(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からプローブ光を出射させ、所定箇所を通過したプローブ光の波形を光検出手段で検出し、検出された波形の重心を算出する第１の工程と、
前記所定箇所に被測定物（人体を除く）を配置するとともに前記光源からプローブ光を出射させ、この被測定物を透過し又は反射されたプローブ光の波形を前記光検出手段で検出し、検出された波形の重心を算出する第２の工程と、
前記第２の工程で算出した重心から前記第１の工程で算出した重心を減算する第３の工程と、
を備える光学測定方法。
【請求項２】
前記第３の工程で求められた重心データを解析して前記被測定物の内部情報を求める第４の工程をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光学測定方法。
【請求項３】
プローブ光を出力する光源と、
前記プローブ光の波形を検出する光検出手段と、
前記光源と前記光検出手段との間の光路上に配置された被測定物を透過し又は反射され、前記光検出手段により検出された前記プローブ光の波形の重心を第１の重心として算出するとともに、前記被測定物を介さずに前記光検出手段に検出された前記プローブ光の波形の重心を第２の重心として算出し、前記第１の重心から前記第２の重心を減算する第１の演算処理部と、
を備える光学測定装置。
【請求項４】
前記第１の演算処理部は、前記光検出手段により検出された光波形の重心を算出する重心演算部と、この重心演算部が算出した前記第１の重心から前記第２の重心を減算する差分演算部とを備えるものであることを特徴とする請求項３記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記差分演算部は、前記重心演算部の出力データの送出先を切り替える第１の切り替え手段と、前記第１の切り替え手段に接続され前記第２の重心を記憶する第１のメモリ手段と、前記第１の切り替え手段及び前記第１のメモリ手段に接続され前記第１の重心から前記第１のメモリ手段に記憶された第２の重心を減算する差分演算手段とを備えるものであることを特徴とする請求項４記載の光学測定装置。
【請求項６】
前記光源に接続され、前記プローブ光を所定箇所に導く第１の光導波手段と、前記光検出手段に接続され、前記第１の光導波手段から出射した前記プローブ光が入射する第２の光導波手段とをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の光学測定装置。
【請求項７】
前記第１の演算処理部の出力データを解析して、前記被測定物の内部情報を求める解析部をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の光学測定装置。
【請求項８】
前記被測定物として散乱吸収体を測定する請求項７記載の光学測定装置であって、
前記解析部は、前記第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の吸収に関する定数を求める解析を行うものであることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項９】
前記被測定物として散乱吸収体を測定する請求項７記載の光学測定装置であって、
前記解析部は、前記第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の散乱に関する定数を求める解析を行うものであることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項１０】
前記被測定物として散乱吸収体を測定する請求項７記載の光学測定装置であって、
前記解析部は、前記第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の屈折率を求める解析を行うものであることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項１１】
前記被測定物として散乱吸収体を測定する請求項７記載の光学測定装置であって、
前記解析部は、前記第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の組成の不均一度を求める解析を行うものであることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項１２】
前記被測定物として散乱吸収体を測定する請求項７記載の光学測定装置であって、
前記解析部は、前記第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の構造に関する定数を求める解析を行うものであることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項１３】
前記光検出手段により検出された光波形に基づいて、前記光源と前記光検出手段との間の光路上に配置された前記被測定物を透過し又は反射された前記プローブ光の波形の第１の積分値、及び前記被測定物を介さずに前記光検出手段に検出された前記プローブ光の波形の第２の積分値を算出し、前記第１の積分値と前記第２の積分値の比率演算を行う第２の演算処理部をさらに備え、
前記解析部は、前記第１及び第２の演算処理部からの出力データを解析して、前記被測定物の内部情報を求めることを特徴とする請求項７記載の光学測定装置。
【請求項１４】
前記第２の演算処理部は、前記光検出手段により検出された光波形の積分値を算出する積分演算部と、この積分演算部が算出した前記第１の積分値と前記第２の積分値との比率演算を行う比率演算部とを備えるものであることを特徴とする請求項１３記載の光学測定装置。
【請求項１５】
前記比率演算部は、前記積分演算部の出力データの送出先を切り替える第２の切り替え手段と、前記第２の切り替え手段に接続され前記第２の積分値を記憶する第２のメモリ手段と、前記第２の切り替え手段及び前記第２のメモリ手段に接続され前記第１の積分値と前記第２のメモリ手段に記憶された第２の積分値との比率演算を行う比率演算手段とを備えるものであることを特徴とする請求項１４記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被測定物を光学的に測定する技術に関するもので、特に散乱吸収体の内部情報を測定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体を切り開かずに生体内部の情報を得ることができれば、病気の治療や予防を行う上で非常にすばらしいことである。例えば、ボケの原因の一つであるアルツハイマー病の場合には脳の萎縮という現象が見られ、また癌の場合には正常組織とは異なる組織が発生するため、生体内部の構造を知ることによりこれらの病気の予防、治療にとって非常に有用な情報が得ることができる。この場合にも、生体を切り開かずに内部の情報を得ることができれば、極めて簡易な診断が可能である。また外科手術を行っている場合や入院患者の病状把握においても、患者に苦痛を与えずに生体情報を常時モニターしたいという要望は大きい。
【０００３】
このような要望に鑑み、現在では、Ｘ線や磁場、ポジトロンを用いて生体の内部情報を計測する方法が良く用いられている。Ｘ線は、生体に対する透過特性、直進性からレントゲン写真やＸ線ＣＴ（コンピュータ・トモグラフィー）という形で医療器具に良く用いられている。磁場は、ＭＲＩという手法によりＣＴに良く用いられている。ポジトロンは、放射性同位元素を含む薬剤を生体内に注入し、これが崩壊する際に放射するγ線を検出することによりＣＴを行うときに用いられている。
【０００４】
しかしながら、最近では、自然界にどこにでも存在する光、特に近赤外領域から可視領域の光を用いて生体内部の情報を取得したいという要望が強まっている。
【０００５】
生体は散乱吸収体であるから、生体を測定することは散乱吸収体を測定することになる。散乱吸収体の測定に関する技術分野で研究されている手法としては、時間的にほぼデルタ関数とみなしうる光パルスを散乱吸収体に入射させ、この散乱吸収体を透過した光、あるいは散乱吸収体により反射された光の波形を解析する方法が一般に知られている。光波形を解析する方法には様々なものがあるが、その中の一つに波形の重心を求める方法がある。
【０００６】
この方法では、いわゆるインパルスレスポンスの重心を評価することになるが、インパルスレスポンスを求めるには、光検出器の時間分解能と入射する光のパルス幅が、評価対象のインパルスレスポンスに対して無視できるほど狭いものを用いる必要がある。このような光源は、必要とする波長や光パワーによっては装置自体が存在しなかったり、また非常に高価であったり、制御が困難であったりすることが多い。光検出器についても同様に、検出すべき光の波長や光量によっては検出不可能であったり、高価であることが多い。
【０００７】
そこで、一般にはデルタ関数とはみなせない光パルスや、デルタ関数とはみなせない応答特性を持つ光検出器を用いて、デコンボリューションと呼ばれる手法によって、光源の光波形の広がりや光検出器の応答の影響、すなわち装置関数の影響を除去する手法が用いられる。
【０００８】
デコンボリューションは、観測された結果が真の波形と装置関数のコンボリューションとして表される場合に、その逆演算によって真の波形を求めるようとする手法である。以下では、これを具体的に説明する。
【０００９】
真の波形をｉ（ｔ）、観測波形をｏ（ｔ）、装置関数をｈ（ｔ）とした場合、これらの関係は、
【００１０】
【数１】
0003793255.tif 000002
【００１１】
のように表される。なお、＊はコンボリューションを表す。
【００１２】
真の波形の重心を求める際に、従来は上式の逆演算、即ちデコンボリューション処理によって真の光波形ｉ（ｔ）を求めてから、真の波形の重心を求める演算を行っていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法においてデコンボリューションを行う演算としては様々なアルゴリズムが知られているが、いずれのアルゴリズムを用いても演算時間が長いため、重心の計算結果を得るのに長時間を要する。このため、データを繰り返し取得し、測定対象の状態の時間的変化をモニターする場合には、繰り返し回数を多くして正確な測定結果を得ることが時間的に困難であるという問題があった。
【００１４】
また、上記の方法では、装置関数がゼロとみなしうる測定系を用いて測定を行う場合は、非常に時間分解能の高い計測を行う必要があり、装置が高価となる欠点もある。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、短時間で光波形の真の重心を求め被測定物の内部情報を取得することのできる光学測定方法及び光学測定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明の光学測定方法は、光源からプローブ光を出射させ、所定箇所を通過したプローブ光を光検出手段で検出し、プローブ光の波形の重心を求める第１の工程と、上記の所定箇所に被測定物を配置するとともに光源からプローブ光を出射させ、この被測定物を透過し又は反射されたプローブ光を光検出手段で検出し、プローブ光の波形の重心を求める第２の工程と、第２の工程で求めた重心から前記第１の工程で求めた重心を減算する第３の工程とを備えている。また、本発明の光学測定方法は、第３の工程で求められた重心データを解析して被測定物の内部情報を求める第４の工程をさらに備えていても良い。
【００１７】
次に、本発明の光学測定装置は、（ａ）プローブ光を出力する光源と、（ｂ）プローブ光の波形を検出する光検出手段と、（ｃ）光検出手段により検出された光波形に基づいて、光源と光検出手段との間の光路上に配置された被測定物を透過し又は反射されたプローブ光の波形の第１の重心、及び被測定物を介さずに光検出手段に検出されたプローブ光の波形の第２の重心を算出し、この第１の重心から第２の重心を減算する第１の演算処理部とを備えている。
【００１８】
第１の演算処理部は、前記光検出手段により検出された光波形の重心を算出する重心演算部と、この重心演算部が算出した前記第１の重心から前記第２の重心を減算する差分演算部とを備えるものであっても良い。この差分演算部は、重心演算部の出力データの送出先を切り替える第１の切り替え手段と、第１の切り替え手段に接続され第２の重心を記憶する第１のメモリ手段と、第１の切り替え手段及び第１のメモリ手段に接続され第１の重心から第１のメモリ手段に記憶された第２の重心を減算する差分演算手段とを備えるものであっても良い。
【００１９】
本発明の光学測定装置は、（ｄ）光源に接続され、プローブ光を所定箇所に導く第１の光導波手段と、（ｅ）光検出手段に接続され、第１の光導波手段から出射したプローブ光が入射する第２の光導波手段とをさらに備えていると良い。
【００２０】
また、本発明の光学測定装置は、（ｆ）第１の演算処理部の出力データを解析して被測定物の内部情報を求める解析部をさらに備えていると良い。被測定物が散乱吸収体である場合、この解析部は、第１の演算処理部の出力データに基づいて前記散乱吸収体の散乱又は吸収に関する定数、散乱吸収体の屈折率、散乱吸収体の組成の不均一度、あるいは散乱吸収体の構造に関する定数を求める解析を行うものであっても良い。
【００２１】
この光学測定装置は、（ｇ）光検出手段により検出された光波形に基づいて、光源と光検出手段との間の光路上に配置された被測定物を透過し又は反射されたプローブ光の波形の第１の積分値、及び被測定物を介さずに光検出手段に検出されたプローブ光の波形の第２の積分値を算出し、第１の積分値と第２の積分値の比率演算を行う第２の演算処理部をさらに備える装置であって、解析部が第１及び第２の演算処理部からの出力データを解析して、被測定物の内部情報を求めるものであると良い。
【００２２】
このとき、第２の演算処理部は、光検出手段により検出された光波形の積分値を算出する積分演算部と、この積分演算部が算出した第１の積分値と第２の積分値との比率演算を行う比率演算部とを備えるものであっても良い。この比率演算部は、積分演算部の出力データの送出先を切り替える第２の切り替え手段と、第２の切り替え手段に接続され第２の積分値を記憶する第２のメモリ手段と、第２の切り替え手段及び第２のメモリ手段に接続され第１の積分値と第２のメモリ手段に記憶された第２の積分値との比率演算を行う比率演算手段とを備えるものであっても良い。
【００２３】
【作用】
本発明者らの知見によれば、被測定物を透過したプローブ光、又は被測定物で反射されたプローブ光を検出することにより得られるプローブ光波形の重心（観測波形の重心）から被測定物を介さずに光検出手段で検出したプローブ光波形の重心（装置関数の重心）を減算することで、光源の特性に起因するプローブ光波形の広がりや光検出手段の応答特性が光波形に与える影響、すなわち装置関数の影響を除去して真の波形の重心を求めることができる。本発明の光学測定方法では、実際に上記の減算を行って高速かつ簡易に真の波形の重心を求める。被測定物を透過した光や被測定物で反射された光は、被測定物の内部情報を保有しているので、このようにして求められた重心データを解析することで被測定物の内部情報を取得することができる。したがって、この光学測定方法によって、生体を切り開かずに生体内部の情報を正確に取得し、病気の検査や診断を行うことができる。
【００２４】
次に、本発明の光学測定装置では、第１の演算処理部が第１の重心、すなわち観測波形の重心と、第２の重心、すなわち装置関数の重心を算出し、第１の重心（観測波形の重心）から第２の重心（装置関数の重心）を減算するので、光源の特性に起因するプローブ光波形の広がりや光検出手段の応答特性が光波形に与える影響が除去され、真のプローブ光波形の重心が高速かつ簡易に求められる。
【００２５】
第１の演算処理部が、重心演算部と差分演算部とを備える場合、重心演算部が第１及び第２の重心をそれぞれ算出し、各重心データを差分演算部に入力する。差分演算部は入力された各重心データに基づき、第１の重心から第２の重心を減算する演算を行って真のプローブ光波形の重心を求める。特に、差分演算部が、第１の切り替え手段、第１のメモリ手段及び差分演算手段を備える場合は、重心演算部からの第２の重心データは第１の切り替え手段を介して第１のメモリ手段に入力され、そこで記憶される。一方、重心演算部からの第１の重心データは第１の切り替え手段を介して差分演算手段に入力される。差分演算手段は、第１の重心データの入力に応じて第１のメモリ手段から第２の重心データを読み出し、第１の重心から第２の重心を減算する演算を行って真のプローブ光波形の重心を求める。
【００２６】
本発明の光学測定装置のうち第１及び第２の光導波手段を備えるものによれば、第１の光導波手段により光源からのプローブ光を被測定物まで容易かつ確実に導くとともに、被測定物を透過したプローブ光または被測定物で反射されたプローブ光を第２の光導波手段により光検出手段まで確実に導くことができる。
【００２７】
本発明の光学測定装置のうち解析部を備え、被測定物として散乱吸収体を測定するものでは、第１の演算処理部が出力する真のプローブ光波形の重心データが解析部に入力される。解析部は、この重心データに基づいて解析を行い、散乱吸収体の所望の内部情報、例えば、散乱吸収体の吸収または散乱に関する定数、散乱吸収体の屈折率、散乱吸収体の組成の不均一度、あるいは散乱吸収体の構造に関する定数を求める。したがって、この光学測定装置によって、生体を切り開かずに生体内部の情報を正確に取得し、病気の検査や診断を行うことができる。
【００２８】
本発明の光学測定装置のうち第２の演算処理部を備えるものでは、第２の演算処理部が第１の積分値と第２の積分値との比を求め、解析部がこの比率演算データと真のプローブ光波形の重心データとを解析するので、被測定物のより詳細な内部情報が求まることになる。
【００２９】
第２の演算処理部が、積分演算部と比率演算部とを備える場合は、重心演算部が第１及び第２の積分値をそれぞれ算出し、各積分値データを比率演算部に入力する。差分演算部は入力された各積分値データに基づき、第１の積分値と第２の積分値との比を求める演算（比率演算）を行う。特に、比率演算部が、第２の切り替え手段、第２のメモリ手段及び比率演算手段を備える場合は、積分演算部からの第２の積分値データは第２の切り替え手段を介して第２のメモリ手段に入力され、そこで記憶される。一方、積分演算部からの第１の積分値データは第２の切り替え手段を介して比率演算手段に入力される。比率演算手段は、第１の積分値データの入力に応じて第２のメモリ手段から第２の積分値データを読み出し、第１の積分値と第２の積分値の比を求める演算を行う。
【００３０】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）は、ともに本実施例の光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。本実施例の光学測定装置は、光源１０、光ファイバ等の光導波手段１２及び１４、光検出器１６、波形メモリ１８、重心演算装置２０、並びに差分演算部３０から構成されている。
【００３２】
光源１０は、プローブ光である短パルス光を出力するものである。光源１０には光導波手段１２が接続されており、光源１０から出射したプローブ光が入射するようになっている。光導波手段１４は、領域４０を挟むように光導波手段１２に対向して配置されており、光導波手段１２から出射して領域４０を通過したプローブ光がその一端から入射するようになっている。なお、領域４０には検査の際に被測定物が配置されることになる。
【００３３】
光導波手段１４の他端には、光検出器１６が接続されている。この光検出器１６は、光導波手段１４内を進行してきたプローブ光を受光し、その光強度に応じた電気信号を出力するものである。光検出器１６には波形メモリ１８が接続されており、光検出器１６の出力信号が表す光波形データはここで記憶される。また、波形メモリ１８には、光源１０からトリガ信号が入力されるようになっており、波形メモリ１８はプローブ光の出射に同期して光検出器１６からの光波形データを取り込むようになっている。
【００３４】
波形メモリ１８には重心演算装置２０が接続されている。この重心演算装置２０は、波形メモリ１８に記憶されているデータに基づいて光検出器１６により検出された光波形の重心を算出するものである。
【００３５】
重心演算装置２０には差分演算部３０が接続されている。この差分演算部３０は、切り替え装置３２、メモリ３４及び差分演算装置３６から構成されている。切り替え装置３２は重心演算装置２０に接続されており、重心メモリ３４及び差分演算装置３６は、それぞれ切り替え装置３２に接続されている。切り替え装置３２は、重心演算装置２０の出力データの送出先を重心メモリ３４及び差分演算装置３６の間で相互に切り替えるものである。重心メモリ３４は、重心演算装置２０の出力データを記憶するものである。差分演算装置３６は、重心演算装置２０から切り替え装置３２を介して入力されるデータから重心メモリ３４が記憶しているデータを減算するものである。
【００３６】
次に、本実施例の光学測定装置の動作と本実施例の光学測定方法を説明する。まず、図１（ａ）に示されるように、領域４０に被測定物を配置しない状態で光源１０にプローブ光を出射させる。このプローブ光は光導波手段１２内を進行して領域４０へ出力される。プローブ光は、領域４０を通過して光導波手段１４に入射し、光導波手段１４によって光検出器１６に導かれる。これにより、領域４０を通過したプローブ光の時間波形が光検出器１６によって検出される。この光波形データは、プローブ光に同期したタイミングで波形メモリ１８に取り込まれ、記憶される。
【００３７】
重心演算装置２０は、波形メモリ１８から必要に応じて光波形データを呼び出し、そのデータに基づいて所定の演算を行って、プローブ光波形の重心を算出する。この重心が、装置関数ｈ（ｔ）の重心Ｈ（＝∫t・h(t)dt／∫h(t)dt）である。なお、装置関数ｈ（ｔ）としては、プローブ光のパルス波形、光検出器１６の応答関数、その他電気信号を伝達する信号線による信号歪み等が考えられる。
【００３８】
こうして求められた装置関数ｈ（ｔ）の重心データは、切り替え装置３２に入力される。切り替え装置３２が制御するデータの送出先は予め重心メモリ３４に設定されており、装置関数ｈ（ｔ）の重心データは重心メモリ３４に入力される。これにより、ｈ（ｔ）の重心データは、重心メモリ３４に記憶される。
【００３９】
次に、図１（ｂ）に示すように、領域４０に被測定物４５を配置してから、光源１０にプローブ光を出射させる。このプローブ光は、光導波手段１２内を進行して被測定物４５に入射する。被測定物４５を透過して光導波手段１４に入射したプローブ光は、光導波手段１４内を進行して光検出器１６により受光される。こうして光検出器１６により検出される光波形データは、被測定物４５の内部情報を反映したものになっている。この光波形データは、波形メモリ１８に記憶され、重心演算装置２０の重心演算に用いられる。このとき、重心演算装置２０が算出する重心が観測波形ｏ（ｔ）の重心である。観測波形ｏ（ｔ）の重心データは、切り替え装置３２に入力される。切り替え装置３２が制御するデータの送出先は予め差分演算装置３６に設定されており、したがって観測波形ｏ（ｔ）の重心データは差分演算装置３６に入力される。差分演算装置３６は、重心メモリ３４から装置関数ｈ（ｔ）の重心データを呼び出し、観測波形ｏ（ｔ）の重心から装置関数ｈ（ｔ）の重心を減算する。
【００４０】
本発明者らの知見によれば、観測波形ｏ（ｔ）の重心から装置関数ｈ（ｔ）の重心を減算することにより、真の波形ｉ（ｔ）の重心を求めることができる。以下、この原理について説明する。
【００４１】
真の波形をｉ（ｔ）、観測波形をｏ（ｔ）、装置関数をｈ（ｔ）とした場合、これらの関係は、一般に、
【００４２】
【数２】
0003793255.tif 000003
【００４３】
のように表すことができる。なお、以下では、特に断らない限り、積分範囲は−∞〜＋∞とする。
【００４４】
ｉ（ｔ）、ｏ（ｔ）、ｈ（ｔ）の重心をそれぞれＩ、Ｏ、Ｈとおくと、
Ｉ＝∫t・i(t)dt／∫i(t)dt      …（３）
Ｏ＝∫t・o(t)dt／∫o(t)dt      …（４）
Ｈ＝∫t・h(t)dt／∫h(t)dt      …（５）
とおける。
【００４５】
Ｏの分子、分母をそれぞれ計算する。まず、Ｏの分子を計算すると、
0003793255.tif 000004
ここで、ｔ−ｔ′＝τとおくと、ｔ＝τ＋ｔ′、ｄｔ＝ｄτであるから、
0003793255.tif 000005
続いて、Ｏの分母を計算すると、
0003793255.tif 000006
ここで、ｔ−ｔ′＝τとおくと、ｔ＝τ＋ｔ′、ｄｔ＝ｄτであるから、
∫o(t)dt＝∫i(t′)dt′∫h(τ)dτ      …（７）
（６）（７）から、
0003793255.tif 000007
これにより、観測波形ｏ（ｔ）の重心Ｏは、装置関数ｈ（ｔ）の重心Ｈと真の波形ｉ（ｔ）の重心Ｉとの和で表されることが証明された。
【００４６】
以上から明らかなように、真の波形ｉ（ｔ）の重心Ｉは、観測波形ｏ（ｔ）の重心Ｏから装置関数ｈ（ｔ）の重心Ｈを減算したものである。差分演算装置３６は、この演算を実行するものであり、したがって、差分演算装置３６の出力データは真の波形ｉ（ｔ）の重心データである。こうして、被測定物の内部情報を有するプローブ光の波形について真の重心が求まることになる。
【００４７】
このように、本実施例の光学測定装置では、プローブ光の観測波形の重心から予め求めておいた装置関数の重心を減算するという簡易な処理によりプローブ光波形の真の重心を求めることができるので、従来のデコンボリューション処理を用いた手法よりも高速にプローブ光波形の真の重心を求めることができる。
【００４８】
なお、上記の光検出器１６としては、光電管（ＰＴ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、マルチチャネルプレート（ＭＣＰ）内蔵の光電子増倍管（ＭＣＰ−ＰＭＴ）、ホトダイオード（ＰＤ）、アバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）等を用いることができる。上記の光検出器は、通常は、アナログ的に光波形を電気波形に変換するものであるが、光検出器を光子計数領域で用いることにより、デジタル的に波形計測を行なうこともできる。この場合には、光検出器は、光子１ヶに対応して電気パルス信号を１ヶ発生させる。この電気信号を後の電子回路で処理可能な振幅まで増幅させた後、この電気パルス信号の検出時刻分布を、検出時刻を横軸にして計数していく。この場合の時刻の基準信号（以下、「スタート信号」と呼ぶ）には、プローブ光パルスを発生させるのに用いている電気信号から得られる同期信号、またはプローブパルスを光検出器で検出して得られる光パルスに同期した電気信号を用いる。スタート信号と、光検出により得られた電気信号（以下、「ストップ信号」と呼ぶ）を時間一強度変換器（以下、「ＴＡＣ」と呼ぶ）に入力する。ＴＡＣは、時間間隔を出力信号の振幅に変換するので、これを波高解析器（ＰＨＡ）で解析することにより、光信号波形を得ることができる。光子の検出時刻の分解能を上げるためには、ＴＡＣの前にコンスタントフラクションディスクリミネータ（以下、「ＣＦＤ」と呼ぶ）を用いると良い。波形メモリは上記の計測によって得られた出力信号強度分布を時間分布として記憶させることができる。
【００４９】
また、本実施例の装置では、光源１０からのトリガ信号が波形メモリ１８に入力されるようになっているが、波形メモリ１８以降の処理系に入力するようになっていても構わない。この場合は、トリガ信号の入力に応じて光波形の時間成分を適当に遅延させて演算処理を行うことで、プローブ光波形の重心が求められることになる。
【００５０】
さらに、本実施例の装置では、被測定物４５を透過したプローブ光を検出しているが、被測定物４５で反射されたプローブ光を検出するようにしても構わない。この場合は、例えば、光導波手段１２及び１４とは別の光導波手段を被測定物４５で反射されたプローブ光が入射する位置に配置し、この光導波手段を光検出器１６に接続しておけば良い。
【００５１】
本実施例の光学測定装置により求めた真のプローブ光波形の重心データを用いて、様々な被測定物の内部情報を取得することができる。以下では、本実施例の光学測定装置を含む装置であって散乱吸収体の内部情報を測定する装置を説明する。
【００５２】
図２及び図３は、この光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。この装置は、上記の光学測定装置（図１）と、差分演算装置３６に接続された解析装置５０と、この解析装置５０に接続された記録装置５２と、この記録装置５２に接続された表示装置５４とから構成されている。
【００５３】
解析装置５０は、差分演算装置３６から出力される真の重心データに基づいて所定の演算を行い、散乱吸収体４５の所定の内部情報を求めるものである。記録装置５２は、解析装置５０が求めた内部情報データを記録し、保存するものである。表示装置５４は、解析装置５０が求めた内部情報データを画面上にグラフ化して表示するものである。記録装置５２及び表示装置５４を設置することで、散乱吸収体４５の内部の様子の時間的変化を追跡することが容易になる。
【００５４】
解析装置５０の演算処理の内容は、求めようとする散乱吸収体４５の内部情報の種類に応じて異なる。例えば、差分演算装置３６で求めた重心から吸収係数μaを求める場合は、解析装置５０では吸収係数μaをパラメータとしてインパルス応答を表記した理論式に基づく演算が行われる。このような理論式として一般に良く用いられる光拡散方程式の解、すなわちパルス幅が十分短いパルス光を被測定物に入射させることにより測定される出力光波形は、
ｆ（ｔ）＝（４πｃＤ）-3/2ｔ-5/2ｅｘｐ（−μaｃｔ）ｅｘｐ｛−ｒ2／（４Ｄｃｔ）｝
ここで、ｃ：媒質中の光速
Ｄ：光拡散定数（＝１／３μs′、ここでμs′は、輸送散乱係数を表す。）
μa：吸収係数
ｔ：時間
ｒ：光源と光検出器の距離
のように表される。なお、真空中の光速をｃ′、被測定物の屈折率をｎとおけば、ｃ＝ｃ′／ｎと表すことができる。また、上記の輸送散乱係数μS′はμS′＝（１−ｇ）μSで定義されるものであり、ここでｇは散乱吸収体による光子の散乱角の余弦の平均値である。
【００５５】
この解は、被測定物が無限に大きい条件下で得られるものである。測定すべき散乱吸収体の形状、境界条件等によっては多少式の形も変化するが、この場合も、基本的には上式の変形もしくは上式に条件を付加したものを解とすれば良い。
【００５６】
ｆ（ｔ）のｔによる加重積分∫t・f(t)dtを上式の積分値∫f(t)dtで割ることにより重心の理論式が得られる。なお、散乱吸収体の形状に応じた各種の理論式は公知になっており、これは、例えば、S.R.Arridge らの論文、”Theoretical Basis for the Determination of Optical Pathlengths in Tissue:Temporal and Frequency Analysis”（Physics in Med.& Biol.,DECEMBER,1991）に掲載されている。
【００５７】
重心の理論式は、吸収係数μa の関数であるため、差分演算装置３６が求めた重心データを用いることで逆に吸収係数μa を算出することができるようになる。同様に、解析装置５０が重心データを用いて逆算を行うか、連立方程式を解く演算を行うことで散乱吸収体４５の拡散定数や屈折率等の内部情報も求めることができる。したがって、内部情報の種類に応じて解析装置５０内の演算処理を設定しておけば、所望の内部情報を求めることができる。
【００５８】
屈折率の変化を検出する例としては、血糖値の計測を挙げることができる。例えば、John S.Maierらによる論文、”Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coefficient of tissues in the near infrared ”（OPTICS LETTERS/Vol.19,No.24/December 15,1994）に記載があるように、組織のグルコース濃度は細胞外液の屈折率に大きな影響を与えると考えられる。組織中の光散乱係数は、細胞外液と細胞との間の屈折率差に大きく依存するため、細胞外液の屈折率変化によって光散乱係数が変化して出力波形が変化し、重心の変化となって現れる。このように、散乱吸収体を透過した光波形の重心と細胞外液の屈折率の間には相関関係があるので、解析装置５０において重心データに基づいて適当な演算を行うことで細胞外液の屈折率を求めることができる。
【００５９】
なお、上述のように、重心データから散乱定数や吸収定数等の内部情報パラメータを求めるための式としては光拡散方程式を用いるのが一般的ではあるが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、散乱吸収体内部の光の吸収が伝播距離の関数として表されることから導かれる式や、実験から得られる重心と内部情報パラメータとの関係式等を用いることもできる。
【００６０】
また、重心データを用いて散乱吸収体４５の組織の不均一度や構造に関する定数を求めることも可能である。組織の不均一度や構造に関する定数は、散乱吸収体４５の組織をモデル化できる場合には、そのモデルに適当な式を当てはめてやれば定量化できる。モデル化が困難な場合でも、散乱吸収体４５に関するパラメータと散乱吸収体４５を透過あるいは反射した光波形の重心との相関関係を予め調べておけば、そのパラメータの値を求めることができる。この場合、解析装置５０は、差分演算装置３６からの重心データを所定の相関データと照合して、所定のパラメータを求める処理を行うことになる。
【００６１】
ここで、測定された光波形の真の重心が被測定物の状態（例えば、組成や構造）と図４のような相関関係を有する場合を考える。図４において、各ドットは、実際に人体に対して測定を行って取得したデータであり、直線は測定値から求めた相関直線である。測定した人体の波形の重心の値がＡ点にあったとすれば、その人の状態はほぼＢ程度であることがわかり、これを見て測定者（例えば、医者）は、より詳細な計測（検査）を必要とするかの判断を下すことができる。
【００６２】
光による診断は非侵襲である点にメリットがあるため、例えば血糖値の計測の場合は指や腕のような比較的測定しやすい部位に光を入射して、そこから所定の距離離れた点で透過光を検出する。その際には、光源や検出器を測定部位に直接取り付けても良いし、光ファイバ等を用いて光源から人体まで光を導き人体から出射した光を光ファイバ等により検出器まで導いても良い。
【００６３】
また、病状や体の調子と計測された重心との相関が求められれば、重心データから直接有用な情報を取得することができる。例えば、測定値の変化が組織の構造変化と相関があれば、その相関を利用して重心変化から構造変化度を求めることができる。
【００６４】
解析装置５０の演算処理を被測定物の構造変化に関する情報を取得するものに設定すれば、図２及び図３に示される光学測定装置は骨粗しょう症の診断に応用することができる。例えば、荒木隆一郎、竹内晃らによる、「粗しょう骨の光学計測(1)(2)」（第６５回日本衛生学会予稿）に記載されているように、正常な状態から構造が変化した骨組織を透過する光の時間波形には、その構造変化に応じて波形のピーク、広がり、重心等に変化が見られる。具体的に説明すると、組織を透過する光は散乱されながら組織中を伝搬するため、組織構造が粗になると散乱を受ける頻度が減少して応答波形に変化が生じる。散乱が小さくなると、出力光波形の幅は狭くなり、ピークや重心は正常時に比べ短時間側にシフトする。したがって、出力波形の重心を測定することにより骨粗しょう症に関する情報を得ることができる。この場合、解析装置５０は、重心データに基づいて構造の変化度を表すパラメータを求める演算を行うように設定すれば良い。
【００６５】
人体の散乱係数、吸収係数、組織の構造等が変化した結果が総合的に現れる例としては、アルツハイマー病がある。この病気の患者の脳の様子や機能はＰＥＴやＭＲＩによりある程度明らかになりつつあり、病気の進行に伴って神経細胞の脱落による組織の萎縮や血流量の減少等が生じることが分かっている。これにより、組織内を伝搬する光は散乱や吸収による光変調を受けにくくなるため、病気の進行度に応じて出力波形の重心は著しく変化する。したがって、このような相関関係に基づいて重心データから病気の進行度を求める処理を行うように解析装置５０を設定すれば、本実施例の光学測定装置によりアルツハイマー病の診断を行うことが可能になる。
【００６６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施例の装置では一点入射・一点検出の方式を採用しているが、これに限られるものではなく、被測定物に入射したプローブ光のうち被測定物の各点から出射するものを被測定物の周囲に配置した複数の光検出器で検出して、各検出光から得られる散乱吸収体の内部情報をマッピングすることも可能である。また、逆に、光源の位置をスキャンして位置を固定した光検出器で検出を行っても良い。さらに、これらの方式を併用すること可能である。
【００６７】
次に、図５及び図６は、図２及び図３に示される光学測定装置の変形例に関して、その構成及び動作を示すブロック図である。この装置は、図２及び図３に示される光学測定装置の構成に加えて、波形メモリ１８に接続された積分器６０と、この積分器６０に接続された切り替え装置６２と、この切り替え装置６２に接続された積分値メモリ６４及び比率演算装置６６とをさらに備えている。比率演算装置６６には解析装置５０が接続されており、比率演算装置６６の出力データが解析装置５０に入力されるようになっている。解析装置５０には、図２及び図３に示される装置と同様に、記録装置５２及び表示装置５４が接続されている。
【００６８】
次に、本実施例の光学測定装置の動作及び本実施例の光学測定方法を説明する。まず、図２に示されるように、領域４０に被測定物を配置しない状態で光源１０にプローブ光を出射させ、領域４０を通過したプローブ光の時間波形を光検出器１６で検出する。この光波形データは、プローブ光に同期したタイミングで波形メモリ１８に取り込まれ、記憶される。
【００６９】
重心演算装置２０は、波形メモリ１８から必要に応じて光波形データを呼び出し、そのデータに基づいてプローブ光波形の重心を算出する。一方、積分器６０は、波形メモリ１８の光波形データに基づいてプローブ光波形の時間積分値を算出する。これにより、装置関数ｈ（ｔ）の重心及び積分値が求められたことになる。得られた重心データ及び積分値データは、それぞれ切り替え装置３２及び６２を介して重心メモリ３４及び積分メモリ６４に入力され、そこで記録される。
【００７０】
次に、図６に示すように、領域４０に被測定物４５を配置してから、光源１０にプローブ光を出射させ、被測定物４５を透過した光検出器１６で受光する。光検出器１６により検出された光波形データは、波形メモリ１８に記憶され、重心演算装置２０の重心演算及び積分器６０の積分演算に用いられる。これにより、観測波形ｏ（ｔ）の重心及び時間積分値が算出される。観測波形ｏ（ｔ）の重心データ及び積分値データは、それぞれ切り替え装置３２及び６２を介して差分演算装置３６及び比率演算装置６６に入力される。差分演算装置３６は、重心メモリ３４から装置関数ｈ（ｔ）の重心データを呼び出し、観測波形ｏ（ｔ）の重心から装置関数ｈ（ｔ）の重心を減算して、真の波形ｉ（ｔ）の重心を求める。一方、比率演算装置６６は、積分メモリ６４から装置関数ｈ（ｔ）の積分値データを呼び出し、観測波形ｏ（ｔ）の積分値を装置関数ｈ（ｔ）の積分値で割る演算を行う。差分演算装置３６及び比率演算装置６６の演算結果は、ともに解析装置５０に送出される。
【００７１】
解析装置５０は、真の波形ｉ（ｔ）の重心データと光波形の積分値の比率演算データとを用いて、上述の装置よりも詳細な解析を行う。波形メモリ１８から差分演算装置３６までの測定系によって取得される重心データは、前述のように散乱係数や吸収係数等の様々なパラメータによって変調を受ける。同様に、光波形の積分値も散乱係数や吸収係数等によって変調を受ける。したがって、重心データと積分値の比率演算データとを総合した演算処理を行うことにより、重心への散乱の寄与と吸収の寄与とを分離することも容易となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光学測定方法によれば、観測波形の重心から装置関数の重心を減算するだけで高速かつ簡易に真のプローブ光波形の重心を求めることができ、これにより、所望の光学測定を短時間で効率良く行うことができる。また、真のプローブ光波形の重心データを解析すれば被測定物の内部情報を取得することができるので、例えば、生体を切り開かずに生体内部の情報を正確に取得し、短時間で病気の検査や診断を行うことができる。
【００７３】
次に、本発明の光学測定装置によれば、第１の演算処理部が第１の重心（観測波形の重心）から第２の重心（装置関数の重心）を減算するだけで高速かつ簡易に真のプローブ光波形の重心を求めるので、所望の光学測定を短時間で効率良く行うことができる。
【００７４】
本発明の光学測定装置のうち第１及び第２の光導波手段を備えるものによれば、第１の光導波手段により光源からのプローブ光を被測定物まで容易かつ確実に導くとともに、被測定物を透過したプローブ光または被測定物で反射されたプローブ光を第２の光導波手段により光検出手段まで確実に導くことができるので、被測定物の光学測定を一層簡易に行うことができる。
【００７５】
また、本発明の光学測定装置のうち解析部を備えるものによれば、解析部が真のプローブ光波形の重心データを解析して散乱吸収体の各種の内部情報を取得するので、例えば、生体を切り開かずに生体内部の情報を正確に取得し、短時間で病気の検査や診断を行うことができる。
【００７６】
また、本発明の光学測定装置のうち第２の演算処理部を備えるものでは、第２の演算処理部が第１の積分値と第２の積分値との比を求め、解析部がこの比率演算データと真のプローブ光波形の重心データとを解析するので、被測定物のより詳細な内部情報を取得することができ、病気の検査や診断も一層好適に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。
【図２】散乱吸収体の内部情報を測定する光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。
【図３】散乱吸収体の内部情報を測定する光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。
【図４】光波形の真の重心と被測定物の状態との相関関係を示す図である。
【図５】散乱吸収体の内部情報を測定する他の光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。
【図６】散乱吸収体の内部情報を測定する他の光学測定装置の構成及び動作を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…光源、１２及び１４…光導波手段、１６…光検出器、１８…波形メモリ、２０…重心演算装置、３０…差分演算部、３２…切り替え装置、３４…重心メモリ、３６…差分演算装置、４０…領域、４５…散乱吸収体、５０…解析装置、５２…記録装置、５４…表示装置。
【図１】
0003793255.tif 000008
【図２】
0003793255.tif 000009
【図３】
0003793255.tif 000010
【図４】
0003793255.tif 000011
【図５】
0003793255.tif 000012
【図６】
0003793255.tif 000013