JPH03178634A - 生体計測装置 - 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、光学的手法により生体内の酸素量に対する情
報を得る生体計測装置に関するものである。

〔従来の技術〕

生体は酸素とグルコースとを消費してエネルギー源であ
るアデノシン三りん酸（ＡＴＰ）を生成して生きている
。このため、酸素やグルコースが体内でどのように分布
しているかを、非侵襲的に知ることは、生体の代謝状態
を診断する上で極めて重要である。そこで最近、特に体
内の酸素量を光学的に計測する試みがなされ、一部実用
化されている。上記試みは、酸素を体内の隅々まで運ぶ
担い手である赤血球中のヘモグロビンや、細胞内のミト
コンドリア中でＡＴＰを生成する過程で重要な役割を果
たすチトクロームや、筋肉中に酸素を貯える役目をする
ミオグロビンなどの光学特性が、酸素を取り込んだ状態
と脱酸素状態とで異なることを利用したもので、特に光
吸収スペクトルの変化から計測する試みが最も多い。計
測の原理は特開昭５７−１１５２３２に詳しく開示され
ているように、生体内に光を透過させ、対象とする酸素
量指標物質による吸収係数を求め、この値から上記指標
物質に酸素が取り込まれている割合、すなわち酸素飽和
度を求める。酸素飽和度と酸素濃度との間には一定の関
係があることが知られているので、酸素濃度が求められ
、酸素分圧が計測できることになる。従来はほとんどが
上記原理によって酸素分圧を求めており、さらに最近で
は上記酸素分圧の分布をイメージングする試みがなされ
ている（例えば、プロシーディング・ナショナル・アカ
デミツク・サイエンス・ニーニスニー（Ｒｒｏｃ、　Ｎ
ａｔｌ、　Ａｃａｄ　Ｓｃｉ、　ＵＳＡ）　８５巻、４
９７１−４９７５頁、１９８８年７月）。

しかし、上記酸素飽和度と酸素濃度との間の関係（これ
を酸素の解離曲線と呼ぶ）は、実際には対象部位の酸性
度ｐＨや温度Ｔによって変化する。

したがって、光の吸収係数の値、すなわち酸素飽和度だ
けのデータから酸素分圧を正確に決定することはできず
、正常および異常の診断に支障を来す場合も考えられる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように従来技術は、被検者の対象部位の酸性度（
ｐＨ値）、温度による解離曲線の変動については考慮し
ておらず、正確な酸素分圧を計測もしくはイメージング
できないという問題があった。

本発明の目的は、医学的にみて極めて重要な体内の酸素
分圧を正確に計測・イメージングできる生体計測装置を
得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、生体内に酸素量を光学的に計測する生体計
測装置に、核磁気共鳴特性の計測手段を具備させること
によって達成される。すなわち、核磁気共鳴特性を画像
化する手段を具備し、上記核磁気共鳴特性から得られる
温度、酸性度に関する情報と、光吸収スペクトルの変化
から酸素の有無を知る光学的手段で得られる酸素量に関
する情報とを、相互に演算して生体内の酸素分圧の分布
を画像化する。

〔作用〕

まず、ヘモグロビンの光吸収スペクトルから酸素分圧を
計測する場合を考える。上記ヘモグロビンの光吸収スペ
クトルは、第２図に示すように、酸素化した場合の曲線
３１と脱酸素化した場合の曲線３２とでは異なる。この
差を特定の波長の光を用いて抽出できれば、ヘモグロビ
ンの酸化度を求めることができる。生体は著しい光の散
乱体であるため、上記差を抽出することは極めて困難で
あるが、例えば第２図中で、酸素化、脱酸素化で吸収係
数が変わらない波長（これを等吸収点という）を参照波
長とし、２つの波長で計測することにより散乱の影響を
除くことができる。このようにして求めたヘモグロビン
の酸化率から、第３図に示すような酸素解離曲線を用い
て酸素濃度、したがって酸素分圧を求める。

しかし、上記解離曲線は対象部位の酸性度ｐＨや温度に
よって変動する。例えば、第３図はｐＨが変動したとき
の例を示し、解離曲線４１はＰＨ＝７．４、曲線４２は
ｐＨ＝７．６、曲線４３はｐＨ＝７．２の場合である。

したがって、実際にはＰＨと温度とが判っていないと、
酸素分圧は決定できない。

そこで、上記の光学的計測手法以外に、核磁気共鳴特性
を計測する手段を具備させると、ｐＨについては、無機
りん酸中の３１ｐのケミカルシフトの計測から求めるこ
とができる。これは、ｐＩ（と無機りん酸中の３１Ｐの
ケミカルシフトの間に、第４図に示す曲線５１のような
関係があるためである。第４図においてケミカルシフト
量はクレアチンりん酸のピークを基準としている。

また、温度については１Ｈの共鳴の縦緩和時間Ｔ□を計
測することにより求められる。これは、生体各部位のＴ
ｉが温度の関数であることによる。

上記のように核磁気共鳴特性を計測する手段を具備する
ことにより、光吸収の情報を得ると同時に非侵襲的に同
一部位のｐＨと温度が計測でき、これから解離曲線が一
義的に決まり、したがって、対象部位の酸素分圧を正確
に求めることができる。

３１ｐのケミカルシフト、′Ｈの縦緩和時間ともに断層
イメージングが可能なため、光吸収情報のイメージング
を行う場合は、これらのイメージを重ね合わせ各部分で
補正することにより、正確な酸素分圧分布を表示するこ
とができる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１＠は本発明による生体計測装置の一実施例を示す図
である。まず、光学的手法によりヘモグロビンの酸素飽
和度を計測し、イメージングする方法について説明する
。光源としては、生体による著しい散乱光の影響を除く
ために、パルス光源１１を用いる。波長は酸素化ヘモグ
ロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルが顕著
に異なる点を選ぶ。吸収以外の情報を除くために、通常
、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの吸収
係数が等しい波長のデータを参照にする。また、吸収係
数を得るために光路を同定する目的で、検出器側１３で
は時間ゲートをかけて出力光を計測する。生体内での光
の散乱による減衰は極めて大きく、例えば成人頭部では
およそ百億分の−に減衰する。このため、高感度の検出
器を必要とすると同時に、効率よく体内に光を入射させ
、かつ、効率よく透過光を取り出さねばならない。そこ
で、本実施例では光ファイバ束１７．１８を頭部に密着
した帽子状の光学カプラー１９に取りつけ、光の入射、
信号取り出しを効率よく行う。入力用ファイバ１７、出
力用ファイバ１８とも頭部周囲に複数本配置する。上記
入力用ファイバの１本にパルスレーザ光を送り込み、工
２でタイミングを制御し、出力光を周囲に配置した出力
用ファイバ全体とマルチチャネル高速光検出器１３で受
信する。

このとき、マルチチャネル高速光検出器１３では時間応
答を計測し、必要に応じて時間ゲートをかけて信号を取
り込む。この動作を入力用ファイバエフすべてにつき行
うと、頭部内金域の光吸収情報を得ることができ、デー
タ収集部１４、演算部１５を通して、吸収値の断層像と
して表示装置１６に出力することができる。

上記のような光学的手法による計測から、ヘモグロビン
の酸素飽和度の分布を求めることができるが、酸素飽和
度の酸素分圧との関係を示す解離曲線がｐＨや温度によ
って動くため、臨床的に意味がある酸素分圧を正確に求
めることができない。

そこで、光学的計測手段に核磁気共鳴計測手段を第１図
に示すように加える。図において２０は、被検体に静磁
場を加えるためのコイル、２１は画像化に必要な傾斜磁
場をかけるためのコイル、２２は高周波磁場パルスを印
加し、かつ信号を取り出すためのプローブである。核磁
気共鳴から得られる情報として、まずプロトン１Ｈの共
鳴の緩和現象に着目する。上記緩和現象とは、静８ｉ場
中におかれ熱平衡状態で一方向に磁化がそろっている状
態において、共鳴周波数（ラーマ−周波数）ω。をもつ
高周波磁場を印加すると、このエネルギーを吸収しなが
ら磁化は高周波磁場の方向に向いて行く。その後、高周
波磁場を切ると、エネルギーを放出しながら磁化は元の
静磁場のみ印加した状態に戻っていく。例えば、熱平衡
状態でＺ軸方向に磁化が向いているときに、磁化の向き
を１８０°回転させる周波数ω。の高周波磁場を印加す
ると、磁化は−Ｚ力方向向き、その後時間とともに２方
向の負成分は減少し、ついには熱平衡状態に戻る。この
とき磁化のＺ方向の成分の時間変化は、 で表される。ここで、時定数Ｔ工は縦緩和時間と呼ばれ
るもので、 と表すことができる。（２）式において６＝ｈ／２π（
ｈニブランク定数）、γはプロトン１Ｈの核磁気回転比
、ω。はラーマ−周波数、τｃ＝　τｃ’ｅｘｐ　（Ｅ
ａ／ｋＴ）で、Ｅａは分子運動の励起エネルギー　ｋは
ボルツマン定数、Ｔは絶対温度。

縦緩和時間Ｔ工は上記のようにτＣを通して温度の関数
になっているので、Ｔ１を計測することにより温度を見
積もることができる。静磁場強度が例えば０．１５テス
ラのときの代表的な緩和時間は、脳の白質で３００ｍ５
、灰白質で４７５ｍ５である。

このようなプロトンの核磁気共鳴の基本的なパラメータ
の１つであるＴ□は、プロトンの密度、横緩和時間Ｔ２
とともに、画像化できることはすでに知られている。画
像化のための印加高周波磁場パルスシーケンスおよびそ
のパラメータを、シーケンス制御部２３により変えて、
高周波受信器２４、データ収集部１４によりデータをと
り連立方程式を解くことによって、Ｔ１計算値像を得る
ことができる。ここで例えば、頭の中のＴ１の標準的な
分布は判っているので、温度が異常に高いかまたは低い
部分があると、Ｔ工計算値像に変化が生じ、標準値から
のずれから温度を推定することができる。これにより、
局所的に温度異常がある場合においても、光の吸収値像
と相互に演算、補正することにより、解離曲線から酸素
分圧分布を正確に求めることができる。

上記は生体内の酸性度ＰＲが一定である場合の実施例で
あるが、実際には上記ｐＨの値も変動する可能性がある
。この影響についても、本実施例の構成を示す第１図の
システムで補正することができる。この点につきつぎに
説明する。

核磁気共鳴の他の重要な情報としてスペクトロスコピー
がある。これは生体内核種の共鳴周波数がその環境によ
って僅かにシフトする現象に基づいており、このシフト
を化学シフトと呼ぶ。特に”Ｐのケミカルシフトは、生
体の代謝機能に深く係っており、また、比較的計測が容
易であることから、その挙動は詳しく調べられている。

例えば、無機りん酸中の３Ｌｐの共鳴周波数がＰＨによ
って変化することが知られている。

ケミカルシフトは、基本的には９０°パルス（磁化の方
向を９０°変える高周波磁場パルス）を、高周波送信器
２５によりプローブ２２に印加した後、上記プローブ２
２に現われる信号ＦＩＤ（Ｆ　ｒｏｅ　Ｉ　ｎｄｕｃｔ
ｉｏｎ　Ｄ　ｅｃａｙ）のスペクトル解析により求める
ことができる。対象部位を限定する局所スペクトロスコ
ピーは、傾斜磁場と周波数成分を限定した選択性パルス
を組み合わせた選択励起技術（スライシング技術）やサ
ーフェスコイル技術などにより場所を限定し、ＦＩＤを
計測することにより可能になる０画像化のための技術も
開発されており、例えば、スライシング技術により断層
面を選定（例えば２方向）し、傾斜磁場電源２６と傾斜
磁場コイル２１によりＸ、Ｙ方向の時間磁場勾配、空間
磁場勾配を等間隔に変化させて複数回ＦＩＤ信号を測定
し、得られた３次元データをフーリエ変換することによ
りスペクトロスコピックイメージングが可能になる。し
たがって、３Ｌｐのケミカルシフトをイメージングする
ことににより、ｐＨの分布を得ることができる。これに
より、局所的にｐＨの異常がある場合においても、光の
吸収値と相互に演算、補正することにより、解離曲線か
ら酸素分圧分布を正確に求めることができる。

本実施例では、赤血球もしくはヘモグロビンによる光の
吸収情報から、酸素分布を計測する例を示したが、散乱
光の中にもヘモグロビンの酸化率に関する情報が含まれ
ていることが知られている。

散乱光に関する情報は、第１図に示すマルチチャネル高
速光検出器で計測される、信号の時間応答を解析するこ
とにより得ることができる。このようにして得られる散
乱像から酸素分圧を計測する場合でも、第１図のシステ
ムで温度、ｐＨの影響の補正を行い、正確に酸素分圧を
求めることが可能である。

また、本実施例では、ヘモグロビンの光学的性質を通し
て生体内の酸素量を計測しているが、筋肉中のミオグロ
ビン、細胞組織中チトクロームの光学的性質から酸素量
を計測する場合でも、これらの酸素解離曲線がやはり温
度やＰＨにより影響を受けるため同様である。

上記のように本実施例では、同一断層面で光学的特性や
核磁気共鳴特性を計測し、相互に演算することにより、
正確な酸素分圧分布をイメージングすることができる。

また、本システムでは、必要に応じて、酸素分圧、酸性
度、温度のうち少なくとも２つ以上の分布を、°同一画
面上に表示することができる。

第１図において、光ファイバ１７，１８、光学カプラ１
９は、電源２７、コイル２０より発生する静磁場の均一
性を極力乱さず、また、逆に強磁場による光学特性の変
化が極力小さい材質で構成されている。また、必要に応
じて、強磁場による光ファイバ、光学カプラの光学的性
質の変化（磁気光学効果）については、その影響を補正
、較正する手段を付加することにより、計測の精度を保
つことができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による生体計測装置は、生体の光学
的特性から体内の酸素分布状態を画像化する生体計測装
置において、生体の核磁気共鳴特性を画像化する手段を
具備し、上記核磁気共鳴特性から得られる温度、酸性度
に関する情報と、光吸収スペクトルの変化から酸素の有
無を知る光学的手段で得られる酸素量に関する情報とを
相互に演算し、生体内の酸素分圧の分布を画像化するこ
とにより、ヘモグロビンの酸素解離曲線が温度や酸性度
ＰＨによって変動し、光学的手法だけで酸素分圧を計測
し画像化することができないという従来の問題点を解決
したもので、医学的にみて極めて効果が大きく、酸素分
圧分布を非侵襲的に正確にイメージングできるため、例
えば脳内の酸素分圧低下による脳疾患を早期に検出し、
脳の機能低下や老化などの診断ができる。また、本発明
による生体計測装置は無侵襲であるため、上記疾患の治
療として、投薬の効果を継続的にみることができるとい
う、これまでの診断機器では不可能であった診断ができ
、高齢化社会に向けて大きな効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による生体計測装置の一実施例を示す図
、第２図は酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの
光吸収スペクトルを示す図、第３図はヘモグロビンの酸
素解離曲線を示す図、第４図は無機りん酸中における３
１Ｐのケミカルシフトと酸性度ｐＨとの関係を示す図で
ある。 １１・・・パルス光源走査部 １３・・・マルチチャネル高速高感度光検出器工５・・
・光学データ磁気共鳴データの演算部１６・・・酸素分
圧分布表示部 ２０・・・静磁場印加コイル ２１・・・３軸方向傾斜磁場印加コイル２２・・・高周
波磁場パルス印加および信号検出用コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、生体の光学的特性から、体内の酸素分布状態を画像
   化する生体計測装置において、生体の核磁気共鳴特性を
   画像化する手段を具備し、上記核磁気共鳴特性から得ら
   れる温度、酸性度に関する情報と、光吸収スペクトルの
   変化から酸素の有無を知る光学的手段で得られる酸素量
   に関する情報とを相互に演算し、生体内の酸素分圧の分
   布を画像化することを特徴とする生体計測装置。 ２、上記光学的手段は、赤血球もしくはヘモグロビンの
   光学的性質に基づく、吸収または散乱の少なくとも一方
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載し
   た生体計測装置。 ３、上記光学的手段は、チトクロームまたはミオグロビ
   ンの光学的性質に基づくものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載した生体計測装置。 ４、上記核磁気共鳴特性は、生体内核種の核磁気共鳴の
   緩和時間または核磁気共鳴周波数のケミカルシフトの、
   少なくとも一方であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載した生体計測装置。 ５、上記生体内核種は、＾１Ｈ、＾３＾１Ｐであること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載した生体計測
   装置。 ６、上記光学的特性および核磁気共鳴特性は、それらの
   分布を生体内の同一断層面で計測し、相互に演算するこ
   とにより、酸素分圧分布の断層像を得ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載
   した生体計測装置。 ７、上記酸素分圧は、核磁気共鳴特性として得られる温
   度、酸性度とともに、これらのうち少なくとも２つ以上
   の分布の断層像を、同一画面に表示することを特徴とす
   る特許請求の範囲第６項に記載した生体計測装置。 ８、上記光学的手段は、その計測手段が核磁気共鳴特性
   を計測する各種磁場を実質的に乱さず、また、磁場の影
   響を実質的に受けないか、もしくは磁場の影響を補正し
   て用いるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれかに記載した生体計測装置。