特集 2 光脳機能イメージング 近赤外分光法 (NIRS) 信号の意味 東海大学医療技術短期大学看護学科 灰田宗孝 NIRS 開発の歴史近赤外分光法 (NIRS:Near Infra Red Spectroscopy) は 波長 700 2,500nmの光が 他の波長領域の光と比べ生体への透過性が高

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1 特集 2 近赤外分光法 (NIRS) 信号の意味 東海大学医療技術短期大学看護学科 灰田宗孝 NIRS 開発の歴史近赤外分光法 (NIRS:Near Infra Red Spectroscopy) は 波長 700 2,500nmの光が 他の波長領域の光と比べ生体への透過性が高いという特徴を生かした手法である これより長い波長領域は水の吸収帯に近づくため 生体への透過性が低下し 熱作用が強くなる また 波長の短い可視光はわれわれの視界を司る波長であり 生体への光の透過性は低い そのためわれわれには生体はよく見えることとなる NIRS を用いて生体内の諸物質の情報を得ようとの試みは かなり古くから行われていた 近赤外光は1800 年 イギリスの音楽家 Herschel によって プリズムで分光された太陽光の中に 見えない熱線 として発見されたが その測定はむずかしく 1962 年アメリカ農務省のK. Norris が重回帰分析を用いた穀物の近赤外スペクトルからの水分定量の可能性を報告し NIRS を用いた分析機器が開発されたのが始まりである 近赤外光の歴史については尾崎らの報告に詳しいが 1 2) その後 近赤外光の応用は農産物の非破壊検査法として発展してきた 一方 NIRS の源流となった生体分光計測の歴史は 1933 年 当時英国 Cambridge University の Physiological Laboratoryに所属していたアメリカ人研究者のGlenn A. Millikanが多波長分光法の基本的概念を明らかにし 1977 年にはNIRS による人間の脳の酸素飽和度の計測がスタートした 1991 年 われわれは日立メディコとともに 国際脳循環代謝学会にラット脳のヘモグロビン酸素化状態を画像化した近赤外光 CT 像を発表した 3) 1993 年には 複数の研究機関からNIRS による脳 活動計測の可能性が示された しかし 成人の頭部の断層像を近赤外光により得ることには困難をきわめた このような経緯のなか 1995 年 日立の研究グループはNIRS による世界初の脳活動の多点同時計測に成功し 無侵襲の状態で人間の脳の活動を動画像計測できることを示した この脳機能イメージング技術が 現在の日立の 光トポグラフィ へと発展している 4) NIRS 画像の原理 NIRS 画像は 近赤外光を用いて脳内のヘモグロビンの変化を多点で測定することで画像化する方法である CT のような断層像を得るものではない 基本的には 図 1に示すようにヘモグロビンの酸素化状態によりヘモグロビンの吸光係数の波長依存性が異なることを用いている つまり 異なった波長 たとえば640nmと830nm の近赤外光を用いることにより 脳内の酸素化ヘモグロビン (oxy Hb) と脱酸素化ヘモグロビン (deoxy Hb) そしてその和である全ヘモグロビン(total Hb) 量を連立方程式を解くことで求める装置である この場合 散乱による影響を 散乱係数が使用した波長の範囲で変化しない との仮定をおいて求めることが多い 散乱がない場合 通常の分光装置では強度 I 0 で入射した光が生体を通過し 検出強度 Iで検出されたとき Beer Lambertの法則による式 1により吸収係数 μが求められる μl= log(i/i 0 ) 1 ここでいうLは実際に光が進んだ距離 ( 光路長 ) である しかし この法則は希釈溶液でしか成り立たないとされ さらに脳の光機能計測の場合 892 映像情報メディカル 2009 年 8 月

2 特集 2 図 1 吸収係数と波長の関係 表 1 光脳機能測定装置を提供しているメーカおよび製品 製品名 メーカ 特長 マルチファイバアダプタシステムC9866 浜松ホトニクス 10 チャンネル 3 波長 ETG-4000 日立メディコ 最大 52 チャンネル ETG-7100 日立メディコ 最大 120 チャンネル OMN-3000 島津製作所 最大 120 チャンネル 生体は強い散乱体であるために 入射した光が生体内で散乱し 実際に光が進んだ距離 つまり光路長が特殊な工夫をしないと求まらない そのため 現在使われている装置はμLの積の形で提示するものが多い このことから 定量性がないといわれ 単位にmol/L をつけての表示はできず mol/l cm といった光路長を含んだ表示をしている 一般に吸収 μが大きくなると光路長 Lは短くなるので 積 μlで表示すると変化量は少なくなり コントラストが減少する しかし現在の実用機をみると 実用上は問題ない程度のコントラストは得られている 表 1に 現在光脳機能測定装置を提供している代表的国内企業の製品を示す 光トポグラフィという名称は日立メディコが最初に提唱したことから 日立メディコの製品のみこの名称を用いている 日立メディコは他社がこの名称を使用することを容認しているが 島津製作所は 近赤外イメージング装置 あるいは fnirs(functional Near Infrared Spectroscopy) 浜松ホトニクス は マルチファイバアダプタシステム とよび 光トポグラフィの名称は使用していない 浜松ホトニクスの製品は酸素モニタとして 日立メディコ 島津の装置は機能検査オキシメータとして医療機械としての承認を得ている 3 社の手法を総称するには 光脳機能測定 や NIRSといった名称が無難なようである また上記 3 社とは別に ベンチャー企業が新しい方式を用いた低価格の製品を開発したので それも紹介する NIRSの特長 NIRS を生体に応用する場合 光路長の測定のできる時間分解法や位相変調法による装置を用いれば 光路長を含めた絶対値を測定できる その場合は 脳血管障害の診断や手術などによる治療結果の判定に応用可能と思われるが それらの報告はまだ少ない 一方 脳機能測定にNIRS を応用する場合は 必ずしも絶対値が求まらなくても脳のどの部位が活性化したかを測定することは可 Vol.41 No.9 893

3 表 2 脳機能測定法 方法測定対象空気分解能時間分解能価格 PET 脳血流中低い高価 SPECT 脳血流中低い中 EEG 神経活動低い高い安価 MEG 神経活動高い高い高価 NIRS 脳血流低い高い安価 f-mri 脳血流高い中中 PET:Positron emission tomography SPECT:Single photon emission tomography EEG:Electro encephalography( 脳波 ) MEG:Magneto encephalography( 脳磁図 ) NIRS:Near infra-red light spectrometer( 近赤外法 ) f-mri:functional MRI 能である 今回の特集の目的はNIRS の実際的応用に焦点を当てていることから 脳機能測定などに用いられている装置を中心に説明する 現在 脳機能測定に用いられている方法を表 2 に示す 脳機能測定の方法には大別すると脳の神経活動そのものを測定する脳波 (EEG:Electro encephalography) 脳磁図(MEG:Magneto encephalography) と神経活動に伴う脳血流の変化を測定する陽電子放出断層撮影法 (PET:Positron emission tomography) 単一光子放出断層撮影法 (SPECT:Single photon emission tomography) 近赤外光分光法 (NIRS:Near infra red light spectrometer) 機能的核磁気共鳴断層法(f MRI:Func tional Magnetic Resonance Imaging) とに大別される 神経活動を測定する方法は 直接的である利点はあるが 信号強度が小さい欠点がある さらに EEG は空間分解能が低いこと MEG は非常に高価であること また操作がむずかしいことなどから あまり普及していない 後者の神経活動に伴う脳血流の測定による方法は 神経活動を直接測定するのではなく 間接的ではあるが信号変化が大きく検出しやすいことから 広く用いられている方法である 特にf MRI は その高い空間分解能と臨床機器を流用することで測定できることなどから 脳機能研究では広く用いられている PET は高価であることと SPECT は特殊な工夫を要すること 放射性物質を取り扱うことから 一般正常人を対照とした研究には向かないなどの欠点がある またf MRIやPET SPECTは測定時の体位に制約があり 自由な姿勢での測定はできない 一方 まだあまり普及はしていないが NIRS による測定には以下に示すような大きな特長がある 1 被験者の体の位置や向きに制約を課さない 2fMRIのような大きな音といった障害がない 3 近赤外光というまったく生体に無害な光を使うことなどから 安全性が高く 正常人や小児 乳幼児にくり返し測定することが可能 4 操作に臨床放射線技師 臨床検査技師といった資格を必要としない 5 比較的安価である 6 操作しやすい 欠点としては以下がある 1 得られた結果の解釈がまだ完全には確立されていない 2 定量性がないとの批判がある 3 空間分解能が低い 4 脳内のヘモグロビン変化を検出しているので 神経活動の早い変化を検出することができない 5 老人や脳血管障害など 脳の動脈硬化がある対象では結果の解釈に注意を要する NIRSによる脳機能測定通常 脳はある仕事を遂行すると代謝が亢進す 894 映像情報メディカル 2009 年 8 月

4 特集 2 図 2 光脳計測方法 ( 日立メディコホームページより ) る たとえば代謝が10% 亢進したとき 脳血流はそれに伴い40% 位増加するといわれている 脳血流を測定して脳機能を測定する方法は すべてこの大きな脳血流の増加を利用して測定しようとするもので NIRS による脳機能測定も その原理に基づいている ( 神経活動と脳血流との関係はここでは誌面の関係から省略する ) 脳血流を用いた脳機能測定は 脳血流の増加する範囲が脳の神経活動の亢進した部位より広いという特徴があり 結果として得られた活性部位は広くなる このことと光計測装置の低い空間分解能とを合わせると 光で計測した脳活動部位はかなり広いものとなる したがってピンポイントの活動部位の議論には適さない 光脳計測での注意事項光を用いた装置では光路長の測定をしていない装置が多く ヘモグロビンの絶対値が求まらないことはすでに述べた しかし このような欠点を有する近赤外光法でも 絶対値を必用としない応用法を考えれば 十分に使用に耐え得る それが脳機能測定への応用である 実際には以下の工夫のもとに脳機能測定を行うのが通常である たとえば あるタスクをかける前の状態を記録しておき タスクをかけたときの値から引き算することで 変化しない部分の情報を除外するようにする このような処理は 近赤外光法により脳機能を測定する場合には常に留意しておく必要があり そ の理由を以下に述べる 通常の測定で行われるように 頭皮に光源と検出ファイバを3cm 程度の間隔で設置して測定した場合 光源のファイバから出た光は 頭皮 ( 頭髪 ) ( 筋肉 ) 頭蓋骨 髄液 脳 髄液 頭蓋骨 ( 筋肉 ) 頭皮 ( 頭髪 ) と種々の部位を散乱しながら通過してくる ( 図 2) 特に頭皮や頭蓋骨板間には血液が存在するので 得られた信号にはこれらの脳以外の血液の吸収も含まれている そこで 前述のタスク前とタスク中の信号の差をとることは タスクによって変化した部分のみを抽出することとなる つまり タスクにより変化するのは通常の測定では脳のみであることから 脳以外の部分の吸収の影響を除去できることとなる もしこのような差をとらないと 測定して得られた信号は上述のすべての部位の信号を加味したものとなり 得られた信号の解釈がむずかしくなる このことは たとえ絶対値を測定できる装置を用いても同様である 測定値に脳以外の組織のヘモグロビンの信号が混入している状況には変わりがないからである 差のとり方には 大きく分けて2 つの方法があり それがブロックデザインと事象関連法 (event related design) である ( 図 3) ブロックデザインはタスクの平均値とコントロールの平均値をそれぞれ求め 両者の差を信号とする方法で タスクをコントロールしやすい場合に用いる たとえば場合として単純計算をさせる 字を書かせる 被験者に指示をしたり音を聞かせたりするもので Vol.41 No.9 895

5 図 3 差のとり方 ある一定時間タスクをかけ続けることが可能な場合に適する この方法はデータ処理をしやすい利点があり よく用いられる しかし被験者による予測がみられ タスク開始のタイミングより早く脳からの信号が現れることがある タスク開始と脳の反応とのタイミングを検討するには向かないが 脳のどの部分が活性化したかという 活性化部位の局在を調べる場合には問題がない 一方 ある図形が出たらボタンを押す またはある音が聞こえたらボタンを押すなど いつ必要な事象が現れるか被験者にわからない状態での測定を行うようなタスクには event related design が適している この場合は 事象よりも前の数秒から数十秒の平均値をコントロールとし 事象の後に現れる信号から差し引く データ処理は多少煩雑となるが かなり高度なタスクをかけることができ 脳の高次機能の測定に向く いずれにしても このように必要とする信号とコントロールとの差をとることにより タスクに より脳に引き起こされた変化のみを抽出することが可能であり また必ず行わなければならない操作でもある 光脳機能測定において得られた信号の意味づけに関しては拙著を参照してほしい 5) 結果のみを概説すると NIRS によって得られた信号は以下の特徴を有するといえる 1 主として毛細血管内のヘモグロビンの情報であり 太い動静脈内のヘモグロビンの情報は吸収が強すぎて見えていない 2 脳血流の増加は血管床の増加 もしくは毛細血管レベルでの血流速度の増加によりなされる 3total Hb の増加は血管床の増加のみを反映し 血流速度の変化には関係しない 4oxy Hb の増加は血管床の増加と速度の増加を反映する 5deoxy Hbの低下は血流速度の増加を反映する などが挙げられる 以上 NIRS 発展の歴史と光脳機能測定の原理について概説した 参考になれば幸いである 参考文献 1) 尾崎幸洋 ( 編 ): 近赤外分光法. 学会出版センター, 東京, ) 尾崎幸洋ほか : 分光研究 53(1): 43, ) Shinohara Y et al: Hemoglobin oxygen saturation image of rat brain using near infrared light. J Cereb Blood Flow and Metabolism 11(supple 2): S459, ) 日立メディコ : hitachi.co.jp/products/ot/about/ history. html 5) 灰田宗孝 : 脳機能計測における光トポグラフィ信号の意味. Medix 36: 17 21, ) 灰田宗孝 : NIRS( 信号変化の原理と臨床応用 ). 脳循環代謝 17(1): 1 10, 映像情報メディカル 2009 年 8 月

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