JPH03245042A

JPH03245042A - ヘモグロビン酸素飽和度測定用センサ

Info

Publication number: JPH03245042A
Application number: JP4415990A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Osada; 敏彦長田; Hiromasa Kono; 弘昌河野; Masahiro Nudeshima; ぬで島　雅博
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-10-31

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、ヘモグロビン酸素飽和度の測定を行うための
センサに関する。

〔従来の技術〕

従来よりヘモグロビン酸素飽和度の測定のために光ファ
イバセンサを血管内に挿入して使用することは公知であ
る。

第８図、第９図により光ファイバセンサの測定原理を説
明する。

第８図に示すように、ヘモグロビン酸素飽和度の測定を
行うための光ファイバセンサ６は、送光用ファイバ２と
受光用ファイバ４とを互いに平行させるとともに、両フ
ァイバ先端面Ｓ１、Ｓ２をファイバ軸方向に垂直に面一
に揃えて構成し、血管内に挿入して光源１からの光を送
光用ファイバ２を通じて血液３へ導き、その血中後方散
乱光を受光用ファイバ４を通じて測定装置５に導く。

血液の吸光特性を示す第９図において、酸素化ヘモグロ
ビン（ＨｂＯａ　　（破線））、還元ヘモグロビン（Ｈ
ｂｒ（実線〉）の吸光度は波長に対して変化しており、
ヘモグロビンの酸素との結合状態および照射波長によっ
て吸光度が大きく変化することが分かる。そして、波長
８００ｎｍ付近ではＨｂｏｚとＨｂｒとは交差しており
、等しい吸光度となっている。この波長を等吸収点と言
い、ヘモグロビンの吸光度が、酸素飽和度によって変化
しない波長であることを示している。これに対して、波
長６６０ｎｍ付近ではＨｂＯ２とＨｂｒの吸光度の違い
が顕著である。そして、８００ｎｍ付近と６６０ｎｍ付
近の散乱光強度をそれぞれＥ、　、Ｅ２としたとき、ヘ
モグロビン酸素飽和度ＨｂＯＳは、Ｐｏ１ａｎｙｉ　と
）Ｉｅｈｉｒとにより次の実験式で求められることが明
らかにされている。

ＨｂＯ３＝Ａ＋Ｂｘ　　（Ｅｌ　／Ｅ２　）　　　　　
、（ｉ）ここで、Ａ、Ｂは血液の生理学的因子（ＰＨ、
ヘマトクリット値、赤血球のサイズや形状等）および光
センサの特性に起因する係数である。なお、ヘマトクリ
ット値が変化すると血液中への光の到達距離が変化し、
そのために反射光量が変わってしまい、（１）式は適用
できなくなるが、輸血等をしない限りへマドクリット値
は一定と考えられるので通常は（１）式が適用可能であ
る。

こうして、等吸収点においては酸素飽和度によっては吸
光度が一定であるので、送光用ファイバ２を通じて等吸
収点の光と、これと異なる波長の光とを血液３へ導き、
その血中後方散乱光を受光用ファイバ４で取り出して両
波長における光量を検出し、両者の比を求めることによ
り等吸収点の吸光度を基準としてヘモグロビン酸素飽和
度を測定することができる。

なお、血流の循環動態等を把握するために心拍出量を求
めることが重要であるが、現在のところ心拍出量を連続
的に精度良＜測定する方法が開発されていない。ところ
で、一般には動脈血酸素含量はほぼ１００％で一定であ
ること、管理されていて安静状態にある患者のような場
合には体の各組織における１ｉ２ｓ消費量は変化しない
ことから、混合静脈血酸素含量（心臓の右肩に戻ってく
る直前の静脈血の酸素含量）は心拍出量と一定の関係に
ある。そして、輸血等をしない限りへマドクリット値は
一定であるので静脈血におけるヘモグロビン酸素飽和度
は混合静脈血酸素含量に比例する。

したがって、静脈血におけるヘモグロビン酸素飽和度の
変化は心拍出量の変化に対応することになるので、静脈
血のヘモグロビン酸素飽和度を測定することの意義は極
めて大きい。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来のヘモグロビン酸素飽和度測定装置にお
いては、第１０図に示すように、送光及び受光用ファイ
バ先端面Ｓ１、Ｓ２をファイバ軸方向に垂直に面一に揃
えており、面Ｓ１から照射された光が血液中のヘモグロ
ビンによる散乱を何回か受け、その後方散乱光が面Ｓ２
に到達するまでの光路が短いために、ヘモグロビンによ
る光の吸収量は小さく、測定感度が十分に得られないと
いう問題があった。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、測定感
度を十分向上させることができるヘモグロビン酸素飽和
度測定用センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明のヘモグロビン！１２．ｉｔＩ！和度
測定用センサは、少なくとも２つの異なる波長の光を血
液中に照射する光照射部と、その血中散乱光を受光する
光受光部とからなり、前記光照射部と前記受光部とは、
その画先端面が同一面上にならないように配置されてい
る。

さらに、本発明のヘモグロビン酸素飽和度測定用センサ
は、少なくとも２つの異なる波長の光を発光する発光源
からの光を、血液中に導く光ファイバと、その血中散乱
光を受光し、その光強度を検出する検出部へ導く光ファ
イバとからなる。

〔作用〕

本発明のヘモグロビン酸素飽和度測定センサは、少なく
とも２つの異なる波長の光を血液中に照射する光照射部
の先端面と、その血中散乱光を受光する光受光部の先端
面とが、同一面上にならないように配置されているので
、光照射部から血液中に照射され、散乱されて光受光部
に達するまでの光路長が長くなる。ここで、「光路長」
とは光照射部から血液中に照射された光が血液中で散乱
されて光受光部で受光されるまでに、その光が通過した
距離と定義されるが、この光路長が長くなるということ
は、ヘモグロビンによる吸収回数が増えるということで
あり、さらに波長８．ＯＯｎｍ付近の光の吸光度はヘモ
グロビンの酸素飽和度によっては変化しないので、光路
長が長くなる程、波長８００ｎｍ付近の光の血中散乱光
強度と、波長６６０ｎｍ付近の光の血中散乱光強度との
比は、従来のものに比してヘモグロビン酸素飽和度の変
化に対して大きく変化し、その結果測定感度を向上させ
ることができる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面を参照して具体的に説明する。

（実施例１）第１図はヘモグロビン酸素飽和度測定に用いた測定装置
の概略図である。本測定装置は光照射手段７と、光照射
手段７から血液中に照射された光の血中散乱光強度を検
出する検出手段８と、演算手段９により構成されている
。

光照射手段７は、波長８０２ｎｍの光を発する発光ダイ
オード１０と、波長６６０ｎｍの光を発する発光ダイオ
ード１１と、前記２種の光源より発せられた光を、それ
ぞれ−本の送光用ファイバ１３内へ導くように結合する
光結合器１２とを有している。

また、検出手段８は、受光用光ファイバ１４が伝達した
血中散乱光の光強度に応じた電流を発生するフォトダイ
オード１５と、前記電流を電圧信号に変換する検出増幅
器１６と、前記電圧信号を発光ダイオード二〇、１１の
発光波長に対応した信号に変換するための信号分離回路
１７と、前記信号分離回路より出力される光強度信号を
デジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータ１
８とを有している。ここで、発光ダイオード１０の波長
８０２ｎｍの散乱光及び発光ダイオード１１の波長６６
０ｎｍの散乱光強度は、前記信号分離回路によって分離
され、各々■、。２、Ｉｇ６゜として出力される。

また、演算手段９は、測定開始前に測定した発光ダイオ
ード１０の８０２ｎｍの較正液からの散乱光強度に８゜
２と、発光ダイオード１１の波長６６０ｎｍの較正液か
らの散乱光強度Ｋ　ａｓ。とを記録する校正値記憶８１
９と、前記信号分離回路より出力された光強度信号り。

２、Ｉ　ｓｓ。を各々前記較正値に６゜２％に６！。で
除した値の強度比（（Ｉ　ｓ。ａ　／に−ｏ２　）　／
　（１−６ａ　／に６ｓｏ　）　）を演算する演算部２
０を有している。この較正により、ファイバ特性等のセ
ンサ固有の特性による影響を除去するようにする。

次に、本発明の有効性を明らかにするために、ヘモグロ
ビン酸素飽和度測定用光ファイバセンサによるヘモグロ
ビン酸素飽和度測定方法を１．第２図を参照して説明す
る。

第２図に示すように、ヘモグロビン酸素飽和度の測定回
路は、血液循環用ポンプ２１と、血液ガス交換用人工肺
２２と、血液リザーバ２３と、測定用光ファイバセンサ
の先端部２６を血液中に挿入するための血液逆流停止弁
からなる挿入口２４と、循環血液を採取するための開閉
可能な三方活栓からなる採取口２５とを有している。そ
して、循環ポンプ２１、人工肺２２、血液リザーバ２３
、挿入口２４、採取口２５は各々チューブで接続されて
いる。

先ず測定前に波長８０２ｎｍの較正液からの散乱光強度
と、波長６６０ｎｍの較正液からの散乱光強度とを測定
し、各々、較正値に、。２、較正値に□。を校正値記憶
Ｒ１９に記憶させておく。較正液としては、本実験では
脂肪乳剤を用いたが、光を散乱する粒子が均一に存在す
る波体あるいは、一定強度の後方散乱光が得られるもの
であればよい。

続いて、血液で満たされた第２図に示す測定回路の挿入
口２４から光ファイバを挿入し、光ファイバ先端面が血
流の下流方向を向くように配置する。続いて、発光ダイ
オード１０より波長８０２ｎｍの光を発光させ、発光ダ
イオード１１より波長６６０ｎｍの光を発光させる。波
長の異なる２種の光は光結合器１２により結合されて、
送光用光ファイバ１３内へ導かれ、送光用光ファイバ先
端面より血液中に照射される。血中散乱光は、受光用光
ファイバ１４によってフォトダイオード１５に導かれ、
フォトダイオード１５は血中散乱光の光強度に応じた電
流を発生する。この電流は、検出増幅器１６によって電
圧信号に変換され、信号分離回路１７によって発光ダイ
オード１０．１１の発光波長に対応した信号に変換され
、アナログデジタルコンバータ１８によりデジタル信号
に変換され、発光ダイオード１０の波長８０２ｎｍの散
乱光及ジ発光ダイオード１１の波長６６０ｎｍの散乱光
強度は、前記信号分離回路によって、分離され、各々ｌ
ｌ１ｏ２．１６６０として出力される。

次に、測定に用いた光ファイバセンサの詳細を、第３図
を参照して説明する。

第３図は本発明のヘモグロビン酸素飽和度測定用光ファ
イバセンサの一例を示している。

第３図の光ファイバセンサは、互いに平行する送光用光
ファイバ２７と受光用光ファイバ２８の先端面をファイ
バ軸方向に、例えば１．５１ｍｍずらし、両ファイバの
先端面はファイバ軸方向に対して垂直である。両ファイ
バの中心距離は２７０μｍ、ファイバ長は１８０ｃｍで
ある。この光ファイバとしてはファイバ外径２５０μｍ
のＰＭＭＡ製プラスチック光ファイバを用いたが、石英
系光ファイバあるいは多成分ガラス光ファイバでもよい
。

また、比較用に用いた第１０図に示す従来の光ファイバ
センサは、互いに平行する送光用ファイバ２９と受光用
ファイバ３０の先端面をファイバ軸方向において垂直な
面に揃え、前記両ファイバの中心距離は２８０μｍ、フ
ァイバ長は１８０センチである。

次に、第３図の光ファイバセンサの測定結果を第６図に
示し、第１０図の光ファイバセンサの測定結果を第１１
図に示す。第６図及び第１１図は、縦軸に０３Ｍ２へモ
キシメータ　（ラジオメータ社製）により測定したヘモ
グロビン酸素飽和度Ｈｂ○Ｓをとり、横軸に前記測定手
段により演算された強度比（（工、。２７に、。２）／
（Ｉ６．。／に６６゜））をとったものである。

第６図および第１１図の結果を、次式８式％））により１次回帰した結果、第６図では、回帰直線の傾き
ａは約−１８となった。また、第１１図では、回帰直線
の傾きａは約−２２３となり、本発明によりヘモグロビ
ン酸素飽和度ＨｂＯ５を測定感度を向上させ、精度を上
げることができる。

（実施例２）次に、実施例２を第４図を参照して説明する。

第４図に示した酸素飽和度測定用光ファイバセンサは、
互いに並行する送光用光ファイバ３４と、受光用光ファ
イバ３５を一体戊形し、両者間がＡＢＳ樹脂製先端ハウ
ジング３６の隔壁により０゜１Ｍ隔たれ、またその先端
面はファイバ軸方向に１、．０１ｍｍずれており、両フ
ァイバの先端面は、ファイバ軸方向に対して垂直である
。前記両ファイバの中心間距離は３５０μｍ、ファイバ
長は１８０ｃｍである。

次に、この光ファイバセンサの測定結果を第７図に示す
。第７図は前記実施例１と同様な処理をした結果であり
、回帰直線の傾きは約−１６となり本発明によれば、ヘ
モグロビン酸素飽和度ＨｂＯ５を感度よく、高精度に測
定できる。

なお、実施例１および２では、光ファイバ端面は光ファ
イバセンサ軸方向に対して垂直に加工したが、第５図（
ａ）に示すように、互いに並行する送光用光ファイバ３
１の先端面と受光用光ファイバ３２の先端面の一方が、
測定用光ファイバセンサ３３の側面方向を向いているよ
うな構造でも光路長を長くとれるので同様に測定感度を
向上させることができる。

また、第５図（ｂ）に示すように送光用ファイバと受光
用ファイバの光軸に角度をもたせたり、第５図（Ｃ）に
示すように送光用ファイバと受光用ファイバの先端面の
両方とも側方を向くようにしたり、あるいは第５図（ｄ
）に示すように送光用ファイバと受光用ファイバの先端
面とが斜め方向を向くようにするなどして送光用ファイ
バと受光用ファイバの先端面とが同一面にないように配
置することにより光路長を長くとることが可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、ヘモグロビン酸素飽和度
測定用センサにおいて、少なくとも２つの異なる波長の
光を血液中に照射する光照射部と、その血中散乱光を受
光する光受光部の画先端面が同一面にないように配置さ
れているので、送光部から照射されて受光部で受光され
るまでの光路長が長くなり、その結果測定感度を向上さ
せることができる。また、光照射部と光受光部をセンサ
軸方向にずらせることにより、外径を大きくすることテ
；＜光路長を長くすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に用いたヘモグロビン酸素飽和
度測定装置の略図、第２図は本発明の実施例に用いたヘ
モグロビン酸素飽和度測定回路の略図、第３図は本発明
の一実施例を示す図、第４図、第５図は本発明の他の実
施例を示す図、第６図は第３図に示した本発明の一実施
例による測定結果を示す図、第７図は第４図に示した実
施例による測定結果を示す図、第８図は光ファイバセン
サによるヘモグロビン酸素飽和度の測定原理を示す図、
第９図はヘモグロビンの吸光特性を示す図、第１０図は
従来例を示す図、第１１図は従来法による測定結果を示
す図である。１・・・光源、２・・・送光用ファイバ、３・・・血液
、４・・受光用ファイバ、５・・・測定装置、６・・・
光ファイバセンサ、７・・・光照射手段、８・・・検出
手段、９・・・演算手段、１０・・発光ダイオード、１
１・・・発光ダイオード、１２・・・光結合器、１３・
・・送光用光ファイバ、１４・・・受光用光ファイバ、
１５・・・フォトダイオード、１６・・・検出増幅器、
１７・・・信号分離器、１８・・・アナログデジタルコ
ンバータ、１９・・・校正値記憶部、２０・・・演算部
、２１・・・血液循環用ポンプ、２２・・・人工肺、２
３・・・血液リザーバ、２４・・・挿入口、２５・・・
採取口、２６・・・光ファイバセンサの先端部、２７．
２９．３１．３４・・・送光用ファイバ、２８．３０．
３２．３５・・・受光用ファイバ、３３・・・測定用光
ファイバセンサ、３６・・・ＡＢＳ樹脂製先端ハウジン
グ。第１図出　　願　　人　　テルモ株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも２つの異なる波長の光を血液中に照射
し、血中散乱光強度を求めることによりヘモグロビン酸
素飽和度を測定するヘモグロビン酸素飽和度測定用セン
サにおいて、血液中に光を照射する光照射部の先端面と
、血中散乱光の受光部の先端面とが同一面上にならない
ように配置されていることを特徴とするヘモグロビン酸
素飽和度測定用センサ。
（２）前記光照射部の先端面と、血中散乱光の受光部の
先端面とが、センサ軸方向においてずれて配置されてい
ることを特徴とする請求項１記載のヘモグロビン酸素飽
和度測定用センサ。
（３）前記光照射部と、血中散乱光の受光部の光軸が平
行でないことを特徴とする請求項１記載のヘモグロビン
酸素飽和度測定用センサ。
（４）前記光照射部と前記光受光部は、光ファイバ端面
より形成されていることを特徴とする請求項１記載のヘ
モグロビン酸素飽和度測定用センサ。
（５）前記光照射部と前記光受光部の少なくともどちら
か一方の端面がセンサ軸方向に対して垂直であることを
特徴とする請求項１または２記載のヘモグロビン酸素飽
和度測定用センサ。