(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体のパラメータを決定するための装置であって、
互いに離間する各々別個の第１及び第２の光源と、
前記媒体からの光を受け取るように配置された互いに離間する第１及び第２の検出器と、
前記第１及び第２の検出器で検出された光の信号のデータを処理するためのデータ処理手段と、
を備え、
前記第１の光源と前記第１の検出器との間の第１の距離は、前記第２の光源と前記第２の検出器との間の距離に、ぼぼ等しく、前記第１の光源と前記第２の検出器との間の第２の距離は、前記第２の光源と前記第１の検出器との間の距離に、ほぼ等しく、
前記データ処理手段は、
前記各光源の強度、前記各検出器の感度、前記各光源から前記媒体への光の結合効率、前記媒体から前記各検出器への光の結合効率から実質的に独立である態様で、前記第１の光源から前記媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第１の部分、前記第１の光源から前記媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第２の部分、前記第２の光源から前記媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第３の部分、並びに、前記第２の光源から前記媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第４の部分の検出された信号のデータを結合し、結合した前記データから前記媒体のパラメータを決定し、前記第１乃至第４の光の部分はほぼ同一の波長を有する、装置。
【請求項２】
前記データは、前記検出器及び前記光源間の距離の関数として前記光の部分の強度を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
高度に散乱性の媒体のパラメータを決定するための装置であって、
互いに離間する各々別個の第１及び第２の光源と、
前記高度散乱媒体からの光の各変調部分を受け取るように配置された互いに離間する第１及び第２の検出器であって、前記光の各変調部分は、ほぼ同じ波長を有し、各々が同じ第１の周波数で変調され、前記第１及び第２の検出器は、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で変調される、前記第１及び第２の検出器と、
前記第１及び第２の検出器で検出された光の信号のデータを処理するためのデータ処理手段と、
を備え、
前記第１の光源と前記第１の検出器との間の第１の距離は、前記第２の光源と前記第２の検出器との間の距離に、ぼぼ等しく、前記第１の光源と前記第２の検出器との間の第２の距離は、前記第２の光源と前記第１の検出器との間の距離に、ほぼ等しく、
前記データ処理手段は、
前記第１の光源から前記高度散乱媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第１の変調部分、前記第１の光源から前記高度散乱媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第２の変調部分、前記第２の光源から前記高度散乱媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第３の変調部分、並びに、前記第２の光源から前記高度散乱媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第４の変調部分の検出された信号のデータを結合し、結合されたデータよりなるデータポイントを決定し、前記データポイントから前記媒体のパラメータを決定する、装置。
【請求項４】
前記結合されたデータは、前記検出器からの信号の位相、交流成分及び直流成分のうち少なくとも２つを示す、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記決定されたパラメータは、前記媒体の吸収係数、屈折率、及び散乱係数のうち少なくとも１つを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記データ処理手段は、
前記媒体のパラメータを決定する際に、
前記複数の光のビームから得られた合成信号から検出された位相シフト、直流成分の自然対数、及び交流成分の自然対数のうち少なくとも２つにおける距離による変化率を決定し、
前記変化率から前記媒体の前記吸収係数、屈折率、及び散乱係数のうち少なくとも１つを決定する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記データ処理手段は、２つの異なる波長を持つ光の各々に対して、前記データを結合し、前記データポイントを決定し、前記媒体のパラメータを決定することにより得られた前記２つの異なる波長における前記吸収係数からヘモグロビンのうち少なくとも１形態の前記媒体における絶対濃度を決定する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記データ処理手段は、組織体におけるヘモグロビンの２形態の比率を更に決定する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記データ処理手段は、前記散乱係数を前記屈折率によって乗じることから前記媒体におけるグルコースの相対濃度を更に決定する、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記データから前記媒体のパラメータを決定する際に、前記各光源の強度、前記第１及び第２のセンサの感度、前記各光源及び前記センサの高周波数での位相応答、前記各光源から前記高度散乱媒体へ通過する光の結合効率、及び、前記高度散乱媒体から前記検出器へ通過する光の結合効率から実質的に独立である態様で前記第１及び第２の検出器により受け取られた各々のデータを結合し、これによって各光源及び各センサの較正が不必要とする請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記データ処理手段は、データ精度を改善するため、単一部材である前記第１の光源及び第２の光源を複数回使用して逐次繰り返されて得られたデータを用いる、請求項３に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２の検出器の自己較正用の参照光源を提供するため、前記第１及び第２の検出器から等距離に配置されている第３の光源を更に備え、
前記データ処理手段は、前記第３の光源から前記第１及び第２の検出器に至る光の第５及び第６の部分を用いることにより前記第１及び第２の検出器を較正する、請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
前記データ処理手段は、自己較正の精度を改善するため、単一部材である前記第３の光源を複数回使用して逐次繰り返されて得られたデータを用いる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記データ処理手段は、データ精度を改善するため、単一部材である前記第１の光源及び第２の光源を複数回使用して逐次繰り返されて得られたデータを用いる、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１及び第２の検出器の自己較正用の参照光源を提供するため、前記第１及び第２の検出器から等距離に配置されている第３の光源を更に備え、
前記データ処理手段は、前記第３の光源から前記第１及び第２の検出器に至る光の第５及び第６の部分を用いることにより前記第１及び第２の検出器を較正する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記データ処理手段は、自己較正の精度を改善するため、単一部材である前記第３の光源を複数回使用して逐次繰り返されて得られたデータを用いる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１及び第２の検出器は、単一のアレイ型検出器の対である、請求項３に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１及び第２の検出器は、単一のアレイ型検出器の対である、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
光検出手段を用いてテストするための媒体と接触する面を有するプローブを含む自己較正型光センサであって、
前記プローブから信号を受け取るため前記プローブに電気的に接続されたコントローラと、
前記プローブからの信号に応答した前記コントローラからの信号を受け取って処理すると共に前記信号をデータに変換するコンピュータと、
を含み、
前記プローブは、前記面の開口を通った光を放射するように配置された互いに離間する各々別個の第１及び第２の光源を有し、前記プローブは、更に前記面の他の開口を通過した前記媒体からの光を受け取るように配置された互いに離間する第１及び第２の検出器を有し、
前記第１の光源は、前記第２の光源と前記第２の検出器との間の間隔に等しい前記第１の検出器からの第１の間隔を有し、前記第１の光源は、前記第２の光源と前記第１の検出器との間の間隔に等しい前記第２の検出器からの第２の間隔を有し、
前記コンピュータは、
前記各光源の強度、前記各検出器の感度、前記各光源から前記媒体への光の結合効率、前記媒体から前記各検出器への光の結合効率から実質的に独立である態様で、前記第１の光源から前記媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第１の部分、前記第１の光源から前記媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第２の部分、前記第２の光源から前記媒体を介して前記第２の検出器に到達した光の第３の部分、並びに、前記第２の光源から前記媒体を介して前記第１の検出器に到達した光の第４の部分の検出された信号のデータを結合し、結合した前記データから前記媒体のパラメータを決定し、前記第１乃至第４の光の部分はほぼ同一の波長を有する、前記自己較正型光センサ。
【請求項２０】
前記プローブの面が生体組織と接触している、請求項１９に記載の自己較正型光センサ。
【請求項２１】
複数の前記第１の光源と、複数の前記第２の光源とが存在する、請求項２０に記載の自己較正型光センサ。
【請求項２２】
第３の光源が前記面の第３の開口を通って光を通過させるために存在し、前記第３の光源は前記検出器の自己較正用参照光源を提供するため前記第１及び第２の検出器の間に等距離に配置されている、請求項１９に記載の自己較正型光センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば生体組織などの媒体の光学伝搬特性を検出することにより該媒体のパラメータを決定する方法を実施するための装置及び該方法を実施する際に用いる自己参照型の光センサに関する。
【０００２】
【従来技術】
グラットンその他に与えられた米国特許番号５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号では、多数の光源に基づく計器であり且つ周波数領域での分光原理を用いる計器が、例えば吸収係数、換算された散乱係数及び屈折率などの散乱媒体の光伝播特性を間接的に検査する決定方法に関して説明されている。生体組織の光学特性を測定することによって、米国特許番号５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号で説明されたこの計器は、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、グルコースなどの物質濃度を決定することができる。周波数領域での分光原理が周知されており、該原理は周波数領域における蛍光測定法及び又は燐光測光法で使用され、中でも例えばグラットンの米国特許番号４，８４０，４８５その他、及び米国特許番号５，２１２，３８６号及び５，３２３，０１０号などに開示されている。
【０００３】
そのようなプローブは、典型的には、高周波数の正弦波状に変調された光を用いて作動する。典型的には、プローブは測定されるべき媒体の表面と接触した状態で配置される。平均的な光強度、光強度の変調振幅及び変調の位相が、多数の源検出器の各区分で測定され、例えば人間或いは動物の組織などの高度な散乱媒体の吸収係数、散乱係数及び／又は屈折率の決定を可能にする。多数の波長の源が用いられるとき、例えばオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンの濃度を、組織の散乱又は反射特性に関する何らの先験的な知識或いは推定を必要とすることなく、直接測定することができる。これは、組織内の散乱が個体から個体へと、また個体内の様々な組織の間で幅広く変化するので、重要な前進である。散乱は組織内で時間の経過と共に変化し得るのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの先行技術では、複数の光源及び１つの検出器（或いは複数の検出器）は既知の光伝播特性の基準に対して定期的に較正しなければならない。この較正は、光源の強度及び／又は位相が例えば時間や温度などの多くの要因により推移し、検出器の位相応答も推移し得るので定期的に繰り返さなければならない。更には、この較正は、既知の特性を持つ基準サンプルと測定されるべきサンプルとの間の光結合効率であり得る相違点を示すことができない。髪の毛や土などがこの効率に影響を与えることができ、この効率で光はプローブとサンプルとの間を伝播する。また、サンプルに抗してプローブを保持するために使用される圧力変化は、サンプルへの光の結合効率並びにサンプルから検出器への光出力の結合効率に影響を与えることができる。
【０００５】
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、光源及び検出器を較正する必要無しに、媒体のパラメータを常に高精度に決定できる方法を実施するための装置及び該方法を実施する際に用いる自己参照型の光センサを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、光源及び媒体間の光結合効率、並びに、媒体及び検出器間の光結合効率の影響を受けることなく、媒体のパラメータを常に高精度に決定できる方法を実施するための装置及び自己参照型の光センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、新しい型式のプローブが提供され、このプローブは、上記と類似した測定が較正の必要なくなされることを可能にするという利点を有する。光源の強度、光検出器の感度、光源及び検出器の高周波位相応答、現存するファイバー製の光案内手段の結合効率及び高度の散乱サンプルの中に入る光と出て行く光との結合効率を知ったり、予め制御することは必要ではない。また、測定の前後で実行される任意の較正によって修正因子を見出す必要もない。本明細書で説明される、測定を行うために使用されるプローブ及びプロセスは、本発明を用いることによって上記に掲げた因子から独立に表すことができるからである。かくして、本発明により得られるデータは、サンプルの光学特性及び範囲を広げると生体組織のヘモグロビン或いはグルコースを含むサンプル中の様々な実体の濃度を演算するために使用することができる。
【０００８】
本発明のプローブは、好ましくは動く部分を含まず、典型的には組織の光吸収率が低い約６５０ｎｍ乃至１０００ｎｍの波長範囲にある近赤外領域の光で、人間或いは動物の組織などの高度な散乱媒体の放射をほとんど瞬間的に望むデータを得ることができるのがよい。このような光は組織を通って数ｃｍまで移動することができ、組織成分の測光学的及び分光学的決定に役立つ分光窓を提供する。（本発明のパラメータ決定方法）
本発明によれば、媒体のパラメータを決定する方法を実施するための装置が提供され、該方法は、次のステップを含む。即ち、第１の光源から媒体を通って第１の検出器まで光の第１の部分を通過させる。次いで第１の光源から媒体を通って第１の検出器から離れた第２の検出器まで光の第２の部分を通過させる。
【０００９】
第２の光源から媒体を通って上記に特定される第２の検出器まで光の第３の部分も通過させる。更に、第２の光源から媒体を通って第１の検出器まで光の第４の部分を通過させる。
【００１０】
第１の光源と第１の検出器との間の距離、及び、第２の光源と第２の検出器との間の距離は、ぼぼ等しい。第１の光源と第２の検出器との間の距離、及び、第２の光源と第１の検出器との間の距離も、ほぼ等しいが前記距離とは異なる。
【００１１】
上記ステップは連続的に行われるようにしてもよい。単一の光源を含むステップを、同時に実行するようにしてもよい。
次に、上記ステップで検出器により受信されたデータを、光源の強度、検出器の感度、光源から媒体への光の結合効率、及び、媒体から検出器への光の結合効率からほぼ独立である態様で結合することができる。これに基づいて、かかるデータから媒体のパラメータを決定する。
【００１２】
上記各光の部分は、本発明に係る方法がより多くの或いはより良いデータを得るため異なる波長の光部分を用いて再度実行してもよいが、本態様では、ほぼ同一の波長を有している。
【００１３】
検出器により受信される結合されたデータは、検出器と光源との間の媒体を通る距離の関数として光部分の強度を含む。
本発明に係る方法は、必要であるならば、上記引用特許、特に米国特許番号５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号で説明された方法と類似の態様で実行することができる。特にこれらの特許では、結合されたデータは、（それらの前述した特許で定義されたように）検出器からの信号の少なくとも２つの位相、交流（ＡＣ）成分及び直流（ＤＣ）成分を示す。かくして、距離に関する上記成分の変化率は、第１及び第２の検出器により検出される光部分の少なくとも２つの位相シフト、直流成分の自然対数、及び交流成分の自然対数を決定するため使用することができる。このことから、媒体の例えば吸収係数、散乱係数、及び／又は屈折率などを決定することができ、これらから媒体の様々な成分の濃度を決定し、実時間で監視することができる。
【００１４】
好ましくは、本発明に係る方法は、上述された手法で各々の光源から高度な散乱媒体を通って光の変調された部分を通過することによって実行することができる。光の第４の部分を通る最初の変調部分は、ほぼ同じ波長を持ち、各々は第１の周波数で変調される。第１及び第２の検出器は第１の周波数とは異なる第２の周波数で変調される。
【００１５】
次に、好ましくは第２の周波数で検出された光部分から第３の周波数での合成信号を演算することができ、この第３の周波数は第１の周波数と第２の周波数との間の相違を示し、一般に、「相互相関周波数（cross correlation frequency）」と称されているものである。これより、データポイントを、第１及び第２の検出器からのデータを結合して決定することができる。次に媒体の望ましいパラメータは、データポイントから、典型的には前に引用された特許での説明に類似した手法で決定することができる。
【００１６】
特に、光ビームから引き出された合成信号から検出された、位相シフト、直流成分の自然対数、及び交流成分の自然対数のうち、少なくとも２つにおける距離による変化率を決定するためのステップを、上記方法において用いることができる。これより、上述したように、媒体の吸収係数、屈折率及び散乱係数の少なくとも１つを決定することができる。これによって、例えば上で引用された最初の２つの特許で提供される公式に従って光の２つの異なる波長を２回用いる本発明の上記方法を実施することによって、典型的に２つの波長における吸収係数からヘモグロビンの少なくとも１つの形態における媒体の絶対濃度を決定することが可能になる。その代わりに、グルコースの相対濃度を屈折率により乗算された散乱係数から媒体中で決定することができる。
【００１７】
本発明によって、データから媒体のパラメータを決定するステップは、光源の強度、第１及び第２の検出器の感度、光源及び検出器の高周波数位相応答、光源から高度な散乱媒体まで通過する光の結合効率からほぼ独立である態様で第１及び第２の検出器から受け取った応答データを結合するステップを含むことができ、これによって光源及び検出器の較正が不必要とみなすことができる結果となる。このシステムエラーは、相殺し合う。
【００１８】
本発明の方法は、データ精度を改善するため、単一部材である第１の光源を複数回順次使用し、単一部材である第２の光源を複数回順次使用する繰り返しに基づいて上記方法を変更した態様で使用することができる。
【００１９】
また、本発明の方法は、第１及び第２の検出器に各々第３の光源からの光の第５及び第６の部分を各々通過させる、追加のステップを含むことができる。第３の光源は、第１及び第２の検出器から等距離に配置され、これによって参照光源が検出器の自己較正のために提供される結果となる。
【００２０】
第５及び第６の光の部分を使用する、この後者の方法は、本発明の第２実施形態を示し、自己参照される絶対プローブのように参照されることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、媒体のパラメータを決定するための計器１０が開示されている。特に、この計器は、生きている患者の組織におけるヘモグロビン、オキシヘモグロビン及び／又はグルコースの濃度を監視するという目的がある。これは、患者１４の皮膚、例えば頭、腿、或いは腕などに対してプローブ即ち剛性ハウジング１２の面１６を押し当てることによって達成される。また、このプローブを、液体中に浸漬させてもよい。面１６が堅く穏やかな圧力で患者の皮膚に同一面内で圧された状態で、図２乃至図５に示す代替設計された面を用いてもよい。
【００２２】
図２に特定された実施形態では、プローブ１２は、プローブ１２の面１６から突出している、２つの検出器１８、１９及び４つの光源２０、２１、２３、２５を備えている。面１６はパーティションにより範囲を画定してもよく、これによって光源２０、２１、２３、２５からの光がこのパーティションを通って患者の組織を通過するように放射され、患者の組織を通過したそのような光が検出器１８、１９によって検出されるようにしてもよい。検出器１８、１９及び光源２０、２１、２３、２５は、ワイヤ及び／又はケーブル２２の可撓性を持った光案内手段と連通しており、これによって光がケーブル２２を通過して様々な光源に至り、検出器１８からの信号がケーブル２２を通過してコントローラ２４に至るようにしている。その代わりに、光源がプローブに取り付けられたＬＥＤであって、更にこれらのＬＥＤは、それの発光及び消灯を選択するためコントローラ２４により制御される電位ポテンシャルを運ぶ細かいワイヤに接続されるようにしてもよい。また、必要とあらば、光がプローブ１２の面１６上の様々な場所即ち位置で検出されるように、単一の検出器が適切な光ファイバー及び他の従来の設備を用いて該単一の検出器を交互に使用する方法で使用されるようにしてもよい。この検出器はコントローラ２４に備わっていてもよく、一対の光案内手段などにより面１６と連通するようにしてもよい。更に、線形ＣＣＤカメラを検出器として役立つように使用することもでき、このとき該ＣＣＤカメラは特に図２に示す分離型検出器１８、１９と等価な構造を構成するように光ファイバーと接続される。アレイ型検出器が検出器１８、１９の両方を構成するように使用することができる。これらのシステムは、すべて「（１つの）検出器」又は「（複数の）検出器」という用語によって包括される。
【００２３】
コントローラ２４からの信号は、例えばコンピュータ２８などの電子プロセッサにコンダクター２６により伝達される。このコンピュータでは、信号をデータに変換し、必要に応じて、特に本明細書で説明される手法で数学的に処理することができる。
【００２４】
更に加えて、光源を時間分割制御するシステムを設けてもよい。このシステムでは、一つの光源のみが常時点灯し、且つ、両方の検出器からの信号が、与えられた時刻で単一の光源から生成された光に応答したものであるように、各光源のオンオフを切り替え制御することができる。これは、コントローラ２４内に設けられた従来の回路により提供される。その代わりに且つ同等に、光源を多重送信する他の手段、例えばチョッピング又は周波数多重送信（frequency multiplexing）などを用いることができる。
【００２５】
波長毎に対する２つの光源の必要性は、光源を２又はそれ以上の光案内手段の間で機械光学的に切り替えることができるならば減じることができる。このとき、波長毎に単一の光源が要求されるが、プローブ上ではまだ光源の２位置が確保される。波長を調整可能な光源を用いることにより、要求される光源の数を減少させることも可能である。また、理論的には、１つの電子光学検出器を２つの光案内手段の間で切り替えることができる。しかしながら、１つの検出器がこの方法で時間分割制御される場合には、２つの検出器位置に到達する光の測定は、同時には行われなくなる。これは、後者のデバイスが光源強度の迅速な変化及び他の変化に対し感度が低下するため、欠点となるであろう。
【００２６】
図２は、本発明に係るプローブ面を示しており、このプローブは均衡の取れた絶対型式のものである。図示のように、少なくとも２つの光源２０、２３及び２つの検出器１８、１９が要求される。しかしながら、第２の組の光源２１、２５が図示されたものと同等の幾何学的配置で提供される方がより好ましい。
【００２７】
本発明によって、光の第１の部分は、ラインＸｂで示すように、第１の光源２０から患者１４の組織媒体を通って第１の検出器１８にまで至る。同時に又は継時的に、ラインＸｆで示すように、光の第２の部分は第１の光源から媒体を通って第２の検出器１９にまで至る。
【００２８】
次に、光の第３の部分は、第２の光源２３から組織媒体を通って第２の検出器１９にまで至り、この経路は光部分Ｘａとして特定される。同時に又は継時的に、光の第４の部分Ｘｅは、第２の光源２３から媒体を通って第１の検出器１８にまで通過される。
【００２９】
検出器及び光源の幾何学的配置を参照すると、第１の光源２０と第１の検出器１８との間の距離は、第２の光源２３と第２の検出器１９との間の距離にほぼ等しい。換言すれば、光部分Ｘｂ及びＸａは、組織を通る長さが相等しい。また、第１の光源２０と第２の検出器１９とは第２の光源２３と第１の検出器１８との間の距離にほぼ等しい。換言すれば、組織を通過する光部分Ｘｅ及びＸｆの長さはほぼ等しく、前者の距離とは異なっている。
【００３０】
光源２０及び２３はほぼ同じ波長を有している。光源２１及び２５が、異なる波長で同じ方法が実行されることを可能にするべく光学的に提供され、ある環境において例えばオキシヘモグロビン及び／又はデオキシヘモグロビンなどの組織媒体１４の成分について定量的決定を可能にする。かくして、必要とあらば、上述した方法が、同じ波長を持つ光源２１、２５で実行されるが、同じ検出器１８、１９を用いながら光源２０、２３の波長とは異なっている。光源と検出器との間で光源２０、２３に対して見出されるのと同じ距離という拘束は、光源２１、２５に対し適用されることがわかる。必要ならば追加の波長を持つ追加の光源の対を追加することができる。
【００３１】
本発明を更に示すため、理論的な背景を以下に説明する。
均一で高度な散乱媒体の中で光が光源から外側に進行するとき、媒体中のある点で観測（測定）された放射エネルギー密度Ｕは、観測点と光源との間の距離の関数として光源からの距離の増加と共に指数関数的に減少する。距離に関する放射エネルギー密度Ｕの変化率は、媒体の光学特性に依存する。光源の放射強度が正弦波状に変動する場合、光源から外側の媒体を通って伝播するため「光子密度波（photon density wave）」と云うことができる。媒体中の任意の点ｘにおける、放射エネルギー密度ｕの時間ｔにおける変化は、次の波動方程式によって記述することができる。
【００３２】
Ｕ（ｔ）＝ＵAC（ｘ）ｓｉｎ（２πｆｔ＋ΦU）＋ＵDC（ｘ）
ＵACは変動振幅、ｆは変動の周波数、ΦUは位相、ＵDCは平均放射エネルギー密度である。ＵAC及びＵDCの両方は、観測点と光源との間の距離の関数として指数関数的に減少する。しかしながら、ＵACはＵDCが減少するよりも更に迅速に減少する。
【００３３】
光子密度波が一定周波数及び一定速度で進行している間、該光子密度波の速度は、媒体中の光の速度よりも遅い。固定時刻における位相（又は位相シフト）は、光子密度波の速度に従って距離に関して線形に増加する。
【００３４】
距離に関するＵAC、ＵDC及びΦUは、すべて媒体の光学特性に依存する。ＵAC、ＵDC及びΦUの変化を測定することによって、媒体の光学特性に関する情報を得ることができる。これらの特性のうち３つが、吸収係数μa、換算された散乱係数μ’s、及び屈折率ηである。吸収係数は物質中の吸収量の測定値であり、μ’sは散乱量の測定値であり、ηは媒体中の光速度の測定値である。物質中の散乱及び吸収は光の波長に従って変化する。それで、μa、及びμ’sを測定するために、狭い波長バンド幅で放射する光源（又は狭い波長バンド幅の光のみを検出する検出器）が用いられる。
【００３５】
「光子拡散理論」によれば、距離に関するＵAC、ＵDC及び／又はΦUの変化を測定することによってμa、μ’s、或いはηを高度な散乱媒体中で推定することができる。この主張を裏付ける数学は、均一媒体の表面に接触した状態で配置されたプローブの場合について、米国特許番号５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号で以前に論じられた。手短にいえば、ｄを光源と検出器との間の距離、ｌｎを自然対数とすると、ｌｎ（ＵACｄ2）、ｌｎ（ＵDCｄ2）及びΦUがｄに対してプロットされ、各々が直線を与えた場合、これらの直線の傾斜角をμa／η及びημs’の値を計算するために使用することができる。ηが既知の場合はμa及びμs’の値を計算することができる。これら３つの傾斜角のうち２つを決定する必要がある。通常では、この２つは、ｄに関するｌｎ（ＵACｄ2）或いはｌｎ（ＵDCｄ2）のいずれかの変化及びΦUの変化が用いられる。最初の２つの傾斜角を使用するだけでは、測定に際して非常な精度を要するからである。表面の測定及びサンプル中に浸漬されたプローブを用いた測定に適した類似の数学的手法が、フィシュキン及びグラットンによる「直線エッジにより境界をつけられた、吸収する半無限平面を含む強散乱媒体における光子密度波の伝播（Propagation of Photon-density Waves in Strongly Scattering Media Containing an Absorbing Semi-infinite Plane Bounded by a Straight Edge）」（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，第１０巻、Ｎｏ．１号の１２７頁乃至１４０頁）で説明されている。
【００３６】
本発明に関しては、これらの量は距離ｄに関して直線を画定しており、それでこの直線の傾斜角は任意の２点間におけるｄに関する変化率であることを強調すべきである。従って、均一な高度の散乱媒体のμa及びμs’は、点光源からある距離にある２又はそれ以上の点における平均的なＵDC（又はＵAC）の比率、光源からある距離にある２又はそれ以上の点における位相及び媒体中のηのみを知っているとみなすことができる。ημ’s及びμa／ηの値は独立に見出すことができるが、ηは、測定のみによってはμ’s及びμaから分離することができない。幸運にもηは他の方法（例えば、「応用光学」２８巻、Ｎｏ．１２号、２２９７頁乃至２３０２頁、１９８９年発行のボリンその他による「光ファイバー被覆方法を用いた乳房組織の屈折率）によって組織中で決定することができる。また、ηが波長に関して変化する一方で、組織を含む多くの物質中で小さな波長範囲に亘ってほとんど一定である。
【００３７】
サンプルの吸収係数は重要な特性である。何故ならば、媒体中の吸収要素の数が既知の場合、この吸収要素の数に少なくとも等しい波長の数においてμaが既知の場合、各々の吸収要素の吸光係数が測定された波長で等しくない場合、吸収体の濃度を決定することができる。２つの吸収体Ａ及びＢがあり、２つの波長におけるμaが各々測定された簡単な場合について、次式が成り立つ。
【００３８】
【数１】
0004726270.tif 000002
【００３９】
ここで、〔Ａ〕は一方の要素の濃度であり、〔Ｂ〕は他方の要素の濃度である。波長λ１における要素Ａの吸光係数は、εA,λ1によって与えられ、波長λ２における要素Ａの吸光係数は、εA,λ2などによって与えられる。
【００４０】
関数ＵDC（ｘ）の象徴記号がサンプル内のエネルギー密度Ｕの平均を表すために本明細書で使用される。ここで、ｘはサンプル内への光の入射ポイントと観察点との間の距離、即ち「光源及び検出器の分離間隔」である。光源の波長が特定化されなければならない場合、添字λを用いて波長を特定することができる。即ちＵDC（ｘ）λと表す。２つの分離間隔におけるＵDC（ｘ）λの比率及びλは、次式によって与えられる。
【００４１】
【数２】
0004726270.tif 000003
【００４２】
ここで、ｘ1及びｘ2は各々異なる２つの分離間隔である。又は、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λと表すこともできる。同様に、放射エネルギー密度の変動振幅はＵAC（ｘ）又はＵAC（ｘ）λで示され、２距離における振幅比率はＵAC（ｘ1）λ／ＵAC（ｘ2）λで示される。与えられた距離ｘにおける光子密度波の位相は、波長が特定されるとき、添字λを用いて再度ΦU（ｘ）と記述されるであろう。次に、２位置における位相の相違は、ΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λとなるであろう。ＤＣ及びＡＣの記号が、光電検出器の信号の直流及び交流成分を表すために使用され、信号の位相に対しては記号Ｐが使用される。
【００４３】
ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λは、例えば検出器における平均放射フラックス又は検出器からの電気信号（信号の直流部分）などのＵDC（ｘ1）λ及びＵDC（ｘ2）λに直接比例する任意の値の比率に等しいことを記しておくべきである。同様に、ＵAC（ｘ1）λ／ＵAC（ｘ2）λは、例えば検出器からの信号の交流部分などのＵAC（ｘ1）λ及びＵAC（ｘ2）λに直接比例する任意の値の比率に等しい。事実、厳密に等しい特性及び光学経路を持つ２つの線形検出器を、波長λの単一光源から２つの距離（ｘ1及びｘ2）離れたところの媒体の光を同時に監視するために使用することができるならば、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λの比率を、ＤＣ（ｘ1，ｄ1）λ／ＤＣ（ｘ2，ｄ2）λ（ここで、ｄ1及びｄ2は検出器１８及び１９を指し示すことができる）の比率から直接見出すことができる。また、ＵAC（ｘ1）λ／ＵAC（ｘ2）λの値は、ＡＣ（ｘ1，ｄ1）λ／ＡＣ（ｘ2，ｄ2）λに等しく、ΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λは、Ｐ（ｘ1，ｄ1）λ−Ｐ（ｘ2，ｄ2）λに等しい。
【００４４】
しかしながら、２つの厳密に整合された高感度、高速度の検出器であって、２つの同一の光学経路を備えたサンプルに結合された検出器を使用することは実用的ではない。本明細書で説明されるプローブは、たとえこれらの光源の強度がわからず、且つ等しくなかったとしても、及びたとえ検出器の感度及び位相応答がわからず、且つ等しくなかったとしても、均一散乱中でＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、ＵAC（ｘ1）λ／ＵAC（ｘ2）λ及びΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λを測定するために使用することができる。２つの完全に類似した光源（及び類似した光源光学経路）を使用することはやはり同様に実用的ではない。様々な機械的解答を提案することができ、これらの解答では、検出器の位置及び／又は光源の位置は、動くミラー及び他の装置の手段によって変えられる。しかしながら、本明細書で説明されるプローブは、動く部分を全く要せず、複雑さを追加することもほとんどない。
【００４５】
図２は、均衡のとれた絶対プローブを示し、このプローブは、較正すること無しに量的示度を提供し、上述されたシステム変数により引き起こされるエラーから独立している。特に、いくつかのプロトタイプの絶対プローブを、「Ｉｓｓデュアルチャンネルオキシメータ（ISS Dual Channel Oximeter）」を用いて使用した。このＩＳＳオキシメータは、変動するレーザダイオードを１６個まで時間分割制御し、２つの光電子増倍管（ＰＭ）の検出器を有し、それらすべてが可撓性の光ファイバー製光案内手段に連結されている。光源切り替えのタイミングは、パーソナルコンピュータ２８により制御され、アナログ−デジタルコンバータが２つの光電子増倍管からの信号を測定するために使用される。
【００４６】
プロトタイプのプローブでは、光案内手段が使用された。従って、本明細書において光源への言及は、光がプローブから放射され及びサンプル内へと放射されるポイントに言及されたものと理解するべきである。また、光ファイバー製の光案内手段は、プローブに検出器１８、１９を接続するために使用され、それで「検出器」という用語はプローブ面１４上の位置に言及されたものと理解されるべきである。このプローブ面上の位置から検出器を励起する光が集められ、「光源及び検出器の分離間隔」は、光がプローブにより放射されるポイントと、プローブにより集められるポイントとの間の距離となる。
【００４７】
図３を参照すると、均衡のとれた絶対プローブが開示されており、このプローブは図２の構成と機能的に類似しているが、検出器１８ａ、１９ａが光源２０ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａのグループの外側に配置されている。第１の光源２０ａ及び第１の検出器１８ａ間の距離が第２の光源２３ａ及び第２の検出器１９ａの間の距離と同一である上述した配置上の制約が本実施形態並びに図２の実施形態に当てはまっていることが理解できる。また、前記のように、第１の光源２０ａ及び第２の検出器１９ａ間における距離は、第２の光源２３ａと第１の検出器１８ａ間の距離とほぼ同じである。
【００４８】
追加された光源２１ａ、２５ａは、図２の実施形態で追加された光源２１、２５の使用と同様の目的のために、これら後者の２つの光源が第１及び第２の光源２０ａ、２３ａの同一波長とは異なる同一波長を持つ光を提供する状態で存在している。
【００４９】
かくして、図２及び図３に示す構成を持つ光源の各々は、使用中に、短い周期の時間（数ミリ秒から数秒）で切り替えられ、両方の検出器からの対応する信号は同時に測定される。他の方法では、必要とあらば検出器の測定は逐次的となり、各々の光源は検出器が唯一の光源からの光を検出するように逐次的にオンオフされる。上記光源構成の対称性は、較正無しに、ＵDC（ｘ2）λ／ＵDC（ｘ1）λ、ＵAC（ｘ2）λ／ＵAC（ｘ1）λ及びΦU（ｘ2）λ−ΦU（ｘ1）λの平均を演算することを可能にする。ここで、ｘ1及びｘ2は光源及び検出器の２つの分離間隔であり、例えば、一方の光源及び検出器の分離間隔に対してＸａ、Ｘｂであり、他方の光源及び検出器の分離間隔に対してＸｅ、Ｘｆである（図２）。
【００５０】
このことを数学的に示すために、まず、第１の光源（例えば光源２０）がオンのとき、ＵDC（ｘ1）λ及びＵDC（ｘ2）λは、検出器に対する感度因子及び光源に対する強度因子が分かっている場合、２つの関係から次式のように見出すことができる。
【００５１】
ＵDC（ｘ1）λ＝Ｉs1Ｕ’DC,S1Ｘd1,λＳd1,λＤＣ（ｘ1，ｓ1，ｄ1）〔１〕
ＵDC（ｘ2）λ＝Ｉs2Ｕ’DC,S1Ｘd2,λＳd2,λＤＣ（ｘ2，ｓ1，ｄ2）〔２〕
指標ｄ1及びｄ2は、例えば図２では検出器１８，１９及び他の図ではこれに対応する検出器などのシステム内の検出器に言及している。指標ｓ1、ｓ2は、例えば図２では光源２０、２３及び他の図ではこれに対応する光源などの第１及び第２の光源に言及している。ＤＣ（ｘa，ｓb，ｄc）は、光源ｂから距離ｘaにある検出器ｃからの光源ｂに由来する信号の平均である。Ｘd1,λは単位光子密度当たりのボルト（又は電流）単位で示す検出器ｃの感度である。Ｕ’DC,sbは、光源ｂの強度である。Ｓdc,λは光源１及び２の波長（λ）における（すべての比例損失（proportional losses）を含む）感度検出器ｃの損失因子である。Ｉsbは、光源ｂに対する強度損失因子（すべての比例損失を含む）。強度損失因子Ｉ、検出器損失因子Ｓ、強度Ｕ’、及び感度Ｘが未知である。
【００５２】
同様に、第２の光源ｓ2（例えば光源２３）がオンであるとき、次式が成り立つ。
ＵDC（ｘ1）λ＝Ｉs2Ｕ’DC,S2Ｓd2,λＸd2,λＤＣ（ｘ1，ｓ2，ｄ2）〔３〕
ＵDC（ｘ2）λ＝Ｉs2Ｕ’DC,S2Ｓd1,λＸd1,λＤＣ（ｘ2，ｓ2，ｄ1）〔４〕
次に、自明な変換操作によって、次式を得る。
【００５３】
【数３】
0004726270.tif 000004
【００５４】
式〔１〕〜〔４〕におけるＵDC（ｘ1）λ及びＵDC（ｘ2）λに対する表現を上記に得た式〔５〕の最終項に置き換えることによって、次式が得られる。
【００５５】
【数４】
0004726270.tif 000005
【００５６】
又は、
【００５７】
【数５】
0004726270.tif 000006
【００５８】
ここで、Ｉ及びＳの因子のすべてがキャンセルされる。（式中の≡記号は、測定で何らかの誤差が常に生じることを強調するため上式で使用される。）
類似の議論によって、次式が成立することを示すことができる。
【００５９】
【数６】
0004726270.tif 000007
【００６０】
位相に対しては、数学が僅かに異なる。最初に位相遅延が既知量としてデバイス内で導入された場合、２点の距離における光子密度波の位相は、光源１がオンとなっている間、次式から見い出すことができる。
【００６１】
Φ（ｘ1）λ＝Ｐ（ｘ1，ｓ1，ｄ1）＋ｑd1,λ＋ｗa1,λ 〔１０〕
Φ（ｘ2）λ＝Ｐ（ｘ2，ｓ1，ｄ2）＋ｑd2,λ＋ｗs1,λ' 〔１１〕
ここで、Ｐ（ｘa，ｓb，ｄc）は、光源ｂからの光（距離ｘa走行した）に由来して検出器ｃで測定された位相である。検出器の位相遅延（電子的及び光学的）は、ｑd1,λ及びｑd2,λにより与えられ、ｗs1,λ及びｗs2,λは光源に対する位相遅延（電子的及び光学的）である。
【００６２】
第２の光源がオンであるとき、次式を見い出すことができる。
Φ（ｘ2）λ＝Ｐ（ｘ2，ｓ2，ｄ1）＋ｑd1,λ＋ｗs2,λ 〔１２〕
Φ（ｘ1）λ＝Ｐ（ｘ1，ｓ2，ｄ2）＋ｑd2,λ＋ｗs2,λ 〔１３〕
次に、次式を記す。
【００６３】
【数７】
0004726270.tif 000008
【００６４】
式〔１０〕〜〔１３〕からのΦU（ｘ1）及びΦU（ｘ2）に対する表現を上記に得た式〔１４〕の最終項に置き換えることによって、次式が得られる。
【００６５】
【数８】
0004726270.tif 000009
【００６６】
光源が調整可能であるか或いはより多くの光源位置２１，２５をプローブに単に追加する場合には、他の波長にこれらの光源を調整することによって均衡のとれた絶対プローブに追加の波長を追加することができる。追加の光源位置の各組は、２つの検出器位置に関して上記に説明されたのと同じ対称性を保持しなければならないが、２つの光源及び検出器の分離間隔まで必ずしも前と同じに定める必要はない。１波長につき少なくとも２つの光源が存在しなければならない一方で、検出器に関して同じ対称性を保持する各々の対も２以上あったとしてもよい。
（自己参照絶対プローブの実施形態）
図４を参照すると、特に図２及び図３で図解されたスキームの変更が示されている。
【００６７】
図４はプローブ１２の面１６ｂを示し、このプローブは前記実施形態と機能が類似しているが、自己参照機能を有している。特に、図４のプローブ面は、図２の対応する光源と類似している４つの光源２０ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂを長方形状に配列した状態で載置している点において図２の実施形態と類似している。また、プローブ面１６ｂは、１対の光検出器１８ｂ、１９ｂを載置しており、これらの光検出器は、図２の実施形態で対応する光検出器と同じ位置に配置するのが好ましい。しかしながら、このシステムは、前記実施形態よりも変化や非対称的配列に対して、より耐性がある。
【００６８】
本発明によれば、少なくとも１つの参照光源３０が追加され、好ましくは、それに加えて第２の参照光源３２が更に追加されるのがよい。参照光源３０が、光源２０ｂ、２３ｂの波長を持つ光を放射すると共に、参照光源３２が光源２１ｂ、２５ｂの波長を持つ光を放射する。参照光源３０は、各々の検出器１８ｂ、１９から等間隔に配置されている。参照光源３０と共に機能する他の光源２０ｂ、２３ｂは、上述した対称性に制限されるのが好ましいが、特定の光源及び検出器間の距離を変えることもできる。同じことが、参照光源３２及び該光源と共に機能する他の光源２１ｂ、２５ｂの間の関係にも当てはまる。
【００６９】
各々の光源は短周期で逐次的に切り替えられる。このサイクルは、必要とあらば連続的に繰り返すことができる。
検出器の感度及び位相修正因子を決定するために参照光源３０、３２を使用することができる。これらの感度及び位相の応答修正因子は、動的に測定してもよく、次いで検出器１８ｂ、１９ｂがオンとなっている間に、各々の光源２０ｂ、２３ｂ（及び対応する光源２１ｂ、２５ｂ）から検出された信号に適用される。例えば、第１の参照光源３０を発光させ、検出器１８ｂ及び１９ｂからの平均的な信号の大きさの比率を記録することができる。次に、参照光源３０を消灯させ、検出器１８ｂ、１９ｂの平均的な信号の大きさが記録されている状態で測定用光源２０ｂを発光させることができる。次に、このステップで検出器１９ｂで測定された値は、参照光源３０からの光に対する検出器１８ｂの応答と検出器１９ｂの応答との記録された比率によって乗じられる。かくして、修正ステップが適用されて、各々の検出器１８ｂ、１９ｂの異なる感度に起因する誤差を消去することができる。次に、測定用光源２３ｂは更なる較正のため上記のように光源２０ｂと同様に取り扱うことができる。
【００７０】
同様に、付加的な修正因子が位相に対して使用され得るという点を除き、システムに適用された光の変動振幅及び位相を修正することができる。この修正因子は次式によって与えられる。
【００７１】
【数９】
0004726270.tif 000010
【００７２】
ここで、ＣDC,λ、ＣAC,λ及びＣΦ,λは、ＤＣ（ｘ，ｓ，ｄ2）λ、ＡＣ（ｘ，ｓ，ｄ2）λ、及びΦｓ（ｘ，ｓ，ｄ2）λに対する修正因子であり、ｓR及びｘRは、参照光源３０若しくは３２、及び、光源及び検出器の間の距離を表す。ＵＤＣ（ｘ1）λ／ＵＤＣ（ｘ2）λ、ＵＤＣ（ｘ1）λ／ＵＤＣ（ｘ2）λ及びΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λが次式より見出すことができる。
【００７３】
【数１０】
0004726270.tif 000011
【００７４】
これらの式からわかる通り、多数の光源の存在は余分な測定を提供する。多数の結果を平均化することができる。１波長当たりにつきほんの２つだけの光源位置、１回の測定及び１つの参照光源を持つことも可能である。
【００７５】
図４が示唆しているように、ある１つのプローブは、均衡のとれた絶対型式及び自己参照型式の両方の基本的な設計基準に適合することができる。それは上述した対称性を持ってもよく、（１波長当たりにつき）第３の「参照」光源を持ってもよい。この場合には、上記対称性を有するのが好ましい。いずれか１組の式を用いても、或いは、両方の式を用いてもよく、その答えがサンプルの均一性のチェックとして比較されるからである。
【００７６】
使用時には、いずれかの絶対プローブが測定されるべき材料に対して堅固に圧されるか、或いは、サンプルが液体の場合、このプローブはサンプル中に浸漬される。各々の光源を順次オンにするサイクルが確立され、無限に繰り返される。両方の検出器からの信号が監視され、各々の光源の「オン」周期に連係してＡＣ、ＤＣ及びΦが測定される。各々の波長において、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、ＵAC（ｘ1）λ／ＵAC（ｘ2）λ、Φ（ｘ1）λ−Φ（ｘ2）λ、μa、μs’などの各値を演算するためコンピュータを使用することができる。この結果がコンピュータにより表示されるか、或いはメモリに格納される。測定における信号対ノイズ比を改善するため数サイクル分の結果を平均化することができる。
【００７７】
かくして、図４のプローブが上述された（自己較正される）絶対測定をなすために使用することができ、或いは、それらは最初の（平均的な）光学特性を測定し、次いで波長当たりにつき、ただ一つの光源を用いて使用することができる。試験される媒体の最初の光学特性が試験され、これらの測定値は、「修正因子」を演算するのに使用され、各々２つの検出器１８ｂ、１９ｂの応答を対等にすることができる。次に、波長当たりただ一つの光源位置、即ち光源２０ｂ、２３ｂのうちの一つだけ及び光源２１ｂ、２５ｂのうちの一つだけを用いて更なる測定をなすことができる。これらの光源が多重時間制御される場合、これによって、サンプルの光学特性における変化のより迅速な測定が可能となり、光学特性の実時間測定に資することができる。
【００７８】
図５を参照すると、プローブ１２の面１６ｃが異なる実施形態で示されている。この実施形態は図４の実施形態と等価である。
図５に示す実施形態では、第１及び第２の検出器１８ｃ、１９ｃが、ここで使用される各々の光源の外側に配置されている。異なる波長用の光源２０ｃ、２１ｃが光源２３ｃ、２５ｃと共に図示のように配置されている。これらは図４で同じ番号のそれらの対応物と等価である。第１及び第２の検出器１８ｃ、１９ｃに対するこれら４つの光源の空間的関係は図３の実施形態で見出されるものと同じであるのが好ましいが、２つの参照光源３０ｃ及び３２ｃが追加されている。参照光源３０ｃ、３２ｃは検出器１８ｃ、１９ｃの間に等間隔に配置され、図４の実施形態において対応する参照光源３０、３２に関連して説明された態様で機能する。
【００７９】
【実施例】
均衡のとれた絶対型式及び自己参照型式（図２及び図４の各々）のいくつかのプロトタイプのプローブが製作され、単一光源、単一検出器を用いた測定によって以前に決定された光学特性を持つサンプルを測定するために使用された。使用した光源及び検出器は、２波長における多重距離光源及び光ファイバー製光案内手段に連結された検出器の複数組を有し、前記に引用した米国特許番号５，４９７，７６９号に開示された設計に類似したＩＳＳデュアルチャンネルオキシメータを含む。この計器は、本発明の変更されたヘッド部１２の各々の検出器を照射する変調光の相対振幅及び位相を測定するため直前に引用された特許で説明されたようなヘテロダイン方式及びデジタルフーリエ変換方法を使用する。これらの方法では、前に引用された特許に係るデバイスが使用される。光源は振幅が変調されたダイオードレーザーであり、検出器は感度変調された光電子増倍管（ＰＭＴ）であった。光電子増倍管は、レーザーダイオードを変調するため使用される１１０ＭＨｚの基本周波数とは僅かに異なる周波数で変調される。かくして、検出器は基本変調周波数と検出器変調周波数との差に等しい相互相関周波数で信号を生成する。この相互相関周波数は、典型的には約１０ＫＨｚまであり得る。
【００８０】
平均検出器信号及び相互相関周波数での変調の振幅は、検出器を照射する光の平均強度及び光の強度での変調振幅に比例する。検出器の相互相関周波数信号の位相は、基本周波数における光の変調の位相に等しい。両方の検出器からの信号は、パーソナルコンピュータでのアナログデジタル変換器によってサンプリングされる。従来型式のフーリエ変換アルゴリズムが、相互相関周波数における変調振幅（ＡＣ）、信号の位相（Ｐ）、及びゼロ周波数振幅（ＤＣ）を演算するために使用される。
【００８１】
テストが実行される媒体は、媒体に高度な散乱を提供するために使用されるリポジンIIIファットエミュレーション（Liposyn III fat emulation）（アボット（Abbott）研究所）を含む水性サスペンションとアブソーバーとしてのインド製インクとを含み、それらは、そのような媒体の６リットル以上を保持するおおよそ１４インチ径で７インチの高さを有するプラスティック製円筒容器内に入れられていた。かくして、そのような媒体は、この容器の中心近傍に配置されたとき光源及び検出器に関して実効的に無限であり、媒体の頂部表面に接触した状態で保持された光源及び検出器に関して単一の平面境界では実効的に半無限であった。様々な量のリポジンが様々なテスト用の固体含有物の変化を得るため混合物に添加され、各々の混合物の光学特性が、図２の設計を有するプローブを用いて各々測定された。
【００８２】
図２の均衡のとれた絶対型式の設計を有するプローブが、８３０ｎｍの波長を持つ２つの光源２０、２３と、７５０ｎｍの波長を持つ２つの光源２１、２５と、２つの検出器１８、１９とを用いて作動された。検出器１８，１９の間の距離は、１．４ｃｍであった。より短い光源及び検出器の間の分離間隔は２．９ｃｍであった。
【００８３】
このプローブはリポジン水性媒体の上に配置され、水性媒体の表面下約１ｍｍのところを保持されている（光案内手段である）光源の先端部２０、２１、２３、２５を備えている。各々の光源は４０ミリ秒間オンの状態に保持され、４つの光源すべてが完全に照明するサイクルが０．３２秒間、継続し、様々な光源の照明の間にデッドタイムが存在している。多数のサイクルによる結果は少なくとも１０秒間平均化され、平均化された結果は光学パラメータを演算するため使用された。これらの演算は半無限媒体に対して実行された（１９９４年１０月、Ｎｏ．１０第１１巻部分Ｂのアメリカ光学会ジャーナル誌２１２３〜２１２８頁、又は、米国特許番号５，４９７，７６９号に掲載された、Ｓ．ファンティミ，Ｍ．フランセシニ及びＥ．グラットンによる「高度散乱媒体における光移動に関する半無限幾何学的境界値問題」で与えられるような演算方法）。
【００８４】
参照プローブが図２の絶対プローブ上で得られたデータをチェックするために用いられた。この参照プローブは、単一の光源ファイバー及び単一の光検出ファイバーを含んでいた。光源は、処理手続きの間に７５０ｎｍレーザーダイオードと８４０ｎｍレーザーダイオードとの間を切り替えられた。光源ファイバーの末端部は容器の中心部近傍に置かれ、水性リポジン媒体中に沈められた。ファイバー間の距離は、コンピュータ制御された移動ステージによって正確に調整可能であった。光源及び検出器の分離間隔は、各測定サイクル用の少なくとも４つの位置に対し変更され、信号の平均ＡＣ、ＤＣ及び位相シフトが２、３秒間各位置で記録された。かくして、すべての示度は単一の光源及び光検出器からきている。このサイクルは、光源強度変化及び他の道具のずれが結果に影響を及ぼさないことを確証するため少なくとも５回は繰り返された。平均光学パラメータは、無限媒体中の光子拡散に関する前記引用で与えられた理論を用いて、これらの結果に基づいて演算された。
【００８５】
図２に示す絶対プローブ及び対照標準として使用された参照プローブが７５０ｎｍおよび８４０ｎｍの波長でテストされた。
図６は、異なる度合いの光散乱を生成する様々なリポジン濃度の混合物中において各々のプローブシステムにより２波長で決定された散乱係数の換算された測定値を示している。様々に異なる体積含有量を達成するため比較的少ない量のリポジンのみが追加されるとき、システム中のインク含有量はほぼ一定に保たれる。
【００８６】
比較的低い散乱条件の下では、図２に示す新しい絶対プローブが対照標準として使用される参照方法と実験的に同一である結果を与える。より高いレベルの散乱では、図２のプローブが参照プローブ方法より幾分大きい値を与えるが、これらの結果は、計器の較正無しに、これらのより高い散乱レベルにおける大きな範囲の散乱に亘って散乱係数を１０パーセント以内の精度で推定することができることをなおも示している。
【００８７】
図７では、図２に示す各々の絶対プローブに関して演算され、測定された吸収係数がリポジン体積含有量を同様に様々に変化させて得られた参照プローブの方法の結果と比較された。この方法は、体積含有量が上昇するにつれて散乱係数が増加する結果を提供している。使用されたＩＲ放射に関する７５０ｎｍ及び８４０ｎｍの波長において各々のデータがプロットされる。前記したように、インクの総計含有量は、より多くのリポジンが追加されるとき、小さい量だけ希釈されることに起因して僅かに変化する程度にインクの濃度は一定に保たれている。
【００８８】
図２の測定システムは、対応する参照プローブ方法と実験的誤差の範囲内で本質的に同じ吸収係数値を与えており、散乱強度の大きな変化に亘って計器を較正する必要無しに吸収を測定することができることを示していた。
【００８９】
参照プローブから得られた結果の中には、図２に示す絶対プローブの結果とは少し異なる結果を示すものがあるが、これらの誤差は、主として半無限理論で使用される近似によって導入されたもので、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、及びΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λの測定値の誤差に起因するものではないと考えられている。
【００９０】
同様の結果が図４の自己参照システムの使用及びテストを通して得られた。
上記テストの結果は、本発明のプローブ及びこれを実施する方法が均一で高度な散乱媒体において吸収係数及び散乱係数の正確で且つ絶対的な測定が可能であることを確証している。本技術は、たとえ光源間の変化が弁別できたとしても、光源強度の変化には敏感ではない。また、本技術は、検出器の応答変化、光ファイバー製の光案内手段における結合効率の変化、及びシステムで使用される光ファイバーの汚れにさえ、敏感ではない。本発明による改善点は、光源若しくは検出器の因子のドリフト及び変化に対し非常に大きな耐性を提供する。かくして、それらは、従来技術とは反対に、測定前の較正を要しないので、更に容易に使用することができる。
【００９１】
これらの新しいプローブは、周波数領域のアプローチを用いて使用されるのが好ましいが、それらは周波数領域の手段を用いての使用に限定されるものではない。パルス発光する光源を用いて時間領域の測定用にこれらのプローブを使用することも可能である。それらは、変調無しに定常状態の光源及び検出器でＵ（ｘ1）λ／Ｕ（ｘ2）λを測定するためにも使用することができる。本発明によって提供されるＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、ＵDC（ｘ1）λ／ＵDC（ｘ2）λ、及びΦU（ｘ1）λ−ΦU（ｘ2）λの正確な測定は、本明細書で論じられた方法と異なる数学的方法と組み合わせて役立つようにすることができる。例えば、ツチヤに附与された米国特許番号５，５１７，９８７号では、直流（ＤＣ）測定のみを用いた光学パラメータの測定に関する方法が説明されている。また、コモヌその他に附与された米国特許番号５，０５７，６９５号で示された方法と類似した非周波数領域でのアプローチを使用することもできる。
【００９２】
上記説明は、実例を示すという目的のみで提供されたが、本出願に係る発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は請求の範囲で画定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】例えば生体組織などの媒体のパラメータを決定するため、本発明の自己参照光センサを備えて、これを使用する装置の部分概略図である。
【図２】パラメータが決定される媒体に載置され、均衡のとれた絶対プローブ用の設計を含む、図１に示すプローブ面の平面図である。
【図３】図１のプローブ面の代替設計を示す図である。
【図４】自己参照絶対プローブを備えた、図１のプローブ面の代替設計を示す図である。
【図５】自己参照絶対プローブ面の他の実施形態を示す図である。
【図６】様々な度数の散乱において換算された散乱係数の測定結果を示すグラフである。
【図７】様々な度数の散乱において吸収係数の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１２    プローブ
１４    患者（組織媒体）
１６    プローブの面
１８、１９    検出器
１８ａ、１９ａ    検出器
１８ｂ、１９ｂ    検出器
１８ｃ、１９ｃ    検出器
２０、２１、２３、２５    光源
２０ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａ    光源
２０ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂ    光源
２０ｃ、２１ｃ、２３ｃ、２５ｃ    光源
２２    ケーブル（光案内手段）
２４    コントローラ
２６    コンダクター
２８    パーソナルコンピュータ
３０、３２    参照光源
３０ｃ、３２ｃ    参照光源
【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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