JPH02128750A - 生体類似の光学特性を持つファントム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は生体類似の光学特性（特に光散乱特性）を持つ
ファントムに関するものである。

〔従来の技術〕

脳出血及び脳細胞への不適切な酸素供給は、ＩＣＵ中の
新生児の主要な死因または一生のハンデキャップの要因
となっている。出血は超音波診断や他のイメージング技
術により容易に発見できるが、細胞の低酸素症は、礼服
症のう胞や他の脳組織の欠損と同様、ダメージが発生し
てから３週間程度過ぎないと明らかにならない。新生児
における脳細胞の低酸素症は、先進諸国においては社会
的な健康問題にさえなっている。イギリスでは、出生時
の窒息死は出生周辺期の死因の１／３を占めている。こ
れは、出生時１０００人に対して３人の割合である。そ
して、少なくとも同数の新生児は窒息に起因した障害を
持つ生存者となっている。

このような医学的・社会的背景のもとに、脳細胞への酸
素の供給状態を直接測定できる診断装置の必要性が高ま
っている。体の組織や骨は、近赤外領域の光に対して比
較的よい透過性を示す。しかもこの波長領域では、体内
の酸素運搬媒体であるヘモグロンやチトロクロムは、そ
の酸化と還元の状態に応じて吸収スペクトルに変化を生
ずる。

従って、頭部に波長７００〜９００ｎｍ付近の近赤外光
を照射し、頭を透過してきた光のスペクトル変化をａｌ
定すれば、脳への酸素供給量の変化を知ることができる
。

このような診断装置として、従来から例えば近赤外レー
ザーダイオードからの光を光ファイバにより頭部に導き
、この透過光を検出するものが各種提案されている（米
国特許第４２２３６８０号、同４２８１６４５号など）
。これらは、脳内の全体的（平均的）な酸素量変化を測
定するものである。更に、脳内の酸素分布を求めようと
する技術も、例えば「光を使った生体計測−光ＣＴへの
道−Ｊ　　（Ｏｐｌｕｓ　　Ｅ、１９８７年５月号〜１
９８８年４月号）に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような診断装置を開発するに際しては、脳の組織と
等価な光学特性（吸収、散乱）を有するファントムが必
要になり、このファントムは安定でかつ再現性のあるこ
とが望まれる。

従来、このようなファントムとしては、例えば水に油を
入れて混合した乳状剤が用いられている。

しかしながら、このようなファントムは安定性に乏しく
、粒径が時間と共に変化したりする欠点があった。また
、乳状剤中の粒子は小さくなりすぎることがあるため、
生体組織に類似した光学特性を実現するのが容易でなか
った。

そこで本発明は、安定であってかつ再現性の良い生体類
似の光学特性を持つファントムを提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るファントムは１．散乱角分布などの光散乱
特性に関して生体と類似の光学特性を持つものであって
、このファントムは所定の媒体に複数種類の半径ｒｋ　
（但し、ｋは１〜ｍの正の整数）を有する粒子をそれぞ
れ濃度Ｃ５で混合して形成され、生体の散乱角θ１　（
但し、ｉ−１〜ｎの正の整数）における散乱角分布をＰ
　　（θ　）と５ｅａｓ　　　　　１ し、半径ｒ　の粒子の散乱角分布をＰ（θ１゜「　）と
したときに、濃度Ｃｋは で決定される値と同一もしくはこれに近似していること
を特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、粒径の異なる粒子を混入するだけで、
生体類似の光学特性を持つファントムかえられる。特に
、粒子を媒体と路間−の比重を有するもの（例えばポリ
スチレン粒子を水に入れる）とすれば、優れた安定性と
再現性を実現できる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

本発明のファントムは、媒体中に複数の粒径を有する粒
子を混入することで得られるが、この粒子は媒体と路間
−の比重を有するものとすることが望ましい。そして、
このような媒体および粒子の具体例としては、水に対す
るポリスチレン粒子がある。光学特性が問題となる波長
域は近赤外であることが望ましく（例えば波長７００〜
９００ｎａ）　、この波長域ではポリスチレンに粒子よ
る光吸収がほとんど生じない。

本発明のファントムは、所定の媒体としての例えば水に
、複数種類の半径「、（但し、ｋは１〜ｍの正の整数）
を有する例えばポリスチレン粒子をそれぞれ濃度Ｃｋで
混合して形成されるが、その濃度は次のように決定され
る。すなわち、実測した生体組織の散乱角θｉ　（但し
、ｉ−１〜ｎの正の整数）における散乱角分布をＰ　　
（θ　）腸ｅａｓ　　　　　１ とし、計算もしくは実測による半径「、のポリスチレン
粒子の散乱角分布をＰ（θ　、ｒ　　）としｋ たときに、各半径「にのポリスチレン粒子の濃度Ｃｋは で決定された値と同一もしくはこれに近似していること
を特徴とする。

上記の（１）式の左辺に示す散乱角分布ｐＨ１ｅａｓ（
θＩ）は、現実の脳などの生体組織にｌｌｌ１１定光を
照射し、その散乱特性を実測することで得られる。

すなわち、第１図に示すような散乱強度の散乱角依存性
が得られたときには、例えば散乱角θ１、θ　、θ　に
おける散乱強度がそれぞれ前述の　　　ｎ Ｐ　　（θ　）、Ｐ　　（θ　）、Ｐ　　（θ　）ｓｅ
ａｓ　　　　　１　　　　　　　５ｅａｓ　　　　　ｉ
　　　　　　　　５ｅａｓ　　　　　ｎである。

また、上記の（１）式の右辺第１項に示す散乱角分布Ｐ
（θ　、ｒ、）は、半径ｒ、のポリスチレン粒子の散乱
角分布であり、一般的には、このＰ（θ）は公知のＭｌ
ｅの散乱理論により計算される。理論計算によらずに実
測で求めることも可能であり、この場合には各半径ｒｋ
ごとのポリスチレン粒子の散乱特性が実測され、Ｐ（θ
）が求められることになる。

以上の実測値および計算値にもとづいて、上記（１）式
のマトリックス演算を行なうことにより、ポリスチレン
粒子の濃度Ｃ５が半径「にごとに求められる。なお、（
１）式の具体的なマトリックス演算におイテは、例えば
Ｓ　Ｖ　Ｄ　（Ｓｉｎｇｌｅ　ＶａｌｕｅＤｅｃｏＩｌ
ｐｏｓｌｔｌｏｎ）法を用いればよい。

以上に説明したファントム形成の具体例を第２図に示す
。

まず、サンプルとして脳の生体組織を用意し、これに近
赤外光（波長７８３　ｎｍ）を照射して光散乱特性を調
べる。横軸に散乱角（θ１）をｄｅｇ。

表示でとり、縦軸に散乱強度を対数表示でとってグラフ
に現したところ、第２図（ａ）の結果が得られた。これ
により、まず散乱角分布Ｐ、。ａ８（θ１）が実験的に
求められる。

次に、Ｍｉｅの散乱理論を用いて散乱角分布Ｐ（θ　、
ｒ、）を計算する。そして、この計算結果と第２図（ａ
）の実測値にもとづき、前述の（１）式により半径ｒｋ
ごとのポリスチレン粒子の濃度Ｃｋを計算する。この計
算は、散乱角θ１についてはＯＬ１〜１８０＠の間を１
１′ごとに行ない、半径ｒｋについては０μｍ〜０．６
μｍの間を０．０４μｍごとに行なった。その結果を、
横軸にポリスチレン粒子の半径「ｋをとり、縦軸に相対
濃度（リニア）をとってグラフに表わすと、第２図（ｂ
）のようになった。図中に記号Ａ、　Ｂで示す２つのピ
ークが現れているのがわかる。

なお、Ｍｌｅの散乱理論により求めた散乱角分布Ｐ（θ
　、「、）を横軸に散乱角をとって表現すす ると、第２図（Ｃ）のようになる。ここで、横軸は散乱
角に対応するものであり、ＳＶＤ法にもとづく所定の規
格化がなされている。

以上のようにして求められた半径ｒ、ごとのボリスチレ
ン粒子の濃度Ｃ，（第２図（ｂ）図示）で、水を媒体と
してポリスチレン粒子を混入させたところ、生体組織に
類似の光散乱特性を持つファントムが得られた。すなわ
ち、第２図（ｂ）に示された半径ｒ　ごとの濃度Ｃｋに
もとづき、散に 乱強度を逆に計算したところ、第２図（ｄ）に示す結果
が得られた。第２図（ａ）に示す現実の生体組織の実測
データと、第２図（ｄ）に示す本発明のファントムの計
算データが、特に０１〜９０＠の散乱角においてよく一
致しているのがわかる。

本発明におけるファントムは、前述したような多数の種
類の半径のポリスチレン粒子を用いて形成するのが理想
的であるが、現実問題としては、半径の異なるポリスチ
レン粒子の人手困難性や経済性の面から、一定の近似を
行なうことが必要になる。そこで、例えば、第２図（ｂ
）に記号Ａ。

Ｂで示す２つのピークに着目して、二種類の半径のポリ
スチレン粒子の混合によりファントムを形成してもよい
。具体的には、半径が ｒ　ｉ＝０　、　０２５±０．００１μｍのポリスチレ
ン粒子を６．７％の濃度Ｃ１で混合し、かつ半径が ｒ　２−０．　５±０．０１５μｍ のポリスチレン粒子を２．５％の濃度Ｃ２で水に混合し
たところ、第３図のような光散乱特性を示すファントム
が得られた。この場合の散乱平均角（ｍｅａｎ　ｓｃａ
ｔｔｅｒｉｎｇ　ｃｏｓｉｎｅ）　　；　ｇは、ｇ−０
，８９９であり、現実の生体組織の散乱平均角ｇ’ｔＯ
，９と極めてよく一致している。

なお、散乱平均角ｇは粒子の散乱指向性を示すパラメー
タで、散乱角をθ、散乱角分布をＰ（θ）としたときに
は、 １８０　’ ｇ−ＪＰ（θ）ａｃｏｓθ−ｄθ−（２）で求められる
。そして、完全前方散乱（全ての粒子につき散乱角θ−
〇″）のときにｇ−１となり、完全等方散乱のときにｇ
−０となり、完全後方散乱（全ての粒子につき散乱角θ
−１８０°）のときにｇ−−１となる。

次に、上記に説明した実施例の変形例を説明する。

実施例においては、散乱角分布を問題としてきたが、散
乱に関するもう１つのパラメータとして、いわゆる散乱
係数μ　がある。散乱係数μ　はあＳ る散乱から後の散乱までの光の平均光路長の逆数で示さ
れるパラメータであり、半径「　の粒子の濃度を０１半
径ｒ　の粒子の散乱断面積（Ｍｉｅｒｏ　　　　　　　
　　　　　ｍ の散乱理論で求まる）をＳ　とすると、ｌ μ　　■　　Σ　　Ｃ拳　Ｓ　　　　　　　　　　　　
　・・・ｓ　　　　、、、　　　　ｒｓ　　　ｒｍとな
る。従って、（１）式のマトリックス演算により相対濃
度が第２図（ｂ）のように求まれば、上記の（３）式に
より、所定の散乱係数μ　を与える粒子の絶対濃度を求
めることができる。

本発明のファントムは、診断装置の性能評価に用いる場
合の他、各種の用途に適しているが、その具体例をあげ
ると次の■〜■のようになる。

■生体組織中の光路長の決定 頭の内部の酸素変化を計測する場合には、各波長での光
吸収の変化を計ることにより、ヘモグロビン、酸化ヘモ
グロビンなどの濃度を求めることか必要になる。散乱が
ない場合には、光吸収変化ΔＡは次の（３）のようにな
る。すなわち、ＴＳ４図に示すように、脳１に対して入
射光ｌ　を入射して透過光Ｉが得られたときに、その光
路長をｇ１ヘモグロビン吸収係数をα、濃度変化をΔＣ
とすると、 ΔＡ■ｇ・αφΔＣ −ΔＩ　ｏｇ　（１／　Ｉ　　）　　　　　　・・・（
４）となる。従って、Ｉ、　　Ｉ　　は計測でき、αは
既知であるので、（４）式より酸素濃度変化ΔＣを求め
ることができる。しかし、光散乱があるときには光路長
ｇは実効的に長くなる（第４図の数倍になる）ため、酸
素濃度変化ΔＣが（４）式では計算できなくなる。そこ
で、本発明に係る生体類似の光学特性を持つファントム
を用いて実験すれば、上記の光路長ｇの実効値を知るこ
とができるので、酸素濃度変化ΔＣを求めることができ
るようになる。

■酸素分布などのイメージングの評価 生体組織中の酸素分布などをイメージングする際には、
ファントムを用いた実験と評価が不可欠となる。例えば
、第５図に示すように、ファントム２中に３個の光吸収
体３を含ませる。

そして、これに測定光を照射して透過光を調べる。する
と、光吸収体に応じた透過光強度の分布が得られるので
、診断装置の評価や診断実験を、例えばイメージの解像
度の評価も含めて正確に行なえることになる。

■生体組織中の光分布の解析 ＰＤＴ　（光線力学治療）を行なう場合には、光が生体
組織中のどの程度の範囲に及んでいるかを知ることが必
要となる。本発明のファントムを用いれば、これを容易
かつ正確に行なうことが可能になる。

本発明については、種々の変形が可能である。

例えば、媒体は生理食塩水などであってもよい。

また、光吸収色素を適当に添加すれば、散乱特性とは独
立に吸収特性をも調整することが可能になる。

〔発明の効果〕 以上、詳細に説明した通り本発明では、粒径の異なる粒
子を媒体に混入するだけで、生体組織に類似の光散乱特
性を持つファントムがえられる。

特に、粒子を媒体と路間−の比重を有するもの（例えば
ポリスチレン粒子を水に入れる）とすれば、優れた安定
性と再現性を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実δ−１データによる散乱分布の求め方を示
す図、第２図は、ファントム形成の具体例を示す図、第
３図は、二種類のポリスチレン粒子を用いたファントム
の散乱特性図、第４図および第５図は、本発明に係るフ
ァントムの利用例を説明する図である。 １・・・脳、２・・・ファントム、３・・・光吸収体。 へ丈古し　角　コミ　（ｄｅｇ） （ａ） （ｂ） ファントム形成の異体例（豹ず） 第　２図（１） 枢 乱 角 （付九・） “肯（°占し　角　度 （ｄｅｇ　） （Ｃ） （ｄ） ファントム形成の具体例（〈イ麦’４）第２図（２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光散乱特性に関して生体と類似の光学特性を持つフ
   ァントムにおいて、 前記ファントムは所定の媒体に複数種類の半径ｒ＿ｋ（
   但し、ｋは１〜ｍの正の整数）を有する粒子をそれぞれ
   濃度Ｃ＿ｋで混合して形成され、前記生体の散乱角θ＿
   ｉ（但し、ｉ＝１〜ｎの正の整数）における散乱角分布
   をＰ＿ｍ＿ｅ＿ａ＿ｓ（θ＿ｉ）とし、半径ｒ＿ｋの前
   記粒子の散乱角分布をＰ（θ＿ｉ、ｒ＿ｋ）としたとき
   に、前記濃度Ｃ＿ｋは ▲数式、化学式、表等があります▼ で決定された値と同一もしくはこれに近似していること
   を特徴とする生体類似の光学特性を持つファントム。 ２、前記粒子は前記媒体と略同一の比重を有することを
   特徴とする請求項１記載の生体類似の光学特性を持つフ
   ァントム。