(57)【要約】  生体内に埋め込まれた蛍光色素からの蛍光の強度を高感度に把握する。  光源３は、光学フィルタ５及び励起・検出プローブ１０を通じ、蛍光プローブ２が埋め込まれた被験者へと励起光を照射する。被験者からの出射光は、励起・検出プローブ１０及び光学フィルタ６を通じ、光子検出器４に入射する。光子検出器４において光子が検出されると、時間分解計測ユニット２０がその検出タイミングを解析部３０へと出力する。解析部３０は、時間分解計測ユニット２０からの出力結果に基づき、所定の時間ゲートに相当する期間内に光子検出器４において光子が検出された回数を計数する。制御部４０は、解析部３０による計数結果に応じた大きさの音を音生成部７に出力させる。
2019059379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光色素が埋め込まれた生体に対して前記蛍光色素を励起する励起光を照射する光源と、
前記生体からの出射光の強度を検出する光検出手段と、
前記光源による前記生体への前記励起光の照射に起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価する蛍光評価手段と、
前記蛍光評価手段が評価した前記程度を知覚可能に出力する評価結果出力手段と、を備えていることを特徴とする生体検査装置。
【請求項２】
前記バックグラウンド光の減衰が前記蛍光の減衰より速く、
前記蛍光評価手段が、前記バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって前記蛍光が発生している期間である所定期間内における前記出射光に基づいて前記程度を評価することを特徴とする請求項１に記載の生体検査装置。
【請求項３】
前記所定期間が、前記蛍光を含む前記出射光の強度における前記バックグラウンド光の強度に対する比が最大となるタイミングを含んだ期間であることを特徴とする請求項２に記載の生体検査装置。
【請求項４】
前記光検出手段が光子の入射を検出可能であり、
前記蛍光評価手段が、
前記光源が前記励起光を前記生体に照射したタイミングを基準として前記光検出手段による光子の入射の検出タイミングを取得する検出時刻取得手段と、
前記検出時刻取得手段が取得したタイミングに基づいて、前記光検出手段による前記所定期間内における前記光子の入射の検出回数を計数する計数手段と、を有していることを特徴する請求項２又は３に記載の生体検査装置。
【請求項５】
前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成された励起・検出プローブをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項６】
前記接触面が前記生体に向かって突出するように湾曲していることを特徴とする請求項５に記載の生体検査装置。
【請求項７】
前記励起・検出プローブにスイッチが設けられており、
前記スイッチの操作状況に基づいて、前記励起光の照射部から前記励起光を出射する状態と出射しない状態とを切り替えることを特徴とする請求項５又は６に記載の生体検査装置。
【請求項８】
前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成され、スイッチが設けられた励起・検出プローブをさらに備えており、
前記スイッチの操作状況に基づいて前記所定期間を変更することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項９】
前記評価結果出力手段が、前記程度を表現した文字、画像及び音声の少なくともいずれかを出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項１０】
前記蛍光評価手段が、前記出射光の強度の時間変化態様と基準となる時間変化態様との相関に基づいて前記程度を評価することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項１１】
蛍光色素が埋め込まれた生体からの出射光を評価することによって生体を検査する方法であって、
前記生体に励起光を照射したことに起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価することを特徴とする生体検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体検査装置及び生体検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蛍光色素を用いて患部の位置を特定する方法がある。特許文献１に記載のリンパ節検出装置はその一例であり、蛍光色素があらかじめ注入された腫瘍近傍におけるリンパ節を含む生体に対して励起光を照射し、それによって生体から発生される蛍光から、リンパ節を検出する画像を取得するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００５／０４８８２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように蛍光色素を用いて患部を特定する従来方法においては、組織の表面近傍からの蛍光は検出できるが、蛍光色素の位置が組織表面から少しでも深くなると蛍光を検出することが難しい。従来、蛍光色素を用いた生体検査の分野においては、組織表面から深いところからの蛍光を検出することが難しい原因として、単に蛍光色素からの蛍光の強度を十分に確保できないことのみが取り上げられてきた。このため、検出の感度を向上するための従来の手段は、励起光を強める等の単純な手段に留まっていた。しかしながら、本発明者は、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に把握するには、かかる単純な手段では限界があることに気づいた。【０００５】
本発明の目的は、生体内に埋め込まれた蛍光色素からの蛍光の強度を高感度に把握可能な生体検査装置及び生体検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、蛍光色素からの蛍光を検出する感度を効果的に向上するために、以下の点に着目した。すなわち、組織表面から深いところからの蛍光色素からの蛍光は拡散しやすく、その単位面積当たりの強度が下がる。そして、組織自体からの蛍光等によるバックグラウンド光が蛍光色素からの蛍光に対して比較的大きくなる。このため、蛍光がバックグラウンド光と区別できなくなる。一方、本発明者は、バックグラウンド光が蛍光に対して比較的大きい場合であっても、これらの強度の時間変化態様（波形）の違いは測定結果に表れやすいことに着目した。バックグラウンド光の強度の時間変化態様は、例えば、試料を用いた事前の測定や蛍光色素が埋め込まれた位置から十分離れた位置における測定等により取得可能である。【０００７】
以上の点に着目することで得られた本発明の生体検査装置は、蛍光色素が埋め込まれた生体に対して前記蛍光色素を励起する励起光を照射する光源と、前記生体からの出射光の強度を検出する光検出手段と、前記光源による前記生体への前記励起光の照射に起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価する蛍光評価手段と、前記蛍光評価手段が評価した前記程度を知覚可能に出力する評価結果出力手段と、を備えている。【０００８】
本発明者は、蛍光を評価するための一手段として、生体からの出射光の強度の時間変化態様とバックグラウンド光の強度の時間変化態様との違いの程度を評価する手段を設けることとした。そして、その違いの程度を知覚可能に出力させることとした。時間変化態様における上記違いは蛍光色素からの蛍光の発生によって生じる。そして、その違いの程度は蛍光色素からの蛍光の強度を表す指標となる。したがって、ユーザーは、その違いの程度に応じた出力結果に基づき、蛍光色素からの蛍光の強度を認識できる。このように、本発明によると、バックグラウンド光が蛍光に対して比較的大きい場合であっても蛍光の強度をユーザーに認識させやすい。つまり、蛍光色素からの蛍光の強度を高感度に把握できる。【０００９】
なお、本発明は、蛍光評価手段に関する他の手段として、生体からの出射光の強度の時間変化態様と蛍光色素からの蛍光の強度の時間変化態様との違いの程度を評価する手段を含むものであってもよい。この手段は、生体からの出射光の強度の時間変化態様とバックグラウンド光の強度の時間変化態様との違いの程度を評価する上記手段と対応している。例えば、生体からの出射光の強度の時間変化態様とバックグラウンド光の強度の時間変化態様との違いが大きいことは、生体からの出射光の強度の時間変化態様と蛍光色素からの蛍光の強度の時間変化態様との違いが小さい（両者の類似性が高い）ことに対応する。なお、評価の基準となる蛍光色素からの蛍光の時間変化態様は、例えば、事前の測定によって取得できる。【００１０】
本発明において、「蛍光の波長において評価すること」とは、評価対象となる光における蛍光波長の成分を評価することに対応する。蛍光波長の成分は、例えば、光学フィルタを用いて評価対象の光から物理的に取り出される。また、評価対象の光の時間応答関数から演算によって蛍光波長の成分が抽出されてもよい。【００１１】
また、本発明においては、前記バックグラウンド光の減衰が前記蛍光の減衰より速く、前記蛍光評価手段が、前記バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって前記蛍光が発生している期間である所定期間内における前記出射光に基づいて前記程度を評価することが好ましい。これによると、所定期間が、バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間に設定されている。バックグラウンド光は蛍光より速く減衰するため、バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間は、蛍光の波形とバックグラウンド光の波形との違いが大きい期間となりやすい。したがって、この期間における生体からの出射光に基づくことで、蛍光色素からの蛍光の強度が適切に評価されやすい。また、本発明においては、前記所定期間が、前記蛍光を含む前記出射光の強度における前記バックグラウンド光の強度に対する比が最大となるタイミングを含んだ期間であることが好ましい。これによると、この期間における生体からの出射光に基づくことで、蛍光色素からの蛍光の強度がより適切に評価されやすい。【００１２】
また、本発明においては、前記光検出手段が光子の入射を検出可能であり、前記蛍光評価手段が、前記光源が前記励起光を前記生体に照射したタイミングを基準として前記光検出手段による光子の入射の検出タイミングを取得する検出時刻取得手段と、前記検出時刻取得手段が取得したタイミングに基づいて、前記光検出手段による前記所定期間内における前記光子の入射の検出回数を計数する計数手段と、を有していてもよい。これによると、所定期間における光子の入射の検出回数を適切に計数することができる。よって、所定期間における生体からの出射光の検出結果に基づく適切な評価が可能となる。【００１３】
また、本発明においては、前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成された励起・検出プローブをさらに備えていることが好ましい。これによると、生体に向けて適切に励起光を照射できると共に、生体における励起光を照射した範囲からの出射光を適切に受け取ることができる。【００１４】
また、本発明においては、前記接触面が前記生体に向かって突出するように湾曲していることが好ましい。これによると、励起・検出プローブの生体への密着性が向上する。よって、照射部から出射される励起光が受光部へと漏れ出したりしにくい。【００１５】
また、本発明においては、前記励起・検出プローブにスイッチが設けられており、前記スイッチの操作状況に基づいて、前記励起光の照射部から前記励起光を出射する状態と出射しない状態とを切り替えることが好ましい。これによると、励起光の照射のオン・オフを操作によって切り替えやすい。【００１６】
また、本発明においては、前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成され、スイッチが設けられた励起・検出プローブをさらに備えており、前記スイッチの操作状況に基づいて前記所定期間を変更することが好ましい。所定期間の設定は、光子の計数結果における計測位置に対する変化の振れ幅（コントラスト）に影響を及ぼす。このため、計測位置と光子の計数結果との関係に基づいて蛍光色素の位置を把握する際、その把握のしやすさをスイッチ操作によって調整することが可能である。なお、上記スイッチの代わりに、又は、これに加えて、所定期間以外の条件を変更するためのスイッチが設けられてもよい。【００１７】
また、本発明においては、前記評価結果出力手段が、前記程度を表現した文字、画像及び音声の少なくともいずれかを出力することが好ましい。これによると、文字、画像及び音声の少なくともいずれかによって評価結果がユーザーに知覚可能である。【００１８】
また、本発明においては、前記蛍光評価手段が、前記出射光の強度の時間変化態様と基準となる時間変化態様との相関に基づいて前記程度を評価することが好ましい。これによると、例えば、基準となる時間変化態様としてバックグラウンド光の時間変化態様を用いた場合、相関が低いほど蛍光色素からの蛍光が生体からの出射光に強く表れていることが分かる。また、基準となる時間変化態様として蛍光色素からの蛍光の時間変化態様を用いた場合、相関が高いほど蛍光色素からの蛍光が生体からの出射光に強く表れていることが分かる。このように、相関を用いて適切な評価結果が取得される。【００１９】
また、本発明の別の観点における生体検査方法は、蛍光色素が埋め込まれた生体からの出射光を評価することによって生体を検査する方法であって、前記生体に励起光を照射したことに起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価する。【００２０】
本発明の生体検査方法によると、生体からの出射光の強度の時間変化態様と蛍光色素からの蛍光及びバックグラウンド光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を評価することとした。時間変化態様における上記違いは蛍光色素からの蛍光の発生によって生じる。そして、その違いの程度は蛍光色素からの蛍光の強度を表す指標となる。したがって、その違いの程度に基づくことで、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に評価できる。このように、本発明によると、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に把握できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態である第１実施形態に係る生体検査装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１の励起・検出プローブの正面図である。
【図３】図１の解析部の詳細な構成を示した解析部周辺の機能ブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る第１実験例において励起光の照射及び蛍光の検出に用いられたプローブにおける励起光の照射面の正面図である。
【図５】第１実験例において９０秒の計測期間中に光子検出器によって光子が検出される回数を励起光（パルス光）の入射タイミングからの経過時間に関して集計した結果を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は９０秒の計測期間中における光子の総計数値の位置に対する変化を示す画像である。図６（ｂ）は９０秒の計測期間のうち時間ゲートに対応する期間内に限った光子の計数値の位置に対する変化を示す画像である。
【図７】図７（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する対バックグラウンド比の変化を示すグラフである。図７（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｘに対する対バックグラウンド比の変化を示すグラフである。
【図８】９０秒の計測時間における計測結果に基づいて計測時間を１００ミリ秒とした場合に取得される計数値の測定結果を推定したシミュレーション結果を示すグラフである。図８（ａ）は、光子検出器によって光子が検出される回数を励起光（パルス光）の入射タイミングからの経過時間に関して集計した結果を示すグラフである。図８（ｂ）は対バックグラウンド比を示すグラフである。
【図９】図８のシミュレーション結果に基づく、時間ゲートをさまざまに変更した場合の計測位置に対する計数値の変化を示すグラフである。図９（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図９（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。
【図１０】図８のシミュレーション結果に基づく、時間ゲートをさまざまに変更した場合の計測位置に対する対バックグラウンド比の変化を示すグラフである。図１０（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１０（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。
【図１１】第２実施形態の解析部における方法を評価するための第２実験例の結果である計測位置に対するユークリッド距離Ｄの変化を示すグラフである。図１１（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１１（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。
【図１２】第３実施形態の解析部における方法を評価するための第３実験例の結果である計測位置に対する相関Ｌの変化を示すグラフである。図１２（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１２（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。
【図１３】励起光の照射に対して生体から出射される光の時間応答に関し、ヒトにおいて測定した結果と牛肉において測定した結果とを比較した結果を示すグラフである。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のそれぞれは、第１実施形態〜第３実施形態に係る励起・検出プローブの変形例の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［原理］
以下、本発明に係る各実施形態の基礎となる蛍光色素の検出原理について説明し、その後、その原理に基づいた本実施形態の具体的な構成について説明する。本発明に係る各実施形態において蛍光色素からの蛍光の検出感度を向上するための基本的な考え方は、蛍光色素に対する励起光を生体に入射した後に生体から放射される光における時間応答（光の強度の時間変化態様）が、蛍光色素からの蛍光とバックグラウンド光とで異なることを利用するというものである。このためには、上記時間応答の波形を計測し、その波形の違いの程度（大小）を評価し、それにより蛍光色素の存在とそれが検出位置にどの程度近いのかを半定量的に判断することが必要となる。そのため、本実施形態に係る装置には、下記１）〜３）の要件が求められる。１）２）に関してはどちらか一方あるいは両方が要求されるとともに、さらに３）の要件も充足する必要がある。なお、以下において波形とは、時間応答を示す波形（例えば、検出される光子数の時間変化を示す波形）を意味する。１）バックグラウンド光の時間応答の波形と被験者からの出射光の時間応答の波形との形状の違いを定量的に測る。２）蛍光色素からの蛍光の時間応答の波形と被験者からの出射光の時間応答の波形との形状の類似性を定量的に測る。３）被験者からの出射光の時間応答の波形から、蛍光色素からの蛍光の強度に応じた信号の大小を示す指標を得る。
【００２３】
１）２）に係る方法の一例として、以下の通り、波形形状を表す関数のユークリッド距離を数値化することが考えられる。すなわち、下記のＤ＾２（Ｄの平方）の平方根を用いることが考えられる。ここで、ｆｍｅａｓ（ｔｉ）は、蛍光色素に対する励起光を被験者に入射した後に被験者から出射される光子数の計測値の関数である。以下、ｆｍｅａｓ（ｔｉ）が示す波形を測定波形とする。ｔｉはＮ個の測定時間（Ｎ：計測値の数、ｉ＝１、２、…、Ｎ）を示し、任意のｉ（１≦ｉ≦Ｎ−１）に関してｔｉ＜ｔｊ（ｊ＝ｉ＋１）である。ｆｒｅｆ（ｔｉ）は基準波形値の関数である。ｗ（ｔｉ）は重み関数であり、αはスケーリングの係数である。
［数式１］
2019059379.tif 000003
【００２４】
αは、計測値と基準波形値との間で値自体が異なっても波形の形状が一致する場合にはＤが小さくなる（理想的には０になる)ようにするための係数値である。実際のデータでは、計測波形が基準波形と同じ形状であるとみなされる場合であっても、その絶対値がばらつくことがあるためである。αはＤが最小になるように決定される。Ｄ＾２の値は、計測波形が基準波形の形状と異なるほど大きくなる。しかし、αをＤ＾２の値が最小になるように決めた場合、波形形状の差が大きいところでは、Ｄの変化は実際の形状の差異に比べ緩やかになると考えられる。通常は、ｆｒｅｆとしてはバックグラウンド光の波形形状を示すｆｂａｃｋを用いる。したがって、蛍光色素からの測定位置の距離に応じてｆｍｅａｓがｆｂａｃｋからずれるのをＤ＾２によって把握することになる。Ｄ＾２を用いる方法は、バックグラウンド光の寄与を計測値から効果的に差し引く方法ということもできる。αは、実際のデータに基づいてＤ＾２を最小化する値として∂（Ｄ＾２）／∂α＝０を満たす値となるように算出される。ｆｒｅｆとしてｆｂａｃｋを用いる場合、Ｄ＾２に基づく方法は上記要件１）及び３）を同時に満たす。αの決定において用いるｗ（ｔｉ）を、測定値の最終的なＤの評価において用いるｗ（ｔｉ）と異なるものとすることも考えられる。この場合は、測定値の最終的な評価におけるＤ＾２は最小化されないが、バックグラウンド光を効率的に抑制可能となるようにｗ（ｔｉ）を決定することが効果的である。
【００２５】
数式１を使用した検出において、最も簡単な方法の一つは、ｆｒｅｆを０とし、ｗを、波形の違いが最も大きく表れる時間領域［ｔｍｉｎ,ｔｍａｘ］を取り出すような以下の重みｗ０とすることである。
［数式２］
2019059379.tif 000004
【００２６】
数式２を数式１に適用した方法は、以下の数式３に示すように、時間領域を抜き出して強度を測定するいわゆる時間ゲート法と類似の方法になる。
［数式３］
2019059379.tif 000005
【００２７】
最終的には、このＤを用いて、計測値とバックグラウンド光の値との違いを比較することにより、蛍光を検出する。さらに単純化し、距離Ｄの代わりに、ｆｍｅａｓそのままの和を用いてもよい。つまり、ｔｍｉｎからｔｍａｘまでｆｍｅａｓをそのまま足し合わせた値を用いてもよい。すなわち、時間ゲート法そのものが用いられてもよい。また、これらにおいて、ｆｍｅａｓをそれぞれ用いるのではなく、計測値とバックグラウンド光の値との比ｆｍｅａｓ／ｆｂａｃｋを用いてもよい。
【００２８】
例えば、ｆｒｅｆ＝ｆｂａｃｋとし、すなわち、基準波形としてバックグラウンド光の波形を用い、重みとして定数（例えばｗ＝１／Ｎ）を用いることも可能である。この場合Ｄ＾２は基準波形との２乗偏差を表し、Ｄは強度の平均的な差を示すことになる。計測波形の形状がバックグラウンド光の波形形状に近づくにつれてＤは０に近づく。この方法の場合、バックグラウンド光の波形はあらかじめ知る必要があるが、一般的には計測したい患部と反対側の組織や、蛍光色素を被験者に投与する前に被験者への励起光の入射に対する時間応答を測定することにより知ることが可能である。
【００２９】
さらにこれに加え、蛍光色素からの蛍光の波形と測定波形との違いに基づいてＤを算出して検出に用いることも可能である。この場合は類似性を見ることになるため、Ｄをそのまま用いることはできない。例えば、Ｄの逆数を用いることなどにより相違として評価することなどが考えられる。
【００３０】
数式１とは別の評価基準として、数式１の代わりに、例えば相関係数（Ｐｅａｒｓｏｎの相関係数）などを用いてもよい。相関係数を用いる場合、類似性又は相違を評価することができる。相関係数の値は［−１，１］に限定されるため、相関係数を使用するだけでは上記要件１）又は２）を満たすのみである。上記要件３）を満たすためには、相関係数を数式１と組み合わせる必要がある。この場合において最も単純な方法は、バックグラウンド光の時間応答関数に対する相関係数ρ（ｆｍｅａｓ，ｆｂａｃｋ）を用い、数式１のＤとして、ｗ＝１，α＝１（場合によっては、もっと単純にα＝０）とすることである。測定波形がバックグラウンド光の波形形状と高い相関を持つ場合、ρは１に近づく一方、測定波形がバックグラウンド光の波形形状から外れるとρは小さくなる。測定波形もバックグラウンド光も、その時間応答関数は、最初に立ち上がりそれから減衰するという点で共通する。このため、測定波形とバックグラウンド光の波形との相関が０あるいは負になることはなく、常に正の値を持つ。このことを考慮し、相関係数ρを数式１と組み合わせた下記Ｌは上記要件１）３）を満たす。
［数式４］
2019059379.tif 000006
【００３１】
ここでρ０は、バックグラウンド光とほぼ一致するデータから推測した上限値又は理想的な上限値１である。ρ０−ρが負になる場合は、Ｌ＝０として扱えばよい。ｆｂａｃｋの代わりに蛍光色素からの蛍光の波形形状ｆｆｌｕｏを基準として用いる場合には、ρ（ｆｍｅａｓ,ｆｆｌｕｏ）は、数式４の右辺のρ０−ρをρ−ρ０に変更したうえで、数式４と同様に評価に用いることができる。Ｌは、バックグラウンド光又は蛍光色素からの蛍光の波形形状を考慮したバックグラウンド光又は蛍光色素からの蛍光の波形と測定波形との平均的な差の強度であると言い換えてもよい。
【００３２】
相関関数を用いた場合でも、重み関数ｗを定数に設定するのではなくｔｉに応じて変化するものとすることも可能である。さらに、相関関数の代わりに、関数間の違い又は相似性を表すその他の測度、例えば、Ｋｕｌｌｂａｃｋ−Ｌｅｉｂｌｅｒ  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅなどを用いてもよい。
【００３３】
［第１実施形態］
以下、第１実施形態に係る生体検査装置１の構成について図１〜図３を参照しつつ説明する。第１実施形態は、上述の時間ゲート法を用いた方法に関する。生体検査装置１は、蛍光プローブ２、光源３、光子検出器４（光検出手段）、励起・検出プローブ１０、時間分解計測ユニット２０（検出時刻取得手段）、解析部３０（計数手段）、制御部４０、音生成部７及び表示部８（評価結果出力手段）を備えている。なお、本発明における蛍光評価手段の機能は、本実施形態において時間分解計測ユニット２０及び解析部３０の両方の機能によって実現されている。蛍光プローブ２の蛍光色素には、例えば、インドシアニングリーンが用いられる。インドシアニングリーンは、センチネルリンパ節の蛍光アンジオグラフィに用いられている。蛍光プローブ２は被験者（検査対象者）の人体内に埋め込まれている。
【００３４】
光源３は、ピコ秒あるいはフェムト秒スケールのパルス幅を有するパルスレーザー光の出射器である。パルスレーザー光は、蛍光プローブ２の蛍光色素の励起波長を有する光パルスを含んでいる。パルスレーザー光は、光パルスが所定のパルス間隔で連続的に並んだ光パルス列からなる。例えば、光源３としてファイバーレーザーを用い、１０ＭＨｚに対応するパルス間隔で連続する波長７８５ｎｍのピコ秒パルス光を光源３に生成させる。このパルス間隔は、上記蛍光色素（インドシアニングリーン）の蛍光寿命より十分長い。光源３から時間分解計測ユニット２０に対しては、各光パルスを出射するタイミングを示すタイミング信号が出力される。
【００３５】
光源３には光学フィルタ５を介して光ファイバ１４の一端が接続されている。光ファイバ１４の他端は、励起・検出プローブ１０に接続されている。光源３が出射したパルスレーザー光は、光学フィルタ５を介して光ファイバ１４に入射する。光学フィルタ５は、蛍光プローブ２の蛍光色素の励起波長を有する光を通す一方、励起波長以外の波長の光を遮断する。これにより、励起・検出プローブ１０には、光ファイバ１４を通じ、蛍光プローブ２の蛍光色素を励起させる励起光のみが伝達される。蛍光色素としてインドシアニングリーンが用いられている場合には、その励起光は、７００ｎｍ台付近の近赤外波長を有する光である。
【００３６】
励起・検出プローブ１０は、図２に示すように、１ｃｍ程度の外径を有する円筒状のホルダ１１と、ホルダ１１の先端表面１１ａ（接触面）に設けられた照射部１２及び受光部１３と、スイッチ１７及び１８とを備えている。励起・検出プローブ１０は、人体組織に接触し、先端表面１１ａが組織に密着した状態で使用される。ホルダ１１は、プローブ全体を手で持って被験者をスキャンするために適した形状を有している。照射部１２は、光ファイバ１４を通じて光源３から伝達された励起光を出射する。出射された励起光が人体内に埋め込まれた蛍光プローブ２に照射されると、蛍光プローブ２の蛍光色素が蛍光を発生させる。受光部１３は、被験者から出射される出射光を受け取る。蛍光プローブ２からの蛍光が受光部１３に到達する場合には、受光部１３が受け取る光は、蛍光プローブ２の蛍光色素が発生させた蛍光と、その蛍光に対するバックグラウンドとなる光であるバックグラウンド光とを含むこととなる。バックグラウンド光は、蛍光プローブ２の蛍光色素以外に由来する、蛍光色素の蛍光波長を有する成分光である。バックグラウンド光には、例えば、被験者の組織自体からの蛍光が含まれる。以下、「蛍光」は、特に断りのない限り、蛍光プローブ２の蛍光色素が発生させた蛍光を意味する。
【００３７】
励起・検出プローブ１０には光ファイバ１６の一端が接続されている。光ファイバ１６の他端は光学フィルタ６を介して光子検出器４に接続されている（図１参照）。光学フィルタ６は、蛍光プローブ２の蛍光色素の蛍光波長を有する光を通す一方、その蛍光波長以外の波長を有する光を遮断する。光子検出器４には、光ファイバ１６を通じ、受光部１３が受け取った光のうち、蛍光波長を有する成分光のみが到達する。
【００３８】
スイッチ１７は、光源３においてパルスレーザー光を発生させる機能のオン・オフを切り替えるスイッチである。スイッチ１７の状態を示す信号は光源３に出力される。光源３は、スイッチ１７の状態を示す信号に基づいてパルスレーザー光を発生させたりその発生を停止させたりする。ユーザーの手元でスイッチ１７を操作できるので、パルスレーザー光のオン・オフ切り替えの操作を行いやすい。スイッチ１８は、後述の時間ゲートの調整などを行うためのスイッチである。スイッチ１８の状態を示す信号は制御部４０に出力される。制御部４０は、後述の通り、スイッチ１８の状態を示す信号に基づいて解析部３０を制御する。
【００３９】
光子検出器４は、光ファイバ１６から光子が入射するのを光子１個単位で検出する光子計数型の検出器である。光子の入射の検出結果は、光子１個の検出ごとに時間分解計測ユニット２０に出力される。
【００４０】
時間分解計測ユニット２０は時間・デジタル変換器である。時間分解計測ユニット２０には光源３からのタイミング信号が入力される。時間分解計測ユニット２０は、タイミング信号が示す各タイミングを基準タイミングとして、光子検出器４から検出結果が出力された時間（直近の基準タイミングからの経過時間）を示すデジタル値を生成する。デジタル値は解析部３０に出力される。このデジタル値は、光源３から光パルスが出射されたタイミング、つまり、励起・検出プローブ１０から人体に励起光が照射されたタイミングから、光子の入射を示す検出結果が光子検出器４から出力されたタイミング、つまり、光子検出器４において光子が検出されたタイミングまでの時間を示している。
【００４１】
解析部３０は、図３に示すように、デジタル比較器３２及び３３、ゲート回路３４、計数器３５及び時間基準生成器３６を有している。時間分解計測ユニット２０からのデジタル値はデジタル比較器３２及び３３のそれぞれに入力される。デジタル比較器３２は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値を上限値と比較した結果を示す信号をゲート回路３４に出力する。デジタル比較器３３は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値を下限値と比較した結果を示す信号をゲート回路３４に出力する。上限値及び下限値は、後述の通り、制御部４０から入力される。ゲート回路３４は、デジタル比較器３２からの信号とデジタル比較器３３からの信号との論理積を示す信号を計数器３５に出力する。この論理積は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値が下限値から上限値までの範囲内であるか否かを示すこととなる。時間基準生成器３６は、単位時間（例えば、１００ミリ秒）ごとに基準信号を生成し、計数器３５に出力する。計数器３５は、ゲート回路３４からの信号に基づき、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値が下限値から上限値までの範囲内となった回数を計数する。計数は、時間基準生成器３６からの基準信号に基づいて、上記単位時間の長さを有する期間ごとに行われる。計数結果は、単位時間が経過するごとに制御部４０に出力される。各計数結果は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値が下限値から上限値までの範囲内となった単位時間当たりの回数を示すこととなる。
【００４２】
制御部４０は、コンピュータ及びソフトウェアの組み合わせによって構築されている。コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ装置、並びに、入出力インタフェース等の各種インタフェース等からなるハードウェアと、メモリ装置に記録されたプログラムデータ等からなるソフトウェアとを備えている。コンピュータにおいてハードウェアがソフトウェアに従って演算処理、入出力処理等の各種の情報処理を実行することにより、以下に示す制御部４０における各種の機能が実現される。
【００４３】
制御部４０は、解析部３０のデジタル比較器３２及び３３へと上限値及び下限値を出力する。下限値は時間ゲートの開始タイミングに対応し、上限値は時間ゲートの終了タイミングに対応する。この時間ゲートは、後述の第１実験例に示す通り、蛍光の波形においてバックグラウンド光の波形との違いが大きい期間に設定されている。例えば、時間ゲートは、蛍光の波長において、バッググラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって蛍光が発生している期間に設定されている。時間ゲートは、光子検出器４への入射光がバックグラウンド光に対して相対的に最大となるタイミング（後述の対バックグラウンド比が最大となるタイミング）を含む期間であって、バックグラウンド光が最大となるタイミングを含まない期間に設定されることが好ましい。あるいは、時間ゲートが、蛍光が最大となる期間であって、バックグラウンド光が最大となるタイミングを含まない期間に設定されてもよい。また、制御部４０は、励起・検出プローブ１０から出力された信号に基づき、スイッチ１８の状態に応じて時間ゲートを調整する。例えば、制御部４０は、スイッチ１８の状態に応じて時間ゲートの開始タイミング（つまり、上記下限値）を変更する。
【００４４】
また、制御部４０は、解析部３０の計数器３５から出力された計数結果をハードディスク等の記録装置に記録すると共に、計数結果に応じて音生成部７及び表示部８を制御する。具体的には、制御部４０は、計数結果に応じた大きさの音声を音生成部７に発生させると共に、計数結果に応じた表示を表示部８に行わせる。音生成部７は、制御部４０の指示に従った大きさや音色の音を生成し、スピーカから出力する。制御部４０は、例えば、計数器３５からの計数結果が大きいほど大きい音を出力するように音生成部７に指示する。表示部８は、制御部４０の指示に従って、計数器３５からの計数結果を、数値やグラフ画像等の各種表現を用いてディスプレイに表示させる。上記の通り、計数器３５からの計数結果は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値が下限値から上限値までの範囲内となった単位時間当たりの回数を示す。つまり、かかる計数結果は、時間ゲート内に光子検出器４が光子を検出した単位時間当たりの回数を示す。時間ゲートは、蛍光の波形とバックグラウンド光の波形との違いが大きく発生する期間である。このため、計数器３５からの計数結果は、蛍光の強度を強く反映したものとなる。
【００４５】
例えば、音生成部７が発生させた音の大きさや音色を知覚することにより、ユーザーは、蛍光の強度を認識することができる。ユーザーは、励起・検出プローブ１０を移動させつつ音生成部７からの音の変化を追うことで蛍光プローブ２の位置を探索できる。例えば、音生成部７からの音が大きくなっていく場合には、励起・検出プローブ１０が蛍光プローブ２に近づいていることが分かる。また、音生成部７からの音が小さくなっていく場合には、励起・検出プローブ１０が蛍光プローブ２から遠ざかっていることが分かる。なお、音生成部７からの音の代わりに、又はこれに加えて、表示部８の表示内容が蛍光プローブ２の位置の探索に用いられてもよい。
【００４６】
また、ユーザーは、励起・検出プローブ１０のスイッチ１８を操作することで時間ゲートを変更することができる。時間ゲートの設定は、後述の第１実験例に示す通り、光子の計数結果における計測位置に対する挙動に影響を及ぼす。例えば、計測位置の変化に対する計数結果の変動度合が時間ゲートの違いによって変化する。このため、励起・検出プローブ１０を移動させつつ音生成部７からの音の変化を追うことで蛍光プロ―ブ２の位置を把握する際、その把握のしやすさをスイッチ１８の操作によって調整することが可能である。
【００４７】
以上説明した本実施形態によると、光子検出器４によって時間ゲート内に光子の入射が検出された回数が計数された結果に基づき、音声等が出力される。時間ゲートは、後述の第１実験例に示す通り、蛍光の波形におけるバックグラウンド光の波形との違いが大きい期間として設定されている。したがって、上記の計数結果には蛍光の強度が反映されやすい。このように、本実施形態は、蛍光及びバックグラウンド光の波形間の違いが大きい期間であるゲート期間において被験者からの出射光の強度を評価することにより、被験者からの出射光とバックグラウンド光とにおける時間応答（時間変化態様）の違いを評価している。そして、その違いの程度を音声等の出力に反映させている。したがって、ユーザーは、その出力結果から、被験者の体内の蛍光プローブ２から発生した蛍光の強度を認識できる。被験者における複数の位置での蛍光の強度が分かれば、上記の通り、それらの位置と蛍光プロ―ブ２の位置との関係を把握できる。このように、本実施形態によると、組織表面から比較的深いところからでも蛍光を検出できると共に、その強度から蛍光プローブ２の位置をユーザーに認識させることが可能となる。
【００４８】
［第１実験例］
以下、第１実施形態に採用された時間ゲートの有効性及び時間ゲートの設定方法に関して行われた第１実験例について説明する。第１実験例では、蛍光ターゲットを埋め込んだ試料に励起光を照射し、それにより試料及び蛍光ターゲットから発生する光の時間応答を計測した。試料としては、人体の代用物として牛肉の塊を用いることとした。牛肉を用いたのは、牛肉の組織が吸収係数及び散乱係数のいずれについてもヒトの組織に近いためである。なお、ヒトも含めた様々な動物体に関して測定してもよい。蛍光ターゲットには、インドシアニングリーン（１μＭ）とイントラリピッド溶液の混合液を容器に入れたものを使用した。容器には、センチネルリンパ節に近い大きさである直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの光透過性を有するプラスチックストローを使用した。この蛍光ターゲットを、牛肉中における表面から深さ約１１ｍｍの位置に設置した。
【００４９】
励起光の照射と蛍光の検出には図４に示すプローブＰ１を用いた。プローブＰ１は、レーザー光を出射する出射口Ａ及びＢ並びに試料からの光を入射させる入射口ＣＨ１及びＣＨ２を有している。これらの出射口及び入射口同士の間隔は１０ｍｍである。蛍光ターゲットに対する励起光となるレーザー光には、ファイバーレーザーから生成する波長７８５ｎｍ、１０ＭＨｚに対応するパルス間隔で連続するピコ秒パルス光を用いた。このレーザー光を、光ファイバを通じてプローブＰ１に形成された出射口Ａ及びＢまで伝達させる。出射口Ａ及びＢをサンプルに接触させつつ、出射口Ａ及びＢからレーザー光を出射させることにより、励起光を試料に照射した。入射口ＣＨ１及びＣＨ２には径３ｍｍのバンドルファイバの一端を接続した。バンドルファイバの他端は光学フィルタ６を介して光子検出器４に接続した。入射口ＣＨ１及びＣＨ２に入射した光は、バンドルファイバ中を伝達し、光学フィルタ６を通過して光子検出器４に入射する。これによって、試料から出射する光から蛍光波長の光のみを取り出し、その光を光子検出器４に導入した。そして、光子検出器４による光子の検出結果に基づき、時間相関単一光子検出システムを用いて、試料及び蛍光ターゲットから出射される光の時間応答を計測した。これを、試料に対する計測位置を変えながら繰り返した。具体的には、試料に対して設定したｘｙ平面のｘ方向及びｙ方向それぞれに関してプローブＰ１を５ｍｍずつ平行移動させながら計測を繰り返した。各計測位置における計測は、プローブＰ１をその位置に９０秒間留めて行った。
【００５０】
図５の各グラフは、９０秒の期間中に試料に照射されるレーザー光の全パルスに対して、光子検出器４によって光子が検出される回数を各パルスの入射タイミングからの経過時間に関して計数（集計）した結果を示している。図５の横軸は各パルスの入射タイミングからの経過時間を示し、図５の縦軸は１ビン（ｂｉｎ）当たりの光子数を示す。グラフｇ１はバックグラウンド光の計数結果（蛍光ターゲットから最も離れた計測位置における計数結果）を示す。グラフｇ２〜ｇ４は、グラフｇ１よりも蛍光ターゲットに近い互いに異なる計測位置における３つの計数結果を示す。グラフｇ０は計測装置自体の時間応答関数を示す。図５に示すように、バックグラウンド光の時間応答を示すグラフｇ１は、蛍光を含んだ光の時間応答を示すグラフｇ２〜ｇ４より減衰が速い。つまり、バックグラウンド光は、蛍光と比べて速く減衰する。なお、「減衰が速い」とは、例えば、強度がピークを取るタイミングから強度がピーク時に対して半分あるいは適当な割合となるタイミングまでの時間が短いことを示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ｘｙ平面における各位置に関して計数結果を示したグレースケール画像である。グレースケールは、階調値が高いほど光子の計数値が大きいことを示す。図６（ａ）は９０秒の全期間中における光子の総計数値に対応し、図６（ｂ）は９０秒の期間のうち図５中の線分Ｇが示す時間ゲート（以下、時間ゲートＧとする）に対応する期間内に限った光子の計数値に対応する。本実験例の条件下では、図６（ａ）に示す通り、９０秒の全期間中における光子の総計数値によっても階調値の大きい領域（ｘ＝０ｍｍ、ｙ＝１０ｍｍ付近）に蛍光ターゲットの存在を確認できる。しかしながら、図６（ａ）のグレースケール画像の全範囲にわたって階調値が比較的大きい。つまり、ターゲットから離れた計測位置においてもターゲットに近い計測位置と比べて計数結果があまり低下しない。このように、９０秒の全期間中における光子の総計数結果は、コントラストが低いものとなる。これに対し、図６（ｂ）のグレースケール画像では、階調値の大きい領域（ｘ＝０ｍｍ、ｙ＝１０ｍｍ付近）から離れると、図６（ａ）に比べて階調値が小さくなりやすい。つまり、時間ゲートＧ内に限った光子の計数結果は、コントラストが高いものとなる。
【００５１】
コントラストをより定量的に示すために、図６（ａ）及び図６（ｂ）において階調値の最も大きい位置付近（ｘ＝０ｍｍ、ｙ＝１０ｍｍ）を選んだ。そして、ｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する計数値の変化を以下のガウス型関数でフィットした。数式５を用いたフィッティングの結果に基づき、バックグランド光のレベルとしてｂを取得した。ｙ＝１０ｍｍ及びｘ＝０ｍｍにおけるフィッティング結果をそれぞれｂで割ることでコントラストを示す値（以下、対バックグラウンド比とする）を得た。
［数式５］
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【００５２】
このようにして対バックグラウンド比を求めた結果が図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されている。図７（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する対バックグラウンド比の変化を、図７（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する対バックグラウンド比の変化を示す。四角点は、５ｍｍごとの位置における、９０秒の全期間中における光子の総計数値から得られた対バックグラウンド比である。丸点は、９０秒の期間のうち時間ゲートＧ内に限った光子の計数値から得られたコントラストに対応する。グラフｇ５及びｇ７は四角点をフィットした結果である。グラフｇ６及びｇ８は丸点をフィットした結果である。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されている通り、時間ゲートＧを用いることによって対バックグラウンド比は６倍程度上昇した。このことは、時間ゲートを用いた場合、組織表面をスキャンしつつ測定位置をターゲットに近づけると、蛍光ターゲットの存在をバックグラウンド光に対して明瞭に区別できることを示している。時間ゲートＧは、図５に示すように、蛍光の波長において、バッググラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって蛍光が発生している期間に設定されている。より具体的には、時間ゲートＧは、光子検出器４への入射光がバックグラウンド光に対して相対的に最大となるタイミングを含む期間であって、バックグラウンド光が最大となるタイミングを含まない期間に設定されている。
【００５３】
以下、リアルタイム計測用に時間ゲートを決定する方法について説明する。本実験例における以上の結果は、それぞれの測定位置において、９０秒という十分な時間を掛けて光子を計数し、時間ゲートの有効性を確かめたものである。これに対し、リアルタイムで蛍光ターゲットをスキャンする場合、１回の計測に掛けられる時間は短く、例えば、１００ミリ秒以下である。そこで、計測時間１００ミリ秒においても有効な時間ゲートを決定する方法を、計測時間９０秒の計測データに基づいて以下のようにシミュレートした。
【００５４】
まず、計測時間９０秒の計測データに基づいて計測時間１００ミリ秒に対応するデータを以下のように取得した。検出される光子数は計測時間に比例するため、９０秒の全期間中における光子の計数値を１／９００にした。さらに、その値にポアソンノイズを加えることにより、図８（ａ）に示す計測時間１００ミリ秒の時間応答関数データを得た。図８（ａ）の横軸はレーザー光における各パルスの入射タイミングからの経過時間を示し、図８（ａ）の縦軸は１ビン（ｂｉｎ）当たりの光子数を示す。グラフｇ９は計測装置自体の時間応答関数を示す。その他のグラフのうち、黒い実線のグラフはバックグラウンド光における時間応答（蛍光ターゲットから最も離れた位置における時間応答）を示す。その他の灰色の実線のグラフは、測定位置が異なる３つの時間応答を示す。また、これらの時間応答関数データに基づいて、各計測位置における対バックグラウンド比を、同様に求めた結果が、図８（ｂ）に示されている。図８（ｂ）の横軸はレーザー光における各パルスの入射タイミングからの経過時間を示し、図８（ｂ）の縦軸は対バックグラウンド比を示す。ここでのバックグラウンド比は、各側定位置における時間応答関数を、バックグラウンド光の時間応答関数で割ったものである。なお、比較のため、図８（ａ）及び図８（ｂ）のそれぞれの右上に計測時間９０秒の計測データをそのまま用いたグラフを表示している。
【００５５】
図８（ｂ）に示すように、２ナノ秒付近において対バックグラウンド比が最大となることがわかる。１００ミリ秒のデータでは２ナノ秒付近での統計性が不足し、２ナノ秒よりやや速い位置で対バックグラウンド比が最大になっている。このことから、対バックグラウンド比が最大となる２ナノ秒付近を含み、対バックグラウンド比が比較的大きい区間を時間ゲートに設定すればよいと考えられる。例えば、時間ゲートの候補区間を図８に示すＧ１：［０．７９７ナノ秒：３．２９７２ナノ秒］（２．５ナノ秒幅）、Ｇ２：［１．４９７ナノ秒：２．４９７ナノ秒]（１ナノ秒 幅）、Ｇ３：［１．７４７ナノ秒：２．２４７ ナノ秒］（０．５ナノ秒幅）と設定した。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、これらの時間ゲート内に限った光子の計数値の位置に対する変化及び時間ゲートを用いない光子の計数値の位置に対する変化を示す。図９（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図９（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。逆三角点、丸点、四角点及び三角点は、それぞれ、ゲートなし、ゲートＧ１、ゲートＧ２及びゲートＧ３に対応する。各実線は、これらをそれぞれ数式５でフィットした結果である。光子数は、ゲートを用いない場合に最大となり、ゲート幅が狭くなるに連れて小さくなることがわかる。そのため、信号の統計的なばらつきはゲート幅が狭くなると大きくなる。
【００５６】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、時間ゲートＧ１〜Ｇ３内に限った光子の計数値に基づく対バックグラウンド比における位置に対する変化及び時間ゲートを用いない光子の計数値に基づく対バックグラウンド比における位置に対する変化を示す。対バックグラウンド比は図７に示す対バックグラウンド比と同様に導出された。図１０（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１０（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。図１０（ａ）の三角点、逆三角点、丸点及び四角点は、それぞれ、ゲートＧ３、ゲートＧ２、ゲートＧ１及びゲートなしに対応する。図１０（ｂ）の三角点、四角点、丸点及び逆三角点は、それぞれ、ゲートＧ３、ゲートＧ２、ゲートＧ１及びゲートなしに対応する。図９の場合とは逆に、時間ゲートを掛けた方が、高いコントラストが得られた。また、ゲート幅を０．５ナノ秒幅としても、１．０ナノ秒幅と比べてコントラストが改善しなかった。以上の結果から、時間ゲートの幅としては１．０ナノ秒より大きくてよいと結論される。さらに、実際には、以上のように決定された時間ゲートを初期設定値とし、臨床にて、位置に対するコントラストの変化が最も大きくなるような時間ゲートに最適化することが好ましい。
【００５７】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１実施形態の時間ゲートを用いず、その代わりに数式１に示すユークリッド距離Ｄを用いる方法に関する。第２実施形態に係る生体検査装置は、第１実施形態に係る生体検査装置とは、解析部３０の構成が主に異なる。以下においては、第２実施形態に係る解析部について主に説明する。第２実施形態の解析部は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値に基づき、数式１に従ってＤを算出する。数式１におけるｆｍｅａｓは、所定期間中に光子検出器４によって光子が検出される回数を、光源３において各光パルスが出射されたタイミングからの経過時間に関して計数（集計）した結果を示している。ｆｍｅａｓは、例えば、図５のグラフｇ２〜ｇ４や図８（ａ）の灰色の実線グラフに対応する。ｆｒｅｆ、ｗ及びαは、原理の説明における上述の方法に従って決定された値を有している。解析部は、算出したＤを制御部４０へと出力する。制御部４０は、第１実施形態と同様、Ｄの大きさに応じた音声を音生成部７に発生させると共に、Ｄの大きさに応じた表示を表示部８に行わせる。
【００５８】
［第２実験例］
第２実験例として、第１実験例での実験結果を用い、第２実施形態の解析部における方法について評価した。評価に用いた波形データｆｍｅａｓは、第１実験例での計測データから生成した計測時間１００ミリ秒に対応する波形（図８（ａ）に示す波形）に関するデータである。評価区間は波形の全範囲をカバーする時間区間とした。基準ｆｒｅｆとなるバックグラウンド光の波形ｆｂａｃｋには、蛍光ターゲットから最も遠い位置での計測結果を用いた。数式１のｗは定数１／Ｎ（Ｎは時間データの数）とした。またαは、Ｄ＾２を最小化するように決めた。図１１は、このようにして算出したＤにおける位置に対する変化を示す。図１１（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１１（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。図１１の結果は、定常光すなわち、時間応答関数の単純な積分値（図１０の四角点が示す値）と比べ、蛍光ターゲット位置をややコントラスト良く示している。なお、計測時間が１００ミリ秒より長ければこの状況はさらに改善する。また、数式１を用いる方法と時間ゲートを用いた方法とが併用されてもよい。
【００５９】
［第３実施形態］
第３実施形態は、第１実施形態の時間ゲートの代わりに、数式４に示す相関関数を用いた方法に関する。第３実施形態の解析部は、時間分解計測ユニット２０からのデジタル値に基づき、数式４に従ってＬを算出して制御部４０へと出力する。数式４のうち、Ｄの算出については、第２実施形態における算出方法と同様の方法に基づく。制御部４０は、第１実施形態と同様、Ｌの大きさに応じた音声を音生成部７に生成させると共に、Ｌの大きさに応じた表示を表示部８に行わせる。
【００６０】
［第３実験例］
第３実験例として、第１実験例での実験結果を用い、第３実施形態の解析部における方法について評価した。評価に用いた波形データｆｍｅａｓは、第１実験例での計測データから作成した計測時間１００ミリ秒に対応する波形（図８（ａ）に示す波形）に関するデータである。評価区間は波形の全範囲をカバーする時間区間とした。基準ｆｒｅｆとなるバックグラウンド光の波形ｆｂａｃｋには、蛍光ターゲットから最も遠い位置での計測結果を用いた。数式１のｗは定数１／Ｎ（Ｎは時間データの数）とした。また、α＝１とした。数式４の相関ρはＰｅａｒｓｏｎの相関係数を用いて算出した。ρ０は、計測データから０．９６とした。図１２は、このようにして算出したＬにおける位置に対する変化を示す。図１２（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する変化に、図１２（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｙに対する変化に対応する。図１２の結果は、時間ゲートを用いた第１実験例と同様に、蛍光ターゲットの位置をコントラスト良く示している。この方法の場合、計測波形がバックグラウンド光の波形に近い位置の値はほぼ０になっており、コントラストが非常に良くなっている。また、Ｌの分布幅も狭くなっている。よって、数式４を用いる方法は、蛍光プローブの検出に有効であると考えられる。
【００６１】
［参考実験例］
ヒト組織と第１実験例で用いた試料との時間応答関数の類似性を以下のように確かめた。図１３のグラフｇ１０は、ヒト上腕に関して蛍光色素を埋め込まずに第１実験例と同じ方法で時間応答を計測して求めた時間応答関数を示す。グラフｇ１１は牛肉を用いた結果である。グラフｇ１０及びｇ１１は、ピーク付近で波形が互いに一致するように正規化されている。ヒトの方が牛肉と比べ、時間応答関数の減衰が若干速かったが、両方がほぼ同様の減衰を示すことがわかる。図１３に示すようにヒトの場合のバックグラウンド光の減衰が牛肉の場合より速いことは、バックグラウンド光と蛍光とを分離する観点では都合が良い。蛍光の時間応答はバックグラウンド光の時間応答よりさらに減衰が遅いためである。したがって、ヒトに対する検査における本実施形態の有効性が示される。
【００６２】
＜変形例＞
以上は、本発明の好適な実施形態についての説明であるが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、課題を解決するための手段に記載された範囲の限りにおいて様々な変更が可能なものである。
【００６３】
例えば、上述の実施形態における励起・検出プローブ１０の代わりに、図１４（ａ）に示す励起・検出プローブ１１０又は図１４（ｂ）に示す励起・検出プローブ１２０が用いられてもよい。励起・検出プローブ１１０は、先端表面１１１ａが突出したホルダ１１１を有している。先端表面１１１ａは滑らかに湾曲している。先端表面１１１ａには照射部１２及び受光部１３が設けられている。この変形例では、光学フィルタ５及び６が励起・検出プローブ１１０の先端表面１１１ａに設けられている。照射部１２から出射されたレーザー光は光学フィルタ５を通じて生体へと照射される。生体からの光は光学フィルタ６を通じて受光部１３へと入射する。先端表面１１１ａが滑らかに湾曲しているため、先端表面１１１ａを被験者に押し当てた際に先端表面１１１ａとその組織との密着性が向上する。よって、照射部１２から出射される励起光が受光部１３へと漏れ出したりしにくい。
【００６４】
励起・検出プローブ１２０においても、ホルダ１２１の先端表面１２１ａに光学フィルタ５及び６が設けられている。ホルダ１２１内にはレーザーダイオード１０３及び光子検出器１０４が設けられている。励起光の光源と光子検出器の小型化が可能であれば、このようにこれらが励起・検出プローブ内に設けられてもよい。レーザーダイオード１０３から出射されたレーザー光は、照射部１２及び光学フィルタ５を通じて被験者へと照射される。生体からの出射光は光学フィルタ６及び受光部１３を通じて光子検出器１０４へと入射する。
【００６５】
また、上述の第１実施形態では、解析部３０がデジタル比較器３２等のデジタル回路を用いて構築されている。しかし、コンピュータ及びソフトウェアの組み合わせによって解析部が構築されてもよい。この場合、解析部３０と同様の役割を担うようにソフトウェアがコンピュータを機能させればよい。
【００６６】
また、上述の実施形態では、計数器３５による計数結果、すなわち、単位時間当たりの光子の検出回数に応じた音声や数値等の出力がなされる。その代わりに、対バックグラウンド比に応じた出力がなされてもよい。例えば、制御部４０が、計数器３５の計数結果に基づいて対バックグラウンド比を算出する。そして、算出された対バックグランド比に応じた大きさの音声が音生成部７において生成される。対バックグラウンド比は、計数器３５の計数結果をバックグラウンドレベルｂで割ることで算出される。バックグラウンドレベルｂは、時間ゲートに応じて事前測定された測定値に基づき、数式５を用いてあらかじめ算出された値が用いられる。
【符号の説明】
【００６７】
Ｇ、Ｇ１〜Ｇ３  時間ゲート
１  生体検査装置
２  蛍光プロ―ブ
３  光源
４  光子検出器
５、６  光学フィルタ
７  音声生成部
８  表示部
１０、１１０、１２０  励起・検出プローブ
１２  照射部
１３  受光部
１７、１８  スイッチ
２０  時間分解計測ユニット
３０  解析部
４０  制御部
【図１】
2019059379.tif 000008
【図２】
2019059379.tif 000009
【図３】
2019059379.tif 000010
【図４】
2019059379.tif 000011
【図５】
2019059379.tif 000012
【図６】
2019059379.tif 000013
【図７】
2019059379.tif 000014
【図８】
2019059379.tif 000015
【図９】
2019059379.tif 000016
【図１０】
2019059379.tif 000017
【図１１】
2019059379.tif 000018
【図１２】
2019059379.tif 000019
【図１３】
2019059379.tif 000020
【図１４】
2019059379.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月24日(2019.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光色素が埋め込まれた生体に対して前記蛍光色素を励起する励起光を照射する光源と、
前記生体からの出射光の強度を検出する光検出手段と、
前記光源による前記生体への前記励起光の照射に起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価する蛍光評価手段と、
前記蛍光評価手段が評価した前記程度を知覚可能に出力する評価結果出力手段と、を備えていることを特徴とする生体検査装置。
【請求項２】
前記バックグラウンド光の減衰が前記蛍光の減衰より速く、
前記蛍光評価手段が、前記バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって前記蛍光が発生している期間である所定期間内における前記出射光に基づいて前記程度を評価することを特徴とする請求項１に記載の生体検査装置。
【請求項３】
前記所定期間が、前記蛍光を含む前記出射光の強度における前記バックグラウンド光の強度に対する比が最大となるタイミングを含んだ期間であることを特徴とする請求項２に記載の生体検査装置。
【請求項４】
前記光検出手段が光子の入射を検出可能であり、
前記蛍光評価手段が、
前記光源が前記励起光を前記生体に照射したタイミングを基準として前記光検出手段による光子の入射の検出タイミングを取得する検出時刻取得手段と、
前記検出時刻取得手段が取得したタイミングに基づいて、前記光検出手段による前記所定期間内における前記光子の入射の検出回数を計数する計数手段と、を有していることを特徴する請求項２又は３に記載の生体検査装置。
【請求項５】
前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成された励起・検出プローブをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項６】
前記接触面が前記生体に向かって突出するように湾曲していることを特徴とする請求項５に記載の生体検査装置。
【請求項７】
前記励起・検出プローブにスイッチが設けられており、
前記スイッチの操作状況に基づいて、前記励起光の照射部から前記励起光を出射する状態と出射しない状態とを切り替えることを特徴とする請求項５又は６に記載の生体検査装置。
【請求項８】
前記生体の表面と接触する接触面を有し、前記励起光の照射部及び前記生体からの出射光の受光部が前記接触面の表面に形成され、スイッチが設けられた励起・検出プローブをさらに備えており、
前記スイッチの操作状況に基づいて前記所定期間を変更することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項９】
前記評価結果出力手段が、前記程度を表現した文字、画像及び音声の少なくともいずれかを出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項１０】
前記評価結果出力手段が、前記程度に応じて異なる音声を出力することを特徴とする請求項９に記載の生体検査装置。
【請求項１１】
前記蛍光評価手段が、前記出射光の強度の時間変化態様と基準となる時間変化態様との相関に基づいて前記程度を評価することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の生体検査装置。
【請求項１２】
前記評価結果出力手段が実行する出力の大きさが、前記所定期間内における前記出射光の強度の位置ｘに対する変化を下記数式でフィットした結果に基づいて取得されたｂで前記出射光の強度を割った値に応じた大きさであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の生体検査装置。
［数式］
2019059379.tif 000022
【請求項１３】
蛍光色素が埋め込まれた生体からの出射光を評価することによって生体を検査する方法であって、
前記生体に励起光を照射したことに起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価することを特徴とする生体検査方法。
【請求項１４】
前記バックグラウンド光の減衰が前記蛍光の減衰より速い場合における請求項１３に記載の生体検査方法を実行する条件を決定する条件決定方法であって、
前記蛍光色素が埋め込まれた生体に対して前記蛍光色素を励起する励起光を照射する照射工程と、
前記照射工程において前記励起光が照射された生体からの出射光の強度を検出する検出工程と、
前記バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって前記蛍光が発生している期間である所定期間内における、前記検出工程において前記蛍光の波長に関して検出された前記生体からの出射光の強度の位置ｘに対する変化を、下記数式を用いてフィットするフィット工程と、
前記フィット工程においてフィッティング結果として取得されたｆ（ｘ）と、前記フィット工程においてフィッティング結果として取得されたｂとに基づき、対バックグラウンド比ｆ（ｘ）／ｂを取得する取得工程と、
前記検出工程において互いに異なる前記所定期間に関して検出された結果に基づいて前記取得工程において取得された複数の前記対バックグラウンド比ｆ（ｘ）／ｂ同士を比較する比較工程と、
前記比較工程における比較結果に基づいて前記所定期間に関する条件を決定する条件決定工程とを備えていることを特徴とする条件決定方法。
［数式］
2019059379.tif 000023
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、生体検査装置、生体検査方法及び条件決定方法に関する。
背景技術
［０００２］
従来、蛍光色素を用いて患部の位置を特定する方法がある。特許文献１に記載のリンパ節検出装置はその一例であり、蛍光色素があらかじめ注入された腫瘍近傍におけるリンパ節を含む生体に対して励起光を照射し、それによって生体から発生される蛍光から、リンパ節を検出する画像を取得するものである。
先行技術文献
特許文献
［０００３］
特許文献１：国際公開第２００５／０４８８２６号
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００４］
特許文献１のように蛍光色素を用いて患部を特定する従来方法においては、組織の表面近傍からの蛍光は検出できるが、蛍光色素の位置が組織表面から少しでも深くなると蛍光を検出することが難しい。従来、蛍光色素を用いた生体検査の分野においては、組織表面から深いところからの蛍光を検出することが難しい原因として、単に蛍光色素からの蛍光の強度を十分に確保できないことのみが取り上げられてきた。このため、検出の感度を向上するための従来の手段は、励起光を強める等の単純な手段に留まっていた。しかしながら、本発明者は、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に把握するには、かかる単純な手段では限界があることに気づいた。
［０００５］
本発明の目的は、生体内に埋め込まれた蛍光色素からの蛍光の強度を高感度に把握可能な生体検査装置、生体検査方法及び条件決定方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
所定期間の設定は、光子の計数結果における計測位置に対する変化の振れ幅（コントラスト）に影響を及ぼす。このため、計測位置と光子の計数結果との関係に基づいて蛍光色素の位置を把握する際、その把握のしやすさをスイッチ操作によって調整することが可能である。なお、上記スイッチの代わりに、又は、これに加えて、所定期間以外の条件を変更するためのスイッチが設けられてもよい。
［００１７］
また、本発明においては、前記評価結果出力手段が、前記程度を表現した文字、画像及び音声の少なくともいずれかを出力することが好ましい。これによると、文字、画像及び音声の少なくともいずれかによって評価結果がユーザーに知覚可能である。また、本発明においては、前記評価結果出力手段が、前記程度に応じて異なる音声を出力することが好ましい。また、本発明においては、前記蛍光評価手段が、前記出射光の強度の時間変化態様と基準となる時間変化態様との相関に基づいて前記程度を評価することが好ましい。また、本発明においては、前記評価結果出力手段が実行する出力の大きさが、前記所定期間内における前記出射光の強度の位置ｘに対する変化を下記数式でフィットした結果に基づいて取得されたｂで前記出射光の強度を割った値に応じた大きさであることが好ましい。
［数式］
2019059379.tif 000024
［００１８］
また、本発明においては、前記蛍光評価手段が、前記出射光の強度の時間変化態様と基準となる時間変化態様との相関に基づいて前記程度を評価することが好ましい。これによると、例えば、基準となる時間変化態様としてバックグラウンド光の時間変化態様を用いた場合、相関が低いほど蛍光色素からの蛍光が生体からの出射光に強く表れていることが分かる。また、基準となる時間変化態様として蛍光色素からの蛍光の時間変化態様を用いた場合、相関が高いほど蛍光色素からの蛍光が生体からの出射光に強く表れていることが分かる。このように、相関を用いて適切な評価結果が取得される。
［００１９］
また、本発明の別の観点における生体検査方法は、蛍光色素が埋め込まれた生体からの出射光を評価することによって生体を検査する方法であって、前記生体に励起光を照射したことに起因して前記蛍光色素が発生させる蛍光を含む前記出射光の強度の時間変化態様と、前記蛍光に対するバックグラウンド光及び前記蛍光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を、前記蛍光の波長において評価する。
［００２０］
本発明の生体検査方法によると、生体からの出射光の強度の時間変化態様と蛍光色素からの蛍光及びバックグラウンド光の少なくともいずれかの強度の時間変化態様との違いの程度を評価することとした。時間変化態様における上記違いは蛍光色素からの蛍光の発生によって生じる。そして、その違い
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
の程度は蛍光色素からの蛍光の強度を表す指標となる。したがって、その違いの程度に基づくことで、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に評価できる。このように、本発明によると、蛍光色素からの蛍光の強度を適切に把握できる。また、本発明の条件決定方法は、前記バックグラウンド光の減衰が前記蛍光の減衰より速い場合における上記の生体検査方法を実行する条件を決定する条件決定方法であって、前記蛍光色素が埋め込まれた生体に対して前記蛍光色素を励起する励起光を照射する照射工程と、前記照射工程において前記励起光が照射された生体からの出射光の強度を検出する検出工程と、前記バックグラウンド光が最大となるタイミングより後の期間であって前記蛍光が発生している期間である所定期間内における、前記検出工程において前記蛍光の波長に関して検出された前記生体からの出射光の強度の位置ｘに対する変化を、下記数式を用いてフィットするフィット工程と、前記フィット工程においてフィッティング結果として取得されたｆ（ｘ）と、前記フィット工程においてフィッティング結果として取得されたｂとに基づき、対バックグラウンド比ｆ（ｘ）／ｂを取得する取得工程と、前記検出工程において互いに異なる前記所定期間に関して検出された結果に基づいて前記取得工程において取得された複数の前記対バックグラウンド比ｆ（ｘ）／ｂ同士を比較する比較工程と、前記比較工程における比較結果に基づいて前記所定期間に関する条件を決定する条件決定工程とを備えている。
［数式］
2019059379.tif 000025
図面の簡単な説明
［００２１］
［図１］本発明の一実施形態である第１実施形態に係る生体検査装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
［図２］図１の励起・検出プローブの正面図である。
［図３］図１の解析部の詳細な構成を示した解析部周辺の機能ブロック図である。
［図４］第１実施形態に係る第１実験例において励起光の照射及び蛍光の検出に用いられたプローブにおける励起光の照射面の正面図である。
［図５］第１実験例において９０秒の計測期間中に光子検出器によって光子が検出される回数を励起光（パルス光）の入射タイミングからの経過時間に関して集計した結果を示すグラフである。
［図６］図６（ａ）は９０秒の計測期間中における光子の総計数値の位置に対する変化を示す画像である。図６（ｂ）は９０秒の計測期間のうち時間ゲートに対応する期間内に限った光子の計数値の位置に対する変化を示す画像である。
［図７］図７（ａ）はｙ＝１０ｍｍにおけるｘに対する対バックグラウンド比の変化を示すグラフである。図７（ｂ）はｘ＝０ｍｍにおけるｘに対する対バックグラウンド比の変化を示すグラフである。
［図８］９０秒の計測時間における計測結果に基づいて計測時間を１００ミリ秒とした場合に取得される計数値の測定結果を推定したシミュレーション結果を示すグラフである。図８（ａ）は、光子検出器によって光子が検出される回数を励起光（パルス光）の入射タイミングからの経過時間に関して集計した結果を示すグラフである。図８（ｂ）は対バックグラウンド比を示すグラフである。
【国際調査報告】
2019059379.tif 000026
2019059379.tif 000027
2019059379.tif 000028
2019059379.tif 000029