SDカード記録式ウェアラブルレーザー血流計 OMEGAFLO-DEVICE Wearable Laser Tissue Blood Flowmeter

測定原理と測定例

測定原理

レーザー血流計は生体組織からの散乱光強度揺らぎ情報を基に血流計測を行っています。ここで扱う血流は1本の血管内の血流量ではなく、微小循環を含む組織内の血流、組織血流についてです。
微小循環では血流の方向は一方向ではなく、またレーザー光が赤血球に衝突する前に何回か静止組織で散乱されるので、血流方向-レーザー照射方向-受光方向が固定されないため、得られる血流速度は実効値に比例したものとなります。

Fig.1のように、微小な粒子が存在する静止物体内にレーザー光を照射してその散乱光を光検出器(Photo-detector)で検出した場合、得られる電場は各点からの散乱光の電場Eの重ね合わせとなります(Fig.1右上図)。粒子が静止している場合には、各点からの散乱光の位相の関係は時間に関係なく一定なので、光検出器で出力される光強度の信号Iは時間tで変化せずに一定値(直流成分のみ)となります。

Fig.1 止まっている粒子と静止組織からの散乱光の電場と光強度

Fig.1 止まっている粒子と静止組織からの
散乱光の電場と光強度

次に粒子が時間t1からt2までにある距離を速度vで移動した場合の図をFig.2に示します。t1時の粒子からのレーザー光の散乱状態とt2時の粒子からの散乱状態は異なり、粒子が連続的に移動している場合にはこの位相のずれも時間的に変動します。したがって、各点からの散乱光が重ね合わされた状態では電場Eの強度が揺らぎ、光検出器の出力としての光強度Iも時間的に揺らぎを生じます。(Ki, Kf は波数ベクトル)
レーザー光の生体組織への照射と受光は光ファイバーによって行われるので、光強度は連続的に受光されます。光強度の揺らぎの速さ(周波数)と大きさ(振幅)が赤血球の流速とその量に対応しており、組織血流量、FLOW,は光検出器出力のパワースペクトルの1次モーメントで求められます。

FLOW = ∫ωP(ω)dω (1)

Fig.2 流れている粒子と静止組織からの散乱光の電場と光強度

Fig.2 流れている粒子と静止組織からの散乱光の電場と光強度

ここで、ωは角周波数、P(ω)はパワースペクトルです。
OMEGAFLO-DVCでは互いに少し離れた光検出器(フォトダイオード)を2個設置し、それぞれの受光信号の差分を血流信号としています。
活動中の生体計測ではセンサーを貼り付けた組織自体の伸び縮みによるアーチファクトが生じ、それによる静止組織からの散乱光強度が変化します。この静止組織からの散乱光強度変化は互いに少し離れた2個の光検出器ではほぼ同じ信号として受光されるため、2個の光検出器の出力の差分演算をすることでアーチファクトによる血流値の不安定さを軽減できます。
2個の光検出器下の微小循環血流状態は異なるために、この差分演算により血流からの信号成分が消失することはありません。
OMEGAFLO-DVCでは(1)式を、

FLOW = ∫P(ω)dω x <ω> (2)

として求めています。<ω>はパワースペクトルの平均周波数です。
レーザー光源は小型長寿命である半導体レーザー(レーザーダイオード)で、赤血球での光吸収の差が少ない近赤外波長(850nm)のレーザーダイオードを用いています。
Fig.3 にレーザー血流計自体のブロック回路図を示します。レーザーダイオードとその駆動回路と、フォトダイオードと光電変換回路で構成されているセンサーと、フォトダイオードからの光電変換信号をデジタル信号に変換する回路と、マイクロプロセッサーと、SDカードに記録する回路で構成されています。電源はコンピュータのUSB端子から供給、充電されます。

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Fig.3 OMEGAFLO-DVCのブロックダイアグラム

コンピュータベースシグナルプロセッサに接続している状態ではUSB接続を通じて信号が送られて、コンピュータベースシグナルプロセッサで
(2)式の演算を行って血流量を求め、心拍変動と脈波が表示されます。
コンピュータに接続されていないで測定した場合には光電変換された信号はSDカードに記録されます。
SDカードからの信号を基にコンピュータベースシグナルプロセッサで信号処理されて各測定値と波形が画面に表示されます。

光ファイバー式レーザー血流計との比較測定例

コンピュータベースレーザー血流計(OMEGAFLO-Lab, FLO-Lab)と指先皮膚血流を比較測定した例をFig.4に示します。OMEGAFLO-DEVICE (FLO-DVC)では人差し指(1CH)と薬指(2CH)、FLO-Labでは中指を測定し、腕を締めて血流変動を記録しました。FLO-Labの設定は、演算周波数帯域 : 50KHz、FFT波形の平均回数 : 5回(0.5秒間平均に相当)、とし、FLO-DVCは0.5秒平均値を表示しました。両者の血流波形の変動は同様の結果を示しました。

Fig. 4 指先血流の比較測定

Fig. 4 指先血流の比較測定

測定深度

測定深度はレーザー光の照射点ー受光点間距離の関数です。受光強度, Id, は、散乱が強い組織でベール-ランバートの法則が適用されるときには、
Id = η・Io・ exp ( - γ・L)、
で表されます。
ここでηは光システムに関わる係数、Ioは照射光強度、γは生体組織の減衰係数、Lは光が通過する距離(光路長)です。照射点ー受光点間距離が長くなると全受光強度自体は弱くなりますが、測定深度は深くなります。この理由は、距離が長くなると相対的に浅い場所から散乱された光強度と深い場所から散乱された光強度の差が少なくなるからです。Fig. 5にその状態を示します。Fig. 5の左図は照射—受光間距離が短い場合、右図は長い場合です。それぞれ同じ深度から戻ってきた光の通貨距離を、L1とL3、L2とL4 とします。
左図ではL2 >> L1なので、全受光量に占めるL1からの成分がL2からの成分より非常に多くなります。しかし、右図ではL3とL4には大きな差がないために、L3を通ってきた受光強度とL4を通ってきた受光強度の差が小さくなり、相対的に全受光量に占めるL4からの成分が多くなります。

この図から、照射—受光間距離が長いほど深部からの信号が多く含まれるようになることが確認できます。

実際に皮膚と光学特性が同様の物質であるポリアセタール板1)を用いた生体組織モデルを用いて、OMEGAFLO-DVCと光ファイバー式レーザー血流計のOMEGAFLO-Labの測定深度を比較して推測しました。Fig. 6に測定に使用した簡単な構造の組織血流モデルを示します。ポリアセタールのブロックに円柱状の穴が開いており、中に微粒子分散液(0.35μm, 1%)が入っています。この上に0.3mm厚のポリアセタール板で蓋をしてあります。この上に0.3mm厚のポリアセタール板を重ねて行き、一番上にFLO-Lab用のプローブ(DS)とFLO-DVCのセンサー(DVC-DS)を置いてFLOWの値を調べました (Fig. 7)。レーザー血流計はブラウン運動する粒子の動きを検出して測定値FLOWを表示します。
板厚tと、蓋のみの状態でのFLOW値で規格化したFLOW値(Normalized FLOW) の関係をFig. 8に示します。

Fig. 8の結果から、当社の光ファイバー式のレーザー血流計とそのプローブでは1mm程度の深さからの信号はで10%程度の値に減少しますが、FLO-DVCでは2mm程度で10%程度に減少しています。この結果から、FLO-DVCでは光ファイバー式のレーザー血流計とそのプローブよりも更に深い場所の血流も測定すると推測されます。

Fig. 5 照射-受光間隔と光の減衰の関係図

Fig. 5 照射-受光間隔と光の減衰の関係図


Fig. 6 組織血流モデルの構造図

Fig. 6 組織血流モデルの構造図


Fig. 7 重ねたポリアセタール板の上に設置したプローブ、またはセンサーの図

Fig. 7 重ねたポリアセタール板の上に設置したプローブ、またはセンサーの図


Fig. 8 ポリアセタール板厚tと規格化したFLOW(Normalized FLOW)の関係図

Fig. 8 ポリアセタール板厚tと規格化したFLOW(Normalized FLOW)の関係図

血流量の単位とレーザー血流計の表示の特性

組織血流量の単位は一般的には、生体組織重量100gに単位時間に流れ込む血液量、[mL/min/100g]、として表示されます。この単位は液体としての単位ですが、レーザー血流計は赤血球からの散乱光を信号処理しており、液体を測定しているわけではありません。レーザー血流計によって得られる値の正しい単位は「赤血球数密度×赤血球流速」(例 : (N/mm3)×(mm/s))のようになりますが3)、この単位で表示すると血流量が多いのか少ないのかも判断できません。従って、当社レーザー血流計では「mL/min/100g」に相当する値として表示しています4)。赤血球数密度は血液量、赤血球流速は血流速度に相当します。
上記のようにレーザー血流計は赤血球数とその速度を検出しているので、単位組織重量に流入する血液量が同じでも生体組織内の血管容量が異なる場合には、異なる血流量(FLOW)の値を表示します。いまレーザー血流計の測定範囲内の生体組織において、血管径が同じで血管容量(血管長)が異なる場合、について考えます(Fig.9, Fig.10)。ここでFig.10はFig.9に比べて血管長がB倍であるとします。両生体組織に1分間にa[mL]の血液が流入し、生体組織100g換算では A [mL/min/100g]であるとすると、組織血流の概念では両図ともに組織血流量はA[mL/min/100g]です。しかし、レーザー血流計の測定対象は赤血球であるので、Fig.9の測定値(FLOW)が「A」の場合、Fig.10の測定値(FLOW)は「A・B」になります。
Fig.10 はFig.9 に比べて赤血球数がB倍であるので、組織に供給できる酸素量もB倍と考えることもでき、組織への酸素供給機能としての血流測定に適しているとも考えられます。

Fig. 9

Fig. 9


Fig. 10

Fig. 10

1) S. Kashima : Study of Measuring the Velocity of Erythrocytes in Tissue by the Dynamic Light Scattering Method, Jpn. J. Appl. Phys., 32, 2177 (1993).
2) S. Kashima : Measurement of Tissue Blood Volume in a Model System and in the Canine Intestine by Dynamic Light Scattering, Laser. Life Sci., 6, 79 (1994).

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