(57)【要約】  反射型パルスオキシメトリにより、人間患者又は罹患動物の体内測定部位における血中酸素飽和度を測定する装置であって、第一及び第二光源（５、１０）と、少なくとも一の前記光源から前記体内測定部位（３５）へ光を伝送する第一光ファイバ（３０）と、前記第一及び第二光源からの光を受光する少なくとも一のレシーバ（４５）と、前記測定部位領域から反射された光を前記レシーバへ伝送する少なくとも第二光ファイバ（４０）と、光源によって生じた光と、レシーバによって受光された光とに基づいて、前記体内測定部位における血中酸素飽和度を決定する手段とを備えてなる装置。二つの光ファイバの光心は、それらの遠位端において互いに少なくとも１ｍｍ離れている。本装置は、人間患者又は罹患動物の脳組織における酸素飽和度を測定するため頭骨アクセスボルトとともに使用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型パルスオキシメトリにより、人間患者又は罹患動物の体内測定部位における血中酸素飽和度を測定する装置であって、
第一スペクトル分布を有する第一光源と、
第二スペクトル分布を有する第二光源と、
少なくとも一の前記光源に隣接する近位端並びに使用時に前記体内測定部位に隣接して配置されるよう構成された遠位端を有する第一光ファイバであって少なくとも一の前記光源から前記体内測定部位へ光を伝送する第一光ファイバと、
前記第一及び第二光源からの光を受光する少なくとも一のレシーバと、
前記レシーバに隣接する近位端並びに使用時に前記体内測定部位に隣接して配置されるよう構成された遠位端を有する少なくとも第二光ファイバであって、前記測定部位領域から反射された光を前記レシーバへ伝送する第二光ファイバと、
光源によって生じた光と、レシーバによって受光された光とに基づいて、前記体内測定部位における血中酸素飽和度を決定する手段と
を備えてなり、
前記第一及び第二光ファイバの光心が、それらの遠位端において互いに少なくとも１ｍｍ離れている装置。
【請求項２】
前記第一光源が単色性である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第二光源が単色性である請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第一及び第二光源から前記第一光ファイバ沿いに連続的に光をパルス化する手段を含む請求項１乃至３いずれか一に記載の装置。
【請求項５】
前記第一光源が、６３０nm乃至７６０nmのピーク発光波長を有する光を発するものであり、前記第二光源が、８２０nm乃至９３０nmのピーク発光波長を有する光を発するものである前出請求項いずれか一に記載の装置。
【請求項６】
前記測定部位が脳の表面であり、
当該装置が、
前記人間患者又は罹患動物の頭蓋骨に挿入する頭骨アクセスボルトと、
前記光源からの光が、前記脳の前記表面に向かうことによって、前記脳表面における血中酸素飽和度の測定が可能となるように、前記アクセスボルト内で前記光ファイバを支持する手段と
を更に備えてなる前出請求項いずれか一に記載の装置。
【請求項７】
前記光ファイバの遠位端が、前記脳の前記表面から０乃至４．０mmの位置に配置されるように、
前記頭骨アクセスボルトが前記光ファイバを支持するように構成されてなる請求項６に記載の装置。
【請求項８】
人間患者又は罹患動物の脳組織内の酸素飽和度を測定する方法であって、
請求項１乃至５いずれか一に記載の装置の光ファイバの遠位端を、前記患者又は罹患動物の頭蓋骨内に配置された頭骨アクセスボルト内に挿入する工程と、
前記光ファイバの遠位端を、前記脳表面から０乃至４．０mmの距離に配置する工程と、
前記光源を使用して前記患者又は罹患動物の脳表面を照射する工程と、
前記第二光ファイバを介して前記レシーバで受光した反射光から、前記脳表面における血中酸素飽和度を決定する工程
とを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバカテーテルパルスオキシメ−タに関し、詳細には、脳組織酸素飽和度の測定における前記オキシメ−タの利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
頭部損傷を受けた患者及びある種の脳外科的手術からの回復期にある患者は、往々にして、脳灌流（脳への血液供給）の問題を生じやすい。脳へ供給される酸素化された血液が不足すると、急速に虚血状態となり、死に至る場合もある。脳は、安静時心拍出量の約２０％を受け取り、他のどの器官よりも灌流の程度が高い。極度の病態生理学的状態においては、脳灌流を維持するために他の器官への血液供給は遮断される。脳の酸素化をモニタリングする有効な手段は、このような状況において非常に重要であることは明らかである。
【０００３】
脳は頭蓋腔内に完全に収容されているので、物理的モニタリングシステムを用いることは困難である。
【０００４】
脳組織の酸素化に関するパラメータを測定する幾つかの方法が開発されてきた。
【０００５】
近赤外分光法（NIRS）は、商業的に利用可能であるが、脳の酸素化についての信頼性ある指標として、まだ幅広い支持を得ていない。この方法は、脳組織領域における静脈全体の酸素飽和度を予測するものである。この方法は、赤外光がかなり減衰するものの、ある程度頭蓋骨内に進入しうることに拠っている。多波長源から、通常は前頭に配置されるセンサへ光を伝送するために、光ファイバ束が使用される。再放出された光は、第二の光ファイバ束によってサンプリングされ、光検出器へ戻される。白熱光源が所望の波長を選択するフィルタとともに使用される。
【０００６】
この方法は、飽和度、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン及びシトクロムaa3濃度を予測することができる。早産の新生児はNIRSの理想的な対象者である。満期産児、年長小児及び大人は厚い頭蓋骨を持つため、光子の透過が制限される。現在利用可能なNIRS装置は、他に多数の制限を有している。例えば、測定が動きアーチフェクト（movement artifact）の影響を受けやすいこと、組織境界における光の挙動がまだそれほど解明されていないことなどである。脳から再放出される光というよりも浅層（頭皮、頭蓋骨など）から反射された光の比率が不明であるため、このシステムのキャリブレーションが困難なものとなっている（McCormick, P.W., M.Stewart, et al. (1991) Critical Care Medicine 19(1): 89-97）。
【０００７】
頸静脈球オキシメトリ（SjvO２）は、臨床的に用いられている別の手法であり、そのシステムは商業的に利用可能である。その測定法は、頭蓋底における頸静脈の球状の膨らみに光ファイバカテーテルを配置することによって、脳から排出される静脈血の酸素飽和度を測定することに依っている。
【０００８】
静脈酸素飽和度の連続読み取りが可能であり、脳の酸素取り込みの指標となる。SjvO２の大きな欠点は、局所的な虚血を検出することができないことである（Gopinath, S.P.,A.B. Valadka, et al. (1999) Critical Care Medicine 27 (11):2337-2345）。
【０００９】
脳組織酸素分圧センサ（pbtO２）は、近年商業的に利用可能（LiCoxシステム,
Integra Neurosciences Inc.）となった比較的新しい成果である。小型電気化学センサ（クラーク電極）が、頭蓋骨内にねじ込まれた中空ボルトを介して、脳内に挿入される。細胞間液に溶存する酸素の分圧が測定される。pbtO２は、センサと直接接する組織のみがモニタリングされるので、局所組織酸素化の有用な指標である。研究者らは、カテーテル先端の周囲で小出血が時々発生し、これが記録すべき結果の信頼性を損なう原因となっていることを発見した。更に、測定値を安定化させるのに数時間要することもしばしばである（Gopinath, Valadka et al. 1999）。
【００１０】
血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメトリは、現在の医療において用いられている最も一般的な測定法である。この技術は、異なる波長の二つの光源を使用し（典型的には６６０nmと８５０nm）、組織領域の照射に利用するものである。二つの波長はヘモグロビンにそれぞれ吸収されるが、その吸収量はヘモグロビンが酸素で飽和しているか飽和していないかによって異なる。組織を透過し、又は組織から反射された光は検出され、酸素化されたヘモグロビンの比率を計算するために二つの波長の吸収が比較される。
【００１１】
「パルスオキシメトリ」という用語は、拍動流に起因する信号を他の静的信号から区別するために、患者の血流の脈動を伴うフェーズで信号変化を検出することに由来する。
【００１２】
最も一般的な術法である透過型パルスオキシメトリにおいて、パルスオキシメトリ測定用に通常選択される測定点は、指や耳垂など、容易にアクセスしうる身体の辺縁部である。そのような測定によって得られた結果は、多くの目的において許容しうるものである。しかしながら、このような測定部位は、指の血行不良を呈する末梢循環障害など、或る病状が現れているときは不適当である。
【００１３】
皮膚（例えば前頭）に配置する反射型パルスオキシメータプローブもまた商業的に利用可能である。この装置は、辺縁灌流に障害のある患者又は辺縁皮膚温度の低い患者に対する酸素化モニタリングの代替方法を提供するものである。しかしながら、この装置は、脳のような、身体のアクセス困難な領域における血液灌流を測定することはできない。
【００１４】
【特許文献１】WO-A-0013575
【非特許文献１】McCormick, P.W., M.Stewart, et al. (1991) Critical Care Medicine 19(1): 89-97
【非特許文献２】Gopinath, S.P.,A.B. Valadka, et al. (1999) Critical Care Medicine 27 (11):2337-2345
【非特許文献３】2003 "Evaluation of oesophageal pulse oximetry in patients undergoing cardiothoracic surgery" Anaesthesia 58: 422-427
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
パルスオキシメトリの範囲を体内器官へ拡大しようとする様々な試みが行われてきた。特に、Kyriacouら(2003 "Evaluation of oesophageal pulse oximetry in patients undergoing cardiothoracic surgery" Anaesthesia 58: 422-427)は、反射型パルスオキシメトリを使用して、食道における体内組織の酸素飽和度を測定する装置を開発した。LEDとフォトダイオードとで構成されたKyriacouによって提唱されたプローブの直径は約3.5mmであり、外径約６mmの食道プローブに収容されている。このプローブは、手術前の麻酔導入後に挿入され、早期回復フェーズまで留置されるよう意図されている。
【００１６】
WO-A-0013575は、鼻腔及び口腔内、後咽頭表面並びに外耳道内部でパルスオキシメータ測定値を取り込む装置を開示している。このプローブは、Kyriacouプローブと概ね同様のタイプであるが、光源が被検組織の直近に配置される。
【００１７】
我々は、光源が被検組織から離れた位置に配置され、光源から測定部位まで光ファイバによって光が伝送される反射型パルスオキシメータを提供することにより、相当多数の臨床的症状とりわけ体内組織において有用な酸素化測定値が得られることを発見した。
【００１８】
また我々は、この種の装置が、脳の酸素飽和度の測定に特に適していることも発見した。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第一の側面において、反射型パルスオキシメトリにより、人間患者又は罹患動物の体内測定部位における血中酸素飽和度を測定する装置であって、第一スペクトル分布を有する第一光源と、第二スペクトル分布を有する第二光源と、少なくとも一の前記光源に隣接する近位端並びに使用時に前記体内測定部位に隣接して配置されるよう構成された遠位端を有する第一光ファイバであって少なくとも一の前記光源から前記体内測定部位へ光を伝送する第一光ファイバと、前記第一及び第二光源からの光を受光する少なくとも一のレシーバと、前記レシーバに隣接する近位端並びに使用時に前記体内測定部位に隣接して配置されるよう構成された遠位端を有する少なくとも第二光ファイバであって、前記測定部位領域から反射された光を前記レシーバへ伝送する第二光ファイバと、光源によって生じた光と、レシーバによって受光された光とに基づいて、前記体内測定部位における血中酸素飽和度を決定する手段とを備えてなり、前記第一及び第二光ファイバの光心が、それらの遠位端において互いに少なくとも１ｍｍ離れている装置が提供される。
【００２０】
光源は単色性であることが好ましい。
【００２１】
体内測定部位へ又は体内測定部位から光を伝送する光ファイバを使用することによって、装置の侵入部（すなわち、使用に際して患者体内に留置される部分）が非常に柔軟になり、且つ、小径となる。したがってこの装置は、他の装置ではアクセス困難な領域、とりわけ食道、気管及び結腸や、脳表面の領域における酸素化の測定を容易にするものである。
【００２２】
光ファイバを使用するので、電気部品や光源を、患者組織と接触しない患者体外に維持することができ、そのため患者の火傷の可能性を低減するとともに装置をより低侵襲にすることができる。
【００２３】
本装置は、血液の酸素化を測定することが望まれるあらゆる体内測定部位に有益に適用することができる。多くの場合、装置を配置するため、非常に小さな切開が必要となる。
【００２４】
二つの光源それぞれから体内測定部位まで光を伝送するために、別個の光ファイバを使用することができる。しかしながら好適な一実施形態において、二つの光源からの光は、単一の光ファイバへ供給してもよい。特に好適な一実施形態において、二つの光源からの光は、単一の光ファイバに対し、交互（すなわち順次）にパルス化してもよい。同様に、単一の光ファイバを使用して、体内測定部位からの反射光を集め、レシーバに伝送してもよい。このように単一の光ファイバを使用することによって全体寸法、とりわけ装置の直径を最小化することができる。
【００２５】
光ファイバは、伝送光ファイバの間に置かれたスペーサ光ファイバによって、互いに離間していることが好ましい。
【００２６】
第一光源は、可視スペクトルの赤色部分の光を発生させることが好ましく、第二光源は、近赤外スペクトル部分の光を発生させることが好ましい。好ましいピーク発光波長は、赤色光については６３０nm乃至７６０nmであり、赤外光については８２０nm乃至９３０nmである。赤色光源及び赤外光源それぞれについて有効である特に好ましいピーク発光波長がそれぞれ６６０nm、８５０nmであることが発見されたが、これらの値に近い他の波長も使用可能である。光源は単色性であるか、少なくとも狭い波長帯にわたる光を発することが好ましい。好適な一実施形態において、光源は、発光ダイオード（LED）であり、LEDは典型的にピーク発光波長値の約５％のスペクトル線半値幅を持つ。
【００２７】
本発明に係る装置は、脳組織における血中酸素飽和度の測定に特に適している。通常は従来形状の頭骨アクセスボルトを設けて、光ファイバの遠位端を脳表面から離れた適当な位置で支持することもできる。頭骨アクセスボルトは、光ファイバの遠位端が組織表面から０乃至4.0ｍｍの距離で支持されるようなものであることが好ましい。頭骨アクセスボルトは、他の測定機器の配置を容易にするために使用することもできる。
【００２８】
本発明の別の一面において、人間患者又は罹患動物の脳組織内の酸素飽和度を測定する方法であって、上記装置の光ファイバの遠位端を、前記患者又は罹患動物の頭蓋骨内に配置された頭骨アクセスボルト内に挿入する工程と、前記光ファイバの遠位端を、前記脳表面から０乃至４．０mmの距離に配置する工程と、前記光源を使用して前記患者又は罹患動物の脳表面を照射する工程と、前記第二光ファイバを介して前記レシーバで受光した反射光から、前記脳表面における血中酸素飽和度を決定する工程とを備える方法が提供される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る装置は、有効な臨床学的指標であることが証明されている血液の酸素化（blood oxygenation）を、脳組織表面で直接的に測定することを可能にするものである。本発明方法は、浅層による光の散乱及び吸収の影響を一般に受けづらいので、NIRSに比べて信頼性を向上しうるものである。
【００３０】
更に、光学的測定は、装置が定位置に配置されると直ぐモニタリングを開始できるという利点を有している（すなわち、pO２（酸素分圧）モニタのような安定化時間が要らない）。光ファイバセンサは、脳組織に数センチ挿入しなければならないpO２電極よりも低侵襲性である。pO２電極は、組織損傷を引き起こし、測定の信頼性を低下させる可能性がある。
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図1の装置は、波長６６０nmで赤色光パルスを出力するLEDである第一光源（５）と、波長８５０nm（赤外域）のLEDである第二光源（１０）とを備えている。光源（５、１０）は、該光源を駆動する電流源（１２、１３）に接続されている。光ファイバ（１５、２０）が光源（５、１０）とYカップラの上肢（非図示だが位置２５に総体的に示されている）とを接続している。Yカップラは、光ファイバ（１５、２０）を、装置の遠位端（３７）へ光を伝送する一本の光ファイバ（３０）に連結させている。装置の遠位端（３７）は、人間患者又は罹患動物の体内測定部位（３５）に隣接するものである。
【００３３】
測定部位（３５）から反射した光をフォトダイオード・レシーバ（４５）まで伝送するために更に別の光ファイバ（４０）が設けられている。この光ファイバ（４０）は、放出される光を受光するため測定部位の近くに配置される一端（４７）を有している。レシーバ４５は、伝達インピーダンス増幅器（５０）へ接続され、レシーバからの光電流は電圧に変換される。伝達インピーダンス増幅器は、出力電圧を増幅させる別の増幅器（５５）を介して、インタフェース（６０）へ接続され、該インタフェースにおいて信号がデジタルからアナログへ変換され、信号が逆多重化（demultiplexing）され、その結果、酸素飽和度に関する値が得られる。
【００３４】
システムクロックとカウンタタイマとを持つ論理回路（７０）は、光源（５、１０）及びインタフェース（６０）へ接続される。論理回路（７０）はタイミングサイクルを作り出すことができ、このタイミングサイクルは、光源（５、１０）からの光パルスの多重化信号（multiplexed signal）を作り出し、またインタフェース（６０）をエネーブルにして（enabling）、レシーバ（４５）によって受信された信号を逆多重化することができる。
【００３５】
光源（５、１０）、論理回路（７０）、電流源（１２、１３）、光検出器（４５）、伝達インピーダンス増幅器（５０）、増幅器（５５）及びインタフェース（６０）は、図2において模式的に示されるケーシング（７７）内に収容される。回路は、二つの１２Ｖ鉛蓄電池（非図示）によって動力供給される。
【００３６】
光ファイバ（１５、２０、４０）は、各結合部位におけるエネルギー損失を最小にする情報産業標準ＳＭＡコネクタによって光源（５、１０）へ結合される。
【００３７】
光ファイバ（３０、４０）は、図３に示すように、光ファイバ（３０、４０）の遠位端（３７、４７）の光心同士が互いに１．４６ｍｍ離れるように互いに接続される。遠位端（３７、４７）は、光ファイバ（３０、４０）とほぼ同じ直径のスペーサファイバ（７５）だけ離れている。遠位端（３７、４７）は、光ファイバから又は光ファイバへ光を均一確実に伝送する平坦面を形成するように、劈開され研磨される。
【００３８】
各光ファイバ（１５、２０、３０、４０）は、外径７３０μｍであり、コア径４００μｍである。各光ファイバの許容角（θ）すなわち受光最大角は、２３°である。光ファイバはハードクラッドシリカ製であり、滅菌可能で十分な生体適合性がある。
【００３９】
各光ファイバ（３０、４０）は、図４に示されるように、チャネル（８０、８５）を介して、LiCox（登録商標）ＩＭ３頭骨アクセスシステム（Integra Neurocare LLC製, San Diego, CA. USA）のような頭骨アクセスボルト（９０）内に通される。ボルトは、三つのチャネルを持ち、残りの一つのチャネルは別のセンサが必要になったときのための予備である。
【００４０】
光ファイバ（３０、４０）がチャネル（８０、８５）内の正しい位置に配置されると、コンプレッション・キャップ（compression cap）(９２)が締め付けられて、滅菌シールが形成され、体内組織の汚染を防ぐことができる。
【００４１】
使用に際して、光ファイバ（３０、４０）の遠位端（３７、４７）は、患者の体内測定部位（３５）の近くに配置される。遠位端（３７、４７）は、体内測定部位（３５）に対し正確に配置するために、患者の組織表面に触れるか挿入されるように該組織表面近くに配置することができる。図５に示されるように、遠位端（３７、４７）と体内測定部位（３５）との間の最適距離ｄは、０＜ｄ＜ｓ/２tanθである。ここで、ｓは光ファイバ（３０、４０）の光心間の距離であり、θは許容角（この場合は２３°）である。しかしながら、ｄは２ｍｍ以下であることが好ましい。これ以上の距離になると、検出された光の一部が組織表面（３５）から反射され、組織（９４）内部で十分に散乱しないからである（オプティカル・シャントとして知られる現象である）。
【００４２】
論理回路（７０）のカウンタタイマは、専用パルス列を発生させ、タイミング信号を発生させることにより光源（５、１０）に連続的にパルス発振させる。タイミング信号の発生が引き金となって、論理回路（７０）は図６に示されるようにタイミングサイクルを発生させる。タイミングサイクルは、赤色及び赤外パルスの並びからなる多重化信号を発生させる。
【００４３】
パルスは、体内測定部位（３５）まで光ファイバ（１５、２０、３０）を下降する。各光パルスは、測定部位（３５）における組織内部で十分に散乱される。各パルスからの光の一部は、その後、測定部位（３５）から放出され、そこで光ファイバ（４０）内へ入る。その後、光は、フォトダイオード・レシーバ（４５）まで光ファイバ（４０）沿いに進む。フォトダイオード・レシーバ（４５）は、レシーバ（４５）によって測定された光強度に正比例する電流を発生させる。伝達インピーダンス増幅器（５０）は、電流を電圧へ線形変換し、電圧は増幅器（５５）によって増幅される。増幅された電圧は、インタフェース（６０）に入り、そこで１６ビットＤＡ（デジタル−アナログ）コンバータによってサンプリングされる。論理回路（７０）は、データ収集をゲート制御して、多重化されたパルスと収集したデータを同期させる。ＤＡコンバータから得られた信号は、その後、デマルチプレクサによって、赤色パルス及び赤外パルスそれぞれに関する別々の信号に分離できる。これらの信号は別々にフィルタリングされ、高周波ノイズが除去される。
【００４４】
酸素飽和度は、赤色パルス及び赤外パルスに関する信号の比（Ｒ）から、次式によって計算することができる。
【００４５】
Ｒ＝（ＩＬ，Ｒ/ＩＨ，Ｒ）/（ＩＬ，ＩＲ/ＩＨ，ＩＲ）
上式において、ＩＬ，Ｒ及びＩＨ，Ｒは、それぞれ、一の心周期における赤色光源のＯＮフェーズ中に検出された光強度の最小値及び最大値である。ＩＬ，ＩＲ及びＩＨ，ＩＲは、それぞれ、赤外線源のＯＮフェーズ中に検出された光強度についての同様の値である。
【００４６】
酸素飽和度（ＳｐＯ２）は、例えば一次元方程式を使用するなどして、実験的に求められたキャリブレーションカーブから予測することができる。
【００４７】
図７は、脳の表面における血中酸素濃度を測定するために、LiCox（登録商標）頭骨ボルトとともに使用される図１のパルスオキシメ−タを示している。ボルト（９０）は、頭蓋骨（９５）及び硬膜（９８）に螺入される。光ファイバ（３０、４０）は、軟膜（１１０）の血中酸素濃度の測定が可能となるようなクモ膜（１００）内の所定位置に到達するまで、三つのチャネルのうち二つ（８０、８５）、典型的には温度及び酸素電極チャネル内に通される。次いで、コンプレッション・キャップ（９２）が締め付けられて滅菌シールが作り出され、血中酸素濃度が測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】図１に示す装置の近位端における配置レイアウトを示す模式図である。
【図３】図１に示す装置における光ファイバの遠位先端の横断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る装置における光ファイバを支持するCranial（頭骨）アクセスボルトを示す図である。
【図５】図１に示す装置での使用に好適なＬＥＤタイミングサイクルを示す図である。
【図６】体内測定部位に対する、図１に示す装置の光ファイバの先端位置の好適な配置を示す図である。
【図７】患者の頭蓋骨内の定位置にある、図４に示す装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2007515241.tif 000011
2007515241.tif 000012
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