(57)【要約】【課題】測定結果の画像化および装置の単純化により、家庭にも普及可能な光計測装置を提供する【解決手段】本発明の画像計測用プローブ装置１は、位置検出部４を備えている。これにより、被検体１４に沿って、発光部２と受光部３とからなるプローブを走査することにより、被検体１４の内部の透過散乱光の強度を計測すると同時に、位置検出部４によってプローブの位置を検出することもできる。したがって、連続的に各測定位置における透過散乱光の強度と、測定位置とを記憶部７に記憶して、それらを組み合わせることにより、検出結果の画像化を行うことができる。また、プローブを走査するので、少ない数の発光素子１０および受光素子１２であっても、検出結果を画像化でき、装置も小型化できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測装置において、
上記プローブの位置を検出する位置検出手段を備えていることを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
上記プローブと上記位置検出手段とが一体構造であることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
【請求項３】
さらに、上記プローブを移動させる移動手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光計測装置。
【請求項４】
上記発光素子は、中心波長の異なる２波長以上の近赤外領域の光を照射することを特徴とする請求項１、２または３に記載の光計測装置。
【請求項５】
上記発光素子は、７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内の波長の光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項６】
上記プローブは、直交配置された上記発光素子と上記受光素子との組を２組以上含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項７】
上記プローブは、１個以上の発光素子と、１個以上の受光素子とを含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光計測装置。
発光素子および受光素子は、対をなしていなくてもよい。
【請求項８】
被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測方法において、
上記被検体に沿って上記プローブを走査して被検体の透過散乱光の強度を検出すると同時に、上記プローブの位置を検出することを特徴とする光計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光計測装置および光計測方法に関するものであり、より詳細には、近赤外分光法を利用し、例えば、筋肉の代謝や癌組織を簡便に画像表示することが可能な光計測装置および光計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、身体機能の低下（例えば、生活習慣病、運動不足、基礎体力の低下）、医療費の増加、高齢化の問題が話題となっていることから、物的な幸福よりも自身の健康や心豊かな生活などＱＯＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  ｌｉｆｅ）に対する関心が高まっている。
【０００３】
このため、近赤外分光法を利用して生体の画像計測を行う、人体の代謝測定装置が開発されており、商品化されている（例えば、特許文献１、非特許文献１、２）。このような代謝測定装置は、下記の▲１▼〜▲３▼に分類できる。
▲１▼発光素子と受光素子とを１組備えたもの（単チャンネル型）
▲２▼発光素子と受光素子とを複数個備えたもの（マルチチャンネル型）
▲３▼光ファイバーを備えたもの（光ファイバー型）
図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、１組の発光素子５０と受光素子５１とを用いた単チャンネル型プローブの上面図および側面図である。
【０００４】
図２５に示されるように、単チャンネル型のプローブは、発光素子５０および受光素子５１を生体などの被検体５２に密着させ、発光素子５０から被検体５２である生体に近赤外光を照射し、受光素子５１により透過・散乱光を検出する。受光素子５１は、検出可能領域５３の範囲内で被検体５２の透過散乱光を検出できる。受光素子５１にて検出された光強度の経時的な変化を計測することにより、例えば、生体内の酸素の消費状況を知ることができる。
【０００５】
この単チャンネル型プローブでは、発光素子５０と受光素子５１との間の検出可能領域５３に光強度が変化する光吸収物体が存在することを検出できる。しかし、それ以上光吸収物体の空間的な位置の特定や空間的分布を測定することはできない。
【０００６】
ところで、検出結果の画像化は、信号のコントラストが低い場合、ノイズに埋もれている場合であっても、人の画像処理能力を利用して、その画像中から有用な情報を抽出することができる。例えば、Ｘ線写真のかすかな陰影から病巣を判別できることは、その好例である。このように、検出結果の画像化は、結果を視覚的に理解する上で非常に有用である。
【０００７】
そこで、検出結果を画像化するために、図２６に示されるような、マルチチャンネル型プローブが開発されている。このプローブは、多数の発光素子５０と受光素子５１とを備えている。通常、発光素子５０および受光素子５１は、クロストークを避けるために、発光素子５０を順次点灯させて生体に照射し、その透過・散乱光を受光素子５１にて検出している。また、被検体表面（例えば生体表面）付近にこの発光素子５０および受光素子５１を多数備えたプローブを配置することにより、光吸収の空間的な情報を取得することができる。
【０００８】
マルチチャンネル型プローブは、測定範囲や多数の発光素子５０および受光素子５１の配置を、被検体の測定部位に応じて変更する必要がある。しかし、従来のマルチチャンネル型プローブにおいては、発光素子５０および受光素子５１が固定配置されている。このため、測定範囲や測定間隔を測定部位に応じて変更することができない。すなわち、各素子の自由度が低く、各素子を自由に配置できない。また、各素子の物理的な大きさにより、素子の大きさ以下の間隔で測定することができない。
【０００９】
そこで、このような低い自由度を改善するために、図２７に示されるような、発光素子５０および受光素子５１に光ファイバー５４を接続したプローブも開発されている。これにより、各素子を自由に配置することができ、高密度に生体の情報を取得することができる。しかし、この光計測装置は、光ファイバー５４を被検体に設置するための堅い設置用器具を別途必要とする。このため、被検体の形状に対応することができない。
【００１０】
【特許文献１】特開６−３４３６２５号公報（公開日１９９４年１２月２０日）
【００１１】
【非特許文献１】尾崎幸洋、松永貞一著、臨床化学、２４巻、１９９５年、ｐ．１２３−１３１．
【００１２】
【非特許文献２】小田元樹等著、レーザー研究、２５巻３号、１９９７年、ｐ．２０４−２０７．
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の赤外分光法を用いた光計測装置によって、被検体の空間情報を取得しようとすると下記の問題が生じる。すなわち、
▲１▼単チャンネル型の光計測装置では一箇所での測定のため、空間情報を取得できない。
▲２▼マルチチャンネル型の光計測装置では、測定部位に応じて素子の配置や測定範囲の変更ができず、自由度が低い。また、素子の物理的大きさから空間分解能を向上できない。さらに、多数の素子を使用するためコスト高を招来する。
▲３▼光ファイバー型の光計測装置では、被検体に設置するための堅い設置用器具を必要とするため被検体の形状に対応できない。
【００１４】
このように、従来の光計測装置は、問題点が多く存在し、臨床レベルで導入することは困難であり、ましてや家庭内の普及にはほど遠い。それゆえ、少数の発光素子および受光素子であっても計測結果の画像化することができ、しかも低コストで家庭にも実用化可能な光計測装置が切望されている。
【００１５】
そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、計測結果の画像化および装置の単純化（すなわち低価格化）により、家庭内にも普及可能な光計測装置および光計測方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、ヘモグロビンおよびミオグロビンの近赤外線領域での吸光特性を利用して、ヒトの身体活動における筋の代謝や運動強度を計測し、それを視覚的に提示することにより、自己の身体活動状況を知ることのできる近赤外分光法を用いた光計測装置の研究開発を精力的に行ってきた。
【００１７】
その結果、発光素子と受光素子とを含むプローブ（光センサー）に加えて、プローブの位置を検出する位置検出センサーを備え、経時的な相対位置を検出しながら、同時に被検体の光検出を行うことにより、少ない素子数であっても確実に被検体の空間情報を取得できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１８】
すなわち、本発明にかかる光計測装置は、被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測装置において、上記プローブの位置を検出する位置検出手段を備えていることを特徴としている。
【００１９】
従来から、被検体（人体）における代謝分布を画像化する試みもなされていた。しかしながら、従来の単チャンネル型光計測装置は、１箇所での光強度の測定のため画像化することはできなかった。このため、画像化の方法は、いずれも多数の発光素子および受光素子を被検体（人体）に取り付ける方法である。すなわち、従来の画像化方法は、マルチチャンネル型の光計測装置によるものである。
【００２０】
しかしながら、マルチチャンネル型の光計測装置は、多数の発光素子および受光素子を必要とするため装置が大型化するため、製作費が上昇してしまうこと；被検体（人体）に発光素子および受光素子を固定しなければならないため、測定範囲の変更や、各素子の配置の変更ができない、といった問題点を有していた。
【００２１】
これに対して、上記の構成によれば、位置検出手段によりプローブの位置、すなわち被検体の透過散乱光を測定している位置が検出される。したがって、発光素子から被検体に光が照射されると、受光素子により被検体を透過・散乱した透過散乱光が検出される。それと同時に、位置検出手段によってプローブの位置（すなわち、被検体の測定位置）も検出される。その結果、被検体上に沿ってプローブを走査して各位置における光強度を測定した結果と、位置検出手段によるプローブの位置情報とを組み合わせることにより、測定結果を画像化することができる。言い換えると、被検体の測定位置と、その位置における透過散乱光の強度との経時的な変化を連続的に重ねあわすことにより、画像化することができる。
【００２２】
さらに、上記の構成によれば、プローブを走査して測定結果を画像化するので、発光素子および受光素子は、多数必要としない。したがって、１組の発光素子および受光素子からなる単チャンネル型プローブであっても、測定結果を画像化することができる。それゆえ、本発明の光計測装置は、多数の発光素子と受光素子とを必要としないので、装置が簡素化されている。すなわち、装置の費用を削減することができるので、安価な光計測装置を提供できる。
【００２３】
本発明の光計測装置において、上記プローブと上記位置検出手段とが一体構造であってもよい。
【００２４】
上記の構成によればプローブと位置検出手段とが、一体構造である。したがって、小型・軽量の光計測装置を提供することができる。その結果、従来の装置は大型の装置であったため、研究所や大病院でのみでしか測定できなかった装置を、家庭内にも提供できる。
【００２５】
本発明の光計測装置は、上記プローブを移動させる移動手段を備えていてもよい。
【００２６】
上記の構成によれば、移動手段によってプローブが被検体上を移動する。すなわち、移動手段によってプローブが被検体上を自動的に走査させることができる。なお、上記移動手段がプローブを移動させる方向は、特に限定されるものではなく、例えば、２次元方向、３次元方向など、およびそれらの方向を組み合わせた方向であってもよい。
【００２７】
本発明の光計測装置において、上記発光素子は、中心波長の異なる２波長以上の近赤外領域の光を照射するものであってもよい。
【００２８】
ここで、上記「近赤外領域の光」とは、近赤外線線領域の光、すなわち、可視光線領域の長波長端付近（７５０ｎｍ）〜赤外線領域の長波長端（２５００ｎｍ）付近までの領域の光のことを意味する。
【００２９】
近赤外領域の光は、生体を透過しやすい。このため、被検体が生体である場合には、発光素子が被検体に照射する光は、近赤外の光であることが好ましい。また、近赤外領域の光を用いれば、無侵襲、非破壊の計測が可能である。さらに、近赤外領域の光を用いれば、測定操作が容易となりルーチン分析に適している。
【００３０】
したがって、上記の構成によれば、たとえ被検体が生体であっても、安全かつ容易に、しかも低拘束の光計測装置を提供することができる。
【００３１】
さらに、上記発光素子は、近赤外領域の光であって、中心波長の異なる２波長以上の光を照射することが好ましい。２波長以上の光を照射する理由は、目的とする物質の変化による吸光度の変化と、密度の変化による吸光度変化とが起こるためであり、未知の値が２つ存在するためである。
【００３２】
上記近赤外領域の光においては、７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内の波長の光を照射することが好ましい。近赤外領域のうち、７００ｎｍ以下では、生体による光の散乱が大きくなり、９００ｎｍ以上では、水による吸収が大きくなる。このため、被検体の透過散乱光を検出するときの妨害となる。したがって、７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内とすることにより、この妨害を防ぎ、被検体からのより強い光強度の透過散乱光を検出できる。
【００３３】
本発明において、上記プローブは、直交配置された上記発光素子と上記受光素子との組を２組以上含んでいてもよい。
【００３４】
プローブの発光素子と受光素子とが直交配置されていると、その交点である中心付近における受光素子の検出値が大きくなる。これは、直交する受光素子からの出力が重ねあわされるためである。その結果、検出結果の出力画像も同様に、特に中心付近の出力が大きくなる。したがって、発光素子と受光素子とを垂直配置することにより、光吸収物体の検出能を向上できる。それゆえ、１組の発光素子と受光素子の場合よりも、光吸収物体の領域を絞り込むことができ、さらに、被検体の表面に近い光吸収物体のみを検出することもできる。
【００３５】
本発明において、上記プローブは、１個以上の発光素子と、１個以上の受光素子とを含んでいればよい。すなわち、上記プローブは、少なくとも１組の発光素子と受光素子とを含んでいればよく、必ずしも対になっていなくてもよい。例えば、複数の発光素子からの光を１つの受光素子によって受光してもよい。
【００３６】
これにより、発光素子または受光素子の数を減らすことができ、一層光計測装置を小型化することが可能となる。
【００３７】
また、本発明にかかる光計測方法は、上記の課題を解決するために、被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測方法において、上記被検体に沿って上記プローブを走査して被検体の透過散乱光の強度を検出すると同時に、上記プローブの位置を検出することを特徴としている。
【００３８】
上記の構成によれば、プローブによる被検体の透過散乱光の検出と、当該プローブの位置検出とを同時に行っている。その結果、被検体上に沿ってプローブを走査して各位置における光強度を測定した結果と、位置検出手段によるプローブの位置情報とを組み合わせることにより、測定結果を画像化することができる。言い換えると、被検体の測定位置と、その位置における透過散乱光の強度との経時的な変化を連続的に重ねあわすことにより、画像化することができる。
【００３９】
さらに、上記の構成によれば、プローブを走査して測定結果を画像化するので、発光素子および受光素子は、多数必要としない。したがって、１組の発光素子および受光素子からなる単チャンネル型プローブであっても、測定結果を画像化することができる。また、その画像化された測定結果を見ながら、プローブを走査することもできるので、異常が確認された部分を長時間測定して経時的な変化も調べることができる。
【００４０】
このように、本発明によれば、生体などの被検体に近赤外光を照射し、その近赤外光が生体内部で散乱・吸収されて、生体を透過した光を光検出器で測定し、生体内の光吸収分布を取得することができる。この方法の最大の利点は、生体機能を無侵襲で測定できることにある。なお、この方法の原理は、生体の酸素化状態により、血液の近赤外光吸収が波長依存性を示すことを利用したものであり、これを利用して生体の酸素代謝機能が測定できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。なお、以下では、本発明の光計測装置の一例として、近赤外分光法を用いた画像計測用プローブ装置について説明することとする。
【００４２】
本実施形態にかかる画像計測用プローブ装置は、近赤外光を体内に照射し、体内を透過した光強度の変化から血中の酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）と脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）との相対的な変化を検出して体内での代謝状況を検出するものである。このプローブは、脳、筋肉、その他の器官での代謝や癌検診を実現し得る。
【００４３】
図１は、近赤外分光用に１組の発光部２と受光部３とを備えた最も単純な画像計測用プローブ装置１の構成を示したブロック図である。まず、画像計測用プローブ装置１の構成について説明する。
【００４４】
画像計測用プローブ装置（光計測装置）１は、発光部２、受光部３、位置検出部４、制御部５、時計６、記憶部７、データ処理部８、および表示部９とを備えている。
【００４５】
発光部２は、２つの発光素子１０ａ、１０ｂと、発光制御部１１とを備えており、被検体に近赤外光を照射する。
【００４６】
発光素子１０は、例えば、レーザー、タングステンランプ、ハロゲンランプ、発光ダイオードなど、通常光源として用いられるものを使用できる。発光素子１０は、被検体に光を照射する。発光素子１０から照射される光の波長は、特に限定されるものではないが、本実施形態のように生体のヘモグロビンを検出する場合、赤色から近赤外領域の波長（すなわち、６３０ｎｍ〜１６００ｎｍ）であることが好ましい。また、波長７００ｎｍ以下では、生体による光の散乱が大きくなり、９００ｎｍ以上では、水による吸収が大きくなる。また、図２に示すように、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの吸収変化の特徴的な振舞により、発光素子１０の波長は、水による吸収が小さく、生体の光透過性の高い波長、すなわち７００ｎｍ〜９００ｎｍであることが好ましい。
【００４７】
なお、後述する実施例では、発光素子１０として、中心波長の異なる（７６０ｎｍと８４０ｎｍ）２つの発光ダイオードが組込まれている。このように、中心波長の異なる光を照射すれば、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの変化（酸素飽和度）による吸光度の変化と、血液量の変化によるヘモグロビンの密度（総血量）の変化による吸光度の変化とを分離して測定できる。
【００４８】
発光制御部１１は、発光素子１０の駆動を制御する電子回路である。
【００４９】
受光部３は、受光素子１２と、増幅器１３とを備えており、被検体で透過・散乱された光を受光する。
【００５０】
受光素子１２は、例えば、シリコンフォトダイオードなどのフォトディテクタからなり、被検体で透過・散乱された光を受光する。
【００５１】
増幅器１３は、受光素子１２によって受光された光電流信号の電流電圧増幅を行う。
【００５２】
図３は、発光部２および受光部３における、発光・受光のタイミングチャートの一例である。図３に示されるように、発光素子１０ａおよび１０ｂを交互に点灯することにより、異なる発光素子１０ａおよび１０ｂからの光を１つの受光素子により検出できる。この発光・受光のタイミングについて、例を挙げて詳細に説明する。例えば、後述するように、位置検出部４としてＰＣ用マウスを用いた場合、マウスを５ｃｍ／ｓで移動させるとすると、１ｍｍ間隔で被検体の吸光度測定を行うためには、毎秒５０回測定を繰り返す必要がある。２波長の発光素子１０を用いる場合、発光素子１０ａおよび１０ｂは、５０Ｈｚで交互に点灯させればよいことになる。このときの受光は２倍必要となることから、１００Ｈｚで受光すればよいことになる。なお、受光の時間幅は、受光素子１２、増幅器１３、Ａ／Ｄ変換回路、マウスのサンプリング間隔によって決まる（図１参照）。実際には、受光の時間幅は、増幅器１３の応答１ｋＨｚか、マウスのサンプリング間隔０．３ｍｓ（１００ｋＨｚでサンプリングして３００回で平均、ただしマウスの機種によって多少異なる）によって決まる。
【００５３】
位置検出部４（位置検出手段）は、発光部２および受光部３を含むプローブの位置変化を検出するものである。位置検出部４は、例えば、コンピュータのマウスに用いられているような２次元位置計測用の球状の位置検出センサーおよび光位置検出センサー、３次元位置計測用の磁気センサー、超音波センサー、光学式センサーなどを用いることができる。
【００５４】
２次元位置計測用センサーの場合は、平面を碁盤の目上に小さな正方形に区切り離散化し、離散化されたどの正方形領域に発光部２と受光部３との中心が入っているかによって、プローブの位置を決定する。
【００５５】
３次元位置検出用センサーの場合は、空間を小さな立方体の領域で区切り、２次元位置計測用センサーの場合と同様に、どの立方体の領域に発光部２と受光部３との中心が入っているかによって、プローブの位置を決定する。
【００５６】
なお、上記正方形や立方体の大きさは、特に限定されるものではなく、測定範囲、測定時間、測定精度に応じて適宜変更可能である。また、光位置検出センサーや光学式センサーを用いる際には、各センサーからの迷光を防止するために、受光素子１２の受光面に近赤外光通過フィルタを設置することが好ましい。
【００５７】
また、位置検出部４は、プローブと一体構造となっていることが好ましい。例えば、図９は、ＰＣ用マウスの位置検出センサーを位置検出部４に適用した例を示している。このＰＣ用マウスは、制御部５、発光素子１０、発光制御部１１、受光素子１２、増幅器１３を備えている。また、位置検出部４（通常のＰＣ用マウスの位置検出センサー；図９には図示せず）は、発光素子１０と受光素子１２との間に存在する。
【００５８】
また、図１０に示すように、位置検出部４が、単チャンネルまたは２チャンネルのプローブと一体構造となっていてもよい。
【００５９】
このように、位置検出部４と、プローブとを一体構造とすることにより、装置を小型化することができる。
【００６０】
制御部５は、時計６の信号を参照して、発光部２および受光部３の発光・受光のタイミング、位置検出部４によるプローブの位置検出のタイミング、およびデータ処理部８でのデータ処理のタイミングを制御する。
【００６１】
記憶部７は、後述するデータ処理部８での処理結果が記憶されている。
【００６２】
データ処理部８は、制御部からの制御信号を参照しながら、受光部３からの光強度の情報、位置検出部４からの位置情報、および記憶部７に貯えられた情報から、ある時点の位置での酸素飽和度と、総血量を算出する。このデータ処理は、パソコンにより容易に行うことができる。
【００６３】
ここで、データ処理部８でのデータ処理の一例について説明する。一般的に、生体組織を測定する場合には、受光量から近赤外分光法に基づいて、酸化型ヘモグロビン、脱酸化型ヘモグロビン、および総血量（全ヘモグロビン）を算出することができる。そして、算出した結果を連続的にプロットすることにより、測定結果を画像化することができる。
【００６４】
データ処理部８では、発光素子１０ａおよび１０ｂから中心波長の異なる光を被検体に照射した時における、受光部３のｔ回目（ｔは自然数）の計測出力Ｓ１（ｔ）（発光素子１０ａの波長を照射した時の計測出力）とＳ２（ｔ）（発光素子１０ｂの波長を照射した時の計測出力）とから、それぞれの光学濃度の変化△ＯＤを算出する。このとき、１回目の計測出力を基準とする。発光素子１０ａおよび１０ｂに対する光学濃度の変化△ＯＤの計算式は、下記（１）式および（２）式で示される。
【００６５】
△ＯＤ１＝ｌｏｇ［Ｓ１（１）／Ｓ１（ｔ）］        ・・・（１）
△ＯＤ２＝ｌｏｇ［Ｓ２（１）／Ｓ２（ｔ）］        ・・・（２）
各発光素子１０ａおよび１０ｂに対する光学濃度の変化から、３つの変化量（酸素化ヘモグロビンの濃度変化△Ａ、脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化△Ｂ、血液量の変化△Ｃ）は、下記（３）式から算出できる。
【００６６】
【数１】
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【００６７】
ここで、Ｍは３×２の行列であり、各要素の値は、使用する発光素子の波長によって異なる。また、記憶部８には、離散化された各点での時刻１での計測量Ｓ１（１）およびＳ２（１）、および計測量Ｓ１（ｔ）の平均値とＳ２（ｔ）の平均値、その点をプローブが通過した回数が貯えられている。記憶される値の更新は、新しく取得した計測量と、記憶部８に貯えられている各計測量の平均値と、通過回数とから新しい３つの計測量の平均を算出する。計測量から算出された光学濃度の変化から算出された３つの変化量が、表示部９に出力され、表示部９のモニターに表示される。表示方法については、従来公知の種々の方法を適用することができる。
【００６８】
続いて、図１の画像計測用プローブ装置１を用いた、データ処理について説明する。このプローブ１は、位置検出部４によりプローブ１の位置検出を行う。それと同時に、発光制御部１１からの信号に応じて、２つの受光素子１０ａおよび１０ｂを交互に発光させ、受光部３により透過散乱光を受光する。位置検出部４により得られた位置検出情報と、受光部３で検出した近赤外分光情報は、信号線によって実時間にコンピュータなどのデータ処理部８に送られ、信号処理される。データ処理部８で信号処理された結果は、コンピュータのモニターなどの表示部９に表示される。
【００６９】
プローブ１は、ユーザーの手によって自由に操作でき、被検体（例えば人体）上のあらゆる部分を走査できる。これにより、ユーザーは、表示部９に写し出された計測画像を見ながら、被検体上を走査できる。また、場合によっては、プローブ１を固定して、特定の部分の透過散乱光の強度を長時間測定し、その部分における光強度の経時的変化を観測することができる。
【００７０】
以上のように、本発明にかかる光計測装置は、生体などの被検体に近赤外光を照射し、その透過・散乱光を測定することにより、無侵襲的に被検体内の情報を取得することができる。また、簡易な構成で被検体内の情報を画像表示することができる。
【００７１】
なお、図１では、２つの発光素子１０ａおよび１０ｂを備えているが、発光素子１０の数は特に限定されるものではない。また、受光素子１２の数も特に限定されるものではない。すなわち、プローブを構成する素子の数は特に限定されない。言い換えると、本発明の光計測装置は、単チャンネル型のものであってもよいし、マルチチャンネル型のものであってもよい。
【００７２】
本発明において、より正確に被検体上を走査するためには、図４に示されるように、プローブ１５を補助器具に取り付けて可動式としてもよい。図４では、外枠１８に一対のｘ方向移動用レールと１６と、それに垂直な方向にｙ方向移動用レール１７と、プローブ保持部１９とを備えている。プローブ１５は、プローブ保持部１９に固定されている。これにより、プローブ１５は、ｘ方向およびｙ方向の２次元方向に走査することができる。その結果、２軸（ｘ方向およびｙ方向）の移動レールから検出された精密なプローブ１５の位置が検出される。それゆえ、空間的に均一な測定や長時間の変化を観測できる。また、各移動用レール１６および１７にモーターを取り付けてプローブ１５を自動的に移動させれば、空間的な光計測が自動化される。
【００７３】
なお、上記の説明では、１組の発光部２と受光部３とを備えた画像計測用装置１について説明したが、発光部２と受光部３とを複数組備えるものであってもよい。複数組用いれば、複数箇所で計測できるので、測定時間の短縮や分解能が向上する。ただし、発光部２と受光部３との組を多く備えると、素子の数も増え、装置の大型化およびコスト高を招来する。このため、発光部２と受光部３とを複数組備える場合であっても、その数は少ないほうがよい。
【００７４】
複数組の発光部２と受光部３とを複数組備える場合には、例えば、図５に示すように、発光素子１０ｘおよび受光素子１２ｘと、発光素子１０ｙおよび受光素子１２ｙとを直交配置することが好ましい。
【００７５】
図５（ａ）は、２波長の発光素を含む発光素子１０と受光素子１２とによって、図示しない光吸収物体を、プローブ１５を走査することにより検出した結果を示す図である。横軸は発光素子１０と受光素子１２の中心が光吸収物体の中心にある場所を原点とした時のプローブ１５のｘ方向の移動量であり、縦軸はそのｙ方向の移動量である。図５（ａ）のグラフは、１組の発光素子１０ｘと受光素子１２ｘとを備えたプローブ１５によって被検体上を走査することにより、微小な光吸収物体を測定した時の、プローブ１５の中心位置の変化に対する出力画像、すなわち、点像応答関数その中心プロファイルとを示している。この出力画像の濃淡は、光吸収物体による光学濃度変化を示しており、濃度が濃いほど光学濃度変化も大きい。ここでは、グラフの中心は光吸収物体が、発光素子１０と受光素子１２との中心にある場合であり、グラフの中心ほど光学濃度変化が大きくなっている。
【００７６】
一方、図５（ｂ）は、直交配置された２組の発光素子１０ｘ、１０ｙと受光素子１２ｘ、１２ｙとによって、図示しない光吸収物体を検出した結果を示す図である。図５（ｂ）の点像応答関数と図５（ａ）の点像応答関数とを比較すると、２組の発光素子１０ｘ、１０ｙと受光素子１２ｘ、１２ｙを用いた図５（ｂ）の方が、図５（ａ）の空間的なプロファイルに比べて、中心付近の検出値が大きくなっている。これは、２つの受光素子１２ｘ、１２ｙからの出力が重ねあわされるためである。出力画像も同様に、図５（ｂ）の方が、特に中心付近の出力が大きくなっている。このように、２組の発光素子１０ｘおよび１０ｙと、受光素子１２ｘおよび１２ｙとを垂直配置することにより、光吸収物体の検出能を向上できる。
【００７７】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すような点像応答関数は、任意の関数で変換してもよい。これにより、光吸収物体の検出能力を一層向上させることができる。また、ユーザーは、その信号処理のための関数のパラメータを適応的に変えながら、被検体の光吸収物体を見つけやすい信号処理カーブを変更することもできる。具体的には、図５（ａ）（ｂ）は、中央に微小な光吸収体がある場合に検出される光学濃度変化を示している。上記「光吸収物体の検出能力を向上」とは、図５（ａ）（ｂ）で黒く表される領域の面積を狭くするような処理を行うことを意味している。ユーザーは、画素値の閾値処理の傾きと中心、あるいは、画像の輪郭を除去するような画像処理（つまり、画像の明るさ、コントラスト、ダイナミックレンジを変更する処理、先鋭化処理）を組み合わせて光吸収体を見つけやすいように信号処理のカーブを変更することができる。光吸収体の深さ、被検体の光学特性によって、最適な信号処理は異なることが予想されるため、ユーザーが信号処理カーブを見ながら、最も見やすい画像を得るように調整することができる。
【００７８】
例えば、図５（ａ）に示される出力画像に対して、図６（ａ）に示すように、所定以上の吸光度の変化があった場合にのみ出力するような関数で吸光度変化（光学濃度変化）を変換してもよい。これにより、図６（ｂ）に示すように、光吸収物体の位置をさらに空間的に絞り込むことができる。すなわち、光吸収物体の検出能を上げることができる。ただし、各方向での光吸収物体の位置を絞り込む大きさが異なっている。
【００７９】
一方、図５（ｂ）に示される出力画像に対して、図７（ａ）に示すように、受光素子１２ｘにより検出した吸光度の変化と、受光素子１２ｙにより検出した吸光度の変化とが特に大きい領域を出力するような関数（すなわち、図５（ｂ）の出力画像のうち、受光素子１２ｘおよび１２ｙの出力画像が重なっている領域のみを出力するような関数）で吸光度変化（光学濃度変化）を変換してもよい。これにより、図７（ｂ）に示すように、光吸収物体の位置をほぼ円形に絞り込むことができる。すなわち、図６（ｂ）の場合よりも、より一層光吸収物体の検出能を上げることができる。さらに、絞り込んだ領域の形状はほぼ円形であるため、各方向での光吸収物体の位置を絞り込む大きさもほぼ等しい。
【００８０】
また、図５（ｂ）の出力画像は、図８に示すように、光吸収物体が発光素子１０ｘまたは１０ｙ、または、受光素子１２ｘまたは１２ｙの直下に近い場合（すなわち、光吸収物体が被検体の表面に近い位置に場合）に見られる、大きな吸光度変化のみを出力するような関数で変換してもよい。光吸収物体が、発光素子１０ｘまたは１０ｙや受光素子１２ｘまたは１２ｙの直下の浅い位置にあれば、大きな吸光度変化が検出されることになる。したがって、この大きな吸光度変化が検出された時のみ大きな出力とすることにより、被検体の表面から浅い位置にある光吸収物体のみを分離することができる。なお、１組の発光素子と受光素子とでは、いかなる関数を選択して分離することができなかった。
【００８１】
このように、２組の発光素子１０ｘおよび１０ｙと受光素子１２ｘおよび１２ｙを垂直配置することにより、１組の発光素子１０ｘと受光素子１２ｙの場合よりも、光吸収物体の領域を絞り込むことができ、さらに、被検体の表面に近い光吸収物体のみを検出することもできる。
【００８２】
以上のように、本発明の光計測装置は、生体などの被検体に対して、近赤外領域で中心波長の異なる光を照射し、被検体を透過した透過光を検出して得られた信号を処理することにより被検体の内部の情報を画像表示できる。
【００８３】
より詳細には、プローブを人体表面に沿って走査して、発光および受光のタイミングを合わせて位置検出部によって位置検出情報を得る。さらに、各点毎の光強度を検出して多数枚数重ねることにより、高分解画像が得られる。
【００８４】
このように、本発明の光計測装置は、被検体に光を照射し、その透過散乱光の強度を検出する光センサー（プローブ）と、プローブの位置を検出する位置検出センサー（位置検出手段）とを統合している。
【００８５】
また、本実施形態の光計測装置によれば、少ない発光素子および受光素子で、広い領域の測定が可能となる。これにより、装置を小型化でき、別の器具に取り付けて同時に使用することができる。例えば、内視鏡やカテーテルなどの別の器具に、この光計測装置を取り付けることにより、患部の代謝状態を監視しながら治療処置を施すことができる。
【００８６】
さらに、本発明の光計測装置は、容易に測定結果のデータを保存することができる。その結果、測定結果が画像情報として保存された場合、画像ファイリングソフトを使用すれば、その画像情報を閲覧しやすくなり、データの保存も容易になる。また、検査をする際に、予め日付や患者名を記載したマークを皮膚に貼っておき、そのマーク情報の取得結果も同時に記憶することにより、患者と測定データとを取り違える危険も回避される。
【００８７】
なお、表１に示すように、マルチチャンネル型プローブと、スキャナ型プローブと、光センサー型プローブとでは特徴が異なる。本発明の光計測装置は、いずれのプローブにも可能であるので、被検体の種類や、目的に応じて、プローブの種類を変更すればよい。
【００８８】
【表１】
2004150961.tif 000004
【００８９】
スキャナ型プローブは、マルチチャンネル型プローブと比較すると以下の重要な特徴を有する。
▲１▼空間分解能が向上する
スキャナ型プローブでは、多様な方向からスキャンできるので、吸光度の吸収変化した部位（すなわち光吸収物体の位置）を絞り込むことができる。これに対して、マルチチャンネル型（例えば固形センサー型）プローブでは、発光素子と受光素子とが数ｃｍ程度離れているため、例えば、被検体の透過散乱光が変化した場合（例えば、脱酸素化ヘモグロビンと酸素化ヘモグロビンとの濃度変化、および総血量が変化した場合）、発光素子と受光素子との間にその部位があることが分かる。しかし、それ以上、その部位の場所を特定することができない。こののように、スキャナ型プローブは、マルチチャンネル型プローブよりも、空間分解能が高い。
▲２▼深さ感度を有する
スキャナ型プローブでは、光吸収物体の深さに応じて得られる画像が異なる。これにより、光吸収物体の深さも検出することができる。
▲３▼測定結果の空間的均質性を有する
本発明のスキャナ型プローブは、１組の発光素子と受光素子とにより、光吸収物体の検出を行うため、各素子の違いによる測定結果のばらつきを防止できる。すなわち、高精度の測定結果が得られる。これに対して、マルチチャネル型プローブでは、発光素子と受光素子とを多数使用して光吸収物体の検出を行うため、各素子の違いによって測定結果がばらついてしまう。すなわち、スキャナ型プローブよりも測定結果の精度が劣る。
▲４▼測定結果に応じて探索できる
ユーザーは、測定結果がリアルタイムで現われる画面を見ながら吸光度の測定ができる。したがって、わずかな吸光度の吸収変化した部位が観測されたばあいであっても、多様な方向からスキャンすることにより、その部位が病変であるか否かを判別できる。また、明らかに吸光度の吸収変化が現われなければ、速やかに別の部位を探索できる。これにより、計測時間が短縮できる。
【００９０】
なお、マルチチャンネル型のプローブの最大の特徴は、多くの部位を同時に測定できるので、高速測定が可能であること、さらに、被検体に応じたプローブ配置を行うことができることにある。
【００９１】
（３）本発明の光計測装置の特徴・利点
▲１▼人体などの被検体に近赤外線領域の光を照射し、その透過散乱光の分光スペクトルにより生体機能などを非侵襲的に測定できる（血液中のヘモグロビンが酸素化−脱酸素化状態によりその吸光度が波長依存性を示すことを利用している。）。
【００９２】
▲２▼身体活動における筋の代謝状態による運動機能の測定、リハビリの評価が可能である。さらに、装置を構成する素子も少なく安価に製造できるため、例えば、家庭内で肩こりの測定などを行うことが可能である。
【００９３】
▲３▼癌（特に乳癌）検診や脳機能測定に応用し得る
乳がんの患者数は年々増えており、近い将来には乳がんが女性で最も多いがんとなると言われている。がん治療においては、初期の段階で腫瘍を検出することが、非常に有効である。最近、近赤外光を使って初期のがんを非侵襲で検出する方法が研究されている。
【００９４】
この方法は、ヘモグロビンと酸素との結合状態に応じて、ヘモグロビンの吸収スペクトルが変化することを利用している。すなわち、近赤外領域において、ヘモグロビンの吸収スペクトルが酸素化・脱酸素化の状態によって変化するため、近赤外光を用いてヘモグロビンの濃度変化が測定できる。そして、得られたヘモグロビン変化から、生体組織の代謝状態を非侵襲で調べることができる。
【００９５】
腫瘍組織は、代謝が活発であるため、近赤外分光イメージングシステム（本発明の光計測装置）を利用して胸の腫瘍を検出できる可能性がある。胸の腫瘍を可視化できるようなシステムが個人向けに（できれば安価で）実現できれば、初期の乳がんを検出するための自己検診に有効である。
【００９６】
一般的に、早期の乳癌は２ｃｍまでと言われているが、この段階では自覚症状がほとんどない。触診によってしこりを発見するためには、２．６ｃｍ以上の大きさが必要である。したがって、乳癌の早期発見・早期治療のためには、２ｃｍ以下のしこりを発見することが重要である。
【００９７】
本発明の光計測装置は、生体を透過・散乱した光の強度を検出することにより、光吸収物質（この場合しこり）の存在を確認するものである。したがって、従来のように触診では発見することのできなかった、早期の乳癌であっても、確実に発見することができる。そのため、乳癌の早期発見・早期治療に役立つ。
【００９８】
本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態の構成にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１００】
なお、以下の実施例では、図１２に示すように、散乱体２０の入った容器に光吸収物体２１を入れ、プローブ１５を走査することにより光吸収物体２１の画像を取得する実験を行った。
【０１０１】
また、プローブ１５としては、発光素子として２波長（７６０ｎｍと８４０ｎｍ）の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称する）と、受光素子としてアンプ付きのシリコンフォトダイオード（以下「ＰＤ」と称する）とからなる光プローブを使用した。実際の装置として使用する場合に、皮下脂肪よりも深い位置での吸収の変化を検出できるようにするため、ＬＥＤとＰＤとの距離を３０ｍｍに設計し、散乱体の表面から１５ｍｍまでの深さに光吸収物体を設置した。また、実施例１〜６は、ＬＥＤとＰＤとの組を１組用い、実施例７はＬＥＤとＰＤとの組を２組用いた。
【０１０２】
〔実施例１〕（散乱体中のフォトン経路）
本実施例では、散乱体中のフォトン（光子）経路を調べる実験を行った。通常、生体組織などの強い散乱体中を光が伝搬する経路を調べるために、モンテカルロ法がよく使われる。このモンテカルロ法は、図１１に示すように、フォトン（光子）の軌跡を追跡するものである。例えば、極方向θでアジムス方向φの２点の間の光路長Ｌは、次の式（４）で算出できる。なお、図１１中の破線は、ｘｙ平面の射影成分を示している。
【０１０３】
【数２】
2004150961.tif 000005
【０１０４】
ここで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、０と１との間で一様な出現確率をもつ疑似乱数であり、ｍｔ＝ｍｓ＋ｍａは吸収計数の総量、ｆ（ｑ）は散乱体の位相関数ｐ（ｑ）の累積母関数である。
【０１０５】
ｉ番目の相互作用において吸収されるエネルギー（Ｅｉ）は、再帰的に表される。相互作用の後吸収されるエネルギーは、重み係数ｍａ／ｍｔを用いて、Ｅｉ＋１＝（ｍａ／ｍｔ）Ｅｉで表される。散乱係数ｍｓ、  吸収係数ｍａ  非等方係数ｇの典型値は、それぞれ、１０．０ｍｍ−１、０．１ｍｍ−１、０．９である。
【０１０６】
これに基づいて、フォトンの移動経路を、ＬＥＤとＰＤとの間隔を変えて算出した。その結果、フォトン経路がＬＥＤとＰＤとの間隔のおよそ半分の深さまで分布することがわかった。
【０１０７】
図１３および図１５は、ＬＥＤとＰＤとの距離が３０ｍｍの場合についてモンテカルロシミュレーションを行って得られたフォトン経路を示した図である。図１３は、散乱体の深さ方向（ｚ方向）へのフォトン経路を示した図であり、図１５は、散乱体の平面方向（ｙ方向）へのフォトン経路を示した図である。ここではＰＤの受光面積を、後述の実施例で用いたＰＤと同じく、１０ｍｍ×１０ｍｍとした。その結果、フォトン経路は表面から１７ｍｍの深さ（ｚ方向）まで分布した。
【０１０８】
また、光吸収物体の深さ方向（ｚ方向）とＰＤによる被検体の透過散乱光の受光量との関係を調べた。その結果を図１４に示す。光吸収物体は１辺５ｍｍの立方体であり、ＬＥＤとＰＤとの中点に配置している。図１４に示すように、光吸収物体が被検体の表面に近いときには、ＰＤに入射するはずのフォトンの多くが光吸収物体により吸収された。一方、吸収体が１７ｍｍより深い場合には、ＰＤに入射するはずのフォトンのほとんどが吸収体に当たらずにＰＤに入射された。
【０１０９】
〔実施例２〕ファントムによる実験
本実施例では、図１２における散乱体２０として牛乳：水＝１：９を使用し、ここではプローブを走査するかわりに光吸収物体２１として光吸収率が大きい１つのゴム球（半径３．０ｍｍ）を使用した。ゴム球には針金を取り付け、自動ステージにより移動させた。
【０１１０】
このような条件で、ゴム球を５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの深さに調整し、それぞれ発光素子と受光素子を中心としてｘ方向、ｙ方向６０ｍｍの範囲を移動させた。その結果、図１６および図１７に示すように、各深さのゴム球を画像化して検出することができた。なお、図１６（ｂ）は、ｙ＝３０ｍｍにおけるｘ方向の移動距離に対する受光強度の変化を記録した図である。このように、本実施例により、散乱体中の光吸収物体による光強度の変化を検出することにより、光吸収物体を画像化できることが明らかとなった。
【０１１１】
〔実施例３〕ファントム（疑似生体物質）による実験
図１８に本実施例で使用した実験装置の構成を示す。散乱体として酸化チタンを混入したエポキシ樹脂としファントムを作製した。プローブの走査は、図示しない２次元移動ステージ（以下Ｘ−Ｙステージと称する）を用い、ｘ方向に６０ｍｍまで行った。なお、このＸ−Ｙステージの位置決め精度は、各軸０．０２５ｍｍである。Ｘ−Ｙステージのコントローラを経由して、移動距離を記録した。なお、ゴム球の配置は、表面から５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの深さに吸収体を固定し、プローブをｘ方向に１００ｍｍ走査してゴム球の画像を取得する実験を行った。
【０１１２】
図１９は、プローブを走査した各位置における受光強度の結果を示した図である。図１９に示すように、受光強度の３つのボトムの間隔がゴム球の間隔と一致した。すなわち、本実施例のプローブによって、散乱体中の光吸収体の吸光度変化を検出できることが明らかとなった。
【０１１３】
このように、本実施例のようにファントムを作成した場合であっても、散乱体に入射され、散乱された後、ＰＤによって光強度が受光された。なお、受光信号は受光部に内蔵のアンプ（増幅器）によって増幅された。増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換ボードを介して、Ｘ−Ｙステージの位置と一緒にＰＣ（データ処理部）に保存された。
【０１１４】
〔実施例４〕２次元面方向での測定
実施例３で用いたプローブをファントム上で１００ｍｍ×１０ｍｍの範囲で動かした。ゴム球の各位置における受光強度を記録した。図２０は、受光強度を濃淡で示して得られた画像である。受光強度が低い点を暗く示す。すなわち、暗い領域がゴム球の位置に対応する。受光強度は、吸収体の水平方向の位置と深さに依存する。したがって、吸光度変化を表す画像を１チャンネルの移動によって得られることが明らかとなった。
【０１１５】
〔実施例５〕ＰＣ用マウスによってプローブの位置を検出するための予備実験プローブの位置（測定位置）の検出を行うために、ＰＣ用マウスを適用可能かどうか検討した。図２１に示すように、プローブをＰＣ用マウスに取り付け、マウスのカーソルの位置を、実際のプローブの位置に換算した。このプローブを用いて、被検体として、アルファベットの「Ｍ」という文字の検出を行った。その結果、図２２に示すように、マウスに取り付けたプローブを用いて、被検体の「Ｍ」を検出することができることが明らかとなった。すなわち、マウスによってプローブの位置検出を行うのと同時に、被検体の吸光度の測定も行うことができる。
【０１１６】
〔実施例６〕
ＰＣ用マウスを用いてプローブの移動量を検出する方法の可能性を散乱体を用いた実験で調べた。ＰＣマウスに取り付けたプローブを用いる以外は、実施例３と同様にして行った。ファントムの上をプローブが動くことに伴って、マウスカーソルがＰＣ座標の上で動く。プローブが動いた距離に基づいて、実空間の座標でプローブが動いた距離をＰＣ座標でマウスカーソルが動いた距離に換算した。図２３は各位置での受光強度を示したものである。ＰＣ用マウスの信号によって得られたプロットが、実施例３のＸ−Ｙステージの信号で得られた曲線と一致している。このように、ＰＣ用マウスを用いた走査型プローブを近赤外分光イメージングに応用できることが明らかとなった。
【０１１７】
〔実施例７〕直交配置された２組の発光部・受光部を備えたプローブでの実験実施例２と同様な実験装置で直交に配置された２組のＬＥＤとＰＤプローブを用いて実験を行った。吸収物体を深さ１０ｍｍで５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲を移動させた。その結果、図２４（ａ）と図２４（ｂ）に示すそれぞれの検出器の出力からその重なりを利用して、図２４（ｃ）に示すように、より吸光度変化の部位を絞り込むことが可能となった。すなわち、検出精度の向上が可能となった。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる光計測装置は、被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測装置において、上記プローブの位置を検出する位置検出手段を備えていることを特徴としている。
【０１１９】
それゆえ、被検体上に沿ってプローブを走査して各位置における光強度を測定した結果と、位置検出手段によるプローブの位置情報とを組み合わせることにより、測定結果を画像化することができるという効果を奏する。言い換えると、被検体の測定位置と、その位置における透過散乱光の強度との経時的な変化を連続的に重ねあわすことにより、画像化することができるという効果を奏する。
【０１２０】
さらに、プローブを走査して測定結果を画像化するので、発光素子および受光素子は、多数必要としない。したがって、１組の発光素子および受光素子からなる単チャンネル型プローブであっても、測定結果を画像化することができる。それゆえ、本発明の光計測装置は、多数の発光素子と受光素子とを必要としないので、装置が簡素化されている。すなわち、装置の費用を削減することができるので、安価な光計測装置を提供できるという効果を奏する。
【０１２１】
本発明の光計測装置において、上記プローブと上記位置検出手段とが一体構造であってもよい。
【０１２２】
それゆえ、小型・軽量の光計測装置を提供することができるという効果を奏する。また、従来の装置は大型の装置であったため、研究所や大病院でのみでしか測定できなかった装置を、家庭内にも提供できるという効果を奏する。
【０１２３】
本発明の光計測装置は、上記プローブを移動させる移動手段を備えていてもよい。
【０１２４】
それゆえ、移動手段によって自動的にプローブが被検体上を走査させることができる。
【０１２５】
本発明の光計測装置において、上記発光素子は、中心波長の異なる２波長以上の近赤外領域の光を照射するものであってもよい。
【０１２６】
近赤外領域の光は、生体を透過しやすい。このため、被検体が生体である場合には、発光素子が被検体に照射する光は、近赤外の光であることが好ましい。また、近赤外領域の光を用いれば、無侵襲、非破壊の計測が可能である。さらに、近赤外領域の光を用いれば、測定操作が容易となりルーチン分析に適している。
【０１２７】
したがって、上記の構成によれば、たとえ被検体が生体であっても、安全かつ容易に、しかも低拘束の光計測装置を提供することができるという効果を奏する。
【０１２８】
さらに、上記発光素子は、近赤外領域の光であって、中心波長の異なる２波長以上の光を照射することが好ましい。被検体の透過散乱光の強度を測定する際には、測定対象とする物質以外にも、発光素子からの光を吸収する物質が存在することもある。このような物質が存在すれば、測定の妨げになり、検出精度も低いものとなる。そこで、測定の妨げになるような波長を避け、２波長以上の光を照射すれば、目的とする物質のみの光強度を精度よく計測できるという効果を奏する。
【０１２９】
上記近赤外領域の光においては、波長７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内の波長の光を照射することが好ましい。波長７００ｎｍ以下では、生体による光の散乱が大きくなり、波長９００ｎｍ以上では、水による吸収が大きくなる。このため、被検体の透過散乱光を検出するときの妨害となる。したがって、波長７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内とすることにより、この妨害を防ぎ、精度よく被検体の透過散乱光を検出できるという効果を奏する。
【０１３０】
また、本発明において、上記プローブは、直交配置された上記発光素子と上記受光素子との組を２組以上含んでいてもよい。
【０１３１】
それゆえ、発光素子と受光素子とを垂直配置することにより、光吸収物体の検出能を向上できるという効果を奏する。また、１組の発光素子と受光素子の場合よりも、光吸収物体の領域を絞り込むことができ、さらに、被検体の表面に近い光吸収物体のみを検出することもできるという効果を奏する。
【０１３２】
本発明において、上記プローブは、１個以上の発光素子と、１個以上の受光素子とを含んでいればよい。
【０１３３】
それゆえ、発光素子または受光素子の数を減らすことができ、一層光計測装置を小型化することが可能となるという効果を奏する。
【０１３４】
また、本発明にかかる光計測方法は、以上のように、被検体に光を照射する発光素子と透過散乱した光を検出する受光素子とを少なくとも１組含むプローブにより、被検体の透過散乱光の強度を検出する光計測方法において、上記被検体に沿って上記プローブを走査して被検体の透過散乱光の強度を検出すると同時に、上記プローブの位置を検出することを特徴としている。
【０１３５】
それゆえ、被検体上に沿ってプローブを走査して各位置における光強度を測定した結果と、位置検出手段によるプローブの位置情報とを組み合わせることにより、測定結果を画像化することができるという効果を奏する。言い換えると、被検体の測定位置と、その位置における透過散乱光の強度との経時的な変化を連続的に重ねあわすことにより、画像化することができるという効果を奏する。
【０１３６】
さらに、プローブを走査して測定結果を画像化するので、発光素子および受光素子は、多数必要としない。したがって、１組の発光素子および受光素子からなる単チャンネル型プローブであっても、測定結果を画像化することができるという効果を奏する。また、その画像化された測定結果を見ながら、プローブを走査することもできるので、異常が確認された部分を長時間測定して経時的な変化も調べることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光計測装置の実施の一形態における画像計測用プローブ装置の構成を示したブロック図である。
【図２】近赤外領域における酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、および水の吸収スペクトルを示したグラフである。
【図３】図１の受光素子および発光素子の発光および受光のタイミングチャートであり、図３（ａ）は発光素子１０ａの発光のタイミングチャート、図３（ｂ）は発光素子１０ｂの発光のタイミングチャート、図３（ｃ）は受光素子１２の受光のタイミングチャートである。
【図４】可動式プローブの構成を示した図である。
【図５】発光素子および受光素子の配置と、それによる点像応答関数を示した図であり、図５（ａ）は１組の発光素子および受光素子を用いた場合の図であり、図５（ｂ）は直交配置された２組の発光素子および受光素子を用いた場合の図である。
【図６】図５（ａ）の点像応答関数を変換した結果を示すグラフであり、図６（ａ）は、図５（ａ）の点像応答関数を変換する関数のグラフであり、図６（ｂ）は図６（ａ）の関数によって変換された結果を示すグラフである。
【図７】図５（ｂ）の点像応答関数を変換した結果を示すグラフであり、図７（ａ）は、図５（ｂ）の点像応答関数を変換する関数のグラフであり、図７（ｂ）は図６（ａ）の関数によって変換された結果を示すグラフである。
【図８】被検体の浅い位置にある光吸収物体のみを分離することのできる関数を示した図である。
【図９】本発明の実施の一形態にかかるプローブであって、ＰＣ用マウスを位置検出部とし、プローブと一体構造にした場合の斜視図である。
【図１０】図９とは異なる位置検出部と、プローブとが一体構造になった例を示す図であり、図１０（ａ）は単チャンネルのプローブの側面図であり、図１０（ｂ）は単チャンネルのプローブの底面図であり、図１０（ｃ）は２チャンネルプローブの側面図であり、図１０（ｄ）は２チャンネルプローブの底面図である。
【図１１】モンテカルロシュミレーションによる光子経路の履歴を示す図である。
【図１２】実施例２で使用した実験装置の構成を示した図である。
【図１３】発光素子から受光素子までの深さ方向への光子経路を示した図である。
【図１４】光吸収物体の深さと受光強度の関係を示したグラフである。
【図１５】発光素子から受光素子までの水平方向への光子経路を示した図である。
【図１６】実施例２の結果を示す図であり、図１６（ａ）は光吸収体が５ｍｍの深さにある場合の検出画像を示した図であり、図１６（ｂ）は、Ｙ＝３０の時の受光強度の変化を示した図である。
【図１７】実施例２の結果を示す図であり、図１７（ａ）は光吸収体が１０ｍｍの深さにある場合の検出画像を示した図であり、図１７（ｂ）は光吸収体が１５ｍｍの深さにある場合の検出画像を示した図である。
【図１８】実施例３で使用した実験装置の構成図である。
【図１９】実施例３の結果を示す図であり、プローブを走査した距離に対する受光強度の変化を示した図である。
【図２０】実施例４の結果を示す図であり、光学濃度の２次元分布を示した図である。
【図２１】実施例５の実験の様子を示した図である。
【図２２】実施例５の実験結果を示した図である。
【図２３】実施例６の結果を示す図であり、プローブを走査した距離に対する受光強度の変化を示した図である。
【図２４】実施例７の実験結果を示した図であり、図２４（ａ）および図２４（ｂ）は光吸収体が１０ｍｍの深さにある場合の２つの検出画像であり、図２４（ｃ）は図２４（ａ）と図２４（ｂ）とから計算された画像である。
【図２５】従来の単チャンネル型プローブの構成を示す図であり、図２５（ａ）はプローブの上面図であり、図２５（ｂ）は、プローブの側面図である。
【図２６】従来のマルチチャンネル型プローブの構成を示す図である。
【図２７】従来の光ファイバー型プローブの構成を示す図である。
【符号の説明】
１    画像計測用プローブ装置（光計測装置）
２    発光部
３    受光部
４    位置検出部（位置検出手段）
５    制御部
６    時計
７    記憶部
８    データ処理部
９    表示部（表示手段）
１０    発光素子
１１    発光制御部
１２    受光素子
１３    増幅器
１４    被検体
１５    プローブ
１６    ｘ方向移動用レール
１７    ｙ方向移動用レール
１８    外枠
１９    プローブ保持部（移動手段）
２０    光散乱体
２１    光吸収物体
２２    光子（フォトン）
２３    自動ステージ
５０    発光素子
５１    受光素子
５２    被検体
５３    光子経路領域
５４    光ファイバ
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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