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。

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)

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。

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。