JP2005521451A - 鼻の膨脹状態を光学的に測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は例えば鼻腔障害を測定する方法および装置、またその装置の構造に関する。本発明の課題は、鼻の膨脹状態を測定することのできる方法および装置を提供することである。この課題は本発明の装置により解決される。本発明の装置は、光形成コンポーネント（１３）および光検出コンポーネント（１４）を備えたベースデバイス（１２）と、当該のベースデバイスの外部、アプリケーションエレメント（１）上に配置された送受信エレメント（２，３）とから成る。前述の課題はさらに本発明の方法により解決される。本発明の方法では、光送信エレメント（２）から光を送信し、鼻の各側の光の出射領域で光受信エレメント（３）によって出射光を収容し、生じた値を記録し、そこから診断に使用されるパラメータを計算する。

Description

本発明の適用分野
本発明は医療分野における鼻の膨脹状態を測定する方法および装置、またその装置の構造に関する。これは例えば抗原による鼻腔障害の誘発検査に適用することができる。

従来の技術
医療の観点から、例えば誘発試験によるアレルギー反応での鼻の膨脹状態および膨脹特性を客観的に測定することへの要求が存在する。

アレルギー性鼻炎の診断は、こんにち、症状スコア（くしゃみ刺激、分泌物、流涙などの遠隔症状）の調査と、抗原の誘発試験からの鼻腔障害の鼻腔通気度検査を介した測定とによって行われている［Clement et al., "Rhinomanometry---a review", ORL J.Otorhinolaryngol.Relat.Spec.46., 173-91, 1984を参照］。この場合の鼻腔通気度検査の欠点は抗原の適用中に測定を行えないことである。鼻腔障害が激しい場合には鼻腔通気度検査は患者にとってきわめて不快なものとなる。また患者の協力が得られないとこの測定では誤りが起こることが多い。

鼻、特に鼻粘膜の膨脹状態を測定する別の手段として音響鼻腔計測検が挙げられる［Fischer, "Acoustic rhinometry", Clin.Otolaryngol.22., 307-17, 1997を参照］。ただしこの音響鼻腔計測検では測定結果に比較的大きな幅の散乱がつきものである。充分な精度は鼻の前部に対してしか得られない。また測定中には薬剤や抗原による誘発試験を行うことができず、連続した測定もこの方法では不可能である。

しかも前述の２つの方法によっても、鼻の膨脹が微視的な循環系の変化に基づくものか浮腫形成に基づくものかを判別することはできない。

本発明の説明
したがって本発明の課題は、特に誘発試験中に鼻の膨脹状態を客観的に測定することのできる方法および装置を提供することである。

この課題は独立請求項に記載の特徴を有する方法および装置により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。

本発明の鼻の膨脹状態の光学的測定装置は、光形成コンポーネントおよび光検出コンポーネントを備えたベースデバイスと、これに属する送信電子回路および受信電子回路およびコントローラとから成っている。ベースデバイスと光送信エレメントとのあいだに少なくとも１つの第１の光結合部が実現されており、光形成コンポーネントによって形成された光がこの第１の光結合部を介して光送信エレメントへ転送される。さらに光受信エレメントと光検出コンポーネントとのあいだに少なくとも１つの第２の光結合部が設けられている。ベースデバイスの外部、アプリケーションエレメント上には、送信エレメントおよび受信エレメントが配置されている。アプリケーションエレメントはここでは送信エレメントから送信された光が鼻腔の少なくとも一方側の膨脹した組織を透過して受信エレメントへいたるように構成されている。なおアプリケーションエレメントは少なくとも鼻の上部の形状に適合するように構成されている。

本発明の装置により光学的に鼻組織の膨脹度が検査される。ここでは鼻組織を外部から光源によって照明する。すなわち送信エレメントから光を送信し、検出器（受信エレメント）によって組織を透過した散乱光を鼻腔の同じ側または反対側で検出する。光は鼻組織を透過する際に一連の組織層、例えば皮膚、筋肉、粘膜、骨、軟骨、気孔を通る。光が透過した組織の一部、特に鼻筋肉の骨部上方に存在する鼻粘膜が膨脹している。組織のこの部分では膨脹が進行して海綿体へ血液が流れ込むため、血流容積の増大にいたっている。流れ込む血液はここでは動脈血が優勢であり、したがって通常少なくとも９５％くらいまで酸素飽和している。膨脹に浮腫形成が関係している場合には組織液の容積が増大する。したがって有利には酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの容積成分と組織液の容積成分とを区別して定量測定することができる。本発明の手段は白色光源や分光計（例えばダイオードアレイスペクトロメータ）を使用しても行うことができるし、また離散的な放射スペクトルを有する光源（ＬＥＤ、レーザーダイオード）を複数使用して行うこともできる。

膨脹に関与する前述の物質がそれぞれ異なる吸光スペクトルを有することから、相応の数学的手法を用いて、容積成分の絶対値および相対値を算出することができる。こうした装置はこんにちまで提案されてこなかった。

本発明の装置の利点は外部から非侵襲で簡単な手技を施すことができる点である。

本発明の有利な実施例
本発明を以下に実施例に則して詳細に説明する。ただし本発明の装置の形状は検査目的に合わせて変更できる。図１にはアプリケーションエレメントの前面図ａ）と平面図ｂ）とが示されている。図２にはアクティブな送受信エレメントを備えたアプリケーションエレメントの実施例ａ）とパッシブな送受信エレメントを備えたアプリケーションエレメントの実施例ｂ）とが示されている。図３にはアプリケーションエレメントを頭部および鼻部に固定した様子が示されている。図４には本発明の装置のベースデバイスが示されている。図５には膨脹前後での光学素子および透光路の位置と鼻腔の断面とが示されている。図６には膨脹の進行に依存する吸光度測定値の変化が示されている。

本発明の装置は少なくともベースデバイス１２とアプリケーションエレメント１とから成っている。ベースデバイス１２は測定タスクを満足させるのに必要な送信電子回路１５および受信電子回路１６を備えている。アプリケーションエレメント１は測定中に鼻組織と直接に接触する。

アプリケーションエレメント１は図１のａ），ｂ）に示されている。アプリケーションエレメントはストラップ状の基部から成っており、両側で鼻翼に形状により結合されている。アプリケーションエレメント１の一方側には光送信エレメント２が設けられており、他方側には光受信エレメント３が設けられている。これらのエレメントは個別の放射源および検出器として構成されていてもよいし、またベースデバイスとともに光伝送を行う光結合部６，７として構成されていてもよい。前者の場合はその光軸が組織に向かって配向され（図２のａ）を参照）、電流ケーブル４を介してベースデバイス１２へ接続される。後者の場合はその送信面が鼻組織に対して垂直に配置されるか、または相応の偏光素子５、例えば鏡またはマイクロプリズムが組織に向かって配向される（図２のｂ）を参照）。

アプリケーションエレメント１の固定は、図３に示されているように、頭部に装着される額バンド８を用いて行われる。この額バンドによりアプリケーションエレメント１は測定のあいだ鼻梁の所定の位置に固定される。アプリケーションエレメントは弓状固定部１０を介して額バンド８に結合されている。結合部はアプリケーションエレメントを、例えばロック可能なボールジョイント９または可撓性のメタルチューブによって正確に鼻梁に位置決めできるように構成されている。本発明の装置のさらなるバリエーションとして次のようなものが挙げられる。すなわち
１）鼻部に接着固定できるアプリケーションエレメント
２）ゴムバンドまたは頭周の大きさに合わせて調整可能なバンドにより直接に鼻部へ圧着されるアプリケーションエレメント
３）鼻部の根元側に装着され、光の送受信エレメントが重力によって鼻組織に接するタイプの、眼鏡に似たフレームのアプリケーションエレメント
４）光の送受信エレメントが個別の２つのベースエレメント（パッド）上に配置されており、これらのベースエレメントが鼻のそれぞれの側に接着されるタイプの装置
などである。

正確かつ再現性の高い測定を達成するためには、空間的に安定して動かないようアプリケーションエレメントを鼻部に固定し、さらに外部光の影響を抑圧するかおよび／またはキャリブレーションによって除去することが重要である。したがって有利には、オプティカルフィルタを使用するか、または測定中に測定位置を不透光性のキャップで覆う。後者の場合は例えばプラスチックキャップを額バンドに取り付けておき、必要に応じて検査中測定フィールドの上方に係止するとよい。

図４にはベースデバイス１２の内部の光形成コンポーネント１３と光検出コンポーネント１４とが示されている。ベースデバイス１２には光結合部６，７を介して前述したアプリケーションエレメント１を接続可能である。ベースデバイス１２は光形成コンポーネント１３用の送信電子回路１５と光検出コンポーネント１４用の受信電子回路１６とコントローラ１７とから成り、コントローラにはデータインタフェースを介して別の機器を接続可能である。送信電子回路１５は複数の光形成コンポーネント１３を介して出力側に光を供給し、その光を光学素子１８を介して光束にする。光束は第１の光結合部６へ案内される。受信電子回路１６の入力側には光検出コンポーネント１４が接続され、そこに第２の光結合部７からの光が入射する。

膨脹状態を光学的に測定し、膨脹の原因を識別するために、分光測定が有利である。このためにスペクトルの制限された光源（ＬＥＤ、半導体レーザー）と探索スペクトル領域に対して充分に高い感応性を有するフォトディテクタ（半導体フォトディテクタ、フォトマルチプライヤ）を使用することができる。これに代えて白色光源および分光測定用の検出器を使用することもできる。測定の目標は、個々の波長で時間に依存して吸光度の値（組織の光密度）を検出することである。これは式
Ｅ（λ，ｔ）＝ｌｏｇ_１０（Ｉ_Ｓ（λ，ｔ）／Ｉ_Ｄ（λ，ｔ））
から得られる。ここでＩ_Ｓ（λ，ｔ）は波長λ、時点ｔで送信エレメントから送信された光強度であり、Ｉ_Ｄ（λ，ｔ）は同様に波長λ、時点ｔで受信エレメントに到来した光強度である。吸光度Ｅ（λ，ｔ）は一般に光の散乱および組織内での吸収の関数であり、組織の幾何学的変化量および光学的変化量を表す測定値となる。２つの波長での差Ｅ（λ_１，ｔ）−Ｅ（λ_２，ｔ）を形成することにより、個々の組織成分の容積変化の値の比を表す変化量の相対的な尺度が得られる。これは幾何学的な影響に依存しない。例えばヘモグロビン感応性の波長λ_１＝８００ｎｍとＨ_２Ｏ感応性の波長λ_２＝９７０ｎｍとを使用すると、血液の増大量と組織液の増大量との比を表すことができる。また専用の光学的測定手段を適用することにより、組織の散乱特性および吸収特性を区別して求めることができる。その際には光子のライフタイム測定が必要であり、これは高周波数変調技術（光源の強度変調、および受信信号の振幅および位相の測定）やパルスレーザー技術（短いレーザーパルスの印加、および受信信号の時間分解測定）を用いて行われる。これらの測定プロセスや測定データから光学的パラメータを求めるための数学的手法は従来技術から知られる（例えばSevick et al., "Quantitation of time- and frequency resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation", Anal.Biochem.195., 330-51, 1991、またはPatterson et al., "Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties", Appl.Opt., 28, 2331-36, 1989を参照）。

測定動作のフローを以下に誘発されたアレルギー反応（誘発試験）の実施例に即して説明する。

検査すべき患者の準備が済んだのち、アプリケーションエレメントを患者の鼻の根元近傍の鼻梁に固定し、光送信エレメントと光受信エレメントとを対向させ、光をできるだけ多く鼻内部の膨脹した組織へ透過させる（図５を参照）。そののち、光源の強度および／または検出器の感度がオプトメカニクス手段、エレクトロニクス手段および／またはソフトウェア手段により測定に適した領域へマニュアル、オートマティックまたはセミオートマティックで調整されることにより、光学測定信号ができるかぎり最適化される。データ検出はマニュアルでユーザにより開始される。ベースデバイス内部のコントローラ１７は送信電子回路１５を制御して光源のシーケンシャルなスイッチングを行い、同時に受信電子回路１６を制御して検出器の測定値を読み出す。光源を遮断するか、または充分な高さで変調された光信号のＡＣ成分を測定して外部光の暗信号を分離することにより、光源で形成された光以外の偶発的な外部光が入射しないようにする。

図６には膨脹に依存する吸光度測定値の特性が概略的に示されている。誘発試験をしていないときのスペクトル光の吸光度の値が測定の基本線となっている。１分〜２分の時間窓では抗原物質が鼻孔の一方または双方に噴霧され、測定時点が例えば投与時点ｔ_Ｐでのフットスイッチの操作により記録される。アレルギー反応があれば鼻組織の膨脹が始まり、このことがスペクトル吸光度の増大に作用する。図６にはスペクトル吸光度の値が表されているが、理解しやすくするために初期時点ｔ_Ｐで正規化されている。膨脹は時点ｔ_Ｅでそれ以上は膨脹できない定常状態に達する。時点ｔ＞＞ｔ_Ｅ−ｔ_Ｐを過ぎてはじめて膨脹状態が低下しはじめる。診断評価される情報はスペクトル吸光度の値の時間特性から導出される。この特性に対して特に、
１）膨脹の強度の尺度となる、所定の波長での吸光度の上昇分ΔＥ（λ）＝Ｅ（λ，ｔ_Ｅ）−Ｅ（λ，ｔ_Ｐ）
２）種々の組織成分による相対的な容積成分の増大の尺度となる、異なる波長での吸光度の差ΔＥ（λ_１）−ΔＥ（λ_２）
３）膨脹速度および膨脹の生理学的経過を表す曲線Ｅ（λ，ｔ）の形状の尺度となる、誘発時点から定常状態にいたるまでの時間差Δｔ＝ｔ_Ｅ−ｔ_Ｐ
などが挙げられる。

アプリケーションエレメントの前面図ａ）および平面図ｂ）である。

アクティブな送受信エレメントを備えたアプリケーションエレメントの実施例ａ）とパッシブな送受信エレメントを備えたアプリケーションエレメントの実施例ｂ）とを示す図である。

アプリケーションエレメントを頭部および鼻に固定した様子を示す図である。

本発明の装置のベースデバイスを示す図である。

膨脹前後での光学素子および透光路の位置と鼻腔の断面とを示す図である。

膨脹の進行に依存する吸光度測定値の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ アプリケーションエレメント
２ 光送信エレメント
３ 光受信エレメント
４ 電流ケーブル
５ 偏光素子
６ 送信エレメントへの光結合部
７ 受信エレメントへの光結合部
８ 額バンド
９ ボールジョイント
１０ 弓状固定部
１１ 透光路
１２ ベースデバイス
１３ 光形成コンポーネント
１４ 光検出コンポーネント
１５ 送信電子回路
１６ 受信電子回路
１７ コントローラ
１８ 光学素子

Claims (27)

1. 光形成コンポーネント（１３）および光検出コンポーネント（１４）を備えたベースデバイス（１２）と、これに属する送信電子回路（１５）および受信電子回路（１６）およびコントローラ（１７）と、少なくとも１つの第１の光結合部（６）および少なくとも１つの第２の光結合部（７）と、ベースデバイス（１２）とは別に配置される光送信エレメント（２）および光受信エレメント（３）と、少なくとも鼻の上部に適合する形状のアプリケーションエレメント（１）とから成り、
   前記第１の光結合部はベースデバイス（１２）と光送信エレメント（２）とを結合しており、光形成コンポーネント（１３）で形成された光が該第１の光結合部および光学素子（１８）を介して光送信エレメント（２）へ案内され、
   前記第２の光結合部は光受信エレメント（３）と光検出コンポーネント（１４）とを結合しており、
   前記光送信エレメントおよび光受信エレメントはアプリケーションエレメント（１）上で、光送信エレメント（２）から送信された光が鼻の少なくとも一方側の膨脹しうる組織を透過して光受信エレメント（３）へ達するように配置されている
   ことを特徴とする鼻の膨脹状態を光学的に測定する装置。
2. 光形成コンポーネント（１３）として種々の発光波長を有する１つまたは複数の光源が使用される、請求項１記載の装置。
3. 光形成コンポーネント（１３）はＬＥＤおよび／またはレーザーおよび／またはハロゲンランプである、請求項２記載の装置。
4. 送信電子回路（１５）は光形成コンポーネント（１３）の一定の光出力を形成する、請求項１記載の装置。
5. 送信電子回路（１５）は光形成コンポーネント（１３）の強度変調を行う、請求項１記載の装置。
6. 送信電子回路（１５）は光形成コンポーネント（１３）の高周波数変調を行う、請求項５記載の装置。
7. 送信電子回路（１５）は持続時間≦１ｎｓの光パルスを形成する、請求項１記載の装置。
8. 光検出コンポーネント（１４）として１つまたは複数のフォトディテクタおよび／またはスペクトロメータが使用される、請求項１記載の装置。
9. 光検出コンポーネント（１４）は半導体フォトディテクタおよび／またはフォトマルチプライヤである、請求項８記載の装置。
10. アプリケーションエレメント（１）は剛性から可撓性までを有するストラップ状の基部から成るか、または２つの個別のユニットから成る、請求項１記載の装置。
11. アプリケーションエレメント（１）は鼻の形状に適合するように、接着により、または大きさおよび／または長さを調整可能な頭周用のホールドバンド（８）により、または眼鏡に似たフレームにより接続される、請求項１記載の装置。
12. ホールドバンド（８）とアプリケーションエレメント（１）とのあいだは形状に適合して安定に固定されるように調整可能な機械的接続部（９，１０）が形成される、請求項１１記載の装置。
13. 測定フィールドの周囲に光遮蔽素子（８，９，１０）が形成される、請求項１記載の装置。
14. 光遮蔽素子（８，９，１０）は不透光性のキャップまたはオプティカルフィルタである、請求項１３記載の装置。
15. 少なくとも２つの光送信エレメントおよび光受信エレメント（２，３）がアプリケーションエレメント（１）上に配置されており、光送信エレメントおよび光受信エレメントはそれぞれ鼻およびアプリケーションエレメントの各側に配置されている、請求項１記載の装置。
16. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置を使用して
    鼻の膨脹状態を光学的に測定する方法において、
    光形成コンポーネント（１３）からの光を光学素子（１８）および少なくとも１つの第１の光結合部（６）を介して少なくとも１つの光送信エレメント（２）へ案内し、該少なくとも１つの光送信エレメント（２）から光を送信し、このとき光が鼻の少なくとも一方側を透過するように少なくとも１つの光送信エレメント（２）をアプリケーションエレメント（１）上に配置し、
    鼻の少なくとも一方側の光の出射領域で少なくとも１つの光受信エレメント（３）により出射光を収容し、この光を第２の光結合部（７）を介して光検出コンポーネント（１４）へ案内し、生じた値を記録し、そこから診断に使用されるパラメータを計算し、
    前記値は選択された発光波長で光形成コンポーネント（１３）の形成した光が自然な膨脹または膨脹誘発の前およびその最中に鼻組織を透過して得られたスペクトル吸光度の時間特性である
    ことを特徴とする鼻の膨脹状態を光学的に測定する方法。
17. 測定を行うために種々の発光波長を有する複数の光形成コンポーネント（１３）を使用し、送信電子回路（１５）によって順次明るくなるように切り換える、請求項１６記載の方法。
18. 測定を行う前に光形成コンポーネント（１３）がアクティブでないときの暗値を外部光の影響の補正のために測定する、請求項１６記載の方法。
19. 測定中、鼻の少なくとも一方側を透過した光を検出するのと同時に、光出力を検出するために光形成コンポーネント（１３）の強度測定を行う、請求項１６記載の方法。
20. 種々の組織成分を識別するために個々の白色光源（１３）の光を送信し、この光が鼻の少なくとも一方側を透過した後にスペクトロメータ（１４）によって受信する、請求項１６記載の方法。
21. 光形成コンポーネント（１３）により種々の搬送波周波数を有する光を強度変調して送信し、受信された光信号を周波数デマルチプレクスプロセスにより個別に検出する、請求項１６記載の方法。
22. 強度変調は正弦波形状で行う、請求項２１記載の方法。
23. 光形成コンポーネント（１３）により高周波数変調された光を送信し、受信された光信号を復調して位相シフト量および振幅吸光度を求める、請求項１６記載の方法。
24. 光形成コンポーネント（１３）により≦１ｎｓのきわめて短い光パルスを送信し、受信された光信号から光受信エレメント（３）での時間分解測定により到来した光子の時間分布を求める、請求項１６記載の方法。
25. 鼻の膨脹度の測定を各鼻孔ごとにまたは鼻の各側ごとに個別に行う、請求項１６記載の方法。
26. 種々の波長の光を光形成コンポーネント（１３）から鼻の各側の少なくともそれぞれの光送信エレメント（２）へ案内し、光受信エレメント（３）により受信する、請求項１６記載の方法。
27. 少なくともそれぞれの光形成コンポーネント（１３）から種々の波長の光を鼻の各側の少なくともそれぞれの光送信エレメント（２）へ順次に案内する、請求項２５記載の方法。

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