(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長のパルス光を発生させる第１ステップと、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第２ステップと、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた光信号の一部分を時間的に、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第４ステップと、
異なる複数のタイミングでそれぞれ前記第１乃至第４ステップを繰り返して行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な平均光路長を導出する第５ステップと、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第６ステップと、
を備えることを特徴とする、医療行為を除く散乱体の吸収情報の計測方法。
【請求項２】
前記第５ステップにおいて、前記複数の測定信号のそれぞれに対して所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第２の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第２の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することを特徴とする請求項１記載の散乱体の吸収情報の計測方法。
【請求項３】
前記第５ステップにおいて、散乱係数をμｓ、吸収係数をμａ、光速度をｃ、前記光信号に対応する時間ｔの関数であるインパルス応答をｓ（μｓ，ｔ）ｅｘｐ（−μａｃｔ）、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をｔ＝［ｔ１，ｔ２］（ｔ１＜ｔ２）、とそれぞれしたときに、前記平均光路長ＬＴ（μｓ，μａ）を以下の式
【数１９】
0003660761.tif 000022
に基づいて導出することを特徴とする請求項２記載の散乱体の吸収情報の計測方法。
【請求項４】
前記第６ステップで得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算する第７ステップをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の散乱体の吸収情報の計測方法。
【請求項５】
前記第６ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の散乱体の吸収情報の計測方法。
【請求項６】
所定の波長のパルス光を発生させる光源と、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、
前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、
異なる複数のタイミングでそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な平均光路長を導出する第１の演算部と、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第２の演算部と、
を備えることを特徴とする散乱体の吸収情報の計測装置。
【請求項７】
前記第１の演算部は、前記複数の測定信号のそれぞれに対して所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第２の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第２の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することを特徴とする請求項６記載の散乱体の吸収情報の計測装置。
【請求項８】
前記第１の演算部は、散乱係数をμｓ、吸収係数をμａ、光速度をｃ、前記光信号に対応する時間ｔの関数であるインパルス応答をｓ（μｓ，ｔ）ｅｘｐ（−μａｃｔ）、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をｔ＝［ｔ１，ｔ２］（ｔ１＜ｔ２）、とそれぞれしたときに、前記平均光路長ＬＴ（μｓ，μａ）を以下の式
【数２０】
0003660761.tif 000023
に基づいて導出することを特徴とする請求項７記載の散乱体の吸収情報の計測装置。
【請求項９】
前記第２の演算部は、さらに、前記第２の演算部で得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算することを特徴とする、請求項６〜８の何れか一項に記載の散乱体の吸収情報の計測装置。
【請求項１０】
前記第２の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算することを特徴とする、請求項６〜８の何れか一項に記載の散乱体の吸収情報の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体組織などの散乱体内部の吸収に関する情報を得ることができる計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像撮影方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置に関するものである。より詳しくは、本発明は、散乱体内部の特定部分の特定吸収成分の濃度の時間変化やその空間分布を計測する方法および装置、さらには種々の形状の表面をもつ散乱体内部の特定吸収成分の濃度分布を非侵襲計測することができる散乱体の吸収情報計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用して散乱体である生体組織を計測あるいはイメージングする主な方法は４種あり、これらは、(a)直進光(baristic photon)を利用するもの、(b)コヒーレント成分をヘテロダイン検出して利用するもの、(c)散乱光を利用するもの、(d)時間分解ゲートを利用するものに大別される。
【０００３】
(a)直進光(baristic photon)を利用するものは、計測対象にパルス光を入射して、出力光の中に含まれる直進透過成分を超高速ゲートで抽出する。この際、直進透過光の飛行時間は散乱光より短くなり、出力光の中で最短になる。したがって、計測対象から最初に出てくる光を超高速ゲートで切り出すことによって直進透過光が検出できる。この方法は、原理的にはＸ線ＣＴのような高い空間解像度が期待できるという利点がある。しかし、散乱体である計測対象の内部ではほとんど全ての光が多重に散乱されるため、直進透過成分はほとんど存在しないか、たとえ有ったとしても極微量である。その結果、計測に際する光の利用率が極めて悪くなり、生体に入射できる最大光入射強度（２ｍＷ／ｍｍ2程度）を考慮すると、イメージング計測などに極めて長い時間が必要となり実用的でない。また、頭部や腕部などの大きな対象物では信号光が極微弱になり、実用上計測は不可能である。
【０００４】
(b)コヒーレント成分を利用する方法は、コヒーレントな高周波変調光を分岐して、一方を計測対象に入射する。そして出力光ともう一方の高周波変調光とを干渉させて、出力光の中に含まれるコヒーレント成分をヘテロダイン検出し、そのコヒーレント成分を計測に利用する。
【０００５】
つまり、この計測系では、散乱の度合いに応じて散乱光の飛行時間（または光路長）や飛行方向が変化して乱されるため多重散乱された光は干渉しなくなり、ほぼ直進透過した光が検出される。したがってこの場合にも、先の例と同様に原理的には高い空間解像度が期待されるが、光の利用率が極めて悪く、生体の計測やイメージングなどに実用することは極めて困難である。また、頭部や腕部などの大きな対象物の計測は実用上不可能である。
【０００６】
(c)散乱光を検出するものは、連続（ＣＷ）光、パルス光、あるいは変調光を計測対象に入射し、計測対象内を散乱伝播した光（出力光）を検出して利用する。この際、計測対象の時間応答特性に対して十分短いパルス幅のパルス光を入射する場合はインパルス光入射と考えてよく、対応する出力光はインパルス応答で表される。このような計測は時間分解計測（ＴＲＳ）とよばれ、インパルス応答の時間波形を計測して内部情報を演算する。また、連続（ＣＷ）光を入射する方法はＣＷ計測、変調光を入射する計測は位相変調計測（ＰＭＳ）とよばれる。前者はインパルス応答の時間積分値を、また後者はインパルス応答のフーリエ変換、つまりシステム関数を計測していることになる。以上から、時間分解計測（ＴＲＳ）では、他の２者より多くの情報を含む信号を得ていることが理解される。また、変調周波数を掃引する位相変調計測（ＰＭＳ）とインパルス応答の時間分解計測（ＴＲＳ）は、ほぼ同等の情報を含むことになる。連続（ＣＷ）計測と位相変調計測（ＰＭＳ）では、信号処理方式は大きく異なるが、得られる信号は本質的に同等の情報を含むから、ほぼ同じ程度の情報の計測ができる。これらは、いずれの方法も、ほぼ全ての出力光を利用するから、前記(a)及び(b)の２例に比較すると光の利用率が桁違いに向上する。しかし、散乱光は計測対象の内部のほぼ全域、あるいはかなり広い範囲に広がってしまうため、上記の方法では狭い特定部位の定量計測ができない。また、イメジングや光ＣＴでは、空間分解能が極めて悪く、実用化は困難である。
【０００７】
以上に対して、(d)時間分解ゲートを利用するものは、インパルス応答波形の一部分を利用する。例えば、時間分解出力信号（インパルス応答波形）の最初の部分に含まれる光子は、ほとんど散乱されなかった光子（あまり寄り道をしなかった光子）、つまり光入射位置（光入射点）と光検出位置（受光点）を結ぶ直線光路の近くを伝播した光子である。したがって、時間分解ゲートによる信号を利用すれば、上記直線光路の近くを伝播して検出された光子を抽出することができ、イメージングなどの空間分解能を向上させることができる。この極限が先に述べた直進光(ballistic photon)である。しかし、現在までに開発あるいは提案されている時間分解ゲート法では、散乱体内部の吸収成分の定量測定ができない。この理由は、時間分解ゲート法で得られる信号を解析的に記述する方法が開発されていないことにある。つまり、時間分解ゲート法で得られる信号を光拡散理論に基づいて解析して、吸収成分の定量に利用する方法は知られていない。また、仮に光拡散理論に基づいて解析する方法が開発されたとしても、光拡散理論に基づくことに起因する本質的問題、つまり拡散近似が成立しない場合や種々の外形形状をもつ散乱体の計測が不可能であるという問題が残る。以上から、時間分解ゲート法は空間分解能を向上させることができるが、吸収成分などの内部情報を定量することができないという大きな問題がある。
【０００８】
なお、以上のような時間分解ゲート法については多くの文献があり、代表的なものを次に列記する。ただし、いずれの場合にも、本発明で開示されるような吸収成分の定量化についての議論や示唆は皆無である。
【０００９】
1) A.J.Joblin, "Method of calculating the image resolution of a near-infrared time-of-flight tissue-imaging system", Appl.Opt.Vol.35, pp.752-757 (1996)。
【００１０】
2) J.C.Hebden, D.J.Hall, M.Firbank and D.T.Delpy, "Time-resolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom", Appl.Opt.Vol.34, pp.8038-8047 (1995)。
【００１１】
3) G.Mitic, J.Kolzer, J.Otto, E.Plies, G.Solkner and W.Zinth, "Time-gated transillumination of biological tissues and tissue-like phantoms", Appl.Opt.Vol.33, pp.6699-6710 (1994)。
【００１２】
4) J.C.Hebden and D.T.Delpy, "Enhanced time-resolved imaging with a diffusion model of photon transport", Opt.Lett.Vol.19, pp.311-313 (1994)。
【００１３】
5) J.A.Moon, R.Mahon, M.D.Duncan and J.Reintjes, "Resolution limits for imaging through turbid media with diffuse light", Opt.Lett.Vol.18, pp.1591-1593 (1993)。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した従来の時間ゲート法の「高い空間分解能が得られる」という利点を生かしたまま、「吸収成分などの内部情報の定量計測ができない」という問題点を解決することを目的とする。具体的には、本発明は、形状の異なる散乱体内部の光の挙動を記述する方法（基本関係式）、およびこの基本関係を時間分解ゲート法に適用する方法を見出し、この関係を利用して種々の形状の散乱体内部の特定吸収成分の濃度変化や絶対値などを散乱体の外形形状に影響されずかつ高い空間解像度で計測する方法および装置を提供することを目的とする。そして、本発明は、特定部分の特定吸収成分に関する計測精度が大幅に改善されるとともに、それらの時間変化や空間分布を計測することができる生体計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像解析方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置などの散乱体内部の吸収情報の計測方法および装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の散乱体の吸収情報の計測方法は、
所定の波長のパルス光を発生させる第１ステップと、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第２ステップと、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた光信号の一部分を時間的に、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第４ステップと、
異なる複数のタイミングでそれぞれ前記第１乃至第４ステップを繰り返して行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な平均光路長を導出する第５ステップと、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第６ステップと、
を備えることを特徴とする、医療行為を除く方法である。
また、前記第５ステップにおいて、前記複数の測定信号のそれぞれに対して所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第２の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第２の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することとしてもよい。
また、前記第５ステップにおいて、散乱係数をμｓ、吸収係数をμａ、光速度をｃ、前記光信号に対応する時間ｔの関数であるインパルス応答をｓ（μｓ，ｔ）ｅｘｐ（−μａｃｔ）、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をｔ＝［ｔ１，ｔ２］（ｔ１＜ｔ２）、とそれぞれしたときに、前記平均光路長ＬＴ（μｓ，μａ）を以下の式
【数２１】
0003660761.tif 000002
に基づいて導出することとしてもよい。
【００１６】
この場合、前記第６ステップで得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算する第７ステップをさらに備えてもよい。
【００１７】
また、前記第６ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。
【００１８】
本発明の第２の散乱体の吸収情報の計測方法は、
所定の波長のパルス光を発生させる第１ステップと、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第２ステップと、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第４ステップと、
前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記第１乃至第４ステップを繰り返して行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第５ステップと、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第６ステップと、
を備えることを特徴とする方法である。
【００１９】
この場合、前記第６ステップで得られた吸収係数の差、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度の差を演算する第７ステップをさらに備えてもよい。
【００２０】
また、前記第６ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度差を演算してもよい。
【００２１】
本発明の第３の散乱体の吸収情報の計測方法は、
測定対象物に対して散乱係数が等しいか又は等しいと見なせる異なる波長のパルス光を発生させる第１ステップと、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第２ステップと、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を、前記異なる波長のパルス光に対するそれぞれの時間関係が同一となるようにして取得する第４ステップと、
前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第５ステップと、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記異なる波長のパルス光に対する吸収係数の差を演算する第６ステップと、
を備えることを特徴とする方法である。
【００２２】
この場合、前記第６ステップで得られた吸収係数の差、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する第７ステップをさらに備えてもよい。
【００２３】
また、前記第６ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。
【００２４】
さらに、前記第３ステップにおいて複数の光検出位置で受光し、
前記第４ステップにおいて、前記複数の光検出位置でそれぞれ前記異なる波長のパルス光に対応してそれぞれ測定信号を取得し、
前記第５ステップにおいて、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出し、
前記第６ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する、
ことがより好ましい。
【００２５】
また、前記第２ステップにおける光入射位置と前記第３ステップにおける光検出位置とを測定対象である散乱体の外周に沿って走査し、前記走査による複数の測定位置に対してそれぞれ前記第６ステップで得られる吸収係数の濃度を演算して、散乱体内の濃度分布の断層像を演算する第８ステップをさらに備えることも可能である。
【００２６】
本発明の散乱体の吸収情報の計測装置は、
所定の波長のパルス光を発生させる光源と、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、
前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、
異なる複数のタイミングでそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な平均光路長を導出する第１の演算部と、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第２の演算部と、
を備えることを特徴とする装置である。
また、前記第１の演算部は、前記複数の測定信号のそれぞれに対して所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第２の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第２の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することとしてもよい。
また、前記第１の演算部は、散乱係数をμｓ、吸収係数をμａ、光速度をｃ、前記光信号に対応する時間ｔの関数であるインパルス応答をｓ（μｓ，ｔ）ｅｘｐ（−μａｃｔ）、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をｔ＝［ｔ１，ｔ２］（ｔ１＜ｔ２）、とそれぞれしたときに、前記平均光路長ＬＴ（μｓ，μａ）を以下の式
【数２２】
0003660761.tif 000003
に基づいて導出することとしてもよい。
【００２７】
この場合、前記第２の演算部は、さらに、前記第２の演算部で得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。
【００２８】
また、前記第２の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。
【００２９】
本発明の第２の散乱体の吸収情報の計測装置は、
所定の波長のパルス光を発生させる光源と、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、
前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、
前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第１の演算部と、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第２の演算部と、
を備えることを特徴とする装置である。
【００３０】
この場合、前記第２の演算部は、さらに、前記第２の演算部で得られた吸収係数の差、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度の差を演算してもよい。
【００３１】
また、前記第２の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度差を演算してもよい。
【００３２】
本発明の第３の散乱体の吸収情報の計測装置は、
測定対象物に対して散乱係数が等しいか又は等しいと見なせる異なる波長のパルス光を発生させる光源と、
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、
前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を、前記異なる波長のパルス光に対するそれぞれの時間関係が同一となるようにして取得する信号検出部と、
前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第１の演算部と、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記異なる波長のパルス光に対する吸収係数の差を演算する第２の演算部と、
を備えることを特徴とする装置である。
【００３３】
この場合、前記第２の演算部は、さらに、前記第２の演算部で得られた吸収係数の差、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。
【００３４】
また、前記第２の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。
【００３５】
さらに、前記受光部は、複数の光検出位置で受光するものであり、
前記信号検出部は、前記複数の光検出位置でそれぞれ前記異なる波長のパルス光に対応してそれぞれ測定信号を取得するものであり、
前記第１の演算部は、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出するものであり、
前記第２の演算部は、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算するものである、
ことが好ましい。
【００３６】
また、前記光入射部における光入射位置と前記受光部における光検出位置とを測定対象である散乱体の外周に沿って走査し、前記走査による複数の測定位置に対してそれぞれ前記第２の演算部で得られる吸収係数の濃度を演算して、散乱体内の濃度分布の断層像を演算する第３の演算部をさらに備えることも可能である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（本発明の原理）
先ず、本発明の原理について説明する。ここでは、先ず一般に用いられている光拡散近似法の問題点を明確にし、次に本発明の原理を述べる。
【００３８】
一般には、散乱体内部の光子の挙動は光拡散理論(Photon Diffusion Theory)に基づく光拡散方程式によって解析されている。つまり、散乱体内部の光の挙動は光拡散方程式によって近似され、この方程式を解くと計測対象の光学的特性あるいは光学定数と出力光との関係が求められ、この関係から吸収情報などを導出することができる。ところが、光拡散方程式に基づく方法は次のような問題がある。
【００３９】
つまり、光拡散方程式を解く場合、必ず境界条件が設定される必要がある。しかし、境界条件は散乱体の形状に大きく依存するため、正確な計測を行うためには、散乱体の形状が変わる度に、新たな境界条件を設定して光拡散方程式を解く必要がある。ところが、境界条件が有る程度正確に設定できる散乱体は無限空間、半無限空間、無限長の円柱、無限に広がる有限厚さのスラブ、球など、形状が極めて単純なものに限定される。この結果、形状が単純でない生体組織などの計測では、近似境界条件を用いることが不可欠になり、これが大きな計測誤差を生じる原因となっている。このような問題は、例えば最近の文献; Albert Cerussi et al. "The Frequency Domain Multi-Distance Method in the Presence of Curved Boundaries, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, 1996, Technical Digest (Optical Society of America, washington DC, 1996) pp.24-26 でも議論されている。以上の問題点を要約すると、「形状の異なる散乱体に対して統一的に適用できる計測法は未開発であり、従来技術では形状の異なる散乱体に対して統一的に内部の特定吸収成分の濃度などを正確に計測することは不可能である」となる。
【００４０】
そこで以下では、先ず形状の異なる散乱体に対して統一的に適用できる関係式を開示し、次にこの関係式を時間分解ゲート法に適用し、吸収成分の定量方法を開示する。空間分解能を向上させて、吸収成分などの内部情報を定量することができる本発明の装置及び方法においては、ゲート時間とそのタイミングを制御することによって空間分解能を選択することができる。
【００４１】
生体組織などの散乱体の内部を非侵襲計測しようとする場合、散乱体の表面に光を入射し、散乱体の内部を伝播した光を表面の他の位置で受光して測定信号を得て、その測定信号から内部に含まれる吸収成分の濃度などの情報を計測する。この際、光子は散乱体内部の散乱成分によって強く散乱され、その光路はジグザグに折れ曲がる。図１は、位置Ｐに入射した光子が位置Ｑで受光されたときの光子の飛跡の例を示す。基準時間ｔ＝０に散乱体にインパルス光を入射したときの出力光の時間波形（インパルス応答）は、種々のジグザク光路を飛行した種々の飛行距離（光路長）をもつ複数の光子で構成される。ところが、任意の時間ｔにおける出力光を構成する光子は、媒体中の光速度をｃとしたとき、それぞれが一定の飛行距離（光路長）ｌ＝ｃｔをもち、それぞれの光子に対してベア・ランバート(Beer-Lambert)則が成立する。つまり、吸収係数をμaとしたときそれぞれの光子の生存率はexp(-cμat)となる。つまり、多数の光子からなる光パルスを位置Ｐから入射して位置Ｑで受光すると、時間ｔには種々の光路を通過した多くの光子が検出されることになるが、それらの総和である検出光量、つまり生存率はexp(-cμat)に比例する。なお上記で、生体の巨視的な屈折率は水の屈折率にほぼ等しい一定値となるから、前記光速度ｃは定数と見なした。以下、上記の事実をマイクロ・ベア・ランバート則とよぶ。
【００４２】
以上から、ｔ＝０に散乱体にインパルス光を入射したときのインパルス応答ｈ(t)は、散乱係数μs、吸収係数μa、および時間ｔの関数となり、次のように表される。
【００４３】
【数１】
0003660761.tif 000004
ここで、ｓ(μs,t)は吸収係数がμa＝０のときの応答（つまり、散乱のみがあるときの応答）、指数項exp(-μact)は吸収係数μaによる減衰を表す項である。いずれの関数もｔ＜０のときゼロとなる時間因果関数である。以上ではインパルス光入射を考えたが、媒体の時間応答に対して時間幅が十分短いと見なせるパルス光入射に対して、上記の関係が成立することは明らかである。したがって以下では、時間幅が十分短いと見なせるパルス光入射について考える。
【００４４】
なお、ここで上式は境界条件に関する変数を含んでいないことに注目されたい。このことは、境界条件に関する変数を含む光拡散方程式の解とは大きく異なる。上式で境界条件はインパルス応答ｈ(t)に関数ｓ(μs,t)を介して反映されている。したがって、上式は種々の再入射不可能な表面形状をもつ散乱体に広く適用することができる。
【００４５】
このとき、出力信号J(μs,μa,t)は、
【数２】
0003660761.tif 000005
のように表される。ここで、ｂは入射光の強度に比例する係数である。出力信号J(μs,μa,t)の時間積分は全積分出力信号量Ｉ(μs,μa)を表わし、ＣＷ計測のときの計測値に対応する。この積分出力信号Ｉ(μs,μa)は(2.1)式から次のようになる。
【００４６】
【数３】
0003660761.tif 000006
今、図２に示すように、出力信号J(μs,μa,t)の任意の一部分ｔ＝[t1,t2](t1＜t2)を切り出すことを考える。このときの積分出力信号つまり測定信号ＩT(μs,μa)は、次式のように表される。
【００４７】
【数４】
0003660761.tif 000007
さらに、(4.1)および(4.2)式から、
【数５】
0003660761.tif 000008
が導出される。ここで<tT>は検出された光子の平均飛行時間、ＬT(μs,μa)は平均光路長であり、このような考え方は本発明によって初めて開示されるものである。次に、(5)式を積分すると、
【数６】
0003660761.tif 000009
が得られる。ここで、右辺第２および第３項は積分定数であり、(4.1)式でμa＝０として求められる。当然の結果ではあるが、(6)式は境界条件に関する変数を含んでいない。このことは、境界条件に関する変数を必ず含む光拡散方程式の解とは大きく異なる。前出の(6)式においては、境界条件は測定信号ＩT(μs,μa) および平均光路長ＬT(μs,μa)に反映されている。したがって、(6)式は、種々の再入射不可能な表面形状をもつ散乱体に広く適用することができる。
【００４８】
ここで、出力信号J(μs,μa,t)の一部分を切り出して得た測定信号を構成する光子の飛跡について考えると次のことが理解される。出力信号J(μs,μa,t)の最初の部分のみを切り出せば、先に述べたように短い光路長の光子が検出されるから、図３（ａ）及び図３（ｂ）において実線ハッチ（Ｔ1）で示した狭い部分を伝播した光子が検出されて、空間分解能が向上する。ここで図３（ａ）は透過型計測、また図３（ｂ）は反射型計測の構成を示す。また、切り出し時間Ｔ＝ｔ2−ｔ1を長くしていくと（Ｔ1→Ｔ2→Ｔ3）、図３（ａ）及び図３（ｂ）において鎖斜線ハッチ（Ｔ2）及び鎖縦線ハッチ（Ｔ3）で示すように順次広い部分を伝播した光子が検出されるようになることから、計測に利用する光量（または信号量）は増加するが、空間分解能は低下する。
【００４９】
さらに、出力信号J(μs,μa,t)の途中の一部分を切り出す場合、その切り出しタイミングを遅らせていくと、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように計測する部分を変えることができる（ｔ1→ｔ2）。また、このような計測は、異なる時間ゲートで得られた２つの信号の差を求める計測でも実現できる。つまり、出力信号J(μs,μa,t)の後の部分を切り出せば、周辺部の情報がより多く含まれることを利用している。したがって、本発明においては、前記の切り出し時間Ｔ＝ｔ2−ｔ1および切り出しのタイミングを制御して、空間分解能や情報を取得する部位を選択することができる。
【００５０】
但し、図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）は、検出光（出力信号）に含まれる光子の中で、ある程度の割合を占める一般的な光子の飛跡の範囲を示したものである。したがって、検出される光子の中には、当然、図示の範囲の外を伝播した光子も含まれる。
【００５１】
以下、前記(6)式を用いて測定値から吸収に関する情報を算出する方法を説明する。
【００５２】
（吸収成分の濃度変化の計測）
媒体中に１種類の吸収成分が含まれ、その濃度が変化して吸収係数μaがμa1 からμa2に変化した場合を考える。通常の生体や散乱体では、吸収成分の濃度が変化しても散乱特性は変化しないと考えてよい。これは、丁度、牛乳の中にインクを入れる場合と同様である。変化の前後でｓ(μs,t)あるいは散乱係数μsが変化しない場合、測定位置（パルス光入射位置と光検出位置）を固定して計測すれば前記平均光路長ＬT(μs,μa)は吸収係数μaの関数となり、変化の前後の測定値に対して(6)式が成立する。したがって、変化の前後のμa1とμa2とを用いて(6)式から次式が導出される。
【００５３】
【数７】
0003660761.tif 000010
つぎに、平均値定理を用いると(7)式から次式が得られる。
【００５４】
【数８】
0003660761.tif 000011
ただし、μxはμa1≦μx≦μa2またはμa1≧μx≧μa2なる適宜の値である。以上から、平均光路長ＬT(μs,μx)を知ることができれば、変化の前後の測定信号ＩT(μs,μa)の値から、変化の前後の吸収係数の差μa2−μa1を算出することができる。
【００５５】
さらにこの場合、平均光路長ＬT(μs,μx)は係数αを用いて、
【数９】
0003660761.tif 000012
と表すことができる。ただし、αは0≦α≦1なる適宜の値をもつ。この場合、ＬT(μs,μx)は単調関数であり、通常はμa1とμa2における値がほぼ等しいから、α＝1/2としてよい。また、それぞれの平均光路長ＬT(μs,μa1)およびＬT(μs,μa2)は、前出の(5)式に示したように、測定信号の波形の重心（平均タイムディレイ）を演算することによって求めることができる。すなわち、前出の（５）式の第２行に示す式の値を計算する。ここで、ｃは媒質中の光速度であるから、既知あるいは別の方法で知ることができる。また、分子と分母に含まれる項、つまりｓ(μs,ｔ)exp(−μaｃｔ)＝Ａは前出の（２．１）式に示した出力信号Ｊ(μs,μa,ｔ)を１／ｂ倍したものである。この係数ｂは積分操作の外に出すことができ、かつ分子と分母の両方に含まれるから消去される。つまり、上記の計算では、Ａを用いても、ｂＡである計測値Ｊ(μs,μa,ｔ)を用いても、同じ結果が得られる。したがって、分子はｔＪ(μs,μa,ｔ)を、また分母はＪ(μs,μa,ｔ)をｔについて、それぞれｔ1からｔ2まで積分したものである。これら２つの項、及びそれらの比の計算は、コンピュータを用いて高速に計算することができる。また、上記重心の計算は、上記のように直接（５）式第２行の分子と分母を演算する方法以外に、これと等価な種々の方法がある。いずれの場合にも、この計算結果は平均飛行時間となり、前記ｃを乗じて平均光路長を得る。
【００５６】
吸収成分の濃度変化ΔＶを算出するには、ベア・ランバート則から導かれる次式を用いる。
【００５７】
【数１０】
0003660761.tif 000013
ただし、εは吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数（または消光係数）であり、分光光度計で測定することができる。また、多くの吸収物質の吸収係数（または消光係数）は種々の文献に公表されている。したがって、(8)〜(10)式から、
【数１１】
0003660761.tif 000014
が得られる。以上の(11)式によって、散乱体内部の吸収成分の濃度変化ΔＶを計測する方法が明らかとなる。
【００５８】
（吸収成分の濃度変化の計測の応用）
上記の方法は、測定位置を固定したまま、異なる波長のパルス光を用いて複数種の吸収成分の濃度の時間的変化を計測することに応用できる。さらに、計測対象の外周に沿って複数箇所でこのような計測を繰り返して、Ｘ線ＣＴや光ＣＴ等に見られるような断層像再構成演算を行えば、所定の部位のヘモグロビンの濃度の時間変化の計測などに応用することもできる。
【００５９】
また、厚さが一定になるように保持した計測対象に対して、測定位置（光入射位置及び光検出位置）を平行移動あるいは走査させて計測し、任意の位置での測定値を基準値とすることで、散乱体内部の吸収成分の濃度の基準値に対する差の分布を計測することもできる。このような計測は、乳ガンの診断を行うための光マンモグラフィーに応用することができる。
【００６０】
本発明による以上のような計測は、ゲート時間（切り出し時間）を短くすると空間分解能が向上する。また、ゲートのタイミングを可変にして計測する部位（あるいは部分）を制御することができる。具体的な応用例として光マンモグラフィーの他に、透視装置、光ＣＴ、手術や治療に利用される臨床モニターなどがある。
【００６１】
（特定吸収成分の濃度の計測）
つぎに、波長 がλ1とλ2の２種のパルス光を用いて計測する場合、つまり２波長分光計測法について説明する。今、１種類の吸収成分を含む散乱体の吸収係数が、波長λ1のときμa1、波長λ2のときμa2であるとする。そして、波長λ1とλ2における媒質の散乱係数μs1およびμs2が同じであるか、ほぼ等しいものとする。このような条件は、測定に用いる波長を選択することによって、容易に実現される。したがって、同一の測定位置（パルス光入射位置及び光検出位置）で２波長計測する場合、μs1≒μs2＝μsとすれば、
【数１２】
0003660761.tif 000015
が成立する。そして(6)式から
【数１３】
0003660761.tif 000016
が得られる。すると、(8)式の場合と同様にして、
【数１４】
0003660761.tif 000017
が得られる。ただし、μxはμa1≦μx≦μa2またはμa1≧μx≧μa2なる適宜の値である。この(14)式は、b1/b2＝１つまり２波長のパルス光の入射光強度が等しいとき、前出の(7)式に等しくなる。また、係数b1/b2は入射パルス光の強度を調整することによってb1/b2＝１とすることができる。さらに、光源あるいはパルス光の強度を実測してb1/b2の値を推定することもできる。以上により、平均光路長ＬT(μs,μx)とb1/b2の値、および波長λ1とλ2のパルス光を用いた計測で得られる測定信号ＩT(λ1)およびＩT(λ2)の値から、吸収係数の差μa2−μa1を算出することができる。
【００６２】
平均光路長ＬT(μs,μx)は、前記と同様の係数αを用いて、
【数１５】
0003660761.tif 000018
と表すことができる。ただし、αは0≦α≦1なる適宜の値をもつ。この場合にも、ＬTが単調関数であることを考慮すると、通常はα＝1/2としてよい。また、それぞれの平均光路長ＬT(μs,μa1)およびＬT(μs,μa2)は、前出の(5)式に示したように測定信号の波形の重心（平均タイムディレイ）を演算することによって求めることができる。
【００６３】
特定吸収成分の濃度Ｖは、波長λ1とλ2における特定吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数（または消光係数）ε1およびε2を用いて、次式から算出される。
【００６４】
【数１６】
0003660761.tif 000019
ただし、ε1およびε2の値は前もって分光光度計で測定することができる。したがって、
【数１７】
0003660761.tif 000020
となり、前出の吸収成分の濃度変化の計測と全く同様にして、吸収成分の絶対濃度Ｖを計測することができる。この場合、２種以上のｎ種の波長のパルス光を使用すれば、(n-1)種類の吸収成分の濃度を計測することができる。
【００６５】
（２点２波長計測）
２種の検出距離（光入射−光検出位置間距離）で前記の２波長分光計測を行うと、前出の係数b1/b2を消去することができる。つまり、係数b1/b2が光入射−光検出位置に依存しないことを利用して、係数b1/b2を消去する。この場合、前記(17)式は次のようになる。
【００６６】
【数１８】
0003660761.tif 000021
ただし、ＩT1(λ1)とＩT2(λ2)およびＬT1(μs,μx1)とＬT2(μs,μx2)は、それぞれ光検出距離１と２で得られる測定信号と平均光路長である。また、μx1はμa1≦μx1≦μa2またはμa1≧μx1≧μa2、μx2はμa1≦μx2≦μa2またはμa1≧μx2≧μa2なる適宜の値であり、(15)式と同様にして求めることができる。さらに、当然ではあるが、以上に述べた方法は、２つ以上の波長の光を用いる多波長分光計測に拡張することができる。
【００６７】
（吸収成分の濃度の空間分布の計測）
多箇所で上述のような計測を行って、吸収成分の濃度の空間分布を計測することができる。この場合、吸収成分の濃度の計測値はそれぞれ独立に計測されるから、各計測位置での検出距離（光入射−光検出位置間距離）は異なっていてもよい。つまり、本発明の方法によれば、再入射不可能な種々の外形をもつ散乱体内部の吸収成分の濃度を高空間分解能で計測することができる。この際、空間分解能は前述の切り出し時間Ｔ＝t2−t1とそのタイミングで制御する。具体的な応用例としては、光マンモグラフィー、透視装置、光ＣＴなどがある。これらでは、複数箇所での受光、光入射位置や光検出位置の走査、時分割計測などの方法が利用される。また、必要に応じて、ＣＴに見られるような画像再構成演算を行う。これらの計測の特長は、既に説明したように、特定吸収成分の濃度分布を高い空間分解能で定量計測できることにある。
【００６８】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。ただし、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６９】
実施例１
図５は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第１実施例を示すもので、散乱体２の内部の吸収成分の濃度の時間変化を計測する装置１の構成を示す。この装置１の構成では、１種類の吸収成分が含まれている散乱体２の吸収成分の濃度変化、あるいは複数の成分からなる吸収物質の濃度変化を計測する。この構成では、散乱体２の表面の位置Ｐ（光入射位置）に所定の波長λの十分時間幅の狭いパルス光を入射し、表面の他の位置Ｑ（光検出位置）で散乱体２の内部を伝播した光を受光する。そして、この測定を繰り返して散乱体２内部の比較的狭い部分の吸収成分の濃度の変化を定量する。この場合、第１回目の計測を行ったときの吸収成分の濃度を基準値にとれば、吸収成分の濃度の変化が定量できる。計測装置１は一体化されて１つの筐体に収納されている。
【００７０】
光源１０はレーザーダイオードなどを使用し、波長λのパルス光を発生する。この場合、波長は計測すべき散乱体２や吸収成分に応じて選択される。生体の計測では、酸素化型、脱酸素化型ヘモグロビンや酸素化型、脱酸素化型ミオグロビンを計測することが多く、それらの吸収成分の吸収スペクトルを図６に示す。したがって、生体の計測では通常600nm〜1.3μmの光が使用される。また、パルス幅は通常、20ps〜200ps程度にする。光源にはレーザーダイオードの他に、発光ダイオード、パルスレーザーなどを使用することができる。
【００７１】
光源１０から発したパルス光は光ガイド１２を通して計測対象である散乱体２の表面に入射される。光ガイド１２と散乱体２の間の空間は、図５の実施例では微小になっている。しかし実際にはこの隙間を広くして、そこに散乱体２とほぼ等しい屈折率と散乱係数をもつ液状体やゼリー状物体（以下、インタフェース材と呼ぶ）を満たしておいてもよい。つまり、光はこのインタフェース材の中を伝播して計測対象に入射するから何ら問題は生じない。また、散乱体２の表面反射が問題になるときは、インタフェース材を適宜に選択することによって、表面反射などの影響を低減することができる。
【００７２】
散乱体２の内部を伝播した光は、前記光入射位置Ｐから距離ｒの位置Ｑ（光検出位置）に置いた光ガイド１３で受光される。ここでも前記と同様の理由によって、インタフェース材を使用してもよい。光検出器１４は、前記光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して出力する。光検出器１４としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。光検出器１４の選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性と必要な時間応答速度をもっていればよい。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
【００７３】
信号検出部１５は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。具体的には、よく知られているゲート回路が利用される。この際、所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部１１で発生する。この場合、信号処理部１１は、必要に応じて光源１０から発せられるパルス光と同期した信号を利用する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅（ゲート時間）を可変にして制御することができる。また、ゲート信号のタイミングを変えて、測定すべき部分を選択することができる。例えば、検出信号の先端部分を狭いゲートで抽出した場合には、散乱体内部の狭い部分２ａを伝播した光を計測することになるが、ゲート時間を長くすると部分２ａより広い部分２ｂを伝播した光を計測することになる。さらに、前述の図３および図４に示したような制御も可能である。
【００７４】
以上の測定信号の取得は他の方法、例えば図７及び図８に示すように、光検出器で直接ゲートするようにしてもよい。例えば光電子増倍管を用いた場合、光電陰極、第１ダイノードやその他のダイノード、あるいは陽極にパルス状の電圧を印加して、ゲート動作をさせることができる。また、アバランシェフォトダイオードにおいてパルス電圧を印加してゲート動作をさせることができる。ストリークカメラも時間ゲート機能が備わっている。これらの場合は、光電変換とゲート動作が同一デバイスで実行される。
【００７５】
第１の演算部１６は、前記測定信号から時間積分値ＩTおよび平均光路長ＬT（波形の重心（平均タイムディレイ）に相当する）を演算する。この際、前記(5)式に従って平均光路長ＬTを演算する。そして以上の計測を異なる時間に繰り返して実行する。以下、ｍ回目と(m+1)回目の計測を考える。
【００７６】
第２の演算部１７は、ｍ回目と(m+1)回目の計測で得られた２種の前記時間積分値 ＩT,mとＩT,m+1、および(9)式を用いて２種の前記平均光路長ＬT,mとＬT,m+1から求めた平均光路長ＬT(μs,μx)を前出の(8)式に代入して、散乱体２の部分の吸収係数の変化量μa(m+1)−μam（第１次情報）を演算し、さらに前出の(11)式を用いて吸収成分の変化量（第２次情報）を演算する。このとき、平均光路長ＬT(μs,μx)の算出は、前出の(8)式でα＝1/2として十分な精度が得られる。これらの演算処理は、第１及び第２の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
【００７７】
表示記録部１８は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度情報を記憶する機能をもち、これらを表示あるいは記録する。
【００７８】
上記では、１つの波長のパルス光を用いたが、実際には２つ以上の波長のパルス光を利用することもできる。さらに、１つの光入射位置からパルス光を入射し、２つ以上の光検出位置で伝播光を検出することもできる。また、これらは並列あるいは時分割で検出してもよい。
【００７９】
散乱体２に光を入射する手段は、図５に示した光ガイド１２の代わりに、集光レンズによる方法（図９（ａ））、光ファイバーを用いる方法（図９（ｂ））、ピンホールを利用する方法（図９（ｃ））、胃カメラのように体内から光を入射する方法（図９（ｄ））などがある。また、太いビーム状の光を散乱体に入射してもよい。この場合には、複数のスポット状光源が並んでいると考えればよい。
【００８０】
散乱体２の内部を拡散伝播した光を検出する手段としては、図５に示した光ガイド１３を用いる方法以外に、直接検出する方法（図１０（ａ））、光ファイバーを用いる方法（図１０（ｂ））、レンズを用いる方法（図１０（ｃ））などがある。
【００８１】
実施例２
上記第１実施例で、パルス光の光入射位置Ｐと光検出位置Ｑの相対位置関係を一定（固定）にしたまま、散乱体２に沿って走査させて計測し、任意の位置での吸収成分の濃度を基準値として、その基準値に対する濃度の差の空間分布を計測することができる。この場合、前記第１実施例と同様にして、(8)〜(11)式を用いて、吸収成分の濃度の基準値に対する差の空間分布を計測することができる。
【００８２】
図１１は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第２実施例を示すもので、平行な平らな面をもつように軽く挟みつけた乳房のような散乱体２の内部の吸収成分の濃度の空間分布を計測する装置１の構成を示す。図１１中では、前記第１実施例にかかる図５に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。散乱体２の表面に所定の波長λのパルス光を入射し、反対側の表面の位置で散乱体２の内部を伝播した光を受光する。この際、パルス光の光入射位置と光検出位置は、それらの相対位置関係を一定にしたまま、散乱体２に沿って走査させて計測する。そして、例えば、第１の測定位置（第１の光入射位置及び第１の光検出位置）で計測を行ったときの吸収成分の濃度を基準値（つまり変化量の計測の基準値）にとれば、吸収成分の濃度差の空間分布が計測できる。
【００８３】
この第２実施例では、散乱体２を平行に軽く挟みつける第１の機構部３０がある。つまり、乳房のような散乱体２を少し平たく伸して計測する。この第１の機構部３０には、パルス光の光入射位置と光検出位置との相対位置関係を一定にしたまま、パルス光の光入射位置（入射部）と光検出位置（受光部）を散乱体に沿って同期して走査させて計測するための第２の機構部３１が設けてある。そして、この第２の機構部３１からは走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は表示記録部１８に供給されて、空間分布の演算、表示記録に利用される。また、パルス光を発生する光源１０の後段には波長選択器１９が設けてあり、適宜所望の波長のパルス光が選択できるようにしてある。その他の部分は、前記の第１実施例の装置のものと同じである。
【００８４】
この第２実施例の装置１では、前記ゲート信号で出力光の最初の部分を抽出するが、その際にゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。また、上記では１つの波長のパルス光を用いたが、実際には２つ以上の波長のパルス光を利用することもできる。さらに、１つの光入射位置から光を入射し、２つ以上の光検出位置で同時あるいは時分割で伝播光を検出することもできる。
【００８５】
実施例３
図１２は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第３実施例を示すもので、散乱体２の内部の吸収成分の濃度分布を計測する装置１の構成を示す。この場合、乳房のような散乱体２は軽く挟みつけられる。図１２中では、前記第１実施例にかかる図５および前記第２実施例にかかる図１１に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。この装置１の構成では、散乱体２に対して散乱係数が等しいかまたは等しいと見なせる異なるｎ種の波長λ1〜λnのパルス光を用い、前出の(17)式を用いて(n-1)種の吸収成分の濃度のイメージングを行うことができる。この第３実施例は前記第２実施例とよく似た構成となっているが、計測するパラメーターは吸収成分の濃度の空間分布である。また、測定位置（光入射位置及び光検出位置）は走査されるが、各走査位置で吸収成分の濃度を前出の(17)式に基づいて計測するから、パルス光の光入射位置（光入射点）と光検出位置（受光点）の相対位置関係は変化してもよい。つまり、前記の第２実施例では散乱体２を平行に挟んで光入射位置と光検出位置の相対位置関係が一定になるように走査したが、第３実施例ではこのような制限はない。その理由については、前出の（吸収成分の濃度の空間分布の計測）の項で述べた通りである。
【００８６】
光源１０1〜１０nはレーザーダイオードなどを使用し、異なるｎ種の波長のパルス光を順次に発生する。この際、光源１０1〜１０nの発振タイミングは信号処理部１１からの信号で制御される。光源１０1〜１０nからのパルス光は合波器２０で合波され、光ガイド１２を通して計測対象である散乱体２の表面に入射される。
【００８７】
光ガイド１２と散乱体２との間の空間は、図１２の実施例では微小になっている。しかし実際には、第１実施例と同様にこれを広くして、この空間に散乱体２とほぼ等しい屈折率と散乱係数をもつインタフェース材を満たしておいてもよい。つまり、パルス光はこのインタフェース材の中を伝播して計測対象に入射するから何ら問題は生じない。また、散乱体２の表面反射が問題になるときは、インタフェース材を適宜に選択することによって、表面反射などの影響を低減することができる。
【００８８】
散乱体２の内部を伝播した光は、前記光入射位置と反対側の位置に置いた光ガイド１３で受光される。ここでも前記と同様の理由によって、インタフェース材を使用してもよい。光ガイド１３からの光信号は波長選択器２１で波長選択されて、それぞれの波長の入射パルス光に対応する光信号が光ガイド１３を介して次段の光検出器１４に導かれる。
【００８９】
散乱体２は、前記第２実施例と同様に、第１の機構部３０によって軽く挟みつけられる。この第１の機構部３０には、パルス光の光入射位置と光検出位置とを同期して走査させるための第２の機構部３１が設けてある。そして、この第２の機構部３１からは、走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は表示記録部１８に供給されて、空間分布演算及びその結果の表示記録に利用される。
【００９０】
光検出器１４は前記のそれぞれの波長の光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して検出信号を出力する。光検出器１４としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。光検出器１４の選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性と必要な時間応答速度をもっていればよい。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子係数法を用いてもよい。光検出器１４の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
【００９１】
信号検出部１５は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部１１で発生する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅（ゲート時間）を可変にして制御することができ、ゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。例えば、検出信号の先端部分を狭いゲートで抽出した場合には、散乱体内部の狭い部分２ａを伝播した光を計測することになる。ゲート時間を長くすると部分２ａより広い部分を伝播した光を計測することになり、空間解像度が低下する。以上の測定信号の取得は他の方法、例えば前述の図７及び図８に示すように、光検出器で直接ゲートする方法でもよい。
【００９２】
第１の演算部１６は、前記測定信号から時間積分値ＩTおよび平均光路長ＬT（波形の重心（平均タイムディレイ）に相当する）を演算する。この際、平均光路長ＬTは前記(5)式に従って演算する。第２の演算部１７は、前記の計測で得られたｎ種の前記時間積分値ＩT1〜ＩTn、ｎ種の前記平均光路長ＬT1〜ＬTnおよびｎ種の消光係数を用いて、散乱体２の内部の部分２ａに含まれる(n-1)種類の吸収成分の濃度を演算する。これらの演算処理は、第１及び第２の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
【００９３】
そして、前記第２の機構部３１によって測定位置を変えて以上の一連の計測を繰り返えし、各測定位置（光入射位置及び光検出位置）での吸収成分の濃度を演算する。前記表示記録部１８は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度を記憶する機能をもち、これらを表示あるいは記録する。
【００９４】
上記の場合、ｎ種の波長のパルス光を順次に入射する方法について述べたが、ｎ種の波長のパルス光を同時に点灯して、同軸状に入射する方法としてもよい。この場合、光検出器１４の直前に設けた波長選択器２１で波長選択する方法、さらには検出光をｎに分岐して波長選択したあと、ｎ個の光検出器で並列に検出する方法もある。
【００９５】
また、図１２では散乱体２をほぼ平行に挟むようにしたが、既に述べたように実際には厚さが異なってもよい。ただし、この場合には、第２の機構部３１は散乱体２の表面に沿って走査されるようにする。さらに、図１２では光入射位置と光検出位置が上下（紙面の上下方向）に配置してあるが、これらを斜めの位置関係に配置して計測したデータも含めて、ＣＴのような画像再構成を行ってもよい。
【００９６】
実施例４
図１３は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第４実施例を示すもので、散乱体２の断面内の吸収成分の濃度分布を計測する装置の構成を示す。光入射位置（光入射部）と光検出位置（受光部）は散乱体２の外周に沿って走査される。図１３の中では、前記第１実施例にかかる図５、前記第２実施例にかかる図１１、前記第３実施例にかかる図１２に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。この装置の構成では散乱係数が等しいかまたは等しいと見なせる異なる２種の波長λ1とλ2のパルス光を用いる。そして、前出の(17)式を用いて各測定位置（光入射位置及び光検出位置）における特定吸収成分の濃度を求め、複数の測定位置における特定吸収成分の濃度値から、散乱体２の断面内の特定吸収成分の濃度の分布を求める。この第４実施例の装置は、光入射位置と光検出位置の周辺以外の部分では前記第３実施例とよく似た構成となるが、測定結果は断層像として得られる。
【００９７】
計測対象である散乱体２は、散乱体２を取りまく円形の回転機構部３２の中に置かれる。散乱体２と回転機構部３２の内壁との間隙にはインタフェース材３３が詰められ、散乱体２を固定したまま回転機構部３２が回転できるようになっている。また、回転機構部３２には光入射用の光ファイバー１２と受光用の光ガイド１３が取り付けてある。この回転機構部３２からは、走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は第３の演算部２２に供給されて、断層像の再構成に利用される。
【００９８】
光源１０はレーザーダイオードなどを使用して波長の異なる２種のパルス光を発生し、波長切換器１９は前記２種のパルス光を交互に切り換えて通過させる。光源１０の発振および波長切換器１９の切り換えタイミングは信号処理部１１からの信号で制御される。この際、２種の波長の異なるパルス光源を交互に点灯させてもよい。また、２種の波長のパルス光を同時に入射する方法としてもよく、このときには波長選択器１９は省略され、後述する光検出器１４の前段に波長選択器を設けて測定に用いる波長を選択する。
【００９９】
波長切換器１９から出たパルス光は、光ファイバー１２を通して計測対象である散乱体２を包む込むインタフェース材３３の表面に入射される。インタフェース材３３は、第１実施例において既に述べたものである。散乱体２とインタフェース材３３の内部を伝播した光は、前記光入射位置と反対側の位置に設けられた光ガイド１３で受光される。光ガイド１３からの光信号は次段の光検出器１４に導かれる。
【０１００】
光検出器１４は前記の２種の波長の光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して検出信号を出力する。光検出器１４としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器１４の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
【０１０１】
信号検出部１５は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部１１で発生する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅（ゲート時間）を可変にして制御することができ、ゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。以上の測定信号の取得は他の方法、例えば前出の図７及び図８に示すように、光検出器で直接ゲートする方法でもよい。
【０１０２】
第１の演算部１６は、前記測定信号から時間積分値ＩTおよび平均光路長ＬT（波形の重心（平均タイムディレイ）に相当する）を演算する。この際、平均光路長は前記(5)式に従って演算する。第２の演算部１７は、前記の計測で得られた２種の前記時間積分値ＩT1とＩT2、２種の前記平均光路長ＬT1とＬT2、および２種の消光係数を用いて、前記測定位置における特定吸収成分の濃度を演算する。
【０１０３】
これらの演算処理は、第１及び第２の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
【０１０４】
次に、前記回転機構部３２を適宜の角度だけ回転して測定位置（光入射位置及び光検出位置）を変えて、上記一連の計測を繰り返えし、各測定位置での吸収成分の濃度を演算する。第３の演算部２２は、このようにして得られた複数の測定位置における吸収成分の濃度の値から、断面内の吸収成分の濃度分布（断層像）を演算する。
【０１０５】
表示記録部１８は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度分布を記憶する機能をもち、これらを断層像として表示あるいは記録する。なお、上記の断層像の再構成には、ＣＴとしてよく知られている手法やハードウエアを利用することができる。
【０１０６】
また、上記の実施例ではパルス光の光入射位置と光検出位置の相対位置関係を一定にしたが、この相対位置関係を可変にしてもよい。この場合には、散乱体に対するサンプリング密度が向上し、測定データ数も多くなるから、断層像の空間解像度が向上する。さらに、上記のパルス光の光入射位置と光検出位置の相対位置関係を３次元で可変制御して、３次元の解析を行うＣＴとすることもできる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の散乱体の吸収情報計測方法及び装置によれば、再入射不可能な面からなる任意の形状の散乱体内部の特定吸収成分の濃度変化や絶対濃度などを、高空間分解能で計測することが可能となる。従って、本発明によれば、特定部分の特定吸収成分に関する計測精度を大幅に改善することができ、それらの時間変化や空間分布を散乱体の外形形状に影響されずかつ高い空間解像度で計測することができる生体計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像解析方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置などの散乱体内部の吸収情報の計測方法および装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】散乱体内部を伝播した光子の飛跡を示す模式図である。
【図２】本発明にかかる測定信号（切り出した信号）を説明するための波形図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ切り出し時間と計測される部分（散乱体内の部分）の関係を示す模式図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ切り出しタイミングと計測される部分（散乱体内の部分）の関係を示す模式図である。
【図５】本発明にかかる第１実施例の装置の構成概略図である。
【図６】ヘモグロビン及びミオグロビンの吸収スペクトルを示すグラフである。
【図７】測定信号を得るための他の方法を示す模式図である。
【図８】図７に示す方法による場合の出力光とゲート信号と測定信号との関係を示す波形図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、散乱体への光入射方法を示す概略図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、受光方法を示す概略図である。
【図１１】本発明にかかる第２実施例の装置の構成概略図である。
【図１２】本発明にかかる第３実施例の装置の構成概略図である。
【図１３】本発明にかかる第４実施例の装置の構成概略図である。
【符号の説明】
１…吸収情報計測装置、２…散乱体、２ａ…散乱体内部の第１の部分、２ｂ…散乱体内部の第２の部分、１０，１０1…１０n…光源、１１…信号処理部、１２，１３…光ガイド、１４…光検出器、１５…信号検出部、１６…第１の演算部、１７…第２の演算部、１８…表示記録部、１９…波長切換器、２０…合波器、２１…波長選択器、２２…第３の演算部、３０…第１の機構部、３１…第２の機構部、３２…回転機構部、３３…インタフェース材。
【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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【図９】
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【図１０】
0003660761.tif 000033
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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