JP3593764B2

JP3593764B2 - 生体光計測装置

Info

Publication number: JP3593764B2
Application number: JP31032195A
Authority: JP
Inventors: 優一山下; 敦牧; 英明小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: JPH09140715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生体内部の情報を光を用いて計測する装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
生体内部を簡便かつ生体に害を与えずに測定する装置が臨床医学及び脳科学などの分野で望まれている。例えば具体的に頭部を測定対象と考えると、脳梗塞・脳内出血などの脳疾患及び、思考・言語・運動などの高次脳機能の計測などが挙げられる。また、このような測定対象は頭部に限らず、胸部では心筋梗塞などの心臓疾患、腹部では腎臓・肝臓などの内臓疾患に対する予防診断等も挙げられる。このような要望に対し、光計測は非常に有効である。その第一の理由は、生体内器官の正常及び異常、さらには高次脳機能に関する脳の活性化は、生体内部の酸素代謝及び血液循環と密接に関係している。この酸素代謝と血液循環は、生体中の特定色素（ヘモグロビン，チトクロ−ムａａ_３，ミオグロビン等）の濃度に対応し、この色素濃度は可視から近赤外領域の波長の光吸収量から求められるからである。また、光計測が有効である第二、第三の理由としては、光は光ファイバによって扱いが簡便でかつ装置の小型化にも適しており、さらに安全基準の範囲内での使用により生体に害を与えないことが挙げられる。
【０００３】
このような光計測の利点を利用して、可視から近赤外の波長の光を生体に照射し、生体から反射された光を検出することで生体内部を計測する装置が、例えば特開昭５７−１１５２３２号、特開昭６３−２６０５３２号、特開昭６３−２７５３２３号に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、小型簡便に、かつ被験者が自由に動きまわりながらすなわち非拘束的に生体内部を画像化する装置を可能にすることである。前述の、光による生体計測技術では、生体の特定の位置もしくは限られた狭い領域しか計測できず、生体の広い空間領域における画像計測について考慮されていない。生体、例えば頭部を計測対象と考えて脳内の疾患もしくは高次脳機能を計測する場合、疾患部または機能領域を明確に特定する必要がある。このため頭部の広い領域を画像として計測することが非常に重要である。この重要性を示す例としては、脳内の画像計測装置として、ポジトロンエミッション断層装置（ＰＥＴ）および機能的核磁気共鳴断層装置（ｆＭＲＩ）が現在広く用いられていることが挙げられる。これらの装置は、生体内部の広い領域を画像として計測可能という長所がある一方、装置が大型でその扱いが煩雑であるという短所が存在する。すなわち、これらの装置の設置には専用の部屋が必要となり、保守管理の専任者も必要になることから、装置の運用には莫大なコストを要することになる。もちろんこの場合、装置の移動は容易ではなく、また、被験者は計測の間固定され身動きすることが出来ない。このように、ＰＥＴやｆＭＲＩは被験者に対する拘束性は非常に高い。例えば高次脳機能を計測する場合、屋外、屋内や安静時、運動時などいろいろな環境、条件の下で、被験者が自由に動きまわれる状態で計測する必要が有るため、ＰＥＴやｆＭＲＩは非拘束計測には適していない。
【０００５】
このように、小型簡便に、かつ被験者が自由に動きまわりながら生体内部を画像化することは、非常に重要でありながらいまだ解決されていない課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、この課題を解決するために、光計測の簡便性を積極的に利用する。光計測においては、生体の広い空間領域において、被験者の複数の位置から光を照射し、被験者内部を通過した光を複数部位から検出することで、生体内部の画像化に必要な複数位置での計測を行うことが出来る。また、計測の間、自由に動くことを可能にするため、被験者への光照射および被験者からの光検出を行ために被験者に装着するプロ−ブと、計測信号のデ−タ及び画像処理、表示などを行う計測制御部とを空間的に分離する。ここで、プロ−ブで検出された信号は、プロ−ブから無線によって実時間もしくは一定時間間隔で計測制御部に送信されるか、もしくは、プロ−ブ内に一時的に記録され、計測終了後に計測制御部でデ−タを処理を一括して行う。
【０００７】
このように、被験者の複数位置での光計測、及びプロ−ブと計測制御部との分離の手段により、小型簡便な装置で、かつ非拘束に生体内部の画像化を実現する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第一の実施例を図１に示す。この実施例では、例えば頭皮上から光を照射・検出することにより大脳内部を計測する実施形態を示す。
【０００９】
プロ−ブ１の内部には、複数個の光源及び複数個の光検出器を内部に含んでいる。これらの光源及び光検出器などプロ−ブ内で必要な電源は、電源部２により供給される。この光源から被検体３に光が照射されて、被検体を通過して光検出器で検出された光は電気信号に変換される。ここで、計測された信号、例えば光強度に関する信号は、プロ−ブ送信部４の送信アンテナ４１により光強度に比例した変調信号に変換されてプロ−ブ外に無線により送信される。この無線信号は、プロ−ブ１と分離している計測制御部５の内部の計測受信部６の受信アンテナ４２で受信され、プロ−ブ１内で検出された光強度に比例する信号に復調される。この計測制御部５の内部のデ−タ処理部７で光強度の信号は処理されて、さらに表示部８で表示される。このようにプロ−ブ１と計測制御部５が分離されていて、被検体が自由に動きまわりながらも、無線を通じて実時間で計測結果が表示される。この一連の計測は制御部９により制御される。この制御としては、例えば計測開始及び計測終了の無線信号が計測制御部５の制御信号送信部１０の送信アンテナ４１から送信されてプロ−ブ受信部１１の受信アンテナ４２で受信することで実現できる。また、プロ−ブ１には、音声表現装置例えばイヤホン４３が含まれており、この計測開始もしくは計測終了の信号を音声信号に変換して被検体３に伝達する。さらに計測中における被検体への指示もしくは聴覚刺激などもこのイヤホン４３を用いる。このような、被検体３への直接的に指示等を伝達する手段としては、ゴ−グルを利用した映像を用いても良い。
【００１０】
さらに、プロ−ブ１の内部には、デ−タ記録媒体駆動部、たとえばがフロッピ−ディスクドライブ１２が含まれ、光検出器で検出された光強度の信号はフロッピ−ディスク１３にも記録される。被検体３が計測中に自由に動きまわり、その結果プロ−ブ１から計測制御部５へのデ−タの送信が困難になる場所に移動した場合でも、計測終了後に計測制御部５内のフロッピ−ディスクドライブ１４によりデ−タが読みだされ、処理されることが可能となる。
【００１１】
ここで、プロ−プ１の構造及び計測手順の詳細を、プロ−ブ１の断面を示す図２で示す。ここでは照射・検出位置が２か所ずつ含む場合を例として示しているが、照射・検出位置を増加させて大脳内部の広い部分を計測し画像化することはもちろん容易である。
【００１２】
図２に示される、プロ−ブ内の光源駆動回路９により、光源１６−１と光源１６−２を駆動する。ここで、光源１６−１内には、可視から近赤外の波長領域中で複数の波長、例えば７７０、８０５、８３０ｎｍの三波長の光を放射する三個の半導体レ−ザ１７−１から１７−３を含んでいる。同様に、光源１６−２内には、それぞれ同波長の半導体レ−ザ１７−４から１７−６が含まれている。光源駆動回路１５により、これらの半導体レ−ザ１７−１から１７−６は時系列的に駆動される。これら半導体レ−ザからの光は被検体３に照射され、被検体内部を通過した光は光検出器、例えばフォトダイオ−ド１８−１もしくは１８−２で検出される。
【００１３】
ここで、光照射位置及び光検出位置を、プロ−ブ１の内側表面すなわち頭部に接触する面を示す図３で説明する。照射位置ａには光源１６−１が、照射位置ｂには光源１６−２が配置されている。また、検出位置ａにはフォトダイオ−ド１８−１が、検出位置ｂにはフォトダイオ−ド１８−２が同様に配置されている。ここで、照射位置ａから照射された光は検出位置ａで検出し、同様に照射位置ｂから照射された光は検出位置ｂで検出する。この計測には脳内の計測位置を特定するために、光散乱体中例えば生体中の光伝播現象を利用している。この例としては、例えばエヌ・シ−・ブル−ス（Ｎ．Ｃ．Ｂｒｕｃｅ）による「高散乱媒質中における吸収性及び透過性含有物の効果の実験的検討（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｂｓｏｒｂｉｎｇａｎｄｔｒｓｎｓｍｉｔｔｉｎｇｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｈｉｇｈｌｙｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｄｉａ）」，１９９４年１０月１日，アプライドオプティクス，第３３巻，第２８号，第６６９２〜６６９８項（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，３３，２８，６６９２（１９９４））により報告されており、その結果を図４に示す。この図４により、光照射位置と検出位置の中点近傍が、表面から深い場所の情報を多く有することが知られている。そこで脳を頭蓋骨や皮膚の上から計測する場合、照射・検出位置の中点が計測位置となる。ここで、図３の場合では、照射位置ａと検出位置ａの中点と、照射位置ｂと検出位置ｂの中点との２か所が計測位置となる。
【００１４】
フォトダイオ−ド１８−１もしくは１８−２からの電気信号は、マルチプレクサ１９により、どちらか一方が選択される。このマルチプレクサ１９により、光源１６−１から光が照射されている場合にはフォトダイオ−ド１８−１の出力が選択され、光源１６−２から光が照射されている場合にはフォトダイオ−ド１８−２の出力が選択される。このマルチプレクサからの出力は、変調器２０により、おのおののフォトダイオ−ドでの検出光強度に比例する変調信号に変換され、放射されている半導体レ−ザと選択されているフォトダイオ−ドの番号に対応する変調信号と共にプロ−プ発信部４から無線により送信される。
【００１５】
この無線信号は、プロ−ブから分離されている計測制御部５内の計測受信部６で受信され、該当半導体レ−ザ番号と選択フォトダイオ−ド番号、そして検出光強度の信号に復調される。プロ−ブ１内で駆動される半導体レ−ザ及びマルチプレクサ１９により選択されるフォトダイオ−ドが時系列的に変化し、すなわち時系列的に変化する計測波長及び計測位置に伴い、この計測波長及び計測位置ごとの検出光強度が計測制御部５で実時間で受信される。これら各計測位置ごとのに三波長の検出光強度は、デ−タ処理部７で酸素化ヘモグロビン濃度及び脱酸素化ヘモグロビン濃度、さらにはこれらヘモグロビン濃度総量としての全ヘモグロビン濃度を、例えば、講談社、１９７９年発行の柴田正三等編集による著書「二波長分光光度法とその応用」記載の方法で求める。各計測位置で求められた酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、及び全ヘモグロビン濃度の時系列変化は、表示部８において表示される。
【００１６】
以上の例ではプロ−ブに照射・検出位置が２か所ずつ、すなわち計測位置が２か所含む場合を示したが、もちろん図５に示すようにプロ−ブの内側表面に、さらに照射位置および検出位置を増加させて計測位置を増加させることにより、脳の多くの位置で計測が可能となる。このように多くの計測位置で得られた結果は、計測制御部５内のデ−タ処理部７で、例えばこれら計測位置における前記ヘモグロビン濃度を空間的に線形補完することによって、脳内の画像を得ることが可能となる。
【００１７】
（実施例２）
本発明の第二の実施例を図６で説明する。この実施例では、基本的な計測系の構造は第一の実施例と同様であり、プロ−ブ１の構造が異なる場合を示す。
【００１８】
図６にこの第二の実施例のプロ−ブの断面図を示す。太陽電池２１がプロ−ブ１の外側表面の約半分の面積の部分に配置されている。太陽光もしくは室内光を受けて、この太陽電池２１によって生ずる電気エネルギ−により、プロ−ブ内で必要とされる電気エネルギ−を供給する。この太陽電池で供給が不足する場合は、補助電源２２を併用する。
【００１９】
また、プロ−ブ１の外側表面には光ファイバ束２３が配置されている。この光ファイバ束は、光源１６−１及び１６−２に分離して導入されている。ここで、光源１６−１ではさらに光ファイバ束は３つに分離され、それぞれが、さらに波長フィルタ−２４−１から２４−３に導入される。これらの波長フィルタ−２４−１、２４−２、２４−３では、例えば７７０、８０５、８３０ｎｍの三波長の光をそれぞれ透過する。また、これら波長フィルタ−にはさらに光シャッタ例えば液晶フィルタ−２５がそれぞれ配置されている。同様に光源１４−２についても、光ファイバ束は３つに分離され、それぞれが、波長フィルタ−２４−４、２４−５、２４−６に導入されており、それぞれ波長フィルタ−２４−１、２４−２、２４−３と同じ光透過特性を有している。また、これら波長フィルタ−にも液晶フィルタ−２５がそれぞれ配置されている。これらの液晶フィルタ−は、液晶フィルタ駆動部２６により、波長フィルタ−２４−１から２４−６を透過した光に対して、時系列的に一個所から光が被検体に照射されるように制御されている。被検体内部を通過した光はフォトダイオ−ド１８−１もしくは１８−２で検出され、第一の実施例の場合と同様に計測制御部にデ−タが送信されて、デ−タ処理及びその結果の表示か行われる。
【００２０】
（実施例３）
本発明の第三の実施例を図７で説明する。この実施例では、基本的な計測系の構造は第二の実施例と同様である。太陽光もしくは室内光をプロ−ブ１内で波長分光して計測に用いる際に、計測に必要な充分な光量が得られない場合に適用する。
【００２１】
この実施例では、被検体が計測中に自由に動き回れる範囲にわたって、計測に用いる波長、たとえば７７０、８０５、８３０ｎｍの光を放射するランプ３１を複数個所配置する。このことにより、プロ−ブ１の内部での波長分光の後においても所定の波長の光を充分に計測に用いることが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、小型簡便に、かつ被験者が自由に動きまわりながらすなわち非拘束的に生体内部を画像化する装置が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第一の実施例のブロック図。
【図２】第一の実施例におけるプロ−ブ断面図。
【図３】第一の実施例におけるプロ−ブの内表面図。
【図４】散乱体中の光伝播を示す図。
【図５】プロ−ブ内に多数の照射・検出位置を含む場合のプロ−ブの内表面図。
【図６】第二の実施例におけるプロ−ブ断面図。
【図７】本発明における第三の実施例のブロック図。
【符号の説明】
１：プロ−ブ、２：電源部、３：被検体、４：プロ−ブ送信部、
５：計測制御部、６：計測受信部、７：デ−タ処理部、８：表示部、
９：制御部、１０：制御信号送信部、１１：プロ−ブ受信部、
１２、１４：フロッピ−ディスクドライブ、１３：フロッピ−ディスク、
１５：光源駆動回路、１６−１、１６−２：光源、
１７−１〜１７−６：半導体レ−ザ、
１８−１、１８−２：フォトダイオ−ド、１９：マルチプレクサ、
２０：変調器、２１：太陽電池、２２：補助電源、２３：光ファイバ束、
２４−１〜２４−６：波長フィルタ、２５：液晶フィルタ、
２６：液晶フィルタ駆動部、３１：ランプ、４１：送信アンテナ、
４２：受信アンテナ、４３：イヤホン。

Claims

被検体頭部の複数部位に光を照射する複数の光照射器と、前記光照射器から照射され前記被検体頭部の内部を通過した光を検出する複数の光検出器と、前記光検出器で検出された情報を無線で伝達する第一の送信部と、第一の受信部と、音声表現装置とを有する前記被検体頭部に装着するための生体光計測用プローブと、
前記第一の送信部から送信された情報を受信する第二の受信部と、第二の送信部と、前記第二の受信部により受信された前記情報を信号処理するデータ処理部とを有する計測制御部とを有し、
前記第一の受信部は前記第二の送信部から送信された情報を受信し、前記音声表現装置は前記第一の受信部で受信された情報を音声信号に変換し前記被検体に伝達することを特徴とする生体光計測装置。
被検体頭部の複数部位に光を照射する複数の光照射器と、前記光照射器から照射され前記被検体頭部の内部を通過した光を検出する複数の光検出器と、前記光検出器で検出された情報を無線で伝達する第一の送信部と、第一の受信部と、映像表示手段とを有する前記被検体頭部に装着するための生体光計測用プローブと、
前記第一の送信部から送信された情報を受信する第二の受信部と、第二の送信部と、前記第二の受信部により受信された前記情報を信号処理するデータ処理部とを有する計測制御部とを有し、
前記第一の受信部は前記第二の送信部から送信された情報を受信し、前記映像表示手段は前記第一の受信部で受信された情報を視覚情報に変換し前記被検体に伝達することを特徴とする生体光計測装置。
前記光計測用プローブは電源を有することを特徴とする請求項１または２に記載の生体光計測装置。
前記電源は太陽電池であることを特徴とする請求項３記載の生体光計測装置。