から可視領域および近赤外領域の両方において同時に、訓練データ集合を取得し、筋肉酸素化の算出に使用する。
2013544588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定するのに有用な訓練データ集合を生成する方法であって、
（ａ）下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）を有する第１のプローブを提供する工程と、
（ｉ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源、
（ｉｉ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源、および
（ｉｉｉ）光検出器；
（ｂ）前記光検出器が、被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出するように、前記被験体に前記プローブを取り付ける工程であって、前記検出された吸光度スペクトルは、前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する、工程と、
（ｃ）前記検出された吸光度スペクトルを使用して、前記組織におけるオキシミオグロビン濃度とオキシヘモグロビン濃度との合計［ｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する工程と、
（ｄ）前記検出された吸光度スペクトルを使用して、前記組織におけるデオキシミオグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度との合計［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する工程と、
（ｅ）［ｏｘｙＭｂＨｂ］と［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］とから、前記組織の酸素化を算出する工程と、
（ｆ）下記（ｉ）〜（ｉｉ）を、コンピュータ可読の媒体に保存する工程と、
（ｉ）前記検出された吸光度スペクトルから算出されたデータ、および
（ｉｉ）前記算出された組織酸素化；
（ｇ）複数の被験体に（ｂ）〜（ｆ）工程を繰り返し、訓練データ集合を生成する工程と
を含む、方法。
【請求項２】
前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記プローブが、遠位面を有し、
さらに、前記第１の光源および前記第２の光源が、前記遠位面から光を放射する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第２の光源が、前記第２の放射束を協同的に生じさせる、複数の照明素子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記複数の照明素子が、発光ダイオードを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１の光源および前記第２の光源はそれぞれ、前記プローブの前記遠位面上の位置から光を放射し、それらは円弧状に配置される、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記発光ダイオードが、ミオグロビンの吸収ピーク波長とヘモグロビンの吸収ピーク波長とにより囲まれた範囲のピーク強度波長を有する光を前記発光ダイオードに放射させる蛍光体コーティングを、さらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記第１の光源が、ミオグロビンの吸収ピーク波長とヘモグロビンの吸収ピーク波長とにより囲まれた範囲の波長を有する近赤外光を放射する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記検出された吸光度スペクトルにおける第１の連続部および第２の連続部を抽出する工程を含み、
前記検出された吸光度スペクトルを使用して［ｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する工程が、前記第１の連続部および前記第２の連続部のみを使用する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の連続部が、５８０ｎｍの可視波長を含み、
前記第２の連続部が、７６０ｎｍの近赤外波長を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の連続部および前記第２の連続部を、［ｏｘｙＭｂＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する前に連結する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
［ｏｘｙＭｂＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］を、同時に算出する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の光源および前記第２の光源が、周期的かつ同調して光を放射する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定する方法であって、
（ａ）下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）を有する第１のプローブを提供する工程と、
（ｉ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源、
（ｉｉ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源、および
（ｉｉｉ）光検出器；
（ｂ）前記光検出器が、被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出可能なように、前記被験体に前記プローブを取り付ける工程であって、前記検出された吸光度スペクトルは、前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する工程と、
（ｃ）前記検出された吸光度スペクトルを使用して、前記組織におけるオキシミオグロビン濃度とオキシヘモグロビン濃度との合計［ｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する工程と、
（ｄ）前記検出された吸光度スペクトルを使用して、前記組織におけるデオキシミオグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度との合計［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］を算出する工程と、
（ｅ）［ｏｘｙＭｂＨｂ］と［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］とから、前記被験体についての前記組織酸素化を算出する工程と、
（ｆ）複数の被験体に（ｂ）〜（ｅ）工程を繰り返し、訓練データ集合を生成する工程と、
（ｇ）前記第１のプローブと同様に操作可能であり、同様の第１の光源、第２の光源および同様の光検出器を有する第２のプローブを提供し、前記同様の光検出器が、患者の組織から反射された光または前記患者の組織を伝達した光、および、前記同様の第１の光源、第２の光源より放射された光の吸光度スペクトルを検出可能なように前記プローブを取り付ける、工程と、
（ｈ）前記訓練データ集合と前記第２のプローブにより検出された前記吸光度スペクトルとから、前記患者についての組織酸素化を算出する工程とを含む、
方法。
【請求項１５】
前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記各被験体の組織が、筋肉であり、
前記患者の組織が、筋肉である、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の光源が、前記第２の放射束を協同的に生じさせる、複数の照明素子を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の照明素子が、発光ダイオードを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記訓練データ集合を使用して局所重み付き回帰モデルを構築し、
前記第２のプローブにより検出されたデータに前記局所重み付き回帰モデルを適用することにより、前記患者についての前記組織酸素化を算出する、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記発光ダイオードが、ミオグロビンの吸収ピーク波長とヘモグロビンの吸収ピーク波長とにより囲まれた範囲のピーク強度波長を有する光を前記発光ダイオードに放射させる蛍光体コーティングを、さらに含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の光源が、ミオグロビンの吸収ピーク波長とヘモグロビンの吸収ピーク波長とにより囲まれた範囲の波長を有する近赤外光を放射する、請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
さらに、前記第２のプローブにより検出された前記吸光度スペクトルの第１の連続部および前記第２のプローブにより検出された前記吸光度スペクトルの第２の連続部を抽出する工程を含み、
前記訓練データ集合と前記第２のプローブにより検出された前記吸光度スペクトルとから前記患者についての前記組織酸素化を算出する工程が、前記第２のプローブにより検出された前記吸光度スペクトルの前記第１の連続部および前記第２の連続部のみを使用する、請求項１４記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の連続部が、５８０ｎｍの可視波長を含み、
前記第２の連続部が、７６０ｎｍの近赤外波長を含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の連続部および前記第２の連続部を、組織酸素化を算出する前に連結する、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記第２のプローブが、循環性ショックを検出するために患者をモニタするように操作可能である、請求項１４記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の光源および前記第２の光源が、周期的かつ同調して光を放射する、請求項１４記載の方法。
【請求項２７】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定するのに有用な訓練データ集合を生成する方法であって、
（ａ）下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）を有する第１のプローブを提供する工程と、
（ｉ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源、
（ｉｉ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源、および
（ｉｉｉ）光検出器；
（ｂ）前記光検出器が、前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する、被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出するように、前記被験体に前記第１のプローブを取り付ける工程と、
（ｃ）前記検出された吸光度スペクトルを使用して、拍動性動脈血だけではない前記組織の一部分の酸素化を算出する工程と、
（ｄ）下記（ｉ）〜（ｉｉ）を、コンピュータ可読の媒体に保存する工程と、
（ｉ）前記検出された吸光度スペクトルから算出されたデータ、および
（ｉｉ）前記算出された組織酸素化；
（ｅ）複数の被験体に（ｂ）〜（ｄ）工程を繰り返し、訓練データ集合を生成する工程とを含む、方法。
【請求項２８】
前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記検出された吸光度スペクトルを使用して、拍動性動脈血だけではない前記組織の前記部分の酸素化を算出する前記工程が、
前記検出された吸光度スペクトルを使用して、
（ｉ）前記組織におけるオキシミオグロビン濃度とデオキシミオグロビン濃度とを算出し、ミオグロビン飽和を判定するか、
（ｉｉ）前記組織におけるオキシヘモグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度を算出し、ヘモグロビン飽和を判定するか、または
（ｉｉｉ）前記オキシミオグロビン濃度と前記オキシヘモグロビン濃度との合計［ｏｘｙＭｂＨｂ］を示す値、および、前記デオキシミオグロビンと前記デオキシヘモグロビンとの合計［ｄｅｏｘｏｙＭｂＨｂ］を示す値を算出し、前記算出された［ｏｘｙＭｂＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］を使用して、前記組織の酸素化を判定する、
工程を含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
前記被験体が、哺乳動物である、請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける被験体の組織酸素化を検出するプローブであって、
（ａ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源と、
（ｂ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を同時に放射するように操作可能な第２の光源と、
（ｃ）前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する、前記被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出可能な光検出器と
を含む、プローブ。
【請求項３２】
前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい、請求項３１記載のプローブ。
【請求項３３】
前記第２の光源が、複数の照明素子を含み、
前記複数の照明素子が、前記第２の放射束を協同的に生じさせる、請求項３１記載のプローブ。
【請求項３４】
前記第１の光源が、単一の照明素子を含み、
前記第２の光源が、少なくとも１０個の照明素子を含み、
前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい、請求項３３記載のプローブ。
【請求項３５】
前記単一の照明素子および前記少なくとも１０個の照明素子が、全て前記光検出器から等距離に配置されている、請求項３４記載のプローブ。
【請求項３６】
前記第１の光源が、少なくとも１つの近赤外波長の照明素子を含み、
前記第２の光源が、少なくとも１０個の可視波長の照明素子を含み、
さらに、前記少なくとも１０個の可視波長の照明素子が、前記光検出器を中心に円弧状に配置されている、請求項３１記載のプローブ。
【請求項３７】
前記少なくとも１０個の可視波長の照明素子により規定される前記円弧は、９０°を超えて広がらない、請求項３６記載のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本願は、２０１０年１１月３日に出願された米国仮特許出願第６１／４０９，７９３号の利益を主張し、この米国仮特許出願の全体の開示は、本明細書中に参考として援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
特定の検体の存在を検出および／またはモニタする、非侵襲的なシステムの利益は、当該技術分野、および、特に生物学の技術分野において、周知のとおりである。例えば、パルス酸素濃度計では、センサを、患者の身体、例えば、患者の指に取り付ける。前記センサは、赤色光および赤外（ＩＲ）光を連続して患者に放射し、患者を伝達した光を検出する。心拍数としての２つの波長それぞれの変化する吸光度を測定し、拍動性動脈血のみの酸素化を判定するのに使用する。前記赤色光および前記赤外光の吸光度を使用して、前記血液の酸素化を算出する。
【０００３】
人間または他の哺乳動物について、ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定および／またはモニタする方法およびシステムは、多数応用されている。例えば、
・全身麻酔下の患者の外科手術中、患者のかん流および酸素化をモニタすることは、臨床医にとって有益である。低度の筋肉酸素化は、かん流および酸素化の問題について早期警告を提供するであろう。酸素化のモニタは、身体への拍動流を制限し、パルス酸素濃度計を選択肢として使用できない、バイパス手術中に特に有用であろう。
・循環性ショックは、身体の臓器および組織に対する酸素不足によりもたらされ得る致死的な病状である。ショックには、外傷性ショック、心臓性ショック、感染性ショック、神経性ショック、アナフィラキシーショック等が含まれる。具体的には、筋肉酸素化プローブは、例えば、戦地、多数の被害者がいる事故現場および他の多数の死傷者を伴うシナリオにおける、トリアージおよび初期の医学的管理の向上に有用であろう。
・酸素化モニタまたはプローブは、新生児（および早産児）の患者のモニタリングを含む、酸素滴定の向上にも有用であろう。筋肉酸素測定は、酸素補給の滴定についての他の既存の方法より高感度である。早産児および他の患者に酸素補給をより良く調節することで、（脳または他の臓器に損傷を与え得る）酸素不足のリスク、および、（長期の肺障害になり得る）過度の酸素療法のリスクを低減するであろう。
・組織酸素化のモニタは、運動生理学およびスポーツ医学への応用に有用であろう。特に、筋肉酸素化は、有酸素容量、筋肉の嫌気的代謝および能力の指標である。
・患者の搬送中および入院前の入院許可中に、早期評価の一つとして筋肉酸素化を測定することは、早期治療およびより良い結果をもたらし得る。
・外傷は、身体内の一部における圧力の上昇により血管圧迫を引き起こし、最終的には酸素不足と組織死とを引き起こし得る。組織酸素化プローブは、酸素化の低下および組織死の増加を識別するのに役立ち、治療を早期に開始し得るであろう。
・ｉｎ  ｖｉｖｏにおいて、酸素化プローブを、移植された組織の生存の判定、移植された臓器における再かん流の進展のモニタに使用し得る。
・ｉｎ  ｖｉｖｏにおいて、酸素化プローブを、末梢血管疾患の検出および／またはモニタ、および／または動脈手術および血管手術における組織かん流状態の識別の補助に使用し得る。前記プローブは、血管障害を有する四肢の組織生存の識別に特に有用であろう。例えば、外科医が切断するか否か、どこを切断するかを決定するのに役立つ。
【０００４】
筋肉酸素化または筋肉飽和は、循環性ショックの初期または主要なシグナルとして使用し得る。ショックは、致死的な病状であり、「ｉｎａｄｅｑｕａｔｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  ａｅｒｏｂｉｃ  ｃｅｌｌｕｌａｒ  ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ．」、Ｓｉｌｖｅｒｍａｎ，Ａｄａｍ（Ｏｃｔ  ２００５）、「Ｓｈｏｃｋ：Ａ  Ｃｏｍｍｏｎ  Ｐａｔｈｗａｙ  ｆｏｒ  Ｌｉｆｅ−Ｔｈｒｅａｔｅｎｉｎｇ  Ｐｅｄｉａｔｒｉｃ  Ｉｌｌｎｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  Ｉｎｊｕｒｉｅｓ」  Ｐｅｄｉａｔｒｉｃ  Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ  ２（１０）により特徴付けられる。初期段階において、ショックは、組織における酸素レベルの不足として、大まかに説明され得る。例えば、敗血症、心不全および大出血を含むいくつかの症状が、ショックの始まりを引き起こし得る。治療しなければ、ショックは、多臓器不全症候群（ＭＯＤＳ）を引き起こし、死さえ引き起こし得る。
【０００５】
循環性ショックの臨床的に重要な見地は、１つ以上の正のフィードバックメカニズムにより進展することである。このため、治療しなければ、永久的な損傷または死に直ちにエスカレートし得る。ショックの早期検出は、患者の治療効果の最適化および医療コストの低減に重要である。
【０００６】
ショックを評価する現在の方法は、間接的であり、決定的でなく、迅速ではない。これらの方法は、非特異的な生体シグナルのモニタリング、および、代謝に関連する血液成分のサンプリングを含んでおり、処置を遅らせる。高いラクテートレベルは、ショックの存在に対する代謝反応を示すが、ショックの始まりで発生する筋肉または全身における酸素化の減少を遅らせる。侵襲的なカテーテルは、ショックの検出には使用できないが、既知の重篤なショックの場合には使用する場合がある。これらのカテーテルは、高価であり、高度な訓練を受けた人材により挿入しなければならない。
【０００７】
細胞酸素化の標準化がなされれば、筋肉酸素化の連続測定により、医師が患者に提供する治療も、過剰な蘇生を避けながら患者が必要とするものに改善されるであろう。不要な輸血および過剰輸液が転帰を悪化させることが、証明されている。
【０００８】
現在、いくつかの商業用の近赤外分光（ＮＩＲＳ）装置があり、衛生および生理学の様々な領域で使用されている。従来の近赤外分光装置は、近赤外領域における２〜６の別々の波長を測定する。代表的な近赤外分光装置は、Ｓｏｌｌｅｒら、特許文献１に開示されている。前記開示を、参照として本願明細書に援用する。
【０００９】
組織酸素化を検出およびモニタする方法、システムおよび装置を改良する必要性は残っている。患者をモニタし、循環性ショックを素早く検出する方法、システムおよび装置を改良する医療上の必要性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２０５５３５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（要旨）
本概要は、簡易化した形態で、詳細な説明においてさらに後述する概念を選択して紹介する。本概要は、特許請求された発明の重要な特徴を特定することを意図せず、特許請求された発明の範囲の決定を補助するものとして使用することも意図していない。
【００１２】
前述のように、ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化の検出は、多数使用されるであろう。組織酸素化を検出する方法および装置を、本願明細書に開示する。
【００１３】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定するのに有用な訓練データ（ｔｒａｉｎｉｎｇ  ｄａｔａ）集合を生成する方法は、
（ｉ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源、
（ｉｉ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源、および
（ｉｉｉ）光検出器
を有するプローブを提供する工程を含む。前記光検出器が、前記放射された光に由来する吸光度スペクトルを検出するように、複数の健康な被験体に前記プローブを取り付ける。検出された各吸光度スペクトルについて、［ｏｘｙＭｂＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＭｂＨｂ］（本願明細書中で定義する）を算出し、これらを使用して、前記スペクトルを検出した時点での組織酸素化を算出する。前記算出結果を、コンピュータ可読の媒体に保存する。多数の健康な被験体からのデータを取得し分析して、訓練データ集合を生成する。前記方法の実施形態において、前記第２の放射束は、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい。前記第１の光源および前記第２の光源は、前記可視領域および前記近赤外領域の両方における吸光度特性を検出する能力を向上させた、放射強度を調整された照明を生じさせる。
【００１４】
実施形態において、前記第１の光源および前記第２の光源は、前記プローブの遠位面から放射し、前記光源の一方または両方は、例えば、蛍光体コーティング（ｐｈｏｓｐｈｏｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）を備えるかまたは備えていない、所望に調整された放射束の照明を協同的に生じさせる発光ダイオード等の照明素子を複数含んでもよい。前記第１の光源および前記第２の光源は、断続的かつ同調して光を放射してもよい。
【００１５】
前記方法の実施形態では、前記可視域および前記近赤外域において、前記検出されたスペクトルの第１の連続部および第２の連続部を抽出して連結し、前記連結された新たなスペクトルを前記分析に使用する。前記新たなスペクトルの近赤外部を、前記可視部と同程度の大きさ（例えば、領域またはピーク）を有するように拡大してもよい。前記可視部は、５８０ｎｍの可視波長を含んでもよく、前記近赤外部は、７６０ｎｍの近赤外波長を含んでもよい。
【００１６】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定する方法は、前述の訓練データ集合を生成する工程と、同様のプローブを使用して患者から同様のスペクトルデータを取得する工程と、前記患者からのスペクトルデータおよび前記訓練データ集合を使用して、前記患者についての組織酸素化を算出する工程を含む。
【００１７】
本発明の実施形態において、局所重み付き回帰（ＬＷＲ）モデルを、前記訓練データ集合を使用して構築し、前記局所重み付き回帰モデルが前記患者データを受け取り、前記組織酸素化を算出する。
【００１８】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定するのに有用な訓練データ集合を生成する方法は、（ｉ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源、（ｉｉ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源、および（ｉｉｉ）光検出器を有する第１のプローブを提供する工程を含む。前記光検出器が、前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する、被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出するように、複数の健康な被験体に前記第１のプローブを取り付ける。前記検出された吸光度スペクトルを使用して、拍動性動脈血だけではない前記組織の一部分の酸素化を算出する。（ｉ）前記検出された吸光度スペクトルから算出されたデータ、および（ｉｉ）前記算出された組織酸素化を、コンピュータ可読の媒体に保存する。複数の被験体に（ｂ）〜（ｄ）工程を繰り返し、訓練データ集合を生成する。
【００１９】
一実施形態において、組織酸素化を、ミオグロビン飽和と定義してもよい。ミオグロビン飽和は、［ｏｘｙＭｂ］と［ｄｅｏｘｙＭｂ］とから算出される。ｏｘｙＭｂは、オキシミオグロビンであり、ｄｅｏｘｙＭｂは、デオキシミオグロビンである。［ｏｘｙＭｂ］濃度および［ｄｅｏｘｙＭｂ］濃度は、検出された各吸光度スペクトルから算出される。
【００２０】
他の実施形態において、組織酸素化を、ヘモグロビン飽和と定義してもよい。ヘモグロビン飽和は、［ｏｘｙＨｂ］と［ｄｅｏｘｙＨｂ］とから算出される。ｏｘｙＨｂは、オキシヘモグロビンであり、ｄｅｏｘｙＨｂは、デオキシヘモグロビンである。［ｏｘｙＨｂ］濃度および［ｄｅｏｘｙＨｂ］濃度は、検出された各吸光度スペクトルから算出される。ヘモグロビン飽和には、拍動性動脈血、非拍動性動脈血および静脈血が寄与する。
【００２１】
前述のように、ｉｎ  ｖｉｖｏにおける組織酸素化を判定する同様の方法は、ｉｎ  ｖｉｖｏにおける訓練データ集合を生成する工程と、同様のプローブを使用して患者から同様のスペクトルデータを取得する工程と、前記患者からの前記スペクトルデータと前記訓練データ集合とを使用して、対象となった前記患者の組織酸素化を算出する工程とからなる。
【００２２】
ｉｎ  ｖｉｖｏにおける被験体の組織酸素化を検出するプローブは、（ａ）第１の放射束を有する近赤外スペクトルの光を放射するように操作可能な第１の光源と、（ｂ）前記第１の放射束より大きい、第２の放射束を有する可視スペクトルの光を放射するように操作可能な第２の光源と、（ｃ）前記第１の光源および前記第２の光源より放射された光に由来する、前記被験体の組織から反射された光または前記被験体の組織を伝達した光の吸光度スペクトルを検出可能な光検出器とを含む。
【００２３】
実施形態において、前記第２の放射束が、前記第１の放射束より少なくとも１桁大きい。前記第２の光源は、前記第２の放射束を協同的に生じさせる複数の照明素子を含む。前記複数の照明素子は、前記光検出器を中心に円弧状に配置されるのが好ましく、特定の実施形態において、前記円弧は、９０°を超えて広がらない。
【００２４】
本発明の前述の態様および付随する多くの効果は、添付の図面と併せて下記の詳細な説明を参照することにより、直ちにより認められ、同様により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明におけるｉｎ  ｖｉｖｏでの組織酸素化を測定および／またはモニタするシステムの概観を規定するブロック図である。
【図２】図２は、オキシヘモグロビン溶液およびデオキシヘモグロビン溶液の吸光度スペクトルを示す。
【図３】図３は、図１に示すプローブの実施形態を説明する。
【図４】図４は、本発明における有用な訓練データ集合を生成する方法を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、図４で説明された方法により得られた前記訓練データ集合を使用する方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（詳細な説明）
生物学的な組織等の濁った媒体中の検体を検出する非侵襲的な方法、装置およびシステムが、開示されている。生物学的、医学的応用が多数存在し、組織の酸素化を判定するための非侵襲的な手法は、利益を提供するであろう。例えば、組織酸素化は、生理学および病理学における潜在的な問題の初期シグナルを提供する。筋肉酸素化をモニタするシステムは、心臓外科等の臨床領域、スポーツ医学等にも適用し得る。特定の態様において、筋肉酸素化（Ｍｏｘ）をモニタする装置および方法が、患者のショックの早期検出を提供することが述べられている。本発明の教示を、前述の背景技術の項で議論した代表的な応用を含む他の応用に直ちに適用し得ることを、当業者により直ちに理解されるであろう。
【００２７】
本発明者の一部が開示した、ｉｎ  ｖｉｖｏにおけるミオグロビン酸素飽和をリアルタイムに測定する方法およびシステムについての、Ａｒａｋａｋｉら、米国特許第５，９３１，７７９号明細書の内容を、参照として本願明細書に援用する。本発明者の一部が開示した、校正スペクトルおよび反射スペクトルを使用してミトコンドリア特性を判定するシステムおよび方法についての、Ｓｃｈｅｎｋｍａｎら、米国特許出願公開第２００７／０２６５５１３号明細書の内容を、参照として本願明細書に援用する。本発明者の一部が開示した、スペクトルピーク間のピーク位置に基づくヘモグロビンとミオグロビンとの比を算出するシステムおよび方法についての、Ｍａｒｃｉｎｅｋら、米国特許出願公開第２００８／００３３２６３号明細書の内容を、参照として本願明細書に援用する。本発明者の一部が開示した、多変量曲線分解アルゴリズムを使用して細胞エネルギーパラメータの推定値を生成するシステムおよび方法についての、Ｓｃｈｅｎｋｍａｎら、米国特許出願公開第２００８／０２００７８０号明細書の内容を、参照として本願明細書に援用する。
【００２８】
従来の近赤外分光システムとは対照的に、本発明のシステム１００は、前記可視スペクトルの光および前記近赤外（ＮＩＲ）スペクトルの光の両方における、連続する波長を測定する。前記スペクトルの可視領域の少なくとも一部を付加することで、筋肉酸素化に対する感度を向上でき、循環性ショックをより迅速に検出できる。本願明細書において使用される可視光は、４００〜７００ｎｍの範囲の波長を有する電磁波放射線を含むと明確に定義される。本願明細書において使用される近赤外光は、７００〜３，０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁波放射線を含むと明確に定義される。
【００２９】
図１は、本発明におけるｉｎ  ｖｉｖｏでの組織酸素化を測定および／またはモニタするシステム１００の概観を規定するブロック図である。前記システム１００は、可視光源１０４と、近赤外光源１０６と、光検出器１０８とを有するプローブ１０２を含む。前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６は、前記プローブ１０２に近接する組織の所望の領域を照射する。例えば、前記可視光および前記近赤外光は、使用者の皮膚および体液を伝達して、前記組織の所望の領域に照射されてもよい。
【００３０】
前記光検出器１０８は、前記組織の所望の領域から反射された光、または前記組織の所望の領域を伝達した光を受光し、前記検出された光は、例えば、分光光度計等の分光計１１０に伝達される。各種の分光計１１０として、センサおよびプリズム、回折格子またはスリットを有するものが考えられる。前記プリズム（または格子もしくはスリット）および前記センサは、両方とも固定されていてもよいし、動いてもよい。例えば、代表的なシステム１００は、格子と、光検出器（例えば、フォトダイオードアレイ、電荷結合素子（ＣＣＤ）または能動ピクセルセンサ等の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ  ＡＰＳ））とを有する光ファイバーの分光光度計１１０を含む。
【００３１】
前記検出されたスペクトルは、処理のために、プロセッサ、例えば、従来のコンピュータシステム１１２に伝達される。前記コンピュータシステム１１２の具体的な詳細は、本発明では重要ではない。代表的なシステムにおいて、前記コンピュータシステム１１２は、スペクトルデータを受け取るアナログ・デジタル変換器に連結するための入力インターフェースを含む。前記コンピュータシステム１１２は、周知の構成、例えば、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、プリンタ、インターフェース、およびシステム１００を制御またはモニタする構成要素を構成する他の要素等を含んでもよい。
【００３２】
前記コンピュータシステム１１２は、さらに、前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６を制御してもよい。本実施形態において、例えば、前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６は、同調して制御され、断続的に光を放射する。前記コンピュータシステム１１２は、本願明細書の他の箇所で説明するアルゴリズムを実行する命令を実行するように構成されるプロセッサを含む。前記命令、アルゴリズムおよびデータは、メモリに保存することもできるし、インプットから受け取ることもできる。前記メモリとしては、種々の例があげられ、揮発性メモリもしくは不揮発性メモリ、または記憶装置を含む。典型的には、表示装置１１４は、前記システム１００の状況および／または前記スペクトルの分析結果を表示するのに使用されてもよい。例えば、分析結果が是正措置の必要性を示す場合、前記表示装置１１４は、ヘルスケア提供者に告知するために、視覚に訴える警告または警告音を含んでもよい。
【００３３】
ショックのモニタに適用した本発明の実施形態において、前記プローブ１０２を、患者、例えば、患者の手における母指球筋群に取り付ける。前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６は、筋肉組織を照射し、反射されて前記分光計１１０に戻ってくる光が、記録される。後述するように、前記スペクトルは、分析のために前記コンピュータシステム１１２に提供され、筋肉酸素化（Ｍｏｘ）が算出される。前記筋肉酸素化が、患者が循環性ショックを経験していることを示す場合、介護者に適切な行動をとるように警告する。
【００３４】
筋肉酸素化は、ショックの初期指標であることが見出された。さらに、筋肉酸素化は、軽度のショック、中度のショック、重度のショックの区別に使用し得る。重篤な患者における低度の筋肉酸素化は、初期のショックを特定するのに使用し得る。身体が重要な臓器（心臓、脳および肝臓）への血流を確保しようとするために、血流が優先的に皮膚や筋肉から切り替えられるためである。
【００３５】
筋肉酸素化は、筋肉組織の細胞酸素化の測定であり、ミオグロビン酸素飽和およびヘモグロビン酸素飽和の加重平均である。前記加重は、光路における総ミオグロビンおよび総ヘモグロビンの相対濃度に依存する。
【００３６】
他の実施形態において、前記コンピュータシステム１１２は、ミオグロビン飽和として定義される組織酸素化を算出する分析を実行し得る。ミオグロビンは、筋肉細胞内に含まれるため、ミオグロビン飽和は、細胞内酸素化の測定であり、ショックの検出および重篤な患者のモニタリングに有用であろう。
【００３７】
他の実施形態において、組織酸素化を、ヘモグロビン飽和として定義し得る。ヘモグロビン飽和測定は、拍動血流を有する患者に依存せず、拍動性動脈血、非拍動性動脈血および静脈血の飽和測定の総計である。ヘモグロビン飽和を、筋肉組織および脳等のミオグロビンを含まない他の組織においても測定し得る。
【００３８】
前記モニタリングシステム１００の実施形態において、前記プローブ１０２は、取得される光学スペクトル情報の反射または伝達の有用性を向上させる、調整または形成された強度（または放射束）の照明により前記組織を照射するように構成される。例えば、本実施形態において、前記可視光源１０４は、前記近赤外光源１０６により提供される前記近赤外照明より、１桁大きい放射束を有する可視領域（例えば、５４５〜５８０ｎｍ）の光により、所望の組織を照射するように構成される。前記組織の期待された吸光度に入射照射のプロフィールを一致させることにより、前記検出されたスペクトルの信号雑音比を最適化でき、従来の広帯域の光源を用いて取得されるものより、より高品質な光学スペクトルを取得できる。前記可視光源１０４は、前記近赤外光源より著しく大きな放射束を生じさせるものと考えられるが、その差は、１桁より小さくても、１桁より大きくてもよい。
【００３９】
前記調整された照明により性能が向上する理由を理解するために、図２を参照する。図２は、オキシヘモグロビン溶液およびデオキシヘモグロビン溶液の吸光度スペクトルを示す。血液中のヘモグロビンは、酸素と結合し、酸素を肺から身体組織に運び、そこで酸素を放出し、発生する二酸化炭素を肺に運ぶ。オキシヘモグロビンは、ヘモグロビンが酸素と結合した時に形成される。デオキシヘモグロビンは、ヘモグロビンが酸素分子と結合していない時に形成される（ミオグロビンは、筋肉組織における酸素結合タンパク質であり、同様に酸素分子と結合している場合（オキシミオグロビン）、または、酸素分子と結合していない場合がある（デオキシミオグロビン））。
【００４０】
オキシヘモグロビンの吸光度スペクトルと、デオキシヘモグロビンの吸光度スペクトルとには差異があることが、図２からわかる。吸光度特性における前記差異は、前記ヘモグロビンの酸素化を光学的に評価するのに使用し得る。前記酸素化を的確に評価する能力は、前記可視光領域および前記近赤外の両方における酸素化曲線の特性を調べることで、向上するであろう。しかしながら、前記可視領域（より具体的には、５４５〜５８０ｎｍの範囲）におけるオキシヘモグロビンの吸光度ピークまたは光学密度は、近赤外領域（例えば、約７６０ｎｍ）におけるデオキシヘモグロビンの吸光度ピークより、およそ１桁大きい。このため、従来の広帯域光源を使用した場合、前記可視領域において取得される光量は、前記近赤外領域において取得される光量の、およそ１０分の１であろう。さらに、前記吸光度スペクトルは、散乱体を含まないヘモグロビン溶液から取得されたため、図２は、最高の条件のシナリオを説明するものである。生物学的な組織のような光散乱体がかなり存在する場合、前記可視領域から取得される光は、近赤外領域においてよりも３桁程度小さくなり得る。オキシミオグロビンおよびデオキシミオグロビンの前記吸光度スペクトルにも、同様に質的な差異がある。前記吸光度スペクトルの差異を分析して、組織酸素化を算出し得る（例えば、筋肉酸素化、ミオグロビン飽和またはヘモグロビン飽和）。
【００４１】
しかしながら、（前記可視領域と前記近赤外領域とにわたる）従来の広帯域光源を使用して、ヘモグロビンを含む生物学的組織からスペクトルを取得する場合、前記検出器が可視領域における測定シグナルを検出できない（例えば、可視領域の光子を検出できない）場合があり、または、前記検出器が近赤外領域において飽和してしまう（例えば、前記検出器が計測できるより多くの近赤外の光子が到達し、最大値が記録される）場合がある。いずれにしても、前記検出器のダイナミックレンジが、前記可視領域スペクトルおよび前記近赤外領域スペクトルの両方を同時に測定するのに、十分な大きさでない場合がある。
【００４２】
前記プローブの光源１０４、１０６は、期待した吸光度スペクトルに大まかに一致した強度または放射束プロフィールを有する、調整された照明を生じさせる。すなわち、高い吸光度の波長領域における前記照明の放射束は、低い吸光度の波長領域における前記照明の放射束より大きい。好ましい実施形態において、前記可視光源１０４は、前記近赤外光源１０６より生じる、対応する放射束より１桁以上大きい放射束で、標的組織を照射するように構成される。
【００４３】
多くの異なる方法を、前記標的の吸光度特性に前記照射光をおおよそ一致させるのに使用でき、かつ、本発明により企図される。例えば、フィルタを広帯域光源に使用して、所望に調整された照明を生じさせてもよい。この好ましい実施形態において、前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６は、前記プローブ１０２の遠位面から光を放射するように配置される発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。前記開示されたプローブは、前記プローブ１０２の表面に配置されたＬＥＤを使用しているが、他の構成も企図される。例えば、光ファイバーの実施形態において、前記光源が前記プローブ１０２から離れて配置され、光ファイバーケーブルを介して、光が前記プローブ表面に伝達される。
【００４４】
図３は、試験される使用者または組織に取り付けるために構成されるハウジング１１８を有する、図１に示した前記プローブ１０２の実施形態を説明する。前記ハウジング１１８は、強固に構築されてもよいし、使用者に形状適合してもよい。前記可視光源１０４は、可視波長（例えば、５４０〜６２０ｎｍ）の光を放射する複数のＬＥＤ１２０を含む。前記近赤外光源１０６は、近赤外波長（例えば、７４０〜７９０ｎｍ）の光を放射する、単一のＬＥＤ１２２である。この実施形態において、前記プローブ１０２は、１３個の可視光ＬＥＤ１２０を含む。前記プローブ１０２は、前記可視光照射の強度が、前記近赤外光照射の強度より、おおよそ１桁大きくなるように、前記標的組織を照射するように構成される。
【００４５】
光検出器１０８、例えば、従来のＣＭＯＳ光検出器１２４は、前記ハウジング１１８に位置し、前記標的組織から反射された光を検出する。好ましくは、前記可視光ＬＥＤ１２０および前記近赤外ＬＥＤ１２２は、前記ＬＥＤ１２０、１２２が全て前記検出器１２４から等距離となるように、前記検出器１２４を中心に円弧状に配置される。前記ＬＥＤ１２０、１２２から前記検出器１２４への距離は、光の取得を最適化するように選択される。光の取得の最適化は、前記組織の特性と前記取得されるスペクトルの情報とにより決まる。特に、前記ＬＥＤと前記検出器との間の間隔は、前記組織中の所望の浸透深さを提供するように選択される。これにより、既知の組織容量において、前記組織の均質なサンプリングが可能となる。
【００４６】
本発明では重要ではないが、本実施形態における前記ＬＥＤ１２０、１２２は、前記検出器１２４を中心とする完全な円よりむしろ、おおよそ９０°の弧の断片を含む円弧状に配置されることを理解すべきである。この構成により、前記ＬＥＤと前記検出器との間の間隔（例えば、１５〜２０ｍｍ）を、有利に大きくでき、プローブを合理的なサイズに保つことができる。ＬＥＤと検出器との間の間隔が既知かつ一定であることで、皮膚表面から組織内への光浸透深さが一定に設定される。前記ＬＥＤ１２０、１２２および／または前記検出器１２４は、好ましくは、前記ハウジング１１８内に配置され、その結果前記検出器１２４は、迷光から保護される。
【００４７】
前記プローブ１０２は、さらに、前記コンピュータシステム１１２が前記可視ＬＥＤ１２０および前記近赤外ＬＥＤ１２２を制御するのに関与する、第１のコネクタ１２６と、前記検出器１２４から前記分光計１１０に光シグナルを伝達するのに関与する、第２のコネクタ１２８とを含む。
【００４８】
他の実施形態において、前記可視光源１０４および前記近赤外光源１０６は、前記プローブの表面から離れて設けられ、第１の光ファイバーシステムが、前記プローブの表面に前記光を伝達するのに使用され、第２の光ファイバーシステムが、前記検出器１２４から前記分光計１１０に前記光を戻す。
【００４９】
前記プローブ１０２は、反射スペクトル情報を非侵襲的に取得するように構成される。前記プローブは、例えば、医療診断、運動生理学等のために、人間または他の哺乳動物における反射光学スペクトルを取得するために使用されてもよい。
【００５０】
本発明者による研究において、筋肉酸素化がショックの早期検出に有効であることが見出された。近年の研究において、２０人の健康な人間の被験体の母指球筋から、スペクトルを取得し、他の被験体における筋肉酸素化のリアルタイム測定を提供するのに使用される、局所重み付き回帰（ＬＷＲ）モデルを構築した。局所重み付き回帰は、加重スキームを導入して「局所」データ点により大きな効果を与え、より離れたデータ点により小さい加重を与えることにより、従来の線形または非線形最小二乗回帰モデルを修飾する、ノンパラメトリック学習アルゴリズムである。
【００５１】
前記健康な被験体からのスペクトルデータを、下記の基本プロトコルを使用して取得した。被験体の母指球筋群に配置された前記プローブ１０２を有する、図１に示す前記モニタリングシステム１００と機能的に同様のシステムを使用して、前記各被験体をモニタした。前記被験体は、室内の空気、ついで１００％の酸素を呼吸し、つぎに、スペクトルデータを取得する間、上腕に対する血圧測定用カフの膨張により生じる腕部の虚血を１５分間受けた。
【００５２】
多変量曲線分解（ＭＣＲ）を使用して、各被験体の前記スペクトルを分析した。多変量曲線分解は、当該技術分野において一群のスペクトル解析法として既知である。本方法では、多変量曲線分解を使用して、前記被験体から取得されたスペクトルから筋肉酸素化の正確な測定を生じさせる。しかしながら、多変量曲線分解は、その反復特性のために、リアルタイム測定に実用的ではなかった。下記においてより十分述べるように、筋肉酸素化およびスペクトル用の前記多変量曲線分解値を使用して、局所重み付き回帰モデルを訓練し、前記モデルを生成させた。
【００５３】
ここで、前記健康な被験体からのスペクトルデータを取得する好ましいプロトコル、および、有用な訓練データ集合を生成する好ましい方法を、図４のフローチャートを参照してより詳細に述べる。第一に、前記健康な被験体からスペクトルのデータ集合を取得する（２００）。前記各健康な被験体は、空気を呼吸しながら３分間休息、続いて、１００％酸素を呼吸しながら３分間休息を受ける。ついで、被験体の上腕周りの血圧計カフを２００ｍｍＨｇまたは最大血圧より６０ｍｍＨｇ高い圧力のいずれか小さい方に膨張させることにより、前記被験体の腕に１５分間虚血を生じさせる。続けて、正常な血液循環を確保するのに、５分間の回復期を設定する。前述のシステム１００と機能的に同様のシステムを使用して、プロトコルを通じて、スペクトルを取得する。
【００５４】
波長についての二次導関数を、各スペクトルから取得する（２０２）。前記スペクトルの二次導関数を使用することで、酸素化されたスペクトルと脱酸素化されたスペクトルとの差異をより大きくし、散乱の影響をいくらか除去する。
【００５５】
本実施形態において、前記取得されたスペクトルのうち前記スペクトルの興味深い部分に対応する、それらの部分のみを分析に使用する。前述のように、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、オキシミオグロビンおよびデオキシミオグロビンについての前記吸光度スペクトルの興味深いピークは、大まかに５８０ｎｍ付近の可視領域（例えば、５７０〜５８８ｎｍ）、および、７６０ｎｍ付近の近赤外領域（例えば、７４０〜７７７ｎｍ）である。前記取得された各スペクトルの前記選択された興味深い部分を、抽出し連結して、前記可視スペクトルおよび前記近赤外スペクトルの最も関連のある部分のみを含む、分析用スペクトルを生じさせる（２０４）。前記分析において、前記スペクトルの関連のある部分のみを含むことで、ノイズを除去し、筋肉酸素化分析の感度をより向上させる。
【００５６】
生物学的な組織またはサンプルにおいて、多くの光学的に活性な種が存在し得るのがより一般的である。多重波長スペクトル分析を向上するために、バックグラウンドスペクトル情報（またはノイズ）に対して、所望のスペクトル領域の選択により、前記スペクトル情報側を増幅し得る。これらの選択されたスペクトル領域を、連結して新たなスペクトル配列とし、前記情報を、例えば、多変量曲線分解等の従来の分析方法により分析し得る。その結果、興味深い検体の濃度測定が向上される。
【００５７】
本具体例において、オキシミオグロビン、デオキシミオグロビン、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンについての既知のピーク付近のスペクトルデータの連結部の分析により、多変量曲線分解等のスペクトル法アプローチを使用する分析が向上する。５８０ｎｍ付近の可視領域における反射光の測定は、オキシミオグロビン濃度およびオキシヘモグロビン濃度に関する情報を生成する。これらの発色団は、この領域において吸光するためである。ミオグロビン飽和およびヘモグロビン飽和の絶対的定量は、デオキシミオグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の測定を付加することで可能となる。これらの発色団は、７６０ｎｍ付近の前記近赤外領域において吸光する。
【００５８】
ミオグロビンおよびヘモグロビンの前記酸素化された形態および前記脱酸素化された形態が吸光する付近の波長領域のみを保持、分析することは、効果的であることが分かっている。多変量曲線分解は、最小二乗適合を使用してサンプル中に存在する各発色団のスペクトルの形状を判定する、反復アルゴリズムである。本発明者は、ノイズおよび組織に存在する他の発色団の吸光度を含む前記スペクトルにおける興味の無い部分を除去または無視することにより、発色団の正確な吸光度特性に集中するよりよい機会を、多変量曲線分解が与えられると、考えている。スペクトル分析前に非連続の波長領域を選択し、連結することは、他種のスペクトルデータ分析にも有益であろう。例えば、他の応用において、シトクロム酸化酵素またはシトクロムｃの吸光度付近のスペクトル領域を選択し、シトクロム酸化酵素またはシトクロムｃの濃度もしくは酸化の測定を向上し得ると考えられる。
【００５９】
前記各連結されたスペクトルの近赤外部を、前記スペクトルの可視部に対して相対的に拡大する（２０６）。前記近赤外吸光度の大きさを、前記可視吸光度の大きさより十分小さくする。前記拡大工程は、本発明にとって重要ではないが、拡大せずに標準化した場合、多変量曲線分解を筋肉酸素化値の誤った方向に偏らせ得る。
【００６０】
ついで、前記連結されたスペクトルを、例えば、前記各曲線下の領域がそれと等しくなるように標準化する（２０８）。標準化は、多変量曲線分解の準備段階として必要である。ついで、全スペクトルに、中心化を適用する（２１０）。
【００６１】
筋肉酸素化を、訓練データ集合により各スペクトルから判定しなければならない。この好ましい方法において、多変量曲線分解を使用して、データ集合中の各スペクトルについての筋肉酸素化の値を取得する（２１２）。多変量曲線分解は、複雑なスペクトルにおける吸光種の個々の濃度を判定し得る、反復スペクトル分析法である。一実施形態では、各反復工程において、多変量曲線分解は、各スペクトルにおける２つの成分の濃度、ｏｘｙＭｂＨｂおよびｄｅｏｘｙＭｂＨｂを、以下の定義により同時に定量化する。
【００６２】
【数１】
2013544588.tif 000003
および
【００６３】
【数２】
2013544588.tif 000004
各反復工程において、多変量曲線分解は、成分濃度の最新の推定値を使用して、純粋な成分のスペクトルの形状も判定する。多変量曲線分解が、ｏｘｙＭｂＨｂおよびｄｅｏｘｙＭｂＨｂの前記純粋な成分のスペクトルの形状、および、前記データ集合中の各スペクトルにおける相対濃度に集中する場合、筋肉酸素化を、被験体のデータ集合中の各スペクトルから、下記のように算出する。
【００６４】
【数３】
2013544588.tif 000005
ミオグロビン飽和（Ｍｂ  ｓａｔ）を、［ｏｘｙＭｂ］および［ｄｅｏｘｙＭｂ］の多変量曲線分解判定から算出してもよい。
【００６５】
【数４】
2013544588.tif 000006
［ｏｘｙＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＨｂ］の濃度も、多変量曲線分解により判定し、その結果、ヘモグロビン飽和（Ｈｂ  ｓａｔ）を算出し得る。
【００６６】
【数５】
2013544588.tif 000007
［ｏｘｙＭｂ］、［ｄｅｏｘｙＭｂ］、［ｏｘｙＨｂ］および［ｄｅｏｘｙＨｂ］の濃度を、多変量曲線分解を使用して同時に判定してもよい。ミオグロビンが存在しない組織において、ヘモグロビン飽和を、多変量曲線分解を使用して判定してもよい。
【００６７】
健康な被験体の追加がある場合（２１４）、前記追加の被験体に対して、前記データ取得を開始する。多数の被験体からのスペクトル、および、多変量曲線分解により判定された、各スペクトルについての関連する筋肉酸素化、ミオグロビン飽和またはヘモグロビン飽和の値は、前記訓練データ集合を含む。ついで、前記被験体から算出された前記訓練データ集合を使用して、局所重み付き回帰モデルを構築する（２１６）。
【００６８】
前記局所重み付き回帰モデルは、患者または他の被験体のリアルタイムでのモニタリングまたは試験を提供する。図５で説明するように、患者からスペクトルを取得し（２２０）、前記スペクトルを、前記局所重み付き回帰の訓練データ集合スペクトルを処理するのと同様に、二次導関数の取得（２２２）、前記選択部の連結（２２４）、前記近赤外部の拡大（２２６）、正規化（２２８）および中心化（２３０）を含む方法で前処理する。
【００６９】
従来の研究において、本発明者は、部分最小二乗法（ＰＬＳ）を使用して、骨格筋および心筋におけるミオグロビン飽和を効果的に測定していた。残念ながら、ｉｎ  ｖｉｔｒｏにおいて取得されたスペクトルにより訓練された広範囲の部分最小二乗法では、筋肉酸素化のリアルタイム測定ができなかった。このため、この好ましい方法は、部分最小二乗法と共に局所重み付き回帰（ＬＷＲ）を使用して、スペクトルから筋肉酸素化をリアルタイムに算出する。特に、患者から取得された新たなスペクトルそれぞれについて、局所重み付き回帰により、前記新たなスペクトルとほとんど同様の、ｉｎ  ｖｉｖｏでの訓練データ集合におけるスペクトルから局所部分最小二乗法モデルを構築する（２３２）。前記局所重み付き回帰法では、例えば、筋肉酸素化測定に関与する新たなスペクトルとは大きく異なるメラニンおよび脂質のスペクトルにより、訓練データ集合を生成できない。このことは、本質的に、筋肉酸素化に関係のないメラニンおよび脂質含有物を反映するスペクトル特性についての効果的なフィルタとなる。筋肉酸素化を、前記局所部分最小二乗モデルの適用により、各試験スペクトル集合から算出する（２３４）。
【００７０】
前記局所重み付き回帰の訓練データ集合が、患者に見出される広範囲の身体特性を含む場合、前記筋肉酸素化測定のロバスト性は、適切な訓練データ集合スペクトルの利用を保証することにより向上される。人間の被験体における良好な精度は、比較的に小さい訓練データ集合を有する局所重み付き回帰を使用することで説明されている。
【００７１】
他種の局所重み付き回帰モデルを構築し、組織酸素化を測定し得る。ミオグロビン飽和を、前記訓練データ集合中のスペクトルから測定し、患者のスペクトルからミオグロビン飽和を測定するであろう局所重み付き回帰モデルを構築するのに使用してもよい。同様に、ヘモグロビン飽和を、ミオグロビンを含むかまたは含まない組織から取得された訓練データ集合スペクトルから測定してもよい。これらのヘモグロビン飽和値を前記訓練データ集合スペクトルと共に使用して、患者のスペクトルからヘモグロビン飽和を測定するであろう局所重み付き回帰モデルを構築してもよい。
【実施例】
【００７２】
実施例
筋肉酸素化は、ショックの初期指標であり、健康な状態と、軽度のショック、中度のショック、重度のショックとを区別できる。研究において、５７人の外傷患者それぞれに、救急科の承認後１５分間可能な限り、筋肉酸素化を測定した。各患者におけるショックの重症度を、筋肉酸素化のスペクトル取得の開始から最初の１時間に記録された、最大動脈ラクテートまたは塩基欠乏、最大心拍数および最小収縮期血圧に基づく採点システムを使用して判定した。軽度のショック、中度のショック、重度のショック中は、健康なコントロールと明らかに異なる（ｐ＜０．０１）。
【００７３】
ニュージーランド白ウサギを、３回にわたるしゃ血により出血性ショックを起こさせた。筋肉酸素化は、ショックの開始を検出できるという重要な結果が得られた。前記ウサギを１００％酸素から空気に移行した後、筋肉酸素化は、１回目のしゃ血後のベースライン値から明らかに低下した。同時点において、ラクテートは正常なままだった。筋肉酸素化は、中度のショックおよび重度のショックの間、徐々に低下し、ついで、蘇生により上昇した。筋肉酸素化は、頸動脈に取り付けられるカテーテルを介して測定された、平均動脈圧（ＭＡＰ）の動向に密接に追随した。ラクテートレベルは、ショック中に上昇し、蘇生により低下したが、平均動脈圧および筋肉酸素化の変化に遅れた。パルス酸素濃度計により測定される動脈血飽和は、ショックに対して感度が高くなかった。本研究は、早期にショックを検出すること、および、蘇生中の患者の状態を連続的にモニタすることへの、筋肉酸素化の可能性を説明する。
【００７４】
全血流量の約４０％を３回にわたって等量ずつしゃ血することにより出血性ショックを起こさせたウサギにおいて、連続的にスペクトルを取得した。四成分多変量曲線分解（ＭＣＲ）分析を使用して、オキシミオグロビン、デオキシミオグロビン、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンの濃度を同時に測定した。続けて、ミオグロビン飽和およびヘモグロビン飽和を、各スペクトルから算出した。多変量曲線分解の前に、二次導関数、前記可視波長領域および前記近赤外波長領域の保持可能な特定部分の連結、可視／近赤外拡大、標準化および中心化により、全スペクトルを前処理した。
【００７５】
ヘモグロビン飽和およびミオグロビン飽和を、ｉｎ  ｖｉｖｏにおいて別々に測定した。ヘモグロビン飽和は、しゃ血（最初の３本の点線）および再輸血によりミオグロビン飽和より大きな変動を示した。ヘモグロビン濃度が急速なしゃ血および輸血により、一時的に大きく変化するためと期待される。
【００７６】
動脈血（拍動性および非拍動性）および静脈血は、前記ヘモグロビン飽和測定に寄与する。ヘモグロビン飽和測定は、パルス酸素濃度計のように拍動性血流を必要としない。ミオグロビン飽和は、酸素に結合したミオグロビン画分の測定である。ミオグロビンは、筋肉細胞に含まれ、ミオグロビン飽和は、細胞内における酸素化の測定である。
【００７７】
前述の具体例の実施形態は、筋肉酸素化を算出する好ましい実施形態に関するが、本願の技術に基づいて、脳等のミオグロビンが存在しない他の組織の酸素化を算出することに、前記方法を拡張し得ることは、当業者に直ちに明らかであろう。このような応用において、前記検出された筋肉の吸光度スペクトルを使用するよりも、動脈のヘモグロビン、毛細血管のヘモグロビンおよび静脈のヘモグロビンの混合スペクトルを、適切に調整された、１つまたは全ての光源を使用して大まかに分析し、スペクトルの断片を連結し、スペクトル法により訓練データ集合を生成し、局所重み付き回帰法により脈動動脈血でない組織の酸素化を判定し得る。本発明を使用するヘモグロビン飽和の測定は、パルス酸素濃度計のように拍動性シグナルの存在に依存しないであろう。
【００７８】
実例となる実施形態を説明および記述したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更をすることができるのは理解できるであろう。
【００７９】
本発明の実施形態のうち、独占的な財産または独占権を請求するものは、次のように定義される。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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