JPH05507216A - 無侵襲医療用センサ - 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】 無侵襲医療用センサ 技術分野 本発明は、人間又は動物の体内の物質を無侵襲的に定量測定するための装置に関 し、特に、電磁放射線を利用してこのような測定をするための装置に関する。

本発明による装置は、体内の様々な物質を定量的に測定する際に使用できるが、 本明細書中では主に実施例として、組織の酸素化の量的な値を測定するための使 用について説明されている。

背景技術 集中治療部（ＩＣＵ）に居る患者の組織を十分に酸素化することは基本的な必要 条件であるが、現在のところ、健全な組織の細胞内の酸素を無侵襲的に監視する 定形的な方法は無い。これを行うことができる技術はいくつか存在する。酸素代 謝を監視することができる無侵襲技術には、磁気共鳴分光法（ＳＩＰ　Ｍ、Ｒ８ ）、陽電子放射トモグラフィ（ＰＥＴ）、ＮＡＤＨ蛍光測定、体性知覚誘発電位 （ＣＮＳのみ）、及び光学的モニタリング、例えば可視分光法、近赤外（ＮＩＲ ）多波長分光法がある。

成人及び新生児の集中治療における第１の目的には、脳の損傷の防止及び正常な 神経機能の維持が含まれる。

これら双方の分野における最新のモニタリング技術では、脳から離れた部位での 酸素化を測定し、大脳への酸素の供給又は脳における酸素の使用状態を直接利用 することはない。

従って、実際には、信頼性があり安全で連続的に利用でき、重体の場合に脳（及 び他の器官）における呼吸作用について細胞レベルで利用可能な酸素のモニタリ ング方法が必要である。

組織及び血液に十分な酸素が存在しない低酸素症（又は低酸素血症）は、麻酔に 関連する死亡の主な原因であり、多くの自然発生的な又は技術的に誘発される健 康上の問題や病気の徴候となる。低酸素状態から生じる損傷は、秒を争う問題に おいて発生する場合があり、回復できない場合が多い。細胞内の低酸素状態は、 各器官系の酸素の欠乏に対する敏感さによって様々な生理学的反応を生じさせる 。

正常な組織では、その酸化代謝の必要条件に連続的な酸素の供給が密接に適合し ている。これらの条件は局所的に決定され、かつ主に血液の流量及び酸素の抽出 を局部的に増加させることによって満足されている。従って、機能活動が活発な ときには、酸素の供給及び抽出が代謝上の要求に歩調を合わせて増加する。同様 の反応が低酸素症において発生し、組織は血液の流量及び酸素の抽出を最大にす ることによって酸素を維持する。

現在、酸素の供給及び取込みの全身的な測定を利用して、細胞内プロセスの酸素 の利用可能性に関して推論が立てられている。これらの全身に関するパラメータ は、体への酸素の合計供給量が限られている場合には役に立ち得るが、局部的な 酸素化及び代謝の変化に対して各組織が別々に反応しかつ適応する場合には適し ていない。

従って、大脳の酸化代謝及びヘモグロビンの酸素化に関する情報を連続的に実時 間で定量的に供給する器械があれば、従来のモニタリング能力に対して大きな利 益が得られる。

生きている器官は、主に次の３つの目的から自由エネルギを連続的に送り込むこ とを必要とする。即ち、筋肉の収縮及び他の細胞の動作における機械的な作業の 実行、分子及びイオンの能動輸送、及び、高分子と単純なプリカーサからの他の 生体分子との合成である。

基本的に、細胞の代謝に必要な全てのエネルギはグルコースによって供給される 。グルコースの各分子からエネルギが供給されて、ＡＴＰ　（アデノシン三リン 酸）の多数の分子が形成される。これは、グルコースからの水素原子が触媒によ って細胞内に存在する酸素と結合して水を形成する一連の電子移動反応によって 起こる。このプロセスは、電子の酸素への移動の原因であるエンチーム（酵素） のフラビンタンパク質−チトクロム連鎖体によってミトコンドリア内で行われる 。前記連鎖体の各エンチームは還元され、かつその後電子が完全に通過すると再 酸化される。エンチーム複合体の、チトクロムニオキシダーゼ（以下ｃｙｔ　ａ ａ、と略称）は、ミトコンドリアの呼吸連鎖体の末端要素であり、人体における 酸素の全使用の約９５％を促進する。酸化的リン酸化反応の並行プロセスにおい て、自由エネルギが高エネルギのリン酸塩結合の形態で保存され、かつ主にＡＴ Ｐ及びリン酸クレアチニンとして蓄積される。このメカニズムは化学浸透であり 、呼吸連鎖体における酸化によって駆動される絶縁膜（ミトコンドリアのクリス タを形成する内膜）におけるプロトンの移動を伴う、　（酸化は、物質の酸素と の結合、水素の喪失、又は電子の喪失であり、これに対応する逆プロセスが還元 と呼ばれる。）従って、ｃｙｔ　ａａ、は、細胞代謝の中心となる。ｃｙｔ　ａ ａ、は、大脳皮質及び他の組織内に測定可能な量で存在する。

ｃｙｔ　ａａ、が酸素を利用できないとき、エンチームが還元され、電子の移動 速度が遅くなり、酸化的リン酸化反応が低下する。従って、ｃｙｔ　ａａ、の酸 化還元状態は、不規則な酸素の供給及び使用を特徴とする病的状態におけるエネ ルギ供給の重要な指標である。即ち、この生体内での酸素を使用するエンチーム の酸化還元状態を連続的に測定しかつ監視できることによって、問題となってい る組織又は器官における酸素の充足性のパラメータに関する決定的な情報が得ら れる。

周知のように、７００〜１３００ｎｍ（ナノメートル）の範囲の波長を有する近 赤外領域の放射線は、生きている器官の周囲にある柔らかい組織及び骨を貫通す ることができ、かつ出てくる光を酸化代謝に関連させることができる。更に、そ して非常に重要なことであるが、生きている体の組織のｃｙｔ駐、は、７００乃 至１３００ｎｍの波長範囲内に酸素依存性の吸収帯を有することも知られている 。

この酸化反応におけるキー・エンチームが十分な酸素の存在下にあるときは、最 大の波長を約８２０乃至８４０　ｎｕとする７８０乃至８７０ｎｍの領域に弱い 吸収帯が存在する。酸素が無いと、エンチームが完全に還元され、かつ前記吸収 帯が消滅することになる。

英国特許第２０７５６６８号明細書は、上述した範囲の波長を有するＮＩＲ（近 赤外）放射線のＣｙｔ　ａａ、による吸収を監視することによって、特定の組織 又は器官（例えば、脳）の酸素化に関する情報を提供する装置を開示している。

また、ヘモグロビンはスペクトルの近赤外領域の光を吸収する。更にヘモグロビ ンは、それが酸素化された形（ＨｂＯ，）か又は還元された形（Ｈｂ）で存在し ているかによって吸収が異なる。即ち、光学的信号は、観測範囲における動脈血 及び静脈血の量によって影響される。ｃｙｔａａ３信号を得るためには、ＮＩＲ における光の吸収に及ぼすＨｂ及びＨｂＯ２の影響の度合いを決定し、かつそれ らを取り除いて、それらのｃｙｔ　ａａ、信号への干渉を排除することが必要で ある。これを行うためには、多数の単色光源が必要である。このような光源と適 当なアルゴリズムとによって、３つの未知数（）Ｉｂ、　ＨｂＯ，、ｃｙｔ　ａ ａ、）について連立方程式を立てかつ解くことができ、これらの化合物に関する 定性的情報が得られる。

３つの重複する吸収スペクトルを巻き戻さなければならないことから、関連する ３つの分子種の貢献度を測定するために最低３つのＮＴＲ波長について吸収デー タが要求される。　（４つの波長のアルゴリズムによって、組織によるＮＩＲ吸 収及び散乱についてより正確な説明が得られる。） このような装置は、傾向モニタ装置として有用であるが、定量的な結果は、装置 の校正が以下の理由で不可能なために得ることができない。即ち、 ａ）放射線が通過する皮膚や骨のような物質は、関連する特定の組織を通過する 前後の双方において放射線の強度を低下させる。これは、患者によって変化する 。

ｂ）入射される放射線が体内に案内される際の有効性、効率は、放射線が体から 検出器に移動する際の有効性、効率と同様に、未知でありかつ変化する。

Ｃ）テストを受けている組織内における放射線の経路の長さは、正確に測定する ことができず、かつ光子の伝搬時間の測定によって推定できるに過ぎない。

当業者にとって周知のように、経路の長さは、検出器が検出する放射線の強度に ついて決定的である。この関係は、ベール−ランバート（Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅ ｒｔ）の法則によって与えられる。

１ｎ（Ｉ。／Ｉ　）＝　ｄ　Ｘ　Ｅ　Ｘ　ｃここで、ｌｎ＝　２．３０３　ｌｏ ｇ、。

■。＝試料に当てられる供給元の放射線強度Ｉ＝試料を通過して送られる放射線 の強度Ｅ＝試料に当てられる供給元の放射線の波長における溶質種の吸収係数（ 吸光率） ｄ＝光学距離又は経路の長さく試料を通過する放射線の移動経路の長さ） Ｃ＝測測定れる物質の濃度 これらの不確定要素及び変数Ｇよ、上述した型式の装置の使用が定量技術でない ことを、旦口ち、個々の患者への器械をそれぞれ校正することなく患者力ｓ　６ 　ＳＩＪの患者へと適用することはできない。

発明の開示 本発明によれば、生きてし）る組織内の物質を無侵襲的に定量測定するための装 置であって、 ａ）患者の皮膚、組織、又は器官と接するようにして使用される、電磁放射線を 放射可能なエミ・ツタ手段と、ｂ）前記エミッタ手段から離隔され、力為つ前記 患者の皮膚、組織、又は器官と接するよう（こして使用される第１の強度によっ て第１電気出力信号を生成する手段と、ｄ）前記第１放射線検出手段と前記エミ ・ツタ手段との間隔以上の距離をもって前記エミッタ手段から離隔され、かつ前 記患者の皮膚、組織、又は器官と接するようにして使用される第２放射線検出手 段と、 ｅ）前記第２放射線検出手段によって検出された放射線の強度によって第２電気 出力信号を生成する手段と、ｆ）生きている組織内の前記物質の量的指数が得ら れるように前記第１及び第２出力信号を処理する手段とからなることを特徴とす る無侵襲定量測定装置が提供される。

前記装置が、個別の測定又は連続的な測定ができるように、前記物質の連続的及 び／又は不連続的な測定に適応していると、好都合である。

前記エミッタ手段が、体内の調査されてし）る物質力で吸収することが知られて いる波長の電磁放射線を放射できると好ましい。調査している物質がｃｙｔ　ａ ａ、及び／又番よＨｂ及び／又はＨｂＯ２である（その濃度が組織の酸化代謝Ｇ こ依存する）ような実施例では、エミッタ手段が３５０乃至１６００ｎｍの範囲 内、より好適には７００乃至１３００ｎｍの範囲内の波長の電磁放射線を放射で きると好都合である。

前記エミッタ手段が、複数の独立に作動可能なサブエミッタからなると有利であ る。好適には、少なくとも３個のサブエミッタが設けられ、それぞれに個別の波 長の放射線を放射するようになっていると好都合である。好適な実施例では、４ 個のサブエミッタが使用される。このサブエミッタに使用される放射線発生源と しては、例えば上述した英国特許第２０７５６６８号明細書に記載されているも のがある。

前記第１及び第２検出手段の少なくとも一方が、より好適には双方が、少なくと も部分的に環状の検出器であると好都合である。特に、前記第１及び第２検出手 段が、エミッタ手段を中心にそれを囲むように配設される環状の検出器であると 好都合である。

前記放射線検出手段と出力信号を生成する手段とは、例えばフォトダイオードの 形で結合することができる。

これに代えて、電気信号を生成する前記手段、例えば光電子増倍管は、前記検出 手段から離隔することができ、かつ内部で反射する導波管のような光ガイドによ って前記検出手段と接続することができる。

本発明による装置では、少なくとも前記エミッタ手段及び第１、第２の放射線検 出手段が、容易にかつ便利に利用できるように単一のハウジングユニット内に設 けられていると好都合である。

第１及び第２出力信号を処理する手段が、信号調整手段及び増幅手段を備えてい ると好都合である。前記装置が、患者への酸素を管理供給する手段と組み合わさ れ、該手段が、得られた物質（例えば、ｃｙｔ　ａａ、）の濃度の処理値が所定 の最低値より下がると作動するようになっていると有利である。

前記装置を患者の皮膚、組織、又は器官に取り付けるための手段を備えていると 好都合である。

本明細書では、本発明による装置について、酸化代謝と関連する体内の物質の濃 度を測定することに関連して説明しているが、このような型式の装置が、適当な 波長の電磁放射線発生源を用いることによって、体内の広範囲の物質の濃度を測 定するために使用できることは理解される。

図面の簡単な説明 以下に、本発明について添付図面を参照しつつ単なる実施例を用いて更に説明す る。

第１図は、本発明による装置の概略平面図である。

第２図は、第１図の装置の使用時における断面図である。

第３図は、本発明による装置について使用される制御システムのブロック図であ る。

発明を実施するための最良の形態 第１図及び第２図において、符号１で示されるセンサは、それぞれに７００〜］ 、３００ｎｍの範囲内の個別の周波数の近赤外線を放射し得る４個のサブエミッ タ・レーザダイオードから光を伝搬する中央エミッタコア５を備える。コア５の 周囲には、それを中心として第１の内側環状光検出リング３と、それから離隔し て第２の外側環状光検出リング２とが配置されている。第３図に関して、環状光 検出リング２．３はそれぞれ各光電子増倍管（図示せず）に結合され、かつそれ らは適当な電子増幅回路又は信号処理回路からなる各チャネル７．８に接続され ている。環状光検出リング２．３からの出力信号は、次に信号ステアリング（方 向制御）回路９及びアナログ−デジタル変換器１２を経て、２個の出力信号の比 によって設定アルゴリズムを計算するようにプログラムされたマイクロプロセッ サ制御ユニット１３に送られる。これによって、細胞レベルにおける酸素の利用 可能性と酸素消費との関係に関する値を得ることができる。これは、次にＶＤＵ またはチャート式記録計１０、１１に記録され又は表示される。また、データは コンピュータ１６に記憶させることができる。

また、第３図は、マイクロプロセッサ制御ユニット１３に接続されたタイミング シーケンス制御装置１５によって、レーザ電源駆動及びファイヤリング回路１４ 及び各信号処理チャネル７．８の双方がどのように制御されるかを示している。

前記装置の校正によって、細胞レベルでの酸素の利用可能性及び酸素消費との関 係に関する値を得ることができる。

２個の検出器システムを用いることによって、使用される２つの光路のそれぞれ の経路長の間に、再現可能な関係を確立することができる。この関係は患者が変 わっても適用される。このようにして、ベール−ランバートの法則を適用して、 前記センサの下側で調査されている組織１７の容積内の物質（この場合には例え ばＣｙｔ　ａａ、）の量を計ることができる。

ここでは、体と２個の前記検出器との結合効率が等しく、かつ各検出器に接触す る領域を通過する放射線によって生じる信号の減衰が各検出器について等しくな ると仮定する。

これは、光検出リング３と２との間で測定される信号の減衰が、予測される測定 領域で生じる吸収によるものであることを意味する。

特に第２図において、使用時には前記センサが組織の表面６（例えば、頭部）に 、それと環状光検出リング３．２及びエミッタコア５とを接触させて配置される 。放射線（この場合には、近赤外線）が前記組織に入りかつ散乱（任意の散乱点 １８ａ、１８ｂ）Ｌ、て前記組織内部の周辺の多数の経路を通過した後、環状光 検出リング３．２によって検出される。

本発明による装置は、更に以下に記載するような利点を有する。

１、エミッタコア５を中心にしてその周囲に光検出器２．３を配置することによ って、各検出器のあらゆる部分について光路の長さを一定に維持しつつ、非常に 大きな面積の検出器を得ることができる。これによって、光路の長さについて考 慮することなく測定される信号の強さが増大し、かつ皮膚の色素の局部的な不均 一さく例えば、そばかす）が平均化される。

２．センサは、一体重に構成されていることによって、その配置に技術を必要と せず、かつエミッタと検出器とが別個の構成の場合に、得られた結果に与える影 響が少ない。

３、センサがその配置に対して敏感でなくなるということは、センサがあらゆる 光学システムにおいて非常に重要な要素である人為構造を示す傾向が少なくなる ことを意味する。

要約書 生きている組織内の物質を無侵襲的に定量測定するための装置であって、患者の 皮膚、組織、又は器官６に接する電磁放射線エミッタ５と、放射線エミッタ５か ら離隔され、かつ患者の皮膚、組織、又は器官６に接する第１放射線検出器３と 、第１放射線検出器３と放射線エミッタ５との距離以上に放射線エミッタ５から 離隔され、かつ患者の皮膚、組織、又は器官６に接する第２放射線検出器２とか らなる。放射線検出器が検出した放射線の強度によって電気出力信号が生成され 、処理されて生きている組織内の物質の濃度が得られる。

国際調査報告 １−−−−Ａ―−・　ＰＣＴ／ＱＢ　９１１００７７５国際調査報告 ＧＢ９１００７７５

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．生きている組織内の物質を無侵襲的に定量測定するための装置であって、 ａ）患者の皮膚、組織、又は器官と接するようにして使用される、電磁放射線を 放射可能なエミッタ手段と、ｂ）前記エミッタ手段から離隔され、かつ前記患者 の皮膚、組織、又は器官と接するようにして使用される第１放射線検出手段と、 ｃ）前記第１放射線検出手段によって検出された放対線の強度によって第１電気 出力信号を生成する手段と、ｄ）前記第１放射線検出手段と前記エミッタ手段と の間隔以上の距離をもって前記エミッタ手段から離隔され、かつ前記患者の皮膚 、組織、又は器官と接するようにして使用される第２放射線検出手段と、 ｅ）前記第２放射線検出手段によって検出された放射線の強度によって第２電気 出力信号を生成する手段と、ｆ）生きている組織内の前記物質の量的指数が得ら れるように前記第１及び第２出力信号を処理する手段とからなることを特徴とす る無侵襲定量測定装置。
2. ２．前記エミッタ手段が、前記物質の特性吸収周波数の電磁放射線を放射するこ とができることを特徴とする請求項１に記載の無侵襲定量測定装置。
3. ３．前記エミッタ手段が、７００乃至１３００ｎｍ（ナノメートル）の範囲の周 波数の電磁放対線を放射することができることを特徴とする請求項１又は２に記 載の無侵襲定量測定装置。
4. ４．前記エミッタ手段が、複数の別個独立に作動可能なサブエミッタからなるこ とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無侵襲定量測定装置。
5. ５．前記各サブエミッタが、個別の周波数の放射線を放射するようになっている ことを特徴とする請求項４に記載の無侵襲定量測定装置。
6. ６．前記エミッタ手段が、４個のサブエミッタからなることを特徴とする請求項 ４又は５に記載の無侵襲定量測定装置。