CN1413097A - 生物体光学检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物体光学检测装置，它以图像化检测生物体内代谢物质的浓度及其变化时，可检测各个深度上的浓度及其变化分布的光照射器和光感光器的配置方法为特征，光照射器和光接收器配置在被检测体上，假设检测点位于光照射器和光接收器的约中点处，当检测被检测体内部浅层的生物体内代谢物质的浓度及其变化时，用光照射器和光接收器的小间距组合时的检测点来检测，当检测深层时，用光照射器和光接收器的大间距组合时的检测点来检测。
Description
技术领域
本发明涉及到生物体光学检测装置，特别是利用光检测生物体内代谢物质的浓度及其变化的生物体光学检测装置。
背景技术
关于利用光检测生物体内代谢物质的浓度及其变化的生物体光学检测装置，特开平9-135825号公报上公开了一种在生物体深部具有高检测灵敏度的生物体光学检测装置，另外特开平9-98972号公报上公布了利用检测结果图像化显示生物体机能的方法。下面基于此对现有技术进行总结。
首先参见图12，以大脑皮层内伴随着大脑的活动而发生的血流量变化为例，说明检测生物体内部血流量变化的非内置式方法。该图中所示的光传播路线1101是指光照射器1102照射出的光线中到达配置在被检测体1104的头皮上1107的某个光感光器1103的光的传播路线。这里所说的光感光器由激光、发光二极管、灯之类的光源和随情况而异的把光从这些光源传播到被检测体1104的光传播线路组成。
如图12所示，光照射器1102或光感光器1103固定在支架1105上，该固定使用螺钉1106。而且光照射器1102和光感光器1103的前端都与头皮直接接触。另外从接触光纤的头的表面开始，脑的结构依次由头皮1107、头盖骨1108、脑脊髓层1109、大脑皮层1110等组成。
上述生物体光学检测装置在检测成人脑机能时，上述光照射器1102和光感光器1103按30毫米的间距配置。但该配置间距并不限定为30毫米，而是由脑的结构及脑内物质的光学常数(如吸收系数及散射系数)来决定的。大脑皮层1110是位于头盖骨内侧的组织，例如，众所周知，成人的大脑皮层位于距头皮深10～15毫米处。该大脑皮层内的血流量随着脑的活动而发生相应变化。
如图12中香蕉形的光传播路线1101所示，光照射器和光感光器的配置间距为30毫米，在检测大脑皮层的血流量时，图中光照射器和光感光器的约中间位置灵敏度最大。这时，通过对生物体内光线传播的模拟可知：光照射器和光感光器的中间位置光线量最大。因此把该点作为推测血流量变化的检测位置。通过血流量变化前后的光照射器检测出的光线量的变化，可以推测出在该推测血流量变化的检测位置处血流量的变化。特开平9-98972号公报上详细刊登了该血流量变化评价方法的实施例子。
下面参见图13，说明从上述血流量变化的检测结果图形化显示生物体机能的方法。图13中，1201是被检测体，1202是被检测体上的检测区域，1203、1204、1205、1206、1207、1208、1209、1210是由半导体激光、发光二极管、灯等构成的光照射器，各个照射器都配置在被检测体1201上的光照射位置上(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)。另外，图中1211、1212、1213、1214、1215、1216、1218是雪崩光电二极管、光电放大管一类的光电转换元件，利用检测用光纤来把到达图中D1-D8所示的被检测体上光检测位置的光传导至上述元件中。在检测成人大脑皮质内的生物体代谢物质的浓度及其变化时，图中的光照射位置和光检测位置按30毫米的间距配置。
该图中，例如，到达图中光检测位置D5的光是由光照射位置(S3、S5、S6、S7)照射出的光。如在图12中所述，推测血流量变化的检测位置位于光照射位置和光检测位置的大致中间，故图13所示的检测方法中该推测血流量变化的检测位置数目为24个(图中的白圈)。为图像化显示生物体内代谢物质的浓度及其变化，首先求得各个位置(24个检测点)的血流量变化，通过对该血流量变化进行2次样条插补推测出该检测位置间的血流量变化，然后利用这些结果实现图象化显示。
另外，根据Neil C.Bruce在美国光学协会发行的《AppliedOpticS》杂志1994年10月号第33卷第28期上发表的《ExperimentalStudy of the effect of abSorbing and tranSmitting incluSionS in highlyScattering media》(关于高度散射物质中的吸收/透过的实验研究)可知：若光照射器和光感光器配置间距小，则可得到更进一步的光散射体的表面信息。
上述的特开平9-135825号公报及特开平9-98972号公报上公开的生物体光学检测方法都是为检测大脑皮层一类位于生物体深部的生物组织的代谢量变化而在被检测体上以某一固定间距配置多个光照射器及多个光感光器，检测位于该光照射器和光感光器中点的多个检测点上的生物体内代谢物质的浓度或其变化，然后利用该结果图象化显示生物体内代谢物质的浓度或其变化。但是这些现有的技术只能图像化显示某一深度上的生物体内代谢物质的浓度或其变化。
发明内容
因此，本发明着眼于这些方面，目的在于提供一种生物体光学检测装置，可以检测在生物体组织浅层及深层处的生物体内代谢物质的浓度及其变化，并能图像化显示其检测结果。
本发明为实现上述目的，采取如下结构：把光照射器和光感光器在纵、横两个方向2维地配置在作为被检测体的生物体上，为检测及图像化显示被检测体内部浅层生物体代谢物质的浓度及其变化，光照射器和光感光器采取小间距的组合形式，在其约中点位置检测生物体代谢物质的浓度及其变化；为检测及图像化显示被检测体内部深层生物体代谢物质的浓度及其变化，光照射器和光感光器采取大间距的组合形式，在其约中点位置检测生物体代谢物质的浓度及其变化
其次，根据本发明的结构，该生物体光学检测装置在结构上使多个光照射器和多个光感光器在生物体上交错配置，光照射器向生物体照射光，光感光器检测光照射器发出的在生物体内传播的光。根据光感光器检测出的信号，以光照射器和光感光器的略中间位置作为检测点检测生物体代谢物质的浓度及其变化。提供一种生物体光学检测装置，配置光照射器和光感光器使得光照射器及光感光器的位置成为检测点。
而且，根据本发明的结构，该生物体光学检测装置在结构上使多个光照射器和多个光感光器在生物体上交错配置，光照射器向生物体照射光，光感光器检测光照射器发出的在生物体内传播的光。根据光感光器检测出的信号，以光照射器和光感光器的略中间位置作为检测点检测生物体代谢物质的浓度及其变化。提供一种生物体光学检测装置，在光照射器和光感光器的第一种组合方式下的略中间位置配置其它的光照射器，在光照射器和光感光器的第二种组合方式下的略中间位置配置其它的光感光器。
此外，根据本发明的结构，该生物体光学检测装置在结构上使多个光照射器和多个光感光器在生物体上交错配置，光照射器向生物体照射光，光感光器检测光照射器发出的在生物体内传播的光。根据光感光器检测出的信号，以光照射器和光感光器的略中间位置作为检测点检测生物体代谢物质的浓度及其变化。提供一种生物体光学检测装置，对称配置各种组合方式下的光照射器和光感光器，使得不同于上述间隔的光照射器和光感光器的多种组合下的各个检测点在深度方向位置相同。
另外，根据本发明的结构，该生物体光学检测装置在结构上使多个光照射器和多个光感光器在生物体上交错配置，光照射器向生物体照射光，光感光器检测光照射器发出的在生物体内传播的光。根据光感光器检测出的信号，以光照射器和光感光器的略中间位置作为检测点检测生物体代谢物质的浓度及其变化。提供一种上述横向配置的光照射器和光感光器的位置间距与上述纵向配置的光照射器和光感光器的位置间距不同的生物体光学检测装置。
并且本发明还提供一种在上述结构上具有图象化显示检测到的上述代谢物质浓度及其变化的装置的生物体光学检测装置。
附图的简要说明
图1所示是本发明的一种实施形式(1)的光照射器和光感光器的配置构成图。
图2所示是图1中测量点和测量区域的分布图。
图3所示是一个检测顺序的例子。
图4所示是本发明的一种实施形式(2)的光照射器和光感光器的配置构成图。
图5所示是图4中测量点和测量区域的分布图。
图6所示是本发明的一种实施形式(3)的光照射器和光感光器的配置构成图。
图7所示是图6中测量点和测量区域的分布图。
图8所示是本发明的一种实施形式(4)的光照射器和光感光器的配置构成图。
图9所示是图8中测量点和测量区域的分布图。
图10所示是本发明的一种实施形式(5)的光照射器和光感光器的配置构成图。
图11所示是本发明的一个显示地形学图像的方法的例子。
图12所示是现有的利用光检测生物体内代谢物质浓度或其变化的检测方法。
图13所示是图12中检测点的分布图。
最佳实施形式
下面参照图面具体说明本发明的实施形式。
图1所示是生物体光学检测装置上，本发明提出的有关被检测体上光照射器和光感光器的配置方法的一个实施例子。
这里提出的光照射器是指具备激光、LED、灯之类的光源和可把这些光源发出的光传播到被检测体上的光纤一类的光传播装置的元件。不过，光源即使直接配置在被检测体上也没有任何问题。另外，光感光器是指具备检测被检测体内传播的光、并把检测出的光线量转换为电信号的装置的元件，举例而言，其构成要素可以是雪崩光电二极管、光电放大管。图1中101是被检测体，检测在位于该被检测体上的检测区域102中的被检测体内部，生物体代谢物质的浓度或其变化。
下面说明该被检测体上光照射器和光感光器的配置方法。图中所示的以103为代表的白圈是光照射器，而以104为代表的黑圈是光感光器。其配置间距是任意的。下面参见图2说明利用图1所示的光照射器和光感光器的配置方法而得到生物体浅层的生物体代谢物质的浓度或其变化的图像和生物体深层的生物体代谢物质的浓度或其变化的图像的方法。
图2中的201所示是使用图1所示的光照射器和光感光器的配置方法，用于得到显示生物体浅层的生物体代谢物质的浓度或其变化的图像的检测点的分布图。由图1可见，例如103和104所代表的光照射器和光感光器之间的间距(假设该间距为x)在图1中最短。因此，位于这类光照射器和光感光器约中间位置的检测点上的生物体代谢物质的浓度或其变化代表生物体内最浅部分的浓度或其变化。201所示的虚线代表包括所有位于按配置间距x配置的光照射器和光感光器约中间位置的检测点的检测区域，利用样条插补之类的数学处理方法来图像化显示该区域内的生物体代谢物质的浓度或其变化。
同理，利用图2中的202、203说明图像化显示位于更深区域的生物体代谢物质的浓度或其变化的方法。202示出图像化显示以位于图1所示的光照射器103和光感光器105为代表的光照射器和光感光器(此时光照射器和光感光器的配置间距为2.23x)的约中间位置的生物体代谢物质的浓度或其变化时的检测点的分布。此外，203示出图像化显示以位于图1所示的光照射器103和光感光器106为代表的光照射器和光感光器(此时光照射器和光感光器的配置间距为3x)的约中间位置的生物体代谢物质的浓度或其变化时的检测点的分布。
综上所述，若光照射器和光感光器的配置间距小，则能得到光散射体的更进一步的表面信息。因此，与201相比，202的检测点的分布可以得到处于生物体更深层的生物体代谢物质的浓度或其变化，再进一步而言，203的检测点的分布可以得到比201和202都深的层的生物体代谢物质的浓度或其变化。由上可见，通过数学处理各检测点处生物体代谢物质的浓度或其变化而得到的各个图象就示出生物体在各种深度上代谢物质的浓度或其变化的分布。
下面，图3显示了一个利用图1所示的光照射器和光感光器的配置方法图像化并检测生物体代谢物质的浓度或其变化时采用的检测顺序的实施例子。例如，图3所示的“光源1”代表图1中的光照射器103。此时如图3所示，其他光源(图3中的光源2到光源12)全为OFF。在光源1的强度置为OFF之后，接下来光源2的开关置为ON。从光源1的开关置为OFF之后到光源2的开关置为ON之前的时间长度大大依赖于某个光量到达检测器转换为电信号的时间和光信号转换为电信号之后的电子电路的时间常数。接下来从光源2开始依次将开关置为On或OFF，将光照射到被检测体上。
图1所示的光照射器和光感光器的配置方法是使这些光照射器和光感光器在2维平面上交错配置。图4显示了与该配置方法不同的配置方法的实施例子。图中401代表的白圈和402代表的白方块是光照射器，且403代表的黑圈和404代表的黑方决是光感光器。该图中白圈代表的光照射器和黑圈代表的光感光器以及白方块代表的光照射器和黑方块代表的光感光器均按同一间距配置。
由图4所示的光照射器和光感光器的配置方法至少可以得到下述4种光照射器和光感光器的组合。
第一种组合是用黑圈代表的光感光器检测白圈代表的光照射器发出并在生物组织内传播的光，图中用小白圈代表位于光照射器和光感光器中点的检测点。同理，第二种组合是用黑方块代表的光感光器检测白方块代表的光照射器发出并在生物组织内传播的光，用小白方块代表检测点。
与上述第一种和第二种组合不同，第三种和第四种组合是用黑圈和黑方块分别检测白方块和白圈代表的光照射器发出并在生物组织内传播的光。即这种构成中在光照射器和光感光器的组合的约中点位置上配置其它的光照射器或光感光器。这时光照射器和光感光器的间距是第一种组合及第二种组合的所示的光照射器和光感光器的配置间距的一半，用叉号(×)代表第三种和第四种组合得到的检测点。
图5代表了由图4所示的光照射器和光感光器的配置方法得到的检测点的分布。501代表图4所示的第三及第四种组合得到的检测点502的分布和这些检测点构成的区域503。同样504代表图4所示的第一及第二种光照射器和光感光器的配置方法得到的检测点505、506的分布和这些检测点构成的区域507。因为第三及第四种组合比第一及第二种组合的光照射器和光感光器的配置间距小，故通过插补后一组合的检测点的分布501得到的图像分布与前一组合得到的图像分布相比，可以显示被检测体更浅的区域。
图1及图4所示的光照射器和光感光器的配置方法中光照射器和光感光器在检测区域内均匀配置的。而且，最终可以在被检测体的浅层和深层图像化显示基本相同的检测区域。不过根据检测对象的不同，有时只需要特定区域上关于被检测体的生物体内代谢物质的深度信息。
因此，图6显示了可以解决这一问题的光照射器和光感光器的配置方法的实施例子。在该检测方法中，白圈代表的光照射器(如602)和黑圈代表的光感光器(如603)全部配置在被检测体601上，而白方块代表的光照射器(如604)和黑方块代表的光感光器(如605)则局部配置在被检测体601上。
图7显示了图6所示的光照射器和光感光器的配置方法的检测点的分布。701代表位于图6所示的组合3及组合4的光照射器和光感光器约中点位置的检测点702的分布，703代表位于图6所示的组合1及组合2的光照射器和光感光器约中点位置的检测点704的分布。
由图6可见，组合1和组合2所示的光照射器和光感光器的配置间距是组合3和组合4所示的光照射器和光感光器的配置间距的一倍，因此可以说与703所示的检测点的分布图相比，701所示的检测点的分布图可以显示被检测体更浅层的生物体代谢物质的浓度或其变化。与703所示的检测点的分布相比，701所示的检测点的分布是局部的，可以解决上述课题。
上述的图2、图5、图7中检测点在不同深度的位置不一定一致。因此图8显示了一个检测点在不同深度的分布都一致的光照射器和光感光器的配置方法的实施例子。图中白圈801、白方块802、白三角803分别是光照射器，分别用图中所示的黑圈804、黑方块805、黑三角806来检测。且807、808、809显示了光从各个光照射器到各个光感光器的线路分布。
图8所示的光照射器和光感光器的配置方法是各个光照射器和光感光器对称配置。且光照射器和光感光器中点处灵敏度最高，光照射器和光感光器的距离越大越能检测深层生物体内代谢物质的浓度或其变化，因此图8所示的检测方法中检测点810、811、812在纵向排成一列。
图9显示了基于图8所示的光照射器和光感光器的配置方法，能够得到检测点在纵向同一位置处的地形学图像的光照射器和光感光器的配置方法。光照射器和光感光器的组合同图8。该配置方法中，光照射器902，903，904和光感光器905，906，907以某个检测点901为中心线性对称地配置。因此，组合1、组合2、组合3得到的各检测点的分布是一致的。但由于各个组合的光照射器和光感光器的配置间距不同，因此如该图所示，被检测体的检测区域按组合1、组合2、组合3的顺序变深。
图8显示了线性对称地配置各个光照射器和光感光器的组合并检测生物体深部及浅部的结构，但本发明并不限于这样的结构。如图10所示，还可以将光照射器A-1、B-1、C-1和光感光器A-2、B-2、C-2以图中黑点(黑圈)所示的血流量变化的检测点为中心以点对称形式配置。
这时利用光感光器A-2检测光照射器A-1发出的光，同理用各个光感光器B-2、C-2检测光照射器B-1、C-1发出的光。为了更详细地提取出浅部和深部的信息，需要密集配置光照射器和光感光器，但图8所示的配置构成中其配置受到空间限制，与此相反，使用图10所示的实施例子，光照射器和光感光器配置的空间限制少，因此可以详细的提取出生物体内的信息。
基于上面给出的方法，下面给出一个在图面上显示检测深度不同的多个地形学图像的实施例子。图11所示的1001和1002分别代表图4所示的光照射器及光感光器得到的浅部和深部的地形学图像。
为得到这些图像，依据样条插补一类的推测方法，利用各检测点处求得的生物体内代谢物质的浓度或其变化制成图像。而且，如1005及1006所示，在各个图像1001、1002周围存在着提示各个图像检测哪一深度的信息。另外如图1007所示，还可求取不同深度的地形学图像的差分并进行显示。这时，例如1007所示的地形学图像表示检测区域1003和1004的差分，1008所示的检测区域必须是检测区域1003和检测区域1004的和集。
1009示出在1002及1002所示的地形学图像的基础上立体显示各地形学图像的实施例子。这时为明确不同深度的地形学图像的几何位置关系，增加一条1010所示的表示上下位置关系的垂直线。该垂直线1010在本实施例子中是虚线，但也可以是破折线、实线、粗线。
另外和1010不同的破折线1011对应显示了得到浅部(图11中标记为“距表面7.5毫米”)生物体内代谢物质浓度或其变化的最大值的位置和深部(图11中标记为“距表面15毫米”)的检测区域。该线1011属于与1010所示的显示上下位置关系的垂直线不同的线型。这是因为彼此的不同十分明确。
产业上可利用性
如上所述，基于本发明的生物体光学检测装置，可以检测从生物体表面开始的各个深度的、被检测体的生物体代谢物质的浓度及其变化，并把它图像化显示出来。
Claims (7)
1、一种生物体光学检测装置，其构成如下：
把多个光照射器和多个光感光器配置在被检测体上，其中上述光照射器向被检测体照射光，上述光感光器检测该光照射器发出的、在被检测体内传播的光，根据该光感光器检测到的信号，以该光照射器和该光感光器约中间位置为检测点，检测被检测体内代谢物质的浓度及其变化，其特征在于：
配置上述光照射器和上述光感光器，使得在检测被检测体内部浅层区域时，使用上述光照射器和上述光感光器小间距组合时的检测点，而在检测被检测体内部深层区域时，使用上述光照射器和上述光感光器大间距组合时的检测点。
2、一种生物体光学检测装置，其构成如下：
把多个光照射器和多个光感光器在横向和纵向交错地配置在被检测体上，其中上述光照射器向被检测体照射光，上述光感光器检测该光照射器发出的、在被检测体内传播的光，根据该光感光器检测到的信号，以该光照射器和该光感光器约中间位置为检测点，检测被检测体内代谢物质的浓度及其变化，其特征在于：
上述横向配置的上述光照射器和上述光感光器的位置间距与上述纵向配置的上述光照射器和上述光感光器的位置间距不同。
3、一种生物体光学检测装置，其构成如下：
把多个光照射器和多个光感光器配置在被检测体上，其中上述光照射器向被检测体照射光，上述光感光器检测该光照射器发出的、在被检测体内传播的光，根据该光感光器中的一个检测到的信号，以该光照射器中的一个和该光感光器中的一个的约中间位置为检测点，检测被检测体内代谢物质的浓度及其变化，其特征在于：
上述光照射器中的一个以外的任何一个及上述光感光器中的一个以外的任何一个的位置，配置成为上述的检测点。
4、一种生物体光学检测装置，其构成如下：
把多个光照射器和多个光感光器配置在被检测体上，其中上述光照射器向被检测体照射光，上述光感光器检测该光照射器发出的、在被检测体内传播的光，根据该光感光器检测到的信号，以该光照射器和该光感光器约中间位置为检测点，检测被检测体内代谢物质的浓度及其变化，其特征在于：
在上述光照射器和上述光感光器的第一种组合的约中点位置配置另一光照射器，在上述光照射器和上述光感光器的第二种组合的约中点位置配置另一光感光器。
5、如权利要求1、2、3或4所述的生物体光学检测装置，其特征在于：
具备图像化显示测量到的上述代谢物质浓度或其变化的装置。
6、一种生物体光学检测装置，其构成如下：
把多个光照射器和多个光感光器配置在被检测体上，其中上述光照射器向被检测体照射光，上述光感光器检测该光照射器发出的、在被检测体内传播的光，根据该光感光器检测到的信号，以该光照射器和该光感光器约中间位置为检测点，检测被检测体内代谢物质的浓度及其变化，其特征在于：
对称配置各种组合下的上述光照射器和上述光感光器，使得上述间隔不同的上述光照射器和上述光感光器的多种组合下的各个检测点在深度方向的位置都相同。
7、如权利要求6所述的生物体光学检测装置，其特征在于：
具备图像化显示上述被检测体的各个深度上的生物体内代谢物质浓度或其变化的装置。
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