JP4639321B2 - 生体情報測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、動脈血の酸素飽和度や脈拍数等の生体情報を測定する生体情報測定装置に関する。

睡眠時無呼吸症候群（ＳＡＳ）の検査の分野において、パルスオキシメータと呼ばれる装置が使用されることがある（例えば下記特許文献１参照）。パルスオキシメータは、被験者の所定の生体部位に装着される測定部を有し、図１４に示すように、該測定部において前記生体部位に向けて赤色光及び赤外光を、位相をずらしてそれぞれ例えば３０Ｈｚの比較的低いサンプリング周波数（１／３０（秒）の周期）で交互に出力し、生体部位を透過又は反射した光の光量を検出し、この検出光量に基づいて血中の酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を導出するものである。

一方、動脈硬化指数（血管年齢）や自律神経障害の評価を行うための光電脈波を得るための光電脈波計も知られている。光電脈波計は、図１５に示すように、単一波長の光ないし白色光を例えば１２０Ｈｚの比較的高いサンプリング周波数（１／１２０（秒）の周期）で出力し、該光を検出して光電脈波を得るものであり、この光電脈波の特徴を分析することにより、血管年齢（動脈硬化指数）等の評価を行うことができる。
特開平１−１５３１３９号公報

ところで、近年では、酸素飽和度と血管年齢等の評価用の光電脈波とがセットで得られる測定機器が要求されている。

しかしながら、酸素飽和度の測定と光電脈波の測定とは、生体からの光の変化を検出する点は共通であるため、前記パルスオキシメータでも光電脈波の測定を行うことは可能であったものの、前述のようにパルスオキシメータは光電脈波計より低いサンプリング周波数で赤色光と赤外光とを出力させるものであるため、導出した光電脈波は、体動などによる脈波波形の乱れに起因して変化する酸素飽和度測定値の信頼性を判断する程度のものとしてしか利用できず、血管年齢や自律神経障害の評価を行うための光電脈波を得ることまではできなかった。

そこで、酸素飽和度と血管年齢や自律神経障害の評価を行うための光電脈波とがセットで得られるようにするべく、赤色光と赤外光との両方を、血管年齢等の評価用の光電脈波の測定時に必要な出力光のサンプリング周波数に合わせて出力させる構成を想定したとき、酸素飽和度のみが必要な場合に、該酸素飽和度の導出に利用されない不要な光の出力動作が行われることとなり、ここに消費電力のロスが発生する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、消費電力の低減を図りつつ、前記酸素飽和度と血管年齢（動脈硬化指数）等の評価用の光電脈波とがセットで得られる生体情報測定装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる一態様では、第１の解析および第２の解析を行う生体情報測定装置であって、第１の波長を有する光を出力する第１の発光手段と、前記第１の波長と異なる第２の波長を有する光を出力する第２の発光手段と、前記第１、第２の発光手段から出力された光を受光する受光手段と、前記第１、第２の発光手段のうちのサンプリング周波数が高い方の発光手段の該サンプリング周波数を、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数の整数倍に設定したサンプリング周波数であって、前記第１の解析または前記第２の解析で用いる測定データを得ることができるサンプリング周波数で、発光タイミングの位相を互いにずらして前記第１、第２の発光手段を発光させる発光制御手段と、前記受光手段に、前記第１、第２の発光手段の発光タイミングに同期して受光動作を行わせる受光制御手段と、前記受光手段から出力される受光信号を測定データとして記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データに基づき前記第１の解析である光電脈波の測定を行う第１の解析手段と、前記記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が低い方の発光手段を用いて得られた測定データと、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データの中から、前記サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数に対応する所定時間間隔ごとに抽出した測定データとに基づき前記第２の解析である酸素飽和度の測定を行う第２の解析手段とを備えることを特徴とする生体情報測定装置である。

この発明によれば、前記第１の発光手段の発光タイミングと前記第２の発光手段の発光タイミングとを所定の関係に設定した上で、前記第１、第２の発光手段を異なるサンプリング周波数で発光させるようにしたので、サンプリング周波数が高い方の発光手段から出力された光に基づいて、血管年齢（動脈硬化指数）等の評価用の光電脈波の測定を行うことが可能となるとともに、サンプリング周波数が高い方の発光手段から出力された光の一部とサンプリング周波数が低い方の発光手段で出力された光とに基づいて、酸素飽和度の測定を行うことが可能となる。

また、酸素飽和度の測定を行う場合に、前記第１、第２の発光手段を異なるサンプリング周波数で発光させるようにしたので、酸素飽和度の導出を行う場合に、少なくともサンプリング周波数が低い方の発光手段の光については、略全て酸素飽和度の導出に用いられ、無駄な光の出力動作が発生しないから、前記第１、第２の発光手段を両方とも高いサンプリング周波数で発光させる場合に比して、消費電力を低減することができる。

この発明によれば、第１の発光手段の発光タイミングと前記第２の発光手段の発光タイミングとの位相をずらして第１、第２の発光手段に発光させるようにしたので、仮に第１、第２の発光手段が同時に発光した場合に、前記受光手段がそれらの光を区別して受光することができなくなるのを防止することができる。

サンプリング周波数が高い方の発光手段の該サンプリング周波数が、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数の整数倍でない場合には、サンプリング周波数が高い方の発光手段の発光動作に基づく測定データから、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数に対応する周期の測定データを得るための測定データの補間処理（生成処理）を行う必要があり、酸素飽和度の導出処理が複雑化する。

これに対し、この発明によれば、サンプリング周波数が高い方の発光手段の該サンプリング周波数を、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数の整数倍に設定することで、サンプリング周波数が高い方の発光手段の発光動作に基づく測定データから、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数に対応する周期で測定データを得る場合に、記憶手段に格納された、サンプリング周波数が高い方の発光手段の発光動作に基づく測定データから、一部の測定データを抽出するだけで済むため、前述のような導出処理の複雑化を回避することができる。

この発明によれば、記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データに基づき第１の解析を行うようにしたので、血管年齢（動脈硬化指数）等の評価用の光電脈波の測定を行うことができる。

この発明によれば、記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が低い方の発光手段を用いて得られた測定データと、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データの中から、前記サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数に対応する所定時間間隔で抽出した測定データとに基づいて第２の解析を行うようにしたので、酸素飽和度の測定を行うことができる。

また、上述の生体情報測定装置において、前記解析手段の解析結果を表示する表示手段と、前記第１、第２の解析手段による解析結果のうち前記第１の解析手段による解析結果のみを前記表示手段に表示する第１の表示モードと、前記第２の解析手段による解析結果のみを前記表示手段に表示する第２の表示モードと、前記第１、第２の解析手段による解析結果の両方を前記表示手段に表示する第３の表示モードとの間で表示モードを切替える操作を行うための表示モード切替手段と、前記表示モード切替手段により選択された表示モードで前記表示手段に表示動作を行わせる表示制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、表示モード切替手段により第１の表示モードが選択されたときには、前記第１、第２の解析手段による解析結果のうち前記第１の解析手段による解析結果のみが前記表示手段に表示され、第２の表示モードが選択されたときには、前記第２の解析手段による解析結果のみが前記表示手段に表示され、第３の表示モードが選択されたときには前記第１、第２の解析手段による解析結果の両方が前記表示手段に表示される。これにより、生体情報測定装置の使用者が要求する表示内容を該使用者に提供することができる。

また、上述の生体情報測定装置において、前記記憶手段は、前記第１、第２の解析手段による解析結果を記憶することを特徴とする。

この発明によれば、記憶手段に前記第１、第２の解析手段による解析結果を記憶するようにしたので、第１、第２の解析手段による解析動作が終了してから時間が経過した時点であっても、前記解析結果を生体情報測定装置の使用者に提供することができるとともに、前記解析結果を他の電子機器（例えばパーソナルコンピュータ等）に転送することが可能となる。

本発明によれば、消費電力の低減を図りつつ、血管年齢（動脈硬化指数）等の評価用の光電脈波と酸素飽和度とをセットで得ることができる生体情報測定装置を実現することができる。

また、第１の発光手段からの出力光と第２の発光手段からの出力光とが区別して前記受光手段に受光されるため、第１、第２の発光手段が同時に発光した場合に誤った測定データが発生するという不具合を防止することができる。

また、酸素飽和度の導出処理の複雑化を回避することができるため、該処理を生体情報測定装置に実現させるためのプログラムの設計が容易となり、生体情報測定装置のコストアップを防止または抑制することができる。

また、血管年齢（動脈硬化指数）等の評価用の光電脈波の測定を行うことができる。

また、酸素飽和度の測定を行うことができる。

本発明によれば、測定結果を生体情報測定装置の使用者が要求する表示態様で表示することのできる生体情報測定装置を実現することができる。

本発明によれば、第１、第２の解析手段による解析動作が終了してから時間が経過した時点であっても前記解析結果を生体情報測定装置の使用者に提供できることにより、該使用者は過去に行われた解析の結果を確認することができるとともに、前記解析結果を他の電子機器（例えばパーソナルコンピュータ等）に転送することが可能となることにより、前記解析結果を様々な利用に供することができる。

本発明に係る生体情報測定装置の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る生体情報測定装置の一例であるパルスオキシメータの構成を示す図、図２は、パルスオキシメータ１の電気的な構成を示すブロック図である。

本実施形態のパルスオキシメータ１は、指（指尖）を測定部位として構成されたものであり、後述するように、被験者の血液中の酸素飽和度（：ＳｐＯ_２ 以下、血中酸素飽和度いう）と血管年齢（動脈硬化の程度を示す指数）とを導出することができるようになっている。特に、本パルスオキシメータ１では、血中酸素飽和度を導出するモードと血管年齢を導出するモードとが択一的に選択される構成ではなく、例えば当該パルスオキシメータ１で夜間に測定動作を行うと、この測定動作で得られた測定データに基づいて血中酸素飽和度と血管年齢との両方がセットで導出されるところに特徴を有しているものである。

パルスオキシメータ１は、直方体形状の装置本体２と、該装置本体２とケーブル４により電気的に接続された測定部３とを備える。なお、説明の都合上、測定部３の構成から説明を行う。

測定部３は、測定部位（例えば指先）をバネ等の付勢力により挟み込むように取り付けることが可能なクリップ状を呈した構成を有しており、前記一対のクリップ片の一方には発光部５が、クリップ片の他方には受光部６が備えられている。一対のクリップ片の一端部は連結部材７により連結され、他端部が開閉自在となっている。

発光部５は、例えば、赤色領域の波長λ１の赤色光Ｒを発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode 以下、赤色ＬＥＤという）５ａと、赤外線領域の波長λ２の赤外光ＩＲとを発光するＬＥＤ（以下、赤外ＬＥＤという）５ｂとを備えた光源である。赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂは、前記第１、第２の発光手段の一例である。

受光部６は、受光した光の強度に応じた大きさの電流を生成する、例えばシリコンフォトダイオード（Silicon Photo Diode）等の光電変換素子を備えて構成されており、本実施形態では、少なくとも波長λ１の光と波長λ２の光とに対して感度を有する。受光部６は、生体組織ＬＢを透過した発光部５からの波長λ１，λ２の光を受光する。受光部６は、前記受光手段の一例である。

本実施形態の測定部３においては、被験者の指先を発光部５と受光部６とで挟み込んだ状態で、発光部５から、波長λ１の赤色光Ｒと波長λ２の赤外光ＩＲとが交互に射出されるとともに、受光部６により、発光部５の発光動作に同期して受光動作が行われる。発光部５の発光動作及び受光部６の受光動作は、後述の制御部１６（図２参照）により制御されるようになっており、各光についての投受光動作は所定の周期で行われる。後述するように、本実施形態においては、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光動作に係るサンプリング周波数に特徴を有している。受光部６は、光を受光すると、受光した光の強度に応じた大きさの電流信号を後述する装置本体２内のＩ／Ｖ変換部１４（図２参照）に出力する。

装置本体２は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、７セグメントＬＥＤ（Light Emitting Diode）や有機ホトルミネセンス表示装置やＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）、あるいはプラズマ等の表示装置からなる表示部８を有し、後述の制御部１６で算出されたデータ等を表示する。表示部８は、前記表示手段の一例である。

また、装置本体２には、前記表示部８の表示内容の切替えるための操作ボタン群９を有し、この操作ボタン群９は、前記酸素飽和度及び血管年齢のうち血管年齢のみを表示部８に表示させる第１の表示モードに設定するための血管年齢表示ボタン１０と、酸素飽和度のみを表示部８に表示させる第２の表示モードに設定するための酸素飽和度表示ボタン１１と、両方を表示部８に表示させる第３の表示モードに設定するための全表示ボタン１２とからなる。操作ボタン群９は、前記表示モード切替手段の一例であり、前記各表示モードの切替指示を入力するための構成は前記ボタン形式のものに限らず、種々の態様が適用可能である。

なお、装置本体２には、例えば図略の装填室に装着されるバッテリーや乾電池等の電力供給部（図示せず）を有し、前記表示部８、装置本体２に搭載される各種の回路及び前記測定部３はこの電力供給部から電力供給を受けて駆動する。

図２に示すように、パルスオキシメータ１は、測定部３、表示部８、発光回路部１３と、電流電圧変換部（以下、Ｉ／Ｖ変換部という）１４、アナログデジタル変換部（以下、Ａ／Ｄ変換部）１５、制御部１６を備える。

図２に示す測定部３及び表示部８は、図１に示す測定部３及び表示部８に相当するものである。発光回路部１３は、赤色領域の波長λ１の赤色光Ｒを発光する赤色ＬＥＤ５ａの発光駆動を行うＲ発光回路１３ａと、赤外線領域の波長λ２の赤外光ＩＲとを発光する赤外ＬＥＤ５ｂの発光駆動を行うＩＲ発光回路１３ｂとを有し、各発光回路１３ａ，１３ｂは、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光動作の切替えを行うためのトランジスタ等のスイッチング素子、該スイッチング素子のスイッチング動作に応じて赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂへの電流供給動作を行うｎ形ＭＯＳ−ＦＥＴ等のトランジスタ及び抵抗素子等を備えて構成されている。

Ｉ／Ｖ変換部１４は、所定の周期で受光部６から出力される電流信号を電圧信号に変換し、この電圧信号を光電脈波信号としてＡ／Ｄ変換部１５に出力するものである。Ａ／Ｄ変換部１５は、Ｉ／Ｖ変換部１４から出力されたアナログの光電脈波信号をデジタルの光電脈波信号に変換し、このデジタルの光電脈波信号を制御部１６に出力するものである。

制御部１６は、マイクロプロセッサやＤＳＰ（Digital Signal Processor）などを備えて構成されており、記憶部１７を構成するＲＯＭ等に格納されたプログラムやデータに従って、入力された信号に基づいて動脈血中の酸素飽和度や血管年齢を導出するものである。

記憶部１７は、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等を含み、後述する制御部１６により算出されたデータ（後述の測定データを含む）を記憶するものである。記憶部１７は、前記記憶手段の一例である。なお、記憶部１７の代わりに、外部記憶装置を当該パルスオキシメータ１に接続し、測定データや解析結果を記録するようにしてもよい。

また、制御部１６は、前述のように血中酸素飽和度と血管年齢との両方をセットで導出し、この導出結果の表示態様（前記第１〜第３の表示モード）を切替える構成を実現するべく、機能的に、測定制御部１８と、ＳｐＯ_２導出部１９と、血管年齢導出部２０と、表示制御部２１とを備える。

測定制御部１８は、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光動作を制御するものである。図３は、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光動作を示すグラフである。図３に示すように、測定制御部１８は、使用者により測定開始の指示がなされると、赤色ＬＥＤ５ａをサンプリング周波数ｆ１（例えば３０Ｈｚ）で発光させるとともに、赤外ＬＥＤ５ｂを赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１より大きなサンプリング周波数ｆ２（例えば１２０Ｈｚ）で発光させる。このように、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数を異ならせている理由については後述する。なお、３０Ｈｚ及び１２０Ｈｚは、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数の一例であり、この数値に限定されるものではない。

また、測定制御部１８は、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を、前記サンプリング周波数ｆ１の整数倍の値、すなわちｍを整数とするとｆ２＝ｍ×ｆ１に設定して発光動作を行わせる。図３は、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の４倍に設定した形態、換言すると、赤外ＬＥＤ５ｂを赤色ＬＥＤ５ａの１／４の周期で発光させる形態を示したものである。なお、このように、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍としている理由についても後述する。

さらに、測定制御部１８は、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光タイミングが同時になると、受光部６はこれらの光を区別して受光することができなくなるため、これを回避すべく、赤色ＬＥＤ５ａと赤外ＬＥＤ５ｂとを位相をずらして発光させる。例えば、赤色ＬＥＤ５ａの発光タイミングが、赤外ＬＥＤ５ｂの連続する２の発光タイミングの中間に設定する形態が想定される。

測定制御部１８は、このようにして赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂを発光させるとともに、該赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの発光動作に同期して受光部６に受光動作を行わせ、受光部６から受光信号が出力されるたびに、逐次、Ａ／Ｄ変換後の受光信号を測定データとして記憶部１７に格納していく。測定制御部１８は、前記発光制御手段及び受光制御手段に相当するものである。

ＳｐＯ_２導出部１９は、記憶部１７に格納された測定データを用いて酸素飽和度を導出（解析）するものである。酸素は、血液中のヘモグロビンの酸化・還元によって運搬されている。このヘモグロビンは、酸化されると赤色光の吸収が減少して赤外光の吸収が増加し、逆に還元されると赤色光の吸収が増加して赤外光の吸収が減少するという光学的特性を有している。ＳｐＯ_２導出部１９は、この特性を利用して、受光部６で受光された赤色光及び赤外光の透過光量の変動を計測することでＳｐＯ_２を求める。ここで求められたＳｐＯ_２は逐次記憶部１７に格納される。

ここで、ＳｐＯ_２導出部１９による光を用いた血中酸素飽和度を導出する原理について説明する。

酸素は、血中のヘモグロビン（Ｈｂ）によって生体の各細胞に運搬され、ヘモグロビンは、肺で酸素と結合して酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）となり、生体の細胞で酸素が消費されるとヘモグロビンに戻る。酸素飽和度ＳｐＯ_２は、血中の酸化ヘモグロビンの割合をいい、ヘモグロビン濃度をＣＨｂ、酸化ヘモグロビン濃度をＣＨｂＯ_２と表すと、下記数１で表される。

一方、ヘモグロビンの吸光度及び酸化ヘモグロビンの吸光度は、波長依存性を有しており、各吸光係数ａ（λ）は、図４に示すような吸光特性を有する。なお、図４の横軸は光の波長であり、単位はｎｍ、縦軸は、吸光係数であり、単位は１０^−９ｃｍ^２／ｍｏｌｅである。

図４に示すように、ヘモグロビン及び酸化ヘモグロビンは、吸光特性が異なる。ヘモグロビンは、赤色領域の波長λ１の赤色光Ｒに対して酸化ヘモグロビンよりも光を多く吸収するが、赤外線領域の波長λ２を超える赤外光ＩＲに対しては酸化ヘモグロビンよりも光の吸収が少ない。すなわち、例えば赤外光ＩＲの波長を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数差が最も大きい６６０ｎｍとし、赤外光ＩＲの波長を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数が等しい８１５ｎｍとすると、酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの比率が変化しても赤外光ＩＲの透過光量は変化しないこととなる。一方、赤色光Ｒの透過光量はヘモグロビンが多いと小さくなり、酸化ヘモグロビンが多いと大きくなる。つまり、透過光量の比をとれば酸素飽和度を求めることができる。

パルスオキシメータ１は、このようなヘモグロビンと酸化ヘモグロビンとの赤色光Ｒと赤外光ＩＲとに対する吸光特性の違いを利用して血中酸素飽和度を求めるものである。なお、脈波波形を利用して脈拍数も求めることができる。

生体に光を照射すると、光の一部は吸収され、残りは透過する。生体は、動脈血層と、静脈血層と、動脈血層及び静脈血層以外の組織とで構成されている。生体における光の吸収は、図５（ａ）に示すように、動脈血層及び静脈血層以外の組織による吸収、静脈血層による吸収及び動脈血層による吸収より成る。動脈血層及び静脈血層以外の組織と静脈血層とは経時的に変化しないため、この部分での光の吸収は略一定である。

一方、動脈血層は心拍動によって径が変化し、血管の径が変化するため、動脈血層による光の吸収は、図５（ｂ）に示すように脈拍による経時的に変動する。つまり、透過光強度の変化分は、動脈血のみの情報によるものであって、動脈血層及び静脈血層以外の組織と静脈血層とによる影響はほとんど含まれないと考えられる。図５（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は透過光強度である。

赤色光Ｒ及び赤外光ＩＲの光量変化を比較する場合、入射光量の差をキャンセルする必要がある。図６は、生体に入射する入射光と透過光との関係を模式的に示す図である。

生体への入射光量Ｉ０を赤色光Ｒと赤外光ＩＲとで同一にすることは実質的に困難であり、仮に同一にしても組織や静脈血による吸光率は赤色光Ｒと赤外光ＩＲとで異なるため、動脈血層による透過光強度の変化分のみを比較することはできない。

ここで、図６（ａ）に示すように、動脈が一番細い場合（透過光量が最も大きくなる場合）の透過光量をＩとし、動脈が最も太い場合（透過光量が最も小さくなる場合）の透過光量を（Ｉ−ΔＩ）とする。図６（ｂ），（ｃ）に示すように、厚さΔＤの動脈血に光量Ｉの光を照射したとき、透過光量（Ｉ−ΔＩ）の透過光が得られると考えられる。

そして、図７に示すように、赤色光Ｒの透過光量Ｉ_Ｒと赤外光ＩＲの透過光量Ｉ_ＩＲとが一致するように正規化する（Ｉ_ＩＲ’＝Ｉ_Ｒ）ことにより、動脈血による光量変化の比（ΔＩ_Ｒ／Ｉ_Ｒ）／（ΔＩ_ＩＲ／Ｉ_ＩＲ）を算出し、酸素飽和度を算出する。

入射光と反射光との関係は、ランバート・ビアの法則により、下記数２で表すことができる。

なお、Ｅは吸光物の吸光係数、Ｃは吸光物の濃度を表す。

赤色光Ｒ及び赤外光ＩＲの各波長を前記数２に代入し、各辺の比をとることにより、下記数３式を得ることができる。

なお、Ｉ_Ｒは、赤色光Ｒの透過光量、Ｉ_ＩＲは、赤外光ＩＲの透過光量、Ｅ_Ｒは、赤色光Ｒの吸光係数、Ｅ_ＩＲは、赤外光ＩＲの吸光係数を表す。

図８は、例えば赤色光Ｒ及び赤外光ＩＲの各波長を、それぞれ６６０ｎｍ及び８１５ｎｍとしたときにおける、吸光係数の比（Ｅ_Ｒ／Ｅ_ＩＲ）と酸素飽和度ＳｐＯ_２との関係を示すグラフである。図８に示すように、酸素飽和度ＳｐＯ_２は、吸光係数の比（Ｅ_Ｒ／Ｅ_ＩＲ）の低下に比例して増大していく。

このように、ＳｐＯ_２導出部１９は、両方のＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られた測定データを用いて導出するものであるが、本実施形態では、前述したように赤色ＬＥＤ５ａと赤外ＬＥＤ５ｂとを異なるサンプリング周波数で発光させることから、各光に対応する測定データの数が異なる。

ここで、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１は、測定データの数、延いては測定データを記憶するための記憶部１７の記憶容量とＳｐＯ_２の導出精度とのバランスを考慮して、必要な精度を有するＳｐＯ_２の導出が行えると考えられるサンプリング周波数に設定されている。したがって、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られた測定データは、酸素飽和度ＳｐＯ_２の導出には過多である。

そこで、本実施形態では、ＳｐＯ_２導出部１９は、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られた測定データの中から、ＳｐＯ_２の導出に用いる測定データを限定し、この限定した測定データと赤色ＬＥＤ５ａの出力光で得られた測定データとを用いてＳｐＯ_２を導出するようにしている。

ここで、前述したように、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍（ｆ２＝ｍ×ｆ１）に設定しているため、測定データの限定を容易に行うことができる。

すなわち、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２が、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍でない場合、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光に係る測定データにあっては、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数に対応する所定時間間隔（周期）ごとには測定データが得られていない。したがって、この場合には、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光に係る測定データについて、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数に対応する所定時間間隔ごとに整列する測定データのデータ列を得るために、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られた測定データを用いた補間処理を行う必要がある。

これに対し、本実施形態では、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍とすることで、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数に対応する所定時間間隔ごとに測定データが得られているから、前述のような補間処理が不要となり、赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数に対応する所定時間間隔ごとの測定データを抽出するだけで、測定データを限定することができる。これにより、測定データの限定処理が、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２が赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍でない場合に比して簡単となり、制御部１６をＳｐＯ_２導出部１９として機能させるためのプログラムの設計を容易に行うことができる。

ＳｐＯ_２導出部１９は、このように赤色ＬＥＤ５ａの出力光で得られる測定データと同数の測定データを前記抽出することにより得て、この抽出した測定データに基づき酸素飽和度を導出する。

例えば、図３では、矢印Ｐで示すように、ＳｐＯ_２導出部１９は、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られた測定データのうち、赤色ＬＥＤ５ａの出力動作の直前における赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られる測定データを抽出し、この抽出した測定データと赤色ＬＥＤ５ａの出力光で得られた測定データとを用いてＳｐＯ_２を導出する。ＳｐＯ_２導出部１９は、前記第２の解析手段の一例である。

血管年齢導出部２０は、記憶部１７に格納された測定データを用いて、動脈の硬化状態を示す被験者の血管年齢（動脈硬化指数）を導出（解析）するものである。ここで求められた血管年齢は、逐次記憶部１７に格納される。

図９は、周期Ｔで測定された光電脈波波形Ｗを示すグラフである。光電脈波波形Ｗは、周期ごとに求められた瞬時光電脈波値の時間軸上の移動平均を取ることで求められ、血管年齢は、このような光電脈波波形Ｗを微分することにより求めることができる。すなわち、図９に示すような光電脈波波形Ｗを２階微分して加速度脈波を導出し、この加速度脈波の特徴を抽出することで血管年齢を推定することができる（なお、脈波波形から血管年齢を推定する手法も知られている）。

図１０は、このような加速度脈波波形の一例を示すグラフであり、図１０（ａ）は３０歳代の健常者に典型的に表れる加速度脈波波形を、図１０（ｂ）は６０歳代の健常者に典型的に表れる加速度脈波波形をそれぞれ示している。このように、年齢によって加速度脈波波形の特徴が異なる（血管の弾力である血管弾性が変化することに起因すると考えられている）ことから、例えば年代別の典型的な加速度脈波波形パターンを準備しておき、該パターンとの近似性を評価することで血管年齢の推定値が求められるものである。

このように血管年齢の推定診断においては、光電脈波波形を２階微分するというプロセスが必要となる。このため、元の光電脈波波形が精細性に欠けるものであると、被験者の血管弾性を反映した的確な加速度脈波が得られにくくなる。以上の点から、血管年齢の診断では、周期Ｔは比較的短周期が適している。

血管年齢導出部２０は、前記の点から、測定制御部１８により記憶部１７に格納された測定データのうち、サンプリング周波数が比較的高い赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られる測定データを時間軸に展開するデータ整列処理を行って図９に示すような光電脈波波形を生成し、この光電脈波波形を２階微分して加速度脈波波形を導出した上で、この導出した加速度脈波波形と、予め準備されている年代別の典型的な加速度脈波波形パターンとを比較して、該パターンとの近似性を評価することで、血管年齢の推定評価値を求める。

図１１は、或る光電脈波波形を２階微分することで得られた加速度脈波波形Ｘの一例を示すグラフである。この加速度脈波波形Ｘは、符号ａで示す区間が一拍分の脈波に相当するものであり、一拍分の脈波は、符号ｂに示す大きな波形変動の後に符号ｃに示す小さな波形変動群があり、このような変動パターンが繰り返される波形となっている。

このような加速度脈波波形Ｘは、年齢（年代）に応じて波形が変化する（異なる）ことが知られている。図１２は、図１１の符号ａで示した一拍分の加速度脈波について、年代別の典型的特長を示したグラフである。図１２から明らかなとおり、符号ｂに示す大きな波形変動の後に続く符号ｃに示す小さな波形変動群において、２０歳代、３０歳代、４０歳代及び５０歳代ごとに異なる特徴が表出している。これは、年齢が高くなるについて硬化が進んで血管弾性が低下し、符号ｂに示す脈波に対する応答が高齢化に従って鈍ることから、符号ｃの波形部分に違いが生じるものと考えられている。

これに基づき、血管年齢導出部２０は、被験者の血管年齢を推定（解析）し、この解析結果を、「４３歳」または「３０歳代」というような表示や、「あなたの血管年齢は４５です」というようなメッセージ表示の形態で表示部８に行わせる。なお、血管年齢の代わりに、加速度脈波波形の特徴を示す特徴係数を表示・記憶させるようにしてもよい。血管年齢導出部２０は、前記第１の解析手段の一例である。

このように、ＳｐＯ_２の導出にあたっては、異なる波長を有する２種類の光をそれぞれ比較的低いサンプリング周波数で出力させることが測定条件であるのに対し、血管年齢の導出にあたっては、単一波長の光を比較的高いサンプリング周波数で出力させることが測定条件である。

そこで、本実施形態では、測定動作で得られた測定データに基づいて血中酸素飽和度と血管年齢との両方がセットで得られるようにするために、赤色ＬＥＤ５ａをサンプリング周波数ｆ１で発光させるとともに、赤外ＬＥＤ５ｂを該赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１より大きなサンプリング周波数ｆ２（ｆ２＞ｆ１）で発光させるようにし、ＳｐＯ_２の導出の際には、赤色ＬＥＤ５ａの出力光で得られる略全ての測定データと、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られる測定データの中から赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１に対応する時間間隔（周期ごとに）で抽出した測定データとを用いるようにし、また、血管年齢の導出の際には、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られる略全ての測定データを用いるようにしている。

表示制御部２１は、前記操作ボタン群９のうち操作されたボタンに対応する解析結果を表示部８に表示させるものである。すなわち、表示制御部２１は、血管年齢表示ボタン１０が押圧操作されたときには、当該パルスオキシメータ１を、前記酸素飽和度および血管年齢のうち血管年齢のみを表示部８に表示させる第１の表示モードに設定し、酸素飽和度表示ボタン１１が押圧操作されたときには、酸素飽和度のみを表示部８に表示させる第２の表示モードに設定し、全表示ボタン１２が押圧操作されたときには、前記酸素飽和度及び血管年齢の両方を表示部８に表示させる第３の表示モードに設定する。表示制御部２１は、前記表示制御手段に相当するものである。

図１３は、本実施形態におけるパルスオキシメータの測定動作を示すフローチャートである。

図１３に示すように、制御部１６は、図略の電源ボタンにより主電源がＯＮされると（ステップ♯１）、各種の初期設定を行う（ステップ♯２）。制御部１６は、赤外ＬＥＤ５ｂの発光回数をカウントするためのカウンタ（図示せず）を備えており、ここで行われる初期設定には、該カウンタのカウント値を初期値に戻す設定や、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数をｆ１，ｆ２に設定する処理が含まれる。

そして、図略の測定開始指示操作部により測定開始指示が行われると（ステップ♯３でＹＥＳ）、制御部１６は、赤外ＬＥＤ５ｂを発光させるとともに受光部６に受光動作を行わせ、該受光部６から得られる受光信号を測定データとして記憶部１７に格納し（ステップ♯４）、カウンタのカウント値を１だけインクリメントする（ステップ♯５）。

次に、制御部１６は、カウンタのカウント値が所定値α（前述の例ではα＝４）に達したか否かを判断し（ステップ♯６）、前記カウント値が所定値αに達していない場合には（ステップ♯６でＮＯ）、ステップ♯９の処理に進む一方、前記カウント値が所定値αに達した場合には（ステップ♯６でＹＥＳ）、赤色ＬＥＤ５ａを発光させるとともに受光部６に受光動作を行わせ、該受光部６から得られる受光信号を測定データとして記憶部１７に格納し、カウンタのカウント値を初期値に戻した上で（ステップ♯８）、ステップ♯９の処理に進む。

ステップ♯９で、制御部１６は、測定を継続するか否かを判断し、測定を継続する場合には（ステップ♯９でＹＥＳ）、ステップ♯４の処理に戻る一方、測定を継続しない場合には（ステップ♯９でＮＯ）、記憶部１７に格納された測定データを用いて、ＳｐＯ_２及び血管年齢の導出処理を行う（ステップ♯１０）。導出されたＳｐＯ_２及び血管年齢は記憶部１７に格納しておいてもよい。

そして、制御部１６は、血管年齢表示ボタン１０により第１の表示モードが選択されている場合には（ステップ♯１１でＹＥＳ）、導出された前記酸素飽和度及び血管年齢のうち血管年齢のみを表示部８に表示させ（ステップ♯１２）、酸素飽和度表示ボタン１１により第２の表示モードが選択されている場合には（ステップ♯１１でＮＯ，♯１２でＹＥＳ）、酸素飽和度のみを表示部８に表示させ（ステップ♯１４）、全表示ボタン１２により第３の表示モードが選択されている場合には（ステップ♯１１，♯１３それぞれでＮＯ）、前記酸素飽和度及び血管年齢の両方を表示部８に表示させる（ステップ♯１５）。

以上のように、赤色ＬＥＤ５ａをサンプリング周波数ｆ１で発光させるとともに、赤外ＬＥＤ５ｂを該赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１より大きなサンプリング周波数ｆ２（ｆ２＞ｆ１）で発光させるようにし、ＳｐＯ_２の導出の際には、赤色ＬＥＤ５ａの出力光に基づく略全ての測定データと、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光に基づく測定データの中から赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１に対応する周期ごとに抽出した測定データとを用い、また、血管年齢の導出の際には、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光に基づく略全ての測定データを用いるようにしたので、ＳｐＯ_２と血管年齢とをセットで得られるパルスオキシメータを実現することができる。

また、血管年齢の測定には用いられない測定データを生成する赤色ＬＥＤ５ａについては、血管年齢の測定に用いられる測定データを生成する赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数より低く、且つＳｐＯ_２の導出に必要な精度を確保できるサンプリング周波数で発光させるようにしたので、この赤色ＬＥＤ５ａの発光動作を赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数と同一のサンプリング周波数で発光させる場合に比して、消費電力の低減を図ることができる。

また、赤色ＬＥＤ５ａと赤外ＬＥＤ５ｂとを位相をずらして発光させるようにしたので、赤色ＬＥＤ５ａ，赤外ＬＥＤ５ｂが同時に発光した場合に受光部６はこれらの光を区別して受光することができなくなり誤った測定データが発生するという不具合を防止することができる。

また、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍としたので、ＳｐＯ_２の導出に用いる、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光で得られる測定データの限定処理が、赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ２を赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１の整数倍に設定しない場合に比して簡単化され、制御部１６をＳｐＯ_２導出部１９として機能させるためのプログラムの設計を容易に行うことができる。

また、導出した酸素飽和度及び血管年齢のうち両方または一方の表示を任意で切り替えるための操作ボタン群９を設けたので、パルスオキシメータ１の使用者（被験者）の所望の表示内容（測定結果）を提供することができる。

また、導出されたＳｐＯ_２及び血管年齢は記憶部１７に格納しておくようにすることで、ＳｐＯ_２及び血管年齢の導出が終了してから時間が経過した時点であってもＳｐＯ_２及び血管年齢を生体情報測定装置の使用者に提供できる。これにより、該使用者は過去に導出されたＳｐＯ_２及び血管年齢を確認することができる。また、ＳｐＯ_２及び血管年齢を他の電子機器（例えばパーソナルコンピュータ等）に転送することが可能となる。これにより、前記電子機器を用いて、導出されたＳｐＯ_２及び血管年齢を含めてＳｐＯ_２及び血管年齢に係る統計をとったり、あるいはその統計データをプリントアウトしたりする等、様々な利用に供することができる。

本件は、前記実施形態に加えて、あるいは前記実施形態に代えて次の形態［１］〜［３］に説明する変形形態も含むものである。

［１］前記第１の実施形態では、赤色ＬＥＤ５ａをサンプリング周波数ｆ１（例えば３０Ｈｚ）で発光させるとともに、赤外ＬＥＤ５ｂを赤色ＬＥＤ５ａのサンプリング周波数ｆ１より大きなサンプリング周波数ｆ２（例えば１２０Ｈｚ）で発光させるようにしたが、この逆、すなわち赤色領域の波長λ１の赤色光Ｒを発光する赤色ＬＥＤ５ａをサンプリング周波数ｆ３（例えば１２０Ｈｚ）で発光させるとともに、赤外線領域の波長λ２の赤外光ＩＲを発光する赤外ＬＥＤ５ｂをサンプリング周波数ｆ４（（１／ｍ）×ｆ３ 例えば３０Ｈｚ）で発光させ、ＳｐＯ_２の導出の際には、赤外ＬＥＤ５ｂの出力光に基づく略全ての測定データと、赤色ＬＥＤ５ａの出力光に基づく測定データの中から赤外ＬＥＤ５ｂのサンプリング周波数ｆ４に対応する周期ごとに抽出した測定データとを用い、また、血管年齢の導出の際には、赤色ＬＥＤ５ａの出力光に基づく略全ての測定データを用いるようにしてもよい。

［２］前記第１の実施形態では、単一波長の光（又は白色光）をＳｐＯ_２測定用の光のサンプリング周波数より高いサンプリング周波数で出力することで測定を行う測定内容として、血管年齢を例に挙げたが、これに限らず、自律神経障害の測定や他の測定内容であってもよい。例えば自律神経障害の測定では、図９に示す脈波間隔（Ｐ−Ｐ間隔）のばらつきを厳密に判読する必要があるため、血管年齢の測定と同様、ＳｐＯ_２測定用の光のサンプリング周波数より高いサンプリング周波数の出力光で得られた測定データが要求される。あるいは、従来のパルスオキシメータでは、ＳｐＯ_２と同時に脈拍数も測定・表示していたが、ＳｐＯ_２測定用のサンプリング周波数が低いため、脈拍数が高い場合に（例えば２５０拍／分）、測定精度が良好ではなかった。そこで脈拍数の計算には、高いサンプリング周波数で得られる脈波波形を用いるようにしてもよい。

また、本件は、このように、血管年齢の測定や自律神経障害の測定まで行うものでなくとも、血管年齢や自律神経障害の測定を行うための光電脈波を得るものも含む。

［３］本件は、前記パルスオキシメータに限られるものではなく、例えば光電脈波計等、他の測定機器にも適用可能である。

本発明に係る生体情報測定装置の一例であるパルスオキシメータの構成を示す図である。 パルスオキシメータの電気的な構成を示すブロック図である。 各ＬＥＤの発光動作を示すグラフである。 ヘモグロビン及び酸化ヘモグロビンの吸光特性を示すグラフである。 生体による光の吸収を示す図である。 生体に入射する入射光と透過光との関係を模式的に表す図である。 赤外光による透過光量の正規化を説明するための図である。 吸光係数の比と酸素飽和度との関係を示す図である。 周期Ｔで測定された光電脈波波形を示すグラフである。 図９に示す光電脈波波形を２階微分して得られる加速度脈波波形の一例を示すグラフである。 或る光電脈波波形を２階微分することで得られた加速度脈波波形Ｘの一例を示すグラフである。 図１１の符号ａで示した一拍分の加速度脈波について、年代別の典型的特長を示したグラフである。 パルスオキシメータの測定動作を示すフローチャートである。 従来の血中酸素飽和度の測定方法を示すグラフである。 従来の血管年齢の測定方法を示すグラフである。

符号の説明

１ パルスオキシメータ
３ 測定部
５ 発光部
５ａ 赤色ＬＥＤ
５ｂ 赤外ＬＥＤ
６ 受光部
８ 表示部
９ 操作ボタン群
１０ 血管年齢表示ボタン
１１ 酸素飽和度表示ボタン
１２ 全表示ボタン
１６ 制御部
１７ 記憶部
１８ 測定制御部
１９ ＳｐＯ_２導出部
２０ 血管年齢導出部
２１ 表示制御部

Claims (3)

1. 第１の解析および第２の解析を行う生体情報測定装置であって、
   第１の波長を有する光を出力する第１の発光手段と、
   前記第１の波長と異なる第２の波長を有する光を出力する第２の発光手段と、
   前記第１、第２の発光手段から出力された光を受光する受光手段と、
   前記第１、第２の発光手段のうちのサンプリング周波数が高い方の発光手段の該サンプリング周波数を、サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数の整数倍に設定したサンプリング周波数であって、前記第１の解析または前記第２の解析で用いる測定データを得ることができるサンプリング周波数で、発光タイミングの位相を互いにずらして前記第１、第２の発光手段を発光させる発光制御手段と、
   前記受光手段に、前記第１、第２の発光手段の発光タイミングに同期して受光動作を行わせる受光制御手段と、
   前記受光手段から出力される受光信号を測定データとして記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データに基づき前記第１の解析である光電脈波の測定を行う第１の解析手段と、
   前記記憶手段に記憶された測定データのうち、サンプリング周波数が低い方の発光手段を用いて得られた測定データと、サンプリング周波数が高い方の発光手段を用いて得られた測定データの中から、前記サンプリング周波数が低い方の発光手段の該サンプリング周波数に対応する所定時間間隔ごとに抽出した測定データとに基づき前記第２の解析である酸素飽和度の測定を行う第２の解析手段と
   を備えることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記解析手段の解析結果を表示する表示手段と、
   前記第１、第２の解析手段による解析結果のうち前記第１の解析手段による解析結果のみを前記表示手段に表示する第１の表示モードと、前記第２の解析手段による解析結果のみを前記表示手段に表示する第２の表示モードと、前記第１、第２の解析手段による解析結果の両方を前記表示手段に表示する第３の表示モードとの間で表示モードを切替える操作を行うための表示モード切替手段と、
   前記表示モード切替手段により選択された表示モードで前記表示手段に表示動作を行わせる表示制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記記憶手段は、前記第１、第２の解析手段による解析結果を記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報測定装置。
   

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