JP2003010189A

JP2003010189A - 生体機能情報撮像装置

Info

Publication number: JP2003010189A
Application number: JP2001203127A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Sase; 一郎佐瀬; Tatsuro Otaki; 達朗大瀧
Original assignee: Nikon Corp; Communications Research Laboratory
Current assignee: Nikon Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】光照射による生体機能情報撮像装置において、
複数の光ファイバー等を用いて照射し、生体からの反射
光を広く２次元及び３次元的に捉えることができる方法
を提供するものである。これにより、従来は、計測点ご
との情報しか得られなかったが、本方法及び装置により
広く且つ生体の深部領域も含めた多義的な情報を得るこ
とが可能である。【解決手段】反射光を受光するために高精度のカメラを
撮像装置、画像情報処理手段及び画像解析手段等を採用
したことにより、一定の面積を持った２次元情報として
生体情報を検出できる。また、生体への照射光をパルス
状レーザーとし、その発射時間と撮像装置等を同期さ
せ、情報の取得時期を照射時とずらすことで、任意の生
体深部領域の情報を含んだ３次元の生体情報を検出でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特定の光を生体に
照射する手段を用いた、非侵襲的に生体機能情報を計測
する装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生体組織の解剖学的情報や病
理・生理学的情報を非侵襲的に計測できる方法として、
Ｘ線ＣＴ（Ｘ線透過型コンピューター断層撮影法）やＭ
ＲＩ（magnetic resonance imaging; 核磁気共鳴画
像）、超音波断層及びＰＥＴ(positron emission tomog
raphy; 陽電子放射断層撮影法）等が実用化されてい
る。さらに、これらの測定技術でも可視化することがで
きない組織構造変化を近赤外光などの光波を用いて可視
化する試みも行われている。この技術分野は一般に光Ｃ
Ｔ技術と呼ばれている。この光ＣＴ技術の従来型の装置
は、光ファイバーを光の照射光に使用し、このファイバ
プローブを人体に接触させているもの（特開平５−１６
１６２８号）や、透明な窓部材に指を押し当てるように
するもの（特表平７−５０６９８７号）がある。また採
血することなく非侵襲的にヘモグロビンなどの生体成分
を計測しようとする装置として国際公開第ＷＯ９７／２
４０６６号公報に開示されたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来型の装置
は、光の照射と受光を光ファイバーなどを介して行って
いたため、数点の計測のみしか行えない又は、複数点の
計測をするために測定点を移動させる必要があった。い
ずれにしても計測点及び計測点ごとの測定方法しか開示
されていなかった。そのため対象物の全体を計測するた
めに複数回の計測が必要となり長時間の計測が必要とな
ってしまっていた。

【０００４】また、最適測定位置の決定のためには複数
回の計測が必要であり、光ファイバーの配置によって
は、測定の際にその最適測定位置を取りこぼしてしまう
可能性があった。

【０００５】さらに光の照射と受光を光ファイバーを使
用していたために、対象となる生体への光ファイバー素
子の接触が必要となり、作業中の対象者などを計測する
場合に光ファイバーの身体への安定した固定が不可欠で
あった。加えて、測定対象者からの受光量をあげるため
には光ファイバーの先端を交換もしくは加工する必要が
あり、自由度がなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本願発明では上
記の課題を解決するために、検査対象とする生体に光を
照射するための光照射手段、照射された光が生体からの
反射による光を撮像する撮像手段、該反射光を画像情報
に変換する画像情報処理手段、該画像情報を解析する画
像解析手段、解析手段により得られた生体情報を出力す
る出力手段を有する、生体の光測定を非接触に行うこと
ができることを特徴とする生体機能情報撮像方法及びそ
の方法を実施する装置を提供するものである。ここで、
本願発明に係る装置は主に生体からの反射光を撮像・情
報処理するものであるが、照射光に対して生体の吸収に
よる散乱光の減退についても、画像情報処理手段及び画
像解析手段等により補足できる。

【０００７】例えば、請求項１に記載の装置を構成する
撮像手段にカメラを用いて、照射された光が生体からの
反射による光による、生体の２次元情報を取得すること
が可能な生体機能情報撮像装置を提供するものである。
ここで、従来は計測点ごとの測定であり、僅かな面積の
点での測定しか実現できなかったが、撮像手段にカメラ
を用いることで、光を用いる生体情報撮像装置におい
て、より広範な面積を有する測定面としての生体情報の
取得が可能となった。

【０００８】また、選択的且つ付加的に請求項１又は２
に記載の装置を構成する、光照射手段による光照射方向
をミラーによって任意に切り替え可能な手段を配設した
生体散乱情報撮像装置としてもよく、例えば光照射手段
に係る２本以上の光ファイバーのうち、光照射方向切り
換え手段により、特定の光ファイバーのみを介して光を
照射することが可能である、請求項１乃至３のいずれか
の生体散乱情報撮像装置とすることが挙げられる。ま
た、光ファイバーを使用しなくとも直接に光照射をして
もよく、この場合でも任意に切り替え可能な手段を配設
できる。さらに、ここで光照射の任意の切り替え手段
は、ミラーでなく、ピエゾ素子で光ファイバーの先端を
切り替えて２股・３股としていく「光路切換装置（Opti
cal Switcher)ピエゾシステム社・ドイツ」を使用して
もよい。

【０００９】さらに、光照射手段による光照射をパルス
状のレーザー光とし、撮像手段、画像情報処理手段又は
画像解析手段の少なくとも１つに、時間分解能をもたせ
た計時手段を設け特定のパルス光が照射された後、一定
時間経過後の反射した生体散乱光情報を取得し解析する
ことにより、生体の任意の深度における生体情報を得る
ことができることを特徴とした、請求項１乃至５のいず
れかに記載の生体散乱情報撮像装置、又は方法を提供す
る。ここで、生体の深度とは、生体表面からの垂直方向
の領域であり、上記手段を用いることで特定の生体内部
領域の情報を得ることが可能となる。また、任意に時間
をずらしていくことで、生体内部の３次元情報を得るこ
とができるようになる。

【００１０】加えて、照射された光が生体からの反射に
よる光を撮像手段で撮像する前に、ミラー又はレンズを
用いて反射光経路を任意に切り換える手段を配設し、撮
像手段の位置を固定したまま２以上の反射光経路の情報
を取得できるようにしてもよい。すなわち複数本の光フ
ァイバーの１本ずつ順次、光を通ずるように光りを照射
させて、さまざまな方向の反射光等を、撮像装置に付属
する若しくは手前にあるミラー又はレンズを用いて、そ
の光路を切り換えることにより、カメラの位置を固定し
たまま撮像することができる。

【００１１】

【発明の実施の態様】本発明は上記の課題を解決するた
めに、次のような装置となっている。生体機能情報とは
生体組織の形態（形状や大きさや数など）や生体成分の
濃度等の生理学的な情報である。具体的には血管の寸法
や血液成分の濃度（例えば、ヘモグロビン、ヘマトクリ
ット等）や血液成分の濃度比（例えば、血液の酸素化率
等）などである。また、局所的な血液量や血流をも測定
できる。

【００１２】本願発明の装置は、検査対象とする生体に
光を照射するための光照射手段、照射された光が生体か
らの反射による光を撮像する撮像手段、該反射光を画像
情報に変換する画像情報処理手段、該画像情報を解析す
る画像解析手段、解析手段により得られた生体情報を出
力する出力手段を有する、生体の光測定を非接触に行う
ことができることを特徴とする生体散乱情報撮像装置で
ある。以下に本願発明における装置の個々の手段等につ
いて、その実施態様を説明する。

【００１３】光照射手段の光源（１）は、レーザーに限
らずハロゲンランプやキセノンランプをレンズで絞り、
ミラー（２）で導くことが挙げられる。他にも光源
（１）から特定の光を光ファイバー（３）を通じて生体
に伝送する方法が挙げられる。光照射形態は、基本的に
は直径を数ミリ程度になるように絞った（スポット状に
した）光を連続照射方法でも任意の長さのパルス状照射
形態でもよい。

【００１４】本願発明に係る照射手段からの光の波長
は、生体機能測定が可能であればいずれでもよい。本願
発明に係る装置及び方法では、近赤外光を用いた生体機
能測定法（近赤外分光法；NIRS)も採用することがで
き、この場合は赤外光の中でも、可視光領域（約400nm
〜700nm）に最も近い長波長領域（700nm〜3000nm）を指
す。特に、800nm付近の近赤外領域の光は高い生体透過
性を持ち、生体組織を通過し、さらに生体組織から反射
された光の受光が可能となる。

【００１５】生体内の主要な光吸収体はヘモグロビンと
水であり、ヘモグロビンは紫外から可視領域（〜６００
ｎｍ）にかけて強い吸収があり、また水は２０００nm以
上の赤外領域に強い吸収があるため、およそ７００ｎｍ
から１５００ｎｍまでの近赤外領域では生体組織自体の
吸収が弱く、光の散乱透過光を検出することができるた
め、本願発明である本装置の光源に適しているといえ
る。任意に測定目的に応じて波長を切り替えるようにし
てもよい。

【００１６】また、照射手段として光ファイバー（３）
を通じて照射することを挙げたが、ここでの光ファイバ
ー径も数ミリ（３ミリ以下）以下であれば問題なく、一
般的な通信で使用されている直径が１０μm程度のもの
でも若干観察対象から離すことにより使用可能である。

【００１７】さらに、照射手段に光照射方向をミラー
（２）によって任意に切り替えられることが可能な装置
（６）を設けても良い。このミラー（２）はモーター
（４）によりその角度を自動的にに変化させることが可
能である。そしてモーター（４）はモーター制御装置
（５）により制御することができる。また、光照射方向
切り替え部位は光ファイバーを複数本取り付け、レーザ
ー光を通す光ファイバを切り替える装置としても利用す
ることができる（図２）。その場合は光ファイバー
（３）にレーザー光を通す装置（１９）も必要となる。
ここで、複数本の光ファイバーを使用し、この１本づつ
に照射光を通じて光を照射する場合には、請求項５に記
載した発明のようにピエゾ素子で光ファイバーの先端を
切り換えて２股・３股にしていく「光路切替装置（Opti
cal Switcher)ピエズシステム社・ドイツ」を使用する
方法が、より速く切り換えることができるので適してい
る。図に示した実施例の変形例では複数の光ファイバー
をピエゾ素子で高速切換（５msec）し分岐する型のもの
を使用した。

【００１８】次に、照射された光（１６）が生体からの
反射による光（９）を撮像する撮像手段（６）について
説明する。本願発明においては、撮像装置（７）にカメ
ラ（１０）を用いたことを挙げる。ここでのカメラ（１
０）は通常のテレビカメラと異なり高感度での撮影が可
能であるものが望ましい。本願発明の実施例では、マル
チチャネルプレート（ＭＣＰ）を備えたimage intensif
ied CCDカメラを使用した。また、高速にシャッターが
切れるカメラであることが望ましい。実施例では、この
シャッター時間を１０^-13とsec１０^-3secレンジの両方
及び２００psecのものを使用した。

【００１９】また、光学系であるレンズ（１１、１２、
１３）を説明する。特段に特別のものを使用する必要は
ないが、観察対象に一番近いレンズ（対物レンズ）（１
３）の口径を大きくし、対象物からの光（９）を多く集
めることができるようにすること（開口数を大きくす
る）が望ましい。

【００２０】生体組織は強い散乱体であり、組織深部に
入り散乱された光子が生体表面に現れる。ある１点に照
射されたレーザー光は、図３のように生体内の広い範囲
を散乱光（９）として透過する。その散乱光（９）は光
が通った組織の性質（吸光係数、散乱係数、光学的距
離）に応じて異なった光学的情報を示す。実施例では、
散乱光は図１及び２の１１、１２、１３のような３枚の
レンズで集光され、広い領域の生体組織の光学的情報を
同時に取得できるようにしている。

【００２１】この散乱光（９）は図１及び２のカメラ撮
像手段（７）内のそれぞれのフォトダイオードにディテ
クト（検出）され、電気信号に変換し、A/Dコンバータ
ーでデジタル信号に変換し、図１及び２の画像解析部
（１４）へと送られる。この時、図１及び２の１１、１
２、１３のような３枚のレンズは、モーター（１４）、
モーター制御装置（１５）によりコントロールすること
ができ、異なる範囲の生体組織からの散乱光（９）をカ
メラ（１０）へ導くことができるようにすることが挙げ
られる。

【００２２】また、本発明の装置に付加的且つ選択的
に、光源（１）であるパルスレーザーにトリガーをかけ
て撮像手段（７）、画像情報処理手段及び画像解析手段
（１４）の少なくとも１つと同期させることにより、特
定の生体深部の生体情報を取得することが可能としても
良い。即ち、生体組織深部まで到達した光子はその行路
長が大きいため、相対的に遅れて生体組織表面に現れる
ことから、カメラの散乱光ディテクト（検出）のタイミ
ングを遅らせることにより組織深部の情報を取得するこ
とが可能となる。この照射光（１６）の照射と他の撮像
部（７）等の間の時間的な調整は、同期調整部（１８）
によって行うことが挙げられる。このタイミングをずら
した測定をある一定の時間幅で繰り返すことにより、生
体組織の３次元的な画像を取得することができる。レー
ザー自体は目的に応じて変えることができるが、ここで
の実施例では、時間分解を行う場合はピコセカンドレベ
ルのパルスレーザーを用いることが望ましい。

【００２３】照射された光が生体からの反射による光を
撮像手段で撮像する前に、ミラー又はレンズ（１７）を
用いて反射光経路を任意に切り替える手段を配設し、撮
像手段の位置を固定したまま２以上の反射光経路の情報
を取得できるようにしてもよい（図３）。このミラー又
はレンズにモーター及びモーター制御装置を配設して自
動的に、反射光経路を制御できるようにしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】従来の単点計測では１つの測定点からの
情報しか得られなかったが、未知の対象物を計測する場
合（例えば癌の診断、脳機能計測など）は広い領域から
のデータ取得が不可欠となる。本発明のように、カメラ
を使った２次元撮像を行うことにより対象物の位置が不
明な場合でも対象物の検出が可能となる。

【００２５】２次元情報を１度に取り込むことができ、
さらにレーザーの照射位置と撮像のタイミングを変化さ
せることにより、深さの異なった位置の情報を分離して
取得することも可能である。また、完全非接触な方法で
あるため、個々の対象形状に合わせた光ファイバ装着具
を作成する必要がなく、対象（ヒトなど）を拘束するこ
とのない計測が可能となる。

【００２６】光学系（図１の２、１１、１２、１３）を
自由に変化させることにより、対象物の異なった位置、
異なった面の計測が可能となる。本装置は医療分野にお
いて、患部を非接触に観察することにより癌の初期診断
及び癌形成過程の画像化、脳機能解析その他生体組織の
光学定数変化を伴う現象（例えば、脳活動の１次、２次
信号のモニタリング）等に応用することができる。ま
た、同装置を小型化し、作業時のヒトの疲労や集中力な
どのモニタリング装置又は自動車等に搭載し運転者の疲
労や集中力のモニタリングに応用することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係る生体機能情報撮像装置を示す
説明図。

【図２】光照射手段に光ファイバーを用いた本願発明
に係る生体機能情報撮像装置を示す説明図。

【図３】生体からの反射光の態様及び反射光路を制御
するミラー（レンズ）を示した説明図

【符号の説明】

１光源部２光照射位置切り替え部に付属する光照射経路制御
用ミラー３光ファイバー４光照射経路制御用ミラーを支持・制御するモータ
ー５光照射経路制御用ミラーに付属するモーター制御
装置６光照射位置切り替え部７撮像部８撮像部に付属するカメラ９生体からの反射光１０撮像用レンズ１１１撮像用レンズ２１２撮像用レンズ３１３画像解析部１４撮像用レンズ用制御モーター１５撮像用レンズ用制御モーターの制御装置１６照射光１７散乱光路制御ミラー・レンズ１８同期調整部１９光ファイバー切り替え装置

フロントページの続き (72)発明者大瀧達朗東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 2G059 AA01 AA05 BB12 CC18 EE02 FF01 GG01 GG08 HH01 JJ11 JJ13 JJ17 JJ30 KK04 MM01 4C038 KK00 KK01 KL05 KL07 KX01 VA05 VB40 VC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検査対象とする生体に光を照射するための
光照射手段、照射された光が生体からの反射による光を
撮像する撮像手段、該反射光を画像情報に変換する画像
情報処理手段、該画像情報を解析する画像解析手段、解
析手段により得られた生体情報を出力する出力手段を有
する、生体の光測定を非接触に行うことができることを
特徴とする生体機能情報撮像装置。
【請求項２】請求項１に記載の装置を構成する撮像手段
にカメラを用いて、照射された光が生体からの反射によ
る光による、生体の２次元情報を取得することが可能な
生体機能情報撮像装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の装置を構成する、
光照射手段による光照射方向を任意に切り替え可能な手
段を配設した生体機能情報撮像装置。
【請求項４】請求項３に記載の装置を構成する、光照射
手段に係る２本以上の光ファイバーのうち、光照射方向
切り換え手段により、特定の光ファイバーのみを介して
光を照射することが可能である、請求項１乃至３のいず
れかの生体機能情報撮像装置。
【請求項５】請求項３又は４に記載の光照射方向切り換
え手段に、ピエゾ素子で光ファイバーの先端を切り替え
ることが可能な光路切換装置を使用した請求項３又は４
の生体機能情報撮像装置。
【請求項６】光照射手段による光照射をパルス状のレー
ザー光とし、撮像手段、画像情報処理手段又は画像解析
手段の少なくとも１つに、時間分解能をもたせた計時手
段を設け特定のパルス光が照射された後、一定時間経過
後の反射した生体散乱光情報を取得し解析することによ
り、生体の任意の深度における生体情報を得ることがで
きることを特徴とした、請求項１乃至５のいずれかに記
載の生体機能情報撮像装置。
【請求項７】光照射による生体情報を得る装置におい
て、生体に対する光照射をパルス状のレーザー光とし、
特定のパルス光が照射された後、一定時間経過後の反射
した生体散乱光情報を取得し解析することにより、生体
の任意の深度における生体情報を得る方法。
【請求項８】照射された光が生体からの反射による光を
撮像手段で撮像する前に、ミラー又はレンズを用いて反
射光経路を任意に切り替える手段を配設し、撮像手段の
位置を固定したまま２以上の反射光経路の情報を取得で
きる、請求項１乃至６のいずれかに記載の生体機能情報
撮像装置。