JP2016165447A - パルスフォトメータ、および血中吸光物質濃度の算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性を向上する。【解決手段】第一発光部１１は、第一波長λ１を含む第一の光を出射する。第二発光部１２は、第二波長λ２を含む第二の光を出射する。受光部２０は、被検者２の身体を透過あるいは反射した第一の光の強度に応じて第一強度信号Ｉ１を出力し、当該身体を透過あるいは反射した第二の光の強度に応じて第二強度信号Ｉ２を出力する。第一変化量取得部３１は、第一強度信号Ｉ１に基づいて、被検者２の血液の脈動に伴う第一の光の減光度変化量ΔＡ１に対応する第一変化量Δ１を取得する。第二変化量取得部３２は、第二強度信号Ｉ２に基づいて、当該脈動に伴う第二の光の減光度変化量ΔＡ２に対応する第二変化量Δ２を取得する。濃度算出部４０は、第一変化量Δ１と第二変化量Δ２に基づいて、当該血液の血中吸光物質濃度（ＳｐＯ２）を算出する。第二変化量Δ２は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値に基づく第一補正量ｋ１を含んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、被検者の血中吸光物質濃度を算出するパルスフォトメータ、および当該パルスフォトメータを用いて当該血中吸光物質濃度を算出する方法に関する。

パルスフォトメータは、被検者の血中吸光物質の濃度を算出する装置である。具体的には、当該血中吸光物質濃度によって血液の吸光係数の比が異なる複数の波長の光が、当該被検者の生体組織に照射される。当該生体組織を透過または反射した各波長の光量が検出される。各波長の光量は、当該被検者の血液の脈動に伴って変化する。したがって、脈動に起因する各波長の光量の経時変化が、脈波信号として取得される。各波長に係る脈波信号の振幅は、当該波長に係る減光度変化量に対応する。血中吸光物質濃度は、各波長に係る減光度変化量の比に基づいて算出される（例えば、特許文献１を参照）。

血中吸光物質濃度の一例として、血液の酸素化の指標として用いられる動脈血酸素飽和度（以下、ＳａＯ２と称する）が知られている。ＳａＯ２の値を得るためには観血的な測定が必要であるため、非観血的な算出が可能である経皮的動脈血酸素飽和度（以下、ＳｐＯ２と称する）が、当該指標として普及している。ＳｐＯ２は、パルスフォトメータの一例であるパルスオキシメータによって測定される。

特許４１９６２０９号公報

算出されるＳｐＯ２の値は、実際のＳａＯ２の値に等しいことが理想的である。しかしながら、ある条件下では両者の値が乖離しうることが知られている。特に、上記脈波信号の振幅が小さい場合において、ＳｐＯ２の値が、実際のＳａＯ２の値よりも高く算出される傾向がある。この場合、ＳｐＯ２の値が被検者の正常状態を示していても、実際には当該被検者が低酸素血症に陥っているという事態が起こりうる。

よって、本発明は、非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性を向上することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第一の態様は、パルスフォトメータであって、
第一波長を含む第一の光を出射するように構成された第一発光部と、
第二波長を含む第二の光を出射するように構成された第二発光部と、
被検者の身体を透過あるいは反射した前記第一の光の強度に応じて第一強度信号を出力し、前記身体を透過あるいは反射した前記第二の光の強度に応じて第二強度信号を出力するように構成された受光部と、
前記第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を取得するように構成された第一変化量取得部と、
前記第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を取得するように構成された第二変化量取得部と、
前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を算出するように構成された濃度算出部と、
を備えており、
前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる。

パルスフォトメータにより取得される血中吸光物質濃度の値は、特に脈波信号の振幅が小さい場合において誤差が大きくなる傾向がある。発明者らは、脈波信号の振幅に対応する第一の光の減光度変化量に着目し、誤差との関係を調べた。その結果、発明者らは、第一の光の減光度変化量の逆数値と誤差の大きさとが比例関係にあることを見出した。誤差の大きさは、血中吸光物質濃度の測定値Ｃｍと基準値Ｃｒの差分として表される。ここでｋ１は比例定数である。

Ｃｍ−Ｃｒ＝−ｋ１／ΔＡ１

これより、次式が得られる。

Ｃｒ＝Ｃｍ＋（ｋ１／ΔＡ１）

すなわち、パルスフォトメータによる測定値Ｃｍに当該補正値を加えることにより、基準値Ｃｒが得られることが判る。

他方、血中吸光物質濃度は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１と第二の光の減光度変化量ΔＡ２の比である減光度変化量比Φ２１（＝ΔＡ２／ΔＡ１）の関数である。したがって、次式が得られる。

Ｃｒ ∝ Φ２１＋（ｋ１／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２／ΔＡ１）＋（ｋ１／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２＋ｋ１）／ΔＡ１

すなわち、上述の関係から得られる比例定数ｋ１に相当する補正量を第二の光の減光度変化量ΔＡ２に加えることにより、パルスフォトメータによる測定値Ｃｍを、基準値Ｃｒに近づけうることが判る。

第二変化量取得部は、第二の光の減光度変化量ΔＡ２に対応する第二変化量を取得するように構成されている。第二変化量は、上記の知見に基づき、（ΔＡ２＋ｋ１）となるように設定される。

このような構成によれば、非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性を向上できる。

上記のパルスフォトメータは、以下のように構成されうる。
前記第一補正量は、複数の被検者より得られた複数の血中吸光物質濃度に基づいて予め統計的に定められた定数である。

このような構成によれば、第二変化量取得部は、統計的に定められた定数である第一補正量に基づいて動作する。これにより、第一補正量の信頼性が向上するだけでなく、第二変化量取得部における処理負荷を抑制できる。したがって、非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性を容易に向上できる。

上記のパルスフォトメータは、以下のように構成されうる。
前記第一の光と前記第二の光の一方は赤色光であり、
前記第一の光と前記第二の光の他方は赤外光である。

赤色光と赤外光は、酸素飽和度によって血液の吸光係数の比が異なる組合せである。そのため、このような構成によれば、特にＳｐＯ２を正確に算出できる。

上記のパルスフォトメータは、以下のように構成されうる。
第三発光部と、
第三変化量取得部と、
を備えており、
前記第三発光部は、第三波長を含む第三の光を出射するように構成されており、
前記受光部は、前記身体を透過あるいは反射した前記第三の光の強度に応じて第三強度信号を出力するように構成されており、
前記第三変化量取得部は、前記第三強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第三の光の減光度変化量に対応する第三変化量を取得するように構成されており、
前記濃度算出部は、前記第一変化量、前記第二変化量、および前記第三変化量に基づいて、前記血中吸光物質濃度を算出するように構成されており、
前記第三変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第二補正量を含んでいる。

三種の波長を用いるこのような構成によれば、非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性をより向上できる。

この場合、上記のパルスフォトメータは、以下のように構成されうる。
前記第二補正量は、複数の被検者より得られた複数の血中吸光物質濃度に基づいて予め統計的に定められた定数である。

このような構成によれば、第二変化量取得部は、統計的に定められた定数である第一補正量に基づいて動作する。また、第三変化量取得部は、統計的に定められた定数である第二補正量に基づいて動作する。これにより、第一補正量と第二補正量の信頼性が向上するだけでなく、第二変化量取得部と第三変化量取得部における処理負荷を抑制できる。したがって、非観血的に算出される血中吸光物質濃度の正確性を容易に向上できる。

また、上記のパルスフォトメータは、以下のように構成されうる。
前記第一波長、前記第二波長、および前記第三波長は、６３０ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍ、７３０ｎｍ、８０５ｎｍ、８８０ｎｍ、および９４０ｎｍから選ばれている。

このような構成によれば、ＳｐＯ２のみならず、一酸化炭素ヘモグロビン、Ｍｅｔヘモグロビン、血液に注入された色素などの血中濃度を算出できる。

したがって、上記の目的を達成するために本発明がとりうる第二の態様は、パルスフォトメータであって、
被検者の身体を透過あるいは反射した第一波長を含む第一の光の強度に対応する第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を取得するように構成された第一変化量取得部と、
前記身体を透過あるいは反射した第二波長を含む第二の光の強度に対応する第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を取得するように構成された第二変化量取得部と、
前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を算出するように構成された濃度算出部と、
を備えており、
前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる。

また、上記の目的を達成するために本発明がとりうる第三の態様は、血中吸光物質濃度の算出方法であって、
被検者の身体を透過あるいは反射した第一波長を含む第一の光の強度に対応する第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を、パルスフォトメータに取得させ、
前記身体を透過あるいは反射した第二波長を含む第二の光の強度に対応する第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を、前記パルスフォトメータに取得させ、
前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を、前記パルスフォトメータに算出させ、
前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる。

第一実施形態に係るパルスオキシメータの機能構成を示す図である。 図１のパルスオキシメータの動作を説明するための図である。 第二実施形態に係るパルスオキシメータの機能構成を示す図である。 図３のパルスオキシメータの動作を説明するための図である。

添付の図面を参照しつつ、実施形態の例を以下詳細に説明する。図１は、第一実施形態に係るパルスオキシメータ１（パルスフォトメータの一例）の機能構成を示す図である。パルスオキシメータ１は、被検者２のＳｐＯ２を測定する装置である。ＳｐＯ２は、酸素の運搬が可能なヘモグロビン量に対する酸化ヘモグロビン（血中吸光物質の一例）の割合（血中吸光物質濃度の一例）を示す。

パルスオキシメータ１は、第一発光部１１を備えている。第一発光部１１は、第一波長λ１を含む第一の光を出射するように構成されている。第一波長λ１の例としては、８８０ｎｍや９４０ｎｍ（赤外光の一例）が挙げられる。第一発光部１１は、例えば、第一の光を出射可能な半導体発光素子である。半導体発光素子の例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、有機ＥＬ素子などが挙げられる。

パルスオキシメータ１は、第二発光部１２を備えている。第二発光部１２は、第二波長λ２を含む第二の光を出射するように構成されている。第二波長λ２の例としては、６３０ｎｍや６６０ｎｍ（赤色光の一例）が挙げられる。第二発光部１２は、例えば、第二の光を出射可能な半導体発光素子である。半導体発光素子の例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、有機ＥＬ素子などが挙げられる。

パルスオキシメータ１は、受光部２０を備えている。受光部２０は、被検者２の身体を透過あるいは反射した第一の光の強度に応じて、第一強度信号Ｉ１を出力するように構成されている。また、受光部２０は、当該被検者２の身体を透過あるいは反射した第二の光の強度に応じて、第二強度信号Ｉ２を出力するように構成されている。受光部２０は、例えば、第一波長λ１と第二波長λ２に感度を有する光センサである。光センサの例としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタなどが挙げられる。

パルスオキシメータ１は、第一変化量取得部３１を備えている。第一変化量取得部３１は、受光部２０から出力された第一強度信号Ｉ１の経時変化に基づいて、被検者２の血液の脈動に伴う第一の光の減光度変化量ΔＡ１を取得するように構成されている。第一の光の減光度変化量ΔＡ１は、次式で表される。

ΔＡ１＝ｌｎ［Ｉ１／（Ｉ１−ΔＩ１）］≒ΔＩ１／Ｉ１ （１）

ここで、ΔＩ１は、被検者２の血液の脈動に伴う、第一強度信号Ｉ１の変化量を示している。

パルスオキシメータ１は、第二変化量取得部３２を備えている。第二変化量取得部３２は、受光部２０から出力された第二強度信号Ｉ２の経時変化に基づいて、被検者２の血液の脈動に伴う第二の光の減光度変化量ΔＡ２を取得するように構成されている。第二の光の減光度変化量ΔＡ２は、次式で表される。

ΔＡ２＝ｌｎ［Ｉ２／（Ｉ２−ΔＩ２）］≒ΔＩ２／Ｉ２ （２）

ここで、ΔＩ２は、被検者２の血液の脈動に伴う、第二強度信号Ｉ２の変化量を示している。

前述のように、パルスオキシメータにより取得されるＳｐＯ２の値は、特に脈波信号の振幅が小さい場合において、観血的に取得される動脈血酸素飽和度（以下ＳａＯ２と称する）の値より高くなる傾向がある。発明者らは、脈波信号の振幅に対応する第一の光の減光度変化量ΔＡ１に着目し、ＳｐＯ２の値とＳａＯ２の値の差異との関係を調べた。

図２の（Ａ）は、その結果を示している。横軸は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数に対応している。したがって、値が大きくなるほど脈波信号の振幅が小さいという状況を示している。縦軸は、ＳｐＯ２の値とＳａＯ２の値の差分に対応している。すなわち、縦軸は、取得されるＳｐＯ２の値に含まれる誤差量に対応している。発明者らは、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値と取得されるＳｐＯ２の値に含まれる誤差量とが比例関係にあることを見出した。すなわち、次式が得られる。

ＳｐＯ２−ＳａＯ２＝−ｋ１／ΔＡ１ （３）

ここでｋ１は比例定数である。

ＳａＯ２の値は、パルスオキシメータにより取得されるＳｐＯ２の基準値であるとみなせる。当該基準値は、式（３）より次式のように表される。

ＳａＯ２＝ＳｐＯ２＋（ｋ１／ΔＡ１） （４）

すなわち、式（３）の右辺は、正確なＳｐＯ２の値を得るために必要な補正値とみなせる。式（４）によれば、パルスオキシメータにより取得されたＳｐＯ２の値に当該補正値を加えることにより、基準値が得られることが判る。

他方、ＳｐＯ２は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１と第二の光の減光度変化量ΔＡ２の比である減光度変化量比Φ２１（＝ΔＡ２／ΔＡ１）の関数である。したがって、式（４）より次式が得られる。

ＳａＯ２∝ Φ２１＋（ｋ１／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２／ΔＡ１）＋（ｋ１／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２＋ｋ１）／ΔＡ１ （５）
すなわち、図２の（Ａ）に示した関係から得られる比例定数ｋ１に相当する補正量を第二の光の減光度変化量ΔＡ２に加えることにより、パルスオキシメータにより取得されるＳｐＯ２の値を、ＳａＯ２の値に近づけうることが判る。

第一変化量取得部３１は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１に対応する第一変化量Δ１を取得するように構成されている。第一変化量Δ１は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１と実質的に同一である。

第二変化量取得部３２は、第二の光の減光度変化量ΔＡ２に対応する第二変化量Δ２を取得するように構成されている。第二変化量Δ２は、上記の知見に基づき、次式のように設定される。

Δ２＝ΔＡ２＋ｋ１ （６）

ｋ１は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値に基づく第一補正量とみなせる。すなわち、第二変化量Δ２は、第一補正量ｋ１を含んでいる。

パルスオキシメータ１は、濃度算出部４０を備えている。濃度算出部４０は、第一変化量取得部３１により取得された第一変化量Δ１と第二変化量取得部３２により取得された第二変化量Δ２に基づいて、被検者２のＳｐＯ２を算出するように構成されている。具体的には、式（５）に基づいてＳｐＯ２を算出するように構成されている。

図２の（Ｂ）は、上記の濃度算出部４０を備えているパルスオキシメータ１により算出されたＳｐＯ２の値とＳａＯ２の値との差異を、図２の（Ａ）と同様に示している。両者の差異を解消するには至っていないものの、第一補正量ｋ１を用いない例と比較すると、脈波振幅の小さい領域（第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値が大きい領域）において誤差量が低減していることが判る。したがって、上記の構成によれば、非観血的に算出されるＳｐＯ２の正確性を向上できる。

第一補正量ｋ１の値は、適宜に定められうる。本実施形態においては、第一補正量ｋ１の値は、複数の被検者により得られた複数のＳｐＯ２とＳａＯ２の差分値に基づいて、予め統計的に定められている。具体的には、図２の（Ａ）に示したような複数の測定結果に最小二乗法などの統計的処理を施し、ＳｐＯ２とＳａＯ２の差分を低減できるような第一補正量ｋ１を決定する。

このような構成によれば、第二変化量取得部３２は、統計的に定められた定数である第一補正量ｋ１に基づいて動作する。これにより、第一補正量ｋ１の信頼性が向上するだけでなく、第二変化量取得部３２における処理負荷を抑制できる。したがって、非観血的に算出されるＳｐＯ２の正確性を容易に向上できる。

本実施形態においては、第一の光として赤外光が用いられ、第二の光として赤色光が用いられている。しかしながら、第一の光として赤色光が用いられ、第二の光として赤外光が用いられてもよい。

本実施形態においては、共通の受光部２０が、第一発光部１１から出射された第一の光と第二発光部１２から出射された第二の光を受けるように構成されている。しかしながら、第一の光を受けるための受光部と第二の光を受けるための受光部が独立して設けられる構成としてもよい。

図３は、第二実施形態に係るパルスオキシメータ１Ａの機能構成を示す図である。第一実施形態に係るパルスオキシメータ１と同一あるいは同等の構成要素については、同一の参照番号を付与し、繰り返しとなる説明は省略する。

パルスオキシメータ１Ａは、第三発光部１３を備えている。第三発光部１３は、第三波長λ３を含む第三の光を出射するように構成されている。第三波長λ３の例としては、７００ｎｍ（赤色光の一例）、７３０ｎｍ（赤色光の一例）、８０５ｎｍ（赤外光の一例）などが挙げられる。第三発光部１３は、例えば、第三の光を出射可能な半導体発光素子である。半導体発光素子の例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、有機ＥＬ素子などが挙げられる。

受光部２０は、被検者２の身体を透過あるいは反射した第三の光の強度に応じて、第三強度信号Ｉ３を出力するように構成されている。

パルスオキシメータ１Ａは、第三変化量取得部３３を備えている。第三変化量取得部３３は、受光部２０から出力された第三強度信号Ｉ３の経時変化に基づいて、被検者２の血液の脈動に伴う第三の光の減光度変化量ΔＡ３を取得するように構成されている。第三の光の減光度変化量ΔＡ３は、次式で表される。

ΔＡ３＝ｌｎ［Ｉ３／（Ｉ３−ΔＩ３）］≒ΔＩ３／Ｉ３ （７）

ここで、ΔＩ３は、被検者２の血液の脈動に伴う、第三強度信号Ｉ３の変化量を示している。

図４の（Ａ）は、三種の波長を用いてＳｐＯ２を測定した場合における、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値と、ＳｐＯ２の値とＳａＯ２の値の差分値の関係を示している。横軸は前者に対応し、縦軸は後者に対応している。発明者らは、三種の波長を用いる場合においても、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値と取得されるＳｐＯ２の値に含まれる誤差量とが比例関係にあることを見出した。

ＳｐＯ２は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１と第三の光の減光度変化量ΔＡ３の比である減光度変化量比Φ３１（＝ΔＡ３／ΔＡ１）の関数でもある。したがって、式（４）より次式が得られる。

ＳａＯ２∝ Φ２１＋（ｋ１／ΔＡ１）、Φ３１＋（ｋ２／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２／ΔＡ１）＋（ｋ１／ΔＡ１）、
（ΔＡ３／ΔＡ１）＋（ｋ２／ΔＡ１）
∝（ΔＡ２＋ｋ１）／ΔＡ１、（ΔＡ３＋ｋ２）／ΔＡ１ （８）
すなわち、図４の（Ａ）に示した関係から得られる第一補正量ｋ１を第二の光の減光度変化量ΔＡ２に加え、第二補正量ｋ２を第三の光の減光度変化量ΔＡ３に加えることにより、パルスオキシメータにより取得されるＳｐＯ２の値を、ＳａＯ２の値に近づけうることが判る。

第三変化量取得部３３は、第三の光の減光度変化量ΔＡ３に対応する第三変化量Δ３を取得するように構成されている。第三変化量Δ３は、上記の知見に基づき、次式のように設定される。

Δ３＝ΔＡ３＋ｋ２ （９）

ｋ２は、第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値に基づく第二補正量とみなせる。すなわち、第三変化量Δ３は、第二補正量ｋ２を含んでいる。

パルスオキシメータ１Ａは、濃度取得部４０Ａを備えている。濃度取得部４０は、第一変化量取得部３１により取得された第一変化量Δ１、第二変化量取得部３２により取得された第二変化量Δ２、および第三変化量取得部３３により取得された第三変化量Δ３に基づいて、被検者２のＳｐＯ２を算出するように構成されている。具体的には、以下に示す処理を行なうように構成されている。

第一の光の減光度変化量ΔＡ１、第二の光の減光度変化量ΔＡ２、および第三の光の減光度変化量ΔＡ３は、次式で表わされうる。

ΔＡ１＝ΔＡｂ１＋ΔＡｔ１＝Ｅｂ１ＨｂΔＤｂ＋Σｔ１ΔＤｔ （１０）
ΔＡ２＝ΔＡｂ２＋ΔＡｔ２＝Ｅｂ２ＨｂΔＤｂ＋Σｔ２ΔＤｔ （１１）
ΔＡ３＝ΔＡｂ３＋ΔＡｔ３＝Ｅｂ３ＨｂΔＤｂ＋Σｔ３ΔＤｔ （１２）

ここで、Ｅは、吸光係数（dl g^-1cm^-1）を表している。Ｈｂは、血中ヘモグロビン濃度（g dl^-1）を表している。Σは、減光率（cm^-1）を表している。ΔＤは、血液の脈動に伴う厚み変化（cm）を表している。添え字ｂは、血液を表している。添え字ｔは、血液以外の組織を表している。添え字１は、第一の光を表している。添え字２は、第二の光を表している。添え字３は、第三の光を表している。

式（１０）から式（１２）は、以下のように変形されうる。

ΔＡ１＝Ｅｂ１ＨｂΔＤｂ＋Σｔ１ΔＤｔ
＝［Ｅｂ１＋（Σｔ１ΔＤｔ）／（ＨｂΔＤｂ）］（ＨｂΔＤｂ）
＝（Ｅｂ１＋Ｅｘ１）（ＨｂΔＤｂ） （１３）
ΔＡ２＝Ｅｂ２ＨｂΔＤｂ＋Σｔ２ΔＤｔ
＝［Ｅｂ２＋（Σｔ２ΔＤｔ）／（ＨｂΔＤｂ）］（ＨｂΔＤｂ）
＝（Ｅｂ２＋Ｅｘ２）（ＨｂΔＤｂ） （１４）
ΔＡ３＝Ｅｂ３ＨｂΔＤｂ＋Σｔ３ΔＤｔ
＝［Ｅｂ３＋（Σｔ３ΔＤｔ）／（ＨｂΔＤｂ）］（ＨｂΔＤｂ）
＝（Ｅｂ３＋Ｅｘ３）（ＨｂΔＤｂ） （１５）

ここで、Ｅｘは（ΣｔΔＤｔ）／（ＨｂΔＤｂ）を置き換えた変数である。添え字１は、第一の光を表している。添え字２は、第二の光を表している。添え字３は、第三の光を表している。

式（１３）から式（１５）は、以下のように変形されうる。

Ｅｂ１＋Ｅｘ１−ΔＡ１／（ＨｂΔＤｂ）＝０ （１６）
Ｅｂ２＋Ｅｘ２−ΔＡ２／（ＨｂΔＤｂ）＝０ （１７）
Ｅｂ３＋Ｅｘ３−ΔＡ３／（ＨｂΔＤｂ）＝０ （１８）

式（１６）から式（１８）に関し、第二の光の血液の吸光係数Ｅｂ２と第三の光の血液の吸光係数Ｅｂ３は、第一の光の血液の吸光係数Ｅｂ１により、以下のように近似されうる。

Ｅｂ２＝ａ２Ｅｂ１＋ｂ２ （１９）
Ｅｂ３＝ａ３Ｅｂ１＋ｂ３ （２０）

ここで、ａとｂは定数である。添え字１は、第一の光を表している。添え字２は、第二の光を表している。添え字３は、第三の光を表している。

式（１６）から式（１８）に関し、第二の光のＥｘ２と第三の光のＥｘ３は、第一の光のＥｘ１により、以下のように近似されうる。

Ｅｘ２＝α２Ｅｘ１＋β２ （２１）
Ｅｘ３＝α３Ｅｘ１＋β３ （２２）

ここで、αとβは定数である。添え字１は、第一の光を表している。添え字２は、第二の光を表している。添え字３は、第三の光を表している。

式（１９）から式（２２）を用いて式（１６）から式（１８）を書き換えると、次式が得られる。

Ｅｂ１＋Ｅｘ１−ΔＡ１／（ＨｂΔＤｂ）＝０ （２３）

（ａ２Ｅｂ１＋ｂ２）＋（α２Ｅｘ１＋β２）−ΔＡ２／（ＨｂΔＤｂ）＝０
ａ２Ｅｂ１＋α２Ｅｘ１−ΔＡ２／（ＨｂΔＤｂ）＝−ｂ２−β２ （２４）

（ａ３Ｅｂ１＋ｂ３）＋（α３Ｅｘ１＋β３）−ΔＡ３／（ＨｂΔＤｂ）＝０
ａ３Ｅｂ１＋α３Ｅｘ１−ΔＡ３／（ＨｂΔＤｂ）＝−ｂ３−β３ （２５）

したがって、次の行列式を計算することにより、第一の光の血液の吸光係数Ｅｂ１が得られる。

百分率表記であるＳｐＯ２をＳと小数表記すると、吸光係数Ｅｂ１は、次式で表わされる。

Ｅｂ１＝Ｅｏ１Ｓ＋Ｅｒ１（１−Ｓ） （２７）

ここで、Ｅｏは、酸化ヘモグロビンの吸光係数を表している。Ｅｒは、脱酸化ヘモグロビンの吸光係数を表している。添え字１は、第一の光を表している。

ここで、第一補正量ｋ１を第二の光の減光度変化量ΔＡ２に加え、第二補正量ｋ２を第三の光の減光度変化量ΔＡ３に加えることにより、パルスオキシメータにより取得されるＳｐＯ２の値を、ＳａＯ２の値に近づけうることが判る。

式（６）と式（９）を用いて式（２８）を書き換えると、次式が得られる。

したがって、第一変化量取得部３１により取得された第一変化量Δ１、第二変化量取得部３２により取得された第二変化量Δ２、および第三変化量取得部３３により取得された第三変化量Δ３に基づいて、濃度算出部４０Ａは、ＳｐＯ２を算出するように構成されていることが判る。

図４の（Ｂ）は、上記の濃度算出部４０Ａを備えているパルスオキシメータ１Ａにより算出されたＳｐＯ２の値とＳａＯ２の値との差異を、図４の（Ａ）と同様に示している。第一補正量ｋ１および第二補正量ｋ２を用いない例と比較すると、脈波振幅の小さい領域（第一の光の減光度変化量ΔＡ１の逆数値が大きい領域）において誤差量が大幅に低減していることが判る。したがって、上記の構成によれば、非観血的に算出されるＳｐＯ２の正確性を大幅に向上できる。

第一補正量ｋ１と第二補正量ｋ２の値は、適宜に定められうる。本実施形態においては、第一補正量ｋ１と第二補正量ｋ２の値は、複数の被検者により得られた複数のＳｐＯ２とＳａＯ２の差分値に基づいて、予め統計的に定められている。具体的には、図４の（Ａ）に示したような複数の測定結果に最小二乗法などの統計的処理を施し、ＳｐＯ２とＳａＯ２の差分を低減できるような第一補正量ｋ１と第二補正量ｋ２を決定する。

このような構成によれば、第二変化量取得部３２は、統計的に定められた定数である第一補正量ｋ１に基づいて動作する。また、第三変化量取得部３３は、統計的に定められた定数である第二補正量ｋ２に基づいて動作する。これにより、第一補正量ｋ１と第二補正量ｋ２の信頼性が向上するだけでなく、第二変化量取得部３２と第三変化量取得部３３における処理負荷を抑制できる。したがって、非観血的に算出されるＳｐＯ２の正確性を容易かつ大幅に向上できる。

本実施形態においては、第一の光として赤外光が用いられ、第二の光および第三の光として赤色光が用いられている。しかしながら、第一の光として赤色光が用いられ、第二の光と第三の光の一方に赤色光が用いられ、他方に赤外光が用いられてもよい。あるいは、第一の光、第二の光、および第三の光のうちいずれか二つに赤外光が用いられ、残りの一つに赤色光が用いられてもよい。

本実施形態においては、共通の受光部２０が、第一発光部１１から出射された第一の光、第二発光部１２から出射された第二の光、および第三発光部１３から出射された第三の光を受けるように構成されている。しかしながら、第一の光を受けるための受光部、第二の光を受けるための受光部、および第三の光を受けるための受光部の少なくとも一つが独立して設けられる構成としてもよい。

赤色光と赤外光は、酸素飽和度によって血液の吸光係数の比が異なる組合せであるため、特にＳｐＯ２の算出の正確性を向上させることができる。

上記の各実施形態は、本発明の理解を容易にするための例示にすぎない。上記の各実施形態に係る構成は、本発明の趣旨を逸脱しなければ、適宜に変更・改良されうる。また、等価物が本発明の技術的範囲に含まれることは明らかである。

上記の各実施形態においては、ＳｐＯ２を算出するパルスオキシメータが例示されている。しかしながら、本発明は、他の血中吸光物質の濃度を算出する他のパルスフォトメータに適用可能である。他の血中吸光物質の例としては、一酸化炭素ヘモグロビン、Ｍｅｔヘモグロビン、血液に注入された色素などが挙げられる。その場合、対象とする血中吸光物質濃度によって血液の吸光係数の比が実質的に異なる組合せとなるように各光の波長が選ばれる。

四種以上の波長を含む四種以上の光が血中吸光物質濃度の特定に用いられる構成とされうる。例えば、４つの波長λ１、λ２、λ３、およびλ４は、以下のように選ばれうる。
λ１＝６３０ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍ、λ３＝７００ｎｍ、λ４＝８８０ｎｍ
λ１＝６６０ｎｍ、λ２＝７００ｎｍ、λ３＝８８０ｎｍ、λ４＝９４０ｎｍ

上記の各実施形態において、第一変化量取得部３１、第二変化量取得部３２、第三変化量取得部３３、および濃度算出部４０（４０Ａ）の機能は、通信可能に接続されたプロセッサとメモリの協働により実行されるソフトウェアにより実現されている。プロセッサの例としては、ＣＰＵやＭＰＵが挙げられる。メモリの例としては、ＲＡＭやＲＯＭが挙げられる。しかしながら、第一変化量取得部３１、第二変化量取得部３２、第三変化量取得部３３、および濃度算出部４０（４０Ａ）の少なくとも一つの機能は、回路素子などのハードウェアにより、あるいはハードウェアとソフトウェアの組合せにより実現されうる。

１、１Ａ：パルスオキシメータ、２：被検者、１１：第一発光部、１２：第二発光部、１３：第三発光部、２０：受光部、３１：第一変化量取得部、３２：第二変化量取得部、３３：第三変化量取得部、４０、４０Ａ：濃度取得部、λ１：第一波長、λ２：第二波長、λ３：第三波長、Ｉ１：第一強度信号、Ｉ２：第二強度信号、Ｉ３：第三強度信号、ΔＡ１：第一の光の減光度変化量、ΔＡ２：第二の光の減光度変化量、ΔＡ３：第三の光の減光度変化量、Δ１：第一変化量、Δ２：第二変化量、Δ３：第三変化量、ｋ１：第一補正量、ｋ２：第二補正量

Claims (8)

1. 第一波長を含む第一の光を出射するように構成された第一発光部と、
   第二波長を含む第二の光を出射するように構成された第二発光部と、
   被検者の身体を透過あるいは反射した前記第一の光の強度に応じて第一強度信号を出力し、前記身体を透過あるいは反射した前記第二の光の強度に応じて第二強度信号を出力するように構成された受光部と、
   前記第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を取得するように構成された第一変化量取得部と、
   前記第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を取得するように構成された第二変化量取得部と、
   前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を算出するように構成された濃度算出部と、
   を備えており、
   前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる、
   パルスフォトメータ。
2. 前記第一補正量は、複数の被検者より得られた複数の血中吸光物質濃度に基づいて予め統計的に定められた定数である、
   請求項１に記載のパルスフォトメータ。
3. 前記第一の光と前記第二の光の一方は赤色光であり、
   前記第一の光と前記第二の光の他方は赤外光である、
   請求項１または２に記載のパルスフォトメータ。
4. 第三発光部と、
   第三変化量取得部と、
   を備えており、
   前記第三発光部は、第三波長を含む第三の光を出射するように構成されており、
   前記受光部は、前記身体を透過あるいは反射した前記第三の光の強度に応じて第三強度信号を出力するように構成されており、
   前記第三変化量取得部は、前記第三強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第三の光の減光度変化量に対応する第三変化量を取得するように構成されており、
   前記濃度算出部は、前記第一変化量、前記第二変化量、および前記第三変化量に基づいて、前記血中吸光物質濃度を算出するように構成されており、
   前記第三変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第二補正量を含んでいる、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のパルスフォトメータ。
5. 前記第二補正量は、複数の被検者より得られた複数の血中吸光物質濃度に基づいて予め統計的に定められた定数である、
   請求項４に記載のパルスフォトメータ。
6. 前記第一波長、前記第二波長、および前記第三波長は、６３０ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍ、７３０ｎｍ、８０５ｎｍ、８８０ｎｍ、および９４０ｎｍから選ばれている、
   請求項４または５に記載のパルスフォトメータ。
7. 被検者の身体を透過あるいは反射した第一波長を含む第一の光の強度に対応する第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を取得するように構成された第一変化量取得部と、
   前記身体を透過あるいは反射した第二波長を含む第二の光の強度に対応する第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を取得するように構成された第二変化量取得部と、
   前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を算出するように構成された濃度算出部と、
   を備えており、
   前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる、
   パルスフォトメータ。
8. 被検者の身体を透過あるいは反射した第一波長を含む第一の光の強度に対応する第一強度信号に基づいて、前記被検者の血液の脈動に伴う前記第一の光の減光度変化量に対応する第一変化量を、パルスフォトメータに取得させ、
   前記身体を透過あるいは反射した第二波長を含む第二の光の強度に対応する第二強度信号に基づいて、前記脈動に伴う前記第二の光の減光度変化量に対応する第二変化量を、前記パルスフォトメータに取得させ、
   前記第一変化量と前記第二変化量に基づいて、前記血液における血中吸光物質濃度を、前記パルスフォトメータに算出させ、
   前記第二変化量は、前記第一の光の減光度変化量の逆数値に基づく第一補正量を含んでいる、
   血中吸光物質濃度の算出方法。

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