JPH02257929A - 生体透過率測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、血管の容積変動を光の透過率の変動として測
定し、その測定結果を病気力診断および予防等に利用す
ることができるようにした生体透過率測定器に関するも
のである。

〔従来の技術〕

生体の透過率測定技術は指先容積脈波計等に広く利用さ
れており、この容積脈波計は手指の指先等の皮下組織に
豊富に存在する毛細血管内の血流が赤色光をよく吸収す
ること並びに血管の容積変動が透過率の変動となること
を利用している。

血管容積は血管の断面積に比例し、一般に測定されてい
る指先容積脈波の波形は血管の断面積の変動を反映して
おり、血管の断面積の変動は血管内圧の変動により血Ｖ
壁が伸縮して起り、従って指先容積脈波の波形は血管内
の血圧変動と圧力に対する血管壁の伸展性により決定さ
れる情報という゛ことができ、また血圧は、心臓による
血液の駆出力と血管内容量、血管壁の弾性特性、静脈圧
、血゛管壁内に存在する平滑筋の張力等の影響が総合さ
れたものであり、血圧波形にこれらの因子が交錯して反
映しており、各種の病因によってこれらの影響因子が正
常値を外れた場合にその波形に特徴的変化が生じ、その
波形の変化のパターン認識により診断を行うようにして
いる。

生体の透過率測定を基本技術とする容積脈波計は、上記
のように血液の循環動態を知る指標として広く診断に利
用され、簡易な用途としては脈拍計等があり、また動脈
血と静脈血とでは光の吸収スペクトルが異なり、このス
ペクトルの相違を利用して血液の酸素分圧測定等にも利
用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の装置はいずれも光源と光センサとを組み合わ
せた簡単なものである。しかして生体を透過する光の透
過率は著しく低く、血圧変動による血管容積の変動分は
更に小嘔い関係上、充分なＳ／Ｎのもとに測定を行うた
めには、センサ部分を生体表面に圧迫し、外圧によって
血管壁を適度に押し潰して容積変化を増大した状態のも
とに測定するようにする必要があるが、測定部位を圧迫
することは、容積変化成分の振幅の増大をもたらすばか
りでなく、光学系と生体との安定的結合を保って測定波
形の基線の安定性にも寄与し、従って光学系については
光源と受光素子とだけの簡易な構成のものでよく、高性
能のセンサの必要がない等の利点がある。

また、従来装置においては一般に記録基線を安定化させ
るのが普通であるため、センサからの出力信号は１．６
秒程度の時定数を有する増幅器により交流増幅するよう
にしており、従って生体を透過した透過光の変化分だけ
を記録するに止まり、しかも透過率を測定する場合の基
準となるべき１００　％受光状態部ち光源からの光束が
受光素子に１００チ入射する状態の安定的な設定が困難
で、絶対透過率の校正が不可能であるため、従来装置の
出力は各メーカーの都合により任意の感度のもとに設計
されており、直れかため異なる機器による測定結果の振
幅情報を相互に比較することができず、測定結果の比較
は専ら波形のパターンについて行われるのであって、同
一機種の測定器の場合には振幅の比較は可能であるが、
これとて個々の測定器が校正されていなければ比較は無
意味である。

更に血圧情報の％程度は直流分である平均値であり、変
化分は全体の％程度の情報であって、その直流分である
血圧の平均値には種々の情報が含まれているにも拘わら
ず、光学センサの装着構造が加圧式である場合には、装
着に伴う圧迫により血管壁に外圧を加える関係上、外圧
が皆無の状態よりも血管容積が減少した状態のもとに測
定が行われ、かつその圧迫の程度により測定の条件が異
なり、測定の都度圧迫の程度が異なるのであるから、同
一の条件のもとに測定することが極めて困難であり、従
って測定は変化分だけに着目せざるを得す、しかもその
変化分についても圧迫する外圧の変化に従い犬きく影響
を受けて波形のパターンが変化する関係上、診断を惑わ
す原因となる重大欠陥がある。

そこで本発明の目的は、 °（１）生体を透過する１％以下の微弱な光の透過率の
絶対値を連続かつ正確に測定することができる測定器を
提供すること、 （Ｉｔ）　　光学系の感度低下等に対する校正機能を備
えた生体透過率測定器を提供すること、（Ｉｔ）　　同
種の他の測定器による測定データとの直接比較に適応す
る。データを得ることができる生体透過率測定器を提供
すること、 （Ｎ′）　　毛細血管に歪を生じない状態のもとに透過
率を測定することができ、測定時の圧迫に伴う波形パタ
ーンの変化による測定誤差を生じないようにした測定器
を提供すること、 （Ｖ）　　得られた生体透過率データを自動的に処理す
ることができる測定器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、測定しようとする生
体を圧迫することなく受け入れることができる充分な間
隔を保って光源がある投光部と受光素子とを固定状態に
対設すると共に、受光素子の出力を例えば１倍と１００
倍との感度切換機能がある前置増幅器により任意感度に
切り換えて増幅することができるようにし、前記前置増
幅器の後段には、零点調整器および感度調整器を付設し
た加算増幅回路を接続するはか、そのＤＣ出力端子に例
えばＩＯＶフルスケールの直流電圧計を接続して透過率
０〜１００％に対応する出力電圧として０〜１０ｖを出
力するようにし、かつ前記加算増幅回路におけるＤＣ出
力端子にはＣＲ結合回路を経由して増幅器を接続し、そ
の出力端子をＡＣ出力端子として透過率の変動分だけを
出力するようにし、前記ＤＣ出力端子およびＡＣ出力端
子からの出力をマイクロコンピュータ使用型データ処理
部に入力して種々のデータ処理により診断に供するよう
にする。

〔作　用〕

前記構成の手段によれば、生体を圧迫しない状態のもと
に受け入れて透過率を測定することができるから、血管
に歪を与えない条件のもとに計測を行うことができ、こ
れにより外圧による影響を排除して生体の変動分だけの
データを正確に得ることができる。

増幅度を高低２段階に切り換えて受光素子の出力を取り
出すことができるように構成したことにより、低増幅度
体制において１００　％受光時であっても後段における
増幅器の飽和を顧慮することなく、透過率の絶対値を正
確に校正し、実際の測定時には高増幅度体制のもとに透
過率が０〜１チ程度の低透過率の絶対値を連続的に測定
することができる。

測定器自体に校正機能を備えているから、使用の経過に
伴い光学系の汚損による感度低下を来した場合において
も、その都度校正することができる。

受光素子からの出力をＤＣ増幅器を介してＤＣ出力とし
て得るようにするばかりでなく、ＡＣ増幅によりＡＣ出
力を得るように構成したから、ＤＣ出力から透過率の絶
対値データが得られ、ＡＣ出出力から透過率の変動デー
タが得られる。

透過率のデータをデータ処理部においてコンピュータに
より自動的に処理し、診断のための効果的なデータを表
示することができる。

〔実施例〕 以下、一実施例における本発明の生体透過率測定器を図
面について詳細に説明する。

本発明の生体透過率測定器は第１図のように、センサ部
Ａと透過率指示部Ｂとによυ構成し、なお透過率指示部
Ｂの後段にはマイクロコンピュータを使用したデータ処
理部Ｃを接続する。

前記センサ部Ａには、光源１とレンズによる光学系２と
からなる投光部と、受光素子３と、どれら各部材を支持
する金属製のフレーム４と、１倍および１００倍の感度
切換型の前置増幅器５とを設けるのであるが、前記フレ
ーム４にｔ’を被測定生体ｆ例えば手指の外径よりも数
ｎ程度の適度に大きい貫通孔からなる測定部６がある角
形環状のブロック型に形成してその測定部６の内面部に
前記受光素子３をその受光面が測定部６の内面とほぼ一
致する状態のもとに固設すると共に、この受光素子３に
対向する位置には前記光源１および必要に応じ光学系２
をその放射光束が受光素子３の受光面全面に合致する状
態に対設し、なお光源１は赤色の高輝度発光ダイオード
が好適であるが、安定性および光強度が得られる場合に
は、ガスレーザ、半導体レーザ。

赤色フィルタ付ランプ等を適用することができるのであ
って、また前記光学系２としては光ファイバーの集光用
ロッドレンズを使用して被測定生体ｆへの入射径が１龍
程度の小径になるようにするのが望ましいが、光源１か
らの光線がレーザ等の平行光線である場合にはレンズは
不要であり、更に前記受光素子３においては受光により
発生した出力電流を前置増幅器５により電圧に変換する
のであるが、前置増幅器５としては１倍と１００倍との
感度を選択的に切り換えることができる演算増幅器を充
当してなるのである０ 前記受光素子３にはフォトダイオードを使用するのが望
ましいが、分光特性とＳ／Ｎの満足とが得られる場合に
は他の半導体受光素子を適用してもよく、゛受光素子３
の受光面は小さいのが好ましいが、過小であると出力が
低下してＳ／Ｎが悪化するから適切な受光面積が必要で
あり、実用的な寸法の一例は直径２〜３龍程度であるが
、光源ｌからの光束径と可及的に同一であることが重要
であり、その他前記フレーム４は光源ｌによる発熱を放
熱する目的のもとに例えばアルミニウム等の熱伝導のよ
い金属により大型に形成するのが望まし・い。

前記透過率指示部Ｂには、第１図および第２図のように
透過率がＯｔｓ時の出力をＯｖに調整することができる
構成のオフセット調整回路と、１００％透過時に出力を
ＩＯＶに設定するための増幅度調整回路とを付設した加
算増幅回路７と、この増幅回路７のＤＣ出力端子８にＩ
ＯＶフルスケールの直流電圧計９を設け、また前記ＤＣ
出力端子８には、ＣＲ結合−路１０と、固定倍率が例え
ば５０倍の増幅器１１と、倍率が１倍の反転増幅器１２
とからなるＡＣ反転増幅回路１３を接続してその出力端
子１４から位相が反転したＡＣ出力電圧が得られるよう
にしてなり、位相を反転すると波形を比較するのが容易
であり、なお前記加算増幅回路７は第２図に詳示するよ
うに、オフセント調整用ポテンショメータからなる零点
調整器１５および増幅度調整のためのフィードバック抵
抗からなる感度調整器１６を付設した演算増幅器１７に
より構成し、また前記ＣＲ結合回路１０の出力側にはイ
ンストスイッチ１８を接続してＣＲ結合回路１０におけ
るコンデンサに充電された電荷を必要に応じ放電して基
線を０に修正することができるようにする。

前記構成に対し、使用に先だち透過率θ％と１００　ｑ
６との状態におけるＣＤ増幅感度を設定する校正操作を
必要とする。

先ずセンサ部Ａにおける前置増幅器５をその付設スイッ
チにより１倍感度体制に切り換えたまま、光源１の光線
が受光素子３に入射しないように受光素子３を金属板等
の遮恍板により被覆して透過率０チの状態のもとに、零
点調整器１５を調整して電圧計９の指示をＯｖに調整し
、次いで受光素子３の遮光板を除去して光源１の光線を
受光素子３に直接に照射する透過率１００％の状態のも
とに、感度調整器１６を調整して電圧計９の指示を１０
Ｖに調整し、この調整により加算増幅回路７の感度を１
ｖ当り透過率１０チに正しく調整する。

前記感度調整の後、前記センサ部ＡＫおける前置増幅器
５をその付設スイッチにより１００倍の感度体制に切り
換え、加算増幅回路７の出力が１ｖ当りの透過率０．１
俤となる体制にした状態のもとに、受光素子３を遮光し
たまま透過率θ％の状態にして電圧計９の指示がＯｖと
なるように零点調整器１５を調整し、このような再度の
調整により、先の調整において合わせた零点調整の調整
誤差を微調整し、測定器の校正は完了する０ 前記増幅度１倍の調整は測定系のＤＣ感度を調整するこ
・とが目的であり、増幅感度１００倍の調整は零点調整
が目的である。また増幅感度１００倍の体制は生体測定
体制であって、測定レンジは０〜１％となり、しかして
生体の指先を測定する場合の透過率の絶対値は０．２〜
０．４％程度であるから、測定レンジＯ〜１％は適切な
レンジであり、なおＡＣ反転増幅回路１３の増幅固定倍
率を５０倍に選定すると、ＡＣ出力の振幅は１ｖ当り０
．００２　％の透過率変動に校正される。

実際の測定に当っては、前記校正終了後に、センサ部Ａ
における測定部６に被測定生体ｆとしての指先を第１図
のように挿入してその一側表面を受光素子３の受光面に
密着させるだけでよく、光源ｌからの光線は被測定生体
ｆ内を透過してその一部が受光素子３に到達し、指先に
おける毛細血管の血液量の変動を電気的信号に変換して
測定することができるのである。

透過率指示部Ｂにおいては、その圧力計９により透過率
およびその変動を直読することができるが、ＤＣ出力端
子８およびＡＣ出力端子１４からは透過率の連続した経
時変化を電圧変化として出力されるから、この出力デー
タを例えばアナログ記録計により波形として記録するほ
か、Ａ／Ｄ変換器によりディジタル時系列データに変換
シてマイクロコンピュータによりデータ処理および結果
表示並びに保存を行うことができ、これらデータを各種
の診断に供することができるようにする。

データ処理部Ｃとしては、例えば第３図のように、シス
テムバスに関連してマイクロコンピュータ１９．ＤＳＰ
（ディジタル・シグナル・グロセノサ）ユニット２０．
Ａ／Ｄ変換器２１．ＲＯＭメモリ２２゜ＲＡＭメモリ２
３．外部記憶装置２４．ＣＲＴデイスプレィ回路２５．
ＣＲＴデイスプレィ２６．プリンタイ／タフェイス２７
．プリンタ２８を設けて前記ＤＣ出力端子８およびＡＣ
出力端子１４からの出力をＡ／Ｄ変換器２１に入力する
ようにする。

データ処理部Ｃにおいて、周波数分析はＦＦＴアルゴリ
ズムや自己回帰モデル等の手法により計算し、計算処理
はＤＳＰユニット２０によりリアルタイムに周波数分析
を実行表示することができ、結果の表示はＣＲＴデイス
プレィ２６上に波形および周波数スペクトラムを表示さ
せ、かつ結果の出力はプリンタｎ上に印字させるように
し、更に外部記憶装置２４には必要なディジタルデータ
を保存するようにし、なおこれらデータ処理については
、周波数分析とデータの表示および保存が可能な外部記
憶装置２４またはＲＯＭメモリ２２において予め作成し
たプログラムにより処理が実行されるようにするのであ
って、前記マイクロコンピータ１９は汎用のパーソナル
コンピュータを使用してもよく、あるいはＣＰＵ、　Ｒ
ＡＭ。

ＲＯＭ、　Ｉｌｏの各ＬＳＩを組み合わせてデータ処理
専用のコンピュータを構築してもよいのである。

〔効　果〕

以上説明したように、本発明によれば次のような効果が
得られる。

（ａ）　　被測定生体を圧迫しない状態に受け入れて透
過率を測定するようにしたから、生体圧迫による波形歪
を排除して常に同一条件のもとに生体の透過率を測定す
ることができ、従って測定の都度測定結果が異なるよう
なことがなく、常時正確な測定結果を得ることができる
のであって、圧迫の程度に起因する測定結果としての波
形の変化が誤診を招くような弊害が防止され、寸だ異な
る時期あるいは異なる測定器による測定結果を比較する
ことができる。

（ｂ）　　感度切換機能を備えた前置増幅器により受光
素子からの出力電流を高低２段階の感度のもとに選択的
に切り換えて出力することができるようにし、その後段
における増幅回路において零点調整および感度調整を行
うことができるように構成したから、前置増幅器を低感
度体制に切り換えることにより後段の増幅器が飽和しな
い状態のもとに１００　％透過率の絶対値を正確に校正
することができ、また高感度体制に切り換えることによ
り透過率０〜１チの超低透過率の絶対値の測定を連続的
に行うことができる。

（ｃ）　　ＡＣ増幅において固定倍率の増幅器を採択す
ることにより、前段において正確に得られた透過率の絶
対値を正確な倍率のもとに増幅して単位電圧路シの透過
率変動（例えばｌＶ当り０．００２　％　）に校正する
ことができる。

（ｄ）　　測定器自体に校正機能を備えているから、例
えば光学系の汚損により感度が低下した場合においても
、使用に先だつ校正により測定誤差を生じさせない。

（ｅ）　　前記（ａ）および（ｂ）に記載したように、
被測定生体に圧迫を加えないで透過率を測定し、しかも
微弱な透過率の変化をＤＣ増幅のもとに測定するほか、
必要に応じＡＣ増幅のもとに変化分だけについても測定
することができるから、これにより、例えば次のように
応用することができる。

（イ）透過率の経時的変動の時系列データからは神経刺
激による平滑筋の収縮によって生じる抹消血液量の変動
などを定量的に測定する仁とができ、この仁と社従来適
切な測定手段がなかった自立神経機能の定量的評価法に
とって効果的な検査手段をもたらすのである。

τ口）同等な測定器を左右の手指に適用して、刺激に対
する反応時間を測定することＫより、背髄を含む神経反
射の左右差の測定に利用できる。

（ハ）　ＤＣ領埴の超低周波信号についてもこれら情報
を全て定量的に測定するのであるから、マイクロコンビ
エータによるデータ処理として、データの周波数分析に
よって時系列データを周波数軸に変換することにより、
原因を異にする透過率変動が複合して時間軸上において
その分離が困難なデータであっても周期性を有している
変動の場合は、その原因別に固有のスペクトラムに分離
して分析することができるのであって、なお本発明の測
定器によれば直流から測定周波数帯域の上限までの全て
の情報を検出増幅しているから周波数分析による解析が
可能である。

（ニ）　　またＡ／Ｄ変換器によりディジタル時系列デ
ータに変換したデータをマイクロコンビエータのＦＦＴ
プログラム等により周波数分析すると、従来の時定数１
．６秒程度の測定においては検出が困難であった毛細血
管の血液量の呼吸性変動スペクトラムの検出と定量化と
ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は一実施例における本発明の生体透過率測定器を示
すものであって、第１図はセ／す部の一部を破断して示
す概略因、第２図は透過率指示部の回路図、また第３図
はデータ処理部のブロックダイアダラムである。 ｌ・・・光源 ３・・・受光素子 ４・１１１１フレーム ５　＠ ７　・ ８　＠ ｌＯ・ １１　　・ １４　　・ １５　・ ｉ６　響 ｆ　・ 前置増幅器 加算増幅器 ＤＣ出力端子 ＣＲ結合回路 増幅器 ＡＣ出力端子 零点調整器 感度調整器 被測定生体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定生体（ｆ）を圧迫することなく受け入れるこ
   とができる間隔を保って光源（１）と受光素子（３）と
   を対向状態のもとにフレーム（４）に固定するほか、前
   記受光素子（３）には感度切換機能を備えた前置増幅器
   （５）を接続し、かつこの前置増幅器（５）の出力側に
   は零点調整器（１５）および感度調整器（１６）を備え
   た加算増幅器（７）を接続すると共に、この加算増幅回
   路（７）のＤＣ出力端子（８）には直流電圧計（９）を
   接続し、前記出力端子（８）から生体透過率の出力デー
   タを得ることができるようにしてなる生体透過率測定器
   。 ２、出力端子（８）にＣＲ結合回路（１０）と固定倍率
   を有する増幅器（１１）とを接続してＡＣ出力端子（１
   ４）においてＡＣ出力電圧が得られるようにしてなる請
   求項１記載の生体透過率測定器。 ３、請求項１記載の測定器に、コンピュータを使用した
   データ処理部（Ｃ）を接続して生体透過率データを自動
   的に処理するようにしてなる請求項１記載の生体透過率
   測定器。