JP2000121555A

JP2000121555A - ヘテロダイン検波による酸素モニター装置

Info

Publication number: JP2000121555A
Application number: JP10287487A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ichimura; 勉市村
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】的確な酸素飽和度を測定することができるヘ
テロダイン検波による酸素モニター装置を提供する。【解決手段】レーザー光の発生装置１０１と、レーザ
ー光の伝送を行う第１の光ファイバ１０３と、第１の方
向性結合器１０４と、第１の指向性光学系１０５と、第
２の指向性光学系１０８と、第１の指向性光学系１０５
と第２の指向性光学系１０８間にセットされる生体試料
１０７と、第２の指向性光学系１０８に接続される第２
の光ファイバ１０９と、第２の方向性結合器１１０と、
第１の方向性結合器１０４と第２の方向性結合器１１０
間に接続される第３の光ファイバ１１１と、参照光束位
相可変用装置１１２と、光検出器１１３と、光検出器１
１３からの信号を処理し、酸素のモニターをする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダイン検波
による生体内情報の計測装置に係り、特にヘテロダイン
検波による酸素モニター装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の文献としては、
以下に示すようなものが開示されている。（１）「パルスオキシメータ」，諏訪邦夫著，１９８９
年６月１０日、（株）中外医学社発行（２）ＢＭＥ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４，１９９０Ｐ．
４４〜５２（３）特公昭５３−２６４３７号公報（４）特開平５−２０７９９３号公報（５）特開平６−１７４号公報以下、かかる従来のパルスオキシメータの構成について
説明する。

【０００３】図１０は従来のパルスオキシメータの基本
構成図である。この図において、１は発振器（ＯＳ
Ｃ）、２はその発振器１によって駆動される発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）、３は生体組織、４はホトダイオード、
５は増幅器、６はマルチプレクサー（ＭＰＸ）、７，１
０は対数回路（ＬＯＧ回路）、８，１１は帯域フィルタ
（ＢＰＦ）、９，１２は検出器（ＤＥＴ）、１３は演算
器（ΔＬｏｇＩ₁／ΔＬｏｇＩ₂）、１４は変換器であ
る。

【０００４】このように、光源は、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）２であって、２つが交互に点灯する。光波長は多
くの場合、６６０ｎｍ付近と９３０ｎｍ付近が用いられ
る。酸素飽和度によるヘモグロビンの吸光係数の変化
は、６６０ｎｍ付近で最も著しく、９３０ｎｍ付近では
６６０ｎｍとは反対方向である。また、この付近の波長
は、６００ｎｍ以下の波長に比して、ヘモグロビンの吸
光係数が著しく低く、かつ、血液を除く組織の光透過も
良いので、大変有利である。これらが、この波長が用い
られる理由である。

【０００５】以下、この従来のパルスオキシメータの動
作について説明する。図１０に示すように、発振器（Ｏ
ＳＣ）１で励振されるＬＥＤ２から発光される光は生体
組織３を通って光ダイオード（ＰＤ）４に入り、電流に
変換される。電流は電圧に変換され、増幅器５で増幅さ
れ、マルチプレクサー（ＭＰＸ）６によって各光波長別
に振り分けられ、それぞれが対数器７，１０で対数変換
され、帯域フィルタ（ＢＰＦ）８，１１で脈動分が取り
出され、検出器（ＤＥＴ）９，１２で脈動振幅が検出さ
れる。次に、その２波長の比φが演算器１３で計算さ
れ、その２波長の比φは変換器１４で酸素飽和度Ｓに変
換される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、生体
組織、特に、血液中の酸素飽和度の測定は、麻酔やＩＣ
Ｕ（ＩｎｔｅｎｓｉｖｅＣａｒｅＵｎｉｔ）のモニ
ターとして、血液酸素化の障害が注目され、さらに、安
全機器としての酸素モニター装置の役割が、医療過誤の
面からも重要視されるようになってきている。

【０００７】しかしながら、上記した従来の酸素モニタ
ー装置は、原理は確立され実用化されているものの、定
量性においては必ずしも満足のできるものではなく、改
良の研究が行われている。本発明は、上記状況に鑑み
て、生体組織及び静脈血による吸光成分は一定であり、
吸光の変動成分が動脈血による酸素メータの原理に着目
し、特に散乱成分除去効果の優れているヘテロダイン検
波により、的確な酸素飽和度を測定することができるヘ
テロダイン検波による酸素モニター装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】本発明は大きく分けると４つの発明に分け
られる。一つ目は、透過型パルス酸素モニター装置に関
するものである。従来発光ダイオードのようなインコヒ
ーレント光源の生体透過光強度を二波長で測定し、パル
ス酸素モニターを行っていた。本発明は、コヒーレント
光源であるレーザーを光源として、生体透過光をヘテロ
ダイン検波して、散乱光を除去して、従来より精度の良
い二波長透過型ヘテロダイン検波酸素モニター装置を提
供する。

【０００９】二つ目は、透過型無脈波酸素モニター装置
に関するものである。測定対象は、脳や胃内部より腹部
外側までの体内等である。従来、光エネルギー検出法を
用いた測定法で透過型の脳内酸素モニターの報告はな
い。脳内酸素分布モニター（光ＣＴ）を目標にしたピコ
秒パルス光の伝播波形の光エネルギー検出法は研究開発
途上である。従来技術は、特公平２−７４８６２号、特
公平７−８１９４８号等に開示されている。本発明は、
レーザーのヘテロダイン検波を用いた透過型パルス酸素
モニターと基本的に同一である。パルス酸素モニターと
異なり、出力にパルス（脈波）がないため、多波長でヘ
テロダイン検波を行い、その吸収スペクトルにより、従
来の反射型無脈波酸素モニター装置のように演算により
酸素モニターを行う。

【００１０】三つ目は、反射型パルス酸素モニター装置
に関するものである。測定は、動脈血の酸素濃度モニタ
ー、組織レベルの酸素濃度モニター、骨格筋を対象とし
た組織酸素モニター等に用いられ、透過型の測定に適さ
ない生体中心部においても血液酸素飽和度の測定が可能
である。従来技術は、インコヒーレント光源である発光
ダイオードの後方多重散乱移動光の検出を行っていた。
従来技術は、ＢＭＥ，ｖｏｌ．８，ＮＯ．１１，１９９
４，ｐ２４、特開平５−４９６２４号等に開示されてい
る。本発明はコヒーレント光源であるレーザー光を用い
て、生体の巨視的屈折率境界面からの後方反射コヒーレ
ント成分のヘテロダイン検波を行うものである。皮膚、
皮下組織、血管、筋組織、骨等において、屈折率境界面
からの反射光が途中の血管等に吸収がある場合、その吸
収を測定する。

【００１１】四つ目は、反射型無脈波・脈波酸素モニタ
ー装置に関するものである。測定は、動脈血の酸素濃度
モニター、組織レベルの酸素濃度モニター、骨格筋を対
象とした組織酸素モニター、脳モニター等に使われる。
従来は、複数波長の発光ダイオード光の後方散乱光強度
検出による脈波（パルス成分）測定法である。これら
は、例えば特開平３−６８３３６号に開示されている。
本発明は、複数波長のレーザー光の後方散乱反射光のヘ
テロダイン検波法による無脈波成分検出法や脈波成分検
出法に関するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕ヘテロダイン検波による酸素モニター装置におい
て、レーザー光の発生手段と、このレーザー光の伝送を
行う第１の光伝播手段と、この第１の光伝播手段と接続
される第１の方向性結合器と、前記第１の光伝播手段の
先端に配置される第１の指向性光学系と、この第１の指
向性光学系と対向して配置される第２の指向性光学系
と、前記第１の指向性光学系と第２の指向性光学系間に
セットされる生体試料と、前記第２の指向性光学系に接
続される第２の光伝播手段と、前記第２の光伝播手段に
接続される第２の方向性結合器と、前記第１の方向性結
合器と第２の方向性結合器間に接続される第３の光伝播
手段と、この第３の光伝播手段に結合される参照光束位
相可変用装置と、前記第２の光伝播手段の先端に接続さ
れる光検出器と、この光検出器からの信号を処理し、酸
素のモニターをするようにしたものである。

【００１３】〔２〕上記〔１〕記載のヘテロダイン検波
による酸素モニター装置において、前記レーザーは多波
長を選択できるレーザーであり、前記光検出器からの多
波長の信号を処理するようにしたものである。〔３〕上記〔１〕記載のヘテロダイン検波による酸素モ
ニター装置において、前記生体試料は脳である。

【００１４】〔４〕ヘテロダイン検波による酸素モニタ
ー装置において、複数の波長を選択できるレーザー光の
発生手段と、各波長のレーザー光を伝送する第１群の光
伝播手段と、この第１群の光伝播手段と接続される第１
群の方向性結合器と、前記第１の光伝播手段の先端に配
置される第１の指向性光学系と、この第１群の指向性光
学系と対向して配置される第２群の指向性光学系と、前
記第１群の指向性光学系と第２群の指向性光学系間にセ
ットされる生体試料と、前記第２群の指向性光学系に接
続される第２群の光伝播手段と、前記第２群の光伝播手
段に接続される第２群の方向性結合器と、前記第１群の
方向性結合器と第２群の方向性結合器間に接続される第
３群の光伝播手段と、この第３群の光伝播手段に結合さ
れる参照光束位相可変用装置と、前記第２群の光伝播手
段の先端に接続される光検出器群と、この光検出器群か
らの信号を処理し、前記生体試料をマッピングして酸素
のモニターをするようにしたものである。

【００１５】〔５〕ヘテロダイン検波による酸素モニタ
ー装置において、レーザー光の発生手段と、このレーザ
ー光の伝送を行う第１の光伝播手段と、この第１の光伝
播手段と接続される方向性結合器と、この方向性結合器
より後方の第１の光伝播手段に結合されるレーザー光の
位相可変用装置と、前記第１の光伝播手段の先端に配置
される指向性光学系と、この指向性光学系にセットされ
る生体試料と、前記方向性結合器に接続される第２の光
伝播手段と、この第２の光伝播手段の一端に配置される
反射ミラーと、前記第２の光伝播手段の他端に接続され
る光検出器と、この光検出器からの信号を処理し、酸素
のモニターをするようにしたものである。

【００１６】〔６〕上記〔５〕記載のヘテロダイン検波
による酸素モニター装置において、前記レーザーは多波
長を選択できるレーザーであり、前記光検出器からの多
波長の信号を処理するようにしたものである。〔７〕上記〔５〕記載のヘテロダイン検波による酸素モ
ニター装置において、前記生体試料は腕又は足である。

【００１７】〔８〕上記〔５〕記載のヘテロダイン検波
による酸素モニター装置において、前記生体試料は脳皮
質である。

〔９〕上記〔１〕、〔４〕又は〔５〕記載のヘテロダイ
ン検波による酸素モニター装置において、前記生体試料
の表面付近の光学的屈折率に等しい物質を、この生体試
料の表面の凹凸がなくなるように配置するようにしたも
のである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の基本と
なる第１実施例を示す一波長透過型ヘテロダイン検波パ
ルス酸素モニター装置の構成図である。この図におい
て、１０１はレーザー発生装置である。１０２は顕微鏡
マイクロレンズ、１０３は第１の光ファイバ、１０４は
第１の方向性結合器、１０５は第１の指向性光学系、１
０６は空間スペックル補正板（詳細は後述）、１０７は
生体試料、１０８は第２の指向性光学系、１０９は第２
の光ファイバ、１１０は第２の指向性光学系、１１１は
第３の光ファイバ、１１２はピエゾ（ＰＺＴ）等よりな
る参照光束位相可変用装置、１１３は光検出器、１１４
は増幅器、１１５は復調器、１１６はＡ／Ｄ変換器、１
１７はコンピュータ、１１８は表示装置である。

【００１９】次に、この一波長透過型ヘテロダイン検波
パルス酸素モニター装置の動作について説明する。図１
に示すように、レーザー発生装置１０１からの光束は、
マイクロレンズ１０２により第１の光ファイバ１０３に
入射する。入射したレーザー光は、第１の方向性結合器
１０４により第３の光ファイバ１１１を伝播し、参照光
束位相可変用装置１１２で変調される。

【００２０】第１の指向性光学系１０５より生体試料１
０７に空間スペックル補正板１０６を透して入射させ、
散乱光の中から直進光を空間スペックル補正板１０６を
透過した光束を第２の光ファイバ１０９で伝播させ、第
３の光ファイバ１１１と干渉させるため、第２の方向性
結合器１１０で光束を重ね合わせる。即ち、第１の光フ
ァイバ１０３と第２の光ファイバ１０９と第３の光ファ
イバ１１１とでマッハツェンダーの干渉計を構成させた
ことに等しくなる。参照光束位相可変用装置１１２は、
例えばピエゾ（ＰＺＴ）等よりなり、これで変調し、光
検出器１１３で重ね合わされた参照光束と信号光束をヘ
テロダイン検波する。これらは、増幅器１１４、復調器
１１５で復調される。

【００２１】ここでヘテロダイン検波のビート信号成分
はｋＨｚ〜ＭＨｚの範囲に設定することができる。一
方、動脈血の脈波は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚ範囲内で
ある。従って、動脈血の変動成分で変調されたヘテロダ
インのビート信号より、動脈血の変動成分を復調するこ
とに相当し、これは搬送波のビート成分より、変調成分
の動脈血の変動成分を復調することに相当し、従来技術
で達成できる。

【００２２】図２は本発明の第２実施例を示す二波長透
過型ヘテロダイン検波酸素モニター装置の構成図であ
る。この図において、２０１は波長の異なる二波長のレ
ーザー発生装置であり、コヒーレントなレーザー光を得
ることができる。２０２は分岐器、２０３は較正セル、
２０４はモニター、２０５は第１の光ファイバ、２０６
は第１の方向性結合器、２０７は第１の指向性光学系、
２０８は空間スペックル補正板（詳細は後述）、２０９
は生体試料、２１０は第２の指向性光学系、２１１は第
２の光ファイバ、２１２は第２の方向性結合器、２１３
は第３の光ファイバ、２１４は参照光束位相可変用装置
であり、ここでは、ＰＺＴにより、参照光束の周波数の
位相を変調する。２１５は分光フィルタ、２１６，２２
０は光検出器、２１７，２２１は増幅器、２１８，２２
２は復調器、２１９，２２３はＡ／Ｄ変換器、２２４は
コンピュータ、２２５は表示装置である。

【００２３】次いで、この二波長透過型ヘテロダイン検
波酸素モニター装置の動作について説明する。この第２
実施例は、従来のパルス酸素モニターのように散乱の影
響を少なくし、感度を向上させるため二波長を用いてい
る。そのため、レーザー発生装置２０１は波長の異なる
二波長レーザーを用いる。検出側では、分光フィルタ２
１５により波長を分離して検出し、二波長での吸収変化
を、一波長の第１実施例のように検出処理する。二波長
のヘテロダイン検出による吸収変化は従来のパルス酸素
モニターのように処理される。

【００２４】このように構成したので、従来のパルス酸
素モニターを、ヘテロダイン検波を用いることにより、
超ダイナミックレンジのヘテロダインの特性が生かされ
て優れた酸素モニターが可能となる。図３は本発明の第
３実施例を示す透過型ヘテロダイン検波無脈波酸素モニ
ター装置である脳内酸素モニター装置の模式図である。

【００２５】この図において、２５１はレーザー発生装
置であり、コヒーレントなレーザー光を得ることができ
る。２５２はヘテロダイン検波検出器、２５３は参照光
束位相可変用装置であり、ここでは、ＰＺＴ２５４によ
り、参照光束の周波数の位相を変調するようにしてい
る。２６０は生体試料としての脳である。この図に示す
ように、生体試料としての脳２６０にレーザー発生装置
２５１からの光が透過し、ヘテロダイン検波検出器２５
２で検出できるように装着する。すなわち、レーザー発
生装置２５１の透過直進光をヘテロダイン検波により検
出し、光路内の吸収の積分値を検出するようにする。

【００２６】次に、この脳内酸素モニター装置の動作に
ついて説明する。現在、ヘテロダイン検波の技術で高散
乱媒質の透過光のダイナミックレインジは最大約１２０
ｄＢで、食用ブタ肉のレーザー光の減衰は１ｃｍ当たり
１０ｄＢから２０ｄＢであることが確認されている。従
って、頭部を直線的にレーザー光束が伝播して検出でき
る距離は約数ｃｍである。そこで第３実施例では、直線
距離が検出限界内になるように配置する。ヘテロダイン
検波で透過光を検出するため、基本的には第１実施例と
同じである。

【００２７】このように、ヘテロダイン検波検出器２５
２からの出力は、ビート成分のみが検出されるため、散
乱光を除去したコヒーレンス成分のみが検出され信号成
分のみが検出される。図４は本発明の第４実施例を示す
多波長多連透過型ヘテロダイン検波無脈波酸素分布モニ
ター装置の構成図である。

【００２８】この図において、３０１は連続光レーザー
発生装置である。３０２は光切換器、３０３，３１３は
光結合器群、３０４，３０５，３１１，３１２は光ファ
イバ群、３０６は送光系群、３０７は空間スペックル補
正部（詳細は後述）、３０８は生体試料、３０９は受光
系群、３１０は周波数シフター、３１４は検出器群、３
１５は復調器群、３１６はＡ／Ｄ変換器群、３１７はデ
ータ処理部、３１８は表示部である。

【００２９】この図に示すように、三波長の連続光レー
ザー発生装置３０１からの光は、光切換器３０２で順に
切替えながら生体試料３０８の回りのチャンネルに照射
される。生体試料３０８を通った光は、光ファイバ群３
１１を経由して周波数シフター３１０からの周波数シフ
トされた光束と光結合器群３１３により重ね合わされ
て、検出器群３１４で同時並列に受光される。ビート成
分を検出する復調器群３１５で検波されたビート成分
は、Ａ／Ｄ変換器群３１６でデジタルデータ化して、デ
ータ処理装置３１７により各波長毎の減衰を表示する。

【００３０】本実施例によれば、光のエネルギーを検出
する多波長透過型無脈波酸素モニター装置と同様に、測
定された吸収スペクトル変化Ｍは、既知の３つの吸収ス
ペクトルに各濃度変化（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃）を掛けあわ
せ、Ｌ倍したものと等しくなる。Ｍ＝Ｌ（Ｃ₁・Ａ₁＋Ｃ₂・Ａ₂＋Ｃ₃・Ａ₃） …（１）ここで、Ｍ：測定吸収スペクトル、Ｌ：光路長である。

【００３１】最小二乗法は、Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を未知数
とし、測定値Ｍに式の右辺が最も良く一致するよう、即
ち二乗誤差を最小にするように、これを決定する。ここ
で従来の方法と異なるのは、吸収スペクトル変化を求め
るのに、光の透過エネルギーを検出する代わりに、ヘテ
ロダイン検波してビート成分を検出するため、光の透過
直進光だけを検出し、散乱光を除去できる。そのため従
来の方法に比べ、散乱の影響の少ない測定ができる。

【００３２】次に、反射型のヘテロダイン検波吸収モニ
ター装置について説明する。図５は本発明の第５実施例
を示す一波長反射型ヘテロダイン検波吸収モニター装置
の構成図である。この図において、４０１はレーザー発
生装置である。４０２は第１の光ファイバ、４０３は方
向性結合器、４０４は周波数の位相変調を行うＰＺＴ、
４０５は反射型指向性光学系、４０６は空間スペックル
補正板（詳細は後述）、４１０は生体試料（足）、４１
１はその足の異なる屈折率を有する部分、４２０は第２
の光ファイバ、４２１は反射ミラー、４２２は光検出
器、４２３は復調器、４２４はＡ／Ｄ変換器、４２５は
コンピュータである。

【００３３】次いで、この一波長反射型ヘテロダイン検
波吸収モニター装置の動作について説明する。レーザー
発生装置４０１は、第１の光ファイバ４０２を伝播し、
生体試料４１０に入射し、足の異なる屈折率を有する部
分４１１からの反射光がＰＺＴ４０４を経て、反射ミラ
ー４２１の参照光用反射光と重ね合わせられる。光検出
器４２２で光束をヘテロダイン検波し、その信号成分を
復調する復調器４２３、その信号をＡ／Ｄ変換するＡ／
Ｄ変換器４２４、その出力を処理するコンピュータ４２
５より成り立っている。

【００３４】ここでヘテロダイン検波のビート信号成分
はｋＨｚ〜ＭＨｚの範囲に設定できる。一方、動脈血の
脳波は、数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚ範囲内である。従っ
て、ヘテロダイン検波の交流成分と脳波の交流成分は周
波数が異なるため、復調器でまずビート周波数のフィル
ターでビート成分を復調し、更にビート成分を強度変調
している脈波を復調して、その大きさをＡ／Ｄ変換し、
その出力を処理表示する。

【００３５】このように、この実施例によれば、生体の
巨視的屈折率境界面からの後方反射コヒーレント成分の
ヘテロダイン検波とビート成分の強度変調成分の復調に
より、動脈血の酸素濃度モニターを行う。生体に複数の
境界面があっても、ヘテロダインのビート周波数の波長
の長さが、生体の大きさより長いため、各々の反射境界
面からのレーザーの強度の変化である脈波は同じ位相で
変化されるため、場所は特定されないが、全体の積分さ
れたものとして脈波が検出される。これは、動脈血の変
動成分で変調されたヘテロダインのビート成分より、動
脈血の変動成分を復調することに相当する。即ち、ビー
ト成分は搬送波に相当し、動脈血の変動成分は変調波に
相当する。また、動脈血の変動成分の復調は従来技術に
よって達成される。

【００３６】図６は本発明の第６実施例を示す二波長反
射型ヘテロダイン検波吸収モニター装置の構成図であ
る。この図において、５０１は二波長レーザー発生装置
であり、コヒーレントなレーザー光を得ることができ
る。５０１Ａは較正セル、５０１Ｂはモニター、５０２
は第１の光ファイバ、５０３は方向性結合器、５０４は
周波数の位相変調を行うＰＺＴ、５０５は指向性光学
系、５０６は空間スペックル補正板（詳細は後述）、５
１０は生体試料（足）、５１１はその足の異なる屈折率
を有する部分、５２０は第２の光ファイバ、５２１は反
射ミラー、５２２は分光フィルタ、５２３，５２４は光
検出器、５２５，５２６は増幅器、５２７，５２８は復
調器、５２９，５３０はＡ／Ｄ変換器、５３１はコンピ
ュータである。

【００３７】この実施例では、従来のインコヒーレント
光による後方散乱光強度検出によるパルス酸素モニター
と同様に、散乱の影響を除き感度を向上させるため二波
長のレーザーを光源５０１を用いる。光源に２つの波長
のレーザーを用いているため、分光フィルタ５２２で二
波長の反射光を反射参照光と干渉させた後、分光して分
離し、復調器５２７で一波長の反射型ヘテロダイン検波
吸収測定と同様にビート成分を復調し、更にビート成分
を強度変調している脈波を復調し、その大きさをＡ／Ｄ
変換器５２９でＡ／Ｄ変換し、その出力を処理して表示
する。

【００３８】この実施例によれば、第５実施例と同様
に、ヘテロダインのビート成分は搬送波であり、動脈血
の変動成分は変調波に相当する。この変調波を復調する
ことを二波長で行うことにより、従来の二波長パルス酸
素モニターの特徴が生かされる。即ち、散乱成分が除去
されて感度が向上した動脈血の酸素濃度モニターを行う
ことができる。

【００３９】図７は本発明の反射型ヘテロダイン検波受
光系の人体へ適用した模式図であり、図７（ａ）は横断
面図、図７（ｂ）は側面図である。これらの図におい
て、８０１はレーザー送光系であり、コヒーレントなレ
ーザー光を得ることができる。８０２はレーザー光、８
０３は生体試料としての足、８０４は骨、８０５はマイ
ケルソン型受光系である。

【００４０】これらの図に示すように、レーザー送光系
８０１から照射されるレーザー光８０２を足８０３の骨
８０４で反射させて、マイケルソン型受光系８０５で検
出する。この実施例では、生体の骨と肉との巨視的屈折
率境界面からの後方反射コヒーレント成分のヘテロダイ
ン検波を行うものである。屈折率境界面からの反射光が
途中の血管等に吸収がある場合、その吸収を測定する。
従って、生体内の血液の酸素濃度により検出強度が異な
り、運動等の負荷による酸素濃度の変化が検出できる。

【００４１】図８は本発明の第７実施例を示す反射型無
脈波酸素モニター装置である脳皮質の酸素モニター装置
の模式図である。この図において、８５１は生体試料と
しての脳、８５２は検出プローブ、８５３はマイケルソ
ン型ヘテロダイン検波装置である。この図に示すよう
に、生体試料としての脳８５１に第１のレーザーと第２
のレーザーと光検出器がセットになった検出プローブ８
５２が配置され、その検出プローブ８５２に接続された
マイケルソン型ヘテロダイン検波装置８５３を配置す
る。

【００４２】この実施例は、複数波長の発光ダイオード
やレーザー光の散乱移動光強度の検出による脳内酸素モ
ニター装置〔例えば、浜松ホトニクス（株）ＮＩＲ−５
００〕を、ヘテロダイン検波により複数波長のレーザー
光の後方散乱反射光のコヒーレント成分検出による脳内
酸素モニター装置に関するものである。対象は、動脈
血、組織、骨格筋等での酸素モニターを行う。

【００４３】従来、人間の頭部に、ある間隔を離して近
赤外レーザーとその受光部であるフォトダイオードを配
置し、数波長（ＮＩＲ−５００では４波長）での吸収の
変化を測定して各濃度変化を求める。即ち、測定された
吸収スペクトル変化Ｍは、既知の３つの吸収スペクト
ル、Ａ₁（ＣｔＯ₂−Ｃｔ）、Ａ₂（ＨｂＯ₂）、Ａ₃
（Ｈｂ）に各濃度変化（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）を掛け合わ
せ、Ｌ倍したものと等しくなる。

【００４４】Ｍ＝Ｌ（Ｃ₁・Ａ₁＋Ｃ₂・Ａ₂＋Ｃ₃・Ａ₃） …（２）ここで、Ｍ：測定吸収スペクトル、Ｌ：光路長である。
最小二乗法は、Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を未知数とし、測定波
長（λ₁〜λ₂）の四波長で、測定値Ｍに式の右辺が最
も良く一致するように、即ち二乗誤差を最小にするよう
に決定する。

【００４５】ここで、従来の方法と本実施例が異なるの
は、光源と光検出器を移動して吸収される光の強度を検
出する代わりに、後方散乱直進反射光をヘテロダイン検
波によりビート成分を検出し、ビート信号の大きさを数
波長で求め、その後は、従来と同様に処理をして各濃度
変化を求める。例えば、その具体例は、特開平３−６８
３３６号に開示されている手法を用いれば良い。

【００４６】図９は本発明の第８実施例を示す空間スペ
ックル補正についての説明図である。この図において、
９０１は生体試料、９０２はこの生体試料の屈折率に等
しい物質、９０３は透過研磨板、９０４は信号光束であ
る。通常、生体試料の表面におけるレーザー光のコヒー
レント成分は崩れるため、そこでの干渉成分の損失が大
きい。

【００４７】そこで、ここでは、散乱媒質中にある吸収
物体が生体試料９０１である場合、信号光束９０４に対
する生体試料９０１の表面付近の光学的屈折率に等しい
物質９０２を、その生体試料９０１の表面の凹凸がなく
なるようにして整形処理して、信号光束の空間コヒーレ
ンス（空間位相コヒーレンス）が崩れるのを防ぐように
している。すなわち、セルに入れた散乱体とは異なり、
生体試料９０１の場合は、表面の凹凸で空間コヒーレン
スが崩れ、干渉成分である信号成分が極端に小さくなる
のを防ぐことができる。

【００４８】すなわち、スペックル補正を行うことによ
り、生体試料９０１表面での波面みだれによるロスを無
くし、時間的変動ノイズ（スペックルノイズ）を無くし
て、感度を向上させ、画像の信頼性の向上を図ることが
できる。なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であ
り、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

【００４９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。（Ａ）従来の光エネルギー（強度）に基礎を置く二波長
酸素モニター装置は、散乱光と透過直進光または反射直
進光を検出器で検出し、検出出力の演算により散乱成分
の影響を除去している。これに対して、本発明は、ヘテ
ロダイン検出技術により、検出器の出力を回路的に処理
するため、自動的に散乱成分が除去される。その結果、
従来の方法に比較して、散乱の影響の少ない酸素モニタ
ー装置を提供することが可能となる。

【００５０】（Ｂ）ヘテロダイン検出方法により、散乱
の除去効果だけでなく、超ダイナミック動作域が可能で
あり、従来の酸素モニターより感度も向上する。（Ｃ）透過酸素モニター装置及び反射型パルス酸素モニ
ター装置に、本発明が適用されると、従来困難であった
吸収の少ない状態の酸素のモニターが可能となり、利用
範囲を大きくすることが可能である。

【００５１】（Ｄ）信号光束に対する生体試料の表面付
近の光学的屈折率に等しい物質を、その生体試料の表面
の凹凸がなくなるようにして整形処理して、信号光束の
空間コヒーレンス（空間位相コヒーレンス）が崩れるの
を防ぐようにしている。すなわち、セルに入れた散乱体
とは異なり、生体試料の場合は、表面の凹凸で空間コヒ
ーレンスが崩れ、信号成分が極端に小さくなるのを防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本となる第１実施例を示す一波長透
過型ヘテロダイン検波パルス酸素モニター装置の構成図
である。

【図２】本発明の第２実施例を示す二波長透過型ヘテロ
ダイン検波酸素モニター装置の構成図である。

【図３】本発明の第３実施例を示す透過型ヘテロダイン
検波無脈波酸素モニター装置である脳内酸素モニター装
置の模式図である。

【図４】本発明の第４実施例を示す多波長多連透過型ヘ
テロダイン検波無脈波酸素分布モニター装置の構成図で
ある。

【図５】本発明の第５実施例を示す一波長反射型ヘテロ
ダイン検波吸収モニター装置の構成図である。

【図６】本発明の第６実施例を示す二波長反射型ヘテロ
ダイン検波吸収モニター装置の構成図である。

【図７】本発明の反射型ヘテロダイン検波受光系の人体
へ適用した模式図である。

【図８】本発明の第７実施例を示す反射型無脈波酸素モ
ニター装置である脳皮質の酸素モニター装置の模式図で
ある。

【図９】本発明の第８実施例を示す空間スペックル補正
についての説明図である。

【図１０】従来のパルスオキシメータの基本構成図であ
る。

【符号の説明】１０１，２０１，２５１，３０１，４０１レーザー
発生装置１０２顕微鏡マイクロレンズ１０３，２０５，４０２，５０２第１の光ファイバ
（光伝播手段）１０４，２０６第１の方向性結合器１０５，２０７第１の指向性光学系１０６，２０８，４０６，５０６空間スペックル補
正板１０７，２０９，３０８，５１０，８５１，９０１
生体試料１０８，２１０第２の指向性光学系１０９，２１１，４２０，５２０第２の光ファイバ
（光伝播手段）１１０，２１２第２の方向性結合器１１１，２１３第３の光ファイバ（光伝播手段）１１２，２１４，２５３参照光束位相可変用装置１１３，２１６，２２０，４２２，５２３，５２４
光検出器１１４，２１７，２２１，５２５，５２６増幅器１１５，２１８，２２２，４２３，５２７，５２８
復調器１１６，２１９，２２３，４２４，５２９，５３０
Ａ／Ｄ変換器１１７，２２４，４２５，５３１コンピュータ１１８，２２５表示装置２０２分岐器２０３，５０１Ａ較正セル２０４モニター２１５，５２２分光フィルタ２５２ヘテロダイン検波検出器２５４，４０４，５０４ＰＺＴ２６０，８５１生体試料（脳）３０２光切換器３０３，３１３光結合器群３０４，３０５，３１１，３１２光ファイバ群３０６送光系群３０７空間スペックル補正部３０９受光系群３１０周波数シフター３１４検出器群３１５復調器群３１６Ａ／Ｄ変換器群３１７データ処理部３１８表示部４０３，５０３方向性結合器４０５反射型指向性光学系４１０，８０３生体試料（足）４１１，５１１足の異なる屈折率を有する部分４２１，５２１反射ミラー５０１二波長レーザー発生装置５０１Ｂモニター５０５指向性光学系８０１レーザー送光系８０２レーザー光８０４骨８０５マイケルソン型受光系８５３マイケルソン型ヘテロダイン検波器８５２検出プローブ９０２生体試料の屈折率に等しい物質９０３透過研磨板９０４信号光束

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）レーザー光の発生手段と、（ｂ）該
レーザー光の伝送を行う第１の光伝播手段と、（ｃ）該
第１の光伝播手段と接続される第１の方向性結合器と、
（ｄ）前記第１の光伝播手段の先端に配置される第１の
指向性光学系と、（ｅ）該第１の指向性光学系と対向し
て配置される第２の指向性光学系と、（ｆ）前記第１の
指向性光学系と第２の指向性光学系間にセットされる生
体試料と、（ｇ）前記第２の指向性光学系に接続される
第２の光伝播手段と、（ｈ）前記第２の光伝播手段に接
続される第２の方向性結合器と、（ｉ）前記第１の方向
性結合器と第２の方向性結合器間に接続される第３の光
伝播手段と、（ｊ）該第３の光伝播手段に結合される参
照光束位相可変用装置と、（ｋ）前記第２の光伝播手段
の先端に接続される光検出器と、（ｌ）該光検出器から
の信号を処理し、酸素のモニターをすることを特徴とす
るヘテロダイン検波による酸素モニター装置。
【請求項２】請求項１記載のヘテロダイン検波による
酸素モニター装置において、前記レーザーは多波長を選
択できるレーザーであり、前記光検出器からの多波長の
信号を処理することを特徴とするヘテロダイン検波によ
る酸素モニター装置。
【請求項３】請求項１記載のヘテロダイン検波による
酸素モニター装置において、前記生体試料は脳であるこ
とを特徴とするヘテロダイン検波による酸素モニター装
置。
【請求項４】（ａ）複数の波長を選択できるレーザー光
の発生手段と、（ｂ）各波長のレーザー光を伝送する第
１群の光伝播手段と、（ｃ）該第１群の光伝播手段と接
続される第１群の方向性結合器と、（ｄ）前記第１の光
伝播手段の先端に配置される第１の指向性光学系と、
（ｅ）該第１群の指向性光学系と対向して配置される第
２群の指向性光学系と、（ｆ）前記第１群の指向性光学
系と第２群の指向性光学系間にセットされる生体試料
と、（ｇ）前記第２群の指向性光学系に接続される第２
群の光伝播手段と、（ｈ）前記第２群の光伝播手段に接
続される第２群の方向性結合器と、（ｉ）前記第１群の
方向性結合器と第２群の方向性結合器間に接続される第
３群の光伝播手段と、（ｊ）該第３群の光伝播手段に結
合される参照光束位相可変用装置と、（ｋ）前記第２群
の光伝播手段の先端に接続される光検出器群と、（ｌ）
該光検出器群からの信号を処理し、前記生体試料をマッ
ピングして酸素のモニターをすることを特徴とするヘテ
ロダイン検波による酸素モニター装置。
【請求項５】（ａ）レーザー光の発生手段と、（ｂ）該
レーザー光の伝送を行う第１の光伝播手段と、（ｃ）該
第１の光伝播手段と接続される方向性結合器と、（ｄ）
該方向性結合器より後方の第１の光伝播手段に結合され
るレーザー光の位相可変用装置と、（ｅ）前記第１の光
伝播手段の先端に配置される指向性光学系と、（ｆ）該
指向性光学系にセットされる生体試料と、（ｇ）前記方
向性結合器に接続される第２の光伝播手段と、（ｈ）該
第２の光伝播手段の一端に配置される反射ミラーと、
（ｉ）前記第２の光伝播手段の他端に接続される光検出
器と、（ｊ）該光検出器からの信号を処理し、酸素のモ
ニターをすることを特徴とするヘテロダイン検波による
酸素モニター装置。
【請求項６】請求項５記載のヘテロダイン検波による
酸素モニター装置において、前記レーザーは多波長を選
択できるレーザーであり、前記光検出器からの多波長の
信号を処理することを特徴とするヘテロダイン検波によ
る酸素モニター装置。
【請求項７】請求項５記載のヘテロダイン検波による
酸素モニター装置において、前記生体試料は腕又は足で
あることを特徴とするヘテロダイン検波による酸素モニ
ター装置。
【請求項８】請求項５記載のヘテロダイン検波による
酸素モニター装置において、前記生体試料は脳皮質であ
ることを特徴とするヘテロダイン検波による酸素モニタ
ー装置。
【請求項９】請求項１、４又は５記載のヘテロダイン
検波による酸素モニター装置において、前記生体試料の
表面付近の光学的屈折率に等しい物質を、該生体試料の
表面の凹凸がなくなるように配置することを特徴とする
ヘテロダイン検波による酸素モニター装置。