(57)【要約】  本発明によれば、被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定するための方法及び装置が提供される。この方法は、１）複数の波長の光を被検体組織内に透過させるように操作可能な近赤外分光測光センサを準備し、２）センサを使用して被検体組織内を透過させた光を検出して、被検体組織から検出された光を表す信号データを作成し、３）被検体の物理的特性を考慮に入れるように信号データを処理し、そして４）波長の間の減衰差を用いて被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定する、ステップを含む。装置は、１つの光源と少なくとも１つの光検出器を有し、プロセッサに動作可能なように接続したセンサを含む。センサは、複数の波長の光を被検体組織内に透過させ、被検体組織から検出された光を表す信号データを作成するように操作可能である。アルゴリズムは、検出された被検体の物理的特性を考慮に入れるために信号データを処理するように操作可能である。
2008539968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法であって、
前記被検体組織内に光を透過させ、前記光を検出するように操作可能な分光測光センサを準備し、
前記センサを使用して前記被検体組織を透過した後の光を検出して前記検出された光から信号データを作成し、
前記信号データを用いて、選択された波長の間の減衰差から、波長に依存しないバックグラウンドの光吸収及び散乱を相殺し、前記被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れるステップにより前記信号データを処理し、
前記被検体組織の波長依存の物理的特性に対して補正して、前記被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記被検体組織の前記物理的特性は、皮膚及び皮膚の下に位置する組織の色素沈着を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記処理は、前記色素沈着に関する吸収係数を用いて、前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルを決定するステップにおいて用いられる１つ又はそれ以上の較正定数を決定することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを、前記被検体組織内に光を透過させて前記光を検出するように操作可能な分光測光センサを使用して、無侵襲的に測定する方法であって、
前記センサを使用して前記被検体組織を検出し、それから前記被検体組織の前記微小血管内の非脈動血流に起因する信号データを作成し、
前記信号データを用いて、選択された波長の間の減衰差から、波長に依存しないバックグラウンドの光吸収及び散乱を相殺し、前記被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れるステップにより前記信号データを処理し、
前記被検体組織の波長依存の物理的特性に対して補正して、前記被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記被検体組織の前記物理的的特性は、皮膚及び皮膚の下に位置する組織の色素沈着を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
分光測光センサを使用して、被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法であって、
前記センサを使用して前記被検体組織内に光を透過させ、
前記センサを使用して、前記光が前記被検体組織を透過した後に選択的に選ばれた複数の波長において前記光を検出し、前記被検体組織の検出から信号データを作成し、
選択された波長の間の減衰差から、波長に依存しないバックグラウンドの光吸収及び散乱を相殺し、前記特定の被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れ、前記被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れた１つ又はそれ以上の較正定数を作成するステップにより前記信号データを処理し、
前記選択された複数の波長のサブセット及び前記較正定数を用い、減衰差を用いて、前記被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルを前記決定するステップは、前記１つ又はそれ以上の較正定数を作成するために用いた以外の信号データを処理することを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルは、第１の前記波長と他の前記波長の各々との間の減衰差を用いて決定されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルは、第１の前記波長と他の前記波長の各々との間の減衰差を用いて決定されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
ＮＩＲＳセンサを較正する方法であって、
前記センサを使用して被検体組織内に光を透過させ、
前記センサを使用して、前記光が前記被検体組織を透過した後に選択的に選ばれた複数の波長において前記光を検出し、前記被検体組織の検出から信号データを作成し、
前記信号データを用いて前記センサを較正する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記較正するステップは、前記被検体組織の色素沈着を考慮に入れるように前記信号データを処理することを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法であって、
前記被検体組織内に光を透過させ、前記光を検出するように操作可能な分光測光センサを準備し、
前記センサを使用して前記被検体組織を検出し、前記検出から前記被検体組織の前記微小血管内の非脈動血流に起因する信号データを作成し、
選択された波長の間の減衰差から、波長に依存しないバックグラウンドの光吸収及び散乱を相殺し、前記特定の被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れ、前記微小血管内のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度、並びに前記被検体組織内の前記微小血管の血中酸素飽和度レベルを決定するステップにより前記信号データを処理する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記信号データを前記処理するステップは、最初に前記被検体組織内のオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、及び色素沈着の濃度を決定し、続いて前記決定されたオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度を用いて、前記被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記信号データを前記処理するステップは、前記決定された色素沈着濃度を用いて前記センサを較正することを含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記処理するステップは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数の使用を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法であって、
前記被検体組織内に所定の範囲内の波長の光を透過させ、前記範囲内にある複数の予め決定された波長の前記光を検出するように操作可能な分光測光センサを準備し、
前記センサを使用して前記被検体組織を検出し、前記被検体組織の検出から信号データを作成し、
前記被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定するために、オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビン以外の、前記波長範囲にわたって変化する組織光学特性を有する、前記被検体組織の１つ又はそれ以上の成分に関する光減衰を決定するように前記信号データを処理する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定するための装置であって、
複数の波長の光を被検体組織内に透過させるように操作可能な少なくとも１つの光源と、前記光源からの光を、前記光が前記被検体組織を透過した後に検出するように操作可能な少なくとも１つの光検出器とを有し、前記検出された光から前記被検体組織の前記微小血管内の非脈動血流に起因する信号データを作成するように操作可能な少なくとも１つの分光測光センサと、
前記少なくとも１つのセンサに動作可能なように接続し、前記被検体組織の物理的特性を考慮に入れるために前記信号データを処理するように操作可能なアルゴリズムを有するプロセッサと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２３】
前記被検体組織の前記物理的特性は色素沈着を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記アルゴリズムは、前記被検体組織内の色素沈着に関する吸収係数を用いることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記アルゴリズムは、前記色素沈着に関する吸収係数を用いて１つ又はそれ以上の較正定数を決定するために前記信号データを処理するように操作可能であり、そして前記較正定数を用いて前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルを決定するように操作可能であることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記アルゴリズムは、前記１つ又はそれ以上の較正定数を作成するために用いた以外の信号データを用いて、前記被検体組織内の前記血中酸素飽和度レベルを決定するように操作可能であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
被検体組織内の微小血管の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法であって、
前記被検体組織内に光を透過させ、前記光を検出するように操作可能な分光測光センサを準備し、
前記センサを使用して前記被検体組織内の微小血管を透過した非脈動光を検出して、前記検出された非脈動光から信号データを作成し、
選択された波長の間の減衰差から、波長に依存しないバックグラウンドの光吸収及び散乱を相殺し、前記センサにより検出された前記特定の被検体組織の波長依存の光学特性を考慮に入れ、前記被検体の波長依存の組織光学特性を考慮に入れた１つ又はそれ以上の較正定数を作成し、前記選択された複数の波長のサブセット及び前記較正定数を用い、減衰差を用いて、前記被検体組織内の前記微小血管内のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度、並びに血中酸素飽和度レベルを決定するステップにより前記信号データを処理する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に生物学的組織の酸素化を無侵襲的に測定する方法に関し、特に、近赤外分光（ＮＩＲＳ）法を用いる無侵襲的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，４５６，８６２号及び米国特許出願第１０／６２８，０６８号は、両方とも本出願の譲受人に譲渡され、両方ともに引用によりここに組み入れられるが、分光測光による血液の酸素化をモニタリングする方法を開示している。血液中の酸素飽和度は、次式で定義される。
【数１】
2008539968.tif 000003
(式1)
これらの方法、及び従来技術において既知の他の方法は、特定の波長における組織内の光減衰を考慮に入れるためにベール・ランバートの法則の変形を用いる。組織試料中のオキシヘモグロビン（ＨｂＯ2）及びデオキシヘモグロビン（Ｈｂ）の相対的濃度、従って酸素化のレベルは、光減衰における変化を用いて測定することができる。
【数２】
2008539968.tif 000004
(式2)
式中、「Ａλ」は特定の波長λにおける組織内の光減衰（単位は光学濃度又はＯＤ）を表し、「Ｉ」は入射光の強度（単位はＷ／ｃｍ2）を表し、「αλ」は発色団の波長依存の吸収係数（単位はＯＤ＊ｃｍ-1＊μＭ-1）を表し、「Ｃ」は発色団の濃度（単位はμＭ）を表し、「ｄ」は光源から検出器（オプトード）までの分離距離（単位はｃｍ）を表し、「Ｂλ」は波長依存の光散乱の差分光路長係数（単位なし）を表す。
【０００３】
組織内の酸素飽和度を正確に無侵襲的に測定するためには、検査する組織の光学特性（例えば、吸収係数又は光学濃度）を考慮する必要がある。幾つかの場合には、バックグラウンドの光吸収及び散乱を生じる組織成分の吸収係数又は光学濃度は、選択された波長範囲にわたって相対的に一定であると仮定することができる。図１に示されるグラフは、吸収係数値を表すＹ軸の値と波長のＸ軸の値に対してプロットされた組織のデータを含むもので、そのような場合を示す。前述の一定値の仮定は、全ての被検体がほぼ同じ組織光学特性、例えば皮膚の色素沈着、筋肉及び骨の密度など、を有する試験母集団においては妥当である。こうした仮定に頼る組織検査法は、選択された波長範囲内において波長に依存せず被検体に依存しないものと記述することができる。しかし、われわれの研究結果によれば、同じ仮定は、広範囲の組織の光学特性（例えば、極めて薄いから極めて濃いまでの有意に異なる皮膚色素沈着の範囲）を有する被検体の母集団においては、組織の広範囲の光学特性に関する考慮が別途なされない限り、適切ではない。
【０００４】
従って、光信号が通過する特定の組織からの光学的影響を考慮に入れた、生物組織内の酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定する方法が必要とされる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の一態様によると、被検体組織内における血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定するための方法及び装置が提供される。一実施形態において、本方法は、１）複数の波長の光を被検体組織内に透過させるように操作可能な近赤外分光測光センサを準備し、２）センサを使用して被検体組織内に透過させた光を検出して被検体組織から検出された光を表す信号データを作成し、３）被検体の物理的特性を考慮にいれて信号データを処理し、そして４）波長の間の減衰差を用いて被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを決定する、ステップを含む。
【０００６】
本装置は、少なくとも１つの光源と少なくとも１つの光検出器を有し、操作可能であるようにプロセッサに接続される、少なくとも１つのセンサを含む。光源は、複数の波長の光を被検体組織内に透過させ、そして被検体組織から検出された光を表す信号データを生成するように操作可能である。アルゴリズムは、検出された特定の被検体の固有の物理的特性を考慮にいれた、センサと共に用いるための較正定数を選択的に作成する。較正定数は、信号データを用いて作成される。
【０００７】
本発明の別の態様によると、ＮＩＲＳセンサを較正するための方法であって、１）センサを使用して被検体組織内に光を透過させ、２）光が被検体を透過した後に、センサを使用して複数の波長において光を検出し、検出された光から信号データを生成し、そして３）信号データを用いてセンサを較正するステップを含む方法が提供される。
【０００８】
本発明の方法及び装置は、有利な正確さをもたらす。既知の全ての従来技術の、被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを測定するための無侵襲的な装置及び方法は、検出される特定の被検体の固有の物理的特性を考慮に入れていない。センサは、仮定された定数を用いて及び／又は検出される被検体以外の源（例えば、疑似試料、経験的データなど）に対して較正される、即ち「被検体に依存しない」方法で較正される。対照的に、本発明の装置及び方法は、初めに被検体組織を検出し、検出に基づいて信号データを作成し、信号データを用いて被検体の固有の物理的特性を考慮に入れることにより、特定の被検体の固有の物理的特性（例えば、組織の色素沈着、筋肉及び骨の密度、並びに質量など）を考慮に入れる。センサは、ここでは「被検体に依存する」方法で較正され、被検体組織の組織血中酸素飽和度レベルを測定するために使用することができる。その結果、センサは検出された組織内における被検体の血中酸素飽和度レベルのより正確な評価を与えることができる。
【０００９】
本発明の方法及び装置の別の利点は、正確な血中酸素飽和度レベルの情報を、広範囲の物理的特性を有する被検体の母集団に対して与え得ることである。物理的特性（例えば、組織の色素沈着、厚さ、及び密度など）は、本来被検体間で異なるので、これらの特性が光減衰、バックグラウンドの散乱及び吸収における差異を生じる。本発明の方法及び装置は、検査される特定の被検体の物理的特性を考慮に入れ、特定の被検体の組織の検出から生成される信号データを用いてセンサを較正する。従って、本発明の方法及び装置は、その被検体に固有の光減衰における差異を考慮に入れ、広範囲の物理的特性を有する被検体の組織血中酸素飽和度レベルを正確に検出することを可能にする。
【００１０】
本発明の方法及び装置のこれら及び他の目的、特徴、及び利点は、以下に与えられる本発明の詳細な説明及び添付の図面を考慮することにより明らかになるであろう。以下に説明される方法及び装置は、基本となる本発明の好ましい実施形態を構成し、従って、本明細書に全体が開示される本発明を考慮することにより当業者に明白となる又はなり得る本発明の全ての態様を構成するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
被検体組織内の血中酸素飽和度レベルを無侵襲的に測定するための本発明の方法及び装置は、光信号を被検体の組織内に透過させ、そして一度組織内を透過した光信号を透過率又は反射率によって検出する機能を有するトランスデューサを含む近赤外分光測光（ＮＩＲＳ）センサを用いるものとして提供される。本発明の方法及び装置は、種々のＮＩＲＳセンサと共に使用することができるので、いかなる特定のＮＩＲＳセンサにも限定されない。
【００１２】
図２−図４を参照すると、条件を満たすＮＩＲＳセンサの実施例は、トランスデューサ部分１０及びプロセッサ部分１２を含む。トランスデューサ部分１０は、アセンブリ・ハウジング１４及びコネクタ・ハウジング１６を含む。アセンブリ・ハウジング１４は、被検体本体に直接的に装着することができるフレキシブルな構造を有し、一つ又はそれ以上の光源１８及び光検出器１９、２０を含む。アセンブリ・ハウジング１４を容易に、かつ被検体の皮膚にしっかり取り付けるために、使い捨ての粘着性包装材料又はパッドを用いることが好ましい。光源からの既知であるが異なる波長の光信号が、プリズム・アセンブリを通して放射される。光源１８は、所定の波長において、狭いスペクトル・バンド幅で光を放射するレーザ・ダイオードであることが好ましい。レーザ・ダイオードは、アセンブリ・ハウジング１４から離して、例えば、コネクタ・ハウジング１６の内部、又はプロセッサ部分１２の内部に取り付けることができる。これらの実施形態においては、光ファイバのライト・ガイドが、レーザ・ダイオードとアセンブリ・ハウジング１４内に配置されたプリズム・アセンブリとに光学的に結合される。他の実施形態においては、光源１８がアセンブリ・ハウジング１４の内部に取り付けられる。第１のコネクタ・ケーブル２６は、アセンブリ・ハウジング１４をコネクタ・ハウジング１６に接続し、第２のコネクタ・ケーブル２８は、コネクタ・ハウジング１６をプロセッサ部分１２に接続する。光検出器１９、２０は、各々１つ又はそれ以上の光ダイオードを含む。光ダイオードはまた、第１及び第２コネクタ・ケーブル２６、２８を介してプロセッサ部分１２に操作可能なように接続される。条件を満たすＮＩＲＳセンサの他の実施例が、２００５年１２月１６日出願の米国特許出願第６０／７５１，００９号、及び２００５年１０月２１日出願の米国特許出願第６０／７２９，３３９号に記述されているが、これらの出願の両方ともに本出願の譲受人に譲渡され、引用によりその全体がここに組み入れられる。
【００１３】
プロセッサ部分１２は、ここに説明された光源１８及び光検出器１９、２０に関連した光強度信号を処理するためのプロセッサを含む。当業者は、プロセッサがここに説明された機能を実行することのできる種々の形態（例えば、デジタル信号プロセッサ、アナログ・デバイスなど）を取ることができることを理解するであろう。プロセッサは、異なる波長の間の減衰差の関数として、減衰の変化を特徴付けるアルゴリズムを用いる。アルゴリズムは、光路長、並びに、組織内の光散乱によるエネルギー損失（「Ｇ」）、生体化合物による他のバックグラウンドの吸収損失（「Ｆ」）、及び測定装置の変動性を含む他の未知の損失（「Ｎ」）を表すパラメータ「Ｅ」（Ｅ＝Ｇ＋Ｆ＋Ｎ）の効果を考慮に入れる。以下に説明されるように、パラメータ「Ｅ」は、較正されたセンサで試験される被検体に固有のものではない（即ち、「被検体に依存しない」）エネルギー損失を反映する。
【００１４】
深部光検出器２０により検出される吸収Ａbλは、深部及び浅部組織の両方による減衰及びエネルギー損失を含むが、一方浅部光検出器１９により検出される吸収Ａxλは、浅部組織による減衰及びエネルギー損失を含む。吸収Ａbλ及びＡxλは、次の式３及び式４の形式で表すことができる。
【数３】
2008539968.tif 000005
(式3)
【数４】
2008539968.tif 000006
(式4)
幾つかの用途（例えば、乳児）においては、単一の光検出器を用いることができ、その場合には、次の式５が用いられる。
【数５】
2008539968.tif 000007
(式5)
深部及び浅部検出器の両方が使用される場合には、式４を式３に代入すると、深部組織だけによる減衰とエネルギー損失を表すＡ′λが得られる。
【数６】
2008539968.tif 000008
(式6)
式５又は式６から、Ｌは、深部組織を通して移動する光子の実効光路長であり、Ａ′1及びＡ′2は２つの異なる波長における光減衰を表し、差分波長光減衰ΔＡ′12を決定する。
【数７】
2008539968.tif 000009
(式7)
式５又は式６を式７のＡ′1及びＡ′2に代入することにより、ΔＡ′12は、次のように表すことができる。
【数８】
2008539968.tif 000010
(式8)
また、式８は、次の展開式に書き換えることができる。
【数９】
2008539968.tif 000011
(式9)
ここで、
（Δαr12＊［Ｈｂ］b＊Ｌb）は、Ｈｂに起因する減衰を表し、
（Δαo12＊［ＨｂＯ2］b＊Ｌb）は、ＨｂＯ2に起因する減衰を表し、ΔＥ′12は、組織内部の光散乱、生体化合物によるバックグラウンドの吸収損失、及び測定装置の変動性を含む他の未知の損失によるエネルギー損失を表す。
【００１５】
式９の多変量形が、３つの異なる波長を用いて［ＨｂＯ2］b及び［Ｈｂ］bを決定するために用いられる。
【数１０】
2008539968.tif 000012
(式10)
配列し直して［ＨｂＯ2］b及び［Ｈｂ］bについて解き、Δαの行列を［Δα′］に簡略化すれば、次式が得られる。
【数１１】
2008539968.tif 000013
(式11)
結合された行列［ΔＡ′］［Δα′］-1＝［Ａc］と［ΔＥ′］［Δα′］-1＝［Ψc］は次のように与えられる。
【数１２】
2008539968.tif 000014
(式12)
パラメータＡHb及びＡHbO2は、行列［ΔＡλ］と［Δα′］-1の積を表し、パラメータΨHb及びΨHbO2は、行列［ΔＥ′λ］と［Δα′］-1の積を表す。脳内組織の血中酸素飽和度（ＳｎＯ2）のレベルを決定するために、式１２を、式１の形を用いて再配列して、次のように表す。
【数１３】
2008539968.tif 000015
(式13)
組織血中酸素飽和度は、ＳｔＯ2、ＳｃｔＯ2、ＣｒＳＯ2又はｒＳＯ2と表示される場合があることに注意されたい。実効光路長Ｌbは、式１２から式１３への操作の過程で相殺される。
【００１６】
ＳｎＯ2に関する値は、初め、例えば次式、
【数１４】
2008539968.tif 000016
(式14),
と、経験的に決定されるＳνＯ2及びＳａＯ2の値を用いて、静脈及び動脈血中酸素飽和度（ＳｍνＯ2）値の加重結合の経験的基準から決定されるが、ここで項「ＳνＯ2」は静脈血中酸素飽和度を表し、項「ＳａＯ2」は動脈血中酸素飽和度を表し、項Ｋν及びＫａは、それぞれ加重された静脈血及び動脈血の寄与率（Ｋν＋Ｋａ＝１）である。ＳνＯ2及びＳａＯ2の経験的に決定された値は、センサによって組織を検出するときに又はほぼ同時に実施される、被検体の血液の離散的サンプリング又は連続的モニタリングにより生成されるデータに基づくものであり、例えば、別々に採取される血液試料は、血液ガス分析により分析することができ、連続的にモニタされる血液試料は、血管内に挿入された光ファイバ・カテーテルを用いて分析することができる。ＮＩＲＳ検出法の一時性及び物理的近接性、並びに経験的データの生成は、正確さを確実にすることに役立つ。式１４におけるＫν及びＫａの初期値は、手近の環境における臨床的に妥当な値とする。ＡHbO2及びＡHbの値は、ＮＩＲＳセンサによって検出される各波長に対するＩbλ及びＩxλの値を用いて数学的に決定される（例えば、深部及び浅部検出器に対しては式３及び式４を用い、単一検出器に対しては式５を用いて）。次に、散乱及び生体化合物からの他のバックグラウンド吸収によるエネルギー損失を考慮にいれた較正パラメータΨHb及びΨHbO2が、式１４と非線形回帰法を用いて、ＳνＯ2及びＳａＯ2の異なる荷重値、即ち、Ｋａ及びＫνの異なる値に対する相関により決定される。Ｋν及びＫａ並びにΨHb及びΨHbO2の統計的に条件を満たす値は、非線形回帰法を用いて収束させられる。経験的な結果によれば、Ｋａ及びＫνを適切に選択すると、較正パラメータΨHb及びΨHbO2は、異なるヒト被検体について脳内酸素化をモニタするために使用される個々のＮＩＲＳセンサにおいて、統計的許容誤差の範囲内で一定となる。
【００１７】
上で特定されたプロセスは、侵襲的手法を用いて特定の被検体に対して較正されたＮＩＲＳセンサ、又は既に較正されたセンサに対して（又は疑似試料に対して）較正されたＮＩＲＳセンサを生成する。これらの較正されたセンサが、その後異なる被検体に使用されるとき、それらは、検査される特定の被検体の固有の物理的特性を考慮に入れていない。以下に説明される本発明の方法及び装置は、ＮＩＲＳセンサを、検出される特定の被検体の固有の物理的特性を考慮に入れた無侵襲的方法で較正することを可能にする。
【００１８】
組織の色素沈着及び厚さ、並びに筋肉及び／又は骨の密度などの、しかしそれらに限定はされない、特定の物理的特性は被検体ごとに変化することになる。本発明の方法及び装置は、被検体組織を検出し、検出から信号データを作成し、信号データを用いて１つ又はそれ以上の、被検体固有の特性を考慮にいれた「被検体専用」の較正定数を作成することによって、これらの被検体依存の物理的特性によるバックグラウンド組織の波長依存の光減衰の差を考慮に入れる。例えば、モニタリングの初期段階において、光は被検体組織内に透過させられ、透過後に検出される。検出された光を表す信号データを分析して被検体の物理的特性を考慮に入れ、固有の物理的特性を示す１つ又はそれ以上の被検体専用の較正定数を作成する。次に、被検体専用の較正定数は、血中酸素飽和度レベル、デオキシヘモグロビンの濃度、オキシヘモグロビンの濃度などの特性を決定するために用いられる。
【００１９】
被検体専用の較正定数は、検出された信号データを用いて組織の光学特性（ＴＯＰ）指標値を作成することによって決定することができる。ＴＯＰ指標値は、組織の色素沈着、厚さ及び密度などの物理的特性に起因する波長依存の光減衰から導かれる。これらの物理的特性はＴＯＰ指標値の決定において集合的に考慮されるが、何故ならこれらの特性が、主として皮膚及び組織における光吸収性色素沈着であるメラニンの存在による近赤外領域から赤色領域への（即ち、約９００ｎｍから約４００ｎｍへの）波長の減少とともに増加する吸収係数を有するからである。例えば、メラニンによる皮膚内の光吸収は、約４００ｎｍから約８５０ｎｍまでの波長域において、μa＝１．７０×１０12（ｎｍ単位の波長）-3.48［ｃｍ-1］の関係によって記述できることが、Ｓ．Ｌ．Ｊａｃｑｕｅｓ他によって報告されている。組織の全体的な光吸収特性がメラニンの光吸収特性に従うようにモデル化される場合には、ＴＯＰ光吸収係数（αTOP）は、組織の検査に用いられる光の特定の波長に対して同じ式を用いて決定することができる（ここで、Ａ＝１．７×１０12、Ｔ＝−３．４８）。
【数１５】
2008539968.tif 000017
(式15)
ＴＯＰ指標値を決定するために、近赤外領域から赤色領域における１つ又はそれ以上の波長（即ち、約９００ｎｍから約６００ｎｍまで、例えば、６９０ｎｍ、７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８５０ｎｍ）が検出される。赤色光が赤外光よりも組織の光学特性により敏感であるため、赤色波長が好ましい。より短波長の光を用いることもできるが、組織及びヘモグロビンのより大きな吸収係数による大きな減衰を受けて、組織の光透過の減少、検出される光信号強度の低下、及びその結果としての不十分な信号対雑音比を生じる。
【００２０】
ＴＯＰ指標値（式１６において「ＴＯＰ」として特定される）を計算するために、４つの波長、３つの未知数の減衰差アルゴリズム（式３−式１０で示される導出に同様に従って）が、式１６に示されるように用いられる。
【数１６】
2008539968.tif 000018
(式16)
或いは、以下に示される式１７が用いることができる。式１７は、上述のエネルギー損失「Ｅ」を考慮に入れている。
【００２１】
【数１７】
2008539968.tif 000019
(式17)
【００２２】
式１６又は式１７から決定することができるＴＯＰ指標値は、被検体組織の光学特性の変動を考慮に入れており、正確な組織血中酸素飽和度ＳｎＯ2を決定するために用いる「補正」因子に変換することができる。幾つかの実施形態においては、ＴＯＰ指標値は、データベースと共に用いて被検体専用の較正定数（例えば、ＺHb及びＺHbO2）を決定することができる。データベースは、複数の被検体に対するオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度に関連する、少なくとも幾つかは経験的に収集されたデータを含む。濃度データは、被検体専用の較正定数の決定が可能となる様な形式に、ＴＯＰ指標値の範囲に関して編成する。データベース内の情報の編成は、種々の異なる方法により達成することができる。
【００２３】
例えば、経験的データベースは、ｘ軸に沿ってプロットされたＴＯＰ指標値に対するｙ軸に沿ってプロットされた被検体専用の較正係数を有するグラフの形式に編成することができる。こうしたグラフの一例を図５に示すが、このグラフは、計算されたデオキシヘモグロビン値（Ｈｂ）と経験的に導かれたデオキシヘモグロビン値との間の差（この差は図５では「Ｈｂ−オフセット２  データ」で表される）を表すデータ３０、及びこのデータ３０の一部分に当てはめられた最適曲線３２を含む。このグラフはまた、計算されたオキシヘモグロビン値（ＨｂＯ2）と経験的に導かれたオキシヘモグロビン値との間の差（この差は図５では「ＨｂＯ2−オフセット２  データ」で表される）を表すデータ３４、及びこのデータ３４の一部分に当てはめられたもう一つの最適曲線３６を含む。図５に示した例において、各曲線に対して、統計的に有意な個数のデータ３０、３４が、傾斜部分３２ａ、３６ａ（即ち、一定の較正定数値を持たない部分）の中に位置する。傾斜部分３２ａ、３６ａの各端部において、曲線３２、３６は、便宜上、一定の較正値３２ｂ、３２ｃ、３６ｂ、３６ｃを有するように描かれている。被検体専用の較正係数ＺHbとＺHbO2の値は、決定されたＴＯＰ指標値においてＴＯＰ指標値軸に対して垂直な直線（例えば、極細線３８を見よ）を引くことによって決定される。デオキシヘモグロビンに対する被検体専用の較正定数（ＺHb）は、垂線と「Ｈｂ−オフセット２」曲線との交点に位置合わせした較正定数軸上の値に等しく、オキシヘモグロビンに対する被検体専用の較正定数（ＺHbO2）は、垂線と「ＨｂＯ2−オフセット２」曲線との交点に位置合わせした較正定数軸上の値に等しい。
【００２４】
代替的に、被検体専用の較正定数値は、グラフ以外の形式の経験的なデータベースを用いて決定することができる。上述のグラフの代わりに、例えば数学的解法を実施することができる。数学的解法には、「Ｈｂ−オフセット２」及び「ＨｂＯ2−オフセット２」曲線を表す一次方程式を用いることができる。
【００２５】
ひとたび被検体専用の較正定数値が決定されると、それらは、式１３の変形
【数１８】
2008539968.tif 000020
(式18)
と共に用いて、脳内血中酸素飽和度レベルが決定される。
【００２６】
被検体専用の較正定数を決定するための上述のプロセスは、被検体を検出する初期段階に、好ましくは、センサが被検体に装着された直後に、１回又はそれ以上の回数実行してこの特定の被検体に対してセンサを較正することができる。続いて、被検体依存の較正定数は、同一の又は異なる信号データを用いる被検体の血中酸素飽和度レベルの測定のためのアルゴリズムと共に用いることができる。被検体依存の較正定数が用いられるアルゴリズムは、定数を決定するために用いられたのと同じアルゴリズム、又は組織の酸素飽和度レベルを決定するための別のアルゴリズムとすることができる。例えば較正定数は、式２−式１４、及び引用によりここに組み入れられる米国特許第６，４５６，８６２号に開示された、上述の３波長法と共に用いることができる。脳内血中酸素飽和度レベルを計算する前に、被検体専用の較正定数Ｚhb及びＺHbO2を、補正因子として３波長アルゴリズムに組み込むことができる（例えば、式１３に組み込む）。その結果、被検体組織の酸素飽和度レベルのより正確な決定が可能となる。図６は、上述のステップをフロー・チャートで示す。
【００２７】
代替的な実施形態においては、上に開示されたＴＯＰ指標法は、被検体に依存しない形式のアルゴリズムに用いることができる。この方法は、上述の被検体依存の方法及び装置の利点の全ては備えていないが、被検体の皮膚色素沈着を特に考慮に入れることによって改善された正確さを与える。例えば、ＴＯＰ吸収係数は、上述のように決定することができ、式１６又は式１７に用いることができる。用いられる式にかかわらず、デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）及びオキシヘモグロビン（ＨｂＯ2）の決定された値は、続いて組織の酸素飽和度レベルを決定するために用いることができる。例えば、Ｈｂ及びＨｂＯ2の値は、式１１から式１３に用いることができる。
【００２８】
本発明の方法及び装置は、脳内組織内の血液酸素化の検出に関して上述されたが、本発明の方法及び装置は、脳内の用途に限定されず、被検体体内の他の部位に見られる組織において、組織の血中酸素飽和度レベルを測定するために使用することができる。本発明が組織の血中酸素飽和度を測定するために使用される場合は、そのパーセンテージは典型的にはＳｔＯ2又はｒＳＯ2の符号で表される。
【００２９】
本発明の開示された実施形態の多くの変更及び変形を、本発明の構想から逸脱することなく実施することができるので、添付の特許請求の範囲によって必要とされる場合以外には本発明を限定することは意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】吸収係数値を表す値のＹ軸及び波長値のＸ軸に対してプロットされた組織のデータを図表で示すグラフである。
【図２】ＮＩＲＳセンサの図による表示である。
【図３】被検体の頭部に設置されたＮＩＲＳセンサの図による表示である。
【図４】ＮＩＲＳセンサの概略図である。
【図５】Ｙ軸に沿ってプロットされた被検体専用の較正係数、Ｘ軸に沿ってプロットされたＴＯＰ指標値、及びそれらの最適曲線と共にプロットされたデオキシヘモグロビン値及びオキシヘモグロビン値を表すデータの図による表示を有するグラフである。
【図６】本発明の１つの態様によるステップを示すフロー・チャートである。
【図１】
2008539968.tif 000021
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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