JPH03118035A - 筋肉酸素代謝測定装置 - 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） 本発明は光を用いて筋肉の酸素代謝を無侵襲で計測する
方法とその装置に関するものである。

（従来の技術） 生体の情報を得る方法として、−足運動負荷を与えたと
きの血圧、心拍数、心電図、酸素摂取量などをモニタす
ることにより呼吸系や循環系の情報を得る装置が開発さ
れている。また、筋力を測定する装置も各種製品化され
ている。

しかしながら、筋肉の血液酸素代謝を直接測定する方法
及びそのための装置は皿発されていない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明者は先に近赤外領域の特定波長の光を用いて生体
血液中のヘモグロビン量の変動を直接測定する方法とそ
の装置を提案している（特願昭６３−２４８８３３号）
。

そこで、本発明は本発明者がすでに提案している方法を
用いて筋肉の血液酸素代謝を直接測定する方法とその装
置を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の方法では、筋肉に一定の運動を負荷させ、近赤
外領域において異なる特定の３波長λ、。

λ２及びλ３を選択し、これらの波長光を前記筋肉に直
接照射して各波長についての吸光度変化ＡＡ工、ΔＡ２
及びΔＡ、を運動負荷の前後で測定し、これらの吸光度
変化ΔＡ□、ΔＡ２及びＡＡ。

と、予め前記特定波長によって得られた吸光係数によ、
に、、に、、によ　ｌ’に２　１　ｋ３′とに基づいて
、前記照射光路中の酸素化型ヘモグロビン量変動Δ（Ｈ
ｂ　Ｏ２）、脱酸素化型ヘモグロビン量変動Δ（Ｈｂ）
及び全ヘモグロビン量変動Δ（ＴＨｂ）をそれぞれ Δ（ｌ（ｂｏ、）＝（（ｋ２′−に：）ＡＡ、−（ｋｊ
−に；）ＡＡ、＋（ｋ、’−に；）ＡＡ、）／Ｋ　　−
−−−−−（１）Δ印ｂ）　”　（−（ｋｚ　−に、　
）ΔＡ１＋（ｋ□−に３）Δ〜−（ｋニーに２）ＡＡ３
）／Ｋ　　・・・・・・（２）Δ〔ｌ〕＝ （（ｋ２−に３’２”ｋ３）ＡＡ、＋（ｋ、−ｋａ−ｋ
ｔ”ｋ：）ΔＡｚ”（ｋｎ−ｋｚ−ｋｚ”ｋｚ）ＡＡ３
）／Ｋ・・・・・・（３） として、それらの値の少なくとも１つの運動負荷後の定
常状態への回復時間又は変化量から筋肉の酸素代謝を測
定する。ただし、に工、　ｋ２．　ｋ□はそれぞれ波長
λ８．λ２．λ３における酸素化型ヘモグロビンの吸光
係数、にエ　ｒ　ｋ２　’　ｒ　ｋ３′はそれぞれ波長
λ１．λ２．λ、における脱酸素化型ヘモグロビンの吸
光係数。

Ｋ　＝　（ｋｔ−ｋｉ）（ｋ２−ｋａ）−（ｋｚ−ｋａ
）（ｋｘ−に３）である。

また１本発明の装置は上記の近赤外領域の特定の３波長
λ工、λ２及びλ、の光を時分割で筋肉に照射し、前記
特定の３波長における透過光又は反射光の強度を測定す
る測定系と、前記筋肉の異なる時間における透過光又は
反射光の強度から前記特定の３波長での吸光度変化量Δ
Ａ１．ΔＡ　２　ｙΔＡ３を算出する吸光度変化量算出
部と、予め測定された吸光係数に１．　ｋ２．　ｋ３．
　ｋ、’、　ｋ２に３′が設定される吸光係数設定部と
、吸光度変化量算出部からの吸光度変化量ΔＡ□、ΔＡ
２゜ΔＡ、と吸光係数設定部からの吸光係数に□、に２
゜ｋ３．に１′、に２に、′とから上記（１）〜（３）
式により与えられる酸素化型ヘモグロビン量変動Δ（Ｈ
ｂＯ２）、脱酸素化型ヘモグロビン量変動Δ（Ｈｂ）及
び全ヘモグロビン量変動Δ（ＴＨｂ〕の値の少なくとも
１つの運動負荷後の定常状態への回復時間又は変化量を
算出する演算部とを備えている。

選択する３波長λ４．λ２．λ、は例えば７００ｎｍ以
上の長波長領域で、得られる吸光度の差が大きく、かつ
、散乱などの波長依存性の少ない組み合わせが好ましい
。

測定装置における測定系には３波長の光を筋肉に直接照
射するために、それぞれの波長のレーザダイオードを備
えて順次発振させたり、分光光度計によって特定の３波
長を選択して使用する。また、光源から検出器までの測
定光路には測定対象である筋肉に直接光照射できるよう
に、例えば光ファイバ束などを用いる。

近赤外領域においては運動負荷を与えるとヘモグロビン
だけではなく筋肉中のミオクロビンもその酸素解離状態
によりスペクトルが変化する。筋肉酸素代謝針８１ｑに
おいては、特にヘモグロビンとミオグロビンを区別する
必要はなく１本発明ではヘモグロビンとミオグロビンを
含んでヘモグロビンと表現し、両者を含んだ測定値によ
って筋肉酸素代謝を測定する。

（作用） 本発明の方法は、ヘモグロビン量の変動と吸光度変化と
の間にランベルト−ベールの法則が成立する生理範囲内
で用いられる。すなわち、生体組織への特定波長λ２．
λ２．λ、による照射光路（光路長ｄ）中での酸素化型
ヘモグロビン（Ｈｂ　Ｏ２）量変動をΔ（Ｈｂ　０２１
、脱酸素化型ヘモグロビン（Ｈｂ）量変動をΔ（Ｈｂ）
、全ヘモグロビン（ＴＨｂ）量変動をΔ〔ＴＨｂ〕とし
、波長λ１．λ２．λ。

における酸素化型ヘモグロビンの吸光係数をそれぞれに
□、　ｋ２．　ｋ３、波長λ０．λ２．λ、における脱
酸素化型ヘモグロビンの吸光係数をそれぞれに□　１ｋ
２１に３′とすると、各波長λ□、λ２゜λ３における
経時吸光度変化量ΔＡ　１　ｔΔＡ２゜ΔＡ３は ΔＡ工＝に工Δ（ＨｂＯ□〕＋に１Δ（Ｈｂ）＋ΔＳ１
　　・・・・・（４）ΔＡ２＝に２Δ（ＨｂＯ２）　＋
　ｋ２’Δ（Ｈｂ）十ΔＳ２　　・・・・・・（５）Δ
Ａ、＝に、Δ（ＨｂＯ２）　＋　ｋ３’Δ（Ｈｂ）＋Δ
Ｓ３　　・・・・・・（６）として表わされる直線関係
が成立する。ここで、ΔＳ□、ΔＳｚ＋ΔＳ３はそれぞ
れ波長λ□、λ２゜λ３における数品光強度変化分であ
る。

波長λ０．λ２．λ、を互いに比較的近い値に設定すれ
ば、ΔＳ１＝ΔＳ２＝ΔＳ＝ΔＳと近似することができ
る。その結果、各変動量Δ（Ｈｂ　Ｏ□〕。

Δ（Ｈｂ）、Δ（ＴＨｂ）は（１）〜（３）式により算
出することができる。

一方、筋肉に負荷を与えたとき血液量が変動することが
わかった。血液量変動の状態をモデルとして第１図に示
す。時刻ｔ０からｔ工までのｔ秒間運動を負荷させると
、血液量は運動負荷を与える前の定常状態からＰだけ減
少する。運動負荷を取り除くと血液量は徐々に回復する
。そこで、仮りに１０％回復した時刻ｔ２から９０％回
復したときの時刻ｔ３までの時間Ｔを回復時間と仮定す
れば、Ｔを筋肉疲労の指標とすることができる。回復時
間を筋肉疲労の指標とする場合でも、１０％から９０％
までの回復の時間に限らず、他の区間をもって回復時間
としてもよい。

また、運動負荷による血液変化量Ｐをもって酸素代謝や
疲労度の指標とすることもできる。

（実施例） 第２図は一実施例の測定装置を表わす。

２−１〜２−３はそれぞれ特定の波長λ０．λ２゜λ、
のレーザ光を発振するレーザダイオードであり、それぞ
れの出力は例えば３０ｒｎＷである。発振波長（λ１．
λ２．λ３）は７００ｎｍ以上に設定することが好まし
く、その組合わせは例えば（７５０ｎｍ、７８０ｎｍ、
８０５ｎｍ）、（７００ｎｍ、７３０ｎｍ、７５０ｎｍ
）などであるが。

これらの波長に限定されず、近赤外領域であれば任意に
設定することができる。レーザダイオード２−１〜２−
３は旺動回路４によって順次切り替えて発振させられる
。駆動回路４はＣＰＵ６によって制御される。８は測定
対象としての筋肉であり、レーザダイオード２−１〜２
−３からのレーザビームが照射用光ガイド１０によって
筋肉８に導かれる。光ガイド１０は例えば直径５ｍｍの
光ファイバ束である。１２は検出器の光電子増倍管であ
り、筋肉８による透過光又は反射光が検出用光ガイド１
４によって光電子増倍管１２に導かれる。光ガイド１４
も例えば直径が５ｍｍの光ファイバ束である。

１６は光電子増倍管１２の出力信号を増幅するプリアン
プ、１８は増幅された信号をサンプルホールドするサン
プルホールド回路、２０はサンプルホールド回路１８の
出力信号を増幅する増幅器、２２は増幅された信号電圧
を周波数に変換するＶ／Ｆ変換器であり、Ｖ／Ｆ変換器
２２の出力信号がＣＰＵ６に入力されてカウントされる
。

ＣＰＵ６はレーザダイオード２−１〜２−３の発振を制
御するとともに、各波長λ８．λ２．λ。

でのデータを取り込み、経時吸光度変化量ΔＡ１゜ΔＡ
２．ΔＡ、を算出する。その算出した経時吸光度変化猷
ΔＡ工、ΔＡ２．ΔＡ、と予め測定されて設定された吸
光係数に工、に２．に３．に工に、’、に、’とから酸
素化型ヘモグロビン量変動Δ（ＨｂＯ，）、脱酸素化型
ヘモグロビン量変動Δ（Ｈｂ）及び全ヘモグロビン量変
動Δ（ＴＨｂ）を算出する。ＣＰＵ６はまた。運動負荷
の前後でのこれらの値の変化から回復時間や変化量を算
出する。

ＣＰＵ６は第３図に示されるような機能を果たしている
。２６は吸光度変化量算出部であり、透過光又は反射光
の強度を入力し、ダーク補正をした後、対数値に変換し
、異なる時間における特定の３波長での吸光度変化量Δ
ＡｌｌΔＡＺｌΔＡ。

を算出する。２８は予め測定された吸光係数ｋ　ｘ　＋
に２．　ｋ３．　ｋｍ　ｌ　ｋｍ　　ｌ　ｋ３′が設定
される吸光係数設定部、３０は吸光度変化量算出部２６
からの吸光度変化量ΔＡ工、ΔＡ２．ΔＡ、と吸光係数
設定部２８からの吸光係数に□、　Ｊ、　ｋ３゜ｋ、’
　　ｋ２’、に、’とから（１）〜（３）式により酸素
化型ヘモグロビン量変動Δ（Ｈｂ　Ｏ２）、脱酸素化型
ヘモグロビン量変動Δ（Ｈｂ）及び全ヘモグロビン量変
動Δ（ＴＨｂ）を算出し、運動負荷の前後でのこれらの
値の変化から回復時間や変化量を算出する演算部である
。

測定系２４は第２図で鎖線で囲まれた部分に該当する。

第２図においてＣＰＵ６には入出力部３２を介して、こ
の装置を操作したり吸光係数を入力するためのキーボー
ド３４．測定値などを表示する液晶デイスプレィ３６．
測定結果を出力するレコーダ３８、異常を知らせる警報
装置４０などが接続されている。

次に、本実施例の動作について説明する。

第４図はＣＰＵ６が測定値を取り込み、ダーク補正をす
るまでのタイムチャートである。Ａ、Ｂ。

Ｃはそれぞれ波長λ０．λ２．λ、のレーザダイオード
２−１〜２−３の変動パルス、Ｄは積分パルス、Ｅはサ
ンプリングパルス、Ｆはリセットパルス、Ｇは光電子増
倍管１２の出力信号、Ｈは波長λ１のチャネルのサンプ
ルホールド前の出力信号である。他のチャネルについて
も同様の出力信号Ｈが得られる。Ｓλ、は信号レベル、
Ｄλ、はダークレベルである。ＩはＳλ１−Ｄλ１であ
り、これによって真の信号レベルを得ることができる。

第５図のフローチャートにしたがって動作を説明する。

レーザダイオード２−１〜２−３をオフにするなど、測
定装置の初期設定を行ない（ステップＳ１）、光電子増
倍管１２の負高圧値や出力パラメータなどの条件設定を
行なう（ステップＳ２）。

ダークレベルを検出するために、レーザダイオード２−
１〜２−３がオフの状態で各波長λ１゜λ２．λ、のチ
ャネルについて所定の時間だけ検出値を積分する（ステ
ップ８３〜Ｓ６）。これらの積分ＶｉＤλ□、Ｄλ２．
Ｄλ、をダークレベルのデータとして読み込み、記憶す
る（ステップＳ７）。

これらのダークレベルＤλ４．Ｄλ２．Ｄλ３が設定値
よりも小さければ、信号レベルの測定に移行し、大きけ
ればアラームを点灯してダークレベルの測定から繰り返
す（ステップＳ８．Ｓ９）。

信号の検出においては、レーザダイオード２−１〜２−
３をオンにして各波長λ０．λ９．λ、のチャネルにつ
いて所定の時間だけ検出値を積分する（ステップ８１０
〜５１３）、これらの積分値Ｓλ□、Ｓλ２＋　Ｓλ、
を信号データとして読み込み、記憶する（ステップ５１
４）。これらの信号Ｓλ１＋　Ｓλｍｌ　Ｓλ、が設定
範囲になければ、アラームを点灯し、ステップＳ２に戻
って負高圧値を変更してダークレベルから測定を繰り返
す（ステップＳ１５．　Ｓ１６．Ｓ１７，５１８）。

信号Ｓλ１１　Ｓλ２．Ｓλ３が設定範囲にあれば真の
信号レベルを出すために、Ｓλ１−Ｄλ、。

Ｓλ、−Ｄλ！１　Ｓλ、−Ｄλ、を算出する（ステッ
プ５１９）。算出された値を対数値に変換しくステップ
５２０）、データとして記憶しておく　（ステップ５２
１）。

その後、（１）〜（３）式により酸素化型ヘモグロビン
量変動Δ（Ｈｂ０２）、脱酸素化型ヘモグロビン量変動
Δ（Ｈｂ）及び全ヘモグロビン量変動Δ（ＴＨｂ）を算
出し、運動負荷の前後でのこれらの値の変化から回復時
間や変化量を算出する（ステップ５２２）。算出された
値が妥当なものであれば、出力しくステップ５２３，８
２５）、妥当でなければアラームを点灯し、ステップＳ
２に戻ってダークレベルの測定から繰り返す（ステップ
Ｓ２３，５２４）。

実施例の装置を用い、人が５ｋｇの錘を持ち上げた場合
の上腕筋及び前腕筋における筋肉血液量の挙動の測定に
適用した例を第６図に示す。（Ａ）は上腕筋の測定結果
、（Ｂ）は前腕筋の測定結果である。図中でＷＯＲＫと
書かれている位置が錘を持ち上げた時刻である。

測定を行なう３波長として７５０ｎｍ、７８０ｎｍ、８
０５ｎｍを用いる。ΔＨｂＯ２は酸素化型ヘモグロビン
の変動量、ΔＴＨｂは全ヘモグロビン変動量、ΔＡは各
波長での吸光度の変動を表わしている。測定装置では第
２図の光ガイド１０の先端にプローブを設け、そのプロ
ーブを前腕筋又は上腕筋の片側に接触させ、光ガイド１
４の先端には受光用プローブを設けて前腕筋又は上腕筋
の他方の側に接触させて光ガイド１０からの光の透過光
を測定する。

第６図の結果によれば、（Ａ）に示されるように、上腕
では運動負荷により血液量が増加し、このため筋肉酸素
濃度（酸素化型ヘモグロビン量）が僅かに減少するにと
どまっている。一方、強い筋収縮を要する前腕では、筋
肉血液量が著しく減少し、酸素供給低下が組織酸素濃度
を低下させ、筋肉の疲労が認められる。

（４）〜（６）式における散乱光強度によるバックグラ
ウンド補正項ΔＳ１．ΔＳ　２　ｒ　ΔＳ、に波長依存
の係数をかけてａΔＳユ、ｂΔＳ２．ｃΔＳ３とすれば
、さらに精度がよくなる。

実施例ではＣＰＵ６がヘモグロビン量変動の演算だけで
なく、ダークレベル補正、対数変換も行なっているが１
例えば対数増幅器を用いて対数変換したデータをＣＰＵ
に取り込んで演算するようにしでもよい。

また、３波長を選択するために３種類のレーザダイオー
ドを用いているが、分光光度計を用いて３波長でのデー
タを得るようにしてもよい。

本発明では３波長で測定しているが、４波長以上を用い
てヘモグロビン各量の変動Δ（Ｈｂ　０２）。

Δ（Ｈｂ）、Δ（ＴＨｂ）を測定すればさらに精度を上
げることができる。

（発明の効果） 本発明では筋肉の酸素代謝を光学的に直接測定すること
ができるので、運動能力や筋肉疲労度の個人差を明確に
数値化することができ、そのようなデータ量を増やすこ
とにより１本発明をスポーツ医学へ適用することができ
る。

本発明はまた５例えば手術前と手術後や、医学的処置の
前後での筋肉疲労度を測定するために用いることもでき
るので、リハビリテーションの分野にも応用することが
できる。

４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の測定原理をモデルとして示す図、第２
図は一実施例を示すブロック図、第３図は一実施例にお
けるＣＰＵの機能を示すブロック図、第４図は一実施例
の検出動作を示すタイムチャート、第５図は一実施例の
動作を示すフローチャー１〜、第６図は一実施例の装置
を用いた測定例を示す図である。

２４・・・・・・測定系、２６・・・・・吸光度変化７
＆算出部、２８・・・・・・吸光係数設定部、３０・・
・・・・演算部。

特許出願人　株式会社島津製作所 代理人　弁理士　野口繁雄

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）筋肉に一定の運動を負荷させ、近赤外領域におい
   て異なる特定の３波長λ＿１、λ＿２及びλ＿３を選択
   し、これらの波長光を前記筋肉に直接照射して各波長に
   ついての吸光度変化ΔＡ＿１、ΔＡ＿２及びΔＡ＿３を
   運動負荷の前後で測定し、これらの吸光度変化ΔＡ＿１
   、ΔＡ＿２及びΔＡ＿３と、予め前記特定波長によって
   得られた吸光係数ｋ＿１、ｋ＿２、ｋ＿３、ｋ＿１′、
   ｋ＿２′、ｋ＿３′とに基づいて、前記照射光路中の酸
   素化型ヘモグロビン量変動Δ〔ＨｂＯ＿２〕、脱酸素化
   型ヘモグロビン量変動Δ〔Ｈｂ〕及び全ヘモグロビン量
   変動Δ〔ＴＨｂ〕をそれぞれ Δ〔ＨｂＯ＿２〕＝｛（ｋ＿２′−ｋ＿３′）ΔＡ＿１
   −（ｋ＿１′−ｋ＿３′）ΔＡ＿２＋（ｋ＿１′−ｋ＿
   ３′）ΔＡ＿３｝／ＫΔ〔Ｈｂ〕＝｛−ｋ＿２−ｋ＿３
   ）ΔＡ＿１＋（ｋ＿１−ｋ＿３）ΔＡ＿２−（ｋ＿１−
   ｋ＿２）ΔＡ＿３｝／ＫΔ〔ＴＨｂ〕＝ ｛（ｋ＿２′−ｋ＿３′−ｋ＿２＋ｋ＿３）ΔＡ＿１＋
   （ｋ＿１−ｋ＿３−ｋ＿１′＋ｋ＿３′）ΔＡ＿２＋（
   ｋ＿１′−ｋ＿２′−ｋ＿１＋ｋ＿２）ΔＡ＿３｝／Ｋ
   とし、それらの値の少なくとも１つの運動負荷後の定常
   状態への回復時間又は変化量から筋肉の酸素代謝を測定
   する方法。 ただし、ｋ＿１、ｋ＿２、ｋ＿３はそれぞれ波長λ＿１
   、λ＿２、λ＿３における酸素化型ヘモグロビンの吸光
   係数、ｋ＿１′、ｋ＿２′、ｋ＿３′はそれぞれ波長λ
   ＿１、λ＿２、λ＿３における脱酸素化型ヘモグロビン
   の吸光係数、Ｋ＝（ｋ＿１−ｋ＿３）（ｋ＿２′−ｋ＿
   ３′）−（ｋ＿２−ｋ＿３）（ｋ＿１′−ｋ＿３′）で
   ある。
2. （２）近赤外領域において異なる特定の３波長λ＿１、
   λ＿２及びλ＿３の光を時分割で筋肉に照射し、前記特
   定の３波長における透過光又は反射光の強度を測定する
   測定系と、前記筋肉の異なる時間における透過光又は反
   射光の強度から前記特定の３波長での吸光度変化量ΔＡ
   ＿１、ΔＡ＿２、ΔＡ＿３を算出する吸光度変化量算出
   部と、予め測定された吸光係数ｋ＿１、ｋ＿２、ｋ＿３
   、ｋ＿１′、ｋ＿２′、ｋ＿３′が設定される吸光係数
   設定部と、吸光度変化量算出部からの吸光度変化量ΔＡ
   ＿１、ΔＡ＿２、ΔＡ＿３と吸光係数設定部からの吸光
   係数ｋ＿１、ｋ＿２、ｋ＿３、ｋ＿１′、ｋ＿２′、ｋ
   ＿３′とから Δ〔ＨｂＯ＿２〕＝｛（ｋ＿２′−ｋ＿３′）ΔＡ＿１
   −（ｋ＿１′−ｋ＿３′）ΔＡ＿２＋（ｋ＿１′−ｋ＿
   ２′）Δ＿３｝／ＫΔ〔Ｈｂ〕＝｛−（ｋ＿２−ｋ＿３
   ）ΔＡ＿１＋（ｋ＿１−ｋ＿３）ΔＡ＿２−（ｋ＿１−
   ｋ＿２）Δ＿３｝／ＫΔ〔ＴＨｂ〕＝ ｛（ｋ＿２′−ｋ＿３′−ｋ＿２＋ｋ＿３）ΔＡ＿１＋
   （ｋ＿１−ｋ＿３−ｋ＿１′＋ｋ＿３′）ΔＡ＿２＋（
   ｋ＿１′−ｋ＿２′−ｋ＿１＋ｋ＿２）ΔＡ＿３｝／Ｋ
   として、それらの値の少なくとも１つの運動負荷後の定
   常状態への回復時間又は変化量を算出する演算部とを備
   えた筋肉酸素代謝測定装置。