JPH09117438A

JPH09117438A - 人体あるいは動物体内の非侵襲的測定用装置

Info

Publication number: JPH09117438A
Application number: JP8215907A
Authority: JP
Inventors: Ian West; イアン・ウエスト
Original assignee: Johnson and Johnson Medical Inc
Current assignee: Ethicon Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 1997-05-06
Also published as: GB9515648D0; EP0756848A1; US5908384A

Abstract

(57)【要約】【課題】第２検出器に近接して組織内に異質物があっ
ても誤差を生じない高精度の人体あるいは動物体内の非
侵襲性測定用装置を提供する。【解決手段】人体あるいは動物体内の非侵襲性測定用
装置は、人体あるいは動物体内に電磁放射線を放出する
エミッタ手段（２）と、弱めて散乱した放射線を検出す
る検出手段（４，６，８）を具備している。検出手段
（４，６，８）は、第１主検出手段（４）と少なくとも
１個の第２基準検出手段（６，８）を具備する。第２検
出手段（６，８）は、エミッタ手段（２）から第１主検
出手段（４）までの距離より近いエミッタ手段（２）か
らの距離に配置されている。第２検出手段（６，８）
は、エミッタ手段（２）からの半径の線上に配置され、
その半径の線は、第１検出手段（４）があるエミッタ手
段（２）からの半径の線に対してある角度をなしてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、人体あるいは動
物体内の非侵襲的測定用装置に関するものであり、より
詳しくは電磁放射線を利用するそのような測定用装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生体内組織のある特性を、体の皮膚近く
に電磁放射線源を配置し、その電磁放射線源から所定の
距離だけ離して配置した１個又は２個以上の検出器によ
り受けて電磁放射線を検出することによって測定する様
々な形態の装置が知られている。測定できる特性は、組
織の酸素化を含む。米国特許出願第5,057,695 号は、光
の散乱を使用して物質の内部情報を測定するシステムを
開示しており、そのシステムは、同じ方向に配置した光
源と検出器を備えた２個以上の光源あるいは検出器を使
用する。WO 91/17697 号は、同心配置の検出器を備えた
２チャンネル検出器システムを記載している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電磁放射線の点光源
は、その光源から全方向に等しい放射線を放出する。知
られている装置は、光源から第１の距離だけ離れて配置
した主検出器を使用しており、その主検出器は、測定し
ている組織を通って検出器に戻る放射線を検出する。そ
のように知られた装置は、光源とその主検出器間に配置
した第２基準検出器も具備している。その第２検出器と
光源間の距離は、光源とその主検出器間の距離より短い
ので、第２検出器は組織内部にまで透過しなかった光を
検出する。第２検出器からの信号は、主検出器から受信
した信号を判断するために用い、測定している組織に関
する最大情報を得ることができる。

【０００４】この装置が要する場所を最小にするため、
第２検出器を点光源と主検出器間の半径の線上に一般的
に配置する。この配置は、唯一の第２基準検出器に近接
して組織内で異質物が配置されていれば、このシステム
の実施を制限する可能性がある唯一の第２基準検出器を
許容する不具合がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、電磁放
射線を人体あるいは動物体内に放出するエミッタ手段
と、前記エミッタ手段から第１の距離だけ離れた、人体
あるいは動物体内から散乱した放射線を検出するための
第１放射線検出手段と、前記放射線手段から前記第１の
距離未満の距離に配置された少なくとも一つの第２検出
手段とを具備する人体あるいは動物体内の非侵襲的測定
用装置であって、前記１個あるいは各々の第２検出手段
は、前記エミッタ手段からの半径の線上に、前記第２検
出手段を配置する前記１個あるいは各々の半径の線が前
記第１放射線検出手段を配置する半径の線に対してある
角度にあるように、配置されている人体あるいは動物体
内の非侵襲的測定用装置が提供される。

【０００６】１個の第２検出手段を必要とする新生児セ
ンサとしてこの測定用装置を使用しなければ、２個の第
２検出手段を最適に設けることができる。第２検出手段
を配置する各々の半径の線と第１検出手段を配置する半
径の線とでなす角度が４５度より大きいことが好まし
い。その角度が４６度であるのが好適である。

【０００７】エミッタ手段は少なくとも２種類の波長で
電磁放射線を放出することができる。２種類の波長のう
ち小さな波長が二つのパラメータを測定するために必要
である。それ以上のパラメータは、使用する波長の数を
増やせば測定することができる。波長は組織酸素化検出
用の波長は６５０ｎｍと９５０ｎｍの間でよい。

【０００８】第１検出手段は第１距離に等しい曲率半径
の円弧形状とすることができる。第１距離は４０から５
０ｍｍが最適で、４５ｍｍが好ましい。発光ダイオード
を第１検出手段と各々の第２検出手段間で等距離に配置
して第１検出手段と第２検出手段の相対利得（ゲイン）
を測定することができる。

【０００９】エミッタ手段と各々の第２検出手段との間
の距離は、１０ないし２０ｍｍの範囲が最適で、１３ｍ
ｍが好ましい。２個以上の第１検出手段を、そのエミッ
タ手段を中心とした円弧に沿って分配することができ
る。

【００１０】本発明の第２の態様によれば、電磁放射線
を放出可能なエミッタ手段を配置する第１凹部と、検出
手段を放射線検出用に配置し、放射線を放出し検出する
窓を有する少なくともさらに２カ所の凹部とを備えたハ
ウジングを具備する人体あるいは動物体内の非侵襲的測
定用装置であって、前記ハウジングは、前記エミッタ手
段を囲む保護フラップを有する人体あるいは動物体内の
非侵襲的測定用装置が提供される。

【００１１】上記ハウジングの保護フラップは、エミッ
タ手段に接続されたケーブルの一端を好適にロックして
いる。２個以上の検出手段に、ハウジングの窓を各々設
けることができる。さらに凹所を発光ダイオードのハウ
ジングに設けてもよい。ハウジングの窓の穴を傾けて放
射線の最大入出力を行なう。

【００１２】ハウジングは、伸ばした皮膚接触に適する
柔軟に適応する材料から好適に作られ、黒に着色され、
一体成形される。保護フラップは、ハウジングの本体を
そのフラップに連結するヒンジ部材用いてハウジングの
一端から好適に伸びる。その保護フラップは、対応する
ロック手段と協働する確実動作のロック手段をハウジン
グの本体で支持することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施態様を、添付図面を
参照して実施例によってのみ説明する。図１ないし図４
を参照すれば、本装置の第１態様が成人系の形態で設け
られている。人体あるいは動物体内の非侵襲的測定用装
置は、６５０ｎｍの波長と９５０ｎｍの波長の間の４種
類の波長で電磁放射線を放出するエミッタ手段２を有し
ている。電磁放射線は、光ファイバケーブルを経由して
エミッタ手段２に伝送される。エミッタ手段２は、半径
の異なる線上で点光源から同じ距離にある光到達点が同
じ強度であるように半径の線を伸ばすことができる放射
線の点光源を備えている。主検出器４は、エミッタ手段
２の点光源２８に中心を持つ４５ｍｍの半径を有する円
弧を有している。

【００１４】安全面センサ装置は、測定される組織に対
しこの装置が所望の位置にある場合、エミッタ手段２だ
けが作動するように設けることができる。第２検出器
６，８は基準検出器として作用し、主検出器４が受信し
た信号の絶対的な数量化を容易にする。各々第２検出器
６，８は、点光源２８に中心を持つ円をなす半径の線上
に配置される。第２検出器６，８を配置する各々の半径
の線は、主検出器４の中心点３０に伸びる半径の線に対
し４６度の角度をなしている。第２検出器６，８は、点
光源２８から１３ｍｍの距離に配置されている。発光ダ
イオード１０は、主検出器４と２個の第２検出器６，８
から等距離に配置されている。発光ダイオード１０と検
出器４，６，８間の距離は１９．２ｍｍである。

【００１５】検出器４，６，８は、フレームに積層され
たプリント基板上に取付けたフォトダイオードモジュー
ルから構成される。全体のアセンブリは、信号にノイズ
を与える高周波干渉を保護する金属遮蔽物（スクリー
ン）内に包囲されている。金属遮蔽物は、光がフォトダ
イオードに到達できるように前面に網目を有し、窓ガラ
スがその前面の先端に取付けられている。

【００１６】主検出器４は、並列に配線され、エミッタ
手段２への距離に対応する半径の円弧に取付けられた３
個のフォトダイオードから作られる。発光ダイオード１
０は、フレーム内部にあるプリント基板上に取付けられ
てもいる。フォトダイオードの場合のように、光検出器
の信号にノイズを与える可能性がある高周波エミッショ
ンを防止する場合には、金属遮蔽物がフレーム周辺で包
囲される。窓ガラスは、発光ダイオード１０の前方で、
金属遮蔽物の穴の先端に取付けられる。

【００１７】非侵襲的測定を行なうための装置は、ただ
１個の第２基準検出器を用いることによってこの装置の
サイズを小さくして、新生児装置に適応することができ
る。ただ１個の第２基準検出器を、上記大型の装置と同
様に、主検出器に対して４６度で配置することができ
る。この装置１の第２態様を、１個だけの第２検出器６
を用いて新生児用に設計した図４と図５に示す。エミッ
タ手段２から主検出器４と第２検出器６までの距離は、
それぞれ３５ｍｍと１０ｍｍである。

【００１８】図４と図５は、レーザ光源と操作器具を含
むユニットへの取付け用コネクタを示している。この装
置１の第１態様と第２態様双方の面接触構成部品は、レ
ーザ光源と操作器具を含むユニットから離れている。そ
のユニットは、組合わせ電気／光ファイバコネクタを介
して面コンタクト（接触）構成部品に取付けられる。そ
のコネクタと一体化光ファイバ（ファイバオプティッ
ク）ケーブル２６は、センサの性能を最適化するため
に、ノイズとクロストークを最小にするように設計され
ている。コネクタによりレーザ光源をエミッタ手段２か
ら離して収容することができ、それでパルスレーザ放射
線は、光ファイバケーブル２６を経由してエミッタ手段
に伝送される。発光ダイオード１０は、ユニットの回路
からのパルス信号によって出力、制御される。検出器
４，６，８が受信した信号は、光ファイバケーブル２６
内の拠り合わせスリーンワイヤと、コネクタ内の遮蔽コ
ンタクトを経由してユニット内の低ノイズ増幅回路に伝
送される。

【００１９】装置２の二つの態様の面コンタクト構成部
品を入れたハウジング１２が設けられている。ハウジン
グ１２は、組合わせ電気／光ファイバコネクタを介して
ユニット内のレーザ光源と操作電子回路に接続されてい
る。ハウジング１２は、多数の凹所１４を有し、その凹
所に、エミッタ手段２の形態の皮膚コンタクト構成部品
と検出器４，６，８と発光ダイオード１０を収容してい
る。凹所の各々は、窓穴３２を有し、その各々の穴３２
は皮膚コンタクト構成部品からテーパのついた面取り端
３４を有している。窓穴３２は測定される人体あるいは
動物体の皮膚近くに配置されている。エミッタ手段２と
検出器４，６，８間の光路だけが検査中の組織の中を確
実に通るようにした固定手段あるいは接着手段によっ
て、ハウジング１２を体に固定することができる。

【００２０】第２態様のハウジング１２は、そのハウジ
ング１２を小さな新生児の頭に簡単に合わせるために予
め形成された約４５ｍｍの曲率半径で成形される。ハウ
ジング１２は、その第１端部から伸びるフラップ部１６
を有している。フラップ部１６は、ヒンジ１８によって
ハウジング１２の本体３６に取付けられている。フラッ
プ部１６は、エミッタ手段２上方を閉めることができ、
光をエミッタ手段２に伝送する光ファイバケーブル２６
を固定する。フラップ部１６は、フラップ部１６から伸
びる雄部２０の形態の固定手段とハウジング１２の本体
３６上に対応する雌部２２を有している。

【００２１】ハウジング１２は、伸ばした皮膚に接触さ
せるために適当な表面の形態を維持する柔軟に適応する
材料から作られる。この材料は、使用前に定評ある方法
でセンサハウジング１２をきれいにできるように、耐化
学崩壊性を持っている。ハウジング１２は、凹所部から
材料を除去しその柔軟性を増した一体物として成形され
ている。この材料は、シリコーンあるいは同様の生物学
的に適合するエラストマーである。ハウジング１２は、
黒に着色され、可視線あるいは近赤外線に強く吸収す
る。

【００２２】第１態様の装置の使用では、電磁放射線を
４種類の波長でエミッタ手段２で放射し、その結果、エ
ミッタ手段２の光源２８から、測定される人体あるいは
動物体の皮膚と組織内に達する。４種類の波長を使用し
て三つのパラメータを測定する。３種類の波長でも使用
できるが、第４の波長は測定精度を上げる。電磁放射線
は、人体内あるいは動物体内で組織によって散乱され、
主検出器４と２個の第２基準検出器６，８により検出さ
れる。主検出器４に達する放射線は、２個の第２基準検
出器６，８に達する放射線より深い組織を透過した。主
検出器４に達する信号は、２個の第２基準検出器６，８
に達する信号より弱いので、主検出器４の増幅利得は２
個の第２基準検出器６，８の増幅利得より大きくなけれ
ばならない。

【００２３】主検出器４の全体領域は、受信する信号レ
ベルが増すように第２基準検出器６，８の全体領域より
大きくなっている。大きな検出器領域を使用すれば装置
の信号対雑音比を改善するが、良好な空間分解能で測定
を維持する必要性から検出器領域をバランスさせなけれ
ばならない。良好な空間分解能は、エミッタ手段２から
の線上でなく、エミッタ手段２を中心とした円弧の曲率
半径に沿って検出器領域を分配することによって維持さ
れる。

【００２４】主検出器４の円弧形態は、点光源２８から
所定の距離で出来るだけ多くの散乱放射線を受ける。検
査中の組織の最大空間分解能のために、全検出器４，
６，８の点光源方向の幅は出来るだけ狭い必要がある。
感度は、センサの物理的サイズの限界内に維持して光源
の位置を曲率の中心とする円弧に沿った検出器４，６，
８の伸びを増大させることによって増加する。

【００２５】２個の第２基準検出器６，８を、エミッタ
２をその中心とする円上の別個の位置に配置して２個の
別個の基準を提供している。２個の検出器を有すること
は、個々の検出器領域は小さい、すなわち、検出器が配
置される円の半径に沿って狭いことを意味している。こ
のことは測定の空間分解能を向上させる。第２態様で説
明したように、新生児用装置では、２個の第２基準検出
器は組織による光吸収が少なく、信号レベルが高くなる
ようにエミッタ／検出器空間がより小さい。その他、第
２態様の装置の操作は第１の態様と同様である。

【００２６】検出器４，６，８の相対利得を確実に知る
ため、また局部組織の着色の組合わせ変形と違いを考慮
するため、発光ダイオード１０は検出器４，６，８間の
等距離の場所にある。発光ダイオード１０は電磁放射線
を約８３０ｎｍの波長で放出する。約８３０ｎｍの波長
は、エミッタ手段２のレーザの波長の中間でその波長と
は別個である。発光ダイオード１０からの放射線は、主
検出器４と基準で検出器６，８で受ける。主検出器４と
第２検出器６，８で受けた発光ダイオード１０の放射線
信号の数学比によって検出器４，６，８で受けたエミッ
タ手段２のレーザの放射線信号を正規化する。次に、正
規化信号をアルゴリズムに用いて組織酸素化を計算す
る。発光ダイオード１０を使用する技術の原理は、浅在
性組織あるいは表面組織を介する発光ダイオード１０と
エミッタ手段２からの放射線の光路が検出器４，６，８
のすぐ真下の光路になると仮定している。従って、１個
の検出器４，６あるいは８の下に湿気によるしみや玉が
あれば、発光ダイオード１０とエミッタ手段２双方から
の放射線に影響し、アッベレーション(abberation)の効
果を無くしてしまう。

【００２７】エミッタ手段２でなく発光ダイオード１０
の放射線通路に影響を与える何か、例えば、検出器４，
６，８直下にはないが、その近くに大きな浅在性の血管
があれば、これにより測定誤差が生じるであろう。２個
の第２基準検出器が十分に離れて設けられていれば、第
２検出器６，８双方とも誤差の対象に当たらないと考え
られるため、誤差の影響は小さくなるであろう。装置サ
イズの小型化と、深い組織から散乱した放射線を捉える
ためエミッタ手段２からできるだけ遠くに主検出器４を
配置することの二つ間でバランスを維持しなければなら
ないことがわかった。浅在性組織あるいは表面組織から
不要な信号を取り除くために１個あるいは２個以上の基
準検出器を使用することにより、他のやり方でできるよ
りも主検出器４をエミッタ手段２に近づけることができ
る。

【００２８】第２検出器６，８は、エミッタ手段２から
非常に高強度のレーザ信号をそして発光ダイオード１０
から非常に低強度のレーザ信号を受けることができるチ
ャネルを持たねばならない。増幅器をレーザ信号で飽和
しないため、その利得を主検出器４の利得より非常に低
くする。これにより発光ダイオード１０から比較的低い
レベルの信号を受けることになり、従って、ノイズとオ
フセットのレベルも高精度を維持するために低いのが重
要である。

【００２９】主検出器４のチャネルの場合、発光ダイオ
ード１０からの信号がレーザ信号より高いが、それらの
信号は第２検出器６，８のチャネルの場合よりもより接
近してマッチしている。組織は透過した電磁放射線の波
長で特徴的な吸収があり、従って、アルゴリズムを使用
しながら受信した光の強さの信号を分析することによっ
て推定することができる。

【００３０】本発明の範囲から逸脱せずに前述の内容に
変形と改良を加えることができる。なお本発明の好適な
実施態様として、以下のものがある。（１）２個の第２検出手段（６，８）を設ける請求項１
記載の装置。（２）前記第２検出手段（６，８）を配置する各々の半
径の線と第１検出手段を配置する半径の線とでなす角度
が４５度より大きい請求項１又は上記実施態様（１）記
載の装置。（３）前記角度が４６度である上記実施態様（２）記載
の装置。（４）前記エミッタ手段（２）は少なくとも２種類の波
長で電磁放射線を放出する請求項１あるいは上記実施態
様（１）ないし（３）のいずれかに記載の装置。（５）前記エミッタ手段（２）は、組織酸素化検出用の
約６５０ｎｍと９５０ｎｍの間の波長で電磁放射線を放
出する請求項１あるいは上記実施態様（１）ないし
（４）のいずれかに記載の装置。

【００３１】（６）前記第１検出手段（４）は、第１距
離に等しい曲率半径の円弧形状である請求項１あるいは
上記実施態様（１）ないし（５）のいずれかに記載の装
置。（７）前記第１距離は４０から５０ｍｍがであり、４５
ｍｍが好適である請求項１あるいは上記実施態様（１）
ないし（６）のいずれかに記載の装置。（８）発光ダイオード（１０）を前記第１検出手段
（４）と各々の前記第２検出手段（６，８）間で等距離
に配置して前記第１検出手段（４）と前記第２検出手段
（６，８）の相対利得（ゲイン）を測定する請求項１あ
るいは上記実施態様（１）ないし（７）のいずれかに記
載の装置。（９）前記エミッタ手段（２）と各々の前記第２検出手
段（６，８）との間の距離は、１０ないし２０ｍｍの範
囲であり、１３ｍｍが好適である請求項１あるいは上記
実施態様（１）ないし（８）のいずれかに記載の装置。（１０）前記エミッタ手段（２）を中心とした円弧に沿
って分配した２個以上の第１検出手段がある請求項１あ
るいは上記実施態様（１）ないし（９）のいずれかに記
載の装置。

【００３２】（１１）前記ハウジングの保護フラップ
（１６）は、前記エミッタ手段（２）に接続されたケー
ブル（２６）の一端をロックする請求項２記載の装置。（１２）１個の主検出手段（４）と２個の第２検出手段
（６，８）に、ハウジング（１２）の窓（３２）を各々
設ける請求項２あるいは上記実施態様（１１）に記載の
装置。（１３）さらに凹所（１４）を発光ダイオードに設ける
請求項２あるいは上記実施態様（１１）ないし（１２）
のいずれかに記載の装置。（１４）前記ハウジング（１２）の窓（３２）の穴を傾
けて放射線の最大入出力を行なう請求項２記載の装置。（１５）前記ハウジング（１２）は、伸ばした皮膚接触
に適する柔軟に適応する材料から作られ、一体成形され
る請求項２あるいは上記実施態様（１１）ないし（１
４）のいずれかに記載の装置。

【００３３】（１６）前記ハウジング（１２）は、黒に
着色した材料から作られ、一体成形される請求項２ある
いは上記実施態様（１１）ないし（１５）のいずれかに
記載の装置。（１７）前記保護フラップ（１６）は、ハウジング（１
２）の本体（３６）を前記保護フラップ（１６）に連結
するヒンジ部材（１８）を用いて前記ハウジング（１
２）の一端から伸びる請求項２あるいは上記実施態様
（１１）ないし（１６）のいずれかに記載の装置。（１８）前記保護フラップ（１６）は、対応するロック
手段（２２）と協働する確実動作のロック手段（２０）
を前記ハウジング（１２）の本体（３６）で支持する請
求項２あるいは上記実施態様（１１）ないし（１７）の
いずれかに記載の装置。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば点
光源に対して主検出器と第２基準検出器を同一方向に配
置していないため、第２基準検出器に近接して組織内に
異質物があっても誤差の原因とならず、高精度の人体あ
るいは動物体内の非侵襲的測定用装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る装置の第１実施態様の面接触構成
部品の概略図である。

【図２】本発明の第１実施態様の装置の面接触構成部品
用ハウジングの平面図である。

【図３】保護フラップを開けた状態、閉めた状態の双方
で示した図２の実施態様の平面図である。

【図４】第１実施態様の装置のコネクタとハウジングの
平面図である。

【図５】本発明の第２実施態様に係る装置のコネクタと
ハウジングの平面図である。

【図６】図５のコネクタとハウジングの側面図である。

【図７】本発明の装置で使用された円弧状フォト検出器
の正面図である。

【図８】本発明の装置で使用された発光ダイオードの正
面図である。

【符号の説明】

１非侵襲的測定用装置２エミッタ手段４主検出器６，８第２検出器１０発光ダイオード１２ハウジング１４凹所２０確実動作のロック手段２２ロック手段２６光ファイバケーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁放射線を人体あるいは動物体内に放
出するエミッタ手段（２）と、前記エミッタ手段（２）
から第１の距離だけ離れた、人体あるいは動物体内から
散乱した放射線を検出するための第１放射線検出手段
（４）と、前記放射線手段から前記第１の距離未満の距
離に配置された少なくとも一つの第２検出手段（６，
８）とを具備する人体あるいは動物体内の非侵襲的測定
用装置（１）であって、前記１個あるいは各々の第２検出手段（６，８）は、前
記エミッタ手段（２）からの半径の線上に、前記第２検
出手段（６，８）を配置する前記１個あるいは各々の半
径の線が前記第１放射線検出手段（４）を配置する半径
の線に対してある角度にあるように、配置されている人
体あるいは動物体内の非侵襲的測定用装置。
【請求項２】電磁放射線を放出可能なエミッタ手段
（２）を配置する第１凹部（１４）と、検出手段（４，
６，８）を放射線検出用に配置し、放射線を放出し検出
する窓を有する少なくともさらに２カ所の凹部（１４）
とを備えたハウジングを具備する人体あるいは動物体内
の非侵襲的測定用装置（１）であって、前記ハウジング（１２）は、前記エミッタ手段（２）を
囲む保護フラップ（１６）を有する人体あるいは動物体
内の非侵襲的測定用装置。