JP5936999B2 - 生体情報計測装置 - Google Patents
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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Description
−log10(R(λ)/Ro(λ))=εoxy(λ)×Coxy×d+εdeoxy(λ)×Cdeoxy×d+α(λ)+S(λ) …式1
−log10(growthR(λ)/Ro(λ))=εoxy(λ)×growthCoxy×d+εdeoxy(λ)×growthCdeoxy×d+growthα(λ)+S(λ) …式2
ただし、前記式2中のgrowthR(λ)、growthCoxy、growthCdeoxy及びgrowthα(λ)は、心拍動を伴う血流変化によって増加又は減少変化した値を表すものであって、それぞれ、血流変化後の検出光量、血流変化後の酸素化ヘモグロビンの濃度、血流変化後の還元ヘモグロビンの濃度及び血流変化後のヘモグロビン以外の色素の光吸収による減衰量を表すものである。
−log10(growthR(λ)/R(λ))=εoxy(λ)×ΔCoxy+εdeoxy(λ)×ΔCdeoxy …式3
ここで、前記式3中のΔCoxy及びΔCdeoxyは、それぞれ、下記式4及び式5によって表されるものである。
ΔCoxy=(growthCoxy−Coxy)×d …式4
ΔCdeoxy=(growthCdeoxy−Cdeoxy)×d …式5
SO2=ΔCoxy/(ΔCoxy+ΔCdeoxy) …式6
−log(I1/I0)=E×C×e+A …式7
ただし、前記式7中のI1は細動脈を透過した透過光の光量を表し、I0は入射光の光量を表す。又、前記式7中のEはヘモグロビンの吸光係数を表し、Cは血中ヘモグロビン血液濃度を表し、eは血液層の厚さ(前記式4,5における光路長dに相当)を表し、Aは組織層の減光度を表す。ここで、前記式7は、生体内を透過した赤外線光の減光度を算出するものであるが、反射した赤外線光であっても同様の特性を示すことが知られている。
−(log(I1/I0)−log(I2/I0))=E×C×e−E×C×(e−Δe) …式8
前記式8を整理すると、下記式9に示すようになる。
−log(I2/I1)=E×C×Δe …式9
ただし、前記式8及び式9中のI2は血液層の厚さの変化後における透過光の光量を表す。
−log(I21/I11)=E1×C×Δe …式10
−log(I22/I12)=E2×C×Δe …式11
ただし、前記式10中の −log(I21/I11)=E1×C×Δe …式10
−log(I22/I12)=E2×C×Δe …式11
ただし、前記式10中のE1は、波長λ1の赤外線光に対するヘモグロビンの吸光係数を表し、前記式11中のE2は、波長λ2の赤外線光に対するヘモグロビンの吸光係数を表す。そして、前記式11を前記式10で除算すると、血液層の厚さ変化Δeを消去した下記式12が成立する。
log(I12/I22)/log(I11/I21)=E2/E1 …式12
したがって、前記式12を変形すれば、下記式13が成立する。
E2=E1×log(I12/I22)/log(I11/I21) …式13
SO2=(E2−Ep)/(E0−Ep) …式14
これにより、前記式14に従って計算される酸素飽和度SO2は、相対量を含むことなく計算されるため、実際の酸素飽和度を得ることができる。従って、例えば、医師による診断において、より正確な酸素飽和度SO2を提供することができる。
Claims (12)
- 少なくとも2つの異なる特定波長を有する近赤外光を発光する光源を有していて、所定の駆動信号に基づいて前記光源を発光させて前記異なる特定波長を有する近赤外光を生体内部に出射する光出射部と、
前記光出射部から出射されて前記生体内部を伝播した近赤外光を受光する受光器を有していて、前記受光器によって受光して検出した近赤外光の光強度に対応して生体の代謝に関連する電気的な検出信号を出力する光検出部と、
前記光出射部と前記光検出部の作動を統括的に制御し、前記光検出部から出力された電気的な検出信号に基づいて生体情報を算出する制御部と、
前記光出射部の前記光源及び前記光検出部の前記受光器を保持するための複数の貫通孔が形成された板状のパレット部材を有し、前記パレット部材によって保持された前記光源及び前記受光器を生体の所定位置に装着するホルダとを備え、
生体内部を伝播させた光を検出し、この検出した光の有する生体情報を計測する生体情報計測装置において、
前記光源は、円筒状のケース本体、及び、前記ケース本体に収容されて特定波長を有する近赤外光を発光する発光素子を有し、
前記受光器は、円筒状のケース本体、及び、前記ケース本体に収容されて前記光出射部から出射されて前記生体内部を伝播した近赤外光を受光して電気的な検出信号に変換する光電変換素子を有し、
前記ホルダは、さらに、前記パレット部材に形成された複数の貫通孔にそれぞれ組み付けられ、前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体を先端側からそれぞれ挿通させるガイド部材を有し、
前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体の先端側と反対側に、前記ガイド部材から抜け出ないようにするための、前記ガイド部材の内径よりも大きな大径部分をそれぞれ設けるとともに、
前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体の先端側の外周面上に、周方向に所定の間隔を有する複数の係合突起をそれぞれ設けておき、さらに、
前記ホルダの前記パレット部材に対して前記光源及び前記受光器を着脱可能に組み付ける機構であって、
前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体をそれぞれ挿通可能に円環状にそれぞれ形成され、内周面側に、前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体にそれぞれ設けた係合突起を軸方向への変位に伴って挿通させる溝部をそれぞれ有するリング部材と、
前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体をそれぞれ挿通させるとともに、前記リング部材と前記ガイド部材の間に組み付けられて、前記光源のケース本体及び前記受光器のケース本体を前記ガイド部材にそれぞれ挿通させた状態で、前記リング部材の前記溝部に前記係合突起を軸方向への変位に伴って挿通させた後に前記リング部材が回動されて前記係合突起と前記リング部材における前記溝部以外の部分とが係合したとき、前記リング部材と前記パレット部材の間で圧縮状態となるコイルバネとを含んで構成されたラッチ機構とを備えたことを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1に記載した生体情報計測装置において、
前記リング部材に前記コイルバネを保持する保持部を形成し、前記リング部材に対して前記コイルバネを一体的に組み付けたことを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1又は請求項2に記載した生体情報計測装置において、
前記光源及び前記受光器は、前記ホルダの前記パレット部材に対して、それぞれ交互にマトリックス状に配置されて組み付けられることを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか一つに記載した生体情報計測装置において、
前記光源のケース本体の少なくとも内部は導電性を有して接地され、
前記光源は、さらに、少なくとも内部に導電性を有して前記ケース本体に組み付けられるケースキャップと、前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記ケース本体に電気的に接続されて光を出射する窓部とを備え、
前記受光器のケース本体の少なくとも内部は導電性を有して接地され、
前記受光器は、さらに、少なくとも内部に導電性を有して前記ケース本体に組み付けられるケースキャップと、前記光出射部から出射される特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記ケース本体に電気的に接続されて光を入射する窓部と、前記ケース本体内に収容されて前記光電変換素子から出力される電気的な検出信号を増幅するとともに前記光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さな出力インピーダンスにより前記増幅した電気的な検出信号を出力する増幅回路とを備えていることを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項4に記載した生体情報計測装置において、
前記光源及び前記受光器のケース本体の内部及び前記ケースキャップの内部は、ストライクメッキしたニッケル(Ni)層とこのニッケル(Ni)層上に無電解メッキした銅(Cu)層又は金(Au)層とからなる薄膜導電層が形成され、
前記光源及び前記受光器の窓部は、インジウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分とする透明導電膜が形成されて、
前記光源の前記薄膜導電層と前記透明導電膜とが電気的に接続されるとともに、前記受光器の前記薄膜導電層と前記透明導電膜とが電気的に接続されることを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1ないし請求項5のうちのいずれか一つに記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部は、被験者の頭部に前記特定波長を有する近赤外光を出射し、
前記光検出部は、前記被験者の頭部を伝播した近赤外光を受光して前記電気的な検出信号を出力し、
前記制御部は、前記被験者の脳内における活動に関する生体情報を算出することを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項6に記載した生体情報計測装置において、
前記制御部が算出する前記脳内における活動に関する生体情報は、
前記被験者の頭部の血管中における酸素と結合した酸素化ヘモグロビン濃度長変化および酸素と結合していない還元ヘモグロビン濃度長変化を表す情報とに基づいて算出されることを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1ないし請求項7のうちのいずれか一つに記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部は、
前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するスペクトラム拡散変調手段を有し、
前記光検出部は、
前記電気的な検出信号をスペクトラム逆拡散して復調する復調手段を有することを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項8に記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部のスペクトラム拡散変調手段は、
前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するための拡散符号系列を第1の周波数により生成する拡散符号系列生成手段と、同拡散符号系列生成手段によって生成された拡散符号系列を用いて前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散して一次変調信号を出力する第1変調手段と、前記第1の周波数の2倍となる第2の周波数を用いて前記第1変調手段によって出力された前記一次変調信号を変調して二次変調信号を出力する第2変調手段とを有し、
前記光検出部の復調手段は、
前記電気的な検出信号の信号帯域のうち、直流及び直流近傍の周波数における信号成分、及び、前記第2の周波数以上の信号成分を除去して出力する信号成分除去手段と、前記近赤外光が前記被験者の頭部の内部を伝播することに伴う遅延を加味した前記第2の周波数の2倍となる第3の周波数を用いて前記信号成分除去手段によって出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記近赤外光を前記被験者の頭部の内部で伝播させることに伴う遅延を加味した前記第2の周波数を用いて前記信号変換手段によって変換されたデジタル信号を復調して一次復調信号を出力する第1復調手段と、前記近赤外光を前記被験者の頭部の内部で伝播させることに伴う遅延を加味した前記拡散符号系列を用いて前記一次復調信号をスペクトラム逆拡散して二次復調信号を出力する第2復調手段とを有することを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項9に記載した生体情報計測装置において、
前記第2の周波数を、前記光検出部が前記被験者の頭部の内部を伝播した近赤外光を有効に検出可能な有効検出帯域幅と一致させたことを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1ないし請求項7のうちのいずれか一つに記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部は、
所定の時間間隔を有して供給される前記所定の駆動信号を取得し、前記光源が前記取得した所定の駆動信号に基づいて順次発光して、前記異なる特定波長を有する近赤外光を前記所定の時間間隔を有して順次出射することを特徴とする生体情報計測装置。 - 請求項1ないし請求項7のうちのいずれか一つに記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部は、
前記所定の駆動信号を周波数分割多重変調して変調信号を生成する周波数分割多重変調手段を有し、
前記光検出部は、
前記電気的な検出信号を周波数分割多重復調する復調手段を有することを特徴とする生体情報計測装置。
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