JP4160838B2 - 生体光計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体光計測装置に関し、特に生体内部の血管や血液の状態を無侵襲に計測及び画像化する生体光計測装置、および脳卒中診断支援装置、救急医療検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスが血管の拡張に非常に強く働くことは広く知られている。動脈血ＣＯ₂が２５〜６０ｍｍＨｇの範囲では、脳血流量は動脈血ＣＯ₂に対してほぼ直線的に変化するとされている（非特許文献1）。この血中炭酸ガス濃度と血流量との関係は、吸気炭酸ガス濃度をコントロールするという形で応用されている（特許文献１）。また、脳卒中の初期診断のため、ＰＥＴでの計測に応用されることもある。ＰＥＴとは、生体内の血液及び血流の状態を非侵襲に計測し画像化する技術である。血管中に造影剤として放射性同位元素を注入し、発生する放射能を計測することにより血流の状態などを計測することが可能である。しかし、計測に用いる放射性同位元素は、生体への悪影響を少なくするために、半減期の短いものが用いられる。このため、放射性同位元素を自家生産するためのサイクロトロンも必須である。
【０００３】
光を用いた生体内部情報の計測は、生体に対する透過性の高さから近赤外光が広く用いられている（特許文献２、特許文献３）。生体内に光を入射し、生体を通過した光を計測することで、生体内部の情報を無侵襲に計測することが可能である。特に、血液中の酸素飽和度の計測は、酸素の受容体であるヘモグロビンが、酸素の受容状態によりその光学的特性のひとつである吸収スペクトルを変化させると言うことを利用して行うことが可能である。このことは脳活動の計測にも利用されている。脳が活動するということは、その構成要素である神経細胞が活動することであり、その活動に伴う血液量や酸素飽和度の変化をヘモグロビンの吸収スペクトルの変化として計測することで、脳活動の計測が可能となる。
【０００４】
【非特許文献１】
山下他、「脳と循環−血圧は脳によって調節される」ｐ．１４４−１４５、共立出版株式会社、（１９９８）
【特許文献１】
特開２００２−２２４０８９号公報
【特許文献２】
特開平９−１３５８２５号公報
【特許文献３】
特開２００１−２１２１１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
脳活動などの生体反応の計測においては、計測される値が絶対的な値ではなく、相対的な値である場合が多い。その場合、生体反応の計測値を有意なものとして扱えるためには、生体内の特定の活動状態（例えば指を動かす状態）と、それとは異なる状態（例えば安静状態）との、比較を行うことが有用である。計測中に生体内に能動的に特定の活動状態を作り出すために、例えば指を動かすなどの「タスク期間」を設け、それとの比較を行うために、例えば安静状態にするなどの「レスト期間」を設ける。このように、能動的に生体内に特定の活動状態を作り出すためには、タスク期間とレスト期間が必要であり、被験者がこの両者を区別できる状態にあることが必要である。従って、例えば昏睡状態にある被験者に対しては、計測中にタスク期間とレスト期間を設けることは不可能である。
【０００６】
一方、受動的に生体内の特定の活動状態を計測することも可能である。例えば、睡眠時の状態を計測するために、例えば脳波計測などの手法による睡眠の状態の計測結果から、データをタスク期間（ＲＥＭ睡眠時など）とレスト期間（深い睡眠時など）に分類することができる。したがって、昏睡状態でも、受動的に生体内の特定の活動状態を計測することは可能ではあるが、この方法は、解析を行うのに十分なデータを得るためには長い時間の計測を要する。
【０００７】
本発明の目的は、被験者が能動的にタスク期間とレスト期間を区別することが出来なくとも、短時間で脳活動を計測する手段を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被験者の生体内部の血行動態を計測するため、被験者に光を照射する一つまたは複数の光照射部と、この照射光が生体の中を経由または生体内で反射されてでてきた光を検出する一つまたは複数の光検出部と、被験者の呼吸する空気中の炭酸ガス濃度を制御して、被験者の意識によらずに生体内にタスク期間とレスト期間に対応する状態を作り出すための吸気成分混合濃度制御装置と、光照射を制御し、且つ、光検出部で検出された光信号を解析する計算機とより構成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
第１の実施例として、脳卒中患者が被検者である場合について説明する。脳卒中治療においては、患者頭部のどこに疾患があるか、そして、それが出血性のものであるか、虚血性のものであるかを知る必要がある。
【００１０】
図１は第１の実施例の具体的な装置構成の例を示すブロック図である。図１に於いて、Ｔは被検者を模式的に表示したものである。１は制御用計算機であり、演算処理部１₁、操作部１₂、表示部１₃よりなる。演算処理部１₁には、後述するように、被検者に呼吸させる炭酸ガス濃度を制御するためのプログラムおよびこの制御と同期した光計測のためのプログラムが設けられ、これらによって、必要な制御信号が出力される。さらに、検出された光信号を解析するためのプログラムも備えられる。操作部１₂は、ここではキーボードのイメージを示したが、マウス等の計算機の操作に必要な周辺機器を含む。表示部１₃には被検者Ｔに供給しているガスの制御状況および解析結果等を表示する。２はガス弁開度制御装置である。３₁は空気ガスボンベ、３₂はその開閉弁である。４₁は炭酸ガスボンベ、４₂はその開閉弁である。５はガス混合部である。開閉弁３₂および４₂の開度はガス弁開度制御装置２を介して計算機１の演算処理部１₁の信号により制御される。６₁は吸気炭酸ガス濃度計測装置であり、ガス混合部５の炭酸ガス濃度を常時監視してこれが所定の値を超えるときは、炭酸ガスボンベ４₁からガス混合部５に導入される炭酸ガスを緊急遮断弁６₂により遮断する。また、吸気炭酸ガス濃度計測装置６₁の信号は制御用計算機１の演算処理部１₁に送信される。７はガスチューブであり、ガス混合部５で得られるガスを流す。８は吸気・呼気インターフェース部であり、ガスチューブ７を流れるガスを被検者Ｔに供給するためのマスクである。９はヘルメット形生体光計測インターフェース部であり、図示はしないが、被検者Ｔの頭にかぶせて光を照射する光照射部とこの照射光が脳の中を経由または脳内で反射されてでてきた光を検出する光検出部とを中に備えている。１２は照射光インターフェース固定部、１３は検出光インターフェース固定部であり、それぞれ、ヘルメット形生体光計測インターフェース部９内の光照射部、光検出部と結合されている。１１は光インターフェース部であり、計算機１の演算処理部１₁から出される光照射信号に応じた強度の光信号を生成し、検出された光信号に応じた電気信号を生成して計算機１の演算処理部１₁に送る。１４，１５はそれぞれ、照射光導光部（光ファイバー）、検出光導光部（光ファイバー）であり、光インターフェース部１１と照射光インターフェース固定部１２、検出光インターフェース固定部１３とを結合する。
【００１１】
なお、本発明と直接関係無いので、図示を省略したが、被験者の心拍数・呼吸数、血圧、血中酸素飽和度、体温値等の計測装置を被験者に付けて、必要な計測データの収集を行うとともに、被験者の安全のための表示および管理を行う。
【００１２】
図２は第１の実施例による計測の手順を説明する図である。横軸に時刻を取り、縦軸に（ａ）は炭酸ガス濃度の変化を、（ｂ）は検出された光強度を取ったものである。
【００１３】
調整開始から時間Ｔ₁の間は光源の調整、すなわち、光インターフェース部１１から送出される光源の光強度（照射光量）、光照射部および光検出部の調整、検出感度のレベルを調整する期間である。この期間は被検者Ｔを安静状態にしてマスク８を装着して置く。すなわち、操作者が操作部１₂により調整開始を入力することで、演算処理部１₁から、ガス弁開度制御装置２に開閉弁３₂の開度を制御する信号を送り、被検者Ｔの呼吸するガスは空気ガスボンベ３₁から供給される自然空気のみとする。演算処理部１₁の光インターフェース部１１に与える信号を操作者の操作部１₂による手動操作または操作部１₂から演算処理部１₁に与えられる調整開始の信号により、事前に設定されたパターンでの自動操作により、光インターフェース部１１内の光源（図示せず）の電源（図示せず）の電圧を制御する。これに応じて光ファイバー１４から照射光インターフェース固定部１２を介して被検者に照射される光強度が変化させられる。一方、検出された光信号は検出光インターフェース固定部１３を介して光ファイバー１５から光インターフェース部１１に送られる。検出された光信号を表示部１₃に、例えば、光信号の強度に応じた明るさで表示し、操作者が操作部１₂により光インターフェース部１１内の光源（図示せず）の電源（図示せず）の電圧を調整して光強度を調整する。この間、必要なら、ヘルメット形生体光計測インターフェース部９内の光照射部および光検出部と被検者との接触部の調整も行う。このようにして、被検者Ｔが安静状態にある状態での適当な光源の光強度（照射光量）を決定することができる。
【００１４】
調整が終わったら計測を開始する。操作者が操作部１₂により調整終了の信号を入力することで、演算処理部１₁から、所定のプログラムに沿ってガス弁開度制御装置２に開閉弁４₂の開度を制御する信号を送り、炭酸ガスボンベ４₁からガス混合部５に導入される炭酸ガス量を制御する。この状態では、図２（ａ）に示すように、炭酸ガス濃度はパルス的に増減する。この結果、被検者Ｔは自然空気よりも炭酸ガス濃度がパルス的に増減する空気を呼吸することになる。被検者Ｔが自然空気よりも炭酸ガス濃度が高い空気を呼吸すると、被検者Ｔの血液中に溶け込む炭酸ガス量が増加するので、血液中の炭酸ガス濃度が高くなる。この結果、非特許文献１からも明らかなように、脳血流量が増加する。このことは、被験者が運動をしたのと同等の状態を作り出したことを意味する。炭酸ガス濃度が減少して自然空気を呼吸することになると脳血流量も低下して被験者が安静状態と同等の状態となる。
【００１５】
このように、被験者が呼吸する空気の炭酸ガス濃度をパルス的に増減させることで、被験者の意識によらずに被験者の生体内にタスク期間とレスト期間に対応する状態を作り出すことができる。この結果、図２（ａ）に示すように、炭酸ガス濃度のパルス的な増減に対応して、検出される光強度もパルス的に増減する。ここで、検出される光強度が炭酸ガス濃度のパルス的な増減に対して時間ｓだけ遅れ、かつ、変化が緩やかであるのは、血液中に溶け込む炭酸ガス量の変化に遅れがあり、かつ、変化が緩やかであるからである。
【００１６】
このようにして、所定の期間の計測が終了すると被検者Ｔのマスク８を外す。次いで、収集したデータの処理を行ない（時間Ｔ₂）、処理されたデータを制御用計算機１の表示部１₃に表示する。データの処理および表示の例は後述する。
【００１７】
本発明では、被験者の生体の機能に個人差があることにかんがみ、上述の計測中に、被験者の心拍数・呼吸数、血圧、血中酸素飽和度、体温値等の計測装置を被験者に付けて、必要な計測データの収集を行う。これにより、被験者の安全をはかるとともに、吸気炭酸ガス濃度計測装置６₁の信号と併せ、今後の計測のための炭酸ガス濃度の時系列変化パターンの指標とすべきデータの一部として利用する。これらの計測値および吸気炭酸ガス濃度計測装置６₁の信号は、本来の計測値とともに、制御用計算機１に保存する。
【００１８】
次に、得られた時系列データの処理と表示について一例を説明する。まず、図２に示す計測開始から計測終了までの吸気炭酸ガス濃度信号と光強度信号の時系列データを、使用者があらかじめ設定した一定期間ごとに区分けする。その区分けされた各部分について、相関係数を計算する。相関係数の計算は式（１）により行うことができる。
【００１９】
【数１】

ここで、Ｄ（ｔ，ｕ）はある時刻ｔからｕの被検者Ｔの検出光信号強度、Ｒ（ｔ，ｕ）は同じ期間の吸気炭酸ガス濃度信号である。式（１）では、吸気炭酸ガス濃度信号の図２に示した時間遅ｓが考慮されていないが、これを考慮した相関係数の計算は式（２）により行うことができる。
【００２０】
【数２】

ここで、時間遅れｓは計測結果を評価して使用者が決定すれば良い。
【００２１】
結果の表示については、種々の方法が可能であるから、目的にあわせて選択することができる。
【００２２】
（１）図３は被検者Ｔの計測点が一つである場合の吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２とを時間軸に沿って表示する例を示す。図２に示すデータは時間軸が長い（３０分程度以上）から、これをそのまま表示したのでは、吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１に対する被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２の関係を詳細に表示することができない。適当な時間単位に区分して表示することにして、これを適当な時間間隔で併置して比較すれば、被検者Ｔの生体の活動状況を細かく見ることができる。
【００２３】
（２）図４は、図３と同様に吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２とを時間軸に沿って表示するが、被検者Ｔの計測点が１６点（４×４）である場合の同一時点の計測結果の表示を併置して示す例である。この場合、計測点の空間的配列に対応してデータを配列した表示を行う。図４の例では、１から１６の番号を付した計測点１６のうち、６番目の計測点でのみ吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１に対して被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２が無い状態を示している。このことは、計測点６に対応する位置の血管の血流がほとんどゼロであることを伺わせる。
【００２４】
（３）図５は先に述べた式（１）または式（２）により得られた相関係数の時間的変化３１を時間軸に沿って表示する例を示す。この場合も、適当な時間単位に区分して計算して表示することとしているので、これを適当な時間間隔で併置して比較すれば、被検者Ｔの生体の活動状況を細かく見ることができる。
【００２５】
（４）図６は、図５と同様に吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２の相関係数の時間的変化を時間軸に沿って表示するが、被検者Ｔの計測点が１６点（４×４）である場合の同一時点の計測結果の表示を併置して示す例である。図６の例でも、１から１６の番号を付した計測点１６のうち、６番目の計測点でのみ相関係数の時間的変化が極端に小さくなっていることを示している。このことは、計測点６に対応する位置の血管の血流がほとんどゼロであることを伺わせる。
【００２６】
図４あるいは図６の表示は適当な時間単位に区分された結果の表示である。全計測時間に亘った結果の表示は、制御用計算機１の表示部１₃の限られたスペースでは難しい。このような場合の一つの表示方法は、区分された時間単位の信号強度を色の種類および濃度で代表させることとして、これを全計測時間に亘って時間区分の順に併置することである。図７は、この考え方で、図４に示したような信号強度が全ての計測点で繰り返し計測されたとしたときの表示例である。図で４１₁，４１₂，---，４１_nは区分された時間単位の信号強度の表示である。図７によれば、詳細を知ることは出来ないが、６番目の計測点では、全計測時間に亘って信号強度が低い状態が続いたことが分かる。したがって、この表示を見た上で、図３から図６の表示を出して、詳細を検討するものとすることができる。上述の説明は、吸気炭酸ガス濃度の時系列変化パターンは一定の周期での増減の繰り返しとして説明したが、吸気炭酸ガス濃度の増減の繰り返しの時系列変化パターンを所定の周期で複数回の繰り返しとして制御するものとしても良い。この場合は、被検者Ｔの生体の活動状況が同じであれば、その繰り返しの周期に対応して被検者Ｔの検出光信号強度の変化が繰り返しとなるはずである。したがって、各繰り返しの周期に対応した被検者Ｔの検出光信号強度を加算平均して用いることにすれば、各繰り返しの周期で起こったであろう計測のばらつきを吸収した信頼の置けるデータを得ることができる。この場合、加算回数をデータの信頼度として演算処理部１₁に記録し、あるいは表示部１₃に表示してもよい。または、単純な加算平均ではなく、統計的検定の演算を行うこととして、その結果を利用するものとしても良い。
【００２７】
（第２の実施例）
第２の実施例について図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）は、図１に示すヘルメット形生体光計測インターフェース部９に代えて柔軟な素材でできた平板状の光計測インターフェース部５１とした例を示す。図８（ｂ）は、光照射インターフェース部１２を複数個分離した形で設け、光検出インターフェース部１３をこれに対応して複数個分離した形で設けた例である。このような分離形を用いるときは、被検者Ｔの頭部のみならず、被検者Ｔのあらゆる部位に光計測インターフェース部を装着することが可能である。これにより、脳疾患に限らず、頭部、手、腕、足、大腿部、胸部、腹部、背部、臀部、等の生体のあらゆる部位での吸気炭酸ガス濃度の変化に対する応答性を計測することが可能となる。
【００２８】
（第３の実施例）
第３の実施例では、第１の実施例と同様の装置構成を用いて、得られた頭部の各部位からの計測値の規格化を行う。
【００２９】
計測値の規格化のために、使用者があらかじめ設定した複数の吸気炭酸ガス濃度の条件のうち、一つの条件に吸気炭酸ガス濃度を設定するために、開閉弁４₂の開度を制御してガス混合部５の炭酸ガス濃度を変化させる。ガス混合部５の炭酸ガス濃度が所定の値になったかどうかは吸気炭酸ガス濃度計測装置６₁の信号で評価する。吸気炭酸ガス濃度の変化による血中炭酸ガス濃度の変化が定常状態になるのを待つために、あらかじめ設定した時間が経過した後、被検者Ｔの光信号を検出する。設定された吸気炭酸ガス濃度の信号と、この濃度で検出された光信号を、一組のデータとして、演算処理部１₁に保存する。
【００３０】
吸気炭酸ガス濃度を変えながら、設定された吸気炭酸ガス濃度の信号と、この濃度で検出された光信号を、一組のデータ取得を繰り返し行う。このとき、吸気炭酸ガス濃度の変化を必要且つ十分な条件で設定するために、演算処理部１₁にプログラムしておくのが良い。
【００３１】
上記プログラムされた複数の吸気炭酸ガス濃度の条件の下で繰り返し計測して得られた吸気炭酸ガス濃度の状態のデータと検出された光信号の複数の組から、頭部の各部位における光信号の強度分布を導出する。この強度分布の結果は、感度分布と等価であるから、図９はこの感度分布の一例を示す図である。このデータは演算処理部１₁に保存する。
【００３２】
次に、同一の装置、同一のプログラムを用い、他の被検者の計測を行う。この計測で得られた結果を図９に示す感度分布のデータで規格化すると計測部位による感度に依存しない計測結果を得ることができる。図１０は規格化された計測結果の一例を示す図である。
【００３３】
（その他の実施例）
上述の実施例は、いずれも、頭部についての計測の例をあげたが、本発明は体のあらゆる部位の計測に適用できる。
【００３４】
また、上述の実施例は、いずれも、タスク期間、レスト期間の設定を被検者の吸気炭酸ガス濃度で行うものとしたが、例えば、タスク期間を特定の音あるいは音楽を聞かせ続ける期間とし、レスト期間を閉眼安静の状態を維持する期間とするものとしても良い。
【００３５】
【発明の効果】
被験者がタスク期間とレスト期間を区別できる状態に無くても、計測を実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施例の具体的な装置構成の例を示すブロック図。
【図２】第１の実施例による計測の手順を説明する図。
【図３】被検者Ｔの計測点が一つである場合の吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２とを時間軸に沿って表示する例を示す図。
【図４】図３と同様に吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と被検者Ｔの検出光信号強度の変化２２とを時間軸に沿って表示するが、被検者Ｔの計測点が１６点（４×４）である場合の同一時点の計測結果の表示を併置して示す図。
【図５】吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と検出光信号強度相関係数の時間的変化３１を時間軸に沿って表示する例を示す図。
【図６】吸気炭酸ガス濃度信号の変化２１と検出光信号強度相関係数の時間的変化３１を時間軸に沿って表示するが、被検者Ｔの計測点が１６点（４×４）である場合の同一時点の計測結果の表示を併置して示す図。
【図７】図４に示した区分された時間単位の信号強度を色の種類および濃度で代表させて全計測時間に亘って時間区分の順に併置した例を示す図。
【図８】（ａ）は、図１に示すヘルメット形生体光計測インターフェース部に代えて柔軟な素材でできた平板状の光計測インターフェース部とした例を示し、（ｂ）は、光照射インターフェース部および光検出インターフェース部を複数個分離した形で設けた例を示す図。
【図９】上記プログラムされた複数の吸気炭酸ガス濃度の条件の下で繰り返し計測して得られた吸気炭酸ガス濃度の状態のデータと検出された光信号の複数の組から導出された感度分布の一例を示す図。
【図１０】同一の装置、同一のプログラムを用いて得られた他の被検者の計測結果を図９に示す感度分布のデータで規格化した計測結果の例を示す図。
【符号の説明】
１…制御用計算機、１₁…演算処理部、１₂…操作部、１₃…表示部、２…ガス弁開度制御装置、３₁…空気ガスボンベ、３₂…開閉弁、４₁…炭酸ガスボンベ、４₂…開閉弁、５…ガス混合部、６₁…吸気炭酸ガス濃度計測装置、６₂…緊急遮断弁、７…ガスチューブ、８…吸気・呼気インターフェース部、Ｔ…被検者、９…ヘルメット形生体光計測インターフェース部、１１…光インターフェース部、１２…照射光インターフェース固定部、１３…検出光インターフェース固定部、１４，１５…光ファイバー、２１…吸気炭酸ガス濃度信号の変化、２２…検出光信号強度の変化、３１…相関係数の時間的変化、４１…区分された時間単位の信号強度の表示、５１…平板状の光計測インターフェース部。

Claims (5)

1. 被験者に光を照射する光照射部と、
   前記光照射部から照射され前記被験者の内部を反射した光を検出する光検出部と、
   前記被験者が呼吸する空気中の炭酸ガス濃度を制御する炭酸ガス濃度制御装置と、
   前記光照射部から照射される光の強度またはタイミングを制御し、前記光検出部で検出された光の強度を演算する計算機とを有し、
   前記炭酸ガス濃度制御装置は、前記被験者が呼吸する空気中の炭酸ガス濃度をパルス的に増減させることを特徴とする生体光計測装置。
2. 被験者に光を照射する光照射部と、
   前記光照射部から照射され前記被験者の内部を反射した光を検出する光検出部と、
   前記被験者が呼吸する空気中の炭酸ガス濃度を制御する炭酸ガス濃度制御装置と、
   前記光照射部から照射される光の強度またはタイミングを制御し、前記光検出部で検出された光の強度を演算する計算機とを有することを特徴とする生体光計測装置。
3. 前記炭酸ガス濃度の時間変化または前記光検出部で検出された光の強度の時間変化または、これらの間の相関係数の時間変化を表示する表示部を有することを特徴とする請求項１または２記載の生体光計測装置。
4. 前記被験者の心拍数、呼吸数、血圧、血中酸素飽和度、体温値のいずれかを計測する計測装置を有することを特徴とする請求項１または２記載の生体光計測装置。
5. 前記計算機は任意被験者の炭酸ガス濃度に対する光信号感度の分布を演算し、前記感度分布を用いて前記被験者の前記光検出部で検出された光の強度を規格化することを特徴とする請求項１または２記載の生体光計測装置。

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