JPH05504266A - オキシメーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 オキシメーター ［技術分野］ 本発明は、血液の酸素飽和度を測定する装置であるオキシメーターに関する。

［背景技術］ かかる装置は患者の血液の酸化度を示すものとして、医者にとって大きな価値が ある。従来の装置は、本質的には役に立っているものの、測定技術結果の解釈を するうえでなされると思われる多くのエラーによって、欠点を有している。

パルスオキシメーターとして一般には知られている従来装置の多くは、２または それ以上の波長における照射を用い、一方は赤色頭載（６５０−７５０ナノメー ター）、他方は赤外領域（７５０ナノメ一ター以上）におけるものである。検出 した透過強度または反射強度の測定値を、ランベルト・ベールの透過率法則に基 づいて比較して、酸素飽和度を推定する。このような比較測定は以下に述べる様 々な理由によってエラーをおこしがちである１、皮膚の光学的性質の時間による 変化。

２、常にあてはまる訳ではないベール則。

３、光路に存在する得体の知れない各種血液成分。

４、光路における動脈血及び静脈血の予期せぬ混じりあい。

５、乏しい末梢系循環。

６、多くのバラツキによる影響。

７、異常な血液ｐＨ ８、運動による後生物。

９、（ＬＥＤ）光源の非−単色光性及び安定性。

１０、酸素圧低下におけるエラー。

１１−１部位が限定されること。

１２、周囲光及び赤外照射。

１３、胎児ヘモグロビン、メタヘモグロビン、カルボキシヘモグロビンなどの他 のヘモグロビン誘導体。

これらのエラー源に対して受容し得る補正が可能であるが、かかる補正はコスト と装置の複雑さを増すこととなり、全体として測定の有用性に逆効果をもたらす 。

またヘモグロビン濃度を測定するには、今までに様々な特殊な提案がなされてき た。Ｒｅｅｖｅｓ、　Ｒｅ５ｐｉｒａｔｉｏｎ　Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ、　Ｖｏ ｌ、　４２．　Ｎｏ、３　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９８０　iＮｅｔｈｅ ｒｌａｎｄｓ／Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）　ｐｐ、２９９−３１５は、血液サンプルフ ィルム及び血液フィルム周囲の酸素圧コントロールを含むセルを用いる。従来法 のように２つの異なる波長を用いるが、通常の赤色及び赤外波長を用いる代わり に、２つのソレト（Ｓｏｒｅ例測定を行う。ＤＥ−Ａ−３６１５９７３は、オキ シヘモグロビンまたは還元ヘモグロビンのいずれが存在していたのかを区別する ことなく、ヘモグロビン濃度を測定する方法を開示する。十分な酸素によって、 できるだけ多くのヘモグロビンをオキシヘモグロビンに変換し、この変換物質を 適当なソレト波長、例えば４１５ナノメーターで測定する。ＤＥ−Ａ−３７００ ５７７は、一般的研究手法を特定の形で実施し、動脈血の酸素飽和度の測定に適 していると述べる。測定しようとするサンプルを透過した標準的特質の連続スペ クトル光源からの光を、可視光領域で異なってはいるがオーバーラツプするスペ クトル特質を有する２つの光検出機を用いて測定する。光検出機の出力の一方を 他方で割り、商をサンプルの”色値（ｃｏ　１ｏｕｒ　ｖａ　１ｕｅ）”を算出 するために用いる。ルックアップテーブルから物理データを引き出すための比例 色値を用いることによって、この”色値”は、サンプルについての情報を提供す る。例えば、血液サンプルの色値は、透過波長を正確に示すので、酸素飽和度に ついての情報を与える。光検出機の特定波長については何ら記載がない。２つの 光検出機の出力の商は、本質的には比較法から得られる有意なシグナルである。

出力シグナルの比較を用いて実貿的に有用な値を出すことが、上記した各種の欠 点を有するすへての上記方法の基礎となっている。

基本的な測定方法を適用することにより、これらの逆効果を回避することが本発 明の目的である。

［発明の開示コ 本発明の一面によると、３５０から６００ナノメーターの波長範囲内で血液の吸 収特性をナノメーター的精度で測定して、ナノメーター的特異的吸収特性を決定 し、既知の生理的端点からの該特異的吸収特性の波長シフトより実際の酸素飽和 度パーセントを直接決定することを含む、被検血液の酸素飽和度を測定する方法 が提供される。

この方法は血液測定経路及び対照経路に沿って光を導き、該経路からの光を選択 し、該選択した光を光学検出機に適用することを含むことができる。血液は被検 体またはサンプルとして存在する。

この方法はナノメータ一単位で光の波長を変更するか、或いは各種波長の光の束 で血液を照射し、照射した血液からの光をスペクトルとして分散し、そして該特 性の波長シフトを得るためにスペクトルを検査することを含むことができる。

本発明の他の一面によると、少なくとも３５０から６００ナノメーターの範囲内 で各種波長の光の束で光を供給できる手段、該光を血液測定経路に適用する手段 、該経路から受け取った光をスペクトルとして分散する手段、該スペクトルの光 を検出して血液測定経路の特異的吸収特性を決定する手段及び該特性のナノメー ター的シフトから血液測定経路にある血液の酸素飽和度を示唆する手段を含むオ キシメーターか提供される。

本発明のさらに他の一面によると、３５０から６００ナノメーターの範囲内でナ ノメーター的に制御できる可変波長の光を提供する手段、該制御できる可変波長 の光を血液１す定経路に適用する手段、該経路から受け取った光を検出して血液 測定経路の特異的吸収特性を決定する手段及び該特性のナノメーター的波長シフ トから血液測定経路にある血液の酸素飽和度を示唆する手段を含むオキシメータ ーが提供される。

光は交互に別々の経路を通って検出器に適用してもよく、また吸収波長の情報を 提供するためのいかなる便法で検査してもよい。

オキシメーターは、血液測定経路及び血液を含まない対照経路に測定のための光 を適用する手段及び該経路からの光を交互に、比較検出のための光を検出する手 段へと適用する手段とを含むことができる。交互に光を適用する手段は機械的ま たはその他の光ビームチョッパーを含んでいてもよい。オキシメーターは比較検 出の必要性を避けるため、既知の強度／波長特性の光源を含んでいてもよい。

本方法はツレトスベクトルの吸収ピークにおける波長シフトと酸素飽和度パーセ ントの変化との直接的関係を用いるものである。

本発明の好ましい配置では、既知の生理的端点、４００から４５０．４６５から ５２０及び５３０から６００ナノメーター、より特定すればそれぞれ４１０から ４４０．４７０から５１５及び５４０から５７０ナノメーターの範囲のうちの１ つにおける吸収特性に勾配法を適用して吸収波長を決定する。

便宜的には勾配法またはその他の適当な吸収スペクトルの分析はマイクロプロセ ッサ−内で実施する。比例法がより便宜的な場合もあるが、波長の情報が十分安 定していれば絶対的測定が可能である。

さらに好ましい配置では、４００から６００ナノメーターの範囲の波長が指の爪 を通して測定する際に用いられる。爪を通して光を血液に適用し、血液から戻っ てくる光を受け取るために光ファイバーを用いることができる。

上記範囲は、その両端がそれぞれ被検血液に光を出すものと、血液からの光を受 け取るものである光ファイバーを導入する手段を含む、被検体内での測定を可能 にする針を含んでいてもよい。

なお、酸化された血液は、オキシヘモグロビン、ＨｂＯ２として、また酸素をも たない血液は還元ヘモグロビン、Ｈｂとして知られている。

本発明の実施態様を添付の図面を参照にして説明する。

［図面の簡単な説明］ 図１ａ、ｌｂは、本発明を理解するうえで関連のある特質である、１００％及び Ｏ％酸素飽和時における、波長による血液の光吸収の変化特性を示す図であり、 細部を拡大した。

図２は、本発明のオキシメーターをブロック図式であられしたものである。

図３及び６は、本発明を理解するうえで有用なグラフを表す。

図４及び５は、本発明のオキシメーターを患者に適用するための配置を表す。

［発明を実施するための最良の形態コ 図２は、血液をサンプルとして適用する際の、血液の酸素飽和度を測定するオキ シメーターの要素をブロック図式した略図である。

水晶−ハロゲンランプのような光源１ｏがら出た光が、Ｍｉｎｉ−ｃｈｒｏｍｌ （ｐｔｒ　ｏｐｔｉｃｓ、ＵＳＡ）のようなスキャニングモノクロメータ−１１ に供給される。スキャニングモノクロメータ−は３５０がら６００ナノメーター の範囲でナノメーター的精度で光出力を出すように操作可能であるが、或いは部 品を選択するべきであり、これはモノクロメータ−内に、３５０がら６００ナノ メーターの範囲で最大効率を有する光格子が、或いは適当な部品を導入すること により達成される。　− ランプへの供給は安定化され、ランプとモノクロメータ−とは共同して、単色照 射光源を供給し、その波長帯域はモノクロメータ−の物理的パラメーターによっ て規定される。４ナノメーター以下の波長帯域、好ましくは１ナノメーター以下 の波長帯域が適しているが、場合によっては０．　５ナノメーター以下の波長帯 域が好ましいかも知れない。モノクロメータ−は制御連結１２を有している。

モノクロメータ−１１からのナノメーター的光は第１のビームスプリッタ−２１ に適用され、ビームスプリッタ−２１は２つの出方光線を出す。一方の光線２７ は対照用であり、他方の光線２８はホルダー２２中のサンプルに適用される。

ミラー２３．２４は対照出力を第２のビームスプリッタ−２５に便宜的に戻し、 ビームスプリッタ−２５は、対照光線２７とサンプルホルダー２２を通過した光 線２８からの光線２９とを共通の経路に入れる作用をする。位相に依存する検出 が得られるように、ビームを同調して遮断するためのビームチョッパー２６を配 置する。

光学検出器３１は共通経路にあるビームスプリッタ−から出る光の強度を検出し 、検出器出力はロンフィン増幅器３２を経て、ビームチョッパー２６への連結３ ３とともに、マイクロプロセッサ−３４に供給される。マイクロプロ七７サーは ２方向性連結１２によってスキャニングモノクロメータ−に連結される。

若しくは、対照用チャンネルとこれを産出するための光学チョッパーの必要性を 回避するために、超安定性光源を用いることもできる。この光源の照射特質はマ イクロプロセッサ−のメモリーに蓄積され、測定の補正に用いられる。

モノクロメータ−１１と検出器３１の出力とを相関させることにより、ホルダー ２２内のサンプルの吸収が最大または最小となる波長が決定される。

本発明の他の態様を図２の配置の変更を参照して以下に説明する。図２において 、要素１１及び３４を省略し、要素３１に代えてプリズムまたは回折格子のよう な分散装置、並びに該分散装置によって産出されるスペクトルに応答するための 電荷結合素子（ＣＣＤ）の形の直線状検出器を配置する。要素１１に代えて光学 帯通過フィルターを配置し又もよい。操作は以下の通りである。水晶−ハロゲン ランプである光源１０からの光は、光学帯通過フィルターを用いる場合にはこれ を通過して、第１のビームスプリッタ−２１に適用され、ビームスプリッタ−２ １は２つの出力光線を出す。一方の光線２７は対照用であり、他方の光線２８は ホルダー２２中のサンプルに適用される。ミラー２３．２４は対照出力を第２の ビームスプリッタ−２５に便宜的に戻し、ビームスプリッタ−２５は、対照光線 ２７とサンプルホルダー２２を通過した光線２８がらの光線２９とを共通の経路 に入れる作用をする。位相に依存する検出が得られるように、ビームを同調して 遮断するためにビームチョッパー２６を配置スル。

ビームスプリッタ−から出た共通経路の光は分散装置に入射し、光学スペクトル として出てきて、この光学スペクトルがサンプルホルダー内の物質及び対照ビー ムに交互に関連する。このようにして形成されたスペクトルは、最前色波長が最 初の要素に、最赤色波長が最後の要素になるように（または逆に）、電荷結合素 子（ＣＣＤ）配列の要素上に入るように配！される。光学スペクトルの情報を収 集するために、ＣＣＤを最初の要素から最後の要素へとスキャニングする。この スキャニングは便宜的には適当な回路連結を介してマイクロプロセッサ−の制御 下に実施され、要素の情報は他の回路連結を介してマイクロプロセッサ−に戻さ れる。サンプル及び対照スペクトルの情報を作成するために、すべての過程はマ イクロプロセッサ−によって、連結３３を介するビームチョッパー２６に同調さ れる。

若しくは、第１の態様と同様に対照用チャンネルとこれを産出するための光学チ ョッパーの必要性を回避するために、超安定性光源を用いることもできる。この 光源の照射特質はマイクロプロセッサ−のメモリーに蓄積され、測定の補正に用 いられる。

マイクロプロセッサ−内のアルゴリズムは、既知の生理的端点の範囲で特異的吸 収特性のシフトを得るために、サンプルホルダー２２内にあるサンプルの特異的 吸収波長決定のための手段を提供する。

図３に示すように、血液の酸素飽和度は４００から４５０ナノメーターのソレト 頭載範囲におけるピーク吸収の波長と相関する。図１の挿入図に示すように、０ ％と１００％酸素飽和麿における吸収特性には別々のピークが存在する。この別 々のピークの存在は、一定酸素飽和度を有する吸収において同定し得る変化をも たらす。従って、迅速簡単なサンプルの測定によって、この範囲における吸収ピ ークの決定から酸素飽和度を評価し示唆することができる。図３のグラフは便宜 的であることが見いだされたピーク決定、すなわち酸素飽和度パーセントを決定 する特定の方法に関するものである。明らかに他の方法には他のグラフが関連す るが、このような変更は本発明の範囲を逸脱するものではない。使用した方法は 勾配法であって、吸収ピークのそれぞれの側において特徴的な吸収の変曲点に対 する勾配を、その交点によってピークの波長を示すものとして用いる。従って、 ”ピーク”は光学上の語におけるピークである必要はなく、本発明を具現化する のに用いる特定型の装！の、繰り返し決定し得るパラメーターである。４６５か ら５２０、及び５３０から６００ナノメーターの領域には特徴的な別々のピーク または谷か存在し、それ故一定飽和度の吸収における同定可能な変化を、繰り返 し可能なパラメーターとして用いることができる。図６は、図３と同様のグラフ を示すか、４８０から５００ナノメ一ター頭域の谷に対するものである。

サンプルの安全化法、操作法は公知であり、本発明に適用される。静的サンプル には取り外し可能な光学キュベツトを使用し、連続的にサンプルを流すにはカラ ムを用いることができる。

上記した配置においては、光はホルダー内のサンプルを通過する、即ち１ｎｖｉ ｔｒｏの方法である。医学的用途においては患者からサンプルを取る必要を回避 することが便利であり、これはそれぞれ非侵入的及びｉｎ　ｖｉｖｏ法として知 られている。

図４は、図２の配置を皮膚を貫通することなく、患者に適用しうる装置の概略図 である。図４の装置では、図２の光学チャンバー２２を置き換える。ビーム２８ からの光はミラー４１によって光ファイバー４３に沿って導かれる。ホルダー４ ５は、光ビーム４８が爪を通って進むように、本質的に正常な手の指または足指 の爪の上にに光ファイバー４３が位置するように配置する。さらに光ファイバー ４４をホルダー４５によっ−で配置し、これは一般に４９で示されるように、毛 細管床から反射した光ファイバー４３からの光を回収する。光ファイバー４４に よって回収した光はミラー４２によってビームチョッパー２６に進み、それ以後 は図２の配置と同様である。

図５は、図２の配置を患者の静脈、動脈または器官に穿孔によって適用したとき の装置の概略図である。図４の光ファイバー及びホルダー（４３，４４，４５） に代えて、皮下注射針または内在性自在カテーテルのような構造５１を用い、こ れは２本の光ファイバー５２．５３を収容する。一般に構造５１は皮膚を穿孔し てファイバー５２．５３の出力及び入力端を関心のある領域にもって行くように 配！される。光ファイバー５２から出る光５８は、関心のある領域から光ファイ バー５３を通って回収のための光５９として戻ってくる。要素２８．４１．４２ 及び２６は上記と同様である。

上記装置の一般的技術は当業者には自明であり、これ以上の説明は行わない。

上記したようにマイクロプロセッサ−制御を用いる。典型的な配置及び操作は以 下の通りである。

器具はマイクロプロセッサ−の制御のもとに作動する。スキャニングモノクロメ ータ−はステッパーモーターとギアボックスの組み合わせにより駆動する。マイ クロプロセッサ−が格子の位置をモニターし、これで光の波長を決め、この情報 と光学検出器から得られるディジタル化信号とを相関させる。次いでこれらすべ ての情報をランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）にビットパターンとして蓄積す る。最大または最小ピークのための、光学検出器出力スキャニングのディジタル 化スキャニングも可能である。最大または最小吸収ピークの波長を決定するため の数学操作はマイクロプロセッサ−のソフトウェア内に含まれる。血液のスペク トル検定特性に関するデータは装置のメモリー内に蓄積される。サンプルについ ての計算が終了すると、このピーク波長値を指針としてルックアップテーブルを 用い、サンプルの酸素飽和度を知る。ルックアップテーブルに蓄積された各種の 検定パラメーターを用いると、統計的に最良の酸素飽和度を得るために、臨床状 態に応じて最も適当な特性または特性群を選択できるように装置に幅をもたせチ ェックして精度を高めることができる。

モノクロメータ−スキャニングシステム内に１またはそれ以上の標準波長源を含 めることにより、光学比較点を設ける。これによりマイクロプロセッサ−がモノ クロメータ−を検定することができる。

原則的に本装置は、ｐＨ，ｐｃＯｚ及び他のヘモグロビン誘導体などのサンプル 中に存在するその他のパラメーターを測定するための従来技術に基づいた測定回 路、センサー及びアルゴリズムを含むことができる。上記したスキャニング要素 に加えて、これによって実験室標準として用い得る包括的装置とすることができ る。

本発明によって提供される改良は、従来の誘導体法によらず、最大または最小ピ ークの吸収波長を測定することによって酸素飽和度を直接、基本的に測定するこ とにより得られたことに注目することが重要である。

Ｒり、１ａ 抹長 Ｆり、１ｂ Ｉｆ　ｌ） 補正書の翻訳文提出口 （特許法第１８４条の８） 平成　４年　１月２７日り回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、３５０から６００ナノメーターの波長範囲内で血液の吸収特性をナノメータ ー的精度で測定して、ナノメーター的特異的吸収特性を決定し、既知の生理的端 点からの該特異的吸収特性の波長シフトより実際の酸素飽和度パーセントを直接 決定することを含む、被検血液の酸素飽和度を測定する方法。 ２、血液測定経路及び対照経路に沿って光を導き、該経路からの光を交互に選択 し、該選択した光を光学検出器に適用することを含む請求の範囲第１項に記載の 方法。 ３、血液を被検体またはサンプルとして提供することを含む請求の範囲第１項に 記載の方法。 ４、光の波長をナノメーター単位で変化させることを含む請求の範囲第１項に記 載の方法。 ５、各種波長の光の束で血液を照射し、照射した血液からの光をスペクトルとし て分散し、そして該特性の波長シフトを得るためにスペクトルを検査することを 含む請求の範囲第１項に記載の方法。 ６、少なくとも３５０から６００ナノメーターの範囲内で各種波長の光の束で光 を供給できる手段、該光を血液測定経路に適用する手段、該経路から受け取った 光をスペクトルとして分散する手段、該スペクトルの光を検出して血液測定経路 の特異的吸収特性を決定する手段及び該特性のナノメーター的シフトから血液測 定経路にある血液の酸素飽和度を示唆する手段を含むオキシメーター。 ７、光を回折格子によって分散し、電荷結合素子内にある要素の列で検出する請 求の範囲第６項に記載のオキシメーター。 ８、各種波長の光の束の範囲を帯域通過フィルターによって設定する請求の範囲 第６項に記載のオキシメーター。 ９、３５０から６００ナノメーターの範囲内でナノメーター的に制御できる可変 波長の光を提供する手段、該制御できる可変波長の光を血液測定経路に適用する 手段、該経路から受け取った光を検出して血液測定経路の特異的吸収特性を決定 する手段及び該特性のナノメーター的波長シフトから血液測定経路にある血液の 酸素飽和度を示唆する手段を含むオキシメーター。 １０、吸収波長の情報を提供するために、光を交互に別々の経路を通って検出器 に適用する請求の範囲第９項に記載のオキシメーター。 １１、血液測定経路及び血液を含まない対照経路に測定のための光を適用する手 段及び該経路からの光を交互に、比較検出のための光を検出する該手段へと適用 する手段とを含む請求の範囲第９項に記載のオキシメーター。 １２、光を交互に適用する手段が機械的またはその他の光ビームチョッパーを含 む請求の範囲第１１項に記載のオキシメーター。 １３、比較検出の必要性を避けるため、既知の強度／波長特性の光源を含む請求 の範囲第９項に記載のオキシメーター。 １４、光源からの光を適用し、これをｉｎ　ｖｉｖｏで被検血液を通過するよう に導く手段及び波長シフト決定のためにｉｎ　ｖｉｖｏで血液を通過した光を回 収する手段を含む請求の範囲第９項に記載のオキシメーター。 １５、ソレトスペクトルの吸収ピークにおける波長シフトと酸素飽和度パーセン トの変化との直接的関係から被検血液の酸素飽和度を測定する方法。 １６、既知の生理的端点、４００から４５０、４６５から５２０及び５３０から ６００ナノメーター、より特定すればそれぞれ４１０から４４０、４７０から５ １５及び５４０から５７０ナノメーターの範囲のうちの１つにおける吸収特性に 勾配法を適用して特異的吸収特性の波長を決定することを含む請求の範囲第１項 または第１５項に記載の方法。 １７、添付図面を参照して本明細書に本質的に記載された被検血液の酸素飽和度 を測定する方法。 １８、添付図面を参照して本明細書に本質的に記載されたオキシメーター。