JP3887668B2

JP3887668B2 - Method and apparatus for measuring extinction coefficient of light scattering medium and light scattering coefficient

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Publication number: JP3887668B2
Application number: JP07456096A
Authority: JP
Inventors: 元樹小田; 豊山下
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: JPH09264842A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば生体組織に光パルスを照射して、その透過光や散乱光の時間分解プロファイルを測定して生体組織の吸光係数および光散乱係数を求め、これに基づいて生体組織の生理状況等を測定するのに好適に用いられる、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光散乱吸光媒質の光散乱係数μ_s'（reduced scattering coefficient）および吸光係数μ_a （absorption coefficient）を測定する手法として、光パルスを光散乱吸光媒質である測定対象物に入射させ、光散乱吸光媒質内で多重散乱によって時間的に拡がった光を時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）により時間分解計測し、この計測結果に光拡散方程式およびフィックの法則の解析的な解を当てはめることにより、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を求める手法が知られている。
【０００３】
図９は、光散乱吸光媒質に入射した光パルスの多重散乱の説明図であり、図９（ａ）は光散乱吸光媒質に入射した光パルスの反射光の説明図、図９（ｂ）は光散乱吸光媒質に入射した光パルスの透過光の説明図である。この図に示すように、光パルスが光散乱吸光媒質に入射して多重散乱されて出射した反射光・透過光を時間分解計測すると、その時間分解プロファイルは、入射光のプロファイルと比べて時間的に拡がったプロファイルになる。そして、この時間分解プロファイルの形状が光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数に依存することから、時間分解プロファイルの形状に基づいて、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を求めることができる。
【０００４】
これに際して、時間分解計測の解析的な解を求めるための光拡散方程式は、
【数１】

で表される。Ｄは光拡散係数、φは光子密度、ｃは光散乱吸光媒質中の光速、ｔは時間変数、ｒは位置変数、ｑは入射光、μ_s'は光散乱吸光媒質の光散乱係数、μ_a は光散乱吸光媒質の吸光係数である。光子密度φは、位置変数ｒおよび時間変数ｔの関数である。また、フィックの法則は、
【数２】

で表される。Ｊは光子流密度であり、ｄは入射位置と検出位置との間の距離であり、ｎは光子の流れの向きを表す。
【０００５】
例えば、図９（ａ）に示したような平坦で均質な光散乱吸光媒質において、（１）式および（２）式を解くと、反射率Ｒ（ｄ，ｔ）は、
【数３】

なる式で表される（参考文献： M.S.Patterson, et al., Applied Optics, Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989)）。この（３）式で表される反射率Ｒ（ｄ，ｔ）と時間分解計測による時間分解プロファイルとから、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【０００６】
このような測定技術は、例えば、強い光散乱吸光媒質である生体組織の検査への応用が検討されており、特に、適切な波長を用いて測定することにより、生体組織中の水、脂肪、糖分などの濃度、また、ビリルビンなどの生体内物質の濃度の定量測定への応用が検討されている。その他、生体組織内には、生理状態の変化に応じて光吸光スペクトルが変化する物質が数多く存在する。
【０００７】
例えば、血液中に存在するヘモグロビンは、生体組織の各臓器への酸素運搬の担っているものであるが、周囲の酸素濃度に応じて吸光係数が変化する。そこで、生体組織の吸光係数を測定することにより、生体組織の酸素代謝情報を得ることができる。また、他の例として、筋肉中のミオグロビン、細胞のミトコンドリア内に存在するチトクローム等の蛋白質、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）等の物質も、生体組織の酸素代謝状況やエネルギ代謝状況に応じて吸光係数の変化が起こるとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、測定対象物は、一般的に幾何学的に複雑な形状をしており、光学的に不均質である。このような光散乱吸光媒質の場合には、（１）式および（２）式とを解析的に解くことは困難である。このような場合であっても、近似的に（３）式を用いることも考えられるが、誤差が大きい。そこで、幾何学的に複雑な形状で光学的に不均質な光散乱吸光媒質の測定に際しては、（１）式および（２）式とを有限要素法等の手法を用いて近似的に解くか、あるいは、モンテカルロシミュレーション等の方法で解析することが行われている。しかし、これらは膨大な計算量を必要とし、光散乱吸光媒質の光散乱係数およぶ吸光係数をリアルタイムに測定することは困難である。
【０００９】
特に、生体組織内の生理状態を測定しようとする場合には、その生理状態の変化が速いので、上述の物質を計測またはモニタするためには秒単位での繰り返し測定が必要不可欠である。しかし、生体組織は複雑な構造をしており、生体組織の構造を単純な幾何学的構造にモデル化することは困難である。中でも、脳組織は、一般に筋肉や脳などの臓器よりも光散乱係数が高い頭蓋骨に囲まれているため、図１０に示すように光の大部分が脳組織を透過する状況であっても、頭蓋骨における光散乱の影響が脳組織における光の時間的拡散に影響を及ぼして、単純な光拡散方程式の解での解析が困難となっている。したがって、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を正確に測定することができないという問題点も生じている。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光散乱吸光媒質が幾何学的に複雑な形状であったり又は光学的に不均質であっても、その吸光係数および光散乱係数をリアルタイムに且つ正確に測定することができる、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光散乱吸光媒質（ヒトを除く）の吸光係数および光散乱係数の測定方法は、(1) 光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて、入射光量、吸光係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解を求める第１のステップと、(2) 吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に対して光パルスを照射し、標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光を時間分解計測して第１の時間分解プロファイルを求める第２のステップと、(3) 第１の時間分解プロファイルに、標準試料の吸光係数および光散乱係数それぞれの値が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、実効的入射光量を求める第３のステップと、(4) 測定対象物に対して光パルスを照射し、測定対象物における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定するとともに、該出射光を時間分解計測して第２の時間分解プロファイルを求める第４のステップと、(5) 第２の時間分解プロファイルを出射光の光強度に基づいて補正する第５のステップと、(6) 第５のステップで補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める第６のステップと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この測定方法によれば、第１のステップで光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて求められた光拡散方程式の解は、第２のステップで吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料について求められた第１の時間分解プロファイルに、第３のステップにおいて当てはめ計算が行われて、実効的入射光量が求められる。次に、第４のステップで、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間分解プロファイルが求められ、第５のステップで、第２の時間分解プロファイルは出射光の光強度に基づいて補正され、第６のステップで、第５のステップで補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００１３】
第２のステップは、単一光子検出時間相関法により、第１の時間分解プロファイルを求め、第４のステップは、単一光子検出時間相関法により、出射光の光強度を測定するとともに第２の時間分解プロファイルを求めることとしてもよい。この場合、出射光が微弱であっても、吸光係数および散乱係数を正確に求めることができる。
【００１４】
第２のステップは、互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスを標準試料に照射して、第１の時間分解プロファイルを求め、第３のステップは、第１の時間分解プロファイルに基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて、複数の波長の光パルスそれぞれについての実効的入射光量を求め、第４のステップは、複数の波長の光パルスを測定対象物に照射して、出射光の光強度を測定するとともに、第２の時間分解プロファイルを求め、第５のステップは、第２の時間分解プロファイルに基づいて複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて補正し、第６のステップは、複数の波長の光パルスそれぞれについて測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求めることとしてもよい。この場合、分光分析が可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置は、(1) 光パルスを出力して、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に光パルスを入射させる光パルス光源部と、(2) 光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定する光強度測定部と、(3) 出射光を時間分解計測して、時間分解プロファイルを求める光強度時間分解測定部と、(4) 標準試料に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルに、測定対象物と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式の解に標準試料の吸光係数および散乱係数それぞれの値が代入されたものを当てはめて、実効的入射光量を求める入射光量算出手段と、(5) 測定対象物に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルを、光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて補正する時間分解プロファイル補正手段と、(6) 時間分解プロファイル補正手段により補正された時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める光散乱係数・吸光係数算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
この測定装置によれば、光パルス光源部から出力された光パルスは、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に入射される。光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の強度は、光強度測定部により測定される。また、その出射光は、光強度時間分解測定部により、時間分解計測されて、時間分解プロファイルを求められる。入射光量算出手段により、標準試料に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルに、測定対象物と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式の解が当てはめられて、実効的入射光量が求められる。時間分解プロファイル補正手段により、測定対象物に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルが、光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて補正される。そして、光散乱係数・吸光係数算出手段により、時間分解プロファイル補正手段により補正された時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００１７】
光強度測定部は、出射光の個々の光子を検出して電気的パルス信号を出力する単光子検出部と、電気的パルス信号を計数して出射光の光強度を求めるパルスカウンタを備え、光強度時間分解測定部は、光パルスの出射時刻から電気的パルス信号の発生時刻までの時間に応じた波高値の電気信号を出力する時間パルス波高変換部と、電気信号の波高値分布を生成して時間分解プロファイルを出力する波高分析部を備えることとしてもよい。この場合、単一光子検出時間相関法により出射光の光強度および時間分解プロファイルが得られるので、出射光が微弱であっても、吸光係数および散乱係数を正確に求めることができる。
【００１８】
更に、(1) 互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光について光強度時間分解測定部により測定された時間分解プロファイルに基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求める各波長時間分解プロファイル決定部と、(2) 複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルおよび光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての出射光の光強度を求める各波長検出強度決定部と、を備え、(a) パルス光源部は、複数の波長の光パルスそれぞれを順次出力し、(b) 入射光量算出手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて実効的入射光量を求め、(c) 時間分解プロファイル補正手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて時間分解プロファイルを補正し、(d) 光散乱係数・吸光係数算出手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める、こととしてもよい。この場合、分光分析が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【００２１】
光パルス光源１１０は、一定強度の光パルスを出力する。この光パルスは、入射用導光部１２０を経て、光散乱吸光媒質である測定対象物１０２、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料１０４に照射される。光パルス照射に伴い、測定対象物１０２または標準試料１０４において多重散乱に伴って発生した透過光または反射光は、受光用導光部１３０を経て、光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０に入射する。
【００２２】
ここで、入射用導光部１２０および受光用導光部１３０それぞれとして、例えば光ファイバが用いられる。また、受光用導光部１３０は、入射端は１つであるが、途中で２分岐しており２つの出射端を有し、一方の出射端が光パワーメータ１４０に接続されており、他方の出射端が光強度時間分解測定部１５０に接続されている。光パワーメータ１４０は、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に透過または反射して出射した光パルスの時間平均的な光強度Ｉ_obs を計測する。また、光強度時間分解測定部１５０は、例えばストリーク管が好適に用いられ、光パルス光源１１０から出力される光パルスに同期したトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に透過または反射して出射した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)を測定する。
【００２３】
光パワーメータ１４０により測定された光強度Ｉ_obs 、および、光強度時間分解測定部１５０により測定された光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、演算部１６０に入力する。そして、演算部１６０は、光強度時間分解測定部１５０により測定された光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)が測定対象物１０２および標準試料１０４の何れについてのものであるかに依って以下の処理を行う。
【００２４】
標準試料１０４から反射または透過した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、演算部１６０の入射光量Ａ算出部１６４により、
【数４】

なる当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａが決定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自乗法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、測定対象物１０２と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間変数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_aをパラメータとするものである。ただし、ここでは、標準試料１０４の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知であり、光拡散方程式の解には、これら既知の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a それぞれの値が代入されている。
【００２５】
一方、測定対象物１０２から反射または透過した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、光パワーメータ１４０で測定された光強度Ｉ_obs とともに、演算部１６０の時間分解プロファイル補正部１６２により、
【数５】

なる演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が得られる。
【００２６】
そして、演算部１６０の光散乱係数・吸光係数算出部１６６は、時間分解プロファイル補正部１６２で得られた補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）とから、
【数６】

なる当てはめ計算を行い、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求める。この当てはめ計算に際しても例えば最小自乗法が用いられる。（６）式における値Ａは、（４）式で求められた実効的な入射光量Ａの値が用いられる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る測定装置を用いた測定方法について説明する。先ず、第１のステップとして、予め、演算部１６０は、光散乱吸光媒質である測定対象物１０２と同じ形状のものについて、入射光量、光散乱係数μ_a および吸光係数μ_s'をパラメータとする光拡散方程式（（１）式）の解を求めておく。
【００２８】
第２のステップとして、標準試料１０４について測定を行って光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)を求める。すなわち、光パルス光源１１０から光パルスを出射し、その光パルスを入射用導光部１２０を経て標準試料１０４に対して入射させる。そして、標準試料１０４から出力された光パルスの反射光または透過光を、受光用導光部１３０を経て光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに入射させて、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれを測定する。
【００２９】
そして、第３のステップとして、この標準試料１０４について求められた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、実効的な入射光量Ａを求める。すなわち、入射光量Ａ算出部１６４により、光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)を用いて、（４）式の当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａが求められる。
【００３０】
続いて、第４のステップとして、標準試料１０４に替えて測定対象物１０２に対して、同様に、光パルス光源１１０から出射された光パルスが入射され、測定対象物１０２から出力された光パルスの反射光または透過光が、受光用導光部１３０を経て、光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに入射して、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれが測定される。
【００３１】
そして、第５のステップとして、時間分解プロファイル補正部１６２により、測定対象物１０２について得られた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（５）式に従って、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が求められる。さらに、第６のステップとして、光散乱係数・吸光係数算出部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行われて、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる。
【００３２】
このような構成としたことにより、（６）式の当てはめ計算に際して入射光の実効値Ａについては既知であるので、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a の２つの値のみを求めればよい。したがって、これらの値を短時間に算出することが可能となり、測定対象物１０２が生体試料であっても、その生理変化の様子をリアルタイムに測定することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。本実施形態に係る測定装置は、単一光子検出時間相関法により光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれを測定するものであり、測定対象物からの出射光が微弱である場合に好適に用いられるものである。
【００３４】
本実施形態では、光パルス光源１１０から出力された光パルスは、入射用導光部１２０を経て測定対象物１０２または標準試料１０４に入射し、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に出射された反射光または透過光は、受光用導光部１３２を経て単光子検出部１７０により光子検出されて電気パルス信号に変換される。この単光子検出部１７０として例えば光電子増倍管が好適に用いられる。
【００３５】
この単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号は、パルスカウンタ１７２および時間パルス波高変換部１７４に入力する。パルスカウンタ１７２は、単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出力する。
【００３６】
一方、時間パルス波高変換部１７４は、光パルス光源１１０から出力された光パルスに同期したトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号が入力される時刻に応じた波高値を有する電気パルス信号を出力する。波高分析部１７６は、この時間パルス波高変換部１７４から出力された電気パルス信号を入力して、その波高値毎に計数して波高分布を求め、この波高分布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)として出力する。
【００３７】
このようにして単一光子検出時間相関法により測定された光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、前述の第１の実施形態と同様に、演算部１６０に入力される。そして、入射光量Ａ算出部１６４により、標準試料１０４を用いた測定により得られた時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（４）式に当てはめ計算が行われて、入射光の実効値Ａが求められる。次に、時間分解プロファイル補正部１６２により、測定対象物１０２を用いた測定により得られた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（５）式に従って、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が算出される。さらに、光散乱計数・吸光計数算出部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行われて、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる。
【００３８】
このような構成として単一光子検出時間相関法を採用したことにより、測定対象物１０２に光パルスが入射して多重散乱した後に出射される出射光が微弱であっても、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を精度よく且つリアルタイムに測定することができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図３は、第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。本実施形態に係る測定装置は、複数の光パルス光源を備えて、複数波長それぞれについて光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求めることができ、分光分析にも応用できるものである。
【００４０】
複数の光パルス光源２１１，２１２，…，２１Ｎそれぞれは、互いに異なる波長λ₁ ，λ₂ ，…，λ_N それぞれの光パルスを出力するものであり、トリガー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号に基づいて、順次光パルスを１パルスづつ出力する。複数の光パルス光源２１１〜２１Ｎそれぞれから出力された光パルスそれぞれは、入射用導光部２２０のそれぞれの入射端に入射して合波された後、入射用導光部２２０の出射端から、測定対象物１０２または標準試料１０４に照射される。そして、この光パルス照射に伴って測定対象物１０２または標準試料１０４から出射された反射光または透過光は、受光用導光部２３０を経て単光子検出部２７０により光子検出されて電気パルス信号に変換される。
【００４１】
この単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号は、パルスカウンタ２７２および時間パルス波高変換部２７４に入力する。パルスカウンタ２７２は、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出力する。
【００４２】
一方、時間パルス波高変換部２７４は、トリガー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号が入力される時刻に応じた波高値を有する電気パルス信号を出力する。波高分析部２７６は、この時間パルス波高変換部２７４から出力された電気パルス信号を入力してその波高値毎に計数して波高分布を求め、この波高分布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)として出力する。
【００４３】
この複数の光パルス光源２１１，２１２，…，２１Ｎそれぞれから出力された光パルスの強度波形、および、波高分析部２７６により生成される時間分解プロファイルｆ_obs(t)を図４に示す。この図に示すように、トリガー信号発生器２７８から出力される１つのトリガー信号に対して、光パルス光源２１１〜２１Ｎそれぞれから順次に光パルスが出力される。ここで、各光パルスは互いに時間的に重なることはなく、また、各波長λ_i 毎の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)も互いに時間的に重なることはない（i=1,2,…,N）。
【００４４】
この波高分析部２７６により生成された時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、各波長時間分解プロファイル決定部２６８により、各波長λ_i 毎に分解されて、各波長λ_i それぞれについての時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)が得られる（i=1,2,…,N）。さらに、各波長検出強度決定部２６９により、各波長λ_i 毎の光強度Ｉ_i,obs （i=1,2,…,N）が以下のようにして求められる。すなわち、パルスカウンタ２７２により求められた光強度Ｉ_obs は、各波長λ_i の光強度Ｉ_i,obs （i=1,2,…,N）の和、すなわち、
【数７】

で表され、また、各波長λ_i についての光強度Ｉ_i,obs は時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)の時間積分値に比例し（i=1,2,…,N）、
【数８】

なる関係式が成り立つ。これらの関係式から、各波長λ_i の光パルスについての光強度Ｉ_i,obs が求められる（i=1,2,…,N）。また、（５）式と同様の
【数９】

なる関係式が各波長λ_i （i=1,2,…,N）の光パルスについて成立する。
【００４５】
したがって、前述の第１または第２の実施形態と同様にして、各波長λ_i それぞれについて、光強度Ｉ_i,obs および時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)に基づいて測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる（i=1,2,…,N）。すなわち、標準試料１０４から反射または透過した波長λ_i の光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)は、演算部２６０の各波長入射光量Ａ_i算出部２６４により、（４）式の当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａ_iが決定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自乗法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、測定対象物１０２と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間変数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a をパラメータとするものである。ただし、標準試料１０４の場合であるので、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知である。
【００４６】
一方、測定対象物１０２から反射または透過した波長λ_i の光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)は、各波長検出強度決定部２６９で決定された光強度Ｉ_i,obs とともに、演算部２６０の各波長時間分解プロファイル補正部２６２により、（９）式の演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_i,obs(t)が得られる。
【００４７】
そして、演算部２６０の各波長光散乱係数・吸光係数算出部２６６は、各波長時間分解プロファイル補正部２６２で得られた補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_i,obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）とから、（６）式の当てはめ計算を行い、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求める。この当てはめ計算に際しても例えば最小自乗法が用いられる。（６）式における値Ａ_i は、（４）式で求められた実効的な入射光量Ａ_iの値が用いられる。
【００４８】
このような構成としたことにより、各波長毎に測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a の２つの値のみを求めればよく、したがって、これらの値を短時間に算出することが可能となり、測定対象物１０２が生体試料であっても、その生理変化の様子をリアルタイムに多波長で分光測定することができる。
【００４９】
（測定例）
次に、第２の実施形態に係る測定装置を用いた測定例について説明する。この測定において、測定対象物１０２は、麻酔下にある子豚の頭部であり、図５に示すように、照明用導光部１２０および受光用導光部１３２が互いに３ｃｍの距離だけ離れて固定配置されている。この子豚は、人工呼吸器につながれていて吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）の調整が可能となっている。
【００５０】
光パルス光源１１０としてレーザ光源（波長７６０ｎｍ、パルス幅約１ピコ秒程度）を用い、この子豚頭部（測定対象物１０２）に、光パルス光源１１０から出力され照明用導光部１２０を経た光パルスを入射し、子豚頭部からの反射光を受光用導光部１３２を経て単光子検出部１７０で光子検出し、時間パルス波高変換部１７４および波高分析部１７６により時間分解プロファイルを求めた。その測定結果を図６に示す。
【００５１】
この図において、破線は、本測定で用いた時間分解プロファイル測定系（単光子検出部１７０、時間パルス波高変換部１７４および波高分析部１７６）の測定精度を示すものであり、光パルス光源１１０から出力されたパルス幅数ピコ秒の光パルスをそのまま受光した場合であっても、この破線に示す程度の拡がりのあるパルスとして検出されることを示している。点は、実際に光パルス光源１１０からの光パルスを測定対象物１０２に入射し、その測定対象物１０２から出射した反射光について、波高分析部１７６により得られた時間分解プロファイルの測定結果を示す。
【００５２】
実線は、標準試料１０４について求めた実効的な入射光量Ａと、点で示された測定対象物（子豚頭部）１０２での時間分解プロファイルとから、破線で示された時間分解プロファイル測定系の測定精度をも考慮して、時間分解プロファイル補正部１６２による（５）式の補正計算および光散乱係数・吸光係数算出部１６６による（６）式の当てはめ計算を行った結果を示す。この当てはめ計算の結果、子豚頭部内の光散乱係数の値として０．９２ｍｍ^-1、吸光係数の値として０．０１２ｍｍ^-1が得られた。ここで、標準試料は、波長８００ｎｍにおいて、光散乱係数が１ｍｍ^-1であり、吸光係数が０．０１ｍｍ^-1である試料である。また、実効的な入射光量Ａは、この標準試料１０４に光パルスを入射して得られた出射光の光強度および時間分解プロファイルに基づいて、入射光量Ａ算出部１６４における（４）式の当てはめ計算により決定された値である。
【００５３】
この測定を繰り返し行い、その間に人工呼吸器による子豚への吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）を、当初２０．９％（即ち、空気中の酸素濃度）、次に１００％、最後に１４．６％というようにステップ状に変化させて同様に測定した。また、子豚頭部への実効的な入射光量Ａは一定であるとして同様の（６）式の当てはめ計算を行った。その結果のグラフを図７に示す。図７（ａ）は、光散乱係数・吸光係数算出部１６６により（６）式の当てはめ計算の結果として得られた子豚頭部内の光散乱係数（図中の○印）および吸光係数（図中の△印）の変化の様子を、図７（ｂ）は、パルスカウンタ１７２により得られた光強度Ｉ_obs の変化の様子を、それぞれ示す。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、子豚の吸入酸素濃度が高くなれば、吸光係数は小さくなり、逆に、子豚の吸入酸素濃度が低くなれば、吸光係数は大きくなっていることが判る。この結果は、以下のように説明される。すなわち、近赤外領域（波長６５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）の光の生体内における吸収は、血液中のヘモグロビンによる吸収が大部分であり、その中でも特に波長７６０ｎｍ付近の光は、酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ₂ ）より脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に強く吸収される。したがって、子豚の吸入酸素濃度を下げると、子豚頭部内の酸素濃度が減少し、血液中の脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の割合が高くなり、子豚頭部内の吸光係数が高くなる。つまり、吸光係数の変化は、子豚頭部内のヘモグロビンの脱酸素化を反映したものとなっていることが判る。
【００５５】
また、図７（ａ）および（ｂ）から、子豚の吸入酸素濃度が２０．９％または１００％の場合には、光散乱係数は殆ど一定であるが、子豚の吸入酸素濃度が１４．６％になると、これに伴って、子豚頭部内において酸素交換が行われなくなり脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の割合が大きくなって子豚頭部内の吸光係数が増加し、これにやや遅れて、子豚頭部内の光散乱係数が減少していることが認められる。
【００５６】
この本発明に係る測定方法による測定結果を、従来の方法による測定結果と比較してみる。図８は、従来の方法による測定結果を示すグラフである。実験条件は、本発明に係る測定における条件と同様である。この図８を見ると、従来方法では、子豚への吸入酸素濃度が２０．６％から１００％に変化しても、測定により得られた吸光係数は殆ど変化していない。また、子豚への吸入酸素濃度が１００％から１４．６％に変化したときに、吸光係数と光散乱係数とは略同時に変化を開始している。
【００５７】
以上のことから、従来方法では、吸光係数の変化と光散乱係数の変化とが分離測定されておらず、正確な測定結果が得られていないのに対して、本発明に係る測定方法によれば、吸光係数と光散乱係数とが分離して測定され、より正確な測定結果が得られていることが判る。
【００５８】
また、従来方法では、測定対象物について得られた時間分解プロファイルに基づいて当てはめ計算を行って吸光係数および光散乱係数を算出するのに、約５秒要していたのに対して、本発明に係る方法によれば、計算量が削減されたことにより、約２秒であった。したがって、本発明によれば、生理状態が時々刻々と変化する生体組織の吸光係数および光散乱係数をリアルタイムに測定することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、先ず、光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて求められた入射光量、吸光係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解は、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料について求められた第１の時間分解プロファイルに当てはめ計算が行われて、実効的入射光量が求められる。次に、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間分解プロファイルが求められ、この第２の時間分解プロファイルは出射光の光強度に基づいて補正され、この補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００６０】
このような構成としたので、測定対象物について得られた第２の時間分解プロファイルに光拡散方程式の解の当てはめ計算を行う際には、実効的入射光量が既に得られているので、光散乱係数および吸光係数の２変数のみについて解析すればよく、従来技術に比べて計算量が少なくて済み、リアルタイム測定が可能となる。したがって、時間経過とともに変化する生体組織の生理状態を観察する場合であっても、リアルタイムに観察することが可能となる。
【００６１】
さらに、実効的入射光量については標準試料を用いて求め、測定対象物の光散乱係数および吸光係数については、第２の時間分解プロファイルに光拡散方程式の解の当てはめ計算を行うことに求めることとしたので、それぞれの測定を正確に行うことが可能となり、測定対象物の光散乱係数および吸光係数それぞれの変化を分離して測定することが可能となる。
【００６２】
また、単一光子検出時間相関法により出射光の光強度および時間分解プロファイルを測定すれば、その出射光が微弱である場合でも、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を精度良く測定することができる。
【００６３】
また、複数波長の光パルスを順次に測定対象物または標準試料に照射して、複数波長の光パルスそれぞれについて出射光の光強度および時間分解プロファイルを求めることにより、分光分析を行うことができ、更に有用な情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図２】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図３】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図４】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置における複数の光パルス光源それぞれから出力された光パルスの強度波形、および、波高分析部により生成される時間分解プロファイルである。
【図５】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における測定対象物の説明図である。
【図６】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における時間分解測定結果を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定において、吸入酸素濃度を、当初２０．９％（即ち、空気中の酸素濃度）、次に１００％、最後に１４．６％というようにステップ状に変化させた場合の測定結果を示すグラフである。
【図８】従来の方法による測定結果を示すグラフである。
【図９】光散乱吸光媒質に入射した光パルスの多重散乱の説明図である。
【図１０】頭蓋骨の中の脳組織に光パルスを入射したときの光検出の説明図である。
【符号の説明】
１０２…測定対象物、１０４…標準試料、１１０…光パルス光源、１２０…入射用導光部、１３０，１３２…受光用導光部、１４０…光パワーメータ、１５０…光強度時間分解測定部、１６０…演算部、１６２…時間分解プロファイル補正部、１６４…入射光量Ａ算出部、１６６…光散乱係数・吸光係数算出部、１７０…単光子検出部、１７２…パルスカウンタ、１７４…時間パルス波高変換部、１７６…波高分析部、２１１，２１２，…，２１Ｎ…光パルス光源、２２０…入射用導光部、２３０…受光用導光部、２６０…演算部、２６２…各波長時間分解プロファイル補正部、２６４…各波長入射光量Ａi算出部、２６６…光散乱係数・吸光係数算出部、２６８…各波長時間分解プロファイル決定部、２６９…各波長検出強度決定部、２７０…単光子検出部、２７２…パルスカウンタ、２７４…時間パルス波高変換部、２７６…波高分析部、２７８…トリガー信号発生器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, for example, irradiates a biological tissue with a light pulse, measures the time-resolved profile of the transmitted light or scattered light, obtains the extinction coefficient and the light scattering coefficient of the biological tissue, and based on this, the physiological state of the biological tissue It is related with the measuring method and measuring apparatus of the light-absorption coefficient of a light-scattering light-absorbing medium, and a light-scattering coefficient used suitably.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the light scattering coefficient μ of the light scattering medium _s '(Reduced scattering coefficient) and extinction coefficient μ _a (Absorption coefficient) is measured by making a light pulse incident on a measurement object that is a light-scattering light-absorbing medium, and time-resolved light that has spread in time due to multiple scattering in the light-scattering light-absorbing medium. There is known a technique for obtaining an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering absorption medium by performing time-resolved measurement by spectroscopy and applying an analytical solution of the light diffusion equation and Fick's law to the measurement result.
[0003]
FIG. 9 is an explanatory diagram of multiple scattering of a light pulse incident on the light scattering absorption medium, FIG. 9A is an explanatory diagram of reflected light of the light pulse incident on the light scattering absorption medium, and FIG. It is explanatory drawing of the transmitted light of the light pulse which injected into the light-scattering light absorption medium. As shown in this figure, when time-resolved measurement of reflected / transmitted light emitted from a light pulse incident on a light-scattering light-absorbing medium and multiple-scattered, the time-resolved profile is temporal in comparison with the incident light profile. It becomes a profile that spreads out. Since the shape of the time-resolved profile depends on the light-absorption coefficient and the light-scattering coefficient of the light-scattering light-absorbing medium, the light-absorption coefficient and the light-scattering coefficient of the light-scattering light-absorbing medium can be obtained based on the shape of the time-resolved light-absorbing medium. it can.
[0004]
At this time, the light diffusion equation for obtaining an analytical solution of time-resolved measurement is
[Expression 1]

It is represented by D is the light diffusion coefficient, φ is the photon density, c is the speed of light in the light scattering medium, t is the time variable, r is the position variable, q is the incident light, μ _s 'Is the light scattering coefficient of the light scattering medium, μ _a Is the extinction coefficient of the light scattering medium. The photon density φ is a function of the position variable r and the time variable t. And Fick's law is
[Expression 2]

It is represented by J is the photon flow density, d is the distance between the incident position and the detection position, and n represents the direction of the photon flow.
[0005]
For example, in the flat and homogeneous light scattering absorption medium as shown in FIG. 9A, when the equations (1) and (2) are solved, the reflectance R (d, t) is
[Equation 3]

(Reference: MSPatterson, et al., Applied Optics, Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989)). From the reflectance R (d, t) expressed by the equation (3) and the time-resolved profile obtained by time-resolved measurement, the light absorption coefficient and the light scattering coefficient of the light-scattering light-absorbing medium are obtained.
[0006]
For example, such a measurement technique has been studied for application to examination of a living tissue that is a strong light-scattering light-absorbing medium. In particular, by measuring using an appropriate wavelength, water, fat in the living tissue, Application to quantitative measurement of the concentration of sugar and the concentration of in vivo substances such as bilirubin is being studied. In addition, there are many substances in a living tissue whose light absorption spectrum changes according to changes in physiological state.
[0007]
For example, hemoglobin present in blood is responsible for oxygen transport to each organ of living tissue, but the extinction coefficient changes according to the surrounding oxygen concentration. Therefore, by measuring the extinction coefficient of the living tissue, oxygen metabolism information of the living tissue can be obtained. Other examples include myoglobin in muscle, proteins such as cytochrome present in the mitochondria of cells, and substances such as nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) depending on the state of oxygen metabolism and energy metabolism in living tissues. It is said that a change in extinction coefficient occurs.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the measurement object generally has a geometrically complicated shape and is optically inhomogeneous. In the case of such a light scattering absorption medium, it is difficult to analytically solve the equations (1) and (2). Even in such a case, it is conceivable to use the expression (3) approximately, but the error is large. Therefore, when measuring a light-scattering light-absorbing medium having a geometrically complex shape and optically inhomogeneous, is it possible to approximately solve equations (1) and (2) using a method such as the finite element method? Alternatively, the analysis is performed by a method such as Monte Carlo simulation. However, these require a huge amount of calculation, and it is difficult to measure the light scattering coefficient and the light absorption coefficient of the light scattering medium in real time.
[0009]
In particular, when the physiological state in a living tissue is to be measured, the change in the physiological state is fast, and therefore, repeated measurement in units of seconds is indispensable for measuring or monitoring the above-described substances. However, living tissue has a complicated structure, and it is difficult to model the structure of living tissue into a simple geometric structure. Among them, since brain tissue is generally surrounded by a skull having a higher light scattering coefficient than organs such as muscles and brain, even in a situation where most of the light is transmitted through the brain tissue as shown in FIG. The effect of light scattering on the skull affects the temporal diffusion of light in brain tissue, making it difficult to analyze with simple light diffusion equations. Therefore, there is a problem that the light scattering coefficient and the light absorption coefficient of the measurement object cannot be accurately measured.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems. Even if the light-scattering light-absorbing medium has a geometrically complicated shape or is optically inhomogeneous, the light-absorbing coefficient and light-scattering properties of the light-scattering light-absorbing medium are not limited. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring a light absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light-scattering light-absorbing medium capable of accurately measuring the coefficient in real time.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The light scattering coefficient of the light scattering medium (excluding humans) and the method for measuring the light scattering coefficient according to the present invention are as follows: (1) Measurement object that is a light scattering medium About the same shape as The first step to find the solution of the light diffusion equation with the incident light quantity, extinction coefficient and light scattering coefficient as parameters, and (2) irradiating a standard sample with known extinction coefficient and light scattering coefficient with a light pulse A second step for obtaining a first time-resolved profile by time-resolved measurement of the emitted light generated by multiple scattering in the standard sample; and (3) the first time-resolved profile includes the extinction coefficient of the standard sample and Applying the solution of the light diffusion equation to which each value of the light scattering coefficient is substituted, and the third step for obtaining the effective incident light amount, and (4) irradiating the measurement object with a light pulse, A fourth step of measuring the light intensity of the emitted light generated by the multiple scattering and obtaining the second time-resolved profile by time-resolved measurement of the emitted light; and (5) the second time-resolved profile. A fifth step of correcting the light based on the light intensity of the emitted light, and (6) solving the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted into the second time-resolved profile corrected in the fifth step. And a sixth step of obtaining an extinction coefficient and a light scattering coefficient of the measurement object.
[0012]
According to this measuring method, the measuring object which is a light scattering / absorbing medium in the first step. About the same shape as The solution of the obtained light diffusion equation is applied to the first time-resolved profile obtained for the standard sample whose extinction coefficient and light scattering coefficient are known in the second step and is calculated in the third step. An effective incident light quantity is required. Next, in the fourth step, the light intensity of the emitted light and the second time-resolved profile are obtained for the measurement object, and in the fifth step, the second time-resolved profile is based on the light intensity of the emitted light. In the sixth step, the solution of the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted is applied to the second time-resolved profile corrected in the fifth step, and the extinction coefficient of the measurement object and A light scattering coefficient is determined.
[0013]
The second step obtains the first time-resolved profile by the single photon detection time correlation method, and the fourth step measures the light intensity of the emitted light by the single photon detection time correlation method and the second step. It is good also as calculating | requiring the time resolution profile of. In this case, even if the emitted light is weak, the light absorption coefficient and the scattering coefficient can be obtained accurately.
[0014]
The second step irradiates the standard sample with light pulses having a plurality of different wavelengths without overlapping each other in time, and obtains a first time-resolved profile. The third step includes the first time-resolved profile. Based on the profile, a time-resolved profile for each of the light pulses of a plurality of wavelengths is obtained, and an effective incident light quantity for each of the light pulses of the plurality of wavelengths is obtained. The measurement object is irradiated to measure the light intensity of the emitted light, and a second time-resolved profile is obtained. The fifth step is for each of light pulses having a plurality of wavelengths based on the second time-resolved profile. The sixth step is to calculate the light absorption coefficient and the light scattering of the measurement object for each of the light pulses having a plurality of wavelengths. It is also possible to determine the number. In this case, spectroscopic analysis is possible.
[0015]
Further, the light scattering coefficient and the light scattering coefficient measuring device of the light scattering medium according to the present invention are (1) outputting a light pulse, and a measuring object that is a light scattering medium, or the light absorption coefficient and the light scattering coefficient. (2) Light that measures the light intensity of the emitted light generated by multiple scattering in the measurement object or standard sample irradiated with the light pulse. An intensity measurement unit; (3) a light intensity time-resolved measurement unit that obtains a time-resolved profile by time-resolved measurement of emitted light; and (4) a light intensity time-resolved measurement unit when a light pulse is irradiated on a standard sample The time-resolved profile of the emitted light measured by About the same shape as Applying the solution of the solved light diffusion equation to the values obtained by substituting the values of the extinction coefficient and scattering coefficient of the standard sample, and an incident light quantity calculation means for obtaining the effective incident light quantity, and (5) a light pulse on the measurement object Time-resolved profile correction means for correcting the time-resolved profile of the emitted light measured by the light intensity time-resolved measuring unit when the light is irradiated based on the light intensity of the emitted light measured by the light intensity measuring unit; 6) Apply the solution of the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted to the time-resolved profile corrected by the time-resolved profile correction means to obtain the light scattering coefficient and light scattering coefficient to obtain the light absorption coefficient and light scattering coefficient of the measurement object. And a coefficient calculation means.
[0016]
According to this measuring apparatus, the light pulse output from the light pulse light source unit is incident on a measurement object which is a light scattering absorption medium or a standard sample whose absorption coefficient and light scattering coefficient are known. The intensity of the emitted light generated by the multiple scattering in the measurement object or standard sample irradiated with the light pulse is measured by the light intensity measurement unit. The emitted light is time-resolved and measured by a light intensity time-resolved measurement unit to obtain a time-resolved profile. The object to be measured is added to the time-resolved profile of the emitted light measured by the light intensity time-resolved measurement unit when the standard sample is irradiated with the light pulse by the incident light amount calculation means. About the same shape as The solution of the solved light diffusion equation is applied to determine the effective incident light amount. The time-resolved profile correction means, when the measurement object is irradiated with a light pulse, the time-resolved profile of the emitted light measured by the light intensity time-resolved measurement unit is the light intensity of the emitted light measured by the light intensity measurement unit. Is corrected based on Then, the light scattering coefficient / absorption coefficient calculating means applies the solution of the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted to the time-resolved profile corrected by the time-resolved profile correcting means, so that the absorption coefficient of the measurement object is obtained. And the light scattering coefficient is determined.
[0017]
The light intensity measurement unit includes a single photon detection unit that detects individual photons of the emitted light and outputs an electric pulse signal, and a pulse counter that counts the electric pulse signal to obtain the light intensity of the emitted light. The intensity time-resolved measurement unit generates a time pulse height converter that outputs an electrical signal having a peak value corresponding to the time from the emission time of the optical pulse to the generation time of the electrical pulse signal, and generates a peak value distribution of the electrical signal. It is also possible to provide a pulse height analysis unit that outputs a time-resolved profile. In this case, since the light intensity and time-resolved profile of the emitted light can be obtained by the single photon detection time correlation method, even when the emitted light is weak, the light absorption coefficient and the scattering coefficient can be obtained accurately.
[0018]
Furthermore, (1) the light intensity time-resolved measurement unit measures the emitted light generated by multiple scattering in a measurement object or standard sample irradiated with light pulses of a plurality of different wavelengths without overlapping each other in time. Each wavelength time-resolved profile determination unit for obtaining a time-resolved profile for each of the light pulses of a plurality of wavelengths based on the time-resolved profile obtained, and (2) the time-resolved profile and the light intensity for each of the light pulses of a plurality of wavelengths. Based on the light intensity of the emitted light measured by the measurement unit, each wavelength detection intensity determination unit for obtaining the light intensity of the emitted light for each of the light pulses of a plurality of wavelengths, (a) the pulse light source unit, Each of the light pulses of multiple wavelengths is output in sequence, and (b) the incident light quantity calculation means is effective for each of the light pulses of multiple wavelengths. (C) The time-resolved profile correction means corrects the time-resolved profile for each of the light pulses of a plurality of wavelengths, and (d) the light scattering coefficient / absorption coefficient calculation means of each of the light pulses of a plurality of wavelengths. The extinction coefficient and the light scattering coefficient of the measurement object may be obtained. In this case, spectroscopic analysis is possible.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0020]
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of an absorption coefficient and light scattering coefficient measuring apparatus of the light scattering absorption medium according to the first embodiment.
[0021]
The light pulse light source 110 outputs a light pulse having a constant intensity. The light pulse passes through the incident light guide 120 and irradiates the measurement object 102, which is a light scattering absorption medium, or the standard sample 104 whose absorption coefficient and light scattering coefficient are known. The transmitted light or reflected light generated due to multiple scattering in the measurement object 102 or the standard sample 104 due to the light pulse irradiation passes through the light receiving light guide unit 130, and then the optical power meter 140 and the light intensity time-resolved measurement unit 150. Is incident on.
[0022]
Here, as each of the incident light guide 120 and the light receiving light guide 130, for example, an optical fiber is used. In addition, the light receiving light guide unit 130 has one incident end, but is branched into two on the way, has two exit ends, and one exit end is connected to the optical power meter 140, and the other end. Is connected to the light intensity time-resolved measurement unit 150. The optical power meter 140 is a time-averaged light intensity I of a light pulse that is transmitted through or reflected after being subjected to multiple scattering inside the measurement object 102 or the standard sample 104. _obs Measure. In addition, the light intensity time-resolved measurement unit 150 is preferably a streak tube, for example, and also receives a trigger signal synchronized with the light pulse output from the light pulse light source 110, and uses this trigger signal arrival time as a reference time. Time-resolved profile f of the light intensity of a light pulse transmitted or reflected after multiple scattering inside the measurement object 102 or the standard sample 104 _obs Measure (t).
[0023]
Light intensity I measured by the optical power meter 140 _obs , And the time-resolved profile f of the light intensity measured by the light intensity time-resolved measuring unit 150 _obs (t) is input to the calculation unit 160. The calculation unit 160 then calculates the time-resolved profile f of the light intensity measured by the light intensity time-resolved measurement unit 150. _obs The following processing is performed depending on which of the measurement object 102 and the standard sample 104 is (t).
[0024]
Time-resolved profile f of the light intensity of the light pulse reflected or transmitted from the standard sample 104 _obs (t) is calculated by the incident light amount A calculation unit 164 of the calculation unit 160.
[Expression 4]

The fitting calculation is performed to determine the effective incident light amount A. For this fitting calculation, for example, the least square method is used. Where f _calc (T, μ _s ', μ _a ) Is the measurement object 102. About the same shape as A solution of the solved light diffusion equation (equation (1)), which is a time variable t, a light scattering coefficient μ _s 'And extinction coefficient μ _a Is a parameter. However, here, the light scattering coefficient μ of the standard sample 104 _s 'And extinction coefficient μ _a Are known, and the solution of the light diffusion equation includes these known light scattering coefficients μ _s 'And extinction coefficient μ _a Each value is assigned.
[0025]
On the other hand, the time-resolved profile f of the light intensity of the light pulse reflected or transmitted from the measurement object 102 _obs (t) is the light intensity I measured by the optical power meter 140. _obs At the same time, the time-resolved profile correction unit 162 of the calculation unit 160
[Equation 5]

To obtain a correction coefficient k, and further, a corrected time-resolved profile k · f _obs (t) is obtained.
[0026]
Then, the light scattering coefficient / absorption coefficient calculating unit 166 of the calculation unit 160 corrects the corrected time-resolved profile k · f obtained by the time-resolved profile correcting unit 162. _obs (t) and the solution of the light diffusion equation f _calc (T, μ _s ', μ _a And
[Formula 6]

And the light scattering coefficient μ of the measurement object 102 is calculated. _s 'And extinction coefficient μ _a Ask for. For this fitting calculation, for example, the least square method is used. As the value A in the equation (6), the value of the effective incident light amount A obtained by the equation (4) is used.
[0027]
Next, a measurement method using the measurement apparatus according to this embodiment will be described. First, as a first step, the calculation unit 160 preliminarily measures the measurement object 102 that is a light scattering absorption medium. About the same shape as , Incident light intensity, light scattering coefficient μ _a And extinction coefficient μ _s The solution of the light diffusion equation (equation (1)) with 'as a parameter is obtained in advance.
[0028]
As a second step, the standard sample 104 is measured and the light intensity I _obs And time-resolved profile f _obs Find (t). That is, a light pulse is emitted from the light pulse light source 110, and the light pulse is incident on the standard sample 104 through the incident light guide 120. Then, the reflected light or transmitted light of the light pulse output from the standard sample 104 is incident on the optical power meter 140 and the light intensity time-resolved measurement unit 150 through the light receiving light guide unit 130, and the average light intensity is obtained. I _obs And light intensity time-resolved profile f _obs (t) Measure each.
[0029]
Then, as a third step, the light intensity I obtained for the standard sample 104 is calculated. _obs And time-resolved profile f _obs Based on (t), an effective incident light amount A is obtained. That is, the incident light amount A calculation unit 164 causes the light intensity I _obs And time-resolved profile f _obs Using (t), the fitting calculation of equation (4) is performed, and the effective incident light amount A is obtained.
[0030]
Subsequently, as a fourth step, similarly, the light pulse emitted from the light pulse light source 110 is incident on the measurement object 102 instead of the standard sample 104 and the light pulse output from the measurement object 102 is output. Reflected light or transmitted light is incident on the optical power meter 140 and the light intensity time-resolved measurement unit 150 through the light receiving light guide unit 130, and the average light intensity I _obs And light intensity time-resolved profile f _obs (t) Each is measured.
[0031]
Then, as a fifth step, the light intensity I obtained for the measurement object 102 by the time-resolved profile correction unit 162. _obs And time-resolved profile f _obs Based on (t), corrected time-resolved profile k · f according to equation (5) _obs (t) is required. Further, as a sixth step, the light scattering coefficient / absorption coefficient calculation unit 166 performs the fitting calculation of the equation (6) to calculate the light scattering coefficient μ of the measurement object 102. _s 'And extinction coefficient μ _a Is required.
[0032]
With such a configuration, since the effective value A of the incident light is known in the fitting calculation of the equation (6), the light scattering coefficient μ of the measurement object 102 is known. _s 'And extinction coefficient μ _a It is sufficient to obtain only the two values. Therefore, these values can be calculated in a short time, and even if the measurement object 102 is a biological sample, the state of the physiological change can be measured in real time.
[0033]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of an absorption coefficient and light scattering coefficient measuring device of the light scattering medium according to the second embodiment. The measuring apparatus according to the present embodiment uses the single photon detection time correlation method to measure the light intensity I. _obs And time-resolved profile f _obs (t) Each is measured, and is suitably used when the light emitted from the measurement object is weak.
[0034]
In the present embodiment, the light pulse output from the light pulse light source 110 enters the measurement object 102 or the standard sample 104 via the incident light guide 120, and is subjected to multiple scattering inside the measurement object 102 or the standard sample 104. Thereafter, the reflected light or transmitted light emitted through the light receiving light guide unit 132 is photon-detected by the single photon detection unit 170 and converted into an electric pulse signal. For example, a photomultiplier tube is preferably used as the single photon detection unit 170.
[0035]
The electric pulse signal output from the single photon detection unit 170 is input to the pulse counter 172 and the time pulse wave height conversion unit 174. The pulse counter 172 counts the electric pulse signal output from the single photon detector 170 for a certain period of time, and calculates the counted value as the light intensity I _obs Output as.
[0036]
On the other hand, the time pulse height converter 174 also receives a trigger signal synchronized with the optical pulse output from the optical pulse light source 110, and uses the trigger signal arrival time as a reference time to output the electrical signal output from the single photon detector 170. An electric pulse signal having a peak value corresponding to the time when the pulse signal is input is output. The pulse height analysis unit 176 receives the electric pulse signal output from the time pulse peak height conversion unit 174, counts each peak value to obtain a pulse height distribution, and obtains the pulse height distribution as a time-resolved profile f. _obs Output as (t).
[0037]
The light intensity I thus measured by the single photon detection time correlation method _obs And time-resolved profile f _obs (t) is input to the calculation unit 160 as in the first embodiment. Then, the time-resolved profile f obtained by the measurement using the standard sample 104 by the incident light amount A calculating unit 164. _obs Based on (t), the fitting calculation is performed on the equation (4), and the effective value A of the incident light is obtained. Next, the light intensity I obtained by the measurement using the measurement object 102 by the time-resolved profile correction unit 162. _obs And time-resolved profile f _obs Based on (t), corrected time-resolved profile k · f according to equation (5) _obs (t) is calculated. Furthermore, the light scattering coefficient / absorption coefficient calculation unit 166 performs the fitting calculation of the equation (6) to calculate the light scattering coefficient μ of the measurement object 102. _s 'And extinction coefficient μ _a Is required.
[0038]
By adopting the single photon detection time correlation method as such a configuration, even if the outgoing light emitted after the light pulse is incident on the measurement object 102 and is scattered multiple times is weak, the light of the measurement object The scattering coefficient and the extinction coefficient can be accurately measured in real time.
[0039]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 3 is a configuration diagram of an absorption coefficient and light scattering coefficient measuring apparatus of the light scattering medium according to the third embodiment. The measurement apparatus according to the present embodiment includes a plurality of light pulse light sources, and a light scattering coefficient μ for each of a plurality of wavelengths. _s 'And extinction coefficient μ _a It can be applied to spectroscopic analysis.
[0040]
Each of the plurality of optical pulse

light sources

211, 212,..., 21N has a different wavelength λ. ₁ , Λ ₂ , ..., λ _N Each optical pulse is output. Based on the trigger signal output from the trigger signal generator 278, the optical pulses are sequentially output one by one. Each of the light pulses output from each of the plurality of light pulse light sources 211 to 21N enters the respective incident ends of the incident light guide unit 220 and is combined, and then from the output end of the incident light guide unit 220, The measurement object 102 or the standard sample 104 is irradiated. Then, the reflected light or transmitted light emitted from the measurement object 102 or the standard sample 104 along with the light pulse irradiation is photon-detected by the single photon detection unit 270 via the light receiving light guide unit 230 and converted into an electric pulse signal. Converted.
[0041]
The electric pulse signal output from the single photon detector 270 is input to the pulse counter 272 and the time pulse height converter 274. The pulse counter 272 counts the electric pulse signal output from the single photon detector 270 for a certain period of time, and calculates the counted value as the light intensity I _obs Output as.
[0042]
On the other hand, the time pulse height converter 274 also receives the trigger signal output from the trigger signal generator 278, and receives the electric pulse signal output from the single photon detector 270 using the trigger signal arrival time as a reference time. An electric pulse signal having a peak value corresponding to the time to be output is output. The pulse height analysis unit 276 receives the electric pulse signal output from the time pulse height conversion unit 274 and counts the pulse value for each pulse value to obtain a pulse height distribution. _obs Output as (t).
[0043]
The intensity waveform of the optical pulse output from each of the plurality of optical pulse

light sources

211, 212,... _obs FIG. 4 shows (t). As shown in this figure, in response to one trigger signal output from the trigger signal generator 278, optical pulses are sequentially output from the optical pulse light sources 211 to 21N. Here, the optical pulses do not overlap each other in time, and each wavelength λ _i Time resolution profile f for each _{i, obs} (t) also does not overlap with each other in time (i = 1, 2,..., N).
[0044]
The time-resolved profile f generated by the wave height analyzer 276 _obs (t) is obtained by each wavelength time-resolved profile determining unit 268 by each wavelength λ _i Every wavelength λ _i Time resolution profile f for each _{i, obs} (t) is obtained (i = 1, 2,..., N). Further, each wavelength detection intensity determination unit 269 causes each wavelength λ to be _i Light intensity I for each _{i, obs} (I = 1, 2,..., N) is obtained as follows. That is, the light intensity I obtained by the pulse counter 272 _obs Is the wavelength λ _i Light intensity I _{i, obs} The sum of (i = 1,2, ..., N), ie
[Expression 7]

And each wavelength λ _i Light intensity I for _{i, obs} Is the time-resolved profile f _{i, obs} proportional to the time integral of (t) (i = 1,2, ..., N),
[Equation 8]

The following relational expression holds. From these relational expressions, each wavelength λ _i Light intensity I for a light pulse of _{i, obs} Is obtained (i = 1, 2,..., N). Also, the same as equation (5)
[Equation 9]

The relational expression _i This holds for optical pulses (i = 1, 2,..., N).
[0045]
Therefore, in the same manner as in the first or second embodiment described above, each wavelength λ _i For each, the light intensity I _{i, obs} And time-resolved profile f _{i, obs} Based on (t), the light scattering coefficient μ of the measurement object 102 _s 'And extinction coefficient μ _a Is obtained (i = 1, 2,..., N). That is, the wavelength λ reflected or transmitted from the standard sample 104 _i Time-resolved profile f of the light intensity of the light pulse _{i, obs} (t) is the amount of incident light A of each wavelength of the calculation unit 260. _i The calculation unit 264 performs the fitting calculation of the equation (4) to obtain an effective incident light amount A. _i Is determined. For this fitting calculation, for example, the least square method is used. Where f _calc (T, μ _s ', μ _a ) Is the measurement object 102. About the same shape as A solution of the solved light diffusion equation (equation (1)), which is a time variable t, a light scattering coefficient μ _s 'And extinction coefficient μ _a Is a parameter. However, since it is the case of the standard sample 104, the light scattering coefficient μ _s 'And extinction coefficient μ _a Is known.
[0046]
On the other hand, the wavelength λ reflected or transmitted from the measurement object 102 _i Time-resolved profile f of the light intensity of the light pulse _{i, obs} (t) is the light intensity I determined by each wavelength detection intensity determination unit 269. _{i, obs} At the same time, each wavelength time resolution profile correction unit 262 of the calculation unit 260 calculates the equation (9) to obtain the correction coefficient k, and further corrects the corrected time resolution profile k · f. _{i, obs} (t) is obtained.
[0047]
Then, each wavelength light scattering coefficient / absorption coefficient calculation unit 266 of the calculation unit 260 is corrected by the corrected time resolution profile k · f obtained by each wavelength time resolution profile correction unit 262. _{i, obs} (t) and the solution of the light diffusion equation f _calc (T, μ _s ', μ _a ), The fitting calculation of the equation (6) is performed, and the light scattering coefficient μ of the measurement object 102 is calculated. _s 'And extinction coefficient μ _a Ask for. For this fitting calculation, for example, the least square method is used. Value A in equation (6) _i Is the effective incident light amount A obtained by the equation (4). _i The value of is used.
[0048]
With such a configuration, the light scattering coefficient μ of the measurement object 102 for each wavelength. _s 'And extinction coefficient μ _a Therefore, these values can be calculated in a short time, and even if the measurement object 102 is a biological sample, the state of its physiological change can be spectroscopically analyzed at multiple wavelengths in real time. Can be measured.
[0049]
(Measurement example)
Next, a measurement example using the measurement apparatus according to the second embodiment will be described. In this measurement, the measurement object 102 is the head of a piglet under anesthesia, and as shown in FIG. 5, the light guide 120 for illumination and the light guide 132 for light reception are separated from each other by a distance of 3 cm. It is fixedly arranged. This piglet is connected to a ventilator and has an inhaled oxygen concentration (FiO) ₂ ) Can be adjusted.
[0050]
A laser light source (wavelength 760 nm, pulse width of about 1 picosecond) was used as the light pulse light source 110, and this light pig light source (measurement object 102) was output from the light pulse light source 110 and passed through the illumination light guide 120. A light pulse is incident, reflected light from the piglet head is detected by the single photon detection unit 170 via the light receiving light guide unit 132, and a time resolution profile is obtained by the time pulse wave height conversion unit 174 and the wave height analysis unit 176. It was. The measurement results are shown in FIG.
[0051]
In this figure, the broken line indicates the measurement accuracy of the time-resolved profile measurement system (single photon detection unit 170, time pulse wave height conversion unit 174, and wave height analysis unit 176) used in this measurement. Even when the output optical pulse having a pulse width of several picoseconds is received as it is, it is detected as a pulse having a spread of the extent indicated by the broken line. The point indicates the measurement result of the time-resolved profile obtained by the pulse height analysis unit 176 for the reflected light that actually enters the measurement object 102 from the light pulse light source 110 and is emitted from the measurement object 102. .
[0052]
The solid line indicates the time-resolved profile measurement system indicated by the broken line from the effective incident light amount A obtained for the standard sample 104 and the time-resolved profile at the measurement object (piglet head) 102 indicated by the dots. Taking into account the measurement accuracy, the results of the correction calculation of equation (5) by the time-resolved profile correction unit 162 and the fitting calculation of equation (6) by the light scattering coefficient / absorption coefficient calculation unit 166 are shown. As a result of this fitting calculation, the value of the light scattering coefficient in the piglet head is 0.92 mm. ^-1 , 0.012 mm as the value of extinction coefficient ^-1 was gotten. Here, the standard sample has a light scattering coefficient of 1 mm at a wavelength of 800 nm. ^-1 And the extinction coefficient is 0.01 mm. ^-1 This is a sample. In addition, the effective incident light amount A is calculated by applying the equation (4) in the incident light amount A calculating unit 164 based on the light intensity and time-resolved profile of the emitted light obtained by making the light pulse incident on the standard sample 104. It is a value determined by calculation.
[0053]
This measurement is repeated, and during that time, the inhaled oxygen concentration (FiO) ₂ ) Was measured in the same manner with a step change of 20.9% (ie, oxygen concentration in the air), then 100%, and finally 14.6%. Further, assuming that the effective incident light amount A to the piglet head is constant, the same calculation calculation of the equation (6) was performed. The resulting graph is shown in FIG. FIG. 7 (a) shows the light scattering coefficient (circle mark in the figure) and the extinction coefficient (in the figure) obtained by the light scattering coefficient / absorption coefficient calculation unit 166 as a result of the fitting calculation of equation (6). FIG. 7B shows how the light intensity I obtained by the pulse counter 172 is shown. _obs Each of these changes is shown below.
[0054]
As shown in FIG. 7A, the absorption coefficient decreases as the inhaled oxygen concentration of the piglet increases, and conversely, the absorption coefficient increases as the inhaled oxygen concentration of the piglet decreases. I understand. This result is explained as follows. That is, most of the absorption in the living body of light in the near-infrared region (wavelength 650 nm to 1300 nm) is absorption by hemoglobin in blood, and light in the vicinity of wavelength 760 nm is particularly oxygenated hemoglobin (HbO). ₂ ) Is more strongly absorbed by deoxygenated hemoglobin (Hb). Therefore, when the inhaled oxygen concentration of the piglet is lowered, the oxygen concentration in the piglet head decreases, the proportion of deoxygenated hemoglobin (Hb) in the blood increases, and the extinction coefficient in the piglet head increases. Become. That is, it can be seen that the change in the extinction coefficient reflects the deoxygenation of hemoglobin in the piglet head.
[0055]
7A and 7B, when the inhalation oxygen concentration of the piglet is 20.9% or 100%, the light scattering coefficient is almost constant, but the inhalation oxygen concentration of the piglet is 14 At 6%, oxygen exchange is not performed in the piglet head, and the proportion of deoxygenated hemoglobin (Hb) increases, increasing the extinction coefficient in the piglet head. Slightly later, it can be seen that the light scattering coefficient in the piglet head is decreasing.
[0056]
The measurement result by the measurement method according to the present invention will be compared with the measurement result by the conventional method. FIG. 8 is a graph showing measurement results obtained by a conventional method. The experimental conditions are the same as those in the measurement according to the present invention. Referring to FIG. 8, in the conventional method, even when the inhaled oxygen concentration into the piglet changes from 20.6% to 100%, the extinction coefficient obtained by the measurement hardly changes. Further, when the concentration of oxygen sucked into the piglet changes from 100% to 14.6%, the absorption coefficient and the light scattering coefficient start to change almost simultaneously.
[0057]
From the above, in the conventional method, the change in the extinction coefficient and the change in the light scattering coefficient are not separately measured and an accurate measurement result is not obtained. For example, it can be seen that the extinction coefficient and the light scattering coefficient are measured separately and a more accurate measurement result is obtained.
[0058]
Further, in the conventional method, it took about 5 seconds to calculate the extinction coefficient and the light scattering coefficient by performing the fitting calculation based on the time-resolved profile obtained for the measurement object. According to the method, the calculation amount was reduced, and it was about 2 seconds. Therefore, according to the present invention, it is possible to measure in real time the extinction coefficient and the light scattering coefficient of a living tissue whose physiological state changes from moment to moment.
[0059]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, first, a measurement object which is a light scattering absorption medium. About the same shape as The solution of the light diffusion equation using the obtained incident light quantity, extinction coefficient, and light scattering coefficient as parameters is applied to the first time-resolved profile obtained for the standard sample having the known extinction coefficient and light scattering coefficient. Thus, an effective incident light amount is required. Next, the light intensity of the emitted light and the second time-resolved profile are obtained for the measurement object, and the second time-resolved profile is corrected based on the light intensity of the emitted light, and this corrected second time is obtained. The solution of the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted is applied to the decomposition profile, and the extinction coefficient and the light scattering coefficient of the measurement object are obtained.
[0060]
With such a configuration, when the calculation of fitting the solution of the light diffusion equation to the second time-resolved profile obtained for the measurement object is performed, the effective incident light quantity has already been obtained. Only the two variables of the coefficient and the extinction coefficient need to be analyzed, and the amount of calculation is less than that of the prior art, and real-time measurement is possible. Therefore, even in the case of observing the physiological state of a living tissue that changes over time, it is possible to observe in real time.
[0061]
Furthermore, the effective amount of incident light is obtained using a standard sample, and the light scattering coefficient and the light absorption coefficient of the measurement object are obtained by performing a calculation by fitting the solution of the light diffusion equation to the second time-resolved profile. As a result, each measurement can be performed accurately, and changes in the light scattering coefficient and the light absorption coefficient of the measurement object can be separated and measured.
[0062]
In addition, if the light intensity and time-resolved profile of the emitted light are measured by the single photon detection time correlation method, even if the emitted light is weak, the light scattering coefficient and the extinction coefficient of the measurement object can be accurately measured. Can do.
[0063]
In addition, it is possible to perform spectroscopic analysis by sequentially irradiating a measurement object or standard sample with light pulses of multiple wavelengths and obtaining the light intensity and time-resolved profile of the emitted light for each of the multiple wavelength light pulses, Further useful information can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to a first embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of an apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to a second embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of an apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to a third embodiment.
FIG. 4 shows an intensity waveform of a light pulse output from each of a plurality of light pulse light sources in a light scattering coefficient and light scattering coefficient measuring device of a light scattering light absorption medium according to a third embodiment, and a wave height analysis unit. Is a time-resolved profile.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an object to be measured in measurement using the measuring device for the light absorption coefficient and the light scattering coefficient of the light scattering medium according to the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a time-resolved measurement result in a measurement using the measurement device for the light absorption coefficient and the light scattering coefficient of the light scattering medium according to the second embodiment.
FIG. 7 shows that the inhaled oxygen concentration is initially 20.9% (that is, the oxygen concentration in the air) in the measurement using the measuring device for the extinction coefficient and the light scattering coefficient of the light scattering medium according to the second embodiment. Next, it is a graph which shows the measurement result at the time of making it change in steps like 100% and finally 14.6%.
FIG. 8 is a graph showing measurement results obtained by a conventional method.
FIG. 9 is an explanatory diagram of multiple scattering of a light pulse incident on a light scattering absorption medium.
FIG. 10 is an explanatory diagram of light detection when a light pulse is incident on brain tissue in the skull.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 ... Measuring object, 104 ... Standard sample, 110 ... Light pulse light source, 120 ... Light guide part for incidence, 130, 132 ... Light guide part for light reception, 140 ... Optical power meter, 150 ... Light intensity time-resolved measurement part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 160 ... Operation part 162 ... Time-resolved profile correction | amendment part, 164 ... Incident light quantity A calculation part, 166 ... Light scattering coefficient and light absorption coefficient calculation part, 170 ... Single photon detection part, 172 ... Pulse counter, 174 ... Time pulse height conversion ,... 176... Wave

height analysis unit

211, 212,..., 21 N... Optical pulse light source 220, incident light guide unit 230, light reception light guide unit 260, calculation unit 262. 264... Each wavelength incident light amount Ai calculating unit, 266... Light scattering coefficient / absorption coefficient calculating unit, 268... Wavelength time-resolved profile determining unit, 269. ... single photon detector, 272 ... pulse counter, 274 ... time pulse wave height converter, 276 ... wave height analyzer, 278 ... trigger signal generator.

Claims

A first step for obtaining a solution of a light diffusion equation having the incident light quantity, the absorption coefficient, and the light scattering coefficient as parameters for a measurement object that is a light scattering absorption medium (excluding a human) having the same shape ;
A second sample for obtaining a first time-resolved profile is obtained by irradiating a standard sample having a known extinction coefficient and light-scattering coefficient with a light pulse, and measuring time-resolved emission light generated by multiple scattering in the standard sample. And the steps
Applying the solution of the light diffusion equation in which the values of the extinction coefficient and the light scattering coefficient of the standard sample are substituted to the first time-resolved profile to obtain an effective incident light amount;
A second time-resolved profile is obtained by irradiating the measurement object with a light pulse, measuring the light intensity of the emitted light generated by the multiple scattering in the measurement object, and measuring the emitted light in a time-resolved manner. A fourth step for determining
A fifth step of correcting the second time-resolved profile based on the light intensity of the emitted light;
By applying the solution of the light diffusion equation in which the effective incident light amount is substituted to the second time-resolved profile corrected in the fifth step, the light absorption coefficient and the light scattering coefficient of the measurement object are obtained. A sixth step;
A light scattering coefficient of the light scattering medium and a method for measuring the light scattering coefficient.

The second step obtains the first time-resolved profile by a single photon detection time correlation method,
The fourth step measures the light intensity of the emitted light by the single photon detection time correlation method and obtains the second time-resolved profile.
The method for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to claim 1.

The second step irradiates the standard sample with light pulses having a plurality of wavelengths that do not overlap with each other in time, and obtains the first time-resolved profile,
The third step obtains a time-resolved profile for each of the light pulses of the plurality of wavelengths based on the first time-resolved profile, and calculates the effective incident light amount for each of the light pulses of the plurality of wavelengths. Seeking
In the fourth step, the measurement object is irradiated with the light pulses of the plurality of wavelengths, the light intensity of the emitted light is measured, and the second time-resolved profile is obtained.
The fifth step determines and corrects a time-resolved profile for each of the light pulses of the plurality of wavelengths based on the second time-resolved profile;
The sixth step calculates an absorption coefficient and a light scattering coefficient of the measurement object for each of the light pulses of the plurality of wavelengths.
The method for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to claim 1.

A light pulse light source unit that outputs a light pulse and causes the light pulse to enter a measurement object that is a light scattering absorption medium or a standard sample having a known light absorption coefficient and light scattering coefficient;
A light intensity measurement unit for measuring the light intensity of the emitted light generated due to multiple scattering in the measurement object or the standard sample irradiated with the light pulse;
A light intensity time-resolved measurement unit for time-resolved measurement of the emitted light to obtain a time-resolved profile;
The solution of the light diffusion equation solved for the same shape as the measurement object in the time-resolved profile of the emitted light measured by the light intensity time-resolved measurement unit when the light pulse is irradiated to the standard sample. Incident light quantity calculating means for obtaining an effective incident light quantity by applying the values obtained by substituting the values of the extinction coefficient and the scattering coefficient of the standard sample to
The time-resolved profile of the emitted light measured by the light intensity time-resolved measuring unit when the measurement object is irradiated with the light pulse is changed to the light intensity of the emitted light measured by the light intensity measuring unit. Time-resolved profile correction means for correcting based on;
Light scattering to obtain an absorption coefficient and a light scattering coefficient of the measurement object by applying the solution of the light diffusion equation in which the effective incident light quantity is substituted to the time resolution profile corrected by the time resolution profile correction unit Coefficient / absorption coefficient calculating means;
An apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering absorption medium, comprising:

The light intensity measurement unit includes a single photon detection unit that detects an individual photon of the emitted light and outputs an electric pulse signal, and a pulse counter that counts the electric pulse signal to obtain the light intensity of the emitted light. With
The light intensity time-resolved measurement unit includes a time pulse wave height conversion unit that outputs an electric signal having a peak value corresponding to a time from an emission time of the optical pulse to a generation time of the electric pulse signal, and a wave of the electric signal. A pulse height analysis unit that generates a high-value distribution and outputs the time-resolved profile;
The apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to claim 4.

The light intensity time-resolved measurement unit measured the emitted light generated by multiple scattering in the measurement object or the standard sample irradiated with light pulses having a plurality of different wavelengths without overlapping each other in time. Each wavelength time-resolved profile determination unit that obtains a time-resolved profile for each of the light pulses of the plurality of wavelengths based on the time-resolved profile;
Based on the time-resolved profile for each of the light pulses of the plurality of wavelengths and the light intensity of the emitted light measured by the light intensity measurement unit, the light intensity of the emitted light for each of the light pulses of the plurality of wavelengths is calculated. Each wavelength detection intensity determination unit to be obtained;
Further comprising
The pulse light source unit sequentially outputs each of the light pulses of the plurality of wavelengths,
The incident light amount calculation means obtains the effective incident light amount for each of the light pulses of the plurality of wavelengths,
The time-resolved profile correction means corrects the time-resolved profile for each of the light pulses of the plurality of wavelengths,
The light scattering coefficient / absorption coefficient calculating means obtains an absorption coefficient and a light scattering coefficient of the measurement object for each of the light pulses of the plurality of wavelengths.
The apparatus for measuring an absorption coefficient and a light scattering coefficient of a light scattering medium according to claim 4.