(57)【要約】【課題】測定対象に含まれるヘモグロビン以外の成分の影響を抑えて、酸素飽和度の推定精度を向上させる。【解決手段】酸素飽和度推定装置は、照射光の照射強度と透過光の受光強度とに基づいて、測定対象の血液中の酸素飽和度を算出する計算部１４１を備える。受光強度は、時間経過に伴う測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものである。計算部１４１は、照射強度及び受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出し、全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出して、酸素飽和度を算出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の受光強度とに基づいて、前記測定対象の血液中の酸素飽和度を算出する計算部を備え、
前記受光強度は、時間経過に伴う前記測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものであり、
前記計算部は、
前記照射強度及び前記受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出し、
前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、前記酸素化ヘモグロビン及び前記脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出し、
前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから前記酸素飽和度を算出する
ことを特徴とする、酸素飽和度推定装置。
【請求項２】
前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項は、前記酸素化ヘモグロビン及び前記脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを含む、
請求項１に記載の酸素飽和度推定装置。
【請求項３】
前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項は、メラニン、水、及び脂肪からなる群より選ばれる少なくとも一つによる減衰項を含む、
請求項２に記載の酸素飽和度推定装置。
【請求項４】
前記計算部は、
最小二乗法を用いて前記連立方程式を解き、
前記連立方程式を解く際に、前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とが時間経過により変化して、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素飽和度推定装置。
【請求項５】
前記計算部は、
前記測定対象についての前記連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項を算出することで予め取得し、
前記連立方程式を解く際に、前記全体吸光度から、予め取得した前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項を差し引いて、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項を算出する請求項４に記載の酸素飽和度推定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素飽和度推定装置と、
前記照射光を前記測定対象に照射する照射部と、
前記透過光を検出して、前記透過光の受光強度を測定する受光部とを備える
ことを特徴とする、酸素飽和度測定装置。
【請求項７】
前記測定対象が、人又は人以外の動物であり、
前記照射部は、前記照射光を前記測定対象の水かき部分に照射し、
前記受光部は、前記水かき部分を透過した前記透過光を検出する、
請求項６に記載の酸素飽和度測定装置。
【請求項８】
前記測定対象において、前記透過光を検出する部位よりも上流側の血管を圧迫して、前記血流変化を生じさせる圧迫部をさらに備える
請求項６又は７に記載の酸素飽和度測定装置。
【請求項９】
コンピュータを、
測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の受光強度とに基づいて、前記測定対象の血液中の酸素飽和度を算出する計算部として機能させ、
前記受光強度は、時間経過に伴う前記測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものであり、
前記計算部は、
前記照射強度及び前記受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出し、
前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出し、
前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから前記酸素飽和度を算出する、
ことを特徴とする、酸素飽和度推定プログラム。
【請求項１０】
測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の、時間経過に伴う前記測定対象の血流変化に応じた強度を測定した受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出するステップと、
前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出するステップと、
前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから酸素飽和度を算出するステップとを備える、
ことを特徴とする、酸素飽和度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象への照射強度と時間経過に伴う血流変化に応じた受光強度とに基づいて酸素飽和度を算出する、酸素飽和度推定装置、酸素飽和度測定装置、酸素飽和度推定プログラム、及び酸素飽和度推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象に照射した照射光の強度と、測定対象に入射した入射光が透過又は反射した光の強度とに基づいて、ランバート・ベールの法則を利用して酸素飽和度を求めることが行われている。酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ2；オキシヘモグロビンともいう）と脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ；デオキシヘモグロビンともいう）とは、吸光特性が異なっている。この特性を利用して、従来、赤色光と近赤外光との異なる二つ以上の波長の光を用いて、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの吸光度の比を測定することで、酸素飽和度が求められている。
【０００３】
測定対象の酸素飽和度を測定する際に、測定対象の中には、ヘモグロビン以外にも入射光に対する吸収を示す成分が存在している。このような成分としては、例えば測定対象の組織に含まれるメラニンや脂肪、水分等が挙げられる。これらの成分に入射光が吸収されて減衰することで、酸素飽和度の測定精度が低下することがある。
【０００４】
特許文献１には、ヘモグロビン以外の成分は波長依存性がないと仮定し、酸素飽和度の測定部位となる指を圧迫することで、組織を圧縮すると共に、動脈血と静脈血とを排除した状態で血液酸素飽和度を測定することが記載されている。そして、この圧迫した状態を基準として、圧迫状態を解除した状態での減光度の変化を測定することで、血液の厚み変化を確認し、組織の変化分の影響を排除して精度の高い血液酸素飽和度の連続監視が可能となることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１４７４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、ヘモグロビン以外の成分は波長依存性がないと仮定しているが、実際にはメラニンなど血液以外に成分は波長によって吸光特性が異なるため、この仮定に基づいて算出される酸素飽和度には大きな誤差が伴うと考えられる。また、圧迫により組織の厚みが変化することで、入射光の経路長が非線形に変化すると考えられる。このように、組織の厚みが変化しているにも関わらず光路長を同じと仮定して酸素飽和度を算出すると、算出誤差が増大することになる。また、特許文献１に記載の技術では、測定部位である指への血流を遮断する程度まで強く圧迫する必要があった。このように、血流を遮断する程度まで組織を圧迫した場合には、例えば入射光の光路に含まれるメラニンの量は変化しにくいのに対して、脂肪等は押し出されてその量が大きく減少する。したがって、測定部位の圧迫を行った場合には、入射光の減衰の度合いの予測が困難となる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的の一つは、測定対象に含まれるヘモグロビン以外の成分の影響を抑えて、酸素飽和度の推定精度を向上させた酸素飽和度推定装置、酸素飽和度測定装置、酸素飽和度推定プログラム、及び酸素飽和度推定方法を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下に示す種々の具体的態様を提供する。
〔１〕測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の受光強度とに基づいて、前記測定対象の酸素飽和度を算出する計算部を備え、前記受光強度は、時間経過に伴う前記測定対象の血液中の血流変化に応じた強度を測定したものであり、前記計算部は、前記照射強度及び前記受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出し、前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、前記酸素化ヘモグロビン及び前記脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出し、前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから前記酸素飽和度を算出することを特徴とする、酸素飽和度推定装置。
【０００９】
〔２〕前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項は、前記酸素化ヘモグロビン及び前記脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを含む、〔１〕に記載の酸素飽和度推定装置。
〔３〕前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項は、メラニン、水、及び脂肪からなる群より選ばれる少なくとも一つによる減衰項を含む、〔２〕に記載の酸素飽和度推定装置。
〔４〕前記計算部は、最小二乗法を用いて前記連立方程式を解き、前記連立方程式を解く際に、前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とが時間経過により変化して、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出する、〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載の酸素飽和度推定装置。
〔５〕前記計算部は、前記測定対象についての前記連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項を算出することで予め取得し、前記連立方程式を解く際に、前記全体吸光度から、予め取得した前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項を差し引いて、前記酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項を算出する〔４〕に記載の酸素飽和度推定装置。
【００１０】
〔６〕〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の酸素飽和度推定装置と、前記照射光を前記測定対象に照射する照射部と、前記透過光を検出して、前記透過光の受光強度を測定する受光部とを備えることを特徴とする、酸素飽和度測定装置。
〔７〕前記測定対象が、人又は人以外の動物であり、前記照射部は、前記照射光を前記測定対象の水かき部分に照射し、前記受光部は、前記水かき部分を透過した前記透過光を検出する、〔６〕に記載の酸素飽和度測定装置。
〔８〕前記測定対象において、前記透過光を検出する部位よりも上流側の血管を圧迫して、前記血流変化を生じさせる圧迫部をさらに備える〔６〕又は〔７〕に記載の酸素飽和度測定装置。
【００１１】
〔９〕コンピュータを、測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の受光強度とに基づいて、前記測定対象の血液中の酸素飽和度を算出する計算部として機能させ、前記受光強度は、時間経過に伴う前記測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものであり、前記計算部は、前記照射強度及び前記受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出し、前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出し、前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから前記酸素飽和度を算出する、
ことを特徴とする、酸素飽和度推定プログラム。
【００１２】
〔１０〕測定対象に照射されたＮ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含む照射光の照射強度と、前記測定対象を透過した透過光の、時間経過に伴う前記測定対象の血流変化に応じた強度を測定した受光強度に基づいて、前記波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出するステップと、前記全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項とのそれぞれの和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、前記酸素化ヘモグロビンのモル濃度と前記脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出するステップと、前記酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、前記脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とから酸素飽和度を算出するステップとを備える、ことを特徴とする、酸素飽和度推定方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定対象に含まれるヘモグロビン以外の成分の影響を抑えて、酸素飽和度の推定精度を向上させた酸素飽和度推定装置、酸素飽和度測定装置、酸素飽和度推定プログラム、及び酸素飽和度推定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る酸素飽和度測定装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る酸素飽和度測定装置の機能構成の例を示すブロック図である。
【図３】実施形態に係る受光ユニットの動作を説明するためのタイミング図である。
【図４】血流変化を生じさせた場合に推定される組織酸素飽和度（ＳｔＯ2）の変化の一例を表すグラフである。
【図５】血流変化を生じさせた場合に推定される、組織酸素飽和度及び各成分の変化の一例を表すグラフである。（ａ）は組織酸素飽和度、（ｂ）はオキシヘモグロビンのモル濃度、（ｃ）はデオキシヘモグロビンのモル濃度、（ｄ）はヘモグロビンのモル濃度、（ｅ）はメラニンによる減衰項、（ｆ）は水による減衰項、（ｇ）は脂肪による減衰項、（ｈ）は散乱光による減衰項を表す。
【図６】血流変化を生じさせた場合に推定される組織酸素飽和度の変化の他の例を表すグラフである。
【図７】血流変化を生じさせた場合に算出される、酸素飽和度及び各成分の変化の他の例を表すグラフである。（ａ）は組織酸素飽和度、（ｂ）はオキシヘモグロビンのモル濃度、（ｃ）はデオキシヘモグロビンのモル濃度、（ｄ）はヘモグロビンのモル濃度、（ｅ）はメラニンによる減衰項、（ｆ）は水による減衰項、（ｇ）は脂肪による減衰項、（ｈ）は散乱光による減衰項を表す。
【図８】血流変化を生じさせた場合に算出される、ヘモグロビンのモル濃度の変化の他の例を拡大して表すグラフである。
【図９】各減衰項の成分について、波長と吸光係数との関係を示す図である。
【図１０】実施形態に係る酸素飽和度の推定方法の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１１】実施形態に係る酸素飽和度の推定方法の手順の他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００１６】
本明細書において、「〜」を用いてその前後に数値又は物性値を挟んで表現する場合、その前後の数値又は物性値を含むものとして用いることとする。例えば「１〜１００」との数値範囲の表記は、その下限値「１」及び上限値「１００」の双方を包含するものであり、「１以上１００以下」を表す。他の数値範囲の表記も同様である。
【００１７】
［１．概要］
本実施形態に係る酸素飽和度測定装置（以降、「測定装置」ともいう。）は、照射部と、受光部と、圧迫部と、酸素飽和度推定装置（以降、「推定装置」ともいう。）とを備えている。推定装置は、測定対象に照射された照射光の照射強度と、測定対象を透過した透過光の受光強度とに基づいて、測定対象の血液中の酸素飽和度を算出する計算部を備える。このとき、照射光は、Ｎ種類（Ｎは３以上の整数）の波長成分の光を含んでいる。すなわち、照射光は、少なくとも３種類の波長成分の光を含んでいる。また、計算部は、時間経過に伴う測定対象の血流変化に応じた強度を測定した受光強度に基づいて、測定対象の酸素飽和度を算出する。
【００１８】
まず、計算部は、照射強度及び受光強度に基づいて照射光に含まれる波長成分それぞれにおける吸光度を算出する。この吸光度を、「全体吸光度」と称する。次に、計算部は、ＭＢＬ法（modified Beer-Lambert）を用いて、全体吸光度を、照射光を減衰させる減衰項の和として表す。具体的には、全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による減衰項（以下、「ヘモグロビン以外の要素による減衰項」ともいう。）とのそれぞれの和からなる時間の関数として表す。酸素化ヘモグロビンによる減衰項は、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなり、酸素化ヘモグロビンに起因する光量の減衰を表すものである。また、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項は、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数とモル濃度との積からなり、脱酸素化ヘモグロビンに起因する光量の減衰を表すものである。また、ヘモグロビン以外の要素による減衰項は、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の要素による光量の減衰を表すものである。この全体吸光度は、透過光のＮ種類の波長に対してそれぞれ表され、Ｎ元の連立方程式を構成する。そして、計算部は、この全体吸光度の連立方程式を解いて、酸素化ヘモグロビンのモル濃度と脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出することができる。さらに、計算部は、酸素化ヘモグロビンのモル濃度と、脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とから酸素飽和度を算出することができる。
【００１９】
より具体的には、ヘモグロビン以外の要素による減衰項は、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを含むものである。酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン以外の吸光物質（以降、「他の吸光物質」ともいう。）は、例えば、メラニン、水、脂肪等が挙げられる。他の吸光物質による減衰項が全体吸光度を表す式に含まれる数は、特に限定されないが、通常０以上、好ましくは１以上、より好ましくは２以上、さらに好ましくは３以上である。他の吸光物質による減衰項が全体吸光度を表す式に含まれる数が、上記下限値より多くなると、酸素飽和度の算出の精度を向上させることができる傾向にある。他の吸光物質による減衰項が全体吸光度を表す式に含まれる数の上限は特に限定されないが、多くなると計算量が増加するにも関わらず算出精度の向上が認められにくくなる傾向にある。このため、上限は通常１０以下、好ましくは６以下、より好ましくは５以下、さらに好ましくは４以下である。他の吸光物質による減衰項は、測定対象に含まれる物質の中でも照射光に対する主な吸収を示す物質による減衰項を含むことが好ましい。例えば、メラニン、水、及び脂肪からなる群より選ばれる少なくとも一つによる減衰項を含むことが好ましく、メラニン、水、及び脂肪による減衰項を含むことがより好ましい。
【００２０】
照射光が含むＮ種類の波長成分は、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、ヘモグロビン以外の要素による減衰項とを合わせた数と同数か、合わせた数以上の種類であることが好ましい。例えば、ヘモグロビン以外の要素による減衰項が、他の吸光物質による減衰項を１つと、散乱光による減衰項を含む場合には、照射光に含まれる波長成分は通常４種類（Ｎ＝４）、好ましくは４種類以上であることが好ましい。また、ヘモグロビン以外の要素による減衰項が、他の吸光物質による減衰項を２つと、散乱光による減衰項を含む場合には、照射光に含まれる波長成分は通常５種類（Ｎ＝５）、好ましくは５種類以上であることが好ましい。また、ヘモグロビン以外の要素による減衰項が、他の吸光物質による減衰項を３つと、散乱光による減衰項を含む場合には、照射光に含まれる波長成分は通常６種類（Ｎ＝６）、好ましくは６種類以上であることが好ましい。
【００２１】
計算部は、最小二乗法を用いて、全体吸光度を表すＮ元の連立方程式を解くことが好ましい。このとき、連立方程式を解く際に、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とが時間経過により変化して、ヘモグロビン以外の要素による減衰項が時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出することが好ましい。または、連立方程式を解く際に、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、散乱光による減衰項とが時間経過により変化して、他の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出することがより好ましい。または、連立方程式を解く際に、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とが時間経過により変化して、他の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とが時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出してもよい。
【００２２】
さらに、計算部は、予め、測定対象についての全体吸光度を表すＮ元の連立方程式を解くことで、他の吸光物質による減衰項を算出することで取得しておくことが好ましい。そして、新たに照射光を照射し透過光を検出して連立方程式を解く際に、このときの照射強度及び受光強度に基づいて算出される全体吸光度から、予め取得した他の吸光物質による減衰項を差し引いて、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とを算出することが好ましい。または、計算部は、予め、測定対象についての全体吸光度を表すＮ元の連立方程式を解くことで、他の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを算出することで取得しておくことが好ましい。そして、新たに照射光を照射し透過光を検出して連立方程式を解く際に、このときの照射強度及び受光強度に基づいて算出される全体吸光度から、予め取得した他の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを差し引いて、酸素化ヘモグロビンによる減衰項を算出してもよい。
【００２３】
以降、本実施形態においては、照射光が６種類（Ｎ＝６）の波長成分の光を含んでいる場合を例に挙げて説明する。また、ヘモグロビン以外の要素による減衰項として、他の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項を含む場合を例に挙げて説明する。具体的には、他の吸光物質による減衰項として、メラニン、水、及び脂肪による減衰項を含む場合を例に挙げて説明する。
【００２４】
［２．構成］
本実施形態に係る酸素飽和度測定装置の構成について、図１，図２を参照して説明する。
［２−１．ハードウェア構成］
図１に示すように、測定装置１００は、推定装置２００と、これに接続される照射ユニット１０、受光ユニット２０、及びカフ３０を備えている。また、推定装置２００は、キーボード、マウス等の入力装置（図示略）をさらに備えている。推定装置２００は、例えば、受光ユニット２０で得られたデータを処理するためのコンピュータによって構成されている。推定装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央処理装置）４０、メモリ５０、表示装置６０、及び入出力インターフェース（図示略）を備え、これらがデータを転送するための経路であるバス（図示略）によって接続されている。推定装置２００は、入出力インターフェースを介して、照射ユニット１０、受光ユニット２０、カフ３０、及び入力装置と接続されている。
【００２５】
なお、本実施形態において、コンピュータとは、ハードウェアとオペレーティングシステムとを含む概念であり、オペレーティングシステムの制御の下で動作するハードウェアを意味している。また、オペレーティングシステムが不要でアプリケーションプログラム単独でハードウェアを動作させるような場合には、そのハードウェア自体がコンピュータに相当する。ハードウェアは、少なくとも、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサと、記録媒体に記録されたコンピュータプログラムを読み取るための手段とを備えている。
以下、各部の構成を説明する。
【００２６】
＜照射ユニット＞
照射ユニット１０は、測定対象に対して光を照射する照射装置である。照射ユニット１０は、第一光源１１、第二光源１２、第三光源１３、第四光源１４、第五光源１５、及び第六光源１６を有している。これらを特に区別しない場合には、「光源１１〜１６」と総称する。光源１１〜１６は、特に限定されないが、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、キセノンランプ等のハロゲンランプ、白熱灯等が挙げられる。これらの中でも、酸素飽和度に適した光量と波長を選択でき、小型化に適している観点から、ＬＥＤが好ましい。照射ユニット１０は、光源１１〜１６から出射された光をそのまま測定対象に対して照射してもよく、光源１１〜１６から出射された光を所望の分光特性を有するフィルタと組み合わせて、このフィルタを通過した光を測定対象に対して照射してもよい。また、光源１１〜１６から出射された光は、例えば、光ファイバ、導光板、レンズ及びミラー等の図示しない導光手段を用いて導光されて、測定対象に照射されるようにしてもよい。
【００２７】
６種類の光源は分光データを用いたシミュレーション実験によって選択することが可能である。シミュレーション実験では全波長領域のデータを使った酸素飽和度測定結果を正解値とし、市販の６種類光源の組み合わせを使った結果と比べ、正解値に一番近い組み合わせを選ぶ。例としては、第一光源１１は、ピーク波長が６７０ｎｍ、半値全幅が２０ｎｍである。また、第二光源１２は、ピーク波長が７００ｎｍ、半値全幅が３０ｎｍである。また、第三光源１３は、ピーク波長が７２０ｎｍ、半値全幅が２４ｎｍである。また、第四光源１４は、ピーク波長が７６０ｎｍ、半値全幅が３０ｎｍである。また、第五光源１５は、ピーク波長が８９０ｎｍ、半値全幅が４０ｎｍである。また、及び第六光源１６は、ピーク波長が９４０ｎｍ、半値全幅が５０ｎｍである。このように、光源１１〜１６は、互いに異なる６種類の波長成分の光を出射する。光源１１〜１６の波長は、後述する酸素飽和度の算出を行う場合に、算出される酸素飽和度が実際の酸素飽和度に対して精度よく向上できるようになる波長の組合せを選択することが好ましい。
【００２８】
＜受光ユニット＞
受光ユニット２０は、測定対象を透過した透過光を検出する受光装置である。受光ユニット２０は、光を検出する検出素子２１を有している。検出素子２１は、特に限定されないが、例えば、ＰＩＮフォトダイオード、ＰＮ接合・フォトダイオード等のフォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ等のフォトディテクタが挙げられる。これらの中でも、フォトダイオードが好ましい。受光ユニット２０は、測定対象を透過した透過光を検出して、透過光の受光強度を測定する。そして、受光強度に応じた電流値が受光ユニット２０の測定値として出力される。受光ユニット２０は、照射ユニット１０の光源１１〜１６の各ピーク波長に応じた、少なくとも６種類の波長の受光強度を測定することが好ましい。
【００２９】
受光ユニット２０による透過光の検出の一例を、図３を参照して説明する。図３に示すように、照射ユニット１０が有する光源１１〜１６（ＬＥＤ１〜６）は、互いに照射時間が重ならないようにして、ＬＥＤ１をパルス状に照射して（ｏｎ）、ＬＥＤ１の照射を終了（ｏｆｆ）してから、次にＬＥＤ２がパルス状に照射される。このように、ＬＥＤ１〜６まで順に照射を行った後、再びＬＥＤ１が照射を行う動作が繰り返される。このとき、フォトディテクタ（ＰＤ）がＬＥＤ１〜６の照射のタイミングにあわせて、透過光を検出して強度を測定するよう動作する。このように、ＬＥＤ１〜６とフォトディテクタの動作を制御することで、照射ユニット１０から出射される異なる波長成分の光を、受光ユニット２０が検出することができる。
【００３０】
または、受光ユニット２０は、さらに分光器（図示略）を備えていてもよい。そして、
受光ユニット２０は、分光器によって検出した透過光から所望の波長の単色光を得ることができる。そして、得られた単色光の受光強度を測定することができる。さらに、分光器によって単色光の波長を変化させることで、透過光の吸収スペクトルを得ることができる。
【００３１】
照射ユニット１０と受光ユニット２０とは、測定対象を挟んで、互いに対向して配置される。照射ユニット１０から出射された照射光が測定対象を透過して、受光ユニット２０が測定対象を透過した透過光を検出することができる。すなわち、本実施形態の測定装置１００は、透過型の酸素飽和度測定装置である。照射ユニット１０及び受光ユニット２０による測定部位は特に限定されないが、照射光の透過を容易にする観点から、照射ユニット１０と受光ユニット２０との間の距離が短くなる部位が好ましい。このような測定部位としては、例えば、手のひらの水かき、耳垂等が挙げられる。中でも、装着のしやすさ、組織の薄さによる透過のしやすさの観点から、水かきが好ましい。
【００３２】
＜カフ＞
カフ３０は、測定対象に装着されて、その装着部位付近を圧迫して、血流変化を生じさせる圧迫装置である。カフ３０は、ポンプ３１と、圧力センサ３２と、図示しない空気袋（図示略）を有している。この空気袋が装着部位において、その周囲に巻回されることで、カフ３０が測定対象に装着される。ポンプ３１から空気袋に空気を送り込み膨らませることで、測定対象を圧迫することができる。このとき、圧力センサ３２はカフ３０内の圧力を検出することで、ポンプ３１の動作を制御して、所望のカフ圧で測定対象を圧迫することができるようになっている。透過光を検出する部位が手のひらの水かきである場合には、カフ３０の装着部位は、その上流側となる上腕部であることが好ましい。
【００３３】
＜ＣＰＵ＞
ＣＰＵ４０は、種々の制御や演算を行なう処理装置であり、メモリ５０に格納された後述する本件のプログラムを読み出して実行することにより、種々の機能を実現する。そして、ＣＰＵ４０が、これらのプログラムを実行することにより、図２で示すように、処理部１４０の各機能手段としてそれぞれ機能する。なお、処理部１４０における処理機能の実現手段はプログラムに限定されず、推定装置２００に搭載されるハードウェアにより実現されてもよい。例えば、処理部１４０を、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ等を内蔵したワンチップマイコンとして構成してもよいし、あるいは、デジタル回路やアナログ回路といった電子回路として形成してもよい。
【００３４】
＜メモリ＞
メモリ５０は、種々のデータやプログラムを格納するデータ記憶装置である。メモリ５０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリや、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、またはＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Device）等によって実現される。
【００３５】
＜表示装置＞
表示装置６０としては、例えば、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬディスプレイ（Organic Light-Emitting Diode Display）等のディスプレイが用いられる。
【００３６】
［２−２．機能構成］
図２に示すように、測定装置１００を機能的に表すと、照射部１１０、受光部１２０、圧迫部１３０、及び推定装置２００を備えて構成される。推定装置２００は、処理部１４０、記憶部１５０、及び表示部１６０を備える。
以下、各部の構成を説明する。
【００３７】
＜照射部＞
照射部１１０は、照射ユニット１０である。本実施形態の照射部１１０は、６種類の波長成分の光を含む照射光を測定対象に照射する。推定装置２００は、照射部１１０から照射される照射光のタイミングを制御することで、所定の時間又は周期で測定対象に照射光を照射することができる。また、推定装置２００は、照射部１１０から照射される照射光の照射強度を制御することができる。
【００３８】
＜受光部＞
受光部１２０は、受光ユニット２０である。受光部１２０は、測定対象を透過した透過光を検出して、透過光の受光強度を測定する。本実施形態の受光部１２０は、少なくとも照射部１１０から出射される照射光に応じた種類の波長の受光強度を測定する。受光部１２０は、受光強度を表す受光信号を推定装置２００に出力する。推定装置２００は、受光部１２０で透過光を検出するタイミング及び検出波長を制御することができる。
【００３９】
＜圧迫部＞
圧迫部１３０は、カフ３０である。圧迫部１３０は、測定対象において、透過光を検出する部位よりも血液の上流部分を圧迫して、血流変化を生じさせる。圧迫部１３０によるカフ３０の動作によって、カフ３０の装着部位における組織が圧迫されると共に、装着部位における血管が圧迫される。これにより、測定部位へと向かう血管の血流が妨げられて、測定部位へ流れる血液の量が減少する。カフ３０の装着部位を圧迫して所定の期間が経過した後に、カフ３０による組織及び血管の圧迫を解除することで、血管に血液が流入して、測定部位へと流れる血液の量が圧迫前と同程度にまで回復する。このようにして、測定部位における血流変化を生じさせることができる。推定装置２００は、圧迫部１３０による圧迫のタイミングを制御することで、所定の時間又は周期で測定部位の血流変化を生じさせることができる。また、推定装置２００は、圧迫部１３０によるカフ３０の圧力を制御することで、測定部位の血流量を変化させることができる。
【００４０】
本実施形態において、圧迫部１３０により装着部位を圧迫する時間の長さは特に限定されないが、通常２０秒以上、好ましくは１分以上であり、通常４分以下、好ましくは１分以下、より好ましくは３０秒以下である。
また、圧迫部１３０によるカフ３０の圧力は特に限定されないが５０ｍｍＨｇ以上、２４０ｍｍＨｇ以下が好ましい。
【００４１】
＜記憶部＞
記憶部１５０は、メモリ５０を用いてデータを格納している。記憶部１５０は、受光部１２０で得られた情報、及び処理部１４０で信号処理された情報を格納することができる。例えば、記憶部１５０は、受光部１２０で測定された受光強度を格納することができる。また、記憶部１５０は、計算部１４１で照射強度及び受光強度から算出される吸光度を格納することができる。また、記憶部１５０は、計算部１４１で算出される減衰項を格納することができる。また、記憶部１５０は、ＣＰＵ４０に実行させることで、後述する計算部１４１としてそれぞれ機能させるプログラムを予め保存する。これらのプログラムをあわせて、本件のプログラム（推定プログラム）と称する。
【００４２】
＜処理部＞
処理部１４０は、ＣＰＵ４０で演算処理される機能部位であり、各機能は個別のプログラムとして構成されている。処理部１４０は、図２で示すように、計算部１４１として機能する。
【００４３】
本件のプログラムは、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ等）、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋ＲＷ，ＨＤ  ＤＶＤ等）、ブルーレイディスク、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク等の、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供される。そして、推定装置２００はその記録媒体からプログラムを読み取って内部記憶装置（例えば、メモリ５０）または外部記憶装置に転送し格納して用いる。または、本件のプログラムを、例えば磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスク等の図示しない記憶装置（記録媒体）に記録しておき、その記憶装置から通信経路を介して推定装置２００に提供するようにしてもよい。
【００４４】
＜計算部＞
〔酸素飽和度の算出について（１）〕
計算部１４１は、照射光の照射強度と透過光の受光強度とに基づいて、測定対象の酸素飽和度を算出するものである。なお、ここでの受光強度は、圧迫部１３０によって透過光を検出する部位よりも上流側を圧迫して血流変化を生じさせることで、時間経過に伴う測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものが用いられる。
まず、計算部１４１は、下記式（１）によって、照射光の照射強度と透過光の受光強度とから、全体吸光度Ａを求めることができる。
【００４５】
【数１】
2019058210.tif 000003
【００４６】
（式（１）中、Ａ（λ，ｔ）は、時間ｔにおける、波長λに対する吸光度を表す。
Ｉ（λ，ｔ）は、時間ｔにおける、波長λに対する透過光の受光強度を表す。
Ｉ0（λ，ｔ）は、時間ｔにおける、波長λに対する照射強度を表す。）
【００４７】
次に、計算部１４１は、ＭＢＬ法を用いることで、式（２）に示すように、時間ｔにおける波長λに対する全体吸光度Ａを、各減衰項の和からなる時間の関数として表すことができる。なお、ここでは、減衰項として、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、メラニンによる減衰項と、水による減衰項と、脂肪による減衰項と、散乱光による減衰項とが含まれる。また、計算部１４１は、全体吸光度Ａを、透過光のＮ種類の波長に対するＮ元の連立方程式で表すことができる。また、計算部１４１は、式（３）に示すように、このＮ元の連立方程式を行列の形式で表すことができる。本実施形態では、式（３）においてＮ＝６となる。
【００４８】
【数２】
2019058210.tif 000004
【００４９】
（式（２）中、Ａ（λ，ｔ）は、式（１）の説明と同様である。
εHbO2（λ）は、波長λに対する、酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数を表す。
εHb（λ）は、波長λに対する、脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数を表す。
εmelanin（λ）は、波長λに対する、メラニンのモル吸光係数を表す。
εwater（λ）は、波長λに対する、水のモル吸光係数を表す。
εfat（λ）は、波長λに対する、脂肪のモル吸光係数を表す。
ＣHbO2（ｔ）は、時間ｔにおける、酸素化ヘモグロビンのモル濃度を表す。
ＣHb（ｔ）は、時間ｔにおける、脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度を表す。
Ｃmelanin（ｔ）は、時間ｔにおける、メラニンのモル濃度を表す。
Ｃwater（ｔ）は、時間ｔにおける、水のモル濃度を表す。
Ｃfat（ｔ）は、時間ｔにおける、脂肪のモル濃度を表す。
Ｇ（ｔ）は、時間ｔにおける、散乱光による減衰項を表す。）
【００５０】
【数３】
2019058210.tif 000005
【００５１】
（式（３）中、Ａ（ｔ）は、時間ｔにおける、上付き文字に記載の第１から第ＮまでのＮ個の波長λに対する吸光度をそれぞれ表す。
εHbO2（λ）、εHb（λ）、εmelanin（λ）、εwater（λ）、εfat（λ）は、上付き文字に記載の第１から第ＮまでのＮ個の波長λに対するモル吸光係数をそれぞれ表す。各モル吸光係数の下付文字との対応関係は、式（２）の説明と同様である。
ＣHbO2（ｔ）、ＣHb（ｔ）、Ｃmelanin（ｔ）、Ｃwater（ｔ）、Ｃfat（ｔ）、Ｇ（ｔ）は、式（２）の説明と同様である。）
【００５２】
式（３）は、全体吸光度Ａと、モル吸光係数Ｅと、モル濃度Ｃとの関係から、式（４）によって表すことができる。
【００５３】
【数４】
2019058210.tif 000006
【００５４】
さらに、式（４）を変形することで、式（５）のように、モル濃度Ｃを、全体吸光度Ａと、モル吸光係数Ｅとによって表すことができる。
【００５５】
【数５】
2019058210.tif 000007
【００５６】
計算部１４１は、最小二乗法を用いて、式（５）のモル濃度Ｃが最小となる解を算出する。計算部１４１は、各減衰項のモル濃度ＣHbO2（ｔ）、ＣHb（ｔ）、Ｃmelanin（ｔ）、Ｃwater（ｔ）、及びＣfat（ｔ）、並びに散乱光による減衰項Ｇ（ｔ）を最小二乗解として算出することができる。さらに、計算部１４１は、下記式（６）から、酸素飽和度（組織酸素飽和度）を算出することができる。また、計算部１４１は、各減衰項のモル濃度と、公知のモル吸光係数との積から、各減衰項の値を算出することができる。
【００５７】
【数６】
2019058210.tif 000008
【００５８】
（式（２）中、ＳｔＯ2は酸素飽和度を表す。）
【００５９】
ここで、圧迫部１３０によって上流側の血管を圧迫して血流を遮断し、さらに圧迫から解放するようにして、血流変化を生じさせた場合において、上述した方法により算出される酸素飽和度の時間による変化は、図４に示される。同様に、酸素飽和度、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、及びヘモグロビンの濃度、並びにメラニンによる減衰項、水による減衰項、脂肪による減衰項、散乱光による減衰項の時間による変化を図５に示す。図４，図５では、１分付近から圧迫を開始して、４分１０秒付近で圧迫を解放している。
【００６０】
図４，図５に示すように、約１分〜約４分の間の血流変化に伴い、酸素化ヘモグロビンの減少と、脱酸素化ヘモグロビンの増加に加えて、組織歩酸素飽和度が低下していることが分かる。また、圧迫の解放によって、組織歩酸素飽和度が増加している様子が測定されている。一方で、図５に一点鎖線で囲って示したように、血流変化が生じる約１分〜約４分の間、及び血流変化を生じさせていない約４分〜約７分の間において、メラニン及び脂肪の減衰項が変化していることが分かる。
【００６１】
ここで、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンは、血管を流れるヘモグロビンに由来するものであるため、血流の減少に伴う血中酸素量の低下によって、それぞれの濃度の変化が見られているのだと考えられる。一方、メラニン、水、脂肪といったヘモグロビン以外の成分は、測定対象の組織に含まれるものである。このため、測定部位の上流を圧迫して血流変化を変化させた場合には、測定部位には影響が少なく、ヘモグロビン以外の成分の減衰項には変化が生じないと予測される。しかしながら、上記測定では変化が生じていた。これは、式（３）から各減衰項のモル濃度を求める際に、ヘモグロビン以外の成分が、変動するヘモグロビンの成分の推定の影響を受けて、引っ張られるように変化しているためと考えられる。このように、本来変化が生じないであろうと考えられる成分に変化が生じていることは、酸素飽和度の算出の精度に影響を及ぼしていると考えられる。このため、以下に説明するように、計算部１４１は、他の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、ステップ１の手法を行うことが好ましい。また、以下に説明するように、計算部１４１は、ステップ１の手法とステップ２の手法とを組み合わせて酸素飽和度の算出を行うことが好ましい。
【００６２】
〔酸素飽和度の算出について（２）〕
上述の通り、計算部１４１は、他の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、酸素飽和度の算出を行うことが好ましい。このとき、計算部１４１は、以下に説明するステップ１とステップ２との２ステップにより酸素飽和度の算出を行うことがさらに好ましい。
【００６３】
・ステップ１
予め、測定位置の上流部分を圧迫して血流関連成分のみ変化させた状態において、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、散乱光による減衰項が時間経過により変化して、他の吸光物質（メラニン、水、及び脂肪）による減衰項が、時間変化しないと仮定して、式（２）中の各減衰項を算出する。ここで、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メラニン、水、及び脂肪による減衰項は、各減衰項のモル濃度とモル吸光係数との積により得られる。そして、モル吸光係数は時間経過によらず一定と考えられる。このため、計算部１４１は、最小二乗法を用いて、式（５）のモル濃度Ｃが最小となる解を算出する際に、酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項のモル濃度とが時間経過により変化して、メラニン、水、及び脂肪による減衰項のモル濃度が時間経過により変化しないと仮定して、各減衰項のモル濃度を算出する。この際、散乱による減衰は、ヘモグロビンが散乱体としても振舞うことから血流変化による影響を受けると想定している。さらに、算出された各減衰項のモル濃度とモル吸光係数との積から、各減衰項の値を算出することができる。中でも、他の吸光物質による減衰項を算出することが好ましい。
【００６４】
上記の算出において、時間経過のデータを利用する際、５点以上の時刻でのデータを用いるのが望ましいが、それらのデータは、血流量としてばらつきをもった点としてサンプリングすることが望ましい。このためには酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとが互いに類似したモル吸光係数をとる８００ｎｍ付近で計測した吸光度に着目し、血流を変動させた時間帯の中で、この吸光度が最大値、１／４値、１／２値、３／４値、最小値をとる時刻を選択する方法が有望である。ただし、これに限定されるものではない。
【００６５】
なお、ステップ１において、他の吸光物質による減衰項が、時間変化しないと仮定する場合、これらの成分による減衰項は、上記式（２）におけるメラニンによる減衰項εmelanin（λ）・Ｃmelanin（ｔ）、水による減衰項εwater（λ）・Ｃwater（ｔ）、脂肪による減衰項εfat（λ）・Ｃfat（ｔ）と設定することができる（後述する式（７）参照）。
【００６６】
・ステップ２
ステップ１以降に測定を行った場合において、照射強度と受光強度に基づいて算出される全体吸光度から、ステップ１で算出された他の吸光物質による減衰項を差し引いて、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項を算出する。
なお、ステップ２の手法は、ステップ１で算出された吸光度を用いるものであるが、他の吸光物質による減衰項の値には個人差があるため、通常は、ステップ１で測定した同一人物の減衰項を、ステップ２で用いることができる。
【００６７】
計算部１４１による処理を、式を参照して説明すると、式（２）において、εHbO2（λ）・ＣHbO2（ｔ）、εHb（λ）・ＣHbO2（ｔ）、Ｇ（ｔ）の項、すなわち酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、及び散乱光による減衰項を時間経過より変化すると仮定する。そして、下記式（７）で表される、メラニンによる減衰項εmelanin（λ）・Ｃmelanin（ｔ）、水による減衰項εwater（λ）・Ｃwater（ｔ）、脂肪による減衰項εfat（λ）・Ｃfat（ｔ）を時間経過より変化しないと仮定する。
【００６８】
【数７】
2019058210.tif 000009
【００６９】
そして、ステップ１では、式（７）で表される、時間変化しない成分を算出する。さらに、下記式（８）に示すように、全体吸光度から、時間経過より変化しないと仮定して算出された式（７）の成分を差し引くことにより、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンによる吸光度、並びに散乱光による減衰を算出することができる。そして、式（８）から最小二乗法によりＣHbO2（ｔ）、ＣHb（ｔ）を算出して、式（６）により酸素飽和度を求めることができる。
【００７０】
【数８】
2019058210.tif 000010
【００７１】
ここで、圧迫部１３０によって上流側の血管を圧迫して血流を遮断し、さらに圧迫から解放するようにして、血流変化を生じさせた場合において、上述した２ステップの方法により算出される酸素飽和度の時間による変化は、図６に示される。図６では、図４に示した「変化しないと仮定しない」手法により求めた酸素飽和度の変化と、「変化しないと仮定する」２ステップの手法により求めた酸素飽和度の変化との両方を示している。同様に、上述した２ステップの方法により算出される、酸素飽和度、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、及びヘモグロビンの濃度、並びにメラニンによる減衰項、水による減衰項、脂肪による減衰項、及び散乱光による減衰項の時間による変化を図７に示す。
【００７２】
図６に示すように、「変化しないと仮定する」手法により求めた酸素飽和度は、「変化しないと仮定しない」手法により求めた場合よりも、約４分の付近において、吸光度が１０％近く低下して算出された。このため、「変化しないと仮定する」２ステップの手法によって、酸素飽和度の推定の精度が向上したと考えられる。また、図７に示すように、他の吸光物質（メラニン、水、及び脂肪）による減衰項を時間変化しないと仮定しているため、これらの値はほぼ一定となっている。
【００７３】
なお、上述した各減衰項の変化は、図７（ｄ）において「ｓｔｅｐ１で使ったサンプル点」で示した５点の時刻のデータを用いて算出したものである。図７（ｄ）を単独で表すとともに縦軸を拡大すると、図８のように表される。図８では、波長が８００ｎｍに近いバンドの吸光度（Ａλ800）の計測値と時刻との関係を示している。上述した各減衰項の変化では、吸光度が、最大値、１／４値、１／２値、３／４値、最小値をとる、サンプル点５、サンプル点２、サンプル点３、サンプル点４、サンプル点１の時刻のデータを選択した。
【００７４】
上記説明では、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メラニン、水、及び脂肪について、波長λに対する吸光係数を利用して酸素飽和度を算出する場合を例に挙げて説明した。これら減衰項の吸光係数は、例えば図９に示すように、公知の値を利用することができる。
【００７５】
＜表示部＞
表示部１６０は、表示装置６０である。表示部１６０は、受光部１２０で得られた情報、処理部１４０で信号処理された情報、及び記憶部１５０に格納される情報等を表示することができる。例えば、表示部１６０は、受光部１２０で測定された受光強度を表示することができる。また、表示部１６０は、計算部１４１で算出される全体吸光度、及び各減衰項の値、並びに酸素飽和度を表示することができる。
【００７６】
［３．動作］
上述した測定装置１００及び推定装置２００の動作によって行う、本実施形態の酸素飽和度の推定方法について、図１０，図１１のフローチャートを参照して説明する。ここでは、図１０のフローチャートを参照して、上述した計算部１４１によるステップ１の処理を経て酸素飽和度を算出する場合を例に挙げて説明する。また、図１１のフローチャートを参照して、上述した計算部１４１によるステップ２の処理を経て酸素飽和度を算出する場合を例に挙げて説明する。
【００７７】
〔酸素飽和度の算出（１）〕
まず、圧迫部１３０によって、測定対象の透過光を検出する部位よりも上流部分を圧迫して、測定部位に血流変化を生じさせる（ステップＳ１０１）。
次に、照射部１１０は、照射光を測定対象の測定部位である水かき部分に照射する（ステップＳ１０２）。ここでは、６種類の波長成分の光を含む照射光を照射している。また、照射部１１０は、推定装置２００の制御によって、所望の照射強度の照射光が出射される。
【００７８】
続いて、受光部１２０は、水かき部分を透過した透過光を検出する（ステップＳ１０３）。このとき、受光部１２０は、少なくとも照射光の波長に応じた波長の受光強度を測定する。また、受光部１２０によって測定される受光強度は、時間経過に伴う測定対象の血流変化に応じた強度を測定したものである。受光部１２０は、受光強度の測定値を、推定装置２００に出力する。受光強度の測定後、圧迫部１３０による圧迫を解除する。
【００７９】
計算部１４１は、照射光の照射強度と、透過光の受光強度に基づいて、照射光の波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出する（ステップＳ１０４）。
【００８０】
次に、計算部１４１は、全体吸光度を、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、メラニン、水、及び脂肪による減衰項と、散乱光による減衰項の和からなる時間の関数として表した、Ｎ種類の波長に対応するＮ元の連立方程式を解いて、各減衰項のモル濃度を算出する（ステップＳ１０５）。このとき、計算部１４１は、式（３）の行列を用いて、最小二乗法により算出を行う。また、ここでは、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、散乱光による減衰項とが時間経過により変化して、メラニン、水、及び脂肪による減衰項が時間経過により変化しないと仮定する。そして、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、メラニン、水、及び脂肪による減衰項とのそれぞれのモル濃度、並びに散乱光による減衰項を算出する。
【００８１】
続いて、計算部１４１は、酸素化ヘモグロビンのモル濃度と、脱酸素化ヘモグロビン）のモル濃度とから、式（６）を用いて酸素飽和度を算出する（ステップＳ１０６）。計算部１４１は、求めた酸素飽和度のデータを表示部１６０に出力する。表示部１６０は、酸素飽和度のデータを受信して、酸素飽和度を表示する。
【００８２】
さらに、計算部１４１は、メラニン、水、及び脂肪による減衰項のモル濃度とモル吸光係数との積から、メラニン、水、及び脂肪による減衰項を算出する（ステップＳ１０７）。計算部１４１は、算出された各減衰項の値を記憶部１５０に出力する。記憶部１５０は、これらの情報を格納する。ステップＳ１０１〜Ｓ１０５，Ｓ１０７における処理は、計算部１４１によるステップ１の処理に相当する。
【００８３】
〔酸素飽和度の算出（２）〕
ステップＳ２０１〜Ｓ２０３では、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様にして、上流部分を圧迫して、測定部位に血流変化を生じさせた状態で、照射光の照射と透過光の受光強度の測定を行う。さらに、計算部１４１は、ステップＳ１０４と同様に、照射光の照射強度と、透過光の受光強度に基づいて、照射光の波長成分それぞれにおける全体吸光度を算出する（ステップＳ２０４）。
【００８４】
次に、計算部１４１は、ステップＳ１０５において予め算出された、他の吸光物質（メラニン、水、及び脂肪）による減衰項の値を記憶部１５０から読み出す。そして、式（８）に示すように、全体吸光度から、メラニン、水、及び脂肪の成分による減衰項を差し引く（ステップＳ２０５）。
【００８５】
さらに、計算部１４１は、ステップＳ２０５において、メラニン、水、及び脂肪の成分による減衰項が差し引かれた全体吸光度から、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度、並びに散乱光による減衰項を算出する（ステップＳ２０６）。
【００８６】
続いて、計算部１４１は、ステップＳ１０６と同様にして、式（６）を用いて酸素飽和度を算出する（ステップＳ２０７）。計算部１４１は、求めた酸素飽和度のデータを表示部１６０に出力する。表示部１６０は、酸素飽和度のデータを受信して、酸素飽和度を表示する。
【００８７】
［４．効果］
〔１〕推定装置２００は、計算部１４１による演算によって、時間経過に伴う測定対象の血流変化に応じた強度を測定した受光強度及び照射強度に基づいて全体吸光度を算出する。さらに、全体吸光度をヘモグロビンによる減衰項と、ヘモグロビン以外の要素による減衰項との和からなる時間の関数として表した連立方程式を解くことで、酸素化ヘモグロビンのモル濃度と脱酸素化ヘモグロビンのモル濃度とを算出し、酸素飽和度を算出することができる。このように推定装置２００では、血流の時間変化を利用することで、測定対象に含まれるヘモグロビン以外の成分の影響を抑えて、酸素飽和度を算出することができる。またこのとき、例えば血流を遮断する程度に圧迫を加えることや、そのための圧迫の制御、または測定部位における圧迫を要求するものではない。したがって、測定に伴って測定部位に及ぼされる影響が抑えられたものとなり、酸素飽和度の推定精度を向上させることができる。
【００８８】
従来のパルスオキシメータは、拍動を利用して動脈血の酸素飽和度を測定するものであった。測定装置１００及び推定装置２００によれば、心拍停止や、体動アーティファクトから受ける影響が大きい場合等の拍動の検出が困難な測定対象者に対しても、全体吸光度に含まれるヘモグロビンによる減衰項と、ヘモグロビン以外の要素による減衰項と区別することで、酸素飽和度測定が可能となる。なお、測定装置１００及び推定装置２００による測定と同時に計測した従来のパルスオキシメータの値との相関を求めることで、拍動がない場合においても、パルスオキシメータの代わりとして患者の状態を把握する際に用いることができる。また、測定装置１００及び推定装置２００は、構造がパルスオキシメータに似ているため、拍動の検出が可能な場合は、拍動による動脈血の酸素飽和度測定をすることも可能である。
【００８９】
〔２〕計算部１４１が全体吸光度から各減衰項を推定するに際して、ヘモグロビン以外の要素による減衰項として、ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項と、散乱光による減衰項とを推定する。このように、ヘモグロビン以外の吸光物質による影響に加えて、散乱光による影響を考慮することで、酸素飽和度の推定精度をより向上させることができる。
【００９０】
〔３〕計算部１４１が全体吸光度から各減衰項を推定するに際して、ヘモグロビン以外の要素による減衰項として、メラニン、水、及び脂肪からなる群より選ばれる少なくとも一つによる減衰項を含む。このように、測定対象として生体に多く含まれ、且つ透過光の強度に影響を与えやすい物質を考慮することで、酸素飽和度の推定精度をより向上させることができる。
【００９１】
〔４〕計算部１４１は、最小二乗法を用いて吸光度に関する連立方程式を解く。このとき、酸素化ヘモグロビンによる減衰項と、脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項とが時間経過により変化して、ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項が時間経過により変化しないとして、各減衰項を算出する。これにより、血流変化による変化が生じにくいヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項が、ヘモグロビンによる減衰項を算出するに伴って、変化するように算出されてしまうことを防ぐことができる。従って、酸素飽和度の推定精度をさらに向上させることができる。
【００９２】
〔５〕計算部１４１は、ヘモグロビン以外の吸光物質による減衰項を算出することで予め取得しておき、これを全体吸光度から差し引いて、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンによる減衰項を算出する。これにより、最小二乗法を用いてモル濃度を算出する際の処理量を軽減して、モル濃度及び酸素飽和度を速やかに算出することができる。
【００９３】
〔６〕測定装置１００は、照射光を測定対象に照射する照射部１１０と、透過光を検出して受光強度を測定する受光部１２０とを備える。このように、測定装置１００は、透過型であるため、透過光は主要な血液分布を通過することから、反射型の場合と比べて比較的に精度の高い測定を行うことができる。
【００９４】
〔７〕照射部１１０は照射光を測定対象の水かき部分に照射して、受光部１２０は水かき部分を透過した透過光を検出することで、組織酸素飽和度を測定することができる。水かきの部分では、例えば指と比べて比較的に低い強度の照射光で測定を行うことができる。したがって、長い時間測定を行った場合の低温やけどの症状が生じるおそれを低減することができる。また、装置の小型化が可能となる。
【００９５】
〔８〕測定装置１００は、透過光を検出する部位よりも上流側の血管を圧迫して、血流変化を生じさせる圧迫部１３０をさらに備える。圧迫部１３０により血流変化を生じさせることで、計算部１４１による各減衰項及びの濃度の測定が可能である。また、測定装置１００によれば、血流を遮断するほどの圧力で血管を圧迫するような、圧力の制御を要することなく測定をおこなうことができる。
【００９６】
［５．用途］
測定装置１００及び推定装置２００は、測定対象を透過した透過光の強度を測定することによって、被検体（測定対象）の酸素飽和度の測定に用いられる。測定対象は特に限定されないが、例えば、人や、人以外の動物等が挙げられる。
【００９７】
［６．その他］
上記の実施形態では、圧迫部１３０として、カフ３０を用いて測定部位の上流部分で圧迫を行い、血流変化を生じさせる場合を例に挙げて説明した。圧迫部１３０はこれに限定されない。例えば、測定部位の上流部分を手で抑えたり、駆血帯を巻きつけたりすることで圧迫し、血流変化を生じさせてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１００  酸素飽和度測定装置
２００  酸素飽和度推定装置
１０  照射ユニット
２０  受光ユニット
３０  カフ
１１０  照射部
１２０  受光部
１３０  圧迫部
１４０  処理部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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