KR20040098643A

KR20040098643A - 생체기능진단장치

Info

Publication number: KR20040098643A
Application number: KR10-2004-7012602A
Authority: KR
Inventors: 토시노리 카토
Original assignee: 토시노리 카토
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-11-20
Also published as: AU2003211200A1; CA2475726A1; CN1298284C; JP4031438B2; JPWO2003068070A1; EP1475037A4; CN1633256A; KR100622649B1; US20050080323A1; US7065392B2; CA2475726C; WO2003068070A1; EP1475037A1; EP1475037B1

Abstract

본 발명은 조직의 대사를 반영하는 모세혈관에서의 정보를 가능한 한 조직외(예를 들면 동정맥)에서의 정보와 식별하게 되고, 종래의 근적외분광법의 낮은 공간분해능을 보전하여 얻는 신속성 및 정확성을 가지고, 또한 단순한 산소농도변화 모니터 등에 머무르지 않고, 간편하게 모세혈관 반응이나 대사반응을 판별하는 것이 가능하게 되는 생체기능진단장치를 제공하는 것으로, 그 구성은 생체의 소정부위에 광을 조사하는 광조사수단과, 생체내에서 출사하는 광을 검출하는 광검출수단과, 검출한 광의 광량을 파라미터로 하는 근적외분광법에서의 연산처리를 실행하는 것에 의해, 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각각 농도변화량을 구하는 연산수단과, 그 양 데이터의 상대비[k]에 관한 정보를 경시적으로 표시하는 표시수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

생체기능진단장치{APPARATUS FOR EVALUATING BIOLOGICAL FUNCTION}

미약한 근적외선(700∼1300 나노미터)을 두피 위에서부터 두개골을 사이를 두고 뇌에 조사하여, 두개골의 바로 안쪽의 뇌표(대뇌피질)에서의 혈액중의 산화형 헤모글로빈(Oxy-Hb; HbO₂)의 농도변화량, 환원형 헤모글로빈(Deoxy-Hb; Hb)의 농도변화량을 계측하는 방법이 1977년에 에프.에프. 좁시스(F.F. Jobsis)에 의해 제창된 이래, 이 근적외분광법(NIRs, near-infrared spectroscopy)에 의한 조직의 산소농도계측의 연구가 급속하게 진전되고 있다.

근적외분광법은 체표부터 비침습적으로 개개의 조직의 대사를 계측할 수 있고(비침습성), 간단한 장치로 실현할 수 있는(가반성(可搬性)) 것, PET(positron emission CT)나 f-MRI(functional magnetic resonance imaging)와 달리, 뇌나 근육의 조직대사의 시간변화를 리얼타임으로 계측하여 얻는(경시성) 것을 이점으로 하고, 뇌기능의 모니터링, 리하빌리테이션(rehabilitation)에서의 근력회복진단, 운동생리학에서의 활용 등 광범위한 응용이 기대되고 있다.

본 발명자들은 근적외광을 뇌에 부분적으로 조사하는 광자극 인체실험을 행하고, 그 결과, 국소화한 뇌기능의 분포를 베드사이드(ベッドサイド)로 모니터링할 수 있는 것을 나타내고, 베드사이드의 비침습 국소뇌기능검사법과 이 방법을 사용한 국소뇌기능의 화상화(畵像化)가 가능하다는 것을 증명하였다(高嶋辛男, 加藤俊德, 他. NIR 스펙트로스코피에 의한 국소 뇌혈류 변동의 관찰. 심신장애아(자)의 의료료육에 관한 총합적 연구보고서(일본후생성) p.179-181(1992), Kato T , Kamei A, et al. Human visual cortical function during photic stimulation monitering by means of near-infrared spectroscopy. J Cereb Blood Flow Metab. 13:516-520(1993)). 전두부나 후두부 등 뇌표의 기능적인 토포그래피(헤모글로빈 분포도, 즉 뇌활동을 반영하는 혈액량의 증감을 지형도와 같이 표시한 것)를 화상 표시하는 기술의 선구이다.

그 이후의 뇌기능을 화상표시하는 기술로는 예를 들면, 일본국특개평9-149903호 공보, 일복국특개평2001-212115호 공보 혹은 일본국특개평9-238914호공보 기재의 발명이 열거된다. 이들 공보 기재의 발명은 근적외광을 복수의 대조에서 생체로 조사하고, 생체를 투과한 광을 복수의 검출부위에서 검출하는 것에 의해 생체내부를 계측하는 장치에 관한 것이고, 광토포그래피(등록상표)라고 불려지며, 복수의 계측점에서 계측된 광강도신호를 기초로 계측점마다의 혈중의 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 농도변화량을 계산하여, 토포그래피를 표시하는 것이다.

그런데, 모세혈관은 산소분압이 조직과 거의 평형이기 때문에, 조직의 산소농도계측에서는 모세혈관의 혈중의 산소농도를 채취하는 것이 매우 중요하다는 것은 종래부터 인식되어 왔다. 그러나, 근적외분광법은 체표에서의 비침습적인 계측이고, 신호변화가 광로상에 존재하는 영역에서 생긴 반응의 총화이기 때문에, 정량성, 즉 공간분해능이 떨어진다고 되어 있다. 종래에는, 에치. 마크 와츠만(H. Marc Watzman) 등의 문헌(Arterial and venous contributions to near-infrared cerebral oximetry. Anesthesiology 2000; 93:947-53)이나 일본국특개평9-238914호공보의 도 8 등에서도 명확한 바와 같이, 도 1(a)에 나타낸 데이터가 모세혈관 우위의 데이터라고 인식되어 있지만, 이것은 광로 상에 정맥이 존재하는 것같은 부위를 계측하는 것에 의해 얻어지고, 그래서 계측점 간격(약 30mm)을 넓게 설정하는 장치 구성이기 때문에 필연적인 정맥 우위의 데이터라고 본 발명자는 생각된다.

왜냐하면, 모세혈관은 자극 인가에 의해 적혈구의 증감과 혈장성분의 증감에 괴리가 일어나기 쉬운 구조를 가진다.즉, 모세혈관에서는 적혈구와 혈정의 속도가 다르게 되어있기 때문에, 정맥에 비해서 헤마토크리트의 변화 또는 총 헤모글로빈량의 변화가 일어나기 쉽게 되어 있고, 따라서, 정맥에 비해서 산화형 헤모글로빈과 환원형 헤모글로빈의 변화가 경상(鏡像)관계처럼 변화하기 어렵게 되어 있다. 그러므로, 모세혈관 우위의 데이터는 비대칭인 변화 태양을 나타내는 도 1(b)이 되어야 하는데, 본 발명자의 연구에 의해 얻어진 결론이기 때문이다. 종래의 계측장치는 잘못된 이론인식에 의거하여 구성된 장치라고 말한다.

또, 만일, 종래의 계측장치가 도 1(b)에 나타낸 데이터를 진정한 모세혈관우위의 데이터라고 인식하는 것이라고 하여도, 이 데이터와 도 1(a)의 정맥우위의 데이터를 비교검토하건데, 자극의 인가(생리작용에 의한 내부자극과 외부자극의 양방을 포함) 전, 즉 조직에 변화가 일어나기 전의 안정시(도면에서 베이스라인 = 약 8초까지의 사이)는 모세혈관우위과 정맥우위의 양 데이터 모두 경시적 변화특성이 마크로적으로 근사(近似)하기 때문에, 도 1(a), (b)의 출력에 머무는 종래의 계측장치에서는 채취 중의 데이터가 모세혈관우위의 데이터이든가 정맥우위의 데이터이든가를 조직변화가 일어나기까지의 사이에 판정하는 것이 불가능하다. 이 타임래그와 계측점간격(약 30mm)을 넓게 설정하기 때문에 매우 낮고, 모세혈관우위의 데이터의 채취 확률을 동시에 비추어 보면 현장의료에서의 공헌은 충분히 기대할 수 없다.

게다가, 종래의 계측장치는 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 농도변화량을 계측할 뿐(단, 이것은 진정한 데이터는 아님)이고, 이들의 정보와 뇌혈관에 생기고 있는 확장·신축과의 상관관계나, 총헤모글로빈의 변화에 따라 모세혈관중의 헤마토크리트의 변화 및 산소소비율의 관여 등, 뇌생리학적인 이론이 충분히 해명되지 않기때문에, 헤모글로빈 등의 농도변화를 나타내는 모니터나 산소농도변화를 나타내는 모니터라고 하는 단순한 학술적인 실험도구의 구역을 나오지 않는 것이다.

그래서, 본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것으로, 조직의 대사를 반영하는 모세혈관으로부터의 정보를 가능한한 조직외(예를 들면 동정맥)에서의 정보와 식별하게 되고, 종래의 근적외분광법의 낮은 공간분해능을 보전하여 얻는 신속성과 정확성을 가지고, 또한 단순한 산소농도변화 모니터 등에 머물지 않고, 간편하게 모세혈관반응이나 대사반응을 판별하는 것이 가능하게 되는 생체기능진단장치를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.

본 발명은 생체로부터의 투과광, 반사광 혹은 산란광등, 생체와 상호작용한 후에 광검출기로 검출된 광에 기초하여 혈중의 헤모글로빈 변화등을 계측하는 생체기능진단장치에 관한 것이다.

도 1은 경시적인 헤모글로빈의 농도변화량을 나타내는 특성도로서, (a)는 정맥우위의 데이터(종래에는 모세혈관우위의 데이터라고 인식되어 있다), (b)는 모세혈관우위의 데이터를 나타낸다.

도 2의 (a)는 본 실시형태에 관한 생체기능진단장치의 개략구성도, (b)는 프로브에서의 발광부 및 수광부의 배치 패턴을 나타낸다.

도 3은 프로브에서의 발광부 및 수광부의 배치 패턴으로서, (a)는 제1변형예, (b)는 제2변형예, (c)는 제3 변형예, (d)는 제4변형예를 나타낸다.

도 4는 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램으로, 조직에 자극이 인가되기 전의 상태에서의 모세혈관우위의 데이터 및 정맥우위의 데이터를 나타낸다.

도 5는 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램으로, 조직에 자극이 인가된 상태에서의 모세혈관우위의 데이터 및 정맥우위의 데이터를 나타낸다.

도 6은 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램으로, 모세혈관이 확장 또는 수축하고 있는 상태에서의 모세혈관우위의 데이터를 나타낸다.

도 7은 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램으로, 모세혈관에 강약의 다른 자극이 인가된 상태에서의 모세혈관우위의 데이터를 나타낸다.

도 8의 (a)는 경시적인 헤모글로빈의 농도변화량을 나타내는 특성도, (b)는 그 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램으로, 조직에 자극이 인가되는 전후의 상태에서의 모세혈관우위의 데이터를 나타낸다.

도 9는 도 4 ∼ 도 7, 도 8(b)의 다이어그램의 개념도를 나타낸다.

도 10(a)는 다채널장착대의 평면도, (b)는 그것을 피험자의 두부에 장착한 상태의 사시도, (c)는 각 채널의 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 각각 표시부 상의 다이어그램을 나타낸다.

도 11(a)는 연산결과를 경시적으로 플로트하는 것에 의해 얻어지는 표시부 상의 다이어그램(D-O 좌표계), (b)는 (a)를 -45회전시킨 다이어그램(Hb-ScO₂좌표계)을 나타낸다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 생체의 소정부위에 광을 조사하는 광조사수단과, 생체내에서 출사하는 광을 검출하는 광검출수단과, 검출한 광의 광량을 파라미터로 하는 근적외분광법에서의 연산처리를 시행하는 것에 의해 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각각 농도변화량을 구하는 연산수단과, 그 양 데이터의 상대비[k]에 관한 정보를 경시적으로 표시하는 표시수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 생체의 조직에 얼마간의 자극이 더해지지 않은 안정상태이어도, 상대비[k] 를 평가하는 것에 의해, 그 테이터가 모세혈관우위의 데이터인가 아닌가를 즉석에서 반정하는 것이 생리학적 이론에 의해 가능하게 되었다. 즉, 모세혈관우위의 데이터라면, 상대비[k]는 -1에 가깝고, 정맥우위의 데이터라면, 상대비[k]는 -1에서 어느 정도 플러스 쪽으로 벗어나는 것이 해명되었으므로, 상대비[k]의 값이 -1 근방인지 아닌지를 가지고 모세혈관우위의 데이터인지 아닌지를 판정하는 것이다.

또, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 청구항2 기재와 같이, 광검출수단은 생체내에서 출사하는 광을 복수의 검출부위에서 검출하는 것이고, 연산수단은 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각각 농도변화량을 검출부위마다 요구하는것이 가능한 구성을 채용하는 것이 보다 바람직하다. 모세혈관우위의 데이터의 채취확율이 낮은 것을 비추어보면, 검출부위를 늘린 편이 확실성이 있다. 단, 조사부위와 검출부위가 어느 정도 이간하면, 정맥 등의 노이즈가 들어가기 쉽게되기 때문에 조사부위와 각 검출부위와의 간격을 가능한 짧게 하는 것이 바람직하다. 조직적으로 독립한 2이상의 부위를 계측하는 경우는 광조사수단 및 광검출수단의 짝을 계측부위에 대응하여 복수개 준비하면 좋다.

게다가, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 청구항 3 기재와 같이, 상대비 [k]가 k≤-0.8(보다 바람직하게는 k≤-0.9, 이것은 k의 진동 오차를 고려한 것)의 조건을 충족하는가 아닌가를 판정하는 것에 의해, 판정결과가 옳음으로 되는 검출부위를 특정하는 판정수단과, 그 검출부위에 관한 정보를 입력하는 것에 의해, 판정결과가 그름으로 되는 검출부위를 무효화하는 선택수단을 더욱 구비하게 되는 구성을 채용할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 판정결과를 선택수단에 피드백하여 처리데이터 수의 삭감을 도모하는 것에의해 판정수단의 처리부담의 경감을 도모할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 청구항 4와 같이, 표시수단은 상대비[k]에 간한 정보로서, 경시적으로 플로트된 이차원의 다이어그램을 표시하는 것인 구성을 채용하는 것이 가능하다. 상대비[k]의 경시적 변화를 이차원의 다이아그램에 플로트 표시하는 것에 의해, 플로트 궤적의 경시적 변화 특성을 기초로 한 생체기능진단을 할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 모세혈관의 생리적 조절기능을 해명하고, 산화형 헤모글로빈의 농도변화량과 환원형 헤모글로빈의 농도변화량의 상대비라고 하는 개념을 도출하는 것에 의해, 조직의 대사를 반영하는 모세혈관에서의 정보를 가능한 한 조직외(예를 들면 동정맥)에서의 정보와 식별하게 되고, 종래의 근적외분광법의 낮은 공간분해능을 보전하여 얻는 신속성 및 정확성을 획득하기에 이르렀다. 또한, 이 상대비를 평가하는 것에 의해 단순한 산소농도변화 모니터에 머무르지 않고, 모세혈관반응, 더 나아가서는 조직의 대사반응을 간편하게 파악하고, 생체기능진단을 실현하여 얻는 것으로 된다.

이하, 본 발명에 관한 생체기능진단장치의 일실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 2(a)는 본 실시예에 관한 생체기능진단장치의 구성도를 나타낸다. 이 생체기능진단장치는 복수개의 프로브( A), …와 장치본체 B로 대별된다. 프로브( A)는 생체의 임의의 계측부위(조직)에 광을 조사하는 적어도 2이상의 발광소자(발광다이오드)( 1), …과, 계측부위에서의 투과광, 반사광 혹은 산란광 등, 생체와 상호작용한 후의 광을 수광하는 적어도 2 이상의 수광소자(포토다이오드)( 2), …로 구성된다. 장치본체(B)는 발광소자(1), …의 발광광량을 조정하는 광량조정부(3)와, 임의의 수광소자(2), …를 선택적으로 유효화(무효화)하는 선택부(4)와, 수광소자(2), …에서의 신호를 증폭하는 게인제어가능한 신호증폭부(5)와, 신호증폭부(5)의 출력을 수치화하는 A/D변환부(6)와, 각부의 제어처리나 A/D변환부(6)의 출력에 의거하여 소정의 연산처리를 실행하는 제어부(7)와, A/D변환부(6)의 출력, 각부의 제어용 데이터 도는 연산결과 등의 기억에 사용되는 기억부(8)와, A/D 변환부(6)의 출력결과나 연산결과 등에 기초하여 표시를 행하는 표시부(9)로 구성된다.

발광소자(1), …및 수광소자(2), …는 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 복수행 복수열의 매트릭스상으로 배치되고(본 실시예에서는, 4×5이고, 발광소자(1)와 수광소자(2)가 교대로, 보다 상세하게 말하면, 발광소자(1), …만으로 되는 열과 수광소자(2), …만으로 되는 열이 행방향으로 교대로 배치되고 있다), 프로브(A)로서 일체화되어 있다. 종래의 근적외선 토포그래피장치의 프로브는 각각 1mm 이상의 크기를 가지는 광조사프로브 및 광검출프로브를 복수개 준비하고, 서로 25mm 이상의간격을 띄우고 배치하는 것이었으나, 본 실시형태의 프로브(A)는 정확하게 모세혈관영역만을 검출하는 확률을 향상시켜야 하고, 복수의 발광소자(1), … 및 수광소자(2), …를 □3mm 이하(환형이면, 직경 3mm 이하)의 가늘게 집약하여 묶은 1개의 다중 프로브를 복수개 준비하고, 각각을 계측부위에 대응하여 독립적으로 배치하는 것이고, 계측에리어면적이 작게되는 것으로, 뇌뿐만 아니라 피부나 내장(이경우, 내시경적인 사용태양에 알맞는 형태의 프로브를 사용한다)에도 적용가능하게 되어 있다.

또, 프로브(A)는 손톱, 손바닥, 발바닥, 귓불 등, 각 부위의 표면 형상이나 각각의 목적에 따라, 그 선단부(계측부위와의 접촉부)의 외형상, 및 각 발광소자(1), …의 각각 출사면 및 수광소자(2), …의 각각 입사면의 기울기가 결정된다. 또, 프로브(A)는 도 3에 나타낸 것처럼, 적어도 하나의 발광소자(1)의 주위에 복수의 수광소자(2), …를 배치한 구조이다. 예를 들면, 구형이나 기하학형의 다중 프로브이어도 좋다. 이들은 구강소화기계, 호흡기계 등에 대한 내시경적인 사용태양을 고려하여 형상이 결정되고 있다.

도 2(b)의경우, 발광소자(1), …는 파장 730nm의 광을 조사하는 것과, 파장 850nm의 광을 조사하는 것의 두 종류가 준비된다. 이들은 예를들 면 열방향에 교대로 배치되지만, 그 외의 패턴을 검토하는데 대응해서는 조직중에서의 파장에 의존하는 감쇠를 고려하여, 수광광량을 바란스 좋게 계측할 수 있도록 배치하는 것이 중요하다. 전체 수광소자(1), …는 광량조정부(3)에 접속되어 있고, 전체적으로 또는 각각 독립적으로 발광광량의 조정이 가능하다.

한편, 전체의 수광소자(2), …는 선택부(4)를 통해서 신호증폭부(5)에 접속되어 있고, 각각의 수광소자(2)에서 출력되는 수광신호는 전부 또는 일부가 선택부(4)에서 선택된 상태로 신호증폭부(5)에 출력되고, 여기서 증폭된다. 그리고, 증폭된 수광신호는 A/D변환부(6)에서 수치화되어 제어부(7)에 출력된다. 제어부(7)는 A/D변환부(6)에서 입력된 디지털 데이터를 로우패스필터에 걸어 노이즈 제거처리를 행한 후, 이 처리 데이터(이하, 수광광량이라고 함)를 타임테이블식으로 기억부(8)에 기억시킨다.

또, 제어부(7)는 얻어진 수광광량에 기초하여, 이하에 설명하는 연산처리를 실행한다. 먼저 제1단계로서, 파장 730nm의 흡광도(O.D.₇₃₀)을 식 1에 의해, 그리고 파장 850nm의 흡광도(O.D.₈₅₀)을 식 2에 의해 산출하는 동시에, 그 산출결과를 타임테이블식으로 기억부(8)에 기억시킨다.

O.D.₇₃₀= log₁₀(I_{0 730}/ I₇₃₀) ··· 식 1

O.D.₈₅₀= log₁₀(I_{0 850}/ I₈₅₀) ··· 식 2

I_{0 730}: 파장 730nm의 발광광량

I₇₃₀: 파장 730nm의 수광광량

I_{0 850}: 파장 850nm의 발광광량

I₈₅₀: 파장 850nm의 수광광량

여기서, 산화형 헤모글로빈의 농도변화량과 환원형 헤모글로빈의 농도변화량과 흡광도변화량과의 사이에는 식 3, 식 4의 관계가 있는 것이 공지이론에 의해 알려져 있다.

ΔO.D.₇₃₀= a₁Δ[HbO₂] + a₁' Δ[Hb] ··· 식 3

ΔO.D.₈₅₀= a₂Δ[HbO₂] + a₂' Δ[Hb] ··· 식 4

ΔO.D.₇₃₀: 파장 730nm의 흡광도변화량

ΔO.D.₈₅₀: 파장 850nm의 흡광도변화량

Δ[HbO₂] : 산화형 헤모글로빈의 농도변화량

Δ[Hb] : 환원형 헤모글로빈의 농도변화량

a₁, a₁' , a₂, a₂' : 흡광도계수

따라서, 이 공지의 연립방정식에서, 식 5, 식 6이 구해진다.

Δ[HbO₂] = a {ΔO.D.₇₃₀- (a₁' / a₂' ) ΔO.D.₈₅₀} ··· 식 5

Δ[Hb] = a(a₂/a₂'){(a₁/a₂) ΔO.D.₈₅₀- ΔO.D.₇₃₀} ··· 식 6

a = a₂' / (a₁a₂' - a₁'a₂) ≒ 1 (1 또는 그 근방치)

그래서, 제2단계로서, 파장 730 nm의 흡광도변화량( ΔO.D.₇₃₀) 및 파장 850 nm의 흡광도변화량( ΔO.D.₈₅₀)을 구하고 나서, 제3단계로서, 산화형 헤모글로빈의 농도변화량(Δ[HbO₂]) 을 식 5에 의해, 그리고 환원형 헤모글로빈의 농도변화량(Δ[Hb]) 을 식 6에 의해 산출하는 동시에 그 산출결과를 타임테이블식으로 기억부(8)에 기억시킨다. 또, 총 헤모글로빈의 농도변화량(Δ[총-Hb])은 식 7로 나타낸다.

Δ[총-Hb] = Δ[HbO₂] + Δ[Hb] ··· 식 7

그런데, 조직에 대한 자극에 의해 유발되는 모세혈관 중의 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각 농도변화량의 변화태양은 그 증감의 조합에 의해 이하의 9패턴을 나타낸다.

① Δ[HbO₂] 증가 Δ[Hb] 증가

② Δ[HbO₂] 증가 Δ[Hb] 감소

③ Δ[HbO₂] 증가 Δ[Hb] 제로

④ Δ[HbO₂] 감소 Δ[Hb] 증가

⑤ Δ[HbO₂] 감소 Δ[Hb] 감소

⑥ Δ[HbO₂] 감소 Δ[Hb] 제로

⑦ Δ[HbO₂] 제로 Δ[Hb] 증가

⑧ Δ[HbO₂] 제로 Δ[Hb] 감소

⑨ Δ[HbO₂] 제로 Δ[Hb] 제로

실제로는, 조직의 대사활동은 자극의 인가조건이나 안정상태의 생리적 상태의 차이에 의해 경시적으로 이하의 패턴이 변화하고 있다. 모세혈관 중의 산화형 헤모글로빈엣 조직 중에 산소를 취입하기 위한 혈류대사활동으로서, 모세혈관의 Δ[Hb]와 Δ[HbO₂]가 변동한다. 따라서, 모세혈관 중의 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각 농도변화량의 상대비가 조직의 혈류대사를 반영하는 중요한 파라미터인 것이 보여진다. 그리고, 제4단계로서, 이러한 상대비(이하, '조직산소교환비' 또는 'k값'이라고 함)를 식 8에 의해 산출한다.

k = Δ[Hb] / Δ[HbO₂] ··· 식 8

k : 조직산호교환비

그리고, 조직산소교환비는 일례로서 뇌혈관대사계에서는 식 9로 나타내진다.

k = (1 - h) / {h + Y / (1 - Y)} ··· 식 9

Y : 혈류산소포화도

h = (1 - β + γ) / α ··· 식 10

그리고, α, β, γ는 각각 헤모글로빈량(ν), 산소섭취량(OE) 및 헤마토크리트 (Ht)와 국소혈류량(rBF)와의 하기의 관계를 나타내는 지수이다.

ν = c₁·rBFα ··· 식 11

OE = c₂·rBFβ ··· 식 12

Ht = c₃·rBFγ ··· 식 13

따라서, 조직산소교환비는 헤모글로빈량(ν), 산소섭취량(OE) 및 헤마토크리트(Ht)와 국소혈류량(rBF)에 의해 변동하는 지수로서 평가할 수 있다.

제어부(7)는 상기 제1 ∼ 제4단계의 연산처리를 실행하는 것에 의해 얻어진 처리데이터(k값)를 타임테이블식으로 기억부(8)에 기억시킨다. 본 실시예에 관한 생체기능진단장치의 하나의 목적으로, 이 조직산소교환비를 구하는 것이 열거되지만, 이 조직산소교환비는 횡축이 산화형 헤모글로빈의 농도변화량을 나타내고, 종축이 환원형 헤모글로빈의 농도변화량을 나타내는 이차원의 다이어그램을 표현하는 것으로, 생체기능진단의 유효한 진단재료로 될 수 있다. 표시부(9)는 제어부(7)에서 송신된 표시용 데이터를 받어서 도 4에 나타낸 다이어그램을 표시하기 위한 것이다. 그리고, 표시내용으로는 이러한 다이어그램 외에, 도 1에 나타낸 경시적인 농도변화를 나타내는 그래프를 포함하고, 발광광량, 흡광도, 농도, 조직산소교환비에 관련하는 정보가 열거된다.

도 4는 X축(횡축)에 Δ[HbO₂]를, Y축(종축)에 Δ[Hb]를 경시적으로 플로트하여 얻어진, 도 1의 베이스라인(자극인가기간전)에서의 다이어그램을 나타낸다. 모세혈관우위 및 정맥우위의 베이스라인의 플로트 궤적은 각각 다른 k값(기울기)을 가지고서 동일범위 내에서 요동운동을 반복하고 있다. 베이스라인의 플로트 궤적의 기울기가 마이너스 45도에 가까우면(도면에서 L1), 계측부위에서 채취된 데이터가 모세혈관우위의 데이터(조직대사를 반영하는 것이기 때문에 필요한 데이터)이고, 플로트 궤적의 기울기가 제로에 가까우면(도면에서 L2), 정맥우위의 데이터(불필요한 데이터)이다.

모세혈관우위와 정맥우위에 의해 베이스라인의 궤적의 기울기가 다른 이유는 모세혈관과 정맥에서의 생리적 조절의 차이에 기인한다. 모세혈관에서는 약 5㎛의 모세혈관에 약 7 ㎛의 적혈구가 변형하여 통과하고 있는 것이 알려져 있다. 혈관경이 커 수동적으로 확장하기 쉬운 정맥에서는 적혈구는 변형할 필요가 없다. 즉, 모세혈관에서는 혈장과 혈구의 전혈액량의 변동이 정맥에 비해 일어나기 어렵다. 존슨 등의 문헌(Johnson P C, Blaschke J, Burton K S and Dial J H 1971 Influence of flow variations on capillary hematocrit in mesentery Am. J. Physiol. 221 105-12)에도 확인되는 바와 같이, 혈류속도와 헤마토크리트가 비례관계에 있고, 혈류속도가 정밀하게 조절되고 있으므로, 안정시에는 혈류속도의 요동이 일어나도 총헤모글로빈량은 일정하게 유지되는 조절이 행해지고, 변동폭도 작고, 베이스라인의 플로트 궤적의 기울기가 마이너스 45도에 가깝다. 그러나, 정맥쪽에서는 혈관구축이 다르고, 혈류속도의 요동이 일어나기 어렵고, 동맥쪽에서의 압력변화에 의해서 전혈액량의 요동이 일어나기 쉽게 되어있다. 따라서, 환원형 헤모글로빈 보다도 산화형 헤모글로빈이 약간 상승한 기울기로 되고, 마이너스 45도에서 벗어나는 것으로 된다.

그래서, 제어부(7)는 전수광소자(2), …에서 얻어진 데이터 중에서 식 14의 조건을 충족하는 데이터를 추출하여, 그 데이터(정확하게는 그 데이터의 기초로 되는 수광광량)를 출력하는 수광소자(2)를 특정한다.

k ＞ -0.8 ··· 식 14

이 판정처리에서 특정된 수광소자(2), …는 광로 상에 정맥이 존재하는 부위를 계측하는 수광소자(2)이고, 정맥우위의 데이터를 채취하는 것이므로, 제어부(7)는 비선택신호를 선택부(4)에 출력하여 특정된 수광소자(2), …로부터의 출력을 처리(신호증폭부(5)로의 출력처리)하지 않게 선택부(4)에 지시를 준다. 또는 표시부(9)의 다이어그램을 진단자가 보면, 조직의 안정상태에서도 모세혈관 우위의 데이터인지 아닌지가 즉석에서 판정가능한 것을 비추어, 외부입력수단을 제어부(7)에 접속하여 설치하고, 표시부(9)의 다이어그램에서 확인된 불필요한 데이터에 대응하는 수광소자(2)를 외부입력수단에 의한 매뉴얼 조작으로 비선택으로 하도록 하여도 좋다.

이와 같이, 본 실시예에 관한 생체기능진단장치는 모세혈관 우위의 데이터 및 정맥 우위의 데이터의 각각 안정시의 거동의 상위에 착안하여, 조직에 대한 자극인가 전에도, 모세혈관 우위의 데이터를 채취하는 수광소자(2)와 정맥우위의 데이터를 채취하는 수광소자(2)를 자동적으로 식별할 수 있다. 불필요한 데이터에 대해서는 상기 제1 ∼ 제4 단계의 연산처리가 실행되지 않기 때문에, 환언하면, 상기 제1 ∼ 제4단계의 연산처리의 대상으로 되는 데이터수가 감소하기 때문에, 제어부(7)의 처리부담이 경감되고, 처리의 신속성이 담보되는 동시에 유효한 진단재료만을 취득할 수 있어서, 후술하는 생체기능진단을 적절하게 실시할 수 있다.

도 5는 도 1의 자극인가시간에서의 다이어그램을 나타낸다. 자극의 인가에 의해 조직이 활동상태로 되면, Δ[HbO₂] 증가가 우위로 변화하기 쉽고, 혈관은 확장한 후, 수축하고, 드물게 수축후, 확장수축을 확장수축을 반복하기 때문에, 모세혈관 우위 및 정맥 우위이ㅡ 각각 플로트 궤적은 요동 운동에서 원운동으로 전이한다.

단, 모세혈관 우위와 정맥 우위에 이해 원운동의 형태가 달라진다. 모세혈관에서는 자극의 인가에 의해,혈류속도의 상승에 이해 혈구의 증가가 혈장의 증가를 상회하고, 헤마토크리트가 상승하기 때문에, 총헤모글로빈은 증가하기 쉽고, 상기 타입 ① 'Δ[HbO₂] 증가 Δ[Hb] 증가'의 비대칭 변화로 이행하기 쉽다(도면 중 L1). 정맥에서는 유입한 동맥혈(산화형 헤모글로빈 우위)에 의해 정맥혈이 압출되기 때문에, 총헤모글로빈은 증가하기 어렵고, 상기 타입 ② 'Δ[HbO₂] 증가 Δ[Hb] 감소'의 대칭적인 경상(鏡像) 관계로 되기 쉽다(도면 중 L2). 또, 제로점에서의 거리 L [L²= (Δ[HbO₂])²+ (Δ[Hb])²]의 최대는 모세혈관이 보다 큰 것이다.

〈이차원 다이어그램의 평가〉

본 실시형태에 관한 생체기능진단장치는 조직대사를 반영하는 모세혈관 우위의 데이터를 확실하게 추출하는 것을 전제로 하여, 이하의 유효한 진단재료(생체기능정보)를 제공하는 것이다.

제1점째는 계측부위에서의 모세혈관의 확장수축상태에 관한 정보이다. 총헤모글로빈의 농도변화량은 산화형 헤모글로빈의 농도변화량과 환원형 헤모글로빈의 농도변화량의 합인 것이 상술한 바와 같으나, 총헤모글로빈의 농도변화량이 증가경향(즉 Δ[총-Hb] ＞ 0)이라면, 모세혈관은 확장하고 있다고 파악할 수 있고, 한편, 총헤모글로빈의 농도변화량이 감소경향(즉 Δ[총-Hb] ＜ 0)이라면, 모세혈관은 수축하고 있다고 파악할 수 있다. 즉 도 6에 나타내는 원모양의 플로트 궤적(L1)은 모세혈관이 확장하고 있는 상태를 나타내고, 원모양의 플로트 궤적(L1')은 모세혈관이 수축하고 있는 상태를 나타내고 있다. 플로트 궤적(L1)이 P1 방향으로 확장하는 것을 보면, 모세혈관은 확장과정에 있고, 방향 P2로 수축되면, 모세혈관은 정상상태로의 복귀과정에 있는 것을 알 수 있다. 총헤모글로빈의 농도변화량이 제로이면, 모세혈관은 정상상태이다. 그리고, 플로트 궤적(L1')이 P3 방향으로 확장하는 것을 보면, 모세혈관은 수축과정에 있고, 방향 P4로 수축되면, 모세혈관은 정상상태로의 복귀과정에 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, k값의 경시적 변화를 다이어그램화하면 모세혈관의 상태뿐만 아니라 확장, 수축기능의 시간적 추이를 리얼타임으로 파악할 수 있다.

제2점째는 총헤모글로빈의 최대(최소) 농도변화량어ㅔ 관한 정보이다. 베이스라인의 기울기와 평행하고, 다이어그램의 원운동의 접선(T1, T2)는 Y 축과 만나는 점이 총헤모글로빈의 최대(최소) 농도변화량을 나타낸다. 그 이유는 접선(T1)은 y = -x + a로 나타내고, 최대값 a = x + y = 총헤모글로빈의 최대농도 변화량으로 되고, 같은 모양으로, 접선(T2)은 y = -x - b로 나타내고, 최소값 b = -(x + y) = 총헤모글로빈의 최소농도 변화량으로 되기 때문이다. 즉, 모세혈관이 확장하는 과정에서는 총헤모글로빈, 헤마토크리트가 증가방향으로 향하는 한편, 수축하는 과정에서는 총헤모글로빈, 헤마토크리트가 감소방향으로 향한다고 하는 모세혈관의 확장 및 수축에 따라 총헤모글로빈의 변화와의 계속적 대응, 상관관계가 다이어그램으로부터 명확하게 이해될 수 있다.

제3점째는 조직에 인가되는 자극의 강약에 관한 정보이다. 도 7에 나타내는 다이어그램에서, 플로트궤적(L1)은 조직에 대하여 소정 조건의 자극을 인가한 상태를 나타내고, 플로트 궤적(L2)은 플로트 궤적(L1)의 경우 보다도 약한 자극을 인가한 상태를 나타낸다. 플로트 궤적에 둘러싸여 원영역의 면적이 크게되면 큰만큼, 보다 강하거나 또는 보다 긴 자극이 조직에 인가된 것을 의미한다. 단, 이것은 어느 자극도 상대적으로 강하거나 또는 길게 인가되는 경우로서, 인가되는 자극이 상대적으로 약한 경우는 다르게 된다(이것에 대해서는 후술한다).

제4점째는, 조직에 대하여 인가되는 자극의 인가개시시점에 관한 정보이다. 도 8(a)에 나타낸 것처럼, 베이스라인(영역 A)의 진폭에 비교하여, 자극인가개시에서부터 수초 후까지(영역 B)는 증감 패턴이 베이스라인과 유사하기 때문에, 산화형 헤모글로빈 또는 환원형 헤모글로빈의 어느 것인가의 농도변화를 보는 것만으로는 자극인가개시 직후의 변화가 검출될 수 없다. 실제로, 뇌혈류의 변화는 자극인가개시후 혈류상승까지 수초 걸린다고 되었다. 모세혈관 통과시간 내의 1∼2초는 변화가 검출되지 않았다. 그러나, 도 8(b)에 나타낸 것처럼, 이차원의 다이어그램 표시를 행하면, 베이스라인부터의 자극개시에 의해 플로트의 기울기, 벡터가 급속히 변화하는 것으로, 모세혈관 내의 대사과정이 즉시 검출할 수 있도록 되어 있으므로, 밀리초 오더로 혈류대사기능의 변화를 추적할 수 있도록 된다.

제5점째는, 산소소비율와 모세혈관 산소포화도에 관한 정보이다. 모세혈관은 인가되는 자극이 상대적으로 약한 경우, 그 원모양의 플로트 궤적은 우상(右上) 영역에 전이되지 않고, 자극이 강하면 강한만큼 그 플로트 궤적이 우상방으로의 전이량이 크게된다. 동시에, 플로트 궤적이 보다 우상 영역으로 향하는 만큼, 산화형 헤모글로빈의 농도변화량의 증가에 따라 환원형 헤모글로빈의 농도변화량의 증가가 보다 높게 되고, 산소소비율의 항진(亢進)의 정도가 보다 높게 되는 것을 나타낸다. 더욱이, 산화형 헤모글로빈의 농도변화량의 감소에 따라 환원형 헤모글로빈의 농도변화량의 증가하는 좌상영역에서는 모세혈관 산소포화도가 저하하는 것을 나타낸다.

〈 장치를 사용한 진단예(그 1) 〉

지금까지 설명한 이차원 다이어그램은 도 9에 나타낸 것처럼, 사상 1∼4, -1 ∼ -4로 나눌 수 있다. 운동의 부하중량이 증가하면, 플로트 궤적의 사상은 1에서 4로 향하여 변화한다. 그 중에서도 총헤모글로빈이 가장 증가하고 있는 것은 사상 2와 사상3의 산화형 헤모그로빈과 환원형 헤모글로빈이 동시에 증가한 때이다. 사상 3으로 이동하면, 환원형 헤모글로빈의 증가가 산화형 헤모글로빈을 상회하고, 사상 4에서는 산화형 헤모글로빈이 감소한다.

따라서, 사상 1에서 사상 4의 플러스 사상은 총헤모글로빈이 증가하고 있는 상태로 된다.

① 사상1: 뇌의 준비운동상태(환원형 헤모글로빈을 씻어내고, 산화형 헤모글로빈으로 치환한다.

② 사상2: 적당한 운동으로 뇌에 산소를 보낸다.

③ 사상3: 아스리트(경기자) 레벨의 강도

④ 사상4: 이 사상을 길게 유지하면, 뇌의 국소산소 상태가 나빠진다.

⑤ 사상-4: 강도에 의해서는 이 사상까지 이동한다.

한편, 사상 -1부터 사상 -4의 마이너스 사상은 총헤모글로빈이 감소하고 있는 상태로 된다.

① 사상-4: 장시간 지속에 의해 뇌가 위험하게 되는 영역, 근육의 k값은 이 사상에 뇌보다도 옮기기 쉽기때문에, 근육 쪽이 저산소에는 강하다고 말한다.

② 사상-3과 사상-2: 운동부하가 강도로 되면, 그 직후 내지 일시적인 회복과정에서 이 사상을 취하기 쉽다. 회복과정에서 이 사상이 길면, 회복이 늦어지고 있음을 나타낸다.

③ 사상-1: 안정시에도 가면상태에서는 용이하게 사상1부터 이 사상으로 이행한다.

깊은 수면이나 충분한 휴식에서는 사상-2로도 된다.

상기 사상의 성질롤부터 사상1부터 사상4로의 이행, 사상-1부터 사상-4로의 이행은 혈관의 수축확장의 정도도 나타내므로, 진단자의 피험자에 대한 어드바이스는 이하와 같다.

1) 수면에 들어감으로써 사상의 변화가 혈관수축의 방향으로 이행하므로, 휴식시간을 사상의 변화로 보고, 사상이 1 ∼ 4로 돌아가지 어렵게 되면, 사상 -1로 이행하기까지 뇌나 근육을 쉬게 해야한다.

2) 뇌의 부하에 의해, 마이너스 사상에만 변화하고, 플러스사상으로 이행하지 않는 경우, 뇌혈관이 확장부정이라고 진단되므로, 의사의 진단을 받아야 한다.

3) 가벼운 정도의 운동부하에서도, 사상이 4로 이행하여 돌아오지 않는 경우는 대사혈관장해의 의심이 있으므로, 의사의 진단을 받아야 한다.

4) 플로트 궤적에 의해, 기초산소상태를 진단할 수 있다. 그리고, 안정시의 플로트 궤적의 요동에 의해, 기초산소교환의 변동상태의 고저를 진단할 수 있다. 즉, 플로트 궤적이 상술한 L값(사상내 거리)의 작은 값에서 원모양으로 되어 있으면, 변동이 작기때문에, 안정회복시에 L값이 작게 되는 것을 기다려, 다음의 운동을 준비할 수 있다.

5) 사상 -4, 사상 4가 지속하고 있으면, 저산소상태로 되므로, 운동을 중지하고 휴식을 취해야 한다. 사상 -4와 사상-3에서는 저산소 허혈상태이므로, 회복시키기 위해 사상이 돌아오기까지 기다려야 한다.

6) 가면하는 것으로, 사상이 -1, 사상이 -2로 이동하고, L값이 서서히 작아지게 되면, 가면할 수 없는 상태이므로, 릴랙스에 힘써야 한다.

7) 상시 사상변화는 운동후 충분히 회복하지 않은 상태로, 다시 운동하면, 그 부하가 강한 경우, 사상이 상승한 그대로 변화하므로, 그 경우도, 마찬가지로 생각하여 트레이닝을 해야한다.

8) 사상기 좌상방향으로 이행하고 있을 때는 충분한 회복이 없는 이상, 다음의 과제가 온다고 생각하여, 우하방향으로 돌아오기를 기다려야 한다.

9) 사상이 우상향으로 이행하고 있는 때에는, 총헤모글로빈이 증가하고 있는 상태이므로, 총헤모글로빈의 농도변화가 감소하는 좌하방향으로 향하기까지 휴식을 취해야한다.

〈 장치를 사용한 진단예(그 2) 〉

여기서는, 도 2나 도 3을 사용하여 개략 설명한 다중 프로브(A)를 복수개(예를 들면 9개) 준비하고, 이것을 도 10(a)에 나타내도록, 장착대(B)에 적절한 간격을 가지고 부착한 것을 피험자의 두피에 세트한다(도 10(b)). 다중 프로브(A)는 상술한 바와 같이, 데이터의 선택성이 있기때문에, 계측을 개시하여 각각의 다중 프로브(A)가 모세혈관 우위의 데이터를 추출하는 것으로 된다.

도 10(c)는 각 다중 프로브(A)로부터 적정한 모세혈관 우위의 데이터가 추출되도록 된 상태에서, 피험자에 대하여 말을 건 상태의 이차원 다이어그램을 나타내고 있다(약 62초간의 샘플링). 이것으로부터 알 수 있는 것은, (말을 건 것에 의해) 뇌내의 조직이 받는 부담의 강약이다.프로브 넘버1부터 프로브 넘버4에 걸쳐 이차원 다이어그램의 플로트 궤적은 커지고 있고, 또, 프로브 넘버 4부터 프로브 넘버 9에 걸쳐 플로트 궤적이 작아지고 있는 것이 각 부위의 이차원 다이어그램으로부터 알 수 있고, 프로브 넘버4에서의 부위가 말에 첫번째 반응하는 영역인 것을 알 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 관한 생체기능진단장치에 의하면, 자극(내적, 외적 양방을 포함)의 종류마다의 반응부위를 특정할 수 있으므로, 종래와 같이 언어나 운동이라고 하는 대충의 분포는 아니고, 상세한 뇌기능의 각각 분포를 해명하여, 유효한 뇌기능 맵을 작성하는 것이 가능하게 된다. 또, 이 뇌기능맵을 작성하는 것에 의해, 각각 뇌조직이 정상으로 기능하고 있는지 아닌지를 본 실시예에 관한 생체기능진단장치를 이용하여 진단하는 것이 가능하게 된다.

〈 그 외의 실시예 〉

또, 본 발명에 관한 생체기능진단장치는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

상기 실시예에 있어서는, 복수의 계측부위에서 테이터를 동시에 채취하고, 각각의 판정처리를 실행한 후는, 정맥우위의 데이터는 절사(切捨)하도록 하고 있으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 경우에 따라서는 생체기능대사를 이해하기 위해, 모세혈관 우위의 데이터의 비교대상으로서, 정맥 우위 데이터의 채취를 계속할 필요가 있다. 상술의 식 9를 이용하여 정맥 우위의 데이터에서 정맥산소 포화도(SvO₂)를, 모세혈관 우위의 데이터에서 모세혈관 산소포화도(ScO₂)를, 각각 구할 수 있지만, 생체에서는 정맥과는 다르게 모세혈관의 헤마토크리트가 변동하기 쉬우므로, 반드시 동맥쪽(동맥혈 산소포화도(SaO₂))에 가까운 모세혈관 산소포화도(ScO₂)의 값이 정맥 산소포화도(SvO₂) 보다 높은 값을 나타내는 것이라고 제한되는 것은 아니다. 즉, ScO₂= SaO₂- SvO₂는 반드시 성립하는 것은 아니기때문이다. 따라서, 정밀도 높은 모세혈관정보로부터 직접 ScO₂를 아는 것이 필요하다.

또, 상기 실시예에서는, 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈에 관한 것이지만, 동일한 수법에 의해, 생체의 세포(조직)내만이 가지고 있는 세포효소 치토크롬 a, a3 (치토크롬 C 옥시다제)의 농도변화량을 구하고, 진단재료로서 사용될 수가 있다. 치토크롬 a,a3의 농도변화량을 구하기 위해서는 새로운 광조사수단으로서, 830nm의 근적외광이 준비된다. 치토크롬 a,a3(cyt. a,a3)의 농도변화량과 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 농도변화량과의 관계는 식 15에 의해 나타내지기 때문에, 식 3, 식 4와의 연립방정식에 의해, 치토크롬a,a3(cyt.a,a3)의 농도변화량을 구할 수 있다.

ΔO.D.₈₃₀= a₃Δ[HbO₂] + a₃' Δ[Hb] + a₃'' Δ[cyt.a,a3] ···식15

ΔO.D.₈₃₀: 파장 830nm의 흡광도변화량

Δ[cyt.a,a3] : 치토크롬 a,a3의 농도변화량

a₃, a₃', a₃'' : 흡광도계수

그리고, Δ[cyt.a,a3]의 개념이 새롭게 더해지는 것으로, 새론운 평가지수를 설정할 수 있다. 조직에 대한 자극인가에 의해 조직내의 에너지는 소비된다고 하는 사실로부터, 에너지대사의 효소 ATP의 생성에 관한 치토크롬 a,a3와, 자극에 관한 산화형 헤모글로빈과의 사이에는 상관관계가 있다. 그래서, 제어부(7)는 이러한 평가지수(이하, 조직치토크롬 효소교환비 또는 k'값이라고 함)를 식 16에 의해 산출한다.

k' = Δ[cyt.a,a3] /Δ[HbO₂] ···식16

k' : 조직치토크롬효소교환비

조직으로의 산소공급이 충분하지 않으면, 치토크롬a,a3의 변화가 일어난다. 즉, k'값의 플로트에 의한 이차원의 아이어그램 표시를 이용하면, 세포내의 에너지대사가 정상화하는 경과를 파악할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 생체기능 진단장치는 뇌조직에 한하지 않고, 생체의 각부위에 대하여도 적용가능하지만, 뇌계측을 실행하는 경우, 다채널화된 복수개의 플로트를 교대로 소정간격을 가지고 뇌표 전역 또는 그 일부 영역에 세팅하는 것으로, 혈류분포, 헤모글로빈 분포, 산소농도분포, 내부적 혹은 외부적 인가자극분포 등의 토포그래피를 작성.표시하는 것도 가능하게 된다. 본 발명에 관한 생체기능진단장치에 의하면, 노이즈 없이, 정확히 뇌조직의 정보를 반영한 정보를 얻을 수가 있기때문에, 토포그래피의 표시수단을 설치하는 것으로, 고품질 고정밀도의 모니터링을 실행할 수 있다.

그리고, 본 발명에 관한 생체기능 진단장치는 다이어그램을 표시하는 것이 필수요건은 아니고, 예를 들면, ① k값을 시계열적인 표로 하여 표시하고, ② k값을 리얼타임 표시하도록 하여도 좋다. ③ 또는 이들과 다이어그렘을 양방 표시하도록 하여도 좋다. ④ k값의 미분(k각속도)이나 k값의 미분의 미분(k각가속도)를 시계열적인 그래프로 하여 표시하고, ⑤ 횡축을 k값, k각속도 또는 k각가속도 중 어느 것인가로 하고, 종축을 총헤모글로빈의 농도변화량, 환원형 헤모글로빈의 농도변화량 또는 산화형 헤모글로빈의 농도변화량 중 어느 것인가로 한 이차원 다이어그램을 표시하고, ⑥ 횡축을 산화형 헤모글로빈의 농도변화량의 미분, 종축을 환원형 헤모글로빈의 농도변화량의 미분으로 한 이차원 다이어그램을 표시하고, 요는 표시형태에 상관하지 않고, k값에 관한 정보를 경시적으로 표시할 수 있다면, 모세혈관 우위의 데이터의 특정 및 생체기능진단이 가능하게 되기 때문에, 본 발명의 의도하는 범위내에 있다. 다이어그램을 표시하는 경우, 그것은 이차원의 다이어그램에 한하지 않고, 예를들면 시간요소가 가해진(즉, 산화형 헤모글로빈의 농도(변화) 및 환원형 헤모글로빈의 농도(변화)의 평면축에 시간축을 가한) 삼차원의 다이어그램이라도 좋다.

또, 그 외의 정보로서, ① L값(사상거리내), L값의 미분(사상내 이행속도) 또는 L값의 미분의 미분(사상내 이행가속도)를 시계열적인 표로 하여 표시하고, ② 횡축을 L값, L값의 미분 또는 L값의 미분의 미분 중 어느 것인가로 하고, 종축을 총헤모글로빈의 농도변화량, 환원형 헤모글로빈의 농도변화량 또는 산화형 헤모글로빈의 농도변화량 중 어느 것인가로 한 이차원 다이어그램을 표시하는 것도 있다.

그리고, k값과 L값의 양방으로부터 모세혈관 산소포화도의 변화와 헤모글로빈의 농도변화량의 변화의 벡터성분을 분리정제하여 모세혈관 최대산소포화도, 모세혈관 최저산소포화도를 나타내는 시간대와 영역을 계측하고, 시계열적인 표시나 토포그래피의 표시를 하고, 모세혈관 산소포화도의 변화와 헤모글로빈의 농도변화량의 변화의 분포도를 비교하는 것도 있다. 도 11에 나타낸 것처럼, X축(횡축)을 산화형 헤모글로빈의 농도변화량(O축)으로 하고, Y축(종축)을 환원형 헤모글로빈의 농도변화량(D축)으로 한 상술의 이차원 다이어그램(도 11(a))에서, 45도로 설정되는 축(Hb축)은 총헤모글로빈의 농도변화량을 나타내고, -45도로 설정되는 축(ScO₂)은 모세혈관중의 산소포화도를 나타내는 것으로 된다. 그래서, 이것을 도 11(a)의 좌표계를 45도 변환하면, X축(횡축)을 모세혈관 산소포화도(ScO₂축)로 하고, Y축(종축)을 총헤모글로빈이 농도변호량(Hb축) 으로 한 이차원 다이어그램(도 11(b))으로 한다. 이 도 11(b)의 좌표계에 의하면, Hb축에 평행하고, 플로트 궤적에 접하는선의 ScO₂축 좌표값이 최대 산소포화도로 되고, 모세혈관중의 산소포화도의 시간경과이 보다 정확히 계측될 수 있도록 된다.

또, k값을 구하기 위한 전제로 되는 상기 식 1 ∼ 식 6은 근적외분광법에 있어서, 끝까지(철저히) 현시점에서 가장 정밀도가 높은 연산식이라고 할 뿐이고, 금후도 보편적으로 이용되는 것이라고 판정할 수는 없다. 따라서, 장래에 가장 정밀도 높은 연산식이 제공되도록 하는 경우도 있지만, 그 경우는 그 연산식을 이용하여 k값을 구하도록 하는 것은 당연한 것이다.

이것에 따라, 상기 실시예에서는 730 nm 및 850 nm의 두종류의 파장의 광을, 치토크롬을 포함하는 것이라면, 추가로 830 nm의 3종류의 파장의 광을 사용하고 있지만, 본 발명에서는 이 파장에 한정되는 것은 아니다.

Claims

생체의 소정부위에 광을 조사하는 광조사수단과, 생체내에서 출사하는 광을 검출하는 광검출수단과, 검출한 광의 광량을 파라미터로 하는 근적외분광법에서의 연산처리를 실행하는 것에 의해, 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각각 농도변화량을 구하는 연산수단과, 그 양 데이터의 상대비[k]에 관한 정보를 경시적으로 표시하는 표시수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 생체기능진단장치.
제1항에 있어서, 광검출수단은 생체내에서 출사하는 광을 복수의 검출부위에서 검출하는 것이고, 연산수단은 산화형 헤모글로빈 및 환원형 헤모글로빈의 각각 농도변화량을 검출부위마다 요구하는 것이 가능한 생체기능진단장치.
제2항에 있어서, 상대비 [k]가 k≤-0.8의 조건을 충족하는가 아닌가를 판정하는 것에 의해, 판정결과가 옳음으로 되는 검출부위를 특정하는 판정수단과, 그 검출부위에 관한 정보를 입력하는 것에 의해, 판정결과가 그름으로 되는 검출부위를 무효화하는 선택수단을 더 구비하여 이루어지는 생체기능진단장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 표시수단은 상대비[k]에 관한 정보로서, 경시적으로 플로트된 이차원의 다이어그램을 표시하는 것인 생체기능진단장치.