JPWO2007139192A1 - 光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを格納した記憶媒体 - Google Patents
光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを格納した記憶媒体 Download PDFInfo
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Abstract
浅層組織の影響などを補正して人体や果物等の深層組織の光の吸収度合いを正確に測定可能な光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを格納した記憶媒体が開示される。光学的測定装置は、１つの発光ダイオードと２つのフォトダイオードを備えたプローブを有し、以下のように構成される。発光ダイオードからの光のうち組織の浅層及び深層を通過した光が一方のフォトダイオードで受光され、組織の浅層及び深層を通過した光であり前記一方のフォトダイオードでの検出光とは深層の通過距離の異なる光が他方のフォトダイードで受光される。制御部が、各フォトダイオードで受光した光の光強度に基づいて光が伝搬する媒体中の伝搬定数を算出する。入力された組織の脂肪厚に対応する演算式を選択して、脂肪厚及び空間的傾きに基き演算式により筋組織の光の吸収係数を求める。求めた光の吸収係数に基づいて、ヘモグロビン濃度や酸素飽和度を求める。
Description
本発明は、光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを格納した記憶媒体に係り、特に、人体や果物等の深層組織の光の吸収度合いについて測定する光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを格納した記憶媒体に関する。
近赤外光分光法（ＮＩＲＳ：ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は組織代謝を評価する上で極めて有用な手法であり、臨床的にも応用されてきている。例えば、近赤外光を人体などの生体に照射し、生体内を通過した反射光を解析することにより、その内部の血液量の変化を計測する技術が知られている。この計測技術は、ヘモグロビンの酸素化、脱酸素化による吸光特性の違いを利用してヘモグロビンの存在状態を検出することにより、血液の分布状態を検出する技術に基づいている。
ＮＩＲＳには、連続光法、時間分解法、空間分解法、強度変調法があるが、いずれの手法においても、筋組織や脳といった深部組織を測定する場合には、脂肪等の浅層組織が定量性に大きく影響する。これは、生体内は一般に複数の組織から構成されており、各組織は近赤外光に対する吸収特性も異なるため、反射光の解析結果は複数の組織情報が含まれたものとなっているためである。
連続光法及び空間分解法は簡便な装置で実現でき、汎用性、携帯性、実時間性などの点であの方法よりもメリットを有するが、連続光法のＮＩＲＳにおいては、脂肪層の影響補正法が提案されているものの（例えば非特許文献１、２参照）、空間分解法においては浅層組織の影響の補正法は未だ十分ではない。
いくつかの研究において空間分解波形からの吸収係数の推定に言及しているが（例えば非特許文献３〜５参照）、実際の筋組織酸素濃度計測に簡単に利用できる具体的な補正法が示されていない。また、ヘモグロビン濃度の絶対量の誤差のほかに、酸素飽和度を算出したときの誤差についても明確にする必要がある。さらに、他の研究結果も種々報告されている（例えば、非特許文献６〜１０参照）。
Yamamoto K, Niwayama M, Shiga T et al: Accurate NIRS measurement of muscle oxygenation by correcting the influence of a subcutaneous fat layer. Proc SPIE, 1998, 3194: 166-173. Niwayama M, Lin L, Shao J et al: Quantitative measurement of muscle hemoglobin oxygenation using near-infrared spectroscopy with correction for the influence of a subcutaneous fat layer. Rev Sci Instrum, 2000, 71: 4571-4575. Kienle A, Patterson MS, Dognitz N et al: Noninvasive determination of the optical properties of two-layered turbid media. Appl Opt, 1998, 37: 779-791. Fabbri F, Sassaroli A, Henry ME et al: Optical measurements of absorption changes in two-layered diffusive media. Phys Med Biol, 2004, 49:1183-1201. Shimada M, Hoshi Y, Yamada Y: Simple algorithm for the measurement of absorption coefficients of a two-layered medium by spatially resolved and time-resolved reflectance. 2005, Appl Opt, 44:7554-63. van der Zee P, Delpy DT: Simulation of the point spread function for light in tissue by a Monte Carlo method. Adv Exp Med Biol, 1987, 215: 179-191. Wan S, Anderson RR, Parrish JA: Analytical modeling for the optical properties of skin with in vitro and in vivo applications. Photochem Photobiol, 1981, 34: 493-499. Mitic G, Kozer J, Otto J et al: Time-gated transillumination of biological tissues and tissuelike phantoms. 1994, Appl Opt, 33: 6699-6710. Zaccanti G, Taddeucci A, Barilli M et al: Optical properties of biological tissues. 1995, Proc. SPIE, 2389: 513-521. Matcher SJ, Elwell CE, Cooper CE et al: Performance Comparison of Several Published Tissue Near-Infrared Spectroscopy Algorithms. Anal Biochem, 1995, 227: 54-68.
Yamamoto K, Niwayama M, Shiga T et al: Accurate NIRS measurement of muscle oxygenation by correcting the influence of a subcutaneous fat layer. Proc SPIE, 1998, 3194: 166-173. Niwayama M, Lin L, Shao J et al: Quantitative measurement of muscle hemoglobin oxygenation using near-infrared spectroscopy with correction for the influence of a subcutaneous fat layer. Rev Sci Instrum, 2000, 71: 4571-4575. Kienle A, Patterson MS, Dognitz N et al: Noninvasive determination of the optical properties of two-layered turbid media. Appl Opt, 1998, 37: 779-791. Fabbri F, Sassaroli A, Henry ME et al: Optical measurements of absorption changes in two-layered diffusive media. Phys Med Biol, 2004, 49:1183-1201. Shimada M, Hoshi Y, Yamada Y: Simple algorithm for the measurement of absorption coefficients of a two-layered medium by spatially resolved and time-resolved reflectance. 2005, Appl Opt, 44:7554-63. van der Zee P, Delpy DT: Simulation of the point spread function for light in tissue by a Monte Carlo method. Adv Exp Med Biol, 1987, 215: 179-191. Wan S, Anderson RR, Parrish JA: Analytical modeling for the optical properties of skin with in vitro and in vivo applications. Photochem Photobiol, 1981, 34: 493-499. Mitic G, Kozer J, Otto J et al: Time-gated transillumination of biological tissues and tissuelike phantoms. 1994, Appl Opt, 33: 6699-6710. Zaccanti G, Taddeucci A, Barilli M et al: Optical properties of biological tissues. 1995, Proc. SPIE, 2389: 513-521. Matcher SJ, Elwell CE, Cooper CE et al: Performance Comparison of Several Published Tissue Near-Infrared Spectroscopy Algorithms. Anal Biochem, 1995, 227: 54-68.
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、浅層組織の影響などを補正して人体や果物等の深層組織の光の吸収度合いを正確に測定することができる光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを得ることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のひとつの態様は、少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射する発光手段と、前記発光手段から発光された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように前記発光手段から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、前記発光手段から発光された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記発光手段から第２の所定距離だけ離間した位置で受光する受光手段と、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度に基づいて空間的傾きを求める空間的傾き算出手段と、前記深層における光の吸収度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段と、前記浅層の厚さを入力する入力手段と、入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを前記記憶手段から読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収度合いを求める演算手段と、を備えた光学的測定装置を提供する。
発光手段により測定対象の層状形成体に光を照射する。受光手段は、発光手段から発光された光のうち層状形成体の浅層及び深層を通過した光を受光するように発光手段から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、発光手段から発光された光のうち層状形成体の浅層及び深層を通過した光であって第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは深層の通過距離が異なる光を受光するように発光手段から第２の所定距離だけ離間した位置で受光する。
本発明の他の態様では、前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成されたものとすることができる。
空間的傾き算出手段は、第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度に基づいて空間的傾きを求める。
記憶手段は、測定対象の層状形成体の深層における光の吸収度合いを演算するための演算パラメータを層状形成体の浅層の厚さ毎に記憶している。なお、演算パラメータは、演算式そのものでもよいし、演算式を特定するためのパラメータ（係数）でもよい。
演算手段は、入力手段により入力された測定対象の層状形成体の浅層の厚さに応じた演算パラメータを、記憶手段から読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び空間的傾き算出手段で算出した空間的傾きに基づいて光の吸収度合いを求める。
このように、測定対象の層状形成体の浅層の厚さに応じて選択した演算パラメータを用いて層状形成体の深層の光の吸収度合いを求めるので、層状形成体の浅層の影響などを補正して光の吸収度合いを正確に測定することができる。
本発明の他の態様では、前記層状形成体は生体の一部であり、前記浅層は脂肪組織であり、前記深層は筋組織であるように構成される。
この場合、本発明の他の態様では、前記演算手段は、前記光の吸収度合いに基づいて、酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、及び酸素飽和度の少なくとも一つをさらに求めることができる。これにより、本発明の光学的測定装置をリハビリやトレーニングにおける運動負荷モニターに適用することができる
本発明の他の態様では、前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成される。
本発明の他の態様では、前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成される。
本発明の他の態様は、少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射し、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光し、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度と、前記第１の所定距離及び前記第２の所定距離と、に基づいて空間的傾きを求め、前記浅層の厚さを入力し、前記深層における光の吸収の度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段から、入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収の度合いを求める光学的測定方法を提供する。
このように、測定対象の層状形成体の浅層の厚さに応じて選択した演算パラメータを用いて層状形成体の深層の光の吸収度合いを求めるので、層状形成体の浅層の影響などを補正して光の吸収度合いを正確に測定することができる。
本発明の他の態様は、少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射させるステップと、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光させるステップと、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度と、前記第１の所定距離及び前記第２の所定距離と、に基づいて空間的傾きを求めるステップと、前記浅層の厚さを入力するステップと、前記深層における光の吸収の度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段から、入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収の度合いを求めるステップと、を含む処理をコンピュータに実行させる光学的測定プログラムを格納した記憶媒体を提供する。
このように、測定対象の層状形成体の浅層の厚さに応じて選択した演算パラメータを用いて層状形成体の深層の光の吸収度合いを求めるので、層状形成体の浅層の影響などを補正して光の吸収度合いを正確に測定することができる。
本発明によれば、浅層組織の影響などを補正して人体や果物等の深層組織の光の吸収度合いを正確に測定することができる、という効果を有する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、一例として、人間の腕の筋組織における血液量、すなわちヘモグロビン濃度や酸素飽和度を測定する場合について説明する。
図１には、光学的測定装置１０の概略構成を示した。同図に示すように、光学的測定装置１０は、プローブ１２、駆動装置１４、制御部１６、操作部１８、メモリ２０、及び出力部２２を含んで構成されている。
プローブ１２は、ＬＥＤ（発光ダイオード）２４及び２つのＰＤ（フォトダイオード）２６Ａ、２６Ｂが、例えば可撓性を有する平板状の部材（例えばゴム性の部材等）２８に設けられた構成である。プローブ１２は、例えば被測定者の腕の組織３０内に光を当てるために被測定者の腕に接触させる。
ＬＥＤ２４は、本実施形態では一例としてピーク波長が第１の波長λ１、第２の波長λ２の２波長の発光ダイオードである。第１の波長λ１、第２の波長λ２は、水の吸収が少ない波長、具体的には９００ｎｍ以下の波長で、かつ、脱酸素化ヘモグロビンＨｂと酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２の吸収スペクトルが交差する位置の波長である約８０５ｎｍから略等距離にある波長に設定される。本実施形態では一例として第１の波長λ１が７７０ｎｍ、第２の波長λ２が８３０ｎｍである。
ＬＥＤ２４とＰＤ２６Ａとは、第１の所定距離ｄ１だけ離間して配置されており、ＬＥＤ２４とＰＤ２６Ｂとは第２の所定距離ｄ２だけ離間して配置されている。
第１の所定距離ｄ１は、ＬＥＤ２４から発光された光が、人間の腕の深層部分、すなわち皮膚組織（表層）及び脂肪組織（浅層）のさらに下の筋組織を通ってＰＤ２６Ａに到達するような距離に設定される。本発明者は、測定対象である深層内の光の通過距離（ここでは平均光路長）が１０ｍｍ程度以上あれば、その層の情報を汎用の電子回路でも十分なＳ／Ｎ比で検出できることを実験的にも確認しており、浅層の厚さが０〜８ｍｍ程度のときに深層の光の通過距離が１０ｍｍ以上にできる送受光器間距離をシミュレーションより求めた。その結果、本実施形態では、第１の所定距離ｄ１は一例として２０ｍｍに設定した。
また、第２の所定距離ｄ２は、ＬＥＤ２４から発光された光が、人間の腕の深層部分を通ってＰＤ２６Ｂに到達するような距離で第１の所定距離とは異なる距離に設定される。送受光器間距離が長くなると指数関数的に光強度が減衰し、汎用の電子回路での検出が困難になることから、本発明者は、汎用の電子回路で検出可能な光強度が得られる送受光器間距離を理論と実験から求めた。その結果、本実施形態では、第２の所定距離ｄ２は一例として３０ｍｍに設定した。なお、第１の所定距離ｄ１、第２の所定距離ｄ２は一例であり、測定したい筋組織までの深さ等に応じて適正な距離に定められる。
駆動装置１４は、ＬＥＤドライバ３２、Ｉ−Ｖコンバータ３４、及びアンプ３６を含んで構成されている。
ＬＥＤドライバ３２は、制御部１６からの指示により、ＬＥＤ２４を所定の波長及び所定の光強度で発光させる。
Ｉ−Ｖコンバータ３４は、ＰＤ２６Ａ、２６Ｂで受光した光を光電変換することにより得られた電流を電圧に変換してアンプ３６へ出力する。
アンプ３６は、Ｉ−Ｖコンバータ３４によって変換された電圧を所定レベルの電圧に増幅し、光強度を示す信号として制御部１６へ出力する。
制御部１６は、ＬＥＤドライバ３２へＬＥＤ２４を発光させるよう指示し、その結果得られたＰＤ２６Ａ、２６Ｂで受光した光の光強度に基づいて、後述する演算によりヘモグロビン濃度等を算出する。演算結果は、出力部２２に出力される。出力部２２は、例えばディスプレイやプリンタ等で構成され、演算結果を表示したり印刷したりすることにより出力する。
メモリ２０には、後述する処理ルーチンのプログラムや、その処理で用いるデータであって、予め実行したシミュレーション結果に関するデータ等が予め記憶されている。
次に、本実施形態の作用として、制御部１６で実行される測定処理について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。なお、この処理は、光学的測定装置１０の電源がオンされると実行される。
測定する際には、プローブ１２を被測定者の腕に接触させ、操作部１８を操作することにより、測定開始を指示する。
ステップ１００では、操作部１８の操作により測定開始が指示されたか否かを判断し、測定開始が指示された場合にはステップ１０２へ移行する。
ステップ１０２では、被測定者の脂肪厚を例えば操作部１８の操作により入力させる。脂肪厚は、例えばノギス等の簡単な測定部材を用いて測定したものを入力させるようにしてもよい。また、例えば図示しない脂肪厚測定装置（例えば超音波診断装置等）を光学的測定装置１０に接続して、その脂肪厚測定装置によって測定された脂肪厚を直接入力させるようにしてもよい。入力された脂肪厚は、後述する筋組織の吸収係数μａ＿ｍ（光の吸収度合い）を求める際に必要となる。
ステップ１０４では、ＬＥＤドライバ３２に対してＬＥＤ２４の発光を指示し、ＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度ＩA、ＩBをアンプ３６から取り込む。なお、第１の波長λ１、第２の波長λ２で順次発光させ、それぞれの光強度ＩA、ＩBを取り込む。以下では、第１の波長λ１で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩA1、ＩB1とし、第２の波長λ２で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩA2、ＩB2とする。
ステップ１０６では、ステップ１０４で測定した光強度に基づいて、空間分解法における空間的傾きＳを求める。図３に示すように、ＬＥＤとＰＤとの距離（送受光器間距離）と、受光した光の光強度（ｌｏｇＩ）とは同図に示すような関係であり、本実施形態における空間的傾きＳは、同図に示すように送受光器間距離が２０ｍｍの場合の光強度を表すＡ点と送受光器間距離が３０ｍｍの光強度を表すＢ点とを結ぶ線の傾きで表される。本実施形態では、空間的傾きＳを便宜的に次式のように定義する。
ここで、ρは２つのＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂとの間の距離であり、本実施形態ではｄ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝３０ｍｍとしていることから、ρは１０ｍｍとなる。
空間的傾きＳは、波長毎に求める。以下では、第１の波長λ１で発光した場合の光強度ＩA1、ＩB1に基づいて求めた空間的傾きをＳ１、第２の波長λ２で発光した場合の光強度ＩA2、ＩB2に基づいて求めた空間的傾きをＳ２とする。
次に、ステップ１０８では、ステップ１０６で求めた空間的傾きＳ１、Ｓ２に基づいて、測定対象である腕の筋組織の吸収係数μａ＿ｍを求める。この筋組織の吸収係数μａ＿ｍは、後述するモンテカルロシミュレーション結果から得られるＳ−μａ＿ｍ曲線を用いて求める。
ここで、本発明者が行ったモンテカルロシミュレーションの結果について説明する。本発明者は、筋組織の酸素濃度の定量化のために、生体組織のモデルとして、皮膚・脂肪・筋組織の３層モデルでのモンテカルロシミュレーションを行った。光伝播のアルゴリズムとしては、モデル中で光子群をランダムウォークさせ、通過した媒質の種類に応じて光子群の量を減衰させるという一般的なものを用いた（下記非特許文献６参照）。
各層の厚みと光学定数（散乱係数、吸収係数）は、以下の表１のように設定した（下記非特許文献７〜９参照）。
シミュレーションでは、脂肪厚を変化させ厚みの影響を検証するとともに、皮膚の吸収係数及び散乱係数を２０％増減させ、表層及び浅層組織の光学定数の影響を解析した。また、空間分解法では、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍを適当と思われる値に仮定する必要があるが、その仮定が実際と異なる場合の誤差を検討するために、μｓ＿ｍを０．２ｍｍ-1増減させた場合のシミュレーションも行った。
図４Ａは、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳ（ｓｌｏｐｅ）との関係を皮膚の吸収係数μａ＿ｓｋｉｎが０．０１ｍｍ-1、０．０１２５ｍｍ-1、０．０１５ｍｍ-1の場合について求めた結果を示し、図４Ｂは、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳ（ｓｌｏｐｅ）との関係を皮膚の散乱係数μｓ＿ｓｋｉｎが１．０ｍｍ-1、１．２ｍｍ-1、１．４ｍｍ-1の場合について求めた結果を示す。図４Ａおよび４Ｂに示すように、皮膚の吸収係数μａ＿ｓｋｉｎ、散乱係数μｓ＿ｓｋｉｎによっては筋組織の吸収係数μａ＿ｍはほとんど影響を受けないことが判った。
また、図５Ａは、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳ（ｓｌｏｐｅ）との関係を脂肪の吸収係数μａ＿ｆａｔが０．００２ｍｍ-1、０．００３ｍｍ-1、０．００４ｍｍ-1の場合について求めた結果を示し、図５Ｂは、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳ（ｓｌｏｐｅ）との関係を脂肪の散乱係数μｓ＿ｆａｔが１．０ｍｍ-1、１．２ｍｍ-1、１．４ｍｍ-1の場合について求めた結果を示す。図５Ａおよび５Ｂに示すように、脂肪の吸収係数μａ＿ｆａｔ、散乱係数μｓ＿ｆａｔによっては筋組織の吸収係数μａ＿ｍはほとんど影響を受けないことが判った。
また、図６は、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳとの関係を筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが１．０ｍｍ-1、０．８ｍｍ-1、０．６ｍｍ-1の場合について求めた結果を示す。同図に示すように、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが０．２ｍｍ-1異なると、筋組織の吸収係数μａ＿ｍの絶対値は２０％以上異なることが判った。
また、図７は、筋組織の吸収係数μａ＿ｍと空間的傾きＳとの関係（Ｓ−μａ＿ｍ曲線）を脂肪厚が３、５、７、９、１５ｍｍの場合について求めた結果を示す。図７に示すように、脂肪厚によってＳ−μａ＿ｍ曲線の形状が大きく異なるのが判った。これにより、予め被測定者の脂肪厚を測定しておき、脂肪厚に応じたＳ−μａ＿ｍ曲線を用いることにより、筋組織の吸収係数μａ＿ｍを定量化できる。Ｓ−μａ＿ｍ曲線は空間的傾きＳに関する下記に示すような２次式で近似することができる。
ここで、ａ、ｂ、ｃは定数であり、これらの定数を図７に示したモンテカルロシミュレーションの結果から脂肪厚毎及び波長毎に求めておき、予めメモリ２０に記憶しておく。これにより、脂肪厚、空間的傾きＳが判れば吸収係数μａ＿ｍを求めることができる。なお、ａ、ｂ、ｃの値は脂肪厚や筋組織の散乱係数μｓ＿ｍ、送受光器間距離により異なるが、本発明者が行ったシミュレーションでは、一例として、脂肪厚が３ｍｍ、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが０．８ｍｍ-1の場合においては、ａ＝４．９５、ｂ＝−０．５６、ｃ＝０．０１７であった。また、皮膚の吸収係数μａ＿ｓｋｉｎ及び散乱係数μｓ＿ｓｋｉｎを２０％増減させた結果、Ｓ−μａ＿ｍ曲線はほぼ同じとなり、皮膚の光学定数は空間分解法ではほとんど影響しないことが判った。
図８は、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが０．６ｍｍ-1、０．８ｍｍ-1、１．０ｍｍ-1の場合における酸素飽和度ＳtＯ2について実測した結果を示す。酸素飽和度は、後述するように酸素化ヘモグロビン濃度をトータルヘモグロビン濃度（酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度との和）で除算することにより得られる。同図において、「Ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ」の期間は、動静脈閉塞期間であり、上腕を締め付けて血流を止める処理を行った期間、「ｒｅｓｔ」は何もしない期間である。
前述したように、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが０．２ｍｍ-1異なると、筋組織の吸収係数μａ＿ｍの絶対値は２０％以上異なることが判ったが、図８に示すように、酸素飽和度ＳtＯ2に関しては、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍの差異による誤差は数％以内になることが判った。これは、酸素飽和度ＳtＯ2が酸素化ヘモグロビン濃度とトータルヘモグロビン濃度との比で表されるため、２つの吸収係数の比を見ていることに関連している。筋組織の散乱係数μｓ＿ｍによってＳ−μａ＿ｍ曲線が異なっても相似形であれば、曲線から求められた２つの吸収係数の比は同じになる。筋組織の散乱係数μｓ＿ｍの差異は、主にＳ−μａ＿ｍ曲線の縦軸方向の大きさに影響し、形状には大きく影響しないことが、酸素飽和度ＳtＯ2に関する誤差が非常に少ない要因と考えられる。
図９は、脂肪層３ｍｍの部位における酸素飽和度を実測した結果を示す。同図に示すように、実際とは異なる脂肪厚（５〜９ｍｍ）におけるＳ−μａ＿ｍ曲線を使用すると、酸素飽和度ＳtＯ2の値で最大３０％程度もの誤差を生じることが判った。これは、脂肪厚が異なると、Ｓ−μａ＿ｍ曲線の形状が大きく変化することに起因する。
空間分解法においてヘモグロビン濃度の絶対量を正確に知るには深部組織の散乱係数が既知でなければ困難であるといえる。それに対し、酸素飽和度ＳtＯ2であれば、散乱係数の仮定の影響を大幅に少なくすることができる。しかし、酸素飽和度ＳtＯ2であっても、脂肪厚の影響は大きく、あらかじめ厚みを把握しておくことが定量化において重要である。
図９の脂肪厚が３ｍｍと５ｍｍの結果から、脂肪厚を±１％程度の精度で測定しておけば酸素飽和度ＳtＯ2は２〜３％以下の誤差にできると推定され、ノギス等の簡単な厚み測定法で脂肪厚を測定するのでも対応できると考えられる。
上記のようなシミュレーション及び実測結果から、本実施形態では、筋組織の吸収係数μａ＿ｍを脂肪厚に応じて求め、これからヘモグロビン濃度や酸素飽和度を求める。
まず、ステップ１０８では、筋組織の吸収係数μａ＿ｍを上記（２）式により求める。すなわち、ステップ１０２で入力された脂肪厚に対応する定数ａ、ｂ、ｃの値をメモリ２０から読み出し、これとステップ１０６で求めた空間的傾きＳとから上記（２）式により筋組織の吸収係数μａ＿ｍを求める。なお、筋組織の吸収係数μ＿ａｍは波長毎に求める。以下では、第１の波長λ１の場合の筋組織の吸収係数をμλ1＿ａｍ、第２の波長λ２の場合の筋組織の吸収係数をμλ2＿ａｍとする。なお、前述したように、筋組織の散乱係数μｓ＿ｍによってＳ−μａ＿ｍ曲線の形状は異なるため、例えば筋組織の散乱係数μｓ＿ｍが０．８の場合のＳ−μａ＿ｍ曲線を用いて筋組織の吸収係数μａ＿ｍを求める。
ステップ１１０では、ステップ１０８で求めた筋組織の吸収係数μλ1＿ａｍ、μλ2＿ａｍに基づいて、酸素化ヘモグロビン濃度［ＨｂＯ2］を求める。この酸素化ヘモグロビン濃度［ＨｂＯ2］は次式で求めることができる。
ここで、ελ1Ｈｂは第１の波長λ１における脱酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数、ελ2Ｈｂは第２の波長λ２における脱酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数、ελ1ＨｂＯ2は第１の波長λ１における酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数、ελ2ＨｂＯ2は第２の波長λ２における酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数であり、何れも既知の値（例えば下記非特許文献１０に記載された値）を用いる。
ステップ１１２では、ステップ１０８で求めた筋組織の吸収係数μλ1＿ａｍ、μλ2＿ａｍに基づいて、脱酸素化ヘモグロビン濃度［Ｈｂ］を求める。この脱酸素化ヘモグロビン濃度［Ｈｂ］は次式で求めることができる。
そして、ステップ１１４では、トータルヘモグロビン［ｔｏｔａｌ Ｈｂ］を次式により求める。
［ｔｏｔａｌ Ｈｂ］＝［ＨｂＯ2］＋［Ｈｂ］ ・・・（５）
次に、ステップ１１６では、酸素飽和度ＳtＯ2を次式により求める。
次に、ステップ１１６では、酸素飽和度ＳtＯ2を次式により求める。
［Ｈｂ］＝［ＨｂＯ2］／［ｔｏｔａｌ Ｈｂ］ ・・・（５）
ステップ１１８では、求めた酸素化ヘモグロビン濃度［ＨｂＯ2］、脱酸素化ヘモグロビン濃度［Ｈｂ］、酸素飽和度ＳtＯ2を出力部２２に出力させる。
ステップ１１８では、求めた酸素化ヘモグロビン濃度［ＨｂＯ2］、脱酸素化ヘモグロビン濃度［Ｈｂ］、酸素飽和度ＳtＯ2を出力部２２に出力させる。
このように、本実施形態では、脂肪厚に応じたＳ−μａ＿ｍ曲線を用いて筋組織の吸収係数μａ＿ｍを求め、これに基づいて筋組織の酸素化ヘモグロビン濃度や脱酸素化ヘモグロビン濃度、酸素飽和度を求める。このため、脂肪厚の影響が補正された正確な酸素化ヘモグロビン濃度や脱酸素化ヘモグロビン濃度、酸素飽和度を得ることができ、これらの定量性を大幅に向上させることができる。
なお、本実施形態では、人の腕の筋組織のヘモグロビン濃度等を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば果物の果肉部分の糖分を測定する装置にも適用可能である。この場合、ＬＥＤの波長をグルコースの光の吸収係数を測定するのに適した波長に設定したり、ＬＥＤとＰＤとの間の距離を果物の外皮や内皮の厚さに適した距離に設定したりする等、適宜必要な設定をする必要があるが、基本的には上記と同様の手法により果物の果肉部分の糖分を測定することが可能である。すなわち、本発明は、内部組織まで光が到達するものであれば、生体に限らず他の物に対しても適用可能である。
また、本実施形態では、ＰＤを二つ設けた構成の場合について説明したが、これに限らず、ＰＤを一つとし、ＬＥＤを二つとしてもよい。また、ＬＥＤ又はＰＤを移動可能な構成として、すなわちＬＥＤとＰＤとの距離を調整可能な構成としてもよい。この場合、ＬＥＤとＰＤとの距離を第１の所定距離ｄ１に設定してＬＥＤから発光された光を受光し、その後ＬＥＤとＰＤとの距離を第２の所定距離ｄ２に設定してＬＥＤから発光された光を受光するようにすればよい。
また、ＬＥＤなどの発光を、パルス状に乃至間欠的に行い、受光手段のＰＤなどの素子の出力を、図１０に示すように時間分解法を有するロックインアンプ（又はボックスカーインテグレータ、位相検波器など）３７をアンプ３６の前段に付加することにより、感度および精度を向上させるように構成しても良い。なお、ＬＥＤを二つとした構成の場合は、交互に発光する乃至発光パターンを繰り返して発光することになる。また、蛍光灯などによる測定時の外乱光の影響を除去するために、ＬＥＤなどの発光を、商用周波数とは異なる周波数での正弦波交流などで変調するようにしてもよい。
１０ 光学的測定装置
１２ プローブ
１４ 駆動装置
１６ 制御部（空間的傾き算出手段、演算手段）
１８ 操作部（入力手段）
２０ メモリ（記憶手段）
２２ 出力部
２４ ＬＥＤ（発光手段）
２６Ａ ＰＤ（第１の受光部）
２６Ｂ ＰＤ（第２の受光部）
３０ 組織
３２ ＬＥＤドライバ
３４ Ｉ−Ｖコンバータ
３６ アンプ
１２ プローブ
１４ 駆動装置
１６ 制御部（空間的傾き算出手段、演算手段）
１８ 操作部（入力手段）
２０ メモリ（記憶手段）
２２ 出力部
２４ ＬＥＤ（発光手段）
２６Ａ ＰＤ（第１の受光部）
２６Ｂ ＰＤ（第２の受光部）
３０ 組織
３２ ＬＥＤドライバ
３４ Ｉ−Ｖコンバータ
３６ アンプ
Claims (8)
- 少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射する発光手段と、
前記発光手段から発光された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように前記発光手段から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、前記発光手段から発光された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記発光手段から第２の所定距離だけ離間した位置で受光する受光手段と、
前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度に基づいて空間的傾きを求める空間的傾き算出手段と、
前記深層における光の吸収度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段と、
前記浅層の厚さを入力する入力手段と、
入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを前記記憶手段から読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収度合いを求める演算手段と、
を備えた光学的測定装置。 - 前記層状形成体は生体の一部であり、前記浅層は脂肪組織であり、前記深層は筋組織であることを特徴とする請求項１記載の光学的測定装置。
- 前記演算手段は、前記光の吸収度合いに基づいて、酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、及び酸素飽和度の少なくとも一つをさらに求めることを特徴とする請求項２記載の光学的測定装置。
- 前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
- 前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成されたことを特徴とする請求項２に記載の光学的測定装置。
- 前記受光手段は、前記発光手段から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光手段から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、で構成されたことを特徴とする請求項３に記載の光学的測定装置。
- 少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射し、
照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光し、
前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度と、前記第１の所定距離及び前記第２の所定距離と、に基づいて空間的傾きを求め、
前記浅層の厚さを入力し、
前記深層における光の吸収の度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段から、入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収の度合いを求めることを含む光学的測定方法。 - 少なくとも浅層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象の層状形成体に光を照射させるステップと、
照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、照射された光のうち前記浅層及び深層を通過した光であって前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光とは前記深層の通過距離が異なる光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光させるステップと、
前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光した光及び前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光した光の各々の光強度と、前記第１の所定距離及び前記第２の所定距離と、に基づいて空間的傾きを求めるステップと、
前記浅層の厚さを入力するステップと、
前記深層における光の吸収の度合いを演算するための演算パラメータを前記浅層の厚さ毎に記憶した記憶手段から、入力された前記浅層の厚さに応じた前記演算パラメータを読み出し、当該読み出した演算パラメータ及び前記空間的傾きに基づいて前記光の吸収の度合いを求めるステップと、
を含む処理をコンピュータに実行させるための光学的測定プログラムを格納した記憶媒体。
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