装置
【課題】組織内の酸素飽和レベルを監視するための方法および装置を提供する。
【解決手段】光学画像化システム内で使用するためのセンサ構成は、第１の光源構造１１６と、第２の光源構造１２０と、検出器構成１３６とを含む。第１の光源構造は第１の光ビームを与え、第２の光源構造は第２の光ビームを与える。検出器構成は、中心点を有する検出器構造を含み、第１および第２の光ビームが外部の表面から反射された後に第１および第２の光ビームを受取る。検出器構成は、各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定するよう構成され、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくない。
【解決手段】光学画像化システム内で使用するためのセンサ構成は、第１の光源構造１１６と、第２の光源構造１２０と、検出器構成１３６とを含む。第１の光源構造は第１の光ビームを与え、第２の光源構造は第２の光ビームを与える。検出器構成は、中心点を有する検出器構造を含み、第１および第２の光ビームが外部の表面から反射された後に第１および第２の光ビームを受取る。検出器構成は、各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定するよう構成され、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は一般に組織内の酸素レベルを監視する光学画像化システムに関する。特に、この発明は光学プローブのセンサヘッド上への配置が対称でない光源および検出器を含む光学プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
被験動物および被験者のさまざまな生理学的性質の非侵襲性の測定に近赤外分光法が用いられている。近赤外分光法の根底にある基本原理は、生理組織が近赤外波に対して、比較的低吸収でさまざまな散乱の大きな発色団を含むというものである。媒質中の多くの物質が、その中を伝播する近赤外光波と相互に作用するか、または干渉し得る。たとえば、ヒトの組織は、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、水、脂質、およびシトクロムなどの多数の発色団を含み、約７００ｎｍから約９００ｎｍのスペクトル範囲においてはヘモグロビンが優勢な発色団である。したがって、近赤外分光器を適用して組織ヘモグロビン酸素飽和および総ヘモグロビン濃度などの生理学的媒質内の酸素レベルを測定している。
【０００３】
たとえば、時間分解分光法（time-resolved spectroscopy; TRS）、位相変調分光法（phase modulation spectroscopy; PMS）、および連続波分光法（continuous wave spectroscopy; CWS）などのさまざまな技術が近赤外分光法について開発されてきた。均質で半無限のモデルでは、ＴＲＳおよびＰＭＳの両方を用いて、光子拡散方程式を解くことによって生理学的媒質の吸収係数および減少散乱係数のスペクトルを得て、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度ならびに組織酸素飽和を算出する。ＣＷＳは一般に、修正されたベール・ランバート方程式（modified Beer-Lambert equation）を解くよう、かつ酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を測定するよう設計される。
【０００４】
ヘモグロビン濃度および酸素飽和を提供する能力にもかかわらず、ＴＲＳおよびＰＭＳの１つの主な欠点は設備が嵩張って高額なことである。ＣＷＳはより低コストで製造できるが、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化から酸素飽和を計算できないため有用性が限られる。
【０００５】
光学拡散画像化および分光法（Optical Diffusion Imaging and Spectroscopy; ODIS）は、光子散乱および吸収の測定に基づいて組織の特性を示すことが可能である。ヒトの組織などの組織内では、近赤外光は大きく散乱して吸収は最小限である。光学拡散画像化は、組織内に光学信号を送り、組織表面上の対応する拡散反射率または透過率を測定することによって達成される。
【０００６】
散乱は組織の均一でない構造に起因し、したがって、細胞の密度および細胞の核サイズを指し示すものである。吸収は発色団との相互作用に起因する。ＯＤＩＳはセンサを介して組織内へ光を放射する。光を放射する光源および光を検出する検出器の位置によって、測定深さを決定することができる。酸素ヘモグロビンおよび脱酸素ヘモグロビンの割合を用いて、たとえば酸素飽和レベルなどの、実質的にリアルタイムの酸素の測定が行われ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＯＤＩＳシステム内では、組織表面と接触するセンサは一般に、実質的に対称のレイアウトで配置される光ファイバを有する。すなわち、光源に結合される光ファイバは、光検出器に結合される光ファイバに対して実質的に対称の位置に配置される。対称の位置は酸素飽和レベルを測定できるようにするのに効果的だが、光ファイバをセンサ内で正確に設置することは厳しいため、そのようなセンサの製造はしばしば困難である。さらに、組織またはその下部構造の解剖学的構造が実質的に対称でない場合、対称の位置を有するセンサを使用すると正確な測定を容易に行えないことがある。
【０００８】
したがって、必要とされているのは製造が比較的容易で、対称の解剖学的構造を有しない可能性のある組織に対して使用されるよう配置されるセンサである。すなわち、望まれているのは実質的に如何なる解剖学的構造を有する組織に対しての使用も促進する、光源用光ファイバおよび検出器用光ファイバのレイアウトを有するセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の要約
この発明は、光源ファイバおよび検出器ファイバを、光源ファイバが検出器ファイバに対して実質的に非対称の構成となるように支持するセンサ、を有するプローブに関する。この発明の１つの局面によると、光学画像化システム内での使用に好適であり、組織などの体と接触するよう構成されるセンサ構成は、第１の光源構造と、第２の光源構造と、検出器構成とを含む。第１の光源構造は第１の光ビームを与え、第２の光源構造は第２の光ビームを与える。検出器構成は各々が中心点を有する検出器構造を含み、第１の光ビームおよび第２の光ビームが体から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取る。検出器構成は各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定するよう構成され、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくない。
【００１０】
１つの実施例では、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と、第２の光源構造の中心点からの距離との差は少なくとも約０．０３ミリメートルである。そのような実施例では、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は約０．０２０ミリメートルであり、第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は約０．２４ミリメートルであり得る。
【００１１】
検出器構造に対して非対称の位置にある光源構造を持ったセンサまたはセンサヘッドを有するプローブにより、センサヘッドを利用して、実質的に対称でない下部解剖学的構造を有する組織を監視することが可能となる。対称になっていないと、そのようなセンサの製造に関連付けられる製造許容差も効果的に緩和される。光源に結合される光ファイバのオフセットを持った位置に関連付けられる如何なる減衰も、光学画像化システムに関して実行されるソフトウェアコードデバイスの使用によって典型的に補償される。したがって、適用される補償の量を必要に応じて比較的容易に変化させて、センサに関する光ファイバの位置決めにおける不正確さを吸収し得る。
【００１２】
この発明の他の局面によると、光学画像化システム内での使用に好適であるセンサ構成は、第１の光ビームを与えるよう構成される第１の光源構造と、第２の光ビームを与えるよう構成される第２の光源構造とを含む。センサ構成はまた、第１の中心点を持つ第１の検出器構造と第２の中心点を持つ第２の検出器構造とを有する検出器構成を含む。検出器構成は、第１の光ビームおよび第２の光ビームが体から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取るよう構成される。検出器構成に関する第１の光源構造の位置は検出器構成に関する第２の光源構造の位置に対して対称でない。
【００１３】
この発明のさらに他の局面によると、第１の光源構造および第２の光源構造が検出器構
造に対してオフセットを持ったセンサヘッドを有するプローブを利用した光学系を用いて、組織の酸素飽和測定を行なうための方法は、センサヘッドを組織と接触させて位置決めするステップと、第１の光源構造および第２の光源構造を介して組織内へ光を透過させるステップとを含む。方法はまた、減衰特性を含む組織からの反射光を検出器構造で受取るステップと、複数の光検出器を用いて反射光を処理するステップとも含む。複数の光検出器を用いて反射光を処理するステップは、減衰補償器を用いて減衰特性を補償するステップを含む。
【００１４】
この発明のさらに他の局面に従うと、組織内の酸素レベルを監視するための光学系の一部として使用され得るプローブは、プローブを光源および検出器に結合できるようにする結合インターフェイスを含む。プローブのセンサヘッドは組織と接触するよう構成され、第１の光源構造、第２の光源構造、および検出器構成を支持する。第１の光源構造および第２の光源構造は結合インターフェイスを介して光源に結合され、検出器構成は結合インターフェイスを介して検出器に結合される。検出器構成に対する第１の光源構造の位置は検出器構成に対する第２の光源構造の位置に関して対称でない。
【００１５】
１つの実施例では、検出器構成は各々が中心点を有する検出器構造を含む。そのような実施例では、検出器構成は第１の光ビームおよび第２の光ビームが組織から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取る。検出器構成は、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離が第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくないように複数の検出器構造の各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定する。
【００１６】
この発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明を読み、図面のさまざまな図を検討すると明らかになるであろう。
【００１７】
本発明は、添付の図面と関連して、以下の説明を参照することによって最もよく理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】この発明の実施例に従った、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を含むセンサヘッドを有する光学画像化システムをブロック図表示した図である。
【図１Ｂ】この発明の実施例に従った、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を含むセンサヘッドを有する光学画像化システム、すなわち図１Ａの光学画像化システム１００、をブロック図表示した図である。
【図２Ａ】この発明の実施例に従った、一対の検出器に対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図２Ｂ】この発明の第１の実施例に従った、４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図２Ｃ】この発明の第２の実施例に従った、４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図３】この発明の実施例に従ったセンサヘッドに関連付けられる光源および検出器をブロック図表示した図である。
【図４】この発明の実施例に従って、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を有するセンサヘッドを利用する１つの方法を図示する処理フロー図である。
【図５】この発明の実施例に従った、コンソールと、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を有するセンサヘッドを有する分離可能なプローブと含む光学画像化システムを図示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施例の詳細な説明
光源に結合される光ファイバが検出器に結合される光ファイバに対してオフセットを持った位置に配置されるようなセンサヘッドであれば、監視中の組織が実質的に対称でない領域で利用できる。光源に結合される光ファイバのオフセットを持った位置に関連付けられる如何なる減衰も、典型的にソフトウェアによって補償される。そのようなセンサヘッドは、光源に結合される光ファイバの設置がそれほど厳格ではない、すなわち、光ファイバの設置における如何なるわずかな変動も減衰を補償するソフトウェアを用いて訂正され得るという点において、製造が比較的容易である。また、センサヘッド上の光ファイバの設置に関連付けられる減衰を補償するためのソフトウェアを使用することにより、本質的にセンサヘッドを対称および非対称の両方の組織解剖学的構造に用いることが可能となる。
【００２０】
当業者に理解されるように、センサヘッドの実質的に直下の組織の容量は、この容量内に含まれる実際の解剖学的構造に依存して均質であるか、または不均質であるかのいずれかであり得る。一例として、脂肪組織の厚い領域の上の皮膚上にセンサヘッドを位置決めした場合、酸素化ヘモグロビンを含む印環細胞および毛細血管の分布は一般に比較的均一である、すなわち、対称かつ均質である。しかしながら、下部構造が動脈、静脈、骨、腱、軟骨、筋膜、筋肉、または色素性病変を含む組織容量の上にセンサヘッドを位置決めすることもある。そのような組織は、たとえば、異常に反射的または吸収的のいずれかである領域のせいで、光が非対称に反射されるまたは吸収される原因となる非対称の解剖学的構造を有し得る。減衰を補償するソフトウェアは、骨などの構造から反射する光に関連する読取り値を無視し得る。光源に結合され、かつ検出器に結合される光ファイバに対してオフセットを持った位置にセンサヘッド内で位置決めされる光ファイバは、骨などの構造を避ける光の透過および読取を促進し得る。したがって、オフセットを持った光源光ファイバの位置を使用することにより、体の多くの異なる部分内の酸素飽和を測定するのに使用され得る特化されたセンサヘッドの作製が促進される。
【００２１】
図１Ａは、この発明の実施例に従った、検出器構成に対してオフセットを持った位置に配置される光源構成を含むセンサヘッドを有する光学画像化システムをブロック図表示したものである。光学画像化システム１００は、接続インターフェイス１１２を介して結合されるユニット１０４およびプローブ１０８を含む。接続インターフェイス１１２は一般にレーザ安全インターロックを有する漏光を防ぐ相互接続であり、プローブ１０８がユニット１０４に結合されないときはレーザ光が接続インターフェイス１１２を通して放射されるのを実質的に防止するよう構成される。接続インターフェイス１１２は典型的に、ユニット１０４に取付けられるパネルコネクタ（図示せず）およびプローブ１０８に取付けられるケーブルコネクタ（図示せず）を含む。
【００２２】
ユニット１０４は第１の光源１１６および第２の光源１２０を含む。第１の光源１１６および第２の光源１２０は、説明される実施例では、各々がデュアル波長光源である。換言すれば、第１の光源１１６が２つの波長の光を与え、第２の光源１２０が２つの波長の光を与える。第１の光源１１６および第２の光源１２０は各々が、より低周波数で光ビームまたは光パルスを与えるレーザダイオード、およびより高周波数で光ビームまたは光パルスを与えるレーザダイオードを含み得る。一例として、第１の光源１１６および第２の光源１２０は各々が、約６９０ナノメートル（ｎｍ）波長の可視赤色光を生成するレーザダイオード、および約８３０ｎｍ波長の近赤外光を生成するレーザダイオードを含み得る。しかしながら、第１の光源１１６および第２の光源１２０に関連付けられるレーザダイオードによって生成される光の波長を広い範囲で変更できることが認識されるであろう。
【００２３】
第１の光源１１６によって放射される光および第２の光源１２０によって放射される光は、光ファイバ（図示せず）を介してビーム結合器１２４に与えられる。第１の光源１１６に関連付けられる各レーザダイオードおよび第２の光源１２０に関連付けられる各レーザダイオードは、別個の光ファイバ（図示せず）上に与えられる。ビーム結合器１２４は効果的に第１の光源１１６のレーザダイオードからの光を合成し、第２の光源１２０のレーザダイオードからの光を合成する。合成された光はその後出力ファイバ（図示せず）を介して接続インターフェイス１１２に与えられる。出力ファイバは、合成されたまたは組合された光が均質化され得るよう構成され、光が接続インターフェイス１１２に入射すると確実に光が出力ファイバ全体にわたって実質的に均一に分布されるようにする。
【００２４】
接続インターフェイス１１２を通して、プローブ１０８のセンサヘッド１２８に光が与えられる。センサヘッド１２８内では、光ファイバ（図示せず）が、第１の光源１１６に関連付けられる合成された光および第２の光源１２０に関連付けられる合成された光を、組織１３２と接触するよう配置されるセンサヘッド１２８の表面に与える。光ファイバ（図示せず）は、ユニット１０４内の光検出器１３６に関連付けられる光ファイバ（図示せず）に関してオフセットを持った位置を有するよう位置決めされる。光源光ファイバおよび検出器光ファイバの位置を図２Ａ〜図２Ｃに関して以下に説明する。
【００２５】
センサヘッド１２８が組織１３２内へ光を透過させると、反射光は、光検出器１３６に結合される光検出器ファイバ（図示せず）によって集光される。一般的に、少なくとも２つの光検出器１３６がユニット１０４内に含まれ、第１の光源１１６および第２の光源１２０によって透過される光に対して感度があるよう構成される。ユニット１０４内の減衰補償器１４０は一般に、検出器光ファイバ（図示せず）に対する光源光ファイバ（図示せず）のオフセットを持った位置に起因する反射光中の如何なる減衰も補償するよう配置される。１つの実施例では、減衰補償器１４０は、減衰係数を分子および分母の両方において求め、したがってこれを相殺できる比率を構築する数学アルゴリズムを用いて効果的に補償を行う。そのような比率は、減衰ファクターがセンサヘッド１２８下の組織１３２の光学的性質の評価にほとんど影響を及ぼさないように、光検出器１３６によって検出されるような光の強度を使用し得る。減衰補償器１４０は一般に、酸素飽和レベルを定めるアルゴリズムを実行するソフトウェアまたはファームウェアに実質的に組込まれ得ることが認識されるであろう。
【００２６】
図１Ｂは、この発明の実施例に従った、光源、すなわち図１Ａの第１の光源１１６および第２の光源１２０、によって放射される光の経路を示す図１Ａの光学画像化システム１００をブロック図表示したものである。第１の光源１１６が２つの波長で光を放射すると、第１の波長１５２ａの光および第２の波長１５２ｂの光がビーム結合器１２４に与えられ、これは、光を光線１５２ｃに効果的に合成し、これは、たとえば光源光ファイバを通して、センサヘッド１２８に与えられる。同様に、第２の光源１２０が２つの波長で光を放射すると、第１の波長１５６ａの光および第２の波長１５６ｂの光がビーム結合器１２４によって光線１５６ｃに合成され、これがセンサヘッド１２８に与えられる。光線１５２ｃ、１５６ｃは組織１３２内へ透過され、組織１３２から、センサヘッド１２８を介して光検出器１３６へ反射される。
【００２７】
先に述べたように、光源光ファイバは、組織と接触するよう配置されるセンサヘッドの表面において、検出器光ファイバに対してオフセットを持った位置となるよう配置される。図２Ａを参照して、検出器ファイバに関する光源ファイバの位置をこの発明の実施例に従って説明する。センサヘッド２００は、実質的に如何なる形状またはサイズでもよく、組織内の酸素飽和レベルを測定する全体システムの一部であるプローブの一部である。センサヘッド２００は光源構成２０４ａ、２０４ｂ、および検出器構成２０８ａ、２０８ｂを収容するよう配置される。説明を簡単にするために、光源構成２０４ａ、２０４ｂは一般に光源に結合される光ファイバケーブルまたは光ファイバであり、検出器構成２０８ａ、２０８ｂは一般に光検出器に結合される光ファイバケーブルまたは光ファイバであるが、光源構成２０４ａ、２０４ｂを本明細書中では光源と呼び、検出器構成２０８ａ、２０８ｂを本明細書中では検出器と呼ぶ。
【００２８】
光源２０４ａ、２０４ｂは検出器２０８ａ、２０８ｂに対してオフセットを持った構成になるよう配置される。すなわち、光源２０４ａおよび光源２０４ｂは、少なくとも１つの軸に対して検出器２０８ａ、２０８ｂと等距離ではない。検出器２０８ａ、２０８ｂは、検出器２０８ａ、２０８ｂの中心線２１４がｘ軸２１２ａとほぼ平行であるよう配置される。典型的に、中心線２１４は各検出器２０８ａ、２０８ｂの中心点を通過する。光源２０４ａ、２０４ｂは、光源２０４ａの中心線２１６が光源２０４ｂの中心線２１８と平行であるが、中心線２１８とは一致しないよう配置される。中心線２１６は光源２０４ａの中心点を通過し、かつｘ軸２１２ａと平行であるのに対して、中心線２１６は光源２０４ｂの中心点を通過し、かつｘ軸２１２ｂと平行である。
【００２９】
ｙ軸２１２ｂに沿った中心線２１４と中心線２１６との間の距離ｙ１は、中心線２１４と中心線２１８との間の距離ｙ２と異なる。距離ｙ２は距離ｙ１よりも大きいとして示されているが、代わりに距離ｙ１がｙ２よりも大きくなり得ると認識されるであろう。距離ｙ２と距離ｙ１との差は一般に、検出器２０８ａ、２０８ｂに対する光源２０４ａ、２０４ｂのオフセットを持った構成、または実質的に不平衡の構成、の特性である。換言すれば、光源２０４ａ、２０４ｂの設置において効果的に対称が欠如している。
【００３０】
一般的に、一対の検出器と併用して２つよりも多くの検出器を使用して組織内の酸素飽和を監視してもよい。一例として、３つまたは４つの検出器を使用して、一対の光源によって与えられ、かつ組織表面から反射される光を検出してもよい。光のうちいくらかは組織表面下のさまざまな深さで組織から反射され得ることが認識されるであろう。すなわち、光は組織表面から、および表面の下の組織から反射され得る。表面の下にあり、光を反射させることができる組織は、組織の表面下約１センチメートルの深さであり得る。図２Ｂは、この発明の実施例に従って、一対の光源、またはより具体的には光源構成、および４つの検出器、またはより具体的には検出器構成、を含むよう配置されるセンサヘッドを図示したものである。センサヘッド２２０は、ｘ軸２３２ａと実質的に平行である中心線２３４に沿って検出器２２８ａ〜ｄの中心点が実質的に整列するよう配置される４つの検出器２２８ａ〜ｄを含む。センサヘッド２２０はまた、各々が中心点を含む光源２２４ａ、２２４ｂを含む。ｘ軸２３２ａと平行である中心線２３６は光源２２４ａの中心点を通過し、ｘ軸２３２ａと平行である中心線２３８は光源２２４の中心点を通過する。
【００３１】
説明される実施例では、ｙ軸２３２ｂに沿った中心線２３４と中心線２３６との間の距離ｙ１は、ｙ軸２３２ｂに沿った中心線２３４と中心線２３８との間の距離ｙ２と等しくない。距離ｙ１は約０．２ミリメートル（ｍｍ）、たとえば約０．１９７ｍｍであり得るのに対して、距離ｙ２は約０．２４ｍｍ、たとえば０．２３６ｍｍであり得る。距離ｙ１および距離ｙ２は数多くのファクターに依存して大きく異なり得ることが認識されるであろう。ファクターは、光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの全体サイズ、センサヘッド２２０の全体サイズ、ならびにセンサヘッド２２０が意図される応用例を含むが、これらに限定されない。距離ｙ２は距離ｙ１よりも大きいとして示されているが、代わりに距離ｙ１が距離ｙ２よりも大きくなり得る。一般的に、距離ｙ２と距離ｙ１との差は少なくとも約０．３ｍｍである。たとえば、距離ｙ２と距離ｙ１との差は約１．０ｍｍであり得る。
【００３２】
光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの位置決めは大きく異なり得る。一例として、光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの各々が直径約１ｍｍである実施例については、光源２２４ａ、２２４ｂの中心点は、ｘ軸２３２ａについて約０．２２ｍｍの距離ｄ２だけ、および約０．０４ｍｍの距離ｙ４だけ離され得る。検出器２２８ａ〜ｄは、中心線２３４がセンサヘッド２２０の上端から約０．０６ｍｍの距離ｙ３だけオフセットを持つよう、かつ隣接する検出器２２８ａ〜ｄが約０．０６ｍｍから約０．０７ｍｍの距離ｄ１だけ離されるよう、配置され得る。検出器２２８ａ〜ｄおよび光源２２４ａ、２２４ｂが上述のように間隔をあけられた場合、センサヘッド２２０はｘ軸２３２ａに沿って幅が約０．３４ｍｍであり、ｙ軸２３２ｂに沿って高さが約０．４９ｍｍであり得る。しかしながら、センサヘッド２２０は、一般に大きく異なり得る寸法、たとえばセンサヘッド２２０が意図される応用例に依存して異なり得る寸法、を有する。
【００３３】
検出器に対するセンサの位置決めにおける対称の欠如は、センサと検出器との間の距離がｙ軸に対して等しくないようなものして説明したが、対称の欠如は代わりにまたは追加的にｘ軸に対する対称の欠如を有し得る。次に図２Ｃを参照して、ｘ軸に関して４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を含むセンサヘッドを説明する。センサヘッド２４０は４つの検出器２４８ａ〜ｄを含むが、検出器２４８ａ〜ｄの数は異なり得る。検出器２４８ａ〜ｄは、中心線２５４がｘ軸２５２ａと実質的に平行であり、かつ各検出器２４８ａ〜ｄの中心点を通過するよう配置される。第１の検出器２４８ａおよび最後の検出器２４８ｄ、すなわちｘ軸２５２ａに対して最も離れている検出器同士、を用いて検出器２４８ａ〜ｄの中央二分割線２６２を規定する。中央二分割線２６２はｙ軸２５２ｂと平行であり、検出器２４８ａの中心点から中央二分割線２６２までの距離ｘ３が検出器２４８ｄの中心点から中央二分割線２６２までの距離ｘ４と実質的に等しいよう配置される。すなわち、中央二分割線２６２は中心線２５４と実質的に垂直であるよう、検出器２４８ａの中心点と検出器２４８ｄの中心点との間の中点を通過するよう配置される。
【００３４】
図示されるように、第１の光源２４４ａの中心点および第１の検出器２４８ａの中心点は、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行である中心線２５７に沿って一列に並んでいる。同様に、第２の光源２４４ｂの中心点および最後の検出器２４８ｄの中心点は、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行である中心線２５９に沿って一列に並んでいる。しかしながら、中心線２５７は第１の検出器２４８ａの中心点を必ずしも通過しなくてもよく、中心線２５９は最後の検出器２４８ｄの中心点を必ずしも通過しなくてもよいと認識されるであろう。すなわち、中心線２５７は事実上、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行で第１の光源２４４ａを通過する線であるのに対して、中心線２５９は事実上、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行で第２の光源２４４ｂを通過する線である。
【００３５】
中心線２５７と中央二分割線２６２との間の距離ｘ１は、中心線２５９と中央二分割線２６２との間の距離ｘ２と等しくない。換言すれば、第１の光源２４４ａおよび第２の光源２４４ｂは中央二分割線２６２から等距離ではない。したがって、光源２４４ａ、２４４ｂは、ｘ軸２５２ａに対してオフセットを持った、または不均衡な位置に位置決めされる。
【００３６】
光源は典型的に特定の波長の光を放射するよう配置される。上述のように、光源によって放射されるより低波長の光は約６９０ｎｍの波長を有し得るのに対して、該光源によって放射されるより高波長の光は約８３０ｎｍの波長を有し得る。図３は、この発明の実施例に従ったセンサヘッドに関連付けられる光源および検出器をブロック図表示したものである。第１の光源は、約６９０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０２ａおよび約８３０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０２ｂを含み得る。同様に、第２の光源は、約６９０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０６ａおよび約８３０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０６ｂを含み得る。
【００３７】
ビーム結合器３１０は、レーザダイオード３０２ａ、３０２ｂによって放射される光を、光ファイバ３１２上へ合成してセンサヘッド３２２に与えることができるよう配置される。ビーム結合器３１０はまた、レーザダイオード３０６ａ、３０６ｂによって放射される光を、光ファイバ３１６上へ合成してセンサヘッド３２２に与えることができるよう配置される。ファイバ３１２、３１６によって組織または他の表面を通して透過される光は反射され、反射光は光ファイバ３２４上で効果的に捕捉され、これは反射光を光検出器３１８に与える。光検出器３１８は約６９０ｎｍおよび約８３０ｎｍの波長の光に対して感度があるよう構成され、典型的に比較的高い利得を有する。
【００３８】
図４を参照して、光源が検出器に対してオフセットを持った位置のセンサヘッドを有する酸素濃度計を用いて組織内の酸素飽和を監視する１つの方法をこの発明の実施例に従って説明する。酸素濃度計を用いる処理４００はステップ４０４で始まり、このステップではプローブ、すなわち光源が検出器に対してオフセットを持った位置に位置決めされるセンサヘッドを含むプローブ、を組織に当てる。一旦センサヘッドが組織と接触して位置決めされると、プローブに関連付けられる第１の光源Ｓ１がステップ４０８においてより低波長の光パルスを組織内へ送る。上述のように、第１の光源Ｓ１は約６９０ｎｍ波長の可視赤色光を生成するレーザダイオードを含み得るが、第１の光源Ｓ１によって生成されるより低波長の光は異なり得る。一般的に、第１の光源Ｓ１は２つの波長で光を生成する光源構成である。したがって、第１の光源Ｓ１は、２つの波長で光を生成する２つの実質的に別個のレーザダイオードを含み得る。
【００３９】
ステップ４１２において、プローブに関連付けられる検出器構成が約６９０ｎｍの光を検出する。上述のように、約６９０ｎｍの光が組織内へ透過されると、約６９０ｎｍの光は検出器構成内へ反射され、それにより検出器、たとえば検出器構成に含まれる光検出器、が反射光を集光する。そしてステップ４１６において第２の光源Ｓ２が、説明される実施例では約６９０ｎｍの光パルスであるより低波長の光パルスを送る。検出器構成はステップ４２０において約６９０ｎｍの反射光を検出および集光する。
【００４０】
一旦第１の光源Ｓ１および第２の光源Ｓ２の両方によってより低波長の光が透過されると、第１の光源Ｓ１はステップ４２４においてより高波長の光パルスを組織内へ送る。より高波長の光パルスは、第１の光源Ｓ１に含まれるレーザダイオードによって生成される約８３０ｎｍの近赤外光であり得る。約８３０ｎｍの光パルスが組織内へ透過されて反射されると、処理フローはステップ４２８へ進み、検出器構成が反射光を検出する。
【００４１】
第２の光源Ｓ２はステップ４３２においてより高波長の光パルス、たとえば約８３０ｎｍ波長の光、を送り、これはその後、組織から反射されてステップ４３６において検出器構成内へ反射される。一旦検出器構成がより低波長およびより高波長の両方の、両センサからの反射光を受取ると、ステップ４４０において酸素濃度計のデータ収集構成が、受取った反射光に関連付けられる情報を処理する。受取った反射光を処理するステップは、組織に関連付けられる酸素レベルを定めるために、反射光に関連付けられる減衰に対処するか、またはそうでなければ補償するソフトウェアまたはファームウェアを実行するステップを含み得る。一旦データ収集構成が情報を処理すると、組織の酸素飽和レベルを監視する処理は完了する。しかしながら、図４のステップを繰返して酸素飽和レベルを実質的に連続的に監視できるようにしてもよいことが理解されるべきである。
【００４２】
この発明のセンサヘッドを有するプローブを利用する酸素濃度計は、プローブが結合され得る持ち運び可能なコンソールユニットを含み得る。図５に示されるように、コンソール５００は、監視中の組織の酸素飽和レベルを表示するよう構成される画面５０４を含み得る。タッチスクリーンでもあり得る画面５０４はまた、いつプローブ５２０が使用中であるかを示すよう、かつ監視中の酸素飽和レベルがいつ潜在的に問題であるかを示す警告をユーザに与えるよう、構成され得る。
【００４３】
コンソール５００は、プローブ５２０のセンサヘッド５３０を使用して酸素飽和レベルを監視できるようにするためにプローブ５２０のコネクタ５２８が接続され得るパネルコネクタ５０８を含む。プローブ５２０のコネクタ５２８とセンサヘッド５３０との間で光が通過できるようにするために用いられる光ファイバケーブル（図示せず）は、実質的にケーブルジャケット５３４内に入れられる。コンソール５００およびプローブ５２０は、カリフォルニア州フレモントのビオプティックス・インコーポレイテッド（ViOptix, Inc.）から市販されているODISsey Tissue Oximeterの一部であり得る。
【００４４】
この発明の二、三の実施例しか説明していないが、この発明はこの発明の思想または範囲から逸脱することなく多くの他の特定の形式で具体化され得ることが理解されるべきである。一例として、光源によって放射される波長は約６９０ｎｍおよび約８３０ｎｍとして説明した。しかしながら、光源は実質的に如何なる波長を放射してもよい。
【００４５】
センサヘッドが装着されるプローブはさまざまな異なる構成を有し得る。たとえば、プローブは、組織のスポット測定を促進するハンドピースを含み得る。また、センサヘッドの構成もセンサヘッドが使用される特定的な応用例に依存して異なり得る。
【００４６】
センサヘッドが装着されるプローブ、たとえば光ファイバプローブ、は光ファイバケーブルを用いて組織へおよび組織から光学信号を搬送する。光ファイバケーブルは如何なる長さでもよく、各光源について１つのデュアル波長光源ファイバおよび各検出器について１つの検出器ファイバを含み得る。１つの実施例では、光ファイバケーブルは長さ約３メートルであってもよく、光源および検出器ファイバの各々は直径約１ｍｍであってもよい。
【００４７】
光源光ファイバの中心点および検出器光ファイバの中心点は、実質的に円形の向きのファイバの中心点であるとして一般に説明した。いくつかのケースでは、ファイバが実質的に円形の向きでない場合、中心点はファイバのおよその中心点であり得ることが認められるべきである。
【００４８】
この発明のさまざまな方法に関連付けられるステップは大きく異なり得る。この発明の思想または範囲から逸脱することなく、ステップが追加、変更、削除、および順序変更され得る。したがって、本明細書中の例は例示的に考慮されるべきであり限定的に考慮されるべきでなく、かつ本発明は本明細書中で与えられる詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で修正され得る。
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は一般に組織内の酸素レベルを監視する光学画像化システムに関する。特に、この発明は光学プローブのセンサヘッド上への配置が対称でない光源および検出器を含む光学プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
被験動物および被験者のさまざまな生理学的性質の非侵襲性の測定に近赤外分光法が用いられている。近赤外分光法の根底にある基本原理は、生理組織が近赤外波に対して、比較的低吸収でさまざまな散乱の大きな発色団を含むというものである。媒質中の多くの物質が、その中を伝播する近赤外光波と相互に作用するか、または干渉し得る。たとえば、ヒトの組織は、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、水、脂質、およびシトクロムなどの多数の発色団を含み、約７００ｎｍから約９００ｎｍのスペクトル範囲においてはヘモグロビンが優勢な発色団である。したがって、近赤外分光器を適用して組織ヘモグロビン酸素飽和および総ヘモグロビン濃度などの生理学的媒質内の酸素レベルを測定している。
【０００３】
たとえば、時間分解分光法（time-resolved spectroscopy; TRS）、位相変調分光法（phase modulation spectroscopy; PMS）、および連続波分光法（continuous wave spectroscopy; CWS）などのさまざまな技術が近赤外分光法について開発されてきた。均質で半無限のモデルでは、ＴＲＳおよびＰＭＳの両方を用いて、光子拡散方程式を解くことによって生理学的媒質の吸収係数および減少散乱係数のスペクトルを得て、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度ならびに組織酸素飽和を算出する。ＣＷＳは一般に、修正されたベール・ランバート方程式（modified Beer-Lambert equation）を解くよう、かつ酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を測定するよう設計される。
【０００４】
ヘモグロビン濃度および酸素飽和を提供する能力にもかかわらず、ＴＲＳおよびＰＭＳの１つの主な欠点は設備が嵩張って高額なことである。ＣＷＳはより低コストで製造できるが、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化から酸素飽和を計算できないため有用性が限られる。
【０００５】
光学拡散画像化および分光法（Optical Diffusion Imaging and Spectroscopy; ODIS）は、光子散乱および吸収の測定に基づいて組織の特性を示すことが可能である。ヒトの組織などの組織内では、近赤外光は大きく散乱して吸収は最小限である。光学拡散画像化は、組織内に光学信号を送り、組織表面上の対応する拡散反射率または透過率を測定することによって達成される。
【０００６】
散乱は組織の均一でない構造に起因し、したがって、細胞の密度および細胞の核サイズを指し示すものである。吸収は発色団との相互作用に起因する。ＯＤＩＳはセンサを介して組織内へ光を放射する。光を放射する光源および光を検出する検出器の位置によって、測定深さを決定することができる。酸素ヘモグロビンおよび脱酸素ヘモグロビンの割合を用いて、たとえば酸素飽和レベルなどの、実質的にリアルタイムの酸素の測定が行われ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＯＤＩＳシステム内では、組織表面と接触するセンサは一般に、実質的に対称のレイアウトで配置される光ファイバを有する。すなわち、光源に結合される光ファイバは、光検出器に結合される光ファイバに対して実質的に対称の位置に配置される。対称の位置は酸素飽和レベルを測定できるようにするのに効果的だが、光ファイバをセンサ内で正確に設置することは厳しいため、そのようなセンサの製造はしばしば困難である。さらに、組織またはその下部構造の解剖学的構造が実質的に対称でない場合、対称の位置を有するセンサを使用すると正確な測定を容易に行えないことがある。
【０００８】
したがって、必要とされているのは製造が比較的容易で、対称の解剖学的構造を有しない可能性のある組織に対して使用されるよう配置されるセンサである。すなわち、望まれているのは実質的に如何なる解剖学的構造を有する組織に対しての使用も促進する、光源用光ファイバおよび検出器用光ファイバのレイアウトを有するセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の要約
この発明は、光源ファイバおよび検出器ファイバを、光源ファイバが検出器ファイバに対して実質的に非対称の構成となるように支持するセンサ、を有するプローブに関する。この発明の１つの局面によると、光学画像化システム内での使用に好適であり、組織などの体と接触するよう構成されるセンサ構成は、第１の光源構造と、第２の光源構造と、検出器構成とを含む。第１の光源構造は第１の光ビームを与え、第２の光源構造は第２の光ビームを与える。検出器構成は各々が中心点を有する検出器構造を含み、第１の光ビームおよび第２の光ビームが体から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取る。検出器構成は各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定するよう構成され、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくない。
【００１０】
１つの実施例では、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と、第２の光源構造の中心点からの距離との差は少なくとも約０．０３ミリメートルである。そのような実施例では、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は約０．０２０ミリメートルであり、第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離は約０．２４ミリメートルであり得る。
【００１１】
検出器構造に対して非対称の位置にある光源構造を持ったセンサまたはセンサヘッドを有するプローブにより、センサヘッドを利用して、実質的に対称でない下部解剖学的構造を有する組織を監視することが可能となる。対称になっていないと、そのようなセンサの製造に関連付けられる製造許容差も効果的に緩和される。光源に結合される光ファイバのオフセットを持った位置に関連付けられる如何なる減衰も、光学画像化システムに関して実行されるソフトウェアコードデバイスの使用によって典型的に補償される。したがって、適用される補償の量を必要に応じて比較的容易に変化させて、センサに関する光ファイバの位置決めにおける不正確さを吸収し得る。
【００１２】
この発明の他の局面によると、光学画像化システム内での使用に好適であるセンサ構成は、第１の光ビームを与えるよう構成される第１の光源構造と、第２の光ビームを与えるよう構成される第２の光源構造とを含む。センサ構成はまた、第１の中心点を持つ第１の検出器構造と第２の中心点を持つ第２の検出器構造とを有する検出器構成を含む。検出器構成は、第１の光ビームおよび第２の光ビームが体から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取るよう構成される。検出器構成に関する第１の光源構造の位置は検出器構成に関する第２の光源構造の位置に対して対称でない。
【００１３】
この発明のさらに他の局面によると、第１の光源構造および第２の光源構造が検出器構
造に対してオフセットを持ったセンサヘッドを有するプローブを利用した光学系を用いて、組織の酸素飽和測定を行なうための方法は、センサヘッドを組織と接触させて位置決めするステップと、第１の光源構造および第２の光源構造を介して組織内へ光を透過させるステップとを含む。方法はまた、減衰特性を含む組織からの反射光を検出器構造で受取るステップと、複数の光検出器を用いて反射光を処理するステップとも含む。複数の光検出器を用いて反射光を処理するステップは、減衰補償器を用いて減衰特性を補償するステップを含む。
【００１４】
この発明のさらに他の局面に従うと、組織内の酸素レベルを監視するための光学系の一部として使用され得るプローブは、プローブを光源および検出器に結合できるようにする結合インターフェイスを含む。プローブのセンサヘッドは組織と接触するよう構成され、第１の光源構造、第２の光源構造、および検出器構成を支持する。第１の光源構造および第２の光源構造は結合インターフェイスを介して光源に結合され、検出器構成は結合インターフェイスを介して検出器に結合される。検出器構成に対する第１の光源構造の位置は検出器構成に対する第２の光源構造の位置に関して対称でない。
【００１５】
１つの実施例では、検出器構成は各々が中心点を有する検出器構造を含む。そのような実施例では、検出器構成は第１の光ビームおよび第２の光ビームが組織から反射された後に第１の光ビームおよび第２の光ビームを受取る。検出器構成は、第１の光源構造の中心点から第１の軸までの距離が第２の光源構造の中心点から第１の軸までの距離と等しくないように複数の検出器構造の各検出器構造の中心点を通過する第１の軸を規定する。
【００１６】
この発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明を読み、図面のさまざまな図を検討すると明らかになるであろう。
【００１７】
本発明は、添付の図面と関連して、以下の説明を参照することによって最もよく理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】この発明の実施例に従った、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を含むセンサヘッドを有する光学画像化システムをブロック図表示した図である。
【図１Ｂ】この発明の実施例に従った、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を含むセンサヘッドを有する光学画像化システム、すなわち図１Ａの光学画像化システム１００、をブロック図表示した図である。
【図２Ａ】この発明の実施例に従った、一対の検出器に対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図２Ｂ】この発明の第１の実施例に従った、４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図２Ｃ】この発明の第２の実施例に従った、４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を有するセンサヘッドを図示した図である。
【図３】この発明の実施例に従ったセンサヘッドに関連付けられる光源および検出器をブロック図表示した図である。
【図４】この発明の実施例に従って、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を有するセンサヘッドを利用する１つの方法を図示する処理フロー図である。
【図５】この発明の実施例に従った、コンソールと、検出器に対してオフセットを持った構成の光源を有するセンサヘッドを有する分離可能なプローブと含む光学画像化システムを図示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施例の詳細な説明
光源に結合される光ファイバが検出器に結合される光ファイバに対してオフセットを持った位置に配置されるようなセンサヘッドであれば、監視中の組織が実質的に対称でない領域で利用できる。光源に結合される光ファイバのオフセットを持った位置に関連付けられる如何なる減衰も、典型的にソフトウェアによって補償される。そのようなセンサヘッドは、光源に結合される光ファイバの設置がそれほど厳格ではない、すなわち、光ファイバの設置における如何なるわずかな変動も減衰を補償するソフトウェアを用いて訂正され得るという点において、製造が比較的容易である。また、センサヘッド上の光ファイバの設置に関連付けられる減衰を補償するためのソフトウェアを使用することにより、本質的にセンサヘッドを対称および非対称の両方の組織解剖学的構造に用いることが可能となる。
【００２０】
当業者に理解されるように、センサヘッドの実質的に直下の組織の容量は、この容量内に含まれる実際の解剖学的構造に依存して均質であるか、または不均質であるかのいずれかであり得る。一例として、脂肪組織の厚い領域の上の皮膚上にセンサヘッドを位置決めした場合、酸素化ヘモグロビンを含む印環細胞および毛細血管の分布は一般に比較的均一である、すなわち、対称かつ均質である。しかしながら、下部構造が動脈、静脈、骨、腱、軟骨、筋膜、筋肉、または色素性病変を含む組織容量の上にセンサヘッドを位置決めすることもある。そのような組織は、たとえば、異常に反射的または吸収的のいずれかである領域のせいで、光が非対称に反射されるまたは吸収される原因となる非対称の解剖学的構造を有し得る。減衰を補償するソフトウェアは、骨などの構造から反射する光に関連する読取り値を無視し得る。光源に結合され、かつ検出器に結合される光ファイバに対してオフセットを持った位置にセンサヘッド内で位置決めされる光ファイバは、骨などの構造を避ける光の透過および読取を促進し得る。したがって、オフセットを持った光源光ファイバの位置を使用することにより、体の多くの異なる部分内の酸素飽和を測定するのに使用され得る特化されたセンサヘッドの作製が促進される。
【００２１】
図１Ａは、この発明の実施例に従った、検出器構成に対してオフセットを持った位置に配置される光源構成を含むセンサヘッドを有する光学画像化システムをブロック図表示したものである。光学画像化システム１００は、接続インターフェイス１１２を介して結合されるユニット１０４およびプローブ１０８を含む。接続インターフェイス１１２は一般にレーザ安全インターロックを有する漏光を防ぐ相互接続であり、プローブ１０８がユニット１０４に結合されないときはレーザ光が接続インターフェイス１１２を通して放射されるのを実質的に防止するよう構成される。接続インターフェイス１１２は典型的に、ユニット１０４に取付けられるパネルコネクタ（図示せず）およびプローブ１０８に取付けられるケーブルコネクタ（図示せず）を含む。
【００２２】
ユニット１０４は第１の光源１１６および第２の光源１２０を含む。第１の光源１１６および第２の光源１２０は、説明される実施例では、各々がデュアル波長光源である。換言すれば、第１の光源１１６が２つの波長の光を与え、第２の光源１２０が２つの波長の光を与える。第１の光源１１６および第２の光源１２０は各々が、より低周波数で光ビームまたは光パルスを与えるレーザダイオード、およびより高周波数で光ビームまたは光パルスを与えるレーザダイオードを含み得る。一例として、第１の光源１１６および第２の光源１２０は各々が、約６９０ナノメートル（ｎｍ）波長の可視赤色光を生成するレーザダイオード、および約８３０ｎｍ波長の近赤外光を生成するレーザダイオードを含み得る。しかしながら、第１の光源１１６および第２の光源１２０に関連付けられるレーザダイオードによって生成される光の波長を広い範囲で変更できることが認識されるであろう。
【００２３】
第１の光源１１６によって放射される光および第２の光源１２０によって放射される光は、光ファイバ（図示せず）を介してビーム結合器１２４に与えられる。第１の光源１１６に関連付けられる各レーザダイオードおよび第２の光源１２０に関連付けられる各レーザダイオードは、別個の光ファイバ（図示せず）上に与えられる。ビーム結合器１２４は効果的に第１の光源１１６のレーザダイオードからの光を合成し、第２の光源１２０のレーザダイオードからの光を合成する。合成された光はその後出力ファイバ（図示せず）を介して接続インターフェイス１１２に与えられる。出力ファイバは、合成されたまたは組合された光が均質化され得るよう構成され、光が接続インターフェイス１１２に入射すると確実に光が出力ファイバ全体にわたって実質的に均一に分布されるようにする。
【００２４】
接続インターフェイス１１２を通して、プローブ１０８のセンサヘッド１２８に光が与えられる。センサヘッド１２８内では、光ファイバ（図示せず）が、第１の光源１１６に関連付けられる合成された光および第２の光源１２０に関連付けられる合成された光を、組織１３２と接触するよう配置されるセンサヘッド１２８の表面に与える。光ファイバ（図示せず）は、ユニット１０４内の光検出器１３６に関連付けられる光ファイバ（図示せず）に関してオフセットを持った位置を有するよう位置決めされる。光源光ファイバおよび検出器光ファイバの位置を図２Ａ〜図２Ｃに関して以下に説明する。
【００２５】
センサヘッド１２８が組織１３２内へ光を透過させると、反射光は、光検出器１３６に結合される光検出器ファイバ（図示せず）によって集光される。一般的に、少なくとも２つの光検出器１３６がユニット１０４内に含まれ、第１の光源１１６および第２の光源１２０によって透過される光に対して感度があるよう構成される。ユニット１０４内の減衰補償器１４０は一般に、検出器光ファイバ（図示せず）に対する光源光ファイバ（図示せず）のオフセットを持った位置に起因する反射光中の如何なる減衰も補償するよう配置される。１つの実施例では、減衰補償器１４０は、減衰係数を分子および分母の両方において求め、したがってこれを相殺できる比率を構築する数学アルゴリズムを用いて効果的に補償を行う。そのような比率は、減衰ファクターがセンサヘッド１２８下の組織１３２の光学的性質の評価にほとんど影響を及ぼさないように、光検出器１３６によって検出されるような光の強度を使用し得る。減衰補償器１４０は一般に、酸素飽和レベルを定めるアルゴリズムを実行するソフトウェアまたはファームウェアに実質的に組込まれ得ることが認識されるであろう。
【００２６】
図１Ｂは、この発明の実施例に従った、光源、すなわち図１Ａの第１の光源１１６および第２の光源１２０、によって放射される光の経路を示す図１Ａの光学画像化システム１００をブロック図表示したものである。第１の光源１１６が２つの波長で光を放射すると、第１の波長１５２ａの光および第２の波長１５２ｂの光がビーム結合器１２４に与えられ、これは、光を光線１５２ｃに効果的に合成し、これは、たとえば光源光ファイバを通して、センサヘッド１２８に与えられる。同様に、第２の光源１２０が２つの波長で光を放射すると、第１の波長１５６ａの光および第２の波長１５６ｂの光がビーム結合器１２４によって光線１５６ｃに合成され、これがセンサヘッド１２８に与えられる。光線１５２ｃ、１５６ｃは組織１３２内へ透過され、組織１３２から、センサヘッド１２８を介して光検出器１３６へ反射される。
【００２７】
先に述べたように、光源光ファイバは、組織と接触するよう配置されるセンサヘッドの表面において、検出器光ファイバに対してオフセットを持った位置となるよう配置される。図２Ａを参照して、検出器ファイバに関する光源ファイバの位置をこの発明の実施例に従って説明する。センサヘッド２００は、実質的に如何なる形状またはサイズでもよく、組織内の酸素飽和レベルを測定する全体システムの一部であるプローブの一部である。センサヘッド２００は光源構成２０４ａ、２０４ｂ、および検出器構成２０８ａ、２０８ｂを収容するよう配置される。説明を簡単にするために、光源構成２０４ａ、２０４ｂは一般に光源に結合される光ファイバケーブルまたは光ファイバであり、検出器構成２０８ａ、２０８ｂは一般に光検出器に結合される光ファイバケーブルまたは光ファイバであるが、光源構成２０４ａ、２０４ｂを本明細書中では光源と呼び、検出器構成２０８ａ、２０８ｂを本明細書中では検出器と呼ぶ。
【００２８】
光源２０４ａ、２０４ｂは検出器２０８ａ、２０８ｂに対してオフセットを持った構成になるよう配置される。すなわち、光源２０４ａおよび光源２０４ｂは、少なくとも１つの軸に対して検出器２０８ａ、２０８ｂと等距離ではない。検出器２０８ａ、２０８ｂは、検出器２０８ａ、２０８ｂの中心線２１４がｘ軸２１２ａとほぼ平行であるよう配置される。典型的に、中心線２１４は各検出器２０８ａ、２０８ｂの中心点を通過する。光源２０４ａ、２０４ｂは、光源２０４ａの中心線２１６が光源２０４ｂの中心線２１８と平行であるが、中心線２１８とは一致しないよう配置される。中心線２１６は光源２０４ａの中心点を通過し、かつｘ軸２１２ａと平行であるのに対して、中心線２１６は光源２０４ｂの中心点を通過し、かつｘ軸２１２ｂと平行である。
【００２９】
ｙ軸２１２ｂに沿った中心線２１４と中心線２１６との間の距離ｙ１は、中心線２１４と中心線２１８との間の距離ｙ２と異なる。距離ｙ２は距離ｙ１よりも大きいとして示されているが、代わりに距離ｙ１がｙ２よりも大きくなり得ると認識されるであろう。距離ｙ２と距離ｙ１との差は一般に、検出器２０８ａ、２０８ｂに対する光源２０４ａ、２０４ｂのオフセットを持った構成、または実質的に不平衡の構成、の特性である。換言すれば、光源２０４ａ、２０４ｂの設置において効果的に対称が欠如している。
【００３０】
一般的に、一対の検出器と併用して２つよりも多くの検出器を使用して組織内の酸素飽和を監視してもよい。一例として、３つまたは４つの検出器を使用して、一対の光源によって与えられ、かつ組織表面から反射される光を検出してもよい。光のうちいくらかは組織表面下のさまざまな深さで組織から反射され得ることが認識されるであろう。すなわち、光は組織表面から、および表面の下の組織から反射され得る。表面の下にあり、光を反射させることができる組織は、組織の表面下約１センチメートルの深さであり得る。図２Ｂは、この発明の実施例に従って、一対の光源、またはより具体的には光源構成、および４つの検出器、またはより具体的には検出器構成、を含むよう配置されるセンサヘッドを図示したものである。センサヘッド２２０は、ｘ軸２３２ａと実質的に平行である中心線２３４に沿って検出器２２８ａ〜ｄの中心点が実質的に整列するよう配置される４つの検出器２２８ａ〜ｄを含む。センサヘッド２２０はまた、各々が中心点を含む光源２２４ａ、２２４ｂを含む。ｘ軸２３２ａと平行である中心線２３６は光源２２４ａの中心点を通過し、ｘ軸２３２ａと平行である中心線２３８は光源２２４の中心点を通過する。
【００３１】
説明される実施例では、ｙ軸２３２ｂに沿った中心線２３４と中心線２３６との間の距離ｙ１は、ｙ軸２３２ｂに沿った中心線２３４と中心線２３８との間の距離ｙ２と等しくない。距離ｙ１は約０．２ミリメートル（ｍｍ）、たとえば約０．１９７ｍｍであり得るのに対して、距離ｙ２は約０．２４ｍｍ、たとえば０．２３６ｍｍであり得る。距離ｙ１および距離ｙ２は数多くのファクターに依存して大きく異なり得ることが認識されるであろう。ファクターは、光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの全体サイズ、センサヘッド２２０の全体サイズ、ならびにセンサヘッド２２０が意図される応用例を含むが、これらに限定されない。距離ｙ２は距離ｙ１よりも大きいとして示されているが、代わりに距離ｙ１が距離ｙ２よりも大きくなり得る。一般的に、距離ｙ２と距離ｙ１との差は少なくとも約０．３ｍｍである。たとえば、距離ｙ２と距離ｙ１との差は約１．０ｍｍであり得る。
【００３２】
光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの位置決めは大きく異なり得る。一例として、光源２２４ａ、２２４ｂおよび検出器２２８ａ〜ｄの各々が直径約１ｍｍである実施例については、光源２２４ａ、２２４ｂの中心点は、ｘ軸２３２ａについて約０．２２ｍｍの距離ｄ２だけ、および約０．０４ｍｍの距離ｙ４だけ離され得る。検出器２２８ａ〜ｄは、中心線２３４がセンサヘッド２２０の上端から約０．０６ｍｍの距離ｙ３だけオフセットを持つよう、かつ隣接する検出器２２８ａ〜ｄが約０．０６ｍｍから約０．０７ｍｍの距離ｄ１だけ離されるよう、配置され得る。検出器２２８ａ〜ｄおよび光源２２４ａ、２２４ｂが上述のように間隔をあけられた場合、センサヘッド２２０はｘ軸２３２ａに沿って幅が約０．３４ｍｍであり、ｙ軸２３２ｂに沿って高さが約０．４９ｍｍであり得る。しかしながら、センサヘッド２２０は、一般に大きく異なり得る寸法、たとえばセンサヘッド２２０が意図される応用例に依存して異なり得る寸法、を有する。
【００３３】
検出器に対するセンサの位置決めにおける対称の欠如は、センサと検出器との間の距離がｙ軸に対して等しくないようなものして説明したが、対称の欠如は代わりにまたは追加的にｘ軸に対する対称の欠如を有し得る。次に図２Ｃを参照して、ｘ軸に関して４つの検出器セットに対してオフセットを持った構成の一対の光源を含むセンサヘッドを説明する。センサヘッド２４０は４つの検出器２４８ａ〜ｄを含むが、検出器２４８ａ〜ｄの数は異なり得る。検出器２４８ａ〜ｄは、中心線２５４がｘ軸２５２ａと実質的に平行であり、かつ各検出器２４８ａ〜ｄの中心点を通過するよう配置される。第１の検出器２４８ａおよび最後の検出器２４８ｄ、すなわちｘ軸２５２ａに対して最も離れている検出器同士、を用いて検出器２４８ａ〜ｄの中央二分割線２６２を規定する。中央二分割線２６２はｙ軸２５２ｂと平行であり、検出器２４８ａの中心点から中央二分割線２６２までの距離ｘ３が検出器２４８ｄの中心点から中央二分割線２６２までの距離ｘ４と実質的に等しいよう配置される。すなわち、中央二分割線２６２は中心線２５４と実質的に垂直であるよう、検出器２４８ａの中心点と検出器２４８ｄの中心点との間の中点を通過するよう配置される。
【００３４】
図示されるように、第１の光源２４４ａの中心点および第１の検出器２４８ａの中心点は、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行である中心線２５７に沿って一列に並んでいる。同様に、第２の光源２４４ｂの中心点および最後の検出器２４８ｄの中心点は、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行である中心線２５９に沿って一列に並んでいる。しかしながら、中心線２５７は第１の検出器２４８ａの中心点を必ずしも通過しなくてもよく、中心線２５９は最後の検出器２４８ｄの中心点を必ずしも通過しなくてもよいと認識されるであろう。すなわち、中心線２５７は事実上、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行で第１の光源２４４ａを通過する線であるのに対して、中心線２５９は事実上、ｙ軸２５２ｂと実質的に平行で第２の光源２４４ｂを通過する線である。
【００３５】
中心線２５７と中央二分割線２６２との間の距離ｘ１は、中心線２５９と中央二分割線２６２との間の距離ｘ２と等しくない。換言すれば、第１の光源２４４ａおよび第２の光源２４４ｂは中央二分割線２６２から等距離ではない。したがって、光源２４４ａ、２４４ｂは、ｘ軸２５２ａに対してオフセットを持った、または不均衡な位置に位置決めされる。
【００３６】
光源は典型的に特定の波長の光を放射するよう配置される。上述のように、光源によって放射されるより低波長の光は約６９０ｎｍの波長を有し得るのに対して、該光源によって放射されるより高波長の光は約８３０ｎｍの波長を有し得る。図３は、この発明の実施例に従ったセンサヘッドに関連付けられる光源および検出器をブロック図表示したものである。第１の光源は、約６９０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０２ａおよび約８３０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０２ｂを含み得る。同様に、第２の光源は、約６９０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０６ａおよび約８３０ｎｍの波長で光を生成するレーザダイオード３０６ｂを含み得る。
【００３７】
ビーム結合器３１０は、レーザダイオード３０２ａ、３０２ｂによって放射される光を、光ファイバ３１２上へ合成してセンサヘッド３２２に与えることができるよう配置される。ビーム結合器３１０はまた、レーザダイオード３０６ａ、３０６ｂによって放射される光を、光ファイバ３１６上へ合成してセンサヘッド３２２に与えることができるよう配置される。ファイバ３１２、３１６によって組織または他の表面を通して透過される光は反射され、反射光は光ファイバ３２４上で効果的に捕捉され、これは反射光を光検出器３１８に与える。光検出器３１８は約６９０ｎｍおよび約８３０ｎｍの波長の光に対して感度があるよう構成され、典型的に比較的高い利得を有する。
【００３８】
図４を参照して、光源が検出器に対してオフセットを持った位置のセンサヘッドを有する酸素濃度計を用いて組織内の酸素飽和を監視する１つの方法をこの発明の実施例に従って説明する。酸素濃度計を用いる処理４００はステップ４０４で始まり、このステップではプローブ、すなわち光源が検出器に対してオフセットを持った位置に位置決めされるセンサヘッドを含むプローブ、を組織に当てる。一旦センサヘッドが組織と接触して位置決めされると、プローブに関連付けられる第１の光源Ｓ１がステップ４０８においてより低波長の光パルスを組織内へ送る。上述のように、第１の光源Ｓ１は約６９０ｎｍ波長の可視赤色光を生成するレーザダイオードを含み得るが、第１の光源Ｓ１によって生成されるより低波長の光は異なり得る。一般的に、第１の光源Ｓ１は２つの波長で光を生成する光源構成である。したがって、第１の光源Ｓ１は、２つの波長で光を生成する２つの実質的に別個のレーザダイオードを含み得る。
【００３９】
ステップ４１２において、プローブに関連付けられる検出器構成が約６９０ｎｍの光を検出する。上述のように、約６９０ｎｍの光が組織内へ透過されると、約６９０ｎｍの光は検出器構成内へ反射され、それにより検出器、たとえば検出器構成に含まれる光検出器、が反射光を集光する。そしてステップ４１６において第２の光源Ｓ２が、説明される実施例では約６９０ｎｍの光パルスであるより低波長の光パルスを送る。検出器構成はステップ４２０において約６９０ｎｍの反射光を検出および集光する。
【００４０】
一旦第１の光源Ｓ１および第２の光源Ｓ２の両方によってより低波長の光が透過されると、第１の光源Ｓ１はステップ４２４においてより高波長の光パルスを組織内へ送る。より高波長の光パルスは、第１の光源Ｓ１に含まれるレーザダイオードによって生成される約８３０ｎｍの近赤外光であり得る。約８３０ｎｍの光パルスが組織内へ透過されて反射されると、処理フローはステップ４２８へ進み、検出器構成が反射光を検出する。
【００４１】
第２の光源Ｓ２はステップ４３２においてより高波長の光パルス、たとえば約８３０ｎｍ波長の光、を送り、これはその後、組織から反射されてステップ４３６において検出器構成内へ反射される。一旦検出器構成がより低波長およびより高波長の両方の、両センサからの反射光を受取ると、ステップ４４０において酸素濃度計のデータ収集構成が、受取った反射光に関連付けられる情報を処理する。受取った反射光を処理するステップは、組織に関連付けられる酸素レベルを定めるために、反射光に関連付けられる減衰に対処するか、またはそうでなければ補償するソフトウェアまたはファームウェアを実行するステップを含み得る。一旦データ収集構成が情報を処理すると、組織の酸素飽和レベルを監視する処理は完了する。しかしながら、図４のステップを繰返して酸素飽和レベルを実質的に連続的に監視できるようにしてもよいことが理解されるべきである。
【００４２】
この発明のセンサヘッドを有するプローブを利用する酸素濃度計は、プローブが結合され得る持ち運び可能なコンソールユニットを含み得る。図５に示されるように、コンソール５００は、監視中の組織の酸素飽和レベルを表示するよう構成される画面５０４を含み得る。タッチスクリーンでもあり得る画面５０４はまた、いつプローブ５２０が使用中であるかを示すよう、かつ監視中の酸素飽和レベルがいつ潜在的に問題であるかを示す警告をユーザに与えるよう、構成され得る。
【００４３】
コンソール５００は、プローブ５２０のセンサヘッド５３０を使用して酸素飽和レベルを監視できるようにするためにプローブ５２０のコネクタ５２８が接続され得るパネルコネクタ５０８を含む。プローブ５２０のコネクタ５２８とセンサヘッド５３０との間で光が通過できるようにするために用いられる光ファイバケーブル（図示せず）は、実質的にケーブルジャケット５３４内に入れられる。コンソール５００およびプローブ５２０は、カリフォルニア州フレモントのビオプティックス・インコーポレイテッド（ViOptix, Inc.）から市販されているODISsey Tissue Oximeterの一部であり得る。
【００４４】
この発明の二、三の実施例しか説明していないが、この発明はこの発明の思想または範囲から逸脱することなく多くの他の特定の形式で具体化され得ることが理解されるべきである。一例として、光源によって放射される波長は約６９０ｎｍおよび約８３０ｎｍとして説明した。しかしながら、光源は実質的に如何なる波長を放射してもよい。
【００４５】
センサヘッドが装着されるプローブはさまざまな異なる構成を有し得る。たとえば、プローブは、組織のスポット測定を促進するハンドピースを含み得る。また、センサヘッドの構成もセンサヘッドが使用される特定的な応用例に依存して異なり得る。
【００４６】
センサヘッドが装着されるプローブ、たとえば光ファイバプローブ、は光ファイバケーブルを用いて組織へおよび組織から光学信号を搬送する。光ファイバケーブルは如何なる長さでもよく、各光源について１つのデュアル波長光源ファイバおよび各検出器について１つの検出器ファイバを含み得る。１つの実施例では、光ファイバケーブルは長さ約３メートルであってもよく、光源および検出器ファイバの各々は直径約１ｍｍであってもよい。
【００４７】
光源光ファイバの中心点および検出器光ファイバの中心点は、実質的に円形の向きのファイバの中心点であるとして一般に説明した。いくつかのケースでは、ファイバが実質的に円形の向きでない場合、中心点はファイバのおよその中心点であり得ることが認められるべきである。
【００４８】
この発明のさまざまな方法に関連付けられるステップは大きく異なり得る。この発明の思想または範囲から逸脱することなく、ステップが追加、変更、削除、および順序変更され得る。したがって、本明細書中の例は例示的に考慮されるべきであり限定的に考慮されるべきでなく、かつ本発明は本明細書中で与えられる詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で修正され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源構造を備え、前記第１の光源構造は第１の光ビームを与えるよう位置決めされ、さらに
第２の光源構造を備え、前記第２の光源構造は第２の光ビームを与えるよう位置決めされ、さらに
各々が光ファイバを備える複数の検出器構造を含む検出器構成を備え、前記検出器構成は、前記第１の光ビームが組織を透過した後に前記第１の光ビームを受取り、かつ前記第２の光ビームが前記組織を透過した後に前記第２の光ビームを受取るよう位置決めされ、
前記第１の光源構造、前記第２の光源構造、第１の検出器構造、および第２の検出器構造は、凸四辺形の頂点を規定し、
前記第１の光源構造と第２の光源構造との間の前記四辺形の第１の辺は、前記第１の検出器構造と前記第２の検出器構造との間の前記四辺形の第２の辺よりも長く、
前記第１の光源構造と第１の検出器構造との間の前記四辺形の第３の辺は、前記第２の光源構造と前記第２の検出器構造との間の前記四辺形の第４の辺よりも長い、装置。
【請求項１】
第１の光源構造を備え、前記第１の光源構造は第１の光ビームを与えるよう位置決めされ、さらに
第２の光源構造を備え、前記第２の光源構造は第２の光ビームを与えるよう位置決めされ、さらに
各々が光ファイバを備える複数の検出器構造を含む検出器構成を備え、前記検出器構成は、前記第１の光ビームが組織を透過した後に前記第１の光ビームを受取り、かつ前記第２の光ビームが前記組織を透過した後に前記第２の光ビームを受取るよう位置決めされ、
前記第１の光源構造、前記第２の光源構造、第１の検出器構造、および第２の検出器構造は、凸四辺形の頂点を規定し、
前記第１の光源構造と第２の光源構造との間の前記四辺形の第１の辺は、前記第１の検出器構造と前記第２の検出器構造との間の前記四辺形の第２の辺よりも長く、
前記第１の光源構造と第１の検出器構造との間の前記四辺形の第３の辺は、前記第２の光源構造と前記第２の検出器構造との間の前記四辺形の第４の辺よりも長い、装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６１３４５（Ｐ２０１３−６１３４５Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５９５７５（Ｐ２０１２−２５９５７５）
【出願日】平成２４年１１月２８日（２０１２．１１．２８）
【分割の表示】特願２００８−５３００７８（Ｐ２００８−５３００７８）の分割
【原出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５０７４１６４１４）ビオプティックス・インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＶＩＯＰＴＩＸ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２８日（２０１２．１１．２８）
【分割の表示】特願２００８−５３００７８（Ｐ２００８−５３００７８）の分割
【原出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５０７４１６４１４）ビオプティックス・インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＶＩＯＰＴＩＸ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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