JP2007082658A

JP2007082658A - 脳循環血流測定装置

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Publication number: JP2007082658A
Application number: JP2005273454A
Authority: JP
Inventors: Mikinobu Hoshino; 干野　　幹信
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP4739878B2

Abstract

【課題】聴診器のように一般の医師が常に携帯することが可能な機器でありながら、脳循環血流の状態を局所的に非侵襲で正確に測定できる器具を提供することにある。
【解決手段】近赤外光を分割し、一方を参照光とし、一方を生体の頭部に入射し、生体の頭部に同時に入射される超音波超により生体組織に引き起こされた運動によりドップラーシフトを生じた生体組織から反射される近赤外光と参照光との干渉により生じるビート信号を検出し、信号強度の変化から血液量の変化を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、近赤外光線及び超音波を利用して生体の状況、特に、脳循環血流を測定するための、脳循環血流測定装置に関するものである。

脳への循環血流は生体を流れる全血流の２０％程度を占め、脳循環血流は生体の状態を評価するための有効な指標となる。

頭蓋骨内の脳の循環血流を見るための手段として、経頭蓋超音波ドプラ（ＴＣＤ）は開発以来広く普及している。しかしながら、骨の音響インピーダンスは軟組織部に比べて非常に大きいため、頭蓋骨を透過して内部に入射される超音波は個人差もあるが高々２０％程度である。したがって、頭蓋骨内部から反射されて再び頭蓋骨の外部に出射される超音波の反射波振幅は内部の反射率が例えば１００％としても、入射された超音波の振幅の４％程度となる。ところが実際の脳組織においては、赤血球の細胞膜と血漿とのわずかな組織界面の音響インピーダンスの差に依存して決まる極めて小さな反射率を有しているため、結局、脳内部で反射されて、外部に出射される超音波はきわめて微弱となる。それゆえＳ／Ｎを改善するために、超音波の入射エネルギーを大きくすることが一般に行われているが、照射部の温度上昇を伴うことが知られている。また、高強度の超音波の長時間照射による遺伝子損傷の可能性も指摘されており、生体安全性の観点からは、長時間連続で超音波を照射することは好ましくない。

また、脳機能に伴う脳循環血流変化を非侵襲的に探る方法としては、陽電子断層法（ＰＥＴ）や磁気共鳴画像（ＭＲＩ）等があり臨床の場で広く用いられているが、装置としては極めて大型となる。

また、近赤外光は生体透過性が良く、近赤外光を用いて生体のヘモグロビンに関する情報を獲得できることは近赤外光スペクトロスコピー（ＮＩＲＳ）として良く知られている。その応用として広く用いられているものに末梢動脈血中の酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターなどがある。近赤外光の頭部透過特性を測定することにより脳循環血流を測定することもでき、近赤外光を用いた光ＣＴと呼ばれている光機能画像法の開発も試みられている。一般的には、光の散乱性のため、精度良く局所的な情報を得ることが困難であるが、光ＣＴでは、通常は多数の光プローブを頭部に装着し、生体内で散乱している光であっても、複雑な信号処理を施すことによって光脳トポグラフィとして空間分布を決定することが可能となった。

以上述べたように、脳循環血流を知るために用いている従来の方法は一般に極めて大型の装置となり、被験者がその装置の設置場所に出向いて検査を受けるものであり、一般の臨床の現場では用いることはできない。また、極めて高価な装置となるため、いつでも利用可能なものではない。

これらの状況を鑑み、ＮＩＲＳに基づいて単一の光プローブで脳の血流状態を非侵襲で簡便に測定し、測定結果を音に変換して、医師が常に携帯可能な聴診器のように、耳で情報を受け取り救急に対応することのできる器具が発案された（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−９５７６７号公報（第２−４頁、図１）

しかしながら、生体に外部から光を入射した場合には、頭皮および頭蓋骨が７〜９ｍｍ程度の厚さを有するために、前述したように、生体組織の拡散性によって光の拡散が生じ、単一の光プローブでは測定対象部位を局所的に絞り込むことができず、精確な測定が困難であった。

（発明の目的）
本発明の目的は聴診器のように一般の医師が常に携帯することが可能な機器でありながら、脳循環血流の状態を非侵襲で局所的に精確に測定できる器具を提供することにある。

本発明の脳循環血流測定装置は、生体頭部に超音波を入射させる超音波入射手段と、近赤外光を照射する照射手段と、近赤外光を分割し一方の近赤外光を生体に入射させ他方の近赤外光を参照光とする分割手段と、生体頭部に入射し反射された一方の近赤外光と参照光との干渉によって生ずるビート信号を検出する検出手段とを有する光・超音波復合ユニットを備え、
該光・超音波復合ユニットを非侵襲的に生体頭部に当接し、一方の近赤外光を超音波と共に生体頭部に入射し、超音波により生体頭部の組織に引き起こされた運動によりドップラーシフトを生じた生体頭部から反射される一方の近赤外光と参照光との干渉によって生ずるビート信号の強度変化から血液量の変化を算出することを特徴とする。

また、光・超音波復合ユニットは圧力センサーを有することを特徴とする。

また、光・超音波復合ユニットを前記生体頭部に当接させたときの押圧力を圧力センサーで検出し、生体表面からの深さを押圧力で指定し、指定された深さの脳循環血流量を報知する報知手段を有することを特徴とする。

以上のように本発明によれば、装置が小型携帯可能で、安価となり、一般の臨床の現場でいつでも診断に用いることができる。また、低エネルギーの超音波入射で、頭蓋骨内部の情報を得ることができるため、生体への安全性が著しく向上する。また、超音波の直進性を利用するため局所的な測定が可能となり、計測位置精度の向上が実現でき、計測部位の位置の特定が可能となる。

本発明の実施形態における脳循環血流測定装置を図に基づいて説明する。図２は、本発明の最適な実施の形態を説明する図である。図２に示すように本実施形態における脳循環血流測定装置は、生体１である頭部に超音波を入射する超音波入射手段としての超音波トランスデューサ３、近赤外光を照射する照射手段としてのレーザーダイオード４、近赤外光を生体への入射光と参照光との２つの光ビームに分割する分割手段としての光ビームスピリッタ６、参照光と生体から出射される近赤外光を合成する手段としての光ビームミキサー７、合成された２つの光を干渉させ電気信号に変換する検出手段としてのフォトダイオード５を有する光・超音波復号ユニット３０を備えている。超音波入射手段は生体１の頭蓋骨内部の生体組織に運動を起こすために、生体１である頭部から超音波波束を入射させる。この生体組織の運動は生体１から反射される光に運動速度に応じたドップラーシフトを引き起こす。

図１は本実施形態における脳内血流測定装置の全体ブロック図を示すものである。生体１には圧力センサー２、超音波トランスデューサ３、光ビームスピリッタ６、光ビームミ
キサー７、レーザーダイオード４、フォトダイオード５を含む光・超音波復号ユニット３０が当接している。ＣＰＵ９で制御された送信部８で電気パルスを発生し超音波トランスデューサ３に送る。生体１から反射された超音波信号は、超音波トランスデューサ３で電気信号に変換され、プリアンプ１２で増幅され、フィルタ１４を通して不要な信号を取り除き、アンプ１６で増幅され、検波器１９で検波され、ＡＤコンバータ１８でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ９内のメモリに保存される。フォトダイオード５からの電気信号はプリアンプ１３で増幅され、フィルタ１５を通して不要な信号を取り除き、アンプ１７で増幅されＡＤコンバータ１８でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ９内のメモリに保存される。ＣＰＵ９は保存されたデジタル信号を演算し、演算結果を表示部１０に表示する。また、音源装置１１にも前述の演算結果が入力され音として報知される。

以下本発明における脳内血流測定装置の動作を図２を用いて説明する。まず、送信部８でパルス幅１００ｎｓ、発信周波数１０ｋＨｚ、すなわち発信間隔１００μｓ間隔の電気パルスを生成し、この電気パルスを超音波トランスデューサ３に送り、極めて時間的に短い幅の超音波パルス列を発生させる。

超音波トランスデューサ３の共振周波数としては１０ＭＨｚが好適である。こうすることにより、超音波トランスデューサ３から半値幅が１００nsのパルス幅の超音波パルスが発生される。発生された超音波は波束として頭皮５０、頭蓋骨５１を経由して脳５２に入射される。

超音波の入射と同時に、レーザーダイオード４で発生させた周波数ｆの光を光ビームスピリッタ６で２つに分け、一方を脳５２内に入射し、もう一方を参照光とし検出器であるフォトダイオード５に光ビームミキサー７を経由して導く。

脳５２内部の超音波の存在している領域では生体組織、特に赤血球が超音波の音圧により速度V（ｚ、ｔ）で運動する。ｚは超音波進行方向の座標、ｔは時間を表す。したがって光・音波のドップラー相互作用により生体組織の運動に応じて周波数がΔ（ｚ、ｔ）だけ遷移した光が反射される。

このΔ（ｚ、ｔ）のずれは図４に示すように超音波の内部への進行とともに生じ、時間ｔとともに変化するが、超音波は半値幅１００ｎｓのため、約０．１６ｍｍの領域に局在しているから、Δ（Ｚ，ｔ）は超音波の波束に乗った座標系では図５のような時間ｔのみの関数Δ（ｔ）となる。

この結果、振動数の異なる2つの可干渉性の参照光と生体組織からの反射光がフォトダイオード５上で光学的に干渉し、フォトダイオード５で周波数Δ（ｔ）の高周波の電気信号として検出される。前述のように反射光がΔ（ｔ）だけ周波数が時間とともに変化しているため、検出された高周波を検波するとΔ（ｔ）の成分が検出される。

超音波の速度が知れているから、脳５２の位置に超音波が到達する時刻ｔの検波出力の増減を得ることにより、脳血管中の赤血球の量すなわち血液量が分かる。単純な近赤外分光では光の拡散性のために局所的な情報を得ることは困難であるが、超音波波束は任意に収束させることができるから、超音波を用いることにより局部的な情報を得ることが可能となる。したがって、検波出力はこの強度が脳５２の血液、特に赤血球量に依存するため、脳血流の局所的な変化を知ることができる。

よって、上記脳循環血流測定方法では、近赤外光を分割し、一方を生体の頭部に入射し、他方を参照光とし、生体の頭部に同時に入射される超音波により生体組織に引き起こされた運動によりドップラーシフトを生じた生体組織から反射される近赤外光と参照光との
干渉により生じるビート信号を検出し、脳循環血流を容易かつ精確に測定することができる。

以上述べた脳循環血流測定装置及びその測定方法の具体実施例を図１、図２、図６に基づいて詳述する。図６は、光・超音波複合ユニット３０の構造を示す図である。

本実施形態における脳循環血流測定装置で用いる超音波エコー法では、図１、２に示すように、まず、送信部８でパルス幅１００ｎｓ程度の電気パルスを発信周波数１０ｋＨｚ、すなわち発信間隔１００μｓ間隔で生成し、この電気パルスを超音波トランスデューサ３に送り、超音波トランスデューサ３から主要成分が１００ｎｓのパルス幅の超音波パルス列を発生させる。超音波は波束として頭皮５０、頭蓋骨５１を経由して脳５２に入射される。超音波トランスデューサ３の共振周波数としては１０ＭＨｚが好適である。

図６に示すように、光・超音波複合ユニット３０における超音波トランスデューサ３は基体１１０、バッキング材１２０、圧電体１３０、保護膜１４０によって構成されている。円筒状のケーシング１００の中に基体１１０が封止樹脂１０２を介して固定され、基体１１０の前面に厚さ２００μｍの銅板からなるバッキング材１２０を介して圧電体１３０が設けられ、圧電体１３０の前面が保護膜１４０によって被覆されている。この基体１１０はバッキング材１２０及び圧電体１３０の固定基板であり、バッキング材１２０が好適な条件で振動するようにバッキング材１２０の周辺のみで固定されている。超音波トランスデューサ３と生体１の間には結合ゲル部材２００が挿入される。ケーシング１００は圧力伝達部材８０を介して圧力センサー基台８４に固定された圧力センサ２と結合している。圧力センサ２は受圧ゲル８１、シリコンチップ８２、パッケージ８３からなる。

圧電体１３０としては、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材料や、あるいはこれらの高分子圧電材料とチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の無機圧電材料との複合体等が用いられる。また、圧電体１３０の両面上には図示しない表電極、裏電極が形成されている。これら表電極と裏電極にそれぞれリード線（図示せず）の一端が電気的に接続されている。電気パルス幅１００ｎｓに対して共振周波数１０ＭＨｚとなるようにするために、ＰＶＤＦ薄膜の厚さは、２０μｍ〜３０μｍが好適である。また、バッキング材１２０により背面への超音波が前面側へ反射されパルス幅の短かい超音波パルスが効率的に発生される。頭部への超音波入射には圧電体１３０の直径は４〜５ｍｍが好適である。

この状態で、リード線間に１０Ｖ程度のパルス電圧を印加して圧電体１３０から超音波をパルス的に発生する。入射されるエネルギーはおおよそ１ｍＷであり、生体に与える影響は皆無と考えてよい。このようにして得られた超音波パルスは検査対象中を伝わり、超音波は、音響インピーダンスが生体軟組織と比べて非常に大きい頭蓋骨の外面と内面でそれぞれ大きく反射される。

体内からの超音波の反射波は圧電体１３０で受信され、リード線間に電圧信号が生じ、この電圧信号を検出することにより組織界面の深さ及び性状を知ることができる。例えば図３に示すように頭皮５０の表面、頭皮５０と頭蓋骨５１の界面、頭蓋骨５１の内面でそれぞれ超音波反射波３０１、３０２、３０３が現れる。

生体１の音響インピーダンスは超音波トランスデューサ３のＰＶＤＦ薄膜と同程度であるから、生体１と直接接触させても超音波エネルギーは生体内に効率的に入射されるが、通常圧電振動子の保護膜等が不要な多重反射を引き起こし、Ｓ／Ｎを低下させる。本発明では、圧電体１３０と生体１との結合には音響インピーダンスのマッチングを行うため、音
響インピーダンスが皮膚組織に近い厚さ１２ｍｍのポリオレフィン系の結合ゲル部材２００を挿入し、実質１２ｍｍの区間で透明で無反射の領域を得ている。また、ゲル部材は適度の粘着性を有するため、皮膚表面の凹凸による超音波の散乱をなくし、Ｓ／Ｎを向上させていると同時に、通常用いられている液体状のゲル部材を必要とせず、利便性が著しく向上した。

次に近赤外光の照射手段について説明する。近赤外光の光源としてレーザーダイオード４を用いる。レーザーダイオード４の中心発光波長は、血液量変化に対して感度特性の良い８５０〜９５０ｎｍとする。そのときのレーザーダイオード４の光の周波数をｆとする。なお、用いるレーザーダイオードは干渉性を高めるために峡帯域スペクトルを持つＤＦＢレーザダイオードが好ましい。

レーザーダイオード４から放射された光を、反射率５％、透過率９５％程度の光ビームスピリッタ６により２本の光ビームに分ける。光ビームスピリッタ６からの反射光を参照光とし、光ビームミキサー７を介してフォトダイオード５に導く。

もう一方の、光ビームスピリッタ６を透過した透過光の光ビームは生体１内に入射された後、生体組織内のいろいろな場所で散乱反射され、光ビームミキサー７を経由してフォトダイオード５に導かれ、参照光と干渉を起こす。

さて、照射手段による近赤外光の照射と同時に超音波入射手段により超音波波束を入射すると、超音波波束は生体１の内部を進行し、音圧により生体組織に運動を引き起こす。運動する生体組織から反射される光の周波数は運動する生体組織の速度に応じて光周波数ｆからドップラーシフトした分の周波数ｆ_Dだけずれる。超音波波束の存在している領域では赤血球が速度がVで運動するとしよう。圧電体１３０の最大振幅を０．１μｍとすると最大速度Vは１００nsの超音波波束では６ｍ／秒となる。これに対応する光のドップラーシフトは８ＭＨｚとなる。したがって光・音波のドップラー相互作用により生体組織の運動に応じて最大で８MHzだけ周波数の遷移した光が生体１の組織から散乱・反射される。

この生体組織、特に脳５２の表面の血管から散乱反射されてきた微弱散乱光と、元の周波数ｆの参照光は光ビームミキサー７で同一方向になるよう混合・合成され、フォトダイオード５上で干渉を起こし周波数ｆ_Dの高周波として検出される。なお、この光ビームミキサー７も反射率５％、透過率５７％程度とする。結局参照光は０．２５％程度がフォトダイオード５入射され、生体１からの反射効率を０．２％程度としたとき概ね強度比が等しくなり、大きな干渉信号を得ることができる。

超音波は内部に平面波として進行していくため、生体１の組織体が超音波によって引き起こされる運動は生体１の内部において連続組織体中では一定である。したがって、周波数ｆ_Dのずれはこの超音波波束の内部への進行とともに、異なる音響インピーダンスを持つ組織の界面での反射損失により減衰していくが、連続組織体中では一定である。一方光散乱は内部に進むにつれ受発光素子からの距離が離れるため、減少する。すなわち周波数ｆ_D光ビート信号を検波すると強度は図４の曲線４００に示すような時間ｔの関数I_D（ｔ）となる。この光ビート信号強度が脳５２の血液量すなわち赤血球量に依存するため、脳血流に局所的な変化が現れた場合、曲線４００に示す関数I_D（ｔ）に図５に示す局所的な変化４０７が重畳した曲線４０５として検出することができる。

レーザーダイオード４とフォトダイオード５の間隔は結合ゲル部材２００が間に入るため１ｃｍ程度となる。フォトダイオード５からの出力は高周波のプリアンプ１２で適切な電圧範囲に増幅し、バンドパス特性を持つフィルター１４で適切な周波数領域のみを通し
、検波器１９で検波された信号成分のみが出力され、アンプ１６でデジタル処理に適する電圧範囲に増幅する。

信号成分は超音波パルスの発信タイミングに同期したトリガ信号に対して結合ゲル部材２００を超音波の往復に要する時間だけ遅らせた時間から、ＡＤコンバータ１８でデジタル化され、メモリーに記憶される。ＡＤコンバータ１８のサンプリング周波数は１００ＭＨｚ（サンプリング間隔１０ns）とする。１回のサンプリングを２０μｓとして、合計２０００個のデータを取得する。超音波の速度は概ね１６００（ｍ／ｓｅｃ）であるから、生体１の表面から概ね深さ方向に１６ｍｍの内部までの情報を取得することになる。

サンプリング終了後、ＣＰＵ９はメモリに記録された数値を順次読み出し、超音波の進行方向に対する検波された成分を算出する。検波された信号強度は赤血球濃度に比例するので、生体１の表面からの深さをパラメータとして、そこでの検波成分の強度を表示部１０で表示または音源装置１１で音響に変換し、音のピッチの変化として赤血球濃度を知らせる。

本実施例における光・超音波複合ユニット３０には圧力センサ２が含まれている。光・超音波複合ユニット３０に圧力伝達ゲル８０を介在させ、この圧力センサ２で押圧力を検出する。この目的を以下に説明する。使用者（医師）は脳の表面など特定の深さの部位に注目している。その深さの指定を光・超音波複合ユニット３０を押圧する力で変化させることが出来るようにした。すなわち、光・超音波複合ユニットを生体１に当接させ測定を行う際、同時に圧力センサ２で押圧力を検出する。この押圧力をパラメータとして、深さを決定するのである。図３に示す前述の生体頭部の頭蓋骨内側からの超音波反射波３０３のタイミングにおける深さを基準として押圧力を深さに換算し、ＣＰＵ９に保存されたデジタル信号から所望の深さの信号を抽出し、生体頭部の深さ方向の脳循環血流の大きさを押圧力の関数すなわち深さの関数として報知する。例えば、その深さでの検波成分の強度を図５に示した曲線４０５ように表示部１０で表示する。さらに好ましくは音源装置１１で音響に変換する。音響への変換は赤血球濃度に比例する検波成分強度に応じたピッチの変化で表すのが好適である。このように医師がセンサーを保持している自分の手のみを用いて押圧力を自由にコントロールすることによって自分の注目する深さを決め、その部位の局所的な赤血球濃度の変化を耳で音のピッチとして聴くことができる。このことは、医師にとっては深さを指示する操作を視覚を用いることなく、従来の聴診器を使用するのと同等な手法で得られるため極めて好適である。

以上のように本発明の脳内血流測定装置によれば、臨床の現場において、装置が小型携帯可能で、計測位置の精度が向上し、局所的な脳循環血流の状態を判断することが可能となり、その利するところ極めて大である。

本発明の本実施形態に係る脳内血流測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例における脳内血流測定装置を示す図である。本発明の実施例における脳内血流測定装置の原理を説明するための超音波エコーの受信信号を示す図である。本発明の実施例における脳内血流測定装置の原理を説明するための受信光の干渉信号を示す図である。本発明の実施例における脳内血流測定装置の血流変化による受信信号の変化を示す図である。本発明の実施例における光・超音波複合ユニットの構造を示す図である。

符号の説明

１生体
２圧力センサ
３超音波トランスデューサ
４レーザーダイオード
５フォトダイオード
６光ビームスプリッタ
７光ビーム混合器
８送信部
９ＣＰＵ
１０表示部
１１音源装置
１８ＡＤコンバータ
３０光・超音波複合ユニット
５０頭皮
５１頭蓋骨
５２脳
８０圧力伝達ゲル

Claims

生体頭部に超音波を入射させる超音波入射手段と、近赤外光を照射する照射手段と、前記近赤外光を分割し一方の近赤外光を前記生体に入射させ他方の近赤外光を参照光とする分割手段と、前記生体頭部に入射し反射された一方の近赤外光と前記参照光との干渉によって生ずるビート信号を検出する検出手段とを有する光・超音波復合ユニットを備え、
該光・超音波復合ユニットを非侵襲的に前記生体頭部に当接し、前記一方の近赤外光を前記超音波と共に前記生体頭部に入射し、前記超音波により生体頭部の組織に引き起こされた運動によりドップラーシフトを生じた生体頭部から反射される一方の近赤外光と前記参照光との干渉によって生ずるビート信号の強度変化から血液量の変化を算出することを特徴とする脳循環血流測定装置。
前記光・超音波復合ユニットは圧力センサーを有することを特徴とする請求項１に記載の脳循環血流測定装置。
前記光・超音波復合ユニットを前記生体頭部に当接させたときの押圧力を前記圧力センサーで検出し、生体表面からの深さを前記押圧力で指定し、指定された深さの脳循環血流量を報知する報知手段を有することを特徴とする請求項２に記載の脳循環血流測定装置。