JP4483333B2

JP4483333B2 - 光測定装置における測定方法及びチャンネル間偏差測定用標準器

Info

Publication number: JP4483333B2
Application number: JP2004040146A
Authority: JP
Inventors: 召一常石
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP2005230096A

Description

本発明は光を用いて生体内の代謝を測定する装置のように光散乱性試料の光学的特性を測定する光測定装置に関するものである。

近赤外光は他の波長の光に比べて生体内を比較的通りやすいので、この波長域に吸収帯を持つヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、チトクロームａａ₃などを無侵襲で測定することができる。

この原理を利用して、測定光の入射点とそれから離れたところに当接された検出点によって、内部のヘモグロビンなどの情報を測定することが試みられている。
そのような光測定装置では測定されるのは吸光度変化であるので、本発明者は、吸光度の絶対値を求めるための吸光度原点を求めるための標準器として、光散乱板にてなり、その表面に光測定装置の送光端と受光端が当接されて使用されるものを提案している（特許文献1参照。）。

また、測定対象の部位による違いを測定し画像化する試みもなされており、そこでは試料への測定光の入射点と試料からの測定光の検出点が離れている状態で試料に入射点と検出点を当接させて光吸収特性を測定するチャンネルを複数持つ光測定装置が使用される。
特許第２５８６２７８号公報

本発明は、試料に対する入射点と検出点の組が複数ある光測定装置における測定を対象としている。そのような光測定装置においては、チャンネル間の感度には検出器及び検出回路に起因するバラツキ、すなわち偏差が含まれる。その偏差を評価し、それに基づいて測定値の補正を行なう方法とそのための標準器の実現が求められている。
本発明の第1の目的は、複数チャンネルを備えた光測定装置においてチャンネル間の偏差を求める方法を提供することである。
本発明の第２の目的は、その偏差を求めるための標準器を提供することである。

複数チャンネルを備えた光測定装置においてチャンネル間の偏差を求めるために、本発明の測定方法では、光散乱性試料への測定光の入射点とその試料からの測定光の検出点が離れている状態でその試料に入射点と検出点を当接させて光吸収特性を測定するチャンネルを複数持つ光測定装置を用い、測定光が内部を散乱透過可能で表面に平行な面内方向の散乱透過特性が一様な光散乱体の表面に前記光測定装置の送光端と受光端を前記チャンネルのそれぞれで等しい間隔になるように当接させて行なう吸光度測定を、散乱透過特性の異なる２種類の前記光散乱体で行なってそれらの光散乱体間の吸光度差を前記チャンネルごとに測定して前記チャンネル間の偏差とする。
前記チャンネルごとに測定された吸光度差は、前記チャンネル間の偏差として試料測定時の光吸収特性測定値を補正するために使用することができる。

また、光吸収特性を測定するチャンネルを複数持つ光測定装置のチャンネル間の偏差を測定するための本発明のチャンネル間偏差測定用標準器装置は、測定光が内部を散乱透過可能で表面に平行な面内方向の散乱透過特性が一様な光散乱体を備えている。この光散乱体はその表面に前記光測定装置の送光端と受光端が前記チャンネルのそれぞれで等しい間隔になるように当接し、各チャンネルの送光端から出た測定光がこの光散乱体の内部を通過してそれぞれのチャンネルの受光端に入射するものであり、かつこの光散乱体は散乱透過特性の異なる２種類が用意され、その２種類の間での吸光度差が前記チャンネルごとに測定されて前記チャンネル間の偏差が求められる。

そのような２種類の光散乱体は、一方による吸光度が測定しようとする試料の吸光度よりも大きく、他方による吸光度がその試料の吸光度よりも小さくなるように設定されていることが好ましい。
そのような２種類の光散乱体の一例は、散乱透過特性が厚さ方向にも一様な光散乱板からなり、その厚さを異ならせたものである。また、そのような光散乱体の裏面に光吸収体が設けられていてもよい。

光散乱体は、裏面に他の光散乱体を設置した場合と、裏面に光吸収体を設置するかもしくは何も設置しない場合とでは、光散乱体の厚さに起因して表面で受光する光量に変化が生じる。例えば、光散乱体として散乱透過特性が厚さ方向にも一様な光散乱板を使用した場合は、表面で受光する光量の変化は光散乱体の厚みのみに依存した変化となる。

光散乱体は乳白色とすることができる。そのような乳白色の光散乱体としては、乳白色の樹脂板を用いることができ、その具体的な例として、白色ポリアセアタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ四フッ化エチレン樹脂、発泡スチロール樹脂などを用いることができる。

光散乱体の裏面に光吸収体を設ける場合、光吸収体としては白色以外の有色板を用いることができる。例えば、黒色ポリアセタール樹脂、黒色ネオプレンゴム、黒アルマイト加エされたアルミニウム板、内部が黒色に塗られた箱などを用いることができる。

本発明によってチャンネル間の偏差を求めることができるので、多チャンネルの光測定装置の光導波路部や光源部の異常の有無を確認することが容易になる。
また、各チャンネル間の感度特性がわかるので感度補正が容易になり、正確な光学係数の測定が可能になる。

以下、図１に示す実施例により本発明を詳細に説明する。
偏差測定用標準器は光散乱体１，２及び光吸収体４からなっている。光散乱体１及び光散乱体２は白色のポリアセタール樹脂であり、光吸収体４は黒色のポリアセタール樹脂である。

光散乱体１，２はそれぞれ厚さＬ１とＬ２をもち、光の散乱透過特性が表面に平行な面内方向で一様である。また、この実施例では光散乱体１，２は厚さ方向に対しても光の散乱透過特性が一様である。ただし、光散乱体１，２は、その散乱透過特性が表面に平行な面内方向には一様でなければならないが、厚さ方向には一様でないものも使用することができる。

光散乱体１と光散乱体２は密着して着脱可能に重ねられており、図２に示されるように、厚さの異なる２種類の形態として使用することができる。図２（Ａ）は２つの光散乱体１と光散乱体２を重ねた形態であり、厚さが（Ｌ１＋Ｌ２）の光散乱体となる。図２（Ｂ）は１つの散乱体１（又は散乱体２）のみを使用する形態であり、厚さがＬ１（又はＬ２）の光散乱体となる。

光散乱体の裏面側には光吸収体４を密着して着脱可能に設置することができる。図２（Ａ）のように光散乱体２の上に光散乱体１を重ねた場合には、下側の光散乱体２の裏面側に光吸収体４を設置する。また、１つの光散乱体１（又は光散乱体２）のみを使用する場合はその光散乱体１（又は光散乱体２）の裏面側に光吸収体４を設置する。光吸収体４の厚さＬ３は重要ではなく、光散乱体を透過してきた光を吸収できるものであればよい。

図１に戻ると、６，８は導波路としての光ファイバであり、６は送光用光ファイバ、８は受光用光ファイバである。光ファイバ６と光ファイバ８は１本ずつの組がそれぞれ測定用のチャンネルを形成するように対をなし、基端部が光測定装置本体１０に接続されている。光ファイバ６の先端が送光端となり、光ファイバ８の先端が受光端となって光散乱体１の表面に当接して設置される。対をなしている光ファイバ６,８の送光端と受光端の間の間隔は各組で等しくなるように設定されており、その間隔は人体などの被検体に送受光端を取りつけて測定を行なうときの間隔と同じ間隔であり、例えば４４ｍｍである。図２では、送光端が設置される位置を三角印で、受光端が設置される位置を丸印で示してある。

光散乱体１,２の外形寸法は送光端と受光端の数や、送受光端間の距離によって変えなければならず、外壁(光散乱体の側面)での光の散乱や透過による影響がないようにするためには、最も外側に配置される送光端又は受光端から外壁までの距離が５０ｍｍ程度以上あることが望ましい。
光測定装置本体１０において、１２は各チャンネルの測定信号を表示する表示部である。

送受光間距離を４４ｍｍにしたときのポリアセタール樹脂板からなる光散乱体の厚さＬと吸光度Ａｂｓの関係を図３に示す。光散乱体の裏面側には光吸収体が密着して設置されている。光散乱体の厚さＬが小さいときは裏面側の光吸収体による光の吸収が大きいために吸光度が大きく、光散乱体の厚さＬが大きくなるに従って光吸収体による光の吸収の影響が小さくなっていき、やがて光散乱体で定まる吸光度になる。

人体の頭部を測定する場合を想定すると、人体の頭部に送光端と受光端を４４ｍｍ離して当接させたときの吸光度が約５．０であるので、光散乱体１と光散乱体２を重ねたときの吸光度と、光散乱体１（又は光散乱体２）のみを使用したときの吸光度が５．０をまたぐように設定するのがふさわしい。たとえば、光散乱体１の厚さＬｌを５ｍｍ、光散乱体２の厚さＬ２を１５ｍｍとして、光吸収体４を配置したとき、光散乱体１と光散乱体２を重ねたときの吸光度が４．６で、光散乱体１のみを使用したときの吸光度が５．４となった。したがって、その吸光度差は０．８となる。
この吸光度差はどのチャンネルに対しても同一の値として現われてくるはずであるが、実際には各チャンネルの波長ごとに受光器及び回路によるばらつきが生じてくるので、同一にはならず、偏差が生じる。

次に、この実施例の動作について説明する。
図４は実施例の光散乱体を用いて各チャンネルの偏差を求めるための校正プロセスを示したものである。測定を複数の波長で行なう場合について説明するが、測定を１波長で行なう場合は１つの波長についての動作だけを行なえばよい。

まず、１つの測定波長λ１を設定する。光散乱体として２つの光散乱体１，２を重ねて厚さを（Ｌ１＋Ｌ２）とし、裏面側には光吸収体４を設置した状態で、図１のように各チャンネルの送光端と受光端を光散乱体１の表面に当接し、送光端から光散乱体１，２に光を入射させ、散乱体１，２内で散乱して表面側に出てくる光を受光端で受光して光量を測定する。

次に、光散乱体２を取り外し、光散乱体１の裏面に光吸収体４を設置して光吸収体の厚さをＬ１とした状態で同様にチャンネルごとに光を入射させて受光端で光量を測定する。
厚さを異ならせた２種類の光散乱体による測定の結果に基づいて各チャネルでの吸光度差を求め、それをチャンネルごとに記憶する。この吸光度差がチャンネル間でばらついているときは、それがチャンネル間の偏差となる。

光散乱体の厚さの変更と測定波長の変更の順序は上の例に限らない。例えば、光散乱体の厚さの厚い方の状態で複数波長での測定を行ない、光散乱体の厚さの薄い方の状態で複数波長での測定を行ない、その後に測定波長ごとにチャンネルごとの吸光度差を求めてもよい。

次に、次の測定波長に設定して同じようにチャンネルごとの吸光度差を求める。
このようにして、１波長測定の場合は1つの波長について、複数波長測定の場合は複数の各波長についてチャンネルごとの吸光度差がもとまり、それがチャンネル間偏差として記憶される。

このチャンネル間偏差をもって、各チャンネルの測定信号に補正を加えれば、全チャンネルの信号変化を比較評価することができる。図５にその一例を示す。
図５はチャンネル間偏差を求めた後の試料測定である。複数波長で測定を行なう場合は、第１の波長λ１に設定し、各チャンネルの送光端と受光端を試料に当接し、測定を行なう。各チャンネル間の偏差は先に校正プロセスで求めた吸光度差により分かっているので，その偏差を用いてチャンネル間の感度を補正し、チャンネル間偏差が補正された吸光度測定値がチャンネル（試料の測定位置に対応する）ごとに求められる。

複数波長で測定を行なう場合は波長を替えて測定を行ない、チャンネル間の感度補正がなされた吸光度を求める。
全ての波長での測定を終了すると、チャンネルに該当する測定位置ごとの測定結果、例えば酸化ヘモグロビンの変化が測定位置ごとに表示されたマップとして出力することができる。

本発明の測定方法と標準器は、光を用いて生体内の代謝を複数の位置で測定するマルチチャンネルの光測定装置に利用することができる。

一実施例の標準器を用いてチャンネル間偏差を求める校正プロセスを示す概略斜視図である。一実施例の標準器で光散乱体の厚さを異ならせた２種類の標準器を示す斜視図である。光散乱体の厚さと吸光度との関係を示すグラフである。一実施例における校正プロセスを示すフローチャート図である。同実施例における測定プロセスを示すフローチャート図である。

符号の説明

１，２光散乱体
４光吸収体
６，８光ファイバ
１０光測定装置本体

Claims

光散乱性試料への測定光の入射点と前記試料からの測定光の検出点が離れている状態で前記試料に入射点と検出点を当接させて光吸収特性を測定するチャンネルを複数持つ光測定装置を用いる測定方法において、
測定光が内部を散乱透過可能で表面に平行な面内方向の散乱透過特性が一様で散乱透過特性の異なる２種類の光散乱体を用い、前記光測定装置の送光端と受光端を前記チャンネルのそれぞれで等しい間隔になるように当接させて行なう吸光度測定を前記２種類の前記光散乱体でそれぞれ行なってそれらの光散乱体間の吸光度差を前記チャンネルごとに測定し、チャンネル間における該吸光度差のばらつきを前記チャンネル間の偏差とする校正プロセスを備え、
試料測定はチャンネル間に吸光度差のばらつきのある状態のままで行い、試料測定時に得られた各チャンネルでの試料の吸光度測定値を、前記偏差を用いて補正してチャンネル間偏差が補正された吸光度測定値とすることを特徴とする測定方法。
前記校正プロセス及び試料測定を複数波長で行い、
前記校正プロセスにおいては各波長について前記チャンネル間の偏差を求め、
試料測定時は波長ごとの各チャンネルでの試料の吸光度測定値を前記偏差を用いて補正する請求項１に記載の測定方法。
前記２種類の光散乱体は、一方による吸光度が測定しようとする試料の吸光度よりも大きく、他方による吸光度がその試料の吸光度よりも小さくなるように設定する請求項１又は２に記載の測定方法。
前記２種類の光散乱体は、散乱透過特性が厚さ方向にも一様な光散乱板の厚さを異ならせたものである請求項１から３のいずれか一項に記載の測定方法。
請求項１の測定方法における校正プロセスで使用されるチャンネル間偏差測定用標準器であって、
測定光が内部を散乱透過可能で表面に平行な面内方向の散乱透過特性が一様な光散乱体を備え、
該光散乱体はその表面に前記光測定装置の送光端と受光端が前記チャンネルのそれぞれで等しい間隔になるように当接し、各チャンネルの送光端から出た測定光が該光散乱体の内部を通過してそれぞれのチャンネルの受光端に入射するものであり、
かつ、該光散乱体は散乱透過特性の異なる２種類が用意され、その２種類の間での吸光度差が前記チャンネルごとに測定されるものであることを特徴とするチャンネル間偏差測定用標準器。
前記２種類の光散乱体は、一方による吸光度が測定しようとする試料の吸光度よりも大きく、他方による吸光度がその試料の吸光度よりも小さくなるように設定されている請求項５に記載の標準器。
前記２種類の光散乱体は、散乱透過特性が厚さ方向にも一様な光散乱板からなり、その厚さを異ならせたものである請求項５又は６に記載の標準器。
前記光散乱体は乳白色である請求項５から７のいずれか一項に記載の標準器。
前記光散乱体の裏面に光吸収体が設けられている請求項５から８のいずれか一項に記載の標準器。