(57)【要約】【課題】生体内の血液は、皮膚血流と生体組織内血流に大きく分類される。測定対象は生体組織内の血流であるが、第１の開口部から光を照射して第２の開口部で光を受光する構成では測定値に生体表面付近の皮膚血流の変化を含むため、姿勢変化などによる皮膚血流の影響が測定に現れる。【解決手段】本願発明は、全体の受光量から開口部の生体表面付近の受光強度および光の照射点と受光点の中間位置の生体表面付近の受光強度に重み付けをして差し引くことにより生体組織内血流をより正確に計測することを可能とした。【選択図】  図４
2012005556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体光計測装置であり、第１の波長の光を発生する第１の光源及び該第１の光源と同一の波長の光を発生する第２の光源、３つの開口部及び３つの受光手段を有し、
上記第１の光源からの光を第１の開口部に照射して第２の開口部で受光し（受光１）、
上記第２の光源からの光を該第２の開口部に照射して該第１の開口部で受光し（受光２）、
上記第１の光源による光を上記第１の開口部で受光し（受光３）、
上記第２の光源による光を上記第２の開口部で受光し（受光４）、
上記第１の光源からの光を第１の開口部に照射して第３の開口部で受光し（受光５）、
上記第２の光源からの光を上記第２の開口部に照射して第３の開口部での受光（受光６）するように構成され、
上記受光１から受光６により受光された光をそれぞれ電気信号に変換する手段と、該電気信号に変換された光を受光強度に換算する手段を有することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
上記受光１から上記受光３及び上記受光５をそれぞれ受光強度に応じた係数を持って差し引きする手段並びに上記受光２から上記受光４及び上記受光６をそれぞれ受光強度に応じた係数を持って差し引きする手段を有することを特徴とする上記請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項３】
上記第１および第２の光源において、上記第１の波長の光と異なる波長の第２の波長の光に切り替える切替器を具備することを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、生体機能情報を近赤外光により計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光は、生体内部の情報を簡便かつ非侵襲で得る手段として有効であり、光により生体の機能情報を計測する装置が開発されている。生体内に存在する何種類かの色素の光吸収特性は、波長に依存することが一般に知られている。このため、例えば、血液中のヘモグロビン色素の光吸収特性を波長の異なる２種類の光を利用して測定すれば、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの相対量、すなわち、酸素の消費量を計測することができる。
【０００３】
可視から近赤外の波長の光を用いて生体の機能を計測する装置として、従来から光トポグラフィと呼ばれる生体（主として脳機能）の光計測装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。これは生体の表面（例えば、頭部）に光の照射点と光の受光点を配置して拡散・反射光を測定し、ヘモグロビン色素の光吸収特性から酸素消費量を推定する装置である。
【０００４】
その基本的な概念図を図８に示す。開口部１ａから光を照射して距離Ｄ離れた開口部１ｂにて受光した場合、１ｂで受光される光は伝播経路１３に従い伝播した拡散・反射光である。そこで、距離Ｄの中点では、伝播経路はもっとも深いｃの領域、すなわち、生体組織内の血液量変化による拡散反射光の伝播特性が測定できると考えられている。この測定を表面の複数の位置で行うことにより２次元の光の伝播特性の分布が計測され、運動に伴う筋肉内の酸素消費量の測定や脳の賦活状態の推定が行われている。
【０００５】
しかしながら、そのような従来技術においては、１組の光の照射点と受光点を考えた場合、その中点位置付近の内部での生体組織内血流で光の吸収係数の変化が生じていると考え、拡散・反射光の測定結果からヘモグロビン代謝を求めているが、空気中から照射された光の大部分は、屈折率の高い生体の表面付近で反射されてしまい、内部に拡散散乱される光は一部であるという特性がある。さらに、上記図８の構成からは、実際に受光される光には表面付近での反射による皮膚血流の光吸収特性も含まれると考えられ、姿勢変化などにより皮膚血流が移動するとその影響が測定値に生じ、正確な生体組織内血流の光吸収特性の計測が行えないという問題があった。
【０００６】
この課題に対して検出用のプローブを倍密度で配置することにより、表層近傍の血液量変化を捕らえて補正する方法が多チャネルのトポグラフィ装置に関して検討されている。
【０００７】
しかしながら、上記多チャンネルトポグラフィでは、装置が大がかりになるので、少数チャネルにも適用できる簡便な補正方法として、照射と同一開口部での受光を補正に用いることにより（全受光量から開口部近傍の受光量を差し引く補正）、測定値から皮膚血流の光吸収係数の変化に伴う測定値の変動を低減して、姿勢変化などによる影響を受けにくい生体光計測装置が開発された（特許文献１参照）。
【０００８】
すなわち、図９に示すように、同一の波長の光を発する第１の光源と第２の光源、２つの開口部および２つの受光手段を有し、第１の光源からの光を第１の開口部に照射して第２の開口部で受光し（受光１）、第２の光源からの光を第２の開口部に照射して第１の開口部で受光し（受光２）、第１の光源の光を第１の開口部で受光し（受光３）、第２の光源の光を第２の開口部で受光（受光４）する構成を有し、受光１から受光４を、受光２から受光３を受光強度に応じた係数を乗じて差し引くことにより皮膚（表面）血流の影響を低減している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“Ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｍｏｔｏｒ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅＮＩＲ ｔｏｐｏｇａｐｈｙ”，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ．２２，ｐｐ．１９９７−２００５，１９９５．
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７―１１１４６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記開口部の生体表面近傍の受光強度を受光強度に応じて差し引く補正のみでは、開口部間における生体表面近傍の影響が残存しており、まだ、深部組織の正確な情報が得られていない。そこで、本願発明においては、深部組織のより正確な情報を得ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明においては、補正係数を容易に導出することを目的として、上記の同一開口部の補正に加えて、両開口部から等距離にある点からの情報も加味して補正することにより、更に正確な深部組織の情報を得ることができた。
【００１３】
また、正三角形の頂点に照射点および受光点を設け、正三角形の重心に補足的な受光点を設定することにより、三角形頂点３点についての同時補正も可能とした。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明においては、同一開口部の補正に加えて、両開口部から等距離にある点からの情報も加味して補正することにより、生体深部組織のより正確な情報を得ることができた。また、三角形の重心にも補足的な受光素子を配置することにより、三角的の各頂点の受光点の測定を同時に補正することを可能とした。このように、開口部の中点および三角形の重心にも補正用の受光点を設けたことにより、深部組織のより正確な情報を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本願発明による３角形配置の場合の生体光計測装置の全体構成
【図２】本願発明に用いられる光ファイバの説明図
【図３】本願発明に用いられる開口部と照射部・受光部の間の接続方法を説明する図
【図４】本願発明による生体光計測の原理説明図
【図５】本願発明に係る計測点の三角形配置図
【図６】本願発明による表面近傍吸収変化の補正効果を示す図
【図７】本願発明に係る２つの波長の光を用いた計測方法を説明する図
【図８】従来の生体光計測の原理測定図
【図９】従来の生体光計測の改良された測定方法の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下においては、本願発明を実施するための形態を示す。なお、説明を簡単にするために一波長の光を用いた場合を主に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明による三角形配置の場合の生体光計測装置の構成を示す。本実施例において開口部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、生体表面に配置されて、光の照射と戻り光の受光に用いられる。開口部には、必要に応じて集光のためにレンズを設ける。開口部１ａ、１ｂ、１ｃと光の照射部・受光部３ａ、３ｂ、３ｃの間および開口部１ｄと光の受光部３ｄの間は、光ファイバで接続される。
【００１８】
光の照射部・受光部３ａ、３ｂ、３ｃにおいては、光と電気信号の変換を行う。光の照射部では半導体レーザなどの光電変換素子により電気信号を光信号に変換し、必要に応じてレンズを介して出力される。受光部では必要に応じてレンズを介して光を受光し、フォトダイオード等の受光素子により電気信号に変換する。光照射部４は、必要に応じて、照射される光を周波数に応じて振幅変調して、測定に必要な振幅に調整する。受光回路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、変換された信号に対して必要に応じて増幅や位相検波を行い、受光強度を求める。信号処理装置６は、デジタル／アナログ変換器及びアナログ／デジタル変換器７を介して受光回路５ａ等に接続される。信号処理装置６では、入射光の強度の調整、測定データの信号処理、測定結果の画面表示を行う。
【００１９】
単数のファイバで接続する場合は、照射用と受光用の光ファイバを融着して開口部へ入力する。複数の光ファイバで接続する場合には、図２に示すように、照射光と受光をそれぞれ複数の光ファイバから構成される光ファイバ束１４へ入力し、これらを束ねて開口部へ接続する。開口部における光ファイバの配列はランダムでも中心部に照射用の光ファイバを周辺部に受光用の光ファイバを配置しても、照射・受光のファイバをランダムに配置してもよい。
【００２０】
また、受光効率を上げるために受光用のファイバを照射用のファイバより太くすることや本数を増やすこともできる。また、照射部と受光部の間に分光器を設けて接続することも可能である。
【００２１】
図３は、分光器１１にて照射を透過して開口部へ入力し、戻り光を反射して受光する場合の構成例である。受光効率を高くする場合は、分光器１１の分光比を反射率が透過率に対して高くするように設計すればよい。また、測定に不要な光が反射されないように筐体１５の表面は光を吸収できるように加工する。
【００２２】
図４は、本願発明にかかる生体光計測の測定方法を説明する図である。開口部Ａおよび開口部Ｂから光Ｐ１およびＰ２を照射し、開口部Ｂにおいて、開口部Ａからの光を受光し（その強度をＳＡＢとする。以下同様）、開口部Ａにおいて、開口部Ｂからの光を受光する（ＳＢＡ）。また、開口部Ａ、Ｂにおいては、同一開口部からの照射による光、すなわち、開口部Ａにおける光（ＳＡＡ）、開口部Ｂにおける光（ＳＢＢ）（同一開口補正）を受光する。また、照射点と受光点から等距離の位置Ｄにおいては、Ａ点およびＢ点からの照射による光（ＳＡＤおよびＳＢＤ)（等距離点補正）を検出する。
【００２３】
生体組織内に吸収体が存在しない場合に対して、吸収体が存在する場合に検出される光強度の変化を光検出感度とすると、光検出感度Ｓは、拡散方程式に基づいた摂動理論（Ｒｙｔｏｖ近似）により下記の式（１）で与えられる。
Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Φｓ・Φｄ／Φｄ０・・・・（１）
ここで、Φｓ、Φｄは、光源および検出器位置の単位光源が、吸収体が存在する関心点（ｘ、ｙ、ｚ）に作る光子密度、Φｄ０は吸収係数変化がない場合の光子密度である。このとき、測定対象となる生体組織内の血液還流による拡散反射光の検出感度は、上記同一開口補正および上記等距離点補正による補正係数をそれぞれαおよびβとすれば、補正後の光検出感度Ｓ_correctは、下記式（２）で示される。
Ｓ_correct＝（ＳＡＢ＋ＳＢＡ）／２
−α（ＳＡＡ＋ＳＢＢ）／２−β（ＳＡＤ＋ＳＢＤ）／２・・・（２）
【００２４】
同一開口補正（補正係数α）は、最も影響の高い、照射及び受光点近傍の表層の影響の補正であり、等距離点補正（補正係数β）は、吸収体の大きさや、位置に関する情報が得られる利点がある。２種類の補正信号を選択的に利用することにより簡便に高精度な測定を行うことが可能である。
【００２５】
具体的な補正手段としては、２種類の補正を条件により選択する。等距離点補正においては、吸収体の変化領域がＤ点の直下にあると過補正になる点に着目して、深部受光と等距離点受光の比（ＳＡＤ＋ＳＢＤ）／（ＳＡＢ＋ＳＢＡ）を指標として選択条件を決める。この値が著しく小さい場合（局所的な変化がＡ、Ｂ点直下）と大きい場合（局所的な変化がＤ点直下）に同一開口補正を、それ以外は等距離点補正を適用する。
【実施例２】
【００２６】
本実施例においては、２点の中点に受光素子を配置する代わりに、図５に示すように、正三角形の３頂点に、照射装置および受光装置を配備し、正三角形の重心には、受光装置のみを配置する。頂点Ａ、Ｂ、Ｃにおいては、照射と共に深部信号及び同一開口補正の受光を行い、Ａ，Ｂ、Ｃ各点から等距離となる重心位置Ｄにおいては等距離点補正の受光を行う。各点では、図中に示すように３種類の光を受光する。正三角形の各辺Ａ−Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ｃ−Ａにおいて（１）式に示した辺Ａ−Ｂと同様に２種類の補正を適用した信号を得ることができる。
【００２７】
正三角形の配置およびその重心に等距離点補正用の受光点を配置することにより、過補正の検知が容易になると共に補正用の検出点を減らすことが可能となる。さらに、正三角形の配置により、正方形に配置する場合に比べて、頭部のような球面に配置が行いやすく、また、密に測定点を設けられるため、位置分解能の向上が期待できる。
【００２８】
図５において、Ａ、Ｂ、Ｃ間の距離を３０ｍｍ、表層吸収体の位置を深さ２ｍｍ、大きさを８×８×１ｍｍ、開口部の半径を３ｍｍ、吸収係数μa＝０．０１ｍｍ-1、換算散乱係数μs＝１．０ｍｍ-1として拡散方程式近似によるシミュレーションを行った。
【００２９】
図６に、表層吸収体の変化領域をＡ点（０ｍｍ）から重心Ｄ方向へ移動した際の光検出感度のシミュレーション結果を示す。図の横軸はＡ−Ｂ方向の距離を示し、１５ｍｍの位置が重心Ｄに相当する。補正αは、同一開口補正、補正βは等距離点補正、補正α・βは、α、βを条件により選択して補正を行った結果である。補正を行わない場合、表層吸収体による光検出感度は、開口部Ａの近傍において高く、距離が離れるに従い低くなる。補正の際には開口部近傍でα、５〜１０ｍｍ付近においてはβ、重心付近においては過補正にならないようにαが適用され、全体として表層吸収体の影響が最も小さくなるように補正を施してある。
【実施例３】
【００３０】
上記実施例においては１波長の光を用いた場合について説明したが、ヘモグロビンの酸素化、脱酸素化による変化を調べるために、光の吸収特性が異なる少なくとも２波長の光源を組み合わせて測定を行うのが一般的である。
【００３１】
図７に２つの波長の光を用いた場合の計測方法を示す。光の照射・受光を行う開口部１ａおよび１ｂに第１の波長の光Ｐ１１およびＰ２１、第２の波長のＰ１２およびＰ２２をそれぞれ入力する。このとき測定対象となる生体組織内の血液循環による第１、第２の波長の拡散反射光による光強度が求められる。ただし、第１、第２の波長の拡散反射光による補正係数は、光の波長により異なる。開口部１ａ、１ｂ、１ｃと光の照射部・受光部３ａ、３ｂ、３ｃの間の接続には図２の光ファイバ束に第２の波長の光を入力するための光ファイバ束を加えた３分岐型の光ファイバ束を用いれば２つの照射光を融合して開口部１ａ、１ｂに入力し、１つのファイバから受光することが容易に実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明により生体光計測装置において、生体組織内血流の酸素化状態の変化に伴う脳などの生体機能を皮膚血流の影響を抑えて測定できるようになる。このため運動などの姿勢変化が大きな場合にも皮膚血流の影響を抑えて正確な測定が可能な生体光計測装置を提供することが可能となり、医学、心理学などの分野において幅広い状況下での測定が可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ    開口部
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ    光の照射・受光部
４    入射光調整回路
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ    受光回路
６    信号処理装置
７    Ａ／Ｄ変換器
１１  分光器
１２  光ファイバ
１３  光の伝播経路
１４  光ファイバ束
１５  筐体
【図１】
2012005556.tif 000003
【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】
2012005556.tif 000008
【図７】
2012005556.tif 000009
【図８】
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【図９】
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