(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の組織内の血中酸素飽和度を非侵襲的に測定するための装置であって、
被験者の組織内に光信号を送信するための１つ以上の光源；
被験者の組織を通過した後の光源からの光信号を検出するための１つ以上の光検出器（１つ以上の光源及び１つ以上の光検出器は、２つ以上の光源から検出器までの距離で光信号の減衰を測定するように構成される）；及び、
光源と光検出器に接続したプロセッサ、
を備え、
１つ以上の光源及び１つ以上の光検出器が、６５０ｎｍ〜３μｍの範囲の３つ以上の異なる波長で光信号の減衰を測定するように構成されており、
プロセッサには、以下のアルゴリズム：
光源から検出器までの距離と波長の関数としての光信号の減衰を決定すること；
波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の傾きを算出すること；及び、
前記光信号の減衰の傾き、並びに、被験者の組織内のヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体及び被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定されたデータに基づいて、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出すること、
が含まれており、
前記光吸収体による光信号の減衰に相当するデータが、新生児から採取した胎便サンプル、新生児から採取した移行便サンプル、及びビリベルジンの１つ以上の波長依存性の減衰係数を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
光源、及び光検出器が、６９５±５ｎｍ、７１２±５ｎｍ、７３３±５ｎｍ、７４３±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８３±５ｎｍ、７９０±５ｎｍ、８０５±５ｎｍ、８８０±５ｎｍ、８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍから選択される３つ以上の異なる波長で減衰を測定するように構成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
光源から検出器までの最短距離が、少なくとも０．８ｃｍである請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
アルゴリズムが、下記方程式に基づいて特定の波長λにおける相対的吸収μａ，λを算出する工程を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置：
【数１】
0006921968.tif 000013
式中、μｓ，λは、特定の波長λにおける被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値であり、Ａλは、特定の波長λにおける減衰であり、ｄは、光源から検出器の平均距離であり、そして、∂Ａλ／∂ｄは、光源と検出器の距離に対する減衰の傾きである。
【請求項５】
μｓ，λが、下記式で表される請求項４に記載の装置：
【数２】
0006921968.tif 000014
式中、ｈは、１０−４〜１０−３ｎｍ−１の範囲にあると想定される。
【請求項６】
アルゴリズムが、下記方程式に基づいて被験者の組織内のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度を算出する工程を含む請求項４又は５に記載の装置：
【数３】
0006921968.tif 000015
式中、ＣＨｂＯ２及びＣＨｂは、それぞれオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度であり、μａ，λｎは、上記方程式に従って特定の波長λｎで測定される吸収であり、Ｃｏｔｈｅｒは、被験者の組織に存在するヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体の濃度であり、そして、εｘ，λｎは、特定の波長λｎにおける光吸収種ｘの減衰係数である。
【請求項７】
被験者の組織内の血中酸素飽和度を非侵襲的に測定する方法であって、
１つ以上の光源から被験者の組織内に光信号を送信する工程；及び、
被験者の組織を通過した後の光信号を１つ以上の検出点と２つ以上の異なる光源から検出器までの距離で検出する工程、
を含み、さらに、
６５０ｎｍ〜３μｍの範囲の３つ以上の異なる波長で光信号の減衰を測定する工程；
光源から検出器までの距離と波長の関数としての光信号の減衰を決定する工程；
波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の傾きを算出する工程；及び、
前記光信号の減衰の傾き、並びに、被験者の組織内のヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体及び被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定されたデータに基づいて、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する工程、
を含み、
光吸収体による光信号の減衰に相当するデータが、新生児から採取した胎便サンプル、新生児から採取した移行便サンプル、及びビリベルジンの１つ以上の波長依存性の減衰係数を含む方法。
【請求項８】
被験者の組織が、被験者の腹部である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
被験者が最年長でも１歳の乳児である請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
光源から検出器までの最短距離が少なくとも０．８ｃｍである請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する工程に、下記方程式に基づいて特定の波長λで、相対的吸収μａ，λを算出することが含まれる請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法：
【数４】
0006921968.tif 000016
式中、μｓ，λは、特定の波長λにおける被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値であり、Ａλは、特定の波長λにおける減衰であり、ｄは、光源と検出器の間の平均距離であり、そして、∂Ａλ／∂ｄは、光源と検出器の距離に対する減衰の傾きである。
【請求項１２】
μｓ，λが、下記式で表される請求項１１に記載の方法：
【数５】
0006921968.tif 000017
式中、ｈは、１０−４〜１０−３ｎｍ−１の範囲にあると想定される。
【請求項１３】
被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する工程が、下記方程式に従って被験者の組織内のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度を算出する工程を含む請求項１１又は１２に記載の方法：
【数６】
0006921968.tif 000018
式中、ＣＨｂＯ２及びＣＨｂは、それぞれオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度であり、μａ，λｎは、上記方程式に従って特定の波長λｎで測定される吸収であり、Ｃｏｔｈｅｒは、被験者の組織に存在するヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体の濃度であり、そして、εｘ，λｎは、特定の波長λｎにおける光吸収種ｘの減衰係数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の組織の血中酸素飽和度を測定する装置、及び被験者の組織の血中酸素飽和度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低い血中酸素飽和度は致命的な疾患の可能性を示すため、被験者の組織の血中酸素飽和度をモニターすることは臨床的に重要である。これは、例えば早産児の場合、壊死性腸炎又は便秘などの妊娠性の管（ｇｅｓｔａｔｉｏｎａｌ  ｔｒａｃｔ）の障害を患いやすく、ショックを発症するリスクが常にある。したがって、早産児の場合、腹部の酸素飽和度を常に正確にモニターする必要がある。
【０００３】
被験者の組織の血中酸素飽和度は以下の通り定義される。
【０００４】
【数１】
0006921968.tif 000002
【０００５】
式中、ｃ（ＨｂＯ２）及びｃ（Ｈｂ）は、各々、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度である。
【０００６】
近赤外分光法（ＮＩＲＳ）は、被験者の組織の血中酸素飽和度を測定するための非侵襲的な手法である。ＮＩＲＳは、近赤外スペクトルの範囲におけるオキシヘモグロビン（ＨｂＯ２）とデオキシヘモグロビン（Ｈｂ）の明確な吸収特性に基づいてＨｂＯ２とＨｂの相対濃度を測定する。ＮＩＲＳは、被験者の皮膚上に分光センサーを配置し、被験者の組織を通過した後の光信号の減衰を測定することにより、非侵襲的に実施できる。
【０００７】
測定された光減衰は、ランベルト・ベールの法則（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ  ｌａｗ）により、特定の光吸収種（発色団）の濃度に関連付けられる。
【０００８】
【数２】
0006921968.tif 000003
【０００９】
式中、Ａλは特定の波長λにおける光減衰、ｃは特定の発色団の濃度、ελは特定の波長における特定の発色団の減衰係数、ｄは光源と検出器間の分離距離である。既知の減衰係数を使用して、測定された光減衰から発色団の濃度を算出することができる。異なる発色団の混合物の場合、発色団の相対濃度は、発色団の減衰係数が異なるいくつかの異なる波長で光減衰を測定することにより決定することができる。Ｎ個の異なる発色団を含む混合物の場合、最小Ｎ個の異なる波長で減衰を測定する必要がある。
【００１０】
典型的なＮＩＲＳ装置では、既知の波長と強度の光信号が被験者の組織に送信され、組織から拡散反射される光が検出されて光減衰が算出される。測定された光減衰から組織内の発色団の濃度を正確に決定するには、組織の光学特性、特に組織内に存在する他の発色団による吸収及び組織の散乱特性を考慮する必要がある。実際には、組織の散乱特性は、キャリブレーション測定によって考慮される必要がある。ＨｂＯ２及びＨｂ以外の発色団を考慮するには、これらの発色団の吸収スペクトルを測定して、波長依存性の減衰係数を推定し、少なくとも２＋Ｍ個の波長で光減衰を測定する必要がある（Ｍは考慮すべき追加の発色団の数である）。これらの問題に対処するためのいくつかの方法が従来技術で開発されてきた。
【００１１】
特許文献１は、３つ以上の波長で光減衰を測定し、波長間の減衰の差を算出することにより、被験者の組織内の全血中酸素飽和度を測定するＮＩＲＳ法を開示する。この方法は、「波長差分法」としても知られている。この方法では、Ｎ個の異なる発色団の濃度を決定するために、Ｎ＋１個の異なる波長で測定する必要がある。差分減衰を決定することにより、組織の光散乱特性、一定の光吸収成分、及び測定装置の特性の寄与は、ＨｂＯ２及びＨｂに起因する減衰に比べて最小化され、測定された血中酸素飽和度の精度が向上する。
【００１２】
特許文献２は、被験者の下部消化管組織内の血中酸素飽和度を測定する方法を開示する。当該方法は、血液中には存在しない波長依存性吸収物質の存在を考慮することを含む。具体的には、特許文献２は、被験者の下部消化管に存在する便、特に新生児の胃腸管に存在する胎便による光減衰を考慮することを提案している。特許文献２は、ＮＩＲＳデータの分析に波長差分法を使用することも教示する。
【００１３】
波長差分法は組織の散乱特性の寄与を最小限に抑えるが、散乱と不特定のバックグラウンド吸収を考慮し、なおキャリブレーションが必要である。当該キャリブレーションは、所定の対照組織の血中酸素飽和度を測定することにより実施される。前記対照組織の酸素飽和度は、被験者の静脈血と動脈血の酸素飽和度の加重和であると仮定する。しかしながら、これには、その組織における静脈血と動脈血の相対的な寄与についての知見が必要である。静脈血及び動脈血の酸素飽和度の相対的な寄与に関する実験的データは存在するが、このデータの信頼性には疑問がある。したがって、利用できるキャリブレーション法は、波長差分法の誤差が発生する原因となる可能性がある。
【００１４】
ＮＩＲＳ測定を実施する別の方法は、光源と光検出器の間のいくつかの異なる距離といくつかの波長で光減衰を測定することである。特定の波長λにおける吸収μａ，λは、下記方程式に基づいて算出することができる。
【００１５】
【数３】
0006921968.tif 000004
【００１６】
式中、μｓ，λは、特定の波長λにおける被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値であり、Ａλは、特定の波長λにおける減衰であり、ｄは、光源と検出器の間の平均距離であり、そして、∂Ａλ／∂ｄは、光源と検出器の距離に対する減衰の傾きである。発色団の濃度は、ランベルト・ベールの法則を使用し、吸収μａ，λから算出できる。当該方法は、「多重法」としても知られる。これは、筋肉組織の血中酸素飽和度の測定に適用されてきた（非特許文献１）。しかしながら、報告されている方法は、ＨｂＯ２とＨｂ以外の吸収体、特に被験者の腹部に存在する光吸収体は考慮していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】欧州特許第１２５９７９１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開２０１２／０１３６２２５号明細書
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｔａｃｈｔｓｉｄｉｓ，Ｉｌｉａｓ  ｅｔ  ａｌ．“Ａ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｍｕｌｔｉ−Ｄｉｓｔａｎｃｅ  Ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｓｐａｔｉａｌｌｙ  Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  Ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ  Ａｂｓｏｌｕｔｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｎｅａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ．”Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  ６６２（２０１０）：１６９-１７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、本発明の目的は、被験者の組織の血中酸素飽和度をより正確に測定するためのＮＩＲＳ装置及び方法を提供することである。本発明は特に、新生児、特に早産児の腹部の血中酸素飽和度をより正確に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
当該課題を解決するために、本発明は、多重法を使用し、且つ、被験者の組織内の光散乱及び被験者の組織内のヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体による吸収を考慮することにより、被験者の組織内の血中酸素飽和度をより正確に測定できることを明らかにした。
【００２１】
すなわち、本発明は、被験者の組織内の血中酸素飽和度を非侵襲的に測定するための装置に関する。該装置は、
被験者の組織内に光信号を送信するための１つ以上の光源；
被験者の組織を通過した後の光源からの光信号を検出するための１つ以上の光検出器（１つ以上の光源及び１つ以上の光検出器は、２つ以上の光源から検出器までの距離で光信号の減衰を測定するように構成される）；及び、
光源と光検出器に接続したプロセッサ、
を備え、また該装置は、
１つ以上の光源及び１つ以上の光検出器が、６５０ｎｍ〜３μｍの範囲の３つ以上の異なる波長で光信号の減衰を測定するように構成されており；
プロセッサには、以下のアルゴリズム：
光源から検出器までの距離と波長の関数としての光信号の減衰を決定すること；
波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の傾きを算出すること；及び、
前記光信号の減衰の傾き、並びに、被験者の組織内のヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体及び被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定されたデータに基づいて、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出すること、
が含まれていることを特徴とする。
【００２２】
光源から検出器までの距離の関数として減衰を測定することにより、多重法を使用して相対的吸収μａ，λを算出することができる。これにより、対照組織の酸素飽和度が被験者の静脈血と動脈血の酸素飽和度の加重和であると仮定して、所定の対照組織の血中酸素飽和度を測定することにより、キャリブレーションを実施する必要がなくなる。本発明では、組織の光散乱のみを考慮する必要がある。これにより、静脈血と動脈血の相対的な寄与に関する仮定が不要になるため、系統的誤差の原因が取り除かれる。
【００２３】
３つ以上の異なる波長で光減衰を測定し、ヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体による光信号の減衰に相当する実験的に測定されたデータを使用することにより、例えば被験者の組織内に存在する便又は他の吸収体による減衰を考慮することができる。これは、新生児の腹部の血中酸素飽和度を測定する場合に特に重要である。この場合、便は近赤外領域の吸収特性に大きな影響を及ぼす。データは、既知の吸収体のサンプル、例えば、多くの新生児から採取した便サンプルを使用して簡単に測定できる。これにより、測定された血中酸素飽和度の精度が大幅に向上する。
【００２４】
光源及び光検出器は、被験者の組織に光信号を送信し、被験者の組織を通過した後の光信号を検出するように構成される。好ましくは、光源及び光検出器は、検出器が被験者の組織内から拡散反射された光を検出するように構成される。好ましくは、光源及び光検出器は、周囲光との干渉を回避するために、被験者の皮膚に直接接触できるように構成される。
【００２５】
光源は、ある範囲の波長にわたって光を放出する広帯域光源であってもよい。あるいは、光源は、発光ダイオードの集合体などの狭いスペクトル帯域幅でそれぞれ発光する光源の集合体であってもよい。好ましい実施形態では、光源は、それぞれ異なる波長で発光する発光ダイオードの集合体を含む。
【００２６】
光検出器は、例えば、フォトダイオード又は光を電流に変換できる他のデバイスであってもよい。それぞれの検出器は、それぞれが異なる波長の光を検出する個別の検出器の集合体を含んでもよい。
【００２７】
光源と光検出器は、２つ以上の光源から検出器までの距離で光信号の減衰を測定するように構成されている。これにより、装置は、光源から検出器までの距離の関数として光信号の減衰を測定し、多重法による分析を実施することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
一実施形態では、装置は、単一の光源と、光源から一定の距離に配置された２つ以上の光検出器とを備える。あるいは、装置は、単一の光検出器と、光検出器から一定の距離に配置された２つ以上の光源を含む。これらの実施形態では、光源から検出器までの距離は、測定中に変化することはない。
【００２９】
さらに別の実施形態では、装置は単一の光源及び単一の光検出器を備え、光源及び／又は光検出器は、測定中に光源から検出器までの距離を変えるために動かすことができる。当該実施形態は、光源から検出器までの距離の関数としての光信号の減衰を、広範囲にわたって、多数のデータポイントでサンプリングできるという利点を有する。
【００３０】
光源及び光検出器は、６５０ｎｍ〜３μｍの範囲、好ましくは６５０ｎｍ〜１μｍの範囲、より好ましくは６８０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の３つ以上の異なる波長において、光信号の減衰を測定するように構成される。例えば、各光源は、狭いスペクトル帯域幅でそれぞれが発光する個別の光源の集合体であってもよい。この場合、検出器は、少なくともこれらのスペクトル範囲の光を検出できる広帯域検出器とすることができる。あるいは、光源は広帯域光源であってもよく、回折格子又は特定の放射フィルターを使用して、その波長独自の方法で光を検出してもよい。
【００３１】
測定の精度を高めるために、減衰は、好ましくは４つ以上の、より好ましくは５つ以上の、最も好ましくは７つ以上の異なる波長で測定される。特に好ましい実施形態では、光検出器は、６５０ｎｍ〜１μｍの範囲の７つの異なる波長で光信号の減衰を測定するように構成される。
【００３２】
被験者の腹部、特に新生児の腹部で測定を行う場合、８１５〜８７５ｎｍの範囲で測定しても測定の精度は向上しないことが判明している。したがって、光検出器は、８１５〜８７５ｎｍの範囲を除く６５０ｎｍ〜１μｍの範囲の７つの異なる波長で光信号の減衰を測定するように構成されている。
【００３３】
被験者の腹部で測定を行う場合、いくつかの波長の組み合わせが、測定精度を高めることが判明した。これらの波長は、Ｈｂ、ＨｂＯ２及び便などの被験者の腹部に存在する他の吸収体をより適切に区別するために選択することができる。これらの最適化された波長の組み合わせを以下に示す。
【００３４】
一実施形態では、光検出器は、６９５±５ｎｍ、７１２±５ｎｍ、７３３±５ｎｍ、７４３±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８３±５ｎｍ、７９０±５ｎｍ、８０５±５ｎｍ、８８０±５ｎｍ、８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍから選択される３つ以上の異なる波長で減衰を測定するように構成される。好ましくは、当該波長は、７１２±５ｎｍ、７３３±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８３±５ｎｍ、８０５±５ｎｍ、８８０±５ｎｍ、８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍから選択される。
【００３５】
一実施形態では、光検出器は、７１２±５ｎｍ、７３６±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８４±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍにおける光信号の減衰を測定するように構成される。
【００３６】
一実施形態では、光検出器は、７１２±５ｎｍ、７３６±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８４±５ｎｍ、８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍにおける光信号の減衰を測定するように構成される。
【００３７】
所定の数の異なる波長における減衰を測定するためには、少なくとも特定された波長を含む異なる波長範囲で減衰を測定するように光源と光検出器を構成すれば十分である。波長範囲を明確に区別できる限り、各波長範囲のスペクトル帯域幅は異なっていてもよい。好ましくは、減衰は、±２５ｎｍ以下、より好ましくは±１５ｎｍ以下、最も好ましくは±５ｎｍ以下の帯域幅を有する個別の波長範囲で測定される。
【００３８】
好ましい実施形態では、装置は、波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の算出された傾きの精度を改善するために、２つを超える光源から検出器までの距離で減衰を測定するように構成される。好ましい実施形態では、装置は、３つの光源から検出器までの距離における減衰を測定するように構成される。
【００３９】
光源から検出器までの最短距離と最長距離は、検出器の感度と被験者の組織の光学特性に基づいて最適化できる。新生児の腹部の血中酸素飽和度を測定する装置の場合、光源から検出器までの最短距離は、好ましくは少なくとも０．８ｃｍ、より好ましくは少なくとも０．９ｃｍ、最も好ましくは少なくとも１．０ｃｍである。好ましくは、光源と検出器との間の最短距離は、０．８〜２ｃｍ、より好ましくは少なくとも０．９〜１．５ｃｍ、最も好ましくは０．９５〜１．２ｃｍの範囲にある。光源から検出器までの最長距離は、好ましくは２〜１０ｃｍ、好ましくは３〜８ｃｍ、最も好ましくは４〜６ｃｍの範囲である。
【００４０】
このアルゴリズムは、波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の傾きに基づいて、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する。すなわち、アルゴリズムは、多重法を使用して血中酸素飽和度を算出する。
【００４１】
好ましい実施形態では、プロセッサに含まれるアルゴリズムは、下記方程式に基づいて特定の波長λにおける相対的吸収μａ，λを算出する：
【００４２】
【数４】
0006921968.tif 000005
【００４３】
式中、μｓ，λは、特定の波長λにおける被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値であり、Ａλは、特定の波長λにおける減衰であり、ｄは、光源から検出器の平均距離であり、そして、∂Ａλ／∂ｄは、光源と検出器の距離に対する減衰の傾きである。
【００４４】
上記式が相対的吸収μａ，λを算出することに着目すべきである。それは係数ｋを乗じた絶対的吸収に等しい。当該係数は、キャリブレーション測定を使用して決定できる。相対的吸収の使用は、発色団の相対濃度の算出に十分である。上で定義した血中酸素飽和度は、総ヘモグロビン濃度に対するＨｂＯ２濃度の比であるため、ＨｂＯ２とＨｂの絶対濃度を測定する必要はない。したがって、係数ｋを決定する必要はなく、ｋはμａ，λのため上記式では省略されている。
【００４５】
吸収μａ，λは、ランベルト・ベールの法則を使用して、ＨｂＯ２、Ｈｂ、及びその他の光吸収体の濃度を算出するために使用できる。
【００４６】
低減した散乱μｓ，λは、被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値である。上記式に従って相対的吸収μａ，λを算出するためには、下記式で定義される相対的な低減した散乱μｓ，λを知るだけで十分である：
【００４７】
【数５】
0006921968.tif 000006
【００４８】
式中、ｈは特定の組織の散乱パラメータである。散乱パラメータｈは、対照組織の散乱特性の測定から決定できる。例えば、ｈは多くの新生児の腹部の散乱特性を測定することにより決定される。好ましい実施形態では、パラメータｈは１０−４〜１０−３ｎｍ−１、好ましくは２・１０−４〜８・１０−４ｎｍ−１、より好ましくは５・１０−４〜８・１０−４ｎｍ−１の範囲にあると想定される。特に好ましい実施形態では、ｈは６．４・１０−４ｎｍ−１と想定される。これらの値は、新生児の腹部の散乱に正確に対応することが判明している。
【００４９】
低減した絶対散乱は、上で定義したμｓ，λに係数ｋを乗じることで決定できる。しかし、本発明の場合、ｋを決定する必要はない。
【００５０】
パラメータｈ及びｋは、例えば「Ｓｅｒｇｉｏ  Ｆａｎｔｉｎｉ，Ｍａｒｉａ  Ａｎｇｅｌａ  Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉｎｉ，Ｊｏｓｈｕａ  Ｂ．Ｆｉｓｈｋｉｎ，Ｂｅｎｉａｍｉｎｏ  Ｂａｒｂｉｅｒｉ，ａｎｄ  Ｅｎｒｉｃｏ  Ｇｒａｔｔｏｎ，“Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒａ  ｏｆ  ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅｓ  ｉｎ  ｓｔｒｏｎｇｌｙ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｍｅｄｉａ：ａ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ−ｄｉｏｄｅ  ｂａｓｅｄ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，”Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３３，５２０４−５２１３（１９９４）」に記載される通りに、周波数領域の吸収測定によって実験的に測定できる。
【００５１】
一実施形態では、アルゴリズムは、下記方程式に従ってＨｂＯ２及びＨｂの相対濃度を計算することにより、血中酸素飽和度を算出する：
【００５２】
【数６】
0006921968.tif 000007
【００５３】
式中、ＣＨｂＯ２及びＣＨｂは、それぞれオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度であり、μａ，λｎは、上記方程式に従って特定の波長λｎで測定される吸収であり、Ｃｏｔｈｅｒは、被験者の組織に存在するヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体の濃度であり、そして、εｘ，λｎは、特定の波長λｎにおける光吸収種ｘの減衰係数である。
【００５４】
当該式に従って算出される相対濃度は、絶対濃度に係数ｋを乗じた値に等しい。しかしながら、血中酸素飽和度ＳｔＯ２の算出には、相対濃度と下記方程式の使用で十分である。
【００５５】
【数７】
0006921968.tif 000008
【００５６】
εｘ，λｎの値は、光吸収体による光信号の減衰に相当するデータを表す。これらのデータは、それぞれの光吸収体の吸収スペクトルを単独で測定することにより、実験的に測定できる。
【００５７】
新生児の血中酸素飽和度を測定する際、精度を向上させるためには、胎便と移行便による吸収を考慮する必要がある。
【００５８】
特定の一実施形態では、εｏｔｈｅｒ，λｎは、便、移行便、胎便、及び／又は、ビリベルジンの単離サンプルの吸収スペクトルを測定することにより決定される。好適例では、胎便の単離サンプルの吸収スペクトルを測定することにより、εｏｔｈｅｒ，λｎは決定される。
【００５９】
胎便は、哺乳動物の乳児の初期の便である。胎便は、乳児が子宮内で過ごす間に摂取される物質で構成される：腸上皮細胞、産毛、粘液、羊水、胆汁、及び水。多数の異なる被験者から採取した胎便サンプルの平均吸収スペクトルは、上記計算用の減衰データのソースとして使用できることが判明している。したがって、一実施形態では、光吸収体による光信号の減衰に相当するデータは、新生児から採取した胎便サンプルの波長依存性の減衰係数を含む。
【００６０】
移行便は、新生児が生まれて最初の数日間に作られる。移行便は胎便とは組成が異なり、多量のビリベルジンを含む。したがって、光吸収体による光信号の減衰に相当するデータには、好ましくは出生後最初の２週間、より好ましくは出生後最初の１週間、最も好ましくは出生後最初の５日間の新生児から採取した移行便サンプルの波長依存性の減衰係数が含まれることが好ましい。
【００６１】
したがって、別の好ましい実施形態では、光吸収体による光信号の減衰に相当するデータは、ビリベルジンの波長依存性の減衰係数を含む。
【００６２】
別の態様では、また本発明は、被験者の組織内の血中酸素飽和度を非侵襲的に測定する方法をも提供する。該方法は以下の工程を含み：
１つ以上の光源から被験者の組織内に光信号を送信する工程；及び、
被験者の組織を通過した後の光信号を１つ以上の検出点と２つ以上の異なる光源から検出器までの距離で検出する工程；
また該方法は、さらに以下の工程を含むことを特徴とする：
６５０ｎｍ〜３μｍの範囲の３つ以上の異なる波長で光信号の減衰を測定する工程；
光源から検出器までの距離と波長の関数としての光信号の減衰を決定する工程；
波長の関数としての光源から検出器までの距離に対する光信号の減衰の傾きを算出する工程；及び、
前記光信号の減衰の傾き、並びに、被験者の組織内のヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体及び被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定されたデータに基づいて、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する工程。
【００６３】
当該方法は、胎便や移行便などの光吸収種の存在を考慮することができ、血中酸素飽和度の正確な測定値を提供できるため、新生児の腹部の血中酸素飽和度の決定に特に適している。したがって、好ましい実施形態では、当該方法は被験者の腹部で実施される。被験者は、好ましくは乳児である。好ましくは、乳児は最年長でも１歳、より好ましくは最年長でも６ヶ月、最も好ましくは最年長でも３ヶ月である。当該方法は、早産児の血中酸素飽和度の非侵襲的な測定に特に役立つ。
【００６４】
光源から検出器までの距離は、好ましくは、本発明の装置について上述した通りに設定される。
【００６５】
好ましくは、光信号の減衰は、６９５±５ｎｍ，７１２±５ｎｍ，７３３±５ｎｍ，７４３±５ｎｍ，７６２±５ｎｍ，７８３±５ｎｍ，７９０±５ｎｍ，８０５±５ｎｍ，８８０±５ｎｍ，８９５±５ｎｍ及び９１０±５ｎｍから選択される３つ以上の異なる波長で測定される。当該波長は、７１２±５ｎｍ，７３３±５ｎｍ，７６２±５ｎｍ，７８３±５ｎｍ，８０５±５ｎｍ，８８０±５ｎｍ，８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍから選択することが好ましい。
【００６６】
一実施形態では、光信号の減衰は、７１２±５ｎｍ，７３６±５ｎｍ，７６２±５ｎｍ，７８４±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍで測定される。
【００６７】
一実施形態では、光信号の減衰は、７１２±５ｎｍ、７３６±５ｎｍ、７６２±５ｎｍ、７８４±５ｎｍ、８９５±５ｎｍ、及び９１０±５ｎｍで測定される。
【００６８】
血中酸素飽和度を算出する工程は、好ましくは、本発明の装置のアルゴリズムについて上述したものと同じ工程を含む。
【００６９】
好ましくは、被験者の組織内の血中酸素飽和度を算出する工程には、下記方程式に基づいて特定の波長λで、相対的吸収μａ，λを算出することが含まれる。
【００７０】
【数８】
0006921968.tif 000009
【００７１】
式中、μｓ，λは、特定の波長λにおける被験者の組織内の光散乱による光信号の減衰に相当する実験的に測定された値であり、Ａλは、特定の波長λにおける減衰であり、ｄは、光源と検出器の間の平均距離であり、そして、∂Ａλ／∂ｄは、光源と検出器の距離に対する減衰の傾きである。
【００７２】
好ましくは、μｓ，λは、
【００７３】
【数９】
0006921968.tif 000010
【００７４】
であり、式中、ｈは、１０−４〜１０−３ｎｍ−１の範囲にあると想定される。
【００７５】
好ましくは、血中酸素飽和度を算出する工程は、下記方程式に従って被験者の組織内のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度を算出する工程を含む：
【００７６】
【数１０】
0006921968.tif 000011
【００７７】
式中、ＣＨｂＯ２及びＣＨｂは、それぞれオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの相対濃度であり、μａ，λｎは、上記方程式に従って特定の波長λｎで測定される吸収であり、Ｃｏｔｈｅｒは、被験者の組織に存在するヘモグロビンとデオキシヘモグロビン以外の光吸収体の濃度であり、そして、εｘ，λｎは、特定の波長λｎにおける光吸収種ｘの減衰係数である。
【００７８】
好ましくは、血中酸素飽和度ＳｔＯ２は、ＨｂＯ２とＨｂの相対濃度から下記方程式に従って算出される。
【００７９】
【数１１】
0006921968.tif 000012
【００８０】
好ましくは、光吸収体による光信号の減衰に相当するデータは、新生児から採取した胎便サンプル、新生児から採取した移行便サンプル、及びビリベルジンの１つ以上の波長依存性の減衰係数を含む光吸収体による光信号の減衰に相当するデータを含む。