JPH04502563A - 多重波長組織酸素濃度計及び被験者の活動中に代謝状態を監視する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 使用者に着用可能な被験者の代謝状態を測定するためのヘモグロビン計 ｌｉｔ肚Ｉ立■１ 本出願は、ここにその全文を参考として含める、プリトン　チャンスｆＢｒｉｔ ｔｏｎ　Ｃｈａｎｃｅｌの名前で１９８８年１１月２日に提出した１審査中の出 願第一、−号、　「生体組織内の酸素状態を監視するための光学カップリング機 構」に関連する。

免豆豊１１ 本発明は、組織の特定の目標区域における酸素濃度を非侵入的に測定するための 着用可能な装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、運動している人間の様な 、有酸素性（ａｅｒｏｂｉｃ　）負荷がかかる被験者の組織におけるａｌｔ濃度 を監視するための、使用者が着用できる機構を開示する。

過去数十年間、あらゆる形態の運動人口が増加するにつれて、個々の運動能力測 定に関する関心も高まってきた。しかし、現在、運動中の人間からは心拍数およ び血圧に関するデータしか入手できない、これらのデータは、活用はできるが、 特定筋肉組織の末梢循環容量あるいは酸素飽和状態を反映してはいない。

筋肉の毛細血管床への酸素供給を測定するには、運動家に心電計装置を接続し、 踏み車ｆｔｒｅａｄｓｉ　１１　）上を走っている間に血液試料を採取しなけれ ばならない、これらは本質的に室内の装置および方法であり、実際の運動条件を 模擬しているのではない、運動中の特定筋肉の酸素飽和状態を分析して酸素効率 を測定することは、様々な人間にとって重要である１例えば、普通のジョギング 愛好家がマラソンランナーになろうと努力する時、酸素利用効率が成果を大きく 左右し、酸素利用を示すデータが与えてくれる情報により、走者は歩調配分を変 久る。あるいはその活動をより好ましい結果が得られる横１こ調整することがで きる。水泳、自転車およびボートなどの他の競技者も、成果を評価するのにこの 情報を活用できる。しかし、血中酸素に関するデータの使用は競技者に限定され るものではなく、健康増進するために穏やかな有酸素性の運動を行なう老人でも 、運動または他の活動によりもたらされる血液酸素飽和の変化に関するデータを 活用することができる。競争馬の様な他の動物もこの種の効率に関するデータを 有効に活用できる。筋肉への酸素供給を測定することにより、訓練の質および運 動に対する本来の能力を評価することができる。

運動効率を監視し、最大限に高める以外に、手足や脳への酸素供給に関する情報 は、電力の変化、その他の負荷により疲労を起こし、最終的には意識喪失を起こ すことがある、軍事および宇宙空間用途においても重要である。

指先や耳たぶから集めたデータを使用して血液の酸素濃度を測定する装置はある が、これらの装置は、近くの筋肉群あるいは脳の酸素飽和状態を実際には測定し ていない、運動効率、または使用している筋肉の状態を監視するには、その問題 とする場所でデータ収集しなければならない１例えば、走者はその脚の筋肉の状 態を知りたいと思うし、さらにこの情報を、実験室においてではな（、競技中に 得たいと考えるであろう、したがって、競技者の代謝条件を測定する装置が真に 効果的であるためには、頑丈で、軽量で、使用者が着用できる機構でなければな らない。

筋肉中の酸素レベルを測定できる一つの方法は、組織分光測定である０例えば、 約６００〜８００ナノメートル　（ｎ謬）の波長を有する赤色および近赤色光線 は無害で、身体組織内に浸透する。　この光線が組織内に浸透すると、拡散して 小血管中で脱酸素ヘモグロビンにより吸収される９通常１組織は赤血球の中に含 まれるヘモグロビンからＷ素を受取るが、そのヘモグロビンは主要な血管内を循 環し、最終的に毛細血管床に達し、筋肉組織に＃素を供給する。有酸素性の活動 により使用酸素レベルが上昇し、それに対応してデオキシヘモグロビンのレベル も増加するが、そのデオキシヘモグロビンは訓練された個々人では血液法増加に より補償される。訓練の足りない個々人ではデオキシヘモグロビンのレベルが増 加するために、周囲の組織と同程の酸素を受けていない組織により、近赤色光線 が吸収される。そこで、吸収された入射放射量を測定することにより、組織の特 定区域の酸素飽和状態および個々人の訓締程度を測定することができる。

１豆り盟１ 本発明は、運動している人間の筋肉組織の、有酸素性的に負荷のかかった部分の 代謝状態を測定するための、新奇な、着用できる機構を提供する。　この機構は 、被験者の監視すべき筋肉に近接する皮膚表面に対して取り付けた、軽量で頑丈 な検出器を含む０本発明の機構は、この様にして効率の損失を防いでいる。好ま しい機構は、さらに１着用可能な電源装置、および監視している区域の有酸素性 代謝状態を示す情報を表示するための着用可能な表示手段を含む。

走行中、または類似の運動中に使用するための好ましい実施態様では、表示装置 は手首に着用し、脚に取り付けた検出器からの情報を表示する。コーチに情報を 送るための別の実施態様では、検出器から来るデータを載せた信号を遠隔地へ伝 送し、処理、表示するための無線機構を使用している。

本発明の検出器は、好ましくは被験者の組織中に放射される約７６０〜約８００ ナノメートルの波長の電磁放射線の放射源を１つまたは複数備えた連続波分光光 度計を使用する。検出器は身体組織に効率的に接続され、光子移動の原理を利用 して、近くの皮膚区域に到達する透過した放射線の部分を検出する。

また、本発明は、被験者の有酸素性代謝状態を表示するための方法を開示する。

被験者の血中デオキシヘモグロビンの百分率をめ、この百分率を表わす信号を図 式的な表示に変換する。この表示は、好ましくは時間目盛に関連付けたデジタル 表示、棒グラフ、または一連のデオキシヘモグロビンのレベルで行なうことがで きる。

免主夏且り 本発明の目的は、競技者などの被験者を束縛したり、装置を監視する実験室また は運転室に物理的に接続したすせずに、その被験者の皮膚表面の真下に位置する 筋肉組織の様な組織の酸素飽和状態を迅速に測定できる方法および装置を提供す ることである。

また、本発明の目的は、使用者に取り付は可能で、使用者の身体の一部の酸素飽 和状態を測定し、その情報を容易に理解し得る形で表示する装置を提供すること である。

本発明の特定実施態様の別の目的は、組織の酸素飽和状態に関する情報を、本発 明の装置を着用した使用者に直接提供することである。

本発明の特定実施態様の別の目的は、組織の酸素飽和状態に関する情報を、離れ た所にいる監視者に伝達することである。

図１は１本発明の一実施態様の好ましい配置を示す。

図２は、好ましい実施態様の検出器を、部分的に図式的に示し。

また部分的に配線図的に示す。

図３は、本発明の一実施態様のもう一つの好ましい配置を示す。

図４は、別の好ましい実施態様の検出器を、部分的に図式的に示し、また部分的 に配線図的に示す。

１縦久ＪＬ１ 本発明の装置の好ましい実ＩＩＩＩＩ＠様を［１に示す、この実施態様では、電 気−光学的ビックオフ検出器１Ｇを運動中の被験者５０の脚に取り付けである。

検出器の重量は、競技者を妨害しない様に最少に抑えるのが好ましい、好ましい 実施態様では、検出器は、適当な非刺激性の軽量な材料で構築した可撓性のアレ イ（ａｒｒａｙ）に収容する。

電力は交換可能なバッテリーパック３０から検出器ｌＯに供給する。

この交換可能なバッテリーパック３０は、寸法および重量が最小になる様に設計 するのが好ましい、最も好ましくは、バッテリーパック３Ｇは、活動期間だけ、 例えば短距離走の数分間、マラソンランナーでは数時間、等だけ持続できる様に 設計するのが好ましい、Ｈ技スポーツ用途においては、バッテリーの寿命は、交 換、または他の。

競技時間の間の中断の間隔に基づいて決定するのが好ましい。

図１に示す実施態様は、さらに、腕時計の様に腕に好ましくは取り付ける腕部の 指示器４０を含む、この腕部指示器４０は、被験者の代謝状態の尺度としてデオ キシヘモグロビンの百分率（％）Ｉｂ）を表示する０図ＩＡに示す様に、その様 な表示装置は、棒グラフの様な、この情報を簡単に読み取れる表示手段を備えて いる。あるいは、図ＩＨに示す様に、情報を時間目盛の上に表示し、活動期間中 の％Ｈｂ濃度変化を図式的に示すこともできる。最も好ましい実施態様では１図 １ＡおよびＩＢに示す図式表示は液晶表示（ＬＣＤ’ｓｌ　であるが、他の電気 的または電子的な表示手段も使用できる。この実施態様における表示幅間隔は好 ましくは６−１θ段階に分割され、それぞれが指定された％Ｂｂ目盛の一部を担 う。

熱論、％Ｈｂ目盛の範囲は、活動の際に起こると予想される範囲に応じて調節す ることができる０本発明の精度は指示器の精度により限定されるので１表示され る範囲は重要な可変パラメータである。

％Ｈｂの終点を２０％　１３よび４０％に設定する、本発明の最も正確な実施態 様では、装置の積電は約６１になり、これは運動する手足から得られる精度の大 体限界である。当業者には明らかな様に、予想される活動の強度に応じて装置の 利得を予め設定する。最も好ましい実施態様では、腕部指示器４０に配置したボ タンにより利得を設定できる。

ここで１図２に関して、本発明の機構で使用するＤＣ組織分光光度計検出器ｌＯ の光学的ピックオフ部を含む回路の好ましい実施態様を部分的に図式的に、また 部分的に配線図的に示されている。検出！１１０は、説明のために、被験者の皮 膚表面２５に取り付けである０代表的な配置では、検出器は腓腹筋の様な大きな 、均質な筋肉もしくは四頭筋に対して、また成人の前頭部に対して取り付けられ る。２個のランプ１２．１４および２個の検出器】６．】δが可撓性の防水アレ イに収容されている。アレイには不透明な反射性バリヤーも含まれているが、こ れはランプ１２．１４と検出器１６．１８との間にある同心円状リングｌ】で、 特定波長の光に対するバリヤー区域として作用する。バリヤー区域を構成する材 料は、特定領域の光に対して不透明であるだけではなく、吸収材としても作用す るのが最も好ましい、バリヤー区域と組み合わせた二重波長光源の構造は、ここ に参考として含める、１９８８年−月一日提出の、出願第一号、　「生体組織内 の酸素飽和状態を監視するために使用する光学カップリング機構」に開示されて いる。この構造により、皮膚から来る表面の光線は、事実上、不透明バリヤー１ １により阻止され、検出器１６．１８には入らない、バリヤー１１による表面光 線の阻止作用によって、この機構は、皮膚表面よりもむしろ、筋肉内部における ヘモグロビンの酸素飽和状態を測定することができる８組織内部く移動する光線 は検出器１６．１８により検出される０表面を移動する光線は皮膚表面を通って 「逃げ」、不透明バリヤー１１により吸収される０例えば、７６０ｎ■インパル スをかけると、筋肉内の脱ａｔ票ヘモグロビンｆ）Ｉｂｌが検出され、ｓＤＤｎ ｍ　ｆＪ号をかけると１組織区域内の酸素飽和した、および脱酸素したヘモグロ ビン　（ＨｂＯ２８よびＨｂｌが検出される。この機構は、皮膚表面における酸 素飽和状態を無視し、組織内部の酸素飽和状態を測定することができる。

ランプ１２．１４は、例えばＮＲ領領域周期的に発光する。ｌ／２ワツトのフラ ッシュライト球でよい、これらのランプはカットオフフィルターを備えているの で、特定波長のエネルギーだけが組織を照明する。シリコンダイオード検出器１ ６．１８は、それぞれ７６Ｇ±２０ｎｍｉ３よび８００±Ｚｏｎｅ波長に対して 感応する。

１　好ましい実施態様では、ランプ１２．１４はそれぞれ約７６０ナノメートル および約８００ナノメートルの波長を有する光を放出する発光ダイオードｆＬＥ Ｄｌ光源である。いずれの実施態様でも、ランプは予め決めた反復率で発光また はパルスを発する。試料採取の反復率、即ちランプが発光する率が、データを集 めることができる率を決定する。したがって、長距離走者に対しては、ランプは ゆっくり発光するが、短距離走者に対してはそれに対応して出力が変化し、ラン プは急速に発光し、秒のオーダーで行なわれる運動を評価するのに十分なデータ を得ることができる。電磁放射線の放出源として発光ダイオードを選択すること は、さらなる効果をもたらす、というのは、これらの光源は以前に開示された光 学的光フアイバー光源を使用する光学カップリング機構よりも約１０倍大きな信 号対ノイズ比ｆｓ／Ｎｌを生じるからである。

次に、図４に関して、本発明で使用する回路の別の実施態様を説明する。この場 合１個別の光源に応答する信号検出器１７が信号を集め、それを増幅器２４に伝 達し、その増幅器は、スイッチ２５により積分計２７に断続的に接続される二極 出力を有する。別のスイッチ２６が２つの光パルスの相対的持続期間を調整し、 ２つの信号を等化する。

当業者には明らかな様に１図２および図４の、同じ番号で示す部分が実質的に類 似の機能を果たす０本発明に含まれる特定回路は、当業者にはよく知られている 。または明らかなので、その詳細を特に説明する必要はない。

図２に関して、検出器１６．１８は、また背景の光の効果を最少に抑えるために 、透過フィルターにより保護されているのが分かる。このフィルター１９は、別 の部材、被覆または回路のハウジング内に一体化したものでよい、検出器１６． １８のそれぞれのＤＣ出力は、そのそれぞれの差動増幅器２０．２２中に時分割 される。これらの増幅器は、反対極性で、一方は非反転で、他方は反転して接続 されている。増幅！！　２０．２２を接続するスイッチ２３の保持時間は適切な 回路２８により、２つの信号の応答を等化する様に調整される。積分計からの信 号は記録装置（図には示していない）に送られる０図４に示す様に、８００ｎ− ランプしてからの信号は、増幅器２４の利得を変化させるのに同時に使用され、 血液量の変化に対する信号を補正し、２つの信号の比率を示し、検出の差に対す る感度を一定に維持することができる。

当業者には明らかな様に、類似の利得補償回路を、図２に示す様に、８００ｎ− 信号検出器増幅器２２のの回路に組み込むことができる０図２またはＩ！！ｉＩ ４のどちらの回路に組み込まれていても、８００ｎ■信号は第二の記録装置チャ ンネルにも接続され、総吸収または血液量を示すデータを集める。

本発明の別の構成を図３に示す、この実施態様では、被験者に取り付けた送信機 ６０Ｊ５よび受信機６２からなる、無線リンクされた遠隔測定機構により、被験 者を遠隔地で監視することができる。これによって、監督、コーチまたは医師が 被験者の成果を監視することができる。データ表示装置は離れた所にあり、当業 者には明らかな様に、図ＩＡおよびＩＢに示す装置と類似の表示装置、あるいは より複雑な、各種の目盛り、時間オーバーレイ１、色、等を使用するデータ表示 装置を使用することもできる。最も好ましい実施態様では、無線信号は、１００ ＭＩＩ範囲の送信機を使用して、２２０−４（ｊＯＭＨｚの帯域で送信される。

図３に示す本発明の構成により、競技中の運動選手あるいは遠隔地にいる作業員 および軍事要員／宇宙飛行士を監！することができる１例えば、本発明の装置は 、訓練中輪、新しい選手と交代させる、あるいは他の調整を行うまでの、最大限 に活動できる。持続期間を決定するのに使用できる。この構成は、代謝条件が医 学的、その他の目的で研究されている競走馬、！ｌ争犬、その他の動物の代謝条 件を監視するのにも有利である。

本発明のどの実施態様においても、運動中のデオキシヘモグロビン濃度に通常起 こる不規則性を均すために、少なくとも約１０秒間にわたってデータを積算する のが好ましい、熱論、積算期間は、監視している活動の期間に応じて変えること ができる。

本発明の装置は手動で平衡化する必要があるが、好ましい実施態様では、ボタン を押すことにより平衡化を行ない、それによって２つの波長の出力を規準する。

当業者には明らかな様に１本発明は、上に詳細に説明した特定の実施態様に限定 されるものではない、上記回路の変更、および上記分光光度計構造の他の特徴、 並びに本装置の物理的な構成に対する修正は、当業者には明らかである。さらに １本発明は、ここに説明したどの使用方法にも限定されるものではない０本発明 の範囲を十分に理解するには、下記の請求項を譬照すべきである。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．運動している被験者の組織の目標区域の有酸素性代謝状態を監視するための 着用可能な装置において、（ａ）組織の前記目標区域の酸素含有量に比例した信 号を発生するための、前記被験者により着用可能な、前記目標区域の外側表面に 対して取り付けおよび取り外しできる検出器手段、（ｂ）前記被験者により着用 可能な、信号を発生するための前記手段に電気的に接続された、電流を供給する ためのパワーバック手段、および （ｃ）前記検出器手段により発生された前記信号を受信し、前記標的区域の有酸 素性代謝状態を示す情報を表示するするための手段を具備する装置。
2. ２．前記表示手段が前記検出器手段に電気的に接続され、前記被験者により着用 可能である請求項１記載の装置。
3. ３．前記表示手段が、被験者の視野内で取り付けおよび取り外しできる請求項２ 記載の装置。
4. ４．前記検出器手段から表示手段に信号を伝送するための遠隔測定手段をさらに 具備する請求項１記載の装置。
5. ５．前記遠隔測定手段が、 （ａ）前記被験者に取り付けた送信機、および（ｂ）前記被験者から離れて位置 する受信機手段および前記表示手段、から構成され、前記受信機が前記目標区域 の酸素含有量に比例する前記信号を前記表示手段に与える請求項４記載の装置。
6. ６．前記組織の目標区域が脚の筋肉である請求項１記載の装置。
7. ７．前記表示手段が液晶表示装置から構成されている請求項２記載の装置。
8. ８．前記検出器手段が、 （ａ）前記被験者の前記組織の目標区域に向けられた電磁放射線を発生するため のランプ手段、 （ｂ）前記目標区域の皮膚表面上の前記ランプ手段の近くに位置する、前記放射 線を検出するためのセンサ手段、（ｃ）表面近くで伝送される放射線の検出を弱 めるための、前記ランプ手段と前記センサ手段との間に配置されたバリヤー手段 、および （ｄ）前記ランプ手段をパルス作動させるための手段を具備する請求項１記載の 装置。
9. ９．前記ランプ手段が、少なくとも２個の、約７６０ナノメートルおよび約８０ ０ナノメートルの波長を有する電磁放射線源からなる請求項８記載の装置。
10. １０．前記パルス作動させるための手段が、発生されたパルスの持続期間を変え る様に調整できる請求項８記載の装置。
11. １１．被験者の組織の目標区域の有酸素性代謝状態を表示する方法において、 （ａ）前記被験者が実質的に妨害無く有酸素性活動を行なっている間、前記組織 の目標区域におけるデオキシヘモグロビンの百分率を求める、 （ｂ）前記百分率を表わす信号を発生させる、（ｃ）前記信号を信号処理手段に 伝送する、および（ｄ）前記信号を、前記目標区域におけるデオキシヘモグロビ ンの百分率の図式的表示に変換する 各ステップを具備する方法。
12. １２．前記検出器が運動の期間中作動すること、および前記情報が前記表示手段 により棒グラフとして表示されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. １３．（ｅ）前記信号を記憶する、および（ｆ）ステップ（ａ）−（ｅ）を、予 め決めた、公知の間隔で反復するステップをさらに具備し、前記図式的表示が、 特定時間間隔に対する前記百分率の相関関係であることを特徴とする請求項１１ 記載の方法。
14. １４．前記表示が、要求に応じて実質的に瞬時になされることを特徴とする請求 項１１記載の方法。
15. １５．運動している被験者の組織の目標区域の有酸素性代謝状態を監視するため の方法において、 （ａ）ｉ．前記被験者の組織の目標区域の酸素含有量に比例した信号を発生する ための、前記被験者により着用された、前記組織の目標区域の外側表面に対して 取り付けおよび取り外しできる検出器手段、 ｉｉ．前記被験者により着用された、前記信号を発生するための手段に電気的に 接続された、電流を供給するためのパワーパック手段、 ｉｉｉ．前記被験者の前記組織の前記目標区域の前記有酸素性代謝状態を示す情 報を表示するための手段 を具備する着用可能な装置を用意する、（ｂ）前記被験者の運動中に前記検出器 手段を作動させる、および（ｃ）前記検出器手段により発生された前記信号に応 答して、前記被験者の前記組織の前記目標区域の有酸素性代謝状態を示す情報を 表示する 各ステップを具備する方法。
16. １６．前記表示が要求に応じてなされることを特徴とする請求項１５記載の方法 。