JP3345481B2 - 脈波分光計 - Google Patents

脈波分光計

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は脈波分光計、特に生体の
測定部位に光を照射し、分光測定を行ない、血液中の成
分の濃度を非侵襲的に求める脈波分光計に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】これまでの近赤外分光による生体中の血
液成分の非侵襲的測定では、測定部位に生じる脈動によ
り、測走値が変動し脈動の振幅に依存した測定値のゆら
ぎが生じるため、長時間の測定を行ない、脈動の変動を
ならす必要があった。
【０００３】生体に光を照射すると、血液による吸収と
組織による吸収とが合わさって透過してくる。血中成分
濃度を非侵襲的に測定する揚合この組織による吸収は測
定精度を悪化させる要因となる。
【０００４】特に体の組成の５０−６０％を占める水は
波長９８０ｎｍ付近に大きな吸収ピークを持つ。また測
定する血中成分の多くがこの付近に吸収ピークを持つた
めにこの水の影響が測定精度に大きく関係してくる。
【０００５】そのため、組織の影響を除去し、相対的に
血中成分による吸収光量を大きくする必要がでてくる。
組織の影響を除去するには、拍動に伴って脈動している
血液に伴う吸光度の変化量を取り出すことが有利であ
る。また濃度測定には、血液の絶対量が必要なため、必
然的に吸収量を測定する必要が出てくる。
【０００６】この考えから、脈動を積極的に利用して生
体中の血液の分光情報を得ようとする装置、パルスオキ
シメーターがある。この装置は、脈動による変化分を信
号源とし脈動一周期間を細分化した各区間毎の変化量を
２波長について測定し血中へモグロビンの酸素飽和度を
測定している。この手法では、波長間の比を求めること
で酸素飽和度を求めることができるため、血液による吸
収量の変化分のみを使用して演算している。
【０００７】しかし、このような信号処理方法では全体
の吸収量を捨象しているために血中のへモグロビン濃度
など吸光度の絶対値と関係する濃度測定は行なえず、血
液成分濃度の分析には適さない。
【０００８】同様に脈動を利用する他の装置としては容
積振動法と呼ばれる血圧及び血液酸素飽和度測定手法を
用いた装置がある（特公平４−６０６５０号）。測定部
位にカフ圧を加えることで組織、静脈血層、動脈血層、
各層の吸光度の組み合わせを変えてデータを取得し、各
組み合わせに対する吸光度差を２波長に対して求めるこ
とで、動脈血と静脈血の酸素飽和度を演算し、脈波振幅
の変化点のカフ圧から血圧測定を行っている。
【０００９】またカフ圧の加え方に関して、特開平５−
５０３８５６号では拍動に伴う吸光変化を最大振幅で捉
えるために、動脈圧にほぼ等しいカフ圧を加えた状態で
動脈血の吸光度を測定し、動脈血酸素飽和度および動脈
血圧を決定する方法を開示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】生体の血液成分の近赤
外分光を行う従来技術は、脈動信号の変化分測定や吸光
度差を利用しているだけで、血液酸素飽和度のみを求め
ており、血液成分濃度の情報など吸光度の値を利用する
方法、手段となっていない。
【００１１】本発明の課題は、以上の問題を解決し、血
液成分の吸光度情報を正確に測定でき、血液成分の濃度
分析を行える脈波分光計を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明においては、生体の測定部位に光を照射
し、分光測定を行ない、血液中の成分の濃度を非侵襲的
に求める脈波分光計において、生体測定部位に光を照射
する光源と、測定部位に圧力を加え固定する固定手段
と、測定部位からの出射光を分光する分光手段と、分光
された光を検出する第１の受光素子と、測定部位近傍か
らの散乱光を検出する第２の受光素子と、前記第２の受
光素子により検出した散乱光の変動成分が消えないよう
前記固定手段の固定圧力を制御する手段と、前記第２の
受光素子により検出した散乱光の光量変化に同期して、
第１の受光素子により受光された分光スペクトルの最大
値と最小値の差に基づき血流の変動成分のみを分離する
信号成分分離手段とを有する構成を採用した。
【００１３】
【作用】以上の構成によれば、第２の受光素子により検
出した散乱光の変動成分が消えないよう固定手段の固定
圧力を制御するとともに、第２の受光素子により検出し
た散乱光の光量変化に同期して、第１の受光素子により
受光された分光スペクトルの最大値と最小値の差に基づ
き血流の変動成分のみを分離することにより、拍動に伴
う血液量の変動に同期した収縮期・弛緩期に相当する信
号を測定し、生体情報から血液中の情報のみを抽出し、
分光スペクトルの形状から各種の血中成分量を定量的に
精度良く求めることができる。また、これら収縮期・弛
緩期の２つの差スペクトルを求めることで光源のスペク
トル補正のための参照光が不要となり、血液の吸光スペ
クトルを直接演算することができる。
【００１４】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を
詳細に説明する。以下では、ヒト指の血液成分濃度の情
報を持った分光スペクトルの測定に応用した実施例を説
明する。
【００１５】図１は、本発明に用いた装置のブロック図
である。光源１はハロゲンランプ、その駆動電源、波長
６００ｎｍ−１１００ｎｍの近赤外光を選択的に反射す
るミラー、及び測定部位に光を集光する集光レンズから
構成される。光源１に設けられるミラーはハロゲンラン
プから放射される熱線により測定部位が火傷を負うのを
防ぐためと、分光器内での迷光を除去するためのもので
ある。また、このミラーは同波長域を選択的に透過する
よう構成された１ないし複数のフィルターでも良い。な
お、波長域はこの範囲に限定されるものではなく、求め
たい血中成分の吸収波長に応じて任意に変更できるよう
にしておくのがよい。
【００１６】図において符号２はプローブで、被験者は
このプローブ２に紙面下方向から指ｆを挿入する。プロ
ーブ２には左右及び下方に光の透過する窓が設けられて
おり、挿入された指の先端部（測定部位）ｆｔがそこに
接する。プローブ２の指ｆの固定及び脈波の検出につい
ては、後述する。
【００１７】光源１から出射された光はプローブ２に対
し、紙面右側から入射し、測定部位ｆｔに照射される。
この照射した光は、生体中を通過し紙面左方向の窓から
出射して分光器６に導かれる。
【００１８】分光器６は、回折格子、及び凹面ミラーか
ら構成されるモノクロメーターで、測定部位を通過して
きた光を各波長毎に６００−１１００ｎｍの波長範囲で
スペクトルに分解する。分光スペクトルはフオトダイオ
ードアレイ７で検出しＣＰＵ８からの制御でサンプリン
グ回路１４を介してＡ／Ｄ変換器１０でデジタル信号に
変換された後バッファメモリ１１に蓄積される。バッフ
ァメモリ１１に蓄えられたデータはＣＰＵ８からの命令
で逐次取り込まれる。
【００１９】図２はプローブ２、及び脈波検出手段の構
成を示したブロック図である。脈波をモニターするため
に、プローブ２の下部（測定部位ｆｔの下）に設けられ
た窓２ｃから生体中を散乱してきた光をフオトダイオー
ド２１で検出する。
【００２０】フオトダイオード２１の出力は、光電流電
圧変換回路２１ａで光電流を電圧に変換され、アンプ２
２で増幅され、信号の直流成分と高周波ノイズを除去す
るパンドパスフィルター２З、アンプ２５を経てＡ／Ｄ
変換器２４でデジタル信号に変換された後ＣＰＵ８に取
り込まれる。パンドパスフィルター２３は脈波の信号を
抽出するために直流成分を取り除く目的と、電源ノイズ
等の高周波成分を除去する目的で用いられる。
【００２１】ＣＰＵ８では、フオトダイオード２１を介
して検出した脈波をモニターしながら、脈波の１周期で
の最大値及び最小値を検出して、それぞれに同期させて
サンプリング回路１４に信号を送り、フオトダイオード
アレイ７からの信号を取り込む。
【００２２】また、ＣＰＵ８では脈波をモニターしなが
ら、この脈波の振幅が消えないようにバルーン２ｂ内の
空気圧を駆動回路３を通じてポンプ２６、及び電磁弁２
７によって調節する制御を行なう。測定中は、この調節
した圧力値に保ち、指の固定を行う。
【００２３】このとき、バルーン２ｂの圧力は、測定部
位の動脈血及び静脈血の血行を妨げない範囲で最も生体
を安定に固定するよう、また、脈波の振幅が時間的に安
定するように設定される。本実施例ではその圧力値を２
０ｍｍＨｇと想定したが、この値は、上述のようにして
測定毎に最適値に制御されるため、必ずしもこの値に限
定されるものではない。
【００２４】本実施例では、上記のようにして信号の積
算中は測定部位をバルーンにて固定し、一定の脈波の振
幅が得られるように制御する。
【００２５】生体においては近赤外領域の波長の光に対
し、ある程度の透過性があるとはいえ、かなりの部分散
乱して通過してくる。そのため、測定部位に照射された
光は照射点から等方に拡散して行き、あらゆる方向から
同様な光が出射してくる。また、脈動により測定部位内
に含まれる血液量が変わることで血液による吸収量の変
化として出射光の変化が現われる。
【００２６】そこで、生体の測定部位を透過してきた光
を分光器６で捉えると同時に、フオトダイオード２１に
より別の方向からこの血液量の変化を脈波として観測し
てその脈波に同期させて信号を処理するが、具体的に
は、後述のようにその脈波の１周期での分光器６の受光
強度の最大値と最小値を検出し、それぞれの時間での分
光スペクトルを得る。
【００２７】この場合、脈波を安定的にしかも強い振幅
で検出することが測定精度を上げる上で重要である。脈
波の増強という点では動脈圧とほぼ同等なカフ圧を加え
ることが有効であるとの知見が特開平５−５０３８５６
号で開示されているが、本発明の目的には脈波が安定
し、しかも測定部位が固定され、光路長が一定となるよ
うにすることが一層重要である。
【００２８】したがって、本発明においては、測定部位
の固定と脈波振幅を安定化するためには、脈動振幅が制
御しやすいように動脈圧と同等なカフ圧ではなく、動脈
圧を越えしかもカフ圧と脈波振幅が線形に相関するカフ
圧を選んだ結果、図５のように、脈波振幅が最大振幅と
なる点より高いカフ圧で最大振幅の２／３程度の振幅と
なるカフ圧となる点で脈波振幅が安定化するようにカフ
圧を制御しながら測定することがよいことがわかった。
【００２９】さて、図３はこの状態で観測した脈波成分
の値を吸光度であらわしたものである。生体による吸収
には大きく分けて組織による吸収、静脈血による吸収と
動脈血による吸収とがある。このうち、組織による吸収
と静脈血による吸収は拍動による変動が小さく時間的に
安定している。一方動脈血による吸収は拍動によって大
きく変動し図に示すような周期的な変化を示す。このと
き必要なのは血中成分の濃度であり、更に動脈血中の濃
度が、生理的に重要な意味を持っている。
【００３０】したがって、組織、及び静脈血に影響され
ない動脈血のみによる吸収を得ることが必要であり、本
発明では、フオトダイオード２１を介して検出した脈波
に同期して、吸光度スペクトルの最大値と最小値との差
を取る手法を採用している。拍動による吸光度の変化分
はこの動脈血の血液量の増減を反映しており、この脈波
に同期して最大値と最小値との差を取る手法は動脈血の
みの情報を抽出する手段として有効である。
【００３１】具体的には、最大値と最小値の２つの信号
を各波長毎に除算処理した後、対数変換して解析を行な
う。また必要に応じて、この除算処理した信号を複数周
期積算し精度を上げる。
【００３２】また、本発明のように差スペクトルを得る
方法では一般の分光計のように参照光を測定する必要が
ない。すなわち、光源のスペクトルをＩ0（λ）、脈波
の最大値でのスペクトルをＩmax（λ）とすると、吸光
度Ａｂｓmaxは、 Ａｂｓmax＝−log（Ｉmax（λ）／Ｉ0（λ）） …(1) 同様に脈波の最小値でのスペクトルをＩmin（λ）とす
ると吸光度Ａｂｓminは、 Ａｂｓmin＝−log（Ｉmin（λ）／Ｉ0（λ）） …(2) となる。従って両者の差スペクトルは、（１）−（２）
より Ａｂｓmax−Ａｂｓmin＝−log（Ｉmax（λ）／Ｉmin（λ）） …(3) となり、参照光を測定しなくても吸光度を得ることがで
きる。
【００３３】図４は、本発明により測定された吸光度の
スペクトルデータを示している。図４のスペクトルデー
タは１００ｍｓのサンプリングタイムで、フオトダイオ
ードアレイ７からサンプリングを行い、脈波１周期の最
大値でのスペクトルから最小値でのスペクトルを除算
し、それを周期毎に複数回積算した値をＣＰＵ８で対数
変換し吸光度とした値である。実施例では積算回数を１
００回に設定し、データの安定性を向上させている。こ
の積算回数は１００回に限定されるものではなく、光量
と測定精度の関係で任意に設定する。
【００３４】なお、実施例においては測定部位として指
を用いているが、これは脈波が検出されて、かつ測定部
位を透過した光が検出される場所なら特に限定されるも
のではない。例えば、耳殻などを用いることも可能であ
る。
【００３５】以上の実施例によれば、生体固定手段と脈
波検出手段とを備え、測定部位からの脈波信号を検出
し、前記脈波信号の１周期での最大値と最小値とを検出
し、その情報を基に生体を透過したスペクトルの差を取
るようにしたので、測定部位の組織の情報を除去するこ
とができ、生体情報から血液中の情報のみを抽出し、分
光スペクトルの形状から各種の血中成分量を定量的に精
度良く求めることができる。また、これら収縮期・弛緩
期の２つの差スペクトルを求めることで光源のスペクト
ル補正のための参照光が不要となり、血液の吸光スペク
トルを直接演算することができる。
【００３６】また、脈動を検出してこれに同期して測定
部位の固定圧力を制御するようにしているので、透過光
量の揺らぎを除去して血中成分による吸収スペクトルの
みを抽出することができ、特にグルコース等の血中成分
による微小信号を水の影響を少なくして精度良く測定す
る事ができ、測定したスペクトルデータに基づき、酸素
飽和濃度のみならず血液中の各種成分の濃度を非侵襲的
に求めることが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば、生体の測定部位に光を照射し、分光測定を行ない、
血液中の成分の濃度を非侵襲的に求める脈波分光計にお
いて、生体測定部位に光を照射する光源と、測定部位に
圧力を加え固定する固定手段と、測定部位からの出射光
を分光する分光手段と、分光された光を検出する第１の
受光素子と、測定部位近傍からの散乱光を検出する第２
の受光素子と、前記第２の受光素子により検出した散乱
光の変動成分が消えないよう前記固定手段の固定圧力を
制御する手段と、前記第２の受光素子により検出した散
乱光の光量変化に同期して、第１の受光素子により受光
された分光スペクトルの最大値と最小値の差に基づき血
流の変動成分のみを分離する信号成分分離手段とを有す
る構成を採用しているので、第２の受光素子により検出
した散乱光の変動成分が消えないよう固定手段の固定圧
力を制御するとともに、第２の受光素子により検出した
散乱光の光量変化に同期して、第１の受光素子により受
光された分光スペクトルの最大値と最小値の差に基づき
血流の変動成分のみを分離することにより、拍動に伴う
血液量の変動に同期した収縮期・弛緩期に相当する信号
を測定し、生体情報から血液中の情報のみを抽出し、分
光スペクトルの形状から各種の血中成分量を定量的に精
度良く求めることができ、また、これら収縮期・弛緩期
の２つの差スペクトルを求めることで光源のスペクトル
補正のための参照光を用いることなく血液の吸光スペク
トルを直接演算することができる優れた脈波分光計を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による血液成分濃度測定装置の構成を説
明するブロック図である。
【図２】図１の装置における脈波検出手段の構成を示す
ブロック図である。
【図３】生体を透過した光から得られた信号を対数変換
し、その時間的変動を示した線図である。
【図４】本発明の１実施例で測定された血中成分による
吸収スペクトルを示す線図である。
【図５】脈波振幅とカフ圧との関係を示した線図であ
る。
【符号の説明】
１ 光源 ２ プローブ ２ｂ バルーン ６ 分光器 ７ フオトダイオードアレイ ８ ＣＰＵ １０ Ａ／Ｄ変換器 １１ バツフアメモリー １４ サンプリング回路 ２１ フオトダイオード ２１ａ 光電流電圧変換回路 ２２ アンプ ２３ バンドパスフィルター ２４ Ａ／Ｄ変換器 ２５ アンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−146525（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−13450（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−305555（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−156604（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−63810（ＪＰ，Ｕ) 特表 平５−503856（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 5/145 A61B 5/024 - 5/0245 G01N 21/35

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 生体の測定部位に光を照射し、分光測定
    を行ない、血液中の成分の濃度を非侵襲的に求める脈波
    分光計において、 生体測定部位に光を照射する光源と、 測定部位に圧力を加え固定する固定手段と、 測定部位からの出射光を分光する分光手段と、 分光された光を検出する第１の受光素子と、 測定部位近傍からの散乱光を検出する第２の受光素子
    と、前記第２の受光素子により検出した散乱光の変動成分が
    消えないよう 前記固定手段の固定圧力を制御する手段
    と、前記第２の受光素子により検出した散乱光の光量変化に
    同期して、第１の受光素子により受光された分光スペク
    トルの最大値と最小値の差に基づき 血流の変動成分のみ
    を分離する信号成分分離手段とを有することを特徴とす
    る脈波分光計。
  2. 【請求項２】 前記光源は、連続スペクトル光源からの
    放射光の波長６００−１１００ｎｍの範囲の光をバンド
    パスフィルターによって選択的に生体上に照射すること
    を特徴とする請求項１に記載の脈波分光計。
  3. 【請求項３】 前記固定手段は、生体の測定部位を一方
    向から固定するバルーンと、このバルーン内の空気圧を
    調整する調整手段とを有し、このバルーン内の空気圧が
    前記第２の受光素子により検出した散乱光の変動成分が
    消えない範囲で最適な圧力に制御されることを特徴とす
    る請求項１に記載の脈波分光計。
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