(57)【要約】  ブリルアン散乱光を利用して、測定対象物の弾性及び粘性の分布を非接触、非侵襲かつ簡便に測定する。  光源部から発生された測定光を光プローブ３から測定対象物６に照射し、光プローブ３によって散乱光を受光する。制御コンピュータ４は、光プローブで受光した散乱光の光スペクトルを解析し、弾性波散乱成分の中心周波数及び線幅の少なくとも一方を粘弾性情報として算出し、粘弾性情報を測定対象物の測定対象領域６０１の位置に対応付けて画像情報として出力する。測定対象物の測定対象領域の位置情報は、ガイド光の光スポットを光プローブ３に備えられたカメラ３０２で撮影して取得する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調された励起光を発生させる励起光発生手段と、
測定対象の集光位置に前記励起光を集光させると共に、前記測定対象で発生した散乱光を捕捉する光学系と、
局発光を発生させる局発光発生手段と、
捕捉された前記散乱光と前記局発光を合波する合波手段と、
合波された光を光電変換して光電流を発生させる光検出手段と、
光電流の交流成分の一部を選択して取り出すフィルタと、
取り出された光電流の電力のうち、前記励起光の変調に関連する周波数成分を選択して測定する周波数選択的電力検出手段と、
散乱光の光スペクトルを計算し、前記測定対象中の弾性波による散乱光の強度、周波数及び線幅の少なくとも１つを得る解析手段とを備え、
前記光学系は、前記励起光の波数ベクトルに対して９０度以上の角度を成す散乱光の一部を選択して捕捉することを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記励起光の集光位置を測定する集光位置測定手段をさらに備えることを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記励起光は周期的なパルス列であり、繰返し周波数ｆ［ｋＨｚ］、デューティー比ｄ、光波長λ［ｎｍ］、平均パワーＰ［ｍＷ］が、
ｆ≧３０、ｄ≦０．２、７００≦λ≦１１００、Ｐ≦３．５
を満たすことを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項４】
請求項１又は３記載の弾性粘性測定装置において、前記励起光は繰返し周波数ｆ1のパルス列であり、局発光は周波数ｆ2で強度又は偏波が変調されており、前記周波数選択的電力検出手段は周波数（ｆ1−ｆ2）の周波数成分を選択的に検出することを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項５】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記励起光発生手段と前記局発光発生手段が１台のレーザ光源を共有し、前記フィルタの透過周波数が可変であることを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項６】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記励起光発生手段と前記局発光発生手段は別々のレーザ光源を有し、少なくとも一方のレーザ光源の周波数が可変であり、励起光と局発光の光周波数差を測定する周波数差測定手段を備えることを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項７】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記フィルタの帯域幅が１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚであることを特徴とする弾性粘性測定装置。
【請求項８】
請求項１記載の弾性粘性測定装置において、前記フィルタの帯域幅が可変であり、測定対象のブリルアン線幅に一致するようにフィルタ帯域幅を調整することができることを特徴とする弾性粘性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の弾性及び粘性を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第5,592,085号明細書及び米国特許第6,879,155号明細書には、測定対象物に外部から圧力波を加え、内部まで伝搬した圧力波が誘起する変位を磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）によって測定することにより、測定対象物内部の弾性及び粘性の分布を測定し、画像として表示する方法が記載されている。米国特許第5,187,147号明細書及び米国特許第6,687,625号明細書には、測定対象物に外部から圧力を加え、内部まで伝達した圧力が誘起する変位を超音波エコーによって測定することにより、測定対象物内部の弾性の分布を測定し、画像として表示する方法が記載されている。【０００３】
測定対象物の一方の側にパルス光を照射し、パルス光のエネルギーを測定対象物に吸収させることで音響波を生じさせると、音響波が測定対象物の対向する２つの端面で反射しながら測定対象物中を往復する。Jpn. J. Appl. Phys., Vol.42, pp.L556-L558 (2003)には、この音響波のエネルギーを時間の関数として他方の側で検出することにより、測定対象物中の粘性対弾性比を求めることが記載されている。Opt. Exp., Vol.3, pp.199-211 (1998)には、測定対象物に外部から圧力を加え、内部まで伝達した圧力が誘起する変位を光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）によって測定することにより、測定対象物内部の弾性の分布を測定し、画像として表示する方法が記載されている。【０００４】
ブリルアン散乱光によって測定対象物の弾性及び粘性を測定する方法も知られている。J. Randall and J. M. Vaughan, Proc. R. Soc. Lond., B214, pp.449-470 (1982)には、生体組織切片を対象とし、連結されたエタロンを高分解能の可変光フィルタとして用いて散乱光を分光することにより、ブリルアン散乱分光に必要な１００ＭＨｚ以下の分解能を実現し、弾性散乱による雑音を除去することが記載されている。K. Hattori, et al., Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.3217-3219 (1994)には、ポリマを対象とし、光フィルタの代わりに光ヘテロダイン受光を用いる方法が記載されている。T. Horiguchi, et al., J. Lightwave Technol., 13, pp.1296-1302 (1995)には、光ファイバを対象とし、ブリルアン周波数シフトの光ファイバ長手方向に沿った分布を測定することが記載されている。
【特許文献１】米国特許第5,592,085号明細書
【特許文献２】米国特許第6,879,155号明細書
【特許文献３】米国特許第5,187,147号明細書
【特許文献４】米国特許第6,687,625号明細書
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., V.42, pp.L556-L558 (2003)
【非特許文献２】Opt. Exp., Vol.3, pp.199-211 (1998)
【非特許文献３】Proc. R. Soc. Lond., B214, pp.449-470 (1982)
【非特許文献４】Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.3217-3219 (1994)
【非特許文献５】J. Lightwave Technol., 13, pp.1296-1302 (1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の方法では、測定対象物の弾性及び粘性を非接触、非侵襲かつ簡便に測定することが困難であった。超音波診断においては、測定対象物への超音波照射及び測定対象物からの超音波検出のために、超音波探触子を測定対象物に接触させるか、超音波伝達媒質（水やグリースなど）を測定対象物に接触させる必要がある。ＭＲ（磁気共鳴）の利用においては、測定対象物を１Ｔ（テスラ）程度の強磁場中に置いて電磁波を照射し、測定対象物が発する微弱な電磁波を検出するため、測定対象物が磁性材料や導電性材料を含有している場合には測定が困難であり、また、装置が置かれた部屋を電磁シールドするなど、大がかりな設備が必要とされる。光音響法においては、測定対象物の対向する一方の面にレーザ光を照射して他方の面で音響波を測定するため、測定対象物の形状が制限される。ＯＣＴ（光コヒーレンストモグラフィ）においては、測定対象物の表面に応力を与える必要があるため、光学的測定法であるにも関わらず非接触では測定できなかった。さらに、表面に加えた応力が内部でどのように減衰するかは推定で補うため、誤差が大きかった。【０００６】
Proc. R. Soc. Lond., B214, pp.449-470 (1982)の方法は、光フィルタによって分光を行うため受光パワーが低く、散乱励起光パワーに関しても生体組織の光損傷による上限があったため、受光素子として光電子増倍管を用いる必要があり、非分布型測定にも関わらず１０分程度の測定時間を要していた。測定時間の問題は光フィルタによる分光では本質的であった。仮に、この方法を用いて画像情報を構築しようとすると、２次元でスキャンするためにこの数百倍の時間を要し非現実的であった。【０００７】
Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.3217-3219 (1994)に記載された光ヘテロダイン受光は、電気的に分光を行うため高い周波数分解能が得られ、十分に高いパワーを持つ局発光と干渉させることによってショット雑音以外の雑音を低減することができるため、短時間で測定することが可能である。しかし、測定対象領域の位置情報を得る手段が備えられていなかったため、生体などの動きうる対象物には適用困難であった。さらに、散乱角が０．９７〜４．９６°と小さかったため測定対象物の両側で光入出力を行う必要があり、その点でも生体への適用が困難だった。そのため、測定対象物の形状に制約があり、空間分布測定も困難であった。【０００８】
J. Lightwave Technol., 13, pp.1296-1302 (1995)に記載された方法は、測定対象が光ファイバに制約されているため、１次元的な分布しか測定できず、２以上の次元での分布測定を行うためには測定対象物に光ファイバを張り巡らせて測定する必要があり、間接的な弾性情報しか得ることができなかった。【０００９】
このように、ブリルアン散乱光の分光は、従来も生体組織切片やポリマや光ファイバを対象として行われていたが、画像情報を得ることはできなかった。【００１０】
本発明の目的は、ブリルアン散乱光を利用して、測定対象物の弾性及び粘性の分布を非接触、非侵襲かつ簡便に測定することのできる測定装置及び測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】
【００１１】
本発明による弾性粘性測定装置は、変調された励起光を発生させる励起光発生手段と、測定対象の集光位置に励起光を集光させると共に、測定対象で発生した散乱光を捕捉する光学系と、局発光を発生させる局発光発生手段と、捕捉された散乱光と局発光を合波する合波手段と、合波された光を光電変換して光電流を発生させる光検出手段と、光電流の交流成分の一部を選択して取り出すフィルタと、取り出された光電流の電力のうち、励起光の変調に関連する周波数成分を選択して測定する周波数選択的電力検出手段と、散乱光の光スペクトルを計算し、測定対象中の弾性波による散乱光の強度、周波数及び線幅の少なくとも１つを得る解析手段とを備え、前記光学系は、励起光の波数ベクトルに対して９０度以上の角度を成す散乱光の一部を選択して捕捉するものである。【００１２】
本発明によると、測定対象領域の位置情報を取得して、測定対象物の弾性又は粘性の画像化を行うことができる。また、圧迫や弾性波トランスデューサの接触が必要だった従来装置に比べ、測定対象物の損傷が低減される。光へテロダイン法を用いることで、光フィルタを用いる従来のブリルアン散乱光測定に比べてスペクトル測定の時間を短縮でき、スペクトル測定を複数の測定対象領域に対して実施して画像情報を取得することが現実的に可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ブリルアン散乱光を利用して、測定対象物の弾性及び粘性の分布を非接触、非侵襲かつ簡便に画像情報として測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による測定装置の一実施例を示す概略図。
【図２】測定光、散乱光、及び局発光の周波数スペクトルを示す模式図。
【図３】測定光と散乱光の屈折の様子を示す図。
【図４】光プローブの一例を示す図。
【図５】散乱光のスペクトルを得る方法を説明する図。
【図６】散乱光のスペクトルを得る方法を説明する図。
【図７】散乱光のスペクトルを得る方法を説明する図。
【図８】散乱光のスペクトルを得る方法を説明する図。
【図９】測定光及び局発光としてパルス光を用いた場合の説明図。
【図１０】光プローブの他の例を示す図。
【図１１】光プローブの他の例を示す図。
【図１２】レーザ光発生器の例を示す図。
【図１３】光源及び光ヘテロダイン受光器の構成例を示す図。
【図１４】角膜における眼のＭＰＥを示す図。
【図１５】角膜における眼のＭＰＥを示す図。
【図１６】偏波変調の方式を示す図。
【図１７】光源及び光ヘテロダイン受光器の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００１５】
１：光源
２：光ヘテロダイン受光器
３：光プローブ
４：制御コンピュータ
５：画像情報表示器
６：測定対象物
７：光コヒーレンストモグラフィ
８：ガイドレーザ光光源
９：可変光遅延器
１０：光ファイバ
１０１：レーザ光源
１０２：周波数可変レーザ光源
１０３：フォトダイオード
１０４：周波数測定器
１０５：周波数差制御回路
１０６：偏波スクランブラ
１１１，１１２：光変調器
２０１，２０２：フォトダイオード
２０３：電気信号フィルタ
２０３ａ：バンドパスフィルタ
２０３ｂ：二乗検波器
２０３ｃ：ロックインアンプ
２０３ｄ：周波数選択的電力検出手段
３０１：光照射・光捕獲用レンズ
３０２：カメラ
３０３：カメラ用照明
３０４：照射光・散乱光
３０５，３０６：レール
５０１：画像表示器
５０２：弾性・粘性分布画像
５０３：測定対象物画像
６０１：測定対象領域
７０１：スーパールミネッセンスダイオード
７０２：ビームスプリッタ
７０３：可動鏡
７０４：フォトダイオード
７０５：レンズ
９０１，９０２：レンズ
９０３：可動鏡
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。【００１７】
図１は、本発明による測定装置の一実施例を示す概略図である。この測定装置は、光源１、光ヘテロダイン受光器２、光プローブ３、制御コンピュータ４、画像情報表示器５、光コヒーレンストモグラフィ７、ガイドレーザ光光源８、及び可変光遅延器９を備える。光プローブ３と光源１、光へテロダイン受光器２、光コヒーレンストモグラフィ７の間は光ファイバ１０によって結ばれている。また、光源１から発生された局発光は可変光遅延器９を介して光ヘテロダイン受光器２に入射される。制御コンピュータ４は、装置各部の動作を制御する機能と共に受信した散乱光のスペクトルを解析する機能を有する。【００１８】
光源１は周波数差が制御された測定光と局発光を発生させ、光プローブ３を経由して測定光を測定対象物６に照射する。測定対象物が測定光を散乱することによって発生した散乱光は光プローブ３を経由し、局発光と結合されて光ヘテロダイン受光器２に導かれる。制御コンピュータ４は、散乱光のスペクトルを解析することにより、ブリルアン散乱成分の中心周波数と線幅を求める。ブリルアン散乱成分の中心周波数は弾性に、線幅は粘性に依存するので、この測定によって測定対象領域における弾性又は粘性についての情報が得られる。制御コンピュータ４はスペクトル解析によって得られた弾性及び／又は粘性の情報を画像情報として構築し、画像情報表示器５に出力する。【００１９】
光源１は、周波数ｆ1の測定光及び周波数ｆ2の局発光の２つの光をそれぞれ別のポートから出力する。測定光はレーザ光源１０１によって発生させられ、局発光は周波数可変レーザ光源１０２によって発生させられる。測定光と局発光を結合してフォトダイオード１０３で光電変換し、電気信号を周波数測定器１０４へ入力することによって測定光と局発光の周波数差を測定し、その値と制御コンピュータ４による指定値との誤差を示す誤差信号を周波数制御回路１０５で生成し、周波数可変レーザ光源１０２にフィードバックをかける。この光源によると、測定光と局発光を供給する２つのレーザがそれぞれ単一周波数で発振するため、雑音を抑制できる。【００２０】
レーザ光源１０１及びレーザ光源１０２は、測定対象物のブリルアンゲイン線幅（典型的には約１００ＭＨｚ）よりも細い線幅の光を生成できるレーザ光源であり、それによって光源線幅の影響によりブリルアンゲインスペクトルが過大に評価されるのを防ぐことができる。局発光の周波数可変レーザ光源１０２は、ブリルアンゲイン線幅よりも細かい周波数精度を有する。このような光源としては、外部共振器として回折格子を有するレーザダイオードやファイバＤＦＢレーザが好ましい。局発光の偏波状態は、従来良く知られた偏波スクランブラ１０６によってランダム化することが好ましい。それにより、光ヘテロダイン検出において散乱光と局発光の偏波の相対的な揺らぎによる干渉成分の揺らぎが検出性能に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。【００２１】
測定光の周波数は１８０〜７５０ＴＨｚ（真空波長４００〜１７００ｎｍ）であることが好ましく、これにより生体由来材料や生体を測定対象とした場合に光損失が低く深部まで測定可能となり、腫瘍や動脈硬化などの病変の診断に適する。その中でも特に周波数２５０〜５００ＴＨｚ（真空波長６００〜１２００ｎｍ）が好ましい。たとえば、Ｙｂ添加ファイバレーザを用いることによりｆ1＝２８３ＴＨｚ（１０６０ｎｍ）の光を得ることができ、また外部共振器付きレーザダイオードを用いることによりｆ1＝３７５ＴＨｚ（８００ｎｍ）の光を得ることができる。【００２２】
周波数ｆ1の測定光を、光ファイバ１０を経由して光プローブ３へ導き、レンズ３０１を通して出射し、測定対象物６の測定対象領域６０１に照射すると、測定対象物での光散乱によって散乱光３０４が発生する。この散乱光をレンズ３０１で捕獲して光ファイバ１０へ結合し、光ヘテロダイン受光器２へ導く。【００２３】
図２は、測定光、散乱光、及び局発光の周波数スペクトルを模式的に示す図である。図２（ａ）は測定光のスペクトル、図２（ｂ）は散乱光のスペクトル、図２（ｃ）は局発光のスペクトルを示している。光散乱に関しては例えばRobert W. Boyd, “Nonlinear Optics”, Academic Press (1992) Section 7.1, 7.3などに記載されている。散乱光は周波数ｆ1に弾性散乱成分を有し、ｆ1±ｆBにブリルアン散乱成分を有し、ｆ1±ｆRにラマン散乱成分を有する。弾性散乱成分は測定対象物内のエントロピー揺らぎによるレイリー散乱のほか、生体などでは屈折率不均一性による散乱に起因し、ブリルアン散乱は測定対象物内の弾性波に起因し、ラマン散乱は測定対象物内の分子振動に起因する。ブリルアン散乱の周波数シフトｆBは、屈折率をｎ、真空中の光波長をλ ＝ｃ／ｆ1（ｃは真空光速）、弾性波の伝搬速度をｖa、散乱角（測定光と散乱光の波数ベクトルが成す角）をθとして、
ｆB＝（２ｎｖa／λ）sin(θ／２)                         (1)
で与えられ、スペクトル幅ΔｆBは、媒質密度をρ、せん断粘性をηs、バルク粘性をηb、とすると、
ΔｆB＝｛８πｎ2／（ρλ2）｝*｛（４／３）ηs+ηb｝sin2(θ／２)      (2)
で与えられる。スペクトル幅ΔｆBは音響波の寿命τBの逆数に比例し、ΔｆB＝１／（２πτB）とも与えられる。【００２４】
測定光及び局発光の信号対雑音比ＳＮＲ1及びＳＮＲ2は４０ｄＢ以上であることが好ましく、それによって弾性散乱起因の雑音の影響を抑圧できる。より具体的には、１６０ｄＢ／Ｈｚ以上であることが好ましい。この時、典型的なブリルアン線幅である１００ＭＨｚの帯域に含まれる光雑音は−８０ｄＢとなる。生体組織は強い弾性散乱を有するため、測定光及び局発光の光雑音が低いことは重要である。N. Berovic, et al., Eur. Biophys. J. Vol. 17, pp. 69-74 (1989)では、筋繊維などの生体組織における弾性散乱がブリルアン散乱よりも約７０ｄＢ高い強度を持つことが報告されている。弾性散乱された測定光雑音と局発光の干渉、及び弾性散乱された測定光と局発光雑音との干渉は、それぞれブリルアン散乱光の測定における雑音となる。しかし、上記のように雑音光を−８０ｄＢ以下とすることにより、弾性散乱の影響はブリルアン散乱信号以下となり、弾性散乱によるＳＮ比低下を防ぐことができる。【００２５】
散乱角θは、屈折の法則によって求められる。図３に示すように、測定対象物の外部環境における測定光と散乱光が成す角の補角をφ0とすると、
ｆB＝（２ｖa／λ）｛ｎ2-ｎ０2sin2（φ0／２）｝1/2        (3)
と与えられる。音速ｖaは、弾性マトリクスの１１成分ｃ11を用いてｖa＝（ｃ11／ρ）1/2と表される。図１、図４に示す光プローブでは散乱角はθ＝１８０°であり、φ0＝０°である。図１０に示す光プローブではθ＜１８０°、φ0＞０°となる。このような光プローブを用いると、測定対象物への光入出力を片側のみで行うことができるため、両側で入出力を行う従来技術では測定が不可能であった生体を測定対象とすることができる。また、図１０に示すような光プローブを用いると、深さ方向の分布測定が可能となる。【００２６】
従って、光波長、散乱角、屈折率についての情報を事前に取得し、ブリルアン散乱の周波数シフト又は線幅を測定することにより、測定対象領域における弾性又は粘性の情報が得られる。さらに複数の測定対象領域について弾性又は粘性を測定し、位置情報と対応付けることにより、弾性又は粘性の分布を画像化することができる。なお、弾性又は粘性の代わりに、周波数シフト又は線幅を位置情報と対応付けることにより画像化してもよい。生体における硬さは組織の線維化などの病理学的情報と相関があるが、このような病理学的情報を得る際には弾性又は粘性の絶対値は必ずしも必須ではなく、周囲の健常領域との相対的な違いが分かれば足りる場合も多い。そのような場合には、周波数シフト又は線幅を画像化することはデータの処理を簡略化できる利点がある。【００２７】
本発明の測定装置では、画像化に必要な位置情報を得るための機構を光プローブが有する。ガイドレーザ光光源８で発生させたガイド光は測定光と結合されて同じ光ファイバを伝搬し、光プローブ３を経由して測定対象領域６０１に照射される。図４に示すように、測定対象領域６０１に生じるガイド光のスポットを光プローブ３に備えられたカメラ３０２で撮影する。さらに、カメラで測定対象領域６０１の周辺を含む測定対象物の画像を撮影し、測定対象物の特徴部位６０２を基準としてガイド光のスポットの位置を測定する。それによって測定対象領域６０１の位置情報が得られる。測定対象物６の画像撮影では照明３０３を用いても良く、それによって、内視鏡下などの暗所で位置情報の取得が可能となる。さらに、光プローブ３を測定対象物の表面に沿って移動させながら測定を実施し、粘弾性測定結果と位置情報を対応付けることにより、分布情報を構築することができる。構築された弾性又は粘性の分布情報は、カメラで撮影した測定対象物の画像５０３に重ね合わせて色彩や濃淡で表現した弾性・粘性分布画像５０２として画像表示器５０１に表示される。この場合、測定対象物が動きを持つ場合でも、特徴の動きを検出することによって動きの影響を排除して測定を行うことができる。【００２８】
このように測定対象物の特徴部位６０２を基準として位置情報を得る方法は、測定対象物の動きに追随できるという利点があり、拍動を有する生体などの測定に適する。特徴部位６０２は測定対象領域６０１を含む三角形の頂点となるように選ぶのが好ましく、それによって測定対象物の動きが空間的に不均一な場合にも動きの補償を有効に行うことができる。ガイド光の波長はカメラが感度を持つ波長であることが好ましく、例えばカメラは汎用のＣＣＤカメラとしガイド光光源は波長６３０ｎｍのレーザダイオードであることが好ましい。また、測定光の波長に感度を持つカメラ、例えば赤外線カメラを用い、測定光がガイド光の役割を兼ねても良い。光プローブの移動は装置の操作者がフリーハンドで行ってもよいが、図１のようにレール３０５，３０６に沿って光プローブ３を移動させる機構が備えられ移動量を測定する手段が備えられている方が、無駄な移動を排除できるため好ましい。【００２９】
さらに、光プローブ３と測定対象物６との間には空隙６０３が存在する。このため光プローブ３は測定対象物６に直接接触しない。超音波、ＭＲＩ、ＯＣＴなどを利用した従来の弾性診断技術はいずれも測定対象物への接触が必要であったが、本発明では接触が無いため、測定対象物の機械的損傷や汚染を防ぐことができる。なお、空隙は空気であってもよく、また水などの液体やゲル状物質であっても良い。また、接触が問題にならない測定対象物に対しては、空隙を設けずに接触させても測定を行うことは可能である。【００３０】
光ヘテロダイン受光器２では、周波数可変レーザ光源１０２で発生させた周波数ｆ2の局発光と散乱光との干渉による光電流を発生させ、散乱光のｆ1+ｆB又はｆ1-ｆBのブリルアン散乱成分のスペクトルを測定する。このためには２つのフォトダイオード２０１，２０２からの光電流の差を取るバランスドダイオード構成が強度雑音の影響を排除できるので好ましい。散乱光のスペクトルを測定するためには、零又は零近傍の周波数ｆfに透過帯域を持つ電気信号フィルタ２０３に光電流を通過させることによって散乱光スペクトルの中の周波数ｆ2±ｆfの成分を抽出し、その成分に相当する光電流ｉoをフィルタ出力として測定すればよい。【００３１】
図５に示すように、ブリルアン散乱の線幅ΔｆB（約１００ＭＨｚ）より大きなｆfを選び、さらにｆ2+ｆf又はｆ2-ｆfがｆ1+ｆB又はｆ1-ｆBに等しくなるようｆ2を選ぶと、ｆfを変化させて光電流ｉoを測定することによって散乱光のスペクトルを得ることができる。【００３２】
または、図６に示すように、ｆf＝０とし、周波数差Δｆ＝ｆ1-ｆ2を変化させながら光電流ｉoを測定しても、Δｆ＜０の場合はｆ1+ｆB、Δｆ＞０の場合はｆ1-ｆBにおけるブリルアン散乱光のスペクトルを測定することができる。【００３３】
また、図７に示すように測定光（従って散乱光）を繰返し周波数ｆm1のパルス光、局発光を繰返し周波数ｆm2のパルス光とし、光ヘテロダイン検出によって得られる周波数+ｆB又は-ｆBのブリルアン散乱成分の光電流に周波数｜ｆm1-ｆm2｜のフィルタをかけることにより、局発光と散乱光の干渉成分を抽出することもできる。この方法によると、弾性散乱に起因するノイズを相対的に低減し、測定のＳＮ比を向上することができる。【００３４】
より好ましくは、図８に示すような光ヘテロダイン受光器を用いることが好ましい。図８は、散乱光のスペクトルを得る方法を説明する図である。図８では、バランスされたフォトダイオード２０１，２０２からの光電流を、透過周波数ｆf、透過帯域Δｆfのバンドパスフィルタ２０３ａでフィルタしたのちに二乗検波器２０３ｂで検波し、二乗検波器の出力をロックインアンプ２０３ｃで測定する。ロックインアンプ２０３ｃの参照周波数を、測定光の変調周波数ｆm1と局発光の変調周波数ｆm2の差周波｜ｆm1-ｆm2｜とすることにより、周波数選択的電力検出手段２０３ｄは、この周波数において周波数選択的に電力検出を行うことができる。ロックインアンプでは積分時間Ｔで積分を行うことにより、雑音の電力を（ΔｆfＴ）-1/2に低減することができる。従って、光ヘテロダイン受光における雑音主因であるローカル光ショット雑音による雑音電力Ｎは、ローカル光パワーをＰL、プランク定数をｈ、光周波数をν、比例定数をＡとして、
Ｎ＝ＡＰLｈν（Δｆf／Ｔ）1/2
となる。一方、ブリルアン散乱光に起因する信号の電力Ｓは、ブリルアン散乱光のパワーをＰB、線幅をΔｆBとして、
Ｓ＝ＡＰLＰB（Δｆf／ΔｆB）    （Δｆf ≦ ΔｆB）
＝ＡＰLＰB                   （それ以外）
である。従って、測定のＳＮ比は、
ＳＮＲ＝（ＰB／（ｈνΔｆB））*（ΔｆfＴ）1/2   （Δｆf ≦ ΔｆB）
＝（ＰB／（ｈνΔｆf））*（ΔｆfＴ）1/2    （それ以外）
となり、Δｆf≦ΔｆBの場合はΔｆfに関して単調増大、Δｆf＞ΔｆBの場合はΔｆfに関して単調減少となるので、Δｆf＝ΔｆBの場合にＳＮＲは最大となる。生体組織のブリルアン線幅は１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚであることが多いため、バンドパスフィルタの帯域Δｆfは１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚであることが好ましい。さらに、フィルタ帯域を可変として、測定された線幅がフィルタ帯域より大きければフィルタ帯域を増大させ、フィルタ帯域を増大させても線幅測定値が大きくならない最小のフィルタ帯域となるように調整することが好ましい。これにより、フィルタ帯域とブリルアン線幅を一致させ、上記に示したようにＳＮＲを最大化することができる。【００３５】
典型的な生体材料でのＧＨｚ帯での音速は、例えばJ. M. Vaughan and J. T. Randall, Nature V.284, pp.489-491 (1980)に記載されているように、約１．６ｋｍ／ｓである。従って、屈折率を約１．５、光波長を１．０６μｍ、散乱角度を１７０°とすると、ブリルアン周波数シフトｆBは約４．５ＧＨｚとなる。従って、測定光と局発光の周波数差Δｆは４．５ＧＨｚの近傍に制御される。【００３６】
測定光及び局発光としてはＣＷ光を用いることも可能であるが、図９に示すように、周期及び幅が一致したパルス光とすることも好ましい。図９では、測定光、散乱光、局発光はいずれも周期Ｔ、デューティー比δのパルス光であり、光ヘテロダイン受光器における散乱光と局発光のパルスのタイミングは一致するよう、図１における可変光遅延器９によって調整されている。可変光遅延器９はコリメート用のレンズ９０１，９０２と可動鏡９０３からなる。干渉成分の光電流はパルスのタイミングが一致したときに最大となるので、これを最大化するように調整すればよい。図９中の式に示すように、光ヘテロダイン受光における光電流の信号は局発光パワーと散乱光パワーの積ＳＰ1Ｐ2であり、雑音は局発光と散乱光の和（Ｐ2+ＳＰ1）と真空揺らぎＰfの干渉成分である。そのため、仮にパルスの一致が不完全であると、局発光又は散乱光の一方だけが有意な光パワーを有し、他方は真空揺らぎしかない時間が生じる。そのような時間に発生した光電流は信号を全く含まず雑音だけを含むため、全体の信号対雑音比を悪化させる。従ってパルスの一致は完全に近いほど好ましい。また、パルス光を用いることによって平均的な光パワーを抑制できるため、測定対象物の熱的損傷を防ぐことができる。測定対象物の光吸収による発熱によって生じる膨張なども避けることができる。なお、パルスの時間幅が音響波の寿命を下回ると散乱効率の低下をもたらすため、音響波の寿命よりも長い時間幅のパルスを用いることが好ましい。音響波の寿命τBはブリルアン散乱光の線幅ΔｆBによってτB＝１／（２πΔｆB）と表され、ΔｆBは上記J. M. Vaughanらの文献によれば０．４５ＧＨｚ以上であるため、３５ｐｓ以上であることが好ましく、特に１ｎｓ以上が好ましい。また、測定対象領域の温度上昇を避けるためにパルス幅は１ｍｓ以下であることが望ましい。このパルス幅との整合性よりパルスの繰返し周波数は５００Ｈｚ以上５００ＭＨｚ以下が望ましく、デューティー比の逆数は２以上１０6以下が望ましい。【００３７】
より詳細には、測定対象に光損傷を生じさせない測定光のパワーとして、JIS 6802Cに規定されている最大許容露光（ＭＰＥ）を一つの目安とすることができる。図１４は、JIS 6802Cに規定されている角膜における眼のＭＰＥを示す図である。図１４において、補正係数Ｃ4は１０0.002(λ-700)である。また、繰り返しパルス放射に対するＭＰＥは、以下に示す要求事項a)、b)、c)のうち最も厳しいものを用いて決定する。【００３８】
a)パルス列内のどの単一パルスからの露光も、単一パルスに対するＭＰＥを超えてはいけない。【００３９】
b)パルス持続時間のパルス列の平均露光は、持続時間の単一パルスに対する図１４に示されたＭＰＥを超えてはいけない。【００４０】
c)パルス列内全ての単一パルスからの露光は、補正係数Ｃ5＝Ｎ-1/4（Ｎ：露光中に予期されるパルス数）を乗じた単一パルスに対するＭＰＥを超えてはいけない。【００４１】
図１４に示すように、許容パワーはパルス幅や繰返し周波数に依存する。そこで、典型値として波長１０６０ｎｍ、照射時間１ｓｅｃの場合のＭＰＥのパルス繰返し周波数とデューティー比に対する依存性を計算した結果を図１５に示す。なお、虹彩に相当する露光領域として直径７ｍｍの円を仮定している。図１５（ａ）は平均パワーのＭＰＥを示す。デューティー比によらず、繰返し周波数３０ｋＨｚ以上では平均パワーの上限は＋５．４ｄＢｍ＝３．５ｍＷとなる。一方、本実施形態においては測定光は変調されており、この変調に同期した信号が検出されるため、実効的な測定光パワーは平均パワーではなく、変調周波数におけるフーリエ成分となる。これを変調成分ＭＰＥとして示したのが図１５（ｂ）である。図１５（ｂ）より、デューティー比≦０．２、繰返し周波数≧３０ｋＨｚの時に変調成分ＭＰＥは最大値＋８．４ｄＢｍとなる。従って、デューティー比≦０．２、繰返し周波数≧３０ｋＨｚ、平均パワー≦３．５ｍＷのパルス光を測定光として用いるのが好ましい。【００４２】
偏波スクランブラ１０６は、局発光の偏波状態をランダムに変化させる。これにより、測定対象物の偏波特性の揺らぎがもたらす散乱光の偏波の揺らぎが、フォトダイオード（１０３，２０１，２０２）の光電流を不安定化させるのを防ぐことができる。一方、測定光の偏波をスクランブルしても良い。また、偏波スクランブルの代わりに、光ヘテロダイン受光器を偏波ダイバーシティ構成としても良く、それによって偏波スクランブルに寄生的に伴う光強度揺らぎなどを排除することができる。【００４３】
さらに、図７及び図８で示したように局発光を周波数ｆm2で変調して測定光の変調周波数ｆm1との差周波｜ｆm1-ｆm2｜で同期検波を行う代わりに、局発光を周波数ｆm2で偏波変調することが好ましい。このとき、図１６に示すように、偏波状態がポアンカレ球上で正四面体の４頂点を１／４周期毎に移動する変調方式とし、周波数ｆm2-ｆm1及び２ｆm2-ｆm1のフーリエ成分をｃ1及びｃ2として（ｃ12+ｃ22）1/2を測定することが好ましい。光ヘテロダイン受光の検出効率κは散乱光と局発光の偏波状態の相対関係に依存する。偏波状態を図１６中の記載のように表すと、式(4)となる。
【数１】
2007034802.tif 000002
【００４４】
１変調周期の間に偏波状態がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で変化するとし、フーリエ成分ｃnを式(5)と表すと、式(6)なので、式(7)のようになり、散乱光の偏波状態に依存しない出力を得ることができる。
【数２】
2007034802.tif 000003
【００４５】
2007034802.tif 000004
【００４６】
2007034802.tif 000005
【００４７】
さらに、局発光の強度を変調せずに偏波を変調することにより、局発光パワーの交流成分を実質的に零にすることができる。そのため、フォトダイオードと増幅器を交流結合した交流結合型フォトレシーバを用いることができる。このようなレシーバは直流結合のレシーバに比べて飽和光入力を高くすることができるため、より高いパワーの局発光を用いることができ、散乱光の検出感度を向上することができる。【００４８】
図１では、第２の光診断手段として光コヒーレンストモグラフィ７を備える。これは測定対象物の弾性散乱係数の空間分布を測定する手段であり、良く知られているように、低コヒーレンス光源であるスーパールミネッセントダイオード７０１からの光をビームスプリッタ７０２によって測定対象物を照射する光と参照光に分け、測定対象物からの散乱光をレンズ７０５で集光しビームスプリッタ７０２で参照光と結合させてフォトダイオード７０４上で干渉させることにより、測定対象領域における局所的な弾性散乱係数を測定し、さらに参照光の光路長を可動鏡７０３で変化させることによって弾性散乱係数の深さ方向分布を行う。さらに光プローブ３を光軸に交わる方向へ移動させることにより横方向の分布を得ることができる。弾性散乱を測定する点は、ブリルアン散乱を測定する本発明との大きな違いである。光コヒーレンストモグラフィの測定光及び散乱光は、本発明の測定光及び散乱光と光ファイバ１０の一部及び光プローブ３を光路として共有する。それにより、２つの光測定手段による測定結果の位置を対応付けることができる。このように第２の光測定手段を統合することにより、１つの位置において複数の物理量を診断することができる。１つの物理量だけでなく複数の物理量の組を測定することにより、擬陽性・擬陰性の誤判定の確率を低減し、疾患の診断精度を向上することができる。既存の光学的診断の情報と、本発明が新たに提供する弾性・粘性に関する情報を統合することにより、生体を測定対象物とした場合に、動脈硬化や腫瘍などの検出感度、判定精度を高めることができる。画像表示としては、個々の測定手段の測定結果だけでなくそれらを統合して疾患の有無や悪性度を診断した結果をも画像として表示することが好ましい。【００４９】
なお、第２の測定手段としては、光コヒーレンストモグラフィ以外にも、測定対象物の色や吸光度を測定する画像撮影や、複屈折を測定する偏波光コヒーレンストモグラフィや、蛍光スペクトルを測定する蛍光画像撮影などの良く知られた測定手段を目的に合わせて用いても良い。統合の例としては、血管を測定対象とする場合に、血管壁の弾性だけでなく血管壁の内皮細胞層や平滑筋細胞層の厚さも併せて診断して結果を統合することにより、動脈硬化の検出感度を高め、生活習慣病の診断の早期化を図ることができる。また、腫瘍細胞と正常細胞の境界を含む組織を測定対象とする場合に、組織の弾性や粘性だけでなく光散乱の強弱、自家蛍光やバイオマーカーによる蛍光も併せて測定して結果を統合することにより、腫瘍組織と正常組織の判別精度を高め、腫瘍の切除術や放射線治療における腫瘍の残留や正常組織へのダメージなどの不具合を低減できる。【００５０】
光プローブとしては、図４以外の構成も可能である。その例を図１０に示す。図１０に示す光プローブでは、測定光と散乱光は別の光路を通り、測定光は照射光伝送光ファイバ１００１を通って光照射用レンズ３１１によって測定対象領域６０１に集光される。散乱光は光捕獲用レンズ３１２で捕獲され、散乱光伝送光ファイバ１００２に結合される。照射光伝送光ファイバ１００１は図１における光源１、ガイドレーザ光光源８、及びスーパールミネッセントダイオード７０１に結合され、散乱光伝送光ファイバ１００２は光ヘテロダイン受光器２及びフォトダイオード７０４に結合される。図１０に示す光プローブでは、捕獲される散乱光が測定光に対してなす角が１８０°よりも小さいため、光プローブ３から一定の距離をおいた位置からの散乱光を選択的に捕獲できる。そのため、光プローブ３と測定対象物６との間の距離を変えて測定を行うことにより、深さ方向の分布測定を行うことができる。図１に示すように、レール３０５，３０６に沿って光プローブ３を移動させながら散乱光の測定と移動量の測定を行うことにより、粘弾性の空間分布を測定することができる。【００５１】
また、もう１つの光プローブの形態を図１１に示す。図１１の光プローブでは、測定光照射と散乱光捕獲を行うレンズ３０１が複数個配列されて構成されたレンズアレイ３１３が備えられている。さらに、複数のレンズの中から１つを選択し、測定光・散乱光伝送用光ファイバ１０と接続するために光ファイバ切替器１００３が用いられる。切替器１００３でレンズを切り替えながら散乱光の測定を行い、予め測定されたレンズ間の相対位置と対応付けることにより、粘弾性の空間分布を測定することができる。この光プローブを用いると、光プローブを移動させることなく位置情報を取得して画像情報を構築することができる。移動機構を省略して光プローブを簡素化できるため、ＭＲＩの強磁場の下での使用が可能となる。【００５２】
レーザ光発生器としては、図１以外の構成も可能である。その例を図１２に示す。図１２のレーザ光発生器では、レーザ光源１０１で発生させた周波数ｆ1のレーザ光を２つに分け、一方は測定光として用いる。もう一方は、光変調器１１２において、周波数Δｆの高周波電気信号によって振幅又は位相又はその両方が変調される。変調によって生じるサイドバンドのうちの１次（ｆ1+Δｆ）又は−１次（ｆ1-Δｆ）のバンドのいずれか一方と、０次（ｆ1）のバンドを光フィルタ１１３によって抑圧することにより、スペクトルを非対称化し、ｆ1と異なる周波数ｆ2の局発光を得る。変調信号である高周波電気信号を発生させる高周波発生器１１１の周波数Δｆを変化させることにより、測定光と局発光の周波数差を変化させることができ、局発光の偏波を偏波スクランブラ１０６でランダム化することにより、図１に示した光源と類似の機能を実現できる。図の左に示したレーザ光発生器の伝搬路中の各位置（1a）（1b）（1c）におけるスペクトルを、図の右に示した。【００５３】
また、光源１及び光ヘテロダイン受光器２として、図１３に示す構成も可能である。この構成では、レーザ光発生器は周波数ｆ1のレーザ光を２つに分けて測定光及び局発光として出力する。従って局発光の周波数はｆ2＝ｆ1である。この局発光の偏波を偏波スクランブラ１０６でランダム化し、この局発光を用いて散乱光を光ヘテロダイン受光することにより、中心周波数ｆB、線幅ΔｆBの高周波電気信号が得られる。この電気信号のスペクトラムをマイクロ波スペクトラムアナライザ２１１で測定することにより、ブリルアン散乱光のスペクトルを測定することができる。【００５４】
より好ましくは、図１７に示すように、光変調器１１１及び１１２によって測定光及び局発光をそれぞれｆm1及びｆm2で変調し、バランスされたフォトダイオード２０１、２０２からの光電流をスペクトラムアナライザ２１１に入力し、その中間周波数出力を二乗検波器２０３ｂで検波し、その出力のうち周波数｜ｆm1-ｆm2｜の成分をロックインアンプ２０３ｃで測定することが好ましい。非特許文献４でも示されているように、スペクトラムアナライザの中間周波数出力を用いることにより、スペクトラムアナライザは可変フィルタとして機能する。フィルタの透過周波数をスキャンすることにより散乱光のスペクトルを測定することが可能である。非特許文献４と異なり、本実施形態では生体光損傷を生じさせない範囲でＳＮ比が最適となるパルス光を用い、９０°以上の散乱角で散乱される後方散乱光を捕捉する構成をとることにより、生体をも測定対象とすることが可能である。
【図１】
2007034802.tif 000006
【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】
2007034802.tif 000013
【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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【国際調査報告】
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