JP3548631B2

JP3548631B2 - 酸素濃度計測装置

Info

Publication number: JP3548631B2
Application number: JP16228395A
Authority: JP
Inventors: 剛弘黒野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH0910190A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、繰り返し周期で動作する運動器具を用いて運動する被検者の血液中の酸素濃度を計測する酸素濃度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、特開昭６３−２７５３２４号公報のものが知られている。この公報に記載された従来の酸素濃度計測装置は、被検者の測定部位に照射された光の透過光強度を測定し、この測定データを心臓の心拍周期を分割した同期信号の区間ごとに蓄積している。そして、これらの蓄積データを演算し測定部位での酸素濃度を求めている。特にこの計測装置では、測定データを区間ごとに蓄積しているので、測定部位を透過する光量が微弱な場合でも酸素濃度を精度良く測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の酸素濃度計測装置では、被検者に動きが伴う場合、測定部位の光入射部分、透過光検出部分、および測定部位の内部状態が動きに合わせて変化してしまう。このため、運動負荷による測定部位の酸素濃度変化と動きによる酸素濃度変化とが重複して計測され、負荷による測定部位の酸素濃度の変化のみを連続して計測することができないといった問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決し、被検者の動きによる影響を取り除いて、被検者体内の酸素濃度の変化のみを連続して計測できる酸素濃度計測装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の酸素濃度計測装置は、繰り返し周期で動作する運動器具を用いて運動する被検者の血液中の酸素濃度変化を計測する装置であって、
運動器具に組み込まれ被検者の運動周期を検出する運動周期検出部と、運動周期検出部からの検出信号を入力しこの検出信号の周期を分割した各区間でパルスが発生する同期信号を生成する同期信号生成部と、被検者の測定部位に照射された光の透過量を同期信号のパルスタイミングで検出する透過光量検出部と、透過光量検出部で検出された透過光量データから被検者の血液中の酸素濃度変化を各区間ごとに演算する演算部とを備えている。
【０００６】
ここで、演算部での演算結果を表示する表示部をさらに備え、演算部では各区間ごとに透過光量データを蓄積しこれらの蓄積データから各区間ごとのグラフを作成してこれらのグラフを表示部に表示させるものであってもよい。
【０００７】
【作用】
本発明の酸素濃度計測装置によれば、運動周期検出部で検出された被検者の運動周期の検出信号が同期信号生成部に与えられ、この検出信号の周期を分割した各区間でパルスが発生する同期信号が生成される。この同期信号は透過光量検出部に与えられ、被検者の測定部位に照射された光の透過量を同期信号のパルスタイミングで検出する。検出された透過光量データは演算部に与えられ、この透過光量データから被検者の血液中の酸素濃度変化が区間ごとに算出される。
【０００８】
ここで、パルスが発生する同期信号の各区間は、被検者の各運動ポジションに対応する。このため、演算部で得られる透過光量データは被検者の運動ポジションごとのデータであり、このデータを例えば運動ポジションごとに蓄積させて表示部にグラフ表示させれば、被検者の動きによる影響を取り除いた酸素濃度変化を視覚的に捕らえることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。図１は、本実施例に係る酸素濃度計測装置の構成を示す斜視図である。同図より、本実施例の酸素濃度計測装置は、運動器具であるトレッドミル１０で運動する被検者１の腕や足などの測定部位２での血液中の酸素濃度変化を計測する装置である。トレッドミル１０には、円盤１１の回転周期を検出する運動周期検出器２０が内蔵され、運動周期検出器２０からの出力電流より被検者１の運動周期を測定する。また、被検者１の測定部位２には、取付具３０，３１が測定部位２を挟んで取り付けられ、取付具３０，３１にはそれぞれ光ファイバ３２，３３の一端が接続されている。光ファイバ３２，３３の他端は処理装置４０に接続され、測定部位２での透過光量のデータが処理装置４０に入力される。さらに、処理装置４０は運動周期検出器２０とケーブル２３で接続され、運動周期検出器２０からの出力電流データが入力される。これらのデータを入力した処理装置４０では、測定部位２での透過光量と被検者１の運動周期とから血液中の酸素濃度変化を演算する。そして、処理装置４０での演算結果はディスプレイ装置５０に表示される。
【００１０】
トレッドミル１０は、自転車のペダル漕ぎを模した健康器具で、負荷のかかった円盤１１の軸に取り付けられたペダル１２を被検者１が漕ぐことにより、円盤１１を回転させる器具である。円盤１１の周縁の一部には遮光板１１ａが取り付けられ、この遮光板１１ａを挟む位置に光源２１とホトダイオード２２が取り付けられている。そして、円盤１１が回転している間は少なくとも光源２１から光が照射されるようにケーブル２３を介して処理装置４０から光源２１に指示が与えられる。
【００１１】
このため、光源２１とホトダイオード２２の間に遮光板１１ａがない時は、ホトダイオード２２には光源２１からの光が照射されるので、ホトダイオード２２から出力される電流量は一定となる。また、円盤１１が回転して光源２１とホトダイオード２２の間に遮光板１１ａが入ると、光源２１からの光は遮光板１１ａで遮断されるので、ホトダイオード２２から出力される電流量は減衰する。よって、ホトダイオード２２からの出力電流量が減衰した時点から次に減衰する時点までの期間を処理装置４０で測定することにより、円盤１１の回転周期、つまりは被検者１の運動周期を検出することができる。
【００１２】
次に、処理装置４０の構成について図２のブロック図を用いて説明する。処理装置４０は複数の透過光量検出部４１を備えており、各透過光量検出部４１はレーザダイオード（以下、ＬＤと略す）４１ａと光電子増倍管４１ｂとから構成されている。ＬＤ４１ａの出射端面には光ファイバ３２の一端面が光軸を一致させて接合されており、ＬＤ４１ａからの出射光は光ファイバ３２を通って被検者１の測定部位２に照射される。また、光電子増倍管４１ｂの入射面には光ファイバ３３の一端面が接合されており、測定部位２を透過した光は光ファイバ３３を通って、光電子増倍管４１ｂで増倍される。さらに、処理装置４０は、透過光量検出部４１と同数のＬＤ駆動部４２および透過光量信号生成部４３が設けられ、ＬＤ駆動部４２はＬＤ４１ａの発光制御を行い、透過光量信号生成部４３は光電子増倍管４１ｂからの出力パルス電流を増幅・ノイズ除去して、透過光量信号を生成する。
【００１３】
さらに、処理装置４０は検出信号生成部４４と同期信号生成部４５を備えており、ホトダイオード２２からの出力電流がケーブル２３を介して検出信号生成部４４に与えられる。検出信号生成部４４では、ホトダイオード２２からの出力電流が所定のスライスレベル以下になったときに一定幅のパルスが立ち上がる検出信号が生成される。この検出信号の生成を図３（ａ）〜（ｄ）のタイムチャートを用いて説明する。図３（ａ）は円盤１１の回転が遅い場合のホトダイオード２２からの出力電流を、図３（ｃ）円盤１１の回転が速い場合のホトダイオード２２からの出力電流を、図３（ｂ），（ｄ）は、これらの出力電流に基づいて検出信号生成部４４で生成される検出信号をそれぞれ示している。
【００１４】
円盤１１の回転が遅い場合には、出力電流（図３（ａ）参照）の立ち下がり波形が鋭角なのでスライスレベルは意味を成さず、出力電流が立ち下がったときに一定幅のパルスが立ち上がる検出信号（図３（ｂ）参照）が検出信号生成部４４で生成される。ところが、円盤１１の回転が高速になると、出力電流（図３（ｃ）参照）の立ち下がり波形が鈍るのでスライスレベルでタイミングを取る必要が生じる。つまり、出力電流が所定のスライスレベル以下になったときに一定幅のパルスが立ち上がる検出信号（図３（ｄ）参照）が検出信号生成部４４で生成される。
【００１５】
検出信号生成部４４で生成された検出信号は、同期信号生成部４５に与えられる。同期信号生成部４５には、外部からの分割数データも与えられる。同期信号生成部４５では、これらの入力データに基づいて、同期信号を生成する。この同期信号の生成を図４（ａ）（ｂ）のタイムチャートを用いて説明する。図４（ａ）は１周期時間がＴの検出信号を、図４（ｂ）は分割数がＮ＝６の同期信号を示している。同期信号生成部４５では、検出信号（図４（ａ）参照）のパルスが立ち上がった時点から次のパルスが立ち上がる時点までの期間Ｔを求め、求めた期間Ｔを６等分してそれぞれの期間をｔ１〜ｔ６としている。そして、各期間ｔ１〜ｔ６でパルスが立ち上がる同期信号（図４（ｂ）参照）を生成する。このように生成された同期信号は、図２に示すＬＤ駆動部４２に与えられる。ＬＤ駆動部４２では、同期信号のパルス間隔をさらに分割し、これらの分割間隔ごとに異なる波長の光をＬＤ４１ａから出射させる。同期信号のパルス間隔は、この例のように期間Ｔを分割数Ｎで等分してもよく、ｔ（ｉ＋１）＝ｔｉ＋Δｔと可変になるように設定してもよい。
【００１６】
さらに、処理装置４０は信号分配部４６と演算部４７を備えており、同期信号生成部４５で生成された同期信号は信号分配部４６と演算部４７にもそれぞれ与えられる。信号分配部４６には、各透過光量信号生成部４３で生成された透過光量信号も与えられ、同期信号に基づいて各透過光量信号を異なる波長ごとに分配する。図５のタイムチャートに信号分配部４６での処理の例を示す。この例では、ＬＤ駆動部４２の制御により、同期信号（図５（ａ）参照）のパルス間隔を２つに分割して、前半の期間と後半の期間で波長の異なる２種類の光（λａ，λｂ）をＬＤ４１ａから出力している（図５（ｂ）（ｃ）参照）。ＬＤ４１ａからこのような光が出射されると、透過光量信号生成部４３で生成される透過光量信号（図５（ｄ）参照）は、波長λａの光による透過光量信号と波長λｂの光による透過光量信号が交互に現れる信号となる。そして、係る透過光量信号は信号分配部４６に入力され、波長λａの光による透過光量信号（図５（ｅ）参照）と波長λｂの光による透過光量信号（図５（ｆ）参照）とに分配される。
【００１７】
このように分配された透過光量信号（図５（ｅ）（ｆ）参照）は、演算部４７に与えられ、演算部４７では波長ごとの透過光量の変化率ΔＴ_λ _ａ，ΔＴ_λ _ｂを求める。演算部４７ではさらに、このようにして求めた透過光量の変化率Ｔ_λ _ａ，Ｔ_λ _ｂを以下に示す式▲１▼に代入して、酸素と結合したヘモグロビン（ＨｂＯ_２）の濃度変化ΔＸ_ＨｂＯ２と、酸素の取り除かれたヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度変化ΔＸ_Ｈｂとを算出する。
【００１８】

ここで、ΔＸ_１＝ΔＸ_ＨｂＯ２、ΔＸ_２＝ΔＸ_Ｈｂ、ΔＴ_λ _１＝ΔＴ_λ _ａ、ΔＴ_λ _２＝ΔＴ_λ _ｂ、ｎ＝２とする。また、Ａ_ｉｊは、各波長λｊ（λａ，λｂ）における各成分ｉ（ＨｂＯ_２，Ｈｂ）の吸収係数であり、図６から予め定まっているものとする。さらに、Ｌは入射光が測定部位２を通過する長さである。なお、本例は２波長による測定なのでｎ＝２であるが、波長数がｍ（ｍは３以上の自然数）での測定のときはｎ＝ｍとして演算すればよい。
【００１９】
例えば、Ａ_１１＝０．７、Ａ_１２＝１．２、Ａ_２１＝１．０、Ａ_２２＝０．８（１／ｍＭ／ｃｍ）、取付具３０，３１の間隔Ｄ＝２ｃｍの場合のパス長Ｌ＝２×０．５９＝１．１８ｃｍとして演算すれば、
ΔＸ_ＨｂＯ２＝１．２１・ΔＴ_λ _ａ＋０．７１・ΔＴ_λ _ｂ（ｍＭ／ｃｍ）
ΔＸ_Ｈｂ＝０．８４７・ΔＴ_λ _ａ＋１．０６・ΔＴ_λ _ｂ（ｍＭ／ｃｍ）
が得られる。
【００２０】
ＬＤ４１ａでの発光は、パルス発光と連続発光との選択が可能である。同期信号のパルス間隔を複数に分割して、分割時間ごとに波長の異なる光をＬＤ４１ａから出射しているので、クロストークが除去される。本例では２分割であるが、分割数を増やせば、より計測精度が向上する。さらに、バックグラウンド計測時間を設けて、各計測値をバックグラウンド値で減算すれば、ＬＤ４１ａからの出射光以外の要因による誤差が削除され、より一層計測精度が向上する。
【００２１】
図２に示す処理装置４０は、さらにメモリ４８と連続補完処理部４９を備えており、演算部４７での演算結果はメモリ４８に記憶される。メモリ４８の内容の例を図７に示す。同図より、メモリ４８には２つの測定部位（腕と足）での演算結果のテーブルがそれぞれ設けられている。そして、各テーブルには、酸素と結合したヘモグロビン（ＨｂＯ_２）の濃度変化ΔＸ_ＨｂＯ２と酸素の取り除かれたヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度変化ΔＸ_Ｈｂとの演算結果、およびこれらの濃度変化の和ΔＸ_ｔ−Ｈｂ（＝ΔＸ_ＨｂＯ２＋ΔＸ_Ｈｂ）が期間ｔ１〜ｔ６ごとに記録されている。
【００２２】
メモリ４８に記録された演算結果のデータは連続補完処理部４９に与えられる。連続補完処理部４９では、これらのデータを期間ｔ１〜ｔ６ごとに６つのグループに分けて、各グループ内のデータを時間的に滑らかに補完して、６つのグラフ用のデータを作成している。各期間は、被検者１が周期運動する際のそれぞれのポジションＰ１〜Ｐ６に対応しているので、このようにグループ分けされた各グラフデータは、被検者１の運動による負荷を除外したデータとなる。そして、連続補完処理部４９から出力されたグラフデータはディスプレイ装置５０に与えられ、ポジションＰ１〜Ｐ６（期間ｔ１〜ｔ６）ごとにグラフ表示される。
【００２３】
図８は、被検者１がトレッドミル１０のペダル１２を漕いで、円盤１１を１分間に４回転させた場合の、ヘモグロビンの濃度変化ΔＸ_ｔ−Ｈｂの演算結果のグラフである。このグラフは、期間ｔ１〜ｔ６ごとに分割せずに連続的に計測・演算して求めたグラフである。同図より、被検者１が運動している期間中にヘモグロビンの濃度が大きく変化していることが分かる。つまり、トレッドミル１０のペダル漕ぎは、ペダル１２を踏み込む際に足に力が入り、この時のヘモグロビン濃度が最大となる。このため、ペダル１２の動きに合わせて、ヘモグロビン濃度が周期的に変化するのである。このような被検者１の運動による影響を、運動周期をモニターすることにより、本実施例では取り除いている。
【００２４】
本実施例の表示例を図９，図１０に示す。図９は、メモリ４８に記録されたポジションＰ１〜Ｐ６（期間ｔ１〜ｔ６）ごとのデータに基づく６つのグラフである。また、図１０は、これらの６つのグラフを時間ｔ＝０の位置を合わせて重畳したグラフである。これらの図から分かるように、被検者１が周期運動を行う運動期間中もヘモグロビン濃度の変動が少ないことが分かる。このように、本実施例を用いれば、被検者１の動きを除去したポジションＰ１〜Ｐ６ごとのヘモグロビン濃度の変化が計測できる。
【００２５】
なお、本発明は上記実施例に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、運動器具はトレッドミルに限られることなく、エルゴメータやその他の繰り返し運動を行う運動器具を用いてもよい。
【００２６】
また、本実施例では、トレッドミル１０に内蔵された運動周期検出器２０から被検者１の周期的タイミング信号を計測してポジションごとのデータを抽出しているので、被検者１の周期が安定でなくても対応ができるが、運動能力計測などでは被検者１の周期を安定させる必要がある。このような場合には、光や音などの刺激信号を一定のリズムで発生させることにより、被検者１の周期を安定させることができる。また、刺激信号を高速、中速、低速と可変にすることにより、所望の周期で被検者１を運動させることもできる。
【００２７】
さらに、本実施例では、２か所の測定部位２での透過光量を計測して酸素濃度変化を求めたが、１か所の測定部位２から酸素濃度変化を求めてもよく、３か所以上の測定部位２から酸素濃度変化を求めてもよい。
【００２８】
さらにまた、本実施例では、１周期時間（Ｔ）を計測分割点数で分割した時間（ｔ）を用いたが、運動周期が高速となると計測時間間隔（ｔ）は短くなる。そして、あまり計測時間間隔（ｔ）が短くなるとＳ／Ｎが悪くなるといった問題が生じる。このような場合には、１周期時間（Ｔ）を分割して計測時間間隔（ｔ）とすることが不可能となり、複数の周期時間（Ｔ）ごとに計測を行うようになる。この結果、計測時間間隔（ｔ）が１周期時間（Ｔ）より長くなり、被検者１の運動の影響は平均化されてしまう。そこで、計測時間間隔（ｔ）が１周期時間（Ｔ）より十分長い場合は、計測時間間隔（ｔ）をさらに分割して各分割時間で異なる波長の光を出射するように各ＬＤ４１ａを制御し、計測時間間隔（ｔ）が１周期時間（Ｔ）より短いか等しい場合は、係る分割は行わず単一波長の光を出射するよう各ＬＤ４１ａを制御してもよい。このような制御は、同期信号生成部４５が各ＬＤ駆動部４２に指示を与えることにより実現される。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の酸素濃度計測装置は、被検者の運動周期を検出する運動周期検出部と、運動周期検出部からの検出信号の周期を分割した各区間でパルスが発生する同期信号を生成する同期信号生成部と、被検者の測定部位に照射された光の透過量を同期信号のパルスタイミングで検出する透過光量検出部と、透過光量検出部で検出された透過光量データから被検者の血液中の酸素濃度変化を各区間ごとに演算する演算部とを備えている。
【００３０】
ここで、パルスが発生する同期信号の各区間は、被検者の各運動ポジションに対応する。このため、演算部で得られる透過光量データは被検者の運動ポジションごとのデータであり、このデータを例えば運動ポジションごとに蓄積させて表示部にグラフ表示させれば、被検者の動きによる影響を取り除いた酸素濃度変化を視覚的に捕らえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る酸素濃度計測装置の構成を示す斜視図である。
【図２】処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】検出信号生成部の処理の概要を示すタイムチャートである。
【図４】同期信号生成部の処理の概要を示すタイムチャートである。
【図５】信号分配部の処理の概要を示すタイムチャートである。
【図６】ヘモグロビンの吸収スペクトルを示す図である。
【図７】メモリに記憶されたヘモグロビンの濃度変化の例を示す図である。
【図８】時分割なしに連続して計測した結果を示す図である。
【図９】運動位置ごとの時分割方式による表示結果を示す図である。
【図１０】計測開始時を０に設定して重畳させた表示結果を示す図である。
【符号の説明】
１…被検者、１０…トレッドミル、２０…運動周期検出器、４１…透過光量検出部、４５…同期信号生成部、４７…演算部、５０…ディスプレイ装置。

Claims

繰り返し周期で動作する運動器具を用いて運動する被検者の血液中の酸素濃度変化を計測する酸素濃度計測装置において、
前記運動器具に組み込まれ、前記被検者の運動周期を検出する運動周期検出部と、
前記運動周期検出部からの検出信号を入力し、この検出信号の周期を分割した各区間でパルスが発生する同期信号を生成する同期信号生成部と、
前記被検者の測定部位に照射された光の透過量を前記同期信号のパルスタイミングで検出する透過光量検出部と、
前記透過光量検出部で検出された透過光量データから前記被検者の血液中の酸素濃度変化を前記各区間ごとに演算する演算部とを備えることを特徴とする酸素濃度計測装置。
前記演算部での演算結果を表示する表示部をさらに備え、
前記演算部では、前記各区間ごとに前記透過光量データを蓄積し、これらの蓄積データから前記各区間ごとのグラフを作成して、これらのグラフを前記表示部に表示させるものであることを特徴とする請求項１記載の酸素濃度計測装置。