JPH05111477A

JPH05111477A - 代謝情報測定装置

Info

Publication number: JPH05111477A
Application number: JP3271003A
Authority: JP
Inventors: Akio Nakada; 明雄中田; Mamoru Kaneko; 守金子; Seiji Kuramoto; 聖治倉本; Yasuhiko Omagari; 泰彦大曲; Yoshio Tashiro; 芳夫田代; Kazunari Nakamura; 一成中村; Koichi Umeyama; 広一梅山; Yoshinao Ooaki; 義直大明; Shuichi Takayama; 修一高山; Seiji Yamaguchi; 征治山口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1993-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】生体組織の代謝情報を正確に測定できる代謝情
報測定装置を提供することにある。【構成】生体組織の代謝情報を測定するための検査光を
出射する硬性鏡５と、前記検査光を受光する受光用ファ
イバー７を有するプローブ４と、このプローブ４の受光
結果に基づき生体組織の代謝情報を測定する演算回路１
２とを具備し、前記硬性鏡５またはプローブ４のうち一
方を被測定対象臓器としての心臓１５内に配置し、他方
を心臓１５外に配置し、心臓壁を通過した検査光に基づ
き生体組織の代謝情報を測定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光を用いて心臓や脳
等の生体組織や器官内の酸素飽和度すなわち酸素代謝等
の生体情報を測定するのに適した生体組織の代謝情報測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤色から近赤外領域の光は生体組織に対
しての高い透過性やヘモグロビン、ミオグロビン、チト
クローム酸化酵素などの生体の酸素代謝をつかさどる物
質への吸光性やその酸素結合情報に対応する吸光スペク
トルの変化といった特徴を持っている。

【０００３】このような特徴を利用して、ＵＳＰ４２２
３６８０，ＵＳＰ４２８１６４５に示されているよう
に、生体内の心臓や脳などの各種器官の酸素代謝を測定
する方法が知られている。これは、７００〜１３００ｎ
ｍの近赤外領域の光を生体内の器官や組織に照射し、前
記器官および組織深部より反射してきた反射光、あるい
は透過してきた光を検出して、波長間の光強度を比較演
算することで血液量、ヘモグロビンおよびチトクローム
の酸素化度を測定している。

【０００４】ここで、前記チトクロームとは、細胞のミ
トコンドリア内に存在する銅を持つ色素タンパク質（酸
化型Ｃｕ2+還元型Ｃｕ+ ）。通常８０％が酸化型である
が、虚血時、早期に還元型となる。このため、各波長の
吸収量からチトクロームの酸化還元状態を測定でき、組
織の酸素代謝の指標として使用される。

【０００５】心筋梗塞が起きた場合、最悪の場合は心筋
の壊死に至るが、早期や急性の場合には心筋の活動は停
止しているが、壊死に至らない場合がある。このような
場合にはＰＴＣＡやバイパスが有効である。これまで、
ＰＥＴを用いて心筋が生きているか、死んでいるかの診
断を行い、バイパス術の実施の判断を行っていたが、Ｐ
ＥＴ装置は、きわめて高価であり、あまり普及していな
い。

【０００６】心筋組織を測定する場合、実際には、下肢
大動脈からスコープを挿入し、図１０に示すように、ス
コープ１の先端部２を心筋組織３に押し当てながら冠状
動脈にあらかじめ配置されたバルーン等で所定期間閉塞
させて心筋の代謝変化を測定することで診断している。
このとき、心筋が死んでいると代謝変化はないことか
ら、心筋が生きているか、死んでいるかを診断できる。

【０００７】ところで、従来の代謝情報測定装置として
知られている特開昭５９−２３０５３３号公報は、光源
からの光を投光用ファイバを通じて生体組織に投光し、
生体組織からの反射光を複数の光ファイバ束を用いて受
光部へ伝送し、端面にそれぞれ設けた異なる波長フィル
タで分光した後、各波長別に反射光の強さを測定して対
象となる生体組織の情報を測定している。

【０００８】また、特公昭６１−１１６１４号公報は、
７００〜１３００ｎｍのスペクトル範囲内にある各種波
長の光を含む近赤外領域を所定のサイクルで交互に断続
的に生体組織に投光し、生体組織からの反射光を受光部
で受光し、各波長別に反射光の強さを測定して対象とな
る生体組織の情報を測定している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＵＳＰ４２
２３６８０，ＵＳＰ４２８１６４５の両特許において、
出願人は近赤外領域の光を用いて酸素代謝を計測する場
合では、その光の経路は比較的長くなければならないと
強調している。つまり、長い経路にまたがるというよう
にするということは対象とする組織に対し深部の代謝情
報を含むことができるからである。

【００１０】また、臓器の代謝を一方向から光を照射お
よび検出する（これを反射方式と呼ぶ）場合、前記目的
を達成するためには、光の照射部および検出部はそれぞ
れ数センチ程度離す必要があると述べている。“近赤外
生体計測法を用いた対外循環時の脳酸素代謝の監視”人
口臓器19(1)535-538(1990)では脳内の酸素代謝を測定す
るため照射部と検出部を３〜４ｃｍ離している。

【００１１】また、近年、光ファイバーバンドルを用い
て、胃、大腸はもちろんのこと血管内を画像で観察でき
る内視鏡が医学全般で利用されている。この内視鏡は対
外から見えない臓器を体腔内から直接観察することで疾
患の診断を正確かつ早期に行える特徴を持つ。

【００１２】さらに、内視鏡にはチャンネルという孔が
設けられており、対外よりチャンネルを通じて体内に生
検鉗子、電気メスなどの処置具が挿入可能で画像による
診断では分からない病変部の診断や治療等に用いられ
る。

【００１３】最近ではこのチャンネルを利用して酸素飽
和度を測定するための光ファイバープローブを挿入し
て、病変部の代謝情報を診断したり、または光プローブ
をＸ線透視下で直接挿入して臓器の酸素代謝を求める検
討が行われている。

【００１４】前記光プローブについては“光ファイバー
プローブを用いた医用反射光スペクトル分析装置”医用
電子と生体工学Vol.28No3(1990),特開昭５９−２３０５
３３に詳しい。

【００１５】ところで、前述のような光ファイバープロ
ーブは体腔内に挿入可能なように、そのプローブの挿入
部の外径は細く、そのため、光を照射する照射部と検出
する検出部が極めて近接して配置されており、また光速
に比べ十分に長い時間幅のパルス光を使っているため、
光が比較的長い経路をまたがらず組織表面を通過した光
を検出するようになっている。すなわち、このような方
法は組織の表面に限って代謝情報を測定するものであ
り、組織深部の代謝情報は組織の表皮や表皮表面につい
た体液や血液の影響を強く受け測定できなかった。

【００１６】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、生体組織の代謝情報
を正確に測定できる代謝情報測定装置を提供することに
ある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記目的を
達成するために、生体組織の代謝情報を測定するための
検査光を出射する検査光出射部を有する検査光出射手段
と、前記検査光を受光する検査光受光部を有する検査光
受光手段と、この検査光受光手段の受光結果に基づき生
体組織の代謝情報を測定する代謝情報測定手段とを具備
し、前記検査光出射手段または検査光受光手段のうち一
方を測定対象臓器内に配置し、他方を測定対象臓器外に
配置し、前記測定対象臓器壁を通過した検査光に基づき
生体組織の代謝情報を前記代謝情報測定手段によって測
定する。

【００１８】

【作用】測定対象臓器内に例えば検査光受光手段を挿入
し、測定対象臓器外に検査光出射手段を配置し、この検
査光出射手段によって測定対象臓器を照射すると、検査
光は測定対象臓器壁を通過し、その検査光は検査光受光
手段によって受光され、代謝情報は代謝情報測定手段に
より測定される。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の各実施例を図面に基づいて
説明する。

【００２０】図１は第１の実施例であり、生体組織の代
謝情報測定装置の概略的構成を示す。４は検査光受光手
段としての代謝情報検出用プローブで、５は検査光出射
手段としての硬性鏡である。前記プローブ４の挿入部６
は生体の動脈ａに挿入可能な極細の可撓性を有するチュ
ーブで、内部には受光用ファイバー７が内装されてお
り、この先端は挿入部６の先端面に設けた受光窓７ａに
対向している。

【００２１】前記プローブ４の操作部８にはユニバーサ
ルコード９が接続され、前記受光用ファイバー７の末端
はユニバーサルコード９の内部を通ってコネクタ１０に
接続されている。そして、このコネクタ１０は生体組織
を透過した検査光を受光する受光素子１１を有し、それ
ぞれの波長の検出光を演算する代謝情報測定手段として
の演算回路１２に接続されている。

【００２２】前記硬性鏡５は、挿入部１３と操作部１４
とからなり、挿入部１３は生体の胸壁ｂを貫通して心臓
１５まで挿入可能な硬性パイプ１６によって形成され、
この硬性パイプ１６には照射用ファイバー１７が内装さ
れている。

【００２３】この照射用ファイバー１７の先端は挿入部
１３の先端面に設けた照射窓１７ａに対向しており、末
端は前記操作部１４に接続されたユニバーサルコード１
８まで延長している。

【００２４】ユニバーサルコード１８にはコネクタ１９
が設けられ、このコネクタ１９はレーザダイオードを備
えた光源装置２０に接続されている。前記レーザダイオ
ードは、例えば波長は酸素代謝情報を含むチトクロー
ム、ヘモグロビンに吸収のある７００ｎｍ〜９５０ｎｍ
の近赤外光を発光する。

【００２５】このように構成された代謝情報測定装置に
よれば、生体組織の代謝情報、例えば心臓１５の心筋の
生死を検査する際には、下肢大動脈ａからプローブ４の
挿入部６を挿入し、その先端部の受光窓７ａを心臓１５
の被測定部位に接触させる。

【００２６】一方、硬性鏡５の挿入部１３を対外から胸
壁ｂを貫通して胸腔壁に導入し、照射窓１７ａを前記心
臓１５の被測定部位に対向させる。つまり、測定対象臓
器としての心臓１５の内部に受光窓７ａを備えたプロー
ブ４を挿入し、心臓１５の外部に照射窓１７ａを有した
硬性鏡５を位置し、心臓壁を挟んで照射窓１７ａと受光
窓７ａを対向した状態に保持する。

【００２７】この状態で、光源装置２０のレーザダイオ
ードからパルス光を発光すると、硬性鏡５の照射用ファ
イバー１７によって導光され、照射窓１７ａから被測定
部位としての心臓壁に向かって照射する。照射窓７ａか
ら照射された光は生体組織内を拡散しながら進行し、生
体組織の深部を通過した反射光は受光窓７ａに受光され
る。

【００２８】前記パルス光は、例えばこの波長は酸素代
謝情報を含むチトクローム、ヘモグロビンに吸収のある
７００ｎｍ〜９５０ｎｍの近赤外光であり、生体組織の
深部を通過した透過光を有効に捕らえることができ、こ
の透過光は受光素子１１によって検出してそれぞれの波
長の検出光を演算することにより、ヘモグロビン、ミオ
グロビン、チトクロームの酸素飽和度が求められる。

【００２９】図２は第２の実施例を示すもので、プロー
ブ４の挿入部６に受光用ファイバー７と平行に形状記憶
合金からなるワイヤ２１を内装したものである。このワ
イヤ２１は受光素子１１における受光量が最大になるよ
うにプローブ４の挿入部６を湾曲させるもので、このワ
イヤ２１は通電装置２２に接続されている。

【００３０】したがって、プローブ４の挿入部６を心臓
１５に導いた後、通電装置２２によってワイヤ２１を通
電加熱すると、ワイヤ２１は湾曲してプローブ４の挿入
部６が湾曲する。そして、受光窓７ａから受光用ファイ
バー７を介して受光素子１１に受光される受光量が最大
になったところで、通電装置２２による通電を止める
と、受光窓７ａは受光量が最大の位置で保持され、より
測定精度が向上するという効果がある。

【００３１】図３は第３の実施例を示すもので、第２の
実施例の形状記憶合金からなるワイヤ２１に代わってプ
ローブ４の挿入部６の先端部に磁石片２３を埋設したも
のである。

【００３２】このように構成すると、下肢大動脈ａから
プローブ４の挿入部６を挿入し、その先端部の受光窓７
ａを心臓１５の被測定部位に接触させ、一方、硬性鏡５
の挿入部１３を対外から胸壁ｂを貫通して胸腔壁に導入
し、照射窓１７ａを前記心臓１５の被測定部位に対向さ
せて、磁石片２３と硬性鏡５が接近すると、互いに引き
合いながら硬性鏡５の照射窓１７ａの光軸とプローブ４
の受光窓７ａの光軸とが一直線上となり、受光量が最大
の位置で保持され、より測定精度が向上するという効果
がある。

【００３３】図４〜図８は第４の実施例を示す。図４は
人体の胸部を示すもので、片肺のみ空気が供給されず、
胸腔内に空気またはガスが入れられて肺実質が収縮して
いる状態を示す。横隔胸膜２４は切開され、心膜２５を
覆った心臓２６が見え、さらに心膜２５は同様に切開さ
れ、心臓２６の筋層および冠状動脈が見える。以上は胸
腔鏡下ですべて行われる。

【００３４】ここで使用する代謝情報測定プローブ２７
は、図６に示すように、挿入部２８に照射用ファイバー
２９が内装されており、挿入部２８の先端面に照射窓２
９ａが設けられている。さらに、この照射窓２９ａを包
容するように挿入部２８の先端部にはバルーン３０が設
けられている。

【００３５】プローブ２７の基端部には図５に示すよう
に、光源装置３１が設けられ、この光源装置３１には酸
素代謝情報を含むチトクローム、ヘモグロビンに吸収の
ある７７５ｎｍ、８１０ｎｍ、８７０ｎｍ、９０４ｎｍ
の４つの異なる波長の近赤外光を発光するレーザダイオ
ード３２ａ〜３２ｄが設けられている。

【００３６】これらレーザダイオード３２ａ〜３２ｄは
ゲート３３に接続されており、このゲート３３には心電
図３４からの信号によってゲート３３を制御するゲート
信号発生回路３５が接続されている。また、前記バルー
ン３０は挿入部２８の内部を通って送気装置３６に連通
している。

【００３７】そして、プローブ２７の挿入部２８を心臓
２６に挿入した後、送気装置３６によってバルーン３０
に送気すると、バルーン３０は膨張して心臓２６の内部
の血液を排除する。この状態で、心電図３４より得られ
た信号に同期して心筋のある状態の時に常に、数１０ｍ
ｓｅｃ内で、レーザダイオード３２ａ〜３２ｄから７７
５ｎｍ、８１０ｎｍ、８７０ｎｍ、９０４ｎｍの４つの
異なる波長の近赤外光を連続的に発光する。なお、バル
ーン３０は、レーザダイオード３２ａ〜３２ｄによる発
光時のみ膨張させ、発光時以外は収縮して血液の流通を
妨げないようにすることができる。

【００３８】前記発光タイミングは、(1) 平常時、(2)
心臓の関心領域に対応する冠状動脈に、前記とは別の冠
状動脈用の微小バルーンが挿入され、バルーンを膨張し
て心臓の関心領域への血流が遮断されたとき、(3)再び
バルーンを収縮させて血流が再開したときの３回であ
る。

【００３９】図７に示すように、発光タイミングは、各
波長毎にずれている。これにより各波長毎にフィルター
を変える必要はなく、受光信号を初期の照射信号と比較
するだけで値が求まる。また、通常は胸腔鏡で心臓表面
を白色光により観察しているが、この際の照射信号は発
光・受光タイミングに合わせてカットされる。

【００４０】以上の操作により、図８に示すように、
(1),(2),(3)の各状態における各波長の心筋各部位での
吸光分布が求まる。これを４変数１次方程式を解くこと
により、血液量、血液中酸素分圧、Cytochromeaa ₃の
分布が得られる。(1),(2),(3)の各状態に於けるこの分
布の変化のある所（Ｘ）は、代謝活動が盛んに行われて
おり、変化のない所（Ｙ）は代謝活動が行われていない
ことが分かる。

【００４１】心臓の動き等で位置関係に誤差が生じてい
るので、関心領域を画像上で小ブロックに分ける。１つ
のブロックは実際の心臓で数ｍｍ〜１ｃｍ角に相当する
ようにするが、これにより多少心臓の動きで誤差が生じ
ても平均化されて全体の診断がしやすくなる。

【００４２】また、図９に示すように、ある小ブロック
の関心領域の状態(1),(2),(3) の変化を経時的に表すよ
う、血流を遮断するバルーンの圧を同時に表示すること
で理解が得やすくなる。ここで、Ｐは冠状動脈内のバル
ーンの圧力。Ａは図の関心部分のOxy-Hemoglobinの量。
Ｂは図の関心部分のDeOxy-Hemoglobinの量。Ｃは図の関
心部分のHemoglobin＋Myoglobin の総量。ＤはCytochro
me aa ₃の量。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、測定対象臓器内に例えば検査光受光手段を挿入し、
測定対象臓器外に検査光出射手段を配置し、この検査光
出射手段によって測定対象臓器を照射すると、検査光は
測定対象臓器壁を通過し、その検査光は検査光受光手段
によって受光され、代謝情報は代謝情報測定手段により
測定される。したがって、生体組織の代謝情報を正確に
測定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例に係わる代謝情報測定
装置の使用状態の斜視図。

【図２】この発明の第２の実施例に係わる代謝情報測定
装置の概略的構成図。

【図３】この発明の第３の実施例に係わるプローブの縦
断側面図。

【図４】人体の胸部を示す斜視図。

【図５】この発明の第４の実施例に係わる代謝情報測定
装置の使用状態の斜視図。

【図６】同実施例のプローブの先端部を示す縦断側面
図。

【図７】同実施例の発光タイミングチャート図。

【図８】同実施例の代謝状態の画像を示す図。

【図９】同実施例の代謝状態の画像を示す図。

【図１０】心筋の一般的な測定状態を示す斜視図。

【符号の説明】

４…プローブ、５…硬性鏡、６…挿入部、７…受光用フ
ァイバー、７ａ…受光窓。１７…照射用ファイバー、１
７ａ…照射窓。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大曲泰彦東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者田代芳夫東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者中村一成東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者梅山広一東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者大明義直東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者高山修一東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者山口征治東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体組織の代謝情報を測定するための検
査光を出射する検査光出射部を有する検査光出射手段
と、前記検査光を受光する検査光受光部を有する検査光
受光手段と、この検査光受光手段の受光結果に基づき生
体組織の代謝情報を測定する代謝情報測定手段とを具備
し、前記検査光出射手段または検査光受光手段のうち一
方を測定対象臓器内に配置し、他方を測定対象臓器外に
配置し、前記測定対象臓器壁を通過した検査光に基づき
生体組織の代謝情報を測定することを特徴とする代謝情
報測定装置。