(57)【要約】  【課題】  送光点と受光点の中点直下の生体部位の寄与率を高くして、計測点でのデータとした場合の信頼性が高くなるようにした光生体計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】  生体上に計測点Ｍが同一位置となる送光点Ｔ１（Ｔ２）と受光点Ｒ１（Ｒ２）との対を複数設定し、それぞれの送光点と受光点の対ごとに測定プローブ１１を用いて当該計測点Ｍについて別々に光計測を行う同一計測点複数計測部と、同一計測点複数計測部により別々に光計測された複数の計測結果に基づいて当該計測点についての光計測データを算出する計測データ算出部とを備え、平均化処理を行うことで、送光点、受光点直下の寄与を低減し、計測点直下の寄与を高める。【選択図】図１
2006305120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体上に対となる送光点と受光点とを設定し、光源光を送光点に導いて照射する送光プローブと受光点から放出される光を光検出器に導く受光プローブとの対からなる測定プローブを用いて送光点から受光点まで生体部位を透過散乱した光を検出し、送光点と受光点の中点をこの測定における計測点とみなして計測点における光計測を行う光生体計測装置であって、
生体上に計測点が同一位置となる送光点と受光点との対を複数設定し、それぞれの送光点と受光点の対ごとに測定プローブを用いて当該計測点について別々に光計測を行う同一計測点複数計測部と、
同一計測点複数計測部により別々に光計測された複数の計測結果に基づいて当該計測点についての光計測データを算出する計測データ算出部とを備えたことを特徴とする光生体計測装置。
【請求項２】
送光点と受光点との対は、計測点を中心とする同心円上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光生体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内を透過散乱させた光を計測することにより、生体内情報を取得する光生体計測装置に関し、さらに詳細には、複数の送光点と受光点との対から生体内情報を取得する光生体計測装置に関する。本発明の光生体計測装置は、具体的には、例えば、脳内の活性化部位の分布を測定する脳機能診断装置や酸素供給の変化を測定する酸素モニタとして利用される。
【背景技術】
【０００２】
血液中のヘモグロビンは、酸素と結合してオキシヘモグロビンとなり、また、酸素から離れてデオキシヘモグロビンとなる。ヘモグロビンは、酸素と結合し分離することができる性質を利用して、生体各部へ酸素を運搬する役割を果たしている。血液中に含まれるヘモグロビン量は、血管の拡張・収縮に応じて増減するため、組織中のヘモグロビンの量を計測することによって、血管の拡張・収縮を検出することが知られている。
【０００３】
血液中のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとは、可視光から近赤外光領域にかけて異なる分光吸収スペクトル特性を有していることから、例えば近赤外光を用いて血液中のヘモグロビンによる光吸収を計測することにより、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度を算出することができる。
このオキシヘモグロビン濃度やデオキシヘモグロビン濃度は、生体内での酸素代謝に対応して変化する。そのため、生体内の脳、各種臓器、筋肉などの血液中のオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度を、近赤外光の光吸収計測によって無侵襲で測定し、オキシヘモグロビン濃度変化およびデオキシヘモグロビン濃度変化から各生体部位の酸素代謝変化を計測し、その部位の状態を測定する生体の光計測法が確立されている。
【０００４】
例えば、脳内では活性化部位で多くの酸素が消費されるが、血流再分配作用によって、当該活性化部位では消費される酸素量以上の酸素供給が行われるのが普通である。その結果、活性化部位ではオキシヘモグロビン濃度が増加する傾向がある。
そこで、複数の送光点および受光点を頭部に格子状に並ぶように配置し、送光プローブにより各送光点に光を導いて生体内に照射し、各受光点から放出される光を検出し、複数の異なる計測点でのオキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の変化を測定して、脳内分布を測定することにより、脳内の活性化部位を観察するマルチチャンネル光計測装置が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３３７０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光生体計測装置には、複数の計測点について光計測を行うことができるように、生体上に複数の送光点と受光点の対を定めて測定を行うマルチチャンネル光計測装置と、一対の送光点と受光点により１つの計測点について測定するシングルチャンネル光計測装置とがある。マルチチャンネル光計測装置であれ、シングルチャンネル光計測装置であれ、１つの計測点に対応して、一対の送光点と受光点の組が設定してあり、対をなす送光点と受光点の中点直下（すなわち送光点と受光点の垂直二等分線上）の生体部位が計測点の位置であるとみなしている。この送光点および受光点の対と計測点との関係についてさらに説明する。
【０００６】
図７（ａ）は従来からの光生体計測装置の構成を示す図であり、図７（ｂ）はその光生体計測装置における一対の送光点および受光点と、これら送光点および受光点の対により定められる計測点との位置関係を示す平面図である。光生体計測装置１０の測定プローブ１１は、送光プローブ１２と受光プローブ１３とからなり、送光プローブ端１４が生体Ｂ上の送光点Ｔに押し当てられ、また、受光プローブ端１５が生体Ｂ上で送光点Ｔから離隔した受光点Ｒに押し当てられる。このとき、送光点Ｔと受光点Ｒとの中点が計測点Ｍとみなされる。なお、マルチチャンネル光計測装置では、同様の送光点Ｔと受光点Ｒの対が複数設定され、それぞれに対応して複数の計測点Ｍが存在することになる。
【０００７】
図７（ａ）に示すように、送光点Ｔから照射された光は、生体内で組織により散乱されながらランダムに進行し、一部の光は受光点Ｒに達し、ここから生体外に放出される。受光点Ｒから放出される光には、生体内で透過散乱光が密に通過する領域での光吸収の情報が多く含まれている。図８は、一対の送光点Ｔおよび受光点Ｒによる感度領域Ｓ（測定領域）を上から平面的に示した図である。感度領域Ｓは楕円形状をなしており、受光点Ｒから放出される光には、この感度領域Ｓの光吸収の情報が多く含まれていることになる。
【０００８】
図９は、送光点Ｔと受光点Ｒとを通過するように切り出した断面における、光吸収に関する情報の空間分布（受光点から放出される検出光での寄与率）を濃淡で表した図である。一対の送光点Ｔおよび受光点Ｒによる感度領域Ｓは、バナナ状の領域Ｒとなすように拡がっている。一方、図７に示したように、一対の送光点Ｔおよび受光点Ｒの組により定義される計測点Ｍは、送光点Ｔと受光点Ｒの中点とみなされ、送光点Ｔと受光点Ｒとの垂直二等分線上が測定領域とされていることから、図３のバナナ状領域Ｒと図１の計測点Ｍとの比較から明らかなように、バナナ状領域Ｒからの情報を計測点Ｍからの情報とみなすのは無理がある。すなわち、生体表面からの深さによっては、送光点Ｔ、受光点Ｒの垂直二等分線上での光吸収の情報の割合が少なく、むしろ、送光点Ｔ近傍や受光点Ｒ近傍の光吸収の情報の割合が大きい場合がある。特に浅い領域では送光点近傍および受光点近傍の光吸収の情報がほとんどである。
【０００９】
図１０、図１１は、図７に示した一対の送光点および受光点により光計測した場合の深さｄ１、ｄ２（ｄ１＜ｄ２）における光吸収への寄与分布を説明する図である。
図においてＸＹ方向は、生体表面に沿った面方向を示し、Ｚ方向は、ある深さｄでの光吸収の情報量の多さ（寄与率）を表している。
この寄与分布の算出は、例えば以下の論文にて紹介されている計算式により、解析的に求めることができる。
Michael S.Patterson, B. Chance, and B.C. Wilson, 「Time resolved reflectance and trancemittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties」,15 June(1989), Vol.28, No.12,p2331-2336, APPLIED OPTICS
【００１０】
生体表面に近い浅い領域（深さｄ１）では、図１０に示すように、送光点と受光点に対応する位置に２つの急峻なピークが発生しており送光点、受光点直下の組織からの寄与率が高くなっている。一方、送光点と受光点との中点における深さｄ１の位置（すなわち計測点直下の位置）にはピークがなく、寄与率がほとんど零に近い値になっている。このことから、深さｄ１の浅い領域については、計測点直下の情報は計測結果にほとんど影響していない。
【００１１】
一方、深い領域（深さｄ２、ｄ１＜ｄ２）では、図１１に示すように、図１０に比較して送光点と受光点に対応する位置にある２つのピークがやや緩やかになっているが、寄与率が大きくなっている点はほぼ同じである。また、中点における深さｄ２の位置には、鞍部が発生しており、寄与率はピークの半値程度ではあるが、計測点直下の深さｄ２の位置からの影響が計測結果に及んでいる。
【００１２】
したがって、従来の光生体計測装置により得られた計測データは、計測点とみなした中点直下の生体部位からの寄与が多少は存在するものの、十分ではなく、中点を計測点とみなすことが適当ではない場合もあった。特に、送光点や受光点直下の生体部位に特異点が存在すれば、その影響が色濃く反映されたデータとなることから、信頼性が低いデータとなってしまうことがあった。
【００１３】
そこで、本発明は、できるだけ中点直下の生体部位からの寄与率を高くして、計測点でのデータとした場合の信頼性が高くなるようにした光生体計測装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、送光点、受光点直下の寄与率をできるだけ平均化し、この部分からの影響を薄めるようにした光生体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するためになされた本発明の光生体計測装置は、生体上に対となる送光点と受光点とを設定し、光源光を送光点に導いて照射する送光プローブと受光点から放出される光を光検出器に導く受光プローブとの対からなる測定プローブを用いて送光点から受光点まで生体部位を透過散乱した光を検出し、送光点と受光点の中点をこの測定における計測点とみなして計測点における光計測を行う光生体計測装置であって、生体上に計測点が同一位置となる送光点と受光点との対を複数設定し、それぞれの送光点と受光点の対ごとに測定プローブを用いて当該計測点について別々に光計測を行う同一計測点複数計測部と、同一計測点複数計測部により別々に光計測された複数の計測結果に基づいて当該計測点についての光計測データを算出する計測データ算出部とを備えるようにしている。
【００１５】
この装置によれば、光計測を行おうとする生体部位を計測点に定めると、計測点に対応して生体上に複数の送光点と受光点との対が設定される。このとき、計測点が送光点と受光点との中点位置になるような複数の送光点および受光点の対が設定される。送光点および受光点の設定は、送光点と受光点との位置関係を定める位置決め用のホルダを用意して、ホルダにプローブを固定するようにしてもよいし、複数対の送光プローブおよび受光プローブが予め位置決めされた測定プローブを用いるようにしてもよい。
同一計測点計測部は、送光点と受光点の対ごと別々に、送光プローブにより、光源からの光を送光点に導き生体内に照射する。光は生体内を散乱しながら透過し、一部が対となる受光点に至り、当該受光点から生体外に放出される。放出された光は、受光プローブによって光検出器に導かれるので、これを検出する。同一計測点計測部は、送光点と受光点との対ごとに、この検出を行い、同一計測点について異なる送光点および受光点の対により、複数の計測結果を得る。送光点と受光点の対ごとに検出されるデータには、計測点直下からの寄与とともに、送光点および受光点直下からの寄与が含まれる。このうち前者（計測点直下）の寄与はすべての対に共通し、後者（送光点および受光点直下）の寄与はすべての対で異なることになる。
そして、計測データ計測部は、同一計測点について別々に得た複数の計測結果に基づいて、平均化処理など送光点、受光点近傍の影響を除去する演算処理を行うことにより、当該計測点直下からの寄与を増幅した光計測データを得る。これにより、当該計測点について、送光点および受光点近傍の影響を低減し、計測点直下の影響を大きくした計測結果を得る。
【００１６】
ここで、計測点となる部位は、生体上の頭部、胴部、上肢、下肢などいずれでもよい。計測位置により、脳、各種臓器、筋肉についての光計測を行うことができる。
光源光には、近赤外光を用いることが好ましいが、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンによる吸収差が検出できる波長の光が照射できる光源であればよい。
【００１７】
送光プローブと受光プローブとからなる測定プローブは、送光点と受光点との対の数に応じて複数本用意し、予め、プローブを生体に固定するためのホルダ等により生体に固定しておくことで、効率的かつ安定的な計測ができるので好ましいが、１つの測定プローブを、順次、異なる送光点と受光点との対に移動させて、使い回すようにして測定することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、送光点と受光点との中点直下の生体部位からの寄与率を大きくした計測データを得ることができるので、送光点と受光点との中点を計測点とみなす場合に、計測結果に対する信頼性を高くすることができる。
また、本発明によれば、送光点、受光点近傍の寄与率が平均化されるので、この部分からの影響を薄めた計測データを得ることができ、送光点、受光点直下に特異点がある場合でも、その影響を弱めることができる。
【００１９】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、送光点と受光点との対が、計測点を中心とする同心円上に配置されるようにするのが好ましい。
すなわち、１つの送光点と受光点との対を基準とした場合、他の送光点と受光点の対は、計測点を中心として回転した位置にくるように配置する。具体的には、２対の送光点と受光点を用いる場合は、送光点と受光点とが９０度ずつ回転した位置に配置される。また、３対の送光点と受光点とを用いる場合は、送光点と受光点とが６０度ずつ回転した位置に配置される。
これによれば、それぞれの送光点と受光点の対が作る感度領域であるバナナ状領域は同一形状であり、互いに計測点を中心に回転したものとなるから、平均化処理など送光点、受光点近傍の影響を除去する演算処理が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の光生体計測装置について、図を用いて具体的に説明する。図1は本発明の一実施形態を示すシングルチャンネルの光生体計測装置の構成を示す図であり、図１（ａ）は光生体計測装置の測定プローブを生体表面にセットしたときの斜視図、図１（ｂ）は二対の送光点および受光点と、これら送光点および受光点の対により定められる計測点との位置関係を示す平面図である。
【００２１】
光生体計測装置１は、装置本体１０と測定プローブ１１とから構成される。光生体計測装置１の測定プローブ１１は、送光プローブ１２ａ、１２ｂと受光プローブ１３ａ、１３ｂとからなり、送光プローブ端１４ａ、１４ｂが生体Ｂ上の送光点Ｔ１、Ｔ２に押し当てられ、また、受光プローブ端１５ａ、１５ｂが、生体上で送光点Ｔ１、Ｔ２から離隔した受光点Ｒ１、Ｒ２に押し当てられる。送光点Ｔ１、Ｔ２と受光点Ｒ１、Ｒ２とは、同心円上で９０度ずつ回転した位置に配置される。このとき、送光点Ｔ１（Ｔ２）と受光点Ｒ１（Ｒ２）との中点が計測点Ｍとみなされる。
【００２２】
装置本体１０は、光計測に必要な制御を行う制御部２０を備えている。この制御部２０が実行する制御を、機能ごとに分けて説明すると、同一点複数計測部２１と計測データ算出部とに分けられる。
同一点複数計測部２１は、送光点Ｔ１（Ｔ２）と受光点Ｒ１（Ｒ２）の対ごと別々に、送光プローブ１２ａ（１２ｂ）により、光源（装置本体１０に内蔵）からの光を送光点Ｔ１（Ｔ２）に導き、生体内に照射する制御を行う。光は生体内を散乱しながら透過し、一部が対となる受光点Ｒ１（Ｒ２）に至り、当該受光点から生体外に放出される。放出された光は、受光プローブ１３ａ（１３ｂ）によって光検出器（装置本体１０に内蔵）に導かれるので、同一点複数計測部２１は、これを検出する制御を行う。さらに、同一計測点計測部２１は、送光点と受光点との対ごとに、この検出を行い、計測点Ｍについて異なる送光点および受光点の対により、複数の計測結果を得る。送光点と受光点の対ごとに検出されるデータには、計測点Ｍ直下からの寄与とともに、各送光点Ｔ１（Ｔ２）および各受光点直下Ｒ1（Ｒ２）からの寄与が含まれる。このうち前者（計測点直下）の寄与は、すべての対についての計測データに共通に含まれ、後者（送光点および受光点直下）の寄与は、対応する対の計測データのみに含まれることになる。
【００２３】
計測データ計測部２２は、計測点Ｍについて別々に得た複数の計測データに基づいて、平均化処理を送光点、受光点近傍の影響を除去する演算処理を行うことにより、当該計測点直下からの寄与を増幅した光計測データを得る制御を行う。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、送光点Ｔ１（Ｔ２）から照射された光は、生体内で組織により散乱されながらランダムに進行し、一部の光は受光点Ｒ１（Ｒ２）に達し、ここから生体外に放出される。受光点Ｒ１（Ｒ２）から放出される光は、生体内における透過散乱光が密に通過する領域の光吸収の情報が多く含まれている。図２は、送光点Ｔ１および受光点Ｒ１の対による感度領域と、送光点Ｔ２および受光点Ｒ２の対による感度領域とを、上から平面的に重ねて示した図である。感度領域Ｓは、中央部分で２つの楕円形状の感度領域が重なっており、丸みを帯びた十字形状をしている。
【００２５】
図３、図４は、図１、図２に示した二対の送光点および受光点によりそれぞれ光計測し、２つの計測データを合算した場合の深さｄ１、ｄ２（ｄ１＜ｄ２）における光吸収への寄与分布を説明する図である。これらは、従来例で説明した図１０、図１１に対比されるものである。
【００２６】
生体表面に近い浅い領域（深さｄ１）では、図３に示すように、送光点と受光点に対応する位置に４つの急峻なピークが発生しており送光点、受光点直下の組織からの寄与率が強くなっている。一方、中点における深さｄ１の位置（すなわち計測点Ｍ直下の位置）にはピークがほとんどなく、寄与率がほとんど零に近い値になっている。このことから、深さｄ１の浅い領域については、図１０と同様に、計測点Ｍ直下の情報は計測結果にほとんど影響していない。
しかしながら、深い領域（深さｄ２）では、図４に示すように、図１１に比較して送光点と受光点に対応する位置にピークが存在するとともに、４つの送光点および受光点に挟まれた値中央部分においてもほぼ同程度のピークが存在している。つまり、計測点Ｍとなる中点直下の寄与率を高くすることができ、計測データにおける中点近傍影響が強くなっている。
【００２７】
次に、上述した２対の送光点と受光点による計測データを利用するようにした光生体計測装置１０の計測動作について説明する。計測点Ｍについて、まず送光点Ｔ１、受光点Ｒ１の対による光計測測定を行う。続いて送光点Ｔ２、受光点Ｒ２の対による光計測測定を行う。そして、２回の光計測データの平均値（すなわち合算データの半値）を算出する。これにより、計測点Ｍ直下の寄与率が高められた計測データを得ることができる。
【００２８】
上記実施形態では、二対の送光点および受光点を設定したが、これに限られず、図５に示したように、三対の送光点Ｔ１〜Ｔ３、受光点Ｒ１〜Ｒ３を利用して、３回の計測を合算するようにして計測点直下の寄与率をさらに高めてもよい。この場合は図６に示したように、六方向に丸みを帯びた凸部を有する感度領域Ｓが形成される。送光点と受光点との対の数をさらに増やせば、計測点直下の寄与率をより高めることができるが、装置コストも増大することになるのでコストとの関係で対の数を定めればよい。
【００２９】
また、上記実施形態は、１つの計測点について計測するシングルチャンネルの光生体計測装置であるが、これをマルチチャンネルの光生体計測装置に適用することができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、脳機能診断装置や酸素モニタ等のヘモグロビンの光吸収を利用した光生体計測装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態である光生体計測装置の構成を示す図であり、図１（ａ）は測定プローブを生体に取り付けた状態での斜視図、図１（ｂ）は送光点と受光点と計測点との位置関係を示す図である。
【図２】図１の光生体計測装置における感度領域を説明する図である。
【図３】図１の光生体計測装置による浅い深さｄ１での寄与率を説明する図である。
【図４】図１の光生体計測装置による深い深さｄ２（ｄ１＜ｄ２）での寄与率を説明する図である。
【図５】本発明の他の一実施形態である光生体計測装置での送光点と受光点と計測点との位置関係を示す図である。
【図６】図５の光生体計測装置での感度領域を説明する図である。
【図７】従来からの光生体計測装置の構成を示す図であり、図７（ａ）はプローブを生体に取り付けたときの断面図、図１（ｂ）は送光点と受光点と計測点との位置関係を示す図である。
【図８】従来の光生体計測装置における感度領域を説明する図である。
【図９】光生体計測装置における送光点と受光点との間に形成されるバナナ状領域を説明する図である。
【図１０】図７の光生体計測装置による浅い深さｄ１での寄与率を説明する図である。ある。
【図１１】図７の光生体計測装置による深い深さｄ２（ｄ１＜ｄ２）での寄与率を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：光生体計測装置
１１：測定プローブ
１２ａ、１２ｂ：送光プローブ
１３ａ、１３ｂ：受光プローブ
Ｔ１、Ｔ２：送光点
Ｒ１、Ｒ２：受光点
Ｍ：計測点
Ｓ：感度領域
【図１】
2006305120.tif 000003
【図２】
2006305120.tif 000004
【図３】
2006305120.tif 000005
【図４】
2006305120.tif 000006
【図５】
2006305120.tif 000007
【図６】
2006305120.tif 000008
【図７】
2006305120.tif 000009
【図８】
2006305120.tif 000010
【図９】
2006305120.tif 000011
【図１０】
2006305120.tif 000012
【図１１】
2006305120.tif 000013