JPH0712355B2 - カテ−テル・オキシメ−タ−用エレクトロ・オプチカル・モジユ−ル - Google Patents

カテ−テル・オキシメ−タ−用エレクトロ・オプチカル・モジユ−ル

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JPH0712355B2 JP61248537A JP24853786A JPH0712355B2 JP H0712355 B2 JPH0712355 B2 JP H0712355B2 JP 61248537 A JP61248537 A JP 61248537A JP 24853786 A JP24853786 A JP 24853786A JP H0712355 B2 JPH0712355 B2 JP H0712355B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、カテーテルオキシメトリーシステムにおいて
カテーテルをプロセツサーに接続するオプチカル・モジ
ユールに関し、さらにそれは患者が一個所から他の個所
に移されるにつれて、そう入されたカテーテル及び患者
とともに残りうる、運搬が容易なタイプのオプチカル・
モジユールに関する。
（従来の技術及びその欠点） カテーテルオキシメトリーシステムは、マルチプル波長
反射分光測光を用いて、混合した静脈中の酸素の飽和度
の正確な連続したリアル・タイムの測定をもたらす。赤
血球の色は、赤血球の細胞が運んでいる酸素の量が減少
するにつれて、スカーレツトからパープルへ段々に変化
する。異なった選択された波長の光が血液を照らすと
き、それぞれの波長で後方散乱される即ち反射される光
の量は、色に依存し、それ故血液の酸素の量に依存す
る。透過光の波長を注意して選ぶと、他の血液の特性例
えば温度、pH及びヘマトクリツトによる干渉を最小にし
て、酸素化されてヘモグロビンを正確に測定することが
出来る。
血液中の酸素の約98％が、赤血球細胞中のヘモグロビン
と化学的に結合している。赤色及び赤外線の光の吸収
は、酸素化されたそして脱酸素化されたヘモグロビンに
ついて実質的に異なり、そしてそれはこの赤／赤外のス
ペクトル内の異なった波長の光について変化する。それ
故、血液中の酸素化されたヘモグロビン及び脱酸素化さ
れたヘモグロビンの相対的な量は、異なる選択された波
長の光の相対的吸収を測定することにより、測定されう
る。酸素化された形にあるヘモグロビンの％は、式 （式中HbO2は酸素化されたヘモグロビン濃度であり、そ
してHbは脱酸素化されたヘモグロビン濃度である）にお
いて血液の酸素飽和度として規定される。
広く用いられているカテーテルオキシメトリーシステム
は次の三つの基本的な成分よりなる。デイスポーザブル
なフアイバーオプチツク肺動脈カテーテル（１）であつ
て、それは患者の静脈又は動脈内にそう入されるように
適合された末端を有し、さらにその他端で、発光ダイオ
ード、光検出器及び付属電子機器を含むオプチカル・モ
ジユール（２）に接続し、さらに（２）はコンピユータ
を基にした装置（デイプレイ、アラーム及び付属読み取
り装置を有するデータ・プロセシング及びコントロール
機能のすべてを行う）（３）の電気リード線と接続して
いる。
前述のシステムにおけるオプチカル・モジユールは、従
つてプロセツサー（すべての電子的処理及び計算が行わ
れる）並びにカテーテル［個々の光のパルスについての
透過ガイド並びに患者の血液からの後方散乱（反射）さ
れた光についての受理ガイドとして働く］の間の電気光
学的接続をもたらす重要なパートを行う。オプチカル・
モジユールは、その内に複数（例えば３種）の発光ダイ
オードを有する囲み又はハウジングよりなり、酸素飽和
度の測定を行いうる選択された波長の別々の光源を用意
する。それぞれLED源からの光は、カテーテルのコネク
ター末端で透過光ガイドにより、処理装置からの電気信
号のコントロールの下で、短いパルスで連続的に透過さ
れて、他端でカテーテルの先端を流れ去る血液を照ら
す。この照らされた光は、血液により吸収され、屈折さ
れそして反射され、さらに反射された光の一部は、カテ
ーテルの先端の第二の受理光ガイドの隙間により集めら
れている。この集められた光は、カテーテルを通ってオ
プチカル・モジユールの光検出器へ戻される。光検出器
は、これらの受理光信号を電気信号に転換し、それらは
増幅されそしてモジユールへの電気的接続を経て処理装
置へ伝えられる。種々の異なる波長の光のレベルを代表
する信号の相対的強度を用いて、プロセツサーは酸素飽
和度を計算し、そしてこの情報をユーザーへ出力する。
血液中の後方散乱光から集められる実際の光の量が極め
て低く、そして異なった波長の相対的強度の差が小さい
ので、光学システムにおける変量は極めて不安定であ
り、そのためオプチカル・モジユール／カテーテルの組
合わせは、それが用いられるそれぞれのときに注意深く
較正されねばならず、それにより使用しうる出力の読み
をもたらすために、或る標準に標準化される。例えば、
それぞれの光ガイドの透過性の差及びLEDの信号出力の
差は、かなり相対的信号のレベルに従って最後の計算に
影響する。
前述の問題を解決するために、カテーテルをプロセツサ
ー／オプチカル・モジユールの組合わせに付着させ、そ
れに光信号を発生させそして或る周知の標準参考材料例
えば参考ブロツク（カテーテルと一緒にされていてもよ
い）から戻る反射された光信号を受理することにより、
カテーテルの較正の読みを先ず行うことが、従来行われ
ている。この情報は、プロセツサーに残り、患者の血液
の状態をモニターしている医者又は看護婦に正確且つ有
用なデータをもたらすために、それがオプチカル・モジ
ユールから受理する出力の読みを調整するのに用いられ
る。しかし、患者が病院の１個所から他の個所に移る、
例えば手術室から回復室へ又は回復室から病室へ移るこ
とは、しばしば生ずるが、その場合カテーテル／オプチ
カル・モジユールの組合わせは患者とともにあるが、そ
れぞれの異なった場所では異なったプロセツサーがこの
ような組合わせにより用いられる。これが生ずると、新
しいプロセツサーは関連のある較正の情報を有しないの
で、全く新しい較正が得られねばならず、オキシトメト
リーのシステムの使用の順応性を害しそして病院におけ
る時間及びコストのロスを生じさせる。
（発明の概要） 本発明によれば、カテーテルオキシメトリーシステムに
おけるフアイバーオプチツクカテーテルとカテーテルオ
キシメーター処理装置との間の電子光学的カツプリング
として働くオプチカル・モジユールが提供される。モジ
ユールは、露出された透過及び受理光ガイドを有するカ
テーテルの一端を、光を通さない係合状態で受理する、
囲まれたハウジングを含む。モジユールは、又処理装置
からの複数の電気リード線について適当な接続を受理し
そしてもたらすように適合される。電気リード線からの
適切なコントロール信号を受理し、そしてカテーテルの
透過光ガイドへの方向へ複数の異なる波長の光信号を発
生する手段が、ハウジング中に設けられる。又受理光ガ
イドからの反射された光信号を受理し、そして電気リー
ド線への接続のためこれらを電気信号に転換し、さらに
処理装置により処理する手段が提供される。
本発明のオプチカル・モジユールの重要な特徴は、ハウ
ジング中に位置しそして電気リード線に接続されたメモ
リーであり、それは、この装置がシステムの最初の調整
中にモジユール／カテーテルの組合わせを較正した後
に、処理装置からの較正信号を受理しそして貯蔵しう
る。この構成により、患者が病院内を移動するにつれ
て、モジユールについて残るこの特別な組合わせの要素
に関する較正とともにカテーテル及びオプチカル・モジ
ユールは、患者とともに残り、モジユールが異なった処
理装置に再接続されたとき、さらに較正を行う必要はな
い。従って、本発明は、従来の技術の同様なモジユール
及びオキシメトリーシステムよりも、一層有効に病院の
時間及び人員を用いることができる。
第１図は、本発明を具現しているオプチカル・モジユー
ルを含むカテーテルオキシメトリーシステムの破断透視
図である。
第２図は、ハウジング内の部品を見せるために上方のハ
ウジングの半分を除いた、オプチカル・モジユールの平
面図である。
第３図は、オプチカル・モジユールの本体内に位置する
回路構成及び部品の接続を示す概略図である。
第１図に関し、一般に10で示されるカテーテルオキシメ
トリーシステムは、プロセツサー12、オプチカル・モジ
ユール14及びフアイバーオプチツクカテーテル16を含む
と示される。カテーテルは、その一端にオプチカル・コ
ネクター・プラグ18（オプチカル・モジユール中の結合
レセプタクル20にすべり入るように適合されている）を
有する。蝶番をつけさらにスプリングのついたカバー22
は、カテーテルのオプチカル・コネクター・プラグを、
レセプタクル内の固定したしかも一般に光の通らぬ位置
に保持する。オプチカル・モジユールそれ自体は、下半
分24及び上半分26（ともに伝達及び受理のための光から
電気への接続がその内でなされる囲みを形成する）によ
り形成されるハウジングを有する。これらの半分は、モ
ジユールの組立て中に一緒に緊密にクランプされて、そ
の内部に用意される空間は、モジユールの種々のエレク
トロ・オプチカル部品を設けそして維持するのに適当で
ある。オプチカル・モジユールは、ケーブル28（分かる
ように、複数の電気リード線を含む）により、プロセツ
サーに電気的に接続される。
第２図（その上半分を除いたオプチカル・モジユール14
を示す）を見ると、ケーブル28からの電気リード線29
は、プリント回路ボード30（これは第２図では単に概略
的に示されている）に接続されていることが分かるだろ
う。
３個のLED光源32は、異なった波長の光信号パルスを出
し、そのパルスは、カテーテルに伝達されるように、順
番に並べられそして配列される。これらのパルスされた
光源のコントロールは、電気リード線29［プリント回路
ボード30を経てリード線34（第２図に示される）及びア
ース帰線36へ接続される］により、プロセツサー12によ
りなされる。LEDのそれぞれは、その光を個々のコンジ
ツト38へ透過し、そして個々の光コンジツト38は、シン
グルフアイバーオプチツク光ガイド39（囲まれたレセプ
タクル20の内壁における露出した末端面39aへ伸び、そ
こでそれはカテーテルのプラグ18の透過フアイバーの露
出した末端と光学的に接続されるように適合される）
へ、均一に一緒に集められる。LED及び接続接点は、そ
れ故ボード40（オプチカル・モジユール内のヒートシン
クブロツク42に固定される）に取り付けられる。LED光
源32及びその操作法の他のしかも一層完全な記述につい
ては、米国特許第646,794号明細書を参照されたい。
又回路ボード30に取り付けられるのは、光検出器44（入
力オプチカル光パイプ46を受理する）があり、そのパイ
プは光ガイド39と同様に、レセプタクル20内の露出され
た位置から伸びるように配列され、レセプタクルにおい
て、プラグがオプチカル・モジユールへそう入されたと
き、プラグ18のシングル受理フアイバーと接触しうる。
プリント回路ボード30に見い出される回路構成は、第３
図に概略的に示される。従つて、光検出器44からの電気
信号は、プロセツサー12へ伝達されるため増幅器48で増
幅される。プロセツサーは、又LED32へ一定時間に発生
するようにされた信号パルスをもたらし、それらは線34
（第２図）のボードからの出力である。加熱装置50が設
けられて、取り付けブロツク42を加熱してLED32を一般
に均一な温度に保つ。これは必要である。その理由は、
それから回収される光の相対的％が極めて小さく、そし
て異なった波長の反射度の差（測定が依存する）が相対
的に小さいので、LEDからの出力信号が出来る限り均一
でなければならずさらにドリフトが許されないからであ
る。第３図から分かる様に、ヒータードライブ回路52
は、加熱装置をドライブするのに設けられ、そしてサー
ミスター54はLEDの隣に取り付けられて、それらの温度
がモニターされる。
オプチカル・モジユール14が、メモリー中に情報を貯蔵
し維持する能力を有し、特にオプチカル・モジユール及
びカテーテルの組合わせの較正定数がモジユールに直接
貯蔵されうることが、本発明の重要な特徴である。この
ような能力により、新しいプロセツサーが、システムの
較正の要なく、モジユールへつけられる。従つて、EE−
プロム（prom）集積回路チツプ60が、第３図に示される
ように設けられる。このメモリーチツプは、代表的には
比較的ロー・コストの部品よりなり、そして12種以内又
はそれ以上の貯蔵容量を有し、読み／書き／消去する操
作を提供し、従来の論理回路構成及びパワー・レベルに
匹敵し、さらにボラタイルしない消去及び書く能力を有
し、そのためメモリーについて別々のパワー・サプライ
を必要としない。この基準を満足するチツプは、カリフ
オルニア州、サンタ クララのナショナル・セミコンダ
クター・コーポレーシヨン（National Semiconductor C
orporation）により製造されるNMC9345/COP495である。
メモリーチツプ60は、最初の計算がオプチカル・モジユ
ール／カテーテルの組合わせを較正するためになされた
後で、プロセツサー12からプログラムされるようにされ
る。一度適切な計算が行われると、チツプ選択ライン62
が、チツプ60が入って来るデータを受け入れる状態に上
げられる。次に、クロツクライン63及びデータライン64
が用いられて、情報をチツプにロードする。データライ
ン64はトランジスター68に結合されて、それがライン65
の信号レベルに応じてメモリー60からトランジスターベ
ースへの情報をロードしたりロードをやめたりするのに
用いられることに注目すべきである。従来のRC回路が設
けられ、ライン62,63及び64のそれぞれの入力を平滑に
し、そしてヘツクス・シユミツト（Hex Schmidt）トリ
ガー・バツフアリング装置66が設けられて、プロセツサ
ー回路構成からチツプを絶縁する。コンデンサー67がメ
モリーチツプを横切って設けられて、必要なときにメモ
リーに適切な過渡電流をもたらす。
LED32からの判旨やされた光強度に基づいて酸素飽和度
を測定するのに、プロセツサー12が用いる計算法は、
（1983年２月16日に出願されたジヨン・エム・スペリン
ド（John M. Sperinde）の米国特許願第467,087号明細
書に示されており、それはプロセツサーによりなされる
処理及び計算の他のそして一層完全な記述のために、参
考文献として引用される。即ち、３個のLED32が用いら
れ、光は670ナノメーター（I1）,700ナノメーター
（I2）及び800ナノメーター（I3）の波長でもたらされ
る。LEDはプログラムされて、短いパルスで連続的に光
をカテーテルのシングル透過フアイバーへ透過し、そし
てカテーテルからの受理された信号を処理する回路構成
は、それに応じて一定時刻に作動するように仕組まれ
て、異なる反射された光のビームI1,I2又はI3）の間を
区別する。測定がなされるとき受理した光の強度を相違
する効果を除去するため、受理された光のビームの比
は、I3及びI2の反射された強度の比を示すR3並びにI1及
びI2の反射された即ち後方散乱された強度の比を示すR1
について、すべての計算を行うために用意される。酸素
飽和度（SO2）は、次に（どこで採られたかそしてレベ
ルが何であるかに応じて） （式中、定数A0,A1,B0,B1,B2,B3,C0,C1,C2及びC3は実験
的に誘導される）の何れかとして計算され、そしてプロ
セツサー回路構成にセツトされる。
既に説明されるように、有用な出力情報をもたらすのに
受理された光のレベルの極端な強度により、それぞれの
調整（カテーテル及びオプチカル・モジユールを含む）
は較正されて、プロセツサー12により計算される出力情
報即ち血液中の酸素飽和度は、システムのユーザーに正
確且つ有用な情報をもたらすべきである。即ち、カテー
テル16がオプチカル・モジユール14にプラグインされた
とき、特定の調整の相対的反射度をテストするために、
周知の反射度特性を有する較正装置例えば参考ブロツク
を用いることが、通例行われている。即ちプロセツサー
・モジユール及びカテーテルを結びつけそして参考ブロ
ツクをカテーテルのリード末端へ付着させるとき、反射
された光の強度及びそれから計算された比R1及びR3が、
プロセツサーにより読みとられる。プロセツサーはセツ
トされて、参考ブロツクの反射度のR1及びR3の予想され
た読みは、単一となるだろう。それによりR1及びR3の実
際の読みの逆数は、較正フアクター（後で得られた実際
の読みを掛けられる）となり、そしてもしオプチカル・
モジユール及びカテーテルの組合わせがプロセツサーか
らはずされて異なったプロセツサーに用いられるなら
ば、それはこれらのフアクター（メモリーチツプ60にロ
ードされそして後の使用にその中に貯蔵される）であ
る。
メモリーチツプ60は、多数の他の有用な情報を貯蔵する
ようにされる。例えば、もしカテーテルが長期間用いら
れるならば、多数の較正の読みを得ることは通常行われ
ることである。それは、貯蔵されたものが例えば較正チ
ツプを形成し、それは予想されない方法で受理された光
のレベルを変化させよう。即ち、別々の較正はメモリー
チツプに貯蔵されそして現在の較正の読みと比べられ
て、新しい読みにおける顕著な変化又は誤差の発生を測
定する。さらに、較正の読みがなされたとき、較正され
た比並びに較正時の計算された酸素飽和度のレベルは、
メモリーチツプに貯えられ、一方プロセツサーは較正フ
アクターを計算する。さらに、受理されたビームのそれ
ぞれからの平均の強度信号（I1,I2又はI3）は、セーブ
されそしてメモリーチツプに貯えられ、任意の受理され
たビームの高いそして低い信号の間の差は、又貯蔵され
る。これらの最後のビツトの情報は、これらの差又は平
均の信号の値がかなり変わるとき誤差が生ずるかもしれ
ないかどうかを確かめるのに有用である。最後に、従来
のチエツク合計値は貯えられて、メモリーチツプのデー
タの信頼度のチエツクとして働く。
本発明を行うのに考えられる最良の態様が示され記載さ
れたが、本発明の主体と思われるものから離れることな
く、修飾及び変法がなされることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を具体化しているオプチカル・モジユ
ールを含むカテーテルオキシメトリーシステムの破断透
視図であり、第２図は、ハウジング内の部品を明らかに
するためにハウジングの上半分が除かれたオプチカル・
モジユールの平面図であり、第３図は、オプチカル・モ
ジユールの本体内にある回路構成及び部品の接続を示す
概略図である。 10……カテーテルオキシメトリーシステム、12……プロ
セツサー、14……オプチカル・モジユール、16……カテ
ーテル、18……オプチカル・コネクター・プラグ、20…
…レセプタクル、22……カバー、24……ハウジングの下
半分、26……ハウジングの上半分、28……ケーブル、29
……電気リード線、30……プリント回路ボード、32……
LED光源、34……リード線、36……アース帰線、38……
光コンジツト、39……フアイバーオプチツク光ガイド、
39a……末端面、40……ボード、42……ヒートシンクブ
ロツク、44……光検出器、46……オプチカル光パイプ、
48……増幅器、50……加熱装置、52……ヒータードライ
ブ回路、54……サーミスター、60……EE−プロム集積回
路チツプ、62……チツプ選択ライン、63……クロツクラ
イン、64……データライン、65……ライン、66……ヘツ
クス・シユミツト・トリガー・バツフアリング装置、67
……コンデンサー、68……トランジスター。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】カテーテル・オキシメーター処理装置へフ
    ァイバーオプチックカテーテルをカップリングするオプ
    チカル・モジュールにおいて、該モジュールが 透過光ガイド及び受理光ガイドを含むファイバーオプチ
    ックカテーテルの末端を、その中で光を通さない係合状
    態で受理する囲まれたハウジング、 該カテーテル・オキシメーター処理装置からの複数の電
    気リード線を受理する、該ハウジング内の手段、 該電気リード線からのコントロール信号を受理し、さら
    に複数の異なった波長の光信号を該透過光ガイドへ透過
    する、該ハウジング中の手段、 該受理光ガイドからの血液反射光信号を受理しさらにそ
    れを代表する電気信号を該電気リード線に供給する、該
    ハウジング中の手段、 そして該ハウジング中に位置しそして該電気リード線に
    接続して、該モジュール及びカテーテルの組合わせの最
    初の使用に当たり該処理装置から較正信号（該較正信号
    はモジュール及びカテーテルの電気光学的性質を示す）
    を受理し、それにより該モジュール及びカテーテルが、
    該ハウジングから該電気リード線を除去することによっ
    て、該処理装置からの接続をはずされそして再較正を要
    することなく異なった処理装置に用いられるメモリー貯
    蔵装置 よりなるオプチカル・モジュール。
  2. 【請求項２】該メモリー貯蔵装置が電子的に消去しうる
    PROMよりなる特許請求の範囲第１項記載のオプチカル・
    モジュール。
  3. 【請求項３】該メモリー貯蔵装置が、シングルデータラ
    イン並びに該PROMの入力ライン及び出力ラインの間の該
    データラインをスイッチするために該データラインに接
    続された電子スイッチにより、該電気リード線に接続さ
    れている特許請求の範囲第２項記載のオプチカル・モジ
    ュール。
  4. 【請求項４】該電気リード線のノイズ及び他の信号レベ
    ル変動から該PROMを絶縁する手段を含む特許請求の範囲
    第２項記載のオプチカル・モジュール。
  5. 【請求項５】光信号を透過するための該手段が、シング
    ルモジュール透過光ガイドに沿って光を透過するように
    接続された複数のLED光源よりなり、そして血液反射光
    信号を受理ししかも電気信号を提供する該手段が、シン
    グルモジュール受理光ガイド及び光検出器よりなる特許
    請求の範囲第１項記載のオプチカル・モジュール。
  6. 【請求項６】該モジュール透過光ガイド及び該モジュー
    ル受理光ガイドが、ハウジング内の囲まれたレセプタク
    ルの一端に間隔を置いて向けられ、該レセプタクルは、
    カテーテル光ガイドの末端を含むプラグを受理するよう
    に適合された特許請求の範囲第５項記載のオプチカル・
    モジュール。
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