(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある生体の一部と接触し，前記生体からの散乱光を受光する第１のレンズ（１１）と，
前記第１のレンズ（１１）を通過した光が照射する第２のレンズ（１２）と，
複数の単心ファイバ（１４）から構成されたバンドルファイバ（１３）と，を有し，
前記第２のレンズ（１２）は，前記第１のレンズ（１１）に入射した前記散乱光の入射角及び方位角に応じて，前記第１のレンズ（１１）を通過した光を，前記バンドルファイバ（１３）を構成するいずれかの前記単心ファイバ（１４），又はその周囲に配置された単心ファイバを含む単心ファイバ群に集光させ，
これにより前記散乱光の角度分布を計測する，生体光計測用プローブ装置。
【請求項２】
前記第１のレンズ（１１）の面のうち，少なくとも前記生体と接触する面が平面である，
請求項１に記載の生体光計測用プローブ装置。
【請求項３】
前記第１のレンズ（１１）の口径は，前記バンドルファイバ（１３）の直径より小さい，
請求項１に記載の生体光計測用プローブ装置。
【請求項４】
前記第２のレンズ（１２）と前記バンドルファイバ（１３）の先端部とは，密着しており，
前記第２のレンズ（１２）の面のうち前記バンドルファイバ（１３）の先端部と密着する面は平面である，
請求項１に記載の生体光計測用プローブ装置。
【請求項５】
前記バンドルファイバ（１３）の先端部は中心部分が盛り上がった形状を有し，これにより前記バンドルファイバ（１３）の先端部は前記第２のレンズ（１２）として機能する，
請求項１に記載の生体光計測用プローブ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，生体光計測用プローブ装置に関する。より詳しく説明すると，本発明は，生体と接触する第１の光学素子及び第２の光学素子を経由して，バンドルファイバへ散乱光が伝搬する生体光計測用プローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＩＲＳ（Ｎｅａｒ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は，近赤外光を皮膚の上から照射して生体内部を非侵襲的に計測する装置である。ＮＩＲＳは，例えば，脳機能計測装置として用いられる。脳機能計測装置は，複数の波長の近赤外光を頭部に照射し，散乱光の強度分布やその時間変化を検出する。これにより脳機能計測装置は，脳活動に伴うヘモグロビンの濃度変化を分析でき，脳活動の部位と活動の大きさを解析できる。
【０００３】
ＮＩＲＳなどの生体光計測装置の光源は，波長が６９０，７８０，８００，８３０ｎｍなどの近赤外光が用いられることが多く，これらの波長は水による吸収が少なく，ヘモグロビンによる吸収が顕著であるという点において共通している。ヘモグロビンには酸素と結びついた酸素化ヘモグロビンと、酸素と結びついていない還元ヘモグロビンの２種類があり、これらの吸収スペクトルは互いにわずかに異なっているため，上記の波長の中から少なくとも２種類を選んで同時に計測し，連立方程式を解くことによって，酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度比を推定することができる。
【０００４】
上記の近赤外光の光源には半導体レーザが用いられることが多い。近赤外光を用いて脳機能を計測する場合は、半導体レーザからの出力光を単一モードファイバ，あるいはマルチモードファイバからなる送光ファイバを用いて頭部の所望の部位まで導き，ファイバの先端を，頭髪を避けるようにして頭皮表面に密着させてレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は，頭皮，頭蓋骨，脳脊髄液を通過して大脳灰白質へと至るが，その過程で主にヘモグロビンによる吸収と，生体組織による強い散乱を受ける。このため，頭部組織中を伝播する光の一部は散乱光として頭皮から外部へ放射される。そこで，送光ファイバから数ｃｍ離れた頭皮上に散乱光を受光するための受光プローブを設ける。すると，この散乱光を検出することができる。検出された散乱光には，大脳灰白質でのヘモグロビンの濃度変化の情報が含まれている。１組の送光ファイバ・受光プローブによって，それらに挟まれた部位の脳活動を計測できる。
【０００５】
特開平１１−２９９７６０号公報には，脳活動計測装置が開示されている。この公報の図１に示されるように，この脳活動計測装置は，脳表面と空間を隔てて設けられた光学系を用いて脳表面の光学像をＣＣＤカメラ上に結像するものである。
【０００６】
特開２００２−２４３６４１号公報には，生体機能測定装置が開示されている。この公報の図１に示される通り，この生体機能測定装置は，測定対象である脳表面，あるいは脳表面から極浅い部位の光学像を検出用ファイバ端に結像する構成になっている。
【０００７】
特開２００９−１３６４３４号公報には，光計測装置が開示されている。この光計測装置は，従来よりも多数の受光プローブを有し、受光プローブ間の検出信号の差分に基づいてヘモグロビンの濃度変化を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９９７６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３６４１号公報
【特許文献３】特開２００９−１３６４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
脳機能を計測するための生体光計測用プローブ装置は，受光プローブの先端を頭皮に直角に押し当てた状態で固定して使用される必要がある。また，従来の生体光計測用プローブ装置は，散乱光のうち，プローブの光軸に沿って入射する光を検出する構造になっている。このため，従来のプローブ装置では，頭皮に対して直角方向に放射される散乱光の成分しか検出できず，散乱光強度の角度分布を計測することができなかった。
【００１０】
散乱光の角度分布が計測できれば，１個の受光プローブだけでも脳活動部位の位置に関してより多くの情報が得られるようになるため，脳活動部位の計測精度を向上させることができる。そこで，本発明は，散乱光の様々な角度成分を検出でき，扱いやすい生体光計測用プローブ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また，従来の生体光計測用プローブ装置は，頭皮血流の影響を必ずしも排除して脳活動を計測することができなかった。このため，上記の特開２００９−１３６４３４号公報のように1つの送光ファイバに対して複数の受光プローブを有する装置が開発されている。この装置は，受光プローブ間の出力信号の差分を計測することにより，頭皮血流の影響を排除して脳活動を計測することができる。しかしながら，この装置は，多数の受光プローブを，頭皮に固定する必要がある。このため，1つの送光ファイバに対して複数の受光プローブを有する装置は被験者への負担が大きく，扱いにくい。  
【００１２】
このため，本発明は，プローブの数を増やすことなく，頭皮血流の影響を排除して脳活動を計測できる生体光計測用プローブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は，生体光計測用プローブ装置に関する。そして，この生体光計測用プローブ装置は，図１に示されるように、第１の光学素子１１と，第２の光学素子１２と，バンドルファイバ１３とを有する。
【００１４】
第１の光学素子１１は，ある生体の一部と接触し，生体からの散乱光を受光する光学素子である。第２の光学素子１２は，第１の光学素子１１が集光した光が照射する光学素子である。バンドルファイバ１３は，複数の単心ファイバ１４を有する。そして，バンドルファイバ１３には，第２の光学素子１２が集光した光が照射される。
【００１５】
本発明は，生体と接触する第１の光学素子１１及び第２の光学素子１２を経由して，バンドルファイバへ散乱光が伝搬する。光学素子１１及び光学素子１２に開口数の大きな光学素子を用いることにより、これらの光学素子を用いない場合と比較して、受光プローブの開口数を実効的に大きくすることができる。これにより本発明の生体光計測用プローブ装置は，従来よりも高い検出効率が得られる。さらに，生体と接触する第１の光学素子１１の口径を小さくできるため，生体への負担を軽減できる。
【００１６】
さらに本発明は，第１の光学素子１１への入射角θ及び方位角φの散乱光を，バンドルファイバ１３を構成する単心ファイバ１４にマッピングすることにより，（θ，φ）方向からの散乱光成分を，例えば，バンドルファイバの中心からの距離をｒとする極座標が（ｒ，φ＋π）に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように，本発明によれば，散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。
【００１７】
本発明の好ましい態様は，第１の光学素子１１の面のうち，少なくとも生体と接触する面が平面である。これにより生体の皮膚と第１の光学素子１１との密着性を高めることができる。そして，第１の光学素子１１の面のうち生体と接触する面が平面であることにより，第１の光学素子１１を生体に固定した際に，生体に不必要な圧力を与えることなく，安定する。
【００１８】
本発明の好ましい態様は，第１の光学素子１１の口径が，バンドルファイバ１３の直径より小さい。この態様の生体光計測用プローブ装置は，生体と接触する第１の光学素子１１の口径を小さくできるため，生体への負担を軽減できる。
【００１９】
本発明の好ましい態様は，第２の光学素子１２とバンドルファイバ１３の先端部とが，密着しているものである。そして，第２の光学素子１２の面のうちバンドルファイバ１３の先端部と密着する面は平面である。このような構成を採用するため，この生体光計測用プローブ装置は，第２の光学素子１２とバンドルファイバ１３との間の相対位置が定まりやすく、機械的にも安定する。
【００２０】
本発明の好ましい態様は，バンドルファイバ１３の先端部が，中心部分が盛り上がった形状を有し，これによりバンドルファイバ１３の先端部が第２の光学素子１２として機能するものである。
【００２１】
本発明の好ましい態様は，第１の光学素子１１が，入射光を透過させる窓である。すなわち，第１の光学素子１１は，散乱光のうち、光学素子１１に入射する光を集光することなく，第２の光学素子１２へ伝える。
【００２２】
本発明の好ましい態様は，第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とが，ひとつの光学素子からなるものである。
【００２３】
本発明の好ましい態様は，バンドルファイバ１３は，複数の単心ファイバ１４を有する。そして，この態様の生体光計測用プローブ装置は，第１の光学素子１１のＦ値をＦ１とし，単心ファイバ１４の開口数をＮＡとすると，以下の式Ｉの関係を満たす。
【００２４】
Ｆ１≦１／（２ＮＡ）          式Ｉ
【００２５】
本発明の好ましい態様は，上記したいずれかの生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システムに関する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は，生体と接触する第１の光学素子１１及び第２の光学素子１２を経由して，バンドルファイバへ散乱光が伝搬する。光学素子１１及び光学素子１２に開口数の大きな光学素子を用いることにより、これらの光学素子を用いない場合と比較して、受光プローブの開口数を実効的に大きくすることができる。これにより本発明の生体光計測用プローブ装置は，従来よりも高い検出効率が得られる。さらに，生体と接触する第１の光学素子１１の口径を小さくできるため，生体への負担を軽減できる。
【００２７】
さらに本発明は，第１の光学素子１１への入射角θ及び方位角φの散乱光を，バンドルファイバ１３を構成する単心ファイバ１４にマッピングすることにより，（θ，φ）方向からの散乱光成分を，例えば，バンドルファイバの中心からの距離をｒとする極座標が（ｒ，φ＋π）に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように，本発明によれば，機械的に可動な機構を用いなくても，散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。
【００２８】
本発明は，頭皮血流の影響を排除して脳血流を計測できる生体光計測用プローブ装置を提供することができる。
【００２９】
本発明の生体光計測用プローブ装置の機構を送光ファイバにも適用することで，機械的に可動な機構を用いなくても，入射光の照射方向を変化させることができる。本発明の生体光計測用プローブ装置の機構を受光プローブ側のみならず，送光ファイバ側にも適用することで，照射条件の異なる多数の計測データが得られるようになるため、計測精度を高めることができ、きわめて有用な生体光計測システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は，本発明の生体光計測用プローブ装置の構成図である。
【図２】図２は，本発明の受光プローブの概略図である。
【図３】図３は，受光プローブの座標系を説明するための図である。
【図４】図４は，実施例１の生体光計測用プローブ装置を示す図である。
【図５】図５は，実施例２の生体光計測用プローブ装置を示す図である。
【図６】図６は，参考例３の生体光計測用プローブ装置を示す図である。
【図７】図７は，参考例４の生体光計測用プローブ装置を示す図である。
【図８】図８は，送光ファイバと受光ファイバの位置関係および散乱光の光路分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は，本発明の生体光計測用プローブ装置の構成図である。図１に示されるように，この生体光計測用プローブ装置は，第１の光学素子１１と，第２の光学素子１２と，バンドルファイバ１３とを有する。そして，バンドルファイバ１３は，複数の単心ファイバ１４を含む。図中符号１５は，ハウジングである。ハウジングは，第１の光学素子１１の側面と，第２の光学素子１２とを覆い，第１の光学素子１１の窓面以外から光が入射することを防止する。ハウジングの例は保護シースである。図中符号１６は，検出器を示す。それぞれの検出器は，たとえば，図示しないコンピュータに接続されている。そのため，検出器が検出した情報に基づいて，コンピュータは各種演算処理を行い，希望する解析結果を得ることができる。図中１７は，生体からの散乱光を示す。
【００３２】
生体光計測用プローブ装置は，例えば脳機能計測装置を含む生体光計測システムに用いられるプローブ装置である。生体光計測システムは，たとえば，送光ファイバと受光ファイバとを含む。本発明の生体光計測用プローブ装置は，受光ファイバの先端に設けられる。一方，送光ファイバも，本発明の生体光計測用プローブ装置と同様の構成を有していても良い。すなわち，送光ファイバが，第１の光学素子と，第２の光学素子と，バンドルファイバとを有していても良い。以下，本明細書において様々な態様の生体光計測用プローブ装置を説明する。そして，送光ファイバ側に設けられる光学系は，以下に説明する生体光計測用プローブ装置と同様の光学系を有していても良い。
【００３３】
第１の光学素子１１は，ある生体の一部と接触し，生体からの散乱光を受光する光学素子である。この光学素子の例は，脳機能計測装置の受光プローブにおけるものである。ある生体の一部の例は，被験者の頭皮である。頭皮に生体光計測用プローブ装置を固定することで，たとえば脳の状態を検査することができる。
【００３４】
第１の光学素子１１の例は，レンズ又は光学窓である。レンズは，正の屈折力を持つことが好ましい。第１の光学素子１１が正の屈折力を持てば，バンドルファイバに向けて生体からの散乱光を集光することができる。第１の光学素子１１は，球面レンズであってもよい。また，第１の光学素子１１は，非球面レンズや魚眼レンズであってもよい。また、第１の光学素子１１は、フレネルレンズやホログラフィック光学素子であってもよい。第１の光学素子１１が光学窓の場合，散乱光のうち光学窓に入射する光を集光することなく，第２の光学素子１２へと伝えることとなる。光学窓の例は，ガラス板，及びアパーチャーである。
【００３５】
第１の光学素子１１の直径の例は，１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。第１の光学素子１１の直径は，２ｍｍ以上３ｍｍ以下でもよい。
【００３６】
第１の光学素子１１の面のうち，少なくとも生体と接触する面が平面であることが好ましい。これにより生体の皮膚と第１の光学素子１１との密着性を高めることができる。そして，第１の光学素子１１の面のうち生体と接触する面が平面であることにより，第１の光学素子１１を生体に固定した際に，生体に不必要な圧力を与えることなく，安定する。
【００３７】
第２の光学素子１２は，第１の光学素子１１を通過した光が照射する光学素子である。第２の光学素子１２は，第１の光学素子１１の焦点より第１の光学素子１１に近い位置に設置されることが好ましい。そして，第１の光学素子１１を通過した光が、バンドルファイバ１３の先端部に集光されることが好ましい。
【００３８】
第１の光学素子１１の直径と第２の光学素子１２の直径は同一でもよい。一方，第２の光学素子１２は，直接生体と接しないため，その直径が第１の光学素子１１の直径より大きくてもよい。第２の光学素子１２の直径が大きいほど，より広い範囲の入射角を持つ入射光をバンドルファイバへと導くことができる。第２の光学素子１２の直径の例は，第１の光学素子１１の直径の１倍以上３倍以下であり，第１の光学素子１１の直径の１．５倍以上２倍以下でもよい。第１の光学素子１１の口径は，バンドルファイバ１３の直径より小さいものが好ましい。この態様の生体光計測用プローブ装置は，生体と接触する第１の光学素子１１の口径を小さくできるため，生体への負担を軽減できる。
【００３９】
バンドルファイバ１３は，複数の単心ファイバ１４を有する。そして，バンドルファイバ１３には，第２の光学素子１２が集光した光が照射される。
【００４０】
さらに本発明は，第１の光学素子１１への入射角θ及び方位角φの散乱光を，バンドルファイバ１３を構成する単心ファイバ１４にマッピングすることにより，（θ，φ）方向からの散乱光成分を例えば，バンドルファイバの中心からの距離をｒとする極座標が（ｒ，φ＋π）に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように，本発明によれば，散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。このため，検出部は，バンドルファイバ１３を構成するそれぞれの単心ファイバ１４の位置（ｒ，φ＋π）と，入射角θ及び方位角φとを関連付けて分析するものであることが好ましい。
【００４１】
図２は，第1の実施態様の受光プローブの概略図である。図２に示されるように，この受光プローブは，バンドルファイバの先端付近に大小２個の凸レンズＬ１およびＬ２を有する。図３は，この受光プローブを説明するための座標系である。頭皮に対して垂直に受光プローブを接触させる。そして，受光プローブの光軸をζ（ゼータ）軸とし，ξ（グザイ）軸の負の延長線上のどこかに光源があるものとする。第１の凸レンズＬ１に入射角θ，方位角φで入射する散乱光は，レンズＬ１の集光作用により，レンズＬ１の焦点面において，光軸からの距離がｒ，方位角がφ＋πの位置に集光される。
【００４２】
凸レンズＬ１が通常の凸レンズの場合，この光はＬ１の焦点面において角θの傾きを持って焦点面を通過する。このため，ｎを頭皮の屈折率として，単心ファイバのＮＡがｎ・ｓｉｎθよりも大きくない限り，この散乱光を単心ファイバに結合させることができない。そこで，Ｌ１の焦点面の近くに第２の凸レンズＬ２を設ける。Ｌ１とＬ２の主点間距離ｄ１がＬ２の焦点距離ｆ２と等しい場合，Ｌ２を通過したすべての光の光軸が平行に揃えられ，バンドルファイバの端面に垂直に入射するようになり，比較的小さなＮＡを持つ単心ファイバに対しても光束を有効に結合させることができるようになる。
【００４３】
簡単のため生体内の屈折率を１とみなす。すると，バンドルファイバの端面において，Ｌ１が一般の凸レンズの場合はｒ＝ｄ１・ｔａｎθ，ｆ−θ（エフシータ）レンズや魚眼レンズに代表される等距離射影方式のレンズの場合はｒ＝ｄ１・θ，一部の魚眼レンズに代表される等立体角射影方式のレンズの場合は，ｒ＝２・ｄ１・ｓｉｎ（θ／２），の関係が近似的に成り立つ。いずれの方式においても，バンドルを構成する単心ファイバには特定の入射角・方位角に属する散乱光が１対１にマッピングされ，θ，φの方向から入射する光は，端面の極座標が（r，φ＋π）なる単心ファイバ（収差による点像の広がりがある場合はその周辺に配置された限られた数の単心ファイバ群を含む）のみから出力されることになる。そこで，これらの単心ファイバ群からの出力光だけを取り出して特定の光検出器に入射させて光強度を計測することにより，この特定の方向θ，φからプローブに入射した光のみを抽出して計測することが可能である。所望の単心ファイバ群の数に対応して光検出器を用意すれば，異なる方向からの光を区別して同時に計測することが可能であるし，単心ファイバ群を区別せずに一つの光検出器に一括して入射させれば，従来のプローブと同じように，プローブによって受光が可能なθ，φの範囲の光すべてを一括して検出することも可能である。光検出器には，ＰＩＮフォトダイオード，アバランシェ・フォトダイオード，ＣＣＤ，光電子増倍管，ストリークカメラなどを適宜用いることができる。
【００４４】
さらに，Ｌ１とＬ２に球面レンズや非球面レンズのほか、魚眼レンズなどの複合レンズを用いることによって，レンズ系のＮＡを容易に０．５以上とすることが可能であるため，バンドルファイバのみを用いる場合よりもθの最大値を大きくすることが可能であり，結果としてプローブの受光効率が向上する。一般に，レンズ系のＮＡを大きく超えるような入射角θで入射する光束は，収差を伴って受光ファイバへ到達するので，この場合，θ，φと単心ファイバとのマッピングの精度が低下したり，焦点面の湾曲や非点収差によって単心ファイバへの結合効率が低下する原因になったりする可能性はある。しかし，θの測定に特に高い精度を要求するのでない限り，実用上の支障はほとんどないと考えられ，光学系の開口による制限の範囲内で，光学系のＮＡを超えるような大きな入射角θで入射する光も効率よく捕獲することが可能である。
【００４５】
また，逆にこれら特定の単心ファイバ群に光を逆方向から入射させることにより，プローブの先端から対応するθ，φの方向のみに光を射出させることが可能である。
【００４６】
個々の単心ファイバへの光の結合性能は，主にＬ１のＦナンバーＦ１（またはＬ１の開口数）で決まる。そこで，Ｆ１は，単心ファイバの開口数をＮＡとすると，Ｆ１≦１／（２・ＮＡ）となるように設計することが好ましい。一方，バンドルファイバ全体が捕獲できる散乱光の入射角の最大値θｍａｘは，主にＬ２のＦナンバーＦ２によって決まる。そこで，バンドルファイバの直径をＤとすると，Ｆ２＝ｄ１／Ｄ≦０．５／ｔａｎ（θｍａｘ）となるように設計することが好ましい。ただしθｍａｘの値には，生体内の実際の屈折率nを考慮した値を用いるものとする。
【００４７】
一般にＬ１の焦点距離ｆ１とＬ２の焦点距離ｆ２は異なっていてもよいが，バンドルファイバの端面で光束が垂直に集光される条件を満たすためには，Ｌ１とＬ２の主点間距離をｄ１として、式１の関係を満たす必要がある。
【００４８】
ｄ１＝ｆ２≦ｆ１                                                  式1
【００４９】
この時，Ｌ２の主点とバンドルファイバ端面との間の距離ｄ２は，レンズの厚さを無視すると，
【００５０】
ｄ２＝（ｆ１−ｆ２）ｆ２／ｆ１                                    式２
となる。
【００５１】
なお，Ｌ１の口径はバンドルファイバの直径よりも小さくすることができるため，プローブ１個を装着する際の被験者への負担が従来とほとんど変わらないようにすることができる。第１の凸レンズＬ１は，皮膚への密着性を考量して平凸レンズとすることが好ましいが，正の屈折力を持つ光学素子であればいずれの形態でも構わない。例えば断面が紡錘型の古典的な凸レンズの他にも，フレネルレンズやホログラフィック光学素子を用いることができる。さらに，非球面レンズや複合レンズとすることもできる。第２の凸レンズＬ２もバンドルファイバ端面への密着性を考量して平凸レンズが好ましいが，Ｌ１と同様にフレネルレンズやホログラフィック光学素子，非球面レンズや複合レンズを用いることができる。
【００５２】
またL1は，バンドルファイバの端面において輝度分布が均一になるように光束を集光できることが好ましいため，通常の凸レンズを用いるよりも，等距離投影方式や等立体角投影方式で設計された光学素子を用いることが好ましい。
【００５３】
また，ここでは１本のバンドルファイバを用いる場合について説明したが，バンドル径の小さな複数本のバンドルファイバを束ねて用いてもよい。また単心ファイバを複数本束ねて用いてもよい。
【００５４】
本発明によれば、受光用バンドルファイバのＮＡを超えるような大きな入射角θを有する散乱光であっても，バンドルファイバに効率よく散乱光を結合することができるようになる。これは受光プローブのＮＡが見かけ上大きくなることを意味するが，単心ファイバ1本あたりに結合できる光パワーは変化しないので，大きな入射角の光を受光するためにはバンドル径をそれに応じて太くする必要はある。従来の方法でバンドル径を太くすると，受光プローブと皮膚との接触面積も大きくなって位置分解能が低下してしまう上，プローブを押し当てる力も増やす必要があるので被験者への負担も増加してしまうが，本願発明では受光プローブの先端のレンズＬ１だけが皮膚と接触するため，バンドル径を太くしても位置分解能が低下することはなく，被験者への負担も増えることはない。
【００５５】
本発明によれば、入射角θ，方位角φごとにバンドルファイバを構成する単心ファイバを1：1に対応させることができるので，散乱光強度のθ，φ依存性を計測することができるようになる。これにより，拡散光トモグラフィーを実施する際に，1個の受光ファイバだけでも光源や吸収体の3次元位置を大まかに推定することが可能になる。
【００５６】
本発明を脳機能計測に適用する場合，θがおよそ０ラジアンとなる方向からの散乱光とθが０ラジアンより大きい方向からの散乱光を比較すると，前者よりも後者は，組織中の浅い部位を通過する光をより多く含み，大脳灰白質の血流の影響をうけにくいと考えられる。また，頭皮を斜めに横切るために頭皮血流の影響をより強く受けると考えられる。そこで前者と後者を適当な重みで減算処理を行うことにより，頭皮血流の影響を排除して，大脳灰白質を通過する光の情報のみを選択的に抽出することが可能になる。これにより，頭皮血流の影響を排除して，脳活動をより正確に計測することが可能になる。
【００５７】
本発明を送光ファイバに対して適用した場合，機械的可動部を導入することなく，入射光の照射方向を可変とすることができる。この結果として，従来と同じ構造の受光プローブを用いる場合であっても，従来と異なる照射条件での計測データが多数得られるようになるため，受光プローブの数が同じであればより高精度な計測が可能となり，あるいは従来よりも少数の受光プローブで従来と同等の計測精度を得ることが可能になる。
【００５８】
本発明を受光プローブと送光ファイバの双方に対して適用した場合，従来と同数の送光ファイバ，受光プローブの数で従来よりも高精度な計測が可能となり，あるいは従来よりも少数の送光ファイバ，受光プローブ数で従来と同等の計測精度が得られるようになる。
【実施例１】
【００５９】
図４は，実施例１の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は，第２の光学素子Ｌ２の口径を最小にするため，Ｌ２をバンドルファイバ端に密着させている。レンズ構成は，式１において等号が成り立つ場合，つまりｄ１＝ｆ２＝ｆ１が成立する場合に相当する。なお，ｄ１は，Ｌ１とＬ２の主点間距離である。２枚のレンズは皮膚への密着性とバンドルファイバ端面への密着性を考慮して，平凸レンズとした上で，凸面が互いに向き合う配置を開示している。しかしながら，平凸レンズを配置する向きはこれに限定されない。
【００６０】
すなわち，本発明の生体光計測用プローブ装置の好ましい態様は，第２の光学素子１２とバンドルファイバ１３の先端部とが密着しているものである。そして，第２の光学素子１２の面のうちバンドルファイバ１３の先端部と密着する面は平面である。このような構成を採用するため，この生体光計測用プローブ装置は，第２の光学素子１２とバンドルファイバ１３との間の相対位置が定まりやすく、機械的にも安定する。
【００６１】
図４に示されるように，この態様の生体光計測用プローブ装置は，Ｌ２の直径をＬ１の直径より大きくすることが好ましい。図４に示されるように，Ｌ１に入射した散乱光は，Ｌ１及びＬ２を通過することにより、バンドルファイバの先端部に集光されるように距離ｄ１が調整されている。図４に示されるように，Ｌ１部分以外から光が入射しないように，生体光計測用プローブ装置は，Ｌ１の側面からＬ２を覆う保護シースを有する。
【実施例２】
【００６２】
図５は，実施例２の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は，バンドルファイバ自体にＬ２の機能を持たせるため，バンドルファイバの端面を凸面状に加工した例である。このため，本形態ではＬ２が省略されている。しかしながら，光学系の構成自体は実施例１と等価である。Ｌ１の焦点は単心ファイバの内部に位置し，端面上では集光スポットがぼやける。このため，この実施例の生体光計測用プローブ装置では，（θ，φ）と（r，φ＋π）との間の完全な対応関係は失われる。しかし，特に高い角度分解能を要求しない限り，実用上は支障がない。バンドルファイバ全体としての光結合効率は、主に単心ファイバのコア充填率で決まる。このため，この実施例の生体光計測用プローブ装置は，実施例１の生体光計測用プローブ装置と同等の光結合効率を有する。バンドルファイバ端面の加工法としては，凸面上に研磨する方法や，加熱溶融してドーム上に成型する方法が考えられる。
【００６３】
すなわち，図５に示されるように，本発明の好ましい態様は，バンドルファイバ１３の先端部が，中心部分が盛り上がった形状を有し，これによりバンドルファイバ１３の先端部が第２の光学素子１２として機能する。
【実施例３】
【００６４】
図６は，参考例３の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は，Ｌ１に平行平面の窓材を使用している。これは，式１，及び式２においてｆ１＝∞とした場合に相当する。Ｌ２の口径はバンドルファイバの直径よりも大きくする．またｄ１＋ｄ２も第1の実施態様の２倍にする。このためこの生体光計測用プローブ装置は，サイズの面では他の実施例よりも大きくなる。しかしながら，この生体光計測用プローブ装置は，レンズが１枚で済むという利点がある。すなわち，本発明の参考となる態様は，図６に示されるように，第１の光学素子Ｌ１が，入射光を透過させる窓である。すなわち，第１の光学素子Ｌ１は，散乱光のうち窓に入射する光を集光することなく，第２の光学素子１２へ伝える。
【実施例４】
【００６５】
図７は，参考例４の生体光計測用プローブ装置を示す図である。上記した実施例の生体光計測用プローブ装置は，生体内と生体外との界面（つまりＬ１の下面）において全反射が起こりうる。このため，θｍａｘの値が概ねｓｉｎ−１（１／ｎ）の値を超えることができないという問題がある。この生体光計測用プローブ装置は，この問題を解消するための一例であり，Ｌ１とＬ２は生体とほぼ等しい屈折率を持つ単一の材質（断面が扇状であるので「扇状レンズ」と呼ぶことにする）で作られている。すなわち，本発明の好ましい態様は，第１の光学素子Ｌ１と第２の光学素子Ｌ２とが，ひとつの光学素子からなるものである。たとえば，測定対象者の測定部位の屈折率をあらかじめ測定しておき，その測定値から１０％の範囲内（又は５％の範囲内）の屈折率を有する光学素子からなるレンズを採用すればよい。また，測定対象者の測定部位の屈折率をその都度測定しなくても，あらかじめ国籍，年齢及び性別ごとに複数個所の屈折率の平均値を求めておき，その平均値の１０％の範囲内（又は５％の範囲内）の屈折率を有する光学素子からなるレンズを採用すればよい。扇状レンズの上面は平面であり，ｆ１＝∞に相当する点において参考例３と類似している。一方，扇状レンズの下面はＬ２の機能を備えると同時に，屈折率界面ともなっている。扇状レンズの上面が皮膚に密着している限り，どのようなθの値の光束も扇状レンズ内に導入できる。そこで扇状レンズの下面の曲率中心がレンズの上面付近に位置するように設計しておけば，扇状レンズの下面に入射する光束は常に垂直入射に近い条件でレンズ下面を通過することになるため，全反射が一切起こらないようにすることができる。
本実施例の態様は，第１の光学素子Ｌ１と第２の光学素子Ｌ２とが，ひとつの光学素子からなる。
【実施例５】
【００６６】
この実施例は，上記したいずれかの生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システムである。生体光計測システムは，光源及び検出装置を更に有する。そして，光源からの光は，光源系を介して生体の一部に照射される。なお，光源からの光は，上記した生体光計測用プローブ装置から出射されてもよい。そして，対象物から散乱した光を生体光計測用プローブ装置が集光して，検出部装置へ導く。たとえば，光源は，２種以上の波長の近赤外光を照射することができる。このため，検出部において，２種以上の波長に基づく検出値を用いて連立方程式を解くことで，様々な分析結果を得ることができる。生体光計測システムは，既に知られている。生体光計測システムの構成は，たとえば，本明細書において引用した各種装置の構成を適宜採用することができる。
【００６７】
図８は，送光ファイバと受光ファイバの位置関係および散乱光の光路分布を示す図である。本発明のプローブ装置を用いれば、受光ファイバに入射する散乱光のうち，光源に近い側（φ＝π）とその反対側（φ＝０）から入射する散乱光の強度比を計測することが可能である。この強度比を用いて入射角θの値を知ることが可能である。また本発明のプローブ装置を用いれば，入射角θが比較的小さい光束と比較的大きい光束とに分けて計測することができるので，両者を比較すれば，前者は脳血流の影響を相対的に強く受け，後者は頭皮血流の影響を相対的に強く受けると考えられるので、そこで，前者と後者を独立に測定し，前者から後者を適当な重みで減算することにより，脳血流の影響だけを反映した信号を抽出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は，診断機器の分野、脳機能計測分野、生体光計測分野、脳コンピューターインターフェース（ＢＭＩ，ＢＣＩ）分野、食品検査分野などで利用されうる。
【符号の説明】
【００６９】
１１  第１の光学素子
１２  第２の光学素子
１３  バンドルファイバ
１４  単心ファイバ
１５  ハウジング
１６  検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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