JP4152532B2 - 光学測定用プローブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体に測定光を投受しその測定光による生体からの出力光を受光して生体組織の物理量を非侵襲的に測定するためのプローブに関するものである。このプローブは、例えば、人体に近赤外領域の光を投光し、その光による人体からの出力光により、人体中の物理量、例えば血中のグルコース濃度や血液の酸素飽和度、体脂肪、異常組織などを測定するのに使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
臨床検査の分野において、生体に光を投光し、生体に侵入して生体中で散乱又は反射し、生体から出力する光を受光して血液の酸素飽和度や血糖値を測定したり、体脂肪率を求めたりする試みがなされている。また、生体への送受光用のプローブを生体に押しつける圧力を調節して、その加圧力の強弱に伴う反射特性の変化から異常組織を検出する試みもなされている。
【０００３】
生体の測定に際し、被測定部分を加圧する第１の方法として、指に指用電子血圧計のカフを嵌め、カフに送る空気圧を調節することにより被測定部分を鬱血させることが提案されている（特開平１−１４６５２５号公報参照）。
第２の方法としては、測定光の送受光用光ファイバ束を筒に摺動自在に挿入し、その光ファイバ束と筒の間にバネを介在させることにより、そのバネ力により光ファイバ束で生体を加圧したり、測定光の送受光を行なう透明体を筒に入れて空気圧で加圧することによりその透明体により生体を加圧する方法が提案されている（特公昭６０−４３１３４号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法は、指の測定に限られ、人体の広い面積部分での測定には適用できない。
第２の方法は、送受光用の光ファイバ束や透明体を生体に押しつける圧力をバネや空気圧により調節することはできるが、光ファイバ束や透明体を支持する筒の先端面の面積が小さく、生体との接触は主として送受光用光ファイバ束や透明体の先端面で行なわれる。それらの先端面の面積もまた小さく、そのため、被測定部分のみを加圧することになって、被測定部分の周囲への圧力のかかり具合を安定にすることが難しい。
人体のような生体は、同じように加圧しても、加圧のかかり具合や接触面積などの影響で、鬱血状態になったり失血状態になったりする。またいずれの状態になったとしても、小さい面積で接触しているときは、その状態の再現性は低く、測定結果の再現性も低くなる。
そこで、本発明は測定部位及びその周囲も含めた領域への圧力のかかり具合を一定に保つことにより、測定の再現性を高めることを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学測定用プローブは、中心軸上に配置され、円形で平坦な先端面をもつ第１の光学系部品と、第１の光学系部品の外側で前記中心軸を中心とする円上にリング状に配置された平坦な先端面をもつ第２の光学系部品を備えており、これら両光学系部品は相対的に軸方向に摺動可能に嵌合されている。一方の光学系部品は測定対象物に測定光を投光する投光部であり、他方の光学系部品は投光された測定光による測定対象物からの出力光を受光する受光部である。この光学測定用プローブはさらに、第２の光学系部品の外側に前記中心軸を中心とする円上にリング状の先端面をもち、そのリングの幅が第２の光学系部品の先端面のリングの幅よりも広く形成された外周部を備えている。
【０００６】
投光部と受光部が別体になり、投光部の周囲を取り囲むように受光部が配置されるか、逆に受光部の周囲を取り囲むように投光部が配置されるので、送受光部として投光部と受光部が同じ場所にあるプローブに比べると生体の深い場所の情報を得やすくなる。
【０００７】
また、第２の光学系部品の外側に幅広の外周部が設けられているので、外周部を生体に接触させることにより測定部位の周辺の広範囲な部分への圧力のかかり具合を一定状態に保つことができる。そして、第１の光学系部品により測定部位の狭い範囲の接触圧力を変化させることができるので、測定部位内の血液成分の変化など、組織構成成分の変化の再現性を高めることができる。
ここで、受光部が受光する測定対象物からの出力光は、透過光、散乱光又は反射光のように、測定対象物への投光後に測定対象物から出力する全ての光を含む意味で使用している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
外周部は第２の光学系部品と一体化され、外周部の先端面と第２の光学系部品の先端面とが同一平面内にあるようにすることができる。これにより、外周部とともに第２の光学系部品の先端面を測定部位に接触させた状態で測定を行なうことができる。
また、外周部は第２の光学系部品と一体化されるが、第２の光学系部品の先端面が外周部の先端面から後退した高さの位置にあるようにすることもできる。これにより、第２の光学系部品の先端面を測定部位に接触させない状態で測定を行なうことができるようになり、プローブが測定部位に与える影響を少なくすることができる。
【０００９】
投光部は光源からの測定光を導く光ファイバ束などの導光路とすることができる。この場合には、光源選択の自由度が高くなり、波長選択も容易であるし、大光量を得ることも容易になる。また、光源と導光路との間に分光器を設けることもできる。
投光部として、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子を埋め込んだものとすることもできる。この場合には、プローブを小型にするのに有利である。
【００１０】
受光部は受光した出力光を検出器へ導く光ファイバ束などの導光路とすることができる。この場合には検出器選択の自由度が高くなる。また、導光路と検出器との間に分光器を設けることもできる。
受光部として、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子を埋め込んだものとすることもできる。この場合には、プローブを小型にするのに有利である。
投光部の周囲を取り囲むように受光部を配置する場合には、生体からの出力光を効率よく受光することができ、検出感度が高くなる。
【００１１】
生体組織の物理量を測定するための光としては、近赤外領域から赤外領域の光が好ましい。使用する光源は、そのような波長領域に含まれる光を発生するものであり、この波長領域の連続スペクトルを含むものであってもよく、又は不連続な輝線スペクトルを含むものであってもよい。そのような光源としては、タングステン−ハロゲンランプのほか、近赤外ないし赤外発光用のＬＥＤやＬＤなどを用いることができる。
検出器又は受光素子は近赤外ないし赤外領域に感度をもつものであり、そのような赤外検出器としては、Ｇｅフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ＰｂＳ光導電素子、ＰｂＳｅ光導電素子、ＩｎＡｓ光起電力素子、焦電素子などを用いることができる。
【００１２】
外周部に対し、第１の光学系部品の軸方向の相対的な突出又は後退の距離を一定にすることにより、測定部位の接触圧力を一定に保って測定結果の再現性を高めることができる。そのために、両光学系部品を摺動可能に嵌合して支持している機構に、一方の光学系部品の先端面が他方の光学系部品の先端面に対して一定の距離だけ突出した位置で両光学系部品の相対的な位置決めを行なうストッパが設けられていることが好ましい。
【００１３】
【実施例】
図１は一実施例を第１の光学系部品が第２の光学系部品から突出した状態で表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は一部切欠き正面図である。図２はその実施例における第１の光学系部品を表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、図３はその実施例における第２の光学系部品を外周部とともに表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
中心軸上に位置する第１の光学系部品２は、円筒４内に光ファイバ束６を充填したものであり、円筒４と光ファイバ束６は先端面が同一面内になるように加工されている。光ファイバ束６は円筒２より基端部側では、屈曲可能な外套８により支持されており、可撓性をもって外部の測定装置に導かれる。
【００１４】
第２の光学系部品１０も光ファイバ束であり、内側の円筒１２と、外側の円筒状外周部１４とのすき間に、リング状に充填されている。円筒１２、第２の光学系部品１０及び外周部１４は一体化されており、それぞれの先端面は同心円となるようにリング状に形成されており、外周部１４の先端面のリングの幅は第２の光学系部品１０の先端面のリングの幅よりも広くなっている。外周部１４よりも基端部側では、第２の光学系部品１０の光ファイバ束は屈曲可能な外套８により支持されており、可撓性をもって外部の測定装置に導かれる。
【００１５】
図１に示されるように、第１の光学系部品２は第２の光学系部品１０の内側の円筒１２内に摺動可能に挿入されて嵌合し、第１の光学系部品２の先端面が外周部１４の先端面から突出又は後退しうるようになっている。第１の光学系部品２の外径と円筒１２の内径は、第１の光学系部品２が半径方向に変位することなく軸方向に摺動できる寸法に設定されている。
【００１６】
第１の光学系部品２の突出高さを一定にするために、第１の光学系部品２の外周面には基端部側で径が大きくなることにより段差１８が形成され、一方、円筒１２の内周面にはそれに対応して基端部側で径が大きくなることにより段差２０が形成されている。段差１８，２０はストッパを構成している。第１の光学系部品２を円筒１２内に挿入させて嵌合させた時、段差１８が段差２０が当った状態で摺動が停止する。摺動が停止した図１に示される状態では、第１の光学系部品２の先端部が外周部１４の先端面から突出する高さｈが所望の高さ、例えば１ｍｍとなるように段差１８，２０の位置が設定されている。
円筒４，１２，外周部１４の材質は特に限定されるものではないが、耐久性の観点からは金属、例えばステンレスが好ましい。
ここで、先端面の寸法の一例を示すと、第１の光学系部品２の光ファイバ束６の直径は１〜１０ｍｍ、例えば５ｍｍ、第２の光学系部品１０の外形は５〜１５ｍｍ、例えば１１.２ｍｍ、幅は１〜３ｍｍ、例えば１ｍｍ、外周部１４の外形は３０〜１００ｍｍ、例えば４０ｍｍ、幅は２０〜８０ｍｍ、例えば２１.５ｍｍである。もちろん、本発明はこのような寸法のものに限定されるものではない。
【００１７】
次に、この実施例を用いた測定方法について説明する。
（１）第１の光学系部品２を円筒１２内に挿入して嵌合させ、第１の光学系部品２の先端面と外周部１４の先端面が同じ高さになるようにして、このプローブを人体に当てる。
まず、人体を加圧しない状態で第１の光学系部品２の光ファイバ束６から測定光を投光し、その測定光が人体内に侵入し、人体から出て第２の光学系部品の光ファイバ束１０に入射したものを測定装置に導いてその吸収スペクトルを測定する。
【００１８】
（２）次に、図１に示されるように、第１の光学系部品２を先端方向に押して段差１８が段差２０に当る位置まで押し込む。この状態では第２の光学系部品１０、円筒１２及び外周部１４の先端面が加圧されない状態で人体に接触し、中心部の第１の光学系部品２の先端面が高さｈだけ突出することにより、光学系部品２の先端面のみが人体の測定部位を加圧した状態で接触する。図４（Ａ）はこの接触状態を示したものであり、２２は人体、例えば掌である。この接触状態で（１）と同様に吸収スペクトルを測定する。
【００１９】
その後、（１）で得た吸収スペクトルと（２）で得た吸収スペクトルの差（差吸光度スペクトル）を求める。近赤外領域での吸収スペクトルは、人体組織の構成成分である血液成分その他の種々の成分を反映したものである。この発明により差吸光度スペクトルを求めると、加圧によっても変化しない成分の影響が除去され、加圧により変化する成分、主として血液成分を反映した吸光度スペクトルを得ることができる。
【００２０】
測定方法としては、上のように第１の光学系部品２の先端面を外周部１４の先端面から所定の距離だけ突出させる方法のほかに、光学系部品２の先端面を外周部１４の先端面から所定の距離だけ後退させた状態でこのプローブを測定部位に接触させて測定することもできる。図４（Ｂ）はこの接触状態を示したものである。この場合には、第１の光学系部品２の先端面と接触する部位を加圧せず、第２の光学系部品１０、円筒１２及び外周部１４の先端面で測定部位の周辺部を加圧した状態での測定を行なうことができる。すなわち、側定部位の周囲の接触圧を変化させたことに伴ない、測定部位で変化した組織構成成分のスペクトルを得ることができる。
【００２１】
実施例では中心部の光ファイバ束６から測定光を投光し、周辺部の光ファイバ束１０で受光するようにしているが、逆に周辺部の光ファイバ束１０から投光し、中心部の光ファイバ束６で受光するようにしてもよい。
図５は他の実施例を示したものである。図１の実施例と比較すると、第２の光学系部品１０と一体化された外周部１４ａは、その前方に測定部位と接触する幅広のリング状キャップ１４ｂを備えている。第２の光学系部品１０の先端面はそのキャップ１４ｂから一定の距離だけ後退した高さの位置に固定されている。
【００２２】
この実施例では、キャップ１４ｂを測定部位の周辺部に接触させ、第１の光学系部品２の先端面をキャップ１４ｂから突出させる状態、キャップ１４ｂと同一平面とする状態、及びキャップ１４ｂから後退させた状態の３つの状態のうちの２つの状態でそれぞれ吸収スペクトルを測定し、差吸光度スペクトルを得る。このとき、少なくとも第２の光学系部品１０の先端面は測定部位に接触しないため、プローブが測定部位に与える影響を少なくした状態で測定することができるようになる。
測定光を投光する光ファイバ束に代えて、投光側には発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光素子を埋め込んで配置してもよい。
また、受光側の光ファイバ束に代えて、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子を配置して埋め込んでもよい。
【００２３】
次に、この実施例による測定結果を示す。
図６は図１の実施例に示したプローブを用いて、近赤外領域で、非加圧状態での吸収スペクトルと、第１の光学系部品２の先端面をストッパにより定まる距離だけ外周部１４の先端面から突出させた状態（加圧状態）での吸収スペクトルを測定し、それらの吸収スペクトルから差吸光度スペクトルを求めた結果を示したものである。その測定を４回反復して繰り返した。７０００ｃｍ^-1付近のスペクトルの乱れは水の影響によるものである。この測定では各回のスペクトルの変動が小さく、再現性のよいことがわかる。
【００２４】
比較例として、他の手段により測定部位を加圧して同様に吸収スペクトルを測定した。加圧手段としてエアパックを用いた。非加圧状態と、一定圧力の空気圧により測定部位を加圧した状態とでそれぞれ吸収スペクトルを測定し、それらの吸収スペクトルから差吸光度スペクトルを求めた。その測定を５回反復して繰り返した結果を図７に示す。比較例による加圧方法では、測定毎にスペクトルが変動しており、本発明による加圧方法によるよりも再現性が劣ることを示している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の光学測定用プローブは、投光部と受光部を別体とし、一方の先端面を中心軸上に配置し、他方の先端面をその周囲にリング状に配置したので、生体の深い場所の情報を得やすくなる。また、これらの両先端面を相対的に軸方向に摺動可能にし、しかもリング状の先端面の外側に幅広の外周部を備えているので、外周部を生体に接触させることにより測定部位の広範囲な周辺への圧力のかかり具合を一定状態に保つことができ、中心部の先端面により測定部位の狭い範囲のみ接触圧力を変化させることができるので、測定部位内の血液成分の変化など、組織構成成分の変化の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を第１の光学系部品が第２の光学系部品から突出した状態で表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は一部切欠き正面図である。
【図２】同実施例における第１の光学系部品を表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図３】同実施例における第２の光学系部品を外周部とともに表わしたものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図４】（Ａ）は第１の光学系部品の先端面を突出させて測定部位を加圧した状態を示す要部断面図、（Ｂ）は第１の光学系部品の先端面を後退させて測定部位の周囲を加圧した状態を示す要部断面図である。
【図５】他の実施例を示す一部切欠き正面図である。
【図６】図１の実施例のプローブを用いて反復測定した近赤外領域の差吸光度スペクトルを示す波形図である。
【図７】他の方法により測定部位を加圧できるようにして反復測定した近赤外領域の差吸光度スペクトルを示す波形図である。
【符号の説明】
２ 第１の光学系部品
６ 光ファイバ束
１０ 第２の光学系部品
１４，１４ａ 外周部
１４ｂ キャップ
１８，２０ 段差

Claims (9)

1. 中心軸上に配置され、円形で平坦な先端面をもつ第１の光学系部品と、第１の光学系部品の外側で前記中心軸を中心とする円上にリング状に配置された平坦な先端面をもつ第２の光学系部品を備え、これら両光学系部品は相対的に軸方向に摺動可能に嵌合されており、一方の光学系部品は測定対象物に測定光を投光する投光部であり、他方の光学系部品は投光された測定光による測定対象物からの出力光を受光する受光部であり、
   さらに第２の光学系部品の外側に前記中心軸を中心とする円上にリング状の先端面をもち、そのリングの幅が第２の光学系部品の先端面のリングの幅よりも広く形成された外周部を備えている光学測定用プローブ。
2. 前記外周部は第２の光学系部品と一体化され、外周部の先端面と第２の光学系部品の先端面とが同一平面内にある請求項１に記載の光学測定用プローブ。
3. 前記外周部は第２の光学系部品と一体化され、第２の光学系部品の先端面が外周部の先端面から後退した高さの位置にある請求項１に記載の光学測定用プローブ。
4. 前記投光部は光源からの測定光を導く導光路である請求項１，２又は３に記載の光学測定用プローブ。
5. 前記投光部は発光素子を埋め込んだものである請求項１，２又は３に記載の光学測定用プローブ。
6. 前記受光部は受光した出力光を検出器へ導く導光路である請求項１から５のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
7. 前記受光部は受光素子を埋め込んだものである請求項１から５のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
8. 第１の光学系部品が投光部、第２の光学系部品が受光部である請求項１から７のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
9. 前記両光学系部品を摺動可能に嵌合して支持している機構には、一方の光学系部品の先端面が他方の光学系部品の先端面に対して一定の距離だけ突出した位置で両光学系部品の相対的な位置決めを行なうストッパが設けられている請求項１から８のいずれかに記載の光学測定用プローブ。

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