(57)【要約】【課題】散乱光の時間分解波形を高い分解能、かつ高いＳ／Ｎ比で取得するための新しい手法の提案。時間分解波形に基づいて、被検体が含有する成分の濃度を高精度に測定する手法の提案。【解決手段】成分濃度測定装置は、照射部３０３と、集光部３０４と、光強度を検出する検出部３１３と、検出部３１３で検出される光強度の信号の大きさを変更する受光ゲイン可変部３０８と、測定光に同期したパルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部３０９と、ゲート光導光部３０９が導光したゲート光に基づき集光部３０４が集光した光を検出部３１３に向けて透過させる光駆動シャッター部３１１と、ゲート光導光部３０９の光路長を変更制御する光路長制御部と、光路長制御部によって変更された光路長における検出部３１３の検出結果から時間分解波形を求めて、被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、
前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、
光強度を検出する検出部と、
前記検出部で検出される前記光強度の信号の大きさを変更する受光ゲイン可変部と、
前記測定光に同期した前記パルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、
前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、
前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、
前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、
を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、該光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、
前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光することを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
パルス光を生成する光源と、
前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、
を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、
前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、
前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、
検出された前記光の強度の信号の大きさを変更することと、
前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、
を含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に含まれている成分濃度を測定する装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体に含まれている成分濃度を測定する濃度測定方法が考案されている。その１つとして、例えば、人間の皮膚を被検体として、その血糖値を測定する技術が考案されている。従来、血糖値の測定は、指先などから採血を行い、血中のグルコースに対する酵素活性を測定することで行っていた。
【０００３】
しかし、上記のような血糖値の測定方法では、指先などから血液を採取する必要がある。つまり、従来の測定方法は、侵襲式の測定方法であり、被検者にとって痛みや不快感を伴うという問題があった。そこで、非侵襲式の測定方法として、人体の一部（例えば手の表面）に近赤外光を照射し、その光吸収量から血糖値を測定する技術が考案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、皮膚に照射した光の反射光の時間分解波形を利用して真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する技術が記載されている。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３７１３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９４２６号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、被検体に含まれている成分濃度を測定する上で、実用性のある時間分解波形を実測する方法は実現されていなかった。詳細に説明すると、特許文献１には散乱光の時間分解波形の具体的な実測方法について開示されていない。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する技術が記載されているが、近赤外光用のストリークカメラは時間的な分解能がせいぜいピコ秒のオーダーである。より高い分解能で散乱光の時間分解波形を取得する場合には、特許文献２，３の技術をそのまま利用することはできない。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その第１の目的は、散乱光の時間分解波形を高い分解能で、かつ高いＳ／Ｎ比にて取得するための新しい手法を提案することにある。また、第２の目的は、時間分解波形に基づいて、被検体に含有されている成分の濃度を高精度に測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］本適用例に係る成分濃度測定装置は、パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、光強度を検出する検出部と、前記検出部で検出される前記光強度の信号の大きさを変更する受光ゲイン可変部と、前記測定光に同期した前記パルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、パルス光である測定光を被検体に照射する。そして、測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光し、その光強度を検出する。検出された光強度が弱い場合、受光ゲイン可変部によって入射光量を減少させるか、検出部ゲインを上げて所定以上の信号強度が得られるようにする。その一方、測定光に同期したパルス光でなるゲート光に基づき、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させる。ゲート光は、導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部によって導光される。そのゲート光導光部の光路長を変更制御し、変更された光路長における光強度の検出結果から時間分解波形を求めて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。
【００１１】
測定光に同期したパルス光でなるゲート光の光路長を変更しながらゲート光を導光し、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させることで、被検体からの出射光の時間分解波形を取得することができる。この際、入射光量又は検出部ゲインを変更した時刻では、時間分解波形を不連続とならないように波形に倍率を掛けてつながるようにする。ゲート光のパルス幅を、例えばフェムト秒といった短い時間幅とすることで、出射光の時間分解波形を高い分解能で取得することができる。また、このようにして求めた時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に算出することができる。
【００１２】
［適用例２］上記適用例に記載の成分濃度測定装置において、前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、該光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、上記の形態で取得した時間分解波形と、予め定められた被検体を伝播するパルス光の光路モデルとを用いて、被検体の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【００１４】
［適用例３］上記適用例に記載の成分濃度測定装置において、前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光することを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、光駆動シャッター部が、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。そして、ゲート光をカー材質に導光することで、光駆動シャッターを簡易な構成により実現することができる。
【００１６】
［適用例４］上記適用例に記載の成分濃度測定装置において、パルス光を生成する光源と、前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、を更に有することを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、光源によって生成されたパルス光を分岐させることで、互いに同期した測定光とゲート光とを簡単に得ることができる。
【００１８】
［適用例５］上記適用例に記載の成分濃度測定装置において、前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出することを特徴とする。
【００１９】
本適用例によれば、少なくとも被検体に含まれているグルコースの成分濃度を高い正確性で算出することができる。
【００２０】
［適用例６］本適用例に係る成分濃度測定方法は、パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、検出された前記光の強度の信号の大きさを変更することと、前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本適用例によれば、測定光に同期したパルス光でなるゲート光の光路長を変更しながらゲート光を導光し、集光した光を検出することで、被検体からの出射光の時間分解波形を取得することができる。この際、入射光量又は検出でゲインを変更した時刻では、時間分解波形を不連続とならないように波形に倍率を掛けてつながるようにする。ゲート光のパルス幅を、例えばフェムト秒といった短い時間幅とすることで、出射光の時間分解波形を高い分解能で取得することができる。また、このようにして求めた時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態における成分濃度測定装置の機能構成の一例を示すブロック図。
【図２】光学装置の構成の一例を示す図。
【図３】散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャート。
【図４】散乱光時間分解波形データのデータ構成の一例を示す図。
【図５】モデルデータのデータ構成の一例を示す図。
【図６】成分濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して、光学装置を用いて被検体に含まれている成分濃度を測定する成分濃度測定装置の実施形態について説明する。ただし、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２４】
１．本実施形態
図１は、本実施形態における成分濃度測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。成分濃度測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、演算装置５とを備えて構成される。成分濃度測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込まれて利用される。
【００２５】
１−１．光学装置の構成
図２は、光学装置３の光学的な構成の概略を示す図である。光学装置３は、例えば、光源部３０１と、分岐部３０２と、入射光量可変部３０８と、照射部３０３と、集光部３０４と、中継部３０５と、光変換部３０７と、ゲート光導光部３０９と、光駆動シャッター部３１１と、光検出部３１３とを有して構成される。
【００２６】
光源部３０１は、パルス光を生成して出射する光源であり、例えばフェムト秒レーザー等といったパルス光の生成装置を有して構成される。光源部３０１は、演算装置５から入力した波長制御信号に応じた波長のパルス光を生成する。
【００２７】
分岐部３０２は、光源部３０１から出射されたパルス光を分岐させる光分岐器であり、例えばハーフミラーを有して構成される。分岐部３０２によって分岐された光のうちの一方の光は、測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。また、分岐された光のうちの他方の光は、ゲート光としてゲート光導光部３０９に導光される。したがって、測定光とゲート光とは、互いに同期したパルス光であると言える。
【００２８】
入射光量可変部３０８は、光検出部３１３にて検出される信号レベルに応じて、光量を変更する受光ゲイン可変部である。例えば、透過率１０％の光学フィルターと光学フィルターを進退させる機構とによって構成され、光量をそのまま通過させるか１０％に減光するか選択できる。
【００２９】
被検体は、成分濃度の測定対象とする物質又は溶液であり、本実施形態では人間の皮膚とする。人間の皮膚は、大きく分けて、表皮層、真皮層、及び皮下組織層の３層で構成されている。本実施形態では、この３層のうち、真皮層に含まれているグルコースの成分濃度を測定することを目的とする。
【００３０】
集光部３０４は、外部から被検体に向けて測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する。具体的には、測定光が被検体に照射された場合の後方散乱光（以下、簡潔に「散乱光」と称す。）を出射光として集光し、中継部３０５に導く。集光部３０４は、いわば散乱光を入光（受光）する入光部（受光部）とも言え、例えばレンズを有して構成される。
【００３１】
中継部３０５は、集光部３０４で集光された散乱光を光変換部３０７に中継する機能を有し、例えば光ファイバーを有して構成される。
【００３２】
光変換部３０７は、中継部３０５によって中継された出射光を平行光に変換する機能を有し、例えばコリメートレンズを有して構成される。
【００３３】
ゲート光導光部３０９は、分岐部３０２によって分岐された光のうちのゲート光の光路長を変更可能に構成され、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導光する導光路を形成する装置である。例えば、光路長可変セルなどを有する機構として構成することとしてもよいし、図２に示すように、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導くための２枚の反射板の位置をスライドさせるなどして、光駆動シャッター部３１１に入射するゲート光の距離を物理的に変化させる機構を設けてもよい。
【００３４】
光駆動シャッター部３１１は、ゲート光導光部３０９が導光した光に基づき、集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって中継された光を光検出部３１３に向けて透過させる。光駆動シャッター部３１１は、カー材質部３１１Ａと、第１偏光部３１１Ｂと、第２偏光部３１１Ｃとを有して構成される。
【００３５】
カー材質部３１１Ａは、光カー効果を引き起こす材料で構成された結晶体であり、例えば二硫化炭素などの有機溶剤や、カルコゲン系のガラス、鉛含有ガラスなどで構成される。このカー材質部３１１Ａの両側には、一対の偏光部（第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃ）が配置される。
【００３６】
第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃは、入射した光を直線偏光に変換する偏光子であり、透過軸が直交するように位置決めされている。つまり、光駆動シャッター部３１１は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。
【００３７】
透過軸が直交しているため、通常時には、カー材質部３１１Ａに入射した光は第２偏光部３１１Ｃを通過することができない。しかし、ゲート光がカー材質部３１１Ａに入射したタイミングで、カー材質部３１１Ａの屈折率がゲート光の振動方向にのみ変化して、カー材質部３１１Ａが複屈折性を持つ。その結果、パルス光のパルス長に応じた時間だけ散乱光の偏光状態が変調され、散乱光が第２偏光部３１１Ｃを通過する。ゲート光導光部３０９は、ゲート光をカー材質部３１１Ａに導光する。
【００３８】
なお、ゲート光と測定光とは、その偏光方向が４５度の関係となるようにすると好適である。ゲート光と測定光との偏光方向が同じである場合、散乱光の偏光状態が変調されず、カーシャッターとして機能しなくなるためである。
【００３９】
光検出部３１３は、光駆動シャッター部３１１を透過した散乱光の光強度を検出する検出部であり、例えば受光素子と光電変換素子とを有して構成される。受光素子によって受光され、光源変換素子によって光源変換された光強度は、電圧値のデータとして演算装置５に出力される。
【００４０】
１−２．原理
光源部３０１から被検体（皮膚）内に入射した光は、散乱過程を繰り返しながら伝播して被検体から出射すると、中継部３０５等を通過して最終的に光検出部３１３で受光される。光検出部３１３に到達した光は、その検出時刻によって、被検体内の所定部位（皮膚の各層）を選択的に通過してくると考えることができる。すなわち、被検体内を伝播した光子の伝播経路が光散乱係数により特徴付けられ、その光路に沿った光強度変化が光吸収係数によって特徴付けられると考えられる。
【００４１】
本実施形態では、パルス光を被検体に照射した場合の出射光である後方散乱光の時間特性のことを「散乱光時間分解波形」と称して説明する。散乱光時間分解波形において、早い時刻に検出された光ほど表面から浅い部分のみを通ってきており、逆に遅い時刻に検出された光ほど表面から深い領域まで到達してきている。このように異なる検出時刻における検出光の強度は、異なる経路分布を経てきた光成分に対応する。つまり、ある検出時刻の光強度には、その時刻に応じた光経路分布中の吸光情報が含まれている。したがって、時間分解波形の検出時刻毎の光経路を実測により予め求めておけば、逆問題解法により、光吸収係数の分布を推定することができる。
【００４２】
本実施形態では、上記の原理に基づき、被検体からの散乱光の時間分解波形を、パルス光を被検体（皮膚）に実際に照射して測定（実測）する。そして、測定した時間分解波形をもとに、皮膚内部の各層の光吸収係数を算出し、当該光吸収係数を用いて、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。
【００４３】
被検体に入射した測定光は、被検体の散乱特性のために様々な経路を辿り、反射光（散乱光）として出射したところを集光部３０４によって集光される。このとき、光子（フォトン）が被検体を辿った経路は様々である。つまり、散乱光として捕捉される光は、辿った経路が異なる光子を含む光となるため、時間軸で考えた場合、捕捉される光子数の時間分布の波形で表される。
【００４４】
捕捉される光子数は、捕捉された光の強度と同義である。したがって、上記のようにして観測される光の波形は、散乱光の強度の時間的な変化を観測した波形となる。本実施形態では、この波形のことを「散乱光時間分解波形」と称する。そして、光駆動シャッター部３１１による超高速シャッターを利用して、以下説明する手順で散乱光時間分解波形を求める。
【００４５】
図３は、散乱光時間分解波形の生成に係る処理である散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャートである。図４は、散乱光時間分解波形データのデータ構成の一例を示す図である。図５は、モデルデータのデータ構成の一例を示す図である。
【００４６】
最初に、パルス光の候補波長を決定する（ステップＡ１）。候補波長は、任意の波長の中から選択すればよいが、被検体の主成分について光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると効果的である。具体的には、皮膚の真皮層の主成分である水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると好適である。
【００４７】
次いで、ゲート光の光路長範囲及び光路長刻み幅を決定する（ステップＡ３）。具体的には、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とし、散乱光時間分解波形の精度（分解能）に応じて光路長刻み幅を決定する。図４に示したように、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすると好適である。
【００４８】
その後、ステップＡ１で決定した各候補波長それぞれについて、ループＡの処理を行う（ステップＡ５〜Ａ３３）。ループＡの処理では、入射光量可変部３０８を初期設定する（ステップＡ６）。つまり、入射光量可変部３０８での透過率が１０％となるように進退機構にて光学フィルターを位置決めする。
【００４９】
次いで、光路長を初期設定する（ステップＡ７）。つまり、ゲート光の光路長が、ステップＡ３で決定した光路長範囲の初期値となるように、ゲート光導光部３０９を制御する。
【００５０】
次いで、当該候補波長のパルス光を生成するように光源部３０１を制御する（ステップＡ９）。そして、被検体（皮膚）からの散乱光の光駆動シャッター部３１１の透過タイミングと対応付けて、光検出部３１３において検出された散乱光の強度を取得する（ステップＡ１１）。
【００５１】
次いで、光検出部３１３の光強度取得可能最大値未満となっているか否かを判定し（ステップＡ１３）、最大値未満となっていないと判定した場合、つまり飽和している場合は（ステップＡ１３；Ｎｏ）、設定している入射光量が最小値か否かを判定する（ステップＡ１５）。最小値の場合はステップＡ１９に進む。最小値でない場合は、ステップＡ６で決定した入射光量可変部３０８の設定を変更して入射光量を減少させる（ステップＡ１７）。そしてステップＡ１１に戻る。
一方、ステップＡ１３において光検出部３１３の光強度取得可能最大値未満となっていると判定した場合は（ステップＡ１３；Ｙｅｓ）ステップＡ１９に進む。
【００５２】
次いで、ステップＡ１９では光検出部３１３の光強度取得可能最大値の１／１０を超えているか否かを判定し、１／１０を超えていないと判定した場合は（ステップＡ１９；Ｎｏ）、設定している入射光量が最大値か否かを判定する（ステップＡ２１）。最大値の場合はステップＡ２５に進む。最大値でない場合は、入射光量可変部３０８の設定を変更して入射光量を増加させる（ステップＡ２３）。そしてステップＡ１１に戻る。
一方、ステップＡ１９において光検出部３１３の光強度取得可能最大値の１／１０を超えていると判定した場合は（ステップＡ１９；Ｙｅｓ）ステップＡ２５に進む。
【００５３】
次いで、光路長範囲の全体について光強度を取得できたか否かを判定し（ステップＡ２５）、まだ取得できていないと判定した場合は（ステップＡ２５；Ｎｏ）、ステップＡ３で決定した光路長刻み幅だけゲート光の光路長を変更するように、ゲート光導光部３０９を制御する（ステップＡ２７）。そして、ステップＡ９に戻る。
【００５４】
一方、ステップＡ２５において光路長範囲の全体について光強度を取得できたと判定した場合は（ステップＡ２５；Ｙｅｓ）、ステップＡ１１で取得した各々の光路長についての光強度と入射光量又は入射光量切替え光路長の情報とから図４（Ａ）のような後方散乱光の時間分解波形を生成する（ステップＡ２９）。入射光量情報を用いずに生成する場合の時間分解波形を参考までに図４（Ｂ）に示す。図４（Ａ）の生成には、入射光量切替え位置において波形が滑らかになるように、信号強度に倍率を掛けることなどで生成できる。倍率は入射光量から定めてもよい。
【００５５】
次いで、ステップＡ２９で生成した各々の光路長についての光強度で表される散乱光時間分解波形を記憶する（ステップＡ３１）。そして、次の候補波長へと処理を移行する。全ての候補波長についてステップＡ７〜Ａ３１の処理を行ったならば、ループＡの処理を終了する（ステップＡ３３）。これにより、散乱光時間分解波形生成処理は終了となる。
【００５６】
上記のようにして散乱光時間分解波形を生成したならば、当該散乱光時間分解波形に基づいて、異なる時刻における光強度を取得する。そして、皮膚の各層の光吸収係数を算出し、算出した光吸収係数を用いて、真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。この詳細については、フローチャートを用いて後述する。
【００５７】
１−３．演算装置の構成
演算装置５は、光学装置３の制御を行う制御装置であり、かつ、光学装置３から取得した光強度に基づいて、真皮層に含有されているグルコース濃度を算出・測定する演算装置である。
【００５８】
図１に示すように、演算装置５は、処理部５１０と、入力部５２０と、表示部５３０と、音出力部５４０と、通信部５５０と、Ｉ／Ｆ（Inter Face）部５６０と、記憶部５７０とを備え、各部がバス５８０を介して接続されるコンピューターシステムである。
【００５９】
処理部５１０は、記憶部５７０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、演算装置５の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。
【００６０】
処理部５１０は、主要な機能部として、モデル生成部５１１と、散乱光時間分解波形生成部５１３と、光吸収係数算出部５１５と、成分濃度算出部５１７と、光路長制御部５１９とを有する。ただし、これらの機能部は、一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。
【００６１】
モデル生成部５１１は、例えばモンテカルロ法を利用したシミュレーション（モンテカルロシミュレーション）を行うことで、入射光子数が「Ｎin」の場合における皮膚の各層の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を算出する。また、モンテカルロシミュレーションを行うことで、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」の場合における無吸収時の散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を算出する。
【００６２】
散乱光時間分解波形生成部５１３は、記憶部５７０に記憶された散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３で説明した散乱光時間分解波形生成処理を行うことで、散乱光の時間分解波形「Ｒ（ｔ）」を求める。
【００６３】
光吸収係数算出部５１５は、皮膚の各層それぞれについて光吸収係数を算出する。また、成分濃度算出部５１７は、真皮層が含有する成分それぞれについて濃度を算出する。
【００６４】
光路長制御部５１９は、光学装置３のゲート光導光部３０９に光路長制御信号を出力することで、ゲート光導光部３０９の光路長を変更制御する。
【００６５】
入力部５２０は、例えばキーボードやボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部５１０に出力する。この入力部５２０の操作により、各種データの入力や、成分濃度の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００６６】
表示部５３０は、処理部５１０から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部５３０には、成分濃度算出部５１７によって算出された成分濃度の情報等が表示される。
【００６７】
音出力部５４０は、処理部５１０から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部５４０からは、成分濃度測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００６８】
通信部５５０は、演算装置５が外部の情報処理装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置である。通信部５５０は、例えば、有線ケーブルを介して通信を行う有線通信モジュールや、無線ＬＡＮやスペクトラム拡散通信等を行う無線通信モジュール等を有して構成される。
【００６９】
Ｉ／Ｆ部５６０は、光学装置３と演算装置５との間で、光強度のデータの入力や、各種の制御信号の出力といった信号やデータの授受を行うための入出力インターフェイスである。
【００７０】
記憶部５７０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、演算装置５のシステムプログラムや、散乱光時間分解波形生成機能、成分濃度測定機能といった各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００７１】
記憶部５７０には、プログラムとして、処理部５１０によって読み出され、成分濃度測定処理（図６参照）として実行される成分濃度測定プログラム５７１が記憶されている。成分濃度測定プログラム５７１は、散乱光時間分解波形生成処理（図３参照）として実行される散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａをサブルーチンとして含む。
【００７２】
また、記憶部５７０には、データとして、例えば、モデルデータ５７２と、散乱光時間分解波形データ５７３と、被検体物性値データ５７４と、層別光吸収係数データ５７５と、成分濃度データ５７６とが記憶される。
【００７３】
モデルデータ５７２は、モデル生成部５１１がモンテカルロシミュレーション等を行うことで生成したモデルに係るデータであり、そのデータ構成の一例を図５に示す。モデルデータ５７２には、候補波長と、伝播光路長分布と、無吸収時散乱光強度時間特性とが対応付けて記憶されている。
【００７４】
伝播光路長分布は、入射光子数が「Ｎin」のときのパルス光の光子の伝播光路長を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、光吸収係数がゼロの皮膚モデルを構成し、当該皮膚モデルの各層において光子が次に進む点までの距離及び方向を、単位時間毎に乱数を用いて繰り返し行う。このシミュレーションを多数の光子について行い、光検出部３１３に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を、分類された層毎に算出することで、例えば図５に示すような層別の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を得る。
【００７５】
また、無吸収時散乱光強度時間特性は、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」のときの散乱光強度を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、上記の光吸収係数がゼロの皮膚モデルについて、当該皮膚モデルにパルス光を照射した場合に光検出部３１３において検出される光子の個数（＝散乱光強度）を単位時間毎に算出することで、図５に示すような無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を得る。縦軸の散乱光強度は、光検出部３１３において検出される光子の個数（光子数）と同義である。
【００７６】
散乱光時間分解波形データ５７３は、散乱光時間分解波形生成部５１３が生成した散乱光時間分解波形に係るデータであり、そのデータ構成の一例を図４に示す。散乱光時間分解波形データ５７３には、候補波長と、散乱光時間分解波形とが対応付けて記憶されている。散乱光時間分解波形は、上記の光学装置３において、光駆動シャッター部３１１による光駆動シャッターを利用して測定される被検体からの散乱光の時間分解波形（散乱光強度の時間特性）である。
【００７７】
被検体物性値データ５７４は、皮膚の真皮層が含有する成分に係る物性値が記憶されたデータであり、例えば、水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの４成分の光吸収係数を定めた成分別光吸収係数データ５７４Ａがこれに含まれる。このデータは、被検体の物性値として予め測定・記憶されたデータであり、既知の値である。
【００７８】
層別光吸収係数データ５７５は、皮膚の表皮層、真皮層、及び皮下組織層それぞれについて、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される光吸収係数の値が記憶される。
【００７９】
成分濃度データ５７６は、真皮層が含有する水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの測定データであり、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される。
【００８０】
１−４．処理の流れ
図６は、記憶部５７０に記憶されている成分濃度測定プログラム５７１が処理部５１０によって読み出されて実行されることで、成分濃度測定装置１において実行される成分濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００８１】
最初に、モデル生成部５１１が、モデル生成処理を行う（ステップＳ１）。具体的には、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」と、無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」とを生成する。そして、これらのモデルを記憶部５７０にモデルデータ５７２として記憶させる。
【００８２】
次いで、散乱光時間分解波形生成部５１３が、記憶部５７０に記憶されている散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３の散乱光時間分解波形生成処理を行う（ステップＳ３）。
【００８３】
その後、処理部５１０は、複数の候補波長の中から、被検体の主成分数と同数の波長を選定する（ステップＳ５）。真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの４成分である。そのため、ステップＳ５では、複数の候補波長の中から４つの波長「（λ1，λ2，λ3，λ4）」を選定する。
【００８４】
次いで、処理部５１０は、被検体の層数と同数の異なる時刻を選定する（ステップＳ７）。皮膚は、表皮層、真皮層、及び皮下組織層の３層でなる。そのため、ステップＳ７では、異なる３つの時刻「ｔk＝（ｔ1，ｔ2，ｔ3）」を選定する。
【００８５】
その後、処理部５１０は、ステップＳ５で選定した各選定波長についてループＢの処理を行う（ステップＳ９〜Ｓ２３）。ループＢの処理では、処理部５１０は、ステップＳ７で選定した各選定時刻についてループＣの処理を行う（ステップＳ１１〜Ｓ１９）。
【００８６】
ループＣの処理では、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における被検体の各層の伝播光路長「Ｌm（ｔk）」をモデルデータ５７２の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」から取得する（ステップＳ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎ（ｔk）」をモデルデータ５７２の無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」から取得する（ステップＳ１５）。
【００８７】
次いで、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における散乱光強度「Ｒ（ｔk）」を散乱光時間分解波形データ５７３から取得する（ステップＳ１７）。そして、処理部５１０は、次の選定時刻へと処理を移行する。
【００８８】
３つの選定時刻の全てについてステップＳ１３〜Ｓ１７の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＣの処理を終了する（ステップＳ１９）。次いで、光吸収係数算出部５１５は、当該選定波長について、層別の光吸収係数「μam」を算出する（ステップＳ２１）。
【００８９】
具体的には、式（１）及び（２）に従って、３つの選定時刻についての連立方程式を解くことで、表皮層の光吸収係数「μa1」、真皮層の光吸収係数「μa2」、及び皮下組織層の光吸収係数「μa3」を算出する。そして、算出した光吸収係数を層別光吸収係数データ５７５として記憶部５７０に記憶させる。
【００９０】
【数１】
2013224838.tif 000003
【００９１】
【数２】
2013224838.tif 000004
ただし、式（１）において、「μam」は層別の光吸収係数を表し、添え字の「ｍ」は皮膚の層の番号を表している。便宜的に、表皮層の番号を「ｍ＝１」、真皮層の番号を「ｍ＝２」、皮下組織層の番号を「ｍ＝３」と表記する。「Ｍ」は皮膚の層数であり、ここでは「Ｍ＝３」である。つまり、「μa1」は表皮層の光吸収係数であり、「μa2」は真皮層の光吸収係数であり、「μa3」は皮下組織層の光吸収係数である。
【００９２】
また、「Ｌm（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層における伝播光路長分布を示している。例えば、「Ｌm（ｔ1）」は、時刻「ｔ1」において検出される光子が第ｍ層を伝播した距離の総和を示す。また、「Ｎin」は、パルス光の光子の総数（入射光子数）であり、既知である。「Ｉin」は、パルス光の強度（入射光強度）であり、既知である。
【００９３】
式（１）は、時刻「ｔ」において検出される光強度「Ｒ（ｔ）」が、次式（３）によって近似的に書き表すことができることに基づいて導出される。
【００９４】
【数３】
2013224838.tif 000005
式（３）において、「Ｌ´m（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層を伝播した距離の１光子あたりの平均値であり、伝播距離の総和「Ｌm（ｔ）」を「Ｎ´（ｔ）」で除算した値であり、次式（４）で与えられる。
【００９５】
【数４】
2013224838.tif 000006
式（４）を用いて式（３）を変形すると、式（１）が導出される。
【００９６】
４つの選定波長の全てについてステップＳ１１〜Ｓ２１の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＢの処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００９７】
次いで、成分濃度算出部５１７が、被検体の各成分それぞれについて濃度を算出する（ステップＳ２５）。成分の総数が「Ｎ個」である場合の各成分の体積分率「ｃvi」を求める式は、次式（５）で与えられる。
【００９８】
【数５】
2013224838.tif 000007
真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの４成分である（Ｎ＝４）。そのため、式（５）を４成分の式として書き表すと、次式（６）のようになる。この式（６）に従って、水、たんぱく質、脂質、及びグルコースそれぞれの体積分率を算出する。
【００９９】
【数６】
2013224838.tif 000008
ただし、「μai」は成分別の光吸収係数を表しており、添え字の「ｉ」は成分の記号を表している。便宜的に、水を「ｉ＝ｗ」、たんぱく質を「ｉ＝ｐ」、脂質を「ｉ＝ｌ」、グルコースを「ｉ＝ｇ」と表記する。つまり、「μaw」、「μap」、「μal」、及び「μag」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの光吸収係数を示す。
【０１００】
また、式（６）の右辺において、「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」、及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、それぞれ波長毎に定まる水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの光吸収係数であり、これらのデータは、成分別光吸収係数データ５７４Ａとして被検体物性値データ５７４に予め記憶されている既知の値である。
【０１０１】
また、「ｃvi」は成分別の体積分率を表しており、添え字の「ｉ」は上記と同じである。つまり、「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」、及び「ｃvg」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質、及びグルコースの体積分率を示す。これらの体積分率は未知数である。
【０１０２】
式（６）の左辺は、４つの選定波長それぞれについてステップＳ２１で算出した真皮層（ｉ＝２）の光吸収係数「μa2（λ1）」、「μa2（λ2）」、「μa2（λ3）」、及び「μa2（λ4）」の値であり、式（２）の連立方程式を解くことで、ステップＳ２１において求まっている。
【０１０３】
また、式（６）の右辺の「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」、及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、上記の通り既知の値として定まっている。したがって、４種類の選定波長「λ1〜λ4」についての連立方程式を解くことで、各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」、及び「ｃvg」を算出することができる。
【０１０４】
各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」、及び「ｃvg」が求まったならば、体積分率を重量体積濃度等に変換し、最終的な各成分の濃度とする。なお、体積分率を重量体積濃度等に変換する方法は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１０５】
１−５．作用効果
本実施形態によれば、光源部３０１からの光源光が分岐部３０２によって分岐され、その一方の光が測定光として入射光量可変部３０８にて最適な光量に調節された後、照射部３０３によって被検体に照射される。そして、被検体からの出射光が集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって光変換部３０７に中継される。他方、分岐部３０２によって分岐された他方の光はゲート光として光駆動シャッター部３１１に導光される。この際、ゲート光は、ゲート光導光部３０９の光路長が変更され、光路長が異なるゲート光がカー材質部３１１Ａに導光される。結果、光駆動シャッターが異なる時刻（タイミング）で作用することとなり、異なる光路長、すなわち異なる時刻（タイミング）での出射光の強度が得られる。このことは、被検体内での散乱経路の異なる出射光を捉えることに相当する。したがって、出射光の強度から時間分解波形を精度良く取得することができる。加えて、入射光量可変部３０８によって、異なる光路長、すなわち異なる時刻（タイミング）での検出強度がダイナミックレンジを有効に活用でき、光量切替え段数に応じて見かけ上のダイナミックレンジを増加させることができる。したがって、微小な出射光強度の時刻領域があっても精度良く時間分解波形を取得することができる。
散乱光時間分解波形の生成では、所定の換算処理を行う。測定光の光強度そのものに着目した場合、その時間分解波形は、例えば図４（Ａ）に示したような波形となる。つまり、光強度は、微小な値から大きな値まで広範囲な値を取り得る。この広範な数値の範囲を所定数のビット（例えば１６ビット）で表す場合には、１ビット値当たりの数値は大きくなる。しかし、入射光量可変部３０８によって、異なる光路長、すなわち異なる時刻（タイミング）での検出強度がダイナミックレンジを切り替えることにより、光量切替え段数に応じて見かけ上のダイナミックレンジを増加させることができる。その結果、光強度としてより精細（高分解能）な値を取り扱うことができるようになる。また、これにより装置の仕様をより安価な低ダイナミックレンジのものにできる。
【０１０６】
また、光源部３０１は、例えばフェムト秒レーザーを有して構成されるため、フェムト秒といった極めて微小な時間分解能で精細な時間分解波形を得ることができる。また、このようにして取得した時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に求めることができる。
【０１０７】
本実施形態では、上記のようにして実測で求めた散乱光時間分解波形と、予めモデル化した被検体を伝播するパルス光の伝播光路長分布及び無吸収時における散乱光強度の時間特性とを用いて、人間の皮膚の各層の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【０１０８】
また、本実施形態の光学系の構成によれば、光源部３０１によって生成されたパルス光が、分岐部３０２において測定光とゲート光とに分岐される。かかる構成により、光源部３０１によって生成されたパルス光から、互いに同期したパルス光でなる測定光とゲート光とを簡単に生成することができる。
【０１０９】
１−６．変形例
１−６−１．光吸収係数の算出
上記の実施形態では、式（２）に従って皮膚の各層の光吸収係数を算出した。しかし、式（２）ではなく、式（１）を積分型に発展させた次式（７）を用いて各層の光吸収係数を算出してもよい。
【０１１０】
【数７】
2013224838.tif 000009
【０１１１】
１−６−２．濃度の算出
上記の実施形態では、光吸収係数と体積分率との関係により定まる式（５）及び（６）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出した。しかし、モル吸光係数とモル濃度との関係により定まる次式（８）及び（９）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【０１１２】
【数８】
2013224838.tif 000010
【０１１３】
【数９】
2013224838.tif 000011
また、上記以外にも、例えば、特許文献１の第１２ページに記載されている第７式に基づいて、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【０１１４】
２．他の実施例
２−１．適用例
上記の実施形態では、被検体を人間の皮膚として説明したが、被検体は何もこれに限られるわけではない。例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置といった測定用機器に本発明の成分濃度測定装置を組み込んで利用することも可能である。
【０１１５】
また、グルコースの成分濃度を算出する用途に限らず、例えば、スクロースやラクトースといった他の糖分の成分濃度を測定してもよいし、食塩水といった各種の溶液の成分濃度を測定することも可能であることは勿論である。上記の実施形態の場合には、グルコースの他に、水やたんぱく質、脂質の成分濃度も併せて算出することができる。
【０１１６】
２−２．光源
上記の実施形態では、測定光及びゲート光の光源を共通光源として説明したが、同期したパルス光を生成することができれば、測定光の光源とゲート光の光源とを別光源としてもよい。
【０１１７】
また、光源は、パルス光を単発で発生させる光源に限らず、パルス光を繰り返し発生させる光源でもよい。そして、この場合は、例えば、光検出部３１３において検出された光強度を所定時間分積算し、その積算された光強度を用いて後段の処理を行うこととしてもよい。
【０１１８】
２−３．入射光量可変部
上記の実施形態では、入射光量を変更するとして説明したが、光検出部３１３のゲインを電気的に変更してもよい。この場合も入射光量可変と同様にダイナミックレンジ増加の効果を得ることができる。
また、上記の実施形態では、入射光量（あるいは光検出部３１３ゲイン）の変更は２段階として説明したが、３段階以上の変更を行うこととしてもよい。
また、上記の実施形態では、入射光量の切替え光量は光検出部３１３の光強度取得可能最大値の１／１０として説明したが、いくつに設定してもよい。
【０１１９】
２−４．光駆動シャッター
光駆動シャッターによる効果を効率良く得るために、例えばカー材質の前段にレンズ等を配置して、カー材質内で集光させることとしてもよい。
【０１２０】
２−５．光強度検出
測定光が微弱である場合などを想定し、フォトンカウンティング検出によって光子の数を計数することによって光強度を取得してもよい。
【０１２１】
２−６．光吸収係数及び成分濃度の算出
光吸収係数及び成分濃度を算出するための手法として、例えば、主成分分析やＰＬＳ（Partial Least Squares）法などの多変量解析に基づく手法を用いてもよい。
【０１２２】
２−７．散乱光時間分解波形の取得
上記の実施形態では、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすることで、散乱光時間分解波形の略全体形状を取得するものとして説明した。しかし、必ずしも散乱光時間分解波形の略全体形状を取得する必要はなく、演算に必要な時間帯に応じた一部分の形状のみを取得するようにしてもよい。つまり、散乱光時間分解波形の一部又は全体の形状が得られる範囲を光路長範囲として設定すればよい。
【符号の説明】
【０１２３】
１…成分濃度測定装置  ３…光学装置  ５…演算装置  ３０１…光源部  ３０２…分岐部  ３０３…照射部  ３０４…集光部  ３０５…中継部  ３０７…光変換部  ３０８…入射光量可変部（受光ゲイン可変部）  ３０９…ゲート光導光部  ３１１…光駆動シャッター部  ３１１Ａ…カー材質部  ３１１Ｂ…第１偏光部  ３１１Ｃ…第２偏光部  ３１３…光検出部（検出部）  ５１０…処理部  ５１１…モデル生成部  ５１３…散乱光時間分解波形生成部  ５１５…光吸収係数算出部  ５１７…成分濃度算出部  ５１９…光路長制御部  ５２０…入力部  ５３０…表示部  ５４０…音出力部  ５５０…通信部  ５６０…Ｉ／Ｆ部  ５７０…記憶部  ５７１…成分濃度測定プログラム  ５７１Ａ…散乱光時間分解波形生成プログラム  ５７２…モデルデータ  ５７３…散乱光時間分解波形データ  ５７４…被検体物性値データ  ５７４Ａ…成分別光吸収係数データ  ５７５…層別光吸収係数データ  ５７６…成分濃度データ  ５８０…バス。
【図１】
2013224838.tif 000012
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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