JP2001198112A - 生体光計測装置 - Google Patents
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Landscapes
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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
Abstract
診断装置によって得られた形態画像上に表示することに
より、生体光計測によって得られる情報、例えば脳のヘ
モグロビン変化や局所的な脳内出血等を部位との関係で
正確に把握できるようにすること。 【解決手段】生体光計測装置は、光検出部20で検出さ
れた検出位置毎の光量を用いて被検体内部9の生体情報
を表すトポグラフィを作成する信号処理部30を備え、
信号処理手段は、他の画像診断装置40で作成された被
検体の3次元形態画像データと、3次元位置検出器によ
って測定された光照射位置及び光検出位置の座標データ
とを入力し、座標データに基づきトポグラフィを形態画
像データ上に配置し、表示する。
Description
内部の血行やヘモグロビン変化等の情報を計測する生体
光計測装置に関し、特に形態画像との合成画像表示機能
を備えた生体光計測装置に関する。
ロビン変化を、簡便且つ非侵襲的に計測できる装置とし
て、可視から赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体
から反射された光を検出することにより生体内部を計測
する装置が提案されている(例えば特開昭57-115232号
あるいは特開昭63-275323号)。
によって、例えば頭部を計測対象とする場合、脳のヘモ
グロビン変化の活性化状態及び局所的な脳内出血を測定
することが可能であり、また脳内のヘモグロビン変化に
関連した、運動、感覚さらには思考に及ぶ高次脳機能等
を計測することも可能である。例えば、Eiji Watanabe
(MEDIX VOL30)によって、てんかん発作時の局所脳血
流変化(てんかん焦点)を光計測装置(光トポグラフィ
装置)で捉えることが報告されている。
よりも画像として計測し表示することにより、その効果
は飛躍的に増大する。例えば、局所的なヘモグロビンの
変化部位を検出しようとする場合、ヘモグロビン変化量
を部位との関連で画像として計測及び表示することが不
可欠である。
置では、脳の局所的なヘモグロビン変化を、光照射器、
光検出器の配列を示す2次元平面上に表示しており、こ
れら光照射器および光検出器との被検体頭部と位置関係
が明らかでないため、ヘモグロビン変化が脳のどの領域
において生じているのかを特定するのが困難であった。
従って例えば前掲のてんかん焦点の測定結果を臨床応用
する場合にも、外科手術において切除する脳部位の特定
が困難であった。
光照射器、光検出器の装着位置を明らかにし、光計測に
よって得られた情報を、MR、CTなどの形態画像上に
正確な位置関係のもとに画像化することが可能な光計測
装置を提供することを目的とする。
明の生体光計測装置は、複数の光照射位置から被検体に
対し光を照射する光照射手段と、前記複数の光照射位置
から照射され被検体内部を通過した光を、前記複数の光
照射位置近傍に設置された複数の検出位置で検出する光
検出手段と、前記光検出手段で検出された検出位置毎の
光量を用いて前記被検体内部の生体情報を表すトポグラ
フィを作成する信号処理手段とを備えた生体光計測装置
において、前記信号処理手段は、他の画像診断装置で作
成された前記被検体の形態画像データを入力する手段
と、前記光照射位置及び光検出位置と被検体に設けられ
た基準点との位置関係を表す位置情報を入力する手段
と、前記位置情報に基づき光照射位置及び光検出位置を
前記形態画像データ上に配置し、表示する手段とを備え
ている。
像データは、例えば、X線CT装置やMRI装置などに
よって予め計測したものであり、この際、被検体上に少
なくとも1の基準点を設定し、この基準点のデータを含
むことが好ましい。また位置情報は、例えば、機械式或
いは磁気勾配型等の3次元位置検出装置によって計測し
た3次元座標データであり、光照射位置、光検出位置及
び前記基準点の位置情報を含む。
基準点の座標データとを一致させることにより、光照射
位置及び光検出位置を形態画像データ上に配置し、また
トポグラフィを形態画像データ上に配置することができ
る。
な血流やヘモグロビン変化を生じている部位を形態画像
上で確認することができる。従って、例えばてんかん手
術などでは、局所的なヘモグロビン変化が生じている焦
点部位を形態画像上で確認しながら、焦点部位だけを正
確に除去することができる。これにより、脳の損傷を最
小限に抑えることができ、必要以上の身体機能麻痺の危
険を回避できる。
処理手段は、好適には、トポグラフィを形態画像上に配
置するに際し、トポグラフィが3次元形態画像において
被検体表面から所定の深さの内部に位置するように配置
する。これにより光計測している部位の位置、例えば脳
表上の位置を正確に表示することができる。
実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
形態を示す構成図で、この光計測装置は、主として被検
体9に光を照射するための光照射部10と、被検体9を
透過した光を検出する光検出部20と、光照射部10及
び光検出部20の駆動を制御するとともに光検出部20
が検出した光量に基づき被検体9の生体情報を表すトポ
グラフィを作成する信号処理部30とを備えている。
らなる光源部1と、光モジュール2が発光する光を変調
するための発振部3と、各光モジュール2に接続された
光ファイバ4とを備えている。本実施例では、光源部1
は4個の光モジュール2を備え、各光モジュールはそれ
ぞれ2種の異なる波長の光を発光する場合を説明する
が、光モジュールの数およびそれが発光する光の種類
(数)はこれらに限定されない。
うに個々の光モジュール2は、二個の半導体レーザ11
a、11bと、これら半導体レーザ11a、11bの駆動回
路12a、12bとを備える。半導体レーザ11a、11b
は、可視から赤外の波長領域の異なる波長の光を照射す
る。波長は測定する対象によって異なるが、例えばヘモ
グロビン変化を測定する場合、780nm及び830nmの二波長
の光を放射する。尚、光源部1は、半導体レーザの代り
に発光ダイオードを用いることも可能である。
ザの数に対応して、発振周波数の異なる8個の発振器で
構成される。
半導体レーザ11a、11bに対して直流バイアス電流を
印加すると共に、発振器によりそれぞれ異なる周波数f1
a、f1bを印加することで、半導体レーザ11a、11bか
ら放射される光に変調を与える。変調は、正弦波による
アナログ変調を用いても、それぞれ異なる時間間隔の矩
形波によるデジタル変調を用いてもよい。
は、それぞれ半導体レーザ11a、11bに接続された集
光レンズ5により光ファイバ6に個々に導入される。個
々の光ファイバ6に導入された二波長の光は、名光モジ
ュールごとに光ファイバ結合器7により1本の光ファイ
バ、即ち照射用光ファイバ4内に導入される。
射用光ファイバ4の他端は、後述する検出部20の検出
用光ファイバ8とともに、所定の配置となるように図示
しない装着具に固定され、被検体に装着される。これら
光ファイバの端面は被検体表面上に軽く接触しており、
照射用光ファイバ4の他端から被検体9の表面上の異な
る4個所の照射位置から照射され、被検体から反射され
た光を、被検体表面上の5個所の検出位置に配置された
検出用光ファイバ8で検出するようになっている。装着
具に装着された光ファイバの端部はプローブと呼ばれ
る。また光ファイバを被検体に装着するための装着具
は、ベルト状やヘルメット状など検査対象に応じて種々
の形状とすることができ、例えば特開平9-149903号に記
載されているような生体光計測装置において公知のもの
を用いることができる。
例を示す。図示する例では、4本の照射用光ファイバ4
に対応して4つの照射位置R1〜R4が示され、これら照射
位置R1〜R4は、検出位置D1〜D5と交互に正方格子上に配
置されている。この時、隣接する照射位置と検出位置と
の中点を計測位置とすると、この場合、隣接する照射位
置と検出位置との組合せが12通り存在するため、計測
位置数すなわち計測チャンネルが12個となる。
限定されず、計測部位等に応じて適宜変化させることが
できるが、3cmに設定した場合に各検出位置で検出され
た光は、皮膚、頭蓋骨を通過して大脳の情報を有してい
ることが報告されている(例えばピィー・ダブル・マコ
ーミック(P.W.McCormic)他による「赤外光の大脳内
部の浸透(Intracerebral penetration of infrared li
ght)」(1992年,ジャーナルオブニューロサージェリ,
第76巻,第315〜318頁))。従って上述した照射検出位
置の配置で12計測チャンネルを設定することにより、
全体として6cm×6cmの領域における大脳の計測が可能
となる。
測チャンネルが12の場合を示しているが、格子状に配
置する光照射位置及び光検出位置の数をさらに増加させ
ることにより、計測チャンネルをさらに増加させて、計
測領域を拡大することも可能である。他の実施例とし
て、図4に24チャンネル計測における光照射・検出配
置を、図5に40チャンネルの同配置を示す。
検出部20は、光検出器21と検出回路22からなる。
図には、各検出位置に対応する複数(ここでは5本)の
検出用光ファイバ8のうちの1本が接続された検出部の
みを示しているが、各検出位置に対応する複数(ここで
は5本)の検出用光ファイバ8にそれぞれ光検出器21
と検出回路22からなる検出部20が接続されている。
換するもので、検出用光ファイバに入射した光を、その
光量に比例した電気信号に変換し、検出回路22に送
る。このような光検出器21として、例えばフォトダイ
オードや光電子増倍管が用いられる。特に高感度な光計
測が実現できるアバランシェフォトダイオードが望まし
い。
する回路、例えば複数のロックインアンプ23-1、23
-2・・・と増幅器24及びスイッチ25から構成されるロ
ックインアンプモジュールからなり、照射位置かつ波長
に対応した変調信号を選択的に検出する。例えば図3の
検出位置D1の検出回路の場合、それと隣接する照射位置
R1〜R4から照射される各二波長の光に対応する変調周波
数f1a、f1b、f2a、f2b、f3a、f3b、f4a及びf4bの8個の
信号を検出するために、これら変調周波数を参照信号と
して用いる8個のロックインアンプ23-1〜23-8を備
える。ロックインアンプ23-1は変調周波数f1aの参照
信号を用いて、照射位置R1から照射された波長780nm、
変調周波数f1aの光を選択的に検出する。同様にロック
インアンプ23-2は変調周波数f1bの参照信号を用い
て、照射位置R1から照射された波長830nm、変調周波数f
1bの光を選択的に検出する。これにより検出位置D1と照
射位置R1との間の計測位置について二波長の光に対応す
る2つの信号を取り出すことができる。検出位置D1と照
射位置R2〜R4との間の計測位置についても同様にロック
インアンプ23-3〜23-8から取り出すことができる。
位置は2つしかないので、ロックインアンプ23の数は
二波長対応して4個でよく、4個のロックインアンプに
よって検出位置と2つの照射位置との間の2つの計測位
置についてそれぞれ2つの信号を取り出す。従って、図
3に示す照射・検出位置配列の場合には、全体で24個
のロックインアンプによって12の計測位置についてそ
れぞれ2系統の信号を取り出すことができる。
デジタル変換器26によりそれぞれデジタル信号に変換
されて、信号処理部30に送られる。この実施例では、
アナログ変調の場合に対応する変調信号検出回路として
ロックインアンプを示しているが、デジタル変調を用い
た場合には、変調信号検出としてデジタルフィルターも
しくはデジタルシグナルプロセッサを用いる。
した光照射部10及び光検出部20を制御する制御部3
1と、光検出部20で計測した信号やその計算結果等を
記録する記録部32と、予め記憶されたヘモグロビンの
検量線等を用いてデジタル変換された計測信号を計算し
トポグラフィを作成する処理部33と、トポグラフィ等
を表示する表示部34を備え、更にMRIやX線CT装
置などの画像診断装置41及び3次元位置検出装置42
からのデータを入力する入力部40が備えられている。
画像診断装置41から形態画像データおよび3次元位置
検出装置42からの3次元座標データは、直接或いは記
録媒体を介して入力部40に転送される。
用いて、脳活動に伴う酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱
酸素化ヘモグロビン濃度変化、さらにはこれらヘモグロ
ビン濃度総量としての全へモグロビン濃度変化を計算
し、それをトポグラフィ画像として表示部に表示する手
法は、例えば特開平9-19408号やアツシ・マキ(Atsushi
Maki)他による「無侵襲近赤外光トポグラフィによるヒ
ト脳活動の時空間解析(Spatial and temporal analysis
of human motor activity using noninvasiveNIR topo
graphy)」、1995年及びメディカルフィジックス、第22
巻、第1997-2005頁に記載されている。本発明でも計測
信号の計算には、これらの方法を採用することができ
る。
置による計測に先立って同じ被検体をMRIやX線CT
装置など画像診断装置41で撮影することにより得たも
のであり、被検体上に設定された特定の基準点、好まし
くは3点以上の基準点のデータを含む。このような基準
点は、被検体に所定の基準点マーカを貼りつけた状態で
撮影することにより設定することができる。基準点マー
カとしては、例えばCTでは金属球や金属箔等のX線を
吸収材料からなる小片を用いることができ、またMRI
では核磁気共鳴において測定対象核種(典型的には水
素)と異なる挙動を示す物質、例えば脂溶性薬を充填し
たカプセル等を用いることができる。このように画像デ
ータに基準点を含ませることにより、後述する3次元座
標データとの位置合せが可能となり、また生体光計測で
得られるトポグラフィを形態画像上に配置することが可
能となる。基準点マーカを付ける位置は特に限定されな
いが、被検体の計測部位近傍に、例えば脳計測の場合、
左耳位置、右耳位置、鼻のくぼみ位置(ナジオン)の3
点に貼りつける。
光計測装置の装着具(光照射用ファイバと光検出用ファ
イバを固定した装着具)を装着し且つ上述した基準点マ
ーカを付けた状態で、各プローブの位置(光照射位置、
光検出位置)および基準点マーカ貼りつけ位置を検出
し、3次元座標データとして出力する。このような3次
元位置検出装置42として、機械式、磁気勾配型、光学
式などがあり、いずれを採用してもよい。
び座標データを入力し、形態画像データ上の基準点に、
基準点の座標データとが合致するように、光照射位置お
よび光検出位置の座標を拡大或いは縮尺する。
用いた生体光計測の実施例を図7を参照して説明する。
この実施例では頭部を計測部位とし、脳表のヘモグロビ
ン変化を計測し、3次元トポグラフィを作成する場合を
説明する。
により被検体の3次元画像を作成する。この際、被検体
の計測部位近傍の3点に基準点マーカを付けて撮影する
(ステップ701、702)。作成された3次元画像データ
は、入力部40から信号処理部30の記録部32に転送
される。
に、生体光計測用の装着具を装着し、3次元位置検出装
置で基準点の位置、光照射位置及び光検出位置を実空間
座標を測定する(ステップ703、704)。3次元位置検出
装置で測定した3次元座標データは、入力部40から信
号処理部30の記録部32に転送される。
3次元位置検出装置で測定した基準点の実空間座標を拡
大、縮小、距離補正を行ないながら合わせ込む(70
5)。次いで合わせ込まれた基準点の距離補正率に基づ
き、光照射位置および光検出位置の実空間座標の距離補
正を行ない、画像データ上に描画する(706)。
(707)。即ち、光照射位置からそれぞれ所定の変調周
波数で変調された二波長の光を照射するとともに、隣接
する光検出位置において、被検体を透過した光を検出す
る。これによって光照射位置と光検出位置との間の計測
位置毎に透過光量に対応する信号が得られる。信号処理
部30はこの光量から予め記録されたヘモグロビン検量
線を用いて計測位置毎のヘモグロビン変化を求め、図8
の上部に示すような等量線(量が等しい点をつないて線
で表示したグラフ)或いは階調表示又は色調表示したも
のを作成する。計測位置を2次元的に配列した平面にこ
の等量線或いは階調表示(色調表示)を描画したものが
トポグラフィ81であり、これは従来の生体光計測におい
て作成するものと同様である。尚、図8において82、
84は光照射位置、83は光検出位置をそれぞれ示して
いる。
ラフィを3次元トポグラフィとするために、2次元トポ
グラフィ画像の距離補正を行なう。距離補正とは、距離
が遠い場合には2次元トポグラフィ画像の信号値が低い
ため、信号を増大する大きな重みのDを掛合わせ、距離
が小さい場合には信号値が高いため、信号を減少させる
小さな重みのDをかけ合せる処理であり、これにより距
離補正の行われた正確なトポグラフィ画像を作成する。
ここで2次元トポグラフィ画像データHbは、光照射位
置および光検出位置間の距離を一定値c(例えば30mm)
として計算表示されたものであるので、この処理では、
3次元位置検出器で測定された正確な光照射位置および
光検出位置間の距離dを用いて、次式により距離補正さ
れた新データHb’を求める。
フィをステップ706で描画した光照射位置および光検出
位置に合わせることにより、3次元トポグラフィが描画
できる(708)。この際、必要に応じてスプライン補間
等を行なう。
フィは、計測表面、即ち頭表面に沿ったものであるが、
既に述べたように、各検出位置で検出された光は、皮
膚、頭蓋骨を通過して大脳の情報を有するものであり、
脳表の情報として表示されることが好ましい。このため
ステップ709では、ステップ708で得られた3次元トポグ
ラフィを頭表の法線方向に所定の深さに落とし込むとい
う処理を行なう。この頭表から脳表までの距離は、その
被検体の画像データから算出してもよいし、経験的に知
られた値を用いることも可能である。
図8の下側の図面は被検体の頭部85と大脳86を横か
ら見た状態を模式的に示しており、ステップ708で得ら
れたトポグラフィは被検体の頭表87に描画されている
が、これを図中矢印で示す法線方向に移動することによ
り脳表88上にトポグラフィを描画する。このように3
次元トポグラフィと形態画像を合成したものを表示する
(710)。
一例を図9に示す。ここでは形態画像として、脳のみを
3次元画像表示し、頭部形状は表示を見やすくする意味
で3次元フレーム表示しているが、もちろん頭部形状を
含む全体を3次元表示してもよい。
のプローブを装着した場合を示しており、各プローブの
光照射位置91と光検出位置92が表示され、これに対
応する脳表93の位置にステップ709の処理で得られた
3次元トポグラフィ94、94が表示される。図中、9
5は光照射位置91と光検出位置92の画像上の位置を
合わせるための基準点であり、この例では左耳位置、右
耳位置、鼻のくぼみ位置(ナジオン)の3点である。
射/光検出位置)の正確な装着位置を知ることができる
とともに、脳のどの領域において局所的なへモグロビン
変化が生じているのかを正確に知ることができる。
発明の光生体計測装置の動作を説明したが、本発明はこ
れら実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可
能である。例えば図7に示すフローにおいて、光計測の
ステップ707から画像表示までのステップ710を繰り返し
行ない、時系列的に連続する画像を得るようにしてもよ
い。この場合、特定の計測部位についてヘモグロビン変
化を形態画像とは別にグラフ或いは数値で表示すること
も可能である。
軸の回りに画像を回転したり、所望の部位を拡大する機
能を持たせることも可能である。さらに計測対象は頭部
に限らず他の部位、さらには生体以外にも適用すること
が可能である。
ィを表示することが最も効果的であるが、2次元形態画
像にトポグラフィを表示することも本発明の範囲に含ま
れる。
元トポグラフィを作成し、これを被検体の3次元画像上
に表示可能にしたので、生体光計測によって得られる情
報、例えば局所的なヘモグロビン変化を、それが生じて
いる部位との関係で正確に知ることができる。
ック図。
図。
示す図。
を示す図。
の実施例を示す図。
図。
すフロー図。
よび画像処理を説明する図。
例を示す図。
Claims (4)
- 【請求項1】複数の光照射位置から被検体に対し光を照
射する光照射手段と、前記複数の光照射位置から照射さ
れ被検体内部を通過した光を、前記複数の光照射位置近
傍に設置された複数の検出位置で検出する光検出手段
と、前記光検出手段で検出された検出位置毎の光量を用
いて前記被検体内部の生体情報を表すトポグラフィを作
成する信号処理手段とを備えた生体光計測装置におい
て、 前記信号処理手段は、他の画像診断装置で作成された前
記被検体の形態画像データを入力する手段と、前記光照
射位置及び光検出位置と被検体に設けられた基準点との
位置関係を表す座標データを入力する手段と、前記座標
データに基づき前記光照射位置及び光検出位置を前記形
態画像データ上に配置し、表示する手段とを備えたこと
を特徴とする生体光計測装置。 - 【請求項2】前記形態画像データは3次元データであ
り、前記光照射位置及び光検出位置の位置情報は、3次
元位置検出装置によって計測された3次元座標データで
あることを特徴とする請求項1記載の生体光計測装置。 - 【請求項3】前記信号処理手段は、前記座標データに基
づき3次元トポグラフィを作成し、前記3次元トポグラ
フィを3次元形態画像上に配置することを特徴とする請
求項2記載の生体光計測装置。 - 【請求項4】前記信号処理手段は、3次元形態画像にお
いて被検体表面から所定の深さの内部に前記トポグラフ
ィを配置することを特徴とする請求項3記載の生体光計
測装置。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP2000011641A JP2001198112A (ja) | 2000-01-20 | 2000-01-20 | 生体光計測装置 |
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