(57)【要約】【課題】生体に光を安定して入射し、基準光強度を正確に測定することができるようにする。【解決手段】光学部１５及び受光用の光ファイバー１３−３に、高さ０．５ｍｍ、直径５ｍｍ、デュロ硬度９０のキャップ１６を装着するようにしている。これにより、音響レンズ１４１が生体２００に接している際には、光学部１５及び受光用の光ファイバー１３−３は、生体２００内に押し込まれることによるため、生体２００内部に安定して光を入射することができ、基準光強度を正確に測定することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体表面に接触された状態で前記生体に対して超音波を送受信するための超音波プローブと、
前記超音波プローブに一体化され、当該超音波プローブが前記生体に接触された状態で前記生体に対して光照射端及び光入射端が接触し、前記光照射端から光を照射して当該生体内で拡散反射された前記光を前記光入射端で入射するための光プローブと
を備え、
前記光プローブの光照射端及び光入射端は、それぞれ前記超音波プローブの前記生体表面に対する接触面よりも突出することを特徴とする生体検査用プローブ。
【請求項２】
前記光の照射端及び前記光入射端を前記超音波プローブの前記生体表面から突出させる突出部を備え、
前記突出部は、前記超音波プローブの前記生体との接触面に対して０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ突出しており、
前記突出部の幅は、１ｍｍ〜５ｍｍであり、
前記突出部の硬度は、前記生体よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の生体検査用プローブ。
【請求項３】
前記突出部の硬度は、前記超音波プローブの前記生体との接触面の硬度以上であることを特徴とする請求項２記載の生体検査用プローブ。
【請求項４】
前記光プローブは、
前記光照射端に配置され、光を照射するための光照射手段と、
前記光入射端に配置され、前記生体内の表皮及び角質層を含む表層部で拡散反射された前記光を入射するための第１の光入射手段と、
前記光入射端に配置され、前記表層部よりも深い位置で拡散反射された前記光を入射するための第２の光入射手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の生体検査用プローブ。
【請求項５】
前記光照射手段は、前記第１の光入射手段から１００μｍ〜３００μｍの範囲に複数設置され、
前記第２の光入射手段は、前記第１の光入射手段から５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に複数設置されることを特徴とする請求項４記載の生体検査用プローブ。
【請求項６】
生体表面に接触された状態で前記生体に対して超音波を送受信するための超音波プローブと、前記超音波プローブに一体化され、当該超音波プローブが前記生体に接触された状態で前記生体に対して光照射端及び光入射端が接触し、前記光照射端から光を照射して当該生体内で拡散反射された前記光を前記光入射端で入射するための光プローブとを備える生体検査用プローブと、
前記超音波プローブにより前記生体に対して超音波を送受信して前記生体内の超音波画像を取得する画像取得部と、
前記光プローブの光照射端から前記生体の異常組織の吸収波長帯である特定波長成分を含む光を照射させる光照射部と、
前記光プローブの光入射端で入射された光を受光してその光強度を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出される光強度に基づいて前記異常組織からなる異常部位の光の吸収係数を求める光演算部と、
前記超音波画像を、前記光の吸収係数に基づいて画像処理した後表示する表示手段と
を備え、
前記光プローブの光照射端及び光入射端は、それぞれ前記超音波プローブの前記生体表面に対する接触面よりも突出することを特徴とする生体検査装置。
【請求項７】
前記光の照射端及び前記光入射端を前記超音波プローブの前記生体表面から突出させる突出部を備え、
前記突出部は、前記超音波プローブの前記生体との接触面に対して０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ突出しており、
前記突出部の幅は、１ｍｍ〜５ｍｍであり、
前記前記突出部の硬度は、前記生体よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の生体検査装置。
【請求項８】
前記突出部の硬度は、前記超音波プローブの前記生体との接触面の硬度以上であることを特徴とする請求項７記載の生体検査装置。
【請求項９】
前記光プローブは、
前記光照射端に配置され、光を照射するための光照射手段と、
前記光入射端に配置され、前記生体内の表皮及び角質層を含む表層部で拡散反射された前記光を入射するための第１の光入射手段と、
前記光入射端に配置され、前記表層部よりも深い位置で拡散反射された前記光を入射するための第２の光入射手段と
を備え、
前記光検出部は、
前記第１の光入射手段で入射された光を受光してその光強度を検出する第１の光検出器と、
前記第２の光入射手段で入射された光を受光してその光強度を検出する第２の光検出器と
を備え、
前記光演算部は、前記第１の光検出器で検出される光強度を基準光強度とし、前記第２の光検出器で検出される光強度を信号光強度として、当該基準光強度と信号光強度とを用いて前記吸収係数を求めることを特徴とする請求項６記載の生体検査装置。
【請求項１０】
前記光照射手段は、前記第１の光入射手段から１００μｍ〜３００μｍの範囲に複数配置され、
前記第２の光入射手段は、前記第１の光入射手段から５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に複数配置されることを特徴とする請求項９記載の生体検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて生体内部を非侵襲に計測する生体検査装置及び生体検査用プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の内部を診断するには様々な手法がある。その一つである光計測は、被爆の問題がなく、波長を選択することにより計測対象である化合物を選択できるという利点を有している。また装置の小型化・低価格化を実現する構成も可能であり、他の診断装置が主として医療機関で使用されるのに対して、家庭や保健機関での使用も視野に入れて製品化が進められている。
【０００３】
生体光計測装置として既に製品化されているものは、血液中の酸素飽和度計測装置、脈波計（脈拍計）及び、光トポグラフィである。これらは血液中にあるヘモグロビンと酸化ヘモグロビンの濃度をモニタするものである。酸素飽和度計測装置及び脈波計は、術中・術後の状態管理に用いられ、指先などの１点でその経時変化をモニタする。光トポグラフィは、主として脳におけるヘモグロビンのマッピングを行い、従来はＭＲＩや電位で計測していた脳機能を簡便に計測する。
【０００４】
現在、医療診断装置として確立しているＸ線、ＮＭＲ（ＭＲＩ）、超音波エコー及び、核医学（ポジトロン）の各装置と比較して、光生体計測装置の市場規模は小さい。技術そのものは３０年前から知られており、現在も国内、海外ともに生体ブームの様相を呈しているにもかかわらず、該当する製品の市場形成がされていない状況である。
【０００５】
この原因の一つとして、生体は、強い散乱特性を有することが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。この散乱特性のため、皮膚から入射された光が、生体内部の情報を取得して皮膚から出射されても、生体内部の部位を特定することは難しい。そこで、生体内を光が伝播する様子がシミュレーションされ、光が生体内に入射されてから生体内での拡散反射を経て生体外へ出射されるまでの光経路の平均的な断面形状は、「バナナ状」になると解析された。生体光計測では、この光経路の断面形状に基づいて、拡散反射光の測定位置から光の到達深さを限定する方法が用いられることが多い。上述した光トポグラフィ等でもこの方法が採られている。この方法により、例えば計測深さが脳の表面となるように光照射器と光検出器とを配置することで、計測部位を脳表面に限定する装置が開発されている。
【０００６】
ところで、生体内の状態を検知するには、注目部位の光の吸収係数を指標とする。吸収係数を求めるには、吸収体がない部位における光強度である基準光強度と、注目部位における光強度である信号光強度とを比較する。そのため、信号光強度だけでなく、基準光強度を適切に測定しないと吸収係数を正確に求めることができない。
【０００７】
しかしながら、生体表面はなだらかな曲面であるため、プローブと生体表面とを常に密着状態にすることは困難である。このため、基準光強度が適切に測定されず、基準光強度に再現性がないという問題がある。基準光強度に再現性がないと、真実の値と異なる吸収係数が求められてしまう。また、極端な場合には、吸収係数が求められないという問題も生じる。
【非特許文献１】生体情報の可視化技術、Ｐ．１２１〜１２８、コロナ社
【非特許文献２】Physical properties of Tissue, F. A. Duck, 1990.
【特許文献１】特開平１１−４７１２０号公報
【特許文献２】特表平１１−５０７５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来の生体検査装置では、生体表面が曲面であるため、測定される基準光強度に再現性を持たせることが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情によりなされたもので、その目的は、生体に光を安定して入射して、基準光強度を正確に測定することが可能な生体検査装置及びそのプローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る生体検査用プローブは、生体表面に接触された状態で前記生体に対して超音波を送受信するための超音波プローブと、前記超音波プローブに一体化され、当該超音波プローブが前記生体に接触された状態で前記生体に対して光照射端及び光入射端が接触し、前記光照射端から光を照射して当該生体内で拡散反射された前記光を前記光入射端で入射するための光プローブとを備え、前記光プローブの光照射端及び光入射端は、それぞれ前記超音波プローブの前記生体表面に対する接触面よりも突出することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る生体検査装置は、生体表面に接触された状態で前記生体に対して超音波を送受信するための超音波プローブと、前記超音波プローブに一体化され、当該超音波プローブが前記生体に接触された状態で前記生体に対して光照射端及び光入射端が接触し、前記光照射端から光を照射して当該生体内で拡散反射された前記光を前記光入射端で入射するための光プローブとを備える生体検査用プローブと、前記超音波プローブにより前記生体に対して超音波を送受信して前記生体内の超音波画像を取得する画像取得部と、前記光プローブの光照射端から前記生体の異常組織の吸収波長帯である特定波長成分を含む光を照射させる光照射部と、前記光プローブの光入射端で入射された光を受光してその光強度を検出する光検出部と、前記光検出部で検出される光強度に基づいて前記異常組織からなる異常部位の光の吸収係数を求める光演算部と、前記超音波画像を、前記光の吸収係数に基づいて画像処理した後表示する表示手段とを備え、前記光プローブの光照射端及び光入射端は、それぞれ前記超音波プローブの前記生体表面に対する接触面よりも突出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、生体に光を安定して入射して、基準光強度を正確に測定することが可能な生体検査装置及び生体検査用プローブを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る生体検査装置及び生体検査用プローブの実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る生体検査装置の構成を示すブロック図である。図１における生体検査用プローブ１０は、光を照射するための光ファイバー１１及び光を受光するための第１、第２の光ファイバー１２，１３からなる光プローブと、超音波を送受信するための超音波プローブ１４（例えば東芝メディカル製８０５ＡＴ）とを備える。
【００１５】
信号発生部２０は、近赤外ＬＤ（レーザダイオード）３０−１，３０−２を駆動する。信号発生部２０の駆動により、近赤外ＬＤ３０−１は波長７６０ｎｍの光を出力し、近赤外ＬＤ３０−２は波長８４０ｎｍの光を出力する。すなわち、近赤外ＬＤ３０−１，３０−２から出力される光の波長は、酸化ヘモグロビンとヘモグロビンの等吸収点である８０５ｎｍをはさんで長波長と短波長となるようにしている。また、近赤外ＬＤ３０−１，３０−２の出力は、１０ｍＷ又は、５ｍＷである。
【００１６】
光合波・結合器４０は、近赤外ＬＤ３０−１，３０−２からの光を受け取り、いずれかの波長の光を光照射用の光ファイバー１１に出力する。また、光合波・結合器４０は、どの波長の光を光ファイバー１１に出力しているかを光演算部７０に通知する。
【００１７】
上記光照射用の光ファイバー１１は、６本設けられ、それぞれの光照射端から上記光合波・結合器４０の出力光を生体２００に照射する。これらの光ファイバー１１は、いずれも石英からなり、その直径は２００μｍである。
【００１８】
上記受光用の第１の光ファイバー１２には、基準光強度を検出するための光が光入射端から入射する。この光ファイバー１２は、石英からなり、その直径は２００μｍである。光ファイバー１２は、光検出部５０−１に接続される。これにより、光ファイバー１１から照射され生体内で拡散反射された光は、光ファイバー１２から入射して光検出部５０−１で受光される。
【００１９】
一方、上記受光用の第２の光ファイバー１３には、信号光強度を検出するための光が光入射端から入射する。これらの光ファイバー１３は、９本設けられ、いずれもポリマーからなり、その直径は１ｍｍである。光ファイバー１３は、それぞれの光出射端が光検出部５０−２〜５０−１０に接続される。これにより、光ファイバー１１から照射され生体内で拡散反射された光は、光ファイバー１３から入射して光検出部５０−２〜５０−１０で受光される。
【００２０】
光検出部５０−１〜５０−１０は、Ｓｉフォトダイオード及びプリアンプを備える。光検出部５０−１は、受光用の第１の光ファイバー１２からの入射光を受光してその光強度を検出する。また、光検出部５０−２〜５０−１０は、受光用の第２の光ファイバー１３からの入射光を受光してその光強度を検出する。光検出部５０−１〜５０−１０は、検出された光強度を規定のタイミングでメインアンプ６０に供給する。メインアンプ６０は、受け取った光強度信号を順次増幅して光演算部７０に供給する。
【００２１】
光演算部７０は、光強度信号を受け取るタイミングに基づいて、どの光検出部から供給された光強度信号かを判別する。光演算部７０は、光検出部５０−１から供給された光強度信号を基準光強度とし、光検出部５０−２〜５０−１０から供給された光強度を信号光強度とする。そして、光演算部７０は、光合波・結合部４０から通知される照射光の波長に関する情報に基づいて、互いに同波長の光の信号光強度と基準光強度とを比較して散乱光強度の分布を算出する。
【００２２】
光演算部７０は、物質毎の光吸収係数及び散乱係数と、それらから理論的に得られる散乱光強度分布とを予め記録したメモリ７１を備える。光演算部７０は、超音波演算部９０から超音波画像を受け取り、この超音波画像と前記算出された散乱光強度分布とに基づいて、この散乱強度分布と一致する理論的な散乱光強度分布をメモリ７１から検索する。そして、算出された散乱光強度分布を示す吸収係数及び物質を判定する。光演算部７０は、得られた吸収係数に関する情報を超音波演算部９０に供給する。
【００２３】
超音波プローブ１４は、超音波送受信素子及びアンプを備える超音波送受信部８０に接続され、超音波送受信部８０から超音波を発生させるための駆動信号が供給される。超音波プローブ１４は、駆動信号を受け取り、圧電変換素子により超音波振動して生体内に超音波を当てる。また、超音波プローブ１４は、生体内で反射された超音波を受信し、そのエコー信号を超音波送受信部８０へ返信する。超音波送受信部８０は、超音波プローブ１４からのエコー信号に遅延加算処理等を施して超音波演算部９０に出力する。
【００２４】
超音波演算部９０は、超音波送受信部８０で遅延加算処理等が施されたエコー信号から超音波画像を生成する。また、超音波演算部９０は、光演算部７０からの情報に基づいて、例えば着色等の画像処理をする。この画像処理により、同一の吸収係数を有する物質には同一の色が付されることになる。ディスプレイ１００は、超音波演算部９０で得られた画像を表示する。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態に係る生体検査用プローブ１０の平面図を示す模式図である。図２において、生体検査用プローブ１０は、略凸形状を成し、その長手方向に、超音波プローブ１４の先端部（音響レンズ）１４１が配置される。生体検査用プローブ１０の略中心には、光学部１５が配置される。光学部１５は、図２の拡大図で示すように、光を照射するための６本の光ファイバー１１−１〜１１−６が、受光用の第１の光ファイバー１２を取り囲むように配置されている。
【００２６】
生体検査用プローブ１０は、光学部１５を中心とした半径１０ｍｍの半円上で４等分された位置に受光用の５本の第２の光ファイバー１３−１〜１３−５を備える。また、生体検査用プローブ１０は、光学部１５を中心とした半径２０ｍｍの半円上で４等分された位置のうち、音響レンズ１４１から最遠の部位を除いて４本の光ファイバー１３−６〜１３−９を備える。
【００２７】
光学部１５及び光ファイバー１３−１〜１３−９の先端部には、ウルテム（ＰＥＩ）を材料としたキャップ１６が装着されている。キャップ１６の外径は５ｍｍであり、高さは０．５ｍｍであり、デュロ硬度は９０である。なお、キャップ１６の形状は、円形であることが多いが、例えば正方形や六角形となってもかまわない（正方形や六角形である場合、上述する直径は対角線とする）。なお、生体の例として、乳房のデュロ硬度は２０〜４０程度（例えば、非特許文献２参照）である。また、音響レンズ１４１のデュロ硬度は６０である。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態に係る生体検査用プローブ１０の図２におけるＡ−Ａ’断面の断面図である。図３において、生体検査用プローブ１０の断面は、略長方形状を成す。音響レンズ１４１には、例えば微小な複数の圧電変換素子を帯状に二次元状に配列した超音波振動子１４２が接続される。光学部１５をなす光ファイバー１２及び光ファイバー１１−１〜１１−６と、光ファイバー１３−３とは、生体検査用プローブ１０の上面から下面に貫通する。光学部１５及び光ファイバー１３−３の先端は、キャップ１６を有することにより、音響レンズ１４１よりも０．５ｍｍ下面に位置するようになっている。
【００２９】
次に上記キャップ１６の高さ、直径、及び硬さについて詳細に説明する。
【００３０】
まず、従来のように、光の受光端及び照射端にキャップ１６が装着されていない場合に、光ファイバーから生体へと光が入射する過程（又は光ファイバーで光を受光する過程）における問題点について説明する。
【００３１】
光ファイバー端面から照射された光が生体表面に入る際に、表面の凹凸による反射や屈折率の差による反射によって光量が減少する。これは、光ファイバーが試料表面から離間し、光ファイバーと生体表面との間に空気があることに由来する。光ファイバーと生体表面との間に空気がある場合、光ファイバーから空気、空気から生体表面と２回境界を通過するので、それぞれで光量の減少が起こる（受光過程でも同様）。
【００３２】
本発明では超音波計測を同時に行うため、超音波をマッチングさせるためのＵＳゼリーを界面に塗布しながら生体検査用プローブを使用する。この場合でも、光ファイバーが試料表面から離間している際には、光ファイバーと試料表面との間にこのマッチングゼリーが入り込み、光の入射状態が変動する。これにより、光ファイバーからの皮下入射光強度が一定とならない。なお、マッチング剤（液またはゼリー）を界面に塗布することによって入射状態を安定化させる公知例がある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、光ファイバーの密着状態の再現性は、試料の表面状態や柔軟性によってはマッチング剤のみでは向上しない。
【００３３】
そこで本発明では、音響レンズ１４１が皮膚表面に接触した状態で光ファイバー先端部が表面から浮かない構造とするために、図３に示すように、光学部１５及び光ファイバーの先端にキャップ１６を装着させ、それらの位置を音響レンズ１４１よりもある程度突出するようにしている。超音波を生体内に照射するためには、音響レンズ１４１を生体に押し付ける必要があるので、この構造をとることにより光学部１５及び光ファイバーの先端が生体内に押し込まれた状態となる。
【００３４】
生体は、ある一定の柔軟性、言い換えれば硬さを有しており、外力を受けることにより変形する。この変形の大きさは、押し込まれる物体の先端形状、押し込む力（圧力）及び、硬さにより決定される。生体の組織の状態は、生体の変形が大きくなると変化する。この生体の変形に伴い、生体の物理定数が変化する。例えば、皮膚を強く圧迫すると真皮層にある毛細血管がつぶれて血液が供給されなくなり、皮膚の色が白くなる。このような状態ではヘモグロビンの量が減っており、吸収強度が小さくなる。光ファイバーを深く押し込み過ぎると、このように皮膚の状態に変化が生じてしまう。
【００３５】
また、光ファイバーを生体のある深さまで押し込むためには、光ファイバーの先端部の径が大きくなると、測定プローブを皮膚に押し付ける加重は大きくなる。操作者が測定プローブ全体を皮膚に押し付けながら走査し、その際に被験者に痛みを感じないことを前提とすると、光ファイバーを皮膚に押し付ける力をあまり大きくすることはできない。光ファイバー先端部を接触させた状態を保つために必要な力は３０ｇ重前後であり、光ファイバーを押し込む力は１ｋｇ重以下とすることが望ましく、５００ｇ重以下とすることがさらに望ましい。
【００３６】
そこで、光ファイバーを密着させるために生体に押し込む深さは、この加重により与えられ、かつ、皮膚の光学定数に変化を生じない範囲でなければならない。また、小さな先端部を用いるとある局部のみ変形して光学定数が変化してしまうおそれがあるため、ある程度の大きさを持った先端部を皮膚に対して鉛直に押し付けることが望ましい。さらに、光ファイバーを生体に対して押し込む際には、光ファイバー先端部と生体とで硬度の大きい方が他方を変形させるため、光ファイバー先端部の硬度は、生体よりも大きくすることが必要である。
【００３７】
光ファイバーの先端部に装着するキャップ１６の高さ及び直径を実験により調査した。このとき、キャップ１６には、デュロ硬度９０のウルテムを用いた。音響レンズ１４１のデュロ硬度は６０であり、生体の硬度よりも大きい。つまり、キャップの硬度は生体よりも大きいため、生体を変形させて内部に押し込むことができる。なお、測定プローブ全体を生体に鉛直に押し込むため、キャップ１６の硬度は、音響レンズ１４１の硬度と一致することが最も望ましい。また、硬度が一致していない場合には、キャップ１６の硬度が音響レンズ１４１の硬度より高いことが望ましい。
【００３８】
実験結果から、光学定数に影響を与えないキャップの高さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲で有効であり、更に望ましくは０．８ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲で有効であることが示された。また、キャップの直径は、最も大きい部分で５ｍｍ以下で有効であり、光ファイバーの太さ（１ｍｍ以下）を考慮すると１ｍｍ〜５ｍｍの範囲で有効であることが示された。
【００３９】
次に、図２及び図３に示される上記生体検査用プローブ１０における光の検出動作を詳細に説明する。
【００４０】
生体検査装置は、生体内で拡散反射され、「バナナ状」の光経路を経て生体外に照射される拡散反射光の光強度を検出する。光は経路上にある物質の光学情報を載せている。例えば光が血管を通過してヘモグロビンで光吸収される場合、生体検査装置は、検出した光強度から吸収係数を求めることにより、被験者の血液状態を測定することができる。
【００４１】
経路上の光学情報を読み出すためには、光吸収された後の光強度と、光吸収される前の光強度つまり基準光強度とを比較する必要がある。そのため、生体検査装置は、基準光強度を正しく測定することが重要である。対象となる生体には血管の位置や皮膚の色、皮膚状態など様々な個人差があるため、基準光強度の計測には様々な注意が必要である。例えば、基準光強度を計測しようとする位置にほくろやあざがあったり、皮下に血管が通っていたりする場合を想定すると、その位置は、吸収体が存在しないと仮定したにも関わらず、測定されたデータは、本来の基準光強度よりも信号レベルが低いという問題が生じる。また、モデルサンプルを利用して吸収体のない位置で基準光強度を測定する場合には、皮膚色や皮膚状態の個人差が考慮されないという問題がある。
【００４２】
この問題は、格子状配置と呼ばれる従来の測定装置でよく用いられる検出器配置方法においても見受けられる。格子状配置では、光源（または外部にある光源から光を導入する素子）と検出器（または外部にある検出素子へと光を転送する素子）とをある一定間隔で交互に並べる。測定装置は、一組の光源・検出器対を結ぶ一つの光経路の測定結果に基づいて情報を計測する。この計測情報は、光源と検出器とを結ぶ線の中心位置に割り付けられる。計測対象として注目するヘモグロビンとは別の吸収体、例えば、メラニン（皮膚上の黒点）が光経路上にあると、ヘモグロビンの吸収にメラニンの吸収（この目的からすると雑音）が加わり、この位置での吸収が大きくなっているように測定される。ヘモグロビンの状態だけを図示したいという目的に対してこの結果は間違った解釈を与える恐れがある。
【００４３】
以上の問題点に鑑みて、本発明における生体検査用プローブ１０を開発した。  
皮膚の表層部である角質層と表皮を合わせた厚みは１００μｍ前後である。そのため、表層部の色や状態により、表層部下まで入り込む光強度は変動する。１００μｍまで到達した後に表面に出てくる光は平均して２００μｍ前後の距離で検出される。光の照射端から２００μｍの距離に配置した光入射端で反射光を検出するには光ファイバー径が２００μｍ以下である必要がある。しかし、光ファイバー径を２００μｍ以下とすると、生体に入射される光量が少なくなりＳＮ比が悪化する。この問題を解決するため、本発明では図２に示すように光ファイバー１２から２００μｍの距離に６本の光ファイバー１１−１〜１１−６を配置し、生体内に導入する光量の総量を大きくした。これにより、ＳＮ比を増大させることができる。
【００４４】
腫瘍が発生する深さは皮下脂肪の内部であり、この深さにまで到達した光は、光の入射位置から平均して５ｍｍ以上離れて出射する。そのため、拡散反射光が入射する光ファイバーは、光学部１５から５ｍｍ以上の距離に配置することが好ましい。また、ＳＮ比を十分な大きさにするため、その距離は、３０ｍｍ以内とすることが好ましい。また、複数の深さにある吸収体を効率よく検出するため、検出距離を複数とすることがより好ましい。さらに、吸収体による光の減衰が小さい場合に吸収係数を求める精度を上げるため、一つの距離に対して複数の検出器を配置することが更に望ましい。以上のことより、本発明では図２に示すように、光ファイバー１３−１〜１３−５及び光ファイバー１３−６〜１３−９を、光学部１５からそれぞれ１０ｍｍ及び２０ｍｍの距離に配置した。
【００４５】
なお、複数の検出器を列状に並べることで雑音による影響を取り除こうという試みは既に公知例としてあり、イスラエルのサイプロメディカルが円周上にセンサを配置するデバイスを提案している（例えば、特許文献２参照）。このデバイスでは、円周上にセンサを配置することにより中心から等距離にある点の信号を複数測定し、この平均を取ることにより雑音による影響を軽減することを目的としている。しかしながら、生体は均一でないため、単純に平均を取る操作により信号を歪めてしまう恐れがある。したがって、等距離にある検出器の信号を機械的に平均化せず、超音波画像に基づいて算出した各位置での検出強度から吸収係数を求めることが望ましい。
【００４６】
ところで、従来中心に位置していた光源がリング状になることで、光ファイバー１１−１〜１１−６から光ファイバー１３−１〜１３−９までの距離は光ファイバー１１の直径の最大２倍のずれを生じる。上述した距離のうち最も近い５ｍｍにおいて±２００μｍのずれが反射光強度とその経路に及ぼす影響をモンテカルロシミュレーションで見積もったところ、検出される雑音レベルより小さいことがわかった。よって、光源をリング状として光量を増大させることより、信号を歪ませる等の悪影響はないことを確認した。
【００４７】
図４は、本発明の一実施形態に関わる生体検査用プローブ１０における光検出の様子を示す模式図である。図４では図示していないが、音響レンズ１４１は、皮膚に接触して使用される。このとき、光学部１５及び光ファイバー１３に装着されたキャップ１６は、皮膚に押し込まれる。図４に示すように、光ファイバー１１から照射された光は、皮膚に入射し、生体内で散乱を繰り返しながら拡散し、「バナナ状」の光経路を経て拡散反射光として再び皮膚から出射する。「バナナ状」の光経路は、入射位置と出射位置の中間で最も深い位置を通過する。光ファイバー１２には、生体における表層部のみで拡散反射された光が入射する。また、光ファイバー１３には、表層部を通過して皮下脂肪で拡散反射された光が入射する。
【００４８】
以下、上記構成における生体検査装置の実施例を詳細に説明する。
【００４９】
（実施例１）  
装置性能を評価する際の測定対象として、下記のモデルサンプルを準備した。
【００５０】
モデルサンプルは、シリコーン樹脂を母材とし、散乱体（１０％脂肪球分散液、製品名：イントラリピッド）と吸収体（色素）を分散させた後に硬化させたものを用いる。このブロックの光学定数（散乱係数及び吸収係数）は脂肪と同じとした。ブロックの硬化後のデュロ硬度は４８であった。そして、サンプルの表面における吸収剤として、吸収強度（吸光度Ａｂｓ）０．５の吸収フィルム１（厚さ１００μm、１０ｃｍ角）と吸収強度１の吸収フィルム２（厚さ１００μm、１０ｃｍ角）とを用いた。なお、吸光度Ａｂｓは出射光の光量に対する入射光の光量の割合の自然対数をとったものである。
【００５１】
上記ブロックと、吸収フィルム１及び吸収フィルム２を用いて、以下の３種類のサンプルを作成した。  
サンプル１：ブロックのみで吸収フィルムなし。  
サンプル２：ブロックの上面に吸収フィルム１を置き、４辺を接着テープで接着。  
サンプル３：ブロックの上面に吸収フィルム２を置き、４辺を接着テープで接着。
【００５２】
ブロック又はフィルム表面でごみや傷のない位置を選んで超音波ゼリーを塗布し、生体検査用プローブ１０を上方からゆっくりとサンプル１〜３に近づけた。本実施例では、音響レンズ１４１がサンプル表面に最初に接触した高さを０ｍｍとし、下方向にプラスの変位をとる。
【００５３】
本実施例では、近赤外ＬＤ３０−１，３０−２から波長７６０ｎｍ及び８４０ｎｍの光が、出力１０ｍＷで出力される。光合波・結合器４０は、両光を受け取り、波長７６０ｎｍの光のみを光ファイバー１１−１〜１１−６に出力する。光学部１５に設置された光ファイバー１１−１〜１１−６は、この光をサンプル１〜３に照射する。高さが０ｍｍであるとき、光の照射端及び光ファイバー１３−１〜１３−９は、音響レンズ１４１よりも０．５ｍｍ、つまりキャップ１６の分だけサンプルに押し込まれている。
【００５４】
サンプル１に対して光を照射する場合、ブロック内で拡散反射された光は、光学部１５の光ファイバー１２及び光ファイバー１３−１〜１３−９に入射する。また、サンプル２，３に対して光を照射する場合、サンプル２，３の表面に接着された吸収フィルム１，２で拡散反射された光は、光ファイバー１２に入射し、ブロック内で拡散反射された光は、光ファイバー１３−１〜１３−９に入射する。
【００５５】
光検出部５０−１は、積算時間を１秒間として光ファイバー１２から入射された光を受光し、その光強度を検出する。また、光検出部５０−２〜５０−１０は、積算時間を１秒間として光ファイバー１３−１〜１３−９から入射された光を受光し、その光強度を検出する。光検出部５０−１〜５０−１０は、光強度信号を光検出部５０−１から順に光演算部７０へ供給する。光演算部７０は、光検出部５０−１から受け取った光強度信号を基準光強度とし、光検出部５０−２〜５０−１０から受け取った光強度信号を信号光強度とする。そして、光演算部７０は、得られた基準光強度と信号光強度からサンプルの吸収強度を算出する。
【００５６】
上記サンプル１〜３において、高さ０ｍｍから０．５ｍｍ刻みに各光検出部５０−１〜５０−１０で光強度を計測した。各計測において、光強度を５回繰り返し測定したところ、５回の計測における光強度のばらつきは１％以下であった。
【００５７】
高さを０ｍｍから１ｍｍと設定した場合、サンプル１〜３における光強度の値は、設定した高さに関わらずそれぞれのサンプルにおいて一定の値となった。また、サンプル３に対して算出した吸収フィルム２の吸収強度は、サンプル２に対して算出した吸収フィルム１の吸収強度の１．８倍から２．２倍となった。作成したサンプルにおける吸収フィルム２の吸収強度は、吸収フィルム１の吸収強度の２倍であるため、本実施例で算出された１．８倍から２．２倍の吸収強度の違いは、算出精度として十分に高い値であるとわかる。
【００５８】
高さを−０．５ｍｍと設定した場合（サンプル表面にキャップ１６の先端が密着した状態）、サンプル１で計測された光強度は、その分散が大きかった。また、本来は吸収によって光強度が小さくなるはずが大きくなる場合もあった。この場合に吸収は負となり、測定の精度は低い。また、サンプル２，３に対する計測では、極端に強い光強度が観測され、吸収フィルム１，２の吸収強度に依存する結果は得られなかった。これは、吸収フィルム１，２の表面における高い平滑性により、サンプル２，３に照射された光が強く正反射したためと解釈できる。つまり、キャップ１６の先端がサンプルに接触し、かつ、音響レンズ１４１がサンプルから浮いた場合に検出される光強度は、皮下入射光強度ではなく、光ファイバー１１−１〜１１−６から照射される光強度そのものである。
【００５９】
つまり、実施例１は、光の照射端及び受光端に高さ０．５ｍｍ、直径５ｍｍのキャップ１６を装着した場合、光の照射端をサンプルに適度に押し込むことが可能となり、照射される光のほぼ全てがサンプル内に入射されることを示す。
【００６０】
（実施例２）  
実施例２では、実施例１で使用したサンプル１〜３を用いて、キャップ１６の高さ及び直径を変更した。使用したキャップ１６は、高さ１ｍｍ、直径２．５ｍｍのキャップ１６−１と、高さ１ｍｍ、直径５ｍｍのキャップ１６−２と、高さ１．５ｍｍ、直径２．５ｍｍのキャップ１６−３と、高さ１．５ｍｍ、直径５ｍｍのキャップ１６−４である。実施例１と同様に、音響レンズ１４１がサンプル表面に最初に接触した高さを０ｍｍとし、下方向にプラスの変位をとる。そして、０．５ｍｍ刻みで生体検査用プローブ１０を降下させ、光強度を計測した。
【００６１】
サンプル１〜３を用いて光強度の測定を繰り返したところ、光の照射端である光ファイバー１１−１〜１１−６の先端がサンプルの内部に０．５ｍｍから１．５ｍｍ押し込まれた状態では、光反射光強度は１％以内の安定度で計測できた。一方、光ファイバー１１−１〜１１−６の先端がサンプル内部に２ｍｍ以上押し込まれた状態では、反射光強度が小さくなり、安定性も３％より悪化した。これは押し込みによるサンプル１〜３の変形が過大であるため、サンプル１〜３の光学定数に影響が出たためと解釈される。
【００６２】
つまり、実施例２は、キャップ１６の高さが適当である場合、安定して光強度を測定することが可能であることを示す。
【００６３】
（実施例３）  
装置性能を評価する際の測定対象として、下記のモデルサンプルを準備した。なお、本実施例では、測定対象が腫瘍である場合を想定している。
【００６４】
モデルサンプルは、シリコーン樹脂を母材とし、散乱体（１０％脂肪球分散液、製品名：イントラリピッド）と吸収体（色素）を分散させた後に硬化させたものを用いる。このブロックの光学定数（散乱係数・吸収係数）は、脂肪と同じとした。ブロックの硬化後のデュロ硬度は４８であった。そして、ブロック表面に３ｍｍ四方の正方形で、深さ８ｍｍの溝を作製した。
【００６５】
ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンとを腫瘍として想定し（ヘモグロビンの比率で腫瘍が悪性か否かを判定する）、ヘモグロビンと吸収スペクトルが一致する色素の水溶液１と、酸化ヘモグロビンと吸収スペクトルが一致する色素の水溶液２とを用意した。そして、上述の溝に、水溶液１と水溶液２とを以下の比率で混ぜ合わせた水溶液を空気が残らないように注意しながら注入した。  
腫瘍モデル１：水溶液１が１０、水溶液２が０。  
腫瘍モデル２：水溶液１が７、水溶液２が３。  
腫瘍モデル３：水溶液１が５、水溶液２が５。  
腫瘍モデル４：水溶液１が３、水溶液２が７。  
腫瘍モデル５：水溶液１が０、水溶液２が１０。
【００６６】
ブロックを厚さ５ｍｍにスライスした薄板を用意し、溝に上記腫瘍モデル１〜５が注入されたブロック上に薄板を注意深く置いて空気層ができないように密着させた。図５は、実施例３におけるサンプルを示す概要図である。
【００６７】
本実施例では、近赤外ＬＤ３０−１，３０−２から波長７６０ｎｍ及び８４０ｎｍの光が、出力５ｍＷで出力される。光合波・結合器４０は、両光を受け取り、それぞれのレーザー光を回転チョッパーで交互に光ファイバー１１−１〜１１−６に入射させた。このとき、光合波・結合器４０は、どちらの周波数の光が光ファイバー１１−１〜１１−６に出力されているかを光演算部７０に通知する。なお、光検出部５０−１〜５０−１０等の測定系は実施例１と同様とした。
【００６８】
本実施例では、まず、サンプルにおける溝がない部分に生体検査用プローブ１０を押し付け、２波長の反射光強度を光検出部５０−１〜５０−１０ごとに計測する。このとき、光ファイバー１２に入射された光の反射光強度を基準光強度とする。次に、図６に示すように、溝の中心に光学部１５が合うように生体検査用プローブ１０を配置し、反射光強度を計測する。このとき、光ファイバー１３−１〜１３−９に入射された光の反射光強度を信号光強度とする。腫瘍モデル１〜５のいずれかが注入されたサンプルに対して上述の測定を繰り返し、得られた信号光強度と基準光強度とから吸収強度を求める。そして、吸収強度そのものやこの吸収強度から算出した総ヘモグロビン量及び酸素飽和度の値と、基準値とを比較することで、吸収体の散乱光強度の分布を算出し、吸収体の組成を判定する。
【００６９】
次に、計測により得られた散乱光強度の分布を、シミュレーションにより得られた散乱光強度の分布と比較する。シミュレーションでは、まず、腫瘍モデル１〜５の近赤外吸収スペクトルをＦＴ−ＮＩＲ（フーリエ変換型近赤外分光装置）で測定して７６０ｎｍと８４０ｎｍの吸光度を求める。この吸光度に基づいて、溝内の腫瘍モデルの光路長を用いて吸収係数の理論値を算出する。そして、脂肪に相当する部位には脂肪の光学定数を割り当て、吸収体に相当する部位には算出された吸収係数の理論値を割り当てて、有限要素法によるシミュレーションを行い、散乱光強度分布を算出する。
【００７０】
測定結果は、シミュレーションにより算出した散乱光強度分布と一致した。したがって、光強度の計測により、サンプルにおける腫瘍モデルの組成の判定ができたと解釈できる。
【００７１】
つまり、実施例３は、光の照射端及び受光端にキャップ１６を装着した場合、生体検査装置は、吸収体毎の吸収強度を計測することが可能であることを示す。
【００７２】
以上のように、本実施形態に係る生体検査用プローブ１０は、光の照射端及び光入射端を生体内に押し込むためのキャップ１６を備えている。これにより、生体検査用プローブ１０は、光ファイバー１１−１〜１１−６から照射される光を安定して生体内に入射することが可能となる。
【００７３】
また、本実施形態に係る生体検査用プローブ１０は、光学部１５として、受光用の光ファイバー１２と、光ファイバー１２から２００μｍ離れて位置する光照射用の光ファイバー１１−１〜１１−６とを備える。そして、光学部１５から１０ｍｍの位置に受光用の光ファイバー１３−１〜１３−５が配置され、２０ｍｍの位置に光ファイバー１３−６〜１３−９が配置される。これにより、生体検査用プローブ１０は、光ファイバー１２に光ファイバー１１−１〜１１−６から照射されて生体の表層部で拡散反射された光のみを入射させることが可能となる。一方、生体検査用プローブ１０は、光ファイバー１３−１〜１３−９に皮下脂肪において拡散反射された光を入射させることが可能となる。さらに、この構成において、光学部１５にキャップ１６が装着されている場合、光ファイバー１１−１〜１１−６から照射された光が安定して生体内に入射されるため、光ファイバー１２に生体からの拡散反射光を正確に入射させることが可能となる。
【００７４】
また、本実施形態に係る生体検査装置は、光ファイバー１２に入射した光から検出された光強度を基準光強度とし、光ファイバー１３−１〜１３−９に入射した光から検出された光強度を信号光強度とする。そして、生体検査装置は、検出した基準光強度と信号光強度とに基づいて生体内における散乱光強度分布を算出するようにしている。これにより、本発明に係る生体検査装置は、生体の表層部に個人差がある場合でも正確に基準光強度及び信号光強度を計測することができるため、散乱光強度分布を高精度で算出することが可能となる。
【００７５】
したがって、本発明により、被爆リスクのない光で生体内部情報を検知するデバイスにおいて、基準光強度の値が適切でないために信号が小さくなるという従来の問題点を解決することができる。つまり、検出された信号の再現性を向上させて個人差を勘案することにより、解析に耐えるデータを提供することが可能な生体検査装置及び生体検査用プローブを提供できる。
【００７６】
なお、上記実施形態における生体検査用プローブ１０では、光照射端及び光入射端の部材は、光ファイバーである例について説明したが、その他の光学部品（例えばレンズ）であってもかまわない。
【００７７】
また、上記実施形態における生体検査用プローブ１０では、近赤外ＬＤがレーザー光を出力する例について説明したが、近赤外ＬＤに限られることはなく、半導体レーザー、固体レーザー又は、ガスレーザー等の発光素子であってもよい。
【００７８】
また、上記実施形態における生体検査用プローブ１０では、光検出部がＳｉフォトダイオードにより光強度を検出する例について説明したが、Ｓｉフォトダイオードに限られることはなく、フォトトランジスタ等の受光素子又は、光電子増倍管であってもよい。
【００７９】
また、上記実施形態における生体検査用プローブ１０では、６本の光ファイバー１１−１〜１１−６を光ファイバー１２の周囲に配置する例について説明したが、光照射用の光ファイバーは６本に限定されることはない。
【００８０】
さらに、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係る生体検査装置の一実施形態の機能構成を示すブロック図。
【図２】図１に示される生体検査装置の測定プローブの構成を示す模式図。
【図３】図２に示される測定プローブの断面図。
【図４】上記実施形態の測定プローブにおける光検出の模式図。
【図５】上記実施形態の実施例３におけるサンプルを示す概要図。
【図６】上記実施形態の実施例３における測定プローブとサンプルとの位置関係を示す模式図。
【符号の説明】
【００８２】
１０…測定プローブ、１１，１１−１〜１１−６…光照射用光ファイバー、１２…受光用光ファイバー、１３，１３−１〜１３−９…受光用光ファイバー、１４…超音波プローブ、１４１…音響レンズ、１４２…超音波振動子、１５…光学部、１６…キャップ、２０…信号発生部、３０−１，３０−２…近赤外ＬＤ、４０…光合波・結合部、５０−１〜５０−１０…光検出部、６０…メインアンプ、７０…光演算部、７１…メモリ、８０…超音波送受信部、９０…超音波演算部、１００…ディスプレイ、２００…生体。
【図１】
2009232876.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】
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