JP2017181211A - Optical transcutaneous oxygen sensor and transcutaneous oxygen concentration measurement device having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、血液中から生体組織を経て拡散する酸素を皮膚表面で測定する光学的経皮酸素センサ及びこれを用いた経皮酸素濃度測定装置に関する。 The present invention relates to an optical transcutaneous oxygen sensor for measuring oxygen diffused from blood through living tissue on the skin surface and a transcutaneous oxygen concentration measuring apparatus using the same.
血液中の酸素濃度は、患者の健康状態を判断する重要な指標の一つとなる。血液中の酸素濃度を測定する方法の一つとして、患者から血液を採取して酸素濃度を測定する方法があるが、連続的に測定することができず、また、患者に採血の苦痛を伴う。この問題を解決するために、血液中の酸素や二酸化炭素が毛細血管から皮膚組織を経て拡散されることを利用して経皮的に血液中の酸素濃度を測定する様々なタイプの経皮酸素センサが提案されている。 The oxygen concentration in the blood is one of the important indicators for judging the health condition of the patient. One method of measuring oxygen concentration in blood is to collect blood from a patient and measure the oxygen concentration, but it cannot be measured continuously, and the patient suffers from blood sampling pain . To solve this problem, various types of transcutaneous oxygen are used to measure the oxygen concentration in the blood transcutaneously using the diffusion of oxygen and carbon dioxide in the blood from the capillaries through the skin tissue. Sensors have been proposed.
このような経皮酸素センサの一つとして、特許文献1は、皮膚に付着させて電気化学的にガス分圧を測定する経皮ガス分圧測定器用センサを提案している。特許文献1に記載のようなタイプの電気化学的経皮酸素センサでは、皮膚に当接するガス透過性のメンブレンと電極との間に電解液が充満されており、皮膚から発散されメンブレンを透過した酸素を電解液に溶け込ませ、溶け込んだ酸素による電極での電解還元により発生した電流を検出して酸素の分圧を測定する。 As one such transcutaneous oxygen sensor, Patent Document 1 proposes a sensor for a transcutaneous gas partial pressure measuring instrument that is attached to the skin and electrochemically measures the gas partial pressure. In the electrochemical transcutaneous oxygen sensor of the type described in Patent Document 1, the electrolyte is filled between the gas-permeable membrane that contacts the skin and the electrode, and the membrane is emitted from the skin and penetrates the membrane. Oxygen is dissolved in the electrolyte, and the partial pressure of oxygen is measured by detecting the current generated by the electrolytic reduction at the electrode by the dissolved oxygen.
しかしながら、このように電極と電解液を使用するタイプの電気化学的経皮酸素センサは、構造上小型化が困難であるという問題や電気分解により測定の過程で酸素を消費してしまうという問題がある。 However, the type of electrochemical transcutaneous oxygen sensor that uses an electrode and an electrolyte as described above has a problem that it is difficult to downsize due to its structure and a problem that oxygen is consumed in the measurement process due to electrolysis. is there.
このため、近年、光励起物質の発光強度が光励起物質と酸素との消光反応により変化することを利用して酸素分圧を測定するタイプの光学的経皮酸素センサが注目されている。例えば、特許文献2は、透明板に蛍光物質を塗布して形成した蛍光層を基体の前面に着脱自在に取り付けた経皮酸素センサを提案している。特許文献2に記載の経皮酸素センサは、蛍光物質を塗布した側を皮膚へ向けて装着され、透明板側から蛍光物質に励起光を照射したときの蛍光強度が、酸素と蛍光物質との消光反応により変化することを利用して、酸素分圧を測定する。 Therefore, in recent years, attention has been paid to an optical transcutaneous oxygen sensor that measures the partial pressure of oxygen by utilizing the fact that the emission intensity of the photoexcited substance changes due to the quenching reaction between the photoexcited substance and oxygen. For example, Patent Document 2 proposes a transcutaneous oxygen sensor in which a fluorescent layer formed by applying a fluorescent material to a transparent plate is detachably attached to the front surface of a substrate. The transcutaneous oxygen sensor described in Patent Document 2 is mounted with the fluorescent material-coated side facing the skin, and the fluorescence intensity when the fluorescent material is irradiated with excitation light from the transparent plate side is determined by the relationship between oxygen and the fluorescent material. The oxygen partial pressure is measured by utilizing the change caused by the quenching reaction.
しかしながら、基体や透明板が硬いために、経皮酸素センサを皮膚に密着して固定することが難しく、皮膚から拡散される酸素が外部に漏れ出てしまい、正確に酸素分圧を測定できない恐れがある。 However, since the substrate and the transparent plate are hard, it is difficult to fix the percutaneous oxygen sensor in close contact with the skin, and oxygen diffused from the skin may leak out and the oxygen partial pressure may not be measured accurately. There is.
よって、本発明の目的は、従来技術に存する課題を解決して、皮膚への密着固定が容易な光学的経皮酸素センサ及びこれを用いた経皮酸素濃度測定装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems existing in the prior art and provide an optical transcutaneous oxygen sensor that can be easily adhered and fixed to the skin, and a transdermal oxygen concentration measuring apparatus using the same.
上記目的に鑑み、本発明は、第1の態様として、血液中から生体組織を経て拡散する酸素を皮膚表面で測定する光学的経皮酸素センサであって、ガス不透過性の透明な樹脂フィルムと、励起状態下で発光し酸素濃度に応じて発光強度を変化させる色素化合物を含有する透明なポリマ体とを備え、前記樹脂フィルムの一方の表面に前記ポリマ体が固着され、前記表面における前記ポリマ体の周囲に粘着剤が塗布されているようにした光学的経皮酸素センサを提供する。 In view of the above object, the present invention provides, as a first aspect, an optical transcutaneous oxygen sensor for measuring oxygen diffused from blood through biological tissue on the skin surface, which is a gas-impermeable transparent resin film. And a transparent polymer body containing a dye compound that emits light in an excited state and changes emission intensity according to the oxygen concentration, the polymer body is fixed to one surface of the resin film, Provided is an optical transcutaneous oxygen sensor in which an adhesive is applied around a polymer body.
上記光学的経皮酸素センサでは、皮膚表面の形状に追従することが容易な透明樹脂フィルム上に、色素化合物を含有するポリマ体が固着されており、ポリマ体が固着された側の樹脂フィルムの面に粘着剤が塗布されているので、ポリマ体を皮膚側へ向けた状態で皮膚表面に密着して樹脂フィルムを貼り付けることができる。また、樹脂フィルムがガス不透過性であるので、樹脂フィルムが皮膚に密着した状態では皮膚から拡散される酸素が外部に漏れだすこととが防止され、皮膚と樹脂フィルムとの間の空間中の酸素分圧が血管中の酸素分圧と平衡状態になる。したがって、血管中の酸素と平衡状態になった皮膚と樹脂フィルムとの間の空間内に存在する酸素による消光反応が起きて、励起光が色素化合物に照射されたときの色素化合物の発光強度(例えばリン光の強度)が血管中の酸素分圧に応じて変化し、発光強度に基づいて血管中の酸素分圧を正確に測定することが可能となる。 In the optical transcutaneous oxygen sensor, a polymer body containing a pigment compound is fixed on a transparent resin film that can easily follow the shape of the skin surface, and the resin film on the side on which the polymer body is fixed is fixed. Since the adhesive is applied to the surface, the resin film can be adhered to the skin surface in a state where the polymer body is directed to the skin side. In addition, since the resin film is gas-impermeable, oxygen diffused from the skin is prevented from leaking to the outside when the resin film is in close contact with the skin, and in the space between the skin and the resin film. The oxygen partial pressure is in equilibrium with the oxygen partial pressure in the blood vessel. Therefore, the quenching reaction due to oxygen existing in the space between the skin and the resin film in equilibrium with oxygen in the blood vessel occurs, and the emission intensity of the dye compound when the excitation light is irradiated to the dye compound ( For example, the intensity of phosphorescence changes according to the oxygen partial pressure in the blood vessel, and the oxygen partial pressure in the blood vessel can be accurately measured based on the emission intensity.
上記光学的経皮酸素センサでは、前記ポリマ体がフィルム形状であることが好ましい。ポリマ体がフィルム形状であれば、経皮酸素センサを皮膚に貼り付けたときの違和感が軽減される。 In the optical transcutaneous oxygen sensor, the polymer body is preferably in the form of a film. If the polymer body is a film shape, the uncomfortable feeling when the transcutaneous oxygen sensor is attached to the skin is reduced.
また、前記ポリマ体が前記樹脂フィルムよりも酸素透過度が高い樹脂材料から形成されていることが好ましい。ポリマ体の酸素透過度が高ければ、ポリマ体に含有される色素化合物が酸素による消光反応を起こしやすくなり、酸素分圧の検出感度が向上する。 Moreover, it is preferable that the said polymer body is formed from the resin material whose oxygen permeability is higher than the said resin film. If the oxygen permeability of the polymer body is high, the dye compound contained in the polymer body tends to cause a quenching reaction due to oxygen, and the detection sensitivity of the oxygen partial pressure is improved.
一つの実施形態では、前記色素化合物が白金(II)−オクタエチルポルフィリン、白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリン又は白金(II)−テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリンである。 In one embodiment, the dye compound is platinum (II) -octaethylporphyrin, platinum (II) -tetrakiscarboxyphenylporphyrin, or platinum (II) -tetrakispentafluorophenylporphyrin.
さらに、前記色素化合物が励起状態でリン光を発するリン光化合物であり、前記ポリマ体が、励起状態下で蛍光を発する蛍光化合物をさらに含有することが好ましい。蛍光化合物の蛍光強度は酸素の消光作用の影響を受けにくく、酸素濃度によりほとんど変化しないことから、蛍光化合物からの蛍光強度とリン光化合物からのリン光強度との比を測定することにより、測定光学系の影響を受けることなく、正確な酸素分圧の測定が可能となる。 Furthermore, it is preferable that the dye compound is a phosphorescent compound that emits phosphorescence in an excited state, and the polymer body further contains a fluorescent compound that emits fluorescence in the excited state. The fluorescence intensity of a fluorescent compound is not easily affected by the quenching action of oxygen, and hardly changes depending on the oxygen concentration. Therefore, it is measured by measuring the ratio of the fluorescence intensity from the fluorescent compound to the phosphorescence intensity from the phosphorescent compound. Accurate oxygen partial pressure can be measured without being affected by the optical system.
前記蛍光化合物は、例えばクマリンとすることができる。 The fluorescent compound can be, for example, coumarin.
また、前記樹脂フィルムは、延伸高密度ポリエチレンから形成することができる。 The resin film can be formed from stretched high-density polyethylene.
また、本発明は、第2の態様として、患者の皮膚に貼り付けられる上記経皮酸素センサと、前記経皮酸素センサに励起光を照射する励起光源と、前記励起光源によって照射された前記光学的経皮酸素センサからの発光強度を測定する発光強度測定器とを備え、前記発光強度測定器によって測定された発光強度に基づいて、血管中の酸素の濃度が求められる経皮酸素濃度測定装置を提供する。 Further, the present invention provides, as a second aspect, the transdermal oxygen sensor attached to the skin of a patient, an excitation light source that irradiates the transdermal oxygen sensor with excitation light, and the optical that is irradiated by the excitation light source. A transcutaneous oxygen concentration measuring device for measuring the oxygen concentration in a blood vessel based on the light emission intensity measured by the light emission intensity measuring device I will provide a.
前記色素化合物が励起状態でリン光を発するリン光化合物であり、前記光学的経皮酸素センサの前記ポリマ体が、励起状態下で蛍光を発する蛍光化合物をさらに含有し、前記発光強度測定器がリン光と同時に蛍光も測定し、前記経皮酸素濃度測定装置が、測定された蛍光の強度に対するリン光の強度の比に基づいて、血管中の酸素濃度が求められることが好ましい。 The dye compound is a phosphorescent compound that emits phosphorescence in an excited state, and the polymer body of the optical transcutaneous oxygen sensor further contains a fluorescent compound that emits fluorescence in the excited state, and the emission intensity measuring device includes It is preferable that fluorescence is measured simultaneously with phosphorescence, and the transcutaneous oxygen concentration measuring device determines the oxygen concentration in the blood vessel based on the ratio of the phosphorescence intensity to the measured fluorescence intensity.
さらに、前記発光強度測定器が分光計及び光計測プローブによって構成されており、前記光計測プローブを通して前記励起光源から前記光学的経皮酸素センサに励起光を照射し、前記光計測プローブを通して、前記光学的経皮酸素センサから発せられた蛍光及びリン光を前記分光計に導くようにすることが好ましい。 Further, the emission intensity measuring device is constituted by a spectrometer and an optical measurement probe, irradiates the optical transdermal oxygen sensor from the excitation light source through the optical measurement probe, passes through the optical measurement probe, and Preferably, fluorescence and phosphorescence emitted from an optical transcutaneous oxygen sensor are directed to the spectrometer.
本発明の光学的経皮酸素センサ及びこれを用いた経皮酸素濃度測定装置によれば、光学的経皮酸素センサを皮膚に密着して貼り付けることが容易で、血管中の酸素分圧又は酸素濃度を正確に測定することが可能となる。また、光学的経皮酸素センサを皮膚に貼り付けている間も皮膚への違和感が少なく、患者の負担も少なくなる。 According to the optical transcutaneous oxygen sensor and the transcutaneous oxygen concentration measuring apparatus using the same according to the present invention, it is easy to attach the optical transcutaneous oxygen sensor in close contact with the skin. It becomes possible to accurately measure the oxygen concentration. In addition, while the optical transcutaneous oxygen sensor is attached to the skin, there is less discomfort to the skin, and the burden on the patient is reduced.
以下、図面を参照して、本発明による光学的経皮酸素センサ及びこれを用いた経皮酸素濃度測定装置の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of an optical transcutaneous oxygen sensor and a transcutaneous oxygen concentration measuring apparatus using the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
最初に、図1を参照して、光学的経皮酸素センサ(以下、単に経皮酸素センサと記載する。)11の全体構成を説明する。経皮酸素センサ11は、樹脂フィルム13と、ポリマ体15とを備え、ポリマ体15が、励起状態下で発光する測定用色素化合物17を含有している。
First, the overall configuration of an optical transcutaneous oxygen sensor (hereinafter simply referred to as a transcutaneous oxygen sensor) 11 will be described with reference to FIG. The
樹脂フィルム13は、ガス不透過性で且つ励起光を透過できる透明な樹脂フィルムであり、特に酸素不透過性であることが好ましい。樹脂フィルム13は、例えば、延伸高密度ポリエチレンやポリビニールフルオライド、ポリエチレンテレフタレート、延伸高密度ポリエチレンなどから形成することができる。樹脂フィルム13の厚さは、ガス不透過性を確保できれば材質に応じて適宜の厚さとすることができるが、体表の形状に追従しやすくするべく柔軟性を確保するために薄いことが好ましい。また、樹脂フィルム13の形状は皮膚に貼り付けることができれば適宜に選択することができる。
The
ポリマ体15は、樹脂フィルム13の一方の表面に固着されており、その表面における少なくともポリマ体15の周囲には粘着剤19が塗布されている。このように樹脂フィルム13の表面に粘着剤19を塗布することによって、ポリマ体15を患者の皮膚へ向けた状態で樹脂フィルム13を患者の皮膚に貼り付けることが可能となる。樹脂フィルム13へのポリマ体15の固着は適宜の方法で行うことができ、例えば、接着剤(図示せず)を用いてポリマ体15を樹脂フィルム13の表面に固着させることができる。
The
ポリマ体15は、酸素透過性を有し且つ励起光を透過できる透明な樹脂材料から形成されており、少なくとも樹脂フィルム13よりも酸素透過度が高い樹脂材料から形成されていることが好ましい。ポリマ体15は、例えば、ポリスチレン、低密度ポリエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレートなどから形成することができる。ポリマ体15は、測定用色素化合物17を担持する機能を果たすものであり、ポリマ体15の材質は、測定用色素化合物17の発光強度が酸素分圧比20%付近で大きく変化するように測定用色素化合物17の種類に合せて選択されることが好ましい。ポリマ体15は、任意の形状とすることができるが、皮膚に貼り付けたときの違和感を軽減させるために、図1に示されているように、フィルム形状とすることが好ましい。
The
ポリマ体15に含有される測定用色素化合物17は、励起光を照射されて光励起状態になると発光し周囲の酸素濃度に応じて発光強度を変化させる酸素応答性の発光化合物であり、特に励起状態になったときにリン光を発するリン光化合物であることが好ましい。測定用色素化合物17としては、ポルフィリン及びポルフィリン類縁体を用いることができ、特に、リン光の量子収率が高く、リン光寿命が長くて酸素による消光作用の影響を受けやすいことから白金(II)−オクタエチルポルフィリン(Pt−OEP)、白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリン(Pt−TCPP)、又は白金(II)−テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン(Pt−TFPP)が好ましい。
The
ポリマ体15は、補正用色素化合物21として、励起光を照射されて光励起状態になったときに蛍光を発する蛍光化合物をさらに含有していてもよい。補正用色素化合物21は、特に限定されるものではなく、クマリン類、フルオレセイン類、ローダミン類、シアニン類、ピレン類などの蛍光化合物から、励起波長と蛍光波長とに基づいて選択され得る。使用される測定用色素化合物17からの発光と異なる波長の蛍光を発する蛍光化合物を使用することが好ましい。例えば、測定用色素化合物17として白金(II)−オクタエチルポルフィリン、白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリン、又は白金(II)−テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリンを用い、波長405nnmの青色の励起光を発する励起光源を用いる場合、測定用色素化合物17から発せられるリン光の極大発光波長は650nm付近で赤色となることから、青色など赤色以外の蛍光を発する蛍光化合物を補正用色素化合物21として使用することが好ましい。
The
次に、図2を参照して、図1に示される経皮酸素センサ11を用いて測定した経皮酸素分圧から血管中の酸素濃度を測定するための経皮酸素濃度測定装置31の全体構成を説明する。経皮酸素濃度測定装置31は、図1に示されている経皮酸素センサ11と、励起光源33と、発光強度測定器35と、演算装置37とを備え、粘着剤を塗布された樹脂フィルム13の面を患者の皮膚側へ向けて患者の皮膚39に貼り付けられた経皮酸素センサ11からの発光の強度に基づいて、酸素分圧を測定し、血管中の酸素濃度を求める。
Next, referring to FIG. 2, the entire transcutaneous oxygen
励起光源33は、経皮酸素センサ11の測定用色素化合物17を励起状態にさせる波長の励起光を発し、経皮酸素センサ11に照射する。励起光源33としては、市販されるLED光源を使用することができる。色素化合物17として、白金(II)−オクタエチルポルフィリン、白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリン、又は白金(II)−テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリンを用いる場合、励起光源33として、例えば発光波長405nmのLED光源を用いることができる。
The
発光強度測定器35は、励起光源33から経皮酸素センサ11に励起光を照射したときに経皮酸素センサ11の測定用色素化合物17から発せられる光の強度から酸素分圧又は酸素濃度を測定し、測定された酸素分圧又は酸素濃度に基づいてさらに血管中の酸素濃度を求める。図1に示されている実施形態では、発光強度測定器35は、光計測プローブ41と、分光計43とによって構成されており、経皮酸素センサ11からのリン光強度を測定できるようになっている。経皮酸素センサ11のポリマ体15に補正用色素化合物21が含まれているときには、発光強度測定器35は、測定用色素化合物17からのリン光と共に補正用色素化合物21からの蛍光も測定する。光計測プローブ41は、励起光源33からの励起光を通す光源用ファイバ41aと反射光を通すための測定用ファイバ41bとを備えており、励起光源33からの励起光を光源用ファイバ41aを通して経皮酸素センサ11に照射し、経皮酸素センサ11からの発光を測定用ファイバ41bを通して分光計43に導くことができる。分光計43は、光計測プローブ41を通して導かれた測定光のスペクトル分析を行い、測定用色素化合物17からのリン光に相当する波長付近の極大ピーク波長の強度をリン光強度として測定する。また、経皮酸素センサ11のポリマ体15に補正用色素化合物21が含まれているときには、分光計43は、リン光強度と共に、補正用色素化合物21からの蛍光に相当する波長付近の極大ピーク波長の強度を蛍光強度として測定する。
The emission
なお、本実施形態では、経皮酸素センサ11の測定用色素化合物17からリン光が生じる場合を説明しているが、測定用色素化合物17からリン光以外の光が発せられる場合でも、励起光や蛍光に相当する波長以外の極大波長ピークの発光強度を測定すればよい。
In this embodiment, the case where phosphorescence is generated from the
演算装置37は、発光強度測定装置35によって測定された測定用色素化合物17からの発光の強度から酸素分圧を求め、求められた酸素分圧から血管中の酸素濃度を推測する。経皮酸素センサ11のポリマ体15に補正用色素化合物21が含まれている場合には、演算装置37は、測定用色素化合物17からの発光の強度と補正用色素化合物21からの発光の強度との比から、酸素分圧を求め、血管中の酸素濃度を推測する。本実施形態では、演算装置37は、測定用色素化合物17からのリン光の強度と補正用色素化合物21からの蛍光の強度との比から、酸素分圧を求め、求められた酸素分圧から血管中の酸素濃度を推測する。
The arithmetic unit 37 obtains the oxygen partial pressure from the intensity of light emitted from the measuring
ここで、図3を参照して、本発明の経皮酸素濃度測定測定装置31の測定原理を説明する。基底状態にある測定用色素化合物17や補正用色素化合物21が励起光によって光励起されると、励起一重項状態に遷移する。励起一重項状態の測定用色素化合物17や補正用色素化合物21は、熱の放出による無放射遷移又は光の放出による放射遷移で基底状態に戻り、この放射遷移の際に放出される光が蛍光であり、その寿命は10−7〜10−10秒と、非常に短い。一般的に励起一重項状態の色素化合物は酸素分子と反応しないため、消光されない場合が多い。また、励起一重項状態にある色素化合物の一部は系間交差により励起三重項状態となり、励起三重項状態から基底状態へ放射遷移するときに放出される光がリン光である。このときの放射遷移は禁制遷移であるため、その確率は低く、リン光寿命は10−5〜10秒と、蛍光寿命よりも長い。励起三重項状態の色素化合物から酸素分子へはエネルギ移動が起こりやすいため、リン光は酸素分子との反応(消光反応)により容易に消光され、リン光強度は酸素分子の存在により減少する。このときのリン光強度は以下のStern−Volmerの式(1)に従うことが知られている。
I0/I=1+KSV[O2] (1)
ここで、I0とIはそれぞれ酸素非存在時と酸素存在時におけるリン光強度、KSVはStern−Volmer定数、[O2]は酸素濃度である。したがって、リン光強度を測定することによって酸素濃度すなわち大気圧下での酸素分圧を求めることができる。一方、血管中の酸素は、毛細血管の血液中から皮膚組織を含む生体組織を経て体外へ拡散する。したがって、皮膚表面で生体組織を経て拡散する酸素の濃度すなわち大気圧下での酸素分圧を測定すれば、血管壁の酸素透過率や生体組織による酸素消費を考慮して、測定した酸素濃度又は酸素分圧から血管中の酸素濃度が求められる。
Here, with reference to FIG. 3, the measurement principle of the transdermal oxygen concentration measurement and
I 0 / I = 1 + K SV [O 2 ] (1)
Here, I 0 and I are phosphorescence intensities in the absence and presence of oxygen, K SV is the Stern-Volmer constant, and [O 2 ] is the oxygen concentration. Therefore, by measuring the phosphorescence intensity, the oxygen concentration, that is, the oxygen partial pressure under atmospheric pressure can be obtained. On the other hand, oxygen in blood vessels diffuses from the blood of capillaries through living tissues including skin tissues to the outside of the body. Therefore, if the concentration of oxygen diffused through the biological tissue on the skin surface, that is, the partial pressure of oxygen under atmospheric pressure is measured, the measured oxygen concentration or The oxygen concentration in the blood vessel is obtained from the oxygen partial pressure.
本発明による経皮酸素センサ11を利用した経皮酸素濃度測定装置31では、患者の皮膚に経皮酸素センサ11を貼り付けて酸素濃度すなわち大気圧下での酸素分圧を測定するとき、ガス不透過性の樹脂フィルム13と皮膚表面との間の空間では酸素分圧が毛細血管中の酸素分圧と平衡に達することを利用して、大気圧と等しくなっている樹脂フィルム13と皮膚表面との間の空間における酸素分圧を経皮酸素センサ11からのリン光の強度から上記原理に従って測定し、測定された酸素分圧から血管中の酸素濃度を求める。
In the transcutaneous oxygen
次に、酸素濃度測定装置31を用いた経皮酸素分圧及び血管中の酸素濃度の測定手順を説明する。以下、ガス不透過性の透明樹脂フィルム13として延伸ポリエチレンフィルムを、ポリマ体15としてポリ酢酸ビニルを、測定用色素化合物17として白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリン(Pt−TCPP)を、補正用色素化合物21としてクマリンを採用した経皮酸素センサ11と、波長405nmの励起光を生ずる励起光源33とを備える酸素濃度測定装置31を用いた実施例を参照して説明する。なお、測定用色素化合物17及び補正用色素化合物21を含有するポリマー体15のフィルムは、メタノールに溶解した5.7×10−4mol/LのPt−TCPP8μLと5.9×10−4mol/Lのクマリン3μLをポリ酢酸ビニルの重量濃度10%のアセトン溶液60μLに混合したものを10μLずつポリプロピレンフィルム上に滴下し、乾燥させたものをポリプロピレンフィルムから剥がすことにより作製した。
Next, a procedure for measuring the transdermal oxygen partial pressure and the oxygen concentration in the blood vessel using the oxygen
まず、測定に先立ち、酸素分圧を変えながら、発光強度測定器35を用いて経皮酸素センサ11から発せられるリン光の強度を測定し、酸素分圧と経皮酸素センサ11から発せられるリン光の強度との相関関係を予め求めておく。
First, prior to the measurement, the intensity of phosphorescence emitted from the
図4は、本実施例の経皮酸素センサ11について、波長405nmの励起光を用いたときの酸素分圧とリン光強度との相関関係を示すグラフである。また、図5は、図4の結果に基づいたStern−Volmerプロットを示すグラフである。さらに、図6は、経皮酸素センサ11について、波長405nmの励起光を用いたときの酸素分圧とリン光強度に対する蛍光強度との相関関係を示すグラフである。測定は、サンプルチャンバ内に経皮酸素センサ11を配置して、サンプルチャンバ内の酸素分圧を変化させ、励起光源33(LED光源)から経皮酸素センサ11に波長405nm励起光を照射したときの経皮酸素センサ11からの反射光を光計測プローブ41を用いて分光計43に導き、測定用色素化合物17からのリン光に相当する波長付近における極大ピーク波長の強度と補正用色素化合物21からの蛍光に相当する波長付近における極大ピーク波長の強度を求めることにより行った。図5から、Stern−Volmerプロット曲線に沿った相関関係を有しており、経皮酸素センサ11が酸素を消光剤として反応していることが分かる。
FIG. 4 is a graph showing the correlation between oxygen partial pressure and phosphorescence intensity when using excitation light with a wavelength of 405 nm for the
測定の際には、最初に、粘着剤19が塗布され且つポリマ体15が固着された樹脂フィルム13の面を患者の皮膚39側へ向けて経皮酸素センサ11を患者の皮膚39へ貼り付ける。このとき、経皮酸素センサ11を貼り付けた部分の皮膚を加温して所定温度に到達させることが好ましい。測定用色素化合物17及び補正用色素化合物21が含有されるポリマ体15はガス不透過性の樹脂フィルム13に固着されており、樹脂フィルム13は患者の体表面の形状に容易に追従して変形し、皮膚に密着して貼り付けられる。したがって、ガス不透過性の樹脂フィルム13と皮膚との間に密閉された空間を形成することができ、当該空間中の酸素分圧が血管中の酸素分圧と平衡状態になる。
In measurement, first, the
次に、励起光源33から光計測プローブ41の光源用ファイバ41aを通して励起光を経皮酸素センサ11のポリマ体15に照射し、ポリマ体15からの光(以下、反射光と記載する。)を発光強度測定装置35の光計測プローブ41の測定用ファイバ41bを通して発光強度測定装置35の分光計43に導く。励起光により励起状態になった測定用色素化合物17はリン光を発し、励起光により励起状態になった補正用色素化合物21からは蛍光を発する。したがって、反射光中には、励起光の反射成分とポリマ体15中の測定用色素17からのリン光と補正用色素化合物21からの蛍光とが含まれる。
Next, the excitation light is irradiated onto the
分光計43は、反射光のスペクトル分析を行い、測定用色素化合物17からのリン光に相当する波長付近の極大ピーク波長の強度をリン光強度として測定すると共に、補正用色素化合物21からの蛍光に相当する波長付近の極大ピーク波長の強度を蛍光強度として測定する。
The
図7は、実施例の経皮酸素センサ11を使用し且つ波長405nmの励起光を用いたときの経皮酸素センサ11からの発光スペクトルを示すグラフである。図7中矢印Aで示されているピークは励起光の波長、矢印Bで示されているピークは補正用色素化合物21からの蛍光の波長、矢印Cで示されているピークは測定用色素化合物17からのリン光の波長であり、矢印Bで示されているピークの波長の強度が蛍光強度として、矢印Cで示されているピークの波長の強度がリン光強度として測定される。
FIG. 7 is a graph showing an emission spectrum from the
次に、演算装置37は、予め求められている、酸素分圧と経皮酸素センサ11から発せられるリン光の強度との相関関係(図4参照)又はStern−Volmerプロット曲線(図5参照)を用いて、発光強度測定装置35の分光計43によって測定されたリン光強度から酸素分圧を求め、求められた酸素分圧から血管中の酸素濃度を推定する。
Next, the arithmetic unit 37 obtains a correlation between the oxygen partial pressure and the intensity of phosphorescence emitted from the transcutaneous oxygen sensor 11 (see FIG. 4) or a Stern-Volmer plot curve (see FIG. 5). The oxygen partial pressure is obtained from the phosphorescence intensity measured by the
演算装置37は、図6に示されている、酸素分圧と経皮酸素センサからのリン光の強度に対する蛍光の強度の比との相関関係を用いて、発光強度測定装置35の分光計43によって測定された蛍光強度とリン光強度の比から酸素分圧を求め、求められた酸素分圧から血管中の酸素濃度を推定してもよい。発光強度測定装置35によって測定されるリン光強度は、励起光の照射角度などによって変化する励起光の強度や光計測プローブ41の向きなどによって変化するリン光の検出効率の影響を受ける。リン光強度が酸素の存在の影響を受けるのに対して蛍光強度は酸素の存在の影響をほとんど受けないことを利用して、リン光強度と同じように測定条件の影響を受ける蛍光強度によりリン光強度を補正し、酸素分圧と経皮酸素センサからのリン光の強度に対する蛍光の強度の比に基づいて酸素分圧を求めることにより、上述した励起光の強度やリン光の検出効率などの影響を抑制し、より正確な酸素分圧を求めることが可能となる。
The computing device 37 uses the correlation between the partial pressure of oxygen and the ratio of the fluorescence intensity to the phosphorescence intensity from the transcutaneous oxygen sensor shown in FIG. The oxygen partial pressure may be obtained from the ratio of the fluorescence intensity and the phosphorescence intensity measured by the above, and the oxygen concentration in the blood vessel may be estimated from the obtained oxygen partial pressure. The phosphorescence intensity measured by the emission
経皮酸素センサ11では、測定に利用される測定用色素化合物17や補正用色素化合物21を含有するポリマ体15が樹脂フィルム13に固着され、固着されている樹脂フィルム13の面におけるポリマ体15の周囲に粘着剤が塗布されている。したがって、経皮酸素センサ11によれば、樹脂フィルム13は体表の形状に追従して柔軟に変形し、皮膚に密着固定されると共に、皮膚と樹脂フィルム13との間に血管の酸素分圧と平衡させるための密閉された空間を形成することができる。また、経皮酸素センサ11を用いた経皮酸素濃度測定装置31によれば、経皮酸素センサ11を用いて血管中の酸素分圧と相関する皮膚表面の酸素分圧を光学的に測定でき、皮膚表面の酸素分圧から血管中の酸素濃度を求めることができるので、血管中の血液を採取することなく、血管中の酸素濃度を測定することができる。
In the
以上、図示されている実施形態を参照して、本発明による経皮酸素センサ11及びこれを用いた経皮酸素濃度測定装置31を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図示されている実施形態では、スペクトル分析によりリン光強度を測定しているが、励起光の波長が測定用色素化合物からのリン光の波長と大きく異なるように励起光源が選択されていれば、波長による色の差を利用して、反射光をCCDカメラ等で撮影し、画像解析で反射光の色の変化を検出して視覚的にリン光強度を測定することも可能である。図示されている実施形態と同様に、波長405nmの励起光を用い、経皮酸素センサ11の測定用色素化合物17として白金(II)−テトラキスカルボキシフェニルポルフィリンを用いる場合、励起光は青色となり、測定用色素化合物17からのリン光は赤色となるので、画像解析などによりリン光強度を視覚的に測定することが可能である。
As described above, the
11 光学的経皮酸素センサ
13 樹脂フィルム
15 ポリマ体
17 測定用色素化合物
19 粘着剤
21 補正用色素化合物
31 経皮酸素濃度測定装置
33 励起光源
35 発光強度測定装置
41 光計測プローブ
43 分光計
DESCRIPTION OF
Claims (10)
ガス不透過性の透明な樹脂フィルムと、
励起状態下で発光し酸素濃度に応じて発光強度を変化させる色素化合物を含有する透明なポリマ体と、
を備え、前記樹脂フィルムの一方の表面に前記ポリマ体が固着され、前記表面における前記ポリマ体の周囲に粘着剤が塗布されていることを特徴とする光学的経皮酸素センサ。 An optical transcutaneous oxygen sensor that measures oxygen diffused from blood through living tissue on the skin surface,
A gas impermeable transparent resin film,
A transparent polymer body containing a dye compound that emits light in an excited state and changes emission intensity according to the oxygen concentration;
An optical transcutaneous oxygen sensor, wherein the polymer body is fixed to one surface of the resin film, and an adhesive is applied around the polymer body on the surface.
前記光学的経皮酸素センサに励起光を照射する励起光源と、
前記励起光源によって照射された前記光学的経皮酸素センサからの発光強度を測定する発光強度測定器と、
を備え、前記発光強度測定器によって測定された発光強度に基づいて、血管中の酸素の濃度が求められることを特徴とする経皮酸素濃度測定装置。 The optical transcutaneous oxygen sensor according to any one of claims 1 to 4, which is attached to a patient's skin;
An excitation light source for irradiating the optical transcutaneous oxygen sensor with excitation light;
A light emission intensity measuring device for measuring light emission intensity from the optical transcutaneous oxygen sensor irradiated by the excitation light source;
A transcutaneous oxygen concentration measuring device, characterized in that the oxygen concentration in the blood vessel is obtained based on the luminescence intensity measured by the luminescence intensity measuring device.
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