広島工業大学紀要研究編
第 ₄₇ 巻（₂₀₁₃）41 – 45

論文

近赤外分光画像の被験者依存性
小田和磨*・湯浅昂洋**・鬼追一雅***（平成₂₄年₁₀月₃₁日受付）

Dependence on Examinees for Spectral Images
Kazuma ODA, Takahiro YUASA and Kazumasa KIOI
(Received Oct. 31, 2012)

Abstract
The authors have been developing a visualization technique for hemoglobin concentration images.
The clearness of the hemoglobin concentration images depends on examinees. Differences on clearness
with respect to examinees have been studied.
Key Words: spectroscopy, near-infrared, hemoglobin
行ったので，その結果を報告する。

₁ ．まえがき₂ ．研究目的

近年，医療・生体計測と言った広い分野で，光を用いた生体計測の処理技術が注目され，研究・開発が盛んである

これまでに，パターン分離法を用いた酸化ヘモグロビン［₁］。近 赤 外 線 領 域（₇₀₀ nm – ₂₅₀₀ nm）の う ち 特 に ₇₅₀（oxygenated hemoglobin，以下 oxy-Hb）と還元ヘモグロビ

nm – ₁₂₀₀ nm の波長域は水と血液中のヘモグロビンによるン（deoxygenated hemoglobin，以下 deoxy-Hb）濃度分布

光の吸収が比較的低いため生体計測が可能である。パルス

画像の取得には成功している。

オキシメータを用いた酸素飽和度測定等が既に実用化されところで，oxy-/deoxy-Hb 分布画像は被験者によって明ている。これらは非侵襲的に測定することができるので被瞭さに大きな違いがある。今回，被験者依存性の原因解験者の負担が少なくて済む。

明を目的として，複数の被験者について，様々な部位のしかしながら，従来の測定方法ではプローブ内に挿入さoxy-Hb 分布画像を比較検討した。

れた手指に光を照射し，透過光を測定する。測定領域は手₃ ．近赤外分光法の概要

指という比較的狭い領域に限定されている。そこで我々は反射光からもヘモグロビン濃度分布が得られることに着目

₃.₁.

分光画像

し，狭帯域分光カメラを用いることによって，比較的広範分光画像とは，可視光や近赤外といった全ての波長の中囲にわたる ₂ 次元情報として血液色素分布や動態の取得をから狭い範囲の光の波長を取り出し画像にしたものであ行う方法を検討している。これまでに，近赤外分光画像かる。狭帯域の光の成分をカメラで被写体を撮影した分光画

らパターン分離法［₂］を用いてヘモグロビン分布の情報を像から人間の目では感知できない特徴や変化の抽出を行う得られることを報告している［₃］。

ことができる。

本研究では， ₂ 台のカメラとコンピュータを用いて異な今回は，生体計測に優れている近赤外領域（₇₅₀ nm –る ₂ 種類の波長で同期した近赤外分光画像を取得し，被験₁₂₀₀ nm）の光源と，近赤外分光画像処理システムを用い者の様々な部位の酸化ヘモグロビン分布画像の比較検討をて人間の指，手首，手の甲，腕の画像を撮影し，得られた* 広島工業大学大学院工学系研究科情報システム科学専攻** 広島工業大学情報学部情報工学科卒業*** 広島工業大学情報学部情報工学科
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小田和磨・湯浅昂洋・鬼追一雅

分光画像からパターン分離処理を行い，oxy-Hb の分布画像を進むことができる。
また oxy-Hb と deoxy-Hb では近赤外領域における吸光特の取得を行う。

性に違いがある。図 ₂ にヘモグロビンのモル吸光特性を示₃.₂.

位置補正処理す。波長₈₀₀ nm 付近を境にして oxy-Hb と deoxy-Hb のモ

カメラ ₂ 台から画像を取得する場合，図 ₁ のように撮影

ル吸光係数の大きさが逆転する。

範囲にずれが生じる。この状態でパターン分離処理を行う

この事実を利用して我々は ₇₆₀ nm と ₈₅₀ nm の分光画像と，異なる範囲の分光画像同士を処理するので，正確な Hbからパターン分離処理を行い oxy-Hb 分布画像を取得し分布画像が得られない。

た。

そこで，プログラムによって撮影範囲の位置補正を行₃.₄.

い，ずれのない画像を取得する。

Lambert-Beer 則

Lambert-Beer の法則は，光の物質による吸収を定式化した法則で，Lamber t の法則と Beer の法則を合わせたものである。図 ₃ のように光 I が厚さ L の物質を透過する際，その量が半分に減ったとする。このとき，厚さ L が ₂ 倍になった場合には透過する光の量 I は₁/₄，厚さ L が ₃ 倍になった場合には₁/₈となり，光の量 I は厚さが増すにつれ指図₁₃.₃.

補正前の位置比較図

ヘモグロビン吸光特性

近赤外分光法は，近赤外領域におけるヘモグロビンの吸光特性を利用する。ヘモグロビンは赤血球中にあるタンパ

図₃Lambert の法則

ク質であり，全身に酸素を運ぶ赤血球の働きは，主にヘモグロビンによって行われる。

数関数的に透過量が下がっていく。

ヘモグロビンには oxy-Hb と deoxy-Hb の ₂ 種類がある。
体内組織に酸素を供給すると oxy-Hb は deoxy-Hb となり肺この「等方性物質の光の吸収は光路長に依存する」がLambert の法則である。に戻ってくる。従って一般的に動脈血には oxy-Hb が多く，静脈血には deoxy-Hb が多い。

物質の濃度に対しても Lambert の法則と同じようなことが言える。図 ₄ のように光 I が濃度 C の物質を透過する際，可視光領域（₄₀₀ nm – ₇₀₀ nm）の波長ではヘモグロビンその量が半分に減ったとすると，濃度 C が ₂ 倍になると透やその他の生体組織による吸収が大きく，近赤外線より長過する光の量 I は₁/₄，濃度 C が ₃ 倍になると₁/₈となり濃い波長域では水による吸収が大きくなるため，光が生体内度についても濃度が高くなるにつれ光の量 I は指数関数的を殆ど進めなくなる。それに対し，近赤外領域ではそれらに透過量が下がっていく。
この「等方性物質の光の吸収は物質の濃度に依存する」による吸収が少ないため，深い部分まで分光情報を得ることができる。可視域では ₁ mm 進むごとに光の強度はおよそ₁/₁₀減衰するのに対し，近赤外域ではその約₁₀倍の距離

図₄Beer の法則が Beer の法則である。
この ₂ つの式を合わせたものを Lambert-Beer の法則と呼び，物質に入射する光の強度を I₀，物質中を距離 L 移動した光の強度を I，吸収係数を α ，モル吸収係数を ε ，物質の図₂

oxy-Hb・deoxy-Hb の吸収スペクトル［₄］濃度を C とすると
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近赤外分光画像の被験者依存性

log10

I= − εCLI0（₁）

た。図 ₅ に試作装置の構成図を示す。試作装置は下記の機器から構成される。
・LED 光源 ₂ 台が成立する。

・フィルタ付き CCD カメラ ₂ 台
₃.₅.

パターン分離法・ファンクションジェネレータ（同期信号供給用）
・PC（解析および制御用）

Lamber t-Beer の法則を用いて，複数の分光画像において，対象を構成する物質ごとの吸収係数を用いて濃度パターンを出力する。これにより，分光画像から物質の二次元空間的なパターンを得ることができる。これをパターン分離という。
得られた分光画像を F( λi , x , y ) とする。式（₁）の LambertBeer の法則から，物質 n の波長 l i での吸収係数をε n( λi )，物質 n の濃度パターンを Pn( x , y )とすると F は ε n と Pn に対して指数関数的に変化し，式（₂）のように表すことができる。
F( λi , x , y ) = I 0 exp{− ∑ n ε n( λi )Pn( x , y )}（₂）

これよりlog F( λi , x , y ) = a ∑ n ε n( λi )Pn( x , y )図₅

実験装置のブロック図（₃）₅ ．実式（₃）から，対象となる物質の数以上の異なる波長の分光画像を取り込み，物質の吸収スペクトルの違いを利用し₅.₁.て複数波長間で連立方程式を解くことにより，物質の濃度パターンを定量的に導き出す事ができる［₉］。

験実験手順

被験者 ₅ 名の指（掌側），手首，手の甲，腕，腕（₃₀秒間縛った状態）の各部位を撮影した。光源には波長 ₇₆₀ nm

従って，生体内の吸光変化は oxy-Hb と deoxy-Hb の濃度と₈₅₀ nm の赤外波長を発生する ₂ 台の LED 光源を用いた。

変化によってのみ生じると仮定し， ₂ つの波長 ₇₆₀ nm と受光器となる ₂ 台の CCD カメラはいずれも Imaging Source

₈₅₀ nm の分光画像を読み込む。

社製の DMK₂₁BU₀₄ モノクロ₁/₄＂₃₀万画素を用いた。各レンズ系にはそれぞれ ₇₆₆±₅ nm および ₈₅₂±₅ nm の通過域₃.₆.

白色板補正をもつバンドパスフィルタを装着して使用した。ヘモグロ

位置補正処理された画像にそのままパターン分離処理を

ビン分布画像を取得するためには，波長 ₇₆₀ nm の分光画行った場合，フィルタの透過性，レンズの絞り補正，照明像と波長 ₈₅₀ nm の分光画像とが同期されている必要があ

光のスペクトル補正等，様々な影響を受けることになり，る。

正確な値を測定することができない。

そこで各波長の分光画像取得用カメラをトリガモードでそこで，白色板の全ての波長域に対して₁₀₀％の反射率の動作させ，パルスジェネレータから供給される同期信号に値を返すという特性を利用し，白色板の部分の輝度の値がよって撮影されるようにした。これにより ₂ 台のカメラか最高値になるような係数を導き出し，それを画像全体の画らは，同一時刻に撮影された VGA サイズ（₆₄₀×₄₈₀）の素について乗算することによって，全体の輝度を本来のも連続撮影分光画像が出力される。のへ近づけることができる。

今回の撮影条件では，同期信号として₁₀ Hz の方形波を与え，₀.₁秒毎の連続撮影分光画像を取得した。以上の撮影

₄ ．実験装置

条件で，被験者 ₅ 名の人体の各部位を撮影した。

従来の実験装置［₂］は，波長可変フィルタと CCD カメラを用いており，波長 λ ₁ の画像と波長 λ ₂ の画像との間に₅.₂.

撮影部位の比較撮影時刻の差があった。そのため時間平均されたヘモグロ各部位の分光画像に，位置補正処理，白色板補正，パビン濃度分布の静止画は取得できたが動画像取得は困難でターン分離処理を行い，oxy-Hb 分布画像を取得した。各部位あった。今回，ヘモグロビン濃度分布の動画像を取得するとは指（掌側），手首，手の甲，腕である。それぞれの部位のために， ₂ 台のカメラを使用する実験装置を新たに試作し

oxy-Hb 分布画像に対して，血管が明瞭に確認出来る被験者

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小田和磨・湯浅昂洋・鬼追一雅

A と，血管が不明瞭な被験者 B の ₂ 名の画像を次に示す。
今回，血管を確認する判断基準は画像からの目視である。
₅.₃.

指（掌側） oxy-Hb 分布画像

指全体が黒色を基調としているのに対して，人差し指から小指の各指に数本の比較的明るい部分（白色）が確認で（a）被験者 Aきる。この比較的明るい部分（白色）が血管である。ヘモ

図₈

グロビンの吸光特性から血管が白く映し出される。

（b）被験者 B
手の甲の oxy-Hb 分布画像

被験者Ａの画像では血管が明瞭であり，鮮明に血管を確認することができた。被験者 B の画像では太めの血管は確認できるが，血管が不明瞭な部分もある。被験者 A に比べ，被験者 B は不明瞭である。手の甲の oxy-Hb 分布画像
では，被験者 ₅ 名のうち， ₂ 名は血管を明瞭に確認することができた。
（a）被験者 A
図₆（b）被験者 B

₅.₆.

指（掌側）の oxy-Hb 分布画像

腕oxy-Hb 分布画像

腕の oxy-Hb 分布画像は，安静時のものである。図 ₉ の
この画像から被験者 A では血管を明瞭に確認することが画像を見ると，血管が不明瞭である。

できた。被験者 B でも人差し指から小指にかけて，数本の比較的見えやすい血管が確認できる。しかし，被験者 B よりも被験者 A の方がより血管を明瞭に確認できた。また，指（掌側）の oxy-Hb 分布画像はどの被験者においても，最も血管を明瞭に確認できた部位であった。
₅.₄.

手首

oxy-Hb 分布画像（a）被験者 A

被験者 A では，比較的見えやすい血管が確認できる。そ図₉（b）被験者 B
腕の oxy-Hb 分布画像の中でも腕側から通っている血管があり，途中から血管が分岐していることが鮮明に確認できる。

図 ₉ の画像から血管を確認することは困難であった。被験者 B の画像も同様に，血管が映し出されておらず，不明
瞭である。腕の oxy-Hb 分布画像では，被験者 ₅ 名のうち，どの被験者においても血管が不明瞭であった。
次に腕を₃₀秒間縛った状態の oxy-Hb 分布画像を示す。
₅.₇.

（a）被験者 A
図₇

腕（₃₀秒間縛った状態） oxy-Hb 分布画像

一時的に腕の血液の流れを止め，血管を圧迫させること（b）被験者 Bで血管が浮き出る。腕を₃₀秒間縛った状態の oxy-Hb 分布

手首の oxy-Hb 分布画像

画像は，被験者 A では血管を明瞭に確認することができた。
一方，被験者 B では血管が不明瞭である。被験者 A に比べ，被験者 B の画像から血管を正確に判断するのは困難である。手首の oxy-Hb 分布画像は被験者 ₅ 名のうち， ₃ 名は血管を明瞭に確認することができた。
₅.₅.

手の甲oxy-Hb 分布画像

被験者 A では，手の甲の全般にかけて数本の比較的見えやすい血管が確認できる。指（掌側）と手首の oxy-Hb 分
布画像に比べ，手の甲では太めの血管が確認できる。
─ 44 ─（a）被験者 A
図₁₀（b）被験者 B

腕（₃₀秒間縛った状態）の oxy-Hb 分布画像

近赤外分光画像の被験者依存性

図 ₉ の画像よりも明瞭に血管を確認できた。被験者 B のNutritional Status in Mothers and Young Children, The

腕（₃₀秒間縛った状態）の oxy-Hb 分布画像は，腕を縛った状態であっても血管が浮き出ず，不明瞭であった。腕をJournal of Nutrition,（₂₀₁₀）pp. ₁₆₁₀ – ₁₆₁₄.
［ ₂ ］垣内優一，沖本大介，中野雄史，藤本勲：「パター

₃₀秒間縛った状態の oxy-Hb 分布画像では，被験者 ₅ 名のン分離法による血液色素分布の二次元計測」，平成₁₈

うち， ₃ 名は血管を明瞭に確認することができた。このこ年度 電気・情報関連学会，p. ₅₇₆，岡山，（₂₀₀₆-₁₀）とから，被験者の違いによる差が非常に大きいことがわか［ ₃ ］波多野雅俊，小泉和也，高宮雄貴，藤本勲：「 ₂ 波る。また，指（掌側），手首，手の甲と腕を比べると，皮下長時間同期動画像のパターン分離によるヘモグロビン

脂肪の多さの違いによっても血管の見え方は変わると考え分布の時間変化計測」，平成₂₁年度広島工業大学卒業

られる。

研究論文，（₂₀₁₀-₂）［ ₄ ］Prahl, S.: Optical Absorption of Hemoglobin, URL:

₆ ．まとめhttp://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin, Oregon
Medical Laser Center（Oct. ₂₀₁₀）.

近赤外分光画像処理システムによる被験者依存性に関して，比較検討を行った。その結果，最も血管を明瞭に観測［ ₅ ］McMurdy, J. W., Jay, G. D., Suner, S., Crawford, G.:することができた部位は，指（掌側）であることがわかっ

NoninvasiveOptical, Electrical, and Acoustic Methods

た。

of Total Hemoglobin Determination, Clinical Chemistry,その他の部位では，撮影条件が同じであっても，手首の血管が明瞭に確認できた被験者もいれば，腕の血管が明瞭

Vol. ₅₂, No. ₂（₂₀₀₈）pp. ₂₆₄ – ₂₇₂.
［ ₆ ］三原淳：「ビームスプリッタを用いた近赤外線分に確認できた被験者もおり，被験者の部位によって血管の光画像処理システム ～光軸調整による精度向上確

見え方が異なった。このことから，被験者による差異が非認～」，広島工業大学卒業論文，（₂₀₁₁-₂）

常に大きい事が確認できた。

［ ₇ ］亀本真寿男，柏原 陣，小田和磨，波多野雅俊，鬼追一

被験者や測定部位によらず，画像から血管を明瞭に確認

雅：「パターン分離法による運動時 Hb 濃度分布計測」，

することができれば，運動時 Hb 濃度分布計測などの応用

平成₂₄年度 電気学会，pp. ₁ – ₁₂₇，広島，（₂₀₁₂-₃）

用途が期待できる。

［ ₈ ］小田和磨：「経皮的酸素飽和度（SpO₂）画像導出法の今後は更に測定の精度を高めなければならない。また，どの測定部位においても血管を明瞭に確認できるよう，体研究」，広島工業大学卒業論文，（₂₀₁₁-₂）［ ₉ ］鬼追一雅，波多野雅俊，藤本の各部位に最適な測定条件を検討する必要がある。

文

勲：「近赤外分光反射動画像を用いたヘモグロビン濃度分布可視化の検討」，可 視 化 情 報 学 会 論 文 集，Vol. ₃₁, No. ₁₀, pp.

献

₅₇ – ₆₁,（₂₀₁₁-₁₀）［ ₁ ］Nadeau，G. R., Groner, W.: Innovative Non- or Minimally-［₁₀］波多野雅俊：「近赤外狭帯域分光画像処理システムにInvasive Technologies for Monitoring Health and─ 45 ─関する研究」，広島工業大学修士論文，（₂₀₁₂-₂）