JP6507639B2

JP6507639B2 - 皮膚血流量の計測方法

Info

Publication number: JP6507639B2
Application number: JP2014267049A
Authority: JP
Inventors: 義直永嶋; 則善高橋
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: JP2016123689A

Description

本発明は、レーザースペックル法により皮膚の血流量を計測する方法に関する。

レーザ光を眼底等の生体組織に照射すると、生体組織中の血球等によりレーザ光は散乱され、その散乱光を画像にとると、干渉により斑点模様（スペックル）が現れる。スペックルは血球の移動速度に応じてブレるので、このブレの変動量を計測することにより、血流速度を計測することができる。このような原理に基づく血流速度の測定方法は、レーザースペックル（Laser Speckle）法といわれている。

眼底については、この方法で血流速度を計測する種々の手法が提案されており、例えば強度画像に現れたスペックルの変動量を血流マップとして２次元画像に表示することや、血流マップを別途撮影した２次元画像と重ね合わせて血流速度の解析に用いることが知られている（特許文献１）。

しかしながら、スペックルの変動量から計測されるのは、血流速度であって血流量ではない。血流速度から血流量を求める方法としては、血管径を計測し、血管径と最大血流速度から、ポアズイユの流れを仮定して血流量を算出する方法が知られている（特許文献２）。

WO2006/046627号公報特開平10-314118号公報

本発明の課題は、レーザースペックル法を利用して、より簡便に、皮膚血流量を計測できるようにする方法に関する。

本発明者は、皮膚にレーザ光を照射し、その散乱光の光強度画像を撮ることにより得られるスペックルの時間的空間的変動量を求め、それを特定の方法で平均化処理すると、そうして得られる数値は、意外にも、皮膚血流量と１次相関があることを見出し、この関係に基づいて本発明を想到した。

即ち、本発明は、レーザ光を皮膚の所定の部位に照射し、その反射光をデジタルビデオカメラで撮影し、得られた光強度画像の画素ごとに時間的空間的変動量（以下、ＭＢＲ値という）を求め、ＭＢＲ値の一定時間の平均である平均ＭＢＲ値を求め、該平均ＭＢＲ値より皮膚血流量を計測する皮膚血流量の計測方法であって、
予め、皮膚の所定の部位について、複数の被験者の平均ＭＢＲ値を取得すると共にストレンゲージ容積脈波法による該皮膚の所定の部位の血流量の測定を行い、該測定による前記皮膚の所定の部位の血流量と前記皮膚の所定の部位についての平均ＭＢＲ値の１次の回帰式を取得し、
該回帰式に基づいて、任意の被験者の前記皮膚の所定の部位についての平均ＭＢＲ値から皮膚血流量を計測する皮膚血流量の計測方法を提供する。

本発明によれば、皮膚血流量を平均ＭＢＲ値に基づき求めるにあたり、予めストレンゲージ容積脈波法により求めた皮膚血流量と平均ＭＢＲ値との関係を表す１次回帰式を用いるので、平均ＭＢＲ値から皮膚血流量を正確に計測することができる。

また、本発明において平均ＭＢＲ値を２次元にマッピングした平均ＭＢＲ画像と、皮膚血流量の計測領域の２次元カラー画像とを重ね合わせた画像で皮膚血流量の計測部位を特定すると、皮膚血流量を計測する部位を正確に特定することができ、またこの画像の重ね合わせにより、全顔などの広い領域の皮膚血流量の変化を、リアルタイムで容易に観察することができる。

図１は、本発明の一実施形態において平均ＭＢＲ画像を形成する方法の工程図である。図２Ａは、ＭＢＲ値の算出方法の説明図である。図２Ｂは、ＭＢＲ値の算出方法の説明図である。図３Ａは、平均ＭＢＲ値の算出方法の説明図である。図３Ｂは、平均ＭＢＲ値の算出方法の説明図である。図４Ａは、実施例で光強度画像を撮影したときの撮影時間とインターバルの説明図である。図４Ｂは、ストレンゲージ容積脈波法で血流量を計測したときの計測時間とインターバルの説明図である。ストレンゲージ容積脈波法で計測した血流量と平均ＭＢＲ値との関係図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態において平均MBR画像を形成する方法の工程図である。この実施形態は、手のひら全体を皮膚血流量の計測対象としたもので、まず、手のひら全体にレーザ光を照射し、デジタルビデオカメラでその散乱光の光強度画像を撮影する。

この場合、レーザ光としては、近赤外の、具体的には波長８００〜９５０ｎｍのレーザ光をＪＩＳＣ６８０２クラス１Ｍの強度で照射することが好ましい。

また、デジタルビデオカメラとしては、市販のものを適宜用いることができる。デジタルビデオカメラとしては、インターレース方式が好ましい。

こうして得た光強度画像には、手のひらの血流によりスペックルが現れる。そこで、光強度画像はスペックル画像とも言われる。本実施形態では、光強度画像の各フレームの画素ごとに、スペックルのブレの変動量を時間的空間的に算出したＭＢＲ値を求め、ＭＢＲ画像を作成する。ＭＢＲ画像は、血流速度の変化量を示す、所謂「血流マップ」となる。

MBR画像の具体的な算出方法としては、例えば下記式が使用される。

式中、ＭＢＲ_n,m,tは時間ｔにおけるｎ，ｍ番目の画素でのＭＢＲ値を示し、Ｉ_n,m,tは算出するＭＢＲ画素におけるスペックル画像の出力画素を表す。また、＜Ｉn,m,t＞は、算出するＭＢＲ画素を含む時間方向及び空間方向での周辺の画素のＭＢＲ値の平均であり、その範囲は、撮像系のノイズそのほかの要因に応じ、時間方向及び空間方向において適宜調整する。

このような計算を全ての画素に対して行なうことでＭＢＲ画像を得ることが出来る。例えば、図２Ａに示すように３フレームから図２Ｂに示すように各画素のＭＢＲ_n,m,tを計算することができるが、ＭＢＲ画像の計算に用いる空間的範囲及び時間的範囲は一つとは限らず、空間的範囲及び時間的範囲は対象部位に応じて適宜定めるのが好ましい。

また、ＭＢＲ画像では、個々の画素値に応じて、所定の色の濃度を変えてもよく、色相を変えても良い。例えば、画素値ゼロを青色とし、画素値２５５を赤とし、その間の色相を連続的に変化させる。

次に、ＭＢＲ画像の各画素について、１心拍分のＭＢＲ値を平均した平均ＭＢＲ値を求める。この場合、図３Ａに示すように、まず、複数心拍分、好ましくは２〜２０心拍分の、更に好ましくは４〜２０心拍分の複数フレームのＭＢＲ値を１心拍分のフレーム数に平均化した平均１心拍のＭＢＲ値を求め、平均１心拍の画像を形成する。この複数心拍分の計測時間としては、より具体的には、３秒以上１０秒以下とすることが、好ましい心拍数を満たしかつ演算処理時間が増大しないので好ましい。
平均１心拍のＭＢＲ値の画像は、ＭＢＲ画像を心拍で規格化した画像といえる。そこで、本発明では、この画像を心拍マップともいう。

次に、図３Ｂに示すように、平均１心拍を構成する全フレームのＭＢＲ値を平均することにより、１心拍分のＭＢＲ値の平均である平均ＭＢＲ値を求める。この平均ＭＢＲ値を２次元にマッピングして形成される平均ＭＢＲ画像は、１心拍ごとの血流量の状態を示す。

後述するように、本発明の方法で得られる平均ＭＢＲ値は、皮膚血流量の一般的な計測方法であるストレンゲージ容積脈波法による皮膚血流量の計測値と非常に高い相関があり、ストレンゲージ容積脈波法による皮膚血流量の計測値は、本発明の方法で得られる平均ＭＢＲ値の１次回帰式で表される。この１次式の係数は、対象となる身体の領域により異なり、同一測定領域では係数が実質的に等しくなる。ここで、係数が実質的に等しくなる領域の広さとしては、例えば、手のひら、手指、顔面、腕、脚等をあげることができ、なかでも手のひら、顔面が好ましい領域の広さとして挙げられる。したがって、身体の領域ごとにＭＢＲ値を測定し、ストレンゲージ容積脈波法の値との相関式を求めることで、一般に、血流速度に対応するとされるＭＢＲ値から血流量（単位時間に組織１００ｇの単位重量を流れる血流の容積）を求めることが可能となる。すなわち、特定の測定領域について、予め、複数の被験者から血流量と平均ＭＢＲ値との１次の回帰式を取得しておくことにより、任意の被験者について、同じ測定領域の平均ＭＢＲ値の計測から、その領域の皮膚血流量を正確に計測することが可能となる。

もっとも、顔面については、ストレンゲージ容積法を用いることは中枢からの静脈血流を止めることとなり、実際には不可能なので、平均ＭＢＲの計測値を単位のない相対量とすることとなるが、参考値として、指での血流量と平均ＭＢＲ値との一次の回帰式を用いて計算した値を血流量の絶対値としてもよい。

また、血流量と平均ＭＢＲ値との１次の回帰式、すなわち当該１次回帰式の各係数は、年代ごとに、また、男女別に求めるのが好ましい。

例えば、後述する手の中指の付け根では、実験により、以下の一次回帰式が得られている。
血流量ｍＬ／（ｍｉｎ・１００ｇ）＝４１．７×ＭＢＲ値―１５．１

よって、任意の被験者の指の中指の付け根の平均ＭＢＲを計測することで、中指の付け根の血流量の増加あるいは減少を非侵襲で検出することができ、その部位における血流量の経時的な変化を検知することが可能となる。

本発明においては、光強度画像を撮った領域について、カラー画像用のＣＣＤ等を用い２次元カラー画像を形成し、２次元カラー画像と平均ＭＢＲ画像とを重ね合わせたマッピング画像を形成することが好ましい。これによりマッピング画像で、皮膚血流量を計測する部位を正確に特定することができる。

２次元カラー画像と平均ＭＢＲ画像とを重ね合わせる際には、双方に基準点を設定し、基準点同士の位置を合わせることが好ましい。この場合の基準点としては、例えば、指先、隣り合う指の間の指の付け根、内眼角点、外眼角点、鼻下点、口角等とすることができる。こうして、例えば、手のひら全体、顔全体、歯茎などについてマッピング画像を得ることができる。

（１）平均ＭＢＲ値計測
レーザースペックル法（LS）による平均ＭＢＲ値を次のようにして取得した。
皮膚にレーザー光を照射する照射装置と、光強度画像を撮るデジタルビデオカメラと、２次元カラー画像を撮るカラーデジタルカメラと、デジタルビデオカメラとデジタルカメラの映像信号を解析処理するパーソナルコンピュータを用いて、本発明の方法により皮膚血流量を計測するシステムを構築した。この場合、照射装置としては８３０ｎｍの半導体レーザを使用し、照射条件はクラス１Ｍとした。ビデオカメラとしては近赤外に感度を有するＣＣＤカメラを使用した。カラーデジタルカメラとしては一般的なビデオカメラを使用した。

温度２５℃、湿度５０．０％ＲＨの室内で、上述のシステムにより、２０代の健常成人５０名（男性２５名、女性２５名）の手のひらの光強度画像を撮影した。この場合、図４Ａに示すように、個々の被験者に対して、１０秒間のインターバルを挟んで５秒間の撮影を３回行い、さらに３分間の安静後に、５秒間の撮影を１０秒間のインターバルを挟んで３回行い、合計６回の撮影を行った（インターバル法）。

各撮影で得られた光強度画像の時間的空間的変動量を前述した方法で求めることによりＭＢＲ画像を形成し、そのＭＢＲ画像から平均１心拍の画像を形成し、平均１心拍の画像から平均ＭＢＲ画像値を算出し、平均ＭＢＲ画像を形成した。

一方、光強度画像の撮影時に、カラーデジタルカメラで光強度画像の撮影領域の２次元カラー画像を撮り、平均ＭＢＲ画像と２次元カラー画像とを重ね合わせることによりマッピング画像を形成した。この画像の重ね合わせでは、手指先端を基準点とし、また、重ね合わせる双方の画像の濃度調整は、２次元カラー画像に対して平均ＭＢＲ画像の濃度が０．３乃至０．７となるように行った。

上記の計測と一連の処理を６回行い、マッピング画像から、中指の付け根部分の６回の計測の平均ＭＢＲ値を取得した。取得した６回のＭＢＲ値を表1に示す。

（２）ストレンゲージ法による計測
上記の（１）の平均ＭＢＲ値の取得に引き続き、対照実験としてストレンゲージ容積脈波法（Strain-Gauge Plethysmography：SPG）により手の中指の付け根部分の血流量を次のように測定した。

手の中指について、図４Ｂに示すように、指尖部から環流する静脈血を、静脈閉塞用カフを用いて３０秒間圧迫し、動脈血の流入に伴って指尖部の容積が増加する変化をストレンゲージによって検出した。さらに、同様の測定を、３分間の安静を挟んで２回繰り返した。

このストレンゲージは、指尖部の周長の変化を電気抵抗の変化として検出するものであり、周長の変化から容積の変化がわかるので、皮膚組織の血流量の変化を検出することが可能となる。静脈閉塞直後から動脈血の流入が阻害されるまでの時間の容積増加分によって、動脈から流入する血流量を正しく測定することができることが知られている。
そこで、静脈閉塞開始から３０秒間のストレンゲージの値の変化を検出し、その検出値に基づいて周長計算により皮膚血流量を計測し、３回の計測の平均値を求めた。その結果を表１に示す。

（３）測定値の解析
（１）で得られた平均ＭＢＲ値と、（２）で得たストレンゲージ容積脈波法による血流量の測定値との相関性を解析した。その結果、図５に示すように、両者には、極めて高い正の相関があり（決定係数：Ｒ2＝0.98）、皮膚血流量は平均ＭＢＲ値の１次回帰式で表されることがわかった。したがって、予め、複数の被験者からストレンゲージ容積脈波法による血流量と平均ＭＢＲ値との１次の回帰式を求めておくと、その回帰式を用いて、任意の被験者の平均ＭＢＲ値から、その被験者の皮膚血流量の絶対値を得られることが確認できた。

本発明によれば、顔面や手足などの広範囲についても、皮膚血流量を非侵襲で簡便に計測することができる。したがって、本発明は、例えば、化粧料等が皮膚血流量に及ぼす影響を評価したり、自律神経や副交感神経の活動状態と皮膚血流量との関係を研究したりする上で有用である。

Claims

レーザ光を皮膚の所定の部位に照射し、その反射光をデジタルビデオカメラで撮影し、得られた光強度画像の画素ごとに、時間的空間的変動量（以下、ＭＢＲ値という）を求め、複数心拍分のＭＢＲ値から求めた１心拍分のＭＢＲ値の平均である平均ＭＢＲ値を求め、該平均ＭＢＲ値より皮膚の所定の部位の血流量を計測する皮膚血流量の計測方法であって、
予め、皮膚の所定の部位について、複数の被験者の平均ＭＢＲ値を取得すると共にストレンゲージ容積脈波法により該皮膚の所定の部位の血流量を測定し、該測定による前記皮膚の所定の部位の血流量と前記皮膚の所定の部位の平均ＭＢＲ値の１次の回帰式を取得し、
該回帰式に基づいて、任意の被験者の前記皮膚の所定の部位の平均ＭＢＲ値から前記皮膚の所定の部位の皮膚血流量を計測する皮膚血流量の計測方法。
画素ごとに、複数心拍分の複数フレームのＭＢＲ値を１心拍分に平均化したＭＢＲ値を求め、１心拍分に平均化したＭＢＲ値から、該１心拍分を構成する全フレームのＭＢＲ値を平均化することにより平均ＭＢＲ値を求める請求項１記載の皮膚血流量の計測方法。
光強度画像の撮影領域をカラー画像用ＣＣＤで撮影して２次元カラー画像を形成し、平均ＭＢＲ値を２次元にマッピングした平均ＭＢＲ画像と２次元カラー画像とを重ね合わせて重ね合わせ画像を形成し、重ね合わせ画像で皮膚血流量の計測部位を特定する請求項１又は２に記載の皮膚血流量の計測方法。
顔全体について重ね合わせ画像を形成する請求項３記載の皮膚血流量の計測方法。