JP7704497B2 - プレチスモグラムセンサを有するウェアラブルデバイス - Google Patents

Description

本発明は、中心血圧パラメータをモニターする方法に関する。

大動脈血圧波形は、心臓に近接しているため、心血管系の状態を反映する波形特徴を有している。これらの特徴は、動脈及び心臓の負荷の臨床的に重要な指標であり、心血管事象及び疾患の独立した早期予測マーカーである。しかし、過去において高忠実度の大動脈血圧波形を正確に記録するには、圧力センサを有するカテーテルを動脈の内側に挿入する侵襲的な手順が必要であった。その結果、末梢（例えば、橈骨、上腕）動脈圧パルス記録から心血管関連の特徴を有する大動脈圧波形を推定する非侵襲的な方法が創造された。

最も使用され、検証されている方法の１つは、伝達関数を使用して、高忠実度の非侵襲的に記録された末梢圧波形を、心血管関連の特徴を有する中心大動脈圧波形に変換する方法である（特許文献１）。伝達関数は、入力された末梢圧波形と出力された中心大動脈圧波形との調和比として表される。圧力間伝達関数を使用する代わりに、別の方法では、カフにより取得された上腕動脈体積変位波形を、特徴を有する中心圧波形に変換する異なる伝達関数が適用された（特許文献２）。一貫した上腕体積変位信号を記録するためには、設定された圧力値まで上腕カフを膨らませる必要があった。

これらの方法から推定された中心圧波形及びその特徴は検証されており、動脈硬化度、心臓負荷ストレス、動脈年齢、心臓運動能力、及び心血管リスクの予測因子の臨床的に価値のある指標を提供することが証明されている。症状がない場合でさえも、これらの測定された特徴をモニター、管理、及び制御することが重要である。これらの特徴に関するデータ又は情報を母集団に提供することは、心臓の健康をモニターする上で有用且つ有益であろう。しかし、現在、これらの臨床的に重要な特徴は、橈骨動脈脈信号の細かいトノメータ記録を必要とする医療機器を使用して、又は上腕体積変位パルスを記録するために設定された圧力までカフを膨らませることを必要とする医療機器を使用して、臨床現場において測定される必要がある。

本発明は、モバイルスマートフォン、フィットネスバンド、又はスマートウォッチ上の一般的なウェアラブルＰＰＧ（プレチスモグラフ）センサからの信号を、特許文献１及び２による方法の出力と類似の心血管関連の特徴を有する中心大動脈圧波形に変換することによって、母集団に対するこれらの特徴の利便性に取り組む。この新しい方法は、指からのＰＰＧ信号を中心圧波形信号に変換する伝達関数を適用し、次に、中心圧波形から特徴を計算し、それらを心臓の健康指標として表示して、頻繁に健康状態をモニターするようにユーザを導く。

本発明の目的は、一般的なウェアラブルスマートウォッチ又はモバイルＰＰＧセンサの信号を処理し、且つ心血管関連の特徴を有する中心大動脈圧パルスに変換して、これらの健康指標を表示し、心臓の健康状態を維持及び管理するように一般ユーザを導くことである。

米国特許第５，２６５，０１１号 米国特許第９，３１４，１７０号

本発明は、望ましくはスマートウォッチ又はスマートバンド上のＰＰＧセンサを使用して中心血圧パラメータをモニターする方法を対象にしているが、本発明の態様は、ラップトップ又はマウスを利用する実施形態にも有用であり得る。スマートウォッチ又はスマートバンドは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、及びスマートウォッチ又はスマートバンドを装着している人の指（例えば、人差し指等）における血液灌流を感知するように適応したＰＰＧセンサを有するように構築される。指における血液灌流を感知することによって、適切なフィルタリング及び処理の後に心血管特徴を検出することができる信号が結果として生じるということが発見されている。一方で、ＰＰＧセンサに手首の裏側を押し当てても、少なくとも確実に心血管特徴を検出することはできない。図８は、反転させられた指のＰＰＧパルス、及び反転させられた上部手首のＰＰＧパルスの一例を示している。反転させられた指のＰＰＧパルスには、矢印によって示されているような特徴があるが、反転させられた上部手首のＰＰＧパルスには特徴がない。

ＰＰＧセンサは、ＰＰＧセンサの露出した光学部分にユーザが指を押し当てると、生のアナログＰＰＧ信号を出力する。一部の実施形態において、ＰＰＧセンサは、スマートウォッチ又はスマートバンドのハウジングに埋め込まれ、ＰＰＧセンサの光学部分は、スマートウォッチ又はスマートバンドの側壁及び／又は側壁上のベゼルを介して露出される。ＰＰＧセンサの光学部分は、ハウジングの表面と同一平面であってもよいが、光学部分は、ハウジング表面に対して凹んでいるか又は隆起していることが所望される。光学部分の隆起又は凹みは、ユーザに触覚フィードバックを提供するため、指がＰＰＧセンサの光学部分を完全に覆うということを容易に確実にすることができる。他の実施形態では、ＰＰＧセンサの光学部分がリストバンドから外側に露出した状態で、スマートウォッチ又はスマートバンドに接続されたリストバンドにＰＰＧセンサを取り付けることができる。他の実施形態では、ＰＰＧセンサは、時計又はスマートバンドの電子モジュールの一面に位置することができる。ユーザは、いくつかのサイクルを捕捉するために、約５秒を超える期間、ＰＰＧセンサに指を押し当てる。ＰＰＧセンサは、生のアナログＰＰＧ信号をスマートウォッチ又はスマートバンド上のＭＣＵに出力する。スマートウォッチ又はスマートバンド上のＭＣＵ又は他の電子回路は、生のアナログＰＰＧ信号をデジタル化信号に変換する。このデジタル化信号は、クラウドを使用して本発明を実施することは可能であるけれども、望ましくは、そのＭＣＵを使用してスマートウォッチ又はスマートバンド上で処理される。クラウドが使用される場合、デジタル化信号は、さらなるコンピューティングのために、スマートウォッチ又はスマートバンドからクラウドに送信される。スマートウォッチ又はスマートバンド上のＭＣＵは、データをクラウドに送信する前にデータを処理することができる。加えて、スマートウォッチ又はスマートバンドに関連付けられたスマートフォン上で、又はスマートフォンとクラウドとの組み合わせで、デジタル処理の一部を実施することが可能である。

デジタル化信号は、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して処理される。ハイパスフィルタの目的は、信号からドリフトを取り除くことである。ローパスフィルタの目的は、ノイズを取り除くことであるが、ローパスフィルタは、関連する生理学的データを除外しないことが重要である。デジタル化信号は、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して処理された後に反転させられなければならない。フィルタをかけた指のＰＰＧ信号は、指における血液の体積に反比例する。中心大動脈圧波形の足に対応する波の一部を見つけることが重要である。反転の理由は、フィルタをかけた指のＰＰＧが、パルスの開始時に負の傾きを有するが、圧力信号は正の傾き（上昇行程）を有するためである。ＰＰＧ信号を反転させることによって、指のＰＰＧ及び圧力パルスは、伝達関数を推定する際に重要な類似の特徴を有することになる。伝達関数は、入力信号及び出力信号が共通の整列した特徴を有する場合に、より安定する傾向がある。次のステップは、フィルタをかけ且つ反転させられた後で、デジタル化ＰＰＧ信号における個々のパルスを検出することである。次に、いくつかの個々のパルスが平均されて、平均の未較正のＰＰＧパルスが生成される。

伝達関数又は伝達関数の組み合わせが、平均の未較正のＰＰＧパルスに適用されて、心血管波形の特徴が保存された未較正の大動脈圧波形が生成される。第１のショルダー、第２のショルダー、及び切痕（ｉｎｃｉｓｕｒａ）を含む未較正の大動脈圧波形の保存された心血管波形の特徴は、例えば図７等を参照されたい。１つ以上の一般化された伝達関数は、平均の未較正のＰＰＧパルスを、心血管に関連する特徴が保存された未較正の大動脈圧波形に変換するための、振幅及び位相における調和比を表す。一実施形態では、２つの伝達関数があり：１つは、平均のＰＰＧパルスを、未較正の橈骨圧パルスに変換するものであり、第２の伝達関数は、未較正の橈骨圧パルスを、未較正の中心大動脈パルスに変換するものである。別の実施形態では、１つの伝達関数は、平均のＰＰＧパルスを、未較正の中心大動脈パルスに変換するものである。

次のステップは、未較正の大動脈圧波形における波形特徴を検出し、未較正の大動脈圧波形に関係するパラメータを計算することである。有用なパラメータには、収縮期曲線下面積を拡張期曲線下面積で割ったもの等の比、又は高さ全体に関する第１及び第２のショルダーにおける収縮期圧の比、又は中心圧波形の高さに対する末梢圧波形の高さの比、又は総合スコア等の他のパラメータ若しくは計算値が含まれ得る。計算されたパラメータ又はこの計算されたパラメータの指標のうち１つ以上が、ユーザが便利に見ることができるように、スマートウォッチ又はスマートバンドに表示される。

ＰＰＧセンサの位置に応じて、センサに手首の手のひら側を押し当てることによって、血液灌流を感知することもできる。より具体的には、ＰＰＧセンサを使用して下部手首から主要な橈骨動脈内の灌流を測定することによって、適切に測定された場合に、心血管特徴を示す波形が結果として生じ得る。例えば、適切な位置において下部又は手のひら側の手首に対してＰＰＧセンサが置かれるリストバンドを使用することは可能なことである。下部手首にＰＰＧセンサを押し当てて主要な橈骨動脈を通る血液灌流を測定することにより血液灌流を感知することによって、適切なフィルタリング及び処理の後に心血管特徴を検出することができる信号が結果として生じるということが発見されている。当然ながら、下部又は手のひら側の手首からのＰＰＧ信号を変換するための伝達関数は、指からのＰＰＧ信号を変換するための伝達関数とは別に決定されなければならない。

本発明のさらなる実施形態には、ラップトップコンピュータ又はマウス上にＰＰＧセンサを置くことが含まれる。ラップトップの実施形態において、ＰＰＧセンサは、キーボード上に位置することができるか、又はキーボード及びトラックパッドとは別の場所に位置することができる。ユーザは、測定のために、ＰＰＧセンサ上にユーザの（人差し）指を置くことができる。マウスの実施形態において、ＰＰＧセンサは、マウスボタンの１つに位置することができ、そこには（人差し）指が自然に置かれる。

指における血液灌流を感知するためにＰＰＧセンサを使用すること、及び、伝達関数法を使用して信号を部分的に処理することによって、未較正の中心圧力パルスが結果として生じ、この未較正の中心圧力パルスから、心血管特徴が検出され、例えば、スマートウォッチ上にパラメータが表示されることに関与するステップを例示した流れ図である。 光学要素が時計のベゼル又はクラウンを介して露出している、埋め込まれたＰＰＧセンサを有するスマートウォッチの一実施形態の概略図である。 光学要素がバンドから上方に露出している、時計のバンドに取り付けられたＰＰＧセンサを有するスマートウォッチの別の実施形態の概略図である。 光学要素がベゼルの反対側にある時計のハウジングの側壁を介して露出している、埋め込まれたＰＰＧセンサを有するスマートウォッチの別の実施形態の概略図である。図４Ａは、凹んだ光学部分を有するＰＰＧセンサを示している。図４Ｂは、隆起した光学部分を有するＰＰＧセンサを示している。 ＰＰＧ信号を感知すること、及び、平均のＰＰＧパルスを得るために信号を処理し、この平均のＰＰＧパルスが、次に、伝達関数法を使用して中心圧力パルスに変換されることに関与するステップを例示した流れ図である。 反転したＰＰＧ信号における上昇行程の開始を検出する方法の態様を例示した概略図である。 未較正の中心大動脈圧波形において検出された波形特徴を例示した概略図である。 指からのフィルタをかけ反転させられたＰＰＧ信号と、手首の裏側からのフィルタをかけ反転させられた信号とを比較した図である。 スマートウォッチのためのディスプレイを示した図であり、ソフトウェアが、未較正の中心圧力パルス及び／又は未較正の末梢圧力パルスから計算された波形パラメータの指標を表示している。 光学要素が電子モジュールに対するハウジングの側面に沿って露出している、埋め込まれたＰＰＧセンサを有するスマートバンドの一実施形態の概略図である。 ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒ（登録商標）システムの精度と比較して、本発明の精度をテストするための設定を例示した概略図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータのオーグメンテーションインデックスの計算及び比較を例示した図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータのオーグメンテーションインデックスの計算及び比較を例示した図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータの圧力増幅の計算及び比較を例示した図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータの圧力増幅の計算及び比較を例示した図である。 図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータの運動能力の計算及び比較を例示した図である。 図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対して収集したデータの運動能力の計算及び比較を例示した図である。 図１５Ａは、本発明を使用して生成された健常者の中心大動脈波形と、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して生成された中心大動脈波形との比較を示した図である。 図１５Ｂは、本発明を使用して生成された非健常者の中心大動脈波形と、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して生成された中心大動脈波形との比較を示した図である。

図１は、本発明を実施する一般的なステップを示している。一般に、第１のステップであるブロック１では、指又は手首からＰＰＧ信号を測定するように設計されたＰＰＧセンサを用いて生の信号を感知する。好ましくは、ＰＰＧセンサは、ユーザの人差し指からＰＰＧ信号を測定するように構成される。ＰＰＧセンサは、望ましくは、スマートウォッチ又はスマートバンド上に位置するが、ラップトップ上、マウス上に位置することができるか、又はスマートフォン等の電子デバイスにテザリングさせることもできる。第２のステップであるブロック２では、生の信号を処理し、これによって、図１において示されているように、ＰＰＧパルスが結果として生じる。第３のステップであるブロック３では、１つ以上の伝達関数を適用して大動脈圧波形を生成し、大動脈圧波形は、中心圧力パルスとして図１において示されている。第４のステップであるブロック４では、中心大動脈圧波形における波形特徴を検出し、サマリースコアを含む１つ以上の臨床的に重要なパラメータを計算する。第５のステップであるブロック５では、計算されたパラメータ及びサマリースコアを、例えば、スマートウォッチ若しくはスマートバンドのディスプレイ上、又は別のディスプレイ上に表示する。

ＰＰＧセンサユニットは、例えば緑色、赤色、又は赤外線等の１つ以上のＬＥＤ光源、光検出器、並びに、ＬＥＤ及び光検出器を駆動するために必要な回路を含む。ＰＰＧセンサユニットは、光学部分及び電気部分の２つの部分を有する。光学部分は、１つ又は複数の透明な材料で構成されており、光が、ＰＰＧセンサユニットからヒトに、ヒトからＰＰＧセンサユニットに通過するのを可能にしている。ＰＰＧセンサユニットの光学部分は、１つ又は複数のライトパイプを使用して延ばすことができる。

ＰＰＧセンサユニットを、スマートウォッチ又はスマートバンド等のウェアラブルデバイスの内側に埋め込むことができる。ＰＰＧ信号を、さらなる処理及び計算のために、ＭＣＵ（マイクロコントローラユニット）若しくはクラウドまで、又はスマートフォンまで送ることができる。ＰＰＧセンサパッケージは、反射モード又は透過モードで動作するように設計することができる。

図２は、本発明を実施するスマートウォッチ１４の一実施形態を例示している。図２において、ＰＰＧセンサユニット１０は、時計１４に埋め込まれており、光学部分１２はクラウン又はベゼル１６に向いている。ユーザは、人差し指等の指をクラウン１６上に置いて、生の指のＰＰＧパルスを記録する。

図３は、本発明を実施するスマートウォッチ１１４の別の実施形態を例示している。ＰＰＧセンサユニット１１０は、リストバンド１１８上にあり、光学部分１１２は上に向いてスマートウォッチ１１４の本体の隣で露出している。ユーザは、人差し指等の指を光学部分１１２上に置いて、生の指のＰＰＧパルスを記録する。

図４は、本発明を実施するスマートウォッチ２１４の別の実施形態を例示している。ＰＰＧセンサユニット２１０は、時計のハウジング２１４に埋め込まれており、光学部分２１２は時計２１４のベゼル２１６から見て外方に向いている。ユーザは、人差し指等の指を光学部分２１２に押し当てて、生の指のＰＰＧパルスを記録する。

図４Ａは、凹んだ光学部分２１２Ａを有するＰＰＧセンサ２１０Ａを示している。図４Ｂは、隆起した光学部分２１２Ｂを有するＰＰＧセンサ２１０Ｂを示している。凹んだ部分２１２Ａ及び隆起した部分２１２Ｂは、ＰＰＧセンサの光学部分の上に指を置くための触覚フィードバックをユーザに提供する。触覚フィードバックは、ユーザがＰＰＧセンサの露出した光学部分２１２を完全に覆うのに寄与し、これによって、測定指からの反射光の量が最大になり、システムの信頼性及び精度が改善される。

図５は、生のＰＰＧ信号（６）を処理するためのデジタル処理ステップを示している。生のＰＰＧ記録信号（６）は、５秒以上の持続時間を有し得るアナログ信号であり、好ましくはスマートウォッチ若しくはスマートバンドの、又は関連するスマートフォンのＭＣＵ上でのデジタル信号処理のために、ＰＰＧセンサからスマートウォッチ又はスマートバンドまで送られ、さらに、一部の処理はクラウドでも発生し得る。図５において示されている信号処理ステップには、Ａ／Ｄコンバータを介してアナログ信号をデジタル信号に変換すること（７）、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタを介してデジタル信号にフィルタをかけること（８）、フィルタをかけたデジタルＰＰＧ信号を反転させること（１０）、反転させたＰＰＧ信号におけるパルスを検出すること（１２）、及びＰＰＧパルスを平均すること（１３）が含まれている。これらのステップ及び計算は全て、ＭＣＵにおいて又はクラウド上で実施することができる。

さらに図５を参照すると、Ａ／Ｄコンバータ（７）は、生のアナログＰＰＧ信号（６）をデジタル化し、１００Ｈｚ以上のサンプリング周波数（ｆｓ）で信号をサンプリングする。次に、デジタル化信号にハイパスフィルタを適用して信号ベースラインドリフトを低減し、ローパスフィルタを適用して高周波アーティファクトノイズを取り除く（ステップ（８）を参照されたい）。ハイパスフィルタの場合、停止周波数は０．００３～０．０５Ｈｚであってもよく、通過周波数は０．９５～１．０５Ｈｚであってもよい。ハイパスフィルタの一例は、０．０１Ｈｚの－５０ｄＢ停止周波数、１Ｈｚの－３ｄＢ通過周波数を用いたバターワースハイパスフィルタである。ローパスフィルタは、３０から５０Ｈｚの－３ｄＢ周波数を有することになる。どちらのフィルタも、小さい位相遅延を有するべきである。どちらのフィルタも、デジタル化信号に適用され、フィルタをかけたＰＰＧ信号（９）を生成する。

次に、以下の式

を実施することによって、フィルタをかけたＰＰＧ信号を反転させ（ステップ（１０）を参照されたい）、ここで、ＰＰＧＳｉｇは、フィルタをかけたＰＰＧ信号（９）であり、ＩｎｖＰＰＧＳｉｇは、反転させたＰＰＧ信号（１１）である。フィルタをかけたＰＰＧ信号の反転が必要なのは、中心圧力パルスが、心臓駆出を示す上昇行程（高い正の傾斜線）で始まる一方で、記録されたフィルタをかけた指のＰＰＧパルスは、負の傾斜線で始まるためである。中心圧力パルスを生成することが目的であるため、２つのパルスに類似の開始特徴を有することが重要である。従って、指のＰＰＧパルスは、中心圧力パルスのようにパルスの開始時に上昇行程特徴を有するように反転させられる。

次のステップ（１２）は、反転させたＰＰＧ信号（１１）における各パルスの開始及び終了を検出することである。パルスの開始は、１次微分を計算し、ピークを特定することによって決定され（図６を参照されたい）、これは、パルス開始時のパルスの上昇行程に対応する。パルスが検出された（１２）後で、多数の信号パルス、例えば１０のパルスが生成される。これらのパルスを平均することによって、１つの平均のＰＰＧパルスが生成される（図５におけるステップ（１４）を参照されたい）。

平均のＰＰＧパルス（１４）は、１つ以上の伝達関数に入力されて（図１におけるステップ３を参照されたい）、心血管特徴が保存された平均の中心圧波形が生成される。伝達関数は、入力信号と出力信号との間の振幅及び位相における調和比を表す。伝達関数の式は、周波数又は時間領域の形式で記述することができる。ＰＰＧ波形から大動脈圧への伝達関数は、ＰＰＧ波形及び侵襲的な（例えばカテーテル等）又は同等の非侵襲的な（例えばＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒ等）大動脈圧波形の同時記録から事前に決定される。推定には、周波数調和解析又はインパルス応答に対する係数の推定が含まれる。伝達関数は、以下の周波数領域形式で表す及び記述することができる。
（ａ） 振幅

ここで｜Ｈ_ａ→ｂ（ｆ）｜は、Ｓｉｇ_ａに対するＳｉｇ_ｂの伝達関数周波数振幅比であり、
Ｓｉｇ_ａは、周波数領域における入力信号であり、
Ｓｉｇ_ｂは、周波数領域における出力信号であり、さらに、
ｆは、Ｈｚで０からｆｓ／２に及ぶ周波数である。
（ｂ） 位相

ここで、Ｐｈａｓｅ（Ｈ_ａ→ｂ（ｆ））は、周波数ｆにおけるＨ_ａ→ｂ（ｆ）の角度であり、
Ｐｈａｓｅ（Ｓｉｇ_ａ（ｆ））は、周波数ｆにおけるＳｉｇ_ａの角度であり、さらに、
Ｐｈａｓｅ（Ｓｉｇ_ｂ（ｆ））は、周波数ｆにおけるＳｉｇ_ｂの角度である。

時間領域では、インパルス応答、又は、周波数領域に変換されるとＨ_ａ→ｂ（ｆ）に等しくなり得る係数のセットとして伝達関数を表すことができる。

ここで、Ｉｍｐ（ｔ）は、時間領域におけるインパルス応答であり、
ＩＦＦＴは、逆高速フーリエ変換であり、さらに、
ｔは、０からパルス長時間までの時間（ミリ秒）である。

Ｓｉｇ_ｂを周波数領域における中心大動脈圧波形、Ｓｉｇ_ａを周波数領域における平均ＰＰＧ信号（１４）であると仮定する。

ここで、ＡｏＰＷ（ｔ）は、時間領域における中心大動脈圧波形であり、
ＰＰＧ（ｔ）は、平均ＰＰＧパルス（１４）であり、さらに、
ＦＦＴは、高速フーリエ変換である。

伝達関数を使用したＰＰＧパルス（１４）からの大動脈圧波形の計算は、周波数又は時間領域において行うことができる。第一に、周波数領域では、周波数における大動脈圧を、

として計算することができ、ここで、Ｓｉｇｂ（ｆ）は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を使用して、時間領域における大動脈圧波形ＡｏＰＷ（ｔ）に変換することができる。

時間領域におけるＡｏＰＷ（ｔ）を計算するために、以下の式

が使用され、ここで、＊は、畳み込み演算である。

或いは、ＰＰＧ波形を橈骨圧波形に変換する中間伝達関数を、トノメータを使用したＰＰＧ波形及び橈骨圧波形の同時記録から、事前に決定することができる。中間伝達関数を、上記と類似の技術を使用して決定することができる。次に、橈骨圧波形を表すデータを、当技術分野において知られているように、橈骨圧波形を中心大動脈圧波形に変換する伝達関数に入力することができる。

図７は、１つ以上の伝達関数の適用から結果として生じる特徴を有する中心大動脈圧波形を示している。図１のボックス４において示されているように、ソフトウェアが、図７において示されている特徴を検出するように構成される。ソフトウェアは、ピーク後の切痕を検出するために１次微分法を適用する。切痕は、大動脈パルスピーク後の１次微分の第１のゼロクロッシングとなる。切痕は、収縮期相（心臓駆出）の終わり及び拡張期相（心臓血液充満）の始まりを表す。第２ピークは、心臓での負荷に加えられる反射圧力の結果であるため、第１及び第２の収縮期ピークを検出することによって、心臓での過剰な負荷が推定される。また、図７において示されているように、収縮期曲線下面積（ＡＵＣ１）を計算するようにソフトウェアを構成することができ、収縮期曲線下面積（ＡＵＣ１）は、ポンプ作用中の心臓の仕事量を表しており、これは、酸素を豊富に含んだ血液に対する身体の需要も反映している。図７において示されているように、拡張期曲線下面積（ＡＵＣ２）を計算するようにソフトウェアを構成することもでき、拡張期曲線下面積（ＡＵＣ２）は、心室充満中の心臓の仕事量を表しており、これは、酸素を豊富に含んだ血液の心臓による供給も反映している。ＡＵＣ１に対するＡＵＣ２の比は、身体の需要に対する酸素を豊富に含んだ血液の供給の比でもあり、身体フィットネス及び持久力に関連することが示されている。図７において示されているこれらのパラメータは、例えば、ユーザがその健康状態をモニターするのに寄与する健康指標として、スマートウォッチ又はスマートバンドのディスプレイ上に表示される。

図９は、スマートウォッチのためのディスプレイ（又はスマートバンド上のディスプレイ等の他のディスプレイ）を示しており、ソフトウェアが、未較正の平均の中心圧力パルスから計算された心臓パラメータの指標を表示している。「心臓ストレス」とのラベルは、パルスの高さに関する第１の収縮期ピーク及び第２の収縮期ピークの差として計算される。図９における矢印は、緑色の領域に向けられており、これは、計算されたパラメータが良好であるということを意味している。表示された「心臓年齢」は、増幅比、すなわち中心パルスの高さに対する末梢パルスの高さの比を計算し、さらに、その増幅比を、公表された健康な集団の研究と比較することによって、健康な心血管年齢と相関している。「運動能力」とのラベルは、収縮期曲線下面積に対する拡張期曲線下面積の比である。総合スコア（ＡＲＴＹ）は、検出された心臓特徴の組み合わせに基づいている。

図１０は、光学要素３１２が電子モジュールのハウジングの側面に沿って露出している、埋め込まれたＰＰＧセンサ３１０を有するスマートバンド３１４の一実施形態の概略図である。示されていないけれども、スマートバンド３１４は、例えばＬＥＤ等の視覚的な指標を有し得るが、必ずしもＵＩ（ユーザインタフェース）画面を有しているわけではない。表示画面を有している場合は、図９において示されているものに類似の情報を表示することができる。有していない場合は、視覚的な指標を適応させる必要があるか、又は、情報／データを、表示のために、場合によってはさらなる処理のために、別のデバイスに送ることができる。

本発明の精度を、非侵襲的な末梢血圧波形測定に基づき中心大動脈圧パルスを生成するためのＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムに対してテストした。ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムは、上記の特許文献１に記載されているシステムの商業的な実施形態であり、ＦＤＡによって認可されており、中心大動脈圧波形の非侵襲的な測定のためのゴールドスタンダードであると考えられている。図１１は、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムと比較して本発明の精度をテストするための設定を例示した概略図である。いくつかの記録（３から９）を、１０秒の持続時間、２０歳から６５歳の１３人の被験者（女性４名、男性９名）から取った。被験者は、広範囲の中心大動脈圧波形の形状（若年、老年、健常、非健常）を提供した。図１１を参照すると、トノメータ４０２を使用して、既知の技術に従って被験者４００の橈骨圧力パルスを測定した。同時に、ＰＰＧセンサ４０４を使用して被験者の人差し指を測定した。トノメータ４０２からの信号をＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステム４０６に送って、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステム４０６から出力された中心圧波形データをデータ取得システム４０８において記録した。同時に、ＰＰＧセンサ４０４からの信号を、本発明に従って構築されたシステム４１０に送って、システム４１０から出力された中心圧波形データもデータ取得システム４０８において記録した。

図１２Ａは、オーグメンテーションインデックス（ＡＩｘ）を計算するために特定され且つ使用される中心大動脈圧波形及びパラメータを例示している。図１２Ｂは、ＰＰＧセンサを用いる本発明を使用して収集されたデータ上で得られる計算された中心大動脈圧波形に対するオーグメンテーションインデックス（ＡＩｘ）と、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して収集されたデータ上で得られる中心大動脈圧波形に対するオーグメンテーションインデックス（ＡＩｘ）とを比較したプロットである。その相関は全体で０．９１であり、ＡＩｘの値が高いほどさらに密接しているように思われる。

図１３Ａは、中心圧波形（心臓）と末梢圧波形（手首又は指）との間の圧力増幅を例示している。図１３Ｂは、指における圧力を検出するためにＰＰＧセンサを用いる本発明を使用して収集されたデータ上で得られる中心大動脈圧波形に対する計算された圧力増幅と、橈骨圧波形を測定するためにトノメータ及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して収集されたデータ上で得られる中心大動脈圧波形に対する圧力増幅とを比較したプロットである。相関は、全体で０．９６である。

図１４Ａは、運動能力（ＥＣ）を計算するために特定され且つ使用される中心大動脈圧波形及びパラメータを例示している。図１４Ｂは、指における圧力を検出するためにＰＰＧセンサを用いる本発明を使用して収集されたデータ上で得られる中心大動脈圧波形に対する計算された運動能力（ＥＣ）と、橈骨圧波形を測定するためにトノメータ及びＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して収集されたデータ上で得られる中心大動脈圧波形に対する運動能力（ＥＣ）とを比較したプロットである。相関は、全体で０．９４である。

図１５Ａは、本発明を使用して生成された健常者の中心大動脈波形と、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して生成された中心大動脈波形との比較を示している。図１５Ｂは、本発明を使用して生成された非健常者の中心大動脈波形と、ＳｐｈｙｇｍｏＣｏｒシステムを使用して生成された中心大動脈波形との比較を示している。

上述のように、本発明は、下部手首又は手のひら側をＰＰＧセンサに押し当てて血液灌流を測定することによって実施することもできる。１つ又は複数の伝達関数は、入力データを得るために異なる位置に順応しなければならないけれども、デジタル信号処理の他の態様（フィルタリング、反転、波形の足の検出、未較正の中心圧波形への変換、波形特徴の検出、パラメータの計算、及びスマートウォッチ上での表示）は、指に関して上記したものに類似しているべきである。

Claims (20)

1. ウェアラブルなスマートウォッチ又はスマートバンドを提供するステップであって、前記ウェアラブルなスマートウォッチ又はスマートバンドは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）及び前記スマートウォッチ又はスマートバンドを装着している人の指における血液灌流を感知するように適応したＰＰＧセンサを有し、前記ＰＰＧセンサは、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分にユーザが指を押し当てたときに生のアナログＰＰＧ信号を出力する、ステップと、
   約５秒を超える期間、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分に前記ユーザの指を押し当て、生のアナログＰＰＧ信号を前記ＭＣＵに出力するステップと、
   前記生のアナログＰＰＧ信号をデジタル化信号に変換するステップと、
   ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して前記デジタル化信号を処理するステップと、
   前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して処理した後に前記デジタル化信号を反転させるステップと、
   フィルタをかけ且つ反転させた後に前記デジタル化ＰＰＧ信号における個々のパルスを検出するステップと、
   いくつかの個々のパルスを平均して、平均のＰＰＧパルスを生成するステップと、
   前記平均のＰＰＧパルスに１つ以上の伝達関数を適用して、心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形を生成するステップであって、前記大動脈圧波形の保存された心血管波形の特徴は、第１のショルダー、第２のショルダー、及び切痕を含み、一般化された前記１つ以上の伝達関数は、前記平均のＰＰＧパルスを、前記心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形に変換するための、周波数領域における入力信号に対する周波数領域における出力信号の周波数振幅比を使用した、周波数領域又は時間領域において実施される伝達関数である、ステップと、
   前記大動脈圧波形における波形特徴を検出し、前記大動脈圧波形に関係するパラメータを計算するステップと、
   前記計算されたパラメータ又は前記計算されたパラメータの指標のうち１つ以上を表示するステップと、
   を含む、中心血圧パラメータをモニターする方法。
2. 前記ＰＰＧセンサは、前記スマートウォッチ又はスマートバンドのハウジングに埋め込まれ、前記ＰＰＧセンサの光学部分は、前記ハウジングの側壁又は前記ハウジングの側壁上のベゼルを介して露出される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＰＰＧセンサは、前記スマートウォッチ又はスマートバンドに接続されたリストバンドに取り付けられ、前記ＰＰＧセンサの光学部分は、前記リストバンドから外側に露出される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＰＰＧセンサの光学部分は、スマートウォッチの一面を介して露出される、請求項１に記載の方法。
5. 前記１つ以上の伝達関数は、前記平均の反転させられたＰＰＧ信号を末梢圧波形に変換する第１の伝達関数と、前記末梢圧波形を前記大動脈圧波形に変換する第２の伝達関数とを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記生のアナログＰＰＧ信号がデジタル化信号に変換された後の１つ以上のステップが、クラウドにおいて実施される、請求項１に記載の方法。
7. 前記生のアナログＰＰＧ信号がデジタル化信号に変換された後の１つ以上のステップが、スマートフォン上で実施される、請求項１に記載の方法。
8. 前記光学部分の全体がユーザの指によって覆われているかどうかの触覚フィードバックを前記ユーザの指が受けるように、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分は、周囲の前記ＰＰＧセンサの表面に対して凹んでいるか又は周囲の前記ＰＰＧセンサの表面に対して隆起している、請求項１に記載の方法。
9. スマートウォッチ又はスマートバンドを提供するステップであって、前記スマートウォッチ又はスマートバンドは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）及び前記スマートウォッチ又はスマートバンドを装着している人の手首における血液灌流を感知するように適応したＰＰＧセンサを有し、前記ＰＰＧセンサは、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分にユーザが下部手首を押し当てたときに生のアナログＰＰＧ信号を出力する、ステップと、
   約５秒を超える期間、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分に前記ユーザの下部手首を押し当て、生のアナログＰＰＧ信号を前記ＭＣＵに出力するステップと、
   前記生のアナログＰＰＧ信号をデジタル化信号に変換するステップと、
   ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して前記デジタル化信号を処理するステップと、
   前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して処理した後に前記デジタル化信号を反転させるステップと、
   フィルタをかけ且つ反転させた後に前記デジタル化ＰＰＧ信号における個々のパルスを検出するステップと、
   いくつかの個々のパルスを平均して、平均のＰＰＧパルスを生成するステップと、
   前記平均のＰＰＧパルスに１つ以上の伝達関数を適用して、心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形を生成するステップであって、前記大動脈圧波形の保存された心血管波形の特徴は、第１のショルダー、第２のショルダー、及び切痕を含み、一般化された前記１つ以上の伝達関数は、平均のＰＰＧパルスを、前記心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形に変換するための、周波数領域における入力信号に対する周波数領域における出力信号の周波数振幅比を使用した、周波数領域又は時間領域において実施される伝達関数である、ステップと、
   前記大動脈圧波形における波形特徴を検出し、前記大動脈圧波形に関係するパラメータを計算するステップと、
   前記計算されたパラメータ又は前記計算されたパラメータの指標のうち１つ以上を表示するステップと、
   を含む、中心血圧パラメータをモニターする方法。
10. 前記１つ以上の伝達関数は、前記平均の反転させられたＰＰＧ信号を末梢圧波形に変換する第１の伝達関数と、前記末梢圧波形を前記大動脈圧波形に変換する第２の伝達関数とを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記生のアナログＰＰＧ信号がデジタル化信号に変換された後の１つ以上のステップが、クラウドにおいて実施される、請求項９に記載の方法。
12. 前記生のアナログＰＰＧ信号がデジタル化信号に変換された後の１つ以上のステップが、スマートフォン上で実施される、請求項９に記載の方法。
13. 人の指における血液灌流を感知するように適応したＰＰＧセンサを提供するステップであって、前記ＰＰＧセンサは、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分に前記人が指を押し当てたときに生のアナログＰＰＧ信号を出力する、ステップと、
    約５秒を超える期間、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分に前記人の指を押し当て、生のアナログＰＰＧ信号をマイクロコントローラに出力するステップと、
    前記生のアナログＰＰＧ信号をデジタル化信号に変換するステップと、
    ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して前記デジタル化信号を処理するステップと、
    前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを介して処理した後に前記デジタル化信号を反転させるステップと、
    フィルタをかけ且つ反転させた後に前記デジタル化ＰＰＧ信号における個々のパルスを検出するステップと、
    いくつかの個々のパルスを平均して、平均のＰＰＧパルスを生成するステップと、
    前記平均のＰＰＧパルスに１つ以上の伝達関数を適用して、心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形を生成するステップであって、前記大動脈圧波形の保存された心血管波形の特徴は、第１のショルダー、第２のショルダー、及び切痕を含み、一般化された前記１つ以上の伝達関数は、平均のＰＰＧパルスを、前記心血管波形の特徴が保存された大動脈圧波形に変換するための、周波数領域における入力信号に対する周波数領域における出力信号の周波数振幅比を使用した、周波数領域又は時間領域において実施される伝達関数である、ステップと、
    前記大動脈圧波形における波形特徴を検出し、前記大動脈圧波形に関係するパラメータを計算するステップと、
    前記計算されたパラメータ又は前記計算されたパラメータの指標のうち１つ以上を表示するステップと、
    を含む、中心血圧パラメータをモニターする方法。
14. 前記ＰＰＧセンサは、スマートウォッチ又はスマートバンドのハウジングに埋め込まれ、前記ＰＰＧセンサの光学部分は、前記ハウジングの側壁を介して又は前記ハウジングの側壁上のベゼルを介して露出される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ＰＰＧセンサは、前記人によって装着されるように構成されたリストバンドに取り付けられ、前記ＰＰＧセンサの光学部分は、前記リストバンドから外側に露出される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ＰＰＧセンサは、ラップトップコンピュータ上に位置し、前記光学部分は露出されるため、前記人は、人差し指を前記ＰＰＧセンサの光学部分の上に置いて、前記人の指における血液灌流測定を行うことができる、請求項１３に記載の方法。
17. 前記ＰＰＧセンサは、コンピュータマウスのボタンのうち１つに位置し、前記光学部分は露出されるため、前記人は、人差し指を前記ＰＰＧセンサの光学部分の上に置いて、前記人の指における血液灌流測定を行うことができる、請求項１３に記載の方法。
18. 前記１つ以上の伝達関数は、前記平均の反転させられたＰＰＧ信号を末梢圧波形に変換する第１の伝達関数と、前記末梢圧波形を前記大動脈圧波形に変換する第２の伝達関数とを含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記生のアナログＰＰＧ信号がデジタル化信号に変換された後の１つ以上のステップが、クラウドにおいて実施される、請求項１３に記載の方法。
20. 前記光学部分の全体が前記人の指によって覆われているかどうかの触覚フィードバックを前記人の指が受けるように、前記ＰＰＧセンサの露出した光学部分は、周囲の前記ＰＰＧセンサの表面に対して凹んでいるか又は周囲の前記ＰＰＧセンサの表面に対して隆起している、請求項１３に記載の方法。

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