(57)【要約】  患者における脳卒中の痕跡を検出するための体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置であって、筐体を含むフレームと、前記筐体内の少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と、少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と結合された前記筐体内の回路と、患者の頭の後ろ及び耳の上の周りを包み込むように構成された２つのラップアラウンド端と、前記２つのラップアラウンド端の一方の中の第１のＶＩＰＳ送信機と、前記２つのラップアラウンド端の他方の中の第２のＶＩＰＳ送信機と、プロセッサを含んでもよい。前記第１及び第２のＶＩＰＳ送信機及び前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、前記患者の頭部の流体及び／又は組織のなかの複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を測定することができる。プロセッサは、前記複数の位相シフト及び／又は複数の振幅が予め定義された脳卒中に特有のＶＩＰＳシグネチャと一致することを決定し、脳卒中の痕跡を検出してもよい。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者における脳卒中の痕跡を検出するための体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置において、
前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置は、
筐体を備えるフレームと、
前記筐体内の少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と、
前記少なくとも１つのＶＩＰＳ受信機と連結された前記筐体内の回路と、
前記患者の頭部と前記患者の耳を取り囲む２つのラップアラウンド端と、
前記２つのラップアラウンド端の一方の中の第１のＶＩＰＳ送信機と、
前記２つのラップアラウンド端の他方の中の第２のＶＩＰＳ送信機であって、前記第１のＶＩＰＳ送信機及び前記第２のＶＩＰＳ送信機及び前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、少なくとも１つの前記患者の頭部の流体又は組織の中の複数の位相シフト又は複数の振幅の少なくとも一方を測定するように構成されており、
前記複数の位相シフト又は複数の振幅の前記少なくとも何れか一方が予め定義された脳卒中に特有のＶＩＰＳシグネチャと一致することを決定し、前記決定に基づいて前記脳卒中の痕跡を検出するように構成されたプロセッサとを備える、体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項２】
さらに前記フレームから延びて前記患者の耳に接触し、前記患者の頭部上への前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置の支持を助ける２本の保持アームを含む、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項３】
前記患者の鼻上に載置して前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置を前記患者の頭部上に支持するのを助けるように構成されたノーズピースをさらに含む、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項４】
前記ノーズピースは取り外し可能であり、異なるサイズのノーズピースと交換してぴったり適合させる、請求項３に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項５】
前記ノーズピースはサイズと位置を調整可能である、請求項３に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項６】
前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置は、少なくとも２つの異なる流体体積を検出するように構成され、前記少なくとも２つの異なる流体体積の一方は、前記脳の右半球の中に第１の流体体積を含み、前記少なくとも２つの異なる流体体積の他方は前記脳の左半球に第２の流体体積を含む、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項７】
前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置は、少なくとも２つの異なる組織体積を検出するように構成され、前記少なくとも２つの異なる組織体積の一方は脳の右半球に第１の組織体積を含み、前記少なくとも２つの異なる組織体積の他方は脳の左半球に第２の組織体積を含む、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項８】
前記プロセッサは、前記筐体内に配置されている、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記筐体から離れて位置し、前記回路と無線又は有線接続を介して連結されている、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１０】
前記第１のＶＩＰＳ送信機及び前記第２のＶＩＰＳ送信機及び前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、バイオインピーダンスを測定するように構成された、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１１】
前記第１のＶＩＰＳ送信機及び前記第２のＶＩＰＳ送信機及び前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、前記少なくとも一方の複数の位相シフト又は複数の振幅をある期間の間連続的に測定するように構成された、請求項１に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１２】
患者の頭部内の変化又は異常を検出するための体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置において、
前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置は、
前記患者の頭部の少なくとも一部を包むように構成された、筐体を含むフレームと、
前記筐体内の少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と、
前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と連結された前記筐体内の回路と、
前記フレームに連結された少なくとも２台のＶＩＰＳ送信機であって、前記少なくとも２台のＶＩＰＳ送信機と前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、少なくとも前記患者の頭部の流体又は組織の中の複数の位相シフト又は複数の振幅の少なくとも一方を測定するように構成されている、少なくとも２台のＶＩＰＳ送信機と、
プロセッサであって、
複数の位相シフト又は複数の振幅の前記少なくとも一方が、前記患者の頭部における前記変化又は異常を示す予め定義されたＶＩＰＳシグネチャと一致していることを決定するステップ、及び、
前記決定に基づいて、前記患者の頭部における変化又は異常を検出するステップ
を含む方法を実行する指示を含むメモリを含む、プロセッサとを備える、体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１３】
前記変化又は異常は脳卒中を含む、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１４】
前記変化又は異常は、前記患者の脳の前記患者の頭蓋の一側に向けた移動を含む、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１５】
前記変化又は異常は、前記患者の頭蓋の少なくとも一方の半球側の血液又は組織の少なくとも一方の、他方の半球側と比べて体積の変化を含む、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１６】
前記変化又は異常は、前記患者の頭蓋内の血液又は組織の少なくとも一方の体積の経時的な変化を含む、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１７】
前記フレームは、
前記患者の耳の上に適合するように構成された２つのラップアラウンド端と、
前記筐体の下に位置し、前記患者の鼻上に適合するように構成されたノーズピースとをさらに含む、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１８】
さらに前記フレームから延びて前記患者の耳に接触し、前記患者の頭部上への前記体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置の支持を助ける２本の保持アームを含む、請求項１７に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項１９】
前記プロセッサは、前記筐体内に配置されている、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【請求項２０】
前記プロセッサは、前記筐体から離れて位置し、前記回路と無線又は有線接続を介して連結されている、請求項１２に記載の体積積分位相シフト分光（ＶＩＰＳ）装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１６年１１月１１日に出願された「改善された流体変化の検出」と題する米国特許出願第１５／３４９２６０号明細書に優先権を主張するものであり、その開示はその全体が参照により本明細書に援用される（優先権として主張されている唯一の出願である）。
関連出願の相互参照
【０００２】
また、２０１３年１月１８日に提出され２０１４年５月２０日に米国特許第８７３１６３６号明細書として発行された「送信機又は受信機としてシールド伝送線を使って流体の変化を検出するための診断方法」と題する米国特許出願第１３／７４５７１０号明細書の継続出願である。２０１４年５月１２日に出願された「流体の変動を検出及び処理する方法」と題する米国特許出願第１４／２７５５４９号明細書の継続出願である２０１５年４月２０日に出願された「流体の変化を検出し、処理する方法」と題する米国特許出願第１４／６９０９８５号明細書の部分継続である優先権出願（１５／３４９２６０）は、２０１５年９月３日に出願された「磁気信号を用いた空間的に変動する流体レベルの検出及び分析」と題する米国特許出願第１４／８４４６８１号明細書の部分継続である。上に引用された特許及び特許出願の全ての開示は、その全体が本明細書中で参照により本明細書に援用される。
【０００３】
この出願は、非侵襲的、診断的、医療機器、システム及び方法に関する。より具体的には、本開示のいくつかの実施形態は、脳又は身体の他の部分における流体の変化を監視するために、体積積分位相シフト分光法（「ＶＩＰＳ」）を使用する装置、システム及び方法に関する（ＶＩＰＳは、磁気誘導位相シフト分光法（「ＭＩＰＳ」）などの他の略語で代替的に称することがある）。
【背景技術】
【０００４】
多くの異なる医学的状況において、非侵襲的に、体液の組成及び分布の変化が発生したときにそれを検出することができるので、その変化を検出することが有利であろう。例えば、集中治療患者における頭蓋内液含量又は分布の変化を監視することは、しばしば重要である。これらの患者に対する治療の基準には、脳内の流体に対する化学的変化を測定するために、頭蓋骨内に穴をあけ、頭蓋内圧（ＩＣＰ）モニタのような、微小透析法又は「ｌｉｃｏｘ」プローブのようなプローブを挿入する必要がある侵襲的監視を含む。非連続的で非侵襲的な測定技術は、出血又は浮腫につながる悩液の変化を検出するために、現在入手可能である。さらに、多くの脳損傷は、侵襲的監視のために頭蓋内に孔をあける必要があるほど重篤ではない。したがって、脳障害のある多くの患者では、潜在的に有害な浮腫や出血の増加があっても、臨床スタッフに警告するために利用できる継続的監視技術が存在しない。その代わりに、これらの患者については一般的に、臨床神経学的検査を用いて看護スタッフが観察し、脳内の流体組成又は分布の変化が、観察可能な脳機能障害を引き起こして初めて医師又は看護師が反応できる。言い換えれば、頭蓋内流体変化自体を監視するために現在利用できる方法が存在しないので、このような変化を補償できる可能性は限られている。
【０００５】
ＶＩＰＳは、脳液異常の診断に対して以前から提案されている。提案された装置には特許が付与されており、有望なプロトタイプ装置の科学的研究が文献に記載されている。例えば、ルビンスキらは、この目的のためにＶＩＰＳを使用することを特許文献１〜３（米国特許第７６３８３４１号明細書、米国特許第７９１０３７４号明細書、米国特許第８１０１４２１号明細書）にて説明している。この開示は本明細書中で全体として本明細書中に援用される（本明細書ではルビンスキ特許」と称する）。ワイエスらは、本明細書中にその全体として援用される米国特許第８７３１６３６号明細書におけるＶＩＰＳ装置の使用及び設計に関する追加の詳細を記載している。しかし、脳治療やその他の医療分野を専門とする医師たちに、利益となるようなＶＩＰＳ技術を基礎とした実際の量産医療機器は未だ開発されていない。
【０００６】
理想的には、医療機器溶液は、改善された性能、操作性、及び製造性を有するＶＩＰＳシステムを提供し、その結果、脳及び／又は身体の他の部位における非侵襲的な流体変化検出に利用できるようにすることができればよい。本明細書に記載された実施形態は、これらの目的の少なくともいくつかに対応できるように努めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７６３８３４１号明細書
【特許文献２】米国特許第７９１０３７４号明細書
【特許文献３】米国特許第８１０１４２１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本開示の一態様において、患者の脳内の流体体積を測定して脳に供給する血管の閉塞の存在を決定するのに役立つ方法は、体積積分位相シフト分光法（ＶＩＰＳ）装置を患者の頭部に固定することと、ＶＩＰＳ装置での流体体積を測定することと、測定された流体体積を用いて、脳に供給する血管の閉塞が存在するかどうかを決定することとを含む。いくつかの実施形態において、本方法は、どちらの脳半球に閉塞が位置するかを決定することをさらに含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、流体体積の測定には、一方の脳半球の第１の流体体積を他方の脳半球の第２の流体体積と比較することと、閉塞が存在するかどうかを決定することは、第１の流体体積と第２の流体体積を比較することを含んでいてもよい。また、いくつかの実施形態は、前記２つの流体体積の比較に基づいて、いずれの脳半球に閉塞が位置するのかを決定することを含んでいてもよい。
【０００９】
いくつかの実施形態において、流体体積を測定することは、流体体積の変化を検出するために経時的に流体体積を監視することを含んでいてもよい。任意で、この方法はまた、閉塞を除去するために処置が施された後に流体体積を測定することも可能である。この方法を用いて検出することができる閉塞の種類の一例としては、大血管閉塞（ＬＶＯ）が挙げられる。
【００１０】
本開示の別の態様において、脳に供給する血管の閉塞を治療した後の患者の脳における流体体積の変化を監視する方法は、患者の頭部に体積積分位相シフト分光法（ＶＩＰＳ）装置を固定することと、ＶＩＰＳ装置での流体体積を測定することと、測定された流体体積に関するデータをユーザに提供して、治療が成功したかどうかをユーザが判断することに役立てることを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、流体体積を測定することは、治療が施される前の第１の流体体積を測定することと、治療が施された後の少なくとも第２の流体体積を測定することとを含んでいてもよい。任意で、このような実施形態はまた、第１の流体体積と第２の流体体積とを比較して、第１と第２の流体体積の間の変化を検出してもよい。
【００１１】
別の実施形態では、流体体積を測定することは、一方の脳半球の第１の流体体積を他方の脳半球の第２の流体体積と比較することを含んでいてもよい。かかる実施形態は、任意で、第１の流体体積と第２の流体体積とを比較することを含んでいてもよい。この方法はまた、任意で、２つの流体体積の比較に基づいて、いずれの脳半球に閉塞が位置するのかを決定することを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、流体体積を測定することは、経時的に流体体積を監視して流体体積の変化を検出することを含む。
【００１２】
本開示の別の態様において、患者の脳内の流体体積を測定して脳に供給する血管の閉塞の存在を決定するのを助ける体積積分位相シフト分光法（ＶＩＰＳ）装置は、筐体を備えるフレームと、前記筐体内に収容された回路と、前記筐体内に収容された少なくとも１台の受信機と、患者の頭の後ろ及び耳の周りを包み込むように構成された２つのラップアラウンド端と、一方は、２つのラップアラウンド端の１つの中に収容され、他方は２つのラップアラウンド端の他方の中に収容された２台の送信機と、前記フレームから延びて患者の耳に接触し、前記装置が前記患者の頭部に支持されるように助ける２本の保持アームと、患者の鼻の上に載置して前記装置を患者の頭の上に支持するのを助けるように構成されたノーズピースとを備える。いくつかの実施形態において、前記装置は、少なくとも２つの異なる流体体積を検出するように構成できる。流体体積の１つは、脳の右半球内の第１の流体体積でもよく、そして別の流体体積は、脳の左半球における第２の流体体積でもよい。
【００１３】
一実施形態において、本開示は、患者の組織における流体体積の変化における空間的差を検出するための装置を含む。装置は、患者の身体の部位に前記装置を固定するための支持構造と、前記支持構造に操作可能に接続された処理要素と、前記支持構造体に操作可能に接続され、前記処理要素と通信する無線ネットワークインターフェースと、無線ネットワークを介した外部演算装置とを備える。また、装置は、第１、第２及び第３の送信モジュールを含み、各モジュールは、支持構造に接続され、処理要素と通信する。第２及び第３の送信モジュールは、患者の組織に対して互いに空間的に分離され、第１の送信モジュールは、第２及び第３の送信モジュールに対して対向しているので、信号が組織を介して送信されるときに、モジュールから送信する。起動されると、第１の送信モジュールは、患者の組織を介して第１の時間的に変化する磁場を送信し、第２と第３の送信モジュールは、第１の磁場の第１と第２のバージョンに対応する磁場データをそれぞれ受信して、第１と第２のバージョンに対応する第１の受信した磁場データを処理要素に送信する。処理要素は、第１の受信した磁場データに対応する送信データを無線ネットワークインターフェースに提供し、そこから送信データを無線で外部演算装置に送信する。別の実施法では、第１の送信モジュールは、第２及び第３の送信モジュールによってそれぞれ送信される第１と第２の時間によって変化する場を受信するように構成されていてもよい。
【００１４】
さらに別の実施形態では、本開示は、患者の組織内の流体体積における対称性を検出する方法を含む。この方法は、受信機、第１の送信機及び第２の送信機を含む装置を患者の頭部上に固定することを含み、その結果、第１の送信機及び第２の送信機が、互いから空間的に分離され、受信機が、組織を通って送信経路を介して第１の送信機及び第２の送信機と通信するように配置される。この方法はさらに第１の時間的に変化する磁場を前記第１の送信機から送信することと、第２の時間的に変化する磁場を第２の送信機から送信することと、前記受信機で受信した第１の受信した磁場と第２の受信したのを受信することと、処理要素で少なくとも１つの送信特性を分析することと、前記処理要素で、前記第１の時間的に変化する磁場に対応する前記第１の受信した磁場と前記第２の時間的に変化する磁場に対応する前記第２の受信した磁場を決定することと、前記処理要素で、前記第１の時間的に変化する磁場と前記第１の受信した磁場の間の第１の位相シフトを決定することと、前記処理要素で、前記第２の時間的に変化する磁場と前記第２の受信した磁場の間の第２の位相シフトを決定することと、前記処理要素で、前記決定した第１と第２の位相シフトに基づいて時間をかけて前記組織内の流体の変化を決定することとを含む。
【００１５】
さらに別の実施形態では、本開示は、患者における流体体積の変動を検出する方法を含む。この方法は、ヘッドセットを患者に取り付けることを含み、前記ヘッドセットは、前記ヘッドセットを前記患者の頭部に固定するための支持バンドと、前記支持バンドに連結され、データを無線で外部コンピュータに送信する処理要素と、離散的な位置にある前記支持バンドに操作可能に接続された複数の送受信機要素とを含む。この方法はさらに、ヘッドセットを起動して、患者の頭部内の１つ以上の流体体積読み取りを行い、処理要素からの１つ以上の流体体積読み値に対応する流体データを前記処理要素から前記外部コンピュータに無線で送信することと、前記外部コンピュータで前記流体データを分析することとを含む。
【００１６】
本開示の別の態様において、患者における脳卒中の痕跡を検出する方法は、位相の変化及び／又は振幅の変化を含む脳卒中特有の体積積分位相シフト分光法（ＶＩＰＳ）シグネチャを定義することと、ＶＩＰＳ装置を患者の頭部に固定することと、前記ＶＩＰＳ装置を使用して患者の頭部の流体及び／又は組織において、複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を測定することと、前記ＶＩＰＳ装置内又はそれに連結されたプロセッサを使って、測定した位相シフト及び／又は振幅が、脳卒中特有のＶＩＰＳシグネチャと適合することを決定することと、前記脳卒中の前記痕跡を前記決定するステップに基づいて検出することとを含む。
【００１７】
いくつかの実施形態において、本方法は、患者の脳のいずれの半球が、脳卒中の痕跡がどこに位置するのかを決定することをさらに含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、測定工程は、脳の一方の半球における第１の流体及び／又は組織の体積を脳の他方の半球における第２の流体及び／又は組織の体積と比較することと、患者の脳のいずれの半球に脳卒中が位置するかを決定することは、前記第１の体積を前記第２の体積と比較することを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、複数の位相シフト及び／又は複数の振幅が経時的に測定されて、位相シフト又は振幅のうちの少なくとも１つの変化が検出される。いくつかの実施形態はさらに、患者の脳に血液を供給する血管内の閉塞を除去するための処置が実行された後に、ＶＩＰＳ装置を用いて複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を測定することを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、そのような閉塞は、大血管閉塞であってもよい。
【００１８】
本開示の別の態様において、患者における脳卒中の痕跡を検出するためのＶＩＰＳ装置は、少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と結合された筐体を含むフレームと、前記筐体内の少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と、前記筐体内の回路と、患者の頭部の後ろと患者の耳の周りを取り囲むように構成された２つのラップアラウンド端と、前記２つのラップアラウンド端の一方の中の第１のＶＩＰＳ送信機と、前記２つのラップアラウンド端の他方の中の第２のＶＩＰＳ送信機と、プロセッサとを含んでいてもよい。前記第１及び第２のＶＩＰＳ送信機及び前記少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機は、前記患者の頭部の流体及び／又は組織のなかの複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を測定することができる。前記プロセッサは、前記複数の位相シフト及び／又は複数の振幅が予め定義された脳卒中に特有のＶＩＰＳシグネチャと一致することを決定し、その決定に基づいて脳卒中の痕跡を検出してもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態において、前記装置は、患者の耳に接触するために前記フレームから延びる２本の保持アームを含み、前記患者の頭部上の前記装置を支持するのを補助することができる。いくつかの実施形態は、前記患者の鼻上に載置して前記装置を前記患者の頭部上に支持するのを助けるように構成されたノーズピースをさらに含んでいてもよい。前記ノーズピースは、任意に取り外し可能、交換可能、及び／又は調節可能であってもよい。いくつかの実施形態において、装置は、少なくとも２つの異なる流体及び／又は組織体積を検出するように構成してもよい。２つの異なる流体／組織体積の一方は、脳の右半球における第１の流体／組織の体積であり、他方の流体／組織体積は、脳の左半球における第２の流体／組織体積であってもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態において、プロセッサは筐体内に配置されるが、他の実施形態では、プロセッサは前記筐体とは離れて配置され、無線又は有線接続を介して回路と結合された接続を介して配置される。いくつかの実施形態において、第１及び第２のＶＩＰＳ送信機及びＶＩＰＳ受信機は、バイオインピーダンスを測定するように構成される。いくつかの実施形態において、第１及び第２のＶＩＰＳ送信機及びＶＩＰＳ受信機は、一定時間にわたって複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を連続的に測定するように構成される。
【００２１】
本開示の別の態様において、患者の頭部の変化又は異常を検出するためのＶＩＰＳ装置は、患者の頭部の少なくとも一部を包むように構成された、筐体を含むフレームと、前記筐体内の少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と、少なくとも１台のＶＩＰＳ受信機と結合された前記筐体内の回路と、前記フレームと結合された少なくとも２台のＶＩＰＳ送信機と、プロセッサとを含んでいてもよい。前記第１及び第２のＶＩＰＳ送信機及びＶＩＰＳ受信機は、前記患者の頭部の流体及び／又は組織の中の複数の位相シフト及び／又は複数の振幅を測定するように構成される。前記プロセッサは、方法を実行する指示を含むメモリを含み、この方法は、前記複数の位相シフト及び／又は複数の振幅が、患者の頭部における変化又は異常を示す予め定義されたＶＩＰＳシグネチャと一致していることを決定することと、その決定に基づいて、患者の頭部における変化又は異常を検出することを決定することを含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、検出された変化又は異常は脳卒中である。他の実施形態では、変化又は異常は、患者の脳の、患者の頭蓋の片側への移動であってもよい。さらに他の実施形態では、変化又は異常は、他方の半球側と比較して、患者の頭蓋の一方の半球側の血液量及び／又は組織の変化であってもよい。さらに他の実施形態では、変化又は異常は、経時的に患者の頭蓋内の血液及び／又は組織の体積の変化であってもよい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、装置のフレームはさらに、患者の耳の上に適合するように構成された２つのラップアラウンド端を含み、筐体の下に位置決めされ、患者の鼻に適合するように構成されたノーズピースを含んでいてもよい。任意に、装置は、フレームから延びて患者の耳に接触し、患者の頭部上への装置の支持を助ける２本の保持アームを含んでいてもよい。様々な実施形態において、前記プロセッサは筐体内に配置されてもよく、あるいは、前記筐体とは離れて配置され、前記回路と無線又は有線接続を介して結合されてもよい。
【００２４】
これら及びその他の態様及び実施形態は、添付図面を参照して以下でさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態による体内の流体の変化を監視するためのシステムのブロック図である。
【図１Ａ】一実施形態による図１のシステムで使用するための患者のヘッドピースの斜視図である。
【図１Ｂ】別の実施形態による図１のシステムで使用される患者のヘッドピースの斜視分解図である。
【図２Ａ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図２Ｂ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図２Ｃ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図２Ｄ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図２Ｅ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図２Ｆ】図１のシステムにおいて使用される送信機振動子及び受信機センサの様々な実施形態を示す。
【図３】一実施形態による位相シフト検出装置の回路図である。
【図４】一実施形態による図１のシステムで使用する波形平均プロセッサの簡略化された論理図である。
【図５】一実施形態による図１のシステムで使用する位相シフト測定プロセッサの簡略化された論理図である。
【図６】一実施形態による図１のシステムの操作のためのフロー図である。
【図７】一実施形態による心臓信号に対応する体内の流体変化を監視するためのシステムのブロック図である。
【図８】一実施形態による一時安定器を含む流体変化を監視するシステムの等角投影図である。
【図９】別の実施形態による体内の流体変化を監視するシステムのシステム図である。
【図１０Ａ】図９のシステムのヘッドピースを装着している患者の左等角投影図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａのヘッドピースを装着している患者の正面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａのヘッドピースを装着する患者の右等角投影図である。
【図１１】別の実施形態による体内の流体変化を監視するシステムの正面図である。
【図１２】一実施形態による時間の関数として較正された位相シフト測定を示すグラフである。
【図１３】一実施形態によるバルサルバ法の適用中の時間の関数としての位相シフト読み取りの変化を示すグラフである。
【図１４】別の実施形態による体内の流体変化を監視するためのヘッドピースの斜視図である。
【図１５】脳血管閉塞の治療を行った後の、経時的な患者の脳液量の測定値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
特定の詳細について、本開示の特定の実施形態を充分に理解するために以下のように述べる。しかしながら、本開示のいくつかの実施形態は、これらの特別な詳細なしに実施することができる。さらに、本開示の特定の実施形態は、例として提供されるものであり、本開示の範囲をこれら特別の実施形態に限定するために使用すべきではない。いくつかの例では、説明を不必要に複雑にするのを避けるために、周知の回路、制御信号、タイミングプロトコル、及びソフトウェア操作が詳細に示されていない。
【００２７】
システム全体のアーキテクチャ
図１は、ヒト脳における流体変化を検出するために使用されるシステム１００の一実施形態のブロック図である。この説明はしばしば、脳における流体変化を検出するシステム１００の使用に焦点を当てているが、システム１００の実施形態又は代替実施形態は、身体の他の部位の流体変化を検出／監視するために使用することができる。したがって、脳に向けられた本明細書に記載の例示的な説明は、請求項に記載された発明の範囲を限定するものであると解釈されるべきではない。
【００２８】
システム１００は、いくつかの例において、ラップトップコンピュータ１０２又は他の演算装置、処理ユニット１０４、及び、患者ヘッドピース１０６を含んでいてもよい。システム１００は、例えば、ラップトップコンピュータ１０２上で実行されるＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ベースのｌａｂｖｉｅｗ言語プログラムによって制御することができる。プログラムは、ラップトップ１０２の画面上に表示されるグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を生成する。システム１００を操作する臨床医は、ヘッドピース１０６を患者に配置した後、マウス制御による監視を開始することができるが、これは、伸縮性ヘッドバンド又は包帯と同様であり得る。監視が開始されると、プログラムはラップトップ１０２上の位相シフトデータを記録すると同時に自動的に実行され、アラームを生成する適切な方法を適用して臨床医に修正処置を提案することができる。
【００２９】
ラップトップ１０は、患者ヘッドピース１０６に対して外部コンピュータでもよく、処理ユニット１０４へのＵＳＢシリアルリンクを有していてもよい。このＵＳＢリンクは、医療機器要件に適合するように電気的に隔離されていてもよい。処理ユニット１０４は、国際規格と整合性のある標準ユニバーサルＡＣ回線電力接続から電力を導出することができる。患者の隔離、ラインからニュートラル、シャーシ及び患者の漏出などに対する適合基準並びにアースから地面への連続性、ＥＭＩ感受性及び排出量、及び他の標準的な医療機器の要件を満たす処理ユニット１０４内の全ての内部電子機器に電気を供給するための医療グレードの低電圧ＤＣ電源を備えていてもよい。
【００３０】
ラップトップ１０２は、位相シフトデータ収集を開始することができ、そのデータは、他の関連データ及び状態情報と共にラップトップの１０２ハードドライブ上のファイルに記録される。
【００３１】
ラップトップ１０２上のＧＵＩは、システム１００の操作を制御することができ、患者ヘッドピース１０６のインストールとシステム１００全体の予備自己診断を通して臨床医を誘導する制御と状態指示を含んでいてもよい。自己診断をパスすると、臨床医は監視を開始するよう指示される。監視中、位相シフト角対周波数データはＵＳＢインターフェースから収集され、適切なステータス及びアラートメソッドがデータに適用される。臨床医は、追加の処置又は緊急反応が示された場合に通知を受ける。位相シフト対周波数データと追加状態情報は、後で参照するためにラップトップ１０２に記録される。データ及び他の組み込みテスト機能の「健全性チェック」はバックグラウンドで連続的に実行してもよく、障害に遭遇すると様々なレベルの重大度が警告又はシステム１００の割り込み操作を生成する。
【００３２】
処理ユニット１０４及び患者ヘッドピース１０６におけるハードウェア及びファームウェアのアーキテクチャは、いくつかの例では、また図１に示すように、最小限の数のカスタム電子機器コンポーネントを使用しながら、所望の位相測定精度及び安定性を達成するよう最適化され得る。例えば、一実施形態では、図１を参照して、システム１００は、複数の高度に統合され、小型化された既製コンポーネントを含んでいてもよい。システム１００は、処理ユニット１０４内の３つのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１１０、１１２、１１４を含み、３つのＦＰＧＡは、適切なファームウェアでプログラムされる。一つのＦＰＧＡ１１０は、送信機（送信機は、代替的にはエミッタによって参照されてもよい）１２０に提供される時変信号を合成して磁場を生成することができ、第２のＦＰＧＡ１１２は、送受信された磁場のデジタルサンプルを収集し平均化することができ、そして第３のＦＰＧＡ１１４は、送受信された磁場を表す送受信信号の間の位相シフトを測定することができる。
【００３３】
マイクロコントローラ１１８はまた、処理ユニット１０４に含まれ、３つのＦＰＧＡ１１０、１１２、１１４の操作を監視し、ラップトップ１０２と（例えば、位相データ結果を転送することによって）通信することができる。マイクロコントローラ１１８は、外部ラップトップコンピュータ１０２（電気的に絶縁されたＵＳＢインターフェースを介して）と、ヘッドピース１０６からのデータのリアルタイム信号処理に使用されるＦＰＧＡ１１０、１１２、１１４の間のインターフェースを提供することができる。マイクロコントローラ１１８はまた、電源投入、データ収集の開始、周波数合成器１１０のセットアップ、内部温度監視、電源監視、及び他のシステム状態監視及び故障検出タスクのような基本的なユーザ制御に対するインターフェースのような他の様々な機能を実行することができる。
【００３４】
処理ユニット１０４は、いくつかの例では、より大きい統合されたコンポーネントから製造されてもよい。一実施形態では、処理ユニット１０４は、テクトロニクスの任意波形ジェネレータのモデル３２５２のような既製の電子信号発生器と、ＬＥＣｒｏｙモデル４４ｘｉのようなデジタルオシロスコープとを含んでいてもよい。逆に、処理ユニット１０４は、単一のＡＲＭプロセッサに統合することができる。
【００３５】
図１に示されるシステム１００のアーキテクチャは、比較的柔軟性が高く、データ収集、データ処理及びデータ解釈（例えば、臨床アラート）の全ての位相における改善を、比較的単純なソフトウェア又はファームウェア変更を介して行うことができる。ＦＰＧＡ１１０、１１２、１１４は、並列プロセッサとして効果的に機能し、データ収集及び処理をほぼリアルタイムで進行させることができる。マイクロコントローラ１１８を介してラップトップ１０２に送信され、後の参照用にアーカイブされる位相データの量は、したがって減少することができ、これによって、データを処理するためにラップトップ１０２上での計算時間が短縮される。これにより、ラップトップ１０２を解放してデータの整合性をチェックし、そして、臨床医に是正処置の必要性を警告するための必要な方法を適用することができる。
【００３６】
図１の処理ユニット１０４は、比較的柔軟な実施形態として図示され、説明されているが、他の例では、診断システム１００は、診断システム１００で使用するように特別に設計されたカスタム電子機器コンポーネントを備えた埋め込みシステムであってもよい。例えば、１つ以上のアナログからデジタル（ＡからＤ）変換器が処理ユニット１０４内に配置されてもよく、これは、物理的に別個であり、ヘッドピース１０６とは別体であってもよく、ヘッドピース１０６と一体化されていてもよい（例えば、ヘッドピース１０６は、カスタムシステム１００内で、位相シフト情報を捕捉して処理するのに必要な全ての電子機器と処理装置を含んでいてもよい）。また、３つのＦＰＧＡによって実行される機能は、一つのＦＰＧＡに結合することも可能である。一般に、任意の適切なアーキテクチャが使用してもよい。
【００３７】
再び図１を参照すると、システム１００は、１台以上の送信機１２０及び１台以上の受信機１２４のような伝送モジュールを備えたヘッドピース１０６を含むことも可能であり、その詳細は以下でより詳細に説明する。一例では、ヘッドピース１０６は単一の送信機１２０と単一の受信機１２４とを含むが、他の例ではヘッドピース１０６は数台の送信機１２０及び／又は数台の受信機１２４を含む。例えば、ヘッドピース１０６は、１台の送信機１２０と、２台の受信機１２４とを含んでいてもよい。複数の受信機１２４が患者の頭部上の異なる位置に配置すれば、臨床医が流体変化（例えば、血管からの脳内出血又は腫瘍）の位置を三角測量できるようになり、及び／又は患者の脳の生物学的インピーダンスを画像化することができる。他の例では、ヘッドピース１０６は複数の送信機１２０を含み、これは異なる周波数又は類似の周波数で磁場を発生させることができる。異なる周波数が使用される場合、単一又は複数の受信機１２４は、例えば、流体変化のタイプをさらに識別するために、複数の送信周波数間を識別することができる。以下でさらに詳細に説明するように、時間伝送、波形、周波数、減衰、振幅及び／又は追加波のような他のタイプの伝送特性を用いて、特定の信号に対する特定の送信機を識別することができる。
【００３８】
いくつかの例では、患者の頭部の他の場所に位置付けられた受信機１２４に加えて、追加受信機が患者の頭部の送信機１２０と同じ側に配置すれば（例えば、受信機は、送信機１２０と同心に又は囲んで、もしくは、送信機１２０とは別の面に位置させることができる）送信機からの送信磁場の測定値を得ることができる（図１に示されていない）。他の例では、送信された磁場を、送信機１２０上に存在する電流及び／又は電圧を測定することによって、別の方法で送信機１２０からサンプリングしてもよい。いくつかの例において、図１を参照して、患者のヘッドピース１０６は、１つ以上の送信機１２０及び／又は受信機１２４に対して交流直流変換器１２２、１２６をそれぞれの送信機１２０及び／又は受信機１２４自身の近くに含む。例えば、交流直流変換器は、いくつかの例のそれぞれの送信機１２０又は受信機１２４と同じプリント回路基板上に配置されてもよい。
【００３９】
しかしながら、他の例では、アナログ信号は、別体の処理ユニット（例えば、図１に示された処理ユニット１０４）に接続された１本以上の同軸ケーブル（又は他の伝送ライン）を通過するまでデジタル信号に変換されない。これらの例では、例えば送信機１２０から送信された磁場を示す信号を示す同軸ケーブルと、受信機１２４から測定された磁場を示す信号を示す同軸ケーブルとの間のクロスカップリングを減少させるために、種々の技術が採用されてもよい。例えば、比較的柔軟なＲＦ３１６二重シールドケーブルを使用して、２本のケーブル間の隔離を強化させることができ、又は他の例では、三重シールドケーブルを使用することができる。他の選択肢として、高柔軟性ＰＶＣ又はシリコーンチューブが、受信機１２４及び／又は送信機１２０から同軸ケーブルの周囲に設けられてもよい。
【００４０】
図１に示されたヘッドピース１０６を再び参照すると、繰り返し可能な読み出しのために、この動きは位相シフト測定において誤差を導く場合もあるため、システム１００の操作中に送信機１２０及び受信機１２４が移動しないことが重要となる場合がある。このような誤差を克服するために、送信機１２０及び受信機１２４は、例えば、ヘルメット１４０のような装置において、いくつかの例では、堅固に固定して取り付けられてもよく、その一例を図１Ａに例示する。ヘルメット１４０により、送信機１２０及び受信機１２４が互いに相対的に固定したまま、患者の頭部と相対固定するために確実に必要な支持及び剛性が提供される。しかしながら、このようなヘルメット１４０は、患者が横になっている間、患者にとって不快である、又は実用的でないことがある。また、患者がある臨床状況では望ましいとされるような、ヘルメット１４０を数日間着用することが実用的でない場合もある。
【００４１】
したがって、代替的な実施形態では、また、図１Ｂを参照すると、送信機１２０及び受信機１２４は、伸縮性バンド１２９などのヘッドセット１２９を用いて患者の頭部に対して保持される。送信機１２０及び受信機１２４は、例えば、ヘッドセット１２９のポケットの内側に固定することによって、又はステッチ、リベット又は他の固定具を使用して、ヘッドセット１２９上に取り付けてもよい。送信機１２０及び受信機１２４は、プラスチック又は布のような非導電性スペーサ材料１２７を組み込むことによって、皮膚の面から一定の距離で間隔をあけて配置することができる。スペーサ１２７は、例えば、送信機１２０／受信機１２４と皮膚との間の静電容量の変動を減少させるために、送信機１２０と受信機１２４との間の皮膚からの固定距離を維持する目的を果たすことができる。スペーサ１２７は、いくつかの実施形態では、例えば、プラスチックアクリルディスクであってもよい。ゴム、医療用接着剤又は他の材料は、スペーサ１２７に対して又は代替として使用することができ、また、使用中にそれらを移動させないようにするために、送信機１２０及び受信機１２４の皮膚との境界面に配置することもできる。
【００４２】
ヘッドセット１２９は、患者の頭部上に、いくつかの実施形態では、額を横切って、後頭部の周囲に配置することができる、あるいは、異なるバンド又は他の装置を、患者の胸部、腕又は脚の周りを含む他の構成部分に配置することができる。言い換えると、任意の適切な位置決め装置を使用して、検査中の患者の身体の領域の近くに送信機１２０及び受信機１２４を適切に配置することができる。このうち、ヘッドセット１０６、１２９及びヘッドバンド１２９は、単に一例に過ぎない。顎ストラップ又は頭頂部における接続などの付加的な機能をヘッドセット１２９に追加して、付加的な安定性を提供することができ、また追加の送信機１２０又は受信機１２４を取り付けるための機能を提供することができる。患者は、枕の上に横たわることが多いため、電気部品やケーブルの終端に便利な場所が頭の上部にくることがある。例えば、各耳付近の点からのブリッジを作成して、患者が上に横たわる面から離れて、電子機器を頭頂部に取り付けられるようにすることができる。軽量であるロープロファイルコンポーネントを使用して、快適性を最大化し、ヘッドセットが一度設置した患者の頭部上で移動する傾向を最小限に抑えて使用することができる。
【００４３】
ヘッドセット１２９の設計において、ヘッドバンド１２９は、伸縮性、ゴム、アクリル、ラテックス又は他の柔軟性のある材料から形成されてもよく、伸縮性でも非伸縮性でもよい。ヘッドセット１２９は、安価な材料から製作することができ、そのため、ヘッドセットはシステムの使い捨て部品とすることができる。あるいは、ヘッドセット１２９は再利用可能であってもよい。再利用可能である場合、バンド１２９は洗浄可能であり、患者と患者の間で洗浄することができ、又は同じ患者のために定期的に洗浄することができる。洗浄可能な材料には、プラスチック、ゴム、シリコーン、布地又は他の材料が含まれていてもよい。ヘッドピース１０６はまた、電子部品を固定し、ケーブルを患者又は臨床スタッフの邪魔にならないようにケーブルを経路決定するための取り付け手段を含んでいてもよい。
【００４４】
ヘッドバンド１２９が使用される場合を含むいくつかの実施形態において、１つ以上の安定器１２８を使用して送信機１２０／受信機１２４と患者との間の相対的な動きを減少させてもよい。安定器１２８は、送信機１２０及び／又は受信機１２４を所定の位置に保持するように患者の身体に特注成形してもよい。安定器１２８の一例として、訓練された臨床医は、同じ材料から作られた整形外科用ギプスに類似した低融点プラスチックを使用して送信機１２０／受信機１２４を設置することができる。他の特注形状に成形可能な材料及び方法、例えば、時間の経過とともに又は整形外科用ギプス又は副木の製造に使用される材料などのような熱又は化学反応による活性化によって重合する材料を使用できる。
【００４５】
図１Ｂの分解図を参照しながら、ヘッドセット１２９を使用する一実施形態の操作を説明するが、例えば、脚又は腕の周囲に巻き付けられた包帯など、本体の他の部分における流体変化を監視するために、類似のバンド１２９を使用可能であることが理解されるであろう。各送信機１２０／受信機１２４は、まず、例えば、ネジ又は接着剤などの他の固定具によって、それぞれのスペーサ１２７に結合されてもよい。送信機１２０及び各スペーサ１２７は、患者の頭部上に位置決めされ、送信機１２０／スペーサ１２７の周囲に安定器１２８が配置され、送信機を安定化させて移動を防止するのを助けることができる。安定器１２８は、送信機１２０／スペーサ１２７の周囲に位置決めする前に、水に浸されたり、あるいは用途のために調製されたりすることが必要である。安定器１２８が送信機１２０／スペーサ１２７を固定したら、別の安定器１２８を同じように使用して、同様にして受信機１２４及びスペーサ１２７を安定化してもよい。安定器１２８は、安定化機能を実行するために固化又は乾燥することができる。そして、ヘッドバンド１２９のようなヘッドセットが安定器１２８及び送信機１２０／スペーサ１２７及び受信機１２４／スペーサ１２７の周囲に巻き付けられてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、安定器を使用することができず、ヘッドバンド１２９を使用して、代わりに受信機１２４／スペーサ１２７及び送信機１２０／スペーサ１２８を患者の頭部に直接位置決めしてもよい。さらに他の実施形態では、上述したように、ヘッドバンド１２９は、送信機１２０及び受信機１２４のポケットを含み、ヘッドバンド１２９物質自体がスペーサとして機能する。また、いくつかの実施形態において、ヘッドバンド１２９は、患者の頭部上のヘッドバンド１２９のスリップを防止するために、ヘッドバンド１２９の内側に滑り止め材料を適用してもよい。
【００４６】
ヘッドセット１２９の他の例も同様に使用することができる。図８は、ヘッドセット１２９の一例の等角投影図を示す。この実施形態では、ヘッドセット１２９は、図１Ｂに示すヘッドセット１２９と実質的に類似していてもよい。しかしながら、この例では、安定器８００がヘッドセット１２９に含まれてもよい。さらに、ヘッドセット１２９は、処理ユニット１０４と送信機及び受信機１２０、１２４との間に延びる可撓性回路８０２又は他の配線機構を備えてもよい。ヘッドセット１２９はまた、ヘッドバンド、弾性などのような固定要素８０４を含み、ヘッドセット１２９を患者の頭部の周囲に固定するために屈曲及び／又は伸張することができる。
【００４７】
安定器８００は、ヘッドセット１２９をユーザの頭（又は他の所望の位置）に一時的に固定するが、監視が必要なくなった時にはヘッドセット１２９を除去することができる。安定器８００は、概して、皮膚適合性接着剤であってもよい。安定器８００は、両面接着テープであってもよく、一方の側面がヘッドセット１２９（可撓性回路８０２又は固定要素８０４など）に固定され、他方の面が患者の頭部に固定されていてもよい。他の例として、安定器８００は接着剤、例えば接着剤又は他の接着性を有する類似した流体又はゲルであってもよい。具体的な例として、安定器８００はヒドロゲルであってもよい。
【００４８】
安定器８００を含む実施形態では、安定器８００は、ヘッドセット１２９の様々な構成要素を患者の身体の特定の位置に安定化させ、固定する。これは、患者が移動しても、電子機器（例えば、送信機及び受信機）及び回路８０２がほぼ同じ方向と位置に留まることができるので、正確な読み取りを保証される。さらに、安定器８００は、電子機器の歪みを防止するのに役立つ。送信機及び受信機（例えば、フレックス回路８０２）の柔軟な延長部が患者の頭部（又は他の監視される領域）の１つの寸法を湾曲又は包み込むように整形し、他の寸法は実質的に屈曲又は伸びない。一例として、送信機及び受信機１２０、１２４（すなわち、正面から背面）及び可撓性回路８０２の横方向位置は、患者の頭部の面に押し付けられたときに安定性を維持することができる。
【００４９】
種々の実施形態は、患者の身体上の特定の位置への正しい配置、位置合わせ、及び取り付けを決定するための機械的機構を含む。例えば、図１Ａのヘルメット１４０と、図１Ｂのヘッドバンド１２９と、図９のヘッドセット９０６と及び、図１１のヘッドセット９５０である。これらの機構により、配置の正確さと再現性が確保され、これにより、読み取りの精度と正確さが保証される。機械的安定性及び再現性のさらなる改善は、センサによって増強され、患者の身体への接触点又は一連の接触を検出及び監視することができる。例えば、センサを、図１１のヘッドセット９５０のアーム９６２上に配置して、患者の頭皮と耳との境目の位置にアーム９６２が接したときに検出されるようにすることができる。さらに、又は代わりに、センサは、レンズ９６０の背面又はフレームの上部内側縁部の位置が額までの正しい位置にあるかを検出するように位置決めすることができる。さらに、センサ（単数又は複数）は、測定手順中にヘッドセットの最適な配置が継続されているかを監視することができる。ヘッドセットが所望の位置から離れると、センサ又はセンサが処理ユニット１０４に信号を送信し、これにより、ユーザに対して、ヘッドセット配置の修正を通知し、また配置のために測定データを非理想的なものとして識別することができる。これらの実施形態で使用することができるセンサのタイプの非網羅的なリストには、インピーダンス、容量性、導電性、光学的、熱的及び距離センサが含まれる。
【００５０】
体内の流体体積を検出するシステムのもう１つの例を説明する。図９は、体内の流体体積を検出するためのシステム９００の図である。図１０Ａ〜図１０Ｃは、システム９００のヘッドセット９０６を装着している患者の様々な見解を示す図である。図９〜１０Ｃを参照すると、システム９００は、ヘッドセット９０６又は支持構造体、１つ以上の外部装置と通信するためのネットワーク／通信インターフェースを有する処理ユニット１０４、１つ以上の送信機／受信機１２４、１２４及び演算装置９０２を含んでいてもよい。演算装置９０２は、ネットワーク９２０を介してヘッドセット９０６及び／又は処理ユニット９０４と通信することができる。ネットワーク９２０は、例えばＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、無線などであり、多くの実施形態では、処理ユニット９０４及びヘッドセット９０６からケーブル等を使用することなく演算装置９０２へデータを送信することができるようにすることが可能である。これらの実施形態では、演算装置９０２はヘッドセット９０６から外部であってもよく、演算装置は、無線通信経路を介してヘッドセット９０６と通信中の独立装置であってもよい。他の実施形態では、ネットワークインターフェースは、１つ以上の有線経路を介して外部コンピュータ及び／又はネットワークに通信することが可能である。
【００５１】
演算装置９０２は、図１のコンピュータ１０２と実質的に類似していてもよい。いくつかの実施形態において、演算装置９０２は、治療医が異なる患者間で演算装置９０２をより容易に搬送できるよう、携帯性を有していてもよい。しかしながら、携帯性が必要とされない可能性のある実施形態では、演算装置９０２は、サーバ、デスクトップコンピュータ、ワークステーション等のような、実質的に任意の他のタイプのコンピュータであってもよい。なお、演算装置９０２、処理ユニット９０４及び／又はヘッドセット９０６は、それぞれの装置からネットワーク９２０への通信経路を提供するネットワークインタフェースコンポーネントを含んでいてもよい。
【００５２】
図１０Ａ〜図１０Ｃを参照しながら、ヘッドセット９０６について、より詳細に説明する。この例のヘッドセット９０６は、処理ユニット９０４と送信機／受信機１２０、１２４とを含む。処理ユニット９０４と送信機／受信機１２０、１２４の信号装置に対する一体化により、センシングユニットはより携帯性が高くなるとともに、患者の位置に配置するのが容易となり、患者が装置を装着している間に患者の可動性を高めることができるようにするものである。さらに、上述したように、処理ユニット９０４が送信機／受信機１２０、１２４に近いデータの処理の大部分を実行することができる実施形態では、誤差のリスクが低減され、信号対ノイズ比も低減することができる。
【００５３】
一実施形態では、ヘッドセット９０６は、センシングデバイスのフロント側を定義するフロント支持構造又はフレーム９１０を含む。フロント支持構造９１０は、処理ユニット９０４を支持することができ、例えば、患者の左目及び右目用に、２つのレンズ用のフレームを定義することができる。患者が眼鏡を着用する必要がない場合や他の眼保護を必要とする場合など、レンズが必要とされない実施形態では、レンズを省略してユーザに明瞭さを提供することができる。フロント支持構造９１０は、処理ユニット９０４のサイズ及び構造に基づいて、所望に応じて変更することができる。
【００５４】
図１０Ａ〜図１０Ｃを引き続き参照すると、ヘッドセット９０６は、フロント支持構造９１０の各端部から延びる２本のアーム９１２を含んでいてもよい。アーム９１２は、患者の頭部９３０を囲むように構成されており、患者の耳９１２上に支持されている。アーム９１２は、患者の頭部９３０及び／又は耳９１２に適合するように構成された輪郭部分を含み、これにより、さらに、患者の頭部９３０上の位置に装置を保持しやすくなる。ヘッドセット９０６は調整可能であり、いくつかの実施形態では、各アーム９１２の端部に接続された固定ストラップ９２２を含んでいてもよい。固定ストラップ９２２は、患者の頭部９３０の周囲を締め付け、ヘッドセット９０６を所定の位置に固定するように構成される。例えば、ファスナ又は他の装置により、固定ストラップ９２２の長さを選択的に調節し、頭部９３０の周囲に固定しやすくすることができる。
【００５５】
上述したように、この例では、ヘッドセット９０６は携帯可能であり、送信モジュール、例えば、送信機／受信機１２０、１２４はヘッドセット９０６に接続されている。一例では、図１０Ａ〜図１０Ｃに示されるように、送信機／受信機１２０、１２４はフレームのアーム９１２に接続され、ヘッドセット９０６が患者の頭部９３０上に位置決めされると、送信機及び受信機１２０、１２４は互いに対向して位置決めされ、ユーザの頭部９３０を介して信号を受信及び送信するように指向されることになる。送信機及び受信機は、互いに通信するように構成され、それぞれの信号を対応する装置に送信又は受信するように配置される。
【００５６】
送信機／受信機１２０、１２４又は送信モジュールは、処理ユニット９０４と通信して、処理ユニット９０４から電力を受信することができる。例えば、複数の接続ワイヤ９３４が処理ユニット９０４から延びて、送信機／受信機１２０、１２４を処理ユニット９０４に電気的に接続することができる。接続ワイヤ９３４は、処理ユニット９０４からのデータ及び／又は信号と共に、処理ユニット９０４上のバッテリスロット９３６内で受信されたバッテリなどの電源から電力を送信することができる。さらに、送信機及び受信機１２０、１２４は、データを処理ユニット９０４に送信してもよく、これにより、データを演算装置９０２に送信することができる。例えば、受信機１２４は受信信号を処理ユニット９０４に送信してもよく、これにより、信号を処理してネットワーク９２０を介してデータを演算装置９０２に送信することができる。
【００５７】
ヘッドセット９０６及び処理ユニット９０４の配置及び構成は、所望に応じて変更することができることが理解されるべきである。例えば、別の例では、通信ワイヤ９３４を省略してもよいし、ヘッドセット９０６のフレーム又はサポート構造に組み込んでもよい。図１１は、ヘッドセット９０６の別の例の等角投影図である。図１１を参照すると、この例では、ヘッドセット９５０は図１０Ａ〜図１０Ｃに示されたヘッドセット９０６と実質的に類似するが、通信ワイヤ９３４は、フレーム９１０の材料及び／又は構造体に組み込まれてもよい。さらに、この例では、ヘッドセット９２０は、患者のニーズに基づいて修正することができるフロント支持構造内のレンズ９６０を含んでいてもよい。ヘッドセット９５０のアーム９６２はフレーム９１０の各端部から延び、送信機／受信機１２０、１２４をそこに支持するように構成されてもよい。加えて、この例では、第３の送信機／受信機１２０、１２４は、額に隣接する９０４の背面に構成することができる。理解できるように、処理ユニット９０４は、より小さく、フレーム９１０に中心を置いてもよく、ヘッドセット９０６を着用している間、患者にとって可動性をよりよくすることができる。また、処理ユニット９０４がかなり小さいので、定位置に留まり、演算装置９０２及び／又は送信機／受信機１２０、１２４との間でデータをより正確に送信することが可能である。
【００５８】
いくつかの実施形態において、処理要素９０４又はユニットは、送信機／受信機が受信した受信磁場データの１つ以上に対応する送信データをネットワークインターフェースに送信するように構成され、送信データは外部演算装置９０２に送信される。これらの実施形態では、処理要素９０４は、データを外部演算装置９０２に送る前に、送信機及び受信機から受信されたアナログデータをデジタルデータに変換することができる。これにより、ヘッドセットと演算装置９０２との間のデータ伝送の速度を増大させ、より信頼性を高めることができる。
【００５９】
本明細書に記載された装置及び方法は、種々の実施形態において、身体のあらゆる部分において流体測定（しばしば流体変化測定）を行うために使用することができ、複数の医療診断用途に使用することができる。エミッタ及び検出器（検出器は、受信機と称することもできる）コイルの構成は、種々の実施形態では、身体の部位及び／又は診断用途に適したものに変更することができる。例えば、アームなどの肢を含む用途、又は組織の浅い位置での液体含有量を測定することがより重要な場合には、エミッタコイル及び検出器コイルは、被験体組織の同じ側に配置することができる。共平面配置が適切な場合もある。コイルははるかに短い距離で分離することができるので、受信信号強度ははるかに大きくなり、コイルの大きさは小さくなる。種々の代替実施形態では、コイルは、互いに同一平面上に配置又は異なる直径のコイルを用いた同心平面配置であってもよい。いくつかの実施形態において、検査中の身体の部位の形状に適合するようにコイルの平面をわずかな角度で配置した方がよいこともある。
【００６０】
ここで説明するシステムの様々な例を用いて、システムを操作させる方法についてより詳細に説明する。ここでは、図６を参照して、システム１００の操作の一例を簡単に説明するが、図６に示した種々の操作については以下でより詳細に説明するとともに、様々な代替方法や操作態様についても以下で説明する。操作５０１を開始すると、システム１００に電源が投入され、自己診断が実行される。システム１００がテストに失敗すると、操作５０２のラップトップ１０２に停止インジケータ又は失敗インジケータが表示される。システム１００が電源投入自己診断を通過すると、操作は操作５０４に移動する。また、システム１００の操作中、連続状態モニタは操作５０３内で作動することができ、システム１００が故障していると状態モニタに判断された場合には、システムは操作５０２で停止又は失敗インジケータを表示することができる。
【００６１】
システム１００が電源投入自己診断を通過し、操作が操作５０４に移動されると、周波数合成ＦＰＧＡ１１０は初期化され、送信信号が操作５０４で送信されるように送信機１２０を開始することができる。波形平均器ＦＰＧＡ１１２は、操作５０５で送信機１２０及び受信機１２４からの波形（例えば、流体データ）の収集及び平均化を開始することができる。平均波形は位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４に提供されてもよく、これは操作５０６で始まる送信機１２０と受信機１２４の波形の間の位相シフトを決定することができ、対象の最終的な位相計算が操作５０７で計算されることになる。位相計算は、操作５０８においてラップトップ１０２に提供されてもよい。操作５０５以降の任意の時点において、周波数合成器ＦＰＧＡ１１０は送信機１２０に別の周波数を提供することができ、この工程を繰り返して次の周波数に進むことができる。したがって、複数の周波数が送信機１２０から発振され、その後の位相シフトが計算される。例えば、周波数合成ＦＰＧＡ１１０は、繰り返し操作５０４において次の周波数を提供することができ、位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４は、前の周波数からの波形間の位相シフトを測定するか、又は周波数合成ＦＰＧＡは、操作５０８でラップトップに位相計算が提供されるまで第２の周波数を提供しない。代替実施形態では、エミッタは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの技術を用いて後で分離するために、調和周波数と同時に、又は複数の周波数発生器を使用して、単一周波数を発振することができる。複数の周波数の同時発振は、ノイズキャンセル、移動拒否及びその他の目的のために有利である。
【００６２】
送信機及び受信機
脳液診断用の誘導位相シフト測定ベースのシステム１００に適した電磁周波数の範囲は、約２０ＭＨｚから３００ＭＨｚまでの無線周波数（ＲＦ）範囲であるが、１ＭＨｚから５００ＭＨｚの間、３ＭＨｚから３００ＭＨｚの間などのような他の周波数で使用することもできる。選択された周波数は、ヒト組織において比較的低い吸収速度を提供することができ、例えば、容量性カップリングや信号線クロストークなどのノイズ因子に対し、良好な信号が得られ、正確な位相測定が容易である。
【００６３】
以前は、これらの周波数範囲で磁場を発振（及び感知）する送信機（及び対応する受信機）のいくつかの例は、コイルの平面がヘッドの円周と平行になるように配置された少数の円形ターンの薄い誘導コイルで構成されていた。これらの前送信機及び受信機のコイルは、直径が１０ｃｍ又はそれ以上、又は５以上の巻数を有していた。しかしながら、これらの比較的大きな送信機及び受信機コイルは、煩雑であり、さらには、ヒトの脳における流体のＶＩＰＳ検出のための、対象の周波数の範囲内で共鳴を起こす。送信機又は受信機コイルがそれらの自然共振周波数のうちの１つに近似する周波数で操作するとき、測定される位相シフトは、主にコイルの自己の寄生容量の大きさの関数であり、コイル及び／又は環境効果のいずれかの運動による非常に小さな変化が、位相シフトの大きな変化を生じさせることがあり、位相シフトの測定において許容できないノイズを生じることがある。
【００６４】
したがって、本開示のいくつかの実施形態では、送信機１２０及び／又は受信機１２４の最小自然共振周波数は、送信される磁場の目的の周波数よりも高くてもよい。いくつかの例では、送信機１２０は、磁場発生器又は変換器としてコイルを含んでいてもよい。対称性の見地から、この同一又は類似のコイルは、受信機１２４内の磁場センサとして作用することができる。いずれの場合においても、コイルの直径と巻数（すなわちループ）が減少すると、第１の自己共振周波数は一般に増加する。そのため、単一ループのコイルの場合、ループは非常に小さい直径に限られる。しかしながら、ループ径が小さくなるにつれて、ループによって遮断される磁束の量は、直径二乗の比に等しい係数で減少する。同様に、ループ内の誘起電圧は減少し、その結果、受信機１２４内の磁場センサとして作用するループからの信号がより小さくなる。そのため、直径の減少には実際上の限界がある。しかしながら、いくつかの実施形態では、送信機１２０／受信機１２４の構成における伝送ライン技術を使用することによって、自己共振周波数をさらに増加させることができる。
【００６５】
広い帯域幅にわたって比較的一定の位相シフト用として設計されたコイルを使用する代わりに、外部反応コンポーネントを直列並列ネットワークに追加することで、単一周波数での位相シフトを調整したり、あるいは少数の離散周波数で位相シフトを調整したりできる。この概念は、個々の周波数の近似値が、システム全体を設計する前に既知であり、離散周波数の数が小さい場合に最も効果的である。スイッチ又はモータ駆動の同調可能構成要素を使用することにより、位相シフトの同調は自動化され、ソフトウェア制御されることができる。一定の位相シフトに同調することの利点は、コイルのサイズ及び形状をより自由に選択できることである。より大きなコイルを使用することにより、検出された信号強度が増大し、サンプリングされている脳又は他の身体部位の部分に最適に適合する磁場形状となる。
【００６６】
一実施形態では、図２Ａを参照して、自己共振周波数よりも高く、及びそれに付随して自己共振周波数より低い安定位相応答を有する単一ループ２５０は、同軸ケーブル、プリント回路基板上の埋め込みストリップライン、ねじれシールド対ワイヤ、ツイン軸ケーブル又は三軸ケーブルなどのシールド伝送ラインを用いて構築することができる。ループ２５０は、送信機１２０内の磁場発生器として、又は受信機１２４内の磁場センサとして使用してもよい。シールド伝送ラインは、第２の導体を少なくとも部分的に包囲するシールド２５１としての第１の導体を含んでいてもよい。第１の導体又はシールド２５１は接地されてもよく、第２の導体の周りにファラデーケージを形成してもよい。第２の導体は、変化する磁場に応答する出力信号を提供することができ、ファラデーケージにより、第２の導体は、外部の静電効果及び容量性カップリングから遮蔽することができる。例えば、一実施形態では、埋め込みストリップラインの単一ループ２５０は、プリント回路基板内の２つの接地面の間に挟まれていてもよい。複数のビアは、２つの接地面間に延びていてもよく、ビアの間隔は送信及び／又は受信されている電磁場の波長によって決定され、ビアは、埋め込みストリップラインループ２５０の周囲に有効な静電又はファラデーケージを形成する２つの接地面と共に形成される。他の実施形態では、ファラデーケージを形成するために外部シールド（同軸ケーブルなど）を有する他のタイプの伝送ラインを使用して、ループ２５０に対する外部静電効果を減少させてもよい。
【００６７】
送信機１２０又は受信機１２４の単一ループ２５０の実施形態において、ループ２５０の電圧は、単一ループ２５０の誘導特性のためにループ２５０の電流と相補的でないことがある。この位相誤差は、以下で説明するように、診断システム１００の初期化中に検出し、説明するようにしてもよい。しかしながら、単一送信機ループ２５０のいくつかの実施形態において、図２Ｂを参照して、バラン変圧器２５４を追加して、この位相誤差を補正する必要を回避してもよい。さらに他の実施形態では、図２Ｃを参照して、第２の独立した小型の同心ループ２６０を使用して、送信磁場を感知し、交流直流変換器へと電流を表す電流を供給する。第２の実施例では、同心送信機ループ２６０は、対応する受信機ループ（例えば、受信機１２４）と同じ大きさでそれらの間に比例信号と良好な均一性を有するが、別の例では、受信機ループは、第２の同心送信機ループ２６０よりも大きく、受信された磁場に対してより敏感である。第２の同心送信機ループ２６０を有する送信機１２０では、また、図２Ｄを参照して、バラン変圧器２６４を同様にこの第２の同心ループ２６０に使用して感知した電圧と電流のバランスをとってもよい。さらに、シングルターン受信機ループ２５０についても、同様にバラン２５４を追加し、図２Ｂの送信機ケーブルに示されたものと同様に、その性能のバランスをとるようにしてもよい。
【００６８】
図２Ｅを参照すると、別の実施形態では、伝送ラインの概念は、単一ループの単一終端デバイスを構築することから、二重ループ２７０を構築するように拡張することができ、これは、二重終端の又は「バランス」受信機１２４（又は、対称的に、バランスのとれた送信機１２０として使用するため）として使用することができる。図２Ｅにおいて、４つの導電性（例えば、銅）層２７１、２７２、２７３、２７４は、図示のようにプリント回路基板上に形成されてもよく、３層の誘電体材料（図２Ｅには示されない）が、垂直に積み重ねられた４つの導電層２７１、２７２、２７３、２７４の間に結合されている。上面層２７１及び底面層２７４は接地できるので、電気シールドを形成することができる。さらに、小さな線形破壊２７１Ａ、２７４ａは、接地面２７１、２７４が追加の短絡巻線のように作用しないよう、上面層、底面層２７１、２７４の両方に存在してもよい。上面層、底面層２７１、２７４の間に、＋ループ２７３及び−ループ２７２が配置されてもよく、リードが２ループ２７２、２７３からのバランス増幅器（図２Ｅには示されない）に結合されている。＋ループ２７３及び−ループ２７２は、いくつかの例では中心タップされていてもよい。２つのループ２７２、２７３の内径は、約１インチ（約２・５４ｃｍ）であってよく、２つの接地面２７１、２７４における円形ボイドの内径よりも僅かに大きくてよい。いくつかの実施形態では、誘電体材料の厚さ及び誘電率、ループ２７２、２７３を形成する導電性材料の幅及び厚さ、接地面２７１、２７４の間隔、及びその他の間隔は、結合される伝送ラインを一致させるために、二重ループ２７０が約５０オームインピーダンスを有するように選択することができる。このように、いくつかの例では二重ループ構造２７０の自己共振周波数は、２００ＭＨｚ以上であってもよい。
【００６９】
図２Ｅを参照すると、受信機１２４において磁場センサとして使用される二重ループ２７０の場合、環境のＥＭＩ源又は近接する導体の運動による磁場の環境変化からシステム１００に結合される外部ノイズは、２ループ２７２、２７３が結合された差動増幅器のコモンモード拒絶のために減少することができる。したがって、受信機１２４として使用されるときに、差動増幅器がループ２７２、２７３に結合されることによって、ループ２７２、２７３の直径は適切なレベルでの出力信号レベルを維持しながら減少し、遠隔処理ユニット１０４（例えば、１つ以上の交流直流変換器が直接ヘッドピース１０６内に存在しないもの）への送信が可能となる。増幅器電力利得は、いくつかの実施形態では約４０ｄＢであってもよい。対象の電力レベルに対し４０ｄｂの利得を提供する低コストの広帯域増幅器は、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚという周波数範囲を超える、無視できる程度の移送シフトを有する複数のサプライヤからの小型パッケージで容易に入手できる。
【００７０】
図２Ｆを参照すると、提案されているように、バランス受信機１２４に使用される二重ループ２７０は、磁場発生送信機１２０と同様のアプリケーションを有する。バランスをとったアプローチにより、送信機１２０を構成するための二重ループの逆方向の巻線方向に起因する伝送磁場におけるノイズのコモンモード相殺を生じさせ、それによって、環境因子からの静電ピックアップ又は磁気ピックアップの結果として得られた伝送磁場内のノイズを減少させることができる。
【００７１】
図２Ｅ及び図２Ｆを参照すると、いくつかの実施形態では、２ループ２７２、２７３は、異なる面に形成されてもよく、他の実施形態では、２つのループは、同心円ストリップライントレースと同一平面内で製造されてもよい（したがって、ＰＣボードの製造に必要とされる層の数が減少する）。この同心設計は、送信機１２０及び／又は受信機１２４に使用することができる。
【００７２】
また、図２Ａ〜図２Ｆのいずれかを参照すると、アナログからデジタルへの変換が送信機１２０又は受信機１２４の近傍で行われない例では、抵抗減衰器が、面実装抵抗器によりＰＣボードに追加して、アナログ信号が送信されるケーブル内の受信機信号へ送信機信号の交差結合を減少させて、位相測定精度及び安定性を向上させてもよい。オンボード減衰器は、大きい別個のモジュラ減衰器と比較して実質的なサイズ及びコスト低減をもたらすことができる。また、送信機１２０又は受信機１２４の近傍でアナログからデジタル変換が行われない例を引き続き継続して、図２Ａ〜図２Ｆのいずれかを参照して、１つ以上の増幅器を提供して、送信機１２０及び／又は受信機１２４からの信号を増幅して外部アナログからデジタル変換器１２２、１２６へのケーブルを介した信号の減衰を減らすことができる。また、送信機１２０又は受信機１２４の近傍でアナログからデジタル変換が行われない例を引き続き継続して、図２Ｅ及び２Ｆに示された「バランス」送信機及び受信機が同軸線の５０オーム特性インピーダンスで終端されるので、送信機及び受信機の電圧はそれぞれの送信機及び受信機の電流と同相である可能性がある。
【００７３】
図３を参照すると、代替的な設計は、ループ２５０と同様のプリント回路基板上の増幅器２５６を含んでいてもよい。ループ２５０と同じプリント回路基板上に増幅器２５６を含めること（例えば、受信機１２４として使用される）により、信号対ノイズ比を増大させるのに役立つ可能性があり、これは、アナログからデジタルへの変換がヘッドピース１０６から遠隔で実行される実施形態で特に有用である。増幅器２５６はまた、信号のアナログからデジタルへの変換がループ２５０の近くで行われる実施形態においても使用することができる。上述のように、バラン変圧器は、ループ２５０と増幅器２５６との間のプリント回路基板上にも含まれ、コイルを「バランス」モードで操作させるのを助けることができる。バランスモードにおいて、容量結合電磁干渉ピックアップ又は動き誘起変動は、典型的には、バランス差動信号の負及び正のリードの両方に等しく結合するので、減少又は相殺されてもよい。
【００７４】
初期化固定位相誤差を除去するためのエアスキャン
上記で提案したように、いくつかの例では、診断システム１００は、送信機１２０、受信機１２４を個別に較正し、送信機１２０及び受信機１２４を互いに、そして他の関連電子機器との間で、較正されるように初期化されてもよい。例えば、送信機１２０及び受信機１２４からのリード長及び増幅時間遅延の信号経路上の変動を、初期化中に検出して信号の処理中に信号から除去し、データ上の固定オフセット誤差を防止してもよい。また、シングルターンループ２５０内の（測定された）電圧と電流の間の任意の位相シフトが検出されてもよい。
【００７５】
初期化は、一実施形態では「エアスキャン」であってもよく、送信機１２０及び受信機１２４は、それらの間のエアのみで位置決めされ、送信機１２０及び受信機１２４は、平均的な患者の頭部上に位置決めされたときとほぼ同じぐらい離れた位置にくるように配置される。このように間隔が空けられると、位相シフトデータは異なる周波数の範囲に対して収集され（誤差は、異なる周波数間で一定又は変化することがあるので）、収集されたエアスキャン値は、信号処理の間に（例えば、システム１００の動作中の値からそれらを差し引くことによって）用いられ、後に、システム１００の任意の位相シフト誤差を補正する。初期化は、交流直流変換器１２２、１２６が送信機１２０及び受信機１２４に近接するヘッドピース１０６上にある場合、交流直流変換器１２２、１２６がヘッドピース１０６の外部にある場合、などに実行されるようにしてもよい。
【００７６】
駆動・サンプリング信号の発生
上述のように、診断システム１００は、複数の周波数で送信された時変磁場の位相シフトデータを収集する。なぜならば、種々の組織のタイプ及び体液によってもたらされる位相シフトは、周波数によって変化する可能性があるからである。図１に示す診断システム１００は、処理ユニット１０４内に可撓性の周波数合成器１００を設けたものであるが、他の実施形態では、周波数合成器１１０は、例えば、ヘッドピース１０６に設けられてもよい。この周波数合成器１１０は、いくつかの例において、約２０ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲で、最小１ＭＨｚ解像度を有していてもよい（あるいは、約２０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ又は約１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ又は任意の他の適当な範囲のいずれか）。標準的なデジタル位相ロックループ技法を使用して、単一の安定結晶制御クロック発振器から選択可能な周波数を導き出すことができる。上述のように、合成器１１０のデジタル部分は、処理ユニット１０４内のＦＰＧＡ１１０の１つに実装されてもよい。合成器１１０は、送信機１２０内の磁場を生成するための基本方形波クロック信号とサンプリング信号の両方を生成することができる。サンプリング信号は、いくつかの実施形態において、磁場発生信号からの周波数において、わずかにオフセット（例えば、１０ｋＨｚ）していてもよい。磁場を生成するための方形波信号は、いくつかの実施形態では、増幅して、そのレベルを補正してもよく、また、フィルタにかけて、より高次の高調波を除去して、１つ以上の基本周波数において低い歪み正弦波を達成してもよい。
【００７７】
他の場合として、時間領域データのＦＦＴ処理などの周波数領域技法を使用して位相を計算する場合には、基本周波数の高調波を強調することが有利であろう。これらの実施形態では、基本周波数合成器の後に追加の回路を追加して、方形波又はパルス波形の立ち上がり時間又は立下り時間をより速くして、相対振幅及び高次の高調波の数を増加させることができる。前述したように、本実施形態では、ＲＦの一回のバーストで周波数の「コーム」を生成することが可能であり、また、エミッタ及び検出器からの捕捉時間領域データのフーリエ技術を用いた処理により、「コーム」内の各周波数に対する同時時間相関位相データセットが生成される。複数の周波数からの位相データのこの同時捕捉は、各周波数の位相データが異なる時間に測定される場合、患者の脳液に関する所望の情報を運動アーチファクト又は周波数の個々のスキャンに影響を及ぼす他の影響から分離できるという大きな利点をもたらすことができる。この場合、各周波数を異なる時間でサンプリングすることにより、検出又は除去が困難なノイズを導き出す。
【００７８】
磁場を生成するために用いられる信号は通常周期的であるため、波形の単一サイクルから位相情報を捕捉するために、その信号の周波数よりも何倍も高いサンプリング周波数を用いる必要がなく、代わりに、いくつかの例において、アンダーサンプリング技法を使用してもよい。アンダーサンプリングは、増幅器ゲインの大部分とオーディオ又はビデオ信号復調の大部分が電子機器（ＩＦ）のより低い中間周波数ステージで実行される、現代のラジオにおいて使用されるヘテロダイニング技術と類似している。アンダーサンプリングにより、実際には、システムが、信号の位相情報を妨害することなく、より長い時間にわたって同じ又は同様の数のサンプルポイントを収集することができるようになる。
【００７９】
アンダーサンプリングを使用すると、波形の単一サイクルから位相角を正確に測定するために、波形の単一サイクルから充分な位相サンプルを捕捉する必要がある高速交流直流変換器（高価で、多くの異なる有線接続を含むことがある）が不要となる。低速交流直流変換器が使用できる場合、上述のように送信機１２０及び受信機１２４ループ２５０、２７０の近くに交流直流変換器１２２、１２６を配置することは、商業的にも物理的にも可能である。
【００８０】
したがって、いくつかの実施形態では、送信磁場信号及び受信磁場信号の一方又は両方をアンダーサンプリング（例えば、各サイクルについて１サンプル又はそれ以下）してもよく、したがって、波形の平均記録は、１サイクルと比較して、より長い時間の間に採取されたサンプルを用いて捕捉可能である。アンダーサンプリングを達成するために、送信信号及びサンプリング信号の両方を共通クロック信号から導出することができ、サンプリング信号は、送信信号周波数（又はサブ高調波周波数）から少量で正確にオフセットされる。オフセットが、例えば送信信号の第１の高調波周波数から１０ｋＨｚである場合、１００マイクロ秒の期間後の結果、ｆ／１００００個の個々サンプルを用いた反復送信波形の１サイクルの有効な画像となるであろう。送信信号周波数１００ＭＨｚ及びサンプル周波数１００．０１０ＭＨｚの場合、送信波形の単一サイクルの１０，０００アンダーサンプリングの個々のサンプルは、３６０／１００００又は０．０３６度の解像度で間隔をあけて配置される。アンダーサンプリングの代わりとして、交流直流変換器１２２、１２６の前に標準非線形混合技術を用いた周波数変換を採用してもよい。
【００８１】
他の例では、磁場発生器信号の周波数及びサンプリング信号の周波数は、別の方法で関連することができるが、その一例を、下記の周波数領域信号処理技術の言及に関連して説明する。さらに他の例では、サンプリング周波数は比較的一定でもよい（例えば、２１０ＭＨｚ、発生周波数は広範囲にわたって変化し得る）。
【００８２】
送信及び受信アナログ信号のデジタルデータへの変換
いくつかの実施形態では、送信信号及び受信信号間の電子位相シフト測定はアナログ信号処理技術を用いて実行することが可能であるが、他の例では、上述のように、アナログデータをデジタルデータに変換してから、１つ以上の交流直流変換器１２２、１２６を介して位相シフト測定を実行してもよい。その後、デジタル波形は、関連する位相シフト情報を得るために処理できる。アナログデータではなくデジタルデータを処理することにより、例えばランダムノイズの影響を低減し、適切な技術では、ＡＣラインピックアップのような非ランダム周期ノイズを６０Ｈｚ近くの周波数で減少させるためには、波形の多くのサイクルを容易にサンプリング及び平均化できるようになる。また、波形データ中のノイズを低減した後は、デジタル信号処理を用いた正確な位相測定を得るために使用することができる相関のような方法が多数存在する。
【００８３】
本明細書に記載される診断システム１００のいくつかの例において、送信信号及び受信信号の両方における交流から直流への変換は、発生点及び／又は磁界の検出点にできるだけ近いところで実行される。例えば、交流直流変換は、ヘッドピース１０６内で、それぞれ送信機１２０及び受信機１２４を含むプリント回路内で一体化した小型化したモノリシックな単一チップの交流直流変換器１２２、１２６によって実行してもよい。例えば、送信機１２０の交流直流変換器１２２は、一例では、送信機１２０のバランス出力の間で電圧を差分的にサンプリングすることができる。例えば、受信機１２４の交流直流変換器１２６は、受信機１２４に結合された広帯域信号増幅器の出力に配置してもよい。遠隔処理ユニット１０４ではなくヘッドピース１０６上の交流直流変換器１２２、１２６を位置決めすることによって（ただし、本明細書に記載される他の実施形態では行っているものもある）、アナログ信号を交流直流変換器１２２、１２６に運ぶケーブルで動き、湾曲、環境の変化に関連する位相シフトの影響を低減又は除去することが可能である。低減又は排除され得る他の誤差の原因としては、終端における小さなインピーダンス不整合によるケーブル長関連定在波共振、及び相互接続ケーブル上の送信信号と受信信号との間のクロスカップリングがあり、波形歪みによる位相誤差が生じる。交流直流変換器１２２、１２６が送信機１２０及び受信機１２４の近傍に配置されていない実施形態において同様の利点を実現するために、単一のケーブルを使用して、サンプリング信号を処理ユニット１０４内の送信機及び受信機交流直流変換器１２２、１２６へ運び、及び／又はいくつかの実施形態においては、高質半剛性ケーブルで、２台の交流直流変換器１２２、１２６の間で採用することができる。
【００８４】
操作とパイプライン化の概要
再び図１を参照すると、送信磁場及び受信磁場の両方に対して波形データ（いくつかの実施形態ではアンダーサンプリングすることができる）を捕捉することができ、捕捉した波形は、リアルタイム（又は実質的にリアルタイム）で少なくとも部分的に処理できる。本明細書で説明するように、１つのＦＰＧＡ１１２は、ノイズ低減のために、多くのサイクルにわたる２つの波形のそれぞれについてのデータを平均化することができる。その後、別のＦＰＧＡ１１４は、相関手法を使用して、平均波形データを使用して位相シフト測定を実行することができる。パイプライン化技法は、いくつかの実施形態において、複数の周波数サンプルにわたる位相データの収集のためのデータスループットを高速化するために使用してもよい。送信機１２０は、第１の所望の周波数で時変磁場を生成することができ、必要な数の波形平均は、この第１の周波数において波形平均ＦＰＧＡ１１２によって実行することができる。
【００８５】
平均器ＦＰＧＡ１１２が、送信機１２０及び受信機１２４からサンプルデータポイントの全てを収集して平均化した後、これを位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４に転送することができる。いくつかの実施形態において、患者の流体変化を検出するのに単一送信周波数のみが使用されるが、他の実施形態では、所望のスペクトル範囲内で複数の異なる送信周波数が発生してもよく、対応するデータが収集されてもよい。複数の送信周波数を有するこれらの実施形態では、第１の送信周波数に対する位相決定は位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４において（第１の送信周波数で取得されたデータを使用して）進行することができる一方、周波数合成器ＦＰＧＡ１１０により、送信機１２０にスペクトルスキャンの第２の所望の周波数を有する磁場が生成され、第２の送信周波数の波形データは波形平均化器ＦＰＧＡ１１２（ひいてはパイプライニング）によって平均化される。他の実施形態では、１つの送信周波数についての波形平均化は、第２の周波数についての複数のサンプルを記録することと略同時に起こり得る。概して、多くの異なるタイプのパイプライン化（例えば、信号生成、取得、データ処理の２以上をほぼ同時に実行すること）を使用してもよい。しかしながら、他の実施形態では、パイプライン化は存在しない場合もあり、診断システム１００は、第２の送信周波数に移る前に、単一送信周波数に関連する全てのデータを送信し、収集し、平均化し、処理することができる。
【００８６】
パイプライン化を使用されるかどうかにかかわらず、異なる送信周波数を使用するプロセスは、所望のスペクトル周波数走査を用いて任意の数の送信周波数に対して繰り返してもよく、またスペクトル走査内の１つ以上の周波数に対して繰り返してもよい。いくつかの例においては、各周波数に対して計算した位相シフトは、位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４から直接ラップトップ１０２に転送してもよい。
【００８７】
信号処理−平均化
送信機１２０及び受信機１２４のサイズが比較的小さいので、また、送信磁場の電力（とりわけ、ＲＦ放射線への過剰露出から患者を保護する必要性及びシステム１００からの電磁場排出を最小限に抑える必要性から低電力）が比較的低い電力であるため、送信機１２０及び／又は受信機１２４で測定した磁場は比較的小さい振幅に比べて比較的大きな量のノイズを有する場合がある。ノイズには、増幅器の入力熱ノイズ、ＥＭＩピックアップからのバックグラウンドノイズなどがある。いくつかの実施形態では、ノイズは、実際の位相シフトに比較して、位相シフト測定値にかなりの割合で影響する。例えば、１ｍｌの流体変化は、３度の位相シフトに対応し、したがって、送信信号及び受信信号のノイズが、予想される位相シフトの実質的な部分によって、又は予想を超えてノイズによってデータが許容できなくなることもある。
【００８８】
ノイズを低減するために、本明細書に記載される診断システム１００は、いくつかの実施形態において、送信された磁場及び受信された磁場（１００００サンプルの多数倍、例えば、３２，０００サンプル）の多数のサイクルをサンプリングし、個々のサンプルを平均化して、実質的にランダムノイズを減らしたり、固有周波数をフィルタにかけたりしてもよい。いくつかの例では、総サンプリング時間間隔を、１つの６０ＨｚのＡＣ電力期間のほぼ整数倍になるように拡張して６０Ｈｚの電磁干渉ピックアップの影響を減らすことができる。以下に説明するように、これらの波形は、時間領域内で互いに乗算することと、他の周波数領域平均化技術とを掛け合わせることによって、任意の適切な平均化手法によって平均化することができる。
【００８９】
次に図４を参照すると、波形平均ＦＰＧＡ１１２の単純化された論理図の実施形態３００が示されている。もちろん、他の実施形態では、カスタム回路を用いてデータを平均化することができ、このカスタム回路は、ヘッドピース１０６、処理ユニット１０４、ラップトップ１０２、又は他の適切な位置に配置することができる。しかしながら図４は、交流直流変換器でデジタル化された後、送信波形サンプルを平均化するために波形平均ＦＰＧＡ１１２に実装される論理の一例を示す図である。同様の論理３００を使用して、受信した波形サンプルをデジタル化した後に平均化してもよい。波形平均ＦＰＧＡ１１２への入力は、交流直流変換器と波形平均ＦＰＧＡ１１２との間に必要な配線を減少するための交流直流変換器からの低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）形式であってもよい。ＬＶＤＳフォーマットでは、単一波形データポイントを表すデジタルデータの各ワードは、以下で説明するデシリアライズロジックにより、最初にシリアルデータからパラレルデータに変換することができる。
【００９０】
図４に示される論理は、交流直流変換器へのデータ転送クロックによって計時される同期直列入力並列出力形シフトレジスタ３０１を含む。その後、並列出力は、送信波形の１つの完全なサイクルを構築するのに必要な個々の波形サンプルの最大数を処理する充分な容量を有するメモリバッファ３０２に転送される。加算器３０３を使用して、データワードがレジスタ３０１を終了した後又はメモリバッファ３０２が完全に埋められた後に、メモリバッファ３０２内の全ての波形サンプルの和を蓄積してもよい。各波形和メモリ位置は、オーバーフローなしで合計に期待される最大数を収容することのできるビットサイズのワードサイズを有していてもよい。例えば、１２ビット解像度交流直流変換器及び４０９６波形和には、２４ビットメモリワードサイズが必要である。送信信号サンプルの波形の意図された数の合計を、波形メモリに蓄積した後（及び、別々に受信信号サンプルが波形平均で加算される）、両方の波形に対するメモリコンテンツは、位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４に直列転送される。いくつかの例では、平均化される波形の数で除算する必要はない場合もありうる。なぜなら、処理の次のステップでは、平均化された波形におけるデータ点の相対的な大きさだけが関係し得るからである。このため、全ての位相シフト決定の精度に大きな影響を与えることなく、平均波形データ点の各々から、適切な数の最下位ビットを削除することができる。
【００９１】
信号処理−位相シフトの決定
図５を参照すると、位相シフト測定ＦＰＧＡ１１４は、２つの回転シフトレジスタ４０１、４０２、乗算器４０３及び加算器４０４も含んでいてもよい。これはまた、個々の送信と受信の平均波形データ点との製品の和を計算するように構成された論理を含み、これら２つの波形間の調整位相シフトを行うこともできる。ＦＰＧＡを使用して、製品の合計が０に最も近く、製品対位相シフトに対する生成物対位相シフトの傾きが負である位相シフトを見出すことができる。
【００９２】
周波数ｆ及び位相シフトφの２つの正弦波の生成物については、次の三角関数の公式を考慮すること。
Ｓｉｎ  ｕ  ｓｉｎ  ｖ＝１／２［ｃｏｓ（ｕ−ｖ）−ｃｏｓ（ｕ＋ｖ）］
但し、
【数１】
2020511173.tif 000003
【数２】
2020511173.tif 000004
【００９３】
製品の第１項は位相シフトにのみ依存するＤＣ項である。第２項は、元の周波数の１つの完全なサイクルで平均してゼロになる周波数の２倍の正弦波である。なお、第１項（余弦波）はまた、位相角（φ）が＋９０°又は−９０°のいずれかであるときにも０である。さらに、位相角に対する製品の傾き（ｓｉｎ  ｕ  ｓｉｎ  ｖ）／ｄφは、φ＝＋９０°で負の値に変化し、正の値はφ＝−９０°である。
【００９４】
反復によって、ＦＰＧＡは、送信波及び受信波が＋９０°位相シフトに最も近いｎｏｆｆｓｅｔの値を決定することができる。ｎｏｆｆｓｅｔサンプルのオフセットと、完全な３６０°波形のｎｔサンプルの場合、次の式を使用して位相シフトが計算される。
【数３】
2020511173.tif 000005
【００９５】
決定の解像度は、サンプル数（解像度＝３６０°／ｎｔ）に制限することができる。この解像度が測定の必要精度に対して不充分な場合、補間を使って、製品項の合計が０を正確に通過するｎｏｆｆｓｅｔの分数値を見つけることができる。
【００９６】
位相シフト測定のための周波数領域信号処理方法
上述のように（例えば、位相シフトデータを得るために、波形の平均化及び乗算のためのセクションを参照）、送信機１２０及び受信機１２４の両方から測定されデジタル化された磁場トレースの信号処理は、時間領域内で進行することができる。しかしながら、他の実施形態では、信号は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して周波数領域で処理することができる。
【００９７】
フーリエ領域分析の一実施形態では、送信機１２０及び受信機１２４からの信号は、例えば、比較的高い解像度（例えば、１４ビット）で、例えば、約２００ＭＨｚサンプリングレートでデジタル化される。交流直流変換器及びデータ取得電子機器は、比較的小さなプリント回路アセンブリパッケージに含まれてもよい。キャプチャされたデータは、高速ＵＳＢシリアルリンクを介してラップトップコンピュータ１０２に転送されてもよい。時間領域処理は、その後、ラップトップ１０２上の周波数領域処理によって置き換えることができ、波形間の位相シフトを計算することができる。
【００９８】
データがラップトップ１０２上にあれば、各送信機及び受信機時間領域波形のＦＦＴが計算されることができる（ただし、他の実施形態では、ＦＦＴは、交流直流変換器に近接するＦＰＧＡ又は他のプロセッサによって計算してもよい）。結果として得られた実と仮想の解は抵抗性と反応性の周波数領域データを表すものであるが、デカルト座標から極座標へと変換でき、波形の大きさと位相の周波数領域プロットを得ることができる。各波形の位相は、当該周波数の位相の周波数領域プロットから得ることができる。基本周波数が測定上限を超えている場合、サンプリング周波数と送信波場周波数との間の差周波数を用いることができる。例えば、２１０ＭＨｚのサンプル周波数は、０〜１０５ＭＨｚの周波数範囲でＦＦＴを生成し、送信波場周波数がこの範囲内にある場合には、基本周波数は位相シフト測定に用いられる。差周波数は、送信波場周波数が、例えば１０５ＭＨｚから３１５ＭＨｚまでの範囲のより高い端部にある場合に使用される。
【００９９】
送信波と受信波場信号の両方に対するＦＦＴを計算した後、変換送信機と受信波形から得られた位相値の差から特定周波数の位相シフトを計算することができる。なお、シフトを計算するときには、様々な周波数領域における位相情報に対する符号反転が必要となることがある。
【０１００】
送信機１２０及び受信機１２４からのサンプルに対するＦＦＴの計算を可能にするために、サンプリング及び送信波形に使用される周波数は、コヒーレントサンプリングが可能なように決定され、よって、送信及び受信波形の両方が、繰り返される波形の完全な周期の整数を含み、波形のために収集されたサンプルの数は２の偶数倍である。コヒーレントサンプリングを実装する一つの方法は、送信機と受信機のサンプリング周波数を選択することであり、これによりｐｒｉｍｅ１／ｆｔｒａｎｓｍｉｔ＝ｐｒｉｍｅ２／ｆｒｅｃｅｉｖｅが選択される。素数ｐｒｉｍｅ１とｐｒｉｍｅ２は、サンプル数と同様に、いくつかの実施形態では非常に大きいことがあり、それによって、信号周波数の許容値の間隔を小さくすることができる（例えば、調整解像度は約１Ｈｚ）。これは、例えば、安定周波数源と、整数周波数逓倍器、整数周波数分周器、及び位相ロックループの適切な組み合わせとを組み合わせるなどのデジタル周波数合成技術を使用することによって達成することができる。
【０１０１】
コヒーレントサンプリングでは、位相計算の理論精度は、時間領域波形のサンプル数と交流直流変換器のデジタル解像度によって制限されるだけである。Ｄｃノイズ及び１／ｆノイズのような低周波数ノイズ源は、周波数領域処理技術によって本質的に拒絶してもよい。また、コヒーレントサンプリングを使用することにより、位相を計算するために調和及び相互変調生成物周波数成分が当該周波数の上に存在する確率を減少させる。さらに、ＦＦＴ周波数領域解を用いて位相を決定することによって、測定された送信及び受信磁場の大きさ又は振幅に関する情報を提供することができる。振幅値の比を使って、対数ｄＢ電力比単位で表せる送信磁場の減衰を決定することに使用できる。
【０１０２】
時間領域における代替の信号処理
時間領域における付加的な代替信号処理技術の１つとして、位相シフト測定は、１つ以上の比較的低コストのアナログ位相検出器を介して行われてもよいし、送信波場信号と受信波場信号の０交差間の時間遅延を測定することによって行われてもよい。例えば、積分位相検出回路は、正弦波（例えば、超高利得）をクリッピングすることによって、送信され受信された波場の正弦波を方形波に変換し、次に、このクリップ／方形波を、パルス幅が送信磁場と受信磁場との間の位相シフトを示すＸＯＲゲートが提供する幅であるアナログ専用ＯＲ（ＸＯＲ）ゲートを用いて受信機からのそれと比較する増幅器を含んでいてもよい。
【０１０３】
運動による位相測定誤差の低減
位相測定誤差の要因のうち、多くは、動き、すなわち患者の動き、送信機１２０の移動、受信機１２４の移動、接続又は送信ケーブルの湾曲などが関連する。例えば、患者と送信機１２０／受信機１２４が相対的に動くと、磁場線が患者の頭部を通る際に、経路長と位置が変動する。送信機１２０及び／又は受信機１２４付近で移動する導電性又は磁気的物体はまた、送信機１２０から受信機１２４への通過時に磁場ラインの形状を変化させ得る。
【０１０４】
いくつかの実施形態において、患者の移動に起因するアーチファクトを減少させるために、方法を展開することができる。これらのアルゴリズムにより、例えば、変化又は他の特性によって決定される生物学的変化の結果ではないであろう、当該周波数スペクトル（例えば、約３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ又は約２０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ）の間での差位相シフトデータの統計的変動を検出することができる。したがって、この閾値タイプを使って、真の生物学的変化以外の手段によって破壊されたデータを除去することができる。
【０１０５】
別の例として、周波数スペクトル全体にわたって変化する方法を調べることによってＦＦＴ処理の大きさ部分から得られる減衰データをアルゴリズムにおいて利用して、位相シフトデータにおける動きアーチファクトの検出及び補正しやすくすることができる。
【０１０６】
さらに別の例として、電子加速度計を追加又は代替的に使用して、１つ以上の送信機１２０、受信機１２４、患者又は送信ケーブルの動きを検出してもよい。いくつかの例では、加速度計は、送信機又は受信機と同じプリント回路基板に結合することができる（例えば、ＭＥＭＳタイプ加速度計を使用する）。
【０１０７】
閾値レベル以上の動きを検出することに加えて、送信機／受信機加速度計データと患者加速度計データとの間の相対的な差分についての関係を調べてもよい。例えば、患者及び送信機／受信機の両方で感知される振幅変化が小さい場合は、結果もわずかなものとなり得る。患者はほぼずっと動いている（つまり、例えば昏睡患者であっても呼吸しているため）。しかしながら、より大きい又は非相関性の加速度計読み出しを利用して、データ拒絶又は補正をトリガしてもよい。患者に近い独立した物体の独立した運動は、データに運動アーチファクトを示すこともあるので、位相データの統計的分析に基づくいくつかのタイプの動き検出及び補正が依然として必要とされることもある。
【０１０８】
臨床医に警告するための医学的診断方法
ここに記載されたシステム１００を使用して、とりわけ、例えば、患者の頭部（「頭蓋内流体」）内の流体含有量の変化によって誘発される位相シフトの変化を測定してもよい。方法を使用して、位相データを分析し、流体変化が臨床医の利用者にとって厄介な組織変化を表すかどうかを判断することができる。例えば、患者の頭部の片側に位置する送信機１２０から送信された磁場と、患者の頭部の一以上の周波数で他方の側に位置決めされた受信機１２４で受信した磁場との間の位相シフトのベースライン読取値は、患者が最初に病院に到着したときに記録してもよい。その後、その後のスキャン中に発生した測定位相シフトの大幅な変化は、患者の臨床状態を理解するのに役立つように臨床医によって追跡及び傾向付けられ、特定の閾値、パターン、又は傾向によってアラームをトリガすることができる。多くの方法が使用され、最適化されて臨床医が最も有用な流体変化情報を提供するようにしてもよい。例えば、位相が一定数以上シフトすると、システムは臨床医に対して患者が臨床的に重大な出血又は浮腫を有する可能性があることを知らせる警報を発するようにしてもよい。いくつかの条件では、位相シフトの変化速度が閾値を超えるかどうかを臨床医に警告することが有用であろう。
【０１０９】
例えば、米国特許第７６３８３４１号明細書に記載されているように、異なる周波数での位相シフトは、異なる流体の変化と共に変化することがあり、これは全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される。位相シフトのいくつかのパターンは、特定の臨床状態と相関する可能性がある。例えば、出血又は浮腫などの条件は、１つの周波数で位相角が増加し、同時に異なる周波数で減少することが証明され得る。異なる周波数での位相シフトの比率を使用することにより、流体の種類及び変化の仕方に関する追加情報を得ることができる。例えば、第１の周波数における位相シフトの比は、第２の周波数での位相シフトに対して良好なパラメータであり、血液含量を評価したり、浮腫を出血又は他の流体変化から分離したりすることができる。例えば、生理食塩水の位相シフト周波数の応答は、血液の位相シフト周波数の応答とは異なることがあり、したがって臨床医は、患者の脳腔における血液及び生理食塩水の含有量の変化を別々に識別することができる。水の量の変化は、いくつかの例では、位相シフトには影響を及ぼさないかもしれないが、イオン溶液中の電解質濃度は、より顕著な影響を及ぼす可能性がある。
【０１１０】
位相シフトパターンはまた時間依存性を有していてもよい。仮説的な臨床状態は、ある期間の位相シフトが増加し、その後安定化されてから、その後の期間が経過するとベースラインに戻ることを特徴としてもよい。ベッドから起き上がったり、食事をしたり、採血したり、訪問者と話したりするなど患者の活動のノイズ要因は、ベースラインからの位相シフトの読み値を変化させる可能性がある。臨床的に意味のある体液変化は、異なる活動に関連するパターンを調べることによってノイズと区別することができる。
【０１１１】
位相シフト及び／又は減衰データの組み合わせを用いて、これらの位相シフト及び／又は減衰の比又は他の関数、及び／又は時間的方法を全て様々な実施形態で組み合わせて最適化し、組織及び／又は流体変化に関する有用な情報の範囲を臨床医へ提供することができる。その後、臨床医は、医療画像のようなより特異的な診断技術を用いて組織変化に応答し、臨床問題を診断することができる。
【０１１２】
場合によっては、輸液及び／又は組織変化情報に応じて治療が変化することがある。例えば、本明細書に記載された診断システムは、血液希釈上にある患者の体液変化を監視して、脳動脈内の凝血塊を溶解させることができる。脳内出血がシステムに検出された場合、血液希釈は減少又は停止して出血の管理を補助したり、あるいは血管外科手術などの介入を行って出血を停止させたりすることができる。別の例として、脳浮腫を発症し始めた患者は、浮腫をコントロール又は軽減するために医学的介入を受けるか、又は手術手技を受けて体液を排出するか、浮腫による脳内圧を低下させるための片頭痛切除術を受けることができる。
【０１１３】
臨床医は、場合によっては、流体変化情報を使用して、投薬用量を管理し、診断システムから何が効果的にフィードバックされているかを調べることができる。例えば、マンニトールを使って脳から水を抜き出すことによって脳内圧を低下させる場合、治療を行う臨床医は、本明細書に記載された診断システムを使用して患者の脳水がどのように変化しているかについてのフィードバックを受けることができる。
【０１１４】
同様に、本明細書に記載された診断システムからのフィードバックに応じて投与量が制御されると、血圧管理用、電解質濃度及び他のパラメータ用の薬物は、より効果的に投与できる。例えば、脳のナトリウム濃度は、高張食塩水又は低張食塩水溶液を用いて制御することができる。イオン濃度に対する変化は、１つ以上の周波数での位相角のシフト又は位相角のシフトの一部として検出することができる。このような情報を医師へのフィードバックとして使用することにより患者をより良く管理することができる。
【０１１５】
追加の実施形態
頭蓋内／脳流体を監視するためのＶＩＰＳシステムの一実施形態は、ヘッドピース１２９内の全ての電子機器を収容するものである。ヘッドピース１２９は、ヘルメット又はハードハットのように構成することができる。無線周波数発振器は、１つのエミッタ又は複数のエミッタ１２０／１２４の近くに、場合によっては同じプリント回路基板上に配置することができる。一つの発振器は送信機信号を生成し、別の発振器を使ってサンプリング信号を生成することができる。後述するように、複数の送信機又は受信機を使用してもよく、また、異なる送信機に対して異なる発振器を有することが望ましい場合もある。したがって、複数の発振器を使用することができる。別の実施形態では、ヘッドピース１２９は、一対の眼鏡のように構成することができる。このような実施形態の１つの利点は、位置の制御をよりよくなし得ることである。なぜなら、装置は鼻と両耳に機械的に位置合わせされ、アンテナ位置の良好な再現性で装置の取り外しと交換が可能であるからである。アンテナは、眼鏡のこめかみに配置され、耳の上方と耳の前に配置され、脳のほぼ中心に位置するようになっている。耳近傍のアンテナ配置は、機械参照点に近い特徴を有しており、したがって、良好な位置再現性を提供することができる。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、複数の送信機が使用されてもよく、互いにオフセットされた周波数を送信することができる。例えば、３つの送信機アンテナが使用されてもよく、各アンテナは、他のアンテナとは異なる数ＫＨｚの周波数を伝送することができる。３つの発振器の周波数は、デジタル位相ロックループ合成技術を用いて別々の発振器の熱周波数ドリフトと位相ノイズの差による位相誤差を減少させ、同じ安定した基準発振器から導出されるべきである。各送信機に対してわずかに異なる周波数を有することの利点の１つは、システムが、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて各送信機から生成される信号を識別し、分離することができることである。この方法を使用すると、全ての送信機は同時に簡易に電源をオンにすることが可能であり、各送信／受信機の全ての受信位相情報は、同じ非常に小さい時間間隔で送信波形と受信波形のＦＦＴを用いて同時に決定することができる。この情報により、システムが組織内の流体変化の位置を解決することが可能となり、また、患者の運動、組織流体の流れ、又は環境内での物体の動きから生成されるアンテナ又は磁場の動きによって引き起こされる位相変化を区別することができる。例えば、そのようなシステムを使用して、患者の脳内の血腫又は虚血体積の位置を特異的に識別することができる。
【０１１７】
医療の応用のためには、産業用、科学用及び医療用無線バンド（本明細書では「ｉｓｍバンド」と呼ぶ）内で信号を送信することが望ましいことがある。しかしながら、ｉｓｍバンドを動作する他の装置からの外部周波数ノイズへの露出を低減するために、このバンドを外部に送信するようにシステムを設計することが望ましいかもしれない。
【０１１８】
周辺波ノイズに対するシステムのロバスト性を改善するために、システムは、発振器が信号を送信していない期間に、周囲の高周波ノイズを検出することができる。ある周波数におけるノイズが高すぎると、システムはシフトして異なる周波数で信号を生成することができ、したがって信号対ノイズ比が改善される。いくつかの用途では、スペクトラム拡散技術を使用して位相を測定して、より広い範囲の周波数にわたって電磁干渉周波数を広げて信号対ノイズ比を改善することが望ましい。周波数の変化を容易にするために、複数の結晶を装置に設置することができ、システムは、ノイズ環境を用いて最も適切な周波数を選択できるようにするために結晶の間を選択することができる。あるいは、デジタルＲＦ周波数合成器は、単一の参照水晶発振器からの新しい周波数の迅速周波数合成を容易にするのに充分な帯域幅と解像度を有していてもよい。必要に応じて、基準水晶発振器は、オーブン安定化されて、温帯ドリフトからの位相誤差をさらに減少させることができる。
【０１１９】
信号を生成するときには、様々な波形を使用できる。方形波は、基本周波数の高調波でより多くの電力を供給することができる。正弦波と歪んだ方形波は、高周波電力をより高周波数に押し上げるなど、さまざまな高調波周波数で電力を供給するために使用することができる。別の方法として、周波数が異なる場合には、追加電力のためにベース周波数と周波数を加算することも可能である。また別のＲＦ周波数は、アナログ・デジタル変換のためのサンプル信号に対しても必要とされることがある。位相測定における充分な解像度のために、サンプリング周波数の必要解像度は、コヒーレントサンプリングを可能にするためにも非常に高いことがある。デジタル周波数合成器は、位相ロックループ安定化周波数逓倍器と分周器との様々な組み合わせを利用して、コヒーレントサンプリングに必要な高解像度を達成すると同時に、複数の送信機に対するわずかなオフセット周波数を生成することができる。利得が高く位相安定性が良好な受信機増幅器が必要である。一実施形態では、約４０ｄＢのゲインの増幅が使用される。いくつかの実施形態では、受信機増幅器は、２個以上の利得ステージ、例えば、アンテナ上の２０ｄＢ及びアナログ−デジタル変換ボード上の付加的な２０ｄＢを使用することができる。
【０１２０】
アナログ−デジタル変換器はまた、信号を最適レベルに増幅するのに適した任意の増幅器と共に、エミッタ及び受信機アンテナと同一のプリント回路基板上に含めることができる。
【０１２１】
データは、さまざまな高速ケーブル接続とプロトコルによって、ヘルメットからコンソールに転送できる。金属ケーブルを使用すると、磁場の形状を変えることによって誤差の原因となることがある。この問題を回避するために、光ファイバーケーブルは金属ケーブルの代わりに使うことができる。
【０１２２】
データは、患者ヘッドセット又はヘルメットから、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ、無線、又はその他の適切なプロトコルのような無線プロトコルによってコンソールに無線で送信することができる。送信されたデータは時間領域データとすることができ、又はヘッドピース内のプロセッサによってＦＦＴを実行することができ、結果として得られたデジタルデータはコンソールに無線で送信することができる。ＦＦＴで周波数領域にデータを送信する主な利点は、データ量が減少することであり、結果として必要なデータ送信レートが低下することである。ＦＦＴは、ヘルメット内部のＦＦＴを実行するように接続されたハードワイヤのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような処理要素によって実行されてもよい。代わりに、汎用マイクロプロセッサを含む他のタイプのマイクロプロセッサを使用してＦＦＴを実行することも可能である。これらの電子機器の全てがヘルメット又は他のヘッドピース１２９内に取り付けられているので、いくつかの実施形態では、構成要素のサイズ及び消費電力を最小にすることが有利である。コンソールへの電気ケーブル接続の必要性をさらに低減するために、可搬式充電電池ベースの電力システムがヘルメットに含まれてもよい。
【０１２３】
一実施形態では、システムは、連続的に又は短時間バーストで、１秒ごとに複数サンプルを採取するように設計されており、そのデータを分析して、患者の心拍数を測定して、他の有用な情報を提供することができる。この方法は、パルスオキシメトリで用いられる手法と同様に、動脈の血液量測定から動脈を分化させるのに役立つ。別の実施形態では、システムは、ＥＫＧ、パルスオキシメトリ、又は他の心臓信号と同期するように構成されてもよい。これは、心臓サイクルの特定の部分と同時に動脈及び静脈の血液量を測定するため、非常に正確なタイミングにトリガできる。ＶＩＰＳ読み取り値を外部心臓信号と同期させることにより、心拍リズムに対するアンダーサンプリングが可能になり、ＶＩＰＳ読み取り値は秒間隔で間隔を空けることができる。心臓サイクルの異なる部分でＶＩＰＳ読み取り値を比較することにより、一連のＶＩＰＳ読み取り値を処理して心拍リズムに関連する流体組換え変化を再構築し、脳内のグローバルな潅流の測定値を明らかにすることができる。
【０１２４】
ＶＩＰＳ読み取りを心臓信号と同期させるための例示的なシステムを次に説明する。図７の実施形態は、患者の身体の変動を検出するための実質的に任意のタイプの生理学的センサで修正することができ、特に説明された心臓信号に限定されるべきではないことが理解されよう。図７は、患者の心臓サイクルに起因するか、又はそれに伴って生じる体液量を検出し、監視するためのシステム７００のブロック図である。図７のシステム７００は、図１のシステム１００と実質的に類似していてもよい。しかしながら、図７の実施形態では、システム７００は心臓モジュール７０１を含み、これは心臓サイクルセンサ７０２及びトリガ７０４を含んでいてもよい。心臓サイクルセンサ７０２は、実質的に任意のタイプのセンサ又は患者の心臓の電気的活動を検出するセンサの組み合わせであってもよい。例えば、心臓サイクルセンサ７０２は、心臓組織の分極と脱分極を検出するように構成されてもよい。心臓サイクルセンサ７０２はさらに、処理ユニット１０４、マイクロコントローラ１１８、又は種々の信号を心臓波形又は他の所望の形態に変換することができる他の処理要素と通信することができる。特定の例では、心臓センサ７０２は、患者の身体内の圧力の変化を検出して心臓サイクルの特性を検出する圧力センサであってもよい。別の例では、心臓センサ７０２は、音響の変化を感知して心臓システムの特性を検出する音響センサであってもよい。心臓サイクルセンサ７０２は、ヘッドピース１０６と一体的に形成されてもよいし、又はそれから分離された構成要素であってもよい。
【０１２５】
トリガ７０４は、信号を受信し、及び／又は送信することができる、実質的に任意のタイプの装置であってもよい。トリガ７０４は、心臓センサ７０２と電気的に通信することができ、赤外線パルス（オープンエア又は光ファイバー）、無線周波数パルス、及び／又は無線周波数デジタル通信ベースのタイミングパルスなどの信号を処理ユニット１０４及び／又はヘッドセット１０６に送信するように構成することができる。
【０１２６】
図７のシステム７００を使用すると、ＶＩＰＳ測定は、トリガ７０４によって無線又は有線でトリガできる。例えば、特定の心臓イベント（例えば、パルスオキシメトリ）又は他の心臓信号の検出に基づいて、トリガ７０４は、処理ユニット１０４にＶＩＰＳ読み取りを起動するよう指示して、心臓サイクルの特定部分でデータを検出し、収集することができる。この例では、ＶＩＰＳ検出は、心臓イベントに基づくことができる。しかしながら、他の実施形態では、心臓センサ７０２上の検出アンテナ又は配線は、ＶＩＰＳ無線送信周波数に敏感であってもよく、ＶＩＰＳによって起動されてＥＫＧレコード内の各ＶＩＰＳデータ取得パルスの瞬間を捕捉する（ＶＩＰＳデータと心臓サイクルデータとの非常に正確な相関を保証するための増強手段及び／又は代替手段）ように構成されてもよい。
【０１２７】
心拍ごとに動脈血、静脈血、脳脊髄液の体積が変動し、これらの変化は、ＶＩＰＳ監視によって検出されるように、貴重な診断情報をもたらす可能性がある。一実施形態では、システムは、連続的に又は短時間バーストで、毎秒複数のサンプルをとるように設計されているので、データが分析され、患者の心拍数を測定することが可能となる。別の実施形態では、システムは、ＥＫＧ、パルスオキシメトリ、又は他の心臓信号によってトリガされ、同期化されるように構成されてもよい。これにより、心臓サイクルの１つ以上の特定の個所における動脈血体積、静脈血体積、及び脳脊髄液体積を含む流体条件の測定を非常に正確なタイミングでトリガすることができる。この方法は、パルスオキシメトリで用いられる手法と同様に、静脈の血液量測定から動脈を分化させるのに役立つ。
【０１２８】
さらに別の実施形態では、ＶＩＰＳ測定は、ＥＫＧ又は他の外部心臓信号と同期するようにはトリガされないが、それが収集された心臓サイクルの一部に各ＶＩＰＳ測定を割り当てるために充分な精度でタグ付けされた時間である。心拍サイクルの異なる部分におけるＶＩＰＳ読み取り値を比較することによって、同期取得又は後の分析のいずれかにより、一連のＶＩＰＳ読み取り値を処理して、心臓サイクルに関連する流体組換えの変化を再構築することができる。ＶＩＰＳ測定のこのような分析は、脳内の全地球灌流の測定値を明らかにするだけでなく、シャント障害（詳細には明細書で詳述）などの条件の診断に関する貴重な情報も明らかにすることができる。これらの方法（ＶＩＰＳ読み取り値を外部心臓信号と同期させるか、又は外部心臓信号と時間相関とを同期させること）により、心拍リズムに対するアンダーサンプリングが可能になるので、個々のＶＩＰＳ読み取り値は、何秒も間隔を空けられるが、心臓サイクルに関連する流体変動に関する貴重な情報を提供することができる。その他の例としては、カノグラフィー信号のような換気信号への同期（又は隔離された不規則性）が挙げられる。
【０１２９】
離散フーリエ変換（ＤＦＴ）及び高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析のような周波数領域アプローチを含む様々な信号処理分析技法をＶＩＰＳ測定に適用して、患者の心拍数に由来する脳流体における振動の周波数分布を明らかにすることができる。これらの技法は、単独で又は組み合わせて、複数の無線周波数の測定されたＶＩＰＳ位相及び／又はマグニチュードデータに適用することができる。分析に有用な組み合わせは、ＶＩＰＳ位相と振幅データの組み合わせを用いた、理論的及び経験的に導出された式を含み、血液量、脳脊髄液、浮腫又は他の関連する流体特性と相関する指標を作成する。外部心臓信号が相関に利用可能な場合、心臓サイクルの周期及び周波数が提供され、心臓サイクルの平均、中央値又は他の統計を測定した各部分のＶＩＰＳ測定値に適用するなどの処理アプローチとともに使用でき、心臓サイクルに関連する流体変化の大きさを決定するために、ビン間の差を計算することができる。
【０１３０】
別の実施形態では、システムは、１秒ごとに複数のサンプルを採取するように設計され、各動脈パルスから生じる頭蓋内血液量の変化の大きさに対応する信号を生成するように構成される。頭蓋内圧（ＩＣＰ）測定の分野では、頭蓋内血液量の変化が誘発されるため、心臓サイクルの拡張期の間にＩＣＰが増加し、収縮期に減少することがよく知られている。したがって、ＩＣＰ監視を用いて、容積脈波を生成することができ、これは、繰り返し心臓サイクルを経て変動するので、経時的に頭蓋内血液量をほぼプロットすることができる。
【０１３１】
心臓拍動によるＩＣＰ変化の振幅は、例えば脳室内カテーテルのような、頭蓋穴がある患者では著しく減衰する。これは、圧力パルスがカテーテルを通って流体を前後に移動するにつれて緩和されるためである。慢性水頭症患者で一般に用いられるように、脳室内シャントを有する患者にはＩＣＰ容積脈波の同じ減衰がみられる。シャントが正常に作動すると、脳脊髄液はシャントカテーテル内で前後に移動し、心臓サイクルの間にＩＣＰの可動域を減衰させる。しかしながら、シャントが閉塞するか、又は他の方法で機能不全になると、流体は心臓サイクル中に移動することができず、ＩＣＰ変動の振幅が増大する。本発明は、心臓サイクルの間に生じる血液及び脳脊髄液体積の変化を監視し、シャントの閉塞又は機能不全を検出するように構成することができる。
【０１３２】
容積脈波が生成されれば、患者の状態を診断するのに役立つ情報を様々な方法で使用できる。例えば、心臓圧／体積パルスのピークの後の波形の以下の部分は、流体体積がベースラインに戻る回復期間を表す。心臓サイクルにおけるピークから別の後続の点までの時間は、頭蓋内コンプライアンス又は頭蓋内圧に関する情報を提供することができる。これは、心室内シャント性能又は障害の特定の特性を識別するのに役立つ。心拍周期に沿った種々の時点における容積脈波の振幅の比、差及びその他の数学的関係を開発し、種々の臨床状態及び生理学的パラメータを示すことができる。
【０１３３】
心肺蘇生の有効性に関するフィードバックを提供するために心肺蘇生法（ＣＰＲ）を施行する際に必要である。現在、心マッサージと血液体積変化との相関がある変位距離を測定する装置がある。しかしながら、これらの装置はＣＰＲの第１目標である脳への血流を誘導する際の圧迫の効果を直接測定するものではない。本発明は、ＣＰＲを受けている患者の頭部に適用することができ、ＣＰＲ中の脳内の血液量の変化の振幅を検出するために直接読み取りを行うことができる。本発明の本実施形態では、ＣＰＲの有効性は、各心マッサージによる血液量の実際の変化についてのＣＰＲ管理者への直接フィードバックを提供することによって監視され、改善されることができる。
【０１３４】
さらに、ＶＩＰＳ技術を用いて頭蓋内流体変化の容積脈波を生成することに加えて、本発明は他の技術を用いて実施することもできる。例えば、容積脈波は、近赤外線スペクトロスコピー（ｎｉｒｓ）を用いて、又は様々な波長での光の吸収を測定することによって、生成することができる。一例として、パルスオキシメータ装置は典型的には２波長の光を用い、心臓脈動中にそれらの波長の吸収を迅速にサンプリングし、容積脈波を作成する。これは１波長でも達成できる。このタイプの光吸収技術は脳に適用することができ、シャントの機能不全を評価するために使用できる容積脈波を得ることができる。容積脈波記録法の当業者は、種々の技術によって頭蓋内流体の容積脈波を作り出すことができることを認識しており、本発明は容積脈波を製造するための特定の技術的手段に限定されるものではない。
【０１３５】
ＩＣＰ監視の技術において、熟練した神経内科医及びその他の専門家は、ＩＣＰプロットの形状を検査し、重要な臨床状態を識別することができる。高いサンプルレートでは、本発明によって作製された容積脈波は、類似の曲線を生成することができ、侵襲的ＩＣＰプローブを必要とすることなく、臨床医に同様の診断情報を提供することができる。動脈血流及び静脈血流及び体積、頭蓋内コンプライアンス、浮腫、ＣＳＦ体積及び脈動についての情報は全て、高解像度容積脈波から導出することができる。場合によっては、ＶＩＰＳ容積脈波をＩＣＰ監視と組み合わせて、特に複数の異なる流体に関する情報が必要とされる場合には、患者の臨床状態をより良く理解することが有用である。この方法は、臨床医に頭蓋内コンプライアンスについて通知するためにも使用することができる。
【０１３６】
別の実施形態では、頭蓋内コンプライアンスの検出は、経時的に１つ以上の頭蓋内流体の体積の変化を調べることによって、又はバルサルバ法、頚静脈圧縮、脳脊髄液注入又は撤退（脊椎穿刺と同様に）、過換気、低換気又は患者位置の変化などの外部刺激に応答して、実施することができる。初期刺激後の回復はまた、頭蓋内コンプライアンス及び自己調節の指標でもあり得る。本発明はＩＣＰ監視と組み合わせて、圧力と体積の関係を確立することができ、したがって頭蓋内流体コンプライアンス及び自己調節に関する情報を提供することができる。本装置は、これに限定はしないが、ＥＣＧ、ＥＥＧ、パルスオキシメトリ、超音波、経頭蓋ドプラ、及び／又は赤外分光法のような他の監視技術と組み合わせて、病変の検出、管理又は治療に有用な他の生理学的パラメータと頭蓋内流体体積を相関させることができる。
【０１３７】
別の実施形態では、電流装置はＣＳＦリークを検出するために使用することができる。例えば、硬膜外麻酔で処置を受けている患者などＣＳＦリークのリスクがある患者は、現在の装置で監視することが可能であり、ＣＳＦの体積が変化すると、その装置によって治療医に警告することができる。現在、ＣＳＦリークを直接的に検出する方法はないが、脊椎や硬膜外麻酔中、又は麻酔後には、麻酔科医は典型的には漏出の症状が現れる前に、数時間後や数日後に症状が現れるのを防ぐことができる。ほとんどの患者は、即時の術後回復中に依然として臥位にいるので、概して、手術後に起立するまでに神経学的症状がまったく発症しない。頭蓋骨内のＣＳＦが枯渇するため、脳は重力によって低下し、適切な量のＣＳＦによって供給される正常な浮力の欠如によって低下する。このたるみは脳に供給する血管のいくつかにストレスを引き起こすことが通常推定され、その結果として「脊椎頭痛」として重篤な頭痛が引き起こされることが一般に知られている。不注意硬膜穿刺の結果であるこのタイプのＣＳＦリークに対する一般的な治療の一つは、患者の自己血を硬膜外腔の穿刺部位の近くに注入することである。これを血液パッチという。その他の治療としては、生理食塩水又は他の液体を空間へ注入するか、硬膜裂傷の外科的修復を行うことが必要である。現在の装置の適切な適用方法により、患者を治療するための新しい方法を処方することができ、これには、ＣＳＦリークを受け得る処置を受けた患者に頭蓋内液監視を適用すること、ＣＳＦリークを検出すること、及び同じ手術セッション中の漏出を修復することが含まれる。この方法の変形は、頭蓋内液監視を用いて患者におけるＣＳＦリークを検出することを含み、漏出検出の結果として漏出を修復することを含んでいてもよい。又は、ＣＳＦリークを引き起こし得る処置の前に、患者の頭蓋内ＣＳＦ体積の測定を行うことができ、そして処置の最中又は後に頭蓋内ＣＳＦ体積の第２の測定を行うことができ、有意な減少が検出された場合には、処置の終了前に修復を行うことができる。あるいは、第２の測定は、処置の後いつでも任意の時点で行うことができ、リークの検出後に修復を行うことができる。
【０１３８】
本発明の別の実施形態では、容積脈波記録法は、呼吸数及び体積、心拍数又は陰茎勃起機能を検出するために使用される。例えば、センサは、呼吸サイクルによる胸郭の可動域の程度を検出するような方法で胴体に接着するように設計することができる。センサはまた、アームバンド、イヤフォン、又は腕時計ブレスレットに統合されて、その後、数学的変換を介して心臓及び呼吸サイクルに関連するであろう基礎組織の血液量の変化を監視することができる。陰茎の基部に付着したセンサは、勃起反応に関連する体積変化を測定することができる。
【０１３９】
一実施形態によれば、ＶＩＰＳシステムのコンソールは、ディスプレイを備えたカスタム電子装置を含んでいてもよい。ｉＰａｄ（登録商標）などのラップトップコンピュータ又はタブレットを代替的に使用することも可能である。これらの既製コンピュータの１つを使用すると、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉＦｉなどの無線通信機能をすでに統合しているという利点がある。しかし、既製のコンポーネントやカスタムコンポーネントで構成されるカスタムコンソールを使用することもできる。
【０１４０】
脳内の流体の非対称性（又は他の対称性又は非対称性の特徴）を検出するために、複数の送信機及び受信機を戦略的に配置することができる。送信機及び受信機は、送信機が患者の大部分の組織の異なる部分を介して送信され、受信機は概ね送信機の反対側の、組織を介して信号を受信する場所に配置することができる。例えば、単一の送信機（又は受信機）は患者の額の上又は近くに位置することができ、２つの受信機（又は送信機）は互いに空間的に離れて頭部の両側に位置することができ、好ましくは背面に向かって、時間変化磁場が各半球を伝播するか、又は時間変化磁場の２つの送信機のそれぞれが脳の異なる側面に伝播するように一意にバイアスされる。この例では、受信機（又は２つの送信機が使用される場合）によって受信された磁場は、実質的には、組織サンプル全体の異なる部分（例えば、第１の部分及び第２の部分）を介して、通過する。送信機／受信機の向きに応じて、組織部分にいくつかの重複が存在することがあるが、概して、送信機は、バルク組織全体の別個のセクションを介して伝送されるように配置される。
【０１４１】
この例の説明を続けるが、２台の受信機と１台の送信機との間、又は１台の受信機と２台の送信機との間の不均一な信号が、片側に脳卒中又は出血が存在することを示すことがある。脳の病変の大部分は脳の中心に直接存在するわけではないので、これは有用である。したがって、非対称性を検出することは病変の徴候と考えられる。各送信機から送信される信号を識別するために、信号は、同期パルス、振幅又は周波数変調のような識別子としての送信特性を含み、各送信機は異なる基本周波数又は異なる一連の周波数を伝送することができる。例えば、第１の送信機から送信された信号は、第２の送信機から送信された信号とは異なる周波数を有していてもよい。別の例として、第１の送信機から送信された信号は、第２の送信機から送信された信号と比較して時間的にシフトされてもよい。さらに別の例として、信号の各々又は１つは、送信された特定の送信機に対応するデータ（例えば、振幅値など）のビットを含んでいてもよい。
【０１４２】
単一のアンテナ又はコイルを、異なる時間にどちらかを送信機又は受信機として操作させることが可能であり、したがってトランシーバを生成することができる。スイッチが実装され、アンテナを受信機から送信機に切り替え、その逆も同様に切り替えることができる。例えば、ガリウムヒ素ＦＥＴ又はＰＩＮダイオードスイッチの使用を用いることができる。あるいは、２つの同心ループアンテナは、同一のプリント回路基板又は他の基板上に配置することができる。
【０１４３】
位相シフトを測定する場合、いくつかの電子部品は温度変化に敏感である。温度による変化の影響を最小限に抑えるためには、送信機からアナログ・デジタル変換器へのケーブルの設計を、受信機からのケーブルと同じ長さにすることが望ましい。抵抗、コンデンサ及びインダクタの直列／並列ネットワークの形態で補償電気抵抗又はリアクタンスを付加することによっても、温度の影響を最小限に抑えることができる。さらに、ヒータ又はサーモエレクトロクーラ及び断熱を利用して、本質的に温度感受性のある増幅器又は他の構成部品を温度安定化することができる。
【０１４４】
ＲＦ送信信号を送信するケーブルに送信アンテナのミスマッチの影響を低減するために、指向性結合器を使用してケーブル反射を除去し、アナログ−デジタル変換のために利用可能な送信信号の純粋なサンプルを提供することができる。
【０１４５】
アンテナの近くや磁場内の人体やその他の物体の動きへのシステムの感度を低下させるためには、アンテナを遮蔽して磁場を指向するのが有用である。フェライト、他の磁性材料、又は電気導体から形成された様々なフィールド整形受動装置がアンテナと組み入れられて、フィールドプロファイルと人の脳空洞とを最適に一致させてもよい。
【０１４６】
アルゴリズム
前述のように、ＶＩＰＳ装置は、多数の周波数で電気的特性データを捕捉することができる。このデータには、エミッタと検出器との間の位相シフト及び電圧又は電流信号の位相シフトの測定を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、複数のエミッタと検出器との間の位相シフト又は減衰の測定が行われる。
【０１４７】
異なる生物学的組織は様々な電気的性質を有しており、したがって異なる位相シフト及び減衰を誘発する。電気的性質変化、例えば位相シフトの周波数応答を調べることによって、流体の各タイプの体積変化を別々に調べることが可能である。頭蓋骨は硬く閉じた体積であるため、総液量が本質的に一定に保たれなければならないので、血液、細胞内液、細胞外液、脳脊髄液などのさまざまな流体の体積が変化すると、互いに影響を及ぼしあう。頭蓋内圧と頭蓋内液量との間の基本的な関係は、２世紀以前に初めてモンロー教授とケリー氏が発表したものである。モンローとケリーは、頭蓋骨は本質的に硬質で閉鎖的な体積であるため、頭蓋骨への動脈血流を可能にするために、頭蓋骨から血流の流れが必要であるという仮説を確立した。この現象は、他の頭蓋内流体にも当てはまる。
【０１４８】
頭蓋内流体への変化を確実に検出するために、種々のアルゴリズムを生成することができる。式は、特定の流体に対する特定の周波数での位相シフト、減衰又はその他の電気的パラメータから導出することができる。１つの式Ｂ（ｐ（ｆ１），ａ（ｆ２））は、頭蓋内血液量と強く相関するよう、経験的に導出されてもよい。本例では、式Ｂは、特定の周波数（ｆ１）における位相シフト（ｐ）と、同じ又は別の周波数ｆ（２）における減衰（ａ）との関数である。生きている患者や動物では、血液量が増加すると、脳脊髄液の量が減少することが予想される。したがって、脳脊髄液の式を導出してＣと呼んだ場合、Ｂ／Ｃの比が上昇すると静脈血液溜りの良好な指標となり、脳内出血が起こる可能性がある。別の例として、脳浮腫が発達するにつれて、細胞内及び細胞外液量の増加が頭蓋内血液の一部を頭蓋骨から押し出すことがよく知られている。したがって、細胞流体の式を導出し、ＣＦと呼ぶならば、ＣＦ／Ｂ比を、浮腫を定量するための測定基準として用いることができる。比率式を使用すると、分子と分母の両方に影響を与えるノイズ係数を分割する場合に特に便利である。
【０１４９】
この一般的方法でさらに進むと、当業者の一人は、１つ以上の特定の頭蓋内流体と強く相関する式を利用する多くのそのようなアルゴリズムを開発することができ、また、脳の半球における流体の位置と相関することができる。２種類以上の流体間の関係は、比、製品、和、差分、又は種々のその他の数学的関係を含んでいてもよい数式で表現することができる。
【０１５０】
本発明を使用して、脳出血又は浮腫などの状態を診断することができる。しかし、これらの条件の一部に対する治療の管理をコントロールするためにも使用することができる。例えば、装置は、脳組織内の細胞流体を測定するために使用することができる。危険な浮腫の場合、医師はしばしばマンニトールや高張食塩水溶液のような静脈内薬物を投与して、脳から水を抜き出す。適切に投与されず、適切な用量で投与されなければ、これらの薬物は危険である。治療医にとっては、脳組織からどのくらいの量の体液が除去されたかを知ることが有益であろう。したがって、ここで説明したような装置を使用することは、頭蓋内流体体積を減少させるための治療のフィードバックを提供する手段として有用性がある。別の例としては、このような装置を使用して、血圧及び流速を変化させる薬物を投与するためのフィードバックとして頭蓋内血液量の測定を提供することが挙げられるが、これは時に脳傷害患者の治療に用いられる。頭蓋内流体測定がフィードバックとして用いられる他の例としては、マラソンのような激しい運動中の水分補給、激しい運動中のナトリウム濃度、又はナトリウムの不適切なレベルの患者の治療が挙げられる。
【０１５１】
ここで使用される例は頭蓋内流体に焦点を当てているが、異なるタイプの流体を区別することができる装置を用いたアルゴリズム及び治療方法は、医学の他の分野においても使用できる。上述のようなアルゴリズム及びフィードバック技法を使用して、体の他の部分における異なるタイプの流体の比を確実に測定することができる。例えば、うっ血性心不全患者の肺組織内に溜まった流体を調べることは、同じ領域の血液に対する肺液の割合の変化として読み取ることができる。乳癌手術後の患者の腕によくみられるリンパ浮腫は、血液に対する細胞外液量と筋肉組織体積の比率として測定できる。リンパ浮腫用の圧迫衣、うっ血性心不全患者に対する利尿薬などの組織体液量に影響を及ぼす患者に対する治療は、上述のようにフィードバックを用いて投与することができる。
【０１５２】
臨床用途
血液透析時、血液は患者の静脈から採取され、ナトリウムや尿素などの物質が濾過される。血液脳関門は、オスモルと呼ばれる大きな分子が速やかに脳から離れるのを防ぐ。これは血液脳関門を通過して脳へと水を抜き出す浸透圧を与える濃度勾配を設定し、結果、脳浮腫となる。極端な場合、この脳浮腫は透析不平衡症候群と呼ばれる状態を引き起こし、脳機能の劣化を引き起こすほど重篤な場合もあれば、永久的な脳損傷を引き起こす場合もある。そのため、透析は長期にわたって、典型的には約４時間にわたって行われる。多くの患者がより迅速な透析プロトコルを受けることができると考えられているが、どの患者がより速い速度に耐えられるかを確認するのは困難である。新しい透析プロトコルは、透析中の頭蓋内流体を監視することによって、本明細書に記載されたＶＩＰＳシステムで有効化することができる。この方法のステップは、透析導入の前に患者に流体監視を配置すること、比較的速い速度で透析を開始すること、及び脳浮腫の徴候をチェックすることを含む。浮腫が進行するにつれて、透析液の読み取りに応答して透析を遅らせることができ、それによって、プロセスに耐えられる能力に基づいて、各患者の透析速度をカスタマイズすることができる。
【０１５３】
ナトリウム不均衡のある患者については、本明細書に記載されたＶＩＰＳシステムを用いて、高ナトリウム血症及び低ナトリウム血症などの条件を引き起こすナトリウムレベルの変化を検出することができる。このような状態が疑われる患者においては、このシステムを導入して状態を検出及び診断してもよく、又は流体の投与中又は薬剤治療中にリアルタイムにフィードバックを提供することによって、患者のナトリウムバランスを補正して、臨床医による患者の治療を補助することができる。
【０１５４】
心臓手術のときには、脳に血液が届かないというリスクがある。これは塞栓の結果であるか、脳への循環の欠如又は低血圧の結果である。この問題について議論している１つの記事には、２０１２年にアメリカ心臓病学会誌の日刊誌による「心臓手術後の無声脳損傷：概説」がある。流体監視は脳内の血液量の減少を検出することができ、脳組織内の虚血を検出することが可能である。したがって、新しい監視技術は、本明細書に記載されるシステムのような流体監視を心臓外科手術の開始時に患者に配置し、手術中に患者を監視することを含んでいてもよい。装置により脳の虚血又は血液量の減少が検出された場合には、医師は警告を受け、様々な臨床手段を通して問題を修正しようと試みることがある。
【０１５５】
ＶＩＰＳ装置は頭蓋内圧を非侵襲的に監視するように構成することができる。神経系の分野では、頭蓋内流体が頭蓋内圧と体積が身体の頭蓋内流体制御システムによって適切に調節されている場合には、頭蓋内圧と体積がほぼ直線的に関係することがよく知られている。ＶＩＰＳ装置は圧力変化に比例する流体シフトを検出できることが臨床研究で確立されている。
【０１５６】
特に新生児では、Ｇ．Ｉ．管内で虚血を検出する必要がある。本明細書に記載されたＶＩＰＳシステムは、虚血を検出するために使用されてもよく、連続的な監視又は即時測定のいずれかであってもよい。
【０１５７】
自動車事故の被害者、フットボール選手、軍隊、及びその他のタイプの頭部外傷においては、頭部外傷の予防と検出が極めて重要である。加速度計は衝撃による加速度を監視するためにフットボールヘルメットに取り付けられており、ナイキＩｎｃ．のような企業では帽子に加速度検出器を内蔵している。しかし加速度計は、よくても、頭部損傷の可能性を判断するための間接的な方法に過ぎない。それは、外加速力に応答する頭蓋骨内の脳の運動であり、脳震盪や脳損傷につながる。ＶＩＰＳはヘルメットや帽子、ヘッドバンド、あるいは頭部に直接加えられたものに加えて、衝撃時に頭蓋骨内の脳の動きを検知することもできる。これは加速度計の代わりに使用することができるが、加速度計と組み合わせて使用すると最も効果的であろう。頭蓋骨内の脳運動をＶＩＰＳで監視することは、加速度計だけでなく、脳損傷の可能性をより正確に測定できるようになるだろう。フットボールは１つの用途である。クラッシュテストもまた別での用途である。自動車の安全性に関する研究は、衝撃中の脳運動をより良く理解することによって大きな利益をもたらす可能性がある（例えば、ＶＩＰＳで監視された死体を用いたクラッシュ試験）。
【０１５８】
脳震盪の検知は、特にスポーツ傷害では重要である。ある人が１度目の脳震盪が治る前に２回目の脳震盪を起こした場合、第２次衝撃症候群と呼ばれる非常に重度の損傷を引き起こす。（「第２次衝撃症候群」、ベイ＆オスティック、ウェストＪ・エマーグ・メッド  ２００９年２月；１０（１）：６〜１０）脳震盪と頭蓋内液への影響は依然として進展しているが、ＶＩＰＳは頭蓋内腫脹、充血、静脈プール、出血、虚血、血流速度変化、又は他のバイオインピーダンスに影響を及ぼす生物学的変化の初期段階を検出するために用いることができる。ＶＩＰＳ装置では、ゲームの前又は他のベースライン時に読み出しを行ってもよく、潜在的外傷時の後の読み取りは、損傷の存在又は程度を確立するために、ベースラインと比較することができる。
【０１５９】
種々の他の医学的条件は、本明細書中に記載されたＶＩＰＳシステムで監視することができる。末梢浮腫は様々な病状によって引き起こされることがある。うっ血性心不全患者には、足や脚のむくみがよくみられる。患者がリンパ浮腫を発症すると、乳がん手術後に腕の腫れがよくみられる。腫脹は、手術後の四肢又は体の他の部位でよくみられる。ある種の手術では、虚血や浮腫、静脈プールなどのリスクがある組織の皮弁がある。コンパートメント症候群は、腕、脚又は、身体内の囲まれたスペースなどのコンパートメント内の圧力が上昇することによって、筋肉や神経への血流が不充分な場合に、損傷を負った場合に発症することがある。現在の装置は、針が組織を貫通し、圧力を読み取れる最小限の侵襲的装置を用いてコンパートメント症候群圧力を測定する。（「コンパートメント圧の測定における精度：よく使われる３台の装置の比較」ブーディ＆ウォングウォラワット、２００５年１１月；８７年（１１）：２４１５〜２２）。うっ血性心不全やその他の症状を有する患者は、肺又は胸腔に体液を蓄積することがある。本明細書に記載されたＶＩＰＳ装置は、これらの又は他の条件のいずれかにより、身体の手足及び他の部位の腫脹、血流、灌流及び／又は他の流体特性に関連する変化を監視するために使用できる。ベースライン読み取りを行うことができ、その後の測定値を基準と比較して、変化を監視し検出し、例えば組織の腫脹又は灌流を監視することができる。腫脹の継続的監視は、浮腫、血流、又はその他の臨床的パラメータをコントロールするための医学的治療のフィードバックを提供することができる。
【０１６０】
脱水症状は、生命を脅かす病気であり、マラソンのような運動や、さまざまな病状の患者で起こりうる。本明細書に記載されるＶＩＰＳ装置は、初期診断の目的で患者の水和レベルを定量化し、治療の効果を監視し、及び／又は患者の病状を悪化させる警報として使用できる。
【０１６１】
戦闘機のパイロットや急激な加速の負荷を受けているその他の人たちは、脳内の急激な流体移動の結果として、時には意識を失うことがある。深海ダイバーや宇宙飛行士、スカイダイバー、登山家などにも同様の状況が起こり、その中には頭蓋内流体に影響を及ぼす可能性のある極端な条件があることもある。本明細書に記載されるＶＩＰＳ装置は、ヘルメットの内側に設置されてもよいし、あるいは、その他の方法では、頭蓋内流体の変化がリアルタイムで監視されるようなリスクのある活動中に、人の頭に取り付けられてもよい。流体に危険な変化が生じた場合、個人又は第３者に警告を発し介入を求めることができる。
【０１６２】
片頭痛は、脳の内外で血管が拡張することで起こることがよく知られている。片頭痛の生理を診断又はよりよく理解するために、頭蓋内血液量の定期的又は継続的監視を使用することができる。個々の片頭痛患者は、投与中の様々な片頭痛治療の効果を定量化し、その情報をフィードバックとして使用して、薬物を滴定するか、又はその他の方法で治療を調節することができる。片頭痛患者による定期的な周期的監視は、例えば、短いＶＩＰＳスポットチェック読み取り値を夜間に、朝の起床時に、片頭痛症状よりも前に、特徴的な頭蓋内液変化を検出することによって、より効果的に症状を軽減することを可能にするものである。
【０１６３】
陰茎容積脈波記録法は通常、前立腺切除術の前後に勃起機能を評価するために泌尿器科手術で用いられる。現在、これは通常、円周歪みゲージ変換器を介して達成される。ＶＩＰＳセンサは陰茎充填の直接体積測定を提供するために利用することができる。このような装置はまた、勃起障害の病因、すなわち生理的又は精神的なもの、又は夜間覚醒の監視の病因を評価するために外来で使用することも可能である。
【０１６４】
上述のように、システム１００、７００を用いた体液（直接又は間接的に）を検出する種々の方法を使用してもよい。例えば、１つの方法において、非同期ＥＫＧ及びＶＩＰＳ読み取り値はタイムスタンプされてもよく、ＶＩＰＳ読み取り値は、その後の分析のために心臓サイクルにおける位置の関数としてビニングされてもよい。例示的分析は、いくつかの例として、各ビンの中央値又は平均値のような統計を含み、次いで拡張期及び収縮期の部分に関連付けられたビンの間の差は、流体交換の程度を示すことができる。
【０１６５】
方法の別の例として、例えば、ＦＦＴ、ＤＦＴなどの信号処理アルゴリズムを、処理ユニット１０４及び／又は演算装置（例えば、ラップトップ、デスクトップ、サーバ）で測定した位相、振幅及び／又は血液、ＣＳＦなどと相関する演算指示子のような重み付けされた組合せに適用することができる。心拍数（周波数）及び／又は心臓サイクルに付随する流体変化の振幅を決定するために。
【０１６６】
生理学的監視は一般に様々な医療環境で利用されており、心拍数や呼吸数などのパラメータを含む。これらの値を導出するためには、電気的、光学的及びその他様々な方法が存在するが、ＶＩＰＳを使用して、これらのバイタルサインに関するデータを提供することもでき、ＶＩＰＳ装置を、脳流体検査のために又は同一情報の追加供給源として利用していれば、追加の監視が必要となることはない。すなわち、生理学的センサを使用して、患者の身体内の流体フロー又は他の条件の１つ以上の特性を直接又は間接的に検出することができ、次いでこれらの条件は、ＶＩＰＳシステムからのデータを較正又はフィルタリングするために使用することができる。
【０１６７】
頭蓋内液の自動調節は複雑な生物学的プロセスであり、脳の様々な区画と脊柱との間での血管拡張、血管収縮、脳脊髄液（ＣＳＦ）の移動、ＣＳＦの生産などが関与する。様々な神経障害を有する患者は、自己調節が不良であり、頭蓋内圧亢進又は頭蓋内圧の低下を引き起こすことがある。本明細書に記載されたＶＩＰＳ装置は、特定の患者の自己調節及び頭蓋内コンプライアンスを評価するために使用することができる。検査は、処置又は姿勢変化の結果として発生する流体変化を測定するために開発することができる。例えば、患者は仰向けに横たわることもあれば、臨床医が体液量を読み取って、患者の脚を上げて上昇させたり、流体変化を測定したりすることもある。その他の検査としては、バルク流体の静脈内注入、薬剤の投与、及び／又は平坦から垂直位置への患者を移動させることが可能であり、これら全てが、脳内の血液、ＣＳＦ及び他の流体に変化を引き起こす。特定の患者の試験結果を、異なる時間に実施される同一患者のベースライン測定と比較するか、又は既知の正常及び病理学的反応のデータベースに対して比較して、臨床医が患者の自己調節及び頭蓋内コンプライアンス状態をより理解しやすくすることができる。患者の頭蓋内液機能をより良く理解することにより、臨床医は、患者に最も有益な治療コースを選択することができる。
【０１６８】
脳への血流を自発的に操作した後の被験者における正常脳血管反応性（ＣＶＲ）と比較した研究では、脳震盪患者と健常者との間に差が認められた。健常者とは異なり、脳震盪患者は過換気試験の後も正常ＣＶＲに復帰できなかった。この状態は、震盪後数日間持続した。対照的に健康な被験者では、ＣＶＲはより短時間で正常状態に戻った。我々の実験では、バルサルバ法や頸静脈圧縮など、ＣＶＲに影響を及ぼす試験で測定可能である脳の電磁的性質のバルク測定が変化することが示された。結果は、時間と程度の両方において正常に戻ることは、この特許出願で説明された装置と方法で正確に検出できることを示している。これは、装置及び方法を用いて、正常な充分制御された自発的な血流変化を生じさせる操作で正常なシグネチャからの可動域の時間及び程度パターンを評価することによって、脳震盪などの様々な疾患を検出することができることを示す。
【０１６９】
実験例
この実験は、組織状態の自発的変化に対する電磁シグネチャ応答において、実質的な洞察が見つかるという考えに基づいたものである。これは生物学的組織状態の電磁的測定に基づいて、はるかに制御された診断方法につながる可能性がある。我々の実験では、自発的な変化は、質問された臓器又は組織に生じたものであり、自発的に生み出された変化に応答して、それらの臓器又は組織において生じた電磁的性質の変化を評価し、これらの変化を任意の行動と相関させることによって、診断が実施された。
【０１７０】
この方法の一例は、スポーツ医学における重要な医学的問題である脳震盪に関するものである。スポーツは、脳震盪や軽度外傷性脳損傷（ｍＴＢＩ）がスポーツ医学においてますます懸念されるようになってきた。神経心理学検査は、ｍＴＢＩを検出するための主要な診断手段である。しかしながら、ｍＴＢＩはまた、心拍数の変化、圧反射感受性の低下、細胞代謝及び脳血流を含む生理的効果を生成する。脳血管の流れの尺度である脳血管反応（又は「脳血管反応」ＣＶＲ）は脳の外傷によって障害される。ＣＶＲを評価するには、さまざまな方法が用いられる。それらには過換気、呼吸保持、ＣＯ２吸入、アセタゾラミドの投与が含まれる。頸動脈上のドプラ超音波測定は、ＣＶＲの変化を監視するのに使用できることが示されたが、これは、ｍＴＢＩと相関することができ、状態の診断に使用できる。本明細書に記載される方法及び装置は、ＣＶＲの変化を測定する代替手段を提供するものであり、これは、ｍＴＢＩの診断において実用的な適用が可能である。
【０１７１】
この実験では、身体に対する自発的行動によってＣＶＲを評価するために用いられる様々な方法が脳の電磁的性質の変化をもたらすことを実証した。これらの特性により、大きさと時間において明確なシグニチャが生成されるのでそれを脳診断用の我々の装置で使用することができる。
【０１７２】
実験システム誘導分光器
実験的マルチ周波数誘導分光器を設計、構築した。システムは、機能発生器、送受信機、デュアルチャネル復調器、アナログ・デジタル変換器の４つのモジュールから構成されている。パーソナルコンピュータを使用して、システムを制御し、データを処理した。機能発生モジュールは、２つの同一プログラマブル合成器（ＮＩ５４０１合成器、ナショナルインスツルメント社、オースチン、ＴＸ）を発振器として使用した。第１の発振器は、約２０ｍＡの励起信号Ｉｃｏｓ（ωｅｔ）を、予めプログラムされたステップで１から１０ＭＨｚの範囲に供給した。変調信号Ｉｃｏｓ（ωｍｔ）は、第２の発振器によって生成されたものである。処理と復調のための一定低中間周波数の狭帯域測定電圧信号を生成するために、差は、ωｅ−ωｍ＝ωｏ＝１００（２π）は帯域幅全体で一定に維持された。
【０１７３】
励振及び変調信号はそれぞれトランシーバとデュアルチャネル復調器モジュールに接続された。トランシーバは、励起コイルと、距離ｄ＝１８ｃｍ及び２つの差動受信機増幅器ＡＤ８１３０との間で同軸にセンタリングされたセンシングコイルとから構成されている。両コイルは、５ターンの半径ｒ＝２ｃｍの円筒形プラスチックフォーマー上に巻かれたマグネットワイヤＡＷＧ３２を用いて構築された。ファラデーの法則から計算したコイルインダクタンスは約４０ｍＨであった。励起コイルは一次振動磁場を発生させた。センシングコイルは一次磁場を検出し、その摂動は近位導電性サンプルを通して検出された。誘導ピックアップを避けるためにコイルのリードはねじれていた。増幅器は通常の演算増幅器として接続し、励起とセンシングコイルの参照電圧（Ｖｒｅｆ）と誘起電圧（Ｖｉｎｄ）をそれぞれ収集した。増幅器の利得を調整して、帯域幅全体を通して±５Ｖのダイナミックレンジを得た。
【０１７４】
デュアルチャネル復調モジュールは、ミキサと狭帯域通過フィルタを使用して、任意の励起と感知周波数の情報を同じ低周波数（ωｏ）に転送した。このモジュールは、参照信号と誘導信号を復調するために、２つの類似チャネルを用いた。回路内の付加的インダクタンスと浮遊容量を避けるために、増幅器とデュアルチャネル復調回路は金属ボックスで遮蔽され、短同軸ケーブル（長さが０．８ｍ以下）でコイルに接続された。回路とコイルとの間のインダクタンス相互作用を最小にするためにシールドに電流を通した。
【０１７５】
アナログ・デジタル変換モジュールは、基準をデジタル化し、電圧信号を一定低周波数で誘導した。サンプルレート１であるデータ取得カード（ＮＩ６０７１Ｅ、ナショナルインスツルメンツ社、オースチン、ＴＸ）は、アナログ・デジタル変換機として使用され、１．２５ＭＳａｍｐｌｅｓ／ｓｅｇ及び１２ビットの解像度が使用された。
【０１７６】
参照電圧及び誘導電圧の位相は、ＬＡＢＶＩＥＷ  Ｖ６．１（ナショナルインスツルメンツ社、オースチン、ＴＸ）で入手可能な抽出単一トーン関数によって約５サイクルにわたるソフトウェアで計算される。参照電圧と誘起電圧との間の位相シフトは、Δθ＝θ（Ｖｒｅｆ）−θ（Ｖｉｎｄ）と推定された。位相シフト測定のためのノイズ比信号（ＳＮＲ）は２０スペクトル（１ＭＨｚで３９ｄＢ）を平均化することによって改善された。
【０１７７】
実験プロトコル：
外頚静脈圧縮
頸部の両側にみられる２つの外頚静脈は、脳静脈ドレナージの主要経路の一つである。首の両側に軽い圧力をかけることで、排液を抑えることができる。そうすることで、頭蓋内液量が２０〜３０ｃｃを増加する。この試験の目的は、この特許出願で説明されているように、位相シフト頭蓋内液監視装置の能力を評価することで、これらの血液量に変化を検出することであった。
【０１７８】
実験では、圧縮後の頚静脈を解放した後、読み取り時に指数関数的な減衰が認められた。また、第２の圧縮及び解放後、読み取りは元の値に戻らないことが示された。これは部分虚血で代謝が枯渇した場合のＣＶＲの典型的な特性である。この方法はＣＶＲを評価する別の方法を提供し、それによって脳震盪を評価できることを示唆している。
【０１７９】
図１２を参照すると、経験の結果がグラフに示されている。図２に示すように、較正された位相シフト測定が時間の関数としてプロットされ、位相シフトの増加は静脈圧迫及び解放の間の減少によって引き起こされる。さらに、血管解放後には、元の値に戻ることのない読み取り時に指数関数的な減衰が起こる。これは部分虚血により代謝が枯渇するとＣＶＲに典型的な性質であり、この方法はＣＶＲを評価する別の方法を提供し、脳震盪を評価することができることを示唆している。
【０１８０】
バルサルバ法
バルサルバ法は、閉塞した気道に対して適度に強力な呼気を行うことによって実行されるが、通常は圧迫しながら口を閉じて鼻をつまみ、風船を膨らますようにすることで行う。バルサルバ法は、心臓に戻る血液量の変化を補償する身体の能力をテストし（予負荷）、頭部からの血流に影響を与える。この運動による循環系の動的応答は、ＣＶＲを含むいくつかの生理機能を示唆する。この手順で評価できる条件は他にもある。例えば、自律神経機能不全の患者は、健康患者で期待されるものとは異なる心拍数及び／又は血圧の変化を有するであろう。
【０１８１】
本明細書に記載された装置を用いてバルサルバ法に対する時間応答を測定した。測定にはいくつかの典型的な時間的側面があり、それは診断目的のために用いられた。これには、読書の増加、ピーク値、崩壊の時定数、最終短期及び長期値の時定数が含まれる。
【０１８２】
図１３は、バルサルバ法における時間の関数としてのシフト読み取りの変化を示すグラフを示す。図１３に示すように、読み取りにはいくつかの典型的な時間的側面があり、それらには、読み取りの増加の時定数、ピーク値、減衰の時定数、及び最終短期及び長期値が含まれる。
【０１８３】
脳震盪の検出
脳への血流が自発的に操作された後に通常のＣＶＲに戻るのは、脳震盪患者の場合には健康な被験者とは異なる。脳震盪の被験者は、震盪後数日間、過換気試験の後に正常なＣＶＲに戻ることができなかった。一方、健常者では、ＣＶＲはより短い期間で通常の状態に戻った。我々の実験では、バルサルバ法や頸静脈圧縮など、ＣＶＲに影響を及ぼす試験で脳の電磁的性質のバルク測定が測定可能は変化があることが示された。結果は、正常に戻ることを、我々の測定で正確に検出できることを示している。これは、我々の装置を用いて、正常な充分制御された自発的な血流変化を生じさせる操作で正常なシグネチャからの可動域の時間及び程度パターンを評価することによって、脳震盪などの様々な疾患を検出することができることを照明する。
【０１８４】
大血管閉塞の検出
虚血性脳卒中のほぼ５０％は、臨床的には脳血栓症又は脳梗塞と呼ばれる。これらの脳卒中は、小血管閉塞（又は「血栓症」）と大きな血管閉塞（ＬＶＯ）の２つのカテゴリに分けられる。大きな血管閉塞は、脳のより大きな血液供給動脈、例えば頸動脈、中大脳動脈、脳底動脈のいずれかに閉塞があるときに起こる。小血管の閉塞は、脳のより小さい動脈とより深い動脈のいずれかを含む。１つ以上の脳血管の閉塞の影響は、動脈酸素豊富血流が閉塞を越えて減少又は消失することであり、その結果低酸素症（すなわち、不充分な酸素送達が）が「下流」脳組織にもたらされることになる。検出されず、したがって未治療の場合、ＬＶＯは脳の細胞死を引き起こし、脳の損傷を持続させ、場合によっては死滅させることもある。もし検出されれば動脈再疎通が行われ、血流から閉塞された脳の一部に血液が再び流れ込むことが可能になる。再疎通のための２つの方法は、ｔＰＡ（組織プラスミノーゲン活性化因子）と機械的再疎通を伴う静脈内（ＩＶ）血栓形成である。ＬＶＯの治療における主な課題の１つは、効果的な治療を提供できるようにするために、ＬＶＯを早期に検出することである。
【０１８５】
ＬＶＯの早期発見は早期の臨床介入をもたらし、したがって脳の損傷を最小限に抑える。ＬＶＯの痕跡を継続的に非侵襲的に監視できることにより、患者の覚醒を維持する必要性がなくなり、患者の継続的な視覚監視と相互作用を患者との間で継続的に視覚監視及び相互作用を実行する必要性を軽減又は排除することができ、また複数のＣＴ（コンピュータ断層撮影）スキャンから患者の被曝を制限することができる。さらに、いくつかの場合、ＬＶＯは実際には二次脳傷害であり、一次脳傷害の後数時間又は数日後に発生することがある。脳の損傷患者の二次ＬＶＯを特に眠っている間に監視できることは、転帰を改善するために重要である。
【０１８６】
上述の非侵襲的、診断的、ＶＩＰＳシステム及び方法のいずれかの実施形態を使用して、脳又は身体の他の部分における流体の変化を監視してＬＶＯを検出してもよい。ＬＶＯの場合には、閉塞が起こった後、ＬＶＯによって影響を受ける脳領域の流体に検出可能な変化がみられる可能性がある。したがって、ＬＶＯを検出する一方法は、患者の脳体液を経時的に監視して、可能なＬＶＯを示す変化を監視することである。このような検出方法には、様々な実施形態によれば、経時的に流体の複数の「スナップショット」もしくは連続的な監視を含んでいてもよい。ＬＶＯが残存すると、脳細胞は死滅し、灌流が不足するため、浮腫と腫脹が生じる。この浮腫及び腫脹は、本出願で記載されたＶＩＰＳシステム及び方法を用いて検出することができる。
【０１８７】
ＬＶＯを検出するもう１つの方法は、本明細書に記載されているようなＶＩＰＳシステムを用いて脳の１つの「スナップショット」を撮ることであり、脳の右半球の血液量を脳の左半球の血液量と比較することである。例えば、脳の右側にＬＶＯがある場合、右側の血液は左側よりも少なくなり、右側のＬＶＯが示されることになる。この検出方法は即時に実行することができ、この方法の１つの利点は、比較のためにベースライン流体測定を必要としないことである。したがって、この「単一スナップショット」方法は、ＬＶＯを迅速に検出するために、救急車又は救急部門のような多くの異なる設定で実行することができる。また、例えば、第１の脳卒中を発症した患者の第２の脳卒中を迅速に検出するために、病院設定で使用することも可能である。もちろん、一部の患者では、ＬＶＯ検出の２つの方法を併用することができる。すなわち、経時的に流体を監視することと、単一のスナップショット法を用いることとが考えられる。本明細書に記載されたＶＩＰＳシステム及び方法は、任意の患者に適用されるそのような方法の任意の組み合わせを可能にする。
【０１８８】
これらの技法は、ＬＶＯ検出で使用するためにここで説明されているが、脳卒中検出のための他のアプリケーションも同様に使用することが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、本技術は、破裂動脈瘤によって引き起こされるものなど、小血管閉塞又は出血脳卒中を検出するために使用することができる。
【０１８９】
図１５を参照すると、閉塞除去の検出は、患者管理においても重要となり得る。正常な再疎通（例えば、機械的又は静脈内ｔＰＡ）の後、脳血管反応性が起こり、これによって、血液が枯渇した動脈脈管系に流入すると、流体変化が起きる。経時的に、脳内の流体（血液、浮腫、実質液など）が恒常性に到達し、その結果、有効性についてのさらなるフィードバックが得られる。ここでもまた、本明細書中に記載されたＶＩＰＳシステム及び方法のいずれも、脳血管閉塞の除去に関連する流体変化を検出するために使用することができる。本出願で詳述されるように、ＶＩＰＳシステムはまた、血液、ＣＳＦ、浮腫などの脳内の１つ以上のタイプの流体を識別するために使用され得る。図１５は、閉塞除去を受けている患者を監視するために、本明細書に記載のＶＩＰＳシステムを使用するための１つの臨床例を示す図である。チャート上の各ドットは、本明細書に記載のＶＩＰＳシステムを用いて、脳内の流体体積の１つのスナップショット測定を示す。最初のドットは、チャートの左端と下端にあり、ベースライン測定値を表す。第２のドット（すなわち、ベースラインから右側への次のドット）は、オクルージョン除去手順が実行された直後の測定流体体積の変化を表す。その後のドットは、チャート上の右側に移動して、フォローアップＶＩＰＳ流体測定を表し、よりゆっくりとした上昇を示し、次いで流体体積の漸減を示す。これは、本明細書に記載されたＶＩＰＳシステムが、閉塞除去手順の後に流体変化を測定するために使用され得る方法の一例である。
【０１９０】
ＬＶＯの存在を検出することに加えて、本明細書に記載されたＶＩＰＳシステム及び方法を用いて、ＬＶＯが脳脈管内のどこに位置するのかを決定することができる。脳のどの半球がどこに位置するかなど、ＬＶＯがどこに位置するかを決定することにより、優先的な治療のために重要な臨床診断フィードバックを提供できる場合もある。例えば、２つの送信機を備えたＶＩＰＳ装置と、脳の特定領域における流体変化を識別するために空間的に分離された１つの受信機とを、流体変化がある流体変化のある半球を検出するために使用することができる。上述のように、この方法を使用してＬＶＯの存在を検出することができ、また脳内のＬＶＯの位置を特定するのにも用いることができる。閉塞又は他の病変が右半球又は左半球に位置するかどうかを決定する能力は、ＬＶＯの条件よりも重要である。加えて、他の実施形態では、脳、血管系等の他の解剖学的領域における閉塞又は病変の位置を決定することが可能である。
【０１９１】
両側検出
ＬＶＯの場所の特定又は他の特定の用途で使用する場合には、患者の左右の半球における流体の変化を空間的に検出する能力が、患者の診断及びケアにおいて重要である可能性がある。例えば、虚血対出血性及びその中で発生した脳卒中のタイプを決定することは、適切な治療を管理するために臨床医に重要な情報を提供する。脳のプレチスモグラフ（臓器の変化量）を検出する能力は、患者の心拍数を決定する上で有用である。例えば、脳の片側での血流が制限されている頚動脈狭窄の検出に使用することも可能である。これは、異なるプレチスモグラフに振幅を生じさせ、これにより臨床的に関連する情報を提供する。それはまた、急性虚血性脳卒中（狭窄、血栓症、梗塞）の検出に使用でき、これにより、プレチスモグラフ振幅の差を検出することができる。ある場合には、片側の半球における出血性イベントがある半球のプレチスモグラフ振幅を減弱させることがあるので、臨床的に関連するデータが追加的に得られることもある。プレチスモグラフ情報において「非対称性」を検出する能力により、適切な介入のために重要な臨床的に重要なフィードバックを提供することができるようになる。
【０１９２】
図１４は、上述のように両側検出を提供することのできる流体監視システムにおいて使用されるヘッドピース６００の一実施形態を示す図である。ヘッドピース６００は、ヘッドの前部の周囲に延びるフレーム６０５と、２つのラップアラウンド端６０２、６０３とを含む。ラップアラウンド端６０２、６０３は、送信機を含み、各送信機は、脳の１つの半球を介して、ヘッドピース６００内の１つ以上の受信アンテナに優先的に送信する。ラップアラウンド端６０２、６０３はまた、患者の頭部の裏側を包むように設計され、ヘッド部材６００を頭部にぴったりと保持するように設計されている。
【０１９３】
フレーム６０５はまた、ヘッドピース６００の制御回路を収容する筐体６０４と、少なくとも１つの受信アンテナとを含む。２本の保持アーム６０８はまた、フレーム６０５に連結され、患者の耳に保持され、したがってヘッドピース６００を患者の頭部に保持しやすくなる。ノーズピース６０６はまた、フレーム６０５に結合され、ヘッドピース６００の面を患者の鼻上に静止させ、したがって、追加の安定性を提供するとともに、その後患者にヘッドセット６００の配置に対する整合／登録参照を提供することができる。
【０１９４】
別の実施形態では、上記のように図示及び説明された他の装置を、両側検出において使用（又は変更して使用）することができる。本明細書で説明するヘッドセット６００は、例示目的のために提供されるものである。
【０１９５】
開示の具体的な実施形態は、説明の目的でここに記載されているが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる。例えば、本出願は、本明細書に記載されたシステム及び方法に対する１つの可能な用途としてヒトの脳における流体変化を監視するいくつかの例を含んでいるが、本開示によりは、人の身体の他の領域（例えば、腕、脚、肺など）の流体変化を監視すること、他の動物（例えば、ヒツジ、ブタ、ウシなど）の体液変化を監視すること、及び他の医学的診断設定における監視など、他の出願を通じて広範な適用方法を見出すことができる。アームのような流体変化は、例えば、送信機及び受信機を含む包帯にアームを巻き込むことによって検出することができる。
【０１９６】
本明細書に記載されたシステム及び方法が使用され得る他の医学的診断設定の例としては、特定の流体、組織（例えば、筋肉、脂肪、実質器官など）の絶対割合を決定すること、あるいは人体の所与の領域における他の固体物質（例えば、腫瘍）、相対誘電率及び／又は相対的透過性を決定することを含む。さらに臨床の用途としては、内部出血検出、異なるタイプの流体（例えば、血液、細胞外液、細胞内液など）の区別、浮腫を評価するための脳浮腫などの浮腫を評価すること、ならびにうっ血性心不全などのような状態に起因する肺体液の蓄積を評価することなど、広範囲の監視及び診断使用が挙げられる。これらのアプリケーション及び多くの用途は、本明細書に記載された様々な実施形態によってアドレス指定することができる。したがって、請求項の範囲は、本明細書に記載される特定の例に限定されるものではない。
【０１９７】
ＶＩＰＳ技術は、以前にも説明され、「体積積分位相シフト分光法」として開示されてきた。この技術は、周波数のスペクトル（範囲）を生成して体の一部（例えば胸部や脳）に向け、また、体内の物質（例えば、流体又は電解質）による電磁放射効果（例えば、吸収／拡大相の遅れ）を測定／検出することができるという点において分光の原理に基づいている。しかしながら、このアプリケーション内では、スペクトル又はスペクトルではなく、単一周波数の発生及び検出の概念が開示されている。さらに、頭字語ＶＩＰＳは、例として「ＶＩＰＳ技術」、「ＶＩＰＳシステム」及び「ＶＩＰＳ装置」として使用され、周波数の単一周波数又はスペクトル／スペクトル／周波数の範囲を表すことができる。
【０１９８】
本出願を通して説明するように、多くの実施形態では、ＶＩＰＳ技術（体積積分位相シフト分光）を用いて、例えば脳などの身体の器官又は身体部分の体液変化を測定するために、複数の周波数、位相及び／又は大きさを使用することができる。上述の説明の焦点は、実際には、システム内で複数の送信機及び／又は受信機を使用することであり、多くの場合、所与のスペース内の異なるタイプの流体を区別するために使用される。しかしながら、いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるシステムは、任意の数の測定のいずれかを作るために、１つの周波数、位相、又は大きさを使用することができる。プレチスモグラフィは、上述のように、通常は血液の変化、運動（人工呼吸器による圧力上昇によって脳が動く場合など）又は空気体積の変化などから引き起こされる臓器又は全身の体積の変化を測定するものである。いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるシステムは、例えば脳の一方の半球が他方の半球よりも血流が少ないかどうかを決定するために、脳又は頭蓋の血液量の変化を測定するために１つの周波数を使用することができる。同様に、１つの周波数は脳への血流の全体的変化を測定するのに用いられる。これは一例にすぎず、本出願の説明は複数の周波数、位相及び大きさの使用に焦点を当てているが、いくつかの実施形態は１つの周波数、位相及び／又は大きさのみを用いてもよい。
【０１９９】
本開示の多くの実施形態は、測定において流体体積の変化の測定、監視及び／又は検出のためにＶＩＰＳテクノロジーを記述するが、これらの同じ実施形態及び／又は代替実施形態は、患者の頭部における組織の体積及び／又は変化などの非流体体積又は変化の検出のためのＶＩＰＳ技術を採用してもよい。さらに、流体及び／又は体積変化が伴うことは、病状との直接的な相関であってもなくてもよい。追加の実施形態は、例えば、具体的な流体、流体体積、組織又は器官（例脳）を考慮せず、代わりに、位相及び／又は振幅変化を評価してもよく、及び／又は変化の組み合わせを評価してもよい。このような変化、体積等は、「ＶＩＰＳシグネチャ」と定義され、それに称されるが、これは特定の条件又は病理学に関連するか、又は抽象化できる。例えば、虚血性脳卒中の効果は体積／流体変化としては存在しないが、ＶＩＰＳ技術は、虚血脳卒中を示す周波数又は周波数及び／又は振幅特徴を検出することができる。さらに、いくつかの実施形態において、ＶＩＰＳ技術は、例えば、ＶＩＰＳシグネチャとして提示される身体の器官のシフト、例えば、脳そのもののシフト（又は、移動）を検出することができる。異なる状態、異常、解剖学的構造、生理学等に関連する多数の異なるＶＩＰＳシグネチャが存在する可能性もある。ＶＩＰＳシグネチャは、測定された位相及び／又は振幅に関連する変化、閾値、特異的測定値及び／又はその他のパラメータとして定義することができる。種々の実施形態では、ＶＩＰＳ装置は、任意の数の予め定義された、格納されたＶＩＰＳシグネチャを含み、装置は、位相及び／又は振幅測定をＶＩＰＳシグネチャと比較して、特定の条件、異常、解剖学的又は生理が存在するかどうかを決定することができる。
【０２００】
その他の変化としては、電解質、酵素、グリア繊維、食作用細胞、及び／又は鉄などの組織／液体の性質が変化することがある。例えば、組織の鉄やタンパク質の量は、損傷（脳卒中、衝撃、打撲など）の後に変化することがある。別の例では、細胞膜透過性が変化する可能性があるので、ナトリウム−カリウムポンプを変化させたり、分解したりする。生体電位が変化することもあれば、浸透圧が変化することもある。脳卒中には、例えば、異なる位相があり、それぞれが損傷部位の継続的な「リモデリング」があり、これは、流体体積の変化にのみ依存するか、又は単独では依存しない可能性がある。
【０２０１】
ここでも、上記の例及び実施形態は、以下の請求項に記載された本発明の範囲を限定するものではない。上述の説明は、本質的には例示的であり、限定するものではない。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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