JP5917756B2 - Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin - Google Patents

Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin Download PDF

Info

Publication number
JP5917756B2
JP5917756B2 JP2015163242A JP2015163242A JP5917756B2 JP 5917756 B2 JP5917756 B2 JP 5917756B2 JP 2015163242 A JP2015163242 A JP 2015163242A JP 2015163242 A JP2015163242 A JP 2015163242A JP 5917756 B2 JP5917756 B2 JP 5917756B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
phantom
hemoglobin
unit
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2015163242A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016000240A (en
Inventor
晴雄 山村
忠彦 塩崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FUJITA MEDICAL INSTRUMENTS CO.,LTD.
Original Assignee
FUJITA MEDICAL INSTRUMENTS CO.,LTD.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FUJITA MEDICAL INSTRUMENTS CO.,LTD. filed Critical FUJITA MEDICAL INSTRUMENTS CO.,LTD.
Priority to JP2015163242A priority Critical patent/JP5917756B2/en
Publication of JP2016000240A publication Critical patent/JP2016000240A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5917756B2 publication Critical patent/JP5917756B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

この発明は、近赤外線を用いて、無侵襲で、生体内のヘモグロビンの、相対濃度変化と酸素飽和度測定装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for measuring a relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin in a living body, using non-invasive infrared rays.

生体としての人体への酸素の供給は、循環する血液によって運搬、交換が行われる。呼吸によって取り込まれた酸素は、肺胞におけるガス交換によって血液中のヘモグロビン(Hb)と結合する。血液に取り込まれた酸素は、動脈血によって全身に送られ、毛細血管によって細胞に取り込まれる。   The supply of oxygen to the human body as a living body is carried and exchanged by circulating blood. Oxygen taken up by respiration is combined with hemoglobin (Hb) in the blood by gas exchange in the alveoli. Oxygen taken into the blood is sent to the whole body by arterial blood and taken up into cells by capillaries.

血液中の酸素により各部の細胞が生存しているため、心臓等の手術の際には、頭蓋の特に大脳皮質の酸素状態をリアルタイムで計測して、脳細胞の状態を常時チェックすることが必要である。この大脳皮質の酸素状態を計測する方法として、組織透過性に優れた近赤外線を用いて無侵襲で計測する方法が知られている。   Since the cells in each part are alive due to oxygen in the blood, it is necessary to constantly check the state of the brain cells by measuring the oxygen state of the skull, especially the cerebral cortex, in real time during surgery such as the heart It is. As a method of measuring the oxygen state of the cerebral cortex, a method of measuring non-invasively using near infrared rays having excellent tissue permeability is known.

例えば、生体の血液中の情報及び自律神経系の生理指標を精度よく同時に測定する装置として、特開2010−125147号公報(特許文献1)記載の生体計測装置が知られている。この装置は、互いに異なる中心波長を有し、且つ互いに同時に入射しない検査光を、第2検査光の入射周期が第1検査光の入射周期より短くなるように生体に入射する光入射手段(LED)と、光入射手段による入射に伴い、それぞれに対応するデジタル信号を出力する光検出手段(フォトダイオード)と、前記デジタル信号(出力信号)に基づいてオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度変化を算出し、デジタル信号に基づいて測定データを算出する演算部を備える。   For example, a living body measuring apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-125147 (Patent Document 1) is known as an apparatus for simultaneously measuring information in the blood of a living body and physiological indices of the autonomic nervous system with high accuracy. In this apparatus, light incident means (LEDs) for injecting inspection lights having different center wavelengths and not incident on each other into a living body so that the incident period of the second inspection light is shorter than the incident period of the first inspection light. ) And photodetection means (photodiodes) that output digital signals corresponding to the light incident means, and the concentration change of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin is calculated based on the digital signal (output signal). And an arithmetic unit for calculating measurement data based on the digital signal.

また、異常部位の酸素残留量の変化をモニターすることが可能な装置として、特開2001−212115号公報(特許文献2)記載の生体光計測装置がある。この装置は、光を生体に照射する光照射手段と、生体を透過した光を検出し、検出した光量に対応する電気信号を出力する光検出手段と、電気信号に基づき計測部位毎のヘモグロビン濃度を計算する信号処理手段と、前記信号処理手段の計算結果を表示する手段とを備えており、表示手段は、計測部位毎にヘモグロビン濃度の時間経過を表示する手段とを備えたことを特徴とする。   Moreover, as a device capable of monitoring a change in the residual oxygen amount at an abnormal site, there is a biological light measurement device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-212115 (Patent Document 2). This apparatus includes a light irradiating means for irradiating a living body with light, a light detecting means for detecting light transmitted through the living body and outputting an electric signal corresponding to the detected light amount, and a hemoglobin concentration for each measurement site based on the electric signal. A signal processing means for calculating the signal and means for displaying the calculation result of the signal processing means, and the display means comprises means for displaying the time course of hemoglobin concentration for each measurement site. To do.

特開2010−125147号公報JP 2010-125147 A 特開2001−212115号公報JP 2001-212115 A

ところで、特許文献1記載の生体光計測装置では、入射する光として735nmの中心波長を有する光と、850nmの中心波長を有する光を用いているために主に酸素飽和度を測定することができるが、ヘモグロビンの量を比較することはできない。ヘモグロビンの量の変化を測定するには、中心波長が800〜810nmの光を使用しなければならないからである。   By the way, in the living body light measuring device described in Patent Document 1, since light having a central wavelength of 735 nm and light having a central wavelength of 850 nm are used as incident light, oxygen saturation can be mainly measured. However, the amount of hemoglobin cannot be compared. This is because, in order to measure a change in the amount of hemoglobin, light having a central wavelength of 800 to 810 nm must be used.

また、特許文献2では、計測点毎の血中酸化ヘモグロビン/脱酸化ヘモグロビン濃度の相対変化量を計算することは可能である。計測時点での相対変化量を時間軸に沿って算出することはできても、計測開始時を基準とするものであって計測時点での実際のヘモグロビン濃度は不明である。   Further, in Patent Document 2, it is possible to calculate a relative change amount of blood oxygenated hemoglobin / deoxygenated hemoglobin concentration for each measurement point. Although the amount of relative change at the time of measurement can be calculated along the time axis, the actual hemoglobin concentration at the time of measurement is unknown because it is based on the start of measurement.

従来、生体内のヘモグロビンを光(オキシ、デオキシヘモグロビンの等吸収係数の光805nm)の吸収度合いを測定し、その測定値を無名数で数値表示していた。特許文献1,2とも、相対変化量は測定開始時点を基準とした相対値である。従来の測定方法では、計測開始時を基準としてその後の変化を計測するために、測定開始時点での濃度に対する変化量は計測できても、測定開始時点の濃度は不明である。   Conventionally, the degree of absorption of light of hemoglobin in a living body (light having an isoabsorption coefficient of oxy and deoxyhemoglobin of 805 nm) was measured, and the measured value was numerically displayed in an anonymous number. In both Patent Documents 1 and 2, the relative change amount is a relative value based on the measurement start time. In the conventional measurement method, since the subsequent change is measured with reference to the measurement start time, the change amount with respect to the concentration at the measurement start time can be measured, but the concentration at the measurement start time is unknown.

また、脳血流は頭蓋の左右において必ずしも同一の値を示すものではないが、測定開始時点を基準とすると左右の値は同一となる。即ち、測定開始時点に脳の左右の血流に差があっても、その差についての評価はできなかった。   The cerebral blood flow does not necessarily show the same value on the left and right sides of the cranium, but the left and right values are the same when the measurement start time is used as a reference. That is, even if there was a difference in blood flow between the left and right sides of the brain at the start of measurement, the difference could not be evaluated.

さらに、従来の測定装置では、センサーの信号はフォトダイオードで検出される。フォトダイオードは波長に係わらずその感度領域の光であれば信号として出力される。ところで、実際の測定は真っ暗な環境で測定することはない。従って、所望の光による信号だけを得たいと思っても、外部の光が生体を経由してフォトダイオードで検出されることになる。   Furthermore, in the conventional measuring apparatus, the signal of the sensor is detected by a photodiode. Regardless of the wavelength, the photodiode outputs light as long as it is in the sensitivity region. By the way, actual measurement is not performed in a dark environment. Therefore, even if it is desired to obtain only a signal based on desired light, external light is detected by the photodiode via the living body.

この外部の光を取り除く方法は各種提案されている。例えば、信号を変調してその成分のみ取り出したり、フィルターを使用してカットする方法などが行われている。しかしながら必ずしも十分な精度で測定することはできなかった。   Various methods for removing the external light have been proposed. For example, a method of modulating a signal to extract only the component or cutting using a filter is performed. However, it was not always possible to measure with sufficient accuracy.

この発明は、このような点に鑑み、計測開始時点からヘモグロビンの濃度と、その後の時間的な相対変化を計測することができると共に、脳の左右の血流の差を評価することができるヘモグロビンの相対濃度変化と酸素飽和度測定装置を提供することを目的とする。また、この発明は、測定環境に左右されず、所望の光だけの信号を検出するヘモグロビンの相対濃度変化と酸素飽和度測定装置を提供することを目的とする。   In view of these points, the present invention can measure hemoglobin concentration from the measurement start time point and subsequent temporal relative change, and can evaluate the difference in blood flow between the left and right sides of the brain. It is an object of the present invention to provide an apparatus for measuring relative concentration change and oxygen saturation. Another object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the relative concentration change of hemoglobin and the oxygen saturation, which detects a signal of only desired light regardless of the measurement environment.

この目的を達成するため、この発明の請求項1に係る近赤外線無侵襲生体計測装置は、センサー部と装置本体部とからなり、センサー部には近赤外線を照射する光源と、前記光源から一定の距離に配置されて光源からの透過光を受光する受光素子と、生体と同一の吸収特性が得られるファントムを用いて予め測定した透過光に関する基準値記録したROM部とからなり、装置本体部は、前記センサー部の受光信号により実際の吸光度を算出し、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備えていることを特徴とする。
In order to achieve this object, a near-infrared non-invasive living body measurement apparatus according to claim 1 of the present invention comprises a sensor part and an apparatus main body part. A light receiving element that receives light transmitted from a light source and a ROM unit that records a reference value related to transmitted light measured in advance using a phantom capable of obtaining the same absorption characteristics as a living body. The unit includes an arithmetic processing unit that calculates an actual absorbance based on a light reception signal of the sensor unit, and calculates the oxygen state of the living body in accordance with Bare Lambert's law in comparison with the reference value. To do.

また、別途形成したファントムとセンサー部及び装置本体部とを備えた測定装置とからなり、前記ファントムは、光を完全に遮断する材質で形成された箱型のケース内の最下層にクッション材を敷き、その上に反射板、散乱層、吸収板、散乱層、吸収板を順次積層して形成されており、前記センサー部は、光源と、この光源から一定の距離に配置した受光素子と、前記ファントムの受光信号を基準値として記録するROMとからなり、前記装置本体部は、前記センサー部の受光信号により実際の吸光度を算出し、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備えている構成としてもよい。   The phantom includes a separately formed phantom and a measuring device including a sensor unit and a device main body. The phantom has a cushioning material in a lowermost layer in a box-shaped case formed of a material that completely blocks light. It is formed by sequentially laminating a reflecting plate, a scattering layer, an absorbing plate, a scattering layer, and an absorbing plate thereon, and the sensor unit includes a light source and a light receiving element disposed at a certain distance from the light source, It consists of a ROM that records the received light signal of the phantom as a reference value, and the device main unit calculates the actual absorbance based on the received light signal of the sensor unit, and compares it with the reference value to adapt to Bear Lambert's law. It is good also as a structure provided with the arithmetic processing part which calculates the oxygen state of a biological body.

センサー部は、生体と同一の吸収特性が得られるファントムを用いて予め測定した透過光に関する基準値を記録したROMを備えることによって、測定開始時の血液中のヘモグロビンの相対濃度変化と酸素飽和度を、前記基準値と比較して相対値として提供することができる。即ち、ファントムを基準とすることによって、測定開始時点を基準とした相対値ではなく絶対値を基準とした比較が可能になる。 The sensor unit includes a ROM that records a reference value related to transmitted light measured in advance using a phantom capable of obtaining the same absorption characteristics as a living body, thereby changing the relative concentration of hemoglobin in the blood at the start of measurement and the degree of oxygen saturation. Can be provided as a relative value compared to the reference value. That is, by using the phantom as a reference, a comparison based on an absolute value rather than a relative value based on the measurement start time can be performed.

また、ファントムによる絶対値を基準とすることにより、頭蓋における左右の血流の差が分かる。従来は、測定開始後の変化は評価することが可能であるものの、頭蓋における左右とも測定開始時点が基準となるので、左右の血流の差を評価することはできなかった。さらに、ファントムを基準とすることによりセンサーの誤差を修正することができる。個々のセンサーは、同一基準の測定値を示すように製造されているが、実際には僅かな誤差が見られる。そこで、個々のセンサーに誤差があってもファントムを基準とすることにより、全てのセンサーは誤差が修正されて同一レベルの基準値を設けることができる。   Further, by using the absolute value by the phantom as a reference, the difference between the left and right blood flow in the skull can be found. Conventionally, changes after the start of measurement can be evaluated, but since the measurement start time is the reference for both the left and right sides of the skull, the difference in blood flow between the left and right cannot be evaluated. Furthermore, the sensor error can be corrected by using the phantom as a reference. Individual sensors are manufactured to show the same standard measurements, but in practice there are slight errors. Therefore, even if there is an error in each sensor, by using the phantom as a reference, the error can be corrected for all the sensors and a reference value of the same level can be provided.

この発明に係る測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measuring apparatus which concerns on this invention. センサーのタイプ別構成を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the structure according to the type of sensor. ファントムの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of a phantom. 装置本体部のアンプ部における回路図である。It is a circuit diagram in the amplifier part of the apparatus main body part.

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1は本測定装置のブロック図を示し、測定装置1は、頭蓋の表面に装着されるセンサー部2と装置本体部3とからなる。センサー部2には、LEDによる光源11、12とフォトダイオードで形成された受光素子11A、12Aとによって構成されており、左側を測定する光源11、受光素子11Aと、右側を測定する光源12、受光素子12Aがそれぞれ対になって左右に配置されている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a block diagram of the present measuring apparatus. The measuring apparatus 1 includes a sensor part 2 and an apparatus main body part 3 that are mounted on the surface of the skull. The sensor unit 2 includes light sources 11 and 12 using LEDs and light receiving elements 11A and 12A formed of photodiodes. The light source 11 measures the left side, the light receiving element 11A, and the light source 12 measures the right side. The light receiving elements 12A are arranged in pairs on the left and right.

図示する実施形態では、左右が対になったダブルタイプを示しているが、中央部で分割して左側の光源11、受光素子11Aと、右側の光源12、受光素子12Aに分離したシングルタイプとすることもできる(図2参照)。シングルタイプの場合には、それぞれ個別に左右に装着すればよい。   In the illustrated embodiment, a double type in which the left and right are paired is shown, but a single type divided into a left side light source 11 and a light receiving element 11A, and a right side light source 12 and a light receiving element 12A divided at the center part. (See FIG. 2). In the case of a single type, they may be attached to the left and right individually.

前記光源11、12はLEDで構成されており、近赤外線をモニター部位に1波長あたり毎秒10回、0.2mSecのパルスを投射し、受光素子11A,12Aのフォトダイオードがオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビン及びそれらのクロスポイントに対応した各波長の近赤外線を検知し、その信号を増幅して測定値が計算される。例えば、光源11、12の波長は、近赤外線の吸収スペクトルの特性において、酸素ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸光度が略一致する805nmと、それより小さい770nm及びそれより大きい870nmに設定されている。   The light sources 11 and 12 are composed of LEDs, project near-infrared rays to the monitor site 10 times per second at a wavelength of 0.2 mSec, and the photodiodes of the light receiving elements 11A and 12A are oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, and Near-infrared rays of each wavelength corresponding to these cross points are detected, the signals are amplified, and measured values are calculated. For example, the wavelengths of the light sources 11 and 12 are set to 805 nm at which the absorbances of oxygen hemoglobin and reduced hemoglobin substantially coincide with each other, 770 nm which is smaller than that, and 870 nm which is larger than that in the near infrared absorption spectrum characteristics.

頭蓋の表面に近赤外線の光源11、12と受光素子11A、12Aとを装着すると、光源11から受光素子11A及び光源12から受光素子12Aまでの距離が遠くなるほど、その距離dの2乗に反比例して減少する。また、光の強度が弱いとその光は頭蓋の頭皮や頭蓋骨の付近の浅い所を通過し、強度が強いほどその光は深い所の大脳皮質にまで達する。そして、距離が同一であれば光源11、12の強さに比例した受光信号が得られる。   When the near-infrared light sources 11 and 12 and the light receiving elements 11A and 12A are mounted on the surface of the cranium, the distance from the light source 11 to the light receiving element 11A and from the light source 12 to the light receiving element 12A increases in inverse proportion to the square of the distance d. Then decrease. In addition, when the intensity of light is weak, the light passes through a shallow area near the skull and skull of the skull, and the stronger the intensity, the deeper the light reaches the cerebral cortex. If the distances are the same, a light reception signal proportional to the intensity of the light sources 11 and 12 is obtained.

そこで、センサー2の光源11と受光素子12の距離と、光が通過する深度(モニター深度)との関係を示すと、図2と表1のようになる。   2 and Table 1 show the relationship between the distance between the light source 11 and the light receiving element 12 of the sensor 2 and the depth (monitor depth) through which light passes.

Figure 0005917756
Figure 0005917756

図2(a)は、光源11、受光素子11Aとからなるシングルタイプを示し、図2(b)は、光源11、受光素子11A及び光源12、受光素子12Aとを対にして配置したダブルタイプを示している。光源と受光素子との距離は、成人用、中人(子供〜成人)用、小児用等頭蓋の大きさによって決定される。   2A shows a single type composed of a light source 11 and a light receiving element 11A, and FIG. 2B shows a double type in which the light source 11, the light receiving element 11A, the light source 12, and the light receiving element 12A are arranged in pairs. Is shown. The distance between the light source and the light receiving element is determined by the size of the skull for adults, middle-aged (children to adults), and children.

図1において、センサー部2におけるROM4は、図3に示すファントム5にセンサー2を接触させて反射光を測定してその信号を読み込み、校正データとして記録保存するものであり、装置本体部3の起動時に読み込まれて測定開始時点の基準値となる。センサー部2は、光の熱が血流でウォッシュアウトされるように出力と時間が制御されているので、測定前の校正は必要ない。   In FIG. 1, the ROM 4 in the sensor unit 2 contacts the sensor 2 with the phantom 5 shown in FIG. 3, measures the reflected light, reads the signal, and records and stores it as calibration data. It is read at startup and becomes the reference value at the start of measurement. Since the output and time of the sensor unit 2 are controlled so that the heat of light is washed out in the bloodstream, calibration before measurement is not necessary.

次に、測定開始時点の基準値を示すと共に、校正データとなるファントム5の構成を図3に基づいて説明する。ファントム5は、光を完全に遮断する材質で形成された箱型のケース51内に散乱板等が積層されて形成されている。さらに、詳述すると、最下層にクッション材52としてスポンジゴムシートを敷き、その上に反射板53としてアルミ板を載せ、さらに散乱層54として厚さ2mmのアクリル板を5枚積層し、続いて、吸収板55として厚さ0.4mmのグレイの塩ビ板と、散乱層54として厚さ2mmのアクリル板を6枚とを積層し、最上面に吸収板55として厚さ0.4mmのグレイの塩ビ板を積層することによって形成されている。   Next, the configuration of the phantom 5 serving as calibration data will be described with reference to FIG. The phantom 5 is formed by stacking a scattering plate or the like in a box-shaped case 51 made of a material that completely blocks light. More specifically, a sponge rubber sheet is laid as the cushioning material 52 at the bottom layer, an aluminum plate is placed thereon as the reflecting plate 53, and five acrylic plates having a thickness of 2 mm are laminated as the scattering layer 54, and then Further, a gray PVC plate having a thickness of 0.4 mm as the absorbing plate 55 and six acrylic plates having a thickness of 2 mm as the scattering layer 54 are laminated, and a 0.4 mm thick gray plate is formed as the absorbing plate 55 on the uppermost surface. It is formed by laminating PVC plates.

上記構成のファントム5は、中間に積層する吸収板55の位置を調整することによって生体と同一の吸収特性が得られる。センサーの受光特性と塩ビ板の吸収特性は波長によって異なるが、受光素子の距離40mmでは深さ20mmでほぼ平坦になることから、実施形態のファントム5の厚さは約23mmに形成されている。   The phantom 5 having the above configuration can obtain the same absorption characteristics as a living body by adjusting the position of the absorption plate 55 laminated in the middle. Although the light receiving characteristics of the sensor and the absorption characteristics of the vinyl chloride plate differ depending on the wavelength, the thickness of the phantom 5 of the embodiment is formed to be about 23 mm because the light receiving element is approximately flat at a depth of 20 mm at a distance of 40 mm.

オキシ,デオキシヘモグロビンで吸光係数が等しい波長(805nm)で吸光度を求めれば、酸素飽和度の値の如何に関わらず、吸光量はヘモグロビン量の変化と相関しているので、これをヘモグロビンインデックス(HbI)として表示する。ヘモグロビンインデックスは無名数で、相対値である。従来の装置では測定開始または測定中のある時点が基準で変化を比較していたが、ファントム5が基準になるので測定開始時から相対変化の比較が可能になる。   If the absorbance is obtained at a wavelength (805 nm) having the same extinction coefficient for oxy and deoxyhemoglobin, the absorbance is correlated with the change in the hemoglobin regardless of the value of the oxygen saturation, and this is expressed as the hemoglobin index (HbI). ). The hemoglobin index is an anonymous number and is a relative value. In the conventional apparatus, the change is compared on the basis of the measurement start or a certain time point during the measurement. However, since the phantom 5 is used as a reference, the relative change can be compared from the measurement start time.

センサーの信号は受光素子11A,12A(フォトダイオード)で検出される。フォトダイオードは波長に関わらず、その感度領域の光であれば信号として出力する。
実際の測定では真っ暗な環境で測定することはないので、所望の光による信号だけを得たいと思っても、外部の光が生体を経由してフォトダイオードで検出されることになる。
Sensor signals are detected by the light receiving elements 11A and 12A (photodiodes). Regardless of wavelength, the photodiode outputs a signal as long as it is in the sensitivity region.
In actual measurement, measurement is not performed in a dark environment. Even if it is desired to obtain only a desired light signal, external light is detected by a photodiode via a living body.

この外部の光を取り除く方法は各種提案されている。例えば、信号を変調してその成分のみを取り出したり、フィルターを使用してカットしたりしている。この発明では、所望の波長の光が点灯していない無光(ブランク)の期間を設けて、無光時(周りの光だけ)のフォトダイオードの出力を測定して(サンプルホールド)保持し、電子回路で所望の光が点灯した時に所望の光と周りの光の合計として検出される光の値から、周りの光だけの値を差し引くことによって、所望の光だけの信号をデータとして得ることとした。   Various methods for removing the external light have been proposed. For example, the signal is modulated to extract only the component, or is cut using a filter. In this invention, a period of no light (blank) in which light of a desired wavelength is not lit is provided, and the output of the photodiode at the time of no light (only surrounding light) is measured (sample hold) and held, A signal of only the desired light is obtained as data by subtracting the value of only the ambient light from the value of the light detected as the sum of the desired light and the ambient light when the desired light is lit in the electronic circuit. It was.

上記のような計算方法とすることによって、従来のような煩雑な信号処理が不要で、周りの環境が明るくても暗くても、所望の光が光った時の測定値がベースラインの増加分として測定ができるので、周りの環境に左右されない測定が可能となる。   By using the above calculation method, the conventional complicated signal processing is unnecessary, and the measured value when the desired light shines is the increment of the baseline regardless of whether the surrounding environment is bright or dark. Measurement can be performed regardless of the surrounding environment.

図1及び図2のセンサー部2は、前額部に装着されるので、センサーの周りの皮膚や頭蓋骨などを通過した周りの光が影響するが、周りの光による信号のレベルは受光素子が飽和するようなレベルにはならないので、回りの光の影響は無視することができる。   Since the sensor unit 2 in FIGS. 1 and 2 is attached to the forehead portion, the surrounding light that has passed through the skin, skull, etc. around the sensor is affected, but the level of the signal due to the surrounding light is determined by the light receiving element. Since the saturation level is not reached, the influence of surrounding light can be ignored.

さらに、ファントムを使用することにより、次のような効果が得られる。即ち、各センサーは同一の性能を保つように製造されているものの、実際の製品には僅かな誤差がある。従来のセンサーは全て測定開始時点を基準とするために誤差は修正されることはなかった。この発明では測定開始時点の基準をファントムから得ることとしたから、それぞれのセンサーが基準となることができる。   Furthermore, the following effects can be obtained by using a phantom. That is, each sensor is manufactured to maintain the same performance, but there is a slight error in the actual product. Since all the conventional sensors are based on the measurement start time, the error is not corrected. In this invention, since the reference of the measurement start time is obtained from the phantom, each sensor can be the reference.

ファントムを基準とした校正値を内蔵した測定センサーを使用すれば、ファントム上で測定値を、酸素飽和度が50%、ヘモグロビン量が1.0になる。このセンサーで、例えばAさんを測定した場合に、酸素飽和度は左が63%、右が62%、ヘモグロビン量は左が1.2、 右が0.8のようになる場合がある。従来の測定法ではヘモグロビンは測定開始が基準で1.0なので、左右とも1.0となって左右は差として認識することができなかった。   If a measurement sensor with a built-in calibration value based on the phantom is used, the measured value on the phantom will be 50% oxygen saturation and 1.0 hemoglobin. For example, when Mr. A is measured with this sensor, the oxygen saturation may be 63% on the left, 62% on the right, the amount of hemoglobin may be 1.2 on the left, and 0.8 on the right. In the conventional measurement method, since hemoglobin is 1.0 at the start of measurement, the left and right are 1.0, and the left and right cannot be recognized as a difference.

次に、装置本体部3の構成について説明する。装置本体部3は、センサー部2に回路接続しており、電源ユニット31、前記電源ユニット31の電圧を制御する電源制御部31a、測定データを増幅するアンプ部32、データを計算できるようにデジタル信号に変換するA/Dコンバータ部33、データを計算する演算処理部34、データを表示する画面表示部35、データを記録するメモリー部36、センサー部の光源11,12のLEDを駆動制御するLED駆動部37、信号の同期を取るためのクロック部38、外部で操作するための入力部39、外部にデータを出力するUSB出力部34aによって構成されている。   Next, the configuration of the apparatus main body 3 will be described. The apparatus main body 3 is connected to the sensor unit 2 in a circuit, and is connected to a power unit 31, a power control unit 31a for controlling the voltage of the power unit 31, an amplifier unit 32 for amplifying measurement data, and digital so that data can be calculated. An A / D converter 33 for converting to a signal, an arithmetic processing unit 34 for calculating data, a screen display unit 35 for displaying data, a memory unit 36 for recording data, and LEDs of the light sources 11 and 12 of the sensor unit are driven and controlled. The LED driving unit 37, a clock unit 38 for synchronizing signals, an input unit 39 for external operation, and a USB output unit 34a for outputting data to the outside.

装置本体3は、電源ユニット31をスイッチ操作すると、演算処理部34によりLED駆動部38に発光と受光を指示する。そして、センサー部2の2個の光源11,12から所定の波長の光を、強度を強、弱に変化して出力し、この光の透過光を2個の受光素子11A,12Aでそれぞれ受光する。   When the power supply unit 31 is switched, the apparatus body 3 instructs the LED drive unit 38 to emit light and receive light by the arithmetic processing unit 34. Then, light of a predetermined wavelength is output from the two light sources 11 and 12 of the sensor unit 2 with the intensity changed between strong and weak, and the transmitted light of the light is received by the two light receiving elements 11A and 12A, respectively. To do.

受光素子11A,12Aによる受光信号は、アンプ部32で増幅し、増幅した信号をA/Dコンバータ部33によりデジタル信号に変換して演算処理部34に入力する。演算処理部34は、これら発光信号、受光信号等によりベアーランバートの法則で酸素飽和度rSO2等をリアルタイムで演算し、それをメモリー部36に記憶し、且つ画面表示部35に表示する。   Light reception signals by the light receiving elements 11A and 12A are amplified by the amplifier unit 32, and the amplified signal is converted into a digital signal by the A / D converter unit 33 and input to the arithmetic processing unit 34. The arithmetic processing unit 34 calculates the oxygen saturation rSO2 and the like in real time according to Bare Lambert's law from these light emission signals, light reception signals, and the like, stores them in the memory unit 36, and displays them on the screen display unit 35.

上記構成の測定装置を使用する場合について説明する。まず、センサー部2の2個の光源11,12と受光素子11A,12Aを、頭蓋の表面に接して装着する。その後、光源11,12に光の信号を出力して頭蓋の内部に照射する。そして、頭蓋において透過した光を受光素子11A,12Aでそれぞれ受光信号を得る。その血液の主としてヘモグロビンにより散乱、反射することによる受光信号が高い精度で求められる。その後、演算処理部で演算処理が行われる。   A case where the measuring apparatus having the above configuration is used will be described. First, the two light sources 11 and 12 and the light receiving elements 11A and 12A of the sensor unit 2 are mounted in contact with the surface of the skull. Thereafter, a light signal is output to the light sources 11 and 12 to irradiate the inside of the skull. Then, the light transmitted through the skull is received by the light receiving elements 11A and 12A, respectively. A light reception signal obtained by scattering and reflecting the blood mainly by hemoglobin is required with high accuracy. Thereafter, arithmetic processing is performed in the arithmetic processing unit.

測定装置1は、近赤外線の光を頭蓋に照射し、吸収される光の量は入射光と溶質の濃度に比例するという、「ランバートベールの法則」によって脳内局所でのヘモグロビンの酸素飽和度と濃度の変化を測定する。オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの光の吸収スペクトルの差を利用し、異なる波長(770nm、870nm)で頭蓋内を通過して受光素子で検出された光から吸光度を求め、局所の酸素飽和度(rSO2)を計算する。   The measuring apparatus 1 irradiates the skull with near-infrared light, and the amount of absorbed light is proportional to the concentration of incident light and solute. According to the Lambert-Beer law, the oxygen saturation level of hemoglobin in the brain region And measure changes in concentration. Using the difference in light absorption spectrum between oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, the absorbance is obtained from the light detected by the light receiving element through the skull at different wavelengths (770 nm and 870 nm), and the local oxygen saturation (rSO2 ).

上記演算処理部34では、酸素飽和度は次のようにして計算される。オキシヘモグロビンの吸光度をKHbO2、デオキシヘモグロビンの吸光度をKHb、酸素飽和度をrSO2=HbO2/(HbO2+Hb)、光路長をd、溶質の濃度をC、とすれば、ある波長でのセンサー直下の吸光度Kは、重ね合わせの理が成り立つので、以下の数1のようになる。   In the arithmetic processing unit 34, the oxygen saturation is calculated as follows. If the absorbance of oxyhemoglobin is KHbO2, the absorbance of deoxyhemoglobin is KHb, the oxygen saturation is rSO2 = HbO2 / (HbO2 + Hb), the optical path length is d, and the solute concentration is C, the absorbance K directly below the sensor at a certain wavelength. Since the superposition theory holds, the following equation 1 is obtained.

Figure 0005917756
Figure 0005917756

2つの波長(仮にR770nm 及びIR870nm とする)での検出信号から吸光度を計算し、その比は数2で求められる。   Absorbance is calculated from detection signals at two wavelengths (assuming R770 nm and IR870 nm), and the ratio is obtained by Equation 2.

Figure 0005917756
Figure 0005917756

このR/IRは酸素飽和度と相関しているので、試験管内の血液サンプルの酸素飽和度とヘモグロビン量を予め測定して既知のものとし、その血液サンプルのR/IRを測定する。この測定して得られたR/IRの値と、測定装置1で測定したその血液の酸素飽和度を基にR/IRと酸素飽和度の関係を示す校正曲線を作成しておき、未知の血液の測定された吸光比R/IRから酸素飽和度(rSO2)を計算し表示する。   Since this R / IR correlates with the oxygen saturation, the oxygen saturation and the amount of hemoglobin in the blood sample in the test tube are measured in advance to make them known, and the R / IR of the blood sample is measured. Based on the R / IR value obtained by this measurement and the oxygen saturation of the blood measured by the measuring device 1, a calibration curve showing the relationship between R / IR and oxygen saturation is prepared, and the unknown The oxygen saturation (rSO2) is calculated and displayed from the measured light absorption ratio R / IR.

次に、図4に基づいて装置本体部3のアンプ部32の回路図について説明する。図4において、U5のピン番号2にフォトダイオード(PD)で検出されたアナログ信号が入力されている。
U9,U12,U13,U16,U17,U20,U21のピン番号8番に各々の信号をホールドするタイミングクロックが入力され、クロック部37のクロックに同期してフォトダイオード(PD)で検出された発光波長別の信号が保持されてピン番号5番にDC電圧で出力される。
Next, a circuit diagram of the amplifier unit 32 of the apparatus body 3 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, an analog signal detected by a photodiode (PD) is input to pin number 2 of U5.
A timing clock for holding each signal is input to pin number 8 of U9, U12, U13, U16, U17, U20, and U21, and light emission detected by a photodiode (PD) in synchronization with the clock of the clock unit 37. A signal for each wavelength is held and output to the pin number 5 as a DC voltage.

出力されたDC電圧はA/Dコンバータ部33でデジタル信号に変換され、演算処理部34で演算処理され、各々酸素飽和度、ヘモグロビン量の情報として提供される。上記の回路の特徴は、差動アンプU8の基準ピン2に光のない時の信号レベルがU20で保持され印加されているので、U8の出力は入力信号との差が出力される。   The output DC voltage is converted into a digital signal by the A / D converter unit 33, is subjected to arithmetic processing by the arithmetic processing unit 34, and is provided as information on oxygen saturation and hemoglobin amount. The above circuit is characterized in that the signal level when there is no light is held and applied at U20 to the reference pin 2 of the differential amplifier U8, so that the output of U8 is the difference from the input signal.

以上詳述したように、外部の明るさを排除した測定値が得られるので、手術室等の屋内の使用に限らず、災害現場や昼夜等測定環境に影響されずに使用することができる。   As described above in detail, since the measurement value excluding the external brightness is obtained, the measurement value is not limited to indoor use such as an operating room, and can be used without being affected by the measurement environment such as a disaster site or day and night.

1:測定装置
2:センサー部
3:装置本体部
5:ファントム
11,12:光源
11A,12A:受光素子
31:電源ユニット
32:アンプ部
33:A/Dコンバータ部
34:演算処理部
35:画面表示部
36:メモリー部
37:クロック部
38:LED駆動部
39:入力部
1: Measuring device 2: Sensor unit 3: Device body unit 5: Phantom 11, 12: Light source 11A, 12A: Light receiving element 31: Power supply unit 32: Amplifier unit 33: A / D converter unit 34: Arithmetic processing unit 35: Screen Display unit 36: Memory unit 37: Clock unit 38: LED drive unit 39: Input unit

Claims (2)

センサー部と装置本体部とからなり、センサー部には近赤外線を照射する光源と、前記光源から一定の距離に配置されて光源からの透過光を受光する受光素子と、生体と同一の吸収特性が得られるファントムを用いて予め測定した透過光に関する基準値記録したROM部とからなり、装置本体部は、前記センサー部の受光信号により実際の吸光度を算出し、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備えていることを特徴とするヘモグロビンの相対濃度変化と酸素飽和度測定装置。 It consists of a sensor part and a device body part. The sensor part has a light source that irradiates near infrared rays, a light receiving element that is arranged at a certain distance from the light source and receives transmitted light from the light source, and the same absorption characteristics as a living body And a ROM part that records a reference value relating to transmitted light measured in advance using a phantom that can be obtained , and the apparatus main body part calculates an actual absorbance based on a light reception signal of the sensor part and compares it with the reference value. An apparatus for measuring a change in the relative concentration of hemoglobin and an oxygen saturation level, comprising an arithmetic processing unit that calculates the oxygen state of a living body in conformity with Bear Lambert's law. ファントムとセンサー部及び装置本体部とを備えた測定装置とからなり、前記ファントムは、光を完全に遮断する材質で形成された箱型のケース内の最下層にクッション材を敷き、その上に反射板、散乱層、吸収板、散乱層、吸収板を順次積層して形成されており、前記センサー部は、光源と、この光源から一定の距離に配置した受光素子と、前記ファントムの受光信号を基準値として記録するROMとからなり、前記装置本体部は、前記センサー部の受光信号により実際の吸光度を算出し、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備えていることを特徴とするヘモグロビンの相対濃度変化と酸素飽和度測定装置。
It consists of a phantom, a measuring device equipped with a sensor unit and a device main body, and the phantom lays a cushion material on the lowermost layer in a box-shaped case made of a material that completely blocks light, and on it A reflection plate, a scattering layer, an absorption plate, a scattering layer, and an absorption plate are sequentially laminated. The sensor unit includes a light source, a light receiving element disposed at a certain distance from the light source, and a light reception signal of the phantom. The apparatus body unit calculates the actual absorbance based on the light reception signal of the sensor unit, and adapts to the Bare Lambert law in comparison with the reference value to determine the oxygen state of the living body. A device for measuring a relative concentration change of hemoglobin and an oxygen saturation measuring device, comprising an arithmetic processing unit for calculating
JP2015163242A 2015-08-20 2015-08-20 Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin Expired - Fee Related JP5917756B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015163242A JP5917756B2 (en) 2015-08-20 2015-08-20 Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015163242A JP5917756B2 (en) 2015-08-20 2015-08-20 Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013001539U Continuation JP3183811U (en) 2013-03-21 2013-03-21 Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016000240A JP2016000240A (en) 2016-01-07
JP5917756B2 true JP5917756B2 (en) 2016-05-18

Family

ID=55076165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015163242A Expired - Fee Related JP5917756B2 (en) 2015-08-20 2015-08-20 Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5917756B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017179103A1 (en) * 2016-04-11 2017-10-19 株式会社フジタ医科器械 Oximetry sensor and oximetry apparatus
US10499836B2 (en) 2016-03-11 2019-12-10 Fujita Medical Instruments Co., Ltd. Oxygen saturation measuring sensor, and oxygen saturation measuring apparatus
JP6817755B2 (en) * 2016-09-14 2021-01-20 浜松ホトニクス株式会社 How to operate the concentration measuring device and the concentration measuring device
KR101886108B1 (en) * 2016-12-13 2018-08-07 현대자동차 주식회사 Fatigue measurement system
CN107569237A (en) * 2017-09-14 2018-01-12 天津科技大学 The measuring method and device of Non-invasive detection hemoglobin level

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3016160U (en) * 1995-03-23 1995-09-26 有限会社トステック Near infrared non-invasive biometric device
JP4328129B2 (en) * 2003-05-28 2009-09-09 浜松ホトニクス株式会社 Scattering absorber measurement apparatus calibration method, calibration apparatus, and scattering absorber measurement system using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016000240A (en) 2016-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210030291A1 (en) Biological information detection apparatus that includes a light source projecting a near-infrared pattern onto an object and an imaging system including first photodetector cells detecting near-infrared wavelength light and second photodetector cells detecting visible wavelength light
JP5917756B2 (en) Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin
US11202582B2 (en) Device for use in blood oxygen saturation measurement
RU2688445C2 (en) System and method for determining information on basic physiological indicators of a subject
EP3157431B1 (en) Device, system and method for determining the concentration of a substance in the blood of a subject
US10506960B2 (en) System for screening of the state of oxygenation of a subject
JP5028256B2 (en) Spectrophotometric method for determining blood oxygen saturation in optically accessible blood vessels
US10575764B2 (en) System and method for extracting physiological information from remotely detected electromagnetic radiation
US20100210931A1 (en) Method for performing qualitative and quantitative analysis of wounds using spatially structured illumination
US10342488B2 (en) Probes and pressure modulation algorithms for reducing extratissue contamination in hemodynamic measurement
EP3145398B1 (en) Device and method for noninvasively determining the hematocrit value of a subject
Pinto et al. Non-invasive hemoglobin measurement using embedded platform
WO2018029123A1 (en) Device for use in blood oxygen saturation measurement
WO2015150106A1 (en) Device, system and method for tumor detection and/or monitoring
Myllylä et al. Measurement of cerebral blood flow and metabolism using high power light-emitting diodes
JP3183811U (en) Apparatus for measuring the relative concentration change and oxygen saturation of hemoglobin
Pollonini Optical properties and molar hemoglobin concentration of skeletal muscles measured in vivo with wearable near infrared spectroscopy
JP6060321B1 (en) Oxygen saturation measuring sensor and oxygen saturation measuring device
EP4076186B1 (en) Device, system and method for determining oxygen saturation of a subject
Patil et al. Methods and devices to determine hemoglobin non invasively: A review
Budidha et al. Investigation of photoplethysmography, laser doppler flowmetry and near infrared spectroscopy during induced thermal stress
Almajidy et al. Dual Layered Models of Light Scattering in the Near Infrared B: Experimental Results with a Phantom
Robbins et al. Deep tissue multi-wavelength spatial frequency domain imaging
Rakhshani Fatmehsari Designing and Implementing a Portable Near-Infrared Imaging System for Monitoring of Human’s Functional Brain Activity
Torricelli et al. Mapping cerebral hemodynamics in brain cortex by multi-channel time-resolved near-infrared spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20151127

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151201

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160118

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160329

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160406

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5917756

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees