JP2010214087A - 脳状態測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒトや動物などの生体の脳と隣接した位置に挿入され、血流量や酸素飽和度などの脳状態を向上した精度及び信頼度で測定することができる脳状態測定装置を提供する。
【解決手段】脳状態測定装置は、生体の脳に隣接して位置する薄膜と、上記薄膜に形成され、脳に光を照射する光源、及び上記薄膜に上記光源に隣接して形成され、脳から散乱された上記光源の光を検出する光センサーと、を含む。脳状態測定装置は、脳と相対的に隣接した位置での測定が可能であるため、測定の精度及び信頼度を向上させることができる。脳状態測定装置を利用して血流量または酸素飽和度などの脳状態を測定することができ、且つ脳活動を測定することもできる。脳状態測定装置は、相対的に小型且つ軽量であるため、脳組職に及ぼす傷害を最小化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は脳状態測定装置に関する。

癲癇、脳卒中や脳梗塞のような脳血管疾患、または痴呆やパーキンソン病のような脳変性疾患を診断するに際して脳活動または脳の酸素飽和度が指標として用いられることができる。脳活動または脳酸素飽和度を継続的に測定することにより、急性に起こる危急状況を検知しそれを予防することができる。結果的に、脳疾患による死亡または脳死を減少または予防することができる。

脳酸素飽和度を計測する既存の装置としては、頭皮に光センサーを取り付けて近赤外線を利用して脳酸素飽和度を測定する装置がある。この種の装置では、頭皮及び頭蓋骨を通過して脳に光を照射し、照射された光が脳から散乱されて再び頭皮及び頭蓋骨を通過して戻ってきた光を検出する方式で測定を行う。しかしながら、この種の装置を利用する場合には、近赤外線の大半が脳を通過せずに頭皮及び頭蓋骨にとどまるため、光が脳の情報を検知してから再び頭皮と頭蓋骨を通過して戻ってくる確率が低いという短所がある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ヒトや動物などの生体の脳と隣接した位置に挿入され、血流量や酸素飽和度などの脳状態を向上した精度及び信頼度で測定することができる脳状態測定装置を提供することである。

本発明の一実施形態による脳状態測定装置は、生体の脳に隣接して位置する薄膜と、上記薄膜に形成され、脳に光を照射する光源、及び上記薄膜に上記光源と隣接して形成され、脳から散乱された上記光源の光を検出する光センサーと、を含む。

本発明の実施形態による脳状態測定装置では、脳と相対的に隣接した位置での測定が可能であるため、測定の精度及び信頼度を向上させることができる。脳状態測定装置を利用して血流量または酸素飽和度などの脳状態を測定することができ、応急状況に即刻に対処することができる。また、脳活動を測定することもできるため、神経外科、外科、内科、または応急医学科などの様々な分野で活用することができる。さらには、相対的に小型且つ軽量であるため、脳組職に及ぼす傷害を最小化することができる。

一実施形態による脳状態測定装置の概略的な斜視図である。 波長によるオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの吸収スペクトラムを示したグラフである。 実施形態による脳状態測定装置における薄膜に光源及び光センサーが集積化された形態を示した概略的な断面図である。 実施形態による脳状態測定装置における薄膜に光源及び光センサーが集積化された形態を示した概略的な断面図である。 実施形態による脳状態測定装置における薄膜に光源及び光センサーが集積化された形態を示した概略的な断面図である。 実施形態による脳状態測定装置における光源及び光センサーの配置形態を示した概路図である。 実施形態による脳状態測定装置における光源及び光センサーの配置形態を示した概路図である。 実施形態による脳状態測定装置における光源及び光センサーの配置形態を示した概路図である。 実施形態による脳状態測定装置における光源及び光センサーの配置形態を示した概路図である。 一実施形態による脳状態測定装置における複数個の光源を駆動する電力の時間による波形を示したグラフである。 一実施形態による脳状態測定装置が人体に挿入された形態を示した概路図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、一実施形態による脳状態測定装置の概略的な斜視図である。

図１を参照すれば、脳状態測定装置は、薄膜１０と、薄膜１０に形成された光源２０、及び光センサー３０とを含んで構成される。この脳状態測定装置は、ヒトや動物などの生体の脳と相対的に隣接した位置に挿入して使用することができる。

薄膜１０は、ナノ製作技術（ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）を用いて生体内に挿入可能な大きさ及び厚さを有するように製造することができる。例えば、薄膜１０の厚さｔは、１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下であればよい。薄膜１０は、有機物質または無機物質からなっていてよい。また、薄膜１０は、脳の動きに応じて撓み得るフレキシブルな物質からなっていてもよい。例えば、薄膜１０は、ポリイミド、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）、または他の好適な物質からなっていてよい。

薄膜１０には光源２０及び光センサー３０を形成することができる。光源２０及び光センサー３０は、薄膜１０の表面に位置してよく、または薄膜１０中に挿入され表面に露出しない形態で位置してもよい。光源２０は光を放出するための装置であって、光源２０から放出された光を脳に照射することができる。例えば、光源２０は、有機発光体または無機発光体などの好適な発光素子を含むことができる。また、光源２０は、近赤外線光を照射可能な装置を含むこともできる。

一実施形態において、光源２０は、互いに異なる複数の波長の光を照射するための装置を含むこともできる。例えば、光源２０は、約６５０ｎｍないし約８００ｎｍの波長を有する第１光、及び約８００ｎｍないし約９００ｎｍの波長を有する第２光とを共に照射することもできる。

光源２０から放出された光は、脳の表面を通過して脳の中を照射してから散乱し、このとき、散乱した光の一部または全部が再び脳の外に戻ってくる。

光センサー３０は、光源２０の光が脳に照射された後、照射された光が脳から散乱されて戻ってきた光を検出することができる。光センサー３０は、光源２０の種類に応じて光源２０の光を検出可能な装置を含むことができる。例えば、光センサー３０は、微小フォトダイオードを含んで構成することもできる。

一実施形態において、光源２０及び光センサー３０は、それぞれ複数個であってよい。また、複数の光源２０及び光センサー３０は、薄膜１０にアレイ形態で配列されていてよい。この場合、それぞれの光センサー３０は、これに隣接する一つ以上の光源２０の光を検出することができる。また、複数個の光源２０は、互いに時間差をおいて光を照射する時間多重モード（ｔｉｍｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｍｏｄｅ）で動作することもできる。

脳から散乱された光源２０の光を光センサー３０を使用して検出することにより、血流量または酸素飽和度などの脳状態を測定することができる。例えば、近赤外線領域において脳組職は吸収率μ_ａが相対的に低く、散乱率μ_ｓが相対的に高い特性を有し、このような物理的条件での脳から散乱された光の強さyは、次式１を満足する。

上記式１中、Ｓ_０（ｒ、ｔ）は、空間ベクトルｒ及び時間ｔに対する光源２０の光の関数である。

一方、ビーア・ランベルトの法則（Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ Ｌａｗ）によれば、媒質の光吸収率は媒質中に存在する光吸収体の濃度の合に比例する。生体組職内における主要光吸収体はヘモグロビンであるため、上記式１における吸収率μ_ａは、ビーア・ランベルトの法則に基づくヘモグロビンの濃度にて次式２によって表される。

上記式２中、eは光が通過する物質の吸光率（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、ｃは光が通過する物質の濃度である。すなわち、［Ｏ_２Ｈｂ］及び［ＨＨｂ］は、それぞれ酸素を含んだオキシヘモグロビン及び酸素を含まないデオキシヘモグロビンの濃度であり、

と

は、それぞれオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの吸光率である。

ここで、光源２０の波長を２つ以上使用する場合に上記式２で表される方程式の解を求めることができ、このとき、求めた脳の中のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度から脳の中の酸素飽和度

を次式３によって求めることができる。

このとき、光源２０から照射される複数の波長はヘモグロビンの吸収スペクトラムに基づいて決定すればよい。例えば、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収率の差が相対的に大きい２つ以上の波長を利用することにより、オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度を相対的に少ない誤差で求めることができる。

図２は、可視光線及び近赤外線帯域における波長によるオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの吸収スペクトラムを示したグラフである。グラフ１０００はオキシヘモグロビンの吸収スペクトラムを示すものであり、グラフ２０００はデオキシヘモグロビンの吸収スペクトラムを示すものである。

図２を参照すれば、約６５０ｎｍないし約８００ｎｍの波長帯域ではデオキシヘモグロビンの吸収率がオキシヘモグロビンの吸収率に比べて相対的に大きい値を有する。逆に、約８００ｎｍないし約９００ｎｍの波長帯域ではオキシヘモグロビンの吸収率がデオキシヘモグロビンの吸収率に比べて相対的に大きい値を有する。したがって、一実施形態では、光源２０から約６５０ｎｍないし約８００ｎｍの波長を有する第１光及び約８００ｎｍないし約９００ｎｍの波長を有する第２光とを共に照射して、オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの濃度を相対的に小さい誤差で求めることができる。

上述した過程によって、光センサー３０によって検出された光源２０の光からオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度を求め、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度から脳の酸素飽和度を求めることができる。また、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度との合が総ヘモグロビンの濃度であって、その量が血流量と比例する。したがって、一実施形態による脳状態測定装置を利用して血流量などの脳状態を測定することもできる。

一方、上述した光源２０及び光センサー３０は、ナノ製作技術を用いて薄膜１０に集積化することができる。このとき、光源２０及び光センサー３０は、ナノメートル単位の大きさを有し、脳状態測定装置の全体の重さが１０ｍｇ以下になるように形成すればよい。

ナノ製作技術によって薄膜１０に光源２０及び光センサー３０などが集積化され形成されるため、脳状態測定装置を生体に挿入可能な大きさに作製することができる。脳状態測定装置を脳と相対的に隣接した位置に挿入することができるため、測定精度及び信頼度を向上させることができる。さらには、脳状態測定装置が生体組職に及ぼす影響を最小化することができ、脳の動きによる素子の好ましくない動きを最小化することができる。

一実施形態において、薄膜１０には電極４０が形成されていてもよい。電極４０は脳と接触して脳細胞の電気信号を検出する役割を果たし得る。光源２０及び光センサー３０と同様に、電極４０は複数個であってもよい。また、複数個の電極４０は、薄膜１０にアレイ形態で配列されていてよい。複数個の電極４０によって検出された電気信号を分析することにより、皮質脳波図（ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｒｔｉｃｏｇｒａｍ；ＥＣｏＧ）方式で脳活動を測定することができる。

図３ａないし図３ｃは、実施形態による脳状態測定装置における薄膜に光源及び光センサーが集積化された形態を示した概略的な断面図である。

図３ａないし図３ｃは、薄膜１０における光源２０、２１、２２、光センサー３０、３１、３２、電極４０及び配線部１００の位置を説明するための図である。なお、図３ａないし図３ｃに示された光源２０、２１、２２、光センサー３０、３１、３２、電極４０及び配線部１００の配列順序またはこれらのそれぞれの形状は例示的なものであって、実際の光源、光センサー、電極及び配線部の配列順序または形状が図示されたものと異なり得ることは当業者には理解できるであろう。

図３ａを参照すれば、薄膜１０には光源２０、光センサー３０、電極４０及びこれらの駆動のための配線部１００が形成されていてよい。配線部１００は、光源２０及び光センサー３０に駆動電力を供給し、光センサー３０及び電極４０によって検出された光及び電気信号を受信し外部に伝達するための回路部分である。

一実施形態において、光源２０及び光センサー３０は薄膜１０の上面１１に位置し、電極４０は薄膜１０の下面１２に露出するように位置していてよい。例えば、脳状態測定装置が頭蓋骨の下部に挿入されたとき、薄膜１０の上面１１は頭蓋骨に隣接して位置し、下面１２は脳に隣接して位置すればよい。このとき、光源２０及び光センサー３０は、薄膜１０の上面１１に位置し、薄膜１０を介して脳に光を照射しまた脳から散乱された光を検出することができる。一方、電極４０は、脳と接触して脳から電気信号を検出するために薄膜１０の下面１２に位置すればよい。

光源２０は、電気信号の伝達のための入力及び出力端子２００、２０５を含むことができる。各端子２００、２０５は導電物質からなっていてよく、一種または複数の物質からなっていてもよい。図３ａに示された端子２００、２０５の形状は例示的なものであって、実際の端子の形状は図示されたものと異なり得る。光源２０と同様に、光センサー３０も入力及び出力端子３００、３０５を含むことができる。

図３ｂを参照すれば、他の実施形態において、薄膜１０には光源２１、光センサー３１、電極４０及び配線部１００が形成されていてよい。図３ｂに示された実施形態において、光源２１及び光センサー３１は、薄膜１０の表面に露出することなく薄膜１０中に完全に挿入された形態で位置していてもよい。

図３ｃを参照すれば、また他の実施形態において、薄膜１０には光源２２、光センサー３２、電極４０及び配線部１００が形成されていてよい。図３ｃに示された実施形態において、光源２２及び光センサー３２は、薄膜１０の下面１２に露出した形態で位置していてよい。例えば、脳状態測定装置が頭蓋骨の下部に挿入されたとき、薄膜１０の下面１２に露出した光源２２は、脳に直接光を照射することができ、光センサー３２も脳から散乱された光を直接検出することができる。

図３ｂ及び図３ｃに示された実施形態において、光源２１、２２及び光センサー３１、３２の薄膜１０に対する相対的な位置を除くと、他の構成は図３ａを参照して上述した実施形態の構成と同じであるため、その詳しい説明を省く。

図４ａないし図４ｃは、実施形態による脳状態測定装置における光源２０及び光センサー３０の配置形態を示した概路図である。図４ａないし図４ｃは、光源２０及び光センサー３０が形成された薄膜の表面の一部分を概略的に示した図である。

図４ａを参照すれば、光源２０及び光センサー３０は、薄膜の表面において正六角形の形状をなすように配列されていてよい。６個の光源２０が正六角形の各頂点に位置するように配列されていてよく、６個の光源２０が形成する正六角形の中心に光センサー３０が位置するように配列されていてよい。上記のように配列される場合、光源２０と光センサー３０の個数の比は２：１である。領域３００は、各領域３００の中心に位置する光センサー３０の測定範囲を示す。図示されたように、一つの光センサー３０を利用して該光源を取り囲んでいる６個の光源２０からの光を検出することができる。

図４ｂを参照すれば、他の実施形態において、光源２０及び光センサー３０が別の方式で正六角形形状をなすように配列されていてよい。正六角形の６個の頂点には３個の光源２０及び３個の光センサー３０が交互に配列されていてよい。上記のように配列される場合、光源２０と光センサー３０の個数の比は１：１である。領域３１０は、各領域３１０の中心に位置する光センサー３０の測定範囲を示す。図示されたように、一つの光センサー３０を利用して該光源を取り囲んでいる３個の光源２０からの光を検出することができる。

図４ｃを参照すれば、光源２０及び光センサー３０は正四角形の形状をなすように配列されていてもよい。正四角形の４個の頂点にそれぞれ光源２０が配列され、また正四角形の４辺の中央にそれぞれ光源２０が配列されていてよい。一方、８個の光源２０によって形成される正四角形の中心に光センサー３０が位置するように配列することもできる。上記のように配列される場合、光源２０と光センサー３０の個数の比は３：１である。領域３２０は、各領域３２０の中心に位置する光センサー３０の測定範囲を示す。図示されたように、一つの光センサー３０を利用して該光源を取り囲んでいる８個の光源２０からの光を検出することができる。

図４ｄを参照すれば、光源２０及び光センサー３０は、それぞれの列３３０を基準にして各列３３０において交互に配列されていてもよい。例えば、一つの列３３０には３個の光源２０及び１個の光センサー３０が交互に配列されていてよい。領域３４０は、各領域３４０に含まれる光センサー３０の測定範囲を示す。図示されたように、各光センサー３０を利用して同じ列３００に位置する光源２０のうちの両方向に隣接して位置する６個の光源２０からの光を検出することもできる。

図４ａないし図４ｄを参照して上述した光源２０及び光センサー３０の配列形態は、複数個の光源２０及び光センサー３０の様々な配列形態のうちの一部を例示的に示したものであって、脳状態検出装置における複数個の光源２０及び光センサー３０の配列形態はこれに制限されるものではなく、図示されたものと異なる配列形態で配列されていてもよい。

図５は、一実施形態による脳状態測定装置における複数個の光源を駆動する電力の時間による波形を示したグラフである。

一実施形態による脳状態測定装置は、複数個の光源を含むことができ、複数個の光源は、ｎ個のグループに分けることができる。一つのグループが少なくとも一つの光源を含むことができ、各グループは互いに同一または異なる個数の光源を含むことができる。このとき、ｎ個の光源グループは時間多重モードで動作することができる。

図５を参照すれば、ｎ個の駆動波形Ｌ_１、Ｌ_２、…、Ｌ_ｎは、上述したｎ個の光源グループのそれぞれを駆動するための電力の時間による波形を示す。電力波形Ｌ_１、Ｌ_２、…、Ｌ_ｎがハイ（ｈｉｇｈ）レベルを有する場合には、当該グループの光源から光が放出され、パルスがロー（ｌｏｗ）レベルを有する場合には、当該グループの光源から光が放出されないこともある。

このとき、それぞれの電力波形Ｌ_１、Ｌ_２、…、Ｌ_ｎは、時間差をおいて互いに異なる時間にハイレベルを有するように構成すればよい。これにより、ｎ個の光源グループは、グループ毎に互いに異なる時間に光を放出することができる。すなわち、各光源の光を放出する時間が異なるため、光源の光放出時間に応じて当該光源に対応する光センサーの動作時間を調節すれば、各光センサーが隣接して位置する特定の光源からの光のみを検出するようにすることができる。

一方、図５に示された駆動電力の波形は例示的なものであって、光源を駆動するための電力の波形はこれに制限されず、光源は示されたものと異なる波形の電力を利用して駆動してもよい。

図６は、一実施形態による脳状態測定装置が人体に挿入された状態を示した概路図である。

図６を参照すれば、脳状態測定装置１は、人体の脳２と頭蓋骨３との間に挿入すればよい。例えば、脳状態測定装置１は、大脳皮質の表面または脳硬膜（ｄｕｒａ）上に位置すればよい。脳状態測定装置１が頭蓋骨３の下部に位置するため、脳２に直接光を照射することができ、脳２から直接散乱光及び電気信号を検出することができる。

脳状態測定装置１は、外部の増幅部５０及び制御部６０と光学的及び／または電気的に接続することもできる。増幅部５０は、脳状態測定装置１で検出された光及び電気信号を所定の大きさに増幅することができる。増幅部５０で光及び電気信号の大きさを増幅することにより、脳状態の測定を容易に行うことができる。

制御部６０では、増幅部５０で増幅された光及び電気信号を受信し、受信した光を用いて血流量または酸素飽和度などの脳状態を測定することができる。受信した光量の変化は、脳の光吸収係数の変化と比例し、上述した数式１ないし数式３によって酸素飽和度と血流量の変化を測定することができる。

図６では脳状態測定装置１が脳２と頭蓋骨３との間に挿入された形態を示したが、これは例示的なものであって、脳状態測定装置１は頭蓋骨３と頭皮４との間に挿入することもできる。また、脳状態測定装置１は、頭蓋骨３の一部分を相対的に薄くし、薄くなった頭蓋骨部分に位置するように挿入することもできる。

以上で説明した本発明は、図面に示された実施形態を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者ならば様々な変形及び実施形態の変形が可能であることが理解できるであろう。なお、かかる変形は、本発明の技術的保護範囲内にあると見なされるべきである。よって、本発明の真正な技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想に基づいて決められるべきである。

１ 脳状態測定装置
２ 脳
３ 頭蓋骨
１０ 薄膜
２０ 光源
３０ 光センサー

Claims (13)

1. 生体の脳に隣接して位置する薄膜と、
   前記薄膜に形成され、脳に光を照射する光源、及び
   前記薄膜に前記光源に隣接して形成され、脳から散乱された前記光源の光を検出する光センサーと、を含むことを特徴とする脳状態測定装置。
2. 前記光源は、アレイ形態で配列された複数個の光源を含むことを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
3. 前記複数個の光源は、互いに時間差をおいて光を照射することを特徴とする請求項２に記載の脳状態測定装置。
4. 前記光センサーは、アレイ形態で配列された複数個の光センサーを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の脳状態測定装置。
5. 前記複数個の光センサーは、前記複数個の光源の間に位置することを特徴とする請求項４に記載の脳状態測定装置。
6. 前記各光センサーは、前記複数個の光源のうち隣接して位置する一つ以上の光源の光を検出することを特徴とする請求項４に記載の脳状態測定装置。
7. 前記光源は、互いに異なる複数個の波長の光を照射することを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
8. 前記薄膜の厚さは、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
9. 前記光源及び前記光センサーは、前記薄膜中に位置することを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
10. 前記光源及び前記光センサーは、前記薄膜の表面に位置することを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
11. 前記薄膜に形成され、脳から電気信号を検出する電極を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の脳状態測定装置。
12. 前記電極は、アレイ形態で配列された複数個の電極を含むことを特徴とする請求項１１に記載の脳状態測定装置。
13. 前記電極は、前記薄膜の表面のうち脳と隣接した表面に位置することを特徴とする請求項１１に記載の脳状態測定装置。