(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
oxyHbならびにdeoxyHbに吸収される、互いに異なる複数の波長成分からなる測定光を発する光源手段と、
生体の内頸静脈近傍に配されて、前記測定光を経皮的に内頸静脈へ送り込む送光プローブと、
前記内頸静脈を経て減光した前記測定光を受光する受光プローブと、
前記内頸静脈の脈波とその他の脈波とを識別する脈波識別手段と、
前記受光プローブが受光した測定光の、前記識別された内頸静脈脈波による減光度変化を検出する減光度変化検出手段と、
この手段が検出した前記各波長成分ごとの減光度変化に基づいて内頸静脈血の酸素飽和度を求める演算手段とからなる脳内酸素飽和度測定装置。
【請求項２】
前記脈波識別手段が、心音をモニタする手段と、このモニタされた心音の第４音から第１音までの間の前記受光プローブの出力信号を抽出する手段とからなることを特徴とする請求項１記載の脳内酸素飽和度測定装置。
【請求項３】
前記演算手段が、前記波長成分の数をｎとしたとき、ｎ元連立Lambert-Beer方程式を解いて前記内頸静脈血のoxyHb濃度ならびにdeoxyHb濃度を求め、これらの濃度に基づいて酸素飽和度を求めるものであることを特徴とする請求項１または２記載の脳内酸素飽和度測定装置。
【請求項４】
前記演算手段が、予め形成された前記波長成分の各々ごとの減光度変化の比と酸素飽和度との回帰曲線を記憶しておき、この回帰曲線に基づいて、前記減光度変化から酸素飽和度を求めるものであることを特徴とする請求項１または２記載の脳内酸素飽和度測定装置。
【請求項５】
前記送光プローブと受光プローブとが、生体の左内頸静脈に対応させて１対、右内頸静脈に対応させて１対の合計２対設けられ、
２つの受光プローブの出力を足し合わせて前記減光度変化の検出に用いるように構成されていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の脳内酸素飽和度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脳内酸素需給バランスを示す脳内静脈血の酸素飽和度を非侵襲で測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
臨床において、酸素飽和度測定の意義は極めて大きい。これは、生命活動維持のために酸素が最重要な物質であり、各組織への酸素供給ならびに各組織の酸素消費を示す酸素飽和度の測定が、生命活動維持の直接的モニタを意味するからである。
【０００３】
酸素飽和度は、動脈血系の酸素飽和度と静脈血系の酸素飽和度とに分けられる。動脈血系の酸素飽和度は、各臓器が生命活動を維持するのに十分な酸素を供給できているか否かを示す指標であり、その測定についてはパルスオキシメータと呼ばれる機器によって非侵襲測定が実現されている。
【０００４】
一方、静脈血系の酸素飽和度は酸素需給バランスを示す指標として位置付けられるものであり、その測定により、循環異常で組織に十分な酸素が供給されていないことや、臓器代謝が異常になったことを知ることができる。
【０００５】
ところで脳は、生体組織の中で最も酸素を必要とする臓器である。頭蓋内病変の治療や手術時、心臓血管手術時、あるいはその他の大手術において、何らかの原因で脳の虚血や低酸素症が生じると中枢神経機能障害を招く危険性がある。このような状態に陥るのを防ぐために、脳内酸素需給バランスのモニタが行なわれている。
【０００６】
この脳内酸素需給バランスは、脳内静脈血酸素飽和度を測定することによってモニタ可能であり、そのために従来より下記の装置が用いられている。
【０００７】
(1)    オキシメータ付きSwan-Ganz カテーテル
オキシメータ付きSwan-Ganz カテーテルを頸部より内頸静脈に逆行性に刺入して、内頸静脈血酸素飽和度(SjvO2)を侵襲的に測定することができる。すなわち、内頸静脈は脳を循環した血液が流れており、SjvO2を知ることにより脳の酸素需給バランスがモニタできる。顔面、頭皮、その他大脳以外の静脈血の影響を避けるために、カテーテル先端は内頸静脈球部に位置させる。
【０００８】
SjvO2は重要な中枢神経機能障害の治療や予防のためのモニタ因子として、その有用性は明らかである。このSjvO2を測定する方法は、臨床において、脳内酸素需給バランスを測定する上で確立された方法である。
【０００９】
またこの方法は、局所ではなく脳全体の酸素需給バランスのモニタを行なう手法であり、脳の一部に異常が生じてもモニタ可能となっている。
【００１０】
(2)    近赤外組織酸素濃度測定装置
この装置は、頭蓋頭皮に送光プローブと受光プローブからなる１対のプローブを接触させ、頭蓋内に注入した近赤外光の反射光を受光することにより、脳内酸素飽和度を反映した指標を測定するものである。
【００１１】
この装置では、送受光プローブ間の距離を変えることにより、近赤外光の頭蓋内深達度を変化させることができる。そこでこの距離を適当に設定し、脳内酸素飽和度を反映した指標を測定する。頭蓋内の血液は、静脈血70％、動脈血20％、毛細管血10％の割合になっており、測定した酸素飽和度を反映する指標は、脳静脈血酸素飽和度すなわち脳内酸素需給バランスを反映している。
【００１２】
この近赤外組織酸素濃度測定装置は、脳内酸素需給バランスの測定手段の中で唯一の非侵襲的手段である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した２つの従来装置においては、次のような問題が認められている。まず(1)のオキシメータ付きSwan-Ganz カテーテルオキシメータは、侵襲的処置が求められることから、技術的に高度な知識とテクニックが必要であり、汎用するのは困難である。
【００１４】
一方(2)の近赤外組織酸素濃度測定装置は、光路長を特定できないので吸光度変化の定量化が困難であり、測定開始時からの変化量を示す相対値しか求めることができない。したがって、同一個体で変化を比較することはできるが、異なる個体間では比較が困難となる。
【００１５】
さらにこの装置では、周辺組織(頭皮、頭蓋、その他)からのアーティファクトの混入がある、脳の一部のみを計測しても関心部位の変化が捉えられない、測定部位が明確でなく本当に脳内酸素飽和度を測定しているのか疑わしい、といった問題も認められている。
【００１６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、脳内酸素需給バランスを反映する脳内静脈血酸素飽和度を、非侵襲で簡単に測定できる装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による脳内酸素飽和度測定装置は、少なくとも１対の送光プローブと受光プローブ間の内頸静脈血の減光度を経皮的に捉えて、脳内酸素需給バランスを示すこの内頸静脈の酸素飽和度SjvO2を光学的に測定するように構成されたものである。
【００１８】
すなわち本発明による脳内酸素飽和度測定装置は、具体的には、
oxyHbならびにdeoxyHbに吸収される、互いに異なる複数の波長成分からなる測定光を発する光源手段と、
生体の内頸静脈近傍に配されて、前記測定光を経皮的に内頸静脈へ送り込む送光プローブと、
前記内頸静脈を経て減光した前記測定光を受光する受光プローブと、
前記内頸静脈の脈波とその他の脈波とを識別する脈波識別手段と、
前記受光プローブが受光した測定光の、前記識別された内頸静脈脈波による減光度変化を検出する減光度変化検出手段と、
この手段が検出した前記各波長成分ごとの減光度変化に基づいて内頸静脈血の酸素飽和度を求める演算手段とからなることを特徴とするものである。
【００１９】
なお前記脈波識別手段としては、例えば、心音をモニタする手段と、このモニタされた心音の第４音から第１音までの間の受光プローブの出力信号を抽出する手段とから構成することができる。
【００２０】
一方、酸素飽和度を求める演算手段は、測定光波長成分の数をｎとしたとき、ｎ元連立Lambert-Beer方程式を解いて内頸静脈血のoxyHb濃度ならびにdeoxyHb濃度を求め、これらの濃度に基づいて酸素飽和度を求めるように構成することができる。
【００２１】
さらにこの演算手段は、予め形成された測定光波長成分の各々ごとの減光度変化の比と酸素飽和度との回帰曲線を記憶しておき、この回帰曲線に基づいて、減光度変化から酸素飽和度を求めるように構成することもできる。
【００２２】
また送光プローブと受光プローブとは、生体の左内頸静脈に対応させて１対、右内頸静脈に対応させて１対の合計２対設けられ、これら２つの受光プローブの出力を足し合わせて減光度変化の検出に用いるようにするのが望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
まず、上記構成の装置による脳内酸素飽和度測定の基本的な仕組みについて説明する。
【００２４】
測定光の照射および検出は、例えば内頸静脈が頭蓋骨から出てくる部位、すなわち、耳直下の2点間、もしくは外耳道と耳直下の2点間で行なう（図２参照）。この部位は、顔面静脈、下顎後静脈、胸鎖乳突筋静脈等が内頸静脈へ合流する部位の上流に当たり、ここでの測定値は純粋に脳内酸素飽和度を反映したものとなる。なお、上記測定位置でのプローブの配置状態を図３に示してある。
【００２５】
内頸静脈には右心房の内圧変化が伝搬され、内頸静脈は脈動を有している（図４参照）。そこで、内頸静脈が収縮した時の減光度と、内頸静脈が拡張した時の減光度との差を取り、内頸静脈血に起因する減光度変化のみを抽出することにより、内頸静脈血の酸素飽和度を測定することができる（図５参照）。
【００２６】
動脈血脈動による脈波と内頸静脈血脈動による脈波とは、波形ならびに位相が異なる。そこで、内頸静脈の脈動によって生じる減光度変化と、動脈の脈動によって生じる減光度変化とを識別するため、脈波識別手段により、内頸静脈脈波と動脈脈波との波形・位相の違いを利用して内頸静脈による減光度変化のみを抽出する。
【００２７】
減光度の測定は、図６に示すようなoxyHbとdeoxyHbの吸光帯にある最低限２波長(例えば、700ｎｍ近辺の波長λ1と、900ｎｍ近辺の波長λ2)の測定光を用いて行ない、各波長での減光度変化から内頸静脈血の酸素飽和度を演算する。ここで、血中Hbの内、主要HbはoxyHbとdeoxyHbであるので、他のHbは無視している。
【００２８】
以上説明した通り、本発明による脳内酸素飽和度測定装置は、脳内静脈血酸素飽和度を光学的に測定するものであるから、本装置によれば、特に高度な知識やテクニックを用いなくても、脳内静脈血酸素飽和度を非侵襲で簡単に測定可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態による脳内酸素飽和度測定装置を示すものである。この図１において、１は人頭部、２aと２bは送受光プローブ装着部、３aと３bは左右１対の内頸静脈、４は心臓を示す。前述の図６は、上記の送受光プローブ装着部２a、２bを拡大図示したものである。
【００３０】
本装置100は、心音トランスジューサ101と、送光プローブ102a、102bと、受光プローブ103a、103bと、集光レンズ104a、104bと、ダイクロイックミラー105a、105ｄと、ミラー105b、105cと、ディテクタ（光検出器）106a、106bと、トランスジューサアンプ107と、光源108a、108bと、AD変換器109a、109b、109cと、光源ドライバ110a、110bと、演算手段111と、コントローラ112と、ディスプレイ113とからなる。
【００３１】
送光プローブ102aと受光プローブ103aは一緒に束ねられ、耳直下皮膚の測定部位３aへ装着される。同様に、送光プローブ102bと受光プローブ103bとが束ねられ、耳直下皮膚の測定部位３bへ装着される。また、心音トランスジューサ101が、心臓４の近傍の皮膚に装着される。
【００３２】
光源108aとしては、例えば波長λ1＝690ｎｍの測定光Ｌ１を発するLDもしくはLED光源が用いられる。光源108bとしては、例えば波長λ2＝890ｎｍの測定光Ｌ２を発するLDもしくはLED光源が用いられる。
【００３３】
これらの光源108a、108bは、コントローラ112からの信号に基づいて、それぞれ光源ドライバ110a、110bによって同時に駆動される。一方の光源108aから射出された測定光Ｌ１は、ミラー105cおよびダイクロイックミラー105dで反射し、集光レンズ104bで集光されて送光プローブ102a、102bへ入力される。別の光源108bから射出された測定光Ｌ２はダイクロイックミラー105dを透過し、集光レンズ104bで集光されて送光プローブ102a、102bへ入力される。
【００３４】
送光プローブ102aおよび102bから測定部位２aおよび２bに照射された測定光Ｌ１の一部は皮膚・皮下脂肪・筋層を透過し、内頸静脈３aおよび３bへ達する。内頸静脈３aおよび３bに達した光束の反射光は受光プローブ103aおよび103bに拾われ、集光レンズ104aへ導かれる。同様に、送光プローブ102aおよび102bから測定部位２aおよび２bに照射された測定光Ｌ２の一部は皮膚・皮下脂肪・筋層を透過し、内頸静脈３aおよび３bへ達する。内頸静脈３aおよび３bに達した光束の反射光は受光プローブ103aおよび103bに拾われ、集光レンズ104aへ導かれる。
【００３５】
内頸静脈３a、３bでは、その酸素飽和度に応じて、波長λ1＝690ｎｍの測定光Ｌ１および波長λ2＝890ｎｍの測定光Ｌ２がそれぞれ異なった吸収を受ける。
【００３６】
集光レンズ104aで集光された波長λ2＝890ｎｍの測定光Ｌ２は、ダイクロイックミラー105aを透過し、ディテクタ106aに受光される。集光レンズ104aで集光された波長λ1＝690ｎｍの測定光Ｌ１は、ダイクロイックミラー105aおよびミラー105bで反射し、ディテクタ106bに受光される。
【００３７】
ディテクタ106aの出力は波長λ2＝890ｎｍの測定光Ｌ２の減衰を表しており、AD変換器109aによってAD変換された後、減光度信号Ｓ２として演算手段111へ入力される。またディテクタ106bの出力は波長λ1＝690ｎｍの測定光Ｌ１の減衰を表しており、AD変換器109bによってAD変換された後、減光度信号Ｓ１として演算手段111へ入力される。
【００３８】
一方、トランスジューサ101によって、第1音〜第4音からなる心音がモニタされる。心音はトランスジューサ101によって電気信号に変換され、アンプ107ならびにAD変換器109cを経て、コントローラ112へ入力される。
【００３９】
受光プローブ103a、103bで採取される光信号は、内頸静脈３aおよび３bの脈動を反映する光信号と、頚動脈等の動脈脈動を反映する光信号とが重なり合ったものとして観測される（脈動については図４参照）。内頸静脈血の酸素飽和度を測定する上で動脈脈動はノイズとなるので、以下に示すように、心音信号を用いて内頸静脈信号のみを抽出する。
【００４０】
すなわち演算手段111は、動脈脈波と内頸静脈脈波とが重なった減光度信号Ｓ１、Ｓ２において、心音図の第1音から第3音までの間の信号を除去し、心音図の第4音から第1音までの間の減光度信号Ｓ１、Ｓ２のみを抽出する。
【００４１】
そして演算手段111は、第4音から第1音までの間の減光度信号Ｓ１、Ｓ２の変化分から内頸静脈血の酸素飽和度SjvＯ2 を算出する。ここでは一例として下式の連立Lambert-Beer則
【００４２】
【数１】
0003797454.tif 000002
【００４３】
を解いてoxyHb濃度CoxyおよびdeoxyHb濃度Cdeoxyを求め、
Coxy + Cdeoxy =100    酸素飽和度SjvＯ2 = Coxy/100
の関係から酸素飽和度SjvＯ2を算出する。μoxy 1、μdeoxy 1、μoxy 2、ならびにμdeoxy 2としては、予め測定した値が用いられる。
【００４４】
以上のようにして求められた酸素飽和度SjvＯ2は、ディスプレー113に表示される。このとき、必要に応じてoxyHb濃度CoxyおよびdeoxyHb濃度Cdeoxy等をディスプレー113に表示してもよい。
【００４５】
なお、以上の説明から明らかなように、本実施形態では演算手段111が、内頸静脈の脈波とその他の脈波とを識別する脈波識別手段の一部を構成するとともに、内頸静脈脈波による減光度変化を検出する減光度変化検出手段の一部も兼ねている。
【００４６】
＜第２実施形態＞
以上説明した第１実施形態では、内頸静脈酸素飽和度を求める上で連立Lambert-Beer則を用いたが、生体組織は強散乱体であるためにLambert-Beer則が正しく成立しないことがある(散乱により、各波長での光路長ΔLが異なるからである)。そこで、同演算を行なう代わりに他の方法を用いてもよい。
【００４７】
他の方法として、例えば図７に示すように縦軸に酸素飽和度、横軸に実測したψ=ΔA1/ΔA2を取った、酸素飽和度とψ=ΔA1/ΔA2との回帰曲線を作成しておき、この回帰曲線を参照して酸素飽和度を求めるように演算手段を構成することが考えられる。
【００４８】
そのようにする場合、回帰曲線の作成に当たっては、予め人の多くの人の内頸静脈酸素飽和度を実測しておいて、それを検量線とする。そして本番の測定においては、実測したψ=ΔA1/ΔA2の値から回帰曲線を参照して、被験者の内頸静脈血酸素飽和度を求めるようにする。
【００４９】
＜第３実施形態＞
また第１実施形態では、動脈脈波と内頸静脈脈波とが重なった減光度信号から内頸静脈脈波を抽出するのに、心音図の第4音から第1音までの間の減光度信号を用いるようにしているが、他の方法によって内頸静脈脈波を抽出することもできる。
【００５０】
他の内頸静脈脈波抽出法として、内頸静脈以外に脈動を持つと言われている外頸静脈脈波をレファレンス信号として利用する方法が考えられる。これは、別のプローブ(光もしくは圧力)でレファレンスにする外頸静脈脈波(レファレンス脈波)を測定し、上記内頸静脈脈波を含む脈波信号(シグナル脈波)と同期検波することにより、もしくはシグナル脈波の中からレファレンス脈波に含まれる周波数成分のみを抽出することにより、内頸静脈血の酸素飽和度を算出するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による脳内酸素飽和度測定装置を示すブロック図
【図２】内頸静脈と測定個所とを示す概略図
【図３】本発明装置の送受光プローブと内頸静脈との位置関係を示す説明図
【図４】内頸静脈脈波、頚動脈脈波および心音等の波形を示すグラフ
【図５】減光度変化と内頸静脈脈波との関係を示す説明図
【図６】各種Hbの吸光度スペクトルを示すグラフ
【図７】測定光波長成分の各々ごとの減光度変化の比と、酸素飽和度との回帰曲線を例示する概略図
【符号の説明】
１    人頭部
２a、２b    送受光プローブ装着部
３a、３b    内頸静脈
４    心臓
101    心音トランスジューサ
102a、102b    送光プローブ
103a、103b    受光プローブ
104a、104b    集光レンズ
105a、105ｄ    ダイクロイックミラー
105b、105c    ミラー
106a、106b    ディテクタ（光検出器）
107    トランスジューサアンプ
108a、108b    光源
109a、109b、109c    AD変換器
110a、110b    光源ドライバ
111    演算手段
112      コントローラ
113    ディスプレイ
【図１】
0003797454.tif 000003
【図２】
0003797454.tif 000004
【図３】
0003797454.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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