JP4399847B2 - パルスオキシメータ - Google Patents

Description

本発明は、脈拍による動脈の血液量変動を利用することにより、連続的無侵襲的に動脈血の酸素飽和度を測定するパルスオキシメータに関し、特に体動によるアーテファクトを適正に消去し得ると共に、統計的手法による測定値を算出するための時間的遅れおよび平滑化を有効に解消して、高精度の動脈血の酸素飽和度を求めることができるように設計されたパルスオキシメータに関するものである。

従来より、パルスオキシメータは、血液の酸素飽和度、すなわち酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの和に対する酸化ヘモグロビンの濃度比を測定する装置として広く知られている。そこで、本出願人は、先に、血液の脈動によって厚さが変化する純組織の影響を受けることなく、高精度に血中成分の濃度を測定することができる測定装置の改善を行った（特許文献１参照）。

すなわち、特許文献１において提案された血中成分濃度測定装置は、(1) 生体組織に照射する相異なるＮ個の波長の光を発する光発生手段と、(2) この光発生手段から発せられた光の生体組織における透過光または反射光を受光する受光手段と、(3) この受光手段からの受光出力信号に基づいて生体組織における減光度の変化分をＮ個の異なる波長についてそれぞれ検出する減光度変化分検出回路と、(4) この減光度変化分検出回路から出力されるＮ個の異なる波長についての検出信号に基づいて減光度の変化分の比を互いに異なる波長間についてＮ−１個求める減光度比演算回路と、(5) 生体組織における減光度の変化分を、血液の厚みの変化と血液を含まない純組織の厚みの変化とによるものとして、上記減光度比演算回路から出力される減光度の変化分の比の値を基に、Ｎ−１元連立方程式を、血中成分の濃度について解いた演算式に対して、演算を行い、Ｎ−１個の血中成分の相対濃度を算出する血中成分濃度演算回路と、を備えたことを特徴とするものである。

このように構成される血中成分濃度測定装置によれば、減光度比演算回路において、減光度変化分検出回路からの出力信号を受けて、互いに異なる波長間においてのＮ−１個の脈動変化分の比を算出することができる。そして、血中成分濃度演算回路においては、純組織の脈動による影響をも考慮したＮ−１個の脈動変化分の比の連立方程式を解くことによって得たＮ−１個の血中成分の相対濃度を求める式に対して、脈動変化分の比の実測値と各係数値とを代入して演算が行われ、純組織の脈動による影響を受けることなくＮ−１個の血中成分についての濃度（相対濃度）を高精度に測定できる。

また、パルスオキシメータによる血中成分の濃度測定中において、体動があると、透過光にアーテファクトが重畳する。そして、このような体動によるアーテファクトが大きい場合には、脈波形等の修正により対処することが困難である。そこで、本出願人は、体動によるアーテファクトが大きい場合であっても、その影響を受けずに精度の高い測定を行うことができるパルスオキシメータを提案した（特許文献２参照）。

すなわち、前記特許文献２に記載のパルスオキシメータは、(1) 生体組織に複数個の波長の光を照射する光照射手段と、(2) 各波長の組織透過光を光電変換する光電変換手段と、(3) この光電変換手段が出力する信号の変動に基づいて、生体組織の各波長についての減光度の変化分を検出する減光度変化分検出手段と、(4) 各波長についてこの減光度変化分検出手段の出力を入力とし、設定された通過帯域の周波数成分を通過させる可変フィルタと、(5) この可変フィルタの通過帯域を設定する通過帯域設定手段と、(6) 前記可変フィルタの出力に基づいて酸素飽和度を求める酸素飽和度検出手段と、を具備することを特徴とするものである。

特公平５−８８６０９号公報 特開平１１−２１６１３３号公報

しかるに、前記特許文献１に記載の血中成分濃度測定装置においては、血液の脈動によって厚さが変化する純組織の影響を受けることなく高精度に血中成分の濃度を測定するために、複数の異なる光波長を用いることを特徴とするものである。そこで、例えば３つの異なる光波長を用いることにより、測定過程で純組織の項の影響を消去し、２つの血中成分である酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンについての相対濃度を測定することができる。また、４つの異なる光波長を用いることにより、前記と同様に純組織の項の影響を消去し、３つの血中成分である酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンおよび他の１つの色素についての相対濃度を測定することができる。さらに、５つの異なる光波長を用いることにより、前記４つの異なる光波長を用いる場合に測定される相対濃度に加えて、１酸化炭素ヘモグロビンを併せた４つの血中成分についての相対濃度を測定することができるものである。
しかしながら、前記特許文献１に記載の血中成分濃度測定装置では、血中成分の濃度測定中における体動アーテファクトによる影響については、何等の考慮もされておらず、従って体動アーテファクトの影響を除去する手段については全く開示されていない。

一方、前記特許文献２に記載のパルスオキシメータにおいては、前述したように、体動アーテファクトの原因について考慮し、その影響を除去するための手段について提案されている。
しかしながら、前記特許文献２に記載のパルスオキシメータでは、体動アーテファクトの原因とされる動脈血の厚みの変動および純組織の厚みの変動については大きくないものとして扱われ、特に静脈血の厚みの変動が最も大きな原因として着目され、そのための対策が施されている。従って、前記特許文献２においては、(1) 組織の厚み変動を無視した２波長式の測定方法および装置と、(2) 組織の厚み変動を考慮した３波長式の測定方法および装置とが、それぞれ提案されている。

しかるに、今日におけるパルスオキシメータの最大の問題は、体動により生じるアーテファクトである。この体動アーテファクトの影響を回避する対策として、今日採用されている手法としては、主として統計的手段である。この統計的手段によれば、ある時点での信頼できる測定値を求めるために、その前後におけるデータを参考にする。従って、最終的に信頼できる測定値を算出するには、時間的遅れおよび平滑化を生じる難点がある。
すなわち、パルスオキシメータは、患者の異常を早期に発見することが大きな目的であるから、時間的遅れおよび平滑化は大きな欠点となる。しかも、アーテファクトの影響を消去する機能自体も、不十分あるいは付随的な不都合を生じている。

そこで、本発明者等は、種々検討並びに試行を重ねた結果、パルスオキシメトリの理論を応用することにより、決定論的手法で前述した体動アーテファクトの影響を消去することができ、しかも従来の統計的手法による測定値を算出するための時間的遅れおよび平滑化を解消することができることを突き止めた。

すなわち、本発明のパルスオキシメータにおいては、(1) ５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、(2) 前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光して、それぞれ電気信号に変換する受光部と、(3) 前記受光部から出力される各波長の透過光または反射光の変動分に基づいて、それぞれ生体組織に対する減光度変動分を求める減光度変動分計算部と、(4) 前記減光度変動分計算部で得られた５個の減光度変動分について、それぞれ相互の比を少なくとも４個求める減光度変動分比計算部と、(5) 減光度変動分比計算部で得られる減光度変動分比に基づいて、動脈血酸素飽和度、静脈血酸素飽和度、動脈血と静脈血との変動分の比および組織項の４個を未知数とし、血中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算部とを、備えた構成とすることにより、静脈血の変動および組織の変動の影響を消去して、精度の高い動脈血の酸素飽和度を求めることができることを突き止めた。

従って、本発明の目的は、５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射して、５個の減光度変動分についてそれぞれ相互の比を少なくとも４個求め、動脈血酸素飽和度、静脈血酸素飽和度、動脈血と静脈血との変動分の比および組織項の４個を未知数として、血中の酸素飽和度を計算することにより、体動アーテファクトの影響を消去し、精度の高い動脈血の酸素飽和度を求めることができるパルスオキシメータを提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明に係る請求項１に記載のパルスオキシメータは、５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、
前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光して、それぞれ電気信号に変換する受光部と、
前記受光部から出力される各波長の透過光または反射光の変動分に基づいて、それぞれ生体組織に対する減光度変動分を求める減光度変動分計算部と、
前記減光度変動分計算部で得られた５個の減光度変動分について、それぞれ相互の比を少なくとも４個求める減光度変動分比計算部と、
前記減光度変動分比計算部で得られる減光度変動分比に基づいて、動脈血酸素飽和度、静脈血酸素飽和度、動脈血と静脈血との変動分の比および組織項の４個を未知数とし、血中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算部とを備え、
静脈血の変動および組織の変動の影響を消去して動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とする。

本発明のパルスオキシメータによれば、静脈血が何等かの原因で拍動している場合に、その影響を確実に消去して、動脈血の酸素飽和度を時間的遅れおよび平滑化を生じることなく高精度に測定することができる。また、本発明によれば、脈波が小さくてパルスオキシメトリが不可能であるような場合に、意図的に体動を与えて前記アーテファクトを生じさせて、それに含まれる動脈血の酸素飽和度を求めることが可能となる。さらに本発明によれば、静脈血の酸素飽和度についても、同時に測定することができる利点を有する。

また、静脈血は周囲の動脈血の拍動に押されて逆拍動をしている。このことは、ＳｐＯ2 を大にする。これは、ＳａＯ2 ≒１００％の場合には無視できない。なぜなら、ＳｐＯ2 ＞１００％になる場合があるからである。ところが、従来の２波長式パルスオキシメータでは、ＳｐＯ2 の１００％以上をカットしていた。本来は、静脈血の影響を正しく消去すべきである。
そこで、本発明の５波長式パルスオキシメータは、静脈血の影響を消去することにより、ＳａＯ2 ≒１００％の場合の精度が良いことが確認された。
さらに、極小未熟児では、ＳａＯ2 が過大であると網膜症で盲目になり、また、ＳａＯ2 が過小であると死亡または脳障害が出るが、本発明の５波長式パルスオキシメータは、ＳａＯ2 ≒１００％の場合の精度が良いので、未熟児の呼吸管理の改善に役立つ。

次に、本発明に係るパルスオキシメータの実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

（１）装置構成の概要
図１は、本発明に係るパルスオキシメータの概略構成図を示すものである。すなわち、図１において、参照符号１０は発光部を示し、それぞれ５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する５個の発光素子ＬED１〜ＬED５が設けられている。参照符号１２は前記発光部１０から発せられる光を透過させる生体組織を示す。参照符号１４は受光部を示し、前記生体組織１２を透過した光を受光する受光素子ＰＤと電流電圧変換器１６とＡＤ変換器１８とから構成される。

参照符号２０は記憶部を示し、前記受光部１４において得られた透過光信号を各波長毎にそれぞれ記憶保持する透過光信号記憶器２０Ａ〜２０Ｅにより構成されている。参照符号２２はピークボトム検出器を示し、いずれか１個の波長の透過光信号の変動に基づき、そのピークとボトムとを検出して、それぞれピークの時点とボトムの時点とを出力するように設定される。参照符号２４は第１の計算部を示し、前記ピークボトム検出器２２により検出されたピークの時点とボトムの時点とにおける各波長の透過光信号を取り込み、これらに基づいて減光度の変化すなわち減光度変動分（ΔＡｉ，ｉ＝１，２，３，４，５）をそれぞれ計算する減光度変動分計算器２４Ａ〜２４Ｅにより構成されている。

参照符号２６は第２の計算部を示し、前記第１の計算部２４の各減光度変動分計算器２４Ａ〜２４Ｅで計算された減光度変動分［ΔＡｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）］に基づいて、酸素飽和度ＳｐＯ2 の計算を行うように構成される。すなわち、この第２の計算部２６は、（１）前記減光度変動分［ΔＡｉ］に基づき、これら相互の減光度変動分の比［Φｉｊ＝ΔＡｉ／ΔＡｊ（例えば、Φ１２＝ΔＡ１／ΔＡ２，Φ３４＝ΔＡ３／ΔＡ４，Φ５１＝ΔＡ５／ΔＡ１，Φ２３＝ΔＡ２／ΔＡ３，Φ４５＝ΔＡ４／ΔＡ５）］を計算する減光度変動分比計算器としての機能と、（２）前記減光度変動分の比［Φｉｊ＝ΔＡｉ／ΔＡｊ］に基づいて、動脈血酸素飽和度［Ｓａ］、静脈血酸素飽和度［Ｓｖ］、動脈血の変動分［ΔＤａ］と静脈血の変動分［ΔＤｖ］との比［Ｖ＝ΔＤｖ／ΔＤａ］および組織項［Ｗｉ］の４個を未知数とし、血中の酸素飽和度［ＳｐＯ2 ］を計算する酸素飽和度計算器としての機能とを有する。

そして、参照符号２８はタイミング器を示し、前記第２の計算部２６と一定の関係にあるタイミング信号を出力して、前記発光部１０の各発光素子ＬED１〜ＬED５による発光タイミングや、前記記憶部２０の各透過光信号記憶器２０Ａ〜２０Ｅにおける透過光信号の記憶保持タイミングの制御を行うように構成される。

次に、前述したパルスオキシメータの装置構成による動脈血および静脈血の酸素飽和度の計算処理について説明する。

（２）減光度変動分の計算処理
発光部１０の５個の発光素子ＬED１〜ＬED５を、それぞれタイミング器２８の信号に基づいて、順次交互に異なる波長λ１，λ２，λ３，λ４，λ５で発光させる。これにより、生体組織１２を透過した光を受光部１４で受信して、発光素子ＬED１〜ＬED５の各波長に対応して、各透過光信号Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５を、それぞれ所定のタイミングで記憶部２０の各透過光信号記憶器２０Ａ〜２０Ｅに記憶保持する。なお、これらの透過光信号記憶器２０Ａ〜２０Ｅは、受光部１４のＡＤ変換器１８の出力（デジタル値としてのデータ）の一定時間におけるデータを記憶する。次いで、ピークボトム検出器２２において、前記透過光信号記憶器２０Ａに記憶された波長λ１に対応する透過光信号Ｌ１の変動に基づき、そのピーク値とボトム値とを検出し、それぞれのピーク時点とボトム時点とを設定し出力する。なお、前記ピークボトム検出器２２においては、透過光信号Ｌ１の変動が周期的でなくても、例えば体動で乱れる場合でも、適当にピーク時点とボトム時点とを検出し得るように設定される。

そこで、第１の計算部２４の各減光度変動分計算器２４Ａ〜２４Ｅにおいては、前記ピークボトム検出器２２で得られたピーク時点とボトム時点とにおける、各波長の透過光信号を取り込む。この場合、ピーク時点とボトム時点とは、共に遡った時間であり、その時点の透過光の値は、Ｌ１(t-t0)，Ｌ２(t-t0)，Ｌ３(t-t0)，Ｌ４(t-t0)，Ｌ５(t-t0)として表す（t0は遡る時間を示す）。そして、前記各減光度変動分計算器２４Ａ〜２４Ｅにおいては、前記データに基づいて、各ピーク時点またはボトム時点に対応する減光度変動分［ΔＡｉ］を次のような近似式で計算を行う。

ΔＡｉ＝［Ｌｉ(tp)−Ｌｉ(tb)］／Ｌｉ
但し、ｉ＝１，２，３，４，５、tpはピーク時点、tbはボトム時点である。

（３）減光度変動分比の計算処理
前記第１の計算部２４の各減光度変動分計算器２４Ａ〜２４Ｅにおいて得られた減光度変動分［ΔＡｉ］から、相互の比［Φｉｊ＝ΔＡｉ／ΔＡｊ］を次式により求める。
Φ１２＝ΔＡ１／ΔＡ２
Φ３４＝ΔＡ３／ΔＡ４
Φ５１＝ΔＡ５／ΔＡ１
Φ２３＝ΔＡ２／ΔＡ３
Φ４５＝ΔＡ４／ΔＡ５

この場合、それぞれΦは次の理論式で表される。
Φ１２＝ΔＡ１／ΔＡ２
＝（Ｅba１＋Ｅbv１Ｖ＋Ｗ）／（Ｅba２＋Ｅbv２Ｖ＋Ｂ２＋Ｗ） …(1)
Φ３４＝ΔＡ３／ΔＡ４
＝（Ｅba３＋Ｅbv３Ｖ＋Ｗ）／（Ｅba４＋Ｅbv４Ｖ＋Ｗ） …(2)
Φ５１＝ΔＡ５／ΔＡ１
＝（Ｅba５＋Ｅbv５Ｖ＋Ｗ）／（Ｅba１＋Ｅbv１Ｖ＋Ｗ） …(3)
Φ２３＝ΔＡ２／ΔＡ３
＝（Ｅba２＋Ｅbv２Ｖ＋Ｂ２＋Ｗ）／（Ｅba３＋Ｅbv３Ｖ＋Ｗ） …(4)
Φ４５＝ΔＡ４／ΔＡ５
＝（Ｅba４＋Ｅbv４Ｖ＋Ｗ）／（Ｅba５＋Ｅbv５Ｖ＋Ｗ） …(5)
但し、
Ｅbaｉ＝√［ＳａＥoi+(1-Ｓａ）Ｅri］［ＳａＥoi+(1-Ｓａ）Ｅri＋Ｆ］
Ｅbvｉ＝√［ＳｖＥoi+(1-Ｓｖ）Ｅri］［ＳｖＥoi+(1-Ｓｖ）Ｅri＋Ｆ］
Ｓａは動脈血酸素飽和度、Ｓｖは静脈血酸素飽和度、Ｅo は酸素化ヘモグロビンの吸光係数、Ｅr は脱酸素ヘモグロビンの吸光係数、Ｆは散乱係数である。
Ｖ＝ΔＤｖ／ΔＤａ（静脈血の変動振幅ΔＤｖと動脈血の変動振幅ΔＤａとの比）である。
Ｗは生体組織の変動を表わし、所要のプローブについての実測データと理論式とを対比した結果、わずかな波長依存性が見出されたので、それに対応して、第２波長においてはＷの代りにＷ＋Ｂ２を用いた。

前記式 (1)〜(5) からＷを消去すると、次式が成立する。
［Φ12 (Ｅba2+Ｂ2+Ｅbv 2Ｖ) -(Ｅba1+Ｅbv 1Ｖ) ］／θ12
＝［Φ34 (Ｅba4+Ｅbv 4Ｖ) -(Ｅba3+Ｅbv 3Ｖ) ］／θ34 …(6)
［Φ34 (Ｅba4+Ｅbv 4Ｖ) -(Ｅba3+Ｅbv 3Ｖ）］／θ34
＝［Φ51 (Ｅba1+Ｅbv 1Ｖ) -(Ｅba5+Ｅbv 5Ｖ）］／θ51 …(7)
［Φ51 (Ｅba1+Ｅbv 1Ｖ) -(Ｅba5+Ｅbv 5Ｖ）］／θ51
＝［Φ23 (Ｅba3+Ｅbv 3Ｖ) -(Ｅba2+Ｂ2+Ｅbv 2Ｖ）］／θ23 …(8)
［Φ23 (Ｅba3+Ｅbv 3Ｖ) -(Ｅba2+Ｂ2+Ｅbv 2Ｖ）］／θ23
＝［Φ45 (Ｅba5+Ｅbv 5Ｖ) -(Ｅba4+Ｅbv 4Ｖ）］／θ45 …(9)
但し、θij＝（１−Φij）である。

次に、上記式からＶを消去すると、次のような２元非線形連立方程式 (10) 、(11)が得られる。
（Φ34Ｅba4-Ｅba3)／θ34−［Φ12 (Ｅba2+Ｂ2)- Ｅba1 ］／θ12
［（Φ12Ｅbv2-Ｅbv1)／θ12−（Φ34Ｅbv4-Ｅbv3)／θ34］

_＝ （Φ51Ｅba1-Ｅba5)／θ51−（Φ34Ｅba4-Ｅba3)／θ34 _…(10)
［（Φ34Ｅbv4-Ｅbv3)／θ34−（Φ51Ｅbv1-Ｅbv5)／θ51］

［Φ23Ｅba3 -(Ｅba2+Ｂ2)］／θ23−（Φ51Ｅba1-Ｅba5)／θ51
［（Φ51Ｅbv1-Ｅbv5)／θ51−（Φ23Ｅbv3-Ｅbv2)／θ23］

_＝ （Φ45Ｅba5-Ｅba4)／θ45−［Φ23Ｅba3 -(Ｅba2+Ｂ2)］／θ23 _…(11)
［（Φ23Ｅbv3-Ｅbv2)／θ23−（Φ45Ｅbv5-Ｅbv4)／θ45］

（４）近似による２元非線形連立方程式の解
次の近似を行う。
Ｅba1 ＝（Ａ13Ｅba3+Ｂ13）
Ｅba2 ＝（Ａ23Ｅba3+Ｂ23）
Ｅba4 ＝（Ａ43Ｅba3+Ｂ43）
Ｅba5 ＝（Ａ53Ｅba3+Ｂ53）
Ｅbv1 ＝（Ａ13Ｅbv3+Ｂ13）
Ｅbv2 ＝（Ａ23Ｅbv3+Ｂ23）
Ｅbv4 ＝（Ａ43Ｅbv3+Ｂ43）
Ｅbv5 ＝（Ａ53Ｅbv3+Ｂ53）

これらの近似を前記式(10)、(11)に代入すれば、前記両式は、Ｅba3 に関する２元連立１次方程式になる。これからＥbv3 を消去すると、次のようなＥba3 についての１次方程式が得られる。
_{Ｅba3 ＝} （ＮＬ−ＪＰ）／（ＮＩ−ＪＭ）−Ｆ（Ｂ＋Ｄ）／（ＦＡ−ＢＥ） _…(12)
（ＡＦ＋ＥＤ）／（ＦＡ−ＢＥ）−（ＭＬ−ＩＰ）／（ＮＩ−ＪＭ）
但し、
Ａは、（Φ34Ａ43-1）／θ34−（Φ12Ａ23 -Ａ13）／θ12
Ｂは、 Φ34Ｂ43／θ34−［Φ12（Ｂ23 +Ｂ)-Ｂ13］／θ12
Ｄは、（Φ12Ｂ23 -Ｂ13）／θ12−Φ34Ｂ43／θ34
Ｅは、（Φ51Ａ13 -Ａ53）／θ51−（Φ34Ａ43-1）／θ34
Ｆは、（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51−Φ34Ｂ43／θ34
Ｉは、（Φ23 -Ａ23）／θ23−（Φ51Ａ13 -Ａ53）／θ51
Ｊは、−（Ｂ23 +Ｂ）／θ23−（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51
Ｌは、（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51＋Ｂ23／θ23
Ｍは、（Φ45Ａ53 -Ａ43）／θ45−（Φ23 -Ａ23）／θ23
Ｎは、（Φ45Ｂ53 -Ｂ43）／θ45＋（Ｂ23 +Ｂ）／θ23
Ｐは、−Ｂ23／θ23−（Φ45Ｂ53 -Ｂ43）／θ45

次に、次式によりＥba3 を動脈血酸素飽和度に換算する。
Ｓａ＝［−Ｂ−√（Ｂ² −４ＡＣ）］／２Ａ …(13)
但し、
Ａは、（Ｅo3 -Ｅr3）²
Ｂは、（Ｅo3 -Ｅr3）（２Ｅr3 +Ｆ）
Ｃは、Ｅr3（Ｆ +Ｅr3）−Ｅba3 ²

以上の計算式を適用することにより、５波長による生体組織の透過光に基づいて、体動アーテファクトの影響を消去して、精度の高い動脈血の酸素飽和度を求めるパルスオキシメータを得ることができる。

（５）第１の計算部２４の設定
前述した計算処理に基づいて、図１に示す第１の計算部２４においては、各減光度変動分計算機２４Ａ〜２４Ｅにより、減光度変動分［ΔＡｉ；（ｉ＝１，２，３，４，５）］の計算処理が行われる。

（６）第２の計算部２６の設定
また、図１に示す第２の計算部２６においては、Ｅba3 およびＳａの計算処理が行われる。
Ｓａ＝［−Ｂ−√（Ｂ² −４ＡＣ）］／２Ａ …(13)
但し、
Ａは、（Ｅo3 -Ｅr3）²
Ｂは、（Ｅo3 -Ｅr3）（２Ｅr3 +Ｆ）
Ｃは、Ｅr3（Ｆ +Ｅr3）−Ｅba3 ²

この場合、前記２次方程式(13)のＥba3 項は、前述した１次方程式(12)に基づくと共に、この１次方程式(12)の各項は次のように定義される。
Ａは、（Φ34Ａ43-1）／θ34−（Φ12Ａ23 -Ａ13）／θ12
Ｂは、 Φ34Ｂ43／θ34−［Φ12（Ｂ23 +Ｂ)-Ｂ13］／θ12
Ｄは、（Φ12Ｂ23 -Ｂ13）／θ12−Φ34Ｂ43／θ34
Ｅは、（Φ51Ａ13 -Ａ53）／θ51−（Φ34Ａ43-1）／θ34
Ｆは、（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51−Φ34Ｂ43／θ34
Ｉは、（Φ23 -Ａ23）／θ23−（Φ51Ａ13 -Ａ53）／θ51
Ｊは、−（Ｂ23 +Ｂ）／θ23−（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51
Ｌは、（Φ51Ｂ13 -Ｂ53）／θ51＋Ｂ23／θ23
Ｍは、（Φ45Ａ53 -Ａ43）／θ45−（Φ23 -Ａ23）／θ23
Ｎは、（Φ45Ｂ53 -Ｂ43）／θ45＋（Ｂ23 +Ｂ）／θ23
Ｐは、−Ｂ23／θ23−（Φ45Ｂ53 -Ｂ43）／θ45

さらに、上記定義の詳細は次の通りである。
Ａ13は、［Ｅb1(0.8)-Ｅb1(1) ］／［Ｅb3(0.8)-Ｅb3(1) ］
Ａ23は、［Ｅb2(0.8)-Ｅb2(1) ］／［Ｅb3(0.8)-Ｅb3(1) ］
Ａ43は、［Ｅb4(0.8)-Ｅb4(1) ］／［Ｅb3(0.8)-Ｅb3(1) ］
Ａ53は、［Ｅb5(0.8)-Ｅb5(1) ］／［Ｅb3(0.8)-Ｅb3(1) ］
Ｂ13は、 -Ａ13＊Ｅb3(1)+Ｅb1(1)
Ｂ23は、 -Ａ23＊Ｅb3(1)+Ｅb2(1)
Ｂ43は、 -Ａ43＊Ｅb3(1)+Ｅb4(1)
Ｂ53は、 -Ａ53＊Ｅb3(1)+Ｅb5(1)
なお、Ｅbi(0.8) とＥbi(1) は、それぞれ酸素飽和度が“0.8 ”と“１”の場合の“Ｅbi”の値であって、それぞれ定数を示す。

（７）本発明の実施例の動作特性
次に、前記構成からなる本発明に係るパルスオキシメータの動作例を示す。使用した５波長は、λ１＝８０５ｎｍ、λ２＝８７５ｎｍ、λ３＝６６０ｎｍ、λ４＝７００ｎｍ、λ５＝７３０ｎｍである。なお、同じ原データを２波長計算する場合は、λ２とλ３とを使用し、３波長計算する場合は、λ１、λ２、λ３を使用した。プローブは指先に装着し、体動としては手首から先を激しく振って、それぞれアーテファクト特性を求めた。

図２および図３は、被検者が仰向けに横たわり、腕を下げた状態で手を招くように振った（ｗａｖｉｎｇ）場合の特性を示すもので、図２のグラフには、横軸Φ１２、縦軸Φ３２、Φ４２、Φ５２として、体動による軌跡を描いた。これは組織の変動を主とするアーテファクトを示すものである。図３の（ａ）は、２波長計算の結果であり、大きなアーテファクトが認められる。図３の（ｂ）は、３波長計算の結果であり、アーテファクトはほぼ消えていることが認められる。図３の（ｃ）は、５波長計算の結果であり、アーテファクトはさらに低減されていることが認められる。

図４および図５は、被検者が仰向けに横たわり、腕を体に沿わせた状態で手を切るように振った（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）場合の特性を示すもので、図４のグラフには、静脈血の変動を主とするアーテファクトを示すものである。図５の（ａ）は、２波長計算の結果であり、大きなアーテファクトが認められる。図５の（ｂ）は、３波長計算の結果であり、アーテファクトが殆ど改善されていないことが認められる。図５の（ｃ）は、５波長計算の結果であり、アーテファクトはほぼ解消されていることが認められる。

図６は、息こらえによって、動脈血酸素飽和度を低下させた場合であって、測定開始から約３０秒で仰向けに横たわった被検者が、腕を下げた状態で手を招くように振り始めた際の特性を示すものである。図６の（ａ）は、２波長計算の結果であり、比較的大きなアーテファクトが認められる。図６の（ｂ）は、３波長計算の結果であり、アーテファクトの改善が認められる。図６の（ｃ）は、５波長計算の結果であり、アーテファクトのさらなる改善が認められる。なお、この場合、アーテファクトの期間においては、減光度の変動分ΔＡｉの大小は広範囲に亘るので、一定以下のものを削除して計算している。このような処理は簡単なものであり、多くのパルスオキシメータにおいて行っていることであるので省略する。

図７は、息こらえによって、動脈血酸素飽和度を低下させた場合であって、測定開始から約３０秒で仰向けに横たわった被検者が、腕を体に沿わせた状態で手を切るように（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）振り始めた際の特性を示すものである。図７の（ａ）は、２波長計算の結果であり、比較的大きなアーテファクトが認められる。図７の（ｂ）は、３波長計算の結果であり、アーテファクトが殆ど改善されていないことが認められる。図７の（ｃ）は、５波長計算の結果であり、アーテファクトはほぼ解消されていることが認められる。

（８）本発明の応用例
前述した本発明実施例から、例えば測定対象の生体組織において、検出される脈波が低いことからパルスオキシメトリが不可能であるような場合において、生体組織に対して振動機構等を使用して強制的に体動を与えることにより、生体組織を透過して得られる透過光信号の減光度変動分にアーテファクトを生じさせて、それに含まれる動脈血の酸素飽和度を測定することが可能となる。
また、動脈血の酸素飽和度と同時に、静脈血の酸素飽和度についても測定することができる。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において、多くの設計変更が可能である。

本発明に係るパルスオキシメータの一実施例を示す概略構成図である。 手（生体組織）をｗａｖｉｎｇ方向に振った場合における、ΦΦ平面上の体動の軌跡を示す説明図である。 手（生体組織）をｗａｖｉｎｇ方向に振った場合のＳａＯ2 計算によるアーテファクト特性を示すものであって、（ａ）は２波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｂ）は３波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｃ）は５波長計算（本発明）によるアーテファクト特性線図である。 手（生体組織）をｃｈｏｐｐｉｎｇ方向に振った場合における、ΦΦ平面上の体動の軌跡を示す説明図である。 手（生体組織）をｃｈｏｐｐｉｎｇ方向に振った場合のＳａＯ2 計算によるアーテファクト特性を示すものであって、（ａ）は２波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｂ）は３波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｃ）は５波長計算（本発明）によるアーテファクト特性線図である。 息こらえによって動脈血酸素飽和度を低下させ、測定開始から約３０秒(sec) で手を招くように振り始めた場合のＳａＯ2 計算によるアーテファクト特性を示すものであって、（ａ）は２波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｂ）は３波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｃ）は５波長計算（本発明）によるアーテファクト特性線図である。 息こらえによって動脈血酸素飽和度を低下させ、測定開始から約３０秒(sec) で手を切るように振り始めた場合のＳａＯ2 計算によるアーテファクト特性を示すものであって、（ａ）は２波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｂ）は３波長計算（比較例）によるアーテファクト特性線図、（ｃ）は５波長計算（本発明）によるアーテファクト特性線図である。

符号の説明

１０ 発光部
１２ 生体組織
１４ 受光部
１６ 電流電圧変換器
１８ ＡＤ変換器
２０ 記憶部
２０Ａ〜２０Ｅ 透過光信号記憶器
２２ ピークボトム検出器
２４ 第１の計算部
２４Ａ〜２４Ｅ 減光度変動分計算器
２６ 第２の計算部
２８ タイミング器
ＬED１〜ＬED５ 発光素子
ＰＤ 受光素子

Claims (1)

1. ５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、
   前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光して、それぞれ電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部から出力される各波長の透過光または反射光の変動分に基づいて、それぞれ生体組織に対する減光度変動分を求める減光度変動分計算部と、
   前記減光度変動分計算部で得られた５個の減光度変動分について、それぞれ相互の比を少なくとも４個求める減光度変動分比計算部と、
   前記減光度変動分比計算部で得られる減光度変動分比に基づいて、動脈血酸素飽和度、静脈血酸素飽和度、動脈血と静脈血との変動分の比および組織項の４個を未知数とし、血中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算部とを備え、
   静脈血の変動および組織の変動の影響を消去して動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とするパルスオキシメータ。

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