(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子により複数個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射し、
前記生体組織を透過または反射した光を受光素子により受光してそれぞれ電気信号に変換し、
前記受光素子により得られる電気信号の時系列データを一定時間毎に区分し、
それぞれ一定時間毎に区分された時系列データについて異なる２波長間の回帰直線の傾斜値をそれぞれ算出し、
算出された傾斜値をそれぞれＳaＯ2に換算後、平滑し、
あるいは傾斜値の時系列を平滑化後ＳaＯ2に換算し、
体動による影響を消去した動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とするパルスオキシメトリ。
【請求項２】
複数個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、
前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光して、それぞれ電気信号に変換する受光部と、
前記受光部から変換出力される各波長の透過光または反射光の電気信号からなる時系列データを一定時間毎に区分する処理装置と、
区分された時間毎の前記時系列データについて異なる２波長間の回帰直線の傾斜値をそれぞれ算出する傾斜値演算装置と、
前記算出された傾斜値をそれぞれＳaＯ2に換算して平滑化し、あるいは前記算出された傾斜値を平滑化してＳaＯ2に換算する換算平滑化装置とを備え、
体動による影響を消去した動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とするパルスオキシメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈拍による組織内動脈血の血液量変動を利用することにより、動脈血の酸素飽和度（ＳaＯ2）を連続的無侵襲的に測定するためのパルスオキシメトリおよびこれを実施するパルスオキシメータに関し、組織透過光の時系列データを所要の時間で区分して演算処理することにより、体動によるアーテファクトを適正に消去して、高精度の動脈血の酸素飽和度を求めることができる時間区分パルスオキシメトリおよびパルスオキシメータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、パルスオキシメトリと呼ばれる手法では、動脈血の酸素飽和度（ＳaＯ2）を求める場合において、次のような手順が一般的に使用されている。
（１）複数の波長により組織透過光を連続測定する。
（２）測定される組織透過光の脈動の山と谷とを判定し、それぞれの透過光をＬ＋ΔＬ，Ｌとする。
（３）ΔＡ≡log［（Ｌ＋ΔＬ）／Ｌ］≒ΔＬ／Ｌを求める。
（４）Φij≡ΔＡi／ΔＡjを求める。
（５）ΦijはＳaＯ2とほぼ１対１で対応するので、これをＳaＯ2に換算する。
【０００３】
現在市販されている動脈血の酸素飽和度を測定する装置においては、前記ΦijをＳaＯ2に換算するに際し、変換表を使用している。変換表の使用については、２波長式の装置の場合には特に問題はないが、測定精度を向上させるために、より多くの波長を使用する装置の場合には、理論的かつ実験的に得られた計算式によることが必要である。
【０００４】
例えば、本出願人は、先に、脈拍による動脈の血液量変動を利用して、連続的無侵襲的に動脈血の酸素飽和度を測定する装置として、５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する５波長式のパルスオキシメータを提案した（特許文献１参照）。
【０００５】
すなわち、前記特許文献１に記載のパルスオキシメータは、５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光してそれぞれ電気信号に変換する受光部と、前記受光部から出力される各波長の透過光または反射光の変動分に基づいてそれぞれ生体組織に対する減光度変動分を求める減光度変動分計算部と、前記減光度変動分計算部で得られた５個の減光度変動分についてそれぞれ相互の比を少なくとも４個求める減光度変動分比計算部と、前記減光度変動分比計算部で得られる減光度変動分比に基づいて動脈血酸素飽和度、静脈血酸素飽和度、動脈血と静脈血との変動分の比および組織項の４個を未知数とし血中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算部とを備え、静脈血の変動および組織の変動の影響を消去して動脈血の酸素飽和度を求めるように構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
従って、このような構成からなる前記特許文献１に記載のパルスオキシメータは、静脈血が何等かの原因で拍動している場合に、その影響を確実に消去して、動脈血の酸素飽和度を時間的遅れおよび平滑化を生じることなく高精度に測定することができるものである。また、脈波が小さくてパルスオキシメトリが不可能であるような場合に、意図的に体動を与えて、その際に含まれる動脈血の酸素飽和度を求めることが可能となる。さらに、静脈血の酸素飽和度についても、同時に測定することができるという利点を有している。
【０００７】
パルスオキシメトリにおける長年の問題は、体動等の機械的外乱によって透過光が乱れることである。すなわち、透過光の外乱により測定された脈動波形の山谷を適切に見出すことが困難になる。また、測定された脈動波形の山谷について補正をすることが必要になる。そして、前記補正をしなければ、最終的に得られる動脈血酸素飽和度（ＳaＯ2）の時系列データは、誤差が大きくなるという不都合を生じるのみならず、山谷の値以外の情報を利用することが体動消去のために必須である。
【０００８】
このような問題を解消する対策として、従来において提案ないし採用されている手法は、正しいＳaＯ2の値を前後のデータから推定するという統計的手法である。しかし、この場合には、次のような問題を生じる。
（１）大きな時間遅れを生じるので、例えばＳaＯ2が低下し始めたことを見出すのが遅れる。
（２）ＳaＯ2の変化が平滑化されるので、例えばＳaＯ2が激しく低下した場合にも、どの程度であったかが不明である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−９５６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した従来のパルスオキシメトリ手法において、今後さらに期待されることは、患者に対してＳaＯ2の変化を早く見出して、早く対処することであるが、このようなパルスオキシメトリ手法本来の特長を生かすには、前述したような問題を解決しなくてはならないことである。
また、患者の体動が非常に激しい場合、測定される透過光の脈動波形の山谷の判定に基づく従来のパルスオキシメトリ手法では、十分な測定結果が得られないことが判明した。すなわち、体動が激しい場合には、前記測定波形の山谷の判定が一義的に決まらないため、測定波形についてのベースライン補正等による手法も、十分な効果が期待できないという難点がある。
【００１１】
そこで、本発明者等は、種々検討並びに試行を重ねた結果、測定される透過光の脈動波形について、測定される透過光の信号全体を用いることにより、動脈血の酸素飽和度（ＳaＯ2）を適正に測定することができることを突き止めた。
すなわち、測定される透過光の脈動波形の山谷の点だけでなく、透過光の時系列データ全体を用いることにより、前記測定波形の山谷の判定の必要がなくなる。
【００１２】
本発明の目的は、測定される透過光の脈動波形について、透過光の時系列データ全体を用いることにより、体動の影響を消去すると共に、動脈血酸素飽和度（ＳaＯ2）の測定精度の改善に寄与することができる時間区分パルスオキシメトリおよびパルスオキシメータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のパルスオキシメトリは、発光素子により複数個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射し、前記生体組織を透過または反射した光を受光素子により受光してそれぞれ電気信号に変換し、前記受光素子により得られる電気信号の時系列データを一定時間毎に区分し、それぞれ一定時間毎に区分された時系列データについて異なる２波長間の回帰直線の傾斜値をそれぞれ算出し、算出された傾斜値をそれぞれＳaＯ2に換算後、平滑し、あるいは傾斜値の時系列を平滑化後ＳaＯ2に換算し、体動による影響を消去した動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２に記載のパルスオキシメータは、複数個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する発光部と、前記発光部から発せられ生体組織を透過または反射した光を受光して、それぞれ電気信号に変換する受光部と、前記受光部から変換出力される各波長の透過光または反射光の電気信号からなる時系列データを一定時間毎に区分する処理装置と、区分された時間毎の前記時系列データについて異なる２波長間の回帰直線の傾斜値をそれぞれ算出する傾斜値演算装置と、前記算出された傾斜値をそれぞれＳaＯ2に換算して平滑化し、あるいは前記算出された傾斜値を平滑化してＳaＯ2に換算する換算平滑化装置とを備え、体動による影響を消去した動脈血の酸素飽和度を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の時間区分パルスオキシメトリおよびパルスオキシメータによれば、測定される透過光の脈動波形について、その山谷の判定をすることなく、透過光の時系列データ全体を用いることにより、体動の影響を消去すると共に、動脈血酸素飽和度（ＳaＯ2）の測定精度の改善に寄与し、測定部位の自由度拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明に係る時間区分パルスオキシメトリの実施例につき、これを実施するパルスオキシメータの装置構成との関係において、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１７】
I．パルスオキシメータの装置構成の概要
図１は、本発明に係る時間区分パルスオキシメトリを実施するパルスオキシメータとしての装置構成を示す概略説明図である。すなわち、図１において、参照符号１０は発光部を示し、それぞれ５個の異なる波長の光をそれぞれ生体組織に照射する５個の発光素子ＬED１〜ＬED５が設けられている。参照符号１２は前記発光部１０から発せられる光によって照射される生体組織を示す。参照符号１４は受光部を示し、前記生体組織１２を透過した光を受光する受光素子ＰＤと、電流電圧変換器１６と、ＡＤ変換器１８とから構成されている。
【００１８】
参照符号２０は記憶部を示し、前記受光部１４の受光素子ＰＤにより得られた透過光信号を、波長毎にそれぞれ時系列的に一時記憶する透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅにより構成されている。
【００１９】
参照符号３０は計算部を示し、前記透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅにおいてそれぞれ時系列的に一時記憶された透過光信号Ｌ1〜Ｌ5に基づいて、（１）前記透過光信号Ｌ1〜Ｌ5を一定時間毎に区分し、（２）次いで一定時間毎に区分された透過光信号Ｌ1〜Ｌ5の時系列データについて異なる波長の時系列データ相互の回帰直線の傾斜値を算出し、（３）算出された傾斜値をそれぞれＳaＯ2（動脈血酸素飽和度）に換算し、（４）換算されたＳaＯ2の時系列データを平滑化することによって、血中の酸素飽和度［ＳpＯ2］を計算する酸素飽和度計算器としての機能を有する。なお、ＳaＯ2への換算と平滑化とは、順序が逆でもよい。
【００２０】
なお、参照符号２２はタイミング器を示し、前記発光部１０の各発光素子ＬED１〜ＬED５による発光タイミングと、前記記憶部２０の各透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅにおける透過光信号の記憶保持タイミングとの制御を行うように構成される。
【００２１】
図２は、前記計算部３０としての酸素飽和度計算器において前述した計算処理を行うためのシステム構成図を示すものである。すなわち、図２において、参照符号３２は透過光信号の区分記憶部を示し、前記透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅから入力される透過光信号Ｌ1〜Ｌ5を、一定時間（例えば、0.5秒）毎に区分して、この区分された時間毎にそれぞれ透過光信号を時系列的に逐次記憶する区分記憶回路３２Ａ〜３２Ｅとして構成されている。
【００２２】
また、参照符号３４は回帰直線の傾斜値計算部を示し、前記透過光信号の区分記憶部３２にそれぞれ記憶された一定時間毎に区分された透過光信号Ｌ1〜Ｌ5について回帰直線の傾斜値Φ12、Φ32、Φ42、Φ52をそれぞれ算出する傾斜値計算回路３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとして構成されている。
【００２３】
そして、参照符号３６は前記傾斜値計算回路３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄにより得られた回帰直線の傾斜値Φ12、Φ32、Φ42、Φ52に関して連立方程式の解を求める第１計算回路を示し、参照符号３８は前記連立方程式の解を平滑化する第２計算回路を示す。従って、前記第２計算回路３８において、血中の酸素飽和度［ＳpＯ2］が算出される。なお、傾斜値を平滑化してその後に解を求めてもよい。
【００２４】
II．パルスオキシメータの計算処理操作（時間区分パルスオキシメトリ）
次に、前述したパルスオキシメータの装置構成による動脈血の酸素飽和度の計算処理操作、すなわち本発明に係る時間区分パルスオキシメトリについて、前記パルスオキシメータの作用と共に説明する。
【００２５】
（１）透過光信号の時間区分処理
まず、発光部１０の５個の発光素子ＬED１〜ＬED５を、それぞれタイミング器２２の信号に基づいて、順次交互に異なる波長λ1，λ2，λ3，λ4，λ5で発光させる。これにより、生体組織１２を透過した光を受光部１４で受信して、発光素子ＬED１〜ＬED５の各波長に対応して、各透過光信号Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4，Ｌ5を、それぞれ所定のタイミングで記憶部２０の各透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅに記憶保持する。なお、これらの透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅは、受光部１４のＡＤ変換器１８の出力（デジタル値としてのデータ）の一定時間におけるデータを記憶する（図１参照）。
【００２６】
このようにして、前記透過光信号一時記憶器２０Ａ〜２０Ｅにそれぞれ記憶保持された透過光信号Ｌ1〜Ｌ5は、前記計算部３０における区分記憶部３２の各区分記憶回路３２Ａ〜３２Ｅに入力されて、一定時間（例えば、0.5秒）毎に区分され、この区分された時間毎にそれぞれ透過光信号を時系列的に逐次記憶される（図２参照）。
【００２７】
（２）時間区分された透過光信号に関する回帰直線の傾斜値を求める計算処理
血中の酸素飽和度（ＳpＯ2）の計算は、例えば５波長の透過光について得られる減光度変動分（ΔＡi）に基づき、これら減光度変動分の比（Φij：i,jは波長）として、次式により求められる。
なお、透過光の脈動を構成する要素は、動脈血（ａ）、静脈血（ｖ）および血液以外の組織すなわち純組織（ｔ）である。
【００２８】
Φij≡ΔＡi／ΔＡj
＝［√Ｅａi(Ｅａi+Ｆ)＋√Ｅｖi(Ｅｖi+Ｆ)＊Ｖ＋Ｅｘi］
／［√Ｅａj(Ｅａj+Ｆ)＋√Ｅｖj(Ｅｖj+Ｆ)＊Ｖ＋Ｅｘj］
但し、
ΔＡi≡log[(Ｌi＋ΔＬi)／Ｌi]≒ΔＬi／Ｌi
Ｅａi≡ＳａＥｏi＋（１―Ｓａ）Ｅｒi
Ｅｖi≡ＳｖＥｏi＋（１―Ｓｖ）Ｅｒi
Ｖ≡ΔＤｖ／ΔＤａ
Ｅｘi≡ＺｔiΔＤｔ／（ＨｂΔＤａ）≡ＡiＥｘ2＋Ｂi
【００２９】
上記式において、Ｌiは組織透過光、ΔＡiは減光度の変化分、Ｅｏiは酸素化ヘモグロビンの吸光係数、Ｅｒiは脱酸素ヘモグロビンの吸光係数、Ｓａは動脈血の酸素飽和度（ＳaＯ2）、Ｓｖは末梢静脈血の酸素飽和度（ＳvＯ2）、ΔＤａは動脈血の実効的厚みの変化分、ΔＤｖは静脈血の実効的厚みの変化分、ΔＤｔは純組織の厚みの変化分、Ｚｔiは純組織の減光の定数、Ｅx2は第２波長におけるＥｘiの値、Ａi,Ｂiは組織定数（実測で決定される）である。
従って、上記式において、未知数はＳａ、Ｓｖ、Ｖ、Ｅｘ2の４個である。
【００３０】
この場合、ＳaＯ2を精度良く測定するため、また体動等の影響を消去するため、適当な５波長で組織透過光を測定して、上記式に関し４元連立方程式を立て、それらの解としてＳａを求めることができる。なお、前記５波長としては、例えばλ1＝８０５ｎｍ、λ2＝８７５ｎｍ、λ3＝６６０ｎｍ、λ4＝７００ｎｍ、λ5＝７３０ｎｍが好ましい波長選択の一例である。
【００３１】
そこで、本発明の時間区分オキシメトリにおいては、前記区分記憶回路３２において、それぞれ時間区分されて記憶された５波長（λ1〜λ5）の透過光信号Ｌ1〜Ｌ5に基づいて、それぞれ回帰直線の傾斜値（Φij：但し、i,jは波長）を次式により求める。すなわち、この場合の傾斜値（Φij）は、前記のΦij＝ΔＡi／ΔＡjに相当するものである。なお、次式において、ｎは時間区分内のデータの個数、ｔは区分された時間（例えば、0.5秒）、Σは時間区分内のデータについての和である。
【００３２】
Φij≡｛ｎΣ［Ｌi(ｔ)*Ｌj(ｔ)］−ΣＬi(ｔ)*ΣＬj(ｔ)｝
／｛ｎΣＬj(ｔ)2−［ΣＬj(ｔ)］2｝
【００３３】
（３）傾斜値に関する連立方程式の解を求める計算処理
前記式に基づいて、それぞれ５波長（λ1〜λ5）の組織透過光についての回帰直線の傾斜値（Φ12、Φ32、Φ42、Φ52）に関する４元連立方程式を立て、それらの解としてＳａを求める計算を行う（図２参照）。
【００３４】
（４）連立方程式の解を平滑化する計算処理
前記４元連立方程式の解として得られたＳａ値は、経時的に連続するデータを時間区分して計算したものであるから、時間区分毎に大きな変化を示しているため、これを平滑化処理する。これにより、自然なＳaＯ2の変化を求めることができる。
【００３５】
前述した本発明に係る時間区分パルスオキシメトリにより、被験者による動脈血酸素飽和度（ＳaＯ2）の計算処理例につき、従来のパルスオキシメトリによる場合と比較し、それぞれの測定結果を示すグラフと共に説明する。
【００３６】
被験者の指尖に発光部１０および受光部１４を装着して、息こらえによってＳaＯ2を低下させると共に、手首から先を激しく振った状態でＳpＯ2を測定した。図３は、５波長を使用した本発明の時間区分パルスオキシメトリにより測定したＳpＯ2の変化を示す。図４は、従来の２波長式の計算により測定したＳpＯ2の変化を示す（この場合、体動消去の操作は行っていない）。図５は、市販のパルスオキシメータを反対の手に装着して測定したＳpＯ2の変化を示す。
このように、本発明の時間区分パルスオキシメトリによれば、体動の影響は十分に消去され、しかもＳaＯ2の急激な変化が明確に測定されている。特に、ＳaＯ2の低下の始まる時点が早く見出せることが確認された。
【００３７】
そして、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１計算回路３６において前記回帰直線の傾斜値Φ12、Φ32、Φ42、Φ52に関する連立方程式の解として計算されたＳpＯ2の値を示す波形図であり、（ａ）は平滑化をしていない状態を示し、（ｂ）は第２計算回路３８により１０個のデータを平均して平滑化した状態を示し、（ｃ）は同じく２０個のデータを平均して平滑化した状態を示すものである。
【００３８】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、例えば５波長を用いる場合について説明したが、波長がそれよりも多い場合にも、あるいは少ない場合にも適用できるばかりでなく、測定対象としては、血中のＣＯヘモグロビンや体外から注入した色素の希釈状態等の動脈血と共に拍動するもの全ての測定に適用することができ、その他本発明の精神を逸脱しない範囲内において、多くの設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る時間区分パルスオキシメトリを実施するパルスオキシメータとしての装置構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示すパルスオキシメータの計算部におけるパルスオキシメトリのシステム構成を示す説明図である。
【図３】本発明に係る時間区分パルスオキシメトリにより測定されたＳpＯ2の変化を示す波形図である。
【図４】従来の２波長式パルスオキシメトリにより測定されたＳpＯ2の変化を示す波形図である。
【図５】市販のパルスオキシメータにより測定されたＳpＯ2の変化を示す波形図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る時間区分パルスオキシメトリにより測定されたＳpＯ2の変化を示す波形図であって、（ａ）は平滑化処理をしていない状態の波形図、（ｂ）は１０個のデータを平均する平滑化処理をした状態の波形図、（ｃ）は２０個のデータを平均する平滑化処理をした状態の波形図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  発光部
１２  生体組織
１４  受光部
１６  電流電圧変換器
１８  ＡＤ変換器
２０  記憶部
２０Ａ〜２０Ｅ  透過光信号一時記憶器
２２  タイミング器
３０  計算部
３２  透過光信号の区分記憶部
３２Ａ〜３２Ｅ  区分記憶回路
３４  回帰直線の傾斜値計算部
３４ａ〜３４ｄ  傾斜値計算回路
３６  第１計算回路
３８  第２計算回路
ＬED１〜ＬED５  発光素子
ＰＤ  受光素子
【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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