JP2009103619A - 生体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測部位の全体に対する腫瘍などの光吸収体の存在位置を計測できる生体計測装置を提供する。
【解決手段】生体計測装置１０は、光学的インターフェース材２０を保持する容器１２と、互いに波長が異なる第１及び第２の光を光学的インターフェース材２０に浸される被計測部位へ照射する光照射手段と、被計測部位からの拡散光を検出する光検出手段と、光検出手段からの出力信号に基づいて内部情報を算出する演算／制御部１４とを備え、第１の光の波長λ１が、被計測部位の吸収係数と媒体の吸収係数とが実質的に等しい波長であり、第２の光の波長λ２が、被計測部位の吸収係数が媒体の吸収係数より大きい波長であり、演算／制御部１４は、第１の光の拡散光に関する出力信号に基づいて内部情報を算出し、第２の光の拡散光に関する出力信号に基づいて被計測部位と光学的インターフェース材２０との境界を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体計測装置に関するものである。

頭部や乳房といった生体の内部情報を非侵襲的に計測する装置として、生体の光吸収特性を利用して内部情報を得るものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような計測装置においては、計測対象となる生体の部位に対して所定の照射位置から光を照射し、当該部位の内部を散乱されつつ伝播された光を所定の検出位置で検出し、その強度や時間波形などの測定結果から、当該部位の内部情報、すなわち当該部位の内部に存在する腫瘍などの光吸収体に関する情報を得ることができる。

また、特許文献１には、照射光の波長（計測波長）において被計測部位とほぼ同様の光学特性を有する媒体（以下、光学的インターフェース材という）を光の照射位置及び検出位置と被計測部位との間に介在させ、被計測部位の表面における光の反射や散乱等を防止して計測精度を高めることが記載されている。
特許第３７７１３６４号公報

しかしながら、前述したような光学的インターフェース材を光の照射位置と被計測部位との間に介在させた場合、計測波長においては被計測部位と媒体とがほぼ同様の光学特性を有するので、光の照射位置や検出位置と被計測部位の内部に存在する光吸収体との相対位置を精度よく計測することはできるが、光学的インターフェース材と被計測部位とを区別することが難しく、被計測部位の全体に対する当該光吸収体の存在位置を計測することが困難である。したがって、Ｘ線検査装置やＭＲＩ、超音波診断装置といった他の医用画像診断装置による計測結果との比較検討、或いは腫瘍の組織標本を取得するためのバイオプシ（生検針）を行うことが難しい。

本発明は、以上の問題点を鑑みてなされたものであり、被検者の被計測部位に光を照射し、拡散光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置において、被計測部位の内部情報に加え、被計測部位の全体に対する腫瘍などの光吸収体の存在位置を更に取得することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による生体計測装置は、被検者の被計測部位に光を照射し、拡散光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置であって、光透過性の媒体を保持する容器と、容器に固定された複数の光出射端を有し、互いに波長が異なる第１及び第２の光を媒体に浸される被計測部位へ照射する光照射手段と、容器に固定された複数の光検出端を有し、被計測部位からの拡散光を検出する光検出手段と、光検出手段からの出力信号に基づいて内部情報を算出する演算手段とを備え、第１の光の波長が、被計測部位の吸収係数と媒体の吸収係数の平均値とが実質的に等しい波長であり、第２の光の波長が、被計測部位の吸収係数が媒体の吸収係数の平均値より大きい波長であり、演算手段は、第１の光の拡散光に関する出力信号に基づいて内部情報を算出し、第２の光の拡散光に関する出力信号に基づいて被計測部位と媒体との境界情報を算出することを特徴とする。

上記した生体計測装置においては、次の二種類の計測、すなわち内部情報計測及び輪郭計測を行うことができる。内部情報計測とは、媒体に浸された被計測部位へ向けて光照射手段が第１の光を照射し、その拡散光を光検出手段が検出し、その検出結果に基づいて演算手段が内部情報を算出するものである。輪郭計測とは、媒体に浸された被計測部位へ向けて光照射手段が第２の光を照射し、その拡散光を光検出手段が検出し、その検出結果に基づいて演算手段が被計測部位と媒体との境界情報（すなわち被計測部位の輪郭情報）を算出するものである。

第１の光の波長（λ１とする）においては、被計測部位の吸収係数（μａｂとする）と媒体の吸収係数（μａｉとする）とが実質的に等しい（すなわちμａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１））。したがって、第１の光を用いた内部情報計測では、被計測部位の表面における光の反射や散乱等を防止して、光の照射位置及び検出位置を基準とする腫瘍などの光吸収体の位置や大きさを精度よく計測できる。一方、第２の光の波長（λ２とする）においては、被計測部位の吸収係数（μａｂ）が媒体の吸収係数（μａｉ）より大きい（すなわちμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２））。したがって、第２の光を用いた輪郭計測では、光の照射位置及び検出位置を基準とする被計測部位の輪郭情報を精度よく計測できる。そして、内部情報計測の結果と輪郭計測の結果とを統合することによって、被計測部位の全体に対する光吸収体の存在位置が得られる。

このように、上記した生体計測装置によれば、被検者の被計測部位に光を照射し、拡散光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する装置において、腫瘍等の光吸収体の有無や大きさだけでなく、被計測部位の全体に対する光吸収体の存在位置を精度よく計測することができる。

また、生体計測装置は、第１の光に対する媒体の吸収係数が、第２の光に対する媒体の吸収係数より大きいことを特徴としてもよい。被計測部位の吸収係数μａｂ（λ１）及びμａｂ（λ２）が互いに同等である場合、このように媒体の吸収係数をμａｉ（λ１）＞μａｉ（λ２）とすることにより、μａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１）且つμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２）といった関係を好適に実現できる。或いは、被計測部位の吸収係数μａｂ（λ１）がμａｂ（λ２）より大きい場合であっても、媒体の吸収係数の差（μａｉ（λ１）−μａｉ（λ２））が被計測部位の吸収係数の差（μａｂ（λ１）−μａｂ（λ２））より大きくなるように、媒体の光吸収特性の調整や波長λ１，λ２の設定を行うことにより、μａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１）且つμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２）といった関係を好適に実現できる。したがって、内部情報計測及び輪郭計測を好適に行うことができる。

また、生体計測装置は、第１の光に対する媒体の吸収係数と、第２の光に対する媒体の吸収係数とが実質的に等しいことを特徴としてもよい。被計測部位の吸収係数μａｂ（λ１）がμａｂ（λ２）より小さい場合には、このように媒体の吸収係数がμａｉ（λ１）＝μａｉ（λ２）となるように媒体の光吸収特性の調整や波長λ１，λ２の設定を行ってもよい。これにより、μａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１）且つμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２）といった関係を好適に実現できる。したがって、内部情報計測及び輪郭計測を好適に行うことができる。

本発明によれば、被検者の被計測部位に光を照射し、拡散光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置において、被計測部位の内部情報に加え、被計測部位の全体に対する腫瘍などの光吸収体の存在位置を計測できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による生体計測装置の実施の形態を詳細に説明する。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。

図１は、本発明による生体計測装置の一実施形態を示すシステム構成図である。図２は、図１に示した生体計測装置の使用状態を表す図である。図３は、図１に示した生体計測装置が備える容器周辺の構成図である。本実施形態の生体計測装置１０は、計測対象である被検者の被計測部位Ｂに光を照射し、拡散光（戻り光）を検出することにより被計測部位Ｂの内部情報（腫瘍の有無等）を取得する装置である。なお、本実施形態においては、図２に示すように被計測部位Ｂとして女性の乳房を想定している。

生体計測装置１０は、光透過性の媒体である光学的インターフェース材２０を保持しつつ被計測部位Ｂを導入する容器１２と、互いに波長が異なる第１及び第２の光を容器１２の内部に照射する光照射手段と、光照射手段からの光の照射により被計測部位Ｂから生じた拡散光を検出する光検出手段と、光検出手段からの出力信号に基づいて被計測部位Ｂの吸収係数の空間的分布を計算し、被計測部位Ｂの内部情報を算出する演算／制御部１４（演算手段）とを備えている。

容器１２は、被計測部位Ｂを十分に収容できる大きさを有しており、上面に開口部を持った円筒形状或いは半球形状となっている。容器１２の内面には、ｎ（ｎは２以上の整数）個の光出射／検出端１６が互いに異なる位置に３次元的に配置されており、計測部（ガントリ）を構成している。ｎ個の光出射／検出端１６のそれぞれが有する光出射端からは、被計測部位Ｂへ向けて順に光が出射される。この光は被計測部位Ｂにおいて吸収及び拡散され、被計測部位Ｂから出た拡散光は、ｎ個の光出射／検出端１６それぞれの光検出端に入射する。なお、本実施形態では一組の光出射端及び光入射端から成る光出射／検出端１６がｎ組配置されているが、光出射端および光検出端は互いに異なる位置に独立して設けられてもよい。

容器１２は遮光性の材料からなり、光出射／検出端１６以外から容器１２の内部に光が入射することを防止している。さらに、容器１２の開口部は、着脱可能な遮光板１８によって覆われることができる。遮光板１８が容器１２の開口部に取り付けられると、開口部から容器１２内部への光の入射が防止される。容器１２の内面には、拡散光の反射を低減するための処理が施されていることが好ましい。例えば、容器１２の内面は、黒色アルマイト処理されたアルミ材により形成されるとよい。或いは、容器１２の内面は黒色の樹脂材料により形成されてもよい。

容器１２の内部は、生体計測の際に光学的インターフェース材２０によって満たされる。光学的インターフェース材２０は、被計測部位Ｂと容器１２との隙間を埋めることによって被計測部位Ｂの表面における光学特性の不連続性を減少させる役割を果たす液状の媒体であり、或る波長λ１において、光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ１）が被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂ（λ１）と実質的に等しくなるように構成されている。更に、光学的インターフェース材２０は、その散乱係数、屈折率、旋光度、偏光度等の光学特性のうち１つ以上の特性が、被計測部位Ｂの散乱係数の平均値、屈折率の平均値、旋光度の平均値、偏光度の平均値等と実質的に等しくなるように構成されていると尚好ましい。被計測部位Ｂが生体である場合における光学的インターフェース材２０の一例としては、屈折率が生体とほぼ等しい水に、散乱係数についてはシリカ、イントラリピッド（脂肪乳剤）等、吸収係数については特定波長で特有の吸収係数を有するインク等、旋光度、偏光度についてはグルコースや果糖等を混合することにより、光学特性を被計測部位Ｂに近づけた溶液が用いられる。ここで、”実質的に等しい”とは、計測精度等の観点から同一あるいは同一とみなせることを意味する。

本実施形態の光照射手段は、前述したｎ個の光出射／検出端１６それぞれが有する光出射端、光源２２、および光スイッチ２４によって構成されている。光源２２としては、例えばレーザダイオードを使用することができる。本実施形態の光源２２は、第１の光（波長λ１）、および第１の光とは波長が異なる第２の光（波長λ２）を出射可能なように構成されている。このような構成の例としては、波長可変レーザを使用するか、波長選択器を用いて使用波長を切り換えるか、或いは図４に示すように波長λ１，λ２（λ１≠λ２）の光をそれぞれ発生する光源４０ａ，４０ｂと、光源４０ａ，４０ｂを選択的に切り換えることにより波長を選択する光スイッチ４２とを有する光源を用いることができる。また、第１及び第２の光それぞれの波長λ１，λ２としては、生体の透過率と定量すべき吸収体の分吸収係数との関係等から、７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の近赤外線領域の波長が好ましい。また、計測時間を短縮して被検者への負担を軽減するため、第１及び第２の光は僅かな時間差でもって出力されることが望ましい。

ここで、図５は、光学的インターフェース材２０及び被計測部位Ｂの吸収係数μａｉ，μａｂと光の波長λ１，λ２との関係の一例を示すグラフである。図５において、実線で示されるグラフＧ１は、光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉと光の波長との関係の一例（光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉが、波長が長くなるに従って大きくなる場合）を示している。また、破線で示されるグラフＧ２〜Ｇ４は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂと光の波長との関係の一例（被計測部位Ｂの吸収係数μａｂが、波長が長くなるに従って大きくなる場合、殆ど変化しない場合、及び小さくなる場合の３例）を示している。

図５に示すように、第１の光の波長λ１は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂと光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉとがほぼ等しくなる波長に設定される（すなわちμａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１））。また、第２の光の波長λ２は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂが光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉより大きくなる波長に設定される（すなわちμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２））。図５に示す例では、グラフＧ１の傾きがグラフＧ２〜Ｇ４の傾きより大きいので、波長λ２は波長λ１より短い波長に設定される。

再び図１〜図３を参照する。前述した第１及び第２の光は、例えば連続光として光源２２から出射される。光源２２から出射されたこれらの光は、光出射／検出端１６から被計測部位Ｂへ照射される。光スイッチ２４は、１入力ｎ出力の光スイッチであり、光源２２から光源用光ファイバ２６を介して光を入力し、この光を上記ｎ個の光出射／検出端１６それぞれに対して順に供給する。すなわち、光スイッチ２４は、各光出射／検出端１６に接続されたｎ本の出射用光ファイバ２８を１本ずつ順に選択し、当該出射用光ファイバ２８と光源２２とを光学的に接続する。

本実施形態の光検出手段は、前述したｎ個の光出射／検出端１６それぞれが有する光検出端と、ｎ個の光出射／検出端１６それぞれに対応するｎ個の光検出器３０と、各光検出器の入力部前段に配置されたｎ個のシャッター３２とによって構成されている。ｎ個の光検出器３０それぞれには、各光出射／検出端１６の光検出端に入射した被計測部位Ｂからの拡散光が、検出用光ファイバ３４を介して入力される。光検出器３０は、対応する光出射／検出端１６に到達した拡散光の光強度に応じてアナログ信号を生成する。光検出器３０としては、光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）の他、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード等、様々なものを使用することができる。光検出器３０は、波長λ１，λ２の波長成分を十分に検出できる分光感度特性を有していることが好ましい。また、被計測部位Ｂからの拡散光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。光検出器３０の信号出力端には信号処理回路３６が接続されており、信号処理回路３６は、光検出器３０から出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換して拡散光の光強度に応じたディジタル信号を生成し、該ディジタル信号を演算／制御部１４へ提供する。

演算／制御部１４は、信号処理回路３６から提供されたディジタル信号に基づいて、被計測部位Ｂの内部情報、および被計測部位Ｂと光学的インターフェース材２０との境界情報に関する解析演算を行う演算手段である。演算／制御部１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）といった演算手段及びメモリなどの記憶手段を有するコンピュータによって実現される。なお、演算／制御部１４は、光源２２の発光、光スイッチ２４の動作及びシャッター３２の開閉を制御する機能を更に有するとよい。また、演算／制御部１４には記録／表示部３８が接続されており、演算／制御部１４における演算結果、すなわち被計測部位Ｂの内部情報、および被計測部位Ｂと光学的インターフェース材２０との境界情報を可視化することが可能となっている。

被計測部位Ｂの内部情報の算出すなわち内部情報計測は、例えば次のようにして行われる。図１に示すように、容器１２の内部に光学的インターフェース材２０が満たされている状態で遮光板１８を容器１２に装着する。そして、ｎ個の光出射／検出端１６のそれぞれから容器１２の内部へ第１の光（波長λ１）を順に照射し、光学的インターフェース材２０を通過して拡散した光を、ｎ個の光出射／検出端１６を介してｎ個の光検出器３０により検出する。また、それとは別に、図２に示すように容器１２の内部に光学的インターフェース材２０が満たされている状態で被計測部位Ｂを光学的インターフェース材２０に浸す。そして、ｎ個の光出射／検出端１６のそれぞれから容器１２の内部へ第１の光（波長λ１）を順に照射し、光学的インターフェース材２０を通過して拡散した光を、ｎ個の光出射／検出端１６を介してｎ個の光検出器３０により検出する。こうして得られた２つの検出結果を演算／制御部１４において比較することにより、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を演算し、腫瘍などの吸収体の位置や形状に関する情報（内部情報）を得る。

図６は、上記演算によって算出される、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を概念的に示す図である。図６（ａ）において、円形の枠は容器１２を表している。また、容器１２の内側において吸収係数が大きい領域ほど濃く着色されており、中央付近に存在する吸収係数が比較的大きい領域Ａ１は、被計測部位Ｂの内部に存在する腫瘍などの吸収体を表している。また、図６（ｂ）において、縦軸は吸収係数を示しており、横軸は図６（ａ）の仮想線Ｃ上における位置を示している。上記演算では、容器１２の全体に対する領域Ａ１（吸収体）の位置や形状等が得られる。

また、被計測部位Ｂと光学的インターフェース材２０との境界情報の算出すなわち輪郭計測は、例えば次のようにして行われる。図２に示すように、容器１２の内部に光学的インターフェース材２０が満たされている状態で被計測部位Ｂを光学的インターフェース材２０に浸す。そして、ｎ個の光出射／検出端１６のそれぞれから容器１２の内部へ第２の光（波長λ２）を順に照射し、光学的インターフェース材２０を通過して拡散した光を、ｎ個の光出射／検出端１６を介してｎ個の光検出器３０により検出する。こうして得られた検出結果と、先に説明した遮光板１８を容器１２に装着した状態で得られた検出結果とを演算／制御部１４において比較することにより、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を演算し、被計測部位Ｂの位置や形状に関する情報（輪郭情報）を得る。

図７は、上記演算によって算出される、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を概念的に示す図である。図７（ａ）において、中央付近に存在する吸収係数が比較的大きい領域Ａ２は、被計測部位Ｂが占める領域を示している。また、図７（ｂ）において、縦軸は吸収係数を示しており、横軸は図７（ａ）の仮想線Ｃ上における位置を示している。上記演算では、容器１２の全体に対する領域Ａ２（被計測部位）の位置や形状等が得られる。

そして、演算／制御部１４は、図６及び図７に示した演算結果を統合することにより、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、被計測部位Ｂの全体に対する腫瘍などの光吸収体の存在位置を示す画像情報等を提供する。

続いて、演算／制御部１４による吸収係数分布の演算方法について、その基本的原理を説明する。図９は、吸収係数が均一な媒質を光が透過する様子を表した図、図１０は、吸収係数が不均一な媒質を光が透過する様子を表した図である。簡単のため、散乱吸収体である媒質を二次元的に広がる正方形と考え、この媒質をＮ（＝２５）個の等しい大きさの正方形の体積要素（二次元であるので、正確には面積要素）に分割する。個々の体積要素内においては吸収係数が一定と考え、斜線部等で示された体積要素は他の体積要素と比較して吸収係数が異なると考える。

図９に示すような吸収係数が均一（吸収係数はμ_a）な媒体の一点から、媒体内部に光が投射され、一点で出力光を検出する場合に検出光量Ｓは、入射光量Ｉ、各体積要素の影響度Ｗ_j（ｊ＝１〜Ｎ）、散乱及び反射等によって入射光が媒体の外に出る割合を示す減衰定数Ｄ_srを用いて、

と表される。ここで、各体積要素の影響度とは、ある一点から光を投射し、ある一点で光を検出する場合に、各体積要素の吸収係数の変化に伴う検出光量の変化割合をいい、具体的な算出方法は後述する。

次に、図１０に示すように、体積要素毎に異なる吸収係数μ_aj（ｊ＝１〜Ｎ）を有する媒体の各体積要素の吸収係数を、基準の吸収係数μ_a、及び、各体積要素の吸収係数のμ_aからの変化分Δμ_aj（ｊ＝１〜Ｎ）を用いて

と表し、減数定数Ｄ_srは吸収係数が均一の場合と変わらないとすると、この場合の検出光量Ｏは、

のように表される。従って、式（３）の両辺の対数をとることで、以下の式が導かれる。

ここで、式（４）は、吸収係数が均一な媒体の一点から投射され、一点に出力された光の検出光量Ｓ（以下基準光量Ｓという）、吸収係数が均一でない媒体の一点から投射され、一点に出力された光の検出光量Ｏ（以下測定光量Ｏという）、各体積要素内の影響度Ｗ_j（ｊ＝１〜Ｎ）、及び、各体積要素の吸収係数のμ_aからの変化分Δμ_aj（ｊ＝１〜Ｎ）の関数となる。上記変数のうち、基準光量Ｓ及び測定光量Ｏは計測によって得られ、各体積要素の影響度Ｗ_j（ｊ＝１〜Ｎ）は、計算によって得られる（詳細は後述する）ため、未知数は、各体積要素の吸収係数のμ_aからの変化分Δμ_aj（ｊ＝１〜Ｎ）のＮ個のみとなる。従って、異なる光投射点・光検出点の組について式（４）に示す方程式をＮ個連立させることにより、Ｎ個のΔμ_ajを求めることが可能となり、媒体の吸収係数の空間的分布が計算できることになる。

具体的には、第ｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の光投射点・光検出点の組における基準光量をＳ_i、検出光量をＯ_i、各体積要素の影響度Ｗ_ij（ｊ＝１〜Ｎ）とすると、式（４）は式（５）のように表される。

ここで、全てのｉについて式（５）を並べ、行列の形式で表すと、

となる。従って、Ｎ個のΔμ_aj、すなわち媒体の吸収係数の空間的分布が式（７）のように求めることができる。

ここで、各体積要素の影響度Ｗ_ij（ｊ＝１〜Ｎ）の求め方について説明する。各体積要素に入射する連続光（光束）の定常光拡散方程式は、

で表される。また、媒体の内部と外部との境界条件は、

としている。尚、添字ＢＬは、媒体の内部と外部との境界を表すものとする。また、式（９）は、この境界で光が完全に吸収されてしまう様な条件、例えば、媒体の周囲が真黒に塗られた状態と等価である。

式（８）及び（９）を用いて、各光投射点・光検出点の組、すなわち第ｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の光投射点・光検出点の組に対して光の透過シミュレーション（以下第１のシミュレーションという）を行うことにより、検出光強度を計算する。但し、第１のシミュレーションでは、媒体は一定の吸収係数μ_aを有すると仮定し、更に、上記式（８）において完全拡散を想定することとし、容器１２の大きさも１／μ_s’より大きいとする。第１のシミュレーションによって得られた第ｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の光投射点・光検出点の組における検出光量をｄ_i0とする。

続いて、式（８）及び（９）を用いて、第２のシミュレーションを行う。第２のシミュレーションでは、媒体の一つの体積要素が、吸収係数μ_aと異なる吸収係数μ_a＋Δμ_aを有すると仮定し、各光投射点・光検出点の組に対して光の透過シミュレーションを行う。例えばΔμ_a＝０．０１［ｍｍ^-1］とすることにより、検出光強度を計算する。第ｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の光投射点・光検出点の組に対して、第ｊ番目（ｊ＝１〜Ｎ）の体積要素の吸収係数を変化させた場合の検出光量をｄ_ijとする。

上記第１のシミュレーション及び第２のシミュレーションによって計算された検出光量を用いて各体積要素の影響度Ｗ_ijは、式（１０）の様に表される。

従って、式（１０）からＷ_ijが求まり、その結果、式（７）から、吸収係数の空間的分布が計算されることになる。

なお、式（４）に示す方程式の個数が体積要素の個数と等しい場合について説明したが、方程式の個数が、体積要素の個数より少ない場合、あるいは多い場合であっても、特異値分解法等を用いることにより、特異な問題を非特異な問題に変換できるため、吸収係数の空間的分布を求めることは可能である。

本実施形態の生体計測装置１０が奏する効果について説明する。前述したように、生体計測装置１０においては、内部情報計測及び輪郭計測を行うことができる。内部情報計測では、被計測部位Ｂの吸収係数μａｂと光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉとが実質的に等しくなる波長λ１の光（第１の光）を用い、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を計測する。したがって、この内部情報計測では、被計測部位Ｂの表面における光の反射や散乱等を防止して、光の照射位置及び検出位置を基準とする腫瘍などの光吸収体の位置や大きさを精度よく計測できる。一方、輪郭計測では、被計測部位Ｂの吸収係数μａｂが光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉより大きくなる波長λ２の光（第２の光）を用い、容器１２の内部における吸収係数の空間的分布を計測する。したがって、この輪郭計測では、光の照射位置及び検出位置を基準とする被計測部位Ｂの輪郭を精度よく計測できる。そして、内部情報計測の結果と輪郭計測の結果とを統合することによって、被計測部位Ｂの全体に対する光吸収体の存在位置を計測することができる。

このように、本実施形態の生体計測装置１０によれば、被検者の被計測部位Ｂに光を照射し、拡散光を検出することにより被計測部位Ｂの内部情報を取得する装置において、腫瘍等の光吸収体の有無や大きさだけでなく、被計測部位Ｂの全体に対する光吸収体の存在位置を精度よく計測することができる。

また、図５に示したように、波長λ１の光（第１の光）に対する光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ１）は、波長λ２の光（第２の光）に対する光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ２）より大きいと尚良い。波長λ１における被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ１）と波長λ２における被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ２）とが互いに同等である場合（図５に示したグラフＧ３の場合）、或いは被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ１）がμａｂ（λ２）より小さい場合（図５に示したグラフＧ４の場合）、光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉをこのように設定することにより、波長λ１では被計測部位Ｂ及び光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｂ（λ１），μａｉ（λ１）が実質的に等しく、波長λ２では被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ２）が光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ２）より大きいといった関係を好適に実現できる。或いは、被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ１）がμａｂ（λ２）より大きい場合（図５に示したグラフＧ２の場合）であっても、光学的インターフェース材２０の吸収係数の差（μａｉ（λ１）−μａｉ（λ２））が被計測部位Ｂの吸収係数の差（μａｂ（λ１）−μａｂ（λ２））より大きくなるように、光学的インターフェース材２０の光吸収特性の調整や波長λ１，λ２の設定を行うことにより、上記関係を好適に実現できる。したがって、内部情報計測及び輪郭計測を好適に行うことができる。

［変形例］
図１１は、上記実施形態の変形例を説明するためのグラフであり、光学的インターフェース材２０及び被計測部位Ｂの吸収係数μａｉ，μａｂと光の波長λ１，λ２との関係の他の例を示している。図１１において、実線で示されるグラフＧ５は、光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉと光の波長との関係の一例（光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉが、波長の長短に関わらず殆ど変化しない場合）を示している。また、破線で示されるグラフＧ６は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂと光の波長との関係の一例（被計測部位Ｂの吸収係数μａｂが、波長が長くなるに従って大きくなる場合）を示している。

光学的インターフェース材２０及び被計測部位Ｂが図１１に示すような光吸収特性を有する場合においても、第１の光の波長λ１は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂと光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉとがほぼ等しくなる波長に設定される（すなわちμａｂ（λ１）＝μａｉ（λ１））。また、第２の光の波長λ２は、被計測部位Ｂの吸収係数の平均値μａｂが光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉより大きくなる波長に設定される（すなわちμａｂ（λ２）＞μａｉ（λ２））。すなわち、波長λ２は波長λ１より長い波長に設定される。

このように、被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ１）がμａｂ（λ２）より小さい場合（すなわちμａｂ（λ１）＜μａｂ（λ２））には、光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ１）とμａｉ（λ２）とを実質的に等しく設定してもよい。これにより、波長λ１では被計測部位Ｂ及び光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｂ（λ１），μａｉ（λ１）が実質的に等しく、波長λ２では被計測部位Ｂの吸収係数μａｂ（λ２）が光学的インターフェース材２０の吸収係数μａｉ（λ２）より大きいといった関係を好適に実現できる。したがって、内部情報計測及び輪郭計測を好適に行うことができる。

本発明による生体計測装置は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態において、光源としてレーザダイオードを例示したが、光源としては固体レーザ、色素レーザ、または気体レーザを用いることもできる。或いは、ＬＥＤや白色光源からの光を波長選択器によって波長選択した光を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、照射光として連続光を用いた際の解析方法を述べたが、本発明は、パルス光を使用して拡散光の時間分解波形から被検出部位の内部情報を取得する時間分解計測法（ＴＲＳ法：Time Resolved Spectroscopy）を採用した生体計測装置や、位相変調光を使用して拡散光の光強度および位相情報から被検出部位の内部情報を取得する位相変調計測法（ＰＭＳ法：Phase Modulation Spectroscopy）を採用した生体計測装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、被計測部位として乳房を例示したが、本発明による生体計測装置は、頭、手、足、胴体など他の生体部位を計測する際にも適用可能である。

また、容器内を満たす媒体（光学的インターフェース材）としては、液状のものに限らず、例えば時間経過により固化するような液状、ジェル状の材質のものを使用してもよい。時間経過により固化する材質からなる媒体を用いることにより、被計測部位を固定することができ、計測精度が向上するとともに、楽な姿勢で計測ができるため、被験者の負担を減少させることができる。

本発明による生体計測装置の一実施形態を示すシステム構成図である。 図１に示した生体計測装置の使用状態を表す図である。 図１に示した生体計測装置が備える容器周辺の構成図である。 光源の構成例を示す図である。 光学的インターフェース材及び被計測部位の吸収係数と光の波長との関係の一例を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）容器の内部における吸収係数の空間的分布を概念的に示す図であり、内部情報計測結果を示している。 （ａ）（ｂ）容器の内部における吸収係数の空間的分布を概念的に示す図であり、輪郭計測結果を示している。 （ａ）（ｂ）容器の内部における吸収係数の空間的分布を概念的に示す図であり、内部情報計測結果と輪郭計測結果とを統合した結果を示している。 吸収係数が均一な媒質を光が透過する様子を表した図である。 吸収係数が不均一な媒質を光が透過する様子を表した図である。 変形例として、光学的インターフェース材及び被計測部位の吸収係数と光の波長との関係の他の例を示すグラフである。

符号の説明

１０…生体計測装置、１２…容器、１４…演算／制御部、１６…光出射／検出端、１８…遮光板、２０…光学的インターフェース材、２２…光源、２４…光スイッチ、２６…光源用光ファイバ、２８…出射用光ファイバ、３０…光検出器、３２…シャッター、３４…検出用光ファイバ、３６…信号処理回路、３８…表示部、４０ａ，４０ｂ…光源、４２…光スイッチ、Ｂ…被計測部位。

Claims (3)

1. 被検者の被計測部位に光を照射し、拡散光を検出することにより前記被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置であって、
   光透過性の媒体を保持する容器と、
   前記容器に固定された複数の光出射端を有し、互いに波長が異なる第１及び第２の光を前記媒体に浸される前記被計測部位へ照射する光照射手段と、
   前記容器に固定された複数の光検出端を有し、前記被計測部位からの拡散光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段からの出力信号に基づいて前記内部情報を算出する演算手段と
   を備え、
   前記第１の光の波長は、前記被計測部位の吸収係数と前記媒体の吸収係数の平均値とが実質的に等しい波長であり、
   前記第２の光の波長は、前記被計測部位の吸収係数が前記媒体の吸収係数の平均値より大きい波長であり、
   前記演算手段は、前記第１の光の前記拡散光に関する前記出力信号に基づいて前記内部情報を算出し、前記第２の光の前記拡散光に関する前記出力信号に基づいて前記被計測部位と前記媒体との境界情報を算出することを特徴とする、生体計測装置。
2. 前記第１の光に対する前記媒体の吸収係数が、前記第２の光に対する前記媒体の吸収係数より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の生体計測装置。
3. 前記第１の光に対する前記媒体の吸収係数と、前記第２の光に対する前記媒体の吸収係数とが実質的に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の生体計測装置。

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