JP2005528134A - 静脈の酸素測定法、静脈の脈動酸素測定法 - Google Patents
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Abstract
を含んでなる静脈の酸素飽和度を非観血的に測定する方法。
Description
本発明は、静脈血液量の規則的変調を誘導する手段、及びセンサーを使用するこれらの変調に関連した測定に関する。血管の組織を照明し、そして組織を通過した光を検出することによって、光線の吸収強度の差による血液量の変化を記録することができる。これは、少なくとも二つの別個の波長の照明の使用及びその後の検出によって達成される、静脈血の酸素飽和度の測定において特別な適用を見出す。
静脈血の酸素飽和度(SvO2)をモニターすることは、静脈酸素測定法と呼ばれる。この方法は、患者の全体的な酸素の供給及び消費をモニターするために、集中治療室(ICU)でしばしば使用される。現時点の観血的な方法は、その利用低下となっているが、しかしSvO2は、疑問の余地なく酸素化の評価の価値ある査定の道具である。
次いで脈動酸素濃度計は、比の比を測定し、そして同時にin vitroの飽和度測定のための動脈血液の試料採取によって補正される。
身体の第1の部位に圧力変換器を適用し、
前記の外部の圧力変換器に所定の周波数で駆動信号を適用して、前記の第1の部位の近辺の静脈血液量に所定の大きさの一連の脈動を起こさせ、
身体の第2の部位に酸素濃度計装置を適用し、
前記の酸素濃度計装置から受信する出力信号を測定し、前記の出力信号は、前記の脈動による静脈血液量の変調を代表する成分を含有し、
前記の出力信号の周波数反応から静脈の酸素飽和度の測定値を誘導すること、
を含んでなる静脈の酸素飽和度を非観血的に測定する方法が提供される。
前記の駆動信号によって起こされる脈動の周波数ωm及び心拍数ωHR間の関係は、以下の式:
ωm≠n(ωHR±ΔωHR)
及び
ωm±(ωHR±ΔωHR)≠n(ωHR±ωHR)
式中、n>1である
の条件を満たすように選択することができる。
理想的には脈動の大きさは、動脈系を乱さずに静脈血形を変調するように制御される。脈動の大きさが、受信した信号のDC水準の1%より少ない変化、又は更に好ましくは受信した信号のDC水準の概略0.1%の変化を起こすように制御することができる。
身体の第1の部位に一連の脈動を適用するための圧力変換器、
脈動酸素濃度計、
静脈血液量を変調するように、前記の脈動の周波数及び/又は大きさを制御するための制御手段、
前記の酸素濃度計から受信した信号から静脈の酸素飽和度の値を抽出するための信号処理手段、
を含んでなり、前記の信号は前記の脈動による静脈血液量の変調の代表する成分を含有する、静脈の酸素飽和度を非観血的に測定するための装置をも提供する。
ωm≠n(ωHR±ΔωHR)
及び
ωm±(ωHR±ΔωHR)≠n(ωHR±ωHR)
式中、n>1である
の条件によって制御するために操作される。
光学距離の微小な変化(低規模の静脈及び動脈の変調の存在から得られる)から得られる受信した強度の微小な変化を調査し、そして準静的(DC)強度によって正規化された結果の変化(AC)、即ち以下の式:
等式(3)で表現される量は、誘導された静脈の変調が既知の原因であるために、電子回路(又は他の信号処理法)によって分離することができる。分離の一つの方法は、動脈の脈動とは別個である帯域中の静脈系の周波数変調を誘導することである。一旦動脈及び静脈の動特性の単離が達成されたならば、補正の処理を適用することができる。脈動酸素測定法の古典的Beer−Lambertモデルの倒置は、二つの異なった波長における等式(3)の二つの場合を作ることによって通常達成される。次いでこれらの等式を、使用した二つの波長における血液の全吸光度の比として定義される比の比、R、として知られる量に対して解く。等式(3)のそれぞれの項が単離されたと仮定して、以下の式:
次いで二つの波長における酸素化された及び脱酸素されたヘモグロビンの吸光係数の知識を、計算されたRから以下の式:
本発明は、その近辺の静脈血に脈動信号を注入することによる人差し指の静脈血液量の変調を含む、具体的な態様の記載による例によってここに例示されるものである。変調を達成する方法、信号の記録及び変調された信号の抽出を以下に概略記載するものである。
図3の線図は、いずれもの静脈の血液量の変調を伴わずに記録されたPPG信号(AC成分)を示す。上部の波形及び下部の波形を得るために使用した信号の供給源は、それぞれIR及び赤である。
変調された波形に対して高速フーリエ変換(FFT)を行うことによって、二つの波長の出力スペクトル密度を得ることができる。図5は、二つの波長における出力スペクトル密度を示す。
先に記述したように、静脈血の変調による信号が、PPG信号と分離することができることが重要である。これを達成する一つの方法は、脈動が適用される周波数が、PPG信号と区別されるように選択されることを確実にすることである。
変調周波数の上限は、血管系の周波数反応の関数である。従って、高すぎる変調周波数は、変調信号を完全に記録することに失敗するものである。
式中、fnは係数であり、そしてωHRはPPG基本周波数であり、そしてnは高調波(n=1は基本周波数である)を表し、そしてφHRは関係する位相である。
fm(t)=g0sin(ωmt+φm)・・・・・・・・・・・・・・(2)
によって表すことができる。
心拍数の変動性を例示するために、等式(1)は、以下の式:
測定の最適化のために合致する必要がある二つの条件は、以下の式:
ωm≠n(ωHR±ΔωHR)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
及び
ωm±(ωHR±ΔωHR)≠n(ωHR±ωHR)・・・・・・・・・・(5)
式中、n>1である
である。
従って、ωmは、少なくとも4Hzより大きく、しかし信号検出のための濾波回路の上部遮断周波数(典型的には3Hzないし6Hz)より小さくなければならない。殆んどの商業的SpO2装置は、低い遮断周波数を使用している。従って、ωmは、最適化された帯域の狭い範囲に設定しなければならない。
最後のグラフ(図7e)は、最適化された変調周波数を示す。倍数項及び変調基本波の両方は、第3高調波領域を超えていた。これは、心拍数の変動性を満足するために行った。
上記で先に記述したように、変調圧力は、倍数項の大きさによって調節することができる。変調圧力は、静脈血系に人工的な脈動を起こすために十分に高く、そしてなお動脈系に影響するほど強すぎてはならない。大きすぎる圧力の指標は、検出された信号の周波数スペクトル中の倍数項の出現である。倍数項は、根源的な動脈系が乱される程度の指標であるために、この項を最小化することが重要である。
Claims (18)
- 身体の第1の部位に圧力変換器を適用し、
前記外部の圧力変換器に所定の周波数で駆動信号を適用して、前記第1の部位の近辺の静脈血液量に所定の大きさの一連の脈動を起こさせ、
身体の第2の部位に酸素濃度計装置を適用し、
前記酸素濃度計装置から受信する出力信号を測定し、前記出力信号は、前記脈動による静脈血液量の変調を代表する成分を含有し、
前記出力信号の周波数反応から静脈の酸素飽和度の測定値を誘導すること、
を含んでなる静脈の酸素飽和度を非観血的に測定する方法。 - 一方の前記第1の部位及び第2の部位間の距離、並びに他方の脈動の大きさ間の関係が、動脈系に対する乱れを表示する測定された信号の周波数スペクトルの倍数項が、最小化されるようなものである、請求項1に記載の方法。
- 前記駆動信号の周波数が、前記脈動が、心拍数と識別可能であるように選択される、請求項1又は2のいずれか1項に記載の方法。
- 前記駆動信号によって起こされる脈動の周波数ωm及び心拍数ωHR間の関係が、以下の式:
(数1)
ωm≠n(ωHR±ΔωHR)
及び
ωm±(ωHR±ΔωHR)≠n(ωHR±ωHR)
式中、n>1である
の条件を満たすように選択される、請求項1に記載の方法。 - 前記駆動信号の周波数が、心拍数の実時間の測定に基づいて反復的に決定される、請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記脈動の大きさが、動脈系の乱れが、最小であるように制御される、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記脈動の大きさが、受信した信号のDC水準の1%より少ない変化を起こすように制御される、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記脈動の大きさが、受信した信号のDC水準の概略0.1%の変化を起こすように制御される、請求項7に記載の方法。
- 前記酸素濃度計が指に置かれ、そして更なる圧力変換器が肢の末端から離れて置かれ、そして前記肢への、及びそれからの血液の供給を閉塞するように配置され、そして前記測定が閉塞期間中に行われる、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記脈動の大きさが、前記脈動の大きさを漸進的に増加し、そして出力信号の周波数反応を観察することによって決定され;周波数スペクトルの倍数項の出現が、最大許容大きさに達したことの表示である、請求項2に記載の方法。
- 前記倍数項が出現する点に達した時点で、その後、脈動の大きさを倍数項が微々たるものとなる点まで減少する、請求項10に記載の方法。
- 更に補正工程を含み、この間に最適の間隔を誘導するために、脈動の大きさを一定に保持しながら第1及び第2の部位間の間隔を変化する、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記補正工程が、第1及び第2の部位の間隔を一定に保持ながら、脈動の大きさを変化する更なる工程を含む、請求項12に記載の方法。
- 動脈の酸素飽和度の測定値が、前記出力信号の周波数反応から誘導され、そして差が前記動脈の水準であり、そして静脈の酸素飽和度が組織の酸素消費量の代表である、請求項1ないし13のいずれか1項に記載の方法。
- 身体の第1の部位に一連の脈動を適用するための圧力変換器、
脈動酸素濃度計、
静脈血液量を変調するような、前記脈動の周波数及び/又は大きさを制御するための制御手段、
前記酸素濃度計から受信した信号から静脈の酸素飽和度の値を抽出するための信号処理手段、
を含んでなり、前記信号が、前記脈動による静脈血液量の変調の代表である成分を含有する静脈の酸素飽和度を非観血的に測定するための装置。 - 前記制御手段が、前記駆動信号によって起こされる脈動の周波数ωm及び心拍数ωHR間の関係を、以下の式:
(数2)
ωm≠n(ωHR±ΔωHR)
及び
ωm±(ωHR±ΔωHR)≠n(ωHR±ωHR)
式中、n>1である
の条件によって制御するために操作する、請求項15に記載の装置。 - 前記圧力変換器が、空気ポンプから空気を供給される膨張可能な指加圧帯を含んでなる、請求項15又は16のいずれか1項に記載の装置。
- 前記圧力変換器及び前記脈動酸素濃度計が、一体化された装置として形成される、請求項17に記載の装置。
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