(57)【要約】  動脈および静脈の血液酸素添加を改善された精度で求めるプロセスおよび装置。組織の光学特性は、１セットの波長で光の減衰差および全減衰を求めることによって測定される。別個の波長を選択し、測定された減衰量を使用することにより、光の散乱、吸収、および組織の他の光学特性などの変数の影響を相殺するか、最小限に抑える。【選択図】図３
2008532680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織の酸素添加量を測定する方法において、
（ａ）規定された波長の関係を有する少なくとも３つの波長ｗ１、ｗ２、ｗ３を有する少なくとも１つの発光器を選択するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの発光器を用いて、前記少なくとも３つの波長で、前記組織を通る光を発するステップであって、前記光が、拍動する血流によって減衰する、ステップと、
（ｃ）前記減衰光を少なくとも１つの検出器で検出するステップと、
（ｄ）ｗ１、ｗ１、ｗ３について、時間に対する減衰差を求めるステップと、
（ｅ）各光減衰量ＬＡｗｊ＝（ｗｊで受けた光の強度）である、少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗ１、ＬＡｗ２およびＬＡｗ３を計算するステップと、
（ｆ）計算演算に応じて前記組織酸素添加量を計算することにより、前記組織の変動する光学特性による誤差を最小限に抑えるステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記波長ｗ２が、前記波長ｗ１と前記波長ｗ３との幾何平均値に対応する、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、モデルベースの計算演算が、
【数１】
2008532680.tif 000013
に対応する少なくとも１つの関数項Ｒｖ’またはＲｒ’に依存する、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、時間に対する減衰差を計算するステップが、
【数２】
2008532680.tif 000014
に対応する、時間に対する減衰差の少なくとも２つの比率を計算することによって達成される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、ＬＡｗｊ（ｊ＝１、２、３）が、少なくとも１対の発光器と１対の検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、光減衰量を加算および減算することによって計算することで、実質的に組織内での減衰を算出する、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、動脈酸素添加量の少なくとも１つの尺度が、検出された拍動性の吸収変動に基づいて生成され、または光減衰量の時間で変動しない部分に基づく組織酸素添加量に対応する尺度に基づいて生成される、方法。
【請求項７】
組織酸素添加量を非侵襲的に測定する装置であって、
（ａ）組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する少なくとも３つの異なる波長を有する少なくとも１つの発光器、および少なくとも１つの光検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊ（ｊ＝１からｉ）を求める手段と、
（ｃ）第１計算手段、第２計算手段および第３計算手段で構成されたグループから選択された組織酸素添加量を表す出力を生成する手段とを備え、
前記第１計算手段が、
【数３】
2008532680.tif 000015
に対応する、前記選択された波長ｗｓｊにおける前記少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊに依存する少なくとも１つの変数Ｒｓの計算に対応し、
前記第２計算手段が、
【数４】
2008532680.tif 000016
に対応する、前記選択された波長ｗｓｊにおける前記少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊに依存する少なくとも１つの変数Ｒｖ’の計算に対応し、
前記第３計算手段が、
【数５】
2008532680.tif 000017
の多次元較正に対応する装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置であって、前記波長ｗｓｊのうちの３つが、約７００ｎｍの波長ｗｓ１、約８０５ｎｍの波長ｗｓ２および約８８０ｎｍの波長ｗｓ３によって規定される、装置。
【請求項９】
請求項７に記載の装置であって、少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを求める前記手段が、
第１発光器内で発せられ、第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
第２発光器内で発せられ、第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第１発光器内で発せられ、前記第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第２発光器内で発せられ、前記第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）の光減衰量を重み付けおよび累計し、そこから重み付けおよび累計された光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を減算することによって、前記波長ｗｓｊでの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊに対応する前記組織のみの光学特性を検出する計算ステップと、
さらなる前記結果的に得られる光減衰量について、前記ステップを繰り返す計算ステップと、
を実行する、装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、固定バンド、センサホルダ、医用接着剤、指グローブおよび指クリップで構成されたグループから選択される手段を使用して、組織に結合される、装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、手首に着用する表示装置に信号を送出する、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記装置が電池駆動式であり、前記センサインタフェースがＬＥＤ発光器およびフォトダイオード検出器を含む、装置。
【請求項１３】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）組織部位に結合されるように適合されたセンサインタフェースを有し、前記センサインタフェースは、前記センサインタフェース上で相互に間隔を置いて配置された少なくとも２つの発光器を備え、前記発光器は、組織内に光を発する少なくとも２つの異なる波長を有し、前記センサインタフェースはさらに、光を検出する少なくとも２つの光検出器を含み、
前記装置はさらに、（ｂ）前記２つの検出器および前記２つの発光器について、選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも２つの信号を計算する手段であって、前記少なくとも２つの信号が、前記少なくとも２つの発光器と前記少なくとも２つの検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、光減衰量を加算または減算することによって計算される手段と、
（ｃ）前記少なくとも２つの信号に基づいて、組織酸素添加量を表す出力を生成する手段とを備える装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって、少なくとも２つの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する前記手段が、
第１発光器内で発せられ、第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
第２発光器内で発せられ、第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第１発光器内で発せられ、前記第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第２発光器内で発せられ、前記第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）の光減衰量を重み付けおよび累計し、そこから重み付けおよび累計された光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を減算することによって、前記波長ｗｓｊでの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊに対応する前記組織のみの光学的構成を計算する計算ステップと、
さらなる結果的に得られる光減衰量について、前記ステップを繰り返す計算ステップと、
を実行する、装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、別の発光器−検出器対と比較して最長の発光器−検出器間距離で隔置された第１発光器−検出器対を備える、装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第１距離が約３ｃｍであり、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第２距離が約４ｃｍであり、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第３距離が２ｃｍ未満である、装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の少なくとも１つの光路を使用して、動脈酸素飽和度を示す追加の出力信号を生成する手段を含む、装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器が約ｗｂ１＝７４０ｎｍおよび約ｗｂ２＝８０５ｎｍの波長で発光する、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、前記発光器の少なくとも１つが、動脈酸素添加量を測定するために使用され、約ｗｂ３＝６６０ｎｍの第３波長で発光する、装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器が、前記組織内に光を発するＬＥＤを含む、装置。
【請求項２１】
請求項１３に記載の装置であって、Ｈｂおよび血液含有量に対する組織酸素添加量の前記出力の依存性を最小限に抑えるために、少なくとも２つの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する前記手段のうち少なくとも１つを使用するさらなる計算手段が含まれる、装置。
【請求項２２】
請求項１３に記載の装置であって、さらに、前記センサインタフェースを組織に向かって固定する構造を備え、前記構造が、前記センサインタフェース上の医用接着剤、固定バンドおよび使い捨てのセンサホルダで構成されたグループから選択される、装置。
【請求項２３】
患者の血液の心拍出量ＣａＯｕｔを測定する装置であって、
前記患者の吸気および呼気を分析することによって、時間当たりの酸素消費量に対応する尺度を求める手段と、
パルスオキシメトリおよび組織の光減衰量ＬＡを非侵襲的に測定する組織オキシメータＳｖＯ２に従って動脈血酸素添加量ＳａＯ２を求める患者インタフェース手段と、
【数６】
2008532680.tif 000018
に対応し、上式でＣが較正係数である前記心拍出量ＣａＯｕｔの計算手段とを備える装置。
【請求項２４】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
少なくとも３つの波長を用いて組織内に光を発する少なくとも１つの発光器、および組織によって散乱された光を受ける少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
少なくとも３つの波長を用いて、前記組織酸素添加量に対する組織の変動する光学特性の影響を補償する手段を備える、前記組織酸素添加量の計算手段と、
前記センサのハードウェア内でセンサ情報を符号化する手段であって、前記センサ情報が、前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償するために使用される、手段とを備え、
それにより前記センサハードウェアの違いによる誤差が最小限に抑えられる装置。
【請求項２５】
組織の酸素添加量を測定する方法であって、
（ａ）少なくとも２つの波長を放射する発光器を用いて組織を通して光を放ち、少なくとも１つの検出器を用いて拍動する血流に関連する光を検出するステップと、
（ｂ）前記検出器と前記発光器との間の少なくとも２つの異なる光路ｄ１、ｄ２、および選択された波長を表すｗ１、ｗ２を用いて、時間に対する減衰差Ｒｄ１、ｗ１、ｗ２、Ｒｄ２、ｗ１、ｗ２を計算するステップと、
（ｃ）少なくとも２つのパラメータ、すなわち前記Ｒｄ１、ｗ１、ｗ２および前記Ｒｄ２、ｗ１、ｗ２の加重平均値に対応する少なくとも１つの平均出力を計算するステップと、
（ｄ）少なくとも部分的に前記平均出力に基づいて組織の酸素添加量を求めるステップとを含む方法。
【請求項２６】
生体における組織内の血液の成分を測定する装置およびセンサであって、発光器と検出器の組合せで光減衰量を求めるセンサが前記装置に接続されており、前記装置は、
（ａ）発光器および少なくとも２つの検出器を有し、前記発光器は少なくとも３つの波長を含み、前記少なくとも３つの波長のピークスペクトルが、前記３つの波長のうちの残りの２つのおよそ幾何平均値であり、
前記装置はさらに、（ｂ）選択された波長を表すｗ１、ｗ２、ｗ３を用いて、時間に対する減衰差Ｒｗ１、ｗ２、Ｒｗ２、ｗ３のうち少なくとも２つの値を計算する手段と、
（ｃ）測定された光減衰量を減算および加算して、信号を生成することによって、較正に対する影響を解消する手段と、
（ｄ）前記信号に応じて、生体内の血液の成分についての結果的に得られる出力信号を生成する手段とを備え、
結果的に得られる出力を生成する前記手段が、前記結果の出力に対する誤差を最小限に抑える装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置であって、前記成分が、カルボキシヘモグロビン、メタヘモグロビン、血中グルコース、Ｈｂ、ＳｖＯ２、ＳａＯ２およびビリルビンで構成されるグループから選択される、装置。
【請求項２８】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）人の組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する、少なくとも３つの異なる波長を有する、少なくとも１つの発光器、および少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する手段と、
（ｃ）バンド、センサホルダ、医用接着剤、指グローブおよび指クリップで構成されたグループから選択される、前記センサインタフェースを組織に結合する手段と、
（ｄ）少なくとも３つの光減衰量を計算する前記手段に応じて、組織の酸素添加量を表す信号を生成する手段と、
（ｅ）信号情報を表示するための、電池駆動式の手首に着用する器具とを備える装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の装置であって、追加的に、心拍数を測定する手段を備える、装置。
【請求項３０】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する、少なくとも３つの異なる波長を有する少なくとも１つの発光器、および散乱された光の強度を検出する少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する手段と、
（ｃ）少なくとも３つの光減衰量を計算する前記手段に応じて、組織の酸素添加量を表す出力信号を生成する手段と、を備え、
それにより、前記少なくとも１つの発光器と前記少なくとも１つの検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、重み付けされた光減衰量を加算および減算することによって、光減衰量ＬＡｗｓｊが計算される装置。
【請求項３１】
請求項１３に記載の装置であって、脳の局所的組織酸素添加量が検出される、装置。
【請求項３２】
請求項１４に記載の装置であって、脳の局所的組織酸素添加量が検出される、装置。
【請求項３３】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
少なくとも２つの波長を用いて組織内に光を発する少なくとも２つの発光器、および組織によって散乱された光を受ける少なくとも２つの検出器を含むセンサインタフェースと、
少なくとも２つの検出器および２つまたはそれ以上の波長で動作する少なくとも２つの発光器を用いて、前記組織酸素添加量の組織の変動する光学特性の影響を補償する手段を追加的に備える、前記組織酸素添加量を計算する手段と、
前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償する前記手段のために、センサハードウェアに関する情報を符号化する手段とを備え、
それにより変動する前記センサハードウェアによる誤差が最小限に抑えられる装置。
【請求項３４】
請求項２６に記載の装置であって、結果的に得られる出力がＳａＯ２である、装置。
【請求項３５】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）組織内に光を発する少なくとも２つの異なる波長を有する少なくとも２つの発光器、および散乱された光の強度を検出する少なくとも２つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）背中、胸部、腕および組織筋肉で構成されたグループから選択される適用部位および組織タイプについて組織酸素添加量を計算する手段とを備える装置。
【請求項３６】
請求項３５に記載の装置であって、少なくとも１つの発光器が第３波長を使用する、装置。
【請求項３７】
請求項３５に記載の装置であって、追加的に、モデルベースのアルゴリズムに従って、前記検出信号を計算する手段を備える、装置。
【請求項３８】
請求項３５に記載の装置であって、前記波長のうち３つが約７００ｎｍ、約８０５ｎｍおよび約８８０ｎｍである、装置。
【請求項３９】
請求項３５に記載の装置であって、新生児に使用するように適合された、装置。
【請求項４０】
請求項３５に記載の装置であって、追加的に、額上に画定された追加的適用部位に対して計算する手段を備え、前記センサインタフェースが、頭部バンドの圧力、吸引、医用接着剤またはセンサホルダによって適用され、動脈酸素添加量、混合静脈酸素添加量および静脈酸素添加量で構成されたグループから選択された信号が、前記センサインタフェースを使用して生成され、それによって前記酸素添加量が、前記検出器によって測定される測定光減衰量を加算および減算することによって計算される、装置。
【請求項４１】
請求項３５に記載の装置であって、追加的に、指上に画定された追加の適用部位上に対して計算する手段を備え、前記センサインタフェースが、指クリップによって適用され、前記指クリップが、指クリップの上側および下側に発光器および検出器を含む、装置。
【請求項４２】
請求項３５に記載の装置であって、追加的に、少なくとも２つの異なる身体部位について、少なくとも１つの測定光減衰量に依存する較正を備える、組織内の酸素添加量を計算する手段を備え、前記少なくとも２つの異なる身体部位のうち少なくとも１つが額、背中、または胸部である、装置。
【請求項４３】
２つの発光器と２つの光検出器とを組み合わせたセンサを含む、組織内の血液成分を測定する装置であって、
（ａ）少なくとも２つの波長を含む光波長の組合せを、少なくとも１つの発光器を用いて発する手段であって、第１出力信号を生成するように、前記少なくとも３つの波長の内１つのピークスペクトルが、前記３つの波長のうち他の２つのおよそ幾何平均値である、手段と、
（ｂ）時間に対する減衰差Ｒｗ１、ｗ２、Ｒｗ２、ｗ３を計算する手段と、
（ｃ）測定光減衰量を減算または加算することに対応する演算によって較正に対する影響を解消することで、光学特性の出力信号を生成する手段と、
（ｄ）前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償するために、前記センサに関する情報を符号化する手段と、
（ｅ）身体の額または背中または胸部または腕で測定された前記平均値に応じて、生体内の前記血液成分のうち少なくとも１つについて、結果的に得られる出力信号を生成する手段と、
（ｆ）前記血液成分に応じて、心拍出量の出力信号を生成する手段とを備え、
前記成分のうち少なくとも１つについて前記結果的に得られる出力信号を生成する前記手段が、前記結果の出力に対する誤差を最小限に抑える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組織内の血液の酸素添加量を光学的に測定する精度を向上させるプロセスおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
血液の動脈酸素添加量を測定する標準的な方法は、パルスオキシメトリとして知られている。
パルスオキシメータは、様々な波長で、酸素添加のレベルに応じて血液による光の減衰が大きく異なることに基づいて機能する。心臓で開始する脈波は、動脈血管系内で組織内の動脈血含有量に周期的変動を引き起こす。その結果、その放射が組織を通過する光送信器とパルスオキシメトリセンサ内に一体化された受光器との間で、光吸収の周期的変化（図１）を記録することができる。センサ信号の評価は通常、ｗ１＝６６０およびｗ２＝９４０ｎｍの光波長で、光吸収の微分変化を計算することによって実施される。以下の方法または同様の方法で得られる測定変数Ｒを生成することが可能である。
【０００３】
【数１】
2008532680.tif 000003
【０００４】
この式で説明される光強度は、パルスオキシメトリで使用されるセンサの受光器が受けた光強度を表す。測定変数Ｒは、酸素飽和の測定値として働く。測定変数を形成するために比率を計算するのは、組織内のヘモグロビン含有量、皮膚の色素沈着または毛で覆われた状態が、動脈血の酸素飽和度の測定に及ぼし得る影響を補償することを意図したものである。最小値と最大値における光減衰量の差は、両波長それぞれについて光の減衰のデルタである。
【０００５】
９４０ｎｍおよび６６０ｎｍの波長の光を使用して７０％から１００％の範囲で組織内の動脈血の酸素飽和度を測定すると、単一の適用部位について十分に正確な測定値が生成されることが最も多い。しかし、動脈血のより低い酸素飽和度を測定するためには、特に潅流（すなわち血液含有量）（J. M. SchmittによるIEEE; Photon Diffusion Analysis of the Effects of Multiple Scattering on Pulse Oximetry（１９９１）参照）および組織の他の光学的パラメータによって引き起こされる測定変数Ｒに対する強い影響を仮定する必要がある。
【０００６】
Rallの米国特許第５，５２９，０６４号は、胎児のパルスオキシメトリセンサについて記述している。この種の用途では、より高い測定精度が望ましい。というのは、胎児が成人よりも生理学的に酸素添加量が低く、ＳａＯ２の測定誤差は低い酸素添加量で上昇するからである。
【０００７】
参照により本明細書に組み込まれるBernreuterの米国特許第６，２２６，５４０号は、パルスオキシメトリの精度を改善する。しかし、動脈酸素添加量について、異なる身体部位上で、同じ高い分解能で測定するためには、組織の光学特性を測定するための追加の精度が必要である。別の問題は、パルスオキシメトリのみでは、重症患者を監視するのに十分な診断情報を提供しないことである（Anesth AnalgのBrian F. KeoghによるWhen Pulse Oximetry Monitoring of the Critically Ill is Not Enough（２００２）参照）。
【０００８】
このために、血液の混合静脈酸素添加量ＳｖＯ２を追加的に測定できることが強く望まれる。ＮＩＲでＳｖＯ２を測定する方法を、Jobsisが米国特許第４，２２３，６８０号で、およびHiranoらが米国特許第５，０５７，６９５号で説明している。これらの開示された解決法の問題は、組織の表面上の毛、汚れまたは他の光学的に不透明な材料が、ＳｖＯ２の測定結果に影響を及ぼし得ることである。
【０００９】
血液酸素添加量の代謝を測定するために、Andersonらは米国特許第５，８７９，２９４号で、使用される光スペクトルの二階微分が酸素添加量に関する情報を与える計器を開示している。それにより、組織内で散乱する光の影響が最小限に抑えられ、その結果、測定精度を高めることができる。この解決法の欠点は、光学計器の較正が複雑で高い費用がかかることであり、そのために軽量の着用可能な装置が重要となるスポーツ活動用途で、このような装置を使用することが非現実的になる。例えばGrattonの米国特許第４，８４０，４８５号で開示された周波数領域の分光測定でも、同様の問題が知られている。本明細書で説明され、単に様々な波長で組織の光減衰量を測定するオキシメトリ装置は、複雑な時間分解方法よりも実際に実用的で融通性があり、信頼性が高い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の幾つかの目的および利点は、
ａ）特定の適用部位で組織内の動脈酸素添加血液を改善された精度で測定する装置を提供すること、
ｂ）異なる適用部位で組織内の動脈酸素添加血液を改善された精度で測定する装置を提供すること、
ｃ）組織内の混合静脈または静脈酸素添加血液を改善された精度で測定する装置を提供すること、
ｄ）酸素内の混合静脈または静脈および動脈酸素添加血液を、１つのセンサだけで改善された精度で測定する装置を提供すること、
ｅ）組織内の混合静脈または静脈酸素添加血液を、複雑な経験的較正なしに改善された精度で測定する装置を提供すること、
ｆ）組織内の混合静脈または静脈酸素添加血液を改善された精度で測定する安価な装置を提供すること、
ｇ）適用部位で組織の酸素抽出を直接測定することができる安価な装置を提供すること、および
ｈ）組織の酸素添加量を測定する安価で着用可能な装置を提供することである。
【００１１】
本発明を有利に使用することができる様々な用途分野がある。例えば、スポーツ活動の用途では、酸素代謝を追跡する軽量小型で安価な装置が重要になる。
その生理的状態に関する連続的でさらに詳細な診断情報は、重症の病人のためになる。
【００１２】
例えば、運動の作用のために意図的でない警報が発生することが多い脚部ではなく、背中で動脈酸素添加量を測定できれば、より良好な看護により新生児の利益になるであろう。パルスオキシメトリの精度が高まると、新生児の換気を改善することができ、動脈酸素添加の高い分解能が必要である胎児のパルスオキシメトリの精度も改善させることができる（例えば米国特許第６，２２６，５４０号参照）。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、装置は発光器と検出器の組合せを使用し、これは、
波長が３つ以上の光波長の組合せを有し、第３波長のピークスペクトルは、第１および第２波長のおよそ幾何平均値であり、さらに、
測定された光の減衰量を減算および加算することによって較正に対する影響を解消する、複数の検出器および発光器と、
測定出力変数の精度を改善するモデルベースの較正計算を有する。
【００１４】
その結果、動脈または静脈または動脈と静脈の組合せの酸素添加量を測定するために、様々な組織特性の較正に対する影響を最小限に抑えることができる。波長の１つを２つの他の波長の幾何平均値として選択することによって、散乱による変動を減少できることが発見されている。光の減衰量を追加的に決定することにより、異なる組織の組成、すなわち筋肉、皮膚、脂肪、骨などの相対量の変動により光吸収が変動することによる測定誤差を減少させることができる。
【００１５】
本明細書では、「静脈」と「混合静脈」は同義であり、「減衰（量）」とは絶対減衰または減衰差を指し、「組織酸素添加（量）」とは、動脈、混合静脈または静脈の酸素添加量またはその組合せを指し、「約、およそ」という句は、波長に関しては±８０ｎｍの帯域の量とすることができ、距離に関しては±２ｃｍの帯域の量とすることができることに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１の図は、動脈血の酸素添加量を測定するためのパルスパルスオキシメトリおよび同等の方法が基づく基本的効果を示す。組織の光吸収を生体内で測定すると、光吸収は心臓の各サイクルと同期して変化する。図は、時間に対する光吸収の変化を示し、これは心収縮期と心拡張期に測定することができる動脈拍動によって引き起こされる。心収縮期および心拡張期中に、動脈血管系の圧力は８０ｍｍＨｇから１２０ｍｍＨｇまで変動する。光吸収の変化をＡＣ信号と呼ぶ。ＤＣ信号、すなわち光吸収の時間で変動しない部分は、動脈血の非拍動部分、静脈血、骨、毛、組織および時間に対する他の一定の吸収成分によって引き起こされる。時間で変動しない信号は、組織の混合静脈酸素添加量の計算の基礎であり、したがって、吸収の主要部分は静脈血によって、副次的部分は動脈血によって引き起こされる。
【００１７】
図２は、ＳａＯ２対Ｒの図の２つの較正曲線を示す。較正線４２は、光学特性の第１の互いに素な集合にのみ有効である。較正線４０は、光学特性の第２の互いに素な集合にのみ有効である。光学特性の有効な集合は、図３および図６に図示された、センサ３１Ｓを有する光学システムによって測定することができ、センサ３１Ｓは、組織４６上に配置され、プラグ６６を介して表示装置６４に接続される。また、図２は、ＳａＯ２＝０．６およびＳａＯ２＝０．４における２本の水平線およびＲ＝１．４における１本の垂直線を示す。光学システムが、光学特性の２つの異なる集合を記録せずに、Ｒのみを測定する場合は、０．２ＳａＯ２の誤差を生じることになる（光学特性の第１集合におけるＳａＯ２−光学特性の第２集合におけるＳａＯ２）。血液の混合静脈飽和度ＳｖＯ２と、混合静脈酸素添加量の測定変数Ｒｖ１およびＲｖ２にも、同様の関係が存在する（図１８）。
【００１８】
図３は、図の上部分に、組織４６に配置されたオキシメトリセンサ３１Ｓを示す。センサ３１Ｓは、２つの発光器３１Ｅ、３２Ｅ、および２つの光検出器３１Ｄ、３２Ｄを含む。矢印Ａ１からＡ４は、発光器からの光が組織を通して検出器へと通過する様子を示す。Ａ１は、発光器３１Ｅ内で発光し、検出器３１Ｄで受けられる光を表す。Ａ２は、発光器３２Ｅ内で発光し、検出器３１Ｄで検出される光である。Ａ３は、３１Ｅ内で発光し、３２Ｄで受けられる光であり、Ａ４は発光器３２Ｅ内で発光し、検出器３２Ｄで検出される光である。
【００１９】
図４は、指４８に固定される指クリップセンサ５４を示す。指クリップセンサは、発光器３１Ｅ、３２Ｅおよび検出器３１Ｄ、３２Ｄを組み込んでいる。指クリップセンサの電気センサ信号は、センサケーブル６０を介して伝送される。信号はまた、当技術分野でよく知られている手段（図示せず）によって無線伝送できることが好都合である。
【００２０】
図５は、ＳａＯ２対Ｒ１およびＲ２の多次元較正を示す。Ｒ１とＲ２の特定の組合せは、較正面上の飽和レベルＳａＯ２を示すデータポイントに対応する。図１８では、混合静脈血液飽和度ＳｖＯ２と混合静脈酸素添加量の２つの関連する測定変数Ｒｖ１およびＲｖ２にも、同様の関係が存在する。
【００２１】
図７および図８は、発光器３１Ｅ、３２Ｅ、３３Ｅおよび３４Ｅのセット、および検出器３１Ｄ、３２Ｄ、３３Ｄおよび３４Ｄのセットを有する胎児用頭皮センサ７４を、それぞれ側面図および底面図で示す。センサは、分娩中に螺旋針７６を介して胎児の頭皮に固定することができる。また、針７６を介して胎児の心電図（ＥＣＧ）を伝送することができる。
【００２２】
図９は、図３のセンサ３１Ｓの底面図である。検出器３５Ｄおよび３６Ｄは、発光器３１Ｅおよび３２Ｅによって発せられた光を最大限に受けるために、同心形状を有する。
図１０から図１２は、センサ３１Ｓの幾つかの変更を示す。図１０は、平坦な本体を有するセンサを側面図で示し、ここでは検出器３１Ｄ、３２Ｄおよび発光器３２Ｄが相互に近接してグループ化され、発光器３２Ｅはこのグループから離れて位置決めされる。センサは、バンド１０８を介して組織に固定することができる。遮光体１１０が周囲光の影響を最小限に抑える。
【００２３】
図１１は、センサホルダ１２２があるセンサを示し、図１２は、図１１のセンサの底面図である。センサホルダ１２２の底側は、医用接着剤または接着剤で覆うことができる。センサホルダ１２２を図１１によるセンサ３１Ｓに配置し、組織４６に当てると、センサホルダ１２２上の接着剤によって固定が可能になる。センサホルダ１２２は、安価な、使い捨てのものとして構築することができる。あるいは、組織に当てられるセンサの底側は、接着剤で直接覆うことができる。これの欠点は、センサを再使用できないことである。心拍数は、皮膚と接触しているＥＣＧ電極１２３を介して検出される。
【００２４】
図１３および図１４は、人の額に当てるセンサ３２Ｓの２つの変形形態を示す。図１３に示す第１変形形態では、バンド１０８を介してセンサ３２Ｓを額に固定する。光が発光器３１Ｅ、３２Ｅから検出器３１および３２Ｄへと進行する様子を表す矢印Ａ３２およびＡ４２は、額の組織１５２および頭蓋骨１５０を通過し、脳１４８を通過するか、脳１４８に接触する。矢印Ａ１２およびＡ２２は、額の組織１５２および頭蓋骨１５０を通過するだけである。
【００２５】
同様に額に当てる第２変形形態のセンサ３２Ｓが、図１４に図示されている。矢印Ａ１１、Ａ２１、Ａ３１およびＡ４１は、図１３の矢印Ａ１２、Ａ２２、Ａ３２およびＡ４２と比較して、光検出器および発光器の位置の変動によって、使用するセンサ変形形態の輪郭を変更せずに、酸素含有量を様々に感知できることを示す。
【００２６】
図１５は、寝台に横たわり、挿管チューブ２１０および麻酔機械２０４によって酸素を供給されている患者を示す。麻酔機械２０４は患者に接続され、患者の酸素消費量または二酸化炭素生成を測定する本発明の装置を有する。センサ３２Ｓが患者の額に配置され、ＳａＯ２およびＳｖＯ２および酸素抽出を計算する酸素抽出監視装置２０６に接続される。監視装置２０６および麻酔機械２０４は、第３装置２０２に連結され、これは心拍出量または心拍出量の傾向を計算する。
【００２７】
図１６は、スポーツ活動用に様々な適用部位で酸素監視を使用することを示し、ここでは手首に着用する表示装置２２０が額バンドセンサ２１４、胸部バンドセンサ２２４、腕バンドセンサ２１８または指手袋センサ２２２から酸素添加データを受信することができる。
【００２８】
図１７は、２つの発光器３１Ｅおよび３２Ｅと、２つの検出器３１Ｄおよび３２Ｄとを使用して酸素添加量を評価するハードウェアを示す。ＬＥＤドライブ２２６が、符号化ハードウェアを組み込んだ配線２３８、２４８を介して２つの発光器に通電し、多次元較正のために較正を調節でき、あるいは発光器と検出器の幾何形状を変更するために較正を調節することができる。増幅器ＡＭＰ１・２３２およびＡＭＰ２・２３４は検出器３１Ｄおよび３２Ｄに接続される。デマルチプレクサＤＥＭＵＸ３２０は、ＬＥＤ−ＤＲＩＶＥ２２６の切り換え状態に従って同期してタイミングが計られて、それぞれの発光器で使用される各波長を選択し、ＡＤ変換器ＡＤ−ＣＯＮＶ２３６を介してＣＰＵ２２８に測定データを送出する。
【００２９】
図１９は、モデルベースの較正の信号の流れを示す。入力処理回路２６０が、信号の流れの第１部分である。処理回路は、光の減衰量を計算する回路２６２および様々な測定変数を計算する回路２６４に接続される。光の減衰量の計算２６２は、混合静脈酸素添加量のモデルベースの決定回路２６６の基礎であり、決定回路２６６は、混合静脈酸素添加量ＳｖＯ２の値を出力する接合回路２７０を有する。静脈酸素添加量のモデルベースの決定回路２６８は、光の減衰量を計算する回路２６２、および様々な測定変数２６４を計算する回路２６４に接続される。ＳａＯ２の静脈酸素添加回路２７２の出力値は、ＳａＯ２のモデルベースの計算２６８にリンクされる。
【００３０】
２つではなく３つの波長を使用して静脈酸素添加量を測定することにより、拡散理論の助けで以下の近似を導出することができる。この演算の結果は下式になる。
【００３１】
【数２】
2008532680.tif 000004
【００３２】
ここで、Ｒｗ２、ｗ１およびＲｗ１、ｗ０は、波長ｗ０、ｗ１、およびｗ２を使用して式（１）に従って計算され、Ｑは補正パラメータである。
光の減衰量ＬＡｗｘは、以下の方法または同様の方法で計算することができる。
【００３３】
【数３】
2008532680.tif 000005
【００３４】
ＬＡｗｘは、発光された光強度Ｉｘｗｏと波長ｗｘで組織を通過して受けた光の光強度Ｉｗｘとの比の対数に対応する。添字ｗｘに続く指数は、選択された波長を示す。Graaffらは、組織内の散乱が、指数関数に従って高い方の波長を減少させることを示した（R. GraaffによるApplied OpticsのReduced Light-Scattering Properties for Mixtures of Spherical Particles: A Simple Approximation Derived from Mie Calculations（１９９２）参照）。ＬＡｗｘは、発光された光強度Ｉｗｘｏと波長ｗｘで組織を通過して受けた光の光強度Ｉｗｘとの比の対数に対応する。添字ｗｘに続く指数は、選択された波長を示す。
【００３５】
Graaffらは、組織内の散乱が、指数関数に従って高い方の波長を減少させることを示した（R. GraaffによるApplied OpticsのReduced Light-Scattering Properties for Mixtures of Spherical Particles: A Simple Approximation Derived from Mie Calculations（１９９２）参照）。吸収の変動もまた、他の尺度または近似、例えばＡＣ／ＤＣの比から得ることができる。振幅は、波高値、ＲＭＳ、平均、または相互相関係数などの任意の尺度でよい。これは、カルマンフィルタリングなどの他の技術、または信号の時間微分の尺度から導出することもできる。また、様々な波長における吸収の比率を使用する計算が図示されているが、代替計算を使用して、同じ結果またはほぼ同じ結果を出すことができる。例えば、比率を計算せずに、吸収を直接使用することができる。
【００３６】
散乱の影響を低下させるための波長組合せの好ましい選択は、波長ｗ１を波長ｗ０と波長ｗ２の幾何平均値として、下式によって規定される。
【００３７】
【数４】
2008532680.tif 000006
【００３８】
この組合せは、補正パラメータＱの変動バンドを最小限に抑え、それは約１というデフォルト値を有する。式（２）の測定変数Ｒ’は、散乱および組織の血液含有量の変動に関連して最小限に抑えた誤差を有する。
【実施例１】
【００３９】
図３に示すセンサ３１Ｓは、組織の動脈酸素添加量および混合静脈血酸素添加量を改善された精度で求めるために使用される。式（２）を使用して、動脈酸素添加量の測定変数Ｒ’を提供する。発光器３１Ｅおよび３２Ｅのそれぞれで、３つの波長が規定される。最初に、２つの測定波長ｗ０＝９４０ｎｍおよびｗ２＝６６０ｎｍを選択する。式（４）を使用すると、第３波長ｗ１は約７８８ｎｍである。波長ｗ１＝８０５ｎｍが選択される。というのは、計算された第３波長に近く、追加的に血液吸収スペクトルの等吸収点にあるからである。次のステップは、３つの波長ｗ０、ｗ１およびｗ３のそれぞれについて、結果となる光の減衰量ＬＡを求めることである。
【００４０】
【数５】
2008532680.tif 000007
【００４１】
ここでＬＡ（Ａｘｗｙ）は、波長ｗｙの光の矢印Ａｘに関連する検出器内での受光強度の対数である。光の矢印Ａｘの添字ｘは、選択された光の矢印の番号を表し、ｙは選択された波長の添字である。光強度の対数ではなく、（５）〜（７）では光強度自体を使用することができ、「＋」が「×」で置き換えられ、「−」が「／」で置き換えられる。
【００４２】
次のステップでは、式（１）に従ってＲｗ２、Ｗ１およびＲｗ１、ｗ０を計算する。その結果、式（２）を使用して、ＱをＲｗ２、ｗ１またはＲｗ１、ｗ０に依存可能な補正係数として使用し、Ｒ’を求めることができる。Ｒ’に依存する測定動脈酸素添加量は、散乱、血液含有量、または組織内の他の光吸収性成分の影響が最小になる。
【００４３】
（２）の一部である（８）の式は、測定変数Ｒｖ’を与える。
【００４４】
【数６】
2008532680.tif 000008
【００４５】
Ｒｖ’は、散乱の影響が低下した組織の光学吸収の尺度である。したがって、これは混合静脈酸素添加量ＳｖＯ２の信号として使用することができる。
（２）の数学的に同一の形態は下式の通りである。
【００４６】
【数７】
2008532680.tif 000009
【００４７】
（９）によれば、下式を使用して、ＳａＯ２の測定変数Ｒ１’を求めることもできる。
【００４８】
【数８】
2008532680.tif 000010
【００４９】
ここで、ｆは変数が上記のように規定された、組織の光学パラメータの経験的関数である。
血液の全飽和範囲について、変数ＬＡｗ１、ＬＡｗ２、ＬＡｗ３、Ｒｗ１、ｗ２およびＲｗ２、ｗ３で、組織の吸収および散乱が測定変数に対して及ぼす影響を低減させる経験的較正は、複雑である。追加的に、異なる適用部位では、これらのパラメータに基づく純粋な経験的較正は、恐らく不可能である。提案されているモデルベースの方法は、較正の複雑さを低減する。ＳａＯ２は、Ｒ’にのみ依存する改善された精度で求めることができる。
【００５０】
この方法を、カルボキシヘモグロビン、メトヘモグロビン、ビリルビンまたは血液中に溶解されたグルコースのような血液の他の光吸収成分に使用することも可能である。カルボキシヘモグロビンおよびメトヘモグロビンに、６００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の光波長を使用することができる。グルコースは、血液中に溶解されて１１００ｎｍに、ビリルビンはこれより低い３００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲に、吸収のピークを示す。全ての追加的成分について、追加の波長を選択しなければならない。すなわち、ＳａＯ２およびメトヘモグロビンを１回で測定するには、４つの波長を選択し、式（９）による２つの異なる測定変数Ｒ’１およびＲ’２を規定しなければならない。したがって、その結果生じるＳａＯ２の出力はＲ’１に、メトヘモグロビンはＲ’２に依存する。
【００５１】
その結果、センサ３１Ｓは、動脈および混合静脈酸素添加量、および他の血液成分を１回で、組織の散乱および吸収による測定誤差に対する影響が低減された状態で測定することができる。
【実施例２】
【００５２】
図４には、２つの発光器３１Ｅ、３２Ｅおよび２つの検出器３１Ｄおよび３２Ｄを有する指クリップセンサ５４が図示されている。指クリップセンサの利点は、適用が容易なことである。図３のセンサ３１Ｓと等しく、２つの発光器と２つの検出器との間に４本の代表的な光路が可能であり、したがって指４８の混合静脈および動脈酸素添加量の尺度として出力変数Ｒ’およびＲｖ’を計算するために、実施例１による全ての計算を実行することができる。図９のセンサを使用して、対応する計算を実行することもできる。ここでの違いは検出器３５Ｄおよび３６Ｄの代替形態であり、これは拡大された同心の検出器面積により、検出光強度を増大させることができる。
【実施例３】
【００５３】
図５は、ＳａＯ２対Ｒ１およびＲ２の多次元計算を示す。Ｒ１およびＲ２は、２つの波長対を選択することによって、（１）に従って計算することができ、ここで第１波長対には、波長ｗｍ１＝６６０ｎｍおよびｗｍ２＝９１０ｎｍを選択し、第２波長対にはｗｍ３＝８１０ｎｍおよびｗｍ２＝９１０ｎｍを選択する。第２波長対は動脈酸素添加に対して感度が低く、組織の光学的パラメータの変動による誤差を補償するために使用される。変動する組織のパラメータが存在する場合に、多次元較正が、改善された精度を提供することを保証するために、別個の波長セットおよび別個の検出器−発光器間距離について指定された対応する較正を正確に選択することが重要である。したがって、選択されたセンサに対して追加の情報を符号化しなければならない。組織オキシメータ装置は、この情報を読み出して、適切な較正を使用することができる。情報の符号化は、例えばセンサのＬＥＤドライブ線内で実現された抵抗器によって達成することができる（例えば図１７の２４８、２３８参照）。
【００５４】
多次元較正の変形形態（図５）は、式（２）に従ってＲ１を計算し、式（８）に従ってＲ２を計算することによって達成することができる。これは、組織の光吸収の変動による動脈酸素添加量ＳａＯ２の表示誤差を最小限に抑える。
【実施例４】
【００５５】
図７には、胎児用パルスオキシメトリセンサ７４が図示され、これは螺旋針７６で胎児の頭部の皮膚を穿孔する。図８の底面図は、４つの発光器３１Ｅ、３２Ｅ、３３Ｅ、３４Ｅおよび４つの検出器３１Ｄ、３２Ｄ、３３Ｄ、３４Ｄを有するセンサ７４を示す。おそらくは、発光器と検出器との間には、選択された波長毎に５つ以上の異なる光路が可能である。この追加情報を使用して、結果的に得られる光減衰量Ｌａｘのセット全体を計算する。様々な光路について、測定変数Ｒｘのセットを計算することも可能である。変数ＬＡｘおよびＲｘの加重平均値（重みは、関連する測定信号のノイズによって決まる可能性がある）ＬＡｍおよびＲｍを生成すると、組織の不均質による誤差を低減するのに役立つ。局所的に変動する組織の組成による影響を受けない組織の光学パラメータについて安定した尺度を達成するために、誤差を最小限に抑えて、モデルベースのパラメータの入力を正確に求めることが重要である。
【実施例５】
【００５６】
患者の額の右側に位置決めされる脳オキシメータが、図１３に図示されている。脳の断面図は、１つの波長を代表して４本の光路が組織を通して発光器３１Ｅ、３２Ｅから検出器３１Ｄおよび３２Ｄへと進行する様子を示している。結果的に得られる光減衰量ＬＡは、波長毎にＡ３２およびＡ２２の光減衰量を加算し、そこからＡ４２およびＡ１２に関連する光減衰量を減算することによって達成することができる。したがって、結果的に得られる光減衰量ＬＡは、発光器または検出器上の汚れ、またはこれらの部品の劣化に依存しない。これは重要な特徴である。というのは、これらのセンサが再使用できるからである。脳オキシメータの図１３に示すセンサの２つの発光器３１Ｅおよび３２Ｅ毎に、３つの波長を選択する。すなわちｗｂ１＝６６０ｎｍ、ｗｂ２＝７４０ｎｍおよびｗｂ３＝８１０ｎｍである。
【００５７】
結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｂ２とＬＡｗｂ３との比率Ｒｖｂを、混合静脈酸素添加量の尺度として使用する。波長ｗｂ３＝８１０ｎｍでの結果的に得られる光減衰量を使用して、ＳｖＯ２対ＲｖｂおよびＬＡｗｂ３の多次元較正で、Ｒｖｂの組織内の血液含有量の依存度を解消させることができる。
【００５８】
発光器３２Ｅと検出器３１Ｄの間の好ましい発光器−検出器間距離は、２ｃｍより大きい。発光器−検出器間距離の距離が長いほど、脳への透過深さが深い。最小のセンサ輪郭で最大の透過深さを達成するために、発光器と検出器との距離は、全ての発光器と検出器の間の最大距離でなければならない。図１４は、センサ内で２つの検出器が最大距離を有し、検出器と発光器の要素がセンサの中心に対して対称にグループ化される実施例を示す。結果的に得られるＡ３１、Ａ２１の光の最大透過深さは、ここでは図１３に示したセンサのＡ３２の光の最大透過深さより短い。というのは、発光器と検出器との最大距離も、センサの輪郭が全体的に同じである場合、図１３のセンサと比較して小さくなる。したがって、発光器と検出器とを非対称に位置決めすることは、組織の深い層の酸素添加量測定を達成するために最善の選択肢である。
【００５９】
図１２は、発光器３１Ｅと検出器３１Ｄと３２Ｄが三角形状に位置決めされた脳オキシメトリセンサの底面図を示す。波長ｗｂ１＝６６０ｎｍおよびｗｂ３＝８１０ｎｍを使用する発光器３１Ｅと３１Ｄの間、および３１Ｅと３２Ｄの間の光路は、式（１）に従って計算される測定変数Ｒｐ１およびＲｐ２を評価するように決定される。Ｒｐ１およびＲｐ２の平均値を、静脈酸素添加量ＳａＯ２の出力値として使用する。あるいは、図１２ａに示すように、検出器３１Ｄおよび３２Ｄが位置する場所に、発光器３１Ｅおよび３２Ｅを位置決めすることができ、検出器３１Ｄおよび３２Ｄを、図１２の発光器３１Ｅおよび３２Ｅの位置に配置する。
【実施例６】
【００６０】
実施例５を参照すると、組織の動脈および混合静脈酸素添加量を測定可能な脳オキシメトリセンサについて説明してきた。これらの２つのパラメータは、組織の酸素抽出の計算に使用することができる。したがって、尺度は動脈酸素添加と混合静脈酸素添加では異なることがある。酸素抽出は、組織にいかに良好に酸素を供給するかを反映し、追加的に心拍出量または心拍出量ＣａＯｕｔの傾向を非侵襲的に計算するために使用することができる。図１５は、挿管チューブ２１０を介して空気を供給されている患者を示す。酸素消費量またはＣＯ２生成は、麻酔機械２０４内で測定される。脳オキシメトリセンサ３２Ｓは、ＳａＯ２およびＳｖＯ２表示装置２０６に接続される。装置２０４および装置２０６の情報は、下式または同様の方法で心拍出量モニタ２０２内で評価される。
【００６１】
【数９】
2008532680.tif 000011
【実施例７】
【００６２】
身体の一部の組織の酸素添加に関する知識は、スポーツ活動の監視のために非常に重要である。上脚または上腕の筋肉の酸素添加量は、様々なスポーツ活動でトレーニングレベルを反映する可能性がある。図１６は、有線または無線で、手首に着用する表示装置２２０に接続された様々なセンサを着用している運動競技者を示す。スポーツ活動センサは、上述した図１２の脳センサと同じ形態を有することができる。しかし、所望の組織監視深さに応じて、発光器−検出器間距離は変動する。混合静脈酸素添加を監視するために好ましい波長は、ｗｓ１＝７００ｎｍ、ｗｓ２＝８０５ｎｍおよびｗｓ３＝８７０ｎｍである。結果的に得られる光減衰量ＬＡを、波長毎に計算する。すなわち選択した波長の指数としてのｗｓ１、ｗｓ２およびｗｓ３でＬＷｗｓ１、ＬＡｗｓ２およびＬＡｗｓ３を計算する。混合静脈酸素添加量Ｒｖｓの測定変数は、下式または同様の方法で得られる。
【００６３】
【数１０】
2008532680.tif 000012
【００６４】
この方法で混合静脈酸素添加量を測定するために、組織の光散乱および吸収の影響を低下させることができる。
ＳｖＯ２対ＲｖｓおよびＲｖの多次元較正に依存する混合静脈酸素添加量の出力値を生成することによって、よりよい測定精度をさらに改善することができる。
【００６５】
以上の説明は多くの特殊性を含むが、これは本発明の範囲を制限するものではなく、単に本発明の現在好ましい実施形態の幾つかを例示するものとして理解すべきである。例えば、発光器の形状は長方形とすることができ、発光器はＬＥＤとすることができ、検出器はフォトダイオードを含んでもよい。脳センサの形状は円形でもよく、組織の動脈および混合静脈酸素添加量を計算するために提案された方法は、異なる組合せで組み合わせることができる。信号は、動作または他の望ましくない発生源によって引き起こされるノイズの影響を低減するために、カルマンフィルタによって処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】血液による光吸収の経時変化を示すグラフである。
【図２】様々な組織の光学的特性について、測定変数Ｒに対する動脈酸素飽和度の依存度を示すグラフである。
【図３】本発明による反射率オキシメトリセンサを示す略断面図である。
【図４】本発明による指クリップセンサを示す略断面図である。
【図５】ＳａＯ２に対する２つの測定変数Ｒ１、Ｒ１について、酸素添加の多次元較正の図である。
【図６】使用時の酸素測定システムの略図である。
【図７】本発明による胎児用頭皮センサの側面図である。
【図８】図７のセンサの底面図である。
【図９】図３のセンサの底面図である。
【図１０】図３のセンサの変形形態の側断面図である。
【図１１】図３のセンサの別の変形形態の側断面図である。
【図１２】図１１のセンサの底面図である。
【図１３】額に固定された反射率センサの側断面図である。
【図１４】額に固定された反射率センサの側断面図である。
【図１５】心拍出量を測定するシステムを示す図である。
【図１６】身体の様々な部位に、手首に着用する表示装置およびセンサの用途がある人を示す図である。
【図１７】本発明による酸素測定システムのハードウェア処理ユニットの略図である。
【図１８】ＳｖＯ２に対する２つの測定変数Ｒｖ１、Ｒｖ２について、酸素添加の多次元較正の図である。
【図１９】血中酸素をモデルベースで測定する信号処理の流れを示す流れ図である。
【図１】
2008532680.tif 000019
【図２】
2008532680.tif 000020
【図３】
2008532680.tif 000021
【図４】
2008532680.tif 000022
【図５】
2008532680.tif 000023
【図６】
2008532680.tif 000024
【図７】
2008532680.tif 000025
【図８】
2008532680.tif 000026
【図９】
2008532680.tif 000027
【図１０】
2008532680.tif 000028
【図１１】
2008532680.tif 000029
【図１２】
2008532680.tif 000030
【図１２ａ】
2008532680.tif 000031
【図１３】
2008532680.tif 000032
【図１４】
2008532680.tif 000033
【図１５】
2008532680.tif 000034
【図１６】
2008532680.tif 000035
【図１７】
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【図１８】
2008532680.tif 000037
【図１９】
2008532680.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月18日(2008.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織の酸素添加量を測定する方法において、
（ａ）規定された波長の関係を有する少なくとも３つの波長ｗ１、ｗ２、ｗ３を有する少なくとも１つの発光器を選択するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの発光器を用いて、前記少なくとも３つの波長で、前記組織を通る光を発するステップであって、前記光が、拍動する血流によって減衰する、ステップと、
（ｃ）前記減衰光を少なくとも１つの検出器で検出するステップと、
（ｄ）ｗ１、ｗ１、ｗ３について、時間に対する減衰量を求めるステップと、
（ｅ）各光減衰量ＬＡｗｊ＝（ｗｊで受けた光の強度）である、少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗ１、ＬＡｗ２およびＬＡｗ３を計算するステップと、
（ｆ）ｗ１、ｗ２およびｗ３を用いた計算演算に応じて前記組織酸素添加量を計算することにより、前記組織の変動する光学特性による誤差を最小限に抑えるステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記波長ｗ２が、前記波長ｗ１と前記波長ｗ３との幾何平均値に対応する、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、モデルベースの計算演算が、
【数１】
2008532680.tif 000039
に対応する少なくとも１つの関数項Ｒｖ’またはＲｒ’に依存する、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、時間に対する減衰差を計算するステップが、
【数２】
2008532680.tif 000040
に対応する、時間に対する減衰差の少なくとも２つの比率を計算することによって達成される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、ＬＡｗｊ（ｊ＝１、２、３）が、少なくとも１対の発光器と１対の検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、光減衰量を加算および減算することによって計算することで、実質的に組織内での減衰を算出する、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、動脈酸素添加量の少なくとも１つの尺度が、検出された拍動性の吸収変動に基づいて生成され、または光減衰量の時間で変動しない部分に基づく組織酸素添加量に対応する尺度に基づいて生成される、方法。
【請求項７】
組織酸素添加量を非侵襲的に測定する装置であって、
（ａ）組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する少なくとも３つの異なる波長を有する少なくとも１つの発光器、および少なくとも１つの光検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊ（ｊ＝１からｉ）を求める手段と、
（ｃ）第１計算手段、第２計算手段および第３計算手段で構成されたグループから選択された組織酸素添加量を表す出力を生成する手段とを備え、
前記第１計算手段が、
【数３】
2008532680.tif 000041
に対応する、前記選択された波長ｗｓｊにおける前記少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊに依存する少なくとも１つの変数Ｒｓの計算に対応し、
前記第２計算手段が、
【数４】
2008532680.tif 000042
に対応する、前記選択された波長ｗｓｊにおける前記少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊに依存する少なくとも１つの変数Ｒｖ’の計算に対応し、
前記第３計算手段が、
【数５】
2008532680.tif 000043
の多次元較正に対応する装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置であって、前記波長ｗｓｊのうちの３つが、約７００ｎｍの波長ｗｓ１、約８０５ｎｍの波長ｗｓ２および約８８０ｎｍの波長ｗｓ３によって規定される、装置。
【請求項９】
請求項７に記載の装置であって、少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを求める前記手段が、
第１発光器内で発せられ、第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
第２発光器内で発せられ、第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第１発光器内で発せられ、前記第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第２発光器内で発せられ、前記第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）の光減衰量を重み付けおよび累計し、そこから重み付けおよび累計された光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を減算することによって、前記波長ｗｓｊでの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊに対応する前記組織のみの光学特性を検出する計算ステップと、
さらなる前記結果的に得られる光減衰量について、前記ステップを繰り返す計算ステップと、
を実行する、装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、固定バンド、センサホルダ、医用接着剤、指グローブおよび指クリップで構成されたグループから選択される手段を使用して、組織に結合される、装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、手首に着用する表示装置に信号を送出する、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記装置が電池駆動式であり、前記センサインタフェースがＬＥＤ発光器およびフォトダイオード検出器を含む、装置。
【請求項１３】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）額における組織部位に結合されるように適合されたセンサインタフェースを有し、前記センサインタフェースは、前記センサインタフェース上で相互に間隔を置いて配置された少なくとも２つの発光器を備え、前記発光器は、組織内に光を発する少なくとも２つの異なる波長を有し、前記センサインタフェースはさらに、光を検出する少なくとも２つの光検出器を含み、前記少なくとも２つの発光器および前記少なくとも２つの検出器は、２つまたはそれ以上の発光器と検出器との対を形成し、前記２つまたはそれ以上の発光器と検出器との対は、前記発光器と前記検出器との間に少なくとも２ｃｍの間隔を有し、
前記装置はさらに、（ｂ）前記２つの検出器および前記２つの発光器について、選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも２つの信号を計算する手段であって、前記少なくとも２つの信号が、前記少なくとも２つの発光器と前記少なくとも２つの検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、光減衰量を加算または減算することによって計算される手段と、
（ｃ）前記少なくとも２つの信号に基づいて、組織酸素添加量を表す出力を生成する手段とを備える装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって、少なくとも２つの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する前記手段が、
第１発光器内で発せられ、第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
第２発光器内で発せられ、第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第１発光器内で発せられ、前記第２検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
前記第２発光器内で発せられ、前記第１検出器で受けた光の光減衰量ＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）を計算する計算ステップと、
ＬＡ（Ａ２、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ３、ｗｓｊ）の光減衰量を重み付けおよび累計し、そこから重み付けおよび累計された光減衰量ＬＡ（Ａ１、ｗｓｊ）およびＬＡ（Ａ４、ｗｓｊ）を減算することによって、前記波長ｗｓｊでの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊに対応する前記組織のみの光学的構成を計算する計算ステップと、
さらなる結果的に得られる光減衰量について、前記ステップを繰り返す計算ステップと、
を実行する、装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置であって、前記センサインタフェースが、別の発光器−検出器対と比較して最長の発光器−検出器間距離で隔置された第１発光器−検出器対を備える、装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第１距離が約３ｃｍであり、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第２距離が約４ｃｍであり、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の第３距離が２ｃｍ未満である、装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器の１つと前記検出器の１つとの間の少なくとも１つの光路を使用して、動脈酸素飽和度を示す追加の出力信号を生成する手段を含む、装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器が約ｗｂ１＝７４０ｎｍおよび約ｗｂ２＝８０５ｎｍの波長で発光する、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、前記発光器の少なくとも１つが、動脈酸素添加量を測定するために使用され、約ｗｂ３＝６６０ｎｍの第３波長で発光する、装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の装置であって、前記発光器が、前記組織内に光を発するＬＥＤを含む、装置。
【請求項２１】
請求項１３に記載の装置であって、Ｈｂおよび血液含有量に対する組織酸素添加量の前記出力の依存性を最小限に抑えるために、少なくとも２つの結果的に得られる光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する前記手段のうち少なくとも１つを使用するさらなる計算手段が含まれる、装置。
【請求項２２】
請求項１３に記載の装置であって、さらに、前記センサインタフェースを組織に向かって固定する構造を備え、前記構造が、前記センサインタフェース上の医用接着剤、固定バンドおよび使い捨てのセンサホルダで構成されたグループから選択される、装置。
【請求項２３】
患者の血液の心拍出量ＣａＯｕｔを測定する装置であって、
前記患者の吸気および呼気を分析することによって、時間当たりの酸素消費量に対応する尺度を求める手段と、
パルスオキシメトリおよび組織の光減衰量ＬＡを非侵襲的に測定する組織オキシメータＳｖＯ２に従って動脈血酸素添加量ＳａＯ２を求める患者インタフェース手段と、
前記心拍出量ＣａＯｕｔの計算手段とを備える装置。
【請求項２４】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
少なくとも３つの波長を用いて組織内に光を発する少なくとも１つの発光器、および組織によって散乱された光を受ける少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
少なくとも３つの波長を用いて、前記組織酸素添加量に対する組織の変動する光学特性の影響を補償する手段を備える、前記組織酸素添加量の計算手段と、
前記センサのハードウェア内でセンサ情報を符号化する手段であって、前記センサ情報が、前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償するために使用される、手段とを備え、
それにより前記センサハードウェアの違いによる誤差が最小限に抑えられる装置。
【請求項２５】
組織の酸素添加量を測定する方法であって、
（ａ）少なくとも２つの波長を放射する発光器を用いて組織を通して光を放ち、少なくとも１つの検出器を用いて拍動する血流に関連する光を検出するステップと、
（ｂ）前記検出器と前記発光器との間の少なくとも２つの異なる光路ｄ１、ｄ２、および選択された波長を表すｗ１、ｗ２を用いて、時間に対する減衰差Ｒｄ１、ｗ１、ｗ２、Ｒｄ２、ｗ１、ｗ２を計算するステップと、
（ｃ）少なくとも２つのパラメータ、すなわち前記Ｒｄ１、ｗ１、ｗ２および前記Ｒｄ２、ｗ１、ｗ２の加重平均値に対応する少なくとも１つの出力を計算するステップと、
（ｄ）少なくとも部分的に前記平均出力に基づいて組織の酸素添加量を求めるステップとを含む方法。
【請求項２６】
生体における組織内の血液の成分を測定する装置およびセンサであって、発光器と検出器の組合せで光減衰量を求めるセンサが前記装置に接続されており、前記装置は、
（ａ）発光器および少なくとも２つの検出器を有し、前記発光器は少なくとも３つの波長を含み、前記少なくとも３つの波長のピークスペクトルが、前記３つの波長のうちの残りの２つのおよそ幾何平均値であり、
前記装置はさらに、（ｂ）選択された波長を表すｗ１、ｗ２、ｗ３を用いて、時間に対する減衰量Ｒｗ１、ｗ２、Ｒｗ２、ｗ３のうち少なくとも２つの値を計算する手段と、
（ｃ）測定された光減衰量を減算および加算して、信号を生成することによって、較正に対する影響を解消する手段と、
（ｄ）前記信号に応じて、生体内の血液の成分についての結果的に得られる出力信号を生成する手段とを備え、
結果的に得られる出力を生成する前記手段が、前記結果の出力に対する誤差を最小限に抑える装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置であって、前記成分が、カルボキシヘモグロビン、メタヘモグロビン、血中グルコース、Ｈｂ、ＳｖＯ２、ＳａＯ２およびビリルビンで構成されるグループから選択される、装置。
【請求項２８】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）人の組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する、少なくとも３つの異なる波長を有する、少なくとも１つの発光器、および少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する手段と、
（ｃ）バンド、センサホルダ、医用接着剤、指グローブおよび指クリップで構成されたグループから選択される、前記センサインタフェースを組織に結合する手段と、
（ｄ）少なくとも３つの光減衰量を計算する前記手段に応じて、組織の酸素添加量を表す信号を生成する手段と、
（ｅ）信号情報を表示するための、電池駆動式の手首に着用する器具とを備える装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の装置であって、追加的に、心拍数を測定する手段を備える、装置。
【請求項３０】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）組織部位に結合されるように適合され、組織内に光を発する、少なくとも３つの異なる波長を有する少なくとも１つの発光器、および散乱された光の強度を検出する少なくとも１つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）選択された波長ｗｓｊで検出された光に依存する少なくとも３つの光減衰量ＬＡｗｓｊを計算する手段と、
（ｃ）少なくとも３つの光減衰量を計算する前記手段に応じて、組織の酸素添加量を表す出力信号を生成する手段と、を備え、
それにより、前記少なくとも１つの発光器と前記少なくとも１つの検出器との間の少なくとも２つの可能な光路について、重み付けされた光減衰量を加算および減算することによって、光減衰量ＬＡｗｓｊが計算される装置。
【請求項３１】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
少なくとも２つの波長を用いて組織内に光を発する少なくとも２つの発光器、および組織によって散乱された光を受ける少なくとも２つの検出器を含むセンサインタフェースと、
少なくとも２つの検出器および２つまたはそれ以上の波長で動作する少なくとも２つの発光器を用いて、前記組織酸素添加量の組織の変動する光学特性の影響を補償する手段を追加的に備える、前記組織酸素添加量を計算する手段と、
前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償する前記手段のために、センサハードウェアに関する情報を符号化する手段とを備え、
それにより変動する前記センサハードウェアによる誤差が最小限に抑えられる装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の装置であって、結果的に得られる出力がＳａＯ２である、装置。
【請求項３３】
組織の酸素添加量を測定する装置であって、
（ａ）組織内に光を発する少なくとも２つの異なる波長を有する少なくとも２つの発光器、および散乱された光の強度を検出する少なくとも２つの検出器を含むセンサインタフェースと、
（ｂ）背中、胸部、腕および組織筋肉で構成されたグループから選択される適用部位および組織タイプについて組織酸素添加量を計算する手段とを備える装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の装置であって、少なくとも１つの発光器が第３波長を使用する、装置。
【請求項３５】
請求項３３に記載の装置であって、追加的に、モデルベースのアルゴリズムに従って、前記検出信号を計算する手段を備える、装置。
【請求項３６】
請求項３３に記載の装置であって、前記波長のうち３つが約７００ｎｍ、約８０５ｎｍおよび約８８０ｎｍである、装置。
【請求項３７】
２つの発光器と２つの光検出器とを組み合わせたセンサを含む、組織内の血液成分を測定する装置であって、
（ａ）少なくとも２つの波長を含む光波長の組合せを、少なくとも１つの発光器を用いて発する手段であって、第１出力信号を生成するように、前記少なくとも３つの波長の内１つのピークスペクトルが、前記３つの波長のうち他の２つのおよそ幾何平均値である、手段と、
（ｂ）時間に対する減衰差Ｒｗ１、ｗ２、Ｒｗ２、ｗ３を計算する手段と、
（ｃ）測定光減衰量を減算または加算することに対応する演算によって較正に対する影響を解消することで、光学特性の出力信号を生成する手段と、
（ｄ）前記センサインタフェースに関連する、組織の変動する光学特性の影響を補償するために、前記センサに関する情報を符号化する手段と、
（ｅ）身体の額または背中または胸部または腕で測定された前記平均値に応じて、生体内の前記血液成分のうち少なくとも１つについて、結果的に得られる出力信号を生成する手段と、
（ｆ）前記血液成分に応じて、心拍出量の出力信号を生成する手段とを備え、
前記成分のうち少なくとも１つについて前記結果的に得られる出力信号を生成する前記手段が、前記結果の出力に対する誤差を最小限に抑える装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の装置であって、ＣａＯｕｔが、
【数６】
2008532680.tif 000044
によって表される式を用いて計算され、Ｃが較正因子である、装置。
【請求項３９】
請求項３８に記載の装置であって、前記出力が、少なくとも２つのパラメータの荷重平均値に対応する平均出力である、装置。
【国際調査報告】
2008532680.tif 000045
2008532680.tif 000046
2008532680.tif 000047
2008532680.tif 000048
2008532680.tif 000049