JP2822227B2 - Muscle oxygen metabolism measurement device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光を用いて筋肉の酸素代謝を無侵襲で計測す
る装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for non-invasively measuring muscle oxygen metabolism using light.
（従来の技術） 生体の情報を得る方法として、一定運動負荷を与えた
ときの血圧、心拍数、心電図、酸素摂取量などをモニタ
することにより呼吸系や循環系の情報を得る装置が開発
されている。また、筋力を測定する装置も各種製品化さ
れている。(Prior Art) As a method for obtaining information on a living body, a device for obtaining information on the respiratory system and the circulatory system by monitoring blood pressure, heart rate, electrocardiogram, oxygen intake, and the like when a constant exercise load is applied has been developed. ing. Various devices for measuring muscle strength have also been commercialized.
しかしながら、筋肉の血液酸素代謝を直接測定する方
法及びそのための装置は開発されていない。However, a method and apparatus for directly measuring blood oxygen metabolism in muscle have not been developed.
（発明が解決しようとする課題） 本発明者は先に近赤外領域の特定波長の光を用いて生
体血液中のヘモグロビン量の変動を直接測定する方法と
その装置を提案している（特願昭63−248833号）。(Problem to be Solved by the Invention) The present inventor has previously proposed a method and a device for directly measuring the fluctuation of the amount of hemoglobin in living blood using light of a specific wavelength in the near-infrared region. No. 63-248833).
そこで、本発明は本発明者がすでに提案している方法
を用いて筋肉の血液酸素代謝を直接測定する装置を提供
することを目的とするものである。Accordingly, an object of the present invention is to provide a device for directly measuring blood oxygen metabolism in muscle using the method already proposed by the present inventors.
（課題を解決するための手段） 本発明の方法では、筋肉に一定の負荷を与え、近赤外
領域において異なる複数の波長の光を前記筋肉に直接照
射して各波長での吸光度変化を測定し、これらの吸光度
変化から酸素化型ヘモグロビン量変動、脱酸素化型ヘモ
グロビン量変動、全ヘモグロビン量変動の少なくとも１
つを求め、その変動から筋肉の酸素代謝を測定する。具
体的な例として説明すると、筋肉に一定の運動を負荷さ
せ、近赤外領域において異なる特定の３波長λ1,λ２及
びλ３を選択し、これらの波長光を前記筋肉に直接照射
して各波長についての吸光度変化ΔA1,ΔA2及びΔA3を
運動負荷の前後で測定し、これらの吸光度変化ΔA1,ΔA
2及びΔA3と、予め前記特定波長によって得られた吸光
係数k1,k2,k3,k1′,k2′,k3′とに基づいて、前記照射
光路中の酸素化型ヘモグロビン量変動Δ〔HbO2〕，脱酸
素化型ヘモグロビン量変動Δ〔Hb〕及び全ヘモグロビン
量変動Δ〔THb〕をそれぞれ Δ〔HbO2〕＝｛（k2′−k3′）ΔA1 −（k1′−k3′）ΔA2 ＋（k1′−k2′）ΔA3｝/K ……（１） Δ〔Hb〕＝｛（k2−k3）ΔA1 ＋（k1−k3）ΔA2− （k1−k2）ΔA3｝/K ……（２） Δ〔THb〕＝ ｛（k2′−k3′−k2＋k3）ΔA1 ＋（k1−k3−k1′＋k3′）ΔA2 ＋（k1′−k2′−k1＋k2）ΔA3｝/K ……（３） として、それらの値の少なくとも１つの運動負荷後の定
常状態への回復時間又は変化量から筋肉の酸素代謝を測
定する。ただし、k1,k2,k3はそれぞれ波長λ1,λ2,λ３
における酸素化型ヘモグロビンの吸光係数、k1′,k2′,
k3′はそれぞれ波長λ1,λ2,λ３における脱酸素化型ヘ
モグロビンの吸光係数、 Ｋ＝（k1−k3）（k2′−k3′）−（k2−k3）（k1′−
k3′）である。(Means for Solving the Problems) In the method of the present invention, a constant load is applied to a muscle, and light having a plurality of different wavelengths in the near-infrared region is directly applied to the muscle to measure a change in absorbance at each wavelength. From these absorbance changes, at least one of a change in the amount of oxygenated hemoglobin, a change in the amount of deoxygenated hemoglobin, and a change in the amount of total hemoglobin.
And measure the oxygen metabolism of muscle from the fluctuation. Explaining as a specific example, a certain movement is applied to the muscle, three different specific wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 are selected in the near infrared region, and the light of these wavelengths is directly applied to the muscle. The absorbance changes ΔA 1 , ΔA 2 and ΔA 3 for each wavelength are measured before and after exercise load, and these absorbance changes ΔA 1 , ΔA
2 and ΔA 3 and the absorption coefficient k 1 , k 2 , k 3 , k 1 ′, k 2 ′, k 3 ′ previously obtained at the specific wavelength, based on the oxygenated hemoglobin in the irradiation light path. The amount fluctuation Δ [HbO 2 ], the deoxygenated hemoglobin amount fluctuation Δ [Hb], and the total hemoglobin amount fluctuation Δ [THb] are represented by Δ [HbO 2 ] = ｛(k 2 ′ −k 3 ′) ΔA 1 − ( k 1 ′ −k 3 ′) ΔA 2 + (k 1 ′ −k 2 ′) ΔA 3 ｝ / K (1) Δ [Hb] = ｛(k 2 −k 3 ) ΔA 1 + (k 1 − k 3 ) ΔA 2 − (k 1 −k 2 ) ΔA 3 ｝ / K (2) Δ [THb] = ｛(k 2 ′ −k 3 ′ −k 2 + k 3 ) ΔA 1 + (k 1 − k 3 −k 1 ′ + k 3 ′) ΔA 2 + (k 1 ′ −k 2 ′ −k 1 + k 2 ) ΔA 3 ｝ / K (3) The oxygen metabolism of the muscle is measured from the recovery time to the steady state or the amount of change. Where k 1 , k 2 , and k 3 are wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 , respectively.
Extinction coefficient of oxygenated hemoglobin at k 1 ′, k 2 ′,
k 3 ′ is the extinction coefficient of deoxygenated hemoglobin at wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , respectively, K = (k 1 −k 3 ) (k 2 ′ −k 3 ′) − (k 2 −k 3 ) (K 1 ′ −
k 3 ′).
また、本発明の装置は、近赤外領域において異なる複
数の波長の光を筋肉に照射し、その透過光又は反射光の
強度を測定する測定系と、前記複数波長における透過光
又は反射光の強度から各波長での吸光度変化量を算出す
る吸光度変化量算出部と、吸光度変化量算出部からの吸
光度変化量に基づき酸素化型ヘモグロビン量変動、脱酸
素化型ヘモグロビン量変動、全ヘモグロビン量変動の少
なくとも１つを求め、運動負荷の前後でのそれらの変動
から筋肉の酸素代謝として回復時間又は回復までのそれ
らの変動量を求める手段とを備えている。具体的な例と
して説明すると、上記の近赤外領域の特定の３波長λ1,
λ2,λ３の光を時分割で筋肉に照射し、前記特定の３波
長における透過光又は反射光の強度を測定する測定系
と、前記筋肉の異なる時間における透過光又は反射光の
強度から前記特定の３波長での吸光度変化量ΔA1,ΔA2,
ΔA3を算出する吸光度変化量算出部と、予め測定された
吸光係数k1,k2,k3,k1′,k2′,k3′が設定される吸光係
数設定部と、吸光度変化量算出部からの吸光度変化量Δ
A1,ΔA2及びΔA3と吸光係数設定部からの吸光係数k1,
k2,k3,k1′,k2′,k3′とから上記（１）〜（３）式によ
り与えられる酸素化型ヘモグロビン量変動Δ〔HbO2〕，
脱酸素化型ヘモグロビン量変動Δ〔Hb〕及び全ヘモグロ
ビン量変動Δ〔THb〕の値の少なくとも１つの運動負荷
後の定常状態への回復時間又は変化量を算出する演算部
とを備えている。Further, the apparatus of the present invention irradiates the muscle with light of a plurality of different wavelengths in the near-infrared region, a measurement system for measuring the intensity of the transmitted light or reflected light, and the transmitted light or reflected light of the plurality of wavelengths An absorbance change calculator that calculates the absorbance change at each wavelength from the intensity; and an oxygenated hemoglobin change, a deoxygenated hemoglobin change, and a total hemoglobin change based on the absorbance change from the absorbance change calculator. Means for obtaining at least one of the following, and calculating the amount of change from the change before and after the exercise load to the recovery time or recovery as muscle oxygen metabolism. To explain as a specific example, the specific three wavelengths λ 1 ,
λ 2 , λ 3 irradiates the muscle in a time-division manner, the measurement system for measuring the intensity of the transmitted light or reflected light at the specific three wavelengths, from the intensity of the transmitted light or reflected light at different times of the muscle Absorbance change amounts ΔA 1 , ΔA 2 , at the specific three wavelengths,
Absorbance change amount calculating section for calculating ΔA 3 , an absorption coefficient setting section in which absorption coefficients k 1 , k 2 , k 3 , k 1 ′, k 2 ′, k 3 ′ measured in advance are set, and an absorption change Absorbance change amount Δ from amount calculation unit
A 1 , ΔA 2 and ΔA 3 and the extinction coefficient k 1 from the extinction coefficient setting unit,
From k 2 , k 3 , k 1 ′, k 2 ′, k 3 ′, the variation of oxygenated hemoglobin amount Δ [HbO 2 ] given by the above equations (1) to (3),
A calculating unit for calculating a recovery time or a change amount of at least one of the values of the deoxygenated hemoglobin fluctuation Δ [Hb] and the total hemoglobin fluctuation Δ [THb] to a steady state after exercise load.
選択する３波長λ1,λ2,λ３は例えば700nm以上の長
波長領域で、得られる吸光度の差が大きく、かつ、散乱
などの波長依存性の少ない組み合わせが好ましい。The three wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 to be selected are, for example, in a long wavelength region of 700 nm or more, preferably a combination having a large difference in absorbance obtained and having a small wavelength dependence such as scattering.
測定装置における測定系には３波長の光を筋肉に直接
照射するために、それぞれの波長のレーザダイオードを
備えて順次発振させたり、分光光度計によって特定の３
波長を選択して使用する。また、光源から検出器までの
測定光路には測定対象である筋肉に直接光照射できるよ
うに、例えば光ファイバ束などを用いる。In order to directly irradiate muscles with three wavelengths to the measurement system in the measurement device, laser diodes of each wavelength are provided to sequentially oscillate, or a specific three wavelengths are measured by a spectrophotometer.
Select the wavelength to use. Further, for example, an optical fiber bundle or the like is used in the measurement optical path from the light source to the detector so that the muscle to be measured can be directly irradiated with light.
近赤外領域においては運動負荷を与えるとヘモグロビ
ンだけではなく筋肉中のミオグロビンもその酸素解離状
態によりスペクトルが変化する。筋肉酸素代謝計測にお
いては、特にヘモグロビンとミオグロビンを区別する必
要はなく、本発明ではヘモグロビンとミオグロビンを含
んでヘモグロビンと表現し、両者を含んだ測定値によっ
て筋肉酸素代謝を測定する。In the near-infrared region, when exercise load is applied, not only hemoglobin but also myoglobin in muscle changes its spectrum depending on its oxygen dissociation state. In the measurement of muscle oxygen metabolism, it is not particularly necessary to distinguish between hemoglobin and myoglobin. In the present invention, hemoglobin and myoglobin are expressed as hemoglobin, and muscle oxygen metabolism is measured by a measured value including both.
本発明の方法は、ヘモグロビン量の変動と吸光度変化
との間にランベルト−ベールの法則が成立する生理範囲
内で用いられる。すなわち、生体組織への特定波長λ1,
λ2,λ３による照射光路（光路長ｄ）中での酸素化型ヘ
モグロビン（HbO2）量変動をΔ〔HbO2〕、脱酸素化型ヘ
モグロビン（Hb）量変動をΔ〔Hb〕、全ヘモグロビン
（THb）量変動をΔ〔THb〕とし、波長λ1,λ2,λ３にお
ける酸素化型ヘモグロビンの吸光係数をそれぞれk1,k2,
k3、波長λ1,λ2,λ３における脱酸素化型ヘモグロビン
の吸光係数をそれぞれk1′,k2′,k3′とすると、各波長
λ1,λ2,λ３における経時吸光度変化量ΔA1,ΔA2,ΔA3
は ΔA1＝k1Δ〔HbO2〕＋k1′Δ〔Hb〕＋ΔS1……（４） ΔA2＝k2Δ〔HbO2〕＋k2′Δ〔Hb〕＋ΔS2……（５） ΔA3＝k1Δ〔HbO2〕＋k3′Δ〔Hb〕＋ΔS3……（６） として表わされる直線関係が成立する。ここで、ΔS1,
ΔS2,ΔS3はそれぞれ波長λ1,λ2,λ３における散乱光
強度変化分である。The method of the present invention is used in a physiological range in which Lambert-Beer's law is established between a change in the amount of hemoglobin and a change in absorbance. That is, the specific wavelength λ 1 ,
The change in the amount of oxygenated hemoglobin (HbO 2 ) in the irradiation light path (optical path length d) due to λ 2 and λ 3 is Δ [HbO 2 ], and the change in the amount of deoxygenated hemoglobin (Hb) is Δ [Hb]. The change in hemoglobin (THb) amount is Δ [THb], and the extinction coefficients of oxygenated hemoglobin at wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 are k 1 , k 2 ,
Assuming that the absorption coefficients of deoxygenated hemoglobin at k 3 and wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 are k 1 ′, k 2 ′, and k 3 ′, respectively, the absorbance with time at each of the wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 Changes ΔA 1 , ΔA 2 , ΔA 3
ΔA 1 = k 1 Δ [HbO 2 ] + k 1 ′ Δ [Hb] + ΔS 1 (4) ΔA 2 = k 2 Δ [HbO 2 ] + k 2 ′ Δ [Hb] + ΔS 2 (5) ΔA 3 = k 1 Δ [HbO 2 ] + k 3 ′ Δ [Hb] + ΔS 3 (6) A linear relationship is established. Where ΔS 1 ,
ΔS 2 and ΔS 3 are scattered light intensity changes at wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 , respectively.
波長λ1,λ2,λ３を互いに比較的近い値に設定すれ
ば、ΔS1＝ΔS2＝ΔＳ＝ΔＳと近似することができる。
その結果、各変動量Δ〔HbO2〕，Δ〔Hb〕，Δ〔THb〕
は（１）〜（３）式により算出することができる。If the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 are set to values relatively close to each other, it is possible to approximate ΔS 1 = ΔS 2 = ΔS = ΔS.
As a result, each variation Δ [HbO 2 ], Δ [Hb], Δ [THb]
Can be calculated by the equations (1) to (3).
一方、筋肉に負荷を与えたとき血液量が変動すること
がわかった。血液量変動の状態をモデルとして第１図に
示す。時刻t0からt1までのｔ秒間運動を負荷させると、
血液量は運動負荷を与える前の定常状態からＰだけ減少
する。運動負荷を取り除くと血液量は徐々に回復する。
そこで、仮りに10％回復した時刻t2から90％回復したと
きの時刻t3までの時間Ｔを回復時間と仮定すれば、Ｔを
筋肉疲労の指標とすることができる。回復時間の筋肉疲
労の指標とする場合でも、10％から90％までの回復の時
間に限らず、他の区間をもって回復時間としてもよい。On the other hand, it was found that the blood volume fluctuated when a load was applied to the muscle. FIG. 1 shows the state of blood volume fluctuation as a model. When exercise is applied for t seconds from time t 0 to t 1 ,
The blood volume decreases by P from the steady state before applying the exercise load. The blood volume gradually recovers when the exercise load is removed.
Therefore, assuming the time T until time t 3 when the from the time t 2 when recovered 10% recovery 90% temporary recovery time and may be the T as an index of muscle fatigue. Even when the recovery time is used as an index of muscle fatigue, the recovery time is not limited to the recovery time from 10% to 90%, but may be another recovery interval.
また、運動負荷による血液変化量Ｐをもって酸素代謝
や疲労度の指標とすることもできる。In addition, the blood change amount P due to exercise load can be used as an index of oxygen metabolism and fatigue level.
（実施例） 第２図は一実施例の測定装置を表わす。(Embodiment) FIG. 2 shows a measuring apparatus of one embodiment.
２−１〜２−３はそれぞれ特定の波長λ1,λ2,λ３の
レーザ光を発振するレーザダイオードであり、それぞれ
の出力は例えば30mWである。発振波長（λ1,λ2,λ３）
は700nm以上に設定することが好ましく、その組合わせ
は例えば（750nm,780nm,805nm）、（700nm,730nm,750n
m）などであるが、これらの波長に限定されず、近赤外
領域であれば任意に設定することができる。レーザダイ
オード２−１〜２−３は駆動回路４によって順次切り替
えて発振させられる。駆動回路４はCPU6によって制御さ
れる。８は測定対象としての筋肉であり、レーザダイオ
ード２−１〜２−３からのレーザビームが照射用光ガイ
ド10によって筋肉８に導かれる。光ガイド10は例えば直
径5mmの光ファイバ束である。12は検出器の光電子増倍
管であり、筋肉８による透過光又は反射光が検出用光ガ
イド14によって光電子増倍管12に導かれる。光ガイド14
も例えば直径が5mmの光ファイバ束である。Laser diodes 2-1 to 2-3 oscillate laser beams having specific wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 , each having an output of, for example, 30 mW. Oscillation wavelength (λ 1 , λ 2 , λ 3 )
Is preferably set to 700 nm or more, and combinations thereof are, for example, (750 nm, 780 nm, 805 nm), (700 nm, 730 nm, 750 n
m) and the like, but are not limited to these wavelengths, and can be set arbitrarily in the near infrared region. The laser diodes 2-1 to 2-3 are sequentially switched and oscillated by the drive circuit 4. The drive circuit 4 is controlled by the CPU 6. Reference numeral 8 denotes a muscle to be measured, and a laser beam from the laser diodes 2-1 to 2-3 is guided to the muscle 8 by the irradiation light guide 10. The light guide 10 is, for example, an optical fiber bundle having a diameter of 5 mm. Reference numeral 12 denotes a photomultiplier tube of the detector, and transmitted light or reflected light from the muscle 8 is guided to the photomultiplier tube 12 by the detection light guide 14. Light guide 14
Is, for example, an optical fiber bundle having a diameter of 5 mm.
16は光電子増倍管12の出力信号を増幅するプリアン
プ、18は増幅された信号をサンプルホールドするサンプ
ルホールド回路、20はサンプルホールド回路18の出力信
号を増幅する増幅器、22は増幅された信号電圧を周波数
に変換するV/F変換器であり、V/F変換器22の出力信号が
CPU6に入力されてカウントされる。16 is a preamplifier that amplifies the output signal of the photomultiplier tube 12, 18 is a sample and hold circuit that samples and holds the amplified signal, 20 is an amplifier that amplifies the output signal of the sample and hold circuit 18, and 22 is an amplified signal voltage. Is a V / F converter that converts the
Input to CPU 6 and counted.
CPU6はレーザダイオード２−１〜２−３の発振を制御
するとともに、各波長λ1,λ2,λ３でのデータを取り込
み、経時吸光度変化量ΔA1,ΔA2,ΔA3を算出する。その
算出した経時吸光度変化量ΔA1,ΔA2,ΔA3と予め測定さ
れて設定された吸光係数k1,k2,k3,k1′,k2′,k3′とか
ら酸素化型ヘモグロビン量変動Δ〔HbO2〕、脱酸素化型
ヘモグロビン量変動Δ〔Hb〕及び全ヘモグロビン量変動
Δ〔THb〕を算出する。CPU6はまた、運動負荷の前後で
のこれらの値の変化から回復時間や変化量を算出する。CPU6 is controls the oscillation of the laser diodes 2-1 to 2-3, the wavelengths lambda 1, lambda 2, takes in the data at lambda 3, over time the amount of change in absorbance .DELTA.A 1, .DELTA.A 2, calculates a .DELTA.A 3. From the calculated change in absorbance with time ΔA 1 , ΔA 2 , ΔA 3 and the absorbance coefficient k 1 , k 2 , k 3 , k 1 ′, k 2 ′, k 3 ′ measured and set in advance, Hemoglobin amount fluctuation Δ [HbO 2 ], deoxygenated hemoglobin amount fluctuation Δ [Hb], and total hemoglobin amount fluctuation Δ [THb] are calculated. The CPU 6 also calculates a recovery time and a change amount from changes in these values before and after the exercise load.
CPU6は第３図に示されるように機能を果たしている。
26は吸光度変化量算出部であり、透過光又は反射光の強
度を入力し、ダーク補正をした後、対数値に変換し、異
なる時間における特定の３波長での吸光度変化量ΔA1,
ΔA2,ΔA3を算出する。28は予め測定された吸光係数k1,
k2,k3,k1′,k2′,k3′が設定される吸光係数設定部、30
は吸光度変化量算出部26からの吸光度変化量ΔA1,ΔA2,
ΔA3と吸光係数設定部28からの吸光係数k1,k2,k3,k1′,
k2′,k3′とから（１）〜（３）式により酸素化型ヘモ
グロビン量変動Δ〔HbO2〕、脱酸素化型ヘモグロビン量
変動Δ〔Hb〕及び全ヘモグロビン量変動Δ〔THb〕を算
出し、運動負荷の前後でのこれらの値の変化から回復時
間や変化量を算出する演算部である。The CPU 6 functions as shown in FIG.
26 is an absorbance change amount calculation unit, which inputs the intensity of transmitted light or reflected light, performs dark correction, converts it to a logarithmic value, and changes the absorbance change ΔA 1 at three specific wavelengths at different times.
Calculate ΔA 2 and ΔA 3 . 28 is the previously measured extinction coefficient k 1 ,
k 2 , k 3 , k 1 ′, k 2 ′, k 3 ′ extinction coefficient setting section, 30
Are the absorbance change amounts ΔA 1 , ΔA 2 ,
ΔA 3 and the extinction coefficient k 1 , k 2 , k 3 , k 1 ′,
From k 2 ′ and k 3 ′, the variation in oxygenated hemoglobin amount Δ [HbO 2 ], the variation in deoxygenated hemoglobin amount Δ [Hb] and the variation in total hemoglobin amount Δ [THb] according to equations (1) to (3). Is a calculation unit that calculates the recovery time and the amount of change from changes in these values before and after the exercise load.
測定系24は第２図で鎖線で囲まれた部分に該当する。 The measurement system 24 corresponds to a portion surrounded by a chain line in FIG.
第２図においてCPU6には入出力部32を介して、この装
置を操作したり吸光係数を入力するためのキーボード3
4、測定値などを表示する液晶ディスプレイ36、測定結
果を出力するレコーダ38、異常を知らせる警報装置40な
どが接続されている。In FIG. 2, a keyboard 3 for operating the apparatus and inputting an extinction coefficient is provided to the CPU 6 via an input / output unit 32.
4. A liquid crystal display 36 for displaying a measured value, a recorder 38 for outputting a measurement result, an alarm device 40 for notifying an abnormality, and the like are connected.
次に、本実施例の動作について説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described.
第４図はCPU6が測定値を取り込み、ダーク補正をする
までのタイムチャートである。A,B,Cはそれぞれ波長
λ1,λ2,λ３のレーザダイオード２−１〜２−３の駆動
パルス、Ｄは積分パルス、Ｅはサンプリングパルス、Ｆ
はリセットパルス、Ｇは光電子増倍管12の出力信号、Ｈ
は波長λ１のチャネルのサンプルホールド前の出力信号
である。他のチャネルについても同様の出力信号Ｈが得
られる。Ｓλ１は信号レベル、Ｄλ１はダークレベルで
ある。ＩはＳλ１−Ｄλ１であり、これによって真の信
号レベルを得ることができる。FIG. 4 is a time chart from when the CPU 6 takes in the measured values and performs dark correction. A, B, C respectively wavelengths λ 1, λ 2, the driving pulses of the laser diode 2-1 to 2-3 of lambda 3, D is the integral pulse, E is the sampling pulses, F
Is a reset pulse, G is an output signal of the photomultiplier tube 12, H
Is an output signal of the channel of wavelength λ 1 before sample and hold. Similar output signals H are obtained for other channels. Sλ 1 is a signal level, and Dλ 1 is a dark level. I is Sλ 1 −Dλ 1 so that a true signal level can be obtained.
第５図のフローチャートにしたがって動作を説明す
る。The operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
レーザダイオード２−１〜２−３をオフにするなど、
測定装置の初期設定を行ない（ステップS1）、光電子増
倍管12の負高圧値や出力パラメータなどの条件設定を行
なう（ステップS2）。For example, turning off the laser diodes 2-1 to 2-3,
Initial setting of the measuring device is performed (step S1), and conditions such as a negative high voltage value and an output parameter of the photomultiplier tube 12 are set (step S2).
ダークレベルを検出するために、レーザダイオード２
−１〜２−３がオフの状態で各波長λ1,λ2,λ３のチャ
ネルについて所定の時間だけ検出値を積分する（ステッ
プS3〜S6）。これらの積分値Ｄλ1,Dλ2,Dλ３をダーク
レベルのデータとして読み込み、記憶する（ステップS
7）。これらのダークレベルＤλ1,Dλ2,Dλ３が設定値
よりも小さければ、信号レベルの測定に移行し、大きけ
ればアラームを点灯してダークレベルの測定から繰り返
す（ステップS8,S9）。Laser diode 2 to detect dark level
With -1 to 2-3 turned off, the detection values are integrated for a predetermined time for the channels of the respective wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 (steps S3 to S6). These integrated values Dλ 1 , Dλ 2 , Dλ 3 are read as dark level data and stored (step S
7). If these dark levels Dλ 1 , Dλ 2 , Dλ 3 are smaller than the set values, the process shifts to signal level measurement, and if higher, an alarm is turned on and the dark level measurement is repeated (steps S8, S9).
信号の検出においては、レーザダイオード２−１〜２
−３をオンにして各波長λ1,λ2,λ３のチャネルについ
て所定の時間だけ検出値を積分する（ステップS10〜S1
3）。これらの積分値Ｓλ1,Sλ2,Sλ３を信号データと
して読み込み、記憶する（ステップS14）。これらの信
号Ｓλ1,Sλ2,Sλ３が設定範囲になければ、アラームを
点灯し、ステップS2に戻って負高圧値を変更してダーク
レベルから測定を繰り返す（ステップS15,S16,S17,S1
8）。In signal detection, the laser diodes 2-1 to 2-2 are used.
-3 respective wavelengths lambda 1 to turn on, lambda 2, integrating the detected value for a predetermined time for lambda 3 channels (step S10~S1
3). These integrated values Sλ 1 , Sλ 2 , and Sλ 3 are read and stored as signal data (step S14). If these signals Sλ 1 , Sλ 2 , Sλ 3 are not within the set range, the alarm is turned on, and the process returns to step S2 to change the negative high voltage value and repeat the measurement from the dark level (steps S15, S16, S17, S1)
8).
信号Ｓλ1,Sλ2,Sλ３が設定範囲にあれば真の信号レ
ベルを出すために、Ｓλ１−Ｄλ1,Sλ２−Ｄλ2,Sλ３
−Ｄλ３を算出する（ステップS19）。算出された値を
対数値に変換し（ステップS20）、データとして記憶し
ておく（ステップS21）。Signal Sλ 1, Sλ 2, in order to give a true signal level if the Esuramuda 3 is set range, Sλ 1 -Dλ 1, Sλ 2 -Dλ 2, Sλ 3
-Diramuda 3 is calculated (step S19). The calculated value is converted to a logarithmic value (step S20) and stored as data (step S21).
その後、（１）〜（３）式により酸素化型ヘモグロビ
ン量変動Δ〔HbO2〕、脱酸素化型ヘモグロビン量変動Δ
〔Hb〕及び全ヘモグロビン量変動Δ〔THb〕を算出し、
運動負荷の前後でのこれらの値の変化から回復時間や変
化量を算出する（ステップS22）。算出された値が妥当
なものであれば、出力し（ステップS23,S25）、妥当で
なければアラームを点灯し、ステップS2に戻ってダーク
レベルの測定から繰り返す（ステップS23,S24）。Thereafter, the oxygenated hemoglobin amount fluctuation Δ [HbO 2 ] and the deoxygenated hemoglobin amount fluctuation Δ according to the equations (1) to (3).
Calculate (Hb) and total hemoglobin amount variation Δ (THb),
The recovery time and the amount of change are calculated from the change in these values before and after the exercise load (step S22). If the calculated value is appropriate, an output is made (steps S23 and S25). If not, an alarm is turned on, and the process returns to step S2 and repeats from the dark level measurement (steps S23 and S24).
実施例の装置を用い、人が5kgの錘を持ち上げた場合
の上腕筋及び前腕筋における筋肉血液量の挙動の測定に
適用した例を第６図に示す。（Ａ）は上腕筋の測定結
果、（Ｂ）は前腕筋の測定結果である。図中でWORKと書
かれている位置が錘を持ち上げた時刻である。FIG. 6 shows an example in which the apparatus of the embodiment is used to measure the behavior of muscle blood volume in the brachial and forearm muscles when a person lifts a 5 kg weight. (A) shows the measurement result of the upper arm muscle, and (B) shows the measurement result of the forearm muscle. The position marked WORK in the figure is the time when the weight was lifted.
測定を行なう３波長として750nm,780nm,805nmを用い
る。ΔHbO2は酸素化型ヘモグロビンの変動量、ΔTHbは
全ヘモグロビン変動量、ΔＡは各波長での吸光度の変動
を表わしている。測定装置では第２図の光ガイド10の先
端にプローブを設け、そのプローブを前腕筋又は上腕筋
の片側に接触させ、光ガイド14の先端には受光用プロー
ブを設けて前腕筋又は上腕筋の他方の側に接触させて光
ガイド10からの光の透過光を測定する。750 nm, 780 nm, and 805 nm are used as the three wavelengths at which the measurement is performed. ΔHbO 2 represents the variation of oxygenated hemoglobin, ΔTHb represents the variation of total hemoglobin, and ΔA represents the variation of absorbance at each wavelength. In the measuring apparatus, a probe is provided at the tip of the light guide 10 in FIG. 2, and the probe is brought into contact with one side of the forearm muscle or the upper arm muscle. The transmitted light of the light from the light guide 10 is measured while being brought into contact with the other side.
第６図の結果によれば、（Ａ）に示されるように、上
腕では運動負荷により血液量が増加し、このため筋肉酸
素濃度（酸素化型ヘモグロビン量）が僅かに減少するに
とどまっている。一方、強い筋収縮を要する前腕では、
筋肉血液量が著しく減少し、酸素供給低下が組織酸素濃
度を低下させ、筋肉の疲労が認められる。According to the results of FIG. 6, as shown in FIG. 6A, the blood volume increases in the upper arm due to the exercise load, and thus the muscle oxygen concentration (oxygenated hemoglobin amount) slightly decreases. . On the other hand, in the forearm that requires strong muscle contraction,
Muscle blood volume is significantly reduced, hypoxia reduces tissue oxygen levels, and muscle fatigue is noted.
（４）〜（６）式における散乱光強度によるバックグ
ラウンド補正項ΔS1,ΔS2,ΔS3に波長依存の係数をかけ
てａΔS1,bΔS2,cΔS3とすれば、さらに精度がよくな
る。The accuracy can be further improved by multiplying the background correction terms ΔS 1 , ΔS 2 , ΔS 3 by the scattered light intensity in equations (4) to (6) by a wavelength-dependent coefficient to obtain aΔS 1 , bΔS 2 , cΔS 3 .
実施例ではCPU6がヘモグロビン量変動の演算だけでな
く、ダークレベル補正、対数変換も行なっているが、例
えば対数増幅器を用いて対数変換したデータをCPUに取
り込んで演算するようにしてもよい。In the embodiment, the CPU 6 performs not only the calculation of the hemoglobin amount fluctuation, but also the dark level correction and the logarithmic conversion. However, the CPU 6 may take in the logarithmically converted data using a logarithmic amplifier and perform the calculation.
また、３波長を選択するために３種類のレーザダイオ
ードを用いているが、分光光度計を用いて３波長でのデ
ータを得るようにしてもよい。Although three types of laser diodes are used to select three wavelengths, data at three wavelengths may be obtained using a spectrophotometer.
実施例では３波長で測定しているが、４波長以上を用
いてヘモグロビン各量の変動Δ〔HbO2〕，Δ〔Hb〕，Δ
〔THb〕を測定すればさらに精度を上げることができ
る。In the embodiment, the measurement is performed at three wavelengths. However, the variation Δ [HbO 2 ], Δ [Hb], Δ
The accuracy can be further improved by measuring [THb].
（発明の効果） 本発明では筋肉の酸素代謝を光学的に直接測定するこ
とができるので、運動能力や筋肉疲労度の個人差を明確
に数値化することができ、そのようなデータ量を増やす
ことにより、本発明をスポーツ医学へ適用することがで
きる。(Effect of the Invention) In the present invention, since the oxygen metabolism of muscle can be directly measured optically, individual differences in exercise ability and muscle fatigue can be clearly quantified, and the amount of such data can be increased. Thereby, the present invention can be applied to sports medicine.
本発明はまた、例えば手術前と手術後や、医学的処置
の前後での筋肉疲労度を測定するために用いることもで
きるので、リハビリテーションの分野にも応用すること
ができる。The present invention can also be used in the field of rehabilitation, for example, because it can be used to measure muscle fatigue before and after surgery and before and after medical procedures.
第１図は本発明の測定原理をモデルとして示す図、第２
図は一実施例を示すブロック図、第３図は一実施例にお
けるCPUの機能を示すブロック図、第４図は一実施例の
検出動作を示すタイムチャート、第５図は一実施例の動
作を示すフローチャート、第６図は一実施例の装置を用
いた測定例を示す図である。 24……測定系、26……吸光度変化量算出部、28……吸光
係数設定部、30……演算部。FIG. 1 is a diagram showing the measurement principle of the present invention as a model, FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing one embodiment, FIG. 3 is a block diagram showing functions of a CPU in one embodiment, FIG. 4 is a time chart showing a detection operation of one embodiment, and FIG. 5 is an operation of one embodiment. FIG. 6 is a diagram showing a measurement example using the apparatus of one embodiment. 24: measuring system, 26: absorbance change amount calculating unit, 28: extinction coefficient setting unit, 30: calculating unit.
Claims (1)
を筋肉に照射し、その透過光又は反射光の強度を測定す
る測定系と、前記複数波長における透過光又は反射光の
強度から各波長での吸光度変化量を算出する吸光度変化
量算出部と、吸光度変化量算出部からの吸光度変化量に
基づき酸素化型ヘモグロビン量変動、脱酸素化型ヘモグ
ロビン量変動、全ヘモグロビン量変動の少なくとも１つ
を求め、運動負荷の前後でのそれらの変動から筋肉の酸
素代謝として回復時間又は回復までのそれらの変動量を
求める手段とを備えた筋肉酸素代謝測定装置。1. A measurement system for irradiating muscles with a plurality of different wavelengths in the near-infrared region and measuring the intensity of transmitted light or reflected light, and a method for measuring the intensity of transmitted light or reflected light at the plurality of wavelengths. An absorbance change amount calculating unit for calculating an absorbance change amount at a wavelength, and at least one of an oxygenated hemoglobin amount change, a deoxygenated hemoglobin amount change, and a total hemoglobin amount change based on the absorbance change amount from the absorbance change amount calculation unit. A muscle oxygen metabolism measurement device comprising: means for determining the amount of change from the change before and after exercise load to the recovery time or recovery as muscle oxygen metabolism before and after exercise load.
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|---|---|---|---|
| JP25577389A JP2822227B2 (en) | 1989-09-29 | 1989-09-29 | Muscle oxygen metabolism measurement device |
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Publications (2)
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|---|---|
| JPH03118035A JPH03118035A (en) | 1991-05-20 |
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