JP2708594B2 - 生体の酸素濃度分布測定方法及び装置 - Google Patents
生体の酸素濃度分布測定方法及び装置Info
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- JP2708594B2 JP2708594B2 JP1867390A JP1867390A JP2708594B2 JP 2708594 B2 JP2708594 B2 JP 2708594B2 JP 1867390 A JP1867390 A JP 1867390A JP 1867390 A JP1867390 A JP 1867390A JP 2708594 B2 JP2708594 B2 JP 2708594B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はＸ線ビームを用いて生体組織の酸素濃度分
布を測定する生体の酸素濃度分布測定方法及び装置に関
するものである。
布を測定する生体の酸素濃度分布測定方法及び装置に関
するものである。
〔従来の技術〕 第５図は、例えば医用電子と生体工学、第27巻、特別
号（1989年）321頁、松永，佐藤他「肝微小血管内酸素
飽和濃度測定の試み」に記載された従来の生体の酸素飽
和度を測定する装置の構成を示すブロック図であり、図
において、１は可視光源、２は集光用コンデンサレン
ズ、３は測定対象の生体（例えば、ハムスター）、４は
顕微鏡、５はダイヤフラム、６は透過光を導く光ファイ
バー、７は可視−近赤外分光分析を行う分光計である。
号（1989年）321頁、松永，佐藤他「肝微小血管内酸素
飽和濃度測定の試み」に記載された従来の生体の酸素飽
和度を測定する装置の構成を示すブロック図であり、図
において、１は可視光源、２は集光用コンデンサレン
ズ、３は測定対象の生体（例えば、ハムスター）、４は
顕微鏡、５はダイヤフラム、６は透過光を導く光ファイ
バー、７は可視−近赤外分光分析を行う分光計である。
次に動作について説明する。第５図の測定法によって
得られた吸光スペクトルの569nm,577nm,586nmの吸光度
を用いて次式によりヘモグロビン（Hb）酸素飽和度SO2
を求めることができる。
得られた吸光スペクトルの569nm,577nm,586nmの吸光度
を用いて次式によりヘモグロビン（Hb）酸素飽和度SO2
を求めることができる。
なお、この文献には記載されていないが、平衡状態に
おいて、ヘモグロビンの酸素飽和度と酸素濃度との間に
は１対１の対応関係があるため酸素濃度も求められる。
おいて、ヘモグロビンの酸素飽和度と酸素濃度との間に
は１対１の対応関係があるため酸素濃度も求められる。
従来の生体の酸素濃度分布測定装置は以上のように構
成されているので、可視光を用いているため生体組織を
極めて薄くしたサンプルを用意し、これに該可視光を当
てその透過光より吸光スペクトルを求める、あるいは組
織表層からの散乱反射スペクトルにより反射スペクトル
を求めることによってのみ適用が可能であり、厚みのあ
る生体のさらに深部の酸素濃度の測定は可視光が到達し
ないために不可能であるなどの課題があった。
成されているので、可視光を用いているため生体組織を
極めて薄くしたサンプルを用意し、これに該可視光を当
てその透過光より吸光スペクトルを求める、あるいは組
織表層からの散乱反射スペクトルにより反射スペクトル
を求めることによってのみ適用が可能であり、厚みのあ
る生体のさらに深部の酸素濃度の測定は可視光が到達し
ないために不可能であるなどの課題があった。
この発明は上記のような課題を解消するためになされ
たもので、生体の厚さに関係なく生体深部の酸素濃度分
布を測定することができる生体の酸素濃度分布測定方法
及び装置を得ることを目的とする。
たもので、生体の厚さに関係なく生体深部の酸素濃度分
布を測定することができる生体の酸素濃度分布測定方法
及び装置を得ることを目的とする。
この請求項（１）の発明における生体の酸素濃度分布
測定方法は、酸素と可逆的に結合・分離する生体高分子
の特定原子のＸ線吸光度特性の少なくとも３つの波長の
うち、２つの波長は酸素との結合によりＸ線吸光度が変
化しない波長を選び、他の波長は酸素との結合によりＸ
線吸光度が変化する波長を選んでＸ線吸光度を計測し、
前記３つの波長以上におけるＸ線吸光度特性の各計測点
を所定の演算式に代入して酸素化率分布を求め、前記Ｘ
線吸光度特性の酸素化率分布を生体の異なる方向から得
て投影再構成法により該生体の酸素化率分布を求め、前
記演算結果の酸素化率分布を変換して生体の酸素濃度分
布を得るようにしたものである。
測定方法は、酸素と可逆的に結合・分離する生体高分子
の特定原子のＸ線吸光度特性の少なくとも３つの波長の
うち、２つの波長は酸素との結合によりＸ線吸光度が変
化しない波長を選び、他の波長は酸素との結合によりＸ
線吸光度が変化する波長を選んでＸ線吸光度を計測し、
前記３つの波長以上におけるＸ線吸光度特性の各計測点
を所定の演算式に代入して酸素化率分布を求め、前記Ｘ
線吸光度特性の酸素化率分布を生体の異なる方向から得
て投影再構成法により該生体の酸素化率分布を求め、前
記演算結果の酸素化率分布を変換して生体の酸素濃度分
布を得るようにしたものである。
この請求項（２）の発明における生体の酸素濃度分布
測定装置は、少なくとも異なる３つ以上の波長のＸ線ビ
ームを生体に照射可能なＸ線ビーム照射手段と、該Ｘ線
ビーム照射手段と相対する位置に配設され、前記生体を
左右に旋回することにより、前記生体に入射するＸ線ビ
ームの入射角を変化させる入射角変化手段と、該入射角
変化手段を前記Ｘ線ビーム照射手段とで挟む位置に配設
され、前記生体のＸ線吸光度を測定するＸ線吸収測定手
段と、該Ｘ線吸収測定手段から入力したＸ線吸光度を投
影再構成法により前記生体の酸素化率分布を求め、これ
を演算して前記生体の酸素濃度分布を算出する演算手段
と、前記演算結果の酸素濃度分布を出力表示する表示手
段とをもって構成したことにより、例えば増殖速度が早
く、酸素消費が高いガン細胞の検出等が行えるようにし
たものである。
測定装置は、少なくとも異なる３つ以上の波長のＸ線ビ
ームを生体に照射可能なＸ線ビーム照射手段と、該Ｘ線
ビーム照射手段と相対する位置に配設され、前記生体を
左右に旋回することにより、前記生体に入射するＸ線ビ
ームの入射角を変化させる入射角変化手段と、該入射角
変化手段を前記Ｘ線ビーム照射手段とで挟む位置に配設
され、前記生体のＸ線吸光度を測定するＸ線吸収測定手
段と、該Ｘ線吸収測定手段から入力したＸ線吸光度を投
影再構成法により前記生体の酸素化率分布を求め、これ
を演算して前記生体の酸素濃度分布を算出する演算手段
と、前記演算結果の酸素濃度分布を出力表示する表示手
段とをもって構成したことにより、例えば増殖速度が早
く、酸素消費が高いガン細胞の検出等が行えるようにし
たものである。
この請求項（１）の発明に係る生体の酸素濃度測定方
法は、ヘモグロビン中の鉄原子のＸ線吸光スペクトル
（吸光度）が酸素濃度により変化することに着目し、酸
素化によらず吸光度が一定である２点と、吸光度が変化
する１点の３つの波長を選んでＸ線吸光分布を測定し、
演算により酸素化率分布を求める。次に、生体の投影再
構成法により生体の酸素化率分布を求め、これを変換し
て生体の酸素濃度分布を求めるので、生体の透過性が向
上して深部の酸素濃度分布も求めることが可能となる。
法は、ヘモグロビン中の鉄原子のＸ線吸光スペクトル
（吸光度）が酸素濃度により変化することに着目し、酸
素化によらず吸光度が一定である２点と、吸光度が変化
する１点の３つの波長を選んでＸ線吸光分布を測定し、
演算により酸素化率分布を求める。次に、生体の投影再
構成法により生体の酸素化率分布を求め、これを変換し
て生体の酸素濃度分布を求めるので、生体の透過性が向
上して深部の酸素濃度分布も求めることが可能となる。
この請求項（２）の発明に係る生体の酸素濃度測定装
置は、生体に対して相対位置に配設したＸ線ビーム照射
手段とＸ線吸収測定手段とを左右に旋回した生体の投影
再構成法により測定した該Ｘ線吸収測定手段の出力を演
算手段で演算して表示手段に出力するので、構造が簡単
で精度の高い酸素濃度分布が得られるようになる。
置は、生体に対して相対位置に配設したＸ線ビーム照射
手段とＸ線吸収測定手段とを左右に旋回した生体の投影
再構成法により測定した該Ｘ線吸収測定手段の出力を演
算手段で演算して表示手段に出力するので、構造が簡単
で精度の高い酸素濃度分布が得られるようになる。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、21はＸ線ビーム照射手段としてのＸ線ビ
ーム照射部で、例えばシンクロトロン放射光装置等であ
る。22はＸ線ビーム、23は被検体である生体、24はＸ線
吸収測定手段としてのＸ線吸収測定部で、例えばイメー
ジングプレート、25はパソコン等の演算手段、26は表示
手段である。
１図において、21はＸ線ビーム照射手段としてのＸ線ビ
ーム照射部で、例えばシンクロトロン放射光装置等であ
る。22はＸ線ビーム、23は被検体である生体、24はＸ線
吸収測定手段としてのＸ線吸収測定部で、例えばイメー
ジングプレート、25はパソコン等の演算手段、26は表示
手段である。
次に動作について説明する。まず、第２図はBiochemi
cal and biophysical research Communications（バイ
オケミカル アンド バイオフィジカル リサーチ コ
ミニュケーションズ）131巻,1号（1958年）98〜102頁に
記載された酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビン
中の鉄原子によるＸ線吸収端付近のスペクトル比較を示
した特性図の例である。横軸は入射Ｘ線の波長をエネル
ギー（eV）で表示してあり、吸収端を原点としている。
また縦軸Ａは規格化した生体のＸ線吸収スペクトル（吸
光度）を示している。
cal and biophysical research Communications（バイ
オケミカル アンド バイオフィジカル リサーチ コ
ミニュケーションズ）131巻,1号（1958年）98〜102頁に
記載された酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビン
中の鉄原子によるＸ線吸収端付近のスペクトル比較を示
した特性図の例である。横軸は入射Ｘ線の波長をエネル
ギー（eV）で表示してあり、吸収端を原点としている。
また縦軸Ａは規格化した生体のＸ線吸収スペクトル（吸
光度）を示している。
第２図よりヘモグロビンのＸ線吸収スペクトルは酸素
の結合により変化することがわかる（HbO2は酸素化ヘモ
グロビン、deoxy Hbは脱酸素化ヘモグロビン）。さら
に、点Ｐにおいては酸素との結合状態によらずＸ線吸収
値が一定であることがわかる。従って、第２図で、例え
ば10（eV）の如く酸素化されているか否かで吸収値が大
きく異なる。従って、波長との吸収差を計算することに
よりヘモグロビンの酸素化率を調べることができる。
の結合により変化することがわかる（HbO2は酸素化ヘモ
グロビン、deoxy Hbは脱酸素化ヘモグロビン）。さら
に、点Ｐにおいては酸素との結合状態によらずＸ線吸収
値が一定であることがわかる。従って、第２図で、例え
ば10（eV）の如く酸素化されているか否かで吸収値が大
きく異なる。従って、波長との吸収差を計算することに
よりヘモグロビンの酸素化率を調べることができる。
次に、第４図のフローチャートを参照して具体的な演
算方法について説明する。まず、第２図に示すように、
酸素化によらず常にＸ線吸収が一定である波長ａ及びｃ
と、波長ｂの如く大きく吸光度が変化する３つのＸ線エ
ネルギー（３波長）をまず選択する（ステップST1）。
算方法について説明する。まず、第２図に示すように、
酸素化によらず常にＸ線吸収が一定である波長ａ及びｃ
と、波長ｂの如く大きく吸光度が変化する３つのＸ線エ
ネルギー（３波長）をまず選択する（ステップST1）。
次に規格化した生体の酸素化率分布の変数をβとし
て、 を考える。ここで、Ａ（ｘ）は波長Ｘにおける吸光度で
ある。第２図の如く全てのヘモグロビン（Hb）に酸素が
結合したときにはHbO2（max）になり、全てのヘモグロ
ビンが脱酸素化したときにはdeoxy Hb（min）となる。
すなわち、酸素化率αはこの２点ではそれぞれ“1"と
“0"を取る。この中間の状態においては、一部のヘモグ
ロビンにのみ酸素が結合しているため、上記２点におけ
る変数βをそれぞれβ1,β０とすると第３図の如く変数
βと酸素化率αは１次関数で表される。
て、 を考える。ここで、Ａ（ｘ）は波長Ｘにおける吸光度で
ある。第２図の如く全てのヘモグロビン（Hb）に酸素が
結合したときにはHbO2（max）になり、全てのヘモグロ
ビンが脱酸素化したときにはdeoxy Hb（min）となる。
すなわち、酸素化率αはこの２点ではそれぞれ“1"と
“0"を取る。この中間の状態においては、一部のヘモグ
ロビンにのみ酸素が結合しているため、上記２点におけ
る変数βをそれぞれβ1,β０とすると第３図の如く変数
βと酸素化率αは１次関数で表される。
ここに、Ａ（b1）,A（b0）はそれぞれ波長ｂにおける
酸素化ヘモグロビンHbO2の吸光度、脱酸素化ヘモグロビ
ンdeoxy Hbの吸光度である。β０およびβ１は第２図か
ら求まる変数であり、酸素化率αは（４）式で求められ
る。
酸素化ヘモグロビンHbO2の吸光度、脱酸素化ヘモグロビ
ンdeoxy Hbの吸光度である。β０およびβ１は第２図か
ら求まる変数であり、酸素化率αは（４）式で求められ
る。
従って、まず変数βを（１）により測定値から求め、
次に計算値を（４）式に代入して酸素化率αが求まる。
次に生体における酸素化率と酸素濃度の関係であるが、
定常状態においては１対１がある。従って、最終的には
酸素濃度が求められる（ステップST2）。
次に計算値を（４）式に代入して酸素化率αが求まる。
次に生体における酸素化率と酸素濃度の関係であるが、
定常状態においては１対１がある。従って、最終的には
酸素濃度が求められる（ステップST2）。
ところで、第１図に示すように、厚さの大きい生体23
に対して、一方向からＸ線ビーム22を照射して求めた酸
素濃度は深さ，方向に積分された値となっており、この
ままでは深部と表層組織の分離された情報にはなり得な
い。従って、ここでは従来からＸ線CT（コンピュータ断
層撮影法）で行われている投影再構成法による演算が必
要となる。具体的には、生体23またはＸ線ビーム照射部
21およびＸ線吸収測定部24を対称にして左右に旋回して
異なる入射角度からＸ線ビーム22を入射させ、この操作
を繰り返し測定する（ステップST3）。そして、投影再
構成法で求めた演算値を酸素濃度分布に変換する（ステ
ップST4）。ここで、上記説明におけるＸ線ビーム22は
生体23を十分にカバーするビーム幅を有することが望ま
しく、Ｘ線吸収測定部24は高感度な測定が必要なため、
例えば２次元Ｘ線イメージング・プレート等が望まし
い。
に対して、一方向からＸ線ビーム22を照射して求めた酸
素濃度は深さ，方向に積分された値となっており、この
ままでは深部と表層組織の分離された情報にはなり得な
い。従って、ここでは従来からＸ線CT（コンピュータ断
層撮影法）で行われている投影再構成法による演算が必
要となる。具体的には、生体23またはＸ線ビーム照射部
21およびＸ線吸収測定部24を対称にして左右に旋回して
異なる入射角度からＸ線ビーム22を入射させ、この操作
を繰り返し測定する（ステップST3）。そして、投影再
構成法で求めた演算値を酸素濃度分布に変換する（ステ
ップST4）。ここで、上記説明におけるＸ線ビーム22は
生体23を十分にカバーするビーム幅を有することが望ま
しく、Ｘ線吸収測定部24は高感度な測定が必要なため、
例えば２次元Ｘ線イメージング・プレート等が望まし
い。
なお、上記実施例では３つの波長による演算方法につ
いて説明したが、４つの波長以上の波長間の演算により
最小２乗法などを用いて演算してもよく、高精度の酸素
濃度分布を得ることができる。
いて説明したが、４つの波長以上の波長間の演算により
最小２乗法などを用いて演算してもよく、高精度の酸素
濃度分布を得ることができる。
以上のように、この請求項（１）の発明によれば、酸
素と可逆的に結合分離する生体高分子のある原子のＸ線
吸収分布を少なくとも３波長で測定し、Ｘ線吸光度を所
定の演算式に代入して酸素化率分布を求め、投影再構成
法により生体の酸素化率分布を求め、生体の酸素濃度分
布に変換する。
素と可逆的に結合分離する生体高分子のある原子のＸ線
吸収分布を少なくとも３波長で測定し、Ｘ線吸光度を所
定の演算式に代入して酸素化率分布を求め、投影再構成
法により生体の酸素化率分布を求め、生体の酸素濃度分
布に変換する。
またこの請求項（２）の発明によれば、生体を介して
相対的に配設したＸ線ビーム照射手段とＸ線吸収測定手
段と、そのＸ線吸収測定手段の測定データを演算する演
算手段と、その演算結果を出力表示する表示手段とをも
って構成したので、生体の透過性が向上して、深部の酸
素濃度の分布を高精度で求めることができるほか、構造
が簡単であるため安価に提供できる効果がある。
相対的に配設したＸ線ビーム照射手段とＸ線吸収測定手
段と、そのＸ線吸収測定手段の測定データを演算する演
算手段と、その演算結果を出力表示する表示手段とをも
って構成したので、生体の透過性が向上して、深部の酸
素濃度の分布を高精度で求めることができるほか、構造
が簡単であるため安価に提供できる効果がある。
よって、増殖スピードが早く、酸素消費が高いガン細
胞の検出などに期待が大である。
胞の検出などに期待が大である。
第１図はこの発明の一実施例による生体の酸素濃度分布
測定装置の概念構成図、第２図は酸素化ヘモグロビン中
の鉄によるＸ線吸収スペクトルの特性図（例）、第３図
は酸素化率分布の変数βと酸素化率αの相関図、第４図
はこの発明の一実施例による酸素濃度分布を求めるフロ
ーチャート、第５図は従来の生体の酸素濃度分布測定装
置の構成図である。 図において、21はＸ線ビーム照射部（Ｘ線ビーム照射手
段）、22はＸ線ビーム、23は生体、24はＸ線吸収測定部
（Ｘ線吸収測定手段）、25は演算手段、26は表示手段で
ある。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
測定装置の概念構成図、第２図は酸素化ヘモグロビン中
の鉄によるＸ線吸収スペクトルの特性図（例）、第３図
は酸素化率分布の変数βと酸素化率αの相関図、第４図
はこの発明の一実施例による酸素濃度分布を求めるフロ
ーチャート、第５図は従来の生体の酸素濃度分布測定装
置の構成図である。 図において、21はＸ線ビーム照射部（Ｘ線ビーム照射手
段）、22はＸ線ビーム、23は生体、24はＸ線吸収測定部
（Ｘ線吸収測定手段）、25は演算手段、26は表示手段で
ある。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
Claims (2)
- 【請求項１】酸素と可逆的に結合・分離する生体高分子
の特定原子のＸ線吸光度特性の少なくとも３つの波長の
うち、２つの波長は酸素との結合によりＸ線吸光度が変
化しない波長を選び、他の波長は酸素との結合によりＸ
線吸光度が変化する波長を選んでＸ線吸光度を計測し、
前記３つの波長以上におけるＸ線吸光度特性の各計測点
を所定の演算式に代入して酸素化率分布を求め、前記Ｘ
線吸光度特性の酸素化率分布を生体の異なる方向から得
て投影再構成法により該生体の酸素化率分布を求め、前
記演算結果の酸素化率分布を変換して生体の酸素濃度分
布を得る生体の酸素濃度分布測定方法。 - 【請求項２】少なくとも異なる３つ以上の波長のＸ線ビ
ームを生体に照射可能なＸ線ビーム照射手段と、該Ｘ線
ビーム照射手段と相対する位置に配設され、前記生体を
左右に旋回することにより、前記生体に入射するＸ線ビ
ームの入射角を変化させる入射角変化手段と、該入射角
変化手段を前記Ｘ線ビーム照射手段とで挟む位置に配設
され、前記生体のＸ線吸光度を測定するＸ線吸収測定手
段と、該Ｘ線吸収測定手段から入力したＸ線吸光度を投
影再構成法により前記生体の酸素化率分布を求め、これ
を演算して前記生体の酸素濃度分布を算出する演算手段
と、前記演算結果の酸素濃度分布を出力表示する表示手
段とを備えた生体の酸素濃度分布測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1867390A JP2708594B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 生体の酸素濃度分布測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1867390A JP2708594B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 生体の酸素濃度分布測定方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03223649A JPH03223649A (ja) | 1991-10-02 |
| JP2708594B2 true JP2708594B2 (ja) | 1998-02-04 |
Family
ID=11978126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1867390A Expired - Lifetime JP2708594B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 生体の酸素濃度分布測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2708594B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2677303B1 (en) * | 2012-06-19 | 2016-01-20 | Mantex AB | Method and apparatus for measurement of the concentration of a specific analyte in a biological material |
-
1990
- 1990-01-29 JP JP1867390A patent/JP2708594B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03223649A (ja) | 1991-10-02 |
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