JP7091090B2

JP7091090B2 - パルスオキシメータ及び血液特性測定装置

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Publication number: JP7091090B2
Application number: JP2018035490A
Authority: JP
Inventors: 理美藤田
Original assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Current assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2022-06-27
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP2019150104A

Description

本発明は、パルスオキシメータ及び血液特性測定装置に関する。

非侵襲的に動脈血酸素濃度（以下、単にＳｐＯ_２あるいは酸素飽和度という）を測定可能な生体情報測定装置としてパルスオキシメータが広く普及している。パルスオキシメータは、動脈血における総ヘモグロビンに対する酸素化ヘモグロビンの割合を表す動脈血酸素飽和度を非侵襲的に測定することができる医療機器である（例えば特許文献１参照）。

パルスオキシメータは、指、足趾又は耳朶等の測定部位にプローブを装着するように構成されている。このプローブには、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子と、フォトダイオードなどのフォトディテクターとが設けられている。

そして、赤色光を発光する発光素子と近赤外光を発光する発光素子を交互に発光させることにより、測定部位に向けて赤色光と近赤外光とを交互に照射し、測定部位を透過し又は測定部位から反射した光をフォトディテクターによって検出する。なお、一般にＳｐＯ_２測定における赤色光とは６６０ｎｍ±５ｎｍで定義され、近赤外光とは８００～９５０ｎｍで定義される。

パルスオキシメータは、フォトディテクターにより得た透過光又は反射光の検出信号を用いてＳｐＯ_２を算出する。具体的には、動脈血の脈拍に同期する光検出レベルの変動を赤色光の場合と近赤外光の場合とで対比し、その比からＳｐＯ_２を算出する。パルスオキシメータは、算出したＳｐＯ_２を表示部に表示する。

このＳｐＯ_２の計算方法としては、ランバルト・ベールの法則（光の物質による吸収を定式化したもの）から求まる式を利用したものがある。具体的には、この計算方法は、赤色光と近赤外光の透過光量の比「Ｒ」と、それぞれの波長におけるヘモグロビン、酸素化ヘモグロビンの吸光係数とからＳｐＯ_２の値を求めるものである（例えば非特許文献１参照）。

ここで、非特許文献１にも記載されているように、発光素子として用いられるＬＥＤは個々の製品毎に波長が微妙に異なるので（つまり個体差があるので）、正確な物質濃度の算出には、測定前に各ＬＥＤ波長における物質濃度と吸光度の検量線（キャリブレーションカーブ）を作成することが必要である。

また、非特許文献１には、パルスオキシメータのセンサーのメモリに赤色光ＬＥＤと近赤外光ＬＥＤの波長値を記憶しておくと共に、パルスオキシメータの本体にキャリブレーションカーブを記憶しておき、本体がセンサーの波長値を読み取ってキャリブレーションカーブを選択することが記載されている。この構成によれば、選択したキャリブレーションカーブを用いることで、ＬＥＤの波長のバラツキによるＳｐＯ_２測定精度の低下を抑制できると考えられる。

特開２００７－２８９４６２号公報特開２００５－２５３４７８号公報特開２００５－０１３２７３号公報

日集中医誌２０１６；２３：６２５－３１．ｐｐ６２５－６３１

ところで、非特許文献１に記載されたようなキャリブレーションを行うためには、パルスオキシメータのセンサーに取り付けられたＬＥＤの発光波長が正確に分かっていることが前提となる。

しかしながら、個体によってバラツキがある各ＬＥＤの波長を正確に測定するためには、複雑な構成の波長の測定装置が必要となる。従って、実際上、この各ＬＥＤの波長の測定は、ＬＥＤをパルスオキシメータのセンサーに取り付ける前に行うことになる。また、ＬＥＤをセンサーに取り付けた後に各ＬＥＤの波長を測定してもよいが、いずれにしても複雑な構成の測定装置が必要となってしまう。

このように非特許文献１に記載されているようなキャリブレーションを行うためには、波長測定装置が必要となる上に、その波長測定装置を用いた波長測定を全てのＬＥＤに対して行わなければならない煩わしさもある。

特に、使い捨て型のパルスオキシメータのセンサーにおいては、安価なＬＥＤを用いることが求められることが多いので、ＬＥＤの波長が決められた波長からずれている可能性があり、非特許文献１に記載されているようなキャリブレーションを行うためには、全てのＬＥＤの波長測定を行うことになり、煩雑である。

このような課題は、パルスオキシメータ以外にも発光素子を用いて血液特性を測定する装置に広く生じ得る。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、発光素子の波長を測定することなしに、発光素子の波長のバラツキによるＳｐＯ_２測定精度の低下を抑制できるパルスオキシメータ及び血液特性測定装置を提供する。

本発明のパルスオキシメータの一つの態様は、
発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納された第１のテーブルと、
ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納された第２のテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、ＳｐＯ_２を算出するＳｐＯ_２算出部と、
を具備する。

本発明のパルスオキシメータの一つの態様は、
発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されたテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、ＳｐＯ_２を算出するＳｐＯ_２算出部と、
を具備する。

本発明の血液特性測定装置の一つの態様は、
発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納された第１のテーブルと、
ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納された第２のテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、
を具備する。

本発明の血液特性測定装置の一つの態様は、
測定部位を透過又は反射した発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されたテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、
を具備する。

本発明によれば、発光素子の波長を測定することなしに、発光素子の波長のバラツキによるＳｐＯ_２測定精度の低下を抑制できるパルスオキシメータを実現できる。また、発光素子の波長を測定することなしに、発光素子の波長のバラツキによる血液特性の測定精度の低下を抑制できる血液特性測定装置を実現できる。

被検者にパルスオキシメータを装着した状態を示す斜視図パルスオキシメータの構成を示すブロック図実施の形態のパルスオキシメータの特徴を説明するための要部構成を示す図フォトディテクターの受光感度特性を示す図赤色光のＬＥＤと近赤外光のＬＥＤの波長分布を示す図他の実施の形態の構成を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２は、本実施の形態に係るパルスオキシメータ１０の全体構成を示す図である。図１は被検者にパルスオキシメータ１０を装着した状態を示す斜視図であり、図２はパルスオキシメータ１０の構成を示すブロック図である。

パルスオキシメータ１０は、プローブ部１００と、本体部２００と、を有する。プローブ部１００と本体部２００とはケーブル３００を介して接続されている。プローブ部１００は被検者の指に装着可能とされており、本体部２００は図示しないリストバンドを用いて被検者の手首付近に装着可能とされている。

図２に示したように、パルスオキシメータ１０のプローブ部１００には、発光素子１２１及びフォトディテクター１２２が設けられている。本実施の形態の場合、発光素子１２１はＬＥＤである。なお、発光素子１２１はＬＥＤ以外のものでもよい。発光素子１２１は、赤色光（例えばピーク波長６６０［ｎｍ］の赤色光）を発光する第１のＬＥＤと、近赤外光（例えばピーク波長９４０［ｎｍ］の近赤外光）を発光する第２のＬＥＤと、から構成されている。

フォトディテクター１２２は、フォトダイオードにより構成されており、指を透過した発光素子１２１の光を受光して、受光光量に応じた電気信号（具体的には光量に応じた電流）を出力する。なお、フォトディテクター１２２を、指からの光の透過経路ではなく、指からの光の反射経路に配置し、フォトディテクター１２２によって指からの反射光を検出するようにしてもよい。

本体部２００は、フォトディテクター１２２によって得られた検出結果に基づいて、被検者のＳｐＯ_２及び脈拍を求める。具体的に説明する。発光駆動部２１１は、発光素子１２１の第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤを所定の間隔で交互に発光させる。そのときの指からの透過光又は反射光がフォトディテクター１２２によって検出され、光電変換されて増幅部２１２に入力される。増幅部２１２にて増幅された電気信号はアナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）２１３を介してＣＰＵ２１４に出力される。

ＣＰＵ２１４は、所定のプログラムを実行することで、Ａ／Ｄ２１３からの電気信号に基づいてＳｐＯ_２及び脈拍を算出する演算部２１４ａを有する。この算出方法については、例えば特許文献１及び非特許文献１にも記載されているように既知の技術なので、ここでの説明は省略する。また、ＣＰＵ２１４は、パルスオキシメータ１０の各部の制御を行う。具体的には、ＣＰＵ２１４は、操作部２０２から入力される操作信号に基づいて、各種の設定を行う。また、ＣＰＵ２１４は、発光駆動部２１１の動作制御、表示部２０１の表示制御などを行う。

なお、本実施の形態では、フォトディテクター１２２をプローブ部１００側に設けた場合について述べたが、フォトディテクター１２２は本体部２００側に設けてもよい。この場合、プローブ部１００では、測定部位（例えば指）を透過又は反射した光を光伝送路を有するケーブル３００に入射させるようにすればよい。そして、ケーブル３００の出射側つまり本体部２００側に設けられたフォトディテクター１２２で光を検出（つまり光電変換）すればよい。

図３は、本実施の形態のパルスオキシメータ１０の特徴を説明するための要部構成を示す図である。

本実施の形態のパルスオキシメータ１０の演算部２１４ａは、第１のテーブル４０１と、第２のテーブル４０２と、記憶部４０３と、ＳｐＯ_２算出部４０４と、を有する。

第１のテーブル４０１には、フォトディテクター１２２で検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納されている。第１のテーブル４０１からは、フォトディテクター１２２により検出された光量に相当する値を読み出しアドレスとして、当該光量に相当する値に対応するピーク波長の値が出力される。

第２のテーブル４０２には、ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納されている。第２のテーブル４０２からは、第１のテーブル４０１から出力されたピーク波長を読み出しアドレスとして、当該ピーク波長に対応する吸光係数が出力される。

第２のテーブル４０２から出力された吸光係数は、記憶部４０３に記憶される。

第１のテーブル４０１には、赤色光用のテーブル４０１ａと近赤外光用のテーブル４０１ｂとが含まれる。同様に第２のテーブル４０２には、赤色光用のテーブル４０２ａと近赤外光用のテーブル４０２ｂとが含まれる。

第１及び第２のテーブル４０１、４０２の値は、パルスオキシメータ１０の製品出荷以前にパルスオキシメータ１０の製造業者によって書き込まれる。

ここで、上述した発明が解決しようとする課題の項でも説明したように、発光素子（ＬＥＤ）１２１の実際のピーク波長はバラツキがあり、これを直接測定しようとすると、複雑な構成の波長測定装置が必要となったり、手間がかかったりしてしまう。これを考慮して本実施の形態では、ピーク波長を直接測定するのではなく、フォトディテクター１２２の検出光量から発光素子１２１の実際のピーク波長を推定する。

これは、発光素子１２１のピーク波長が変化すると、それに伴ってフォトディテクター１２２の検出光量も変化するといった現象に基づいている。

図４及び図５を用いて、このことについて説明する。図４に示したように、フォトディテクター１２２の受光感度は受光する光の波長に応じて変化する。

一方、図５は、赤色光のＬＥＤと、近赤外光のＬＥＤの波長分布を示すものであり、波長分布はガウス分布となる。ここで、赤色光のＬＥＤのピーク波長が若干ずれたとしても（具体的には製品のバラツキ程度のずれがあったとしても）、光量（図５の赤色光の波長分布の積分値に相当する）はほとんど変動しない。同様に、近赤外光のＬＥＤのピーク波長が若干ずれたとしても（具体的には製品のバラツキ程度のずれがあったとしても）、光量（図５の赤色光の波長分布の積分値に相当する）はほとんど変動しない。

よって、フォトディテクター１２２の受光感度特性を参照すれば、フォトディテクター１２２で検出される光量とピーク波長との対応関係を一意に決めることができる。本実施の形態では、このような考えに基づいて、第１のテーブル４０１に、フォトディテクター１２２で検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係を予め決定して格納しておく。また、第２のテーブル４０２に、各ピーク波長に対応する吸光係数を予め格納しておく。

つまり、本実施の形態は、発光素子１２１のピーク波長は直接測定しなくてもフォトディテクター１２２で検出された光量に基づいて推定できるといった考察に基づく。そして、ピーク波長が分かればそのピーク波長にとって適切な吸光係数も選択できる。

実際上、パルスオキシメータ１０においては、ＳｐＯ_２の測定に先立って、発光素子１２１を発光させ、その光をフォトディテクター１２２で検出し、そのときに第１及び第２のテーブル４０１、４０２を用いて得られた赤色光用の吸光係数及び近赤外光用の吸光係数が記憶部４０３に記憶される。

例えば、発光素子１２１から赤色光が発光されたときにフォトディテクター１２２によって検出された光量（実際には増幅部２１２によって増幅された光量）が光量Ｘ２であった場合には、第１のテーブル４０１からピーク波長の値として「６６０」が出力され、第２のテーブルから吸光係数として吸光係数Ｘ２が出力され、この吸光係数Ｘ２が記憶部４０３に記憶される。

また、発光素子１２１から近赤外光が発光されたときにフォトディテクター１２２によって検出された光量（実際には増幅部２１２によって増幅された光量）が光量Ｙ１であった場合には、第１のテーブル４０１からピーク波長の値として「７５０」が出力され、第２のテーブルから吸光係数として吸光係数Ｙ１が出力され、この吸光係数Ｙ１が記憶部４０３に記憶される。

そして、実際のＳｐＯ_２の測定時には、ＳｐＯ_２算出部４０４が、記憶部４０３に記憶された赤色光用の吸光係数Ｘ２及び近赤外光用の吸光係数Ｙ１と、フォトディテクター１２２による検出結果と、を用いてＳｐＯ_２を算出する。因みに、吸光係数を用いたＳｐＯ_２の算出については、特許文献１、非特許文献１などにも記載された既知の技術なので、ここでの説明は省略する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、フォトディテクター１２２で検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納され、フォトディテクター１２２により検出された光量に相当する値を読み出しアドレスとして、当該光量に相当する値に対応するピーク波長の値が出力される第１のテーブル４０１と、ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納され、第１のテーブル４０１から出力されたピーク波長を読み出しアドレスとして、当該ピーク波長に対応する吸光係数が出力される第２のテーブル４０２と、吸光係数とフォトディテクター１２２で検出された値とを用いて、ＳｐＯ_２を算出するＳｐＯ_２算出部４０４と、を設けたことにより、発光素子１２１の波長を測定することなしに、発光素子１２１の波長のバラツキによるＳｐＯ_２測定精度の低下を抑制できるパルスオキシメータ１０を実現できる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。

上述の実施の形態では、パルスオキシメータ１０が第１及び第２のテーブル４０１、４０２を有する形態について述べたが、本発明はこれに限らず、図６に示したように、第１及び第２のテーブル４０１、４０２を１つのテーブル５０１にまとめてもよい。テーブル５０１には、フォトディテクター１２２で検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されている。テーブル５０１（赤色光用テーブル５０１ａ、近赤外光用テーブル５０１ｂ）からは、フォトディテクター１２２により検出された光量に相当する値を読み出しアドレスとして、当該光量に相当する値に対応する吸光係数が出力される。つまり、実施の形態のテーブル４０１、４０２はピーク波長を介在させて検出光量から吸光係数を導出するが、図６のテーブル５０１はピーク波長を介在させずに検出光量から直接吸光係数を導出するようになっている。

上述の実施の形態では、本発明をパルスオキシメータに適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、発光素子の発光波長に応じた吸光係数を用いて血液特性を測定する血液特性測定装置に広く適用可能である。例えば、特許文献２に記載されたような非侵襲で血液中のヘモグロビンがグルコースと結合した割合を分析するヘモグロビンＡ１ｃ分析装置に適用することもできる。また、特許文献３に記載されたような非侵襲で生体中のグルコース濃度を測定する非侵襲血糖値測定装置に適用することもできる。

要は、発光素子と、測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納された第１のテーブルと、ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納された第２のテーブルと、前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、を設ければ、発光素子の波長を測定することなしに、発光素子の波長のバラツキによる血液特性の測定精度の低下を抑制できる血液特性測定装置を実現できる。

また、測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されたテーブルと、前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、を設けるようにしても同様に発光素子の波長を測定することなしに、発光素子の波長のバラツキによる血液特性の測定精度の低下を抑制できる血液特性測定装置を実現できる。

因みに、血液特性算出部による血液特性の算出の方法については、従来の種々の方法を採用できる。例えば、吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値に加えて、散乱光を用いて血液特性を算出してもよい。算出する血液特性は、特許文献２のように血液中のヘモグロビンがグルコースと結合した割合でもよく、特許文献３のように生体中のグルコース濃度でもよく、それ以外でもよい。要は、本発明のテーブルを用いた構成は、発光素子の発光波長に応じた吸光係数を用いて血液特性を測定するものに広く適用可能である。

本発明は、発光波長に応じた吸光係数を用いてＳｐＯ_２や血液特性を測定する、パルスオキシメータや血液特性測定装置に広く適用可能である。

１０パルスオキシメータ
１００プローブ部
１２１発光素子
１２２フォトディテクター
２００本体部
２１４ａ演算部
３００ケーブル
４０１第１のテーブル
４０１ａ、４０２ａ、５０１ａ赤色光用テーブル
４０１ｂ、４０２ｂ、５０１ｂ近赤外光用テーブル
４０２第２のテーブル
４０３記憶部
４０４ＳｐＯ_２算出部
５０１テーブル

Claims

発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納された第１のテーブルと、
ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納された第２のテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、ＳｐＯ_２を算出するＳｐＯ_２算出部と、
を具備するパルスオキシメータ。
前記第１のテーブルからは、前記フォトディテクターにより検出された光量に相当する値を読み出しアドレスとして、当該光量に相当する値に対応するピーク波長の値が出力され、
前記第２のテーブルからは、前記第１のテーブルから出力されたピーク波長を読み出しアドレスとして、当該ピーク波長に対応する吸光係数が出力される、
請求項１に記載のパルスオキシメータ。
前記第２のテーブルから出力された吸光係数を記憶する記憶部を有し、
前記記憶部には、ＳｐＯ_２の測定に先立って、前記発光素子、前記フォトディテクター、前記第１及び第２のテーブルを用いて得られた吸光係数が格納されており、
ＳｐＯ_２測定時には、前記ＳｐＯ_２算出部が、前記記憶部に記憶された吸光係数を用いてＳｐＯ_２を算出する、
請求項１又は請求項２に記載のパルスオキシメータ。
前記第１及び第２のテーブルは、それぞれ、赤色光用のテーブルと近赤外光用のテーブルとを有する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパルスオキシメータ。
発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されたテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、ＳｐＯ_２を算出するＳｐＯ_２算出部と、
を具備するパルスオキシメータ。
前記テーブルからは、前記フォトディテクターにより検出された光量に相当する値を読み出しアドレスとして、当該光量に相当する値に対応する吸光係数が出力される、
請求項５に記載のパルスオキシメータ。
前記テーブルから出力された吸光係数を記憶する記憶部を有し、
前記記憶部には、ＳｐＯ_２の測定に先立って、前記発光素子、前記フォトディテクター、前記テーブルを用いて得られた吸光係数が格納されており、
ＳｐＯ_２測定時には、前記ＳｐＯ_２算出部が、前記記憶部に記憶された吸光係数を用いてＳｐＯ_２を算出する、
請求項５又は請求項６に記載のパルスオキシメータ。
前記テーブルは、それぞれ、赤色光用のテーブルと近赤外光用のテーブルとを有する、
請求項６から請求項７のいずれか一項に記載のパルスオキシメータ。
発光素子と、
測定部位を透過又は反射した前記発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値とピーク波長との対応関係が格納された第１のテーブルと、
ピーク波長と吸光係数との対応関係が格納された第２のテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、
を具備する血液特性測定装置。
測定部位を透過又は反射した発光素子の光を受光するフォトディテクターと、
前記フォトディテクターで検出される光量に相当する値と吸光係数との対応関係が格納されたテーブルと、
前記吸光係数と前記フォトディテクターで検出された値とを用いて、血液特性を算出する血液特性算出部と、
を具備する血液特性測定装置。