JPH08322821A

JPH08322821A - 光吸収体の光学的測定装置

Info

Publication number: JPH08322821A
Application number: JP15866895A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tsuneishi; 召一常石
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-10
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: JP3859746B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成により、被検体の深さ方向の吸収
係数分布、さらには酸素飽和度分布を得る。【構成】各入・出射点間距離ρでの吸光度Ａ₁，Ａ₂，
……Ａnを測定する。最も短かい入・出射点間距離ρ₁で
の吸光度Ａ₁は深さがｘ₁までの情報が殆ど全てであるの
で、その吸光度Ａ₁と寄与関数ｆ₁とから吸収係数μａ₁
を求めることができる。つぎに、２番目の入・出射点間
距離ρ₂での吸光度測定値Ａ₂と寄与関数ｆ₂、及び先に
求まった０〜ｘ₁の範囲の吸収係数から、ｘ₁〜ｘ₂の範
囲での吸収係数μａ₂が求まる。同様にしてｘ₂〜ｘ₃の
吸収係数μａ₃，ｘ₃〜ｘ₄の吸収係数μａ₄……を求める
ことができる。さらに、それらの吸収係数から深さ方向
の酸素飽和度分布を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光を用いて生体内の酸素
代謝を測定する生体酸素モニタなどの光学的測定装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】７００〜１０００ｎｍの近赤外光は他の
波長域に比べて生体に対する透過性が高く、しかもこの
波長域にヘモグロビン、ミオグロビン、チトクロムオキ
シダーゼなどの酸素化状態を示す物質の吸収帯が存在す
る。これを利用し、脳や筋肉などの生体組織の状態を無
侵襲に測定できる無侵襲酸素モニタや光ＣＴなどが開発
されつつある（特公昭６１−１１６１４号公報などを参
照）。

【０００３】生体酸素モニタでは被検体の一部に測定光
を照射し、その被検体の他の部分から出射してくる光を
検出し、複数の波長で測定した吸光度変化量の重みつき
一次結合として目的成分の変化量を求めている。その方
法を具体的に示すと、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘ
モグロビンの濃度変化量をそれぞれΔ〔ＨｂＯ₂〕、Δ
〔Ｈｂ〕とし、散乱成分等による平行移動量をＳと表わ
し、異なる測定波長λ₁、λ₂、λ₃に対する酸素化ヘモ
グロビンの分子吸光度をそれぞれｅ₁，ｅ₂，ｅ₃、脱酸
素化ヘモグロビンの分子吸光度をそれぞれｂ₁，ｂ₂，ｂ
₃とすれば、波長λ₁，λ₂，λ₃についてヘモグロビン濃
度と吸光度の線形性を仮定して、対応する吸光度変化Δ
Ａ(λ₁)、ΔＡ(λ₂)、ΔＡ(λ₃)は ΔＡ(λ₁)＝ｅ₁Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₁Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ΔＡ(λ₂)＝ｅ₂Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₂Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ΔＡ(λ₃)＝ｅ₃Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₃Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ……（１）とかける。これをΔ〔ＨｂＯ₂〕、Δ〔Ｈｂ〕、Ｓを未
知数とする連立方程式として解けば、 Δ〔ＨｂＯ₂〕＝ｋ₁₁ΔＡ(λ₁)＋ｋ₁₂ΔＡ(λ₂)＋ｋ₁₃ΔＡ(λ₃) Δ〔Ｈｂ〕＝ｋ₂₁ΔＡ(λ₁)＋ｋ₂₂ΔＡ(λ₂)＋ｋ₂₃ΔＡ(λ₃)…（２）の形の解が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光を生体に照射し、生
体からのその光の反射光を受光する反射型プローブを備
えた測定装置では、光は生体中で著しく散乱されるた
め、広範囲の領域からの情報を測定していることにな
る。深さ方向を限定するために、時間分解測定法が試み
られているが、実現できたとしても装置が高価で複雑な
ものとなる。現在、臨床モニタ装置としては、深さ方向
の吸収係数の分布や酸素状態の分布を測定できる装置は
存在していない。本発明は簡単な構成により、被検体の
深さ方向の吸収係数分布、さらにはそれを元にした酸素
状態分布などを測定できるようにすることを目的とする
ものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】図１に本発明を示す。図
１には表わされていないが、光吸収体である被検体の一
部に測定光を照射し、その被検体上で測定光の入射点か
ら離れた出射点より測定光を受光するとともに、入射点
と出射点との距離を複数種類に異ならせるように被検体
への送光点と被検体からの出射光を受光する受光点のう
ちの一方が複数個設けられている測定光学系が設けられ
ている。測定光として複数の波長λ₁、λ₂、λ₃の光を
切り換えて照射できるものとすれば、その測定光学系か
らは、波長λ₁の測定光に関し送光点と受光点の各組に
ついて吸光度Ａ₁(λ₁)，Ａ₂(λ₁)，Ａ₃(λ₁)，……が得
られ、波長λ₂の測定光に関し送光点と受光点の各組に
ついて吸光度Ａ₁(λ₂)，Ａ₂(λ₂)，Ａ₃(λ₂)，……が得
られ、波長λ₃の測定光に関し送光点と受光点の各組に
ついて吸光度Ａ₁(λ₃)，Ａ₂(λ₃)，Ａ₃(λ₃)，……が得
られる。寄与関数記憶部２は入射点と出射点の各組にお
ける入・出射点間の距離について、別途測定されて与え
られた、被検体の深さ方向と吸光度との関係を示す寄与
関数を記憶している。吸収係数算出手段４は測定光学系
での送光点と受光点の各組について測定した吸光度と寄
与関数記憶部２に記憶されている対応する入・出射点間
距離での寄与関数とから被検体の深さ方向の吸収係数を
算出する。算出される吸収係数は、波長λ₁の測定光に
関し異なる深さ方向についてμａ₁(λ₁)，μａ₂(λ₁)，
μａ₃(λ₁)，……として得られ、波長λ₂の測定光に関
し異なる深さ方向についてμａ₁(λ₂)，μａ₂(λ₂)，μ
ａ₃(λ₂)，……として得られ、波長λ₃の測定光に関し
異なる深さ方向についてμａ₁(λ₃)，μａ₂(λ₃)，μａ
₃(λ₃)，……として得られる。

【０００６】被検体が生体である場合には、吸収係数は
酸素化状態を反映したものであるので、深さ方向酸素化
状態算出手段６により、複数波長での深さ方向の吸収係
数分布から、後述の（１３）式に基づいて深さ方向の酸
素化状態を導きだすことができる。表示部８は深さ方向
の吸収係数分布や深さ方向の酸素化状態分布を表示す
る。

【０００７】

【実施例】図２は測定光学系の一例を示したものであ
る。（Ａ）は１個の送光点に対し距離の異なる複数の受
光点をもつプローブを備えた例であり、光測定装置１０
の半導体レーザなどの光源から光ファイバ１２によって
送られた測定光を被検体１４に照射する送光部１６と、
送光部１６から異なる距離に配置された複数個（この場
合４個）の受光部１８−１〜１８−４が設けられてい
る。受光部１８−１〜１８−４はフォトダイオードなど
の固体検出素子で前置増幅器を一体として備え、その前
置増幅器で増幅された信号をそれぞれのケーブル２０に
よって光測定装置１０へ送信するようにしたものが好ま
しい。送光部１６にＬＥＤなどの光源を備えてもよい。
受光部１８−１〜１８−４としては光ファイバへの光入
射端としてもよく、その場合はケーブル２０が光ファイ
バになる。送光部１６の位置が被検体１４への測定光の
入射点となり、受光部１８−１〜１８−４の位置が被検
体１４からの測定光の出射点となる。

【０００８】（Ｂ）は１個の受光部１８に対し、異なる
距離の位置に複数個の送光部１６−１〜１６−４を配置
した例である。（Ａ）及び（Ｂ）のプローブは、例えば
（Ｃ）のように、１個の送光部１６（又は受光部１８）
と、それから異なる距離に配置された複数個の受光部１
８−１〜１８−４（又は送光部１６−１〜１６−４）が
プローブ本体１５により一体化されている。送光部１
６，１６−１〜１６−４には光測定装置１０から測定光
として複数波長のレーザ光が順次切り換えて送られ、複
数波長での測定がなされる。

【０００９】本発明では寄与関数は別途測定して寄与関
数記憶部に与えておく。そのような寄与関数を求めるた
めのファントムの一例を図３に示す。生体に対応した光
散乱体モデルとして、白色ポリアセタール樹脂板（大き
さが１１０ｍｍ×１１０ｍｍ、厚さが１.０ｍｍ）３０
を１１０ｍｍの高さになるように重ねて散乱体を構成
し、吸収層のモデルとして色セロファンシート（厚さが
０.０９ｍｍ）３２を所定の深さの位置に挾み込んでフ
ァントムとした。ポリアセタール樹脂板３０は等価散乱
係数μｓ'＝１.１１０、吸収係数μａ＝０.０００７／
ｍｍであり、吸収をもたない散乱体であると仮定するこ
とができる。一方、色セロファンシート３２は等価散乱
係数μｓ'＝０、吸収係数μａ＝５／ｍｍであり、散乱
のない吸収体である。ここで、μｓ'＝(１−ｇ)μｓ
で、μｓは散乱係数、ｇは散乱の非等方性パラメータで
ある。

【００１０】このファントムへのレーザ光の入射点とフ
ァントムからの散乱光の測定点（出射点）との距離ρを
３０ｍｍとし、色セロファンシート３２を挿入する深さ
ｄと枚数を異ならせて測定した結果を図４に示す。ま
た、入・出射点間距離ρと１枚の色セロファンシート３
２を挿入する深さｄとを異ならせて測定した結果を図５
に示す。光源として出力１００ｍＷ、波長８０５ｎｍの
半導体レーザを用いた。図４の結果によれば、色セロフ
ァンシート３２の枚数に比例して吸光度が増加してい
る。

【００１１】ファントムからの散乱光の出射光検出値
を、色セロファンシート３２を挟んだときのものがＩ、
色セロファンシート３２を挟まなかったときのものをＩ
o（図４，図５ではＩwithout Abs と表現している）と
する。寄与関数ｆとして、ｆ＝−log(Ｉ／Ｉo）＝ｆ(ρ，μａ(ｄ)) とおくと、色セロファンシート３２の枚数を異ならせた
図４の測定結果から、ｆ(ρ，μａ(ｄ))≡(１／ｍ)ｆ(ρ，ｍμａ(ｄ)) （３）となって、任意の実数ｍに関する恒等式の成立している
ことが実験的にわかる。また、入・出射点間距離ρを異
ならせた図５の測定結果から、入・出射点間距離ρとｆ
の関係は、ｆ(ρ，μａ(ｄ))≡ｆ(ｎρ，μａ(ｄ・ｎ))×（１／ｎ）（４）となって、任意の実数ｎに関する恒等式の成立している
ことが実験的にわかる。

【００１２】被検体の深さ方向の吸収係数分布を求め、
さらにそれをもとに酸素化状態を求める方法を図６と図
７により説明する。被検体での測定光の入・出射点間距
離ρを、小さいものから順にρ₁，ρ₂，……ρnとす
る。各波長での各入・出射点間距離ρでの吸光度Ａ₁，
Ａ₂，……Ａnを測定する。

【００１３】第１の波長λ₁で最も短かい入・出射点間
距離ρ₁での吸光度Ａ₁は、図７（Ａ）からわかるよう
に、深さがｘ₁までの情報が殆ど全てであるので、

【数１】と表現することができる。その寄与関数ｆ₁は図４に示
された寄与関数ｆ（(４)式）を図７（Ｂ）のように０〜
ｘ₁の範囲の関数としたものである。このときの測定吸
光度Ａ₁から、

【数２】となる。ここで、Ａ₁₀は吸収が全くない場合の吸光度で
あり、拡散方程式から導かれる以下の（７）式

【数３】から推定することができる(Applied Optics, 28, 2331
(1989)参照）。この結果から、０〜ｘ₁の領域に吸収
係数が均一に存在すると仮定して、その吸収係数μａ₁
を求めることができる。

【００１４】つぎに、被検体での２番目の入・出射点間
距離ρ₂での吸光度測定値Ａ₂を用いる。このときの寄与
関数ｆ₂は（４）式の寄与関数を０〜ｘ₂の範囲に納まる
ように変形したものであり、図７（Ｃ）に示されるよう
になる。入・出射点間距離ρ₂でのデータは被検体での
深さが０〜ｘ₂の範囲の情報が殆ど全てであるので、

【数４】となり、吸光度Ａ₂から

【数５】となる。ここでＡ₂₀は吸収が全くない場合の吸光度あ
り、（７）式で与えられたものである。０〜ｘ₁の範囲
の吸収係数は先に求まっているので、（９）式の結果か
らｘ₁〜ｘ₂の範囲での吸収係数μａ₂が求まる。同様に
してｘ₂〜ｘ₃の吸収係数μａ₃，ｘ₃〜ｘ₄の吸収係数μ
ａ₄……を求めることができる。

【００１５】ここで、深さｘ₁，ｘ₂，ｘ₃，……は、例
えば、図５の測定結果で寄与関数ｆ（＝−log(Ｉ／Ｉ
o））がほぼ０になる深さと考えることができ、入・出
射点間距離ρで表現して次のように与えることができ
る。ｘ₁＝０.８ρ₁ ｘ₂＝０.８ρ₂ ｘ₃＝０.８ρ₃ ……

【００１６】予定の複数の波長、例えば７８０ｎｍ、８
０５ｎｍ、８３０ｎｍというような波長について、各深
さの領域での吸収係数が求まると、それをもとにして各
深さ領域での酸素化状態を次のように求めることができ
る。生体は強散乱体であり、光の伝播は散乱係数μｓと
吸収係数μａとで表わされる。このうち、吸収はヘモグ
ロビンのみに依存すると考えられるので、酸素化ヘモグ
ロビン濃度〔ＨｂＯ₂〕と脱酸素化ヘモグロビン濃度
〔Ｈｂ〕によって、吸収係数μａは、 μａ＝ａ〔Ｈｂ〕＋ｂ〔ＨｂＯ₂〕（１０）と記述することができる。吸収係数μａを多波長で測定
すれば、次の連立方程式を得ることができる。 μａ(λ₁)＝ａ₁〔Ｈｂ〕＋ｂ₁〔ＨｂＯ₂〕 μａ(λ₂)＝ａ₂〔Ｈｂ〕＋ｂ₂〔ＨｂＯ₂〕（１1） …… 酸素化ヘモグロビン濃度〔ＨｂＯ₂〕と脱酸素化ヘモグ
ロビン濃度〔Ｈｂ〕は、吸収係数μａを２波長で測定す
れば求めることができ、３波長以上で測定して最小二乗
法で算出することもできる。２波長測定であれば、（１
１）式から、

【数６】として求めることができる。

【００１７】酸素飽和度は〔ＨｂＯ₂〕／（〔Ｈｂ〕＋〔ＨｂＯ₂〕）として求めることができ、次の（１３）式の形になる。

【数７】このような酸素化状態を定期的に測定し、その時間変化
を表示装置により表示すれば、例えば図７（Ｄ）のよう
に血液の酸素飽和度が生体の深さ方向でどのように変化
したかを捉えることができる。図７（Ｄ）において、○
のデータは時刻ｔでの酸素飽和度、●のデータは時刻
（ｔ＋Δｔ）での酸素飽和度を表わしている。

【００１８】

【発明の効果】本発明では深さ方向の吸収係数分布を測
定することができる。そしてそれをもとに、例えば生体
の深さ方向の酸素化状態の分布を容易に知ることができ
るようになる。例えば「表層部分の酸素化状態が多少悪
くなっているが、脳内部などの深層は変化していないか
ら、しばらく様子を見るだけにしておこう」とか、逆に
「顔色はあまり変化していないが、深層部で悪化してい
るから至急対処しよう」というような判断ができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のデータ処理を行う部分を示すブロック
図である。

【図２】本発明における測定光学系の例を示す図であ
り、（Ａ）は送光部が１つで受光部が複数の場合の斜視
図、（Ｂ）は送光部が複数で受光部が１つの場合の斜視
図、（Ｃ）はプローブの一例を示す底面図である。

【図３】本発明で寄与関数を求めるファントムの一例を
示す斜視図である。

【図４】そのファントムを用い、入・出射点間を３０ｍ
ｍとし、色セロファンシートを挿入する深さと枚数を異
ならせて測定した寄与関数の例を示す図である。

【図５】そのファントムを用い、入・出射点間距離と色
セロファンシートを挿入する深さとを異ならせて測定し
た寄与関数の例を示す図である。

【図６】一実施例の動作を示すフローチャート図であ
る。

【図７】動作を示す図であり、（Ａ）は入・出射点間距
離と被検体の内部情報との関係を示す断面図、（Ｂ），
（Ｃ）は入・出射点間距離と寄与関数の関係を示す図、
（Ｄ）は求められた酸素化状態を表示する例を示す図で
ある。

【符号の説明】

２寄与関数記憶部４吸収係数算出手段１０光測定装置１２，１２−１〜１２−４光ファイバ１４被検体１６，１６−１〜１６−４送光部１８，１８−１〜１８−４受光部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光吸収体である被検体の一部に測定光を
照射し、その被検体上で前記測定光の入射点から離れた
出射点より測定光を受光するとともに、入射点と出射点
との距離を複数種類に異ならせるように被検体への送光
点と被検体からの出射光を受光する受光点のうちの一方
が複数個設けられている測定光学系と、入射点と出射点の各組における入・出射点間の距離につ
いて、別途測定されて与えられた、被検体の深さ方向と
吸光度との関係を示す寄与関数を記憶している寄与関数
記憶部と、前記測定光学系での送光点と受光点の各組について測定
した吸光度と前記寄与関数記憶部に記憶されている対応
する入・出射点間距離での寄与関数とから被検体の深さ
方向の吸収係数を算出する吸収係数算出手段と、を少な
くとも備えたことを特徴とする光学的測定装置。
【請求項２】被検体が生体であり、前記測定光学系は
複数波長の測定光について測定するものであり、前記吸
収係数算出手段はその複数波長の測定光についての深さ
方向の吸収係数を算出するものであり、その複数波長での深さ方向の吸収係数から深さ方向の血
液の酸素化状態を算出する酸素化状態算出手段をさらに
備えている請求項１に記載の光学的測定装置。