JP2014512918A - 脳パラメータを測定する測定装置 - Google Patents

Abstract

生体組織への挿入用の細長いプローブ（１）を用いて生体組織のパラメータを測定するための測定装置および方法が提供される。測定装置は、プローブ内でプローブの長軸に沿って延びる、光線を伝送するための少なくとも１つの光学ガイド（２）と、射出領域（５）であって、これより、光学ガイドから射出された光線がプローブから射出されて生体組織に入射する、射出領域（５）と、少なくとも１つの受光領域（６）であって、これを通って、生体組織内で反射および／または散乱された光線が、光検出器上または光学ガイド（２、３）内で入射光線としてプローブに入る、受光領域（６）とを備える。射出領域（５）は、プローブ（１）の遠位端に設けられ、少なくとも部分的にプローブ（１）の長手方向に向けられる。射出された光線の少なくとも一部は、プローブからその長手方向に射出する。少なくとも１つの受光領域（６）が、プローブの遠位端から離隔されて、プローブの横方向の円周領域に配置される。受光領域（６）に入る入射光線が、射出領域（５）から射出された光線に対して９０°以上偏向される。

Description

本願発明は、生体組織への挿入するための細長いプローブを用いて生体組織のパラメータを測定するための測定装置および方法に関する。特に、侵襲的な測定手法によって脳パラメータを測定する測定装置に関する。

脳の血行状態等、各種の脳パラメータが測定される脳の診断および治療のための、様々な侵襲的方法が知られている。測定されるのは、例えば、脱酸素化ヘモグロビンおよび酸素化ヘモグロビンの濃度、指示薬の平均通過時間、脳血液量、脳血流量、または組織酸素指数に関するパラメータである。この種の方法には、例えば、近赤外線分光法（Near-Infrared Spectroscopy：ＮＩＲＳ）やパルス酸素測定法がある。脳パラメータを取得するために、硬膜下計測、脳表面上での計測、脳室計測、または脳実質内計測が実行される場合がある。

例えば特許文献１に記載されるような、脳の血行状態および酸素飽和度を測定するための硬膜下プローブおよび装置が知られている。その用途のために、プローブは、プローブの遠位端、患者の頭部、そして脳の中へと光を導く第１の光学ガイドと、遠位端から近位端に位置する処理装置へと光を導く第２の光学ガイドとを備える。これらの光学ガイドは、互いにほぼ平行に配置される。光学ガイドの遠位端に設けられるのは、光学ガイドによって導かれた光を、光学ガイドに沿った伝送方向から例えば９０°の角度だけ偏向させる光学ユニットである。このため光は、例えば光学ユニットによって、硬膜に平行な方向から脳の組織内に垂直に方向を変えられる。光学ガイドおよび光学ユニットは、発光オプトード（optode：光検出型化学センサ）および受光オプトードを形成し、細長い形状のカバーによって取り囲まれている。光学ユニットの間隔により挿入深さが決まり、この深さまで光は組織に侵入し、かつ反射または散乱され得る。脳組織によって反射または散乱された光は、第２の光学ユニットに向けられることにより、伝送方向にほぼ垂直の方向から光学ガイドへと送られ、処理装置まで導光される。そのようなプローブにより、光は半径方向側方から出て、反射光および散乱光は半径方向の同じ側において再び捕捉される。したがって、大部分の光が、測定対象の組織に侵入することなく、受光オプトードの表面沿いのプローブ側面の受光オプトードに直接到達することがあり得る。このため、測定信号が干渉を受けるか歪められる可能性がある。さらに、プローブの側面において測定した場合、測定された組織領域の位置確認が困難である。

また、特許文献２に記載されるような脳領域における血流量を測定する装置が知られており、この装置は脳組織の中に直角に挿入される。当該装置は、レーザードップラー血流測定法（Laser Doppler Flowmetry：ＬＤＦ）を行うための細長い測定プローブに沿った複数のセンサを有する。センサは、測定プローブの長手方向と周囲に沿った開口、および測定プローブの先端に設けられる。センサは光学ガイドによって光源に接続され、当該光学ガイドはその端部に、測定プローブにほぼ垂直に周辺組織の中へと光を向ける反射面を有する。センサの間隔は、センサから放出され組織によって反射または散乱された光が他のセンサによって捕捉されることがないよう、大きくする必要がある。このため、この測定装置を用いると、放出および捕捉された光が、測定プローブの同じ開口において放出および捕捉される。したがって、脳組織内の測定可能領域は非常に限定され、共に配置された発光開口および受光開口によって測定が歪められる可能性がある。

さらに、特許文献３には、血管内の圧力、温度、および流速を測定する光学測定プローブが記載されている。測定プローブは、血管内に挿入されるカテーテルに設けることができる。測定プローブは、異なるパラメータを測定するプローブの先端に異なる波長の光を導く光伝送媒体を有する。プローブの先端に設けられるのは、異なる材料で被覆された内側に凸状の面を形成する、弾性のある光学素子である。光伝送媒体によって光学素子の弾性面に導かれた光は、そこで反射される。測定対象のパラメータは、測定対象のパラメータ値に対して固有に変形した弾性面上で偏向された光から決定できる。この測定方法を用いると、測定プローブから出て周辺組織に入る光がないため、周辺領域におけるプローブの測定範囲は非常に狭い。さらに、酸素含有量等のいくつかの関連パラメータは、そのような測定プローブでは決定できない。

欧州特許第１３０１１１９号明細書 米国特許第５，５７９，７７４号明細書 米国特許第４，９８６，６７１号明細書

本願発明の目的は、確実かつできるだけ正確に生体組織の様々なパラメータを測定できるようにし、測定領域の位置確認を簡素化し、周辺組織への影響を最小限にとどめ、かつ簡単な構成を有する、生体組織のパラメータの侵襲的測定のための測定装置および方法を提供することである。

他の目的は、独立項である請求項１および１３に記載の、生体組織のパラメータを測定するための測定装置、および、これらのパラメータを測定するための方法を通じて達成される。従属請求項には、特別な実施形態および／または変形例が示されている。

本発明による生体組織のパラメータを測定するための測定装置は、生体組織に挿入するための細長いプローブを有する。プローブは、例えば円筒形状を有することができ、または扁平形状も有することができる。プローブは遠位端に、例えば硬質カバーや硬質ハウジング等の硬質部分を有し、これによりプローブを生体中に挿入することができる。生体組織にプローブを挿入することができるほど十分安定性がある場合、そのような部分は硬いものであると言われる。そのような部分は、一般には例えばカテーテルチューブ等のプローブの隣接要素よりも硬いが、優しく挿入できるようにするため、ある程度の柔軟性または屈伸性を有することができる。硬質部分は、例えばカテーテルチューブ等の柔軟性のある管路の一端に設けることができる。光線の伝送用に、少なくとも１つの光路または電線が設けられ、実質的にプローブの長軸に沿ってプローブ内を延び、柔軟な管路を通ってプローブまで導かれる。プローブは射出領域を有し、これより、光学ガイドから射出された出射光線がプローブから出て生体組織に入り、この後で光線が生体組織において反射、散乱、および／または吸収される。プローブは受光領域をさらに有し、これを通って、生体組織内で反射および／または散乱された入射光線が、例えば光検出器上および／または光学ガイド内でプローブに入る。光学ガイドの場合は、射出光線用と反射入射光線またはそれぞれの散乱入射光線用とで、別個の光学ガイドがプローブ内部に設けられる。しかし、１つの光学ガイドが、パラメータを測定するためにプローブから出る光線、および生体組織内で反射または散乱された光線を伝送する場合を除外するものではない。少なくとも１つの光学ガイド、あるいは光検出器の場合は少なくとも１つの電気伝達媒体は、入射光線を用いて測定対象のパラメータを決定する処理装置に、入力光線を測定信号として伝送することができる。これができるのは、例えば、射出される光線と比較して、入射光線の光強度または波長の解析を通した周知の方法においてである。また、射出される光線を導光するために、処理装置を用いることもできる。

本願発明によれば、射出領域はプローブの遠位端に設けられ、少なくとも部分的にプローブの長手方向に向けられる。このように、射出領域は、光学ガイドにおいて導かれる光線の光線方向に向けられる。射出領域は、プローブの先方に配置される。射出領域は、長軸に関してほぼ対称になるよう設計され、プローブの遠位端が形成される。好ましくは、射出領域の表面の法線は、プローブの長軸に一致する。射出領域から射出された光線の少なくとも一部は、プローブの長手方向の遠位端において、このプローブから射出される。好ましくは、射出領域から射出される光線の方向は、プローブの長軸上にある。したがって、射出される光線の伝送方向は、プローブの先方にある生体組織の方向であって、それぞれ射出光学ガイドの、プローブの長軸に平行に向けられた少なくとも１つのベクトル成分を有する。射出された光線は、例えば、長軸に沿った直線状に射出領域から射出光束、または、例えば長軸に対してある角度をなして長軸に関して対称に円錐形状に放出される光束を形成することができる。

少なくとも１つの受光領域が、プローブの遠位端から離隔されてプローブの横方向の円周領域に設けられる。このため射出領域からも離隔される。このように、受光領域は長軸に対して実質的に半径方向に形成される。受光領域は、例えばプローブのジャケットにおける開口または透明窓によって、形成することができる。受光領域は、生体組織上で散乱または反射された光を捕捉するという目的に適う。この目的のために、入射光は、例えば受光領域に設けられ電気伝導体に接続された光検出器に当たるか、プローブ内に配置された光学素子によって光学ガイドに伝送される。多数の受光領域を、プローブを取り囲んで分散配置して、またはプローブの長手方向に、設けることができる。受光領域毎に電気ガイドまたは光学ガイドを設けることができ、またはジョイント光学ガイドを用いてもよい。受光領域で受光できるのは、好ましくは、プローブ軸に対してほぼ半径方向に、すなわち受光領域に対して垂直に移動する入射光線と、プローブ軸に対してほぼ平行に移動する入射光線との両方、およびこれらの方向の間である角度で移動する全ての入射光線である。

上述の測定装置を用いて生体組織のパラメータを測定する方法によると、射出された光線は、プローブから出て、またはそれぞれ少なくとも部分的にプローブの外のプローブの遠位端において長手方向に光学ガイドから出て、この射出領域から離隔されたプローブの横の円周領域に再び入射する。受光領域に入射するこれらの光線は、射出領域から射出された光線に対して９０°以上の偏向を受ける。射出された光線の伝送方向は、プローブから遠位端の方向へと向けられた、すなわち少なくとも１つの受光領域から離れた少なくとも１つの小さいベクトル部分を有する。これらは受光領域に到達し測定信号として受信されるために９０°以上偏向されなければならない。射出された光線の大部分は、一般的にプローブの長軸方向に沿って射出されるため、入射光線が受光領域に当たるよう１９０°以上の偏向が必須である。このため、射出された光線は、受光領域に入射光線として到達する前に、生体組織において反射または散乱により確実に偏向される。これにより、生体組織と作用することなくプローブから射出してプローブへ直接入射することが防止される。これは、例えば受光領域および射出領域が同一であったり、射出された光線が生体組織に入ることなくプローブ用のガイドチャネル内でほぼプローブに沿って移動したりする、従来の測定プローブでは起こり得る。光線はバイパス経路を通ることはできない。

一般に、射出された光線の大部分は、少なくともプローブの、またはそれぞれ光学ガイドの長軸にほぼ沿ってプローブから射出し、受光領域において好ましくはプローブの長軸に対してほぼ半径方向にプローブに再び入射する。このため、射出された光線のほとんどが、受光領域に入るのに約２７０°までの範囲の偏向を受ける。

そのため、本発明による測定装置を用いると、射出領域および入射領域が互いに近接して位置することができ、測定信号がそれによって悪影響を受けることなく、プローブをより短く構成することができる。このため、生体組織が測定装置の挿入の間に受けるストレスがより少ない。射出領域および入射領域がプローブの長軸に関して対称に配置されることにより、測定対象の組織の領域を、プローブの位置確認による簡単な方法で決定することができる。特定位置におけるプローブの配列を記録する必要はない。本発明による方法を用いると、血流量、ヘモグロビン値、脳組織内に蓄えられた水や様々な指標に関するパラメータを取得することができる。

プローブの配置が分かっていて、様々な受光領域に対して個々の電気ガイドまたは光学ガイドが使用されれば、パラメータの評価は受光領域に割り当てられたプローブの周りの特定の小領域に対して行うことができる。これによりパラメータの評価を改良することができる。

測定装置の一実施形態では、１〜４０ｍｍ、好ましくは３〜２０ｍｍの間隔が、射出領域と受光領域の間に設けられる。好ましくは、多数の受光領域が、射出領域に対してと同じ間隔でプローブの円周周りに分散して設けられる。例えば、２つの直径方向に向かい合う受光領域、または３つ、あるいは４つ以上の円周周りに分散され、好ましくは対称的に配置された受光領域が設けられる。一実施形態では、例えば硬質のカバーまたは堅固なハウジングの形態の、プローブの堅固な部分は最大で５０ｍｍの長さである。好ましくは約２０ｍｍ、さらに好ましくは約１２ｍｍの長さである。

変形例では、射出領域を、例えば、プローブハウジングにおける、またはプローブカバーにおけるカバー射出開口または射出窓として設けることができ、これを通して、光学ガイドから射出された光線がプローブの外に出る。

測定装置の別の変形例では、射出領域は、プローブの遠位端の末端部において光学素子を有する。光学素子は、凸状表面または円錐状に外向きの表面を有することができ、コーンの直径は遠位端の方向に向かって徐々に細くなる。このため、光学ガイドから放出された光線は、プローブから射出する前に光学素子を通過する。光学素子自体が射出領域を形成することができる。光学素子は、プローブの周りのカバーと、またはプローブハウジングと同じ材料で構成することができる。例えば、光学素子を、エポキシ樹脂、またはポリカーボネート、ガラス、アクリレート、ポリプロピレン、ポリイミド等と同等の光学的特徴を有する材料で作ることができる。光学素子は、隣接組織または隣接材料よりも高い屈折率を有する材料で形成するのが好ましい。この場合、プローブの長軸から離れる方向へ回折するように光学素子の表面上で光学素子を通過して出てくる光線が、光学ガイドから射出される。また、光学ガイドに配置される材料の中に回折格子を入れて使用することも可能である。好ましくは、射出された光線は、プローブの遠位端における光学素子で円錐状の光に拡張される。この円錐状の光は、光学ガイドから直接射出する光線よりも大きい生体組織の領域をカバーする。このため光学素子は、伝送方向のベクトル部分が遠位端の方向に残るようにして、少なくとも１つの受光領域の方向に、光学ガイドから射出した光線をそらす。光学素子は好ましくは、プローブの長軸に関して対称に設計され、生体組織に侵入するプローブの遠位端部を形成する。光学素子の最も遠くに位置する遠位端領域は、好ましくは尖っていない、または曲面的に設計される。例えば、球形または楕円形である。光学素子は固体材料で作成することができる。この場合、射出する光学ガイドの射出開口を密閉することができる。光学素子はその表面に、例えばプローブの生体組織への挿入を容易にし、または光線の回折を促進する被覆を有することができる。

さらに、測定装置は、プローブの遠位端において光学ガイドとなる開口を含む反射面を有する。射出された光線は開口を通って導光され、反射面の先の遠位端方向に射出される。反射面は、例えば少なくとも１つの光学ガイドを受け入れるプローブの空洞を密閉することができる。光線を射出する光学ガイドの一端は、反射面を越えて少し突き出るか、反射面と同一平面で終端してよい。反射面は、好ましくはプローブの長軸に対して、またはそれぞれ光学ガイドの射出方向に対して垂直に配置される。反射面は、射出領域の方向に反射または散乱された光線を、生体組織の方向に反射して戻すという目的に適う。

プローブの遠位端上の光学素子は、反射面に直接隣接してもよい。また、反射面を光学素子それ自体の上に配置することも可能である。光学素子は、遠位端方向において反射面の先方に配置する。この場合、射出される光線は、反射面またはその先、および光学素子の表面の手前において、光学ガイドから射出する。このため、場合により光学素子の表面上で反射する光線を、反射面から表面に反射して戻すことができる。よって、これらの光線が失われて、生体組織の検査に使用できなくなることはない。

様々な波長を持つ光線が、生体組織におけるパラメータを測定するために用いられる。６００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の１つ以上の波長を持つ赤外線領域の光が好ましい。また、少しずつずらした時間間隔で、かつパルス状に生体組織内に送り込まれる、様々な所定の波長を持つ光線を用いてもよい。

また、例えば温度または圧力測定用のセンサ等の更なるセンサを、プローブ上に設けることができる。

本願発明に従う測定装置および方法は、プローブが頭蓋骨表面にほぼ垂直に組織内に挿入される点で、特に脳組織を測定するのに適している。光線の射出は、少なくとも部分的に遠位端方向で、すなわちプローブを組織内に挿入する方向で行われる。同じ組織領域を測定するために、半径方向に光を射出する例に比べ、プローブを組織内に深く入れる必要がない。このためプローブの挿入による組織への損傷が最小限に抑えられる。本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら以下に示すが、これらは単に説明のためのものであって、限定して解釈されるべきではない。図面によって開示される本発明の特徴は、個々でもあらゆる組み合わせでも、本発明に属するものとして見なされるべきである。

図１は、本願発明に従う測定装置の立体図を示す。 図２は、図１に従う測定装置の縦断面図を示す。 図３は、光学素子を有する測定装置の遠位端の詳細図を示す。

以下において、生体組織に挿入されている測定装置の端部が向いている任意の方向は、遠位方向によって理解される。したがって、この端部が遠位端である。

図１および図２は、生体組織への挿入用の細長いプローブ１を用いて生体組織のパラメータを測定するための測定装置を示す。測定装置は、少なくとも１つの第１の光学ガイド２と、第２の光学ガイドまたは電気伝導体を備え、これらはプローブ１の固い円筒形ハウジング１２に挿入された管路４にガイドされる。第１の光学ガイド２は、プローブ１の遠位端にある光源（図示せず）からの光を伝送する。プローブ１は射出領域５を有し、第１の光学ガイド２から射出された光がプローブ１から出て、生体組織内に入射する。プローブ１は、２つの対向する位置にある受光領域６をさらに備え、生体組織内で反射および／または散乱された光が、ここを通してプローブ１の中に入射される。入射光は、第２の光学ガイドまたは電気伝導体によって伝送される。例えば、コンピュータのような処理装置（図示せず）が設けられ、光の射出の向きを合わせ、入射光を測定信号として受信して、生体組織のパラメータを処理し、決定する。プローブ１は、圧力センサ１３と温度センサ１４とをさらに備える。

プローブ１の遠位端における射出領域５は、プローブ１の長手方向に向けられる。すなわち、射出領域５の面の法線または対称軸は、長軸と一致する。このため、射出された光の少なくとも一部は、プローブ１の長手方向に、射出する。対向する位置にある受光領域６は、射出領域５から離隔されて、プローブ１の横方向の円周領域に設けられる。受光領域６は例えばフォトセル７を有し、これを用いて入射光を捕捉する。受光領域６またはフォトセル７は、プローブ１の長軸方向に直角の半径方向に向けられる。すなわち、フォトセル７の面の法線はプローブ１の長軸方向に対して垂直である。射出領域５と受光領域６の距離は、例えば５ｍｍである。

図１に示すように、射出された光束８の大部分は、実質的にプローブ１の長手方向に射出され、プローブ１の先方の遠位端方向に位置する生体組織内に入射する。光は生体組織で散乱、反射、および／または吸収されるため、その元の方向からそれて、光の強度が変化する。それた光の一部は、受光領域６においてプローブ１に再び入射し、測定信号として処理装置に伝送される。射出された光の少なくとも一部は遠位端方向に射出されるので、受光領域６の１つに到達できるようにするために、光線を少なくとも９０°偏向させる必要がある。

図３に、測定装置の他の実施形態を示す。反射面９およびその先方に配置された光学素子１０がプローブ１の遠位端に設けられている。反射面９は、プローブ１の内部空洞１１を遠位端方向に密閉している。第１の光学ガイド２は反射面９の開口から少しだけ突出し、光学素子１０の手前までガイドされる。反射面９は、光源から発生した光を反射するのに適した反射面９を少なくとも遠位端側に有する。射出された光は、光学素子１０によって輻射され、少なくとも光学素子１０の表面から射出するまでに、プローブ１の長軸方向から離れる方向に回折される。光学素子１０は、生体組織の周辺物質よりも光学密度が高い材料で作られ、長軸方向に関して対称で、かつ、外側に凸状に伸長する面を有する。光学素子１０は、光がプローブ１の射出領域５から射出する前に光を偏向する。光の一部が光学素子１０の表面で反射されて戻る場合、これらの光を反射面９上で再び反射させて、生体組織内に送り返すことができる。

１ プローブ
２ 第１の光学ガイド
３ 第２の光学ガイド
４ 管路
５ 射出領域
６ 受光領域
７ フォトセル
８ 光束
９ 反射面
１０ 光学素子
１１ 空洞
１２ ハウジング
１３ 圧力センサ
１４ 温度センサ

Claims (15)

1. 生体組織へ挿入する細長いプローブを用いて、前記生体組織のパラメータを測定するための測定装置であって、
   前記プローブ内で前記プローブの長軸方向に沿って伸長し、光を伝送する少なくともひとつの光学ガイドと、
   前記生体組織内部に進入する前記少なくともひとつの光学ガイドから射出された光が前記プローブから出て前記生体組織に入る、射出領域と、
   前記生体組織内で反射および／または散乱された光が、光検出器または光学ガイドに入射光として前記プローブに入射する、少なくともひとつの受光領域と
   を備え、
   前記射出領域は、前記プローブの遠位端に設けられ、少なくとも部分的に前記プローブの長手方向に向けられ、射出された光の少なくとも一部が前記プローブから長手方向に射出し、
   前記少なくともひとつの受光領域は、前記射出領域から離隔されて、前記プローブの横方向の円周領域に設けられる、測定装置。
2. 前記少なくともひとつの受光領域は、前記プローブの前記長手方向に対して実質的に垂直な半径方向に向けられる、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記少なくともひとつの受光領域は、前記プローブの円周方向の周りに分散して設けられる、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 射出された光束が、前記プローブの長軸に関して対称的に、前記光学ガイドから射出するように、実質的に集束する、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記射出領域と受光領域との間隔が１〜４０ｍｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記プローブは、最大で５０ｍｍの長さを有するハウジングを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
7. 前記射出領域は、前記プローブの遠位端部にある光学素子を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記光学素子は、前記生体組織の周辺物質よりも大きい屈折率を有する材料で形成される、請求項７に記載の測定装置。
9. 前記光学素子は、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ガラス、アクリレート、ポリプロピレン、およびポリイミドからなる集合から選択された少なくともひとつの材料で形成される、請求項７または８に記載の測定装置。
10. 前記プローブの前記遠位端に設けられた反射面をさらに備え、
    前記反射面は、前記光学ガイドが通過して突出する開口を有し、前記射出された光は、前記開口を通って遠位端方向において前記反射面の先に導光される、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 前記光学素子は、前記遠位端の方向において前記反射面の先に配置される、請求項１０に記載の測定装置。
12. 前記射出された光は、６００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の１つ以上の波長を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の測定装置を用いて、生体組織のパラメータを測定する方法であって、前記受光領域に入る入射光を、前記射出領域から射出される光に対して９０°以上偏向させるステップを備える方法。
14. 前記偏向させるステップは、前記射出された光の大部分を、前記受光領域に入るまでに、略９０°以上かつ略２７０°以下の範囲で偏向させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記光学ガイドから射出する光を、前記光学素子の表面上で、前記プローブの前記長軸から離れる方向に回折させるステップをさらに備える、請求項１３または１４に記載の方法。

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