(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収体である被検体の一部に測定光を照射し、その被検体上で前記測定光の入射点から離れた出射点より測定光を受光するとともに、入射点と出射点との距離を複数種類に異ならせるように被検体への送光点と被検体からの出射光を受光する受光点のうちの一方が複数個設けられている測定光学系と、
前記測定光学系での送光点と受光点間距離が異なる各組毎に、被検体の深さ方向と吸光度との関係を示す寄与関数を記憶している寄与関数記憶部と、
前記測定光学系での送光点と受光点間距離が最も小さい組で測定される被検体の深さ領域の吸収係数、及び送光点と受光点間距離の大きさが隣り合う任意の２つの組において送光点と受光点間距離が大きい方の組でのみ測定可能な各深さ領域の吸収係数が均一であると仮定し、
まず、送光点と受光点間距離が最も小さい組で測定される測定値と、前記寄与関数記憶部に記憶されている対応する寄与関数とから、前記送光点と受光点間距離が最も小さい組で測定される被検体の深さ領域の吸収係数を算出し、
次に、算出した吸収係数と、送光点と受光点間距離が次に大きい組で測定された測定値と、前記寄与関数記憶部に記憶されている対応する寄与関数とから、吸収係数が均一となる被検体の次に深い深さ領域の吸収係数を算出し、
さらに、この計算を逐次繰り返すことにより前記均一と仮定した被検体の各深さ領域の吸収係数を算出する吸収係数算出手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする光学的測定装置。
【請求項２】
被検体が生体であり、前記測定光学系は複数波長の測定光について測定するものであり、前記吸収係数算出手段はその複数波長の測定光についての深さ領域の吸収係数を算出するものであり、その複数波長での深さ領域の吸収係数からその深さ領域の血液の酸素化状態を算出する酸素化状態算出手段をさらに備えている請求項１に記載の光学的測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光を用いて生体内の酸素代謝を測定する生体酸素モニタなどの光学的測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
７００〜１０００ｎｍの近赤外光は他の波長域に比べて生体に対する透過性が高く、しかもこの波長域にヘモグロビン、ミオグロビン、チトクロムオキシダーゼなどの酸素化状態を示す物質の吸収帯が存在する。これを利用し、脳や筋肉などの生体組織の状態を無侵襲に測定できる無侵襲酸素モニタや光ＣＴなどが開発されつつある（特公昭６１−１１６１４号公報などを参照）。
【０００３】
生体酸素モニタでは被検体の一部に測定光を照射し、その被検体の他の部分から出射してくる光を検出し、複数の波長で測定した吸光度変化量の重みつき一次結合として目的成分の変化量を求めている。
その方法を具体的に示すと、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化量をそれぞれΔ〔ＨｂＯ2〕、Δ〔Ｈｂ〕とし、散乱成分等による平行移動量をＳと表わし、異なる測定波長λ1、λ2、λ3に対する酸素化ヘモグロビンの分子吸光度をそれぞれｅ1，ｅ2，ｅ3、脱酸素化ヘモグロビンの分子吸光度をそれぞれｂ1，ｂ2，ｂ3とすれば、波長λ1，λ2，λ3についてヘモグロビン濃度と吸光度の線形性を仮定して、対応する吸光度変化ΔＡ(λ1)、ΔＡ(λ2)、ΔＡ(λ3)は
ΔＡ(λ1)＝ｅ1Δ〔ＨｂＯ2〕＋ｂ1Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ
ΔＡ(λ2)＝ｅ2Δ〔ＨｂＯ2〕＋ｂ2Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ
ΔＡ(λ3)＝ｅ3Δ〔ＨｂＯ2〕＋ｂ3Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ           ……（１）
とかける。これをΔ〔ＨｂＯ2〕、Δ〔Ｈｂ〕、Ｓを未知数とする連立方程式として解けば、
Δ〔ＨｂＯ2〕＝ｋ11ΔＡ(λ1)＋ｋ12ΔＡ(λ2)＋ｋ13ΔＡ(λ3)
Δ〔Ｈｂ〕   ＝ｋ21ΔＡ(λ1)＋ｋ22ΔＡ(λ2)＋ｋ23ΔＡ(λ3)…（２）
の形の解が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光を生体に照射し、生体からのその光の反射光を受光する反射型プローブを備えた測定装置では、光は生体中で著しく散乱されるため、広範囲の領域からの情報を測定していることになる。深さ方向を限定するために、時間分解測定法が試みられているが、実現できたとしても装置が高価で複雑なものとなる。
現在、臨床モニタ装置としては、深さ方向の吸収係数の分布や酸素状態の分布を測定できる装置は存在していない。
本発明は簡単な構成により、被検体の深さ方向の吸収係数分布、さらにはそれを元にした酸素状態分布などを測定できるようにすることを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明を示す。図１には表わされていないが、光吸収体である被検体の一部に測定光を照射し、その被検体上で測定光の入射点から離れた出射点より測定光を受光するとともに、入射点と出射点との距離を複数種類に異ならせるように被検体への送光点と被検体からの出射光を受光する受光点のうちの一方が複数個設けられている測定光学系が設けられている。測定光として複数の波長λ1、λ2、λ3の光を切り換えて照射できるものとすれば、その測定光学系からは、波長λ1の測定光に関し送光点と受光点の各組について吸光度Ａ1(λ1)，Ａ2(λ1)，Ａ3(λ1)，……が得られ、波長λ2の測定光に関し送光点と受光点の各組について吸光度Ａ1(λ2)，Ａ2(λ2)，Ａ3(λ2)，……が得られ、波長λ3の測定光に関し送光点と受光点の各組について吸光度Ａ1(λ3)，Ａ2(λ3)，Ａ3(λ3)，……が得られる。寄与関数記憶部２は入射点と出射点の各組における入・出射点間の距離について、別途測定されて与えられた、被検体の深さ領域と吸光度との関係を示す寄与関数を記憶している。吸収係数算出手段４は測定光学系での送光点と受光点の各組について測定した吸光度と寄与関数記憶部２に記憶されている対応する入・出射点間距離での寄与関数とから被検体の深さ領域の吸収係数を算出する。算出される吸収係数は、波長λ1の測定光に関し異なる深さ領域についてμａ1(λ1)，μａ2(λ1)，μａ3(λ1)，……として得られ、波長λ2の測定光に関し異なる深さ領域についてμａ1(λ2)，μａ2(λ2)，μａ3(λ2)，……として得られ、波長λ3の測定光に関し異なる深さ領域についてμａ1(λ3)，μａ2(λ3)，μａ3(λ3)，……として得られる。
【０００６】
被検体が生体である場合には、吸収係数は酸素化状態を反映したものであるので、深さ方向酸素化状態算出手段６により、複数波長での深さ領域の吸収係数分布から、後述の（１３）式に基づいてその深さ領域の酸素化状態を導きだすことができる。
表示部８は深さ領域の吸収係数分布や深さ領域の酸素化状態分布を表示する。
【０００７】
【実施例】
図２は測定光学系の一例を示したものである。
（Ａ）は１個の送光点に対し距離の異なる複数の受光点をもつプローブを備えた例であり、光測定装置１０の半導体レーザなどの光源から光ファイバ１２によって送られた測定光を被検体１４に照射する送光部１６と、送光部１６から異なる距離に配置された複数個（この場合４個）の受光部１８−１〜１８−４が設けられている。受光部１８−１〜１８−４はフォトダイオードなどの固体検出素子で前置増幅器を一体として備え、その前置増幅器で増幅された信号をそれぞれのケーブル２０によって光測定装置１０へ送信するようにしたものが好ましい。送光部１６にＬＥＤなどの光源を備えてもよい。受光部１８−１〜１８−４としては光ファイバへの光入射端としてもよく、その場合はケーブル２０が光ファイバになる。送光部１６の位置が被検体１４への測定光の入射点となり、受光部１８−１〜１８−４の位置が被検体１４からの測定光の出射点となる。
【０００８】
（Ｂ）は１個の受光部１８に対し、異なる距離の位置に複数個の送光部１６−１〜１６−４を配置した例である。
（Ａ）及び（Ｂ）のプローブは、例えば（Ｃ）のように、１個の送光部１６（又は受光部１８）と、それから異なる距離に配置された複数個の受光部１８−１〜１８−４（又は送光部１６−１〜１６−４）がプローブ本体１５により一体化されている。
送光部１６，１６−１〜１６−４には光測定装置１０から測定光として複数波長のレーザ光が順次切り換えて送られ、複数波長での測定がなされる。
【０００９】
本発明では寄与関数は別途測定して寄与関数記憶部に与えておく。そのような寄与関数を求めるためのファントムの一例を図３に示す。生体に対応した光散乱体モデルとして、白色ポリアセタール樹脂板（大きさが１１０ｍｍ×１１０ｍｍ、厚さが１.０ｍｍ）３０を１１０ｍｍの高さになるように重ねて散乱体を構成し、吸収層のモデルとして色セロファンシート（厚さが０.０９ｍｍ）３２を所定の深さの位置に挾み込んでファントムとした。ポリアセタール樹脂板３０は等価散乱係数μｓ'＝１.１１０、吸収係数μａ＝０.０００７／ｍｍであり、吸収をもたない散乱体であると仮定することができる。一方、色セロファンシート３２は等価散乱係数μｓ'＝０、吸収係数μａ＝５／ｍｍであり、散乱のない吸収体である。ここで、μｓ'＝(１−ｇ)μｓで、μｓは散乱係数、ｇは散乱の非等方性パラメータである。
【００１０】
このファントムへのレーザ光の入射点とファントムからの散乱光の測定点（出射点）との距離ρを３０ｍｍとし、色セロファンシート３２を挿入する深さｄと枚数を異ならせて測定した結果を図４に示す。また、入・出射点間距離ρと１枚の色セロファンシート３２を挿入する深さｄとを異ならせて測定した結果を図５に示す。光源として出力１００ｍＷ、波長８０５ｎｍの半導体レーザを用いた。図４の結果によれば、色セロファンシート３２の枚数に比例して吸光度が増加している。
【００１１】
ファントムからの散乱光の出射光検出値を、色セロファンシート３２を挟んだときのものがＩ、色セロファンシート３２を挟まなかったときのものをＩo（図４，図５では Ｉwithout Abs と表現している）とする。寄与関数ｆとして、
0003859746.tif 000002
とおくと、色セロファンシート３２の枚数を異ならせた図４の測定結果から、
ｆ(ρ，μａ(ｄ))≡(１／ｍ)ｆ(ρ，ｍμａ(ｄ))      （３）
となって、任意の実数ｍに関する恒等式の成立していることが実験的にわかる。また、入・出射点間距離ρを異ならせた図５の測定結果から、入・出射点間距離ρとｆの関係は、
ｆ(ρ，μａ(ｄ))≡ｆ(ｎρ，μａ(ｄ・ｎ))×（１／ｎ）  （４）
となって、任意の実数ｎに関する恒等式の成立していることが実験的にわかる。
【００１２】
被検体の各深さ領域の吸収係数分布を求め、さらにそれをもとに酸素化状態を求める方法を図６と図７により説明する。被検体での測定光の入・出射点間距離ρを、小さいものから順にρ1，ρ2，……ρnとする。各波長での各入・出射点間距離ρでの吸光度Ａ1，Ａ2，……Ａnを測定する。
【００１３】
第１の波長λ1で最も短かい入・出射点間距離ρ1での吸光度Ａ1は、図７（Ａ）からわかるように、深さがｘ1までの情報が殆ど全てであるので、
【数１】
0003859746.tif 000003
と表現することができる。その寄与関数ｆ1は図４に示された寄与関数ｆ（(４)式）を図７（Ｂ）のように０〜ｘ1の範囲の関数としたものである。このときの測定吸光度Ａ1から、
【数２】
0003859746.tif 000004
となる。ここで、Ａ10は吸収が全くない場合の吸光度であり、拡散方程式から導かれる以下の（７）式
【数３】
0003859746.tif 000005
から推定することができる(Applied Optics, 28, 2331(1989)参照）。  この結果から、０〜ｘ1の領域に吸収係数が均一に存在すると仮定して、その吸収係数μａ1を求めることができる。
【００１４】
つぎに、被検体での２番目の入・出射点間距離ρ2での吸光度測定値Ａ2を用いる。このときの寄与関数ｆ2は（４）式の寄与関数を０〜ｘ2の範囲に納まるように変形したものであり、図７（Ｃ）に示されるようになる。入・出射点間距離ρ2でのデータは被検体での深さが０〜ｘ2の範囲の情報が殆ど全てであるので、
【数４】
0003859746.tif 000006
となり、吸光度Ａ2から
【数５】
0003859746.tif 000007
となる。ここでＡ20は吸収が全くない場合の吸光度あり、（７）式で与えられたものである。０〜ｘ1の範囲の吸収係数は先に求まっているので、（９）式の結果からｘ1〜ｘ2の範囲での吸収係数μａ2が求まる。
同様にしてｘ2〜ｘ3の吸収係数μａ3，ｘ3〜ｘ4の吸収係数μａ4……を求めることができる。
【００１５】
ここで、深さｘ1，ｘ2，ｘ3，……は、例えば、図５の測定結果で寄与関数ｆ（＝−log(Ｉ／Ｉo））がほぼ０になる深さと考えることができ、入・出射点間距離ρで表現して次のように与えることができる。
ｘ1＝０.８ρ1
ｘ2＝０.８ρ2
ｘ3＝０.８ρ3
……
【００１６】
予定の複数の波長、例えば７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍというような波長について、各深さの領域での吸収係数が求まると、それをもとにして各深さ領域での酸素化状態を次のように求めることができる。
生体は強散乱体であり、光の伝播は散乱係数μｓと吸収係数μａとで表わされる。このうち、吸収はヘモグロビンのみに依存すると考えられるので、酸素化ヘモグロビン濃度〔ＨｂＯ2〕と脱酸素化ヘモグロビン濃度〔Ｈｂ〕によって、吸収係数μａは、
μａ＝ａ〔Ｈｂ〕＋ｂ〔ＨｂＯ2〕            （１０）
と記述することができる。吸収係数μａを多波長で測定すれば、次の連立方程式を得ることができる。
μａ(λ1)＝ａ1〔Ｈｂ〕＋ｂ1〔ＨｂＯ2〕
μａ(λ2)＝ａ2〔Ｈｂ〕＋ｂ2〔ＨｂＯ2〕            （１1）
……
酸素化ヘモグロビン濃度〔ＨｂＯ2〕と脱酸素化ヘモグロビン濃度〔Ｈｂ〕は、吸収係数μａを２波長で測定すれば求めることができ、３波長以上で測定して最小二乗法で算出することもできる。２波長測定であれば、（１１）式から、
【数６】
0003859746.tif 000008
として求めることができる。
【００１７】
酸素飽和度は
〔ＨｂＯ2〕／（〔Ｈｂ〕＋〔ＨｂＯ2〕）
として求めることができ、次の（１３）式の形になる。
【数７】
0003859746.tif 000009
このような酸素化状態を定期的に測定し、その時間変化を表示装置により表示すれば、例えば図７（Ｄ）のように血液の酸素飽和度が生体の深さ方向でどのように変化したかを捉えることができる。図７（Ｄ）において、○のデータは時刻ｔでの酸素飽和度、●のデータは時刻（ｔ＋Δｔ）での酸素飽和度を表わしている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では深さ領域毎の吸収係数分布を測定することができる。そしてそれをもとに、例えば生体の深さ領域毎の酸素化状態の分布を容易に知ることができるようになる。例えば「表層部分の酸素化状態が多少悪くなっているが、脳内部などの深層は変化していないから、しばらく様子を見るだけにしておこう」とか、逆に「顔色はあまり変化していないが、深層部で悪化しているから至急対処しよう」というような判断ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のデータ処理を行う部分を示すブロック図である。
【図２】本発明における測定光学系の例を示す図であり、（Ａ）は送光部が１つで受光部が複数の場合の斜視図、（Ｂ）は送光部が複数で受光部が１つの場合の斜視図、（Ｃ）はプローブの一例を示す底面図である。
【図３】本発明で寄与関数を求めるファントムの一例を示す斜視図である。
【図４】そのファントムを用い、入・出射点間を３０ｍｍとし、色セロファンシートを挿入する深さと枚数を異ならせて測定した寄与関数の例を示す図である。
【図５】そのファントムを用い、入・出射点間距離と色セロファンシートを挿入する深さとを異ならせて測定した寄与関数の例を示す図である。
【図６】一実施例の動作を示すフローチャート図である。
【図７】動作を示す図であり、（Ａ）は入・出射点間距離と被検体の内部情報との関係を示す断面図、（Ｂ），（Ｃ）は入・出射点間距離と寄与関数の関係を示す図、（Ｄ）は求められた酸素化状態を表示する例を示す図である。
【符号の説明】
２      寄与関数記憶部
４      吸収係数算出手段
１０      光測定装置
１２，１２−１〜１２−４      光ファイバ
１４      被検体
１６，１６−１〜１６−４      送光部
１８，１８−１〜１８−４      受光部
【図１】
0003859746.tif 000010
【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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