JP2013176636A - 体腔のガス測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組織に包囲されている体腔の遊離ガスを、非侵襲的に検出または測定することのできる装置を提供する。
【解決手段】一実施形態によれば、装置は、発光器（１、２）と、検出器（４）と、計算手段とを備えている。本装置によって、頭蓋の腔部内の遊離酸素と、酸素の変化量の測定が、散乱媒質光吸収分光法によって実施される。これは特に、副鼻腔炎等の検出と診断に適用することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的に腔部内のガス測定分野に関する。さらに特定すれば、本発明は人間の腔部（体腔、体内腔部）の遊離ガスすなわち非結合ガスを測定する装置及び方法に関する。

体内を非侵襲的に検査して体内の炎症を検出することは好ましい。そのための良く知られた方法は煩雑であり、装置は構造が複雑であって高価である。

よって改良装置並びに改良方法が求められている。特に、さらにフレキシブルで安価であり、非侵襲的であって利用が容易な装置及び方法が求められている。

国際公開公報０３／０９３８０３号及び対応する米国特許出願第１０／９７９，０８２号は、物質の表層（例：塗料）の検査方法並びに装置を開示する。そこでは表層を通過して物質内部に浸透するガス（気体）が測定される。物質内への浸透ガスの測定は光吸収分光法によってガスによる光吸収度の測定により実施される。しかしながら、この方法及び装置は医療目的では実用化されていない。米国特許出願第１０／９７９，０８２号は、その全体を参照によりここに組み込む。

米国特許第３，６７４，００８号は、徹照された人体部の光密度を定量的に測定する器具を開示する。この器具は制御式であり、第１伸張・遅延回路を介して光源に適用されるパルスを発生する比較的に低周波である発信器を含む。光伝導手段は光源を人体部の一面と光学的に結合させ、類似手段が人体部の別面を光センサーと光学的に結合させる。周囲光の補整後、光センサーの出力部はサンプル及び第２伸張・遅延回路を介して制御式発信器により起動される保持回路に結合される。サンプル及び保持信号の保存信号は透過量と比例し、校正済み表示手段により光密度の視覚的表示に変換される。しかし米国特許３６７４００８は体内腔部の遊離ガスの測定に関しては何ら開示しない。なぜなら、その器具は不透明な物質よりも流体の方が光を良く通し、流体の光伝導通路を通過する光を検出できるという事実に依存するだけだからである。

米国特許第５，７０６，８２１号は、分光学的に提供された放射線を吸収及び散乱させる媒質に含まれる物質の濃度の変化を定量的に決定する分光測定技術を開示する。その媒質はその放射線に対して異なる可能性を有する吸収及び散乱特性を表示する複数の領域を含む。特許では脳内または骨格筋内のオキシヘモグロビン並びにデオキシヘモグロビンの濃度の変化及び／またはシトクロームオキシダーゼのレドックス状態の変化を非侵襲的に決定する方法が関与する特定の適用法が開示されている。しかし米国特許５７０６８２１はガス自体の測定による非結合ガスの濃度の変化に関しては開示しない。濃度の変化を定量的に決定する唯一の技術は媒質、すなわちオキシヘモグロビン及び／またはデオキシヘモグロビンを介したものである。

欧州特許第０８０１２９７号は、一定の測定条件を常に確立させるために、対象物の測定部に測定光を照射する高再現性を有した方法を開示する。この特許では、対象者の手に照射された測定光の反射光部のスペクトル密度を検出するスペクトル分析部を含んだ光学測定装置が開示されている。手の測定部が位置調整されると手の平の画像がＣＣＤカメラで撮影され、操作技術者はそのように撮影された画像パターンから特徴部を有した部分を選択する。スペクトル分析が実行されると、手の平は再びＣＣＤカメラで撮影され、位置合わせ時の部分はその画像のパターンから検出され、スペクトル分析部分が移動機構によって移動された後に測定光はそのように位置が合わせられた特徴部分に入射される。しかし欧州特許第０８０１２９７号は体内腔部の遊離ガスの測定は開示しない。

国際公開公報ＷＯ０３／０９３８０３号 米国特許出願第１０／９７９，０８２号 米国特許第３，６７４，００８号 米国特許第５，７０６，８２１号 欧州特許第０８０１２９７号

発明の概要
従って、本発明は当該分野の前述の欠点及び弱点を単独またはそれらが組み合わされた状態にて緩和、軽減あるいは排除する装置及び方法を提供することで前述の問題を少なくとも部分的に解決することを目的とする。

基本的な解決法は体内腔部の遊離ガスの測定に基づいている。

本発明の第一の特徴によれば、以下で説明する本発明の別特徴に従った方法を実行するように構成された装置が提供される。

特に、本発明の一実施形態によれば、体内腔部の遊離ガスを測定する装置が提供される。この装置は体内腔部の外側からその体内腔部に向けて光を照射するように構成された発光器と、体内腔部を包囲する組織から散乱した光を集光し、体内腔部の遊離ガスに特有な少なくとも１つの波長範囲を観察するように構成された受光器と、光吸収分光法に基づいてその集光された散乱光から体内腔部の遊離ガス濃度を評価する計算手段とを含む。

その受光器は人体の外部に設置される。

本発明の一実施形態では遊離ガスに特有な波長範囲は結合分子のガスの波長範囲の約１００００分の１である。

その計算手段は、基準ガスと遊離ガスの濃度の割合を計算するように構成でき、遊離ガスの濃度を決定する。基準ガス濃度は、人体の肺臓あるいは他の体内腔部内の水蒸気濃度のごとき知られた遊離水蒸気濃度でよい。遊離酸素または遊離二酸化炭素の濃度に比例するため、未知ガス濃度に対する水蒸気濃度の割合はその計算手段によって利用される。

発光器は内視鏡または光ファイバカテーテル内に設置できる。

この装置を小型な携帯用とし、体内腔部の遊離ガスの測定のために体外で利用できるように構成することができる。

発光器は近赤外線シングルモードダイオードレーザとすることができる。

受光器は光電子倍増管とすることができる。

ガスは、酸素、メタン、二酸化炭素、水蒸気あるいは酸化窒素から選択できる。

装置は透過形態あるいは後方散乱形態にて散乱媒質に対して光吸収分光法を適用するように構成できる。

発光器及び受光器は透過形態あるいは後方散乱形態で配置されることができる。

受光器は集光された散乱光を信号に変換するように構成できる。装置はその信号を第１信号と第２信号とに分割する手段を含むことができる。装置は第１信号をコンピュータ制御デジタル式オシロスコープに送り、第２信号をロックイン型アンプに送るように構成できる。装置はその後に第２信号をそのオシロスコープに送るように構成できる。

装置は発光器と受光器（４）を対象者の皮膚上に直接的に設置できる測定先端部を含むことができる。

装置は遊離ガスの動的計測を提供するように構成できる。

装置は対象者の生理的なプロセスまたは生理学的な異常あるいは病気の検出等の診断用に構成できる。生理的なプロセスとは対象者の呼吸等であり、生理学的な異常または病気には炎症や感染症が含まれる。

遊離ガスは酸化窒素（ＮＯ）であり、装置は検出された遊離酸化窒素（ＮＯ）から感染レベルを決定するように構成できる。

装置は対象者の副鼻腔炎、胸腔炎、消化器疾患あるいは耳腔炎の診断用として構成できる。

装置はそのような体内腔部の疾患を有する新生児用に構成することができる。

本発明の他の特徴によれば、この目的を達成するための方法が提供される。

特に、体内腔部の遊離ガスを非侵襲的に測定する方法が提供される。この方法は体内腔部の外側からその体内腔部側に光を照射し、体内腔部周囲の生体組織から散乱光を集光し、体内腔部の遊離ガスに特有な少なくとも１つの波長範囲を観察し、光吸収分光法の技術に基づいて集光された散乱光から体内腔部の遊離ガス濃度を評価することを含む。

体内腔部の遊離ガスの測定方法は散乱媒質内の遊離ガスの吸収分光測定を含むことができる。測定は透過形態または後方散乱形態で実施できる。

遊離ガスに特有な波長範囲は結合分子のガスの波長範囲の約１００００分の１である。

この評価は基準ガスと遊離ガスとの濃度の割合の計算を含み、遊離ガスの濃度が決定される。

基準ガス濃度は、例えば体内の肺臓または他の体内腔部内の水蒸気濃度といった、知られた遊離水蒸気濃度でよい。遊離酸素または遊離二酸化炭素の濃度を決定するため、未知ガスに対する水蒸気の濃度の割合が利用できる。遊離水蒸気濃度が１００％であるとき、対象濃度はこの遊離ガスの濃度に直接的に比例する。

発光及び集光は透過形態あるいは後方散乱形態にて達成できる。

この方法は、集光された散乱光を信号に変換することを含むことができる。

この方法は、この信号を第１信号と第２信号とに分割することを含むことができる。

この方法は、第１信号をコンピュータ制御デジタル式オシロスコープに送り、第２信号をロックイン型アンプに送ることを含むことができる。

この方法は、その後に第２信号をオシロスコープに送ることを含むことができる。

この方法は、例えば光ファイバカテーテルまたは内視鏡のような光ガイド手段によって、散乱媒質吸収分光解析のために光を体内に導入し、遊離ガスを含む腔部の検査のために体内深部の分析をすることを含むことができる。

この方法は、体外から体内の腔部内に散乱媒質吸収分光解析ための光を導入することを含むことができる。

この方法は、測定先端部を対象者の皮膚上に直接的に設置することを含むことができる。

この方法は、遊離ガスの動的計測を提供することができる。

本発明の別の特徴によれば、本発明の前記特徴による方法は体内腔部の遊離ガスの測定に基づく病気診断に利用できる。

特に、体内腔部の遊離ガス測定方法は対象者の生理的なプロセスまたは生理学的な異常あるいは病気を検出するといった診断目的に利用することができる。

生理的なプロセスとは対象者の呼吸等である。

生理学的な異常には、炎症または感染症が含まれる。

遊離ガスは酸化窒素（ＮＯ）であり、検出された遊離酸化窒素（ＮＯ）のレベルは感染レベルの決定に使用することができる。

対象者の副鼻腔炎、胸腔炎、消化器疾患あるいは耳腔炎の診断用に利用することができる。

そのような体内腔部疾患を有した新生児用に対して利用することができる。

本願発明はこのように有用な装置及び方法を提供する。このような装置を携帯用とし、体内状態の非侵襲的測定を可能にすることができる。

本願発明の、これらのそして他の態様、特徴、及び効果は、少なくとも部分的に、添付の以下の図面を参照されつつ、本発明の実施形態の記載によって明らかにされ、説明されている。

図１のＡは前頭洞と上顎洞の位置を示す図である。図１のＢは前頭洞の水平断面のＣＴ画像である。図１のＣは前頭洞と上顎洞の垂直断面のＣＴ画像である。 図２は本発明による装置の実験的構成と実施例とを示す概略図である。 図３Ａは、後方散乱形態の前頭洞に対する測定を擬似する擬似構成を図示する。 図３Ｂは、透過形態の上顎洞に対する測定を擬似する擬似構成を図示する。 図４Ａは、後方散乱形態にて測定された３ｍｍの固定主要散乱厚を有した、異なる副散乱量の腔部厚の関数としての酸素信号の概略グラフである。 図４Ｂは、後方散乱形態にて測定された３０ｍｍ以上の固定副散乱厚を有した、異なる主要散乱量の腔部厚の関数としての酸素信号の概略グラフである。 図５Ａは、透過形態にて測定された１０ｍｍの固定主要散乱厚を有した、異なる副散乱量の腔部厚の関数としての酸素信号の概略グラフである。 図５Ｂは、後方散乱形態にて測定された１０ｍｍの固定副散乱厚を有した、異なる主要散乱量の腔部厚の関数としての酸素信号の概略グラフである。 図６は、擬似空間のガスが拡散によって供給される異なるガス混合物によって置換されたときの、酸素信号の変化を示す概略グラフ（Ｉ_１＝３ｍｍ、Ｉ_２＞３０ｍｍ、ｄ＝８ｍｍ）である（測定は後方散乱形態にて実行）。 図７Ａは、図７Ｂで示すような、健康な志願者の前頭洞に接触状態及び離れた状態で測定した平均Ｌeqを図示しており、１標準偏差に対応するエラーバーが共に図示されている。 図７Ｂは、図７Ａの健康な志願者の概略Ｘ線画像であり、前頭洞の範囲を示している。 図８Ａは、前方／透過散乱形態の概略図である。 図８Ｂは、後方散乱形態の概略図である。

以下の説明は、好適には診断目的による、頭蓋腔部内の遊離酸素、特にそのような酸素の変化の測定のための方法並びに装置に利用できる本発明の例示的実施例を解説するものである。しかし本発明はこのような体内腔部への適用に限定されず、遊離ガスを含む他の多くの体内腔部に対しても適用できる。特に、非侵襲的方法または装置を利用した遊離ガス濃度の検出及び／または測定に利用されることが望ましい。

本発明の一実施形態による方法が利用される。本発明の装置の一実施形態は、図２で図示されている。

この実施形態によれば、頭蓋腔部内の遊離酸素ガスの測定方法が提供される。この測定方法は一般的な病状である副鼻腔炎の診断に利用されている。この測定方法は遊離酸素ガスの吸収分光法に基づくものである。体内洞腔部は通常は空気で満たされており、このガスの存在は同調式ダイオードレーザを利用した波長変調分光法により観測される。

例えば副鼻腔炎のような炎症は、しばしば腔部を液体や膿汁で満たし、腔部内のガスの内容を変更する。また、そのような詰まった腔部ではガス交換が妨害され、動的ガス濃度変化が影響を受ける。このことは本実施形態の基礎を構成し、腔部内の遊離分子ガスの内容に関する信号の測定を導いた。下記ではいかにして７６０ｎｍ程度の分子酸素信号について、深層構造部からの光がガスの充満している腔部を通って後方散乱されるとき、外側の顔面組織を介して観察できるかを解説する。

別例によれば、口腔から光ファイバ照光並びに頬モニターを利用して上顎洞に提供される透過形態が提供される。

鼻腔ガス信号は静的に研究できるが、開放状態あるいは閉鎖状態の鼻腔を通過するガス運搬の存在または非存在を観察することで動的にも研究できる。そのような測定では肺臓から排出される空気のごとき非大気酸素組成のガスが利用される。

人体組織は、６００から１４００ｎｍの範囲の比較的に低い吸収（組織の光学的範囲）を示す。この光学的範囲では散乱が支配的である。この波長間隔の光学的な徹照は光学式のマンモグラフィのために研究されている。本明細書の技術は散乱媒質吸収分光法（ＧＡＳＭＡＳ）分野のガスで得られた経験を利用しているが、散乱媒質全体に分布するガスが研究されている。このような分布ガスは、液体または固体の分子による幅広い構造に較べて非常に鋭い（例：０．００１ｎｍ）の吸収の痕跡を提供する。すなわち遊離ガスの波長範囲は結合分子の波長範囲の約１００００分の１である。この実施例によれば、光は広範散乱させる“鏡”を介して仲介されたマクロスケールのガス腔部を通過する。１実施例による腔部状況は顔面組織の方向に押された測定先端部から評価される。この目的での吸収分光法の利用は、体内腔部の外側から体内腔部内の遊離ガス濃度と関係する測定信号を提供させる。分光法は遊離ガスで満たされた腔部を包囲する生体組織が光を散乱させ、散乱率と較べて無視できる程度の吸収率を使用波長に有している場合に非常に狭い波長範囲が使用されるという原理に基づく。一方、対象の遊離ガスはこの非常に狭い波長で、その吸収率と較べて無視できる程度の散乱率を有している。よって、吸収分光法が使用されると、腔部内の遊離ガス濃度と関係する測定信号が提供される。それはこれが主として吸収の程度を決定するためであり、周囲組織のものではない。このような波長は、例えば７６０ｎｍ程度の遊離酸素分子のものであり、９８０ｎｍ程度の遊離水蒸気のものである。さらに拡散透過形態または後方散乱形態での測定に使用される線幅は、実施例によれば、例えば０．０１から０．０００１ｎｍである。

顔面の解剖学的背景
図１に図示するごとく、鼻咽頭領域内の顔面骨にはいくつかの腔部が存在しており、洞とも呼ばれる。前頭洞はほとんどの場合１つの腔部で構成されているが、異なる部分を有することもある。上顎洞と蝶形骨洞は左右相称である。篩骨蜂巣システムもまた左右相称であり、多くの小さな連通腔部で構成されている。前頭洞は頭蓋骨の前骨の眼球の真上に位置している。上顎洞は頬の上顎部両側の眼窩床真下に位置する。篩骨蜂巣と蝶形骨洞（図１には図示せず）は鼻の中間部及び背部に位置している。少なくとも健康な人では、全ての洞は排出用として鼻腔に接続されている。

洞の炎症及び診断
副鼻腔の炎症はこの領域のウィルス感染またはアレルギー反応に関連している場合が多い。これは通常粘液組織の膨張を引き起こし、排出通路を閉鎖させる。これらの閉鎖腔部ではバクテリアが増殖して副鼻腔炎と呼ばれる臨床兆候を引き起こす。副鼻腔炎の診断は、頬の触診及び検鏡による鼻腔膿液の視覚的観察等の臨床検査と合わせて患者の既往歴に基づいてなされる。臨床基礎医学検査には洞Ｘ線、超音波及び低照射コンピュータ断層撮影が含まれる。これらの方法の中で超音波及び洞Ｘ線検査は、現在ほとんど利用されていない。洞状態の評価は簡単でないことがあるため、追加診断のための簡易な道具が必要である。信頼できる診断モダリティは不要な抗生物質治療の低減にもつながる。本発明の実施例はこのようなモダリティを提供する。

本発明の実施形態によれば、レーザ吸収分光法に基づく光学的技術が洞状態の検査に提供される。前頭洞と上顎洞の位置は共に顔面外部からの光学検査に適している。前頭洞は約１０ｍｍの骨構造と組織構造によって分離されており、腔部は典型的には１０ｍｍの厚みを有している。上顎洞は概ね同じ厚みの骨組織と筋肉組織の後方に位置している。腔部は最大３ｃｍ幅の空洞を提供している。後述のごとくこれは透過の測定に利用される。正確には篩骨蜂巣及び蝶形洞は光照射及び検出のため鼻腔から到達できる。前者の蜂巣集合体（篩骨）は特に子供が感染することがあり、眼窩腔付近であれば特に深刻な状態とされる。

実験
ガス分光法に基づいた洞診断に関する補助的実験を２段階に分けて行った。先ず、２空間を有するプラスチック製散乱部から成るモデルシステムをいくつかのパラメータを変更しながら後方散乱形態と透過形態で検査した。次に、生体外結果を実証するため、志願者の洞腔部を生体内で測定した。これについて以下に説明する。

実験設備
本発明による装置１１０の１実施例を図２に示している。ガス検出システムの概略図を１００で示している。近赤外線シングルモードダイオードレーザ１である出力７ｍＷのシャープＬＴ０３１ＭＤＯを分光光源として利用した。４Ｈｚの反復率で駆動電流へランプを適用することで、ダイオードレーザ１は７６１．００３ｎｍ（真空波長）に提供されたＲ７Ｒ７分子酸素線で温度調整された。図２の左側から分かるように、光波長変調を提供するように９ｋＨｚ正弦波が電流ランプに重ねられて高感度の波長変調分光（ＷＭＳ）が提供される。

コア径６００μｍの光ファイバ２を使用して光をサンプルへ導いた。後方散乱形態測定用にファイバ２の先端の先方と検出器４の中央に取り付けられた小型の直角プリズム３を使用し、サンプル５内へ光を投射するために内部反射が提供された。これは実質的に約２ｍＷに露光された。それぞれ１０ｍｍ及び２１ｍｍの内径及び外径を有する環状開口部を使用して、後方散乱形態の光子をサンプル５から集光した。透過形態（図２には図示せず）のために、ファイバがサンプル５の上方に配置され、検出器の前方で直径５ｍｍの円状開口部を使用した（図３Ｂに図示）。広い動作範囲で効果的に光子を収集するため、光電子倍増管６（ハママツ ５０７０Ａ）で光を検出し、遮光用着色ガラスフィルター７（ショット ＲＧ７１５）で可視光線から保護した。

光電子倍増管からの信号を２つの部分に分割することで吸収信号を検出した。１部分（直接信号）は直接的にコンピュータ制御デジタル式オシロスコープ８に送られた。他の部分（ＷＭＳ信号）はロックイン型アンプ９（ＥＧ＆Ｇ プリンストンアプライドリサーチ５２０９）へ送られ、図２に示すごとくオシロスコープ８の別チャンネルへ送られる前に、変調周波数の２倍で位相感応検出が提供された。その信号が吸収プロフィールの導関数のように見えるため、ロックイン検出性能波長変調分光法は導関数分光法と呼ばれることが多い。この場合、変調周波数の２倍での検出が実行されると、ロックイン信号は吸収プロフィールの二次導関数のように見える。

ＷＭＳ信号の強度は狭いガス吸光特性の絶対値、すなわち検出器に到達するガスと光量による吸収率によって決定される。ＷＭＳ信号中の吸収信号のピーク値からピーク値までを測定し、これを検出器に到達する光量（直接信号）に関して標準化して対象ガスによる吸収を評価する。少量の吸収では、ＷＭＳ信号は吸収度に比例し、よってガス濃度と光の経路長の積に比例する。

標準添加法と呼ばれる手法で標準化測定ＷＭＳ信号を校正し、有用値へと変換した。散乱物体に加えてレーザ光が通過する知られた環境大気の経路長を追加し、取得した標準化ＷＭＳ値を追加された空気の関数としてプロットすることで、大気の等価な距離が予想される。このようなプロットのデータポイントは直線となることが予想される。零交差は環境大気内の等価な距離Ｌeqを提供し、サンプルからの信号と同じ規模の信号を発生させる。

測定
モデルシステム測定
図３Ａ及び図３Ｂに示すシステムで人体擬似測定を実施した。厚みＩ_２の副散乱部Ｓ_２から距離ｄで分離した厚みＩ_１の主要散乱部Ｓ₁にレーザ光を投射する。散乱部は人体組織と似た散乱率を有するデルリン・プラスチック製である。人体組織の場合と同様に波長７６０ｎｍでの吸収率はその散乱率に比べて無視できる程度である。

図３Ａは後方散乱形態を図示しており、Ｓ₁に投射された光子は内部で複合散乱される。後方散乱の原理も図８の右図に示している。光子の一部は散乱部を分離している空隙へ漏れ、Ｓ_２へ進入する前に空隙を直線状に横切る。複合散乱が生じ、光子の一部はＳ_１内で再び散乱するように再度空隙を横切る。主にＳ_１内へ投射された光子の少量は光電子倍増管で検出される前に、空隙を２度通過した後に最終的にはこの散乱部を通過する。このような光子は空気中で２ｄよりも長い距離を通過する。２ｄ＝２０ｍｍの経路長の場合、Ｒ７Ｒ７酸素線による４×１０^-4の吸収率は通常大気組成の空気において予期される。光電子倍増管に到達する光の大部分はＳ_１からのみ後方散乱されるためガス吸収の痕跡を有しない。従って吸収率の信号は弱められる。空隙を通過する複数通路からのガス信号作用は無視できる。Ｓ_１内で散乱された光子による不都合な作用は、光電子倍増カソードの前で充分な大きさの中央ビーム停止部を選択することによってのみ大きく低減させることができる。光源と検出器との間の距離を増大させることで散乱媒質をより深く検査できるという通常観察結果に則している。

図３Ｂは透過形態の測定を示している。後方散乱形態との主な違いは、検出器に到達する光子が全て空隙を横断しているに違いないことである。しかしながら、支配的な信号量は１本の空隙通路からのものである。

後方散乱形態における主要散乱部及び副散乱部の影響を研究するため、すなわち前頭洞の測定をエミュレートするため酸素信号が固定値Ｉ_１に対して測定され、ｄとＩ_２が変動したところで第１シリーズの測定が実施された（図４Ａ）。測定の第２シリーズでは固定値Ｉ_２でＩ_１を変動させて同じ手順を実施した。（図４Ｂ）。図４Ａから、酸素信号全体は増加する副散乱部の厚みと共に増加することが分かった。しかしながら、この増加は急減して約３０ｍｍ厚で終息し、これ以降、副散乱部は無限厚の散乱部であると考えられる。このケースは、骨と脳が巨大な副散乱部を構成し、この散乱部の特性による大きな変化は予測されないという臨床測定結果に合致する。しかしながら図４Ｂに示すごとく、異なる人間は異なる洞深度を有することから主要散乱部は測定に大きく影響する。Ｓ_２からの光子は有限サイズの検出器の外側で散乱する傾向にあるため、所定閾値以上の空気距離では信号は減少し始める。同様の理由によって、信号レベルは主要散乱部が厚いほど低くなる。最大酸素信号は約５ｍｍから１０ｍｍ程度の空気距離で発生するため、この効果は前頭洞の人体測定では限界ではない。しかしながら、上顎洞が厚くなれば、２つの異なる経路長で同じ信号が発生すると問題が起きる可能性がある。図５は、このケースに関連する別の透過形態のデータであり、主に図８の左図で示されている。

この形態では、主要散乱部の厚みは酸素信号に同等の影響を及ぼさない。全ての集光光子は空気距離を通過しているため、酸素信号は空気距離と共に増加する。本件とは関係ないが、非常に長距離の場合、Ｌeqは実際の空気距離と等しいが、短距離の場合には角度を有して通過するために長い経路長が追加されることにより酸素信号は大きくなる（図５Ａ）。副散乱部の厚みの影響は無視できる（図５Ｂ）。

空腔と鼻腔との間のガス運搬をシミュレーションするため、空隙を、空隙を埋めるよう空気を満たした小型プラスチックバッグで置き換えた。この実験は、上顎洞では後方散乱形態と透過形態の両方で実施でき、前頭洞では後方散乱形態で実施できる。全てのケースにおいて酸素信号は減少すると予想される。プラスチックバッグは大型の窒素充填バッグにバルブとプラスチックチューブを介して接続され、通路を狭くするために内部に脱脂綿が挿入された。図６は、空隙の酸素含有量が拡散によって減少した際の酸素信号の変化を示しており、Ｉ_１＝３ｍｍ及びＩ_２＝１０ｍｍの後方散乱形態で測定されている。特に図示のごとく、通路が遮断された場合には信号は変化しないと予測される。

人体試験
実際の人体診断での有効性を試験するため、志願者の前額部に対して測定先端部で信号を記録した。前頭洞での測定データと近隣の基準（固体組織）位置を図７に示す。前頭洞は固定厚を有する腔部ではないため予想されることであるが、前頭洞での平均Ｌeqは実質的に変動し、前頭洞外側の測定結果は非常に安定したゼロ信号となる（図７ａ）。同様に、人間の脇下は安定したゼロレベルを提供した。これらの結果は、低解像度酸素ガス画像結果をもたらす前頭洞の含有ガスのリアルタイムモニターに本方法が利用できることを示している。実質的に改良された信号対ノイズレベルは最適な装置のセットアップによって提供される。

模擬形態と志願者とで示された測定結果は、正常な人間の体腔内の遊離ガスは、連結された通路を通過するガス交換と同様に、前述の装置で形態モニターできることを示している。測定結果は洞の感染による異常を暗示しており、空気が液体と入れ換わった状態であり、通路の閉塞が検出でき、非侵襲的でリアルタイムの新規な診断方法が提供される。動的ガス測定には適切な呼吸技術を利用してそれぞれ２１パーセントと１６パーセントである吸気と呼気の酸素含有量の差が利用できるであろう。この方法は呼吸モニタリングの１方法を提供する。さらに詳細には、体外で測定した洞内の吸気と呼気の変化は健康対象者の典型的パターンを表している。すなわち環境大気が取り込まれて吸気中に腔部に広がる際、酸素含有量は約２１パーセントから約１６パーセントへ下降し、再び２１パーセントへ上昇する。

本発明の一実施形態によれば、相当な診断力を有するコンパクトな携帯機器が提供され、これには前述の装置を小型化した構成部品が利用される。

その他の実施形態としては、組織の光学的な範囲のオーバートーン吸収バンドを有する二酸化炭素、水蒸気あるいはメタン等の他の生理的ガスの測定が含まれる。特に濃度の割合の測定は散乱特性とは別であり、閉鎖した空腔部の有益な診断情報を供給するであろう。二酸化炭素の利用によって提供されるさらに明瞭なコントラストによって動的測定もまた有利であり、濃度の割合は環境大気内の約ゼロ％から呼気内で約５％まで増加する。あるいは高濃度のヘリウム含有空気または異常濃度の窒素含有空気を動的測定に用いることもできよう。ヘリウムは肺活量測定法及び過偏光核を利用した磁気共鳴画像法で利用されている。

測定対象には体内腔部内の酸化窒素（ＮＯ）も含まれる。酸化窒素含有量は感染中に上昇することが多く、ＮＯの増加レベルは本発明で検出することができ、例えば洞内の“感染レベル”を導くことができる。

一実施形態では、温度（３７℃）によってのみ決定される肺臓内あるいは他の腔部内の水蒸気濃度のごとき知られた濃度を利用することもでき、１例としては例えば肺臓の場合は酸素濃度または二酸化炭素濃度等の他の物質の未知濃度の測定に対する基準とすることができる。光進行距離は水蒸気の吸収の測定量から一応導き出されるからである。通常、水蒸気濃度は肺臓内で１００％（＝１）である。これは肺臓が正常に機能するための必要条件であり、他には呼吸システムを介して肺臓に進入するガスが肺臓までの過程で相対湿度１００％まで加湿され（すなわち水蒸気含有率１００％）、体温（通常３７℃）にまで温められる。例えば鼻はこのシステムを機能させる熱及び湿気交換システムである。従ってこの知られた濃度は他の物質の未知濃度を導き出すために利用できる。よって、生理学的な異常または病気を検出するために異なるガス間の濃度率を測定することが可能である。

光ファイバカテーテルまたは内視鏡等の光ガイド手段によって、散乱媒質吸収分光法のため体内に光が導入される。このようにガスを含む腔部の検査によって体内深部が分析される。例えば、内視鏡を口腔、気管、食道、肛門等から挿入する。このようにして光を体内深部へ導く。前述の測定を提供するため、散乱光が同手段によって体外で、適切に設置された検出器へ導かれる。しかしながら本発明の主要分野は、測定先端部を対象者の皮膚に直接的に設置する等の体外からの体内腔部ガスの測定である。衛生のため、装置には使い捨てプラスチックカバーが備え付けられる。カバーは患者の状態や適用分野によっては使用前に滅菌処理される。

本発明による前述の装置の利用形態は多様であり、追加の内科診断等が含まれる。例えば、肺臓は通常は胸腔内で空気封入体に囲まれており、これは多様な病気との関連で胸水に換わることがある。この状態は今日まで胸壁の経皮的診断によって特定されており、経験の浅い医師等の人的問題によって診断が確実でない場合がある。本発明は、後方散乱形態等の技術の利用により確実な診断を提供し、空気を含む領域を胸水で満たされた領域と区別できる。本発明では胸壁を介して測定し、前述の測定のために胸膜に到達することも可能である。

さらに別の実施例としては、内耳のガス含有量を測定するための鼓膜を介した測定があり、耳炎等の診断を提供する。

さらに別の実施例には、対象者の胃腸管内ガスの測定がある。本発明では、体内でのバクテリア感染によって発生する関連するガスを検出してある種のバクテリアまたはバクテリア感染症の検出を可能にしたりして、発症及び組成の両方を検出することができる。例えば、胃内で検出可能ガスを発生させるヘリコバクターピロリ等の検出が挙げられる。これは潰瘍の治療はヘリコバクターピロリの検出に基づく呼吸テストの代用である。

一般的に、体腔内ガス測定による方法と装置は子供、特に新生児の診断に適している。身体が成人よりも小さいためであり、光散乱を利用するガス測定に使用される光の身体への進入の深度が、相対的な進入の程度において、より深いからである。

本発明は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエアあるいはこれらの組合せを含むあらゆる形態で実施できる。本発明の実施例の要素及び部材は物理的、機能的及び論理的に適したあらゆる方法で実施できる。１体のユニット、複数体のユニットあるいは他のユニットの部分としても実施できる。このように本発明は１体型のユニットで実施することができ、あるいは異なる複数のユニットとプロセス間で物理的または機能的に配置できる。

本発明を特定の実施例について説明したが、前述の特定形態に限定されることはない。本発明は添付の請求の範囲によってのみ限定され、前述の特定実施例以外の実施例（例：異なるガス、波長、光源、光ガイド、検出器等）も請求の範囲内で同様に実施できる。

請求の範囲の“含む／含んでいる”の用語はその他の要素やステップを排除するものではない。さらに、複数の手段、要素あるいは方法ステップは例えば一体のユニットまたはプロセッサによっても実施できる。さらに、それぞれの特徴が異なる請求項内に含まれているもこれらを組み合わせることができ、別の請求項内に含まれている場合も組み合わせることができる。

Claims (49)

1. 体内腔部の遊離ガスを測定する装置であって、前記体内腔部の外側から前記体内腔部に向けて光を照射するように構成された発光器（１、２）と、
   前記体内腔部を包囲する組織から散乱した光を集光し、前記体内腔部の遊離ガスに特有な少なくとも一つの波長範囲を観察するように構成された受光器（４）と、
   光吸収分光法に基づいて前記集光された散乱光から前記体内腔部の前記遊離ガス濃度を評価する計算手段と、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記受光器（４）は人体の外部に設置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記遊離ガスに特有な波長範囲は、結合分子のガスの波長範囲の略１００００分の１であることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 前記計算手段は、基準ガスと前記遊離ガスの濃度比を計算するように構成されており、前記遊離ガスの濃度を決定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記基準ガスの濃度は、人体の肺臓あるいは他の体内腔部内の水蒸気濃度のごとき知られた遊離水蒸気濃度であり、遊離酸素または遊離二酸化炭素の濃度に比例するため、未知ガス濃度に対する前記水蒸気濃度の比は計算手段によって決定できることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 発光器は内視鏡または光ファイバカテーテル内に設置できることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 装置をコンパクトな携帯用とし、体内腔部の遊離ガスの測定のために体外で利用できるように適合されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記発光器は近赤外線シングルモードダイオードレーザ（１）であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記受光器は光電子倍増管（６）であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 前記ガスは、酸素、メタン、二酸化炭素、水蒸気あるいは酸化窒素から選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 装置は透過形態あるいは後方散乱形態で散乱媒質に対して光吸収分光法を適用するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 発光器（１、２）及び受光器（４）は透過形態に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
13. 発光器（１、２）及び受光器（４）は後方散乱形態に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
14. 受光器（４）は集光された散乱光を信号に変換するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
15. 信号を第１信号と第２信号とに分割する手段を含むことを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 第１信号をコンピュータ制御デジタル式オシロスコープ（８）に送り、第２信号をロックイン型アンプ（９）に送るように構成されていることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. その後に第２信号をオシロスコープ（８）に送るように構成されていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 前記発光器（１、２）と前記受光器（４）とを対象者の皮膚上に直接的に設置できる測定先端部内に含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
19. 前記遊離ガスの動的計測を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
20. 対象者の生理的なプロセスまたは生理学的な異常あるいは病気の検出等の診断用に構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
21. 前記生理的なプロセスとは対象者の呼吸であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記生理的な異常または病気には、炎症や感染症が含まれることを特徴とする請求項２１記載の装置。
23. 前記遊離ガスは酸化窒素（ＮＯ）であり、検出された遊離酸化窒素（ＮＯ）から感染レベルを決定するように構成されていることを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. 対象者の副鼻腔炎、胸腔炎、消化器疾患あるいは耳腔炎の診断用として構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
25. 体内腔部症状を有した新生児用に構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
26. 体内腔部の遊離ガスを非侵襲的に測定する方法であって、本方法は、
    前記体内腔部の外側から該体内腔部側に光を照射するステップと、
    前記体内腔部周囲の生体組織から散乱光を集光し、前記体内腔部の前記遊離ガスに特有な少なくとも１つの波長範囲を観察するステップと、
    吸光分光法の技術に基づいて集光された前記散乱光から前記体内腔部の前記遊離ガス濃度を評価するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
27. ガスは、酸素、メタン、二酸化炭素、水蒸気あるいは酸化窒素から選択されることを特徴とする請求項２６記載の方法。
28. 体内腔部の遊離ガスの測定方法は拡散媒質内の前記遊離ガスの光吸収分光測定を含むことを特徴とする請求項２６または２７記載の方法。
29. 測定は透過形態または後方散乱形態で実施されることを特徴とする請求項２６から２８のいずれかに記載の方法。
30. 遊離ガスに特有な波長範囲は結合分子のガスの波長範囲の略１００００分の１であることを特徴とする請求項２６から２９のいずれかに記載の方法。
31. 評価は基準ガスと遊離ガスとの濃度比の計算ステップを含み、前記遊離ガスの濃度が決定されることを特徴とする請求項２７から３０のいずれかに記載の方法。
32. 基準ガス濃度は、体内の肺臓または他の体内腔部内の水蒸気濃度のごとき知られた遊離水蒸気濃度であり、遊離酸素または遊離二酸化炭素の濃度を決定するため、未知のガスに対する水蒸気の濃度比が利用されることを特徴とする請求項３１記載の方法。
33. 遊離水蒸気濃度が１００％であり、対象濃度は遊離ガスの濃度に直接的に比例することを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. 発光及び集光は透光形態で実施されることを特徴とする請求項２６から３３のいずれかに記載の方法。
35. 発光及び集光は後方散乱形態にて達成されることを特徴とする請求項２６から３３のいずれかに記載の方法。
36. 集光された散乱光を信号に変換するステップを含むことを特徴とする請求項２６から３４のいずれかに記載の方法。
37. 前記信号を第１信号と第２信号とに分割するステップを含むことを特徴とする請求項３６記載の方法。
38. 第１信号をコンピュータ制御デジタル式オシロスコープ（８）に送り、第２信号をロックイン型アンプ（９）に送るステップを含むことを特徴とする請求項３７記載の方法。
39. その後に第２信号をオシロスコープ（８）に送るステップを含むことを特徴とする請求項３８記載の方法。
40. 光ファイバカテーテルまたは内視鏡のごとき光ガイド手段によって散乱媒質光吸収分光解析のために光を体内に導入し、遊離ガスを含む腔部の検査のために体内深部の分析をするステップを含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
41. 体外から体内の腔部内に散乱媒質光吸収分光解析ための光を導入するステップを含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
42. 測定先端部を対象者の皮膚上に直接的に設置するステップを含むことを特徴とする請求項４１記載の方法。
43. 遊離ガスの動的計測を提供するステップを含むことを特徴とする請求項２６から４２のいずれかに記載の方法。
44. 体内腔部の遊離ガス測定方法は対象者の生理プロセスまたは生理異常あるいは病気を検出するごとき診断目的に利用する請求項２６から４３記載の方法の利用。
45. 生理的プロセスとは対象者の呼吸であることを特徴とする請求項４４記載の利用。
46. 生理的異常には炎症または感染症が含まれることを特徴とする請求項４４記載の利用。
47. 遊離ガスを酸化窒素（ＮＯ）であり、検出された遊離酸化窒素（ＮＯ）のレベルは感染レベルの決定に使用されることを特徴とする請求項４６記載の利用。
48. 対象者の副鼻腔炎、胸腔炎、消化器疾患あるいは耳腔炎の診断用に利用されることを特徴とする請求項４４から４６記載の利用。
49. 体内腔部の疾患を有した新生児に対して利用されることを特徴とする請求項４４または４８記載の利用。

Images