(57)【要約】  本発明は、被験体１４から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置、システム、及び方法に関する。この装置は、被験体の皮膚領域から反射された検出電磁放射に由来する検出データのデータストリームを受信する入力インターフェース３０であり、検出電磁放射が、偏光放射検出器の偏光角が変化する間に偏光放射検出器によって検出される、入力インターフェース３０と、前記検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するＰＰＧ抽出ユニット３２と、偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定する信号品質決定ユニット３４と、決定された品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに、前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する選択ユニット３６と、ＰＰＧ信号から、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を導出するプロセッサ３８と、を備える。
2017532151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置であって、前記装置は、
被験体の皮膚領域から反射された前記検出電磁放射に由来する検出データのデータストリームを受信する入力インターフェースであって、偏光放射検出器の偏光角が変化する間、前記検出電磁放射が偏光放射検出器により検出される、入力インターフェースと、
前記検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するＰＰＧ抽出ユニットと、
前記偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定する信号品質決定ユニットと、
決定された前記品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに、前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する選択ユニットと、
前記ＰＰＧ信号から、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を導出するプロセッサと、
を備えた、装置。
【請求項２】
前記ＰＰＧ抽出ユニットは、被験体の２つ以上の異なる皮膚領域から反射された前記検出電磁放射に由来する検出データから、２つ以上のＰＰＧ信号を抽出し、前記信号品質決定ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれから前記品質尺度を決定し、前記選択ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれについて計算された前記品質尺度から最適な品質尺度値を別々に選択するとともに、各ＰＰＧ信号について前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で各皮膚領域からの放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ＰＰＧ抽出ユニット、前記信号品質決定ユニット、及び前記選択ユニットは、それぞれの機能を定期的、連続的、又は随時的に実行して、偏光角設定を定期的、連続的、又は随時的に調整する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ＰＰＧ抽出ユニットは、前記検出データの様々な周波数成分から２つ以上のＰＰＧ信号を抽出し、前記信号品質決定ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれから品質尺度を決定し、前記選択ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれについて決定された前記品質尺度から最適な品質尺度値を別々に選択するとともに、各ＰＰＧ信号について前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で各周波数範囲での放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記信号品質決定ユニットは、前記偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から、前記品質尺度として脈動性、信号対雑音比、及び／又は形状情報を決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記信号品質決定ユニットは、前記偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から、前記品質尺度として脈動性を決定し、前記選択ユニットが、決定された脈動値から最大脈動値を選択するとともに、前記最大脈動値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記入力インターフェースは、電磁放射の検出中に、前記偏光放射検出器の偏光角の設定を示す偏光角情報を受信するか、又は、前記信号品質決定ユニットは、前記検出電磁放射から偏光角情報を決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するシステムであって、
請求項１に記載の装置と、
被験体の皮膚領域から反射された電磁放射を検出するとともに、検出した電磁放射から検出データを導出する偏光放射検出器であって、電磁放射の検出中に偏光角を、最適な角度値を見つけるために異なる角度値に変更するか、又は、前記装置から受信された偏光制御情報に応じて最適な角度値に変更する、偏光放射検出器と、
を備えた、システム。
【請求項９】
前記偏光放射検出器は、偏光角を機械的又は電気的に変更できる機械的又は電気的に制御可能な偏光子を備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記偏光放射検出器は、電磁放射を受ける検出器入力の前に配置され、且つ、偏光子の回転によって偏光角を変更できる回転可能な偏光子を備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記偏光放射検出器は、電磁放射を受ける検出器入力の前に配置され、且つ、偏光角を電気的に制御できる光学構造を備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記偏光放射検出器と被験体の同じ皮膚領域から反射された電磁放射を検出するとともに、検出した電磁放射から付加的な検出データを導出する付加的な撮像ユニットの非偏光放射検出器をさらに備え、前記装置が、決定された前記品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに前記偏光制御情報を生成するのに用いられる基準データとして前記付加的な検出データを使用する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記非偏光放射検出器は、被験体の皮膚部分に取り付けられてフォトプレチスモグラフィ信号を取得するプレチスモグラフィセンサ及び／又は基準データとして用いられるフォトプレチスモグラフィ信号を導出可能な被験体の経時的な一連の画像フレームを取得する撮像ユニットを備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するための方法であって、前記方法は、
被験体の皮膚領域から反射された検出電磁放射に由来する検出データのデータストリームを受信するステップであって、前記偏光放射検出器の偏光角が変化する間、前記検出電磁放射が偏光放射検出器により検出される、前記受信するステップと、
前記検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するステップと、
前記偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定するステップと、
計算された前記品質尺度から最適な品質尺度値を選択するステップと、
前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成するステップと、
前記ＰＰＧ信号から、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を導出するステップと、
を有する、方法。
【請求項１５】
コンピュータプログラムがコンピュータ上で実施された場合、請求項１４に記載の方法のステップをコンピュータに実施させるコンピュータプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間又は動物等の被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）、又は動脈血酸素飽和度等の人間のバイタルサインは、人間の現在の状態に関する指標及び深刻な医療事象の強力な予測因子として機能する。このため、バイタルサインは、入院及び外来医療環境、家庭、又は別の保健、娯楽、及びフィットネス環境において広くモニタリングされている。
【０００３】
バイタルサインを測定する１つの手法がプレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは一般的に、器官又は身体部位の容積変化の測定を表し、具体的には、心拍ごとに被験体の身体を通って進行する心血管パルス波による容積変化の検出を表す。
【０００４】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心領域又は容積の光反射率又は透過率の時間的変化を評価する光学的測定技術である。ＰＰＧは、血液の光吸収が周囲の組織よりも多く、心拍ごとの血液量の変動に対応して、透過率又は反射率に影響を及ぼすという原理に基づく。心拍数に関する情報の他、ＰＰＧ波形には、呼吸等の別の生理学的現象に起因する情報を含み得る。様々な波長（通常、赤及び赤外）での透過率及び／又は反射率を評価することによって、血液酸素飽和度を決定することができる。
【０００５】
被験体の心拍数及び（動脈）血液酸素飽和度（ＳｐＯ２とも称する）を測定する従来のパルスオキシメータ（本明細書においては、接触ＰＰＧ装置とも称する）は、例えば指先、耳たぶ、又は額等、被験体の皮膚に取り付けられる。したがって、これらは、「接触」ＰＰＧ装置と称する。通常のパルスオキシメータは、光源としての赤色ＬＥＤ及び赤外ＬＥＤと、患者の組織を透過した光を検出する１つのフォトダイオードとを備える。市販のパルスオキシメータは、赤色及び赤外波長での測定間で急速に切り替わることにより、２つの異なる波長で同じ組織領域又は容積の透過率を測定する。これは、時分割多重と称する。各波長での経時的な透過率は、赤色及び赤外波長のＰＰＧ波形を与える。接触ＰＰＧは、基本的に非侵襲的な技術と見なされるが、接触ＰＰＧ測定は、不快で影響が大きい経験となる場合が多い。パルスオキシメータが被験体に直接取り付けられ、ケーブルによって移動の自由が制限されるとともに、作業が妨げられる可能性があるためである。
【０００６】
近年、非影響的測定に用いる非接触の遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）装置（本明細書においては、カメラｒＰＰＧ装置とも称する）が導入されている。遠隔ＰＰＧは、関心被験体から遠隔に配設された光源、一般的には放射源を利用する。同様に、関心被験体から遠隔には、例えばカメラ又は光検出器等の検出器も配設可能である。したがって、遠隔フォトプレチスモグラフィシステム及び装置は、非影響的と考えられ、日常的な医療用途の他、非医療用途に適している。ただし、遠隔ＰＰＧ装置は通常、信号対雑音比が低い。
【０００７】
Ｖｅｒｋｒｕｙｓｓｅ他の「Ｒｅｍｏｔｅ  ｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ａｍｂｉｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１６（２６）、２２  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００８、ｐｐ．２１４３４−２１４４５では、赤色、緑色、及び青色チャネルを使用して、環境光及び従来の消費者レベルのビデオカメラを用いることにより、フォトプレチスモグラフィ信号を遠隔測定可能であることを実証している。
【０００８】
Ｗｉｅｒｉｎｇａ他の「Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ：Ａ  Ｆｉｒｓｔ  Ｓｔｅｐ  Ｔｏｗａｒｄ  ”ＳｐＯ２  Ｃａｍｅｒａ”  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ａｎｎ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．３３、１０３４−１０４１（２００５）は、様々な波長でのプレチスモグラフィ信号の測定に基づく組織の動脈酸素飽和度の非接触撮像のための遠隔ＰＰＧシステムを開示している。このシステムは、白黒ＣＭＯＳカメラと、３つの異なる波長のＬＥＤを有する光源とを備える。カメラは、３つの異なる波長にて、被験体の３つの映像を順次取得する。単一の波長での映像から脈拍数を決定可能である一方、酸素飽和度の決定には、異なる波長での少なくとも２つの映像が必要である。測定は、一度に波長を１つだけ使用して、暗室で行われる。
【０００９】
ＰＰＧ技術を用いることにより、脈動する血液量がもたらす皮膚のわずかな光吸収変化すなわち血液量脈動が引き起こす人間の皮膚の周期的な色変化によって明らかとなるバイタルサインを測定可能である。この信号は非常に小さく、照明変化及び動作に起因するはるかに大きな変動の中に隠れてしまうため、一般的には、根本的に低い信号対雑音比（ＳＮＲ）の改善に関心が寄せられている。さらには、激しい動作、厳しい環境照明条件、又は用途に求められる高い精度等の過酷な状況が存在しており、特に、より重大な健康管理用途の場合は、バイタルサイン測定装置及び方法の堅牢性及び精度の向上が必要である。
【００１０】
正反射率の存在下でのカメラに基づくバイタルサインの測定は、多くの誤差を生じる可能性があるため、正反射率を含まない測定には、上記領域のみを使用するのが望ましい。理想的には、交差偏光が完全な専用の照明及びカメラを用いることによって、正反射率の悪影響を抑えることができる。この手法を適用したフォトプレチスモグラフィ装置がＵＳ２０１４／２４３６２２Ａ１に開示されている。このような理想的なシステムでは、他の（非偏光）光源が存在しないものと仮定している。ただし、実際のところは、制御されていない何らかの環境照明が常に存在するため、交差偏光が完全な照明光源を１つだけ提供するのはほぼ不可能である。
【００１１】
ＵＳ２００７／２６３２２６Ａ１は、光源ビーム成形光学素子及び偏光光学素子を備えた照明光学系を有し、組織の医学的状態を調べる組織撮像システムを開示している。光ビームスプリッタは、空間光変調器アレイを含む撮像サブシステムに照明光を指向させる。対物レンズは、空間光変調器アレイから組織へと照明光を結像する。光検出システムは、空間光変調器を光検出器アレイに結像する。一実施形態の交差偏光子においては、特に、照明光の経路中の駆動予備偏光子及び検出光の経路中の偏光アナライザが用いられるが、これらは、その消光軸が組織に対する様々な位置へと回転するように一体的に回転する。これらは、制御装置によって同じ角度だけ回転することにより、交差を維持して、正反射光及び名目上は最初の偏光状態を維持しつつ組織から再び現れる光がともに、交差偏光アナライザによって取り除かれる一方、組織内の複屈折構造によって偏光がある程度回転した状態で組織から再び現れる光が、偏光アナライザを透過した光の一部を有し得るようにする。このように、偏光の影響を受ける光学素子によって、組織の複屈折構造を撮像可能である。
【００１２】
ＵＳ２０１３／３０７９５０Ａ１は、光源、偏光子、アナライザ、及び複数の画素を有するカメラを具備し得るシステムを用いて組織表面の形態をプロービングする方法を開示している。この方法では、偏光子を通った入射光により組織表面を照射する。カメラは、アナライザを介して、組織表面からの散乱光を連続した一連の画像フレームとして捕捉可能である。偏光状態の変動は、偏光子の変更による光源からの入射光又はアナライザの変更による組織表面からの散乱光の少なくとも一方に起因すると考えられる。捕捉中、カメラの画素では、変動する偏光状態に応じて、散乱光の変動する強度信号が検出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出することにより、測定における正反射の悪影響を最小化或いは完全に抑制する装置、システム、及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様においては、被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置であって、
被験体の皮膚領域から反射された検出電磁放射に由来する検出データのデータストリームを受信する入力インターフェースであり、偏光放射検出器の偏光角が電磁放射の検出中に変化する間、検出電磁放射が偏光放射検出器により検出され、入力インターフェースと、
前記検出データからフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するＰＰＧ抽出ユニットと、
偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定する信号品質決定ユニットと、
決定された品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに、前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成する選択ユニットと、
ＰＰＧ信号から、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を導出するプロセッサと、
を備えた、装置が提示される。
【００１５】
本発明の別の態様においては、被験体から反射された検出電磁放射から、被験体の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出するシステムであって、
本明細書に開示の装置と、
被験体の皮膚領域から反射された電磁放射を検出するとともに、検出した電磁放射から検出データを導出する偏光放射検出器であり、電磁放射の検出中に偏光角を、最適な角度値を見つけるために異なる角度値に変更するか、又は、前記装置から受信された偏光制御情報に応じて最適な角度値に変更する、偏光放射検出器と、
を備えた、システムが提示される。
【００１６】
本発明のさらに別の態様においては、対応する方法、コンピュータ上で実行された場合に、本明細書に開示の方法のステップをコンピュータに実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムの他、プロセッサにより実行された場合に、本明細書に開示の方法を実行させるコンピュータプログラム製品を格納した持続性コンピュータ可読記録媒体が提供される。
【００１７】
本発明の好適な実施形態は、従属請求項に規定される。特許請求の範囲に係る方法、システム、コンピュータプログラム、及び媒体は、特許請求の範囲に係る装置及び従属請求項の規定と類似及び／又は同一の好適な実施形態を有することが了解されるものとする。
【００１８】
本発明は、例えば偏光子を具備するカメラ又は偏光子が設けられたカメラ等の偏光放射検出器の偏光角の調整の自動化によって、正反射率の影響を最小限に抑え、環境光の存在下での交差偏光の効果を改善し、ひいては専用の支配的な交差偏光照明の必要性を低減又は完全に克服することができるという着想に基づく。
【００１９】
上述の通り、ＰＰＧ測定は、接触センサにおける実現とほぼ同様に、カメラ等の検出器の使用すなわち被験体の皮膚から反射した光の測定によって実行可能である。この光は、脈動する動脈により変調されるが、この変調振幅には、血液飽和レベルの情報を含む。この変調は、例えば後で取得される画像フレームの画像シーケンス等の検出データ（例えば、ビデオカメラにより取得されるビデオデータ）に見られる。振幅は、脈動性の単位で測定され、画像データの関心領域の空間画素平均により演算される。
【００２０】
脈動性は、皮膚に入り込んだ光の部分にのみ生じ、拡散反射する。検出器に到達する正反射光は、皮膚の表面から反射した光であるため、動脈血脈動性に起因する如何なる光変調も含まない。これにより、観測される脈動性が低下する。ただし、信号対雑音比（ＳＮＲ）又は形状情報等、脈動性以外の品質尺度においても、正反射の影響が観測される。
【００２１】
この影響は、偏光放射検出器の偏光角を自動的に調整して、品質尺度を最適化（例えば、最大化）することにより測定ＰＰＧ信号の使用する品質尺度の最適な品質尺度値を見つけることによって、制御されていない環境照明からの正反射の影響を抑えることにより、本発明に従って利用される。このため、「最適」は、抽出信号の品質（ＰＰＧ信号の品質の他、ＰＰＧ信号の導関数として計算された最終抽出バイタル信号（例えば、ＳｐＯ２）の品質であってもよい）に関して了解されるものとし、これが最高であるものとする。
【００２２】
一般的に、電磁放射（特に、光）の生物組織との相互作用は複雑であり、（複数の）散乱、後方散乱、吸収、透過、及び（拡散）反射といった（光学的）プロセスを含む。本発明の背景で使用する用語「反射」は、正反射に限定されるものと解釈されるべきではなく、上述したような電磁放射（特に、光）の組織との相互作用及びこれらの任意の組み合わせを含む。
【００２３】
本発明の背景で使用する用語「バイタルサイン」は、被験体（すなわち、生物）の生物学的パラメータ及び派生パラメータを表す。特に、用語「バイタルサイン」には、血液量脈動信号、心拍数（ＨＲ）（脈拍数と称する場合もある）、心拍数変動性（脈拍数変動性）、脈動性強度、かん流、かん流指標、かん流変動性、Ｔｒａｕｂｅ−Ｈｅｒｉｎｇ−Ｍａｙｅｒ波、呼吸数（ＲＲ）、皮膚温度、血圧、（動脈）血液酸素飽和度又は血糖値等の血液及び／又は組織中の物質濃度を含む。さらに、「バイタルサイン」には一般的に、ＰＰＧ信号の形状から得られる健康の指標を含む（例えば、形状は、部分的な動脈閉塞に関する何か（例えば、手のＰＰＧ信号から得られる形状は、腕に血圧バンドを付けた場合、より正弦波状となる）、皮膚の厚さに関する何か（例えば、顔からのＰＰＧ信号は、手からの信号と異なる）、或いは温度に関する何か等を示す場合がある）。
【００２４】
本発明の背景で使用する用語「生理学的情報」には、上記規定の１つ又は複数の測定バイタルサインを含む。さらには、生理学的パラメータを表すデータ、対応する波形トレース、又は後続の解析に役立ち得る時間の生理学的パラメータを表すデータを含む。
【００２５】
被験体の生理学的情報信号を取得するには、皮膚エリア内の皮膚画素エリアのデータ信号を評価する。ここで、「皮膚画素エリア」は、１つの皮膚画素又は隣接する皮膚画素群を含むエリアを意味する。すなわち、データ信号は、単一の画素又は皮膚画素群について導出されるようになっていてもよい。
【００２６】
提案装置の好適な一実施形態において、前記ＰＰＧ抽出ユニットは、被験体の２つ以上の異なる皮膚領域から反射された検出電磁放射に由来する検出データから、２つ以上のＰＰＧ信号を抽出するように構成されており、前記信号品質決定ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれから品質尺度を決定するように構成されており、前記選択ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれについて決定された品質尺度から最適な品質尺度値を別々に選択するとともに、各ＰＰＧ信号について前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で各皮膚領域からの放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成するように構成されている。最適な偏光角は、異なる関心領域すなわち異なる皮膚エリアごとに異なっていてもよいことが分かっている。このため、各皮膚エリアに最適な偏光角を別々に決定して、各皮膚エリアからの放射の検出に使用するのが好都合である。
【００２７】
提案装置の別の実施形態において、前記ＰＰＧ抽出ユニット、前記信号品質決定ユニット、及び前記選択ユニットは、それぞれの機能を定期的、連続的、又は随時的に実行して、偏光角設定を定期的、連続的、又は随時的に調整するように構成されている。環境光の状態並びに／又は被験体の位置及び配向が随時的に変化することから、偏光角の設定を少なくとも随時的に更新して、経時的な測定の品質及び精度を維持するのが好ましい。
【００２８】
提案装置のさらに別の一実施形態において、前記ＰＰＧ抽出ユニットは、前記検出データの様々な周波数成分から２つ以上のＰＰＧ信号を抽出するように構成されており、前記信号品質決定ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれから品質尺度を決定するように構成されており、前記選択ユニットは、前記２つ以上のＰＰＧ信号それぞれについて決定された品質尺度から最適な品質尺度値を別々に選択するとともに、各ＰＰＧ信号について前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で各周波数範囲での放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成するように構成されている。様々な周波数成分としては、例えば緑色、赤色、及び青色光、又は赤色及び赤外光成分等の様々な色成分が可能である。各周波数成分それぞれについて、偏光角の異なる設定をこのように用いて放射を検出するようにしてもよい。周波数成分が異なる場合、正反射が及ぼす影響も異なり得るためである。これにより、得られる生理学的情報の測定結果及び品質がさらに最適化される。
【００２９】
これは、（例えば、各色チャネルに）画像センサ等の別個の検出ユニットを備えるカメラ等の放射検出器を用いて実現可能である。検出ユニット（画像センサ）それぞれの前の偏光子は、別個に調整されるようになっていてもよい。別の実施形態においては、単一の検出ユニット（画像センサ）が用いられるようになっていてもよく、これにより、時間順次処理を用いることによって、様々な周波数範囲の放射を後で検出することができる。
【００３０】
品質尺度として使用可能な信号又は情報は、様々に存在する。好適な一実施形態において、前記信号品質決定ユニットは、偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から、品質尺度として脈動性、信号対雑音比、及び／又は形状情報を決定するように構成されている。ＳＮＲ値は、（環境光、正反射、動作等による）ノイズに対する抽出ＰＰＧ信号の強度の指標を与える。最大ＳＮＲ値は、ＰＰＧ信号の最大脈動性及びノイズの最小レベルに対応することになる。形状情報に含まれる脈動信号の形状は、周波数スペクトルの「清浄度」に対応する。正反射率によって引き起こされるノイズは、余計な周波数を導くため、ＰＰＧ信号の形状を崩してしまうことになる。
【００３１】
好適な一実施形態においては、脈動性が品質尺度として用いられる。したがって、前記信号品質決定ユニットは、偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から、品質尺度として脈動性を決定し、前記選択ユニットが、決定された脈動値から最大脈動値を選択するとともに、前記最大脈動値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報を生成するように構成されている。
【００３２】
偏光放射検出器の偏光角を変更する種々実施形態が存在する。例えば、一実施形態において、検出器は、偏光角を機械的又は電気的に変更できる機械的又は電気的に制御可能な偏光子を備えていてもよい。別の実施形態において、検出器は、電磁放射を受ける検出器入力の前に配置され、偏光子の回転によって偏光角を変更できる回転可能な偏光子を備えていてもよい。さらに、一実施形態において、検出器は、電磁放射を受ける検出器入力の前に配置され、偏光角を電気的に制御できる光学構造を備えていてもよい。
【００３３】
別の実施形態において、前記入力インターフェースは、電磁放射の検出中に、偏光放射検出器の偏光角の設定を示す偏光角情報を受信するように構成されている。或いは、信号品質決定ユニットは、検出電磁放射から偏光角情報を決定するように構成されている。このように、現在の偏光角に関する情報を装置に与えるのに利用できる様々な選択肢が存在する。
【００３４】
提案システムは、偏光放射検出器として、被験体の同じ皮膚領域から反射された電磁放射を検出するとともに、検出した電磁放射から付加的な検出データを導出する付加的な撮像ユニット（例えば、第２のカメラ）等の非偏光放射検出器をさらに備え、前記装置が、決定された品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに前記偏光制御情報を生成するのに用いられる基準データとして前記付加的な検出データを使用するように構成されているのが好ましい。この基準データは、例えば基準ＰＰＧ信号を抽出して（元の）ＰＰＧ信号との比較に用いられるようになっていてもよい。これは、偏光角を最適化する最適な品質尺度値を見つけるプロセスを高速化可能であり、例えば、最適な偏光角を見つけるのに必要な反復の数を低減可能である。
【００３５】
さらに別の実施形態において、前記非偏光放射検出器は、被験体の皮膚部分に取り付けられてフォトプレチスモグラフィ信号を取得するプレチスモグラフィセンサ及び／又は基準データとして用いられるフォトプレチスモグラフィ信号を導出可能な被験体の経時的な一連の画像フレームを取得する撮像ユニットを備える。
【００３６】
本発明の上記及び他の態様については、以下に説明する実施形態から明らかになるとともに、これらの実施形態を参照して明確化されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るシステムの第１の実施形態の模式図である。
【図２】本発明に係る装置の模式図である。
【図３】脈動性の演算を示した図である。
【図４】正反射率が脈動性に及ぼす影響を示した図である。
【図５】本発明に係るシステムの第２の実施形態の模式図である。
【図６】本発明に係る方法の一実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、被験体１４から反射された検出電磁放射から、被験体１４の少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報を抽出する装置１２を含む、本発明に係るシステム１０の模式図である。被験体１４（この例においては、患者）は、例えば病院等の医療機関のベッド１６に横たわっているが、例えば、保育器に横たわる新生児又は早産児であってもよいし、家庭又は養護施設等の別の環境における人間であってもよい。
【００３９】
偏光放射検出器１８は、被験体１４の皮膚領域２４（関心領域（ＲＯＩ）とも称する）から反射された電磁放射を検出するとともに、検出電磁放射から検出データを導出するためのものである。偏光放射検出器１８は、以下により詳しく説明する通り、電磁放射の検出中に、偏光角を異なる角度値に変更して最適な角度値を見つけるか、又は、装置１２からの偏光制御情報に応じて最適な角度値に変更するように構成されている。
【００４０】
検出器１８は、被験体１４の画像フレームを（遠隔で目立たずに）捕捉（特に、フォトプレチスモグラフィ信号を導出可能な被験体１４の経時的な一連の画像フレームを取得）する適当な光センサを具備したカメラ１９（撮像ユニット又はカメラベース若しくは遠隔ＰＰＧセンサとも称する）を備えるのが好ましい。カメラ１９により捕捉された画像フレームは、特に、例えば（デジタル）カメラのアナログ又はデジタル光センサにより捕捉されたビデオシーケンスに対応していてもよい。このようなカメラ１９は通例、特定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）での動作又は様々なスペクトル範囲の情報の提供も可能なＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサ等の光センサを具備する。また、カメラ１９は、アナログ又はデジタル信号を提供するようにしてもよい。画像フレームは、関連する画素値を有する複数の画素を含む。特に、画像フレームは、光センサの様々な感光素子で捕捉された光強度値を表す画素を含む。これらの感光素子は、特定のスペクトル範囲（すなわち、特定の色を表す）に感度を有するものであってもよい。画像フレームは、被験体の皮膚部分を表す少なくとも一部の画素を含む。このため、画素は、光検出器の１つの感光素子及びその（アナログ又はデジタル）出力に対応していてもよいし、複数の感光素子の（例えば、ビニングによる）組み合わせに基づいて決定されるようになっていてもよい。
【００４１】
検出器１８は、特定の偏光角の放射のみが透過して、カメラ１９の光センサ等の検出器の放射検出素子に到達可能となるように、電磁放射の検出中に偏光角を変更する（内部又は外部）偏光調整手段２０をさらに備えるのが好ましい。
【００４２】
カメラ１９を使用する場合、システム１０は、任意選択として、例えば１つ又は複数の所定の波長範囲（例えば、赤色、緑色、及び／又は赤外波長範囲）の光で患者の顔（例えば、頬又は額の一部）の皮膚等の関心領域２４を照らすランプ等の光源２２（照明光源とも称する）をさらに備えていてもよい。前記照明に応じて前記関心領域２４から反射された光は、検出器１８により検出される。別の実施形態においては、専用の光源が設けられず、環境光が被験体１４の照明として用いられる。反射光からは、所望の波長範囲（例えば、緑色光）の光のみが検出及び／又は評価されるようになっていてもよい。
【００４３】
装置１２は、決定された情報の表示並びに／又は装置１２、検出器、光源２２の設定、及び／若しくはシステム１０のその他任意のパラメータを変更するインターフェースの医療関係者への提供を行うインターフェース１３にさらに接続されるか、又は、このようなインターフェース１３がさらに設けられている。このようなインターフェース１３は、様々なディスプレイ、ボタン、タッチスクリーン、キーボード、又は他のマンマシンインターフェース手段を備えていてもよい。
【００４４】
図１に示すようなシステム１０は、例えば病院、医療機関、高齢者介護施設等に配置されていてもよい。患者のモニタリングの他、本発明は、新生児モニタリング、一般監視用途、セキュリティモニタリング、又はフィットネス機器等のいわゆる生活環境等にも適用可能である。また、装置１２、検出器１８、及びインターフェース１３間の単方向又は双方向通信が無線又は有線通信インターフェースを介して機能するようになっていてもよい。本発明の他の実施形態では、独立して設けられず、検出器１８又はインターフェース１３に組み込まれた装置１２を含んでいてもよい。
【００４５】
図２は、本発明に係る装置１２の一実施形態のより詳細な模式図である。装置１２は、被験体１４の皮膚領域から反射され、偏光放射検出器１８により検出及び提供された検出電磁放射に由来する検出データのデータストリーム２９を受信する入力インターフェース３０であり、偏光放射検出器の偏光角が、少なくとも最適な偏光角が決定される最初の校正又は最適化段階において、電磁放射の検出中（すなわち、偏光放射検出器の偏光角が変化する間）に変更される、入力インターフェース３０を備える。
【００４６】
装置１２は、前記検出データ２９からフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するＰＰＧ抽出ユニット３２をさらに備える。例えば関心領域の画像からの検出電磁放射からＰＰＧ信号を取得する手法は、例えば上記文献から、遠隔フォトプレチスモグラフィの分野において一般的に知られているため、ここでは詳しく説明しない。
【００４７】
また、偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定する信号品質決定ユニット３４が設けられている。この目的のため、様々な品質尺度を使用可能である。例えば、信号品質決定ユニット３４は、偏光放射検出器の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から、品質尺度として脈動性、信号対雑音比、及び／又は形状情報を決定するように構成されていてもよい。
【００４８】
選択ユニット３６は、決定された品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに、前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を検出するために前記偏光放射検出器が使用する偏光制御情報３７を生成する。このため、後で放射を検出して評価するため、随時的、定期的、又は連続的に更新可能な偏光角の特定の設定が用いられる。
【００４９】
プロセッサ３８は、偏光角の最適設定での放射に由来するＰＰＧ信号から、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報３９を導出する。例えば、特定の用途における必要に応じて、心拍数信号、呼吸数信号、ＳｐＯ２レート等のうちの１つ又は複数を導出可能である。
【００５０】
検出器１８により検出された放射は、脈動する動脈により変調されるが、この変調振幅には、例えば血液飽和レベルの情報等の所望の生理学的情報を含む。この変調は、振幅が脈動性（ｍＮＰ）の単位で測定されるカメラビデオ等の検出データのデータストリーム２９に見られ、ビデオデータ等のデータストリーム２９からの関心領域の空間画素平均から演算されるようになっていてもよい。
【００５１】
偏光放射検出器の偏光角の現行設定に関する情報の信号品質決定ユニット３４への提供には、様々な選択肢が存在する。一選択肢においては、現在の偏光角に関する情報を信号品質決定ユニット３４に直接提供可能となるように、装置１２、特に、信号品質決定ユニット３４と結合可能なコンピュータ又は制御装置等によって偏光角が制御される。例えば、偏光子を制御する制御信号又は偏光子の現在（の回転位置）を示す電子的位置信号が提供されるようになっていてもよい。このため、入力インターフェース３０は、電磁放射の検出中に、偏光放射検出器の偏光角の設定を示す偏光角情報を受信するようにしてもよい。
【００５２】
別の選択肢としては、例えば偏光子２０の現在の回転位置又は検出放射の偏光を測定し、測定した情報を信号品質決定ユニット３４に転送することによって、偏光角を測定することができる。このため、信号品質決定ユニット３４は、検出電磁放射から偏光角情報を決定するようにしてもよい。
【００５３】
以下、例えば検出可視光及び赤外光（好ましくは、近赤外光）等の検出放射の特定の例として、光の検出に言及しつつ、本発明の詳細を説明する。
【００５４】
図３は、脈動性の演算を示した図である。特に、図３は、単一画素の測定信号又は画素群の平均化信号を表し得るＰＰＧ信号Ｐを示している。前記ＰＰＧ信号Ｐの脈動性は、ＰＰＧ信号ＰのＤＣレベルに正規化されたＰＰＧ信号のＡＣ信号部の振幅として規定される。脈動性は、皮膚に入り込んだ光の部分にのみ生じ、拡散反射する。検出器１８に到達する正反射光は、皮膚の表面から反射した光であるため、動脈血脈動性に起因する如何なる光変調も含まない。これにより、観測される脈動性が低下する。正反射率の影響は、表１のように、簡単な演算で示すことができる。
【表１】
2017532151.tif 000003
【００５５】
表１に示すように、正反射率の大きさは、脈動性と反比例の関係で脈動性の値に影響を及ぼし得る（正反射率が大きくなるほど、脈動性が小さくなる）。このため、正反射率を示す皮膚領域の脈動性が小さくなる一方、正反射率のない皮膚領域は、大きな脈動性を有することになる。
【００５６】
図４は、正反射率が脈動性に及ぼす影響を示した図である。特に、偏光検出器により得られた脈動性（ｍＮＰ）測定信号Ｓ１ｐ、Ｓ２ｐ及び非偏光検出器により得られた脈動性測定信号Ｓ１ｎ、Ｓ２ｎを示している。図４Ａに示す脈動性測定信号Ｓ１ｐ、Ｓ１ｎは、正反射率を示す皮膚領域から得られ、図４Ｂに示す脈動性測定信号Ｓ２ｐ、Ｓ２ｎは、正反射率を示さない皮膚領域から得られたものである。図４に見られるように、正反射率の領域の脈動性測定結果に大きな相違がある一方、正反射率を示さない領域では、ほとんど相違がない。
【００５７】
本発明の好適な一実施形態によれば、検出器１８の偏光角は、調整可能な偏光子２０の他の偏光角に対して、（ＲＯＩの一部又は全体の）抽出ＰＰＧ信号の脈動性がこの偏光角に対して最大化されている場合、（ＲＯＩの一部又は全体の）最適な偏光角として規定される。反射角の異なる様々な照明光源からの光で環境光が構成される場合があり、また、皮膚エリアが平坦ではないことから、最適な偏光角は、ＲＯＩの様々な部分ごとに異なる可能性がある。したがって、本発明の本実施形態の別の変形例では、調整可能な偏光子の空間的に局所的な偏光角の選択を提案して、この空間的に局所的なエリアにおけるＰＰＧ信号の脈動性を最大化する。
【００５８】
偏光調整手段２０としては、様々な要素を使用可能である。一実施形態においては、偏光角を機械的又は電気的に変更できる機械的又は電気的に制御可能な偏光子が用いられるようになっていてもよい。偏光子は、例えば円盤状の要素又は検出器入力（例えば、カメラ１９のレンズ）の前に取り付けられ、例えばモータ若しくはアクチュエータによって機械的に回転できる回転可能な偏光子であってもよい。さらに別の実施形態においては、電磁放射を受ける検出器入力の前に配置され、偏光角を電気的に制御できる光学構造が用いられるようになっていてもよい。このような光学構造の偏光特性は、電気的に制御可能である。一例としては、例えばＦｕｊｉｋａｋｅ他の「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ  Ｌｉｇｈｔ」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｍａｒ．／Ａｐｒ．、１９９８、Ｖｏｌｕｍｅ  ５、Ｉｓｓｕｅ  ２、ｐｐ．９３−９８に開示されているような液晶光学素子を使用可能である。
【００５９】
図５は、本発明に係るシステム１０’の第２の実施形態の模式図である。本実施形態において、システム１０’は、偏光放射検出器１８として、被験体の同じ皮膚領域から反射された電磁放射を検出するとともに、検出した電磁放射から付加的な検出データを導出する非偏光放射検出器をさらに備える。装置１２は、決定された品質尺度から最適な品質尺度値を選択するとともに前記偏光制御情報を生成するのに用いられる基準データとして前記付加的な検出データを使用するように構成されている。通常、ＰＰＧ信号の脈動性の絶対値は人によって異なり、様々な身体の場所ごとに異なる値となる可能性がある。さらに、ＰＰＧ脈動性は、生理学的理由により、経時的に変化する場合がある。したがって、比較対象とする「基準」信号のようなものとして、偏光角の最適化時には、ＰＰＧ信号の別の発生源を使用可能である。これにより、最適な偏光角の選択に要する反復の数が抑えられる可能性がある。
【００６０】
一実施形態において、前記非偏光放射検出器は、被験体の皮膚部分に取り付けられてフォトプレチスモグラフィ信号を取得するプレチスモグラフィセンサ２６を備える。別の実施形態において、前記非偏光放射検出器は、基準データとして用いられるフォトプレチスモグラフィ信号を導出可能な被験体の経時的な一連の画像フレームを取得する撮像ユニット２５を備える。このように、提案システム１０’の一実施形態においては、１つのカメラ２５が偏光を含まない基準として用いられる一方、第２のカメラ１９を具備する検出器１８は、偏光角を調整可能な（回転）偏光子２０を有する。
【００６１】
図６には、図１に示すシステム１０が実行する本発明に係る方法のフローチャートを示している。第１のステップＳ１０においては、偏光放射検出器１８が検出データ２９を取得し、これが装置１２に与えられて処理される。第２のステップＳ１２においては、前記検出データ２９からＰＰＧ信号を抽出する。第３のステップＳ１４においては、前記ＰＰＧ信号を用いて生理学的情報を抽出可能であるか、又は、偏光放射検出器の偏光角を最適化して正反射の悪影響を回避するかを確認する（又は、現在使用中の偏光角が最適であるかを少なくとも確認する）。偏光角の最適化を決定する条件としては、特定時間の経過、ＰＰＧ信号の品質低下、使用ＲＯＩが正反射を含む旨の兆候の検出等が挙げられる。
【００６２】
最適化しない場合は、ステップＳ１６において、少なくとも１つのバイタルサインを示す生理学的情報３９をＰＰＧ信号から導出する。その後、アルゴリズムは本実施形態に相当するステップＳ１０に戻り、ＰＰＧに由来する最終抽出バイタル信号に基づいて、最適な品質レベルを推定する。
【００６３】
最適化する場合は、ステップＳ１８において、偏光放射検出器１８の偏光角の様々な設定について、前記ＰＰＧ信号から品質尺度を決定する。さらに、ステップＳ２０においては、計算した品質尺度から、最適な品質尺度値を選択する。さらに、ステップＳ２２においては、前記最適な品質尺度値が得られた角度値に偏光角を設定した後で放射を後で出するために前記偏光放射検出器１８が使用する偏光制御情報３７を決定する。その後、アルゴリズムはステップＳ１０に戻って、次の反復を実行する。
【００６４】
脈動性の代わりに、信号対雑音比及び／又は形状情報等、他の品質尺度を使用可能であることに留意するものとする。
【００６５】
以上をまとめると、本発明では、カメラ偏光の最適な偏光角の選択の基準として、ＰＰＧ脈動性等の品質尺度を使用する。さらに、一実施形態では、皮膚エリアの空間的に局所的な部分に最適な偏光子の配向の複数の最適な偏光角を有し得る。様々な偏光設定での時間順次的な画像取得の実行には、回転偏光子がコンピュータ制御される単一のカメラが用いられるようになっていてもよい。したがって、例えば電気モータにより、単一のカメラの前の機械的に配向可能な偏光子をコンピュータが制御するようにしてもよい。偏光方向は、観測フォトプレチスモグラフィ信号と比較した場合、例えば５Ｈｚ等の高速で変動する可能性があり、取得画像群のコヒーレントな復調がこれに続くことになる。他の選択肢としては、偏光方向の疑似ランダムサンプリングが挙げられる。
【００６６】
以上、図面及び上記説明において、本発明を詳しく図示及び記載したが、このような図示及び記載は、一例又は例示に過ぎず、何ら限定的なものではないと考えるべきである。本発明は、開示の実施形態に限定されない。当業者であれば、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、特許請求の範囲に係る発明の実施に際して、開示の実施形態の他の変形例を理解及び達成可能である。
【００６７】
特許請求の範囲において、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。特許請求の範囲に列挙する複数項目の機能は、単一の要素等のユニットが実現するようにしてもよい。相互に異なる従属請求項に特定の手段が列挙されているという事実だけで、これら手段の組み合わせを都合良く使用することができないというわけではない。
【００６８】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアの一体又は一部として供給された光学記憶媒体又は固体媒体等の適当な媒体に格納／分散していてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システム等を介して、他の形態で分散していてもよい。
【００６９】
特許請求の範囲の如何なる参照記号も、その範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
【図１】
2017532151.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
2017532151.tif 000009
【図６】
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【国際調査報告】
2017532151.tif 000011
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