浓度测量装置和浓度测量方法
【专利摘要】浓度测量装置（1）是测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部的总血红蛋白浓度和/或氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量（ΔcHb、ΔO2Hb）的装置，具备：光入射部（21），向头部入射测量光；光检测部（22），检测在头部的内部传播了的测量光，并生成与该测量光的强度相对应的检测信号；以及CPU（14），基于该检测信号，求出相对变化量（ΔcHb、ΔO2Hb），并通过滤波处理来除去相对变化量（ΔcHb、ΔO2Hb）所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分。由此，实现可以客观地判断胸骨压迫是否正确进行的浓度测量装置和浓度测量方法。
【专利说明】浓度测量装置和浓度测量方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种浓度测量装置和浓度测量方法。
【背景技术】
[0002]作为非侵袭性地测量活体内的血红蛋白的浓度信息的装置，例如有专利文献I中所记载的装置。在该装置中，当光入射至活体内后，在多个光电二极管的各个中检测在活体内散射的光。然后，基于这些检测光的强度，运算检测光量相对于来自光入射点的距离方向的变化率。基于该检测光量的变化率与光吸收系数的规定的关系，运算血红蛋白氧饱和度。另外，基于检测光量的变化率的时间变化与光吸收系数的时间变化的规定关系，计算氧合血红蛋白(O2Hb, oxyhemoglobin)、脱氧血红蛋白(HHb, deoxyhemoglobin)、及总血红蛋白(cHb, hemoglobin concentration)各个的浓度变化。
[0003]现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005]专利文献1:日本特开平7-255709号公报
[0006]非专利文献
[0007]非专利文献1:铃木进等，“Tissue oxygenation monitor using NIR spatiallyresolved spectroscopy，，，Proceedings of SPIE3597, pp.582-592
【发明内容】
[0008]发明所要解决的技术问题
[0009]近年的紧急救生领域中的主要的对象患者是在医院外的心肺停止者。在医院外的心肺停止者全年超过10万人,这些患者的抢救成为很大的社会需求。对在医院外的心肺停止者的必需的处置是伴随人工呼吸进行的胸骨压迫。胸骨压迫是指通过用他人的手周期性地压迫胸骨的下半部分，而向停止的心脏给予人工搏动的行为。胸骨压迫的主要目的是向心肺停止者的脑部供给血氧。因此，胸骨压迫是否正确进行会很大地影响心肺停止者的生死。故而，希望有用于客观地判断胸骨压迫是否正确进行的有效的方法或装置。
[0010]本发明有鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种可以客观地判断胸骨压迫是否正确进行的浓度测量装置和浓度测量方法。
[0011]解决技术问题的技术手段
[0012]为了解决上述的技术问题，本发明的浓度测量装置，其特征在于:是测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部的总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量的浓度测量装置，具备:光入射部，向头部入射测量光；光检测部，检测在头部的内部传播了的测量光，并生成与该测量光的强度相对应的检测信号；以及运算部，基于检测信号，求出总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量，并进行除去该相对变化量所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分的滤波处理。[0013]另外，本发明的浓度测量方法，其特征在于:是测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部的总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量的测量方法，具备:光入射步骤，向头部入射测量光；光检测步骤，检测在头部的内部传播了的测量光，并生成与该测量光的强度相对应的检测信号；以及运算步骤，基于检测信号，求出总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量，并进行除去该相对变化量所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分的滤波处理。
[0014]本发明人使用利用近红外光的浓度测量装置，在比心搏频率足够快的频率下测量头部的总血红蛋白浓度或氧合血红蛋白浓度的相对变化量。其结果，发现了在胸骨压迫中，每当周期性地压迫胸骨，头部的内部(即脑)的总血红蛋白浓度或氧合血红蛋白浓度便会产生一定的变化。该现象被认为是由于因胸骨压迫而使脑内的血流增加而引起，能够成为用于判断胸骨压迫是否正确进行的客观材料。然而，与健康者的通常活动状态下或对心肺停止者进行各种处置的状态下产生的更长周期的变化的振幅(通常为数Umol以上)相比，这样的由于胸骨压迫引起的浓度变化的振幅(例如为Iumol左右)极其微小。因此，若单纯地测量相当于总血红蛋白浓度或氧合血红蛋白浓度的值，则要观察由于胸骨压迫引起的变动是极为困难的。
[0015]因此，在上述的浓度测量装置和浓度测量方法中，在运算部或运算步骤中，求出总血红蛋白浓度和/或氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量，并且除去该相对变化量所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分。通常，由于胸骨压迫引起的浓度变化的周期(即胸骨压迫时优选的压迫周期)比对心肺停止者进行各种处置的状态下的主要浓度变化的周期要短。因此，如上述的浓度测量装置和浓度测量方法所述，通过从所测量的相对变化量中除去小的频率成分(即长周期成分)，能够很好地抽出与由胸骨压迫引起的浓度变化相关的信息。然后，基于该信息，施行者能够客观地判断胸骨压迫是否正确进行。由此，施行者可以施行或维持更正确的胸骨压迫。再有，在上述的浓度测量装置和浓度测量方法中，“除去比规定频率小的频率成分的滤波处理”是指，将比规定频率小的频率成分的比例减小至由于胸骨压迫引起的频率成分可充分识别那样呈现的处理，并不限于完全除去比规定频率小的频率成分那样的处理。
[0016]发明的效果
[0017]根据本发明的浓度测量装置及浓度测量方法，可客观地判断胸骨压迫是否正确进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是一个实施方式所涉及的浓度测量装置的概念图。
[0019]图2 Ca)是表示探头的结构的俯视图，及图2 (b)是表示沿(a)的I1-1I线的侧截面图。
[0020]图3是表示浓度测量装置的结构例的框图。
[0021]图4是表示一个实施方式的浓度测量方法的流程图。
[0022]图5 (a)是表不波长入1~X 3的激光的入射时序的图，图5 (b)是表不来自A/D转换电路的数字信号的输出时序的图。
[0023]图6是表示数字滤波器的滤波器特性的图表。[0024]图7是表示使用具有图6所示的特性的数字滤波器，除去氧合血红蛋白的时间上的相对变化量(AO2Hb)所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分，抽出由于疑似于反复进行胸骨压迫的自发心搏而引起的时间变动量的结果的图表。
[0025]图8是表示使用利用平滑化的滤波处理，除去总血红蛋白的时间上的相对变化量(AcHb)所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分，抽出由于疑似于反复进行胸骨压迫的自发心搏而引起的时间变动量的结果的图表。
[0026]图9是用于说明将变动的极大部分或极小部分固定地一致的滤波处理的概念的图。
[0027]图10是表示显示部的显示画面的例子的图。
[0028]符号说明:
[0029]I…浓度测量装置，10…主体部，11…发光部，12…米样保持电路，13…转换电路，14…运算部，15…显示部，16…R0M，17…RAM，18…数据总线，20…探头，21…光入射部，22…光检测部，23…保持器,24…光纤,25…棱镜，26…光检测兀件,27…前置放大器部,28…电缆，50…心肺停止者，51…头部，Pl…极大值，P2…极小值。
【具体实施方式】
[0030]以下，一边参照附图一边详细地说明本发明的浓度测量装置和浓度测量方法的实施方式。再有，在图式的说明中，对于相同要素标注相同符号，并省略重复的说明。
[0031]图1是本发明的一个实施方式所涉及的浓度测量装置I的概念图。该浓度测量装置I是为了提供关于对心肺停止者50的胸骨压迫(图中的箭头A)是否正确进行的客观的判断材料，而测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部51的总血红蛋白(cHb)浓度、氧合血红蛋白(O2Hb)浓度、以及脱氧血红蛋白(HHb)浓度各自的自初始量起的时间上的变动(相对变化量)，并将该测量结果显示在显示部15，通知正进行胸骨压迫的人员。浓度测量装置I通过从固定在头部51上的探头20将规定波长(\ x、\ 2、\ 3)的光入射至规定的光入射位置，检测从头部51的规定的光检测位置出射的光的强度，从而调查氧合血红蛋白(O2Hb)和脱氧血红蛋白(HHb)所引起的对光的影响，并基于此而反复计算氧合血红蛋白(O2Hb)和脱氧血红蛋白(HHb)的时间上的相对变化量。另外，通过对是该计算结果的时间序列数据实施滤波处理而除去低频率成分，从而抽出由于反复进行胸骨压迫而引起的短周期的时间变动量，并可视地显示该时间变动量。再有，作为规定波长的光，例如可以使用近红外光。
[0032]图2 (a)是表示探头20的结构的俯视图。另外，图2 (b)是沿着图2 (a)的I1-1I线的侧截面图。探头20具有光入射部21和光检测部22。光入射部21与光检测部22相互隔开例如5cm的间隔而配置，通过柔软的黑色的硅橡胶制保持器23进行实质上一体化。再有，该间隔只要大概为3~4cm以上即可。
[0033]光入射部21由光纤24和棱镜25构成，成为将从浓度测量装置I的主体部10传送的测量光相对于头部的皮层大致垂直地入射的构造。测量光是例如脉冲状的激光，从主体部10送出。
[0034]光检测部22检测在头部的内部传播了的测量光，生成与测量光的强度相对应的检测信号。光检测部22是例如一维的光感应器，具有在自光入射部21的距离方向上排列的N个阵列状的光检测元件26。另外，光检测部22还具有对从光检测元件26输出的光电流进行积分并放大的前置放大器部27。由此，能够灵敏度高地检测微弱的信号而生成检测信号，并将该信号经由电缆28而传送至主体部10。再有，光检测部22也可以是二维的光感应器，另外，还可以由电荷耦合元件(CCD)构成。探头20是例如通过胶带或伸缩性的带等固定在没有毛发的前额部。
[0035]图3是表示浓度测量装置I的结构例的框图。图3所示的浓度测量装置I除了上述的探头20以外，还具备主体部10。主体部10具备发光部(例如激光部)11、采样保持电路12、A/D转换电路13、CPU14、显示部15、R0M16、RAM17、以及数据总线18。
[0036]发光部11由激光二极管和驱动该激光二极管的电路构成。发光部11是电连接于数据总线18，从相同电连接于数据总线18的CPU14接收用于指示激光二极管的驱动的指示信号。在指示信号中，包含从激光二极管输出的激光的光强度或波长(例如波长入:、入2、入3的中任一个波长)等信息。发光部11基于从CPU14接收的指示信号而驱动激光二极管，经由光纤24向探头20输出作为测量光的激光。再有，发光部11的发光元件可以不是激光二极管，只要是能够依次输出近红外区域的多个波长的光的发光元件即可。另外，作为光入射部21，可以使用内置在探头20的LED等发光二极管。
[0037]采样保持电路12和A/D转换电路13输入从探头20经由电缆28传送的检测信号并将其保持，进行数字信号化并输出至CPU14。采样保持电路12同时保持(hold)N个检测信号的值。采样保持电路12电连接于数据总线18，从CPU14经由数据总线18接收表示保持检测信号的时序的采样信号。当采样保持电路12接收采样信号时，同时保持从探头20输入的N个检测信号。采样保持电路12电连接于A/D转换电路13，将保持的N个检测信号的各个输出至A/D转换电路13。
[0038]A/D转换电路13是用于将检测信号从模拟信号转换成数字信号的机构。A/D转换电路13将从采样保持电路12接收的N个检测信号依次转换成数字信号。A/D转换电路13电连接于数据总线18，将转换后的检测信号经由数据总线18而输出至CPU14。
[0039]CPU14是本实施方 式中的运算部，基于从A/D转换电路13接收的检测信号，运算头部的内部所包含的氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(A O2Hb )、脱氧血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(△ HHb)、以及是它们之和的总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(AcHb)中所需的量。此外，通过CPU14对于这些时间上的相对变化量(A02Hb、AHHb,A cHb)实施滤波处理，除去这些所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分，从而抽出由于反复进行胸骨压迫而引起的时间变动量。CPU14在进行这样的处理后，将其结果经由数据总线18而传送至显示部15。再有，关于基于检测信号的时间上的相对变化量(A 02Hb、A HHb、AcHb)的运算方法或滤波处理的方法在后面叙述。显示部15电连接于数据总线18，显示经由数据总线18而从CPU14送出的结果。
[0040]接着，说明浓度测量装置I的动作。同时，就本实施方式的浓度测量方法进行说明。图4是表示本实施方式的浓度测量方法的流程图。
[0041]首先，发光部11是基于来自CPU14的指不信号，依次输出波长\ I~\ 的激光。这些激光(测量光)在光纤24内传播而到达额部的光入射位置，从光入射位置向头部内入射(光入射步骤，SlD0入射到了头部内的激光在头部内一边散射并且受到被测量成分吸收，一边传播，一部分光到达额部的光检测位置。到达了光检测位置的激光被N个光检测元件26检测(光检测步骤，S12)。各光检测元件26是生成与检测到的激光的强度相对应的光电流。这些光电流被前置放大器部27转换成电压信号(检测信号)，这些电压信号传送至主体部10的采样保持电路12并得以保持后，被A/D转换电路13转换为数字信号。
[0042]这里，图5 Ca)是表示波长\ \ z的激光的入射时序的图，图5 (b)是表示来自A/D转换电路13的数字信号的输出时序的图。如图5所示，当波长X:的激光入射时，依次得到与N个光检测元件26相对应的N个数字信号D1 (l)~Di (N)0接着，当波长入2的激光入射时，依次得到与N个光检测元件26相对应的N个数字信号D2 (I)~D2 (N)0通过这样做，从A/D转换电路13输出(3XN)个数字信号D1 (1)~D3 (N)。
[0043]接着，运算部14基于数字信号D( I)~D(N)，计算血红蛋白氧饱和度(T0I，Tissueoxygenation index)。另外,运算部14使用来自数字信号D (I)~D (N)的中的至少I个数字信号，运算氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(A O2Hb )、脱氧血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(△ HHb)、以及是它们之和的总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量(AcHb)(运算步骤，步骤S13)。然后，通过滤波处理除去这些相对变化量(A cHb、AO2Hb,AHHb)所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分(运算步骤，S14)。滤波处理后的这些相对变化量(AcHb、AO2Hb, AHHb)显示在显示部15 (步骤S15)。在本实施方式的浓度测量装置I和浓度测量方法中，反复进行上述的步骤Sll~S15。
[0044]这里，就运算步骤S13和S14中的运算部14的上述运算进行详细说明。
[0045]在某个光检测位置，若将在时刻Ttl的与激光波长X1~X3分别相对应的检测信号的值设为DAi (Tci)~Da3 (Tci),同样地将在时刻T1的值设为Dai (T1)~Da3 (T1)，则在时刻Ttl~T1的检测光强度的变化量如以下的(I)~(3)式来表示。
【权利要求】
1.一种浓度测量装置，其特征在于: 是测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部的总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量的浓度测量装置，具备: 光入射部，向所述头部入射测量光； 光检测部，检测在所述头部的内部传播了的所述测量光，并生成与该测量光的强度相对应的检测信号； 运算部，基于所述检测信号，求出总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量，并进行除去该相对变化量所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分的滤波处理。
2.如权利要求1所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述相对变化量的计算周期为0.2秒以下。
3.如权利要求1或2所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述规定频率为1.66Hz以下。
4.如权利要求1~3中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 还具备显示所述运算部所得到的运算结果的显示部， 所述运算部求出总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量、以及氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量，并求出跟所述滤波处理后的总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量的时间变化的振幅(Al)与氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量的时间变化的振幅(A2)之比(A2/A1)相关的第I信息， 所述显示部显示所述第I信息。
5.如权利要求1~3中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 还具备显示所述运算部所得到的运算结果的显示部， 所述运算部求出总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量、以及氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量，并求出所述滤波处理后的总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量的时间变化的积分值(II)、以及氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量的时间变化的积分值(12)中的至少一者， 所述显示部显示所述积分值(Il)和所述积分值(12)中的至少一者。
6.如权利要求5所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述运算部在求出所述积分值(Il)和所述积分值(12)两者后，再求出跟所述积分值(Il)与所述积分值(12 )之比(I2/II)相关的第2信息， 所述显示部还显示所述第2信息。
7.如权利要求1~3中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 还具备显示所述运算部所得到的运算结果的显示部， 所述运算部求出所述滤波处理后的总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量的时间变化的振幅(Al)， 所述显示部显示所述振幅(Al)的数值。
8.如权利要求1~3中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 还具备显示所述运算部所得到的运算结果的显示部， 所述运算部求出总血红蛋白浓度的时间上的相对变化量、以及氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量， 所述显示部对所述滤波处理后的氧合血红蛋白浓度的时间上的相对变化量、以及总血红蛋白浓度所包含的脱氧血红蛋白浓度的时间上的相对变化量利用颜色进行区分并用图表显不。
9.如权利要求1~8中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述运算部通过数字滤波器来除去所述相对变化量所包含的频率成分中比所述规定频率小的频率成分。
10.如权利要求1~8中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述运算部通过计算将所述相对变化量的时间变化平滑化了的数据，并从所述相对变化量中减去该数据，从而除去所述相对变化量所包含的频率成分中比所述规定频率小的频率成分。
11.如权利要求1~8中任一项所述的浓度测量装置，其特征在于: 所述运算部求出所述相对变化量的时间变化中的极大值和极小值中的至少一者，并基于该极大值和该极小值中的至少一者，除去所述相对变化量所包含的频率成分中比所述规定频率小的频率成分。
12.一种浓度测量方法，其特征在于: 是测量由于反复进行胸骨压迫而发生变动的头部的总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量的浓度测量方法，具备: 光入射步骤，向所述头部 入射测量光； 光检测步骤，检测在所述头部的内部传播了的所述测量光，并生成与该测量光的强度相对应的检测信号；以及 运算步骤，基于所述检测信号，求出总血红蛋白浓度和氧合血红蛋白浓度中的至少一者的时间上的相对变化量，并进行除去该相对变化量所包含的频率成分中比规定频率小的频率成分的滤波处理。
【文档编号】A61B5/1455GK103491873SQ201280019534
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月6日 优先权日:2011年4月21日
【发明者】小山泰明, 尾崎健夫, 铃木进 申请人:学校法人圣玛丽安娜医科大学, 浜松光子学株式会社