JPS63277036A - 診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、人間あるいは動物の脳組織などの体内器官の
酸素量を測定する診断装置に関し、特に血液中のヘモグ
ロビンの酸素量、細胞内のチトクロムの酸素量を近赤外
光によって検出することで、体内器官の酸素量を測定す
る診断装置に関する。

〔従来の技術〕

一般的に、脳組織等の体内器官の機能を診断する際に、
体内器官内の酸素量が十分なものであって適切に利用さ
れているか否かは、基本的かつ重要なパラメータとなる
９体内器官への十分な酸素の供給は、胎児、新生児の生
育力に欠くことができないものであり、酸素の供給が十
分でない場合には、胎児、新生児の死亡率は高く、また
生存しえたとしても後遺症として体内器官に与える影響
は大きい、また酸素が欠乏することによって体内の全て
の器官が・影響を受けるが、特に脳組織への損傷が大き
い。

このような体内器官の酸素量を早期にかつ容易に診断す
るために、１９８１年８月４日に付与された米国特許第
４．２８１，６４５号に開示されているような診断装置
が開発されている。この種の診断装置では、血液中の酸
素運搬媒体であるヘモグロビンと、酸化還元反応を行な
う細胞中のチトクロムａ、ａ３とによる近赤外光の吸収
スペクトルに基づいて、体内器官、特に脳の酸素量の変
化を測定するようになっている。すなわち、波長範囲が
７００乃至１３００ｎｒｎの近赤外光は、第４図（ａ）
に示すように酸素と結合したヘモグロビン（ＨｂＯ２）
と酸素の取除かれたヘモグロビン（Ｈｂ　）とで異なる
吸収スペクトルαＨｂ０２　’αＨｂを示し、また第４
図（ｂ）に示すように酸化されたチトクロムａ　、　ａ
３　　（Ｃｙ　０２　）と還元されたチトクロムａ　、
　ａ３　　（Ｃｙ　）とで異なる吸収スペクトルα。ッ
。２．α　　を呈する。このよｙ うな近赤外光の性質を利用して、患者の頭部の一方の側
から４種類の異なる波長λ１．λ２．λ３゜λ４（例え
ば７７５ｎｍ、８００ｎｍ、８２５ｎｍ、８５０ｎｍ）
の近赤外光を時分割で入射させ、頭部を透過した光量を
頭部の他方の側で順次に検出し、これら４種類の検出結
果に所定の演算処理を施すことで、４つの未知数、すな
わち、酸素と結合したヘモグロビン（ＨｂＯ２）、酸素
の取除かれたヘモグロビン（Ｈｂ）、酸化されたチトク
ロムａ、ａ　　（Ｃｙ０２　）　、還元されたチトクロ
ムａ、ａ３　（Ｃｙ）のそれぞれの濃度変化量を算出し
、これに基づいて例えば脳の酸素量の変化を測定するよ
うになっている。

第５図はこのような診断装置の概略構成図である。第５
図において従来の診断装置は、４種類の異なる波長λ１
．λ２．λ３．λ４の近赤外光をそれぞれ出力するレー
ザダイオードなどの光源ＬＤｌ乃至ＬＤ４と、光源ＬＤ
Ｉ乃至ＬＤ４の出力タイミングを制御する光源制御装置
５５と、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４から出力される近赤外光
を頭部６０にそれぞれ照射させるための光ファイバ５０
−１乃至５０−４と、光ファイバ５０−１乃至５０−４
の端部を互いに束にして保持する照射側取付具５１と、
照射用取付具５１の取付けられる側とは反対側の頭部６
０の所定位置に取付けられる検出側取付具５２と、検出
側取付具５２に保持され頭部６０を透過した近赤外光を
案内する光ファイバ５３と、光ファイバ５３によって案
内された近赤外光の光子数を計数し近赤外光の透過量を
測定する透過光検出装置５４と、診断装置全体を制御し
、さらに近赤外光の透過量に基づき脳組織の酸素の変化
量を測定するコンピュータシステム５６とからなってい
る。

コンピュータシステム５６は、プロセッサ６２と、メモ
リ６３と、ディスプレイ、プリンタなどの出力装置６４
と、キーボードなどの入力装置６５とを備えており、こ
れらはシステムバス６６によって互いに接続されている
。またコンピュータシステム５６のシステムバス６６に
は、外部Ｉ１０として、光源制御装置ｔ５５と、透過光
検出袋ｒｌ　５４とが接続されている。

光源制御装置５５は、コンピュータシステム５６からの
指示により、第６図（ａ）乃至（ｄ）に示すような駆動
信号ＡＣＴＩ乃至ＡＣＴ４で光源ＬＤｌ乃至ＬＤ４を駆
動している。第６図（ａ）乃至（ｄ）において１測定期
間Ｍｋ　（ｋ＝１．２．・旧・・）は、Ｎ回のサイクル
ＣＹ１乃至ＣＹＮからなっている。サイクルＣＹＩ乃至
ＣＹＮのうちの任意のサイクルＣＹｎのフェーズφｎ１
では、いずれの光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４も駆動されず、頭
部６０には光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４からの近赤外光は照射
されない、またフェーズφｎ２では、光源ＬＤＩが駆動
され、光源ＬＤＩから例えば７７５ｎｍの近赤外光が出
力される。同様にフェーズφｎ３では光源ＬＤ２が駆動
されて光源ＬＤ２から例えば８００ｎｍの近赤外光が出
力され、フェーズφｎ４では光源ＬＤ３が駆動されて光
源ＬＤ３から例えば８２５ｎｍの近赤外光が出力され、
フェーズφｎ５では光源ＬＤ４が駆動されて光源ＬＤ４
から例えば８５０ｎｍの近赤外光が出力される。このよ
うに光源制御装置５５は、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４を時分
割で順次に駆動するようになっている。

また透過光検出袋Ｗ５４は、光ファイバ５３からの近赤
外光の光量を調節するフィルタ５７と、レンズ７０．７
１と、フィルタ５７からの光をパルス電流に変換して出
力する光電子増倍管５８と、光電子増倍管５８からのパ
ルス電流を増幅する増幅器５９と、増幅器５９からのパ
ルス電流のうちで所定の波高閾値以下のパルス電流を取
除く波高弁別器６０と、チャンネルごとの光子数頻度を
検出するマルチチャンネルフォトンカウンタ６１と、マ
ルチチャンネルフォトンカウンタ６１の検出期間をｆＭ
御する例えば検出制御器６７と、光電子増倍管５８を収
容しているクーラ６９の温度を調節する温度コントロー
ラ６８とを備えている。

このような構成の診断装置では、使用に際して、照射側
取付具５１と検出側取付具５２とを頭部６０の所定位置
にテープなどによりしっかりと取付ける０次いで光源制
御装置５５により光源ＬＤｌ乃至ＬＤ４を第６図（ａ）
乃至（ｄ）のようにそれぞれ駆動すると、光源ＬＤＩ乃
至ＬＤＪからは４Ｎ頭の異なる波長の近赤外光が時分割
で順次に出力され、光ファイバ５０−１乃至５０−４を
介して頭部６０に入射する。ｒ１部６０の骨や柔らかな
組織は、近赤外光に対して透過性であるので、近赤外光
は主に血液中のヘモグロビン、細砲内のチトクロムａ、
ａ３に一部が吸収されて光ファイバ５３に出力され、光
ファイバ５３から透過光検出装置１！５４に加わる。な
お、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４のいずれもが駆動されないフ
ェーズφｎ１では透過光検出装置５４には光源ＬＤＩ乃
至ＬＤ４からの透過光は入射せず、このときには透過光
検出装置５４においてダーク光の検出が行なわれる。

透過光検出装置５４の光電子増倍管５８は、高感度、高
応答速度で動作するフォトンカウンティング用のもので
ある。光電子増倍管５８の出力パルス電流は増幅器５９
を介して波高弁別器６０に入力する。波高弁別器６０で
は、所定の波高閾値以下のノイズ成分を取除き信号パル
スだけをマルチチャンネルフォトンカウンタ６１に入力
させるようになっている。マルチチャンネルフォトンカ
ウンタ６１は、検出制御器６７からの第６図（ｅ）に示
すような制御信号ＣＴＬにより、第６図（ａ）乃至（ｄ
）に示すような光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４の駆動信号ＡＣＴ
ｌ乃至ＡＣＴ４に同期した期間Ｔ。

だけ光子数の検出を行ない、光ファイバ５３から入射し
た光に対して各波長ごとの検出フォトン数を計数する。

これにより近赤外光の各波長ごとの透過量データが求め
られる。

すなわち、第６図（ａ）乃至（ｅ）に示すように、光源
制御装置５５の１つのサイクルＣＹｎ中、フェーズφｎ
１では、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４のいずれもが駆動されな
いので、透過光検出装置５４ではダーク光データｄが計
数される。またフェーズφｎ２乃至φｎ５では光源ＬＤ
ｌ乃至ＬＤ４が時分割で順次に駆動されるので、透過光
検出装置５４では、４つの異なった波長λ１．λ２．λ
３゜λ４の近赤外光の透過量データ１　　．１□２゜λ
１ １　　．１□４が順次に計数される。

λ３ このように、１つのサイクルＣＹｎ中に順次計数される
ダーク光データｄおよび透過量データｔ）Ｎ１．七□２
．　ｔ　　　、　ｔ　　　は、Ｎ回のサイλ３　　λ４ クルＣＹＩ乃至ＣＹＮにわたって計数が続けられる。す
なわちＮ回のサイクルをもって、１測定期間Ｍｋ　（ｋ
＝１．２．・・・・・・）とされる、具体的には、例え
ば１つのサイクルＣＹｎが２００μ秒でありＮがｔｏｏ
ｏｏ回であるとすると、１測定期間Ｍｋは２秒となる。

１測定期間Ｍ、が終了した時点で、ダーク光データの計
数結果 計数結果Ｔ　　　、Ｔ　　　、Ｔ　　　、Ｔλ１　　λ
２　　λ３　　λ４ ム５６に転送され、メモリ６３に記憶される。

プロセ・ツサ６２は、１測定期ｒｆｊＪＭｋにおいてメ
モリ６３に記憶された透過量データ、ダーク光データ（
Ｔ　　　、Ｔ　　　、Ｔ　　　、Ｔ　　　、Ｄ）λ１　
　λ２　　λ３　　λ４ や、と、測定開始時Ｍ。における透過量データ、ダーク
光データ（Ｔ　　、Ｔ　　、Ｔ　　。

λ１　　λ２　　λ３ Ｔ　　　、Ｄ）　　　とから、ダーク減算を行ない、λ
４　　　　ＭＯ しかる後に透過量の変化率ΔＴ　　、ΔＴえ２゜λ１ ΔＴ　　、ΔＴ□４を算出する。すなわち透過λ３ 量の変化率ΔＴ　　、ΔＴよ２．ΔＴ□３　。

λ１ ΔＴ□４は、 ΔＴ　　、＝ｊ）ｏｇ［（Ｔλｊ−Ｄ）Ｍｋ／λｊ （’ｒ　　、−Ｄ）Ｍｏコ　（ｊ＝１乃至４）λノ ・・・・・・（１） として算出される。なお、ΔＴえｊの算出において対数
をとっているのは、光学密度としての変化を表わすため
である。

このようにして算出された透過量の変化率ΔＴ　　、Δ
Ｔ　　、ΔＴ　　、ΔＴλ４から、λ１　　　λ２　　
　λ３ 酸素と結合したヘモグロビン（ＨｂＯ２）、酸素の取除
かれたヘモグロビン（Ｈｂ）、酸化されたチトクロムａ
、ａ　　（Ｃｙ０２　）、還元されなチトクロムａ　、
　ａ３　　（Ｃｙ　）の濃度変化ΔｘＨｂｏ２゜ΔＸ　
　ΔＸ　　　ΔＸ　をそれぞれ検出するこＨｂ’　　　
ｃｙ０２′ｃｙ とができる、すなわち各成分の濃度変化ΔＸ１ｌｂ。２
゜ΔＸ　　ΔＸ　　　ΔＸ　は、 Ｈｂｌ　　　Ｃｙ０２１　　　Ｃｙ ・・・・・・（２） として検出される。ここでα０．は、各波長λｊＪ （λ１．λ２．λ３．λ４）における各成分１（ＨｂＯ
２，Ｈｂ、ＣｙＯ２，Ｃｙ）の吸収係数であり、第４図
（ａ）　、　（ｂ）から予め定まっている。

また９は、近赤外光が進行する方向の頭部６０の長さで
ある。

このようにしてコンピュータシステム５６において検出
された各成分の濃度変化Δｘｔ＋ゎ。２゜ΔＸ　　Ｘ　
　　ΔＸ　は、換言すれば、脳内の■ｂｌＣｙ０２１Ｃ
ｙ 酸素量の変化であるので、これらを出力装置６４に出力
させることで、脳内の酸素量の変化を知り診断すること
ができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような診断装置では、コンピュータシステム５６
の暴走、あるいはコンピュータシステム、５６を制御す
るソフトウェアのバグなどによって、光源制御装置５５
が異常動作し、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４が予定通りに駆動
されず、近赤外光を出力し続けるという事態の生ずるこ
とがある。このような事態の生ずることは、装置の信頼
性および安全性の観点から望ましいものではない。

しかしながら、従来の診断装置では、コンピュータシス
テム５６の暴走を検出する手段が設けられておらず、ま
たソフトウェアのバグによりコンピュータシステム５６
が異常動作している状態を検出する手段が設けられてい
ないので、光源制御装置５５が異常動作をしたときの光
源ＬＤＩ乃至ＬＤ４の異常発光を防止することができな
いという問題があった。

本発明は、光源の異常発光を有効に防止することの可能
な診断装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、コンピュータシステムの制御の下で複数の光
源から順次に出力される近赤外光を体内器官に入射させ
て体内器官からの近赤外光の透過量を検出する型式の診
断装置において、前記コンピュータシステムからの光源
制御信号を受けて前記複数の光源を駆動する光源制御手
段と、前記光−源制御信号が出力されてから所定の期間
、他の光源制御信号が前記光源制御手段に加わらないよ
うにゲートするゲート手段とを備えていることを特徴と
する診断装置によって、上記従来技術の問題点を改善し
ようとするものである。

〔作用〕

本発明では、光源制御手段はコンピュータシステムから
の光源制御信号を受けて複数の光源を駆動するようにな
っている。ところでコンピュータシステムが暴走したり
あるいはソフトウェアのバグなどにより異常動作すると
きには光源制御手段は複数の光源の駆動を正常に′Ｍ御
することができず、光源が異常発光するというような１
ｒ態が生ずる。このような事態を回避するために、コン
ピュータシステムから光源制御信号が出力されてから所
定の期間、ゲート手段によってコンピュータシステムか
らの他の光源制御信号が光源制御手段に加わらないよう
ゲートしている。これによりコンピュータシステムが異
常動作しても複数の光源が異常発光することを阻止でき
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る診断装置の部分概略構成図、第２
図は第１図のタイミング回路および光源制御装置の詳細
構成図、第３図（ａ）乃至（Ｃ）は第１図のタイミング
回路および光源制御装置の動作を説明するためのタイム
チャートである。

本実施例の診断装置では、第１図に示すようにコンピュ
ータシステム５６のシステムバス６６に光源制御装置３
とともにタイミング回路２が接続されている。タイミン
グ回路２は、例えば、第２図に示すように、カウンタ４
とフリップフロップ５とからなっており、コンピュータ
システム５６からの１つの光源制御信号ＬＡＣが加わっ
てから所定の期間内に、さらに他の光源制御信号ＬＡＣ
が光源制御装置３に加わらないようにするものである。

すなわち、タイミング回路２内のカウンタ４は、１つの
光源制御信号ＬＡＣが発生した時点から所定の期間を計
数しカウンタ信号ＣＮＴを出力する。またフリップフロ
ップ５は１つの光源制御信号ＬＡＣが発生したときにオ
ンとなりカウンタ信号ＣＮＴが加わった時点でオフとな
るゲート信号ＧＴを出力する。

タイミング回路２からのゲート信号ＧＴは、反転された
形で光源制御装置３の論理積回路６に加わり、光源制御
袋Ｗｔ３に入力する光源制御信号ＬＡＣをゲートして光
源制御信号ＬＡＣ’として出力するようになっている。

このような構成の診断装置の動作を第３図（ａ）乃至（
Ｃ）のタイムチャートを用いて説明する。

コンピュータシステム５６は、その動作が正常の場合に
は、光源制御装置３に対して、第３図（ａ＞にＬＡＣＩ
、ＬｉＯ２，ＬｉＯ３で示すような周期的な光源制御信
号ＬＡＣを与え、これによって光源１’ｌ　６９１ｔｔ
　Ｗ　３　ハ、サイクルＣＹ１．ＣＹ２．ＣＹ３をそれ
ぞれ実行する。すなわち各サイクルＣＹ１．ＣＹ２．Ｃ
Ｙ３では、光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４が順次に駆動される。

ところで、コンピュータシステム５６が暴走したりソフ
トウェアのバグなどにより異常動作するときには、コン
ピュータシステム５６は光源制御袋Ｗ３に対して、例え
ば第３図（ａ）にＬｉＯ２で示すような異常な光源制御
信号ＬＡＣを与える。このような場合にタイミング回路
２が設けられていないときには、光源制御装置３は、光
源制御信号ＬＡＣ３を受けてサイクルＣＹ３を開始し光
源ＬＤＩ乃至ＬＤ４を順次に駆動している最中に光源制
御信号ＬＡＣ４を受けるので光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４を正
常に駆動制御することができず、例えば光源ＬＤＩ乃至
ＬＤＪから近赤外光が出力され続けるという事態が生ず
る。

本実施例のタイミング回路２はこのような事態を有効に
防止する。すなわち、タイミング回路２は、第３図（ｂ
）に示すように、１つの光源制御信号ＬＡＣ，例えばＬ
ｉＯ３が加わったときから所定時間オンとなっているゲ
ート信号ＧＴを出力する。光源制御装置３では、このゲ
ート信号ＧＴを反転した信号と光源制御信号ＬＡＣとの
論理積をとって第３図（Ｃ）に示すような光源制御信号
ＬＡＣ′としている。すなわち光源制御袋Ｗ１３は、ゲ
ート信号ＧＴがオンとなっている期間は、コンピュータ
システム５６からの光源制御信号ＬＡＣを受付けないよ
うになっている。

第３図（Ｃ）かられかるようにこのようにして論理積の
とられた光源制御信号ＬＡＣ’には、第３図（ａ）の周
期的な光源制御信号ＬＡＣＩ、ＬＡＣ２、ＬｉＯ３は含
まれるが、異常な光源制御信号″ＬＡＣ４は含まれてい
ない、従って光源制御信号ＬＡＣ’によって光源ＬＤＩ
乃至ＬＤ４を順次に正常動作させることができて、コン
ピュータシステム５６が異常動作した場合でも、これに
より光源ＬＤＩ乃至ＬＤ４が異常発光しないようにする
ことができる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、コンピュータ
システムから光源制御信号が出力されてから所定の期間
、他の光源制御信号が光源制御手段に加わらないようゲ
ートしているので、光源の異常発光を有効に防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る診断装置の部分概略構成図、第２
図は第１図のタイミング回路および光源＄制御装置の詳
細構成図、第３図は第１図のタイミング回路および光源
制御装置の動作を説明するためのタイムチャートであり
、第３図（ａ）は光源制御信号ＬＡＣのタイムチャート
、第３図（ｂ）はゲート信号ＧＴのタイムチャート、第
３図（Ｃ）は光源制御信号ＬＡＣ’のタイムチャート、
第４図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれヘモグロビン、チ
トクロムの吸収スペクトルを示す図、第５図は従来の診
断装置の構成図、第６図（ａ）乃至（ｄ）はそれぞれ駆
動信号ＡＣＴＩ乃至ＡＣＴ４のタイムチャート、第６図
（ｅ）は制御信号ＣＴＬのタイムチャートである。 １・・・タイミング回路、３・・・光源制御装置、５６
・・・コンピュータシステム、ＬＤｌ乃至ＬＤ４・・・
光源、ＬＡＣ，ＬＡＣ’・・・光源制御信号、ＧＴ・・
・ゲート 第２図 手続補正書（帥　　７ 昭和６２年９月０３日 １　事件の表示 昭和６２年特許願第１１０４６８号 ２　発明の名称 診断装置 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　静岡県浜松市市野町１１２６番地の１名　称
　　浜松ホトニクス株式会社 代表者　　豊　馬　輝　夫 ４代理人 住　所　　（郵便番号１４ｏ） 東京部品用区東大井３丁目２０番７号 補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙のとおり補正する。 （２）明細書第１頁最後行乃至第２頁第１行目に「体内
器官」とあるのを「体内器官等の被測定物」と訂正する
。 （３）明細書第２頁第３行目に「近赤外光」とあるのを
「電磁波」と訂正する。 （４）明細書第２頁第４行目に「体内器官」とあるのを
Ｆ被測定物」と訂正する。 （５）明細書第１３頁第１２行目乃至第１５行目の「コ
ンピュータシステム・曲・診断装置において、前記」を
削除する。 （６）明細書第１３頁第１６行目乃至第１７行目の「前
記複数の」を削除する。 （７）明細書第１４頁第５行目、第１４頁第９行目、第
１４頁第１６行目の「複数の」を削除する。 （８）明細書第１３頁第１７行目乃至第１８行目に［前
記光源制御信号が」とあるのを「光源から特定の波長の
電磁波が」と訂正する。 （９）明細書第１３頁第１８行目乃至第１９行目、第１
８頁第１４行目乃至第１５行目に「他の・・曲加わらな
いよう」とあるのを「他の波長の電磁波が出力されない
よう」と訂正する。 （１０）明細書第１４頁第１１行目乃至第１２行目、第
１８頁第１２行目乃至第１３行目に［コンピュータシス
テムから光源制御信号が」とあるのを［光源から特定の
波長の電磁波が」と訂正する。 （１１）明細書第１４頁第１３行目乃至第１５行目に「
コンピュータシステムからの・・・・・・加わらないよ
う」とあるのを「他の波長の電磁波が出力されないよう
」と訂正する。 （１２）明細書第１８頁第１０行目と第１１行目との間
に「なお上述の実施例では、光源が複数の光源からなる
ものとしたが、１つの白色光源だけを用いフィルタ操作
によって異なる波長の電磁波を作るようにした場合にも
、白色光源の異常発光を同様にして防止できる。また光
源から出力される電磁波は、近赤外光に限らず遠赤外光
、可視光、マイクロ波などでも良い、さらに本発明の診
断装置は、医学的な診断の分野のみならずより広汎な診
断すなわち測定の分野にも適用ｎＴ能である。」を特徴
する 特許請求の範囲 コンピュータシステムからの光源制御信号を党仇工元１
を駆動する光源制御手段と、Ｌ箆左り這りへ痕五ムエ旦
１が出力されてから所定の期間、の　　の−゛が甲】さ
れｔいようにゲートするゲート手段とを備えていること
を特徴とするお断装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コンピュータシステムの制御の下で複数の光源から順次
   に出力される近赤外光を体内器官に入射させて体内器官
   からの近赤外光の透過量を検出する型式の診断装置にお
   いて、前記コンピュータシステムからの光源制御信号を
   受けて前記複数の光源を駆動する光源制御手段と、前記
   光源制御信号が出力されてから所定の期間、他の光源制
   御信号が前記光源制御手段に加わらないようにゲートす
   るゲート手段とを備えていることを特徴とする診断装置
   。