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KR101860605B1 - 조직의 생리학적 특성의 비침습성 광학 측정을 위한 시스템 - Google Patents

조직의 생리학적 특성의 비침습성 광학 측정을 위한 시스템 Download PDF

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KR101860605B1
KR101860605B1 KR1020147012912A KR20147012912A KR101860605B1 KR 101860605 B1 KR101860605 B1 KR 101860605B1 KR 1020147012912 A KR1020147012912 A KR 1020147012912A KR 20147012912 A KR20147012912 A KR 20147012912A KR 101860605 B1 KR101860605 B1 KR 101860605B1
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South Korea
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tissue
light
optical
blood
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파벨 자크하로프
마크 탈라리
안드레아스 카두프
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바이오보션 아게
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Abstract

본 발명의 실시예는 조직의 생리학적 특성의 비침습성 측정을 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 시스템은 발광기, 광학 검출기, 기계적 센서 및 프로세서를 포함한다. 발광기는 두 개의 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있고, 적어도 하나의 광원을 포함한다. 프로세서는 광학 및 기계적 센서의 측정치로부터 조직의 생리학적 특성을 평가할 수 있다. 더욱 정확하게, 프로세서는 기계적 센서 및 광학 검출기에 의해 측정된 데이터를 사용하여 정맥 혈액의 생리학적 특성을 평가할 수 있다. 예로서, 정맥 혈액의 산소화가 측정될 수 있다. 또한, 시스템은 선택적으로 세 개의 파장을 방출하는 발광기를 포함할 수 있으며, 및/또는 발광기와 광학 검출기는 반사 체계로 배열되고 서로 최대 10 mm의 거리에 위치된다.

Description

조직의 생리학적 특성의 비침습성 광학 측정을 위한 시스템 {SYSTEM FOR NONINVASIVE OPTICAL MEASUREMENTS OF PHYSIOLOGICAL PROPERTIES IN TISSUE}
본 발명은 조직의 생리학적 특성의 비침습성 광학 측정을 위한 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 적어도 두 개의 다른 파장의 광을 방출하는 발광기, 광학 검출기 및 프로세서를 포함하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 프로세서는 광학 검출기의 측정치로부터 생리학적 특성을 평가할 수 있다.
상술한 시스템은 대상체, 특히, 인체의 혈액의 산소화 및 심박율(HR) 같은 조직의 생리학적 특성을 평가 및 감시하기 위해 널리 사용된다. 본 문서의 내용에서, 조직은 생물학적 조직을 지칭한다. 생물학적 조직은 대상체 내에서 유사한 기능을 수행하는 상호 연결된 세포의 집합체이다. 또한, 조직은 맥관 시스템이 도관(소위 혈관)을 포함하는 맥관 시스템의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 도관은 예로서, 동맥, 모세관 또는 정맥이다. 조직이 혈액을 포함할 때, 이때, 혈액은 항상 조직의 도관 내에 포함된다.
모든 알려진 시스템은 단지 인체가 평가 동안 명백히 규정된 상태에서 유지되는 동안에만 인체의 조직의 생리학적 특성을 만족스러운 품질로 평가할 수 있다는 단점을 갖는다. 이들 조건 또는 제약은 조직 및/또는 인간 신체가 대부분의 시스템에 대하여 휴지 상태로 유지되거나 정지상태로 보유되는 것을 필요로 한다. 이들 조건 또는 제약은 평가 이전에 소정 시간 기간에도 적용되며, 예로서, 혈압 및/또는 산소측정 판독을 취하기 이전에 휴지시킬 필요가 있다. 일부 다른 시스템은 규정된 방식으로(예로서, 조직 상의 압력 인가 및/또는 진동을 통해 기계적으로) 조직을 능동적으로 자극하거나, 조직 및/또는 신체가 명백히 규정된 이동을 수행할 필요가 있다. 자극 또는 규정된 이동 동안, 조직 및/또는 신체는 각각의 조건을 충족하여야 한다.
이런 요건(즉, 이런 조건 또는 제약)에 대한 이유는 평가 동안 조직 또는 신체의 이동이 측정치에 운동 아티팩트를 유발한다는 것이다. 동일한 바가 조직의 배향(즉, 조직의 표면이 예로서 수평으로 또는 수직으로 배향되어 있는지 여부)에 적용된다. 조직의 배향의 변화는 아티팩트를 초래한다. 이들 이동 및/또는 배향 아티팩트는 예로서 조직의 혈류의 변화 또는 조직 층의 이동에 의해 유발되거나 조직에 직접적으로 또는 간접적으로 유도될 수 있다. 단지 명백히 규정된 운동 및/또는 배향만이 본 기술 분야의 시스템을 사용하여 해석될 수 있는 측정치 또는 측정치의 변화를 초래한다.
핑거팁(fingertip)에 부착되고 핑거팁을 통해 전달되는 광을 측정하는 센서를 구비한 시스템이 알려져 있으며, 널리 사용된다. 이들 시스템은 이동 및/또는 배향 아티팩트와 상술한 바와 같은 다른 단점을 갖고 있거나, 이들은 응답의 지연을 생성하는 복잡한 알고리즘으로, 측정 이후 측정된 신호를 여과함으로써 이들 문제를 해결하기를 시도한다.
또한, 시스템이 사용자에 의한 운동을 겪는지 여부를 판정하기 위해 가속도계 같은 기계적 센서를 사용하는 것이 알려져 있다. 기계적 센서는 기계적 힘, 압력 및/또는 가속을 측정하는 센서이다. 시스템이 휴지 상태에 있을 때 측정된 데이터만이 사용된다.
따라서, 이동하는 대상체 상에 실생활 조건 하에서, 특히, 대상체 이동이 불규칙적 패턴으로 일정하게 발생할 때, 비침습성 광학적 방법에 의해 조직의 생리학적 특성을 간단하고 신뢰성있게 평가 또는 감시하는 것은 가능하지 않다. 본 문서 전반에서, 대상체는 측정되는 조직을 포함하는 유기체 및/또는 신체를 나타낸다. 특히, 대상체는 인체일 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 단점 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 극복하는, 서두에 언급한 유형의 조직의 생리학적 특성의 비침습성 광학적 측정을 위한 시스템을 생성하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 조직의 생리학적 특성의 비침습성 측정을 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 광학적 센서, 기계적 센서 및 프로세서를 포함한다. 광학적 센서는 발광기 및 광학 검출기를 포함한다. 발광기는 적어도 두 개의 다른 파장의 광을 방출할 수 있으며, 적어도 하나의 광원을 포함한다. 프로세서는 광학적 및 기계적 센서의 측정으로부터 조직의 생리학적 특성을 평가할(그리고, 예로서, 평가하도록 프로그램될) 수 있다. 더 정확하게, 프로세서는 기계적 센서 및 광학적 센서로부터의 측정치를 조합함으로써 정맥 혈액의 생리학적 특성을 평가할 수 있다.
발광기는 적어도 하나의 광원, 예로서, 적어도 하나의 반도체 광원을 포함한다. 이런 광원은 발포토다이오드(LED), 고휘도 다이오드(SLD) 및/또는 레이저 다이오드(LD)를 포함한다. 하나의 단일 광원이 적어도 하나의 파장에서, 예로서, 명백히 규정된 파장 범위 내에서 광을 방출할 수 있다. 발광기는 예로서, 구별되는, 그리고, 명백히 규정된 파장 범위 내에 있는 적어도 두 개의 파장에서 광을 방출할 수 있다. 선택적으로, 파장의 제1 범위는 산소화 및 환원된 헤모글로빈의 등흡광점 정도이고, 파장의 제2 범위는 상술한 등흡광점으로부터 이격되어 있으며, 그리고, 예로서, 산소화 및 환원된 헤모글로빈의 흡수도가 매우 다른 파장에 있다.
등흡광점은 두 개의 화학적 종(상술한 예에서, 산소화 및 환원된 헤모글로빈)이 동일한 흡수도를 특징으로 하는 파장이다. 등흡광점에서 일회, 그리고, 그로부터 이격되어 일회 측정함으로써, 상대적 흡수도 편차는 두 개의 화학적 종 사이를 구별할 수 있게 한다. 특히, 제1 파장은 770-830 nm의 범위(특히, 790-810 nm)의 적외선 범위에 있을 수 있고, 제2 파장은 가시광 적색, 예로서, 630-690 nm(특히, 650-670 nm)의 범위에 있을 수 있다. 대안적 등흡광점은 568 nm의 파장 범위에 있고, 산소화 및 환원된 헤모글로빈 사이의 광 흡수성의 현저한 편차를 갖는 대안적 파장 범위는 900 mm과 950 nm 사이의 적외선에 있다.
대안적으로, 파장 범위는 등흡광점으로부터 이격되어 선택될 수 있고, 여기서, 산소화 및 환원된 헤모글로빈의 흡수 효율은 서로 다르다. 등흡광점으로부터 이격된 파장 범위에 대하여, 두 개의 화학적 종 사이의 상대적 흡수도 편차가 이들 파장 범위에서 반대 부호를 특징으로 하는 것이 유리하다. 예로서, 하나의 범위는 환원된 헤모글로빈이 산소화된 헤모글로빈보다 높은 흡수도를 갖는 630-690 nm의 상술한 가시 적외선 범위일 수 있다. 본 예에서, 제2 범위는 환원된 헤모글로빈이 산소화된 헤모글로빈보다 낮은 흡수도를 갖는 900 - 950 nm의 상술한 적외선 범위일 수 있다.
광학 검출기는 발광기로부터 방출된 광을 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 광학 검출기는 시간적 멀티플렉싱을 사용하여 측정할 수 있으며, 이는 광학 검출기가 제2 파장을 갖는 광 송신기로부터 방출된 광과는 다른 시간에 제1 파장을 갖는 광 송신기로부터 방출된 광을 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 다른 실시예에서, 광학 검출기는 적어도 두 개의 파장을 개별적으로 또는 동시에 측정할 수 있다. 광학 검출기는 선택적으로 다른 범위의 파장에 대해 감지성인 다른 부분을 가질 수 있다. 광학 검출기는 예로서 광이 조직과 상호 작용한 이후, 필터 또는 반사 표면 같은 파장 선택적 요소와 상호 작용한 광을 측정할 수 있다. 예로서, 다양한 기하학적 구성의 광을 측정하기 위해, 및/또는 더 양호한 통계자료를 위해, 하나보다 많은 광학 검출기를 사용하는 것도 가능하다.
현 기술 상태에서, 두 개의 다른 파장을 위한 발광기와 광학 검출기를 포함하는 광 센서 배열에 의해 동맥 혈액의 혈액 산소화를 측정하는 것이 알려져 있으며: 예로서 660 nm 정도의 파장에서 검출된 광이 원하는 신호인 반면, 등흡광점의 신호는 예로서, 심장 펄스 웨이브에 기인하여 원하는 신호에 대한 변하는 헤모글로빈 농도로부터 유래된 영향을 차감하기 위해 사용된다.
본 발명은 광학 센서와 기계적 센서의 측정된 신호를 다른 방식으로 사용하는 것을 제안한다. 본 발명은 대상체의 정맥 맥관 시스템 내부의 압력이 동맥 맥관 시스템의 압력보다 현저히 낮다는 사실의 장점을 취한다. 맥관 시스템은 정맥 맥관 시스템과 동맥 맥관 시스템을 포함하며, 대상체 내의 혈액을 포함하는 모든 도관을 포함한다. 정맥 맥관 유연성(즉, 정맥의 맥관 가요성)은 동맥 유연성(즉, 동맥의 맥관 가요성)보다 높기 때문에 혈액 유동의 변동을 평활화한다. 또한, 정맥 시스템은 대부분의 양의 혈액을 포함한다.
대상체의 일부 또는 전체 대상체의 압력 평형이 대상체의 능동 또는 수동 운동에 의해, 기립성 변화, 즉, 중력 방향에 대한 대상체 또는 대상체 부분 위치의 변화(예로서, 수직으로부터 수평 위치까지 대상체의 일부의 이동 또는 대상체의 하향 기댐)에 의해 및/또는 외부 압력에 의해(예로서, 조직에 추가적 압력의 인가에 의해) 교란될 때, 크게 영향을 받는 맥관 시스템의 부분은 정맥 맥관 시스템이며, 그 이유는 정맥 맥관 시스템의 비교적 낮은 기저 압력 및 유연성, 즉, 정맥 맥관 시스템의 비교적 높은 가요성 때문이다. 이는 일반적으로, 광학 센서에 의해 관찰될 수 있는 정맥 혈액의 전위(relocation)를 초래한다. 정맥 혈액의 전위는 정맥 혈액 파라미터의 추산을 위해 사용될 수 있다. 이에 대조적으로, 종래 기술로부터 알려진 방법은 동맥 혈액 파라미터의 추산을 위해 심박율(대부분 심장 펄스 웨이브를 식별함으로써)에 기인한 동맥 혈액의 전위를 사용한다.
광학 데이터에 추가로 기계적 센서로부터의 데이터를 사용하여, 정맥 혈액에 대한 정량적 선언이 이루어진다. 동맥 혈액의 전위에 대조적으로 정맥 혈액의 전위는 대상체의 조직 및/또는 부분의 배향(예로서, 팔이 수평으로 위치되어 있는지 수직으로 위치되어 있는지 여부), 조직에 근접한 근육 긴장 및/또는 압력 또는 대상체의 조직 및/또는 부분의 이동 같은 파라미터에 크게 의존한다. 추가적으로, 정맥 혈액 산소화는 일반적으로 알려져 있지 않다. 이에 기인하여, 정맥 혈액 생리적 특성에 대한 정량적 선언을 수행하는 것이 현재까지는 불가능하였으며, 종래 기술 센서 배열은 단지 동맥 혈액 산소화 및 심장 펄스 웨이브에 집중한다.
본 특허 출원의 발명자의 견지는 광학 센서에 추가로 기계적 센서를 사용하여, 또한, 정맥 혈액의 특성이 어드레스될 수 있다는 것이다. 특히, 기계적 센서를 위한 일 예로서 가속도계가 전체 대상체, 대상체의 일부 또는 조직과 이에 따른 맥관 시스템의 배향을 결정할 수 있다. 이는 대상체의 운동에 의해 유발되는 중력 방향에 대한 정맥 맥관 시스템의 배향의 변화에 기인한 정맥 혈액의 전위를 재현 가능하게 사용할 수 있게 한다. 유사하게, 압력 센서는 예로서 근육 수축 및/또는 이완에 의해 유발되는 맥관 시스템의 각각의 조직의 혈액 체적 변동을 고려할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 이동 유도 신호(유도된 신호의 배향 변화를 포함)는 정맥 생리학적 특성을 의도적으로 어드레스하기 위해 사용된다. 이는 정맥 맥관 시스템이 동맥 맥관 시스템보다 이동(배향 변화를 포함하는)에 의해 매우 강하게 유도되기 때문에 이루어질 수 있다. 그러나, 정맥 혈액의 전위가 종래 기술 방법에서 감소 또는 제거되어야 하는 원치않는 효과인 반면, 본 발명은 정맥 혈액의 전위의 장점을 취한다. 따라서, 본 발명은 종래 기술의 방법에서 단점으로 간주되는 조직의 생리학적 특성을 측정하기 위한 양태를 사용한다.
기계적 센서는 예로서 광학 센서와 동일한 하우징 내에 통합될 수 있다. 기계적 센서는 예로서 또한 대상체와 별개로 배치될 수 있다. 예로서, 일 실시예에서, 기계적 센서 및 광학 센서는 단일 유닛으로서 가요성 밴드에 의해 대상체의 상완에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 기계적 센서 및 광학 센서는 대상체의 상체 상에 별개로 배치될 수 있다. 다수의(예로서, 다양한) 기계적 센서의 조합이 가능하며, 유리할 수 있다. 기계적 센서는 기계적 센서가 광학 센서에 의해 측정되는 조직에 관련할 수 있는 이동, 배향 및/또는 압력을 측정하는 방식으로 배치된다.
광학 센서는 투과 또는 반사 체계로 배열될 수 있다. 투과 체계에서, 조직은 발광기와 광학 검출기 사이의 직접 경로에 배치된다. 투과 체계에서, 검출기에 의해 검출된 광 부분의 경로는 산란된 부분에 추가로 발광기로부터 주로 직선이다. 반사 체계에서, 발광기 및 광학 검출기는 조직의 제1 측부 상에 배열된다. 발광기로부터 방출된 광은 제1 측부로부터 조직에 진입하고, 상호 작용 이후 다시 제1 측부를 향해 조직을 벗어나고, 그 후, 발광기 옆에 배치된 광학 검출기에 의해 측정된다. 반사 체계는 착용 가능한 시스템의 경우에 유리할 수 있으며, 그 이유는 먼저 투과 배열이 광 경로가 비교적 짧아야하고, 두 번째로, 측정 결과는 광 경로의 길이에 치명적으로 의존하기 때문이며, 이는 측정이 예로서 핑거팁 상에 장착된 시스템의 작은 이동에 의해 쉽게 왜곡된다는 것을 의미한다.
프로세서는 광학 및 기계적 센서의 측정치로부터 정맥 혈액의 생리학적 특성을 평가한다. 기계적 센서는 전체 대상체, 대상체의 일부 및/또는 조직의 이동, 전체 대상체, 대상체의 일부 및/또는 조직의 배향 및/또는 전체 대상체, 대상체의 일부 또는 조직에 인가되는, 따라서, 맥관 시스템에 인가되는 힘이나 압력을 측정한다. 기계적 센서는 선택적으로 가속도계, 압력 센서, 변형 게이지 및/또는 다른 센서를 포함할 수 있다. 압력 센서는 예로서 조직에 인가되는 압력 또는 힘 및/또는 조직으로부터 유입되는 조직의 압력 또는 힘을 측정할 수 있다. 압력 센서는 특히 압력 센서가 조직에 대해 가압되는 압력을 측정할 수 있다. 변형 게이지는 예로서 적어도 하나의 근육의 수축 또는 이완에 관련할 수 있는 조직의 치수의 변형을 측정할 수 있다.
프로세서는 기계적 센서의 측정 결과를 처리한다. 실시예에서, 조직이 이동 및/또는 위치 변화를 받는 동안 능동적 주기를 식별할 수 있다. 기계적 센서의 측정은 이들 능동적 주기 동안 운동 아티팩트 및/또는 배향 아티팩트를 교정할 수 있다. 종래 기술에서, 운동 아티팩트 및/또는 배향 아티팩트의 교정은 대부분 이들 아티팩트를 포함할 수 있는 측정치를 여과 제거함으로써 이루어진다.
제1 처리 단계로서, 프로세서는 기계적 및 광학적 센서의 측정치를 조합하며, 측정된 조직의 정맥 혈액의 대응하는 생리학적 특성을 유도한다. 본 제1 단계에서 프로세서는 적어도 정맥 혈액 전위를 유도하며, 이는 측정될 수 있는 다수의 생리학적 특성 중 하나일 뿐이다. 제2 처리 단계로서, 제1 단계에서 추산된 정맥 혈액 전위의 기여는 측정된 광학 신호로부터 제거된다. 제2 처리 단계 이후의 잔여 광학 신호는 제3 처리 단계에서 조직의 생리학적 특성을 유도하기 위한 다른 분석을 위해 사용될 수 있다. 제3 처리 단계에서, 잔여 광학 신호는 예로서 운동과 직접적으로 연계되어 있지 않은 인자로부터 발생하는 동맥 혈액 전위의 분석을 위해 사용될 수 있다. 운동에 직접적으로 관련되어 있지 않은 인자는 예로서, 심장 펄스 웨이브이다. 제1 및/또는 제3 처리 단계에서 유도되는 생리학적 특성은 예로서, 심박율, 심박율 변동, 동맥 및/또는 정맥 혈액 산소화 및 동맥 포토플레티스모그래픽(photoplethysmographic; PPG) 펄스 진폭일 수 있다. 혈액 산소화는 혈액 내의 전체 헤모글로빈 농도에 대한 산소화된 헤모글로빈 농도의 비율이다. 혈액 산소화는 혈액의 특정 유형 및/또는 체적에 대해, 예로서, 동맥 혈액 또는 정맥 혈액 또는 동맥이나 정맥 혈액의 특정 구획에 대해 추산될 수 있다.
조직 또는 조직의 일부의 위치의 이동 및/또는 변화는 조직이 정지 상태로 유지되거나 규정된 자극을 받는 상태에 구속되지 않는다. 대신, 이 조직 내의 정맥 혈액의 생리학적 특성은 따라서 매일의 생활 중에 및 규칙적 일상 동안 측정될 수 있다. 수면 기간 동안의 측정도 수행될 수 있으며, 그 이유는 수면중인 사람의 이동, 즉, 일반적으로 전체 수면 기간 동안 불규칙적으로 발생하는 수면 위치의 변화가 이동 및/또는 위치 변화 동안 측정을 수행할 수 있게 하기에 일반적으로 충분하기 때문이다. 측정은 물론 조직이 규정된 방식으로 휴지 또는 자극되는 동안 수행될 수도 있다.
정맥 혈액의 생리학적 특성은 정맥 혈액이 이미 조직과 상호 작용되기 때문에 관심의 대상이다. 따라서, 정맥 혈액의 생리학적 특성으로부터 관류된 조직의 생리학적 특성을 결론짓는 것이 가능하다. 다수의 경우에, 관주된 조직에 대한 정보는 이 조직을 포함하는 전체 대상체 또는 그 일부에 대한, 즉, 이 조직을 포함하는 전체 유기체 또는 신체에 대한 정보를 취득하기 위해 외삽될 수 있다. 측정될 수 있는 정맥 혈액의 생리학적 특성 중 하나는 예로서, 정맥 혈액의 산소화(SvO2)이다. 정맥 혈액의 선택적으로 측정된 산소화는 대응 동맥 혈액(SaO2)의 산소화, 관류된 조직의 혈액 유동 및 관류된 조직에서의 산소 소비 같은 다양한 인자에 의존한다. 정맥 혈액의 산소화가 측정되고 나면, 다른 인자가 이로부터 추론될 수 있다.
정상 상태 하에서 낮은 및/또는 일정한 산소 소비를 갖는 조직(대상체가 휴지 상태 또는 온건히 이동하는 동안 인간 피부 같은)에서, 정맥 산소화는 동맥 산소화의 대체물로서 사용될 수 있으며, 그 이유는 산소 함량의 편차, 즉, 동맥으로부터 정맥 혈액으로의 산소 함량의 유효한 강하가 인지될 수 있기 때문이다. 따라서, 동맥 산소화는 정맥 산소화에 대한 공지된 편차를 추가하는 것을 통해 계산될 수 있다. 경향만이 관심의 대상인 경우(혈액의 산소화의 증가, 감소 또는 안정성), 이때, 정맥 산소화는 추가적 계산 없이 사용될 수 있고 여전히 동맥 산소화의 경향을 나타낸다.
SaO2로서 SvO2의 대체 사용은, 운동 유도 정맥 혈액 전위의 배경상에서 심장 펄스 웨이브를 해석하기가 곤란할 때, 능동적으로 이동하는 대상체(운동선수, 응급 작업자, 야전 군인 등) 상의 착용형 감시의 장점을 가질 수 있다. 심장 펄스 웨이브 없이, 종래 기술의 방법은 SaO2를 유도할 수 없다. 본 발명은 SvO2의 유도를 가능하게 하고, 따라서, 일반적 상태 하에서 SaO2를 계산할 수 있게 한다.
다른 한편, 일반적 상태 하에 있지 않은 조직에서, 예로서, 대상체, 각각, 신체의 산소 공급이 훼손될 때(예를 들어, 혈액 손실에 기인하여), 덜 필수적인 조직으로의 혈액 유동(피부, 피하 층 근육, 소화관 같은)이 감소되고, 따라서, 이런 장기의 결과적 정맥 산소 함량이 현저히 감소된다. 따라서, 제안된 방법에 의해 측정된 이런 장기의 SvO2는 이런 사건의 감지 표시자일 수 있다. SvO2의 현저한 변화는 따라서 일반적 상태의 조직 또는 전체 신체로부터 일반적이지 않은 상태 하의 조직 또는 전체 신체로의 전이를 식별하기 위해 사용될 수 있다.
선택적으로, SvO2 이외의 헤모글로빈의 하나 이상의 파생체의 상대적 농도는 정맥 혈액에서 연구될 수 있다. 예로서, 카르복시헤모글로빈, 메테모글로빈 및/또는 페탈 헤모글로빈(fetal hemoglobin)이 연구될 수 있다. 이들 파생체는 가시적 및/또는 적외선 영역에서 특정 흡수 스펙트럼을 가지며, 따라서, 광학적으로 검출될 수 있다. oxyHb 이외의 파생체의 추산을 위해 정맥 혈액을 사용하는 장점은 정맥 혈액의 oxyHb 이외의 파생체의 함량이 일반적으로 동맥 혈액의 파생체의 함량과 유사하며, 운동에 의해 유발되는 정맥 혈액 체적 변동은 동맥 체적의 심장 펄스 웨이브에 의해 유도되는 변화보다 높다(즉, 운동에 의해 유발되는 정맥 혈액 전위는 더욱 두드러진다)는 것이다. 따라서, 정맥 혈액은 이런 측정을 위한 동맥 혈액보다 높은 신호대 잡음비를 제공할 수 있다. 산소화된 헤모글로빈 이외의 헤모글로빈 유도체의 측정을 위해, 그 특정 흡수 스펙트럼에 기인한 다른 헤모글로빈 파생체의 식별을 가능하게 하기 위해 추가적 프로빙 파장이 도입될 수 있다.
정맥 혈액의 생리학적 특성은 추가적 파라미터를 유도하기 위해 동맥 혈액의 생리학적 특성과 조합될 수 있다. 동맥 혈액의 생리학적 특성을 측정하기 위한 다른 방법은 종래 기술에 공지 및 설명되어 있다. 상술한 시스템을 사용하여 동맥 혈액의 생리학적 특성(또는, 예로서, 센서, 데이터 및/또는 프로세서를 사용하여 그 단지 일부)을 측정하는 것이 가능하다. 추가적으로 또는 대안적으로, 또한, 별개로 및 독립적으로 동맥 혈액의 생리학적 특성을 측정하는 것이 가능하다.
예로서, SaO2, SvO2 및 혈액 유동이 알려져 있을 때, 조직 산소 소비가 SaO2와 SvO2 사이의 혈액 유동과 산소화 편차의 적(product)으로서 Fick의 원리에 따라 추산될 수 있다. 혈액 유동은 예로서 본 발명에 따른 시스템 또는 본 발명 및/또는 다른 시스템에 따른 시스템을 사용하여 대안적 방법으로 추산된 PPG 진폭으로부터 유도될 수 있다. 다른 시스템을 사용하는 대안적 방법은 예로서, 레이저 도플러 유동측정(LDF) 또는 열 소산 센서를 사용한 측정치이다.
따라서, 정맥 혈액의 생리학적 특성의 측정은 추가적으로 조직의 생리학적 특성의 더 양호한 고찰 및 더 정확한 측정을 가능하게 한다. 그러나, 또한, 동맥 혈액의 산소화는 더 정확하고 정밀한 방식으로 정맥 혈액의 산소화를 사용하여 계산될 수 있으며, 그 이유는, 측정이 이동, 위치, 압력 및/또는 관주의 변화를 고려할 수 있기 때문이다. 일반적으로, 본 발명은 실시간 용례를 위해 적합한 비침습성 방법을 사용하여 조직의 생리학적 특성의 측정을 가능하게 한다.
선택적으로, 프로세서는 조직의 자연적 이동에 의해 유발되는 조직 내의 혈액의 이동을 사용하여 정맥 혈액의 생리학적 특성을 평가할 수 있다.
정맥 및 동맥 혈액의 생리학적 특성, 그리고, 특히, 정맥 및 동맥 혈액의 산소화는 선택적으로 조직 내의 혈액의 이동을 유발하는 조직의 자연적 이동을 사용하여 프로세서에 의해 분리될 수 있다. 프로세서는 기계적 센서의 측정을 평가하고 조직의 이동을 식별한다. 조직 이동은 매일의 생활 중에 발생하는 자연적 이동에 의해 유도될 수 있다. 이는 간접적 방법이라 지칭된다. 간접적 방법은 혈액의 자연적 이동, 즉, 조직의 자연적 이동에 기인한 조직의 혈액의 전위를 사용한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 조직 이동은 또한 규정된 운동에 의해 및/또는 외부적 자극에 의해 유도될 수 있다. 이는 직접 방법이라 지칭된다. 직접 방법은 예로서, 동맥 또는 정맥 폐색 또는 환자를 위한 규정된 물리적 운동을 통해 조직 내의 혈액 이동을 강요한다. 외부적 자극을 위한 통상적 예는 경사 테이블 테스트(직립 경사 테스트라고도 지칭됨)이며, 여기서, 대상체는 테이블에 부착된다. 그 후, 대상체가 부착되어 있는 테이블이 수직 배향으로부터 수평 배향으로, 그리고, 그 반대로 위치가 변하는 동안 대상체의 이동이 수행된다.
간접 방법의 한가지 장점은 어떠한 구속이나 조건도 없이 실제 생활 조건에서 정맥 및 동맥 혈액의 생리학적 특성을 측정하는 가능성이다. 이는 대상체가 구속을 따를 필요가 없기 때문에 직접 방법보다 더 편리하다. 또한, 측정은 대상체의 일상적 환경에서 수행될 수 있다. 환자, 즉, 예로서, 인간은 작업, 레저 시간 및/또는 수면 중에 감시될 수 있고, 그의 일상적이고 정상적인 일상을 따를 수 있다.
조직의 및/또는 조직 내의 이동(예로서, 서로에 대한 다른 조직 층의 이동)을 식별하기 위해, 프로세서는 기계적 센서의 측정치를 평가한다. 프로세서는 선택적으로, 프로세서가 광학 및/또는 기계적 센서의 측정치를 평가하는 조직의 이동 범위를 규정하기 위해 조직의 이동에 대한 상부 및/또는 하부 임계치를 설정할 수 있다. 프로세서는 조직의 식별된 이동에 관하여 광학적 및/또는 기계적 센서의 날짜를 평가할 수 있다.
다른 선택사항으로서, 본 발명에 따른 시스템은 조명 조건의 변동을 검출하고, 측정된 광학 신호로부터 이들 변동을 차감할 수 있다. 이는 예로서, 대상체 및 시스템이 인간 대상체의 실제 생활 활동과 다른 조명 조건에 노출되는 착용 가능한 시스템에 대하여, 특히 예로서, 주변 조명 조건이 크게 변할 때, 특히 중요하다.
조명 조건 변동은 예로서, 역시 조직 감쇠의 이동을 위해 사용되는 검출기로 측정될 수 있다. 이런 경우에, 시스템의 발광기는 불능화되어야 하거나, 방출된 광의 강도가 조명 조건의 측정 동안 규정된 방식으로 변경되어야 한다. 대안적으로, 조명 조건은 예로서 발광기로부터의 광을 감지하지 않는 적어도 하나의 전용 센서로 감시될 수 있다. 조명 조건의 측정을 위한 전용 센서는 선택적으로 또한 다른 측정을 위해 사용될 수 있다. 발광기로부터의 광을 담지하지 않는 전용 센서의 경우에, 조명 조건의 측정은 시스템의 측정과 동시에 수행될 수 있으며, 이는 급속히 변하는 조명 조건의 경우에 유리하다.
다른 선택사항으로서, 프로세서는 각각 심장 펄스 웨이브 및 심장 박동에 대하여 관련된 광학 신호의 변동을 인식할 수 있으며, 정맥 또는 동맥 혈액의 생리학적 특성의 평가시 이들 변동을 포함할 수 있다.
프로세서는 선택적으로 위상, 진폭, 트랜싯 시간 및 심장 펄스 웨이브의 다른 특성 같은 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터를 추산하기 위해 기계적 센서 및/또는 광학적 센서의 측정치를 평가할 수 있다. 예로서, 현 기술 상태에서 알려져 있는 포토플레티스모그래픽 접근법으로 수행될 수 있다. 포토플레티스모그래픽 접근법에서, 샘플링된 마이크로맥관 체적의 적혈구의 농도 및 배향의 주기적 변동과 연계된 광 감쇠의 변화가 측정된다. 프로세서는 알려진 알고리즘으로 이들 주기적 변동의 심박 사이클의 주파수 및 위상과 이들 주기적 변동의 다른 파라미터를 추출할 수 있다.
추산된 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터는 그 후 광학 센서의 측정치를 추가로 해석하기 위해 사용된다. 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터는 측정된 신호의 특정 신호 변화를 보여줄 수 있다. 추산된 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터에서, 이들 특정 신호 변화가 식별될 수 있다. 사실, 특정 신호 변화가 제거될 수 있다.
광학 및/또는 기계적 센서의 측정은 또한 특정하게 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터의 특정 신호 변화가 발생하는 동안의 시간 간격의 적어도 일부 동안 해석될 수도 있다. 광학 및/또는 기계적 센서의 측정치는 예로서, 특정하게 예로서, 심장 펄스 웨이브의 진폭의 특정 증가에 의해 나타나는 심장 펄스 웨이브의 전방에서 각각 심장 박동 동안 발생하는 혈압 증가 동안에만 해석될 수 있다. 심박율 및/또는 심장 펄스 파라미터의 추산 및 프로세서를 통해 이 추산된 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터를 정맥 및/또는 동맥 혈액의 생리학적 특성의 평가에 포함시키는 것을 통해, 측정치는 이런 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터의 추산이 없는 것보다 더욱 정확하다.
일부 경우 및/또는 특정 조건 하에서, 측정치의 평가는 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터의 추산 없이는 전혀 가능하지 않다. 심장 펄스 웨이브의 파라미터를 평가할 수 있게 하기 위해, 광학 신호의 샘플링 주파수는 심장 사이클의 주파수보다 적어도 10배 더 커야한다. 이는 통상적으로 적어도 20 Hz의 샘플링 주파수를 초래한다.
추가적 선택사항으로서, 발광기는 제3 파장의 광을 방출할 수 있고(특히, 녹색 파장의 광), 광학 검출기는 제3 파장의 광을 검출할 수 있다.
일반적으로, 제3 파장은 등흡광점에 또는 대안적으로 산소화 및 환원 헤모글로빈 신호 사이의 강한 대비를 갖는 지점에 있는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 파장 범위가 적외선 범위에 있고, 광학 스펙트럼의 적색 부분에 있는 경우, 각각, 제3 파장은 스펙트럼의 녹색 부분에 있을 수 있다.
이때, 선택적으로 방출된 제3 파장의 범위는 녹색 파장 범위(즉, 녹색 범위)이며, 이는 특히 500-600 nm, 그리고, 특정하게는 540-570 nm이다. 예로서, 제3 파장은 산소화 및 환원 헤모글로빈을 위한 등흡광점인 568 nm이다. 혈액은 적색 또는 적외선 범위에서보다 녹색 범위에서 매우 더 높은 흡수 효율을 나타낸다. 따라서, 녹색 광은 조직의 혈액의 양의 변동에 매우 민감하다. 녹색 광에 의한 측정은 반사 체계에서 유리하게 수행된다. 선택적으로, 제3 파장에 의한 측정은 이 특정 파장을 위해 최적화된 별개의 광학적 센서(또는 별개의 광학 검출기)로 수행될 수 있다. 이런 센서(또는 검출기)는 잠재적으로 다른 체계 또는 다른 특성 치수를 가질 수 있다.
산소화 및 환원 헤모글로빈의 등흡광점에서, 양 종류의 헤모글로빈은 측정된 전체 신호에 동일한 신호 강도를 기여한다. 따라서, 이런 등흡광점에서의 측정은 총 헤모글로빈 농도 측정치를 나타내고, 다른 및/또는 변하는 헤모글로빈 산소화에 영향을 받지 않는다. 따라서, 등흡광점에서의 이런 측정은 전체 혈액 관주의 간접 측정치를 나타낸다. 등흡광점에서의 측정치는 예로서, 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터의 측정을 위해 사용될 수 있다. 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터는 조직의 생리학적 특성의 측정을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 심장 펄스 웨이브 효과 및/또는 이동 아티팩트가 측정을 개선시키기 위해 식별될 수 있다. 이동 아티팩트는 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터의 특정 변화로부터 식별될 수 있다.
특히, 녹색 범위의 등흡광점에서의 광에 의한 측정은 심박율 및/또는 심장 펄스 웨이브 파라미터 및/또는 혈액의 다른 생리학적 특성의 측정에 적합하며, 그 이유는 녹색 범위의 광에 대한 혈액의 높은 흡수도 및 결과적인 이 광에 대한 높은 감도 때문이다. 특히, 녹색 범위에서 측정된 신호는 최상위 조직 층의 혈액 생리학적 특성을 나타낼 수 있다. 제3 파장의 측정된 신호는 예로서 광학 검출기로 측정된 제3 파장의 전체 강도이다.
다른 선택사항으로서, 프로세서는 심박율 및/또는 적어도 하나의 심장 펄스 웨이브 파라미터를 검출하기 위해 동적 광 산란(DLS) 기술을 사용할 수 있다.
예로서, 레이저 도플러 또는 스페클 코렐로메트리(speckle correlometry) 같은 동적 광 산란(DLS) 기술은 광을 산란시키는 물질, 예로서, 조직 매트릭스, 유체 및/또는 유체 내의 입자의 동역학과, 특히, 혈액 내의 적혈구의 동역학의 측정을 가능하게 한다. DLS는 이런 물질의 동역학의 파라미터를 유도하기 위해 이런 물질로부터 산란된 응집성 광의 강도 동요의 통계학적 분석을 사용한다. 산란된 응집성 광의 시간적 동요의 통계학적 특성의 연구에 의해, 적혈구의 증가된 동역학을 갖는 시간 간격으로서 예로서 시간 펄스 웨이브를 검출할 수 있다. 더 높은 동역학은 더 짧은 상관 시간, 동요의 더 넓은 스펙트럼 또는 시간 적분된 스페클의 감소된 대비를 초래할 수 있다. DLS 기술은 저비용으로 비침습 방식으로 적용될 수 있다. 일 실시예는 하나의 추가적 레이저 다이오드에서 심박율 특징의 추산을 위해 DLS 기술을 사용한다. 다른 실시예에서, LED는 레이저 다이오드로 대체된다. DLS 기술은 녹색 광에 의한 측정 대신, 그와 조합하여 및/또는 그와 병렬적으로 혈액의 이동의 변동을 인식하기 위해 사용될 수 있다.
추가적 선택사항으로서, 시스템은 공간적으로 해상된 측정을 위해 적어도 두개의 광학 검출기를 포함한다.
조직은 이질적일 수 있으며, 조직의 다른 부분들이 다른 거동 및/또는 생리학적 특성을 나타낼 수 있다. 적어도 두 개의 광학 검출기가 공간적으로 해상된 광학 측정을 가능하게 한다. 각 광학 검출기는 적어도 짧은 시간 기간 동안 적어도 하나의 발광기로부터 광을 수용할 수 있다. 일 예에서, 하나의 발광기는 광을 방출하고, 이 광은 측정 동안 동시에, 그리고, 연속적으로 두 개의 광학 검출기에 의해 수신된다. 공간적으로 해상된 측정치는 조직의 하나 이상의 특정 부분을 평가한다. 이는 더 정확한 측정을 가능하게 하고, 광학 검출기가 조직의 임의적 부분을 측정할 때 및/또는 조직의 다수의 서로 다른 부분의 평균값을 측정할 때 발생하는 가능한 문제들을 감소시킨다. 선택적으로, 조직의 동일한 특정 부분이 각각 짧은 및/또는 긴 시간 기간에 측정된다.
대안적으로, 공간적으로 어드레스할 수 있는 요소를 구비한 검출기, 예를 들어, 전하 결합 장치(CCD) 또는 상보적 금속 산소화물 반도체(CMOS) 기반 카메라 검출기가 사용될 수 있다. 공간적으로 어드레스할 수 있는 요소는 어드레스가능한 요소를 포함하는 이런 검출기 내의, 공간적으로 분리되어 있고, 독립적으로 기능하는 (서브)검출기이다. 달리 말하면, 이런 검출기는 서로 독립적으로 측정하는 작은 다수의 (서브)검출기를 포함하고, 공간적으로 분리되어 있다.
공간적으로 해상된 측정은 대안적으로 또는 상보적으로 또한 두 개의 광학 검출기와는 다른 구성으로, 예로서, 단 하나의 센서와 적어도 두 개의 광원으로 수행되고, 여기서, 적어도 두 개의 광원은 교대로 광을 방출하며, 이들은 공간적으로 분리되어 있다. 이 방식으로, 적어도 두 개의 광원에 의해 방출되는 광은 하나 이상의 광학 검출기에 의해 측정되기 이전에 조직의 적어도 부분적으로 다른 부분과 상호 작용 및/또는 조직과 다른 방식으로 상호 작용한다.
다른 선택사항으로서, 발광기 및 광학 검출기는 반사 체계로 배열되고, 서로 근접하게 위치된다.
반사 체계의, 서로 인접한 발광기 및 광학 검출기의 배열은 조직의 단지 상부 층의 측정만을 가능하게 하며, 그 이유는 조직의 상부 층과만 상호 작용하는 광이 측정된 신호의 전체 강도에 더 많은 강도를 기여하기 때문이다. 반사 체계에서, 조직의 더 깊은 층까지 침투하는 광은 일반적으로 더 많은 감쇠, 흡수 및/또는 산란을 겪으며, 따라서, 단지 조직의 상부 층만을 침투하는 광보다 강도가 작다.
피부의 측정의 경우에, 측정된 상부 층은 표피층에 주로 대응한다. 발광기 및 광학 검출기가 서로 근접하게 위치되어 있다는 것과 비교하면, 추가적 다른 인자는 조직의 상부 층만의 측정을 가능하게 할 수 있다. 추가적 인자는 예로서, 측정의 길이, 즉, 시간적 검출 한계이다. 시간적 검출 한계는 검출기가 단지 조직의 공간적으로 선택된 부분만을 측정하는 것을 보증할 수 있다. 측정이 예로서, 교란 파라미터의 시간스케일보다 매우 짧은 경우, 이때, 교란 파라미터는 측정된 신호의 전체 값을 변화시키며, 측정된 신호의 상대적 변화는 변화시키지 않고, 교란 파라미터는 따라서, 신호의 상대적 변화의 측정에 대해 억제된다. 다른 한편, 매우 짧은 측정은 통계학의 결여에 기인하여 측정된 신호의 낮은 정확도를 초래할 수 있거나 심지어 측정 길이가 검출 한계에 있거나 그 미만일 때에는 불가능할 수도 있다. 또한, 측정의 길이는 방출된 광의 강도에 의존한다. 방출된 광의 강도가 더 높을수록, 동일한 통계학에 대하여 더 짧은 측정이 이루어질 수 있다.
발광기와 광학 검출기가 서로 인접하게 위치된다는 것은 본 문서에 관하여 발광기가 광학 검출기로부터 0.1 내지 10 mm, 특히, 0.5 mm 내지 4 mm의 거리에서 광을 방출한다는 것을 의미한다.
발광기 및 광학 검출기가 서로 근접하게 위치된 상태에서, 조직의 샘플링 체적은 또한 국지화되고, 즉, 조직의 측정된 부분은 알려진 크기 및 그 위치가 제한된다. 조직의 상부 층에 제약된 측정의 장점은 하부 층의 조직 이동, 다양한 층들 사이의 상대적 이동 및/또는 기계적 영향이나 운동 아티팩트와 같은 다른 인자에 대한 더 낮은 민감성이다. 이는 또한 운동 아티팩트를 피하거나 최소화하기 위해 유리하다.
일 실시예에서, 발광기 및 광학 검출기는 서로 인접하게 위치되며, 광학 검출기는 서로 독립적으로 측정하고 공간적으로 분리되어 있는 다수의 (서브)검출기를 포함한다. 이는 예로서, 세그먼트화된 포토다이오드 또는 카메라에 대해 그러하다. (서브)검출기, 즉, 세그먼트 각각은 발광기에 대한 다른 거리로 위치되어 등급화된 분리를 초래할 수 있다. 등급화된 분리에 의한 측정과 측정된 신호의 대응적 선택 및/또는 처리를 통해, 조직의 단지 상부 층만의 측정이 보증될 수 있다.
다른 선택사항으로서, 시스템은 다양한 조직 성분 및 체적 분율을 시스템이 식별할 수 있게 하는 유전체 센서를 포함한다.
유전체 센서는 혈액, 혈구 및 조직 유체 같은 다른 조직 성분을 시스템이 식별할 수 있게 하며, 그 대응 체적 분율의 추산을 가능하게 한다. 이런 정보를 액세스할 수 있을 때, 프로세서는 기계적 및/또는 광학적 검출기의 측정의 평가에 이를 포함할 수 있으며, 조직의 생리학적 특성의 추산은 이런 정보가 없는 것보다 더욱 정확하다. 기계적 및/또는 광학적 검출기의 측정의 평가에 사용되지 않을 때에도, 이 정보는 관련 추가적 파라미터를 제공하도록 측정 결과와 조합되고 조직의 상태 및 특성에 대한 추가적 분석을 가능하게 할 수 있다. 다른 유형의 조직 액체 및/또는 체적 분율은 대안적으로 또한 예로서, 유전 센서 대신 적외선 스펙트럼 범위에서 물 함량을 위한 추가적 광학 검출기에 의해 추산될 수도 있다.
선택적으로, 조직 및/또는 대상체의 이동의 영향이 조직 형상을 연속적으로 감시할 수 있는 다양한 이미징 양식에 의해 특성화될 수 있다. 이런 양식은 초음파 기술, 광학 응집성 토모그래피 및 마이크로스코피 기술을 포함한다. 이런 양식에서 관찰되는 맥관 시스템의 구조 및/또는 치수의 변화는 앞선 문단에서 설명된 바와 같은 광학 센서의 측정에 기계적 센서의 측정을 관련시키는 방식과 유사한 방식으로 광학 센서의 측정에 관련될 수 있다. 대응 혈액 파라미터는 광학 센서의 측정에 기계적 센서의 측정을 관련시키는 방식에서 설명된 바와 같이 추출될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 조직의 생리학적 특성을 측정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 특히 상술한 문단에서 설명된 바와 같이 시스템에 적용될 수 있으며, 이하의 단계를 포함한다: 적어도 두 개의 파장을 갖는 광을 방출하는 단계와, 방출된 광이 조직과 상호 작용한 이후 방출된 광을 광학적으로 측정하는 단계와, 광학적 측정 단계 동안 및/또는 그와 근접하게 동기화되어 조직의 기계적 측정을 수행하는 단계와, 화학 및 기계적 측정치로부터 조직의 생리학적 특성을 평가하는 단계를 포함한다. 이 방법은 평가 단계에서, 정맥 혈액의 생리학적 특성이 평가되는 것을 특징으로 한다.
이 방법은 선택적으로 광학적 측정 단계가 공간적으로 해상된 측정을 위해 적어도 두 개의 광학적 측정을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 포함한다. 다른 선택사항으로서, 광학적 측정 단계에서, 광은 조직의 상부 층만을 관통한다. 이 방법의 장점 및 다른 선택사항과, 일부 선택사항에 대한 대안이 상술한 문단에 설명되어 있다. 방법 청구항의 특징은 장치(즉, 시스템) 청구항의 특징과 조합될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 조직의 생리학적 특성의 비침습성 측정을 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 광학 센서 및 프로세서를 포함하고, 프로세서는 광학 센서의 측정치로부터 생리학적 특성을 평가할 수 있다. 광학 센서는 발광기와 광학 검출기를 포함한다. 발광기는 세 개의 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있고, 적어도 하나의 광원을 포함한다. 이 시스템은 프로세서가 정맥 및 동맥 혈액의 별개의 생리학적 특성을 평가할 수 있다는 것을 특징으로 한다. 상술한 문단에 설명된 시스템에 비해, 이 시스템은 반드시는 아니지만 선택적으로 기계적 센서를 특징으로 한다. 그러나, 모든 다른 장점 및 앞선 문단에 설명된 시스템을 위한 선택사항(그리고, 선택사항에 대한 대안)은 또한 이 시스템에도 유효하며 그에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 조직의 생리학적 특성의 비침습성 측정을 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 광학 센서와 광학 센서의 측정치로부터 생리학적 특성을 평가할 수 있는 프로세서를 포함한다. 광학 센서는 발광기와 광학 검출기를 포함한다. 발광기는 적어도 두 개의 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있으며, 적어도 하나의 광원을 포함한다. 이 시스템은 발광기와 광학 검출기가 반사 체계로 배열되고 조직의 상부 층에서만 혈액 이동을 측정하도록 서로 근접하게 위치되는 것을 특징으로 하며, 프로세서가 정맥 및 동맥 혈액의 별개의 생리학적 특성을 별개로 평가할 수 있는 것을 특징으로 한다. 방법을 설명하는 앞선 문단에서 설명된 시스템에 비교하여, 이 시스템은 반드시는 아니지만 선택적으로 기계적 센서 및/또는 제3 광원을 특징으로 한다. 그러나, 앞선 문단에서 설명된 시스템을 위한 모든 다른 장점 및 선택사항(그리고, 선택사항에 대한 대안)도 이 시스템에 유효하며, 적용 가능하다.
본 발명은 예로서, 의료 환경, 라이프스타일 생리학적 감시, 안전한 생리학적 감시 및/또는 연구 용례에서 광범위한 잠재적 용례를 갖는다. 본 발명은 예로서 의료 용례의 분야에서, 심장 문제, 질식/호흡 저하의 경우에, 수면 연구소에서, 노인 인구의 일반적 감시를 위해, 독립적 생활, 스마트 홈 개념, 라이프스타일/생리학적 감시를 위해, 수면 감시를 위해, 자체 추적, 아마츄어 스포츠 및 피트니스, 프로페셔널 운동선수(특히, 훈련의 최적화를 위해), 위험한 직업을 위해, 운전자, 공기 제어기 및 기계의 조작자(예로서, 졸음을 검출하기 위해), 스트레스 및/또는 흥분 검출을 위해, 그리고, 에너지 지출 감시를 위해 적용될 수 있다(그러나, 이에 한정되지 않는다). 또한, 본 발명은 연구, 예로서, 약물 개발을 위한 임상 연구, 수면 연구 및 심혈관 질환 연구에 적용될 수 있다.
본 발명의 주제는 첨부 도면에 예시된 예시적 실시예를 참조로 이하의 설명에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 광의 파장에 의존하는 산소화 및 환원 헤모글로빈의 흡수도를 갖는 그래프를 도시한다.
도 2는 반사 체계에서 측정된 강도에 대한 조직의 다양한 배향의 영향을 개략적으로 도시한다.
도 3은 동맥 및 정맥 혈액 체적 변화의 중첩과, 광학 측정치에서 이들을 분리시키는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 4는 측면도로서 본 발명의 일 실시예의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 5는 표피에서 광 전파의 개략도를 도시한다.
도 6은 서로 다른 운동 동안 적색 광의 감쇠에 대해 그려진 적외선 광의 감쇠의 그래프를 도시한다.
도 7은 운동 동안 산소화 변경의 측정치를 도시한다.
도 8은 하루 동안 정맥 산소화 트레이스의 일 예를 갖는 그래프와, 가속 센서의 대응 트레이스를 갖는 다른 그래프를 도시한다.
도 9는 하루에 걸친 정맥 및 동맥 산소화를 상부 그래프에 도시한다.
도 10은 광의 파장에 독립적인 헤모글로빈의 다양한 파생체의 흡수도를 갖는 그래프를 도시한다.
도면에 사용되는 참조 부호와 그 의미가 참조 부호 목록에 요약 형태로 나열되어 있다. 원론적으로, 동일한 부분은 도면에서 동일 참조 부호를 갖는다.
도 1은 광의 파장에 의존한, 산소화된 헤모글로빈(oxyHb) 및 환원된 헤모글로빈(rHb)의 흡수도를 갖는 그래프를 개략적으로 도시한다. 그래프의 수직 축(ε)은 흡수율, 즉, 화학 종(본 경우에는, oxyHb 및 rHb)이 광을 얼마나 강하게 흡수하는 지를 측정하는 몰 여기 계수(cm-1/M)를 나타낸다. 그래프의 수평 축(λ)은 광의 파장(nm)을 나타낸다. 수직 점선은 상술한 바와 같은 일 실시예를 위해 선택된 파장을 나타낸다. 이들 파장 중 둘은 등흡광점: 568 nm에서의 녹색 등흡광점 및 798 nm에서의 적외선 등흡광점. 등흡광점은 oxyHb 및 rHb가 동일 흡수율을 나타내는 파장에 대응한다. 660 nm의 적색 파장은 큰 편차, 즉, oxyHb와 rHb의 흡수율의 큰 대비를 갖는 지점을 나타낸다.
예로서, 660 nm의 적색 범위에서 산소화 및 환원 헤모글로빈의 흡수율의 편차는 헤모글로빈에 결합된 산소의 상대적 양의 측정을 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, rHb 및 oxyHb의 현저히 다른 흡수율을 갖는 적어도 두 개의 파장은 이 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 알려지지 않은 감쇠를 갖는 조직 성분의 존재는 측정치의 정량적 해석을 어렵게 한다.
현 기술 상태에서 공지된 바와 같은 펄스 산소측정의 범주에서, 심장 펄스 웨이브에 의해 유발되는 측정 신호 강도의 상대적 시간적 변동(그리고, 이에 따른, 조직의 대응 감쇠)은 적어도 두 개의 파장으로 측정된다. 모든 측정된 파장에서 측정된 신호의 변동의 비율은 그 후 동맥 혈액 산소화와 관련될 수 있으며, 그 이유는 심장 펄스 웨이브가 전적으로 동맥 맥관 시스템에 존재하는 것으로 가정되기 때문이다. 이에 대조적으로, 본 발명은 정맥 혈액 산소화의 추산을 위해 정맥 혈액의 전위(예로서, 조직 및/또는 대상체의 운동에 의해 유발됨)에 기인한 측정된 신호 강도의 상대적 시간적 변동을 사용한다. 정맥 혈액 산소화는 정맥 혈액의 전위(예로서, 조직 및/또는 대상체의 이동에 의해 유발됨)로부터 추산되고, 동맥 혈액 산소화는 심장 박동에 의해 유발되는 심장 펄스 웨이브 동안 동맥 혈액의 전위로부터 추산된다.
도 1은 또한 녹색 등흡광점에서 헤모글로빈의 흡수율이 적외선 등흡광점에서보다 매우 더 높다는 것을 보여준다. 따라서, 녹색 광은 헤모글로빈 함량의 변동에 더욱 민감하다. 일반적으로, 녹색 등흡광점 주변의 파장의 광은 반사 측정에 적절한 기준 신호를 제공하는 것으로 판명되었다. 따라서, 녹색 등흡광점의 광은 다른 파장의 측정치의 개선을 위해 사용될 수 있는, 예로서 심박율, 심박율 변동 및/또는 적어도 하나의 심장 펄스 웨이브 파라미터를 추산하기 위해 동맥 혈액에 관련된 조직의 생리학적 특성의 평가를 위해 사용되기에 매우 적합하다.
도 2는 반사 체계의 측정된 광의 강도에 대한 조직을 포함하는 대상체의 부분인, 측정된 조직의 다양한 배향의 영향을 각각 개략적으로 예시한다. 도 2의 수평 축(t)은 시간을 나타내고, 좌측 수직 축(I)은 반사 체계의 광학 검출기에 의해 측정된 광의 강도를 나타내고, 우측 수직 축(Acc Y)은 기계적 센서에 의해 측정된 방향(y)의 가속을 나타낸다. 이들 측정은 기계적 센서를 포함하는 상술한 발명에 따른 시스템의 일 실시예를 포함하며 및/또는 이를 포함하는 방법을 사용하여 장치(1)에 의해 수행된다. 방향(y)은 장치(1)에 대해 고정된다. 이런 장치(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 상완에 부착될 수 있다. 장치(1)는 다른 장소에, 예로서, 전완, 손목, 상체, 상박 및 정강이에 부착될 수 있다. 장치(1)는 도 2에 화살표로 표시되어 있는 방향(y)으로 가속을 측정할 수 있는 기계적 센서를 특징으로 한다.
도 2의 좌측 절반에서, 상완은 수평으로 위치된다. 이상적 경우에, 가속도계는 y 방향으로 0 가속 신호를 측정하며, 장치(1)의 광학 검출기에 의해 측정되는 광의 강도(I)는 비교적 높다. 광의 측정된 강도의 파동은 심장 펄스 웨이브에 의해 유발된다. 상완이 도 2의 우측 절반에 도시된 바와 같이 수직으로, 그리고, 하향으로 배치될 때, 센서에 의해 탐침된 조직의 정맥 혈액의 양은 중력에 기인하여 증가한다. 혈액 전위는 동맥 맥관 시스템에 비해 정맥 맥관 시스템의 현저히 낮은 압력에 기인하여 정맥 맥관 시스템에 특정하다: 동맥 맥관 시스템의 상대적 높은 압력을 갖는 동맥 혈액 유동은 중력의 비교적 작은 영향에 의해 크게 변경되지 않는다. 그러나, 정맥 맥관 시스템의 비교적 낮은 압력에 비해, 중력의 영향은 비교적 크고, 정맥 혈액 유동은 크게 변한다.
상완이 수직으로 위치될 때 정맥 혈액 체적의 증가는 광의 흡수율의 증가를 초래하고(각각 광의 감쇠의 증가를 초래함), 이는 조직과 상호 작용하고, 대응적으로, 측정된 광의 강도(I)의 감소를 초래한다. 가속도계는 상완이 수직으로 위치될 때 y 방향으로 중력 가속을 측정한다. 요약하면, 조직 및/또는 대상의 배향은 측정된 신호 및 조직 및/또는 대상체의 배향에 관한 정보에 영향을 주며, 이는 서로 다른 및/또는 변하는 배향을 갖는 조직에서 수행되는 측정을 평가하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 또한 측정된 신호가 심장 펄스 웨이브에 의해 유발되는 동맥 혈액 체적 변동의 기여도를 포함하며, 정맥 혈액 전위의 기여가 이 경우에는 상완의 배향의 변화를 의미하는 운동에 의해 유발된다는 것을 예시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 장치(1)는 상술한 본 발명에 따른 시스템의 실시예의 일 예이다. 장치(1)는 착용 가능하고, 특히, 연속적으로 착용 가능하다. 착용 가능하다는 것은 장치(1)가 경량이고, 거슬리지 않으며, 휴대성이고, 큰 불편함 없이 착용될 수 있다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 장치(1)는 독립형 장치이고, 측정 동안 다른 장치에 의존하지 않는다. 그러나, 장치(1)가 대상체에 부착된, 대상체에 독립적으로 배치된 또는 대상체에 의해 지지되는 다른 장치와 영구적으로 또는 비영구적으로 소통하는 것을 배제하지 않는다.
도 3은 그들을 광학 측정에서 분리하기 위한 방식 및 동맥 및 정맥 혈액 체적 변화의 중첩을 계략적으로 도시한다. 좌측으로부터 우측으로, 도 3은 각각 별개의, 심박율과 심장 펄스 웨이브에 기인한 동맥 혈액 체적 변화로부터의 초기 동맥 감쇠 신호(30.1, 30.2) 및 활동에 기인한 정맥 혈액 체적 변화로부터의 초기 정맥 감쇠 신호(31.1, 31.2), 측정된 광학 신호(32.1, 32.2), 가속도계 신호(33) 및 분리된 동맥 부분 신호(34.1, 34.2) 및 정맥 부분 신호(35.1, 35.2)를 도시한다. 초기 동맥 감쇠 신호(30.1, 30.2)와 초기 정맥 감쇠 신호(31.1, 31.2)는 미리 알려져 있지 않다. 도 3의 가속도계 신호(33)를 제외한 모든 신호는 두 개의 파장에 대해 예시되어 있다: 실선을 가지며 화살표 끝을 갖는 신호(.1)는 적외선 범위의 파장을 위한 신호를 나타내고, 파선을 가지며 화살표 끝을 갖는 신호(.2)는 적색 범위의 파장을 위한 신호를 나타낸다.
측정된 광학 신호(32.1, 32.2)는 초기 동맥 감쇠 신호(30.1, 30.2)와 초기 정맥 감쇠 신호(31.1, 31.2)의 중첩된 결과이다. 가장 단순한 경우에, 동맥 및 정맥 혈액으로부터의 신호 부분들을 분리할 수 있게 하기 위해, 가속도계 신호(33)가 적절한 캘리브레이션 및/또는 감도 교정 이후, 측정된 신호(32.1, 32.2)로부터 차감된다. 가속도계 신호(33)의 차감은 정맥 혈액의 영향을 교정하고, 동맥 특성을 나타내는 동맥 부분 신호(34.1, 34.2)를 초래한다. 측정된 신호(32.1, 32.2)로부터의 동맥 부분 신호(34.1, 34.2)의 차감은 그 후 정맥 혈액의 특성을 나타내는 정맥 부분 신호(35.1, 35.2)를 제공한다.
또한, 단지 차감이 아닌 더욱 정교한 접근법을 사용하는 것도 가능하다. 특히, 가속도계 신호는 측정된 광학 신호와 통계학적으로 상관될 수 있다. 가속도계와 상관된 광학 신호의 신호 부분은 정맥 근원으로 이루어지는 경향이 있는 반면, 비상관 신호 부분은 더 많이 동맥 근원으로 이루어진다. 더 더욱 일반적으로, 입력으로서 세 개의 신호를 갖고 출력으로서 생리학적 특성을 갖는 다른 적절한 알고리즘을 고려할 수 있다. 예로서, 기계적 센서의 측정치와 상관되어 있는 적색 및 적외선 광의 강도 변동의 관계를 연구하기 위해 다중변수 분석(그리고, 특히 다중 회귀 분석)을 적용하는 것이 가능하다. 기계적 이동과 연계되지 않은 심박율의 주파수의 변동은 심장 펄스 웨이브에 기인할 수 있으며, 동맥 혈액의 생리학적 특성의 추산을 위해 사용될 수 있다. 따라서, 동맥 부분 신호(34.1, 34.2)와 정맥 부분 신호(35.1, 35.2)의 관계로부터, 동맥 및 정맥 혈액 각각의 생리학적 특성이 연역될 수 있다.
도 4는 측면도로서 본 발명의 한 가지 가능한 실시예의 단면을 개략적으로 도시한다. 시스템(40)은 장치(1)에 포함된다. 시스템(40)은 세 개의 구획(42.1-42.3)[두 개의 광 검출기 구획(42.1, 42.3) 및 광 검출기 구획(42.1, 42.3) 사이의 하나의 발광기 구획(42.2)]을 갖는 프레임(41)을 포함한다. 구획(42.1-42.3)은 프레임(40)에 의해 상단 및 측부 상에 형성된다. 저부에서, 구획(42.1-42.3)은 유리 판(43)에 의해 폐쇄된다. 가속 센서(44)가 프레임(41)에 부착되며, 프레임(41) 및 그 내용물에 영향을 주는 모든 이동이 가속 센서(44)에 의해 측정된다. 또한, 가속 센서(44)는 프레임(41)의 배향을 측정할 수 있다. 프레임(41) 및 가속 센서(44)는 기판(45)에 포함된다.
발광기 구획(42.2)은 두 개의 광 검출기 구획(42.1, 42.3) 사이에 배열되고, 발광기를 포함한다. 발광기는 세 개의 LED(46.1, 46.2, 46.3)를 포함하고, 이는 세 개의 다른 파장의 광을 방출하며, 발광기 구획(42.2)의 상단에 부착된다. 제1 LED(46.1)에 의해 방출된 광의 파장은 등흡광점 사이에 있는 적색 범위에 있고, 제2 LED(46.2)에 의해 방출된 광의 파장은 등흡광점에서 적외선 범위에 있다. 제3 LED(46.3)는 녹색 범위의 등흡광점에 근접한 제3 파장의 광을 방출한다. 적색 및 적외선(즉, 제1 및 제2) LED(46.1, 46.2)의 측정된 신호는 산소화된 헤모글로빈의 비율의 추산을 위해 사용되고, 제3 녹색 LED(46.3)로부터의 측정된 신호는 심박율의 추산을 위해 사용된다. 심박율은 다른 파장(적색 및 적외선)의 측정된 신호의 개선을 위해 사용된다.
발광기 구획(42.2)은 또한 LED(46.1, 46.2, 46.3)로의 직접 시야선 내에 또는 도 4에 도시된 바와 같이, LED(46.1, 46.2, 46.3)의 측부에 배열되는 두 개의 감시 포토다이오드(47.1, 47.2)를 포함한다. 제1 및 제2 감시 포토다이오드(47.1, 47.2)는 반사 요소(50.1, 50.2)를 통해 LED(46.1, 46.2, 46.3)로부터 방출된 광을 수신한다. 양 감시 포토다이오드(47.1, 47.2)의 신호는 조합되고, 이들은 하나의 단일 다성분 검출기로서 작용한다. 대안적으로, 다른 감시 포토다이오드는 본 발명의 다른 실시예의 다른 파장을 측정할 수 있다. 감시 다이오드(47.1, 47.2)의 조합된 측정 신호는 발광기에 의해, 더 구체적으로, LED(46.1, 46.2, 46.3)에 의해 방출되는 광의 강도 변동을 고려하는 기준 신호로서 사용된다. 이들은 추가로 또는 대안으로서 캘리브레이션 목적을 위해 사용될 수 있다.
제1 광 센서 구획(42.1)은 제1 신호 포토다이오드(48.1)를 포함하고, 제2 광 센서 구획(42.3)은 제2 신호 포토다이오드(48.2)를 포함한다. 신호 포토다이오드(48.1, 48.2)는 그 구획(42.1, 42.3)의 프레임(41)에 부착된다. 감시 포토다이오드(47.1, 47.2)에 유사하게, 포토다이오드(48.1, 48.2)의 신호는 조합되고 양자 모두 단일 다성분 검출기로서 작용한다. 대안적으로, 본 발명의 다른 실시예에서, 다른 포토다이오드가 다른 파장을 측정할 수 있다. LED(46.1, 46.2, 46.3)에 의해 방출되는 광은 반사 요소(50.1, 50.2)에 의해 부분적으로 반사되며, 예시적 광자 경로(49)로 예시된 바와 같이, 반사 요소(50.1, 50.2) 사이의 간극을 부분적으로 통과한다. 광은 프레임(41)에 의해 형성되고 반사 요소(50.1, 50.2) 사이의 간극과 유사한 제2 간극을 통과한다. 양 간극은 방출된 광 비임을 시준한다. 제2 간극을 통과한 이후, 광은 하방으로 유리(43)를 통과하고, 조직(51)과 상호 작용하며, 이 조직은 유리(43)와 직접 접촉한다.
조직과 방출된 광의 상호 작용 및 조직 내의 광의 확산 전파 이후, 광의 일부 부분은 상방으로 유리(43)를 통과하고(예로서, 광자 경로(49)를 따라), 광 센서 구획(42.1)에 진입한다. 이 광 센서 구획(42.1)에서, 광은 신호 포토다이오드(48.1)에 의해 수신 및 측정된다. 다른 광자 경로는 도시된 광자 경로와 유사하게 다른 센서 구획(42.3)으로 이어지며, 산란/반사 사건의 수는 1과 같거나 그 보다 큰 임의의 것 일 수 있다.
본 실시예에서, 측정은 시간적 멀티플렉싱으로 수행되며, 즉, 측정은 한번에 하나의 파장씩 수행된다. 예로서, 먼저, 제3 LED(46.3)이 활성화되었을 때 녹색 광의 반복적 샘플링이 수행될 수 있고, 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 신호 다이오드(48.1, 48.2) 및 감시 포토다이오드(47.1, 47.2)에 의해 검출된 강도의 반복적이고 동시적인 샘플링을 수행한다. 녹색 범위의 광의 이런 샘플링은 녹색 블록 측정이라 지칭될 수 있다. 또한, 주변 광의 변동에 대한 교정을 가능하게 하기 위해, 비활성화된 LED(46.1, 46.2, 46.3)에 의한 강도의 주기적 샘플링이 수행될 수 있다. 가장 단순한 경우에, LED(46.1, 46.2, 46.3)는 50% 듀티 사이클로 광을 방출하도록 설정될 수 있으며, LED(46.1, 46.2, 46.3)가 광을 방출하지 않는 동안 이루어진 ADC 측정이 측정된 신호, 즉, LED(46.1, 46.2, 46.3)가 광을 방출하는 동안 검출된 광 강도를 주변 광 변동을 고려하도록 교정하기 위해 사용된다. 교정된 신호는 그 후 추가로 심박율 및 다른 생리학적 파라미터의 추산을 위해 사용될 수 있다.
적색 및 적외선 범위에서 측정된 신호가 조직의 생리학적 파라미터, 특히, 혈액의 생리학적 파라미터의 추산을 위해 조합하여 사용되기 때문에, 그 샘플링은 순차적이고 간삽된 형태로 수행되어야 하며, 측정 블록을 형성한다. 가장 단순한 경우에, 제1 및 제2 LED(46.1, 46.2)(적색 및 적외선 범위의 광을 방출)는 대응 신호의 ADC 샘플링이 수행되는 동안 연속적이고 교번적으로 온 오프 스위칭된다. 이는 언제든 제1 LED(46.1) 또는 제2 LED(46.2) 중 어느 하나만이 언제든 광을 방출하고, 제2 LED(46.2)가 스위칭 온될 때 제1 LED(46.1)는 스위칭 오프되고, 그 반대도 마찬가지라는 것을 의미한다. 가속도계 센서(44)에 의한 측정은 광학 샘플링, 즉, 신호 포토다이오드(48.1, 48.2)의 샘플이과 병렬적으로 수행된다. 또한, 주변 광은 주기적으로 모든 LED(46.1, 46.2, 46.3)가 스위칭 오프된 상태에서 주기적으로 샘플링된다. 주변 광 신호는 또한 변하는 주변 광 조건에 대하여 적색 및 적외선 범위에서 측정된 신호를 교정하기 위해 사용된다.
도 4에 도시된 실시예에서, 측정의 녹색 블록(상술한 바와 같이 녹색 범위의 광의 측정치의 샘플링)과 적색/적외선 블록(즉, 상술한 바와 같이 적색 및 적외선 범위의 광의 측정치의 샘플링)의 샘플링이 순차적으로 수행된다.
대안적으로, 녹색, 적색, 적외선 및 주변 광 채널이 순차적이고 반복적으로 샘플링될 때, 모든 3개 파장 및 주변 광 측정치의 샘플링은 하나의 단일 블록에서 수행될 수 있다. 이 경우, 측정 시스템은 단일 채널의 샘플링의 경우를 위한 최소 샘플링 주파수보다 적어도 4배 높은 샘플링 주파수로 샘플링할 수 있어야 한다. 단일 채널의 샘플링을 위한 최소 샘플링 주파수는 통상적으로 20 Hz이다.
시스템이 둘 이상의 개별적으로 동작되는 광학 센서를 포함하는 경우, 녹색 채널 및 적색/적외선 채널의 샘플링은 병렬적으로 수행될 수 있다. 이는 녹색 측정치로부터 얻어진 심박율로 적색 및 적외선 범위의 신호를 여과하는 방법의 성능을 증가시키며, 그 이유는 양 측정이 동시에 수행되기 때문이다.
도 5는 인간 표피(60)에서의 광 전파의 개략적 예시도를 도시한다. 인간 표피(60)는 다양한 층(61.1-61.4)을 포함하고, 광은 다양한 층(61.1-61.4)을 통해 전파할 수 있다. 도 5는 네 개의 층(61.1-61.4)의 예를 도시하고, 이들 네 개의 층(61.1-61.4)은 표피 표면에 가장 근접한 층이다. 반사 체계의 예시된 광 경로(62)는 세 개의 층(61.1-61.3) 더 구체적으로는 표피 표면에 가장 근접한 세 개의 층(61.1-61.3)과 간섭한다. 실선은 S로부터 방출되고 D에서 검출된 광자에 의해 취해질 가능성이 있는 통계학적으로 가장 가능성있는 경로의 경계를 나타낸다.
통계학적으로, 깊이 침투하지 않은 광자 경로에 비한 조직 내에 깊게 침투한(즉, 표피(60)) 광자 경로의 비율은 반사 체계에서 발광기(S)(즉, 소스)와 광학 검출기(D) 사이의 거리(r)에 의존한다. 거리(r)가 더 길수록, 깊게 침투한 수신된 광자의 부분이 더 크다. 따라서, 거리(r)가 더 길수록(반사 체계에서), 다양한 조직 층에 의해 산란되어야 하는 광자의 부분이 더 커진다. 대상체가 운동하는 경우에, 운동은 왜곡을 유발하고, 그 이유는 다양한 층이 서로에 관하여 변위되기 때문이다. 더 작은 소스-검출기 거리(r)에서, 전파는 표피의 상부 층에 한정되고(예로서, 상부 3개 표피층(61.1-61.3)에서 광자 경로(62)에 의해 도시된 바와 같이), 따라서, 표피 운동에 의해 유발되는 운동 아티팩트에 대한 감도가 감소한다.
도 6 내지 도 9의 측정은 도 2에 예시된 바와 같이 상완에 부착된 도 4에서 설명된 바와 같은 시스템(40)으로 수행되었다.
도 6은 동시에 측정된 적외선 광의 감쇠에 대하여 그려진 다양한 운동 동안 적색 광의 감쇠를 그래프로 도시한다. 도 6에서, 수평 축(ΔA(798))은 적외선 광의 감쇠의 변화를 나타내고, 수직 축(ΔA(660))은 적색 광의 감쇠의 변화를 나타낸다. 양 감쇠는 본 발명에 따른 장치로 측정되며, 이는 감쇠들이 계산된 정맥 혈액 신호(도 3에서 정맥 부분 신호(35.1, 35.2)로 도시됨)로부터 연역되었다는 것을 의미한다. 파선을 통해 가시화된, 운동 동안 적외선 및 적색 광의 감쇠의 변화의 명백한 가시적 관계가 존재한다. 각 심볼 형상은 서로 다른 대상체, 즉, 서로 다른 인간 참가자의 측정치를 나타낸다. 파선의 구배로부터, 0.87의 평균화된 산소화 비율이 모든 참가자의 조직의 정맥 혈액을 위해 연역될 수 있다. 산소화는 0.9의 결정 계수(R2)를 갖는 선형 회귀에 의해 계산되며, 이는 선형 재귀에 의한 일치(fit)가 측정치의 양호한 근사치라는 것을 나타내고, 또한, 서로 다른 대상체 및 서로 다른 실험 사이의 산소화의 편차가 비교적 작다는 것을 나타낸다. 얻어진 0.87의 평균화된 정맥 산소화 비율은 역시 운동 동안 일반적으로 0.95를 초과하는 동맥 혈액 산소화 비율보다 낮다. 이는 본 발명의 동작 원리를 예시하며, 도 6에 도시된 감쇠가 정맥 혈액 신호로부터 연역된다는 가정을 지원한다. 결과적으로, 이는 또한 운동에 의해 유발되는 혈액의 체적의 변동은 주로 정맥 혈액의 전위에 기인한다는 가정을 지원한다.
도 7은 시스템(40)으로 측정된 강한 운동 동안 산소화 변화를 예시한다. 도 7의 수평 축(t)은 시간을 나타내고, 수직 축(SvO2)은 정맥 혈액의 측정된 산소화를 나타낸다. 선택된 예는 운동의 개시 동안 떨어지는 정맥 혈액의 산소화를 예시한다. 두 개의 명백히 가시적인 음의 피크는 시간 14:45와 시간 15:00(수평 실선으로 표시됨) 정도의 대상체(인간 참가자)에 의해 수행되는 2 세트의 웅크림(squats)의 개시시 두 번의 강하를 나타낸다. 도 7은 시스템(40)이 정맥 혈액의 산소화를 측정할 수 있다는 것과, 정맥 혈액 내의 산소화 강하가 대상체의 이동, 본 경우에는, 웅크린 자세 형태의 물리적 운동과 명백히 관련될 수 있다는 것을 명료히 보여준다. 동맥 혈액의 산소화는 이런 현저한 강하를 특징으로 하지 않는다.
도 8은 본 경우에는 일반적 생활 활동을 수행하는 인간 참가자인 대상체의 시스템(40)을 갖는 예시적 연속적 측정치를 보여준다. 상부 플롯은 이동, 즉, 가속도계로 측정된 활동을 보여주고, 하부 플롯은 대응 정맥 산소화(SvO2)를 보여준다. 양 플롯은 시간을 나타내는 수평 축(t)을 가지고, 상부 플롯(MI)의 수직 축은 3축 가속도계 측정치의 상대적 변화로부터 계산된, 산출된 운동 강도 파라미터를 나타내고, 하부 플롯의 수직 축(SvO2)은 정맥 혈액의 산소화를 나타낸다. 제1 시간 기간(7:35-8:14) 및 제2 시간 기간(12:00-12:40)의 정맥 혈액의 산소화의 강하는 물리적 활동에 관련된다(제1 시간 기간의 사무실까지 자전거 탑승 및 제2 시간 기간의 점심식사 및 복귀를 위한 보행).
도 9는 하루 동안 사람의 정맥 및 동맥 산소화를 보여준다. 수평 축(t)은 시간을 나타내고, 수직 축은 동맥 산소화(SaO2) 및 정맥 산소화(SvO2)를 나타내며, SaO2는 실선으로 도시되어 있고, SvO2는 심볼로 도시되어 있다. 채워진 원은 0.9를 초과한 결정 계수(R2)의 SvO2 추산의 결과를 도시하고, 십자표는 0.8과 0.9 사이의 R2를 특성화한다. 시간 11:30 정도의 정맥 산소화(이중 머리 수평 화살표로 도 9에 표시됨)의 음의 피크가 조직의 혈액 도관의 폐색에 의해 고의적으로 유도되었다(폐색은 최대 혈압을 20-40 mmHg 감소시켰고, 11:00h와 11:40h 사이에 유도되었다). 유도된 폐색은 명백히 정맥 혈액의 산소화의 예상된 강하가 시스템(40)에 의해 측정될 수 있다는 것을 예시한다. 동맥 혈액의 산소화는 어떠한 현저한 사건도 나타내지 않으며, 정맥 혈액의 산소화의 강하는 시간적으로 유도된 폐색을 식별할 수 있게 한다.
도 10은 광의 파장에 의존하는 헤모글로빈의 다양한 파생체의 흡수도를 갖는 그래프를 개략적으로 도시한다. 그래프의 수직 축(ε)은 흡수율, 즉, 헤모글로빈 파생체가 얼마나 강하게 광을 흡수하는지를 측정하는 몰 여기 계수 [cm-1/M]를 나타낸다. 그래프의 수평 축(λ)은 광의 파장[nm]을 나타낸다. 도 10에 도시된 파생체는 실선으로 나타내진 카르복시헤모글로빈(COHb)과 메타헤모글로빈(MetHb) 및 파선으로 나타내진 환원된 헤모글로빈(rHb)과 옥시헤모글로빈(oxyHb)이다. 모든 파생체는 도시된 파장 범위에서 크게 변하며, 따라서, 광학적으로 검출되고 적절히 선택된 파장에서의 측정에서 식별될 수 있다.
본 발명을 본 실시예에서 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 청구범위의 범주 내에서 다른 방식으로 구현 및 실시될 수 있다는 것을 명백히 이해할 것이다.
ε: 분자 여기 계수[cm-1/M]
λ: 파장[nm]
oxyHb: 산소화된 헤모글로빈
rHb: 환원된 헤모글로빈
t: 시간
I: 강도
Acc Y: 가속
r: 발광기와 광학 검출기 사이의 거리
S: 발광기
D: 광학 검출기
ΔA(798): 적외선 광의 감쇠
ΔA(660): 적색 광의 감쇠
MI: 계산된 운동 강도 파라미터
SvO2: 정맥 혈액의 산소화
SaO2: 동맥 혈액의 산소화
MetHb: 메타헤모글로빈
COHb: 카르복시헤모글로빈
oxyHb: 옥시헤모글로빈
1: 장치
30.1, 30.2: 초기 동맥 감쇠 신호
31.1, 31.2: 초기 정맥 감쇠 신호
32.1, 32.2: 측정된 광학 신호
33: 가속도계 신호
34.1, 34.2: 동맥 부분 신호
35.1, 35.2: 정맥 부분 신호
40: 시스템
41: 프레임
42.1, 42.3: 광 검출기 구획
42.2: 광 검출기 구획
43: 유리 판
44: 가속 센서
45: 기판
46.1-46.3: LED
47.1, 47.2: 감시 포토다이오드
48.1, 48.2: 신호 포토다이오드
49: 광자 경로
50.1, 50.2: 반사 요소
51: 조직
60: 인간 표피
61.1-61.4: 표피층
62: 광자 경로

Claims (15)

  1. 조직의 생리학적 특성의 측정을 위한 방법으로서,
    a) 적어도 두 개의 파장을 갖는 광을 방출하는 단계와,
    b) 방출된 광이 조직과 상호 작용된 이후 광학적으로 광 강도를 측정하는 단계와,
    c) 광학적으로 측정하는 단계와 근접하게 동기화된, 조직의 기계적 측정을 수행하는 단계와,
    d) 광학 및 기계적 측정의 조합으로부터 프로세서에 의해 조직의 생리학적 특성을 평가하는 단계를 포함하고,
    상기 평가하는 단계에서, 정맥 혈액의 생리학적 특성이 평가되고,
    상기 평가하는 단계는,
    e) 가속도계 신호와 측정된 광학 신호가 통계학적으로 상관되는 단계와,
    f) 가속도계 신호와 상관된 광학 신호의 부분은 동맥 근원보다 정맥 근원을 더 많이 포함하고 가속도계 신호와 비상관된 광학 신호의 부분은 정맥 근원보다 동맥 근원을 더 많이 포함하는 것으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 광학적으로 측정하는 단계는 공간적으로 해상된 측정을 위해 적어도 두 개의 광학 측정을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학적으로 측정하는 단계에서, 광은 단지 조직의 상부 층만을 관통하는 것을 특징으로 하는 방법.
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