JP2007167183A - 光電脈波測定装置、指先装着用プローブ及び光電脈波測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】爪にマニキュアが塗布されていても、正確に光電脈波を計測できるようにする。
【解決手段】パルスオキシメータのプローブは、所定波長の光を発する発光部４１と、発光部４１から発せられ指先ＦＳの生体組織を経由した光を受光する受光部４２と、発光部４１及び受光部４２を保持する保持部材１０とを備える。保持部材１０は変形可能な部材からなり、指先ＦＳの腹部の形状に沿う凹面部１１を備える。指先ＦＳの腹部を凹面部１１に押し当てることにより保持部材１０が変形し、発光部４１が指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１へ、受光部４２が指先ＦＳの他方の側面Ｆｒ２へ密着される。これにより、爪Ｆｎを経由せず、指先ＦＳの側面Ｆｒ１、Ｆｒ２間に測定光ｏｐを透過させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、人体の指先に対して測定光を投受光することで、脈拍や血中酸素飽和度等を計測する光電脈波測定装置、これに用いる指先装着用プローブ及び光電脈波測定方法に関するものである。

従来、脈拍や血中酸素飽和度等を計測するために、人体の指に対して測定光を投受光するプローブを備えた光電脈波計やパルスオキシメータ（いずれも光電脈波測定装置の一例である）が知られている。パルスオキシメータ（例えば下記特許文献１参照）は、専ら睡眠時無呼吸症候群（ＳＡＳ）の診断を目的として、異なる２波長の光を発する発光部と受光部とを備えるプローブを被験者の指に装着して光を生体（指）に向けて投光し、生体を経由した光の光量変化を検出して得られた２波長脈波波形に基づき、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）の時間変化を求めるものである。一方、光電脈波計では、所定波長（１波長で足りる）の光を発する発光部と受光部とを備えるプローブが用いられ、脈拍数の計測のほか、例えば脈波のピーク間隔を解析することで不整脈の検出等を行うことができる。

ところで、上記発光部と受光部とを備えるプローブは、通常指先に取り付けられる。これは、指先には動脈血管が集中しており、動脈血の脈動、すなわち光電脈波を検出し易いからである。またプローブは、クリップ構造等を備え、指先にクリッピングするだけで、所定の位置に発光部及び受光部を対向配置させた状態で指先に装着できるようになっている。図１６に従来のプローブＰの一例を示す。ここでは、被測定指Ｆの指先背部側にフィットする背部片Ｐｂと指先腹部側にフィットする腹部片ＰｉとがヒンジＰｈで結合され、前記背部片Ｐｂと腹部片Ｐｉとの間が閉じる方向に付勢されたクリップ構造の例を示している。

ここで、発光部及び受光部の配置については、従来は透過測定用の配置又は反射測定用の配置のいずれかが採用されている。図１７は、この２つの配置タイプを示すものである。図１７（ａ）は、透過測定を行う場合の発光部９１及び受光部９２の配置を模式的に示す側面図である。この場合、被測定指Ｆの指先背部Ｆｂ側（爪Ｆｎ側）に発光部９１が、指先腹部Ｆｉ側に受光部９２がそれぞれ配置され、発光部９１から発せられた測定光ｏｐが指先の生体組織を透過して受光部９２に受光されるものである。かかる配置を図１６に示すプローブＰに当てはめると、背部片Ｐｂに発光部９１が、腹部片Ｐｉに受光部９２がそれぞれ保持されることとなる。なお、この場合は、プローブＰのクリッピング力により発光部９１及び受光部９２を指先背部Ｆｂ及び指先腹部Ｆｉにそれぞれ圧接される。

一方、図１７（ｂ）は、反射測定を行う場合の発光部９１及び受光部９２の配置を模式的に示す側面図である。この場合、被測定指Ｆの指先腹部Ｆｉ側に発光部９１と受光部９２とが並列配置され、発光部９１から発せられ指先の生体組織中で反射された測定光ｏｐが受光部９２に受光されるものである。かかる配置を図１６に示すプローブＰに当てはめると、腹部片Ｐｉに発光部９１及び受光部９２が保持されることとなる。
特開平１−１５３１３９号公報

図１７（ａ）に示す透過測定用の配置は、発光部９１と受光部９２とが対向配置されることから、測定光ｏｐを効率良く受光させることができ、Ｓ／Ｎ比が良好な測定を行うことができる。しかしながら、かかる配置では指先背部Ｆｂ及び指先腹部ＦｉがプローブＰの背部片Ｐｂ及び腹部片Ｐｉで挟持されることから、長時間プローブＰを指先に装着すると被験者が圧迫による痛みを感じてしまうことがある。また、クリッピングの付勢力をもって発光部９１が指先に押圧され続けることから、発光部９１（例えばＬＥＤ）が発する熱により低温ヤケドを惹起する懸念もある。さらには、爪Ｆｎの表面に測定光ｏｐの透過を阻害するようなマニキュア等が塗布されていると、正確な測定が行えないという問題があった。

また、図１７（ｂ）に示す反射測定用の配置では、指先を強くクリッピングする必要はなく、また柔軟な指先腹部Ｆｉ側に発光部９１及び受光部９２が配置されることもあり、被験者は比較的圧迫感を感じないという利点がある。しかし、反射光の測定という形態を取ることから、受光部９２で受光される測定光ｏｐの光量が少なくＳ／Ｎ比がどうしても悪化してしまい、また測定される脈波波形の振幅が小さくなるという不都合があった。さらに、発光部９１から発せられた測定光ｏｐが、指先内の生体組織を経由せずに指先腹部Ｆｉの表面で反射して、受光部９２で受光されてしまうといった不具合が生じることがあった。

本発明は上記のような透過測定、反射測定において生じる各種の問題を解決するために提案されたものであって、プローブ装着時の圧迫感を可及的に抑制すると共に、発光部から発せられた測定光が指先の生体組織を経由して適正に受光部で受光され正確な光電脈波測定を行うことができる光電脈波測定装置、指先装着用プローブ及び光電脈波測定方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る光電脈波測定装置は、所定波長の光を発する発光部と、該発光部から発せられ生体を経由した光を受光可能とされた受光部と、前記発光部及び受光部を所定の取付部において保持する保持部材とを備えた指先装着用のプローブを有する光電脈波測定装置において、前記保持部材は、指先の腹部若しくは背部の形状に沿う凹面部と、前記凹面部の一端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の一方の側面に対向する位置に設けられる発光部取付部と、前記凹面部の他端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の他方の側面に対向する位置に設けられる受光部取付部とを具備することを特徴とする。

この構成によれば、指先の腹部若しくは背部を前記凹面部に沿わせることで、前記発光部取付部に保持された発光部が指先の一方の側面が配置され、前記受光部取付部に保持された受光部が指先の他方の側面されるようになる。すなわち、発光部と受光部とが、指先を挟んでその側面部位に対向配置されるようになる。従って、発光部から発せられた光は、爪の部分を経由することなく、指先の一方の側面から他方の側面へ透過し、受光部で受光されることとなる。

上記構成において、前記保持部材が所定の変形動作を行う部材であって、前記凹面部に指先の腹部若しくは背部を介して押圧力が与えられたことに伴う変形力で、指先の各側面に前記発光部取付部及び受光部取付部に各々取り付けられた発光部及び受光部がそれぞれ密着されるような変形動作を行うことが望ましい（請求項２）。指先の形状や大きさには個人差があることから、指先の側面部位において光の投受光を行う場合、発光部及び受光部の前記側面部位へのフィット性が問題となる場合がある。上記構成によれば、指先の腹部若しくは背部を介して前記凹面部に押圧力が与えられることで前記保持部材が変形し、このときの変形力によって発光部及び受光部が指先の側面部位に密着されることから、指先の形状や大きさについての個人差に対応できるようになる。また、保持部材を易変形性の部材で構成することで、プローブ装着時の圧迫感が緩和されるようになる。

また、前記保持部材にヒンジ結合され前記凹面部を塞ぐ方向に付勢された装着片が、前記プローブに備えられていることが望ましい（請求項３）。この構成によれば、装着片の付勢力を利用したクリッピング動作により、プローブを指先に簡単に装着できるようになる。

さらに、前記保持部材が、シート状の基材の略中央部に配置された前記凹面部を形成する指載置部と、前記指載置部を挟んで配置された発光部取付部及び受光部取付部とを備えていることが望ましい（請求項４）。この構成によれば、シート状の基材の指先への巻回動作により、発光部及び受光部を指先の側面に位置決めしつつ、プローブを指先に装着できるようになる。

上記いずれかの構成において、前記凹面部の底部に、前記発光部から発せられた光が凹面部の沿面を経由して前記受光部で受光されることを抑止する遮蔽手段が設けられていることが望ましい（請求項５）。この構成によれば、凹面部の沿面を経由する光が遮蔽手段により遮蔽されることから、指先の生体組織を経由した光のみが受光部で受光されるようになる。

また、上記いずれかの構成において、前記プローブに光電脈波測定装置の装置本体部が一体的に取り付けられてなり、前記装置本体部は、前記プローブの動作制御を行うと共にプローブから出力される測定信号に対して所定の処理を行う制御処理手段と、前記測定信号若しくは前記制御処理手段により処理された測定データを記憶可能なメモリ部と、測定に関連する所定の情報を表示する表示部とを含むことが望ましい（請求項６）。この構成によれば、プローブと装置本体部とが一体化されているので装置構成が簡素化され、装置のコンパクト化並びにコストダウンを図ることができるようになる。

本発明の請求項７に係る指先装着用プローブは、所定波長の光を発する発光部と、該発光部から発せられ生体を経由した光を受光可能とされた受光部と、前記発光部及び受光部を所定の取付部において保持する保持部材とを備えた指先装着用プローブであって、前記保持部材は、指先の腹部若しくは背部の形状に沿う凹面部と、前記凹面部の一端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の一方の側面に対向する位置に設けられる発光部取付部と、前記凹面部の他端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の他方の側面に対向する位置に設けられる受光部取付部とを具備することを特徴とする。

本発明の請求項８に係る光電脈波測定方法は、所定波長の光を発する発光素子を指先の一方の側面に対向配置すると共に、前記発光部が発する光に対して少なくとも感度を有する受光素子を指先の他方の側面に対向配置し、前記発光素子を所定のサンプリング周期で発光させて、指先の一方の側面から他方の側面に向けて透過した光を前記受光素子で受光させることを特徴とする。

請求項１及び請求項７に係る発明によれば、発光部から発せられた光は、爪の部分を経由することなく、指先の一方の側面から他方の側面へ透過し、受光部で受光される。従って、爪にマニキュア等が塗布されていても、これに影響を受けることなく光電脈波の測定を行うことができ、正確な測定結果を得ることができる。また、指先の腹部若しくは背部を前記凹面部に沿わせることで発光部及び受光部の位置決めがなされるので、指先の背部及び腹部を位置決めのためにクリッピングする必要がなく、被験者のプローブ装着時における圧迫感を軽減することができ、さらには低温ヤケドの懸念も払拭できるという利点がある。

請求項２に係る発明によれば、保持部材の変形動作により発光部及び受光部が指先の側面部位に密着されるので、指先の形状や大きさについての個人差に対応でき、汎用性を高めることができる。

請求項３に係る発明によれば、プローブを指先へ簡単に装着でき、ユーザの利便性を向上させることができる。

請求項４に係る発明によれば、シート状の基材の指先への巻回動作によりプローブを指先へ簡単に装着でき、ユーザの利便性を向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、凹面部の沿面を経由するノイズ光（迷光）が遮蔽されるので、Ｓ／Ｎ比が良好な光電脈波測定を行うことができる。

請求項６に係る発明によれば、コンパクト化並びに低コスト化した光電脈波測定装置を提供できるようになる。

請求項８に係る発明によれば、発光部から発せられた光は、爪の部分を経由することなく、指先の一方の側面から他方の側面へ透過し、受光部で受光される。従って、爪にマニキュア等が塗布されていても、これに影響を受けることなく光電脈波の測定を行うことができ、正確な測定結果を得ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき説明する。
図１は、本発明に係る光電脈波測定装置の一実施形態であるパルスオキシメータシステムＳの一例を示す構成図である。このパルスオキシメータシステムＳは、被験者の指先から２波長光電脈波情報を取得して、被験者の血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を求めるように構成されたシステムであって、被験者の２波長光電脈波情報を計測し、その計測データを記憶することができるパルスオキシメータ２と、該パルスオキシメータ２に記憶された２波長光電脈波データ乃至は瞬時ＳｐＯ_２値データを読み出して、各種のデータ解析を行うＰＣ（パーソナルコンピュータ）３と、パルスオキシメータ２とＰＣ３とを必要時に通信可能に接続するＵＳＢケーブル２０７とで構成されている。

パルスオキシメータ２は、被験者の被測定指Ｆの指先ＦＳに装着される指先装着用のプローブ１と本体部２００とを備え、両者の間は、コネクタ２０４付きのプローブケーブル２０５にて電気的に接続されている。プローブ１は、図２〜図６に基づき後述するが、２波長の光を発する発光部４１と、発光部４１から発せられ指先ＦＳの生体組織を経由した光を受光する受光部４２と、発光部４１及び受光部４２を所定の取付部において保持する保持部材１０とを備えている。また、被測定指Ｆの指先ＦＳに発光部４１及び受光部４２を位置決めして装着させるための、所定の指先係合機構を備えている。なお図１では、クリップ機構によりプローブ１が指先ＦＳに装着されている例を示している。

パルスオキシメータ本体部２００には、外観的に電源スイッチ２０１、液晶表示装置等からなる表示部２０２、前記プローブケーブル２０５を接続するためのコネクタ部２０３、前記ＵＳＢケーブル２０７を接続するためのコネクタ部２０６などが備えられている。また、本体部２００の内部には、２波長光電脈波データ乃至は瞬時ＳｐＯ_２値データを記憶するメモリ部、当該パルスオキシメータ２の全体動作を制御するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、電源電池（いずれも図示省略）などが内蔵されている。これらの内部機構については、図６に基づき、後記で詳述する。

ＳｐＯ_２の測定時においては、パルスオキシメータ本体部２００は、所定のリストバンド等を用いて被験者の手首付近に装着される。一方、プローブ１は、被験者の被測定指Ｆの指先ＦＳにクリッピング等により取り付けられる。そして、パルスオキシメータ本体部２００とプローブ１とは、プローブケーブル２０５にて接続される。なお、測定時（被験者の睡眠時）にはＵＳＢケーブル２０７は接続されず、計測が終了して計測データをパルスオキシメータ２から取り出す時に接続される。

ＰＣ３は、所定のデータ解析プログラム等が内蔵されたＰＣ本体部３０（ハードディスク装置）と、キーボード等からなる操作部３１と、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイや液晶ディスプレイ等からなる表示部３２とを備えて構成されている。該ＰＣ３は、パルスオキシメータ２により取得された測定データの解析を行うもので、例えばＳｐＯ_２値の時間変化データを生成し、無呼吸に伴うＳｐＯ_２の低下ピーク回数を積算することで、ＳＡＳの重症度を判定する判定指標であるＯＤＩ（Oxygen desaturationindex；１時間当たりの血中酸素飽和度の低下ピーク発生回数）等を求める演算を行うものである。勿論、パルスオキシメータ本体部２００自身にこのような演算機能を具備させ、ＰＣ３の使用を省略するようにしても良い。

以上の通り構成されたパルスオキシメータ２（パルスオキシメータシステムＳ）において、本発明ではプローブ１に備えられる、発光部４１及び受光部４２の配置、並びに前記発光部４１及び受光部４２を保持する保持部材１０の構造に特徴を有する。以下、これらについて、図２〜図６に基づき詳細に説明する。

図２は、プローブ１に内蔵される保持部材１０を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図をそれぞれ示している。この保持部材１０は、シリコンゴムやウレタンフォームのような、指先を押し当てる程度の外力でその形態が変形する素材で全体が構成されている。そして保持部材１０は、指先ＦＳの腹部（背部であっても良い）の形状に沿う凹面部１１と、この凹面部１１の一端側に位置する第１エッジ部１１１側であって、プローブ１を指先ＦＳに装着した状態において指先ＦＳの一方の側面に対向する位置に設けられる発光部取付部１２と、凹面部１１の他端側に位置する第２エッジ部１１２側であって、プローブ１を指先ＦＳに装着した状態において指先ＦＳの他方の側面に対向する位置に設けられる受光部取付部１３とを備えている。

凹面部１１は、プローブ１の装着時に指先ＦＳの腹部が当接される部位であって、指先ＦＳを縦方向（指の延伸方向）に収容可能な長さと、指先ＦＳの腹部の表面形状に沿うような幅方向の凹曲面を有している。前記第１エッジ部１１１及び第２エッジ部１１２は、このような凹曲面の両端に形成された帯状部分である。なお、凹面部１１における凹曲面の幅、すなわち該凹曲面の終端である第１エッジ部１１１と第２エッジ部１１２との間隔は、異なる大きさの指先サイズに対応できるよう、平均的な指先の幅寸法よりもやや広い間隔に設定されている。

発光部取付部１２は、第１エッジ部１１１の長手方向略中央部に設けられた、発光部４１（所定の発光素子を有する発光素子ユニット）を嵌め合わせ固定することが可能な切り欠き部からなる。同様に、受光部取付部１３は、第２エッジ部１１２の長手方向略中央部に設けられた、受光部４２（所定の受光素子を有する受光素子ユニット）を嵌め合わせ固定することが可能な切り欠き部からなる。これら発光部取付部１２及び受光部取付部１３は、プローブ１の装着時に指先ＦＳの側面部が当接される部位となる。なお、このような嵌め合わせ構造とせず、発光部４１及び受光部４２を金型等の所定位置に配置して一体成型したり、或いは保持部材１０の所定位置に発光部４１及び受光部４２を挿通するための貫通孔を形成したりするものであっても良い。

発光部取付部１２に取り付けられる発光部４１は、赤色領域における波長λ１の赤色光及び赤外線領域における波長λ２の赤外光を生体に対して交互に射出する光源であり、例えば、波長λ１の赤色光と波長λ２の赤外光とを発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成される光源である。また、受光部取付部１３に取り付けられる受光部４２は、受光した光強度に応じた電流を生成する光電変換素子であり、少なくとも前記波長λ１及び波長λ２に対して感度を有する光電変換素子である。この受光部４２には、例えばシリコンフォトダイオード（Silicon Photo Diode）が利用される。これら発光部４１及び受光部４２は、プローブケーブル２０５を介してパルスオキシメータ本体部２００と電気的に接続される。従って、保持部材１０の内部には、前記電気的接続のための配線が内蔵されている。

このように構成された保持部材１０は、被測定指Ｆの指先ＦＳにより凹面部１１に押圧力が与えられることで、図３に示すような変形動作を行う。なお、図３において、二点鎖線は変形前における保持部材１０の輪郭形状を示している。

いま指先ＦＳが、図中の矢印ａ１に示すように、その腹部から凹面部１１に嵌め入れられ、該凹面部１１の底部付近に対して矢印ａ２方向の押圧力が与えられたとする。この場合、前記押圧力により凹面部１１の底部が下方向に沈み込むように変形する。そして、かかる底部の変形によって、第１エッジ部１１１及び第２エッジ部１１２が、矢印ａ３及び矢印ａ４に示すように、互いに接近する方向に、やや内側に折れ曲がるようにして変形されるようになる。

このような変形動作によって、発光部４１及び受光部４２（発光部取付部１２及び受光部取付部１３）は、指先ＦＳの側面部に密着若しくは近接される。すなわち、図３に示すように、発光部４１は指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１に、受光部４２は指先ＦＳの他方の側面Ｆｒ２に、それぞれ密着若しくは近接されるようになる。これにより、指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１から測定光ｏｐを発光部４１にて所定のサンプリング周期で投光し、指先ＦＳの生体組織を透過した測定光ｏｐを他方の側面Ｆｒ２において受光部４２にて受光させる投受光系を構築することができる。この結果、指先ＦＳの爪Ｆｎを経由せずに、測定光ｏｐの投受光が行えることとなる。

従って、たとえ爪Ｆｎに光透過特性に影響を与えるマニキュア等が塗布されていたとしても、その影響を何ら受けることなく、光電脈波の測定が行えるようになる。さらに、指先ＦＳの側面部位において光の投受光を行う場合、指先ＦＳの形状や大きさには個人差があることから、発光部４１及び受光部４２の前記側面Ｆｒ１、Ｆｒ２へのフィット性が問題となるが、保持部材１０が指先ＦＳの押圧力付加に伴うが変形動作により、発光部４１及び受光部４２が指先の側面Ｆｒ１、Ｆｒ２に密着されることから、前記押圧力を調整することで指先の形状や大きさについての個人差に対応できるようになる。また、保持部材１０が易変形性の部材で構成されているので、プローブ１装着時の圧迫感が緩和されるという利点もある。

図４、図５は、上記保持部材１０の指先ＦＳへの装着態様の具体例を簡略的に示す斜視図である。図４はテープ固定方式を示すもので、指先ＦＳを凹面部１１に収容した状態で、凹面部１１の開口を塞ぐように、つまり第１エッジ部１１１と第２エッジ部１１２との間を跨ぐようにテープ部材５１を貼付することで、保持部材１０を指先ＦＳへ装着させるものである。この場合、保持部材１０とテープ部材５１とが、図１に示すプローブ１の役目を果たすこととなる。なお、テープ部材５１としては、例えば医療用テープや面ファスナーテープ等を用いることができる。

図５は、クリップ固定方式を示すもので、保持部材１０（若しくは保持部材１０を収納するプローブハウジング）に装着片５２をヒンジ５３で結合させたプローブ構造である。ヒンジ５３の軸回りには図略の付勢バネが備えられており、装着片５２は凹面部１１を塞ぐ方向に付勢されている。この構成によれば、装着片５２を拡開させた状態で図中矢印Ｂの方向から指先ＦＳを凹面部１１に向けて挿入し、その後装着片５２を閉じるという、装着片５２の付勢力を利用したクリッピング動作により、保持部材１０（プローブ１）を指先ＦＳに簡単に装着することができる。

続いて、パルスオキシメータ２の電気的構成について、図６のブロック図に基づいて説明する。このパルスオキシメータ２は、上述の通りパルスオキシメータ本体部２００とプローブ１とがプローブケーブル２０５で電気的に接続されてなる。プローブ１には、前述の通り発光部４１と受光部４２とが含まれるが、本実施形態では発光部４１として赤色領域の波長λ１の赤色光を発生する赤色ＬＥＤ４１Ａと、赤外線領域の波長λ２の赤外光を発生する赤外ＬＥＤ４１Ｂとの２つのＬＥＤが用いられている例を示している。またパルスオキシメータ本体部２００には、前述の表示部２０２のほか、発光回路２１、受光回路２２、制御処理部（ＣＰＵ）２３、操作部２４、メモリ部２５及び電源部２６が備えられている。

発光部４１及び受光部４２は、血中酸素飽和度を測定する被測定指Ｆ（生体組織）の指先ＦＳを挟むように対向配置される。これは、特に指先ＦＳが、動脈血の脈動を光学的に捉えやすいからである。上述した通り、本実施形態では指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１に発光部４１が配置され、他方の側面Ｆｒ２に受光部４２が配置される。これにより、被測定指Ｆの指先ＦＳの生体組織を透過した発光部４１の両波長λ１、λ２の測定光（爪Ｆｎを経由しない測定光）が、受光部４２にて受光されるようになる。これら発光部４１及び受光部４２には、それぞれ発光回路２１及び受光回路２２が接続されている。

前記発光回路２１は、制御処理部２３で動作制御され、所定の発光制御信号を発光部４１の赤色ＬＥＤ４１Ａ及び赤外ＬＥＤ４１Ｂに与える。これにより、例えば赤色ＬＥＤ４１Ａと赤外ＬＥＤ４１Ｂとが交互に駆動され（図６の発光制御信号参照）、赤色光と赤外光とが交互に射出される。また前記受光回路２２は、制御処理部２３により発光部４１の発光に同期して制御され、受光部４２から光強度に応じて出力される光電変換された電流信号（図６の受光信号参照）をＡ／Ｄ変換し、制御処理部２３にデジタル測定信号として出力する。

酸素は、血液中のヘモグロビンの酸化・還元によって運搬されている。このヘモグロビンは、酸化されると赤色光の吸収が減少して赤外光の吸収が増加し、逆に還元されると赤色光の吸収が増加して赤外光の吸収が減少するという光学的特性を有している。この特性を利用して、受光回路２２で検出された赤色光及び赤外光の透過光量の変動を計測することで、ＳｐＯ_２（動脈血の血中酸素飽和度）の値を求めることが可能となる。なお、ＳｐＯ_２の測定原理については、図７〜図１１に基づいて後記で詳述する。

制御処理部２３は、所定の制御プログラム等を記憶するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭ及び制御プログラム等をＲＯＭから読み出して実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）からなり、当該パルスオキシメータ２全体の動作制御を司るものである。制御処理部２３は、これらＲＡＭやＲＯＭに記憶されたデータやプログラムに基づいて、発光部４１及び受光部４２の動作制御を行うと共に、取得された光電脈波データからＳｐＯ_２値を算出する演算処理等を行う。

表示部２０２は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等からなり、例えばＳｐＯ_２の測定値や、測定中であることを示す経過情報等、測定に関する所定の情報が表示される。操作部２４は、押下ボタン等からなり（図１では不図示）、パルスオキシメータ本体部２００に対して測定開始・終了操作、測定モード設定や機能選択等を行うためのものである。

メモリ部２５は、演算処理や制御処理などのデータを一時的に格納するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）やフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ等からなる。該メモリ部２５には、２波長光電脈波データ、或いは２波長光電脈波データに基づき制御処理部２３にて算出されるサンプリング周期毎の瞬時ＳｐＯ_２値が時刻情報に関連付けて格納される。このように時刻情報に関連付けることで、事後的なデータ解析、若しくはＳｐＯ_２値のライブ表示が容易に行えるようになる。

電源部２６は、所定の電源回路、ボタン電池等の電源電池等を備え、当該パルスオキシメータ２の各部へ駆動電圧を供給するものである。前記電源回路には、オートパワーオフ（ＡＰＯ）機能が備えられていることが望ましい。

ここで、光を用いて血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を測定する原理について説明する。周知の通り、酸素は、ヘモグロビン（Ｈｂ）によって生体の各細胞に運ばれるが、ヘモグロビンは、肺で酸素と結合して酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）となり、生体の細胞で酸素が消費されるとヘモグロビンに戻る。ＳｐＯ_２は、血中の酸化ヘモグロビンの割合を示すものであり、ヘモグロビン濃度をＣ_Ｈｂ、酸化ヘモグロビン濃度をＣ_ＨｂＯ２で示すと、次の（１）式のように定義される。

一方、ヘモグロビンの吸光度及び酸化ヘモグロビンの吸光度は、波長依存性を有しており、各吸光係数α（λ）は、例えば図７に示すような吸光特性を有している。なお、図７の横軸は、ｎｍ単位で示す光の波長であり、縦軸は、×１０^−９ｃｍ^２／ｍｏｌｅ単位で示す吸光係数である。ヘモグロビン（Ｈｂ）及び酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）は、図７に示すようにその吸光特性が異なる。ヘモグロビンは、赤色領域での赤色光Ｒにおいては、酸化ヘモグロビンよりも光を多く吸収するが、赤外線領域での赤外光ＩＲにおいては、酸化ヘモグロビンよりも光の吸収が少なくなっている。

すなわち、例えば、赤色光Ｒの波長λ１を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数の差が最も大きい例えば６６０ｎｍとし、赤外光ＩＲの波長λ２を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数の差が等しい例えば８１５ｎｍとした場合、赤色光Ｒの透過光量はヘモグロビンが多くなるのに従って大きくなり、一方、酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの比率が変わったとしても、赤外光ＩＲの透過光量は変わらないこととなる。これにより、赤色光Ｒと赤外光ＩＲとの透過光量の比をとることでＳｐＯ_２を求めることが可能となる。パルスオキシメータ２（制御処理部２３）は、このようなヘモグロビン及び酸化ヘモグロビンの赤色光Ｒと赤外光ＩＲとに対する吸光特性の違いを利用してＳｐＯ_２を求めるものである。

生体に光を照射すると、光の一部は吸収され、一部は透過する。生体は、動脈血層と、静脈血層と、動脈血層及び静脈血層以外の組織（血液以外の組織）とで構成される。この生体における光の吸収は、図８（ａ）に示すように、動脈血層による吸収と、静脈血層による吸収と、動脈血層及び静脈血層以外の組織による吸収とからなる。動脈血層及び静脈血層以外の組織と静脈血層とは経時的に変化しないため、この部分での光の吸収は略一定である。一方、動脈血は心拍動によって血管径が変化するため、動脈血層による光の吸収、すなわち透過光（図８（ａ）に示す透過光）の強度は、図８（ｂ）に示すように脈拍により経時的に変化する。この透過光強度の変化分は、動脈血のみの情報によるものであり、静脈血や、動脈血及び静脈血以外の生体組織による影響を殆ど含まない。なお、図８（ｂ）の横軸は時間、縦軸は透過光強度である。

ところで、赤色光Ｒと赤外光ＩＲとの光量変化を比較する場合、入射光量の差をキャンセル（補正）する必要がある。図９（ａ）〜（ｃ）は、生体に対する入射光と透過光との関係を示す模式図である。図９（ａ）に示すように、生体への入射光量Ｉ_０を赤色光Ｒと赤外光ＩＲとで同じにすることは実質的に困難であり、仮に同じにしたとしても、組織や静脈血による吸光率は赤色光Ｒと赤外光ＩＲとで異なるため、変化分のみでの比較を行うことはできない。

ここで、動脈が最も細い場合（透過光量が最も大きい場合）の透過光量をＩとし、動脈が最も太い場合（透過光量が最も小さい場合）の透過光量をＩ−ΔＩとする（記号「−」は減算を示す）。これは図９（ａ）又は図９（ｂ）に示すように、厚さ（幅）ΔＤの動脈血にＩという光を照射したとき、Ｉ−ΔＩの透過光が得られると考えられる。なお、このΔＤの動脈血に応じた透過光量の変化の様子は、図９（ｃ）のグラフ（横軸は時間、縦軸は透過光量）に示される。

したがって、図１０に示すように、符号６１のグラフに示す赤色光Ｒの透過光量Ｉ_Ｒと、符号６２のグラフに示す赤外光ＩＲの透過光量Ｉ_ＩＲとが同じとなるように正規化する、つまり符号６３のグラフに示すように、透過光量Ｉ_ＩＲに対応する透過光量Ｉ_ＩＲ’＝透過光量Ｉ_Ｒとなるように正規化することにより、動脈血による光量変化の比である（ΔＩ_Ｒ／Ｉ_Ｒ）／（ΔＩ_ＩＲ／Ｉ_ＩＲ）を求めてＳｐＯ_２を算出することができる（記号「／」は除算を示す）。

ところで、入射光と透過光との関係はランバート・ビアの法則により、下記の（２）式で表すことができる。但し、下記（２）式において、Ｅは吸光物の吸光係数を表し、Ｃは吸光物の濃度を表す。

赤色光Ｒ及び赤外光ＩＲの２つの波長をそれぞれ上記（２）式に当てはめ（（２）式中のＩをＩ_Ｒ又はＩ_ＩＲに置換する）、その比をとることによって下記の（３）式を得ることができる。但し、上記（３）式において、Ｉ_Ｒは赤色光Ｒの透過光量を表し、Ｉ_ＩＲは赤外光ＩＲの透過光量を表し、Ｅ_Ｒは赤色光Ｒの吸光係数を表し、Ｅ_ＩＲは赤外光ＩＲの吸光係数を表す。

図１１は、吸光係数の比とＳｐＯ_２との関係を示す図である。図１１の横軸はＳｐＯ_２であり、縦軸は吸光係数の比である。同図に示すように、例えば赤色光Ｒ及び赤外光ＩＲの波長をそれぞれ約６６０ｎｍ及び約８１５ｎｍとすると、吸光係数の比（Ｅ_Ｒ／Ｅ_ＩＲ）とＳｐＯ_２との関係は右肩下がりの直線で表される。このような関係に基づいて、吸光係数の比からＳｐＯ_２を算出することができる。なお、ＳｐＯ_２の算出方法としては、この方法に限らず、種々の方法が採用可能である。

（変形実施形態の説明）
図１２は、保持部材１０の凹面部１１の底部に、遮光用の凸部１４（遮蔽手段）を設けた変形実施形態を示す正面図である。発光部４１及び受光部４２を、凹面部１１の両端部付近（第１エッジ部１１１及び第２エッジ部１１２の近傍）に配置した場合、発光部４１から発せられた測定光ｏｐの一部が迷光ｏｐｘとなり、凹面部１１の沿面を経由して受光部４２で受光されてしまう場合がある。この場合、指先ＦＳの生体組織を経由しない光を含んで受光部４２にて受光信号が生成されることから、正確な光電脈波の測定が行えないことがある。

凸部１４は、上記のような迷光ｏｐｘを遮光し、かかる迷光ｏｐｘが受光部４２で受光されないようにするためのバリア部材である。このような構成を採用することで、受光部４２にて指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１から他方の側面Ｆｒ２へ透過した測定光ｏｐのみを受光させることができる。なお、凸部１４に代えて、迷光ｏｐｘの受光部への進入を阻止する他の遮蔽手段を採用することもできる。例えば、迷光ｏｐｘを吸収する吸光部材（黒色塗料層など）や、迷光ｏｐｘを散乱させる光散乱部材等を、凹面部１１の底部に配置するようにしても良い。

図１３は、本体部分とプローブ部分とを一体化した変形実施形態であるパルスオキシメータ２’を示す正面図である。ここでは、保持部材１０の背面１５に、パルスオキシメータ本体部２００Ａを一体的に搭載した例を示している。このパルスオキシメータ本体部２００Ａには、先に図６に基づいて説明したパルスオキシメータ本体部２００に備えられている発光回路２１、受光回路２２、制御処理部２３、操作部２４、メモリ部２５、電源部２６及び表示部２０２などが搭載されている。このようなパルスオキシメータ２’によれば、プローブ部分を構成する保持部材１０とパルスオキシメータ本体部２００Ａとが一体化されているので、装置のコンパクト化、コストダウンを図ることができる。

図１４は、巻き付け型のプローブ構造についての変形実施形態を示す正面図である。この変形実施形態では、保持部材として、シート状基材１６の略中央部に凹面部１１Ａを有する指載置部１０Ａを突設した構造の保持部材１００を例示している。シート状基材１６は、例えば可撓性を有する薄肉樹脂シートであり、指載置部１０Ａは、例えばシリコンゴムやウレタンフォーム等の易変形性の部材で構成される。

この保持部材１００には、指載置部１０Ａを挟んで、発光部取付部１２Ａと受光部取付部１３Ａとが備えられている。これら発光部取付部１２Ａ及び受光部取付部１３Ａには、それぞれ発光部４１及び受光部４２が取り付けられる。なお、発光部４１及び受光部４２には、プローブケーブル２０５から延びるリード線（図略）が接続されている。

図１５は、このような保持部材１００の指先への装着態様を示す図であり、（ａ）は装着状態を示す正面図、（ｂ）は側面図をそれぞれ示している。図１５（ａ）に示すように、装着時には指先ＦＳの腹部が指載置部１０Ａに当接され、シート状基材１６の端部１６１、１６２が指先ＦＳの一方の側面Ｆｒ１、他方の側面Ｆｒ２に沿うように巻き付けられる。そして、爪Ｆｎ側において、シート状基材１６の端部１６１、１６２間が医療用テープ１７にて係止される。これにより、指載置部１０Ａを挟んで配置されている発光部取付部１２Ａ及び受光部取付部１３Ａに取り付けられている発光部４１及び受光部４２が、それぞれ一方の側面Ｆｒ１及び他方の側面Ｆｒ２に密着されるようになる。このような保持部材１００によれば、シート状基材１６の指先ＦＳへの巻回動作により、発光部４１及び受光部４２を指先ＦＳの側面Ｆｒ１、Ｆｒ２に位置決めしつつ、プローブの役目を果たす保持部材１００を指先ＦＳに簡単に且つ確実に装着できるようになる。

以上、本発明の実施形態及び変形実施形態につき説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記［１］〜［４］の変形実施形態を取ることができる。

［１］上記実施形態では、保持部材１０の凹面部１１が、指先の腹部に沿うような凹曲面とし、腹部を基準として発光部４１及び受光部４２を指先側面に位置決めさせる例を挙げて説明したが、指先の背部を基準として発光部４１及び受光部４２の位置決めを行わせるようにしても良い。この場合、凹面部１１の面形状を、指先の背部にマッチするような形状とすれば良い。

［２］上記実施形態では、保持部材１０の凹面部１１形状として凹曲面を例示したが、必ずしも曲面にせずとも良く、指先の腹部若しくは背部に沿うような凹面であれば平面部分を含んでいても良い。

［３］上記実施形態では、２波長光電脈波データを取得して血中酸素飽和度を求めるパルスオキシメータを例示したが、そのうちの１波長光電脈波データを用いて脈拍等も計測・表示させるようにしても良い。

［４］パルスオキシメータ本体部２００、２００Ａ（装置本体部）に体位センサや加速度センサ等の他のセンサ類を搭載し、被験者の体位角度等を併せて計測できるようにすることが望ましい。

本発明に係る光電脈波測定装置の一実施形態であるパルスオキシメータシステムＳの一例を示す構成図である。 プローブ１に内蔵される保持部材１０を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図をそれぞれ示している。 保持部材１０の変形動作を説明するための模式図である。 保持部材１０の指先ＦＳへの装着態様の具体例を簡略的に示す斜視図であって、テープ固定方式を示す図である。 保持部材１０の指先ＦＳへの装着態様の具体例を簡略的に示す斜視図であって、クリップ固定方式を示す図である。 パルスオキシメータ２の電気的構成を示すブロック図である。 ヘモグロビン及び酸化ヘモグロビンの吸光特性を示すグラフである。 生体による光の吸収状態を模式的に示す説明図である。 生体に入射する入射光と透過光との関係を模式的に示す説明図である。 赤外光による透過光量の正規化を説明するための説明図である。 吸光係数の比とＳｐＯ_２との関係を示すグラフである。 本発明に係る保持部材１０の変形実施形態を示す正面図である。 本体部分とプローブ部分とを一体化した変形実施形態を示す正面図である。 巻き付け型のプローブ構造についての変形実施形態を示す正面図である。 変形実施形態に係る保持部材１００の指先への装着態様を示す図であり、（ａ）は装着状態を示す正面図、（ｂ）は側面図をそれぞれ示している。 従来のプローブを示す斜視図である。 パルスオキシメータにおける発光部と受光部の一般的な配置例を示す模式図である。

符号の説明

１ プローブ
２ パルスオキシメータ（光電脈波測定装置）
２００ パルスオキシメータ本体部（装置本体部）
１０ 保持部材
１０Ａ 指載置部
１１ 凹面部
１２ 発光部取付部
１３ 受光部取付部
１４ 凸部（遮蔽手段）
１６ シート状基材
２１ 発光回路
２２ 受光回路
２３ 制御処理部（制御処理手段）
２４ 操作部
２５ メモリ部
２６ 電源部
４１ 発光部
４２ 受光部
５２ 装着片
５３ ヒンジ
Ｆ 被測定指（ＦＳ：指先、Ｆｎ：爪、Ｆｒ１：一方の側面、Ｆｒ２：他方の側面）

Claims (8)

1. 所定波長の光を発する発光部と、該発光部から発せられ生体を経由した光を受光可能とされた受光部と、前記発光部及び受光部を所定の取付部において保持する保持部材とを備えた指先装着用のプローブを有する光電脈波測定装置において、
   前記保持部材は、
   指先の腹部若しくは背部の形状に沿う凹面部と、
   前記凹面部の一端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の一方の側面に対向する位置に設けられる発光部取付部と、
   前記凹面部の他端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の他方の側面に対向する位置に設けられる受光部取付部と
   を具備することを特徴とする光電脈波測定装置。
2. 前記保持部材が所定の変形動作を行う部材であって、
   前記凹面部に指先の腹部若しくは背部を介して押圧力が与えられたことに伴う変形力で、指先の各側面に前記発光部取付部及び受光部取付部に各々取り付けられた発光部及び受光部がそれぞれ密着されるような変形動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の光電脈波測定装置。
3. 前記保持部材にヒンジ結合され前記凹面部を塞ぐ方向に付勢された装着片が、前記プローブに備えられていることを特徴とする請求項１に記載の光電脈波測定装置。
4. 前記保持部材が、シート状の基材の略中央部に配置された前記凹面部を形成する指載置部と、前記指載置部を挟んで配置された発光部取付部及び受光部取付部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光電脈波測定装置。
5. 前記凹面部の底部に、前記発光部から発せられた光が凹面部の沿面を経由して前記受光部で受光されることを抑止する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電脈波測定装置。
6. 前記プローブに光電脈波測定装置の装置本体部が一体的に取り付けられてなり、
   前記装置本体部は、前記プローブの動作制御を行うと共にプローブから出力される測定信号に対して所定の処理を行う制御処理手段と、前記測定信号若しくは前記制御処理手段により処理された測定データを記憶可能なメモリ部と、測定に関連する所定の情報を表示する表示部とを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電脈波測定装置。
7. 所定波長の光を発する発光部と、該発光部から発せられ生体を経由した光を受光可能とされた受光部と、前記発光部及び受光部を所定の取付部において保持する保持部材とを備えた指先装着用プローブであって、
   前記保持部材は、
   指先の腹部若しくは背部の形状に沿う凹面部と、
   前記凹面部の一端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の一方の側面に対向する位置に設けられる発光部取付部と、
   前記凹面部の他端側であって前記プローブを指先に装着した状態において指先の他方の側面に対向する位置に設けられる受光部取付部と
   を具備することを特徴とする指先装着用プローブ。
8. 所定波長の光を発する発光素子を指先の一方の側面に対向配置すると共に、前記発光部が発する光に対して少なくとも感度を有する受光素子を指先の他方の側面に対向配置し、
   前記発光素子を所定のサンプリング周期で発光させて、指先の一方の側面から他方の側面に向けて透過した光を前記受光素子で受光させることを特徴とする光電脈波測定方法。

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