Development of a simple method for measuring brain tissue oxygen saturation

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K04412
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21030:Measurement engineering-related
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: KURITA Daisaku 東海大学, 理系教育センター, 准教授 (10547970)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 近赤外分光法 / 修正ビア・ランバート則 / 拍動成分 / 酸素化ヘモグロビン / 脱酸素化ヘモグロビン / 血圧心拍波形 / 積算アルゴリズム

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed an algorithm for the accumulation of Near-infrared spectroscopy (NIRS) data that improves the signal-to-noise ratio of the pulse waves of oxygenated hemoglobin (Hb), deoxygenated Hb, and total Hb (P-ΔHbO2, P-ΔHb, and P-ΔHbT) in brain NIRS signals. Using this method, we found changes in the pulse waves to arterial oxygen partial pressure (PaO2) with varying PiO2. As PaO2 decreased, P-ΔHbT increased, P-ΔHb increased from negative to positive, and P-ΔHbO2 decreased after a slow increase. These results suggested that the pulse waves were reflected by an increase in cerebral blood volume due to cerebral vasodilation, a decrease in cerebral blood flow velocity, and a washout effect of deoxygenated Hb.

Free Research Field

脳機能計測

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

NIRS測定では、一般的に拍動成分はノイズと見なされ平滑化されてきた。積算された拍動成分は、脳酸素化状態を正常状態から低酸素状態に変化させると、脳血管拡張による脳血液量の増加、脳血流速度の低下、脱酸素化ヘモグロビンのwashoutの影響などを反映することが明らかとなった。拍動成分は、NIRSにおいて、脳酸素化状態の新しい有用な情報と成り得る。将来的に、拍動成分から何らかの方法で脳組織酸素飽和度が算出できれば、脳計測科学の発展のみならず、脳卒中などの脳血管疾患やうつ病などの精神疾患の質的診断に用いることが可能となり、医療・福祉などの応用分野で実用化が見込まれ、社会への大いなる貢献が期待される。