JP2000515972A - 検体を傷つけずに、血液が供給されている組織の酸素飽和量を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 検体を傷つけずに、血液が供給されている組織の酸素飽和量を測定する方法であって、組織に少なくとも２つの異なる波長の光が当てられ、透過光のDC成分およびAC成分が測定される。第１の時間間隔において、少なくとも１つの補間ファクタkが透過光のDC成分およびAC成分から求められる。第２の時間間隔において、組織内の酸素飽和量が、透過光のDC成分、および求めた補間ファクタkから漸次的に計算される。

Description

【発明の詳細な説明】検体を傷つけずに、血液が供給されている組織の酸素飽和量を測定する方法 本発明は、独立特許クレーム１の前文書きで定義されているように、検体を傷 つけずに、血液が供給されている組織の酸素飽和量を測定する方法に関する。 血液が供給されている組織のヘモグロビンの酸素飽和量を光学的に測定する技 術は、１９３２年から知られており、生理学的研究において生体組織の酸素供給 量を、検体を傷つけずに測定する方法として、初期段階において相当な関心を持 たれていた。このパラメータを測定するために開発されたシステムは、当初、ス ペクトル分光測光法に類似する測定方法を採用し、この場合、耳たぶが検体とし て、しばしば用いられていた。検体細胞に対する同様の方法において、耳たぶは 、異なる波長の光線が照射された。酸素飽和量は、透過光の強度を測定すること により計算された。これらの計算は、酸素で飽和したヘモグロビンの既知の吸収 スペクトル（酸素ヘモグロビン、図１のスペクトル１）と、酸素を含まないヘモ グロビンの吸収スペクトル（還元ヘモグロビン、図１のスペクトル２）とに基づ いている。この方法の問題点は、耳オキシメトリ（耳酸素濃度測定装置）として 設計された場合、検体細胞とは対照的に、光学的システムを正確に補間できず、 この測定方法が比較的に不正確であるという点にあった。組織の厚み、血液量、 光強度、およびその他の変数による影響を十分に盛り込むことは、困難であると いうことが分かった。中でも実際に試みられたのは、組織に圧力を加え、一時的 に内部の血液を排除することにより、人為的なゼロ点を形成することであった。 しかし、この類の実験は、非現実的で、あまりにも不正確なものであることが分 かった。さらに、酸素ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの吸収係数がいくつ かの波長（例えば、５０５ｎｍ、５４８ｎｍ、および８０５ｎｍ）で、同一の値 を示す（同一吸収点、図１）という事実が利用された。これらの波長のひとつを 用いることにより、酸素飽和量に無関係な基準点を確立することができたが、こ の 基準点だけでは（第２の基準量がなければ）十分なものではなかった。耳オキシ メトリはさらに、６０年代に精巧になった。こうして、ヒューレット・パッカー ド社の開発したシステム（ＨＰ４７２０１Ａ、耳オキシメータ）では、８つの波 長が用いられ、それにより測定システムを補間するために別の基準点が用いられ ていた。この方法を実施するには、極めて要求が厳しく、高価であることが分か った。したがって耳オキシメトリは、日常医療に応用されることはなく、ほとん どもっぱら、生理的研究分野、および例えば航空学やその他の技術分野における 特定の実験的問題のために用いられてきた。 ８０年代に入ってから、新規な方法が開発され、この方法は、パルスオキシメ トリとして知られるようになり、とりわけ麻酔治療時や集中治療時に患者をモニ タするための日常的な方法として、短期間の内に十分確立されるに至った。パル スオキシメトリの原理は、鼓動するように流れる動脈血流により生じる検体内の 吸収率の変化を記録することにある。これにより、動脈血流内のヘモグロビンの 酸素飽和量（動脈酸素飽和量）を測定することができる。図２で示すように、血 液が供給されている組織での光の全吸収は、次の成分から構成される。 ・組織および骨による吸収４ ・静脈血流による吸収５ ・動脈血流による吸収６ ・鼓動する動脈血流により生じる一連の体積の変化としての可変的な吸収７ 最初の３つの成分は、概して、比較的に長い時間期間で安定しており、以下こ れらをまとめてDC成分という。第４番目の成分だけは、心臓の鼓動と同期して周 期的に時間とともに変化する。 一般に、約６６０ｎｍ（赤色光）および約８９０ｎｍ（赤外光）の波長を有す る２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）がパルスオキシメトリの光源として利用され る。図１から明らかなように、６６０ｎｍにおけるヘモグロビンの光吸収は、血 液の酸素含有量に大きく依存する。対称的に、赤外波長が８０５ｎｍの同一波長 点３の付近にあると、酸素含有量による光吸収の依存性は、ほんの小さいものと なる。したがって、赤外領域における吸収が基準量として利用される。２つのＬ ＥＤから発せられた光は、十分に血液が充満する体の一部（例えば、指の肉趾、 耳たぶ、足のつま先）を通過する。光は、内部で何度も散乱し、一部吸収される 。透過光は一般に、ＬＥＤの反対側に配置されたホトダイオードにより検出され る。２つのＬＥＤおよびホトダイオードは通常、パルスオキシメトリセンサとし て構成される１つの部品として一体化される。１つしかないホトダイオードを用 いて、赤色光および赤外光を別々に検出するために、２つの波長の波長パルスを 交互に検出させることができ、これら波長は、度量衡学的に検出され個別に評価 される。 パルスオキシメトリにより動脈酸素飽和量（SaO₂ ^P）を測定するためには、測 定された赤色光（R）および赤外光（IR）の安定成分（DC_R，DC_IR）および時間変 動成分（AC_R，AC_IR）が利用される。通常、SaO₂ ^Pは、次の関係式により求めるこ とができる。 ここで、fは、帰納的に得られる関数を意味し（図３参照）、所与の測定システ ム（パルスオキシメータおよびセンサ）が同一ならば、測定位置および患者に依 存しない。 パルスオキシメトリによる測定において、まだ満足できるほどに解決されてい ない問題があって、それは、患者の動き、および患者の周囲環境の変動に起因す る信号測定の妨害を、多くの場合で十分に排除できない点にある。それはとりわ け、生理的信号が弱いときに変動環境による妨害が極めて強い場合に顕著である 。これは、AC_R／DC_RまたはAC_IR／DC_IRが１０^-3よりも小さい場合に確かに起こり 、変動に起因する妨害信号は、１００倍以上大きいものとなる。人為的な動作に よ る妨害周波数は、多くの場合、生理学的信号の周波数と重なるので、このような 場合、フィルタ処理により妨害信号から検出信号を明確に分離することができな い。方程式（１）を用いたSaO₂の算出結果は、もはや十分正確であることを担保 できず、かなりの測定誤差が生じ得る。一般に、この種の障害は、システムのソ フトウェアにより認識され、例えばシステムのディスプレイ上に、この測定はも はや許容されない旨を表示することにより、パルスオキシメータのオペーレータ に通知される。そこでパルスオキシメータのオペレータは、障害の原因を排除す る機会が与えられるが、必ずしも常に排除できるとは限らない。新生児をモニタ する際の変動による障害は、とりわけ問題が多い。このような場合、パルスオキ シメトリによるセンサは、多くの場合、患者の手の甲または足に取り付けられる 。手の甲または足に安定的に維持するのは、一般的に不可能である。これに加え て、とりわけこれらのセンサ位置では、多くの場合、検出信号が極めて弱いとい う事実がある。これらの理由として、新生児をモニタする際、比較的に長い時間 期間に亙って、動脈酸素飽和量の測定を一時停止しなければならないという状況 がしばしば生じるためである。これは、未成熟の肺をもった時期尚早にして生ま れた場合には特に致命的である。というのもこのような患者の場合、動脈酸素飽 和量の変動が激しく、予期できないものであり、酸素飽和量の変動は、認識され なければ、深刻な合併症を引き起こしかねないからである。 本発明の目的は、生理的信号が弱く、同時に変動環境による妨害信号が強いと ういう理由で、パルスオキシメトリによる方法がもはや使用できない状況にあっ ても、酸素飽和量を測定できるようにすることにある。 この目的は、独立特許クレーム１で定義されているような本発明の方法の実現 により達成することができる。好適な変形例は、従属特許クレームにより明らか である。 優れて安定的な成分である、組織から透過した赤色光および赤外光のDC成分 は、比率AC_R／DC_RおよびAC_IR／DC_IRに比して、変動環境により妨害されることは 少ない。したがって上述したように環境が妨害された場合、最初に説明した耳オ キシメトリの際に行ったように、飽和量を計算するためにDC成分だけを利用する ことが推奨される。耳オキシメトリに関する基本的な問題点は、上述したように 、測定システムの補間ができないこと、組織の厚み、血液量、およびその他の変 数による影響について、十分正確にしかも簡単な手段で配慮されないことにある 。 本発明の方法によると、DC成分により求められる酸素飽和値（SaO₂ ^DC）を補間 するために、パルスオキシメトリによる酸素飽和量（SaO₂ ^P）を用いることで、 上記問題は解決される。その方法は、次の、 なる方程式（１）で定義される係数Qと比DC_R／DC_IRとの間の関係が、近似して、 成り立つと見なすことに基づく。ここで、パルスオキシメトリによるセンサが同 一測定位置に配置され、血液体積およびその他の変数パラメータが一定であるな らば、kは一定である。環境変動による妨害が全くあるいは殆どない瞬間におい て、方程式（２）を用いてファクタkを求めることにより、補間が実施される。 その後、特定の時刻における酸素飽和量SaO₂ ^DCを、次式により計算することがで きる。 この方程式において、fは方程式（１）により帰納的に求められる関数と同じも のであって、SaO₂ ^Pを計算するために用いられる。 パルスオキシメトリにより測定している間は、補間ファクタkを漸次的に適用 し、そして妨害が発生した場合、SaO₂ ^DCを計算するために最後に求めたkの値を 用いることが有効であるということが分かってきた。実際には、センサが同じ位 置に固定され、急激な血圧変化が生じなければ、５ないし１０分間以内は、kに 実質的な変化は生じないことが明らかになった。この程度の長さの時間期間にお いて妨害が生じた場合、本発明の方法による支援を用いてこの状況を矯正するこ とができる。新生児をモニタする間、これらの時間は多くの場合十分である。と いうのも、手や足が長い間運動していても、その運動は、概して、短い休憩時間 を挟むことがあり、その間に新しいkの値を測定することができるからである。 方程式（２）で特定した近似式の代わりに、本発明による補間するための方法 という意味において、ＱとDC_R／DC_IRとの間のさらに精密な他の関係式を用いる ことができ、これは正確性を向上させたい場合に好適である。一例として、次の 多項式が、 この目的に適している。しかしこの場合、QおよびDC_R／DC_IRの値について複数の （少なくともＮ個の）対を用いて、k_l,......，k_nを計算する必要があるために 、実質的に要求がより厳しくなる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 検体を傷つけずに、血液が供給されている組織の酸素飽和量を測定する方 法であって、組織に少なくとも２つの異なる波長の光が当てられ、透過光のDC成 分およびAC成分が測定され、 第１の時間間隔において、少なくとも１つの補間ファクタk、k_lないしk_nが透 過光のDC成分およびAC成分から求められるステップと、 第２の時間間隔において、組織内の酸素飽和量が、透過光のDC成分、および求 めた補間ファクタk、またはk_lないしk_nから漸次的に計算されるステップと、を 有することを特徴とする方法。 ２． 請求項１の方法であって、 補間ファクタk、k_lないしk_nが、環境変動による妨害が全くあるいは殆どない 間に測定されることを特徴とする方法。 ３． 請求項１または２の方法であって、 補間ファクタk、k_lないしk_nの測定が、周期的に繰り返されることを特徴とす る方法。 ４． 請求項１ないし３のいずれかの方法であって、 補間ファクタk、k_lないしk_nの測定が、１０秒ないし１０分間隔で繰り返され ることを特徴とする方法。 ５． 請求項１ないし４のいずれかの方法であって、 DC_L1およびDC_L2を用いられる２つの波長を有する透過光のDC成分、fを所与の 測定装置に関する、測定位置および患者に依存しない、帰納的に求められる関数 とした場合に、酸素飽和量SaO₂ ^DCが、 を用いて計算されることを特徴とする方法。 ６． 請求項５の方法であって、 AC_L1およびAC_L2を用いられる２つの波長を有する透過光のAC成分とした場合に 、補間ファクタkが、の支援により求められることを特徴とする方法。 ７． 請求項１ないし４のいずれかの方法であって、 ｎ≧２、DC_L1およびDC_L2を用いられる２つの波長を有する透過光のDC成分、ｆ を所与の測定装置に関する、測定位置および患者に依存しない、帰納的に求めら れる関数とした場合に、酸素飽和量SaO₂ ^DCが、 を用いて計算されることを特徴とする方法。 ８． 請求項７の方法であって、 AC_L1およびAC_L2を用いられる２つの波長を有する透過光のAC成分とした場合に 、補間ファクタk_lないしk_nが、 の支援により求められることを特徴とする方法。 ９． 請求項１ないし８のいずれかの方法であって、 赤色光および赤外光が用いられることを特徴とする方法。