JP5822444B2 - 光測定装置 - Google Patents
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Description
なお、各波長λ1、λ2の近赤外光は、頭皮組織や骨組織を透過し、かつ、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとが可視光から近赤外領域にかけて異なる分光吸収スペクトル特性を有するので、血液中のオキシヘモグロビン或いはデオキシヘモグロビンのいずれかに特に吸収される。
A(λ1)=EO(λ1)×[oxyHb]+Ed(λ1)×[deoxyHb] ・・・(1)
A(λ2)=EO(λ2)×[oxyHb]+Ed(λ2)×[deoxyHb] ・・・(2)
なお、EO(λm)は、波長λmの光におけるオキシヘモグロビンの吸光度係数であり、Ed(λm)は、波長λmの光におけるデオキシヘモグロビンの吸光度係数である。
送光用プローブ12が被検者の頭皮表面の送光点Tに押し当てられるとともに、受光用プローブ13が被検者の頭皮表面の受光点Rに押し当てられる。そして、送光用プローブ12から光を照射させるとともに、受光用プローブ13に頭皮表面から放出される光を入射させる。このとき、光は、頭皮表面の送光点Tから照射された光のうちで、バナナ形状(測定領域)を通過した光が、頭皮表面の受光点Rに到達する。これにより、測定領域の中でも、特に送光点Tと受光点Rとを被検者の頭皮表面に沿って最短距離で結んだ線Lの中点Mから、送光点Tと受光点Rとを被検者の頭皮表面に沿って最短距離で結んだ線の距離の半分の深さL/2である被検者の測定部位Sに関する受光量情報A(λ1)、A(λ2)が得られるとしている。
図7は、光脳機能イメージング装置の概略構成の一例を示すブロック図である。光脳機能イメージング装置101は、送受光部110と、近赤外光を出射する発光部2と、受光量情報An(λm)を検出する光検出部3と、直径2mmの送光用光ファイバー(送光用光伝送路)30aからなる光ファイバー群30と、直径2mmの受光用光ファイバー(受光用光伝送路)40aからなる光ファイバー群40と、光脳機能イメージング装置101全体の制御を行う制御部(コンピュータ)120とにより構成される。
送光用プローブ12は、円筒形状であり、その外周面は、貫通孔11aに固定できるようになっており、その内周面には、送光用光ファイバー30aの一端部が挿入されている。これにより、送光用光ファイバー30aの他端部が、発光部2と接続されることで、送光用光ファイバー30aの他端部から入射した近赤外光が、送光用光ファイバー30aの内部を通過して送光用光ファイバー30aの一端部(送光用プローブの先端)から出射することができるようになっている。
受光用プローブ13も、送光用プローブ12と同様な構造をしており、円筒形状であり、その外周面は、貫通孔11aに固定できるようになっており、その内周面には、受光用光ファイバー40aの一端部が挿入されている。これにより、受光用光ファイバー40aの他端部が、光検出部3と接続されることで、受光用光ファイバー40aの一端部(受光用プローブの先端部)から入射した近赤外光が、受光用光ファイバー40aの内部を通過して受光用光ファイバー40aの他端部から出射することができるようになっている。
このような送受光部110を用いて、順番に1個ずつ送光用プローブ12から光を照射させるとともに、T個の受光用プローブ13に頭皮表面から放出される光を入射させることによって、N箇所の測定部位に関する受光量情報An(λ1)、An(λ2)(n=1,2,・・・,N)を得ている。さらに、N箇所の測定部位における受光量情報An(λ1)、An(λ2)から、上述したような連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを算出している。
そこで、本発明は、頭皮表面から脳部位(測定部位)までより浅い皮膚血流等の頭皮部位による不要な受光量情報を除去した脳血流等の脳部位(測定部位)による受光量情報を得ることができる光計測装置を提供することを目的とする。
そして、制御部は、送光用プローブの送光用光伝送路から受光用プローブの受光用光伝送路への光の第一受光量情報を取得する。この第一受光量情報には、上述したように測定部位(例えば、脳血流等)による受光量情報と、測定部位より浅い部位にある皮膚血流等による受光量情報とが含まれる。
また、制御部は、一の送受光用プローブの送光用光伝送路から一の送受光用プローブの受光用光伝送路への光の第二受光量情報を取得する。この第二受光量情報には、測定部位より浅い部位にある皮膚血流等による受光量情報が含まれる。
これにより、制御部は、第二受光量情報を用いて、測定部位より浅い部位(例えば、皮膚血流等)による受光量情報を第一受光量情報から除去することにより、測定部位(例えば、脳血流等)の受光量情報を取得する。このとき、例えば、独立成分分析等の数学的信号分離法を用いて、測定部位と浅い部位との信号(情報成分)を分離し、測定部位の情報成分のみを抽出する。
また、本発明の光測定装置は、前記送光用プローブと接続される送光用光伝送路は、直径0.3mm以上5.0mm以下の管状であり、前記受光用プローブと接続される受光用光伝送路は、直径0.5mm以上5.0mm以下の管状であり、前記送受光用プローブと接続される送光用光伝送路は、直径0.3mm以上5.0mm以下の管状であり、前記送受光用プローブと接続される受光用光伝送路は、直径0.5mm以上5.0mm以下の管状であるようにしてもよい。
そして、制御部は、送受光用プローブの送光用光伝送路から、当該送受光用プローブと第一設定距離で隣接する他の送受光用プローブの受光用光伝送路への光の第一受光量情報を取得する。
また、制御部は、一の送受光用プローブの送光用光伝送路から一の送受光用プローブの受光用光伝送路への光の第二受光量情報を取得する。
これにより、制御部は、第二受光量情報を用いて、測定部位より浅い部位(例えば、皮膚血流等)による受光量情報を第一受光量情報から除去することにより、測定部位(例えば、脳血流等)の受光量情報を取得する。
以上のように、本発明の光測定装置によれば、頭皮表面から脳部位までより浅い皮膚血流等の頭皮部位による不要な受光量情報を除去した脳血流等の脳部位(測定部位)による受光量情報を得ることができる。
図1は、本発明の一実施形態である光脳機能イメージング装置の概略構成の一例を示すブロック図である。また、図2は、図1に示す光脳機能イメージング装置の概略構成の一部を示す図である。なお、光脳機能イメージング装置101と同様のものについては、同じ符号を付している。
光脳機能イメージング装置1は、送受光部10と、近赤外光を出射する発光部2と、受光信号を検出する光検出部3と、直径2mmの送光用光ファイバー(送光用光伝送路)30aからなる光ファイバー群30と、直径2mmの受光用光ファイバー(受光用光伝送路)40aからなる光ファイバー群40と、直径2mmの送光用光ファイバー(送光用光伝送路)31aからなる光ファイバー群31と、直径2mmの受光用光ファイバー(受光用光伝送路)41aからなる光ファイバー群41と、光脳機能イメージング装置1全体の制御を行う制御部(コンピュータ)20とにより構成される。
光検出部3は、近赤外光の強度を検出することにより、受光信号をコンピュータ20に出力する。
受光用光ファイバー40aと受光用光ファイバー41aとは、直径0.5mm以上5.0mm以下の管状であり、近赤外光を軸方向に伝達することができ、一端部から入射した近赤外光が、内部を通過して他端部から出射したり、他端部から入射した近赤外光が、内部を通過して一端部から出射したりするようになっている。
送受光用プローブ14は、先端面15を有する円筒形状であり、その外周面は、貫通孔11aに固定できるようになっており、その先端面15には、固定孔15aと固定孔15bとが2mm(第二設定距離)をあけるように形成されている。固定孔15aと固定孔15bとは、円形状であり、その直径は、0.2mmである。そして、送受光用プローブ14の固定孔15aには、送光用光ファイバー31aの一端部が固定されるとともに、固定孔15bには、受光用光ファイバー41aの一端部が固定されるようになっている。これにより、送光用光ファイバー31aの他端部が、発光部2と接続されることで、送光用光ファイバー31aの他端部から入射した近赤外光が、送光用光ファイバー31aの内部を通過して送光用光ファイバー31aの一端部(固定孔15a)から出射することができるようになっている。また、受光用光ファイバー41aの他端部が、光検出部3と接続されることで、受光用光ファイバー41aの一端部(固定孔15b)から入射した近赤外光が、受光用光ファイバー41aの内部を通過して受光用光ファイバー41aの他端部から出射することができるようになっている。よって、送光用光ファイバー31aを送光点Tとし、受光用光ファイバー41aを受光点Rとすれば、頭皮表面から深度1mmの位置にある皮膚血流に関する第二受光量情報Al(λm)が得られることになる。
このとき、送受光用プローブ14は、頭皮表面の全面ではなく頭皮表面の一部に配置されることになるが、頭皮部位の皮膚血流は頭部全体に均一であると考えられているので、図4に示すような送受光用プローブ14で得られた全ての第二受光量情報Al(λm)を用いて、平均化処理を行うことによって、被検体の頭皮部位にある皮膚血流による受光量情報を得ることになる。
また、CPU21が処理する機能をブロック化して説明すると、発光部2及び光検出部3を制御する送受光部制御部4と、第一受光量情報An(λm)を取得する第一受光量情報取得部21aと、第二受光量情報Al(λm)を取得する第二受光量情報取得部21bと、脳活動受光量情報算出部21cとを有する。また、メモリ25は、第一受光量情報An(λm)を記憶する第一受光量情報記憶領域25aと、第二受光量情報Al(λm)を記憶する第二受光量情報記憶領域25bとを有する。
発光制御部4aは、(S−2)個の送光用プローブ12のうちから選択される1個の送光用プローブ12と、4個の送受光用プローブ14とに、2種類の設定波長のうちから選択される1種類の設定波長の近赤外光を出射させる駆動信号を発光部2に出力する制御を行う。例えば、まず、一の送光用プローブ12に780nmの光を0.15秒間送光させ、次に、二の送光用プローブ12に780nmの光を0.15秒間送光させるように、一の送光用プローブ12から(S−2)の送光プローブ12まで順番に780nmの光を送光させる駆動信号を発光部2に出力する。さらに、一の送光用プローブ12から(S−2)の送光プローブ12まで順番に780nmの光を送光させた後には、同様にして一の送光用プローブ12から(S−2)の送光用プローブ12まで順番に850nmの光を送光させる駆動信号を発光部2に出力する。このようにして、順番に1個ずつ送光用プローブ12から近赤外光を照射させる。
また、順番に1個ずつ送光用プローブ12から近赤外光を照射させると同時に、4個の送受光用プローブ14に780nmの光を0.15秒間送光させ、次に、4個の送受光用プローブ14に850nmの光を0.15秒間送光させる駆動信号を発光部2に出力する。
また、(T−2)個の受光用プローブ13で検出した受光信号を受信すると同時に、まず、4個の送光用光ファイバー31aから送光された780nmの光を4個の受光用光ファイバー41aで検出した受光信号を受信する。さらに、同様にして4個の送光用光ファイバー31aから送光した850nmの光を4個の受光用光ファイバー41aで検出した受光信号を受信する。
具体的には、第一受光量情報記憶領域25aに記憶された受光信号の中から、送光用プローブ12から、当該送光用プローブ12と第一設定距離で隣接する受光用プローブ13で受光される受光信号を、深さ30/2mmの第一受光量情報An(λ1)、An(λ2)として取得する。これにより、N箇所の測定部位に関する第一受光量情報An(λ1)、An(λ2)が得られる。
具体的には、第二受光量情報記憶領域25bに記憶された受光信号を、頭皮部位の第二受光量情報Al(λ1)、Al(λ2)として取得する。これにより、4箇所の頭皮部位に関する第二受光量情報Al(λ1)、Al(λ2)が得られる。
例えば、得られた4個の第二受光量情報Al(λ1)、Al(λ2)を平均化処理することで、被検体の頭皮部位による受光量情報を算出する。そして、得られた頭皮部位による受光量情報と、N個の第一受光量情報An(λ1)、An(λ2)とに関して、独立成分分析等の数学的信号分離法を用いて、脳表部位と頭皮部位との信号(情報成分)を分離し、脳表部位の信号(情報成分)のみを抽出する。最後に、上述したような連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを算出する。
まず、ステップS101の処理において、被検者の頭皮表面に送受光部11を配置する。
次に、ステップS102の処理において、発光制御部4aは、1個の送光用プローブ12と、4個の送受光用プローブ14とに光を送光する駆動信号を発光部2に出力する。
次に、ステップS104の処理において、(S−2)個の送光用プローブ12から780nmの光と850nmの光とを送光したか否かを判定する。(S−2)個の送光用プローブ12から780nmの光と850nmの光とを送光していないと判定したときには、ステップS102の処理に戻る。つまり、次の送光用プローブ12から光を送光することになる。
一方、(S−2)個の送光用プローブ12から780nmの光と850nmの光とを送光したと判定したときには、ステップS105の処理において、第一受光量情報取得部21aは、送光用プローブ12から、当該送光用プローブ12と第一設定距離で隣接する受光用プローブ13で受光される光の第一受光量情報An(λ1)、An(λ2)を取得する。
次に、ステップS107の処理において、脳活動受光量情報算出部21cは、第二受光量情報Al(λ1)、Al(λ2)(l=1,2,3,4)を用いて、被検体の脳表部位より浅い頭皮部位による受光量情報を第一受光量情報An(λ1)、An(λ2)(n=1,2,・・・,N)から除去することにより、脳表部位に関する受光量情報を取得する。そして、上述したような連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを算出する。
次に、ステップS108の処理において、測定を終了するか否かを判断する。測定を終了しないと判断したときには、ステップS102の処理に戻る。
一方、測定を終了すると判断したときには、本フローチャートを終了させる。
図11は、本発明の一実施形態である光脳機能イメージング装置の概略構成の一例を示すブロック図である。また、図12は、図11に示す光脳機能イメージング装置の概略構成の一部を示す図である。なお、光脳機能イメージング装置1と同様のものについては、同じ符号を付している。
光脳機能イメージング装置51は、送受光部50と、近赤外光を出射する発光部2と、受光信号を検出する光検出部3と、直径2mmの送光用光ファイバー(送光用光伝送路)31aからなる光ファイバー群31と、直径2mmの受光用光ファイバー(受光用光伝送路)41aからなる光ファイバー群41と、光脳機能イメージング装置51全体の制御を行う制御部(コンピュータ)70とにより構成される。
送受光部50は、(S+T)個の貫通孔11aを有する半球状のホルダ11と、(S+T)個の送受光用プローブ14とを備える。
また、CPU21が処理する機能をブロック化して説明すると、発光部2及び光検出部3を制御する送受光部制御部4と、第一受光量情報An(λm)を取得する第一受光量情報取得部21aと、第二受光量情報Al(λm)を取得する第二受光量情報取得部21bと、脳活動受光量情報算出部21cとを有する。
発光制御部4aは、(S+T)個の送受光用プローブ14のうちから選択される1個の送受光用プローブ14に、2種類の設定波長のうちから選択される1種類の設定波長の近赤外光を出射させる駆動信号を発光部2に出力する制御を行う。
第二受光量情報取得部21bは、送受光用プローブ14の送光用光ファイバー31aから、当該送受光用プローブ14の送光用光ファイバー31aと第二設定距離で隣接する受光用光ファイバー41aで受光される光の第二受光量情報Al(λ1)、Al(λ2)を取得する制御を行う。
以上のように、光脳機能イメージング装置51によれば、頭皮表面から脳部位までより浅い皮膚血流等の頭皮部位による不要な受光量情報を除去した脳血流等の脳部位(測定部位)による受光量情報を得ることができる。したがって、脳内各部等の血流の経時変化や酸素供給の経時変化を正確に観察することができる。
(1)上述した光脳機能イメージング装置1では、1個の送光用プローブ12と、4個の送受光用プローブ14とに光を送光する駆動信号を発光部2に出力するような構成を示したが、(S−2)個の送光用プローブ12から光を送光した後に、4個の送受光用プローブ14に光を送光する駆動信号を発光部2に出力するような構成としてもよい。
(2)上述した光脳機能イメージング装置1では、固定孔15aと固定孔15bとは、直径は、0.2mmである円形状であるような構成を示したが、直径は、0.1mm以上3.0mm以下である円形状であるような構成としてもよい。
2:発光部
3:光検出部
4:送受光部制御部
10、50、110:送受光部
12:送光用プローブ
13:受光用プローブ
14:送受光用プローブ
20、70:制御部(コンピュータ)
30a:送光用光伝送路
31a:送光用光伝送路
40a:受光用光伝送路
41a:受光用光伝送路
15a、15b:固定孔
Claims (3)
- 被検体に光を照射する複数個の送光用プローブと、当該被検体から放出される光を受光する複数個の受光用プローブとが固定されるホルダを有する送受光部と、
光を出射する発光部と、
光を検出する光検出部と、
1個の送光用プローブと発光部とを接続する複数本の送光用光伝送路からなる送光用光伝送路群と、
1個の受光用プローブと光検出部とを接続する複数本の受光用光伝送路からなる受光用光伝送路群と、
前記発光部から送光用プローブに送光用光伝送路を介して光を送光するとともに、前記光検出部で受光用プローブから受光用光伝送路を介して光を受光するように制御することで、一の送光用プローブの送光用光伝送路から、当該一の送光用プローブと脳血流に関する受光量情報を取得する第一設定距離で隣接する受光用プローブの受光用光伝送路への光の第一受光量情報を取得する制御部とを備える光測定装置であって、
前記送受光部は、少なくとも1個の送受光用プローブを備え、
前記送受光用プローブは、前記送光用プローブ、前記受光用プローブと同様な外形であり、前記送光用プローブ、前記受光用プローブに換えて前記ホルダに固定可能であり、
前記送受光用プローブの先端部には、2個の固定孔が、皮膚血流に関する受光量情報を取得する第二設定距離をあけて形成されており、1個の固定孔には送光用光伝送路が配置されるとともに、他の1個の固定孔には受光用光伝送路が配置され、
前記制御部は、一の送受光用プローブの送光用光伝送路から一の送受光用プローブの受光用光伝送路への光の第二受光量情報を取得して、
前記第一受光量情報から前記第二受光量情報を除去することにより、前記被検体の内部における測定部位に関する受光量情報を算出することを特徴とする光測定装置。 - 前記送光用プローブと接続される送光用光伝送路は、直径0.3mm以上5.0mm以下の管状であり、
前記受光用プローブと接続される受光用光伝送路は、直径0.5mm以上5.0mm以下の管状であり、
前記送受光用プローブと接続される送光用光伝送路は、直径0.3mm以上5.0mm以下の管状であり、
前記送受光用プローブと接続される受光用光伝送路は、直径0.5mm以上5.0mm以下の管状であることを特徴とする請求項1に記載の光測定装置。 - 前記第一設定距離は、25mm以上45mm以下であり、
前記第二設定距離は、0.5mm以上2mm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光測定装置。
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