(57)【要約】【課題】  環境温度や光量の変化に関わらず、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行可能な散乱吸収体計測装置及び計測方法を提供する。【解決手段】  基準信号発生器２０から出力された基準信号を元とする変調信号によって変調された計測光をレーザダイオード１０から散乱吸収体ＳＭに照射して、内部を伝搬した光を光検出器１５で検出する。そして、光検出器１５からの検出信号と、基準信号との位相差を位相検出器２１で検出することにより、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測を行う。また、レーザダイオード１０からの計測光の一部を分岐する光分岐ミラー１４を設け、モニタ用光検出器３０、モニタ用位相検出器３１、及びＶＣＯ３２によって、レーザダイオード１０からの計測光の位相を安定化させるＰＬＬ回路を構成する。【選択図】  図１
2005111165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基準周波数の基準信号を出力する基準信号発生手段と、
散乱吸収体に対して設定された光照射位置から照射するための所定波長の計測光を供給するとともに、前記基準信号に基づく変調信号による前記計測光の変調動作が可能な光供給手段と、
前記光照射位置から前記散乱吸収体に照射された前記計測光のうち、その内部を伝搬して光検出位置に到達した光を検出して検出信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段からの前記検出信号、及び前記基準信号発生手段からの前記基準信号の位相差を検出する計測用位相検出手段と、
前記光供給手段からの光出力をモニタしてモニタ信号を出力するモニタ手段と、
前記モニタ手段からの前記モニタ信号、及び前記基準信号発生手段からの前記基準信号の位相差を検出して、前記計測用位相検出手段による位相差の検出に対する参照信号を出力するモニタ用位相検出手段と
を備えることを特徴とする散乱吸収体計測装置。
【請求項２】
所定の周波数の発振信号を出力するとともに、外部信号によって発振条件を制御可能な発振器を備え、
前記発振器からの前記発振信号が前記変調信号として前記光供給手段へと入力されるとともに、前記発振器において前記モニタ用位相検出手段からの前記参照信号によって前記発振信号の発振条件を制御することを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体計測装置。
【請求項３】
前記基準信号発生手段からの前記基準信号が前記変調信号として前記光供給手段へと入力されるとともに、前記モニタ用位相検出手段からの前記参照信号によって前記計測用位相検出手段による位相差の検出結果を補正することを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体計測装置。
【請求項４】
前記光検出手段からの前記検出信号によって前記散乱吸収体内での光の減衰率を求める減衰率解析手段と、
前記計測用位相検出手段による位相差の検出結果、及び前記減衰率解析手段による減衰率の解析結果に基づいて、前記散乱吸収体内における吸収物質の濃度を算出する濃度算出手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の散乱吸収体計測装置。
【請求項５】
前記光供給手段からの光出力のＤＣ成分をモニタして、前記光供給手段から供給される前記計測光の光量を制御する光量制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の散乱吸収体計測装置。
【請求項６】
前記光供給手段からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分が所望の範囲内となるように、前記光供給手段から供給される前記計測光を調整する計測光調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の散乱吸収体計測装置。
【請求項７】
所定の基準周波数の基準信号を出力する基準信号発生ステップと、
散乱吸収体に対して設定された光照射位置から、前記基準信号に基づく変調信号によって変調された光供給手段からの所定波長の計測光を照射する光照射ステップと、
前記光照射位置から前記散乱吸収体に照射された前記計測光のうち、その内部を伝搬して光検出位置に到達した光を検出して検出信号を出力する光検出ステップと、
前記光検出ステップからの前記検出信号、及び前記基準信号発生ステップからの前記基準信号の位相差を検出する計測用位相検出ステップと、
前記光供給手段からの光出力をモニタしてモニタ信号を出力するモニタステップと、
前記モニタステップからの前記モニタ信号、及び前記基準信号発生ステップからの前記基準信号の位相差を検出して、前記計測用位相検出ステップにおける位相差の検出に対する参照信号を出力するモニタ用位相検出ステップと
を備えることを特徴とする散乱吸収体計測方法。
【請求項８】
外部信号によって発振条件が制御された所定の周波数の発振信号を出力する発振信号発生ステップを備え、
前記発振信号発生ステップからの前記発振信号が前記変調信号として前記光供給手段へと入力されるとともに、前記発振信号発生ステップにおいて前記モニタ用位相検出ステップからの前記参照信号によって前記発振信号の発振条件を制御することを特徴とする請求項７記載の散乱吸収体計測方法。
【請求項９】
前記基準信号発生ステップからの前記基準信号が前記変調信号として前記光供給手段へと入力されるとともに、前記モニタ用位相検出ステップからの前記参照信号によって前記計測用位相検出ステップにおける位相差の検出結果を補正することを特徴とする請求項７記載の散乱吸収体計測方法。
【請求項１０】
前記光検出ステップからの前記検出信号によって前記散乱吸収体内での光の減衰率を求める減衰率解析ステップと、
前記計測用位相検出ステップにおける位相差の検出結果、及び前記減衰率解析ステップにおける減衰率の解析結果に基づいて、前記散乱吸収体内における吸収物質の濃度を算出する濃度算出ステップと
を備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の散乱吸収体計測方法。
【請求項１１】
前記光供給手段からの光出力のＤＣ成分をモニタして、前記光供給手段から供給される前記計測光の光量を制御する光量制御ステップを備えることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載の散乱吸収体計測方法。
【請求項１２】
前記光供給手段からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分が所望の範囲内となるように、前記光供給手段から供給される前記計測光を調整する計測光調整ステップを備えることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項記載の散乱吸収体計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体などの散乱吸収体の内部情報を計測する散乱吸収体計測装置及び計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光を用いた生体計測が非破壊、非侵襲の利点から注目されている。この計測方法においては、近赤外光などの所定波長の計測光を計測対象となる生体などの散乱吸収体に照射して、その内部を伝搬させる。そして、内部を伝搬した光を光検出器にて検出し、その検出結果から散乱吸収体の内部情報を取得する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような計測方法は、例えば、生体内における酸素化・脱酸素化ヘモグロビン濃度情報を取得して、血中の酸素代謝機能を可視化する光トポグラフィ計測装置に用いることが可能であり、この装置によって、人にタスクを与えている際の酸素代謝機能の変化を動的に可視化する研究がなされている。
【特許文献１】特開平１１−１６９３６１号公報
【特許文献２】特開２０００−７７７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在市販されている光を用いた散乱吸収体計測装置では、散乱吸収体に対して照射する計測光としてＣＷ光が用いられている。ＣＷ光を用いた計測方法では、その検出光強度の変化の分布からヘモグロビン濃度等の変化をマッピングする。しかしながら、このような方法では光が生体内を伝搬する平均光路長を測定していないため、その濃度変化の値を絶対値として求めることができず、臨床現場における高度な診察等に用いることができないという問題がある。
【０００５】
また、散乱吸収体に対してパルス光を照射して、その平均光路長を求める試みもなされている。ただし、このような方法では、光検出器及び光源等を用いて構築される計測システムが高価になる場合がある。また、散乱吸収体に対して強度変調された光を照射し、強度変調された周期的な光波形における位相についての位相遅れを計測することによって平均光路長を求めるＰＭＳ（Phase Modulation Spectroscopy）法が検討されている。
【０００６】
ＰＭＳ法による散乱吸収体計測を臨床現場等に応用する場合、幅広い環境温度下で計測可能であること、広いダイナミックレンジで計測可能であることが重要となる。一方、計測光を供給する光源としては半導体発光素子であるレーザダイオードなどが用いられる。ここで、レーザダイオードの動作においては、その環境温度が変化した場合、あるいは、広いダイナミックレンジで計測するために励起電流によって光量を変化させた場合、レーザダイオードの動作条件が変化する。このように、レーザダイオードの動作条件が変化すると、計測光の位相が変化してしまい、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測を安定して行うことができないという問題がある。
【０００７】
環境温度の変化によるレーザダイオードの動作条件の変化を防止する方法として、ペルチェ素子によってレーザダイオードの温度を制御する構成が用いられている。しかしながら、このようにペルチェ素子を用いたのでは、ペルチェ素子が充分な電流を必要とするために電源が大きくなって装置全体が大型化し、また、装置が高価になってしまう。また、光量変化によるレーザダイオードの動作条件の変化については、レーザダイオードから出力される光量を一定とし、レーザダイオードの後段にＮＤフィルタ等を設置して光量を制御する構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、光量の制御機構が複雑化し、また、ペルチェ素子による温度制御と同様に装置が高価になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、環境温度や光量の変化に関わらず、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行可能な散乱吸収体計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明による散乱吸収体計測装置は、（１）所定の基準周波数の基準信号を出力する基準信号発生手段と、（２）散乱吸収体に対して設定された光照射位置から照射するための所定波長の計測光を供給するとともに、基準信号に基づく変調信号による計測光の変調動作が可能な光供給手段と、（３）光照射位置から散乱吸収体に照射された計測光のうち、その内部を伝搬して光検出位置に到達した光を検出して検出信号を出力する光検出手段と、（４）光検出手段からの検出信号、及び基準信号発生手段からの基準信号の位相差を検出する計測用位相検出手段と、（５）光供給手段からの光出力をモニタしてモニタ信号を出力するモニタ手段と、（６）モニタ手段からのモニタ信号、及び基準信号発生手段からの基準信号の位相差を検出して、計測用位相検出手段による位相差の検出に対する参照信号を出力するモニタ用位相検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による散乱吸収体計測方法は、（１）所定の基準周波数の基準信号を出力する基準信号発生ステップと、（２）散乱吸収体に対して設定された光照射位置から、基準信号に基づく変調信号によって変調された光供給手段からの所定波長の計測光を照射する光照射ステップと、（３）光照射位置から散乱吸収体に照射された計測光のうち、その内部を伝搬して光検出位置に到達した光を検出して検出信号を出力する光検出ステップと、（４）光検出ステップからの検出信号、及び基準信号発生ステップからの基準信号の位相差を検出する計測用位相検出ステップと、（５）光供給手段からの光出力をモニタしてモニタ信号を出力するモニタステップと、（６）モニタステップからのモニタ信号、及び基準信号発生ステップからの基準信号の位相差を検出して、計測用位相検出ステップにおける位相差の検出に対する参照信号を出力するモニタ用位相検出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記した散乱吸収体計測装置及び計測方法においては、計測用位相検出手段を用いてＰＭＳ法による散乱吸収体計測を行う。そして、モニタ用位相検出手段において、計測光に対応するモニタ信号の位相と基準信号の位相とを比較し、基準信号に対する計測光の位相の変化を検出して、ＰＭＳ法での位相差の検出に対する参照信号を生成している。このような参照信号を用いることにより、環境温度や光量の変化などによる光供給手段の動作条件の変化を反映させて、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行することが可能となる。
【００１２】
散乱吸収体計測への参照信号の反映については、計測装置は、所定の周波数の発振信号を出力するとともに、外部信号によって発振条件を制御可能な発振器を備え、発振器からの発振信号が変調信号として光供給手段へと入力されるとともに、発振器においてモニタ用位相検出手段からの参照信号によって発振信号の発振条件を制御することが好ましい。
【００１３】
同様に、計測方法は、外部信号によって発振条件が制御された所定の周波数の発振信号を出力する発振信号発生ステップを備え、発振信号発生ステップからの発振信号が変調信号として光供給手段へと入力されるとともに、発振信号発生ステップにおいてモニタ用位相検出ステップからの参照信号によって発振信号の発振条件を制御することが好ましい。
【００１４】
このような構成によれば、モニタ手段、モニタ用位相検出手段、及び発振器によって、光供給手段からの変調された計測光の位相を安定化させるＰＬＬ回路を構成して、安定した条件でのＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実現することができる。
【００１５】
あるいは、計測装置は、基準信号発生手段からの基準信号が変調信号として光供給手段へと入力されるとともに、モニタ用位相検出手段からの参照信号によって計測用位相検出手段による位相差の検出結果を補正することが好ましい。
【００１６】
同様に、計測方法は、基準信号発生ステップからの基準信号が変調信号として光供給手段へと入力されるとともに、モニタ用位相検出ステップからの参照信号によって計測用位相検出ステップにおける位相差の検出結果を補正することが好ましい。
【００１７】
このような構成によれば、光供給手段からの変調された計測光の位相が変化した場合であっても、その位相の変化をＰＭＳ法での位相差の検出結果に反映させて、安定した条件でのＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実現することができる。
【００１８】
ここで、計測装置は、光検出手段からの検出信号によって散乱吸収体内での光の減衰率を求める減衰率解析手段と、計測用位相検出手段による位相差の検出結果、及び減衰率解析手段による減衰率の解析結果に基づいて、散乱吸収体内における吸収物質の濃度を算出する濃度算出手段とを備えることとしても良い。同様に、計測方法は、光検出ステップからの検出信号によって散乱吸収体内での光の減衰率を求める減衰率解析ステップと、計測用位相検出ステップにおける位相差の検出結果、及び減衰率解析ステップにおける減衰率の解析結果に基づいて、散乱吸収体内における吸収物質の濃度を算出する濃度算出ステップとを備えることとしても良い。
【００１９】
また、計測装置は、光供給手段からの光出力のＤＣ成分をモニタして、光供給手段から供給される計測光の光量を制御する光量制御手段を備えることが好ましい。同様に、計測方法は、光供給手段からの光出力のＤＣ成分をモニタして、光供給手段から供給される計測光の光量を制御する光量制御ステップを備えることが好ましい。
【００２０】
あるいは、計測装置は、光供給手段からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分が所望の範囲内となるように、光供給手段から供給される計測光を調整する計測光調整手段を備えることが好ましい。同様に、計測方法は、光供給手段からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分が所望の範囲内となるように、光供給手段から供給される計測光を調整する計測光調整ステップを備えることが好ましい。
【００２１】
このように、光供給手段からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分に対する制御、調整を行うことにより、計測光の光量、振幅や光波形等を好適に設定して、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測の条件をさらに安定化することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による散乱吸収体計測装置及び計測方法によれば、計測光に対応するモニタ信号の位相と基準信号の位相との比較結果を示す参照信号を用いて計測を行うことにより、環境温度や光量の変化に関わらず、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面とともに本発明による散乱吸収体計測装置、及び散乱吸収体計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２４】
図１は、本発明による散乱吸収体計測装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本散乱吸収体計測装置は、近赤外光などの所定波長の光を用いて散乱吸収体の内部情報を非侵襲的に計測するものである。本計測装置での計測対象となる散乱吸収体としては、例えば生体などがある。また、計測される内部情報としては、例えば生体内での吸収物質であるヘモグロビンの濃度や酸素飽和度などがある。なお、本明細書において「位相」とは、強度変調された周期的な光波形における位相をいう。
【００２５】
図１に示す計測装置は、半導体発光素子であるレーザダイオード１０と、光検出器１５と、基準信号発生器２０と、位相検出器２１と、解析装置２２とを備える。レーザダイオード１０は、散乱吸収体ＳＭの内部情報の計測に用いられる所定波長の計測光を供給する光供給手段であり、散乱吸収体ＳＭに対して設定された光照射位置から計測光を照射可能に配置されている。また、このレーザダイオード１０は、外部からの変調信号による計測光の変調動作が可能に構成されており、変調信号によって強度変調された変調光を計測光として散乱吸収体ＳＭへと供給する。また、レーザダイオード１０に対し、レーザダイオード１０を励起するＤＣ電流を供給するＤＣ電流源１１が設けられている。
【００２６】
基準信号発生器２０は、所定の基準周波数の電気信号を基準信号として出力する。この基準信号は、レーザダイオード１０に入力される変調信号の元となる信号であり、その基準周波数が計測光の変調周波数となる。
【００２７】
光検出器１５は、レーザダイオード１０から供給され、上記した光照射位置から散乱吸収体ＳＭに照射された計測光のうち、散乱吸収体ＳＭの内部を伝搬して光検出位置に到達した光を検出する。そして、光検出器１５は、検出した光の強度や時間変化等に応じた検出信号を出力する。
【００２８】
光検出器１５から出力される検出信号に対して、位相検出器２１と、解析装置２２とが設けられている。位相検出器２１は、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測に用いられる計測用位相検出手段である。この位相検出器２１には、光検出器１５からの検出信号と、基準信号発生器２０からの基準信号とが入力されており、検出信号及び基準信号の位相差を検出する。位相検出器２１によって検出される位相差は、レーザダイオード１０から散乱吸収体ＳＭに照射される計測光に対する、光検出器１５において検出される光の位相遅れ（遅延時間）である。この位相遅れは、散乱吸収体ＳＭ内での光の平均光路長に相当する。
【００２９】
解析装置２２は、減衰率解析部２３と、濃度算出部２４とを有している。減衰率解析部２３には、光検出器１５からの検出信号が入力されており、検出信号の振幅を算出し、算出された振幅から散乱吸収体ＳＭ内での光の減衰率を求める。なお、減衰率解析部２３への入力については、位相検出器２１から出力されたＡＣ成分の振幅を入力し、それによって光の減衰率を求めても良い。
【００３０】
位相検出器２１による位相差の検出結果、及び減衰率解析部２３による光の減衰率の解析結果は、濃度算出部２４へと入力されている。濃度算出部２４は、それらの結果に基づいて、散乱吸収体ＳＭにおける吸収物質（例えば、ヘモグロビン）の濃度を算出する。
【００３１】
本実施形態の計測装置においては、レーザダイオード１０から供給される強度変調された計測光について、基準信号発生器２０に加えて、モニタ用光検出器３０、モニタ用位相検出器３１、及びＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator：電圧制御型発振器）３２が設けられている。また、レーザダイオード１０と散乱吸収体ＳＭとの間の光路上の所定位置に、レーザダイオード１０から出射された計測光の一部を分岐する光分岐ミラー１４が配置されている。
【００３２】
モニタ用光検出器３０は、レーザダイオード１０からの光出力をモニタするモニタ手段である。図１に示す構成においては、光分岐ミラー１４によって分岐された計測光の一部がモニタ用光検出器３０へと入射されて検出され、これによってレーザダイオード１０からの光出力がモニタされている。そして、光検出器３０は、検出した計測光の強度や時間変化等に応じたモニタ信号を出力する。
【００３３】
モニタ用位相検出器３１には、モニタ用光検出器３０からのモニタ信号と、基準信号発生器２０からの基準信号とが入力されており、これらの位相を比較してモニタ信号及び基準信号の位相差を検出する。位相検出器３１によって検出される位相差は、レーザダイオード１０に入力される変調信号の元となる基準信号と、実際に強度変調されたレーザダイオード１０からの計測光との位相ずれである。
【００３４】
このような計測光の位相ずれをモニタすることにより、レーザダイオード１０の動作条件の変化に伴う計測光の位相の時間変化がモニタされる。そして、モニタ用位相検出器３１は、検出した位相差に応じて、位相検出器２１による位相差の検出に対する参照信号を出力する。
【００３５】
ＶＣＯ３２は、所定の周波数の発振信号を出力するとともに、外部信号によって発振条件を制御可能な発振器である。本実施形態においては、ＶＣＯ３２からの発振信号が、計測光を変調するための基準信号に基づく変調信号としてレーザダイオード１０へと入力されている。また、ＶＣＯ３２には、モニタ用位相検出器３１からの参照信号が入力されており、この参照信号に基づいて発振信号の位相が制御される。これにより、ＶＣＯ３２において、レーザダイオード１０から出射される計測光の位相が揃うように、ＶＣＯ３２からの発振信号の位相が制御される。
【００３６】
図１に示した計測装置を用いた散乱吸収体計測方法においては、まず、基準信号発生器２０から基準周波数の基準信号が出力される（基準信号発生ステップ）。そして、ＤＣ電流源１１からのＤＣ電流に加えて、上記基準信号を元にしたＶＣＯ３２からの発振信号が変調信号としてレーザダイオード１０へと入力される。レーザダイオード１０は、変調信号によって変調された所定波長の計測光を生成し、計測対象である散乱吸収体ＳＭに対して、光照射位置から計測光を照射する（光照射ステップ）。照射された計測光は、吸収、散乱等を受けつつ散乱吸収体ＳＭの内部を伝搬する。
【００３７】
光照射位置から散乱吸収体ＳＭに照射されてその内部を伝搬した光のうち、光検出位置に到達した光成分は、光検出器１５によって検出される。光検出器１５は、検出した光の強度等に応じた検出信号を出力する（光検出ステップ）。
【００３８】
位相検出器２１は、光検出器１５からの検出信号、及び基準信号発生器２０からの基準信号の位相差を検出する（計測用位相検出ステップ）。解析装置２２の減衰率解析部２３は、光検出器１５からの検出信号によって散乱吸収体ＳＭ内での光の減衰率を求める（減衰率解析ステップ）。また、濃度算出部２４は、上記した位相差の検出結果、及び減衰率の解析結果に基づいて、散乱吸収体ＳＭ内における吸収物質の濃度を算出する（濃度算出ステップ）。
【００３９】
一方、光分岐ミラー１４で分岐された計測光の一部はモニタ用光検出器３０によって検出され、レーザダイオード１０からの光出力がモニタされる。光検出器３０は、光出力のモニタ結果に応じたモニタ信号を出力する（モニタステップ）。モニタ用位相検出器３１は、光検出器３０からのモニタ信号、及び基準信号発生器２０からの基準信号の位相差を検出して、参照信号を出力する（モニタ用位相検出ステップ）。そして、ＶＣＯ３２は、位相検出器３１からの参照信号によって制御された周波数及び位相で発振信号を出力する（発振信号発生ステップ）。発振信号は、計測光を変調するための変調信号としてレーザダイオード１０へと入力される。
【００４０】
上記実施形態による散乱吸収体計測装置及び計測方法の効果について説明する。
【００４１】
図１に示した散乱吸収体計測装置、及びそれを用いた計測方法においては、レーザダイオード１０からの変調された計測光の供給と、位相検出器２１による光検出器１５からの検出信号の位相検出とを用いて、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測を行う。そして、モニタ用位相検出器３１において、計測光に対応するモニタ信号の位相と基準信号の位相とを比較し、基準信号に対する計測光の位相の変化を検出して、ＰＭＳ法での位相差の検出に対する参照信号を生成している。このような参照信号を用いることにより、環境温度や光量の変化などによるレーザダイオード１０の動作条件の変化に伴って計測光の位相が変化した場合であっても、その変化を計測に反映させて、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行することが可能となる。
【００４２】
このようにレーザダイオード１０からの光出力をモニタしてＰＭＳ法による散乱吸収体計測を行う構成では、レーザダイオード１０に対して温度制御用のペルチェ素子等を設置することなく、安定した条件で計測を実行することができる。これにより、ペルチェ素子に用いられる電流の供給が不要となり、電源を含めた装置全体が小型化し、また、装置が安価となる。この場合、レーザダイオード１０の温度制御のため、空冷用のファン等を用いても良い。このようなファンの設置は、レーザダイオード１０の過度の温度変化を抑制して、計測光の波長の変化等を防止する上で効果がある。
【００４３】
また、散乱吸収体計測への参照信号の反映については、本実施形態においては、基準信号発生器２０とは別にＶＣＯ３２を設けて、ＶＣＯ３２からの発振信号を変調信号とするとともに、モニタ用位相検出器３１からの参照信号によってＶＣＯ３２をフィードバック制御している。このような構成によれば、モニタ用光検出器３０、位相検出器３１、及びＶＣＯ３２によって、光供給手段であるレーザダイオード１０からの変調された計測光の位相を安定化させるＰＬＬ回路を構成して、安定した条件での散乱吸収体計測を実現することができる。
【００４４】
ここで、散乱吸収体ＳＭに照射される計測光を強度変調するための変調信号の元となる基準信号発生器２０からの基準信号の周波数については、ＰＭＳ法による平均光路長の計測を精度良く行うことが可能な周波数に設定する必要がある。具体的には、この基準周波数は、１ＭＨｚ以上の周波数とすることが好ましい。また、計測光の波長については、計測対象とする散乱吸収体ＳＭの特性や、取得しようとする内部情報の種類（例えば吸収物質の濃度）等に応じて好適な波長を選択すれば良く、必要があれば２波長以上の光を用いても良い。
【００４５】
また、レーザダイオード１０からの計測光の散乱吸収体ＳＭへの照射については、散乱吸収体ＳＭの光照射位置に対してレーザダイオード１０を含む照射光学系を直接配置しても良く、あるいは、レーザダイオード１０から出射された計測光を光ファイバ等の照射プローブによって光照射位置へと導光する構成としても良い。このような構成は、光検出器１５による光の検出についても同様である。また、散乱吸収体ＳＭに対して計測光を供給する光供給手段としては、レーザダイオード（ＬＤ）以外にも、ＬＥＤなど様々な光源を用いて良い。
【００４６】
また、レーザダイオード１０の動作をモニタするモニタ手段については、図１に示した構成では光分岐ミラー１４によって計測光の一部を分岐し、それを検出する光検出器３０をモニタ手段として用いているが、モニタ手段としては、これ以外にも様々な構成を用いることができる。一般には、このモニタ手段は、光供給手段からの光出力をモニタするものであれば良い。
【００４７】
図２は、図１に示した散乱吸収体計測装置の構成の変形例を示すブロック図である。本変形例においては、レーザダイオード１０と散乱吸収体ＳＭとの間に光分岐ミラーを配置して計測光の一部を分岐するのではなく、レーザダイオード１０の後方に出射される光を検出するモニタ用フォトダイオード３３を、レーザダイオード１０からの光出力をモニタするモニタ手段として用いている。このようなモニタ用フォトダイオード３３は、通常、レーザダイオード１０と同一のパッケージ内に収容されている。また、レーザダイオード１０、ＤＣ電流源１１、基準信号発生器２０、モニタ用フォトダイオード３３、モニタ用位相検出器３１、及びＶＣＯ３２等としては、例えば、図３に示す回路系を用いることができる。
【００４８】
なお、光源に対してＰＬＬ回路を組み込むことについては、特許文献２に記載がある。しかしながら、特許文献２に記載された装置は光パルス発生装置であり、生成された光パルスを用いた位相差計測や、そのような位相差計測における位相の変化の影響等については記載されていない。
【００４９】
これに対して、上記した散乱吸収体計測装置及び計測方法では、変調された計測光をＰＭＳ法による散乱吸収体計測に適用している。そして、そのような計測における検出信号と基準信号との位相差の検出に対して計測光のモニタ結果に基づく参照信号を生成し、この参照信号を用いることによって高精度での散乱吸収体計測を可能とするものである。
【００５０】
ここで、上記した計測装置及び計測方法による散乱吸収体の内部情報の取得について、生体における吸収物質である酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）及び脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度計測を例として説明しておく。光を用いた生体計測では、生体内の酸素を直接計測することができないが、酸素代謝に関与する血液中のヘモグロビンなどの色素蛋白は、酸素と結合した状態と解離した状態とで光の吸収スペクトル（光吸収特性の波長依存性）が異なるため、これを利用して間接的に生体内の酸素代謝についての情報を得ることができる。
【００５１】
例えば、レーザダイオード１０から散乱吸収体ＳＭに照射される変調された計測光として、波長λ１、λ２の２波長の光を用いた場合、酸素化ヘモグロビンの濃度変化Δ［ＨｂＯ２］、及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化Δ［Ｈｂ］は、生体内での光の減衰率と平均光路長とにより、それぞれ以下の式（１．１）、（１．２）に示すように求められる。
【数１】
2005111165.tif 000003
ここで、＜Ｌ１＞、＜Ｌ２＞はそれぞれ波長λ１、λ２での平均光路長（位相差に対応）、ΔＯＤλ１、ΔＯＤλ２はそれぞれ波長λ１、λ２での光強度変化（減衰率に対応）、ελ１ＨｂＯ２、ελ２ＨｂＯ２はそれぞれ波長λ１、λ２での酸素化ヘモグロビンの吸光係数、ελ１Ｈｂ、ελ２Ｈｂはそれぞれ波長λ１、λ２での脱酸素化ヘモグロビンの吸光係数である。
【００５２】
このようなヘモグロビンの濃度計測において、ＣＷ光を用いた計測では生体内での平均光路長＜Ｌ＞を求めることができないため、ヘモグロビンの濃度変化を絶対値として求めることができない。これに対して、計測光として変調光を用いて位相ずれＰ（radian）を計測した場合、位相Ｐと平均光路長＜Ｌ＞とは、以下の式（２．１）、（２．２）
【数２】
2005111165.tif 000004
に示すように、リニアな関係式が成り立つ。ここで、ｃ’は媒質（散乱吸収体）中での光速を示している。上記の式より、位相情報Ｐを平均光路長＜Ｌ＞に換算することにより、減衰率の計測結果と合わせて、ヘモグロビンの濃度変化を絶対値として求めることができる。特に、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行可能な上記した計測装置及び計測方法を用いれば、ヘモグロビンの濃度、及びその時間変化を定量的に精度良く求めることが可能となる。なお、計測対象での吸収係数μａについて、μａ≪２πｆ／ｃ’の条件が満たされない場合には、計測精度を上げるために式（２．１）に補正項を入れても良い。
【００５３】
図４は、本発明による散乱吸収体計測装置の第２実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【００５４】
図４に示す計測装置は、レーザダイオード１０と、電流源１１と、光検出器１５と、基準信号発生器２０と、位相検出器２１と、減衰率解析部２３及び濃度算出部２４を有する解析装置２２とを備えている。これらの構成については、図１に示した計測装置と同様である。また、本実施形態においては、基準信号発生器２０からの基準信号自体が、計測光を変調するための変調信号としてレーザダイオード１０へと入力されている。
【００５５】
本実施形態の計測装置においては、レーザダイオード１０から供給される強度変調された計測光について、基準信号発生器２０に加えて、モニタ用光検出器３０、及びモニタ用位相検出器３１が設けられている。また、レーザダイオード１０と散乱吸収体ＳＭとの間の光路上の所定位置に、レーザダイオード１０から出射された計測光の一部を分岐する光分岐ミラー１４が配置されている。
【００５６】
モニタ用光検出器３０は、光分岐ミラー１４によって分岐された計測光の一部を入射して検出し、検出した計測光の強度や時間変化等に応じたモニタ信号を出力する。また、モニタ用位相検出器３１は、モニタ用光検出器３０からのモニタ信号と、基準信号発生器２０からの基準信号との位相を比較して位相差を検出し、検出した位相差に応じた参照信号を出力する。
【００５７】
モニタ用位相検出器３１からの参照信号は、解析装置２２へと入力されている。解析装置２２においては、入力された参照信号によって位相検出器２１による位相差の検出結果の補正が行われる。濃度算出部２４は、モニタ用位相検出器３１からの参照信号によって補正された位相検出器２１による位相差の検出結果、及び減衰率解析部２３による光の減衰率の解析結果に基づいて、散乱吸収体ＳＭにおける吸収物質の濃度を算出する。
【００５８】
図４に示した散乱吸収体計測装置、及びそれを用いた計測方法においては、モニタ用位相検出器３１において、モニタ信号の位相と基準信号の位相とを比較して、ＰＭＳ法での位相差の検出に対する参照信号を生成している。これにより、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行することが可能となる。
【００５９】
また、散乱吸収体計測への参照信号の反映については、本実施形態においては、モニタ用位相検出器３１からの参照信号を解析装置２２に入力し、それによって位相検出器２１による位相差の検出結果を補正している。このような構成によれば、光供給手段であるレーザダイオード１０からの変調された計測光の位相が変化した場合であっても、その位相の変化をＰＭＳ法での位相差の検出結果に反映させて、安定した条件でのＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実現することができる。
【００６０】
図５は、本発明による散乱吸収体計測装置の第３実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【００６１】
図５に示す計測装置は、レーザダイオード１０と、電流源１１と、光検出器１５と、基準信号発生器２０と、位相検出器２１と、減衰率解析部２３及び濃度算出部２４を有する解析装置２２とを備えている。これらの構成については、図１に示した計測装置と同様である。また、光分岐ミラー１４、モニタ用光検出器３０、モニタ用位相検出器３１、及びＶＣＯ３２の構成についても、図１に示した計測装置と同様の構成となっている。
【００６２】
本実施形態の計測装置においては、計測光調整装置４０と、差動増幅器４１と、ＲＦアンプ４２とがさらに設置されている。
【００６３】
差動増幅器４１は、光供給手段であるレーザダイオード１０からの光出力のＤＣ成分をモニタして、計測光の光量を制御する光量制御手段である。差動増幅器４１には、モニタ用光検出器３０で検出された計測光に対応する検出信号のＤＣ成分と、計測光調整装置４０からの基準電圧とが入力されている。差動増幅器４１は、検出信号のＤＣ成分と基準電圧との比較結果に基づき、計測光の光量を一定に保持するための制御信号をＤＣ電流源１１へと送出する。これにより、レーザダイオード１０から供給される計測光の光量を安定化させるＡＰＣ制御が行われる（光量制御ステップ）。
【００６４】
一方、計測光を変調するための変調信号となるＶＣＯ３２からの発振信号は、ＲＦアンプ４２によって所定の利得で増幅された後、レーザダイオード１０へと入力されている。また、ＲＦアンプ４２における発振信号の増幅利得は、計測光調整装置４０からの利得指示信号によって制御されている。これにより、レーザダイオード１０から供給される計測光でのＡＣ成分の振幅等が制御される。
【００６５】
計測光調整装置４０は、レーザダイオード１０からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分が所望の範囲内となるように計測光を調整する調整手段である。この計測光調整装置４０には、計測光のＤＣ成分及びＡＣ成分の値の設定、または変更を指示する解析装置２２からの調整指示信号が入力されている。計測光調整装置４０は、解析装置２２からの指示信号に基づいて、差動増幅器４１へと送出する基準電圧、及びＲＦアンプ４２へと送出する利得指示信号を設定または変更することにより、レーザダイオード１０から供給される計測光のＤＣ成分及びＡＣ成分を調整する（計測光調整ステップ）。
【００６６】
また、本実施形態においては、解析装置２２に、レーザダイオード１０からその動作条件等を示す指示信号が入力されている。解析装置２２は、このレーザダイオード１０からの指示信号の内容を考慮し、計測光調整装置４０による計測光の調整条件等を設定する。これにより、レーザダイオード１０の動作条件に応じた様々な計測制御が可能となる。なお、レーザダイオード１０からの指示信号としては、例えば、レーザダイオード１０に対して設けられた温度センサ１２（図３参照）によって計測された温度情報を示す信号がある。温度センサ１２は、例えば、温度によって抵抗率が変わる素子、サーミスタを用いることができる。図３においては、固定抵抗と直列に接続して、温度による抵抗値の変化によって抵抗分割比が変化することを利用して、抵抗値の変化を電圧変化に変換している。ただし、温度センサ１２に用いる素子はサーミスタに限定されない。
【００６７】
レーザダイオード１０から解析装置２２へと送られる温度に関する情報は、濃度算出部２４において計算に使用されるパラメータに反映させても良い。例えば、濃度算出をしようとする計測対象の分光特性が波長に依存している場合、温度変化によって濃度算出に使用するパラメータを変えることが好ましい。この場合、あらかじめ温度の値に対するパラメータテーブル、またはパラメータを求める式を用意しておき、温度の値に応じて使用するパラメータを変えることにより、計測精度を向上させることができる。このような制御を行うことにより、ペルチェ素子等を使用した厳密な温度制御が不要となる。このとき、レーザダイオード１０の熱暴走を防ぐために、空冷ファンや水冷によってレーザダイオード１０を冷却する構成としても良い。
【００６８】
図５に示した散乱吸収体計測装置、及びそれを用いた計測方法においては、モニタ用位相検出器３１において、モニタ信号の位相と基準信号の位相とを比較して、ＰＭＳ法での位相差の検出に対する参照信号を生成している。これにより、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行することが可能となる。
【００６９】
また、レーザダイオード１０から供給される計測光に対し、計測光調整装置４０、差動増幅器４１、及びＲＦアンプ４２を設けている。このような構成を用い、レーザダイオード１０からの光出力のＤＣ成分またはＡＣ成分に対する制御、調整を行うことにより、計測光の光量、振幅や光波形等を好適に設定して、ＰＭＳ法による散乱吸収体計測の条件をさらに安定化することができる。また、必要に応じた計測条件の変更も容易となる。
【００７０】
本発明による散乱吸収体計測装置及び計測方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、減衰率解析部２３及び濃度算出部２４を有する解析装置２２を設けているが、減衰率や濃度の導出が不要な場合や、外部装置においてそれらの算出を行う場合等には、減衰率解析部２３及び濃度算出部２４を設けない構成としても良い。また、光供給手段における計測光の変調方法としては、光源の後段に設けた光変調器によって計測光を変調する構成としても良い。この場合、変調信号は光変調器に入力されて、その変調動作が制御される。
【００７１】
また、モニタ用光検出器３０とモニタ用位相検出器３１との間、あるいは、モニタ用位相検出器３１とＶＣＯ３２との間などには、必要に応じて、所定の周波数範囲内の信号成分を選択的に通過させる周波数フィルタを挿入しても良い。例えば、図６には、図１に示した散乱吸収体計測装置の構成の変形例として、モニタ用光検出器３０とモニタ用位相検出器３１との間に周波数フィルタ３５を設置した構成を示している。
【００７２】
また、図１等に示した構成では、基準信号発生器２０とＶＣＯ３２との間において、安定に同期して動作するように両者間で同期信号を用いて接続しても良い。この場合、一般には、１０ＭＨｚの信号を用いることが多い。また、ＶＣＯ３２における発振信号の位相の制御については、上記構成ではＶＣＯ３２自体で位相を制御しているが、位相の制御方法についてはこれに限定されない。例えば、ＶＣＯを固定位相で動作させ、電気信号に応じて位相を遅延させる素子によって位相を制御する構成としても良い。また、レーザダイオード１０に対する変調信号については、所定の周期を持つ信号であれば、正弦波や矩形波など様々な波形の信号を用いて良い。
【００７３】
また、レーザダイオード１０から出射された計測光の一部を分岐する光分岐手段としては、図１に示した光分岐ミラー１４以外にも、様々な素子を用いて良い。例えば、レーザダイオードなどの光源からの光をファイバに導き、分岐機能を有するファイバを使用しても良い。また、バンドルファイバや、融着によって入出力の数を１入力−２出力としたファイバなどを使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明による散乱吸収体計測装置及び計測方法は、環境温度や光量の変化に関わらず、安定した条件でＰＭＳ法による散乱吸収体計測を実行可能な計測装置及び計測方法として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】散乱吸収体計測装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した散乱吸収体計測装置の構成の変形例を示すブロック図である。
【図３】レーザダイオードに対して設けられるＰＬＬ回路に用いられる回路系の一例を示す図である。
【図４】散乱吸収体計測装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】散乱吸収体計測装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】図１に示した散乱吸収体計測装置の構成の変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０…レーザダイオード（光供給手段）、１１…ＤＣ電流源、１２…温度センサ、１４…光分岐ミラー、１５…光検出器、２０…基準信号発生器、２１…計測用位相検出器、２２…解析装置、２３…減衰率解析部、２４…濃度算出部、３０…モニタ用光検出器、３１…モニタ用位相検出器、３２…ＶＣＯ（電圧制御型発振器）、３３…モニタ用フォトダイオード、４０…計測光調整装置、４１…差動増幅器、４２…ＲＦアンプ。
【図１】
2005111165.tif 000005
【図２】
2005111165.tif 000006
【図３】
2005111165.tif 000007
【図４】
2005111165.tif 000008
【図５】
2005111165.tif 000009
【図６】
2005111165.tif 000010