JP2017535356A - 被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのデバイス、システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、被検体の血液内の酸素飽和度等のような物質の濃度を決定するためのデバイス、システム及び方法に関し、鏡面反射の影響を低減又は取り除く。提案されるデバイスは、放射信号による被検体の皮膚領域の照射に応答して、皮膚領域から反射される検出信号を受け取るための入力ユニット（１１）と、検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出するための信号抽出ユニット（１２）と、ＰＰＧ信号に基づいて被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するための処理ユニット（１３）とを具備し、上記計算は、被検体の皮膚のトーンに適合される。

Description

本発明は、人間や動物等の被検体の血液内の酸素（酸素飽和度ＳｐＯ２）、ビリルビン、ＣＯ２等の濃度のような、物質の濃度を決定するためのデバイス、システム及び方法に関する。

人のバイタルサイン、例えば心拍数（ＨＲ）、呼吸数（ＲＲ）又は動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２）は、人の現在の状態のインジケータとして機能し、かつ深刻な医療事象の強力な予測因子として機能する。このため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者の医療環境において、家庭で、あるいは更なる健康、レジャー及びフィットネス設定で広くモニタリングされる。

バイタルサインを測定する１つの方法はプレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは一般に、臓器又は身体の部分の容積の変化を測定することを指し、特に、心拍ごとに被検体の身体の中を通過する心臓血管のパルス波に起因する容積の変化の検出を指す。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ：Photoplethysmography）は、関心のある領域又は容積の光反射率又は透過（transmission）の時間変動する変化（time-variant change）を評価する光測定技術である。ＰＰＧは、血液が組織の周囲よりも多くの光を吸収し、心拍ごとの血液容積における変動が、これに応じて透過率又は反射率に影響を与えるという原理に基づく。心拍数に関する情報に加えて、ＰＰＧ波形は、呼吸等のような更なる生理的現象に起因する情報を備える可能性がある。異なる波長（典型的には、赤及び赤外）における透過率及び／又は反射率を評価することにより、血液酸素飽和度を決定することができる。

被検体の心拍数及び（動脈）血液酸素飽和度（ＳｐＯ２とも呼ばれる）を測定するための従来的なパルスオキシメータ（ここでは、接触型ＰＰＧデバイスとも呼ばれる）は、被検体の皮膚、例えば指先、耳たぶ又は額に取り付けられる。したがって、これらのパルスオキシメータは、「接触型（contact）」ＰＰＧデバイスと呼ばれる。典型的なパルスオキシメータは、光源として赤色ＬＥＤと赤外ＬＥＤを備え、患者の組織を通して透過された光を検出するための１つのフォトダイオードを備える。市販のパルスオキシメータは、赤色波長と赤外波長の測定の間を素早く切り替え、これにより、組織の同じ領域又は容積の透過率を２つの異なる波長で測定する。これは時分割多重化と呼ばれる。各波長における経時的な透過率は、赤色及び赤外波長についてのＰＰＧ波長を与える。接触型ＰＰＧは基本的には非侵襲的技術と考えられるが、接触型ＰＰＧ測定は、パルスオキシメータが直接被検体に取り付けられ、またいずれかのケーブルが移動の自由を制限し、ワークフローを妨げる可能性があるので、不愉快で邪魔なものとして体験されることが多い。

パルス信号及び酸素飽和度（ＳｐＯ２）の高速かつ信頼性のある検出及び分析は、多くの医療用途で最も重要な活動の１つであり、患者が危機的な状態にある場合には極めて重要なものになる。これらの状況では、心拍信号の拍動性は極めて弱く、したがって、測定は、任意の種類のアーチファクトに対して脆弱である。

最近のフォトプレチスモグラフィセンサは、必ずしも常に、危機的状況において高速かつ信頼性のある測定を提供するわけではない。例えば（透過性ＰＰＧに基づく）接触型の指パルスオキシメータは、手の動きに対して脆弱であり、患者の集中化の場合、身体周辺部分におけるより低い血液容積に起因して機能しなくなる。接触型の額パルスオキシメータ（反射型ＰＰＧ測定モードを使用する）は、集中化の影響に対してよりロバストであるように提案される。しかしながら、額センサの正確性、ロバスト性及び応答性は、額の上のセンサの正しい位置及び皮膚に印加される正しい圧力に多い依存する（センサの窮屈すぎる印加は、局所的な血圧の拍動性を低減させる可能性があり、あるいは緩すぎる印加は、動きアーチファクト及び／又は静脈の拍動性に起因して、信頼性のない測定につながる可能性がある）。

最近では、目立たない測定のための非接触型のリモートＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイス（カメラｒＰＰＧデバイスとも呼ばれる）が導入されている。リモートＰＰＧは、関心のある被検体からリモートに配置される光源、あるいは一般的には線源を用いる。同様に、検出器、例えばカメラやフォト検出器を、関心のある被検体からリモートに配置することができる。したがって、リモートのフォトプレチスモグラフィシステム及びデバイスは目立たず、かつ医療だけでなく、非医療的な日常用途にもより良く適していると考えられる。この技術は特に、非常に弱い皮膚を有するＮＩＣＵ患者や未熟児のように、バイタルサインをモニタリングする必要がある皮膚過敏症の患者にとって明らかな利点を有する。

Verkruysse等著による非特許文献１は、フォトプレチスモグラフィ信号を、環境光と、赤、緑及び青色のチャネルを使用する従来の消費者レベルのビデオカメラとを用いてリモートから測定することができることを実証している。

Wieringa等著による非特許文献２は、異なる波長におけるプレチスモグラフィ信号の測定に基づく組織内の動脈血酸素飽和度の非接触型画像化のためのリモートＰＰＧシステムを開示している。このシステムは、この単色のＣＭＯＳカメラと、異なる３つの波長のＬＥＤを有する光源を備える。カメラは、３つの異なる波長で被検体の３つの動画（movie）を順次取得する。拍動数を単一の波長における動画から決定することができ、一方、異なる波長の少なくとも２つの動画が、酸素飽和度を決定するために必要とされる。測定は、一度に１つの波長のみを使用して暗室で行われる。

皮膚の表面からの光の静反射率は、被検体の血液内のＳｐＯ２、ＣＯ２、ビリルビン等といった様々な物質の濃度の不正確な測定につながる較正誤差（calibration errors）を生じる。現在の考えは、測定の設定における偏光子を必要とするが、偏光子は位置合わせ（align）することが難しく、実質的に異なる設定を作成することが判明している。

特許文献１（国際公開第2013/030739号公報）は、検出された特性信号から情報を抽出するためのシステム及び方法を開示している。このシステムは、物体により反射された電磁放射から導出可能なデータストリームを受信するためのインタフェースを備え、データストリームは、生理学的情報と妨害信号部分とを含む連続的又は離散的特性信号を有し、生理学的情報は、少なくとも１つの部分的に周期的な生体信号を表し、妨害信号部分は、物体運動部分及び／又は非指示的反射部分の少なくとも一方を表し、特性信号は、加法的信号空間に関連付けられ、信号空間は、特性信号を表す加法的チャンネルを有する。システムは更に、特性信号の各加法的チャンネルに関係する少なくとも３つの絶対成分を特性信号の少なくとも２つの差分成分に変換することにより特性信号を転換するための変換器手段を備え、少なくとも２つの差分成分の各々は、対応する算術変換により少なくとも３つの絶対成分のうちの少なくとも２つを考慮して導出することができ、算術変換は、加算及び減算係数を有し、妨害信号部分が、変換された信号において少なくとも部分的に抑圧される。加えて、システムは、転換された信号から生体信号を抽出する抽出器手段を備え、好ましくは生体信号が、少なくとも２つの差分成分の加法的若しくは減法的表現又は比を考慮して抽出される。

国際公開第2013/030739号公報

Verkruysse等著「Remote plethysmographic imaging using ambient light」、Optics Express、16(26)、２００８年１２月２２日、pp. 21434-21445 Wieringa等著「Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward "SpO2 Camera" Technology」、Ann. Biomed. Eng. 33、1034-1041、２００５年

本発明の目的は、正反射率（specular reflectance）の影響を除外又は少なくとも低減する、被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのデバイス、システム及び方法を提供することにある。

本発明の第１の側面では、被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのデバイスが提示される。当該デバイスは、
放射信号（radiation signal）による被検体の皮膚領域の照射に応答して、皮膚領域から反射される検出信号を受け取るための入力ユニットと、
検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出するための信号抽出ユニットと、
ＰＰＧ信号に基づいて被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するための処理ユニットであって、その計算が被検体の皮膚のトーン（skin tone）に適合される、処理ユニットと、を具備する。

本発明の更なる側面では、対応する方法が提示される。

本発明の更なる側面では、被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのシステムが提示される。当該システムは、
放射信号による被検体の皮膚領域の照射に応答して、皮膚領域から反射される検出信号を検出するための放射線検出ユニットと、
検出信号から被検体の血液内の物質の濃度を決定するための、本明細書で開示されるデバイスと、を具備する。

本発明のまた更なる側面では、コンピュータ上で実行されると、該コンピュータに本明細書で開示される方法のステップを実行させるプログラムコード手段を備えるコンピュータプログラム、並びにプロセッサによって実行されると、本明細書で開示される方法を実行させるコンピュータプログラム製品を格納する非一時的なコンピュータ読取可能記録媒体が提供される。

本発明の好ましい実施形態は、独立請求項において定められる。特許請求に係る方法、プロセッサ、コンピュータプログラム及び媒体は、特許請求に係るデバイス及び従属請求項において定められるものと同様及び／又は同一の好ましい実施形態を有することを理解されたい。

本発明は、（全反射光のうちの）正反射（specular reflection）の分画（fraction）が、波長間において（特に、黒い皮膚トーンを有する被検体について）非常に異なる可能性があるという発見に基づいている（より短い波長の拡散反射される部分がより強く吸収される（あるいは、より正確には、強く低減される）ことがあるが、正反射は、全反射光のより長い波長に関して等しく強いままである）。したがって、異なる波長にわたって一定の正反射であるとしても、被検体の皮膚トーンに依存して較正誤差につながることになる。特に、一般的な被検体は赤外光においてほぼ同様の皮膚反射を有するが、非常に黒い皮膚の被検体は、赤外光に比べて赤色光について非常に強い吸収を有する可能性がある。

したがって、正反射は、異なる皮膚トーンの被検体について較正を異なるものにするので、被検体の血液内の物質の濃度の計算を記録済みの皮膚トーンに対して、特に較正を適合させることにより適合させる。好ましい実施形態において、この計算は、拍動性（pulsatility）の比（ratio）、すなわち、正規化されたＰＰＧ信号の振幅を決定することを含む。したがって、濃度の計算の適合のために、信号の特性（例えば振幅）が使用され、修正される。

好ましい実施形態において、処理ユニットは、計算を、２つの異なる波長で皮膚領域からの放射線の相対的な平均反射（relative mean reflection）に対して適合させるように構成される。例えば推定される拍動性又は（正規化された）ＰＰＧ信号の推定された振幅が適合されてよい。更に他の実施形態では、正規化は、拍動性を測定することに先行して適合される。

別の実施形態において、皮膚トーンは提案されるシステムの一部として別のデバイス／センサを用いて推定され、このデバイス／センサの出力を使用して計算を適合することが提案される。

好ましくは、特に動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２）を決定するための実施形態において、処理ユニットは、濃度の計算のために、第１の波長における第１の正規化された拍動性と、第２の波長における第２の正規化された拍動性の比を形成するように構成され、第１及び／又は第２の正規化された拍動性の分母（denominator）は、補正因子（correction factor）によって補正（correct）される。

処理ユニットは、第１の正規化された拍動性の分母を補正するために使用される補正因子として、第２の波長のＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するか、かつ／又は第２の正規化された拍動性の分母を補正するために使用される補正因子として、第１の波長のＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するように構成されてよい。別の実施形態において、処理ユニットは、赤色スペクトルの波長における第１の正規化された拍動性の分母を補正するための補正因子として、赤外スぺクトルの波長におけるＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するように構成されてよい。

更に別の実施形態において、処理ユニットは、補正因子として、赤外スぺクトルの波長におけるＰＰＧ信号のＤＣレベルのうちの５％〜１５％の範囲、特に１０％の範囲内の分画を使用するように構成される。このパーセンテージは、実際の測定で見られたものであり、合計反射率に対する正反射の典型的な量を反映する。

ＳｐＯ２推定の実際の実装において、処理ユニットは、

によって、ＰＰＧ信号から動脈血酸素濃度を計算するように構成され、
ここで、AC_R/DC_Rは、赤色スペクトルの波長における正規化された拍動性であり、
AC_IR/DC_IRは、赤外スペクトルの波長における正規化された拍動性であり、
DC_Rは、赤色スペクトルの波長におけるＰＰＧ信号のＤＣレベルであり、
DC_IRは、赤外スペクトルの波長におけるＰＰＧ信号のＤＣレベルであり、
C₁及びC₂は、所定の較正定数であり、
Sは、ＰＰＧ信号のＤＣレベルに含まれる相対的な正反射（relative specular reflection）の推定値である。したがって、従来的に使用される較正因子C2は、補正因子

と乗算される。これは、ＳｐＯ２の正確性の実質的な改善を提供する。

この実施形態では、Sについて、実際の測定で見られ、合計反射率に対する正反射の典型的な量を反映する５％から１５％の範囲内の値、特に１０％の値が好ましい。

好ましくは、信号抽出ユニットは、赤色スペクトルの波長で第１のＰＰＧ信号を、赤外スペクトルの波長で第２のＰＰＧ信号を抽出するように構成される。そのような波長の使用は、被検体の血液内における物質の決定される濃度について良好な値を与えることが示されている。例えば第１のＰＰＧ信号は、５５０〜７８０ｎｍの範囲内の第１の波長で決定され、第２のＰＰＧ信号は、７８０〜１０００ｎｍの範囲内の第２の波長で決定される。

さらに、一実施形態において、検出信号は、撮像ユニット、特にホワイトバランス調整された（white-balanced）撮像ユニットによって取得される被検体の少なくとも皮膚領域の画像であり、撮像ユニットは、本発明に係るシステムの一部を形成する。ホワイトバランス調整された撮像ユニット、例えばホワイトバランス調整されたカメラの使用により、正反射の影響を除去又は低減することができる。特に、ホワイトバランス調整された撮像ユニットは、相対的な正反射が全ての波長チャネルにおいて等しく強く、したがって、その影響を低減／除去することができるという認識を提供する。

本発明のこれら及び他の側面は、以下に説明される実施形態から明らかになり、これらの実施形態に関連して解明されるであろう。図面は次のとおりである。
被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのシステム及びデバイスの第１の実施形態の概略図である。 ＳｐＯ２の様々な値について、波長に対するＰＰＧ振幅を示す図である。 正反射率の効果を示す図である。 異なる被検体についての反射率測定を示す図である。 本発明に係るデバイスの概略図である。

図１は、被検体２の血液内の物質の濃度を決定するためのシステム１及びデバイス１０の実施形態の概略図を図示している。以下では、本発明は、被検体の血液内の酸素飽和度（ＳｐＯ２）を決定することにより説明されるものとする。しかし、全ての説明は、ＣＯ２、ＣＯ、ビリルビン又は潜在的に他の気体等といった、被検体の血液内の他の物質の濃度を決定することにも相互に当てはまる。ただし、他の物質は、異なる波長の使用を必要とすることがある。被検体２は、この例では、例えば病院や他の医療施設内のベッド３に横たわっている患者であるが、例えば保育器に横たわっている新生児や未熟児、あるいは家にいるか異なる環境内にいる人であってもよい。デバイス１０に加えて、システム１は一般的に、放射信号による皮膚領域４の照射に応答して被検体２の皮膚領域４から反射される検出信号を検出するための放射線検出ユニット２０を備える。

この例において、放射線検出ユニット２０は、検出信号として被検体２の少なくとも皮膚領域４の画像を取得するための撮像ユニット、特にカメラ（検出ユニット、あるいはカメラベース又はリモートＰＰＧセンサとも呼ばれる）である。皮膚領域４は、好ましくは頬や額といった顔の領域であるが、手や腕といった身体の別の領域であってもよい。放射信号は、この例では、例えば太陽により及び／又は部屋の照明から与えられる環境光である。他の実施形態では、特定の波長の放射線により及び／又は測定の時間（だけに）（例えば夜の時間の間に）被検体２又は被検体２の少なくとも皮膚領域４を照明するために、特別な光源が提供される。

カメラによってキャプチャされる画像フレームは、特に、アナログ又はデジタルのフォトセンサの手段によって、例えば（デジタル）カメラでキャプチャされるビデオシーケンスに対応してよい。そのようなカメラは通常、ＣＭＯＳやＣＣＤセンサのようなフォトセンサを含み、これらは指定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）で動作するか、異なるスペクトル範囲のための情報を提供してもよい。カメラは、アナログ又はデジタル信号を提供することができる。画像フレームは、関連するピクセル値を有する複数の画像ピクセルを含む。特に、画像フレームは、フォトセンサの異なる感光素子でキャプチャされる光強度値を表すピクセルを含む。これらの感光素子は、指定のスペクトル（すなわち、特定の色を表す）範囲において感知性を有してよい。画像フレームは、被検体の皮膚部分を表す少なくとも幾つかの画像ピクセルを含む。これにより、画像ピクセルは、光検出器の１つの感光素子及びその（アナログ又はデジタル）出力に対応するか、複数の感光素子の（ビニングを通した）組合せに基づいて決定されてもよい。

取得した検出信号、すなわち、この例では画像のシーケンスは、以下で詳細に説明される更なる処理のために、デバイス１０に提供される。

そのようなシステムは、一般に、既知のリモートＰＰＧ技術の使用により、様々なバイタルサインを取得するために使用される可能性があるが、本発明の実施形態によると、被検体２内の動脈血（ＳｐＯ２とも呼ばれる）の酸素飽和度を決定するために使用される。被検体の皮膚から反射して返される光は、拍動性動脈によって変調され、変調振幅は、血液飽和度の情報を含む。既知のリモートＰＰＧシステムでは、ＳｐＯ２は、異なる別個の波長において、（動脈内の拍動性血液によって生じる）このＰＰＧ振幅を測定することにより計算される。２つの波長の（ＤＣ正規化された）ＰＰＧ振幅間の比は、ＳｐＯ２の計算のための以下の方程式１を与える：

ここで、

である。

図２は、波長に対するＳｐＯ２の様々な値についてのＰＰＧ振幅を示す対応図である。

上記の方程式の定数Ｃ１及びＣ２は、較正パラメータ（又は較正定数）と呼ばれ、現在ＳｐＯ２測定で較正に関して直面している最大の問題を構成している。較正は、不正確なＳｐＯ２測定につながる人間間（インターパーソン：inter-person）及び人間内（イントラパーソン：intra-person）較正を指し、複数の要因に起因して誤差が生じる可能性がある。これらの原因のうちの１つは、正反射率、すなわち皮膚表面の光の鏡面反射率（mirror like reflectance）であることがわかっており、接触センサベースの測定とは異なるカメラＳｐＯ２測定を行う。

拍動は、皮膚に浸透しており、かつ拡散的に反射される光の分画のみにおいて起こる。カメラ２０に到達する鏡面的に反射された光は、動脈血の拍動性に起因していずれの光変調の含まず、したがって、全反射光の相対的な拍動性における低下を生じる。したがって、皮膚からの全反射光内の正反射光の分画に依存してＳｐＯ２測定における誤差が生じることになる。正反射率は、カメラ、被検体及び照明源の間の角度に依存し、図３に図示されるように、等しく全ての波長にまたがる、ＤＣ反射率の等しいが未知の量（equal but unknown amount of DC reflectance）に加えて、加法的特性（additive property）である。図３は、拡散及び正反射率（diffuse and specular reflectance）の曲線Ｋ１と、拡散反射率（diffuse reflectance）のみの曲線Ｋ２を示しており、双方の曲線が光の波長に対して示されている。

正反射率の効果を、以下の表に示されるような簡単な計算で示すことができる。

カメラで見られる加法的正反射率は、いずれの変調光も含まないので、波長についてのＡＣコンポーネントは一定のままである。これは、若干異なるＳｐＯ２、したがって、異なる較正定数につながる複比（double ratio）における全体的な変化を生じる。この効果は、２つの波長についての反射率の間の相対的な差分に基づいて拡大されることになる。分母（すなわち、ＩＲ光の波長について）に対する分子（すなわち、赤色光の波長について）のより高い反射率は、より低いＳｐＯ２（したがって、補償するためにより高いＣ１）につながり、その反対もそうである。

赤色及び赤外波長の範囲における皮膚の拡散反射率が同一であるとすると、分子及び分母に対する正反射率の効果は同一となり、正反射の効果は消失する。しかしながら、４つの異なる対象についての反射率測定を示す図表を示す図４に図示されるように、反射は、波長間で、特に黒い皮膚トーンの被検体の間で非常に大きく異なる可能性がある。したがって、一定の正反射であるとしても、被検体の皮膚トーンに強く依存する較正につながるであろう。特に、非常に黒い肌の被検体は、赤外に比べて赤色について非常に強い吸収力を有する可能性がある。

この影響を低減又は取り除く１つの解決策は、交差編波（cross-polarization）の使用である。偏光子が照明源及びカメラに取り付けられ、全ての正反射される光がブロックされて離れた所に行く（blocked away）ように方向付けられる。これは一般的解決策であるとしても、この解決策の低い実用性に１つの主要な問題がある。まず第一に、偏光されていない環境光をシーンから取り除かなければならない。さらに、現在使用されているような大きな照明源は、高い品質の大きな偏光シートを要する。さらに、そのような大きな照明源は、正反射率の完全な除去のために必要な条件である、偏光面が、カメラ−被検体のソースジオメトリに対して垂直になることを許容しない。これは、次いで、あまり実用的ではない可能性がある異なる照明源の使用を必要とする。

したがって、本発明は、実質的に、被検体の記録済みの皮膚のトーンに較正を適合させる。この適合は、正反射により、較正が、異なる皮膚トーンを有する被検体について異なるものになるという、上述の認識に基づく。

本発明に係る対応するデバイス１０の実施形態が図５に概略的に図示されている。デバイス１０は、放射信号による皮膚領域の照射に応答して被検体の皮膚領域から反射される検出信号を受け取るための入力ユニット１１と、上記検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するための信号抽出ユニット１２と、ＰＰＧ信号に基づいて被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するための処理ユニット１３を備え、上記計算は、被検体の皮膚のトーンに適合される。

入力ユニット１１によって受け取られる検出信号は、好ましくは、カメラ（更には図示せず）のような、被検体の少なくとも皮膚領域の画像を検出信号として取得するための撮像ユニットによって取得される。

画像フレームのセットによって提供されるような、検出信号からＰＰＧ信号を抽出するための「信号抽出ユニット」は、特にアナログ又はデジタルの信号プロセッサに対応してよい。ＰＰＧ信号は、特に、画像フレームの時系列に基づいて決定される光の強度における変動を表す信号に対応してよい。そのようなＰＰＧ信号は、心拍数、呼吸数又は血中酸素飽和のような被検体のバイタルサインを表すことができる。信号抽出ユニットは特に、複数の画像ピクセルに基づいて、かつ／又は検出信号内に備えられる一連の時間連続型の画像フレーム（time-consecutive image frames）に基づいて、ＰＰＧ信号を抽出することができる。撮像ユニットからのＰＰＧ信号の抽出は、バイタルサインモニタリング及びリモートＰＰＧの分野において広く知られている。

「処理ユニット」又は「プロセッサ」は、本明細書で使用されるとき、処理のためのコンポーネントを包含し、例えば信号又はデータに応答して処理するコンポーネント及び／又は自動的に処理するコンポーネントを包含する。処理ユニットは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能デジタル信号プロセッサ、集積回路、コンピュータソフトウェア、コンピュータハードウェア、電子回路、特定用途向け集積回路、プログラム可能論理デバイス、プログラム可能ゲートアレイ、プログラム可能アレイロジック、パーソナルコンピュータ、チップ、並びに別個のアナログ、デジタル又はプログラム可能なコンポーネントの任意の他の組合せ、あるいは処理機能を提供する能力を有する他のデバイスを包含するように理解されるべきである。

好ましくは、画像取得のために、ホワイトバランス調整されたカメラが使用され、その結果、代替的に、２つの波長における相対的な反射を知ることができ、被検体の皮膚反射率の別個の測定も可能である。そのような設定では、上記で示したようにＳｐＯ２を計算するための複数の比のうちのある比（ratio-of ratios）におけるＤＣ項（DC-terms）から正反射を取り除こうとすることが可能である。正反射の正確な値を知ることはできないが、（測定に先立ってカメラのホワイトバランシングを実行した後）赤外波長範囲内の反射が皮膚のトーンにあまり依存していないと仮定する場合、非常に合理的推測（very reasonable guess）が可能であることがわかる。

図３を参照すると、赤外波長での皮膚の反射率は、被検体の皮膚トーンに関わらず約50%であるという（平均的な合理的）仮定がなされる。さらに、（例えば偏光子を伴う及び偏光子を伴わない測定に基づいて）相対的な正反射Ｓの合理的な推定値は約５％であり、あるいはその結果として合計の赤外皮膚反射の約１０％である。画像取得に使用されるカメラはホワイトバランス調整されていることがわかると、その結果として、赤色及び赤外波長範囲のＤＣレベルを、等しい量（equal amounts）の正反射（例えばＳ＝１０；一般に、Ｓは５〜１５の範囲内である）を双方のチャネルのＤＣレベルから減算することにより補正することができる。

仮定が妥当である場合、正規化に対する正反射の影響をほぼ取り除くことができ、これらがビットオフ（bit off）である場合、ＳｐＯ２測定に対する正反射の影響もまた大きく低減することができる。

本発明のこの実施形態により提案される、修正されたＳｐＯ２方程式は次のとおりである：

ここで、ＤＣは、画像データから実際に測定されたＤＣ値であり、ＤＣ’は、正反射率なしのＤＣ値である。正反射の仮定では、
DC’_IR->(1−S).DC_IR かつ DC’_R-> DC’_R−S.DC_IR であり、これは、以下を保持する：

方程式（２）の形を得るように、乗算及びDC_IR/DC_Rによる割り算をする

ここで、方程式（１）の較正定数Ｃ２は以下に適合される：

しかしながら、被検体の皮膚トーンに方程式を適合させるため代替形態が存在することに留意されたい。１つの代替形態では、別のデバイス／センサにより、例えばメラニン指数を提供する皮膚トーン分析器により、被検体の皮膚トーンを測定する可能性がある。その後、このメラニン指数を使用して、ルックアップテーブル又は他の機能（function）を用いてＳｐＯ２を適合させることができる。

さらに、本発明の使用により、カメラから取得可能な皮膚のＤＣ反射を使用して、あるいは別個のセンサを使用して、同様の方法により、他の濃度を補正することができる。この場合、基本方程式（１）が異なっていてもよく、他の波長を使用することも有利である。例えばビリルビンを決定するために、約４７５ｎｍの波長の可視光（青色光）を使用することが有益である可能性がある。

上記の仮定は、対応するテスト測定により証明されている。これらの測定は、（ＰＰＧ信号が導出される皮膚領域を照明するために使用される）光源の照明が、２つのフォトダイオード（それぞれ赤色及び赤外を感知する）のセット又は分光光度計のような測定デバイスを用いて別個に測定される場合、カメラのホワイトバランス調整を本質的に取り除くことができることも示している。さらに、赤色及び赤外チャネルの相対的なゲイン（gain）が変更されず、光源のスペクトルが同じままである限り、カメラをホワイトバランス調整することなく補償することも可能であることがわかった。

本発明の主な用途は、正反射の存在及び／又はＮＩＣＵ及び一般病棟の患者モニタリングの用途についての動きにロバストな非接触型ＳｐＯ２の測定である。本発明は、接触型バイタルサインセンサ及びリモート（カメラベースの）ＰＰＧシステムに等しく適用可能であり、また、被検体の血液内のＣＯ２、ＣＯ又はビリルビンといった他の物質の濃度を決定するためにも使用することができる。

本発明は、図面及び上記の説明において詳細に図示され、説明されているが、そのような図示及び説明は、限定ではなく例又は実施例と考えられるべきであり、本発明は、開示される実施形態に限定されない。当業者が特許請求に係る発明を実施する際に、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲の教示から、開示される実施形態に対する他の変形が理解され、達成にされる可能性がある。

請求項において、「具備する（comprising）」という言葉は他の要素又はステップを除外せず；「a」、「an」という不定冠詞は複数を除外しない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される幾つかのアイテムの機能を満たすことがある。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用することができないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、光記憶媒体や半導体媒体のように、ハードウェアとともに又はその一部として共有される適切な非一時的媒体に格納／分散されてよいが、インターネットや他の有線又は無線の電気通信システム等を介するような他の形式で分散されてもよい。

請求項内のいずれの参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

本発明の第１の側面では、被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのデバイスが提示される。当該デバイスは、
放射信号（radiation signal）による被検体の皮膚領域の照射に応答して、皮膚領域から反射される検出信号を受け取るための入力ユニットと、
検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を抽出するための信号抽出ユニットと、
被検体の皮膚を示す皮膚トーン情報を取得し、ＰＰＧ信号に基づいて被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するための処理ユニットであって前記取得した皮膚トーン情報に基づいて前記被検体の皮膚トーン（skin tone）に対して前記計算を適合させるように更に構成される処理ユニット、を具備する。

Claims (15)

1. 被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのデバイスであって：
   放射信号による前記被検体の皮膚領域の照射に応答して前記皮膚領域から反射される検出信号を受け取るための入力ユニットと；
   前記検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するための信号抽出ユニットと；
   前記ＰＰＧ信号に基づいて前記被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するための処理ユニットであって、前記の計算が前記被検体の皮膚トーンに対して適合される、処理ユニットと；
   を具備する、デバイス。
2. 前記処理ユニットは、前記計算を前記２つの異なる波長で前記皮膚領域からの放射線の相対的な平均反射に対して適合させるように構成される、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記処理ユニットは、前記濃度の前記計算のために、第１の波長における第１の正規化された拍動性と、第２の波長における第２の正規化された拍動性の比を形成するように構成され、前記第１及び／又は第２の正規化された拍動性の分母は、補正因子によって補正される、
   請求項１に記載のデバイス。
4. 前記処理ユニットは、前記第１の正規化された拍動性の分母を補正するために使用される補正因子として、前記第２の波長の前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するか、かつ／又は前記第２の正規化された拍動性の分母を補正するために使用される補正因子として、前記第１の波長の前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するように構成される、
   請求項３に記載のデバイス。
5. 前記処理ユニットは、赤色スペクトルの波長における前記第１の正規化された拍動性の前記分母を補正するための補正因子として、赤外スぺクトルの波長における前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルの分画を使用するように構成される、
   請求項３に記載のデバイス。
6. 前記処理ユニットは、補正因子として、赤外スぺクトルの波長における前記ＰＰＧ信号の前記ＤＣレベルのうちの５％〜１５％の範囲、特に１０％の範囲内の分画を使用するように構成される、
   請求項３に記載のデバイス。
7. 前記処理ユニットは、
   

   

   によって、前記ＰＰＧ信号から動脈血酸素濃度を計算するように構成され、
   ここで、AC_R/DC_Rは、赤色スペクトルの波長における、正規化された拍動性であり、
   AC_IR/DC_IRは、赤外スペクトルの波長における前記正規化された拍動性であり、
   DC_Rは、赤色スペクトルの波長における前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルであり、
   DC_IRは、赤外スペクトルの波長における前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルであり、
   C₁及びC₂は、所定の較正定数であり、
   Sは、前記ＰＰＧ信号のＤＣレベルに含まれる相対的な正反射の推定値である、
   請求項１に記載のデバイス。
8. 前記処理ユニットは、Sについて、前記の５％から１５％、特に１０％の範囲内の値を使用するように構成される、
   請求項７に記載のデバイス。
9. 前記信号抽出ユニットは、赤色スペクトルの波長で第１のＰＰＧ信号を、赤外スペクトルの波長で第２のＰＰＧ信号を抽出するように構成される、
   請求項１に記載のデバイス。
10. 前記信号抽出ユニットは、５５０〜７８０ｎｍの範囲内の第１の波長で第１のＰＰＧ信号を抽出し、７８０〜１０００ｎｍの範囲内の第２の波長で第２のＰＰＧ信号を抽出するように構成される、
    請求項９に記載のデバイス。
11. 前記検出信号は、撮像ユニット、特にホワイトバランス調整された撮像ユニットによって取得される前記被検体の少なくとも前記皮膚領域の画像である、
    請求項１に記載のデバイス。
12. 被検体の血液内の物質の濃度を決定するためのシステムであって：
    放射信号による前記被検体の皮膚領域の照射に応答して、前記皮膚領域から反射される検出信号を検出するための放射線検出ユニットと；
    前記検出信号から前記被検体の血液内の物質の濃度を決定するための請求項１に記載のデバイスと；
    を具備するシステム。
13. 前記放射線検出ユニットは、検出信号として前記被検体の少なくとも前記皮膚領域の画像を取得するための撮像ユニット、特にホワイトバランス調整された撮像ユニットを備える、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 被検体の血液内の物質の濃度を決定するための方法であって：
    放射信号による前記被検体の皮膚領域の照射に応答して前記皮膚領域から反射される検出信号を受け取るステップと；
    前記検出信号から、２つの異なる波長で少なくとも２つのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号を抽出するステップと；
    前記ＰＰＧ信号に基づいて前記被検体の血液内の所望の物質の濃度を計算するステップであって、該計算が前記被検体の皮膚のトーンに対して適合される、ステップと；
    を具備する方法。
15. コンピュータ上で実行されると、該コンピュータに請求項１４に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を備えるコンピュータプログラム。

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