第３１回神戸バイオサイエンス研究会

日　時：平成１６年６月２３日（水）１７時３０分～１９時

場　所：神戸大学医学部神緑会館多目的ホール

テーマ：近赤外分光法による生体診断

司　会：ツェンコヴァ　ルミアナ

　　　　　　　　（神戸大学農学部バイオシステム工学講座助教授）

演　題：

１．「Near Infrared SpectroSCOPY - A Nondestructive Method for Bio monitoring and Bio diagnosis」

　　　　　　　　　　　　　神戸大学農学部バイオシステム工学講座

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　助教授　ツェンコヴァ　ルミアナ

２．「近赤外光による脳計測」

　　　　　　　　　　　　　　　情報通信研究機構　関西先端研究センター　脳情報グループ

　　　　　研究員　江田　英雄

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　後援：神戸大学バイオ推進研究会

講演概要：

１．「Near Infrared SpectroSCOPY - A Nondestructive Method for Bio monitoring and Bio diagnosis」

R.N. Tsenkova

Associate Professor, Bio system Engineering, Faculty of Agriculture, Kobe University

NIR spectroscopy (NIRS) combined with advanced computer aided multivariate analysis is a new, non-invasive analytical technique with high potential for investigation of biological systems. Recently, multivariate analysis and artificial intelligence, together with, very rapidly developing computer technique have contributed to the worldwide spread of NIR technology.

The near-infrared part of the spectrum, 600-2500 nm, has been widely used to measure chemical composition and, recently, for non-destructive, real – time monitoring at molecule level in biological systems. It has the advantage that water absorption becomes relatively weak and overtones of various hydrogen bonds in the solute can be observed simultaneously. Moreover, the wavelength range used is of low energy and thus has little effect on the studied object. Water absorbance patterns (WAPs) of a biological system, in the Visible and NIR ranges, are proposed to be used as “Extended Water Mirror” that reflects details about the structure and composition of bio-molecules in aqueous solution.

Biological systems are very complex, multidimensional, with numerous changes in time.　Substantial evidences have been presented to demonstrate that NIR spectroscopy is a convenient, noninvasive, time and cost saving, and reliable method for monitoring animal’s health, for inflammation and stress prognosis/ diagnosis, and for analyzing the interrelation between respective body fluids and the tissue of a living object. New methods for NIR spectral data analysis, as chemometrics, two dimensional correlation spectroscopy (2DCOS), wavelets, neural networks etc., have been discussed as valuable tools for dynamic biological studies based on individual spectra acquired in time series.

Reference

1. 1. R. Tsenkova, S. Atanassova, S. Kawano, and K. Toyoda. “Somatic cell counts determination in cow's milk by near-infrared spectroscopy: A new diagnostic tool”. J. Anim. Sci. 79:2550-2557. 2001.　

2. 2. R. Tsenkova, S. Atanassova, and K. Toyoda, “Near Infrared Spectroscopy for Diagnosis: Influence of Mammary Gland Inflammation on Cow’s Milk Composition Measurement” Near Infrared Analysis, Vol.2, No.1, pp59-66, 2001.

3. 3. Jian-Hui Jiang, RoumianaTsenkova, Yuqing Wu, Ru-Qin Yu, and Yukihiro Ozaki. “Principal DiscriminantVariate Method for Classification of Multicollinear Data: Applications to Near Infrared Spectra of Cow Blood Samples”. Applied Spectroscopy. Vol.57, pp.1223-1229, 2003

4. 4. R. Tsenkova, Method and Instrumentation for Mastitis Diagnosis by NIRS, International Patent (PCT) No. 347283, 2003.

２．「近赤外光による脳計測」

　　　　　情報通信研究機構関西先端研究センター脳情報グループ　研究員　江田　英雄

近赤外光による計測装置開発の歴史

　波長800nm付近の近赤外域の光を用いて生体を計測する手法は1977年にScience誌に発表されたF.Jobsisの論文から始まるとされている。彼はその論文で、ネコの頭部を透過してきた光が検出できること、及び、その光吸収の情報から脳の酸素情報が得られることを示し光生体計測（もしくは近赤外分光法）研究の先駆けとなった。そして1980年代に、一組の光照射（複数の波長）と検出器を持つ装置が製品化された。このシステムは酸素モニタ（生体の酸素情報を得るという意味で）と呼ばれ現在に至る。技術的には、定常光源を用いた光強度検出技術から、パルス光を用いた時間分解検出技術、強度変調光を用いた位相検出技術などが次々に開発されていくことになる。

近赤外分光法研究開発の一つの流れは、次のステップとしてイメージングを目指した。そして1999年に複数の照射検出を備えた世界初の光ＣＴ（拡散光トモグラフィー）装置が完成した。これは世界に先駆けて通産省プロジェクト（当時）としてスタートした研究の成果であり大変注目されたものである。島津製作所と浜松ホトニクスとが開発に参加した。一方、光ＣＴと同時期に日立製作所が光トポグラフィーを製品化し、脳機能研究を対象とする方向性を明確にした。これは脳研究現場からの高い支持を受け、広く普及して、現在に至る。

医療診断装置としての位置付け

　他の医用画像装置に目を向けると、1973年には、HounsfieldがX線CTシステムに関してBritish Journal of Radiology誌に論文を発表し、その後すぐAmbroseらによってX線CTによる頭部画像が発表されている。また同じく1973年にはLauterburがMRIイメージングの基礎に関してNature誌に論文を発表し、1978年にEMI社から脳のMRI画像が報告されている。X線CTとMRIはいずれもノーベル賞を受賞し、臨床現場でも活躍している。光計測システムはこれらと比べると多少若い程度であるが、普及の程度は比べ物にならないほど低いと言わざるを得ない。X線CTやMRIと同じような使われ方をするには今後何らかのブレークスルーが不可欠であると考えられる。

脳活動計測システム

　脳は神経活動に始まり、代謝物質の移動、血行動態の変動というプロセスで活動する。神経活動は数ミリ～数十ミリ秒のオーダで進行し、これに関係した信号は脳波と脳磁図とで計測できる。血行動態は数秒のオーダで進行し、これに関係した信号は機能的磁気共鳴イメージングと光計測とで計測できる。代謝物質の一部はポジトロンＣＴで計測できる。

光以外の計測システムは、脳の活動源がそのままそれぞれの信号源でありうる。しかし光の場合には信号源つまり光源は頭皮上にあるので、光計測システムは「脳活動によって変化する光伝播の様子」を計測するという、計測的には不利な点を特徴とする。検出点だけでなく光源との組み合わせによってデータを得るために、その光源と検出点との距離がデータの空間分解能の制約となってしまう。この距離は通常で数センチメートルに設定されるため、マッピングを目的とする脳研究の中にあって光による計測装置は「微妙な使われかたをしている」感は否めない。

しかし、大脳生理学の基礎的な検討、小児や未熟児の計測、運動時の計測など、光でしか計測できないこともあり、新たな応用が検討されている。