JP3035336B2 - 血流測定装置 - Google Patents

血流測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は血流測定装置、特に生体の血流情報を無侵襲
に測定する装置に関するものである。
［従来の技術］ 従来、血流情報を無侵襲に測定する装置としてレーザ
ードップラー血流計やレーザースペックル血流計が市販
されている。これらの装置はレーザー光を照射して移動
する赤血球からの散乱光を受光し、これらを周波数スペ
クトル解析して周波数勾配から血流情報を得ている（例
えば特開昭60−203235）。
これらの装置は、光ファイバにより照射プローブと受
光プローブを構成しているが、この場合にプローブの間
隔を調整することで生体組織への深達度の調整を行なっ
ている（参考文献：藤居他「レーザー現象を用いた皮膚
血流測定（Ｖ）」、日本レーザー医学会紙、第６巻第３
号（1986年１月））。
第４図はこの構成例で、生体組織Ｐに対して光ファイ
バF1によりレーザー光を照射し、光ファイバF2により散
乱光を受光する。受光ファイバF2に受光される光強度は
照射光ファイバF1との間隔で規定される。
このような構成において、藤居らは、生体組織を完全
拡散体と仮定して受光ファイバF2に受光される光強度を
近似的に次のように表した。（藤居ほか「レーザースペ
ックル現象を用いた皮膚血流測定（VII）」、日本レー
ザー医学会誌、第７巻第３号（1987年１月））。
Im＝I0EXP｛−γ（r1＋r2）｝ …（１） ここでIm:受光光強度 I0:照射光強度 γ：吸収と散乱による減衰係数 r1:照射光ファイバの端面P1から散乱粒子（赤
血球）までの距離 r2:受光ファイバの端面P2から散乱粒子（赤血
球）までの距離 この式は、組織への入射点P1とP2を焦点とする楕円の
式であるから、P1とP2間の距離を広げるほど広い光路の
散乱光を受光できることがわかる。即ち、光ファイバF
1、F2の間隔を広げることで深部の散乱光の受光が可能
となる。
［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来構成では、光ファイバからなる測定
プローブを測定対象に接触させる必要があり、この接触
により対象となる生体にたとえば、不安感、不快感など
の不要な影響を与えることが考えられる。
また、上記のような従来構成では、広範囲の測定領域
を走査するような必要がある場合に、測定プローブの位
置決めを繰り返す煩雑さがあり、位置決めを行なったと
しても、位置情報はその都度、記録しなければならず、
測定作業が困難であるという問題がある。
そこで本発明は、光ファイバなどを使用せずに生体深
部の血流情報を完全に非接触で、測定領域を画像表示
し、また、広範囲の測定領域を簡便かつ高速に位置情報
を得ながら測定可能な装置を提供することを課題とす
る。
［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するため、本発明によれば、血流測
定装置において、 可干渉光ビームを生体の測定平面上に照射して所定の
走査パターンで２次元走査する走査光学系と、 この走査光学系による可干渉光ビームの照射点に共役
な像点の近傍の像が受光面に結像するよう構成され、し
かも少なくとも前記走査光学系の一部の光学素子を共用
する受光光学系を有し、 前記受光面の所定位置に配置された受光素子により前
記照射点に共役な像点の近傍の所定位置において散乱光
強度を測定することにより生体深部の血液に関する情報
を測定するとともに、 前記走査光学系と測定対象の間に配置したハーフミラ
ーまたはダイクロイックミラーを介して測定領域の可視
画像をTVカメラで撮影し、この可視画像と重ね合わせて
前記可干渉光ビームの２次元走査位置即ち測定点の位置
情報を表示手段に表示する構成を採用した。
［作用］ 以上の構成によれば、測定プローブを使用せずに、生
体深部の血液に関する情報の測定を完全に非接触で行え
る。また、広範囲の測定領域の測定を機械的な位置決め
処理なしに行なえるとともに、測定領域の可視画像と測
定点の位置を観察しながら行なうことができる。
［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説
明する。
第１図に本発明を採用した血流測定装置の光学計の基
本構造を示す。第１図において符号３はレーザー光源
で、レーザー光源３の照射光は、穴あきミラー４中央の
穴、およびレンズ１の中心を通過して２次元走査を行な
えるように配置された２つのガルバノスキャナー５のミ
ラー5a、5bにより反射され、測定領域Ｐを走査できる。
レーザ光源３としては、生体での吸収の少ない近赤外
光を発生するものを使用する。また、測定領域Ｐの照明
用として、不図示の光源から白色光も照射する。
一方、ガルバノスキャナー５と測定領域Ｐの間に、ダ
イクロイックミラー７を配置し、測定領域Ｐの画像を撮
影できるようにしてある。ダイクロイックミラー７は、
近赤外光を通過させ、他の波長の光をTVカメラ８側に反
射させる。
このようにして、TVカメラ８は、測定領域Ｐの画像
（ダイクロイックミラー７で反射される近赤外光以外の
画像）を撮影し、その画像を画像メモリ14に出力する。
画像メモリ14は後述のように、受光部６から入力した画
像と、TVカメラ８の画像を合成するためのものである。
測定領域Ｐの生体は拡散体であるので散乱光を発し、
血管内の血球からの散乱光は生体組織で散乱や吸収を受
ける。
生体からの散乱光はダイクロイックミラー７を通過
し、レンズ１、穴あきミラー４およびレンズ２により受
光部６の設置してある面に結像される。穴あきミラー４
をレンズ１と２の間に設置するのは、光源からのレーザ
ー入射光が受光部６に至らないようにするためである。
ここで、レンズ１と２、そして穴あきミラーで構成す
る結像系はミラーの振れ角により像がぼけないのに十分
な焦点距離の長いものを使用する。したがって、像面で
の受光系の配置と物体面における配置は第３図に示すよ
うに結像の関係にある（第３図ではガルバノスキャナー
５は簡略化して図示してある）。
受光部の構成例を第２図に示す。
第２図のように、受光センサａ〜ｄは照射位置からず
らした距離に設置される。本装置では従来のレーザース
ペックル血流計やレーザードップラー血流計のように光
ファイバプローブを使用しないので、測定部位の深さは
受光面（像面）でのレーザー光照射点と受光センサａ〜
ｄ間の距離とレンズ１の開口ナンバー、およびセンサの
面積で規定される。
第２図のように、受光センサを４か所設置しておけ
ば、一つの照射点に対して４つの情報を受光でき、測定
時間を短縮できる。また、照射点と受光点の間隔を変え
ることで、違う深さの血流分布を求め、出力（たとえば
後述のディスプレイ15により表示する）することが可能
になる。
一方、画像メモリ14においては、第５図に示ような手
順により、TVカメラ８の出力画像とガルバノスキャナ５
によるレーザ走査位置情報を合成し、ディスプレイ15で
出力する。
第５図の手順は、装置全体の動作を制御する制御部
（コンピュータなどにより構成する）16により実行され
る。
第５図のステップS1では、画像メモリ14にTVカメラ８
の出力画像を取り込む。ステップS2では、ガルバノスキ
ャナ５の位置制御情報から、現在のレーザ走査位置を認
識し、ステップS2でその走査位置が、TVカメラ８の出力
画像のどの位置に相当するのかを計算する。
ステップS4では、ステップS3での計算に基づき、画像
メモリ14中のTVカメラ８の出力画像に、現在の走査位置
を示すドット情報などを重畳し、ディスプレイ15で表示
させる。このとき、受光部６に受光素子が上記のように
複数配置されている場合には、その対応位置なども表示
する。
ステップS5では、後述の方法により血流情報を測定
し、その情報を必要に応じてさらにディスプレイ15で重
畳表示する。
ステップS6〜S8では、走査位置の決定制御を行ない、
位置変更があればステップS1からS5の制御を繰り返す。
以上の構成によれば、測定領域Ｐの生体にレーザー光
源３が発生するスポット状の光を照射してガルバノスキ
ャナー５により走査し、一方、照射光学系中に配置され
たレンズ１、２を介して受光部６に照射スポット近傍面
の像を結像する。受光部６には、照射スポットから所定
距離ずれた位置に４つの受光センサａ〜ｄを配置してあ
るから、この位置での散乱光だけを受光センサａ〜ｄに
より受光して、その散乱光の変動から一定深さの血流情
報を主情報として解析して血液の流れを測定することが
できる。
たとえば、複数の波長の異なる光を光源として、各々
の波長の散乱光量の差異を分光情報として解析すること
で平面内の任意の部位の酸素飽和度を求めることができ
る。
また、レーザーを光源として走査を任意に行ない、各
点からの動的スペックル信号を解析することで、生体の
一定深部からの血流速度分析を求めることができる。
酸素飽和度あるいは血流速度の解析手法に関しては公
知であるので、解析の基本を簡単に述べる。
酸素飽和度は血液からの吸光量から求める。溶液に対
して入射光Iinと透過光Ioutの関係は、「ランバート
ベーツの法則」として知られており、吸光度Ａは、 と定義される。ここで、 E:使用した光の波長での吸光係数 C:物質濃度 Iin:入射光量 L:光路長 Iout:出射光量 血液の吸光は、そのほとんどがヘモグロビンによるも
ので、Ｃはヘモグロビン濃度とみなすことができる。
ヘモグロビンの吸光係数Ｅは酸素飽和度Ｓと波長によ
って異なり、次の関係がある。
Ｅ＝Er−Ｓ（Er−Eo） ErはＳ＝０での吸光係数 EoはＳ＝１での吸光係数 波長λ１、λ２での吸光度A1,A2は A1/CL1＝E1＝Er1−Ｓ（Er1−Eo1） A2/CL2＝E2＝Er2−Ｓ（Er2−Eo2） λ１、λ２での吸光度の比をＲとし、各波長の光路長
が同じとすれば、 Ｌ＝L1＝L2となって よって酸素飽和度Ｓは と表され、吸光度の比から酸素飽和度を求めることがで
きる。
以上のようにして、２つの波長を照射してその光量の
比を測定すると酸素飽和度が求まる。
血流速度は、赤血球にレーザー光を照射すると散乱光
強度の変動周波数が赤血球の移動に対応することを基本
としている。生体の血管内の移動する赤血球からの散乱
光はボイリングスペックルと呼ばれている。生体表面で
ある受光範囲内で、このスペックル強度変動の周波数解
析を行なうと、第６図（ａ）、（ｂ）に示すように赤血
球の移動速度がパワースペクトルの分布に関係すること
が知られている。赤血球速度が速くなると、スペクトル
分布は高周波まで延びる。このことに着目して、パワー
スペクトルの傾きから流速が求められている。野平、新
富、大浦、藤居、朝倉らは、40Hzと640Hzの信号の絶対
値の比を求め、血流速度を求めている。（例えば、日本
レーザー医学会誌第５巻第３号「レーザースペックル現
象を用いた皮膚血流測定」）。
なお、本発明の構成によれば、ガルバノスキャナー５
による走査時、受光系もガルバノスキャナー５を共用し
ているから、受光視野も照射スポットと同時に走査され
る。すなわち、上記実施例においては、照射スポット光
と受光視野の組みあわさったペアを一定間隔に配置した
まま任意の位置に比接触に走査でき、ディスプレイ15に
より測定部の可視像を見ながら測定点を設定できる点に
特徴がある。従来例に示した血流計における投光ファイ
バと受光ファイバのペアでは、多数の測定点を測って
も、測定点の位置情報を組み合わせることができない
が、本発明では位置情報をもった血流または酸素飽和度
の情報を提供することができる。
したがって、従来装置と異なり、完全に非接触な位置
走査をしながらの測定が可能となる。
また、いったん測定対象と受光装置の位置決めを行な
えば、レーザー光の走査により、広範囲の測定領域を観
察しながら簡便かつ高速に測定できる。しかも、上記実
施例では、照射スポット１点につき４点（受光センサを
増設すればそれ以上）の受光点において、同時に散乱光
の情報を測定できるから、測定の高速性に優れている。
さらに、走査光学系と、受光光学系の素子の一部共用
により、装置の構成が簡単、安価で済むという利点もあ
る。
なお、受光部の受光センサは、照射点を中心に４個
（第２図参照）配置する例を示したが、その配置位置、
数は測定深度などに応じて種々変更することができるの
はいうまでもない。さらに、受光部の受光センサは、光
電子増倍管の前方に複数の受光位置を規制するマスクを
配置して構成することも考えられ、その場合、マスクの
交換により容易に受光センサの配置、数などを変更でき
る。
［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明の血流測定装置によ
れば、測定プローブを使用せずに、生体深部の血液に関
する情報の測定を完全に非接触で行える。また、広範囲
の測定領域の測定を機械的な位置決め処理なしに、かつ
測定領域の可視画像と測定点の位置を観察しながら行な
え、非常に簡便かつ高速に行なえる。さらに、装置の構
成も簡単安価で済むという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の血流測定装置の構成を示した説明図、
第２図は受光面（像面）における照射点と受光センサ位
置の関係を示した説明図、第３図は物体面と受光面（像
面）の平面的な関係を示した説明図、第４図は従来の測
定方式の説明図、第５図は画像重ね合わせの処理手順を
示したフローチャート図、第６図（ａ）、（ｂ）は血流
速度とスペックル強度、パワースペクトラムの関係を示
した線図である。 １……レンズ、２……レンズ ３……レーザー光源、４……穴あきミラー ５……カルバノスキャナー、６……受光部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−37931（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−142885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−70908（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−311937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 5/022 - 5/0295 A61B 5/14

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可干渉光ビームを生体の測定平面上に照射
    して所定の走査パターンで２次元走査する走査光学系
    と、 この走査光学系による可干渉光ビームの照射点に共役な
    像点の近傍の像が受光面に結像するよう構成され、しか
    も少なくとも前記走査光学系の一部の光学素子を共用す
    る受光光学系を有し、 前記受光面の所定位置に配置された受光素子により前記
    照射点に共役な像点の近傍の所定位置において散乱光強
    度を測定することにより生体深部の血液に関する情報を
    測定するとともに、 前記走査光学系と測定対象の間に配置したハーフミラー
    またはダイクロイックミラーを介して測定領域の可視画
    像をTVカメラで撮影し、この可視画像と重ね合わせて前
    記可干渉光ビームの２次元走査位置即ち測定点の位置情
    報を表示手段に表示することを特徴とする血流測定装
    置。
  2. 【請求項２】前記走査光学系により光ビームを測定２次
    元平面内で走査し、前記受光光学系により前記照射点に
    共役な像点の近傍の所定位置における散乱光強度を測定
    し、赤血球の吸光量の情報を持った前記散乱光強度の情
    報に基づき特定の深さの血液の酸素飽和度情報を測定す
    ることを特徴とする請求項１に記載の血流測定装置。
  3. 【請求項３】前記走査光学系により光ビームを測定２次
    元平面内で任意に走査し、前記受光光学系により前記照
    射点に共役な像点の近傍の所定位置における散乱光強度
    の変動を測定解析し、同一の深さの赤血球の流速の２次
    元分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の血
    流測定装置。
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