JP3527600B2 - 散乱マトリックスの内部に関する分析データを決定するための方法および装置 - Google Patents
散乱マトリックスの内部に関する分析データを決定するための方法および装置Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を利用して、散
乱マトリックス（scattering matrix）の内部、とりわ
けバイオロジカル・サンプル（biological sample）の
内部に関する分析データを決定するための方法および装
置に関する。
乱マトリックス（scattering matrix）の内部、とりわ
けバイオロジカル・サンプル（biological sample）の
内部に関する分析データを決定するための方法および装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】本発
明を利用するばあいのもっとも重要な事例はバイオロジ
カル・サンプルの研究であり、とりわけ生物（living o
rganism）の組織の研究である。バイオロジカル・サン
プルは、ほとんどのばあい光学的に不均質である、すな
わち大多数の散乱中心（scattering center）を有して
おり、該散乱中心においては、照射された光が散乱され
る。このことは、ヒトまたは動物の組織、とりわけ皮膚
組織、皮下脂肪組織または強膜の組織にあてはまるが、
さらに、たとえば血液のような流体のバイオロジカル・
サンプルにもあてはまる。そして、血液においては、血
球が散乱中心をなしている。その他に、ミルクにもあて
はまるが、ミルク中においては乳化した脂肪の小滴（dr
oplet）によって散乱中心が生じている。さらに、照射
された光が一般に、該光が散乱マトリックスから出てい
くまでに何回も散乱されるような高密度の光学的な散乱
中心を有している３次元的構造が含まれるという意味
で、本発明は散乱マトリックス全般に向けられている。
５ｍｍよりも短い、光の平均自由行程をともなう散乱マ
トリックスが主に関係している。本発明に基づいて研究
されうるバイオロジカル・サンプルでない散乱マトリッ
クスとしては、たとえばエマルジョンやディスパージョ
ンがあり、これらは種々の適用、たとえば塗料や染料の
みならずプラスチック材料の表面皮膜のために必要とさ
れるものである。
明を利用するばあいのもっとも重要な事例はバイオロジ
カル・サンプルの研究であり、とりわけ生物（living o
rganism）の組織の研究である。バイオロジカル・サン
プルは、ほとんどのばあい光学的に不均質である、すな
わち大多数の散乱中心（scattering center）を有して
おり、該散乱中心においては、照射された光が散乱され
る。このことは、ヒトまたは動物の組織、とりわけ皮膚
組織、皮下脂肪組織または強膜の組織にあてはまるが、
さらに、たとえば血液のような流体のバイオロジカル・
サンプルにもあてはまる。そして、血液においては、血
球が散乱中心をなしている。その他に、ミルクにもあて
はまるが、ミルク中においては乳化した脂肪の小滴（dr
oplet）によって散乱中心が生じている。さらに、照射
された光が一般に、該光が散乱マトリックスから出てい
くまでに何回も散乱されるような高密度の光学的な散乱
中心を有している３次元的構造が含まれるという意味
で、本発明は散乱マトリックス全般に向けられている。
５ｍｍよりも短い、光の平均自由行程をともなう散乱マ
トリックスが主に関係している。本発明に基づいて研究
されうるバイオロジカル・サンプルでない散乱マトリッ
クスとしては、たとえばエマルジョンやディスパージョ
ンがあり、これらは種々の適用、たとえば塗料や染料の
みならずプラスチック材料の表面皮膜のために必要とさ
れるものである。
【０００３】もし、流体が、好ましくは公知の散乱特性
を有する光散乱粒子がその内部に配されている容器を通
って流れるようにされているなら、それ自身は散乱中心
を含まない流体に関して本発明によって分析データを決
定することも可能である。このばあい、容器内の内容物
（散乱中心のある流体）は、本発明における散乱マトリ
ックスをなしている。この方法は、透明な流体に関する
所望の分析データが他の方法（たとえば分光学的に）で
は満足に決定できないばあいにとくに有用である。
を有する光散乱粒子がその内部に配されている容器を通
って流れるようにされているなら、それ自身は散乱中心
を含まない流体に関して本発明によって分析データを決
定することも可能である。このばあい、容器内の内容物
（散乱中心のある流体）は、本発明における散乱マトリ
ックスをなしている。この方法は、透明な流体に関する
所望の分析データが他の方法（たとえば分光学的に）で
は満足に決定できないばあいにとくに有用である。
【０００４】本発明は、照射された光とマトリックスと
の相互作用から決定されうる分析データ（「光学的分析
データ」）の決定に関する。かかる方法の「検出段階」
において、照射サイトにおいて照射手段を用いて、前記
マトリックスを画している界面を通って光が照射される
と同時に、同一の界面を通ってあらわれる（すなわち、
反射で）光が、所定の測定距離だけ前記照射サイトから
離れた検出サイトにおいて検出手段を用いて検出されて
測定が行われる。
の相互作用から決定されうる分析データ（「光学的分析
データ」）の決定に関する。かかる方法の「検出段階」
において、照射サイトにおいて照射手段を用いて、前記
マトリックスを画している界面を通って光が照射される
と同時に、同一の界面を通ってあらわれる（すなわち、
反射で）光が、所定の測定距離だけ前記照射サイトから
離れた検出サイトにおいて検出手段を用いて検出されて
測定が行われる。
【０００５】かかる検出測定において、測定可能な、光
の物理学的特性が決定され、そしてそれは「定量化しう
るパラメータ」としてあらわすことができ、簡単にする
ため、以下「測定変数」という。測定変数は、ほとんど
のばあい二次光の強度であり、そしてそれはしばしば光
の波長の関数として測定される。さらに他の測定変数、
たとえば分極方向および二次光の分極の度合い（一次光
が分極されているばあい）のみならず、二次光の位相
（一次光が強度変調されて照射されているばあい）のよ
うな測定変数もまた、光学的分析データをうるために用
いられる。
の物理学的特性が決定され、そしてそれは「定量化しう
るパラメータ」としてあらわすことができ、簡単にする
ため、以下「測定変数」という。測定変数は、ほとんど
のばあい二次光の強度であり、そしてそれはしばしば光
の波長の関数として測定される。さらに他の測定変数、
たとえば分極方向および二次光の分極の度合い（一次光
が分極されているばあい）のみならず、二次光の位相
（一次光が強度変調されて照射されているばあい）のよ
うな測定変数もまた、光学的分析データをうるために用
いられる。
【０００６】検出段階において行われた検出測定の測定
値から、評価アルゴリズム手段によって、つづく評価段
階において、散乱マトリックスと光との相互作用に依存
している種々の分析データが決定されうる。このこと
は、散乱係数μs、吸収係数μa、散乱の非等方的ファク
タｇおよび屈折率ｎのような散乱マトリックスの光学的
特性を定量的に記述するパラメータであることをとくに
意味している。かかるパラメータは、以下「光輸送パラ
メータ（light transport parameters）」という。
値から、評価アルゴリズム手段によって、つづく評価段
階において、散乱マトリックスと光との相互作用に依存
している種々の分析データが決定されうる。このこと
は、散乱係数μs、吸収係数μa、散乱の非等方的ファク
タｇおよび屈折率ｎのような散乱マトリックスの光学的
特性を定量的に記述するパラメータであることをとくに
意味している。かかるパラメータは、以下「光輸送パラ
メータ（light transport parameters）」という。
【０００７】バイオロジカル・サンプルの研究において
は、サンプル中に含まれている物質、たとえば、水、グ
ルコース、ビリルビン、コレステロール、トリグリセリ
ド類、尿素、尿酸、オキシヘモグロビン、ヘモグロビン
またはシトクロムオキシダーゼなどの濃度の決定が主た
る関心事である。この種の分析物の濃度は、概して侵略
的ともいうべきやり方で決定される。すなわち、生物か
ら血液サンプルを採取したのちに決定される。この侵略
的な分析法を、痛みのない、非侵略的な分析法におきか
えたいとの要望がずっとなされてきた。
は、サンプル中に含まれている物質、たとえば、水、グ
ルコース、ビリルビン、コレステロール、トリグリセリ
ド類、尿素、尿酸、オキシヘモグロビン、ヘモグロビン
またはシトクロムオキシダーゼなどの濃度の決定が主た
る関心事である。この種の分析物の濃度は、概して侵略
的ともいうべきやり方で決定される。すなわち、生物か
ら血液サンプルを採取したのちに決定される。この侵略
的な分析法を、痛みのない、非侵略的な分析法におきか
えたいとの要望がずっとなされてきた。
【０００８】光輸送パラメータ（とくにμaおよびμs）
と物質の化学的分析結果とのあいだには、さらに密接な
関連がある。化学的分析は、概して分光学的原理、すな
わち、光学的吸収のスペクトル依存についての研究に基
づいている。これは、透明な流体中における、長らく確
立された問題のない方法であるが、バイオロジカル・サ
ンプル中では光の多重散乱の故に試料中での光の光学的
行程が知られていないという問題がある。もし、適切な
測定方法によって、前記散乱とは別個に光学的吸収を決
定すること（すなわち、μaとμsを分離すること）が可
能になるなら、この問題は解決され、公知の分光学的原
理がバイオロジカル・サンプル中における多数の物質の
分析に用いられうる。
と物質の化学的分析結果とのあいだには、さらに密接な
関連がある。化学的分析は、概して分光学的原理、すな
わち、光学的吸収のスペクトル依存についての研究に基
づいている。これは、透明な流体中における、長らく確
立された問題のない方法であるが、バイオロジカル・サ
ンプル中では光の多重散乱の故に試料中での光の光学的
行程が知られていないという問題がある。もし、適切な
測定方法によって、前記散乱とは別個に光学的吸収を決
定すること（すなわち、μaとμsを分離すること）が可
能になるなら、この問題は解決され、公知の分光学的原
理がバイオロジカル・サンプル中における多数の物質の
分析に用いられうる。
【０００９】したがって、散乱マトリックスの光学的分
析データは全く異なった利用のために重要である。かか
るデータを決定する方法を、本明細書では集合的に「光
学的マトリックス分析法」という。光学的マトリックス
分析法は、光輸送パラメータに関する散乱マトリックス
の研究およびそこからえられる分析データをとくに含む
ものである。
析データは全く異なった利用のために重要である。かか
るデータを決定する方法を、本明細書では集合的に「光
学的マトリックス分析法」という。光学的マトリックス
分析法は、光輸送パラメータに関する散乱マトリックス
の研究およびそこからえられる分析データをとくに含む
ものである。
【００１０】一方では散乱媒中での光の散乱特性をあら
わし、他方で散乱媒中での光の吸収特性をあらわす分析
データを個々に決定することに関連して、二次光の強度
Ｉの測定距離ｄに対する依存Ｉ（ｄ）からμaおよびμs
を決定することについて論じる。拡散理論および数値的
統計的方法（モンテカルロ算法）がこの議論の理論的根
拠をなしている。この観点において、以下の刊行物を参
照することができる。
わし、他方で散乱媒中での光の吸収特性をあらわす分析
データを個々に決定することに関連して、二次光の強度
Ｉの測定距離ｄに対する依存Ｉ（ｄ）からμaおよびμs
を決定することについて論じる。拡散理論および数値的
統計的方法（モンテカルロ算法）がこの議論の理論的根
拠をなしている。この観点において、以下の刊行物を参
照することができる。
【００１１】アプライド オプティクス（App. Opt.）
２７巻、１９８８年、エム ケイツェル（M. Keijzer）
ら著「層をなす媒質中における光学的拡散（Optical di
ffusion in layered media））」、１８２０〜１８２４
頁、電気電子学会トランザクションズ オン バイオメ
ディカル エンジニアリング（IEEE Trans. Biomed. En
g.）３６巻、１９８９年、エス ティー フロック（S.
T. Flock）ら著「高度に散乱する組織中における光伝
播のモンテカルロモデリングＩ：モデル予測および拡散
理論との比較（Monte Carlo modeling of light propag
ation in highly scattering tissue - I:Model predic
tions and comparison with diffusion theory）」、１
１６２〜１１６８頁、およびメディカル フィジックス
（Med. Phys.）１９巻、１９９２年、ティー ジェイ
ファレル（T. J. Farrell）ら著「空間的に解像された
拡散理論モデル、インビボでの組織の光学的特性の非侵
略的決定のための定常状態の拡散反射率（Adiffusion t
heory model of spatially resolved, steady-state di
ffuse reflectance for the non-invasive determinati
on of tissue optical properties in vivo）」、８７
９〜８８８頁 測定値と理論的計算とが良く一致することが報告されて
いるものの、これらの方法は実用上の重要性、とくにバ
イオロジカル・サンプル中の分析物の決定のための重要
性を何ら獲得していない。
２７巻、１９８８年、エム ケイツェル（M. Keijzer）
ら著「層をなす媒質中における光学的拡散（Optical di
ffusion in layered media））」、１８２０〜１８２４
頁、電気電子学会トランザクションズ オン バイオメ
ディカル エンジニアリング（IEEE Trans. Biomed. En
g.）３６巻、１９８９年、エス ティー フロック（S.
T. Flock）ら著「高度に散乱する組織中における光伝
播のモンテカルロモデリングＩ：モデル予測および拡散
理論との比較（Monte Carlo modeling of light propag
ation in highly scattering tissue - I:Model predic
tions and comparison with diffusion theory）」、１
１６２〜１１６８頁、およびメディカル フィジックス
（Med. Phys.）１９巻、１９９２年、ティー ジェイ
ファレル（T. J. Farrell）ら著「空間的に解像された
拡散理論モデル、インビボでの組織の光学的特性の非侵
略的決定のための定常状態の拡散反射率（Adiffusion t
heory model of spatially resolved, steady-state di
ffuse reflectance for the non-invasive determinati
on of tissue optical properties in vivo）」、８７
９〜８８８頁 測定値と理論的計算とが良く一致することが報告されて
いるものの、これらの方法は実用上の重要性、とくにバ
イオロジカル・サンプル中の分析物の決定のための重要
性を何ら獲得していない。
【００１２】最近また、いわゆる周波数領域測定法が論
じられている。これらの方法は高周波数で変調された光
とともに機能するため、高度に複雑な測定装置を必要と
する。
じられている。これらの方法は高周波数で変調された光
とともに機能するため、高度に複雑な測定装置を必要と
する。
【００１３】本発明は、光学的マトリックス分析法の改
善の問題に言及し、とくに、必要とされる測定装置に関
して言及する。
善の問題に言及し、とくに、必要とされる測定装置に関
して言及する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】検出測定を伴う検出段階
および前述した種類の評価段階が行われる方法におい
て、検出段階では、照射サイトと検出サイトの界面で、
異なる反射条件でもって少なくとも２つの検出測定が行
われるという事実によって前記問題は解決される。そし
て、前記照射サイトと検出サイトのそれぞれにおいて測
定変数についての測定値が決定される。前述した定量化
しうる光のパラメータのそれぞれは、測定変数すなわち
光の強度のみならず分極の度合い、分極方向および位相
位置であると考えられる。
および前述した種類の評価段階が行われる方法におい
て、検出段階では、照射サイトと検出サイトの界面で、
異なる反射条件でもって少なくとも２つの検出測定が行
われるという事実によって前記問題は解決される。そし
て、前記照射サイトと検出サイトのそれぞれにおいて測
定変数についての測定値が決定される。前述した定量化
しうる光のパラメータのそれぞれは、測定変数すなわち
光の強度のみならず分極の度合い、分極方向および位相
位置であると考えられる。
【００１５】本発明の散乱マトリックスの内部に関する
分析データを決定する装置に関連した決定方法は、検出
段階において、光が一次光として、散乱マトリックスを
画する界面を通ってマトリックス中へ照射サイトで照射
され、前記界面を通って散乱マトリックスから出てくる
光が、前記照射サイトから所定の測定距離にある検出サ
イトで二次光として検出され、散乱マトリックスと光の
相互作用によって変化する光の、測定可能な物理的特性
を測定変数として決定される、検出測定が行われ、前記
測定変数は、決定されるべき分析データの測定値であ
り、評価段階において、分析データは、前記検出段階で
測定された測定変数の測定値に基づいて決定され、前記
検出段階において、少なくとも２つの検出測定が、照射
サイトと検出サイトとのあいだの界面で異なる反射条件
で行われ、２つの検出測定のそれぞれにおいて測定変数
の測定値が決定されることを特徴とする。
分析データを決定する装置に関連した決定方法は、検出
段階において、光が一次光として、散乱マトリックスを
画する界面を通ってマトリックス中へ照射サイトで照射
され、前記界面を通って散乱マトリックスから出てくる
光が、前記照射サイトから所定の測定距離にある検出サ
イトで二次光として検出され、散乱マトリックスと光の
相互作用によって変化する光の、測定可能な物理的特性
を測定変数として決定される、検出測定が行われ、前記
測定変数は、決定されるべき分析データの測定値であ
り、評価段階において、分析データは、前記検出段階で
測定された測定変数の測定値に基づいて決定され、前記
検出段階において、少なくとも２つの検出測定が、照射
サイトと検出サイトとのあいだの界面で異なる反射条件
で行われ、２つの検出測定のそれぞれにおいて測定変数
の測定値が決定されることを特徴とする。
【００１６】前記散乱マトリックスとしては、バイオロ
ジカル・サンプルが用いられうる。
ジカル・サンプルが用いられうる。
【００１７】前記測定変数としては、前記二次光の強度
が用いられうる。
が用いられうる。
【００１８】前記評価段階において測定値の比は、異な
る反射条件での少なくとも２つの検出測定のあいだで求
められうる。
る反射条件での少なくとも２つの検出測定のあいだで求
められうる。
【００１９】前記照射サイトと前記検出サイトとのあい
だで異なる測定距離でいくつかの検出測定が行われう
る。
だで異なる測定距離でいくつかの検出測定が行われう
る。
【００２０】前記照射サイトと前記検出サイトとのあい
だで、かつ同一の測定距離であるが異なる反射条件で少
なくとも２つの検出測定が行われうる。
だで、かつ同一の測定距離であるが異なる反射条件で少
なくとも２つの検出測定が行われうる。
【００２１】異なる反射条件での前記少なくとも２つの
検出測定において、異なる反射率を有する反射面を、前
記散乱マトリックスの界面で、かつ個々の照射サイトと
個々の検出サイトとのあいだの界面に配設することがで
きる。
検出測定において、異なる反射率を有する反射面を、前
記散乱マトリックスの界面で、かつ個々の照射サイトと
個々の検出サイトとのあいだの界面に配設することがで
きる。
【００２２】前記異なる反射率は、前記反射面の反射特
性の変化によって与えられうる。
性の変化によって与えられうる。
【００２３】異なる反射条件での前記少なくとも２つの
検出測定において、少なくとも照射サイトおよび検出サ
イトのうちのいずれかが異なっており、前記界面のうち
の異なる部分が、それぞれのばあいにおいて照射サイト
と検出サイトのあいだに存在し、異なる反射条件が前記
部分中に存在しうる。
検出測定において、少なくとも照射サイトおよび検出サ
イトのうちのいずれかが異なっており、前記界面のうち
の異なる部分が、それぞれのばあいにおいて照射サイト
と検出サイトのあいだに存在し、異なる反射条件が前記
部分中に存在しうる。
【００２４】前記分析データが、前記散乱マトリックス
中における光の吸収の測定値である吸収パラメータと、
前記散乱マトリックス中における光の散乱の測定値であ
る散乱パラメータとのうちの少なくともいずれか一方を
含むことができる。
中における光の吸収の測定値である吸収パラメータと、
前記散乱マトリックス中における光の散乱の測定値であ
る散乱パラメータとのうちの少なくともいずれか一方を
含むことができる。
【００２５】前記散乱マトリックスはバイオロジカル・
サンプルであり、前記分析データは前記バイオロジカル
・サンプル中の分析物の濃度を含むことができる。
サンプルであり、前記分析データは前記バイオロジカル
・サンプル中の分析物の濃度を含むことができる。
【００２６】前記分析物の濃度は、前記吸収パラメータ
および前記散乱パラメータのうちの少なくとも一方を考
慮することによって決定されうる。
および前記散乱パラメータのうちの少なくとも一方を考
慮することによって決定されうる。
【００２７】前記バイオロジカル・サンプルとしては生
物の組織が用いられうる。
物の組織が用いられうる。
【００２８】前記生物の組織としては皮膚組織、皮下脂
肪組織、および強膜の組織のうちのいずれかを用いるこ
とができる。
肪組織、および強膜の組織のうちのいずれかを用いるこ
とができる。
【００２９】本発明の散乱マトリックスの内部に関する
分析データを決定するための装置は、分析データを決定
するための装置であって、前記データが、散乱マトリッ
クス中における光の吸収の測定値である吸収パラメー
タ、前記散乱マトリックス中における光の散乱の測定値
である散乱パラメータ、および前記散乱マトリックス中
における物質の濃度からなる群より選ばれ、前記装置
は、前記散乱マトリックス（６）の界面（５）に対置さ
れるサンプル・コンタクト面（３）を備えた測定ヘッド
（１）と、照射サイト（１２）において散乱マトリック
ス（６）中へ、サンプル・コンタクト面（３）中の照射
用開口部（１４）および界面（５）を通って一次光を照
射する光伝送器（９）が備えられてなる光照射手段
（８）と、界面（５）およびサンプル・コンタクト面
（３）中の検出用開口部（１５）を通って検出サイト
（１３）において、散乱マトリックス（６）から生じる
二次光を検出する光レシーバ（１６）が備えられてなる
検出手段（１０）と、決定されるべき分析データの測定
値である測定変数として、散乱マトリックスと光の相互
作用によって変化する光の測定可能な物理的特性を決定
するための測定手段（１、１９）と、評価手段（１８）
を備えた分析ユニットとからなり、光が一次光として、
前記マトリックス中へ照射サイトで照射され、前記界面
を通って散乱マトリックスから出てくる光が、前記照射
サイトから所定の距離にある検出サイトで二次光として
検出される、少なくとも２つの検出測定が行なわれ、前
記サンプル・コンタクト面（３）が、少なくとも２つの
検出測定において異なる反射条件がそれぞれの照射サイ
ト（１２）とそれぞれの検出サイト（１３）とのあいだ
の中間の領域に設定されうる手段からなり、かつ前記分
析データが、前記少なくとも２つの検出測定において測
定される測定変数の数値から、前記評価手段によって決
定されることを特徴とする。
分析データを決定するための装置は、分析データを決定
するための装置であって、前記データが、散乱マトリッ
クス中における光の吸収の測定値である吸収パラメー
タ、前記散乱マトリックス中における光の散乱の測定値
である散乱パラメータ、および前記散乱マトリックス中
における物質の濃度からなる群より選ばれ、前記装置
は、前記散乱マトリックス（６）の界面（５）に対置さ
れるサンプル・コンタクト面（３）を備えた測定ヘッド
（１）と、照射サイト（１２）において散乱マトリック
ス（６）中へ、サンプル・コンタクト面（３）中の照射
用開口部（１４）および界面（５）を通って一次光を照
射する光伝送器（９）が備えられてなる光照射手段
（８）と、界面（５）およびサンプル・コンタクト面
（３）中の検出用開口部（１５）を通って検出サイト
（１３）において、散乱マトリックス（６）から生じる
二次光を検出する光レシーバ（１６）が備えられてなる
検出手段（１０）と、決定されるべき分析データの測定
値である測定変数として、散乱マトリックスと光の相互
作用によって変化する光の測定可能な物理的特性を決定
するための測定手段（１、１９）と、評価手段（１８）
を備えた分析ユニットとからなり、光が一次光として、
前記マトリックス中へ照射サイトで照射され、前記界面
を通って散乱マトリックスから出てくる光が、前記照射
サイトから所定の距離にある検出サイトで二次光として
検出される、少なくとも２つの検出測定が行なわれ、前
記サンプル・コンタクト面（３）が、少なくとも２つの
検出測定において異なる反射条件がそれぞれの照射サイ
ト（１２）とそれぞれの検出サイト（１３）とのあいだ
の中間の領域に設定されうる手段からなり、かつ前記分
析データが、前記少なくとも２つの検出測定において測
定される測定変数の数値から、前記評価手段によって決
定されることを特徴とする。
【００３０】前記サンプル・コンタクト面が、電気的信
号によって制御された当該サンプル・コンタクト面の反
射率を変化するのに適合し、少なくとも２つの検出測定
において異なる反射条件が前記照射サイト（１２）と検
出サイト（１３）とのあいだの中間の領域に設定され
る。
号によって制御された当該サンプル・コンタクト面の反
射率を変化するのに適合し、少なくとも２つの検出測定
において異なる反射条件が前記照射サイト（１２）と検
出サイト（１３）とのあいだの中間の領域に設定され
る。
【００３１】反射率が調整可能な前記コンタクト面が、
液晶表示装置の表面によって形成されうる。
液晶表示装置の表面によって形成されうる。
【００３２】前記少なくとも２つの照射用開口部（１
４）または少なくとも２つの検出用開口部（１５）が前
記サンプル・コンタクト面（３）に配設され、前記界面
のうちの異なる部分（２５ａ、２５ｂ）は、照射用開口
部（１４）とそれぞれのばあいの検出用開口部（１５ａ
および１５ｂ）とのあいだに存在し、サンプル・コンタ
クト面（３）は、異なる部分では異なる値の反射率を有
しうる。あいだに２つの異なる部分（２５ａ、２５ｂ）
が存在する前記照射用開口部および検出用開口部が互い
に同一の測定距離に配置されてなる。 前記測定変数が前
記二次光の強度である。 前記評価手段が、異なる反射条
件での少なくとも２つの検出測定のあいだで測定値の比
を形成するよう構成されてなる。 前記照射サイトと前記
検出サイトとのあいだで異なる測定距離で複数の検出測
定が行われる。 前記評価手段が、分析物の濃度を、前記
吸収パラメータおよび／または前記散乱パラメータを考
慮することによって決定するよう構成されてなる。
４）または少なくとも２つの検出用開口部（１５）が前
記サンプル・コンタクト面（３）に配設され、前記界面
のうちの異なる部分（２５ａ、２５ｂ）は、照射用開口
部（１４）とそれぞれのばあいの検出用開口部（１５ａ
および１５ｂ）とのあいだに存在し、サンプル・コンタ
クト面（３）は、異なる部分では異なる値の反射率を有
しうる。あいだに２つの異なる部分（２５ａ、２５ｂ）
が存在する前記照射用開口部および検出用開口部が互い
に同一の測定距離に配置されてなる。 前記測定変数が前
記二次光の強度である。 前記評価手段が、異なる反射条
件での少なくとも２つの検出測定のあいだで測定値の比
を形成するよう構成されてなる。 前記照射サイトと前記
検出サイトとのあいだで異なる測定距離で複数の検出測
定が行われる。 前記評価手段が、分析物の濃度を、前記
吸収パラメータおよび／または前記散乱パラメータを考
慮することによって決定するよう構成されてなる。
【００３３】
【発明の実施の形態】もし本発明の方法が、バイオロジ
カル・マトリックスと周囲の環境とのあいだの界面にお
ける反射率が変化させられ、それによって新しい、外部
的に調節可能な独立の変数が導入されるような方法で工
夫されるなら、改善された光学的マトリックス分析法−
とりわけ、散乱および吸収の影響を分離する改善された
方法−は可能であるということが発見されたのである。
反射率の挙動は種々な方法で影響を受ける。照射サイト
から検出サイトに至る行程上で、前記界面に到達するフ
ォトンが、２つの検出測定において、異なる可能性でも
ってマトリックス中へと反射して戻されるということが
重要であるだけである。いいかえれば、フォトンが前記
界面でマトリックスから出ていく可能性が２つの検出測
定において明らかに異なっていることになる。界面（変
化されていないマトリックスとの界面）を通して逃げて
いく光強度は２つの測定において明らかに（概して、少
なくとも１０％）異なっていることになる。
カル・マトリックスと周囲の環境とのあいだの界面にお
ける反射率が変化させられ、それによって新しい、外部
的に調節可能な独立の変数が導入されるような方法で工
夫されるなら、改善された光学的マトリックス分析法−
とりわけ、散乱および吸収の影響を分離する改善された
方法−は可能であるということが発見されたのである。
反射率の挙動は種々な方法で影響を受ける。照射サイト
から検出サイトに至る行程上で、前記界面に到達するフ
ォトンが、２つの検出測定において、異なる可能性でも
ってマトリックス中へと反射して戻されるということが
重要であるだけである。いいかえれば、フォトンが前記
界面でマトリックスから出ていく可能性が２つの検出測
定において明らかに異なっていることになる。界面（変
化されていないマトリックスとの界面）を通して逃げて
いく光強度は２つの測定において明らかに（概して、少
なくとも１０％）異なっていることになる。
【００３４】テスト光の波長は、紫外および赤外のあい
だの広い範囲（２００ｎｍおよび３μｍのあいだのいず
れか）において選択しうる。本発明において、光という
用語は、したがって可視スペクトル範囲に限定されな
い。
だの広い範囲（２００ｎｍおよび３μｍのあいだのいず
れか）において選択しうる。本発明において、光という
用語は、したがって可視スペクトル範囲に限定されな
い。
【００３５】本発明は、とくに、マトリックス分析法の
以下の局面に向けられている。
以下の局面に向けられている。
【００３６】− 光輸送パラメータの決定、とくに、散
乱マトリックス中での光の吸収の測定値である吸収パラ
メータ、および／または散乱マトリックス中の光の散乱
の測定値である散乱パラメータの決定。「吸収パラメー
タ」および「散乱パラメータ」という用語は、本明細書
では光学的吸収または光散乱を互いに独立してあらわす
量をいうものとする。実際には、吸収は一般的にμ
aで、散乱は修正散乱係数μs′＝μs（１−ｇ）と記述
される。ただし、ｇは散乱異方性係数である。
乱マトリックス中での光の吸収の測定値である吸収パラ
メータ、および／または散乱マトリックス中の光の散乱
の測定値である散乱パラメータの決定。「吸収パラメー
タ」および「散乱パラメータ」という用語は、本明細書
では光学的吸収または光散乱を互いに独立してあらわす
量をいうものとする。実際には、吸収は一般的にμ
aで、散乱は修正散乱係数μs′＝μs（１−ｇ）と記述
される。ただし、ｇは散乱異方性係数である。
【００３７】− バイオロジカル・サンプル中の物質の
濃度の決定。分析物の例はすでに述べられている。
濃度の決定。分析物の例はすでに述べられている。
【００３８】散乱マトリックスの光輸送特性は、その内
部に含まれている物質によって異なった方法で影響を受
ける。このことは、光学的吸収だけにあてはまるもので
はないが、光学的吸収の波長依存性は、従来、分光学的
分析法に利用されている。多くのばあい、他の光輸送パ
ラメータ、とりわけ散乱係数と反射率も、サンプル中の
特定の物質の濃度によって影響を受ける。この現象もま
た波長依存性である。したがって、散乱マトリックス中
の光輸送パラメータに関する光学的分析データは、散乱
マトリックスの中に含まれている物質の分析のための根
拠となる。
部に含まれている物質によって異なった方法で影響を受
ける。このことは、光学的吸収だけにあてはまるもので
はないが、光学的吸収の波長依存性は、従来、分光学的
分析法に利用されている。多くのばあい、他の光輸送パ
ラメータ、とりわけ散乱係数と反射率も、サンプル中の
特定の物質の濃度によって影響を受ける。この現象もま
た波長依存性である。したがって、散乱マトリックス中
の光輸送パラメータに関する光学的分析データは、散乱
マトリックスの中に含まれている物質の分析のための根
拠となる。
【００３９】濃度の変化は光輸送パラメータの特性変化
を招く。そして、前記光輸送パラメータは、１つの、ま
たは２つ以上の波長で決定されるものであり、分析され
るべき物質の濃度と相関関係を有している。１または２
以上の前述した光輸送パラメータが明確に決定され、検
量線を用いて所望の分析物の濃度と相関づけられる方法
で続けることが可能である。多くのばあいには、しかし
ながら、測定された測定変数についての測定値と分析物
の濃度との直接の相関（検量線による）を求めることが
好ましい。
を招く。そして、前記光輸送パラメータは、１つの、ま
たは２つ以上の波長で決定されるものであり、分析され
るべき物質の濃度と相関関係を有している。１または２
以上の前述した光輸送パラメータが明確に決定され、検
量線を用いて所望の分析物の濃度と相関づけられる方法
で続けることが可能である。多くのばあいには、しかし
ながら、測定された測定変数についての測定値と分析物
の濃度との直接の相関（検量線による）を求めることが
好ましい。
【００４０】よく知られているように、光学的界面での
反射率の挙動は、反射界面における屈折率の比に依存し
ている。外側の屈折率ｎaが、散乱マトリックス内部の
屈折率ｎiよりも小さいばあい、もし入射角が充分小さ
いなら全反射がえられる。バイオロジカル・サンプル
は、概して、明らかに１より大きい（典型的には約１．
５）屈折率を有している。空気が外側領域（ｎa＝１）
に含まれるばあい、照射サイトと検出サイトとの界面に
到達したフォトンの大部分は反射される。もし、前記界
面に、より高い屈折率をもつ物質が用いられたばあい、
この反射は減じられる。ここで、より高い反射率をもつ
物質とは、たとえばゲルであり、その屈折率はマトリッ
クスの屈折率にほぼ一致している。このばあい、前記界
面に到達したフォトンは、高い確率で界面をゲル中へと
通り抜けていく。もし、ゲル（または他の、ゲルに相当
する屈折率を有する物質）が暗色（dark coloured）で
あるなら、フォトンはその中で吸収され、マトリックス
中へと戻っていくことはない。したがって、界面におい
て反射率の挙動に影響を与える第１の可能性は、異なっ
た屈折率の物質に関する２つの検出測定のあいだでの、
照射サイトと検出サイトのあいだの中間の領域における
界面に、異なる屈折率の物質を隣接させて設けることで
ある。この可能性を、以下「屈折率態様」という。
反射率の挙動は、反射界面における屈折率の比に依存し
ている。外側の屈折率ｎaが、散乱マトリックス内部の
屈折率ｎiよりも小さいばあい、もし入射角が充分小さ
いなら全反射がえられる。バイオロジカル・サンプル
は、概して、明らかに１より大きい（典型的には約１．
５）屈折率を有している。空気が外側領域（ｎa＝１）
に含まれるばあい、照射サイトと検出サイトとの界面に
到達したフォトンの大部分は反射される。もし、前記界
面に、より高い屈折率をもつ物質が用いられたばあい、
この反射は減じられる。ここで、より高い反射率をもつ
物質とは、たとえばゲルであり、その屈折率はマトリッ
クスの屈折率にほぼ一致している。このばあい、前記界
面に到達したフォトンは、高い確率で界面をゲル中へと
通り抜けていく。もし、ゲル（または他の、ゲルに相当
する屈折率を有する物質）が暗色（dark coloured）で
あるなら、フォトンはその中で吸収され、マトリックス
中へと戻っていくことはない。したがって、界面におい
て反射率の挙動に影響を与える第１の可能性は、異なっ
た屈折率の物質に関する２つの検出測定のあいだでの、
照射サイトと検出サイトのあいだの中間の領域における
界面に、異なる屈折率の物質を隣接させて設けることで
ある。この可能性を、以下「屈折率態様」という。
【００４１】照射サイトと検出サイトとのあいだの界面
に、異なった反射率を有する反射性の面を設けるのがよ
り実際的であり、好ましいことである。たとえば、第１
の検出測定において、照射サイトと、マトリックスの界
面に接した検出サイトとのあいだに、光学的に高度の吸
収性の面（「コンタクト面」）を設けうるが、第２の検
出測定において、照射サイトと検出サイトとのあいだに
高度に反射性のコンタクト面が配置（「コンタクト面態
様」）される。かかる配置を実現しうる種々の可能性を
以下、添付図面を用いて詳細に説明する。
に、異なった反射率を有する反射性の面を設けるのがよ
り実際的であり、好ましいことである。たとえば、第１
の検出測定において、照射サイトと、マトリックスの界
面に接した検出サイトとのあいだに、光学的に高度の吸
収性の面（「コンタクト面」）を設けうるが、第２の検
出測定において、照射サイトと検出サイトとのあいだに
高度に反射性のコンタクト面が配置（「コンタクト面態
様」）される。かかる配置を実現しうる種々の可能性を
以下、添付図面を用いて詳細に説明する。
【００４２】つぎに、添付図面を用いて本発明をより詳
細に説明する。
細に説明する。
【００４３】図１に概略的に示した散乱マトリックスの
光学的分析のための装置は、基本的には測定ヘッド１、
ならびに信号処理および分析装置２からなる。
光学的分析のための装置は、基本的には測定ヘッド１、
ならびに信号処理および分析装置２からなる。
【００４４】測定ヘッド１は、サンプル・コンタクトプ
レート（sample contact plate）４のサンプル・コンタ
クト面（sample contact surface）３を介して、研究さ
れるべき散乱マトリックス６の界面５に接触している。
測定ヘッド１は光照射手段８を有しており、該光照射手
段８は、図示された例においては、サンプル・コンタク
トプレート４中のくぼみ中に配置された光伝送器として
の発光ダイオード９によって形成されており、サンプル
・コンタクト面３中の照射用開口部１４を介してマトリ
ックス６中へ光を照射する。前記照射用開口部１４は、
本実施の形態においてはサンプル・コンタクトプレート
４中のくぼみによって形成されている。検出手段１０
は、図示された実施例においては、光導波ファイバ１１
を含んでおり、該光導波ファイバは、サンプル・コンタ
クト面３中の検出用開口部１５を介して検出サイト１３
において外部へでてくる光を検出する。検出された光
は、信号処理および分析装置２の信号処理ユニット１９
中に配置された光レシーバ１６（たとえば、アバランシ
ェ型発光ダイオード）に導波される。光レシーバ１６の
出力信号は増幅器１７によって増幅され、評価手段とし
ての分析ユニット１８に結合される。該分析ユニットに
おいて、前記出力信号は、好ましくはマイクロコンピュ
ータによるデジタル処理によって加工されて所望の分析
データとされる。
レート（sample contact plate）４のサンプル・コンタ
クト面（sample contact surface）３を介して、研究さ
れるべき散乱マトリックス６の界面５に接触している。
測定ヘッド１は光照射手段８を有しており、該光照射手
段８は、図示された例においては、サンプル・コンタク
トプレート４中のくぼみ中に配置された光伝送器として
の発光ダイオード９によって形成されており、サンプル
・コンタクト面３中の照射用開口部１４を介してマトリ
ックス６中へ光を照射する。前記照射用開口部１４は、
本実施の形態においてはサンプル・コンタクトプレート
４中のくぼみによって形成されている。検出手段１０
は、図示された実施例においては、光導波ファイバ１１
を含んでおり、該光導波ファイバは、サンプル・コンタ
クト面３中の検出用開口部１５を介して検出サイト１３
において外部へでてくる光を検出する。検出された光
は、信号処理および分析装置２の信号処理ユニット１９
中に配置された光レシーバ１６（たとえば、アバランシ
ェ型発光ダイオード）に導波される。光レシーバ１６の
出力信号は増幅器１７によって増幅され、評価手段とし
ての分析ユニット１８に結合される。該分析ユニットに
おいて、前記出力信号は、好ましくはマイクロコンピュ
ータによるデジタル処理によって加工されて所望の分析
データとされる。
【００４５】分析ユニット１８においては、光の測定変
数の、正確かつ選択的な検出のために従来の電子工学的
方法が利用されている。コンパレータの利用は、相対的
な測定のための従来のものである。干渉をとり除くため
に相応の周波数選択測定法（ロックイン法（lock-in me
thod））とともに、パルス化され、または変調された一
次光を用いることは利点がある。
数の、正確かつ選択的な検出のために従来の電子工学的
方法が利用されている。コンパレータの利用は、相対的
な測定のための従来のものである。干渉をとり除くため
に相応の周波数選択測定法（ロックイン法（lock-in me
thod））とともに、パルス化され、または変調された一
次光を用いることは利点がある。
【００４６】この範囲までは、図示された装置は従来の
ものであり、したがってより詳細な説明は要しない。測
定ヘッドについての、可能な設計と異なる配置に関する
詳細は従来技術についての刊行物からえられる。たとえ
ば、国際公開第９４／１０９０１号があり、該文献中に
は光照射手段および検出手段についての、いくつかの異
なる配置と設計が記載されている。とくに、照射手段と
検出手段の両者は、ともにサンプル・コンタクトプレー
ト４中に直接一体化された光伝送器または光検知素子
（本発明のばあいの光伝送器としての発光ダイオード９
のような）または、光導波ファイバによって実現されて
おり、該光導波ファイバは、もっと離れた光伝送器から
サンプル・コンタクトプレート４（このばあいのサンプ
ルは皮膚）に光を導くか、または、検出サイト１３から
もっと離れた光レシーバへと光を伝送（図示されたばあ
いのように）するものである。
ものであり、したがってより詳細な説明は要しない。測
定ヘッドについての、可能な設計と異なる配置に関する
詳細は従来技術についての刊行物からえられる。たとえ
ば、国際公開第９４／１０９０１号があり、該文献中に
は光照射手段および検出手段についての、いくつかの異
なる配置と設計が記載されている。とくに、照射手段と
検出手段の両者は、ともにサンプル・コンタクトプレー
ト４中に直接一体化された光伝送器または光検知素子
（本発明のばあいの光伝送器としての発光ダイオード９
のような）または、光導波ファイバによって実現されて
おり、該光導波ファイバは、もっと離れた光伝送器から
サンプル・コンタクトプレート４（このばあいのサンプ
ルは皮膚）に光を導くか、または、検出サイト１３から
もっと離れた光レシーバへと光を伝送（図示されたばあ
いのように）するものである。
【００４７】従来公知の装置と比較したときの明白な違
いは、少なくとも２つの検出測定において各照射サイト
１２と各反射サイト１３とのあいだで、異なる反射状態
をひきおこす手段が、マトリックス６の界面５に対置さ
れているサンプル・コンタクト面３に備えられている
（「反射調節手段」）ことである。このことは、異なる
実施の形態において実現されうる。異なる実施の形態を
表わしているサンプル・コンタクトプレート４が図２〜
４に示されている。決定的なファクタは、マトリックス
６に接しているサンプル・コンタクト面３である。サン
プル・コンタクト面３を担っている部品は（平面）板と
して形成される必要はない。
いは、少なくとも２つの検出測定において各照射サイト
１２と各反射サイト１３とのあいだで、異なる反射状態
をひきおこす手段が、マトリックス６の界面５に対置さ
れているサンプル・コンタクト面３に備えられている
（「反射調節手段」）ことである。このことは、異なる
実施の形態において実現されうる。異なる実施の形態を
表わしているサンプル・コンタクトプレート４が図２〜
４に示されている。決定的なファクタは、マトリックス
６に接しているサンプル・コンタクト面３である。サン
プル・コンタクト面３を担っている部品は（平面）板と
して形成される必要はない。
【００４８】図２は、サンプル・コンタクトプレートの
例を示す説明図であり、図１に示した要素と同じ要素に
は同一の符号を付して示した。図２に示した実施の形態
において、反射調節手段は、変化させうる反射特性を有
するサンプル・コンタクト面３によって与えられてい
る。液晶表示装置２１または強誘電性ディスプレイが好
適である。これらの電子部品は、とりわけ表示目的のた
めには商業的に入手可能であり、このばあい、この表示
の領域は、光反射特性が電気制御信号によって変化させ
うる部分ごとに小分割されている。本発明においては、
主として、図２において符号２０が付された中間の領
域、すなわち照射用開口部１４および検出用開口部１５
のあいだが、反射特性が変えられることとなる部分であ
る。サンプル・コンタクト面３の部分領域の構成は、変
更することができ、そして前記部分領域は少なくとも２
つの検出測定のあいだでは異なる反射特性を有してい
る。
例を示す説明図であり、図１に示した要素と同じ要素に
は同一の符号を付して示した。図２に示した実施の形態
において、反射調節手段は、変化させうる反射特性を有
するサンプル・コンタクト面３によって与えられてい
る。液晶表示装置２１または強誘電性ディスプレイが好
適である。これらの電子部品は、とりわけ表示目的のた
めには商業的に入手可能であり、このばあい、この表示
の領域は、光反射特性が電気制御信号によって変化させ
うる部分ごとに小分割されている。本発明においては、
主として、図２において符号２０が付された中間の領
域、すなわち照射用開口部１４および検出用開口部１５
のあいだが、反射特性が変えられることとなる部分であ
る。サンプル・コンタクト面３の部分領域の構成は、変
更することができ、そして前記部分領域は少なくとも２
つの検出測定のあいだでは異なる反射特性を有してい
る。
【００４９】調節しうる反射特性を有するサンプル・コ
ンタクト面３を備えている、図２に示した実施の形態
は、光が１個の照射サイト１２のみで照射され、そして
１個の検出サイト１３のみで検出される装置において利
用することができる。この実施の形態は、しかしなが
ら、ある構造的な複雑さをひき起こし、また必要とされ
る電気的活性が（小さいとはいえ）エネルギーの消費を
招く。
ンタクト面３を備えている、図２に示した実施の形態
は、光が１個の照射サイト１２のみで照射され、そして
１個の検出サイト１３のみで検出される装置において利
用することができる。この実施の形態は、しかしなが
ら、ある構造的な複雑さをひき起こし、また必要とされ
る電気的活性が（小さいとはいえ）エネルギーの消費を
招く。
【００５０】検出段階の少なくとも２つの検出測定にお
いて、もし光が２つの異なる照射サイトで照射され、お
よび／または２つの異なる検出サイトで検出されるな
ら、この複雑さを低減することは可能であり、その結
果、界面の異なる部分が照射サイトと検出サイトとのあ
いだにそれぞれのばあいにおいて存することとなり、前
記異なる部分においてコンタクト面の反射率特性が変化
する。
いて、もし光が２つの異なる照射サイトで照射され、お
よび／または２つの異なる検出サイトで検出されるな
ら、この複雑さを低減することは可能であり、その結
果、界面の異なる部分が照射サイトと検出サイトとのあ
いだにそれぞれのばあいにおいて存することとなり、前
記異なる部分においてコンタクト面の反射率特性が変化
する。
【００５１】この種の実施の形態が図３に示されてい
る。このばあいには、光は、光の照射用開口部１４から
照射され、該照射用開口部１４から同じ距離だけ離れて
おり、しかし互いに反対側に配設される２つの検出用開
口部１５ａおよび１５ｂから検出される。このばあいに
は、照射サイト１２と、検出用開口部１５ａおよび１５
ｂの符号が付された２つの検出サイト１３ａおよび１３
ｂとのあいだに位置するサンプル・コンタクト面３の部
分（中間の領域）は異なっている。異なる部分としての
中間の領域２５ａ、２５ｂは著しく異なった反射特性を
有しており、たとえば中間の領域２５ａは金属光沢的に
反射しうるものであり、したがって事実上、フォトン反
射器（photon reflector）として作用するが、一方、中
間の領域２５ｂはつや消しの黒であり、すなわちフォト
ントラップ(photon trap)として作用する。したがっ
て、かかる実施の形態においては、照射サイトと検出サ
イトに好適に配置されたくぼみと組み合せて、異なる反
射率を有する、サンプル・コンタクト面３の部分によっ
て反射調節手段が形成される。
る。このばあいには、光は、光の照射用開口部１４から
照射され、該照射用開口部１４から同じ距離だけ離れて
おり、しかし互いに反対側に配設される２つの検出用開
口部１５ａおよび１５ｂから検出される。このばあいに
は、照射サイト１２と、検出用開口部１５ａおよび１５
ｂの符号が付された２つの検出サイト１３ａおよび１３
ｂとのあいだに位置するサンプル・コンタクト面３の部
分（中間の領域）は異なっている。異なる部分としての
中間の領域２５ａ、２５ｂは著しく異なった反射特性を
有しており、たとえば中間の領域２５ａは金属光沢的に
反射しうるものであり、したがって事実上、フォトン反
射器（photon reflector）として作用するが、一方、中
間の領域２５ｂはつや消しの黒であり、すなわちフォト
ントラップ(photon trap)として作用する。したがっ
て、かかる実施の形態においては、照射サイトと検出サ
イトに好適に配置されたくぼみと組み合せて、異なる反
射率を有する、サンプル・コンタクト面３の部分によっ
て反射調節手段が形成される。
【００５２】図示された実施の形態において照射サイト
および検出サイトは縦長の形状に形成されている。この
ことは、国際公開第９４／１０９０１号に詳細に説明さ
れているように、比較的高い光強度で局部的な分解能が
よいことを可能にしている。公知の技術水準から知られ
うるもののような、検出サイトと照射サイトの異なる配
置は、本発明においても利用することが可能である。
および検出サイトは縦長の形状に形成されている。この
ことは、国際公開第９４／１０９０１号に詳細に説明さ
れているように、比較的高い光強度で局部的な分解能が
よいことを可能にしている。公知の技術水準から知られ
うるもののような、検出サイトと照射サイトの異なる配
置は、本発明においても利用することが可能である。
【００５３】図３に示された実施の形態も、数個の照射
サイトと１個の検出サイトが利用されうるかぎり、変更
することが可能である。多数個の照射サイトと多数個の
検出サイトを用いて、研究すべきマトリックスの異なる
部分と異なる空間的方向とにおける異なる光路を調節す
ることも、国際公開第９４／１０９０１号に記載されて
いるように、可能である。しかしながら、重要なこと
は、本発明においては、個々の照射サイトと個々の検出
サイトとのあいだで、ただし好ましくは同じ測定距離
で、異なる反射条件でもって、数個の検出測定が可能で
なければならないということである。
サイトと１個の検出サイトが利用されうるかぎり、変更
することが可能である。多数個の照射サイトと多数個の
検出サイトを用いて、研究すべきマトリックスの異なる
部分と異なる空間的方向とにおける異なる光路を調節す
ることも、国際公開第９４／１０９０１号に記載されて
いるように、可能である。しかしながら、重要なこと
は、本発明においては、個々の照射サイトと個々の検出
サイトとのあいだで、ただし好ましくは同じ測定距離
で、異なる反射条件でもって、数個の検出測定が可能で
なければならないということである。
【００５４】図４は、１個の照射サイト１２と、各ばあ
いに、２つの異なる検出サイトとなる１３ａと１３ｂ、
１３ｃと１３ｄ、１３ｅと１３ｆおよび１３ｇと１３ｈ
を有する変形例を示している。この実施の形態において
は、２つの異なる測定距離が、照射サイトと個々の検出
サイトとのあいだで、空間的に４つの方向のそれぞれに
配されうる。この形態においても、異なる部分としての
中間の領域２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、
２５ｆ、２５ｇおよび２５ｈは異なる反射率を有してお
り、すなわち、好都合に対向する中間の領域（たとえば
２５ａと２５ｅ、２５ｃと２５ｇ）が等しい反射特性を
有している。
いに、２つの異なる検出サイトとなる１３ａと１３ｂ、
１３ｃと１３ｄ、１３ｅと１３ｆおよび１３ｇと１３ｈ
を有する変形例を示している。この実施の形態において
は、２つの異なる測定距離が、照射サイトと個々の検出
サイトとのあいだで、空間的に４つの方向のそれぞれに
配されうる。この形態においても、異なる部分としての
中間の領域２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、
２５ｆ、２５ｇおよび２５ｈは異なる反射率を有してお
り、すなわち、好都合に対向する中間の領域（たとえば
２５ａと２５ｅ、２５ｃと２５ｇ）が等しい反射特性を
有している。
【００５５】図５は、散乱マトリックスの実験的モデル
によってえられた実験結果を示しており、その散乱マト
リックスの光学的特性は、ヒトの皮膚組織の光学的特性
に基本的に一致している。散乱マトリックスは、寸法が
８ｃｍ×８ｃｍ×２０ｃｍで、μaの吸収指数（absorpt
ion index）＝０．０２ｍｍ-1、μs′の修正散乱指数
（modified scattering index）＝０．９ｍｍ-1および
光の波長Ｌ＝７８０ｎｍにおけるマトリックスの内部の
屈折率ｎi＝１．５６である直方体からなっていた。光
が照射され、コア直径１００μｍの２つの光ファイバの
実験的モデルの界面で検出された。そして、２つの光フ
ァイバは、測定距離ｄ＝４ｍｍおよびｄ＝６．５ｍｍに
固定されて配置されていた。
によってえられた実験結果を示しており、その散乱マト
リックスの光学的特性は、ヒトの皮膚組織の光学的特性
に基本的に一致している。散乱マトリックスは、寸法が
８ｃｍ×８ｃｍ×２０ｃｍで、μaの吸収指数（absorpt
ion index）＝０．０２ｍｍ-1、μs′の修正散乱指数
（modified scattering index）＝０．９ｍｍ-1および
光の波長Ｌ＝７８０ｎｍにおけるマトリックスの内部の
屈折率ｎi＝１．５６である直方体からなっていた。光
が照射され、コア直径１００μｍの２つの光ファイバの
実験的モデルの界面で検出された。そして、２つの光フ
ァイバは、測定距離ｄ＝４ｍｍおよびｄ＝６．５ｍｍに
固定されて配置されていた。
【００５６】照射サイトと検出サイトとのあいだの中間
の領域における反射特性は、屈折率ｎaを変化させるこ
とによって変化させられた。第１の一連の測定は、照射
サイトと検出サイトとのあいだの界面で、外側領域に空
気（ｎa＝１）が存在した状態で行われた。第２の一連
の検出測定においては、界面は屈折率ｎa＝１．４６の
ゲルで覆われていた。ゲル中へ侵入してきた光の実質的
にすべてを吸収するために黒色（black colour）が混合
された。
の領域における反射特性は、屈折率ｎaを変化させるこ
とによって変化させられた。第１の一連の測定は、照射
サイトと検出サイトとのあいだの界面で、外側領域に空
気（ｎa＝１）が存在した状態で行われた。第２の一連
の検出測定においては、界面は屈折率ｎa＝１．４６の
ゲルで覆われていた。ゲル中へ侵入してきた光の実質的
にすべてを吸収するために黒色（black colour）が混合
された。
【００５７】屈折率比
【００５８】
【数１】
【００５９】は、公知の方法で、界面における反射特性
を決定しており、該反射特性は技術用語では境界条件と
もいわれる。前述した実験条件とともに、２つの異なる
境界条件ｎs1＝１．５６およびｎs2＝１．０７が設定さ
れうる。用語ｎsは、照射サイトと検出サイトとのあい
だの中間の領域における反射特性（境界条件）のため
に、以下では一貫して用いられる。すなわち、前記反射
特性は、（前述した実験的モデルにおけるように）前記
反射率態様によってさまざまな反射条件が実現される
か、または図２〜４に示すようにコンタクト面態様によ
ってさまざまな反射条件が実現されるかには関係ないの
である。
を決定しており、該反射特性は技術用語では境界条件と
もいわれる。前述した実験条件とともに、２つの異なる
境界条件ｎs1＝１．５６およびｎs2＝１．０７が設定さ
れうる。用語ｎsは、照射サイトと検出サイトとのあい
だの中間の領域における反射特性（境界条件）のため
に、以下では一貫して用いられる。すなわち、前記反射
特性は、（前述した実験的モデルにおけるように）前記
反射率態様によってさまざまな反射条件が実現される
か、または図２〜４に示すようにコンタクト面態様によ
ってさまざまな反射条件が実現されるかには関係ないの
である。
【００６０】図５のグラフにおいて、縦座標上に、２つ
の異なる境界条件ｎsでの検出測定のための２次光の強
度Ｉの商Ｑがプロットされている。
の異なる境界条件ｎsでの検出測定のための２次光の強
度Ｉの商Ｑがプロットされている。
【００６１】
Ｑ（ｎs1，ｎs2）＝Ｉ（ｎs1）／Ｉ（ｎs2）
この測定変数は、測定距離ｄに依存していることが図示
されており、図では実験結果が点で示されている。
されており、図では実験結果が点で示されている。
【００６２】連続的な曲線は、拡散理論（前述のティー
ジェイ ファレル（T. J. Farrell）らによる文献記
載の式（１８））によってえられた計算結果を表してい
る。この計算結果は、拡散反射（diffuse reflection）
が、一定の光学的条件
ジェイ ファレル（T. J. Farrell）らによる文献記
載の式（１８））によってえられた計算結果を表してい
る。この計算結果は、拡散反射（diffuse reflection）
が、一定の光学的条件
【００６３】
【数２】
【００６４】のもとで測定距離ｄに依存していることを
示している。このことから、
示している。このことから、
【００６５】
【数３】
【００６６】をうる。
【００６７】とくに、いかなる種類の正規化もなされて
いなかったことを考えるならば、実験結果と理論とは驚
くほど良く一致している。光導波ファイバの、前記界面
とのコンタクト面にはゲルは適用されなかったことと、
したがってまた、Farrellの理論においては、全界面を
横切って一様な屈折率が想定されているのに反して界面
の、この部分的な領域には屈折率の変化はなかったとい
う事実を考慮しうるように、実験結果のプロットは、フ
ァクタＦ＝２．４３によって単純に補正された
いなかったことを考えるならば、実験結果と理論とは驚
くほど良く一致している。光導波ファイバの、前記界面
とのコンタクト面にはゲルは適用されなかったことと、
したがってまた、Farrellの理論においては、全界面を
横切って一様な屈折率が想定されているのに反して界面
の、この部分的な領域には屈折率の変化はなかったとい
う事実を考慮しうるように、実験結果のプロットは、フ
ァクタＦ＝２．４３によって単純に補正された
【００６８】
【数４】
【００６９】は、マトリックスのセグメントＳの比（ｎ
s1とｎs2とによって決定される）からえられ、このセグ
メントから光が出て、そして検出ファイバによって集め
られる。
s1とｎs2とによって決定される）からえられ、このセグ
メントから光が出て、そして検出ファイバによって集め
られる。
【００７０】
【数５】
【００７１】光輸送パラメータおよび光輸送パラメータ
に関係のある他の光学的分析データが、本明細書に記載
された説明および図示された実験結果に基づいてさまざ
まな方法で決定されうる。
に関係のある他の光学的分析データが、本明細書に記載
された説明および図示された実験結果に基づいてさまざ
まな方法で決定されうる。
【００７２】好ましくは、評価段階においては、はじめ
に、異なる反射条件での少なくとも２つの測定のための
強度測定値である比Ｑが計算される。図５に示されるよ
うに、もしＱが、いくつかの測定距離についての測定距
離ｄの関数として決定されるなら、係数μaおよびμs′
は、前述の拡散理論式を実験結果にあてはめることによ
って個々に決定されうる。かわりに、異なるｎsi′につ
いての、複数の関係式Ｑiを測定距離ｄについて測定す
ることが可能である。このこともまたμaとμs′の分離
を許容する。異なる境界表面条件ｎsiとともに行う少な
くとも２つの検出測定は、概して、少なくとも２つの測
定距離ｄiについて各ばあいにおいて好適に実行され
る。
に、異なる反射条件での少なくとも２つの測定のための
強度測定値である比Ｑが計算される。図５に示されるよ
うに、もしＱが、いくつかの測定距離についての測定距
離ｄの関数として決定されるなら、係数μaおよびμs′
は、前述の拡散理論式を実験結果にあてはめることによ
って個々に決定されうる。かわりに、異なるｎsi′につ
いての、複数の関係式Ｑiを測定距離ｄについて測定す
ることが可能である。このこともまたμaとμs′の分離
を許容する。異なる境界表面条件ｎsiとともに行う少な
くとも２つの検出測定は、概して、少なくとも２つの測
定距離ｄiについて各ばあいにおいて好適に実行され
る。
【００７３】既に述べたように、検出段階において測定
された測定変数に基づく所望の分析データの決定のため
のアルゴリズムもまた純粋に経験主義的であってもよ
い。測定変数（入力変数）と、分析されるべきデータが
知られている試料に関する検量線に基づいて求められた
分析データ（出力変数）とのあいだの相関をとるため
に、増えつつある多数の数値的相関法が最近、化学分析
において用いられている。多重線形アルゴリズムおよび
非線形アルゴリズムのみならず、入力変数と出力変数と
の関係を示す最良の記述のための、反復の方法を数値的
相関法は含んでいる。コンピュータ技術の特殊な一形式
であるニューラル・ネットワーク（neural network）も
またこの目的のために用いられている。
された測定変数に基づく所望の分析データの決定のため
のアルゴリズムもまた純粋に経験主義的であってもよ
い。測定変数（入力変数）と、分析されるべきデータが
知られている試料に関する検量線に基づいて求められた
分析データ（出力変数）とのあいだの相関をとるため
に、増えつつある多数の数値的相関法が最近、化学分析
において用いられている。多重線形アルゴリズムおよび
非線形アルゴリズムのみならず、入力変数と出力変数と
の関係を示す最良の記述のための、反復の方法を数値的
相関法は含んでいる。コンピュータ技術の特殊な一形式
であるニューラル・ネットワーク（neural network）も
またこの目的のために用いられている。
【００７４】本発明においては、当業者は、本明細書に
示した説明に基づいて、かかる数値的方法を用いること
ができ、このばあい関係式Ｑは必ずしも求められなくて
もよい。そのかわり、境界条件の関数として測定された
測定変数についての測定値
示した説明に基づいて、かかる数値的方法を用いること
ができ、このばあい関係式Ｑは必ずしも求められなくて
もよい。そのかわり、境界条件の関数として測定された
測定変数についての測定値
【００７５】
【数６】
【００７６】を評価アルゴリズムの入力変数として直接
用いることができる。このことが、ひとつの測定距離ｄ
またはいくつかの測定距離ｄiのために行われる。ただ
１つの測定距離ｄのばあいに、少なくとも３つのＩの値
が、３つの異なるｎsの値について測定される。
用いることができる。このことが、ひとつの測定距離ｄ
またはいくつかの測定距離ｄiのために行われる。ただ
１つの測定距離ｄのばあいに、少なくとも３つのＩの値
が、３つの異なるｎsの値について測定される。
【００７７】図６は、吸収係数および散乱係数における
１％の変化についてのＱの微小変化δＱを示すグラフで
ある。その曲線は前述の拡散理論の式に基づいて計算さ
れた。ここに、μa＝０．０１ｍｍ-1とμs′＝１ｍｍ-1
が光学的特性値として仮定された。３つの異なる値ｎs
＝１．０、１．４および１．６は境界条件として用いら
れた。
１％の変化についてのＱの微小変化δＱを示すグラフで
ある。その曲線は前述の拡散理論の式に基づいて計算さ
れた。ここに、μa＝０．０１ｍｍ-1とμs′＝１ｍｍ-1
が光学的特性値として仮定された。３つの異なる値ｎs
＝１．０、１．４および１．６は境界条件として用いら
れた。
【００７８】図６において、微小変化δμa＝−１％ま
たはδμs′＝−１％についての前記変化δＱ（μa ，
μs′）が測定距離ｄの関数としてプロットされてい
る。Ｑは、吸収係数μaよりも修正散乱係数μs′にずっ
とはるかに強い依存性を示しているということがわか
る。とくに、測定距離約２ｍｍと約１２から１５ｍｍと
のあいだの中央の範囲においては、散乱係数の変化に対
する測定方法の感度はとくに高く、すなわち、散乱係数
はこの好適な測定距離範囲においてとくに良好な精度で
もって決定されうる。
たはδμs′＝−１％についての前記変化δＱ（μa ，
μs′）が測定距離ｄの関数としてプロットされてい
る。Ｑは、吸収係数μaよりも修正散乱係数μs′にずっ
とはるかに強い依存性を示しているということがわか
る。とくに、測定距離約２ｍｍと約１２から１５ｍｍと
のあいだの中央の範囲においては、散乱係数の変化に対
する測定方法の感度はとくに高く、すなわち、散乱係数
はこの好適な測定距離範囲においてとくに良好な精度で
もって決定されうる。
【００７９】これらの結果に基づいて、本発明はバイオ
ロジカル・サンプルおよび他の散乱マトリックスの光学
的散乱特性の量的分析にとくに好適である。国際公開第
９４／１０９０１号によれば、かかるサンプル中での光
の多重散乱の散乱特性は、試料中のグルコールの濃度に
驚くほど高い程度で依存している。したがって本発明
は、国際公開第９４／１０９０１号において説明された
原理を利用して行うグルコールの分析にとくに好適であ
る。
ロジカル・サンプルおよび他の散乱マトリックスの光学
的散乱特性の量的分析にとくに好適である。国際公開第
９４／１０９０１号によれば、かかるサンプル中での光
の多重散乱の散乱特性は、試料中のグルコールの濃度に
驚くほど高い程度で依存している。したがって本発明
は、国際公開第９４／１０９０１号において説明された
原理を利用して行うグルコールの分析にとくに好適であ
る。
【００８０】散乱と吸収における変化へのＱの依存性の
よりよい比較を容易ならしめるために、Ｑは、測定距離
ｄ＝５ｍｍとｄ＝１０ｍｍとに関してμs′とμaの関数
として計算された。この依存関係は、図７にμs′およ
びμaの±２０％の変化の範囲（ｎs2＝１．４、ｎs1＝
１．０）で示されている。μ′sの関数としての変化
は、吸収の関数としての変化よりも１０倍から１５倍高
い。同時に、依存性は、測定された２つの測定距離に対
して大いに一致していることが顕著である。
よりよい比較を容易ならしめるために、Ｑは、測定距離
ｄ＝５ｍｍとｄ＝１０ｍｍとに関してμs′とμaの関数
として計算された。この依存関係は、図７にμs′およ
びμaの±２０％の変化の範囲（ｎs2＝１．４、ｎs1＝
１．０）で示されている。μ′sの関数としての変化
は、吸収の関数としての変化よりも１０倍から１５倍高
い。同時に、依存性は、測定された２つの測定距離に対
して大いに一致していることが顕著である。
【００８１】
【発明の効果】本発明の測定方法によれば、とくに以下
の利点が達成される。
の利点が達成される。
【００８２】−二次光のＤＣ強度のみを決定すれば充分
である。高周波数測定は不要である。
である。高周波数測定は不要である。
【００８３】−概して、強度の相対的な測定、すなわ
ち、各々が異なった反射率挙動を有する、２つの検出測
定における二次光の強度の比の測定がなされれば充分で
ある。
ち、各々が異なった反射率挙動を有する、２つの検出測
定における二次光の強度の比の測定がなされれば充分で
ある。
【００８４】−光学的吸収と散乱との影響は分離されう
る。
る。
【００８５】−測定された信号の、散乱特性への依存
性、および散乱マトリックスの吸収特性への依存性は、
多くのばあいに散乱係数および吸収係数を計算するため
の複雑な評価方法を用いる必要すらないという程度まで
に異なっているのである。
性、および散乱マトリックスの吸収特性への依存性は、
多くのばあいに散乱係数および吸収係数を計算するため
の複雑な評価方法を用いる必要すらないという程度まで
に異なっているのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】部分的に断面図およびブロック図を含む、本発
明に好適な装置の概略図である。
明に好適な装置の概略図である。
【図２】本発明に好適な測定ヘッドのサンプル・コンタ
クトプレートの一つの態様を示した説明図である。
クトプレートの一つの態様を示した説明図である。
【図３】本発明に好適な測定ヘッドのサンプル・コンタ
クトプレートの他の態様を示した説明図である。
クトプレートの他の態様を示した説明図である。
【図４】本発明に好適な測定ヘッドのサンプル・コンタ
クトプレートの他の態様を示した説明図である。
クトプレートの他の態様を示した説明図である。
【図５】２つの異なる反射状態に関する検出測定のあい
だでの、二次光の強度の商Ｑの、測定距離に対する依存
性を示すグラフである。
だでの、二次光の強度の商Ｑの、測定距離に対する依存
性を示すグラフである。
【図６】吸収係数と散乱係数の１％ごとの変化に対する
Ｑの微小変化を示すグラフである。
Ｑの微小変化を示すグラフである。
【図７】２つの異なる測定距離についての吸収係数と散
乱係数の変化の関数としてのＱの変化を示すグラフであ
る。
乱係数の変化の関数としてのＱの変化を示すグラフであ
る。
１ 測定ヘッド
３ サンプル・コンタクト面
４ サンプル・コンタクトプレート
５ 界面
６ 散乱マトリックス
８ 光照射手段
９ 発光ダイオード
１０ 検出手段
１２ 照射サイト
１３ 検出サイト
１４ 照射用開口部
１５ 検出用開口部
１６ 光レシーバ
１８ 分析ユニット
１９ 測定手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 マーク コーペ
イギリス国、ビーエイ２ ６キュービー
バス、エイボン、フォレスタ アベニ
ュー 61
(72)発明者 マチアス エッセンプライス
ドイツ連邦共和国、82131 ガウチング、
アム ビュルムファー ８
(72)発明者 ジルク ベッカー
ドイツ連邦共和国、69115 ハイデルビ
ルヒ、キルヒシュトラーセ 14
(56)参考文献 特開 平８−285764（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 21/00 - 21/61
ＪＯＩＳ
ＷＰＩ／Ｌ
ＥＰＡＴ
ＰＡＴＯＬＩＳ
Claims (9)
- 【請求項１】 分析データを決定するための装置であっ
て、前記データが、散乱マトリックス中における光の吸収の
測定値である吸収パラメータ、前記散乱マトリックス中
における光の散乱の測定値である散乱パラメータ、およ
び前記散乱マトリックス中における物質の濃度からなる
群より選ばれ、前記装置は、 前記 散乱マトリックス（６）の界面（５）に対置される
サンプル・コンタクト面（３）を備えた測定ヘッド
（１）と、照射 サイト（１２）において散乱マトリックス（６）中
へ、サンプル・コンタクト面（３）中の照射用開口部
（１４）および界面（５）を通って一次光を照射する光
伝送器（９）が備えられてなる光照射手段（８）と、 界面（５）およびサンプル・コンタクト面（３）中の検
出用開口部（１５）を通って検出サイト（１３）におい
て、散乱マトリックス（６）から生じる二次光を検出す
る光レシーバ（１６）が備えられてなる検出手段（１
０）と、 決定されるべき分析データの測定値である測定変数とし
て、散乱マトリックスと光の相互作用によって変化する
光の測定可能な物理的特性を決定するための測定手段
（１、１９）と、 評価手段（１８）を備えた分析ユニット とからなり、光が一次光として、前記マトリックス中へ
照射サイトで照射され、前記界面を通って散乱マトリッ
クスから出てくる光が、前記照射サイトから所定の距離
にある検出サイトで二次光として検出される、少なくと
も２つの検出測定が行なわれ、 前記サンプル・コンタクト面（３）が、少なくとも２つ
の検出測定において異なる反射条件がそれぞれの照射サ
イト（１２）とそれぞれの検出サイト（１３）とのあい
だの中間の領域に設定されうる手段からなり、 かつ前記分析データが、前記少なくとも２つの検出測定
において測定される測定変数の数値から、前記評価手段
によって決定される ことを特徴とする装置。 - 【請求項２】 前記サンプル・コンタクト面が、電気的
信号によって制御された当該サンプル・コンタクト面の
反射率を変化するのに適合し、少なくとも２ つの検出測
定において異なる反射条件が前記照射サイト（１２）と
検出サイト（１３）とのあいだの中間の領域に設定され
る請求項１記載の装置。 - 【請求項３】 反射率が調節可能な前記コンタクト面
が、液晶表示装置の表面によって形成されてなる請求項
２記載の装置。 - 【請求項４】 前記少なくとも２つの照射用開口部（１
４）または少なくとも２つの検出用開口部（１５）が前
記サンプル・コンタクト面（３）に配設され、前記界面
のうちの異なる部分（２５ａ、２５ｂ）が、照射用開口
部（１４）とそれぞれのばあいの検出用開口部（１５ａ
または１５ｂ）とのあいだに存在し、サンプル・コンタ
クト面（３）が、異なる部分では異なる値の反射率を有
してなる請求項１記載の装置。 - 【請求項５】 あいだに２つの異なる部分（２５ａ、２
５ｂ）が存在する前記照射用開口部および検出用開口部
が互いに同一の測定距離に配置されてなる請求項４記載
の装置。 - 【請求項６】 前記測定変数が前記二次光の強度である
請求項１、２、３、４または５記載の装置。 - 【請求項７】 前記評価手段が、異なる反射条件での少
なくとも２つの検出測定のあいだで測定値の比を形成す
るよう構成されてなる請求項１、２、３、４、５または
６記載の装置。 - 【請求項８】 前記照射サイトと前記検出サイトとのあ
いだで異なる測定距離で複数の検出測定が行われる請求
項１、２、３、４、５、６または７記載の装置。 - 【請求項９】 前記評価手段が、分析物の濃度を、前記
吸収パラメータおよび／または前記散乱パラメータを考
慮することによって決定するよう構成されてなる請求項
１、２、３、４、５、６、７または８記載の装置。
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