JP4040913B2 - 非観血動静脈酸素飽和度測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、動脈及び静脈の血中酸素飽和度を、無侵襲的に計測する動静脈酸素飽和度測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
生体組織の酸素飽和度を計測することは、患者の全身状態を知る上で非常に重要であり、連続した測定や、生体の他の測定値と組み合わせることにより多くの情報を得ることができる。さらに、動脈血だけでなく静脈血も同時に計測できれば、酸素代謝量などの組織の活動状態を知ることができる。
【0003】
現在、動脈血或いは、静脈血の酸素飽和度の測定には、採血を行う侵襲的に計測をする方法と、体表から光学的手法により無侵襲的に計測する方法とが、通常行われる。
【0004】
無侵襲的に動脈血の酸素飽和度を計測する方法としては、心臓の拍動により動脈のみが脈動することを利用して、動脈の脈動成分を利用したパルスオキシメータ法が広く用いられている。一方、静脈血酸素飽和度を計測する方法は侵襲的な方法しかなく、無侵襲的に静脈血酸素飽和度を計測する方法が確立されていない。
【0005】
組織あるいは動静脈血の酸素飽和度を同時測定する試みは、従来から幾つか行われ、静脈血と動脈血を分離して測定することができず、組織全体としての酸素飽和度しか測定できないもの(特開2000−107157)、気管支カテーテルの先に光学センサを取り付け、侵襲的に肺動脈の混合静脈血を測定するもの(特開平11−244264)などが考案されている。また、カフを使用して容積振動法や容積補償法によるもの(特開平2−305555、特開平6−63024、特開平1−146524)では、被験者に加圧負荷や鬱血などの侵襲性を伴う他、カフ装着のため測定部位が限定されることや、加圧用ポンプを備える必要が有るなどのため、連続な計測には適用できない問題点が有る。
【0006】
非観血的に動脈血の酸素飽和度を計測する、従来の方法として広く適用されているパルスオキシメータ法は、ランバート・ベア(Lambert−Bear)の法則による測定法であり、その原理とするところを以下に説明する。
【0007】
図5に示すように、体表から生体内に放射されて、体内で散乱して再び体表で検出される光は、組織層、静脈血、及び動脈血層を透過し、透過率は式1で示される。
【数1】
この透過において、組織層での吸収を時間的には一定と考えれば、時間的に変動している血液層、特に動脈血は周期1秒前後で拍動しており、このため検出される光強度は変化する。
【0008】
図5の動脈の拍動による検出光強度の変化分ΔIdIaに着目して、その透過の変化率は式2で表される。
【数2】
ただし、ACは検出光強度の脈波成分であり、DCはオフセット成分である。
【0009】
一方、図6に示すように、血液中で酸素の吸着・脱酸を行うヘモグロビンの酸素化ヘモグロビン(酸素飽和度100%)と脱酸素化ヘモグロビン(酸素飽和度0%)の吸収スペクトルは、波長800nm(付近の等吸収点)で交差する特性曲線になる。
【0010】
この等吸収点吸収波長より短い波長λ1、及び長い波長λ2で観測される式2の脈波成分/オフセット成分の比を採って、式3に示すように、これを比Rと表わす。
【数3】
被検体の血液の酸素飽和度SO2とこの比Rは、一般には1次関係であるとして式4に示す関係式で表される。
【数4】
この定数A、及びBは、2つの波長及び発光素子と検出素子の配置構造に係る係数である。従って通常、定数A及びBは、生体から採取した血液等により、基準となる別の酸素飽和度計測と共に並行計測し、実測の係数として、この測定法に基く酸素飽和度測定装置を校正する必要がある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように、従来の酸素飽和度測定は、非観血測定の対象となるのは動脈血であり、静脈血においては観血的な手法によるものが主であった。、静脈血の非観血的測定には、カフなどによる静脈圧迫を要し、鬱血が伴うなどの測定状況を異にする方法で、測定部位も限定されるなど同時測定を行うには問題があった。
【0012】
また、非観血的な酸素飽和度の計測方法であるパルスオキシメータ法による血中酸素飽和度測定装置では、測定の特性に関係する装置の定数A及びBを、基準となる酸素飽和度測定器により並行計測おこなって、校正する必要があった。
【0013】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、動脈血及び静脈血をカフ等の補助機構によらず、同一のセンサにより、非観血的に生理的にはほぼ同時に、動脈血及び静脈血の酸素飽和度の測定を可能とし、また、標準の酸素飽和度測定装置を用いる測定値の校正を必要としない非観血動静脈酸素飽和度測定装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置は、異なる第1及び第2の波長の光を生体に照射するための光源と、前記生体を透過し、または前記生体で散乱した光を検出する受光器と、この受光器の出力信号が供給され、前記第1の波長に関わる第1の出力信号及び前記第2の波長に関わる第2の出力信号を出力する検波手段と、この検波手段の前記第1の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第1の最大値/最小値検出手段と、この第1の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第1の脈動率演算手段と、前記検波手段の第2の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第2の最大値/最小値検出手段と、この第2の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第2の脈動率演算手段と、前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から動脈血の酸素飽和度を算定する第1の酸素飽和度算定手段と、前記検波手段の第1の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第3の最大値/最小値検出手段と、この第3の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第1の変動率演算手段と、前記検波手段の第2の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第4の最大値/最小値検出手段と、この第4の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第2の変動率演算手段と、前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から静脈血の酸素飽和度を出力する第2の酸素飽和度算定手段とを備えたことを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置は、異なる第1及び第2の波長の光を生体に照射するための光源と、前記生体を透過し、または前記生体で散乱した光を検出する受光器と、この受光器の出力信号が供給され、前記第1の波長に関わる第1の出力信号及び前記第2の波長に関わる第2の出力信号を出力する検波手段と、この検波手段の前記第1の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第1の最大値/最小値検出手段と、この第1の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第1の脈動率演算手段と、前記検波手段の第2の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第2の最大値/最小値検出手段と、この第2の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第2の脈動率演算手段と、前記検波手段の第1の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第3の最大値/最小値検出手段と、この第3の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第1の変動率演算手段と、前記検波手段の第2の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第4の最大値/最小値検出手段と、この第4の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第2の変動率演算手段と、前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から動脈血の酸素飽和度を算定する第1の酸素飽和度算定手段と、前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から静脈血の酸素飽和度を出力する第2の酸素飽和度算定手段とを備え、前記第1の酸素飽和度算定手段は、光拡散方程式から求めた酸素飽和度検量関係式を備え、前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比に対する動脈血の酸素飽和度を、前記酸素飽和度検量関係式により算定して出力し、前記第2の酸素飽和度算定手段は、前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比に対する静脈血の酸素飽和度を、前記酸素飽和度検量関係式により算定して出力することを特徴とするものである。
【0016】
さらに、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置においては、前記酸素飽和度検量関係式は、予め設定された複数の酸素飽和度に対し、前記第1及び第2の波長毎に、生体組織・血液構成比及び動脈血・静脈血構成比に依存する透過吸収係数、及び光源と受光器間の距離を変数とする光拡散方程式から求めた散乱透過光強度の最大値・最小値を、動脈血液量または静脈血液量の最大・最小に対応して算出し、この算出値から動脈の脈動率または静脈の変動率を算出し、それぞれの波長の脈動率の比、または変動率の比から酸素飽和度を算定する式であることを特徴とするものである。
【0017】
さらに、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置においては、前記第1及び第2の酸素飽和度算定手段は、予め設定された複数の酸素飽和度に対し、前記第1及び第2の波長毎に、生体組織・血液構成比及び動脈血・静脈血構成比に依存する透過吸収係数、及び光源と受光器間の距離を変数とする光拡散方程式から求めた散乱透過光強度の最大値・最小値を、動脈血液量または静脈血液量の最大・最小に対応して算出し、この算出値から動脈の脈動率及び静脈の変動率を算出し、それぞれの波長の脈動率の比、または変動率の比と前記酸素飽和度とを、酸素飽和度検量線データとして、参照データの形式でデータ記憶手段に蓄積して成ることを特徴とするものである。
【0018】
さらに、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置においては、前記第1及び第2の酸素飽和度算定手段は、散乱透過光強度の算出に適用する前記生体条件の、生体組織・血液構成比である生体組織:血液=α:(1−α)において、αを95%〜98%のいずれかの値に、動脈血・静脈血構成比である動脈血:静脈血=β:(1−β)において、βを20%〜40%のいずれかの値にし、動脈血液量、または静脈血液量を変化して、酸素飽和度検量線の算出したことを特徴とするものである。
【0019】
さらに、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置においては、前記光源は、前記第1の波長を発光する第1の光源と、前記第2の波長の発光をする第2の光源とから成り、前記第1の波長は、800nm付近の等吸収波長より短い波長であり、前記第2の波長は、800nm付近の等吸収波長より長い波長であり、前記受光器は、前記第1及び第2の光源から等距離の位置に設けられたことを特徴とするものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
まず、本実施形態であって、この異なる波長の光が、体内に放射され、再び体表で検知されることに関わり、血液の酸素飽和度を測定する形態の原理について説明する。
【0021】
従来の光を用いる酸素飽和度測定装置では、生体に放射された光の性状を後方散乱光として取扱っていた。発明者等は、生体内での光の性状をより厳密に理論的展開を図る散乱光の解析に着目して、光拡散方程式より理論的に解を求めて、散乱反射光強度を得る手法に関して研究を重ねた。
【0022】
この散乱光の解析(文献:Thomas J.Farrell & Michael S.Patterson:Medical Physics,Vol.19,No.4,pp879-888,Jul./Aug.1992)では、体表で放射された光が生体に入射して後、生体組織の各部で散乱して、発光素子から距離ρ離れて位置する受光素子に検知され散乱反射光強度Irefは、光拡散方程式の解を求めて、式5に示す式で得られる。
【数5】
なお、μs'は、散乱係数であり、生体では0.8〜1.4mm−1となる。
【0023】
発明者等は、式5に対し、さらに研究と考察を重ねて、生体に放射され、再び体表で検出される光の性状に関して、生体の光学的特性と諸条件を加味した、以下に説明するシミュレーションを行い、好適な諸条件と酸素飽和度測定装置を見出すに至った。
【0024】
生体の組織と血液の構成比を、組織:血液=α:(1−α)と表わすと、生体の吸収係数μaは、μat及びμabを組織及び血液におけるそれぞれの吸収係数として、式6で表わすことができる。
【数6】
さらに、抹消の動脈血と静脈血の構成比を、動脈:静脈=β:(1−β)とすると、動脈及び静脈を総合した血液の吸収係数であるμabは、μaa及びμavを動脈血及び静脈血におけるそれぞれの吸収係数として、式7で表わすことができる。
【数7】
ここで、例えば、式6においてα=97%、式7においてβ=30%(組織:血液=97:3(%)、動脈:静脈=30:70(%))とし、及びさらに動脈の拍動成分を動脈血に対し約30%とした条件の下で、動脈の拍動による散乱反射光強度の変化をシミュレーションする。
【0025】
シミュレーションでは、動脈の拍動成分が、動脈血に対し約30%程度であるので、式7の動脈血比率βは、30%βから39%1.3βまで増加して、式5の散乱反射光強度Irefが脈動するとした。
【0026】
動脈における酸素化ヘモグロビン比率(酸素飽和度:SaO2)が50%から100%まで変化すると想定して、その各値に対し、予め設定したそれそれそれぞれの波長λ1及び波長λ2について、先の動脈血比率30%βと39%1.3βにおける、式5の散乱反射光強度Iref 30%β、Iref 39%1.3βと、その変動分ΔIref(=Iref 30%β−Iref 39%1.3β)をそれぞれ演算する。
【0027】
酸素化ヘモグロビン比率(酸素飽和度:SaO2)の各値に対し、この演算結果を、前述の式3を動脈に適用した式8に示すそれぞれの波長λ1及び波長λ2における脈動成分(AC)/オフセット成分(DC)に適用した比Raが算出される。
【数8】
一方、静脈血にあっても、肺呼吸における胸部血管への圧力のための、呼吸性の変動がる。静脈における変動は、先の動脈血のは駆動に比べて数倍周期のが数倍長いゆっくりした変化で、この変動成分を静脈血に対し約10%として、同じく、静脈の変動による散乱反射光強度の変化をシミュレーションする。
【0028】
式7の静脈血比率(1−β)は、(1−β)70%から1.1(1−β)77%まで増加して、式5の散乱反射光強度Irefが変動する。
【0029】
静脈における酸素化ヘモグロビン比率(酸素飽和度:SvO2)が、動脈より少し低い40%から90%まで変化すると想定して、動脈の場合と同様に、それぞれの酸素飽和度(SvO2)各値に対し、散乱反射光強度Iref と、変動分ΔIrefをそれぞれ演算する。
【0030】
酸素化ヘモグロビン比率(酸素飽和度:SvO2)の各値に対し、この演算結果を、前述の式3に適用した式9に示す比Rvが、同様に算出される。
【数9】
図3(a)は、動脈血の酸素飽和度SaO2とRaとの関係を、同図(b)は静脈血の酸素飽和度SvO2とRvとの関係をシミュレーションした結果であり、種々の波長λ1と波長λ2 との組合せにより、変化する様子を示す。図3(a)、(b)のそれぞれに示すように,組み合わせる2つ波長の短い波長λ1の波長に依存して傾きが変化し、長い波長λ2 の波長により左右にシフトする。また、波長λ1が750nmの場合は、660nmの場合に比べて線形成が良くて、式4に示す比Rの1次式の関係で、酸素飽和度SO2を算出が精度良く行えることが、また、660nmのように線形性が得られない場合には、式10(a)及び同式(b)に示すような多項式の関係式の適用が良いことが、発明者等による研究で究明された。
【数10】
以下、本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。
【0031】
図1は、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【0032】
本実施形態は、大きくは、センサ部1と、動脈血処理部2と、静脈血処理部3と、酸素飽和度算定部4と、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置の各処理のタイミングと制御を行う制御部5とから構成される。
【0033】
センサ部1は、例えば指先または耳朶などの体表11に装着される2個の発光素子12a、12bと受光素子13とを有するセンサ14と、制御部5のタイミング発生手段からのタイミング信号により発光素子12a、12bを駆動するLED駆動手段15とから成る。
【0034】
動脈血処理部2は、受光素子13に接続される増幅器16と、この増幅器16の出力が入力され、前記タイミング信号により2との出力をする同期検波手段17と、この2つの出力をそれぞれの入力とし、前記タイミング信号の1/2に分周する手段22からのタイミングでこの入力をサンプリングする、2つの脈動サンプリング・ホールド手段18−1、18−2と、この脈動サンプリング・ホールド手段に接続される2つの脈動最大・最小値検出手段19−1、19−2と、この脈動最大・最小値検出手段に接続される2つの脈動率演算手段20−1、20−2と、この2つの脈動率演算手段のそれぞれの出力を入力とする脈動率比Ra演算手段21とから構成される。また、静脈処理部3は、脈動サンプリング・ホールド手段18−1、18−2の出力をそれぞれの入力とする2つの脈波除去ローパスフィルタ23−1、23−2と、この脈波除去ローパスフィルタに接続される2つの変動最大・最小値検出手段24−1、24−2と、この変動最大・最小値検出手段に接続される2つの変動率演算手段25−1、25−2と、この2つの変動率演算手段のそれぞれの出力を入力とする変動率比Rv演算手段26とから構成される。
【0035】
酸素飽和度算出部4は、酸素飽和度検量線算出手段27により予め算出された動脈血・静脈血酸素飽和度検量線データの蓄積手段28と、これに接続されて、前記脈動率比Ra演算手段21の出力、及び前記変動率比Rv演算手段26の出力が入力される酸素飽和度算定手段29と、算出した動脈血、及び静脈血の酸素飽和度31、32の表示手段30とにより構成される。
【0036】
さらに、制御部5は、本実施形態の各手段の連携を制御し、また、本実施形態が検知したり、演算した結果をデータ記憶手段33に書き込む制御を行うシステム制御手段34と、この制御手段より制御されるタイミング発生手段35とから構成される。
【0037】
上述の構成による、本実施形態の動作を図を用いて詳細に説明する。
図2(a)は、本実施形態で使用するセンサを生体に装着する面から見た正面図であり、同図(b)は、このセンサの何れかの発行素子を点灯して、受光素子が検知する散乱光強度を模式的に示す図である。
【0038】
図1に示すセンサ14に内蔵される発行素子12a、12b及び受光素子13は、図2(a)に示すように、発行素子12a、12bのそれぞれが、受光素子13に対し等距離ρとなるように配置されて、生体に装着される。この等距離ρは、生体内各所からの散乱光が再び体表まで透過するのに十分な距離であり、かつ発光素子からの直接の光が受光素子に検知されないように隔てる距離であり、例えば本実施形態では5mmとしている。また発光素子12a、12bは、図6に示す血中ヘモグロビンの吸光特性の等吸点(波長約800nm)より短い波長λ1と長い波長λ2の発光をするもの、またはフィルタにより前記波長が設定されたものである。本実施形態では、発光素子12aが波長λ1:750nmに、発光素子12bが波長λ2:830nmに設定される。
【0039】
タイミング発生手段35からのLED駆動信号F0(周波数f0)が、LED駆動手段15を介して、発光素子12a、12bを交互に駆動する。すなわち、発光素子12a、12bはそれぞれT0(=1/f0)秒間交互に点灯して、その点灯周波数はf0/2である。なお、周波数f0は、概ね20Hzから50Hzの範囲に設定される。
【0040】
この発光素子12a、12bから交互に生体に放射されたそれぞれ波長λ1またはλ2の光が、生体組織、静脈血、及び動脈血で散乱、透過して受光素子13に検知され、散乱光受光信号として増幅手段16で電気的増幅して出力される。
【0041】
図2(b)に、この出力を模式的に示した。この図において、散乱光の透過の様子を理解しやすくするため、透過する領域を区分して示したが、検知し散乱光受光信号ではそれらが混在しており、心拍に同期する動脈の拍動が、呼吸により圧迫される静脈の呼吸性変動に重畳した波形として検知される。特に、同図には静脈の信号成分として表示する区分線は、拍動成分を除去したエンベロープ(包絡線)成分として検出されるものを模式的に示す。また同図では、煩雑になるので微細な表示をしないが、この散乱光受光信号は、前述のそれぞれ波長λ1またはλ2の透過光が交互に検知され連続するものであり、それぞれの波長における透過吸光係数が微小に異なるので、T0(=1/f0)秒間毎の段差を有する波形であるが、これも模式的にこの段差を省略して図示している。
【0042】
増幅手段16から出力される散乱光受光信号は、同期検波手段17に入力されて、この同期検波手段17において、散乱光受光信号をLED駆動信号F0及びこの信号F0の位相を反転(T0こ位相遅れ)した信号F0'により直交検波して、波長λ1に関わる散乱光受光信号S1、及び波長λ2に関わる散乱光受光信号S2の2つの矩形波信号に分離される。
【0043】
次に、分離された散乱光受光信号S1、及び散乱光受光信号S2をそれぞれの点灯周波数と同じf0/2でサンプルホールドするサンプリングホールド手段18−1,18−2に入力して、波長λ1光に関わる脈波信号SP1、及び波長λ2光に関わる脈波信号SP2の2つの連続する階段状波形の脈波信号をそれぞれのサンプリングホールド手段が出力する。この脈波信号SP1及び脈波信号SP2は、動脈の拍動に依り生じる脈波であり、図2(b)の動脈の信号成分に対応する。
【0044】
次に、この脈波信号SP1及び脈波信号SP2は、それぞれの最大値/最小値検出手段19−1、19−2に入力される。入力された脈波信号SP1、または脈波信号SP2の大きさが、この最大値/最小値検出手段19−1、19−2において逐次比較されて、図2(b)の時刻t−a1、及び時刻t−a2に対応した、脈波信号SP1及び脈波信号SP2のそれぞれの最大値、最小値が検出されて、波長λ1光に関わる脈波信号SP1の最大値PS1max及び最小値PS1minが脈動率演算手段20−1へ、波長λ2光に関わる脈波信号SP2の最大値PS2max及び最小値PS2minが脈動率演算手段20−2へ入力される。
【0045】
脈動率演算手段20−1、20−2では、それぞれ入力された最大値、最小値の値から、ΔIa=最大値−最小値、及びI0Ia max=最小値とし、式8に示す脈動における変化率が演算される。すなわち、脈動率演算手段20−1から波長λ1光の脈動率値が、脈動率演算手段20−2から波長λ2光の脈動率値がそれぞれ出力される。
【0046】
脈動率演算手段20−1、20−2の出力は、脈動率比Ra演算手段21にそれぞれ入力されて、式3に示す動脈血の比Raが演算され、出力される。
【0047】
なお、このサンプリングホールド手段18−1、18−2が出力する脈波信号SP1及び脈波信号SP2の最大値/最小値は、1心拍動毎にそれらが検出されるので、脈動率比Ra演算手段21からは、前記比Raが心拍動と同じ頻度で出力される。
【0048】
一方、サンプリング・ホールド手段18−1、18−2の出力である、波長λ1光に関わる脈波信号SP1、及び波長λ2光に関わる脈波信号SP2は、脈波除去ローパスフィルタ23−1、23−2にそれぞれ入力されて、概ね0.5Hz以上の脈波成分を除去する。脈波除去ローパスフィルタ23−1、23−2は、波長λ1に関わる散乱光受光信号S1、及び波長λ2に関わる散乱光受光信号S2の基線の変動、すなわち呼吸により圧迫されてその流量が変動する静脈血の変動をそれぞれ抽出して、波長λ1に関わる呼吸性変動信号SR1、及び波長λ2に関わる呼吸性変動信号SR2としてそれぞれ出力する。
【0049】
脈波除去ローパスフィルタ23−1、23−2から出力された呼吸性変動信号SR1、及び呼吸性変動信号SR2は、呼吸性変動信号の変動最大・最小値検出手段24−1、24−2にそれぞれ入力される。入力された呼吸性変動信号SR1、及び呼吸性変動信号SR2の大きさが、それぞれの変動最大値・最小値検出手段24−1、24−2において逐次比較されて、図2(b)の時刻t−v1、及び時刻t−v2に対応した、呼吸性変動信号SR1、及び呼吸性変動信号SR2のそれぞれの最大値、最小値が検出されて、波長λ1光に関わる呼吸性変動信号SR1の最大値SR1max及び最小値SR1minが変動率演算手段25−1へ、波長λ2光に関わる呼吸性変動信号SR2の最大値SR2max及び最小値SR2minが変動率演算手段25−2へ入力される。
【0050】
変動率演算手段25−1、25−2では、それぞれ入力された最大値、最小値の値から、ΔIV=最大値−最小値、及びI0IV max=最小値とし、式9に示す呼吸性静脈変動における変化率が演算される。すなわち、変動率演算手段25−1から波長λ1光の変動率値が、変動率演算手段25−2から波長λ2光の変動率値がそれぞれ出力される。
【0051】
変動率演算手段25−1、25−2の出力は、変動率比Rv演算手段26にそれぞれ入力されて、式3に示す静脈血の比Rvが演算され、出力される。
【0052】
なお、この脈波除去ローパスフィルタ23−1、23−2が出力する呼吸性変動信号SR1、及び呼吸性変動信号SR2は呼吸性の変動をするため、脈動率比Ra演算手段21から出力の頻度に比べて、変動率比Rv演算手段26からの出力は1/5から1/10の頻度になる。
【0053】
酸素飽和度算出部4の酸素飽和度検量線算出手段27では、式5に示す理論的散乱反射光強度を、本実施形態のセンサ形状、放射光の波長、及び生体の組織/血液、動脈血/静脈血の構成比等のデータに基いて予めシミュレーションし、算定された動脈血・静脈血酸素飽和度検量線データ28が、システム制御手段34の制御の下にデータ記憶手段33に記憶される。酸素飽和度算定手段29は、脈動率比Ra演算手段21から動脈血の比Raが出力されと、データ記憶手段33に記憶された酸素飽和度検量線データ28の動脈血データを参照して、比Raに対応する酸素飽和度値を読み出して表示装置30に出力する。同じく、酸素飽和度算定手段29は、変動率比Rv演算手段26から静脈血の比Rvが出力されと、酸素飽和度検量線データ28の静脈血データを参照して、比Rvに対応する酸素飽和度値を読み出して表示装置30に出力する。表示手段30は、動脈血酸素飽和度値31及び静脈血酸素飽和度値32を表示器に表示する。
【0054】
なお、検量線データが式4に示す関係式、または他の関係式の係数として記憶されている時は、比Rの値をその関係式に算入して酸素飽和度を算定しても良い。
【0055】
前述のように、動脈血の比Raの出力頻度が、静脈血の比Rvの出力頻度より多いため、動脈血酸素飽和度値の表示のタイミングを静脈血酸素飽和度値の表示に合わせて、次回の表示タイミングまでに逐次算出された動脈血酸素飽和度値を蓄積し、平均値算出などの処理をして表示することは、当業者の設計の範囲で行われる。
【0056】
また、サンプリングホールド手段18−1、18−2が出力する脈波信号SP1及び脈波信号SP2の最大値/最小値を検出して、動脈血の比Raが出力されるまでの手順、動脈血の比Raの演算と同様に、呼吸性変動信号SR1、及び呼吸性変動信号SR2の最大値/最小値を検出した後、動脈血の比Raが出力されるまでの手順も、前述のようにそれぞれの手段で行う以外に、検知した最大値及び最小値のデータを、システム制御手段34が制御するデータ記憶手段33に記憶させて、その記憶したデータを基に、システム制御手段34の備える演算機能により演算しても良い。
【0057】
上述のように、本実施形態によれば、体表に発光素子と受光素子を備えるセンサを装着して、従来使用されていたカフ等の圧迫を行うこと無く、無侵襲的かつ非観血的に、動脈血と静脈血の酸素飽和度をそれぞれほぼ同時に、測定し表示することができる。
【0058】
図4は、本実施形態の酸素飽和度検量線算定手段27における検量線シミュレーションと実測した酸素飽和度の関係を示すグラフであり、同図(a)は動脈血について、同図(b)は静脈血について示してある。
【0059】
式5に示す理論的散乱反射光強度を、生体の組織/血液の構成比を組織:血液=97:3(%)に、動脈血/静脈血の構成比を動脈:静脈=30:70(%)に設定し、動脈の拍動成分が、動脈血に対し30%、静脈における変動は、静脈血に対し10%として、式5の散乱光透過光強度Iref及びΔIrefを算出して、脈動率比Ra(動脈血)及び変動率比Rv(静脈血)をシミューレーションした。図4は、シミュレーション結果(図4の実線:ただし散乱係数μs'の変化範囲0.8〜1.4mm−1)と実測した酸素飽和度(図4の白丸印)データが、動脈血及び静脈血のいずれにおいても、両者の一致が良く、校正を必要としない適正な生体側条件の設定が成された事を示している。
すなわち、従来の光学的酸素飽和度測定装置においては、検量線特性を他の基準のとなる酸素飽和度測定装置と並行測定を行って校正する必要があったが、本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置では、センサ形状、使用波長、生体の条件を基に、理論的散乱光透過光強度をシミュレーションし、検量線データを作成することにより、校正を不要とすることができる。
【0060】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の非観血動静脈酸素飽和度測定装置は、動脈血及び静脈血をカフ等の補助機構によらず、同一のセンサにより、非観血的に生理的には略同時に、動脈血及び静脈血のそれぞれの酸素飽和度を測定できる。また、標準の酸素飽和度測定装置による測定値の校正を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図2】本実施形態で使用するセンサの正面図とセンサの受光素子が検知する散乱光強度を模式的に示す図。
【図3】動脈血の酸素飽和度SaO2と比Ra及び静脈血の酸素飽和度SvO2と比Rvとの関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図4】本実施形態の検量線シミュレーションと実測酸素飽和度の関係を示すグラフ。
【図5】生体内の組織層、静脈血、及び動脈血層を透過する光強度を示す模式図。
【図6】血中ヘモグロビンの吸収係数特性を示すグラフ。
【符号の説明】
1・・・センサ部、
2・・・動脈血処理部、
3・・・静脈血処理部、
4・・・酸素飽和度算出部、
5・・・制御部、
11・・・生体、
12a、12b・・・発光素子、
13・・・受光素子、
14・・・センサ、
15・・・LED駆動手段、
16・・・増幅手段、
17・・・同期検波手段、
18―1、18−2・・・サンプリング・ホールド手段、
19−1、19−2・・・最大値/最小値検出手段、
20−1、20−2・・・脈動率演算手段、
21・・・脈動率比Ra演算手段、
22・・・1/2分周手段、
23−1、23−2・・・脈波除去ローパスフィルタ、
24−1、24−2・・・変動最大・最小値検出手段、
25−1、25−2・・・変動率演算手段、
26・・・変動率比Rv演算手段、
27・・・酸素飽和度検量線算出手段、
28・・・酸素飽和度検量線データ、
29・・・酸素飽和度算定手段、
30・・・表示手段、
31・・・動脈血酸素飽和度、
32・・・静脈血酸素飽和度、
33・・・データ記憶手段、
34・・・システム制御手段、
35・・・タイミング発生手段。
Claims (7)
- 異なる第1及び第2の波長の光を生体に照射するための光源と、
前記生体を透過し、または前記生体で散乱した光を検出する受光器と、
この受光器の出力信号が供給され、前記第1の波長に関わる第1の出力信号及び前記第2の波長に関わる第2の出力信号を出力する検波手段と、
この検波手段の前記第1の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第1の最大値/最小値検出手段と、
この第1の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第1の脈動率演算手段と、
前記検波手段の第2の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第2の最大値/最小値検出手段と、
この第2の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第2の脈動率演算手段と、
前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から動脈血の酸素飽和度を算定する第1の酸素飽和度算定手段と、
前記検波手段の第1の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第3の最大値/最小値検出手段と、
この第3の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第1の変動率演算手段と、
前記検波手段の第2の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第4の最大値/最小値検出手段と、
この第4の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第2の変動率演算手段と、
前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から静脈血の酸素飽和度を出力する第2の酸素飽和度算定手段とを備えたことを特徴とする非観血動静脈酸素飽和度測定装置。 - 前記光源は、前記第1の波長を発光する第1の光源と、前記第2の波長の発光をする第2の光源とから成り、前記第1の波長は、800nm付近の等吸収波長より短い波長であり、前記第2の波長は、800nm付近の等吸収波長より長い波長であり、前記受光器は、前記第1及び第2の光源から等距離の位置に設けられたことを特徴とする請求項1記載の非観血動静脈酸素飽和度測定装置。
- 異なる第1及び第2の波長の光を生体に照射するための光源と、
前記生体を透過し、または前記生体で散乱した光を検出する受光器と、
この受光器の出力信号が供給され、前記第1の波長に関わる第1の出力信号及び前記第2の波長に関わる第2の出力信号を出力する検波手段と、
この検波手段の前記第1の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第1の最大値/最小値検出手段と、
この第1の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第1の脈動率演算手段と、
前記検波手段の第2の出力信号が供給され、その出力信号の最大値及び最小値を出力する第2の最大値/最小値検出手段と、
この第2の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、脈動率を演算する第2の脈動率演算手段と、
前記検波手段の第1の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第3の最大値/最小値検出手段と、
この第3の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第1の変動率演算手段と、
前記検波手段の第2の出力信号から高周波成分を除去した信号が供給され、その最大値及び最小値を出力する第4の最大値/最小値検出手段と、
この第4の最大値/最小値検出手段の出力値が入力され、変動率を演算する第2の変動率演算手段と、
前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から動脈血の酸素飽和度を算定する第1の酸素飽和度算定手段と、
前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比が入力され、これらの値から静脈血の酸素飽和度を出力する第2の酸素飽和度算定手段とを備え、
前記第1の酸素飽和度算定手段は、光拡散方程式から求めた酸素飽和度検量関係式を備え、前記第1の脈動率演算手段からの出力値と前記第2の脈動率演算手段からの出力値の比に対する動脈血の酸素飽和度を、前記酸素飽和度検量関係式により算定して出力し、前記第2の酸素飽和度算定手段は、前記第1の変動率演算手段からの出力値と前記第2の変動率演算手段からの出力値の比に対する静脈血の酸素飽和度を、前記酸素飽和度検量関係式により算定して出力することを特徴とする非観血動静脈酸素飽和度測定装置。 - 前記酸素飽和度検量関係式は、予め設定された複数の酸素飽和度に対し、前記第1及び第2の波長毎に、生体組織・血液構成比及び動脈血・静脈血構成比に依存する透過吸収係数、及び光源と受光器間の距離を変数とする光拡散方程式から求めた散乱透過光強度の最大値・最小値を、動脈血液量または静脈血液量の最大・最小に対応して算出し、この算出値から動脈の脈動率または静脈の変動率を算出し、それぞれの波長の脈動率の比、または変動率の比から酸素飽和度を算定する式であることを特徴とする請求項3記載の非観血動静脈酸素飽和度測定装置。
- 前記第1及び第2の酸素飽和度算定手段は、予め設定された複数の酸素飽和度に対し、前記第1及び第2の波長毎に、生体組織・血液構成比及び動脈血・静脈血構成比に依存する透過吸収係数、及び光源と受光器間の距離を変数とする光拡散方程式から求めた散乱透過光強度の最大値・最小値を、動脈血液量または静脈血液量の最大・最小に対応して算出し、この算出値から動脈の脈動率及び静脈の変動率を算出し、それぞれの波長の脈動率の比、または変動率の比と前記酸素飽和度とを、酸素飽和度検量線データとして、参照データの形式でデータ記憶手段に蓄積して成ることを特徴とする請求項4記載の非観血動静脈酸素飽和度測定装置。
- 前記第1及び第2の酸素飽和度算定手段は、散乱透過光強度の算出に適用する前記生体条件の、生体組織・血液構成比である生体組織:血液=97α:3(1−α)において、αを95%〜98%のいずれかの値に、動脈血・静脈血構成比である動脈血:静脈血=30β:70(1−β)において、βを20%〜40%のいずれかの値にし、動脈血液量変動を動脈血に対し3%、または静脈血液量変動を静脈血に対し10%と変化して、酸素飽和度検量線の算出したことを特徴とする請求項3乃至5いずれかに記載の非観血動静脈酸素飽和度測定装置。
- 前記光源は、前記第1の波長を発光する第1の光源と、前記第2の波長の発光をする第2の光源とから成り、前記第1の波長は、800nm付近の等吸収波長より短い波長であり、前記第2の波長は、800nm付近の等吸収波長より長い波長であり、前記受光器は、前記第1及び第2の光源から等距離の位置に設けられたことを特徴とする請求項3乃至5いずれかに記載の非観血動静脈酸素飽和度測定装置。
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