JPH071273B2 - ヘモグロビン酸素飽和度測定方法及びそれに使用する反射光センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、赤色波長の光及び近赤外波長の光を被検体に
照射してその反射光強度によりヘモグロビン酸素飽和度
を測定する測定方法及びそれに使用する反射光センサに
関する。

〔従来技術とその問題点〕

従来より、血液中のヘモグロビン酸素飽和度を測定する
方法として、採取した血液又は組織に赤色光及び近赤外
光を照射しその反射光強度Er及びEirを測定し、これを
次式に代入して求める方法が知られている。

これは、ヘモグロビンの酸素化の状態が変化しても、波
長805±15nmの近赤外光の光吸収度はほとんど変化しな
いことを利用したもので、ヘモグロビン酸素飽和度HbOS
を、 HbOS＝Ａ＋Ｂ（Eir/Er） A,B:血液の生理学的因子及びセンサの特性に起因する係
数 なる式で求めるものである。

この式によれば、反射光強度比（Eir/Er）とヘモグロビ
ン酸素飽和度HbOSとが一次関係（直線関係）にあること
がわかるが、実際には反射光強度比（Eir/Er）とヘモグ
ロビン酸素飽和度HbOSとは、第６図鎖線に示す如く完全
な直線関係にはなく、また反射光強度は血液中に含まれ
る血球の体積比（ヘマトクリット）による影響を受ける
ことが実験的に確認されている。

即ち、反射光強度は、血液に照射した光が赤血球とプラ
ズマとの境界で散乱する度合によって変化するため、被
検体のヘマトクリットが変化すれば反射光強度もそれに
応じて変化することとなる。

したがって、例えばヘマトクリットＨ＝30,35,40,45
（％）と変化するに従い、反射光強度比（Eir/Er）とヘ
モグロビン酸素飽和度HbOSとの関係は、第６図鎖線に示
す如く変化し、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSを正確に測
定するには、併せて被検体のヘマトクリットの測定を行
い、それに応じて前式の係数Ａ及びＢの値を決定しなけ
ればならない。

しかし、このように被検体のヘマトクリットの値に応じ
て係数Ａ及びＢを決定することは非常に困難なことであ
り、また決定したとしても反射光強度比（Eir/Er）とヘ
モグロビン酸素飽和度HbOSとは完全な直線関係にはない
から、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSを従来の方法で求め
る限り誤差を生ずることとなり、正確に測定することは
困難であった。

また、前記反射光強度を測定する場合に従来のセンサ
は、発光素子と受光素子とからなるセンサ部と、受光素
子からの出力を増幅するプリアンプとが同一基板上に配
置されて一体に形成されているので小型化することがで
きないばかりでなく、センサ部が故障したときにはプリ
アンプごと交換しなければならず不経済であった。

さらに、センサ部の周囲が開放されているので外部から
光が入ってノイズを拾い易く、また発光素子と受光素子
の間隔が一定でないので赤色光と近赤外光の反射光強度
を同一条件で測定することができないという欠点があっ
た。

〔発明の目的〕 そこで本願第一の発明は、ヘマトクリットの影響を受け
ることなく正確にヘモグロビン酸素飽和度を測定するこ
とのできるヘモグロビン酸素飽和度測定方法を提供する
ことを目的とする。

また、本願第二の発明は、前記ヘモグロビン酸素飽和度
測定方法に使用する反射光センサであって、外部光によ
るノイズの影響を受けにくく、赤色光と近赤外光の反射
光強度を同一条件で測定することができると同時に、セ
ンサ部のみを独立させ安価で小型な反射光センサを提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

この目的を達成するために、本願第一の発明は、採取し
た血液又は組織等の被検体に赤色光及び近赤外光を照射
してその各光の反射光強度により前記被検体のヘモグロ
ビン酸素飽和度を求めるヘモグロビン酸素飽和度測定方
法において、赤色光及び近赤外光の反射光強度をEr及び
Eirとし、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSを、 HbOS＝Ａ＋Ｂ〔Eir/（Er＋Ｃ）〕 A,B ：血液の生理学的因子及びセンサの特性に起因する
係数 Ｃ ：補正係数 なる式より求めることを特徴とする。

また本願第二の発明は、採取した血液又は組織等の被検
体のヘモグロビン酸素飽和度を測定するために赤色光及
び近赤外光を前記被検体に照射してその各光の反射光強
度を検出する反射光センサであって、周囲が遮蔽され上
面が被検体接触面として透明に形成された小型容器内
に、赤色光及び近赤外光を出力する少なくとも二つの発
光素子と、前記被検体接触面上の被検体に照射された赤
色光及び近赤外光の反射光強度を検出する受光素子とが
遮蔽板を介して等間隔で配設され、該容器に固設された
接続端子を介して測定装置に接続されるようになされて
いることを特徴とする。

〔発明の作用〕

本願第一の発明によれば、ヘモグロビン酸素飽和度HbOS
と補正反射光強度比〔Eir/（Er＋Ｃ）〕とが、ヘマトク
リットの値に関係なく、略完全な直線関係で近似するこ
とができるから、反射光強度Er及びEirを測定するだけ
で、正確にヘモグロビン酸素飽和度HbOSを求めることが
できる。

また、本願第二の発明によれば、周囲が遮蔽され上面の
みが被検体接触面として透明に形成された小型容器内に
赤色光及び近赤外光の発光素子と受光素子とが等間隔で
配設されているので、外部からの光による影響を受ける
ことがないと同時に、赤色光及び近赤外光の反射光強度
を同一条件で測定することができ、さらに、接続端子を
介して測定装置と接続するようになされているので、故
障等によりセンサを交換する場合も極めて簡単且つ迅速
に行うことができる。

〔実施例〕 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて具体的に説
明する。

第１図は本発明に係るヘモグロビン酸素飽和度測定用反
射光センサの一例を示す平面図、第２図はその側面から
見た断面図である。

図中Ｓは反射光センサであって、例えばオペアンプに使
用されるTO−５キャンの頭部を切除して形成されたケー
シング（小型容器）１内に、発光ダイオード（発光素
子）2,3及び４と、ホトダイオード（受光素子）５とが
その発光面及び受光面を上に向けて基板６上に取り付け
られており、前記発光ダイオード2,3及び４と、ホトダ
イオード５との間には遮蔽板７が配設されている。

ケーシング１内には透明エポキシ樹脂８が充填されて頭
部表面が研磨処理され、さらにその表面が抗血栓性に優
れた透明のポリウレタンで被覆されて被検体接触面９が
形成されている。

なお、ケーシング１の内面は、発光ダイオード2,3及び
４の出力光の反射によるノイズの発生を極力排除するた
め黒色に仕上げられている。

前記各発光ダイオード2,3及び４は、その出力光の波長
が夫々665nm（赤色光）、795nm（近赤外光）、910nm
（赤外光）に選定されており、距離の相違に基づく反射
光強度の誤差を生じないようにホイダイオード５を中心
とした半径約3mmの円周上に配置されている。

この距離（3mm）は、発光ダイオード2,3及び４からの出
力光が被検体接触面９に接触された被検体の赤血球で散
乱し、受光素子５で検出されるまでに拡散するのに十分
な距離として選定されたものである。

また発光ダイオード2,3及び４は、夫々ピン（接続端
子）P2,P3及びP4から電流の供給を受けて順次点滅する
ようになされており、そのグランド側がピンP1及びP5に
接続されている。

ホトダイオード５は、ピンP8からバイアス電圧（−12
V）が供給され、反射光強度ＥがピンP6から出力される
ようになされており、また暗電流及び漏れ電流がピンP7
からアースされて測定時のノイズが軽減されるようにな
されている。

第３図は、反射光センサＳの発光ダイオード2,3及び４
を順次発光させると共に、ホトダイオード５からの出力
を前記受光素子2,3及び４に同期させて個別的に取り出
すようになされた測定装置Ｋを示すブロック図、第４図
はその各部における信号波形を示す説明図である。

11は発光ダイオード2,3及び４を点滅させるための基準
パルスKPを発生する基準パルス発生器であって、周波数
2KHz（周期0.5ms），パルス幅20μｓの基準パルスKPを
駆動パルス発生器12に供給する。

駆動パルス発生器12では、発光ダイオード2,3及び４を2
0μｓ間隔で順次点滅させるために、40μｓずつ位相を
ずらした三種類の駆動パルスD1,D2及びD3が出力され、
各駆動パルスが夫々発光ダイオード駆動装置13,14及び1
5を介して反射光センサＳのピンP2,P3及びP4に供給さ
れ、各発光ダイオード2,3及び４が前記駆動パルスD1,D2
及びD3に従って順次点滅される。

そして、該発光ダイオード2,3及び４の点滅に応じてホ
トダイオード５で検出された反射光強度ＥはセンサＳの
ピンP6から出力され、プリアンプ16及びメインアンプ17
を介して増幅されて検出器18,19及び20に供給される。

このとき、ピンP6からは各波長の反射光強度が一緒に出
力されるのでこれを波長ごとに個別的に検出する必要が
ある。

そこで、前記駆動パルス発生器12から出力された駆動パ
ルスD1,D2及びD3を検出パルス発生器21に入力し、パル
ス幅２μｓの検出パルスS1,S2及びS3として夫々前記検
出器18,19及び20に供給し、該検出パルスS1,S2及びS3と
同期した反射光強度のみを検出することにより、波長ご
との反射光強度を検出し得るようになされている。

そして、前記検出器18,19及び20で測定された各反射光
強度はA/Dコンバータ22…を介してマイクロコンピュー
タ23に入力される。

マイクロコンピュータ23は少なくともインターフェイス
回路24と、演算処理装置25と、記憶装置26とからなり、
測定された反射光強度に基づいて所定の演算処理を実行
してヘモグロビン酸素飽和度HbOSを算出するようになさ
れている。

第５図は前記演算処理装置25の処理手順を示すフローチ
ャートであって、測定が開始されると第５図に示す処理
が実行開始され、まずステップ（１）で検出機18,19及
び20からA/Dコンバータを22を介して入力された各波長
の反射光強度を記憶装置の所定の記憶領域に記憶し、例
えば夫々20サンプルずつ計測したところでステップ
（２）に移行する。

ステップ（２）では、赤色光（665nm）及び近赤外光（7
95nm）の反射光強度Er及びEirの平均値を夫々求めてス
テップ（３）に移行し、予めプログラムされた所定の式
に基づいてヘモグロビン酸素飽和度HbOSを算出し、ステ
ップ（４）でその結果を出力する。

以上が本発明に係るヘモグロビン酸素飽和度測定用反射
光センサＳの一例構成であり、次いでその作用及びヘモ
グロビン酸素飽和度測定方法について説明する。

本発明によれば、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSと反射光
強度Er及びEirとの関係は、 HbOS＝Ａ＋Ｂ〔Eir/（Er＋Ｃ）〕 で表されるから、まず測定に使用する反射光センサＳの
各係数A,B及びＣを予め求めておく必要がある。係数A,B
及びＣを決定するには、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSを
変化させながら、反射光強度EirとErを同期に測定し、
係数A,B及びＣを一次近似法で求めることができる。

なおこのとき、ヘモグロビン酸素飽和度HbOSは従来公知
の他の方法で測定する。

このようして求めた係数A,B及びＣを前式に代入する
と、前式は例えば、 HbOS＝1.145−0.34〔Eir/（Er＋0.08）〕で表せられ、
この式をマイクロコンピュータ23にプログラムしてお
く。

なお、係数A,B及びＣはヘマトクリットによって変化す
ることがないので、最初に求めておけば後で値を補正す
る必要がない。

そして、この反射光センサＳを使用してヘモグロビン酸
素飽和度HbOSを測定するには、まず反射光センサＳの各
ピンP1〜P8を測定装置Ｋのコネクタ（図示せず）に接続
し測定可能な状態にしておく。

次いで、被検体接触面９に採取した血液を滴下し又は皮
膚組織等を置いて測定装置Ｋをオンすると、反射光セン
サＳの発光ダイオード2,3及び４が駆動パルスD1,D2及び
D3により順次点滅されて前記被検体に赤色光及び近赤外
光が照射されると同時に、ホトダイオード５より各波長
の反射光強度が測定され、各波長ごとにA/Dコンバータ2
2を介してデジタル信号に変換され記憶装置26の所定の
記憶領域に記憶される（ステップ（１））。

このとき、反射光センサＳの周囲はケーシング１により
遮蔽されており、上面に形成された透明の被検体接触面
９は血液等の被検体で覆われているので、外部から他の
光が浸入することなく、したがってノイズを拾うことが
ない。

そして、各波長ごとに20サンプル測定したところで測定
を中止し、演算処理装置25で赤色光（665nm）及び近赤
外光（795nm）の反射光強度Er及びEirの平均値を求め
（ステップ（２））、該平均値を次式に代入してヘモグ
ロビン酸素飽和度HbOSを求める（ステップ（３））。

HbOS＝1.145−0.34（Eir/（Er＋0.08）〕 この式により求められたヘモグロビン酸素飽和度HbOSと
補正反射光強度比〔Eir/（Er＋Ｃ）〕との関係は、第６
図実線に示すように、ヘマトクリットの値に関係なく略
完全な一次関係（直線関係）にあることが実験的に証明
されている。

即ち、従来方法によれば、ヘモグロビン酸素飽和度HbOS
は、例えば、 HbOS＝0.97−0.158（Er/Eir） によって表され、その誤差は8.98％であるのに対し、本
発明によって求めた場合の誤差は、1.77％と大幅に減少
する。

したがって、本発明方法によれば反射光強度を測定する
だけで、極めて正確に被検体のヘモグロビン酸素飽和度
HbOSを求めることができる。

また、近赤外光（795nm）の反射光強度Eirとヘモグロビ
ン濃度〔Hb〕とが、 〔Hb〕＝ａEir²＋bEir＋Ｃ a,b,c:反射光センサの特性に起因する係数 で表すことができ、例えばこの反射光センサＳにおいて
は、 〔Hb〕＝0.445Eir²−7.14Eir＋35.7 の関係を有するから、該式より採取した血液のヘモグロ
ビン濃度〔Hb〕を求めることができる。

そして、このヘモグロビン濃度〔Hb〕と、前記ヘモグロ
ビン酸素飽和度HbOSより、血液中に含まれる酸素濃度
〔O2〕を、 〔O2〕＝1.34×HbOS×〔Hb〕 により求めることができる。

このように、本発明に係る反射光センサＳによれば、被
検体接触面９に接触された被検体に赤外光（660nm）及
び近赤外光（795nm）を照射してその照射光強度Er及びE
irを測定することができ、これらの値より、ヘモグロビ
ン酸素飽和度HbOS,ヘモグロビン濃度〔Hb〕及び血液中
酸素含有量〔O2〕を測定することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本願第一の発明によれば、ヘモグロ
ビン酸素飽和度HbOSと補正反射光強度比〔Eir/（Er＋
Ｃ）〕とがヘマトクリットの値に関係なく略完全な直線
関係で表せるので、赤色光と近赤外光の反射光強度から
極めて正確にヘモグロビン酸素飽和度HbOSを求めること
ができると共に、従来のようにヘモグロビン酸素飽和度
HbOSの測定にあたりヘマトクリットの値を測定してこれ
を考慮する必要が全くないのでヘモグロビン酸素飽和度
HbOSを簡単且つ正確に測定することができる。

また、本願第二の発明によれば、周囲が遮蔽され上面の
みが被検体接触面として透明に形成された小型容器内に
赤色光及び近赤外光の発光素子と受光素子とが配設され
ると共に、各発光素子と受光素子間との間隔が一定に維
持されているので、外部からの光の影響をうけることが
少なくノイズの発生を防止することができると同時に、
赤色光と近赤外光の反射光強度を同一条件で測定するこ
とができるという優れた効果を有し、また発光素子と受
光素子のみで反射光センサが形成され接続端子を介して
測定装置と接続するようになされているので、センサを
小型化し単価を低減することができ、万が一反射光セン
サが故障したときにも簡単且つ迅速に交換することがで
きるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による反射光センサを示す平面図、第２
図はその側面から見た断面図、第３図は反射光センサの
駆動装置を示すブロック図、第４図はその信号波形を示
す説明図、第５図はマイクロコンピュータの処理手順を
示すフローチャート、第６図は反射光強度比とヘモグロ
ビン酸素飽和度HbOSとの相関関係を示す説明図である。 符号の説明 Ｓ……反射光センサ、１……ケーシング、2,3,4……発
光ダイオード（発光素子）、５……ホトダイオード（受
光素子）、７……遮蔽板、８……透明エポキシ樹脂、９
……被検体接触面、P1〜P8……ピン（接続端子）、Ｋ…
…測定装置、11……基準パルス発生器、12……駆動パル
ス発生器、18,19,20……検出装置、23……マイクロコン
ピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−69391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−143380（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−45488（ＪＰ，Ａ) 実開 昭47−35283（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭47−18588（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭42−20592（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭51−16797（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】採取した血液又は組織等の被検体に赤色光
   及び近赤外光を照射してその各光の反射光強度により前
   記被検体のヘモグロビン酸素飽和度を求めるヘモグロビ
   ン酸素飽和度測定方法において、赤色光及び近赤外光の
   反射光強度をEr及びEirとし、ヘモグロビン酸素飽和度H
   bOSを、 HbOS＝Ａ＋Ｂ〔Eir/（Er＋Ｃ）〕 A,B ：血液の生理学的因子及びセンサの 特性に起因する係数 Ｃ ：補正係数 なる式より求めることを特徴とするヘモグロビン酸素飽
   和度の測定方法。
2. 【請求項２】採取した血液又は組織等の被検体のヘモグ
   ロビン酸素飽和度を測定するために赤色光及び近赤外光
   を前記被検体に照射してその各光の反射光強度を検出す
   る反射光センサであって、周囲が遮蔽され上面が被検体
   接触面として透明に形成された小型容器内に、赤色光及
   び近赤外光を出力する少なくとも二つの発光素子と、前
   記被検体接触面上の被検体に照射された赤色光及び近赤
   外光の反射光強度を検出する受光素子とが遮蔽板を介し
   て等間隔で配設され、該容器に固設された接続端子を介
   して測定装置に接続されるようになされていることを特
   徴とするヘモグロビン酸素飽和度測定用反射光センサ。