(57)【要約】【課題】境界面を有しない散乱物体の任意の深度における物質濃度を測定することができる測定方法及び測定装置を提供する。【解決手段】所定の光源から射出した低コヒーレント光を、測定対象物に入射して後方散乱光を発生させるための測定光と、該後方散乱光と干渉させるための参照光とに分割し、前記後方散乱光と前記参照光との干渉によって得られた干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度測定方法であって、光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定し、光路長の変化に対する前記干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から、複数の測定位置を決定する測定位置決定工程と、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度計算工程と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光源から射出した低コヒーレント光を、測定対象物に入射して後方散乱光を発生させるための測定光と、該後方散乱光と干渉させるための参照光とに分割し、
前記後方散乱光と前記参照光との干渉によって得られた干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度測定方法であって、
光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定し、光路長の変化に対する前記干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から、複数の測定位置を決定する測定位置決定工程と、
前記複数の測定位置における前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度計算工程と、を有することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項２】
前記測定位置決定工程は、測定された前記干渉光の強度の二次微分値を計算し、該二次微分値が略０となる領域の中から、前記複数の測定位置を決定する工程であることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定方法。
【請求項３】
前記濃度計算工程は、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度の比、及び、前記複数の測定位置間の距離を基に測定対象物の物質濃度を計算する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載の濃度測定方法。
【請求項４】
低コヒーレント光を射出する光源と、
前記光源から射出した光を、測定対象物に入射して後方散乱光を発生させるための測定光と、該後方散乱光と干渉させるための参照光とに分割する分割手段と、
前記後方散乱光と前記参照光との干渉によって得られた干渉光の強度を測定する強度測定手段と、
前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度計算手段と、を有する濃度測定装置であって、
前記参照光の光路長を変更して、測定対象物における測定位置を変更するための光路長変更手段と、
前記濃度計算手段による物質濃度の計算に用いる前記干渉光の強度を測定する複数の測定位置を決定する測定位置決定手段と、を有し、
前記測定位置決定手段は、前記光路長変更手段によって光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定した場合における前記干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から前記複数の測定位置を決定するものであり、
前記濃度計算手段は、前記測定位置決定手段によって決定された前記複数の測定位置における前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項５】
前記測定位置決定手段は、前記光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定した場合における前記干渉光の強度の二次微分値が略０となる領域の中から前記複数の測定位置を決定することを特徴とする請求項４に記載の濃度測定装置。
【請求項６】
前記濃度計算手段は、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度の比、及び、前記複数の測定位置間の距離を基に測定対象物の物質濃度を計算することを特徴とする請求項４又は５に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃度測定方法、及び濃度測定装置に関し、特に、散乱物体の任意の深度における物質濃度を測定するための濃度測定方法、及び濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体等の測定対象物の断層画像を得る方法として、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる方法が提案され、主に眼科領域で実用化されている。ＯＣＴは、低コヒーレンス光の干渉を利用しているために、コヒーレンス長の分解能で測定対象物を深さ方向に識別できるという特徴を有し、また、測定対象物を非侵襲的に測定することができることから、近年注目されている技術である。
【０００３】
このようなＯＣＴの特徴を生かして、生体内のグルコースの濃度を測定するための測定方法及び測定装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
特許文献１には、眼球の２つの境界面からの後方散乱光の強度をそれぞれ測定し、それら２つの後方散乱光の強度に基づいて眼房水成分中のグルコース濃度を求める方法が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、２つの反射点からの反射光による干渉信号から位相勾配を求め、その差からグルコース濃度の尺度としての屈折率を求める方法が記載されている。
【特許文献１】特開平９−２９９３３３号公報
【特許文献２】特表平９−５１２７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２に記載の方法を適用することができるのは、何れも、測定対象物が２つの境界面を有する場合に限定されており、境界面を有しない散乱物体の濃度を測定することは困難であった。
【０００７】
また、特許文献１、２に記載の方法によって測定できるのは、２つの境界面に挟まれた領域における平均的な濃度のみであり、測定対象物の任意の深度における濃度を測定することができないという問題があった。
【０００８】
更に、特許文献２に記載の方法は、フーリエ変換など、濃度を求めるために必要な計算量が非常に多く、そのために測定装置が大型化したり、測定時間が長くなったりする問題があった。
【０００９】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、境界面を有しない散乱物体の任意の深度における物質濃度を測定することができる測定方法及び測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
【００１１】
１．  所定の光源から射出した低コヒーレント光を、測定対象物に入射して後方散乱光を発生させるための測定光と、該後方散乱光と干渉させるための参照光とに分割し、前記後方散乱光と前記参照光との干渉によって得られた干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度測定方法であって、光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定し、光路長の変化に対する前記干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から、複数の測定位置を決定する測定位置決定工程と、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度計算工程と、を有することを特徴とする濃度測定方法。
【００１２】
２．  前記測定位置決定工程は、測定された前記干渉光の強度の二次微分値を計算し、該二次微分値が略０となる領域の中から、前記複数の測定位置を決定する工程であることを特徴とする前記１に記載の濃度測定方法。
【００１３】
３．  前記濃度計算工程は、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度の比、及び、前記複数の測定位置間の距離を基に測定対象物の物質濃度を計算する工程であることを特徴とする前記１又は２に記載の濃度測定方法。
【００１４】
４．  低コヒーレント光を射出する光源と、前記光源から射出した光を、測定対象物に入射して後方散乱光を発生させるための測定光と、該後方散乱光と干渉させるための参照光とに分割する分割手段と、前記後方散乱光と前記参照光との干渉によって得られた干渉光の強度を測定する強度測定手段と、前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算する濃度計算手段と、を有する濃度測定装置であって、前記参照光の光路長を変更して、測定対象物における測定位置を変更するための光路長変更手段と、前記濃度計算手段による物質濃度の計算に用いる前記干渉光の強度を測定する複数の測定位置を決定する測定位置決定手段と、を有し、前記測定位置決定手段は、前記光路長変更手段によって光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定した場合における前記干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から前記複数の測定位置を決定するものであり、前記濃度計算手段は、前記測定位置決定手段によって決定された前記複数の測定位置における前記干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算することを特徴とする濃度測定装置。
【００１５】
５．  前記測定位置決定手段は、前記光路長を変化させながら前記干渉光の強度を測定した場合における前記干渉光の強度の二次微分値が略０となる領域の中から前記複数の測定位置を決定することを特徴とする前記４に記載の濃度測定装置。
【００１６】
６．  前記濃度計算手段は、前記複数の測定位置における前記干渉光の強度の比、及び、前記複数の測定位置間の距離を基に測定対象物の物質濃度を計算することを特徴とする前記４又は５に記載の濃度測定装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、光路長の変化に対する干渉光の強度の変化率の変化が小さい領域の中から複数の測定位置を決定し、当該複数の測定位置における干渉光の強度から、測定対象物の物質濃度を計算するため、境界面を有しない散乱物体の任意の深度における物質濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図５を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態の１例である濃度測定装置１０を示す図である。また、図２は、本発明の濃度測定方法の１例を示すフローチャートである。図３は、測定対象物に入射した測定光と後方散乱光を示す図であり、図４は、濃度測定装置１０によって測定した干渉光の強度プロファイルを示す図である。また、図５は、本発明の別の実施形態である濃度測定装置２０を示す図である。
（濃度測定装置１０）
先ず、図１に示した濃度測定装置１０の構成について説明する。
【００２０】
濃度測定装置１０は、低コヒーレント光を射出する光源１１を有している。光源１１としては、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパー・ルミネッセンス・ダイオード）、ハロゲンランプなどを用いることができる。
【００２１】
濃度測定装置１０においては、光源１１から射出する光のコヒーレント長（可干渉距離）が短いほど、測定対象物の深さ方向の分解能を高くすることができる。そのため、上記の中でも、ＳＬＤは、射出光のコヒーレント長が数十μｍ程度と非常に短いため、光源１１として好ましく用いることができる。その他、フェムト秒レーザなどの短パルスレーザや、時間的に射出光の波長が変化するレーザなどを光源１１として用いることもできる。
【００２２】
光源１１からの射出光３１は、本発明の分割手段として機能するハーフミラー１２によって、測定光３２と参照光３３とに分割される。測定光３２は、測定対象物４０に入射して後方散乱光３４を発生させるための光束であり、参照光３３は、測定対象物４０の所定の深度で発生した後方散乱光３４と干渉させて干渉光３５を発生させるための光束である。
【００２３】
図１においては、ハーフミラー１２を透過した光束を測定光３２、ハーフミラー１２で反射した光束を参照光３３としているが、これに限定されるものではなく、逆に、ハーフミラー１２を透過した光束を参照光３３、ハーフミラー１２で反射した光束を測定光３２とする構成としてもよい。
【００２４】
測定光３２と参照光３３との強度比に特に制限はない。通常は、約１：１の比率とすればよいが、測定対象物４０の性質等に応じて分割比を変更してもよい。
【００２５】
参照光３３は、参照ミラー１３で反射され、再びハーフミラー１２に戻ってくる。参照ミラー１３は参照光３３の光軸方向（図１の矢印方向）に移動して参照光３３の光路長を変更することが可能であり、測定対象物４０における測定位置を変更するための光路長変更手段として機能する。
【００２６】
一方、測定光３２は測定対象物４０に入射する。測定対象物４０は散乱物体であるため、測定対象物４０に入射した測定光３２は、あらゆる深さで散乱光３６を発生させて、強度を弱めながら進行していく。散乱光３６のうち、測定光３２に対してほぼ直線的に戻ってきた光は、後方散乱光３４としてハーフミラー１２に到達する。
【００２７】
そして、ハーフミラー１２で反射された後方散乱光３４と、参照ミラー１３で反射された後にハーフミラー１２を透過した参照光３３との干渉によって得られた干渉光３５の強度を、ディテクタ１４によって測定する。ここで、参照光３３と後方散乱光３４とが干渉するのは、両者の光路長の差が、光源１１からの射出光３１のコヒーレント長以下の場合に限られる。本実施形態において、光源１１からの射出光３１はコヒーレント長の短い低コヒーレント光であるため、光路長が参照光３３とほぼ等しくなる特定の深度からの後方散乱光３４のみが、干渉に寄与することとなる。従って、参照ミラー１３を移動して参照光３３の光路長を調整することによって、測定対象物４０の所定の深度からの後方散乱光３４による干渉光３５の強度を測定することができる。
【００２８】
なお、光源１１として、時間的に射出光の波長が変化するレーザを用いる場合、ディテクタ１４による干渉光３５の強度測定は、干渉光の強度を時間的に積分して行うことが好ましい。
【００２９】
濃度測定装置１０は、更に、ＣＰＵ、メモリーなどを備えたコンピュータによって構成される測定位置決定手段１５及び濃度計算手段１６を有している。測定位置決定手段１５は、濃度計算手段１６による物質濃度の計算に用いる干渉光３５の強度を測定する複数の測定位置を決定するものである。複数の測定位置は、参照ミラー１３によって光路長を変化させながら干渉光３５の強度を測定した場合における干渉光３５の強度の変化率の変化が小さい領域の中から決定する。また、濃度計算手段１６は、測定位置決定手段１５によって決定された複数の測定位置における干渉光３５の強度から、測定対象物４０の物質濃度を計算する。
（濃度測定方法）
次に、濃度測定装置１０を用いた本発明の濃度測定方法の実施形態の１例について、図２のフローチャートに従って説明する。
【００３０】
図２のフローチャートにおいて、Ｓ１１〜Ｓ１４の工程は、光路長を変化させながら干渉光３５の強度を測定し、光路長の変化に対する干渉光３５の強度の変化率の変化が小さい領域の中から、複数の測定位置を決定する測定位置決定工程である。また、Ｓ１５の工程は、決定した複数の測定位置における干渉光３５の強度から、測定対象物４０の物質濃度を計算する濃度計算工程である。
【００３１】
理解を容易にするため、先に濃度計算工程Ｓ１５について説明する。図３は、測定対象物４０に入射した測定光３２と、２つの測定位置（深度）ｄ１及びｄ２で発生した後方散乱光３４（ｄ１）、３４（ｄ２）を示す模式図である。ここで、測定対象物４０の表面の位置ｄ０から測定位置ｄ１までの距離はＤ１、測定対象物４０の表面の位置ｄ０から測定位置ｄ２までの距離はＤ２である。また、濃度測定の対象領域は、ｄ１とｄ２の間の領域であり、この領域における物質の濃度はＣで一定とする。
【００３２】
測定対象物４０の表面に入射する測定光３２の強度をＩ０とする。また、測定位置ｄ１で発生した後方散乱光３４（ｄ１）による干渉光３５の強度をＩ１、測定位置ｄ２で発生した後方散乱光３４（ｄ２）による干渉光３５の強度をＩ２とする。
【００３３】
前方散乱が強い物体では、低コヒーレンス光の干渉によって、ほぼ直進光に近い後方散乱光が得られるので、ランベルト・ベールの法則（Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ  ｌａｗ）より、下記の式（１）、式（２）が成立する。
【００３４】
−ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ０）＝２・ε・Ｃ・Ｄ１・・・式（１）
−ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉ０）＝２・ε・Ｃ・Ｄ２・・・式（２）
ここで、εは物体固有の吸光係数である。
【００３５】
式（１）、式（２）より、対象領域における濃度Ｃは、式（３）で求められる。
【００３６】
【数１】
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【００３７】
式（３）を用いることで、複数の測定位置における干渉光３５の強度の比（Ｉ２／Ｉ１）、及び、複数の測定位置間の距離（Ｄ２−Ｄ１）を基に、測定対象物の所定の対象領域における濃度Ｃを求めることができる。これにより、境界面を有しない散乱物体の任意の深度における物質濃度を測定することができる。また、式（３）から明らかなように、測定の対象領域よりも浅い領域や、深い領域の影響を受けることなく、所定の領域における濃度Ｃを求めることができる。
【００３８】
式（３）によって濃度Ｃを求める場合において、高い測定精度を得るためには、複数の測定位置の間の対象領域において、物質が均質であること、つまり、屈折率の変化が少なく、干渉光３５の強度の変化率の変化が小さいことが要求される。そのため、本実施形態においては、濃度の計算に先立って、測定位置決定工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）において、光路長の変化に対する干渉光３５の強度の変化率の変化が小さい領域の中から、複数の測定位置を決定する。
【００３９】
次に、図２のフローチャートに戻って、測定位置決定工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）について説明する。
【００４０】
始めに、光路長を変化させながら干渉光３５の強度を測定し、干渉光３５の強度プロファイルを取得する（工程Ｓ１１）。光路長は、参照ミラー１３を移動させることによって変化させる。図４（ａ）は、この工程で得られる強度プロファイル４１の１例を示すグラフである。横軸は、参照光３３の光路長、縦軸は干渉光３５の強度を示している。この工程では、測定しようとする深度に対応する干渉光の強度が確実に含まれるように、参照ミラー１３を十分に広い範囲で移動させることが好ましい。なお、測定対象物４０の屈折率をｎとすると、測定対象物４０の深度の幅Ｄを確保するためには、参照ミラー１３の位置をｎ×Ｄだけ移動する必要があることに注意する。
【００４１】
次に、測定対象物４０の表面に対応する光路長ｄ０を決定する（工程Ｓ１２）。ここで、測定対象物４０の表面に対応する光路長ｄ０というのは、測定対象物４０の表面からの後方散乱光３４が参照光３３と干渉する場合における参照光３３の光路長ｄ０のことである。本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、干渉光３５の強度が最初に急激に上昇する位置をｄ０とすればよい。
【００４２】
次に、光路長ｄ０を測定対象物４０の表面（深さ０）として、測定しようとする深度に対応する光路長ｄの近傍で、干渉光３５の強度の二次微分を求める（工程Ｓ１３）。図４（ｂ）は、光路長ｄの近傍で求めた干渉光３５の強度の一次微分４２を示し、図４（ｃ）は、同じ領域で求めた干渉光３５の強度の二次微分４３を示している。
【００４３】
そして、干渉光３５の強度の二次微分４３が略０となる領域の中から、次の濃度計算工程Ｓ１５における物質濃度の計算に用いる２つの測定位置ｄ１及びｄ２を決定する（工程Ｓ１４）。このように、干渉光３５の強度の二次微分４３が略０となる領域の中から２つの測定位置を決定することで、干渉光３５の強度の変化率の変化が小さい領域、即ち、物質が均質な領域の中に２つの測定位置を設定することができる。
【００４４】
ここで、二次微分４３が略０となる領域とは、二次微分４３が領域の全てにおいて完全に０である必要はなく、測定値に影響を与える種々の因子（例えば、振動、温度変化など）に起因して生じる誤差は、測定精度上問題とならない範囲であれば許容される。
【００４５】
２つの測定位置ｄ１とｄ２の間隔に特に制限はなく、測定対象物４０の性質等に応じて適宜決定すればよい。一般的には、測定対象物４０の吸光係数εと濃度Ｃとの積（ε・Ｃ）が大きい場合には、ｄ１とｄ２の間隔が広すぎると干渉光３５の強度が小さくなって精度が低くなるおそれがあるため、間隔を狭くする方が好ましい。逆に、測定対象物４０の吸光係数εと濃度Ｃとの積が小さい場合には、高い精度を得るためにはｄ１とｄ２の間隔を広くとる方が好ましい。
【００４６】
また、濃度の計算に用いるために測定位置決定工程で決定する測定位置は、複数であれば２カ所のみに限定されるものではなく、３カ所、４カ所など、更に多数の測定位置を決定してもよい。この場合には、式（３）を複数の領域で計算して平均値を求めるなどの方法により、濃度Ｃを求めることができる。
（濃度測定装置２０）
次に、図５に示した本発明の別の実施形態である濃度測定装置２０について説明する。先に図１を用いて説明した濃度測定装置１０と同じ構成要素には同じ符号を示し、詳しい説明を省略する。
【００４７】
光源１１は、濃度測定装置１０と同様に低コヒーレント光を射出する。光源１１から射出した光は、ビーム整形素子２１によってビームプロファイル（ビームの断面形状）が円形になるように整形される。光源１１がＳＬＤなどの半導体光源の場合、ビームプロファイルが楕円形となることがある。その場合、ビーム整形素子２１を用いてビームプロファイルを円形に整形することによって、光の利用効率が向上し、測定精度の向上を図ることができる。
【００４８】
ビーム整形素子２１によって整形された光は、コリメートレンズ２２によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３は、光源１１からの光のうち、Ｐ偏光成分を透過するように構成されている。偏光ビームスプリッタ２３を透過したＰ偏光（直線偏光）は、λ／４波長板２４によって円偏光に変換された後、光路長変更手段２５に到達する。
【００４９】
光路長変更手段２５は、集光光学素子２６、ハーフミラー１２及び参照ミラー１３を有し、これらの相対位置を一定に保ちながら、全体として図の矢印方向に移動することで、光路長を変更することができるように構成されている。
【００５０】
光路長変更手段２５に到達した平行光は、集光光学素子２６によって収れん光に変換される。ハーフミラー１２は収れん光の光路中に配置され、入射した収れん光を、測定光（透過光）と参照光（反射光）とに分割する。
【００５１】
ハーフミラー１２で反射した参照光は、集光光学素子２６による集光位置に配置された参照ミラー１３で反射され、再びハーフミラー１２に戻ってくる。そして、ハーフミラー１２によって再度反射した光は、集光光学素子２６によって平行光となる。
【００５２】
一方、ハーフミラー１２を透過した測定光は、測定対象物４０に入射し、発生した後方散乱光がハーフミラー１２に到達し、一部がハーフミラーを透過し、集光光学素子２６によって平行光となる。
【００５３】
このとき、戻ってきた後方散乱光のうち、光路長が参照光と等しくなる所定の位置からの後方散乱光のみが参照光と干渉し、干渉光となる。λ／４波長板２４を通過した干渉光は円偏光からＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２３で反射してセンサレンズ２７によって集光する。
【００５４】
センサレンズ２７の焦点位置には共焦点２８が配置されている。これによって、測定対象物４０で発生した散乱光のうち、狭い角度範囲に射出した、直進光に近い後方散乱光のみが、共焦点２８を通過することになるため、不要な散乱光成分を除去することができ、測定精度をより向上させることができる。
【００５５】
共焦点２８を通過した干渉光は、ディテクタ１４によって検出され、強度を測定される。ディテクタ１４で検出された信号は信号増幅手段２９によって増幅され、測定位置決定手段１５及び濃度計算手段１６に送られる。信号増幅手段２９は、ロックインアンプなどによって構成することができ、干渉光が微弱な場合の測定精度向上に寄与する。
【００５６】
なお、濃度測定装置２０を用いる場合の物質濃度の測定方法は、上述の濃度測定装置１０を用いる場合と同様であり、図２に示したフローチャートに従って行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態の１例である濃度測定装置１０を示す図である。
【図２】本発明の濃度測定方法の１例を示すフローチャートである。
【図３】測定対象物に入射した測定光と後方散乱光を示す図である。
【図４】干渉光の強度プロファイルを示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態である濃度測定装置２０を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、２０  濃度測定装置
１１  光源
１２  ハーフミラー
１３  参照ミラー
１４  ディテクタ
１５  測定位置決定手段
１６  濃度計算手段
２１  ビーム整形素子
２２  コリメートレンズ
２３  偏光ビームスプリッタ
２４  λ／４波長板
２５  光路長変更手段
２６  集光光学素子
２７  センサレンズ
２８  共焦点
２９  信号増幅手段
３１  射出光
３２  測定光
３３  参照光
３４  後方散乱光
３５  干渉光
３６  散乱光
４０  測定対象物
４１  強度プロファイル
４２  一次微分
４３  二次微分
ｄ１、ｄ２  測定位置
【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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