特表 2023-536706 埋め込み型ファイバーブラッググレーティングを使用したリアルタイム呼吸モニタリングの方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-29

(54)【発明の名称】埋め込み型ファイバーブラッググレーティングを使用したリアルタイム呼吸モニタリングの方法および装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/08 20060101AFI20230822BHJP

   A61B 5/087 20060101ALI20230822BHJP

   A61B 5/113 20060101ALI20230822BHJP

   A61B 5/11 20060101ALI20230822BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20230822BHJP

【ＦＩ】

A61B5/08

A61B5/087

A61B5/113

A61B5/11 100

G01D5/353 C

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023504460

(86)(22)【出願日】2021-07-21

(85)【翻訳文提出日】2023-03-16

(86)【国際出願番号】 US2021042641

(87)【国際公開番号】W WO2022020519

(87)【国際公開日】2022-01-27

(31)【優先権主張番号】63/054,874

(32)【優先日】2020-07-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

(71)【出願人】

【識別番号】522244540

【氏名又は名称】エンプニア・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＥＭＰＮＩＡ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100142608

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 由佳

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100150566

【弁理士】

【氏名又は名称】谷口 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100213470

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100220489

【弁理士】

【氏名又は名称】笹沼 崇

(74)【代理人】

【識別番号】100187469

【弁理士】

【氏名又は名称】藤原 由子

(74)【代理人】

【識別番号】100225026

【弁理士】

【氏名又は名称】古後 亜紀

(72)【発明者】

【氏名】バタチャルヤ・マノジート

【テーマコード（参考）】

2F103

4C038

【Ｆターム（参考）】

2F103CA08

2F103EC09

4C038SS04

4C038SS08

4C038SV01

4C038SX01

4C038SX07

4C038VA04

4C038VA05

4C038VA18

4C038VB28

4C038VB32

4C038VB33

4C038VB40

4C038VC01

4C038VC20

(57)【要約】

呼吸機能をモニターするためのウェアラブル機器は、埋め込み型ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有する前部を含む。機器は少なくとも一つの発光体を含み、各発光体は、対応するＦＢＧを通して光波をパルスするように構成されている。機器はさらに、パルス光波を受信するように構成された少なくとも一つの光センサーを含む。プロセッサは、少なくとも一つのＦＢＧによって反射されたピーク波長を光センサーから受信し、ある期間にわたる身体の変形によって引き起こされる少なくとも一つのＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを検出して、ベースライン呼吸パターンを確立する。機器は、ベースライン呼吸パターンを、プロファイルされた呼吸パターンと比較して、ベースライン呼吸パターンが、潜在的な疾病状態を示すかどうかを判定し、潜在的な疾病状態の警報を提供しうる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

身体の呼吸数をモニターするための方法であって、
身体と接触して配置された複数のファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）からピーク波長データを取得することと、
ある期間にわたる身体の変形によって引き起こされる、前記ＦＢＧ上の軸歪みによる前記少なくとも一つのＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを決定して、ベースライン呼吸パターンを確立することと、
前記ベースライン呼吸パターンを、プロファイルされた呼吸パターンと比較して、前記ベースライン呼吸パターンが疾病状態を示すかどうかを判定することと、
前記疾病状態の警報を提供することと、を含む、方法。

【請求項2】

前記疾病状態に関連する追加の生理学的尺度を評価して、前記ベースライン呼吸パターンが前記疾病状態を示すかどうかを判定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記複数のＦＢＧから波長データを取得し続けて、潜在的な疾病状態を示しうる設定された閾値を超える前記呼吸信号の何らかの変化を検出することと、
前記潜在的な疾病状態の警報を提供することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記潜在的な疾病状態に関連する追加の生理学的尺度を評価して、前記ベースライン呼吸パターンが前記潜在的な疾病状態を示すかどうかを判定することをさらに含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記呼吸信号の前記異常な変化が、心不全を示す心原性オシレーションを含む、請求項３に記載の方法。

【請求項6】

前記ベースライン呼吸パターンおよび前記プロファイルされた呼吸パターンが、分時換気量パターンである、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記ベースライン呼吸パターンが疾病状態と関連しているという兆候を受信することと、
前記疾病状態を識別するために、前記プロファイルされた呼吸パターンを前記ベースライン呼吸パターンで更新することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記プロファイルされた呼吸パターンを更新することが、前記疾病状態を識別するための生理学的状態情報を提供することを含む、請求項６に記載の方法。

【請求項9】

身体の呼吸数をモニターするためのウェアラブル機器であって、前記方法が、
圧縮材料で作られ、少なくとも一つのファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有し、身体と接触して配置された、前部と、
各発光体が、対応するＦＢＧを通して光波をパルスするように構成された、少なくとも一つの発光体と、
各光センサーが、対応するＦＢＧに取り付けられ、パルス光波を受信するように構成された、少なくとも一つの光センサーと、
プロセッサであって、
ｉ．前記少なくとも一つのＦＢＧによって反射されたピーク波長を前記光センサーから受信し、
ｉｉ．ある期間にわたる身体の変形によって引き起こされる、前記ＦＢＧ上の軸歪みによる前記少なくとも一つのＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを決定して、ベースライン呼吸パターンを確立し、
ｉｉｉ．前記ベースライン呼吸パターンを、プロファイルされた呼吸パターンと比較して、前記ベースライン呼吸パターンが疾病状態を示すかどうかを判定し、
ｉｖ．前記疾病状態の警報を提供するように構成されたプロセッサと、を備える、ウェアラブル機器。

【請求項10】

前記プロセッサが、前記疾病状態に関連する追加の生理学的尺度を評価して、前記ベースライン呼吸パターンが前記疾病状態を示すかどうかを判定するようにさらに構成されている、請求項９に記載の機器。

【請求項11】

前記プロセッサが、
ｉ．前記複数のＦＢＧから波長データを取得し続けて、潜在的な疾病状態を示しうる設定された閾値を超える前記呼吸信号の何らかの変化を検出し、
ｉｉ．前記潜在的な疾病状態の警報を提供するようにさらに構成されている、請求項９に記載の機器。

【請求項12】

前記プロセッサが、
前記潜在的な疾病状態に関連する追加の生理学的尺度を評価して、前記ベースライン呼吸パターンが前記潜在的な疾病状態を示すかどうかを判定するようにさらに構成されている、請求項１１に記載の機器。

【請求項13】

前記呼吸信号の前記異常な変化が、心不全を示す心原性オシレーションを含む、請求項１１に記載の機器。

【請求項14】

前記ベースライン呼吸パターンおよび前記プロファイルされた呼吸パターンが、分時換気量パターンである、請求項９に記載の機器。

【請求項15】

前記プロセッサが、
前記ベースライン呼吸パターンが疾病状態と関連しているという指標を受信し、
前記疾病状態を識別するために、前記プロファイルされた呼吸パターンを前記ベースライン呼吸パターンで更新するようにさらに構成されている、請求項９に記載の機器。

【請求項16】

前記プロセッサが、前記疾病状態を識別するための生理学的状態情報を提供することによって、前記プロファイルされた呼吸パターンを更新するようにさらに構成されている、請求項１５に記載の機器。

【請求項17】

前記前部が前記身体の周りにフィットする、請求項９に記載の機器。

【請求項18】

ユーザーの前記生理学的状態をモニターするためのシステムであって、
ウェアラブル機器であって、
ａ．圧縮材料で作られ、少なくとも一つのファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有し、身体と接触して配置された、前部と、
ｂ．各発光体が、対応するＦＢＧを通して光波をパルスするように構成された、少なくとも一つの発光体と、
ｃ．各光センサーが、対応するＦＢＧに取り付けられ、パルス光波を受信するように構成された、少なくとも一つの光センサーと、
潜在的な疾病状態を示すプロファイルされた呼吸パターンのデータベースと、
プロセッサであって、
ａ．前記ウェアラブル機器から、前記少なくとも一つのＦＢＧによって反射されたピーク波長を受信し、
ｂ．ある期間にわたる身体の変形によって引き起こされる、前記ＦＢＧ上の軸歪みによる前記少なくとも一つのＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを決定して、ベースライン呼吸パターンを確立し、
ｃ．前記ベースライン呼吸パターンを、前記データベースからのプロファイルされた呼吸パターンと比較して、潜在的な疾病状態を示しうる設定された閾値を超える前記呼吸信号の何らかの変化を検出し、
ｄ．前記潜在的な疾病状態の警報を提供するようにさらに構成されている、プロセッサと、
前記ベースライン呼吸パターンおよび前記潜在的な疾病状態の前記警報に関する情報を提供するためのディスプレイと、を備える、システム。

【請求項19】

前記データベースが、前記プロセッサとネットワーク通信している、請求項１８に記載のシステム。

【請求項20】

前記ディスプレイが、前記身体の追加の生理学的状態情報を提供するようにさらに構成されている、請求項１８に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年７月２２日出願の米国仮特許出願第６３／０５４，８７４号の利益を主張する。上記出願全体の教示は、参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

人の呼吸状態をモニターすることは、多くの状況において健康モニタリングの重要な側面である。これには、術後の患者、慢性心肺疾患に罹患している患者、およびＣＯＶＩＤ－１９に感染した患者など呼吸器感染症を有する患者が含まれる。個人の呼吸数は、人の一定時間内の呼吸数、例えば１分当たりの呼吸数などとして測定することができる。加えて、吸気および呼気の大さおよび持続時間からなりうる呼吸パターンは、正常および異常な呼吸状態の臨床指標を含む。心原性オシレーションと呼ばれる、心周期によって誘発される呼吸パターンの変動は、心不全などの心臓の状態の指標でありうる。一回換気量は、呼吸中に肺を流れる空気の体積を定義し、一回換気量と呼吸数の積は、呼吸器の健康状態の重要な尺度である分時換気量を定義する。病院の環境では、医師は、呼吸数、分時換気量、ならびに呼吸パターン測定値を使用して、患者が呼吸困難および／または機能障害を経験しているかどうかを判定しうる。さらに、呼吸数およびパターン測定は、スポーツ医学において、運動選手ならびに一般集団のフィットネス／持久力の評価に基づくエビデンスとしても使用されうる。

【発明の概要】

【0003】

本発明の原理と一致する実施形態は、個人の呼吸機能をモニタリングして、ベースライン呼吸頻度、および疾病またはフィットネスの状態を示しうる呼吸信号の何らかの異常な変化を検出するための方法およびシステムを含む。

【0004】

一実施形態では、埋め込み型ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を備えたウェアラブル機器を、身体の変形からＦＢＧ上に誘発された歪みによるブラッグ波長の時間依存性シフトを測定することによって、呼吸頻度での身体の拡大および収縮を検出しうる様式で、個人の身体に着用することができる。ある期間にわたる身体の変形によって引き起こされるＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを検出することによって、機器はベースライン呼吸パターンを確立しうる。一部の実施形態では、ウェアラブル機器は、胸部または腹部を軽く包んだウェアラブルストラップであってもよい。他の実施形態では、ウェアラブル機器は、胸部または腹部に接着剤で付着された埋め込み型ＦＢＧを有するパッチであってもよい。ＦＢＧを使用して、機器は、ベースライン呼吸パターンをプロファイルされた呼吸パターンと比較して、ベースライン呼吸パターンが潜在的な疾病状態を示すかどうかを判定し、潜在的な疾病状態の警報を提供しうる。さらに他の実施形態では、機器は、個人の下に置かれるパッドであってもよく、または埋め込み型ＦＢＧが個人の呼吸運動を検出できるように、個人の上に置かれる毛布であってもよい。こうした実施形態は、機器がＦＢＧデータをプロセッサおよびインターフェースに提供し、医療専門家に患者の呼吸パターンのモニタリングを提供しうる、病院の環境で特に有用でありうる。

【0005】

他の実施形態では、機器は、複数のＦＢＧから波長データをさらに取得して、疾病状態を示しうる設定された閾値を超える呼吸信号の何らかの異常な変化における何らかの変化を検出し、潜在的な疾病状態に関する警報を提供しうる。

【0006】

こうした機器は、病院ベースの救命救急もしくは入院ケアシステム、または在宅医療システムの一部でありうる。別のフォームファクターでは、こうした機器は、モバイルヘルスまたは遠隔医療の一部として一般集団のための包括的な「ウェアラブル連続的バイタルモニタリングシステム」の一部として一般集団のためのウェアラブルシステムであってもよい。こうした機器はまた、リアルタイムの連続的な乳幼児健康モニタリングにも使用されうる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

前述のことは、添付の図面に示されるように、例示的な実施形態の以下のより具体的な説明から明らかであり、同様の参照文字は、異なるビュー全体にわたって同じ部分を参照している。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに実施形態を説明することに重点が置かれている。

【0008】

【図1】図１は、ファイバーコアの代表的なＦＢＧである。

【図2】図２は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうる機器の実施形態である。

【図3】図３は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうる機器の別の実施形態である。

【図4】図４は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうる機器の別の実施形態である。

【図5】図５は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうる機器の別の実施形態である。

【図6】図６は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターする方法を示すフローチャートである。

【図7】図７は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうるシステムの実施形態である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

例示的な実施形態の説明は、以下の通りである。

【0010】

図１に図示するように、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）１００は、屈折率の周期的な変動を作り出す複数の反射点１３０ａ～ｎを備える、長さの短い光ファイバー１２０である。ＦＢＧは、帯域幅ΔλＢの周りを中心とした固有の波長（λＢ）を反射する。グレーティングの周期性Λは、ブラッグ波長λＢに関連する。

【数1】

【0011】

ｎ_ｅｆｆは、シングルモード感光性ファイバーの実効屈折率である。ファイバーが引き伸ばされ、グレーティングパラメータΛがδΛだけ増加すると、実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、δｎ_ｅｆｆだけ減少する。ブラッグ波長λＢは、以下だけシフトする。

【数2】

【0012】

人体の解剖学的に適切な部分の部分上を包むことができるウェアラブル材料に、一つ以上のＦＢＧを有する一つ以上の光ファイバーを埋め込むことによって、ウェアラブル機器を使用して、呼吸などの生理学的プロセスから生じるその部分の変形を感知することができる。本発明の原理と一致する特定の実施形態では、変形データは、身体の呼吸パターンおよび心臓パターンを測定および確立するために使用されうる。

【0013】

埋め込み型ＦＢＧを歪みゲージとして使用する前に、ＦＢＧの応答関数と線形性を負荷の関数として特徴付ける必要がある。ＦＢＧの応答関数および線形性を特徴付けるために、電気歪みゲージを使用して、適用された引張荷重が、三次元物体に対するデカルト座標系内の物体の変位の読取り値に近似するように、ＦＢＧを較正してもよい。ＦＢＧが信頼できる歪みゲージとして機能するためには、ＦＢＧが引張荷重下で延伸される際の反射波長の変化は、電気歪みゲージデータを直線的に追跡しなければならない。較正されると、ＦＢＧの応答は、物体表面変形を検出するための埋め込み型歪みゲージとして確実に使用されうる。ゲージの弾性の合理的な限度内で、ゲージは物体表面が変位した程度を検出するために使用されてもよい。センサーからの歪みデータとともに、歪みまたは波長に対して圧力を比較する検量線に基づいて、変位の程度を検出できる。他の事例では、検量線は、反射されたブラッグ波長を、物理的または画像ベースの測定値を含みうる二次的呼吸測定値と比較することから導出されうる。

【0014】

図２は、患者が着用し、本発明の原理に従って呼吸活動をモニターするために使用される衣服２００の実施形態である。衣服２００では、複数のＦＢＧファイバー２１０ａ～ｎが、衣服に沿って横方向に埋め込まれ、スキャン平面Ａに平行な方向に走る。衣服２００は、ＦＢＧファイバー２１０ａ～ｎを通って伝送されるレーザーまたは光源の入力２２０を有してもよい。各ＦＢＧ２１０ａ～ｎは、光源からパルス光波を受信する光センサー（図示せず）に接続されている。加えて、衣服２００はまた、出力２３０を含んでもよく、光センサーは、ＦＢＧ２１０ａ～ｎの各々を通る外部プロセッサへの光伝達に関するデータを提供し、ＦＢＧ２１０ａ～ｎの屈折率の変化を識別し、衣服内の物体の表面の変形を示唆する。他の実施形態では、プロセッサは、衣服の内部にあり、ＷｉＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線送信を介してデータを送信してもよい。複数のＦＢＧ２１０ａ～ｎは、各々がデカルト座標系に沿って異なる長軸方向マーカーを提供するので、断面走査平面のどこに特定の動きがありうるかを識別するのに役立ちうる。ＦＢＧは、システムがある期間にわたって変位を測定し、呼吸数だけでなく、吸気および呼気の大さおよび持続時間からなる呼吸パターンを確立することを可能にしうる。この衣服の低減衰特性、および光ファイバーセンサーが撮像システムを含む他のセンサーシステムとの電磁干渉を生じさせないことを考慮すると、他の生理学的モニタリングシステムに関連して使用されうる。

【0015】

こうした衣服を着用している自由呼吸患者に対して経時的に測定される波長の変化は、患者固有の呼吸信号を表す。呼吸信号は、疾病状態を示す既知の呼吸パターンと比較されてもよく、または潜在的な疾病状態もしくはこうした状態の徴候を示しうる呼吸パターンの変化を検出するためにモニターされてもよい。

【0016】

図３は、本発明の原理に従って、呼吸活動をモニターするために使用されうるウェアラブルストラップ３００の別の実施形態である。この衣服では、少なくとも一つのＦＢＧファイバー３１０が、ストラップに沿って長軸方向に埋め込まれている。加えて、衣服３００はまた、ＦＢＧを通して発光体（図示せず）を制御するプロセッサ３２０を含んでもよく、受信するためのセンサー（図示せず）は、ＦＢＧ３１０を通した光伝達に関するデータを提供しうる。プロセッサ３２０は、センサーデータをリモートプロセッサに送信してもよい。一部の実施形態では、プロセッサ３２０は、有線接続を介してデータを送信してもよい。他の実施形態では、プロセッサは、ＷｉＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線送信を介してデータを送信してもよい。

【0017】

図４は、呼吸活動をモニターするための、本発明の原理と一致するさらに別の実施形態である。接着剤を使用して患者に取り付けられうるパッチ４００。このパッチでは、少なくとも一つのＦＢＧファイバー４１０が、パッチに沿って長軸方向に埋め込まれている。加えて、衣服３００はまた、ＦＢＧを通して発光体４２５を制御するプロセッサ４２０を含んでもよく、受信するためのセンサー４１５は、ＦＢＧ４１０を通した光伝達に関するデータを提供しうる。プロセッサ４２０は、センサーデータをリモートプロセッサに送信してもよい。一部の実施形態では、プロセッサ４２０は、有線接続を介してデータを送信してもよい。他の実施形態では、プロセッサは、ＷｉＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線送信を介してデータを送信してもよい。

【0018】

さらに他の実施形態では、図５に図示するように、患者モニタリングシステム５００は、図２、３、および４に図示した衣服と同様に埋め込まれたＦＢＧを含むファイバーを有するパッド５８０を含みうる。図５に示すように、複数のＦＢＧファイバー５１０ａ～ｎは、パッド５８０に沿って長軸方向に埋め込まれ、別の複数のＦＢＧファイバー５５０ａ～ｎは、パッドに沿って横方向に埋め込まれている。本明細書の教示と一致する代替的な実施形態では、パッド５８０は、他の構成で埋め込まれたＦＢＧを有し、パッド上での身体Ｂの移動または変位に関連するデータを提供してもよい。こうしたファイバーはまた、医療用撮像装置および放射線療法装置の患者取り扱いシステム（患者ベッド）に直接埋め込まれうる。図２、３、および４に示す衣服と同様に、パッドは出力（図示せず）を含んでもよく、光センサーは外部プロセッサおよびインターフェース５９０にデータを提供しうる。一部の実施形態では、インターフェースは、携帯機器またはタブレットであってもよい。ＦＢＧは、パッド５８０と接触している身体Ｐの呼吸パターンをモニタリングするために使用されうる。インターフェース５９０は、患者のバイタルサイン、および他の生理学的情報に簡単にアクセスできるビューを提供しうる。一部の実施形態では、パッド５８０は、患者の上にかける毛布であってもよい。

【0019】

呼吸下の患者身体の変形のリアルタイム測定のための埋め込み型ＦＢＧを有する衣服の実施形態では、デカルト座標系または極座標系などの所定の座標系を使用して、いくつかのＦＢＧを埋め込むことができる。加えて、所定の座標系は、最小数の埋め込み型ＦＢＧも使用しながら、測定された変形マップの忠実性を最大化するという競合する利益のバランスを取るように決定されてもよい。これは、埋め込み型ＦＢＧが、患者の体に対して座標系に沿って整列されているか、または他の場合では、患者の体の疑似ランダムサンプリングのために位置しうることを意味する可能性がある。一部の実施形態では、これは、埋め込み型ＦＢＧの濃度が１つの領域においてより高密度の分布で整列され、他の領域において緩く分布されるように、ＦＢＧが分布されうることを意味する可能性がある。衣服の性質に応じて、衣服内のＦＢＧの分布は、ベルトまたはシャツが毛布とは異なる、より輪郭に合致したフィットを有しうるため、変化しうる。加えて、複数のＦＢＧは、単一モード光ファイバーの内側に刻まれてもよく、それらが互いに所定の最適な距離だけ離れており、これらのＦＢＧの各々が一意かつ別個のブラッグ波長を有する限り、単一のこうした光ファイバーは、単一の広帯域光源および単一の波長多重検出システムを使用して、その長さに沿った歪みを測定するために使用されうる。こうしたシステムは、電気歪みゲージベースのシステムよりも明確な利点を有するが、それは後者の場合、各歪みゲージがそれ自体の電気的接続を必要とするからである。

【0020】

一旦収集されると、データは、着用者に起こる生理学的変化を見つけ、病気が進行中であることを示すように設計されたアルゴリズムを作成するために使用されうる。これらの変化は、呼吸パターンの特定の変化、または特定の状態を示す可能性がある特定の閾値内の変化を伴う。ユーザーに関する追加データが収集されると、システムは、機械学習および予測モデルを用いて、患者またはユーザーにおけるこれらの状態の徴候を特定することができる。次いで、システムは、治療を必要とする疾患または特定の症状を発症している可能性があるという警報で、着用者に警告することができる。別の使用事例では、これらの観察された変化は、接続された運動機器を使用している、プロの運動選手に対するトレーニング、および一般集団の運動レジメンを適応および最適化するために使用されうる。一例として、これを使用して、トレーニングセッション中に呼吸活動をモニターし、着用者が、安全ではない可能性のある特定の呼吸閾値を超えないことを確実にしうる。これらの閾値は、個人の個人的な健康履歴に基づいて、または集合的呼吸プロファイルに基づいて設定されうる。フィットネス／持久力モニタリングの事例では、検出された呼吸パターンは、ベースラインデータおよび閾値に基づいて、トレーニング／運動レジメンを最適化および個別化するためにも使用されうる。

【0021】

人体の解剖学的に適切な部分の部分上を包むことができるウェアラブル材料に、一つ以上のＦＢＧを有する一つ以上の光ファイバーを埋め込むことによって、一つ以上のＦＢＧを、呼吸、心拍、血圧、および血流などの生理学的プロセスから生じる動きを感知するように構成することができる。一部の実施形態では、呼吸データは、他のモニターされた生理学的データ（ＦＢＧまたは他のモニタリング手段によるものかどうかに関わらない）と共に使用されて、モニターされた個人のより包括的なビューを提供し、より良好な予測モデルを用いて、患者またはユーザーの状態の徴候を特定しうる。

【0022】

図６は、本発明の原理に従って、リアルタイム呼吸機能をモニターする方法を示すフローチャートである。ステップ６１０で、患者の身体と接触している埋め込み型ＦＢＧを有する機器は、ＦＢＧピーク波長データを取得しうる。ステップ６２０で、取得されたデータは、ある期間にわたって測定され、呼吸活動によって引き起こされる身体の変形によるブラッグ波長の有効シフトを検出するために使用されうる。このデータは、ベースライン呼吸パターンを確立するために使用されうる。ステップ６３０で、ベースライン呼吸パターンをデータベースに保存されたプロファイルされた呼吸パターンと比較して、潜在的な疾病状態の任意の兆候を検出しうる。これらの疾患には、コロナウイルス、重症急性呼吸器症候群（ＳＡＲＳ）、または急性喘息の症状と一致する呼吸パターが含まれうる。ベースライン呼吸パターンが潜在的な疾病状態と一致する場合、ステップ６４０で、システムは、その潜在的な疾病状態の警報を患者、介護者、または医療従事者に提供することができる。この警報は、専用モニターなどのインターフェース、手持ち式機器への警報、または一部の実施形態では、埋め込み型ＦＢＧを有するウェアラブル機器上のインターフェースに提供されてもよい。

【0023】

他の実施形態では、システムが潜在的な疾病状態のいかなる指標も検出しない場合、患者の呼吸パターンをモニターし続けてもよい。呼吸パターンが（呼吸数、大きさ、または持続時間のいずれかに基づいて）特定の閾値を超えると、閾値は、患者または介護者によって手動で設定されるか、またはトレーニングアルゴリズムを介してシステムによって学習されるかのいずれかであるが、警報がインターフェースに提供されうる。本発明の原理と一致する一部の実施形態では、ベースライン呼吸パターンは、データベースで収集され、トレーニングアルゴリズムを介して処理されて、システムがプロファイルされた呼吸パターンまたは呼吸閾値を識別するのを助けうる。

【0024】

さらに他の実施形態では、システムが潜在的な疾病状態の指標を検出した場合、呼吸状態の改善を検出するために、患者の呼吸パターンをモニターし続けてもよい。こうした変化が起こった場合、システムはその後、その改善を示す警報を提供することができる。

【0025】

従来技術は、呼吸数を測定する異なる手段を教示するが、測定機器における埋め込み型ＦＢＧの使用は、それらの従来技術システムでは不可能であるモニタリングの感度および精度のレベルを提供する。以下の例では、埋め込み型ＦＢＧのモニタリング能力の様々な用途を示す。

【0026】

非侵襲的分時換気量モニタリング
一例として、呼吸数は、ヒトの健康の重要な指標であるにもかかわらず、呼吸量の変化、すなわち、呼吸数と一回換気量の積として定義される「分時換気量」として知られる重要な構成要素に関する情報を含まないため、患者の肺状態に関する十分な情報を提供しない。分時換気量は、パルスオキシメトリー測定と比較して、肺の窮迫の早期の指標であることが示されている。現在利用可能な非侵襲的分時換気量法には、かなりの患者の訓練およびコンプライアンスが必要なためエラーが生じやすい肺活量測定、および挿管された患者にのみ使用される呼気終末ＣＯ２測定が含まれる。最近では、経胸壁インピーダンスの測定を介したインピーダンス呼吸記録法が、一回換気量、および同様に分時換気量の非侵襲的測定のためのツールとして関心が集まっている。この方法は、呼吸下のインピーダンスの小さな変化を測定する必要があり、電極の配置に依存する。

【0027】

一方で、埋め込み型ＦＢＧを有するウェアラブル機器は、呼吸下で誘発されるものよりも２桁超小さい負荷下の微小な変化を測定することができ、結果として、こうした機器は、病院および家庭の医療からスポーツおよびフィットネストレーニングまで、多数の状況において、一回換気量および分時換気量の非常に正確な非侵襲的かつ連続的な測定を行うことができる。

【0028】

心不全モニタリングのための心原性オシレーションのモニタリング
患者の心周期に対応する肺血液量の変動によって誘発される呼吸波形における心原性オシレーションは、心不全（ＨＦ）の指標であることが示されている。心不全、特に多くの基礎疾患による急性非代償性心不全（ＡＤＨＦ）は重篤な状態であり、しばしば呼吸困難および入院をもたらす。心不全患者の連続的な心機能および呼吸のモニタリングは非常に望ましいが、現在、肺動脈カテーテル法（ＰＡＣ）などのこうしたモニタリングのためのすべての利用可能なソリューションは侵襲的処置であり、医師の監督下での臨床現場でのみ実施可能でありうる。

【0029】

呼吸波形の心原性オシレーション（圧力および流れ信号に重ねられた小さな波形）の測定は、呼吸系力学、心機能、および心不全をモニターする有望な方法であることが知られている。埋め込み型ＦＢＧ歪み感知に基づくウェアラブル呼吸モニタリングシステムは、これらの振動を測定するための感度を有し、非侵襲的心臓モニタリングおよびＨＦのための有望な機器でありうる。

【0030】

乳幼児の生理学的モニタリングシステム
睡眠中またはそうでなければ監督されていない乳児の生理学的モニタリング、および有害事象の徴候に基づく警報は、非侵襲的および遠隔モニタリングのための新技術の出現と共に成長を遂げた健康モニタリングの重要な領域である。乳幼児の生理学的モニタリングのための１つの特定の方法は、パルスオキシメトリーの使用であった。しかしながら、上述のように、パルスオキシメトリーの変化は、呼吸困難の後期指標であることが知られている。代替として、埋め込み型ＦＢＧ歪み測定システムに基づくウェアラブル非侵襲的呼吸モニタリングシステムは、現在市場では入手できない真のリアルタイム乳幼児生理学的モニタリングシステムでありうる。

【0031】

埋め込み生理学的モニタリングシステム
一般的に睡眠モニタリング、および特に睡眠中のヒトの生理学的モニタリングは、ヒトの健康に対する洞察を提供しうる健康モニタリングの重要な部分であり、喘息および無呼吸などの慢性的状態の管理のための重要なツールとなりうる。しかしながら、一般集団に対して利用可能な市販されている非侵襲的生理学的モニタリングシステムはない。利用可能になると、こうしたシステムおよびそれらが取得できるデータ、およびそれらが可能にできる機械学習は、これまで入手できなかった健康状態に対する新しい洞察を提供するであろう。ウェアラブルストラップまたは寝具に埋め込まれたＦＢＧを使用した動的歪み感知に基づく生理学的モニタリングシステムは、睡眠中であってもこうしたデータを提供することができ、積極的な医療の新時代を先導するのに役立ちうる、使いやすい非侵襲的な生理学的モニタリングシステムを提供することができる。

【0032】

図７は、本発明の原理と一致するリアルタイム呼吸機能をモニターするために使用されうるシステム７００の実施形態である。個人は、呼吸モニタリング機器７１０を着用してもよい。こうした機器７１０は、図２の衣服２００、図３のストラップ、図４のパッチ、図５のパッド、または本発明の原理と一致する何らかの他の機器であってもよい。機器７１０は、光センサーからデータを取得し、それらをネットワーク７２０を介してプロセッサ７３０に送信し、このプロセッサ７３０は、データを使用して、ある期間にわたって身体の変形によって引き起こされる少なくとも一つのＦＢＧのブラッグ波長の有効シフトを検出し、ベースライン呼吸パターン７３５を確立する。プロセッサ７３０は、ベースライン呼吸パターン７３５を、データベース７５０に保存されたプロファイルされた呼吸パターンと比較して、ベースライン呼吸パターンが潜在的な疾病状態を示すかどうかを判定するように構成されている。潜在的な疾病状態が検出された場合、プロセッサ７３０は、潜在的な疾病状態の警報を提供しうる。

【0033】

一部の実施形態では、プロセッサ７３０は、上述のように、人の分時換気量の変化を含む、呼吸パターンの何らかの有意な変化について、ベースライン呼吸パターンをモニターするように構成されてもよい。何らかの閾値の変化、またはパターンの変化を検出することによって、システムは、状態の変化の徴候の警告を提供するか、または予測アルゴリズムを使用して、状態の変化の可能性を警告し、ユーザーまたは医療従事者が、その徴候前に措置を講じることを可能にすることができる。

【0034】

一部の実施形態では、プロセッサ７３０は、機器７１０上にローカルに位置してもよい。他の実施形態では、プロセッサ７３０は、リモート汎用コンピュータまたはクラウドベースのプロセッサ上に位置してもよい。インターフェースは、コンピュータ上のディスプレイ、手持ち式機器上のディスプレイ、ウェアラブル機器７１０上のディスプレイを含んでもよく、または携帯電話上の音声警報もしくはテキストメッセージの形態を取ってもよい。他の実施形態と一致した、類似のシステムを使用して、リアルタイム呼吸パターンをモニターし、ベースラインデータおよび閾値に基づいて、トレーニング／運動レジメンを最適化および個別化してもよい。こうした実施形態は、インターフェース７４０を介して呼吸パターンをユーザーに提示し、それらのパターンの変化に関連する警報を提供しうる。

【0035】

例示的な実施形態が特に示され、説明されているが、当業者には、添付の特許請求の範囲に含有される範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更が行なわれ得ることが理解されるであろう。

【0036】

上述の例示的な実施形態は、多くの異なる方法で実装され得ることを理解するべきである。一部の場合、本明細書に記載の様々な方法および機械は、中央プロセッサ、メモリ、ディスクまたは他の大容量記憶装置、通信インターフェース、入出力（Ｉ／Ｏ）装置、および他の周辺機器を有する、物理的、仮想的、またはハイブリッドな汎用コンピュータによってそれぞれ実装されてもよい。汎用コンピュータは、例えば、ソフトウェア命令をデータプロセッサにロードし、次いで、命令を実行させて本明細書に記述された機能を実行することによって、上述の方法を実行する機械へと変換される。

【0037】

当技術分野で周知のように、コンピュータは、システムバスを含み、ここで、バスはコンピュータまたは処理システムの構成要素間のデータ転送に使用される一連のハードウェアラインである。バスまたは複数のバスは本質的に、要素間の情報転送を可能にするコンピューターシステムの異なる要素（例えば、プロセッサ、ディスクストレージ、メモリ、入出力ポート、ネットワークポートなど）を接続する、共有導管である。一つ以上の中央処理ユニットがシステムバスに取り付けられ、コンピュータ命令の実行を提供する。またシステムバスに取り付けられるのは、典型的には、様々な入出力装置（例えば、キーボード、マウス、ディスプレイ、プリンター、スピーカーなど）をコンピュータに接続するための、Ｉ／Ｏ装置インターフェースである。ネットワークインターフェースは、コンピュータを、ネットワークに取り付けられた様々な他の機器に接続することを可能にする。メモリは、実施形態を実施するために使用される、コンピュータソフトウェア命令およびデータのための揮発性ストレージを提供する。ディスクまたは他の大容量ストレージは、例えば、本明細書に記載される様々な手順を実施するために使用されるコンピュータソフトウェア命令およびデータのための不揮発性ストレージを提供する。

【0038】

従って、実施形態は、典型的には、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの任意の組み合わせで実装されてもよい。

【0039】

一実施形態では、本明細書に記載された手順、機器およびプロセスは、システムのソフトウェア命令の少なくとも一部分を提供する、非一時的コンピュータ可読媒体、例えば、一つ以上のＤＶＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、ディスケット、テープなどの取り外し可能な記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品を構成する。こうしたコンピュータプログラム製品は、当技術分野において周知のように、任意の好適なソフトウェアインストール手順によってインストールすることができる。別の実施形態では、ソフトウェア命令の少なくとも一部分は、ケーブル、通信および／または無線接続でダウンロードされてもよい。

【0040】

さらに、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、または命令は、データプロセッサの特定の動作および／または機能を実行するものとして、本明細書に記載され得る。しかし、当然のことながら、本明細書に含まれるこうした記載は、単に便宜のためであり、かつ、実際には、こうした動作は、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、命令などを実行するコンピューティング機器、プロセッサ、コントローラ、または他の機器からもたらされる。

【0041】

フロー図、ブロック図、およびネットワーク図は、より多いもしくは少ない要素を含んでもよく、異なって配置されてもよく、または異なって表現されてもよいことも理解するべきである。しかし、さらに当然のことながら、特定の実装形態は、実施形態の実行を例解する、ブロック図およびネットワーク図、ならびに数枚のブロック図およびネットワーク図が、特定の方法で実装されることを、指示する場合がある。

【0042】

それに応じて、さらなる実施形態はまた、様々なコンピュータアーキテクチャ、物理的、仮想的、クラウドコンピュータ、および／またはそれらのいくつかの組み合わせに実装されてもよく、したがって、本明細書に記載のデータプロセッサは、例解の目的で意図されているに過ぎず、実施形態の限定として意図されるものではない。

【0043】

本発明について、その例示の実施形態を参照して具体的に示し、記載してきたが、形態および詳細の様々な変更が、添付の請求項により網羅される本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態になされてもよいことは、当業者に理解されるであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】