JP2010524598A - 血中酸素飽和度の非侵襲的測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、人間の患者の深部血管構造内における血液の酸素飽和度の非侵襲的な判定の方法に関し、この方法は、光酸素飽和度測定装置の発光素子および受光素子を、対象の深部血管構造体の近傍の患者の皮膚上に配置するステップを含み、前記素子の最適な配置が、光酸素飽和度測定装置から得られた容積脈波のトレースを対象の深部血管構造体の既知の容積脈波の特性に対して整合させることによって達成され、酸素飽和度が、対象の血管構造体内の血液中のヘモグロビンによって異なる波長で吸収される光の比から判定される方法。本発明は、また、この方法を行うことのできる改造された酸素飽和度測定装置に関する。

Description

本発明は、深部血管構造体内の血液の酸素飽和度を非侵襲的に判定する方法に関し、具体的には、限定的ではなく、内頸静脈、上大静脈、右心房、右心室、肺動脈、左心房、左心室、頸動脈および大動脈などの構造体内の中心静脈血、混合静脈血、および中心動脈血の酸素飽和度を判定する方法に関する。本発明はまた、深部血管構造体内の血液の酸素飽和度を非侵襲的に判定する際に使用する装置に関する。

非常に重篤で不安定な患者においては、組織への酸素運搬の評価が極めて重要である。酸素運搬が不適正である場合、酸素運搬を最適化するように早期に介入することによって、多臓器不全および死を防ぐことができる^（１）。この介入は、経静脈液、（心臓の収縮を刺激する）心血管作動薬を投与すること、および血液の酸素化を改善するように換気を助けることを含む。

中心静脈血または混合静脈血の酸素飽和度は、血液が流れ出てきた身体の部分への酸素運搬の適正度を反映する。混合静脈血（右心室ならびに肺動脈の中心部分および末梢部分内の血液）が、全身への酸素運搬の適正度についての最もよい評価を与える。しかしながら、中心静脈血（内部頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、および右心房内の血液）が、全身への酸素運搬の適正度を表すものとして使用可能である^（２）。

現在、静脈血の飽和度測定による酸素運搬の評価は、通常、中心静脈または肺動脈にカテーテルを配置し、そこから血液を抜くことによって行われる。次に、抜かれた血液の酸素飽和度が、血液ガス分析装置によって測定される。あるいは、光ファイバーカテーテルを中心静脈または肺動脈に配置し、次に、光学的方法によって酸素飽和度を直接測定することができる。静脈内光ファイバーカテーテルの挿入、および酸素飽和度測定法による酸素飽和度の直接的な測定を伴うこのような方式は、Ｒｉｖｅｒｓの米国特許第５，６７３，６９４号明細書（特許文献１）に述べられる。

これらの両方式は、カテーテルを挿入するために熟練した医師を必要とし、血液ガス分析装置または光ファイバーカテーテルの費用を伴い、カテーテル挿入に関連する不都合な事象（気胸症、感染症、出血、不整脈およびタンポナーデ）が起こる危険が大きく、また、カテーテルが挿入される間、静脈血の飽和度を得るのが遅れるため、かなりの制限を伴う。

本発明の発明者は、深部血管構造体の上の皮膚に光酸素飽和度測定装置を配置することによって（中心静脈血および混合静脈血の酸素飽和度などの）血中酸素飽和度を直接測定する非侵襲的な方法を提案する。赤色光および赤外光の光源を使用するパルス酸素飽和度測定法は、皮膚の血管のヘモグロビン酸素飽和度を測定する確立された技術である。一般に、指、耳、鼻および額にセンサが配置される。パルス酸素飽和度測定法は、肺による血液の酸素化が適正であるかどうかを判定するために、ごく普通に患者に使用される。標準的なパルス酸素飽和度測定法の技術は、酸素運搬の適正度についての情報は提供しない。

（約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間であるが、普通は約６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲であり、最も普通には約６６０ｎｍである）赤色帯域と、（約７５０ｎｍから約１ｍｍの間であるが、普通は約９００ｎｍから９６０ｎｍの間であり、しばしば９０５ｎｍ、９１０ｎｍまたは９４０ｎｍである）赤外帯域との２つの波長の光が、パルス酸素飽和度測定法において、通常使用される。光は、血液中のヘモグロビンによって吸収される。デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）は赤色帯域の光をより多く吸収し、一方、オキシヘモグロビンは赤外帯域の光をより多く吸収する。パルス酸素飽和度測定法では、光がまず組織を介して透過され、次に、透過されたまたは反射された光の強度が、光検出器によって測定される。パルス酸素飽和度測定器は、各波長における吸光度のＡＣ（拍動性）成分を判定し、赤色光および赤外光のＡＣ成分の量が判定されて、それが、血液中のオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン分子の濃度を示す。これらの分子の比が、全体的なヘモグロビン酸素飽和度を示す。

たとえば中心静脈血および混合静脈血を運ぶ深部血管構造体における血液のヘモグロビン酸素飽和度を測定する、非侵襲的な経皮的パルス酸素飽和度測定法の可能性は、従来、認識されていなかった。しかしながら、最近の特許（ＢｏａｓおよびＺｏｕｒａｂｉａｎの米国特許第７，０４７，０５５号明細書（特許文献２）^（３））は、深部組織構造体の光酸素飽和度測定法が可能であることを示唆している。この研究は、子宮内の胎児の頭部における動脈血の飽和度を測定する光酸素飽和度測定技術を明らかにした。

他の技術は、パルス酸素飽和度測定法を使用して混合静脈血の酸素飽和度を測定するように提案されている。しかしながら、これらの技術は侵襲的であり、気管内チューブ（米国特許第６，９６１，６００号明細書（特許文献３）（コール）^（４））または経食道超音波心臓検査プローブ^（５）の挿入を必要とする。末梢組織の静脈血飽和度も、やはり酸素飽和度測定技術を使用して測定可能である。しかしながら、これらの測定は、人差し指（米国特許出願公開第２００５／０２５６３８６号明細書（特許文献４）（Ｃｈａｎ））または母指球（米国特許第７，０７２，７０１号明細書（特許文献５）（Ｃｈｅｎ））（米国特許第６，９８５，７６３号明細書（特許文献６）（Ｂｏａｓ））などの評価される末梢組織への酸素運搬の程度のみを反映するため、臨床上の有用性には限界がある。

Ｃｈｅｎｇらの米国特許出願公開第２００６／０２５３００７号明細書（特許文献７）は、いくつかの深部血管構造体における静脈血の酸素飽和度を判定することによって心送血量を測定する光酸素飽和度測定技術について述べる。Ｃｈｅｎｇらは、発光プロープおよび受光プローブの正しい位置選定を助けるために超音波を同時に使用することを提案し、また、深部血管構造体から発生する信号を周囲の組織から発生する信号と区別するために、酸素飽和度の測定値を、２つの別々の位置で同時に取ること要求する。本発明の発明者は、容積脈波のトレースを発生させる深部血管構造体の拍動性の性質を利用することによって、検出される信号を最適化するように発光素子および受光素子を正確に配置することが可能であり、それによって、超音波の同時使用および２つ以上の位置からの測定の必要をなくすることが可能であることを示した。本発明の技術における容積脈波測定法の特質は、信号が対象の血管構造体から発生していることを識別し、小血管および周囲の組織などの他の干渉する発色団から発生する信号を排除するように使用される。

米国特許第５，６７３，６９４号明細書 米国特許第７，０４７，０５５号明細書 米国特許第６，９６１，６００号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２５６３８６号明細書 米国特許第７，０７２，７０１号明細書 米国特許第６，９８５，７６３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２５３００７号明細書

Ｊｏｈｎ ＴＢ Ｍｏｙｌｅ著「Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｒｙ」

本発明の好ましい目的は、深部血管構造体における酸素飽和度を判定する従来技術の方法に関連する問題を克服する、または少なくともいくらか改善することである。本発明の他の目的は、本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態によると、人間の患者の深部血管構造内における血液の酸素飽和度の非侵襲的な判定の方法が提供され、この方法は、光酸素飽和度測定装置の発光素子および受光素子を、対象の深部血管構造体の近傍の患者の皮膚上に配置するステップを含み、前記素子の最適な配置が、得られた容積脈波のトレースを対象の深部血管構造体の既知の容積脈波の特性に対して整合させることによって達成され、酸素飽和度が、対象の血管構造体内の血液中のヘモグロビンによって異なる波長で吸収される光の比から判定される。

好ましい実施形態では、対象の深部血管構造体は、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、右心房、右心室、肺動脈（末梢部分および中心部分を含む）、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、ならびに大動脈から選択される。

一実施形態では、本方法は、中心静脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のためのものである。この場合、対象の深部血管構造体は、好ましくは、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、および右心房から選択される。

好ましい別の実施形態では、本方法は、混合静脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のためのものである。この場合、対象の深部血管構造体は、好ましくは、右心室および肺動脈から選択される。

好ましい別の実施形態では、本方法は、中心動脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のためのものである。この場合、対象の深部血管構造体は、好ましくは、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、および大動脈から選択される。

好ましくは、発光素子は、赤色波長および赤外波長の両方で発光する。赤色光は、好ましくは、約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長を有し、より好ましくは、約６４０ｎｍから約６８０ｎｍの間の波長を有し、最も好ましくは、赤色光は約６６０ｎｍの波長を有する。

好ましくは、赤外光は約７５０ｎｍから約１ｍｍの間の波長を有する。より好ましくは、赤外光は約９００ｎｍから約９６０ｎｍの間の波長を有し、最も好ましくは、赤外光は約９０５ｎｍ、９１０ｎｍ、または９４０ｎｍの波長を有する。

本発明の別の実施形態によると、上記に概説された方法に用いられる酸素飽和度測定装置が提供される。

本発明の別の実施形態によると、全てが使用の際には作動可能に接続された、中央処理装置と、表示装置と、人間の皮膚に対して取り外し可能に当てられるように構成された発光素子および受光素子とを備える酸素飽和度測定装置が提供され、発光素子は赤色波長および赤外波長の両方の光を発するように装備され、受光素子は前記光を検出するように構成されており、発光および受光のレベルに関する情報が前記中央処理装置に伝送され、前記中央処理装置は、発光素子および受光素子の使用に際して、対象の深部血管構造体の近傍の皮膚上の最適な位置に確実に配置するように、発光および受光のレベルに関する情報から導かれる容積脈波の特性を、対象の深部血管構造体の既知の容積脈波の特性と整合させることができ、前記中央処理装置はまた、発光および受光のレベルに関する情報から、対象の深部血管構造体内の血中酸素飽和度の測定値を導くことができ、この測定値が表示装置上に提示可能である。

好ましくは、対象の深部血管構造体の容積脈波の特性が、表示装置上にやはり提示可能である。

作動可能な接続は、物理的または無線のいずれかであり得る。

赤色光は、好ましくは、約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長、より好ましくは約６４０ｎｍから約６８０ｎｍの間の波長を有し、最も好ましくは、赤色光は約６６０ｎｍの波長を有する。

好ましくは、赤外光は約７５０ｎｍから約１ｍｍの間の波長を有する。より好ましくは、赤外光は約９００ｎｍから約９６０ｎｍの間の波長を有し、最も好ましくは、赤外光は約９０５ｎｍ、９１０ｎｍ、または９４０ｎｍの波長を有する。

本発明は図を参照してさらに説明される。

本発明の装置の概略図である。 対象の深部血管構造体の近傍の患者の皮膚上に置かれたときの本発明の装置の発光素子および受光素子の概略図である。 右心室の酸素飽和度測定のための時間に対する相対吸光度のスキャン結果を示す図であり、（ａ）では、右心室の排出（心収縮期）および充填（心拡張期）の各相、ならびに心拡張期における相対吸光度のピークを示す。（ｂ）では、血液がより低い酸素飽和度のレベルを有する場合における、赤色光のより高い相対吸光度が示され、（ｃ）では、血液がより低い酸素飽和度のレベルを有する場合における、赤外光のより低い相対吸光度が示される。 皮膚と内頸静脈および頸動脈（「ＲＩＪ」は右の内頸静脈、「ＬＩＪ」左の内頸静脈）との間の距離を示すＣＴスキャン画像である。 皮膚と腕頭静脈（「ＬＢＣＶ」は左の腕頭静脈、「ＲＢＣＶ」は右の腕頭静脈）との間の距離を示すＣＴスキャン画像である。 皮膚と大動脈および上大静脈（「ＳＶＣ」は上大静脈）との間の距離を示すＣＴスキャン画像である。 皮膚と肺動脈（「ＰＡ」は肺動脈）との間の距離を示すＣＴスキャン画像である。 皮膚と左右の心室（「ＲＶ」は右心室、「ＬＶ」は左心室）との間の距離を示すＣＴスキャン画像である。 上から下へ順に、臨床研究中の患者の１人からの心電図（ＥＣＧ）、動脈血圧、中心静脈圧、右内頸静脈および指の容積脈波のトレースを示す。 内頸静脈パルス酸素飽和度測定法により判定された酸素飽和度に対する上大静脈血ガスにより判定された酸素飽和度の回帰プロットを示すグラフである。 上から下へ順に、臨床研究中の患者の１人からのＥＣＧ、動脈血圧、ならびに指および右心室の容積脈波のトレースを示す画面である。 上から下へ順に、臨床研究中の患者の１人からのＥＣＧ、動脈血圧、中心静脈圧、ならびに肺動脈および指の容積脈波のトレースを示す画面である。 上から下へ順に、臨床研究中の患者の１人からのＥＣＧ、動脈血圧、大動脈の容積脈波のトレース、中心静脈圧、ならびに肺動脈および額の容積脈波のトレースを示す画面である。

この明細書および以下の請求項を通じて、文脈があえて要求しない限り、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変化形は、述べられた整数もしくはステップまたは整数もしくはステップの群を含むが、いかなる他の整数もしくはステップまたは整数もしくはステップの群も排除しないことを意味するものと理解される。

この明細書におけるいかなる従来技術への参照も、その従来技術が、オーストラリアにおいて共通の一般的知識の一部を形成するということの承認またはいかなる形の示唆ではなく、また、そのように解釈されるべきではない。

従来技術の特許文献または技術的出版物へのこの明細書内での参照は、その従来技術の出版物の対象物を、参照によってその全体を本明細書に包含するように意図される。

この文書の理解を助けるために、いくつかの重要な用語の定義が以下に与えられる。

中心静脈血とは、（末梢部ではなく）中心部に位置する静脈内にある（比較的脱酸素化された）血液である。これは、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、および右心房内にある血液を含む。

混合静脈血とは、再酸素化のために肺に戻されつつある、右心室ならびに肺動脈の中心部分および末梢部分内にある（比較的脱酸素化された）血液である。混合静脈血の酸素飽和度を監視することによって、酸素運搬の適正度を最もよく評価できる。

中心動脈血とは、（脱酸素化された血液を運ぶ）肺動脈以外の（末梢部ではなく）中心部に位置する動脈内の酸素化された血液である。これは、左心房、左心室、ならびに頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、および大動脈内の血液を含む。

深部血管構造体とは、外面的に配置されてない主要な血管（心室を含む）である。すなわち、深部血管構造体は、関連する患者のサイズおよび解剖学的構造に依存して、通常の患者の皮膚の下、一般に少なくとも１ｃｍ、普通は少なくとも２ｃｍ、最も普通には３ｃｍから５ｃｍ、最高約１０ｃｍまでのところにある。深部血管構造体は、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、右心房、右心室、肺動脈の中心部分および末梢部分、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、ならびに大動脈を含む。

容積脈波のトレースとは、従来のパルス酸素飽和度測定法によって得られる、血管および他の血液を含む構造体から発生する拍動性の信号である。容積脈波のトレースは、拍動性のサイクルによる血液量および赤血球の向き、ならびに血管および血液を含む構造体の他の物理的特性の変化を反映する。これらの要因は、酸素飽和度測定法の光の吸収の程度に影響を与える。したがって、特定の拍動性の血管構造体の容積脈波のトレースの性質は、その構造体の特徴的な特異点である。

本発明は、一般に、対象の血管構造体の位置を捜し出すのに超音波の使用を必要とせず、また、複数位置で酸素飽和度の測定を行うことを必要としない、深部血管構造体内の血中酸素飽和度を判定する方法および装置に関する。これは、従来の酸素飽和度測定法の技術および装置を利用するが、対象の構造体の近傍の皮膚上に装置の発光素子および受光素子を最適に配置して得られる容積脈波のトレースを使用することと併せて達成される。この方式を使用することにより、また、周囲の組織または小血管内にある発色団などの他の発色団から得られる信号を排除することが可能である。

本発明の方法および装置は、いくつかの臨床的な設定において有用である。第１に、中心静脈血および混合静脈血の酸素飽和度を測定するためである。これによって、身体全体の組織への酸素運搬の適正度を非侵襲的に評価できるようになる。第２に、内頸静脈の血液飽和度を監視することによって、脳などの身体の特定の部分から流れ出てきた血液の酸素飽和度を測定するためである。これによって、身体のその領域への酸素運搬の適正度が非侵襲的に評価できるようになる。さらなる用途は、中心動脈血の酸素飽和度を測定するためである。これによって、皮膚などの表面組織への血流が少ないために、従来のパルス酸素飽和度測定法では信頼できる信号が得られない状態において、動脈血の酸素飽和度が監視できるようになる。

したがって、本発明の方法および装置を使用して、人間または動物の患者の全身への酸素運搬の適正度を評価することが可能であり、これは、たとえば、非常に重篤な患者または潜在的に不安定な患者を監視する際、外科的処置の前、間および後における監視の際、心停止の間と後における監視の際、心臓または呼吸器の機能障害を検出するための運動時または心臓負荷試験における監視の際、無酸素作業閾値に達する作業負荷を詳細に記録するために人間または動物の試験を行う際、ならびに、運動選手および高山登攀者、与圧されていない航空機のパイロット、低酸素の環境にさらされる他の人による心機能の自己監視を行う際に重要なものとなるであろう。

本発明によって、また、一方または両方の内頸静脈での酸素飽和度の監視によって、脳への酸素運搬の適正度の評価ができるようになる。この用途は、あらゆる形態の急性脳損傷などの脳への血流量が不適正である患者、神経外科的処置の後の患者、大動脈、頸動脈、椎骨動脈、小脳動脈および大脳動脈などの脳に血液を供給している血管に対する処置または手術の後の患者に必要である。

中心静脈血および混合静脈血の酸素飽和度の測定に加えて、この経皮的な技術は、中心動脈血の酸素飽和度を測定するために使用可能である。いくつかの臨床的な状況では、末梢組織への血流量が少ないために、表面的なパルス酸素飽和度測定法のトレースを得ることが困難である（６）。これらの状況は、（心停止、心臓麻痺などにおける）低い心拍出量、（末梢部での血流の遮断が起こる）敗血症、末梢血管の疾患、および低温環境への露出を含む。このような状況では、本発明を使用する中心動脈血酸素飽和度の測定は、患者管理に対する有用な助けとなる。この技術は、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、および大動脈などの動脈血を含む中心深部血管構造体における血中酸素飽和度の測定を可能にする。

本発明の重要な特長は、酸素飽和度測定技術によって検出される、対象の血管構造体の容積脈波の特性への依存に関する。血管構造体の拍動性の信号（または容積脈波のトレース）は、対象の深部血管構造体を通る血流の時間による変化を反映する。深部血管構造体を通る血流は特徴的な特異点を有するので、容積脈波のトレースも、これらの特徴的な特異点を反映し、したがって、信号が対象の特定の深部血管構造体から発生していることを識別するために使用可能である。したがって、特定の深部血管構造体からの容積脈波のトレースの特徴的な特異点は、また、周囲の組織内の小血管などの他の干渉する発色団から発生する他の拍動性の信号を排除するために使用可能である。これらの他の干渉する拍動性の信号がもたらすものは、従来のパルス酸素飽和度測定法によっても評価可能である。

従来可能であると考えられていなかった、酸素飽和度測定法が深部血管構造体における血中酸素飽和度を監視するのに用いられることを可能にする、本発明の別の態様は、皮膚および周囲の組織内の小血管の血液量と比較して比較的吸光度が高くなる、深部の大血管における比較的大量の血液に関する。この血液量の違いは、周囲の組織内の小血管などの干渉する発色団から発生する信号を効果的に排除するさらなる手段を提供する。

本発明は、非侵襲的な方式で、深部血管構造体における血中酸素飽和度の判定を可能にする。これは、血液を直接採取する必要がなく、また、（血管構造体の近傍の胃腸管内などの）血管構造体の中または血管構造体に隣接して、患者の中にいかなる形態の中心静脈カテーテルまたは他のプローブも挿入する必要がないことを意味する。実際、本発明は、対象の深部血管構造体の上の患者の皮膚に光酸素飽和度測定装置の発光素子および受光素子を配置することによって、都合よく実施可能である。

血中酸素飽和度が判定可能である深部血管構造体は、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈および右心房などの中心静脈血を含む構造体、右心室および（中心および末梢領域の）肺動脈などの混合静脈血を含む構造体、ならびに左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈および大動脈などの中心動脈血を含む構造体を含む。

右心室は、監視に適するいくつかの特徴を有する。第１に、右心室は心臓の拍動性の心室であり、ゆえに、吸光度が心周期とともに変化する。吸光度のピークは、心拡張期（右心室が血液で満たされる心周期の時点）において起こる。この特徴は、表面組織の動脈血および静脈血による、ならびに皮膚および筋肉などの非拍動性の発色団による吸光度を排除する方法を提供する。第２に、心拡張期の終わりの右心室は、心周期のこの時点では約１００〜２００ｍｌの血液を含むので、光をかなり吸収する。これは、（光がやはり透過する）上に載っている組織の血液の量の少なくとも１０倍を超える。次に、右心室の心拡張期における２つの波長の光の相対的な吸光度の比が、右心室における血液の酸素飽和度を導くために使用可能である。

本発明の方法を実行する際には、たとえば、その開示の全体が参照により本明細書に含まれるＪｏｈｎ ＴＢ Ｍｏｙｌｅ著の文献「Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｒｙ」（非特許文献１）^（７）に述べられた装置などのような改造された従来のパルス酸素飽和度測定装置を用いることが可能である。最適に作動させるためには、いくつかの改造を行うことが好ましい。信号を最適化することのできる改造例は、光源を与えるために発光ダイオードではなくレーザを使用すること、発光素子と受光センサとの間の距離を増すこと、信号が対象の深部血管構造体から発生していることを識別するために容積脈波のトレースを用いること、他の干渉する発色団から発生する信号を排除するために容積脈波のトレースを用いること、干渉する発色団の働きをし得る表面の小血管から発生する信号を排除するために、（表面組織の小血管に対して）深部血管構造体の中の比較的大量の血液から発生する信号を用いること、従来の酸素化された血液ではなく、脱酸素化された血液の酸素飽和度の測定の精度を改善するように吸収信号を再較正すること、および、深部血管構造体に達するのに必要とされる光路長を反映するように、光路長を概算するのに使用される公式を変更することを含む。

図１に示すように、本発明において特に有用である装置（１）は、中央処理装置（２）、（容積脈波および／または酸素飽和度の情報を何らかの方式で報告する）表示装置（５）、ならびに、赤色光および赤外光をそれぞれ放出および感知する発光素子（３）および受光素子（４）などの複数の基本構成要素を有する。表示装置（５）は、たとえば、酸素飽和度および容積脈波のトレースの紙のスキャン結果を出すプリンタ、（ブラウン管、プラズマ、液晶などの）テレビタイプの画面、またはさらに、必要な情報の可聴出力を出す装置の形態をとることができる。当然、使用時には、装置（１）の様々な構成要素は、電線（６）もしくは光ファイバーケーブルによって物理的に接続されるか、または従来の無線技術を使用するなどして接続される。中央処理装置（２）は、発光素子（３）および受光素子（４）から発光および受光に関する情報を受信し、中央処理装置（２）は、その情報から、監視されている身体の容積脈波の特性を対象の深部血管構造体の既知の容積脈波の特性と整合させることができ、下記にさらに述べるように、たとえば特定の集合または群の患者に対する対象の特定の構造体における酸素飽和度のための臨床的に導かれた関係式を用いて、中央処理装置（２）に伝送された発光および受光についての情報から酸素飽和度を計算することができる。図２に概略的に示されるように、この容積脈波の特性を理想値に対して整合させること、およびこれについて表示装置（５）を介して操作者にフィードバックを与えることによって、操作者は、（発光素子／受光素子と対象の構造体の中の血液との間で光が透過できる構造体の領域の皮膚上である）対象の構造体の近傍に、発光素子（３）および受光素子（４）を確実に最適な位置に配置することができる。

一実施形態では、一対の遠隔光源から、たとえば患者の右心室の上の皮膚と接触して配置される取付け部品まで、合成されたプローブ光ビームを届けるため（発光素子）に光ファイバーが使用される。取付け部品はまた、内部組織および血液から反射光を集めるため（検出器）に用いられる第２の光ファイバーを含む。光ファイバーは、送出されたビームを導き、好ましい方向に沿って反射光を選択的に集める適切なコリメート用の光学部品を備える。光ファイバーは、様々な患者の形態に適合し、それによって様々な患者の胸部のサイズ、形状、骨格、筋肉および脂肪の含有量の必要条件を満たすように、送出方向および抽出方向が変更できるように、好ましくは調整可能な取付け部を有する。反射光は、スペクトル分析され、光検出器によって電気信号に変換される。最適な結果をもたらすために、最適な光の送出および収集の幾何学的形状、光源および光検出器のタイプが調整可能である。対象の血管構造体以外の源からの信号は、空間的フィルタリング、数学的処理、およびコンピュータ解析アルゴリズムの組み合わせによって除去される。

パルス酸素飽和度測定法では、（約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間であるが、普通は約６４０ｎｍ〜６８０ｎｍ、最も普通には約６６０ｎｍである）赤色帯域の光と、（約７５０ｎｍから約１ｍｍの間であるが、普通は約９００ｎｍから９６０ｎｍの間、しばしば９０５ｎｍ、９１０ｎｍまたは９４０ｎｍである）赤外帯域の光との２つの波長の光が通常使用される。光は、血液中のヘモグロビンによって吸収される。デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）は赤色帯域の光をより多く吸収し、一方、オキシヘモグロビンは赤外帯域の光をより多く吸収する。パルス酸素飽和度測定法では、光がまず組織を介して透過され、次に、透過された（反射された）光の強度が光検出器によって測定される。パルス酸素飽和度測定器は、各波長における吸光度のＡＣ（拍動性）成分を判定し、赤色光および赤外光のＡＣ成分の量が判定され、それが、血液中のオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン分子の濃度を示す。これらの分子の比は、全体的なヘモグロビン酸素飽和度を示す。

本発明の方法の操作原理が、図３にグラフで示される。図３（ａ）から分かるように、血管構造体（この場合は右心室）の相対的な吸光度は、右心室が心拡張期において血液を満たすにつれて上昇する。図３（ｂ）は、血管構造体内の血液がより低い酸素飽和度を有するとき、赤色光の相対的な吸光度がより高いことを示し、図３（ｃ）は、血管構造体内の血液がより低い酸素飽和度を有するとき、赤外光の相対的な吸光度がより低いことを示す。特に心拡張期の右心室の場合、２つ以上の波長の光の吸光度の比が、血管構造体内の血液の酸素飽和度を導くために使用される。図３はまた、右心室に特有である容積脈波の特性を示し、この特性は、右心室から生じる信号と他の血管構造体から生じる信号を区別することによって、発光素子および検出要素を最適な位置に配置するために用いられる。

深部血管構造体内の血中酸素飽和度のレベルを判定するために、本発明の方法のパルス酸素飽和度測定法を使用する場合、パルス酸素飽和度測定法によって判定された深部血管構造体の見かけの酸素飽和度と、分析的な方法によって（たとえば血中酸素分析装置の使用によって）判定された血管内の実際の酸素飽和度との間の関係を判定するために、患者の集団に対して臨床研究が実施可能である。この知識を考慮することで、装置が較正可能であり、特定の患者に対する特定の深部血管の酸素飽和度の正確な数量化を、非侵襲的に得ることができる。適切な較正を判定する際には、対象の深部血管構造体だけでなく、患者の年齢、身長、体重および／または総体的な健康状態も考慮することが有用である。このようにして、依存される関係式は、同様の身長および状態の患者の対象の構造体に対して一定となり得る。

本発明は、ここに、以下の非限定的な実施例を参照してさらに説明される。

［実施例１］
人間の患者の深部血管構造体内の血中酸素飽和度の判定
中心静脈内の血液および右心室または肺動脈内の混合静脈血の酸素飽和度を評価する非侵襲的な方法は、潜在的に不安定な患者および非常に重篤な患者における酸素運搬の適正度を詳細に記録する際に、多大な臨床上の有用性を有するであろう。

従来の研究は、光が人体組織の中へ数センチメートル透過できることを示している^（３）。しかしながら、酸素飽和度測定技術が、深部血管構造体内の血液から酸素飽和度の示度を確実に得るために使用可能であることは、これまで立証されていない。本発明の発明者は、中心静脈血、混合静脈血、および中心動脈血を運ぶ大血管および心室の上の皮膚に光酸素飽和度測定装置を配置することによって、これらのタイプの血液の酸素飽和度を測定する新規な非侵襲的な経皮的方法を研究した。

方法
仰向けになった６人の患者の一連のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）のスキャン結果において皮膚と深部血管構造体との間の距離がセンチメートルで評価された。

結果
皮膚表面とその下の深部血管構造体との間の以下の平均距離（ｃｍ）が、ＣＴスキャンの分析から判定された。
・肺動脈４．３±１．０（平均および標準偏差）
・右心室３．５±０．８
・左心室４．０±１．３
・右心房５．９±１．５
・左腕頭静脈４．０±１．０
・上大静脈６．２±１．５
・右腕頭静脈４．５±１．６
・右腕頭動脈４．８±２．１
・頸動脈および内頸静脈は、皮膚表面から常に３ｃｍ未満であった。

ＣＴスキャン結果の例は、図４から図８に示される。

考察
頸部および胸部の深部血管構造体は、皮膚表面から７ｃｍ未満のところにあることが証明された。

［実施例２］
容積脈波トレースおよび血中酸素飽和度レベルの特性
方法
換気が極めて悪い８人の患者において臨床研究が行われた。すべての患者が、中心静脈カテーテルを上大静脈に配置されていた。本発明による経皮的なパルス酸素飽和度測定法が、内頸静脈、右心室および肺動脈を含む深部血管構造体を通る静脈血の酸素飽和度を評価するために使用された。大動脈および左心室を含む中心動脈構造体内の血液の飽和度も、また評価された。

パルス酸素飽和度測定装置の発光素子および受光素子（Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ社製のパルス酸素飽和度測定装置モジュールに取り付けられたＮｅｌｌｃｏｒ社製のＯｘｉＭａｘ 成人用酸素センサ）が、対象の血管構造体の上の皮膚に２ｃｍから８ｃｍの間隔で配置された。

発明者はまた、得られた容積脈波のトレースが、対象の深部血管構造体から発生する信号と合致するかどうか調査した。深部血管構造体のそれぞれを通る血流の拍動性の性質は、それぞれに特有のある特性を有する。発明者は、容積脈波のトレースがこれらの特性を反映すると仮定した。

容積脈波のトレースおよび血中酸素飽和度が詳細に記録された。合理的な容積脈波のトレースが得られた患者において、酸素飽和度を判定するために、上大静脈血が血液ガス分析装置で分析された。この患者において、容積脈波のトレースの例も得られた。

結果
内頸静脈において、発明者は、研究された８人の患者のうちの５人に、容積脈波のトレースが内頸静脈から発生すると期待される信号と合致すると判断した。これらの５人の患者からの容積脈波のトレースは、中心静脈圧のトレースに特有の「ａ」および「ｖ」波を示した（図９）。酸素飽和度のレベルは低く、中心静脈内の血液に期待されるレベルと合致していた。

信頼性の高い内頸静脈の容積脈波のトレースが得られた５人の患者に対して、上大静脈の中心静脈カテーテルから血液が吸引され、血中ガス飽和度が測定された。パルス酸素飽和度測定装置により判定された酸素飽和度と血中ガスにより判定された酸素飽和度との間の線形の関係が同定された（図１０）。相関係数（Ｒ^２）は０．４であった。

研究された８人の患者のうちの２人において、容積脈波のトレースは右心室から発生する信号と合致していた。心拡張期には信号が上昇し、これは、右心室が心拡張期に血液で満たされることと合致する。心収縮期には信号が下降し、これは、心室から血液が排出されることと合致する（図１１）。したがって、信号は、指の容積脈波のトレースの逆であった。さらに、飽和度のレベルは低く、したがって、混合静脈血から発生する信号と合致した（平均値は４５％であった）。

研究された８人の患者のうちの２人において、容積脈波のトレースは、肺動脈内の血液から発生する信号と合致した。心収縮期の波は、指の心収縮期の波に先行した（中心血管からの信号と合致した）。さらに、重複***が明白であった（図１２）。最後に、酸素飽和度のレベルが低く、したがって、混合静脈血から発生する信号と合致していた（５５％）。

研究された８人の患者のうちの４人において、容積脈波のトレースは、上行大動脈内の血液から発生する信号と合致していた。心収縮期の波は、額の心収縮期の波に先行した（中心動脈からの信号と合致した）。さらに、波形がより狭かった（図１３）。

考察
光は深部血管構造体に到達可能であり、戻ってくる信号が、対象の構造体内の血中酸素飽和度の測定値を得るために使用可能であることが示された。

内頸静脈のパルス酸素飽和度測定法のレベルと上大静脈の血中ガス飽和度のレベルとの間の線形の関係がやはり証明され、較正によって、深部血管構造体内の酸素飽和度の正確な数量化を得ることができることを指摘した。

少なくとも何人かの患者において、容積脈波のトレースの性質が、これらの深部血管構造体を通る血流の時間による変化を反映していた。したがって、トレースの特性は、これらの深部血管構造体のそれぞれに特有であった。したがって、各構造体の容積脈波のトレースの特徴は、信号が該当する深部血管構造体から発生していることを確認するために、（および、それによって発光素子および受光素子を対象の構造体の近傍の最適な位置に置くことができるように）使用可能であり、また、小血管および他の周囲の組織内の発色団などの他の干渉する発色団から発生する信号を排除するためにも使用可能である。
（参考文献）
1 Rivers E, Nguyen B, et al. Early goal-directed therapy in the treatment of severe sepsis and septic shock. N Engl J Med 2001; 345:1368-1377
2 Marx G, Reinhart K. Venous oximetry. Curr Opin Crit Care 2006; 12:263-268
3 Vintzileos AM, Nioka S, et al. Transabdominal fetal pulse oximetry with near-infrared spectroscopy. Am J Obstet Gynecol 2005; 192:129-133
4 Wei W, Zhu Z, et al. A pilot study of continuous transtracheal mixed venous oxygen saturation monitoring. Anesth Analg 2005; 101:440-443, table of contents
5 Margreiter J, Keller C, et al. The feasibility of transesophageal echocardiograph-guided right and left ventricular oximetry in hemodynamically stable patients undergoing coronary artery bypass grafting. Anesth Analg 2002; 94:794-798, table of contents
6 Keller C, Brimacombe J, et al. A pilot study of pharyngeal pulse oximetry with the laryngeal mask airway: a comparison with finger oximetry and arterial saturation measurements in healthy anesthetized patients. Anesth Analg 2000; 90:440-444
7. Pulse Oximetry (Second Edition). John TB Moyle. BMJ Books 2002, BMA House, London.

１ 装置
２ 中央処理装置
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 表示装置
６ 電線

Claims (26)

1. 人間の患者の深部血管構造内における血液の酸素飽和度の非侵襲的な判定の方法において、光酸素飽和度測定装置の発光素子および受光素子を、対象の前記深部血管構造体の近傍の前記患者の皮膚上に配置するステップを含み、前記素子の最適な配置が、前記酸素飽和度測定装置から得られた容積脈波のトレースを対象の前記深部血管構造体の既知の容積脈波の特性に対して整合させることによって達成され、酸素飽和度が、対象の前記血管構造体内の前記血液中のヘモグロビンによって異なる波長で吸収される光の比から判定される方法。
2. 対象の前記深部血管構造体が、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、右心房、右心室、肺動脈、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、および大動脈から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 中心静脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のための請求項１に記載の方法。
4. 対象の前記深部血管構造体が、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈、腕頭静脈、下大静脈、上大静脈、および右心房から選択される、請求項３に記載の方法。
5. 混合静脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のための請求項１に記載の方法。
6. 対象の前記深部血管構造体が右心室および肺動脈から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 中心動脈血の酸素飽和度の非侵襲的な判定のための請求項１に記載の方法。
8. 対象の前記深部血管構造体が、左心房、左心室、頸動脈、椎骨動脈、鎖骨下動脈、腕頭動脈、大腿動脈、および大動脈から選択される、請求項７に記載の方法。
9. 前記発光素子が、赤色波長および赤外波長の両方で発光する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記赤色光が、約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長を有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記赤色光が、約６４０ｎｍから約６８０ｎｍの間の波長を有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記赤色光が約６６０ｎｍの波長を有する、請求項９に記載の方法。
13. 前記赤外光が、約７５０ｎｍから約１ｍｍの間の波長を有する、請求項９に記載の方法。
14. 前記赤外光が、約９００ｎｍから約９６０ｎｍの間の波長を有する、請求項９に記載の方法。
15. 前記赤外光が、約９０５ｎｍ、９１０ｎｍ、または９４０ｎｍの波長を有する、請求項９に記載の方法。
16. 請求項１から１５のいずれか一項の方法に用いられる酸素飽和度測定装置。
17. 全てが使用の際には作動可能に接続される、中央処理装置と、表示装置と、人間の皮膚に対して取り外し可能に当てられるように構成された発光素子および受光素子とを備える酸素飽和度測定装置において、前記発光素子は、赤色波長および赤外波長の両方の光を発するように装備され、前記受光素子は前記光を検出するように構成されており、発光および受光のレベルに関する情報が前記中央処理装置に伝送され、前記中央処理装置は、前記発光素子および受光素子の使用に際して、対象の深部血管構造体の近傍の前記皮膚上の最適な位置に確実に配置するように、発光および受光のレベルに関する前記情報から導かれる容積脈波の特性を、対象の前記深部血管構造体の既知の容積脈波の特性と整合させることができ、前記中央処理装置はまた、発光および受光のレベルに関する前記情報から、対象の前記深部血管構造体内の血中酸素飽和度の測定値を導くことができ、前記測定値が前記表示装置上に提示可能である酸素飽和度測定装置。
18. 対象の前記深部血管構造体の前記容積脈波の特性が、前記表示装置上にやはり提示可能である、請求項１７に記載の酸素飽和度測定装置。
19. 前記作動可能な接続が物理的である、請求項１７または１８に記載の酸素飽和度測定装置。
20. 前記作動可能な接続が無線である、請求項１７または１８に記載の酸素飽和度測定装置。
21. 前記赤色光が、約６２０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長を有する、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記赤色光が、約６４０ｎｍから約６８０ｎｍの間の波長を有する、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記赤色光が、約６６０ｎｍの波長を有する、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記赤外光が、約７５０ｎｍから約１ｍｍの間の波長を有する、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記赤外光が、約９００ｎｍから約９６０ｎｍの間の波長を有する、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記赤外光が、約９０５ｎｍ、９１０ｎｍ、または９４０ｎｍの波長を有する、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法。