TWI549656B - Concentration measuring device and concentration measuring method - Google Patents

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TWI549656B
TWI549656B TW101114030A TW101114030A TWI549656B TW I549656 B TWI549656 B TW I549656B TW 101114030 A TW101114030 A TW 101114030A TW 101114030 A TW101114030 A TW 101114030A TW I549656 B TWI549656 B TW I549656B
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Takeo Ozaki
Susumu Suzuki
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Univ School St Marianna
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Description

濃度測定裝置及濃度測定方法
本發明係關於一種濃度測定裝置及濃度測定方法。
作為非侵襲性地測定活體內之血紅蛋白之濃度資訊之裝置，例如存在專利文獻1中所記載者。於該裝置中，當光入射至活體內後，分別於複數個光電二極體中檢測在活體內散射之光。並且，基於該等檢測光之強度，運算出檢測光量相對於自光入射點之距離方向之變化率。基於該檢測光量之變化率與光吸收係數之特定關係，運算出血紅蛋白氧飽和度。又，基於檢測光量之變化率之時間變化與光吸收係數之時間變化之特定關係，分別計算出氧合血紅蛋白(O2Hb，oxyhemoglobin)、脫氧血紅蛋白(HHb，deoxyhemoglobin)、及總血紅蛋白(cHb，hemoglobin concentration)之濃度變化。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開平7-255709號公報
非專利文獻
非專利文獻1：鈴木進等人，「Tissue oxygenation monitor using NIR spatially resolved spectroscopy」,Proceedings of SPIE 3597,pp.582-592
近年之急救搶救領域中之主要對象患者係在醫院外心肺功能停止者。在醫院外心肺功能停止者全年超過10萬人，該等患者之搶救成為一大社會性需求。對於在醫院外心肺功能停止者而言，必需之處置係伴隨人工呼吸進行之胸骨壓迫。胸骨壓迫係指藉由以他人之手週期性地壓迫胸骨之下半部分，而向停止之心臟給予人工搏動之行為。胸骨壓迫之主要目的係向心肺功能停止者之腦部供給血氧。因此，胸骨壓迫是否正確進行會較大地影響到心肺功能停止者之生死。故而，希望有用於客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行之有效之方法或裝置。
本發明係鑒於此種情況而完成者，目的在於提供一種可客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行之濃度測定裝置及濃度測定方法。
為了解決上述問題，本發明之濃度測定裝置之特徵在於：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量的測定裝置，且包含：光入射部，其向頭部入射測定光；光檢測部，其檢測在頭部內部傳播之測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；運算部，其基於檢測信號，求出總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量，並進行除去該相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理。
又，本發明之濃度測定方法之特徵在於：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量的測定方法，且包含：光入射步驟，其向頭部入射測定光；光檢測步驟，其檢測在頭部之內部傳播之測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；運算步驟，其基於檢測信號，求出總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量，並進行除去該相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理。
本發明者係使用應用近紅外光之濃度測定裝置，以充分快於心搏頻率之頻率來測定頭部之總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度之相對變化量。其結果為，發現於胸骨壓迫下，每當週期性地壓迫胸骨，頭部之內部(即腦部)之總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度便會產生固定之變化。認為該現象係由於因胸骨壓迫而使腦內之血流增加而引起，可成為用於判斷胸骨壓迫是否正確進行之客觀材料。然而，與健康者之通常活動狀態下或對心肺功能停止者進行各種處置之狀態下產生的更長週期之變化之振幅(通常為數μmol以上)相比，此種因胸骨壓迫引起之濃度變化之振幅(例如為1 μmol左右)極其微小。因此，若單純地測定相當於總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度之值，則非常難以觀察因胸骨壓迫引起之變動。
因此，於上述之濃度測定裝置及濃度測定方法中，在運 算部或運算步驟中，求出總血紅蛋白濃度及/或氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並且除去該相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。通常，由胸骨壓迫引起之濃度變化之週期(即胸骨壓迫時之較佳壓迫週期)係短於對心肺功能停止者進行各種處置之狀態下的主要濃度變化之週期。因此，如上述之濃度測定裝置及濃度測定方法所述，藉由自所測定之相對變化量中除去較小之頻率成分(即長週期成分)，可較佳地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化之資訊。並且，基於該資訊，施行者可客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行。藉此，施行者可施行或維持更正確之胸骨壓迫。再者，於上述之濃度測定裝置及濃度測定方法中，「除去小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理」係指，將小於特定頻率之頻率成分之比率減小至使由胸骨壓迫引起之頻率成分表現為可充分識別之程度的處理，並不限於如完全除去小於特定頻率之頻率成分般之處理。
根據本發明之濃度測定裝置及濃度測定方法，可客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行。
以下，一面參照隨附圖式一面詳細說明本發明之濃度測定裝置及濃度測定方法之實施形態。再者，於圖式之說明中，對於相同要素標註相同符號，並省略重複之說明。
圖1係本發明之一實施形態之濃度測定裝置1之概念圖。 該濃度測定裝置1係為了提供關於針對心肺功能停止者50之胸骨壓迫(圖中之箭頭A)是否正確進行之客觀判斷材料，而分別測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部51之總血紅蛋白(cHb)濃度、氧合血紅蛋白(O2Hb)濃度、及脫氧血紅蛋白(HHb)濃度之自初始量起的時間性變動(相對變化量)，並將該測定結果顯示於顯示部15中，且通知正在進行胸骨壓迫之人員。濃度測定裝置1係自固定於頭部51上之探針20將特定波長(λ1、λ2、λ3)之光入射至特定之光入射位置，並檢測自頭部51之特定光檢測位置出射之光之強度，藉此調查氧合血紅蛋白(O2Hb)及脫氧血紅蛋白(HHb)對光之影響，並基於此而反覆計算出氧合血紅蛋白(O2Hb)及脫氧血紅蛋白(HHb)之時間性相對變化量。又，對於作為其計算結果之時間序列資料實施過濾器處理而除去低頻率成分，藉此抽出由反覆進行胸骨壓迫而引起的短週期之時間變動量，並可視地顯示其時間變動量。再者，作為特定波長之光，例如可使用近紅外光。
圖2(a)係表示探針20之構成之俯視圖。又，圖2(b)係沿圖2(a)之II-II線之側剖面圖。探針20包含光入射部21及光檢測部22。光入射部21與光檢測部22係相互隔開例如5 cm之間隔而配置，藉由柔軟之黑色之矽橡膠製固持器23而實際上一體化。再者，該間隔大致為3~4 cm以上即可。
光入射部21包含光纖24及稜鏡25，且成為將自濃度測定裝置1之本體部10傳送之測定光相對於頭部之皮層大致垂直地入射的構造。測定光係例如脈衝狀之雷射光，自本體 部10傳送。
光檢測部22係檢測在頭部之內部傳播之測定光，並生成與測定光之強度相應之檢測信號。光檢測部22係例如一維之光感測器，包含排列於自光入射部21之距離方向上的N個陣列狀之光檢測元件26。又，光檢測部22係進而包含對自光檢測元件26輸出之光電流進行積分、放大之前置放大器部27。藉此，可以良好的感光度檢測出微弱之信號而生成檢測信號，並將該信號經由電纜28而傳送至本體部10。再者，光檢測部22亦可為二維之光感測器，又，亦可包含電荷耦合元件(CCD，charge couple device)。探針20係例如藉由膠帶或伸縮性之帶等固定於不存在毛髮之前額部。
圖3係表示濃度測定裝置1之構成例之方塊圖。圖3中所示之濃度測定裝置1中，除上述之探針20以外，還包含本體部10。本體部10包含發光部(例如雷射部)11、樣本保持電路12、A/D(analog to digital，類比數位)轉換電路13、CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)14、顯示部15、ROM(Read-Only Memory，唯讀記憶體)16、RAM(random access memory，隨機存取記憶體)17、及資料匯流排18。
發光部11係包含雷射二極體及驅動該雷射二極體之電路。發光部11係電性連接於資料匯流排18，且自同樣電性連接於資料匯流排18之CPU 14接收用於指示雷射二極體之驅動的指示信號。於指示信號中，包含自雷射二極體輸出之雷射光之光強度或波長(例如波長λ1、λ2、λ3之中任一者 之波長)等資訊。發光部11係基於自CPU 14接收之指示信號而驅動雷射二極體，且經由光纖24向探針20輸出作為測定光之雷射光。再者，發光部11之發光元件亦可並非為雷射二極體，只要為可依序輸出近紅外區域之複數波長之光者即可。又，作為光入射部21，亦可使用內置於探針20中之LED等發光二極體。
樣本保持電路12及A/D轉換電路13係輸入自探針20經由電纜28傳送之檢測信號且將其保持，並進行數位信號化後輸出至CPU 14。樣本保持電路12係同時保持(hold)N個檢測信號之值。樣本保持電路12係電性連接於資料匯流排18，經由資料匯流排18自CPU 14接收表示保持檢測信號之時序之樣本信號。樣本保持電路12接收到樣本信號後，同時保持自探針20輸入之N個檢測信號。樣本保持電路12係電性連接於A/D轉換電路13，將保持之N個檢測信號之各個輸出至A/D轉換電路13。
A/D轉換電路13係用於將檢測信號自類比信號轉換成數位信號之機構。A/D轉換電路13係依序將自樣本保持電路12接收之N個檢測信號轉換成數位信號。A/D轉換電路13係電性連接於資料匯流排18，將經轉換之檢測信號經由資料匯流排18輸出至CPU 14。
CPU 14係本實施形態中之運算部，基於自A/D轉換電路13接收之檢測信號，運算出頭部之內部所包含之氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)、脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△HHb)、及其等之和即總血紅蛋白 濃度之時間性相對變化量(△cHb)中之所需者。進而，CPU 14對於該等時間性相對變化量(△O2Hb、△HHb、△cHb)實施過濾器處理，除去其等中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，藉此，抽出由於反覆進行胸骨壓迫而引起之時間變動量。CPU 14於進行此種處理後，將其結果經由資料匯流排18傳送至顯示部15。再者，關於基於檢測信號之時間性相對變化量(△O2Hb、△HHb、△cHb)之運算方法或過濾器處理之方法，於下文敍述。顯示部15係電性連接於資料匯流排18，顯示經由資料匯流排18自CPU 14傳送之結果。
以下，說明濃度測定裝置1之動作。同時，說明本實施形態之濃度測定方法。圖4係表示本實施形態之濃度測定方法之流程圖。
首先，發光部11係基於來自CPU 14之指示信號，依序輸出波長λ1~λ3之雷射光。該等雷射光(測定光)係在光纖24內傳播且達到額部之光入射位置，自光入射位置向頭部內入射(光入射步驟，S11)。入射至頭部內之雷射光係於頭部內一面散射並且由被測定成分吸收，一面傳播，一部分光到達額部之光檢測位置。到達光檢測位置之雷射光藉由N個光檢測元件26檢測(光檢測步驟，S12)。各光檢測元件26係生成與檢測到之雷射光之強度相應的光電流。該等光電流係藉由前置放大器部27轉換成電壓信號(檢測信號)，該等電壓信號傳送至本體部10之樣本保持電路12並得以保持後，藉由A/D轉換電路13轉換為數位信號。
此處，圖5(a)係表示波長λ1~λ3之雷射光之入射時序之圖，圖5(b)係表示來自A/D轉換電路13之數位信號之輸出時序之圖。如圖5所示，當波長λ1之雷射光入射時，依序獲得與N個光檢測元件26相對應之N個數位信號D1(1)~D1(N)。繼而，當波長λ2之雷射光入射時，依序獲得與N個光檢測元件26相對應之N個數位信號D2(1)~D2(N)。如此一來，自A/D轉換電路13輸出(3×N)個數位信號D1(1)~D3(N)。
繼而，運算部14基於數位信號D(1)~D(N)，計算出血紅蛋白氧飽和度(TOI，Tissue oxygenation index，氧合指數)。又，運算部14係使用數位信號D(1)~D(N)之中的至少1個數位信號，運算出氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)、脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△HHb)、及其等之和即總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb)(運算步驟，步驟S13)。並且，藉由過濾器處理除去該等相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分(運算步驟，S14)。過濾器處理後之該等相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)顯示於顯示部15中(步驟S15)。於本實施形態之濃度測定裝置1及濃度測定方法中，反覆進行上述步驟S11~S15。
此處，詳細說明運算步驟S13及S14中之運算部14之上述運算。
於某光檢測位置，若將時刻T0下之與雷射光波長λ1~λ3分 別相對應之檢測信號之值設為Dλ1(T0)~Dλ3(T0)，同樣地將時刻T1下之值設為Dλ1(T1)~Dλ3(T1)，則時刻T0~T1下之檢測光強度之變化量係如以下之(1)~(3)式所示。
其中，於(1)~(3)式中，△OD1(T1)係波長λ1之檢測光強度之時間性變化量，△OD2(T1)係波長λ2之檢測光強度之時間性變化量，△OD3(T1)係波長λ3之檢測光強度之時間性變化量。
又，若將自時刻T0至時刻T1為止之間的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白之濃度之時間性相對變化量分別設為△O2Hb(T1)及△HHb(T1)，則該等可藉由以下之(4)式求出。
其中，於(4)式中，係數a11~a23係根據O2Hb及HHb相對於波 長λ1、λ2、及λ3之光之吸光係數求出的常數。又，頭部內之總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量△cHb(T1)可藉由以下之(5)式求出。
[數5]△cHb(T 1)=△O 2 Hb(T 1)+△HHb(T 1)………(5)
CPU 14針對N個光檢測位置之中之1個檢測信號進行上述運算，計算出氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、及總血紅蛋白濃度之各時間性相對變化量(△O2Hb、△HHb、△cHb)。進而，CPU 14對於以此種方式計算出之時間性相對變化量(△O2Hb、△HHb、△cHb)，進行例如以下所示之任一過濾器處理。
(1)數位過濾器之過濾器處理
將以特定週期所得之關於時間性相對變化量(△O2Hb、△HHb、△cHb)之資料行設為X(n)。其中，n係整數。對於該資料行X(n)，將n=0設為時間中心，例如藉由使以下之過濾器係數A(n)與各資料相乘，實現非巡迴型之線性相位數位過濾器。
A(0)=3/4
A(3)=A(-3)=-1/6
A(6)=A(-6)=-1/8
A(9)=A(-9)=-1/12
進而詳細地說明，資料行X(n)之延遲運算子係藉由以下之(6)式表示。再者，f係時間頻率(單位為1/sec)。又，ω係角頻率，ω=2πf。再者，T係獲得資料行X(n)之週期，且 為測定出每分鐘150回(2.5 Hz)程度之變動波形，例如設定為1/20秒之週期。
[數6] e jωnT =COS(ωnT)+jSIN(ωnT) e -jωnT =COS(ωnT)-jSIN(ωnT)………(6)
此時，於使用上述之過濾器係數A(n)之情形時之數位過濾器特性係藉由以下之(7)式表述。
如此，數位過濾器係藉由資料行X(n)與對應之各係數之積和運算表示。並且，若將該(7)式之時間頻率f轉換為每分鐘之時間頻率F(單位為1/min)，則可求出以下之(8)式。
圖6係將該R(F)以圖表顯示者，表示數位過濾器之過濾器特性。於圖6中，橫軸係每1分鐘之心搏數，縱軸係R(F)之值。又，圖7係表示使用圖6中所示之數位過濾器，除去(減少)氧合血紅蛋白之時間性相對變化量(△O2Hb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，且抽出因近似於反覆進行胸骨壓迫的自發心搏引起之時間變動量之結果之圖表。再者，於圖7中，曲線G31係表示過濾器處理前之相對變化量(△O2Hb)，曲線G32係表示過濾器處理前之相 對變化量(△O2Hb)中所包含之長週期成分(小於特定頻率之頻率成分)，曲線G33係表示過濾器處理後之相對變化量(△O2Hb)。如圖7所示，藉由上述數位過濾器，可較佳地抽出由自發心搏或反覆進行胸骨壓迫而引起之時間變動量。
(2)平滑運算(最小平方誤差圖表擬合)之過濾器處理
於上述資料行X(n)中將n=0設為時間中心，對於其前後之特定時間(例如3秒鐘，5拍)之間所得之資料行X(n)，進行使用高次函數(例如4次函數)之最小平方誤差圖表擬合。並且，將所得之高次函數之常數項視為n=0中之平滑成分(小於特定頻率之頻率成分)。即，藉由自原本之資料X(0)減去該經平滑化之頻率成分，可除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，從而可分離、抽出因反覆進行胸骨壓迫而引起之時間變動量。
圖8係表示使用此種過濾器處理而除去(降低)總血紅蛋白之時間性相對變化量(△cHb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，抽出由近似於反覆進行胸骨壓迫的自發心搏引起之時間變動量之結果之圖表。再者，於圖8中，曲線G41係表示過濾器處理前之相對變化量(△cHb)，曲線G42係表示過濾器處理前之相對變化量(△cHb)中所包含之長週期成分(小於特定頻率之頻率成分)，曲線G43係表示過濾器處理後之相對變化量(△cHb)，曲線G44係表示過濾器處理後之相對變化量(△cHb)中之5秒鐘之平均振幅。如圖8所示，藉由上述利用平滑運算之過濾器處理，可較佳地抽出因自發心搏或反覆進行胸骨壓迫而引起之時 間變動量。
(3)使變動之極大部分或極小部分固定地一致之過濾器處理
圖9(a)及圖9(b)係用於說明本過濾器處理之概念之圖。於該過濾器處理中，例如求出相對變化量(△O2Hb、△HHb、或△cHb)之時間變化中之極大值，如圖9(a)所示，藉由將該時間變化曲線G51之極大值P1視為固定值，除去相對變化量(△O2Hb、△HHb、或△cHb)中所包含之小於特定頻率之頻率成分。或，例如求出相對變化量(△O2Hb、△HHb、或△cHb)之時間變化中之極小值，如圖9(b)所示，藉由將該時間變化曲線G51之極小值P2視為固定值，除去相對變化量(△O2Hb、△HHb、或△cHb)中所包含之小於特定頻率之頻率成分。如此，藉由使極大值P1及/或極小值P2接近固定值，可較佳地抽出因反覆進行胸骨壓迫而引起之時間變動量。
以下說明包含以上之構成之本實施形態之濃度測定裝置1及濃度測定方法之效果。鑒於上述之解決課題，本發明者係使用採用近紅外光之濃度測定裝置，以充分快於心搏頻率之頻率而測定頭部之總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度之相對變化量(△cHb、△O2Hb)。其結果為，發現於胸骨壓迫過程中，每當週期性地壓迫胸骨，則頭部之內部(即腦部)之總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度會產生固定之變化。認為該現象係由於胸骨壓迫而使腦內之血流增加而引起，可成為用於判斷胸骨壓迫是否正確進行之客觀 材料。然而，與健康者通常之活動狀態下或對心肺功能停止者進行各種處置之狀態下產生之更長週期之變化之振幅(通常為數μmol以上)相比，此種因胸骨壓迫引起之濃度變化之振幅(例如為1 μmol左右)極其微小。因此，若單純地測定相當於總血紅蛋白濃度或氧合血紅蛋白濃度之值，則非常難以觀察到因胸骨壓迫引起之變動。
因此，於本實施形態之濃度測定裝置1及濃度測定方法中，在運算步驟S13中，CPU 14求出總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度、及脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)，並且除去該相對變化量(△cHb，△O2Hb，△HHb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。通常，由胸骨壓迫引起之濃度變化之週期(即胸骨壓迫時之較佳壓迫週期)係短於對心肺功能停止者進行各種處置之狀態下的主要濃度變化之週期。因此，如本實施形態之濃度測定裝置1及濃度測定方法所述，藉由自所測定出之相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)中除去較小之頻率成分(即長週期成分)，可較佳地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化之資訊。並且，基於該資訊，施行者可客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行。藉此，施行者可施行或維持更正確之胸骨壓迫。
再者，於本實施形態中，「除去小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理」係指，將小於特定頻率之頻率成分之比率減小至使由胸骨壓迫引起之頻率成分表現為可充分識別之程度的處理，並不限於如完全除去小於特定頻率之頻率 成分般之處理。
又，較佳為相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)之計算週期為0.2秒以下(若為計算頻率，則為5 Hz以上)。一般而言，胸骨壓迫之較佳週期為1分鐘100次左右(即0.6秒1次)或以上。並且，若相對變化量之計算週期為其三分之一以下，則可較佳地檢測到由胸部壓迫引起之濃度變化。
又，於上述過濾器處理中，藉由除去相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，抽出因反覆進行胸骨壓迫而引起之時間變動量。較佳為該特定頻率為1.66 Hz以下。藉此，可較佳地抽出關於由1分鐘100次左右或以上之胸骨壓迫引起之濃度變化之資訊。
此處，說明顯示部15中之畫面顯示。圖10(a)及圖10(b)係顯示部15之顯示畫面之示例。於圖10(a)中所示之顯示畫面中，過濾器處理後之氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)、及過濾器處理後之脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△HHb)分別顯示為單獨之曲線G11及G12。於一實施例中，曲線G11及G12之橫軸係表示時間，縱軸係表示變化量。
又，於圖10(b)所示之顯示畫面中，顯示出表示過濾器處理後之總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb)之曲線G21，進而，對該曲線G21之振幅之中氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)所佔之區域B22、與脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△HHb)所佔之區域B23利 用顏色區分顯示。於一實施例中，曲線G21之橫軸係表示時間，縱軸係表示變化量。如此，藉由對區域B22與區域B23利用顏色區分顯示，可供胸骨壓迫之施行者參照顯示之資訊，形象地且直觀地辨識送入頭部之血液中之氧合血紅蛋白之比率，從而可迅速地判斷人工呼吸之必要性。
又，顯示部15亦可顯示關於總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb)之時間變化之振幅(圖10(b)所示之振幅A1)、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)之時間變化之振幅(圖10(b)所示之A2)之比(A2/A1)的數值等資訊(第1資訊)。或，顯示部15亦可顯示關於總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb)之時間變化之積分值I1(圖10(b)所示之區域B22及區域B23之面積之和)、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△O2Hb)之時間變化之積分值I2(圖10(b)所示之區域B22之面積)之比(I2/I1)的數值等資訊(第2資訊)。藉由顯示其等之中任一者或兩者，可供胸骨壓迫之施行者參照顯示之資訊，而得知送入頭部之血液中之氧合血紅蛋白之比率，從而可較佳地判斷人工呼吸之必要性。再者，該等資訊係於CPU 14中運算，傳送至顯示部15。又，該等資訊亦可為特定時間(例如5秒鐘)之平均值。
進而，CPU 14亦可於計算出之比(A2/A1)或比(I2/I1)之值小於特定之閾值(例如90%)之情形時，對胸骨壓迫之施行者進行警告。藉此，可更確實地向胸骨壓迫之施行者通知送入頭部之血液中之氧合血紅蛋白之比率下降。作為此種警告之方法，較佳為例如警告音之輸出或於顯示部15之 警告顯示之指示。
又，顯示部15亦可顯示關於進行過濾器處理後之總血紅蛋白濃度及/或氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量(△cHb、△O2Hb)之變動頻率的資訊(第3資訊)。藉此，可向施行者通知當前之胸骨壓迫之頻率(週期)，並催促其接近例如每分鐘100次之較佳之頻率(週期)。再者，該資訊係於CPU 14中運算，傳送至顯示部15。又，該資訊亦可為特定時間(例如5秒鐘)之平均值。
又，顯示部15亦可顯示總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(圖10(b)所示之A1)之數值。藉此，胸骨壓迫之施行者可參照顯示之數值，而得知送入腦內之血液量，並可較佳地判斷胸骨之壓迫強度是否充分。再者，該數值亦可為特定時間(例如5秒鐘)之平均值。又，本體部10亦可每當該振幅之數值達到特定值以上時輸出聲音(例如劈、劈之擬脈衝音)。藉此，可更確實地通知施行者是否向腦內送入正確之血液量。
本發明之濃度測定裝置及濃度測定方法並不限於上述實施形態，可進行其他各種變形。例如，雖於上述之實施形態之濃度測定裝置1及濃度測定方法中，求出總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度、及脫氧血紅蛋白濃度之各相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)，但於本發明之濃度測定裝置及濃度測定方法中，可藉由求出總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度之各相對變化量(△cHb、△O2Hb)中之至少一者，提示關於胸骨壓迫是否正確進行之客觀判斷材料。
又，本發明之濃度測定裝置及濃度測定方法中之過濾器處理並不限於上述實施形態中所例示者，只要為可自相對變化量(△cHb、△O2Hb)除去小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理，即可較佳地使用於本發明中。
又，於本發明中，關於與總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度、及脫氧血紅蛋白濃度之各相對變化量(△cHb、△O2Hb、△HHb)同樣地藉由近紅外光譜分析法求出之血紅蛋白氧飽和度(TOI)，亦可以圖表或數值之形式與其等一併顯示於顯示部。藉此，可確認胸骨壓迫所帶來之腦氧狀態之改善，從而可維持施行者之動機。再者，該TOI亦可為特定時間(例如5秒鐘)之平均值。
於上述實施形態之濃度測定裝置中，使用如下之構成：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量之濃度測定裝置，且包含：光入射部，其向頭部入射測定光；光檢測部，其檢測在頭部內部傳播之測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；運算部，其基於檢測信號，求出總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量，並進行除去該相對變化量中所含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理。
又，於上述實施形態之濃度測定方法中，使用如下之構成：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相 對變化量之測定方法，且包含：光入射步驟，其向頭部入射測定光；光檢測步驟，其檢測在頭部之內部傳播之測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；運算步驟，其基於檢測信號，求出總血紅蛋白濃度及氧合血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量，並進行除去該相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分之過濾器處理。
又，濃度測定裝置及濃度測定方法亦可設為相對變化量之計算週期為0.2秒以下之構成。一般而言，胸骨壓迫之較佳週期為1分鐘100次左右(即0.6秒1次)或以上。並且，若相對變化量之算出週期為其三分之一以下，則可檢測由胸部壓迫引起之濃度變化。即，藉由將相對變化量之計算週期設為0.2秒以下，可較好地檢測由胸部壓迫引起之濃度變化。
又，濃度測定裝置及濃度測定方法亦可設為特定頻率為1.66 Hz以下之構成。藉此，可較佳地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化之資訊。
又，濃度測定裝置亦可設為如下之構成：其進而包含顯示運算部之運算結果之顯示部，運算部求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出關於過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A2)之比(A2/A1)的第1資訊，且由顯示部顯示第1資訊。同樣地， 濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出關於過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A2)之比(A2/A1)的第1資訊，並顯示第1資訊。藉此，施行者可參照所顯示之第1資訊，而得知送入腦內之血液中之氧合血紅蛋白之比率，從而可較佳地判斷人工呼吸之必要性。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：運算部於比(A2/A1)小於特定之閾值之情形時，進行警告音之輸出及於顯示部之警告顯示之指示中的至少一者。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，於比(A2/A1)小於特定之閾值之情形時，進行警告音之輸出及於顯示部之警告顯示之指示中的至少一者。藉此，可更確實地向施行者通知送入腦內之血液中之氧合血紅蛋白比率下降。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：其進而包含顯示運算部之運算結果之顯示部，運算部係求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I1)、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I2)中之至少一者，顯示部係顯示積分值(I1)及積分值(I2)中之至少一 者。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I1)、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I2)中之至少一者，並顯示積分值(I1)及積分值(I2)中之至少一者。藉此，施行者可參照所顯示之值，而判斷胸骨之壓迫強度是否正確。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：運算部於求出積分值(I1)及積分值(I2)該二者後，進而求出關於積分值(I1)與積分值(I2)之比(I2/I1)之第2資訊，顯示部進而顯示第2資訊。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，求出積分值(I1)及積分值(I2)該二者後，進而求出關於積分值(I1)與積分值(I2)之比(I2/I1)之第2資訊，進而顯示第2資訊。藉此，施行者可參照所顯示之第2資訊，而得知送入腦內之血液中之氧合血紅蛋白之比率，從而可較佳地判斷人工呼吸之必要性。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：運算部於比(I2/I1)小於特定之閾值之情形時，進行警告音之輸出及於顯示部之警告顯示之指示中的至少一者。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，於比(I2/I1)小於特定之閾值之情形時，進行警告音之輸出及於顯示部之警告顯示之指示中的至少一者。藉此，可更確實地向施行者通知送入腦內之血液中之氧合血紅蛋白之比率下降。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：其進而包含顯示運算部之運算結果之顯示部，運算部求出過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)，並由顯示部顯示振幅(A1)之數值。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：求出過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)，並顯示振幅(A1)之數值。藉此，施行者可參照所顯示之數值，而得知送入腦內之血液量，從而可較佳地判斷胸骨之壓迫強度是否充分。
又，濃度測定裝置亦可設為如下之構成：運算部每當振幅(A1)之數值達到特定值以上時輸出聲音。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下之構成：於運算步驟中，每當振幅(A1)之數值達到特定值以上時輸出聲音。藉此，可更確實地向施行者通知送入腦內之血液量不足。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：其進而包含顯示運算部之運算結果之顯示部，運算部求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，顯示部對過濾器處理後的氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與總血紅蛋白濃度中所包含之脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量利用顏色區分並進行圖表顯示。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，對過濾器處理後的氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與總血紅蛋白濃度 中所包含之脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量利用顏色區分並進行圖表顯示。藉此，施行者可參照顯示之資訊，而形象地且直觀地辨識送入腦內之血液中之氧合血紅蛋白之比率，從而可更迅速地判斷人工呼吸之必要性。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：其進而包含顯示運算部之運算結果之顯示部，運算部計算出關於過濾器處理後之相對變化量之變動頻率的第3資訊，並由顯示部顯示第3資訊。同樣地，濃度測定方法可設為如下構成：於運算步驟中，計算出關於過濾器處理後之相對變化量之變動頻率的第3資訊，並顯示第3資訊。藉此，可向施行者通知當前之胸骨壓迫之頻率(週期)，從而催促其接近適當之頻率(週期)。
又，濃度測定裝置亦可設為如下之構成：運算部藉由數位過濾器而除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下之構成：於運算步驟中，藉由數位過濾器而除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。藉此，可較佳地自所測定之相對變化量除去長週期成分，從而可精度良好地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化之資訊。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：運算部計算出使相對變化量之時間變化平滑化之資料，並自相對變化量減去該資料，藉此除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。同樣地，濃度測定方法亦可設 為如下構成：於運算步驟中，計算出使相對變化量之時間變化平滑化之資料，並自相對變化量減去該資料，藉此除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。藉此，可較佳地自所測定之相對變化量除去長週期成分，從而可精度良好地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化的資訊。
又，濃度測定裝置亦可設為如下構成：運算部求出相對變化量之時間變化中之極大值及極小值中之至少一者，並基於該極大值及該極小值中之至少一者，除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。同樣地，濃度測定方法亦可設為如下構成：於運算步驟中，求出相對變化量之時間變化中之極大值及極小值中之至少一者，並基於該極大值及該極小值中之至少一者，除去相對變化量中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分。藉此，可較佳地自所測定之相對變化量除去長週期成分，從而可精度良好地抽出關於由胸骨壓迫引起之濃度變化的資訊。
產業上之可利用性
本發明係可用作能客觀地判斷胸骨壓迫是否正確進行之濃度測定裝置及濃度測定方法。
1‧‧‧濃度測定裝置
10‧‧‧本體部
11‧‧‧發光部
12‧‧‧樣本保持電路
13‧‧‧轉換電路
14‧‧‧運算部
15‧‧‧顯示部
16‧‧‧ROM
17‧‧‧RAM
18‧‧‧資料匯流排
20‧‧‧探針
21‧‧‧光入射部
22‧‧‧光檢測部
23‧‧‧固持器
24‧‧‧光纖
25‧‧‧稜鏡
26‧‧‧光檢測元件
27‧‧‧前置放大器部
28‧‧‧電纜
50‧‧‧心肺功能停止者
51‧‧‧頭部
P1‧‧‧極大值
P2‧‧‧極小值
圖1係一實施形態之濃度測定裝置之概念圖。
圖2(a)係表示探針之構成之俯視圖，及圖2(b)係表示沿(a)之II-II線之側剖面圖。
圖3係表示濃度測定裝置之構成例之方塊圖。
圖4係表示一實施形態之濃度測定方法之流程圖。
圖5(a)係表示波長λ1~λ3之雷射光之入射時序之圖，圖5(b)係表示來自A/D轉換電路之數位信號之輸出時序之圖。
圖6係表示數位過濾器之過濾器特性之圖表。
圖7係表示使用具有圖6所示之特性之數位過濾器，除去氧合血紅蛋白之時間性相對變化量(△O2Hb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，抽出因近似於反覆進行胸骨壓迫的自發心搏所引起之時間變動量之結果之圖表。
圖8係表示使用採用平滑化方式之過濾器處理，除去總血紅蛋白之時間性相對變化量(△cHb)中所包含之頻率成分中的小於特定頻率之頻率成分，抽出因近似於反覆進行胸骨壓迫的自發心搏所引起之時間變動量之結果之圖表。
圖9(a)、(b)係用於說明將變動之極大部分或極小部分固定地一致之過濾器處理之概念之圖。
圖10(a)、(b)係表示顯示部之顯示畫面之示例的圖。
10‧‧‧本體部
11‧‧‧發光部
12‧‧‧樣本保持電路
13‧‧‧轉換電路
14‧‧‧運算部
15‧‧‧顯示部
16‧‧‧ROM
17‧‧‧RAM
18‧‧‧資料匯流排
20‧‧‧探針
24‧‧‧光纖
28‧‧‧電纜

Claims (16)

  1. 一種濃度測定裝置，其特徵在於：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度及脫氧血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量者，且包含：光入射部，其向上述頭部入射測定光；光檢測部，其檢測在上述頭部內部傳播之上述測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；運算部，其基於上述檢測信號，求出總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度及脫氧血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量；作為上述相對變化量，上述運算部求出以過濾器處理除去小於特定頻率之頻率成分後之時間性相對變化量，且上述相對變化量之計算週期為0.2秒以下。
  2. 如請求項1之濃度測定裝置，其中上述特定頻率為1.66Hz以下。
  3. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出關於上述過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)、與氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A2)之比(A2/A1)的第1資訊；且 上述顯示部係顯示上述第1資訊。
  4. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部係求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，並求出上述過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I1)、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之積分值(I2)中之至少一者；且上述顯示部係顯示上述積分值(I1)及上述積分值(I2)中之至少一者。
  5. 如請求項4之濃度測定裝置，其中上述運算部係於求出上述積分值(I1)及上述積分值(I2)該二者後，進而求出關於上述積分值(I1)與上述積分值(I2)之比(I2/I1)的第2資訊；且上述顯示部係進而顯示上述第2資訊。
  6. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部係求出上述過濾器處理後的總血紅蛋白濃度之時間性相對變化量之時間變化之振幅(A1)；且上述顯示部係顯示上述振幅(A1)之數值。
  7. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部係求出總血紅蛋白濃度之時間性相對變化 量、及氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量，且上述顯示部係對上述過濾器處理後的氧合血紅蛋白濃度之時間性相對變化量、與總血紅蛋白濃度中所包含之脫氧血紅蛋白濃度之時間性相對變化量利用顏色進行區分並進行圖表顯示。
  8. 如請求項1或2之濃度測定裝置，進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部計算出關於上述相對變化量之變動頻率的資訊，上述顯示部顯示上述資訊。
  9. 如請求項1或2之濃度測定裝置，進而包含顯示上述運算部之運算結果之顯示部，上述運算部計算出血紅蛋白氧飽和度，上述顯示部顯示上述血紅蛋白氧飽和度。
  10. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其中上述運算部係藉由數位過濾器而除去上述相對變化量中所包含之頻率成分中的小於上述特定頻率之頻率成分。
  11. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其中上述運算部係計算出已使上述相對變化量之時間變化平滑化的資料，並自上述相對變化量減去該資料，藉此除去上述相對變化量中所包含之頻率成分中的小於上述特定頻率之頻率成分。
  12. 如請求項1或2之濃度測定裝置，其中上述運算部係求出上述相對變化量之時間變化中之極大值及極小值中之至 少一者，並基於該極大值及該極小值中之至少一者，除去上述相對變化量中所包含之頻率成分中的小於上述特定頻率之頻率成分。
  13. 一種濃度測定方法，其特徵在於：其係測定由於反覆進行胸骨壓迫而變動的頭部之總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度及脫氧血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量者，且包含：光入射步驟，其向上述頭部入射測定光；光檢測步驟，其檢測在上述頭部內部傳播之上述測定光，並生成與該測定光之強度相應之檢測信號；及運算步驟，其基於上述檢測信號，求出總血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度及脫氧血紅蛋白濃度中之至少一者之時間性相對變化量；作為上述相對變化量，上述運算步驟求出以過濾器處理除去小於特定頻率之頻率成分後之時間性相對變化量，且上述相對變化量之計算週期為0.2秒以下。
  14. 如請求項13之濃度測定方法，其中上述特定頻率為1.66Hz以下。
  15. 如請求項13或14之濃度測定方法，進而包含顯示上述運算步驟之運算結果之顯示步驟，上述運算步驟計算出關於上述相對變化量之變動頻率的資訊，上述顯示步驟顯示上述資訊。
  16. 如請求項13或14之濃度測定方法，進而包含顯示上述運 算步驟之運算結果之顯示步驟，上述運算步驟計算出血紅蛋白氧飽和度，上述顯示步驟顯示上述血紅蛋白氧飽和度。
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