JPH10314151A

JPH10314151A - 吸光物質濃度計測装置の計測用プローブ

Info

Publication number: JPH10314151A
Application number: JP12392897A
Authority: JP
Inventors: Riichi Shiga; 利一志賀; Kazuhisa Tanabe; 一久田部; Eiichi Tomohara; 栄一智原
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 1998-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】生体の皮下組織（特に頭皮組織）の影響を受
け難く、被験者の姿勢や体動にかかわらず確実に計測で
きる吸光物質濃度計測装置の計測用プローブを提供す
る。【解決手段】発光ユニット４１及び受光ユニット４２
と、これらユニット４１，４２を収容した空気袋２１
と、空気袋２１を頭部に装着するためのベルト５０とを
備える。プローブを頭部に装着した状態で、空気袋２１
を加圧して発光・受光ユニット４１，４２を前頭部に押
圧し、頭皮６１を凹ませて、頭蓋骨６２内の脳組織６３
を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近赤外光を用いて
生体組織中のヘモグロビンのような吸光物質の濃度を非
侵襲的に計測する装置の計測用プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】その種の吸光物質濃度計測装置の一例と
して生体組織酸素計測装置の計測用プローブは、前頭部
等の計測部位にプローブをテープ等で貼付したり、ベル
ト等によって位置ずれを起こさないように装着したりす
るものが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
計測用プローブは上記のように生体に固定するため、例
えば脳組織を計測する場合、プローブの下にある頭皮組
織の影響を受ける。即ち、観測信号に脳内の組織からの
信号のみならず、頭皮の血液による光の吸収・散乱の信
号も混入するため、脳組織だけの計測信号の判別が困難
であること、頭皮での光吸収が多く、全体として計測感
度が低下してしまうこと等が、脳組織の計測において重
大な問題である。これは、特に頭部においては、プロー
ブと頭蓋骨との間に介在する頭皮組織に存在する血液
が、測定対象とする頭蓋骨内の脳組織よりプローブに隣
接するため、その血液密度が小さくても、その変化が全
体の信号に必然的に含まれ、脳組織での信号検出に大き
く影響するからである。このような問題は、近赤外光を
用いた体表からの組織酸素計測においては、連続光方
式、時間分解法等の方式によらず、それらに共通した大
きな問題である。

【０００４】又、例えば被験者が下を向いたような場
合、プローブが自重により皮膚から浮き上がって（皮膚
から離れて）、脳内の計測が不可能になってしまうこ
と、救急現場や運動中のモニタ等の大きな体動が生じる
場合、プローブの固定が不十分であること等の問題点が
ある。この発明は、そのような問題点に着目してなされ
たもので、生体の皮下組織（特に頭皮組織）の影響を受
け難く、被験者の姿勢や体動にかかわらず確実に計測で
きる吸光物質濃度計測装置の計測用プローブを提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の吸光物質濃度計測装置の計測用
プローブは、生体組織に光を照射する発光手段と、生体
組織からの反射光を受光する受光手段と、発光手段及び
受光手段をそれぞれ収容し、生体に対して発光手段及び
受光手段の押圧・押圧解除を行う圧迫固定具と、発光手
段及び受光手段を収容した圧迫固定具を生体に装着する
ためのベルトとを備えることを特徴とする。

【０００６】この計測用プローブは、発光手段及び受光
手段を収容した圧迫固定具をベルトにより生体に装着す
るものであり、生体に装着した状態で圧迫固定具により
発光手段及び受光手段を生体に押圧することができる。
従って、計測時には、発光手段及び受光手段が生体に押
圧されるので、生体の皮下組織（特に血液）の影響を受
け難くなると共に、被験者の姿勢や体動による発光手段
及び受光手段の位置ずれが起こり難く、吸光物質の濃度
を確実に計測することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。本発明の計測用プローブは、発光手段、
受光手段、圧迫固定具及びベルトを備えるが、まず圧迫
固定具の一例を図１の（ａ）に示す。この実施形態で
は、圧迫固定具として空気袋２１を使用し、空気袋２１
は、全体が四角形状で、発光手段を収容する凹部２１ａ
と、受光手段を収容する凹部２１ｂを有し、空気の出入
により膨張・収縮する。凹部２１ａ，２１ｂにそれぞれ
収容する発光手段及び受光手段は、図１の（ｂ）に示す
ように、それぞれ発光素子を有する発光ユニット４１及
び受光素子を有する受光ユニット４２として構成され、
発光ユニット４１と受光ユニット４２は例えばテフロン
シート４０に一体に固定され、それぞれリード線４１
ａ，４２ａが導出されている。なお、発光ユニット４１
を凹部２１ｂに、受光ユニット４２を凹部２１ａに収容
するようにしてもよい。

【０００８】図１の（ａ）の線Ａ−Ａにおける断面図を
示す図２において、空気袋２１は内部に空気室ａ，ｂ，
ｃを有し、空気室ａは発光ユニット４１を収容する凹部
２１ａに、空気室ｂは受光ユニット４２を収容する凹部
２１ｂに、空気室ｃは凹部２１ａ，２１ｂ以外の周辺部
にそれぞれ対応し、空気室ａ，ｂ，ｃはそれぞれ独立し
ている。従って、空気室ａ，ｂにそれぞれ空気を圧入す
れば、凹部２１ａ，２１ｂが膨張し、発光ユニット４１
及び受光ユニット４２がそれぞれ生体に押圧され、生体
に対する発光ユニット４１と受光ユニット４２の押圧力
を独立して調節することができる。空気室ｃは予め少し
膨らませておき、計測時に基本的に動かさないようにす
る。

【０００９】但し、通常は空気室ａ，ｂは共通圧力で良
いため、空気室ａ，ｂを連通させて、空気室ａ，ｂに空
気を同時に圧入してもよい。なお、空気室ａ，ｂの圧力
は、虚血を防ぐために平均動脈圧に比して高過ぎないよ
うに注意する必要があり、基本的には静脈組織圧より少
し高い位で良く、具体的には５０ｍｍＨｇ程度で十分で
ある。

【００１０】発光ユニット４１及び受光ユニット４２を
凹部２１ａ，２１ｂにそれぞれ収容した空気袋２１を生
体に装着するためのベルトは、図３に示すような形態で
ある。ここに示すベルト５０は、頭部用のもので、単な
る帯状のものではなく、後頭部に位置する部分が２つに
分かれており、頭部に対するベルト５０の固定・安定性
が良い。

【００１１】図１の（ｂ）のような発光ユニット４１と
受光ユニット４２の代わりに、図４に示す形態の発光ユ
ニット４６及び受光ユニット４７を使用してもよく、発
光・受光ユニット４６，４７のリード線４６ａ，４７ａ
の端部はコネクタ４８として一体化されている。この発
光・受光ユニット４６，４７は、図５のようなシート４
５の所定部分４５ａ，４５ｂに取付ければよい。

【００１２】上記発光ユニット４１、受光ユニット４
２、空気袋２１、ベルト５０で構成される計測用プロー
ブを備える吸光物質濃度計測装置の全体構成のブロック
図を図６に示す。この装置は、本体部３０とプローブ部
３１とからなり、プローブ部３１は、前記発光ユニット
４１（発光素子１）、受光ユニット４２（受光素子
２）、空気袋２１及びベルト（図示せず）で構成され
る。

【００１３】本体部３０には、プローブ部３１の空気袋
２１に係る押圧調整部２０が設けられている。押圧調整
部２０は、プローブ部３１の空気袋２１を加圧する加圧
モータ２２と、加圧モータ２２の作動を制御するモータ
ドライバ２３と、空気袋２１の圧力（生体に対する発光
・受光ユニット４１，４２の押圧力）を検知する圧力セ
ンサ２４と、空気袋２１の空気を排出するための排気弁
２５と、空気袋２１、加圧モータ２２、圧力センサ２４
及び排気弁２５を相互に連通する空気チューブ２６とで
構成される。空気袋２１の圧力は、ＣＰＵ７により制御
されたモータドライバ２３を経て加圧モータ２２により
制御される。

【００１４】発光ユニット４１の発光素子１の光量は光
量制御回路３で制御され、受光ユニット４２の受光素子
２からの受光信号は、増幅器４で増幅されてからＡ／Ｄ
変換回路５によりデジタル信号に変換され、ＣＰＵ７に
取り込まれる。光量制御回路３、増幅器４、Ａ／Ｄ変換
回路５、空気袋２１の圧力や計測結果等を表示するため
の表示回路８、血圧値等を入力するためのキー入力スイ
ッチ９、モータドライバ２３、排気弁２５は、それぞれ
ＣＰＵ７に接続されている。又、圧力センサ２４はＡ／
Ｄ変換回路５に接続されている。ＣＰＵ７にはメモリ６
が接続され、メモリ６に計測結果や空気袋２１の圧力等
が記憶される。

【００１５】更に、ＣＰＵ７には選択的に、ＲＳ−２３
２Ｃを介してホストパソコン１０が接続されると共に、
メモリカードインタフェイス１１を介してメモリカード
１２が接続される。ホストパソコン１０は、外部から被
験者の各種データ（血圧値等）を入力したり、装置全体
の動作を一括して制御したり、計測結果をディスプレイ
に表示したりする。メモリカード１２は、被験者の各種
データ（血圧値等）を記憶してある。

【００１６】上記装置のプローブ部３１（プローブ）を
被験者の頭部に装着した状態を図７に示す。プローブの
装着に際しては、空気袋２１に収容した発光・受光ユニ
ット４１，４２が前頭部に位置するように、ベルト５０
を頭部に巻付ける。ベルト５０の端部は、例えばベルト
５０に取付けたプラスチック製のベルト通し５１に通
し、ベルト５０を頭部に固定する。なお、ベルト５０を
より安定して確実に頭部に固定するために、ベルト５０
に補助ベルトとして顎紐５２を付けてもよい。

【００１７】プローブを頭部に装着した後に空気袋２１
を加圧した状態における要部拡大断面図を図８に示す。
図８において、加圧により空気袋２１が膨張すると、発
光・受光ユニット４１，４２が頭部側に押されて、頭皮
６１が発光・受光ユニット４１，４２により押圧され
る。頭皮６１下の頭蓋骨６２は堅いため、頭皮６１は発
光・受光ユニット４１，４２と頭蓋骨６２との間に挟ま
れ、強く圧迫され、圧迫部位が窪み、結果的に圧迫部位
の頭皮厚が薄くなる。そのため、この圧迫部位の血液が
押し出されると共に、発光・受光ユニット４１，４２と
頭蓋骨６２の内部の脳組織６３との距離が短くなり、発
光・受光ユニット４１，４２間の頭皮６１の部分を通過
する光も減少するので、頭皮６１内の血液の影響が抑制
され、より確実且つ効率的に脳組織６３を計測すること
ができる。

【００１８】しかも、プローブはベルト５０により頭部
に固定されていることと相まって、空気袋２１が膨張し
て、発光・受光ユニット４１，４２が前頭部に押圧され
ていることから、被験者の姿勢や体動によって発光・受
光ユニット４１，４２が位置ずれしたり、頭皮６１から
離れたりするようなことはなく、確実に脳組織６３を計
測できる。

【００１９】次に、上記装置の全体動作について、図９
のフロー図を参照して簡潔に説明する。勿論、計測に先
立ち、プローブは図７のように頭部に装着しておく。ま
ず、ステップ（以下、ＳＴと略す）１において、強制加
圧スイッチをＯＮにし、空気袋２１の加圧を開始する
（ＳＴ２）。又、キー入力スイッチ９、ホストパソコン
１０又はメモリカード１２により、被験者の血圧値を入
力する（ＳＴ３）と共に、押し圧（発光・受光ユニット
４１，４２が頭皮を押圧する力）を被験者の最高血圧値
の何％に設定するのか、その値を入力する（ＳＴ４）。
この入力された血圧値とパーセンテージに基づいて、空
気袋２１の内圧、即ち押し圧が決定される（ＳＴ５）。

【００２０】なお、図９のフロー図には示されていない
が、血圧値の入力や押し圧設定値の入力と共に、空気袋
２１の加圧を何分毎に解除するのか、加圧状態を維持す
る時間（加圧設定時間）をキー入力スイッチ９やホスト
パソコン１０により入力しておく。ＳＴ６では、圧力セ
ンサ２４で検知された加圧中の空気袋２１の圧力と、Ｓ
Ｔ５で設定された押し圧とが比較され、空気袋２１の圧
力が押し圧の設定値よりも小さいならば、即ち空気袋２
１の圧力が設定値まで達していないなら、加圧を続け
る。空気袋２１の圧力が設定値に達すると、加圧モータ
２２の作動を停止する（ＳＴ７）。

【００２１】次いで、加圧を停止してから空気袋２１の
膨張状態が続いた時間、即ち加圧経過時間が予め設定し
た加圧時間に達したか否かを判定し（ＳＴ８）、達して
いないならその加圧状態を維持して計測を続け、達した
なら強制加圧解除スイッチをＯＮにし（ＳＴ９）、排気
弁２５を作動させて空気袋２１の空気を排気する（ＳＴ
１０）。

【００２２】排気後は、インターバル・タイムオーバー
になったか否かを判定し（ＳＴ１１）、まだの場合は空
気袋２１から空気を抜いた状態を維持し、タイムオーバ
ーになればＳＴ２に戻り、空気袋２１の再加圧を開始
し、以降は同様の処理を繰り返す。なお、インターバル
時間は予め設定されている。上記装置のプローブを頭部
に装着して脳組織を計測した結果を図１０に示す。図１
０に示す例は、空気袋２１を加圧してプローブ（発光・
受光ユニット４１，４２）を前頭部に押付けた状態か
ら、空気袋２１を排気してプローブの押付けを解除した
場合の計測値の変化を示している。但し、図１０におい
て、曲線は酸素化ヘモグロビン（Ｏｘｙ−Ｈｂ）、曲
線は奪酸素化ヘモグロビン（Ｄｅｏｘｙ−Ｈｂ）、曲
線は全ヘモグロビン（ｔ−Ｈｂ）を表している。

【００２３】図１０のグラフによれば、空気袋によりプ
ローブが前頭部に押付けられると、前記したように頭皮
は頭蓋骨とプローブとの間で強く挟み付けられるため、
プローブが接触する頭皮部分中の血液の多くは当該部分
から押し出される。一方、空気袋による押圧を解放する
と、頭皮に加わる圧力が無くなるため血液が当該頭皮部
分に流入する。このため、ベルトの開放（空気袋の排
気）により、酸素化ヘモグロビンと全ヘモグロビン
の量は増大する。これは、当然ながら計測している近赤
外光の受光光量が大きく減少した（組織により大きく吸
収された）ことによる。このように、プローブを前頭部
に強く押付けない場合は、頭皮での血液の影響を受けて
いることが分かる。

【００２４】又、空気袋によりプローブを押付けている
場合及び押付けていない場合の計測値の変化を拡大した
グラフを、それぞれ図１１及び図１２に示す。図１１に
おいて、曲線は−３．８９Ｅ−０２、曲線は−１．
３５Ｅ−０２、曲線は−５．２５Ｅ−０２を表し、図
１２において、曲線は２．２９Ｅ−０１、曲線は
１．９６Ｅ−０１を表している。

【００２５】図１１及び図１２から分かるように、空気
袋でプローブを押付けた状態と押付けていない状態で
は、脈拍成分の振幅が異なっている。つまり、押付けて
いない状態では、脳組織内の拍動成分だけでなく、頭皮
での拍動成分が含まれている。このように、空気袋でプ
ローブを押付けない場合は、脳組織内の信号に頭皮での
信号が多分に含まれてしまうが、空気袋の加圧によりプ
ローブを押付けることにより、その影響を低減できるこ
とが分かる。従って、プローブを前頭部に圧迫固定する
ことは、頭皮の影響を低減して脳組織内の信号を計測す
る上で極めて有効であるといえる。

【００２６】しかしながら、プローブを極端に強く、し
かも長時間押付けることは、頭皮の長時間の虚血状態、
痛み等を伴うので実用的ではない。このため、圧力を被
験者の血圧によって変化させたり、或いは時々圧迫を解
除し、長時間の虚血状態から一時的に解放し、一定時間
経過後に再び前の状態と同じ圧力で押付けて計測を再開
したりするなどの機能が必要になる。そのためには、或
る程度押し圧を調整できるプローブの圧迫固定法が必要
不可欠であり、この実施形態では、圧迫固定具としての
空気袋によりそれを実現している。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の計測用プ
ローブによれば、次の効果（１）〜（６）が得られる。（１）皮下組織に含まれる血液を押し退けて計測を行う
ことができるので、皮下組織の血液による影響を排除し
て生体組織の信号を検出し易くなる。（２）プローブをテープ等により生体に貼付する場合に
比べて、プローブの安定性・固定性が良くなり、救急現
場や屋内外での運動時等にも応用できるようになる。（３）圧迫固定具によるプローブ（発光手段及び受光手
段）の生体に対する押圧力を検知する簡易型の圧力セン
サを用いることで、過度の圧迫を防ぐことができると共
に、或る程度安定した押圧を確保できる。（４）被験者が例えば下を向いたりしてもプローブが皮
膚から浮き上がって離れることがなく、生体組織に対す
るプローブの位置を常に一定に保持することができる。（５）圧迫固定具によりプローブを生体に押付けること
により皮膚が凹むので、皮下組織における光の横方向へ
の逃げが少なくなり、実効受光感度が増す。（６）（１）〜（５）により、脳組織の計測において
は、頭部へのプローブの装着の不安定性、頭皮組織にお
ける光の横方向への逃げによる計測感度の低下、頭皮中
の血液の影響等の問題を解決でき、脳組織を簡易に且つ
正確に計測できる。従って、脳組織計測の信頼性を大幅
に向上することができ、生理的、臨床的にも極めて有用
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るプローブの構成要素である空気
袋の斜視図（ａ）、及び同じく構成要素である発光・受
光ユニットの斜視図（ｂ）である。

【図２】図１の（ａ）の線Ａ−Ａにおける断面図であ
る。

【図３】実施形態に係るプローブの構成要素であるベル
トの平面図である。

【図４】実施形態に係るプローブの構成要素である発光
・受光ユニットの別例を示す図である。

【図５】図４の発光・受光ユニットを一体に固定するシ
ートの平面図である。

【図６】実施形態に係るプローブを備える計測装置の全
体構成を示すブロック図である。

【図７】同計測装置のプローブを頭部に装着した状態を
示す図である。

【図８】同計測装置のプローブを頭部に装着した状態に
おいて、発光・受光ユニット付近の部分拡大断面図であ
る。

【図９】同計測装置の全体動作を簡潔に示すフロー図で
ある。

【図１０】同計測装置による計測値の変化を示すグラフ
である。

【図１１】同計測装置による計測値の変化（空気袋によ
り押圧した状態）を示すグラフである。

【図１２】同計測装置による計測値の変化（空気袋によ
り押圧していない状態）を示すグラフである。

【符号の説明】

１発光素子２受光素子２０押圧調整部２１空気袋（圧迫固定具）２１ａ，２１ｂ凹部３１プローブ部（プローブ）４１発光ユニット４２受光ユニット５０ベルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体組織に光を照射する発光手段と、生体
組織からの反射光を受光する受光手段と、発光手段及び
受光手段をそれぞれ収容し、生体に対して発光手段及び
受光手段の押圧・押圧解除を行う圧迫固定具と、発光手
段及び受光手段を収容した圧迫固定具を生体に装着する
ためのベルトとを備えることを特徴とする吸光物質濃度
計測装置の計測用プローブ。
【請求項２】前記圧迫固定具は、空気の出入により膨張
・収縮する空気袋であり、この空気袋は、前記発光手段
及び受光手段をそれぞれ収容する凹部を有することを特
徴とする請求項１記載の吸光物質濃度計測装置の計測用
プローブ。
【請求項３】前記圧迫固定具により発光手段及び受光手
段を生体に押圧する力を制御する押圧制御手段を備える
ことを特徴とする請求項１記載の吸光物質濃度計測装置
の計測用プローブ。
【請求項４】前記圧迫固定具により発光手段及び受光手
段を生体に押圧する力を表示する表示手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の吸光物質濃度計測装置の計
測用プローブ。