JP2004290436A

JP2004290436A - 動脈血酸素飽和度測定装置

Info

Publication number: JP2004290436A
Application number: JP2003087412A
Authority: JP
Inventors: Shoji Yokota; 昭二横田
Original assignee: MORIRIKA KK
Current assignee: MORIRIKA KK
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】酸素飽和度及び脈拍を、精度良くかつ短時間で測定することができる動脈血酸素飽和度測定装置を提供する。
【解決手段】被検査体の少なくとも２つの検査箇所を同時に測定できるセンサーを装着した本体と、該センサーによる測定結果を表示できる表示装置とを一体型で有する動脈血酸素飽和度測定装置、また前記センサーの測定によって得られた少なくとも２つの検査箇所での血液中の酸素飽和度及び／又は脈拍数を用いて、不規則ノイズを除去する演算処理手段を有する動脈血酸素飽和度測定装置などによって提供。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動脈血酸素飽和度測定装置に関し、さらに詳しくは、酸素飽和度及び脈拍を精度良くかつ短時間で測定することができる動脈血酸素飽和度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動脈血酸素飽和度測定装置は、被験者の動脈血の酸素飽和度を血液採取を行うことなく非観血的に測定するものである。一般に、このような血液中の酸素飽和度測定装置では、血液中の酸素飽和度（以下、単に酸素飽和度と呼称する場合がある。）に直接関係する酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンに注目して、両者において異なる光透過性を示す２つ以上の波長の光（一般に、赤色光と赤外光）を用いて測定している。例えば、光を光透過性の良い指先や耳朶に入光させ、組織を透過あるいは反射してきた光を受光することによって、それぞれの波長において酸素飽和度に応じて血液の吸光度が異なる特性を利用して、酸素飽和度を算出している。
【０００３】
すなわち、人体を透過して受光された波形は、人体の脈拍数に応じた血液量の変動による脈動成分を含む。そこで２つ以上の波長の光についてそれぞれ得られる脈動波形は、理想的には吸光度の違いによる振幅のみが異なる相似形となる。
したがって、２つの異なる波長を用いた場合、一方の波長の光で受光された脈動波形（対数処理後の波形）をｘ（ｔ）、他方の波長の光で受光された脈動波形（対数処理後の波形）をｙ（ｔ）、及び比例定数をＫとしたとき、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は相似形であることから、下記の式（１）で定義できる。
ｘ（ｔ）＝Ｋ・ｙ（ｔ）（１）
ここで、動脈血の酸素飽和度は、理想的には比例定数Ｋと一対一に対応したものとなる。
【０００４】
従来、このような測定原理に基づく、酸素飽和度、脈拍数と脈拍レベル（脈拍の強弱）の測定装置としては、指を被検査体として測定するセンサーを保持したプローブと酸素飽和度表示器を有する測定装置本体とをコードで繋いだ測定装置が設置され使用されていたが、近年、測定回路を構成する素子の小型化に伴い、小型化及び携帯型の要望に応じた測定装置が使用されている。この中で、代表的なものとして、クリップ式構造で被検査体である指（以下、被検査指と呼称することがある。）をセンサーの間にはさんで測定するもの（例えば、特許文献１参照）、又は被検査指を内部にセンサーを備えた指挿入孔に挿入し測定するもの（例えば、特許文献２参照）が挙げられる。また、これらは酸素飽和度及び脈拍を測定するセンサーと測定結果を表示する表示器とを一体型にした携帯型の測定装置である。
【０００５】
上記一体型にした携帯型の測定装置の使用においては、測定装置の装着及び測定が簡単にできるという利点がある反面、以下の課題がある。すなわち、測定中に腕や指が動くと、装着部のずれ、体動、外来光ノイズ等の影響が発生して、脈動以外の不規則ノイズを含む波形が得られ、精度が悪化する。すなわち、不規則ノイズが含まれていると、酸素飽和度及び脈拍の算出に使用される受光波形ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）の振幅情報の信頼性は低くなる。そのため、従来の前記測定装置では、これらの不規則ノイズを除去するために、脈動波形検出のセンサーとは別に体動波形検出のためのセンサーを備えたり、あるいは演算処理のアルゴリズムの工夫によって対応していた。
【０００６】
しかしながら、従来の測定装置では、被検査指の脈動波形検出が一ヶ所のセンサーのみで行われているので、上記のように不規則ノイズ除去のための体動検出手段や演算処理手段でのアルゴリズムを用いても、これらの手段で不規則ノイズ除去を行った結果が本当に正しい値か判断するための比較値がないという問題があった。また、上記のように演算処理手段のアルゴリズムによって不規則ノイズを除去するときには、複雑な統計計算処理のため処理時間が長くなるので、その結果、測定時間が長くなったり、あるいは測定数を少なくして測定精度の低下をおこすという問題があった。
このような状況下、精度良くかつ短時間で酸素飽和度と脈拍を測定することができる信頼性の高い携帯型の動脈血酸素飽和度測定装置が求められている。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１０−５０２２６８号公報（第１〜３頁）
【特許文献２】
特開２００１−１７４０４号公報（第１頁、第２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑み、酸素飽和度及び脈拍を精度良くかつ短時間で測定することができる動脈血酸素飽和度測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために、動脈血酸素飽和度測定装置について、鋭意研究を重ねた結果、被検査体の少なくとも２つの検査箇所を同時に測定して、得られた複数箇所の酸素飽和度及び／又は脈拍数を用いて不規則ノイズを除去したところ、酸素飽和度及び脈拍を精度良くかつ短時間で測定することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、被検査体の少なくとも２つの検査箇所を同時に測定できるセンサーを装着した本体と、該センサーによる測定結果を表示できる表示装置とを一体型で有することを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１１】
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、前記センサーの測定によって得られた少なくとも２つの検査箇所での血液中の酸素飽和度及び／又は脈拍数を用いて不規則ノイズを除去する演算処理手段を有することを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１２】
また、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、検査箇所は、親指、人差し指、中指、薬指又は小指から選ばれる少なくとも２ケ所であり、一方、本体は、手袋型の形状を有するとともに、その指挿入部にはそれぞれセンサーが設置されていることを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１３】
また、本発明の第４の発明によれば、第３の発明において、表示装置は、手袋型をした本体の手首部分に設置されていることを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１４】
また、本発明の第５の発明によれば、第３の発明において、本体は、伸縮性素材で構成されていることを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１５】
また、本発明の第６の発明によれば、第１〜３いずれかの発明において、前記センサーによる測定結果が予め設定された数値範囲を外れたときに、それを知らせることができる音声装置を有することを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の動脈血酸素飽和度測定装置（以下、単に測定装置と呼称する場合がある。）を詳細に説明する。
本発明に係る測定装置は、生体における赤色光と赤外光の異なる２つの波長の吸光特性の差を利用して被験者の動脈血の酸素飽和度及び脈拍を非観血的に測定する原理に基づくものであるが、被検査体の少なくとも２つの検査箇所を同時に測定できるセンサーを装着した本体と、該センサーによる測定結果を表示できる表示装置とを一体型で有している。また、前記センサーの測定によって得られた少なくとも２つの検査箇所の血液中の酸素飽和度及び／又は脈拍数を用いて、不規則ノイズを除去する演算処理手段を有するのが好ましい。さらに、予め設定された数値範囲を外れた測定結果をセンサーが感知したときにこれを知らせる音声装置を搭載するのが好ましい。
【００１７】
本発明の測定装置において、被検査体の複数箇所の酸素飽和度及び脈拍を同時に測定しうるセンサーを有していることが重要である。これによって、被検査指の脈動波形の検出が一ヶ所のセンサーのみで行われている従来の測定装置に比べて、精度良くかつ短時間で酸素飽和度及び脈拍を測定することが達成される。
【００１８】
本発明の被検査体は、特に限定されるものではなく、人体の光透過性の良い部位が選ばれるが、これらの中で、特に、前記測定装置を簡便に装着しかつ保持できる指が好ましい。すなわち被検査体としては、親指、人差し指、中指、薬指又は小指から選ばれる少なくとも２つの指を被検査指とするのが好ましい。
【００１９】
本発明の装置の本体は、特に限定されるものではなく、上記複数の被検査指を対象として、精度良く測定が行え、かつ装着及び測定の使用感が良い構造のものが用いられるが、この中で、特に被検査体である指を擁する手に該本体を固定するための保持部、内部にセンサーを備えた指挿入部及び該保持部と該指挿入部を一体化する手袋部を有している手袋型のものが好ましい。また、前記本体の中に前記演算処理手段と前記表示装置、さらに音声装置を収納しているものが特に好ましい。
【００２０】
本発明の動脈血酸素飽和度測定装置の構成を、被検査体が複数の被検査指である手袋型の装置について、本体、光学的センサー、表示装置、音声装置及び制御回路等について図で説明する。図１（ａ）は、本発明の装置の一例である手袋型の測定装置の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の背面図を示す。また、図２は、本発明の測定装置の手袋型測定装置の内部おける制御回路の構成の一例を示す。
なお、図１（ａ）、（ｂ）に示された測定装置は、病院、在宅医療及び救急医療の際、又は登山、球技、ランニング等のスポーツを行う際に使用することができる携帯型の測定装置であり、左右の手に装着できる。
【００２１】
図１（ａ）及び（ｂ）において、本体１１は、手袋部１１ａ、被検査指を挿入する指挿入部１１ｅ〜１１ｉ、本体１１を手に固定する保持部１１ｄ、本体１１の表面に表示装置３とケーシング１１ｂ、測定装置１の作動電源となる電池収納部の蓋１１ｃ、及び各被検査指の挿入部の両側に配置された発光２ａと受光部２ｂとからなるセンサーから構成されている。
【００２２】
ここで、保持部１１ｄには、被験者の手の大きさに合わせて任意の強さで保持できる構造が用いられるが、装着の簡便性から、例えばマジックテープ（登録商標）を取り付ける構造が好ましい。なお、手袋部１１ａは、２つ以上の複数の被検査指を覆う構造であればよい。また、表示装置３とケーシング１１ｂの取り付け位置は、被験者の使い方により図１と表裏逆にできる。
【００２３】
本発明の本体に用いるの素材は、特に限定されるものではなく、装着と測定において使用感の良いものが用いられるが、この中で、特に、伸縮性の良い素材を用いるのが好ましい。これによって、被検査指や被検査指を擁する手の大きさに合わせて本体形状を変えて、センサーを被検査指に固定化することができるとともに、被検査指を擁する手を圧迫感を与えることなく覆うことができる。
【００２４】
図２において、本発明の測定装置１の制御回路は、演算処理装置４、制御装置５及びＲＯＭ７を有するマイクロコンピュータ８を中心として、これにセンサー２、表示装置３を接続し、さらに音声装置６を接続している。制御装置５は、ＲＯＭ７が記憶している制御回路のプログラムに基づいて、センサー２からのデータを演算処理して、表示装置３にその結果を送り、必要に応じて、音声装置にもその結果を送るようにする。
【００２５】
光学的センサー２は、本体１１の指挿入部１１ｅ〜ｉの側面に配置される。発光部２ａと受光部２ｂとを一組として前記センサー２を構成する。ここで、両者間に置かれた被検査指に発光部２ａからの光を透過させることで、受光部２ｂで光の変化を感知して電気信号として脈動波形を検出する。なお、発光部２ａと受光部２ｂの位置は逆であってもよい。また発光部２ａには、赤色光と赤外光の２波長の発光素子を取り付ける。また、前記センサー２は、被検査指が指挿入部１１ｅ〜ｉに挿入されたことを感知できる構造として、本体１１のメインスイッチの役目を持たせる。
【００２６】
前記センサー２には、不規則ノイズの原因の一つである本体外部からの外乱光ノイズを防止する処理を施すことが好ましい。この処理としては、前記センサーを設ける本体部分を光を透過し難い材料、例えばガラスフィラー入りポリカーボネート（ＰＥ）樹脂等で作製する方法、または遮光性の高い色若しくは皮膜の厚い塗料で塗装する方法が好ましい。
【００２７】
また、測定結果の表示装置３は、液晶表示で表されるようにし、一例として、２桁の動脈血酸素飽和度表示欄３ａ、３桁の脈拍数表示欄３ｂ、○マークからなる脈拍レベル（脈拍の強弱）表示欄３ｃ等が表示できるように構成されている。
【００２８】
音声装置６は、メインスイッチのＯＮ／ＯＦＦ時に確認音を発生させたり、センサー２の測定中に脈拍のタイミングに合わせて間欠音を生じさせる装置である。また、測定された酸素飽和度及び脈拍が予め設定された数値範囲から外れるときにこれを被験者に知らせる役目のため使用することができる。
【００２９】
次に、本発明の測定装置の使用手順及び制御機能を、被検査体が複数の被検査指である場合について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、本発明の一例である手袋型の測定装置を左手に装着した場合の例を示す。
まず、測定装置の保持を行う。このため、被検査指Ｆ１〜Ｆ５を本体の指挿入部１１ｅ〜ｉに挿入し、本体の保持部１１ｄを、被検査指Ｆ１〜Ｆ５を擁する手の手首に巻き付ける。ここで、被検査指Ｆ１〜Ｆ５の付け根部分が本体１１のセンサー２と接触される。被検査指Ｆ１〜Ｆ５のいずれか一つが、本体１１の指挿入部１１ｅ〜ｉに挿入されると、メインスイッチが作動し、センサー２を測定モードとして作動し、各被検査指の酸素飽和度及び脈拍の測定を開始する。なお、何らかの理由によりＦ１〜Ｆ５全ての指を被検査指として用いることができない場合は、このうち２つ以上のいずれかの指を用いることができ、また右手でも使用できる。
【００３０】
センサー２が所定時間の測定を終えると、演算処理装置４で、その脈動波形から酸素飽和度の計算、不規則ノイズの除去及び妥当性確認を行い、その結果を制御装置５を経て表示装置３に表示する。これで、使用に際しての作業を完了する。なお、この表示は、センサー２が本体１１に被検査指Ｆ１〜Ｆ５のいずれか一つが挿入されていることを感知している限り表示され続けるようにプログラムされるが、表示時間を予め設定しておくこともできる。
【００３１】
マイクロコンピュータ８は、前記測定装置の制御機能の中枢部であり、以下のように測定を制御する。メインスイッチが作動し、センサー２を測定モードとして作動させると、発光部２ａから発した赤色及び赤外の２波長の光は、被検査指を透過後受光部２ｂに入射し、そこで光を電気信号に変換する。ここでは、２つの波長に対する脈動波形が得られる。ついで制御装置５を介して取込まれた２つの脈動波形から、演算処理装置４で被検査指の酸素飽和度が計算される。
【００３２】
演算処理装置４では、酸素飽和度の決定のために、さらに不規則ノイズ除去を行うことができる。ここで、５本の被検査指で同時に測定して、得られた酸素飽和度をＳ１〜Ｓ５とすると、演算処理装置４は酸素飽和度の平均値Ｓａｖ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｓ５）／５を計算し、その平均値と各被検査指の酸素飽和度の差（Ｓａｖ−Ｓ１，Ｓａｖ−Ｓ２，Ｓａｖ−Ｓ３，Ｓａｖ−Ｓ４，Ｓａｖ−Ｓ５）を求める。前記差があらかじめ設定された閾値よりも大きいものは不規則ノイズによる異常値と判断して、その被検査指で測定された値を除いて残りの被検査指で得られた平均値を被検査体の酸素飽和度とする。すなわちＳ３が異常の場合、酸素飽和度＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ４＋Ｓ５）／４となる。
【００３３】
ただし、複数、例えば３つ以上の被検査指で同時に異常値が検出されたときには、測定の信頼性が低いと判断して音声装置６及び／又は表示装置３で警告を発することができる。なお、前段の複数の酸素飽和度の平均値を算出することによっても、不規則ノイズの影響が緩和されるが、複数の不規則ノイズがあるときには精度が悪くなるので、上記の平均値からの差による不規則ノイズ除去を用いるのが好ましい。
【００３４】
また、上記平均値からの差による不規則ノイズ除去と異なる手段として、不規則ノイズ除去のアルゴリズムによることもできる。ここでは、被検査指のいずれか一つの酸素飽和度に不規則ノイズ除去のアルゴリズムを採用して、その結果の信頼性を確認するため、残り４つの被検査指の全部又は一つ以上の酸素飽和度を使用する。
また不規則ノイズ除去において、酸素飽和度の代わりに、脈拍数、又は、酸素飽和度と脈拍数の両方を用いてもよい。
【００３５】
不規則ノイズ除去の演算処理手段としては、特に限定されるものではなく、上記に記載した平均値からの差によって異常値を検出する手段、特定の不規則ノイズ除去のアルゴリズムによる計算手段等が用いられるが、この中で、特に演算処理が簡単で処理時間が短い平均値からの差によって異常値を検出する手段が好ましい。ここで、平均値からの差によって異常値を検出する手段は、例えば酸素飽和度及び／又は脈拍数の複数の測定値の平均値を算出し、この平均値からの差によって異常値を検出し、この異常値を除いた測定値の平均値を算出するものである。
【００３６】
さらに、ＲＯＭ７に動脈血酸素飽和度及び脈拍数の正常値範囲を記録しておき、制御装置５によって、センサー２による測定結果と該正常値範囲とを比較し、測定結果がこの範囲を外れるときには、音声装置６で警告音を発生させる制御プログラムを組むことができる。
【００３７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を以下に説明するが、本発明は、この実施例によってなんら限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
図１の測定装置を用い、不規則ノイズがない場合と不規則ノイズがある場合の結果を図４及び図５に示した。
図４は、不規則ノイズがない場合の結果であり、ＦＩ〜Ｆ５は、被検査指Ｆ１〜Ｆ５の酸素飽和度（％）（縦軸）の時間（秒）（横軸）による変動を表し、平均は、Ｆ１〜Ｆ５の平均値の時間（秒）変化を示す。なお、ここでは不規則ノイズによる異常値と判断する閾値を、酸素飽和度の差を０．２に設定している。
不規則ノイズがない場合は、被検査指Ｆ１〜Ｆ５の酸素飽和度の差が全て閾値０．２以下であるので、酸素飽和度の測定値はＦ１〜Ｆ５の平均値そのものとして表示される。
【００３９】
図５は、不規則ノイズがある場合の結果であり、ＦＩ〜Ｆ５は、被検査指Ｆ１〜Ｆ５の酸素飽和度（％）（縦軸）の時間（秒）（横軸）による変動を表し、平均は、Ｆ１〜Ｆ５の平均値の時間（秒）変化を示す。なお、ここでは不規則ノイズによる異常値と判断する閾値を、酸素飽和度の差を０．２に設定している。
図５では、Ｆ３に不規則ノイズが含まれるが、酸素飽和度の測定値をＦ１〜Ｆ５の平均値とすることで不規則ノイズの影響は一部除去できており、さらに不規則ノイズ除去処理を行うことで、一段と精度良く除去できることが分る。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の動脈血酸素飽和度測定装置は、複数箇所の部位を同時に測定することで不規則ノイズの高精度な除去ができ、また、統計処理等の特別な計算をしないで処理できるので測定時間も短くすることができる。また、本体を本発明の具体例である手袋型の構造にすれば、装着及び測定が簡便であり使用感に優れた測定装置であるので、その医療及び健康面での価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例である手袋型の測定装置を表す図である。（ａ）は正面図を、（ｂ）は背面図を示す。
【図２】本発明の測定装置の制御回路の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の一例である手袋型の測定装置を左手に装着した場合の使用の仕方を示す図である。
【図４】不規則ノイズがない場合の被検査指Ｆ１〜Ｆ５の酸素飽和度とそれらの平均値の時間変化を示す図である。
【図５】不規則ノイズがある場合の被検査指Ｆ１〜Ｆ５の酸素飽和度、それらの平均値及び不規則ノイズ除去処理後の平均値の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
Ｆ１ …親指（被検査指）
Ｆ２ …人差指（被検査指）
Ｆ３ …中指（被検査指）
Ｆ４ …薬指（被検査指）
Ｆ５ …小指（被検査指）
１ …動脈血酸素飽和度測定装置
２ …センサー（スイッチ兼用）
３ …表示装置
４ …演算処理装置
５ …制御装置
６ …音声装置
７ …ＲＯＭ
８ …マイクロコンピュータ
１１ …本体

Claims

被検査体の少なくとも２つの検査箇所を同時に測定できるセンサーを装着した本体と、該センサーによる測定結果を表示できる表示装置とを一体型で有することを特徴とする動脈血酸素飽和度測定装置。
前記センサーの測定によって得られた少なくとも２つの検査箇所での血液中の酸素飽和度及び／又は脈拍数を用いて不規則ノイズを除去する演算処理手段を有することを特徴とする請求項１に記載の動脈血酸素飽和度測定装置。
検査箇所は、親指、人差し指、中指、薬指又は小指から選ばれる少なくとも２ケ所であり、一方、本体は、手袋型の形状を有するとともに、その指挿入部にはそれぞれセンサーが設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の動脈血酸素飽和度測定装置。
表示装置は、手袋型をした本体の手首部分に設置されていることを特徴とする請求項３に記載の動脈血酸素飽和度測定装置。
本体は、伸縮性素材で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の動脈血酸素飽和度測定装置。
前記センサーによる測定結果が予め設定された数値範囲を外れたときに、それを知らせることができる音声装置を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の動脈血酸素飽和度測定装置。