JPH11244267A - 血中成分濃度測定装置 - Google Patents
血中成分濃度測定装置Info
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- JPH11244267A JPH11244267A JP10050494A JP5049498A JPH11244267A JP H11244267 A JPH11244267 A JP H11244267A JP 10050494 A JP10050494 A JP 10050494A JP 5049498 A JP5049498 A JP 5049498A JP H11244267 A JPH11244267 A JP H11244267A
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-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
- A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 生体の血中成分の濃度を精度良く、非侵襲で
測定する。 【解決手段】 生体２に対して、光源手段１より相異な
る波長成分からなる測定光Ｓを照射し、生体２で散乱さ
れる光の中から直進光弁別手段３により直進光成分ある
いはそれに近い散乱光成分を抽出する。そして、この直
進光弁別手段３が抽出した直進光成分の減光度変化を減
光度変化検出手段４により検出し、演算手段５により、
測定光Ｓの各波長成分ごとの減光度変化に基づいて血中
成分濃度を演算する。
測定する。 【解決手段】 生体２に対して、光源手段１より相異な
る波長成分からなる測定光Ｓを照射し、生体２で散乱さ
れる光の中から直進光弁別手段３により直進光成分ある
いはそれに近い散乱光成分を抽出する。そして、この直
進光弁別手段３が抽出した直進光成分の減光度変化を減
光度変化検出手段４により検出し、演算手段５により、
測定光Ｓの各波長成分ごとの減光度変化に基づいて血中
成分濃度を演算する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体の血中成分の
濃度を非侵襲で光学的に測定する装置に関し、特に詳細
には、血中Hb(oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHb等)濃度
や、血中ビリルビン濃度を測定するのに適した血中成分
濃度測定装置に関するものである。
濃度を非侵襲で光学的に測定する装置に関し、特に詳細
には、血中Hb(oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHb等)濃度
や、血中ビリルビン濃度を測定するのに適した血中成分
濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、臨床において生体組織の
酸素濃度をモニタする意義は極めて大きい。臨床におけ
る酸素ダイナミクス評価法は、生体内での酸素の動きと
いう側面から大別すると、酸素化、酸素供給、酸素消
費、および酸素需給バランス、のように分類される。
酸素濃度をモニタする意義は極めて大きい。臨床におけ
る酸素ダイナミクス評価法は、生体内での酸素の動きと
いう側面から大別すると、酸素化、酸素供給、酸素消
費、および酸素需給バランス、のように分類される。
【０００３】上記分類の中でも、とりわけ、酸素化、酸
素供給に関するパラメータが重要と考えられている。こ
れは、生命活動維持のために酸素が最重要な物質であ
り、わずかな時間でも酸素供給が絶たれると、生体組織
細胞は重大な傷害を受けるからである。そのため、酸素
供給が不安定になりうる麻酔中や、呼吸不全、循環不全
患者の集中治療では、特に酸素が適切に供給されている
か否かをモニタすることが重要になる。
素供給に関するパラメータが重要と考えられている。こ
れは、生命活動維持のために酸素が最重要な物質であ
り、わずかな時間でも酸素供給が絶たれると、生体組織
細胞は重大な傷害を受けるからである。そのため、酸素
供給が不安定になりうる麻酔中や、呼吸不全、循環不全
患者の集中治療では、特に酸素が適切に供給されている
か否かをモニタすることが重要になる。
【０００４】生体組織への酸素供給は、動脈血によって
行なわれる。そこで、生体組織への酸素供給が適切に行
なわれているか否かを把握するために、動脈血中の各種
Hb（ヘモグロビン）濃度を測定することにより血中酸素
濃度をモニタすることが考えられている。
行なわれる。そこで、生体組織への酸素供給が適切に行
なわれているか否かを把握するために、動脈血中の各種
Hb（ヘモグロビン）濃度を測定することにより血中酸素
濃度をモニタすることが考えられている。
【０００５】他方、新生児において血中ビリルビンが体
内に蓄積されると、新生児黄疸を引き起こすことが知ら
れている。この点から、新生児黄疸の監視のために、血
中ビリルビン濃度を精度良く測定したいという要求もあ
る。
内に蓄積されると、新生児黄疸を引き起こすことが知ら
れている。この点から、新生児黄疸の監視のために、血
中ビリルビン濃度を精度良く測定したいという要求もあ
る。
【０００６】以上説明した血中Hbや血中ビリルビン等の
濃度を測定する装置としては、従来、以下のようなもの
が知られている。
濃度を測定する装置としては、従来、以下のようなもの
が知られている。
【０００７】血中Hb濃度測定装置 (1) パルスオキシメータ(光学式血液測定装置） この装置は、動脈血の脈動による減光度変化に着目して
血液の減光度を抽出し、そこから酸素飽和度＝oxyHb/(o
xyHb + deoxyHb)を測定するものである。基本的には、
生体に照射した２波長の光の減光度変化の比と、予め求
めておいた血中酸素飽和度との回帰直線に基づいて酸素
飽和度が求められる。
血液の減光度を抽出し、そこから酸素飽和度＝oxyHb/(o
xyHb + deoxyHb)を測定するものである。基本的には、
生体に照射した２波長の光の減光度変化の比と、予め求
めておいた血中酸素飽和度との回帰直線に基づいて酸素
飽和度が求められる。
【０００８】この装置は、非侵襲で簡便に測定ができ
る、比較的安価である、といった特長を有している。な
おこのパルスオキシメータについては、特公昭５３−２
６４３７号に詳しい記載がなされている。
る、比較的安価である、といった特長を有している。な
おこのパルスオキシメータについては、特公昭５３−２
６４３７号に詳しい記載がなされている。
【０００９】(2) コオキシメータ この装置は、採血した血液を溶解し、キュベット内で複
数波長についての吸光度を測定することにより、oxyH
b、deoxyHb、COHb、MetHb等の各種Hbの絶対値濃度を求
めるものである。このコオキシメータは、血液の酸素化
の程度のみならず酸素含有量を求めることができる、高
精度である、といった特長を有する。
数波長についての吸光度を測定することにより、oxyH
b、deoxyHb、COHb、MetHb等の各種Hbの絶対値濃度を求
めるものである。このコオキシメータは、血液の酸素化
の程度のみならず酸素含有量を求めることができる、高
精度である、といった特長を有する。
【００１０】血中ビリルビン濃度測定装置 (1) 血清ビリルビン濃度測定器 この装置は、新生児の足の踵にメスを入れる等して採取
された血液を遠心分離器にかけ、それにより得られた血
清を測定器にかけて血清ビリルビン濃度を求めるもので
ある。血清ビリルビン濃度の測定には、少量の血清で測
定可能な直接比色法が多く採用される。
された血液を遠心分離器にかけ、それにより得られた血
清を測定器にかけて血清ビリルビン濃度を求めるもので
ある。血清ビリルビン濃度の測定には、少量の血清で測
定可能な直接比色法が多く採用される。
【００１１】(2) ミノルタ黄疸計 この装置は、ビリルビンの吸光係数に差のある波長λ1
とλ2の光についての光学濃度差はビリルビン濃度と相
関があることを利用して、新生児の皮膚の黄染度合を、
青と緑の波長領域の光学濃度差として非侵襲で検出する
ものである。具体的には、皮膚に青と緑の波長領域の光
を入射させ、皮下脂肪を黄染しているビリルビンによっ
て短波長側の吸収を受けた後、散乱・反射して再び皮膚
表面に出て来たこれらの光の一部を検出し、それらの光
についての光学濃度差を求めるように構成されている。
とλ2の光についての光学濃度差はビリルビン濃度と相
関があることを利用して、新生児の皮膚の黄染度合を、
青と緑の波長領域の光学濃度差として非侵襲で検出する
ものである。具体的には、皮膚に青と緑の波長領域の光
を入射させ、皮下脂肪を黄染しているビリルビンによっ
て短波長側の吸収を受けた後、散乱・反射して再び皮膚
表面に出て来たこれらの光の一部を検出し、それらの光
についての光学濃度差を求めるように構成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】以上説明した４つの従
来装置においては、次のような問題が認められている。
まず血中Hb濃度測定装置のうち(1) のパルスオキシメー
タは、測定精度が低いという問題がある。すなわちこの
装置は、２波長の減光度変化の比と、予め求めておいた
血中酸素飽和度との回帰直線に基づいて酸素飽和度を測
定するものであるが、血液は強散乱体であるため、回帰
直線と酸素飽和度は広い範囲に亘っては符合し得ないの
である。そこで一般に、酸素飽和度が70％以下の場合に
おいては、測定値が回帰直線から大きくずれてしまう。
来装置においては、次のような問題が認められている。
まず血中Hb濃度測定装置のうち(1) のパルスオキシメー
タは、測定精度が低いという問題がある。すなわちこの
装置は、２波長の減光度変化の比と、予め求めておいた
血中酸素飽和度との回帰直線に基づいて酸素飽和度を測
定するものであるが、血液は強散乱体であるため、回帰
直線と酸素飽和度は広い範囲に亘っては符合し得ないの
である。そこで一般に、酸素飽和度が70％以下の場合に
おいては、測定値が回帰直線から大きくずれてしまう。
【００１３】また、酸素飽和度はoxyHb/(oxyHb + deoxy
Hb)＝血液の酸素化の程度を意味しており、oxyHbの相対
値を示している。したがって、パルスオキシメータでは
血中の酸素供給量(酸素含有量)を求めることはできな
い。
Hb)＝血液の酸素化の程度を意味しており、oxyHbの相対
値を示している。したがって、パルスオキシメータでは
血中の酸素供給量(酸素含有量)を求めることはできな
い。
【００１４】さらにこのパルスオキシメータには、ヘマ
トクリット値によって計測値が異なるという問題も認め
られる。
トクリット値によって計測値が異なるという問題も認め
られる。
【００１５】次に(2) のコオキシメータは、侵襲的であ
る、血液の溶解を必要とするので測定作業が煩雑なもの
となる、といった問題を有している。
る、血液の溶解を必要とするので測定作業が煩雑なもの
となる、といった問題を有している。
【００１６】一方、血中ビリルビン濃度測定装置のうち
(1) の血清ビリルビン濃度測定器は、侵襲を伴うため頻
繁に実施できない、という問題を有している。
(1) の血清ビリルビン濃度測定器は、侵襲を伴うため頻
繁に実施できない、という問題を有している。
【００１７】また(2) のミノルタ黄疸計には、得られる
測定値はビリルビン濃度ではなくビリルビン濃度に対応
した相対値である、という難点がある。そしてこの相対
値である前記光学濃度差は、出生体重によって血清ビリ
ルビン濃度との相関が大きく異なるので、同じ血清ビリ
ルビン濃度であっても出生体重によって測定値が大きく
異なることがある。
測定値はビリルビン濃度ではなくビリルビン濃度に対応
した相対値である、という難点がある。そしてこの相対
値である前記光学濃度差は、出生体重によって血清ビリ
ルビン濃度との相関が大きく異なるので、同じ血清ビリ
ルビン濃度であっても出生体重によって測定値が大きく
異なることがある。
【００１８】さらに上記光学濃度差は、測定部位、人
種、皮膚の色等によって血清ビリルビンとの相関が大き
く異なるので、同一症例であっても、測定部位や各個人
によって測定値が異なるという問題が生じる。
種、皮膚の色等によって血清ビリルビンとの相関が大き
く異なるので、同一症例であっても、測定部位や各個人
によって測定値が異なるという問題が生じる。
【００１９】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、生体の血中に存在する種々成分の濃度、特に血
中Hb(oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHb等)濃度や血中ビリ
ルビン濃度の絶対値を、精度良く、非侵襲で測定できる
装置を提供することを目的とする。
であり、生体の血中に存在する種々成分の濃度、特に血
中Hb(oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHb等)濃度や血中ビリ
ルビン濃度の絶対値を、精度良く、非侵襲で測定できる
装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明による血中成分濃
度測定装置は、血中成分濃度成分を非侵襲で光学的に測
定できるように構成されたもので、具体的には、生体の
血管を含む部分に、相異なる複数の波長成分からなる測
定光を照射する光源手段と、前記生体を通過した光の中
から直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を抽出す
る直進光弁別手段と、この直進光弁別手段が抽出した前
記直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分の減光度変
化を検出する減光度変化検出手段と、測定光の各波長成
分ごとの前記減光度変化に基づいて血中成分濃度を求め
る演算を行なう演算手段とからなることを特徴とするも
のである。
度測定装置は、血中成分濃度成分を非侵襲で光学的に測
定できるように構成されたもので、具体的には、生体の
血管を含む部分に、相異なる複数の波長成分からなる測
定光を照射する光源手段と、前記生体を通過した光の中
から直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を抽出す
る直進光弁別手段と、この直進光弁別手段が抽出した前
記直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分の減光度変
化を検出する減光度変化検出手段と、測定光の各波長成
分ごとの前記減光度変化に基づいて血中成分濃度を求め
る演算を行なう演算手段とからなることを特徴とするも
のである。
【００２１】なお前記光源手段としては、被測定成分を
含む被測定変数の数と等しい数の波長成分からなる測定
光を照射するものが好適に用いられる。
含む被測定変数の数と等しい数の波長成分からなる測定
光を照射するものが好適に用いられる。
【００２２】一方直進光弁別手段としては、前記直進光
成分あるいはそれに近い散乱光成分のみを示すビート信
号を生成する光ヘテロダイン干渉計や、あるいは、前記
直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を、それより
も遅れて入射する散乱光成分と時間軸上で区別して検出
するストリークカメラ等を好適に用いることができる。
成分あるいはそれに近い散乱光成分のみを示すビート信
号を生成する光ヘテロダイン干渉計や、あるいは、前記
直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を、それより
も遅れて入射する散乱光成分と時間軸上で区別して検出
するストリークカメラ等を好適に用いることができる。
【００２３】また減光度変化検出手段としては、生体の
動脈動による減光度変化を検出するもの、さらに具体的
には、直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を検出
した信号の最大値と最小値との差を求めることにより、
生体の動脈動による減光度変化を検出するものを好適に
用いることができる。
動脈動による減光度変化を検出するもの、さらに具体的
には、直進光成分あるいはそれに近い散乱光成分を検出
した信号の最大値と最小値との差を求めることにより、
生体の動脈動による減光度変化を検出するものを好適に
用いることができる。
【００２４】また演算手段としては、前記被測定成分を
含む被測定変数の数をｎとしたとき、ｎ元連立Lambert-
Beer方程式を解いて血中成分濃度を求めるものを好適に
用いることができる。
含む被測定変数の数をｎとしたとき、ｎ元連立Lambert-
Beer方程式を解いて血中成分濃度を求めるものを好適に
用いることができる。
【００２５】
【発明の効果】図１は、本発明による血中成分濃度測定
装置の基本構成を示すものである。以下、この図１を参
照して、本装置により血中成分濃度を正確に測定できる
ことを説明する。
装置の基本構成を示すものである。以下、この図１を参
照して、本装置により血中成分濃度を正確に測定できる
ことを説明する。
【００２６】例えばｎ個の光源Ｑ1〜Ｑnおよびダイクロ
イックミラーＭ等からなる光源手段１は、血管を有する
生体２に対して、被測定変数の数ｎと同じ数の波長成分
からなる測定光Ｓを照射する。これらの成分の各波長を
λ1、λ2、λ3……λnとする。ここで生体２は強散乱体
であるため、生体２へ入射した測定光Ｓはほとんどが散
乱され、その大部分が多重散乱光として振る舞う。しか
しここで、僅かに直進光成分も残り、その直進光の強度
Ｉは下式で表される。なお図２には、上記直進光や散乱
光が生じる様子を概略的に示してある。
イックミラーＭ等からなる光源手段１は、血管を有する
生体２に対して、被測定変数の数ｎと同じ数の波長成分
からなる測定光Ｓを照射する。これらの成分の各波長を
λ1、λ2、λ3……λnとする。ここで生体２は強散乱体
であるため、生体２へ入射した測定光Ｓはほとんどが散
乱され、その大部分が多重散乱光として振る舞う。しか
しここで、僅かに直進光成分も残り、その直進光の強度
Ｉは下式で表される。なお図２には、上記直進光や散乱
光が生じる様子を概略的に示してある。
【００２７】Ｉ＝Ｉ0exp(μ・C・L) ただしＩ0:入射光強度 μ:減衰係数 L:試料の厚さ C:減光を起こさせる血中成分の濃度 直進光弁別手段３は、生体２によって散乱される光の中
から直進光成分、あるいはそれに近い散乱光成分、つま
り直進光成分とほぼ同様の光路を進む散乱光成分のみを
弁別する。
から直進光成分、あるいはそれに近い散乱光成分、つま
り直進光成分とほぼ同様の光路を進む散乱光成分のみを
弁別する。
【００２８】生体２は図３に概略図示するように、組
織、静脈、および動脈に大別できる。生体２に光を入射
させると、組織、静脈、および動脈の各々において吸収
・散乱が生じ、射出光が減衰する。周知のように動脈は
脈動をしており、射出光強度を観察すると脈動に対応し
た減光度変化をモニタできる。
織、静脈、および動脈に大別できる。生体２に光を入射
させると、組織、静脈、および動脈の各々において吸収
・散乱が生じ、射出光が減衰する。周知のように動脈は
脈動をしており、射出光強度を観察すると脈動に対応し
た減光度変化をモニタできる。
【００２９】減光度変化検出手段４は、直進光弁別手段
３によって抽出された直進光成分、あるいはそれに近い
散乱光成分の減光度変化を検出する。動脈拡張時および
収縮時の減光度は各々、 ln(I/Ｉ0)1=μ・C・L1 ln(I/Ｉ0)2=μ・C・L2 ただし、L1:動脈拡張時の光路長 L2:動脈収縮時の光路長 で表される。
３によって抽出された直進光成分、あるいはそれに近い
散乱光成分の減光度変化を検出する。動脈拡張時および
収縮時の減光度は各々、 ln(I/Ｉ0)1=μ・C・L1 ln(I/Ｉ0)2=μ・C・L2 ただし、L1:動脈拡張時の光路長 L2:動脈収縮時の光路長 で表される。
【００３０】また動脈拡張時と収縮時との減光度変化Δ
Aは、 ΔA=μ・C・ΔL で表され、これは動脈血液による減光度変化のみ（すな
わち、組織あるいは静脈血による減光度は含まれない）
を意味する。なお、ΔLは動脈脈動による動脈血の光路
長変化を表す。
Aは、 ΔA=μ・C・ΔL で表され、これは動脈血液による減光度変化のみ（すな
わち、組織あるいは静脈血による減光度は含まれない）
を意味する。なお、ΔLは動脈脈動による動脈血の光路
長変化を表す。
【００３１】ここで測定光波長λ1〜λnは、被測定成分
の濃度C1〜Cn-1とΔLとを合わせた数ｎに対応させて、
ｎ通り用意されたものである。演算手段５は、これらｎ
通りの測定光波長λ1〜λnの各々毎の減光度変化ΔAに
基づいたｎ元連立Lambert-Beer方程式すなわち、
の濃度C1〜Cn-1とΔLとを合わせた数ｎに対応させて、
ｎ通り用意されたものである。演算手段５は、これらｎ
通りの測定光波長λ1〜λnの各々毎の減光度変化ΔAに
基づいたｎ元連立Lambert-Beer方程式すなわち、
【００３２】
【数１】
【００３３】を解いて、被測定成分の濃度C1〜Cn-1およ
びΔLを算出する。
びΔLを算出する。
【００３４】以上により、本発明によれば、（ｎ−１）
個の血中成分の濃度C1〜Cn-1 の絶対値(含有量)を非侵
襲で正確に測定することができる。また、絶対値測定を
行なわない場合でも、成分濃度を広い測定レンジに亘っ
て精度良く計測可能となる。
個の血中成分の濃度C1〜Cn-1 の絶対値(含有量)を非侵
襲で正確に測定することができる。また、絶対値測定を
行なわない場合でも、成分濃度を広い測定レンジに亘っ
て精度良く計測可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】＜第１実施形態＞図４は、本発明
の第１実施形態による血中成分濃度測定装置を示すもの
である。この血中成分濃度測定装置は、動脈血中の各種
Hb濃度(含有量)を測定するように構成されたものであ
り、図中の100は光源手段、200は人体の一部である被測
定試料、300は直進光弁別手段、400は減光度変化検出手
段、500は演算手段を示している。
の第１実施形態による血中成分濃度測定装置を示すもの
である。この血中成分濃度測定装置は、動脈血中の各種
Hb濃度(含有量)を測定するように構成されたものであ
り、図中の100は光源手段、200は人体の一部である被測
定試料、300は直進光弁別手段、400は減光度変化検出手
段、500は演算手段を示している。
【００３６】なお本例では被測定変数を、ヘマトクリッ
ト値、oxyHb濃度、deoxyHb濃度、COHb濃度、MetHb濃
度、および光路長変化ΔLとする。
ト値、oxyHb濃度、deoxyHb濃度、COHb濃度、MetHb濃
度、および光路長変化ΔLとする。
【００３７】光源手段100は、一例として６個の光源101
〜106、それらに各々対応した光源ドライバ107〜112、
反射ミラー113、およびダイクロイックミラー114〜118
からなる。ここで図５に示すように、oxyHb、deoxyHb、
COHb、MetHbは、測定波長によって吸光度が異なる。そ
こで光源101〜106としては、それぞれ波長660nm、790n
m、805nm、830nm、850nm、890nmの光を発するものが用
いられている。
〜106、それらに各々対応した光源ドライバ107〜112、
反射ミラー113、およびダイクロイックミラー114〜118
からなる。ここで図５に示すように、oxyHb、deoxyHb、
COHb、MetHbは、測定波長によって吸光度が異なる。そ
こで光源101〜106としては、それぞれ波長660nm、790n
m、805nm、830nm、850nm、890nmの光を発するものが用
いられている。
【００３８】被測定試料200としては、光が透過しやす
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
【００３９】直進光弁別手段300としては、光ヘテロダ
イン干渉計が用いられている。この光ヘテロダイン干渉
計300は、ハーフミラー301および304、ミラー302および
303、周波数シフター305および306からなる。周波数シ
フター305、306としてはAOMが用いられ、それらは各
々、光源手段100から入射する測定光Ｓに90MHzおよび8
9.9MHzの周波数シフトを与える。
イン干渉計が用いられている。この光ヘテロダイン干渉
計300は、ハーフミラー301および304、ミラー302および
303、周波数シフター305および306からなる。周波数シ
フター305、306としてはAOMが用いられ、それらは各
々、光源手段100から入射する測定光Ｓに90MHzおよび8
9.9MHzの周波数シフトを与える。
【００４０】周波数シフター305を経てから被測定試料2
00を透過した信号光Ｓ１と、周波数シフター306を経た
局発光Ｓ２とをハーフミラー304により重ね合わせる
と、上記各周波数の差のビート信号が乗った光Ｓ３が得
られる。このビート信号を検出すると、試料200から出
射した直進光成分のみが抽出されるので、該直進光弁別
手段300において直進光が弁別されたことになる。
00を透過した信号光Ｓ１と、周波数シフター306を経た
局発光Ｓ２とをハーフミラー304により重ね合わせる
と、上記各周波数の差のビート信号が乗った光Ｓ３が得
られる。このビート信号を検出すると、試料200から出
射した直進光成分のみが抽出されるので、該直進光弁別
手段300において直進光が弁別されたことになる。
【００４１】上記直進光を検出すると、光路長は測定光
波長によらず一定になる。なお試料200での散乱が極端
に大きい場合、直進光は多重散乱光に埋もれてしまう。
しかしこの場合でも、見かけ上の直進光（直進光成分と
ほぼ同様の光路を進む散乱光）を抽出することで、光路
長は測定光波長によらずほぼ一定と見なせる。図６は、
被測定試料の厚さあるいは被測定試料の濃度と減光度と
の概略関係を示しており、図中ａが直進光に関するも
の、ｂが上記見かけ上の直進光に関するものであるが、
この見かけ上の直進光も真の直進光と同様に減光度が線
形になっているので、直進光と同様に扱えるのである。
波長によらず一定になる。なお試料200での散乱が極端
に大きい場合、直進光は多重散乱光に埋もれてしまう。
しかしこの場合でも、見かけ上の直進光（直進光成分と
ほぼ同様の光路を進む散乱光）を抽出することで、光路
長は測定光波長によらずほぼ一定と見なせる。図６は、
被測定試料の厚さあるいは被測定試料の濃度と減光度と
の概略関係を示しており、図中ａが直進光に関するも
の、ｂが上記見かけ上の直進光に関するものであるが、
この見かけ上の直進光も真の直進光と同様に減光度が線
形になっているので、直進光と同様に扱えるのである。
【００４２】減光度変化検出手段400は、光検出器401、
アンプ402、および連続駆動するAD変換器403からなる。
光検出器401は、光源101〜106が発する各波長ごとの光
を検出し、その出力に含まれる前記ビート信号はアンプ
402によって増幅されて、減光度信号Ｄとされる。そし
て、図７に示すように脈動するこの各減光度信号Ｄの最
大値と最小値とがAD変換器403によってサンプリングさ
れ、それらの差すなわち減光度変化ΔAが上記各波長ご
とに求められる。
アンプ402、および連続駆動するAD変換器403からなる。
光検出器401は、光源101〜106が発する各波長ごとの光
を検出し、その出力に含まれる前記ビート信号はアンプ
402によって増幅されて、減光度信号Ｄとされる。そし
て、図７に示すように脈動するこの各減光度信号Ｄの最
大値と最小値とがAD変換器403によってサンプリングさ
れ、それらの差すなわち減光度変化ΔAが上記各波長ご
とに求められる。
【００４３】演算手段500は、oxyHb濃度(含有量)Coxy、
deoxyHb濃度(含有量)Cdeoxy、COHb濃度(含有量)Cco、Me
tHb濃度(含有量)Cmet、光路長変化ΔL、ならびにヘマト
クリット濃度hemを被測定変数として、６波長に対応し
た以下の６元連立Lambert-Beer方程式を解いてCoxy、Cd
eoxy、Cco、Cmetを算出する。
deoxyHb濃度(含有量)Cdeoxy、COHb濃度(含有量)Cco、Me
tHb濃度(含有量)Cmet、光路長変化ΔL、ならびにヘマト
クリット濃度hemを被測定変数として、６波長に対応し
た以下の６元連立Lambert-Beer方程式を解いてCoxy、Cd
eoxy、Cco、Cmetを算出する。
【００４４】
【数２】
【００４５】ここで、
【００４６】
【数３】
【００４７】であり、これらは前述の通りにして求めら
れる。また、
れる。また、
【００４８】
【数４】
【００４９】であり、これらについては予めデータを用
意しておく。
意しておく。
【００５０】なお酸素飽和度を求める際には、下式
【００５１】
【数５】
【００５２】によって計算で求めることができる。
【００５３】以上説明した通り、本第１実施形態の装置
によれば、oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHbの含有量、な
らびに酸素飽和度を求めることができる。ヘマトクリッ
ト値も被測定変数の中に含まれているので、ヘマトクリ
ット値が異なることによって酸素飽和度測定の精度が劣
化することはない。
によれば、oxyHb、deoxyHb、COHb、MetHbの含有量、な
らびに酸素飽和度を求めることができる。ヘマトクリッ
ト値も被測定変数の中に含まれているので、ヘマトクリ
ット値が異なることによって酸素飽和度測定の精度が劣
化することはない。
【００５４】＜第２実施形態＞図８は、本発明の第２実
施形態による血中成分濃度測定装置を示すものである。
この血中成分濃度測定装置は、新生児を対象とした動脈
血中ビリルビン濃度(含有量)を測定するように構成され
たものであり、図中の100は光源手段、200は人体の一部
である被測定試料、300は直進光弁別手段、400は減光度
変化検出手段、500は演算手段を示す。
施形態による血中成分濃度測定装置を示すものである。
この血中成分濃度測定装置は、新生児を対象とした動脈
血中ビリルビン濃度(含有量)を測定するように構成され
たものであり、図中の100は光源手段、200は人体の一部
である被測定試料、300は直進光弁別手段、400は減光度
変化検出手段、500は演算手段を示す。
【００５５】なお本例では被測定変数を、ビリルビン濃
度、oxyHb濃度、deoxyHb濃度、および光路長変化ΔLと
する。
度、oxyHb濃度、deoxyHb濃度、および光路長変化ΔLと
する。
【００５６】光源手段100は、一例として４個の光源101
〜104、それらに各々対応した光源ドライバ107〜110、
反射ミラー113、およびダイクロイックミラー114〜116
からなる。ここで図９に示すように、ビリルビンは450
〜470nm近辺に大きな吸収帯がある。そこで光源101とし
ては、波長473nmの光を発するものが用いられている。
また光源102〜104としては、それぞれ波長660nm、790n
m、830nmの光を発するものが用いられている。
〜104、それらに各々対応した光源ドライバ107〜110、
反射ミラー113、およびダイクロイックミラー114〜116
からなる。ここで図９に示すように、ビリルビンは450
〜470nm近辺に大きな吸収帯がある。そこで光源101とし
ては、波長473nmの光を発するものが用いられている。
また光源102〜104としては、それぞれ波長660nm、790n
m、830nmの光を発するものが用いられている。
【００５７】被測定試料200としては、光が透過しやす
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
【００５８】直進光弁別手段300としては、光ヘテロダ
イン干渉計が用いられている。この光ヘテロダイン干渉
計300は、ハーフミラー301および304、ミラー302および
303、周波数シフター305および306からなる。周波数シ
フター305、306としてはAOMが用いられ、それらは各
々、光源手段100から入射する測定光Ｓに90MHzおよび8
9.9MHzの周波数シフトを与える。
イン干渉計が用いられている。この光ヘテロダイン干渉
計300は、ハーフミラー301および304、ミラー302および
303、周波数シフター305および306からなる。周波数シ
フター305、306としてはAOMが用いられ、それらは各
々、光源手段100から入射する測定光Ｓに90MHzおよび8
9.9MHzの周波数シフトを与える。
【００５９】周波数シフター305を経てから被測定試料2
00を透過した信号光Ｓ１と、周波数シフター306を経た
局発光Ｓ２とをハーフミラー304により重ね合わせる
と、上記各周波数の差のビート信号が乗った光Ｓ３が得
られる。
00を透過した信号光Ｓ１と、周波数シフター306を経た
局発光Ｓ２とをハーフミラー304により重ね合わせる
と、上記各周波数の差のビート信号が乗った光Ｓ３が得
られる。
【００６０】減光度変化検出手段400は、光検出器401、
アンプ402、および連続駆動するAD変換器403からなる。
光検出器401は、光源101〜104が発する各波長ごとの光
を検出し、その出力に含まれる前記ビート信号はアンプ
402によって増幅されて、減光度信号Ｄとされる。そし
て、図７に示したように脈動するこの各減光度信号Ｄの
最大値と最小値とがAD変換器403によってサンプリング
され、それらの差すなわち減光度変化ΔAが上記各波長
ごとに求められる。
アンプ402、および連続駆動するAD変換器403からなる。
光検出器401は、光源101〜104が発する各波長ごとの光
を検出し、その出力に含まれる前記ビート信号はアンプ
402によって増幅されて、減光度信号Ｄとされる。そし
て、図７に示したように脈動するこの各減光度信号Ｄの
最大値と最小値とがAD変換器403によってサンプリング
され、それらの差すなわち減光度変化ΔAが上記各波長
ごとに求められる。
【００６１】演算手段500は、ビリルビン濃度(含有量)C
bil、oxyHb濃度(含有量)Coxy、deoxyHb濃度(含有量)Cde
oxy、ならびに光路長変化ΔLを被測定変数として、４波
長に対応した以下の４元連立Lambert-Beer方程式を解い
てCbil、Coxy、およびCdeoxyを算出する。
bil、oxyHb濃度(含有量)Coxy、deoxyHb濃度(含有量)Cde
oxy、ならびに光路長変化ΔLを被測定変数として、４波
長に対応した以下の４元連立Lambert-Beer方程式を解い
てCbil、Coxy、およびCdeoxyを算出する。
【００６２】
【数６】
【００６３】ここで、
【００６４】
【数７】
【００６５】であり、これらは前述の通りにして求めら
れる。また、
れる。また、
【００６６】
【数８】
【００６７】であり、これらについては予めデータを用
意しておく。
意しておく。
【００６８】＜第３実施形態＞図１０は、本発明の第３
実施形態による血中成分濃度測定装置を示すものであ
る。この血中成分濃度測定装置は、血中のoxyHb、deoxy
Hb 、COHb、MetHbの相対濃度を広いレンジで測定するよ
うに構成されたものであり、図中の150は光源手段、200
は人体の一部である被測定試料、350は直進光弁別手
段、450は減光度変化検出手段、500は演算手段を示して
いる。
実施形態による血中成分濃度測定装置を示すものであ
る。この血中成分濃度測定装置は、血中のoxyHb、deoxy
Hb 、COHb、MetHbの相対濃度を広いレンジで測定するよ
うに構成されたものであり、図中の150は光源手段、200
は人体の一部である被測定試料、350は直進光弁別手
段、450は減光度変化検出手段、500は演算手段を示して
いる。
【００６９】光源手段150は、ピコ秒オーダーの極く短
い時間幅の光を発するいわゆるピコ秒光源151〜154、お
よびそれらの各々に対応した光源ドライバ161〜164から
なる。なおピコ秒光源151〜154としては、それぞれ波長
780nm、805nm、830nm、850nmの光を発するものが用いら
れている。
い時間幅の光を発するいわゆるピコ秒光源151〜154、お
よびそれらの各々に対応した光源ドライバ161〜164から
なる。なおピコ秒光源151〜154としては、それぞれ波長
780nm、805nm、830nm、850nmの光を発するものが用いら
れている。
【００７０】被測定試料200としては、光が透過しやす
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
い人体中の部位、例えば耳朶等の薄い部位が選ばれる。
【００７１】直進光弁別手段350としては、高い時間分
解能で入射光強度を検出できるストリークカメラが用い
られている。ピコ秒光源151〜154とこのストリークカメ
ラ350とを用いて時間ゲートをかけることにより、被測
定試料200から出射した直進光成分あるいは直進光に近
い成分を抽出することができる。
解能で入射光強度を検出できるストリークカメラが用い
られている。ピコ秒光源151〜154とこのストリークカメ
ラ350とを用いて時間ゲートをかけることにより、被測
定試料200から出射した直進光成分あるいは直進光に近
い成分を抽出することができる。
【００７２】図１１は、このことを説明するものであ
る。すなわち、ピコ秒光源151〜154から出射する光の強
度Ｉ(t)は、同図（ａ）のような急峻な時間変化を示す
のに対し、ストリークカメラ350は直進光のみならずそ
れより遅れて入射する散乱光も検出するため、その検出
光強度Ｉ’(t)の時間変化は同図（ｂ）のようなものと
なる。そこで、ストリークカメラ350が検出した光強度
Ｉ’(t)を、変化開始の時刻Ｔ１から短い時間経過した
時刻Ｔ１’においてとらえると、直進光のみの強度を検
出することができる。
る。すなわち、ピコ秒光源151〜154から出射する光の強
度Ｉ(t)は、同図（ａ）のような急峻な時間変化を示す
のに対し、ストリークカメラ350は直進光のみならずそ
れより遅れて入射する散乱光も検出するため、その検出
光強度Ｉ’(t)の時間変化は同図（ｂ）のようなものと
なる。そこで、ストリークカメラ350が検出した光強度
Ｉ’(t)を、変化開始の時刻Ｔ１から短い時間経過した
時刻Ｔ１’においてとらえると、直進光のみの強度を検
出することができる。
【００７３】一方減光度変化検出手段450は連続駆動す
るAD変換器であり、上記ストリークカメラ350が出力す
る直進光強度信号すなわち減光度信号Ｄの最大値と最小
値とが該AD変換器403によってサンプリングされ、それ
らの差すなわち動脈動による減光度変化ΔAが光源151〜
154の各波長ごとに求められる。
るAD変換器であり、上記ストリークカメラ350が出力す
る直進光強度信号すなわち減光度信号Ｄの最大値と最小
値とが該AD変換器403によってサンプリングされ、それ
らの差すなわち動脈動による減光度変化ΔAが光源151〜
154の各波長ごとに求められる。
【００７４】演算手段500は、oxyHb、deoxyHb、COHb、M
etHb濃度を被測定変数として、４波長に対応した以下の
演算を行なう。
etHb濃度を被測定変数として、４波長に対応した以下の
演算を行なう。
【００７５】
【数９】
【００７６】各計算式の比をとって
【００７７】
【数１０】
【００７８】以上より、
【００７９】
【数１１】
【００８０】ならびに、各種Hbの相対濃度を測定するこ
とができる。
とができる。
【図１】本発明による血中成分濃度測定装置の基本構成
を示すブロック図
を示すブロック図
【図２】生体における光の直進と散乱とを説明する概略
図
図
【図３】生体を進む直進光の動脈動による光路長変化を
説明する概略図
説明する概略図
【図４】本発明の第１実施形態による血中成分濃度測定
装置を示すブロック図
装置を示すブロック図
【図５】各種血中成分ごとの照射光波長と吸光度との関
係を示すグラフ
係を示すグラフ
【図６】生体を通過した光の散乱度合と減光度との関係
を説明する概略図
を説明する概略図
【図７】生体を通過した直進光の検出信号が示す減光度
変化ΔAを説明する概略図
変化ΔAを説明する概略図
【図８】本発明の第２実施形態による血中成分濃度測定
装置を示すブロック図
装置を示すブロック図
【図９】ビリルビンの分光吸収特性を示すグラフ
【図１０】本発明の第３実施形態による血中成分濃度測
定装置を示すブロック図
定装置を示すブロック図
【図１１】図１０の装置における直進光弁別の仕組みを
説明する概略図
説明する概略図
１ 光源手段 ２ 生体 ３ 直進光弁別手段 ４ 減光度変化検出手段 ５ 演算手段 100 光源手段 101〜106 光源 107〜112 光源ドライバ 113 ミラー 114〜118 ダイクロイックミラー 150 光源手段 151〜154 ピコ秒光源 161〜164 光源ドライバ 200 被測定試料 300 直進光弁別手段（光ヘテロダイン干渉計） 301、304 ハーフミラー 302、303 ミラー 305、306 周波数シフター 350 直進光弁別手段（ストリークカメラ） 400 減光度変化検出手段 401 光検出器 402 アンプ 403 AD変換器 450 減光度変化検出手段（AD変換器） 500 演算手段
Claims (8)
- 【請求項１】 生体の血管を含む部分に、相異なる複数
の波長成分からなる測定光を照射する光源手段と、 前記生体を通過した光の中から直進光成分あるいはそれ
に近い散乱光成分を抽出する直進光弁別手段と、 この直進光弁別手段が抽出した前記直進光成分あるいは
それに近い散乱光成分の減光度変化を検出する減光度変
化検出手段と、 測定光の各波長成分ごとの前記減光度変化に基づいて血
中成分濃度を求める演算を行なう演算手段とからなる血
中成分濃度測定装置。 - 【請求項２】 前記光源手段が、被測定成分を含む被測
定変数の数と等しい数の波長成分からなる測定光を照射
するものであることを特徴とする請求項１記載の血中成
分濃度測定装置。 - 【請求項３】 前記直進光弁別手段が、前記直進光成分
あるいはそれに近い散乱光成分のみを示すビート信号を
生成する光ヘテロダイン干渉計からなることを特徴とす
る請求項１または２記載の血中成分濃度測定装置。 - 【請求項４】 前記直進光弁別手段が、前記直進光成分
あるいはそれに近い散乱光成分を、それよりも遅れて入
射する散乱光成分と時間軸上で区別して検出するストリ
ークカメラからなることを特徴とする請求項１または２
記載の血中成分濃度測定装置。 - 【請求項５】 前記減光度変化検出手段が、生体の動脈
動による減光度変化を検出するものであることを特徴と
する請求項１から４いずれか１項記載の血中成分濃度測
定装置。 - 【請求項６】 前記減光度変化検出手段が、前記直進光
成分あるいはそれに近い散乱光成分を検出した信号の最
大値と最小値との差を求めることにより、前記生体の動
脈動による減光度変化を検出するものであることを特徴
とする請求項５記載の血中成分濃度測定装置。 - 【請求項７】 前記演算手段が、前記被測定成分を含む
被測定変数の数をｎとしたとき、ｎ元連立Lambert-Beer
方程式を解いて前記血中成分濃度を求めるものであるこ
とを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の血中
成分濃度測定装置。 - 【請求項８】 前記演算手段が、前記被測定変数の中に
ヘマトクリット値を含んで前記演算を行なうものである
ことを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の血
中成分濃度測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10050494A JPH11244267A (ja) | 1998-03-03 | 1998-03-03 | 血中成分濃度測定装置 |
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