(57)【要約】【課題】  無侵襲によって、生体の代謝に伴う生体情報に基づいて生体内部の状態を詳細に可視化できる可視化装置を提供すること。【解決手段】  光出射装置１は、スペクトラム拡散変調した特定波長を有する被変調光を生体内に出射する。コントローラ３は、光出射装置１がスペクトラム拡散変調に用いた拡散符号系列を取得して光検出装置２に供給する。光検出装置２は、光検出部２１を構成する光検出センサ２１０が前記拡散符号系列を用いて、光出射装置１から出射されて生体内にて反射した反射光のうち、前記拡散符号系列を有する特定の反射光を選択的に逆拡散する。そして、受光した反射光の強度に対応した検出信号に基づき血中酸素濃度を算出する。また、センサ２１０は、血中酸素濃度に基づく画像データを生成して表示部２２に出力する。表示部２２は、画像データに基づき、血中酸素濃度分布を表示する。【選択図】  図６
2006230657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、
前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散して前記生体内を伝播した光が有する信号を検出し、同検出した信号を用いて前記生体内の状態を表す画像信号を生成して出力する光検出手段と、
前記光検出手段から出力された画像信号に基づいて、前記生体内の状態を表示する表示手段と、
前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段が前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列を前記特定の光出射手段から取得するとともに、同取得した拡散系列符号を前記光検出手段に供給して、前記光出射手段と光検出手段の作動を制御する制御手段とを備えた生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項２】
請求項１に記載した可視化装置において、
前記複数の光出射手段は、異なる特定波長を有する光をそれぞれ発生する複数の光発生手段から構成されるものであり、
前記光発生手段を、
前記拡散符号系列を発生する拡散符号系列発生手段と、
前記制御手段から供給される所定の一次変調信号を前記発生した拡散符号系列を用いてスペクトラム拡散変調して、二次変調信号を生成するスペクトラム拡散変調手段と、
前記スペクトラム拡散変調手段によって生成した二次変調信号に基づいて前記特定波長を有する光を発光する光源を駆動する光源駆動手段とを備えて構成した生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項３】
請求項２に記載した可視化装置において、
前記拡散符号系列発生手段を、
前記制御手段から供給される周期乱数を取得する周期乱数取得手段と、
前記取得した周期乱数に対応して、周波数系列のランダムパターンを発生する周波数シンセサイザーとから構成した生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項４】
請求項２に記載した可視化装置において、
前記拡散符号系列発生手段は、
拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更して、前記拡散符号系列を発生することを特徴とする生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項５】
請求項２に記載した可視化装置において、
前記複数の光発生手段がそれぞれ発生した異なる特定波長を有する光は、重畳されて前記生体内に出射されることを特徴とする生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項６】
請求項１に記載した可視化装置において、
前記光検出手段は、基板上に複数集積されて光を検出する光検出センサから構成されるものであり、
前記光検出センサを、
前記生体内を伝播した光を受光する受光手段と、
前記制御手段から供給された拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、
前記取得した拡散符号系列を用いて前記受光した光を逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を復調する逆拡散手段と、
前記逆拡散手段によって復調された信号に基づいて生体の代謝に伴う生体情報を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された生体情報を表す生体情報信号に基づいて前記画像信号を生成する画像信号生成手段とを備えて構成した生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【請求項７】
請求項１に記載した生体情報計測装置において、
前記光検出手段と前記表示手段とが、一体的に組み付けられたことを特徴とする生体内部の状態を可視化する可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の密度、水分、血中酸素濃度、グルコース濃度、血糖値、脈拍、その他の様々な生体の代謝に応じて、生体内の光伝播が伝播する光の波長により異なる変化を生ずる性質に着目して生体内部の情報を計測し、同計測した情報に基づいて生体内部の状態を可視化する可視化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体内部を簡便に無侵襲で計測できる装置および方法として、生体表面に配置された光源から生体内部に光を出射し、生体内部を散乱、吸収されながら伝播して再び生体表面に到達した反射光を受光することにより、生体内部の情報を計測する装置および方法が積極的に提案されている。例えば、下記特許文献１には、半導体レーザ、変調器、光ファイバ、光検出器、多チャンネルロックインアンプを主要構成部品とする生体光計測装置が開示されている。この生体光計測装置によれば、特に、ヘモグロビンの近赤外光における光吸収の変化に基づいて血液中の酸素飽和度を計測することによって、脳の表層における脳の作用などの情報を計測できるようになっている。
【０００３】
上記特許文献１に記載された装置においては、多チャンネルロックインアンプを用いて、光検出器に到達した光を選択的に検出するようになっている。しかし、半導体レーザから出射された光の相互干渉（クロストーク）や外光（例えば、インバータ方式の蛍光灯など）の測定に及ぼす影響などを排除することができず、測定精度が制限される場合がある。
【０００４】
これに対し、下記特許文献２には、各受光部で計測された計測信号を各々増幅する複数の増幅手段および各受光部に入射される光強度を各々減衰する複数の減衰手段の少なくとも一方を備えた光計測装置が開示されている。そして、この光計測装置によれば、計測中に変化する送受光条件に応じて、増幅手段の各増幅率や減衰手段の各減衰率を変化させることによって、必要な信号について最適な信号強度レベルを確保できるようになっている。また、下記特許文献３には、プローブにおける送光点と受光点の配置を最適化することにより、受光点にて特定の送光点から出射された光を受光するマルチチャンネル光計測装置が開示されている。このマルチチャンネル光計測装置によれば、受光点と送光点とが正三角形となるように配置することにより、受光点と送光点との距離を最適化し、受光点にて特定の送光点からの光を受光するようになっている。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２に記載された光計測装置および特許文献３に記載されたマルチチャンネル光計測装置であっても、受光点における送光点からの光の強度を異ならせることにより、必要な光を選択的に受光するのみである。したがって、積極的に必要な光を識別して受光しているわけではなく、光のクロストークや外光の測定に及ぼす影響を排除できない場合がある。
【０００６】
上述の問題を解決するために、本願出願人は、下記特許文献４に示す生体情報測定装置およびこの装置を用いた測定方法を提案している。すなわち、この生体情報測定装置は、擬似雑音系列を用いてスペクトラム拡散変調した光を出射する光出射部と、受光したスペクトラム拡散変調された光を逆拡散変調して検出信号を出力する光検出部とを備えている。そして、この生体情報測定装置によれば、同一の擬似雑音系列を有しない光を排除することができるため、光のクロストークや外光の測定に及ぼす影響を積極的に排除することができる。
【特許文献１】特開２０００−１７２４０７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７４４３号公報
【特許文献３】特開２００４−２４８８４９号公報
【特許文献４】特開２００２−２４８１０４号公報
【０００７】
ところで、上記した特許文献４に記載された生体情報測定装置においては、光検出部が光出射部から出射された２光波長を識別する構成であり、多チャンネル測定を行う場合には、光出射部と光検出部とを１組として、この組み合わせを多数配列する必要がある。このため、生体情報を計測する領域が大きくなることが懸念されるとともに、物理的に多チャンネル計測が困難となる場合がある。
【０００８】
また、最近の医療現場では、生体の特定部位の生体情報を測定し、この測定した生体情報に基づく特定部位の状態変化を観察することにより、患部を容易かつ正確に特定できるようにすることが熱望されている。これに対し、上記した特許文献１ないし特許文献４に記載した装置においては、局所的な生体情報を測定することが難しく、したがって、特定部位の状態変化を詳細にかつリアルタイムに表示することが難しい場合がある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、無侵襲によって、生体の代謝に伴う生体情報に基づいて生体内部の状態を詳細に可視化できる可視化装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の特徴は、生体内部の状態を可視化する可視化装置を、所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散して前記生体内を伝播した光が有する信号を検出し、同検出した信号を用いて前記生体内の状態を表す画像信号を生成して出力する光検出手段と、前記光検出手段から出力された画像信号に基づいて、前記生体内の状態を表示する表示手段と、前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段が前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列を前記特定の光出射手段から取得するとともに、同取得した拡散系列符号を前記光検出手段に供給して、前記光出射手段と光検出手段の作動を制御する制御手段とを備えて構成したことにある。この場合、例えば、前記光検出手段と前記表示手段とが一体的に組み付けられるとよい。
【００１１】
また、この場合、前記複数の光出射手段は、異なる特定波長を有する光をそれぞれ発生する複数の光発生手段から構成されるものであり、前記光発生手段を、前記拡散符号系列を発生する拡散符号系列発生手段と、前記制御手段から供給される所定の一次変調信号を前記発生した拡散符号系列を用いてスペクトラム拡散変調して、二次変調信号を生成するスペクトラム拡散変調手段と、前記スペクトラム拡散変調手段によって生成した二次変調信号に基づいて前記特定波長を有する光を発光する光源を駆動する光源駆動手段とを備えて構成するとよい。また、前記拡散符号系列発生手段を、前記制御手段から供給される周期乱数を取得する周期乱数取得手段と、前記取得した周期乱数に対応して、周波数系列のランダムパターンを発生する周波数シンセサイザーとから構成するとよい。また、前記拡散符号系列発生手段は、拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更して、前記拡散符号系列を発生するとよい。さらに、前記複数の光発生手段がそれぞれ発生した異なる特定波長を有する光は、重畳されて前記生体内に出射されるとよい。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、前記光検出手段は、基板上に複数集積されて光を検出する光検出センサから構成されるものであり、前記光検出センサを、前記生体内を伝播した光を受光する受光手段と、前記制御手段から供給された拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、前記取得した拡散符号系列を用いて前記受光した光を逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を復調する逆拡散手段と、前記逆拡散手段によって復調された信号に基づいて生体の代謝に伴う生体情報を算出する演算手段と、前記演算手段によって算出された生体情報を表す生体情報信号に基づいて前記画像信号を生成する画像信号生成手段とを備えて構成したことにもある。
【００１３】
これらによれば、複数の光出射手段がそれぞれ、異なる特定波長を有するスペクトラム変調された複数の光を生体内部に出射することができる。また、光検出手段が、光出射手段の用いた拡散符号系列を用いることにより、特定の光出射手段から出射されて受光した光を選択的に逆拡散し、同逆拡散した光が有する信号を選択的に検出することができる。これにより、光出射手段が多数設けられた場合であっても、光検出手段は、光の相互干渉や外光の影響を積極的に排除することができる。また、１つの光検出手段が複数の光出射手段からの光を識別して受光することができるため、生体情報を計測する領域を小さくすることができ、特定の局所的な部位における生体情報を計測することができる。
【００１４】
また、光検出手段は、検出した異なる特定波長を有する光ごとに、同光が生体内を伝播するときに得られた情報を含む信号を検出し、この検出した信号を用いて生体内の状態を表す画像信号を生成して出力することができる。これにより、光検出手段は、同手段の周辺、言い換えれば、特定の局所的な部位における生体内の状態を表す画像信号を生成して出力することができる。したがって、表示手段は、特定の局所的な部位における生体情報に基づく生体内部の状態変化を詳細にかつリアルタイムで表示することができる。これにより、特定の局所的な部位における生体内部の状態変化を詳細に観察することができる。
【００１５】
また、本発明に係る可視化装置によれば、生体内の深さ方向における生体内部の状態変化を観察することもできる。この場合には、制御手段が、光検出手段と光出射手段との配置距離が変化するように、光検出手段に光出射手段を識別させる。すなわち、制御手段は、例えば、浅い位置における生体内部の状態変化を観察する場合には、光検出手段と光出射手段との距離が短くなるように、光検出手段に光出射手段を識別させ、深い位置における状態変化を観察する場合には、光検出手段と光出射手段との距離が長くなるように、光検出手段に光出射手段を識別させることができる。これにより、生体内にて深さの異なる位置における状態変化、言い換えれば、生体内部の状態変化を３次元的に観察することができる。
【００１６】
さらに、拡散符号系列を発生させる場合には、チップ周波数を変更させて拡散符号系列を発生させることができるため、生体内における高速な状態変化（例えば、生体内における神経活動など）を観察することもできる。すなわち、チップ周波数を大きく変更して拡散符号系列を発生させた場合には、スペクトラム拡散変調されて光出射手段から出射される光の帯域幅を大きくすることができる。この大きな帯域幅を有する光を用いて生体情報を計測すれば、生体内における高速な状態変化に伴う光の散乱状態の変化を検出することができる。したがって、計測する生体情報の変化速度に応じて、チップ周波数を適宜変更することにより、極めて精度良く、かつ、詳細に生体情報を計測することができる。そして、計測した生体情報に基づいて画像信号を生成して表示手段に表示させることによって、生体内部の状態変化をリアルタイムに観察することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係り、生体内部の状態変化を可視化する可視化装置Ｓの構成を概略的に示している。図１に示すように、可視化装置Ｓは、特定波長成分を含む光を発生する複数の光出射装置１と、光出射装置１から出射された光が生体内部を伝播した後の光を検出して生体内部の状態を表示する複数の光検出装置２とを備えている。また、可視化装置Ｓは、光出射装置１および光検出装置２の作動を統括的に制御するコントローラ３に接続されている。コントローラ３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマーなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするものである。
【００１８】
光出射装置１は、図２のブロック図に示すように、異なる特定波長を有する光を発生させる複数の光発生部１０から構成されている。なお、第１実施形態においては、光出射装置１を５つの光発生部１０によって構成して実施する。これらの光発生部１０は、それぞれ、特定波長を有する光をスペクトラム拡散変調して出射するようになっている。このため、各光発生部１０は、拡散符号系列として、例えば、１２８ビット長の「＋１」と「−１」からなるＰＮ(Pseudorandom Noise)系列を発生させるための拡散符号系列発生器１１を備えている。この拡散符号系列発生器１１は、例えば、アダマール系列やＭ系列、あるいは、ゴールド符号系列をＰＮ系列として発生する。
【００１９】
なお、上記したアダマール系列、Ｍ系列、あるいは、ゴールド符号系列は、一般的にスペクトラム拡散変調に用いられるものと同様であるため、その発生方法に関する詳細な説明は省略するが、以下に簡単に説明しておく。アダマール系列は、「＋１」と「−１」からなるアダマール行列の各行または各列を取り出して得られる系列である。Ｍ系列は、「０」または「＋１」の状態を記憶する１ビットのレジスタをｎ段並べたシフトレジスタを用い、同シフトレジスタの中間から帰還した値と最終段における値との排他的論理和を初段に接続することにより得られる２値系列である。ただし、この２値系列をＰＮ系列とするために、レベル変換を行い、値「０」を「−１」に変換する。ゴールド符号系列は、基本的には、２種類のＭ系列を用意し、これらを加算して得られる符号系列である。このため、ゴールド符号系列は、Ｍ系列に比して、格段に系列数を増やすことができる系列である。そして、これらの系列の特徴として、異なる系列は互いに直交する性質を有しており、積和演算を行うことによって「０」、すなわち、自己以外には相関が「０」となることが挙げられる。
【００２０】
このように、拡散符号系列発生器１１の発生したＰＮ系列は、コントローラ３に出力されるとともに、掛け算器１２に出力される。掛け算器１２は、コントローラ３から供給される駆動信号（一次変調信号）と、拡散符号系列発生器１１から供給されるＰＮ系列との積を取る。これにより、駆動信号（一次変調信号）をスペクトラム拡散変調することができる。そして、掛け算器１２は、スペクトラム拡散変調した駆動信号すなわち二次変調信号を光源ドライバ１３に供給する。なお、掛け算器１２は、本発明のスペクトラム拡散変調手段を構成する。
【００２１】
光源ドライバ１３は、二次変調信号に基づいて、光源１４を駆動（発光）させるものである。光源１４は、例えば、半導体レーザ、発光ダイオード、固体レーザ、ガスレーザなどのうちから適宜採用される。そして、光源１４は、６００〜１０００ｎｍの波長範囲のうち、スペクトラム拡散変調された特定の波長成分を有する光（以下、被変調光という）を発生するものである。なお、この第１実施形態においては、光出射装置１を５つの光発生部１０から構成し、５つの特定の波長を有する被変調光を出射するように実施する。しかしながら、光出射装置１を構成する光発生部１０の数すなわち出射する被変調光の特定の波長の数については、限定されるものではなく、例えば、２〜３つの波長成分を有する被変調光を出射したり、あるいは、６つ以上の波長成分を有する被変調光を出射して実施可能であることはいうまでもない。
【００２２】
光検出装置２は、図３に示すように、生体内部を伝播した被変調光を検出し、同検出した被変調光に対応した検出信号に基づいて生体内部の状態を表す画像信号を出力する光検出部２１と、光検出部２１から出力された画像信号に基づいて生体内部の状態変化（例えば、血中酸素濃度分布など）を画像として表示する表示部２２とから構成されている。光検出部２１は、図３に示したように、基板上に多数集積された光検出センサ２１０から構成される。光検出センサ２１０は、図４のブロック図に示すように、受光器２１１を備えている。受光器２１１は、例えば、フォトダイオードなどを主要構成部品とするものである。そして、受光器２１１は、光出射装置１の光源１４から出射されて生体中を乱反射しながら伝播した被変調光（以下、この被変調光を反射光という）を受光し、電気的な検出信号を時系列的にＡＤコンバータ２１２に出力する。ＡＤコンバータ２１２は、受光器２１１から出力された電気的な検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換して、各掛け算器２１４に出力する。
【００２３】
また、光検出センサ２１０は、周囲に複数配置された光出射装置１のうち、特定の光出射装置１からの被変調光を選択的に受光するために、複数の拡散符号系列取得器２１３を備えている。拡散符号系列取得器２１３は、受光すべき特定の光出射装置１からの被変調光が有する拡散符号系列すなわちＰＮ系列をコントローラ３から取得するものである。そして、拡散符号系列取得器２１３は、取得したＰＮ系列をそれぞれの掛け算器２１４に供給する。
【００２４】
掛け算器２１４は、ＡＤコンバータ２１２から入力した検出信号と拡散符号系列取得器２１３から供給されたＰＮ系列との積を取る。そして、掛け算器２１４は、計算した検出信号とＰＮ系列との積の値を累算器２１５に出力する。累算器２１５は、供給された積の値を、前記供給されたＰＮ系列の１周期以上に渡り加算する。そして、累算器２１５は、特定の光出射装置１から出射されて生体中で減衰した被変調光に対応する検出信号を演算器２１６に出力する。演算器２１６は、累算器２１５によって出力された検出信号に基づいて、血管（特に、毛細血管）中を流れる血液の血中酸素濃度を算出する。そして、演算器２１６は、算出した血中酸素濃度を表す血中酸素濃度信号を画像処理器２１７に出力する。なお、掛け算器２１４と累算器２１５は本発明の逆拡散手段を構成する。
【００２５】
画像処理器２１７は、図５に示すように、フレームコントロール回路２１７ａと、フレームメモリ２１７ｂと、マルチプレクサ２１７ｃと、画像生成回路２１７ｄとを備えた回路である。フレームコントロール回路２１７ａは、各フレームメモリ２１７ｂおよびマルチプレクサ２１７ｃの作動を制御する回路である。フレームメモリ２１７ｂは、フレームコントロール回路２１７ａの制御に従って、演算器２１６から出力された血中酸素濃度信号をフレームごとに一時的に記憶するものである。マルチプレクサ２１７ｃは、フレームコントロール回路２１７ａの制御に従って、フレームメモリ２１７ｂに一時的に記憶された血中酸素濃度信号を画像生成回路２１７ｄに出力するものである。画像生成回路２１７ｄは、出力された血中酸素濃度信号に基づき、表示部２２に所定の態様で表示させる画像データを生成するものである。なお、この第１実施形態においては、演算器２１６から出力された血中酸素濃度信号をフレームメモリ２１７ｂに一時的に記憶するように実施するが、必要に応じて、血中酸素濃度信号をマルチプレクサ２１７ｃに直接出力するように実施してもよい。
【００２６】
表示部２２は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されるものである。そして、表示部２２は、画像処理器２１７から出力された画像データに基づいて、光検出部２１によって検出された局所的な血中酸素濃度分布を表示する。なお、この第１実施形態においては、表示部２２を光検出部２１に対して一体的に組み付けて実施するが、光検出部２１と表示部２２とを別個に設けて実施可能であることはいうまでもない。この場合には、光検出部２１と表示部２２とが、互いに信号を伝送する信号伝送路を介して接続される。そして、光検出部２１から出力された画像データは、信号伝送路を介して、表示部２２に出力される。
【００２７】
次に、以上のように構成した第１実施形態に係る可視化装置Ｓの作動について、頭部Ｔの内部の観察、例えば、脳表層における毛細血管の血中酸素濃度分布を観察する場合を例示して説明する。この観察においては、図６に示したように、頭部Ｔの表面にて、複数の光出射装置１と光検出装置２とを交互に配置しておく。
【００２８】
ここで、図６は、可視化装置Ｓのごく一部を示したものである。したがって、光出射装置１と光検出装置２の数すなわちチャンネル数については、図示した数に限定されるものではなく、より多くの光出射装置１と光検出装置２をマトリックス状に配置することができる。また、可視化装置Ｓの光出射装置１および光検出装置２と頭部Ｔとの間の距離が短ければ、光出射装置１と光検出装置２を直接頭部Ｔに接触させて脳内の血中酸素濃度分布を観察できる。一方、光出射装置１および光検出装置２と頭部Ｔとの間の距離が長ければ、例えば、光ファイバなどを用いて、光出射装置１と頭部Ｔとをそれぞれ接続するとともに、光検出装置２と頭部Ｔとをそれぞれ接続して脳内の血中酸素濃度分布を観察することもできる。
【００２９】
まず、光出射装置１による光の出射について説明する。オペレータは、図示しない入力装置を操作して、頭部Ｔの内部に対し出射する被変調光の特定波長をコントローラ３に指示する。このとき、オペレータは、出射する被変調光に関し、複数の特定波長をコントローラ３に指示することができる。コントローラ３においては、オペレータの指示に従い、頭部Ｔに配置された複数の光出射装置１に対して、指示された特定波長を有する被変調光を発生させるための駆動信号を供給する。光出射装置１においては、供給された駆動信号に基づき、前記指定された特定波長を有する被変調光を発生する光発生部１０が、その作動を開始する。
【００３０】
すなわち、各光出射装置１においては、拡散符号系列発生器１１が、例えば、ＰＮ系列としてゴールド符号系列を発生する。そして、拡散符号系列発生器１１は、発生したＰＮ系列をコントローラ３に対して出力するとともに、掛け算器１２に出力する。そして、掛け算器１２は、コントローラ３から供給された駆動信号すなわち一次変調信号とＰＮ系列との積を取り、駆動信号をスペクトラム拡散変調する。
【００３１】
このように、スペクトラム拡散変調された駆動信号すなわち二次変調信号が光源ドライバ１３に供給されることにより、各光出射装置１の光源１４（例えば、半導体レーザ）は、特定波長を有する被変調光を頭部Ｔに出射する。これにより、出射された被変調光は、頭部Ｔの頭蓋骨を透過して脳表層に入射し、脳表層内を乱反射しながら、すなわち、減衰しながら伝播する。そして、被変調光は、再び頭部Ｔの頭蓋骨を透過し、頭部Ｔの表面に到達する。なお、オペレータによって全特定波長が指示された場合には、各光出射装置１は、５つの特定波長を有する被変調光を重畳して出力する。この場合には、各光出射装置１が有する５つの光源１４から出射されたそれぞれの被変調光が、例えば、光学系レンズや各光ファイバを導光する光を集める集光器によって合成されて出射される。
【００３２】
次に、光検出装置２による反射光の検出について説明する。頭部Ｔの表面に到達した被変調光は、光検出装置２の光検出部２１を構成する多数の光検出センサ２１０によって反射光として検出される。このとき、各光検出センサ２１０には、頭部Ｔに配置された複数の光出射装置１から出射されたそれぞれの被変調光が反射光として到達する。このような状況において、コントローラ３は、光検出センサ２１０に到達した反射光のうち、特定の光出射装置１から出射された被変調光に基づく反射光を選択して受光するように、光検出部２１、より具体的には、光検出センサ２１０を制御する。このコントローラ３による制御を具体的に説明する。
【００３３】
コントローラ３は、上述したように、複数の光出射装置１に対して駆動信号を供給した後、各光出射装置１からＰＮ系列を取得する。そして、コントローラ３は、各光出射装置１の拡散符号系列発生器１１から取得したＰＮ系列を、光検出装置２に対して供給する。これにより、光検出装置２の光検出部２１を構成する多数の光検出センサ２１０は、供給されたＰＮ系列を拡散符号系列取得器２１３によって取得する。そして、拡散符号系列取得器２１３は、取得したＰＮ系列を掛け算器２１４に供給する。
【００３４】
ところで、光検出センサ２１０においては、受光器２１１が頭部Ｔに到達した反射光をすべて受光し、同受光した反射光に応じた電気的な検出信号を時系列的にＡＤコンバータ２１２に出力している。そして、ＡＤコンバータ２１２は、出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換するとともに、同デジタル変換した検出信号を掛け算器２１４に出力している。
【００３５】
この状態において、掛け算器２１４は、ＡＤコンバータ２１２から出力されたデジタル検出信号と、拡散符号系列取得器２１３から供給されたＰＮ系列との積を取る。そして、掛け算器２１４は計算した積の値を累算器２１５に出力し、累算器２１５は、出力された積の値をＰＮ系列の１周期（すなわち、１２８ビット長）以上に渡り加算する。このように、掛け算器２１４と累算器２１５による積和処理により、デジタル検出信号と供給されたＰＮ系列との相関を取ることができ、特定の光出射装置１からの被変調光に対応した検出信号のみを選択して出力することができる。
【００３６】
すなわち、上述したように、ＰＮ系列に関しては、異なる系列が互いに直交する性質、言い換えれば、異なる系列同士の積の和が「０」となる性質を有している。このため、拡散符号系列取得器２１３が掛け算器２１４に対して、特定の光出射装置１のＰＮ系列を供給した場合には、ＡＤコンバータ２１２から出力された検出信号のうち、前記特定の光出射装置１から出射された被変調光に対応する検出信号以外の検出信号と前記供給されＰＮ系列との積の値は「０」となる。これにより、累算器２１５によってＰＮ系列の１周期以上に渡り加算される値も「０」となり、相関は「０」となる。したがって、拡散符号系列取得器２１３から供給されたＰＮ系列を有しない（または一致しない）検出信号、言い換えれば、特定の光出射装置１以外の光出射装置１から出射された被変調光の反射光は選択的に排除され、特定の光出射装置１から出射された被変調光の反射光に対応する検出信号のみが演算器２１６に出力される。
【００３７】
そして、再びオペレータによって、頭部Ｔの内部に出射する被変調光の他の特定波長（第１実施形態においては、合計５つの特定波長）が指示されると、コントローラ３は、指示されたそれぞれの特定波長を有する被変調光について、上記作動制御と同様の制御を繰り返し実行する。これにより、光検出装置２は、各光出射装置１から出射される他の特定波長を有する被変調光のうち、特定の光出射装置１から出射された複数の特定波長を有する反射光に対応する検出信号を演算器２１６に出力することができる。なお、光出射装置１がそれぞれ、５つの特定波長を有する被変調光を重畳して出射した場合には、コントローラ３は、光検出装置２の光検出部２１を構成する光検出センサ２１０の各拡散符号系列取得器２１３に対して、光出射装置１の各拡散符号系列発生器１１から取得したＰＮ系列を出力する。これにより、光検出装置２の光検出部２１は、重畳された被変調光の反射光を分離し、同分離した反射光に対応する検出信号を演算器２１６に出力する。
【００３８】
各光検出センサ２１０の演算器２１６は、累算器２１５から出力された検出信号に基づき、脳内の血中酸素濃度を算出する。この血中酸素濃度の算出について、具体的に説明する。上述したように、頭部Ｔの内部に出射された被変調光においては、例えば、脳表層部分を伝播するときに乱反射を繰り返して減衰した後、反射光として光検出装置２によって検出される。この被変調光の減衰は、被変調光が伝播（透過）する生体組織、あるいは、反射する生体組織によって異なる。例えば、血管に流れる血液中を伝播（透過）し、または、血液により反射した被変調光は、その波長によって減衰量、言い換えれば、被変調光の吸光度合いが異なる。具体的に説明すると、血液を構成する蛋白質としてのヘモグロビンは、酸素と結合して血管中を流れ、各細胞に対して酸素を供給する役目を果たす。このため、動脈中を流れる血液は酸素と結合したヘモグロビン（以下、酸素化ヘモグロビンという）の濃度が大きく、静脈中を流れる血液は酸素と結合していないヘモグロビン（以下、還元ヘモグロビンという）の濃度が大きくなる。
【００３９】
このように、血液中に存在する酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、図７に概略的に示すように、出射した被変調光の波長に対して分子吸光係数が非線形に変化する光吸収スペクトルをそれぞれ有する。したがって、光出射装置１から頭部Ｔの内部に出射された被変調光は、脳表層の毛細血管（動脈または静脈）内を伝播（透過）し、または、毛細血管内を流れる血液により反射することにより、その減衰量が異なる。すなわち、毛細血管中を流れる血液の酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度差によって、被変調光の減衰量が異なる。このように、頭部Ｔの内部に出射された被変調光の減衰量が異なることによって、動脈または静脈内を伝播または血液により反射した後の反射光は、異なる強度を有して光検出装置２に到達する。
【００４０】
このように、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、それぞれ、波長に対して異なる分子吸光係数を有しているため、その結果として、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンによる反射光の強度も異なる。このことから、血管を流れる血液の血中酸素濃度は、濃度と光の減衰の関係を表すランバート・ベール(Lambert-Beer)の法則に従うことにより算出することができる。
【００４１】
すなわち、上述したように、動脈または静脈では、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度が大きく異なる。したがって、図７に示したような酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの分子吸光係数、出射した被変調光の強度および受光した反射光の強度を用いたランバート・ベールの法則に従うことにより、動脈中の血中酸素濃度または静脈中の血中酸素濃度を算出することができる。このため、演算器２１６は、累算器２１５から出力された検出信号、すなわち、特定の光出射装置１から出射された被変調光の反射光の強度を表す検出信号を取得する。そして、演算器２１６は、動脈または静脈中の血中酸素濃度を算出し、血中酸素濃度信号を画像処理器２１７に出力する。
【００４２】
画像処理器２１７においては、フレームコントロール回路２１７ａが、それぞれの演算器２１６から出力された血中酸素濃度信号をフレームメモリ２１７ｂに一時的に記憶させる。そして、フレームコントロール回路２１７ａは、マルチプレクサ２１７ｃに対して、フレームメモリ２１７ｂの所定記憶位置に一時的に記憶されている血中酸素濃度信号を画像生成回路２１７ｄに出力させる。画像生成回路２１７ｄは、出力された血中酸素濃度信号に基づき、例えば、血中酸素濃度の差を色によって表す画像データを生成して表示部２２に出力する。これにより、表示部２２は、出力された画像データに基づき、光検出装置２の配置された周辺における脳表層の血中酸素濃度分布を表示する。
【００４３】
上記のように作動する第１実施形態に係る可視化装置Ｓによれば、光出射装置１は、５つの特定波長を有する被変調光を被検体である頭部Ｔに出射することができる。そして、光検出装置２の光検出センサ２１０においては、受光器２１１が特定の光出射装置１から出射された５つの特定波長の被変調光の反射光を受光し、ＡＤコンバータ２１２、拡散符号系列取得器２１３、掛け算器２１４および累算器２１５によって受光した反射光の強度に対応する検出信号を出力することができる。そして、演算器２１６は、ランバート・ベールの法則に従い、５つの特定波長に対するそれぞれの分子吸光係数、５つの特定波長を有する被変調光の出射強度および出力された検出信号によって表される５つの特定波長を有する反射光の強度を用いて、動脈または静脈、特に、毛細血管の血中酸素濃度をより正確に、かつ、より詳細に算出することができる。
【００４４】
これにより、画像処理器２１７が、血中酸素濃度信号に基づき、所定の表示態様となる画像データを生成することにより、表示部２２は、血中酸素濃度分布を表示することができる。したがって、オペレータは、表示された画像に基づき、無侵襲によって、局所的な頭部Ｔの内部の血中酸素濃度分布、さらには、脳表層における毛細血管の様子を簡便にかつ正確に観察することができる。さらに、オペレータが、図７にて分子吸光係数が非線形に大きく変化する波長範囲にある特定波長（例えば、６９５，７３０ｎｍなど）を指示すれば、光出射装置１は、同指示された特定波長を有する被変調光を出射することができる。これにより、分子吸光係数が非線形に変化する波長領域であっても、光検出装置２による画像データの生成および分布表示を用いることにより、動脈または静脈の血中酸素濃度の変化をより正確に捉えることができる。
【００４５】
また、上記のように構成した可視化装置Ｓによれば、光検出センサ２１０がＰＮ系列を用いることにより、受光した反射光がどの光出射装置１から出射された被変調光に基づくものかを識別することができる。このため、光検出装置２の周辺にて光出射装置１を密に配置しても、クロストークの発生を防止することができる。これにより、頭部Ｔの内部に出射された被変調光が脳表層にて反射する部位が密となり、計測ポイントが多くなる。このため、計測する領域を面状に捉えることができ、計測の解像度を大幅に向上させることができる。これにより、表示部２２は、血中酸素濃度分布を詳細に表示することができるため、血中酸素濃度分布の変化、言い換えれば、脳の活動に伴う血流の変化を詳細に観察することができる。なお、この場合、例えば、光検出センサ２１０が特定の光出射装置１から出射された被変調光の反射光を受光しているときには、コントローラ３が、一時的に、他の光出射装置２の被変調光の出射を抑制するように制御することも可能である。
【００４６】
また、上記のように構成した可視化装置Ｓによれば、例えば、脳内の血中酸素濃度を３次元的に観察することもできる。すなわち、光は、所定の角度を有して出射された場合、反射物までの距離に応じて反射光の到達位置が変化する。具体的に説明すると、ある出射点から光を入射し、反射物までの距離が短い場合には、反射光の到達位置は、出射点に近い位置となる。一方、反射物までの距離が長い場合には、反は光の到達位置は、出射点から遠い位置となる。上述したように、頭部Ｔの内部に被変調光を出射した場合には、頭部Ｔの内部にて被変調光が乱反射するためその厳密な光路は特定できないものの、上記傾向をおおむね有する。
【００４７】
このため、第１実施形態に係る可視化装置Ｓにおいては、オペレータによる観察する部位の深さを変更する指示に応じて、コントローラ３が、光出射装置１と光検出装置２との配置距離が変化するように、光検出装置２に光出射装置１を識別させることによって、深さ方向の血中酸素濃度を表示させることができる。
【００４８】
今、オペレータが、脳表層、例えば、大脳皮質のやや表面側における血中酸素濃度分布を観察する場合を考える。この場合においては、頭部Ｔの表面と大脳皮質の表面側との距離が短い。このため、コントローラ３は、光検出装置２に対して、直近に配置された光出射装置１によって出射された被変調光の反射光を識別するように制御する。すなわち、コントローラ３は、前記直近に配置された光出射装置１の拡散符号系列発生器１１がそれぞれ発生したＰＮ系列を取得する。そして、コントローラ３は、取得したそれぞれのＰＮ系列を、光検出装置２の光検出部２１を構成する各光検出センサ２１０の拡散符号系列取得器２１３に供給する。これにより、光検出装置２は、直近に配置された光出射装置１から出射された複数の特定波長を有する被変調光の反射光を選択的に検出する。そして、光検出装置２は、同選択的に検出した反射光の強度に対応した検出信号に基づき血中酸素濃度を算出し、算出した血中酸素濃度の分布を表示する。これにより、大脳皮質の表面側における血中酸素濃度分布を観察することができる。
【００４９】
次に、オペレータが、例えば、大脳皮質のやや奥側における血中酸素濃度分布を観察する場合を考える。この場合においては、頭部Ｔの表面と大脳皮質の奥側との距離が長い。このため、コントローラ３は、光検出装置２に対して、この光検出装置２との配置距離が遠くなる光出射装置１（例えば、図６において、図示しない紙面垂直方向に配置された光出射装置１）によって出射された被変調光の反射光を識別するように制御する。すなわち、コントローラ３は、配置距離が遠くなる光出射装置１の拡散符号系列発生器１１がそれぞれ発生したＰＮ系列を取得するとともに、同取得したそれぞれのＰＮ系列を各光検出センサ２１０の拡散符号系列取得器２１３に供給する。これにより、光検出装置２は、配置距離が遠くなる光出射装置１から出射された被変調光の反射光を選択的に検出する。そして、光検出装置２は、同検出した反射光の強度に応じた検出信号に基づき血中酸素濃度を算出し、算出した血中酸素濃度分布を表示する。これにより、大脳皮質の奥側における血中酸素濃度分布を観察することができる。
【００５０】
なお、大脳皮質の奥側における血中酸素濃度分布を観察する場合には、出射された被変調光の減衰が大きくなる。このため、コントローラ３は、大脳皮質の表面側の血中酸素濃度分布を観察する場合に比して、受光すべき光出射装置１の光源１４の出力強度を大きくするための駆動信号を出力したり、または、光検出装置２の直近に位置する光出射装置１の光源１４の出力強度を小さくするための駆動信号を出力する。さらに、コントローラ３は、光検出装置２の直近に位置する光出射装置１に対して、被変調光を出射するための駆動信号を出力しないことも可能である。
【００５１】
このように、頭部Ｔの深さ方向にて観察部位を変更する場合には、光検出装置２が識別する光出射装置１の配置距離を適宜変更する。これにより、表示部２２は、脳内の血中酸素濃度分布を３次元的に変更して表示することができる。したがって、無侵襲で脳の活動を詳細に観察することができる。また、この場合には、オペレータは、表示部２２に対して、部分的に３次元的な血中酸素濃度分布を表示させることもできる。すなわち、光検出センサ２１０は、取得したＰＮ系列を変更することにより、識別する光出射装置１を変更することができる。このため、例えば、オペレータが、表示部２２に２次元的に表示された血中酸素濃度分布のうち、３次元的に表示したい部分を選択する。この選択に応じて、コントローラ３が対応する光検出センサ２１０に対して配置距離が変化する光出射装置１のＰＮ系列を供給すれば、表示部２２は、部分的に３次元的な血中酸素濃度分布を表示することができる。
【００５２】
さらに、第１実施形態に係る可視化装置Ｓによれば、コントローラ３の駆動信号に応じて、光出射装置１の拡散符号系列発生器１１が拡散符号系列としてのＰＮ系列を発生し、同発生したＰＮ系列をコントローラ３に出力する。そして、コントローラ３は、出力されたＰＮ系列を光検出装置２の光検出部２１を構成する各光検出センサ２１０の拡散符号系列取得器２１３に対して供給する。これにより、光検出装置２は、光出射装置１からスペクトラム拡散変調されて出射された被変調光を逆拡散することができる。
【００５３】
ここで、拡散符号系列発生器１１が発生するＰＮ系列は、「＋１」と「−１」のレベルの値をランダムに取る矩形波の集まりと考えることができる。このランダムに出現するそれぞれの矩形波の時間幅の逆数で表される速度（以下、チップ周波数という）が大きくなると、このＰＮ系列を用いてスペクトラム拡散変調される駆動信号（一次変調信号）の拡散率を大きくすることができる。換言すれば、チップ周波数を大きくしてスペクトラム拡散変調することにより、光出射装置１から出射される被変調光の帯域幅を大きくすることができる。これにより、生体内における高速な変化（例えば、生体内における神経活動など）を観察することもできる。
【００５４】
具体的に説明すると、例えば、オペレータが生体内で生じる高速な変化を観察することを図示しない入力装置を利用して指示すると、コントローラ３は、各光出射装置１における拡散符号系列発生器１１のチップ周波数が大きくなるように変更制御する。そして、オペレータによって特定波長が指示されると、上述したように、コントローラ３は、複数の光出射装置１に対して特定波長を有する被変調光を発光させるための駆動信号を供給する。これにより、各光出射装置１は、拡散符号系列発生器１１によって大きなチップ周波数で発生されたＰＮ系列を用いて、駆動信号（一次変調信号）をスペクトラム拡散変調し、このスペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて、光源１４から帯域幅の大きな被変調光を出射する。
【００５５】
ここで、例えば、生体内にて神経が活動すると、生体内における光の散乱状態が微小に変化すると考えられている。このため、生体内に複数の光出射装置１から帯域幅の大きな被変調光を出射し、光検出装置２の光検出部２１が特定の光出射装置１から出射され減衰した被変調光すなわち反射光の強度を検出する。そして、この場合には、検出信号を演算器２１６を介さずに画像処理器２１７に直接出力することにより、表示部２２がこの反射光の強度変化に対応した画像を表示することができる。これにより、オペレータは、神経の活動状態を間接的に観察することができる。したがって、第１実施形態に係る可視化装置Ｓによれば、生体内で生じる高速な変化であっても、この変化に基づく反射鏡の強度差を、前記変化と略同時に表示部２２に表示させることによって、生体の内部をリアルタイムに観察することも可能となる。
【００５６】
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。上記第１実施形態においては、可視化装置Ｓを、脳内における血中酸素濃度分布や神経活動などの観察に用いた例を説明した。しかしながら、その他の部位に適用可能であることはいうまでもない。例えば、患者に対して注射を施す場面に可視化装置Ｓを適用し、光検出装置２の表示部２２に静脈のみを強調して表示させ、医師や看護師を支援することもできる。以下、この第２実施形態を詳細に説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、上記第１実施形態と同一部分について、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
この第２実施形態においては、可視化装置Ｓが、図８（ａ）に示すように構成される。すなわち、第２実施形態における可視化装置Ｓにおいては、複数の光出射装置１が、患者の腕の側方から特定波長を有する被変調光を出射するようになっている。また、光検出装置２が、所謂ヘッドマウントディスプレイの一部を構成しており、医師や看護師の眼前に表示部２２が配置される。また、第２実施形態においては、図８（ａ）に示すように、光検出装置２は、上述した光検出部２１と表示部２２に加えて、可視カットフィルタ２３を備えている。可視カットフィルタ２３は、光検出部２１の光検出センサ２１０を多数配置した側に設けられ、光検出センサ２１０に入射する可視光を遮光するものである。
【００５８】
また、この第２実施形態における演算器２１６は、光検出センサ２１０の累算器２１５から出力された検出信号に基づいて動脈または静脈中の血中酸素濃度を算出し、静脈中の血中酸素濃度信号を画像処理器２１７に出力するようになっている。これにより、画像処理器２１７は、患者の腕の静脈部分のみを表す画像データを生成し、表示部２２に対して出力する。そして、表示部２２は、患者の腕の静脈部分のみを強調表示するようになっている。
【００５９】
このように構成された第２実施形態に係る可視化装置Ｓにおいては、まず、患者の腕の側方に配置された複数の光出射装置１から特定波長を有する被変調光が出射される。すなわち、医師または看護師は、コントローラ３を操作して、患者の腕に対して５つの特定波長を有する被変調光を重畳して出射するように指示する。これにより、コントローラ３は、上述した第１実施形態と同様に、それぞれの光出射装置１に対して、駆動信号を出力する。各光出射装置１は、駆動信号すなわち一次変調信号とＰＮ系列との積を取り、駆動信号をスペクトラム拡散変調する。そして、各光出射装置１は、スペクトラム拡散変調された駆動信号すなわち二次変調信号に基づき、光源１４から５つの特定波長を有する被変調光を重畳して患者の腕に対して出射する。
【００６０】
このように、出射された被変調光は、患者の腕内部に入射すると、乱反射しながら一部の被変調光が入射方向にてそのまま透過するとともに、一部の被変調光が医師または看護師の装着した光検出装置２の方向に反射する。このとき、上述したように、血管中を流れる血液の酸素化ヘモグロビンまたは還元ヘモグロビンの分子吸光係数の差により、被変調光は種々の強度を有して患者の腕から反射して光検出装置２に到達する。
【００６１】
光検出装置２においては、可視カットフィルタ２３を透過した反射光が光検出部２１によって検出される。すなわち、光検出部２１を構成する多数の光検出センサ２１０の各受光器２１１が、光検出装置２に到達した反射光をすべて受光する。そして、受光器２１１は、受光した反射光に応じた電気的な検出信号を時系列的にＡＤコンバータ２１２に出力する。ＡＤコンバータ２１２は、この出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換するとともに、掛け算器２１４に変換した検出信号を出力する。
【００６２】
一方、コントローラ３は、複数の光出射装置１の各拡散符号系列発生器１１から取得したＰＮ系列を、光検出部２１を構成する多数の光検出センサ２１０の各拡散符号系列取得器２１３に供給する。そして、光検出センサ２１０の各拡散符号系列取得器２１３は、供給されたＰＮ系列を取得するとともに、同取得したＰＮ系列を各掛け算器２１４に供給する。これにより、掛け算器２１４と累算器２１５によって、ＡＤコンバータ２１２から出力されたデジタル検出信号と、拡散符号系列取得器２１３から供給されたＰＮ系列とが積和処理される。したがって、重畳された被変調光の反射光は分離され、同分離されたそれぞれの反射光の強度に対応した検出信号が演算器２１６に出力される。
【００６３】
演算器２１６においては、出力されたそれぞれの検出信号を取得するとともに、ランバート・ベールの法則に従って、血中酸素濃度を算出する。そして、演算器２１６は、静脈部分を選択するために、算出した血中酸素濃度について、還元ヘモグロビンの割合が予め設定された割合以上であれば、画像処理器２１７に対して血中酸素濃度強調信号を出力する。一方、演算器２１６は、算出した血中酸素濃度について、還元ヘモグロビンの割合が予め設定された割合未満であれば、画像処理器２１７に対して通常の血中酸素濃度信号を出力する。なお、この場合、演算器２１６が、算出した血中酸素濃度について、酸素化ヘモグロビンの割合に基づいて選択すれば、動脈部分を選択することができる。
【００６４】
画像処理器２１７においては、演算器２１６から出力された血中酸素濃度強調信号および血中酸素濃度信号を取得すると、上述した第１実施形態と同様に、表示部２２に表示させる画像データを生成する。このとき、画像処理器２１７は、血中酸素濃度強調信号に対応する部分については、例えば、表示部２２における輝度を大きくして表示させたり、強調色で表示させたりする画像データを生成する。そして、画像処理器２１７は、生成した画像データを表示部２２に出力する。表示部２２においては、画像処理器２１７から出力された画像データに基づき、図８（ｂ）に示すように、患者の腕の静脈部分を強調して表示する。これにより、医師または看護師は、眼前の表示部２２に強調表示された患者の腕の静脈画像を利用することにより、極めて容易に、患者の腕の静脈に注射することができる。なお、この第２実施形態においては、演算器２１６が静脈中の血中酸素濃度を算出するものとしたが、動脈中の血中酸素濃度を算出し、患者の腕の動脈を強調表示させて実施することも可能である。また、他の部分における動脈または静脈を強調表示するように実施可能であることはいうまでもない。
【００６５】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上記第１実施形態および第２実施形態においては、可視化装置Ｓを用いて、生体の外表面側から血中酸素濃度や脳内の神経活動を観察するように実施した。しかしながら、可視化装置Ｓを用いて、生体の体腔内から生体の臓器（例えば、胃など）の血中酸素濃度を観察するように実施することも可能である。以下、この第３実施形態について詳細に説明するが、上記第１実施形態および第２実施形態と同一部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
この第３実施形態においては、可視化装置Ｓを構成する光出射装置１、光検出装置２およびコントローラ３は、従来から医療現場で広く利用されている内視鏡に組み付けられて、内視鏡Ｎを形成している。
【００６７】
内視鏡Ｎは、図９に示すように、生体の体腔内に挿入される細長形状のプローブ４を有している。プローブ４は、光出射装置１または可視光出射装置５から出射された光を生体の臓器まで伝送（導光）するライトガイド４１と、臓器の表層にて反射した光を光検出装置２または可視光検出装置６まで伝送（導光）するイメージガイド４２とを備えて構成されている。なお、ライトガイド４１とイメージガイド４２は、例えば、多成分系ガラスファイバや石英ファイバなどから形成されている。また、プローブ４の先端部分には、ライトガイド４１によって伝送された光を出射するための照明窓４３と、反射した光を集光してイメージガイド４２の入射端面で結像させるためのレンズ状の観察窓４４が設けられている。
【００６８】
可視光出射装置５は、コントローラ３から出力される駆動信号に応じて所定の波長を有する可視光を出射する装置である。そして、可視光出射装置５は、光出射装置１とともに、例えば、光源用コネクタを介して、プローブ４のライトガイド４１の基端部分に接続されている。可視光出射装置５は、図１０（ａ）に示すように、ランプドライバ５１と、ランプ５２を備えている。ランプドライバ５１は、コントローラ３から出力された駆動信号を取得するとともに、同取得した駆動信号に基づいてランプ５２を駆動（発光）させるものである。ランプ５２は、例えば、放電型のキセノンランプであり、可視波長領域の光（白色光）を発光するものである。
【００６９】
また、可視光出射装置５は、ランプ５２からの光量を制限する絞り５３を備えるとともに、この絞り５３により光量の制限された光の光路上に配置された切替フィルタ部５４を備えている。切替フィルタ部５４は、ランプ５２によって発光された白色光のうち、所定の波長を有する光のみを透過する切替フィルタ５４１と、同切替フィルタ５４１を回転駆動する回転モータ５４２とから構成される。切替フィルタ５４１は、略円盤状に形成されていて、その周方向にて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各波長帯域の光をそれぞれ透過する光学フィルタを備えている。この光学フィルタは、例えば、赤色光の有する６００〜７００ｎｍ、緑色光の有する５００〜６００ｎｍ、青色光の有する４００〜５００ｎｍの各波長帯の光を透過するフィルタ特性を有している。そして、切替フィルタ５４１は、回転モータ５４２によって回転駆動されることにより、それぞれの光学フィルタが、ランプ５２からの白色光を順次、赤色光、緑色光、青色光に周期的に分光するようになっている。
【００７０】
可視光検出装置６は、可視光出射装置５によって出射されて臓器表面にて反射した可視反射光を受光し、同受光した可視反射光の画像を撮像するとともに画像処理する装置である。なお、可視光を検出して画像処理するこの種の装置に関しては、一般的に広く実施されているため、以下に簡単に説明しておく。可視光検出装置６は、図１０（ｂ）に示すように、赤外光フィルタ６１、撮像素子６２および画像処理部６３から構成されている。赤外光フィルタ６１は、撮像素子６２に入射する赤外光を遮光するものである。撮像素子６２は、例えば、ＣＣＤ素子(Charge Coupled Devices)やＣＭＯＳ素子(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)など、結像された光学像を光電変換して画像信号を出力するものである。
【００７１】
画像処理部６３は、撮像素子６２から出力された画像信号を画像処理して出力するものである。すなわち、画像処理部６３は、出力された画像信号をプリアンプ６３１で増幅し、さらに、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路６３２で所定レベルまで増幅した後、ＡＤコンバータ６３３によりアナログ信号からデジタル信号（画像データ）に変換する。このようにデジタル変換された各画像データは、マルチプレクサ６３４を経て、フレームメモリ６３５ａ，６３５ｂ，６３５ｃに一時的に記憶される。このように、フレームメモリ６３５ａ，６３５ｂ，６３５ｃに一時的に記憶された画像データは、画像処理回路６３６に入力されることによって合成処理されて、ＲＧＢ信号として出力される。そして、これらの作動は、制御回路６３７によって制御される。
【００７２】
また、この第３実施形態における光検出装置２は、図９に示すように、光検出部２１と表示部２２とが分離されて設けられている。これにより、表示部２２は、光検出部２１の画像処理器２１７から出力された画像データと、可視光検出装置６の画像処理部６３から出力された画像データとをそれぞれ表示することができるようになっている。
【００７３】
なお、この第３実施形態においては、光検出部２１と可視光検出装置６がそれぞれプローブ４の外部に設けられ、観察窓４４およびイメージガイド４２を介して、被変調光の反射光と可視反射光とを受光するように構成した。しかしながら、光検出部２１と可視光検出装置６とを、例えば、プローブ４の観察窓４４の近傍に配置して実施可能であることはいうまでもない。この場合には、イメージガイド４２に代えて信号を伝送する信号伝送路が設けられ、光検出部２１と可視光検出装置６からの画像データが信号伝送路を介して表示部２２に出力されるように構成される。
【００７４】
次に、上記のように構成した第３実施形態における内視鏡Ｎの作動について説明する。なお、この説明においては、患者の口腔から内視鏡Ｎのプローブ４を挿入し、例えば、胃壁を観察する場合を例に挙げて説明する。
【００７５】
医師または看護師は、図示しない入力装置を操作して、コントローラ３に対し可視光出射装置５の作動開始を指示する。コントローラ３は、同指示に従い、可視光出射装置５に対して、所定の可視光を発生させるための駆動信号を供給する。可視光出射装置５においては、供給された駆動信号に基づき、ランプドライバ５１がランプ５２を駆動し、ランプ５２が白色光を発光する。このとき、ランプ５２の発光に連動して、切替フィルタ部５４が作動を開始する。これにより、切替フィルタ５４１が回転モータ５４２によって回転し、絞り５３により光量が制限された白色光は、切替フィルタ５４１の回転数に応じて赤色光、緑色光、青色光に順次分光される。そして、分光された赤色光、緑色光、青色光は、プローブ４のライトガイド４１を介して、照明窓４３まで伝送される。
【００７６】
このように、照明窓４３まで伝送された赤色光、緑色光、青色光は、検体としての胃壁表面にて反射し、観察窓４４に可視反射光として到達する。可視反射光は、観察窓４４により結像された後、イメージガイド４２を介して、可視光検出装置６まで伝送される。可視光検出装置６においては、撮像素子６２が、赤外光フィルタ６１を透過した赤色反射光、緑色反射光、青色反射光についての各画像信号を画像処理部６３に出力する。画像処理部６３においては、プリアンプ６３１、ＡＧＣ回路６３２およびＡＤコンバータ６３３によって、各画像信号（アナログ信号）を画像データ（デジタル信号）に変換する。
【００７７】
これにより、制御回路６３７が、マルチプレクサ６３４の切り換えを制御し、赤色反射光、緑色反射光、青色反射光の各画像データをフレームメモリ６３５ａ，６３５ｂ，６３５ｃに順次一時的に記憶させる。そして、フレームメモリ６３５ａ，６３５ｂ，６３５ｃに記憶された画像データは、画像処理回路６３６により合成されて、ＲＧＢ信号として表示部２２に出力される。これにより、医師または看護師は、表示部２２を介して、可視光の照明の下で撮像した胃壁の様子を観察することができる。
【００７８】
ところで、胃壁には、多数のひだがあり、可視光の照明の下での観察では、患部を発見することが困難となる場合がある。一方では、臓器に疾患が生じると、この疾患部分を中心に血流が増大するといわれている。したがって、胃壁内部の血流状態、より具体的には、動脈および静脈の血中酸素濃度を観察することにより、疾患部分を特定しやすくなる。このため、医師または看護師は、コントローラ３に対して、可視光出射装置５の作動を停止させるとともに、光出射装置１の作動を開始するように指示する。
【００７９】
この指示に従い、コントローラ３は、可視光出射装置５への駆動信号の供給を停止し、上記第１実施形態および第２実施形態と同様に、光出射装置１に対して駆動信号を供給する。これにより、光出射装置１は、被変調光の出射を開始する。なお、この第３実施形態においては、光出射装置１は、例えば、３つの特定波長を有する被変調光を重畳して出射するものとする。このように、出射された被変調光は、ライトガイド４１を介して、照明窓４３まで伝送される。
【００８０】
そして、照明窓４３まで伝送された被変調光は、胃壁内部の動脈または静脈中を流れる血液によって反射され、観察窓４４に反射光として到達する。このとき、上述したように、酸素化ヘモグロビンまたは還元ヘモグロビンの分子吸光係数の差により、反射光は種々の強度を有して観察窓４４に到達する。この反射光は、観察窓４４により結像された後、イメージガイド４２を介して、光検出装置２まで伝送される。光検出装置２においては、上記第２実施形態と同様に、可視カットフィルタ２３を透過した反射光が光検出部２１によって検出される。すなわち、光検出部２１の光検出センサ２１０の受光器２１１が反射光をすべて受光し、反射光に応じた電気的な検出信号を出力する。そして、ＡＤコンバータ２１２、拡散符号系列取得器２１３、掛け算器２１４および累算器２１５により、重畳された被変調光の反射光が分離されて、分離されたそれぞれの反射光の強度に対応した検出信号が演算器２１６に出力される。
【００８１】
演算器２１６においては、出力されたそれぞれの検出信号を取得するとともに、ランバート・ベールの法則に従って、血中酸素濃度を算出する。そして、演算器２１６は、血中酸素濃度信号を画像処理器２１７に出力する。画像処理器２１７は、出力された血中酸素濃度に基づき、胃壁内部の血中酸素濃度分布を表す画像データを生成して表示部２２に出力する。表示部２２は、出力された画像データに基づき、観察窓４４の周辺における胃壁内部の血中酸素濃度分布を表示する。これにより、医師または看護師は、胃壁内部の血中酸素濃度分布を観察することにより、血流状態を確認することができ、胃内部に生じた疾患部分を特定することができる。
【００８２】
ここで、上記第３実施形態においては、医師または看護師が、コントローラ３に対して、可視光出射装置５と光出射装置１とを切り換えて作動させるように実施した。しかし、可視光出射装置５と光出射装置１とを同時に作動させることにより、医師または看護師は、可視光の照明の下で撮像した胃壁の様子と、被変調光を用いて算出された血中酸素濃度分布とを同時に表示させて、観察することもできる。この場合には、可視光検出装置６から出力された胃壁表面を表す画像データと、光検出装置２から出力された胃壁内部の血中酸素濃度分布を表す画像データとを合成する画像処理装置を設けておき、同画像処理装置により画像処理された信号を表示部２２に出力することによって、表示部２２は、胃壁表面の様子と胃壁内部の血中酸素濃度分布とを同時に（重ね合わせて）表示することができる。したがって、医師または看護師は、より好適に、患者の胃内部を観察することができて、より確実に疾患部分を特定することができる。
【００８３】
本発明の実施に当たっては、上記第１ないし第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００８４】
例えば、上記第１ないし第３実施形態においては、駆動信号のスペクトラム拡散変調に際し、拡散符号系列発生器１１の発生するＰＮ系列を用いて実施した。すなわち、上記各実施形態においては、直接拡散方式を用いて、一次変調波をスペクトラム拡散変調して実施した。しかし、周波数ホッピング方式を用いて、一次変調波をスペクトラム拡散変調して実施することも可能である。この場合には、光出射装置１において、上記各実施形態の拡散符号系列発生器１１に代えて、ホッピングシンセサイザを設けておく。また、光検出装置２において、上記各実施形態の拡散符号系列取得器２１３に代えて、ホッピングシンセサイザを設けておく。そして、コントローラ３は、光出射装置１および光検出装置２のホッピングシンセサイザに対して、例えば、同一のホッピングパターンを供給する。このとき、コントローラ３が、光出射装置１ごとに異なるホッピングパターンを設定して、このホッピングパターンを供給すれば、上記各実施形態と同様に、光検出装置２は、クロストークを生じることなく、特定の光出射装置１を識別して選択することができる。これにより、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【００８５】
また、上記各実施形態においては、複数の光発生部１０を１組として、光出射装置１を構成して実施した。しかし、個々の光発生部１０を別個に設けて実施することも可能である。これによっても、光発生部１０を複数設けることにより、複数の特定波長を有する被変調光を生体内に出射することができて、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００８６】
さらに、上記各実施形態においては、可視化装置Ｓまたは可視化装置Ｓを組み付けた内視鏡Ｎが血液の吸光特性を利用して生体内部を観察する場合に適用して実施した。しかしながら、光出射装置１を構成する複数の光発生部１０が発生するそれぞれの特定波長を適宜変更することにより、他の吸光特性、例えば、生体の密度、水分や、血中のグルコース濃度、血糖値、脂質量、あるいは、脈拍などの変化に伴う吸光特性を利用可能であることはいうまでもない。このように、他の吸光特性を利用する場合であっても、本発明に係る可視化装置Ｓを用いることにより、生体内部を詳細に観察することができる。また、上記各実施形態においては、ランバート・ベールの法則に基づいて血中酸素濃度を算出するとともに血中酸素濃度分布を表示させて、生体内部を観察するように実施した。しかしながら、例えば、血中酸素飽和度や血流などの他の生体情報を算出し、これらの算出結果をグラフ表示や数値表示させて、生体内部を観察することはもちろん実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可視化装置の概略を示すブロック図である。
【図２】図１の光出射装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】図１の光検出装置の構成を説明するための概略図である。
【図４】図３の光検出センサの構成を概略的に示すブロック図である。
【図５】図４の画像処理器の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６】本発明の第１実施形態における可視化装置の配置および作動を説明するための図である。
【図７】酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの波長に対する分子吸光係数の変化を概略的に示したグラフである。
【図８】（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る可視化装置の作動を説明するための図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係り、本発明の可視化装置が適用された内視鏡の構成を説明するための概略ブロック図である。
【図１０】（ａ）は、図９に示した可視光出射装置の構成を概略的に示したブロック図であり、（ｂ）は、図９に示した可視光検出装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…光出射装置、１０…光発生部、１１…拡散符号系列発生器、１２…掛け算器、１３…光源ドライバ、１４…光源、２…光検出装置、２１…光検出部、２１１…受光器、２１２…ＡＤコンバータ、２１３…拡散符号系列取得器、２１４…掛け算器、２１５…累算器、２１６…演算器、２１７…画像処理器、２２…表示部、３…コントローラ、４…プローブ、５…可視光出射装置、６…可視光検出装置、Ｓ…可視化装置、Ｎ…内視鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006230657.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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