JP2004528917A - 指示薬希釈度を非侵襲的に検出することによる心拍出量及び循環血液量の測定法 - Google Patents
指示薬希釈度を非侵襲的に検出することによる心拍出量及び循環血液量の測定法 Download PDFInfo
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Abstract
指示薬希釈度と非侵襲的又は最小限侵襲的な検出法を用いる、心血管系パラメータの検査システム（１０）を開示する。血管内指示薬が刺激される（１４）と、心拍出量、心係数、循環血液量及び心臓血管の健康状態についてのその他のインジケータを算出するための発光パターン（２２）が検出される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
【発明の背景】
【０００１】
[0001]１．発明の分野
本発明は、被験者の心血管系パラメータ検出に関する。
【０００２】
[0002]２．当該技術の一般的背景及び状況
心拍出量は、例えば、心疾患、急性血行動態悪化又は心臓手術中の患者における血行動態評価の中心的要素である。心拍出量は、循環系全域に血液を循環する心臓の有効性の測度である。特に、心拍出量（Ｌ／分として測定）は、心臓が１回に拍出する血液量（一回拍出量）に心拍数を乗じた量である。異常な心拍出量は、心血管系疾患の少なくとも一つのインジケータである。
【０００３】
[0003]心拍出量測定のための現在の標準方法は、熱希釈法（Ｄａｒｏｖｉｃ, Ｇ． Ｏ． Ｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：ｉｎｖａｓｉｖｅ ａｎｄ ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｃｌｉｎｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ （血行動態モニタリング：侵襲的及び非侵襲的臨床応用）第２版、Ｗ． Ｂ． Ｓａｕｎｄｅｒｓ 編集、１９９５）である。一般的には、この技法は、心臓の右側に温熱性指示薬（冷却又は加熱）を注入して、指示薬が肺動脈中に流入する際に生じる温度の変化を検出することを含む。
【０００４】
[0004]典型的には、熱希釈法は、フローガイド式バルーンカテーテル（Ｓｗａｎ-Ｇａｎｚ（スワンガンツ）カテーテル等）を中枢静脈（尺側皮静脈、内部頚静脈、又は鎖骨下静脈）中に挿入して、右心房及び心室を通して肺動脈までガイドすることを含む。バルーンカテーテルは、典型的には、血液温度の変化を検出するためのサーミスタをその先端付近に装備している。（右心房付近の大静脈内に位置するカテーテルのポートを介する）冷却グルコース溶液の迅速なボーラス注入は、肺動脈内でサーミスタによって検出される温度変化を生じる。測定された温度変化は、心拍出量を算出するために外部電子装置で解析される。この演算処理に実装されているアルゴリズムは、典型的には、Ｓｔｅｗａｒｔ-Ｈａｍｉｌｔｏｎ （スチュワート−ハミルトン）法の変型であり、撹拌流動媒体中に混合された指示薬の原理に基づく（Ｇｅｄｄｅｓ Ｌ Ａ、 Ｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ （心血管系装置と測定法）Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ & Ｓｏｎｓ． １９８４）。
【０００５】
[0005]心拍出量の熱希釈による測定法は、幾つかの理由で不都合である。第一に、熱希釈法は、滅菌手術室における作業を必要とする高価で侵襲的な技法である。第二に、この手技は、例えば、局所感染、敗血症、出血、塞栓形成、カテーテルに起因する頸動脈、鎖骨下及び肺動脈損傷、カテーテル遺残、気胸、心室細動を含む律動障害、心房又は心室の穿孔、タンポナーデ、三尖弁損傷、カテーテル結紮、カテーテル離断及び心内膜炎などの患者に対する重篤なリスクを有する。第三に、熱希釈式心拍出量用のバルーンカテーテル挿入は、特別な訓練を受けた外科医のみしか行うことができない。最後に、熱希釈法による心拍出量の測定は、小児や新生児に実施するには侵襲性が高すぎる。
【０００６】
[0006]心拍出量測定のために使用されるもう一つの方法は、色素指示薬希釈法である。この技法では、既知の量及び濃度の指示薬が循環血流中に注入される。下流点において、血液試料を採取して、指示薬の濃度を決定する。指示薬濃度は、典型的には、混入した指示薬の初回通過のために急速にピークに達し、そして全循環血液量に混入するに伴い急速に低下する（〜１０秒：初回通過濃度曲線）。さらに、指示薬が肝臓及び／又は腎臓によって代謝されて循環系から排除されると、指示薬濃度はゆっくりと減少する（時間は使用する指示薬に基づく）。したがって、濃度曲線は、経時的な指示薬濃度を反映するように現れる。指示薬希釈法の原理は、初回通過濃度曲線下面積が心拍出量と反比例することを予測する。
【０００７】
[0007]従来から、指示薬希釈法は、（インドシアニングリーンのような）不活性色素の静脈中へのボーラス注入及び、血液中の色素濃度を経時的に検出するために血液試料を採取することを含んでいた。例えば、血液試料は、ポンプを用いて一定の速度で末梢動脈から採取される。血液試料を、光学センシングセル中を通過させ、ここで血液中の色素濃度が測定される。色素濃度の測定法は、幾つかの波長における血液試料の吸光度の変化に基づく。
【０００８】
[0008]心拍出量の色素希釈測定法は幾つかの理由のために不都合であることが知られている。第一に、動脈血の連続採血を必要とするために、時間と手間がかかり、患者の貴重な血液を減少させてしまう。第二に、色素濃度の測定に使用する機器（濃度計）は、既知濃度の色素を含む患者自身の血液試料で較正しなければならない。この較正プロセスは毎日幾つもの試料を処理しなければならない検査室の状況を考慮すると、極めて手間と時間がかかり過ぎる可能性がある。さらに、血液試料の吸光度の測定値から色素濃度を抽出するにあたって技術的な困難が生じる。
【０００９】
[0009]色素希釈法の変型は、日本光電パルス色素濃度計に実現されている。この技法では、血液の吸光度の変化が、パルスオキシメトリ原理の変型を用いて、皮膚を介して光学プローブで検知される（日本光電ウェブサイト1074661254610_0.html）。この変型は、反復採血の必要性を省くことにより、従来の手法を改善している。しかし、前述のように、この技法は、光学プローブが質問する組織量における血液酸素飽和度又は血液含量の変化に拠る吸光度の変化から、色素濃度の変化に拠る吸光度の変化を分別することが困難であるためにその用途には限界がある。この方法はまた、顕著な吸光度の変化を作出するためには大量の色素と、色素とヘモグロビンによる吸光度を区別して計測するための２つの異なる波長の光を発生する光源を必要とするために高価である。それであっても、循環系の吸光度のバックグラウンドレベルが高いために、この技法は正確性に欠ける。最後に、測定の反復を望む場合、高濃度の指示薬を血流から一掃するために長い間隔をとらなければならない。したがって、本技法は、検査を受ける患者と治療を開始又は変更するために結果を待つ医師にとって不便である。
【００１０】
[0010]指示薬希釈の原理に基づかない心拍出量測定のための他の方法がある。これらは、超音波ドップラー法、超音波画像処理、酸素消費量又は二酸化炭素産生量に応用したフィックの原理、及び電気インピーダンス・プレスチモグラフィ法（Ｄａｒｏｖｉｃ、前出）を含む。しかし、これらの方法にはそれぞれの限界がある。例えば、超音波法（ドップラー及び画像法）は、速度又は寸法の測定値から心拍出量を生成するために、三次元形状の画像構造について仮説を立てる必要がある。
【００１１】
[0011]循環血液量は、心血管系中に存在する血液の量を測定する。循環血液量はまた、患者の健康状態の評価に関連する診断手段である。手術中又は手術後、外傷性事故又は疾患状態にある多くの場合、患者の循環血液量を出来る限り迅速に正常に回復することが望ましい。循環血液量は、典型的には、複数のパラメータ（血圧、ヘマトクリット等）を計測することによって、間接的に測定される。しかし、これらの測度は、直接法で循環血液量を測定する程には正確性又は信頼性がない。
【００１２】
[0012]循環血液量は、指示薬希釈法を用いて直接測定されてきた（Ｇｅｄｄｅｓ、前出）。簡単に言えば、既知量の指示薬を循環系に注入する。注入後、指示薬が血液全体に分散するが、身体からクリアランスされないように一定の時間を経過させる。平衡期間後、血液中で希釈された指示薬を含む血液試料を採取する。循環血液量は次に、注入指示薬量を血液試料中の指示薬濃度で割り算することによって算出できる（さらに詳細な説明については、参考文献として引用する、米国特許番号第６,２９９,５８３ 号を参照）。しかし、これまでの循環血液量を測定する希釈法は、血液からのクリアランスに時間がかかる指示薬を使用するために測定を頻繁に行うことに限界があるため不便である。
【００１３】
[0013]したがって、心拍出量及び循環血液量のような心血管系パラメータを測定するための非侵襲的、経済的、正確かつ感受性の高い方法があることが望ましい。
【００１４】
[0014]発明の開示
【００１５】
[0015]本発明は、指示薬希釈法を用いて、循環系内における心血管系パラメータを評価するための方法並びにシステムに関する。心血管系パラメータは、被験者の心血管系機能又は健康状態の任意の測度である。
【００１６】
[0016]本発明の一つの形態では、心血管系パラメータを決定するための非侵襲的方法が説明される。特に、心血管系パラメータを計測するために、非侵襲性蛍光色素指示薬希釈法が使用される。好ましくは、この方法は、極めて非侵襲性であり、患者の循環系内に指示薬を注入するための一つの末梢静脈ラインのみを必要とする。さらに、システム較正を目的とする患者の循環系からの採血は、必要に応じて、一回のみであることが好ましい。また、心血管系パラメータは、心臓並びに循環系機能の評価に関連する生理学的パラメータを測定することによって値を求めることができる。そのようなパラメータは、限定はされないが、心拍出量及び循環血液量を含む。
【００１７】
[0017]そのような極めて侵襲性の低い手技は、心血管系を検査するその他の方法よりも好都合である。第一に、手技に起因する合併症及び患者の不快感が減少される。第二に、そのような実用的かつ侵襲性の極めて低い手技は、ほとんどの医師、看護スタッフの技術能力の範囲内であり、したがって、特別な訓練を必要としない。第三に、この侵襲性が極めて低い方法は、患者の居室あるいは外来で行うことが可能である。最後に、これらの方法は、リスク因子が低いために、心血管系パラメータ測定に中枢動脈測定法の使用が正当化できない患者を含む、広範囲の患者集団について使用し得る。
【００１８】
[0018]本発明の他の形態では、これらの方法は、所定の時間に、あるいは選択された期間に反復して、患者の心血管系パラメータを計測するために使用され得る。指示薬の用量及びこの方法の他の局面は、心血管系パラメータの迅速な、連続測定が可能であるように選択することが好ましい。これらの方法は、心不全症又は長期にわたり薬理学的介入を受けている患者をモニタするのに好適であり得る。さらに、非侵襲的方法は、基礎状態並びに患者が心血管系パラメータを変化するような状態に曝された際に患者の心血管系パラメータを計測するために使用することができる。そのような状態は、身体的又は感情的な状態の変化に限定はされないが、生物学的活性物質の作用を受けたり、手術を受けることを含む。
【００１９】
[0019]本発明の他の形態では、心血管系パラメータの測定法を改善するために本方法を変型してもよい。そのような変型は、患者に関して光検出器の配置を変更したり、あるいは患者の身体の検出領域への血流を増加することを含み得る。
【００２０】
[0020]本発明の他の形態では、心血管系パラメータを評価するために非侵襲的方法は、指示薬の吸光とは対照的に、指示薬の発光、すなわち蛍光、の検出を利用する。さらに、その他の方法と比較して、より広い領域の患者組織を心血管系パラメータ計測のための検出部位として利用できるように、指示薬の発光は、透過モード及び／又は反射モードで検出することができる。好ましくは、指示薬発光の測定値は、指示薬の発光が直接的に検出され、全血の吸光特性に左右されないために、その他の方法によって得られる測定値よりもさらに正確である。
【００２１】
[0021]本発明の他の形態では、心血管系パラメータの非侵襲性又は侵襲性が極めて低いシステムを記述する。特に、そのようなシステムは、指示薬を励起するための照射源、指示薬からの電磁放射線発光を感知するための光検出器、並びに発光データを受信して、経時的にデータを追跡して、それらのデータを用いて心血管系パラメータを計算するための計算システムを含む。
【００２２】
[0022]本発明の他の形態では、本願に記述の方法及びシステムは、多様な被験者の心血管系パラメータを評価するために使用することができる。ある実施形態では、この方法は、動物、又は、例えば、心筋症のような、心血管系疾患の動物モデルを検査するために変型することができる。本発明の方法は、サイズが小さいために、侵襲的手法を用いる現在の方法を使用することができないトランスジェニック齧歯類のような、動物の研究に便利である。本発明はまた、心拍出量の測定値に影響を及ぼす可能性がある麻酔を必要としないために好都合である。
【００２３】
[0023]その他の実施形態では、本方法は、ヒト患者への臨床応用のために変型され得る。本発明は、成人、青年、小児、及び新生児を含む全てのヒト被験者に使用することができる。本発明は、小児、そして特に新生児への適用にとりわけ好適である。上述のように、本技法は、成人被験者と比べて小型の血管構造のサイズによる制約によって適用が限定されないことにおいて、少なくともその他の方法よりも便利である。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００２４】
[0033]本発明の方法とシステムは、指示薬希釈法を用いて被験者の心血管系パラメータを測定することを目的とする。
【００２５】
[0034]本発明の方法は、一般的には、特定量の指示薬を被験者の血流中に注入することを含む（図９）。好ましくは、指示薬に第二波長光の蛍光を発光させる、特定の第一波長光を用いて、指示薬を照射する。循環系内を循環する指示薬濃度に比例する第二波長光の発光強度を検出するために、光検出器を被験者の近くに配置する。光検出器は、この強度に関する情報を計算システムに転送し、計算システムはそれを記録して、好ましくは、経時的に検出された指示薬の強度曲線を図表化する。
【００２６】
[0035]典型的には、指示薬の濃度値は、指示薬の注入後、急速に増加してピークに達する。次に、濃度値は急速に減少し、それから指示薬が身体全体に拡散するためにさらに徐々に減少して、時が経つにつれて代謝される。マイクロプロセッサー駆動による演算処理によって、次に濃度曲線から患者の心拍出量及び／又は循環血液量値を計算することができる。さらに、本方法を用いて、約１〜２分の間隔で、反復して値を一般化することができる。
【００２７】
[0036]〔指示薬〕本発明に有用な指示薬は、心拍のような心血管系パラメータを変更しない点において、不活性かつ生体適合性であることが好ましい。さらに、指示薬は、一度注入されると、心血管系の血管構造の外に拡散しないことが好ましい。さらに、指示薬は、本方法を用いて約１〜２分の間隔で反復測定を行うことができるような速度で、体内で代謝されるものを選択することが好ましい。さらに、バックグラウンドレベルがゼロにならないときに測定しても、測定間隔の間に、循環する指示薬のバックグラウンドレベルが消去されることが望ましい。最後に、指示薬は、特定の光検出器システムによって検出可能であるように選択することができる。
【００２８】
[0037]一つの実施形態では、心血管系機能を検査するために、非侵襲性の色素指示薬希釈法を使用することができる。多数の異なる色素指示薬を、本発明の範囲内で使用することができる。色素指示薬は、好ましくは約７５０ ｎｍから約１０００ ｎｍ、さらに好ましくは約７５０ ｎｍから約８５０ ｎｍである、近赤外スペクトルの励起波長及び発光波長を有する蛍光色素であることが好ましい。
【００２９】
[0038]さらに好ましくは、使用する色素は、インドシアニングリーン（ＩＣＧ；例えば、Ａｋｏｒｎ, Ｄｅｃａｔｕｒ 又はＳｉｇｍａ, Ｓｔ． Ｌｏｕｉｓ, ＭＯから購入；商品名：Ｄｉａｇｎｏｇｒｅｅｎ（版権所有）、 ＩＣＧｒｅｅｎ（版権所有）、 Ｉｎｆｒａｃｙａｎｉｎｅ（版権所有）、 Ｐｕｌｓｉｏｎ（版権所有））である。ＩＣＧは、これまで眼、消化器系及び肝機能の微小循環を研究するために使用されてきた（Ｄｅｓｍｅｔｔｒｅ, Ｔ．, Ｊ． Ｍ． Ｄｅｖｏｉｓｓｅｌｌｅ, ａｎｄ Ｓ． Ｍｏｒｄｏｎ、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆ ｉｎｄｏｃｙａｎｉｎｅ ｇｒｅｅｎ （ＩＣＧ） ａｓ ｒｅｌａｔｅｄｔｏ ａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ（血管造影法と関連するインドシアニングリーン（ＩＣＧ）の蛍光特性と代謝機能）、Ｓｕｒｖ Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ４５, １５-２７, ２０００）。ＩＣＧは、近赤外波長で励起されると高輝度の蛍光を発する。本発明に関連するならば、血漿中のＩＣＧは、約７８０ ｎｍ の至適励起波長で約８１０から ８３０±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する（Ｈｏｌｌｉｎｓ、前出； Ｄｏｒｓｈｏｗ、前出）。ＩＣＧは、タンパク質結合性であるために、血管内に残存するので、本発明における用途に好都合である。ＩＣＧは、水溶液中で迅速に分解し、さらに代謝物は蛍光性ではなく、再循環のアーチファクトを最小限とし、測定間隔を短縮する。ＩＣＧの発光波長はまた、生体組織が光に対して比較的透明である光学ウインドウ（７５０〜１０００ ｎｍ）内である。
【００３０】
[0039]フルオレセイン及びローダミンのようなその他の生体適合性のある蛍光色素もまた本発明に適する。血漿中のフルオレセインは、約４８８ ｎｍの至適励起波長で、約５１８±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する（Ｈｏｌｌｉｎｓ、前出；Ｄｏｒｓｈｏｗ、前出）。 血漿中のローダミンは、約５１０ ｎｍの至適励起波長で、約６４０±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する。
【００３１】
[0040]〔指示薬の用量〕指示薬の用量は、使用量が被験者に無毒性で、指示薬濃度曲線を設定するに十分な時間だけ循環系に存在するが、約１〜２分間隔で反復測定が行うことができるように時間内で代謝されるように選択することが好ましい。さらに、指示薬は、静脈注射によって被験者に投与されることが好ましい。
【００３２】
[0041]約０．００５ ｍｇ／ｋｇの用量は、この用量がピーク血中濃度を０．００１ ｍｇ／ｍｌ以下にするので好ましい。この濃度範囲では、循環する指示薬濃度の測定値は、検出される発光波長の強度に線形相関する。例えば、実験動物モデルでは、平均循環濃度が約０．００００７５ ｍｇ／ｍｌ ／全血になるように体重３ ｋｇ のウサギ（循環血液量＝２００ｍｌ）に約０．０１５ ｍｇ が注射される。
【００３３】
[0042]色素希釈法は、色素としてインドシアニングリーンを用いてヒトに適用されてきた。ヒト及び動物の生体組織は、近赤外波長では比較的透明であり、数ミリメートルの組織を横切って光を透過し、ＩＣＧの蛍光発光の経皮的な検出を可能とする。上記の範囲内の用量の使用は、ヒト用途にさらに適する。
【００３４】
[0043]〔照射源〕本発明に有用な照射源は、好ましくは約７５０ ｎｍから約１０００ ｎｍ、さらに好ましくは約７５０ ｎｍから約８５０ ｎｍである近赤外スペクトルの励起波長を発生するように選択されることが好ましい。この選択は少なくとも、ほとんどの生体組織が、この範囲内の波長に対して比較的透明である点において、好都合である。したがって、ある実施形態では、血流中の指示薬は、経皮的に励起することが可能であり、指示薬の発光が経皮的に検出される。さらに、血液成分は、これらの波長では蛍光を発しないので、測定された蛍光発光シグナルに寄与するその他の要因はない。したがって、本方法は、発光とは対照的に、指示薬の吸光度を測定するその他の方法よりも、本方法の検出感度が少なくとも改良されているために、好都合である。
【００３５】
[0044]しかしながら、他の波長、例えば、青緑又は紫外域でもいくつかの組織は比較的透明であるために、これらの波長光を使用することは、本発明の範囲内である。照射源の選択は、したがって、選択された指示薬及び検出を行う組織にある程度依存し得る。照射源は、結果として指示薬のピーク発光波長を生じるように選択されることが好ましい。
【００３６】
[0045]本発明に使用し得る照射源の例は、限定はしないが、ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー又はダイオードレーザーを含む。
【００３７】
[0046]ある実施形態では、システム又は照射源の変型は、指示薬濃度測定システムの感度又は正確度を最大にするためにさらに変更され得る。例えば、ある実施形態では、照射源によって発生される励起波長は一定である。他方、照射源によって発生される励起波長は、ロックイン検出法（スタンフォードリサーチシステムウェブサイト：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｒｓｙｓ．ｃｏｍ／ｈｔｍｌ／ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ．ｈｔｍｌ、本願に参考文献として引用）を用いて変更することができる。
【００３８】
[0047]例えば、照射源は、既定の周波数を有する周期的に変化するパターンの光を発光し、光検出器で記録される発光は、示度の正確さを向上するために同一周波数で読み取ることができる。周期的変化パターンと周波数は、雑音除去性能を改善するために選択することができ、（照射源及び光検出器のような）残りの機器類と適合性があるように選択されるべきである。
【００３９】
[0048]照射源は、発光波長の強度が記録される被験者組織の検出領域をターゲットするように調節してもよい。ある実施形態では、照射源は、検出領域に励起光を誘導するように、光ファイバーを含んでもよい。ある実施形態では、照射源は、検出領域に励起光を誘導するように、鏡、フィルター、及び／又はレンズを含んでもよい。
【００４０】
[0049]〔検出領域〕ターゲット検出領域は、励起波長に曝されている及び／又は、発光波長の発光強度出力が測定される被験者組織の場所である。
【００４１】
[0050]検出方法は非侵襲性であることが好ましい。これらの実施形態では、検出領域は、光検出器がその近くに配置でき、発光波長の強度が測定できるように選択される。光検出器は、少なくとも一つの血管、しかし好ましくは、極めて血管化された組織領域に経皮的に配置されることが好ましい。検出領域の例は、限定はされないが、指、耳介、鼻孔、及び角質化していない上皮（例えば、鼻粘膜又は内頬）を含む。他の実施形態では、検出方法は侵襲性が最小限である。例えば、光検出器は、皮下（表皮内又は下）に、そして、少なくとも一つの血管の近く又は血管周囲位置に配置され得る。その他の実施形態では、検出方法は侵襲性である。例えば、光検出器は、指示薬の発光を検出するために血管内、例えば動脈内、に配置され得る。
【００４２】
[0051]さらに、検出領域は、指示薬発光の検出中は、動脈血化され得る。検出領域を動脈血化する条件の例は、限定はされないが、加熱又は（リドカインのように）交感神経系ブロック効果を有する生物活性物質への曝露を含む。
【００４３】
[0052]〔光検出器〕指示薬発光の検出は、当該分野に公知の光学的方法によって達成され得る。指示薬濃度の測定は、検出可能量の色素指示薬を投与して、非侵襲性、極めて侵襲性が低い、又は血管内手法を用いて、好ましくは連続検出によって行うことができる。光検出器は、被験者の検出領域の近くに配置されることが好ましい。光検出器は、照射源の場所から遠位に配置されても近位に配置されても構わない。
【００４４】
[0053]ある実施形態では、指示薬から蛍光が全ての方向に同一強度で発光される（等方性）。その結果、色素の発光は、励起光と光検出器が照射される組織の反対の位置にある「透過モード」、又は励起光と光検出器が組織の同じ側にある「反射モード」のどちらでも検出することができる。これは、光学的に薄い構造であるだけでなく、励起光と発光が身体表面上のいずれの場所からも入力及び検出することが可能である点において少なくとも他の方法よりも好都合である。
【００４５】
[0054]本発明に有用な光検出器は、特定の指示薬からの発光量と発光波長（電磁放射線）を検出するために選択される光検出器である。種々な波長範囲に対して感度を有する光検出器は、当該分野で公知である。
【００４６】
[0055]ある実施形態では、指示薬濃度を測定するためのシステムの感度と正確度をさらに増強するためにシステムの変型が行われる。例えば、ある実施形態では、検出システムは、ロックイン検出法を実装していてもよい。例えば、ロックイン増幅器は、光源を特定の周波数に変調して、その周波数のみで光検出器の出力を増幅するために使用することができる。この機能は、少なくとも信号雑音比を減少することによってシステムの感度をさらに向上させ、極微量の蛍光発光の検出を可能にすることにおいて好都合である。
【００４７】
[0056]ある実施形態では、システム感度を増強するために、光電子増倍管が、他の光検出器として、又は他の光検出器と動作可能に接続した状態で、使用される。最後に、ある実施形態では、フィルターのような他の機能を、検出された発光シグナルのバックグラウンドを最少化するために使用してもよい。例えば、指示薬発光のピーク波長範囲、あるいはピーク波長範囲付近に対応するフィルターが選択され得る。
【００４８】
[0057]検出された電磁放射線は、光検出器内蔵あるいは光検出器とは単動の光電子変換器によって、電子シグナルに変換される。これらの電子シグナルは、指示薬発光の強度を、任意の一時点又は経時の電子シグナルと相関して記録するマイクロプロセッサーに伝送される。（そのような装置の例については、本願に参考文献として引用する米国特許番号第５７６６１２５号を参照）。
【００４９】
[0058]〔システム較正〕本方法は、較正目的で循環系から末梢血採取を一回のみ必要とするだけの、侵襲性がさらに極めて低い方法であることが好ましい。本発明では、指示薬濃度は、光検出器を用いて連続的かつ非侵襲的に測定されることが好ましい。しかし、循環する指示薬の実際のレベルを本システムによって検出される指示薬レベルで較正するために、被験者から血液試料が一回採取され得る。例えば、血液試料は、指示薬を血流中に投与後の特定の時期に、被験者から採取される。血液試料を次に、既知の指示薬濃度を有する試料の較正パネルと比較することによって、試料中に存在する指示薬濃度が計測され得る。指示薬濃度の計測は、分光光度法又は当該分野に公知である他のいずれかの手段によって実施することができる。患者の血中指示薬濃度が約０．００１から約０．００２ ｍｇ／ｍｌの範囲内では、濃度−蛍光曲線は線形となり、濃度がゼロのときに蛍光がゼロである軸の起点と交わる。したがって、較正曲線の規定には一回の測定で十分であり、それ以上血液試料を採取する必要がない。
【００５０】
[0059]本システムの較正に採血が必要でないことがさらに好ましい。ＩＣＧのようないくつかの指示薬の蛍光は、実質的には患者による個体差がなく、大部分の患者について皮膚の特徴は比較的一定している。したがって、身体表面上の所定の部位で測定された患者の血中蛍光は、いったん指示薬濃度−蛍光曲線が測定部位について規定されたら、ＩＣＧ濃度の絶対測定値に変換することができる。
【００５１】
[0060]本方法とシステムは、いくつかの心血管系パラメータを測定するために利用できる。いったんシステムが（必要に応じて）患者について較正されて、指示薬の発光が検出されて経時的に記録されると、計算システムを使用して、心拍出量及び循環血液量を含む心血管系パラメータが算出され得る。
【００５２】
[0061]〔心拍出量の算出〕ある実施形態では、心拍出量は、指示薬の初回通過発光曲線下面積（強度曲線の大きさ）を心拍出量と逆相関させる方程式を用いて算出される。心拍出量は、通常は平均値（Ｌ／分）として表す。一般的方法については前述されている（Ｇｅｄｄｅｓ、前出、本願に参考文献として引用）。
【００５３】
[0062]伝統的には、指示薬の初回通過終点を識別するために、曲線の下行脚が半対数方眼紙にグラフ表示される。例えば、この曲線の下行脚は、曲線の最大ピークの１％まで外挿され得る。この曲線は次に、終点の直前の時点について値をグラフ記入して完成することができる。最後に、この補正曲線下面積を定めて、高さの平均値を求めるために長さ（時間）で割り算する。検出器の較正後に、この高さの平均値は、平均濃度に変換される。曲線の幅が狭いほど、心拍出量は高く、曲線の幅が広いほど、心拍出量は低い。モデル方程式を指示薬濃度曲線の上行及び下行部分に当てはめる方法を含む、本算出法のいくつかの変型が見いだされている。
【００５４】
[0063]指示薬のタイプ及び選択した用量に拠っては、曲線は、システム中を再循環する指示薬の残留濃度のために、初回通過終点後にゼロに戻らないことがある。その場合の曲線からの心拍出量の算出は、曲線下面積を計算する前に、この再循環アーチファクトをバックグラウンド発光について補正する必要がある。本システムは、少なくとも発光強度の大きさが直接的に測定され、ヘモグロビンの測定又はヘモグロビン吸光度を考慮したり行う必要がない点において他の公知の方法よりも好都合である。
【００５５】
[0064]本システムを用いて得られた結果は、被験者間の比較のために、心拍出量を、体重の関数として（ＣＯ／体重（Ｌ／分／ｋｇ）あるいは表面積の関数として（心係数＝ＣＯ／体表面積（Ｌ／分／ｍ2））表すことによって正規化することができる。
【００５６】
[0065]〔循環血液量の算出〕ある実施形態では、循環血液量は、個別にあるいは心拍出量と共に測定され得る。循環血液量測定のための一般的方法は、当該分野で公知である。ある実施形態では、循環血液量は、指示薬が混合されるには十分であるが、指示薬が完全に代謝されるには十分ではない期間だけ循環系に混合することが可能な低用量の指示薬を用いて測定することができる。循環血液量は、次に経時的に検出された濃度曲線の低速代謝消失期である、注入時に逆外挿することによって算出することができる（Ｂｌｏｏｍｆｉｅｌｄ, Ｄ．Ａ． Ｄｙｅ ｃｕｒｖｅｓ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｄｉｌｕｔｉｏｎ．（色素曲線：指示薬希釈法の理論と実用） Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐａｒｋ Ｐｒｅｓｓ, １９７４)。他の算出法は、限定はされないが、本願に参考文献として引用する米国特許番号第５,９９９,８４１、 ６,２３０,０３５ 又は５,７７６,１２５号に記載の方法を含む。
【００５７】
[0066]本方法及びシステムは、被験者の一般的心血管系健康状態を検査するために使用され得る。一つの実施形態では、本方法は、一つの心拍出量及び／又は循環血液量測定値を得るために、一回実施することができる。他の実施形態では、本方法は、ある期間にわたって心血管系パラメータの反復又は連続測定値を得るために実施することができる。さらに、患者の基礎及びチャレンジ状態にある心血管系パラメータを比較することができるように、心血管系がチャレンジされている状態で測定を反復してもよい。心血管系を変化するために利用され得るチャレンジは、限定はされないが、運動、心機能を変化する生物活性物質（エピネフィリン等）、副交感神経性刺激（迷走神経刺激等）、循環血液量を増加する液体の注入（コロイド性血漿増量剤等）又は、高レベルの呼吸ガスへの曝露を含む。
【００５８】
[0067]本発明に有用なシステム１０の一つの実施形態の概略を図１に示す。本システムは、選択した指示薬である、ＩＣＧを最大励起する励起波長光１４を発光するように選択した７７５ ｎｍ レーザー照射源１２を含む。ここで照射源１２は、励起波長光１４が経皮的に血流中を循環する指示薬を照射するように被験者１６の近くに配置される。本システムはまた、指示薬による発光波長２２を検出するために、被験者の皮膚表面１８の近くに配置される光検出器２０を含む。オプションとして、指示薬が発光するピーク波長、約８３０ｎｍ、を選別するために、フィルター２４を使用してもよい。最後に、光検出器２０は、経時的に光検出器２０から伝送される電子シグナルを記憶して、指示薬濃度曲線（図２）を作成するために、マイクロプロセッサー２６に動作可能に接続される。オプションとして、マクロプロセッサー２６は、例えば変調法を用いて、指示薬の励起と発光の検出を同調させるために照射源を制御してもよい。マイクロプロセッサーはまた、例えば、情報が心拍出量又は循環血液量に変換されて、あるいはユーザインターフェースの形式に表示されるように、検出器２０から得られた出力を解析するソフトウェアプログラムを含む。
【００５９】
[0068]本発明の有用性を実証するために、本発明の非侵襲性指示薬検出システム１０を、心拍出量を反復モニタするために使用した。図１に関して、光ファイバー１２ｂは、照射源１２ａからの光を患者皮膚１８に伝送した。皮膚１８の側に配置されている、第二光ファイバー２０ｂは、発光された光を光検出器２０に伝送した。指示薬は静注された。皮膚表面付近にある血管を含む身体部分がレーザー照射された。約７７５ｎｍのレーザー光線で励起し、約８３０ｎｍの蛍光を検出することによって、特徴的な蛍光強度／濃度曲線が得られた。この情報から、被験者の心拍出量と循環血液量が算出された。
【００６０】
[0069]本方法に使用のシステムは、本発明の目的を達成するために多様なその他のコンポーネントを含み得る。例えば、患者の循環系内において指示薬をモニタリングする非侵襲的な検出法が記述される。患者の身体の様々な領域に適応する、又は身体に温度、電気、又は化学的刺激を供与する検出器の変型は、本発明の範囲内であると考慮される。また、本システムの較正は、指示薬投与後に患者から採血が行われ、濃度が検出され、既知の標準及び／又は発光曲線と比較されるように、計算システムによって自動化され得る。さらに、任意のシステムコンポーネントのパラメータを変更、あるいは測定する心血管系パラメータの計算実行を補助するために、ソフトウェアをマイクロプロセッサーと併用してもよい。さらに、デジタル表示、パーソナルコンピュータ等の手段によって、ユーザにこれらの結果を表示するために、ソフトウェアを使用してもよい。
【００６１】
[0070]本発明の有用性は、限定を意味しないが、以下の例によってさらに示す。
【００６２】
[0070]実施例１
【００６３】
[0072]〔実験システムと方法〕本発明のシステムと方法の実施をラットで試験した。励起源は、７７５ ｎｍ パルスダイオードレーザーで、蛍光を、近赤外域スペクトルに、拡張応答を有する光電子増倍器（ＰＭＴ）である検出器で検出した（図１）。血流中の指示薬の励起と検出には、光ファイバーを動物の耳の皮膚に密接して配置した。ラットの頸静脈中に１００ μｌ のＩＣＧ（０．００７５ ｍｇ／ｍｌ）をボーラス注入後、蛍光強度の追跡（指示薬濃度の記録）を、反射モードの発光検出法を用いて、ラットの耳のレベルで経皮的に測定した（図２）。
【００６４】
[0073]〔循環血液量と心拍出量の算出〕蛍光強度追跡の初期の急速な上昇と急速な減衰セグメントは、動物の動脈血管構造中における蛍光指示薬の初回通過を表す。そのような波形は、指示薬希釈法の特徴である。記録のこの部分を、再循環アーチファクトを除外すると同時に、蛍光強度追跡の「曲線下面積」を計算するために、幾つかの公知アルゴリズム（即ち、スチュワート・ハミルトン法）の一つで解析する。ここでは、蛍光追跡ｙ（ｔ） の初期部分を、追跡の上行及び下行セグメントの両方を概算する、次のモデル方程式
【数１】
に当てはめた。心血管系の「直列タンク」モデルに由来するこの方程式は、実験指示薬希釈記録によく当てはまることが知られている。フィット性の数値パラメータは、近似法によって決定され、次に「曲線下面積」が、積分法によって算出されて、次の公知の式
【数２】
を使って心拍出量を求めるために使用された。
【００６５】
[0074]蛍光強度追跡の低速減衰セグメントを、ＩＣＧが最初に血中で検出された時点（時間０）に逆外挿することによって、全循環血液量に混合されたＩＣＧの推定濃度が得られる。ＩＣＧの注入量をこの時間０における外挿ＩＣＧ濃度で割り算することによって、循環血液量が算出された。
【００６６】
[0075]〔較正方法〕指示薬濃度Ｃ（ｔ） は、二つの較正方法のうちの一つを用いて蛍光ｙ（ｔ） から算出された。経皮インビボ蛍光は、ＩＣＧのボーラス色素注入後、末梢動脈から採取された数個の血液試料を用いて、ＩＣＧの絶対血液濃度を基準にして較正された。血液試料は、蛍光セル中に入れて、蛍光発光を測定するために卓上蛍光光度計に挿入した。読み取られた蛍光値は、既知濃度のＩＣＧを含む血液試料の蛍光を卓上蛍光光度計で測定することによって作成された標準較正曲線を用いて、ＩＣＧ濃度に変換された。
【００６７】
[0076]血液損失を回避する他の較正法は、光励起−蛍光検出アセンブリに装備されたシリンジを使用する。シリンジアセンブリは、シリンジ筒に含まれる血液中のＩＣＧ色素の異なる濃度についてシリンジ中のＩＣＧ蛍光を測定することによって、心拍出量測定の前に一回較正された。心拍出量の測定中、血液試料は、再循環する色素が全血液量に均一に混合されて低速に代謝される、蛍光追跡の低速減衰フェーズ中、シリンジに吸入された。その試料の蛍光は、シリンジ較正曲線を用いて濃度に変換され、次に経皮的に読み取られた蛍光値に相関された。血液中のＩＣＧ濃度が十分に低い（＜０．００１ ｍｇ／ｍｌ）限り、線形相関を用いて、蛍光強度を濃度に相関することができる。
【００６８】
[0077]これらの較正方法のいずれか一つは、同様な身体的特徴（即ち、成人、小児等）を有する全ての他の被験者に使用できる較正ノモグラムを作成するために、被験者の基準グループについて設定することができる。これは、少なくともヘモグロビンに起因する吸光度を算出するために血液ヘモグロビン濃度を個別にさらなる測定する必要がない点において、従来の方法よりも好都合である。
【００６９】
[0078]実施例２
【００７０】
[0079]〔Ａ．心拍出量と循環血液量測定のための実例方法とシステム〕ハロタンで麻酔して、Ｓａｏ2 ９９％以上、並びに呼吸終期Ｃｏ２が２８〜３２ ｍｍＨｇとなるように酸素富化ガス混合物（Ｆｉｏ2〜０．４）で人工換気したニュージーランド白ウサギ（２．８ 〜 ３．５ ｋｇ）で実験を行った（図４）。手技を通して動脈血圧を測定するために、左大腿動脈をカニューレ処置した。指示薬、ＩＣＧ、を注入するために左上腕静脈中に小カテーテルを配置した。加熱ランプを用いて体温を維持した。
【００７１】
[0080]ＩＣＧ蛍光の励起は、レーザーダイオードドライバーダイオード（ＬＤドライバー：Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＣＰ ２００）レベルにダイオード電流を変調し、動作可能に熱電式制御装置（Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： ＣＴＩ ５Ｗ）に接続することによって、出力を２．８ ＫＨｚ に正弦変調した７８０ ｎｍ レーザー（ＬＤ ヘッド： Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ＳＲＴ-Ｆ７８０Ｓ-１２）を用いて達成した。近赤外光の出力は、防滴励起―検出プローブに終端する光ファイバーバンドルを装備した動物に転送された。皮下血管構造中にある色素によって発光された蛍光はプローブで検出されて、８３０±１０ ｎｍ の蛍光発光を通過させるが、７８０ ｎｍの再帰反射励起光を拒絶する、８３０ ｎｍ 干渉フィルタ（Ｏｐｔｏｓｉｇｍａ ０７９-２２３０）を通過させた。蛍光強度は、変調された励起光の参照周波数での蛍光発光を位相検出するために、ロックイン増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳＲ ５１０）に接続された光電子増倍管（ＰＭＴ； Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｈ７７３２-１０ＭＯＤ等）を用いて測定した。ロックイン増幅器の出力は、デジタル記憶オシロスコープ上に表示されて、記憶と解析のためにコンピュータに伝送された。
【００７２】
[0081]ほとんどの実験では、一本の励起−検出プローブを、局所加熱によって動脈血化した耳の表面に配置した。ある研究では、レーザー発光ビームをビームスプリッターで２本のビームに分離して、２箇所の測定部位に向けた（耳皮膚及び露出した右大腿動脈）。２つの検出システム（ＰＭＴ＋ロックイン増幅器）を使って、この２部位から蛍光希釈痕跡量を測定した。全ての実験において、全ての実験測定値（１又は２つの蛍光痕跡量、動脈血圧、呼吸終期Ｃｏ２、ドップラー流速）の完全な記録をオンライン表示して、基準値として記憶させた。
【００７３】
[0082]〔算出法〕ＬａｂＶｉｅｗプログラムを使用して、蛍光希釈曲線をサンプリングするためのオシロスコープを調整し、オシロスコープからのデータをパーソナルコンピューターに転送して、心拍出量と循環血液量を推定するために曲線をオンラインで解析した。プログラムユーザインターフェースに示すように（図５）、測定した蛍光希釈追跡（ａ）は、本出願の次のセクションで説明するように概算された較正パラメータを用いて、血中ＩＣＧ（ｂ）に変換し、次式に示すモデルに当てはめる。
【数３】
【００７４】
[0083]モデルへのフィッティング（ホワイトトレース）は、蛍光ＩＣＧが最初に検出された時点から再循環指示薬の出現に先立つ追跡の減衰部分上の時点まで（実験追跡の初期ピーク後の特徴的な***から同定される）行われる。モデル方程式を使用して、指示薬希釈度追跡の「曲線下面積」を概算する。指示薬希釈法の原理は、濃度曲線下面積が次式の心拍出量と反比例することを予測する。
【数４】
【００７５】
[0084]式中、ｍは注入された指示薬の質量、そしてＣ（ｔ）は時間ｔにおける動脈血中の指示薬濃度である。このプログラムはまた、低速減衰期の測定値を一重指数型変換に当てはめて、注入時の指数フィット値から循環血液量を導き出す。図４に示す実験的ＩＣＧ追跡では、体重３ｋｇのウサギの予測範囲では、推定心拍出量が５０９ ｍｌ／分、そして循環血液量が１８４ ｍｌである。この計算プログラムは、実験測定が、計画通りに進行し、遅延なく計測エラー又は実験の失敗を補正を実行していることを確認する能力が向上している点において好都合である。
【００７６】
[0085]〔指示薬の用量〕この実験では、ＩＣＧを約０．０１５ｍｇの用量で注入すると、この動物において、蛍光強度希釈曲線を検出し、同時に迅速にＩＣＧの代謝処理を可能とするために、至適用量であることが見いだされた。さらに、この少量の用量で、心機能測定を約４分以下ごとの間隔で行うことが可能である。
【００７７】
[0086]〔検出器の配置〕規定の蛍光の読み取り値は、動脈の近く、又は局所加熱によって動脈血化された耳又は足の裏のような組織上の皮膚表面上に検出プローブを配置することによって得た。
【００７８】
[0087]〔Ｂ．経皮指示薬強度と循環指示薬濃度の較正〕
【００７９】
[0088]動物の耳のレベルで計測された経皮蛍光強度の較正は、血中ＩＣＧ濃度の関数として、以下のように行われた。高用量のＩＣＧ（１ｍｇ）を静注して、約１分間で動物の全血液量と均質に平衡化した。平衡に達すると、この高用量に起因する血中ＩＣＧ濃度は、心拍出量を計測するために使用する低用量ＩＣＧ（０．０１５ ｍｇ）注射中に観察されるピークＩＣＧ濃度よりも数倍高くなる。このようにして、心機能測定中に観察されるＩＣＧ濃度の全域に対処できる較正曲線が作成された。
【００８０】
[0089]肝臓がＩＣＧを代謝するため、血中ＩＣＧ濃度は、約２０分でゼロに戻る。この期間中、５〜８の血液試料（１．５ ｍｌ）を、大腿動脈から採取して、予め較正済みの血液キュベットに入れた。キュベット中の血液の蛍光強度は、そのキュベットについて作成された蛍光強度−ＩＣＧ濃度の既知の標準曲線を用いて、濃度値に変換された。ＩＣＧ蛍光は、血液試料の採取と同時に耳レベルで計測された。ＩＣＧは動物の循環血液量中で均一に平衡化されているので、血液試料を採取の際、耳レベルで計測された蛍光強度は、計測時のＩＣＧ濃度と直接相関し、したがって、キュベットの読み取り値からＩＣＧ濃度が決定される。この例が示すように、経皮ＩＣＧ蛍光は、血中ＩＣＧ濃度と比例するために、この二つの量の相関因子を得るために一回の採血で十分である。
【００８１】
[0090]図５に示すように、較正シーケンス中、高用量（１ ｍｇ）のＩＣＧ注射後、経皮的な耳蛍光強度（Ｖ）は、時間（秒）の関数として得られる。図５は、色素が代謝されるために、血中ＩＣＧの特徴的な単一指数減衰を示す。図６は、同一例の同一時点について、ＩＣＧ濃度（ｍｇ／ｍｌ）をインビボ蛍光の関数として示す。これらの研究で使用された濃度範囲では、ＩＣＧ濃度と経皮蛍光強度は線形相関した。血中ＩＣＧ濃度がゼロのときは蛍光は測定されないために、較正曲線は軸の原点を通過する。
【００８２】
[0091]したがって、血中ＩＣＧ濃度と経皮蛍光強度の間には一次相関因子が存在する。発光を測定する蛍光希釈法のこの特徴は、ＩＣＧによる吸光度を組織及び血液による吸光度から分離する必要があるＩＣＧ吸光度に基づく従来の色素希釈法よりも好都合である。相関因子の決定後、ＩＣＧ蛍光希釈プロファイルは、次に指示薬―希釈度方程式を用いて、心拍出量を算出するために、濃度値に変換するのみでよい。
【００８３】
[0092]〔心拍出量測定の結果〕５匹の動物（体重３．０ ±０．２ ｋｇ）について、較正心拍出量の読み取り値を求めた。以下の表は、基礎状態の間の値を一覧する。この値は、１５分間に得られた３回の連続測定の平均値±標準偏差として表す。
【００８４】
[0093]
【表１】
【００８５】
[0094]５回の実験の平均値（４６３ ｍｌ／分）は、麻酔ウサギで報告されている超音波又は熱希釈法で計測した心拍出量（２６０〜 ６７５ ｍｌ／分）とほぼ同様な値である（Ｐｒｅｃｋｅｌら、Ｅｆｆｅｃｔｏｆ ｄａｎｔｒｏｌｅｎｅ ｉｎ ａｎ ｉｎ ｖｉｖｏ ａｎｄ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｙｏｃａｒｄｉａｌ ｒｅｐｅｒｆｕｓｉｏｎ ｉｎｊｕｒｙ． （心筋再灌流損傷のインビボ及びインビトロモデルにおけるダントロレンの効果）ＡｃｔａＡｎａｅｓｔｈｅｓｉｏｌ Ｓｃａｎｄ, ４４, １９４-２０１, ２０００。 Ｆｏｋら、Ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｂｙ ｌｕｎｇｓ ｗｉｔｈ ａｃｕｔｅ ａｎｄｃｈｒｏｎｉｃ ｉｎｊｕｒｙ ｉｎ ａ ｒａｂｂｉｔ ｍｏｄｅｌ．（ウサギモデルにおける急性及び慢性損傷を有する肺による酸素消費量）、ＩｎｔｅｎｓｉｖｅＣａｒｅ Ｍｅｄ, ２７,１５３２-１５３８, ２００１）。基礎心拍出量は、麻酔の種類、麻酔の期間と深さ等の実験条件によって大きく変化するため、広範囲の値が文献に見いだされている。この例では、蛍光希釈法によって算出された心拍出量のばらつき（標準偏差／平均値）は、報告されている熱希釈法のばらつき（- ５ 〜１０%）よりも好ましく、任意の３セットの測定値は- ３% である。
【００８６】
[0095]〔Ｃ．蛍光希釈心拍出量測定法において、経皮及び皮下測定によって得られた測定値の比較〕
【００８７】
[0096]〔実験方法〕前セクション（実施例２）に記述の実験準備は、蛍光希釈度追跡のための２つの測定部位−耳レベルの中枢血管束における経皮部位、及び露出大腿動脈―を含む。耳の血管構造が、局所加熱によって動脈血化される。この準備によって、末梢非侵襲性（経皮）測定部位から得られた心拍出量推定値を、主要動脈を用いて得られた推定値と比較した。
【００８８】
[0097]注入ＩＣＧの低速代謝消失期中の露出大腿動脈レベルでの蛍光シグナル強度を、較正された耳蛍光測定値と比較して、較正係数（動脈ＩＣＧ蛍光強度→血中ＩＣＧ濃度）を得る。このようにして、ｍｌ／分で表現される心拍出量推定値を２箇所の部位から得た。
【００８９】
[0098]〔結果〕図８は、コントロール条件（Ｃ）、強→軽迷走神経刺激（Ｓ,Ｉ及びＳ,Ｍ）、並びに刺激後充血（Ｈ）中の代表的実験において、耳部位と露出大腿動脈から得た経時的な心拍出量測定値を示す。実験の全ての時期を通して、この２箇所の部位からほとんど同一の心拍出量推定値が得られた。
【００９０】
[0099]皮膚表面レベル（Ｃｏ皮膚、 ｍｌ／分で表示）並びに露出大腿動脈レベル（Ｃｏ大腿、 ｍｌ／分で表示）における蛍光希釈曲線の測定値から得られた心拍出量間の関連性を調べた。この２つの測定値間の線形相関を以下の表に要約する。
【００９１】
[00100]
【表２】
【００９２】
[00101]蛍光心拍出量の２つの測定値は緻密に相関している。最後の２つの実験では、回帰直線の傾きは１．０、縦座標は、０．０と統計的に変化がなく、これはこの２つの測定値が同一であることを示す。これらの観察は、蛍光希釈法による心拍出量は、経皮的に、局所の加熱によって動脈血化された末梢測定部位から、確実に測定できることを示唆する。励起光の減衰及び皮膚によるＩＣＧ蛍光発光は、心拍出量を導出するために解析され得る明確な色素希釈度追跡の測定を妨げない。
【００９３】
[00103]本明細書は、本発明の特定の実施形態を記述するが、当業者は、発明の内容を逸脱することなく、本発明の変型を考案することが可能である。
【００９４】
[00103]〔Ｄ．蛍光希釈による心拍出量測定法とドップラー血流速度による測定法によって得られた測定値の比較〕
【００９５】
[00104]〔実験方法〕心拍出量測定値の記録について、本方法を超音波ドップラー速度プローブ法と比較した。この例では、前述の方法を、胸骨の正中切開によって動物を開胸して、６ ｍｍ ２０ ＭＨｚ ドップラー速度プローブを静かに上行大動脈周りに通過させて、大動脈の周りにピッタリとフィットするループ中にしっかりとはめ込むように変型された。
【００９６】
[00105]指示薬の蛍光を検出するために、２つの照射＋検出用光ファイバープローブを使用した。１つのプローブは、耳中血管束上に配置し、他方のプローブは切開された左大腿動脈付近に配置した。摂氏４４度まで局所加熱することによって、耳の血管構造を動脈血化した。
【００９７】
[00106]この例では、そのコントロールレベルから心拍出量を変化させるために２つの手技−心拍出量を減少させる迷走神経刺激、循環血液量と心拍出量を増加する生理食塩水注入−を用いた。刺激電極を配置するために右迷走神経を切開した。遠位迷走神経を刺激すると、多かれ少なかれ、刺激の周波数及び電圧（１ｍｓパルス、３〜６Ｖ、１０〜３０Ｈｚ）に依存する、心拍の強い低下が生じる。心拍出量及び動脈血流速度はまた、一回拍出量が増加するために、心拍の低下ほど明らかではないが、迷走神経刺激中に減少する。１５〜２０ ｍｌ／分の速度で生理食塩水を注入すると、心拍出量を明確に増加する。図７は、コントロール条件（Ｃ）、強→軽迷走神経刺激（Ｓ,Ｉ及びＳ,Ｍ）、並びに生理食塩水注入（Ｉ）を含む一つの実験における、心拍出量と動脈血流速度の経時的な測定値を示す。
【００９８】
[00107]〔結果〕蛍光希釈心拍出量測定法によるドップラー動脈血流速度の追跡には一貫性がある。蛍光希釈法による心拍出量と動脈ドップラー血流速度の間の相関を４羽のウサギを使って調査した。蛍光希釈法による心拍出量（ＣＯ、ｍｌ／分で表示）と動脈血流速度シグナル（Ｖ動脈、較正なし、Ｖで表示）の相関を表に要約する。
【００９９】
[00108]
【表３】
【０１００】
[00109]このデータは、蛍光希釈法による心拍出量は、回帰係数の上昇によって示されるように、動脈血流速度と極めて相関している（３回の実験において、≧０．９）。さらに、蛍光希釈法による心拍出量と動脈血流速度間の線形回帰直線の傾きは同様であり、４回の実験において統計的な有意差は見られなかった。これは、実験を通じて２つの変数間に一定の相関があったことを示唆する。回帰直線の縦座標は、最後の３回の実験において０に変わりなく、これは動脈血流の２つの測定値の間に偏りがないことを示唆する。
【０１０１】
[00110]上記の結果は、蛍光希釈法を用いて、経皮的に測定された心拍出量は、上行大動脈で計測されたドップラー血流速度を追跡することを立証する。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明によるシステムの一つの実施例の図示である。
【図２】本発明の一つの実施形態を用いて作成した蛍光強度曲線である。
【図３】耳皮膚表面に光検出器を配置した、本発明の一つの実施例の図示である。
【図４】本発明との併用に便利な心拍出量コンピュータプログラムのユーザインターフェースの図示である。このインターフェースは、測定値及び蛍光から濃度に転換された値に関する情報、並びに本方法又はシステムを用いて得られた値に当てはまる曲線のパラメータを描写することができる。
【図５】１ｍｇ用量のＩＣＧを注射後の蛍光強度曲線の減衰を時間の関数として描いたものである。
【図６】経皮ＩＣＧ蛍光の関数としてＩＣＧ血中濃度の較正曲線を描いたものである。
【図７】一つの代表的な実験における心拍出量と大動脈速度の測定値を描いたものである。
【図８】一つの実験中に耳表面部位並びに露出大腿動脈上の部位から得られた心拍出量の測定値を描いたものである。
【図９】本発明の一つの方法を図示するフロー図である。
【０００１】
[0001]１．発明の分野
本発明は、被験者の心血管系パラメータ検出に関する。
【０００２】
[0002]２．当該技術の一般的背景及び状況
心拍出量は、例えば、心疾患、急性血行動態悪化又は心臓手術中の患者における血行動態評価の中心的要素である。心拍出量は、循環系全域に血液を循環する心臓の有効性の測度である。特に、心拍出量（Ｌ／分として測定）は、心臓が１回に拍出する血液量（一回拍出量）に心拍数を乗じた量である。異常な心拍出量は、心血管系疾患の少なくとも一つのインジケータである。
【０００３】
[0003]心拍出量測定のための現在の標準方法は、熱希釈法（Ｄａｒｏｖｉｃ, Ｇ． Ｏ． Ｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：ｉｎｖａｓｉｖｅ ａｎｄ ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｃｌｉｎｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ （血行動態モニタリング：侵襲的及び非侵襲的臨床応用）第２版、Ｗ． Ｂ． Ｓａｕｎｄｅｒｓ 編集、１９９５）である。一般的には、この技法は、心臓の右側に温熱性指示薬（冷却又は加熱）を注入して、指示薬が肺動脈中に流入する際に生じる温度の変化を検出することを含む。
【０００４】
[0004]典型的には、熱希釈法は、フローガイド式バルーンカテーテル（Ｓｗａｎ-Ｇａｎｚ（スワンガンツ）カテーテル等）を中枢静脈（尺側皮静脈、内部頚静脈、又は鎖骨下静脈）中に挿入して、右心房及び心室を通して肺動脈までガイドすることを含む。バルーンカテーテルは、典型的には、血液温度の変化を検出するためのサーミスタをその先端付近に装備している。（右心房付近の大静脈内に位置するカテーテルのポートを介する）冷却グルコース溶液の迅速なボーラス注入は、肺動脈内でサーミスタによって検出される温度変化を生じる。測定された温度変化は、心拍出量を算出するために外部電子装置で解析される。この演算処理に実装されているアルゴリズムは、典型的には、Ｓｔｅｗａｒｔ-Ｈａｍｉｌｔｏｎ （スチュワート−ハミルトン）法の変型であり、撹拌流動媒体中に混合された指示薬の原理に基づく（Ｇｅｄｄｅｓ Ｌ Ａ、 Ｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ （心血管系装置と測定法）Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ & Ｓｏｎｓ． １９８４）。
【０００５】
[0005]心拍出量の熱希釈による測定法は、幾つかの理由で不都合である。第一に、熱希釈法は、滅菌手術室における作業を必要とする高価で侵襲的な技法である。第二に、この手技は、例えば、局所感染、敗血症、出血、塞栓形成、カテーテルに起因する頸動脈、鎖骨下及び肺動脈損傷、カテーテル遺残、気胸、心室細動を含む律動障害、心房又は心室の穿孔、タンポナーデ、三尖弁損傷、カテーテル結紮、カテーテル離断及び心内膜炎などの患者に対する重篤なリスクを有する。第三に、熱希釈式心拍出量用のバルーンカテーテル挿入は、特別な訓練を受けた外科医のみしか行うことができない。最後に、熱希釈法による心拍出量の測定は、小児や新生児に実施するには侵襲性が高すぎる。
【０００６】
[0006]心拍出量測定のために使用されるもう一つの方法は、色素指示薬希釈法である。この技法では、既知の量及び濃度の指示薬が循環血流中に注入される。下流点において、血液試料を採取して、指示薬の濃度を決定する。指示薬濃度は、典型的には、混入した指示薬の初回通過のために急速にピークに達し、そして全循環血液量に混入するに伴い急速に低下する（〜１０秒：初回通過濃度曲線）。さらに、指示薬が肝臓及び／又は腎臓によって代謝されて循環系から排除されると、指示薬濃度はゆっくりと減少する（時間は使用する指示薬に基づく）。したがって、濃度曲線は、経時的な指示薬濃度を反映するように現れる。指示薬希釈法の原理は、初回通過濃度曲線下面積が心拍出量と反比例することを予測する。
【０００７】
[0007]従来から、指示薬希釈法は、（インドシアニングリーンのような）不活性色素の静脈中へのボーラス注入及び、血液中の色素濃度を経時的に検出するために血液試料を採取することを含んでいた。例えば、血液試料は、ポンプを用いて一定の速度で末梢動脈から採取される。血液試料を、光学センシングセル中を通過させ、ここで血液中の色素濃度が測定される。色素濃度の測定法は、幾つかの波長における血液試料の吸光度の変化に基づく。
【０００８】
[0008]心拍出量の色素希釈測定法は幾つかの理由のために不都合であることが知られている。第一に、動脈血の連続採血を必要とするために、時間と手間がかかり、患者の貴重な血液を減少させてしまう。第二に、色素濃度の測定に使用する機器（濃度計）は、既知濃度の色素を含む患者自身の血液試料で較正しなければならない。この較正プロセスは毎日幾つもの試料を処理しなければならない検査室の状況を考慮すると、極めて手間と時間がかかり過ぎる可能性がある。さらに、血液試料の吸光度の測定値から色素濃度を抽出するにあたって技術的な困難が生じる。
【０００９】
[0009]色素希釈法の変型は、日本光電パルス色素濃度計に実現されている。この技法では、血液の吸光度の変化が、パルスオキシメトリ原理の変型を用いて、皮膚を介して光学プローブで検知される（日本光電ウェブサイト1074661254610_0.html）。この変型は、反復採血の必要性を省くことにより、従来の手法を改善している。しかし、前述のように、この技法は、光学プローブが質問する組織量における血液酸素飽和度又は血液含量の変化に拠る吸光度の変化から、色素濃度の変化に拠る吸光度の変化を分別することが困難であるためにその用途には限界がある。この方法はまた、顕著な吸光度の変化を作出するためには大量の色素と、色素とヘモグロビンによる吸光度を区別して計測するための２つの異なる波長の光を発生する光源を必要とするために高価である。それであっても、循環系の吸光度のバックグラウンドレベルが高いために、この技法は正確性に欠ける。最後に、測定の反復を望む場合、高濃度の指示薬を血流から一掃するために長い間隔をとらなければならない。したがって、本技法は、検査を受ける患者と治療を開始又は変更するために結果を待つ医師にとって不便である。
【００１０】
[0010]指示薬希釈の原理に基づかない心拍出量測定のための他の方法がある。これらは、超音波ドップラー法、超音波画像処理、酸素消費量又は二酸化炭素産生量に応用したフィックの原理、及び電気インピーダンス・プレスチモグラフィ法（Ｄａｒｏｖｉｃ、前出）を含む。しかし、これらの方法にはそれぞれの限界がある。例えば、超音波法（ドップラー及び画像法）は、速度又は寸法の測定値から心拍出量を生成するために、三次元形状の画像構造について仮説を立てる必要がある。
【００１１】
[0011]循環血液量は、心血管系中に存在する血液の量を測定する。循環血液量はまた、患者の健康状態の評価に関連する診断手段である。手術中又は手術後、外傷性事故又は疾患状態にある多くの場合、患者の循環血液量を出来る限り迅速に正常に回復することが望ましい。循環血液量は、典型的には、複数のパラメータ（血圧、ヘマトクリット等）を計測することによって、間接的に測定される。しかし、これらの測度は、直接法で循環血液量を測定する程には正確性又は信頼性がない。
【００１２】
[0012]循環血液量は、指示薬希釈法を用いて直接測定されてきた（Ｇｅｄｄｅｓ、前出）。簡単に言えば、既知量の指示薬を循環系に注入する。注入後、指示薬が血液全体に分散するが、身体からクリアランスされないように一定の時間を経過させる。平衡期間後、血液中で希釈された指示薬を含む血液試料を採取する。循環血液量は次に、注入指示薬量を血液試料中の指示薬濃度で割り算することによって算出できる（さらに詳細な説明については、参考文献として引用する、米国特許番号第６,２９９,５８３ 号を参照）。しかし、これまでの循環血液量を測定する希釈法は、血液からのクリアランスに時間がかかる指示薬を使用するために測定を頻繁に行うことに限界があるため不便である。
【００１３】
[0013]したがって、心拍出量及び循環血液量のような心血管系パラメータを測定するための非侵襲的、経済的、正確かつ感受性の高い方法があることが望ましい。
【００１４】
[0014]発明の開示
【００１５】
[0015]本発明は、指示薬希釈法を用いて、循環系内における心血管系パラメータを評価するための方法並びにシステムに関する。心血管系パラメータは、被験者の心血管系機能又は健康状態の任意の測度である。
【００１６】
[0016]本発明の一つの形態では、心血管系パラメータを決定するための非侵襲的方法が説明される。特に、心血管系パラメータを計測するために、非侵襲性蛍光色素指示薬希釈法が使用される。好ましくは、この方法は、極めて非侵襲性であり、患者の循環系内に指示薬を注入するための一つの末梢静脈ラインのみを必要とする。さらに、システム較正を目的とする患者の循環系からの採血は、必要に応じて、一回のみであることが好ましい。また、心血管系パラメータは、心臓並びに循環系機能の評価に関連する生理学的パラメータを測定することによって値を求めることができる。そのようなパラメータは、限定はされないが、心拍出量及び循環血液量を含む。
【００１７】
[0017]そのような極めて侵襲性の低い手技は、心血管系を検査するその他の方法よりも好都合である。第一に、手技に起因する合併症及び患者の不快感が減少される。第二に、そのような実用的かつ侵襲性の極めて低い手技は、ほとんどの医師、看護スタッフの技術能力の範囲内であり、したがって、特別な訓練を必要としない。第三に、この侵襲性が極めて低い方法は、患者の居室あるいは外来で行うことが可能である。最後に、これらの方法は、リスク因子が低いために、心血管系パラメータ測定に中枢動脈測定法の使用が正当化できない患者を含む、広範囲の患者集団について使用し得る。
【００１８】
[0018]本発明の他の形態では、これらの方法は、所定の時間に、あるいは選択された期間に反復して、患者の心血管系パラメータを計測するために使用され得る。指示薬の用量及びこの方法の他の局面は、心血管系パラメータの迅速な、連続測定が可能であるように選択することが好ましい。これらの方法は、心不全症又は長期にわたり薬理学的介入を受けている患者をモニタするのに好適であり得る。さらに、非侵襲的方法は、基礎状態並びに患者が心血管系パラメータを変化するような状態に曝された際に患者の心血管系パラメータを計測するために使用することができる。そのような状態は、身体的又は感情的な状態の変化に限定はされないが、生物学的活性物質の作用を受けたり、手術を受けることを含む。
【００１９】
[0019]本発明の他の形態では、心血管系パラメータの測定法を改善するために本方法を変型してもよい。そのような変型は、患者に関して光検出器の配置を変更したり、あるいは患者の身体の検出領域への血流を増加することを含み得る。
【００２０】
[0020]本発明の他の形態では、心血管系パラメータを評価するために非侵襲的方法は、指示薬の吸光とは対照的に、指示薬の発光、すなわち蛍光、の検出を利用する。さらに、その他の方法と比較して、より広い領域の患者組織を心血管系パラメータ計測のための検出部位として利用できるように、指示薬の発光は、透過モード及び／又は反射モードで検出することができる。好ましくは、指示薬発光の測定値は、指示薬の発光が直接的に検出され、全血の吸光特性に左右されないために、その他の方法によって得られる測定値よりもさらに正確である。
【００２１】
[0021]本発明の他の形態では、心血管系パラメータの非侵襲性又は侵襲性が極めて低いシステムを記述する。特に、そのようなシステムは、指示薬を励起するための照射源、指示薬からの電磁放射線発光を感知するための光検出器、並びに発光データを受信して、経時的にデータを追跡して、それらのデータを用いて心血管系パラメータを計算するための計算システムを含む。
【００２２】
[0022]本発明の他の形態では、本願に記述の方法及びシステムは、多様な被験者の心血管系パラメータを評価するために使用することができる。ある実施形態では、この方法は、動物、又は、例えば、心筋症のような、心血管系疾患の動物モデルを検査するために変型することができる。本発明の方法は、サイズが小さいために、侵襲的手法を用いる現在の方法を使用することができないトランスジェニック齧歯類のような、動物の研究に便利である。本発明はまた、心拍出量の測定値に影響を及ぼす可能性がある麻酔を必要としないために好都合である。
【００２３】
[0023]その他の実施形態では、本方法は、ヒト患者への臨床応用のために変型され得る。本発明は、成人、青年、小児、及び新生児を含む全てのヒト被験者に使用することができる。本発明は、小児、そして特に新生児への適用にとりわけ好適である。上述のように、本技法は、成人被験者と比べて小型の血管構造のサイズによる制約によって適用が限定されないことにおいて、少なくともその他の方法よりも便利である。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００２４】
[0033]本発明の方法とシステムは、指示薬希釈法を用いて被験者の心血管系パラメータを測定することを目的とする。
【００２５】
[0034]本発明の方法は、一般的には、特定量の指示薬を被験者の血流中に注入することを含む（図９）。好ましくは、指示薬に第二波長光の蛍光を発光させる、特定の第一波長光を用いて、指示薬を照射する。循環系内を循環する指示薬濃度に比例する第二波長光の発光強度を検出するために、光検出器を被験者の近くに配置する。光検出器は、この強度に関する情報を計算システムに転送し、計算システムはそれを記録して、好ましくは、経時的に検出された指示薬の強度曲線を図表化する。
【００２６】
[0035]典型的には、指示薬の濃度値は、指示薬の注入後、急速に増加してピークに達する。次に、濃度値は急速に減少し、それから指示薬が身体全体に拡散するためにさらに徐々に減少して、時が経つにつれて代謝される。マイクロプロセッサー駆動による演算処理によって、次に濃度曲線から患者の心拍出量及び／又は循環血液量値を計算することができる。さらに、本方法を用いて、約１〜２分の間隔で、反復して値を一般化することができる。
【００２７】
[0036]〔指示薬〕本発明に有用な指示薬は、心拍のような心血管系パラメータを変更しない点において、不活性かつ生体適合性であることが好ましい。さらに、指示薬は、一度注入されると、心血管系の血管構造の外に拡散しないことが好ましい。さらに、指示薬は、本方法を用いて約１〜２分の間隔で反復測定を行うことができるような速度で、体内で代謝されるものを選択することが好ましい。さらに、バックグラウンドレベルがゼロにならないときに測定しても、測定間隔の間に、循環する指示薬のバックグラウンドレベルが消去されることが望ましい。最後に、指示薬は、特定の光検出器システムによって検出可能であるように選択することができる。
【００２８】
[0037]一つの実施形態では、心血管系機能を検査するために、非侵襲性の色素指示薬希釈法を使用することができる。多数の異なる色素指示薬を、本発明の範囲内で使用することができる。色素指示薬は、好ましくは約７５０ ｎｍから約１０００ ｎｍ、さらに好ましくは約７５０ ｎｍから約８５０ ｎｍである、近赤外スペクトルの励起波長及び発光波長を有する蛍光色素であることが好ましい。
【００２９】
[0038]さらに好ましくは、使用する色素は、インドシアニングリーン（ＩＣＧ；例えば、Ａｋｏｒｎ, Ｄｅｃａｔｕｒ 又はＳｉｇｍａ, Ｓｔ． Ｌｏｕｉｓ, ＭＯから購入；商品名：Ｄｉａｇｎｏｇｒｅｅｎ（版権所有）、 ＩＣＧｒｅｅｎ（版権所有）、 Ｉｎｆｒａｃｙａｎｉｎｅ（版権所有）、 Ｐｕｌｓｉｏｎ（版権所有））である。ＩＣＧは、これまで眼、消化器系及び肝機能の微小循環を研究するために使用されてきた（Ｄｅｓｍｅｔｔｒｅ, Ｔ．, Ｊ． Ｍ． Ｄｅｖｏｉｓｓｅｌｌｅ, ａｎｄ Ｓ． Ｍｏｒｄｏｎ、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆ ｉｎｄｏｃｙａｎｉｎｅ ｇｒｅｅｎ （ＩＣＧ） ａｓ ｒｅｌａｔｅｄｔｏ ａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ（血管造影法と関連するインドシアニングリーン（ＩＣＧ）の蛍光特性と代謝機能）、Ｓｕｒｖ Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ４５, １５-２７, ２０００）。ＩＣＧは、近赤外波長で励起されると高輝度の蛍光を発する。本発明に関連するならば、血漿中のＩＣＧは、約７８０ ｎｍ の至適励起波長で約８１０から ８３０±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する（Ｈｏｌｌｉｎｓ、前出； Ｄｏｒｓｈｏｗ、前出）。ＩＣＧは、タンパク質結合性であるために、血管内に残存するので、本発明における用途に好都合である。ＩＣＧは、水溶液中で迅速に分解し、さらに代謝物は蛍光性ではなく、再循環のアーチファクトを最小限とし、測定間隔を短縮する。ＩＣＧの発光波長はまた、生体組織が光に対して比較的透明である光学ウインドウ（７５０〜１０００ ｎｍ）内である。
【００３０】
[0039]フルオレセイン及びローダミンのようなその他の生体適合性のある蛍光色素もまた本発明に適する。血漿中のフルオレセインは、約４８８ ｎｍの至適励起波長で、約５１８±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する（Ｈｏｌｌｉｎｓ、前出；Ｄｏｒｓｈｏｗ、前出）。 血漿中のローダミンは、約５１０ ｎｍの至適励起波長で、約６４０±１０ ｎｍ のピーク蛍光を有する。
【００３１】
[0040]〔指示薬の用量〕指示薬の用量は、使用量が被験者に無毒性で、指示薬濃度曲線を設定するに十分な時間だけ循環系に存在するが、約１〜２分間隔で反復測定が行うことができるように時間内で代謝されるように選択することが好ましい。さらに、指示薬は、静脈注射によって被験者に投与されることが好ましい。
【００３２】
[0041]約０．００５ ｍｇ／ｋｇの用量は、この用量がピーク血中濃度を０．００１ ｍｇ／ｍｌ以下にするので好ましい。この濃度範囲では、循環する指示薬濃度の測定値は、検出される発光波長の強度に線形相関する。例えば、実験動物モデルでは、平均循環濃度が約０．００００７５ ｍｇ／ｍｌ ／全血になるように体重３ ｋｇ のウサギ（循環血液量＝２００ｍｌ）に約０．０１５ ｍｇ が注射される。
【００３３】
[0042]色素希釈法は、色素としてインドシアニングリーンを用いてヒトに適用されてきた。ヒト及び動物の生体組織は、近赤外波長では比較的透明であり、数ミリメートルの組織を横切って光を透過し、ＩＣＧの蛍光発光の経皮的な検出を可能とする。上記の範囲内の用量の使用は、ヒト用途にさらに適する。
【００３４】
[0043]〔照射源〕本発明に有用な照射源は、好ましくは約７５０ ｎｍから約１０００ ｎｍ、さらに好ましくは約７５０ ｎｍから約８５０ ｎｍである近赤外スペクトルの励起波長を発生するように選択されることが好ましい。この選択は少なくとも、ほとんどの生体組織が、この範囲内の波長に対して比較的透明である点において、好都合である。したがって、ある実施形態では、血流中の指示薬は、経皮的に励起することが可能であり、指示薬の発光が経皮的に検出される。さらに、血液成分は、これらの波長では蛍光を発しないので、測定された蛍光発光シグナルに寄与するその他の要因はない。したがって、本方法は、発光とは対照的に、指示薬の吸光度を測定するその他の方法よりも、本方法の検出感度が少なくとも改良されているために、好都合である。
【００３５】
[0044]しかしながら、他の波長、例えば、青緑又は紫外域でもいくつかの組織は比較的透明であるために、これらの波長光を使用することは、本発明の範囲内である。照射源の選択は、したがって、選択された指示薬及び検出を行う組織にある程度依存し得る。照射源は、結果として指示薬のピーク発光波長を生じるように選択されることが好ましい。
【００３６】
[0045]本発明に使用し得る照射源の例は、限定はしないが、ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー又はダイオードレーザーを含む。
【００３７】
[0046]ある実施形態では、システム又は照射源の変型は、指示薬濃度測定システムの感度又は正確度を最大にするためにさらに変更され得る。例えば、ある実施形態では、照射源によって発生される励起波長は一定である。他方、照射源によって発生される励起波長は、ロックイン検出法（スタンフォードリサーチシステムウェブサイト：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｒｓｙｓ．ｃｏｍ／ｈｔｍｌ／ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ．ｈｔｍｌ、本願に参考文献として引用）を用いて変更することができる。
【００３８】
[0047]例えば、照射源は、既定の周波数を有する周期的に変化するパターンの光を発光し、光検出器で記録される発光は、示度の正確さを向上するために同一周波数で読み取ることができる。周期的変化パターンと周波数は、雑音除去性能を改善するために選択することができ、（照射源及び光検出器のような）残りの機器類と適合性があるように選択されるべきである。
【００３９】
[0048]照射源は、発光波長の強度が記録される被験者組織の検出領域をターゲットするように調節してもよい。ある実施形態では、照射源は、検出領域に励起光を誘導するように、光ファイバーを含んでもよい。ある実施形態では、照射源は、検出領域に励起光を誘導するように、鏡、フィルター、及び／又はレンズを含んでもよい。
【００４０】
[0049]〔検出領域〕ターゲット検出領域は、励起波長に曝されている及び／又は、発光波長の発光強度出力が測定される被験者組織の場所である。
【００４１】
[0050]検出方法は非侵襲性であることが好ましい。これらの実施形態では、検出領域は、光検出器がその近くに配置でき、発光波長の強度が測定できるように選択される。光検出器は、少なくとも一つの血管、しかし好ましくは、極めて血管化された組織領域に経皮的に配置されることが好ましい。検出領域の例は、限定はされないが、指、耳介、鼻孔、及び角質化していない上皮（例えば、鼻粘膜又は内頬）を含む。他の実施形態では、検出方法は侵襲性が最小限である。例えば、光検出器は、皮下（表皮内又は下）に、そして、少なくとも一つの血管の近く又は血管周囲位置に配置され得る。その他の実施形態では、検出方法は侵襲性である。例えば、光検出器は、指示薬の発光を検出するために血管内、例えば動脈内、に配置され得る。
【００４２】
[0051]さらに、検出領域は、指示薬発光の検出中は、動脈血化され得る。検出領域を動脈血化する条件の例は、限定はされないが、加熱又は（リドカインのように）交感神経系ブロック効果を有する生物活性物質への曝露を含む。
【００４３】
[0052]〔光検出器〕指示薬発光の検出は、当該分野に公知の光学的方法によって達成され得る。指示薬濃度の測定は、検出可能量の色素指示薬を投与して、非侵襲性、極めて侵襲性が低い、又は血管内手法を用いて、好ましくは連続検出によって行うことができる。光検出器は、被験者の検出領域の近くに配置されることが好ましい。光検出器は、照射源の場所から遠位に配置されても近位に配置されても構わない。
【００４４】
[0053]ある実施形態では、指示薬から蛍光が全ての方向に同一強度で発光される（等方性）。その結果、色素の発光は、励起光と光検出器が照射される組織の反対の位置にある「透過モード」、又は励起光と光検出器が組織の同じ側にある「反射モード」のどちらでも検出することができる。これは、光学的に薄い構造であるだけでなく、励起光と発光が身体表面上のいずれの場所からも入力及び検出することが可能である点において少なくとも他の方法よりも好都合である。
【００４５】
[0054]本発明に有用な光検出器は、特定の指示薬からの発光量と発光波長（電磁放射線）を検出するために選択される光検出器である。種々な波長範囲に対して感度を有する光検出器は、当該分野で公知である。
【００４６】
[0055]ある実施形態では、指示薬濃度を測定するためのシステムの感度と正確度をさらに増強するためにシステムの変型が行われる。例えば、ある実施形態では、検出システムは、ロックイン検出法を実装していてもよい。例えば、ロックイン増幅器は、光源を特定の周波数に変調して、その周波数のみで光検出器の出力を増幅するために使用することができる。この機能は、少なくとも信号雑音比を減少することによってシステムの感度をさらに向上させ、極微量の蛍光発光の検出を可能にすることにおいて好都合である。
【００４７】
[0056]ある実施形態では、システム感度を増強するために、光電子増倍管が、他の光検出器として、又は他の光検出器と動作可能に接続した状態で、使用される。最後に、ある実施形態では、フィルターのような他の機能を、検出された発光シグナルのバックグラウンドを最少化するために使用してもよい。例えば、指示薬発光のピーク波長範囲、あるいはピーク波長範囲付近に対応するフィルターが選択され得る。
【００４８】
[0057]検出された電磁放射線は、光検出器内蔵あるいは光検出器とは単動の光電子変換器によって、電子シグナルに変換される。これらの電子シグナルは、指示薬発光の強度を、任意の一時点又は経時の電子シグナルと相関して記録するマイクロプロセッサーに伝送される。（そのような装置の例については、本願に参考文献として引用する米国特許番号第５７６６１２５号を参照）。
【００４９】
[0058]〔システム較正〕本方法は、較正目的で循環系から末梢血採取を一回のみ必要とするだけの、侵襲性がさらに極めて低い方法であることが好ましい。本発明では、指示薬濃度は、光検出器を用いて連続的かつ非侵襲的に測定されることが好ましい。しかし、循環する指示薬の実際のレベルを本システムによって検出される指示薬レベルで較正するために、被験者から血液試料が一回採取され得る。例えば、血液試料は、指示薬を血流中に投与後の特定の時期に、被験者から採取される。血液試料を次に、既知の指示薬濃度を有する試料の較正パネルと比較することによって、試料中に存在する指示薬濃度が計測され得る。指示薬濃度の計測は、分光光度法又は当該分野に公知である他のいずれかの手段によって実施することができる。患者の血中指示薬濃度が約０．００１から約０．００２ ｍｇ／ｍｌの範囲内では、濃度−蛍光曲線は線形となり、濃度がゼロのときに蛍光がゼロである軸の起点と交わる。したがって、較正曲線の規定には一回の測定で十分であり、それ以上血液試料を採取する必要がない。
【００５０】
[0059]本システムの較正に採血が必要でないことがさらに好ましい。ＩＣＧのようないくつかの指示薬の蛍光は、実質的には患者による個体差がなく、大部分の患者について皮膚の特徴は比較的一定している。したがって、身体表面上の所定の部位で測定された患者の血中蛍光は、いったん指示薬濃度−蛍光曲線が測定部位について規定されたら、ＩＣＧ濃度の絶対測定値に変換することができる。
【００５１】
[0060]本方法とシステムは、いくつかの心血管系パラメータを測定するために利用できる。いったんシステムが（必要に応じて）患者について較正されて、指示薬の発光が検出されて経時的に記録されると、計算システムを使用して、心拍出量及び循環血液量を含む心血管系パラメータが算出され得る。
【００５２】
[0061]〔心拍出量の算出〕ある実施形態では、心拍出量は、指示薬の初回通過発光曲線下面積（強度曲線の大きさ）を心拍出量と逆相関させる方程式を用いて算出される。心拍出量は、通常は平均値（Ｌ／分）として表す。一般的方法については前述されている（Ｇｅｄｄｅｓ、前出、本願に参考文献として引用）。
【００５３】
[0062]伝統的には、指示薬の初回通過終点を識別するために、曲線の下行脚が半対数方眼紙にグラフ表示される。例えば、この曲線の下行脚は、曲線の最大ピークの１％まで外挿され得る。この曲線は次に、終点の直前の時点について値をグラフ記入して完成することができる。最後に、この補正曲線下面積を定めて、高さの平均値を求めるために長さ（時間）で割り算する。検出器の較正後に、この高さの平均値は、平均濃度に変換される。曲線の幅が狭いほど、心拍出量は高く、曲線の幅が広いほど、心拍出量は低い。モデル方程式を指示薬濃度曲線の上行及び下行部分に当てはめる方法を含む、本算出法のいくつかの変型が見いだされている。
【００５４】
[0063]指示薬のタイプ及び選択した用量に拠っては、曲線は、システム中を再循環する指示薬の残留濃度のために、初回通過終点後にゼロに戻らないことがある。その場合の曲線からの心拍出量の算出は、曲線下面積を計算する前に、この再循環アーチファクトをバックグラウンド発光について補正する必要がある。本システムは、少なくとも発光強度の大きさが直接的に測定され、ヘモグロビンの測定又はヘモグロビン吸光度を考慮したり行う必要がない点において他の公知の方法よりも好都合である。
【００５５】
[0064]本システムを用いて得られた結果は、被験者間の比較のために、心拍出量を、体重の関数として（ＣＯ／体重（Ｌ／分／ｋｇ）あるいは表面積の関数として（心係数＝ＣＯ／体表面積（Ｌ／分／ｍ2））表すことによって正規化することができる。
【００５６】
[0065]〔循環血液量の算出〕ある実施形態では、循環血液量は、個別にあるいは心拍出量と共に測定され得る。循環血液量測定のための一般的方法は、当該分野で公知である。ある実施形態では、循環血液量は、指示薬が混合されるには十分であるが、指示薬が完全に代謝されるには十分ではない期間だけ循環系に混合することが可能な低用量の指示薬を用いて測定することができる。循環血液量は、次に経時的に検出された濃度曲線の低速代謝消失期である、注入時に逆外挿することによって算出することができる（Ｂｌｏｏｍｆｉｅｌｄ, Ｄ．Ａ． Ｄｙｅ ｃｕｒｖｅｓ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｄｉｌｕｔｉｏｎ．（色素曲線：指示薬希釈法の理論と実用） Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐａｒｋ Ｐｒｅｓｓ, １９７４)。他の算出法は、限定はされないが、本願に参考文献として引用する米国特許番号第５,９９９,８４１、 ６,２３０,０３５ 又は５,７７６,１２５号に記載の方法を含む。
【００５７】
[0066]本方法及びシステムは、被験者の一般的心血管系健康状態を検査するために使用され得る。一つの実施形態では、本方法は、一つの心拍出量及び／又は循環血液量測定値を得るために、一回実施することができる。他の実施形態では、本方法は、ある期間にわたって心血管系パラメータの反復又は連続測定値を得るために実施することができる。さらに、患者の基礎及びチャレンジ状態にある心血管系パラメータを比較することができるように、心血管系がチャレンジされている状態で測定を反復してもよい。心血管系を変化するために利用され得るチャレンジは、限定はされないが、運動、心機能を変化する生物活性物質（エピネフィリン等）、副交感神経性刺激（迷走神経刺激等）、循環血液量を増加する液体の注入（コロイド性血漿増量剤等）又は、高レベルの呼吸ガスへの曝露を含む。
【００５８】
[0067]本発明に有用なシステム１０の一つの実施形態の概略を図１に示す。本システムは、選択した指示薬である、ＩＣＧを最大励起する励起波長光１４を発光するように選択した７７５ ｎｍ レーザー照射源１２を含む。ここで照射源１２は、励起波長光１４が経皮的に血流中を循環する指示薬を照射するように被験者１６の近くに配置される。本システムはまた、指示薬による発光波長２２を検出するために、被験者の皮膚表面１８の近くに配置される光検出器２０を含む。オプションとして、指示薬が発光するピーク波長、約８３０ｎｍ、を選別するために、フィルター２４を使用してもよい。最後に、光検出器２０は、経時的に光検出器２０から伝送される電子シグナルを記憶して、指示薬濃度曲線（図２）を作成するために、マイクロプロセッサー２６に動作可能に接続される。オプションとして、マクロプロセッサー２６は、例えば変調法を用いて、指示薬の励起と発光の検出を同調させるために照射源を制御してもよい。マイクロプロセッサーはまた、例えば、情報が心拍出量又は循環血液量に変換されて、あるいはユーザインターフェースの形式に表示されるように、検出器２０から得られた出力を解析するソフトウェアプログラムを含む。
【００５９】
[0068]本発明の有用性を実証するために、本発明の非侵襲性指示薬検出システム１０を、心拍出量を反復モニタするために使用した。図１に関して、光ファイバー１２ｂは、照射源１２ａからの光を患者皮膚１８に伝送した。皮膚１８の側に配置されている、第二光ファイバー２０ｂは、発光された光を光検出器２０に伝送した。指示薬は静注された。皮膚表面付近にある血管を含む身体部分がレーザー照射された。約７７５ｎｍのレーザー光線で励起し、約８３０ｎｍの蛍光を検出することによって、特徴的な蛍光強度／濃度曲線が得られた。この情報から、被験者の心拍出量と循環血液量が算出された。
【００６０】
[0069]本方法に使用のシステムは、本発明の目的を達成するために多様なその他のコンポーネントを含み得る。例えば、患者の循環系内において指示薬をモニタリングする非侵襲的な検出法が記述される。患者の身体の様々な領域に適応する、又は身体に温度、電気、又は化学的刺激を供与する検出器の変型は、本発明の範囲内であると考慮される。また、本システムの較正は、指示薬投与後に患者から採血が行われ、濃度が検出され、既知の標準及び／又は発光曲線と比較されるように、計算システムによって自動化され得る。さらに、任意のシステムコンポーネントのパラメータを変更、あるいは測定する心血管系パラメータの計算実行を補助するために、ソフトウェアをマイクロプロセッサーと併用してもよい。さらに、デジタル表示、パーソナルコンピュータ等の手段によって、ユーザにこれらの結果を表示するために、ソフトウェアを使用してもよい。
【００６１】
[0070]本発明の有用性は、限定を意味しないが、以下の例によってさらに示す。
【００６２】
[0070]実施例１
【００６３】
[0072]〔実験システムと方法〕本発明のシステムと方法の実施をラットで試験した。励起源は、７７５ ｎｍ パルスダイオードレーザーで、蛍光を、近赤外域スペクトルに、拡張応答を有する光電子増倍器（ＰＭＴ）である検出器で検出した（図１）。血流中の指示薬の励起と検出には、光ファイバーを動物の耳の皮膚に密接して配置した。ラットの頸静脈中に１００ μｌ のＩＣＧ（０．００７５ ｍｇ／ｍｌ）をボーラス注入後、蛍光強度の追跡（指示薬濃度の記録）を、反射モードの発光検出法を用いて、ラットの耳のレベルで経皮的に測定した（図２）。
【００６４】
[0073]〔循環血液量と心拍出量の算出〕蛍光強度追跡の初期の急速な上昇と急速な減衰セグメントは、動物の動脈血管構造中における蛍光指示薬の初回通過を表す。そのような波形は、指示薬希釈法の特徴である。記録のこの部分を、再循環アーチファクトを除外すると同時に、蛍光強度追跡の「曲線下面積」を計算するために、幾つかの公知アルゴリズム（即ち、スチュワート・ハミルトン法）の一つで解析する。ここでは、蛍光追跡ｙ（ｔ） の初期部分を、追跡の上行及び下行セグメントの両方を概算する、次のモデル方程式
【数１】
【数２】
【００６５】
[0074]蛍光強度追跡の低速減衰セグメントを、ＩＣＧが最初に血中で検出された時点（時間０）に逆外挿することによって、全循環血液量に混合されたＩＣＧの推定濃度が得られる。ＩＣＧの注入量をこの時間０における外挿ＩＣＧ濃度で割り算することによって、循環血液量が算出された。
【００６６】
[0075]〔較正方法〕指示薬濃度Ｃ（ｔ） は、二つの較正方法のうちの一つを用いて蛍光ｙ（ｔ） から算出された。経皮インビボ蛍光は、ＩＣＧのボーラス色素注入後、末梢動脈から採取された数個の血液試料を用いて、ＩＣＧの絶対血液濃度を基準にして較正された。血液試料は、蛍光セル中に入れて、蛍光発光を測定するために卓上蛍光光度計に挿入した。読み取られた蛍光値は、既知濃度のＩＣＧを含む血液試料の蛍光を卓上蛍光光度計で測定することによって作成された標準較正曲線を用いて、ＩＣＧ濃度に変換された。
【００６７】
[0076]血液損失を回避する他の較正法は、光励起−蛍光検出アセンブリに装備されたシリンジを使用する。シリンジアセンブリは、シリンジ筒に含まれる血液中のＩＣＧ色素の異なる濃度についてシリンジ中のＩＣＧ蛍光を測定することによって、心拍出量測定の前に一回較正された。心拍出量の測定中、血液試料は、再循環する色素が全血液量に均一に混合されて低速に代謝される、蛍光追跡の低速減衰フェーズ中、シリンジに吸入された。その試料の蛍光は、シリンジ較正曲線を用いて濃度に変換され、次に経皮的に読み取られた蛍光値に相関された。血液中のＩＣＧ濃度が十分に低い（＜０．００１ ｍｇ／ｍｌ）限り、線形相関を用いて、蛍光強度を濃度に相関することができる。
【００６８】
[0077]これらの較正方法のいずれか一つは、同様な身体的特徴（即ち、成人、小児等）を有する全ての他の被験者に使用できる較正ノモグラムを作成するために、被験者の基準グループについて設定することができる。これは、少なくともヘモグロビンに起因する吸光度を算出するために血液ヘモグロビン濃度を個別にさらなる測定する必要がない点において、従来の方法よりも好都合である。
【００６９】
[0078]実施例２
【００７０】
[0079]〔Ａ．心拍出量と循環血液量測定のための実例方法とシステム〕ハロタンで麻酔して、Ｓａｏ2 ９９％以上、並びに呼吸終期Ｃｏ２が２８〜３２ ｍｍＨｇとなるように酸素富化ガス混合物（Ｆｉｏ2〜０．４）で人工換気したニュージーランド白ウサギ（２．８ 〜 ３．５ ｋｇ）で実験を行った（図４）。手技を通して動脈血圧を測定するために、左大腿動脈をカニューレ処置した。指示薬、ＩＣＧ、を注入するために左上腕静脈中に小カテーテルを配置した。加熱ランプを用いて体温を維持した。
【００７１】
[0080]ＩＣＧ蛍光の励起は、レーザーダイオードドライバーダイオード（ＬＤドライバー：Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＣＰ ２００）レベルにダイオード電流を変調し、動作可能に熱電式制御装置（Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： ＣＴＩ ５Ｗ）に接続することによって、出力を２．８ ＫＨｚ に正弦変調した７８０ ｎｍ レーザー（ＬＤ ヘッド： Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ＳＲＴ-Ｆ７８０Ｓ-１２）を用いて達成した。近赤外光の出力は、防滴励起―検出プローブに終端する光ファイバーバンドルを装備した動物に転送された。皮下血管構造中にある色素によって発光された蛍光はプローブで検出されて、８３０±１０ ｎｍ の蛍光発光を通過させるが、７８０ ｎｍの再帰反射励起光を拒絶する、８３０ ｎｍ 干渉フィルタ（Ｏｐｔｏｓｉｇｍａ ０７９-２２３０）を通過させた。蛍光強度は、変調された励起光の参照周波数での蛍光発光を位相検出するために、ロックイン増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳＲ ５１０）に接続された光電子増倍管（ＰＭＴ； Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｈ７７３２-１０ＭＯＤ等）を用いて測定した。ロックイン増幅器の出力は、デジタル記憶オシロスコープ上に表示されて、記憶と解析のためにコンピュータに伝送された。
【００７２】
[0081]ほとんどの実験では、一本の励起−検出プローブを、局所加熱によって動脈血化した耳の表面に配置した。ある研究では、レーザー発光ビームをビームスプリッターで２本のビームに分離して、２箇所の測定部位に向けた（耳皮膚及び露出した右大腿動脈）。２つの検出システム（ＰＭＴ＋ロックイン増幅器）を使って、この２部位から蛍光希釈痕跡量を測定した。全ての実験において、全ての実験測定値（１又は２つの蛍光痕跡量、動脈血圧、呼吸終期Ｃｏ２、ドップラー流速）の完全な記録をオンライン表示して、基準値として記憶させた。
【００７３】
[0082]〔算出法〕ＬａｂＶｉｅｗプログラムを使用して、蛍光希釈曲線をサンプリングするためのオシロスコープを調整し、オシロスコープからのデータをパーソナルコンピューターに転送して、心拍出量と循環血液量を推定するために曲線をオンラインで解析した。プログラムユーザインターフェースに示すように（図５）、測定した蛍光希釈追跡（ａ）は、本出願の次のセクションで説明するように概算された較正パラメータを用いて、血中ＩＣＧ（ｂ）に変換し、次式に示すモデルに当てはめる。
【数３】
[0083]モデルへのフィッティング（ホワイトトレース）は、蛍光ＩＣＧが最初に検出された時点から再循環指示薬の出現に先立つ追跡の減衰部分上の時点まで（実験追跡の初期ピーク後の特徴的な***から同定される）行われる。モデル方程式を使用して、指示薬希釈度追跡の「曲線下面積」を概算する。指示薬希釈法の原理は、濃度曲線下面積が次式の心拍出量と反比例することを予測する。
【数４】
[0084]式中、ｍは注入された指示薬の質量、そしてＣ（ｔ）は時間ｔにおける動脈血中の指示薬濃度である。このプログラムはまた、低速減衰期の測定値を一重指数型変換に当てはめて、注入時の指数フィット値から循環血液量を導き出す。図４に示す実験的ＩＣＧ追跡では、体重３ｋｇのウサギの予測範囲では、推定心拍出量が５０９ ｍｌ／分、そして循環血液量が１８４ ｍｌである。この計算プログラムは、実験測定が、計画通りに進行し、遅延なく計測エラー又は実験の失敗を補正を実行していることを確認する能力が向上している点において好都合である。
【００７６】
[0085]〔指示薬の用量〕この実験では、ＩＣＧを約０．０１５ｍｇの用量で注入すると、この動物において、蛍光強度希釈曲線を検出し、同時に迅速にＩＣＧの代謝処理を可能とするために、至適用量であることが見いだされた。さらに、この少量の用量で、心機能測定を約４分以下ごとの間隔で行うことが可能である。
【００７７】
[0086]〔検出器の配置〕規定の蛍光の読み取り値は、動脈の近く、又は局所加熱によって動脈血化された耳又は足の裏のような組織上の皮膚表面上に検出プローブを配置することによって得た。
【００７８】
[0087]〔Ｂ．経皮指示薬強度と循環指示薬濃度の較正〕
【００７９】
[0088]動物の耳のレベルで計測された経皮蛍光強度の較正は、血中ＩＣＧ濃度の関数として、以下のように行われた。高用量のＩＣＧ（１ｍｇ）を静注して、約１分間で動物の全血液量と均質に平衡化した。平衡に達すると、この高用量に起因する血中ＩＣＧ濃度は、心拍出量を計測するために使用する低用量ＩＣＧ（０．０１５ ｍｇ）注射中に観察されるピークＩＣＧ濃度よりも数倍高くなる。このようにして、心機能測定中に観察されるＩＣＧ濃度の全域に対処できる較正曲線が作成された。
【００８０】
[0089]肝臓がＩＣＧを代謝するため、血中ＩＣＧ濃度は、約２０分でゼロに戻る。この期間中、５〜８の血液試料（１．５ ｍｌ）を、大腿動脈から採取して、予め較正済みの血液キュベットに入れた。キュベット中の血液の蛍光強度は、そのキュベットについて作成された蛍光強度−ＩＣＧ濃度の既知の標準曲線を用いて、濃度値に変換された。ＩＣＧ蛍光は、血液試料の採取と同時に耳レベルで計測された。ＩＣＧは動物の循環血液量中で均一に平衡化されているので、血液試料を採取の際、耳レベルで計測された蛍光強度は、計測時のＩＣＧ濃度と直接相関し、したがって、キュベットの読み取り値からＩＣＧ濃度が決定される。この例が示すように、経皮ＩＣＧ蛍光は、血中ＩＣＧ濃度と比例するために、この二つの量の相関因子を得るために一回の採血で十分である。
【００８１】
[0090]図５に示すように、較正シーケンス中、高用量（１ ｍｇ）のＩＣＧ注射後、経皮的な耳蛍光強度（Ｖ）は、時間（秒）の関数として得られる。図５は、色素が代謝されるために、血中ＩＣＧの特徴的な単一指数減衰を示す。図６は、同一例の同一時点について、ＩＣＧ濃度（ｍｇ／ｍｌ）をインビボ蛍光の関数として示す。これらの研究で使用された濃度範囲では、ＩＣＧ濃度と経皮蛍光強度は線形相関した。血中ＩＣＧ濃度がゼロのときは蛍光は測定されないために、較正曲線は軸の原点を通過する。
【００８２】
[0091]したがって、血中ＩＣＧ濃度と経皮蛍光強度の間には一次相関因子が存在する。発光を測定する蛍光希釈法のこの特徴は、ＩＣＧによる吸光度を組織及び血液による吸光度から分離する必要があるＩＣＧ吸光度に基づく従来の色素希釈法よりも好都合である。相関因子の決定後、ＩＣＧ蛍光希釈プロファイルは、次に指示薬―希釈度方程式を用いて、心拍出量を算出するために、濃度値に変換するのみでよい。
【００８３】
[0092]〔心拍出量測定の結果〕５匹の動物（体重３．０ ±０．２ ｋｇ）について、較正心拍出量の読み取り値を求めた。以下の表は、基礎状態の間の値を一覧する。この値は、１５分間に得られた３回の連続測定の平均値±標準偏差として表す。
【００８４】
[0093]
【表１】
[0094]５回の実験の平均値（４６３ ｍｌ／分）は、麻酔ウサギで報告されている超音波又は熱希釈法で計測した心拍出量（２６０〜 ６７５ ｍｌ／分）とほぼ同様な値である（Ｐｒｅｃｋｅｌら、Ｅｆｆｅｃｔｏｆ ｄａｎｔｒｏｌｅｎｅ ｉｎ ａｎ ｉｎ ｖｉｖｏ ａｎｄ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｙｏｃａｒｄｉａｌ ｒｅｐｅｒｆｕｓｉｏｎ ｉｎｊｕｒｙ． （心筋再灌流損傷のインビボ及びインビトロモデルにおけるダントロレンの効果）ＡｃｔａＡｎａｅｓｔｈｅｓｉｏｌ Ｓｃａｎｄ, ４４, １９４-２０１, ２０００。 Ｆｏｋら、Ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｂｙ ｌｕｎｇｓ ｗｉｔｈ ａｃｕｔｅ ａｎｄｃｈｒｏｎｉｃ ｉｎｊｕｒｙ ｉｎ ａ ｒａｂｂｉｔ ｍｏｄｅｌ．（ウサギモデルにおける急性及び慢性損傷を有する肺による酸素消費量）、ＩｎｔｅｎｓｉｖｅＣａｒｅ Ｍｅｄ, ２７,１５３２-１５３８, ２００１）。基礎心拍出量は、麻酔の種類、麻酔の期間と深さ等の実験条件によって大きく変化するため、広範囲の値が文献に見いだされている。この例では、蛍光希釈法によって算出された心拍出量のばらつき（標準偏差／平均値）は、報告されている熱希釈法のばらつき（- ５ 〜１０%）よりも好ましく、任意の３セットの測定値は- ３% である。
【００８６】
[0095]〔Ｃ．蛍光希釈心拍出量測定法において、経皮及び皮下測定によって得られた測定値の比較〕
【００８７】
[0096]〔実験方法〕前セクション（実施例２）に記述の実験準備は、蛍光希釈度追跡のための２つの測定部位−耳レベルの中枢血管束における経皮部位、及び露出大腿動脈―を含む。耳の血管構造が、局所加熱によって動脈血化される。この準備によって、末梢非侵襲性（経皮）測定部位から得られた心拍出量推定値を、主要動脈を用いて得られた推定値と比較した。
【００８８】
[0097]注入ＩＣＧの低速代謝消失期中の露出大腿動脈レベルでの蛍光シグナル強度を、較正された耳蛍光測定値と比較して、較正係数（動脈ＩＣＧ蛍光強度→血中ＩＣＧ濃度）を得る。このようにして、ｍｌ／分で表現される心拍出量推定値を２箇所の部位から得た。
【００８９】
[0098]〔結果〕図８は、コントロール条件（Ｃ）、強→軽迷走神経刺激（Ｓ,Ｉ及びＳ,Ｍ）、並びに刺激後充血（Ｈ）中の代表的実験において、耳部位と露出大腿動脈から得た経時的な心拍出量測定値を示す。実験の全ての時期を通して、この２箇所の部位からほとんど同一の心拍出量推定値が得られた。
【００９０】
[0099]皮膚表面レベル（Ｃｏ皮膚、 ｍｌ／分で表示）並びに露出大腿動脈レベル（Ｃｏ大腿、 ｍｌ／分で表示）における蛍光希釈曲線の測定値から得られた心拍出量間の関連性を調べた。この２つの測定値間の線形相関を以下の表に要約する。
【００９１】
[00100]
【表２】
[00101]蛍光心拍出量の２つの測定値は緻密に相関している。最後の２つの実験では、回帰直線の傾きは１．０、縦座標は、０．０と統計的に変化がなく、これはこの２つの測定値が同一であることを示す。これらの観察は、蛍光希釈法による心拍出量は、経皮的に、局所の加熱によって動脈血化された末梢測定部位から、確実に測定できることを示唆する。励起光の減衰及び皮膚によるＩＣＧ蛍光発光は、心拍出量を導出するために解析され得る明確な色素希釈度追跡の測定を妨げない。
【００９３】
[00103]本明細書は、本発明の特定の実施形態を記述するが、当業者は、発明の内容を逸脱することなく、本発明の変型を考案することが可能である。
【００９４】
[00103]〔Ｄ．蛍光希釈による心拍出量測定法とドップラー血流速度による測定法によって得られた測定値の比較〕
【００９５】
[00104]〔実験方法〕心拍出量測定値の記録について、本方法を超音波ドップラー速度プローブ法と比較した。この例では、前述の方法を、胸骨の正中切開によって動物を開胸して、６ ｍｍ ２０ ＭＨｚ ドップラー速度プローブを静かに上行大動脈周りに通過させて、大動脈の周りにピッタリとフィットするループ中にしっかりとはめ込むように変型された。
【００９６】
[00105]指示薬の蛍光を検出するために、２つの照射＋検出用光ファイバープローブを使用した。１つのプローブは、耳中血管束上に配置し、他方のプローブは切開された左大腿動脈付近に配置した。摂氏４４度まで局所加熱することによって、耳の血管構造を動脈血化した。
【００９７】
[00106]この例では、そのコントロールレベルから心拍出量を変化させるために２つの手技−心拍出量を減少させる迷走神経刺激、循環血液量と心拍出量を増加する生理食塩水注入−を用いた。刺激電極を配置するために右迷走神経を切開した。遠位迷走神経を刺激すると、多かれ少なかれ、刺激の周波数及び電圧（１ｍｓパルス、３〜６Ｖ、１０〜３０Ｈｚ）に依存する、心拍の強い低下が生じる。心拍出量及び動脈血流速度はまた、一回拍出量が増加するために、心拍の低下ほど明らかではないが、迷走神経刺激中に減少する。１５〜２０ ｍｌ／分の速度で生理食塩水を注入すると、心拍出量を明確に増加する。図７は、コントロール条件（Ｃ）、強→軽迷走神経刺激（Ｓ,Ｉ及びＳ,Ｍ）、並びに生理食塩水注入（Ｉ）を含む一つの実験における、心拍出量と動脈血流速度の経時的な測定値を示す。
【００９８】
[00107]〔結果〕蛍光希釈心拍出量測定法によるドップラー動脈血流速度の追跡には一貫性がある。蛍光希釈法による心拍出量と動脈ドップラー血流速度の間の相関を４羽のウサギを使って調査した。蛍光希釈法による心拍出量（ＣＯ、ｍｌ／分で表示）と動脈血流速度シグナル（Ｖ動脈、較正なし、Ｖで表示）の相関を表に要約する。
【００９９】
[00108]
【表３】
[00109]このデータは、蛍光希釈法による心拍出量は、回帰係数の上昇によって示されるように、動脈血流速度と極めて相関している（３回の実験において、≧０．９）。さらに、蛍光希釈法による心拍出量と動脈血流速度間の線形回帰直線の傾きは同様であり、４回の実験において統計的な有意差は見られなかった。これは、実験を通じて２つの変数間に一定の相関があったことを示唆する。回帰直線の縦座標は、最後の３回の実験において０に変わりなく、これは動脈血流の２つの測定値の間に偏りがないことを示唆する。
【０１０１】
[00110]上記の結果は、蛍光希釈法を用いて、経皮的に測定された心拍出量は、上行大動脈で計測されたドップラー血流速度を追跡することを立証する。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明によるシステムの一つの実施例の図示である。
【図２】本発明の一つの実施形態を用いて作成した蛍光強度曲線である。
【図３】耳皮膚表面に光検出器を配置した、本発明の一つの実施例の図示である。
【図４】本発明との併用に便利な心拍出量コンピュータプログラムのユーザインターフェースの図示である。このインターフェースは、測定値及び蛍光から濃度に転換された値に関する情報、並びに本方法又はシステムを用いて得られた値に当てはまる曲線のパラメータを描写することができる。
【図５】１ｍｇ用量のＩＣＧを注射後の蛍光強度曲線の減衰を時間の関数として描いたものである。
【図６】経皮ＩＣＧ蛍光の関数としてＩＣＧ血中濃度の較正曲線を描いたものである。
【図７】一つの代表的な実験における心拍出量と大動脈速度の測定値を描いたものである。
【図８】一つの実験中に耳表面部位並びに露出大腿動脈上の部位から得られた心拍出量の測定値を描いたものである。
【図９】本発明の一つの方法を図示するフロー図である。
Claims (33)
- 被験者の心血管系のパラメータを少なくとも一つ測定する方法であって、
ａ．被験者の循環系に、検出可能量の少なくとも一つの指示薬を投与すること、
ｂ．前記心血管系内の前記指示薬を励起するために第一波長光を照射し、前記指示薬に第二波長光を発光させること、
ｃ．前記被験者の検出領域近くに置かれた少なくとも一つの光検出器を用いて、前記循環系内の前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさを検出すること、
ｄ．検出された前記第二波長光の強度の大きさを数学的に解析して、前記被験者の少なくとも一つの心血管系のパラメータを算出すること、
を含む、方法。 - 前記指示薬が発光する第二波長光が前記指示薬の蛍光によって生じる、請求項１に記載の方法。
- さらに、前記被験者から指示薬を含む血液試料を採取し、前記血液試料内の前記指示薬を励起するために第一波長光を照射し、前記血液試料が発光する第二波長光の強度を検出し、前記血液試料が発光する第二波長光の強度を前記循環系内の指示薬が発光する第二波長光の強度と比較することによって、被験者の心血管系の一つのパラメータの測定値を較正することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記心血管系の測定パラメータが心拍出量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また心拍出量の数学的解析が、少なくとも一つのモデル方程式への曲線当てはめ、又は数値積分法を含む、請求項１に記載の方法。 - さらに、前記心拍出量を前記被験者の体重又は前記被験者体表面積のいずれかの関数として表わすことによって、心係数を算出することを含む、請求項４に記載の方法。
- 前記心血管系の測定パラメータが循環血液量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また循環血液量の数学的解析が、前記強度曲線の低速期を逆外挿して、循環血液量を決定することを含む、請求項１に記載の方法。 - 前記光検出器が、経皮検出領域、皮下検出領域、末梢血管検出領域、又は血管内検出領域の少なくとも一つに配置される、請求項１に記載の方法。
- 前記検出が、透過モード又は反射モードのいずれかで行われる、請求項１に記載の方法。
- 前記被験者の心血管系の値が変化したか否かを決定するために、ａ−ｄのステップをある時間間隔で反復する、請求項１に記載の方法。
- さらに、前記患者を刺激処理し、前記刺激を受けた後で前記被験者の心血管系の値が変化したか否かを決定するために、ａ−ｄのステップをある時間間隔で反復する、請求項１に記載の方法。
- 前記検出領域において前記第二波長光を検出する前に、前記検出領域が、加熱又は薬理学的に動脈血化される、請求項１に記載の方法。
- 前記第一波長光が約７５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の方法。
- 前記指示薬が約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内の第二波長光を発光する発色団又は蛍光体である、請求項１に記載の方法。
- 前記蛍光体が、インドシアニングリーン、フルオレセイン、及びローダミンを含む群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 被験者の心血管系の少なくとも一つのパラメータを測定する方法であって、
被験者の循環系に、検出可能量の少なくとも一つの指示薬を投与すること、
前記心血管系内の前記指示薬を励起するために第一波長光を照射し、前記指示薬に波長が約７５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内である第二波長光を発光させること、
前記被験者の検出領域近くに置かれた少なくとも一つの光検出器を用いて、前記循環系内の前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさを検出すること、
検出された前記第二波長光の強度の大きさを数学的に解析して、前記被験者の心血管系のパラメータを少なくとも一つ算出すること、
を含む方法。 - 前記心血管系の測定パラメータが心拍出量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また心拍出量の数学的解析が、少なくとも一つのモデル方程式への曲線当てはめ、又は数値積分法を含む、請求項１５に記載の方法。 - 前記方法がさらに、前記心拍出量を前記被験者の体重又は被験者体表面積のいずれかの関数として表わすことによって、心係数を算出することを含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記心血管系の測定パラメータが循環血液量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また循環血液量の数学的解析が、前記強度曲線の低速期を逆外挿して、循環血液量を決定することを含む、請求項１５に記載の方法。 - 前記光検出器が、経皮検出領域、皮下検出領域、末梢血管検出領域、又は血管内検出領域の少なくとも一つに配置される、請求項１５に記載の方法。
- 前記検出が、透過モード又は反射モードのいずれかで行われる、請求項１５に記載の方法。
- 前記被験者の心血管系の値が変化したか否かを決定するために、ａ−ｄのステップを特定の時間間隔で反復する、請求項１５に記載の方法。
- さらに、前記患者を刺激処理し、前記刺激を受けた後で前記被験者の心血管系の値が変化したか否かを決定するために、ａ−ｄのステップを特定の時間間隔で反復する、請求項１５に記載の方法。
- 前記検出領域において前記第二波長光を検出する前に、前記検出領域が、加熱又は薬理学的に動脈血化される、請求項１５に記載の方法。
- 被験者の心血管系パラメータを測定するシステムであって、
前記心血管系内にある指示薬を励起するための第一波長光を供給して、前記指示薬に第二波長光を発光させるために、前記心血管系の少なくとも一つの血管に隣接して位置するように構成された照射源、
前記循環系内にある前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさを検出して、検出された前記第二波長光の強度の大きさに比例する電子シグナルを計算システムに伝送するために、前記被験者の心血管系の少なくとも一つの血管に隣接して位置するように構成された光検出器、
前記被験者の心血管系のパラメータを少なくとも一つ算出するために、前記電子シグナルを受信して、前記検出強度の大きさを数学的に解析する、前記計算システム、
を含むシステム。 - さらに、前記照射源からの第一波長光を前記検出領域にガイドするために、前記照射源に動作可能に接続された少なくとも一つの光ファイバープローブを含む、請求項２４に記載のシステム。
- さらに、前記検出領域からの第二波長光を前記光検出器にガイドするために、前記光検出器に動作可能に接続された少なくとも一つの光ファイバープローブを含む、請求項２４に記載のシステム。
- さらに、選択周波数で前記第一波長光を変調するために前記照射源に動作可能に接続され、さらに選択周波数で前記第二波長光の検出をフィルタするために光検出器に動作可能に接続されたロックイン増幅器を少なくとも一つ含む、請求項２４に記載のシステム。
- 前記心血管系の測定パラメータが心拍出量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また心拍出量の数学的解析が、少なくとも一つのモデル方程式への曲線当てはめ、又は数値積分法を含む、請求項２４に記載のシステム。 - さらに、前記心拍出量を前記被験者の体重又は被験者体表面積のいずれかの関数として表わすことによって、心係数を算出することを含む、請求項２８に記載の方法。
- 前記心血管系の測定パラメータが循環血液量であり、
さらに、前記指示薬が発光する第二波長光の強度の大きさをある期間にわたって検出すること、前記期間の強度の大きさ曲線を作成することを含み、また循環血液量の数学的解析が、前記強度曲線の低速期を逆外挿して、循環血液量を決定することを含む、請求項２４に記載の方法。 - 前記光検出器が、経皮検出領域、皮下検出領域、末梢血管検出領域、又は血管内検出領域の少なくとも一つに配置するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
- 前記第一波長光が約７５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内である、請求項２４に記載のシステム。
- 前記指示薬が約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内の第二波長光を発光する発色団又は蛍光体である、請求項２４に記載のシステム。
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