JP2007267837A - Biolight measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を用いて生体内部情報を非侵襲的に得ることができる生体光計測装置に関する。 The present invention relates to a living body light measurement apparatus capable of non-invasively obtaining living body internal information using light.
生体組織や血液などの光学的性質、例えば光の散乱係数や吸収係数といった値は生理的状態などにより変化することが知られている。この代表的な例が、血液中に存在するヘモグロビンの酸化状態による吸収係数の変化である。具体的には、図5に示すように、酸化ヘモグロビンは900-1000nm近傍の光に対しては還元ヘモグロビンと比較してより大きな吸収係数をもっている。但し、この大小関係は800nm辺りを境に逆転し、これより短波長側の光吸収係数は逆に還元ヘモグロビンの方が大きくなっている。従って、例えば酸化ヘモグロビンの吸収が大きな値をもつ900nm近傍の波長の光と、還元ヘモグロビンの吸収係数の大きな波長700nmの光を同時に生体に照射し、その吸収量の比などを測定することで体内のヘモグロビンの酸化度を推定することができる。また、このようなアイデアに基づいて体表面を流れる血液の酸素飽和度を求める計測装置は既に実用化されており、さらに同様の原理を用いて大脳の機能を測定しようとする試みも行われている。なお、生体にレーザー光などの光を照射すると、光は生体内部で散乱され、再び皮膚を通過して生体外に出射する。この光には生体内部の情報が含まれており、最近ではがんの早期診断などに出射光が利用できるのではないかと期待されている。 It is known that optical properties such as biological tissue and blood, for example, values such as light scattering coefficient and absorption coefficient vary depending on physiological conditions. A typical example of this is the change in absorption coefficient due to the oxidation state of hemoglobin present in blood. Specifically, as shown in FIG. 5, oxyhemoglobin has a larger absorption coefficient for light in the vicinity of 900-1000 nm compared to reduced hemoglobin. However, this magnitude relationship is reversed around 800 nm, and the light absorption coefficient on the shorter wavelength side is larger for reduced hemoglobin. Therefore, for example, by irradiating a living body simultaneously with light having a wavelength near 900 nm where the absorption of oxyhemoglobin has a large value and light with a wavelength of 700 nm having a large absorption coefficient of reduced hemoglobin, and measuring the ratio of the amount of absorption, etc. The degree of oxidation of hemoglobin can be estimated. In addition, a measurement device for determining the oxygen saturation of blood flowing on the body surface based on such an idea has already been put into practical use, and an attempt to measure the function of the cerebrum using a similar principle has also been made. Yes. When the living body is irradiated with light such as a laser beam, the light is scattered inside the living body, passes through the skin again, and is emitted outside the living body. This light contains information inside the living body, and recently, it is expected that the emitted light can be used for early diagnosis of cancer.
このときの測定原理の一例は、上述のヘモグロビンの酸化度を評価することにより診断を行うというものである。すなわち、一般に、がんの組織は細胞が異常増殖していることにより、正常組織より酸素の供給が不十分な状態となっている。したがって、がん組織は周囲の正常組織と比較して相対的に還元ヘモグロビン量が多く、このような体内での変化を測定することが出来れば、がんの早期発見が可能となるわけである。 An example of the measurement principle at this time is that diagnosis is performed by evaluating the degree of oxidation of the above-described hemoglobin. That is, in general, cancer cells are in a state in which the supply of oxygen is insufficient compared to normal tissues due to abnormal growth of cells. Therefore, cancer tissue has a relatively high amount of reduced hemoglobin compared to surrounding normal tissue, and if such changes in the body can be measured, early detection of cancer becomes possible. .
勿論、現在のがん診断においては、超音波診断やX線CTといった方法が良く用いられており、健康診断などにおいて大きな成果をあげている。しかしながら、これらの診断は組織の音響インピーダンスやX線の透過率といった主に物理的な特性を計測している。そのためにこのような検査では、正常組織内に存在する通常の状態とは異なる組織の有無は計測できるものの、その組織が悪性なのか良性なのかといった、主に化学的な情報にもとづいた知見までは得ることが出来ない。そこで、上述のような光を用いた医療診断機器が実現できれば、これを既存の診断機器と組み合わせることで、診断精度を大幅に向上できると期待される。但し、生体光を用いた診断においては、光の体内への入射効率などがさまざまな要因により異なっている事から、検出した光の絶対強度により情報を引き出すのではなく、光の入射位置や検出位置を変化させることにより、光が入射位置から検出位置までに生体内を通過する領域を変化させ、これによる検出光の変化から生体内部を診断する試みが進められている。 Of course, in current cancer diagnosis, methods such as ultrasonic diagnosis and X-ray CT are often used, and have achieved great results in health checkups and the like. However, these diagnoses measure mainly physical characteristics such as tissue acoustic impedance and X-ray transmission. For this reason, such tests can measure the presence or absence of a tissue that is different from the normal state present in normal tissue, but also include knowledge based mainly on chemical information, such as whether the tissue is malignant or benign. Can not get. Therefore, if a medical diagnostic device using light as described above can be realized, it is expected that the diagnostic accuracy can be greatly improved by combining this with an existing diagnostic device. However, in the diagnosis using biological light, the incident efficiency of light into the body varies depending on various factors. Therefore, instead of extracting information based on the absolute intensity of the detected light, the incident position and detection of light Attempts to diagnose the inside of a living body from changes in detection light caused by changing the position of the light passing through the living body from the incident position to the detecting position by changing the position have been advanced.
しかしながら、実際のがん検診などの場面で求められるものは、生体内深部にある組織の診断である。生体内深部の組織は生体表面で観測される光にごく僅かな影響しか与えない。すなわち生体表面で観測される光には、生体内部で数多くの散乱を繰り返し、いろいろな場所を通過した光が含まれている。そこで、光を用いた生体診断の開発においては、微弱な信号の測定感度を向上させるために照射する光の強度を変調させ、観測された光強度の変調の変化をロックインアンプなどにより測定するという手法が用いられている。 However, what is required in scenes such as actual cancer screening is a diagnosis of tissue deep in the living body. The tissue in the deep part of the living body has a negligible effect on the light observed on the surface of the living body. That is, the light observed on the surface of the living body includes light that has repeatedly scattered many times inside the living body and passed through various places. Therefore, in the development of biodiagnosis using light, the intensity of the irradiated light is modulated in order to improve the measurement sensitivity of weak signals, and changes in the observed light intensity modulation are measured with a lock-in amplifier or the like. The method is used.
例えば、正常組織と異常組織で吸収係数が大きく異なる波長λ1の光を準備する。このとき波長λ1の光の強度に周波数ωの振幅変調をかけた場合の光強度I1は以下の等式で表わすことができる。なお、a1、b1は定数DC成分とする。
この時、光の照射点あるいは測定点を変化させ、生体内に存在するがん組織を通過する光が増加したとする。すると、波長λ1の光は、吸収量が変化することとなる。一般的にこの変化量は非常に微量である。今この変化量が10-6と仮定すると、変化した後の波長λ1の光強度I1’は以下の等式で表わすことができる。
このときのI1とI1’を同一スケールの図で表すと図6aのようになる。図6aの一部分を拡大すると図6bのようになる。光強度I1’とI1は極めて近似しており、光強度の振幅変調の差は非常に小さい。このような微小な差を検出すためには、大きな絶対値の信号中の微小な変化を捉える必要があり、測定における有効数字を非常に大きくしなければならない。
上述のように、生体内深部の病変が反射光強度に与える影響は、絶対値で5桁から6桁程度の非常に微量な変化でしかない。これに対し、生体内は非常に複雑な組織系からなり、入射光に変調を加えたとしても、測定したい領域以外を通過した桁違いに大きい光も同様に変調されており、これが検出信号に重畳されてしまう。従って、大きな絶対値の信号中の微小な変化を捉えなければ生体深部の情報を得ることができなかった。アンプのダイナミックレンジの関係から考えると、このような微量な変化を検出することは困難であり、生体光計測装置の測定精度に問題があった。本発明の目的は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、生体内深部の病変部位を高精度で検出できる生体光計測装置を提供することにある。 As described above, the influence of the lesion in the deep part of the living body on the reflected light intensity is only a very small change of about 5 to 6 digits in absolute value. On the other hand, the living body consists of a very complex tissue system, and even if the incident light is modulated, the extraordinarily large light that has passed through the area other than the region to be measured is also modulated. It will be superimposed. Therefore, information on the deep part of the living body cannot be obtained unless a minute change in the signal having a large absolute value is captured. Considering the relationship of the dynamic range of the amplifier, it is difficult to detect such a minute change, and there is a problem in the measurement accuracy of the biological optical measurement device. An object of the present invention is to solve the problem of such a conventional configuration, and to provide a living body light measurement device capable of detecting a lesion site in a deep part of a living body with high accuracy.
そこで、本発明は、時間的に強度が変化する波長の異なる複数の光を発光する発光手段と、前記発光手段により発光された光を同一光路上に合成する合成手段と、前記合成手段により合成された光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射した光を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された光の強度を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された光の強度の時間的な変化量が極小になるように、前記発光手段により発光する複数の光の強度を調整する調整手段とを具備する。 Therefore, the present invention provides a light emitting means for emitting a plurality of lights having different wavelengths whose intensity changes over time, a combining means for combining the light emitted by the light emitting means on the same optical path, and a combining means. Irradiating means for irradiating the irradiated light, detecting means for detecting the light irradiated by the irradiating means, measuring means for measuring the intensity of the light detected by the detecting means, and measurement of the light measured by the measuring means Adjusting means for adjusting the intensities of the plurality of lights emitted by the light emitting means so that the temporal change in intensity is minimized.
本発明の生体光計測装置は、検出光の変化分を測定する際に障害となっていた大きな信号成分を除去することができ、検出信号の測定に過大なダイナミックレンジを要求することなく必要な信号のみを検出することができる。これによって検出感度が増し、従来見過ごされてきた小さな病変部位の検出が可能になり、既存の診断機器と組み合わせることによって病気の初期的発見に威力を発揮する。 The living body light measurement apparatus of the present invention can remove a large signal component that has become an obstacle when measuring a change in detection light, and is necessary without requiring an excessive dynamic range for measurement of a detection signal. Only the signal can be detected. This increases detection sensitivity and enables detection of small lesion sites that have been overlooked in the past, and is effective in the early detection of diseases by combining with existing diagnostic equipment.
以下、本発明の生体光計測装置について説明する。 Hereinafter, the biological light measurement device of the present invention will be described.
図1は、本発明の生体光計測装置の一実施形態の構成を示す。 FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the biological light measurement device of the present invention.
1.発光手段
発光手段12は、第1の光ビームを出射する第1の光源12(a)と、第1の光ビームとは異なる波長の第2の光ビームを出射する第2の光源12(b)と、第1および第2の光ビームとは異なる波長の第3の光ビームを出射する第3の光源12(c)とを備える。前記第1ないし第3の光源としては、例えば3種類の異なる半導体レーザーを使用する。半導体レーザーは、ヘッド部とドライバー部で構成され、ヘッド部は光源としてレーザーを照射し、ドライバー部はヘッド部から照射される光ビームの強度を制御する。
1. Light emitting means The light emitting means 12 includes a first light source 12 (a) that emits a first light beam and a second light source 12 (b) that emits a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam. ) And a third light source 12 (c) that emits a third light beam having a wavelength different from that of the first and second light beams. As the first to third light sources, for example, three different types of semiconductor lasers are used. The semiconductor laser is composed of a head part and a driver part. The head part irradiates a laser as a light source, and the driver part controls the intensity of the light beam emitted from the head part.
例えばがん組織を検出する場合、第1の光源12(a)から出射される第1の光ビームとして正常組織とがん組織で吸収係数が大きく異なる波長λ1の光を準備する。ここで重要なことは、第1の光ビームは、生体組織内の正常部位とがん組織部位での光学定数が異なることである。光学定数が異なるとは、散乱係数や吸収係数が異なることを意味する。上述したように、がん組織は正常組織と比較して還元ヘモグロビン量が多い。従って、還元ヘモグロビン量の多い組織と少ない組織で光の吸収係数が異なる波長の光を照射する必要がある。すなわち、第1の光ビームを出射する第1の光源12(a)は、検出光用の光源としての役割を担う。 For example, when detecting a cancer tissue, light having a wavelength λ 1 having a large absorption coefficient between a normal tissue and a cancer tissue is prepared as the first light beam emitted from the first light source 12 (a). What is important here is that the optical constant of the first light beam differs between the normal site in the living tissue and the cancer tissue site. Different optical constants mean different scattering coefficients and absorption coefficients. As described above, the amount of reduced hemoglobin is higher in cancer tissues than in normal tissues. Therefore, it is necessary to irradiate light having a wavelength with different light absorption coefficients between a tissue with a large amount of deoxyglobin and a tissue with a small amount of reduced hemoglobin. That is, the first light source 12 (a) that emits the first light beam plays a role as a light source for detection light.
そして、第2の光源12(b)から出射される光ビームと第3の光源12(c)から出射される光ビームとして、正常組織とがん組織で吸収係数が殆ど変わらない2種類の波長λ2、λ3の光を準備する。第2の光ビームを出射する第2の光源12(b)と第3の光ビームを出射する第3の光源12(c)は、参照光用の光源としての役割を担う。 Then, as the light beam emitted from the second light source 12 (b) and the light beam emitted from the third light source 12 (c), two types of wavelengths whose absorption coefficients hardly change between normal tissue and cancer tissue. Prepare light of λ 2 and λ 3 . The second light source 12 (b) that emits the second light beam and the third light source 12 (c) that emits the third light beam serve as a light source for reference light.
2.変調手段
変調手段11は、前記第1ないし第3の光源から出射される光ビームの強度に変調をかける制御信号を出力する。変調手段としては、例えばファンクションジェネレータを使用する。
2. Modulating means The modulating means 11 outputs a control signal for modulating the intensity of the light beam emitted from the first to third light sources. For example, a function generator is used as the modulation means.
波長λ1の光の強度に周波数ωの変調をかけた場合の光強度I1は、以下の式(1)で表わすことができる。波長λ1の光強度の周期的な変化の状態を図2aに示す。λ1の光と同様、λ2およびλ3の光の強度に周波数ωの変調をかけ、かつI1に対してそれぞれ2π/3および4π/3の位相差を設けた光強度I2およびI3は、それぞれ式(2)および(3)で表わすことができる。波長λ2およびλ3の光強度の周期的な変化の状態を図2bに示す。
ここで重要なことは、前記2以上の光を重ね合わせたときにそれぞれの光強度の周期的な変化が打ち消し合うような位相差を設けることである。図1の実施形態では、第1ないし第3の光ビームは、光の強度が等しく(定数a)、かつその光強度の周期的な変化が2π/3ずつずれている(ωt、ωt+2π/3、ωt+4π/3)。また、波長の異なる光に対する生体組織の光学定数は一般に同じではない。したがって、この段階で重ね合わされた光強度が仮に定数となっていても、検出光強度は定数とはならない。しかしながら、波長による生体物質の光学定数の差の影響は、主に入射光強度と検出光強度の比を変化させることにある。したがって、a1+a2+a3を調整することによって、検出光強度を式(4)のように表わすことができる。
3.合成手段
合成手段13は、前記第1ないし第3の光源から出射された第1ないし第3の光ビームを重ね合わせる機構を備える。
3. Combining unit The combining
上記(1)〜(3)の式で入射された第1ないし第3の光ビームを同一光路上に重ね合わせると、検出光ではそれぞれの光の強度の周期的な変調分が打ち消し合い、検出光にはDC成分のみが残る。また測定にあたっては、この調整を行い、この調整時からの検出光の変化でおこなう。 When the first to third light beams incident in the above formulas (1) to (3) are superimposed on the same optical path, the periodic modulation of the intensity of each light cancels out in the detection light, and detection is performed. Only the DC component remains in the light. Further, in the measurement, this adjustment is performed, and the detection light changes from this adjustment.
4.光照射手段
光照射手段14は、合成手段13に連結され、合成手段13よって重ね合わされた第1ないし第3の光ビームを生体に照射する機構を備える。光照射手段としては、例えば光ファイバーを使用する。
4). Light Irradiation Unit The
第1ないし第3の光ビームは、合成手段13によって重ね合わされた状態で光照射用の光ファイバ14を通して生体組織に照射される。生体に照射された第1ないし第3の光ビームは、生体組織内部に進行し、生体組織の光吸収特性に応じて一部が吸収され、一部が反射光として生体外に放射される。第1ないし第3の光ビームの反射光は生体組織内で拡散されるため、拡散する反射光からがん組織を検出するための情報を得るためには、光照射手段から一定の間隔をあけた定位置での反射光を光検出手段に伝送する必要がある。従って、光照射用の光ファイバー14と光検出用の光ファイバー16はプローブ21に一定の間隔をあけて固定されており、プローブ21を生体組織表面に沿って走査していくことによって、拡散する第1ないし第3の光ビームの反射光をがん組織を検出するための情報として使用することができる。
The first to third light beams are irradiated onto the living tissue through the
プローブ21を生体組織表面に沿って走査し、がん組織に第1の光ビームが照射されると、生体外に放射される反射光としての第1の光ビームの光量が変化する。すなわち、上述したように、第1の光ビームは正常組織とがん組織で吸収係数が大きく異なる波長λ1の光であるため、第1の光ビームが「正常組織」に照射されたときに生体外に放射される反射光としての第1の光ビームの光強度と、第1の光ビームが「がん組織」に照射されたときに生体外に放射される反射光としての第1の光ビームの光強度との間には検出可能な光量差が生じる。
When the
なお、15は、生体モデルサンプルを表わす。生体モデルサンプル15はモデルブロック24と薄板23とで構成され、モデルブロック24にはモデル血液を入れる溝25が複数設けられており、その上に脂肪と同じ光学定数を示す薄板23が密着して静置されている。
Note that 15 represents a biological model sample. The
5.光検出手段
光検出手段17は、光検出用の光ファイバー16と連結され、光照射用の光ファイバー14を通して生体組織内に照射された第1ないし第3の光ビームの生体からの反射光を検出する機構を有する。前記生体外に放射された反射光としての第1ないし第3の光ビームを、光照射用の光ファイバー14から一定の間隔をあけて固定された光検出用の光ファイバー16で受光し、受光した光を光ファイバー16を通して光検出手段17へ伝送する。光検出手段としては、例えばOE変換器を使用する。
5). Photodetection means The photodetection means 17 is connected to the
6.光強度測定手段
光強度測定手段18は、前記生体外に放射された反射光としての第1ないし第3の光ビームの光強度を測定する機構を有する。光強度測定手段としては、例えばロックインアンプを使用する。
6). Light intensity measuring means The light intensity measuring means 18 has a mechanism for measuring the light intensity of the first to third light beams as the reflected light emitted outside the living body. As the light intensity measuring means, for example, a lock-in amplifier is used.
プローブ22を生体組織表面に沿って移動させ、がん組織部位において変化する反射光の光強度の変化を検出する。がん組織では還元ヘモグロビン量が多いため、病変部位を通過した波長λ1の光は、正常組織を通過した場合に比べてより多く組織に吸収される。一方、波長λ2およびλ3の光は、正常組織とがん組織で吸収係数が殆ど変化しないため、がん組織を通過しても検出される出射光に変化がない。従って、プローブ22を移動させ、光検出部において検出される反射光の光強度に振幅変調が現れたとき、その変化は波長λ1の光が還元ヘモグロビン量の多いがん組織に強く吸収されたことに起因するものと推定することができる。
The
今この変化量が10-6と仮定すると、変化した後の波長λ1の光強度I1’は以下の等式で表わすことができる。
ここで、重なり合った3つの光の強度I1’、I2、I3を足しあげた値は、
となる。このとき、定数分3bの信号は測定する際にハイパスフィルターを通過させることにより容易に除去することができる。このようにしてDC成分を除去した後の検出強度を図3に示す。すなわち、本発明の測定方法により検出光の変化分を測定する際の障害となっていた大きな信号成分を除去することができ、検出信号の測定に過大なダイナミックレンジを要求することなく、必要な信号のみを検出することが可能となる。 It becomes. At this time, the signal of the constant 3b can be easily removed by passing through a high-pass filter when measuring. The detection intensity after removing the DC component in this way is shown in FIG. That is, it is possible to remove a large signal component that has been an obstacle when measuring a change in detection light by the measurement method of the present invention, and it is necessary without requiring an excessive dynamic range for measurement of the detection signal. Only the signal can be detected.
以上の議論においては、光の照射位置あるいは観測位置を変えても係数a2,a3は変化しないことを仮定したが、通常の場合、照射された光の中で、実際に生体内部に入る量や、あるいは生体内部から外部に出射される光の量は皮膚表面の状態などに依存するために、この仮定は正しくない。しかしながら、このことが検出光強度にあたえる影響の周波数依存性は小さく、係数a1,a2,a3に対する影響は、大きさが1程度のオーバーオールな定数因子を乗じることと考える事ができる。これによる変化は式(4)に大きさが1程度の因子がかかるだけであり、得られる結論に変わりはない。また、波長λ2、λ3はがん組織と正常組織でその吸収係数が変化しないと仮定したが、吸収係数が変化しても波長λ1の光と同一の変化とならなければ、同じ結論が得られる。 In the above discussion, it is assumed that the coefficients a 2 and a 3 do not change even if the irradiation position or observation position of light is changed. However, in the normal case, the light actually enters the living body in the irradiated light. This assumption is not correct because the amount or the amount of light emitted from the inside of the living body to the outside depends on the condition of the skin surface. However, the frequency dependence of the influence of this on the detected light intensity is small, and the influence on the coefficients a 1 , a 2 , and a 3 can be considered to be multiplied by an overall constant factor having a magnitude of about 1. The change resulting from this is only a factor of about 1 in Equation (4), and the conclusion obtained is unchanged. In addition, it is assumed that the absorption coefficients of the wavelengths λ 2 and λ 3 do not change between the cancer tissue and the normal tissue. However, if the absorption coefficient does not change the same as the light of the wavelength λ 1 , the same conclusion is reached. Is obtained.
7.調整手段
調整手段19は、光強度測定手段18で検出された反射光としての第1ないし第3の光ビームの光強度の時間的な変化に基づいて、変調手段11における光の時間的な強度を調整する機構を有する。
7). Adjusting means The adjusting means 19 is based on temporal changes in the light intensity of the first to third light beams as reflected light detected by the light intensity measuring means 18, and the temporal intensity of the light in the modulating means 11. It has a mechanism to adjust.
生体は複雑な組織系の統合体である。例えば、光照射用の光ファイバ14から出射された光は、先ず最初に皮膚を通過し、その下に存在するがん組織に到達する。がん組織に到達した光は、一部が吸収され、一部が反射される。ここで、皮膚は、表皮、真皮、皮下組織の三層から成り、真皮には多量の線維成分、神経末端および毛細血管が存在し、さらには皮脂腺や汗腺といった体表面の保湿や発熱に関与する組織系が多数存在している。そして、皮下組織よりも内部では、軟骨組織、骨組織、造血組織、筋組織、神経組織等が絡み合う複雑な組織系が展開されている。
A living body is an integral body of a complex tissue system. For example, light emitted from the
上述したように、本実施形態では、還元ヘモグロビンに対する吸収特性の違いによって第1の光ビームを検出光、第2および第3の光ビームを参照光として使用する。生体内の複雑な組織系内からがん組織を検出するためには、参照光として使用する第2および第3の光ビームから得られる反射光が正常組織とがん組織でほぼ一定である必要がある。しかし、上記複雑な組織系の中には、第2または第3の光ビームの波長域付近での光吸収特性がその他の波長域と比べて大きく異なる組織が存在する。すると、たとえ正常組織内を走査していても、第2および第3の光ビームの吸収量が変化してしまい、結果として第2および第3の光ビームから得られる反射光が正常組織内でも変化してしまう。このような変化がバックグラウンドとして大きくなると、真に検出すべき第1の光ビームから得られる反射光の変化を検出することができなくなる。従って、複雑な組織系の内部に潜むがん組織を検出するためには、絶えず反射光を補正する必要がある。 As described above, in the present embodiment, the first light beam is used as the detection light and the second and third light beams are used as the reference light depending on the difference in absorption characteristics with respect to deoxyhemoglobin. In order to detect a cancer tissue from within a complex tissue system in a living body, the reflected light obtained from the second and third light beams used as the reference light needs to be substantially constant between the normal tissue and the cancer tissue. There is. However, in the complex tissue system, there exists a tissue in which the light absorption characteristics in the vicinity of the wavelength range of the second or third light beam are significantly different from those in other wavelength ranges. Then, even if the normal tissue is scanned, the amount of absorption of the second and third light beams changes, and as a result, the reflected light obtained from the second and third light beams is changed even in the normal tissue. It will change. When such a change becomes large as the background, it becomes impossible to detect a change in reflected light obtained from the first light beam to be truly detected. Therefore, in order to detect cancer tissue lurking inside a complex tissue system, it is necessary to continually correct the reflected light.
光強度測定手段18において、第2および第3の光ビームの少なくとも一方の反射光の減少によって光強度に変調が現れた場合、この変調分を読み取り、調整手段19が変調手段11および発光手段12に対してフィードバック制御を行い、この変調分に応じて第2および第3の光源から出射される第2および第3の光ビームの光強度が調整される。調整手段19が変調手段11および発光手段12に対してフィードバック制御を行うので、正常組織内で変化する第2および第3の光ビームの光強度の変化を絶えず補正することができる。その結果、正常組織内から反射光として得られる第1ないし第3の光ビームの光強度の合波を常に定数値(DC成分のみ)に保つことができる。これによって、プローブ22ががん組織上を走査した際、反射光として得られる第1の光ビームの微量の変化量を検出することができる。
In the light intensity measurement means 18, when modulation appears in the light intensity due to a decrease in the reflected light of at least one of the second and third light beams, this modulation amount is read, and the adjustment means 19 reads the modulation means 11 and the light emission means 12. Feedback control is performed, and the light intensities of the second and third light beams emitted from the second and third light sources are adjusted in accordance with the modulation. Since the adjusting
以上、本発明の一実施態様を図1を用いて説明した。当該実施形態は、本発明の一例に過ぎず、その他種々の態様が考えられる。より端的に言えば、本願発明は、2以上の光に周期的な光強度の変化と位相差を生じさせ、かつ検出された参照光の出力に基づいて前記2以上の光の強度を制御するコントローラを備える生体光計測装置である。 The embodiment of the present invention has been described above with reference to FIG. The embodiment is merely an example of the present invention, and various other aspects can be considered. More simply, the present invention causes periodic light intensity changes and phase differences in two or more lights, and controls the intensity of the two or more lights based on the output of the detected reference light. It is a biological light measuring device provided with a controller.
例えば、上記実施形態では3つの光ビームを使用したが、使用する光の数は少なくとも2以上あればよく、その数に制限はない。例えば、2つの光を使用する場合、それぞれの光強度の周期的な変化はπずれている必要がある。重要なことは、2以上の光が重ね合わされたときに周期的に変化する光強度が打ち消され、その光強度の変化量が極小となることである。「光強度の変化量が極小となる」とは、実際には、光強度の周期的な変化を完全に打ち消し合うことはできないことを考慮し、この変化量をできる限り小さくすることを意味する。すなわち、理論的には、光強度の周期的な変化が打ち消し合い、DC成分のみが残るような2以上の光が選択されていればよい。 For example, although three light beams are used in the above embodiment, the number of lights to be used may be at least two, and the number is not limited. For example, when two lights are used, the periodic change in the light intensity needs to be shifted by π. What is important is that when two or more lights are superimposed, the light intensity that periodically changes is canceled out, and the amount of change in the light intensity is minimized. “The amount of change in light intensity is minimal” means that in practice it is not possible to completely cancel out periodic changes in light intensity, and that this amount of change is made as small as possible. . That is, theoretically, it is sufficient that two or more lights are selected so that periodic changes in the light intensity cancel each other and only the DC component remains.
また、光強度の周期的な変化を打ち消しあうという要件を満たす限り、光強度の異なる光(すなわち、上記式の係数aが異なる光)を使用してもよい。さらに、使用する2以上の光の中に、光の強度が一定の光(すなわちDC成分のみの光)が含まれていてもよい。 Moreover, as long as the requirement of canceling periodic changes in light intensity is satisfied, light having different light intensity (that is, light having a different coefficient a in the above equation) may be used. Furthermore, light having a constant light intensity (that is, light having only a DC component) may be included in the two or more lights to be used.
実施例1
測定対象を血液とし、吸収体としてヘモグロビン還元体とヘモグロビン酸化体を選んだ。装置性能を評価する際の測定対象として、下記のモデルサンプルを準備した。シリコーン樹脂を母材とし、散乱体(10%脂肪球分散液、製品名:イントラリピッド)と吸収体(近赤外領域用色素、製品名:グリーニッシュグリーン)を分散させた後に硬化させ、脂肪と同じ光学定数(散乱係数・吸収係数)とした。このサンプルを15mm厚みにスライスした薄板を用意する一方、ブロック表面に幅と長さが5mmから25mm(5mm刻み)で、深さ5mmの溝を作製した。モデル血液として、ヘモグロビン還元体、ヘモグロビン酸化体の近赤外領域(800nm付近)の吸収スペクトルと一致するスペクトルを示す色素を各々選び、2種類の水溶液を作製した(モデル1:ヘモグロビン還元体の水溶液、モデル2:ヘモグロビン酸化体の水溶液)。ブロックに作成した溝の中に空気が残らないように注意しながらモデル血液を注入した(奇数の溝にモデル1、偶数の溝にモデル2)。ブロック上に薄板を注意深く置いて空気層ができないように密着させた。
Example 1
The measurement object was blood, and hemoglobin reductant and hemoglobin oxidant were selected as absorbers. The following model samples were prepared as measurement targets for evaluating the device performance. Using a silicone resin as a base material, a scatterer (10% fat sphere dispersion, product name: Intralipid) and an absorber (colorant for near infrared region, product name: Greenish Green) are dispersed and cured to obtain fat. And the same optical constant (scattering coefficient / absorption coefficient). While a thin plate was prepared by slicing this sample to a thickness of 15 mm, a groove having a width and length of 5 to 25 mm (in increments of 5 mm) and a depth of 5 mm was produced on the block surface. Two types of aqueous solutions were prepared as model blood by selecting pigments each showing a spectrum that matches the absorption spectrum in the near infrared region (around 800 nm) of hemoglobin reductant and hemoglobin oxidant (Model 1: aqueous solution of hemoglobin reductant) Model 2: Aqueous hemoglobin solution). Model blood was injected with care so that no air remained in the groove created in the block (
測定波長をヘモグロビン還元体、ヘモグロビン酸化体、水の吸収帯と合わせて760nm、840nm、970nmとし、光源として3本の近赤外LD(連続発振LDを周波数500kHzの正弦波で強度変調したもの)を選んだ。ファンクションジェネレータで正弦波を発生させた後、各LDのドライバーには位相を120度ずつずらした信号を入力した。各LDから出力する変調光をフィルター上で合波し、1本の光ファイバー(石英シングルコア、250μm径)を介してサンプル上に光照射する形状とした。一方、光ファイバー(プラスチックマルチコア、500μm径)で出射光を転送し、高速応答Siフォトダイオードに対数アンプを接続したシステム(OE検出器、サブnW〜10mWまでの出力を検出可能)にて光検出した。2本の光ファイバー間の距離は3cmとした。OE出力をロックインアンプにつなぎ、LDドライバーへの信号で外部トリガーをかけることにより各LDの出力を独立して検出できるようにした。更にOE出力をAC結合アンプに切り替えられるようにし、信号強度をメインアンプで増幅した後にAD変換してPCに取り込むようにした。 The measurement wavelength is 760 nm, 840 nm, and 970 nm including the hemoglobin reductant, hemoglobin oxidant, and water absorption band, and three near-infrared LDs as light sources (intensity modulated with a continuous wave LD with a sine wave of frequency 500 kHz) I chose. After a sine wave was generated by the function generator, a signal with a phase shift of 120 degrees was input to each LD driver. The modulated light output from each LD was combined on a filter, and the sample was irradiated with light through one optical fiber (quartz single core, 250 μm diameter). On the other hand, the emitted light was transferred by an optical fiber (plastic multi-core, 500 μm diameter), and light was detected by a system (OE detector, which can detect output from sub nW to 10 mW) connected to a logarithmic amplifier with a fast response Si photodiode. . The distance between the two optical fibers was 3 cm. By connecting the OE output to a lock-in amplifier and applying an external trigger with a signal to the LD driver, the output of each LD can be detected independently. In addition, the OE output can be switched to an AC coupling amplifier, and the signal strength is amplified by the main amplifier and then AD converted to be taken into the PC.
まず溝のない位置の上にプローブを合わせた状態で各LDからの光出力をロックインアンプで検出し、吸収体がない状態でモデルを通過してくる光強度を計測した。LDに供給する電流値を調整し、3つのLD出力が同程度(10nW〜サブμWレベル)になるようにした。この状態でOE出力をAC結合アンプに接続し、吸収体がない状態での光強度基準(出力=0)と設定した。溝のある位置の上にプローブが来るまで、プローブを光源ファイバーの位置を中心にして回転させた(すなわち、光源の位置を変えずに検出器の位置を変化させた)。ACアンプからの出力が0から減衰し、溝のある位置の上で最小を示した後に再び増加に転じて0に戻ることを観測した。このプローブの回転角とAC結合アンプ出力との関係を図4に示す。溝のない位置において同様の回転操作を行ったところ、ACアンプからの出力は0を中心として上下したのみであった。溝の幅が25mmから5mmと減少するに従って、アンプ出力の減少は小さくなるが、5mmであっても雑音と区別できるだけの減少を観測することができた。 First, the light output from each LD was detected with a lock-in amplifier while the probe was placed on the position where there was no groove, and the light intensity passing through the model without the absorber was measured. The current value supplied to the LD was adjusted so that the three LD outputs were of the same level (10 nW to sub-μW level). In this state, the OE output was connected to an AC coupling amplifier and set as a light intensity reference (output = 0) in the absence of an absorber. The probe was rotated around the position of the source fiber until the probe was over the grooved position (ie, the detector position was changed without changing the position of the light source). It was observed that the output from the AC amplifier attenuated from 0, showed a minimum above the grooved position, then increased again and returned to 0. FIG. 4 shows the relationship between the rotation angle of this probe and the AC coupling amplifier output. When the same rotation operation was performed at a position without a groove, the output from the AC amplifier only moved up and down around 0. As the groove width decreased from 25 mm to 5 mm, the decrease in the amplifier output decreased. However, even when the width was 5 mm, a decrease sufficient to distinguish it from noise could be observed.
出力が最小となる位置にプローブを設置し、OE出力をロックインアンプに再接続したところ、奇数の溝の場合には760nmLD光の出力が減衰し、偶数の溝の場合には840nmLD光の出力が減衰していた。これらの結果は、奇数の溝に入っている吸収体がヘモグロビン還元体であり、偶数の溝に入っている吸収体がヘモグロビン酸化体であることと整合するものである。 When the probe is installed at a position where the output is minimized and the OE output is reconnected to the lock-in amplifier, the output of 760 nm LD light is attenuated in the case of an odd number of grooves, and the output of 840 nm LD light is output in the case of an even number of grooves. Was decaying. These results are consistent with the fact that the absorber in the odd-numbered groove is a hemoglobin reductant and the absorber in the even-numbered groove is a hemoglobin oxidant.
比較例1
AC結合アンプの代わりにDC結合アンプを用い、OE出力そのものを検出するシステムとして同様の実験を行った。プローブを各位置に設置しながらOE出力をモニタしたところ、溝の幅が15mm以上である場合には溝のない位置での出力と比較して有意に信号が小さくなっていることを観測した。一方、溝の幅が10mm以下の場合には信号強度は必ずしも小さくならず、吸収体を検知することができなかった。
Comparative Example 1
A similar experiment was conducted as a system for detecting the OE output itself using a DC coupled amplifier instead of an AC coupled amplifier. When the OE output was monitored while installing the probe at each position, it was observed that when the groove width was 15 mm or more, the signal was significantly smaller than the output at the position without the groove. On the other hand, when the groove width was 10 mm or less, the signal intensity was not necessarily reduced, and the absorber could not be detected.
実施例2
光源ファイバーを中心とし、中心から半径3cmの円周上に12個のファイバーヘッドを等間隔に配置した。各ファイバーで受光した光は12個の高速応答Siフォトダイオードに対数アンプを接続したシステム(OE検出器列)にて光検出した。基準とするファイバーを決め(番号を0とする、以下時計回りに1から11と番号をつける)、このファイバーを溝のない位置に設置し、ここから得られる信号に対して実施例1と同様の操作により3LDの光強度を調整し、吸収体がない状態での光強度基準(出力=0)と設定した。OE検出器列から得られる各検出器からの信号は、番号0を基準とした差動増幅回路を通過した後にAD変換してPCに取り込むようにした。
Example 2
Twelve fiber heads were arranged at equal intervals on the circumference with a radius of 3 cm from the center with the light source fiber at the center. The light received by each fiber was detected by a system (OE detector array) in which a logarithmic amplifier was connected to 12 high-speed response Si photodiodes. Determine the reference fiber (number is 0,
ファイバー0を溝のない位置に設置し、いくつかのファイバーが溝のある位置の上に来るようにプローブを置いて検出したところ、幅5mmの溝まで吸収による光強度の減少を検出することができた。
When the
比較例2
一方、差動増幅回路を使用せずOE出力そのものを検出するシステムとして同様の実験を行ったところ、検出できる幅は15mmまでであった。
Comparative Example 2
On the other hand, when a similar experiment was performed as a system for detecting the OE output itself without using a differential amplifier circuit, the detectable width was up to 15 mm.
1 波長λ1の光の出力光強度
2 波長λ2の光の出力光強度
3 波長λ3の光の出力光強度
11 変調手段
12 発光手段
13 合成手段
14 光照射手段
15 生体モデルサンプル
16 光検出手段
17 光検出手段
18 光強度測定手段
19 調整手段
20 AC結合アンプ(+メインアンプ)
21 AD変換器+PC
22 プローブ
23 薄板
24 モデルブロック
25 モデル血液いり溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Output light intensity of light of
21 AD converter + PC
22
Claims (4)
前記発光手段により発光された光を同一光路上に合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された光を照射する照射手段と、
前記照射手段により照射した光を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された光の強度を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された光の強度の時間的な変化量が極小になるように、前記発光手段により発光する複数の光の強度を調整する調整手段と
を具備する生体光計測装置。 A light emitting means for emitting a plurality of lights having different wavelengths, the intensity of which changes with time,
Combining means for combining light emitted by the light emitting means on the same optical path;
Irradiating means for irradiating light synthesized by the synthesizing means;
Detection means for detecting light emitted by the irradiation means;
Measuring means for measuring the intensity of light detected by the detecting means;
A biological light measuring apparatus comprising: an adjusting unit that adjusts the intensity of a plurality of lights emitted by the light emitting unit so that a temporal change amount of the intensity of the light measured by the measuring unit is minimized.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006095596A JP2007267837A (en) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | Biolight measuring apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2006095596A Abandoned JP2007267837A (en) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | Biolight measuring apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2007267837A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009136326A (en) * | 2007-12-03 | 2009-06-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Component concentration measuring instrument and control method thereof |
JP2016151572A (en) * | 2015-02-19 | 2016-08-22 | アズビル株式会社 | Dryness measurement device |
JP2018143778A (en) * | 2011-11-02 | 2018-09-20 | セノ メディカル インストルメンツ,インク. | Double modality image processing system for functional and anatomical concurrent display mapping |
US10709419B2 (en) | 2011-11-02 | 2020-07-14 | Seno Medical Instruments, Inc. | Dual modality imaging system for coregistered functional and anatomical mapping |
-
2006
- 2006-03-30 JP JP2006095596A patent/JP2007267837A/en not_active Abandoned
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