CN112137624A - 血氧饱和度的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供不需要使用预先设定的校正值的血氧饱和度的测定方法。对人体的规定部位放射包含多个波长光的放射光，利用分光器测定从上述部位透射或反射的上述放射光所包含的上述各波长光的强度，基于上述各波长光的血管舒张而光程长度为最大时的强度Is以及血管收缩而光程长度为最小时的强度Id，计算除基准波长以外其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的测定比，并且对参数赋予初始值后，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的理论比，使用最优化算法确定上述参数的数值以使理论比与测定比一致，并基于上述强度Id和Is计算上述血氧饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及非侵入地测定人的血氧饱和度的方法。
背景技术
以往，开发了不损伤人的身体(非侵入地)测定血中的氧饱和度的方法。例如，在专利文献1中公开了一种氧饱和度的测定方法，其能够使光入射位置和光检测位置仅为各一个并精度良好地计算氧饱和度。
不限于上述的专利文献1，使用了光的血中的氧饱和度例如利用以下这样的方法来测定。应予说明，将使用光来测定动脉血中的氧饱和度的器具称为脉搏血氧仪。
如图2所示，如果将与氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的分光吸收系数与释放了氧的脱氧血红蛋白(Hb)的分光吸收系数进行比较，则在红色光(可见光)附近脱氧血红蛋白较良好地吸收光，在红外光附近氧合血红蛋白的光的吸收较好。
氧饱和度根据血液中的氧合血红蛋白的浓度和脱氧血红蛋白的浓度使用下式计算。
氧饱和度＝“氧合血红蛋白浓度”÷“总血红蛋白浓度”×100(％)
应予说明，“总血红蛋白浓度”是与氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度的合计大致相等的值。
另外，将使用脉搏血氧仪测定的氧饱和度称为经皮动脉血氧饱和度(SpO2)，将采取动脉血而测定的氧饱和度称为动脉血氧饱和度(SaO2)。将静脉血中的氧饱和度称为静脉血氧饱和度(SvO2)。
在利用脉搏血氧仪测定血液中的氧饱和度时，照射特定波长的光，测定反射回来的光的强度。动脉血大幅搏动，因此如图3所示，所测定的光的强度也周期性地反复增减。将通过血管舒张而光程长度成为最大时的光的强度作为Is，将通过血管收缩而光程长度成为最小时的光的强度作为Id。
在此，通过将吸光度的关系应用于Lambert-Beer定律，从而向组织的入射光I0与特定波长λ下的检测光(测定光)I之间以下的关系式成立。应予说明，在本说明书全文中，“吸光度”是光通过某个物体时表示该光的强度变弱的程度的无量纲量。
ODλ＝log(I0 λ/Iλ)＝μλL
OD：吸光度
L：光程长度
μ：组织的吸收系数
接着，通过使用上述的Id和Is，根据以下数学式求出仅与动脉成分相关的吸光度ΔOD。由此可消除入射光I0的因素。
ΔOD＝log(Id λ/I0 λ)-log(Is λ/I0 λ)＝log(Id λ/Is λ)＝μa λΔL
a：动脉血
d：舒张期(diastole)
s：收缩期(systole)
ΔL：由搏动引起的光程长度的变化
然后，对于两种波长的光(λ1和λ2)分别计算ΔOD，求出比率(Ratio)。由此可消除因搏动引起的光程长度的变化(ΔL)。
Ratio＝ΔODλ1/ΔODλ2＝log(I d λ1/I s λ1)/log(I d λ2/I s λ2)
＝μa λ1ΔL/μa λ2ΔL＝μa λ1/μa λ2
最后，通过使用下述计算式可计算动脉血氧饱和度(SaO2)，其中，下述计算式包含使用采集的血液而预先测定·计算得到的校正值A和B。
SaO2＝A+B×Ratio
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-117503号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
但是，在上述的以往的血氧饱和度的测定方法中，需要使用预先采集的血液来测定、计算校正值A和B，并且由于校正值A和B的值因个人而稍有不同，因此如果使用预先测定·计算的别人的校正值A和B，则存在计算出与真实的氧饱和度稍微偏离的数值的问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于提供不需要使用预先测定·计算的校正值的血氧饱和度的测定方法。
(用于解决课题的技术方案)
根据本发明的一个方面，可提供一种血氧饱和度的测定方法，其中，
对人体的规定部位放射来自光源的放射光，上述光源放射包含多个波长光的放射光，利用分光器测定从上述部位透射或反射回来的上述放射光所包含的上述各波长光的强度，
基于上述各波长光的通过血管舒张而光程长度成为最大时的强度Is以及通过血管收缩而光程长度成为最小时的强度Id，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的的测定比，并且，
在对血氧饱和度的计算所需要的参数赋予任意的初始值后，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的理论比，
以上述理论比与上述测定比一致的方式，使用最优化算法来确定上述参数的数值，
然后，基于上述强度Id和上述强度Is来计算上述血氧饱和度。
上述理论比的计算优选使用光扩散方程。
在上述参数的数值的确定优选使用下山单纯形法(Nelder-Mead法)。
(发明效果)
根据本发明，以测定比与理论比一致的方式，通过使用最优化算法来确定该参数的数值，从而测定血氧饱和度，由此可提供不需要使用预先设定的校正值的血氧饱和度的测定方法，其中，上述测定比是基于从人体反射回来的多个波长光中的强度而计算得到的，上述理论比是对血氧饱和度的计算所需要的参数赋予任意的初始值之后计算得到的。
附图说明
图1是表示实施方式涉及的测定装置10的示意图。
图2是表示氧合血红蛋白(HbO2)的分光吸收系数和释放了氧的脱氧血红蛋白(Hb)的分光吸收系数的图表。
图3是表示透射的脉搏信号的时间推移的图表。
图4是绘制了除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长λt(例如，λ＝700nm)下的搏动成分吸光度的测定比的图表的例子。
图5是表示在图4的图表上绘制了基于理论比的计算结果的状态的图表的一例。
图6是表示使用最优化算法使理论比与测定比一致的状态的图表的一例。
具体实施方式
(测量装置10的结构)
如图1所示，本实施方式涉及的血氧饱和度的测定装置10大致由光源12、分光器14和控制装置16构成。
光源12将包含具有规定波长的多个波长光的放射光L放射到人体的规定部位(例如人体的指尖、前额部、颈部、胸部等)，例如可使用卤素灯。当然，并不限定于卤素灯，也可以使用发光二极管或有机EL等，另外，根据需要也可以使用放射互不相同的波长的波长光的多个光源12。
分光器14在从光源12放射后接收在人体的规定部位反射回来的放射光L，测定该放射光L所包含的各波长光的强度。一般而言，可利用分光器14测定强度的波长的范围是确定的，因此需要选择与来自光源12的放射光L所包含的各波长光的波长的范围对应的适当范围。另外，分光器14的分光方法包括使用棱镜的方法、使用干涉仪的方法等几种，但只要适合于想要测定的波长光的范围，则可以使用任意的分光方法，例如，也可以是如日本特开2003-275192所公开的那样将“光电二极管”和“带通滤波器”组合而成的方法。另外，也可以利用分光器14接收在人体的规定部位透射过来的放射光L。
此外，也可以将多个分光器14分别配置于距离人体的规定部位不同的距离。这是因为：通常在配置于距光源12的距离短的位置的分光器14中可取得组织表面的信息，在配置于距光源12的距离长的位置的分光器14中可取得深部组织的信息。通过进行从由长距离得到的数据减去由短的距离得到的数据等处理，可抑制组织表面的影响而提取深部组织的信息，在这一方面是有效的。此外，即使将多个光源12配置于距离人体的规定部位各自不同的距离，也可得到同样的效果。
控制装置16具有如下功能：接收利用分光器14测定的各波长光的强度的信号，基于各波长光的强度来计算血氧饱和度。本实施方式涉及的控制装置16例如具备送电部20、接收部22、控制部24、电源部26以及显示部28。
送电部20具有向光源12输送发光用电力的作用，被输送的电力的大小由控制部24控制。
接收部22具有从分光器14接收各波长光的强度作为电信号的作用，接收的各波长光的强度数据被发送到控制部24。
控制部24具有控制测定装置10整体的作用，如上所述，确定从送电部20向光源12发送的电力的大小，并且接收来自接收部22的各波长光的强度数据。进而，控制部24基于接收到的各波长光的强度数据，按照后述的顺序计算测定部位的血氧饱和度等。
电源部26具有向控制部24输送电力的作用，为了提高测定装置10的可搬运性，可采用蓄电池。当然，电源部26具备用于接受来自外部的电力并蓄电所需要的机构。
显示部28具有显示由控制部24计算得到的血氧饱和度等、测定装置10的操作所需要的各种信息的作用。显示部28可使用液晶屏、有机EL屏等公知的器件。
接着，依次说明控制部24中的血氧饱和度等的计算顺序。
首先，基于从光源12放射的放射光L所包含的各波长光中的通过血管舒张而光程长度成为最大时的强度Is、以及通过血管收缩而光程长度成为最小时的强度Id，求出各波长下的吸光度ΔODλ1,…,λi,…,λN。
然后，将任一波长设定为基准波长λt，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于该基准波长λt(例如，λ＝700nm)下的不仅考虑动脉血而且考虑了组织内的血液量、静脉血氧饱和度的吸光度即“搏动成分吸光度”的测定比(Ratio)(应予说明，上述的脉搏血氧仪仅与动脉血有关)。图4示出将它们绘制在图表上的一个例子。
通过目前为止的计算，消除了每个波长不同的光强度或分光器14固有的分光灵敏度的差异。另外，消除了测定血氧饱和度等的每个人的脉搏波振幅变动的差。
接着，对于作为参数(设计变量)的血液比例β和静脉血氧饱和度SvO2，使用以下的数值作为初始值，
包含血液和组织的整体的血液的比β＝5(％)
包括动脉和静脉的整体的动脉的比α＝30(％)
动脉搏动成分：30(％)
动脉血氧饱和度SaO2＝98(％)
静脉血氧饱和度SvO2＝90(％)
使用光扩散方程计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长λt下的搏动成分吸光度的理论比。此时，在图表上绘制基于理论比的计算结果时，如图5所示，成为偏离先计算出的测定比的状态的可能性高。
应予说明，关于理论比的计算，也可以使用蒙特卡罗法(MC)、辐射传输方程式(RTE:Radiative Transfer Equation)等来代替上述的光扩散方程，但优选使用计算所需要的时间短的光扩散方程。另外，在光扩散方程中，存在透射解和反射解，因此优选如上述那样根据分光器14的配置位置来分开使用。在求出更严密的计算结果的情况下，选择蒙特卡罗法或辐射传输方程式。
然后，以基于该理论比的绘制与测定比一致的方式(参照图6)，例如使用下山单纯形法、差分进化算法(Differential evolution法)这样的最优化算法来确定血氧饱和度的计算所需要的上述参数的数值。
在此，作为血氧饱和度的计算所需要的参数，包括以下参数。
(1)散射系数：(μs)λ
(2)吸收系数：(μa Hb)λ脱氧血红蛋白的吸收系数
(μa HbO2)λ氧合血红蛋白的吸收系数
(μa t)λ组织的吸收系数
(3-1)整体的吸收系数：
(μa)λ＝β(μa t)λ+(1-β)(μab)λ
(3-2)血液整体(动脉血·静脉血)的吸收系数
(μab)λ＝α(μaa)λ+(1-α)(μav)λ
(3-3)动脉血的吸收系数
(μaa)λ＝SaO2(μa HbO2)λ+(1-SaO2)(μa Hb)λ
(3-4)静脉血的吸收系数
(μav)λ＝SvO2(μa HbO2)λ+(1-SvO2)(μa Hb)λ
(4)折射率
n＝1.4
(5)各向异性散射参数
g＝0.9
(6)MC(蒙特卡罗法)光子数(使用MC的情况)
5000万个
(7)RTE(Radiative Transfer Equation:辐射传输方程式)离散化阶段(使用RTE的情况)
角度：6个等级
空间：5个等级
另外，例如，在使用波长为650nm～820nm的约100个波长光的数据进行计算的情况下，目标函数f如以下所示。当然，波长光的数量没有特别限定，可以通过适当选择而仅利用数个波长光进行计算。
【数1】
进而，限制条件如下所示。
0≤SvO2≤SaO2
0≤β
例如，使用下山单纯形法，计算与基准波长λt下的比率(Ratiot)之差(ΔRatio)为最小的各参数(具体而言，α、β、SvO2、SaO2)。
由此，判断使用血氧饱和度的测定装置10的每个人的血液比例β。
此外，可计算动脉血氧饱和度SaO2和静脉血氧饱和度SvO2两者。
进而，还可计算组织氧饱和度StO2。
另外，通过持续测定包含血液和组织在内的整体中的血液的比率β，可进行失血(出血)判定。
另外，也可应用能够计算动脉血氧饱和度SaO2和静脉血氧饱和度SvO2这两者的情况，来计算“组织氧代谢量”、“组织氧代谢率”。
组织氧代谢量(VO2)可利用以下数学式计算。
VO2＝q·k·[Hb]·(SaO2-SvO2)
q：血流量[ml/min/100g]
k：1.34[ml/g](每1g血红蛋白的氧结合量)
[Hb]：血红蛋白浓度[g/ml]
组织氧代谢率(VO2/DO2)可利用以下数学式计算，例如可用于脑组织、肌肉组织的活性度评价等。
VO2/DO2＝(q·k·[Hb]·(SaO2-SvO2))/(q·k·[Hb]·SaO2)＝1-SaO2/SvO2
本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不应被认为是限制性的。本发明的保护范围不是由上述的说明来表示，而是由权利要求来表示，意在包括与权利要求同等的含义和范围内的所有变更。
符号说明
10…测定装置、12…光源、14…分光器、16…控制装置
20…送电部、22…接收部、24…控制部、26…电源部、28…显示部
Claims (3)
1.一种血氧饱和度的测定方法，其特征在于，
对人体的规定部位放射来自光源的放射光，所述光源放射的所述放射光包含多个波长光，利用分光器测定从所述部位透射或反射回来的所述放射光所包含的所述各波长光的强度，
基于所述各波长光的通过血管舒张而光程长度成为最大时的强度Is以及通过血管收缩而光程长度成为最小时的强度Id，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的测定比，并且，
在对血氧饱和度的计算所需要的参数赋予任意的初始值后，计算除基准波长以外的其它各波长下的搏动成分吸光度相对于基准波长下的搏动成分吸光度的理论比，
使用最优化算法来确定所述参数的数值以使所述理论比与所述测定比一致，
然后，基于所述强度Id和所述强度Is来计算所述血氧饱和度。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，
所述理论比的计算使用光扩散方程。
3.根据权利要求1或2所述的测定方法，其特征在于，
所述参数的数值的确定使用下山单纯形法。
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