マルチセンサ方式を導入した携帯可能な近赤外組織酸素モニタの開発

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08558090
• Research Institution: HOKKAIDO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 山本 克之 北海道大学, 大学院工学研究科, 教授 (10088867)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 志賀 利一 オムロンライフサイエンス研究所, 研究員 ; 工藤 信樹 北海道大学, 工学研究科, 助手 (30271638) ; 高橋 誠 北海道大学, 工学研究科, 助教授 (10154858) ; 清水 孝一 北海道大学, 工学研究科, 教授 (30125322)
• Keywords: 近赤外光 / 組織酸素モニタ / 筋組織 / 脂肪層 / モンテカルロシミュレーション / 組織光学特性

Research Abstract

前年度までに試作した近赤外光を用いた生体組織代謝モニタ装置について,以下の検討を行った.
●皮膚の影響の除去:皮膚および皮膚血流による光吸収も測定誤差の要因となる可能性があることから,皮膚を含む3層モデルのモンテカルロシミュレーションを行い,皮膚および皮膚血流の影響を推定した.その結果,送光器から3mmの位置に新たな近接受光器を配置し,吸光度データに差動法を適用することにより,皮膚および皮膚血流の影響のみを除去できることが示された.その結果を基に,新たに3〜40mmの距離に8個の受光器を配置したマルチセンサ方式のプローブを試作し,有効性を確認した.
●近赤外組織酸素モニタの有用性確認:本研究で開発した装置ならびに皮下脂肪厚補正法の有効性を検証するため,日本オリンピック委員会の協力を得てノルディック複合選手(11名)の筋組織酸素供給能力を測定し,一般成人と比較した.その結果,一流選手では一般成人に比し,筋組織酸素濃度の回復速度が1.7倍速く,運動負荷時の酸素供給能力に優れていることが示され,本装置による組織代謝量の定量的評価の有用性が実証された.
●生体組織の光学特性の計測:酸素濃度変化の絶対量を知るためには平均光路長,特に筋組織中の平均光路長が必要となる.筋組織中の平均光路長は,脂肪厚に最も大きく依存するが,筋組織中の光吸収係数と光散乱係数にも依存する.ピコ秒パルスレーザとストリークカメラを用いた時間分解測定を前腕で実施し,脂肪層の影響を含まない筋組織のみの光学特性を決定した.

Research Products

• [Publications] 中井達也: "吸収の大きい散乱媒質中における光拡散方程式の拡散係数" 電子情報通信学会論文誌. 81. 81-88 (1998)
• [Publications] T.Nakai: "Expression of optical diffusion coefficient in high-absorption turbid media" Electronics and Communication in Japan,Part2. 81(11). 34-41 (1998)
• [Publications] 庭山雅嗣: "近赤外光を用いた近組織酸素計測による酸素供給能力の評価法の検討-ノルディック複合選手と一般成人の比較,及び高所トレーニング前後の比較-" 平成9年度日本オリンピック委員会医・科学研究報告JOC高所トレーニング医・科学サポート. 7. 22-26 (1998)
• [Publications] 庭山雅嗣: "近赤外光を用いた筋組織酸素計測における脂肪層の影響とその補正" 医用電子と生体工学. 36. 41-48 (1998)
• [Publications] K.Yamamoto: "A near-infrared muscle oximeter that can correct the influence of a subcutaneous fat layer" Proceedings of SPIE. 3257. 146-155 (1998)
• [Publications] L.Lin: "Two-layered phantom experiments for characterizing the influence of a fat layer on measurement of muscle oxygenation using NIRS" Proceedings of SPIE. 3257. 156-166 (1998)
• [Publications] 庭山雅嗣: "近赤外光を用いた筋組織酸素計測における脂肪層及び皮膚の影響" 電子情報通信学会 技術研究報告. MBE98-37. 81-88 (1998)
• [Publications] 庭山雅嗣: "近赤外光を用いた筋組織酸素計測による酸素運搬能の定量的評価法の検討" 第13回生体・生理シンポジウム論文集. 97-100 (1998)
• [Publications] M.Niwayama: "Correction of the influence of a subcutaneous fat layer and skin in a near-infrared muscle oximeter" Proceedings of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 20. 1845-1846 (1998)
• [Publications] M.Niwayama: "Quantitative measurement of muscle oxygenation by NIRS : Analysis of the influence of a subcutaneous fat layer and skin" Proceedings of SPIE. (in press). (1999)