WO2003039374A1 - Instrument for measuring intrauterine oxygen metabolism using optical technique - Google Patents

Description

明 細 書 光学的手法を用いた子宮内酸素動態の測定装置

技術分野

本発明は、 周産期における母児管理機器として極めて有用な光 学的手法を用いた子宮内酸素動態の測定装置に関する。 背景技術

胎児は子宮、 胎盤、 臍帯を経由して母体から酸素や栄養の供給 を受けている。 子宮は胎児が育まれる環境そのものであるが、 頸部 は膣を通して一部は直接観察できるものの、 体部は直接観察するこ とはできない。 特に分娩時はス トレスとなる子宮の周期的な収縮 （ 陣痛） に耐えて児が生まれてく るが、 子宮自体が十分な酸素を胎児 側に供給できるか否かは診断できなかった。

従来、 センサーを指や耳朶に装着し、 近赤外光を用いて酸素飽 和度を測定するパルスォキシメータや新生児の脇内酸素動態を監視 する近赤外光分光測定装置は、 既に開発されたものがあり、 臨床に 利用されている。 しかし、 母体腹壁にセンサーを装着し、 腹壁とは 離れた腹部内部の臓器の酸素動態を測定する装置は存在せず、 近赤 外光を用いて測定することは到底不可能と考えられていたために、 子宮内の酸素動態を直接あるいは間接的に監視できる機器は未だ開 発されておらず、 また、 そのような機器を開発しょうとする発想さ えなかった。

このように、 子宮内酸素動態を連続監視できなかったので、 子 宮内胎児の発育不全の.発症メカニズムは解明できずに原因不明とさ れてきた他、 その予知も不可能であり母児管理に不都合があった。 1677

また子宮という環境を含めた胎児評価を母体側から直接あるいは間 接に実施することは全く考えられなかった。 発明の開示

本発明は、 子宮内を近赤外周辺の複数波長の光を用いてセンシ ングするための光ファイバ一で構成される検出部 （センサー） と、 検出信号を光電変換し増幅処理して酸素動態を解析する測定制御部 と、 これらの情報を記録紙に記録する表示記録部と、 他のデータ口 ガー等にこの情報を転送するための外部出力部と、 これらの各部に 電力を供給するための電源部から構成される。

また、 検出部は、 センサ一固定具と、 そこに形成された端子に 取付けられる送光フアイパー及び受光フアイバーにより構成され、 該センサー固定具は、 ジュラルミ ンを素材にして形成され、 全体に 光吸収塗料を塗布し、 母体腹壁に密着できるように曲率を持たせた 形状とされており、 このセンサ一を母体腹壁に装着し、 子宮内に近 赤外領域の光を照射して反射光として検出部で得られた微弱光信号 を測定制御部にて電気信号に変換する。

更に電気信号を増幅、 演算処理し、 子宮内の還元型ヘモグロビン ( H b ) 、 酸化型ヘモグロビン （H b 0 ₂ ) 等を定量的にモニタし て子宮内の酸素動態を非侵襲的方法で直接あるいは間接的に連続監 視してモニタリ ングする測定装置を提供する。 発明の効果

本発明の光学的手法を用いた子宮内酸素動態の測定装置は、 送 光部を金属板などを用いて固定することによりセンサの光軸変化を 防止して、 子宮収縮などによる機械的変位に対してその影響を受け ないようにし、 更に、 母体腹壁下の子宮内の所定位置に光を集中さ せるようにセンサ固定具の曲率を最適化することによって、 子宮内 の酸素動態を正確に測定できる。

更に連続監視することにより、 子宮内胎児発育不全の発症メカ 二ズムを解明可能とし、 従来のハイ リスク症例において、 母体に起 因するのか、 胎児に起因するのか、 あるいは胎盤系に起因する症状 であるかの問題の切り分けが困難な、 原因不明とされていた症例の なかから、 明らかに子宮内 （子宮筋、 胎児、 胎盤を含む） の胎児環 境に問題がある症例を診断することができる。 尚、 超音波診断装置 によりセンサ一装着部位が羊水が多く ある部位か、 胎盤があるのか、 胎児なのかを予め診断しておく ことにより、 問題点を明確にできる。 また、 分娩時において胎児仮死に陥るような症例を予知することに も応用でき、 母児管理に極めて有用なものである。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明装置の主要構成図である。

図 2は、 近赤外光の波長と H b、 H b O ₂ の吸光係数の関係図 である。

図 3は、 本発明の検出部 （センサ一） の構成図である。

図 4は、 本発明の測定手順のフロー図である。

図 5は、 波長と H b 0 ₂ 、 H b、 胎児の心拍数、 子宮の収線の 関係の出力波形図である。 発明を実施するための最良の形態

次に、 本発明の一実施形態を図 1乃至図 5に基づいて以下に詳 述する。

本発明の装置は、 図 1 に示すように、 子宮内を近赤外周辺の光 を用いてセンシングするための検出部 （センサ一） 1 と、 光電変換 素子を有し、 検出信号を増幅し演算処理して酸素動態を解析する測 定制御部 2と、 これらの情報を記録紙に記録する表示記録部 3、 と 他のデータ口ガー等にこの情報を転送するための外部出力部 4と、 これらの各部に電力を供給するための電源部 5から構成されている。 検出部 1内のセンサーは光ファイバ一で構成されており、 このセン サーを直接に子宮頸部もしくは間接的に母体腹壁に装着し、 子宮内 に近赤外光を照射する。 この時、 近赤外光として、 波長 7 7 5〜 9 0 4 nmの 4波長のものを用いた。

近赤外光を光ファイバ一を介して母体腹壁に照射し、 その反射 光を検出部 1の受光ファイバ一で検出し、 測定制御部 2にて、 微弱 光信号を光電子増倍管で電気信号に変換し、 更に増幅、 演算処理し て、 子宮筋層内の還元型ヘモグロビン （H b) 、 酸化型へモグロピ ン （H b O_z ) 等を表示記録部 3で液晶ディスプレイ等に表示され ると共に、 また記録紙上でも連続記録される。

よ り詳しく説明すると、 H I)と H b 0₂ の吸光度を求めるには、

B e e r - L a mb e r tの法則を利用して行なう。 即ち、 吸光度 を OD、 吸収係数を a、 物質の濃度を C、 実測距離 L、 光路長を求 めるための係数を B、 物質の形態による常数を Gとすると、 次式が 成立する。

OD= ( a - c - L - B) + G - ■ ■ · ( 1 ) 還元型ヘモグロビン （H b ) 、 酸化型ヘモグロビン （H b 0₂ ) の近外赤外光の波長に対する吸収係数は、 予め生態組織に 7 0 0〜 9 5 0 nm程度の近赤外光を照射し、 その吸収変化を測定すること によ り、 Hbと H b 0₂ の各波長での吸光係数が求められ、 図 2に 示すように、 H bの吸光係数 （ α) が点線で、 H b O₂ の吸光係数 ( ) が実線で示すような関係が得られる。

この図 2の各波長と吸光係数の関係を測定制御部 2の演算手段 (マイコン） のメモリに予め記憶させておく 。 従って、 B、 L、 G が一定であれば、 還元型ヘモグロビン （H b ) 、 酸化型へモグロビ ン （H b 0₂ ) の各々の濃度変化厶 cは次式から得られる。

厶 c =AODZ ( a - L - B) · · - · ( 2 ) そして、 還元型ヘモグロビン （Hb ) と酸化型ヘモグロビン （

H b 0₂ ) が混在しているとき、 H bの濃度変化を厶 X、 Hb 0₂ の濃度変化を ΔΥとすると、 吸光度の変化量 AODとの間には次式 が成立する。

AOD= - ΔΧ+ β - AY · · - · ( 3 ) そこで、 実際の測定に際して、 例えば 7 7 5 nmの近赤外光を 光フアイパーを介して母体腹壁に照射すると、 その時の H bの吸光 係数 、 H b 0₂ の吸光係数の吸光係数 /3 であるので、 吸光度 の変化量 AODi との関係は次式となる。

次に、 例えば 8 2 5 nmの近赤外光を光ファイバ一を介して母 体腹壁に照射すると、 その時の H bの吸光係数 α ₂ 、 H b O₂ の吸 光係数の吸光係数 3₂ であるので、 吸光度の変化量厶 OD₂ との関 係は次式となる。

ΑΟΌ_ζ= ₂ - AX+ β ₂ - ΔΥ · · - · ( 5 ) この 2式 （4) 、 ( 5 ) から、 H bの濃度変化 ΔΧ、 H b 0₂ の濃度変化 は求めることができるが、 本発明では更に他の 2波 長、 例えば 8 5 0 nm、 9 04 nmでの測定を行ない 4波長での検 出値を 1サイクルとして、 測定制御部 2の演算手段が、 最小 2乗法 により適正な検出値を瞬時に演算して H bと H b 0₂ の夫々の濃度 変化 ΔΧ、 ΔΥを求める。 そして、 同様な測定と演算を時間軸に沿つ て連続して行なう。

そして、 得られた H bと H b 0₂ の夫々の濃度変化 ΔΧ、 AY を、 表示記録部 3で液晶ディスプレイ等にてその変動が時間軸に対 応して波形表示される。 また、 記録紙上でも連続記録することもで きる。 更に、 これらの演算処理結果はパソコンを含むデータ口ガー などに外部出力部 4を介して転送される。

この測定結果によ り、 ヘモグロビンが酸素と結合しているか否 かでその吸光度は異なるので、 吸光度の変化を信号として取り出す ことによって子宮内 （子宮筋、 胎児、 胎盤を含む） の酸素動態をこ の信号から監視することができる。 本装置を用いることにより、 子 宮内胎児の酸素動態を診断することができ、 胎盤を介した中枢神経 制御による心拍数変動から胎児を診断することより も早く評価する ことが可能となる。

通常、 子宮が収縮すると、 この形状変化が母体腹壁を通して変 位を生じる。 この変位を積極的に利用したのが従来の陣痛信号とし て捕らえる陣痛計である。 しかし、 近赤外光の吸収度でもってへモ グロビンの酸素化状態を測定する本発明の測定装置では、 正確な測 定値を得るために、 この変位の影響を受けないようにすることが重 要となる。

既に実用化されている、 新生児脳内の酸素動態を測定する機器 は頭部にセンサ一を固定するため、 一度装着すれば時間経緯による 変位はほとんど生じない。 しかし、 分娩時のような子宮収縮による 変位の影響を受けないようにするには、 金属板などを用いてセンサー の光軸が変化しないようにしなければならない。 そして更に、 上手 く母体腹壁下の子宮筋層に光を集中させるためにはセンサー固定具 の曲率を最適化する必要がある。

そこで本発明者らは、 子宮収縮などによる機械的変位に対して その影響を受けないようにするために、 送受光部を固定して光軸変 化が最小限になるように工夫することによって、 酸素動態を正確に モニタリ ングできることを確認できた。 これに基づいて開発したセ ンサー固定具の実施例を図 3に示す。 図 3 ( A ) は正面図を図 3 ( B ) は側面図である。

次に、 図 3 ( A ) , ( B ) を参照して、 本発明に使用するセン サ一固定具について説明する。 センサー 1 は、 センサ一固定具 1 1 とそれに取付けられた送光フアイパー 1 2及び受光フアイパー 1 3 により構成される。 センサ一固定具 1 1 はジユラルミンを素材にし て形成され、 そこにはジユラルミンを切削して形成された端子 1 4, 1 5がビスによりそれぞれ固定されている。 端子 1 4には送光ファ ィバ一 1 2が接続され、 端子 1 5には受光フアイバー 1 3が接続さ れる。

更に、 センサー固定具 1 1 は全体に光吸収塗料を塗布し、 母体 腹壁に密着できるように曲率を持たせた形状とし、 両面テープで固 定した。 こう して、 母体腹壁より子宮内酸素動態を正確に測定する ことが可能となった。

そして、 このセンサー部分と子宮筋層まで到達できる照射光の 強度、 並びにヘモグロビンの酸素動態による微弱信号を増幅する受 光系の感度のパランスを上手く決定することにより、 子宮内酸素動 態を非侵襲的に連続モニタすることが可能となった。

次に、 本発明装置を用いた子宮酸素動態の測定態様について、 図 4の測定手順のフロー図に沿って説明する。 ステップ S 1で測定 開始すると、 ステップ S 2 において測定を維続するかどうかを判定 する。 もし測定の結果が継続をしないならば、 ステップ S 3に至り、 測定を終了する。

ステップ S 2において測定を継続すると判断されたら、 ステツ プ S 4において、 近赤外光発生手段 （図示なし） が所定の波長 （例 えば、 7 7 5 n m ) の近赤外光を発生し、 ステップ S 5で、 光ファ ィパーで検出部 （センサ一） 1まで送光する。 次にステップ 6で、 送光ファイバ一 1 2から母体腹壁を通して子宮内に近赤外光を照射 する。

ステップ S 7において、 子宮内の酸素動態の変化信号 （吸光度 変化信号） を受光ファイバ一 1 3により受光する。 次にステップ S 8で、 測定制御部 2は受光信号を光電変換素子により電気信号に変 換して増幅する。

次にステップ S 9で、 測定制御部 2において、 メモリに予め記 憶された図 2の H bと H b〇₂ の各波長における吸光係数の関係を 参照して、 Hbと H b 0₂ の各波長での吸光係数 α、 /3が求められ、 還元型ヘモグロビン （H b) の濃度変化を ΔΧと酸化型へモグロビ ン （H b 0₂ ) の濃度変化を ΔΥと求める。

例えば 7 7 5 nm、 8 2 5 nm、 8 5 0 nm、 9 04 nmの近 赤外光を光ファィバ一を介して母体腹壁に照射することにより、 夫 々での吸光係数 α、 3に対応した濃度変化 AX、 ΔΥを （ 1 ) 式に より求め、 この 4波長での検出値を 1サイクルとして、 測定制御部 2の演算手段が最小 2乗法により適正な検出値を瞬時に演算して、 H bと H b 0₂ の夫々の濃度変化 ΔΧ、 厶 Υを求める。 そして、 同 様な測定と演算を時間軸に沿って連続して行なう。

次に、 ステップ S 1 0において、 得られた H bと H b0₂ の夫々 の濃度変化 ΔΧ、 ΔΥを、 表示記録部 3で液晶ディスプレイ等にて その変動が時間軸に対応して波形表示される。 また、 プリンタ等で 記録紙上でも連続記録することもできる。 更に必要があれば、 これ らの演算処理結果は、 ステップ 1 1で、 外部出力部 4を介してパソ コンを含むデ一夕ロガ一などに外部出力部 4を介して転送される。 そして、 再びステップ S 2に戻り、 近赤外光の 4つ波長での測定に ついて、 次のサイクルの測定動作を繰り返す。 こうして得られた結果が、 図 5 (A) 、 ( B ) に示す、 近赤外 光の波長と H b 0₂ 、 H b、 胎児の心拍数、 子宮の収縮の関係の出 力波形図として出力される。 図 5 (A) は、 子宮収縮に胎児心拍の 軽度増加を伴う症例では、 収縮時に H b 0₂ 及び H bの上昇がみら れ、 脳血液量 （H b 0₂ + H b ) の増加を示している。 また、 図 5 ( B ) は、 子宮収縮に対して H bの上昇と、 H b O_z の下降が認め られ、 全体的に総ヘモグロビン （H b 0₂ + H b ) の軽度の上昇が みられた。

そして、 子宮頸部の酸素飽和度を測定した結果、 子宮筋層の酸 素環境は四肢や耳朶での値より も低値であることが判明した。 更に、 母体腹壁にセンサ一を装着し連続監視を行ったところ、 正常症例で は、 陣痛のス ト レスに対応し酸化型ヘモグロビンが上昇する ことも 判明した。

また、 臍帯が胎児の首や肩に巻きつき、 胎児循環に支障をきた し胎児状態が良くないと考えられるような症例においては、 酸化型 ヘモグロビンの減少と還元型ヘモグロビンの上昇を認めた。 更に、 多く の症例デ一夕を収集することにより、 分娩時だけではなく妊娠 中、 あるいは妊娠前に子宮環境の良否を診断することも可能と考え られる。 このように、 子宮を含めた胎児環境を客観的に評価できる ようになり、 周産期における母児管理には極めて有用な診断手段及 ぴ診断機器が得られる。 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明にかかる光学的手法を用いた子宮内酸素 動態の測定装置は、 子宮内 （子宮筋、 胎児、 胎盤を含む） の酸素動 態を非侵襲 （痛くない） で測定でき、 更に連続監視できるので、 従 来は原因不明とされてきた子宮内胎児発育不全の発症メカニズムも 解明可能となるほか、 その予知も可能となるため、 子宮環境の因子 によって胎児の発育が悪いというような診断もできるようになり、 母児管理に極めて有用な手段となる。

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Claims

請 求 の 範 囲 子 内を近赤外周辺の光を用いてセンシングするための検出部と、 該検出部の検出信 を増幅、 演算処理して酸素動態を解析して測定する 測定制御部と、 これらの測定怡報の表示記録部と、 他のデータ口ガーな どにこの情報を転送するための外部出力部と、 これらの各部に ¾力を供 給するための電源部から構成され、 前記検出部は、 センサー^定具と、 そこに形成された端子に取付けられる送光ファイバ一及び受光フ ァイバ - を苻し、 前記センサ一阆定 Iは、 ジュラルミ ンを素材にして形成され、 ^体に光吸収塗料を？ fl布し、 母体腹墜に密着できるように曲率を持たせ た形状と し、 直接に了- 類部もしく は間接的に母体 K璧に装着して子 内に近赤外光を照射可能に形成されたことを特徴とする光学的手法を用 いた子 内酸素動態の測定装置。

図 1

吸収係数 (/mmol [Hb] /cm)