JP5583340B2 - 体内腔部ガス測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
顔面の解剖学的背景
図1に図示するごとく、鼻咽頭領域内の顔面骨にはいくつかの腔部が存在しており、洞とも呼ばれる。前頭洞はほとんどの場合1つの腔部で構成されているが、異なる部分を有することもある。上顎洞と蝶形骨洞は左右相称である。篩骨蜂巣システムもまた左右相称であり、多くの小さな連通腔部で構成されている。前頭洞は頭蓋骨の前骨の眼球の真上に位置している。上顎洞は頬の上顎部両側の眼窩床真下に位置する。篩骨蜂巣と蝶形骨洞(図1には図示せず)は鼻の中間部及び背部に位置している。少なくとも健康な人では、全ての洞は排出用として鼻腔に接続されている。
洞の炎症及び診断
副鼻腔の炎症はこの領域のウィルス感染またはアレルギー反応に関連している場合が多い。これは通常粘液組織の膨張を引き起こし、排出通路を閉鎖させる。これらの閉鎖腔部ではバクテリアが増殖して副鼻腔炎と呼ばれる臨床兆候を引き起こす。副鼻腔炎の診断は、頬の触診及び検鏡による鼻腔膿液の視覚的観察等の臨床検査と合わせて患者の既往歴に基づいてなされる。臨床基礎医学検査には洞X線、超音波及び低照射コンピュータ断層撮影が含まれる。これらの方法の中で超音波及び洞X線検査は、現在ほとんど利用されていない。洞状態の評価は簡単でないことがあるため、追加診断のための簡易な道具が必要である。信頼できる診断モダリティは不要な抗生物質治療の低減にもつながる。本発明の実施例はこのようなモダリティを提供する。
実験
ガス分光法に基づいた洞診断に関する補助的実験を2段階に分けて行った。先ず、2空間を有するプラスチック製散乱部から成るモデルシステムをいくつかのパラメータを変更しながら後方散乱形態と透過形態で検査した。次に、生体外結果を実証するため、志願者の洞腔部を生体内で測定した。これについて以下に説明する。
実験設備
本発明による装置110の1実施例を図2に示している。ガス検出システムの概略図を100で示している。近赤外線シングルモードダイオードレーザ1である出力7mWのシャープLT031MDOを分光光源として利用した。4Hzの反復率で駆動電流へランプを適用することで、ダイオードレーザ1は761.003nm(真空波長)に提供されたR7R7分子酸素線で温度調整された。図2の左側から分かるように、光波長変調を提供するように9kHz正弦波が電流ランプに重ねられて高感度の波長変調分光(WMS)が提供される。
光電子倍増管からの信号を2つの部分に分割することで吸収信号を検出した。1部分(直接信号)は直接的にコンピュータ制御デジタル式オシロスコープ8に送られた。他の部分(WMS信号)はロックイン型アンプ9(EG&G プリンストンアプライドリサーチ5209)へ送られ、図2に示すごとくオシロスコープ8の別チャンネルへ送られる前に、変調周波数の2倍で位相感応検出が提供された。その信号が吸収プロフィールの導関数のように見えるため、ロックイン検出性能波長変調分光法は導関数分光法と呼ばれることが多い。この場合、変調周波数の2倍での検出が実行されると、ロックイン信号は吸収プロフィールの二次導関数のように見える。
WMS信号の強度は狭いガス吸光特性の絶対値、すなわち検出器に到達するガスと光量による吸収率によって決定される。WMS信号中の吸収信号のピーク値からピーク値までを測定し、これを検出器に到達する光量(直接信号)に関して標準化して対象ガスによる吸収を評価する。少量の吸収では、WMS信号は吸収度に比例し、よってガス濃度と光の経路長の積に比例する。
標準添加法と呼ばれる手法で標準化測定WMS信号を校正し、有用値へと変換した。散乱物体に加えてレーザ光が通過する知られた環境大気の経路長を追加し、取得した標準化WMS値を追加された空気の関数としてプロットすることで、大気の等価な距離が予想される。このようなプロットのデータポイントは直線となることが予想される。零交差は環境大気内の等価な距離Leqを提供し、サンプルからの信号と同じ規模の信号を発生させる。
測定
モデルシステム測定
図3に示すシステムで人体擬似測定を実施した。厚み12の副散乱部S2から距離dで分離した厚み11の主要散乱部S1にレーザ光を投射する。散乱部は人体組織と似た散乱率を有するデルリン・プラスチック製である。人体組織の場合と同様に波長760nmでの吸収率はその散乱率に比べて無視できる程度である。
図3Aは後方散乱形態を図示しており、S1に投射された光子は内部で複合散乱される。後方散乱の原理も図8の右図に示している。光子の一部は散乱部を分離している空隙へ漏れ、S2へ進入する前に空隙を直線状に横切る。複合散乱が生じ、光子の一部はS1内で再び散乱するように再度空隙を横切る。主にS1内へ投射された光子の少量は光電子倍増管で検出される前に、空隙を2度通過した後に最終的にはこの散乱部を通過する。このような光子は空気中で2dよりも長い距離を通過する。2d=20mmの経路長の場合、R7R7酸素線による4×10-4の吸収率は通常大気組成の空気において予期される。光電子倍増管に到達する光の大部分はS1からのみ後方散乱されるためガス吸収の痕跡を有しない。従って吸収率の信号は弱められる。空隙を通過する複数通路からのガス信号作用は無視できる。S1内で散乱された光子による不都合な作用は、光電子倍増カソードの前で充分な大きさの中央ビーム停止部を選択することによってのみ大きく低減させることができる。光源と検出器との間の距離を増大させることで散乱媒質をより深く検査できるという通常観察結果に則している。
図3Bは透過形態を示している。後方散乱形態との主な違いは、検出器に到達する光子が全て空隙を横断しているに違いないことである。しかしながら、支配的な信号量は1本の空隙通路からのものである。
後方散乱形態における主要散乱部及び副散乱部の影響を研究するため、すなわち前頭洞の測定をエミュレートするため酸素信号が固定値11に対して測定され、dと12が変動したところで第1シリーズの測定が実施された(図4A)。測定の第2シリーズでは固定値12で11を変動させて同じ手順を実施した。(図4B)。図4Aから、酸素信号全体は増加する副散乱部の厚みと共に増加することが分かった。しかしながら、この増加は急減して約30mm厚で終息し、これ以降、副散乱部は無限厚の散乱部であると考えられる。このケースは、骨と脳が巨大な副散乱部を構成し、この散乱部の特性による大きな変化は予測されないという臨床測定結果に合致する。しかしながら図4Bに示すごとく、異なる人間は異なる洞深度を有することから主要散乱部は測定に大きく影響する。S2からの光子は有限サイズの検出器の外側で散乱する傾向にあるため、所定閾値以上の空気距離では信号は減少し始める。同様の理由によって、信号レベルは主要散乱部が厚いほど低くなる。最大酸素信号は約5mmから10mm程度の空気距離で発生するため、この効果は前頭洞の人体測定では限界ではない。しかしながら、上顎洞が厚くなれば、2つの異なる経路長で同じ信号が発生すると問題が起きる可能性がある。図5は、このケースに関連する別の透過形態のデータであり、主に図8の左図で示されている。
この形態では、主要散乱部の厚みは酸素信号に同等の影響を及ぼさない。全ての集光光子は空気距離を通過しているため、酸素信号は空気距離と共に増加する。本件とは関係ないが、非常に長距離の場合、Leqは実際の空気距離と等しいが、短距離の場合には角度を有して通過するために長い経路長が追加されることにより酸素信号は大きくなる(図5A)。副散乱部の厚みの影響は無視できる(図5B)。
空腔と鼻腔との間のガス運搬をシミュレーションするため、空隙を、空隙を埋めるよう空気を満たした小型プラスチックバッグで置き換えた。この実験は、上顎洞では後方散乱形態と透過形態の両方で実施でき、前頭洞では後方散乱形態で実施できる。全てのケースにおいて酸素信号は減少すると予想される。プラスチックバッグは大型の窒素充填バッグにバルブとプラスチックチューブを介して接続され、通路を狭くするために内部に脱脂綿が挿入された。図6は、空隙の酸素含有量が拡散によって減少した際の酸素信号の変化を示しており、11=3mm及び12=10mmの後方散乱形態で測定されている。特に図示のごとく、通路が遮断された場合には信号は変化しないと予測される。
人体試験
実際の人体診断での有効性を試験するため、志願者の前額部に対して測定先端部で信号を記録した。前頭洞での測定データと近隣の基準(固形組織)位置を図7に示す。前頭洞は固定厚を有する腔部ではないため予想されることであるが、前頭洞での平均Leqは実質的に変動し、前頭洞外側の測定結果は非常に安定したゼロ信号となる(図7a)。同様に、人間の脇下は安定したゼロレベルを提供した。これらの結果は、低解像度酸素ガス画像結果をもたらす前頭洞の含有ガスのリアルタイムモニターに本方法が利用できることを示している。実質的に改良された信号対ノイズレベルは最適な装置のセットアップによって提供される。
模擬形態と志願者とで示された測定結果は、正常な人間の体腔内の遊離ガスは、連結通路を通過するガス交換と同様に前述の装置で形態モニターできることを示している。測定結果は洞の感染による異常を暗示しており、空気が液体と入れ換わった状態であり、通路の閉塞が検出でき、非侵襲的でリアルタイムの新規な診断方法が提供される。動的ガス測定には適切な呼吸技術を利用してそれぞれ21パーセントと16パーセントである吸気と呼気の酸素含有量の差が利用できるであろう。この方法は呼吸モニタリングの1方法を提供する。さらに詳細には、体外で測定した洞内の吸気と呼気の変化は健康対象者の典型的パターンを表している。すなわち環境大気が取り込まれて吸気中に腔部に広がる際、酸素含有量は約21パーセントから約16パーセントへ下降し、再び21パーセントへ上昇する。
本発明の1実施例によれば、相当な診断力を有するコンパクトな携帯機器が提供され、これには前述の装置を小型化した構成部品が利用される。
その他の実施例としては、組織の光学的な範囲のオーバートーン吸収バンドを有する二酸化炭素、水蒸気あるいはメタン等の他の生理的ガスの測定が含まれる。特に濃度の割合の測定は散乱特性とは別であり、閉鎖した空腔部の有益な診断情報を供給するであろう。二酸化炭素の利用によって提供されるさらに明瞭なコントラストによって動的測定もまた有利であり、濃度の割合は環境大気内の約ゼロ%から呼気内で約5%まで増加する。あるいは高濃度のヘリウム含有空気または異常濃度の窒素含有空気を動的測定に用いることもできよう。ヘリウムは肺活量測定法及び過偏光核を利用した磁気共鳴画像法で利用されている。
測定対象には体内腔部内の酸化窒素(NO)も含まれる。酸化窒素含有量は感染中に上昇することが多く、NOの増加レベルは本発明で検出することができ、例えば洞内の“感染レベル”を導くことができる。
1実施例では、温度(37℃)によってのみ決定される肺臓内あるいは他の腔部内の水蒸気濃度のごとき知られた濃度を利用することもでき、1例としては例えば肺臓の場合は酸素濃度または二酸化炭素濃度等の他の物質の未知濃度の測定に対する基準とすることができる。光進行距離は水蒸気の吸収の測定量から一応導き出されるからである。通常、水蒸気濃度は肺臓内で100%(=1)である。これは肺臓が正常に機能するための必要条件であり、他には呼吸システムを介して肺臓に進入するガスが肺臓までの過程で相対湿度100%まで加湿され(すなわち水蒸気含有率100%)、体温(通常37℃)にまで温められる。例えば鼻はこのシステムを機能させる熱及び湿気交換システムである。従ってこの知られた濃度は他の物質の未知濃度を導き出すために利用できる。よって、生理学的な異常または病気を検出するために異なるガス間の濃度率を測定することが可能である。
光ファイバカテーテルまたは内視鏡等の光ガイド手段によって、散乱媒質吸収分光法のための体内に光が導入される。このようにガスを含む腔部の検査によって体内深部が分析される。例えば、内視鏡を口腔、気管、食道、肛門等から挿入する。このようにして光を体内深部へ導く。前述の測定を提供するため、散乱光が同手段によって体外で、適切に設置された検出器へ導かれる。しかしながら本発明の主要分野は、測定先端部を対象者の皮膚に直接的に設置する等の体外からの体内腔部ガスの測定である。衛生のため、装置には使い捨てプラスチックカバーが備え付けられる。カバーは患者の状態や適用分野によっては使用前に滅菌処理される。
本発明による前述の装置の利用形態は多様であり、追加の内科診断等が含まれる。例えば、肺臓は通常は胸腔内で空気封入体に囲まれており、これは多様な病気との関連で胸水に換わることがある。この状態は今日まで胸壁の経皮的診断によって特定されており、経験の浅い医師等の人的問題によって診断が確実でない場合がある。本発明は、後方散乱形態等の技術の利用により確実な診断を提供し、空気を含む領域を胸水で満たされた領域と区別できる。本発明では胸壁を介して測定し、前述の測定のために胸膜に到達することも可能である。
さらに別の実施例としては、内耳のガス含有量を測定するための鼓膜を介した測定があり、耳炎等の診断を提供する。
さらに別の実施例には、対象者の胃腸管内ガスの測定がある。本発明では、体内でのバクテリア感染によって発生する関連するガスを検出してある種のバクテリアまたはバクテリア感染症の検出を可能にしたりして、発症及び組成の両方を検出することができる。例えば、胃内で検出可能ガスを発生させるヘリコバクターピロリ等の検出が挙げられる。これは潰瘍の治療はヘリコバクターピロリの検出に基づく呼吸テストの代用である。
一般的に、体腔内ガス測定による方法と装置は子供、特に新生児の診断に適している。身体が成人よりも小さいためであり、光散乱を利用するガス測定に使用される光の身体貫通深度が深いからである。
本発明は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエアあるいはこれらの組合せを含むあらゆる形態で実施できる。本発明の実施例の要素及び部材は物理的、機能的及び論理的に適したあらゆる方法で実施できる。1体のユニット、複数体のユニットあるいは他のユニットの部分としても実施できる。このように本発明は1体型のユニットで実施することができ、あるいは異なる複数のユニットとプロセス間で物理的または機能的に配置できる。
本発明を特定の実施例について説明したが、前述の特定形態に限定されることはない。本発明は添付の請求の範囲によってのみ限定され、前述の特定実施例以外の実施例(例:異なるガス、波長、光源、光ガイド、検出器等)も請求の範囲内で同様に実施できる。
請求の範囲の“含む/含んでいる”の用語はその他の要素やステップを排除するものではない。さらに、複数の手段、要素あるいは方法ステップは例えば1体のユニットまたはプロセッサによっても実施できる。さらに、それぞれの特徴が異なる請求項内に含まれているもこれらを組み合わせることができ、別の請求項内に含まれている場合も組み合せることができる。
Claims (17)
- 組織に包囲されている体内腔部の遊離ガスを非侵襲的に測定するように設計された装置であり、前記体内腔部が、頭蓋腔部、上顎洞、前頭洞、胃、胃腸管、内耳、副鼻腔、または肺のいずれかであることを特徴とする装置であって、
前記体内腔部の外側から該体内腔部を包囲する前記組織に向けて光を照射するように設計された発光器(1、2)と、
前記体内腔部を少なくとも1度通過している散乱光を集光するように設計されており、集光される前記散乱光は、前記体内腔部を包囲する前記組織から散乱した光であり、前記体内腔部の前記遊離ガスに特有な少なくとも1つの波長範囲を観察するように設計されていることを特徴とする受光器(4)と、
光吸収分光法に基づいて、前記受光器(4)で集光された前記散乱光から前記体内腔部の前記遊離ガス濃度を算出する計算手段と、
を含んでおり、
前記発光器(1、2)及び前記受光器(4)は、前記体内腔部を包囲する前記組織に対して透過形態または後方散乱形態に配置されており、
前記透過形態では前記発光器(1、2)と前記受光器(4)とが前記体内腔部を包囲する前記組織を挟んで対向するように配置され、前記後方散乱形態では前記発光器(1,2)と前記受光器(4)とが前記体内腔部を包囲する前記組織に対して同じ側にあり且つ前記組織に向かうように配置されていることを特徴とする装置。 - 受光器(4)は人体外部に設置されることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 遊離ガスに特有な波長範囲は、気体状態ではない同一の物質に特有な波長範囲の略10000分の1であることを特徴とする請求項1または2記載の装置。
- 前記計算手段は、基準ガスに対する遊離ガスの濃度の割合を計算するように設計されており、前記遊離ガスの濃度を決定することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の装置。
- 前記基準ガスの濃度は遊離水蒸気濃度であり、遊離酸素または遊離二酸化炭素の濃度に比例するため、前記遊離ガスの濃度に対する前記水蒸気濃度の割合は計算手段によって決定できることを特徴とする請求項4記載の装置。
- 前記発光器は内視鏡または光ファイバカテーテル内に設置できることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の装置。
- 装置をコンパクトな携帯用とし、体内腔部の遊離ガスの測定のために体外で利用できるように設計することができることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の装置。
- 前記発光器は近赤外線シングルモードダイオードレーザ(1)であり、及び/又は前記発光器は光電子倍増管(6)であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の装置。
- 前記遊離ガスは、酸素、メタン、二酸化炭素、水蒸気あるいは酸化窒素から選択されることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記受光器(4)は集光された散乱光を信号に変換するように設計されており、該受光器(4)は該信号を第1信号と第2信号とに分割する手段を含んでおり、前記装置は該第1信号をコンピュータ制御デジタル式オシロスコープ(8)に送るように設計されており、前記第2信号はロックイン型アンプ(9)に送られ、その後に該オシロスコープ(8)に送られることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記発光器(1、2)と前記受光器(4)とを対象者の皮膚上に直接的に設置できる測定先端部内に含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記遊離ガスの動的計測を提供するように設計されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 対象者の生理的なプロセスまたは生理学的な異常あるいは病気の検出等の診断用に設計されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記生理的なプロセスとは対象者の呼吸であることを特徴とする請求項13記載の装置。
- 前記生理学的な異常または病気には炎症や感染症が含まれることを特徴とする請求項13記載の装置。
- 前記遊離ガスは酸化窒素(NO)であり、前記遊離酸化窒素(NO)の増加を検出するように設計されている特徴とする請求項13記載の装置。
- 対象者の副鼻腔炎、胸腔炎、消化器疾患あるいは耳腔炎の診断用として設計されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
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