JPH04110756A - 生体試料の光測定方法 - 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生体内の代謝を測定する方法に関す
るものである。

（従来の技術） ７００〜１１０００ｎの光は他の波長の光に比べて生体
内を比較的通りやすいので、この波長域に吸収帯をもつ
ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、チトクロームａａ３
を無侵襲で測定することが試みられている（例えば、特
公昭６１−１１６１４号公報、ｒ　Ｐｅｄｉａｔｒｉｃ
ｓ　ｊユ５，２１７〜２２５（１９８５）、「人工臓器
Ｊ　１９，５３５〜５３８　（１９９０）参照）。

例えば、引例の「人工臓器４１９，５３５〜５３８　（
１９９０）においては、波長７８０．８゜５．８３０ｎ
ｍの３種類の半導体レーザを用い、それらの３波長を順
次ライトガイドを介して組織に照射し、反射光又は透過
光を光ファイバで受光して各波長での吸光度変化ΔＡ７
８（ＩＩΔＡＩＩＩＩＳＩΔＡ　ｓ３　ｏに基づいて次
の測定演算式により酸化ヘモグロビン変動Δ［ＨｂＯ２
］−還元ヘモグロビン変動Δ［Ｈｂ］及び全ヘモグロビ
ン量変動Δ［Ｈｂコｔを求める。

Δ［Ｈｂ　Ｏ２コ　＝−３ΔＡ！ｌｏ５＋３ΔＡｅａｏ
　　　　　　　　　　　　　　　　　−・−−−０（１
）Δ［Ｈｂコ　　　＝１．６ΔＡ７ＩＩ。−２，８ΔＡ
、、５＋１．２ΔＡｌ＋　３゜・・・・・（２）Δ［Ｈ
ｂ］ｔ　　＝１．６ΔＡ７８ｏ−５，８ΔＡ８ｏ５＋４
．２ΔＡ、３ｏ・＝（３）（発明が解決しようとする課
題） 上記の式においては原データとして用いられるのは３波
長の吸光度変化であり、求められるものは酸化ヘモグロ
ビン変動量などであり、全て変化量である。引例のｒ　
Ｐｅｄｉａｔｒｉｃｓ　Ｊユ旦、２１７〜２２５　（１
９８５）においては、ベースラインを患者の正常値にと
り、これからの変化量を個々の患者ごとの測定期間内ご
とに求めることができる旨の記載がある。

このように、従来の測定装置では吸光度測定の基準は患
者に測定装置を装着した時点でのレベル又は個々の患者
の正常値などであり、得られるのはそれ以降の変化量で
ある。測定装置を患者に装着する時点で患者がどういう
状態であるかという情報は全く得ることはできない。

また、同一患者に対しても測定装置を一度取り外すと、
次回の測定はまた最初から始まることになるので、同一
患者といえども長期間にわたって監視することができな
い。

そこで、原点の較正方法が提案される必要がある。測定
対象が生体試料でなく化学物質の場合、その透過分光測
定には測定成分を全く含まない液体（例えば蒸留水）を
吸光度０の原点にすることや、布や印刷物の反射測定用
に反射率１００％の基準として硫酸バリウム粉末を用い
ることはよく知られている。しかし、本発明の対象であ
る、生体試料の一部分より光を照射し、別の部分より出
てくる光を検出する装置に適用するのに適当な吸光度の
原点基準は知られていない。このための原点基準として
は生物体と同じように散乱性の透過特性を有し、目的の
試料と同様の光の減衰率（例えば１０−３〜１０−７、
吸光度で３〜７）を有し、経時変化が少ないという条件
を満たすものが望ましい。

本発明は、上記基準に合い、患者によらない吸光度測定
の原点を求めることのできる吸光度原点標準を用いて未
知試料の吸光度変化量だけでなく、吸光度絶対値も測定
することのできる方法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） 本発明の測定方法では、吸光度が０でない既知吸光度の
標準に対して自動ゲイン設定を含む吸光度のオートゼロ
処理を行なった上で生体試料の吸光度を測定する。

本発明の測定方法ではまた。その吸光度がＯでない既知
吸光度の標準に対して自動ゲイン設定を含む吸光度のオ
ートゼロ処理を行なった上で生体試料の初期値の吸光度
を測定した後、その生体試料の初期値に対して再び自動
ゲイン設定を含む吸光度のオートゼロ処理を行なった上
でそれ以降の生体試料の吸光度変化を測定する。

吸光度がＯでない既知吸光度の標準は、光散乱体からな
る光入力部と、光散乱体からなる光出力部と、両部を結
び減光機能を有する結合部とを備えたものである。

（作用） 吸光度が０でない既知吸光度Ａ。の標準に対する吸光度
のオートゼロ処理は、その吸光度標準を測定装置に接続
したときのＡ／Ｄ変換変換比力■ｏをメモリに記憶させ
ておき、それ以降の生体未知試料の信号工に対し、 Ａ＝　　Ｑｏｇ（Ｉ／Ｉ。） が出力されるようにしておくことである。すなわち、未
知試料に対する信号Ｉが、■。に等しいとき、Ａ＝Ｏが
出力されるはずなので、この処理をオートゼロと呼ぶこ
とにする。

さらに、オートゼロ処理には、例えば第７図に示される
ゲイン自動設定器５８の調節も含まれる。

吸光度標準の出力がＡ／Ｄ変換器６４のフルスケールを
越えない範囲の適度の大きさとなるようゲイン設定が自
動的に実行された後に、Ａ／Ｄ変換器６４よりあられ九
る出力を■。として記憶する。

この場合の測定値がＡのとき、その試料の吸光度絶対値
はＡ。十人となる。この方法により未知試料の吸光度絶
対値Ａ０＋Ａを求めることが可能である。

次にさらに別の方法が考えられる。

経時変化する未知試料の測定を念頭に置くと、既知吸光
度Ａ。の吸光度標準によってオートゼロ処理を行ない、
その状態で未知試料の初期値の吸光度Ａｓを求め、その
未知試料に対して再度オートゼロ処理を行なったとき、
その後の未知試料の吸光度変化量をΔＡとすると、その
試料の現時点の吸光度絶対値はＡ。＋Ａｓ＋ΔＡとなる
。このときのゲインは２回目のオートゼロ処理操作に伴
って未知試料の吸光度に応じて定まる。

吸光度標準の吸光度と未知試料の吸光度がほぼ等しい場
合にはオートゼロ処理操作に伴って定まるゲインは同程
度になるので、後者のようにわざわざ２回のゲイン自動
調整を行なう効果はない。

しかし、実際には吸光度標準と未知試料との吸光度差が
大きい場合がある。例えば、吸光度標準の吸光度が４で
、未知試料の吸光度が６である場合には、未知試料の方
が吸光度標準に比べて吸光度２だけ大きい、すなわち、
光量が・１／１００Ｌが得られない。したがって、吸光
度４の吸光度標準でオートゼロ処理を行なってゲインを
設定した後、そのままで未知試料を測定すると、１／１
００のレベル内の変化をＡ／Ｄ変換することになるので
分解能が減少し、微小な変化が得られなくなる。

後者の方法では、吸光度Ａ。の吸光度ｍｓに対する未知
試料の吸光度初期値Ａｓを定めた後、もう−度オートゼ
ロ処理を行なって自動ゲイン調節をしてゲインを１００
倍にした後のＡ／Ｄ変換値を基に未知試料の吸光度変化
量ΔＡを測定するので、Ａ／Ｄ変換部のフルスケール−
杯に利用でき、精度がよくなる。吸光度絶対値はＡ。＋
Ａｓ十ΔＡであり、Ａ　Ｏ＋　Ａ　ｓの測定精度は前者
の場合と同じであるが、吸光度変化量ΔＡの測定精度が
良いので、吸光度変化量ΔＡのみを拡大して表示するの
に意義がある。

測定結果の表示様式としては、絶対値表示（Ａ　、　十
Ａ　ｓ十ΔＡ）と高精度な変化量表示ΔＡがあり、これ
らは両者同時又は選択して表示することができる。

（実施例） 第１図は本発明で用いられる吸光度標準の一例を表わす
。

２は光入力部であり、直径が約２０　ｍ　ｍの球体の内
部が硫酸バリウムなどで白色塗装されたものである。光
入力部２は光入射用の開口を有し、その開口には光ファ
イバなどの送光側ライトガイド４の送光部４ａが取りつ
けられて光が照射される。

その照射光６は拡散性であり、光入力部２の球体内面で
散乱する。８は光出力部であり、光入力部２と同じ大き
さの球体であり、その内部も硫酸バリウムなどで白色塗
装されている。光出力部８には光を取り出すための出口
開口が設けられており。

その出口開口には光ファイバなどの受光側ライトガイド
１０の受光部１０ａが取りつけられる。光出力部８で散
乱した拡散光１２は受光側ライトガイド１０に入射する
。

光入力部２と光出力部８の間には円筒状の結合部１４が
設けられており、結合部１４には減光用仕切板１６．１
８が差し込まれている。仕切板１６．１８には減光度を
調節するための穴があけられており、その穴の大きさと
数は１０−４〜１Ｏ−７（Ａｂｓ４〜７）の手頃な減光
度が得られるように設定されている。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は仕切板１６．１８の例を表わし
たものであり、穴２０の大きさと数により減光度を調節
している。

第３図は他の吸光度標準の例を表している。これは、送
光部３４と受光部３８が使いやすいように一体化された
ものである。送光部３４には光源として半導体レーザや
ＬＥＤなどの発光素子３６が設けられている。受光部に
は受光素子４０として例えばシリコンフォトダイオード
が設けられ。

その検出信号を増幅するためにプリアンプ４２が設けら
れている。送光部３４と受光部３Ｂが一体となり、発光
素子３６と受光素子４０の間隔Ｑが固定されているので
、この場合の吸光度＄＄ｌａはその光入力部２と光出力
部８の間隔も送光部３６と受光部４０の間隔Ｑに等しく
なるように設定される。間隔Ωは例えば４ｃｍである。

第４図はさらに他の吸光度標準の例を表している。

この場合、送光部３４が１個で送光部３４の発光素子３
６からの間隔の異なる２個所にそれぞれ受光部３８ａ、
３８ｂが設けられ、それぞれにシリコンフォトダイオー
ドなどの受光素子４０ａ。

４０ｂが設けられている。光源３６から第１の受光素子
４０ａまでの間隔はＱ□であり、第２の受光素子４０ｂ
までの間隔はＱ１＋Ｑ２である。Ｑ□。

Ｑ２はそれぞれ例えば３ｃｍである。送光部３４と２つ
の受光部３８ａ、３８ｂは一体化されており、間隔Ω１
．Ｑ２は固定されている。このような送光部３４と受光
部３８，３８ｂに対応するように、吸光度標準１ｂは１
個の光入力部２と２個の光出力部８ａ、８ｂを備え、光
入力部２と第１の光出力部８ａの間は結合部１４ａで連
結され、第１の光出力部８ａと第２の光出力部８ｂの間
は結合部１４ｂで連結され、各結合部１４ａ、１４ｂに
それぞれ減光用仕切板４２ａ、４２ｂが設けられている
。

第３図又は第４図では測定装置の送光部に光源が直接設
けられ、受光部に光検出器が直接設けられているが、一
方又は両方がライトガイドを介して測定装置内に設けら
れた光源や光検出器と結合されているものであってもよ
い。

これらの吸光度標準は測定装置とは別に構成されている
が、測定装置の一部として組み込ま九でいてもよい。

上記の吸光度標準の結合部に設けられている減光用仕切
板は単に穴があけられているだけであるので、波長依存
性をもっていない。それに対し、試料に近い波長特性に
するために、仕切板の穴にフィルタを取りつけて所望の
波長特性をもたせることができる。また、仕切板に複数
の穴を設け、それらの穴に異なる特性のフィルタを設け
ることにより波長特性を調節することができる。

本発明で用いられる吸光度標準は第１図から第４図に示
された形状のものに限定されるものではなく、例えば光
入力部と光出力部を独立した球体とするのではなく、１
つの球体を仕切板で仕切り、その仕切板に減光用の穴を
設けたものであってもよい。

また減光用の穴のかわりにメツシュフィルタなど減光率
を自在に規定できる減光素子を用いてもよい。

次に、本発明の測定方法について説明する。

まず、この吸光度標準の検定（値付け）方法を示す。検
出器としては第５図（Ａ）に示されるように、積分球２
２とシリコンフォトダイオード２４を組み合わせた積分
球型検出器を用いる。この積分球型検出器に送光側ライ
トガイド４の出力光を直接受光したときの出力をｉｏ（
λ）とする。

次に、同図（Ｂ）に示されるように、送光側ライトガイ
ド４を吸光度標準１の光入力部２に取りつけ、光出力部
８には積分球型検出器を取りつける。この吸光度標準１
を介して受光したときの出力をｊ（λ）とする。（Ａ）
での出力ｉｏ（λ）と（Ｂ）での出力ｉ（λ）の比Ｔ（
λ）がこの吸光度標準による減光率であり、 Ｔ（λ）＝ｉ（λ）／ｉｏ（λ） である。減光率Ｔ（λ）は波長λによって多少変わる可
能性があるので、波長λの関数として表わされている。

吸光度値は −ｌｏｇ　Ｔ　（λ） である。

このようにして検定された結果、例えば３波長λ工（７
８０ｎｍ）、λ２（８０５ｎｍ）及びλ３（８３０ｎｍ
）に対してそれぞれの吸光度がＡｏλ０．Ａ（、λ２．
Ａ０λ３と求まる。通常、吸光度標準作成時にこの値付
は作業を行なっておき、検定値を用いて測定を行なう。

次に、この吸光度標準１を用いて吸光度原点較正を行な
い、実測を行なう場合の例を第６図と第７図により説明
する。

測定装置は第７図に示されている。５２−１゜５２−２
．５２−３は各波長の光源、５４は光源駆動部である。

光源５２−１．．５２−２．５２−３からの光は送光用
ライトガイド４から被測定体（患者）５０又は吸光度標
準１に導かれ、被測定体５０又は吸光度標準１からの散
乱光は検出器５５により検出される。検出された信号は
ブリアンプ５６で増幅された後にゲイン自動設定器５８
に導かれる。６０−１．６０−２．６０−３は３波長に
対するアナログ信号を分別して保持するサンプルホール
ド部、６２は各波長のアナログ信号を選択してＡ／Ｄ変
換器６４に送るマルチプレクサ、６６は演算部、６８は
表示部である。７０は制御部であり、光源駆動、増幅、
ゲイン設定、サンプルホールド、Ａ／Ｄ変換、演算処理
、表示などを制御する。光源５２−１．５２−２．５２
−３は３波長λ１．λ２．λ、について順に例えば１サ
イクル１１５０秒で点灯し、その測定信号をサンプルホ
ールド部６０−１．６０−２．６０−３で分割する。

第６図は較正を表わしたものである。

吸光度標準１の光入力部に送光用ライトガイド４の先端
の送光部を取りつけ、光出力部に検出器５５を取りつけ
た状態で、測定装置のオートゼロ処理をおこない、ゲイ
ンの自動設定を行なう。

ゲイン自動設定器５８には３波長の信号が通過するので
、そのゲインをどの波長で定めるかについてはいくつか
の方法がある。例えば、３つの信号■λ１．Ｉλ２１　
　Ｉλ３のうち最も大きい信号に対してゲインを定める
。また、別の方法として、３つの信号工λｉｔ　Ｉλ２
１　Ｉλ３の平均に対して最適なゲインとなるように設
定してもよい。

次に、第７図に示されるように測定対象の患者５０に対
して送光用ライトガイド４の送光部と検出器５５とを装
着し、３波長で測定して吸光度Ａ□、Ａ２．Ａ３を得た
とすると、吸光度絶対値は吸光度標準１による値付は値
を加算して、Ａλ□＝Ａ、λ１＋Ａ□ Ａλ２＝Ａ、λ２＋Ａ２ Ａλ３＝Ａｏλ３＋Ａ３ として求めることができる。

吸光度標準に対して自動ゲイン設定を含む吸光度のオー
トゼロ処理を行なった上で被測定体５０の初期値の吸光
度Ａｓλ１．Ａｓλ２．ＡＳλ、を測定した後、その被
測定体５０の初期値に対して再び自動ゲイン設定を含む
吸光度のオートゼロ処理を行なった上でそれ以降のその
被測定体５０の吸光度変化ΔＡλ１．ΔＡλ２．ΔＡλ
３を測定した場合の吸光度絶対値は吸光度標準１による
値付は値を加算して、 Ａλ□＝　Ａ　６λｚ　＋　Ａ　ｓλ□十ΔＡλ１　　
（４）Ａλ２＝Ａ、λ２＋Ａｓλ２＋ΔＡλ２　　（５
）Ａｌ１　＝　Ａ　ｏλ３　＋Ａ　ｓλ３＋ΔＡλ、　
　（６）として求めることができる。

酸化ヘモグロビン量［ＨｂＯ２］、還元ヘモグロビン量
［Ｈｂ　］の演算は、例えば、引例の「人工臓器Ｊ　１
９，５３５〜５３８　（１９９０）に示されているよう
に、各波長での吸光度Ａλ□、Ａλ２゜Ａｌ１に係数を
かけて加えた一次結合となるので、絶対量としては、 ［Ｈｂ　Ｏｚコ　＝によＡλ１＋に２Ａ　λ２＋に、Ａ
ｌ１　　　　　　　　　（７）変化量としては、 Δ［Ｈｂ○２コ　＝に工ΔＡλ、十に２ΔＡλ２＋に３
ΔＡλ３　　（８）となる。（８）式は従来使われてい
る変化量に対する式である。

（７）式を（４）、（５）、（６）式を用いて書き直す
と、 ［ＨｂＯ２コ　＝　　［Ｋ□Ａ、λ、＋に２Ａｏλｚ＋
に３ＡＯλ３コ＋［Ｋ１Ａｓλ、＋に、Ａｓλ、十に３
Ａｓλ３］＋Δ［Ｈｂ○ｚ］　　　（９）となる。

（９）式の右辺第１項は吸光度標準だけで決まるので、
試料によらない定数になる。右辺第２項が最も重要な量
で、個々の被測定体（患者）の初期値の相違を示す量で
ある。

第８図は測定装置の他の例を表している。第７図の測定
装置は検出器５５として内部ゲインをもたないシリコン
ホトダイオードなどを用いた場合が対象になる。これに
対して、第８図の測定装置では、検出器として光電子増
倍管７２が用いられている。被測定体５ｏ又は吸光度標
＄１からの光はライトガイド１０を経て光電子増倍管７
２に導かれ、光電子増倍管７２の検出信号はプリアンプ
５６を経てサンプルホールド部６０−１．６０−２．６
０−３に送られる。

光電子増倍管７２は印加電圧によって定まる内部ゲイン
を有するので、「負高圧」による「内部ゲイン自動設定
」となる。第７図の測定装置とはゲイン調節の順序が異
なるが、原理は同じである。

（発明の効果） 本発明では吸光度がＯでない吸光度標準を用いるので、
吸光度標準による較正によって吸光度絶対値が得られる
。これにより、患者間の初期値の差が評価できるように
なる。

また、同一患者についても異なる測定日の差が評価でき
るようになる。

オートゼロ処理を吸光度標準と被測定体についてそれぞ
れ行なうことにより、吸光度絶対値とともに吸光度変化
量が得られ、しかも吸光度変化量の測定精度がよくなる
。

吸光度絶対値と吸光度変化量の両者の同時表示又は一方
の切換え表示を行なうことができるようにすれば、便利
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する吸光度標準の一例を示す断面
図、第２図は同吸光度標準で用いられる減光用仕切板の
例を示す平面図、第３図及び第４図はそれぞれ他の吸光
度標準の例を示す断面図、第５図は本発明における吸光
度標準の検定を説明する図であり、（Ａ）は検出器に直
接光入射させた場合を示す断面図、（Ｂ）は吸光度標準
にその検出器を装着した状態を示す断面図、第６図は本
発明における較正方法を示す図、第７図は本発明にお【
づる測定方法を測定装置とともに示すブロック図、第８
図は他の測定装置の要部を示すブロック図である。 １、ｌａ、ｌｂ・・・・・・吸光度標準、５０・・・・
・被測定体、５２−１．５２−２．５２−３・　・光源
、５８・・・・・ゲイン自動設定器、６６・・・・演算
部、６８　・表示部、７０・・・・・制御部、７２・・
・・・・光電子増倍管。 特許出願人　株式会社島津製作所

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸光度が０でない既知吸光度の標準に対して自動
   ゲイン設定を含む吸光度のオートゼロ処理を行なった上
   で生体未知試料の吸光度を測定する光測定方法。
2. （２）吸光度が０でない既知吸光度の標準に対して自動
   ゲイン設定を含む吸光度のオートゼロ処理を行なった上
   で生体未知試料の初期値の吸光度を測定した後、その未
   知試料の初期値に対して再び自動ゲイン設定を含む吸光
   度のオートゼロ処理を行なった上でそれ以降のその未知
   試料の吸光度変化を測定する光測定方法。
3. （３）未知試料の吸光度絶対値と吸光度変化量を同時に
   又は任意に選択して表示できる表示部を備えた請求項１
   又は２に記載の光測定方法。