(57)【要約】【課題】非侵襲的に血中のヘモグロビン濃度、動脈中の酸素飽和度、、静脈中の酸素飽和度、静脈の実効的血管径、動脈の実効的血管径  、動脈の容積変化、等を算出する。【解決手段】生体に外部から圧力を加えて少なくとも２つの状態をつくり非侵襲的に生体信号を得るようにし、その上にヘモグロビンの吸収分光域の少なくとも４個の生体分光から必要な信号を得て、演算する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に可視光、赤外光を用いて非侵襲的に生体信号を得るようにした装置において、生体に外部から圧力を加えて少なくとも２つの状態をつくり、その上にヘモグロビンの吸収分光域の複数の非侵襲的な生体分光信号を得て、未知なる生体因子の数より少なくとも多いい独立方程式を得て、血中のヘモグロビン濃度、動脈中の酸素飽和度、、静脈中の酸素飽和度、静脈の実効的血管径、動脈の実効的血管径  、動脈の容積変化、静脈の容積変化、等を算出する血中多成分検出装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は血中の多成分検出装置に関する。
【従来の技術】
動脈中の酸素飽和度を非侵襲的に計測する装置はすでにパルスオキシメーターとして商品になっているが他のものはほとんど成功していない。血中ヘモグロビン濃度を非侵襲的に計測する方法は既に試みられているが成功していない。これに関して理論的に整ったものとしては、特許公報（Ｂ２）平３□７１１３５があげられる。測定原理は動脈パルス脈波を応用して、ヘモグロビンの吸収分光波長と水の吸収分光波長の二つの透過光信号を取り出し、脈動成分を消去し、水の濃度は一定としてヘモグロビン濃度を算出しているものである。理論的には問題の無いものと考えられるが、実際の装置においては各分光透過光信号のＳ／Ｎの大小で精度が決まり、これが問題となっている。この特許の場合、水の吸収分光は、例えば１．４５μ或いは２．７μ等が考えられるが生体に対してのＳ／Ｎは悪く最終の精度を十分に保証できるものではない。受光素子、光源に問題がある。一方ヘモグロビンの吸収分光の可視、近赤外ではＳ／Ｎの良い透過光信号が得られることはパルスオキシメータの例からも解っている。
【発明が解決しようとする課題】
従来のヘモグロビン濃度測定は水の吸収分広域を用いており、生体に対してのＳ／Ｎが悪く最終精度が保証されていない。それに対して本発明はヘモグロビンの可視、近赤外の分光域のＳ／Ｎの良い生体信号を応用したもので、水の吸収分光域を用いないでヘモグロビンの濃度を算出し、その算出過程で動脈中の酸素飽和度、静脈中の酸素飽和度、動脈の実効的血径、静脈の実効的血管径が算出され、別途動脈の血流速度の計測を加えることによって血流量の計測ができるなど多成分の検出をするものである。
【課題を解決するための手段】
はじめに非侵襲的に動脈中の酸素飽和度を計測する測定原理を説明する。これは後の説明を助ける。測定原理は以下による。動脈中のヘモグロビンの動きを透過光の強さでみると、例えば指においては次のように説明される。
図１において
入射光：Ｉ０λ、λはある波長
入射光：Ｉλ、λはある波長
固定吸収部分：Ｃ０λ、動脈中の厚さ不変部分も含む
動脈の厚さの変動部分：ｆ（ｔ）、周期関数とする
ｆ（ｔ）は周期関数としているので
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すると
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ここで
Ｓλ：ヘモグロビンの散乱係数
Ｋλ：ヘモグロビンの吸収係数
この式はＳλ、Ｋλの大小の関係を考慮したクベルカ．ムンクの方程式を解いた結果である。
ここで（１）の対数をとると
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（２）のＡＣ成分をとる
ａλ＝（ｌｎ（Ｉλ））ａｃとして
ａλ＝−（２Ｓλ．Ｋλ）・ｆ（ｔ）−−−−−−−−−−−−−−−−（３）
ここでＫλを吟味すると酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの割合によって変る。
Ｋλ＝δ・ＣｔＨｂ・｛（ＳｐＯ２／１００）（εＨｂＯ２λ−εＨｂλ）＋εＨｂλ｝−−−−−（４）
ここで
δ：吸収係数の単位を合わせるための定数（観血により決める、一度でよい）
ＣｔＨｂ：ＣｔＨｂＯ２＋ＣｔＨｂのトータルヘモグロビン濃度
ＣＨｂＯ２：酸化ヘモグロビン濃度
ＣＨｂ：還元ヘモグロビン濃度
ＳｐＯ２：酸化飽和度、％表示
εＨｂＯ２λ：酸化ヘモグロビンの波長λにおける吸収係数
εＨｂλ：還元ヘモグロビンの波長λにおける吸収係数
又Ｓλ（δと同様観血により決める）は酸化、還元ともヘモグロビンにおいては同じ係数をもつと考えられる。
ここで（３）、（４）の未知数、既知数に注意して整理すると
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ここで  ａλ：測定値
Ａλ：２Ｓλ．Ｋλ  （εＨｂＯ２λ−εＨｂλ）：λパラメーターの既知数
Ｂλ：２Ｓλ．εＨｂλ  ：λパラメーターの既知数
δ：定数であるがここでは未知数としてあつかう。
ＣｔＨｂ：未知数
ｆ（ｔ）：未知数
（５）は４個の未知数をもった式となっているが、掛け算の形を応用して
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とおく。すると
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すると（７）は未知数Ｓｐ、Ｘの二つであり、少なくとも独立した２式があれば解ける。
計測波長をλ１、λ２とすると次式を得る。
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（８）÷（９）をとれば
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（１０）から
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（１１）よりＳｐ、即ち酸素飽和度が解る。
これがパルスオキシメーターの測定原理である。
又別の解法を示す。
（２）の微分型をとる
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即ち
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これは（３）と同型であり次のように解くことが出来る。
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次に血中ヘモグロビン濃度、静脈中の酸素飽和度、等を計測する測定原理を説明する。
静脈は脈動していなく今までの方法では求められない。そこで静脈に対し外から圧力を加えあたかも脈動しているかのようにして計測する。
図２はそれら計測の説明図である。外圧  Ｈ（ｔ）を加えて静脈がｈ（ｔ）の脈動している図である。その影響を受けて動脈も又  ｋ１・ｈ（ｔ）の脈動が加わっているとしている。又動脈ｆ（ｔ）の静脈への影響は少ないとされているが、ここではｋ２・ｆ（ｔ）を加えている。ここでｋ１、ｋ２とも時間的に変化してもよい変数としている。ｋ１は後述するように動脈の実効径に相当しており、またｋ２は時間的に任意変化してもよく、動脈と靜脈の固有の脈波変化の比であり、ｋ２が求まるということは静脈の固有脈波の変化量がわかるということである。
又固定の吸収部分の外圧による変化する部分を
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とする。
すると▲１▼に相当する透過光Ｉλは
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ｈ（ｔ）は外圧による変化Ｈ（ｔ）とは次のように関係しているとする。
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ここでＤは計測部位の外径、ＰＹは静脈の実効的な管の直径、Ｈ（ｔ）は外径部の変化を表している。重要なことは（２２）のように式で表されることである。（２２）はその一例を示している。
動脈への静脈の影響ｋ１・ｈ（ｔ）は上述と同じように考えて
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と考える。ここでＰＸは動脈の実効的な管の直径とし、他の定義は静脈と同様とする。
ここで（２１）を再び式で表す。
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ここで
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Ｈ（ｔ）：外圧の変化部分
ｆ（ｔ）＋（ＰＸ／Ｄ）・Ｈ（ｔ）：動脈の合成波
（ＰＹ／Ｄ）・Ｈ（ｔ）＋ｋ２・ｆ（ｔ）：静脈の合成波
Ｋ１λ：静脈中の酸素飽和度とヘモグロビン濃度により決まる吸収係数
Ｓλ：ヘモグロビンの散乱係数
ｋ２：動脈と静脈の脈波の比
又、動脈中と静脈中のヘモグロビンの濃度は同じとしている。
（２４）の対数をとり、そのＡＣ成分をとると
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ここで
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（２６）のＳｐＯ２は先の動脈中の計測で解っているとする。又Ｃはトータルのヘモグロビン濃度を表し、ＳｐＯ２１は静脈中の酸素飽和度を表す。
（２５）を更に変形する。
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ここで
Ａλ＝Ｓλ（εＨｂＯ２λ−εＨｂλ）
Ｓ＝ＳｐＯ２／１００
Ｂλ＝２Ｓλ・εＨｂλ
Ｓ１＝ＳｐＯ２１／１００
δ：総合した吸収係数Ｋと、ＨｂＯ２、Ｈｂの吸収係数と、Ｃとを合わせるための定数
ここで求めたいものは第１にＣである。
未知数はＫ０λ、Ｃ、ｆ、ＰＸ、ｋ２  、ＰＹ、Ｓ１の７個である。少なくとも７個の独立方程式があれば解くことができる可能性がある。しかしＣについては
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く合わせた値からＣの値を算出できる。後述する。
又Ｋ０λはλによる変化がないところを選ぶことにより、λとは独立の未知数となる。
これらの未知数を求める１例を以下示す。
（２８）を更に変形する。
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夫々の変形部分は
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（２９）は次のように変形される。
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ここでＨがＨ１に変化した時の（３１）を考える。
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ここでＦ１はＨがＨ１に変位した時のＦの変位を表し、ａ１λも同様である。
（３１）×Ｈ１−（３２）×Ｈを行うと
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を得る。
（３３）においてλをλ１、λ２、λ３と三つの領域で考える。
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ここで
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（３４）、（３５）、（３６）は未知数Ｆ０、Ｓ１、ｋ２の３ヶであるから代数的に解ける。
（３４）、（３５）、（３６）を変形して次式を得る。
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（４１）と（４２）からｋ２を消去してＦ０について整理すれば次式を得る。
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これはＦ０についての２次方程式であって係数は一般的に０ではないから解くことができる。２個の解を吟味して答えを得る。
Ｆ０がもとまれば（４１）、あるいは（４２）よりｋ２が求められる。
更に（３８）、（３９）あるいは（４０）によりＳ１をもとめることが出来る。
これらの解法は３個の分光信号と外圧の二つの状態の組み合わせの計６個の独立方程式から代数的に解けるということを示している。
（３１）に戻って他の未知数の一つの解き方を示す。
Ｓ１とｋ２は既知となったので（３１）はＫ、Ｆ、Ｐｘ、Ｐｙの４個の未知数を解くことになる。これらは一次式で結ばれているのでここでは４個の分光による独立式を考える。すると
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ここで
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マトリックス表示をすると
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これらは代数的に解くことができる。
以上が一つの理論的解法である。
次にヘモグロビン濃度に注目する。例えばＰｙは（３０）より
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即ち
Ｃ＝｛Ｄ２／（δＰＹ２）｝・Ｐｙ−−−−−（４８）
（４８）において
δは定数であり
Ｄは被計測部位の例えば指の外径で既知であり
Ｐｙは一連の未知数の解である。
ここで一度採血してＣの値が決まればＰＹは決まる。ＰＹは実効的な静脈の血管径であるからＣの変化に比較して変化するものではない。従ってＰｙの値が計測できればＣは求まる。これがＣを求める測定原理である。Ｐｘに注目しても同様の結論となる。ただしＦについては時間的変化が大きく安定したものを得るためにはＰｙ、Ｐｘにくらべ劣るので採用は適当ではないと思われる。
これら展開の中で外圧が内部に対しどう影響するかは最も重要な問題である。（２２）に示したものは一つの近似であって、要は（２２）のように、解析的に数式に表される、或いは実験的に式で表されることが最も重要なことである。式は、ここに示したように代数的な解をもとめる方法とか、あるいは近接法とかにより求めることが出来る。従ってここで示した方法は一つの例であるということである。
まとめると
動脈中の酸素飽和度はヘモグロビンの吸収分光域の２波長の生体信号があれば求めることが出来る。静脈中の酸素飽和度はヘモグロビンの吸収分光域の３波長と外圧の２つの変化の生体信号があれば求めることができる。ヘモグロビンの濃度はヘモグロビンの吸収分光域の４波長と外圧の２つの変化の生体信号があれば求めることができる。これらの分光域は可視光から近赤外光まで広がるもので、現在の受光素子、発光素子で十分なＳ／Ｎがあり動脈中の酸素飽和度では実用化されている。
【発明の実施の形態】
図３以下本発明装置の説明をする。
３図３は本発明装置の信号検出部を指につけた模式図である。
ＡＬには発光素子群を、ＢＤには受光素子群を配置する。図４はその中身を示したものでＡＬにはλ１、λ２、λ３、λ４の各波長を主成分にした発光素子を配し、ＢＤにはλ１、λ２、λ３、λ４の感度を有する受光素子を配する。この場合はそれぞれ同時に発光させ、同時に受光して信号をとり出すのが理想であるが生体の変化に比べて問題のない速さでデータのとりこみができれば時系列的にデータを取込む方法で問題ない。
図５はλ１、λ２、λ３、λ４を同時に発光させ、かつ同一の光路で生体を照射し、受光では同一の受光路からλ１、λ２、λ３、λ４を分離した後それぞれに受光素子を配し（受光素子は省く）、同時データ取込みの例である。或いは時系列的に取り組む場合はＡＬと分光選択性のないＢＤか、逆の分光選択性のないＡＬとＢＤの組み合わせでもよい。
図６は外部からＨ（ｔ）を与えるための原理説明図である。あらかじめＡＬとＢＤの間に指先を挿入し、調整機構ＡＤＪでＡＬ−ＢＤ間の距離を指先の厚さに調整する。図示してはいないが、もちろんＡＤＪは自動調整であってもよい。その時カムＫＭの回転中心はその調整機構ＡＤＪとともに調整され、カム回転中心ＫＭＯの周りで回転する。ＫＭにはカム溝ＫＭＭが設けられており、その溝にカムピンＫＭＰが滑らかに入っていいる。ＫＭＰはＡＬを保持しているアームに固定され、そのアームはＢＤを保持しているアームと支点中心ＣＴ１で回転できるよに固定されている。またＡＤＪを保持しているアームは一方はＫＭＯで回転出来るようにＫＭに固定され、他方で回転できないようにＦＩＸ１で固定されている。この構成で、ＫＭが回転するとＫＭＰを介してＡＬ保持アームとＢＤ保持アームが相対的往復運動を始め、指にＨ（ｔ）の外圧をあたえることになる。これがＨ（ｔ）の動作のメカニズムである。Ｈ（ｔ）の変位についてはここでは省いているがＡＬとＢＤの距離の計測で（３１）、（３２）等で示されるＨ、Ｈ１は分かる。
図１０は図６の変形型である。ＫＭの代わりに回転板ＫＢがＣＴ４の回転中心の周りで回転できるように構成され、ＣＴ４は厚さ調整機構ＡＤＪ保持アームに固定され、この厚さ調整機構ＡＤＪ保持アームはＦＩＸ１でＢＤ保持アームに固定され、又ＫＭＭ−ＫＭＰの代わりにバーＢＡＲを用いて、ＢＡＲの両端がＣＴ３，ＣＴ５の各支点で回転できるように固定されている。ＣＴ３はＡＬ保持アームに固定され、そのアームはＢＤを保持しているアームと支点中心ＣＴ１で回転できるよに固定されている。この構成でＫＢがＣＴ４のまわりを回転するとＢＡＲによってＡＬ保持アームが動き、ＡＬとＢＤが相対的往復運動をはじめる。これによりＨ（ｔ）が計測部位にかかり、図６と同様Ｈ、Ｈ１は計測することで分かる。
図１１は他の変形型である。回転運動を用いないで電磁石を用いる。電磁石保持箱ＳＹは電磁石ＥＭＳＮを保持固定し、一方図のようにバネを介して永久磁石ＰＭを保持し、ＰＭはシリンダー内を滑らかに動くように構成されている。図はＥＭＳＮは下部がＳ極とし、ＰＭは上部がＳ極とし、バネは反撥する方向にかけられているものとする。またＰＭはＣＴ３においてＡＬ保持アームに回転できる形で固定され、そのアームはＣＴ１において回転できるようにＢＤ保持アームに固定されている。
ＳＹはＣＴ４において回転できる形で調整ＡＤＪ保持アームに固定され、そのアームはＦＩＸにおいてＢＤアームに固定されている。この構成でＥＭＳＮの極性が交互に変わるようにする。それにつれてＰＭが往復運動を始め、続いてＣＴ３を介してＡＬ保持アームが動きＡＬとＢＤが相対的往復運動をはじめる。これによりＨ（ｔ）が計測部位にかかり、図６と同様Ｈ、Ｈ１は計測することで分かる。
図７は本発明の機能ブロックを示したものである。ＡＬＬは発光系及び振動系の一部を示し、ＢＤＤは受光系と信号処理系の一部を示している。ＢＤＤからの各信号をアナログからデジタルに変換し、上述した演算をＣＰＵ等（図示してない）でおこなってＳｐＯ２、ＳｐＯ２１、Ｃ、ｆ（ｔ）、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｋ、ｋ２等を求める。必ずしも全てを出力する必要はない。又駆動系にはＢＤＤの出力をみてフィードバックをかけ適当な発光になるようにコントロールする。それは演算の結果をみて行ってもよいし、Ａ／Ｄ変換の結果であってもよい。
図８、図９は発光素子への印加の仕方を示している。これ以外にも図示していないが組み合わせのなかで考えられる。ここでは代表例をしめした。
図８はＬα１、Ｌα２を交互に、或いは同時に印加し、更にＬａ１、Ｌα２の極性を交互に入れ替える。その結果各発光素子は順次、或いは同時に点灯する。
図９はＬα１、Ｌα２、Ｌα３、Ｌα４に同時に印加してもよいし、順次に印加してもよい結線図である。
又図示していないが別途ドップラー効果等を応用した血流計により血流速度を測ることによりヘモグロビンの流量を算出できる。
単位時間の流量をＶＬとすれば
ＶＬ＝π（Ｐｘ／２）２・Ｃ・Ｖ−−−−（４９）
Ｖは速度である
以上のようにこの計測は他の計測の因子として役立つ。
【発明の効果】
以上のごとく、主に可視光、赤外光を用いて非侵襲的に生体信号を得るようにした装置において、生体に外部から圧力を加えて少なくとも２つの状態をつくり、その上にヘモグロビンの吸収分光域の複数の非侵襲的なＳ／Ｎのよい生体分光信号を得て、未知なる生体因子の数より少なくとも同数の独立方程式を得て、今まで算出できなかった血中のヘモグロビン濃度、動脈中の酸素飽和度、、静脈中の酸素飽和度、静脈の実効的血管径、動脈の実効的血管径  、動脈の容積変化、等が算出することが出来、別途ドップラー効果等を応用した血流計により血流速度を測ることによりヘモグロビンの流量を算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるパルスオキシメーターの説明図
【図２】本発明にかかる測定原理の説明図
【図３】本発明にかかる検出部の説明図
【図４】本発明にかかる検出部の発光受光の説明図
【図５】本発明にかかる検出部の光学系の説明図
【図６】本発明にかかる検出部の駆動系の説明図
【図７】本発明にかかる機能ブロックの説明図
【図８】本発明にかかる検出部の発光部の説明図
【図９】本発明にかかる検出部の発光部の説明図
【図１０】本発明にかかる検出部の駆動系の説明図
【図１１】本発明にかかる検出部の駆動系の説明図
【図１２】本発明にかかる検出部の駆動系の説明図
【符号の説明】
ＡＬ          発光部
ＢＤ          受光部
ＡＬＬ        発光部と駆動メカの一部
ＢＤＤ        受光部と信号処理の一部
λ１、λ２、λ３、λ４    各分光波長
ＫＭ          カム
ＫＭＭ        カム溝
ＡＤＪ        厚さ調整機構
ＫＭＰ        カムピン
ＫＭＯ        カム回転中心
ＣＴ１        支点中心
ＣＴ３        支点中心
ＣＴ４        回転中心
ＣＴ５        支点中心
ＦＩＸ１      固定部
ＦＩＸ２      固定部
ＦＩＸ        固定部
ＳＹ          電磁石保持箱
ＥＭＳＮ      電磁石
ＰＭ          永久磁石
Ｎ            Ｎ極
Ｓ            Ｓ極
【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】
2004148070.tif 000043
【図６】
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【図７】
2004148070.tif 000045
【図８】
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【図９】
2004148070.tif 000047
【図１０】
2004148070.tif 000048
【図１１】
2004148070.tif 000049
【手続補正書】
【提出日】平成15年2月26日(2003.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】削除
【補正の内容】