JP5311418B2 - 濃度に依存しない吸光度スペクトル測定法 - Google Patents

Description

本発明は、分光分析手法を用いて吸光測定を行う際に、ある既知の吸光スペクトルを基準として、その変化または未知試料の吸光スペクトルを定量測定する手法に関するものである。

本発明は、例えば、血管内に存在するヘモグロビンの光吸収を測定することによる、酸素飽和度推定に利用することができ、未知試料の光学濃度および光路長に依存することなく血中酸素飽和度量を決定することに適用できる。

吸光係数εの測定では、被測定試料に対して測定された光の透過率Ｔあるいは反射率Ｒを元にして、ランベルト・ベール則に基づく計算式εＣＬ＝−ｌｏｇ_１０ＴまたはεＣＬ＝−ｌｏｇ_１０Ｒで吸光度が求められる。ただし、被測定試料の光路長をＬ、濃度をＣで表す。このように、吸光度Ａ＝εＣＬは被測定試料の光路長Ｌと濃度Ｃとに比例するため、被測定試料の濃度と光路長とをあらかじめ決定しておく必要がある。

特開２００６−２３９２６７号公報 特表２００５−５２１４９９号公報 特開２００７−８３０２１号公報

J.M.Bearch et al., "Oximetry of retinal vessels by dual-wavelength imaging: calibration and influence of pigmentation," J. Appl. Physiol., 86, 748-758 (1999).

例えば、ヘモグロビンの反射率スペクトルを図１に示す。ヘモグロビンの吸光係数は各波長に対して一定の値であることが知られているが、例えば血管の太さによって異なった反射率を取る。図１には、血管の太さが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍのときの反射率スペクトルが示されており、曲線１が血管太さ５０μｍのときの光反射率スペクトル、曲線２が血管太さ１００μｍのときの光反射率スペクトル、曲線３が血管太さ２００μｍのときの光反射率スペクトルである。このため、光路長（血管の太さ）を考慮しなければ、吸光係数を求めることはできないという問題があったが、画像内すべての点において血管径を求めることは難しい。また、眼底カメラにおいては血管とは認識できない毛細血管部分における計測を行うことも困難である。

酸素飽和度の光学的計測法においては、血管径や血液濃度について様々な仮定を元にして、酸素飽和度を推定していたが、それぞれの誤差が大きいことや、別の手法（主として観血的手法）によって求めた酸素飽和度による校正が必要などの問題があるため、様々な太さの血管を有する組織全体へ適用できないことや、多様な被験者に対応することができないという問題があったが、本発明の手法では、被測定点と同じ条件下にある基準点を元にするため、簡便で高精度な推定を行うことを可能にする。このように、非侵襲的に酸素飽和度分布を絶対推定することを特徴とする装置は、これまでには開発されておらず、本発明の手法は、生体測定のように濃度調整のできない場合に特に有効となる。

本発明のヘモグロビンの酸素飽和度推定法は、ヘモグロビンの反射率スペクトルを測定してヘモグロビンの酸素飽和度を求める酸素飽和度推定法であって、酸素飽和度の判明している動脈の基準位置における波長λ_１での反射率スペクトルの値Ｒ_１を測定し、測定位置における反射率スペクトルの値がＲ_１と等しくなる波長λ_２を測定により求め、既知である酸素飽和度のヘモグロビンの吸収度スペクトル理論値と酸素飽和度０％の吸収度スペクトル理論値とから、予め、計算により求めた一方の軸をλ_１、他方の軸をλ_２とした酸素飽和度計算を用いて、λ_１とλ_２の交点の値を酸素飽和度として推定することを特徴とする。
さらに、上記既知の酸素飽和度は、例えば、光学濃度から求めるものであるが、この操作は１回あるいは数回の統計値から判定されるものである。基準位置の酸素飽和度が求められれば、上記測定位置は任意の血管あるいは毛細血管であることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記動脈及び上記静脈は生体の網膜血管であることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記静脈におけるヘモグロビンの酸素飽和度を、位置情報と共に画像化し、２次元分布を求めることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記ヘモグロビンの酸素飽和度推定法において、反射率スペクトルの測定は眼底カメラを用いて行うことを特徴とする。

従来の吸光度計測においては、測定反射率の変化（吸光度変化）が大きい試料に対して、反射率の両端が、検出器のダイナミックレンジの及ぶ範囲にある必要があったために、高価な広いダイナミックレンジの検出器やカメラが必要となったり、試料の吸光度を調整してダイナミックレンジ内に収める必要があった。しかしながら、上記の本発明の手法を適用すると、必要な反射率は基本的には１点だけであるため、たとえダイナミックレンジ最低の（ある輝度の閾値で、明と暗との２値を判別できるだけの）検出器であっても、本手法を適用することができ、安価な装置構成を取ることが可能である。

これは、検出器のダイナミックレンジが、試料の吸光度検出範囲に制限を加えないために、これまで測定の難しいとされている測定反射率の変化（吸光度変化）が大きい試料に対しても適用可能となることを示す。

本発明の解決する課題である血管太さに応じて計測される反射率スペクトルを説明する図である。 本発明の原理となる反射率スペクトルの波長方向分布を説明する図である。 本発明の原理となる反射率スペクトル推定手法を説明する図である。 本発明の一実施例にかかる網膜血管への適用例を説明する図である。 本発明の一実施例にかかる網膜画像スペクトルからの酸素飽和度換算表を説明する図である。

本発明においては、分光学的に吸光度が等しくなる位置を探索するものであり、図２、図３を用いて以下に説明する。
図２はヘモグロビンの反射率スペクトルを示した図であり、図２の下段の図は血管の太さが５０μｍにおける反射率スペクトルを示しており、曲線１０が酸素飽和度１００％のときの光反射スペクトル、曲線１１が酸素飽和度５０％のときの光反射スペクトル、曲線１２が酸素飽和度０％のときの光反射スペクトルである。図２の中段の図は血管の太さが１００μｍにおける反射率スペクトルを示しており、曲線７が酸素飽和度１００％のときの光反射スペクトル、曲線８が酸素飽和度５０％のときの光反射スペクトル、曲線９が酸素飽和度０％のときの光反射スペクトルである。図２の上段の図は血管の太さが２００μｍにおける反射率スペクトルを示しており、曲線４が酸素飽和度１００％のときの光反射スペクトル、曲線５が酸素飽和度５０％のときの光反射スペクトル、曲線６が酸素飽和度０％のときの光反射スペクトルである。

図２に示すように、反射率スペクトルにおいて反射率は血管径などによる変動を受けるが、波長方向のスペクトルでは依存性が無いことが分かる。すなわち、図２の下段、中段、上段の各図において、例えば、光の波長６００ｎｍに対する酸素飽和度１００％の光反射スペクトルの反射率に着目すれば、当該反射率（下段約０．９、中段約０．８、上段約０．６）と同じ反射率となる酸素飽和度５０％の光反射スペクトル曲線おける光の波長は下段、中段、上段の各図で同じであり（約６２０ｎｍ）、また、当該反射率と同じ反射率となる酸素飽和度０％の光反射スペクトル曲線おける光の波長は下段、中段、上段の各図で同じである（約６５０ｎｍ）。上記説明では、光の波長６００ｎｍに着目して説明したが、他の波長に着目しても同じことがいえる。
この性質を利用すれば、基準位置と被測定位置の両者に対する反射率を、波長を変えて測定することで、両者が等しい反射率になる波長点を求めることができる。

図３に示すように、基準波長λ_１における酸素飽和度１００％の反射スペクトルの値Ｒ_１を測定する。基準位置における基準波長λ_１は任意で良い。被測定位置において、この基準波長での反射率Ｒ_１と等しい反射率となる波長λ_２を測定することでヘモグロビンの吸光スペクトルが一意に決定できる。

すなわち、ヘモグロビンの酸素飽和度１００％の吸光度スペクトルと、酸素飽和度０％の吸光度スペクトルは実測値として既知であり、酸素飽和度１００ｘ％の吸光度スペクトルの波長λにおける値Ａ_ｘ（λ）は、波長λにおける酸素飽和度１００％の吸光度スペクトルの値Ａ_１（λ）と酸素飽和度０％の吸光度スペクトルの値Ａ_０とすると、
Ａ_ｘ（λ）＝ｘＡ_１（λ）＋（１−ｘ）Ａ_０（λ）
の関係があることが知られている。したがって、この式を用いて、波長λにおける酸素飽和度１００ｘ％の吸光度を計算で求めることができる。
一方、段落０００３に記載した、反射率Ｒに関するランベルト・ベール則に基づく計算式εＣＬ＝−ｌｏｇ_１０Ｒと吸光度Ａ＝εＣＬの式から、Ａ＝−ｌｏｇ_１０Ｒの関係、言い換えれば、Ｒ＝１０^−Ａの関係が成り立つので、この関係を用いて、上記で求めた、波長λにおける酸素飽和度１００ｘ％の吸光度から、さらに、波長λにおける酸素飽和度１００ｘ％の反射率を計算で求めることができる。
このようにして得られた反射率（酸素飽和度とのペア）の値は、一方の軸を波長、他方の軸を反射率（酸素飽和度とのペア）とした２次元に配置でき、その他方の軸方向の位置をずらして、波長方向に反射率の値が等しいものが並ぶように修正して、さらに反射率の値をペアである酸素飽和度の値に置き換えれば、一方の軸を波長λ_２、他方の軸を波長λ_１とした、図５に示すような酸素飽和度換算表が得られる。この換算表を用いれば、波長λ_１と波長λ_２との２つの値から、その交差する部分の値が酸素飽和度として求められる。

なお、反射率Ｒ_１と等しい反射率となる波長λ_２の測定においては、スペクトルカーブの測定による直接的な方法でも良いし、反射率がＲ_１をまたぐと考えられる２波長または数波長だけを選び出し、フィッティングなどの補間法を適用しても良い。

なお、図３においては酸素飽和度１００％を基準にして簡単な例を示したが、基準は判別できるならば任意の値を基準としても良い。１００％以外の点を基準とする場合には、その点の酸素飽和度を別の手段で知っておく必要がある。これには、パルスオキシメータや、非特許文献１に挙げるような毛細血管を基準とした酸素飽和度を求めるのに便利な光学濃度などを用いることができる。

そこで、網膜血管に本手法を適用した例を図４に示す。
白く輝度の高い線が酸素飽和度１００％の動脈であり、黒く輝度の低い線が酸素飽和度５６％の静脈を示している。その間にある中間調はそれぞれ輝度に対応した酸素飽和度となり、２次元分布を得ることができる。

動脈血の酸素飽和度は通常１００％であると仮定できるが、喫煙時や呼吸困難時など動脈血が１００％を仮定できない時には、過去データとして同一人の健常時のスペクトルを基準位置として、動脈血を含めたすべての画像内血液の酸素飽和度を推定することができる。
また、パルスオキシメータや毛細血管を基準とした光学濃度から推定する手法と併用しても良い。

また、酸素飽和度１００％を基準とする場合には、反射率が一定となる基準波長λ_１と被測定位置の推定波長λ_２との２つの値で、酸素飽和度が求められるため、図５に示すような換算表を作製することができる。換算表は、各波長の画像スペクトルのみから酸素飽和度の概算値を知ることに有用となる。
例えば、図５の換算表は、酸素飽和度１００ｘ％、波長λにおける吸光度ｆ_ｘ（λ）とすると、以下の関係がある。
ｆ_ｘ（λ）＝ｘｆ_１（λ）＋（１−ｘ）ｆ_０（λ）
ｆ_１（λ）およびｆ_０（λ）は、酸素飽和度１００％および０％のときの値であるが、これには理論曲線の値が用いられる。（基準波長λ_１の値）＝ｆ_ｘ（λ）を満たすときのλがλ_２である。
例えば、測定により得られた反射率スペクトルにおいて、λ_１が５９５ｎｍで、λ_２が６０６ｎｍであったとすれば、図５の換算表から酸素飽和度５１％であることが推定できる。

また、本発明には分光分析装置が含まれるため、ヘモグロビンスペクトルに限らず、分光分析の対象となる化学物質も同様に分析することが可能である。

本発明では利用する反射率が１点あるいはその近傍のみと非常にダイナミックレンジが狭く、原理的に１ビット以上の検出器であれば良いため、安価な検出器を利用することができる。これは、ヘモグロビンスペクトルなどのように吸光度の変化が非常に激しい試料に対しても有効な方法である。

この理論は、閉じられた空間における分光計測に適用することが出来る。ここで例示した吸収スペクトルでは次の仮定が成り立つと仮定している。人体の血液は閉じられた血管中を流れているため、十分な計測時間において、濃度はほぼ一様（値は未知であって良い）と考えることができ、光路長は円筒形状を仮定すれば直径に等しい（値は未知であって良い）と考えることができる。このため、酸素飽和度が時間的に変化しても、空間的に別の場所であっても、濃度が一定であれば（その濃度を測定しなくても）、酸素飽和度を知ることができる。
同様な仮定が成り立つ場合であれば、事前の試料調整を行うことなく、任意の化学物質濃度を推定する手法として適用可能である。

なお、従来、類似技術として、パルスオキシメータの技術が公知であったが、パルスオキシメータは、動脈の拍動を利用しているため、測定位置全体の動脈血の酸素飽和度のみしか推定できない。これに対して、本発明では静脈血の測定が可能である。
さらに、検出器として撮像カメラを用いることで、部位全体ではなく各組織・部位ごとに酸素飽和度を測定することができるため、酸素飽和度を面で測定することができる。

１ 血管太さ５０μｍのときの光反射率スペクトルの例
２ 血管太さ１００μｍのときの光反射率スペクトルの例
３ 血管太さ２００μｍのときの光反射率スペクトルの例
４ 血管太さ２００μｍ、酸素飽和度１００％のときの光反射率スペクトルの例
５ 血管太さ２００μｍ、酸素飽和度５０％のときの光反射率スペクトルの例
６ 血管太さ２００μｍ、酸素飽和度０％のときの光反射率スペクトルの例
７ 血管太さ１００μｍ、酸素飽和度１００％のときの光反射率スペクトルの例
８ 血管太さ１００μｍ、酸素飽和度５０％のときの光反射率スペクトルの例
９ 血管太さ１００μｍ、酸素飽和度０％のときの光反射率スペクトルの例
１０ 血管太さ５０μｍ、酸素飽和度１００％のときの光反射率スペクトルの例
１１ 血管太さ５０μｍ、酸素飽和度５０％のときの光反射率スペクトルの例
１２ 血管太さ５０μｍ、酸素飽和度０％のときの光反射率スペクトルの例
１３ 任意の反射率Ｒ_１
１４ 反射率Ｒ_１となるときの動脈反射光の波長
１５ 反射率Ｒ_１となるときの被測定位置における反射光の波長
１６ 本発明により推定された動脈の酸素飽和度（１００％）
１７ 本発明により推定された静脈の酸素飽和度（５６％）

Claims (5)

1. ヘモグロビンの反射率スペクトルを測定してヘモグロビンの酸素飽和度を求める酸素飽和度推定法であって、
   酸素飽和度１００％の基準位置における波長λ_１での反射率スペクトルの値Ｒ_１を測定し、
   測定位置における反射率スペクトルの値がＲ_１と等しくなる波長λ_２を測定により求め、
   既知である酸素飽和度１００％のヘモグロビンの吸収度スペクトルと酸素飽和度０％の吸収度スペクトルとから、予め、計算により求めた一方の軸をλ_１、他方の軸をλ_２とした酸素飽和度換算表を用いて、λ_１とλ_２の交点の値を酸素飽和度として推定するヘモグロビンの酸素飽和度推定法。
2. 前記酸素飽和度１００％の基準位置は動脈であり、前記測定位置は静脈であることを特徴とする請求項１記載のヘモグロビンの酸素飽和度推定法。
3. 前記動脈及び前記静脈は生体の網膜血管であることを特徴とする請求項２記載のヘモグロビンの酸素飽和度推定法。
4. 前記静脈におけるヘモグロビンの酸素飽和度を、位置情報と共に画像化し、２次元分布を求めることを特徴とする請求項２又は３記載のヘモグロビンの酸素飽和度推定法。
5. 請求項３又は４記載のヘモグロビンの酸素飽和度推定法において、反射率スペクトルの測定は眼底カメラを用いて行うことを特徴とするヘモグロビンの酸素飽和度推定法。