JPH02111345A - 反射型オキシメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は反射型オキシメータに関するものである。

従来の技術 皮膚に向ってそれぞれ配設される発光素子および受光素
子を備え、その発光素子から放射された光の反射光を受
光素子にて検出し、その受光素子により検出された反射
光に基づいて血液中の酸素飽和度を測定する形式の反射
型オキシメータが考えられている。

発明が解決しようとする課題 ところで、皮膚は表皮および真皮の二層から成り、真皮
およびその下にある皮下Ｍｉ職には毛細血管が存在する
が、表皮には毛細血管が存在しないので、血液中の酸素
飽和度を精度良く安定して測定するためには、表皮から
の反射光をできるだけ少なくし、血管床を構成する真皮
および皮下ｆｅａからの反射光をできるだけ多く検出す
ることが望まれる。

課題を解決するための手段 本発明者は種々実験を繰り返すうち、発光素子と受光素
子との間の距離をある程度以上離隔させると受光素子に
て検出される反射光の内から表皮からの反射光を略確実
に除去し得るとともに、その表皮からの反射光が略確実
に除去される臨界距離は表皮の厚みと一定の関係にある
ことを見い出した。本発明は斯かる知見に基づいて為さ
れたものであって、その要旨とするところは、上記のよ
うな形式の反射型オキシメータにおいて、発光素子と受
光素子との間の距離を、皮膚の最上部を構成する表皮の
厚みの３倍以上に設定したことにある。

作用および発明の効果 このように、発光素子と受光素子との間の距離を表皮の
厚みの３倍以上に設定することにより、毛細血管が存在
しない表皮からの反射光を殆ど検出することなく毛細血
管が存在する真皮および皮下組織からの反射光だけを受
光素子にて検出し得、これにより、血液中の酸素飽和度
を従来に比べて一層精度良く安定的に測定することがで
きる。

実施例 以下、本発明の一実施例を示す図面に基づいて詳細に説
明する。

第２図において、１０は有底円筒状を成すハウジングで
あり、その開口端が人体の皮膚１１に対向する状態で図
示しないバンドにより腕等に取り付けられるようになっ
ている。ハウジング１０の内部には、・ダイヤフラム１
２を介して有底円筒状を成す可動部材１４がその開口端
が皮膚１１に対向する状態で且つハウジング１０の開口
端からの突出し可能に取り付けられており、ハウジング
ＩＯとダイヤフラム１２とによって圧力室１６が形成さ
れている。そして、流体供給源１８から調圧弁１９を経
て圧力室１６内に圧力エア等の圧力流体が供給されるこ
とにより、可動部材１４が皮膚１１に向って押圧される
ようになっている。

可動部材１４の底部内面には、第１図および第２図に示
すように、その中央部においてたとえばホトダイオード
やホトトランジスタから成る受光素子２０が設けられて
いるとともに、その受光素子２０を中心とする半径ｒの
円周上においてたとえばＬＥＤから成る８個づつの第一
発光素子２２および第二発光素子２４が所定間隔毎に交
互に設けられている。両発光素子２２．２４は可動部材
１４内に一体的に設けられた透明な樹脂２６により覆わ
れているとともに、受光素子２０と両発光素子２２．２
４との間には円筒状を成す遮光部材２８が設けられてお
り、この遮光部材２８によって、皮膚１１表面から受光
素子２０に向う反射光が遮光される。第一発光素子２２
は、たとえば６６０ｍμ程度の波長の赤色光を発光し、
第二発光素子２４はたとえば８００ｍμ程度の波長の赤
外光を発光するものであるが、必ずしもこれらの波長に
限定されるものではなく、ヘモグロビンの吸光係数と酸
化ヘモグロビンの吸光係数とが大きく異なる波長の光と
、それら両級光係数が略同じとなる波長の光とを発光す
るものであればよい。これら第一発光素子２２および第
二発光素子２４は一定時間づつ順番に所定周波数で発光
させられるとともに、両発光素子２２．２４から照射さ
れた光の反射光は共通の受光素子２０によりそれぞれ受
光される。

受光素子２０は、その受光量に対応した大きさの電気信
号Ｓ■を増幅器３０を介してローパスフィルタ３２へ出
力する。ローパスフィルタ３２は、入力された電気信号
Ｓ■から脈波の周波数よりも高い周波数を有するノイズ
を除去し、そのノイズが除去された信号Ｓ■をデマルチ
プレクサ３４へ出力する。デマルチプレクサ３４は後述
の切換信号ＳＣにより第一発光素子２２および第二発光
素子２４の発光に同期して切り換えられることにより、
赤色光による電気信号ＳＶＲをサンプルホールド回路３
６およびＡ／Ｄ変換器３８を介して■１０ポート４０へ
逐次供給するとともに、赤外光による電気信号ＳＶ、Ｒ
をサンプルホールド回路４２およびＡ／Ｄ変換器４４を
介してＩ１０ポート４０へ逐次供給する。サンプルホー
ルド回路３６４２は、入力された電気信号ＳＶＲ，５Ｖ
ＩＲをＡ／Ｄ変換器３８．４４へ逐次出力する際に、前
回出力した電気信号ＳＶＲ，５ＶＩＲについてのＡ／Ｄ
変換器３８．４４における変換作動が終了するまで次に
出力する電気信号Ｓ　Ｖ＊　、　　Ｓ　Ｖ　ＩＲをそれ
ぞれホールドするものである。

Ｉ１０ボート４０は、データバスラインを介してＣＰＵ
４６、ＲＯＭ４８、ＲＡＭ５０、表示器５２とそれぞれ
接続されている。ＣＰＵ４６は、ＲＡＭ５０の記憶機能
を利用しつつＲＯＭ４８に予め記憶されたプログラムに
従って測定動作を実行し、Ｉ１０ポー１−４０から駆動
回路５４へ圧力信号ＳＰＤを出力することにより調圧弁
１９を制御して圧力室Ｉ６内の圧力を調節するとともに
、Ｉ１０ポート４０から駆動回路５６へ照射信号ＳＬＤ
を出力して第一発光素子２２および第二発光素子２４を
順番に所定の周波数で一定時間づつ発光させる一方、そ
れら第一発光素子２２および第二発光素子２４０発光に
同期してデマルチプレクサ３４へ切換信号ＳＣを供給し
てデマルチプレクサ３４を切り換えることにより、前記
電気信号ＳＶＲをサンプルホールド回路３６へ、前記電
気信号ＳＶ＋ｉをサンプルホールド回路４２へそれぞれ
振り分ける。また、ＣＰＵ４６は、予め記憶されたプロ
グラムから入力信号に基づいて動脈の血液中の酸素飽和
度Ｏ８，および静脈の血液中の酸素飽和度Ｏ３ｖを決定
するとともに動脈の血液体積比ＶＰ、および静脈の血液
体積比ＶＰｖを決定し、それら酸素飽和度ｏｓ、、ｏｓ
ｖおよび血液体積比ＶＰ、、ＶＰｖを表示器５２に表示
させる。なお、動脈の血液体積比ＶＰ、とは、被測定者
の酸素飽和度の測定に用いられている部分の血液を含む
全体積に対する動脈血液の体積の比率を表すものであり
、静脈の血液体積比ＶＰ、とは、前記全体積に対する静
脈血液の体積の比率を表すものである。

ところで、皮膚１１は、第３図に示すように、表皮（上
皮細胞層）６２と真皮（結合組織層）６４との２Ｎから
成り、その真皮６４の下に皮下組織６６が存在し、毛細
血管は真皮６４および皮下組織６６に存在して表皮６２
には存在しないことが知られている。これら表皮６２、
真皮６４、および皮下組織６６における光の反射率（反
射光の強度／入射光の強度）は、たとえば第４図に示す
ように、発光素子２２．２４と受光素子２０との間の距
ＭＬが増大するに連れてそれぞれ漸減し、表皮６２から
の反射光は比較的小さい距離り、にて検出されなくなる
。そして、本発明者が繰り返し実験を行ったところ、こ
の距離Ｌｒは、被測定者の表皮６２の厚みの相違に拘わ
らず、表皮６２の厚みＬの３倍以上であることが見い出
された。

そこで、本実施例においては、受光素子２０と第一発光
素子２２および第二発光素子２４との間の距離し、すな
わち前記半径ｒは、表皮６２の厚みもの３倍以上となる
ように、たとえば４〜５ｍｍ程度に設定されている。こ
れにより、両光光素子２２．２４から皮膚１１に向って
照射された光の反射光のうち、表皮６２からの反射光は
殆ど検出されないようになっている。

次に、以上のように構成された反射型オキシメータの作
動を第５図のフローチャートに従って説明する。

まず、ステップＳ１においては、圧力室１６内が予め定
められた一定圧まで昇圧されて可動部材１４が皮膚１１
に押圧されることにより、酸素飽和度の測定に用いられ
る真皮６４および皮下組織６６に存在する毛細血管内の
血液が押し出されて虚血状態とされる。次に、ステップ
Ｓ２が実行されて、照射信号ＳＬＤが駆動回路５６へ出
力されることにより、第一発光素子２２からの赤色光と
第二発光素子２４からの赤外光とが所定の周波数の短幅
パルス（たとえば約１０μｓｅｃ　）で順番に照射され
る。これにより、虚血状態の真皮６４および皮下組織６
６からの反射光の強度を表す電気信号Ｓ　’／＋＋　、
　　Ｓ　Ｖｌｌが逐次検出され、検出された電気信号Ｓ
ＶＲ，５ＶＩＩ＋に基づいて虚血状態での反射光強度■
、およびＶ　ｔｌＲがそれぞれ決定される。続くステッ
プＳ３において圧力室１６内が排圧された後、ステップ
Ｓ４が実行されることにより、非虚血状態（虚血されて
いない通常の状りりにおいて第一発光素子２２からの赤
色光と第二発光素子２４からの赤外光とが所定の周期で
順番に照射される。この所定の周波数は、反射光強度を
示すデータポイント（電気信号Ｓ　Ｖ　Ｍ　、　　Ｓ　
Ｖ　ＩＲ）により動脈の脈動に同期した脈波形を高い分
解能にて得られるようにする周波数である。これにより
、非虚血状態の真皮６４および皮下！ＩＪｉ織６６から
の反射光の強度を表す電気信号Ｓ　ＶＲ，Ｓ　Ｖ　ｔＲ
が逐次検出され、検出された電気信号ＳＶＲが表す１脈
波形の上ピーク値Ｖｄ、＋（心臓拡張期の反射光強度に
対応）および下ピーク値ＶＳＭ（心臓収縮期の反射光強
度に対応）が決定されるとともに、電気信号ＳＶ＋＊が
表す１脈波形の上ピーク値■４．９および下ピーク値ｖ
ｓｕｔが決定される。第６図は、虚血状態および非虚血
状態において検出される電気信号ＳＶ、、ＳＶ、Ｒを示
すグラフであって、上記反射光強度■Ｌｌｌ＋　　ＶＬ
ＩＲ、上ピーク値■。。

ＶｄｌＲ１下ピーク値ＶＳＲ＋　　ＶＳＩＮを併せて示
したものである。第６図において、Δａは、動脈での光
の吸収分を反映し且つ動脈の酸素飽和度Ｏ８゜を反映し
ている一方、ΔＶは、静脈での光の吸収分を反映し且つ
静脈の酸素飽和度Ｏ３ｖを反映している。

次にステップＳ５が実行されると、ステップＳ２および
Ｓ４にて決定された値に基づいて、Ｖ４１Ｖｓｌｌ、Ｖ
、、＋Ｖ、Ｒ１Ｖ＋１１Ｒｖｓ＋＊　％　”ｄｌｌ　＋
Ｖｓ＋ｘ　％　ＶＬＲＶａｌＩ−、Ｖｔ＊＋ｖ＋＋＋、
、ＶＬＩＩ　　ＶａｔＲ％　”Ｌｌｌｌ　±Ｌｌｌ　ｓ
　ＶｃｌＲＶＳＩｌｌ　％　”ＬＩＲ＋■、□がそれぞ
れ算出されるとともに、下記の（１）乃至（５）の比が
それぞれ算出される。ｖｏＶＳＩＩお（Ｖｄ、ｌ−■１
．ｌ）／（ＶｄｌＩ＋ＶｓＲ）・・（１）（Ｖ、＋＊　
−ＶＳＩＮ　）　／　（ｖ。Ｒ＋Ｖｓ＋＊　）　　・・
（２）（ＶＬＩＩ　　ＶｄＲ）　／　（Ｖｔ＋＋＋Ｖｄ
＊）　　　　　　・・（３）（■、１え−Ｖａ＋ｉ　）
　／　（Ｖｔｕ＋　＋　ＶａｎＲ）　　・・（４）（Ｖ
ＬＩＩ　　Ｖｓ＋Ｒ）　／　（ＶＬＩＩＩ　＋Ｖ５１Ｒ
）　　・・（５）よびＬｌｉｌ　　ＶＳＩＲは脈波形の
振幅を表すものであって前記Δａに相当するとともに、
ＶＬＲＶｄＲおよびＶＬＩＩ　　ｖａ□は前記ΔＶに相
当し、上記（１）および（２）の比はΔａに対応し且つ
上記（３）および（４）の比はΔＶに対応する。そして
、このように比をとることにより、発光素子２２．２４
の発光強度、受光素子２０の特性、皮膚１１中の色素に
よる光の吸収特性、および皮膚１１および皮下組織６６
での光の散乱・吸収の光の波長による相違などに起因す
る測定への影響が回避される。

続くステップＳ６においては、下記の（６）および（７
）の比が算出される。この比をとることにより血液量に
起因する測定への影響が回避される。

ステップＳ７においては、上記（６）に示す比と動脈の
酸素飽和度Ｏ３，との間の予め求められた関係からステ
ップＳ６にて算出された実際の比に基づいて実際の動脈
血液中の酸素飽和度Ｏ３，が決定されるとともに、上記
（７）に示す比と静脈の酸素飽和度Ｏ８ｖとの間の予め
求められた関係からステップＳ６にて算出された実際の
比に基づいて実際の静脈血液中の酸素飽和度Ｏ５ｖが決
定される。

次に、ステップＳ８が実行されることにより、動脈の血
液体積比ＶＰ、および静脈の血液体積比■Ｐｖが求めら
れる。ところで、波長８００ｍμの赤外光においては血
液中の酸素飽和度に拘わらず光の吸収率が一定であるこ
とが知られており、この波長８００ｍμの赤外光を用い
て検出された反射光強度の前記上ピーク値■ｄ□は、心
臓拡張期において毛細血管中の動脈血液量が零であると
仮定すると、静脈血だけに関連した値になると考えられ
る。そこで、上記（４）に示す比（ＶＬＩＲＶａＩｍ　
）　／　（ＶＬＩＩ　＋　Ｖ、１１月）と静脈の血液体
積比■Ｐｖとの間の関係（第７図にその一例を示す）を
予め求めておき、その関係からステップｓ５において算
出された実際の比に基づいて実際の静脈の血液体積比■
Ｐｖが決定される。また、上記（５）に示す比（ＶＬＩ
Ｉ　　ＶＳＩＲ）　／　（ＶＬＩＲ＋ＶＳＩＲ）と動脈
および静脈の血液体積比■Ｐ、ｖとの関係を予め求めて
おき、その関係からステップｓ５において算出された実
際の比に基づいて実際の動脈および静脈の血液体積比Ｖ
Ｐ□を求め、この血液体積比ＶＰ、ｖから前記決定され
た静脈の血液体積比■Ｐｖを差し引くことにより動脈の
血液体積比ＶＰ、が決定されるのである。

次ニ、ステップＳ９が実行されて、ステップＳ７にて決
定された動脈の酸素飽和度ｏｓ１および静脈の酸素飽和
度Ｏ８ｖと、ステップｓ８にて決定された動脈の血液体
積比ＶＰ、および静脈の血液体積比ＶＰＶとが表示器５
２にそれぞれ表示され、その後ステップ８４以下が繰り
返し実行されることにより酸素飽和度および血液体積比
が連続的に決定され且つ表示されることとなる。

このように本実施例の反射型オキシメータによれば、発
光素子２２．２４と受光素子２０との間の距離りを表皮
６２の厚みｔの３倍以上に設定することにより、被測定
者の表皮６２の厚みの相違に拘わらず、毛細血管が存在
しない表皮６２からの反射光を殆ど検出することなく、
毛細血管が存在する真皮６４および皮下組織６６からの
反射光だけを検出することができるため、真皮６４およ
び皮下組織６６からの反射光に基づいて動脈中の酸素飽
和度Ｏ８，および静脈中の酸素飽和度Ｏ８ｖを精度良く
安定的に測定することができる。

また、本実施例によれば、受光素子２０を中心とする同
一半径の円周上に複数の第一発光素子２２および複数の
第二発光素子２４が交互に設けられているので、受光素
子２０にて検出される反射光の信号強度が増大されるの
に加えて、血管床を構成する真皮６４や皮下組織６６の
組成が不均一である場合、たとえばその血管床に比較的
太い静脈が存在する場合においても、受光素子２０にて
検出される赤色光および赤外光の反射光の信号強度への
影響を平均化し得るとともに、可動部材】４の皮膚１１
に対する姿勢がばらついて樹脂２６の一部と皮膚１１の
表面との間に隙間が生じたような場合においてもその影
響が出難い利点がある。

また、本実施例によれば、酸素飽和度０３１０Ｓｖを測
定するためにステップＳ２およびＳ４において決定され
た値に基づいて血液体積比ＶＰ。

、ＶＰｖを求めることができるため、そのような血液体
積比あるいはそれに対応する値を求めるために別個にデ
ータを要しない利点がある。

なお、前述の実施例では、８個づつの第一発光素子２２
および第二発光素子２４と、１個の受光素子２０とが設
けられているが、必ずしもその必要はなく、たとえば第
一発光素子２２および第二発光素子２４は１個づつであ
ってもよい。

また、前述の実施例において、血液体積比ＶＰ。

ＶＰｖは測定されなくてもよいし、酸素飽和度はたとえ
ば動脈血液中の酸素飽和度Ｏ８，だけを測定するように
してもよい。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種
々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の可動部材を皮膚側から見た図である。 第２図は本発明が適用されたオキシメータの構成を示す
図である。第３図は皮膚および皮下組織の構成を模式的
に示す図である。第４図は発光素子と受光素子との間の
距離と反射率との関係を示す図である。第５図は第２図
のオキシメータの作動を説明するためのフローチャート
である。 第６図は虚血状態および非虚血状態において検出される
反射光の強度を示すグラフである。第７図は第５図のフ
ローチャートのステップＳ８において用いられる関係の
一例を示す図である。 ２４；第二発光素子 ６２：表皮

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 皮膚に向ってそれぞれ配設される発光素子および受光素
   子を備え、該発光素子から放射された光の反射光を該受
   光素子にて検出し、該受光素子により検出された反射光
   に基づいて血液中の酸素飽和度を測定する形式の反射型
   オキシメータにおいて、 前記発光素子と前記受光素子との間の距離を、前記皮膚
   の最上部を構成する表皮の厚みの３倍以上に設定したこ
   とを特徴とする反射型オキシメータ。