(57)【要約】特に赤外光を用いた分光法による生体組織（Ｔ）に関するパラメータの無侵襲測定装置および方法を開示する。これは、組織（Ｔ）に向かって１つまたは複数の所定の波長を有する光信号を発光可能な複数の光源（２）、光源（２）による照射の結果として組織（Ｔ）を透過する光信号を検出するための光検出器（１０）、および、前記光源の各々が発した前記光信号を変調するための、光源（２）によって発せられた光のための駆動手段（７ａ、７ｂ）、を有し、本装置はさらに、駆動手段（７ａ、７ｂ）が接続され、変調関数同士、ならびに、ランダムなもしくは周期的なノイズ源と低い相互相関を有する変調関数を用いる広帯域スペクトル変調である、スペクトル拡散法により、前記光源（２）の発した光信号の変調を制御する処理手段（９）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に赤外光を用いた分光法による生体組織に関するパラメータの無侵襲測定装置であって、
−各光源が前記組織に向かって１または複数の所定波長の光信号を発することができる、複数の前記光源、
−前記光源による照射の結果として前記組織を透過する光信号を検出する光検出器、および、
−前記光源の各々が発する光信号を変調するための、前記光源が発した前記光のための駆動手段、を有し、
さらに、
−前記光源が発した前記光信号の「スペクトル拡散」法による前記変調を制御するために前記駆動手段に接続されている処理手段を有する、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記処理手段が、前記光検出器に接続され、前記検出器が検出した前記信号に対する前記各光源の寄与を決定し、前記寄与に比例して複数の信号を出力する、逆多重化手段を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記逆多重化手段が、検出された前記信号と、発せられた前記各光信号のそれぞれを独立的に乗算し、前記光源の数と同じ数の乗算された信号を出力する、乗算手段を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記逆多重化手段が、前記乗算された信号を適当な時間間隔にわたって積分し、前記各光源の、前記検出器によって検出された信号に対する前記寄与を求めるための、積分手段を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記発せられた光信号が、低い相互相関を有して０と１との間で擬ランダムな数列として振動する関数である、請求項１ないし４のいずれか１つまたは複数に記載の装置。
【請求項６】
前記発せられた光信号がゴールド・コードである０、請求項１ないし５のいずれか１つまたは複数に記載の装置。
【請求項７】
前記検出器と前記処理手段との間に配され、前記検出された信号を増幅およびフィルタリングするための手段を有する、請求項１ないし６のいずれか１つまたは複数に記載の装置。
【請求項８】
前記各光源の前記検出器が検出した前記信号に対する前記寄与に関する数値を記憶するためのメモリを有する、請求項２ないし７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記逆多重化手段が、前記処理手段によって実行可能なプログラムを有する、請求項２ないし８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記パラメータが前記生体組織の酸素化である、請求項１ないし９のいずれか１つまたは複数に記載の装置。
【請求項１１】
前記パラメータが、生体組織の潅流および／または血管新生である、請求項１ないし１０のいずれか１つまたは複数に記載の装置。
【請求項１２】
特に赤外光を用いた分光法による生体組織に関するパラメータの無侵襲測定方法であって、
−複数の光源により前記組織向けて複数の光信号を発するステップ、
−前記組織を透過した光信号を検出するステップ、および、
−前記光源によって発せられた前記複数の光信号のそれぞれを駆動手段によって駆動するステップ、を有し、
さらに、
−前記駆動手段を処理手段の支配下とするステップ、と、
−前記処理手段によって前記駆動手段を制御し、前記発せられた光信号を「スペクトル拡散」法で変調するステップ、とを有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
さらに、前記各光源の前記検出された信号に対する寄与を決定するために前記検出された信号を逆多重化するステップを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記逆多重化ステップが、前記検出された信号を前記発せられた光信号の各々で独立的に乗算し、前記光源の数に等しい数の乗算された信号を出力するステップを有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記逆多重化ステップが、前記乗算された信号を適切な時間間隔にわたって積分し、前記各光源の、前記検出器が検出した前記信号に対する前記寄与を求めるステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記検出器が検出した前記信号を増幅し、フィルタリングするステップを有する、請求項１２ないし１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記各光源の、前記検出器が検出した前記信号に対する前記寄与に関する数値をメモリに記憶させるステップを有する、請求項１３ないし１６のいずれか１つまたは複数に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主請求項１の前文に従う、特に赤外光を用いた分光法による生体組織に関するパラメータの無侵襲測定のための装置に関する。本発明は別に、分光法による、これらパラメータの測定法を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
赤外光分光法は、例えば、組織の酸素化や潅流の判定や、胸部の腫瘍の発見といった無侵襲診断に関する技術分野において数多くの用途を有する。赤外分光法はスポーツでも、競技レベルにおいて用いられており、そのような場においては、筋肉の酸素化や組織における脂肪のパーセンテージといった所定のパラメータに関する知識が、選手にとって正しいトレーニングプログラムを決定する上で必要となっている。
【０００３】
例えば、この技術により組織の酸素化の程度を検出することができる。なぜなら、この酸素化を担っているヘモグロビンは、酸素化状態または脱酸素化状態であるかによって異なる赤外吸収スペクトルを有するからである。さらに、スペクトルのこの領域において、ヘモグロビンは支配的な光学的吸収体である。よって、当該生体組織を、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数が判っている所定の波長の赤外光で照射し、該組織による散乱光、透過光、または、後方散乱光を検出すれば、当該組織において存在するヘモグロビンに関する２つの量間の比、つまり、該組織の酸素化測定量、が得られる。
【０００４】
周知の赤外分光装置においては、複数の赤外光源、ならびに、１つもしくは複数の、分析されるべき器官もしくは組織によって透過もしくは散乱される光を検出する検出器、を一般に使用している。それゆえ、検出器からの信号を適切に処理して、当該パラメータを得る必要がある。このため、検出した信号において、異なる光源に起因する成分を識別可能である必要がある。しかし、検出器に到達する信号は多くの場合、非常に弱く、また、同一の環境下において存在する電磁波による干渉を含んだノイズに影響を受ける。
【０００５】
この問題を回避するため、周知の装置では大きなスクリーンが備えられており、これによって装置を高価で、重くて大きなものにしている。さらに、ノイズに影響されている信号を処理するには、アナログ的な手段であっても、デジタル的な手段であっても、一般に複雑なフィルタリングの方法論を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の基調をなす技術的課題とは、上述の先行技術を参照して議論した課題を克服するように構造設計および機能設計がなされた分光法による生体組織に関するパラメータの無侵襲測定の装置および方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本課題は、添付のクレームに従う装置および方法による本発明によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の特性および有利点は、添付の図面を参照し非制限的例示として示される本発明の好適な実施形態により明白となる。
【０００９】
先ず図１を参照すれば、赤外光分光、特にオキシメータによる生体組織に関するパラメータの無侵襲測定装置を一般に１で示す。
【００１０】
装置１は、複数の赤外光源２を有し、特に、発光ピークが６６０ｎｍ、７００ｎｍ、８５０ｎｍ、および、８８０ｎｍである４つのＬＥＤを２群備えている。各群はプラスチック材料を有する基板３に備え付けられ、スクリーンドケーブル(screened cable)５により、４つのチャンネル６を有し、箱型筐体４に収められたカレント・ドライバに接続されている。光源２は、プログラムされたシークエンスに従って赤外光を生体組織Ｔに照射し、その組織の酸素化の程度を求めることができる。その詳細は以下に記す。測定に際して装置１の使用可能な光源２の数は、行う測定の種類によって可変であり、かつ、測定の種類により決定可能である。
【００１１】
装置１はまた、駆動手段７ａ、７ｂを有し、これらは処理手段９の支配下にあり、各光源２から発せられた信号を変調可能である。各光源２から発せられる信号はｎ＝１、．．．、Ｎなる関数ｆｎと書くことができ、ここでＮは測定に用いられる光源２の数に等しく、処理手段９において構成されるパラメータと合わせている。
【００１２】
装置１はさらに、箱型筐体４の中に２つの独立した受信チャンネル８ａ、８ｂを有する。これらはそれぞれ、組織Ｔを透過した光を受光するように、光検出器１０、特にＰＩＮフォトダイオードと、スクリーンドケーブル１３により接続可能である。
【００１３】
さらに２つの無増幅アナログチャンネル４３ａ、４３ｂを箱型筐体４から、別の補助センサ（図示せず）との接続に使用可能である。
【００１４】
受信チャンネル８ａ、８ｂは、以下に詳細に記すようにフィルタおよび増幅が可能であり、処理手段９によって作動するように構成されたアナログ／デジタル変換器１３（ＡＤＣ）に電気的に接続される。よって、デジタル信号出力が処理手段９に含まれるマイクロコントローラ１２によって処理される。また、このマイクロコントローラには内部メモリ１２ａが含まれる。
【００１５】
受信チャンネル８ａ、８ｂは共に、プログラム可能な増幅、および、フィルタの手段を有し、これらは一般に、図３に示されるブロック図のように、それぞれ１６ａ、１６ｂと示される。
【００１６】
増幅およびフィルタ手段１６ａは２つのステージ１７、１８を含む構造を有し、第１ステージ１７は、フォトダイオードとの直接的な接続のための、高感度トランスコンダクタンス増幅器として、または、前置増幅(preamplified)された検出器に接続される電圧増幅器として、択一的に構成可能である。第１ステージ１７と直列の第２ステージ１８は、可変ゲイン電圧増幅器１９を有し、これはソフトウェアによって制御可能であり、その後にはハイパスフィルタ２０が続いておりこれは除外することも可能であり、また、ＡＤＣに接続されている。
【００１７】
第１ステージ１７は、検出器１０から来た入力信号と、入力接続部５０を有する高インピーダンス差動増幅器２６から来た信号とを加算するための、加算手段２５を有する。
【００１８】
積分−減算モードにおけるハイパスフィルタ２２は加算手段２５に、除外可能な方法で接続されて検出器１０で検出される信号よりも大きさが数オーダー大きいような直流バックグラウンド信号を補正する。
【００１９】
増幅およびフィルタ手段１６ｂは手段１６ａの構造とよく類似した構造を有し、また、ハイパスフィルタ２２に類似した、積分−減算モードにおけるハイパスフィルタ２２’を有する第１ステージ１７’、および、手段１６ａの第２ステージ１８と同様の方法で形成されている第２ステージ１８’を有する。
【００２０】
処理手段はまた、個々の光源２のそれぞれのＡＤＣ１３によるデジタル信号出力への寄与を識別するための逆多重化手段２４を有する。逆多重化手段２４もまた、デジタル信号を乗算するための手段３１、および、デジタル信号を積分するための手段３２を有する。
【００２１】
また処理手段９には、処理されるデータを記憶しておくための大容量メモリユニット２８、ならびに、汎用同期／非同期送受信器（ＵＳＡＲＴ）およびＳＰＩインターフェース２６を有する複数の周辺機器ユニットを有する。
【００２２】
シリアルＩ／Ｏ制御ポート２９も、処理手段のプログラミングのため、箱型筐体４において利用可能であり、よって、装置を分解することなしに装置１の機能についてさらなる修正または改良を加えることが可能である。シリアルポート２９は周辺機器用ＵＳＡＲＴ、および、アンテナ５２を有する無線送信ステーション５１に接続されている。
【００２３】
内部ＥＥＰＲＯＭメモリ１２ａは、測定操作の様々な段階を構成するプログラムおよびそれぞれのプロトコルを記憶可能である。さらに、好ましくはＳＲＡＭ型である、メモリユニット３０が処理手段に接続されてそのデータ保持能力を高めている。
【００２４】
ＬＥＤディスプレイ４１、キーパッド４２、および、ビーパ４３も箱型筐体内に組み込まれている。
【００２５】
装置１はバッテリ４４によって電力が供給され、また、バックアップバッテリ４５を備えている。
【００２６】
組織Ｔの酸素化の程度に関する測定を実行するため、本発明による測定方法では、所定の波長で各赤外光信号光源（例えば、４つの光源２）を同時に発光させる。駆動手段７ａは、各光源２から発せられた信号に、処理手段９に設定された変調を与え、よって、その特性については以下で詳述する変調関数ｆｎと、ｎ番目の光源とがそれぞれ結び付けられる（ここでｎは１からＮまでの数であり、かつ、Ｎは用いられる光源の数と等しい。）。
【００２７】
処理手段９は図示していないコンピュータによってプログラムされ、また、構成されており、シリアルポート２９によって装置１と接続されている。特に、メモリ１２ａ内部には、予め定められた変調関数ｆｎに関する値を記した表が存在する。測定用プロトコルのプログラムもまたメモリ１２ａ内に存在し、修正可能である。
【００２８】
そして、本方法は、組織Ｔを透過し光検出器１０に検出される光の強度を与え、このようにして得られた信号Ｓは、次式に等しい。
【数１】
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ここで、ａｎは個別的なｎ番目の光源２による応答性であり、事前に選択した受信チャンネル、この場合は８ｂ、に送信される。
【００２９】
受信チャンネル８ｂにおいて、信号Ｓはフィルタを受け、上記のように適切に増幅され、それからＡＤＣ変換器１３に送られて信号がアナログからデジタルに変換される。信号はこのようにしてＡＤＣからデジタル信号Ｓ’の形でマイクロコントローラ１２に送られる。
【００３０】
そして、このように処理された信号Ｓ’を逆多重化するためのステップ、つまり信号Ｓ’を構成する各成分とその成分を産み出した各光源との間の関連性を形成するステップが供される。特に、逆多重化を実行するため、乗算手段３１が信号Ｓ’を各関数ｆｎのそれぞれで独立的に乗算し、このようにして得た第ｎ番信号が、好都合に、積分手段３２によって適切な時間間隔にわたって積分される。事前に選択されている変調関数の特定の構造により、光源の数と等しい、Ｎ個の成分Ｓｎが得られる。各成分Ｓｎはそれぞれｎ番目の光源と関連している。
【００３１】
検出された信号をデジタル信号へ変換することで、逆多重化ステップは、マイクロコントローラ１２内に入力されているプログラムによりデジタル的に実行可能なシンプルな代数演算として表すことができ、よって、乗算手段３１および積分手段３２が表しているのは一のプログラムの異なるステップである。これらの演算を実行するため、マイクロコントローラ１２は、関数ｆｎが採用した値を含んでいる表を周期的に全ての光源２について同時的に問い合わせをし、それらの状態を判断する。代替的に、積分手段３２がローパスフィルタ（図示せず）を有する、アナログ回路を配してもよい。
【００３２】
このようにして得たＮ個の成分Ｓｎは周知のアルゴリズムを用いてマイクロコントローラ１２によって処理されて、血液の酸素化の程度に関する測定量を得る。測定処理によって得たデータは次にマイクロコントローラ１２のメモリ１２ａに記憶され、そして、任意的にシリアルＩ／Ｏ接続によって外部の大容量メモリにダウンロードされる。代替的に、集まったデータを、無線送信ステーション５１およびアンテナ５２を用いて無線によって送信してもよい。
【００３３】
吸収効果および散乱効果が合わさり、検出器１０で検出される光は、光源２によって発せられる光と比べて非常に弱められる。従って検出される信号はノイズ、特に電磁ノイズ、に対して非常に敏感である。光源２によって発せられる信号に変調を導入することで、検出される信号における電磁ノイズの影響を低減している。特に、本発明の方法において用いている型の変調は狭帯域ノイズに対して効果的であり、また、検出された信号に対する個々の光源の寄与の識別も可能である。
【００３４】
周知の装置において用いられている変調方法は、「ロック・イン("lock-in")」変調として知られているが、これは信号対ノイズ比の改善には効果的ではない。なぜなら、通常、病院環境において存在する最も強力なノイズ源は、殆どの電子的構成要素が動作する周波数帯と同一の帯域で発せられているので、（関数ｆｎが本質的には正弦関数である）ロック・イン変調では全く改善が見られない。
【００３５】
本発明特有の特徴により、関数ｆｎは、関数ｆｎがノイズ信号の挙動と類似した挙動をするように選択される。また、これら関数は、互いの、および、ランダムなもしくは周期的なノイズ源との、相互相関が低い。この種の変調は「スペクトル拡散("spread-spectrum")」変調と呼ばれ、つまり広帯域化されたスペクトルでの変調であり、以下の例から明瞭となる。
【００３６】
逆多重化ステップにおいて、ｎ番目の光源による信号Ｓのｎ番目成分は乗算手段３１および積分手段３２によって計算される。
【数２】
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【００３７】
最後の等号は、上記のように、変調関数の相互相関をゼロとしたことによる。よって、総和のうちｎ番目の要素のみがゼロ以外の値をとる。ノイズによる汚染という事象において、この逆多重化処理を改変するようなノイズの種類、つまり、上記計算された積分値に影響を与えるようなノイズの種類とは、関数ｆｎに非常に近い形のノイズのみである。しかし、そのｆｎがノイズ信号の形に類似した形を有し、かつ、定義より、独立であるノイズが高い自己相関と低い相互相関を示すとすれば、このような類似は到底起こりそうにないことである。逆多重化処理においては、ｆｎで乗算することによって他の全てのノイズ源のスペクトルは、ｆｎが占める周波数間全体に「拡散」される。つまり、積分がノイズの増幅を最小レベルに低減する。
【００３８】
特に、本発明の方法においては、低い相互相関を有し、擬ランダムな数列で０と１との間で振動する関数を、変調関数ｆｎとして事前に選択している。さらに、Ｎ個の光源全てに対し、これらの数列は周期的で、共通の周期を有し、０と１との間での値の遷移は、共通の時間間隔の整数倍である瞬間に起こる。これらの仕様を満足する関数は、例えば、マグナボックス・コーポレーション(Magnavox Corporation)の開発した「ゴールド・コード(Gold codes)」である。
【００３９】
組織もしくは器官の酸素化の測定に関連して装置および方法を説明したが、これと同一の方法および装置を用い、単に、逆多重化手段２４により出力される信号として得られる成分Ｓｎを処理するためのアルゴリズムを別のアルゴリズムにすることで、同一の方法および装置を用いて別のパラメータを測定することも可能である。よって、この装置は、例えばマンモグラフィ(mammography)装置や、組織内の脂肪のパーセンテージを測定する装置であってもよい。
【００４０】
よって、本発明は、提起した問題を解決し、周知の解決法にはない多くの優位性を提供する。
【００４１】
第１の優位性は、光源の変調を制御する演算およびその後の信号逆多重化の演算が、プログラムで実行可能なシンプルな演算であることにより、本発明の測定装置のハードウェアは非常に小規模であり、装置生産を簡単化する点にある。
【００４２】
さらには、「スペクトル拡散」信号変調法を使用することにより、検出信号のノイズによる汚染は極めて困難であり、よって大掛かりなスクリーニングが必要ではない点である。
【００４３】
上記２点の優位性の意味するところは、製造された測定装置はコンパクトかつ軽量であり、換言すれば、ポータブルであり、また、よって、例えば運動競技トレーニンググラウンドのような、非特異的環境における使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による測定装置の概略的平面図である。
【図２】図１の測定装置のブロック図である。
【図３】図２の装置の詳細に関するブロック図である。
【図４】本発明による測定方法のステップの１つを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ・・・  無侵襲測定装置
６  ・・・  チャンネル
９  ・・・  処理手段
１３  ・・・  アナログ／デジタル変換器
２４  ・・・  逆多重化手段
２９  ・・・  シリアルＩ／Ｏ制御ポート
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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2004538063.tif 000007
2004538063.tif 000008
2004538063.tif 000009
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2004538063.tif 000011
2004538063.tif 000012
2004538063.tif 000013
2004538063.tif 000014
2004538063.tif 000015
2004538063.tif 000016
2004538063.tif 000017
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2004538063.tif 000023
2004538063.tif 000024
2004538063.tif 000025
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004538063.tif 000026
2004538063.tif 000027
【国際調査報告】
2004538063.tif 000028
2004538063.tif 000029
2004538063.tif 000030