JP2007111461A - 生体の光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体内の血液は、皮膚血流と生体組織内血流に大きく分類される。測定対象は生体組織内の血流であるが、第１の開口部から光を照射して第２の開口部で光を受光する構成では測定値に生体表面付近の皮膚血流の変化を含むため、姿勢変化などによる皮膚血流の影響が測定に現れる。
【解決手段】同一の波長の光を発する第１の光源と第２の光源と、第１及び第２の光源からの光を周期的に振幅変調する手段と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも２つの受光手段を有し、第１の光源からの光を第１の開部に照射して第２の開口部で受光し（受光１）、第２の光源からの光を第２の開口部に照射して第１の開口部での受光し（受光２）、第１の光源の光を第１の開口部で受光し（受光３）、第２の光源の光を第２の開口部で受光（受光４）する。受光１から受光４の受光強度を、受光２から受光３の受光強度を受光強度に応じた係数で差し引きして皮膚血流の影響を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体の機能情報を光により計測する装置に関する。

光は生体内部の情報を簡便かつ非侵襲で得る手段として有効であり、生体の機能情報を計測する装置が開発されている。生体内に存在する何種類かの色素の光吸収特性は波長に依存することが一般に知られている。このため、たとえば、血液中のヘモグロビン色素の光吸収特性を波長の異なる２種類の光を利用して測定すれば、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの相対量、すなわち、酸素の消費量を計測することができる。可視から近赤外の波長の光を用いて生体の機能を計測する装置として、従来から光トポグラフィと呼ばれる生体（主として脳機能）の生体光計測装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。これは生体の表面（たとえは頭部）に光の照射点と光の受光点を配置して拡散・反射光を測定し、ヘモグロビン色素の光吸収特性から酸素消費量を推定する方法である。図１１に示すように開口部１ａから光を照射して距離Ｄ離れた開口部１ｂにて受光した場合、１ｂで受光される光は図１１の光の伝播経路１３に従い伝播した拡散・反射光であると考えられている。そこで、図１１の距離Ｄの中点では伝播経路はもっとも深いｃの領域、すなわち、生体組織内の血流による拡散反射光の伝播特性が測定できるとみなされている。この測定を表面の複数の位置で行うことにより２次元の光の伝播特性の分布が計測され、運動に伴う筋肉内の酸素消費量の測定や脳の賦活状態の推定が行われている。
"Ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｍｏｔｏｒ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ ＮＩＲ ｔｏｐｏｇａｐｈｙ"，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ．２２，ｐｐ．１９９７−２００５，１９９５．

生体組織内の血液は、生体表面付近の皮膚血流とたとえば筋肉や脳などの生体組織内血流に大きく分類される。従来技術においては、１組の光の照射点と受光点を考えた場合、その中点位置付近の内部での生体組織内血流で光の吸収係数の変化が生じているとみなして拡散・反射光の測定結果からヘモグロビン代謝を求めている。ここで、光には空気中から照射された光の大部分は、屈折率の高い生体の表面付近で反射されてしまい内部に拡散散乱される光は一部であるという特性がある。このため、図１１の構成からは、実際に受光される光には表面付近での反射による皮膚血流の光吸収特性も含まれると考えられ、姿勢変化などにより皮膚血流が移動するとその影響が測定値に生じ、正確な生体組織内血流の光吸収特性の計測が行えないという課題があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、測定値から皮膚血流の光吸収係数の変化に伴う測定値の変動を低減して、姿勢変化などによる影響を受けにくい生体光計測装置を実現することを目的とするものである。

本発明の生体光計測装置は上記目的を達成するために、同一の波長の光を発生する第１の光源と第２の光源と、上記第１及び第２の光源からの光を時間的に振幅変調する手段と、少なくとも２つの開口部と少なくとも２つの光を受光する手段と受光された光をそれぞれ電気信号に変換する手段と、電気信号に変換された光を増幅、変調周波数に応じて位相検波して受光強度に換算する手段を有する。

上記、解決手段による作用は次の通りである。光の照射・受光を行うための第１の開口部と第２の開口部をある距離Ｄ離して生体表面に配置する。第１の光源からの光を第１の開口部に照射して第２の開口部で受光し（このとき受光される光を受光１とする）、第２の光源からの光を上記第２の開口部に照射して第１の開口部での受光し（受光２）、上記第１の光源による上記第１の開口部で受光し（受光３）、上記第２の光源による上記第２の開口部で受光（受光４）する。受光３，４は主として開口部近傍の拡散反射光であり、受光１、２は各開口部近傍と第１、第２の開口部間の生体組織内の拡散反射光である。このことから、受光１から受光３、受光４を受光２から受光３、受光４をそれぞれ受光強度に応じた係数を持って差し引きすることにより、皮膚血流の変動の影響を低減した生体組織内部の光伝播特性を求めることができる。

さらに上記第１の光源及び上記第２の光源とは異なる第２の波長を持つ第３の光源と第４の光源と、上記第３の光源と上記第４の光源からの光を時間的に振幅変調する手段と、上記第３の光源からの光を上記第１の開口部に照射する手段と、上記第４の光源からの光を上記第２の開口部に照射する手段を有することにより第１の波長の光と第２の波長の光による生体組織、たとえば血液中の光吸収特性の差を利用した酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの相対量を測定することができる。

照射と同一開口部からの受光される光を利用して表層付近の皮膚血流による影響を低減できることから、その影響を抑制して生体組織内血流の特性を選択的に測定することができる。その結果、本発明の生体光計測装置は、生体織内血流による変化をより正確に測定することができ、運動などの大きな姿勢変化に伴う場合の筋肉での酸素消費や脳機能の測定などの様々な状況で生体光計測装置が活用できる。

以下、本発明の実施の形態を図１から図１０に基づいて説明する。なお、説明を簡単にするために一波長の光を用いた場合を主に説明する。

（実施例１）図１は本発明による生体光計測装置の第１の実施例の構成を示す。本実施例において開口部１ａ、１ｂは生体表面に配置されて、光の照射と戻り光の受光に用いられる。開口部には必要に応じて集光のためにレンズを設ける。開口部１ａ、１ｂと光の照射部・受光部３ａ、３ｂの間は光ファイバ１２で接続される。単数のファイバで接続する場合は照射用と受光用の光ファイバを融着して開口部へ入力する。複数の光ファイバで接続する場合には図３に示すように照射光と受光をそれぞれ複数の光ファイバから構成される光ファイバ束１４へ入力し、これらを束ねて開口部へ接続する。開口部における光ファイバの配列はランダムでも中心部に照射用の光ファイバを周辺部に受光用の光ファイバを配置しても、照射・受光のファイバをランダムに配置してもよい。また、受光効率を上げるために受光用のファイバを照射用のファイバより太くすることや本数を増やすこともできる。また、照射部と受光部の間に分光器を設けて接続することも可能である。図４は分光器１１にて照射を透過して開口部へ入力し、戻り光を反射して受光する場合の構成例である。受光効率を高くする場合には分光器１１の分光比を反射率が透過率に対して高くするように設計すればよい。また、測定に不要な光が反射されないように筐体１５の表面は光を吸収できるように加工する。図２の光の照射部・受光部３ａ、３ｂでは、光と電気信号の変換を行う。光の照射部では半導体レーザなどの光電変換素子により電気信号を光信号に変換し、必要に応じてレンズを介して出力される。受光部では必要に応じてレンズを介して光を受光し、フォトダイオードなどの受光素子により電気信号に変換する。光調整回路４は、照射される光を周波数に応じて振幅変調して、測定に必要な振幅に調整する。受光回路５は、変換された信号に対して必要に応じて増幅や位相検波を行い、受光強度を求める。信号処理装置６は、デジタル／アナログ変換器７及びアナログ／デジタル変換器８を介して照射光調整回路４、受光回路５に接続される。信号処理装置６では、入射光の強度の調整、測定データの信号処理、測定結果の画面表示を行う。

以下、上記構成による光の検出方法について図２により説明する。開口部１ａ、１ｂは生体表面の距離Ｄ離れた位置に設置される。開口部１ａから光Ｐ１を開口部１ｂから光Ｐ２を照射するとともに光強度を測定する。生体組織内に吸収体が存在する場合に検出される光強度の変化率を光検出感度とすると、光検出感度Ｓは、距離ｘ、ｙ、深さ方向ｚの関数として拡散方程式に基づいた摂動理論（Ｒｙｔｏｖ近似）により数１で与えられる。

数１

Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Φｓ・Φｄ／Φｄ０・・・・数１。
ここで、Φｓ、Φｄは光源、検出器位置の単位光源が吸収体が存在する関心点（ｘ、ｙ、ｚ）に作る光子密度、Φｄ０は吸収係数変化がない場合の光子密度である。Ｐ１を照射と同一の開口部１ａで受光した場合の光強度をＳ１Ａ、Ｐ２を照射と同一の開口部１ｂで受光した場合の光強度をＳ２Ｂ、Ｐ１を照射と異なる開口部１ｂで受光した場合の光強度をＳ１Ｂ、Ｐ１を照射と異なる開口部１ｂで受光した場合の光強度をＳ２Ａとする。このとき、測定対象となる生体組織内の血液灌流による拡散反射光の検出感度は数２で求められる。

数２

Ｓ＝Ｓ１Ｂ＋Ｓ２Ａ−α（Ｓ１Ａ＋Ｓ２Ｂ）・・・・数２。
ここで、αは補正係数であり、測定対象となる生体内組織の光学定数や光強度に依存して定められる。

以下に本発明の実施例の効果を計算機シミュレーションにより示す。図５は開口部１ａから光を照射て開口部１ｂで受光した場合（Ｓ１Ｂ、Ｓ２Ａ）、図６は開口部１ａ、１ｂの同一開口部でそれぞれ照射・受光を行った場合（Ｓ１Ａ＋Ｓ２Ｂ）の光検出感度を深さ１ｍｍの位置で計算した例である。図５から光検出感度は照射点と受光点の近傍の表層付近で高く、測定対象となる伝播経路では低いことがわかる。また、図６より同一の開口部で照射・受光を行うと開口部近傍にて選択的に光検出感度が高く、主として平均化された表層部の皮膚血流による信号が含まれることがわかる。

さらに図７に本発明の実施例による補正例を示す。開口部１ａ、１ｂ間の距離Ｄを２０ｍｍ、開口部分の半径ｒｓを５ｍｍとし、生体組織内の吸収係数が１ｍｍ立方の領域として変化するとその領域の位置が変化すると仮定した際の光検出感度の分布である。図５、図６と同様に上記拡散方程式に基づいた摂動理論（Ｒｙｔｏｖ近似）により計算した。ここでは筋肉中の血液を計測対象とした際の光学定数を用いている。図７Ａは補正前、Ｂは補正後の計算結果である。本発明に基づいた補正を行うことにより、開口部近傍の浅い領域での影響が低減できることがわかる。

上記実施例においては１波長の光を用いた場合について説明したがヘモグロビンの酸素化、脱酸素化による変化を調べるために、光の吸収特性が異なる少なくとも２波長の光源を組み合わせて測定を行うのが一般的である。この場合、図８に示すように光の照射・受光を行う開口部１ａ、１ｂに第１の波長の光Ｐ１１、Ｐ２１、第２の波長のＰ１２、Ｐ２２をそれぞれ入力する。このとき測定対象となる生体組織内の血液灌流による第１、第２の波長の拡散反射光による光検出感度は、数２と同様に求められる。ただし、第１、第２の波長の拡散反射光による補正係数は光の波長により異なる。開口部１ａ、１ｂと光の照射部・受光部３ａ、３ｂの間の接続には図３の光ファイバ束に第２の波長の光を入力するための光ファイバ束を加えた３分岐型の光ファイバ束を用いれば２つの照射光を融合して開口部１ａ、１ｂに入力し、１つのファイバから受光することが容易に実現できる。

次に生体表面への開口部の配置と測定位置について説明する。測定の原理から測定された値は各開口部のほぼ中点に位置すると考えられている。図９は９個の開口部１ｃ〜１ｊを配置した例である。図中の×印は推定測定位置を示す。図９の構成では開口部間隔とほぼ同じ間隔の１２点で測定できる。また、図１０は７個の開口部１ｃ〜１ｊを三角形を基本に配置した例である。開口部間隔と等しい間隔と半分の間隔で垂直方向に交互に１２点で測定できる。開口部を三角形に基本に配置すると同じ面積に多数の点で測定できることから位置の分解能が向上するとともに、円形に配置しやすいため、頭部のような球面状の生体表面に配置するのに適する。

本発明により生体光計測装置において、生体組織内血流の酸素化状態の変化に伴う脳などの生体機能を皮膚血流の影響を抑えて測定できるようになる。このため運動などの姿勢変化が大きな場合にも皮膚血流の影響を抑えて正確な測定が可能な生体光計測装置を提供することが可能となり、医学、心理学などの分野において幅広い状況下での測定が可能となる。

本発明の実施形態を示す光計測装置の構成図。 本発明の光計測装置による計測方法を説明する図。 本発明の光計測装置の開口部と光の照射部・受光部の間の接続方法を説明する図。 本発明の光計測装置の開口部と光の照射部・受光部の間の接続方法を説明する図。 光の照射と受光を異なる開口部で行った場合の光検出感度の計算例を示す図。 光の照射と受光を同一の開口部で行った場合の光検出感度の計算例を示す図。 本発明による光計測の効果に関する計算例を示す図。 本発明の２つの波長の光を用いた計測方法を説明する図。 本発明の開口部の配置と推定測定位置を説明する図。 本発明の開口部の配置と推定測定位置を説明する図。 従来の光計測装置による計測方法を説明する図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 開口部
３ａ、３ｂ 光の照射・受光部
４ 入射光調整回路
５ 受光回路
６ 信号処理装置
７ アナログ／デジタル変換器
８ デジタル／アナログ変換器
１１ 分光器
１２ 光ファイバ
１３ 光の伝播経路
１４ 光ファイバ束
１５ 筐体

Claims (3)

1. 少なくとも１つの同一の波長の光を発生する第１の光源と第２の光源と、上記第１の光源と上記第２の光源から光を発生する手段と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも２つの光を受光する手段を有し、上記第１の光源からの光を第１の開口部に照射して第２の開口部で受光し（受光１）、上記第２の光源からの光を上記第２の開口部に照射して第１の開口部での受光し（受光２）、上記第１の光源による光を上記第１の開口部で受光し（受光３）、上記第２の光源による光を上記第２の開口部で受光（受光４）する手段と、上記受光１から受光４で受光された光をそれぞれ電気信号に変換する手段と、電気信号に変換された光を受光強度に換算する手段を有することを特徴とする生体光計測装置。
2. 上記受光１から上記受光３と上記受光４、上記受光２から上記受光３と上記受光４をそれぞれ受光強度に応じた係数を持って差し引きする手段を有することを特徴とする上記請求項１に記載の生体光計測装置。
3. 上記第１の光源及び上記第２の光源とは異なる第２の波長を持つ第３の光源と第４の光源と、上記第３の光源と上記第４の光源から光を発生する手段と、上記第３の光源からの光を第１の開口部に照射手段と、上記第４の光源からの光を第２の開口部に照射を有することを特徴とする上記請求項１、上記請求項２、上記請求項３に記載の生体光計測装置。

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