JP3794449B2

JP3794449B2 - 光学的測定装置

Info

Publication number: JP3794449B2
Application number: JP09473598A
Authority: JP
Inventors: 貞夫竹内; 義夫綱沢
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: JPH11295218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に光を照射し、被検体によって散乱、反射、あるいは吸収された光を受光して、被検体や組織を光学的に測定する光学的測定装置に関し、生体酸素モニター等の生体測定装置に適用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体等に可視光から近赤外光の波長の光を照射し、生体内部で吸収あるいは散乱して反射してくる光を受光し、この散乱光の吸収スペクトルを測定することによって、生体の組織を調べたり診断を行う生体モニターが知られている。この生体モニターとして、酸素モニターが知られている。
【０００３】
従来の酸素モニターでは、測定開始時に酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビン等の測定項目の値を記憶しておき、その後の測定値との比較によって、相対変化を測定するものや、発光部と複数個の受光部を直線上に配列し、酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの絶対量を測定するものが知られている（特開平８−１０２４４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発光部から照射された光は、被検体の中で散乱や吸収が行われながら進行して受光部に到達する。一般に、発光部と受光部との距離が短い場合には、受光部は主に被検体の浅い部分を通過した光を受光し、発光部と受光部との距離が長い場合には、受光部は主に被検体の深い部分を通過した光を受光するといわれている。
【０００５】
酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの測定によって、生体の組織を調べたり診断を行うには、被検体の同程度の深さから情報を得る必要がある。情報を得る深さが異なると、正確な比較を行うことができない。そこで、従来の酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの絶対量を測定する酸素モニターでは、被検体の同程度の深さから情報を得るために、直線上に配列する発光部と複数個の受光部との間の距離を一定に固定した構成としている。
しかしながら、従来の測定装置では、被検体から得られる情報は常に同程度の深さから得られるが、異なる深さからの情報を得ることができないという問題がある。
【０００６】
従来の測定装置によれば、同一の測定項目について、同一の被検体での時間的変化や多数の被検体間の比較を、一つの測定装置で行うことができるが、異なる測定部位からの情報を得ることはできない。異なる測定部位から情報を得るには、発光部と複数個の受光部との間の異なる距離で配列した複数個の測定装置が必要となる。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、異なる深さからの情報を一つの測定装置で得ることができる光学的測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一般に、均一な光散乱，吸収体の特性は吸収係数μａと等価散乱係数μｓ’（＝（１−ｇ）μｓ）の２つの光学定数により記述することができる。なお、μｓは散乱係数であり、ｇは非等方性パラメータである。この吸収係数μａと等価散乱係数μｓ’の積μａ・μｓ’は、一括した量として算出されることが知られており、Ｂ＝（３・μａ・μｓ’）^1/2とし、入射点と２つの受光点との距離をａ₁，ａ₂（ａ₁＜ａ₂）とし、各受光点での受光強度をＩ₁，Ｉ₂（Ｉ₁＞Ｉ₂）とすると、受光強度Ｉ₁，Ｉ₂とＢとは以下の式の関係で表される。
【０００８】
Δｙ＝ｌｎＩ₂−ｌｎＩ₁
＝−（ａ₂−ａ₁）Ｂ＋ｌｎ（ａ₂Ｂ＋１）−（ａ₁Ｂ＋１）−３ｌｎ（ａ₁／ａ₂） …（１）
上記関係式において、実用上の入射点と受光点との距離間隔では、
Ｂ＝αΔｙ＋β …（２）
の近似式が成り立つことが知られている（特開平８−１０２４４号公報）。
【０００９】
式（２）は、被検体の光学的特性を表すＢは２つの受光点での受光強度比を表すΔｙと関係を示している。ＢとΔｙの関係表す係数α及びβは、通常、入射点（発光点）と受光点との距離ａ₁及びａ₂に応じて変化する値となる。したがって、異なる深さからの情報を一つの測定装置で測定するために距離ａ₁及びａ₂を変化させると、式（２）の係数α及びβは、発光点と各受光点との距離ａ₁及びａ₂の変化に応じて変化することになり、異なる深さからの情報を得るには、測定プローブにおいて入射点（発光点）と受光点との距離ａ₁及びａ₂を異ならせるとともに、該距離ａ₁及びａ₂に対応して係数α及びβを求める等の信号処理が必要となる。
【００１０】
本発明の光学的測定装置は、一つの測定装置で異なる深さからの情報を得るものであり、かつ測定プローブの構成及び信号処理をより簡易とするものである。
【００１１】
そこで、本発明の出願人は、２つの受光点間の距離（ａ₂−ａ₁）を一定とすると、入射点（発光点）と受光点との距離ａ₁（ａ₂）の変化に対して、上記関係式のα及びβは図６に示されるような比較的に直線的な関係で表されることを見いだした。
【００１２】
本発明の光学的測定装置は、上記に見いだした入射点（発光点）と受光点との距離ａ₁（ａ₂）と、係数α及びβとの関係を用いることによって、一つの測定装置で異なる深さからの情報を、簡易な構成でかつ簡易な信号処理によって得るものである。
【００１３】
そこで、本発明の光学的測定装置は、被検体に光を照射する発光部と、少なくとも２つの光検出器を有する受光部とを含む測定プローブと、受光部で検出される検出信号を信号処理する信号処理部とを備え、受光部は、光検出器間の距離を一定とするとともに発光部との距離を可変とし、信号処理部は、受光部と発光部との距離をパラメータとして信号処理を行う構成とする。
【００１４】
この構成によれば、受光部を光検出器間の距離を一定の距離間隔で固定し、発光部との距離を一体で可変とすることによって、測定プローブの構成を簡易なものとすることができるとともに、被検体の光学的特性を求める信号処理を受光部と発光部との距離の１つのパラメータで行うことができ、信号処理を簡易なものとすることができる。
【００１５】
なお、発光部と受光部との間の距離変更は、１つの測定プローブ内において、発光部側と受光部側の少なくともいずれか一方の側を移動させる構成により行うことができる。
【００１６】
発光部及び受光部の第１の形態は、発光部を測定プローブに固定するとともに、複数の光検出器を一体に保持する部材とし、測定プローブに設けた溝等の案内部に対しスライド移動可能に設置する構成とすることができ、保持部材を案内部に対してスライド移動させることによって、発光部及び受光部の距離を変更することができる。
【００１７】
発光部及び受光部の第２の形態は、複数の光検出器を測定プローブに固定するとともに、発光部を測定プローブに設けた溝等の案内部に対しスライド移動可能に設置する構成とすることができ、発光部を案内部に対してスライド移動させることによって、発光部及び受光部の距離を変更することができる。
【００１８】
発光部及び受光部の第３の形態は、複数の光検出器を測定プローブに固定するとともに、発光部を測定プローブに設けた、発光部からの距離が異なる複数個の取り付け部に脱着可能に取り付ける構成とすることができ、発光部を取り付ける取り付け部を変更することによって、発光部及び受光部の距離を変更することができる。
【００１９】
また、発光部及び受光部の第４の形態では、発光部と受光部との間の距離を検出する距離検出手段を備え、信号処理部は、この距離検出手段で検出した距離を、被検体の光学的特性を求める信号処理に用いるパラメータとして使用する。距離検出手段は、任意の位置検出手段によって検出した距離信号を用いることも、また、人手による入力を行うこともできる。
【００２０】
発光部及び受光部の第５の形態は、受光部を構成する複数の光検出器において、発光部側から遠い光検出器を発光部側に近い光検出器より大きな受光面積とするものであり、これによって受光強度のレベルを調整し、同程度の信号強度とすることができる。前記受光面積に調整は、発光部側から遠い光検出器に受光面積の大きな受光素子を用いる構成、あるいは発光部側から遠い光検出器の個数を増加させる構成により行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の光学的測定装置の第１の形態を説明するための概略図である。第１の形態は、受光部を移動可能とする構成例である。光学的測定装置は、測定プローブ１と信号処理部５とを備え、測定プローブ１と信号処理部５との間は光と電気信号とを送信する光電気複合ケーブル６で結合される。
【００２２】
測定プローブ１は、被検体（図示していない）に光を入射する発光部２と、発光部２から入射された後、被検体内で吸収，散乱された光を受光し、該受光の受光強度に応じた検出信号を出力する受光部３とを備える。
【００２３】
発光部２は、光電気複合ケーブル６を通して信号処理部５から送光された光あるいは電流によって、被検体側に光を発光するものであり、第１の形態の発光部２は測定プローブ１の所定位置に固定して設置されている。
【００２４】
受光部３は、第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａとを含み、受光ブロック３３に一体に取り付けられ、被検体から放射される光を受光し、該受光あるいは該受光の受光強度に対応した検出信号を、光電気複合ケーブル６を通して信号処理部５の送光あるいは送信する。第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａとは受光ブロック３３に一体に設置され、その設置間隔は所定の値ａに固定されている。なお、図１では、第１の検出器３１ａを発光部２に近い側の検出器とし、第２の検出器３２ａを発光部２から遠い側の検出器としている。
【００２５】
また、この受光ブロック３３は、測定プローブ３に形成された溝等の案内部４にスライド移動可能に取り付けられる。これによって、第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａとは発光部２に対して一体で移動し、第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａとの距離を一定に保持したまま、発光部２との距離を変更することができる。なお、案内部４は溝に限らず、レール等の案内手段を用いることができる。
【００２６】
また、受光ブロック３３と発光部２との距離ａ₁，（ａ₂）は、ポテンショメータ等の任意の検出手段で電気的に測定したり、あるいは測定プローブ１上に設けた目盛りによって測定することができる。距離ａ₁（ａ₂）を電流的に測定した場合には、該測定信号は光電気複合ケーブル６を通して信号処理部５に送信される。また、目盛りによって測定する場合には、人手によって信号処理部５に測長距離を入力することができる。
【００２７】
図１（ｂ）は、受光部３が発光部２に対して移動状態を説明するものであり、破線で示す受光部３’から実線で示す受光部３に移動する場合を示している。移動前の受光部３’の検出器３１ａは発光部２と距離ａ₁’だけ離れている。この受光部を距離ｄだけ移動させると、受光部３の検出器３１ａは発光部２と距離ａ１だけ離れた位置に移動する。
【００２８】
信号処理部５は、受光部３の第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａで受光する受光強度に対応した検出信号と、発光部２と受光部３との距離ａとを入力し、被検体の光学的特性を求める信号処理を行う。この信号処理では、第１の検出器３１ａと第２の検出器３２ａの受光強度をＩ₁，Ｉ₂とし、発光部２と受光部３との距離をａ₁，ａ₂（＝ａ１＋ａ）とすると、前記式（１），（２）及び図６によるα，βの補正を行う。ここで、発光部２と受光部３との距離ａはα，βの補正を行うためのパラメータとして使用する。
【００２９】
なお、図１に示す測定プローブ１の面は、被検体と接触する面を表しているが、受光ブロック３３及び目盛りと反対側の面に設ける構成とすることができる。いずれの構成においても、発光部２及び検出器３１ａ，３２ａを被検体と接触する面側に設けることは、その機能上から明らかである。
【００３０】
図２，３は本発明の光学的測定装置の第２，３の形態を説明するための概略図である。第２，３の形態は、第１の形態と同様に、受光部を移動可能とする構成例であり、受光部３の第１の検出器と第２の検出器の受光強度Ｉ₁及びＩ₂のレベルを同程度となるように調節する構成である。通常、発光部から遠い受光部の受光量は低下するため、発光部から遠い受光部の受光面積を大きくすることによって、前記受光量の低下を補償する。第２，３の形態はこの受光量の低下を補償するための構成例である。
【００３１】
なお、第２，３の形態は、受光部の構成を除いて第１の形態と同様とすることができるため、以下では受光部の構成のみを説明する。
【００３２】
図２において、第２の形態の受光部３は、２つの第１の検出器３１ｂと３つの第２の検出器３２ｂとを備える。この構成は、発光部から遠い側にある第２の検出器３２ｂの個数を第１の検出器３１ｂの個数より多くすることによって、発光部から遠い受光部の受光量の低下を補償し、第１の検出器３１ｂと第２の検出器３２ｂから得られる受光強度が同程度なるように補償するものである。
【００３３】
図３において、第３の形態の受光部３は、１つの第１の検出器３１ｂと２つの第２の検出器３２ｂとを備え、第２の検出器３２ｂの受光素子の受光面積を大きくするものである。この構成は、発光部から遠い側にある第２の検出器３２ｂの受光素子の受光面積を第１の検出器３１ｂの受光素子の受光面積より大きくすることによって、発光部から遠い受光部の受光量の低下を補償し、第１の検出器３１ｂと第２の検出器３２ｂから得られる受光強度が同程度となるように補償するものである。
【００３４】
図４は本発明の光学的測定装置の第４の形態を説明するための概略図である。第４の形態は受光部を固定し、発光部を移動可能とする構成例である。
測定プローブ１は、第１の形態と同様に発光部２と受光部３とを備える。
受光部３は、第１の検出器３１ｄと第２の検出器３２ｄとを含み、測定プローブ１に固定して設けられる。このとき、第１の検出器３１ｄと第２の検出器３２ｄとの間の距離は所定の距離ａに定められる。なお、図１では、第１の検出器３１ｄを発光部２に近い側の検出器とし、第２の検出器３２ｄを発光部２から遠い側の検出器としている。
【００３５】
発光部２は、第１の形態と同様に被検体側に光を発光するが、測定プローブ１に対して移動可能に設けられている。発光部２を有する発光ブロック２１は、測定プローブ３に形成された溝等の案内部４にスライド移動可能に取り付けられる。これによって、発光部２は受光部３に対して移動し、発光部２との距離を変更することができる。なお、案内部４は溝に限らず、レール等の案内手段を用いることができる。
【００３６】
また、発光部２受光部３との距離ａ₁，（ａ₂）は、第１の形態と同様に、電気的測定あるいは目盛りによって測定することができ、測長距離は信号処理部５において、α，βの補正を行うためのパラメータとして使用する。
【００３７】
図４（ｂ）は、発光部２が受光部３に対して移動状態を説明するものであり、破線で示す発光部２’から実線で示す発光部２に移動する場合を示している。移動前の発光部２’は検出器３１ｄと距離ａ₁’だけ離れている。この発光部を距離ｄだけ移動させると、発光部２は受光部３の検出器３１ｄと距離ａ１だけ離れた位置に移動する。
他の構成及び動作は第１の形態と同様とすることができるため、ここでの説明するは省略する。
【００３８】
図５は本発明の光学的測定装置の第５の形態を説明するための概略図である。第５の形態は受光部を固定し、発光部を移動可能とする構成例である。第５の形態は、測定プローブ１に発光部の発光素子２２を取り付けるための凹部７を複数個備える。凹部７は、測定プローブ１に固定された検出器３１ｅ，３２ｅに対する距離を異ならせて形成される。たとえば、ａ，ｂ，ｃで表される凹部７の位置は、検出器３１ｅからそれぞれ距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃだけ離れた位置に設けられる。発光素子２２の取り付け及び取り外しは、凹部７に対して発光素子２２を脱着することによって行うことができる。
【００３９】
また、図５（ｃ）は第５の形態の変形例であり、第３の形態を適用した検出器３１ｆ，３２ｆを備える受光部３を用いた例である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学的測定装置によれば、異なる深さからの情報を一つの測定装置で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学的測定装置の第１の形態を説明するための概略図である。
【図２】本発明の光学的測定装置の第２の形態を説明するための概略図である。
【図３】本発明の光学的測定装置の第３の形態を説明するための概略図である。
【図４】本発明の光学的測定装置の第４の形態を説明するための概略図である。
【図５】本発明の光学的測定装置の第５の形態を説明するための概略図である。
【図６】係数α及びβと距離との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１…測定プローブ、２…発光部、３…受光部、４…案内部、５…信号処理部、６…光電気複合ケーブル、２１…発光ブロック、３１…検出器、３３…受光ブロック。

Claims

被検体に光を照射する発光部と、少なくとも２つの光検出器を有する受光部とを含む測定プローブと、
前記受光部で検出される検出信号を信号処理する信号処理部とを備え、
前記受光部は、光検出器間の距離を一定とするとともに発光部との距離を可変とし、
前記信号処理部は、受光部と発光部との距離をパラメータとして信号処理を行う、光学的測定装置。