JP2012024113A - Optical measuring probe device for organism - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an easily operable optical measuring probe device for organism, which can detect various angle components of scattered light.SOLUTION: The optical measuring probe device for organism has: a first optical element 11, which is in contact with a part of an organism and receives scattered light from the organism; a second optical element 12, which is irradiated with light condensed by the first optical element 11; and a bundle fiber 13, which is irradiated with light condensed by the second optical element 12; wherein it is possible to measure the angle distribution of the scattered light intensity.

Description

本発明は,生体光計測用プローブ装置に関する。より詳しく説明すると,本発明は,生体と接触する第1の光学素子及び第2の光学素子を経由して,バンドルファイバへ散乱光が伝搬する生体光計測用プローブ装置に関する。   The present invention relates to a biological optical measurement probe device. More specifically, the present invention relates to a biological light measurement probe device in which scattered light propagates to a bundle fiber via a first optical element and a second optical element that are in contact with a living body.

NIRS(Near Infrared Spectroscopy)は,近赤外光を皮膚の上から照射して生体内部を非侵襲的に計測する装置である。NIRSは,例えば,脳機能計測装置として用いられる。脳機能計測装置は,複数の波長の近赤外光を頭部に照射し,散乱光の強度分布やその時間変化を検出する。これにより脳機能計測装置は,脳活動に伴うヘモグロビンの濃度変化を分析でき,脳活動の部位と活動の大きさを解析できる。   NIRS (Near Infrared Spectroscopy) is a device that non-invasively measures the inside of a living body by irradiating near infrared light from above the skin. NIRS is used as a brain function measuring device, for example. The brain function measurement device irradiates the head with near-infrared light of a plurality of wavelengths, and detects the intensity distribution of scattered light and its temporal change. Thereby, the brain function measuring device can analyze the concentration change of hemoglobin accompanying the brain activity, and can analyze the part of the brain activity and the magnitude of the activity.

NIRSなどの生体光計測装置の光源は,波長が690,780,800,830nmなどの近赤外光が用いられることが多く,これらの波長は水による吸収が少なく,ヘモグロビンによる吸収が顕著であるという点において共通している。ヘモグロビンには酸素と結びついた酸素化ヘモグロビンと、酸素と結びついていない還元ヘモグロビンの2種類があり、これらの吸収スペクトルは互いにわずかに異なっているため,上記の波長の中から少なくとも2種類を選んで同時に計測し,連立方程式を解くことによって,酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度比を推定することができる。 As a light source of a biological light measuring device such as NIRS, near-infrared light having a wavelength of 690, 780, 800, 830 nm or the like is often used, and these wavelengths are hardly absorbed by water, and absorption by hemoglobin is remarkable. It is common in the point. There are two types of hemoglobin: oxygenated hemoglobin associated with oxygen and reduced hemoglobin not associated with oxygen. Since these absorption spectra are slightly different from each other, at least two of the above wavelengths are selected. By simultaneously measuring and solving the simultaneous equations, the concentration ratio of oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin can be estimated.

上記の近赤外光の光源には半導体レーザが用いられることが多い。近赤外光を用いて脳機能を計測する場合は、半導体レーザからの出力光を単一モードファイバ,あるいはマルチモードファイバからなる送光ファイバを用いて頭部の所望の部位まで導き,ファイバの先端を,頭髪を避けるようにして頭皮表面に密着させてレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は,頭皮,頭蓋骨,脳脊髄液を通過して大脳灰白質へと至るが,その過程で主にヘモグロビンによる吸収と,生体組織による強い散乱を受ける。このため,頭部組織中を伝播する光の一部は散乱光として頭皮から外部へ放射される。そこで,送光ファイバから数cm離れた頭皮上に散乱光を受光するための受光プローブを設ける。すると,この散乱光を検出することができる。検出された散乱光には,大脳灰白質でのヘモグロビンの濃度変化の情報が含まれている。1組の送光ファイバ・受光プローブによって,それらに挟まれた部位の脳活動を計測できる。   A semiconductor laser is often used as the near infrared light source. When brain function is measured using near-infrared light, the output light from the semiconductor laser is guided to the desired part of the head using a single-mode fiber or a multi-mode fiber transmission fiber. The tip is brought into close contact with the surface of the scalp so as to avoid hair, and laser light is irradiated. The irradiated laser light passes through the scalp, skull, and cerebrospinal fluid to the cerebral gray matter. In the process, it is mainly absorbed by hemoglobin and strongly scattered by living tissues. For this reason, a part of the light propagating through the head tissue is emitted from the scalp to the outside as scattered light. Therefore, a light receiving probe for receiving scattered light is provided on the scalp several cm away from the light transmitting fiber. Then, this scattered light can be detected. The detected scattered light contains information on changes in hemoglobin concentration in cerebral gray matter. The brain activity of the part sandwiched between them can be measured with a pair of optical fiber and optical probe.

特開平11−299760号公報には,脳活動計測装置が開示されている。この公報の図1に示されるように,この脳活動計測装置は,脳表面と空間を隔てて設けられた光学系を用いて脳表面の光学像をCCDカメラ上に結像するものである。   Japanese Patent Laid-Open No. 11-299760 discloses a brain activity measuring device. As shown in FIG. 1 of this publication, this brain activity measuring apparatus forms an optical image of a brain surface on a CCD camera using an optical system provided with a space from the brain surface.

特開2002−243641号公報には,生体機能測定装置が開示されている。この公報の図1に示される通り,この生体機能測定装置は,測定対象である脳表面,あるいは脳表面から極浅い部位の光学像を検出用ファイバ端に結像する構成になっている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-243641 discloses a biological function measuring device. As shown in FIG. 1 of this publication, this biological function measuring apparatus is configured to form an optical image of a brain surface to be measured, or a very shallow part from the brain surface, on the detection fiber end.

特開2009−136434号公報には,光計測装置が開示されている。この光計測装置は,従来よりも多数の受光プローブを有し、受光プローブ間の検出信号の差分に基づいてヘモグロビンの濃度変化を計測する。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-136434 discloses an optical measurement device. This optical measuring device has a larger number of light receiving probes than before, and measures the change in the concentration of hemoglobin based on the difference in detection signals between the light receiving probes.

特開平11−299760号公報JP-A-11-299760 特開2002−243641号公報JP 2002-243641 A 特開2009−136434号公報JP 2009-136434 A

脳機能を計測するための生体光計測用プローブ装置は,受光プローブの先端を頭皮に直角に押し当てた状態で固定して使用される必要がある。また,従来の生体光計測用プローブ装置は,散乱光のうち,プローブの光軸に沿って入射する光を検出する構造になっている。このため,従来のプローブ装置では,頭皮に対して直角方向に放射される散乱光の成分しか検出できず,散乱光強度の角度分布を計測することができなかった。   A probe device for measuring biological light for measuring brain function needs to be used in a state where the tip of the light receiving probe is pressed perpendicularly to the scalp. Further, the conventional biological light measurement probe device has a structure for detecting light incident along the optical axis of the probe out of scattered light. For this reason, the conventional probe device can only detect the component of the scattered light emitted in a direction perpendicular to the scalp and cannot measure the angular distribution of the scattered light intensity.

散乱光の角度分布が計測できれば,1個の受光プローブだけでも脳活動部位の位置に関してより多くの情報が得られるようになるため,脳活動部位の計測精度を向上させることができる。そこで,本発明は,散乱光の様々な角度成分を検出でき,扱いやすい生体光計測用プローブ装置を提供することを目的とする。
If the angular distribution of the scattered light can be measured, more information about the position of the brain active site can be obtained with only one light receiving probe, so that the measurement accuracy of the brain active site can be improved. Therefore, an object of the present invention is to provide a biological light measurement probe device that can detect various angle components of scattered light and is easy to handle.

また,従来の生体光計測用プローブ装置は,頭皮血流の影響を必ずしも排除して脳活動を計測することができなかった。このため,上記の特開2009−136434号公報のように1つの送光ファイバに対して複数の受光プローブを有する装置が開発されている。この装置は,受光プローブ間の出力信号の差分を計測することにより,頭皮血流の影響を排除して脳活動を計測することができる。しかしながら,この装置は,多数の受光プローブを,頭皮に固定する必要がある。このため,1つの送光ファイバに対して複数の受光プローブを有する装置は被験者への負担が大きく,扱いにくい。   In addition, the conventional probe device for measuring biological light cannot always measure the brain activity by eliminating the influence of scalp blood flow. For this reason, an apparatus having a plurality of light receiving probes with respect to one light transmission fiber has been developed as in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-136434. This device can measure the brain activity by eliminating the influence of scalp blood flow by measuring the difference in the output signal between the light receiving probes. However, this device needs to fix a large number of light receiving probes to the scalp. For this reason, an apparatus having a plurality of light receiving probes for one transmission fiber places a heavy burden on the subject and is difficult to handle.

このため,本発明は,プローブの数を増やすことなく,頭皮血流の影響を排除して脳活動を計測できる生体光計測用プローブ装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a biological optical measurement probe device capable of measuring brain activity by eliminating the influence of scalp blood flow without increasing the number of probes.

本発明は,生体光計測用プローブ装置に関する。そして,この生体光計測用プローブ装置は,図1に示されるように、第1の光学素子11と,第2の光学素子12と,バンドルファイバ13とを有する。   The present invention relates to a biological optical measurement probe device. The biological optical measurement probe device includes a first optical element 11, a second optical element 12, and a bundle fiber 13, as shown in FIG.

第1の光学素子11は,ある生体の一部と接触し,生体からの散乱光を受光する光学素子である。第2の光学素子12は,第1の光学素子11が集光した光が照射する光学素子である。バンドルファイバ13は,複数の単心ファイバ14を有する。そして,バンドルファイバ13には,第2の光学素子12が集光した光が照射される。   The first optical element 11 is an optical element that contacts a part of a living body and receives scattered light from the living body. The second optical element 12 is an optical element that is irradiated with light condensed by the first optical element 11. The bundle fiber 13 has a plurality of single-core fibers 14. The bundle fiber 13 is irradiated with light collected by the second optical element 12.

本発明は,生体と接触する第1の光学素子11及び第2の光学素子12を経由して,バンドルファイバへ散乱光が伝搬する。光学素子11及び光学素子12に開口数の大きな光学素子を用いることにより、これらの光学素子を用いない場合と比較して、受光プローブの開口数を実効的に大きくすることができる。これにより本発明の生体光計測用プローブ装置は,従来よりも高い検出効率が得られる。さらに,生体と接触する第1の光学素子11の口径を小さくできるため,生体への負担を軽減できる。   In the present invention, the scattered light propagates to the bundle fiber via the first optical element 11 and the second optical element 12 that are in contact with the living body. By using optical elements having a large numerical aperture for the optical element 11 and the optical element 12, the numerical aperture of the light receiving probe can be effectively increased as compared with the case where these optical elements are not used. As a result, the biological optical measurement probe device of the present invention can obtain higher detection efficiency than the conventional one. Furthermore, since the aperture of the first optical element 11 in contact with the living body can be reduced, the burden on the living body can be reduced.

さらに本発明は,第1の光学素子11への入射角θ及び方位角φの散乱光を,バンドルファイバ13を構成する単心ファイバ14にマッピングすることにより,(θ,φ)方向からの散乱光成分を,例えば,バンドルファイバの中心からの距離をrとする極座標が(r,φ+π)に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように,本発明によれば,散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。   Further, according to the present invention, the scattered light having the incident angle θ and the azimuth angle φ to the first optical element 11 is mapped to the single fiber 14 constituting the bundle fiber 13, thereby scattering from the (θ, φ) direction. The light component can be detected, for example, as an output from a single fiber having a polar coordinate (r, φ + π) where r is a distance from the center of the bundle fiber. Thus, according to the present invention, components incident from various angles in the scattered light can be distinguished from each other and analyzed.

本発明の好ましい態様は,第1の光学素子11の面のうち,少なくとも生体と接触する面が平面である。これにより生体の皮膚と第1の光学素子11との密着性を高めることができる。そして,第1の光学素子11の面のうち生体と接触する面が平面であることにより,第1の光学素子11を生体に固定した際に,生体に不必要な圧力を与えることなく,安定する。   In a preferred aspect of the present invention, at least the surface that contacts the living body among the surfaces of the first optical element 11 is a flat surface. Thereby, the adhesiveness of the biological skin and the 1st optical element 11 can be improved. The surface of the first optical element 11 that comes into contact with the living body is a flat surface, so that when the first optical element 11 is fixed to the living body, it is stable without applying unnecessary pressure to the living body. To do.

本発明の好ましい態様は,第1の光学素子11の口径が,バンドルファイバ13の直径より小さい。この態様の生体光計測用プローブ装置は,生体と接触する第1の光学素子11の口径を小さくできるため,生体への負担を軽減できる。   In a preferred embodiment of the present invention, the diameter of the first optical element 11 is smaller than the diameter of the bundle fiber 13. The living body light measurement probe device according to this aspect can reduce the diameter of the first optical element 11 in contact with the living body, and therefore can reduce the burden on the living body.

本発明の好ましい態様は,第2の光学素子12とバンドルファイバ13の先端部とが,密着しているものである。そして,第2の光学素子12の面のうちバンドルファイバ13の先端部と密着する面は平面である。このような構成を採用するため,この生体光計測用プローブ装置は,第2の光学素子12とバンドルファイバ13との間の相対位置が定まりやすく、機械的にも安定する。   In a preferred embodiment of the present invention, the second optical element 12 and the tip of the bundle fiber 13 are in close contact. The surface of the second optical element 12 that is in close contact with the tip of the bundle fiber 13 is a flat surface. Since such a configuration is employed, the biological light measurement probe device is easily mechanically stable because the relative position between the second optical element 12 and the bundle fiber 13 is easily determined.

本発明の好ましい態様は,バンドルファイバ13の先端部が,中心部分が盛り上がった形状を有し,これによりバンドルファイバ13の先端部が第2の光学素子12として機能するものである。   In a preferred embodiment of the present invention, the tip end portion of the bundle fiber 13 has a shape in which the center portion is raised, whereby the tip end portion of the bundle fiber 13 functions as the second optical element 12.

本発明の好ましい態様は,第1の光学素子11が,入射光を透過させる窓である。すなわち,第1の光学素子11は,散乱光のうち、光学素子11に入射する光を集光することなく,第2の光学素子12へ伝える。   In a preferred embodiment of the present invention, the first optical element 11 is a window that transmits incident light. That is, the first optical element 11 transmits the light incident on the optical element 11 out of the scattered light to the second optical element 12 without condensing it.

本発明の好ましい態様は,第1の光学素子11と第2の光学素子12とが,ひとつの光学素子からなるものである。   In a preferred embodiment of the present invention, the first optical element 11 and the second optical element 12 are composed of one optical element.

本発明の好ましい態様は,バンドルファイバ13は,複数の単心ファイバ14を有する。そして,この態様の生体光計測用プローブ装置は,第1の光学素子11のF値をFとし,単心ファイバ14の開口数をNAとすると,以下の式Iの関係を満たす。 In a preferred embodiment of the present invention, the bundle fiber 13 has a plurality of single-core fibers 14. Then, the biological optical measurement probe device of this aspect satisfies the relationship of the following formula I, where the F value of the first optical element 11 is F 1 and the numerical aperture of the single-core fiber 14 is NA.

≦1/(2NA) 式I F 1 ≦ 1 / (2NA) Formula I

本発明の好ましい態様は,上記したいずれかの生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システムに関する。   A preferred embodiment of the present invention relates to a biological light measurement system including any one of the biological light measurement probe devices described above.

本発明は,生体と接触する第1の光学素子11及び第2の光学素子12を経由して,バンドルファイバへ散乱光が伝搬する。光学素子11及び光学素子12に開口数の大きな光学素子を用いることにより、これらの光学素子を用いない場合と比較して、受光プローブの開口数を実効的に大きくすることができる。これにより本発明の生体光計測用プローブ装置は,従来よりも高い検出効率が得られる。さらに,生体と接触する第1の光学素子11の口径を小さくできるため,生体への負担を軽減できる。   In the present invention, the scattered light propagates to the bundle fiber via the first optical element 11 and the second optical element 12 that are in contact with the living body. By using optical elements having a large numerical aperture for the optical element 11 and the optical element 12, the numerical aperture of the light receiving probe can be effectively increased as compared with the case where these optical elements are not used. As a result, the biological optical measurement probe device of the present invention can obtain higher detection efficiency than the conventional one. Furthermore, since the aperture of the first optical element 11 in contact with the living body can be reduced, the burden on the living body can be reduced.

さらに本発明は,第1の光学素子11への入射角θ及び方位角φの散乱光を,バンドルファイバ13を構成する単心ファイバ14にマッピングすることにより,(θ,φ)方向からの散乱光成分を,例えば,バンドルファイバの中心からの距離をrとする極座標が(r,φ+π)に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように,本発明によれば,機械的に可動な機構を用いなくても,散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。   Further, according to the present invention, the scattered light having the incident angle θ and the azimuth angle φ to the first optical element 11 is mapped to the single fiber 14 constituting the bundle fiber 13, thereby scattering from the (θ, φ) direction. The light component can be detected, for example, as an output from a single fiber having a polar coordinate (r, φ + π) where r is a distance from the center of the bundle fiber. As described above, according to the present invention, components incident from various angles can be distinguished from each other and analyzed without using a mechanically movable mechanism.

本発明は,頭皮血流の影響を排除して脳血流を計測できる生体光計測用プローブ装置を提供することができる。   The present invention can provide a biological optical measurement probe device capable of measuring cerebral blood flow while eliminating the influence of scalp blood flow.

本発明の生体光計測用プローブ装置の機構を送光ファイバにも適用することで,機械的に可動な機構を用いなくても,入射光の照射方向を変化させることができる。本発明の生体光計測用プローブ装置の機構を受光プローブ側のみならず,送光ファイバ側にも適用することで,照射条件の異なる多数の計測データが得られるようになるため、計測精度を高めることができ、きわめて有用な生体光計測システムを得ることができる。   By applying the mechanism of the biological light measurement probe device of the present invention to a light transmission fiber, the irradiation direction of incident light can be changed without using a mechanically movable mechanism. By applying the mechanism of the biological light measurement probe device of the present invention not only to the light receiving probe side but also to the light transmission fiber side, a large number of measurement data with different irradiation conditions can be obtained, thereby improving the measurement accuracy. And a very useful biological light measurement system can be obtained.

図1は,本発明の生体光計測用プローブ装置の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a biological light measurement probe apparatus according to the present invention. 図2は,本発明の受光プローブの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of the light receiving probe of the present invention. 図3は,受光プローブの座標系を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the coordinate system of the light receiving probe. 図4は,実施例1の生体光計測用プローブ装置を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the first embodiment. 図5は,実施例2の生体光計測用プローブ装置を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the second embodiment. 図6は,実施例3の生体光計測用プローブ装置を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the third embodiment. 図7は,実施例4の生体光計測用プローブ装置を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a biological light measurement probe device according to a fourth embodiment. 図8は,送光ファイバと受光ファイバの位置関係および散乱光の光路分布を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the positional relationship between the light transmitting fiber and the light receiving fiber and the optical path distribution of the scattered light.

図1は,本発明の生体光計測用プローブ装置の構成図である。図1に示されるように,この生体光計測用プローブ装置は,第1の光学素子11と,第2の光学素子12と,バンドルファイバ13とを有する。そして,バンドルファイバ13は,複数の単心ファイバ14を含む。図中符号15は,ハウジングである。ハウジングは,第1の光学素子11の側面と,第2の光学素子12とを覆い,第1の光学素子11の窓面以外から光が入射することを防止する。ハウジングの例は保護シースである。図中符号16は,検出器を示す。それぞれの検出器は,たとえば,図示しないコンピュータに接続されている。そのため,検出器が検出した情報に基づいて,コンピュータは各種演算処理を行い,希望する解析結果を得ることができる。図中17は,生体からの散乱光を示す。   FIG. 1 is a configuration diagram of a biological light measurement probe apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the biological light measurement probe device includes a first optical element 11, a second optical element 12, and a bundle fiber 13. The bundle fiber 13 includes a plurality of single-core fibers 14. Reference numeral 15 in the figure denotes a housing. The housing covers the side surface of the first optical element 11 and the second optical element 12, and prevents light from entering from other than the window surface of the first optical element 11. An example of a housing is a protective sheath. Reference numeral 16 in the figure denotes a detector. Each detector is connected to a computer (not shown), for example. Therefore, based on the information detected by the detector, the computer can perform various arithmetic processes and obtain a desired analysis result. In the figure, 17 indicates scattered light from the living body.

生体光計測用プローブ装置は,例えば脳機能計測装置を含む生体光計測システムに用いられるプローブ装置である。生体光計測システムは,たとえば,送光ファイバと受光ファイバとを含む。本発明の生体光計測用プローブ装置は,受光ファイバの先端に設けられる。一方,送光ファイバも,本発明の生体光計測用プローブ装置と同様の構成を有していても良い。すなわち,送光ファイバが,第1の光学素子と,第2の光学素子と,バンドルファイバとを有していても良い。以下,本明細書において様々な態様の生体光計測用プローブ装置を説明する。そして,送光ファイバ側に設けられる光学系は,以下に説明する生体光計測用プローブ装置と同様の光学系を有していても良い。   The biological light measurement probe device is a probe device used in a biological light measurement system including, for example, a brain function measurement device. The biological light measurement system includes, for example, a light transmission fiber and a light receiving fiber. The probe device for biological light measurement of the present invention is provided at the tip of a light receiving fiber. On the other hand, the light transmission fiber may have the same configuration as the biological light measurement probe device of the present invention. That is, the light transmission fiber may include a first optical element, a second optical element, and a bundle fiber. Hereinafter, various aspects of the biological optical measurement probe apparatus will be described in the present specification. The optical system provided on the light transmission fiber side may have an optical system similar to a biological light measurement probe device described below.

第1の光学素子11は,ある生体の一部と接触し,生体からの散乱光を受光する光学素子である。この光学素子の例は,脳機能計測装置の受光プローブにおけるものである。ある生体の一部の例は,被験者の頭皮である。頭皮に生体光計測用プローブ装置を固定することで,たとえば脳の状態を検査することができる。   The first optical element 11 is an optical element that contacts a part of a living body and receives scattered light from the living body. An example of this optical element is in a light receiving probe of a brain function measuring apparatus. An example of a living organism is the subject's scalp. By fixing the biological optical measurement probe device to the scalp, for example, the state of the brain can be examined.

第1の光学素子11の例は,レンズ又は光学窓である。レンズは,正の屈折力を持つことが好ましい。第1の光学素子11が正の屈折力を持てば,バンドルファイバに向けて生体からの散乱光を集光することができる。第1の光学素子11は,球面レンズであってもよい。また,第1の光学素子11は,非球面レンズや魚眼レンズであってもよい。また、第1の光学素子11は、フレネルレンズやホログラフィック光学素子であってもよい。第1の光学素子11が光学窓の場合,散乱光のうち光学窓に入射する光を集光することなく,第2の光学素子12へと伝えることとなる。光学窓の例は,ガラス板,及びアパーチャーである。   An example of the first optical element 11 is a lens or an optical window. The lens preferably has a positive refractive power. If the first optical element 11 has a positive refractive power, the scattered light from the living body can be condensed toward the bundle fiber. The first optical element 11 may be a spherical lens. Further, the first optical element 11 may be an aspheric lens or a fisheye lens. Further, the first optical element 11 may be a Fresnel lens or a holographic optical element. When the first optical element 11 is an optical window, light incident on the optical window out of the scattered light is transmitted to the second optical element 12 without being collected. Examples of optical windows are glass plates and apertures.

第1の光学素子11の直径の例は,1mm以上5mm以下である。第1の光学素子11の直径は,2mm以上3mm以下でもよい。   An example of the diameter of the first optical element 11 is not less than 1 mm and not more than 5 mm. The diameter of the first optical element 11 may be 2 mm or more and 3 mm or less.

第1の光学素子11の面のうち,少なくとも生体と接触する面が平面であることが好ましい。これにより生体の皮膚と第1の光学素子11との密着性を高めることができる。そして,第1の光学素子11の面のうち生体と接触する面が平面であることにより,第1の光学素子11を生体に固定した際に,生体に不必要な圧力を与えることなく,安定する。   Of the surfaces of the first optical element 11, it is preferable that at least the surface in contact with the living body is a flat surface. Thereby, the adhesiveness of the biological skin and the 1st optical element 11 can be improved. The surface of the first optical element 11 that comes into contact with the living body is a flat surface, so that when the first optical element 11 is fixed to the living body, it is stable without applying unnecessary pressure to the living body. To do.

第2の光学素子12は,第1の光学素子11を通過した光が照射する光学素子である。第2の光学素子12は,第1の光学素子11の焦点より第1の光学素子11に近い位置に設置されることが好ましい。そして,第1の光学素子11を通過した光が、バンドルファイバ13の先端部に集光されることが好ましい。   The second optical element 12 is an optical element that is irradiated with light that has passed through the first optical element 11. The second optical element 12 is preferably installed at a position closer to the first optical element 11 than the focal point of the first optical element 11. And it is preferable that the light which passed the 1st optical element 11 is condensed on the front-end | tip part of the bundle fiber 13. FIG.

第1の光学素子11の直径と第2の光学素子12の直径は同一でもよい。一方,第2の光学素子12は,直接生体と接しないため,その直径が第1の光学素子11の直径より大きくてもよい。第2の光学素子12の直径が大きいほど,より広い範囲の入射角を持つ入射光をバンドルファイバへと導くことができる。第2の光学素子12の直径の例は,第1の光学素子11の直径の1倍以上3倍以下であり,第1の光学素子11の直径の1.5倍以上2倍以下でもよい。第1の光学素子11の口径は,バンドルファイバ13の直径より小さいものが好ましい。この態様の生体光計測用プローブ装置は,生体と接触する第1の光学素子11の口径を小さくできるため,生体への負担を軽減できる。   The diameter of the first optical element 11 and the diameter of the second optical element 12 may be the same. On the other hand, since the second optical element 12 does not directly contact the living body, the diameter thereof may be larger than the diameter of the first optical element 11. Increasing the diameter of the second optical element 12 can guide incident light having a wider range of incident angles to the bundle fiber. An example of the diameter of the second optical element 12 is 1 to 3 times the diameter of the first optical element 11, and may be 1.5 to 2 times the diameter of the first optical element 11. The aperture of the first optical element 11 is preferably smaller than the diameter of the bundle fiber 13. The living body light measurement probe device according to this aspect can reduce the diameter of the first optical element 11 in contact with the living body, and therefore can reduce the burden on the living body.

バンドルファイバ13は,複数の単心ファイバ14を有する。そして,バンドルファイバ13には,第2の光学素子12が集光した光が照射される。   The bundle fiber 13 has a plurality of single-core fibers 14. The bundle fiber 13 is irradiated with light collected by the second optical element 12.

さらに本発明は,第1の光学素子11への入射角θ及び方位角φの散乱光を,バンドルファイバ13を構成する単心ファイバ14にマッピングすることにより,(θ,φ)方向からの散乱光成分を例えば,バンドルファイバの中心からの距離をrとする極座標が(r,φ+π)に位置する単心ファイバからの出力として検出できる。このように,本発明によれば,散乱光のうち様々な角度から入射する成分を互いに区別して分析できる。このため,検出部は,バンドルファイバ13を構成するそれぞれの単心ファイバ14の位置(r,φ+π)と,入射角θ及び方位角φとを関連付けて分析するものであることが好ましい。   Further, according to the present invention, the scattered light having the incident angle θ and the azimuth angle φ to the first optical element 11 is mapped to the single fiber 14 constituting the bundle fiber 13, thereby scattering from the (θ, φ) direction. For example, the optical component can be detected as an output from a single-core fiber whose polar coordinates with the distance from the center of the bundle fiber being r are (r, φ + π). Thus, according to the present invention, components incident from various angles in the scattered light can be distinguished from each other and analyzed. For this reason, it is preferable that the detection unit analyzes the position (r, φ + π) of each single fiber 14 constituting the bundle fiber 13 in association with the incident angle θ and the azimuth angle φ.

図2は,第1の実施態様の受光プローブの概略図である。図2に示されるように,この受光プローブは,バンドルファイバの先端付近に大小2個の凸レンズL1およびL2を有する。図3は,この受光プローブを説明するための座標系である。頭皮に対して垂直に受光プローブを接触させる。そして,受光プローブの光軸をζ(ゼータ)軸とし,ξ(グザイ)軸の負の延長線上のどこかに光源があるものとする。第1の凸レンズL1に入射角θ,方位角φで入射する散乱光は,レンズL1の集光作用により,レンズL1の焦点面において,光軸からの距離がr,方位角がφ+πの位置に集光される。   FIG. 2 is a schematic view of the light receiving probe of the first embodiment. As shown in FIG. 2, this light receiving probe has two large and small convex lenses L1 and L2 near the tip of the bundle fiber. FIG. 3 is a coordinate system for explaining the light receiving probe. A light receiving probe is brought into contact with the scalp vertically. It is assumed that the optical axis of the light receiving probe is the ζ (zeta) axis, and that the light source is located somewhere on the negative extension of the ξ (guzai) axis. Scattered light incident on the first convex lens L1 at an incident angle θ and an azimuth angle φ is caused by the condensing action of the lens L1 so that the distance from the optical axis is r and the azimuth is φ + π on the focal plane of the lens L1. Focused.

凸レンズL1が通常の凸レンズの場合,この光はL1の焦点面において角θの傾きを持って焦点面を通過する。このため,nを頭皮の屈折率として,単心ファイバのNAがn・sinθよりも大きくない限り,この散乱光を単心ファイバに結合させることができない。そこで,L1の焦点面の近くに第2の凸レンズL2を設ける。L1とL2の主点間距離d1がL2の焦点距離f2と等しい場合,L2を通過したすべての光の光軸が平行に揃えられ,バンドルファイバの端面に垂直に入射するようになり,比較的小さなNAを持つ単心ファイバに対しても光束を有効に結合させることができるようになる。   When the convex lens L1 is a normal convex lens, the light passes through the focal plane with an inclination of an angle θ at the focal plane of L1. For this reason, this scattered light cannot be coupled to the single-core fiber unless the refractive index of the scalp is n and the NA of the single-fiber is greater than n · sin θ. Therefore, a second convex lens L2 is provided near the focal plane of L1. When the distance d1 between the principal points of L1 and L2 is equal to the focal length f2 of L2, the optical axes of all the light beams that have passed through L2 are aligned in parallel, and are incident perpendicularly to the end face of the bundle fiber. The light beam can be effectively coupled to a single fiber having a small NA.

簡単のため生体内の屈折率を1とみなす。すると,バンドルファイバの端面において,L1が一般の凸レンズの場合はr=d1・tanθ,f−θ(エフシータ)レンズや魚眼レンズに代表される等距離射影方式のレンズの場合はr=d1・θ,一部の魚眼レンズに代表される等立体角射影方式のレンズの場合は,r=2・d1・sin(θ/2),の関係が近似的に成り立つ。いずれの方式においても,バンドルを構成する単心ファイバには特定の入射角・方位角に属する散乱光が1対1にマッピングされ,θ,φの方向から入射する光は,端面の極座標が(r,φ+π)なる単心ファイバ(収差による点像の広がりがある場合はその周辺に配置された限られた数の単心ファイバ群を含む)のみから出力されることになる。そこで,これらの単心ファイバ群からの出力光だけを取り出して特定の光検出器に入射させて光強度を計測することにより,この特定の方向θ,φからプローブに入射した光のみを抽出して計測することが可能である。所望の単心ファイバ群の数に対応して光検出器を用意すれば,異なる方向からの光を区別して同時に計測することが可能であるし,単心ファイバ群を区別せずに一つの光検出器に一括して入射させれば,従来のプローブと同じように,プローブによって受光が可能なθ,φの範囲の光すべてを一括して検出することも可能である。光検出器には,PINフォトダイオード,アバランシェ・フォトダイオード,CCD,光電子増倍管,ストリークカメラなどを適宜用いることができる。   For simplicity, the refractive index in the living body is regarded as 1. Then, at the end face of the bundle fiber, when L1 is a general convex lens, r = d1 · tan θ, and r = d1 · θ in the case of an equidistant projection type lens represented by an f-θ lens or a fisheye lens. In the case of an equisolid angle projection type lens represented by some fisheye lenses, the relationship r = 2 · d1 · sin (θ / 2) is approximately established. In any method, scattered light belonging to a specific incident angle / azimuth angle is mapped on a one-to-one basis on a single fiber that forms a bundle, and light incident from the directions of θ and φ has a polar coordinate ( The light is output only from a single-fiber (r, φ + π) (including a limited number of single-core fibers arranged in the vicinity of the point image due to aberration). Therefore, only the light incident on the probe is extracted from these specific directions θ and φ by taking out only the output light from these single-core fibers and making it incident on a specific photodetector and measuring the light intensity. Can be measured. If a photodetector is prepared corresponding to the desired number of single fiber groups, light from different directions can be distinguished and measured at the same time. If the light is incident on the detector in a lump, it is possible to collectively detect all the light in the range of θ and φ that can be received by the probe, as in the conventional probe. As the photodetector, a PIN photodiode, an avalanche photodiode, a CCD, a photomultiplier tube, a streak camera, or the like can be used as appropriate.

さらに,L1とL2に球面レンズや非球面レンズのほか、魚眼レンズなどの複合レンズを用いることによって,レンズ系のNAを容易に0.5以上とすることが可能であるため,バンドルファイバのみを用いる場合よりもθの最大値を大きくすることが可能であり,結果としてプローブの受光効率が向上する。一般に,レンズ系のNAを大きく超えるような入射角θで入射する光束は,収差を伴って受光ファイバへ到達するので,この場合,θ,φと単心ファイバとのマッピングの精度が低下したり,焦点面の湾曲や非点収差によって単心ファイバへの結合効率が低下する原因になったりする可能性はある。しかし,θの測定に特に高い精度を要求するのでない限り,実用上の支障はほとんどないと考えられ,光学系の開口による制限の範囲内で,光学系のNAを超えるような大きな入射角θで入射する光も効率よく捕獲することが可能である。   Furthermore, by using a compound lens such as a fisheye lens in addition to a spherical lens or an aspheric lens for L1 and L2, the NA of the lens system can be easily increased to 0.5 or more, so only a bundle fiber is used. The maximum value of θ can be made larger than the case, and as a result, the light receiving efficiency of the probe is improved. In general, a light beam incident at an incident angle θ that greatly exceeds the NA of the lens system reaches the light receiving fiber with aberrations. In this case, the accuracy of mapping between θ, φ and the single fiber is reduced. , The curvature of the focal plane and astigmatism may cause a decrease in the coupling efficiency to the single fiber. However, unless a high accuracy is required for the measurement of θ, it is considered that there is almost no practical impediment, and a large incident angle θ that exceeds the NA of the optical system within the limits of the aperture of the optical system. It is also possible to efficiently capture light incident on the.

また,逆にこれら特定の単心ファイバ群に光を逆方向から入射させることにより,プローブの先端から対応するθ,φの方向のみに光を射出させることが可能である。   Conversely, by making light incident on these specific single fiber groups from the opposite direction, it is possible to emit light only from the tip of the probe in the corresponding θ and φ directions.

個々の単心ファイバへの光の結合性能は,主にL1のFナンバーF1(またはL1の開口数)で決まる。そこで,F1は,単心ファイバの開口数をNAとすると,F1≦1/(2・NA)となるように設計することが好ましい。一方,バンドルファイバ全体が捕獲できる散乱光の入射角の最大値θmaxは,主にL2のFナンバーF2によって決まる。そこで,バンドルファイバの直径をDとすると,F2=d1/D≦0.5/tan(θmax)となるように設計することが好ましい。ただしθmaxの値には,生体内の実際の屈折率nを考慮した値を用いるものとする。   The light coupling performance to each single fiber is mainly determined by the F number F1 of L1 (or the numerical aperture of L1). Therefore, it is preferable to design F1 so that F1 ≦ 1 / (2 · NA), where NA is the numerical aperture of the single-core fiber. On the other hand, the maximum incident angle θmax of scattered light that can be captured by the entire bundle fiber is mainly determined by the F number F2 of L2. Therefore, when the diameter of the bundle fiber is D, it is preferable to design so that F2 = d1 / D ≦ 0.5 / tan (θmax). However, a value that takes into account the actual refractive index n in the living body is used as the value of θmax.

一般にL1の焦点距離f1とL2の焦点距離f2は異なっていてもよいが,バンドルファイバの端面で光束が垂直に集光される条件を満たすためには,L1とL2の主点間距離をd1として、式1の関係を満たす必要がある。   In general, the focal length f1 of L1 and the focal length f2 of L2 may be different, but in order to satisfy the condition that the light beam is vertically focused on the end face of the bundle fiber, the distance between the principal points of L1 and L2 is set to d1. As shown in FIG.

d1=f2≦f1 式1 d1 = f2 ≦ f1 Formula 1

この時,L2の主点とバンドルファイバ端面との間の距離d2は,レンズの厚さを無視すると,   At this time, the distance d2 between the principal point of L2 and the end face of the bundle fiber is, if the thickness of the lens is ignored,

d2=(f1−f2)f2/f1 式2
となる。
d2 = (f1-f2) f2 / f1 Equation 2
It becomes.

なお,L1の口径はバンドルファイバの直径よりも小さくすることができるため,プローブ1個を装着する際の被験者への負担が従来とほとんど変わらないようにすることができる。第1の凸レンズL1は,皮膚への密着性を考量して平凸レンズとすることが好ましいが,正の屈折力を持つ光学素子であればいずれの形態でも構わない。例えば断面が紡錘型の古典的な凸レンズの他にも,フレネルレンズやホログラフィック光学素子を用いることができる。さらに,非球面レンズや複合レンズとすることもできる。第2の凸レンズL2もバンドルファイバ端面への密着性を考量して平凸レンズが好ましいが,L1と同様にフレネルレンズやホログラフィック光学素子,非球面レンズや複合レンズを用いることができる。   Since the diameter of L1 can be made smaller than the diameter of the bundle fiber, the burden on the subject when wearing one probe can be made almost the same as in the past. The first convex lens L1 is preferably a plano-convex lens in consideration of adhesion to the skin, but any form may be used as long as it is an optical element having a positive refractive power. For example, a Fresnel lens or a holographic optical element can be used in addition to a classical convex lens having a spindle section. Furthermore, an aspherical lens or a compound lens can be used. The second convex lens L2 is preferably a plano-convex lens in consideration of the adhesion to the end face of the bundle fiber, but a Fresnel lens, a holographic optical element, an aspherical lens, and a compound lens can be used as in the case of L1.

またL1は,バンドルファイバの端面において輝度分布が均一になるように光束を集光できることが好ましいため,通常の凸レンズを用いるよりも,等距離投影方式や等立体角投影方式で設計された光学素子を用いることが好ましい。   In addition, L1 preferably collects the light flux so that the luminance distribution is uniform on the end face of the bundle fiber, so that it is an optical element designed by an equidistant projection method or an isosolid angle projection method rather than using a normal convex lens. Is preferably used.

また,ここでは1本のバンドルファイバを用いる場合について説明したが,バンドル径の小さな複数本のバンドルファイバを束ねて用いてもよい。また単心ファイバを複数本束ねて用いてもよい。   Although the case where one bundle fiber is used has been described here, a plurality of bundle fibers having a small bundle diameter may be bundled and used. A plurality of single-core fibers may be bundled and used.

本発明によれば、受光用バンドルファイバのNAを超えるような大きな入射角θを有する散乱光であっても,バンドルファイバに効率よく散乱光を結合することができるようになる。これは受光プローブのNAが見かけ上大きくなることを意味するが,単心ファイバ1本あたりに結合できる光パワーは変化しないので,大きな入射角の光を受光するためにはバンドル径をそれに応じて太くする必要はある。従来の方法でバンドル径を太くすると,受光プローブと皮膚との接触面積も大きくなって位置分解能が低下してしまう上,プローブを押し当てる力も増やす必要があるので被験者への負担も増加してしまうが,本願発明では受光プローブの先端のレンズL1だけが皮膚と接触するため,バンドル径を太くしても位置分解能が低下することはなく,被験者への負担も増えることはない。   According to the present invention, even if the scattered light has a large incident angle θ exceeding the NA of the light receiving bundle fiber, the scattered light can be efficiently coupled to the bundle fiber. This means that the NA of the light receiving probe is apparently increased, but the optical power that can be coupled per single fiber does not change, so in order to receive light with a large incident angle, the bundle diameter must be set accordingly. It needs to be thick. If the bundle diameter is increased by the conventional method, the contact area between the light receiving probe and the skin increases, the position resolution decreases, and the force to press the probe needs to be increased, which increases the burden on the subject. However, in the present invention, since only the lens L1 at the tip of the light receiving probe is in contact with the skin, even if the bundle diameter is increased, the position resolution does not decrease and the burden on the subject does not increase.

本発明によれば、入射角θ,方位角φごとにバンドルファイバを構成する単心ファイバを1:1に対応させることができるので,散乱光強度のθ,φ依存性を計測することができるようになる。これにより,拡散光トモグラフィーを実施する際に,1個の受光ファイバだけでも光源や吸収体の3次元位置を大まかに推定することが可能になる。   According to the present invention, since the single-core fiber constituting the bundle fiber can be made to correspond to the incident angle θ and the azimuth angle φ 1: 1, the dependence of the scattered light intensity on θ and φ can be measured. It becomes like this. This makes it possible to roughly estimate the three-dimensional position of the light source and absorber using only one light receiving fiber when performing diffuse optical tomography.

本発明を脳機能計測に適用する場合,θがおよそ0ラジアンとなる方向からの散乱光とθが0ラジアンより大きい方向からの散乱光を比較すると,前者よりも後者は,組織中の浅い部位を通過する光をより多く含み,大脳灰白質の血流の影響をうけにくいと考えられる。また,頭皮を斜めに横切るために頭皮血流の影響をより強く受けると考えられる。そこで前者と後者を適当な重みで減算処理を行うことにより,頭皮血流の影響を排除して,大脳灰白質を通過する光の情報のみを選択的に抽出することが可能になる。これにより,頭皮血流の影響を排除して,脳活動をより正確に計測することが可能になる。   When the present invention is applied to brain function measurement, comparing the scattered light from the direction in which θ is approximately 0 radians and the scattered light from the direction in which θ is greater than 0 radians, the latter is a shallow region in the tissue. It is thought that it contains more light that passes through and is less affected by blood flow of cerebral gray matter. In addition, it is considered that the scalp blood flow is affected more strongly because it crosses the scalp diagonally. Therefore, by subtracting the former and the latter with appropriate weights, it becomes possible to selectively extract only the information of light passing through the cerebral gray matter, eliminating the influence of scalp blood flow. This eliminates the effect of scalp blood flow and enables more accurate measurement of brain activity.

本発明を送光ファイバに対して適用した場合,機械的可動部を導入することなく,入射光の照射方向を可変とすることができる。この結果として,従来と同じ構造の受光プローブを用いる場合であっても,従来と異なる照射条件での計測データが多数得られるようになるため,受光プローブの数が同じであればより高精度な計測が可能となり,あるいは従来よりも少数の受光プローブで従来と同等の計測精度を得ることが可能になる。   When the present invention is applied to a light transmission fiber, the irradiation direction of incident light can be made variable without introducing a mechanical movable part. As a result, even when a light receiving probe having the same structure as the conventional one is used, a lot of measurement data under irradiation conditions different from the conventional one can be obtained. Measurement can be performed, or measurement accuracy equivalent to the conventional one can be obtained with a smaller number of light receiving probes than the conventional one.

本発明を受光プローブと送光ファイバの双方に対して適用した場合,従来と同数の送光ファイバ,受光プローブの数で従来よりも高精度な計測が可能となり,あるいは従来よりも少数の送光ファイバ,受光プローブ数で従来と同等の計測精度が得られるようになる。   When the present invention is applied to both the light receiving probe and the light transmitting fiber, the same number of light transmitting fibers and light receiving probes as the conventional one can be measured with higher accuracy than before, or a smaller number of light transmitting light than conventional. Measurement accuracy equivalent to the conventional one can be obtained with the number of fibers and light receiving probes.

図4は,実施例1の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は,第2の光学素子L2の口径を最小にするため,L2をバンドルファイバ端に密着させている。レンズ構成は,式1において等号が成り立つ場合,つまりd1=f2=f1が成立する場合に相当する。なお,d1は,L1とL2の主点間距離である。2枚のレンズは皮膚への密着性とバンドルファイバ端面への密着性を考慮して,平凸レンズとした上で,凸面が互いに向き合う配置を開示している。しかしながら,平凸レンズを配置する向きはこれに限定されない。   FIG. 4 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the first embodiment. In this biological light measurement probe device, L2 is brought into close contact with the end of the bundle fiber in order to minimize the aperture of the second optical element L2. The lens configuration corresponds to the case where the equal sign holds in Equation 1, that is, the case where d1 = f2 = f1 holds. D1 is the distance between the principal points of L1 and L2. In consideration of the adhesiveness to the skin and the adhesiveness to the end face of the bundle fiber, the two lenses disclose a plano-convex lens and disclose an arrangement in which the convex surfaces face each other. However, the direction in which the plano-convex lens is arranged is not limited to this.

すなわち,本発明の生体光計測用プローブ装置の好ましい態様は,第2の光学素子12とバンドルファイバ13の先端部とが密着しているものである。そして,第2の光学素子12の面のうちバンドルファイバ13の先端部と密着する面は平面である。このような構成を採用するため,この生体光計測用プローブ装置は,第2の光学素子12とバンドルファイバ13との間の相対位置が定まりやすく、機械的にも安定する。   That is, a preferred embodiment of the biological optical measurement probe device of the present invention is one in which the second optical element 12 and the tip of the bundle fiber 13 are in close contact. The surface of the second optical element 12 that is in close contact with the tip of the bundle fiber 13 is a flat surface. Since such a configuration is employed, the biological light measurement probe device is easily mechanically stable because the relative position between the second optical element 12 and the bundle fiber 13 is easily determined.

図4に示されるように,この態様の生体光計測用プローブ装置は,L2の直径をL1の直径より大きくすることが好ましい。図4に示されるように,L1に入射した散乱光は,L1及びL2を通過することにより、バンドルファイバの先端部に集光されるように距離d1が調整されている。図4に示されるように,L1部分以外から光が入射しないように,生体光計測用プローブ装置は,L1の側面からL2を覆う保護シースを有する。   As shown in FIG. 4, in the biological optical measurement probe device of this aspect, it is preferable to make the diameter of L2 larger than the diameter of L1. As shown in FIG. 4, the distance d1 is adjusted so that the scattered light incident on L1 passes through L1 and L2 and is collected at the tip of the bundle fiber. As shown in FIG. 4, the biological light measurement probe device has a protective sheath that covers L2 from the side surface of L1 so that light does not enter from other than the L1 portion.

図5は,実施例2の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は,バンドルファイバ自体にL2の機能を持たせるため,バンドルファイバの端面を凸面状に加工した例である。このため,本形態ではL2が省略されている。しかしながら,光学系の構成自体は実施例1と等価である。L1の焦点は単心ファイバの内部に位置し,端面上では集光スポットがぼやける。このため,この実施例の生体光計測用プローブ装置では,(θ,φ)と(r,φ+π)との間の完全な対応関係は失われる。しかし,特に高い角度分解能を要求しない限り,実用上は支障がない。バンドルファイバ全体としての光結合効率は、主に単心ファイバのコア充填率で決まる。このため,この実施例の生体光計測用プローブ装置は,実施例1の生体光計測用プローブ装置と同等の光結合効率を有する。バンドルファイバ端面の加工法としては,凸面上に研磨する方法や,加熱溶融してドーム上に成型する方法が考えられる。   FIG. 5 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the second embodiment. This biological light measurement probe device is an example in which the end surface of the bundle fiber is processed into a convex shape so that the bundle fiber itself has an L2 function. For this reason, L2 is omitted in this embodiment. However, the configuration of the optical system itself is equivalent to that of the first embodiment. The focal point of L1 is located inside the single fiber, and the focused spot is blurred on the end face. For this reason, in the living body optical measurement probe device of this embodiment, the complete correspondence between (θ, φ) and (r, φ + π) is lost. However, there is no practical problem unless a high angular resolution is required. The optical coupling efficiency of the entire bundle fiber is mainly determined by the core filling factor of the single-core fiber. For this reason, the biological light measurement probe device of this embodiment has an optical coupling efficiency equivalent to that of the biological light measurement probe device of the first embodiment. As a processing method of the end face of the bundle fiber, a method of polishing on a convex surface or a method of heating and melting and molding on a dome can be considered.

すなわち,図5に示されるように,本発明の好ましい態様は,バンドルファイバ13の先端部が,中心部分が盛り上がった形状を有し,これによりバンドルファイバ13の先端部が第2の光学素子12として機能する。   That is, as shown in FIG. 5, in a preferred embodiment of the present invention, the end portion of the bundle fiber 13 has a shape in which the center portion is raised, so that the end portion of the bundle fiber 13 is the second optical element 12. Function as.

図6は,実施例3の生体光計測用プローブ装置を示す図である。この生体光計測用プローブ装置は,L1に平行平面の窓材を使用している。これは,式1,及び式2においてf1=∞とした場合に相当する。L2の口径はバンドルファイバの直径よりも大きくする.またd1+d2も第1の実施態様の2倍にする。このためこの生体光計測用プローブ装置は,サイズの面では他の実施例よりも大きくなる。しかしながら,この生体光計測用プローブ装置は,レンズが1枚で済むという利点がある。すなわち,本発明の好ましい態様は,図6に示されるように,第1の光学素子L1が,入射光を透過させる窓である。すなわち,第1の光学素子L1は,散乱光のうち窓に入射する光を集光することなく,第2の光学素子12へ伝える。   FIG. 6 is a diagram illustrating the biological light measurement probe device according to the third embodiment. This biological optical measurement probe device uses a window material having a plane parallel to L1. This corresponds to the case where f1 = ∞ in Equations 1 and 2. The diameter of L2 is made larger than the diameter of the bundle fiber. Further, d1 + d2 is also doubled in the first embodiment. For this reason, this probe device for measuring biological light is larger in size than the other embodiments. However, this biological optical measurement probe device has an advantage that only one lens is required. That is, in a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, the first optical element L1 is a window that transmits incident light. In other words, the first optical element L1 transmits the incident light to the window among the scattered light to the second optical element 12 without condensing it.

図7は,実施例4の生体光計測用プローブ装置を示す図である。上記した実施例の生体光計測用プローブ装置は,生体内と生体外との界面(つまりL1の下面)において全反射が起こりうる。このため,θmaxの値が概ねsin−1(1/n)の値を超えることができないという問題がある。この生体光計測用プローブ装置は,この問題を解消するための一例であり,L1とL2は生体とほぼ等しい屈折率を持つ単一の材質(断面が扇状であるので「扇状レンズ」と呼ぶことにする)で作られている。すなわち,本発明の好ましい態様は,第1の光学素子L1と第2の光学素子L2とが,ひとつの光学素子からなるものである。たとえば,測定対象者の測定部位の屈折率をあらかじめ測定しておき,その測定値から10%の範囲内(又は5%の範囲内)の屈折率を有する光学素子からなるレンズを採用すればよい。また,測定対象者の測定部位の屈折率をその都度測定しなくても,あらかじめ国籍,年齢及び性別ごとに複数個所の屈折率の平均値を求めておき,その平均値の10%の範囲内(又は5%の範囲内)の屈折率を有する光学素子からなるレンズを採用すればよい。扇状レンズの上面は平面であり,f1=∞に相当する点において実施例3と類似している。一方,扇状レンズの下面はL2の機能を備えると同時に,屈折率界面ともなっている。扇状レンズの上面が皮膚に密着している限り,どのようなθの値の光束も扇状レンズ内に導入できる。そこで扇状レンズの下面の曲率中心がレンズの上面付近に位置するように設計しておけば,扇状レンズの下面に入射する光束は常に垂直入射に近い条件でレンズ下面を通過することになるため,全反射が一切起こらないようにすることができる。
本実施例の態様は,第1の光学素子L1と第2の光学素子L2とが,ひとつの光学素子からなる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a biological light measurement probe device according to a fourth embodiment. In the probe device for biological light measurement of the above-described embodiment, total reflection can occur at the interface between the living body and the outside of the living body (that is, the lower surface of L1). Therefore, there is a problem that the value of θmax cannot generally exceed the value of sin −1 (1 / n). This probe device for measuring biological light is an example for solving this problem, and L1 and L2 are single materials having a refractive index substantially equal to that of a living body (referred to as a “fan lens” because the cross section is a fan shape) To make). That is, in a preferred aspect of the present invention, the first optical element L1 and the second optical element L2 are made of one optical element. For example, the refractive index of the measurement site of the measurement subject may be measured in advance, and a lens made of an optical element having a refractive index within a range of 10% (or within a range of 5%) from the measured value may be employed. . In addition, even if the refractive index of the measurement site of the measurement subject is not measured each time, an average value of refractive indexes at a plurality of locations is obtained in advance for each nationality, age, and gender, and is within a range of 10% of the average value. A lens made of an optical element having a refractive index (or within a range of 5%) may be employed. The upper surface of the fan-shaped lens is a plane and is similar to the third embodiment in that it corresponds to f1 = ∞. On the other hand, the lower surface of the fan-shaped lens has a function of L2 and also serves as a refractive index interface. As long as the upper surface of the fan-shaped lens is in close contact with the skin, a light flux having any value of θ can be introduced into the fan-shaped lens. Therefore, if the center of curvature of the lower surface of the fan-shaped lens is designed to be located near the upper surface of the lens, the light beam incident on the lower surface of the fan-shaped lens will always pass through the lower surface of the lens under conditions close to normal incidence. It is possible to prevent total reflection from occurring.
In this embodiment, the first optical element L1 and the second optical element L2 are formed of one optical element.

この実施例は,上記したいずれかの生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システムである。生体光計測システムは,光源及び検出装置を更に有する。そして,光源からの光は,光源系を介して生体の一部に照射される。なお,光源からの光は,上記した生体光計測用プローブ装置から出射されてもよい。そして,対象物から散乱した光を生体光計測用プローブ装置が集光して,検出部装置へ導く。たとえば,光源は,2種以上の波長の近赤外光を照射することができる。このため,検出部において,2種以上の波長に基づく検出値を用いて連立方程式を解くことで,様々な分析結果を得ることができる。生体光計測システムは,既に知られている。生体光計測システムの構成は,たとえば,本明細書において引用した各種装置の構成を適宜採用することができる。   This embodiment is a biological light measurement system including any of the biological light measurement probe devices described above. The biological light measurement system further includes a light source and a detection device. And the light from a light source is irradiated to a part of living body via a light source system. The light from the light source may be emitted from the above-described biological light measurement probe device. Then, the biological light measurement probe device collects the light scattered from the object and guides it to the detection unit device. For example, the light source can irradiate near infrared light having two or more wavelengths. For this reason, various analysis results can be obtained by solving simultaneous equations using detection values based on two or more wavelengths in the detection unit. A biological optical measurement system is already known. As the configuration of the biological light measurement system, for example, the configurations of various devices cited in the present specification can be adopted as appropriate.

図8は,送光ファイバと受光ファイバの位置関係および散乱光の光路分布を示す図である。本発明のプローブ装置を用いれば、受光ファイバに入射する散乱光のうち,光源に近い側(φ=π)とその反対側(φ=0)から入射する散乱光の強度比を計測することが可能である。この強度比を用いて入射角θの値を知ることが可能である。また本発明のプローブ装置を用いれば,入射角θが比較的小さい光束と比較的大きい光束とに分けて計測することができるので,両者を比較すれば,前者は脳血流の影響を相対的に強く受け,後者は頭皮血流の影響を相対的に強く受けると考えられるので、そこで,前者と後者を独立に測定し,前者から後者を適当な重みで減算することにより,脳血流の影響だけを反映した信号を抽出することが可能である。   FIG. 8 is a diagram showing the positional relationship between the light transmitting fiber and the light receiving fiber and the optical path distribution of the scattered light. By using the probe device of the present invention, it is possible to measure the intensity ratio of the scattered light incident on the light receiving fiber from the side closer to the light source (φ = π) and the opposite side (φ = 0). Is possible. Using this intensity ratio, it is possible to know the value of the incident angle θ. In addition, if the probe device of the present invention is used, it is possible to measure separately for a light beam having a relatively small incident angle θ and a light beam having a relatively large incident angle. The latter is considered to be relatively strongly affected by scalp blood flow. Therefore, the former and the latter are measured independently, and the latter is subtracted from the former by an appropriate weight. It is possible to extract a signal that reflects only the influence.

本発明は,診断機器の分野、脳機能計測分野、生体光計測分野、脳コンピューターインターフェース(BMI,BCI)分野、食品検査分野などで利用されうる。   The present invention can be used in the field of diagnostic equipment, the field of brain function measurement, the field of biological light measurement, the field of brain computer interfaces (BMI, BCI), the field of food inspection, and the like.

11 第1の光学素子
12 第2の光学素子
13 バンドルファイバ
14 単心ファイバ
15 ハウジング
16 検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 1st optical element 12 2nd optical element 13 Bundle fiber 14 Single fiber 15 Housing 16 Detector

Claims (9)

ある生体の一部と接触し,前記生体からの散乱光を受光する第1の光学素子(11)と,
前記第1の光学素子(11)を通過した光が照射する第2の光学素子(12)と,
前記第2の光学素子(12)を通過した光が照射するバンドルファイバ(13)と,を有する,
生体光計測用プローブ装置。
A first optical element (11) that contacts a part of a living body and receives scattered light from the living body;
A second optical element (12) irradiated with light that has passed through the first optical element (11);
A bundle fiber (13) irradiated with light that has passed through the second optical element (12),
A probe device for measuring biological light.
前記第1の光学素子(11)の面のうち,少なくとも前記生体と接触する面が平面である,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
Of the surfaces of the first optical element (11), at least the surface in contact with the living body is a plane,
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記第1の光学素子(11)の口径は,前記バンドルファイバ(13)の直径より小さい,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
The aperture of the first optical element (11) is smaller than the diameter of the bundle fiber (13),
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記第2の光学素子(12)と前記バンドルファイバ(13)の先端部とは,密着しており,
前記第2の光学素子(12)の面のうち前記バンドルファイバ(13)の先端部と密着する面は平面である,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
The second optical element (12) and the end of the bundle fiber (13) are in close contact with each other,
Of the surfaces of the second optical element (12), the surface closely contacting the tip of the bundle fiber (13) is a plane.
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記バンドルファイバ(13)の先端部は中心部分が盛り上がった形状を有し,これにより前記バンドルファイバ(13)の先端部は前記第2の光学素子(12)として機能する,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
The tip portion of the bundle fiber (13) has a shape with a raised center portion, whereby the tip portion of the bundle fiber (13) functions as the second optical element (12).
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記第1の光学素子(11)は,入射光を透過させる窓である,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
The first optical element (11) is a window that transmits incident light.
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記第1の光学素子(11)と前記第2の光学素子(12)とは,ひとつの光学素子からなる,
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置。
The first optical element (11) and the second optical element (12) are composed of one optical element.
The biological optical measurement probe device according to claim 1.
前記バンドルファイバ(13)は,複数の単心ファイバ(14)を有し,
前記第1の光学素子(11)のF値をFとし,前記単心ファイバ(14)の開口数をNAとすると,以下の式Iの関係を満たす,生体光計測用プローブ装置。
≦1/(2NA) 式I
The bundle fiber (13) has a plurality of single-core fibers (14),
A biological optical measurement probe device satisfying the relationship of the following formula I, where F is F 1 of the first optical element (11) and NA is the numerical aperture of the single-core fiber (14).
F 1 ≦ 1 / (2NA) Formula I
請求項1に記載の生体光計測用プローブ装置を含む生体光計測システム。
A biological light measurement system including the biological light measurement probe device according to claim 1.
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