JP6585064B2 - 個体の生物学的または生化学的パラメータを非侵襲的に監視する方法及びシステム - Google Patents
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本出願は、2012年8月1日出願の米国仮特許出願第61/678,131号及び2012年8月1日出願の米国特許出願第13/564,381号の利益を主張する2013年8月1日出願のPCT/IL2013/050658号の一部継続出願である2014年1月30日出願の米国特許出願第14/168,730号からの優先権を主張するものである。これらの先行出願の開示は、その全体が参照により本明細書に援用される。
として推定され得、ここで、βは、スペックルパターンの相対シフトδ(すなわち、点Aと点Bとの間の距離)に比例し、αは物体の表面の傾斜角であり、λは光学波長である。角度の変化が十分に小さいと仮定すると、相対的シフトと傾斜角との間に線形比例が得られる。
ここで式中、U1は臓器102とマイクロプローブ20の入力エッジ21との間の距離であり、U2はマイクロプローブ20の出力エッジ22の間の距離であり、Vは光学アセンブリ112の光学中心と検出アレイ10との間の距離であり、Fは光学アセンブリ112の焦点距離である。本開示のデフォーカス構成においては、上述した関係を用いて得た光学アセンブリ112の上述の位置は、わずかなデフォーカシングが存在するように、遵守されていない。例えば、光学アセンブリ112と検出器アレイ111との間の距離は、上述した関係を用いて得られる距離Vとは異なるものである。
以下の節は、血中グルコース濃度と、対象の手首の皮膚の振動によって引き起こされたスペックルパターンの時間変化(すなわち、空間相関関数の経時変化)を表わす時変関数のパラメータとの間の関係を決定する目的で、発明者らがヒトの対象に対して実施したテストについて言及している。
によって説明され、式中Cv(t)は時間tにおける静脈中グルコース濃度であり、Fは血液流量であり(通常は毎分リットル数単位の血液の量を表わす)、q0はグルコースパルスに対応し、心拍あたりの血液(Kg単位)中のグルコースの量(mg単位)を表し、εは、血液系から抽出され代謝される(したがって、静脈の出口で回収されることはない)グルコースパルスの画分であり、h(t)は、静脈中のグルコースパルスの出現の遅延及び歪曲を引き起こす、器官内のグルコースの可逆性脂肪である。
式中、k(t)は時変関数である。離散関数に関しては、
である。相関係数または相関ピークの値は、次のものに等しい:
であり、式中、xiはパラメータ値のi番目のサンプルであり、riは基準グルコース測定値のi番目のサンプルであり、Nはサンプルの数である。計算されたサンプルは、全てのパラメータについて共通の推定尺度を得るためにRMSE推定量を適用する前に、1のエネルギーを有するように正規化された。
式中、
は、ベルデ定数であり、Bは磁場であり、Lは相互作用長であり、λ0は光学波長であり、Δnは、回転に導く2つの円偏光状態の間の屈折率の差である。公知の通り、スペックル場を非相関させるのに必要とされる最小磁場Bminは、次のものに比例する:
式中Rは、照射光線の半径であり、Lは相互作用長である。等式12は提案されたアプローチの感度を定義する。
式中、βはスペックルパターンの変化であり、αは照射表面(この場合ヒトの皮膚)の傾斜角であり、λは波長(我々の場合、532nm)である。
脱水は、連続的な監視を必要とする極めて重要な生物医学的パラメータである。脱水レベルの基準は、体重の相対的変化である。人体において、水は多くの役目を有する。水は、身体の構成物質、溶媒、反応媒質及び反応物質、栄養及び老廃物の担体として、体温調節において、そして潤滑剤及び緩衝体として作用する。スポーツ選手の肉体活動においては、遠隔光学測定により脱水レベルを監視する能力は有用であり得る。さらに、脱水は、精神錯乱の1つの原因となり得、高齢者及び重篤な病人において認知症の要因であり得る。重度の脱水は、熱性疲労及び熱射病のリスク要因と見なされる。
以下の節は、血中アルコール濃度と、時間ドメイン内のスペックルパターンの空間相関関数の特徴(例えば相関ピーク及び/またはその値)の経時変化の1つ以上のパラメータとの間の関係を決定するため、発明者らがヒトの対象について実施したテストに言及するものである。
呼吸とは、身体に酸素を供給し、身体から二酸化炭素を除去するプロセスであり、一方呼吸数は、1分あたりの呼吸の数である。成人の標準的な呼吸数は毎分12〜20呼吸である。
本発明の技術は、血液の凝固状態を決定するためにも使用することができる。凝固とは、負傷後に血液が凝血塊を形成して、出血を止め負傷を治癒するプロセスである。このプロセスには、凝固因子として公知の血小板及び蛋白質という2つの構成要素が関与する。血小板は、負傷部位の周辺に形成し、同時に血漿中の蛋白質が応答してフィブリンを形成し血小板血栓を補強する。凝固障害は、凝固因子または血小板のうちの一方に欠損または異常がある場合に起こる。過剰な凝固(血栓形成)傾向の増大、または、出血(大出血)のリスクの増大のいずれかが存在し得る。血液凝固障害は、遺伝性、または別の疾病の結果、または薬剤の副作用でもあり得る。
として定義される。
血中酸素飽和レベルは、酸素を取り込んだ赤血球の百分率である。赤血球は、肺を通過する時に酸素で飽和し、この酸素はその後身体の器官に運ばれる。飽和した(酸素飽和)赤血球の正常な百分率は95%超である。酸素飽和度が90%未満に低下した場合、低酸素症と見なされる。身体は、適切な血中酸素レベルが無ければ適正に機能することができない。
図28〜32を説明する以下の節では、眼圧(IOP)と時間ドメイン内での対象の眼の振動プロファイルのパラメータとの間の関係を決定するため、発明者らがウサギに対して行ったテストについて言及されている。
ここで、ρは点滴液の濃度であり、gは重力加速度であり、Δhが高低差である、等式6で得られる圧力値とmmHg単位の間の変換は、以下の変換を用いて計算可能である:
上述した通り、本発明の技術は、血液脈圧を決定するために使用可能である。そのためには、血管(単複)に隣接する患者の皮膚の領域(例えば手首)を照射するため図1Bのシステムと類似するシステムを使用することができる。スペックルパターンの変動が、上述した通りに検出され処理されて、相関関数と、相関関数の1つの特徴(例えばピーク位置及び/またはピークサイズ)の時間変動とを決定する。空間相関関数の時間変動は、図6Aに示されているプロファイルと類似したプロファイルを有しており、ピークの振幅は、測定(照射)場所における血流量を表わす。発明者らは、測定されたデータ(スペックルパターン)の時間変動が測定場所内の血流量(運動)に対応するという事実により、時変空間相関関数の主ピーク(図6Aのパラメータ1)の振幅が患者の血液脈圧と良好な相関関係にあることを発見した。
本発明の技術は、反芻動物の生物医学的パラメータを決定するためにも使用可能である。例えば心臓の鼓動の監視、脈拍係数、血液脈圧及び呼吸計数などの反芻動物の生物医学的パラメータの監視は、この情報が乳牛の搾乳及び繁殖のタイミングを最適化するために使用可能であることから、畜牛の場合には非常に重要であり得る。有利にも、このような監視は接触なしに実施され、これは動物を扱う時には重要である。オプトフォン技術を適用し主動脈に近い位置で乳牛の皮膚の表面を観察することによって、(運動の監視後及び適切な較正後に)実時間で連続的に上述の生物医学的パラメータの抽出が可能になる場合がある。
本発明の技術は、生物組織の温度を決定するためにも使用可能である。そのためには、生物組織(例えば身体の皮膚の一部分)を照射するために図1Bのシステムと類似するシステムを使用することができる。スペックルパターンの変動は、上述した通りに検出され処理され、相関関数と、相関関数の1つの特徴(例えばピーク位置及び/またはピークサイズ)の時間変動とを決定する。実際には、組織の温度は組織の時間的動作プロファイルに関係付けされる。したがって、このプロファイルを抽出することによって、適正な較正後、検査対象組織の温度を推定することが可能である。
本発明の技術は、流速及び流量を監視するためにも使用可能である。流速及び流量は、流れが監視される器官の表面で生成されたスペックルパターンの連続したデフォーカス画像間の相関関数から抽出された相関ピークの時間的パターンのスペクトルコンテンツの経時変動に相関されてよい。実際には、流れる液体内にナノ粒子を嵌め込み、これらのナノ粒子からの散乱に起因して生成されたスペックルパターンの経時変化を検査することによって、例えばより早い流れがスペックルパターンのより早い動作を生じさせることを理由として、流速及び流量が推定される可能性がある。こうして流速は、検査されたスペックルパターンの一時的なちらつきに比例する。このちらつきは、相関関係ベースの処理によって実時間で計算することができる。
発明者らは、骨折を測定/検出することを目的とした実験を実施した。この目的で、上述の図11Aのシステム500に類似する測定システムが使用され、ここで外部場源502は、振動/運動に影響を及ぼすユニットとして作動し、スペックルパターンのデフォーカス撮像の間に音波を適用するため、例えば患者の手などの1つの身体部分の近傍に設置されたラウドスピーカーなどの圧力源発生器を含む。ラウドスピーカーは、音響信号、すなわち患者の手に振動を引き起こす圧力波を生成する。骨折を有する骨の動作は、骨折の無いものとは異なる。上述のオプトフォン(測定ユニット)は、皮膚及び骨の動作を検査する(一連のスペックルパターンを生成する)ために用いられ、制御ユニットは、このデータを処理して、較正された値(第2の骨折していない手であり得る)からの偏差が存在するか否かを識別する。スピーカの強度は、スピーカが位置付けされる距離によって左右される。患者の手(概して1つの身体部分)から数センチメートルのところにスピーカを位置付けし、約90dBの強度を適用することによって、スピーカが手を振動させ、骨折がある場合、手は健康な手のようには振動しない。このことは、適切な較正を行うこと(すなわち、骨折前の手をマッピングすること)によって、または実質的に対称であると想定される2つの手の間の光学応答を比較することによって、識別することができる。したがって、骨折を識別/検出するために本発明の技術を実施するためには、第一に、振動プロファイル及び周波数ドメインを用いて対象の折れた骨が検査される。この測定は基準測定として使用される。その後に、折れた骨(または、折れたと想定されている骨)が検査され、その間に振動プロファイル及び周波数は、差異を抽出し骨が折れているか否かを定義する目的で基準測定値と比較される。骨折の存在を識別した時点で、レーザスポットが手を走査し、手を逐一マッピングする。この技術は、骨折を観察するためのレントゲン画像の代替としてまたは追加として使用することができる。これは、高齢女性などの骨内カルシウムの不足の治療適応であり得る。
Claims (23)
- 対象の身体の1つ以上の状態を監視する上で使用するシステムであって、
一定の時間周期の間、前記対象の身体の一部分によって生成されるスペックルパターンシーケンスの形をした画像データ及び前記時間周期中前記対象の身体の前記一部に対して加えられる少なくともの1つの外部刺激の波形を表わすデータを含む入力データを受信するための入力ポートと;
1つ以上の既定のモデルを記憶するためのメモリユーティリティであって、前記モデルが、1つ以上の測定可能パラメータと前記対象の身体の1つ以上の状態との間の関係を表わすデータを含む、前記メモリユーティリティと;
前記少なくとも1つの外部刺激の前記波形を表わすデータを用いて前記画像データの処理を行うように構成されて動作可能なプロセッサユーティリティであって、前記処理には:
相関ピークによって特徴づけられた前記シーケンス内の連続するスペックルパターン間の空間相関関数を決定し、前記相関関数の少なくとも1つの特徴の時変関数の形をした時変空間相関関数を決定することであって、前記時変空間相関関数は、前記スペックルパターンの経時的変化を表すものであることと;
前記外部刺激のパラメータに対応する前記時変空間相関関数の少なくとも1つのパラメータを選択し、1つ以上の前記モデルを前記時変空間相関関数の少なくとも1つのパラメータに適用して1つ以上の対応する身体状態を決定することと;
前記1つ以上の対応する身体状態を表わす出力データを生成することと;
が含まれるプロセッサユーティリティと;
を含む制御ユニットを含む、前記システム。 - 前記時変空間相関関数の前記少なくとも1つのパラメータが、前記相関関数のピークの位置、前記相関関数のピークの値、正パルス振幅、正及び負ピーク振幅の間の比率、パルスサイズ、正パルスサイズ、ピーク極性間の距離、主及び二次ピーク位置の間の比率、主及び二次ピーク振幅の間の比率、及び背景雑音の標準偏差、振動の振幅、主ピークの振幅、前記適用された外部刺激の周波数に対応する前記時変空間相関関数のフーリエ変換スペクトルの周波数成分の振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記監視すべき1つ以上の身体状態には血糖濃度、眼圧(IOP)及び骨折のうちの少なくとも1つが含まれる、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの外部刺激を表すデータが、時間的に周期的な刺激のプロファイルを表すデータを含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの外部刺激の波形を表すデータを使用した画像データの処理が、前記相関関数の相関ピークの位置の時変関数を決定することと、当該関数のフーリエ変換スペクトルを決定することと、前記時間的に周期的な刺激の周波数に対応する前記フーリエ変換スペクトルの周波数成分の振幅を分析することと、を含む請求項4に記載のシステム。
- 前記対象の身体の一部分によって生成される前記スペックルパターンシーケンスの形をした測定データを生成する光学測定ユニット及び前記少なくとも1つの外部刺激を生成する少なくとも1つの外部場源を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記測定ユニットが、前記対象の身体の既定の部分を撮像する撮像装置を含み、前記撮像装置は、一定のサンプリング時間パターンにしたがって既定の数の波長を用いて前記対象の身体の前記部分を照射するためのコヒーレント光源と、画像検出器アレイと、撮像光学装置を含み、前記身体の前記照射された部分によって生成される二次スペックルパターンのデフォーカス画像を検出して、前記検出された二次スペックルパターンのシーケンスを表わす測定画像データを生成するために構成されかつ動作可能である、請求項6に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの外部場源が、磁場を生成させる磁石ユニット;及び既定のプロファイルの音圧場を発生させる音波発生器のうちの少なくとも1つを含む、請求項6または7に記載のシステム。
- 前記撮像装置が、臓器を検査するための内視鏡を含む、請求項7または8に記載のシステム。
- 前記内視鏡が、問題の領域に向かう照射光及び問題の領域からの収集光を誘導するための剛性または可撓性のガイドを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記内視鏡が、マルチコアファイバの近位端部及び遠位端部間で光を伝送するために構成された前記マルチコアファイバを含み、前記遠位端部が、検査中の前記臓器の近位に設置されるように意図されている、請求項9または10に記載のシステム。
- 前記制御ユニットが、
−前記時変空間相関関数から、前記相関ピークの特徴の時間的推移を抽出すること;及び
−既定の時間周期についての前記抽出された特徴を処理することによって、前記抽出された特徴の前記時間的推移の属性を計算すること;
によって、少なくとも1つの生物医学的パラメータを決定するために構成されかつ動作可能である、請求項1〜11のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記制御ユニットのメモリユーティリティが、前記計算された属性及び前記生物医学的パラメータを関係付けしている参照モデルを記憶している、請求項12に記載のシステム。
- 前記抽出された特徴が、前記空間相関関数の前記相関ピークの位置及び前記空間相関関数の前記相関ピークの強度のうちの少なくとも1つを含む、請求項12または13に記載のシステム。
- 前記属性が、前記抽出された特徴のパルスの振幅、前記抽出された特徴における正及び負のピーク振幅間の比率、前記抽出された特徴におけるピーク間の周期、背景雑音の標準偏差のうちの少なくとも1つを含む、請求項12〜14のいずれか一項に記載のシステム。
- 血管の内圧を監視するように構成され、かつ前記1つ以上の属性には、前記抽出された特徴における経時的な前記主ピークの振幅が含まれる、請求項12〜15のいずれか一項に記載のシステム。
- 臓器の流体流中の化学物質の濃度を監視するために構成され、前記1つ以上の属性には、前記抽出された特徴における経時的な正パルス振幅、及び前記抽出された特徴における経時的な正及び負のピーク振幅間の比率のうちの少なくとも1つが含まれる、請求項12〜16のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記制御ユニットが、前記検査された生物医学的パラメータの異なる値に関係付けされた反射についての前記相関ピークの複数の時間的特性を特徴付けしそれらを分ける目的で、さらに成分分析を適用するように構成されている、請求項12〜17のいずれか一項に記載のシステム。
- 検査対象の器官を刺激するように構成された超音波装置をさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記マルチコアファイバがファイバ束またはフォトニック結晶である、請求項11または請求項11を引用する請求項12〜19のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記マルチコアファイバが、2つの相対する実質的に平行なファセットを画定する多角形断面を有する、請求項11または請求項11を引用する請求項12〜20のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記決定されたパラメータの決定された値を表示するために構成されたディスプレイユニットをさらに含む、請求項1〜21のいずれか一項に記載のシステム。
- 対象の身体の1つ以上の状態を監視する上で使用する方法であって、
画素検出器アレイによって測定され、かつ前記対象の身体の一部分によって一定のサンプリング時間パターンにしたがったコヒーレント光によるその照射に応答して生成されるスペックルパターンシーケンスの形をした画像データを提供することと;
前記コヒーレント光を照射している前記対象の身体の一部分に適用する少なくとも1つの外部刺激の波形を表すデータを提供することと;
1つ以上の測定可能パラメータと前記対象の身体の1つ以上の状態との間の関係を表わすデータを含む1つ以上の既定のモデルを提供することと;
前記少なくとも1つの外部刺激の波形を表すデータを使用して前記画像データを処理し、相関ピークによって特徴づけられた前記シーケンス内の連続するスペックルパターン間の空間相関関数を決定し、前記相関関数の少なくとも1つの特徴の時変関数の形をした時変空間相関関数を決定することであって、前記時変空間相関関数は前記スペックルパターンの経時的変化を表し、前記相関関数の前記少なくとも1つの特徴は、前記相関関数のピークの位置、前記相関関数のピークの値、正パルス振幅、正のピーク振幅と負のピーク振幅の間の比率、パルスサイズ、正パルスサイズ、ピーク極性間の距離、主及び二次ピーク位置間の比率、主及び二次ピーク振幅間の比率、及び背景雑音の標準偏差、振動の振幅、主ピークの振幅のうちの少なくとも1つを含む、前記決定することと;
前記時変空間相関関数を解析して、前記外部刺激のパラメータに対応する前記時変関数の少なくとも1つのパラメータを選択し、1つ以上の身体状態を決定することと;
前記モデルの1つ以上を用いて前記少なくとも1つの選択されたパラメータを解析して、1つ以上の対応する身体状態を決定し、この身体状態を表わす出力データを生成することであって、前記1つ以上の身体状態には、血糖濃度、眼圧(IOP)、骨折のうちの少なくとも1つが含まれる、前記解析して生成することと;
を含む、前記方法。
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