生物組織の近赤外線窓

近赤外線( NIR )ウィンドウ(光学ウィンドウまたは治療ウィンドウとも呼ばれる) は、光が組織に最大深く浸透する650 ～ 1350 ナノメートル (nm)の波長範囲を定義します。^[1] NIRウィンドウ内では、散乱が光と組織の最も支配的な相互作用であるため、伝播する光は急速に拡散します。散乱によって組織内で光子が移動する距離が長くなるため、光子が吸収される可能性も高くなります。散乱は波長にほとんど依存しないため、 NIR ウィンドウは主に、短波長では血液による光吸収、長波長では水による光吸収によって制限されます。このウィンドウを使用する技術はNIRSと呼ばれます。蛍光画像誘導手術などの医療用画像技術では、深部構造を検出するために NIR ウィンドウがよく使用されます。

吸収係数（）は、単位経路長あたりの組織における光子吸収の確率として定義されます。^[2]異なる組織成分は異なる値を持ちます。さらに、は波長の関数です。以下では、組織における最も重要な発色団の吸収特性について説明します。モル吸光係数（）は、組織における光子吸収を表すために使用される別のパラメータです。 にモル濃度を掛け、ln(10) を掛けると、に変換できます。 ${\displaystyle \mu_{a}}$${\displaystyle \mu_{a}}$${\displaystyle \mu_{a}}$${\displaystyle \varepsilon \,}$${\displaystyle \varepsilon \,}$${\displaystyle \varepsilon \,}$${\displaystyle \mu _{a}\,}$

血液は 2 種類のヘモグロビンで構成されています。オキシヘモグロビン ( ) は酸素と結合しており、デオキシヘモグロビン ( ) は酸素と結合していません。これら 2 種類のヘモグロビンはそれぞれ異なる吸収スペクトルを示し、通常は図 1 に示すようにモル吸光係数で表されます。Hb のモル吸光係数は、420 ​​nm に最も高い吸収ピークがあり、580 nm に 2 番目のピークがあります。その後、光の波長が長くなるにつれてスペクトルは徐々に減少します。一方、は 410 nm に最も高い吸収ピークがあり、550 nm と 600 nm に 2 つの二次ピークがあります。光の波長が 600 nm を通過すると、吸収は Hb の吸収よりもはるかに速く減衰します。とのモル吸光係数スペクトルが交差する点は等吸収点と呼ばれます。 ${\displaystyle HbO_{2}}$${\displaystyle Hb}$${\displaystyle HbO2}$${\displaystyle HbO_{2}}$${\displaystyle Hb}$${\displaystyle HbO_{2}}$

2つの異なる波長を使用することで、次の式に示すように、 酸化ヘモグロビン（ ）と脱酸化ヘモグロビン（ ）の濃度を計算することができます。${\displaystyle C_{HbO2}}$${\displaystyle C_{Hb}}$

${\displaystyle \mu_{a}(\lambda_{1})=\ln(10)\varepsilon_{HbO2}(\lambda_{1})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon_{Hb}(\lambda_{1})C_{Hb}\,}$

${\displaystyle \mu_{a}(\lambda_{2})=\ln(10)\varepsilon_{HbO2}(\lambda_{2})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon_{Hb}(\lambda_{2})C_{Hb}\,}$

ここで、およびは2つの波長、および はそれぞれおよびのモル吸光係数、および はそれぞれ およびの組織内モル濃度です。酸素飽和度（ ）は次のように計算できます。 ${\displaystyle \lambda_{1}}$${\displaystyle \lambda_{2}}$${\displaystyle \varepsilon_{HbO2}}$${\displaystyle \varepsilon _{Hb}}$${\displaystyle HbO_{2}}$${\displaystyle Hb}$${\displaystyle C_{HbO2}}$${\displaystyle C_{Hb}}$${\displaystyle HbO_{2}}$${\displaystyle Hb}$${\displaystyle SO_{2}}$

${\displaystyle SO_{2}={\frac {C_{HbO2}}{C_{Hb}+C_{HbO2}}}}$

水は可視光の範囲ではほぼ透明ですが、近赤外線領域では吸収します。水は人体組織内で濃度が高いため、重要な成分です。250～1000 nm の範囲における水の吸収スペクトルを図 2 に示します。このスペクトル範囲での吸収はかなり低いですが、それでも組織の全体的な減衰に寄与します。

組織全体の吸収スペクトルにそれほど大きく寄与しない他の組織成分としては、メラニンと脂肪があります。

メラニンは、人間の皮膚の表皮層に存在する発色団で、有害な紫外線から保護する役割を担っています。メラノサイトが太陽放射によって刺激されると、メラニンが生成されます。^[7]メラニンは、一部の生物組織における光の主要な吸収体の 1 つです (ただし、その寄与は他の成分よりも小さいです)。メラニンには、黒褐色のユーメラニンと赤黄色のフェオメラニンの 2 種類があります。^[8]両方のタイプに対応するモル吸光係数スペクトルを図 3 に示します。

脂肪は組織の主要成分の一つで、組織の10～40%を占める。哺乳類の脂肪スペクトルは多くはないが、図4は豚の脂肪から抽出した例である。^[9]

光散乱は、細胞膜から細胞全体に至るまで、さまざまな組織成分の屈折率の不一致によって発生します。細胞核とミトコンドリアは最も重要な散乱体です。^{[11]それらの寸法は100 nmから6 μmの範囲であり、したがってNIRウィンドウ内にあります。これらの細胞小器官のほとんどは}ミー散乱領域に属し、高度に異方性の前方散乱を示します。^[12]

生物組織における光の散乱は散乱係数（）で表され、単位経路長あたりの組織における光子の散乱確率として定義されます。^[13]図5は散乱スペクトルのプロットを示しています。^[14]${\displaystyle \mu_{s}}$

深部生体組織における光の減衰は、次のように定義される有効減衰係数（）に依存する。 ${\displaystyle \mu_{eff}}$

${\displaystyle \mu _{\text{eff}}={\sqrt {3\mu _{a}(\mu _{a}+\mu '_{s})}}}$

ここで輸送散乱係数は次のように定義される。 ${\displaystyle \mu '_{s}}$

${\displaystyle \mu '_{\text{s}}=\mu _{s}(1-g)\,}$

ここで は生物組織の異方性で、代表値は 0.9 です。図 5 は乳房組織の輸送散乱係数スペクトルのプロットで、波長依存性は です。^[15]有効減衰係数は、深さ≫ 1/での光減衰を決定する主な要因です。 ${\displaystyle g}$${\displaystyle \lambda \,^{-0.7}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \mu_{\text{eff}}}$

NIR ウィンドウは、吸収係数スペクトルまたは有効減衰係数スペクトルに基づいて計算できます。NIR ウィンドウを選択するための可能な基準は、図 7 に示すように、これらのスペクトルの逆数の FWHM によって与えられます。

ヘモグロビンの総濃度に加えて、酸素飽和度によって組織内のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度が定義され、総吸収スペクトルが決まります。組織の種類に応じて、さまざまな状況を考慮することができます。以下では、ヘモグロビンの総濃度は 2.3 mM であると想定しています。

この場合、≈ 98% (動脈血酸素飽和度)。すると、図 6 (a) に示すように、総吸収 (黒) と有効減衰 (マゼンタ) 係数スペクトルで、酸素ヘモグロビンが優勢になります。「引用: 手の背静脈の特徴抽出のための異方性拡散フィルタ – Sarah Hachemi Benziane、Abdelkader Benyettou」 ${\displaystyle SaO_{2}\,}$

この場合、≈ 60% (静脈酸素飽和度)。すると、図 6 (b) に示すように、酸素ヘモグロビンと脱酸素ヘモグロビンは、総吸収 (黒) と有効減衰 (マゼンタ) 係数スペクトルに同様の寄与を持つことになります。 ${\displaystyle SvO_{2}\,}$

（組織酸素飽和度）（または（組織飽和指数））を定義するには、組織内の動脈と静脈の分布を定義する必要があります。動脈と静脈の血液量比は20％/80％を採用することができます。 ^[16]したがって、組織酸素飽和度は= 0.2 x + 0.8 x ≈ 70％と定義できます。 ${\displaystyle StO_{2}\,}$${\displaystyle TSI\,}$${\displaystyle StO_{2}\,}$${\displaystyle SaO_{2}\,}$${\displaystyle SvO_{2}\,}$

乳房組織における全吸収（黒）と有効減衰（マゼンタ）係数スペクトルを図 6 (c) に示します。また、有効浸透深度を図 7 にプロットします。

• 近赤外分光法
• 光学窓