JP6682605B2 - 反射された及び透過された光に基づき対象のバイタルサインを決定するデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば人又は動物といった対象のバイタルサインを決定するデバイス、システム及び方法に関する。更に、本発明は、ウェアラブル光源デバイスに関する。

例えば心拍（ＨＲ）、呼吸レート（ＲＲ）又は動脈血中酸素飽和といった人のバイタルサインは、人の現在の状態のインジケータとして、及び重大な医学イベントの強力な予測器として機能する。このため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者看護環境において、在宅で、又は、更なる健康、余暇及びフィットネス環境において広くモニタされる。

バイタルサインを測定する１つの態様は、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、器官又は体部位のボリューム変化の測定を意味し、特に鼓動毎に対象の体を通り進行する心血管パルス波が原因によるボリューム変化の検出を指す。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心領域又はボリュームの光反射率又は透過率の時間変動変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、血液が周囲組織より多くの光を吸収する原理に基づかれる。そのため、すべての鼓動に伴う血液量における変動が、これに対応して透過又は反射に影響を及ぼす。心拍に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、例えば呼吸といった更なる生理的現象に起因する情報を有することができる。異なる波長（典型的に赤及び赤外線）での透過性及び／又は反射率を評価することにより、血中酸素飽和が決定されることができる。

対象の心拍及び（動脈）血中酸素飽和（Ｓｐ０２とも呼ばれる）を測定する従来のパルス酸素濃度計（本書において接触ＰＰＧデバイスとも呼ばれる）は、対象の皮膚に、例えば指先、耳たぶ又は額に付けられる。従って、それらは、「接触」ＰＰＧデバイスと呼ばれる。典型的なパルス酸素濃度計は、光源としての赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤと、患者組織を通過した光を検出する１つのフォトダイオードとを有する。市販のパルス酸素濃度計は、赤及び赤外線波長での測定の間を高速に切り替え、これにより、組織の同じ領域又はボリュームの透過性を２つの異なる波長で測定する。これは、時間分割多重化と呼ばれる。各波長での時間にわたる透過性は、赤及び赤外線波長に関するＰＰＧ波形を与える。接触ＰＰＧは、基本的に非侵襲性技術と考えられるが、接触ＰＰＧ測定はしばしば、不快な及び目障りなものとして経験される。なぜなら、パルス酸素濃度計が、対象に直接付けられ、任意のケーブルが、移動する自由を制限し、ワークフローを妨げることがあるからである。

パルス信号及び酸素飽和レベル（ＳＰ０２）の速い及び信頼性が高い検出及び分析が、多くのヘルスケア用途において最も重要な活動の１つである。これは、患者が危機的な状態にある場合、重要になる。それらの状況において、鼓動信号の拍動性は非常に弱い。従って、測定は、任意の種類のアーチファクトの影響を受けやすい。

最新のフォトプレチスモグラフィセンサは、危機的な状況において速く信頼性が高い測定を必ずしも提供するわけではない。例えば、（透過性ＰＰＧに基づかれる）接触指パルス酸素濃度計は、手の運動の影響を受けやすく、体周辺における低い血液量が原因で患者の集中化が起こる場合には失敗する。（反射型ＰＰＧ測定モードを使用する）接触額パルス酸素濃度計センサは、集中化効果に対してより堅牢であると思われる。しかしながら、額センサの精度、堅牢性及び反応は、額上にセンサを正しく位置決めすること、及び、適切な圧力が皮膚に印加されることに非常に依存する（センサのあまりに気密な適用は、局所血液拍動性を減らし、あまりにゆるい適用は、運動アーチファクト及び／又は静脈拍動性が原因で信頼性が高くない測定をもたらす）。

近年では、目立たない測定に関して非接触の遠隔ＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイス（本書においてカメラｒＰＰＧデバイスとも呼ばれる）が導入された。遠隔ＰＰＧは、光源を利用するか、又は、関心対象から離れて配置される一般の放射線源を利用する。同様に、検出器、例えば、カメラ又は光検出器も、関心対象から離れて配置されることができる。従って、遠隔フォトプレチスモグラフシステム及びデバイスは、目立たないと考えられ、医療用途だけでなく非医学的な日々の用途にもよく適している。しかしながら、遠隔ＰＰＧデバイスは概して、より低い信号対ノイズ比を実現する。

Verkruysseらによる「Remote plethysmographic imaging using ambient light」、Optics Express、16(26)、22 December 2008、pp. 21434-21445は、環境光と、赤、緑及び青色チャネルを用いる従来の消費者向けレベルのビデオカメラとを用いて、フォトプレチスモグラフ信号がリモートで測定されることができることを示す。

Wieringaらによる「Contactless Multiple Wavelength Photoplethysmographic Imaging: A First Step Toward "Sp02 Camera" Technology」、Ann. Biomed. Eng. 33、1034-1041 (2005)は、異なる波長でのプレチスモグラフ信号の測定に基づき、組織における動脈酸素飽和のコンタクトレスの撮像に関する遠隔ＰＰＧシステムを開示する。このシステムは、モノクロＣＭＯＳカメラと、３つの異なる波長のＬＥＤを持つ光源とを有する。カメラは、３つの異なる波長で対象の３つの動画をシーケンシャルに得る。パルスレートは、単一の波長での動画から決定されることができるが、酸素飽和を決定するには、異なる波長での少なくとも２つの動画が必要とされる。この測定は、一度に１つの波長だけを使用して暗室において実行される。

ＰＰＧ技術を用いて、バイタルサインは測定されることができる。これは、脈動する血液量によりもたらされる皮膚における分光吸収変化により、即ち、血液量パルスによりもたらされるヒト皮膚の周期的な変色により、明らかにされる。この信号は非常に小さく、照明変化及び運動が原因でかなり大きな変動に隠されるので、一般的な関心は、基本的に低い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することにある。激しい運動を伴う、チャレンジングな環境照明状態である、又は高い精度が必要とされる用途であるといった厳しい状況がなお存在する。そこでは、特に、より危機的なヘルスケア用途に対して、バイタルサイン測定デバイス及び方法の改良された堅牢性及び正確さが必要とされる。

ＵＳ２００８／０１９４９０６Ａ１号は、非侵襲的な生理的データ測定システム及び方法並びに光学的に誘導される治療システムを開示する。測定システムは、少なくとも２つの波長で光を放出することができる光エミッタモジュールを含むモニタリング機構を含む。光エミッタモジュールから放出される光は、対象を通り、例えば光学センサといった光受信機構へと送信される。生理的データは、受信された光からとられる。このシステムは、対象の最初の輪郭を得て、その輪郭とその後に得られた輪郭とを比較することにより、対象の運動を確認することができる。治療的な視覚システムは、治療的な波長で光を提供する非付着の光放出機構を含む。

本発明の目的は、増加された信号対ノイズ比を持ち、歪みにより、特に対象の運動又は環境光からの乱れによりもたらされるアーチファクトの減少における効率性を持つ、対象のバイタルサインを決定する改良されたデバイス、システム及び方法を提供することである。本発明の更なる目的は、斯かるシステム及び方法に用いられる対応するウェアラブル光源デバイスを提供することである。

本発明の第１の側面において、対象のバイタルサインを決定するデバイスが提示され、このデバイスは、
対象の関心領域から少なくとも２つの異なる波長範囲における光のコンタクトレスの検出に関する検出ユニットであって、上記検出ユニットが、第１の光源による照射に基づき上記関心領域から反射される光から第１の波長範囲における第１の光部分を検出し、第２の光源による照射に基づき上記関心領域を通り透過される光から第２の波長範囲における第２の光部分を検出するよう構成され、上記検出ユニットは、少なくとも時間的に同時である照射に基づき、上記第１の光部分及び上記第２の光部分を同時に検出するよう構成され、上記第１の波長範囲及び上記第２の波長範囲が異なる、検出ユニットと、
上記少なくとも２つの異なる波長範囲に関する検出された光から、プレチスモグラフィＰＰＧ信号を得る処理ユニットと、
少なくとも２つの異なる波長範囲に関する上記ＰＰＧ信号からバイタルサインを得る分析ユニットとを有する。

本発明の更なる側面において、対応する方法が提示される。

本発明のなお更なる側面において、対象のバイタルサインを決定するシステムが提示され、このシステムは、
本書において開示される対象のバイタルサインを決定するデバイスと、
透過された光を得るために上記関心領域を照射し、対象の関心領域を通り光を透過させる光源（本書において第２の光源とも呼ばれる）とを有し、上記光の透過及び反射された光を得るための上記光による上記対象の照射が、少なくとも時間的に同時である。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載の方法及びシステムが、請求項に記載のデバイス及び従属項に記載されるものと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、以下の発見に基づかれる。遠隔ＰＰＧに関するバイタルサインカメラ（即ち、対象のバイタルサインを決定するデバイス）の古典的実施形態は、ＰＰＧ信号の測定の反射的方法を使用する。その場合、環境又は専用の照明が使用される。斯かる反射型遠隔ＰＰＧ技術は最も便利だが、環境照明からの激しい乱れの場合、又はＰＰＧ信号の拍動性が非常に低い場合、抽出された信号のＳＮＲは弱く、測定がアーチファクトの影響を受けやすい。この理由は、反射型モードにおいて測定されるＰＰＧ信号の拍動性が、反射型モードにおける光の浸透深さがより少ないことが原因で、透過的モードにおいて測定されるものより低いという事実による。特に、遠隔反射型ＰＰＧアプローチを用いて赤及び赤外線カラーレンジにおいて測定されたＰＰＧ信号の拍動性は、非常に低い場合があり、こうして、ＳＰ０２測定の精度が減らされる。

本発明は、例えばカメラといった一般的な検出器を用いて、ＰＰＧ信号取得に関する透過的モード及びコンタクトレスのセンシングの利点を組み合わせることにより、コンタクトレスのカメラベースの反射型ＰＰＧ技術及び古典的接触センサの制限を克服する。本発明はこうして、反射型モードにおける（特にカメラベースの）測定で実現される大きいセンシング領域と、透過的モードにおいて抽出されるＰＰＧ信号の比較的大きいＳＮＲとの利点を利用する。

本発明によれば、単一の検出器（例えば画像センサ又はカメラ）が、反射された及び透過された光を同時に測定し、ＰＰＧ信号が、反射された及び透過された照明から抽出される。バイタルサインの評価及び導出に関して使用される透過された及び反射された光の波長は、相補的である（例えば、緑及び赤波長が、反射された光から使用され、ＩＲ波長が、透過された光から使用される）。従って、透過的及び反射型モードにおいて評価される波長は、異なる。１つ又は複数のバイタルサインが、最初のＰＰＧ信号から又は１つ若しくは複数の組み合わせられたＰＰＧ信号からより高い精度及び堅牢性で得られることができる。

透過された及び反射された光は、同じ又は異なる関心領域（ＲＯＩ）から得られることができる。例えば、ＨＲ測定に関して、反射された（例えば緑の波長）及び透過された（ＩＲ範囲における）ＰＰＧ信号の取得が、可能であり、有益である。Ｓｐ０２に関しては、反射型ＰＰＧに関して使用さるさまざまな体位置に関する校正値が分かることが好ましい。従って、反射型及び透過的ＰＰＧが同じＲＯＩから来る場合のＳＰ０２算出に使用される校正値と、それらが異なる位置から測定される場合の校正値とは異なる。しかしながら一般に、透過されたＰＰＧ信号及び反射型ＰＰＧ信号は、異なるＲＯＩから、又は、同じＲＯＩから得られることができる。

一般に、電磁放射、特に光と、生物組織との相互作用は、複雑で、（複数の）散乱、後方散乱、吸収、透過及び（拡散）反射の（光学）処理を含む。本発明のコンテキストにて用いられる「反射する」という用語は、鏡面反射に限定して解釈されるものではなく、電磁放射、特に光と、組織との相互作用の上述のタイプ及びその任意の組み合わせを有する。

本発明のコンテキストにて用いられる用語「バイタルサイン」は、対象（即ち生体）の生理的パラメータ及び派生パラメータを指す。特に、「バイタルサイン」という用語は、血液量パルス信号、心拍（ＨＲ）（パルスレートとも呼ばれる）、心拍変動性（パルスレート変動性）、拍動性強さ、潅流、潅流インジケータ、潅流変動性、トラウベ・エラン・マイヤー波、呼吸レート（ＲＲ）、皮膚温度、血圧、例えば（動脈）血中酸素飽和又はブドウ糖レベルといった血液及び／又は組織における物質の濃度を有する。更に、「バイタルサイン」は一般に、ＰＰＧ信号の形状から得られる健康インジケーションを含む（例えば、形状は、部分的な動脈の妨害物に関する情報（例えば、手のＰＰＧ信号から得られる形状は、腕における血圧計カフを適用するときより正弦波を得る）、又は皮膚厚に関する情報（例えば、顔からのＰＰＧ信号は、手からのとは異なる）、又はおそらく温度に関する何らかの情報さえ伝えることができる）。

本発明のコンテキストにて用いられる「バイタルサイン情報」という用語は、上述された１つ又は複数の測定されたバイタルサインを有する。更に、それは、生理的パラメータを参照するデータ、対応する波形トレース、又は後続の分析に役立つことができる時間の生理的パラメータを参照するデータを有する。

対象のバイタルサイン情報信号を得るため、皮膚領域における皮膚ピクセル領域のデータ信号が評価される。ここで、「皮膚ピクセル領域」は１つの皮膚ピクセル又は一群の隣接する皮膚ピクセルを有する領域を意味する。即ち、データ信号が、単一のピクセル又は一群の皮膚ピクセルに関して得られることができる。

ある実施形態において、このデバイスは、上記第１の光源、上記第２の光源及び／又は上記検出ユニットをこれらの２つ以上を互いに同期化させるよう制御する制御ユニットを更に有する。例えば、検出信号の各第２のサンプルにおいてだけ、透過された光が測定されるが、検出信号の各サンプルは反射された光を測定するよう、第２の光源は、第１の光源及び検出ユニットと共に制御されることができる。これは、最終的に得られるバイタルサインの堅牢性を改良する。

時間シーケンシャルな波長のこの実施形態は、２つのシナリオに対して適用できる。１つ目は、システムが、同じ範囲における環境光の貢献から第２の光源の貢献を切り離す必要があるときである。従って、各波長に関して、検出ユニットは、偶数フレームにおいて、専用の光及び環境光のミックスを測定し、奇数フレームでは、環境光の貢献だけを測定する。（フレームレートが十分高いとして）２つの隣接するフレーム間の差を取ることにより、第２の光源の貢献だけが測定される。２つ目は、この実施形態は別のシナリオに関しても有益で、モノクロカメラセンサが検出ユニットとして使用されるときである。これは異なる波長での光源からの貢献を区別するための光学フィルタを持たない。このシナリオにおいて、提案されたシステムは、時間シーケンシャルな多スペクトルカメラの挙動をシミュレーションする。

別の実施形態では、このデバイスは、上記第１の波長範囲における光を放出するよう上記第１の光源を制御し、及び／又は上記第２の波長範囲における光を放出するよう上記第２の光源を制御する制御ユニットを更に有する。一般に、第１の及び／又は第２の光源は、それぞれ、第１又は第２の波長範囲でだけ光を放出するよう設計されることができる。しかしながら、それは、上記波長レンジを制御することが好ましい。これは例えば、異なる波長範囲の間（例えば赤及び赤外線波長範囲の間、又は、２つの異なる赤外線波長範囲の間）で交互に切り替わる単一の光源（例えば第２の光源として）を使用することを可能にする。

別の実施形態では、上記検出ユニットが、上記検出された光から１つ又は複数の波長範囲の光をフィルタリングする１つ又は複数の光学フィルタを有する。これは、得られたバイタルサインの精度及び信頼性を更に改善する。

また更に、ある実施形態において、このデバイスは、上記１つ又は複数の波長範囲における光、特に赤及び赤外線波長範囲における光を連続して放出するよう、上記第２の光源を制御する制御ユニットを更に有する。検出ユニットが１つ又は複数のフィルタを有する場合、これは特に好ましい。

上記分析ユニットが好ましくは、少なくとも２つの異なる波長範囲に関して上記ＰＰＧ信号を組み合わせて、上記組み合わせられたＰＰＧ信号から上記バイタルサインを得るよう構成される。ＰＰＧ信号を組み合わせるための異なるオプションが存在する。例えば、複数のＰＰＧ信号の平均が、組み合わせられることができるか、又は、赤及び赤外線波長範囲におけるＰＰＧ信号が、一般に既知の態様において動脈血の酸素飽和を得るために用いられる。

有利には、上記検出ユニットが、上記関心領域の一セットの画像フレームを得るカメラである。上記画像フレームからその後、ＰＰＧ信号が抽出されることができる。所望の用途に基づき、特に、所望のバイタルサインに基づき、モノクロカメラ、ＲＧＢカメラ又は特別なカメラ（例えば、特定の波長範囲の取得に関して最適化される）が、使用されることができる。

提案されたシステムは好ましくは、所望の光を放出する第１及び第２の光源、例えば専用のランプを有する。好ましくは、１つ又は複数のＬＥＤがこの目的のために使用される。

第２の光源は好ましくは、耳の外側の部分を通り光を透過させるため、補聴器同様、耳の後に配置され、又は、人の手を通して光を透過させるよう手の一方の側に配置されるよう構成される。

別の実施形態では、このシステムは、下部層、特にマットレスを持つ新生児集中治療室（ＮＩＣＵ）を更に有する。この場合、上記第２の光源は、上記下部層に配置される複数の光要素、特に複数のＬＥＤを有する。これは、信頼性が高い態様で、控え目にかつ連続して新生児のバイタルサインを得ることを可能にする。

本発明の別の側面によれば、ウェアラブル光源デバイスが提示される。これは開示されたシステム及び方法において使用されることができる。このデバイスは、
上記ウェアラブル光源デバイスを対象の体の部分に、特に人の耳の後又は手の片側に構成するためのホルダと、
光を放出する光源であって、透過された光を得るため、上記放出された光が、上記対象の関心領域を照射し、上記関心領域を通り透過されるよう、上記光源が上記ホルダ内に又は上記ホルダに取り付けられる、光源と、
上記光源を制御するための制御情報を受信する制御入力とを有する。

好ましくは、上記制御入力は、制御情報を無線で受信するよう構成される。

本発明によるデバイスを含むシステムの概略的なダイアグラムを示す図である。 本発明によるデバイスの概略的なダイアグラムを示す図である。 ＳＰ０２測定に関する専用の照明の波長の選択を説明するグラフを示す図である。 画像フレーム検出と照明との整列の第１の例を説明するダイアグラムを示す図である。 画像フレーム検出と照明との整列の第２の例を説明するダイアグラムを示す図である。 本発明によるシステムの別の実施形態の概略的なダイアグラムを示す図である。 ウェアラブル光源デバイスの実施形態の概略的なダイアグラムを示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１は、本発明による対象１４のバイタルサインを得るデバイス１２を含むシステム１０の実施形態の概略図を示す。この例では患者である対象１４は、例えば病院又は他のヘルスケア施設のベッド１６において横になるが、例えば保育器において横になる新生児若しくは早産児、又は自宅若しくは異なる環境における人でもよい。対象１４の画像フレームは、適切なフォトセンサを含むカメラ（検出ユニット、又はカメラベース若しくは遠隔ＰＰＧセンサとも呼ばれる）を用いてキャプチャされる。カメラは、デバイス１２の処理手段に対して記録された画像フレームをフォワードする。ここで、画像フレームは、後述されるように処理される。デバイス１２は更に、決定された情報を表示する、並びに／又はデバイス１２の設定及び／又はシステム１０の他の要素を変更するためのインタフェースを医療人員に提供するインタフェース２０に接続される。斯かるインタフェース２０は、異なるディスプレイ、ボタン、タッチスクリーン、キーボード又は他の人間機械インタフェース手段を有することができる。

カメラによりキャプチャされる画像フレームは特に、例えば（デジタル）カメラにおける、アナログ又はデジタルフォトセンサを用いてキャプチャされるビデオシーケンスに対応することができる。斯かるカメラは通常、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサといったフォトセンサを含む。これは特定のスペクトル範囲（可視、ＩＲ）において作動し、又は異なるスペクトル範囲に関する情報を提供することもできる。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、関連付けられるピクセル値を持つ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性要素でキャプチャされる光強度値を表すピクセルを含む。これらの感光性要素は、特定のスペクトル範囲（即ち特定の色を表す）においてセンシティブでもよい。画像フレームは、対象の皮膚部分を表す少なくともいく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つの感光性要素に対応することができる。その（アナログ又はデジタル）出力は、複数の感光性要素の組み合わせに基づき（例えば、ビン化を介して）決定されることができる。

システム１０は更に、２つの光源２２、２４を有する。例えばランプといった第１の光源２２は、例えばカメラにより検出される関心領域２６から反射される光を得るため、第１の波長範囲における光で患者の顔の皮膚といった関心領域２６（例えば耳の外側部分）を照射するために提供される。例えばＬＥＤ又は他の（好ましくはミニチュア）光源といった第２の光源２４は、透過された光を得るため、第２の波長範囲において関心領域２６、特に耳の外側部分の少なくとも一部を通して光を透過させるために提供される。

第１の光源２２は、少なくとも第１の波長範囲において、例えば緑色光を含む波長範囲における光を放出する。第２の光源２４は、第１の波長範囲と異なる少なくとも第２の波長範囲において、例えば赤色及び／又は赤外線光の波長範囲における光を放出する。反射型モードにおける緑ＰＰＧ拍動性の振幅は、反射型モードにおける赤又はＩＲ ＰＰＧ拍動性よりかなり大きい。透過的モードにおける赤及びＩＲ ＰＰＧ拍動性は、反射型モードにおけるものより大きい。従って、この実施形態は、反射型モードにおける大きい緑ＰＰＧ拍動性及び透過的モードにおけるＩＲ又は赤の大きいＰＰＧ拍動性の組み合わせから利益を得る。しかしながら、本発明は、反射型及び透過的モードの間の波長のこの分布に限定されるものではない。

別の実施形態では、専用の第１の光源は提供されないが、反射型モードにおける対象の照射のため、環境光が使用される。反射型光から、所望の波長範囲（例えば緑色光）における光だけが、検出及び／又は評価される。従って、この実施形態においても、反射型光から評価される光部分及び透過された光から評価される光部分は、異なる波長範囲にある。

第２の光源２４による光の透過及び第１の光源による光での関心領域の照射は、少なくとも時間的に同時である。例えば、第１の光源２２は関心領域２６を連続して照射することができる。一方、以下により詳しく後述するように、第２の光源２４は、特定の時間間隔でだけ周期的に耳を通して光を透過させることができる。

図１に示されるようにシステム１０は例えば、病院、ヘルスケア施設、高齢者ケア施設等において配置されることができる。患者のモニタリングとは別に、本発明は、例えば新生児モニタリング、一般的な監視用途、安全性モニタリング又はフィットネス器材等のいわゆるライフスタイル環境といった他の分野において適用されることもできる。デバイス１２、光源２２、２４及びインタフェース２０の間の単方向又は双方向通信は、無線又は有線通信インタフェースを介して機能することができる。これにより、光源２２、２４の一方又は両方が、デバイス１２との通信なしにスタンドアロンで作動するよう構成されることもできる点に留意されたい。

図２は、本発明によるデバイス１２の実施形態のより詳細な概略図を示す。デバイス１２は、第１の波長範囲における第１の光源２２による照明に応じて上記関心領域から反射される第１の光部分と上記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲における第２の光源２４による照明に応じて上記関心領域を通り透過される第２の光部分とに基づき、対象の関心領域から、少なくとも２つの異なる波長範囲における光のコンタクトレスの検出に関する検出ユニット３０、例えばカメラを有する。更に、例えばプロセッサといった処理ユニット３２が、上記少なくとも２つの異なる波長範囲に関する検出された光１９（第１及び第２の光部分を有する）からＰＰＧ信号を得るために提供される。検出された光から、例えば関心領域の画像からＰＰＧ信号を得る方法は、例えば上述された文書から一般に従来技術において知られており、ここでは詳細に説明されない。また更に、分析ユニット３４が、少なくとも２つの異なる波長範囲に関するＰＰＧ信号から所望のバイタルサイン３５を得るために提供される。このステップも、例えば上述された文書から一般に従来技術において知られており、ここでは詳細に説明されない。

好ましくは、デバイス１２は更に、上記第１の光源２２、上記第２の光源２４及び／又は上記検出ユニット３０をこれらの２つ以上を互いに同期化させるよう制御する制御ユニット３６を有する。制御ユニット３６は更に、例えば赤又は赤外線波長範囲における光を排他的に又は交互に放出するため、上記第１の波長範囲における光を放出するよう上記第１の光源２２を制御し、及び／又は上記第２の波長範囲における光を放出するよう上記第２の光源２４を制御するよう構成されることができる。

これは、図３に示されるダイアグラムに示される。これはＳＰ０２測定に関する専用の照明の波長の例示的で非限定的な選択を示す。この測定は特に、酸素化（１００％Ｓｐ０２）及び低酸素化（６０％より大きいＳｐ０２）動脈血に関するＰＰＧ振幅（ＡＣ／ＤＣ）の依存性を含む。図示されるように、第２の光源２４は、心拍信号の抽出に関して、７００ｎｍより大きい範囲における少なくとも１つの狭いスペクトルバンドを持つ光を放出することができる。Ｓｐ０２が測定される場合、第２の光源２４は、６５０ｎｍ〜７５０ｎｍ（赤光）及び８００ｎｍより大きい範囲（赤外線光）という少なくとも２つの波長範囲における光の放出を可能にする。光は、時間においてシーケンシャルに、又は同時に、第２の光源２４により放出されることができる。第２の光源２４により放出される波長は、図３に示されるグラフに基づき選択される。

複数の更なる実施形態が存在する。これは検出ユニット及び光源の異なる組み合わせ並びに／又は異なる制御方式に基づかれる。

より単純な実施形態において、システム１０は、検出ユニットとしての１つのモノクロカメラと、ナローバンドを持つ１つの波長でのＩＲ範囲における光を放出する第２の光源とを含む。この場合、第１の光は、環境光（少なくともスペクトルの可視部分）である。この場合、システムは、反射された環境光により生成されるＰＰＧ拍動性及び専用の光源から送信されたＩＲにより生成されるＰＰＧ拍動性の組み合わせを測定する。それは、実際には、メインとなる最も単純な実施形態でありえる。本実施形態において、専用の第１の光源は提供されないが、環境光（例えば太陽光及び／又は部屋光）が、反射型モードにおいて対象の照射に使用される。反射型光から、例えば上記したようにフィルタを用いて、所望の波長範囲（例えば緑色光）における光だけが検出及び／又は評価される。

別の実施形態では、このシステムは、１つのモノクロカメラと、時間においてシーケンシャルに少なくとも２つの波長（好ましくはナローバンド）を持つ赤及びＩＲ範囲における光を放出する第２の光源とを有する。カメラのフレームキャプチャリングは、図４に示されるように、隣接する画像フレームが第２の光源の異なる波長でキャプチャされるという態様で、第２の光源と時間において同期化される。図４は、第２の光源２２による光放出、及び、モノクロカメラによる画像フレームのキャプチャリングとＩＲ及び赤色（又は第２の赤外線、ＩＲ２）範囲における上記照射との整列の時間ダイアグラムを示す。

更に別の実施形態において、このシステムは、カメラの画像センサの前に赤及びＩＲ範囲における少なくとも２つの光学フィルタ３１（図２において鎖点入りのラインを持つオプションの要素として示される）を備えるカメラを有する。この範囲は、第２の光源２２の照明波長のナローバンドに対応する。この場合、少なくとも２つの波長バンドにおける光は好ましくは、連続して放出される。

更に別の実施形態において、システムはカメラを有する。これはカメラの画像センサの前に緑、赤及びＩＲ範囲における３つのフィルタを含む（フィルタは、従来のカラーカメラのＲＧＢフィルタと同様に構成されることができる）。カメラのフレームキャプチャリングは、赤及びＩＲ範囲において作動する第２の光源２２と同期化される。この実施形態は、透過性及び反射型モードにおけるＰＰＧ信号の同時取得を可能にする。透過的モードは、赤及びＩＲ範囲において作動する。一方、反射型モードは、緑、赤及びＩＲ範囲において作動する。ある実施形態において、赤及びＩＲ波長でシーケンシャルに作動する透過性のＰＰＧと反射型緑ＰＰＧとの従来の（例えば指パルス）センサが組み合わせられる。反射型モードに関して、環境光又は専用の光が存在することができる。専用の光は、スペクトルにおいて緑を含む。透過的モードに関して、６５０〜１０００ｎｍのスペクトルを持つ専用の光が存在する。

図５は、カメラ及び第２の光源の時間同期の例を示す。この例において、第２の光源は、時間においてシーケンシャルに赤（Ｒ）（又は第２の赤外線、ＩＲ２）及び第１の赤外線（ＩＲ１）波長を持つ光を放出する。第１の光源の光は明示的に示されないが、これは、常に存在し、緑色光を含む全体の可視スペクトルをカバーする環境光とすることもできる。第２の光源からの第２の照明の有無にかかわらず、赤（又はＩＲ２）及びＩＲ１波長の各々に関する対応するセンサデータを比較することにより、それは、（赤、ＩＲ１、ＩＲ２の範囲にある）環境照明の使用と比較して、ＰＰＧ信号取得の堅牢性の改良を可能にする。赤（又はＩＲ２）及びＩＲ１チャネルの各々に関する隣接するフレームの間の（運動補償される）差は、（環境照明の貢献のない）第２の光部分だけの推定を提供する。これにより、運動補償が例えば、任意の運動補償ビデオ処理アルゴリズムにおいて、推定された運動ベクトルに沿ってピクセルを処理することにより、実現される。

更に、第２の光源をシーケンシャルにスイッチオン／オフにすることが、専用の照明がオフにされるとき、反射型ＰＰＧの取得を可能にする。従って、本実施形態におけるシステムは、チャネルＲ（又はＩＲ２）及びＩＲ１における透過性のＰＰＧと、チャネル緑（Ｇ）、赤（又はＩＲ２）及びＩＲ１における反射型ＰＰＧとを組み合わせる。別の実施形態では、所望のバイタルサインの個別の適用及び取得に必要及び／又は好ましい場合、例えば青及び緑色波長範囲といった他の波長範囲における反射型光及び反射型波長範囲における透過的な光が評価されることができる。

他の多くの実施形態が、専用の照明を用いる透過的ＰＰＧ及び環境照明又は別の専用の光源からの照明を用いる反射型ＰＰＧの組み合わせに関して存在する。

好ましい実施形態は、対象の耳の後に置かれる専用の照明（例えば補聴器）に関する第２の光源を使用する。一方、カメラが対象の顔の前に配置される。このカメラのフレームキャプチャリングは、第２の光源と同期化される。こうして、透過的ＰＰＧ信号（第２の光源から放出される光を用いる）及び反射型ＰＰＧ信号（環境光又は第１の光源からの光を用いる）が得られる。

提案されたシステム１０'の別の実施形態が、図６に示される。この実施形態において、第２の光源は、例えばＬＥＤ又はランプといった複数の（ここでは３つの）光源要素２５を有する。これは、ＮＩＣＵ４０のマットレス４２に埋め込まれる。一方、カメラを含むデバイス１２は、乳児１５の上に配置され、透過的及び反射型光を得る。これらの光から、１つ又は複数のバイタルサインの導出に関するＰＰＧ信号が、上述したように得られる。

デバイス１２の要素は、必ずしも単一のエンティティ又はハウジングへと組み合わせられる必要はなく、分散された態様において構成されることもできる点に留意されたい。例えば処理ユニット３２及び分析ユニット３４（更に、制御ユニット３６）は、カメラ３０とは別に、例えばインタフェース２０又は別々のコンピュータにおいて構成されることもできる。

図７は、本発明によるウェアラブル光源デバイス５０の実施形態の概略図を示す。上記ウェアラブル光源デバイス５０は好ましくは、図１に示される第２の光源２４として使用される。

ウェアラブル光源デバイス５０は、対象の体の一部に、本実施形態において人の耳の後にウェアラブル光源デバイスを構成するためのホルダ５２を有する。この場合、ホルダは例えば補聴器の形を持つ。例えばＬＥＤといった光を放出する光源５４がホルダ５２内において又はホルダに取り付けられる。その結果、放出された光は、透過された光を得るために関心領域を照射するよう対象の関心領域を通り透過される。本実施形態において、光源５４は、耳たぶの後方側面に向かうホルダ５２の表面５６に構成される。その結果、光が耳たぶを通して透過され、透過された光は、耳たぶの前面側から見られる及びキャプチャされることができる。

上述した態様で光源５４を制御するため、例えば図２に示される制御ユニット３６から制御情報を受信する制御入力５８が提供される。例えば、本実施形態において、隣接する画像フレームが光源５４の異なる波長でキャプチャされるという態様で、カメラ１２のフレームキャプチャリングが光源５４と時間において同期化されるよう、光源は制御される。好ましくは、上記制御入力５８は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷＬＡＮ、Ｚｉｇｂｅｅなどを介して制御情報を無線で受信するよう構成される。

更に、好ましくは、任意のケーブルを回避して、ウェアラブル光源デバイス５０の自立した動作を確実にするため、例えば電池といった電源６０が提供される。

要約すると、本発明は、（指又は耳たぶに固定される）クランピングセンサ又は（ｒＰＰＧを使用する）カメラを用いて、既存のＳｐ０２測定方法を超える実質的な利点を提供する。特に、Ｓｐ０２クランピングデバイスは、運動に対して、及び環境光によりもたらされる乱れに対してセンシティブである。本発明に基づき提供される追加的な（第２の）光源は、耳の後に置かれるバッテリ供給のＬＥＤとすることができる。それは、無線デバイスとすることができ、「固定される」必要はない。更に、Ｓｐ０２カメラ測定のＳｐ０２測定の（ＳＮＲの観点での）品質が、改良される。

例えば、本発明は、例えば目立たない遠隔患者モニタリングといったヘルスケア領域、一般的な監視、セキュリティ監視及びフィットネス器材といったいわゆるライフスタイル環境等の分野において適用されることができる。出願は、酸素飽和（パルスオキシメトリ）、心拍、血圧、心拍出量のモニタリング、血液潅流の変化、自律機能の評価及び末梢血管疾患の検出を含むことができる。本発明は特に、例えば自動化されたＣＰＲ（心肺蘇生術）の間の危機的な患者の高速で信頼性が高いパルス検出に関して使用されることができる。このシステムは、新生児のバイタルサインのモニタリングに関しても使用されることができる。一般に、本発明は、スポットチェック及び連続的なモニタリングを可能にする。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (18)

1. 対象のバイタルサインを決定するデバイスであって、
   １つ又は複数のコンピュータプロセッサであって、第１の波長範囲の光を放出するよう第１の光源を制御し、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出するよう第２の光源を制御するようプログラムされ、前記第１の光源が、前記対象から離れており、前記第２の光源は、前記対象に近接して配置される、１つ又は複数のコンピュータプロセッサと、
   対象の関心領域から前記第１及び第２の異なる波長範囲における光のコンタクトレスの検出に関する検出ユニットであって、前記検出ユニットが、前記関心領域から反射される光から前記第１の波長範囲における第１の光部分を検出し、前記関心領域を通り透過される光から前記第２の波長範囲における第２の光部分を検出するよう構成され、前記検出ユニットは、少なくとも時間的に同時である照射に基づき、前記第１の光部分及び前記第２の光部分を同時に検出するよう構成される、検出ユニットとを有し、
   前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが更に、
   前記少なくとも２つの異なる波長範囲に関する検出された光から、プレチスモグラフィＰＰＧ信号を得て、
   前記第１及び第２の異なる波長範囲に関する前記ＰＰＧ信号からバイタルサインを得るようプログラムされる、デバイス。
2. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、前記第１の光源、前記第２の光源及び／又は前記検出ユニットをこれらの２つ以上を互いに同期化させるよう制御するよう更にプログラムされる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、赤及び赤外線波長範囲における光を交互に放出するよう前記第２の光源を制御するよう更にプログラムされる、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記検出ユニットが、
   前記検出された光から前記第１及び第２の波長範囲の光をフィルタリングする１つ又は複数の光学フィルタと、
   前記第１及び第２の光源のそれぞれから照らされる光を検出するようプログラムされる少なくとも１つの電子プロセッサとを有する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、少なくとも２つの異なる波長範囲に関して前記ＰＰＧ信号を組み合わせて、前記組み合わせられたＰＰＧ信号から前記バイタルサインを得るよう更にプログラムされる、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記検出ユニットが、前記関心領域の一セットの画像フレームを得るよう構成されるカメラを含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、赤及び赤外波長範囲における光を放出するよう前記第２の光源を制御するよう更にプログラムされる、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記第２の光源が、透過された光を得るために前記関心領域を照射し、対象の関心領域を通り光を透過させるよう構成され、
   前記光の透過及び反射された光を得るための前記光による前記対象の照射が、少なくとも時間的に同時である、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１の光源が、前記関心領域から反射される光を得るため、前記第１の波長範囲における光で前記関心領域を照射するよう構成される、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記第２の光源が、耳の後ろ、又は、人の手の一方の側に配置されるよう構成される、請求項８に記載のデバイス。
11. マットレスを持つデバイスを更に有し、前記第２の光源が、前記マットレスに配置される複数の光要素を有する、請求項８に記載のデバイス。
12. 前記光要素が、ＬＥＤである、請求項１１に記載のデバイス。
13. 対象のバイタルサインを決定するデバイスの作動方法において、
    制御ユニットが、第１の波長範囲の光を放出するよう前記対象から離れた第１の光源を制御するステップと、
    前記制御ユニットが、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出するよう前記対象に近接して配置される第２の光源を制御するステップと、
    検出ユニットが、対象の関心領域から前記第１及び第２の波長範囲における光をコンタクトレスに検出するステップであって、前記関心領域から反射される光から前記第１の波長範囲における第１の光部分が検出され、前記関心領域を通り透過される光から前記第２の波長範囲における第２の光部分が検出され、前記第１の光部分及び前記第２の光部分が、少なくとも時間的に同時である照射に基づき、同時に検出される、ステップと、
    処理ユニットが、前記少なくとも２つの異なる波長範囲に関する検出された光から、プレチスモグラフィＰＰＧ信号を得るステップと、
    分析ユニットが、前記第１及び第２の異なる波長範囲に関する前記ＰＰＧ信号からバイタルサインを得るステップとを有する、方法。
14. 新生児ケアユニットにおける新生児のバイタルサインを決定するデバイスの作動方法において、
    制御ユニットが、第１の波長範囲の光を放出するよう前記新生児から離れた第１の光源を制御するステップと、
    前記制御ユニットが、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出するよう前記新生児ケアユニットの下部層に配置される第２の光源を制御するステップと、
    検出ユニットが、前記新生児の関心領域から前記第１及び第２の波長範囲における光をコンタクトレスに検出するステップであって、前記関心領域から反射される光から前記第１の波長範囲における第１の光部分が検出され、前記関心領域を通り透過される光から前記第２の波長範囲における第２の光部分が検出され、前記第１の光部分及び前記第２の光部分が、少なくとも時間的に同時である照射に基づき、同時に検出される、ステップと、
    処理ユニットが、前記少なくとも２つの異なる波長範囲に関する検出された光から、プレチスモグラフィＰＰＧ信号を得るステップと、
    分析ユニットが、少なくとも２つの異なる波長範囲に関する前記ＰＰＧ信号からバイタルサインを得るステップとを有する、方法。
15. 前記第２の光源を対象の体の部分に接触させて配置するためのホルダを有する、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、制御情報を前記検出ユニットに無線で送信し、前記検出ユニットから前記検出された光信号を受信するようプログラムされる、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記１つ又は複数のコンピュータプロセッサが、前記得られたバイタルサインを表示するよう表示デバイスを制御するよう更にプログラムされる、請求項１に記載のデバイス。
18. 前記第１の光源が、緑波長範囲における光を放出するよう構成され、
    前記第２の光源は、赤及び／又は赤外波長範囲における光を放出するよう構成される、請求項１に記載のデバイス。

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