JP2006510902A - 血中測定のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

容器内の血液を囲む光プローブ構成が提示される。光プローブは、容器が半透明医療用チューブ等である場合の変動を克服するように配置されたＬＥＤ及び光検出器を備える。複数の光検出器からの信号を平均してヘマトクリット測定時の結果をさらに向上させるために、信号処理アルゴリズムも用いられる。透析器または輸液チューブに大きな変更を加えずに、ヘマトクリット測定機能を透析システムに付加することが可能になる。

Description

本発明は光学的手段による様々な血液組成の測定に関する。血液が−好ましくは−近赤外または赤外光で照射される。光散乱及び光の減衰が測定され、ヘマトクリットのような血液組成を計算するために、容器壁の光学的変化、流量等に対する新規な補整が用いられる。本発明により、大きな変更を加えることなく、透析システムにヘマトクリット測定の機能を追加することが可能となる。この機能を追加することにより血液容積測定がいつでもできるようになる。

ヘマトクリットは血液中の赤血球（ＲＢＣ）の密度である。ヘマトクリット値の測定は患者の状態の評価に非常に重要である。確立されたヘマトクリット測定法は被験者（患者）からの血液抜取りによる方法である。例えば患者の透析処置の間に、光学的または超音波手段によってヘマトクリットを光学的に測定する様々な方法が試みられてきた。これらの状況においては、ヘマトクリットレベルだけでなく、このパラメータの比変化も極めて重要である。最適化されているが、それでも安全な透析処置を提供するためには、処置の間、ヘマトクリットまたは比血液容積の変化を監視する必要がある。輸液チューブと一体型の専用キュベットを使わずにヘマトクリットを測定できる製品は、これまでのところ、ヘマトクリットまたは比血液容積変化の監視の試みからは全く生まれていない。したがって、これまでのところ用いられている方法では、輸液チューブに使い捨てキュベットを装着しなければならないことから、透析処置毎の費用が大きくなっていた。本明細書に提示される発明は、いかなる特別なキュベットも必要とせず、代わりに、処置毎の費用を大きくすることなく、市販されている標準透析輸液チューブであれば、どれであっても、直接に、ヘマトクリットを測定または比血液容積変化を監視できる可能性を提供する。

ヘマトクリットは医療診断の早いうちから様々な方法で測定されてきた。連続測定は透析処置中に特に有用である。透析プロセス中、血流から液体が抜き取られる。この結果、このプロセス中にヘマトクリットが増加する。良好な透析処置品質の保証のため、ヘマトクリット値は患者の血流からの流体の抜取り率に関する肝要な情報を医療管理者に提供するので、ヘマトクリット値は監視されるべきである。

血中のヘマトクリットの光学測定の分野では様々な技法が提示されてきた。いくつかの技法は、ＲＢＣが血管、キュベット等の中の血液を通過している光に及ぼす散乱効果を利用する。オッペンハイマー（Oppenheimer）は散乱度を測定して血液組成を導出する方法を特許文献１に提示している。

その他の特許文献として、キュベット内の血液の散乱効果を説明する、カーカー（Karkar）の特許文献２がある。クリヴィツキー（Krivitski）等の特許文献３は、１つの発光ダイオード及び１つのセンサを用いる測定器を説明している。ワイリー（Wylie）等の特許文献４は、ＲＢＣが光に与える散乱効果を用いるヘマトクリット測定法の別の説明である。しかし、既知の方法及び装置では満足な精度が得られない。
米国特許第５６０１０８０号明細書 米国特許第４７４５２７９号明細書 米国特許第６４９３５６７号明細書 米国特許第６０６４４７４号明細書

高精度で、光学的に直接にヘマトクリットを測定するかまたは比血液容積変化を監視する手段を提供する

上記の課題は、本発明によれば、血液中に光を放射し、次いで互いに対向して配置された２つの検出器を用いて測定を実行することによって解決される。

本発明によれば、従来技術の問題を克服する新しい光プローブ構成を含む手法により、血液特性を、例えば、吸光度、屈折等のような光学変化として測定するための新しい方法及び新規な装置が提示される。本発明は、透析における輸液チューブのような透明チューブに極めて容易に適用できるクランプの形状をとることさえもできる。新しいプローブにより、厚さ及び形状が変わる透明輸液チューブを通して測定するという事実にもかかわらず、ヘマトクリット値を技術上例を見ない精度で得ることが可能になる。

本発明の実用的な実施形態において、血液は透明チューブを流過しながら測定される。例えばレーザからの光ビームがチューブに垂直に向けられ、互いに対向する、光ビームに垂直な２つのセンサが光を捕らえ、センサ信号が評価に用いられる。光源及びセンサは同じ平面におくことができるが、センサ平面は光ビームに対し、例えばチューブに沿って、若干オフセットさせることもできる。精度を向上させるために、チューブに沿い、上流側または下流側のいずれかにオフセットされた複数のセンサ対の使用を考えることもできる。それぞれの対に第３のセンサを追加することもでき、この第３のセンサは光源に近づけて配置される。

この解決策では、有利なことに、センサの光源に対するオフセットを大きくして、２つのセンサの受光区画が光ビームと交差しないようにできる。オフセットを大きくするとともに比変化に対する感度は高くなるが、一方で、オフセットが小さいほど、より正確な絶対ヘマトクリット測定値が得られるであろう。したがって、透析中に、絶対値を確実に得るために一組のセンサを用い、次いでレベルの監視及び制御のためにオフセットをより大きくして配置された一組のセンサを用いることが可能である。

別の好ましい発展形態は、特許請求の範囲及び以下の本発明の好ましい実施形態の説明から明らかである。

発明者等は、ヘマトクリット値の評価に際し、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び光検出器の以下の配置を用いることで極めて良好な結果を得た。得られたヘマトクリット値は研究所の基準値に対して非常によい相関を示す（図６）。

４個のＬＥＤが、図１に示されるように、血液のための、チューブのような容器を囲んで好ましくは互いに直角をなす態様で−ただしこれには限定されずに−配置される。光検出器は、同様に図２にしたがって互いに直角をなしていることが好ましいが、図３に示されるようにＬＥＤ囲繞区画から長さ方向に距離をおく態様で配置される。別の実施形態においては、第２の光検出器囲繞区画が取り付けられる。この配置は図４に示される。

ＬＥＤと光検出器の構成は、最善の理解のため、ＬＥＤと光検出器の群と見なされるべきである。例えば、ＬＥＤ５ａと光検出器６ｂは１つの群である。別の群はＬＥＤ５ｂ並びに光検出器６ａ及び６ｃとすることができる。直接透過光が得られるようにＬＥＤ及び光検出器が位置合せされてはいないことに注意されたい。本発明では、従来技術の場合に多く見られるような、直接透過光の利用はなされていない。

１つまたは複数の光検出器からなる群から検出される光サンプルは、いかなる一瞬においても採取できる。別のサンプルを、第２のサンプルとして同じかまたは別の群から採取できる。第１のサンプルがＬＥＤ５ａ並びに光検出器６ｂ及び６ｄからなる第１の群から採取され、第２のサンプルがＬＥＤ５ｂ並びに光検出器６ａ及び６ｃからなる第２の群から採取され、第３のサンプルがＬＥＤ５ｃ並びに光検出器６ｂ及び６ｄからなる第３の群から採取され、最後に、第４のサンプルがＬＥＤ５ｄ並びに光検出器６ａ及び６ｃからなる第４の群から採取されることが好ましい。これらの４つの順次に収集されて信号処理されたサンプルから第１の結果が導かれる。処理には、測定される血液組成の検出をさらに向上させるための、検出器からの信号に対する増幅率変化を含めることができ、これらの信号の間の相関係数も含めることができる。結果は、ヘマトクリットなどの血液組成に対する第１の結果となる。この処理において、容器内のフローパターンの断面の変化から生じる誤差が低減される。さらに、平均することで容器壁が測定値に与える効果を低減することができる。これは、容器が透析システムの体外回路である場合に極めて有益である。開示される本発明の主要な利点の１つは、透析体外回路の、すなわち、回路のいわゆる輸液チューブの、壁を通してヘマトクリットを測定する新しい可能性にある。特別なキュベットまたは専用の代用血管の配置が必要ではないことが極めて有利である。本プロセスにより、体外回路への専用チューブの取付けさえも不必要になる。この特徴は、健康管理者にとってかなりの費用節約となる。輸液チューブへの本明細書に開示されるプローブの取付けには、プローブが透析システムの通常の機能を妨げないという利点もある。これは、ヘマトクリット測定の装備がなされていないどのような既存の透析システムであっても、ヘマトクリット測定を行えるシステムにグレードアップできるという極めて有益な可能性を提供する。引き続いて、血液容積変化を計算して表示することができる。

本発明の一実施形態においては、２つの検出器アレイが用いられる。チューブのような容器内の血流の下流側（または上流側）に、第２の検出器アレイが取り付けられる。これは図４に示される。この“２次”検出器をプロセスに含めることにより、数学的信号処理で結果をさらに向上させることができる。

本発明の別の実施形態においては、第２の検出器アレイを含む、第２のＬＥＤ及び光検出器の構成が取り付けられる。これは図５に示される。この実施形態において、ＬＥＤは別々の波長で発光する。これにより、技術上既知のヘモグロビン飽和度のような、血液組成のさらなる計算のための限定されたスペクトル解析が可能になる。この第２のアレイから導かれる結果は、信号処理において、上述した第１のアレイから導かれる値と有益に組み合わせることができる。そのような処理により、血液組成から全てのパラメータを出力するだけでなく、第１のアレイからの信号の信号処理への入力に飽和値を影響させることも可能になる。これは、第１のアレイからの第１の処理による血液組成の第１の結果に血液飽和度が影響し得るから、有益である。

図面及び上述の説明では、透明血液輸送チューブが、ＬＥＤ及びセンサが配置される２つの基本的にＶ字型の壁の間に挟まれて示されている。別の実施形態においては、チューブ壁がＬＥＤ及びセンサのある場所で基本的に平坦になるようにチューブを挟んで整形するために、ブロックにつけられたＶ字型溝を用いることができる。

また別の実施形態においては、チューブに向かうコリメータとしてはたらく、さらに小さい開口をもつ小さな孔にセンサを配置することができる。

本発明の測定法方及び装置が従来技術よりずっと優れている理由は今のところ明らかではないが、１つの理由はセンサと光源の間のオフセットであるかもしれない。光の経路において血液量により散乱され、センサの受光区画に入射して受光区画からセンサに入る光だけが記録されるであろう。言い換えれば、少なくとも２回散乱された光だけがセンサに届くであろう。互いに直角に光源及びセンサを配置することにより、センサからの信号がヘマトクリット値の関数になるように、チューブ断面の大部分にある血球が寄与する機会を有することになるであろう。

血液９用のチューブなどの容器８を嵌め込むのに適する２つの半割部品２及び３からなる枠にある孔４に発光ダイオード５を収めている、光プローブ構成１の断面である 血液９用のチューブなどの容器８を嵌め込むのに適する２つの半割部品２及び３からなる枠にある孔４に光検出器６を収めている、光プローブ構成１の断面である 光プローブ構成１上の光検出器６及び発光ダイオード５のアレイの配置を示す。本図は、図１及び図２にしたがうアレイを、発光ダイオードに対しては“Ａ−Ａ”で示され、光検出器に対しては“Ｂ−Ｂ”で示される位置に配するという案である 光検出器７の第２のアレイの配置を示す さらに発光ダイオード１１及び光検出器１０の実施形態をもつ光プローブ構成１を示す 得られたヘマトクリット値を、認定された臨床研究所において実施された測定値に照らして下す

符号の説明

１ 光プローブ構成
２，３ 半割部品
４ 孔
５ 発光ダイオード
６ 光検出器
８ 容器
９ 血液

Claims (23)

1. 血液中の血球密度を測定する方法において、検査されるべきスペースに光ビームを向ける工程を有してなり、１つまたは複数のセンサが、前記空間の容積内で前記センサの受光区画が光源からの前記光ビームと交差しないように配置されていることを特徴とする方法。
2. 互いに対向する２つのセンサを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記光ビーム及び前記受光区画が互いに直角をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 血液中の血球密度を測定するためのセンサ装置において、容器またはチューブ、前記容器またはチューブに面する光ビーム源及び同じく前記容器またはチューブに面する１つまたは複数のセンサを備え、前記センサの受光区画が前記容器またはチューブ内で前記光ビーム源の光ビームと交差しないように配置されていることを特徴とするセンサ装置。
5. 前記光ビーム源及び前記センサのそれぞれの位置が前記容器またはチューブの長さ方向に間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. ２つのセンサが、それぞれの検知方向を前記光ビームに対して直角にして配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載のセンサ装置。
7. 容器内の血液を囲む光プローブ構成において、前記光プローブ構成が少なくとも２組の光源及び光検出器を備え、それぞれの組が１つの光源及び少なくとも１つの光検出器を有し、それぞれの組がそれぞれの組の前記光源と前記少なくとも１つの光検出器との間で好ましい角度で血液を徹照するように配置され、前記角度が、血液組成の検出のために、前記光源から前記光検出器への直接光を防ぐに少なくとも十分であることを特徴とする光プローブ構成。
8. それぞれが光源及び２個または３個の光検出器からなる組を４組備え、光検出器が隣の組に組み込まれている検出器を表し得ることを特徴とする請求項７に記載の光プローブ構成。
9. 前記光源が、細長い容器を、前記容器の周を囲む１つの位置において、囲繞するようなアレイとして配置され、前記光検出器が長さ方向で異なる周位置において前記容器を囲繞するように配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光プローブ構成。
10. 光検出器の第２のアレイが前記容器の周を囲む長さ方向で第３の位置に配置され、前記光検出器が前記第３の周位置において前記容器を囲繞するように配置されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の光プローブ構成。
11. 血液組成を検出するために、前記光検出器からの信号を増幅し、前記光検出器からの前記信号に信号処理アルゴリズムを使用する手段を含むことを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の光検出器からの信号を処理するための方法。
12. ヘマトクリットを検出するために、前記光検出器からの信号を増幅し、前記光検出器からの前記信号に信号処理アルゴリズムを使用する手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の光検出器からの信号を処理する方法。
13. 前記信号処理手段が前記信号処理にかかわる全ての光検出器からの信号の多変量解析を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 光検出器の第３のアレイが前記容器の周を囲む長さ方向で第４の位置に配置され、前記光検出器が前記第４の周位置において前記容器を囲繞するように配置され、発光ダイオードの第２のアレイが前記容器の周を囲む長さ方向で第５の位置に配置され、前記発光ダイオードが前記第５の周位置において前記容器を囲繞するように配置されていることを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の光検出器またはプローブ構成。
15. 血液組成を検出するために、前記光検出器からの信号を増幅し、前記光検出器からの前記信号に信号処理アルゴリズムを使用する手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の光検出器からの信号を処理する方法。
16. ヘマトクリットを検出するために、前記光検出器からの信号を増幅し、前記光検出器からの前記信号に信号処理アルゴリズムを使用する手段を含むことを特徴とする請求項１５に記載の光検出器からの信号を処理する方法。
17. 血液中の酸素飽和度を検出するために、前記光検出器からの信号を増幅し、前記光検出器からの前記信号に信号処理アルゴリズムを使用する手段を含むことを特徴とする請求項４から１０のいずれかに記載の光検出器からの信号を処理する方法。
18. 時間ドメインで信号が処理される信号処理を含むことを特徴とする請求項１から３，１１から１３または１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 血液からヘマトクリット値を計算するためのシステムを備え、データをディスプレイに表示し、及び／またはデータを別のアプリケーションに転送することを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の装置。
20. 血液からヘマトクリット値及び酸素飽和値を計算するためのシステムを備え、データをディスプレイに表示し、及び／またはデータを別のアプリケーションに転送することを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の装置。
21. 血液中の血球密度を測定する方法において、検査されるべきスペースに光ビームを向ける工程を有してなり、互いに対向する２つのセンサが用いられることを特徴とする方法。
22. 前記光ビーム及びセンサ“ビーム”が互いに直角をなすことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記測定が、チューブに方形の断面が与えられ、光源及びセンサが平坦表面に配置されるように、Ｖ字型のくぼみをもつホルダに挟持された、前記チューブ内で行われることを特徴とする請求項４から１０または１９から２０のいずれか１項に記載のプローブまたは検出器構成。

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