JP2780935B2 - 散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、散乱係数が等しいか又
は等しいと見做せる２種類以上の所定波長の光を種々の
形状をした生体などの散乱吸収体に入射し、散乱吸収体
の内部を拡散伝搬して表面に出てくる所定波長の光を検
出して、検出位置での光量及び平均飛行距離を求め、こ
の光量と平均飛行距離から散乱吸収体内部の特定吸収成
分の濃度やその絶対値、ヘモグロビンの酸素飽和度、さ
らにはそれらの時間変化や空間分布などを、散乱吸収体
の形状に影響されることなく、高精度かつ非侵襲で計測
することができる散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法
及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生体のような散乱吸収体内部の特定吸収
成分の濃度やその絶対量、さらにはこれらの時間変化や
空間分布などを、非侵襲で精密に測定したいという要請
は非常に強く、現在までに連続光（ＣＷ光）や変調光
（例えばパルス光、方形波光、正弦波変調光など）を用
いる方法、さらに波長の異なる光を利用する方法など、
種々の方法や試みがなされている。

【０００３】ところが、これらの従来技術では、生体の
ように種々の形をした部位、或は同じ部位でも形状に個
体差がある対象物などについて、内部の特定吸収成分の
濃度を正確に計測する方法や装置が、まだ十分には開発
されていない。このことは、光を利用した生体の非侵襲
計測の大きな問題であり、その改善が強く望まれてい
る。

【０００４】生体などの散乱吸収体に入射された光は、
散乱吸収されながら内部を拡散伝搬し、その一部が表面
に出てくる。そして、散乱吸収体の外部は、普通、空気
であるため、表面に出た光は自由空間を散逸する。

【０００５】散乱吸収体の内部情報計測では、上記のよ
うにして表面に出てくる光を検出する。このとき、散乱
吸収体の形状が異なると、例えば球であるか直方体であ
るかなどによって、表面の所定の位置に出てくる光の量
や挙動が大きく異なる。

【０００６】したがって、このような計測の精度を高め
るには、散乱吸収体内部の光を挙動をよく理解する必要
がある。最近では、散乱吸収体内部の光の挙動はコンピ
ュータによるモンテカルロシミュレーションで解析、実
験、検討、また光拡散理論(Photon Diffusion Theory)
によってある程度正確に記述、解析できることが知られ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来
は、散乱吸収体内部の光を挙動を理解するために、モン
テカルロシミュレーションや光拡散理論を用いていた。

【０００８】ところが、モンテカルロシミュレーション
は極めて長い計算時間が必要であり、かつ、その結果か
ら散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度などを算出する
ことができない。

【０００９】また、光拡散理論を利用する場合には、光
拡散方程式を実際に解くとき、境界条件を設定する必要
がある。しかし、境界条件は散乱吸収体の形状に大きく
依存するため、正確な計測を行うためには、散乱吸収体
の形状が異なるたびに、新たな境界条件を設定して光拡
散方程式を解くことが必要になる。また、境界条件をあ
る程度正確に設定できる散乱吸収体の形状は、無限空
間、半無限空間、無限円柱、無限にひろがる有限厚さの
スラブなど、極めて単純なものに限定される。この結
果、形状が単純でない生体などの計測では、近似境界条
件を用いることが不可欠となり、これが大きな計測誤差
を生じる原因となる。

【００１０】以上のように、形状の異なる散乱吸収体に
対して、統一的に適用できる拡散光の取り扱い方法は未
開発であり、形状の異なる散乱吸収体に対して、従来技
術で統一的に内部の特定吸収成分の濃度などを正確に計
測することは不可能である。

【００１１】本発明は、上記の問題点を解決するため、
形状の異なる散乱吸収体内部の光の挙動に関する基本的
関係を新たに開示し、この関係を利用して種々の形状の
散乱吸収体内部の特定吸収成分の濃度や絶対値などの計
測を実現し、その計測精度を大幅に改善するとともに、
さらにはそれらの時間変化や空間分布を計測することが
できる散乱吸収体内部の吸収成分の濃度計測方法と装置
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、種々の形状を
もつ散乱吸収体に、散乱係数が等しいか又は等しいと見
做せる２種類以上の所定波長の光を入射し、光検出位置
における所定波長の光の光量と平均飛行距離を求め、こ
れらの値から、散乱吸収体の形状に影響されることな
く、特定吸収成分の濃度やその絶対値を演算処理して求
めるものである。

【００１３】すなわち、本発明の散乱吸収体の吸収成分
の濃度計測方法は、（ａ）散乱吸収体に対して、散乱係
数が等しいか又は等しいと見做せる２種類以上の所定波
長の光を入射し、（ｂ）散乱吸収体の内部を拡散伝搬し
た所定波長の光を光入射位置と異なる１種類以上の光検
出位置で検出して光検出信号を取得し、（ｃ）この光検
出信号を利用して、前記所定波長の入射光に対する前記
光検出位置での光量及び平均飛行距離を検出し、（ｄ）
これらの光量、平均飛行距離、および２種類以上の所定
波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数
の差に関する所定の関係から、特定吸収成分の濃度を演
算処理することを特徴とする。

【００１４】ここで、所定波長の光はパルス光とするこ
とを特徴としてもよい。さらに、所定波長の光を所定周
波数の正弦波変調光とし、光量として光検出信号の直流
成分、あるいは光検出信号に含まれる前記所定周波数成
分の信号の振幅を用い、平均飛行距離は所定周波数成分
の信号の位相遅れから算出することを特徴としてもよ
い。

【００１５】また、所定波長の光を所定の繰り返し周波
数の変調光とし、光量として光検出信号の直流成分、あ
るいは光検出信号に含まれる所定の繰り返し周波数ある
いはその整数倍の周波数成分の信号の振幅を用い、平均
飛行距離は前記所定の繰り返し周波数あるいはその整数
倍の周波数成分の信号の位相遅れから算出することを特
徴としてもよい。

【００１６】また、光量、平均飛行距離、および２種類
以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たり
の吸収係数の差に関する所定の関係は、検出光量の自然
対数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等し
いことから導出される関係であることを特徴としてもよ
い。

【００１７】さらに、特定吸収成分の濃度Ｖの演算処理
は、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1×［ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−
ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞］^-1×ｌｎ［Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁
（λ₂ ）］ ただし、 ε₁ ：吸収成分の波長λ₁ の光に対する単位濃度当たり
の吸収係数 ε₂ ：吸収成分の波長λ₂ の光に対する単位濃度当たり
の吸収係数 ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する平均飛行
距離 ＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する平均飛行
距離 Ｉ₁ （λ₁ ）：波長λ₁ の光に対する規格化検出光量 Ｉ₁ （λ₂ ）：波長λ₂ の光に対する規格化検出光量 ｐ：０≦ｐ≦１なる所定の値 で表される関係に基づいて演算処理されることを特徴と
してもよい。

【００１８】また、前記の特定吸収成分の濃度Ｖの演算
処理は、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1×［ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−
ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞−ｑ＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞−（１−
ｑ）＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞］^-1×ｌｎ｛［Ｉ₁ （λ₁ ）・Ｉ
₂ （λ₂ ）］／Ｉ₁ （λ₂ ）・Ｉ₂ （λ₁ ）］｝ ただし、 ε₁ ：吸収成分の波長λ₁ の光に対する単位濃度当たり
の吸収係数 ε₂ ：吸収成分の波長λ₂ の光に対する単位濃度当たり
の吸収係数 ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する光検出位
置ｒ₁ での平均飛行距離 ＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する光検出位
置ｒ₁ での平均飛行距離 ＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する光検出位
置ｒ₂ での平均飛行距離 ＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する光検出位
置ｒ₂ での平均飛行距離 Ｉ₁ （λ₁ ）：強度Ｂ₁ ，波長λ₁ の入射光に対する光
検出位置ｒ₁ での検出光量 Ｉ₁ （λ₂ ）：強度Ｂ₂ ，波長λ₂ の入射光に対する光
検出位置ｒ₁ での検出光量 Ｉ₂ （λ₁ ）：強度Ｂ₁ ，波長λ₁ の入射光に対する光
検出位置ｒ₂ での検出光量 Ｉ₂ （λ₂ ）：強度Ｂ₂ ，波長λ₂ の入射光に対する光
検出位置ｒ₂ での検出光量 ｐ：０≦ｐ≦１なる所定の値 ｑ：０≦ｑ≦１なる所定の値 で表される関係に基づいて演算処理されることを特徴と
してもよい。

【００１９】本発明の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測
装置は、（ａ）散乱係数が等しいか又は等しいと見做せ
る２種類以上の所定波長の光を発生する光源と、（ｂ）
所定波長の光を散乱吸収体に入射する光入射部と、
（ｃ）散乱吸収体の内部を拡散伝搬した所定波長の光を
光入射位置と異なる１種類以上の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、（ｄ）光検出手段
で得られた光検出信号に基づいて、所定波長の入射光に
対する光検出位置での光量及び平均飛行距離を検出する
パラメータ検出部と、（ｅ）光量、平均飛行距離、およ
び２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃
度当たりの吸収係数の差に関する所定の関係から、特定
吸収成分の濃度を演算処理する演算処理部とを備えるこ
とを特徴とする。

【００２０】ここで、演算処理部は、検出光量の自然対
数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等しい
ことから導出される、光量、平均飛行距離、および２種
類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当た
りの吸収係数の差に関する所定の関係に基づいて特定吸
収成分の濃度を演算することを特徴としてもよい。

【００２１】

【作用】本発明は、形状の異なる種々の散乱吸収体に対
して成立する基本関係、つまり検出位置での光量と平均
飛行距離と、２種類以上の所定波長の光に対する吸収成
分の単位濃度当たりの吸収係数の差、との関係に基づい
て特定吸収成分の濃度を演算処理するから、散乱吸収体
の形状に影響されずに、特定吸収成分の濃度を正確に計
測することができる。また、特定吸収成分の濃度の時間
変化や空間分布を計測することも可能になる。

【００２２】また、本発明では、特定吸収成分の濃度を
演算処理する際のパラメータとして、実測値から得られ
る光量および平均飛行距離を用いている。これらのパラ
メータは、光検出位置で得られるほとんど全ての光を利
用して求められるもの、つまり積分形の値であるため、
高い信号対雑音比が得られ、その結果として高い計測精
度が得られる。

【００２３】なお、本発明では、散乱吸収体に対して散
乱係数が等しいか又は等しいと見做せる２種類以上の所
定波長の光を入射して計測するもので、計測値から所定
の波長における吸収成分の吸収係数の差が導出され、こ
れから特定吸収成分の濃度が求められる。この際、２種
類以上の検出位置で光信号を検出すれば、波長の異なる
光に対する入射光量の差が消去され、より実用的で精度
の高い計測を行うことができる。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例に説明に先立ち、本発明の原
理について説明する。

【００２５】［本発明の原理］均一な散乱吸収体を考
え、散乱吸収体の表面に配置した光源から発した光が散
乱吸収体の内部を伝搬して、表面に置かれた光検出器で
検出されるものとする。この場合、散乱吸収体の形状
は、拡散光の再入射が不可能な面からなるものであれ
ば、任意でよい。

【００２６】図１は、検出された光（または光子）が散
乱吸収体の内部を伝搬した飛跡の例を示す。

【００２７】光は散乱粒子で散乱され、その光路はジグ
ザグに折れ曲がる。この時、ジグザグな飛行距離ｌに対
してランバード・ベア則が成立し、伝搬光の強度はジグ
ザグな飛行距離（累積距離）ｌに対して指数関数的に減
衰する。このとき、媒体中の光速度をｃ、飛行時間をｔ
とすれば、飛行距離はｌ＝ｃｔとなる。

【００２８】他方、時間分解計測で得られる光検出信号
の時間波形Ｊ（ｃｔ）を考えると、図２に示すように、
飛行距離ｌは光検出信号の時間波形Ｊ（ｃｔ）の横軸ｃ
ｔ＝ｌに対応する。

【００２９】以上から、時刻ｔに検出されたジグザグ光
の飛行距離と吸収に関する下記のような重要な関係式が
得られ、吸収の度合いは飛行距離ｌと吸収係数μ_a のみ
に関係することがわかる。つまり、 ｃｔ＝ｌ＝ｎｌ_s ＝ｎ／μ_s …（１） Ｊ（ｃｔ）＝Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）［ｅｘｐ（−μ_a ／μ_s ）］ⁿ ＝Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）ｅｘｐ（−μ_a ｌ） ＝Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）ｅｘｐ（−μ_a ｃｔ） …（２） ここで、 ｌ_s ：平均自由飛行距離で、ｌ_s ＝１／μ_s ｎ：散乱粒子との衝突回数 μ_a ：吸収係数 μ_s ：散乱係数 μ_s ’：相似原理による輸送散乱係数で、μ_s ’＝（１
−ｇ）μ_s ただし、ｇは散乱角の余弦の平均値である Ｂ₀ ：散乱吸収体に入射される光の入射強度 Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）：吸収がない場合、つまりμ_a ＝
０のときの光検出信号 である。またここで、ｌ＞＞ｌ_s であり、Ａ（μ_s ’，
ｔ）は散乱の影響を表す。

【００３０】つぎに、上記の関係から散乱吸収体内部の
光の挙動に関する基本関係式を導出する。まず、時間波
形（時間分解計測に対応）に関するものは、 Ｊ（μ_s ’，μ_a ，ｔ）＝Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）ｅｘｐ（−μ_a ｃｔ） …（３） ｌｎ［Ｊ（μ_s ’，μ_a ，ｔ）］ ＝−μ_a ｃｔ＋ｌｎ［Ｂ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）］ …（４） （∂／∂μ_a ）Ｊ（μ_s ’，μ_a ，ｔ） ＝−ｃｔＢ₀ Ａ（μ_s ’，ｔ）ｅｘｐ（−μ_a ｃｔ） …（５） （∂／∂μ_a ）ｌｎ［Ｊ（μ_s ’，μ_a ，ｔ）］＝−ｃｔ …（６） である。ただし、（３）式は（２）式を書き換えたもの
である。

【００３１】以上の４個の式のうち、生体内のヘモグロ
ビン濃度の定量などには、（３）又は（４）式が便利で
ある。つまり、散乱係数が等しいか又は等しいと見做せ
る２つの波長の光で計測し、ｌｎＪ（μ_s ’，μ_a ，
ｔ）を得て、２つの波長に対するｌｎＪの値の比を取っ
て、散乱の影響を除去することができる。

【００３２】また、検出光量Ｉは上記のＪ（μ_s ’，μ
_a ，ｔ）を時間積分したものであるから、検出光量Ｉ
（時間積分値、ＣＷ計測に対応）に関する次の基本関係
式が得られる。ただし、以下では、Ａ（μ_s ’，ｔ）の
ラプラス変換（ｓ＝ｃμ_a ）をＦ［Ａ（μ_s ’，ｔ）］
で表す。

【００３３】

【数１】

【００３４】 ｌｎ［Ｉ（μ_s ’，μ_a ）］ ＝ｌｎＢ₀ ＋ｌｎ［Ｆ［Ａ（μ_s ’，ｔ）］］ …（８） （∂／∂μ_a ）Ｉ（μ_s ’，μ_a ）＝−Ｂ₀ ｃＦ［ｔＡ（μ_s ’，ｔ）］ …（９） （∂／∂μ_a ）ｌｎ［Ｉ（μ_s ’，μ_a ）］ ＝−ｃＦ［ｔＡ（μ_s ’，ｔ）］／Ｆ［Ａ（μ_s ’，ｔ）］ ＝−ｃ＜ｔ＞＝−＜Ｌ（μ_a ）＞ …（１０） 上記の（１０）式に示す＜Ｌ（μ_a ）＞は（３）式に示
すＪ（μ_s ’，μ_a ，ｔ）の分布の加重平均ｃ＜ｔ＞に
等しく、重心、平均飛行距離または平均光路長とよばれ
る。

【００３５】この平均飛行距離＜Ｌ（μ_a ）＞は、検出
信号の時間分解波形Ｊ（μ_s ’，μ_a ，ｔ）を演算して
算出することができる。また、別の方法、例えば変調光
入射に対する光検出信号の位相遅れから計算することも
できる。この平均飛行距離＜Ｌ（μ_a ）＞は、光検出信
号全体を利用して求められる量、つまり積分形の量であ
るから、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が得られる。な
お、一般に平均飛行距離＜Ｌ（μ_a ）＞はμ_a に依存す
る。

【００３６】以上のことは、モンテカルロシミュレーシ
ョンでも確認されている。また、以上のことから、光拡
散方程式を利用する場合には、従来の拡散定数から吸収
係数を取り除いた新たな拡散定数Ｄを定義して用いるの
が妥当であることが示される。つまり、 Ｄ＝１／（３μ_s ’）＝１／［３（１−ｇ）μ_s ］ …（１１） である。

【００３７】以上のような知見は、本願の発明者らが初
めて開示したものである。また、これらの結果やこれら
から演繹されることは、本願の発明者らが知る限り、現
在までに経験的に得られた事実や知見と矛盾するものは
ない。

【００３８】そこで、本願の発明では、さらに上記の知
見、例えば、（１０）式を次のように展開する。まず、
（１０）式から、

【００３９】

【数２】

【００４０】が得られる。ただし、Ｃ₀ は積分定数であ
り、また、

【００４１】

【数３】

【００４２】である。

【００４３】いま、散乱吸収体に１種類の吸収成分が含
まれ、波長λ₁ とλ₂ の光に対する吸収成分の単位濃度
当たりの吸収係数を、それぞれε₁ 、ε₂ とすれば、吸
収成分の濃度Ｖは、 Ｖ（ε₁ −ε₂ ）＝（μ_a1−μ_a2） …（１４） となる。ただし、μ_a1とμ_a2は、波長λ₁ とλ₂ におけ
る吸収成分の吸収係数である。

【００４４】したがって、波長λ₁ （入射光強度Ｂ₁ ）
と波長λ₂ （入射光強度Ｂ₂ ）の入射光に対して、平均
飛行距離＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞、およ
び、光量Ｉ₁ （λ₁ ）＝Ｉ₁ （μ_a1）とＩ₁ （λ₂ ）＝
Ｉ₁ （μ_a2）を検出するものとすれば、

【００４５】

【数４】

【００４６】となる。したがって、平均値定理により、 ｌｎ［Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁ （λ₂ ）］ ＝（μ_a2−μ_a1）Ｌ₁ （ξ）＋ｌｎ［Ｂ₁ ／Ｂ₂ ］ …（１６） なるξが存在する。ただし、μ_a1≦ξ≦μ_a2またはμ_a1
≧ξ≧μ_a2である。

【００４７】他方、このＬ₁ （ξ）は、平均飛行距離＜
Ｌ₁ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞を用いて、 Ｌ₁ （ξ）＝ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞…（１７） と表すことができる。ただし、ｐは０≦ｐ≦１を満足す
る適宜の値である。

【００４８】したがって、Ｂ₁ ＝Ｂ₂ であれば、吸収成
分の濃度Ｖは、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1［Ｌ₁ （ξ）］^-1 ×ｌｎ［Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁ （λ₂ ）］ ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1 ×［ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞］^-1 ×ｌｎ［Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁ （λ₂ ）］ …（１８） となる。

【００４９】ここで、ε₂ とε₁ は既知数であるから、
計測によって得られる値、つまり平均飛行距離＜Ｌ
₁ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞、光量ｌｎＩ
₁ （λ₁ ）とｌｎＩ₁ （λ₂ ）、および経験的に定める
ことができるｐの値から、特定吸収成分の濃度Ｖを演算
することができる。

【００５０】なお、実際の計測では、ｐ＝１／２とし
て、Ｌ（ξ）に＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞の
平均値を用いて、 Ｌ（ξ）＝（１／２）［＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞］…（１９） とすることで、十分な計測精度が得られる。

【００５１】さらに一般的に、Ｂ₁ ≠Ｂ₂ のときは、波
長λ₁ （入射光強度Ｂ₁ ）と波長λ₂ （入射光強度
Ｂ₂ ）の入射光に対して、光検出位置ｒ₁ とｒ₂ で、そ
れぞれ平均飛行距離＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞，＜Ｌ₁ （λ₂ ）
＞，＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞，＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞、及び光量Ｉ
₁ （λ₁ ），Ｉ₁ （λ₂ ），Ｉ₂ （λ₁ ），Ｉ
₂ （λ₂ ）を検出するものとすれば、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1［Ｌ₁ （ξ₁ ）−Ｌ₂ （ξ₂ ）］^-1 ×ｌｎ｛［Ｉ₁ （λ₁ ）Ｉ₂ （λ₂ ）］ ／［Ｉ₁ （λ₂ ）Ｉ₂ （λ₁ ）］｝ ＝（ε₂ −ε₁ ）^−１ ×［ｐ＜Ｌ_１ （λ₁ ）＞＋（１−ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞ −ｑ＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞−（１−ｑ）＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞］^-1 ×ｌｎ｛［Ｉ₁ （λ₁ ）Ｉ₂ （λ₂ ）］ ／［Ｉ₁ （λ₂ ）Ｉ₂ （λ₁ ）］｝ …（２０） として、吸収成分の濃度Ｖを演算することができる。た
だし、ｐは０≦ｐ≦１、ｑは０≦ｑ≦１を満足する適宜
の値である。

【００５２】この場合にも、前記と同様にして、ε₂ と
ε₁ が既知数であるから、計測によって得られる値、つ
まり平均飛行距離＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞，＜Ｌ₁ （λ₂ ）
＞，＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞，＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞、光量ｌｎＩ
₁ （λ₁ ），ｌｎＩ₁ （λ₂ ）ｌｎＩ₂ （λ₁ ），ｌｎ
Ｉ₂ （λ₂ ）、および経験的に定めることができるｐ、
ｑの値から、特定吸収成分の濃度Ｖを算出することがで
きる。

【００５３】さらに、この場合にも、 Ｌ₁ （ξ₁ ）−Ｌ₂ （ξ₂ ） ＝（１／２）［＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞ −＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞−＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞］ …（２１） として、十分な計測精度を得ることができる。

【００５４】なお、散乱吸収体に２種類の吸収成分が含
まれる場合には、３種類の波長の光を使用すればよい。
つまり、２種類の散乱吸収体の濃度をＶ₁ 、Ｖ₂ とすれ
ば、（１８）または（２０）式と同様にして、Ｖ₁ とＶ
₂ に関する２連の式が成立する。したがって、この連立
方程式を解いてＶ₁ とＶ₂ を求めることができる。さら
に一般的に、散乱吸収体にｍ種類の吸収成分が含まれる
場合には、（ｍ＋１）種類の波長の光を使用すれば、ｍ
種類の吸収成分の濃度を計測することができる。

【００５５】例えば、図３は酸化、還元ヘモグロビンと
酸化、還元ミオグロビンの吸収スペクトルを示す。脳の
中のヘモグロビンでは、酸化、還元成分の比率などを計
測することが重要である。この場合には、酸化、還元に
対して吸収係数の差が大きい波長の光、つまり７００ｎ
ｍから１．２μｍの波長の光を利用して、上述の原理に
よる計測を行うことができる。

【００５６】なお、上記では異なる波長の光に対する散
乱成分の散乱係数は同一または差があっても極めて小さ
いものと見做した。実際の生体資料などでは、その差が
無視できる程度に十分小さくなるように波長を選択する
ことができる。

【００５７】以上から、形状の異なる種々の散乱吸収体
に対して、特定吸収成分の濃度を計測する方法が明らか
になった。以下、添付図面を参照して本願の発明の実施
例を説明する。以下、図面の説明においては、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。

【００５８】（第１実施例）図４は本願の発明の第１実
施例を示すもので、散乱吸収体２０の内部の吸収成分の
濃度を計測する方法及び装置の構成を示す。この構成で
は、２種類の波長の光（λ₁ 、λ₂ ）と２種類の光検出
距離（ｒ₁ 、ｒ₂ ）に対応して８個のパラメータ値が得
られるから、先に述べた（２０）式によって、吸収成分
の濃度を計測することができる。

【００５９】光源２はレーザーダイオードなどを使用
し、異なる波長λ₁ とλ₂ のパルス光を発生する。この
パルス光の時間幅は、光検出信号から平均飛行距離が導
出できる程度に短いものであればよく、普通は１０ｐｓ
〜１００ｎｓ程度の範囲で自由に選べる。また、光の波
長は計測対象に応じて適宜に選ぶ必要がある。一般に生
体では、ヘモグロビンなどの吸収の関係から７００ｎｍ
以上の光がよく使用される。光源には、レーザーダイオ
ードの他に、発光ダイオード、ＨｅＮｅレーザーなどを
使用することができる。

【００６０】光源２からのパルス光は波長選択器４で波
長選択され、光ガイド６を通して計測対象である散乱吸
収体２０の表面に入射する。この場合、２種類の波長の
パルス光を同時に入射する方法としてもよく、このとき
には波長選択器４は省略される。

【００６１】光ガイド６と散乱吸収体２０の間の空間
は、図４の実施例では微小になっている。しかし実際に
はこれを大きくして、この空間に散乱吸収体２０とほぼ
等しい屈折率と散乱係数をもつ液状体やゼリー状物体
（以下、インターフェイス材と呼ぶ）を満たしておいて
もよい。つまり、光はこのインターフェイス材の中を拡
散伝搬して計測対象に入射するから何ら問題は生じな
い。また散乱吸収体の表面反射が問題になるときは、イ
ンターフェイス材を適宜に選択することによって、表面
反射などの影響を低減することができる。

【００６２】散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光は、前
記光入射位置から距離ｒ₁ およびｒ₂ の位置に置いた光
ガイド８および９で受光される。ここでも前記と同様の
理由によって、インターフェイス材を使用してもよい。

【００６３】第１の光検出器１２および第２の光検出器
１３は、前記光信号を電気信号に変換し、必要に応じて
増幅し、それぞれ光検出信号を出力する。光検出器１２
および１３は、光電子増倍管の他に、光電管、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
トダイオードなどを使用することができる。光検出器の
選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性
と必要な時間応答速度を持っていればよい。また、光信
号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。
さらには、光子を計数する時間相関光子係数法を用いて
もよい。光検出器の受光面以外の場所は、光を吸収ある
いは遮光する構造にしておくことが望ましい。また、前
述したように散乱吸収体に２種類の波長のパルス光を同
時に入射する場合には、光検出器１２と散乱吸収体２０
との間、および光検出器１３と散乱吸収体２０との間の
適宜の波長選択フィルタ（図示せず）を入れる。

【００６４】パラメータ検出部１５は、前記のそれぞれ
の光検出信号から、光量と平均飛行距離を検出する。光
量は光検出信号の時間積分値であるから、光検出信号を
積分することによって容易に得られる。また、平均飛行
距離は充分時間幅の短いパル光入射に対する光検出信号
の時間波形の加重平均であるから、光検出信号の時間波
形から、例えば、前出の（１０）式、あるいはこれと等
価な演算を実行することによって容易に得られる。この
場合、パラメータ検出部は必要に応じて、光源２の光パ
ルス発生に同期した信号を利用する。

【００６５】演算処理部１６は、前記パラメータ検出部
で得られた８個のパラメータ値、つまり波長λ₁ とλ₂
のパルス光入射に対する位置ｒ₁ での光量Ｉ
₁ （λ₁ ），Ｉ₁ （λ₂ ）と平均飛行距離，＜Ｌ₁ （λ
₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞，および位置ｒ₂ での光量Ｉ
₂ （λ₁ ），Ｉ₂ （λ₂ ）と平均飛行距離＜Ｌ
₂ （λ₁ ）＞、＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞を用いて、前出の（２
０）式に基づいて、吸収成分の濃度Ｖを演算する。この
とき、経験的に定めることができる定数ｐとｑを用い
る。また実際の計測では、ｐ＝ｑ＝１／２として、十分
な精度が得られる。これらの演算処理は、演算処理部に
組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行され
る。

【００６６】なお、波長λ₁ とλ₂ のパルス光の散乱吸
収体２０への入射光強度が等しいか、又はこれらが等し
くなるように制御できる場合には、第２の光検出器１３
を省略することができる。この場合、パラメータ検出部
１５で得られるパラメータは４個、つまり波長がλ₁ と
λ₂ のパルス光入射に対する位置ｒ₁ での光量Ｉ₁ （λ
₁ ），Ｉ₁ （λ₂ ）と平均飛行距離＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞、
＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞である。したがって、演算処理部１６
では、これらのパラメータ値を用いて、前出の（１８）
式に基づいて吸収成分の濃度Ｖを演算する。このとき、
経験的に定めることができる定数ｐを用いるが、実際の
計測では、ｐ＝１／２として、十分な精度が得られる。
これらの演算処理は、演算処理部に組み込んだマイクロ
コンピュータなどで高速に実行される。

【００６７】上記では、一箇所から光を入射し、他の２
箇所で光検出する方法について説明した。しかし実際に
は、２箇所から波長の異なる光を入射し、他の点で光を
並列あるいは時分割で検出してもよいことは明らかであ
る。

【００６８】また、前述したように、上記の実施例で
は、異なる波長の光を含む光を入射する方法と、異なる
波長の光を時分割で入射させて使用する方法とがある。
前者の場合には、異なる波長の光を同軸状のビームにし
て、光入射位置の直前に設けた波長選択フィルタで波長
選択する方法、あるいはそのまま散乱吸収体に入射し
て、光検出器の直前に設けた波長選択フィルタで波長選
択する方法、さらにはそれぞれの検出光を２つに分岐し
て波長選択して合計４個の光検出器で並列に検出する方
法などがある。また後者では、光源側にミラーを用いた
光ビーム切り換え器、ファルターを用いた波長切り換え
器、光スイッチを用いた光切り換え器などを利用するこ
とができる。

【００６９】散乱吸収体に光を入射する手段は、図４に
示した光ガイドの代わりに、集光レンズによる方法（図
５（ａ））、光ファイバーを用いる方法（図５
（ｂ））、ピンボールを利用する方法（図５（ｃ））、
胃カメラのように体内から光を入射する方法（図５
（ｄ））などがある。また、太いビーム状の光を散乱吸
収体に入射してもよい。この場合には、複数のスポット
状光源が並んでいると考えればよい。

【００７０】散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光を検出
する手段しては、図４に示した光ガイドを用いる方法以
外に、直接検出する方法（図６（ａ））、光ファイバー
を用いる方法（図６（ｂ））、レンズを用いる方法（図
６（（ｃ））などがある。

【００７１】以上の第１実施例で、３種類の波長の光を
使用すれば、２種類の吸収成分が含まれた散乱吸収体の
それぞれの吸収成分の濃度、あるいは多種の吸収成分が
含まれた散乱吸収体の１種類の吸収成分の濃度と、他の
吸収成分の合計の濃度などを計測することができる。例
えば、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、前出の
図３に示したように、波長によって吸収係数が異なる。
したがって、適宜に選択した３種類の波長の光を使用す
ることによって、これらの濃度、さらには酸化飽和度な
どを計測することができる。一般的には、（ｍ＋１）種
類の波長の光を使用して、ｍ種類の吸収成分のそれぞれ
の濃度を計測することができる。また、（ｍ＋１）種類
より多くの波長の光を使用して、計測精度を向上させる
こともできる。

【００７２】また、異なる時間に上記の計測を行なえ
ば、吸収成分の濃度の時間変化を計測することができ
る。さらに、散乱吸収体に対する光の入射位置と光検出
位置とを同期して走査（図示せず）させて、散乱吸収体
の各部の吸収成分の濃度を計測すれば、濃度の空間分布
の計測ができる。前記演算処理部１６は、このようにし
て得た吸収成分の濃度情報を記憶する機能をもち、表示
記録手段１８はこれらを表示あるいは記録するものであ
る。

【００７３】これらの演算処理は、メモリ、ディスプレ
イなどを備えるコンピュータ装置によって高速に実行す
ることができる。

【００７４】（第２実施例）図７は、本願の発明の第２
実施例を示すもので、人体頭部などの散乱吸収体３０の
内部の酸化ヘモグロビンの濃度あるいはヘモグロビンの
酸化飽和度（酸化ヘモグロビンの濃度とヘモグロビン全
体の濃度との比）を計測、あるいはモニタリングする方
法及び装置構成を示す。この実施例では、３種類の波長
（λ₁ 、λ₂、λ₃ ）の光と、２種類の光検出距離（ｒ
₁ 、ｒ₂ ）を用いて、得られる１２個のパラメータ値
を、先に述べた（２０）式に基づく３連の式からなる連
立方程式に代入し、酸化ヘメグロビン濃度およびヘモグ
ロビンの酸化飽和度などを計測することができる。

【００７５】取り付け用のバンドをもつ容器２６は、針
巻きのように頭部３０に装着される。この実施例に示す
装置は、３種類の所定波長λ₁ 、λ₂ およびλ₃ の光を
使用し、その動作は第１の実施例の装置とほぼ同じであ
る。また、図８は、前出の図７に示した装置構成の一部
分、つまり容器２６の内部の詳細を示す。

【００７６】図８で、光源２からの所定波長λ₁ ，λ₂
およびλ₃ のパルス光は、波長選択器４で波長選択さ
れ、光ガイド６を通して頭部３０に入射される。この
際、３種類の波長は、前出の図３に示したヘモグロビン
の吸収スペクトルを参照して、適宜に選ばれる。

【００７７】頭部内を拡散伝搬した光は、前記光入射位
置から距離ｒ₁ とｒ₂ の位置に置いた光ガイド８と９で
受光され、第１の光検出器１２と第２の光検出器１３で
電気信号に変換、また必要に応じて増幅される。ここで
得られる信号は、３種類の波長と２種類の光検出距離に
対する信号である。電源や種々の信号などは、容器２６
に付けたコネクタ２８を介して、信号ケーブル３２で外
部機器３４に接続される。外部機器３４の中のパラメー
タ検出部（図示せず）では、３種類の波長と２種類の光
検出距離に対するそれぞれの光量と平均飛行距離、つま
り１２個のパラメータが得られる。

【００７８】このとき、波長λ₁ とλ₂ で得られる信
号、波長λ₁ とλ₃ で得られる信号に対して、前出の
（２０）式と同様の２連の関係が成立する。したがっ
て、第１の実施例と同様にして、酸化ヘモグロビンの濃
度Ｖ₁ 、還元ヘモグロビンの濃度Ｖ₂ およびヘモグロビ
ンの酸素飽和度Ｖ₁ ／（Ｖ₁ ＋Ｖ₂ ）を演算処理部（図
示せず）演算処理することができ、必要に応じて出力、
表示することもできる。なお、これらの演算処理は、演
算処理部に内蔵された、コンピュータなどで高速に実行
される。また上記で、容器２６の中で、信号を電波や光
信号に交換して、信号ケーブルを介さないで外部機器３
４に伝送することもできる。

【００７９】以上の場合、光源、光入射部、光検出手段
などは、第１の実施例で説明したものが利用できる。ま
た、人体頭部などでは、表面反射や光ガイドと頭部間の
隙間などが問題になることがある。この場合には、前述
したインターフェース材を利用するとよい。この場合に
は、図８に示した光ガイドを省略して、頭部と波長選択
器４との間、および頭部と光検出器１２および１３との
間に、計測対象とほぼ同一の散乱係数と吸収係数をもつ
インターフェース材を使用する。

【００８０】このような装置は、脳内の計測以外に、例
えばマラソン中の人の脚の筋肉中の酸化ヘモグロビン濃
度の計測あるいはモニタリングなどに使用することがで
きる。

【００８１】（第３実施例）図９は、本願の発明の第３
実施例を示すもので、正弦波変調光を用いて散乱吸収体
２０の内部の吸収成分の濃度を計測する方法及び装置の
構成を示す。この実施例では、透過型の配置を計測に利
用し、２種類の波長（λ₁ ，λ₂ ）の変調光を入射し、
２種類の光検出距離（ｒ₁ とｒ₂ ）の位置で光検出し、
得られるパラメータ値を、先に述べた（２０）式に代入
して、吸収成分の濃度を計測する。

【００８２】変調光源２１で発生した波長λ₁ とλ₂ 、
所定角周波数ωの正弦波変調光は、波長選択器４を介し
て、光入射部５に導かれ、散乱吸収体２０に入射され
る。ここで、光入射部は前出の図５（ａ）に示した方
法、つまりレンズを利用しているが、他の方法を用いて
もよい。

【００８３】所定角周波数の正弦波変調光は、図１０
（ａ）に示すようにレーザーダイオードの電流変調によ
って発生させる。また、正弦波変調光は、図１０（ｂ）
や（ｃ）に示すように、２台のＣＷレーザーのビート、
あるいは光変調器を利用して発生させることもできる。

【００８４】光入射部５を介して散乱吸収体２０に入射
された正弦波変調光は、内部を拡散伝搬し、その一部が
第１の受光部１０および第２の受光部１１に入射する。
ここでは、受光部として前出の図６（ｃ）に示す方法を
用いている。受光部１０および１１に入射した光は、そ
れぞれ光検出器１２と１３で電気信号に変換され、その
信号は必要に応じて増幅される。この場合、光入射点と
受光点の距離はｒ₁ とｒ₂ である。

【００８５】信号処理制御部３６は、光源の制御および
前記光検出信号の演算処理などを行い、散乱吸収体２０
の内部の吸収成分の濃度Ｖを出力するとともに、必要に
応じてそれらを表示・記録する。

【００８６】図１１は、前記光検出信号に対する演算処
理を実行する部分の具体的な構成例を示す。光検出器１
２と１３からの光検出信号は、信号抽出部に導かれ、そ
れぞれの光検出信号から角周波数成分が所定の値ωであ
る信号のみが抽出される。この所定の角周波数ωの信号
は、散乱吸収体２０の内部を拡散伝搬した所定角周波数
ωの光子密度波である。つぎに、パラメータ検出部は、
所定角周波数ωの信号の振幅Ｍと位相遅れφを検出す
る。

【００８７】以上のような散乱吸収体内部の変調光の挙
動は、（３）式〜（１０）式をフーリエ変換したもので
表される。このとき、所定波長λ₁ とλ₂ に対して検出
距離ｒ₁ で検出した上記所定角周波数ωの信号の振幅の
比、つまりＭ₁ （λ₁ ）／Ｍ₁ （λ₂ ）は、前出の（２
０）式に用いられる光量Ｉ₁ （λ₁ ）とＩ₁ （λ₂ ）を
用いて、 Ｍ₁ （λ₁ ）／Ｍ₁ （λ₂ ）＝Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁ （λ₂ ） …（２２） と表される。したがって、（１８）式や（２０）式の光
量比は、上記振幅の比に等しい。

【００８８】また、角周波数ωが媒体中の光速度と吸収
係数の積に比べて十分に小さいとき、つまりω＜＜ｃμ
_a のとき、位相遅れφは前述した平均飛行距離＜Ｌ（μ
_a ）＞に比例する。

【００８９】例えば、図９に示した透過型の計測の場合
の位相遅れφは、 φ（ｒ，ω）＝ωｃ^-1＜Ｌ（μ_a ）＞ である、したがって、平均飛行距離＜Ｌ（μ_a ）＞は、
既知の値であるωとｃ、および計測値φから簡単に求め
ることができる。なお、このような関係は、半空間反射
型計測の場合にも成立する。また、角周波数が高い場合
には、上記に補正項を加える必要がある。

【００９０】以上から、前出の（１８）式または（２
０）式を用いて吸収成分の濃度Ｖを計算するのに必要な
計測値パタメータ、すなわち波長λ₁ とλ₂ の入射光に
対する光検出距離ｒ₁ とｒ₂ での光量比Ｉ₁ （λ₁ ）／
Ｉ₁ （λ₂ ），Ｉ₂ （λ₁ ）／Ｉ₂ （λ₂ ）、および、
平均飛行距離＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞，＜
Ｌ₂ （λ₁ ）＞と＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞が求められる。この
とき、第１実施例と同様に、経験的に定めることができ
る定数ｐとｑを用いるが、実際の計測では、ｐ＝ｑ＝１
／２として、十分な精度が得られる。

【００９１】演算処理部１６は、上記で求めたパラメー
タを用いて、前出の（１８）式または（２０）式で表さ
れる演算を実行して、吸収成分の濃度Ｖを出力する。ま
た、必要に応じて、この濃度値は表示、記録される。な
お、以上のような演算は、通常、メモリ、ディスプレイ
などを備えたコンピュータ装置によって高速に実行され
る。

【００９２】なお、信号抽出部１４とパラメータ検出部
１５には、市販のロックインアンプを利用することもで
きる。ロックインアンプでは、光検出信号から所定の周
波数成分ωの信号を抽出して、その信号の振幅Ｍと位相
遅れφを検出することができる。このとき、前記変調光
に同期した角周波数ωの信号を参照信号として利用す
る。

【００９３】また上記の場合、光検出器１２および１３
からの光検出信号の直流成分ｍ_dcは、ω＝０としたとき
の値であり、（１８）式および（２０）式の光量Ｉに相
当する。このような、直流成分ｍ_dcは、低域通過フィル
ターを用いて簡単に抽出することができる。したがっ
て、上記の第３実施例では、所定の角周波数ωの信号の
振幅の代わりに、所定の波長に対して検出距離ｒ₁ とｒ
₂ の位置で検出した直流成分ｍ_dcを用いてもよい。

【００９４】さらに、当然ではあるが上記の計測を異な
る時間に行えば、吸収成分の濃度の時間変化を計測する
ことができる。また、上記の構成で、散乱吸収体２０に
対して光入射位置と光検出位置を同期して相対的に走査
させれば（図示せず）、吸収成分の濃度の空間分布を計
測することができる。このとき、複数チャンネルの光検
出系を利用することもできる。

【００９５】また、３種類の所定波長の光を利用すれ
ば、２種類の吸収成分が含まれた散乱吸収体のそれぞれ
の吸収成分の濃度、あるいは多種の吸収成分が含まれた
散乱吸収体の１種類の吸収成分の濃度と、他の吸収成分
の合計の濃度などを計測することができる。より一般的
には、（ｍ＋１）種類の波長の光を使用して、ｍ種類の
吸収成分のそれぞれの濃度を計測することができる。ま
た、（ｍ＋１）種類より多くの波長の光を使用して、計
測精度を向上させることもできる。

【００９６】以上のような演算は、通常、メモリ、ディ
スプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に
実行される。

【００９７】（第４実施例）本実施例は、第３実施例で
光源が発生する波長λ₁ とλ₂ の所定の周波数の正弦波
変調光を、任意の波形の所定の繰り返し周波数の変調光
としたものである。つまり、第３実施例では、所定角周
波数の正弦波変調光を利用したが、変調光は所定の周波
数成分を含む物であれば、どんな波形のものであって
も、その中に含まれる特定の周波数成分に対して、第３
実施例の手法をそのまま適用することができる。例え
ば、繰り返しパルス光では、繰り返し周波数と同一、お
よびその整数倍の周波数成分が存在するので、いずれか
の周波数成分に対して第３実施例の手法をそのまま適用
することができる。所定の繰り返し周波数の変調光に要
求される性能は、安定な繰り返し周波数と安定な光強度
である。

【００９８】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明による散乱
吸収体の内部の吸収成分の濃度計測方法及び装置によれ
ば、再入射不可能な面からなる任意の形状の散乱吸収体
内部の吸収成分の濃度の絶対値計測が可能となる。ま
た、濃度の時間変化や空間分布を計測することができ
る。さらに、本発明を利用した計測装置では、光信号に
対する時間積分形の計測値パラメータを使用するから、
光の利用率が高くなり、かつ信号対雑音比が大きくなっ
て高い計測精度が得られる。したがって、脳内酸素量や
運動中の人の脚の筋肉の中の酸素量、立ち木などの吸収
成分の濃度などのリアルタイム計測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】散乱吸収体内部を伝搬した光の飛跡の説明図で
ある。

【図２】時間分解計測波形の例を示す説明図である。

【図３】各種生体物質の吸収スペクトルを示すグラフで
ある。

【図４】第１実施例の装置の構成図である。

【図５】散乱吸収体への光入射方法を示す説明図であ
る。

【図６】受光方法を示す説明図である。

【図７】第２実施例の装置の構成図である。

【図８】第２実施例の装置の光入射・検出部の構成図で
ある。

【図９】第３実施例の装置の構成図である。

【図１０】変調光の発生方法を示す説明図である。

【図１１】光検出信号演算処理部の構成図である。

【符号の説明】

２…光源、４…波長選択器、５…光入射部、６，８，９
…光ガイド、１０，１１…受光部、１２，１３…光検出
器、１４…信号抽出部、１５…パラメータ検出部、１６
…演算処理部、１８…表示記録部、２０…散乱吸収体、
２１…変調光源、２６…容器、２８…コネクタ、３０…
人体頭部、３２…ケーブル、３４…外部機器、３６…信
号処理制御部、３８…発振器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象である散乱吸収体に対して散乱
   係数が等しいか又は等しいと見做せる２種類以上の所定
   波長の光を入射し、 前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記所定波長の光
   を前記光入射位置と異なる１種類以上の光検出位置で検
   出して、光検出信号を取得し、 前記光検出信号に基づいて、前記所定波長の入射光に対
   する前記光検出位置での光量及び平均飛行距離を検出
   し、 前記光量、前記平均飛行距離、および前記２種類以上の
   所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収
   係数の差に関する所定の関係から、特定吸収成分の濃度
   を演算処理する、 ことを特徴とする散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方
   法。
2. 【請求項２】 前記所定波長の光はパルス光である、こ
   とを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の
   濃度計測方法。
3. 【請求項３】 前記所定波長の光は所定周波数の正弦波
   変調光であり、 前記特定吸収成分の濃度の演算に用いる前記光量は前記
   光検出信号に含まれる前記所定周波数成分の信号の振幅
   であり、 さらに、前記平均飛行距離は前記所定周波数成分の信号
   の位相遅れから算出される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
4. 【請求項４】 前記所定波長の光は所定周波数の正弦波
   変調光であり、 前記特定吸収成分の濃度の演算に用いる前記光量は前記
   光検出信号の直流成分であり、 さらに、前記平均飛行距離は前記所定周波数成分の信号
   の位相遅れから算出される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
5. 【請求項５】 前記所定波長の光は所定の繰り返し周波
   数の変調光であり、 前記特定吸収成分の濃度の演算に用いる前記光量は、前
   記光検出信号に含まれる前記所定の繰り返し周波数、あ
   るいはその整数倍の周波数成分の信号の振幅であり、 さらに、前記平均飛行距離は前記所定の繰り返し周波数
   あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから
   算出される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
6. 【請求項６】 前記所定波長の光は所定の繰り返し周波
   数の変調光であり、 前記特定吸収成分の濃度の演算に用いる前記光量は、前
   記光検出信号の直流成分であり、 さらに、前記平均飛行距離は前記所定の繰り返し周波数
   あるいはその整数倍の周波数成分の信号の位相遅れから
   算出される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
7. 【請求項７】 前記光量、前記平均飛行距離、および前
   記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の単位濃
   度当たりの吸収係数の差に関する前記所定の関係は、検
   出光量の自然対数を吸収係数で偏微分したものが平均飛
   行距離に等しいことから導出される、ことを特徴とする
   請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法。
8. 【請求項８】 前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算
   処理する前記演算処理は、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1×［ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−
   ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞］^-1×ｌｎ［Ｉ₁ （λ₁ ）／Ｉ₁
   （λ₂ ）］ ただし、 Ｖ：吸収成分の濃度 ε₁ ：吸収成分の波長λ₁ の光に対する単位濃度当たり
   の吸収係数 ε₂ ：吸収成分の波長λ₂ の光に対する単位濃度当たり
   の吸収係数 ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する平均飛行
   距離 ＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する平均飛行
   距離 Ｉ₁ （λ₁ ）：波長λ₁ の光に対する規格化検出光量 Ｉ₁ （λ₂ ）：波長λ₂ の光に対する規格化検出光量 ｐ：０≦ｐ≦１なる所定の値 で表される関係に基づいて演算処理される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
9. 【請求項９】 前記散乱吸収体の吸収成分の濃度を演算
   処理する前記演算処理は、 Ｖ＝（ε₂ −ε₁ ）^-1×［ｐ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞＋（１−
   ｐ）＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞−ｑ＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞−（１−
   ｑ）＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞］^-1×ｌｎ｛［Ｉ₁ （λ₁ ）・Ｉ
   ₂ （λ₂ ）］／Ｉ₁ （λ₂ ）・Ｉ₂ （λ₁ ）］｝ ただし、 Ｖ：吸収成分の濃度 ε₁ ：吸収成分の波長λ₁ の光に対する単位濃度当たり
   の吸収係数 ε₂ ：吸収成分の波長λ₂ の光に対する単位濃度当たり
   の吸収係数 ＜Ｌ₁ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する光検出位
   置ｒ₁ での平均飛行距離 ＜Ｌ₁ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する光検出位
   置ｒ₁ での平均飛行距離 ＜Ｌ₂ （λ₁ ）＞：波長λ₁ の入射光に対する光検出位
   置ｒ₂ での平均飛行距離 ＜Ｌ₂ （λ₂ ）＞：波長λ₂ の入射光に対する光検出位
   置ｒ₂ での平均飛行距離 Ｉ₁ （λ₁ ）：強度Ｂ₁ ，波長λ₁ の入射光に対する光
   検出位置ｒ₁ での検出光量 Ｉ₁ （λ₂ ）：強度Ｂ₂ ，波長λ₂ の入射光に対する光
   検出位置ｒ₁ での検出光量 Ｉ₂ （λ₁ ）：強度Ｂ₁ ，波長λ₁ の入射光に対する光
   検出位置ｒ₂ での検出光量 Ｉ₂ （λ₂ ）：強度Ｂ₂ ，波長λ₂ の入射光に対する光
   検出位置ｒ₂ での検出光量 ｐ：０≦ｐ≦１なる所定の値 ｑ：０≦ｑ≦１なる所定の値 で表される関係に基づいて演算処理される、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体の吸収成分
   の濃度計測方法。
10. 【請求項１０】 測定対象である散乱吸収体に対して散
    乱係数が等しいか又は等しいと見做せる２種類以上の所
    定波長の光を発生する光源と、 前記所定波長の光を前記散乱吸収体に入射する光入射部
    と、 前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記所定波長の光
    を前記光入射位置と異なる１種類以上の光検出位置で検
    出して光検出信号を取得する光検出手段と、 前記光検出手段で得られた光検出信号に基づいて、前記
    所定波長の入射光に対する前記光検出位置での光量及び
    平均飛行距離を検出するパラメータ検出部と、 前記光量、前記平均飛行距離、および前記２種類以上の
    所定波長の光に対する吸収成分の単位濃度当たりの吸収
    係数の差に関する所定の関係から、特定吸収成分の濃度
    を演算処理する演算処理部と、 を備えることを特徴とする散乱吸収体の吸収成分の濃度
    計測装置。
11. 【請求項１１】 前記演算処理部は、検出光量の自然対
    数を吸収係数で偏微分したものが平均飛行距離に等しい
    ことから導出される、前記光量、前記平均飛行距離、お
    よび前記２種類以上の所定波長の光に対する吸収成分の
    単位濃度当たりの吸収係数の差に関する前記所定の関係
    に基づいて前記特定吸収成分の濃度を演算処理する、こ
    とを特徴とする請求項１０記載の散乱吸収体の吸収成分
    の濃度計測装置。