JP2013059437A

JP2013059437A - 光生体測定装置

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Publication number: JP2013059437A
Application number: JP2011199233A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kono; 理河野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】測定データが得られた測定部位の位置を容易に把握することができるとともに、全ての測定データを同時に観察することができる光生体測定装置を提供する。
【解決手段】被検者の頭皮表面上に配置される複数個の送光プローブ○と、頭皮表面上に配置される複数個の受光プローブ●とを有する送受光部５０と、送光プローブが頭皮表面に光を照射するとともに、受光プローブが頭皮表面から放出される光を検出するように制御することで、脳活動に関する測定データを得る送受光部制御部４０と、測定データを表示する測定データ表示制御部２１ｃとを備える光生体測定装置１であって、頭皮表面又は脳表面を平面に展開した展開表面画像を表示する展開表面画像表示制御部２１ｂを備え、測定データ表示制御部２１ｃは、展開表面画像上に測定データを表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非侵襲で脳活動を測定する光生体測定装置に関する。特に、脳内各部の血流の経時変化や酸素供給の経時変化を測定することにより、生体の組織が正常であるか否かを診断するための酸素モニタ等として使用することができる光生体測定装置に関する。

近年、脳の活動状況を観察するために、光を用いて簡便に非侵襲で測定する光脳機能イメージング装置が開発されている。このような光脳機能イメージング装置では、被検者の頭皮表面上に配置した送光プローブにより、異なる３種類の波長λ_１、λ_２、λ_３（例えば、７８０ｎｍと８０５ｎｍと８３０ｎｍ）の近赤外光を脳に照射するとともに、頭皮表面上に配置した受光プローブにより、脳から放出された各波長λ_１、λ_２、λ_３の近赤外光の強度（受光量情報）Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）をそれぞれ検出する。
そして、このようにして得られた受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）から、脳血流中のオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めるために、例えば、Modified Beer Lambert則を用いて関係式（１）（２）（３）に示す連立方程式を作成して、この連立方程式を解いている。さらには、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とから総ヘモグロビンの濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）を算出している。
Ａ（λ_１）＝Ｅ_Ｏ（λ_１）×[oxyHb]＋Ｅ_ｄ（λ_１）×[deoxyHb] ・・・（１）
Ａ（λ_２）＝Ｅ_Ｏ（λ_２）×[oxyHb]＋Ｅ_ｄ（λ_２）×[deoxyHb] ・・・（２）
Ａ（λ_３）＝Ｅ_Ｏ（λ_３）×[oxyHb]＋Ｅ_ｄ（λ_３）×[deoxyHb] ・・・（３）
なお、Ｅ_Ｏ（λｍ）は、波長λｍの光におけるオキシヘモグロビンの吸光度係数であり、Ｅ_ｄ（λｍ）は、波長λｍの光におけるデオキシヘモグロビンの吸光度係数である。

ここで、送光プローブと受光プローブとの間の距離（チャンネル）と、測定部位との関係について説明する。図７は、一対の送光プローブ及び受光プローブと、測定部位との関係を示す断面図である。
送光プローブ１２が被検者の頭皮表面の送光点Ｔに押し当てられるとともに、受光プローブ１３が被検者の頭皮表面の受光点Ｒに押し当てられる。そして、送光プローブ１２から光を照射させるとともに、受光プローブ１３に頭皮表面から放出される光を入射させる。このとき、光は、頭皮表面の送光点Ｔから照射された光のうちで、バナナ形状（測定領域）を通過した光が、頭皮表面の受光点Ｒに到達する。これにより、測定領域の中でも、特に送光点Ｔと受光点Ｒとを被検者の頭皮表面に沿って最短距離で結んだ線の中点（本明細書中では、頭皮表面での「測定部位関連位置」ともいう）Ｍから、送光点Ｔと受光点Ｒとを被検者の頭皮表面に沿って最短距離で結んだ線の距離の半分の深さである被検者の測定部位（本明細書中では、脳表面での「測定部位関連位置」ともいう）Ｓに関する受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）が得られるとしている。

また、光脳機能イメージング装置では、脳の複数箇所の測定部位に関するオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]及び総ヘモグロビンの濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）をそれぞれ測定するために、例えば、近赤外分光分析計（以下、ＮＩＲＳと略す）等が利用されている（例えば、特許文献１参照）。
このような近赤外分光分析計では、ｎ個の送光プローブ１２と、ｍ個の受光プローブ１３とを所定の配列で被検者の頭部表面に密着させるために、ホルダ（送受光部）が使用される。ホルダとしては、例えば、頭部表面の形状に合わせて椀形状に成型されたものが使用される。

図２は、ホルダにおける１２個の送光プローブと１２個の受光プローブとの位置関係を示す平面図である。送光プローブ１２ａ〜１２ｌと受光プローブ１３ａ〜１３ｌとは、斜め方向に交互となるように配置されている。このようなホルダ５０では、１個の送光プローブ１２に光を０．１５秒間送光させ、次に、他の１個の送光プローブ１２に光を０．１５秒間送光させるように順次、送光プローブ１２に光を送光させていく。なお、送光プローブ１２から照射された光は、隣接する受光プローブ１３以外の離れた受光プローブ１３でも検出されるが、ここでは説明を簡単にするため、隣接する受光プローブ１３のみで検出されることとする。よって、３６箇所の測定部位に関する受光量情報Ａ_ｘ（λ_１）、Ａ_ｘ（λ_２）、Ａ_ｘ（λ_３）（ｘ＝１，２，・・・，３６）の収集が行われる。

そして、ＮＩＲＳにおける解析用制御部は、３６箇所の測定部位に関する受光量情報Ａ_ｘ（λ_１）、Ａ_ｘ（λ_２）、Ａ_ｘ（λ_３）（ｘ＝１，２，・・・，３６）に基づいて、関係式（１）（２）（３）を用いて、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]及び総ヘモグロビンの濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）を求めている。
これにより、解析用制御部で求められたオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]（測定データ）等は、医師等によって観察されるために、画像として表示される。例えば、合計３６箇所の脳表部位からのオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]を、数値とカラーとの対応関係を示すカラーテーブルに基づいて、カラーマッピングで表示している。このとき、脳の解剖学的構造には個人差があり、脳の形状が各人で違っているので、医師等は、脳のどの部位からオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]を得たかを認識するために、核磁気共鳴画像診断装置（以下、ＭＲＩと略す）等から被検者の脳表面を示す３次元形態画像データを得ることにより、脳表面画像を表示して、脳表面画像中にオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]をカラーマッピングで重畳して表示することも行われている。

特開２００６−１０９９６４号公報

しかしながら、上述したような脳表面画像中にオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]をカラーマッピングで重畳して表示する表示方法では、脳の測定部位のどの部分から得られたものであるかを把握することができるが、３６箇所の測定部位で取得されているにもかかわらず、一部（例えば、１８箇所）のオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]しか表示されていない。よって、医師等は、表示されていないオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]を観察しようと思うと、所望の方向から見た画像となるように、方向を変更して表示させることになるが、入力装置等を操作する必要があるため非常に手間がかかっていた。また、医師等は、同時に３６箇所の測定部位に関するオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]を観察することができないという不都合があった。
そこで、本発明は、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]等の測定データが得られた測定部位の位置を容易に把握することができるとともに、全ての測定データを同時に観察することができる光生体測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の光生体測定装置は、被検者の頭皮表面上に配置される複数個の送光プローブと、当該頭皮表面上に配置される複数個の受光プローブとを有する送受光部と、前記送光プローブが頭皮表面に光を照射するとともに、前記受光プローブが頭皮表面から放出される光を検出するように制御することで、脳活動に関する測定データを得る送受光部制御部と、前記測定データを表示する測定データ表示制御部とを備える光生体測定装置であって、頭皮表面又は脳表面を平面に展開した展開表面画像を表示する展開表面画像表示制御部を備え、前記測定データ表示制御部は、前記展開表面画像上に測定データを表示するようにしている。

本発明の光生体測定装置によれば、頭皮表面又は脳表面を平面に展開した展開表面画像を表示して、展開表面画像上に測定データを重畳して表示するので、測定データが得られる測定部位の位置も容易に把握することができるとともに、全ての測定データを同時に観察することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明の光生体測定装置は、前記展開表面画像は、頭皮表面又は脳表面を上方から見た画像と、右方から見た画像と、左方から見た画像と、前方から見た画像と、後方から見た画像とのうちから選択される少なくとも２方向から見た画像を含むようにしてもよい。

そして、本発明の光生体測定装置は、前記測定データは、ヘモグロビン濃度を示すデータであるようにしてもよい。
さらに、本発明の光生体測定装置は、前記ヘモグロビン濃度とカラーとの対応関係を示すカラーテーブルに基づいて、前記ヘモグロビン濃度をカラーマッピングで、前記展開表面画像に重畳して表示するようにしてもよい。

本発明の一実施形態である光生体測定装置の構成を示すブロック図。ホルダにおける送光プローブと受光プローブとの位置関係を示す平面図。本発明に係る光生体測定装置により表示されたモニタ画面の一例を示す図。展開表面画像の他の一例を示す図。展開表面画像の他の一例を示す図。展開表面画像の他の一例を示す図。一対の送光プローブ及び受光プローブと、測定部位との関係を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である光生体測定装置の構成を示すブロック図である。光生体測定装置１は、ホルダ（送受光部）５０と、発光部２と、光検出部３と、光生体測定装置１全体の制御を行う制御部（コンピュータ）２０とにより構成される。
また、図２は、ホルダ５０における１２個の送光プローブ１２ａ〜１２ｌと、１２個の受光プローブ１３ａ〜１３ｌとの位置関係を示す平面図である。
さらに、図３は、本発明に係る光生体測定装置１により表示されたモニタ画面２３ａの一例を示す図である。モニタ画面２３ａには、展開表面画像３１と、３６箇所の測定部位におけるオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]（測定データ）とが表示されることになる。

発光部２は、コンピュータ２０から入力された駆動信号により１２個の送光プローブ１２ａ〜１２ｌのうちから選択される１個の送光プローブに光を送光する。上記光としては、近赤外光（例えば、７８０ｎｍと８０５ｎｍと８３０ｎｍとの３波長光）が用いられる。
光検出部３は、１２個の受光プローブ１３ａ〜１３ｌで受光した近赤外光（例えば、７８０ｎｍと８０５ｎｍと８３０ｎｍとの３波長光）を個別に検出することにより、１２個の受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）をコンピュータ２０に出力する。

コンピュータ２０においては、ＣＰＵ２１を備え、さらにメモリ２５と、モニタ画面２３ａ等を有する表示装置２３と、入力装置２２であるキーボード２２ａやマウス２２ｂとが連結されている。また、ＣＰＵ２１が処理する機能をブロック化して説明すると、発光部２及び光検出部３を制御する送受光部制御部４０と、解析用制御部２１ａと、展開表面画像表示制御部２１ｂと、測定データ表示制御部２１ｃとを有する。さらに、メモリ２５は、測定データを記憶していく測定データ記憶領域２５ａと、展開表面画像データを予め記憶する画像データ記憶領域２５ｂとを有する。

送受光部制御部４０は、発光部２に駆動信号を出力する発光制御部４２と、光検出部３からの受光量情報を受けることにより受光量情報を測定データ記憶領域２５ａに記憶させる光検出制御部４３とを有する。発光制御部４２は、送光プローブ１２に光を送光する駆動信号を発光部２に出力する制御を行う。光検出制御部４３は、光検出部３からの受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）を受けることにより、１２個の受光プローブ１３ａ〜１３ｌから検出された１２個の受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）を測定データ記憶領域２５ａに記憶させる制御を行う。つまり、１個の送光プローブから光が送光されるごとに、１２個の受光量情報Ａ（λ_１）、Ａ（λ_２）、Ａ（λ_３）が測定データ記憶領域２５ａに記憶されることになる。

解析用制御部２１ａは、測定データ記憶領域２５ａに記憶された受光量情報Ａ_ｘ（λ_１）、Ａ_ｘ（λ_２）、Ａ_ｘ（λ_３）（ｘ＝１，２，・・・，３６）に基づいて、関係式（１）（２）（３）を用いて、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]及び総ヘモグロビンの濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）を求め測定データ記憶領域２５ａに記憶させる制御を行う。

展開表面画像表示制御部２１ｂは、画像データ記憶領域２５ｂに予め記憶された展開表面画像データに基づいて、展開表面画像３１をモニタ画面２３ａに表示する制御を行う（図３参照）。
展開表面画像３１は、一般的なヒトの略球状の頭皮表面を上方から見た画像（頭皮表面上方画像）３１ａと、右方から見た画像（頭皮表面右方画像）３１ｂと、左方から見た画像（頭皮表面左方画像）３１ｃと、前方から見た画像（頭皮表面前方画像）３１ｄと、後方から見た画像（頭皮表面後方画像）３１ｅとを含むものである。そして、モニタ画面２３ａにおいて、頭皮表面上方画像３１ａを中央にして、頭皮表面上方画像３１ａの上方に隣接して頭皮表面後方画像３１ｅを配置し、頭皮表面上方画像３１ａの左方に隣接して頭皮表面左方画像３１ｃを配置し、頭皮表面上方画像３１ａの右方に隣接して頭皮表面右方画像３１ｂを配置し、頭皮表面上方画像３１ａの下方に隣接して頭皮表面前方画像３１ｄを配置している。すなわち、モニタ画面２３ａには、頭皮表面上方画像３１ａを中央にして略球状の頭皮表面を平面に展開したものが表示されている。

測定データ表示制御部２１ｃは、測定データ記憶領域２５ａに記憶されたオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]等と、ホルダ５０におけるプローブ位置情報及び被検者の頭皮表面に対するホルダ位置情報によって算出された測定部位関連位置とに基づいて、展開表面画像３１における測定部位関連位置中にオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]等を表示する制御を行う。例えば、ある時間ｔにおける合計３６箇所の測定部位関連位置からのオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]を、数値とカラーとの対応関係を示すカラーテーブルに基づいて、カラーマッピングで展開表面画像３１に重畳して表示する。このとき、例えば、頭皮表面上の測定部位関連位置は、送光プローブ１２の位置と受光プローブ１３の位置とを頭皮表面に沿って最短距離で結んだ線の中点Ｍの位置とする。

以上のように、光生体測定装置１によれば、頭皮表面を平面に展開した展開表面画像３１を表示して、展開表面画像３１上に測定データを重畳して表示するので、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]等の測定データが得られる測定部位の位置も容易に把握することができるとともに、全ての測定データを同時に観察することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述した光生体測定装置１では、展開表面画像３１を表示する構成を示したが、他の展開表面画像を表示してもよい。
図４は、展開表面画像の他の一例を示す図である。展開表面画像１３１は、一般的なヒトの略球状の頭皮表面を上方から見た画像（頭皮表面上方画像）１３１ａと、右方から見た画像（頭皮表面右方画像）１３１ｂと、左方から見た画像（頭皮表面左方画像）１３１ｃと、前方から見た画像（頭皮表面前方画像）１３１ｄと、後方から見た画像（頭皮表面後方画像）１３１ｅとを含むものである。そして、モニタ画面において、頭皮表面上方画像１３１ａを中央にして、頭皮表面上方画像１３１ａの上方に隣接して頭皮表面後方画像１３１ｅを配置し、頭皮表面上方画像１３１ａの左方に隣接して頭皮表面左方画像１３１ｃを配置し、頭皮表面上方画像１３１ａの右方に隣接して頭皮表面右方画像１３１ｂを配置し、頭皮表面上方画像１３１ａの下方に隣接して頭皮表面前方画像１３１ｄを配置している。さらに、頭皮表面後方画像１３１ｅの左側周縁部と頭皮表面左方画像１３１ｃの上側周縁部との間を引きのばして接続し、頭皮表面左方画像１３１ｃの下側周縁部と頭皮表面前方画像１３１ｄの左側周縁部との間を引きのばして接続し、頭皮表面前方画像１３１ｄの右側周縁部と頭皮表面右方画像１３１ｂの下側周縁部との間を引きのばして接続し、頭皮表面右方画像１３１ｂの上側周縁部と頭皮表面後方画像１３１ｅの右側周縁部との間を引きのばして接続している。

図５は、展開表面画像のさらに他の一例を示す図である。展開表面画像２３１は、一般的なヒトの略球状の頭皮表面を上方から見た画像（頭皮表面上方画像）２３１ａと、右方から見た画像（頭皮表面右方画像）２３１ｂと、左方から見た画像（頭皮表面左方画像）２３１ｃと、前方から見た画像（頭皮表面前方画像）２３１ｄと、後方から見た画像（頭皮表面後方画像）２３１ｅとを含むものである。そして、モニタ画面において、頭皮表面上方画像２３１ａを中央にして、頭皮表面上方画像２３１ａの上方に隣接して頭皮表面後方画像２３１ｅを配置し、頭皮表面上方画像２３１ａの左方に隣接して頭皮表面左方画像２３１ｃを配置し、頭皮表面上方画像２３１ａの右方に隣接して頭皮表面右方画像２３１ｂを配置し、頭皮表面上方画像２３１ａの下方に隣接して頭皮表面前方画像２３１ｄを配置している。さらに、頭皮表面後方画像２３１ｅの左側下部と頭皮表面左方画像２３１ｃの右側上部との間を引きのばして接続し、頭皮表面左方画像２３１ｃの右側下部と頭皮表面前方画像２３１ｄの左側上部との間を引きのばして接続し、頭皮表面前方画像２３１ｄの右側上部と頭皮表面右方画像２３１ｂの左側下部との間を引きのばして接続し、頭皮表面右方画像２３１ｂの左側上部と頭皮表面後方画像２３１ｅの右側下部との間を引きのばして接続している。

図６は、展開表面画像のさらに他の一例を示す図である。展開表面画像３３１は、一般的なヒトの略球状の頭皮表面を上方から見た画像（頭皮表面上方画像）３３１ａと、右方から見た画像（頭皮表面右方画像）３３１ｂと、左方から見た画像（頭皮表面左方画像）３３１ｃと、前方から見た画像（頭皮表面前方画像）３３１ｄとを含むものである。そして、モニタ画面において、頭皮表面前方画像３３１ｄを中央下部にして、頭皮表面前方画像３３１ｄの上方に隣接して頭皮表面上方画像３３１ａを配置し、頭皮表面前方画像３３１ｄの左方に隣接して頭皮表面左方画像３３１ｃを配置し、頭皮表面前方画像３３１ｄの右方に隣接して頭皮表面右方画像３３１ｂを配置している。そして、展開表面画像３３１上に複数の測定部位におけるオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]（測定データ）が表示されている。

（２）上述した光生体測定装置１では、一般的なヒトの略球状の頭皮表面を見た展開表面画像３１を表示する構成を示したが、一般的なヒトの略球状の脳表面を見た展開表面画像や被検者自身の頭皮表面を見た展開表面画像を表示してもよい。このとき、例えば、脳表面上の測定部位関連位置は、送光プローブ１２の位置と受光プローブ１３の位置とを結んだ線の垂直二等分線と交差する位置とする。

（３）上述した光生体測定装置１では、カラーマッピングで展開表面画像３１に重畳して表示する構成を示したが、縦軸は濃度を示し、横軸は時間を示すトレンドグラフを展開表面画像に重畳して表示してもよい。
（４）上述した光生体測定装置１では、１２個の送光プローブ１２ａ〜１２ｌと１２個の受光プローブ１３ａ〜１３ｌとを有するホルダ５０を示したが、異なる数、例えば９個の送光プローブと９個の受光プローブとを有する送受光部としてもよい。

本発明は、脳内各部の血流の経時変化や酸素供給の経時変化を測定することにより、生体の組織が正常であるか否かを診断するための酸素モニタ等として使用することができる。

１：光生体測定装置
１２：送光プローブ
１３：受光プローブ
２１ｂ：展開表面画像表示制御部
２１ｃ：測定データ表示制御部
２２：入力装置
２３：表示装置
４０：送受光部制御部
５０：ホルダ（送受光部）
Ｔ：送光点
Ｒ：受光点
Ｍ：計測点

Claims

被検者の頭皮表面上に配置される複数個の送光プローブと、当該頭皮表面上に配置される複数個の受光プローブとを有する送受光部と、
前記送光プローブが頭皮表面に光を照射するとともに、前記受光プローブが頭皮表面から放出される光を検出するように制御することで、脳活動に関する測定データを得る送受光部制御部と、
前記測定データを表示する測定データ表示制御部とを備える光生体測定装置であって、
頭皮表面又は脳表面を平面に展開した展開表面画像を表示する展開表面画像表示制御部を備え、
前記測定データ表示制御部は、前記展開表面画像上に測定データを表示することを特徴とする光生体測定装置。
前記展開表面画像は、頭皮表面又は脳表面を上方から見た画像と、右方から見た画像と、左方から見た画像と、前方から見た画像と、後方から見た画像とのうちから選択される少なくとも２方向から見た画像を含むことを特徴とする請求項１に記載の光生体測定装置。
前記測定データは、ヘモグロビン濃度を示すデータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光生体測定装置。
前記ヘモグロビン濃度とカラーとの対応関係を示すカラーテーブルに基づいて、前記ヘモグロビン濃度をカラーマッピングで、前記展開表面画像に重畳して表示することを特徴とする請求項３に記載の光生体測定装置。