JP2006006919A

JP2006006919A - 生体内組織の同定装置

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Publication number: JP2006006919A
Application number: JP2005149431A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Higo; 範行肥後; Keiji Matsuda; 圭司松田; Yutaka Komura; 豊小村; Takashi Mizuhiki; 貴至水挽; Tomohiro Masuda; 智洋増田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP4724883B2

Abstract

【解決手段】光照射系光ファイバー２、及び光反射率あるいは透過率測定系光ファイバー３は、その一方の端部がシリンジ先端１に取り付けられる。反射率を測定する場合には、光照射系ファイバー端部の光照射面と、測定系光ファイバー端部の受光面は、共に組織に対して対向するよう設ければよい。透過率を測定する場合においては、２本の光ファイバー端部の光照射面と受光面と間に組織が挟まれるように設ける。光照射系光ファイバー２の他端部は光源４に接続し、光源の光は光ファイバー２を導通し、シリンジ１先端に取り付けた、同光ファイバー２の端部から、生体組織に向けて照射されるように構成されている。
【効果】シリンジ等の処置具に上記同定装置を取り付けることにより、処置具を正確に生体内の特定の組織領域に位置させて、薬物等の注入を行うことが可能となり、この際の組織破壊を最小限にすることが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光照射手段と反射率（色）または透過率を計測する手段からなる、生体内組織の同定装置に関する。

生体内に薬物を注入することは基礎研究および臨床を通じて広く行われている。例えば、脳の基礎研究においては、脳内の神経回路結合を解析するために、生きている実験動物の脳内にシリンジを刺入しトレーサーと呼ばれる薬物を注入する場合がある（図1）。このような場合、目的とする神経回路結合を解析するためには、特定の脳領域に正しくトレーサーを注入することが不可欠である。従来の手法では脳表からの深さを基準とすることで、特定の脳領域への注入を行うことが一般的であるが、脳の大きさや形には個体差があることから、特定の脳領域へ注入を行うことはしばしば失敗をともなう。近年、薬物注入用のシリンジに電極を付属させることにより、神経活動を指標として特定の脳領域を同定する装置が販売されているが、大脳新皮質の層などの細かい領域の判別には不十分である。
したがって、生体内組織を正しく識別し得、かつシリンジ等に取り付け可能で、しかも生体内組織を傷つけることのない生体内組織の同定装置は、極めて有用である。

本発明は、上記従来技術の問題点を、解消することを課題とするものであり、具体的には、生体内組織を正しく識別し、シリンジ等の生体処置具あるいは装置を、処置すべき位置に正確に位置させるための生体内組織の同定装置を提供するとともに、シリンジ等に該同定装置を取り付けて使用する際、生体における侵襲による組織破壊を最小限にすることが可能な同装置を提供することを課題とするものである。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、生体内組織に光を照射させた場合、照射した光に基づく生体内組織の反射率（色）または透過率は、生体内組織の各領域により差異があり、これにより生体内組織を同定することが可能であることに加え、このような生体組織の同定手段として光ファイバーを利用した光学系を利用することにより、その生体内組織へ進入する側の光学系を極めて小径にすることができ、例えばシリンジ等の処置具に取り付けた場合において、シリンジ等自体による侵襲と同程度に組織破壊を防止することが可能となることを見いだし、本発明を完成させるに至ったものである。すなわち、本発明は以下の（１）〜（５）に関する。

（１）生体内組織に光を照射する手段、及び該光照射に基づく生体組織の光反射率又は透過率の測定手段を設けたことを特徴とする、生体内組織の同定装置。
（２）一方の端部から生体内組織に光照射を行う光照射系光ファイバーと、該光照射に基づく生体組織の反射光又は透過光を、その一方の端部から受光する測定系光ファイバーとからなり、光照射系光ファイバー及び測定系光ファイバーの他方の端部が、それぞれ光源及び光度測定手段に接続されていることを特徴とする、生体内組織の同定装置。
（３）光度測定装置が、分光光度計であることを特徴とする、上記（２）に記載の生体内組織の同定装置。
（４）光源が、発光ダイオードであることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の生体内組織の同定装置
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の生体組織の同定装置を具備せしめたシリンジ装置

本発明の上記生体内組織の同定装置は、極めて簡便かつ安価であり、また、生体組織に侵入させる側は、極めて小径の光ファイバーからなり、これにより、生体組織の破壊を抑制できる。したがって、例えばシリンジ等の処置具に上記同定装置を取り付けることにより、処置具を正確に生体内の特定の組織領域に位置させて、薬物等の注入を行うことが可能となり、この際の組織破壊を最小限にすることが可能となる。

本発明の生体内組織の同定装置は、生体内組織領域に光を照射する系と該光照射に基づく生体組織の光反射率及び透過率の測定系を設けたことを特徴とする。
上記したように、生体内組織に光を照射させた場合、照射した光に基づく生体組織の反射率または透過率は、各々生体組織により差異がある。例えば、脳の場合、脳組織の各領域によって神経細胞や神経線維の密度が異なっており、このような差異が、脳組織の光反射率または透過率の差異に反映され、照射する光の波長により、光反射率あるいは透過率は各脳組織においてこ個人差によるある程度のばらつきはあるもののおおよそ特有な値をとる。したがって、あらかじめ、脳組織と反射率あるいは透過率の関係及びそのばらつき（標準偏差等）を求めておけば、光反射率あるいは透過率から、その組織領域を同定することができる。同様なことは他の生体組織についてもいえる。例えば、腎臓は黄褐色の皮質と赤紫色の髄質からなり、皮質と髄質の間で反射率および透過率は異なっていると考えられる。

以下、本発明の生体内組織の同定装置について、さらに具体的に説明する。
本発明の生体内組織の同定装置においては、光照射系、及び光反射率あるいは透過率測定系に少なくとも２本の光ファイバーを用いることが望ましい。
第２図を参照して上記同定装置として光反射率を測定する装置について説明する。光照射系光ファイバー（１）、及び光反射率は測定系光ファイバー（２）は、その一方の端部がそれぞれ光照射端部（３）及び受光端部（４）となる。光照射系光ファイバー（１）の他端部は光源（５）に接続し、光源（５）の光は光ファイバー（１）を導通し、光照射端部（３）の端部から、生体組織に向けて照射されるように構成されている。光反射率測定系光ファイバー（２）の他端部は、光度測定手段に接続し、上記生体組織により反射した光は、同光ファイバー（２）を導通し、光度測定手段（６）により光度が測定される。この光度測定手段においては、照射光度を一定にしておけば、単に反射光度のみ測定すれば十分である。また、反射率を表示する手段（７）を備えるものが好ましい。

第３図は、光透過率を測定する場合の生体内組織の同定装置の構成を示す図である。
この装置においては、光照射系光ファイバー（８）と光透過率測定系光ファイバー（９）の光照射端部（１０）と受光端部（１１）は、組織内に進入し、両端部間に組織が挟まれるよう構成されている。光照射系光ファイバーの光照射端部（１０）から照射された光は、組織内を透過し、光透過率測定系光ファイバーの受光端部から、光ファイバー内を経由して、光度測定手段により、生体内組織の透過率が測定される。その他の構成は上記第２図の装置の構成と同様である。

第４図は、光反射率を測定する場合（Ａ）と、光透過率を測定する場合（Ｂ）における、本発明装置と生体組織との関係を示す図である。
光反射率を測定する場合（Ａ）には、生体組織によって光照射端部（３）から発した光の一部が反射され、受光端部（４）において受光する。受光した光の強度の違いにより、標的組織（１２）と隣接組織（１３）を識別する。光透過率を測定する場合（Ｂ）には、生体組織によって光照射端部（１０）から発した光の一部が生体組織を透過し、受光端部（１１）において受光する。受光した光の強度の違いにより、標的組織（１２）と隣接組織（１３）を識別する。

本発明の同定装置に使用する光ファイバーは、特に透過光を測定する場合あるいはシリンジ等に取り付ける場合、組織侵襲による組織破壊を防止するため光ファイバーの径は可能な限り細くする。現在実用されている光ファイバーの中には、１０ミクロン程度のものもある。
また、例えば、光ファイバーにおける、生体組織に突き刺さる部分のみ、金属等の被覆を除去してより小径にしてもよい。

本発明においては、同定装置先端部側の光ファイバーの端部は、単に光を照射あるいは生体組織からの反射光あるいは透過光を受けるのみであり、結像手段としての複雑なレンズ系等を設ける必要がないため、小径にすることが可能である。ただし、光照射の領域を若干広くし、また受光量を多くするためその先端は凸面レンズ状になっていることが好ましい。
本発明において使用する光源としては、可視光あるいは赤外光を用いることが望ましい。紫外線は、生体組織にダメージを与える恐れがあるため望ましくない。具体的な光源としては、赤色ＬＥＤ、赤外線ＬＥＤ、キセノンランプ、タングステン重水素ランプ等がある。

また、本発明において使用する光反射率あるいは透過率の測定手段としては、例えば光度計を用いることができる。この測定においては、反射光あるいは透過光全体の光度を測定し、反射率あるいは透過率等を求めてもよく、また、反射光、透過光を分光し各波長毎の反射率あるいは透過率をスペクトルとして、これを用いて生体内組織領域の同定を行ってもよい。前者の場合、装置が簡素化され、また後者の場合、生体内組織領域の同定がより正確、精密になる。光時計としては、光度を直接電流値に変換する受光素子が好ましい。この電流値に基づき反射率、透過率をリアルタイムで表示できる。

本発明の生体内組織の同定装置を、処置具としてシリンジ装置に取り付けた場合を以下説明する。
本発明のシリンジ装置においては、光照射系、及び光反射率あるいは透過率測定系に少なくとも２本の光ファイバーを用いることが望ましい。

第５図に示すように、光照射系光ファイバー（２）、及び光反射率あるいは透過率測定系光ファイバー（３）は、その一方の端部がシリンジ先端（１）に取り付けられる。反射率を測定する場合においては、光照射系ファイバー端部の光照射面と、測定系光ファイバー端部の受光面は、共に組織に対して対向するよう設ければよいが、透過率を測定する場合においては、２本の光ファイバー端部の光照射面と受光面とが互いに対向して、この間に組織が挟まれて存在するように設けるが、例えば、シリンジ先端の直径方向に離間させて設ければよい。光照射系光ファイバ（２）の他端部は光源（４）に接続し、光源（４）の光は光ファイバー（２）を導通し、シリンジ（１）先端に取り付けた、同光ファイバー（２）の端部から、生体組織に向けて照射されるように構成されている。光反射率あるいは透過率測定系光ファイバー（３）の他端部は、光度測定装置に接続し、生体組織により反射あるいは透過した光は、同光ファイバ（３）を導通し、光度測定装置（５）により光度が測定されるが、この場合、それぞれ反射率あるいは透過率を算出、表示する手段（６）を備えるものが好ましい。

本発明のシリンジ装置に使用する光ファイバーは、シリンジの内面、または外側面に添わせてシリンジ先端に取り付けられるが、シリンジの生体における侵襲による組織破壊を防止するため光ファイバーの径は可能な限り細くする。例えば、光ファーバーにおける、生体組織に突き刺さる部分のみ、金属等の被覆を除去してより小径にしてもよい。
また、上記したように、現在、実用されている光ファイバーの径のなかには直径１０ミクロン程度のものもあり、一方、現在広く使われているシリンジの直径は５００〜１２００ミクロン程度であるから、このような光ファイバーを使用すれば、従来型シリンジよりも１〜２％程度の直径の拡大で収まることになり、侵襲の度合いはほぼ変わらない。また、特に光ファイバーをシリンジ外側面に配置する場合には、少なくとも先端部を含む生体内挿入部分はその表面をなめらかにするため、ポリイミド等のチューブで被覆することが望ましい。これにより侵襲の度合いを軽減できる。

以下に、図６を参照しつつ、本発明の同定装置を取り付けたシリンジ装置を用いて、脳組織の特定領域に薬液注入を行う場合の例を具体的に説明する。
頭蓋骨（７）の一部を切除し、該除去部から、硬膜（８）外からシリンジ装置の先端部（９）を刺入することで脳に導入し、シリンジ先端部に設けた光源に接続する光ファイバー端部（１０）から光を照射しながら、目的の脳領域にシリンジ装置先端部を接近させる。脳組織で反射された光あるいは透過した光は、光度測定装置に接続する光ファイバーの端部から光ファイバー内部を導通し、光度測定装置（１１）によりその光度が測定され、該光度に基づき光度測定装置に付属する演算部により算出された反射率あるいは透過率の数値、あるいはスペクトルが、表示部（１２）に表示される。

施術者は、上記表示部に表示される数値あるいはスペクトルを見ながら、シリンジ先端部を移動させ、あらかじめ定められた特定の脳組織領域に特有の上記数値あるいはスペクトルが表示された位置で、シリンジ先端部を停止させ、該位置の脳組織にシリンジ先端部を突き刺し、薬液を注入する。注入した薬液が有色の場合には（１３）、薬液注入により反射率あるいは透過率の数値が変化する。このことから薬液が正常にシリンジ先端から導出されたことが確認できる。

図１０Ａは、本発明のシリンジ装置の一例を示す外観写真である。該シリンジ装置は、シリンジ（１）、薬液導出用ポンプ（４）、２本の光ファイバー（２）、並びに光源及び光度測定装置（３）を備える。また、図１０Ｂ，Ｃはシリンジ先端部を角度を変えて撮影した拡大写真であり、シリンジ先端部には、光の照射用光ファイバーと測定系光ファイバーの各切断面（６）が露出し、また、薬液導出口（５）が設けられている。
上記シリンジ装置の先端部の詳細構造を図１１を参照してさらに説明する。
図１１Ａにはシリンジ装置先端部の縦断面図、図１１Bには同じくシリンジ置先端部の横断面図が示される。
この先端部構造を有するシリンジ装置においては、シリンジ（1）の側面に光照射系光ファイバーおよび測定系光ファイバーの二本の光ファイバー（2）を沿わせて配置され、周囲を接着剤で固定すると共に、少なくとも生体内挿入部分をポリイミド等のチューブ（3）で被覆するが、光を照射及び測定する各光ファイバー先端部（4）においては、該チューブによる被覆を行わず、無色透明の接着剤により固定（5）されている。各光ファイバー先端部（4）は、刺入時にシリンジ先端孔（6）と深度が同一になる位置において、シリンジに対して光ファイバー断面が１３５度傾斜するように切断され、シリンジと光ファイバー先端部の間の空隙には、光不透過の黒色の接着剤が配置されている（7）。

上記図１１で示した上記先端部構造を有する本発明のシリンジ装置を使用して、体内の反射率を測定し、物を注入する場合の作用機構を以下に説明する（図１２参照）。
図1２Aには光源（図5参照）から入射した照射光の挙動を示す。図1２Bにはその後に生体組織から戻る反射光の挙動を示す。層状になった生体組織にシリンジを刺入し、特定の深さでの反射率を測定する場合、入射光（1）は光照射系光ファイバーを進みシリンジ先端に至る。光ファイバー先端部の切断面（2）がシリンジに対して135度傾斜し、また切断面は黒色の接着剤で被覆されているため、入射光は光ファイバー先端部の切断面で、シリンジ軸線方向に対して９０度の角度で反射する（3）。これにより入射光はシリンジ先端孔（4）と同一深度の生体組織に入射する。生体組織から戻る反射光（5）は再び光ファイバー先端部の切断面で90度の角度で反射し、測定系光ファイバーを通り、（6）光度測定装置に至る（図5参照）。以上のようにして測定された反射率が目的の生体組織のものと一致した場合に、薬液の注入（7）を行う。本方式を用いることにより、反射率が測定された生体組織と同一深度（8）において正確に薬液の注入を行うことができる。図１１及び図１２で示した、先端部構造を有する本発明のシリンジ装置は、特に脳の大脳新皮質や腎臓など、層状になった生体組織の特定の層に薬液を注入する場合に特に有効である。

本発明の生体内組織の同定手段を用いて、大脳組織領域の同定が可能であることを実証した例を実施例として示す。

〔実施例１〕
測定対象試料として、ニホンザル（Macaca fuscata）の大脳の冠状断切片（５ｍｍ厚、大脳新皮質運動野、体性感覚野及び大脳基底核質を含む）切り出し、シャーレ上に固定した。

第７図に実験に使用した装置の概要を示す。

使用した装置は、光照射系光ファイバー（１）、測定系光ファイバー（２）、赤色ＬＥＤ（３）、半導体受光素子（４）、赤色ＬＥＤ表示灯（５）から構成されるもので、反射率が測定可能なものである。光照射系光ファイバー（１）および測定系光ファイバー（２）の先端は金属の被腹部（６）で覆われていて、被服の除去部（７）に光照射端部及び測定端部が設置されている。装置と生体組織との関係は図４Ａと同様である。

本装置を大脳の冠状断切片に押し当てることで、脳組織間の反射率の違いを実証した（図８）。

測定された各反射率値は、大脳新皮質Ｉ層で１９７、大脳新皮質II−III層で２９８、大脳新皮質V-VI層で１９７、白質で５６０、及び大脳基底核で２９９であった（図９）。このことにより、本発明の生体組織領域の同定手段により、大脳各組織の領域を区別可能であることが実証できた。

本発明の生体内組織の同定装置は、簡便かつ安価で、正確に生体内組織の識別、同定が行えるものである。しかも、該装置の先端部は極めて小径にすることが可能であるので組織侵襲による組織破壊を防止する。したがって、基礎研究および臨床の多くの面において利用されうる。

また、本発明の生体内組織の同定装置は、シリンジ等の処置具に取り付けても従来のシリンジ等の処置具を用いる場合とほぼ同程度の侵襲ですむ。例えば、生きている実験動物の脳内にシリンジを刺入し、トレーサー等の薬物を注入する際、シリンジに上記同定装置を取り付けておけば、シリンジを脳組織の所定領域に正確に位置せしめ、薬物注入することが可能となる。また、実験動物を用いた電気生理学的および解剖学的研究において、シリンジや電極の刺入時に脳表の血管を損傷してしまい、実験動物に不必要な負担をかけることはしばしばおこりうるが、本発明は脳表に存在する血管を感知し、血管の損傷を未然に防止することにも応用可能である。また、近年では神経幹細胞を注入することで神経機能の再建をはかる試みがおこなわれているが、神経幹細胞の特定の脳領域への注入にも有効である。また、このほか、脳ばかりでなく、他の臓器（または血管）への薬物注入にも当然応用可能である。

従来の生体（脳）における薬物注入の例を示す模式図である。光反射率を測定する場合の、本発明の生体内組織の同定装置の構成を示す図面である。光透過率を測定する場合の、本発明の生体内組織の同定装置の構成を示す図面である。光反射率を測定する場合（Ａ）と、光透過率を測定する場合（Ｂ）における、本発明の生体内組織の同定装置と生体組織との関係を示す図である。本発明の生体内組織の同定装置を、処置具としてシリンジに取り付けた場合の構成を示す図面である。本発明の生体内組織の同定装置を、処置具としてシリンジに取り付けた場合に、生体組織に薬物注入を行う場合の施術法を示す模式図である。脳組織における反射率の測定実験に用いた装置の構成を示す図面である。脳組織において反射率を測定した実験の手法を示す写真である。シャーレ上に固定したニホンザル（Macaca fuscata）の大脳の冠状断切片に装置を押し当てることで反射率の測定を行った。上記実験において各脳組織領域から得られた各反射率を、該領域上にまとめて示した写真である。本発明のシリンジ装置の一例を示す外観写真である。本発明のシリンジ装置の先端部構造の一例を示す図である。図１０の先端部構造を有するシリンジ装置を用いて体内の反射率を測定し薬物を注入する場合の作用機構を示す図である。

Claims

生体内組織領域に光を照射する手段、及び該光照射に基づく生体内組織の光反射率又は透過率の測定手段を設けたことを特徴とする、生体内組織の同定装置。
一方の端部から生体内組織に光照射を行う光照射系光ファイバーと、該光照射に基づく生体内組織の反射光又は透過光を、その一方の端部から受光する測定系光ファイバーとからなり、光照射系光ファイバー及び測定系光ファイバーの他方の端部が、それぞれ光源及び光度測定手段に接続されていることを特徴とする、生体内組織の同定装置。
光度測定装置が、分光光度計であることを特徴とする、請求項２に記載の生体内組織の同定装置。
光源が、発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の生体内組織の同定装置
請求項１〜４のいずれかに記載の生体内組織の同定装置を具備せしめたシリンジ装置。