JP6200216B2 - 生体信号測定システム、生体信号測定装置、および生体信号測定装置の制御プログラム - Google Patents
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Description
本発明は、生体信号測定システムに関する。特に生体の一例としての被検者より取得した生体信号に基づいて、血液中物質濃度を特定するシステムに関する。また本発明は、当該システムに用いられる生体信号測定装置、および当該装置を制御するプログラムに関する。
血液の酸素化の程度を測定することは、生体組織への血液供給が十分に行なわれているかを判断するために重要である。動脈血液の酸素化の程度すなわち動脈血酸素飽和度は、パルスオキシメータを用いて容易に測定できるようになっている。また、異常ヘモグロビンである一酸化炭素ヘモグロビンCOHbやメトヘモグロビンMetHbの血液中濃度をパルスオキシメータの原理を用いて測定する方法も知られている（例えば特許文献１参照）。
パルスオキシメータの原理を用いると、無侵襲で簡単な測定が可能となるが、脈波振幅の大きさが測定精度に依存してしまう。例えば循環に障害が発生して脈波が極端に小さくなると、測定不能となる。また、一酸化炭素中毒では、COHb濃度が５０％を超えると心機能が低下して昏睡状態となる。このような場合も、パルスオキシメータの原理を用いる方法では測定できないことがある。
よって本発明は、例えば昏睡状態で循環に障害が生じた患者に対しても、簡便な手法によって血液中物質濃度に係る情報を取得しうる技術を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第１の態様は、生体信号の測定システムであって、
互いに異なるＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光を出射する発光部と、
生体組織を通過または反射したＮ種の光の受光強度に応じてＮ種の信号を出力する受光部と、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える。
互いに異なるＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光を出射する発光部と、
生体組織を通過または反射したＮ種の光の受光強度に応じてＮ種の信号を出力する受光部と、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える。
上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第２の態様は、生体信号の測定装置であって、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える。
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える。
上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第３の態様は、生体信号の測定装置を制御するプログラムであって、
前記測定装置は、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記信号受信部と接続されたコンピュータと、
前記コンピュータと接続された出力部とを備えるものであり、
前記プログラムは、前記コンピュータを、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部として動作させ、
さらに特定された前記濃度を前記出力部より出力させる。
前記測定装置は、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記信号受信部と接続されたコンピュータと、
前記コンピュータと接続された出力部とを備えるものであり、
前記プログラムは、前記コンピュータを、
前記Ｎ種の信号に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部として動作させ、
さらに特定された前記濃度を前記出力部より出力させる。
Ｎ種の波長を用いて（Ｎ−１）種の血液由来の減光度を取得することにより、吸光係数と血液中物質濃度の関係のみを抽出し、当該濃度を特定することができる。この結果を得るために操作者が行なう実質的な作業は、例えば４波長以上で測定するパルスオキシメトリ用プローブを被検者の生体組織に装着するのみである。すなわち特殊なプローブの用意や特殊な作業を要することなく、多波長パルスオキシメータを用いて迅速に血液中物質濃度を特定することができる。
例えば、前記２つの減光度の差分に基づいて、前記血液由来の減光度を取得する構成とすることができる。ここで前記差分の取得に用いられる前記２つの減光度に対応する２波長が、前記Ｎ種の波長のうち、血液以外の組織の減光度の差がより小さい波長同士として選択される場合、より正確に血液中物質の濃度を特定することができる。
前記差分は、対応する波長における血液以外の組織の減光度に対応する係数を乗算した上で求められる構成としてもよい。
この場合、適切に係数を選ぶことにより、血液以外の組織の減光度の波長依存性が除去され、より正確に血液中物質の濃度を特定することができる。
例えば、前記Ｎを４とし、前記血液中物質は、酸素化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビン、およびメトヘモグロビンから選ばれた３種とすることができる。あるいは、前記Ｎを５とし、前記血液中物質は、酸素化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビン、およびメトヘモグロビンとすることができる。
前記濃度の特定を前記第３演算部に所定のタイミングで行なわせる監視部を備える構成としてもよい。
この場合、被検者の末梢循環の状態を連続的に監視することが可能となり、例えば一酸化炭素中毒患者の容体把握の助けとなる。
前記監視部は、前記出力部を通じて前記生体組織を圧迫するタイミングを報知する構成としてもよい。この場合、前記減光度は、前記生体組織の圧迫に伴う前記受光強度の変化に基づいて取得される。
前記生体組織に加えられた圧力を検知し、当該圧力に応じた信号を出力する圧力検知部を備える構成としてもよい。
この場合、医療従事者による圧迫の度合いの相違を考慮した制御が可能となる。
血液中物質濃度の正確な特定にあたっては、生体組織の圧迫をその都度行なうことが望ましい。上記の構成によれば、操作者は報知に基づいて圧迫を行なえばよいため、血液中物質濃度の特定を確実に行なうことができる。
前記生体組織を圧迫可能に前記被検者に装着される圧迫部と、前記生体組織の減光度変化を発生させる前記圧迫部を制御する圧迫制御部とを備える構成としてもよい。この場合、測定装置の操作者や測定の繰返し回数によらず血液中物質濃度の特定を自動化できる。
本発明の実施形態の例について、添付の図面を参照しつつ以下詳細に説明する。なお以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
図１に示すように、本実施形態に係る生体信号測定システム１は、測定装置１０およびプローブ２０を備えている。測定装置１０は、指示受付部１１、制御部１２、信号受信部１３、および出力部１４を備えている。本実施形態のプローブ２０は、被検者の指３０に装着される構成を有するものであり、発光部２１および受光部２２を備えている。
指示受付部１１は、測定装置１０の外面に設けられたマンマシンインターフェースであり、測定装置１０に所望の動作を行なわせるためにユーザより入力される指示を受け付け可能に構成されている。
制御部１２は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を備え、測定装置１０における様々な制御を実行する。制御部１２は、指示受付部１１と通信可能に接続されている。指示受付部１１は、受け付けた指示に応じた信号を制御部１２に入力する。
プローブ２０の発光部２１は、測定装置１０の制御部１２と通信可能に接続されている。発光部２１は、第１波長λ１を有する第１の光、第２波長λ２を有する第２の光、第３波長λ３を有する第３の光、および第４波長λ４を有する第４の光を出射可能とされている。
本実施形態において発光部２１は、第１波長λ１の一例として６６０ｎｍの赤色光を出射する発光ダイオード、第２波長λ２の一例として９４０ｎｍの赤外光を出射する発光ダイオード、第３波長λ３の一例として８１０ｎｍの赤外光を出射する発光ダイオード、および第４波長λ４の一例として６２０ｎｍまたは６３５ｎｍの赤色光を出射する発光ダイオードを備えている。各発光ダイオードは、制御部１２からの制御信号に応じて、所定のタイミングで発光する。出射された第１の光、第２の光、第３の光、および第４の光は、それぞれ生体組織の一例としての指３０に入射する。
プローブ２０の受光部２２は、指３０を通過した第１の光、第２の光、第３の光、および第４の光を受光可能な位置に配置される。受光部２２は、受光した第１の光の強度Ｉ１に応じた第１信号Ｓ１、受光した第２の光の強度Ｉ２に応じた第２信号Ｓ２、受光した第３の光の強度Ｉ３に応じた第３信号Ｓ３、および受光した第４の光の強度Ｉ４に応じた第４信号Ｓ４を出力可能な構成とされている。
本実施形態においては、このような構成を有する素子としてフォトダイオードを用いている。受光部２２は、測定装置１０の信号受信部１３と通信可能に接続されている。受光部２２より出力された信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、信号受信部１３に入力される。
信号受信部１３は、制御部１２と通信可能に接続されている。信号受信部１３は、受信した信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を制御部１２に入力する。制御部１２は、第１演算部４１、第２演算部４２、第３演算部４３、および監視部４４を備えている。
第１演算部４１は、第１信号Ｓ１に基づいて第１の光の減光度Ａ１を取得し、第２信号Ｓ２に基づいて第２の光の減光度Ａ２を取得し、第３信号Ｓ３に基づいて第３の光の減光度Ａ３を取得し、第４信号Ｓ４に基づいて第４の光の減光度Ａ４を取得するように構成されている。減光度Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、それぞれ第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２、第３信号Ｓ３、および第４信号Ｓ４の、ある時刻（例えば生体組織の圧迫前）における受光光量と別の時刻（例えば生体組織の圧迫中）における受光光量の比として計算され、次式で表わされる。
Ａ１＝ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ１） （１）
Ａ２＝ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉｏ２） （２）
Ａ３＝ｌｏｇ（Ｉ３／Ｉｏ３） （３）
Ａ４＝ｌｏｇ（Ｉ４／Ｉｏ４） （４）
ここでＩｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３、Ｉｏ４が基準時刻（例えば生体組織の圧迫前）における受光光量を示し、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４が測定時における受光光量を示している。添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
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Ａ４＝ｌｏｇ（Ｉ４／Ｉｏ４） （４）
ここでＩｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３、Ｉｏ４が基準時刻（例えば生体組織の圧迫前）における受光光量を示し、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４が測定時における受光光量を示している。添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
第２演算部４２は、第１演算部４１が取得した第１の光と第２の光の減光度Ａ１、Ａ２に基づいて、また第２の光と第３の光の減光度Ａ２、Ａ３に基づいて、さらに第２の光と第４の光の減光度Ａ２、Ａ４に基づいて、血液由来の減光度を取得するように構成されている。具体的には、減光度Ａ２と減光度Ａ１の差分に基づいて、血液由来の減光度Ａb21を取得し、減光度Ａ２と減光度Ａ３の差分に基づいて血液由来の減光度Ａb23を取得し、減光度Ａ２と減光度Ａ４の差分に基づいて血液由来の減光度Ａb24を取得するように構成されている。この処理の原理について、以下詳しく説明する。
指３０を圧迫して生体組織の厚みを変化させた際に生じる減光度の変化Ａは、血液の厚み変化と血液以外の組織の厚み変化とに起因する。この事実は次式で表わされる。
Ａ１＝Ａｂ１＋Ａｔ１＝Ｅ１ＨｂＤｂ＋Ｚ１Ｄｔ （５）
Ａ２＝Ａｂ２＋Ａｔ２＝Ｅ２ＨｂＤｂ＋Ｚ２Ｄｔ （６）
Ａ３＝Ａｂ３＋Ａｔ３＝Ｅ３ＨｂＤｂ＋Ｚ３Ｄｔ （７）
Ａ４＝Ａｂ４＋Ａｔ４＝Ｅ４ＨｂＤｂ＋Ｚ４Ｄｔ （８）
ここで、Ｅは吸光係数（dl g-1cm-1）、Ｈｂは血色素濃度（g dl-1）、Ｚは血液以外の組織の減光率（cm-1）、Ｄは厚み（cm）を表している。添え字ｂは血液を、添え字ｔは血液以外の組織を、添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
Ａ１＝Ａｂ１＋Ａｔ１＝Ｅ１ＨｂＤｂ＋Ｚ１Ｄｔ （５）
Ａ２＝Ａｂ２＋Ａｔ２＝Ｅ２ＨｂＤｂ＋Ｚ２Ｄｔ （６）
Ａ３＝Ａｂ３＋Ａｔ３＝Ｅ３ＨｂＤｂ＋Ｚ３Ｄｔ （７）
Ａ４＝Ａｂ４＋Ａｔ４＝Ｅ４ＨｂＤｂ＋Ｚ４Ｄｔ （８）
ここで、Ｅは吸光係数（dl g-1cm-1）、Ｈｂは血色素濃度（g dl-1）、Ｚは血液以外の組織の減光率（cm-1）、Ｄは厚み（cm）を表している。添え字ｂは血液を、添え字ｔは血液以外の組織を、添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
血液以外の組織の波長依存性は無視できるため、Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３＝Ｚ４とできる。ここで式（６）より式（５）を減じ、式（６）より式（７）を減じ、式（６）より式（８）を減ずると、次式を得る。
Ａb21＝Ａ２−Ａ１＝（Ｅ２−Ｅ１）ＨｂＤｂ （９）
Ａb23＝Ａ２−Ａ３＝（Ｅ２−Ｅ３）ＨｂＤｂ （１０）
Ａb24＝Ａ２−Ａ４＝（Ｅ２−Ｅ４）ＨｂＤｂ （１１）
右辺には血液の情報のみが含まれている。したがって、減光度Ａ２と減光度Ａ１の差分、減光度Ａ２と減光度Ａ３の差分、および減光度Ａ２と減光度Ａ４の差分をとることにより、血液由来の減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24を得ることができる。
Ａb21＝Ａ２−Ａ１＝（Ｅ２−Ｅ１）ＨｂＤｂ （９）
Ａb23＝Ａ２−Ａ３＝（Ｅ２−Ｅ３）ＨｂＤｂ （１０）
Ａb24＝Ａ２−Ａ４＝（Ｅ２−Ｅ４）ＨｂＤｂ （１１）
右辺には血液の情報のみが含まれている。したがって、減光度Ａ２と減光度Ａ１の差分、減光度Ａ２と減光度Ａ３の差分、および減光度Ａ２と減光度Ａ４の差分をとることにより、血液由来の減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24を得ることができる。
次に、式（９）を式（１０）で除算し、式（９）を式（１１）で除算すると、ＨｂとＤｂの項が削除され次式を得る。
Ａb21／Ａb23＝（Ａ２−Ａ１）／（Ａ２−Ａ３）＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｅ２−Ｅ３）
（１２）
Ａb21／Ａb24＝（Ａ２−Ａ１）／（Ａ２−Ａ４）＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｅ２−Ｅ４）
（１３）
ここで式（１２）と式（１３）における（Ｅ２−Ｅ１）、（Ｅ２−Ｅ３）、（Ｅ２−Ｅ４）は、酸素化ヘモグロビン濃度O2Hb（％）、還元ヘモグロビン濃度RHb（％）、一酸化炭素ヘモグロビン濃度COHb（％）の関数である。各吸光係数Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、次式で表わされる。
Ｅ１＝Ｅｏ１・O2Hb＋Ｅｒ１・RHb＋Ｅｃ１・COHb （１４）
Ｅ２＝Ｅｏ２・O2Hb＋Ｅｒ２・RHb＋Ｅｃ２・COHb （１５）
Ｅ３＝Ｅｏ３・O2Hb＋Ｅｒ３・RHb＋Ｅｃ３・COHb （１６）
Ｅ４＝Ｅｏ４・O2Hb＋Ｅｒ４・RHb＋Ｅｃ４・COHb （１６）
O2Hb＋RHb＋COHb＝１ （１７）
ここで、Ｅｏは酸素化ヘモグロビンの吸光係数を、Ｅｒは還元ヘモグロビンの吸光係数を、Ｅｃは一酸化炭素ヘモグロビンの吸光係数を表している。添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
Ａb21／Ａb23＝（Ａ２−Ａ１）／（Ａ２−Ａ３）＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｅ２−Ｅ３）
（１２）
Ａb21／Ａb24＝（Ａ２−Ａ１）／（Ａ２−Ａ４）＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｅ２−Ｅ４）
（１３）
ここで式（１２）と式（１３）における（Ｅ２−Ｅ１）、（Ｅ２−Ｅ３）、（Ｅ２−Ｅ４）は、酸素化ヘモグロビン濃度O2Hb（％）、還元ヘモグロビン濃度RHb（％）、一酸化炭素ヘモグロビン濃度COHb（％）の関数である。各吸光係数Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、次式で表わされる。
Ｅ１＝Ｅｏ１・O2Hb＋Ｅｒ１・RHb＋Ｅｃ１・COHb （１４）
Ｅ２＝Ｅｏ２・O2Hb＋Ｅｒ２・RHb＋Ｅｃ２・COHb （１５）
Ｅ３＝Ｅｏ３・O2Hb＋Ｅｒ３・RHb＋Ｅｃ３・COHb （１６）
Ｅ４＝Ｅｏ４・O2Hb＋Ｅｒ４・RHb＋Ｅｃ４・COHb （１６）
O2Hb＋RHb＋COHb＝１ （１７）
ここで、Ｅｏは酸素化ヘモグロビンの吸光係数を、Ｅｒは還元ヘモグロビンの吸光係数を、Ｅｃは一酸化炭素ヘモグロビンの吸光係数を表している。添え字１は第１の光を、添え字２は第２の光を、添え字３は第３の光を、添え字４は第４の光を表している。
ここで図２を参照しつつ、減光度の差分をとることの意味について説明する。図２は、プローブ２０の上から指３０を圧迫した場合における、減光度Ａ１、減光度Ａ２、および血液由来の減光度Ａb21（＝Ａ２−Ａ１）の経時変化を示すグラフである。
圧迫を解除しても減光度Ａ１、Ａ２の値が圧迫開始前の水準に戻らず、血液以外の組織の変形が影響を及ぼしていることが判る。一方、減光度の差分値（Ａ２−Ａ１）すなわち血液由来の減光度Ａb21は、圧迫の解除後に圧迫開始前の水準に収束していくことが判る。すなわち、異なる波長の光を生体組織に照射することにより得られた減光度同士の差分をとるという単純な演算操作のみで、血液以外の組織の変形の影響を除去できる。
前述の通り、血液以外の組織の波長依存性は無視できるが、まったく等しいわけではない。血液が無い鳥のささみ肉および水の光吸収スペクトルを図３に示す。６００〜１１００ｎｍの範囲では、鳥のささみ肉の吸光度はほぼ一定であるが、長波長に比べ短波長の減光度は大きい。したがって、上記の減算を行う際には、血液以外の組織の減光度の差がより小さい波長により得られた減光度同士の減算とした方が血液以外の組織の影響をより軽減可能であり、正確な血液中の物質濃度計算を行なうことができる。例えば、６６０ｎｍと９４０ｎｍの値で減算を行なうよりも、８１０ｎｍと９４０ｎｍの値で減算を行なう方が血液以外の組織の影響を軽減できる。
なお前述のとおり、血液以外の組織の減光度は波長により僅かに差があるが、厳密に組織の影響を除去することも可能である。各波長における血液以外の組織の減光率がＺ２＝Ｋ２Ｚ１、Ｚ３＝ｋ３Ｚ１、Ｚ４＝ｋ４Ｚ１の関係であれば、
Ａ１＝Ａｂ１＋Ａｔ１＝Ｅ１ＨｂＤｂ＋Ｚ１Ｄｔ （１８）
ｋ２Ａ２＝ｋ２Ａｂ２＋ｋ２Ａｔ２＝ｋ２Ｅ２ＨｂＤｂ＋ｋ２Ｚ２Ｄｔ （１９）
ｋ３Ａ３＝ｋ３Ａｂ３＋ｋ３Ａｔ３＝ｋ３Ｅ３ＨｂＤｂ＋ｋ３Ｚ３Ｄｔ （２０）
ｋ４Ａ４＝ｋ４Ａｂ４＋ｋ４Ａｔ４＝ｋ４Ｅ４ＨｂＤｂ＋ｋ４Ｚ４Ｄｔ （２１）
と定数ｋを乗算してから減算すると、血液以外の組織の減光度の項は完全に消去されて誤差の無い、より精度の良い測定が可能となる。係数ｋ２、ｋ３、ｋ４は、例えば図３のような測定によりあらかじめ決定することが可能である。
Ａ１＝Ａｂ１＋Ａｔ１＝Ｅ１ＨｂＤｂ＋Ｚ１Ｄｔ （１８）
ｋ２Ａ２＝ｋ２Ａｂ２＋ｋ２Ａｔ２＝ｋ２Ｅ２ＨｂＤｂ＋ｋ２Ｚ２Ｄｔ （１９）
ｋ３Ａ３＝ｋ３Ａｂ３＋ｋ３Ａｔ３＝ｋ３Ｅ３ＨｂＤｂ＋ｋ３Ｚ３Ｄｔ （２０）
ｋ４Ａ４＝ｋ４Ａｂ４＋ｋ４Ａｔ４＝ｋ４Ｅ４ＨｂＤｂ＋ｋ４Ｚ４Ｄｔ （２１）
と定数ｋを乗算してから減算すると、血液以外の組織の減光度の項は完全に消去されて誤差の無い、より精度の良い測定が可能となる。係数ｋ２、ｋ３、ｋ４は、例えば図３のような測定によりあらかじめ決定することが可能である。
図４は、血液中のヘモグロビンがO2Hb、RHb、COHbの３種類であるとした場合における、上記（Ｅ２−Ｅ１）、（Ｅ２−Ｅ３）、および（Ｅ２−Ｅ４）の各々と、O2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度との関係を示している。（Ｅ２−Ｅ１）、（Ｅ２−Ｅ３）、および（Ｅ２−Ｅ４）は、O2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度の関数であるため、計測値である式（１２）と式（１３）の左辺は、O2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度の関数となる。なおRhb濃度については図中に直接の記載はないが、Cohb濃度とO2Hb濃度の和を１００％から減算した値が、Rhb濃度となる。
以上より、少なくとも４種の波長を有する光を用いて血液由来の減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24を測定すれば、（１２）から（１７）式を通じて血液中のO2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度を定量的に特定できることが判る。第３演算部４３は、この原理に基づいて、O2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度を特定するように構成されている。COHbに代えてMetHbとしても、同様の測定が可能である。
制御部１２は、第３演算部４３による判定結果を示す信号Ｓ５を出力部１４へ入力する。出力部１４は、測定装置１０の外面に設けられたマンマシンインターフェースであり、視認可能な情報を表示するディスプレイを含んでいる。ディスプレイは、信号Ｓ５に応じた適宜の態様で判定結果を表示する。
よって本実施形態の構成によれば、４波長以上で測定するパルスオキシメトリ用のプローブ２０を被検者の指３０に装着するのみで、血液中物質濃度を特定することができる。例えば救急の現場において、特殊なプローブの用意や特殊な作業を要することなく、多波長パルスオキシメータを用いて簡易かつ迅速に血液中物質濃度を特定することができ、優先度の迅速な決定に寄与しうる。
なお用いる波長数を５つとした場合、４種のヘモグロビン濃度を得ることができる。例えば、O2Hb濃度、RHb濃度、COHb濃度、MetHb濃度を同時に得ることができる。第５波長λ５の一例としては、第４波長λ４を６２０ｎｍまたは６３５ｎｍの一方とした場合のもう一方が挙げられる。
また本実施形態の構成によれば、５波長以上で測定するパルスオキシメトリ用のプローブ２０を被検者の指３０に装着するのみで、血液中物質濃度を特定することができる。例えば、昏睡状態で循環に障害が生じた患者に対しても、特殊なプローブの用意や特殊な作業を要することなく、多波長パルスオキシメータを装着して血液中物質濃度に係る情報を取得しうる。
また本実施形態によれば、色素希釈法を実施できる。色素希釈法とは、血液中に色素を投与した後の血液中色素濃度を測定し、循環機能や肝臓機能を評価する方法である。色素としては、インドシアニングリーンなどが用いられる。
監視部４４は、監視処理を実行するように構成されている。監視処理とは、上記の各種ヘモグロビンの特定を、第３演算部４３に所定のタイミングで実行させる処理である。より具体的には、指３０が圧迫されたことを認識した際に当該処理を開始し、所定時間が経過するごとに、第３演算部４３に各種ヘモグロビン濃度の特定を行なわせる。
このような構成によれば、被検者の末梢循環の状態を連続的に監視することが可能となり、例えば一酸化炭素中毒患者に対する酸素吸入による治療効果を確認する際の助けとなる。図５を参照しつつ、この点について説明する。
図５の（ａ）に示すように、プローブ２０が装着される指３０は、動脈血Ｂａ、静脈血Ｂｖ、血液以外の組織Ｔｓを含んでいる。この状態から指３０を圧迫すると、図５の（ｂ）に示すように、血液以外の組織Ｔｓが圧縮されるとともに、動脈血Ｂａと静脈血Ｂｖが排除される。圧迫状態を解除すると、図５の（ｃ）に示すように、先ず動脈血Ｂａの流入が始まり、血液以外の組織Ｔｓの厚みが元に戻り始める。次いで図５の（ｄ）に示すように、静脈血Ｂｖの流入が始まる。図５の（ｅ）は、動脈血Ｂａ、静脈血Ｂｖ、血液以外の組織Ｔｓの厚みが圧迫前の状態に戻ったことを示している。
圧迫が解除された後、指３０の厚みが元に戻るにつれて減光度は大きくなる。減光度の変化は、動脈血Ｂａ、静脈血Ｂｖ、血液以外の組織Ｔｓそれぞれの厚み変化寄与分を含んでいるが、上述の手法によれば、血液以外の組織Ｔｓの変化分の影響を排除して血液中物質濃度の特定が可能である。図５の（ｃ）に示す時点では、主に動脈血Ｂａが血液以外の組織Ｔｓに流入する。図５の（ｄ）および（ｅ）に示すように静脈血Ｂｖが流入するにつれて、減光度における静脈血Ｂｖの寄与分が大きくなる。しかしながら、異常ヘモグロビン濃度や血液中に投与した色素の濃度などは、動脈血Ｂａと静脈血Ｂｖの間で差がない。
本実施形態の構成によれば、任意の時点における血液中物質濃度の値を特定することが可能である。例えば、図５の（ａ）に示す時点で測定した受光光量を基準値（式（１）から（４）におけるＩｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３、Ｉｏ４）とし、図５の（ｂ）に示す時点で測定した受光光量を同式におけるＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４とすれば、圧迫により排除された血液の血液中物質濃度を測定することができる。また図５の（ｂ）に示す時点で測定した受光光量を基準値とし、以降の任意の時点で取得される測定値から計算した減光度の変化は、実質的に血液のみの厚み変化によりもたらされるものと見ることができる。したがって、より精度の高い血液中物質濃度の連続監視が可能となる。
指３０が圧迫されたことの判断は、第２演算部４２が取得した血液由来の減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24の微分値を、監視部４４が取得することにより行なわれる。指３０の圧迫により減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24が急上昇すると、微分値が大きく変化する。圧迫された箇所から血液が排除されると、減光度Ａb21、Ａb23、Ａb24は最大値付近においてほぼ一定値をとるため、微分値はゼロ付近を推移する。最初の微分値の大きな変化をもって生体組織の圧迫がなされたことを認識し、次いで微分値がゼロ付近を推移し始めた時点で、血液の排除がなされたと判断して測定開始のトリガとする。
したがって医療従事者は、４波長以上で測定するパルスオキシメトリ用のプローブ２０を被検者の指３０に装着し、プローブ２０の上から指３０を圧迫するという作業のみで、圧迫時点の指先の血液中物質濃度を測定できるだけでなく、以降の経時変化を監視できるようになる。同じくプローブ２０により取得可能な動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２）と比較しながら監視することにより、例えば一酸化炭素中毒患者の末梢循環の状態変化を把握することができる。
本実施形態に係る上記の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。
受光部２２は、必ずしも指３０を通過した光を受光する位置に配置されることを要しない。指３０を反射した光を受光する位置に配置され、各波長の反射光強度に基づいて上記の減光度が取得される構成としてもよい。
またプローブ２０が装着される生体組織は、指３０に限られるものではない。所望の測定がなしうる限りにおいて、任意の生体組織を対象に選ぶことができる。例えば耳たぶなどを対象とすることができる。
上述のように、指３０の圧迫により受光光量の基準値を得ることにより、以降の血液中物質濃度の連続測定が可能となる。しかしながら、測定中にプローブ２０と生体組織の位置関係がずれた場合、基準値を更新しないと正確な測定ができなくなる。そこで圧迫を定期的に行なって基準値を更新していくことにより、測定の信頼性を向上させることが可能となる。したがって監視部４４は、一定時間の経過ごとに、出力部１４を通じて視覚的あるいは聴覚的に圧迫のタイミングを報知する構成としてもよい。医療従事者が当該報知に従って指３０の圧迫を行なうことにより、血液中物質濃度の特定を確実に行なうことができる。
なお指３０の圧迫により受光光量の変化を取得するにあたっては、圧迫時の受光強度と圧迫解除後の受光強度を比較してもよいし、圧迫前の受光強度と圧迫時の受光強度を比較してもよい。
本発明の効果として、血液中の物質濃度を特定するにあたって特殊なプローブの用意が必要ない旨を先に述べたが、追加設備の使用を禁止する意図ではない。例えば図１に破線で示すように、プローブ２０を覆うカフ５０（圧迫部の一例）を被検者の指３０に装着し、カフ５０の内部の気圧を制御するカフ圧制御部４６（圧迫制御部の一例）を制御部１２が備える構成としてもよい。
カフ圧制御部４６は、先ずカフ５０がプローブ２０を介して被検者の指３０を所定の圧力で圧迫できるように、カフ５０内部を加圧する。そして所定時間の経過後、カフ５０の内部が減圧される。このような構成によれば、操作者や繰返し回数によらず、常に一定の条件で圧迫を行なうことができる。したがって、より正確に血液中の物質濃度を特定することができる。
また図６に示すように、プローブ２０に圧力検知部６０を設けてもよい。この場合、医療従事者による指３０の圧迫を圧力検知部６０が検知し、圧力に応じた信号が制御部１２に入力される。制御部１２は、当該信号に応じた血液中物質濃度の計算を行なうように構成される。このような構成によれば、医療従事者による圧迫の度合いの相違を考慮した制御が可能となる。
特定された血液中物質濃度は、必ずしも数値として出力部１４のディスプレイに表示されることを要しない。これに加えてあるいは代えて、血液中物質濃度を示す色やシンボルを出力部１４のディスプレイに表示してもよい。また出力部１４は、血液中物質濃度を示す音声を出力してもよい。
上述した第１演算部４１、第２演算部４２、第３演算部４３、監視部４４、およびカフ圧制御部４６の機能は、回路素子等のハードウェアの動作、コンピュータの一例としての制御部１２に格納されたプログラム等のソフトウェアの動作、あるいはこれらの組合せによって実現される。
１：生体信号測定システム、１０：測定装置、１２：制御部、１３：信号受信部、１４：出力部、２１：発光部、２２：受光部、４１：第１演算部、４２：第２演算部、４３：第３演算部、４４：監視部、４６：カフ圧制御部、５０：カフ、Ａ１：第１の光の減光度、Ａ２：第２の光の減光度、Ａ３：第３の光の減光度、Ａ４：第４の光の減光度、Ａb21、Ａb23、Ab24：血液由来の減光度、Ｉ１：第１の光の強度、Ｉ２：第２の光の強度、Ｉ３：第３の光の強度、Ｉ４：第４の光の強度
Claims (11)
- 生体信号の測定システムであって、
互いに異なるＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光を出射する発光部と、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種の光の受光強度に応じてＮ種の信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記Ｎ種の信号の前記生体組織の圧迫に伴う変化に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度の差分に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える、測定システム。 - 前記差分の取得に用いられる前記２つの減光度に対応する２波長は、前記Ｎ種の波長のうち、血液以外の組織の減光度の差がより小さい波長同士として選択される、請求項１に記載の測定システム。
- 前記差分は、対応する波長における血液以外の組織の減光度に対応する係数を乗算した上で求められる、請求項１または２に記載の測定システム。
- 前記Ｎは４であり、
前記血液中物質は、酸素化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビン、およびメトヘモグロビンから選ばれた３種である、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定システム。 - 前記Ｎは５であり、
前記血液中物質は、酸素化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、一酸化炭素ヘモグロビン、及びメトヘモグロビンである、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定システム。 - 前記濃度の特定を前記第３演算部に所定のタイミングで行なわせる監視部を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定システム。
- 前記監視部は、前記出力部を通じて前記生体組織を圧迫するタイミングを報知する、請求項６に記載の測定システム。
- 前記生体組織に加えられた圧力を検知し、当該圧力に応じた信号を出力する圧力検知部を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の測定システム。
- 前記生体組織を圧迫可能に前記被検者に装着される圧迫部と、
前記生体組織の減光度変化を発生させる前記圧迫部を制御する圧迫制御部とを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の測定システム。 - 生体信号の測定装置であって、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光を受光可能な位置に配置された受光部から当該Ｎ種の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記Ｎ種の信号の前記生体組織の圧迫に伴う変化に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度の差分に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部と、
特定された前記濃度を出力する出力部とを備える、測定装置。 - 生体信号の測定装置を制御するプログラムであって、
前記測定装置は、
被検者の生体組織を通過または反射したＮ種（Ｎは４以上の整数）の波長を有する光を受光可能な位置に配置された受光部から当該Ｎ種の波長を有する光の強度に対応するＮ種の信号を受信する信号受信部と、
前記信号受信部と接続されたコンピュータと、
前記コンピュータと接続された出力部とを備えるものであり、
前記プログラムは、前記コンピュータを、
前記Ｎ種の信号の前記生体組織の圧迫に伴う変化に基づいて、Ｎ種の減光度を取得する第１演算部と、
前記Ｎ種の減光度から選ばれた（Ｎ−１）種の組合せに係る２つの減光度の差分に基づいて、（Ｎ−1）種の血液由来の減光度を取得する第２演算部と、
前記（Ｎ−１）種の血液由来の減光度に基づいて、（Ｎ−１）種の血液中物質の濃度を特定する第３演算部として動作させ、
さらに特定された前記濃度を前記出力部より出力させる、プログラム。
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