(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒトを除く測定対象である散乱吸収体に対して輸送散乱係数が互いに相違しかつ該輸送散乱係数の比率が既知である２種類以上の所定波長の光を発生する光発生ステップと、
前記光を光入射位置から前記散乱吸収体に入射する光入射ステップと、
前記散乱吸収体の内部を伝搬した前記光を、前記光入射位置と異なる１以上の光検出位置で検出して、１以上の光検出信号を取得する光検出ステップと、
前記光検出信号に基づいて、前記２種類以上の所定波長の光の各々に対する前記光検出位置での光量及び平均飛行距離をそれぞれ検出するパラメータ検出ステップと、
前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する演算処理ステップと、を含み、
前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係は、検出された光量の自然対数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等しいことに基づいてかつ散乱係数の相違に起因する平均飛行距離の相違を無視することなく導出された関係である、
ことを特徴とする散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項２】
前記２種類以上の所定波長の光はパルス光である、ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項３】
前記２種類以上の所定波長の光は所定変調周波数成分を有する正弦波変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号に含まれる前記所定変調周波数成分の信号の振幅から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記所定変調周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項４】
前記２種類以上の所定波長の光は所定変調周波数成分を有する正弦波変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号の直流成分から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記光検出信号に含まれる前記所定周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項５】
前記２種類以上の所定波長の光は所定の繰り返し変調周波数成分を有する変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の振幅から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項６】
前記２種類以上の所定波長の光は所定の繰り返し変調周波数成分を有する変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号の直流成分から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項７】
前記演算処理ステップにおいて、下記式：
【数１】
0004018799.tif 000041
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算する、ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項８】
前記演算処理ステップにおいて、下記式：
【数２】
0004018799.tif 000042
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ2 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
Ｉ2 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
ｑは０≦ｑ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算する、ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
【請求項９】
測定対象である散乱吸収体に対して輸送散乱係数が互いに相違しかつ該輸送散乱係数の比率が既知である２種類以上の所定波長の光を発生する光源と、
前記光を光入射位置から前記散乱吸収体に入射する光入射手段と、
前記散乱吸収体の内部を伝搬した前記光を、前記光入射位置と異なる１以上の光検出位置で検出して、１以上の光検出信号を取得する光検出手段と、
前記光検出信号に基づいて、前記２種類以上の所定波長の光の各々に対する前記光検出位置での光量及び平均飛行距離をそれぞれ検出するパラメータ検出手段と、
前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する演算処理手段と、を含み、
前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係は、検出された光量の自然対数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等しいことに基づいてかつ散乱係数の相違に起因する平均飛行距離の相違を無視することなく導出された関係である、
ことを特徴とする散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１０】
前記２種類以上の所定波長の光はパルス光である、ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１１】
前記２種類以上の所定波長の光は所定変調周波数成分を有する正弦波変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号に含まれる前記所定変調周波数成分の信号の振幅から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記所定変調周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１２】
前記２種類以上の所定波長の光は所定変調周波数成分を有する正弦波変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号の直流成分から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記光検出信号に含まれる前記所定周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１３】
前記２種類以上の所定波長の光は所定の繰り返し変調周波数成分を有する変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の振幅から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１４】
前記２種類以上の所定波長の光は所定の繰り返し変調周波数成分を有する変調光であり、
前記光量は、前記光検出信号の直流成分から算出され、かつ
前記平均飛行距離は、前記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し変調周波数成分あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出される、
ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１５】
前記演算処理手段において、下記式：
【数３】
0004018799.tif 000043
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算する、ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【請求項１６】
前記演算処理手段において、下記式：
【数４】
0004018799.tif 000044
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ2 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
Ｉ2 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
ｑは０≦ｑ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算する、ことを特徴とする請求項９記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は、種々の形状をした生体などである散乱吸収体に対して、散乱係数が相違しかつそれらの比率が既知である２種類以上の所定波長の光を入射し、散乱吸収体の内部を拡散伝搬して表面に出てくる所定波長の光を検出して、検出位置での光量及び平均飛行距離（average flight pathlength ／ average optical pathlength）を求め、この光量と平均飛行距離から散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度やその絶対値、ヘモグロビンの酸素飽和度、さらにはそれらの時間変化や空間分布などを、散乱吸収体の形状に影響されることなく、高精度かつ非侵襲で計測することができる散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体のような散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度やその絶対量、さらにはこれらの時間変化や空間分布などを、非侵襲で精密に測定したいという要請は非常に強く、現在までに連続光（ＣＷ光）や変調光（例えばパルス光、方形波光、正弦波変調光など）を用いる方法、さらに波長の異なる光を利用する方法など、種々の方法や試みがなされてきた。
【０００３】
ところが、これらの従来技術では、生体のように種々の形をした部位、或は同じ部位でも形状に個体差がある対象物などについて、内部の特定吸収成分の濃度を十分正確に計測する方法や装置は未だ開発されていなかった。このことは、光を利用した生体の非侵襲計測の大きな問題であり、その改善が強く望まれていた。
【０００４】
生体などの散乱吸収体に入射された光は、散乱吸収されながら内部を拡散伝搬し、その一部が表面に出てくる。そして、散乱吸収体の外部は、普通、空気であるため、表面に出た光は自由空間を散逸する。
【０００５】
散乱吸収体の内部情報計測では、上記のようにして表面に出てくる光を検出する。このとき、散乱吸収体の境界条件（形状）が異なると、例えば球であるか直方体であるかなどによって、表面の所定の位置に出てくる光の量や挙動が大きく異なる。
【０００６】
したがって、このような計測の精度を高めるには、散乱吸収体内部の光の挙動をよく理解する必要がある。最近では、散乱吸収体内部の光の挙動はコンピュータによるモンテカルロシミュレーションで解析、実験、検討、または光拡散理論(Photon Diffusion Theory) によってある程度正確に記述、解析できることが知られている。
【０００７】
このように、従来は、散乱吸収体内部の光の挙動を理解するために、モンテカルロシミュレーションや光拡散理論を用いていた。ところが、モンテカルロシミュレーションは極めて長い計算時間が必要であり、かつ、その結果から散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度などを算出することができなかった。
【０００８】
また、光拡散理論を利用する場合には、光拡散方程式を実際に解く際に、境界条件を設定する必要がある。しかし、境界条件は散乱吸収体の形状に大きく依存するため、正確な計測を行うためには、散乱吸収体の形状が異なるたびに、新たな境界条件を設定して光拡散方程式を解くことが必要になる。また、境界条件をある程度正確に設定できる散乱吸収体の形状は、無限空間、半無限空間、無限円柱、無限にひろがる有限厚さのスラブなど、極めて単純なものに限定される。この結果、光拡散理論を利用して形状が単純でない生体などを計測する場合には、近似境界条件を用いることが不可欠となり、これが大きな計測誤差を生じる原因となっていた。
【０００９】
そこで、これらの課題を解決する方法として、マイクロベアランバート則に基づいて散乱体の吸収係数や吸収体の濃度を測定する方法を本発明の発明者が開発し、既に特許出願している（特開平８−９４５１７号）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−９４５１７号公報に記載の方法は、被測定物の境界条件（形状）に依存せずに吸収係数の定量を行うことができる優れたものであるが、測定対象である散乱吸収体に対して散乱特性が等しいか又は等しいと見做せる複数の波長の光を用いていた。そのため、特開平８−９４５１７号公報に記載の方法においては、使用可能な波長が極めて制限され、また、使用している光の複数の波長間における散乱特性の差が大きくなると計測誤差が増大し、前記の差がさらに大きくなると計測不能になるといった点で未だ十分なものではなかった。
【００１１】
以上のように、散乱特性が波長に依存しかつ境界条件の異なる散乱吸収体に対して、使用可能な波長が制限されることなく統一的に適用できる拡散光の取り扱い方法は従来は未開発であり、使用する波長を制限することなくこのような散乱吸収体に対して統一的に内部の特定吸収成分濃度などを正確に計測することは従来は不可能であった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、散乱特性が波長に依存しかつ境界条件の異なる散乱吸収体内部の光の挙動に関する基本的関係を新たに開示し、この関係を利用して、散乱特性が波長に依存する場合であっても、使用する波長が制限されることなくかつかかる散乱特性の波長依存性の影響を受けることなく、種々の形状の散乱吸収体内部の特定吸収成分濃度や絶対値などを精度よく計測することが可能であり、さらにはそれらの時間変化や空間分布をも散乱特性の波長依存性の影響を受けることなく精度よく計測することが可能な散乱吸収体内部の吸収成分の濃度計測方法と装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、種々の境界条件（形状）をもつ散乱吸収体に、輸送散乱係数の比率が既知である２種類以上の所定波長の光を入射し、光検出位置における所定波長の光の光量と平均飛行距離を求め、これらの値から、散乱吸収体の境界条件及び散乱特性の波長依存性に影響されることなく、特定吸収成分の濃度やその絶対値を演算処理によって求めるものである。
【００１４】
すなわち、本発明の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法は、（ａ）ヒトを除く測定対象である散乱吸収体に対して輸送散乱係数が互いに相違しかつこれらの輸送散乱係数の比率が既知である２種類以上の所定波長の光を発生する光発生ステップと、（ｂ）前記光を光入射位置から前記散乱吸収体に入射する光入射ステップと、（ｃ）前記散乱吸収体の内部を伝搬した前記光を、前記光入射位置と異なる１以上の光検出位置で検出して、１以上の光検出信号を取得する光検出ステップと、（ｄ）前記光検出信号に基づいて、前記２種類以上の所定波長の光の各々に対する前記光検出位置での光量及び平均飛行距離をそれぞれ検出するパラメータ検出ステップと、（ｅ）前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する演算処理ステップと、を含むことを特徴とする方法である。
【００１５】
また、本発明の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測装置は、（ａ）測定対象である散乱吸収体に対して輸送散乱係数が互いに相違しかつ該輸送散乱係数の比率が既知である２種類以上の所定波長の光を発生する光源と、（ｂ）前記光を光入射位置から前記散乱吸収体に入射する光入射手段と、（ｃ）前記散乱吸収体の内部を伝搬した前記光を、前記光入射位置と異なる１以上の光検出位置で検出して、１以上の光検出信号を取得する光検出手段と、（ｄ）前記光検出信号に基づいて、前記２種類以上の所定波長の光の各々に対する前記光検出位置での光量及び平均飛行距離をそれぞれ検出するパラメータ検出手段と、（ｅ）前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する演算処理手段と、を含むことを特徴とする装置である。
【００１６】
本発明の方法及び装置において、前記２種類以上の所定波長の光はパルス光としてもよい。
【００１７】
また、前記２種類以上の所定波長の光を所定変調周波数成分を有する正弦波変調光とし、前記光量は（ｉ）前記光検出信号の直流成分あるいは（ii）前記光検出信号に含まれる前記所定変調周波数成分の信号の振幅から算出し、前記平均飛行距離は前記所定変調周波数成分の信号の位相遅れから算出してもよい。
【００１８】
さらに、前記２種類以上の所定波長の光を所定の繰り返し変調周波数成分を有する変調光とし、前記光量は（ｉ）前記光検出信号の直流成分あるいは（ii）前記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し変調周波数成分もしくはその整数倍の周波数成分の信号の振幅から算出し、前記平均飛行距離は前記所定の繰り返し変調周波数成分もしくはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出してもよい。
【００１９】
また、前記輸送散乱係数の比率と、前記光量と、前記平均飛行距離と、前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差との間の所定の関係は、検出された光量の自然対数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等しいことに基づいてかつ散乱係数の相違に起因する平均飛行距離の相違を無視することなく導出された関係である。
【００２０】
本発明の方法及び装置の一態様においては、前記演算処理ステップ（演算処理手段）において、下記式：
【数５】
0004018799.tif 000002
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度が演算されることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の方法及び装置の他の態様においては、前記演算処理ステップ（演算処理手段）において、下記式：
【数６】
0004018799.tif 000003
［式中、
Ｖは吸収成分の濃度、
ε1 は吸収成分の波長λ1 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
ε2 は吸収成分の波長λ2 の光に対する単位濃度当たりの吸収係数、
＜Ｌ1 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ1 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ1 ）＞は波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
＜Ｌ2 （λ2 ）＞は波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での平均飛行距離、
Ｉ1 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ1 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ1での検出光量、
Ｉ2 （λ1 ）は入射光強度Ｂ1 、波長λ1 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
Ｉ2 （λ2 ）は入射光強度Ｂ2 、波長λ2 の光に対する光検出位置ｒ2での検出光量、
ｋは波長λ1の光に対する輸送散乱係数μs1'に対する波長λ2の光に対する輸送散乱係数μs2'の比（μs2'／μs1'）、
ｐは０≦ｐ≦１なる所定の値、
ｑは０≦ｑ≦１なる所定の値、
をそれぞれ示す］
で表される関係に基づいて前記散乱吸収体の吸収成分の濃度が演算されることが好ましい。
【００２２】
なお、本発明において「輸送散乱係数が互いに相違する」とは、測定対象である散乱吸収体に対する２種類以上の所定波長の光それぞれに対する輸送散乱係数の差が無視できない程度に大きいことをいう。
【００２３】
本発明は、散乱特性が波長に依存しかつ境界条件の異なる種々の散乱吸収体に対して成立する基本的関係、つまり検出位置での光量と、平均飛行距離と、２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数の差または比率と、２種類以上の所定波長の光に対する散乱成分の輸送散乱係数の値または比率との関係に基づいて特定吸収成分の濃度を演算処理するため、使用する波長が制限されることなくかつ散乱吸収体の境界条件（形状）に影響されずに、特定吸収成分の濃度をより正確に計測することができる。また、特定吸収成分の濃度の時間変化や空間分布を計測することも可能になる。
【００２４】
また、本発明では、特定吸収成分の濃度を演算処理する際のパラメータとして、実測値から得られる光量および平均飛行距離を用いている。これらのパラメータは、光検出位置で得られるほとんど全ての光を利用して求められるもの、つまり積分形の値であるため、高い信号対雑音比が得られ、その結果として高い計測精度が得られる。
【００２５】
なお、本発明は、散乱吸収体に対して輸送散乱係数が互いに相違しかつそれらの比率が既知である２種類以上の所定波長の光を入射して計測するものであり、計測値から所定の波長における吸収成分の吸収係数の差が導出され、これから特定吸収成分の濃度が求められる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（本発明の原理）
先ず、本発明の原理について説明する。なお、以下に述べる知見は本発明者らによって初めて開示されるものである。
【００２７】
均一な散乱吸収体を考え、散乱吸収体の表面に配置した光源から発した光が散乱吸収体の内部を伝搬して、表面に置かれた光検出器で検出されるものとする。この場合、散乱吸収体の形状は、拡散光の再入射が不可能な面からなるものであれば、任意でよい。
【００２８】
図１は、検出された光（または光子）が散乱吸収体の内部を伝搬した飛跡の例を示す。
【００２９】
光は散乱粒子で散乱され、その光路はジグザグに折れ曲がる。この時、ジグザグな飛行距離ｌに対してランバード・ベア則が成立し、伝搬光の強度はジグザグな飛行距離（累積距離）ｌに対して指数関数的に減衰する。このとき、媒体中の光速度をｃ、飛行時間（time-of-flight）をｔとすれば、飛行距離はｌ＝ｃｔとなる。
【００３０】
他方、時間分解計測で得られる光検出信号の時間波形Ｊ（ｃｔ）を考えると、図２に示すように、飛行距離ｌは光検出信号の時間波形Ｊ（ｃｔ）の横軸ｃｔ＝ｌに対応する。
【００３１】
以上から、時刻ｔに検出されたジグザグ光の飛行距離と吸収に関する下記のような重要な関係式が得られ、吸収の度合いは飛行距離ｌと吸収係数μa のみに関係することがわかる。つまり、
【数７】
0004018799.tif 000004
ここで、
ｌs は平均自由飛行距離ｌs ＝１／μs 、
ｎは散乱粒子との衝突回数、
μa は吸収係数、
μs は散乱係数、
Ｂ0 は散乱吸収体に入射される光の入射強度、
Ｂ0 Ａ（μs，ｔ）は吸収がない場合（μa ＝０のとき）の光検出信号、
である。またここで、ｌ＞＞ｌs であり、Ａ（μs，ｔ）は散乱の影響を表す。
【００３２】
つぎに、上記の関係から散乱吸収体内部の光の挙動に関する基本関係式を導出する。まず、時間波形（時間分解計測に対応）に関するものは、
【数８】
0004018799.tif 000005
である。ただし、（３）式は（２）式を書き換えたものである。
【００３３】
以上の４個の式のうち、生体内のヘモグロビン濃度の定量などには、（３）式又は（４）式が便利である。
【００３４】
また、検出光量Ｉは上記のＪ（μs，μa，ｔ）を時間積分したものであるから、検出光量Ｉ（時間積分値、ＣＷ計測に対応）に関する次の基本関係式が得られる。ただし、以下では、Ａ（μs，ｔ）のラプラス変換（ｓ＝ｃμa ）をＦ［Ａ（μs，ｔ）］で表す。
【００３５】
【数９】
0004018799.tif 000006
上記の（１０）式に示す＜Ｌ（μs，μa）＞は（３）式に示すＪ（μs，μa ，ｔ）の分布の加重平均ｃ＜ｔ＞に等しく、重心、平均飛行距離または平均光路長とよばれる。
【００３６】
この平均飛行距離＜Ｌ（μs，μa）＞は、検出信号の時間分解波形Ｊ（μs，μa，ｔ）を演算して算出することができる。また、別の方法、例えば変調光入射に対する光検出信号の位相遅れから計算することもできる。この平均飛行距離＜Ｌ（μs，μa）＞は、光検出信号全体を利用して求められる量、つまり積分形の量であるから、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が得られる。なお、一般に平均飛行距離＜Ｌ（μs，μa）＞はμa に依存する。
【００３７】
以上のことは、モンテカルロシミュレーションでも確認されている。また、以上のことから、光拡散方程式を利用する場合には、従来の拡散定数から吸収係数を取り除いた新たな拡散定数Ｄを定義して用いるのが妥当であることが示される。つまり、
【数１０】
0004018799.tif 000007
である。なお、μs'は相似原理による輸送散乱係数μs '＝（１−ｇ）μs （ただし、ｇは散乱角の余弦の平均値である）である。
【００３８】
本発明では、散乱係数の波長依存性を考慮して更に以下の解析を行う。先ず（１０）式の両辺を０からμaまで積分することにより、
【数１１】
0004018799.tif 000008
が得られる。なお、上式中、
【数１２】
0004018799.tif 000009
である。
【００３９】
いま、散乱吸収体に１種類の吸収成分が含まれ、波長λ1 とλ2 の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数を、それぞれε1 、ε2 とすれば、吸収成分の濃度Ｖは、
【数１３】
0004018799.tif 000010
となる。ただし、μa1とμa2は、波長λ1 とλ2 における吸収成分の吸収係数である。
【００４０】
したがって、波長λ1（入射光強度Ｂ1）と波長λ2（入射光強度Ｂ2）の入射光に対して、平均飛行距離＜Ｌ1（λ1）＞=＜Ｌ1（μs1,μa1）＞と＜Ｌ1（λ2）＞=＜Ｌ1（μs2,μa2）＞、および、光量Ｉ1（λ1）＝Ｉ1（μs1,μa1）とＩ1（λ2）＝Ｉ1（μs2,μa2）を検出するものとすれば、
【数１４】
0004018799.tif 000011
となる。ただし、上式中、
【数１５】
0004018799.tif 000012
とする。したがって、（１５）式を変形して、
【数１６】
0004018799.tif 000013
となる。本発明者らは、本発明者らによる先の出願（特開平８−９４５１７号公報）に記載の方法においては上式中右辺第２項の散乱係数の違いの影響を無視していたため、これが解析誤差を生じる一因になっていたことを見出した。散乱係数が波長依存性を有する場合において、吸収係数（μa）と平均光路長（Ｌ：平均飛行距離）との関係を実験的に調べた結果を図３に示す。散乱体としてイントラリピッド溶液１％、吸収体としてグリーニッシュブラウンインクを用いて測定した。このようにして平均光路長に関する（１６）式の様子を図に書くと、図３に示すようになる。すなわち、同じ吸収係数の状態を測定していても、散乱係数が異なることにより平均光路長が異なっていることがわかる。
【００４１】
本発明においては、この点を補正しつつ解析を行う以下の諸式を導出する。
【００４２】
平均光路長は光拡散方程式からも求めることができる。そこで、光拡散方程式を用いて、上記平均光路長の関係を求める。このような平均光路長は、半空間反射型および、スラブ透過型に対して、
【数１７】
0004018799.tif 000014
（式中、μs'は相似原理による輸送散乱係数であり、μeffは、
【数１８】
0004018799.tif 000015
である）となる。ここで、＜Ｌ（μs,μa）＞と＜Ｌ（μs',μa）＞はμs '＝（１−ｇ）μs （ただし、ｇは散乱角の余弦の平均値である）の変換のもとにそれぞれ等しいものとする。
【００４３】
従って、λ1とλ2に対して、
【数１９】
0004018799.tif 000016
が成り立ち、よって、
【数２０】
0004018799.tif 000017
となり、以下のいずれかの近似式、
【数２１】
0004018799.tif 000018
が成り立つ。ここで、通常はr>5mmであり、生体のパラメータを考えると(22)式を満足している。よって、以下では(22)式について考える。すなわち、(22)式の成立する範囲では、
【数２２】
0004018799.tif 000019
となり、(24)式を(16)式に代入すると、
【数２３】
0004018799.tif 000020
が成り立つ。(25)式中の右辺第―項においては、平均値の定理を用いると、
【数２４】
0004018799.tif 000021
なる条件を満たすμaxが存在する。ただし、μa1≦μax≦μa2またはμa2≦μax≦μa1である。また0≦p≦1の条件を満たす適宜のpを用いて、
【数２５】
0004018799.tif 000022
と表すことができる。
【００４４】
また、(25)式中の右辺第二項は、μa=0まで(24)式が成立するとすれば、
【数２６】
0004018799.tif 000023
となる。従って、(25)式に(27)式及び(28)式を代入し、
【数２７】
0004018799.tif 000024
が導かれる。ここで、(29)式に
【数２８】
0004018799.tif 000025
を代入すれば、
【数２９】
0004018799.tif 000026
となり、よって、
【数３０】
0004018799.tif 000027
が導かれる。
【００４５】
従って、吸収成分の濃度Ｖは、下記式、
【数３１】
0004018799.tif 000028
に従って演算することができることを本発明者らは見出した。
【００４６】
すなわち、ε1 、ε2 、Ｂ1、Ｂ2、並びにｋ（輸送散乱係数の比率）は既知数であるから、計測によって得られる値、つまり平均飛行距離＜Ｌ1（λ1）＞と＜Ｌ1（λ2）＞、光量ｌｎＩ1（λ1）とｌｎＩ1（λ2）、および経験的に定めることができるｐの値から、特定吸収成分の濃度Ｖを演算することができる。
【００４８】
さらに一般的に、波長λ1（入射光強度Ｂ1）と波長λ2（入射光強度Ｂ2）の入射光に対して、光検出位置ｒ1とｒ2で、それぞれ平均飛行距離＜Ｌ1（λ1）＞，＜Ｌ1（λ2）＞，＜Ｌ2（λ1）＞，＜Ｌ2（λ2）＞、及び光量Ｉ1（λ1），Ｉ1（λ2），Ｉ2（λ1），Ｉ2（λ2）を検出するものとすれば、下記(35)式
【数３３】
0004018799.tif 000029
と、下記(36)式
【数３４】
0004018799.tif 000030
との差分をとると、左辺は
【数３５】
0004018799.tif 000031
となり、右辺は
【数３６】
0004018799.tif 000032
となる。これより
【数３７】
0004018799.tif 000033
が導かれる。
【００４９】
従って、吸収成分の濃度Ｖは、下記式、
【数３８】
0004018799.tif 000034
に従って演算することができることを本発明者らは見出した。ただし、ｐは０≦ｐ≦１、ｑは０≦ｑ≦１を満足する適宜の値である。
【００５０】
この場合にも、前記と同様にして、ε2 、ε1 、並びにｋ（輸送散乱係数の比率）は既知数であるから、計測によって得られる値、つまり平均飛行距離＜Ｌ1 （λ1 ）＞，＜Ｌ1 （λ2 ）＞，＜Ｌ2 （λ1 ）＞，＜Ｌ2 （λ2 ）＞、光量ｌｎＩ1 （λ1 ），ｌｎＩ1 （λ2 ），ｌｎＩ2 （λ1 ），ｌｎＩ2 （λ2 ）、および経験的に定めることができるｐ、ｑの値から、特定吸収成分の濃度Ｖを算出することができる。
【００５１】
さらに、この場合にも、ｐ＝ｑ＝１／２とすれば、(39)式は
【数３９】
0004018799.tif 000035
となり、十分な計測精度を得ることができる。
【００５２】
なお、散乱吸収体に２種類の吸収成分が含まれる場合には、３種類の波長の光を使用すればよい。つまり、２種類の散乱吸収体の吸収成分濃度をＶ1 、Ｖ2 とすれば、（３３）式または（３９）式と同様にして、Ｖ1 とＶ2 に関する２連の式が成立する。したがって、この連立方程式を解いてＶ1 とＶ2 を求めることができる。さらに一般的に、散乱吸収体にｍ種類の吸収成分が含まれる場合には、（ｍ＋１）種類の波長の光を使用すれば、ｍ種類の吸収成分の濃度を計測することができる。
【００５３】
例えば、図４は酸素化型、脱酸素化型ヘモグロビンと酸素化型、脱酸素化型ミオグロビンの吸収スペクトルを示す。脳の中のヘモグロビンでは、酸素化型、脱酸素化型成分の比率などを計測することが重要である。この場合には、酸素化型、脱酸素化型成分に対して吸収係数の差が大きい波長の光、つまり７００ｎｍから１．２μｍの波長の光を利用して、上述の原理による計測を行うことができる。
【００５４】
なお、本発明においては、異なる波長の光に対する散乱成分の散乱係数が相違する場合であっても散乱吸収体内の吸収成分濃度を精度よく計測することが可能であるため、実際の生体試料などのように散乱係数の波長依存性が無視できない場合であっても使用する波長が制限されることなく種々の境界条件（形状）の散乱吸収体についての計測が可能となる。
【００５５】
以上から、境界条件の異なる種々の散乱吸収体に対して、特定吸収成分の濃度を計測する方法が明らかになった。なお、上記の実施形態においてはパルス光を用いてインパルスレスポンスを測定する場合について説明しているが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、例えば、以下に説明するように変調光を用いてもよい。
【００５６】
変調光を用いる場合、インパルス応答ｈ（ｔ）のフーリエ変換はシステム関数を表す。インパルス応答ｈ（ｔ）が時間因果関数であることを考慮し、前記（３）式のフーリエ変換を考えると、次のようなシステム関数Ｈ（ω）が導出される。
【００５７】
【数４０】
0004018799.tif 000036
ここで、Ｒ（μs，ｃμa，ω）とＸ（μs，ｃμa，ω）はそれぞれ実部と虚部、またＡ（μs，ｃμa，ω）とφ（μs，ｃμa，ω）はそれぞれ振幅と位相を表す。なお、位相遅れは位相の符号を変えたものである。
【００５８】
次に、（３）式を（４１）式に代入して整理すると、複素関数論でコーシー−リーマン(Cauchy-Riemann)の関係式とよばれる次の関係式が成立することがわかる。
【００５９】
【数４１】
0004018799.tif 000037
更に、(42.1)式及び(42.2)式が成立する場合、次の関係が成立することが証明される。
【００６０】
【数４２】
0004018799.tif 000038
従って、吸収係数μaの算出は、(42.1)式、(42.2)式、(43.1)式及び(43.2)式の中のいずれの式を利用してもよく、具体的には、これらの式をμaで積分したもの、つまり上記の諸式から得られる次式を利用することが好ましい。
【００６１】
【数４３】
0004018799.tif 000039
ただし、(44.1)式〜(44.4)式中の右辺第２項は積分定数であり、それぞれμa＝０のときの値を示す。そして、上記(44.1)式〜(44.4)式を用いて前述と同様に解析することによって、（３３）式又は（３９）式のような散乱吸収体の吸収成分濃度に関する式を導出することができる。すなわち、例えば(44.3)式は前述の（１２）式に対応しており、従って積分強度Ｉを振幅Ａに、平均光路長＜Ｌ＞を位相φにそれぞれ置き換えることによって変調光を用いる場合についても前述と同様の解析が可能となる。なお、強度変調光を使用している場合には、前記式中のＢ1及びＢ2はそれぞれ強度変調光の変調周波数成分の振幅である。
【００６２】
また、上記の実施形態においては、検出光量Ｉとして時間分解波形を時間０から無限大まで（計測における現実的な方法としては、観測光波形が十分減衰するまで）の範囲で積分した値を採用しているが（例えば（７）式）、本発明はこれに限定されない。すなわち、例えば、任意の時刻ｔ1からｔ2を設定し、その範囲において光波形を積分して前述と同様の解析を行なってもよい。その場合には、被測定物である散乱吸収体内部を通過する光子の光路長を限定できるため、計測領域を限定できるという効果がある。
【００６３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６４】
（第１実施例）
図５は本発明の第１実施例を示すもので、散乱吸収体２０の内部の吸収成分の濃度を計測する方法及び装置の構成を示す。この構成では、２種類の波長の光（λ1 、λ2 ）と２種類の光検出距離（ｒ1 、ｒ2 ）に対応して８個のパラメータ値が得られるから、先に述べた（３９）式によって、吸収成分の濃度を計測することができる。
【００６５】
光源２はレーザーダイオードなどを使用し、異なる波長λ1 とλ2 のパルス光を発生する。このパルス光の時間幅は、光検出信号から平均飛行距離が導出できる程度に短いものであればよく、普通は１０ｐｓ〜１００ｎｓ程度の範囲で自由に選べる。また、光の波長は計測対象に応じて適宜に選ぶ必要がある。一般に生体では、ヘモグロビンなどの吸収の関係から７００ｎｍ以上の光がよく使用される。光源には、レーザーダイオードの他に、発光ダイオード、ＨｅＮｅレーザー、チタンサファイアレーザーなどを使用することができる。
【００６６】
光源２からのパルス光は波長選択器４で波長選択され、光ガイド６を通して計測対象である散乱吸収体２０の表面に入射する。この場合、２種類の波長のパルス光を同時に入射する方法としてもよく、このときには波長選択器４は省略される。
【００６７】
光ガイド６と散乱吸収体２０の間の空間は、図５の実施例では微小になっている。しかし実際にはこれを大きくして、この空間に散乱吸収体２０とほぼ等しい屈折率と散乱係数をもつ液状体やゼリー状物体（以下、インターフェイス材と呼ぶ）を満たしておいてもよい。つまり、光はこのインターフェイス材の中を拡散伝搬して計測対象に入射するから何ら問題は生じない。また散乱吸収体の表面反射が問題になるときは、インターフェイス材を適宜に選択することによって、表面反射などの影響を低減することができる。
【００６８】
散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光は、前記光入射位置から距離ｒ1 およびｒ2 の位置に置いた光ガイド８および９で受光される。ここでも前記と同様の理由によって、インターフェイス材を使用してもよい。
【００６９】
第１の光検出器１２および第２の光検出器１３は、前記光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅し、それぞれ光検出信号を出力する。光検出器１２および１３は、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオードなどを使用することができる。光検出器の選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性と必要な時間応答速度を持っていればよい。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。また、前述したように散乱吸収体に２種類の波長のパルス光を同時に入射する場合には、光検出器１２と散乱吸収体２０との間、および光検出器１３と散乱吸収体２０との間に適宜の波長選択フィルタ（図示せず）を入れることが好ましい。
【００７０】
パラメータ検出部１５は、前記のそれぞれの光検出信号から、光量と平均飛行距離を検出する。光量は光検出信号の時間積分値であるから、光検出信号を積分することによって容易に得られる。また、平均飛行距離は、十分時間幅の短いパルス光入射に対する光検出信号の時間波形の加重平均であるから、光検出信号の時間波形から、例えば、前出の（１０）式、あるいはこれと等価な演算を実行することによって容易に得られる。この場合、パラメータ検出部は必要に応じて、光源２の光パルス発生に同期した信号を利用する。
【００７１】
演算処理部１６は、前記パラメータ検出部で得られた８個のパラメータ値、つまり波長λ1 とλ2 のパルス光入射に対する位置ｒ1 での光量Ｉ1 （λ1 ），Ｉ1 （λ2 ）と平均飛行距離，＜Ｌ1 （λ1 ）＞と＜Ｌ1 （λ2 ）＞，および位置ｒ2 での光量Ｉ2 （λ1 ），Ｉ2 （λ2 ）と平均飛行距離＜Ｌ2 （λ1 ）＞、＜Ｌ2 （λ2 ）＞を用いて、前出の（３９）式に基づいて、吸収成分の濃度Ｖを演算する。このとき、経験的に定めることができる定数ｐとｑを用いる。また実際の計測では、ｐ＝ｑ＝１／２として、十分な精度が得られる。これらの演算処理は、演算処理部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
【００７２】
なお、波長λ1 とλ2 のパルス光の散乱吸収体２０への入射光強度が等しいか、又はこれらが等しくなるように制御できる場合には、第２の光検出器１３を省略することができる。この場合、パラメータ検出部１５で得られるパラメータは４個、つまり波長がλ1 とλ2 のパルス光入射に対する位置ｒ1 での光量Ｉ1 （λ1 ），Ｉ1 （λ2 ）と平均飛行距離＜Ｌ1 （λ1 ）＞、＜Ｌ1 （λ2 ）＞である。したがって、演算処理部１６では、これらのパラメータ値を用いて、前出の（３３）式に基づいて吸収成分の濃度Ｖを演算する。このとき、経験的に定めることができる定数ｐを用いるが、実際の計測では、ｐ＝１／２として、十分な精度が得られる。これらの演算処理は、演算処理部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
【００７３】
上記では、一箇所から光を入射し、他の２箇所で光検出する方法について説明した。しかし実際には、２箇所から波長の異なる光を入射し、他の点でこれらの光を並列あるいは時分割で検出してもよいことは明らかである。
【００７４】
また、前述したように、上記の実施例では、異なる波長の光を含む光を入射する方法と、異なる波長の光を時分割で入射させて使用する方法とがある。前者の場合には、異なる波長の光を同軸状のビームにして、光入射位置の直前に設けた波長選択フィルタで波長選択する方法、あるいはそのまま散乱吸収体に入射して、光検出器の直前に設けた波長選択フィルタで波長選択する方法、さらにはそれぞれの検出光を２つに分岐して波長選択して合計４個の光検出器で並列に検出する方法などがある。また後者では、光源側にミラーを用いた光ビーム切り換え器、ファルターを用いた波長切り換え器、光スイッチを用いた光切り換え器などを利用することができる。
【００７５】
散乱吸収体に光を入射する手段は、図５に示した光ガイドの代わりに、集光レンズによる方法（図６（ａ））、光ファイバーを用いる方法（図６（ｂ））、ピンホールを利用する方法（図６（ｃ））、胃カメラのように体内から光を入射する方法（図６（ｄ））などがある。また、太いビーム状の光を散乱吸収体に入射してもよい。この場合には、複数のスポット状光源が並んでいると考えればよい。
【００７６】
散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光を検出する手段しては、図５に示した光ガイドを用いる方法以外に、直接検出する方法（図７（ａ））、光ファイバーを用いる方法（図７（ｂ））、レンズを用いる方法（図７（（ｃ））などがある。
【００７７】
以上の第１実施例で、３種類の波長の光を使用すれば、２種類の吸収成分が含まれた散乱吸収体のそれぞれの吸収成分の濃度、あるいは多種の吸収成分が含まれた散乱吸収体の１種類の吸収成分の濃度と、他の吸収成分の合計の濃度などを計測することができる。例えば、酸素化型ヘモグロビンと脱酸素化型ヘモグロビンは、前出の図４に示したように、波長によって吸収係数が異なる。したがって、適宜に選択した３種類の波長の光を使用することによって、これらの濃度、さらには酸素飽和度などを計測することができる。一般的には、（ｍ＋１）種類の波長の光を使用して、ｍ種類の吸収成分のそれぞれの濃度を計測することができる。また、（ｍ＋１）種類より多くの波長の光を使用して、計測精度を向上させることもできる。
【００７８】
また、異なる時間に上記の計測を行なえば、吸収成分の濃度の時間変化を計測することができる。さらに、散乱吸収体に対する光の入射位置と光検出位置とを同期して走査（図示せず）させて、散乱吸収体の各部の吸収成分の濃度を計測すれば、濃度の空間分布の計測ができる。前記演算処理部１６は、このようにして得た吸収成分の濃度情報を記憶する機能をもち、表示記録手段１８はこれらを表示あるいは記録するものである。
【００７９】
これらの演算処理は、メモリ、ディスプレイなどを備えるコンピュータ装置によって高速に実行することができる。
【００８０】
（第２実施例）
図８は、本発明の第２実施例を示すもので、人体頭部などの散乱吸収体３０の内部の酸素化型ヘモグロビンの濃度あるいはヘモグロビンの酸素飽和度（酸素化型ヘモグロビンの濃度とヘモグロビン全体の濃度との比）を計測、あるいはモニタリングする方法及び装置構成を示す。この実施例では、３種類の波長（λ1 、λ2 、λ3 ）の光と、２種類の光検出距離（ｒ1 、ｒ2 ）を用いて、得られる１２個のパラメータ値を、先に述べた（２０）式に基づく３連の式からなる連立方程式に代入し、酸素化型ヘモグロビン濃度およびヘモグロビンの酸素飽和度などを計測することができる。
【００８１】
取り付け用のバンドをもつ容器２６は、鉢巻きのように頭部３０に装着される。この実施例に示す装置は、３種類の所定波長λ1 、λ2 およびλ3 の光を使用し、その動作は第１の実施例の装置とほぼ同じである。また、図９は、前出の図８に示した装置構成の一部分、つまり容器２６の内部の詳細を示す。
【００８２】
図９で、光源２から発せられた所定波長λ1 ，λ2 およびλ3 のパルス光は、波長選択器４で波長選択され、光ガイド６を通して頭部３０に入射される。この際、３種類の波長は、前出の図４に示したヘモグロビンの吸収スペクトルを参照して、適宜に選ばれる。
【００８３】
頭部内を拡散伝搬した光は、前記光入射位置から距離ｒ1 とｒ2 の位置に置いた光ガイド８と９で受光され、第１の光検出器１２と第２の光検出器１３で電気信号に変換、また必要に応じて増幅される。ここで得られる信号は、３種類の波長と２種類の光検出距離に対する信号である。電源や種々の信号などは、容器２６に付けたコネクタ２８を介して、信号ケーブル３２で外部機器３４に接続される。外部機器３４の中のパラメータ検出部（図示せず）では、３種類の波長と２種類の光検出距離に対するそれぞれの光量と平均飛行距離、つまり１２個のパラメータが得られる。
【００８４】
このとき、波長λ1 とλ2 に関して得られる信号、波長λ1 とλ3 に関して得られる信号に対して、前出の（３９）式と同様の２連の関係が成立する。したがって、第１の実施例と同様にして、酸素化型ヘモグロビンの濃度Ｖ1 、脱酸素化型ヘモグロビンの濃度Ｖ2 およびヘモグロビンの酸素飽和度Ｖ1 ／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）を演算処理部（図示せず）で演算処理することができ、必要に応じて出力、表示することもできる。なお、これらの演算処理は、演算処理部に内蔵された、コンピュータなどで高速に実行される。また上記で、容器２６の中で、信号を電波や光信号に変換して、信号ケーブルを介さないで外部機器３４に伝送することもできる。
【００８５】
以上の場合、光源、光入射部、光検出手段などは、第１の実施例で説明したものが利用できる。また、人体頭部などでは、表面反射や光ガイドと頭部間の隙間などが問題になることがある。この場合には、前述したインターフェース材を利用するとよい。この場合には、図９に示した光ガイドを省略して、頭部と波長選択器４との間、および頭部と光検出器１２および１３との間に、計測対象とほぼ同一の散乱係数と吸収係数をもつインターフェース材を使用する。
【００８６】
このような装置は、脳内の計測以外に、例えばマラソン中の人の脚の筋肉中の酸素化型ヘモグロビン濃度の計測あるいはモニタリングなどに使用することができる。
【００８７】
（第３実施例）
図１０は、本発明の第３実施例を示すもので、正弦波変調光を用いて散乱吸収体２０の内部の吸収成分の濃度を計測する方法及び装置の構成を示す。この実施例では、透過型の配置を計測に利用し、２種類の波長（λ1 ，λ2 ）の変調光を入射し、２種類の光検出距離（ｒ1 とｒ2 ）の位置で光検出し、得られるパラメータ値を、先に述べた（３９）式に代入して、吸収成分の濃度を計測する。
【００８８】
変調光源２１で発生した波長（光波長）λ1 とλ2 、所定角周波数（変調角周波数）ωの正弦波変調光は、波長選択器４を介して、光入射部５に導かれ、散乱吸収体２０に入射される。ここで、光入射部は前出の図６（ａ）に示した方法、つまりレンズを利用しているが、他の方法を用いてもよい。
【００８９】
所定角周波数の正弦波変調光は、図１１（ａ）に示すようにレーザーダイオードの電流変調によって発生させる。また、正弦波変調光は、図１１（ｂ）又は図１１（ｃ）に示すように、２台のＣＷレーザーのビートあるいは光変調器を利用して発生させることもできる。
【００９０】
光入射部５を介して散乱吸収体２０に入射された正弦波変調光は、内部を拡散伝搬し、その一部が第１の受光部１０および第２の受光部１１に入射する。ここでは、受光部として前出の図７（ｃ）に示す方法を用いている。受光部１０および１１に入射した光は、それぞれ光検出器１２と１３で電気信号に変換され、その信号は必要に応じて増幅される。この場合、光入射点と受光点の距離はｒ1 とｒ2 である。
【００９１】
信号処理制御部３６は、光源の制御および前記光検出信号の演算処理などを行い、散乱吸収体２０の内部の吸収成分の濃度Ｖを出力するとともに、必要に応じてそれらを表示・記録する。
【００９２】
図１２は、前記光検出信号に対する演算処理を実行する部分の具体的な構成例を示す。光検出器１２と１３からの光検出信号は、信号抽出部１４に導かれ、それぞれの光検出信号から角周波数成分が所定の値ωである信号のみが抽出される。この所定の角周波数ωの信号は、散乱吸収体２０の内部を拡散伝搬した所定角周波数ωの光子密度波である。つぎに、パラメータ検出部１５は、所定角周波数ωの信号の振幅Ｍと位相遅れφを検出する。
【００９３】
以上のような散乱吸収体内部の変調光の挙動は、（３）式〜（１０）式をフーリエ変換したもので表される。このとき、所定波長λ1 とλ2 に対して検出距離ｒ1 で検出した上記所定角周波数ωの信号の振幅の比、つまりＭ1 （λ1 ）／Ｍ1 （λ2 ）は、前出の（３９）式に用いられる光量Ｉ1 （λ1 ）とＩ1 （λ2 ）を用いて、
【数４４】
0004018799.tif 000040
と表される。したがって、（３３）式や（３９）式の光量比は、上記振幅の比に等しい。
【００９４】
また、角周波数ωが媒体中の光速度と吸収係数の積に比べて十分に小さいとき、つまりω＜＜ｃμa のとき、位相遅れφは前述した平均飛行距離＜Ｌ（μs，μa ）＞に比例する。
【００９５】
例えば、図１０に示した透過型の計測の場合の位相遅れφは、
φ（μs，ｒ，ω）＝ωｃ-1＜Ｌ（μs，μa ）＞
である、したがって、平均飛行距離＜Ｌ（μs，μa ）＞は、既知の値であるωとｃ、および計測値φから簡単に求めることができる。なお、このような関係は、半空間反射型計測の場合にも成立する。また、角周波数が高い場合には、
＜Ｌ（μs，μa ）＞＝ｃ φ（μs，ｒ，ω）／ω
の代わりに、
＜Ｌ（μs，μa ）＞＝ｃ ｄφ（μs，ｒ，ω）／ｄω
とする。すなわち、変調角周波数をわずかに変えて位相変化を計測すればよい。
【００９６】
以上から、前出の（３３）式または（３９）式を用いて吸収成分の濃度Ｖを計算するのに必要な計測値パラメータ、すなわち波長λ1 とλ2 の入射光に対する光検出距離ｒ1 とｒ2 での光量比Ｉ1 （λ1 ）／Ｉ1 （λ2 ），Ｉ2 （λ1 ）／Ｉ2 （λ2 ）、および、平均飛行距離＜Ｌ1 （λ1 ）＞と＜Ｌ1 （λ2 ）＞，＜Ｌ2 （λ1 ）＞と＜Ｌ2 （λ2 ）＞が求められる。このとき、第１実施例と同様に、経験的に定めることができる定数ｐとｑを用いるが、実際の計測では、ｐ＝ｑ＝１／２として、十分な精度が得られる。
【００９７】
演算処理部１６は、上記で求めたパラメータを用いて、前出の（３３）式または（３９）式で表される演算を実行して、吸収成分の濃度Ｖを出力する。また、必要に応じて、この濃度値は表示、記録される。なお、以上のような演算は、通常、メモリ、ディスプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に実行される。
【００９８】
なお、信号抽出部１４とパラメータ検出部１５には、市販のロックインアンプを利用することもできる。ロックインアンプでは、光検出信号から所定の周波数成分（変調周波数成分）ωの信号を抽出して、その信号の振幅Ｍと位相遅れφを検出することができる。このとき、前記変調光に同期した角周波数ωの信号を参照信号として利用する。なお、市販のロックインアンプは通常は変調周波数については２００ｋＨｚ程度までが計測範囲であるため、例えば変調周波数が１００ＭＨｚ程度の場合はそのままではロックインアンプで計測することはできない。そのため、光源の変調周波数とわずかに異なる周波数の局発発信器をもう１つ使用し、ヘテロダイン法で周波数変換を行なうとよい。例えば、光源の変調周波数が１００ＭＨｚの場合には、局発発信器の周波数を１００ＭＨｚ＋１ｋＨｚとして、両者の信号をミキサに入力すると、出力信号として１ｋＨｚが得られる。この１ｋＨｚは入力された１００ＭＨｚの信号の振幅情報、位相情報を保持しているので、これをロックインアンプで計測すればよい。
【００９９】
また上記の場合、光検出器１２および１３からの光検出信号の直流成分ｍdcは、ω＝０としたときの値であり、（３３）式および（３９）式の光量Ｉに相当する。このような、直流成分ｍdcは、低域通過フィルターを用いて簡単に抽出することができる。したがって、上記の第３実施例では、所定の角周波数ωの信号の振幅の代わりに、所定の波長に対して検出距離ｒ1 とｒ2 の位置で検出した直流成分ｍdcを用いてもよい。
【０１００】
さらに、当然ではあるが上記の計測を異なる時間に行えば、吸収成分の濃度の時間変化を計測することができる。また、上記の構成で、散乱吸収体２０に対して光入射位置と光検出位置を同期して相対的に走査させれば（図示せず）、吸収成分の濃度の空間分布を計測することができる。このとき、複数チャンネルの光検出系を利用することもできる。
【０１０１】
また、３種類の所定波長の光を利用すれば、２種類の吸収成分が含まれた散乱吸収体のそれぞれの吸収成分の濃度、あるいは多種の吸収成分が含まれた散乱吸収体の１種類の吸収成分の濃度と、他の吸収成分の合計の濃度などを計測することができる。より一般的には、（ｍ＋１）種類の波長の光を使用して、ｍ種類の吸収成分のそれぞれの濃度を計測することができる。また、（ｍ＋１）種類より多くの波長の光を使用して、計測精度を向上させることもできる。
【０１０２】
以上のような演算は、通常、メモリ、ディスプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に実行される。
【０１０３】
（第４実施例）
本実施例は、第３実施例で光源が発生する波長λ1 とλ2 の所定の周波数の正弦波変調光を、任意の波形の所定の繰り返し周波数（変調周波数）の変調光としたものである。つまり、第３実施例では、所定角周波数の正弦波変調光を利用したが、変調光は所定の周波数成分を含むものであれば、どんな波形のものであっても、その中に含まれる特定の周波数成分に対して、第３実施例の手法をそのまま適用することができる。例えば、繰り返しパルス光では、繰り返し周波数と同一、およびその整数倍の周波数成分が存在するので、いずれかの周波数成分に対して第３実施例の手法をそのまま適用することができる。所定の繰り返し周波数の変調光に要求される性能は、安定な繰り返し周波数と安定な光強度である。
【０１０４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明による散乱吸収体内部の吸収成分の濃度計測方法及び装置によれば、散乱特性が波長に依存する場合であっても、使用する波長が制限されることなくかつかかる散乱特性の波長依存性の影響を受けることなく、種々の境界条件（形状）の散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度や絶対値などを計測することが可能となり、従ってその計測精度が大幅に改善される。さらに、本発明によれば、それら特定吸収成分の濃度や絶対値の時間変化や空間分布をも散乱特性の波長依存性の影響を受けることなく精度よく計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】散乱吸収体内部を伝搬した光の飛跡の説明図である。
【図２】時間分解計測波形の例を示す説明図である。
【図３】散乱特性が波長依存性を有する場合における吸収係数と平均光路長との関係を示すグラフである。
【図４】各種生体物質の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図５】第１実施例の装置の構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、散乱吸収体への光入射方法を示す説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、受光方法を示す説明図である。
【図８】第２実施例の装置の構成図である。
【図９】第２実施例の装置の光入射・検出部の構成図である。
【図１０】第３実施例の装置の構成図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、変調光の発生方法を示す説明図である。
【図１２】光検出信号演算処理部の構成図である。
【符号の説明】
２…光源、４…波長選択器、５…光入射部、６，８，９…光ガイド、１０，１１…受光部、１２，１３…光検出器、１４…信号抽出部、１５…パラメータ検出部、１６…演算処理部、１８…表示記録部、２０…散乱吸収体、２１…変調光源、２６…容器、２８…コネクタ、３０…人体頭部、３２…ケーブル、３４…外部機器、３６…信号処理制御部、３８…発振器。
【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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