JP2004148069A - 反射型血中酸素飽和度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静脈の酸素飽和度、静脈の脈動変化量、ヘモグロビン等を考慮して、動脈の酸素飽和度を正確に算出する。
【解決手段】ヘモグロビンの吸収分光域の少なくとも３個の生体分光信号を用いるか、或いは、ヘモグロビンの吸収分光域の少なくとも４個の生体分光信号を用いて、演算式に従って算出する。
【選択図】図６

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は血中の成分検出装置に関する。
【従来の技術】
動脈中の酸素飽和度を非侵襲的に計測する装置はすでにパルスオキシメーターとして商品になっている。測定部位については指先が多数をしめるが、指先は非常によく動き動脈の酸素飽和度の測定値に悪影響をあたえる。そこで比較的動きが鈍い頭、額などが候補になっている。又、生体の緊急時における酸素供給システムの優位性を考慮して指先より脳、心臓などがより重要な計測の対象となる。それらを合わせて脳に近い額、顔面あるいは頭部で計測する、所謂反射光型が考案されすでに市販されている。これらは動脈の脈動を応用した２つの分光センサーの信号処理している。
【発明が解決しようとする課題】
問題は生体に起因するＳ／Ｎが悪くどんな場合でも動脈の酸素飽和度が正確に計測できる、とはなってないことである。問題は、次のような場合に生じる。
人が立ってる状態の額から計測できる酸素飽和度と、寝ている状態の額から計測できる酸素飽和度が異なることである。状態によって値がことなるのは問題である。この原因は立っている状態では額には血の鬱積が生じないが、寝た状態では血の鬱積が生じ主に静脈血がたまり、近傍の動脈の脈動が静脈に脈動を与え、その結果静脈の酸素飽和度が動脈の酸素飽和度に悪影響を与えることによる。
この悪影響をとり除くことが本発明の課題である。
またセンサーに起因する問題もあり、これは使用されているＳｉフォトダイオードに主に問題がある。使用されているＳｉフォトダイオードは入射光のフォトンエネルギーに対応して電流を発生させている。又、光源は強度を生体に安全な最大値にしてＳ／Ｎを最良するように構成されている。しかしながら、人によっては全反射光（表面の反射ではなく内部まで入った光の情報をとらえる、としてここでは全反射光という）の到達効率は大きく変化し、トータルの光源―センサーのＳ／Ｎが問題となり計測できない場合がある。本発明ではこれも解決する。
【課題を解決するための手段】
はじめに静脈の酸素飽和度を取り除く測定原理を説明する。
図１に計測部位の模式図を示す。入射光の強さをＩ_０λとし（既知）、全反射光の強さを
Ｉ_λとする。すると

ここで
Ｉ_λ、：測定値、_λはある波長、
Ｃ_０λ：固定吸収部分、動脈中の厚さ不変部分も含む
ｆ（ｔ）： 動脈の厚さの変動部分、周期関数とする
ｆ（ｔ）は周期関数としているので

Ｓ_λ：ヘモグロビンの散乱係数
Ｋ_λ：ヘモグロビンの吸収係数
この式はＳ_λ、Ｋ_λの大小の関係を考慮したクベルカ．ムンクの方程式を解いた結果である。第１項の指数関数は動脈の状態を表し、第２項の指数関数は静脈の状態を表している。従来のパルスオキシメーターは、動脈は脈動しており、本来静脈は脈動していないとして測定部の脈動信号をとり取り出している。しかしこの場合は、動脈の脈動が静脈に伝わり（鬱血した部分に伝わり）、動脈に静脈の脈動が加算され、動脈信号のみの信号処理で算出した動脈中の酸素飽和度が誤差をもつことになる。本発明は第一はこの誤差をなくすためのものである。
ここでＩ_０λ−Ｉ_λの成分をとる。

符号に注意して対数をとる。

（３）で更に交流ＡＣ成分をとる。

ここで （４）の右辺第一項は動脈の状態を、第２項は静脈の状態を表している。Ｓ_λは動脈、静脈とも同じと考えられている。Ｋ_λはヘモグロビンの酸化の程度によりことなり、Ｋ_λとＫ_１λで区分している。
ｋ２：動脈の脈動と静脈の脈動の比を表す係数である。ただしｋ２は時間的に任意に変化すると考えており、ｋ２・ｆ（ｔ）はｆ（ｔ）とは別関数として取り扱える。つまり静脈独自の脈動変化をｇ（ｔ）とすればｇ（ｔ）＝ｋ２（ｔ）・ｆ（ｔ）と置くことができる。即ちｋ２が解ることは静脈の脈動変化がわかることである。体動発生時の動脈と静脈の個々の動きもｋ２でとらえることができる。
ここでＫ_λ、Ｋ_１λは
Ｋ_λ＝δ・Ｃ_ｔＨｂ・｛（ＳｐＯ_２／１００）（_{εＨｂＯ２} ^λ−_εＨｂ ^λ）＋_εＨｂ ^λ｝−−−−−（５）
Ｋ_１λ＝δ・Ｃ_ｔＨｂ・｛（ＳｐＯ_２ ^１／１００）（_{εＨｂＯ２} ^λ−_εＨｂλ_{）＋εＨｂ} ^λ｝−−−−−（６）
ここで
δ：吸収係数の単位を合わせるための定数（観血により決める、一度でよい）
Ｃ_ｔＨｂ：Ｃ_{ｔＨｂＯ２}＋Ｃ_ｔＨｂのトータルヘモグロビン濃度
Ｃ_ＨｂＯ２：酸化ヘモグロビン濃度
Ｃ_Ｈｂ：還元ヘモグロビン濃度
ＳｐＯ_２：動脈の酸化飽和度、％表示
ＳｐＯ_２ ^１：靜脈の酸化飽和度、％表示
_{εＨｂＯ２} ^λ：酸化ヘモグロビンの波長λにおける吸収係数
_εＨｂ ^λ：還元ヘモグロビンの波長λにおける吸収係数
Ｃ_ｔＨｂは動脈、静脈とも同じ値とかんがえられるからＣとする。
ここでまた夫々次ぎのように置換える。
Ａ_λ＝Ｓ_λ（_{εＨｂＯ２} ^λ−_εＨｂ ^λ）
Ｓ＝ＳｐＯ_２／１００
Ｂ_λ＝２Ｓ_λ・_εＨｂ ^λ
Ｓ^１＝ＳｐＯ_２ ^１／１００
すると（４）式は

ここで（７）からＳが求まれば動脈中の酸素飽和度であり問題ない。ここでは

える。（ ）は３個の未知数から出来ているが掛算の形になっており個場合分離できなく、合わせて一個とかんがえる。
分光波長を１，２，３、４の４個の場合を考える。
（７）は夫々次ぎのようになる。

ここで（８）、（９）から次の式を得る。

（９）、（１０）から次式を得る。

同様に（１０）、（１１）から次式を得る。

ここで（１２），（１３），（１４）は未知数Ｓ、Ｓ^１、ｋ２の３個であり解くことが出来る。一つの解法を示す。
（１２）、（１３）よりｋ２を消去すれば次式を得る。

（１３）、（１４）より次式を得る

ここで
Ｓ＝１−Ｕ…………………………（１７）
とおく。Ｕは ０＜Ｕ＜１、すると近似の展開２次までとると

ここで

とおき、（１８）をもちいて（１５）の左辺の分子を変形すると次式をうる。

（ａ_１Ｃ_２−ａ_２Ｃ_１）−（１／２）（ａ_１Ａ_２／Ｃ_２＋ａ_２Ａ_１／Ｃ_１）Ｕ−（１／８）（ａ_１Ａ_２ ^２／Ｃ_２ ^３＋ａ_２Ａ_１ ^２／Ｃ_１ ^３）Ｕ^２…………………………（２０）
結局Ｕの２次式となる。
Ｓ^１＝１−Ｕ^１…………………………………………………（２１）
とおき、（１５）、（１６）を変形すれば次式を得る。
（α_１＋β_１Ｕ＋γ_１Ｕ^２）／（α_１＋β_１（Ｕ^１）＋γ_１（Ｕ^１）^２）＝
（α_２＋β_２Ｕ＋γ_２Ｕ^２）／（α_２＋β_２（Ｕ^１）＋γ_２（Ｕ^１）^２）＝
（α_３＋β_３Ｕ＋γ_３Ｕ^２）／（α_３＋β_３（Ｕ^１）＋γ_３（Ｕ^１）^２）
……………………………………………………（２２）
ここでαｉ、βｉ、γｉ はＵ、（Ｕ^１）の各係数である。
（２２）式より、Ｕ≠（Ｕ^１）として次式をうる。
（α_１β_２−α_２β_１）＋（γ_２α_１−γ_１α_２）（Ｕ＋（Ｕ^１））＋（β１γ２−β２γ１）（Ｕ・（Ｕ１））＝０……………………………（２３）
（α２β３−α３β２）＋（γ３α２−γ２α３）（Ｕ＋（Ｕ１））＋（β２γ３−β３γ２）（Ｕ・（Ｕ１））＝０……………………………（２４）
ここで
Ｘ１＝Ｕ＋（Ｕ１） ………………………………………………（２５）
Ｘ２＝Ｕ・（Ｕ１）…………………………………………………（２６）
とおくと、
（α１β２−α２β１）＋（γ２α１−γ１α２）Ｘ１＋（β１γ２−β２−γ１）Ｘ２＝０− …………………………………（２７）
（α２β３−α３β２）＋（γ３α２−γ２α３）Ｘ１＋（β２γ３−β３γ２）Ｘ２＝０………………………………（２８）
（２７）、（２８）の一次の連立方程式を解けばＸ１，Ｘ２がもとまり、Ｕ、（Ｕ１）は次の２次の方程式を求めればよい。
ｔ２−Ｘ１・ｔ＋Ｘ２＝０……………………………………………………（２９）以上が一つの解法である。
（１７）の代わりにＳ＝Ｓ０（１−Ｕ）としてもよい。
この場合は、ＡがＡＳ０となるが同様の展開でＵ、（Ｕ１）を求めることが出来る。いずれにしても、Ｕ、（Ｕ１）からＳ，Ｓ１を求めることができる。
またＳ１はあまり変化するものではなく一定値と考えられる場合もある。
その時は未知数はＳ、（ δ Ｃ ・ｆ）、ｋ２の３個であり必要な方程式は最少独立の３個の方程式があればよい。解き方の一つは（１５）式のＳ１を固定してＳを求めればよい。展開は省略するがＳの２次方程式となり、解くことができる。２つの答えがえられるがＳの状態を考慮してもちいればよい。
また以上展開した方法は反射の情報をとるためのものだが、透過の場合にも適用できる。それは（２）式から解くことであり、以上の展開と同様に解くことができる。
【発明の実施の形態】
図２以下本発明装置の説明をする。図２は本発明の発光−受光センサーＬＤＳを額の測定部位Ｐ（額の略中央部）に取り付けた模式図である。ＬＤＳは円形となっているが必ずしも円形の必要はない。その中に必要な発光部、受光部が配置されておればよい。ケーブルは直線的に描写しているが、フレキシブルなもので内部には発光−受光センサーに必要な信号線が入っていればよい。ケーブルを介して信号が必要な演算等をする部署（ここでは図示されていない）に伝達される。図３はＬＤＳの発光部ＡＬと受光部ＢＤを模式的に示したものである。ＡＬはここでは４個の分光波長で個々に構成されるＬＥＤであって、夫々λ１、λ２、λ３、λ４の分光波長の光を発している。その光は測定部位ＰのＰ１（必ずしも点でなくてもよく、面でもよい）から入射して光路ＬＬＰを通ってＰ２から外へ出て行く。ＢＤはそれらを受光する受光部である。ＬＤＳは主にＡＬとＢＤで構成され、それらに必要な信号等はケーブルＬで伝達される。
図４はＡＬ、ＢＤにおいて各分光波長の入射光路が一つの場合の模式図である。ＡＬにおいて各ＬＥＤから発せられたλ１、λ２、λ３、λ４の分光波長の光をダイクロイックミラー等で合成して測定部位に入れ、測定の光路を通った後、外部に出てくる。それをＢＤの受光部で受光する。時系列的に各ＬＥＤが発光する場合はＢＤの受光部は分光する必要はない、が同時発光或いは
ブロードな分光波長をもっている場合は分光する必要がある。図４のＢＤは分光する場合を模式的に示したもので、ダイクロイックミラー等から構成される。
図５はＬＤＳの中の各ＬＥＤ、あるいは受光部の配置をしめした模式図である。一つは各ＬＥＤの分光波長の光を図示している各λ１、λ２、λ３、λ４を周辺から入射させ、中央から合成した光をとる。或いは、逆に中央から合成した光もしくはブロードな光を入射させ、周辺から各分光波長の光を取り出してもよい。
或いはブロードな光を中央を含むいずれから入れ、いずれかから取り出しその後分光波長に分解する。或いは分光波長された光をいずれかの部位から入れ、合成された光をいずれからとりだしてもよい。
図６は本発明の構成を機能ブロックで示したものである。ＡＬから発せられた光は被測定部を通ってＢＤで受光される。ＢＤからの信号はＡ／Ｄ変換等の機能を経て演算等の機能にはいる。これらの機能はメインの機能を示したもので、細部の機能については（１）式から（２９）式までの展開をおこない、アナログ回路の方が有利な場合はアナログ回路を用いて細部の機能を果たす。特に演算等の機能では、動脈の血中酸素飽和度ＳｐＯ２、静脈の血中酸素飽和度ＳｐＯ２１、脈波ｆ（ｔ）、動脈の静脈への影響度Ｋ２を算出する。算出したものから表示、あるいは信号の出力等必要に応じて出力する。駆動等の機能ブロックはＡＬの回路を駆動するためのものであるが、一方では演算等の機能ブロック、或いはＡ／Ｄ変換等の機能ブロックからの信号をフィードバック信号として受け、適切な算出値がえられるようにＡＬへの信号をコントロールしている。またＬＤ１，ＬＤ２、ＬＤ３、ＬＤ４、ＬＤ５、ＬＤ６の伝達部分は有線であっても、無線であってもよい。特にＬＤ１、ＬＤ６が無線の場合はＡＬ、ＢＤ内に必要な電源を確保する。
図７はＡＬの発光ＬＥＤの印加電圧の掛けかたの一例である。ＩＥをゼロにして、Ｌα１を−にするとλ１が発光し＋にするとλ２が発光し、Ｌα２を−にするとλ３が発光し＋にするとλ４が発光する。従ってＬα１とＬα２とを交互に印加させ、印加の極も順次変えていけば各ＬＥＤは順次点灯する。それにより３芯線で各ＬＥＤの点灯が可能となる。
図９は、Ｌα１、Ｌα２、Ｌα３、Ｌα４の印加に従って各ＬＥＤを個々に制御できるようにしたものである。図１０は受光部回路の説明図である。受光素子としてＡＰＤ（アバランシエ．フォト．ダイオード）を用いる場合の回路である。ＡＰＤは逆バイアス電圧ＢＶを印加することによりＰＤ（フォト．ダイオード）に比べ数十倍から百数十倍の出力の増大となる特性を有する。この特性を応用して今まで感度が足りなく問題となっていた測定部位を測定可能にする。回路はＢＶの電位に直列に抵抗Ｒ１，Ｒ３が結線され、Ｒ３の電位からコンデンサーＣＤを介してオペアンプＯＰに結線されフィードバック抵抗Ｒ２で増幅され、出力ＶＯが得られる。この回路でλがＡＰＤに入射するとＰＤに比べ数十倍から百数十倍の電流がえられその内交流成分のみがＯＰに入力し、交流成分の何倍かしたものがＶＯとして得られる。この交流成分の意味を考える。（１）式のＩ_λはここでは入射光λとしている。問題は交流成分が何に相当しているか、である。
（１） 式のＣ_０λを次のようにおく。
Ｃ_０λ＝ｅ^ＣＣ０λ…………………………………………………（３０）
すると（１）は

ここで

を考慮して（３１）を展開すると

ここで交流成分（Ｉ_λ）_ＡＣ を考えると

ここでＩ_０λ・Ｃ_０λ／ＣＣ_０λは分光波長が決まれば固定され、或いは分光波長によらない定数であるから、整理して
ａ_λ＝（Ｉ_λ）_ＡＣ ／（Ｉ_０λ・Ｃ_０λ／ＣＣ_０λ）
とおけば
（４）式を得る。
即ち図８に示す回路により従来のＰＤより感度のいいＡＰＤを用いてａλを得て必要な因子を求めることができる。またＡＰＤの増幅率は入射光の分光波長がことなればことなってくる場合もある。その補正はＢＶを可変にすることにより可能となる。ＢＶの電圧により増幅率がかわるという特性を応用する。あらかじめ分光的な増幅率が分かっている場合は、一定になるように、あらかじめシュミレーションした電圧を自動或いは手動で与えてやればよい。
【発明の効果】
本発明によればヘモグロビンの吸収分光波長域の少なくとも３個、或いは４個の分光波長の反射型の生体信号を得て、動脈中の酸素飽和度、静脈中の酸素飽和度、静脈の脈動変化量、血中のヘモグロビン濃度等、を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる測定原理の説明図
【図２】本発明にかかる測定部位と検出部の説明図
【図３】本発明にかかる測定検出部の発光部と受光部の説明図
【図４】本発明にかかる測定検出部の発光部と受光部の説明図
【図５】本発明にかかる測定検出部の説明図
【図６】本発明にかかる機能ブロックの説明図
【図７】本発明にかかる測定検出部の発光部の説明図
【図８】本発明にかかる測定検出部の受光部の説明図
【図９】本発明にかかる測定検出部の発光部の説明図
【符号の説明】
Ｉ_０λ 入射光
Ｉ_λ 全反射光
ｋ２ 動脈の脈波の静脈への影響度
ｆ（ｔ） 動脈の脈波の変化部分
ＬＤＳ 発光−受光センサー
Ｐ 測定部位
Ｌ ケーブル
ＡＬ 発光部
ＢＤ 受光部
λ 分光波長
λ１ 分光波長
λ２ 分光波長
λ３ 分光波長
λ４ 分光波長
Ｐ１ 入射部位
Ｐ２ 射出部位
ＬＬＰ 光路
ＩＥ 印加端子
Ｌα１ 印加端子
Ｌα２ 印加端子
Ｌα３ 印加端子
Ｌα４ 印加端子
ＬＤ１ 伝達ライン
ＬＤ２ 伝達ライン
ＬＤ３ 伝達ライン
ＬＤ４ 伝達ライン
ＬＤ５ 伝達ライン
ＬＤ６ 伝達ライン
Ａ／Ｄ アナログ／デジタル変換機
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
ＡＰＤ アバランシエ・フォト・ダイオード
ＢＶ 印加電源
ＣＤ コンデンサー
ＯＰ 作動増幅器
ＶＯ ＯＰの出力

Claims (2)

1. 可視光或いは赤外光を用いて生体内部の生体信号を反射型でとり出すようにした装置において、ヘモグロビンの吸収分光域の少なくとも３個の生体分光信号を用いて、動脈中の酸素飽和度、静脈の脈動変化量、血中のヘモグロビン濃度等、を算出する装置。
2. 可視光或いは赤外光を用いて生体内部の生体信号を反射型でとり出すようにした装置において、ヘモグロビンの吸収分光域の少なくとも４個の生体分光信号を用いて、動脈中の酸素飽和度、静脈中の酸素飽和度、静脈の脈動変化量、血中のヘモグロビン濃度等、を算出する装置。

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