▲ BRa

Rb

Lb La

脈拍の振幅を見ているEndo-PATと同様な、ΔQpEを比較対象とした。

駆血解除後におけるCFIパラメータΔQpEとEndo-PATを下に示す。

なお、双方50秒移動平均を行っている。

ΔQpEはControl実験の値で正規化している。

Fig6-2-4(a) ΔQpEとEndo-PAT比較 CFIパラメータΔQpEとEndo-PATの相関を下に示す。

0.0 0.5 1.0 1.5

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

◆被験者A

▲被験者B

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5 00 11 22 33 44 55

Time [min.] Time [min.]

0 0.5 1.0 1.5

NormalizedΔQpE Endo-PAT (The occlude arm)

CFIパラメータΔQpE Endo-PAT

2 4 6 8 10

Endo-PAT (The occlude arm)

R = 0.98 P < 0.001

R = 0.92 P < 0.001

2 4 6 8 10

被験者A 被験者B

2 4 6 8 10

Endo-PAT (The occlude arm)

R = 0.98 P < 0.001

R = 0.92 P < 0.001

2 4 6 8 10

被験者A 被験者B

他CFIパラメータを下に示す。

Fig6-2-5 Qr、ΔQp1、Qp3の駆血解除後の応答

【結論】

Endo-PATと、同様な部分を見ているだろうと思われるCFIパラメータであるΔQpEは、FMD測定

時、Endo-PATで得られる波形とほぼ同等の動きをしていることが確認され、2人の被験者に対して高

い相関があるという結果が得られた。

また、他のCFIパラメータはEdno-PATと応答が異なり独立したパラメータであると思われる。

Endo-PATは非観血的に簡単に測定できる装置であるが、本体が高価であり、また、プローブが使い

捨てかつ高価であるため、測定にコストが掛かる。

本装置は、比較的安価であり、測定ごとに交換が必要なものはないため安価である。また、加圧力を変化させ測定を行うため、他にも血液に関するパラメータを得られる。

今後、被験者の数を増やし、比較を行う必要があるが、本研究装置の有効性を確認できたと考えられる。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 1 2 3 4 5

Δ Qp1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 1 2 3 4 5

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 1 2 3 4 5

Δ Qp1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 1 2 3 4 5

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 1 2 3 4 5

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

7 7 7

7 章章章章血管機能評価血管機能評価血管機能評価血管機能評価のためののためののための新のための新新新たなたなたなたな光光光光センサセンサセンサセンサでのでのでの血管評価法での血管評価法血管評価法血管評価法

FMD測定で血管の拡張(形態評価)をみているが、FMDを行うことにより、血管の様々な機能が変化していると思われる。ここでは、その血管の機能評価を行うための新たな光センサについて述べる。

新光センサの特徴を以下に示す。

・三色のLEDと受光素子が搭載されており、三色光による同時計測が可能

酸化、還元ヘモグロビンの吸光係数の異なる波長を使用するため、アクチュエータによる加圧や、上腕部駆血による血管内の溶存酸素量の動きを観測できる可能性がある。

・遮光板の厚みが変更可能

遮光板の厚みを変更することで、光の皮膚進入深さの変更が行える。

光センサのLEDは下の三色を用いた。

青(470nm)緑(530nm)赤(630nm)

HbO2 40.3 57.2 0.63

Hb 19.2 49.5 6.38

遮光板遮光板遮光板遮光板厚厚厚

厚みみみみ変更可能変更可能変更可能変更可能各波長

各波長各波長

各波長にににに対応対応対応対応した

したした

した受光素子受光素子受光素子受光素子

三波長三波長三波長三波長LEDLEDLEDLED 470

470 470

470、、、、530530530530、、、、630nm630nm630nm630nm 接触

接触接触

接触センサセンサセンサセンサ

7 7 7

7----1 1 1 1 遮光板遮光板の遮光板遮光板のの厚の厚厚厚みみみみ変更変更変更変更によるによるによるによる毛細血管毛細血管毛細血管毛細血管、、、細動脈、細動脈細動脈の細動脈ののの分離分離分離分離

LED と光センサの間にある遮光板の厚みを変更することで、皮膚内の進入深さを変更することで毛細血管と細動脈を分けて測定する方法について述べる。

7 7 7

7----1111----1 1 1 1 進入深進入深さ進入深進入深さささ理論式理論式理論式理論式

下に、皮膚の構造を元に皮膚の光伝搬モデル(真皮真皮3層皮膚モデル)を示す。

Fig7-1-1 光の皮膚侵入概略図

Wi、dzを含む直角三角形を考えた時、

i z

w

= d θ

tan

(7-1)

Wo、dzを含む直角三角形を考えた時、

o z

o w

= d

θ

tan (7-2)

i s

w w

d

= − θ

tan

(7-3)

よって以下の二式が立てられる。

i i

w

d = ⋅ ^tan θ

^(7-4)

(

s o

)

w w

d = − ⋅ ^tan θ

^(7-5)

この連立方程式を解くと、以下の式が表せる。

o i

s z

d w

θ θ

tan tan

+

⋅

= ⋅

(7-6)

LED

光光光

光センサセンサセンサセンサ光遮蔽板

光遮蔽板光遮蔽板光遮蔽板

θ

w

z

x

表皮表皮表皮表皮

θ

h

w

0 d

毛細血管毛細血管毛細血管毛細血管をををを含

含含

含むむむ真皮む真皮真皮真皮

皮下組織皮下組織皮下組織

皮下組織 w

w

1mm 程度程度程度程度 LED

光光光

光センサセンサセンサセンサ光遮蔽板

光遮蔽板光遮蔽板光遮蔽板

θ

w

z

x

表皮表皮表皮表皮

θ

h

w

0 d

毛細血管毛細血管毛細血管毛細血管をををを含

含含

含むむむ真皮む真皮真皮真皮

皮下組織皮下組織皮下組織

皮下組織 w

w

1mm 程度程度程度程度

tanθi、tanθoはそれぞれ以下の式で表せるため、

 

 



 −

=

2 2

tan

s d

w w

θ h

^(7-7)

 

 



 −

=

2 2

tan

s d

w w

θ h

^(7-8)

式は以下のようにあり、遮光板の厚みのみで皮膚の進入深さの変更が可能である。

 



 

 + −

 



 



−

 



 



⋅ −

 



 



⋅ −

=

2 ) (

s d

o s

d i

s d

o s

d i s

w w

h w

w h

w w

h w

w w h

d

(7-9)

細動脈を含む皮下組織皮膚進入深さは1mmほどであるため、毛細血管と細動脈を分離して考えるには、進入深さが0.4～1.2付近の4つの侵入深さになるような遮光板が必要になると考えられるため、新光センサの遮光板は表1の4種類を使用した。

表1遮光板の厚みと皮膚進入深さ

遮光板1 遮光板2 遮光板3 遮光板4

厚み[mm] 0.7 1.0 1.25 1.5

皮膚進入深さ[mm] 0.42 0.66 0.89 1.17

7 7 7

7----1111----2222皮膚進入深皮膚進入深さ皮膚進入深皮膚進入深さささシミュレーションシミュレーションシミュレーションシミュレーション

式(8)で求めた進入深さが正確であるか、光伝搬シミュレーションによって得られる進入深さと比較した。

シミュレーション条件を下に示す。なお、遮光板は表 1 の 0.7、1.0、1.25、1.5[mm]の 4 つの厚みのシミュレーションを行った。

以下に光伝搬シミュレーションの結果を示す。

遮光板厚み0.7[mm] 遮光板厚み1[mm]

遮光板厚み1.25[mm] 遮光板厚み1.5[mm]

Fig.7-1-2(a)～(b)

以上より、光伝播シミュレーションより得た皮膚進入深さが式(8)で求めたものとほぼ等しいため、式(8)は正しいと考えられる。

センサ間の距離wd 4.184[mm]

LEDと皮膚の距離hi 2.5[mm]

光センサと皮膚の距離ho 1.8[mm]

刻み幅 0.01[mm]

0.43mm

2mm -2mm

2mm 1mm 0.43mm

2mm -2mm

2mm 1mm

2mm -2mm

2mm 1mm 0.66mm

2mm -2mm

2mm 1mm 0.66mm

2mm -2mm

2mm 1mm 0.90mm

2mm -2mm

2mm 1mm 0.90mm

2mm -2mm

2mm 1mm 1.18mm

2mm -2mm

2mm

1mm

1.18mm

7 7 7

7----1111----3333生体模擬散乱体生体模擬散乱体を生体模擬散乱体生体模擬散乱体をを用を用用用いたいたいたいた、、、皮膚進入深、皮膚進入深皮膚進入深さ皮膚進入深ささ実験さ実験実験実験

皮膚進入深さが、理論式、シミュレーション通りであるか実際の光センサと生体模擬散乱体を用いて測定を行う。

[実験方法]

xyzステージの上に光センサを固定し、光センサの上方向に散乱体を置き、徐々に光センサからの距離を離していき、受光男強度が変化する距離がシミュレーションで得られた進入深さと同様の距離となるか確認した。

Fig7-1-3(a) 実験図

以下に結果を示す。

点線は各遮光板での理論上の進入深さ。

・赤色波長使用時

XYZステージ

散乱体

ＬＥＤ受光

素子

遮光板 0.7～1.5mm

XYZステージ

散乱体

ＬＥＤ受光

素子

遮光板 0.7～1.5mm

距離d

0 .00 0 .40 0 .80 1 .20 1 .60 2 .00

受光強度 [ V ]

0.7mm 1.0mm 1.25 mm 1.5mm

0 .00 0 .40 0 .80 1 .20 1 .60 2 .00

受光強度 [ V ]

0.7mm

1.0mm

1.25 mm

1.5mm

・緑色波長使用時

Fig7-1-3(c) 緑色波長での受光強度

・青色波長使用時

Fig7-1-3(d) 青色波長での受光強度

遮光板厚み [mm]

赤_d[mm] 緑_d[mm] 青_d[mm] 進入深さ

[mm](計算)

0.7 0.4 0.3 0.25 0.43

1.0 0.7 0.6 0.5 0.66

1.25 0.8 0.7 0.6 0.90

1.5 1.0 0.9 0.9 1.18

0.0 0 0.5 0 1.0 0 1.5 0 2.0 0 2.5 0 3.0 0 3.5 0

0 0.5 1 1.5 2

d[mm]

受光強度 [ V ]

0.7mm 1.0mm 1.25 mm 1.5mm

0.0 0 0.5 0 1.0 0 1.5 0 2.0 0 2.5 0 3.0 0 3.5 0

0 0.5 1 1.5 2

d[mm]

受光強度 [ V ]

0.7mm 1.0mm 1.25 mm 1.5mm

0 .00 1 .00 2 .00 3 .00 4 .00 5 .00 6 .00

0 0 .5 1 1 .5 2

d[mm]

受光強度 [ V ]

0 .7mm 1 .0mm 1 .25 mm 1 .5mm

0 .00 1 .00 2 .00 3 .00 4 .00 5 .00 6 .00

0 0 .5 1 1 .5 2

d[mm]

受光強度 [ V ]

0 .7mm

1 .0mm

1 .25 mm

1 .5mm

7 7 7

7----2 2 2 2 三波長測定三波長測定による三波長測定三波長測定によるによるによる血液流出測定血液流出測定血液流出測定血液流出測定、、、拍動信号、拍動信号拍動信号の拍動信号ののの確認確認確認確認

7 7 7

7----2222----1111生体信号生体信号を生体信号生体信号ををを用用用用いたいたいた、いた、、、皮膚進入深皮膚進入深皮膚進入深皮膚進入深ささささ実験実験実験実験

新センサの光が、実際に生体に深く進入するか、光センサで実際の生体信号を測定することにより確認する。

確認に使用する生体信号は拍動を用いる。拍動は、主に動脈によって検出されるため、

皮膚進入深さが深いほど、大きくでるはずである。

[実験方法]

アクチュエータにより、拍動信号が観察される程度の弱い加圧(69mmHg)を行い、それぞれの遮光板での拍動の振幅(Δv)を比較する。

3人の被験者で実験を行った。

拍動信号は、細動脈の信号を見ているため、酸化ヘモグロビンの吸光係数を使用した。

[実験結果]

Fig7-2-1(a)に各波長での拍動信号を示す。なお、厚さ1[mm]の遮光板を使用している。

Fig7-2-1(b)に各波長、各遮光板での被験者3人分の拍動の振幅のグラフを示す。

赤、緑、青すべてにおいて各遮光板で拍動が観測された。そのため、どの遮光板も、波長であっても、細動脈に進入しているため、測定が可能と思われる。

また、拍動の振幅が赤＞緑、青のため、赤色波長は細動脈や、さらに深い血管を見ていると考えられる。

Fig7-2-1 (a) 各波長での拍動信号

Fig7-2-1 (b) 各波長、各遮光板での拍動振幅

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4

時刻[sec]

ヘモグロビン相当値 [ % m m ]

緑青赤

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 0.5 1 1.5

進入深さ[mm]

拍動振幅 [ % m m ]

■被験者A

◆被験者B

▲被験者C 色は各波長に対応

7 7 7

7----2222----2222三波長三波長を三波長三波長ををを用用用用いたいたいたいた10101010秒加圧測定秒加圧測定秒加圧測定秒加圧測定

血液流出-再還流測定を、三波長測定、進入深さを変えて行うとこにより、血液の流出、流入、拍動信号が、測定深さが異なる時、どのように変化していくか、また、血管内の酸素飽和度がどのように変化しているか確認を行う。

[実験方法]

三波長光センサにおいて、10秒間の一定強化圧(252mmHg)を行う。

以下に結果を示す。

Fig7-2-2(a) 10秒加圧時の三波長波形

【青色、緑色の比較】

各波長において、LEDの光度、受光素子の感度が異なるため、比較が行いづらい。また、

酸化、還元ヘモグロビンの比率が分からないため、吸光係数が酸化、還元で異なる青色波長は血液量への変換が行えない。今回、緑色と青色の比較を行うために最終受光強度(無限時間加圧を行い血液が抜けきり生体のみと考えられる受光強度)で正規化を行った。

なお、任意時刻の受光強度/最終受光強度が上がるということは、血液量が減っているということである。

0 1 2 3 4

0 2 4 6 8 10

加圧後時刻[sec]

受光強度 [ V ]

緑

青

赤

ドキュメント内加圧光センサによる上腕部駆血解除前後の微小循環評価 (ページ 56-78)

Rb

Lb La

Δ Qp1

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

Δ Qp1

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

Qr Qp3

C F I p a ra m et er [ % m m ]

Time [min.] Time [min.]

被験者 A 被験者 B

7 7 7

7 7 7

w

= d θ

tan

θ

w w

d

= − θ

tan

w

d = ⋅ tan θ

(

)

w w

d = − ⋅ tan θ

d w

θ θ

θ θ

tan tan

tan tan

+

⋅

= ⋅

LED

光 光 光

光 センサ センサ センサ センサ 光遮蔽板

光遮蔽板 光遮蔽板 光遮蔽板

θ

w

z

x

表皮 表皮 表皮 表皮

θ

h

h

w

0

d

毛細血管 毛細血管 毛細血管 毛細血管 を を を を 含

含 含

含 む む む 真皮 む 真皮 真皮 真皮

皮下組織 皮下組織 皮下組織

皮下組織 w

w

1mm 程度 程度 程度 程度 LED

光 光 光

光 センサ センサ センサ センサ 光遮蔽板

光遮蔽板 光遮蔽板 光遮蔽板

θ

w

z

x

表皮 表皮 表皮 表皮

θ

h

h

w

0

d

毛細血管 毛細血管 毛細血管 毛細血管 を を を を 含

含 含

含 む む む 真皮 む 真皮 真皮 真皮

d = ⋅ ^tan θ

d = − ⋅ ^tan θ

光光光

光センサセンサセンサセンサ光遮蔽板

光遮蔽板光遮蔽板光遮蔽板

表皮表皮表皮表皮

毛細血管毛細血管毛細血管毛細血管をををを含

含含

含むむむ真皮む真皮真皮真皮

皮下組織皮下組織皮下組織

1mm 程度程度程度程度 LED

光光光

光センサセンサセンサセンサ光遮蔽板

光遮蔽板光遮蔽板光遮蔽板

表皮表皮表皮表皮

毛細血管毛細血管毛細血管毛細血管をををを含

含含

含むむむ真皮む真皮真皮真皮

皮下組織皮下組織皮下組織

1mm 程度程度程度程度