JP2002139420A

JP2002139420A - 散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置

Info

Publication number: JP2002139420A
Application number: JP2000331247A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamashita; 豊山下; Mitsuharu Miwa; 光春三輪; Tsuneyuki Uragami; 恒幸浦上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-17
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP4499270B2

Abstract

(57)【要約】【課題】校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行
可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用い
た散乱吸収体計測装置を提供する。【解決手段】散乱吸収体計測装置の計測対象となる散
乱吸収体ＳＭとして、光学パラメータが既知の校正用の
散乱吸収体を設置し、光源２０からのパルス光を光入射
用光ガイド４０ａを介して光入射位置Ａから入射し、散
乱吸収体ＳＭの内部を散乱しつつ伝播したパルス光を光
検出位置Ｂから光検出用光ガイド４０ｂを介して光検出
器３０で検出して、校正用計測を行う。そして、信号処
理部５０で得られた計測波形に対して、演算処理部６０
の装置関数算出部６１で理論波形との比較演算を行っ
て、計測装置自体による装置関数を算出する。これによ
って、校正用計測及び装置関数の算出が容易化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体などの散乱吸
収体の内部情報を計測するための散乱吸収体計測装置の
校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】生体などの散乱吸収体の内部情報を計測
する方法として、散乱吸収体の内部を伝播したパルス光
を用いる計測方法及び装置が提案されている。このよう
な計測方法及び装置においては、計測対象となる散乱吸
収体に対して、所定の光入射位置からパルス光を入射す
る。そして、散乱吸収体の内部を散乱されつつ伝播され
たパルス光を光検出位置で検出し、その検出された光強
度の時間変化を示す計測波形から、散乱吸収体の内部情
報を取得する（例えば、特開平１０−２６５８５号公報
参照）。

【０００３】近年、近赤外光を用いた生体計測などの散
乱吸収体の内部情報計測は、光拡散方程式などを用いた
解析演算の導入により、従来の定性的な計測から、散乱
吸収体に含まれる各成分の濃度などを決定する定量的な
計測へと移行しつつある。このような定量的な計測は、
例えば、検出光の時間分解波形を利用する時間分解計測
法（ＴＲＳ法：Time Resolved Spectroscopy）、あるい
は、変調光を利用する位相変調計測法（ＰＭＳ法：Phas
e Modulation Spectroscopy）などによる解析演算を適
用することによって行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したＴＲＳ法また
はＰＭＳ法などによる解析演算を実行して、散乱吸収体
の内部情報を定量的に計測する場合、内部情報を正確に
定量するためには、検出された光の計測波形に対する装
置関数の影響を考慮する必要がある。

【０００５】すなわち、上記した散乱吸収体計測では、
散乱吸収体での光の伝播によって生じる時間遅れΔＴや
時間分散ΔΩ、あるいはさらに位相遅れなどの時間応答
を含む計測波形から、解析演算によってその内部情報を
取得する。一方、散乱吸収体にパルス光を入射するため
の光入射系、及び散乱吸収体からのパルス光を検出して
計測波形を取得するための光検出系などの計測装置各部
に用いられている各装置や回路は、装置自体の時間応答
である装置関数として、それぞれに時間遅れΔｔや時間
分散Δωなどを生じる。

【０００６】このとき、散乱吸収体計測で実際に得られ
る計測波形は、散乱吸収体での時間応答によって生成さ
れる理想的な計測波形（理想波形）に対して、上記した
各装置や回路の時間応答に起因する装置関数が重畳され
たものとなる。したがって、計測波形に対してそのまま
解析演算を実行すると、装置関数の影響によって、内部
情報を正確に定量することができない。

【０００７】このような装置関数の影響を除去する方法
として、散乱吸収体を用いない状態であらかじめ校正用
計測を行って、装置関数を取得しておく方法がある。具
体的には、例えば、散乱吸収体への光の入射及び検出に
用いられる光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを、
通常設置されている位置（光入射位置及び光検出位置）
から取り外し、その先端同士を直接またはＮＤフィルタ
や拡散板を介して突き合わせて、校正用計測を行う方法
がある。

【０００８】このような校正用計測では、得られる計測
波形はほぼ装置の時間応答のみを示すので、これによっ
て装置関数を事前に算出しておけば、散乱吸収体計測か
ら装置関数の影響を除去することが可能となる。しかし
ながら、上記した校正方法では、校正用計測を行うとき
に、光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを組み合わ
せごとに設置し直して校正用計測を行わなければならな
い。したがって、計測装置の校正に付加的な作業が必要
となり、校正作業の効率が低下するという問題があっ
た。

【０００９】特に、散乱吸収体の断層図面を取得する光
ＣＴ装置などにおいては、散乱吸収体に対して多数の光
入射用ファイバ及び光検出用ファイバが設置される。こ
のとき、上記した校正用計測の方法では、装置関数の校
正が必要な光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの組
み合わせが膨大となるため、上記した校正用計測を実行
するために過大な作業が必要となる。

【００１０】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実
行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用
いた散乱吸収体計測装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法
は、所定波長のパルス光を散乱吸収体に対して光入射位
置から入射する光入射手段と、散乱吸収体の内部を伝播
した所定波長のパルス光を光検出位置で検出して光検出
信号を取得する光検出手段と、光検出信号に基づいて、
光強度の時間変化を示す計測波形を取得する信号処理手
段と、を備える散乱吸収体計測装置に対して用いられる
校正方法であって、校正用の散乱吸収体に対して、光入
射手段から所定波長のパルス光を入射し、校正用の散乱
吸収体の内部を伝播した所定波長のパルス光を光検出手
段で検出して、信号処理手段で計測波形を取得する校正
用計測を行うとともに、校正用計測で取得された計測波
形と、あらかじめ用意された理論波形とに対して比較演
算を行って、計測波形に重畳されている装置関数を分離
して算出することを特徴とする。

【００１２】また、本発明による散乱吸収体計測装置
は、所定波長のパルス光を散乱吸収体に対して光入射位
置から入射する光入射手段と、散乱吸収体の内部を伝播
した所定波長のパルス光を光検出位置で検出して光検出
信号を取得する光検出手段と、光検出信号に基づいて、
光強度の時間変化を示す計測波形を取得する信号処理手
段と、計測波形に対して解析演算を行って、散乱吸収体
の内部情報を算出する演算処理手段と、を備えるととも
に、演算処理手段は、計測波形に重畳される装置関数を
算出するために、校正用の散乱吸収体に対して行われる
校正用計測に対して、校正用計測で取得された計測波形
と、あらかじめ用意された理論波形とに対して比較演算
を行って、計測波形に重畳されている装置関数を分離し
て算出する装置関数算出手段を有することを特徴とす
る。

【００１３】上記した散乱吸収体計測装置の校正方法、
及びそれを用いた散乱吸収体計測装置においては、光入
射手段及び光検出手段を、校正用の散乱吸収体に対して
パルス光の入射及び検出を行うことが可能な光入射位置
及び光検出位置となる設置位置を保持したまま校正用計
測を行っている。これによって、計測装置の校正を行う
際に、光入射手段及び光検出手段を組み合わせごとに設
置し直すなどの付加的な作業が不要となるので、校正作
業の効率が向上される。

【００１４】ここで、校正用の散乱吸収体を用いて計測
装置の校正を行った場合、装置関数による時間波形を直
接に計測することはできなくなる。これに対して、上記
の校正方法では、光学パラメータが既知の散乱吸収体で
ある校正用の散乱吸収体を用いるとともに、それらの既
知の光学パラメータから予測した理論波形をあらかじめ
用意することとしている。これによって、校正用計測で
得られた計測波形と理論波形との比較演算から、装置関
数を分離算出することが可能となる。以上より、校正用
計測及び装置関数の算出を容易に実行可能な散乱吸収体
計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測
装置が実現される。

【００１５】また、散乱吸収体計測装置の校正方法は、
光入射手段または光検出手段の少なくとも一方が複数で
あるとともに、光入射手段と光検出手段との複数の組み
合わせのそれぞれに対して、装置関数を別個に算出する
ことを特徴とする。

【００１６】同様に、散乱吸収体計測装置は、光入射手
段または光検出手段の少なくとも一方を複数備えるとと
もに、装置関数算出手段は、光入射手段と光検出手段と
の複数の組み合わせのそれぞれに対して、装置関数を別
個に算出することを特徴とする。

【００１７】光ＣＴ装置など、多数の光入射手段及び光
検出手段を備える散乱吸収体計測装置においては、上記
のように、それぞれの光入射手段及び光検出手段の組み
合わせごとに、別個に装置関数を算出することが必要で
ある。このような場合においても、上記した校正方法及
び計測装置によれば、すべての組み合わせに対して、付
加的な作業を必要とせずに容易に校正用計測及び装置関
数の算出を実行することが可能となる。

【００１８】また、散乱吸収体計測装置は、光入射手段
及び光検出手段を同数備えるとともに、複数の光入射手
段及び光検出手段のそれぞれが、光入射手段及び光検出
手段をそれぞれ組として、組ごとに略同一の位置に設置
されていることを特徴としても良い。

【００１９】このような構成は、光ＣＴ装置などにおい
て多く用いられているが、この場合、光入射手段及び光
検出手段ともに多数となるため、その組み合わせが膨大
となる。これに対して、上記した校正方法及び計測装置
を適用することによって、その校正作業を大幅に効率化
することが可能となる。また、これ以外にも、様々な構
成の散乱吸収体計測装置に対して、上記した校正方法及
び計測装置の構成を適用することが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面とともに本発明による
散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱
吸収体計測装置の好適な実施形態について詳細に説明す
る。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号
を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比
率は、説明のものと必ずしも一致していない。

【００２１】図１は、計測対象である散乱吸収体ＳＭ
（Scattering Medium）の散乱係数、吸収係数、含まれ
ている各成分の濃度などの内部情報を取得するために用
いられる散乱吸収体計測装置の一実施形態の構成を概略
的に示すブロック図である。この散乱吸収体計測装置
は、後述する本発明による散乱吸収体計測装置の校正方
法を適用可能に構成されている。

【００２２】この計測装置は、内部情報の計測に用いる
パルス光を散乱吸収体ＳＭに対して入射するための光入
射用光ガイド４０ａを備えている。光ガイド４０ａは、
その出力端が、散乱吸収体ＳＭの表面上の光入射位置Ａ
となるように設置されている。また、光ガイド４０ａの
入力端には、波長選択器２１を介して光源２０が光学的
に接続されており、これらの光ガイド４０ａ、光源２
０、及び波長選択器２１によって、本計測装置における
光入射手段が構成されている。光源２０から供給された
パルス光は、波長選択器２１において所定波長に波長選
択され、光ガイド４０ａを介して光入射位置Ａから散乱
吸収体ＳＭへと入射される。

【００２３】光源２０から供給されるパルス光として
は、散乱吸収体ＳＭの内部情報が導出できる程度に短い
時間幅のパルス光が用いられ、通常は１ｎｓ以下の範囲
の時間幅が選択される。また、パルス光の波長は、計測
対象である散乱吸収体ＳＭに応じて適宜に選択される
が、一般に例えば生体では、生体の透過率と定量すべき
吸収成分の分光吸収係数との関係などから、７００〜９
００ｎｍ程度の近赤外線域の波長が用いられる。

【００２４】光源２０としては、発光ダイオード、レー
ザーダイオード、各種のパルスレーザーなど、様々なも
のを使用することができる。また、複数の成分について
の内部情報を取得する場合など、必要があれば、これら
の光源２０及び波長選択器２１は、複数の波長成分のパ
ルス光を計測光として供給可能に構成される。また、波
長選択器２１については、設置を省略しても良い。

【００２５】また、この計測装置は、散乱吸収体ＳＭの
内部を伝播したパルス光を検出するための光検出用光ガ
イド４０ｂを備えている。光ガイド４０ｂは、その入力
端が、散乱吸収体ＳＭの表面上の光検出位置Ｂとなるよ
うに設置されている。また、光ガイド４０ｂの出力端に
は、光検出器３０が光学的に接続されており、これらの
光ガイド４０ｂ、及び光検出器３０によって、本計測装
置における光検出手段が構成されている。散乱吸収体Ｓ
Ｍの内部を散乱されつつ伝播したパルス光は、光ガイド
４０ｂを介して光検出器３０に入射して検出され、検出
した光強度等を示す光検出信号が生成される。

【００２６】光検出器３０としては、光電子増倍管、フ
ォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩ
Ｎフォトダイオードなど、様々なものを使用することが
できる。光検出器３０の選択については、散乱吸収体計
測に使用されるパルス光の波長の光が充分に検出できる
分光感度特性を有していれば良い。また、光信号が微弱
であるときは、高感度あるいは高利得の光検出器を使用
することが好ましい。

【００２７】光入射手段の光源２０、及び光検出手段の
光検出器３０には、信号処理部５０が電気的に接続され
ている。この信号処理部５０において、光検出器３０か
らの光検出信号や光源２０からのパルス光出射のトリガ
ー信号などに基づいて、検出されたパルス光強度の時間
変化を示す計測波形が取得される。

【００２８】さらに、信号処理部５０には、演算処理部
６０が電気的に接続されている。この演算処理部６０に
おいては、散乱吸収体ＳＭの内部情報を取得するために
行われる通常の散乱吸収体計測では、信号処理部５０で
得られた計測波形に対して、散乱吸収体ＳＭの内部情報
を定量するための解析演算が行われる。また、校正用計
測に対しては、後述するように、装置関数を算出するた
めの校正演算が行われる。なお、図１においては、この
演算処理部６０について、上記した校正演算を実行する
ための構成を図示しており、通常の解析演算を実行する
ための構成については図示を省略している。

【００２９】本実施形態における演算処理部６０は、装
置関数算出部６１、計測波形格納部６２、及び理論波形
格納部６３を有して構成されている。信号処理部５０で
取得された計測波形のデータは、演算処理部６０に入力
されて計測波形格納部６２に格納される。一方、理論波
形格納部６３には、あらかじめ用意された理論波形のデ
ータが格納されている。校正用計測に対する演算処理で
は、装置関数算出部６１は、計測波形格納部６２にある
計測波形のデータと、理論波形格納部６３にある理論波
形のデータとに対して校正演算である比較演算を行っ
て、散乱吸収体計測で計測波形に重畳される装置関数を
分離して算出する。

【００３０】計測波形と、散乱吸収体に対する理論波形
と、計測装置自体による装置関数との関係、及び装置関
数算出部６１において装置関数の算出に用いられる比較
演算について説明する。図２は、計測波形Ｏ（ｔ）、理
論波形Ｍ（ｔ）、及び装置関数ｈ（ｔ）の関係の一例を
模式的に示すグラフである。このグラフにおいて、横軸
は、理論波形Ｍ（ｔ）に対する時間０に対応する時刻を
原点（ｔ＝０）とした経過時間ｔを示し、縦軸は、各時
刻における光強度を示している。この光強度の経過時間
ｔに依存した時間変化が、図示したそれぞれの時間波形
となっている。

【００３１】散乱吸収体の内部を伝播したパルス光を用
いて内部情報を取得する散乱吸収体計測装置では、伝播
後に検出されたパルス光の計測波形Ｏ（ｔ）に対して、
ＴＲＳ法またはＰＭＳ法などによる解析演算を行う。そ
して、散乱吸収体での時間遅れΔＴや時間分散ΔΩなど
の時間応答から、その内部情報を定量する。

【００３２】一方、このような計測装置を用いた散乱吸
収体計測では、計測対象である散乱吸収体による時間応
答とは別に、散乱吸収体計測装置の各部、各回路に起因
する装置関数として、時間遅れΔｔや時間分散Δωなど
の装置自体の時間応答を生じる。例えば、図１に示した
散乱吸収体計測装置では、光源２０、波長選択器２１、
光検出器３０、光ガイド４０ａ、４０ｂ、信号処理部５
０、及びそれらの間の回路配線等において、それぞれ時
間応答を生じる。したがって、信号処理部５０で取得さ
れて演算処理部６０へと入力される計測波形Ｏ（ｔ）
は、これらの時間応答が総合された計測装置自体による
装置関数ｈ（ｔ）が、散乱吸収体による理想的な計測波
形（理想波形）に重畳（コンボリューション）されたも
のとなる。

【００３３】これに対して、上記した実施形態の散乱吸
収体計測装置においては、通常の計測とは別に行われる
校正用計測に対して、あらかじめ用意された理論波形Ｍ
（ｔ）を用いて、校正用計測で得られる計測波形Ｏ
（ｔ）から装置関数ｈ（ｔ）を分離（デコンボリューシ
ョン）して算出することとしている。

【００３４】まず、校正用計測においては、計測対象と
なる散乱吸収体ＳＭとして、測定対象と屈折率がほぼ等
しく、吸光係数μａや散乱係数μｓ’などの必要な光学
パラメータが既知である散乱吸収体を、校正用の散乱吸
収体として設置する。このような校正用の散乱吸収体で
は、既知の光学パラメータによって、パルス光に対する
時間応答が理論的に予測可能である。そして、散乱吸収
体自体の予測可能な時間応答による理想波形を、理論計
算等によって、理論波形Ｍ（ｔ）としてあらかじめ算出
しておく。

【００３５】上記のように、あらかじめ用意された理論
波形Ｍ（ｔ）に対して、校正用計測で得られる計測波形
Ｏ（ｔ）と、計測装置の時間応答による装置関数ｈ
（ｔ）とは、次式Ｏ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）＊ｈ（ｔ）によって表される関係を有する。ここで、演算子「＊」
は、時間波形のコンボリューションを表している。すな
わち、得られる計測波形Ｏ（ｔ）は、図２のグラフにそ
の例を示すように、散乱吸収体ＳＭによる理想波形であ
る理論波形Ｍ（ｔ）と、散乱吸収体計測装置による装置
関数ｈ（ｔ）とがコンボリューションされた時間波形と
なる。

【００３６】本実施形態においては、校正用計測に対し
て、演算処理部６０の装置関数算出部６１において、校
正用計測で取得されて計測波形格納部６２に格納されて
いる計測波形Ｏ（ｔ）のデータと、理論波形格納部６３
にあらかじめ用意されている理論波形Ｍ（ｔ）のデータ
とに対して比較演算を行う。そして、この比較演算によ
って計測波形Ｏ（ｔ）から、理論波形Ｍ（ｔ）及び装置
関数ｈ（ｔ）をデコンボリューションして、未知であっ
た装置関数ｈ（ｔ）を分離し算出することとしている。

【００３７】上記した実施形態による散乱吸収体計測装
置及びその校正方法では、計測装置自体の時間応答によ
る装置関数を算出する校正用計測において、光入射用及
び光検出用の光ガイド４０ａ、４０ｂを通常の設置位置
から取り外して、その先端同士を直接またはＮＤフィル
タや拡散板を介して突き合わせた校正用計測によって装
置関数を計測するのではなく、光ガイド４０ａ及び４０
ｂの設置位置は、通常の光入射位置Ａ及び光検出位置Ｂ
のままとする。そして、散乱吸収体ＳＭとして校正用の
散乱吸収体を設置し、この校正用の散乱吸収体へのパル
ス光の入射、検出によって校正用計測を行っている。こ
れによって、計測装置の校正を行う際に、光ガイド４０
ａ、４０ｂの取り外しや再設置などの付加的な作業が不
要となるので、校正作業の効率が向上される。

【００３８】また、校正用の散乱吸収体を用いて計測波
形を得ることに対して、その散乱吸収体の既知の光学パ
ラメータから理論波形を算出しておき、その理論波形と
校正用計測で得られた計測波形との比較演算によって、
装置関数を分離して算出している。このような方法を用
いることによって、散乱吸収体がない状態で装置関数を
直接計測することなく、校正用計測で得られた計測波形
から装置関数を得ることが可能となる。

【００３９】以上より、校正用計測及び装置関数の算出
を容易に実行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及
びそれを用いた散乱吸収体計測装置が実現される。

【００４０】ここで、計測波形Ｏ（ｔ）と理論波形Ｍ
（ｔ）とに対して比較演算を行って、装置関数ｈ（ｔ）
を分離算出する具体的な演算方法としては、計測波形Ｏ
（ｔ）を理論波形Ｍ（ｔ）でデコンボリューションする
方法がある。あるいは、初期値として適当な装置関数ｈ
（ｔ）を仮定し、その装置関数ｈ（ｔ）及び理論波形Ｍ
（ｔ）をコンボリューションした時間波形と、校正用計
測で得られた計測波形Ｏ（ｔ）との差が充分に小さくな
るように、装置関数ｈ（ｔ）を変形していく方法があ
る。

【００４１】具体的な演算例としては、例えば、Bayesi
an Methodを用いて以下の漸化式 h(t)^(k+1) ＝ h(t)^(k) [[O(t) / h(t)^(k) ＊ M(t)] ＄
M(t)] から装置関数ｈ（ｔ）を算出する方法がある。ここで、
演算子「＄」は、相関演算を表している。また、これ以
外の比較演算方法によって装置関数ｈ（ｔ）の算出を行
っても良い。

【００４２】また、理論波形Ｍ（ｔ）の算出方法として
は、校正用の散乱吸収体での既知の光学パラメータから
理論解析解または数値解析解として求めることができ
る。また、この理論波形Ｍ（ｔ）の算出については、あ
らかじめ外部装置で算出して、演算処理部６０の理論波
形格納部６３にデータとして与えても良く、あるいは、
演算処理部６０内に、理論波形を算出する理論波形算出
部を備える構成としても良い。

【００４３】図３に、光検出器３０、信号処理部５０及
び演算処理部６０に用いられるハードウエア構成の一例
を示す。図３に示す構成は、いわゆる時間相関光電子計
数法と呼ばれる方法を用いて高速時間波形計測法を実施
するための構成である。本構成例においては、光検出器
３０として光電子増倍管（ＰＭＴ）を用いており、ま
た、信号処理部５０がコンスタント・フラクション・デ
ィスクリミネータ（ＣＦＤ）５１、時間−振幅変換器
（ＴＡＣ）５２及びＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ）５３で構
成されている。

【００４４】そして、ＰＭＴ３０の出力信号は、ＣＦＤ
５１を介してＴＡＣ５２に導かれて時間に対応したアナ
ログ電圧に変換され、さらにＡＤコンバータ５３でデジ
タル信号に変換される。このデジタル信号は、検出光強
度の時間変化を示す計測波形のデータに対応するもので
ある。

【００４５】また、図３に示す演算処理部６０において
は、光源２０及び信号処理部５０にＣＰＵ７０が電気的
に接続されている。これによって、光入射に同期した光
検出のタイミング等がＣＰＵ７０によって制御されると
ともに、信号処理部５０から出力された計測波形のデー
タは、ＣＰＵ７０に導かれて所定の演算処理が行われ
る。また、入射パルス光の波長など計測光の入射条件に
ついても、このＣＰＵ７０によって制御あるいは選択さ
れる。

【００４６】図３に示す演算処理部６０は、さらに、オ
ペレーティングシステム（ＯＳ）７１ａ及び所定の演算
処理を行うための演算プログラム７１ｂが記憶されたプ
ログラムメモリ７１と、各種データファイルが記憶され
るデータファイルメモリ７２と、得られた散乱吸収体の
内部情報を示すデータを記憶するデータメモリ７３と、
作業用データを一時的に記憶する作業用メモリ７４とを
備えている。

【００４７】プログラムメモリ７１の演算プログラム７
１ｂには、上記した通常の計測での解析演算や、校正用
計測での比較演算（校正演算）をそれぞれ実行するため
のプログラムなどが含まれている。また、データファイ
ルメモリ７２は、計測波形を記憶する計測波形格納部６
２、及びあらかじめ用意された理論波形を記憶する理論
波形格納部６３が含まれている。また、必要な物理量な
どの諸データや、あらかじめ入力された計測条件や既知
値等のデータ等も記憶される。

【００４８】また、演算処理部６０は、データの入力を
受け付けるキーボード７５ａ及びマウス７５ｂを備える
入力装置７５と、得られたデータを出力するディスプレ
イ７６ａ及びプリンタ７６ｂを備える出力装置７６とを
備えている。これらの演算処理部６０の各部の動作は、
いずれもＣＰＵ７０によって制御される。なお、上記の
各メモリについては、コンピュータの内部に設置されて
いるハードディスクなどであっても良く、あるいは、フ
レキシブルディスクなどを用いても良い。また、計測装
置の具体的なハードウェア構成については図３に示すも
のに限られるものではなく、必要に応じて変形または拡
張を行っても良い。

【００４９】図４は、散乱吸収体計測装置の他の実施形
態の構成を概略的に示すブロック図である。本散乱吸収
体計測装置の構成は、図１に示した構成とほぼ同様であ
るが、散乱吸収体ＳＭに対して、複数の光入射用及び光
検出用光ガイドが設置されており、散乱吸収体ＳＭの断
層図面を取得することが可能な光ＣＴ装置として構成さ
れている。

【００５０】具体的には、図４に示した散乱吸収体計測
装置は、１２個の光ファイバホルダ１〜１２を備えてい
る。これらの光ファイバホルダ１〜１２は、それぞれ散
乱吸収体ＳＭの一断面の周りに等間隔（図４において
は、散乱吸収体ＳＭの中心から３０度間隔で放射線状に
伸びる各線上）に配置されており、時計周りに１〜１２
の番号が割り当てられている。

【００５１】光ファイバホルダ１〜１２には、それぞ
れ、光入射用ファイバ１ａ〜１２ａと光検出用ファイバ
１ｂ〜１２ｂとが設置されている。図４においては、こ
れらの光入射用ファイバ１ａ〜１２ａ及び光検出用ファ
イバ１ｂ〜１２ｂは、対応する光入射用ファイバ及び光
検出用ファイバをそれぞれ組として、組ごとに略同一の
位置に設置されている。

【００５２】具体的には、図４の例では、組となる光入
射用ファイバ及び光検出用ファイバが、それぞれ対応す
る光ファイバホルダにおいて並列に束ねられた状態で、
散乱吸収体ＳＭに対して設置されている。

【００５３】なお、このように各光入射用ファイバ及び
光検出用ファイバを組として設置する場合の具体的な構
成については、例えば、図５に光ファイバホルダ１につ
いて例示するように、光入射用ファイバ１ａの回りを複
数の光検出用ファイバ１ｂ（バンドルファイバ）が包む
ように束ねられた同軸構造などを用いることも可能であ
る。このような同軸構造を採用すると、散乱吸収体ＳＭ
の周囲に当たるファイバ端面は１つになる。このため、
両ファイバを上下２段あるいは左右２列に並列に束ねた
場合よりも、光入射用ファイバ端と光検出用ファイバ端
との位置ずれをなくすことができ、誤差を低減できる傾
向がある。

【００５４】本計測装置においては、散乱吸収体ＳＭの
内部情報についての断層図面を取得するため、図示のよ
うに、光ファイバホルダ１〜１２に対応する位置をそれ
ぞれ光入射位置及び光検出位置として、複数の光入射用
ファイバ１ａ〜１２ａ及び光検出用ファイバ１ｂ〜１２
ｂが組として設置されている。断層図面を得るための散
乱吸収体計測は、図６に、その計測方法の一例を示すよ
うに、これらの各位置を光入射位置及び光検出位置とし
てパルス光を順次入射及び検出することによって行われ
る。

【００５５】図６に示した例では、まず、光ファイバホ
ルダ１の設置位置を光入射位置とし、光ファイバホルダ
１〜１２の設置位置をそれぞれ光検出位置として、散乱
吸収体ＳＭについての計測が行われる。

【００５６】この計測では、光入射位置にある１個の光
入射用ファイバ１ａから、散乱吸収体ＳＭに対してパル
ス光が入射される。そして、散乱吸収体ＳＭの内部を散
乱されつつ伝播したパルス光は、光検出位置にある１２
個の光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂでそれぞれ検出され
て、それぞれについて計測波形が取得される。このと
き、光入射用ファイバ１ａに対する光検出用ファイバの
組み合わせは、図６に実線で示した１２通りとなる。

【００５７】続いて、光入射位置を他の光ファイバホル
ダ２〜１２のそれぞれの設置位置に順次移動して、同様
の計測を行っていく。図６においては、それらの各計測
の例として、光ファイバホルダ４の設置位置を光入射位
置とし、光ファイバホルダ１〜１２の設置位置をそれぞ
れ光検出位置とした計測について、点線によって図示し
ている。

【００５８】この計測では、光入射位置にある１個の光
入射用ファイバ４ａから、散乱吸収体ＳＭに対してパル
ス光が入射される。そして、散乱吸収体ＳＭの内部を散
乱されつつ伝播したパルス光は、光検出位置にある１２
個の光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂでそれぞれ検出され
て、それぞれについて計測波形が取得される。このと
き、光入射用ファイバ４ａに対する光検出用ファイバの
組み合わせは、図６に点線で示した１２通りとなる。

【００５９】同様にして、各光入射用ファイバからパル
ス光を入射して計測が行われて、散乱吸収体ＳＭの断層
図面が取得される。このとき、光入射用ファイバ及び光
検出用ファイバの組み合わせは、全部で１２×１２＝１
４４通りとなる。

【００６０】計測波形に対する装置関数ｈ（ｔ）は、通
常これらの各組み合わせごとに異なる。したがって、こ
の計測装置に対して、装置関数を決定するための校正用
計測を行う場合、光入射用ファイバ及び光検出用ファイ
バを突き合わせて装置関数を直接計測しようとすると、
１４４通りの組み合わせのすべてについて、ファイバの
取り外し、計測、再設置を行うことが必要となってしま
う。

【００６１】また、光ＣＴ装置においては、さらに多数
の光入射用ファイバ及び光検出用ファイバが設置される
場合がある。このとき、各光入射用ファイバ及び光検出
用ファイバを順次取り外し、その先端同士を直接または
ＮＤフィルターや拡散板を介して突き合わせて校正用計
測を行う方法を用いたのでは、校正用計測を実行するた
めに過大な作業が必要となり、または、必要なすべての
組み合わせに対して校正用計測を実行することができな
い。

【００６２】これに対して、光入射用ファイバ及び光検
出用ファイバをそのままにして校正用の散乱吸収体で校
正用計測を行い、計測波形と理論波形との比較演算によ
って装置関数を算出する上記した校正方法によれば、す
べての組み合わせに対して、付加的な作業を必要とせず
に容易に校正用計測及び装置関数の算出を実行すること
が可能となる。

【００６３】具体的には、図６の例では、例えば、図示
のように光入射用ファイバ１ａからパルス光を入射させ
る１２通りの組み合わせについて、１回で校正用計測を
行うことができ、上記した校正用計測の作業の簡単化と
同時に、その回数も低減される。そして、光入射用ファ
イバｉ及び光検出用ファイバｊの各組み合わせに対して
順次校正用計測を実行し、それぞれ計測波形Ｏ_ij（ｔ）
及び理論波形Ｍ_ij（ｔ）から装置関数ｈ_ij（ｔ）を分離
算出することによって、全組み合わせに対する装置関数
を効率的に決定することができる。

【００６４】なお、図４においては、演算処理部６０
に、校正用計測以外の通常の計測に対して用いられる内
部情報演算部６５を示している。上記したように、校正
用計測では、装置関数ｈ（ｔ）を未知のものとして、装
置関数算出部６１での校正演算による算出対象とし、既
知の理論波形Ｍ（ｔ）、及び計測で得られた計測波形Ｏ
（ｔ）から装置関数ｈ（ｔ）を算出する。

【００６５】これに対して、通常の計測では、校正用計
測での理論波形Ｍ（ｔ）に相当し、散乱吸収体ＳＭの時
間応答を表す理想波形を未知のものとして内部情報演算
部６５での解析演算による算出対象とし、あらかじめ実
行された校正用計測によって既知となっている装置関数
ｈ（ｔ）、及び計測で得られた計測波形Ｏ（ｔ）から理
想波形を算出することができる。また、この理想波形か
ら、散乱吸収体ＳＭでの時間遅れΔＴや時間分散ΔΩな
どの時間応答、あるいはさらに、それらの時間応答から
求められる散乱吸収体ＳＭの内部情報の算出などの演算
処理が実行される。

【００６６】なお、米国特許第５４９２１１８号公報
に、複数の光入射位置（光源）を有する生体計測装置が
記載されている。この装置では、光源からの光を振幅変
調し、検出点で検出される光の振幅の位相遅れや強度な
どを検出することによって、内部情報を取得している。
したがって、このような装置では、校正用計測を行う場
合でも、これらの位相遅れなどを用いることとなる。

【００６７】これに対して、上記した散乱吸収体計測装
置では、生体などの散乱吸収体を伝播させる光としてパ
ルス光を用いるとともに、伝播後のパルス光の時間遅れ
のみでなく、その時間波形である計測波形自体から時間
応答及び内部情報を得ることとしている。そして、本発
明による校正方法は、このような計測波形に重畳される
装置関数について、理論波形との比較演算によって、そ
の分離算出を可能とするものである。

【００６８】本発明による散乱吸収体計測装置の校正方
法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置は、上記した
各実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能
である。例えば、散乱吸収体計測装置自体の具体的な構
成については、図１及び図４に示したものに限らず、様
々な構成の計測装置に対して、上記した校正方法及び計
測装置の構成を適用することが可能である。

【００６９】また、図１及び図４に示した装置では、上
述したように、計測対象となる散乱吸収体ＳＭとして校
正用の散乱吸収体を設置して校正用計測を行っている。
これに対して、通常の測定対象の形状が個々で異なるよ
うな場合には、測定対象とは別に設けられた校正用の散
乱吸収体に対して、その光入射位置及び光検出位置に光
入射手段及び光検出手段を設置して校正用計測を行うこ
ととなる。この場合にも、光入射手段及び光検出手段を
組み合わせごとに設置し直すことなく、校正用の散乱吸
収体に対する設置位置を保持したまま校正用計測を行う
ことができる。

【００７０】また、図２に示した例においては、装置関
数ｈ（ｔ）を計測波形Ｏ（ｔ）等と同様に時間波形とし
て算出しているが、必要に応じて、他の形で装置関数を
算出することとしても良い。例えば、光入射位置から光
検出位置への平均光路長を求めようとする場合には、装
置関数としては、装置関数の波形の重心位置のみが必要
となる。したがって、この場合には、装置関数として
は、計測波形及び理論波形の比較演算から重心位置のみ
を算出することとしても良い。

【００７１】なお、パルス光として複数の波長の光を用
いる場合には、使用する波長ごとに装置関数を求めるこ
とが必要である。また、計測装置の状態変化などの影響
を低減するため、計測装置の電源をＯＮにしたときな
ど、必要なタイミングで校正用計測及び装置関数の算出
を実行することが好ましい。

【００７２】

【発明の効果】本発明による散乱吸収体計測装置の校正
方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置は、以上詳
細に説明したように、次のような効果を得る。すなわ
ち、計測対象となる生体などの散乱吸収体に対して、光
入射手段からパルス光を入射し、散乱吸収体の内部を散
乱しつつ伝播されたパルス光を光検出手段で検出して、
その計測波形から内部情報を取得する散乱吸収体計測装
置において、校正用の散乱吸収体を用いて校正用計測を
行う。そして、得られた計測波形と理論波形とに対して
比較演算を行って、装置関数を取得する。

【００７３】これによって、計測装置の校正を行う際
に、光入射手段及び光検出手段の取り外しや、再設置な
どの付加的な作業が不要となるので、校正作業の効率が
向上され、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行
可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用い
た散乱吸収体計測装置が実現される。

【００７４】光ＣＴ装置においては、散乱吸収体の断層
図面を取得する場合など、より詳細な内部情報を取得す
るために、非常に多数の光入射手段及び光検出手段を設
置している。したがって、上記した校正方法は、このよ
うな光ＣＴ装置の実用化に際して、計測装置の長期の安
定動作を保持していく上で非常に重要となるものと考え
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】散乱吸収体計測装置の一実施形態の構成を示す
ブロック図である。

【図２】計測波形、理論波形、及び装置関数の一例を模
式的に示すグラフである。

【図３】図１に示した散乱吸収体計測装置のハードウエ
ア構成の一例を示すブロック図である。

【図４】散乱吸収体計測装置の他の実施形態の構成を示
すブロック図である。

【図５】光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの構成
の一例を示す斜視図である。

【図６】光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの組み
合わせについて模式的に示す図である。

【符号の説明】

１〜１２…光ファイバホルダ、１ａ〜１２ａ…光入射用
ファイバ、１ｂ〜１２ｂ…光検出用ファイバ、２０…光
源、２１…波長選択器、３０…光検出器、４０ａ…光入
射用光ガイド、４０ｂ…光検出用光ガイド、５０…信号
処理部、６０…演算処理部、６１…装置関数算出部、６
２…計測波形格納部、６３…理論波形格納部、６５…内
部情報演算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浦上恒幸静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB12 EE01 EE11 FF01 FF04 GG01 GG02 GG08 HH01 JJ01 JJ17 JJ25 JJ26 KK01 KK02 MM01 MM02 MM05 MM10 MM14 NN08 NN09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長のパルス光を散乱吸収体に対し
て光入射位置から入射する光入射手段と、前記散乱吸収体の内部を伝播した前記所定波長のパルス
光を光検出位置で検出して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、光強度の時間変化を示す計
測波形を取得する信号処理手段と、を備える散乱吸収体
計測装置に対して用いられる校正方法であって、校正用の散乱吸収体に対して、前記光入射手段から前記
所定波長のパルス光を入射し、前記校正用の散乱吸収体
の内部を伝播した前記所定波長のパルス光を前記光検出
手段で検出して、前記信号処理手段で前記計測波形を取
得する校正用計測を行うとともに、前記校正用計測で取得された前記計測波形と、あらかじ
め用意された理論波形とに対して比較演算を行って、前
記計測波形に重畳されている装置関数を分離して算出す
ることを特徴とする散乱吸収体計測装置の校正方法。
【請求項２】前記光入射手段または前記光検出手段の
少なくとも一方が複数であるとともに、前記光入射手段と前記光検出手段との複数の組み合わせ
のそれぞれに対して、前記装置関数を別個に算出するこ
とを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体計測装置の校
正方法。
【請求項３】所定波長のパルス光を散乱吸収体に対し
て光入射位置から入射する光入射手段と、前記散乱吸収体の内部を伝播した前記所定波長のパルス
光を光検出位置で検出して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、光強度の時間変化を示す計
測波形を取得する信号処理手段と、前記計測波形に対して解析演算を行って、前記散乱吸収
体の内部情報を算出する演算処理手段と、を備えるとと
もに、前記演算処理手段は、前記計測波形に重畳される装置関数を算出するために、
校正用の散乱吸収体に対して行われる校正用計測に対し
て、前記校正用計測で取得された前記計測波形と、あら
かじめ用意された理論波形とに対して比較演算を行っ
て、前記計測波形に重畳されている前記装置関数を分離
して算出する装置関数算出手段を有することを特徴とす
る散乱吸収体計測装置。
【請求項４】前記光入射手段または前記光検出手段の
少なくとも一方を複数備えるとともに、前記装置関数算出手段は、前記光入射手段と前記光検出
手段との複数の組み合わせのそれぞれに対して、前記装
置関数を別個に算出することを特徴とする請求項３記載
の散乱吸収体計測装置。
【請求項５】前記光入射手段及び前記光検出手段を同
数備えるとともに、複数の前記光入射手段及び前記光検出手段のそれぞれ
が、前記光入射手段及び前記光検出手段をそれぞれ組と
して、組ごとに略同一の位置に設置されていることを特
徴とする請求項４記載の散乱吸収体計測装置。