JP3779134B2

JP3779134B2 - Biological light measurement device

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Publication number: JP3779134B2
Application number: JP2000187499A
Authority: JP
Inventors: 剛山本; 敦牧
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2002000586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて被検査体（生体）の代謝物質濃度もしくはその濃度変化を計測する生体光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体組織透過性が高い近赤外光に代表される光を用いて、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、ミオグロビンに代表される生体内代謝物質の濃度もしくはその濃度変化を計測し、その濃度変化を画像化する生体光計測装置が、特開平９−９８９７２号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
まず、従来技術について、図２、図３、図４を用いて説明する。
【０００４】
図２は、生体内の代謝物質の濃度もしくはその濃度変化を計測するために用いられていた計測方法を示す。図中の２−１は光照射用プローブ、２−２は光検出用プローブであり、２−３はこれら光照射もしくは光検出に使用することが可能な光導波路を示している。この光導波路とは、コア層と、このコア層よりも屈折率が小さいクラッド層からなる光伝送用の媒質であり、一例として光ファイバが挙げられる。ここで言及した光ファイバは、ガラス製であっても、プラスチック製であっても構わない。更に、アクリル樹脂製であっても、フッ素樹脂製であっても構わない。この光導波路は、光照射用プローブ及び光検出用プローブに挿入されていて、固定用ネジ（２−４）にて固定されている。
【０００５】
光照射用プローブに挿入された光導波路は、半導体レーザ、発光ダイオード、ランプに代表される光源に接続されている。一方、光検出用プローブに挿入された光導波路は、フォトダイオード、光電子増倍管に代表される光検出素子に接合されている。本図では、これら光照射用プローブと光検出用プローブを頭皮上に配置し、脳内の血液量変化を計測する場合に関して説明する。
【０００６】
この場合、生体組織透過性が高い近赤外光（波長７００ナノメートル台から９００ナノメートル台）を計測に使用する。光照射用プローブから照射された光は、皮膚（２−５）、頭蓋骨（２−６）、脳脊髄液層（２−７）、大脳皮質（２−８）に代表される生体組織により、散乱される。そして、散乱光の一部は、図中に示したバナナ形状（２−９）の様に光照射位置から約３０ｍｍ離れた光検出用プローブへ到達する。この３０ｍｍという値は成人の場合であり、例えば、頭の大きさが異なる子供の場合は異なる。ここで、大脳皮質は脳の活動により血液（２−１０）量が変化する計測領域である。また、血液中のヘモグロビンは近赤外光を吸収する。このため、光検出用プローブへ到達する光量は、脳の活動に伴い血液量が増加すると減少する。これは、検出用プローブへ到達する光量は脳活動を反映することを示している。
【０００７】
次に、この図２に示した計測方法を用いて脳活動に伴う血液量変化を画像化する方法を図３に示す。図３中の３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６、３−７、３−８は或る波長（仮に、ｘナノメートルとする）の光源である。また、同様に、３−９、３−１０、３−１１、３−１２、３−１３、３−１４、３−１５、３−１６は或る波長（仮に、ｙナノメートルとする）の光源である。
【０００８】
光を用いて脳機能を計測する場合、波長８００ナノメートルを中心に、この波長より長波長であれば酸化ヘモグロビンの吸光度が、また短波長であれば還元ヘモグロビンの吸光度が大きい。そこで、ｘを７８０、ｙを８３０として、複数の波長の光源を被検査体（３−１７）へ照射し、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度もしくはその濃度変化を計測する。
【０００９】
被検査体（３−１７）の頭皮上には、３−１〜３−１６に示した光源を照射する光照射位置（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８）（３−１８）とこれから３０ｍｍ離れた位置で生体内を伝播した光を検出する光検出位置（Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ１７、Ｄ１８）（３−１９）が配置されている。光照射位置の情報を与えるために、計測に使用した光源（図３中では、１６個）の強度を全て異なる周波数で変調する。
【００１０】
ここで、頭皮から１５ｍｍ程度の深さに存在する大脳皮質での血液量変化の感度は、光照射位置と光検出位置の中点で最大である。例えば、Ｓ１１で照射されＤ１１へ到達した光を例に挙げれば、このＳ１１とＤ１１の中点での血液量変化を最も高感度に検出する。そこで、この中点を、「血液量変化の計測点」と定義する。図３に示した光照射位置と光検出位置の配置においては、図中で■印（３−２０）で示したこの計測点は２４ヶ所存在する。この２４計測点での各波長に対応する信号光強度変化を求めるために、光検出位置に到達した光を光検出器アレー（３−２１）で光学的信号から電気信号へ変換し、更に、ロックインアンプアレー（３−２２）を用いて復調する。
【００１１】
そして、その復調した信号光強度からコンピューター、ワークステーションに代表される電子計算機（３−２３）を用いて各計測点における酸化ヘモグロビン濃度（もしくはその濃度変化）および還元ヘモグロビン濃度（もしくはその濃度変化）を求める。
【００１２】
各酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの濃度もしくはその濃度変化において、もしくはこれらの和で与えられる総ヘモグロビンの濃度もしくはその濃度変化において、各２４計測点での濃度もしくはその濃度変化を用いてスプライン画像処理を行い、図４に示すようなトポグラフィ画像を得ることが出来る。
【００１３】
しかし、生体組織は光を強く散乱するため、一般に他の生体計測装置（例えば、磁気共鳴描画装置、エックス線）と比較して、空間分解能が低いことが問題点として広く知られている。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、生体内の代謝物質濃度を高い空間分解能で計測するために、計測点を計測領域内密に、且つ均一に配置することが可能な生体光計測装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被検査体へ光を照射する複数の光照射器と該光照射器から照射され被検査体内を伝播した光を検出する複数の光検出器とを具備する複数個の計測プローブセットと、光検出器によって検出された信号に基き、光照射器と光検出器の略中点位置を計測点として被検査体内の代謝物質濃度およびその濃度変化を計測する手段とを有し、かつ、前記計測プローブセットの一つに配置された光照射器と光検出器との間に、他の計測プローブセットに配置された光照射器もしくは光検出器が略一列に並ぶよう、複数個の前記計測プローブセットを重ね合せて配置し、前記計測を行うよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明によれば、被検査体へ光を照射する複数の光照射器と該光照射器から照射され被検査体内を伝播した光を検出する複数の光検出器とを具備する複数個の計測プローブセットと、光検出器によって検出された信号に基き、光照射器と光検出器との略中点位置を計測点として被検査体内の代謝物質濃度およびその濃度変化を計測する手段とを有し、かつ、前記計測プローブセットのうち少なくとも一つの計測プローブセットより光照射され、時系列的に他の計測プローブセットへ移行するよう構成したことを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明によれば，被検査体へ光を照射する複数の光照射器と該光照射器から照射され被検査体内を伝播した光を検出する複数の光検出器とが格子状に交互に等間隔に配置された計測プローブセットを複数個と、光検出器によって検出された信号に基き、光照射器と光検出器の略中点位置を計測点として被検査体内の代謝物質濃度およびその濃度変化を計測する手段とを有し、かつ、前記計測プローブセットの一つに配置された光照射器と光検出器との間に、他の前記計測プローブセットに配置された光照射器もしくは光検出器が略一列に並ぶよう、前記計測プローブセットを重ね合せて配置構成したものと、複数個の前記計測プローブセットを並べて配置構成したものとを計測条件に応じて選択可能に構成したことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳述する。
【００１９】
図１に、本発明に基づく生体光計測方法を示す。１−１はパーソナルコンピューター、ワークステーションに代表される電子計算機であり、後述する光源（光照射器）の光量制御、検出した信号の処理、計測結果の画像処理などに使用される。この電子計算機は、図１中に１１、１２、１３、１４、１５の番号を付した光源群Ａ（１−２）と同じ図１中に２１、２２、２３、２４の番号を付した光源群Ｂ（１−３）に接続されている。各光源群の構造は図５を用いて後述する。
【００２０】
また、図１中に５１、５２、５３、５４の番号を付したものは検出器群Ａ（１−４）であり、同様に同図中に６１、６２、６３、６４の番号を付したものは、検出器群Ｂ（１−５）である。
【００２１】
また、図１中に示した１−６は、光照射器と光検出器のペアＡを示しており、１１、１２、１３、１４、１５の番号で示した光源群Ａ（図中の白丸印に相当）と５１、５２、５３、５４の番号で示した検出器群Ａ（図中の黒丸印に相当）を３０ｍｍ間隔で交互に配置しており、この光照射器―光検出器の配置ペアを計測プローブセットＡと呼ぶ。尚、本実施例では、全て光照射器と検出器の配置間隔は３０ｍｍとしているが、ヒトの頭のサイズは異なるため、この値に限定されるものでは無い。
【００２２】
同様に、図１中に示した１−７は、光照射器と光検出器のペアBを示しており、２１、２２、２３、２４、２５の番号を付した光源群Ｂ（図中の白四角印に相当）と６１、６２、６３、６４の番号を付した検出器群Ｂ（図中の黒四角印に相当）とを３０ｍｍ間隔で配置したものであり、この光照射器―検出器の配置ペアを、同様に、計測プローブセットBと呼ぶ。
【００２３】
５１、５２、５３、５４、および６１、６２、６３、６４で示した検出器は、生体内を伝播した信号を電気的な信号へ変換する。そして、この信号は、ロックインアンプリファイヤー、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）などを具備する信号処理装置（１−８）を介して、電子計算機（１−１）へ接続されている。また、電子計算機（１−１）で処理した信号は、表示装置（１−９）を用いて、画像、グラフ、テキストデータなどの形態で画面上に表示することが出来る。
【００２４】
次に、１−２や１−３に示した光源群、および１−４や１−５に示した検出器群の構造を、図５を用いて説明する。この図を用いた説明では、説明を簡単にするために、ペアＡ中の光照射位置１１（対応する光照射器と同じ番号を付す。）と光検出位置５１（対応する光検出器と同じ番号を付す。）の組合せについて説明する。
【００２５】
５−１は、図１中の１−１に示した電子計算機である。この電子計算機は、光源１（５−２）と光源２（５−３）へ対して、制御信号を送ることが可能である。これら光源１および光源２は、半導体レーザ、発光ダイオード、ランプなどに代表される光源である。
【００２６】
また、この生体光計測装置においては、分光スペクトルが異なる複数種類の生体内代謝物質の濃度を計測することが可能である。これは、５−２と５−３に示したように複数の光源を用い、かつこれらの光源の発光スペクトルが異なれば、計測することが可能である。
【００２７】
本実施例では、２つの光源を示しているが、以下に述べる方法を用いて、任意個数の光源を設置し、その結果任意個数のパラメーターを有する生体内代謝物質の濃度を計測することが可能である。例えば、生体中の酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度を計測する場合、これらの吸光度は波長８００ナノメートル付近で一致するため、これらより長い波長（例えば８３０ナノメートル）と短い波長（例えば７８０ナノメートル）を有する光源を使用する。
【００２８】
本実施例では、５−２は、中心波長が７８０ナノメートルである半導体レーザを、５−３は、中心波長が８３０ナノメートルである半導体レーザを例とする。これらの光は、光波結合器（５−４）、光ファイバ（５−５）、光照射用ホルダ（５−６）を用いて被検査体（５−７）へ照射する。ここで、光照射用ホルダ（５−６）は中空の形状であり、その内部へ光ファイバ（５−５）を挿入し、その先端を被検査体（５−７）へ軽く接触させ光を照射する。また、光照射用ホルダは、光ファイバを固定することが可能なネジ（５−８）等を具備する。
【００２９】
ここで、波長７８０ナノメートルと波長８３０ナノメートルの光を同じに入射するが、この程度の波長の違いであれば、被検査体内を光はほぼ同じ経路を辿って伝播する。
【００３０】
そこで、光検出用ホルダ（５−９）へ到達する光の波長情報を弁別するために、５−２に示した光源の強度と５−３に示した光源の強度を異なる周波数で変調する。被検査体内を伝播した光は、光検出用ホルダ（５−９）内部に装着・固定した光ファイバ（５−５）を用いて検出し、その検出した光波は、光検出器（５−１０）へ伝送される。この光検出器の具体的な名称として、一例としてフォトダイオード、光電子増倍管が挙げられる。そして、これらの光検出器を用いて光ファイバを伝播して来た光量の情報が電気的情報へ変換される。
【００３１】
図５中の５−１１および５−１２は、波長７８０ナノメートル、波長８３０ナノメートルの光源（各々、５−２、５−３に対応する）の変調周波数と同じ変調波成分の電気的信号を検出することが可能な電子回路フィルターである。一例として、ロックインアンプリファイヤーが挙げられる。各フィルターで検出された信号の強度は、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）（５−１３）へ伝送される。そして、ディジタル化された信号は、再び電子計算機（５−１）へ伝送される。
【００３２】
次に、図１中の光照射器―検出器の配置ペアＡ（１−６）と光照射器―光検出器の配置ペアＢ（１−７）について、図６を用いて説明する。６−１および６−２は、それぞれ光照射器―検出器配置ペアＡおよび光照射器―検出器配置ペアＢの光照射器、光検出器の配置例および計測点の位置を示す図である。６−１内に示した白丸印（６−３）は光照射器の配置位置を示す。また、同様に６−１内に示した黒丸印（６−４）は、光検出器の配置位置を示す。これら光照射器の配置位置や光検出器の配置位置は、図５の５−６や５−９に示した光照射用ホルダや光検出用ホルダの頭皮上への配置位置に相当している。これら光照射器と光検出器は３０ｍｍ間隔で互違いに配置されている。
【００３３】
ここで、大脳皮質における血液量変化の感度は、光照射器の配置位置と光検出器の配置位置の中点で最大である。そこで、図中の小さい丸で示した位置（図中の６−５に相当する）は血液量変化の計測点と定義される。
【００３４】
一方、光照射器―検出器配置ペアＢ（６−２）においては、６−２に示した白四角印（６−６）を光照射器として、また、黒四角印（６−７）を光検出器として、それぞれ３０ｍｍ間隔で配置する。また、これら光照射器と光検出器の中点である位置（図中の６−８に相当する）は、同様に血液量変化の計測点と定義される。
【００３５】
次に、これら光照射器―光検出器配置ペアＡと光照射器―光検出器配置ペアＢを用いて、被検査体上に血液量変化の計測点を効率よく配置する方法を、図７を用いて説明する。図中の白丸印（７−１）は被検査体上の光照射器の配置位置であり、この場所から照射され、生体内のたとえば大脳皮質を経由した光を検出するためには、図中の黒丸印（７−２）で示した光検出位置で光を検出する。これら白丸印と黒丸印は一例として、成人の脳機能を計測する場合３０ｍｍ間隔で配置するが、この配置間隔（３０ｍｍ）に限定されるものでは無い。
【００３６】
そして、この光照射器―光検出器配置ペアＡの配置の間に、光照射器―光検出器配置ペアＢを配置する方法を以下に説明する。具体的には、７−１で示した光照射器の配置位置と７−２に示した光検出器の配置位置の略中点に、図中で白四角印（７−３）で示した光照射器を配置する。そして、この配置場所から３０ｍｍ離れた場所に、この光照射器から照射され生体内の、たとえば大脳皮質を経由した光を検出するために、黒四角印（７−４）で示した光検出器を配置する。そして、光照射器（７−３）と光検出器（７−４）を３０ｍｍ間隔で、図７に示すように、互い違いに配置する。別の言い方をすれば、光照射器―光検出器配置ペアＡの光照射器、光検出器と、光照射器―光検出器配置ペアＢの光照射器と光検出器が一列に並んでいる。ここで言う一列とは直線に限定されるものではなく、曲線であっても何等問題は無い。
【００３７】
この配置方法から得られる計測点の分布を、以下の図８を用いて説明する。図８中に白丸印で示した８−１は、光照射器―光検出器の配置ペアＡから得た計測点であり、一方、白四角印で示した８−２は光照射器―光検出器の配置ペアＢから得た計測点である。光照射器―光検出器の配置ペアＡから得られる計測点の間隔、および光源―検出器の配置ペアＢから得られる計測点の間隔は、各々２１ｍｍである。これに対し、８−１で示した計測点と８−２で示した計測点は１５ｍｍの間隔で配置されている。
【００３８】
次に、図９を用いて、この生体計測方法で使用する計測シーケンスを説明する。その前に、図７を用いてこの計測方法の問題点を説明する。図７中の番号１３は光照射器の配置位置である。この場所から照射され生体内（例えば脳内の大脳皮質）を経由した光は、この光照射器の配置位置から３０ｍｍ離れた場所で検出する。この図7においては、５１、５２、５３、５４の番号を記した光検出器の配置位置で検出する。
【００３９】
しかし、計測対象である生体組織は光散乱体であるため、光照射器の配置位置（１３）で照射された光は、例えば、この光照射位置から僅か１５ｍｍしか離れていない番号６１で示した光検出器の配置位置にも到達する。しかし、この６１で示した光検出器は、図中の２１、２２、２３，２４で示した光照射位置から照射され生体内（例えば脳内の大脳皮質）を経由した光を検出するために配置されたものである。
【００４０】
光照射位置１３から照射されこの６１へ到達した光の強度は、図中の２１、２２、２３，２４で示した光照射位置から照射された光の強度と比較して、約１０００倍大きい。その結果、光検出器のダイナミックレンジを超過する可能性がある。そこで、図９に示したように、光照射する期間毎に、光照射器―光検出器配置ペアＡで照射する光の強度と、光照射器―検出器配置ペアＢで照射する光の強度を交互に切り替えることで、この問題を回避することができる。
【００４１】
まず、光照射位置の情報を与えるために、各光源の強度を各光源の場所毎に異なる変調周波数で変調する。また、図９の場合、期間１、期間３、期間５では、光照射器―光検出器配置ペアＢからのみ光を被検査体へ照射し、一方、期間２、期間４では光照射器―光検出器配置ペアＡからのみ光を被検査体へ照射する。そして、期間１、期間３、期間５では、光照射器―光検出器配置ペアＢに存在する光検出器でのみ光を検出する。同様に、期間２、期間４では、光照射器―検出器配置ペアＡに存在する光検出器のみで光を検出する。この方法を用いることで、光源のダイナミックレンジを考慮する必要がなくなる。また、この制御プログラムは、図１の電子計算機（１−１）に記憶されている
次に、本発明の他の実施例について、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４を用いて説明する。
【００４２】
図１０は、光照射器（１０−１）と光検出器（１０−２）の配置方法の一例を示す。図中では、光照射器と光検出器をそれぞれ８箇所、交互に配置した。
【００４３】
本実施例では、成人の大脳皮質内での血液量変化を計測するために、これら光照射器と光検出器は３０ｍｍ間隔で配置しているが、この配置間隔に限定されるものでは無い。
【００４４】
図中の１０−３は血液量変化を検出する計測点であり、図に示した光照射器と光検出器の配置の場合、この計測点は２４ヶ所存在する。また、この計測点は２１ｍｍ間隔で存在する。また、図中の八角形の領域（１０−４）は、この計測点で囲まれた計測領域である。
【００４５】
図１１は、図１０と同様に光照射器（１１−１）と光検出器（１１−２）を３０ｍｍ間隔で配置した計測方法の実施例である。この図１１では、光照射器（１１−１）と光検出器（１１−２）をそれぞれ７個所、３０ｍｍ間隔で配置した。また、図中の１１−３は血液量変化を検出する計測点であり、光照射器（１１−１）と光検出器（１１−２）の略中点に配置した。
【００４６】
更に、図１２も、図１０、図１１と同様に、光照射器（１２−１）、光検出器（１２−２）を３０ｍｍ間隔で各々７個所配置し、さらにはこれらの略中点を血液量変化の計測点（１２−３）とする。
【００４７】
図１０、図１１、図１２に示した光照射器と光検出器の配置方法を用いて、計測点を高密度に配置する方法を図１３に示す。図中の記号の意味は、同図中に表で示した。すなわち、図中の１３−１、１３−５は図１０の配置、１３−５、１３−６はず１１の配置、１３−３、１３−４は図１２の配置をそれぞれ示す。
【００４８】
図１３では、図１０、図１１、図１２に示した光照射器と光検出器を同一平面上に重ねる。更に、各光照射器と光検出器が重ならないように、略一列に並ぶように配置している。
【００４９】
この図１３に示した光照射器および光検出器の配置方法から得た計測点の分布を図１４に示す。図中に示した白丸印（１４−１）、白四角印（１４−２）、白三角印（１４−３）は、各々図１０、図１１、図１２に示した光照射器と光検出器の配置方法から得られた計測点に対応している。図１０に示した計測方法では、計測点が２１ｍｍ間隔で配置されている。
【００５０】
しかし、図１４に示した方法では、計測点が最小で１０ｍｍ間隔に設置することが出来る。この結果、計測領域内における計測点の個数が大幅に増加し、かつ、図１４に示したように均一に分布することが可能になる。この結果、単位面積当たりの計測点の個数が大幅に増加し、計測から得られるトポグラフィ画像の空間分解能の向上が実現できる。
【００５１】
次に、本発明の更に他の実施例を、図１５、図１６、図１７、図１８を用いて説明する。
【００５２】
図１５は、本実施例を実現するために使用する生体光計測装置の装置構成を示している。１５−１は、パーソナルコンピューター、ワークステーションに代表される電子計算機であり、以下の装置の制御などに使用される。１５−２に示した、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８は光源アレーである。各光源（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８）は、複数波長（例えば、７８０ナノメートル、８３０ナノメートル）の光源（例えば、ランプ、発光ダイオード、半導体レーザ）を具備し、更に、各光源の強度を全て異なる周波数に変調することが可能な変調器も具備している。
【００５３】
各光源は、図中にＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８と示した光分岐器（１５−３）へ接続されている。この光分岐器は、例えば、分岐器Ｃ１の場合、以降の図１６を用いて説明する光照射位置（光照射器）１１′と光照射位置（光照射器）３１へ交互に光を導くことが可能である。この交互に光を導くためには、１５−１に示した電子計算機から発せられる信号をトリガーとして、制御する。
【００５４】
また、１５−４は光検出器アレーである。各検出器の配置場所は、次の図１６を用いて説明する。各検出器を用いて検出した光は、ロックインアンプアレー、アナログ／デジタル変換器に代表される電子回路を具備する信号処理装置（１５−５）へ伝送され、処理結果は１５−１に示した電子計算機へ伝送される。更に、この電子計算機は、計測結果を画像化することが可能であり、その作成した画像はディスプレー、プリンターに代表される画像表示装置（１５−６）へ伝送される。
【００５５】
次に、図１６を用いて、図１５に示した光源アレーおよびこの光源アレーから照射され、生体内を伝播した光を検出する光検出器の配置方法を説明する。図中の白丸印（１６−１）で示した１１′、１２′、１３′、１４′、１５′、１６、１７、１８および白四角印（１６−２）で示した３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８は、光照射器の配置位置である。また、図中の黒丸印（１６−３）で示した２１′、２２′、２３′、２４′、２５、２６、２７、２８および黒四角印（１６−４）で示した４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８は光検出器の配置位置である。
【００５６】
各光照射器と光検出器は、大脳皮質での血液量変化を計測するために、３０ｍｍ間隔で配置されている。しかし、配置間隔はこの値に限定されるものでは無い。この図１６を見ると、９０×９０ｍｍのサイズを有する計測領域が２面存在することがわかる。そこで、これら図１５、図１６に示した生体光計測方法を用いた計測方法に関して述べる。
【００５７】
図１７では、被検査体（１７−１）の頭皮上に、白丸印―黒丸印で示した光照射器―光検出器のペアと、白四角印―黒四角印で示した光照射器―光検出器のペアを並べて配置する計測方法を示す。各ペアの計測領域のサイズは９０×９０ｍｍであるが、本方法を用いることで、計測領域（１７−２）は２１０×９０ｍｍに広がる。この結果、分解能は従来通りであるが、被検査体の広い領域での血液量変化を計測することが可能になる。
【００５８】
これに対して、図１８では、図１６に示した白丸印―黒丸印の光照射器―光検出器のペアと白四角印―黒四角印の光照射器―光検出器のペアを、互い違いに重ねて配置している。この結果、計測領域における計測点の個数が大幅に増加し、かつ、均一に分布することが可能となり、特定の領域における血液量変化を高い空間分解能で計測することが可能になる。図１７および図１８に示した計測方法を計測条件に応じて適宜選択することで、目的に応じた計測結果を得ることが可能になる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、計測点を計測領域内密に、かつ、均一に配置することが可能となり、生体内の代謝物質濃度を高い空間分解能で計測することが可能な生体光計測装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の生体光計測装置の一実施例を説明するブロック図。
【図２】生体内の代謝物質の濃度やその濃度変化を計測するために用いられていた計測方法を示す図。
【図３】従来の脳活動に伴う血液量変化を画像化する方法を示す図。
【図４】図３のトポグラフィ画像例を示す図。
【図５】図１における光源群、検出器群の構造を説明する図。
【図６】図１における光照射器と光検出器の配置方法を説明する図。
【図７】本発明における光照射器と光検出器の配置構成を示す図。
【図８】図７における計測点の分布を示す図。
【図９】本発明における光源の切替シーケンスを説明する図。
【図１０】本発明の他の実施例における光照射器、光検出器、計測点の分布（１）を示す図。
【図１１】本発明の他の実施例における光照射器、光検出器、計測点の分布（２）を示す図。
【図１２】本発明の他の実施例における光照射器、光検出器、計測点の分布（３）を示す図。
【図１３】本発明の他の実施例における光照射器、光検出器の配置構成を示す図。
【図１４】図１３における計測点の分布を示す図。
【図１５】本発明の更に他の実施例を説明するブロック図。
【図１６】図１５における光照射器、光検出器の配置方法を説明する図。
【図１７】図１５における計測方法（１）を説明する図。
【図１８】図１５における計測方法（２）を説明する図。
【符号の説明】
１−１:電子計算機、１−２：光源群Ａ、１−３：光源群Ｂ、１−４：検出器群Ａ、１−５：検出器群Ｂ、１−６：光照射器―光検出器配置ペアＡ、１−７：光照射器―光検出器配置ペアＢ、１−８：信号処理装置、１−９：表示装置、２−１：光照射用プローブ、２−２：光検出用プローブ、２−３：光導波路、２−４：固定用ネジ、２−５：皮膚、２−６：頭蓋骨、２−７：脳脊髄液層、２−８：大脳皮質、２−９：バナナ形状、２−１０：血液、３−１：光源、３−２：光源、３−３：光源、３−４：光源、３−５：光源、３−６：光源、３−７：光源、３−８：光源、３−９：光源、３−１０：光源、３−１１：光源、３−１２：光源、３−１３：光源、３−１４：光源、３−１５：光源、３−１６：光源、３−１７：被検査体、３−１８：光照射位置（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８）、３−１９：光検出位置（Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ１７、Ｄ１８）、３−２０：血液量変化の計測点、３−２１：光検出器アレー、３−２２：ロックインアンプアレー、３−２３：電子計算機、５−１：電子計算機、５−２：光源１、５−３：光源２、５−４：光波結合器、５−５：光ファイバ、５−６：光照射用ホルダ、５−７：被検査体、５−８：光ファイバを固定することが可能なネジ、５−９：光検出用ホルダ、５−１０：光検出器、５−１１：電子回路フィルター、５−１２：電子回路のフィルター、５−１３：アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器、６−１：光照射器―光検出器の配置ペアＡ、６−２：光照射器―検出器の配置ペアＢ、６−３：光照射器の配置位置、６−４：光検出器の配置位置、６−５：血液量変化の計測点、６−６：光照射器：６−７：光検出器、、７−１：被検査体上の光照射器の配置位置、７−２：光検出位置、７−３：光照射器、７−４：光検出器、８−１：光照射器―光検出器の配置ペアＡから得た計測点、８−２：光照射器―検出器の配置ペアＢから得た計測点、１０−１：光照射器、１０−２：光検出器、１０−３：血液量変化を検出する計測点、１０−４：計測点で囲まれた計測領域、１１−１：光照射器、１１−２：光検出器、１１−３：血液量変化を検出する計測点、１２−１：光照射器、１２−２：光検出器、１２−３：血液量変化の計測点、１４−１：図１０の配置方法から得られた計測点、１４−２：図１１の配置方法から得られた計測点、１４−３：図１２の配置方法から得られた計測点、１５−１:電子計算機、１５−２：光源アレー、１５−３：光分岐器、１５−４：光検出器アレー、１５−５：信号処理装置、１５−６：画像表示装置、１６−１：光照射器、１６−２：光照射器、１６−３：光検出器、１６−４：光検出器、１７−１：被検査体、１７−２：計測領域。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biological light measurement apparatus that measures the concentration of a metabolite in a test subject (living body) or a change in the concentration using light.
[0002]
[Prior art]
Using light typified by near-infrared light, which is highly permeable to biological tissues, the concentration of metabolic substances in the body typified by oxyhemoglobin, reduced hemoglobin, and myoglobin or changes in the concentration are measured, and the changes in concentration are imaged. A living body light measuring device is described in JP-A-9-98972.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
First, the prior art will be described with reference to FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
[0004]
FIG. 2 shows a measurement method used for measuring the concentration of a metabolite in the living body or a change in the concentration. In the figure, reference numeral 2-1 denotes a light irradiation probe, 2-2 denotes a light detection probe, and 2-3 denotes an optical waveguide that can be used for light irradiation or light detection. The optical waveguide is an optical transmission medium including a core layer and a clad layer having a refractive index smaller than that of the core layer. An example of the optical waveguide is an optical fiber. The optical fiber mentioned here may be made of glass or plastic. Furthermore, it may be made of acrylic resin or fluororesin. The optical waveguide is inserted into the light irradiation probe and the light detection probe, and is fixed by a fixing screw (2-4).
[0005]
The optical waveguide inserted into the light irradiation probe is connected to a light source typified by a semiconductor laser, a light emitting diode, and a lamp. On the other hand, the optical waveguide inserted into the light detection probe is joined to a light detection element typified by a photodiode or a photomultiplier tube. In this figure, the case where these light irradiation probe and light detection probe are arranged on the scalp and the blood volume change in the brain is measured will be described.
[0006]
In this case, near-infrared light (wavelength range from 700 nm to 900 nm) with high biological tissue permeability is used for measurement. The light emitted from the probe for light irradiation is caused by biological tissues represented by the skin (2-5), skull (2-6), cerebrospinal fluid layer (2-7), and cerebral cortex (2-8). Scattered. A part of the scattered light reaches the light detection probe about 30 mm away from the light irradiation position like the banana shape (2-9) shown in the figure. This value of 30 mm is for adults, and is different for children with different head sizes, for example. Here, the cerebral cortex is a measurement region in which the amount of blood (2-10) changes due to brain activity. In addition, hemoglobin in blood absorbs near infrared light. For this reason, the amount of light reaching the light detection probe decreases as the blood volume increases with brain activity. This indicates that the amount of light reaching the detection probe reflects brain activity.
[0007]
Next, FIG. 3 shows a method for imaging a blood volume change accompanying brain activity using the measurement method shown in FIG. 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, 3-6, 3-7, 3-8 in FIG. 3 are light sources of a certain wavelength (assuming x nanometers). It is. Similarly, 3-9, 3-10, 3-11, 3-12, 3-13, 3-14, 3-15, 3-16 have a certain wavelength (assumed to be y nanometer). Light source.
[0008]
When the brain function is measured using light, the absorbance of oxyhemoglobin is high at a wavelength longer than this wavelength centering on a wavelength of 800 nanometers, and the absorbance of reduced hemoglobin is large at a short wavelength. Accordingly, x is set to 780, y is set to 830, and the inspected object (3-17) is irradiated with a light source having a plurality of wavelengths, and the concentration of oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin or the concentration change thereof is measured.
[0009]
On the scalp of the object to be inspected (3-17), the light irradiation positions (S11, S12, S13, S14, S15, S16, S17, S18) for irradiating the light sources shown in 3-1 to 3-16 (3) -18) and light detection positions (D11, D12, D13, D14, D15, D16, D17, D18) (3-19) for detecting the light propagated in the living body at a position 30 mm away from this. In order to give information on the light irradiation position, the intensities of the light sources (16 in FIG. 3) used for measurement are all modulated at different frequencies.
[0010]
Here, the sensitivity of the blood volume change in the cerebral cortex existing at a depth of about 15 mm from the scalp is maximum at the midpoint between the light irradiation position and the light detection position. For example, taking the light irradiated at S11 and reaching D11 as an example, the blood volume change at the midpoint between S11 and D11 is detected with the highest sensitivity. Therefore, this midpoint is defined as “measurement point of blood volume change”. In the arrangement of the light irradiation position and the light detection position shown in FIG. 3, there are 24 measurement points indicated by ■ (3-20) in the drawing. In order to obtain the change in signal light intensity corresponding to each wavelength at the 24 measurement points, the light reaching the light detection position is converted from an optical signal to an electrical signal by the photodetector array (3-21), and Demodulate using the lock-in amplifier array (3-22).
[0011]
Then, from the demodulated signal light intensity, a computer or a computer represented by a workstation (3-23) is used to express oxygenated hemoglobin concentration (or change in concentration thereof) and reduced hemoglobin concentration (or change in concentration thereof) at each measurement point. Ask for.
[0012]
Spline image processing is performed using the concentration at each 24 measurement points or the change in concentration at the concentration or change in concentration of each oxyhemoglobin, reduced hemoglobin, or the change in the concentration of total hemoglobin given by the sum thereof. A topographic image as shown in FIG. 4 can be obtained.
[0013]
However, since biological tissue strongly scatters light, it is widely known as a problem that the spatial resolution is generally lower than that of other biological measurement apparatuses (for example, magnetic resonance drawing apparatus, X-ray).
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a living body optical measurement device capable of arranging measurement points in a measurement area in a uniform and uniform manner in order to measure a metabolite concentration in a living body with high spatial resolution. is there.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a plurality of measurements comprising a plurality of light irradiators for irradiating light to the object to be inspected and a plurality of light detectors for detecting light irradiated from the light irradiator and propagated through the object to be inspected. A probe set and means for measuring the concentration of metabolite in the body to be inspected and a change in the concentration using the light detector and the substantially midpoint position of the light detector as a measurement point based on the signal detected by the light detector. In addition, a plurality of light irradiators or light detectors arranged in other measurement probe sets are arranged in a line between the light irradiator arranged in one of the measurement probe sets and the light detector. The measurement probe sets are arranged so as to overlap each other, and the measurement is performed.
[0016]
In addition, according to the present invention, a plurality of light irradiators that irradiate light to the object to be inspected and a plurality of light detectors that detect light emitted from the light irradiator and propagated through the object to be inspected. And a means for measuring the concentration of a metabolite in the body to be inspected and its concentration change based on the signal detected by the photodetector and using the approximate midpoint position of the light irradiator and the photodetector as a measurement point, And at least one measurement probe set of the measurement probe sets is irradiated with light, and is shifted to another measurement probe set in time series.
[0017]
Furthermore, according to the present invention, a plurality of light irradiators for irradiating light to the object to be inspected and a plurality of light detectors for detecting light irradiated from the light irradiator and propagated through the object to be inspected are alternately arranged in a lattice pattern. Based on the signals detected by the photodetector and a plurality of measurement probe sets arranged at equal intervals, the concentration of the metabolite in the body to be inspected and the approximate midpoint position of the light irradiator and the photodetector as the measurement point A light irradiator disposed in another measurement probe set between the light irradiator disposed in one of the measurement probe sets and the photodetector. Alternatively, a configuration in which the measurement probe sets are arranged and arranged so that photodetectors are arranged substantially in a row and a configuration in which a plurality of measurement probe sets are arranged and arranged can be selected according to measurement conditions. It is characterized by that.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 shows a biological light measurement method according to the present invention. Reference numeral 1-1 denotes an electronic computer typified by a personal computer or a workstation, which is used for light amount control of a light source (light irradiator) described later, processing of detected signals, image processing of measurement results, and the like. This computer is the same as the light source group A (1-2) numbered 11, 12, 13, 14, 15 in FIG. 1 and light sources numbered 21, 22, 23, 24 in FIG. It is connected to the group B (1-3). The structure of each light source group will be described later with reference to FIG.
[0020]
In FIG. 1, the detectors A (1-4) are numbered 51, 52, 53, and 54, and are similarly numbered 61, 62, 63, and 64 in the same figure. One is the detector group B (1-5).
[0021]
Moreover, 1-6 shown in FIG. 1 has shown the pair A of a light irradiation device and a photodetector, and the light source group A (white circle in a figure) shown by the number of 11, 12, 13, 14, 15 Detector group A (corresponding to black circles in the figure) indicated by numbers 51, 52, 53, and 54 are alternately arranged at intervals of 30 mm. The arrangement pair is referred to as a measurement probe set A. In the present embodiment, the arrangement interval between the light irradiator and the detector is set to 30 mm. However, the size of the human head is different, and the present invention is not limited to this value.
[0022]
Similarly, reference numeral 1-7 shown in FIG. 1 denotes a pair B of a light irradiator and a light detector, and a light source group B (numbered 21, 22, 23, 24, 25 in the drawing) This corresponds to the white square mark) and the detector group B numbered 61, 62, 63, 64 (corresponding to the black square mark in the figure) arranged at intervals of 30 mm. Similarly, the arrangement pair of instruments is referred to as a measurement probe set B.
[0023]
The detectors indicated by 51, 52, 53, 54 and 61, 62, 63, 64 convert signals propagated in the living body into electrical signals. This signal is connected to the computer (1-1) via a signal processing device (1-8) having a lock-in amplifier, an analog / digital converter (A / D converter), and the like. Yes. The signal processed by the electronic computer (1-1) can be displayed on the screen in the form of an image, a graph, text data, etc. using the display device (1-9).
[0024]
Next, the structures of the light source groups shown in 1-2 and 1-3 and the detector groups shown in 1-4 and 1-5 will be described with reference to FIG. In the description using this figure, in order to simplify the description, the light irradiation position 11 (same number as the corresponding light irradiator) in the pair A and the light detection position 51 (same as the corresponding light detector). A combination of numbers will be described.
[0025]
Reference numeral 5-1 denotes an electronic computer indicated by 1-1 in FIG. This electronic computer can send control signals to the light source 1 (5-2) and the light source 2 (5-3). The light source 1 and the light source 2 are light sources represented by a semiconductor laser, a light emitting diode, a lamp, and the like.
[0026]
Moreover, in this biological light measuring device, it is possible to measure the concentrations of a plurality of types of in vivo metabolic substances having different spectral spectra. This can be measured if a plurality of light sources are used as shown in 5-2 and 5-3, and the emission spectra of these light sources are different.
[0027]
In this embodiment, two light sources are shown. However, using the method described below, an arbitrary number of light sources can be installed, and as a result, the concentration of in vivo metabolites having an arbitrary number of parameters can be measured. It is. For example, when measuring the concentrations of oxyhemoglobin and reduced hemoglobin in a living body, their absorbances coincide with each other in the vicinity of a wavelength of 800 nanometers, so that a longer wavelength (for example, 830 nanometers) and a shorter wavelength (for example, 780 nanometers). Use a light source with
[0028]
In the present embodiment, 5-2 is a semiconductor laser having a center wavelength of 780 nanometers, and 5-2 is a semiconductor laser having a center wavelength of 830 nanometers. These light beams are applied to the object to be inspected (5-7) using the light wave coupler (5-4), the optical fiber (5-5), and the light irradiation holder (5-6). Here, the light irradiation holder (5-6) has a hollow shape, and an optical fiber (5-5) is inserted into the holder, and the tip of the light irradiation holder (5-7) is lightly brought into contact with the object to be inspected (5-7). Irradiate. The light irradiation holder includes a screw (5-8) or the like that can fix the optical fiber.
[0029]
Here, light having a wavelength of 780 nanometers and light having a wavelength of 830 nanometers are incident on the same, but if the wavelength is different to this extent, the light propagates through the inspected body substantially along the same path.
[0030]
Therefore, in order to discriminate the wavelength information of the light reaching the light detection holder (5-9), the intensity of the light source shown in 5-2 and the intensity of the light source shown in 5-3 are modulated at different frequencies. The light propagating through the body to be inspected is detected using an optical fiber (5-5) mounted and fixed inside the light detection holder (5-9), and the detected light wave is detected by a photodetector (5-10). ). Specific examples of the photodetector include a photodiode and a photomultiplier tube. And the information of the light quantity which propagated the optical fiber using these photodetectors is converted into electrical information.
[0031]
5-11 and 5-12 in FIG. 5 are electrical signals having the same modulation wave component as the modulation frequency of the light source (corresponding to 5-2 and 5-3, respectively) having a wavelength of 780 nm and a wavelength of 830 nm. It is an electronic circuit filter that can detect. An example is a lock-in amplifier. The intensity of the signal detected by each filter is transmitted to an analog / digital converter (A / D converter) (5-13). The digitized signal is transmitted again to the electronic computer (5-1).
[0032]
Next, the light irradiator-detector arrangement pair A (1-6) and the light irradiator-photodetector arrangement pair B (1-7) in FIG. 1 will be described with reference to FIG. 6-1 and 6-2 are views showing the light irradiators, the light detectors of the light irradiator-detector arrangement pair A and the light irradiator-detector arrangement pair B, the arrangement examples of the light detectors, and the positions of measurement points, respectively. . A white circle mark (6-3) shown in 6-1 indicates an arrangement position of the light irradiator. Similarly, black circles (6-4) shown in 6-1 indicate the arrangement positions of the photodetectors. The arrangement positions of these light irradiators and the arrangement positions of the light detectors correspond to the positions on the scalp of the light irradiation holder and the light detection holder shown in 5-6 and 5-9 in FIG. . These light irradiators and photodetectors are alternately arranged at intervals of 30 mm.
[0033]
Here, the sensitivity of the blood volume change in the cerebral cortex is maximum at the midpoint between the arrangement position of the light irradiator and the arrangement position of the photodetector. Therefore, a position indicated by a small circle in the figure (corresponding to 6-5 in the figure) is defined as a blood volume change measurement point.
[0034]
On the other hand, in the light irradiator-detector arrangement pair B (6-2), the white square mark (6-6) shown in 6-2 is used as the light irradiator, and the black square mark (6-7) is used. The photodetectors are arranged at intervals of 30 mm. Further, the position (corresponding to 6-8 in the figure) that is the midpoint between the light irradiator and the light detector is similarly defined as a measurement point of blood volume change.
[0035]
Next, a method for efficiently arranging measurement points of blood volume changes on the object to be inspected using these light irradiator-photodetector arrangement pair A and light irradiator-photodetector arrangement pair B is shown in FIG. Will be described. A white circle mark (7-1) in the figure is an arrangement position of the light irradiator on the object to be examined. In order to detect light irradiated from this place and passing through, for example, the cerebral cortex in the living body, The light is detected at the light detection position indicated by the black circle (7-2). As an example, these white circles and black circles are arranged at intervals of 30 mm when measuring the brain function of an adult, but are not limited to this arrangement interval (30 mm).
[0036]
A method for arranging the light irradiator-photodetector arrangement pair B between the light irradiator-photodetector arrangement pair A will be described below. Specifically, a white square mark (7-3) is shown in the drawing at a substantially midpoint between the arrangement position of the light irradiator indicated by 7-1 and the arrangement position of the photodetector indicated by 7-2. Arrange the light irradiator. Then, a photodetector indicated by a black square mark (7-4) is used to detect light in the living body, for example, via the cerebral cortex, which is irradiated from the light irradiator at a location 30 mm away from the arrangement location. Place. Then, the light irradiators (7-3) and the photodetectors (7-4) are arranged alternately at intervals of 30 mm as shown in FIG. In other words, the light irradiator and the light detector of the light irradiator-photo detector arrangement pair A, and the light irradiator and the light detector of the light irradiator-photo detector arrangement pair B are arranged in a line. Yes. The one line here is not limited to a straight line, and there is no problem even if it is a curved line.
[0037]
The distribution of measurement points obtained from this arrangement method will be described with reference to FIG. In FIG. 8, 8-1 indicated by a white circle is a measurement point obtained from the arrangement pair A of the light irradiator-photodetector, while 8-2 indicated by a white square is a light irradiator-light. This is a measurement point obtained from the detector arrangement pair B. The distance between the measurement points obtained from the light irradiator-photodetector arrangement pair A and the distance between measurement points obtained from the light source-detector arrangement pair B are each 21 mm. On the other hand, the measurement points indicated by 8-1 and the measurement points indicated by 8-2 are arranged at an interval of 15 mm.
[0038]
Next, a measurement sequence used in this living body measurement method will be described with reference to FIG. Before that, the problem of this measurement method will be described with reference to FIG. Reference numeral 13 in FIG. 7 is the arrangement position of the light irradiator. The light irradiated from this place and passing through the living body (for example, the cerebral cortex in the brain) is detected at a place 30 mm away from the arrangement position of this light irradiator. In FIG. 7, detection is performed at the arrangement positions of the photodetectors with numbers 51, 52, 53, and 54.
[0039]
However, since the biological tissue to be measured is a light scatterer, the light irradiated at the arrangement position (13) of the light irradiator is indicated by, for example, the number 61 which is only 15 mm away from the light irradiation position. The position of the photodetector is also reached. However, this photodetector 61 detects light that has been irradiated from the light irradiation positions indicated by 21, 22, 23, and 24 in the figure and passed through the living body (for example, the cerebral cortex in the brain). It is arranged.
[0040]
The intensity of the light irradiated from the light irradiation position 13 and reaching 61 is about 1000 times larger than the intensity of the light irradiated from the light irradiation positions indicated by 21, 22, 23, and 24 in the figure. As a result, the dynamic range of the photodetector may be exceeded. Therefore, as shown in FIG. 9, for each period of light irradiation, the intensity of light irradiated by the light irradiator-photodetector arrangement pair A and the intensity of light irradiated by the light irradiator-detector arrangement pair B This problem can be avoided by switching alternately.
[0041]
First, in order to give information on the light irradiation position, the intensity of each light source is modulated at a different modulation frequency for each location of the light source. In the case of FIG. 9, in period 1, period 3, and period 5, the light irradiator-light detector arrangement pair B is irradiated only with light, while in period 2 and period 4, the light irradiator- Only the light detector arrangement pair A is irradiated with light. In periods 1, 3, and 5, light is detected only by the photodetectors present in the light irradiator-photodetector arrangement pair B. Similarly, in the period 2 and the period 4, the light is detected only by the photodetector existing in the light irradiator-detector arrangement pair A. By using this method, it is not necessary to consider the dynamic range of the light source. This control program is stored in the computer (1-1) in FIG.
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10, 11, 12, 13, and 14. FIG.
[0042]
FIG. 10 shows an example of an arrangement method of the light irradiator (10-1) and the photodetector (10-2). In the figure, 8 light irradiators and 8 light detectors were alternately arranged.
[0043]
In this embodiment, these light irradiators and light detectors are arranged at intervals of 30 mm in order to measure changes in blood volume in the adult cerebral cortex, but the arrangement intervals are not limited thereto.
[0044]
10-3 in the figure is a measurement point for detecting a change in blood volume. In the case of the arrangement of the light irradiator and the light detector shown in the figure, there are 24 measurement points. Moreover, these measurement points exist at intervals of 21 mm. Further, an octagonal region (10-4) in the drawing is a measurement region surrounded by the measurement points.
[0045]
FIG. 11 shows an embodiment of a measurement method in which the light irradiators (11-1) and the photodetectors (11-2) are arranged at intervals of 30 mm as in FIG. In FIG. 11, the light irradiators (11-1) and the photodetectors (11-2) are arranged at seven locations at 30 mm intervals. In addition, 11-3 in the figure is a measurement point for detecting a change in blood volume, and is arranged at a substantially midpoint between the light irradiator (11-1) and the photodetector (11-2).
[0046]
Further, in FIG. 12, similarly to FIGS. 10 and 11, seven light irradiators (12-1) and seven photodetectors (12-2) are arranged at intervals of 30 mm. It is set as the measurement point (12-3) of blood volume change.
[0047]
FIG. 13 shows a method for arranging measurement points at high density using the arrangement method of the light irradiator and the photodetector shown in FIG. 10, FIG. 11, and FIG. The meaning of the symbols in the figure is shown in the table in the figure. That is, 13-1 and 13-5 in the figure indicate the arrangement of FIG. 10, 13-5 and 13-6 should be arranged 11, and 13-3 and 13-4 show the arrangement of FIG.
[0048]
In FIG. 13, the light irradiator and the photodetector shown in FIGS. 10, 11, and 12 are stacked on the same plane. Further, the light irradiators and the light detectors are arranged so as to be arranged in a line so as not to overlap.
[0049]
FIG. 14 shows the distribution of measurement points obtained from the arrangement method of the light irradiator and photodetector shown in FIG. The white circle mark (14-1), white square mark (14-2), and white triangle mark (14-3) shown in the figure are the light irradiator and the light detection shown in FIGS. 10, 11, and 12, respectively. It corresponds to the measurement points obtained from the placement method of the vessel. In the measurement method shown in FIG. 10, measurement points are arranged at intervals of 21 mm.
[0050]
However, in the method shown in FIG. 14, the measurement points can be set at intervals of 10 mm at the minimum. As a result, the number of measurement points in the measurement region is greatly increased and can be uniformly distributed as shown in FIG. As a result, the number of measurement points per unit area is greatly increased, and the spatial resolution of the topography image obtained from the measurement can be improved.
[0051]
Next, still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15, 16, 17, and 18. FIG.
[0052]
FIG. 15 shows a device configuration of a biological light measurement device used for realizing the present embodiment. Reference numeral 15-1 denotes an electronic computer represented by a personal computer and a workstation, which is used for controlling the following devices. A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, and A8 shown in 15-2 are light source arrays. Each light source (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8) includes a light source (eg, lamp, light emitting diode, semiconductor laser) having a plurality of wavelengths (eg, 780 nanometers, 830 nanometers). Furthermore, a modulator capable of modulating the intensity of each light source to a different frequency is also provided.
[0053]
Each light source is connected to an optical branching device (15-3) indicated as C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, and C8 in the drawing. For example, in the case of the branching device C1, this light branching device alternately guides light to the light irradiation position (light irradiation device) 11 ′ and the light irradiation position (light irradiation device) 31 described with reference to FIG. Is possible. In order to guide light alternately, control is performed using a signal emitted from the electronic computer shown in 15-1 as a trigger.
[0054]
Reference numeral 15-4 denotes a photodetector array. The location of each detector will be described with reference to FIG. The light detected using each detector is transmitted to a signal processing device (15-5) having an electronic circuit typified by a lock-in amplifier array and an analog / digital converter, and the processing result is shown in 15-1. Is transmitted to the computer. Further, the electronic computer can image the measurement result, and the created image is transmitted to an image display device (15-6) represented by a display and a printer.
[0055]
Next, with reference to FIG. 16, a light source array shown in FIG. 15 and a method of arranging a photodetector that detects light emitted from the light source array and propagated through the living body will be described. 11 ', 12', 13 ', 14', 15 ', 16, 17, 18 indicated by white circle marks (16-1) in the figure, and 31, 32, 33 indicated by white square marks (16-2). , 34, 35, 36, 37, and 38 are arrangement positions of the light irradiators. In addition, 21 ', 22', 23 ', 24', 25, 26, 27, 28 indicated by black circles (16-3) in the figure, and 41, 42, indicated by black squares (16-4), Reference numerals 43, 44, 45, 46, 47, and 48 indicate the positions of the photodetectors.
[0056]
Each light irradiator and light detector are arranged at intervals of 30 mm in order to measure changes in blood volume in the cerebral cortex. However, the arrangement interval is not limited to this value. It can be seen from FIG. 16 that there are two measurement areas having a size of 90 × 90 mm. Therefore, a measurement method using the biological light measurement method shown in FIGS. 15 and 16 will be described.
[0057]
In FIG. 17, on the scalp of the object to be inspected (17-1), a light irradiator-photodetector pair indicated by white circles-black circles, and a light irradiator indicated by white squares-black squares- A measurement method for arranging a pair of photodetectors side by side is shown. The size of the measurement area of each pair is 90 × 90 mm, but by using this method, the measurement area (17-2) is expanded to 210 × 90 mm. As a result, although the resolution is the same as before, it is possible to measure a change in blood volume in a wide region of the subject.
[0058]
On the other hand, in FIG. 18, the white circle mark-black circle light emitter-photodetector pair and the white square mark-black square light emitter-photodetector pair shown in FIG. Is placed on top of each other. As a result, the number of measurement points in the measurement region is greatly increased and can be distributed uniformly, and blood volume changes in a specific region can be measured with high spatial resolution. By appropriately selecting the measurement method shown in FIGS. 17 and 18 according to the measurement conditions, it is possible to obtain a measurement result according to the purpose.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to arrange measurement points closely and uniformly in the measurement region, and to measure the concentration of metabolites in the living body with high spatial resolution. A device can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a biological light measurement device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a measurement method used for measuring the concentration of a metabolite in a living body and its concentration change.
FIG. 3 is a diagram showing a conventional method for imaging blood volume changes accompanying brain activity.
4 is a diagram showing an example of the topography image of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of a light source group and a detector group in FIG.
6 is a diagram for explaining a method of arranging the light irradiator and the light detector in FIG. 1. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an arrangement configuration of a light irradiator and a light detector in the present invention.
8 is a diagram showing a distribution of measurement points in FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a light source switching sequence according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a distribution (1) of a light irradiator, a photodetector, and measurement points in another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a distribution (2) of a light irradiator, a light detector, and measurement points in another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a distribution (3) of a light irradiator, a light detector, and measurement points in another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an arrangement configuration of a light irradiator and a photodetector in another embodiment of the present invention.
14 is a diagram showing a distribution of measurement points in FIG.
FIG. 15 is a block diagram illustrating still another embodiment of the present invention.
16 is a diagram illustrating a method of arranging the light irradiator and the photodetector in FIG.
FIG. 17 is a diagram for explaining a measurement method (1) in FIG. 15;
18 is a diagram for explaining a measurement method (2) in FIG.
[Explanation of symbols]
1-1: electronic computer, 1-2: light source group A, 1-3: light source group B, 1-4: detector group A, 1-5: detector group B, 1-6: light irradiator-light Detector arrangement pair A, 1-7: Light irradiator-photodetector arrangement pair B, 1-8: Signal processing device, 1-9: Display device, 2-1: Probe for light irradiation, 2-2: Light Detection probe, 2-3: optical waveguide, 2-4: fixing screw, 2-5: skin, 2-6: skull, 2-7: cerebrospinal fluid layer, 2-8: cerebral cortex, 2-9 : Banana shape, 2-10: Blood, 3-1: Light source, 3-2: Light source, 3-3: Light source, 3-4: Light source, 3-5: Light source, 3-6: Light source, 3-7: Light source, 3-8: light source, 3-9: light source, 3-10: light source, 3-11: light source, 3-12: light source, 3-13: light source, 3-14: light source, 3-15: light source, 3-16: Light source, 3-17: Inspected object, 3- 18: Light irradiation position (S11, S12, S13, S14, S15, S16, S17, S18), 3-19: Light detection position (D11, D12, D13, D14, D15, D16, D17, D18), 3- 20: measurement point of blood volume change, 3-21: photodetector array, 3-22: lock-in amplifier array, 3-23: electronic calculator, 5-1: electronic calculator, 5-2: light source 1, 5- 3: Light source 2, 5-4: Light wave coupler, 5-5: Optical fiber, 5-6: Light irradiation holder, 5-7: Inspected object, 5-8: Optical fiber can be fixed Screw, 5-9: Light detection holder, 5-10: Photo detector, 5-11: Electronic circuit filter, 5-12: Electronic circuit filter, 5-13: Analog / digital converter (A / D conversion) 6-1: Arrangement pair A of light irradiator-photodetector A, 6-2 Light irradiator-detector arrangement pair B, 6-3: light irradiator arrangement position, 6-4: light detector arrangement position, 6-5: blood volume change measurement point, 6-6: light irradiation Device: 6-7: Photodetector, 7-1: Arrangement position of light irradiator on test object, 7-2: Light detection position, 7-3: Light irradiator, 7-4: Photodetector 8-1: Measurement point obtained from the light irradiation device-detector arrangement pair A, 8-2: Measurement point obtained from the light irradiation device-detection pair B, 10-1: Light irradiation device, 10-2: Photo detector, 10-3: Measurement point for detecting a change in blood volume, 10-4: Measurement region surrounded by the measurement point, 11-1: Light irradiator, 11-2: Photo detector, 11-3: Measuring point for detecting blood volume change, 12-1: Light irradiator, 12-2: Photo detector, 12-3: Measuring point for blood volume change, 14-1: From the arrangement method of FIG. Obtained measurement points, 1 -2: Measurement points obtained from the arrangement method of FIG. 11, 14-3: Measurement points obtained from the arrangement method of FIG. 12, 15-1: Computer, 15-2: Light source array, 15-3: Light Branch, 15-4: Photodetector array, 15-5: Signal processing device, 15-6: Image display device, 16-1: Light irradiator, 16-2: Light irradiator, 16-3: Light detection 16-4: Photo detector, 17-1: Inspected object, 17-2: Measurement area.

Claims

A first light irradiator for irradiating light to the object to be inspected and a first light receiver for detecting the light irradiated from the light irradiator and propagated through the object to be inspected are latticed on the object to be inspected. The metabolite concentration in the body to be inspected or a change in the concentration is measured using the approximate midpoint position of the light irradiator and the light receiver as a measurement point based on the signal detected by the light receiver. Configured to measure,
The second light irradiator and the second light receiver arranged alternately in a lattice shape are arranged so that the position of the first light irradiator or the first light receiver is a measurement point,
A first state in which light is emitted from the first light irradiator and light is not emitted from the second light irradiator, and light is emitted from the second light irradiator and the first light is emitted. A biological light measurement device configured to switch over time a second state in which light is not irradiated from an irradiator.

A first light irradiator for irradiating light to the object to be inspected and a first light receiver for detecting the light irradiated from the light irradiator and propagated through the object to be inspected are latticed on the object to be inspected. The metabolite concentration in the body to be inspected or a change in the concentration is measured using the approximate midpoint position of the light irradiator and the light receiver as a measurement point based on the signal detected by the light receiver. Configured to measure,
A second light irradiator or a second light receiver is arranged at a substantially midpoint position between the adjacent first light irradiator and the first light receiver, and the first light irradiator or Arranging the light irradiator and the light receiver so that the position of the first light receiver is a measurement point,
A first state in which light is emitted from the first light irradiator and light is not emitted from the second light irradiator, and light is emitted from the second light irradiator and the first light is emitted. A biological light measurement device configured to switch over time a second state in which light is not irradiated from an irradiator.

A first light irradiator for irradiating light to the object to be inspected and a first light receiver for detecting the light irradiated from the light irradiator and propagated through the object to be inspected are latticed on the object to be inspected. The metabolite concentration in the body to be inspected or a change in the concentration is measured using the approximate midpoint position of the light irradiator and the light receiver as a measurement point based on the signal detected by the light receiver. Configured to measure,
A second light irradiator or a second light receiver is disposed at a substantially midpoint position between the adjacent first light irradiator and the first light receiver, and the adjacent second light irradiator is disposed. The light irradiator and the light receiver are arranged so that the position of the measurement point made by the light receiver and the second light receiver becomes the position of the first light irradiator or the first light receiver,
A living body light measuring apparatus configured to irradiate the first light irradiator and the second light irradiator by switching over time.