JPH1119073A

JPH1119073A - 代謝機能測定装置

Info

Publication number: JPH1119073A
Application number: JP9174063A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Sano; 孝之佐野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】代謝機能の測定対象である生体における測定
部位を正確に知ることのできるようにする。【解決手段】この発明の代謝機能測定装置は、代謝機能
測定部１による酸素代謝機能の測定位置を示す測定部位
情報が、測定部位検出部２によって検出されるととも
に、断層像記憶部３に格納保持された生体の内部映像を
示す断層像に測定部位検出部２からの測定部位情報が重
ね合わせられてＴＶモニタ５に表示される構成となって
いるので、代謝機能情報の測定部位の位置を断層像の上
で特定できる結果、測定対象である生体における測定部
位を正確に知ることができるようになる。

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、例えば酸素代謝
機能ような生体における代謝機能を測る代謝機能測定装
置に係り、特に測定対象である生体における測定部位を
正確に知るための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、代謝機能測定装置として人体（生
体）の酸素代謝機能を測る装置があり、血液中の酸素化
ヘモグロビンないし脱素化ヘモグロビンの量的経時変化
などが測られる。例えば、脳内の酸素化ヘモグロビンや
脱酸素化ヘモグロビンの量を測定すれば、脳内の酸素代
謝機能を知ることができ、脳の働きの正常・不正常が分
かる。酸素代謝機能測定装置の測定原理は、赤外領域か
ら近赤外領域の波長を有する光は、生体組織に対する透
過性を有するのに加え、ヘモグロビン等の酸素代謝を司
る物質に対する吸光性を有するとともに酸素代謝を司る
物質の酸素結合状態により吸収スペクトルが変化すると
いう性質を利用するものである。具体的には、被検者の
額の表面に、近赤外の測定光を脳内に投光する投光部と
脳内から戻ってくる反射光を受光する受光部とを貼り付
けておき、受光部で検出される反射光に基づいて酸素化
ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの量的経時変化な
どを測ることで酸素代謝機能を測定するよう構成されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
測定装置は、酸素代謝情報を得ることはできても、測定
対象である脳内における測定部位を正確に特定すること
が出来ないという問題がある。従来の装置で得られる情
報は、言ってみれば、脳内の比較的広い部位の酸素代謝
情報であるというのに留まり、特定の測定部位の酸素代
謝情報でないので、脳の特定位置の働きの正常・不正常
を確かめることは困難である。

【０００４】この発明は、上記の事情に鑑み、測定対象
である生体における測定部位を正確に知ることのできる
代謝機能測定装置を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、請求項１の発明に係る代謝機能測定装置は、生体内
に挿入されるプローブと、プローブの先端から測定光を
投光するようプローブに配設された投光用ファイバと、
プローブの先端で生体内から戻ってくる反射光を受光す
るようプローブに配設された受光用ファイバと、受光用
ファイバで受光された反射光を光電変換して光検出信号
を出力する光検出手段と、光検出信号に基づき生体組織
の代謝機能情報を求出する代謝機能情報求出手段とを備
えるとともに、プローブの先端の位置・方向を検出しプ
ローブの測定部位情報を出力する測定部位検出手段と、
測定部位検出手段からの測定部位情報を予め撮影された
生体の断層像（ＣＴ像）の対応する位置に重ね合わせて
画像モニタに表示する画像表示制御手段とを備えてい
る。

【０００６】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
記載の代謝機能測定装置において、測定部位検出手段に
は、代謝機能の測定対象である生体に対して定位置に固
定されているとともに高周波磁場を放射する磁場発生手
段と、前記プローブの適所に固定されているとともに磁
場発生手段からの高周波磁場を検出する磁場検出手段
と、磁場発生手段を励振して高周波磁場を放射させると
ともに、磁場検出手段からの磁気検出信号を解析するこ
とにより磁場発生手段を基準としてプローブの先端の位
置・方向を求出する位置・方向解析手段とを具備する磁
場変換式の３次元ディジタイザが設けられている。

【０００７】〔作用〕次に、この発明の代謝機能測定装
置における代謝機能測定の際の測定部位の検知作用を説
明する。請求項１の代謝機能測定装置では、生体内に挿
入されるプローブの先端から投光用ファイバによって測
定光が投光されるとともに、プローブの先端で受光用フ
ァイバにより反射光が受光されて光検出手段へ導かれ、
光検出手段で光電変換された後、光検出手段からの光検
出信号に基づき代謝機能情報求出手段が生体組織の代謝
機能情報を求出する。一方、請求項１の代謝機能測定装
置では、測定部位検出手段によって、プローブの先端の
位置・方向が検出されてプローブの測定部位情報が出力
されるとともに、画像表示制御手段によって、予め撮影
された生体の断層像（ＣＴ像）に、測定部位検出手段か
らの測定部位情報が重ね合わさたかたちで画像モニタに
表示される。代謝機能情報の測定部位の位置が画像モニ
タに映し出された断層像の上で特定されるのである。

【０００８】請求項２の代謝機能測定装置の場合、測定
部位検出手段に設けられた磁場変換方式の３次元ディジ
タイザでは、代謝機能の測定対象である生体に対して定
位置に固定されている磁場発生手段から放射される高周
波磁場が、プローブの適所に固定されている磁場検出手
段で検出されるとともに、位置・方向解析手段により、
磁場検出手段からの磁気検出信号が解析されて磁場発生
手段の固定位置を基準としてプローブの先端の位置・方
向が求出される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施例を図面
を参照しながら説明する。図１は実施例に係る酸素代謝
機能測定装置の全体構成を示すブロック図、図２は実施
例装置の酸素代謝機能測定に使われるプローブまわりの
構成を示す平面図、図３は実施例装置による酸素代謝機
能測定状況を示す斜視図である。なお、この実施例で
は、頭部の中の脳の酸素代謝機能が測定される。

【００１０】実施例の酸素代謝機能測定装置は、図１に
示すように、酸素代謝機能自体を測定する代謝機能測定
部１と、代謝機能の測定位置を特定するための測定部位
情報を得る測定部位検出部２と、生体の表面に撮影位置
マーカをセットした状態で予め撮影された生体の断層像
（ＣＴ像）を記憶する断層像記憶部３とを備えていると
ともに、測定部位情報と断層像の対応する位置に重ね合
わせて断層像と測定部位情報をＴＶモニタ（画像モニ
タ）５に表示する画像処理部（画像表示制御手段）４を
備えている。以下、各部の構成を具体的に説明する。

【００１１】代謝機能測定部１は、頭部Ｍの中に挿入さ
れる細長いプローブ６を備えていて、図２に示すよう
に、プローブ６には、プローブ先端６ａから測定光を脳
に投光する投光用ファイバ７と、プローブ先端６ａで脳
から戻ってくる反射光を受光する受光用ファイバ８とが
配設されている。投光用ファイバ７へは、レーザダイオ
ードを使って光を出力するレーザ光源部９から赤外領域
から近赤外領域の波長を有するレーザ光が供給され、こ
のレーザ光がプローブ先端６ａから脳に直に投射され
る。そして、脳で散乱反射等して戻ってくる反射光は受
光用ファイバ８で受光されて、フォトマルチメータ（光
検出手段）１０へ導かれ、ここで光電変換されて光検出
信号として出力される。

【００１２】この酸素代謝機能測定装置は、赤外〜近赤
外の光が、生体組織に対する透過性を有するとともに、
図４に示すように、酸素代謝を司るヘモグロビンに対す
る吸光性を有するのに加え、さらにヘモグロビンの酸素
結合状態により吸収スペクトルが変化するという性質を
有することを利用するものである。すなわち、各波長で
の吸光度変化ΔＡと、酸素化（ＨｂＯ₂）ヘモグロビン
と脱酸素化（Ｈｂ）ヘモグロビンの量的変化（初期値か
らの変化量）は次の式（１）で示される。 ΔＡ＝（μａ・ΔＨｂＯ₂＋μｂ・ΔＨｂ）×ＭＰ …（１）但し，μａはＨｂＯ₂のモル当たりの吸収係数，μｂは
Ｈｂのモル当たりの吸収係数，ΔＨｂＯ₂は酸素化（Ｈ
ｂＯ₂）ヘモグロビンの変化量，ΔＨｂは脱酸素化（Ｈ
ｂＯ₂）ヘモグロビンの変化量，ＭＰは光の平均経路長
である。

【００１３】上の式が測定波長の数だけ成立するので、
最低２つの波長での吸光度を測定すれば事足りる。ただ
実施例装置では３つの異なる波長での吸光度を測定する
構成となっている。３波長で測定した場合、最小２乗法
を適用して精度を高めることができる。なお、上の式
は、相対量を求める式であるが、もちろん絶対量を求め
るようにすることもできるのは言うまでもない。そし
て、実施例装置の場合、レーザ光源部９が波長の異なる
３つのレーザ光を順に投光用ファイバ７を通して脳に照
射する。３波長の具体例としては、ヘモグロビンの等吸
収点（８０５ｎｍ）は挟む３波長、つまり７８０ｎｍ，
８０５ｎｍ，８３０ｎｍが挙げられる。

【００１４】フォトマルチメータ１０からの光検出信号
は、プリアンプ１１で増幅されてから積分回路１２で積
分された後、ＡＤ変換部１３でディジタル信号に変換さ
れた上で、代謝機能情報求出部１４において上に示した
式（１）等に従う演算が行われ、酸素代謝機能データと
して、酸素化（ＨｂＯ₂）ヘモグロビンや脱酸素化ヘモ
グロビン、あるいは、総ヘモグロビンの変化量や絶対量
などが求出されることになる。

【００１５】次に、測定部位検出部２の構成を説明す
る。この測定部位検出部２には、代謝機能の測定対象で
ある頭部Ｍに対して定位置に固定されているとともに高
周波磁場を放射する磁場ソース１５と、プローブ６の根
元付近に固定されているとともに磁場ソース（磁場発生
手段）１５からの高周波磁場を検出する磁場センサ（磁
場検出手段）１６と、磁場センサ１６を励振して高周波
磁場を放射させるとともに磁場センサ１６からの磁気検
出信号を解析して磁場センサ１６を基準としてプローブ
先端６ａの位置・方向を求出する位置・方向解析部（位
置・方向解析手段）１７と、検出されたプローブ先端６
ａの位置・方向の座標系を断層像の座標系に変換する座
標変換部１８とを具備する磁場変換方式の３次元ディジ
タイザが設けられている。

【００１６】磁場ソース１５と磁場センサ１６は、図５
に示すように、それぞれ３組の直交するコイルから成り
立っている。磁場ソース１５の１個のコイルを励磁して
高周波磁場ＭＧを放射すると、磁場センサ１６の３個の
コイルに磁場ソース１５からの距離と磁場センサ１５の
配向（磁場ソース１５の座標系の方向と磁場センサ１６
の座標系の方向の差）に応じた起電力（磁気検出信号）
が生じる。磁場ソース１５の各コイルを順に切り換えて
励磁しながら、磁場センサ１６の各コイルに発生した誘
導起電力の電圧および位相差を測定し、磁場ソース１５
を基準とした磁場センサ１６の位置座標（ａ，ｂ，ｃ）
と方向（Ａ，Ｅ，Ｒ）の６個のパラメータを算出する。
方向Ａ，Ｅ，Ｒはオイラー角でＡ：方位角，Ｅ：上昇
角，Ｒ：ロール角である。そして、これらを磁場ソース
１５を原点とする座標系におけるものに下記の式（２）
を用いて変換する。座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、磁場ソース
１５を原点とする座標系のプローブ先端６ａの位置であ
る。（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ａ，ｂ，ｃ）＋（α，β，γ）Ｔ₁Ｔ₂Ｔ₃ …（２）但し，（α，β，γ）は磁場センサ１６に対するプロー
ブ先端６ａの位置座標であり、プローブの形状・寸法に
応じて定まる初期値である。また、Ｔ₁〜Ｔ₃はそれぞ
れ式（３）〜（５）で示す通りである。

【００１７】

【数１】

【００１８】さらに、プローブ先端６ａの座標系を断層
像と重ね合わせるために、座標変換部１８により断層像
の座標系に変換する。この座標変換は、断層像撮影の時
に頭部Ｍに貼り付けられた撮影位置マークｍ１〜ｍ４の
両座標系それぞれにおける座標値と式（６）を使ってお
こなうことができる。撮影位置マークｍ１〜ｍ４を媒介
にして座標変換し断層像と測定部位の位置合わせするの
である。（ｘ，ｙ，ｚ，１）＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ，１）Ｔ …（６）但し、Ｔは下の式（７）で表されるとおりである。

【００１９】

【数２】

【００２０】断層像の座標系における各撮影位置マーク
ｍ１〜ｍ４の座標値は（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）〜（ｘ₄，
ｙ₄，ｚ₄）であり、例えば、断層像をＴＶモニタ５の
画面に映し出しておいて、マウス１９などで撮影位置マ
ークｍ１〜ｍ４をクリックすることで得られる。プロー
ブ先端６ａの座標系における各撮影位置マークｍ１〜ｍ
４の座標値は（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）〜（Ｘ₄，Ｙ₄，Ｚ
₄）であり、例えば、図３において、プローブ先端６ａ
を撮影位置マークｍ１〜ｍ４に順に当てた状態で３次元
ディジタイザ２による検出を実行することで得られる。
測定部位検出部２では、３次元ディジタイザの座標変換
部１８の後段に、さらにプローブ先端６ａの位置・方向
に基づいて酸素代謝機能の測定部位を求出する測定部位
求出部２０が設けられている。座標変換部１８の後段
に、さらにプローブ先端６ａの位置・方向に基づいて酸
素代謝機能の測定部位を求出する測定部位演算部２０が
設けられている。測定部位演算部２０は、座標変換部１
８から送られてくるプローブ先端６ａの位置・方向とプ
ローブ６における投・受光用ファイバ７，８の間隔や使
用されるレーザ光の波長等を勘案した演算を行うことに
より正確な測定部位を算出し、画像処理部４へ送出す
る。

【００２１】画像処理部４は、断層像記憶部３に格納保
持されている断層像ＰＡを読みだしてＴＶモニタ５の画
面に表示するとともに、測定部位演算部２０から送出さ
れてくる測定部位を示すバーマークＰＢを断層像と重ね
合わせて表示する。このバーマークＰＢの先端が測定部
位を示している。ただ、バーマークＰＢの先端がプロー
ブ先端６ａの位置を示すものとし、測定部位は別途ポイ
ントマークで表示するよう構成してもよい。

【００２２】続いて、以上の構成を有する実施例の代謝
機能測定装置を、実際の測定動作に即して、より具体的
に説明する。まず最初に、被検者の頭部Ｍに撮影位置マ
ークｍ１〜ｍ４を貼り付けておいて、断層像の撮影を行
う。この断層撮影には、Ｘ線ＣＴ装置や核磁気共鳴断層
撮影装置などが用いられる。前者の装置ではＸ線ＣＴ像
が得られ、後者の装置ではＭＲＩ像（断層像）が得られ
る。得られた断層像は、酸素代謝機能測定装置の断層像
記憶部３に格納保持する。断層像記憶部３にＸ線ＣＴ像
とＭＲＩ像の両方を記憶するようにしてもよい。次に、
図３に示すように、頭部Ｍに撮影位置マークｍ１〜ｍ４
を貼り付けたままで、ベッド（図示省略）に横たわらせ
た被検者の頭部Ｍを固定具２１でもって固定する。この
固定具２１には、３次元ディジタイザ２の磁気ソース１
５が、代謝機能の測定対象である頭部Ｍに対して常に定
位置となるように固定されている。

【００２３】一方、断層像記憶部３に格納保持された断
層像を読み出して、ＴＶモニタ５の画面に映し出し、断
層像の中の各撮影位置マークｍ１〜ｍ４をマウス１９で
クリックし、断層像の座標系における各撮影位置マーク
ｍ１〜ｍ４の座標値（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）〜（ｘ₄，ｙ
₄，ｚ₄）を入力するとともに、プローブ先端６ａを各
撮影位置マークｍ１〜ｍ４に実際に順に当てて、プロー
ブ先端６ａの座標系における各撮影位置マークｍ１〜ｍ
４の座標値（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）〜（Ｘ₄，Ｙ ₄，
Ｚ₄）を入力する。

【００２４】次に、図３に示すように、被検者の頭部Ｍ
に小孔を開けて、プローブ６を頭部Ｍの中に挿入して、
投光用ファイバ７から７８０ｎｍ，８０５ｎｍ，８３０
ｎｍの各波長のレーザ光を順に投光するとともに、受光
用ファイバ８で反射光を取り出して光検出信号を得て、
この光検出信号に基づき、代謝機能情報求出部１４が、
酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンあるいは総
ヘモグロビンの変化量や絶対量などの中の必要なものを
求出する。一方、ＴＶモニタ５の画面には、図１に示す
ように、断層像ＰＡが映し出されるとともに、酸素代謝
機能の測定部位を示すバーマークＰＢが断層像と重ね合
わせて表示されている。バーマークＰＢの先端が撮影部
位を示している。

【００２５】代謝機能情報求出部１４により得られる酸
素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンあるいは総ヘ
モグロビンの経時的な変化量は、プリンタ２２で連続的
に記録され、図６に示すようなグラフとして出力され
る。また、プローブ先端６ａの位置を移動変化させて測
定部位の走査を行うと、ＴＶモニタ５の画面上の各測定
部位では、酸素代謝機能の測定値に対応した濃さで色付
けが行われて、２次元的な酸素代謝機能分布が表示され
る。

【００２６】さらに、プローブ６に複数の投・受光用フ
ァイバ７，８が１次元または２次元アレイ状に設けられ
ていたり、プローブ先端６ａが首振り可能となってい
て、測定領域の機械的走査が行える構成となっている場
合には、ＴＶモニタ５の画面上での酸素代謝機能分布の
表示が効率よく的確に行われる。また、断層像を複数枚
分、断層像記憶部３に格納保持しておいて、測定部位の
位置に最も適した断層像を断層像記憶部３から読み出し
て来て表示するように構成しておくことも有用である。

【００２７】以上に述べたように、実施例の測定装置の
場合、酸素代謝機能の測定位置を示す測定部位情報が、
生体の内部映像を示す断層像に重ね合わせられて表示さ
れるので、代謝機能情報の測定部位の位置がＴＶモニタ
５に映し出された断層像の上で特定できるようになるこ
とから、頭部Ｍにおける測定部位を正確に知ることがで
きる。加えて、実施例装置の場合、頭部Ｍまわりには磁
気ソース１５と磁気センサ１６だけが配置される磁場変
換方式の３次元ディジタイザを利用することにより、周
辺に何らの支障を引き起こすこともなく、測定部位情報
を得ることが出来るので、有用性が高い。なお、磁場変
換方式の３次元ディジタイザを利用する場合、プローブ
を始めとして必要な部品は非磁性体材料ないし弱磁性体
材料で形成することになる。

【００２８】この発明は上記実施の形態に限られること
はなく、下記のように変形実施することができる。（１）実施例の代謝機能測定装置では、磁場変換方式の
３次元ディジタイザによってプローブ先端の位置・方向
を検出する構成であったが、プローブに何本かのロボッ
トアームを取り付けておき、プローブの位置をロボット
アームにより測定してプローブ先端の位置・方向を検出
する構成のものが、変形例として挙げられる。また、プ
ローブに反射鏡を固定するとともに、周囲に光検知機構
を設け、プローブの位置・方向に応じて変化する反射光
の位置変化を光検知機構により捉えてプローブ先端の位
置・方向を検出する構成のものも、変形例として挙げる
ことができる。ただ、前者の変形例はロボットアームが
当たって邪魔となるおそれがあり、後者の変形例も反射
鏡からの光が遮られて測定部位情報が得られないおそれ
があり、周辺に何らかの支障が出る点で、実施例の方が
優れている。

【００２９】（２）実施例では、頭部の酸素代謝機能を
測定するものであったが、この発明の代謝機能測定装置
は、頭部以外の例えば内蔵の酸素代謝機能を測定するよ
うであってもよい。

【００３０】（３）実施例装置は、酸素代謝機能を測定
するものであったが、この発明の装置は、酸素代謝機能
以外の代謝機能を測定するものであってもよい。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の代謝機能測定装置によれば、
酸素代謝機能の測定位置を示す測定部位情報が、生体の
内部映像を示す断層像に重ね合わせられて画像モニタに
表示される構成となっているので、代謝機能情報の測定
部位の位置が画像モニタに映し出された断層像の上で特
定できるようになり、代謝機能の測定対象の生体におけ
る測定部位を正確に知ることができる。

【００３２】請求項２の代謝機能測定装置によれば、加
えて、磁場変換方式の３次元ディジタイザを用いてプロ
ーブ先端の位置・方向を検出する構成であるので、周辺
に何らの支障を引き起こすことなく、測定部位情報が速
やかに得られることから、有用性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る酸素代謝機能測定装置の全体構成
を示すブロック図である。

【図２】実施例装置に装備されるプローブの構成を示す
平面図である。

【図３】実施例装置による酸素代謝機能測定状況を示す
斜視図である。

【図４】酸素化・脱酸素化ヘモグロビンの光吸収スペク
トルを示すグラフである。

【図５】３次元ディジタイザの磁場ソースと磁場センサ
を示す模式図である。

【図６】実施例装置で得られた酸素代謝機能データを示
すグラフである。

【符号の説明】

１…代謝機能測定部２…測定部位検出部３…断層像記憶部４…画像処理部５…ＴＶモニタ６…プローブ６ａ…プローブ先端７…投光用ファイバ８…受光用ファイバ１０…フォトマルチメータ１４…代謝機能情報求出部１５…磁場ソース１６…磁場センサ１７…位置・方向解析部２０…測定部位演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体内に挿入されるプローブと、プロー
ブの先端から測定光を投光するようプローブに配設され
た投光用ファイバと、プローブの先端で生体内から戻っ
てくる反射光を受光するようプローブに配設された受光
用ファイバと、受光用ファイバで受光された反射光を光
電変換して光検出信号を出力する光検出手段と、光検出
信号に基づき生体組織の代謝機能情報を求出する代謝機
能情報求出手段とを備えるとともに、プローブの先端の
位置・方向を検出しプローブの測定部位情報を出力する
測定部位検出手段と、測定部位検出手段からの測定部位
情報を予め撮影された生体の断層像（ＣＴ像）の対応す
る位置に重ね合わせて画像モニタに表示する画像表示制
御手段とを備えていることを特徴とする代謝機能測定装
置。
【請求項２】請求項１に記載の代謝機能測定装置にお
いて、測定部位検出手段には、代謝機能の測定対象であ
る生体に対して定位置に固定されているとともに高周波
磁場を放射する磁場発生手段と、前記プローブの適所に
固定されているとともに磁場発生手段からの高周波磁場
を検出する磁場検出手段と、磁場発生手段を励振して高
周波磁場を放射させるとともに、磁場検出手段からの磁
気検出信号を解析することにより磁場発生手段を基準と
してプローブの先端の位置・方向を求出する位置・方向
解析手段とを具備する磁場変換式の３次元ディジタイザ
が設けられている代謝機能測定装置。