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 Scattered light from non-moving particles and static material
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、粒子の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。
Fig.2 Scattered light from moving particles and static material
FLOW = ∫ωP(ω)dω (1)
ここで、ωは角周波数、P(ω)はパワースペクトルです。
レーザー光源は小型長寿命である半導体レーザーで、酸素化赤血球と脱酸素化赤血球での光吸収の差が少ない780nm波長を用いています。
Fig3 にOMEGAFLO-EXのブロック図を示します。基本的にはレーザー光源、光検出器、光電変換回路、A/Dコンバータとコンピュータだけで構成されています。電源はコンピュータのUSB端子から供給されます。
Fig.3 Block diagram of OMEGAFLO-EX
光電変換された信号S(ω)はA/Dコンバータを通じてコンピュータに入力され、(1)式の演算を行って血流量を求めます。パワースペクトルはFFT(Fast Fourier Transform)によって得られます。FFTのデータ取り込みに要する時間、Tc、は(2)式で示されます。
Tc= N / (2・Fd) (2)
Nは検出点数、Fdは周波数範囲です。検出周波数範囲が50KHzで検出点数が5,000点の場合、Tc = 0.05秒になります。
コンピュータに表示される画面をFig.4に示します。中央のグラフは血流量の時間変化波形を示し、グラフの右枠内に血流量(FLOW)の値を表示します。
Fig. 4 Computer display of Laser blood flowmeter
電子回路によるノイズにより、血流値にオフセットが生じます。このオフセット分を自動的にゼロにする機能(Auto Zero Null)がOMEGAFLO-EXに設けてあります。電子回路ノイズに生じるパワースペクトルの1次モーメント、∫ωPnoise(ω)dω、は(3)式で表されます。
∫ωPnoise(ω)dω = ( A + B × I) × fd(ω) (3)
ここでAはレーザー光を受光しないときの暗電流等によるノイズ分、Bは受光強度に比例するショットノイズ等の係数、Iは受光強度、fd(ω)は演算角周波数帯域の関数です。この式から求められた値を(1)式から減算することで、オフセット分を除去しています。
鹿嶋 進、コンピュータベースFFT型レーザー血流計、BIO Clinica、27, 1348, 2012.
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