JPH04200527A - 生体光計測方法および装置 - 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〕 本発明は生体内部の情報を光を用いて非侵襲で計測する
方法とその装置に関する。

〔従来の技術〕

生体内部の流体として主要な血流の疾患である循環器疾
患の早期診断目的のための光を用いた非侵襲血流計測と
しては、特開昭５５−６３６３４号に記載のレーザドツ
プラー効果を用いたものや、特開昭６０−１９９４３０
号に記載のレーザスペックル現象を用いたもの、さらに
特開昭６０−８８５３６号に記載の脈波計を２個用いた
もがある。前記のドツプラー技術は、レーザ光を生体に
入射し、血液中を流れている赤血球からの反射信号の周
波数シフト、すなわちドツプラー効果を計測することに
より血流゛速度を測定するものである。また、レーザス
ペックル現象による血流計測は、動的な挙動を示す散乱
体にレーザ光を照射したときの、スペックルパターンの
時間変化について周波数解析を行うことにより実現され
る。さらに、脈波計を２個用いた方法は、血管に沿っで
ある距離だけ離れた２点間における搏動の時間的なずれ
から血流速度を測定するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

心臓および脳血管などの循環器障害で多数を占めるもの
に、血管狭窄による血行障害がある。この障害は、血管
内部に狭窄が生じ組織への血液供給不足により生じる。

しかし、この狭窄は、ある程度進行しても日常生活にお
いてはほとんど自覚症状が表れないため、症状が表れる
頃には病状がかなり進行している場合が多い。従って、
初期の段階での異常検出が必要となる。そこで、このよ
うな血流計測装置としては、随時、随所で使用できる小
型で簡便な装置構成が望まれる。ところが、レーザドツ
プラー装置やレーザスペクトル装置はその装置構成にお
いて、レーザ発生装置やスペクトルアナライザー等の装
置が必要となり装置をコンパクトにするには適さない。

また、脈波計を２個用いる方法は、コンパクトな装置構
成には適しているが、測定領域を狭い範囲に限定するに
は適していない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、生体中の流体、特に赤血球の血液中での動向
を最大限に利用し、赤血球に照射した光の反射または散
乱または透過光の強度もしくは指向性を測定することで
、非侵襲で小型簡便な血流計測を行う方法と装置を提供
するものである。さらに、この方法を用いると、光源と
して単色光を用いる必要や検出光の波長分析を行う必要
は無く、生体に照射した入射光の反射または散乱または
透過光を複数個の光検出器で検出し、各々の検出器にお
ける強度とこれら検出器間の強度比の、安静状態と運動
負荷状態の差を測定することで、生体の血流計測を行う
。

〔作用〕

血管中を流れている赤血球は、直径的８μｍ、厚さ約２
μｍの円板状の形態をしている。この赤血球に、赤血球
に含まれている色素タンパクであるヘモグロビンの光吸
収の少ない波長で、生体中に多量に含まれる水の吸収が
少ない、８００ｎｍ〜１４００ｎｍの光を照射すると、
この赤血球は光の反射または散乱体として作用する。さ
て、流体力学的に血管中を流れる赤血球は、近似的に層
流とみなすことができ、さながら円筒の中を流れる円板
と考えることができる。流れの無い場合、赤血球の空間
的な配向の自由度は３であり、ランダムな配向をとる。

他方、流れの中にある赤血球は、流れの抵抗を下げるた
め円板の円形部分表面を流線がなぞるように配゛向して
流れていく。この時の配向の自由度は２に近い。そこで
光を、血管に垂直な方向から入射した場合、流れの存在
する状態と無い状態とでは赤血球による散乱断面積に差
が生じ、異なった散乱現象が現れる。すなわち、静止状
態においては、赤血球による散乱断面積が減少し、光の
反射率が血流のある状態より少なく、さらに赤血球配向
のランダム性より反射光に指向性が表れない。他方、流
れの存在する状態では、流速に応じて赤血球の配向の程
度が増加し、その結果散乱断面積が増加することで赤血
球による反射率が増加する。さらにこの場合、赤血球の
配向の自由度が減少することから、反射光の指向性が表
れる（全弁　寛他、生体物性を基礎とした脈波測定測定
法の解析と開発、文部省特定研究「生体の制御情報シス
テム」研究論文、７８（１９７６゜９．２７））。従っ
て、生体の血流速度を、このように反射光の強度もしく
は指向性を測定することで計測することができる。さら
に、この方法を用いると、次に示す原理により血管の狭
窄を検知することができる。血管が正常な場合、血液の
流れは、流速を増した時ある速度まで層流を保ち、その
後乱流となる。層流の範囲であるならば、上記の原理に
より反射光は流速にたいして正の相関で増加し、指向性
が増す。また、狭窄がある場合においても、血管径や流
速や狭窄の大きさによっては、狭窄部位付近において血
流は乱されない。これは、安静時の自覚症状のない場合
に相当する。

しかし、狭窄状態で運動負荷を加え血流速度を増加させ
た場合、正常な状態とは異なり狭窄部付近で層流を保つ
ことが困難となり、流れが乱れ、渦を形成する。すなわ
ち、狭窄がある場合、血流が早くなることによって狭窄
部で赤血球の配向状態がランダムとなり反射光強度が減
少するとともに、指向性が失われる。この作用により、
狭窄部位を検出することができるのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の１つであり、装置全体の構成
を示す図である。ここでは、波長成分８００ｎｍ〜１４
００ｎｍの光を有する光源部１の光を光ファイバ２に導
入し光検出部３と光照射部４とから成るプローブ５に導
く。このプローブ５は、あらかじめ被照射体６に装着し
、ベルト７を用いて測定部位に固定している。光照射部
４から生体に照射された光は、組織あるいは赤血球によ
って反射または散乱され、光照射部４のまわりに配置し
ている複数個の光検出部３により検出される。各々の検
出部で検出された信号は、増幅部８により各々増幅され
る。これら増幅された信号は、演算部９によってその検
出部の位置に応じて互いに演算されて、反射光に指向性
がない状態である完全散乱光からのずれとして、指向性
に関する値に変換されて表示部１０に表示される。この
指向性に関する値としては、たとえば第２図に示すよう
に血流が停止し赤血球がランダムに配向している場合の
反射光の空間分布を基準として、第３図に示す血流状態
における赤血球の配向の変化による、反射光の空間分布
のピーク半値幅の変化として表してもよい。さらに、こ
の指向性に関する値に対応する血流速度についても表示
部１０に表示される。また、被照射体６の血流速度は、
たとえばペダル様の運動負荷部１１を用いて任意に運動
負荷を印加することで変化させることができる。ここで
、この運動負荷の程度についても表示部１０に表示する
のがこのましい。このように、運動負荷の印加状態に対
して連続的に血流の測定結果をモニターできる。さらに
この装置を用いると、血管の狭窄を次のようにして検出
できる。狭窄が小さい場合、安静時における血流速度で
あれば狭窄部付近の血流はＷｊ流を保ち反射光も指向性
を持ったものとなっている。ところが、運動負荷を印加
して血流速度を増加させると、第４図に示すように狭窄
部位で血液の流れが乱れ、渦を形成し、従って赤血球の
配向がランダムとなるため反射光に指向性が表われない
。このようにして、運動負荷を加えることによる反射光
の指向性の減少として血管の狭窄を簡便に検知すること
が可能となる。

また、このプローブ５の構造に関して、次の様に変化さ
せてもよい。第５図に示している構造は、プローブ５に
光照射部４とシャッター１３と光検出部３の組からなる
光送受単位１２を設け、この光送受単位１２を複数個配
置したものとなっている。この場合、プローブ５に接続
したシャッター制御部１４により、任意の位置の光送受
単位１２における光照射部４を閉じることができ、これ
によってプローブ装着状態のままで生体の光照射位置を
任意に選ぶことができる。。さらに第６図における構造
のように、プローブ５において二次元的に配置した光検
出器３を左右２分するように光照射部４を一次元的に配
置してもよい。そうすることによってこの−次元的に配
置した検出器を何本もの血管にわたって装着することが
できる。第７図においては、第２図に示した光送受単位
１２を複数個二次元的に配置している。このことで、胸
部、腹部等広い範囲の計測が行える。ここで、本実施例
で示したいくつかのプローブ５の光照射部４において、
レーザダイオードまたはＬＥＤなどの発光素子を用いて
もかまわない。この場合、本実施例で示しているシャッ
ター１３の機能を果たすものとしては、発光素子を駆動
する電流のオン、オフとなる。

以上に示した例のみならず、本発明は第８図に示すよう
な、生体における血流の断層画像を得るための装置にも
用いることができる。たとえば、光源部１の光をファイ
バ２を用いて光照射部４に導入する。生体に照射された
光の、反射または散乱または透過光は、生体のまわりに
配置した複数個の光検出部３で検出する。ここで、血流
方向に対して斜め方向から入射した光は、血管への入射
角と等しい反射角方向に強く反射されることから、生体
内部における血管網の構造に応じた光強度分布が検出さ
れる。また、断層画像を得るために、光照射部４と複数
個の光検出部３は連動して回転あるいは前後運動を行い
、生体にあらゆる方向から光を照射することができる。

そして、検出された一連の信号はコンピューター１６に
よって、たとえば逆問題法により解析され、さらに画像
処理されて表示部１０に血流の断層像が表示される。

この場合においても前述の原理によって、運動負荷部１
１の作用で生体に運動負荷を加えることによる血流速度
の変化、または狭窄部位の検出を行うことができる。特
に、頭部の血流断層像を得る場合の運動負荷としては、
身体の動的な動きを伴わない、音刺激、視覚刺激、感覚
刺激などを行うことがこのましい。

〔発明の効果〕

本発明により、小型簡便な装置構成によって、非侵襲で
生体の血流計測が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す生体光計測装置の構成
図、第２図は血流が無い状態における反射光の無指向性
を示す図、第３図は血流がある状態における反射光の指
向性を示す図、第４図は血管に狭窄がある状態における
反射光の指向性の減少を示す図、第５図から第７図まで
は第１図において示されているプローブの構成について
の応用例を示す図、第８図は本発明により血流の断層画
像を得る装置の構成を示す図である。 １・・・光源、２・・・光ファイバー、３・・光検出部
、４・・・光照射部、５・・・プローブ、６・・・被照
射体、７・・・ベルト、８・・・増幅部、９・・・演算
部、１０・・・表示部、１１・・・運動負荷部、１２・
・・光送受単位、１３・・・シャッター、１４・・・シ
ャッター制御部１５・・・コンピューター。 ＶＪ　１　区 遁２凶　　　　　　　ｖ３（２） ↓ んれ７ｉ藺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、生体に光を照射し、その反射または散乱または透過
   光の強度もしくは指向性を検出することにより生体中を
   流れる細胞または粒子の流動状態を計測することを特徴
   とする生体計測方法。 ２、請求項１に記載の生体計測方法において、生体に運
   動負荷を加えることを特徴とする生体計測方法。 ３、請求項２に記載の生体計測方法において、生体中の
   血管に含まれる赤血球の流動状態を検出することを特徴
   とする生体計測方法。 ４、８００ｎｍから１４００ｎｍの波長の光源と、光源
   からの光を生体に照射する光ファイバと、生体からの反
   射または散乱または透過光の強度もしくは指向性を検出
   する光検出部と、検出した光を増幅する増幅部と、増幅
   された信号を演算する演算部と、演算された結果を表示
   する表示部とからなることを特徴とする生体計測装置。 ５、請求項４に記載の生体計測装置において、生体に運
   動負荷を加える機器を含むことを特徴とする生体計測装
   置。 ６、請求項５に記載の光学測定装置において、複数個の
   光検出器と複数個の光照射部を配置したプローブを含む
   ことを特徴とする生体計測装置。 ７、前記プローブは、生体に運動負荷を加えている間、
   生体装着位置を固定するためのベルトを含む請求項６に
   記載の生体計測装置。 ８、前記プローブは、複数個の光検出器が一次元的に配
   列され、その中心部に光照射部が配置されることを特徴
   とする請求項７に記載の生体計測装置。 ９、請求項７に記載のプローブは、複数個の光検出器が
   二次元的に配置され、それら光検出器を二分するように
   複数個の光照射部が一次元的に配置されることを特徴と
   する生体 計測装置。 １０、請求項７に記載のプローブは、光照射部とシャッ
   ターと光検出器とを一体とした要素が一次元的に配置さ
   れ、任意のシャッターを開閉するシャッター制御部とか
   らなることを特徴とする生体光計測装置。 １１、前記プローブの光照射部とシャッターと光検出器
   とを一体とした要素が二次元的に配置されることを特徴
   とする請求項１０に記載の生体光計測装置。 １２、請求項５に記載の生体計測装置において、生体に
   種々の方向から光を照射することにより、生体中で流れ
   を有する細胞もしくは粒子の流動状態の断層像を得るこ
   とを特徴とする生体計測装置。