JPH08322822A

JPH08322822A - ヘモグロビン測定装置

Info

Publication number: JPH08322822A
Application number: JP8059139A
Authority: JP
Inventors: Takuo Aoyanagi; 卓雄青柳; Masayoshi Fuse; 政好布施; Michio Kanemoto; 理夫金本; Shiyoutai Shiya; 承泰謝
Original assignee: Nippon Koden Corp
Current assignee: Nippon Koden Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1996-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ヘモグロビン濃度を正確に無侵襲にかつ連続
的に測定すること。【構成】発光素子31、32、33、34から発せられ生体組
織５を透過した各波長の光それぞれは受光素子６、７お
よび電流／電圧変換器８、９で電気信号に変換される。
この信号はＡ／Ｄ変換器10でディジタル値に変換され
る。発光素子34から発せられる光の波長は水の吸光があ
る波長である。コンピュータ11は、各波長についてこの
ディジタル値の変動分の相互の比を求め、この比に基づ
いて組織項の値およびヘモグロビンの濃度を計算する。
ここで、各波長の組織項相互間には一定の関係があるこ
とに基づき組織項の未知数は１個として作成された式が
用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は血液中のヘモグロビン濃
度を無侵襲的かつ連続的に測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘモグロビン濃度測定の重要性について
説明すると次のようになる。１．慢性的変化の場合血液中のヘモグロビンは酸素と可逆的に結合して血管中
を流れて、全身に酸素を供給する。従って、血液中のヘ
モグロビン濃度が異常に低い場合、即ち貧血の場合は、
組織に対する酸素の供給が不足する。また、血液中のヘ
モグロビンは赤血球の中に存在するから、血液中のヘモ
グロビン濃度が異常に高い場合には、血液の粘性が高く
なって血液の流れを阻害する。ヘモグロビン濃度の異常
は、一見健常者と見える場合にも存在するから、健常者
のヘモグロビン濃度を定期的に測定することは必要であ
り、また、手術予定者について測定することも必要であ
る。これらの為に、ヘモグロビンの測定が無侵襲であっ
て広範囲の被検者に抵抗なく受け入れられることが重要
な条件となる。

【０００３】２．急性的変化の場合手術中には出血が生じ、これによって循環血液量が減少
する。これに対する治療として輸血および輸液を行う
が、この２つの手段の使い分けはヘモグロビン濃度の測
定に基づく。従って、手術中のヘモグロビン濃度の連続
測定はきわめて重要である。また、腎臓疾患患者につい
て透析を行う場合、ヘモグロビン濃度の変化は重大関心
事である。このような場合においてもヘモグロビン濃度
の連続測定はきわめて重要である。

【０００４】３．血中吸光物質の濃度を測定する場合血中吸光物質の濃度を求めるには、血中吸光物質の吸光
とヘモグロビンの吸光との比を求めて、これにヘモグロ
ビン濃度を乗じるのが便利である。このため、ヘモグロ
ビン濃度の測定は重要である。

【０００５】次にヘモグロビンの種類について説明す
る。ヘモグロビンの種類には多数のものがある。各種ヘ
モグロビンはそれぞれ固有の吸光特性（吸光の波長特
性）を有する。ヘモグロビン計という場合には、総ヘモ
グロビンの濃度を測定する装置を指す。ヘモグロビン測
定の標準的方法は、シアンメトヘモグロビン(cyanmethe
moglobin) 法である。これは、総ての種類のヘモグロビ
ンを化学的反応によってシアンメトヘモグロビンに変換
して、それを光学的に測定するものである。

【０００６】各種のヘモグロビンをそのままで測定して
その総和を総ヘモグロビン濃度として求める装置とし
て、通称ＣＯ−オキシメータと呼ばれるものがある。こ
れは、所定の厚みのセルに試料を入れて、複数の光波長
それぞれにおける吸光特性を測定して、各ヘモグロビン
の濃度を計算し、その総和を求める。この場合に測定対
象となるヘモグロビンは、多くの場合に次の４種であ
る。酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素
ヘモグロビン、メトヘモグロビン。

【０００７】しかし、上記のような方法による従来のヘ
モグロビン測定装置は、観血的であり、また連続して測
定を行うことはできなかった。これに対し、パルス法を
用いた装置は、ヘモグロビン濃度を無侵襲にかつ連続的
に測定することができる。例えば、特公平３−７１１３
５に記載された測定装置がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの測定装置に
よれば、生体組織中の血液層以外の層（以下組織層と称
する）は血液の脈動によっては脈動せず、常に一定の厚
さであるとしていた。しかし、実際には、血液の脈動に
追随してその厚さは変動するのであるから、それによる
誤差が測定値に含まれるものであった。

【０００９】本発明の目的は、組織層の厚さの変動も考
慮してヘモグロビン濃度を正確に測定する装置を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
少なくとも１種の波長が水の吸光がある波長である複数
種の異なる波長の光を生体組織に照射する光照射手段
と、この光照射手段から発せられ生体組織を透過した光
それぞれを電気信号に変換する光電変換手段と、この光
電変換手段の出力の脈動から前記生体組織の各波長の減
光度変化分を求める減光度変化計算手段と、この減光度
変化計算手段が求めた各波長の減光度変化分相互の比を
求める減光度比計算手段と、この減光度比計算手段が求
めた減光度変化分相互の比に関して、上記の減光度変化
が血液の脈動分と組織の脈動分との差によるものである
とし、かつ、各波長における組織の脈動分は相互に一定
の関係にあるとして、作成された式を計算して、総ヘモ
グロビン濃度または各種ヘモグロビン濃度を求めるヘモ
グロビン濃度計算手段と、を具備することを特徴とす
る。請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明におい
て、ヘモグロビン濃度計算手段は、総ヘモグロビン濃度
および各種ヘモグロビン濃度を求める手段であることを
特徴とする。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明において、光照射手段から
生体組織に照射された光は、生体組織を透過して光電変
換手段により電気信号に変換される。減光度変化計算手
段は、この光電変換手段の出力の脈動から前記生体組織
の各波長の減光度変化分を求める。減光度比計算手段
は、減光度変化計算手段が求めた各波長の減光度変化分
相互の比を求める。ヘモグロビン濃度計算手段は、減光
度比計算手段が求めた減光度変化分相互の比に関して、
上記の減光度変化が血液の脈動分と組織の脈動分との差
によるものであるとし、かつ、各波長における組織の脈
動分は相互に一定の関係にあるとして、作成された式を
計算して、総ヘモグロビン濃度または各種ヘモグロビン
濃度を求める。本発明において、水の吸光がある波長が
使用されている。このため血液中に含まれる水を血中吸
光物質の１つとして扱うことにより、水に対するヘモグ
ロビン濃度が得られる。水に対するヘモグロビン濃度は
絶対濃度である。請求項２に係る発明の作用は、請求項
１に係る発明の作用において、次の点で異なるのみであ
る。すなわち、請求項１に係る発明の作用では、ヘモグ
ロビン濃度計算手段は、総ヘモグロビン濃度または各種
ヘモグロビン濃度を求めたが、請求項２に係る発明の作
用では、ヘモグロビン濃度計算手段は、総ヘモグロビン
濃度および各種ヘモグロビン濃度を求める。

【００１２】

【実施例】まず、全ての実施例に共通の原理を説明す
る。これらの実施例にはパルス法が用いられる。ここで
パルス法とは、生体組織内の血液の脈動により血液の実
効的厚みが脈動することを利用し、生体組織に光を照射
して、組織内血液の吸光特性を測定する方法である。各
種ヘモグロビンは吸光特性が異なるから、それぞれのヘ
モグロビンの血中濃度を求めてその総和を求めることに
より、総ヘモグロビンを求めることができる。従って、
測定に必要な光波長の種類の数は、血液中に含まれてい
るヘモグロビンの種類の数によって異なる。

【００１３】ヘモグロビン濃度の絶対値測定には試料の
厚み値が必要である。パルス法による場合は、測定に係
る血液の厚みが既知でないから、血液の厚みは水の厚み
とみなして血中の水の吸光を測定して、厚みを求める。
従って、水の吸光のある波長の光を使うことが必要であ
る。水の吸光が十分大である波長は１つあればよい。

【００１４】組織内の血液の脈動に伴って、血液以外の
組織（純組織と称する）が脈動し、これによる減光度の
脈動が血液による減光度の脈動に重畳している。その結
果、脈動するものが血液の厚みだけとして計算する場合
には大きな誤差を生じさせる。従って、純組織の脈動の
影響を除去することが、総ヘモグロビン濃度の測定にお
ける重要な課題となる。理論式における純組織の脈動の
項の値は、波長によって異なるが、相互に一定の関係が
あって、未知数１個とみなすことができる。従って、組
織項を求めるために１波長が必要である。

【００１５】上記の４種類のヘモグロビンを対象とし
て、次のように記号を定める。物質血中濃度の記号吸光係数酸化ヘモグロビン ( O₂Hb) SoHb Eo 還元ヘモグロビン (RHb) SrHb Er 一酸化炭素ヘモグロビン (COHb) ScHb Ec メトヘモグロビン (MetHb) SmHb Em 総ヘモグロビン (Hb) Hb 水 Cw Ew 但し、 Hb=O₂Hb+RHb+COHb+MetHb=(So+Sr+Sc+Sm)Hb So+Sr+Sc+Sm=1 図７に各種のヘモグロビンの吸光特性を示す。図８に水
の吸光を、ヘモグロビン濃度が14［ｇ／ｄＬ］の場合の
酸化ヘモグロビンの吸光に対比して示す。

【００１６】次に第１の実施例の原理を説明する。この
実施例は、血中のヘモグロビンが、酸化ヘモグロビンと
還元ヘモグロビンのみであるとした場合に使用される装
置である。この場合は、４種類の光波長が用いられ、次
の３元連立方程式が用いられる。 Φ₁₂=[{(Eo₁So+ Er₁Sr+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr+ Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2 - Ex₁] /[{ (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw /Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (1) Φ₃₂=[{(Eo₃So+ Er₃Sr+ Ew₃Cw/Hb) (Eo₃So+ Er₃Sr+ Ew₃Cw/Hb+F)} ^1/2 - Ex₃] /[{ (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw /Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (2) Φ₄₂=[{(Eo₄So+ Er₄Sr+ Ew₄Cw/Hb) (Eo₄So+ Er₄Sr+ Ew₄Cw/Hb+F)} ^1/2 - Ex₄] /[{ (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw /Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (3)

【００１７】次にこの式の根拠について述べる。組織中
の血液による減光は、血液の薄い層に散乱が入射した場
合の減光と同様であって、それを分光光度計に積分球を
組み込んで測定した場合に、次の式が成立することが理
論的、実験的に確かめられた。 ΔAb= { (EhHb + EwCw) (EhHb+ EwCw+FHb)} ^1/2・ΔDb (4) ここで、 Eh; ヘモグロビンの吸光係数 ΔDb; 血液の実効的な厚みの変化分 ΔAb; ΔDbによる減光度の変化分 (4) 式の関係は、次の文献に記載されている。青柳卓雄；血液減光の理論的実験的検討，医用電子と生
体工学，30(1),1-7(1992)

【００１８】また、組織内血液の脈動に伴って透過光の
強度が脈動するが、それは、組織内血液の実効的厚みの
脈動だけによるものではなく、他の原因としては、主と
して血液以外の組織すなわち純組織の実効的な厚みの脈
動によるものと考えられる。この脈動は、血液の脈動と
逆位相で生じる。従って、生体組織の減光度の変化分Δ
A は、次のように書くことができる。 ΔA = ΔAb- ΔAt = { (EhHb + EwCw) (EhHb+ EwCw+FHb)} ^1/2・ΔDb- ZtΔDt (5) ここで、 ΔAt; 純組織の減光度の変化分 ΔDt; 純組織の実効的厚みの変化分 Zt; 純組織の減光率

【００１９】ΔA を透過光量I を用いて表すと次のよう
になる。 ΔA =log[I/(I-ΔI)] (5A) この式は次のように近似することができる。 ΔA = ΔI/I (5B) ΔA をλ₁、λ₂の２波長の光で測定してその比Φ₁₂を
求めると、次のようになる。 Φ₁₂= Δ A₁/ Δ A₂ =[{(Eo₁So+ Er₁Sr+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr+ Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2 - Ex₁] /[{ (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ew₂Cw /Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (6A) ここで、 Ex₁= ( Zt₁/Hb) (ΔDt/ ΔDb) 、Ex₂= ( Zt₂/Hb) (ΔDt/ ΔDb) (6B) と置き換えた。

【００２０】Ex₁、Ex₂の値には実際上は誤差要因があ
るが、それを含めて、Ex₁、Ex₂の間には実用上で一定
とみなすことができる関係があるので、その関係を実測
して、計算に使うことができる。

【００２１】本明細書では、例えば (6) 式中に示され
る項 {(Eo₁So+ Er₁Sr+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr
+ Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2 のように血液に関する項を血液
項と称し、Ex₁のように純組織に関する項を組織項と称
する。

【００２２】以上は(1) 式のΦ₁₂についての説明である
が、(2) 式(3) 式のΦ₃₂、Φ₄₂についても同様である。

【００２３】組織項Ex₁、Ex₂、Ex₃、Ex₄は測定条件
によって異なる値をとるが、Ex₁、Ex₂、Ex₃、Ex₄の
相互間の一定の関係に基づいて、例えばEx₂が決定され
るならば他はEx₂から求めることができる。一般的に
は、次のように書くことができる。 Ex₁=f₁( Ex₂) (7) Ex₃=f₃( Ex₂) (8) Ex₄=f₄( Ex₂) (9) 実際的には、次のように１次式の関係を用いることがで
きる。 Ex₁=A₁Ex₂+B₁ (10) Ex₃=A₃Ex₂+B₃ (11) Ex₄=A₄Ex₂+B₄ (12) A₁、 A₃、 A₄、 B₁、 B₃、 B₄は既知とすること
ができる。

【００２４】ここで、ヘモグロビンは酸化ヘモグロビン
と還元ヘモグロビンのみであるとしたから、次式が成立
する。 Sr=1-So (13)

【００２５】(10)〜(13)式を(1) 〜(3) 式に代入すれば
So、Ex₂、Hbを未知数とする３元連立方程式が得られ
る。従って、この連立方程式を解けばSo、Ex₂、Hbの値
が得られる。これを第１の実施例(A) とする。

【００２６】本実施例において、酸素飽和度の影響を無
視することができる光波長を適当に選択すればSo=1、Sr
=0とすることができる。従って未知数はEx₂、Hbの２個
となる。このようにすれば、３波長を用いた２元連立方
程式によってHbを求めることができる。

【００２７】この場合、次式が成立する。 Φ₁₂=[{(Eo₁+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁+ Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₁] /[{(Eo₂+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (1A) Φ₃₂=[{(Eo₃+ Ew₃Cw/Hb) (Eo₃+ Ew₃Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₃] /[{(Eo₂+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (2A) これを第１の実施例(B) とする。

【００２８】次に第２の実施例の原理を説明する。この
実施例は、血中のヘモグロビンが、酸化ヘモグロビン、
還元ヘモグロビンおよび一酸化炭素ヘモグロビンである
とした場合に使用される装置である。この場合は、５種
類の光波長が用いられ、次の４元連立方程式が用いられ
る。 Φ₁₂=[{(Eo₁So+ Er₁Sr+ Ec₁Sc+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr+ Ec₁Sc + Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₁] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (14) Φ₃₂=[{(Eo₃So+ Er₃Sr+ Ec₃Sc+ Ew₃Cw/Hb) (Eo₃So+ Er₃Sr+ Ec₃Sc + Ew₃Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₃] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (15) Φ₄₂=[{(Eo₄So+ Er₄Sr+ Ec₄Sc+ Ew₄Cw/Hb) (Eo₄So+ Er₄Sr+ Ec₄Sc + Ew₄Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₄] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (16) Φ₅₂=[{(Eo₅So+ Er₅Sr+ Ec₅Sc+ Ew₅Cw/Hb) (Eo₅So+ Er₅Sr+ Ec₅Sc + Ew₅Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₅] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (17)

【００２９】ここで、組織項Ex_i(i=1,2,3,4,5) 相互に
は(10)〜(12)式の他、次の関係が成立する。 Ex₅=A₅Ex₂+B₅ (18) A₅、 B₅は既知とすることができる。ここで、次式が
成立する。 Sr=1-So-Sc (19)

【００３０】(10)〜(12)式、(18)式および(19)式を(14)
〜(17)式に代入すればSo、Sc、Ex₂、Hbを未知数とする
４元連立方程式が得られる。従って、この連立方程式を
解けばSo、Sc、Ex₂、Hbの値が得られる。

【００３１】次に第３の実施例について説明する。上記
第２の実施例において一酸化炭素ヘモグロビンの代わり
にメトヘモグロビンとした場合、(14)〜(17)式に相当す
る式は次のようになる。 Φ₁₂=[{(Eo₁So+ Er₁Sr+ Em₁Sm+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr+ Em₁Sm + Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₁] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (14A) Φ₃₂=[{(Eo₃So+ Er₃Sr+ Em₃Sm+ Ew₃Cw/Hb) (Eo₃So+ Er₃Sr+ Em₃Sm + Ew₃Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₃] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (15A) Φ₄₂=[{(Eo₄So+ Er₄Sr+ Em₄Sm+ Ew₄Cw/Hb) (Eo₄So+ Er₄Sr+ Em₄Sm + Ew₄Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₄] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (16A) Φ₅₂=[{(Eo₅So+ Er₅Sr+ Em₅Sm+ Ew₅Cw/Hb) (Eo₅So+ Er₅Sr+ Em₅Sm + Ew₅Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₅] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw /Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (17A)

【００３２】ここで、組織項Ex_i(i=1,2,3,4,5) 相互に
は上記一酸化炭素ヘモグロビンの場合と同様の関係が成
立する。ここで、次式が成立する。 Sr=1-So-Sm (19A)

【００３３】(10)〜(12)式、(18)式および(19A) 式を(1
4A) 〜(17A) 式に代入すればSo、Sm、Ex₂、Hbを未知数
とする４元連立方程式が得られる。従って、この連立方
程式を解けばSo、Sm、Ex₂、Hbの値が得られる。

【００３４】次に第４の実施例の原理を説明する。この
実施例は、血中のヘモグロビンが、酸化ヘモグロビン、
還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビンおよびメト
ヘモグロビンであるとした場合に使用される装置であ
る。この場合は、６種類の光波長が用いられ、次の５元
連立方程式が用いられる。 Φ₁₂=[{(Eo₁So+ Er₁Sr+ Ec₁Sc+ Em₁Sm+ Ew₁Cw/Hb) (Eo₁So+ Er₁Sr + Ec₁Sc+ Em₁Sm+ Ew₁Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₁] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr + Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (20) Φ₃₂=[{(Eo₃So+ Er₃Sr+ Ec₃Sc+ Em₃Sm+ Ew₃Cw/Hb) (Eo₃So+ Er₃Sr + Ec₃Sc+ Em₃Sm+ Ew₃Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₃] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr + Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (21) Φ₄₂=[{(Eo₄So+ Er₄Sr+ Ec₄Sc+ Em₄Sm+ Ew₄Cw/Hb) (Eo₄So+ Er₄Sr + Ec₄Sc+ Em₄Sm+ Ew₄Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₄] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr + Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (22) Φ₅₂=[{(Eo₅So+ Er₅Sr+ Ec₅Sc+ Em₅Sm+ Ew₅Cw/Hb) (Eo₅So+ Er₅Sr + Ec₅Sc+ Em₅Sm+ Ew₅Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₅] /[{ (Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr + Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (23) Φ₆₂=[{(Eo₆So+ Er₆Sr+ Ec₆Sc+ Em₆Sm+ Ew₆Cw/Hb) (Eo₆So+ Er₆Sr + Ec₆Sc+ Em₆Sm+ Ew₆Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₆] /[{(Eo₂So+ Er₂Sr+ Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb) (Eo₂So+ Er₂Sr + Ec₂Sc+ Em₂Sm+ Ew₂Cw/Hb+F)} ^1/2- Ex₂] (24)

【００３５】ここで、組織項Ex_i(i=1,2,3,4,5,6) 相互
には(10)〜(12)式および(18)式の他、次の関係が成立す
る。 Ex₆=A₆Ex₂+B₆ (25) A₆、 B₆は既知とすることができる。

【００３６】ここで、次式が成立する。 Sr=1-So-Sc-Sm (26)

【００３７】(10)〜(12)式、(18)式、(25)式および(26)
式を(20)〜(24)式に代入すればSo、Sc、Sm、Ex₂、Hbを
未知数とする５元連立方程式が得られる。従って、この
連立方程式を解けばSo、Sc、Sm、Ex₂、Hbの値が得られ
る。

【００３８】各種ヘモグロビンの吸光特性を図７に示
す。上記各実施例において使用する光波長は例えば次の
ようである。第１の実施例ヘモグロビンが２種類(O₂Hb,RHb) の場
合 (A) 酸素飽和度も求めるようにした場合；４波長使用波長；λ₁=700nm、λ₂=805nm、λ₃=890nm、λ₄
=1250nm (B) 酸素飽和度の影響がきわめて少ない波長を用いた場
合；３波長使用波長；λ₁=805nm、λ₂=890nm、λ₃=1250nm 第２の実施例ヘモグロビンが O₂Hb,RHb,COHb の３種
類である場合;5波長使用波長；λ₁=660nm、λ₂=700nm、λ₃=805nm、λ₄
=890nm λ₅=1250nm 第３の実施例ヘモグロビンが O₂Hb,RHb,MetHbの３種
類である場合;5波長使用波長；λ₁=700nm、λ₂=750nm、λ₃=805nm、λ₄
=890nm λ₅=1250nm 第４の実施例ヘモグロビンが４種類(O₂Hb,RHb,COHb
,MetHb) の場合;6波長使用波長；λ₁=660nm、λ₂=700nm、λ₃=850nm、λ₄
=805nm λ₅=890nm、λ₆=1250nm

【００３９】次に上記の実施例の原理それぞれに基づく
具体的な装置を説明する。

【００４０】まず第１の実施例(A) の具体的な装置につ
いて説明する。図１に本装置の全体構成を示す。本実施
例では４個の発光素子31、32、33、34を備えている。発
光素子31、32、33、34はそれぞれ波長λ₁=700nm、λ₂
=805nm、λ₃=890nm、λ₄=1250nm の光を発生するLED
である。波長λ₁=700nmは酸化ヘモグロビンと還元ヘモ
グロビンの吸光係数が大きく異なる波長であり、この波
長の透過光量は酸素飽和度に依存する。波長λ₄=1250n
m は、水の吸光がきわめて大きい波長である。駆動回路
４は、これら４個の発光素子31、32、33、34を駆動する
ものである。受光素子６、７は発光素子31、32、33、34
に対向するように配置されており、それらの間に挿入さ
れた生体組織５を透過した光を電気信号に変換するもの
である。ここで受光素子６は、発光素子31、32、33から
発生した光を電気信号に変換するシリコン光ダイオード
であり、受光素子７は発光素子44から発生した光を電気
信号に変換するゲルマニウム光ダイオードである。電流
／電圧変換器８、９は、受光素子６、７に流れる電流を
その大きさに応じた電圧に変換して出力する増幅器であ
り、オペアンプおよび抵抗器から構成されている。マル
チプレクサ20は電流／電圧変換器８、９から出力される
信号を選択して出力するものである。Ａ／Ｄ変換器10
は、電流／電圧変換器８、９の出力電圧の大きさをディ
ジタル値に変換するものである。コンピュータ11はＡ／
Ｄ変換器10から与えられるデータに基づいて演算処理を
行うと共に、駆動回路４およびマルチプレクサ20に対し
動作のタイミングを制御する制御信号を送出するもので
ある。

【００４１】コンピュータ11は、ＣＰＵ（中央処理装
置）12と、このＣＰＵ12に接続された出力制御部13、Ｒ
ＯＭ14、ＲＡＭ15、キーボード制御部16および表示制御
部18と、キーボード制御部16に接続されたキーボード1
7、および表示制御部18に接続された表示装置19を具備
している。出力制御部13は、このコンピュータ11から外
部装置へ出力する信号を制御するものである。ＲＯＭ14
は、読み出し専用メモリであり、図２のフローチャート
に示すようなプログラムが格納されている。ＲＡＭ15
は、読み出し／書き込みメモリであり、ＣＰＵ12がプロ
グラムを実行する際に用いられる。キーボード17は複数
のキーを備え、それらのキーが押下されるとそれに応じ
た信号を送出するものである。キーボード制御部16は、
キーボード17から送出された信号をＣＰＵ12に与えた
り、それらの信号をＲＡＭ15に格納する制御を行うもの
である。表示装置19は、例えばＣＲＴであり、与えられ
るデータを画面に表示する装置である。表示制御部18
は、ＲＡＭ15に格納されたデータを表示用データに作成
して表示装置19に与えるものである。ＣＰＵ12は、ＲＯ
Ｍ14に格納されたプログラムを実行し、上記各部と信号
の授受を行って上記各部を制御すると共に、データの処
理を行うものである。

【００４２】本実施例において、発光素子31、32、33、
34および駆動回路４が光照射手段を構成し、受光素子
６、７、電流／電圧変換器８、９、マルチプレクサ20お
よびＡ／Ｄ変換器10が光電変換手段を構成し、コンピュ
ータ11の機能のうち図２に示したステップ101 〜105,
109 および110 が減光度変化計算手段に相当し、ステッ
プ106 が減光度比計算手段に相当し、ステップ107 がヘ
モグロビン濃度計算手段に相当する。

【００４３】次にこのように構成された装置の動作を図
２のフローチャートを参照して説明する。まず被検者
は、指先を発光素子31、32、33、34と受光素子６、７の
間に挿入する。この指先が図１に示す生体組織５であ
る。次に操作者はキーボード17を操作して本コンピュー
タ11の動作を開始させる信号を入力する。ＣＰＵ12は動
作開始となると、ステップ101 において、駆動回路４お
よびＡ／Ｄ変換器10に対し制御信号を送出する。この信
号により駆動回路４は発光素子31、32、33、34を順次点
灯させる。発光素子31、32、33、34から発生した光は、
生体組織５を透過して受光素子６、７に至る。受光素子
６、７に至った光は電流に変換される。この電流は電流
／電圧変換器８、９によってその大きさに応じた電圧に
変換される。一方、マルチプレクサ20は、コンピュータ
11から駆動回路４に送出された制御信号と同じ信号が与
えられるので、発光素子31、32、33、34それぞれの点灯
時期に合わせて電流／電圧変換器８、９の出力電圧の一
方を選択してＡ／Ｄ変換器10に出力する。ここで、受光
素子６は、波長λ₄=1250nm の光よりも波長λ₁=700n
m、波長λ₂=805nmおよび波長λ₃=890nmの光に対して
きわめて高い感度を持つ素子であり、受光素子７は、波
長λ₁=700nm、波長λ₂=805nmおよびλ₃=890nmの光よ
りも波長λ₄=1250nm の光に対してきわめて高い感度を
持つ素子である。マルチプレクサ20は、発光素子31、3
2、33が点灯している間は、電流／電圧変換器８の出力
電圧のみをＡ／Ｄ変換器10に出力し、発光素子34が点灯
している間は、電流／電圧変換器９の出力電圧のみをＡ
／Ｄ変換器10に出力する。

【００４４】次にＣＰＵ12は、ステップ102 に進み、Ａ
／Ｄ変換器10の出力を取り込み、これをＲＡＭ15に書き
込む。

【００４５】次にＣＰＵ12は、ステップ103 に進み、今
まで取り込んだ透過光量のデータを参照し、各波長につ
いて最新のピーク値が過ぎたか否かを判断し、ピーク値
が過ぎたと判断すればステップ104 に進み、そのピーク
値を求め、ＲＡＭ15に格納し、次にステップ105 に進
み、検出した最新のピーク値と検出した最新のボトム値
との差ΔI を各波長について求める。次にＣＰＵ12は、
ステップ106 に進み、Φ₁₂、Φ₃₂、Φ₄₂を求める。次に
ＣＰＵ12は、ステップ107 に進み、ステップ106で求め
たΦ₁₂、Φ₃₂、Φ₄₂と(10)〜(13)式を代入した連立方程
式(1) 、(2) 、(3) を計算して、ヘモグロビン濃度Hbを
求める。次にＣＰＵ12は、ステップ108 に進み、求めた
ヘモグロビン濃度Hbを表示装置19に表示させ、ステップ
101 に戻る。

【００４６】一方、ＣＰＵ12は、ステップ103 におい
て、ピーク値が過ぎていないと判断すればステップ109
に進み、今まで取り込んだ透過光量のデータを参照し
て、各波長について最新のボトム値が過ぎたか否かを判
断し、ボトム値が過ぎたと判断すればステップ110 に進
み、そのボトム値を求め、ＲＡＭ15に格納し、次にステ
ップ105 に進む。ＣＰＵ12は、ステップ109 において、
ボトム値が過ぎていないと判断すればステップ101 に戻
る。

【００４７】本実施例では、ヘモグロビン濃度Hbを測定
するようにしたが、上記ステップ107 においてヘモグロ
ビン濃度Hbと共に酸素飽和度Soも求め、次のステップ10
8 において、求めた両者を表示するようにしても良い。

【００４８】次に第１の実施例(B) の具体的な装置につ
いて説明する。図３に本装置の全体構成を示す。本実施
例では３個の発光素子41、42、43を備えている。

【００４９】発光素子41、42、43は、それぞれ波長λ₁
=805nm、λ₂=890nm、λ₃=1250nmの光を発生するLED
である。ここで各波長λ₁、λ₂、λ₃は酸化ヘモグロ
ビンと還元ヘモグロビンの吸光が略同じである波長であ
り、その中で波長λ₃=1250nmは、水の吸光がきわめて
大きい波長である。駆動回路4Aはこれらの発光素子41、
42、43を駆動する回路である。受光素子６、７は発光素
子41、42、43に対向するように配置されており、それら
の間に挿入された生体組織５を透過した光を電気信号に
変換するものである。ここで受光素子６は、発光素子4
1、42から発生した光を電気信号に変換するシリコン光
ダイオードであり、受光素子７は発光素子43から発生し
た光を電気信号に変換するゲルマニウム光ダイオードで
ある。電流／電圧変換器８、９、マルチプレクサ20、Ａ
／Ｄ変換器10は、電流／電圧変換器８、９それぞれの出
力電圧の大きさをディジタル値に変換するものである。
コンピュータ11は、Ａ／Ｄ変換器10から与えられるデー
タに基づいて演算処理を行うと共に、駆動回路4Aおよび
Ａ／Ｄ変換器10に対し動作のタイミングを制御する制御
信号を送出するものである。

【００５０】コンピュータ11A のＲＯＭ14A と、図１に
示した第１の実施例(A) のコンピュータ11のＲＯＭ14と
はそれぞれに格納されたプログラムが若干異なる。コン
ピュータ11A のＲＯＭ14A に格納されたプログラムと図
２のフローチャートに示すプログラムは、ステップ101
〜105 、109 、110 における４波長の処理が３波長の処
理となっており、ステップ106 の処理がΦ₁₂、Φ₃₂を求
める処理となっており、ステップ107 の処理が、前のス
テップで求めたΦ₁₂、Φ₃₂と(10)、(11)式を代入した連
立方程式(1A)、(2A)を計算して、ヘモグロビン濃度Hbを
求める処理となっている点で異なる。コンピュータ11A
の他の構成要素は、コンピュータ11と同じである。

【００５１】本実施例において、発光素子41、42、43お
よび駆動回路4Aが光照射手段を構成し、受光素子６、
７、電流／電圧変換器８、９、マルチプレクサ20および
Ａ／Ｄ変換器10が光電変換手段を構成し、コンピュータ
11の機能のうち図２に示したステップ101 〜105, 109
および110 に対応するステップが減光度変化計算手段に
相当し、ステップ106 に対応するステップが減光度比計
算手段に相当し、ステップ107 に対応するステップがヘ
モグロビン濃度計算手段に相当する。

【００５２】このように構成された装置の動作は第１の
実施例(A) の動作と概ね同様であるので説明を省略す
る。

【００５３】本実施例によれば酸素飽和度に影響されな
い光波長を使用したので、少ない波長で総ヘモグロビン
濃度を求めることができる。

【００５４】次に第２の実施例の具体的な装置について
説明する。図４に本装置の全体構成を示す。図１に示し
た第１の実施例(A) の装置と同一の構成要素には同一の
符号を付し、その説明は省略する。本実施例では５個の
発光素子51、52、53、54、55を備えている。発光素子5
1、52、53、54、55はそれぞれ波長λ₁=660nm、λ₂=70
0nm 、λ₃=805nm、λ₄=890nm、λ₅=1250nm の光を発
生するものである。これらの波長は、一酸化炭素ヘモグ
ロビンを測定しやすいように選んである。駆動回路4B
は、これら５個の発光素子51、52、53、54、55を駆動す
るものである。受光素子30は発光素子51、52、53、54、
55に対向するように配置されており、それらの間に挿入
された生体組織５を透過した光を電気信号に変換するも
のである。コンピュータ11B は、Ａ／Ｄ変換器10から与
えられるデータに基づいて演算処理を行うと共に、駆動
回路4Bおよびマルチプレクサ20に対し動作のタイミング
を制御する制御信号を送出するものである。コンピュー
タ11B のＲＯＭ14B には、図１に示した第１の実施例
(A) のコンピュータ11のＲＯＭ14に格納されているプロ
グラムとは若干異なるプログラムが格納されている。コ
ンピュータ11B の他の構成要素は、コンピュータ11A と
同じである。

【００５５】本実施例において、発光素子51、52、53、
54、55および駆動回路4Bが光照射手段を構成し、受光素
子30、電流／電圧変換器21、マルチプレクサ20およびＡ
／Ｄ変換器10が光電変換手段を構成している。

【００５６】次にこのように構成された装置の動作は、
上記第１の実施例(A) で説明した図２のフローチャート
に基づく動作と概ね同じであるが、上記第１の実施例
(A) では４種類の波長の透過光のデータを処理するのに
対し、本実施例では５種類の波長の透過光のデータを処
理する点で異なる。そして図２のステップ106 に相当す
るステップでは、４種類のΦすなわち、Φ₁₂、Φ₃₂、Φ
₄₂、Φ₅₂を求め、図２のステップ107 に相当するステッ
プでは、求めたΦ₁₂、Φ₃₂、Φ₄₂、Φ₅₂と(10)〜(12)
式、(18)式および(19)式を代入した(14)〜(17)式の連立
方程式を計算し、So、Sc、Ex₂、Hbを求める。図２のス
テップ108 に相当するステップではＣＰＵ12は、求めた
これらの値を表示装置19に表示させる。

【００５７】本実施例では、総ヘモグロビン濃度Hbの他
に総ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビン濃度So、一酸化
炭素ヘモグロビン濃度Sc、還元ヘモグロビン濃度Sr(Sr=
1-So-Sc より) も求めたが、図２のステップ107 に相当
するステップにおいて、これらの濃度のすべてではな
く、これらの濃度のうちの１つまたは複数を求め、図２
のステップ108 に相当するステップにおいて、求めたそ
れらの濃度を表示するようにしても良い。

【００５８】次に第３の実施例の具体的な装置について
説明する。本実施例においても図４に示したような５個
の発光素子を備えている。しかし、これらの発光素子は
それぞれ波長λ₁=700nm、λ₂=750nm、λ₃=805nm、λ
₄=890nm、λ₅=1250nm の光を発生するものである。こ
れらの波長は、メトヘモグロビンを測定しやすいように
選んである。他の構成要素は第１の実施例(A) の装置と
同様であるので、それらの説明および図面は省略する。

【００５９】次にこのように構成された装置の動作は、
概ね上記第１の実施例（A)で説明した動作と同様である
が、上記第１の実施例(A) では図２のステップ107 に相
当するステップにおいて、(14)〜(17)式の連立方程式を
計算したが、ここでは、(14A) 〜(17A) 式の連立方程式
を計算する。ここで(10)〜(12)式、(18)式および(19A)
式が用いられるならばSo、Sm、Ex₂、Hbを未知数とする
４元連立方程式が得られる。従って、図２のステップ10
7 に相当するステップでは、この連立方程式により、S
o、Sm、Ex₂、Hbを求める。図２のステップ108 に相当
するステップでは、求めたこれらの値を表示装置19に表
示させる。

【００６０】本実施例によれば、総ヘモグロビン濃度Hb
の他に総ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビン濃度So、メ
トヘモグロビン濃度Sm、還元ヘモグロビン濃度Sr( Sr=1
- So-Sm より) も求めたが、図２のステップ107 に相当
するステップにおいて、これらの濃度のすべてではな
く、これらの濃度のうちの１つまたは複数を求め、図２
のステップ108 に相当するステップにおいて、求めたそ
れらの濃度を表示するようにしても良い。

【００６１】次に第４の実施例の具体的な装置について
説明する。図５に本装置の全体構成を示す。第１の実施
例(A) の装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、
その説明は省略する。本実施例では６個の発光素子61、
62、63、64、65、66を備えている。発光素子61、62、6
3、64、65、66はそれぞれ波長λ₁=660nm、λ₂=700n
m、λ₃=850nm、λ₄=805nm、λ₅=890nm、λ₆=1250nm
の光を発生するものである。各波長の特徴については
前述した通りである。駆動回路4Cは、これら６個の発光
素子61、62、63、64、65、66を駆動するものである。受
光素子30は発光素子61、62、63、64、65、66に対向する
ように配置されており、それらの間に挿入された生体組
織５を透過した光を電気信号に変換するものである。コ
ンピュータ11C は、Ａ／Ｄ変換器10から与えられるデー
タに基づいて演算処理を行うと共に、駆動回路4Bおよび
マルチプレクサ20に対し動作のタイミングを制御する制
御信号を送出するものである。コンピュータ11C のＲＯ
Ｍ14C には、図１に示した第１の実施例(A) のコンピュ
ータ11のＲＯＭ14に格納されたプログラムとは若干異な
るプログラムが格納されている。コンピュータ11C の他
の構成要素は、コンピュータ11A と同じである。

【００６２】本実施例において、発光素子61、62、63、
64、65、66および駆動回路4Cが光照射手段を構成し、受
光素子30、電流／電圧変換器21、マルチプレクサ20およ
びＡ／Ｄ変換器10が光電変換手段を構成している。

【００６３】次にこのように構成された装置の動作は、
概ね上記第１の実施例(A) で説明した図２のフローチャ
ートに基づく動作と同様であるが、上記第１の実施例
(A) では４種類の波長の透過光のデータを処理するのに
対し、本実施例では６種類の波長の透過光のデータを処
理する。そして図２のステップ106 に相当するステップ
では、５種類のΦすなわち、Φ₁₂、Φ₃₂、Φ₄₂、Φ₅₂、
Φ₆₂を求め、図２のステップ209 に相当するステップで
は、求めたΦ₁₂、Φ₃₂、Φ₄₂、Φ₅₂、Φ₆₂と(10)〜(12)
式、(18)式、(25)式および(26)式を(20)〜(24)式に代入
した連立方程式を計算する。従って、図２のステップ10
7 に相当するステップでは、この連立方程式により、S
o、Sc、Sm、Ex₂、Hbを求める。図２のステップ108 に
相当するステップでは、求めたこれらの値を表示装置19
に表示させる。

【００６４】本実施例では、総ヘモグロビン濃度Hbの他
に総ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビン濃度So、一酸化
炭素ヘモグロビン濃度Sc、メトヘモグロビン濃度Sm、還
元ヘモグロビン濃度Sr(Sr=1-So-Sc-Smより) も求めた
が、図２のステップ107 に相当するステップにおいて、
これらの濃度のすべてではなく、これらの濃度のうちの
１つまたは複数を求め、図２のステップ108 に相当する
ステップにおいて、求めたそれらの濃度を表示するよう
にしても良い。

【００６５】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、水の吸光
がある波長の光の減光度を用い、かつ組織層の厚さの変
動を考慮した式を用いているので、総ヘモグロビン濃度
または各種ヘモグロビン濃度の絶対的な値を無侵襲に連
続的にかつ正確に測定することができる。請求項２に係
る発明によれば、水の吸光がある波長の光の減光度を用
い、かつ組織層の厚さの変動を考慮した式を用いている
ので、総ヘモグロビン濃度および各種ヘモグロビン濃度
の絶対的な値を無侵襲に連続的にかつ正確に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例(A) の全体構成を示す図。

【図２】第１の実施例(A) の動作を説明するためのフロ
ーチャートを示す図。

【図３】第１の実施例(B) の全体構成を示す図。

【図４】第２の実施例の全体構成を示す図。

【図５】第４の実施例の全体構成を示す図。

【図６】水の吸光率と波長との関係を示す図。

【図７】ヘモグロビンの吸光と波長との関係を示す図。

【符号の説明】

31、32、33、41〜44、51〜55、61〜66 発光素子６、７、受光素子８、９、電流／電圧変換器 20 マルチプレクサ 10 Ａ／Ｄ変換器 11、11A 、11B 、11C コンピュータ

フロントページの続き (72)発明者謝承泰東京都新宿区西落合１丁目31番４号日本光電工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１種の波長が水の吸光がある
波長である複数種の異なる波長の光を生体組織に照射す
る光照射手段と、この光照射手段から発せられ生体組織
を透過した光それぞれを電気信号に変換する光電変換手
段と、この光電変換手段の出力の脈動から前記生体組織
の各波長の減光度変化分を求める減光度変化計算手段
と、この減光度変化計算手段が求めた各波長の減光度変
化分相互の比を求める減光度比計算手段と、この減光度
比計算手段が求めた減光度変化分相互の比に関して、上
記の減光度変化が血液の脈動分と組織の脈動分との差に
よるものであるとし、かつ、各波長における組織の脈動
分は相互に一定の関係にあるとして、作成された式を計
算して、総ヘモグロビン濃度または各種ヘモグロビン濃
度を求めるヘモグロビン濃度計算手段とを具備すること
を特徴とするヘモグロビン測定装置。
【請求項２】少なくとも１種の波長が水の吸光がある波
長である複数種の異なる波長の光を生体組織に照射する
光照射手段と、この光照射手段から発せられ生体組織を
透過した光それぞれを電気信号に変換する光電変換手段
と、この光電変換手段の出力の脈動から前記生体組織の
各波長の減光度変化分を求める減光度変化計算手段と、
この減光度変化計算手段が求めた各波長の減光度変化分
相互の比を求める減光度比計算手段と、この減光度比計
算手段が求めた減光度変化分相互の比に関して、上記の
減光度変化が血液の脈動分と組織の脈動分との差による
ものであるとし、かつ、各波長における組織の脈動分は
相互に一定の関係にあるとして、作成された式を計算し
て、総ヘモグロビン濃度および各種ヘモグロビン濃度を
求めるヘモグロビン濃度計算手段とを具備することを特
徴とするヘモグロビン測定装置。