JPH05103786A - 代謝情報測定装置 - Google Patents

代謝情報測定装置

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Publication number
JPH05103786A
JPH05103786A JP3266692A JP26669291A JPH05103786A JP H05103786 A JPH05103786 A JP H05103786A JP 3266692 A JP3266692 A JP 3266692A JP 26669291 A JP26669291 A JP 26669291A JP H05103786 A JPH05103786 A JP H05103786A
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JP
Japan
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light
tissue
metabolism
fiber
receiving
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Withdrawn
Application number
JP3266692A
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English (en)
Inventor
Mamoru Kaneko
守 金子
Akio Nakada
明雄 中田
Seiji Kuramoto
聖治 倉本
Yasuhiko Omagari
泰彦 大曲
Yoshio Tashiro
芳夫 田代
Kazunari Nakamura
一成 中村
Koichi Umeyama
広一 梅山
Yoshinao Ooaki
義直 大明
Seiji Yamaguchi
征治 山口
Shuichi Takayama
修一 高山
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】生体組織の組織表面からの反射光と組織深部か
らの反射光とを分離して測定することができ、生体組織
の代謝情報を正確に測定できる代謝情報測定装置を提供
することにある。 【構成】生体組織Aに対して組織の代謝情報を測定する
検査光を出射する照射用ファイバー12と、前記組織A
内を透過した検査光を受光する受光用ファイバー13と
を有し、前記受光用ファイバー13によって受光した受
光結果に基づいて前記生体組織Aの代謝情報を測定する
ものにおいて、前記検査光をシャッタ19a〜19dに
よってパルス的に出射する一方、パルス的に出射される
検査光に対応して得られる受光信号を経時的に変化する
信号として受光し、解析装置26によって解析して生体
組織の代謝情報を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光を用いて心臓や脳
等の生体組織や器官内の酸素飽和度すなわち酸素代謝等
の生体情報を測定するのに適した生体組織の代謝情報測
定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】赤色から近赤外領域の光は生体組織に対
しての高い透過性やヘモグロビン、ミオグロビン、チト
クローム酸化酵素などの生体の酸素代謝をつかさどる物
質への吸光性やその酸素結合情報に対応する吸光スペク
トルの変化といった特徴を持っている。
【0003】このような特徴を利用して、USP422
3680,USP4281645に示されているよう
に、生体内の心臓や脳などの各種器官の酸素代謝を測定
する方法が知られている。これは、700〜1300n
mの近赤外領域の光を生体内の器官や組織に照射し、前
記器官および組織深部より反射してきた反射光、あるい
は透過してきた光を検出して、波長間の光強度を比較演
算することで血液量、ヘモグロビンおよびチトクローム
の酸素化度を測定している。
【0004】前記チトクロームとは、細胞のミトコンド
リア内に存在する銅を持つ色素タンパク質(酸化型Cu
2+還元型Cu+ )。通常80%が酸化型であるが、虚血
時、早期に還元型となる。このため、各波長の吸収量か
らチトクロームの酸化還元状態を測定でき、組織の酸素
代謝の指標として使用される。
【0005】心筋梗塞が起きた場合、最悪の場合は心筋
の壊死に至るが、早期や急性の場合には心筋の活動は停
止しているが、壊死に至らない場合がある。このような
場合にはPTCAやバイパスが有効である。これまで、
PETを用いて心筋が生きているか、死んでいるかの診
断を行い、バイパス術の実施の判断を行っていたが、P
ET装置は、きわめて高価であり、あまり普及していな
い。
【0006】心筋組織を測定する場合、実際には、下肢
大動脈からスコープを挿入し、図7に示すように、スコ
ープ1の先端部2を心筋組織3に押し当てながら冠状動
脈にあらかじめ配置されたバルーン等で所定期間閉塞さ
せて心筋の代謝変化を測定することで診断している。こ
のとき、心筋が死んでいると代謝変化はないことから、
心筋が生きているか、死んでいるかを診断できる。
【0007】ところで、従来の代謝情報測定装置として
知られている特開昭59−230533号公報は、光源
からの光を投光用ファイバを通じて生体組織に投光し、
生体組織からの反射光を複数の光ファイバ束を用いて受
光部へ伝送し、端面にそれぞれ設けた異なる波長フィル
タで分光した後、各波長別に反射光の強さを測定して対
象となる生体組織の情報を測定している。
【0008】また、特公昭61−11614号公報は、
700〜1300nmのスペクトル範囲内にある各種波
長の光を含む近赤外領域を所定のサイクルで交互に断続
的に生体組織に投光し、生体組織からの反射光を受光部
で受光し、各波長別に反射光の強さを測定して対象とな
る生体組織の情報を測定している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、USP42
23680,USP4281645の両特許において、
出願人は近赤外領域の光を用いて酸素代謝を計測する場
合では、その光の経路は比較的長くなければならないと
強調している。つまり、長い経路にまたがるというよう
にするということは対象とする組織に対し深部の代謝情
報を含むことができるからである。
【0010】また、臓器の代謝を一方向から光を照射お
よび検出する(これを反射方式と呼ぶ)場合、前記目的
を達成するためには、光の照射部および検出部はそれぞ
れ数センチ程度離す必要があると述べている。“近赤外
生体計測法を用いた対外循環時の脳酸素代謝の監視”人
口臓器19(1)535-538(1990)では脳内の酸素代謝を測定す
るため照射部と検出部を3〜4cm離している。
【0011】また、近年、光ファイバーバンドルを用い
て、胃、大腸はもちろんのこと血管内を画像で観察でき
る内視鏡が医学全般で利用されている。この内視鏡は対
外から見えない臓器を体腔内から直接観察することで疾
患の診断を正確かつ早期に行える特徴を持つ。
【0012】さらに、内視鏡にはチャンネルという孔が
設けられており、対外よりチャンネルを通じて体内に生
検鉗子、電気メスなどの処置具が挿入可能で画像による
診断では分からない病変部の診断や治療等に用いられ
る。
【0013】最近ではこのチャンネルを利用して酸素飽
和度を測定するための光ファイバープローブを挿入し
て、病変部の代謝情報を診断したり、または光プローブ
をX線透視下で直接挿入して臓器の酸素代謝を求める検
討が行われている。
【0014】前記光プローブについては“光ファイバー
プローブを用いた医用反射光スペクトル分析装置”医用
電子と生体工学Vol.28No3(1990),特開昭59−2305
33に詳しい。
【0015】ところで、前述のような光ファイバープロ
ーブは体腔内に挿入可能なように、そのプローブの挿入
部の外径は細く、そのため、光を照射する照射部と検出
する検出部が極めて近接して配置されており、また光速
に比べ十分に長い時間幅のパルス光を使っているため、
光が比較的長い経路をまたがらず組織表面を通過した光
を検出するようになっている。すなわち、このような方
法は組織の表面に限って代謝情報を測定するものであ
り、組織深部の代謝情報は組織の表皮や表皮表面につい
た体液や血液の影響を強く受け測定できなかった。
【0016】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、組織表面からの反射
光と組織深部からの反射光とを分離して測定することが
でき、代謝状態に左右される深部組織からの反射光を受
光して正確に代謝情報を測定できる代謝情報測定装置を
提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】この発明は、前記目的を
達成するために、生体組織に対して組織の代謝情報を測
定する検査光を出射する検査光出射手段と、前記組織内
を透過した検査光を受光する受光手段とを有し、前記受
光手段の受光結果に基づいて前記生体組織の代謝情報を
測定するものにおいて、光出射制御手段によって前記検
査光をパルス的に出射制御し、パルス的に出射される検
査光に対応して得られる受光信号を経時的に変化する信
号として受光し、解析する解析手段とを具備したことに
ある。
【0018】
【作用】生体の体腔内に挿入したプローブの先端部を被
検査部としての生体組織に押し当て、光出射制御手段に
よって検査光をパルス的に出射すると、検査光としての
パルス光は生体組織を散乱、反射しながら透過し、再び
受光部によって受光される。受光信号は経時的に変化す
る信号として受光し、解析する解析手段によって生体組
織の代謝情報を測定する。
【0019】
【実施例】以下、この発明の各実施例を図面に基づいて
説明する。
【0020】図1〜図3は第1の実施例を示す。図1は
代謝情報測定装置の全体構成を示すもので、11は体腔
内の例えば心臓、胃、大腸、脳等に挿入可能な伸長で、
かつ細径なフレキシブルチューブよりなるプローブであ
る。
【0021】このプローブ11には生体組織に対して組
織の代謝情報を測定する検査光を出射する検査光出射手
段としての照射用ファイバー12と組織内を透過した検
査光を受光する受光手段としての受光用ファイバー13
が内挿されている。前記プローブ11の先端部には照射
用ファイバー12と対向する照射窓14が、受光用ファ
イバー13と対向する受光窓15が設けられている。
【0022】一方、16はNd:YAGレーザ発振器で
ある。このNd:YAGレーザ発振器から発振されるパ
ルス光は、図2(a)に示すように、波長λ=1064
nmであり、第1〜第3のビームスプリッタ17a〜1
7cによって4分され、第1および第2のミラー18
a,18bとともに光出射制御手段としての第1〜第4
のシャッタ19a〜19dを介して第1〜第4の色素レ
ーザダイオード20a〜20dに導かれる。
【0023】ここで、前記第1〜第4のシャッタ19a
〜19dは、図2(b)に示すように、第1〜第4のシ
ャッタ19a〜19dの順に「開」となり、この「開」
時に、図2(c)に示すように、第1の色素レーザダイ
オード20aの波長λ1 は775nm、第2の色素レー
ザダイオード20bの波長λ2 は810nm、第3の色
素レーザダイオード20cの波長λ3 は870nm、第
4の色素レーザダイオード20cの波長λ4 は904n
mのパルス光を順次発光するようになっている。
【0024】前記第1〜第3の色素レーザダイオード2
0a〜20cの出射側には第1〜第3のダイクロイック
ミラー21a〜21cが設けられ、第4の色素レーザダ
イオード20dの出射側には第3のミラー18cが設け
られ、第1〜第4の色素レーザダイオード20a〜20
dから出射されたパルス光は第1のダイクロイックミラ
ー21aを介してレンズ22に導かれ、このレンズ22
によって前記プローブ11の照射用ファイバー12に入
射される。
【0025】また、前記第1のダイクロイックミラー2
1aとレンズ22との間には第4のビームスプリッタ1
7dが設けられ、この反射光はフォトダイオード23に
入射される。
【0026】そして、前記第1〜第4の色素レーザダイ
オード20a〜20dから発光するパルス光は第1〜第
3のビームスプリッタ17a〜17c等によって、図2
(d)に示すような波長λ1 〜λ4 で繰り返すパルス列
となり、このパルス光は1〜2psの半値幅で1μsご
と発生するようになっている。
【0027】このようなパルス光を生体組織、例えばこ
の実施例においては、心筋Aに照射した場合、近接した
受光用ファイバー13で検出したパルス光(検出光)は
心筋A内で反射散乱を繰り返すため、図2(e)に示す
ように、時間的に広がりを帯びたプロファイルとなる。
【0028】前記受光用ファイバー13で検出したパル
ス光、つまりストリーク像は、レンズ24を介してスト
リークカメラ25によって求められ、さらに解析手段と
しての解析装置26によって前記プロファイルを各波長
ごとに、また各波長間で演算することにより、代謝(H
bO2 ,Hb,cyt)を測定する。
【0029】前記解析装置26はX−Yレコーダ27,
表示装置28および制御装置29に電気的に接続され、
制御装置29は前記Nd:YAGレーザ発振器16およ
び第1〜第4のシャッタ19a〜19dを制御してい
る。
【0030】次に、前述のように構成された代謝情報測
定装置の作用について説明する。生体の体腔内に内視鏡
のチャンネル等を介してプローブ11を挿入し、プロー
ブ11の先端部の照射窓14および受光窓15を測定し
ようとする心筋Aに押し当てる。
【0031】そして、制御装置29によってNd:YA
Gレーザ発振器16を制御し、Nd:YAGレーザ発振
器16からパルス光を発振すると、第1〜第3のビーム
スプリッタ17a〜17cと第1および第2のミラー1
8a,18bによって第1〜第4のシャッタ19a〜1
9dに導かれる。
【0032】第1〜第4のシャッタ19a〜19dが順
次「開」となると、第1の色素レーザダイオード20a
の波長λ1 は775nm、第2の色素レーザダイオード
20bの波長λ2 は810nm、第3の色素レーザダイ
オード20cの波長λ3 は870nm、第4の色素レー
ザダイオード20cの波長λ4 は904nmのパルス光
を順次発光する。
【0033】前記第1〜第4の色素レーザダイオード2
0a〜20dから出射されたパルス光はレンズ22を介
して前記プローブ11の照射用ファイバー12に入射さ
れ、照射用ファイバー12の出射窓14から心筋Aに照
射される。照射されるパルス光は、波長λ1 〜λ4 で繰
り返すパルス列となり、このパルス光は1〜2psの半
値幅で1μsごと発生して心筋Aに照射する。
【0034】前記受光用ファイバー13で検出したパル
ス光、つまりストリーク像は、レンズ24を介してスト
リークカメラ25によって求められ、さらに解析装置2
6によって前記プロファイルを各波長ごとに、また各波
長間で演算することにより、代謝(HbO2 ,Hb,c
yt)を測定する。
【0035】前記解析装置26において前記プロファイ
ルを各波長ごとに、また各波長間で演算する演算例を、
図3および数1に基づいて説明すると、図3は受光した
1つのストリーク像であり、縦軸は光強度、横軸は時間
である。t1〜t2 の時間における反射光は組織表層部
からの反射光であり、t3 〜t4 における反射光は組織
深部からの反射光である。
【0036】心筋Aにパルス光を照射した場合、t1
2 の早い時間における光は心膜など代謝に関与しない
光であり、t3 〜t4 の遅れた光は心筋Aの代謝情報に
左右される。つまり、t1 〜t2 の組織表層部の光は照
射光強度に対応するので、この領域の光でt3 〜t4
光を規格化し、対数をとることで代謝による吸光度変化
を測定できる。さらに、Jobsisらの理論にのっと
り波長間で演算することで代謝(HbO2 ,Hb,cy
t)を測定できる。
【0037】
【数1】
【0038】図4および図5は第2の実施例を示す。こ
の実施例は光源として第1〜第4のピコ秒半導体レーザ
31a〜31dを用い、プリズム32を毎秒数百回転す
る。(例えば、333回転/s,各ピコ秒半導体レーザ
31a〜31dを250Hzで動作し、同期させると、
順次波長の異なった1KHzのパルス列となる。)ま
た、この実施例では、照射用と受光用を1本のファイバ
ー33で共用しているが、受光(反射光)を検出するビ
ームスプリッタ34が必要となる。
【0039】図5はこの実施例における心筋Aからの反
射光のプロファイルであり、照射用と受光用を1本のフ
ァイバーで行っている。aは表層部からの反射光、bは
深部からの反射光であり、組織表層部からの反射光は極
めて強くなる。このときのt1 〜t4 は次のように分割
する。およその目安として t3 〜t4 =80ps〜200 ps=18.4mm〜46mm 0.
23mm/ps t1 〜t2 =0 ps(10 ps)〜20ps= 0 (2.3m
m) 〜4.mm ( )は照射用と受光用ファイバーが分かれている場
合)
【0040】図6(a)(b)は第3の実施例を示す。
この実施例はプローブ35の先端部36を示すもので、
この先端部36は、プローブ35の伸長方向に出射端3
7と入射端38が離れ、かつそれぞれの光軸方向が発散
するように配置された照射用ファイバー39および検出
用ファイバー40と、前記照射用ファイバー39と検出
用ファイバー40を分けると共に前記照射用ファイバー
39より照射された光が生体組織41と接触面42とを
反射伝搬して検出用ファイバー40に到達しないよう
に、例えば艶消し黒色塗料などの光吸収物質が接触面4
2に塗られた隔壁部43と、プローブ35の外径にほぼ
等しく、前記照射用ファイバー39、検出用ファイバー
40および隔壁部43を固定する固定部44とから構成
されている。
【0041】したがって、照射用ファイバー39より生
体組織41に光を照射すると光散乱の影響により広く拡
散する。このとき、光軸は発散する方向を向いているの
で、多くの光を生体組織41の深部にいたり、その一部
の光は生体組織41の深部にいたり検出用ファイバー4
0に到達する。しかしながら、ある一部の光は接触面4
2と生体組織41の表皮とを反射し続け、検出用ファイ
バー40に到達するものもある。
【0042】ところで、生体組織41の代謝情報は表皮
や粘膜にはあまり含まれないことが知られている。この
ため、前記のように生体組織41の表面と接触面42を
反射伝搬してきた光は代謝情報が含まれずノイズとなる
が、接触面42に光吸収物質を塗布することで、前記ノ
イズとなる光を接触面42との反射を繰り返すたびに吸
収し、効果的に減少することができる。すなわち、プロ
ーブ35の伸長方向の先端部36に光照射部と光検出部
が近接して固定された構造でも、生体組織41の深部の
光を検出できる。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、生体組織からの反射光の反射光強度の時間変化から
生体組織の組織表面からの反射光と組織深部からの反射
光とを分離して測定することができ、生体組織の代謝情
報を正確に測定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施例に係わる代謝情報測定
装置の全体構成図。
【図2】同実施例のパルス波形図。
【図3】同実施例のプロファイルを示す説明図。
【図4】この発明の第2の実施例に係わる代謝情報測定
装置の全体構成図。
【図5】同実施例のパルス波形図。
【図6】この発明の第2の実施例に係わるプローブの先
端部の断面図および斜視図。
【図7】一般的な心筋の代謝状態の診断状態を示す斜視
図。
【符号の説明】
11…プローブ、12…照射用ファイバー、13…受光
用ファイバー、16…Nd:YAGレーザ発振器、20
a〜20d…第1〜第4の色素レーザダイオード、26
…解析装置、29…制御装置。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年2月21日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0022
【補正方法】変更
【補正内容】
【0022】一方、16はNd:YAGレーザ発振器で
ある。このNd:YAGレーザ発振器から発振されるパ
ルス光は、図2(a)に示すように、波長λ=1064
nmであり、第1〜第3のビームスプリッタ17a〜1
7cによって4分され、第1および第2のミラー18
a,18bとともに光出射制御手段としての第1〜第4
のシャッタ19a〜19dを介して第1〜第4の色素
ーザ20a〜20dに導かれる。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0023
【補正方法】変更
【補正内容】
【0023】ここで、前記第1〜第4のシャッタ19a
〜19dは、図2(b)に示すように、第1〜第4のシ
ャッタ19a〜19dの順に「開」となり、この「開」
時に、図2(c)に示すように、第1の色素レーザ20
aの波長λ1は775nm、第2の色素レーザ20bの
波長λ2は810nm、第3の色素レーザ20cの波長
λ3は870nm、第4の色素レーザ20cの波長λ4
は904nmのパルス光を順次発光するようになってい
る。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0024
【補正方法】変更
【補正内容】
【0024】前記第1〜第3の色素レーザ20a〜20
cの出射側には第1〜第3のダイクロイックミラー21
a〜21cが設けられ、第4の色素レーザ20dの出射
側には第3のミラー18cが設けられ、第1〜第4の色
レーザ20a〜20dから出射されたパルス光は第1
のダイクロイックミラー21aを介してレンズ22に導
かれ、このレンズ22によって前記プローブ11の照射
用ファイバー12に入射される。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0026
【補正方法】変更
【補正内容】
【0026】そして、前記第1〜第4の色素レーザ20
a〜20dから発光するパルス光は第1〜第3のビーム
スプリッタ17a〜17c等によって、図2(d)に示
すような波長λ1〜λ4で繰り返すパルス列となり、こ
のパルス光は1〜2psの半値幅で1μsごと発生する
ようになっている。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0032
【補正方法】変更
【補正内容】
【0032】第1〜第4のシャッタ19a〜19dが順
次「開」となると、第1の色素レーザ20aの波長λ1
は775nm、第2の色素レーザ20bの波長λ2は8
10nm、第3の色素レーザ20cの波長λ3は870
nm、第4の色素レーザ20cの波長λ4は904nm
のパルス光を順次発光する。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0033
【補正方法】変更
【補正内容】
【0033】前記第1〜第4の色素レーザ20a〜20
dから出射されたパルス光はレンズ22を介して前記プ
ローブ11の照射用ファイバー12に入射され、照射用
ファイバー12の出射窓14から心筋Aに照射される。
照射されるパルス光は、波長λ1〜λ4で繰り返すパル
ス列となり、このパルス光は1〜2psの半値幅で1μ
sごと発生して心筋Aに照射する。
【手続補正7】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図6
【補正方法】変更
【補正内容】
【図6】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大曲 泰彦 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 田代 芳夫 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 中村 一成 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 梅山 広一 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 大明 義直 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 山口 征治 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 高山 修一 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 生体組織に対して組織の代謝情報を測定
    する検査光を出射する検査光出射手段と、前記組織内を
    透過した検査光を受光する受光手段とを有し、前記受光
    手段の受光結果に基づいて前記生体組織の代謝情報を測
    定する代謝情報測定装置において、前記検査光をパルス
    的に出射制御する光出射制御手段と、前記パルス的に出
    射される検査光に対応して得られる受光信号を経時的に
    変化する信号として受光して解析する解析手段とを具備
    したことを特徴とする代謝情報測定装置。
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