(57)【要約】  深さの異なる部位の情報の信頼性を向上することができる酸素飽和度測定センサを提供すること。  人体に貼り付け可能なパッドと、パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、パッドに離間状態で隣接しかつ複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するとともに複数の受光素子で受光した透過光の受光量を記憶するＲＯＭ部と、を備える。
2017179103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に貼り付け可能なパッドと、
前記パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、
前記パッドに離間状態で隣接しかつ前記複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に前記複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する前記複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、
予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するＲＯＭ部と、
を備える酸素飽和度測定センサ。
【請求項２】
前記複数の光源と前記複数の受光素子とは、
前記中心の一方側に前記複数の光源を等距離だけ離間して配置し、
前記中心の他方側に前記複数の受光素子を等距離だけ離間して配置した、
ことを特徴とする請求項1に記載の酸素飽和度測定センサ。
【請求項３】
センサ部と本体部とからなり、
前記センサ部は、
人体に貼り付け可能なパッドと、
前記パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、
前記パッドに離間状態で隣接しかつ前記複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に前記複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する前記複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、
予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するＲＯＭ部と、
を備え、
前記本体部は、
前記ＲＯＭに記憶した受光量に関する受光値と基準値とに基づいて実際の吸光度を算出するとともに、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備える、酸素飽和度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素飽和度測定センサ及び酸素飽和度測定装置に関し、特に、近赤外線を用いた無侵襲で生体内の血液中の酸素飽和度を測定するための酸素飽和度測定センサ及び酸素飽和度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体としての人体の呼吸による酸素の供給は、循環する血液によって運搬、交換が行われる。呼吸によって取り込まれた酸素は、肺胞におけるガス交換によって血液中のヘモグロビン（Ｈｂ）と結合する。血液に取り込まれた酸素は、動脈血によって全身へと送られ、毛細血管によって細胞に取り込まれる。【０００３】
血液中の酸素により各部の細胞が生存しているため、特に、心臓等の手術の際、或は、心停止による心臓マッサージの際、には頭蓋、とりわけ大脳皮質の酸素状態をリアルタイムで計測して、脳細胞の状態を常時チェックすることが望ましい。【０００４】
この大脳皮質の酸素状態を計測する方法として、人体の頭部にパッドを貼り付けて近赤外線を用いた無侵襲で生体内の血液中の酸素飽和度を測定する酸素飽和度測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０００２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来のセンサは、一つの光源と二つの光検出器とを用いて、人体の頭部の深い部位の情報から浅い部位の情報を差し引き、深い部位の情報としている。この際、一つの光源の一方の光検出器との離間距離に基づく中心（線）と、共有する一つの光源と他方の光検出器との離間距離に基づく中心（線）とがずれている。【０００７】
このため、近赤外光の通過する部位が、深い位置と浅い位置とで中心が異なり、生体における血管配置が異なる部位では正確な深い部分のみの情報とは言い難く、信頼性が低いという問題があった。【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するために、深さの異なる部位の情報の信頼性を向上することができる酸素飽和度測定センサ及び酸素飽和度測定装置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】
【０００９】
本発明に係る酸素飽和度測定センサは、上記目的を達成のため、人体に貼り付け可能なパッドと、パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、パッドに離間状態で隣接しかつ複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するとともに複数の受光素子で受光した透過光の受光量を記憶するＲＯＭ部と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の光源及びこの各光源と１対１で対応する複数の受光素子との離間距離の中心（線）が同一であることから、深さの異なる部位の情報の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る酸素飽和度測定装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る他の酸素飽和度測定センサを示し、（Ａ）は一つの光源に二つの受光素子を配置したパッドの説明図、（Ｂ）は左右一対二組の光源及び受光素子を配置したパッドの説明図、（Ｃ）は同一中心（線）で複数の光源と複数の受光素子とを１対１で対応させた配置のパッドの説明図である。
【図３】離間距離４０ｍｍの場合の水入りキュベット及びゴムをサンプルとする測定電圧と測定深度との関係を示すグラフ図である。
【図４】離間距離４０ｍｍの場合の水入りキュベット及びゴムをサンプルとする受光強度と測定深度との関係を示すグラフ図である。
【図５】離間距離３０ｍｍの場合の水入りキュベット及びゴムをサンプルとする受光強度と測定深度との関係を示すグラフ図である。
【図６】離間距離２０ｍｍの場合の水入りキュベット及びゴムをサンプルとする受光強度と測定深度との関係を示すグラフ図である。
【図７】パッドの概略略構成を示し、（Ａ）は曲面非追従型の説明図、（Ｂ）は曲面追従型の説明図である。
【図８】人間頭部の断面構造とセンサ感度との関係を示す説明図である。
【図９】（Ａ）は校正曲線作成時に用いるキュベットの説明図、（Ｂ）は校正曲線作成時に用いるファントムの説明図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明に係る一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すように、酸素飽和度測定装置１は、例えば、頭蓋の表面に装着されるセンサ部２及び本体部３を備える。
【００１４】
センサ部２は、人体に貼り付け可能なパッド２１と、パッド２１に離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源２２Ａ，２２Ｂ（以下、「光源２２」とも称する）と、パッド２１に離間状態で隣接しかつ複数の光源２２Ａ，２２Ｂのうち最内側の光源２２Ｂとで共通の中心Ｐを基準に複数の光源２２Ａ，２２Ｂと１対１で対応するように配置し、対応する複数の光源２２Ａ，２２Ｂからの透過光を受光する複数の受光素子２３Ａ，２３Ｂ（以下、「受光素子２３」とも称する）と、予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するＲＯＭ部２４と、を備える。
【００１５】
複数の光源２２Ａ，２２Ｂと複数の受光素子２３Ａ，２３Ｂとは、光源２２Ａと受光素子２３Ａ，光源２２Ｂと受光素子２３Ｂとで１対１で対応している。なお、以下の説明において、光源（２２Ａ，２２Ｂ）と受光素子（２３Ａ，２３Ｂ）との組み合わせを、単に「センサ」とも称する。この際、特に光源２２Ａと受光素子２３Ａとの組み合わせに関する場合には「センサＡ」、光源２２Ｂと受光素子２３Ｂとの組み合わせに関する場合には「センサＢ」とも称する。
【００１６】
また、複数の光源２２Ａ，２２Ｂと複数の受光素子２３Ａ，２３Ｂとは、中心Ｐの一方側に複数の光源２２Ａ，２２Ｂを等距離だけ離間して配置し、中心Ｐの他方側に複数の受光素子２３Ａ，２３Ｂを等距離だけ離間して配置している。さらに、光源２２Ａと光源２２Ｂとの離間距離（中心間距離）の間の中心ｐ１と、受光素子２３Ａと受光素子２３Ｂとの離間距離（中心間距離）の間の中心ｐ２とは、中心Ｐに対して対称位置にある。
【００１７】
したがって、光源２２Ａと光源２２Ｂ、光源２２Ｂと受光素子２３Ｂ、受光素子２３Ａと受光素子２３Ｂとは、各離間距離（中心間距離）が全て等しいように配置している。この際、離間距離の長い光源２２Ａと受光素子２３Ａとは、頭蓋の深い部分の情報を取得するように離間距離が設定（例えば、４０ｍｍ）されている。一方、離間距離の短い光源２２Ｂと受光素子２３Ｂとは、頭蓋の浅い部分の情報を取得するように離間距離が設定（例えば、２０ｍｍ）されている。なお、本実施の形態における深い・浅いとは、１対２組のセンサの間で比較した場合である。また、例えば、１対３組以上のセンサを配置した場合には、最も深い位置と最も浅い位置とその間を等分する一つ以上の中間の深さの情報を取得するように構成することができる。なお、光源２２Ａ，２２Ｂと受光素子２３Ａ，２３Ｂとの距離は、成人用、中人（子供〜成人）用、小児用等のように頭蓋の大きさや薄さ等によって異なる。
【００１８】
光源２２Ａと光源２２ＢとはＬＥＤを用いており、例えば、所定波長の近赤外線を１波長あたり毎秒１０回、０．２ｍＳｅｃのパルスで投射する。受光素子２３Ａと受光素子２３Ｂとはフォトダイオードを用いており、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビン及びそれらのクロスポイントに対応した各波長の近赤外線を検知し、その信号を増幅して測定値を計算するようになっている。したがって、光源２２Ａと光源２２Ｂとは、波長特性を近赤外線の吸収スペクトル特性として、酸素ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸光度が略一致する８０５ｎｍと、それより小さい７７０ｎｍ及びそれより大きい８７０ｎｍに設定されている。
【００１９】
なお、波長の役割としては、波長７７０ｎｍと波長８７０ｎｍとは、その組み合わせにより酸素飽和度の計算にＲ／ＩＲ比として使用する。一方、波長８０５ｎｍは、ヘモグロビン全体の量や濃度の変化を測定する場合に使用する。すなわち、波長８０５ｎｍは、ヒトのオキシヘモグロビン・デオキシヘモグロビンの吸光係数が等しい波長であり、酸素飽和度に関係なくヘモグロビン全体の量又は濃度と相関しているので、ヘモグロビンインデックスとして血液量の指標に使用する。これにより、酸素飽和度を測定する際には波長８０５ｎｍというヒトのオキシヘモグロビン・デオキシヘモグロビンの等しい吸光係数を挟んで吸光係数が逆になる２つの波長７７０ｎｍと波長８７０ｎｍとを使用することによってＲ／ＩＲから酸素飽和度を低い酸素飽和度から、高い酸素飽和度まで精度よく測定することができる。
【００２０】
頭蓋の表面にパッド２１を装着すると、光源２２Ａから受光素子２３Ａ及び光源２２Ｂから受光素子２３Ｂまでの距離が遠くなるほど、その距離の２乗に反比例して光の強度が減少する。また、光の強度が弱いとその光は頭蓋の浅い部位の頭皮や頭蓋骨の付近を通過し、強度が強いほどその光は頭蓋の深い部位の大脳皮質にまで達する。
【００２１】
本体部３は、センサ部２に回路接続しており、電源部３Ａ、電源部３Ａの電圧を制御する電源制御部３Ｂ、測定データを増幅するアンプ部３Ｃ、データを計算できるようにデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３Ｄ、データを計算する演算処理部３Ｅ、データを表示する画面表示部３Ｆ、データを記憶する記憶部３Ｇ、センサ部２の光源２２Ａ，２２ＢであるＬＥＤを駆動制御するＬＥＤ駆動部３Ｈ、ＬＥＤ駆動部３Ｈに対してパルス信号の同期を取るためのクロック部３Ｉ、外部で操作するための入力部３Ｊ、外部にデータを有線（例えば、ＵＳＢ）又は無線で出力する出力部３Ｋ、によって構成されている。
【００２２】
本体部３は、電源部３Ａをスイッチ操作すると、演算処理部３ＥによりＬＥＤ駆動部３Ｈに発光と受光を指示する。そして、センサ部２の２個の光源２２Ａ，２２Ｂから所定の波長の光を、強度を強、弱に変化して出力し、この光の透過光を２個の受光素子２３Ａ，２３Ｂでそれぞれ受光する。
【００２３】
受光素子２３Ａ，２３Ｂによる受光信号は、アンプ部３Ｃで増幅し、増幅した信号をＡ／Ｄ変換部３Ｄによりデジタル信号に変換して演算処理部３Ｅに入力する。演算処理部３Ｅは、これら発光信号、受光信号等によりベアーランバートの法則で酸素飽和度ｒＳＯ２等をリアルタイムで演算し、それを記憶部３Ｇに記憶し、かつ画面表示部３Ｆに表示する。具体的に、演算処理部３Ｅは、脳内血液の酸素飽和度ｒＳＯ２とヘモグロビンインデックスＨｂＩとを測定する。
【００２４】
上記構成の測定装置を使用する場合について説明する。まず、センサ部２の２個の光源２２Ａ，２２Ｂと受光素子２３Ａ，２３Ｂを、頭蓋の表面に接して装着する。その後、光源２２Ａ，２２Ｂに光の信号を出力して頭蓋の内部に照射する。そして、頭蓋において透過した光を受光素子２３Ａ，２３Ｂでそれぞれ受光信号を得る。その血液の主としてヘモグロビンにより散乱、反射することによる受光信号が高い精度で求められる。その後、演算処理部で演算処理が行われる。
【００２５】
測定装置１は、近赤外線の光を頭蓋に照射し、吸収される光の量は入射光と溶質の濃度に比例するという、「ランバートベールの法則」によって脳内局所でのヘモグロビンの酸素飽和度と濃度の変化を測定する。オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの光の吸収スペクトルの差を利用し、異なる波長（７７０ｎｍ、８７０ｎｍ）で頭蓋内を通過して受光素子で検出された光から吸光度を求め、局所の酸素飽和度（ｒＳＯ２）を計算する。
【００２６】
ここで、センサで得られる情報は、対となる光源（２２Ａ，２２Ｂ）と受光素子（２３Ａ，２３Ｂ）との光路全体の情報であり、中心が異なると正確にセンサの中心の情報としては評価ができない、若しくは、信頼性の薄い情報となってしまう。特に、生体ではその部位によって血管配置は異なるので、この違いは無視できる範疇とはならない。
【００２７】
例えば、センサＡの離間距離を４０ｍｍ、センサＢの離間距離を２０ｍｍとした場合、センサＡでは頭蓋の深さ３２ｍｍ程度までの情報を反映し、センサＢでは頭蓋の深さ１６ｍｍ程度までの情報を反映することができる。そこで、演算処理部３Ｅは、センサＡの情報からセンサＢの情報を差し引けば、頭蓋の浅い１６ｍｍ程度から深い４０ｍｍまでの情報を得ることが可能となる。
【００２８】
ここで、図２（Ａ）に示すように、従来技術で示した一つの光源と２つの受光素子とで中心（線）が異なる既知の構成は、光源が１か所なので、光源から遠い一方の受光素子までの離間距離をセンサＡと同じ４０ｍｍ、光源に近い他方の受光素子までの離間距離を２０ｍｍとした場合、各中心ｐ３，ｐ４が１０ｍｍずれているので、正確に頭蓋の同じ位置で深さが異なる情報を取得したとはいい難く、信頼性が低いものとなっていた。
【００２９】
ここで、測定する部位の深さを異ならせることができる旨は、センサＡの離間距離とセンサＢの離間距離とを異ならせた実験により既知である。すなわち、光源（２２Ａ，２２Ｂ）から出射した光束は、直ちに散乱光となるため、光源（２２Ａ，２２Ｂ）から受光素子（２３Ａ，２３Ｂ）に達するまでの光の通り道が異なる（例えば、モンテカルロシュミレーションではバナナシェイプと称している）。一般的に、通過する光の最も深い部分は２等辺三角形の頂点付近になる。これから考えると、センサＡ（離間距離４０ｍｍ）の頂点の真上にはセンサＢの受光素子が位置しており、センサＢの中心（線）とは異なる。正確に離間距離４０ｍｍとした場合のセンサで深部の真上の浅い部分の情報を取るためには、離間距離２０ｍｍとした場合のセンサの中心を離間距離４０ｍｍのセンサの中心と合わせる必要がある。このように、異なる離間距離の複数のセンサ、例えば、離間距離４０ｍｍとしたセンサＡの間に離間距離２０ｍｍのセンサＢ、を位置させるとともに、それらの中心を一致させることにより、正確に深い部分の真上の浅い部分の情報をも測定することができ、よって深い部分のみの情報よりも正確な情報を得ることが可能となる。
【００３０】
センサＡからセンサＢを引いて得られる結果は、頭蓋の深い部位だけの情報になるが、頭蓋の浅い部位を含む全体を知ることができればより良いので、測定のチャンネルとして深い部位を対象とする離間距離４０ｍｍと浅い部位を対象とする離間距離２０ｍｍとを分けて各々で測定する。深い部位だけ情報として、４０ｍｍの情報と２０ｍｍの情報との差分は別に算出を可能とするのが好ましい。なお、一つの光源と二つの受光素子とを用いた従来の方法では、深い部位の情報のみとしている。
【００３１】
センサの離間距離による測定深度の確認実験データを図３〜図６に示す。この実験例のうち、図３及び図４では、離間距離４０ｍｍの頭蓋の深い部位を対象とした場合の例で、黒いゴムシートと水を入れたキュベット（後述する）とをセンサの下に挿入してその検出信号がどの程度の深さまで検出できるのかを確認した実験データを示す。この結果、光源と受光素子との離間距離を４０ｍｍとした場合（図３及び図４）では深さ２８ｍｍから３２ｍｍが検出限界と確認できる。同様に、離間距離３０ｍｍ（図５），２０ｍｍ（図６）の各々で光源−受光素子の離間距離の７０％から最大で８０％までの深さが検出可能であることが判明した。
【００３２】
そこで、図２（Ｃ）に示すように、光源２２Ａ，２２Ｂと受光素子２３Ａ，２３Ｂとを一対二組で構成し、センサＡ（光源２２Ａと受光素子２３Ａ）の離間距離を４０ｍｍ、センサＢ（光源２２Ｂと受光素子２３Ｂ）の離間距離を２０ｍｍとして、各々の照射・受光を交互に動作させることによって、センサＡでは頭蓋の深い所まで、センサＢでは頭蓋の浅いところの情報を取得するようにした。これらセンサＡ及びセンサＢの二組の中心（中心線Ｐ）は同一なので同じ測定部位で深さの異なる情報を独立して取得することができる。ここで、深い部分の情報から浅い部分の情報を減算すれば、深い部分のみの情報とすることができる。なお、この同じ測定部位とは、深さが異なるために厳密な意味での同じ測定部位とはならないが、ここではパッド２１に設けたセンサＡとセンサＢとの中心（中心線Ｐ）が同じであるために、この中心の直下付近を検出対象とする測定という意味で実質的に同じ測定部位とする。
【００３３】
したがって、図２（Ａ）に示すように、中心ｐ３，ｐ４がずれている場合や、図２（Ｂ）に示すように、左右別々のセンサ構成として中心ｐ５，ｐ６がずれている場合は「同じ測定部位」とはならない。これら図２（Ａ）〜図２（Ｃ）の各構成において、頭蓋を対象とした場合の光によって得られる情報とは、光源から受光素子に投射した光が頭蓋内を通過してきた部分の溶媒の情報となり、頭蓋内を通過してこなかった部位の情報は反映されない。
【００３４】
光源から受光素子に光が到達する光路はモンテカルロシュミレーションによってバナナシェイプと称される形状を呈すると考えられているため、一番遠い部分は光源と受光素子と頭蓋内とを結んだ正三角形の頂点となり光源と受光素子との離間距離の中心（中心線Ｐ）と一致することとなる。
【００３５】
ここで、パッド２１の構成について説明する。パッド２１は、頭蓋を対象とした場合、基本的に貼り付け部位は曲面となっている。そこで、図７（Ａ）に示すように、量産をするためにプリント基板４を採用して、この基板４の表面にチップ状の光源２２及び受光素子２３を載せて半田付けを行う。さらに、光源２２及び受光素子２３の表面はプリント基板４から各素子の厚み分だけ離れているため、発砲ゴム５により素子の表面を全体的に面一となるように仕上げる。この際、素子は生体Ｈに密着させることが必須条件となる。すなわち、各素子の発光面及び受光面をプリント基板４の上に向けないと光が検出できないうえ、生体Ｈが曲面なので、素子が生体Ｈの曲面に密着し難く、外来光が混入して測定エラーの原因となってしまう。
【００３６】
そこで、図７（Ｂ）に示すように、光源２２と受光素子２３をマウントする際にプリント基板４に光源２２と受光素子２３と同一の大きさの穴を明け、光源２２と受光素子２３とがともにプリント基板４のベース面（銅箔面）と同一面となるようし、プリント基板４の裏面側に発砲ゴム５を設けることにより、生体Ｈの曲面に対する追従性（密着性）を確保することができ、安定した測定結果を得ることができる。
【００３７】
次に、図８を参照しつつ頭蓋内の情報を深い所から浅い所まで、浅い所及び深い所で独立して測定する測定例を説明する。
【００３８】
センサ部２は、近赤外線を使用して生体Ｈの内部における血液のヘモグロビンの量と酸素飽和度とを測定することができる。上述した実験結果から、センサは離間距離の７０％から８０％がモニタ可能な深さである。一方、図８に示すように、成人の場合の頭蓋骨の厚さは８ｍｍから１０ｍｍ、表皮から頭蓋骨までの厚さは５ｍｍから８ｍｍ程度であるといわれている。
【００３９】
ここで、頭蓋外の情報だけを測定するには、深さ１３ｍｍから１８ｍｍまでの情報を測定すればよいから、７０％から８０％がモニタ可能範囲とすればセンサの離間距離は１８．５ｍｍから２５．７ｍｍ、又は１６．２ｍｍから２２．５ｍｍとなる。そのうえで、頭蓋骨の厚さ（８〜１０ｍｍ）を考慮すると、投受光の距離が２０ｍｍであれば頭蓋内の情報は含まれないと考えられる。
【００４０】
したがって、図８に示すように、離間距離が４０ｍｍのセンサで得られる情報は頭蓋内外の情報を含むこととなるので、離間距離が４０ｍｍで得られた情報から頭蓋外の投受光２０ｍｍの情報を差し引けば頭蓋内だけの情報になると考えられる。
【００４１】
実験結果から、同じ特性の素子を使用した場合、離間距離４０ｍｍのセンサの受光素子（２３Ａ）の信号は、２０ｍｍのセンサの受光素子（２３Ｂ）の信号と比べて吸収、散乱による影響が大きいので、増幅率を４０倍程度大きくする必要がある。このことから、ヘモグロビンによる吸光量として計算する場合は離間距離４０ｍｍのほうが、吸収量が大きいので離間距離４０ｍｍの吸光量から離間距離２０ｍｍの吸光量を差し引いてからそのＲ／ＩＲ比を求めれば、深いところのみの酸素飽和度を算出することができる。
【００４２】
頭蓋内の情報以外でも表皮下の脂肪層までの浅い部位の情報を削除して筋肉のみの血流を評価したい場合などは、筋肉までの深さ方向の距離が１２〜２０ｍｍ、表皮と脂肪層までの厚さが６ｍｍ等と考えると、最適な筋血流測定には離間距離１０ｍｍと離間距離３０ｍｍの組み合わせが最適である。
【００４３】
具体的には、吸光量Ｋλは、Ｌｏｇ１０（１０００／測定電圧）で求められるので、離間距離４０ｍｍの測定電圧はそのまま使用し、離間距離２０ｍｍの測定電圧を、増幅率４０倍をかけてその差を頭蓋の深い部分とする。なお、上式のＬｏｇ１０（１０００／測定電圧）の１０００は実験結果から光源（２２Ａ，２２Ｂ）の電圧を受光素子（２３Ａ，２３Ｂ）で測定された電圧から、対数グラフで逆算すると１０００倍に相当することから計算式に採用した。深い部分の吸光量は、
ＫＤ＝ｌｏｇ１０（１０００／４０ｍｍ）−ｌｏｇ１０（１０００／（２０ｍｍ×４０））
で求める。
【００４４】
このようにして求めた吸光量から前述した理論によって、酸素飽和度はＲ／ＩＲ比から求められる。ヘモグロビンインデックスは吸光量がそのまま相対値としてＨｂＩと相関する値となる。このように、中心位置を整合させ、その深さ方向の上方を独立して得ることによって、頭蓋以外でもこれらの考え方を応用すれば選択的に目標とする部位の血流情報を得ることができる。
【００４５】
次に、校正曲線を得る方法について説明する。無侵襲で生体内の血液の酸素飽和度や、血液量の変化を測定する基準を正確に評価する場合、正確な血液の酸素飽和度が分かっているものを測定して、ＣＯオキシメータで同じ血液を測定し、どの装置の値でもＣＯオキシメータの値との整合性が正確に評価するのが好ましい。
【００４６】
この際、血液を任意の酸素飽和度に調整する場合、例えば、血液の酸素飽和度を上げる場合には血液を空気に触れさせ、血液の酸素飽和度を下げる場合には還元剤として亜ジチオン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ４）を用いて還元する。また、全血状態ではヘモグロビンが濃いために光が吸収されてしまうため、血液（全血）を生理食塩水で３倍に希釈して使用（生体内での血管の生体内での最大密度は脳血管であり、約３０％と計算されている）する。脳の血液は毛細血管等に存在し、組織全体から見た濃度は１００ｇの脳組織に対して５４ｍｌ／ｍｉｎ程度であり、脳組織から見たヘモグロビン濃度は約５ｇ／ｄｌ程度となる。そこで、上記の測定には、血液を１／３程度にヘパリン生理食塩水で希釈して使用した。
【００４７】
酸素飽和度を測定する際に酸素飽和度が既知のトノメートされた血液を作成することができれば、その血液を使ってセンサのキュリブレーションのための校正曲線を作成することができる。実際のセンサと同一の素子を使用して、トノメートされた血液を厚さ１ｍｍ程度のキュベットに充たし、２つの異なった波長で受光信号の電圧を測定して、測定電圧から吸光量がベアーランバートの法則から計算する。各々の吸光量の比率（Ｒ／ＩＲ）がトノメートされた血液の酸素飽和度毎に判れば、Ｒ／ＩＲの点を結んで酸素飽和度とＲ／ＩＲの関係校正曲線とすることができる。
【００４８】
Ｒ／ＩＲ吸光比の測定は、センサで図９（Ａ）に示すようなキュベット６にトノメートした血液（ＣＯオキシメータを使用して酸素飽和度、ヘモグロビン濃度を測定確認します）を充填し、外部の光が入らない暗黒の状態で、使用する同じ波長の光源２２と受光素子２３を備えたセンサで、各光の波長ごとの吸光特性を測定することができる。
【００４９】
図９（Ｂ）に示すように、キュベット６は、センサ２２，２３の直下に位置させ、キュベット６の上下を生体に模擬したハム７等で挟んだものを使用した。トノメートした血液を０％から１００％まで細かく作り、その各々で測定した結果から校正曲線を作成した。このようにして酸素飽和度を測定するために理論値ではなくより実用的な再現性のある測定値とする。
【００５０】
（その他の条件）
血液は、基準の酸素飽和度測定のために厚さ１ｍｍ前後のキュベット６を使用する。キュベット６の内部の血液は測定の前後にＣＯオキシメータで酸素飽和度を確認する。酸素飽和度は、０％から１００％まで５％おきに作成して各々１０回以上測定する。これらの測定結果から、波長でＲ／ＩＲ比を算出し、ＣＯオキシメータの酸素飽和度と相関の曲線を作成する。使用するセンサ素子は実際に商品とするものと同じ仕様を満たすもの又は、評価する装置を使用する。使用する波長は、上述したように、７７０ｎｍ、８０５ｎｍ、８７０ｎｍとする。
【００５１】
次に、基準値を決定するためのファントムの構成例を説明する。この際の基準値とは、無侵襲で生体内の血液の酸素飽和度及びヘモグロビン量の基準値であって、生体内の血液の情報を正確に評価することができる基準値とする必要がある。
【００５２】
一般に、生体は光に対して強散乱物質であることが知られている。その散乱係数や拡散係数は測定可能であるものの、生体は絶えず変化してしまうので、常に一定の状態を維持することは困難である。一方、樹脂の中には生体と同じ程度の散乱や拡散、吸収係数を持ったものが存在するため、生体と同様の光学特性を持ったものを選択するとともに、生体と同様に多層に重ね合わせたファントムを構成した。
【００５３】
（ファントム（校正器）の構成）
ファントムは、生体と同様の散乱吸収特性を有する樹脂板を交互に組み合わせて、たとえば成人の前額部から頭蓋、皮質まで、とほぼ同様の光学的特性を持たせた。実際の構造は以下の通りで、
・表面に吸収板０．５ｔ  １枚
・その下に散乱板２ｔ  ５枚
・その下に吸収板０．５ｔ  １枚
・その下に散乱板２ｔ  ６枚
・その下に磨きアルミ板１ｔ  １枚
・その下に発泡ゴム板５ｔ  １枚
を遮光した黒い金属ケースに収納した。
【００５４】
また、使用する散乱板は照明器具のカバー等で周知のもので、点光源でも光の拡散性が強いものを選択した。生体は強散乱体として知られ、光は直進できないので、これと同じ効果が得られる材料を選択するのが望ましい。吸収板は、メラニン等光を吸収する物質を模擬して表面と、中間に位置させる。散乱板と吸光板とを上記のように組み合わせ、外光を避けるために遮光性の箱に入れる。
【００５５】
酸素飽和度の測定原理は異なった２種類の光が生体内のヘモグロビンによって吸収され減弱されることを利用する。ベアーランバートの法則によれば、減弱される程度は光路に含まれるヘモグロビンの量に比例する。酸素化されたヘモグロビンの量をＨｂＯ２，脱酸素化されたヘモグロビンの量をＨｂＲとすれば、酸素飽和度は（ＨｂＯ２／（ＨｂＯ２＋ＨｂＲ））×１００％で表すことができる。酸素飽和度が５０％の場合はＨｂＯ２とＨｂＲとが等しい。ＨｂＯ２とＨｂＲの吸光度曲線から、８０５ｎｍの波長ではこの２つのヘモグロビンは同じ吸光係数を示す。この８０５ｎｍの波長を挟んで、上下同じ吸光係数を示す波長を選択すればファントム上でＲ／ＩＲ比が（ベアーランバートの法則では２つの赤外線の吸収度合が同じであれば各々のヘモグロビンの量が同じと評価可能）１．０のときに酸素飽和度が５０％となる。使用する波長の吸収係数が異なった場合でも、吸収係数の比率をＲ／ＩＲ比に乗じてやれば補正が可能である。
【００５６】
（ファントムで校正ができることの証明）
酸素飽和度はオキシ、デオキシヘモグロビンの比率が１．０であれば５０％になる。ファントム上でＲ／ＩＲが１．０のときに酸素飽和度が５０％に校正するため、近赤外線の波長の吸光係数は以下の通りである。
ＨｂＯ２：７７０＝０．１５０    ８０５＝０．１９６    ８７０＝０．２４８
Ｈｂ    ：７７０＝０．３５０    ８０５＝０．１９６    ８７０＝０．１６８
吸光係数ε＝０．４３４Ｋ    Ｋ：吸光度
各波長の吸光度は以下の通りである。
ＨｂＯ２：７７０＝０．３４６    ８０５＝０．３６９    ８７０＝０．５７１
Ｈｂ    ：７７０＝０．８０６    ８０５＝０．３６９    ８７０＝０．３８７
ベアーランバートの法則ではＫ＝εｃｄ  ここで  ｃ：溶媒の濃度    ｄ：光路長
ある波長での吸光度は次のようになる。
Ｋλ＝（ｒＳＯ２×ＫＨｂＯ２＋（１−ｒＳＯ２）×ＫＨｂ）ｃｄ
使用している各波長の吸光度を求めると、
Ｒ＝Ｋ７７０＝（ｒＳＯ２×０．３４６＋（１−ｒＳＯ２）×０．８０６）ｃｄ
ＩＲ＝Ｋ８７０＝（ｒＳＯ２×０．５７１＋（１−ｒＳＯ２）×０．３８７）ｃｄ
Ｒ／ＩＲ＝（０．８０６−０．４６ｒＳＯ２）／（０．３８７＋０．１９４ｒＳＯ２）
ここで、Ｒ／ＩＲ＝Ａとおけば
Ａ（０．３８７＋０．１９４ｒＳＯ２）＝（０．８０６−０．４６ｒＳＯ２）
ｒＳＯ２を求めれば
ｒＳＯ２＝（０．８０６−０．３８７Ａ）／（０．４６＋０．１９４Ａ）
となる。ｒＳＯ２が０％から１００％まで変化した場合のＡ＝Ｒ／ＩＲの理論値は以下となる。
ｒＳＯ２＝０％      ０＝０．８０６−０．３８７Ａ    Ａ＝２．０８３
ｒＳＯ２＝１００％  ０．４６＋０．１９４Ａ＝０．８０６−０．３８７Ａ
Ａ＝０．３４６／０．５８１＝０．５９６
ｒＳＯ２＝５０％の時は各波長でｒＳＯ２＝０．５として吸光度を計算する。
Ｋλ＝（ｒＳＯ２×ＫＨｂＯ２＋（１−ｒＳＯ２）×ＫＨｂ）ｃｄ      なので
Ｋ７７０＝（０．５×０．３４６＋０．５×０．８０６）ｃｄ＝０．５７６ｃｄ
Ｋ８７０＝（０．５×０．５７１＋０．５×０．３８７）ｃｄ＝０．４７９ｃｄ
これから、
Ｒ／ＩＲ＝Ａ＝１．２０２５
となる。
【００５７】
理論値では、ｒＳＯ２＝５０％のときの各波長の吸光度は上記のとおりである。Ｒ＝Ｋ７７０の吸光度は０．５７６ｃｄ、ＩＲ＝Ｋ８７０の吸光度は０．４７９ｃｄで、Ｒの吸光度が大きくなる。
【００５８】
そこで、７７０ｎｍの波長の測定電圧に上記の吸光度の比率＝１．２０２５をかけ補正する。これにより吸光度はＫ７７０で０．４７９ｃｄ、Ｋ８７０で０．４７９ｃｄとなり、
Ｒ／ＩＲ＝１：１になり５０％に補正することができる。
【００５９】
このように補正することによって実機での測定値は、Ｒ／ＩＲ＝１のときに、ｒＳＯ２＝５０％となり、理論値と一致する。この補正を０％、１００％でも行うと各々の吸光比Ａ＝Ｒ／ＩＲは以下のようになる。なお、ｒＳＯ２の計算式（理論値）は上記のとおりである。
ｒＳＯ２＝（０．８０６−０．３８７Ａ）／（０．４６＋０．１９４Ａ）
なので、この式に補正のためのＡを１．２０２５倍にすると、ｒＳＯ２が０％、１００％の場合、
０％では（０．８０６−０．３８７×１．２０２５Ａ）＝０
Ａ＝１．７３２
１００％では（０．４６＋０．１９４×１．２０２５Ａ）＝（０．８０６−０．３８７×１．２０２５Ａ）
Ａ＝０．４９５
となる。このように補正した理論値に基づく校正曲線の式は以下のようになる。
Ａ＜１    ｒＳＯ２＝１００×（１．４９５−Ａ）／０．９９    １００〜５０％
Ａ＞１    ｒＳＯ２＝１００×（１．７３２−Ａ）／１．４６４      ５０〜０％
【００６０】
使用する波長が異なる場合は各々の波長のオキシ、デオキシヘモグロビンに対する吸光係数εが分かっているので、その数値を下式に当てはめて計算し直す。
吸光係数  ε＝０．４３４Ｋ    Ｋ：吸光度
【００６１】
ところで、このような酸素飽和度測定装置１及び酸素飽和度測定センサ２は、近赤外光によるヘモグロビンの変化情報から、酸素飽和度とヘモグロビン量に関する数値を必要とするケース全般に適用することができる。
【００６２】
（手術中の脳保護）
例えば、心臓手術で循環停止や脳外科での頸動脈遮断などで一時的に脳に血液が行かない状態がある場合に、前額部に酸素飽和度測定センサ２を貼り付けることにより、脳内の血液の酸素飽和度と血液量の情報とを取得することができ、危険な状態であるか否かを容易に把握することが可能となり、脳保護や脳障害の防止に役立てることができる。
【００６３】
（心肺停止＜ＡＥＤによる蘇生＞）
常温で心肺停止状態になると、急速に脳内の血液の酸素飽和度が低下し、意識を失うとされている。この場合、当然に拍動がないので、パルスオキシメータを使用することができない。近赤外を用いた酸素飽和度測定センサ２では、血液がそこにあれば酸素飽和度とＨｂＩとを問題なく測定することができる。
【００６４】
そこで、例えば、所謂心臓マッサージのための胸部圧縮で心肺蘇生を試み、ＡＥＤを使用して心拍再開すれば酸素飽和度は４０％台から６０％台に上昇する。受傷者と接触時に酸素飽和度を知ることによって、社会復帰の可能性を知ることも可能になる。
【００６５】
（脳内出血）
上述した深い脳組織のみの血液の酸素飽和度測定では、頭蓋内出血の情報は差し引かれてしまうため、情報としては得られない。これに対し、上述した酸素飽和度測定センサ２では、近赤外光が通過した光路にあるすべてのヘモグロビンの情報を反映することができる。通常、血液は血管の中にしか存在しないが、例えば、くも膜下出血や、頭蓋内出血の場合は血管外にヘモグロビンがあふれ出てくるので、測定光路中のヘモグロビン量が血管内だけ桁外れに多くなり、ファントム基準のＨｂＩの数値を見れば出血しているか否かを容易に判断することができる。
【００６６】
以上説明したように、本発明に係る酸素飽和度測定センサは、深さの異なる部位の情報の信頼性を向上することができるという効果を有し、近赤外線を用いた無侵襲で生体内の血液中の酸素飽和度を測定するための酸素飽和度測定センサ及び酸素飽和度測定装置全般に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
２  センサ部（酸素飽和度測定センサ）
２１  パッド
２２  光源（２２Ａ，２２Ｂ）
２３  受光素子（２３Ａ，２３Ｂ）
２４  ＲＯＭ
３  本体部
３Ｅ  演算処理部
【図１】
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【図２】
2017179103.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017179103.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年10月27日(2016.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に貼り付け可能なパッドと、
前記パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、
前記パッドに離間状態で隣接しかつ前記複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に前記複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する前記複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、
予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するＲＯＭ部と、
を備え、
前記パッドは、前記人体への貼り付け面を有するプリント基板と、当該プリント基板の裏面側に設けられた発砲ゴムと、を含み、
前記光源と前記受光素子とは、当該光源の表面と当該受光素子の表面とが前記貼り付け面と同一面となるように、前記プリント基板に設けられた開口部に配置される、酸素飽和度測定センサ。
【請求項２】
前記複数の光源と前記複数の受光素子とは、
前記中心の一方側に前記複数の光源を等距離だけ離間して配置し、
前記中心の他方側に前記複数の受光素子を等距離だけ離間して配置した、
ことを特徴とする請求項1に記載の酸素飽和度測定センサ。
【請求項３】
センサ部と本体部とからなり、
前記センサ部は、
人体に貼り付け可能なパッドと、
前記パッドに離間状態で隣接して配置するとともに近赤外線を照射する複数の光源と、
前記パッドに離間状態で隣接しかつ前記複数の光源のうち最内側とで共通の中心を基準に前記複数の光源と１対１で対応するように配置し、対応する前記複数の光源からの透過光を受光する複数の受光素子と、
予めファントムによる透過光を測定して基準値として記憶するＲＯＭ部と、
を備え、
前記本体部は、
前記ＲＯＭに記憶した受光量に関する受光値と基準値とに基づいて実際の吸光度を算出するとともに、前記基準値と比較してベアーランバートの法則に適応して生体の酸素状態を演算する演算処理部を備え、
前記パッドは、前記人体への貼り付け面を有するプリント基板と、当該プリント基板の裏面側に設けられた発砲ゴムと、を含み、
前記光源と前記受光素子とは、当該光源の表面と当該受光素子の表面とが前記貼り付け面と同一面となるように、前記プリント基板に設けられた開口部に配置される、酸素飽和度測定装置。
【国際調査報告】
2017179103.tif 000012
2017179103.tif 000013
2017179103.tif 000014
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