(57)【要約】【課題】臓器内の血液中の酸素飽和度を高精度に測定することができる酸素飽和度測定装置及び酸素飽和度測定方法を提供する。【解決手段】酸素飽和度測定装置を、光を発光して測定対象物に照射する発光部と、測定対象物に照射され、測定対象物を透過した光を受光する受光部と、受光部が受光した光の強度を測定する測定部と、測定部が測定した光の強度に基づいて前記測定対象物の酸素飽和度を算出する計算部と、を有し、計算部は、あらかじめ取得した複数の吸光度データに基づいて算出された吸光度モデル式及び測定部により測定した光の強度に基づいて測定対象物の酸素飽和度を算出するものとする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発光して測定対象物に照射する発光部と、
前記測定対象物に照射され、前記測定対象物を透過した光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した光の強度を測定する測定部と、
前記測定部が測定した光の強度に基づいて前記測定対象物の酸素飽和度を算出する計算部と、を有し、
前記計算部は、あらかじめ取得した複数の吸光度データに基づいて算出された吸光度モデル式及び前記測定部により測定した光の強度に基づいて測定対象物の酸素飽和度を算出することを特徴とする酸素飽和度測定装置。
【請求項２】
光を発光して測定対象臓器に照射する発光部と、
前記測定対象臓器に照射され、前記測定対象臓器を透過した光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した光の強度を測定する測定部と、
前記測定部が測定した光の強度に基づいて前記測定対象臓器の酸素飽和度を算出する計算部と、を有し、
前記計算部は、あらかじめ取得した臓器の複数の吸光度データに基づいて臓器内に含まれる血液以外の組織の吸光係数を算出し、算出した血液以外の組織の吸光係数に基づいて臓器吸光度モデル式を算出し、前記測定部により測定した光の強度及び前記臓器吸光度モデル式に基づいて測定対象物の酸素飽和度を算出することを特徴とする酸素飽和度測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記発光部は、複数種類の波長の光を前記測定対象物に照射することを特徴とする酸素飽和度測定装置。
【請求項４】
光を発光して測定対象物に照射する照射ステップと、
前記測定対象物に照射され、前記測定対象物を透過した光の強度を測定する測定ステップと、
あらかじめ取得した複数の吸光度データに基づいて吸光度モデル式を算出する吸光度モデル式算出ステップと、
前記測定ステップにより測定した前記測定対象物を透過した光の強度及び前記第１の算出ステップにより算出した吸光度モデル式に基づき前記測定対象物の酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出ステップと、を有することを特徴とする酸素飽和度測定方法。
【請求項５】
光を発光して測定対象物臓器に照射する照射ステップと、前記測定対象物を透過した光の強度を測定する測定ステップと、あらかじめ取得した臓器の複数の吸光度データに基づいて臓器内に含まれる血液以外の組織の吸光係数を算出する吸光係数算出ステップと、
前記吸光係数算出ステップにより算出した血液以外の組織の吸光係数に基づいて臓器吸光度モデル式を算出する臓器吸光度モデル式算出ステップと、
前記測定ステップにより測定した前記測定対象物を透過した光の強度及び前記吸光度モデル式算出ステップにより算出した吸光度モデル式に基づき前記測定対象臓器の酸素飽和度を算出する酸素飽和度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素飽和度測定装置及び酸素飽和度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消化器系臓器の手術を行う際、切除対象の健常性判定が必要である。この判定は、目視下における臓器のわずかな色の違いに基づいて行われるため、医師の経験と感覚に左右される。そのため、定量的に健常性判定を行うために、血液の酸素飽和度を組織透過光又は反射光を利用した分光計測により測定又は推定する方法が開発されている。
【０００３】
組織透過光又は反射光を利用した分光計測による血液酸素飽和度の測定のためには、組織内に含まれる血液以外の組織による吸収分を取り除くことが必須である。特許文献１では、心臓収縮期と拡張期の２回測定し、差分することで動脈血成分を抽出している。特許文献２では、カフを用いて血流を遮断する前後の組織透過光を測定し、差分を行う。特許文献３では、５つの異なる波長で組織透過光を経時的に取得し、体動・拍動による吸光度変動分を解析することで血液成分を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５２１２６６号公報
【特許文献２】特開２００６−７５３５４号公報
【特許文献３】特開２００５−９５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献1では拍動による血液量の変化を利用して血液成分の抽出を行っている。そのため拍動がわずかしか検知できない末端臓器では測定が不可能である。特許文献2ではカフを用いて血流を遮断しているため、酸素飽和度自体に影響が生じ、正しい測定値が得られないおそれがある。また、特許文献3では拍動がない測定箇所において、毎測定時に振動を与え体動を起こす必要があるため、術中のリアルタイムな酸素飽和度のモニタリングには適さない。
【０００６】
本発明は、臓器内の血液中の酸素飽和度を高精度に測定することができる酸素飽和度測定装置及び酸素飽和度測定方法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】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、酸素飽和度測定装置を、光を発光して測定対象物に照射する発光部と、測定対象物に照射され、測定対象物を透過した光を受光する受光部と、受光部が受光した光の強度を測定する測定部と、測定部が測定した光の強度に基づいて前記測定対象物の酸素飽和度を算出する計算部と、を有し、計算部は、あらかじめ取得した複数の吸光度データに基づいて算出された吸光度モデル式及び測定部により測定した光の強度に基づいて測定対象物の酸素飽和度を算出するものとする。
【０００８】
また、本発明の他の観点によれば、酸素飽和度測定装置を、光を発光して測定対象臓器に照射する発光部と、測定対象臓器に照射され、前記測定対象臓器を透過した光を受光する受光部と、受光部が受光した光の強度を測定する測定部と、測定部が測定した光の強度に基づいて測定対象臓器の酸素飽和度を算出する計算部と、を有し、計算部は、あらかじめ取得した臓器の複数の吸光度データに基づいて臓器内に含まれる血液以外の組織の吸光係数を算出し、算出した血液以外の組織の吸光係数に基づいて臓器吸光度モデル式を算出し、測定部により測定した光の強度及び臓器吸光度モデル式に基づいて測定対象物の酸素飽和度を算出するものとする。発光部は、複数種類の波長の光を測定対象物に照射するものとすると望ましい。
【０００９】
また、本発明の他の観点によれば、酸素飽和度測定方法を、光を発光して測定対象物に照射する照射ステップと、測定対象物に照射され、測定対象物を透過した光の強度を測定する測定ステップと、あらかじめ取得した複数の吸光度データに基づいて吸光度モデル式を算出する吸光度モデル式算出ステップと、測定ステップにより測定した測定対象物を透過した光の強度及び第１の算出ステップにより算出した吸光度モデル式に基づき測定対象物の酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出ステップと、を有するものとする。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、酸素飽和度測定方法を、光を発光して測定対象物臓器に照射する照射ステップと、測定対象物を透過した光の強度を測定する測定ステップと、あらかじめ取得した臓器の複数の吸光度データに基づいて臓器内に含まれる血液以外の組織の吸光係数を算出する吸光係数算出ステップと、吸光係数算出ステップにより算出した血液以外の組織の吸光係数に基づいて臓器吸光度モデル式を算出する臓器吸光度モデル式算出ステップと、測定ステップにより測定した前記測定対象物を透過した光の強度及び吸光度モデル式算出ステップにより算出した吸光度モデル式に基づき測定対象臓器の酸素飽和度を算出するものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、臓器内の血液中の酸素飽和度を高精度に測定することができる酸素飽和度測定装置及び酸素飽和度測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態による酸素飽和度測定装置の概略を示す図である。
【図２】HbO2、Hbの吸収係数（Absorption Coefficient）と照射光の波長（wave length）の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による酸素飽和度推定方法の概略を示す図である。
【図４】本実施形態におけるNMFの概略を示す図である。
【図５】試作した透過光強度データ取得用プローブを示す図である。
【図６】小腸測定の様子を示す図である。
【図７】ブタ健常小腸に対するStO2推定結果を示す図である。
【図８】結紮小腸に対するStO2推定結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態の一例を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施形態に限定されず、以下に説明する実施形態を種々変形して実施することが可能である。
【００１４】
図１は、本実施形態による酸素飽和度測定装置の概略図である。発光部２から複数の波長の光を含む光３（例えば、白色光）が測定対象臓器１に照射され、測定対象物１を透過した光が受光部４に照射される。発光部２には、例えばハロゲン光源、LED等を使用することができる。受光部４により照射された光の特定の波長毎の強度を透過光強度測定部（センサ。図示せず。）により測定し、この透過光強度を分析部（図示せず。）により後で述べる方法によって分析することにより、測定対象臓器１の酸素飽和度を推定・測定する。透過光強度測定部には分光器が用いられる場合がある。発光部２は、測定対象臓器１を挿入する対象臓器挿入部６に発光部固定部５により固定されている。光の波長毎の透過光強度を測定する他の方法としては、発光部２から波長が均一な光を照射し、照射光の波長を変化させて、測定対象物１を透過した光の強度を測定しても良い。
【００１５】
以下、本実施形態による酸素飽和度の推定方法を説明する。血液中の主要な吸光物質としては、酸化ヘモグロビン（HbO2）と脱酸素化ヘモグロビン（Hb）が存在する。StO2はこれらの組織内における含有量の比率で与えられ、組織への酸素供給を表す。これらの濃度値を監視することによって、消化器臓器の生存能力を把握することができる。HbO2、Hbの吸収係数（Absorption Coefficient）と照射光の波長（wave length）の関係を図２に示す。図２から酸化ヘモグロビンと脱酸化ヘモグロビンの2種類の吸収係数に違いがあることが分かる。したがってStO2の変化は臓器の透過光強度に現れる。しかし、透過光強度は入射光強度に依存するため、入射光強度に依存しない吸光度を使用する。吸光度算出式は式(1)である。
【００１６】
【数１】
2016087038.tif 000003
【００１７】
ここでIinは入射光強度、Ioutは透過光強度を表す。酸素飽和度の推定はランバート・ベールの法則に基づいて行われる。この法則ではk種類の吸光物質が組織内に存在するとき、波長λにおける吸光度は式(2)のようにそれらの吸光度の線形和で表される。
【００１８】
【数２】
2016087038.tif 000004
【００１９】
ここでεi、ci、lは，それぞれ組織内のi番目の吸光物質の吸収係数、濃度、光路長を表す。Ciは、濃度と光路長の積であり、組織内における物質の含有量であると考えられる。したがって、ランバート・ベールの法則に基づいて、血液の吸光度は、HbO2とHbの吸収係数εHbO2、εHb、含有量CHbO2とCHbを使用して次式で与えられる。
【００２０】
【数３】
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【００２１】
血液吸光度Abloodは分光的に血液の透過光強度を測定し、式(1)により吸光度を算出することにより取得することができる。さらに酸化、脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数εHbO2、εHbは既に知られている。そこで私たちは血液吸光度モデルを複数の波長で満たすCHbO2とCHbを見つけることができる。そして，StO2は算出した値と式(4)より算出される。
【００２２】
【数４】
2016087038.tif 000006
【００２３】
実際には、組織内には血液以外にも様々な吸光物質が存在している(筋肉や粘膜など)。それゆえに血液吸光度モデル式では不十分である。そこで、本実施形態では、それらの血液以外の組織による光吸収も考慮した組織酸素飽和度推定手法を導入する。
【００２４】
本実施形態では、分光的に臓器吸光度を取得することを想定している。本手法は、2ステップからなり、ステップ1では臓器吸光度のモデル式を決定する。このステップは1度だけ行われる。ステップ2では実際に術中に臓器吸光度を測定し、酸素飽和度を推定する。
【００２５】
１．ステップ１（事前準備段階）
図３に、本手法による酸素飽和度推定方法の概略を示す。臓器内に血液以外の吸光物質が含まれているとしても、その吸光度はランバート・ベールの法則に基づくと考えられ、以下のように与えられる。
【００２６】
【数５】
2016087038.tif 000007
【００２７】
ここで第三項は血液以外の組織による光吸収である。ただし、血液以外の組織がどのような分光特性を持っているのか分からない。そこで、このステップでは血液以外の組織の分光特性を推定し臓器吸光度モデル式を定義する。あらかじめn例の臓器吸光度データを取得しておき（S３１）、それらを学習データとして臓器内に含まれる血液以外の組織の吸光係数を定義し（S３２）、臓器吸光度モデル式を定義する（S３３）。ここでは取得した吸光度データにNMF(non-negative matrix factorization)を適用することで、臓器吸光度から血液以外の組織による吸収を分離する。NMFはブラインド信号源分離手法の一種であり、与えられた信号を非負成分の加重和で表す。本研究では、この分離された信号が式(5)より臓器内における各吸光物質の寄与であると考えられる。図４が本手法におけるNMFの概略図である。このNMFではn例の吸光度データからなる吸光度行列Aを吸光係数行列Eと含有量行列Cの2つの非負行列に分解する。吸光係数行列Eとその含有量行列Cの積が実測した吸光度行列Aに近づくように行列E、Cを探索していく。最適化していくコスト関数は式(6)に示す。
【００２８】
【数６】
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【００２９】
ここで||・||はフロベニウスノルムである．図2に示すようにAはn*mの行列であり、nは取得データ数でmは取得波長域を表す。分離された含有量行列C、Eはそれぞれn*r、r*mの行列であり、rは混合されている成分数であり、NMFでは任意に決定できるパラメータである。式(6)で定義したコスト関数を最小化するための更新式の更新規則を式(7)(8)に示す。
【００３０】
【数７】
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【００３１】
【数８】
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【００３２】
NMFでは、CとEをランダムな正の値で初期化し、更新式に従ってCとEを交互に更新し、コスト関数が収束するまでイタレーションを継続することで最適な解が得られる。
【００３３】
しかし、今回は臓器内の吸光物質として酸化ヘモグロビンと脱酸化ヘモグロビンが含まれていることがすでに分かっている。そこでHbO2とHbの吸収係数を既知とし、血液以外の組織の吸収係数を分離するNMFを考える。まず、吸収係数行列Eの1、2行目に初期値として乱数では無くHbO2、Hbの吸収係数を与える。そして、前述の更新規則が行列の各要素に作用することに着目して、吸収係数行列Eの更新では3行目以降のみに更新規則を適用する。この方法ではHbO2とHbの吸収係数が反復によって更新されないため、臓器吸光度を血液と血液以外の組織の寄与に分離することができる。本論文ではこの既知情報を利用したNMFをsemi-blind NMFと呼び，吸光度データに対して使用する。
【００３４】
このsemi-blind NMFのコスト関数には行列E、Cに対してペナルティを与えることで分離した行列のスパース性、平滑性を向上させることができる。本論文では吸光係数行列Eにペナルティを与えており、コスト関数には以下のように反映される。
【００３５】
【数９】
2016087038.tif 000011
【００３６】
αはペナルティに与えられる重みであり、任意に設定できる。本研究では経験的に1に設定している。このペナルティを付加したコスト関数の更新規則は式(10)のように書き表される。
【００３７】
【数１０】
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【００３８】
Cの更新規則は式(8)と同様である。これらの更新規則を用いてsemi-blind NMFの最適化を行う。
【００３９】
こうして分離された吸光係数行列Eを臓器内における吸光物質の吸光係数として式(5)に使用して臓器吸光度モデル式を決定する（S３３）。
【００４０】
２．ステップ２（手術中の測定）
ステップ１で決定した臓器モデル式を用いて術中に臓器の酸素飽和度を推定する。術中に臓器の吸光度を測定し（S３４）、この測定吸光度とモデル式による推定吸光度の二乗誤差が最小となるような回帰パラメータCHbO2、CHb、C3〜Crを決定する（S３５）。最後に、ここで求めたCHbO2、CHbを用いて式(4)より酸素飽和度を算出する（S３６）。
【００４１】
本実施形態によれば、血液以外の組織の吸光度を考慮した臓器モデル式を作成し、この臓器モデル式に基づいて酸素飽和度を算出するため、臓器の酸素飽和度を高精度に測定することができる。
【実施例】
【００４２】
３．実験
広帯域な発光特性を持つハロゲン光源(MHF-G150LR、MORITEX社)と、小型分光器(USB2000、Ocean Optics 社)を用いて透過光強度測定用小型プローブを試作し、ブタ小腸を対象にデータの収集を実施した。図５に試作した透過光強度データ取得用プローブを示す。また、図６にブタ小腸を測定した様子を示す。動物実験では、プローブに何も挟まずに入射光強度を取得した後、プローブに小腸を挟み込み透過光強度を取得した。このデータ収集は暗室下で行われ、使用波長は生体透過性に優れた波長域である600~950nmを5nm間隔で使用した。健常な小腸を対象に全38例の透過光強度を取得した。その内の15例で測定部位近傍の大血管領域の酸素飽和度を同時にパルスオキシメータで測定した。また、小腸を結紮することで意図的に虚血状態を作りだし、結紮小腸の吸光度を3分間経時的に5例取得した。
【００４３】
得られた小腸吸光度データに対して本手法を適用した。パルスオキシメータによる参照値を持たない健常小腸の吸光度23例で臓器吸光度モデル式を構築し、参照値を持つ健常小腸15例と結紮小腸5例のStO2を推定した。
【００４４】
４．結果
ブタ健常小腸に対するStO2推定結果を図７に示す。透過光強度取得時にパルスオキシメータで測定した値を参照値とすると平均誤差2.2%、最大誤差4.6%であり、高精度な推定が行われていると言える。また結紮小腸に対するStO2推定結果を図８に示す。すべての小腸で結紮によるStO2の低下を確認した。なお、パルスオキシメーターは、拍動による血液量の変化を利用して血液成分の抽出を行っているため、拍動がわずかしか検知できない末端臓器では測定が不可能であるという問題がある。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、臓器の酸素飽和度測定装置及び測定方法として産業上の利用が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  測定対象臓器
２  発光部
３  光
４  受光部
５  発光部固定部
６  測定対象臓器挿入部
【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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