JP2009279286A - 生体内器官または組織表面に留置可能な近赤外光プローブホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】生体内器官または組織における組織の酸素状態をモニタすることを可能とする近赤外光プローブホルダおよび近赤外光組織酸素モニタ装置。
【解決手段】送光プローブ１０と受光プローブ１１を生体内の器官または組織に密着して固定することが可能であり、生体内の湿潤環境においても長時間留置することを可能とする、近赤外光プローブホルダ１およびそれを備える近赤外光組織酸素モニタ装置の提供。
【選択図】図４

Description

本発明は、生体内器官または組織表面に留置可能な近赤外光プローブホルダおよび当該プローブホルダを備える近赤外光モニタ装置に関する。

波長600〜1000nmの近赤外光は、酸素化および還元化ヘモグロビンに吸収されやすく、生体組織を透過しやすいという性質を持っている。この性質を利用して、組織を流れている血液中のヘモグロビンの酸素化状態を解析し、脳や筋肉などの活動状態を非侵襲的に調べる研究が進められている。この方法では、頭部や筋肉などの生体組織表面に固定した近赤外光プローブより近赤外光を当該組織に照射し、生体内部で吸収または散乱した後、生体内部から出てくる光を受光し解析することによって、生体内の脳や筋肉などの酸素状態を非侵襲的にモニタする。

従来的に、この方法にて用いられている近赤外光を照射および受光するための近赤外光プローブは、体外表面に固定して用いられるように設計されている（特許文献１）。

そのため、深部(すなわち表層より2〜3cmを超える深部)の生体内器官または組織の酸素状態をモニタすることは困難であった（非特許文献１）。また、横隔膜下の器官／組織を対象とする場合、呼吸性変動が加わるために、体外表面に固定した近赤外光プローブでは正確に酸素状態をモニタすることは困難であった。さらに、酸素状態を正確にモニタするためには、近赤外光プローブを対象器官／組織の表面に密着させて固定することを必要とするが、体外表面に固定して用いられるように設計されている従来の近赤外光プローブは、生体内環境下において対象器官／組織の表面に密着させて安定して固定することは困難であった。

特開2006-122458号公報 Hock Cら、Brain Res. 1997 May 2;755(2):293-303

本発明は、生体内に挿入し生体内器官または組織の酸素状態をモニタすることを可能とする近赤外光プローブホルダおよび近赤外光モニタ装置の提供を目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、近赤外光を照射する送光プローブと散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブを、生体内の器官または組織に近接して固定することが可能であり、生体内の湿潤環境に長時間留置することを可能とする、近赤外光プローブホルダを開発し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は以下のとおりである。
[１] 近赤外光を被験体の生体内器官または組織に照射する送光プローブと該器官または組織から散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを収容し、被験体の生体内器官または組織に前記送光プローブおよび受光プローブを近接して配置することを可能とするプローブホルダであって、以下の構造を有するプローブホルダ：
(a) プローブホルダは、外側面の少なくとも一部分が長手方向に延長した平坦部を有する柱状である；
(b)プローブホルダは、送光プローブおよび受光プローブおよびそれらに連結される光ファイバーケーブルを収容するための凹部を平坦部に備える；
；ならびに
(c) 長手方向に沿った中央部から先端部および基端部に向かって先細の構造となっている。

[２] さらに、透明シリコーン樹脂からなる保護チューブで内包されており、該保護チューブは透光性を有し、プローブホルダを被験体体内の湿潤環境から隔離することができる、[１]のプローブホルダ。
[３] 保護チューブの先端部には凸状の曲面が形成されていることを特徴とする、[２]のプローブホルダ。

[４] [１]〜[３]のいずれかのプローブホルダと近赤外光を照射する送光プローブおよび散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを備えた、近赤外光組織酸素モニタ装置。
[５] プローブホルダより伸長する、送光プローブおよび受光プローブに連結される光ファイバーケーブルがプローブホルダと一体化されている、[４]の近赤外光組織酸素モニタ装置。

本発明のプローブホルダは、外側面の一部分に平坦部を有する。この平坦部において近赤外光を照射し、かつ受光できるように近赤外光送光プローブおよび受光プローブをプローブホルダ内に配置している当該プローブホルダの平坦部を器官または組織表面に置くだけで、当該送光プローブおよび受光プローブを生体内器官または組織表面に安定して近接させることができ、生体内という空間的に限定された場においても容易に、かつ安定して組織酸素状態のモニタを行うことができる。

また、生体内安定性が高く、かつ近赤外光透過率の高いシリコーン樹脂で当該プローブホルダを覆うことによって生体内の湿潤環境から送光プローブおよび受光プローブを隔離することができるために、当該プローブホルダを備える近赤外光プローブは生体内の湿潤環境において、組織酸素状態を長時間モニタすることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、近赤外光を照射する送光プローブと該送光プローブより照射され、生体内器官または組織に当たり散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを収容するプローブホルダであり、被験体の生体内器官または組織に、プローブホルダ内に収容された送光プローブおよび受光プローブを近接して配置することを可能とするプローブホルダである。

本発明のプローブホルダは、柱状の形状を有しており、その外側面は少なくとも一部分が長手方向に延長した平坦部を有していることを特徴とする。

通常、近赤外光を用いて組織の酸素状態をモニタする際には、送光プローブと受光プローブとを対象の器官または組織表面に近接させる必要がある。また、得られたデータの再現性を得るためには、送光プローブと受光プローブとの間隔が一定に保たれていることを必要とする。

当該プローブホルダは、送光プローブと受光プローブとの間隔を一定に保ちながら、送光プローブおよび受光プローブを対象の器官または組織表面に近接して配置することを可能とする構造を有する。

本発明において「近接」とは、送光プローブおよび受光プローブが対象の器官または組織表面に近赤外光を照射し、または当該器官または組織表面から散乱・反射した近赤外光の一部を受光できる程度に、送光および受光プローブと器官または組織表面が接近して位置することをいう。送光プローブおよび／または受光プローブと対象の器官または組織表面との間に、当該ホルダの一部が存在している場合もいう。

当該プローブホルダは、適当な剛性、硬度を有していることが好ましく、適当な剛性、硬度を有する部材（特に限定されないが、樹脂、プラスチック、アルミ、木材など）より構成される。当該プローブホルダは自体は、遮光可能な部材によって構成されていることが好ましい。好ましくは、ＡＢＳ樹脂より構成される。

当該プローブホルダは、その外側面の少なくとも一部に長手方向に延長した平坦部を有していることを特徴とする。この平坦部を対象の生体内器官または組織表面に密着させる。この結果、送光プローブと受光プローブを対象の生体内器官または組織表面に近接させることができる。この平坦部の大きさは、測定対象の器官または組織によって変更し得るが、長さが31〜36mm、幅が8〜12mmである。

当該平坦部は、送光プローブおよび受光プローブおよびそれらに連結される光ファイバーケーブルを収容するための凹部を有していることを特徴とする。当該凹部は、少なくともプローブホルダの基部側からプローブホルダの最も先端部側に存在する送光プローブまたは受光プローブの固定位置に及ぶ範囲に渡って存在し得、31〜36mmの長さであり得る。また凹部の幅は約4.5 mm以下であり得る。さらに、凹部の深さは、少なくとも光ファイバーケーブル二本を収容できる深さがあればよく、9〜12mmの深さであり得る。

当該凹部内に送光プローブおよび受光プローブおよびそれらに連結される光ファイバーケーブルが収容される。送光プローブおよび受光プローブは、凹部の特定の位置に設けられたプローブの固定位置において、近赤外光の照射面および受光面がプローブホルダの平坦部と平行になるように凹部内に収容および固定される。送光プローブおよび受光プローブの固定位置への固定方法は、どのような形態であってもよく、例えば、送光プローブおよび受光プローブを凹部に嵌め込んでもよく、またナット、ソケット、ネジ、接着剤などを用いて固定することが可能である。固定方法に応じて、送光プローブおよび受光プローブを固定する位置の凹部および固定位置の大きさや形状は適宜変更することが可能である。送光プローブおよび受光プローブの固定位置の数は、少なくとも一対の送光プローブおよび受光プローブが取り付けられるように、少なくとも2個あればよいが、複数の送光プローブおよび／または受光プローブが取り付けられるように2個以上備えてもよい。送光プローブおよび受光プローブを固定するための各固定位置の間隔は、10〜20mmである。

本発明のプローブホルダの形状は、その外側面に少なくとも一部分に上記平坦部を有する円柱状、あるいは三角形、四角形、五角形等の多角形柱状であり得る。

本発明のプローブホルダの外側面の角部は被験体の体内器官および組織を損傷することがないよう丸味を帯びていることが好ましい。例えば、プローブホルダの長手方向に沿った軸に対する垂直断面において、平坦部以外の外側面の輪郭が少なくともＵ字状の部分を有する。

さらに本発明のプローブホルダは、長手方向に沿った中央部から先端部および基端部に向かって先細の構造となっていることを特徴とする。先細構造を有しているので、本発明のプローブホルダを生体内の器官または組織へ挿入し、留置し、および当該器官または組織から除去することが容易となる。

ここで、プローブホルダの中央部とは、プローブホルダの先端部および基端部以外の部分をいう。中央部は、必ずしも当該ホルダ本体の中央に限定することを意図せず、当該ホルダ本体の中央よりも先端部側および／または基端部側の位置であっても良い。先細の程度は、中央部から先端部および中央部から基端部にかけて同等であっても良いし、異なっていても良い。ただし、先端部および基端部は、生体内の器官または組織を損傷する程尖鋭であってはならない。例えば、先端部および基端部は丸味を帯びていることが好ましい。当該ホルダ本体の先端部または基端部と中央部の幅および高さの差が、それぞれ10〜13mmの範囲にあることが好ましい。

さらに、本発明のプローブホルダは、弾性体からなる保護チューブに覆われていてもよい。保護チューブは先端部が閉じたチューブ状の形状であり、当該ホルダ本体を全て覆うことが可能である。さらに好ましくは、保護チューブは、生体内の湿潤環境に曝露し得る全ての部分（下記近赤外光プローブにおいて、プローブホルダから送光光源および光検出部へと延びる光ファイバー部分も含む）を覆うのに十分な長さを有する。保護チューブを通して、近赤外光が送光プローブから照射され、受光プローブで受光されるため、保護チューブは透光性を有している必要がある。「透光性」とは、送光プローブより照射された近赤外光ならびに生体内の器官または組織から散乱・反射した近赤外光の一部が透過する性質、すなわちこれらの光を吸収しない性質をいう。保護チューブが透光性を有することにより、送光プローブから生体内の対象器官または組織に対して保護チューブを通して近赤外光を照射することができ、さらに受光プローブにより生体内器官または組織から散乱・反射した近赤外光を保護チューブを通して受光することが可能となる。保護チューブの平坦部を有する側面全てが透光性を有していることが好ましいが、送光プローブから外部に近赤外光が照射され、受光プローブが散乱・反射光を受光できるように、保護チューブの平坦部の一部のみ、すなわち送光プローブおよび受光プローブの固定位置のみが透光性を有していても良い。

さらに、保護チューブは、プローブホルダを生体内の器官または組織へ挿入し、留置し、および当該器官または組織より除去する際に当該器官または組織を損傷させない素材でできており、かつ当該器官または組織を損傷させない形状を有している必要がある。

保護チューブを形成する弾性体としては、生体内安定性が高く、透光性も高い透明シリコーン樹脂を用いるのが好ましい。好ましくは、保護チューブの厚さは、0.2mm以下であり得る。

さらに、保護チューブの先端部には凸状の曲面が形成されていることが好ましい。このような構造を有することにより、当該保護チューブを備えるプローブホルダを生体内へ挿入し、留置し、および当該器官または組織より除去することが容易となると共に、その際に生体内の器官または組織が損傷することを防ぐことができる。当該凸状の曲面は、生体内へ挿入等した際にその形状が大きく変化することがない程度の強度を維持すべく、6〜12mmの肥厚構造を有していることが好ましい。当該構造は弾性を有する部材で構成することができるが、生体内安定性の高いシリコーン樹脂を用いるのが好ましい。好ましくは、保護チューブとその先端部の凸状の曲面部分は、一体で成形される。

また、保護チューブは、内包する当該ホルダ本体を被験体体内の湿潤環境から隔離することができる。

本発明においては、前記保護チューブを備えていないプローブホルダも、保護チューブを備えているプローブホルダもプローブホルダという。また、保護チューブを備えていないプローブホルダをプローブホルダ本体ということがある。

本発明は、上記プローブホルダと近赤外光を照射する送光プローブおよび散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを備え、送光プローブおよび受光プローブがプローブホルダ内に収容された、近赤外光組織酸素モニタ装置を包含する。

送光プローブは、近赤外光を照射する部分である。例えば、光ファイバーケーブルの終端を主要構成要素とし、光源から発生し当該光ファイバーケーブルによって伝送された近赤外光を被験体の生体内の器官または組織に照射する。光ファイバーケーブルの終端そのものを送光プローブとして利用することもできる。

一方、受光プローブは、送光プローブより生体内の器官または組織に照射され生体内の器官または組織にて散乱・反射した光を受光する部分である。例えば、光ファイバーケーブルの終端を主要構成要素とし、当該ケーブルにより受光した光が光検出部へと伝送される。光ファイバーケーブルの終端そのものを受光プローブとして利用することもできる。

送光プローブおよび受光プローブは交互に位置することが好ましく、プローブホルダの凹部部分にある上記固定位置に、近赤外光の照射面および受光面がプローブホルダの平坦部と平行になるように上記固定方法を用いて固定されている。

送光プローブおよび受光プローブは、少なくとも1対備えれば良いが、複数の送光プローブおよび／または受光プローブを備えることも可能である。

送光プローブおよび受光プローブに連結される光ファイバーケーブルの他端は、プローブホルダ外部の光源または光検出部に連結される。

本発明の近赤外光組織酸素モニタ装置は、プローブホルダより伸長する、送光プローブおよび受光プローブに連結される光ファイバーケーブルがプローブホルダに一体化されていても良い。送光プローブおよび受光プローブに連結される光ファイバーケーブルを相互に密接させてプローブホルダに一体化させて維持することによって、2本またはそれ以上の光ファイバーケーブルの間から液体（例えば、水、血液など）が浸入するのを防ぐことができる。光ファイバーケーブルは接着剤などによって、光ファイバーケーブルを相互に接着して密接させても良い。あるいは、光ファイバーケーブルを相互に密接して固定して維持するための固定支持体を用いて、光ファイバーケーブルを相互に密接させても良い。光ファイバーケーブルとプローブホルダの一体化は、少なくとも生体内に曝露される光ファイバーケーブルとプローブホルダとを上記保護チューブによって覆うことによって行うことができる。

光ファイバーケーブルは、透光性を有し近赤外光を伝送することができる限り特に限定されないが、ガラス、石英、またはプラスチックからなるものが、透光性が高く好ましい。

光源としては、ＬＥＤなどを用いることが可能である。

代替的な実施形態として、光ファイバーケーブルを用いずに、光源を上記プローブの固定手段にて固定し、被験体の生体内器官または組織に当該光源より直接近赤外光を照射しても良い。

光検出部は、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の受光素子を含み、検出した光信号を電気信号に変換し解析装置へと送ることができる。

本発明の近赤外光プローブは、さらに分光器、反射板、フィルターなどを備えていても良い。

本発明の近赤外光組織酸素モニタ装置を用いることができる被験体としては、哺乳動物が挙げられ、好ましくはヒトである。

また、本発明の近赤外光組織酸素モニタ装置を用いて酸素状態をモニタすることが可能な器官または組織としては限定されないが、心臓、肝臓、腎臓、肺、腸管、膵臓などが挙げられる。

生体内の組織または器官の酸素状態をモニタする場合、体壁を外科的に切開し、該切開部から本発明の装置のプローブ部分を生体内に挿入し、特定の組織または器官に密着させ留置すればよい。

本発明の近赤外光組織モニタ装置により、ホルダ生体内の器官または組織における安定した酸素状態のモニタが可能になる。

以下に実施例を示して本願発明を具体的に説明するが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものでない。

図１に本願発明のプローブホルダ１の一実施例を示す。当該プローブホルダ１はＡＢＳ樹脂より構成される。

当該プローブホルダ１は、外側面に平坦部２を有し、またその長手方向に沿った軸に対する垂直断面において、外側面の輪郭が丸みを帯びた部分３を有する。また、長手方向に沿った中央部から先端部および基端部に向かって先細の構造４となっている。当該プローブホルダ１は長さ36mmであり、先端部および基端部の幅が8mmであり、中央部の幅が12mmであり、先端部および基端部の高さが9mmであり、中央部の高さが12mmである。

図２は、プローブホルダ１の平坦部２に存在する凹部５ならびに送光プローブおよび受光プローブを固定するための固定位置６および６’を示す。凹部５は、平坦部２に幅4.5mm、深さ9mm）で、プローブホルダ１の基部側からプローブホルダ１の先端側に存在するプローブ固定位置６に至るまで存在する。固定位置６および６’は凹部５の正中心線上に中心を有する半径4mmの円状に深さ4mmでくり抜かれた構造を有する。固定位置６および６’の中心間の距離は20mmである。

図３は、プローブホルダ１を覆う保護チューブ７を示す。保護チューブ７は透光性を有する透明シリコーンにより形成される。先端部には、生体内への挿入を容易にするためのシリコーンで形成された凸状の曲面構造８が存在する。下記近赤外光プローブにおいて生体内の湿潤環境に曝露され得るプローブホルダ１を覆うことができるように、チューブ内空洞部の長さは388mm、内径９mmである。厚さは側面部９が0.2mm、凸状の曲面構造８が12mmである。

図４は、本願発明のプローブホルダ１、送光プローブ１０および受光プローブ１１、ならびに透光性を有する保護チューブ７を備えた、被験体の生体内の器官または組織に密着して配置することが可能な近赤外光組織酸素モニタ装置を示す。送光プローブ１０および受光プローブ１１は固定位置６および６’において当該プローブホルダ１の平坦部２に備えられた凹部５に、近赤外光の照射面および受光面がプローブホルダの平坦部２と平行になるように接着剤を用いて固定される。なお、送光プローブ１０および受光プローブ１１の位置は、相互に交換可能である。位置交換に際しては、送光プローブ１０および受光プローブ１１を互いに移動させて行っても良いし、送光プローブ１０および受光プローブ１１に連結される光ファイバーケーブル１２および１２’の他端を、それぞれ光検出部または光源に連結することによって行っても良い。送光プローブ１０および受光プローブ１１を配置した当該プローブホルダ１は透光性を有するシリコーンからなる保護チューブ７によって覆われており、生体内の湿潤環境から隔離される。保護チューブ７に形成される平坦部２’を生体内の器官または組織に直接密着することによって、対象器官または組織に対して送光プローブ１０および受光プローブ１１を近接して保持することができる。

本発明により、従来技術では困難であった生体内の器官または組織における酸素状態のモニタを容易かつ安定して行うことが可能である。例えば臓器移植後の臓器について、近赤外光を用いて酸素状態をモニタすることができれば、血栓症などの発症を早期に発見することが可能である。それによって、移植後早期臓器不全を回避する可能性を高めることができる。その他にも臨床において様々な疾患の早期発見に重要な貢献をすることが期待できる。

図１は、本発明のプローブホルダの一態様を示す図である。左より、a) 先端部側正面図、b) 側面図、c) 基端部側正面図を示す。 図２は、本発明のプローブホルダの平坦部に存在する凹部および送光プローブおよび受光プローブの固定位置の一態様を示す図である。a) 先端部側正面図、b)底面図（平坦部側）、c) 側面図 図３は、本発明のプローブホルダの透光性を有する保護チューブの一態様を示す縦断面図である。 図４は、本発明の近赤外光組織酸素モニタ装置の一態様を示す縦断面透視図である。

符号の説明

１ プローブホルダ
２ プローブホルダ平坦部
３ Ｕ字状の部分
４ 先細の構造
５ 凹部
６ 固定位置
６’固定位置
７ 保護チューブ
８ 凸状の曲面構造
９ 保護チューブ側面部
１０ 送光プローブ
１１ 受光プローブ
１２ 光ファイバーケーブル
１２’光ファイバーケーブル
２’ 近赤外光プローブホルダ平坦部

Claims (5)

1. 近赤外光を被験体の生体内器官または組織に照射する送光プローブと該器官または組織から散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを収容し、被験体の生体内器官または組織に前記送光プローブおよび受光プローブを近接して配置することを可能とするプローブホルダであって、以下の構造を有するプローブホルダ：
   (a) プローブホルダは、外側面の少なくとも一部分が長手方向に延長した平坦部を有する柱状である；
   (b) プローブホルダは、送光プローブおよび受光プローブおよびそれらに連結される光ファイバーケーブルを収容するための凹部を平坦部に備える；
   ；ならびに
   (c) 長手方向に沿った中央部から先端部および基端部に向かって先細の構造となっている。
2. さらに、透明シリコーン樹脂からなる保護チューブで内包されており、該保護チューブは透光性を有し、プローブホルダを被験体体内の湿潤環境から隔離することができる、請求項１に記載のプローブホルダ。
3. 保護チューブの先端部には凸状の曲面が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のプローブホルダ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプローブホルダと近赤外光を照射する送光プローブおよび散乱・反射した近赤外光の一部を受光する受光プローブとを備えた、近赤外光組織酸素モニタ装置。
5. プローブホルダより伸長する、送光プローブおよび受光プローブに連結される光ファイバーケーブルがプローブホルダと一体化されている、請求項４に記載の近赤外光組織酸素モニタ装置。

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