バイオメディカル情報工学

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1 第 章生体信号 第 節体温と血中酸素飽和度 生体情報学講座陳文西

2 各種体温と計測部位 臨床上よく使われる 正確な計測には習熟必要外気に影響されやすい温度計を直腸に挿入する検温速い 主に乳幼児使用 直腸温 > 鼓膜温 > 舌下温 > 腋窩温 /30

3 熱の伝わり方 3/30

4 体温の計測部位と方式 測定部位 方式 皮膚 サーミスタ 水銀 直腸 サーミスタ 舌下 サーミスタ 鼓膜 赤外線 深部 サーミスタ (+ヒータ) 体表 赤外線 全身 サーモグラフィ 4/30

5 水銀体温計 熱膨張性 V ρ ( ) V α, p α(, p) V V ρ p ρ ρ p 5/30

6 サーミスタ hermstorthermally senstve resstor 温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体 温度計測センサとして利用される 計測温度範囲 -50~350 NC(Negatve emperature Coeffcent) 鉄, ニッケル, コバルト, マンガン, 銅などの金属酸化物を ~4 種混合し, いろいろな形状に成形して高温 (00~ 500 ) で焼結したもので, 温度変化に対して抵抗値の変化が負の関係を持つ半導体抵抗器 PC(Postve emperature Coeffcent) 6/30

7 サーミスタ温度特性 NC PC 7/30

8 感度高い 特長 抵抗温度係数が -.8~-5.%/ で極めて大きい 加工しやすい 利用現場の要求に応じていろいろな形状 特に小形化することが可能 抵抗値の可能な選択範囲が大きい 数十 Ω~ 数百 kω の間で自由選択可能 8/30

9 電子体温計 : 実測式と予測式 婦人体温計 一般体温計 9/30

10 放射温度計 ( 赤外線温度計 ) 放射 とは 物質が持つ熱エネルギーを電磁波 ( 可視光線や赤外線など ) という形態で周囲に放出する現象 赤外線センサを用いて物体の表面から放射される赤外線エネルギーを検知し その赤外線の量から物体の表面温度を測定する 0/30

11 熱電対と熱電堆 hermocouple & hermople Fe Zeebeck effect (thermoelectrc effect) cold Cu Cu hot /30

12 サーモグラフのシステム構成 体温分布測定サーモグラフィ /30

13 加熱型深部体温計 3/30

14 非加熱型深部体温計測原理 熱流の動き 非灌流組織 皮膚組織 皮下脂肪 熱 流断熱材 熱流等価回路 I 熱流灌流組織 深部体温 B B ( ) ( ) I B + ( ) B 4/30

15 双熱流プローブ 5/30

16 深部温の推定第章生体信号計測技術 ( )( ) ( ) ( ) K B + ( ) 3 S B + ( ) 4 S B + 仮に, 近いので 両 s は等しい定義 K / センサの特性を示す 6/30

17 ( 動脈 ) 血中酸素飽和度 (Arteral) Blood Oxygen Saturaton SO S a O S p O ヘモグロビンは肺循環毛細血管の酸素を運んで 体循環毛細血管で酸素を放出する 酸化ヘモグロビンHbO - 酸素と結合する 赤い 還元ヘモグロビンHb - 酸素と結合せず 黒い 酸素飽和度 Oxygen Saturaton (Functonal SO ) [ HbO ] c HbO SO 00% 00% [ HbO ] + [ Hb] c + c 94~99% SaO 血液検査による測定値 侵襲的採血必要 非連続 SpO パルスオキシメーターによる測定値 無侵襲 連続 HbO Hb 7/30

18 血流変動と透過光変動 心臓の拍動と共に 赤細胞の軸は変化しながら前進 拡張時 軸は血流方向と平行 血管径縮小 吸光減少 収縮時 軸は血流方向と垂直 血管径増大 吸光増加 8/30

19 血管中の Beer-Lambert 法則 ( d ) [ ε ( λ ) c + ε ( λ ) c ]d d d d d 0 DC + mn + Hb Hb HbO HbO I I e 9/30

20 心拍周期と最小 最大吸光 I H I 0 e DC [ chbo ] d mn ( λ ) c d ε Hb ( λ ) chb ε HbO ( λ ) DC DC e ε + Incdent lght I 0 L H I L I 0 e DC [ chbo ] d max ( λ ) c d ε Hb ( λ ) chb ε HbO ( λ ) DC DC e ε + 0/30

21 4 種類ヘモグロビンの吸光特性 A ln I I 0 I I e ε ( λ )cd 0 ε ( λ) ε ( λ)cd A cd /30

22 各種吸光成分と総吸光量 酸化ヘモグロビン (Oxyhemoglobn) 還元ヘモグロビン (Deoxyhemoglobn) その他 メトヘモグロビン (Methemoglobn) <0.6% 一酸化炭素ヘモグロビン (Carboxyhemoglobn) <% サルファヘモグロビン (Sulfhemoglobn) 不明 一酸化炭素サルファヘモグロビン (Carboxysulfhemoglobn) 不明 A 総吸光量 (otal absorbance) I [ ε + c d ] ln A HbO HbO HbO I 0 0 ( λ) c d + ε ( λ) c d ε ( λ) Hb Hb Hb x x x /30

23 SO の計算ー HbO SO HbO ( c c ) c + Hb Hb ( SO )( c c ) c + HbO Hb () () A t ( λ) c ( ) HbO d HbO ε Hb λ chbd Hb HbO ε + (3) Assumng dd Hb d HbO, and combnng ()-(3) to obtan (4) A [ ε ( λ) SO + ε ( λ)( SO )]( c c )d t HbO Hb HbO + Hb (4) 3/30

24 SO の計算ー 定義 仮に Δd Δd I, SO を用いて c HbO と c Hb を消去 A A t, t, I ln ln ( I L, I H, ) ( I I ) L, I H, I [ ε ( ) ( ) ] Hb λ chb + ε HbO λ chbo d [ ε ( ) ( ) ] Hb λi chb + ε HbO λi chbo d I ε ( ) [ ( ) ( )] Hb λ + ε HbO λ ε Hb λ SO ( ) [ ( ) ( )] Hb λi + ε HbO λi ε Hb λi SO ε (5) (6) (7) Extractng SO by reformng (7) to obtan (8) SO ε Hb( λ ) ε Hb( λi ) ( λ ) ε ( λ ) + ε ( λ ) ε ( λ ) [ ] ε Hb HbO HbO I Hb I 00% (8) 4/30

25 SpO の計算 入射光の波長によって 酸化ヘモグロビン (HbO ) と還元ヘモグロビン (Hb) の吸収特性は異なる 酸素飽和度 SO HbO HbO + Hb 00% 二つの未知数 (HbO ) と (Hb) があるため 二つの方程式が必要 理論的に 二つの波長を使って 上記二つの未知数 (HbO ) と (Hb) を解いて SO を求める ところが 式 (8) の のみが得られるため 直接に解けない 実用的に SO 既知の模型を用いて 比率 (A /A I ) を計測し look-up table( 校正表 ) を作成し 式 (8) を近似する 計測時 校正表を使って から対応する SO を求める SpO 5/48

26 SpO 光波長と吸光信号波形 A /A I SpO A /A I A /A I 6/30

27 信号の正規化 I n I I H [ ε ( λ ) c + ε ( ) c ] d Hb Hb HbO HbO λ e 7/30

28 校正曲線 8/30

29 経験的方法 ato of pulse-to-constant Clncal formula a and b are coeffcents determned through calbraton 第章生体信号計測技術 I I DC AC DC AC SpO b a n n n n n n n S S a n n n n n n S S n b 9/30

30 演習課題 : 複数生体情報の同時計測 実験機材 ベッドサイドモニタ ( オムロン HBP-070 又は日本光電 BSM-300) 計測信号 心電図 ECG(H) 血中酸素飽和度 S p O (P) 血圧 NIBP(SBP MAP DBP) 呼吸サーミスタ () 体温 (B) 計測状態 安静 息止 過呼吸 安静 運動 安静 各 5 分間 データ読み取り間隔 分毎 データ解析と結果考察 30 分間における各種生体情報の 分毎変化グラフを作成する 各状態 (5 分毎 ) における各種生体情報の平均値と標準偏差を求め その変動状況と原因を考察する 30/30

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