JP5607358B2 - 組織酸素化の測定 - Google Patents
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Description
本発明は、組織における酸素飽和のような特性の測定に関する。
組織酸素飽和(SO2)は、赤血球中の酸素含量の尺度を提供する。組織内のSO2の測定値を使用し、例えば損なわれた血管血流を招く敗血症および糖尿病などのある種の病態から生じる微小血管循環および組織細胞への酸素供給を評価することができる。組織SO2測定値は、運動生理においても使用することができ、ここでは運動期間中の酸素要求と供給との間のミスマッチを使用し、対象の生理的状態の程度を決定することができる。
赤外分光測定により組織酸素飽和(SO2)および酸素分圧のような他の量を決定するためのシステムおよび方法を、本明細書で開示する。このシステムおよび方法は、少なくとも一部は、組織による光減衰に関する方程式に基づく組織内の酸素飽和を算出するためのアプローチに基づき、この方程式は、組織の成分による光吸収および散乱に対応する項を含む。光減衰方程式のひとつの形は、測定された光減衰スペクトルの級数展開(例えばテーラー級数展開)およびベールの法則に基づき、かつ組織内に存在する酸素化されたヘム(ヘモグロビンおよびミオグロビン)、酸素化されないヘム、水、および他の発色団による吸収と、組織内の散乱と、実験条件から生じる定数因子とに対応する光減衰項を含む。これらの寄与は、組織内の酸素化されたヘムおよび酸素化されないヘムの濃度を生じる二段階数値フィッティング(numerical fitting)手順により、定量的に決定することができる。その後組織酸素飽和を、酸素化されたヘムおよび酸素化されないヘムの濃度から決定することができる。他の量も、SO2の測定から決定することができる。例えば酸素分圧(PO2)は、PO2をSO2へ関連付ける数式から決定することができる。
[請求項101]
入射放射を標的組織へ方向付け、かつ複数の放射波長で標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルの測定された強度を補正する工程;
該補正された反射スペクトルに基づき標的組織における酸素飽和を決定する工程;ならびに
酸素飽和の決定された値を出力する工程
を含む、標的組織における酸素飽和を算出するための方法。
[請求項102]
酸素飽和を決定する工程が、補正された反射スペクトルからの光減衰スペクトルの決定、ならびに光減衰スペクトルから導かれる標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度に基づく酸素飽和の算出を含み、ヘムが、標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含む、請求項101記載の方法。
[請求項103]
酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度が、光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式にフィッティングすることにより、光減衰スペクトルから導かれる、請求項102記載の方法。
[請求項104]
光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射光吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式を含む、請求項103記載の方法。
[請求項105]
光減衰方程式が、ベールの法則の吸収項に対応する複数の項における光減衰の級数展開を含む、請求項104記載の方法。
[請求項106]
光減衰の級数展開が、光減衰のテーラー級数展開を含む、請求項105記載の方法。
[請求項107]
光減衰方程式が、入射光の波長と共に線形に変動する項を含み、該項が関数形式aλを有し、式中aが定数でありかつλが入射光の波長である、請求項103記載の方法。
[請求項108]
光減衰方程式が、入射光の波長から独立した定数項を含む、請求項103記載の方法。
[請求項109]
光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含む、請求項103記載の方法。
[請求項110]
光減衰スペクトルとモデルから決定された光減衰値との間の平方差の和を最小化することにより、光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、請求項109記載の方法。
[請求項111]
フィッティングが、プロセッサにより自動的に実行される、請求項103記載の方法。
[請求項112]
aが0未満または0と等しい値のみをとるように、フィッティング時に、aの値が制約される、請求項107記載の方法。
[請求項113]
光減衰方程式が、光減衰方程式から決定された光減衰値と光減衰スペクトルとの間の差から導かれるベースライン関数をさらに含む、請求項104記載の方法。
[請求項114]
光減衰方程式が、標的組織の散乱係数と正比例しかつ標的組織の吸収係数と反比例して変動する示差路程因数(differential path length factor)をさらに含む、請求項104記載の方法。
[請求項115]
光減衰方程式が、標的組織における入射光の放射拡散モデルから導かれる拡散反射方程式を含む、請求項103記載の方法。
[請求項116]
反射放射の強度の測定が、
第一の線源-検出器間隔に対応する標的組織からの反射放射を、光源から検出器までの第一の光路に沿って測定する工程;ならびに
第一の線源-検出器間隔とは異なる第二の線源-検出器間隔に対応する標的組織からの反射放射を、光源から検出器までの第二の光路に沿って測定する工程
を含む、請求項101記載の方法。
[請求項117]
第一の線源-検出器間隔で測定された反射放射が、標的組織からおよび光源と標的組織との間に配置された組織層からの寄与の第一の重み付けを含み、かつ第二の線源-検出器間隔で測定された反射放射が、第一の重み付けとは異なる、標的組織からおよび光源と標的組織との間に配置された組織層からの寄与の第二の重み付けを含む、請求項116記載の方法。
[請求項118]
光源と標的組織との間に配置された組織層が、皮膚層および脂肪層である、請求項117記載の方法。
[請求項119]
反射スペクトルの測定された強度を補正する工程が、第一の線源-検出器間隔で測定された反射放射に基づき、第二の線源-検出器間隔で測定された反射放射への皮膚層および脂肪層からの寄与を低減することを含む、請求項118記載の方法。
[請求項120]
標的組織内の酸素飽和に基づき標的組織内の酸素分圧を決定する工程をさらに含む、請求項101記載の方法。
[請求項121]
患者の標的組織内の総ヘモグロビンの測定値に基づき、患者の血管収縮レベルを評価する工程をさらに含む方法であって、総ヘモグロビンが、標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度に基づき決定される、請求項102記載の方法。
[請求項122]
標的組織が、ヒトの内部にある、請求項101記載の方法。
[請求項123]
標的組織が、動物の内部にある、請求項101記載の方法。
[請求項124]
複数の波長が、少なくとも100種またはそれよりも多い波長を含む、請求項101記載の方法。
[請求項125]
複数の波長が、700nm〜1000nmの波長を含む、請求項101記載の方法。
[請求項126]
複数の波長が、725nm〜880nmの波長を含む、請求項122記載の方法。
[請求項127]
標的組織が、筋肉組織である、請求項101記載の方法。
[請求項128]
入射放射を患者の標的組織へ方向付け、かつ複数の波長で、標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルの測定された強度を補正する工程;
該補正された反射スペクトルに基づき、標的組織における総ヘム濃度を決定する工程;
総ヘム濃度に基づき患者の血液量を評価する工程;ならびに
評価された血液量を出力する工程
を含む、患者の血液量をモニタリングする方法。
[請求項129]
評価された血液量に基づき、患者の出血、敗血症、心疾患、および糖尿病の少なくとも1つの進行段階を評価する工程をさらに含む、請求項128記載の方法。
[請求項130]
入射放射を標的組織へ方向付け、かつ複数の放射波長で標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
該反射スペクトルから標的組織の光減衰スペクトルを決定し、かつ該光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式へフィッティングする工程;ならびに
該光減衰スペクトルのフィッティングに基づき、標的組織内の酸素飽和を決定する工程
を含む、標的組織内の酸素飽和を算出するための方法であって、
光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含む、方法。
[請求項131]
モデルが、関数形式aλを有する項を含み、a値が、フィッティング時に、0未満または0と等しいように制約される、請求項130記載の方法。
[請求項132]
入射放射を標的組織へ方向付けるように構成された光源と、
検出器と、
検出器へ連結され、かつ
標的組織の反射スペクトルを決定し、
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルを補正し、かつ
該補正された反射スペクトルに基づき、標的組織における酸素飽和を決定するように構成された、プロセッサと
を備える、システム。
[請求項133]
複数の放射波長で標的組織からの反射放射の強度を測定するように検出器を方向付けることにより、プロセッサが標的組織の反射スペクトルを決定するように構成される、請求項132記載のシステム。
[請求項134]
補正された反射スペクトルから光減衰スペクトルを算出すること、および光減衰スペクトルから導かれる標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度に基づき酸素飽和を算出することにより、プロセッサが酸素飽和を決定するように構成され、ヘムが標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含む、請求項132記載のシステム。
[請求項135]
光源と検出器との間にあり、かつ光源と検出器との間の第一の距離に対応する、第一の放射経路;ならびに、
光源と検出器との間にあり、かつ第一の距離とは異なる光源と検出器との間の第二の距離に対応する、第二の放射経路
をさらに備えるシステムであって、
光源からの入射放射が、第一および第二の放射経路の各々に沿って標的組織へ方向付けられ、かつ標的組織からの反射放射が、第一および第二の放射経路の各々に沿って検出器へ方向付けられる、請求項132記載のシステム。
[請求項136]
第一および第二の光路の各々に沿って反射スペクトルを測定すること、および補正された反射スペクトルを生成するために該反射スペクトルを組み合わせることにより、測定された反射スペクトルへの皮膚層および脂肪層からの寄与を低減するように、プロセッサが構成される、請求項135記載のシステム。
[請求項137]
第一および第二の放射経路が各々、光ファイバーを含む、請求項135記載のシステム。
[請求項138]
光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式にフィッティングすることにより、標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度を導くように、プロセッサが構成される、請求項134記載のシステム。
[請求項139]
モデル光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射放射の吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式を含む、請求項138記載のシステム。
[請求項140]
プロセッサが、酸素飽和から標的組織内の酸素分圧を決定するようにさらに構成される、請求項132記載のシステム。
[請求項141]
プロセッサが、標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度から、標的組織内の総ヘム濃度を決定するようにさらに構成される、請求項134記載のシステム。
[請求項142]
プロセッサが、総ヘム濃度に基づき、標的組織内の血液量を評価するようにさらに構成される、請求項141記載のシステム。
標的組織(例えば、ヒトまたは動物の組織)の赤外線反射スペクトルからの組織酸素飽和の測定値および酸素分圧のような他の生理的量を得るための方法およびシステムを、本明細書において開示する。これらの量の値は、組織吸収および散乱を説明する光減衰モデルの解析により導かれる。標的組織の反射スペクトルが最初に好適に構成された分光計システムにより測定され、次にこのスペクトルが、例えば、分光計システムに連結されたプロセッサにより解析される。
様々な測定システムを使用し、電磁スペクトルの赤外域の入射光の標的組織による減衰を測定することができる。図1は、そのような測定システムのひとつの態様の概略図を示している。測定システム10は、光源12、プローブヘッド14、検出器16、プロセッサ18、およびディスプレイ19を備える。光源12は、光路20へ連結されており、かつ光源12からプローブヘッド14まで光路20に沿って伝播する放射を提供する。この放射は、光路20から出現し、プローブヘッド14に隣接する標的組織30の表面32に入射する。この入射放射の一部は、標的組織30により反射され、光路22に侵入する。この反射放射は、光路22に沿って検出器16まで伝播する。検出器16は、波長の関数として、反射放射の強度を測定するように、構成されている。例えば独立型プロセッサまたは外部コンピュータシステムの一部のようなプロセッサ18は、通信回路24を介して、検出器16へ連結されており、検出器16へ構成シグナルを提供する。加えてプロセッサ18は、通信回路25を介して、検出器16により記録されたスペクトルの反射強度データを受け取るように構成されている。プロセッサ18は、スペクトルの反射データを、例えば標的組織30による入射放射の波長依存型減衰を測定する光減衰データに変換するように、構成することもできる。図1に示したように、プロセッサ18は、ディスプレイ19とは電気通信内にある。スペクトルの反射データ、波長依存型光減衰データ、および/または他のデータもしくは測定されたデータから決定された生理的量は、プロセッサ18からディスプレイ19へ出力することができる。代替としてまたは加えて、測定されたおよび/または算出されたデータは、プロセッサ18から、さらなる処理のために別のプロセッサ(図示せず)へ、保存媒体へ、または別の装置(例えば、コンピュータおよび/または無線通信装置)へ出力することができる。
組織酸素測定法において、赤外線放射を使用し、血液中のヘム成分を測定することができる。電磁スペクトルの可視部分の放射線も、血液ヘムにより吸収されるが、赤外光は典型的には、組織へより深く透過し、光散乱の作用は典型的には、赤外波長でのほうが、可視波長でよりもより小さい。筋肉細胞において、例えばミオグロビンおよびヘモグロビンは、各々入射放射経路に存在し、各々赤外線放射を吸収する。小さい血管(例えば、細動脈、毛細管、および小静脈)において、赤外線吸収の変化は、主に酸素化されたヘムおよび酸素化されないヘムの濃度の変化を反映している。結果的に組織酸素飽和(SO2)は、下記式により規定され:
式中、c(HbO2+MbO2)は、組織内の酸素化されたヘムの総濃度(Hb=ヘモグロビン、Mb=ミオグロビン)であり、かつc(Hb+Mb)は、組織内の脱酸素化されたヘムの総濃度である。合計cHb+Mb+cHbO2+MbO2は、組織内ヘムの総濃度である。ヘモグロビンおよびミオグロビンは、スペクトルの赤外域の大部分に同様の吸収プロファイルを有し、本明細書において開示する赤外線反射測定技術は、ヘモグロビンおよびミオグロビンの両方に感度がある。
式中、I0(λ)は、入射光強度(例えば、光源強度)であり、I(λ)は組織からの反射光強度であり、λは光波長であり、c0およびc1は定数であり、<L>は組織を通る反射光の平均経路長であり、εHb(λ)は脱酸素化されたヘモグロビンに関する波長依存型吸光係数であり、εHbO2(λ)は酸素化されたヘモグロビンに関する波長依存型吸光係数であり、cwatは組織内の水の濃度であり、かつεwat(λ)は水の波長依存型吸光係数である。ヘモグロビンおよびミオグロビンは、スペクトルの赤外域における類似した吸光係数を有し、そのため酸素化されたおよび脱酸素化されたヘモグロビンの吸光係数は、式(2)におけるミオグロビン吸収のモデルにも使用される。式(2)の様々なパラメータ値の決定は、以下にさらに詳細に論ずる。
式中、光減衰スペクトル(および算出された理論的光減衰値)は、λminとλmaxとの間の一連の波長λiで測定される。Aモデル(λ)のある調節可能なパラメータの値を得るために、χ2値は最小化される。例えば式(2)により与えられたモデルが選択される場合、パラメータc0、c1、cHb+Mb、cHbO2+MbO2、cwat、および<L>の値を得るために、関数χ2は最小化される。
μs'=a+bλ (5)
式中、aおよびbは定数であり、但しb<0である。典型的には、酸素化されたヘモグロビンに起因する測定された光減衰スペクトルの部分は、スペクトルの赤外域に正の勾配を有する。従って式(2)によりもたらされたモデルが選択される場合、パラメータc1は、c1 <0であるようにフィッティング時に制約され得る。この制約条件は、酸素化されたヘムからの光減衰スペクトルへの寄与、散乱、および比較的滑らかなバックグラウンドの間のクロストークを排除することにより、改善されたパラメータ値の決定を可能にする。
フローチャート100において任意である工程110において、標的組織内の酸素分圧は、工程108において決定された酸素飽和の値から算出される。酸素分圧は、様々なアルゴリズムを使用し、酸素飽和から算出することができる。例えば、酸素分圧は、Severinghaus, J.W.の論文「Simple, accurate equations for human blood O2 dissociation computations」 J. Appl. Physiol.: Respirat. Environ. Exercise Physiol., 46:599-602(1979)に説明された、下記の関係を用い、算出することができる:
式(6)は、フローチャート100の工程110における標準の生理的条件下での酸素飽和からの酸素分圧の正攻法的算出を可能にする。
本明細書に開示するシステムおよび方法により測定される酸素飽和および/または酸素分圧は、患者における毛細血管収縮の感度の良い診断インジケーターを提供する。出血および内出血の過程の初期に、筋肉組織内の毛細管は、血液が最も必要とされる心臓および脳へと血液を方向付けるために血管収縮する。血管収縮は、相対的正常レベルでの血圧の維持も補助し、結果的に、血圧は典型的に、出血性ショックの遅い段階のインジケーターのみを提供する。
式中、p(単位ohm-cm)は、血液抵抗であり(典型的には約135ohm-cm)、f(単位cm)は、2本の内部ピックアップ電極の間の平均距離であり、Z0(単位ohm)は、平均ベースライン胸郭インピーダンスであり、LVET(単位秒)は、左心室駆出時間であり、および(dZ/dt)minは、測定された胸郭インピーダンスの高さ 対 ゼロラインからの時間ピーク(例えばZ-点)である。心拍出量(Q)は、心拍数(HR)およびSVの積として算出し、TPRは、動脈圧の平均値をQで除算することにより概算した。
本明細書に開示する方程式およびアルゴリズムは、ハードウェアまたはソフトウェアにおいて、または両方の組み合わせにおいてインプリメントすることができる。本明細書に開示する方法工程および図面は、標準のプログラミング技術を用い、コンピュータプログラムにおいてインプリメントすることができる。これらのプログラムは、プログラム可能なプロセッサ(例えばプロセッサ18)またはコンピュータ、例えばマイクロコンピュータ上で実行するようにデザインすることができ、各々少なくとも1個のプロセッサ、少なくとも1個のデータ保存システム(揮発性メモリーおよび非揮発性メモリーおよび/または保存要素を含む)、キーボードまたは押しボタンアレイなどの少なくとも1個の入力装置、ならびにCRT、LCD、またはプリンタなどの少なくとも1個の出力装置を備える。プログラムコードは、入力データに適用され、本明細書で説明する関数を実行する。出力情報は、プリンタ、またはCRTもしくは他のモニター、または例えば遠隔モニタリングのためのウェブサイトにアクセスしているコンピュータモニター上のウェブページなどの、1つまたは複数の出力装置に適用される。
本発明を下記実施例でさらに説明するが、これらは特許請求の範囲で説明する本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
本明細書において開示するシステムおよび方法の精度を評価するために、シミュレートされた組織減衰スペクトルを、標的組織における4種の異なる光散乱条件について算出し、図3の方法工程を、これらの4種の光散乱条件の各々からのデータに適用し、酸素飽和値を決定した。4種の光散乱条件は、4種の異なる関心対象の標的組織に対応している。各標的組織について、シミュレーションされた光減衰スペクトルは、8種の異なる理論的SO2値の各々について算出した:0%、10%、20%、40%、50%、60%、80%、および100%。
Aexp(λ)=ln(10)・L・[cHbεHb+cHbO2εHbO2+cwatεwat] (8)
式中、Lは、標的組織を通り減衰された光の経路長であり、cHb、cHbO2、およびcwatは、各々標的組織内の脱酸素化されたヘモグロビン、酸素化されたヘモグロビン、および水の濃度であり、かつεHb(λ)、εHbO2(λ)、およびεwat(λ)は、脱酸素化されたヘモグロビン、酸素化されたヘモグロビン、および水の吸光係数であり、これらのパラメータの波長λ値の関数は、非散乱の吸収する標的組織についての光減衰スペクトルを生成するように選択された。
式中、量σ(λ)は、下記式に従い算出される。
式中、Nは光減衰スペクトルの数であり、かつ
およびyiは、各々SO2の理論値および実験的に決定された値である。比較的大きいR2値(例えば1(unity)に近づく値)および比較的小さいRMSEP値は、実験的に決定されたSO2値は正確である(例えば理論的SO2値に密に合致する)ことを示している。
ヒト患者における出血性ショックの早期段階をシミュレーションするために、5名のヒト被験対象において下半身陰圧(LBNP)を漸増することを含む試験プロトコールを実施した。LBNPプロトコールは、5分間のベースライン期間、それに続く5分間間隔の-15、-30、-45および-60mmHgへのチャンバー減圧、それに続く心臓血管系虚脱の開始または-100mmHgで5分間の完了のいずれかまでの、5分毎の-10mmHgの追加増分からなった。短-距離および長-距離の光源-検出器間隔の両方の光ファイバーセンサーを使用し、赤外線反射スペクトルを、プロトコールの期間中連続して記録した。このセンサーは、前腕の深指屈筋上に配置した。
本明細書に開示するシステムおよび方法は、標的組織内のSO2およびPO2のような他の生理学的量を決定するために、他の光減衰モデル(例えば、式(2)以外のモデル)を使用することができる。3種の異なる代替モデルを考察する:その他のモデルも可能である。以下の代替モデルは、これらのモデルの各々に対し、式(8)〜(13)から生成された理論的光減衰スペクトルのセットをフィッティングし、4種の異なる標的組織(例えば、非散乱組織、前腕組織、ふくらはぎ組織、および無傷の頭部組織)に対応し、かつ各モデルを使用し各標的組織に関して決定されたSO2値に関する決定係数およびRMSEP値を算出することにより、精度に関して調べた。
前述のように、測定された光減衰スペクトルは、式(2)により示されたモデルにフィッティングすることができる。このフィッティング手順後、パラメータc0、c1、<L>、cHb+Mb、cHbO2+MbO2、およびcwatの値が得られる。これらのパラメータの値を用い、波長依存型ベースラインスペクトルを、これらのパラメータのフィッティングされた値で式(2)により示されたモデルと、測定された光減衰スペクトルとの間の差から算出する。このベースラインスペクトルは、下記式に従い算出することができ:
式中、
は、ベストフィッティングパラメータ値で式(2)により示された光減衰モデル関数である。
式(16)に示すモデルにおいて、c2は、別のフィッティングパラメータと共に変動するスケール因子である。測定された光減衰スペクトルに対する式(16)のフィッティングにより得られるcHb+MbおよびcHbO2+MbO2の改良値(refined value)から、SO2およびPO2の値が算出される。
このモデルにおいて、吸収によるおよび散乱による光減衰は、類似した関数形式を有する。このモデル式は、以下であり:
Aモデル(λ)=[μa(λ)+μs(λ)]・d・dpf(λ)
=[μa(λ)+c1・μs'(λ)]・d・dpf(λ) (17)
式中、μa(λ)およびμs(λ)は、各々、標的組織の波長依存型の吸収係数および散乱係数であり、c1は定数であり、dは光源-検出器距離であり、かつdpf(λ)は組織に関する示差路程因数である。散乱係数μs(λ)は、μs'(λ)=(1-g) μs(λ)に従い、低下した散乱係数μs'(λ)に関連しており、式中、gは、散乱角の平均余弦に対応する異方性因子である。
Aモデル(λ)=[μa(λ)+μs(λ)]・L・dpf(λ)+c0
=[μa(λ)+c1・μs'(λ)]・L・dpf(λ)+c0 (18)
式(18)において、吸収係数μa(λ)は、下記式(19)に従う、標的組織内の吸収成分の濃度に関連している。
μa(λ)=cHb+MbεHb(λ)+cHbO2+MbO2εHbO2(λ)+cwatεwat(λ) (19)
μs'(λ)=c2+c3λ (20)
フィッティング手順の間に、c3<0であるように制約条件が、c3へ課せられる。
拡散理論に基づくモデルも、本明細書において開示するシステムおよび方法において使用することができる。拡散理論に従い、約2cmよりも大きい光源-検出器の間隔dで半無限散乱媒体から放出された連続波光放射の拡散反射R(d,λ)は、下記式で与えられ:
式中、Cは、dと無関係の定数であり、および内部正反射パラメータに関連している。C値は、標的組織および周囲の媒体の屈折率に左右される。μeff(λ)の値は、下記式に従い算出される。
Claims (25)
- 入射放射を標的組織へ方向付け、かつ波長が700nm〜1000nmである複数の放射波長で標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルの測定された強度を補正する工程であって、第一の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第一の重みを含む標的組織からの第一の反射スペクトルを測定し、かつ第二の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第二の重みであって、前記第一の重みとは異なる前記第二の重みを含む標的組織からの第二の反射スペクトルを測定する段階;ならびに前記第一の反射スペクトルの測定された強度を、前記第二の反射スペクトルの測定された強度に基づいて補正する段階を含む、工程;
該補正された反射スペクトルに基づき標的組織における酸素飽和を決定する工程であって、補正された反射スペクトルからの光減衰スペクトルの決定段階、ならびに該光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式にフィッティングすることにより該光減衰スペクトルから導かれる標的組織内の酸素化されたヘム、および脱酸素化されたヘムの濃度に基づく酸素飽和の算出をする段階であって、かつ更に該光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射光吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式である該算出段階を含む、工程;ならびに
酸素飽和の決定された値を出力する工程
を含む、標的組織における酸素飽和を算出するための方法であって、
前記ヘムが、標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含み、ならびに
前記光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含む、
前記方法。 - 光減衰方程式が、ベールの法則の吸収項に対応する複数の項における光減衰の級数展開を含む、請求項1記載の方法。
- 光減衰の級数展開が、光減衰のテーラー級数展開を含む、請求項2記載の方法。
- 光減衰方程式が、入射光の波長と共に線形に変動する項を含み、該項が関数形式aλを有し、式中aが定数でありかつλが入射光の波長である、請求項1記載の方法。
- 光減衰方程式が、入射光の波長から独立した定数項を含む、請求項1記載の方法。
- 光減衰スペクトルとモデルから決定された光減衰値との間の平方差の和を最小化することにより、光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、請求項1記載の方法。
- フィッティングが、プロセッサにより自動的に実行される、請求項1記載の方法。
- aが0未満または0と等しい値のみをとるように、フィッティング時に、aの値が制約される、請求項4記載の方法。
- 光減衰方程式が、光減衰方程式から決定された光減衰値と光減衰スペクトルとの間の差から導かれるベースライン関数をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 光減衰方程式が、標的組織の散乱係数と正比例しかつ標的組織の吸収係数と反比例して変動する示差路程因数(differential path length factor)をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 第一の反射スペクトルの測定された強度を補正する工程が、第二の反射スペクトルの測定された強度に基づき、第一の反射スペクトルへの皮膚層および脂肪層からの寄与を低減することを含む、請求項1記載の方法。
- 標的組織内の酸素飽和に基づき標的組織内の酸素分圧を決定する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 標的組織が、ヒトの内部にある、請求項1記載の方法。
- 標的組織が、動物の内部にある、請求項1記載の方法。
- 複数の波長が、少なくとも100種またはそれよりも多い波長を含む、請求項1記載の方法。
- 複数の波長が、725nm〜880nmの波長を含む、請求項13記載の方法。
- 標的組織が、筋肉組織である、請求項1記載の方法。
- 入射放射を患者の標的組織へ方向付け、かつ波長が700nm〜1000nmである複数の波長で、標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルの測定された強度を補正する工程であって、第一の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第一の重みを含む標的組織からの第一の反射スペクトルを測定し、かつ第二の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第二の重みであって、前記第一の重みとは異なる前記第二の重みを含む標的組織からの第二の反射スペクトルを測定する段階;ならびに前記第一の反射スペクトルの測定された強度を、前記第二の反射スペクトルの測定された強度に基づいて補正する段階を含む、工程;
該補正された反射スペクトルに基づき、標的組織における総ヘム濃度を決定する工程であって、該補正された反射スペクトルから光減衰スペクトルを決定すること、および該光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式にフィッティングすることにより、標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度を該光減衰スペクトルから導くことを含み、かつ該モデル光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射放射の吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式である、工程;
総ヘム濃度に基づき患者の血液量を評価する工程;ならびに
評価された血液量を出力する工程
を含む、患者の血液量をモニタリングする方法であって、
前記ヘムが、標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含み、ならびに
前記光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含む、
前記方法。 - 入射放射を標的組織へ方向付け、かつ波長が700nm〜1000nmである複数の放射波長で標的組織からの反射放射の強度を測定することにより標的組織の反射スペクトルを決定する工程;
該反射スペクトルから標的組織の光減衰スペクトルを決定し、かつ該光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式へフィッティングする工程であって、該モデル光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射放射の吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式であり、かつ該ヘムが、標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含む、工程;ならびに
該光減衰スペクトルのフィッティングに基づき、標的組織内の酸素飽和を決定する工程
を含む、標的組織内の酸素飽和を算出するための方法であって、
光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含み;ならびに
標的組織の反射スペクトルを決定する工程が、
第一の線源-検出器間隔で、標的組織からおよび入射放射が通過する皮膚層と脂肪層からの寄与の第一の重みを含む標的組織からの第一の反射スペクトルを測定し、かつ第二の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第二の重みであって、前記第一の重みとは異なる前記第二の重みを含む標的組織からの第二の反射スペクトルを測定する工程と;
前記第一の反射スペクトルの測定された強度を、前記第二の反射スペクトルの測定された強度に基づいて補正する工程
を含む、前記方法。 - モデルが、関数形式aλを有する項を含み、a値が、フィッティング時に、0未満または0と等しいように制約される、請求項19記載の方法。
- 700nm〜1000nmの複数の波長で入射放射を標的組織へ方向付けるように構成された光源と、
検出器と、
検出器へ連結され、かつ
標的組織の反射スペクトルを決定し、
入射放射が中を通って伝播する皮膚層および脂肪層からの該反射スペクトルへの寄与を低減するために、該反射スペクトルを補正し、かつ
該補正された反射スペクトルに基づき、標的組織における酸素飽和を決定するように構成された、プロセッサと
を備える、システムであって、
前記反射スペクトルの補正が、第一の線源-検出器間隔で、標的組織からおよび入射放射が通過する皮膚層と脂肪層からの寄与の第一の重みを含む標的組織からの第一の反射スペクトルを測定し、かつ第二の線源-検出器間隔で、標的組織、皮膚層、および脂肪層からの寄与の第二の重みであって、前記第一の重みとは異なる前記第二の重みを含む標的組織からの第二の反射スペクトルを測定する工程と;前記第一の反射スペクトルの測定された強度を、前記第二の反射スペクトルの測定された強度に基づいて補正する工程を含み;
前記補正された反射スペクトルに基づいて標的組織における酸素飽和を決定する工程が、補正された反射スペクトルから光減衰スペクトルを決定する段階、ならびに該光減衰スペクトルをモデル光減衰方程式にフィッティングすることにより該光減衰スペクトルから導かれる標的組織内の酸素化されたヘム、および脱酸素化されたヘムの濃度に基づく酸素飽和の算出をする段階であって、かつ更に該光減衰方程式が、標的組織内の酸素化されたヘム、脱酸素化されたヘム、および水による入射光吸収に対応する項を含むベールの法則の方程式である該算出段階によって行われ;
前記ヘムが、標的組織内のヘモグロビンおよびミオグロビンを含み;ならびに
前記光減衰スペクトルのモデルへのフィッティングが、第一段階で1つまたは複数のモデルパラメータの初期値が決定され、かつ第二段階で光減衰スペクトルがモデルへフィッティングされる、二段階フィッティング手順を実行することを含み、該モデルが、第一段階で決定された初期パラメータ値を含む、
前記システム。 - 第一および第二の線源-検出器の距離が、光源と検出器の間にある第一および第二の放射経路に対応し、かつ第一および第二の放射経路が各々、光ファイバーを含む、請求項21記載のシステム。
- プロセッサが、酸素飽和から標的組織内の酸素分圧を決定するようにさらに構成される、請求項21記載のシステム。
- プロセッサが、標的組織内の酸素化されたヘムおよび脱酸素化されたヘムの濃度から、標的組織内の総ヘム濃度を決定するようにさらに構成される、請求項21記載のシステム。
- プロセッサが、総ヘム濃度に基づき、標的組織内の血液量を評価するようにさらに構成される、請求項24記載のシステム。
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