JP4647447B2

JP4647447B2 - 試料分析装置

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Description

本発明は、試料に光を照射し、該試料内を伝播した光の光情報を取得することにより、試料内の特性を分析する試料分析装置に関するものである。

近年、生体等の光散乱物質に対する吸光分析技術の開発が薦められている。生体などの光散乱物質に照射された光は多重散乱を繰り返しながら吸収されて生体の外部に出てくる。このような光散乱物質内の光の振る舞いについては光拡散理論に基いた光拡散方程式で表される。この光拡散方程式は微分方程式の形で記述される。このため、図７に示すように生体の外部に出射した光を計測し光拡散方程式に当てはめることにより、生体の吸収係数分布または散乱係数分布等の光学特性値分布を得ることができる。

このような検出を行う方法の一例として、時間幅の極めて狭い、ピコ秒程度の極短パルス光を用いる時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）を用いたシステムや、高い周波数で変調された変調光を用いる周波数分解分光法（frequency-domain spectroscopy）を用いたシステムが提案されている。

ピコ秒程度の極短パルス光を用いる時間分解分光法においては、パルス状の光を試料（光散乱物質）へ入射させ、試料内を伝播した後に、外部に出てくる光の散乱による時間的な広がり（時間プロファイル）を計測することにより、光拡散方程式をもとにして、試料内の光学特性値分布を知ることができる。

また、高い周波数で変調された変調光を用いる周波数分解分光法においては、高い周波数で変調された変調光を試料（光散乱物質）へ入射させ、試料内を伝播した後に、外部に出てくる光の変調周波数に対する強度変化および位相遅れを計測することにより、光拡散方程式をもとにして、試料内の光学特性値分布を知ることができる（非特許文献１参照）。

一方、光を生体等の試料へ入射して試料内の光学特性値分布等を算出する場合、光の入射点近傍においては、光が前方散乱するため、光散乱方程式を適用した場合にはその算出精度が悪化するという問題がある。この問題を解決する方法のひとつに、光の入射点近傍においては、光拡散方程式ではなく、放射線方程式を適用して試料内の光学特性値分布等を算出する方法が提案されている（非特許文献２参照）。例えば光の入射点から５ｍｍ未満の近傍領域における測定結果に対しては放射線方程式を適用し、５ｍｍ以上離れている遠方領域における測定結果に対しては光散乱方程式を用いることにより、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料内の光学特性値分布の算出精度を向上させることができる。
Utilizing the radiative transfer equation in optical tomography. In OSA Biomedical Optics, Topical Meetings, Miami Beach, Florida, April 14-17 2004, p. WF48. Optical Society of America, 2004. Optics communications 242 (2004), 23-43 by L. Marti-Lopez et al.

しかしながら、放射線方程式は光散乱方程式に比べ式の構成が非常に複雑であり、放射線方程式を適用して試料内の光学特性値分布を算出する場合には、算出時間が増大してしまうという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の光学特性値分布の算出精度を向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる試料分析装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の試料分析装置は、試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数点から取得し、この取得した光情報に対して拡散近似法を適用して、前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光照射手段が、非散乱光または散乱媒質により散乱された散乱光を射出するものであり、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の近傍領域においては前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、また前記入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域においては前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とするものである。

前記光照射手段は、前記非散乱光および前記散乱光を交互に前記試料へ照射するものであってもよい。

前記光情報取得・処理手段が、前記入射点から前記近傍領域より遠方に位置し、かつ前記遠方領域より近くに位置する中間領域においては、前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較し、両者の差が所定以下であった場合には、前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、両者の差が所定より大きい場合には、前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、前記試料内の特性を算出するものであってもよい。

本発明の第２の試料分析装置は、試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数点から取得し、この取得した光情報に対して拡散近似法を適用して、前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光照射手段が、散乱程度が複数段階または連続的に制御可能な散乱媒質により散乱された散乱光を射出する散乱光射出部および前記散乱程度を制御する散乱程度制御手段を有するものであり、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の近傍領域においては、前記散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、また前記入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域においては、前記散乱程度が前記高程度より低い低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とするものである。

前記散乱程度制御手段は、散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と散乱程度が前記高程度より低い低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較し、該比較結果に基づいて前記散乱程度を制御するものであってもよい。

前記試料内を伝播した光は、試料に照射された光に起因して試料内を伝播した光を意味し、例えば試料に照射された光が試料内で拡散伝播した光であってもよいし、あるいは前記試料から発せられる蛍光であってもよい。この蛍光は試料そのものから発せされる自家蛍光であってもよいし、あるいは試料に予め付与されている蛍光薬剤から発せられる薬剤蛍光であってもよい。

本発明の第１の試料分析装置では、光照射手段が、非散乱光または散乱媒質により散乱された散乱光を射出するものであり、光情報取得・処理手段が、試料への光の入射点から所定距離内の近傍領域においては散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、また入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域においては非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて試料内の特性を算出するものであるため、入射点から所定距離内の近傍領域においても拡散近似を適用することができ、試料内の特性の算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の特性の算出精度を向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。

また、散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較した場合、拡散近似が適用可能な場合であれば両者の値はほぼ一致する。一方、光の入射点からの距離が近すぎて、拡散近似が適用できない場合には、散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報は実際の光情報と近いものとなるが、非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報は実際の光情報とは異なるものとなり、両者に差が生じる。

そのため、光情報取得・処理手段が、前記入射点から前記近傍領域より遠方に位置し、かつ前記遠方領域より近くに位置する中間領域においては、前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較し、両者の差が所定以下であった場合には、すなわち拡散近似が適用可能な場合には、前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、両者の差が所定より大きい場合には、すなわち拡散近似を適用できない場合には、前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、前記試料内の特性を算出すれば、拡散近似が適用可能な領域では、検出光量を確保可能な非散乱光を用いた測定を行い、拡散近似が適用できない領域では、散乱光を用いた測定を行うことができ、特性の算出時間の増大を抑制しつつ、算出精度を確保することができる。

本発明の第２の試料分析装置では、試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数点から取得し、この取得した光情報に対して拡散近似法を適用して、前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、光照射手段が、散乱程度が複数段階または連続的に制御可能な散乱媒質により散乱された散乱光を射出する散乱光射出部および前記散乱程度を制御する散乱程度制御手段とを有するものであり、光情報取得・処理手段が、試料への光の入射点から所定距離内の近傍領域においては、散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、また前記入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域においては、散乱程度が高程度より低い低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、試料内の特性を算出することにより、入射点から所定距離内の近傍領域においても拡散近似を適用することができ、試料内の特性の算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の特性の算出精度を向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。

なお、「散乱程度が高程度より低い低程度である散乱光」とは、非散乱光も含むものである。

散乱程度制御手段は、散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と散乱程度が低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較し、該比較結果に基づいて、前記散乱程度を制御するものであれば、拡散近似が適用可能な程度に散乱した光を用いて、測定が可能となり、光量を確保しつつ、試料内の特性の算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の特性の算出精度をより向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態である試料分析装置について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態である試料分析装置１の概略構成図である。本試料分析装置１は、予め腫瘍親和性を有する蛍光薬剤が投与された被検者の被測定部９へ、該蛍光薬剤を励起する波長帯域の非散乱入射光Ｌ１および散乱入射光Ｌ２を照射し、被測定部９内の蛍光薬剤の分布状態を計測する試料分析装置である。なお、蛍光薬剤としては、波長７５０nmの光で励起した場合に、７７０nm〜７９０nmの波長の蛍光を射出する蛍光薬剤を用いている。

試料分析装置１は、図１に示すように、１列に並んだ１００本の入射用ファイバ１０ａからなる非散乱入射光射出部１１ａと、一列に並んだ１００本の光ファイバ１０ｂおよび該１００本の入射用ファイバ１０ｂの先端に設けられた散乱体１８とからなる散乱入射光射出部１１ｂと、一列に並んだ１００本の検出用ファイバ１２からなる検出光取得部１３とが並んで配設されている光プローブ部１４と、非散乱入射光射出部１１ａおよび散乱入射光射出部１１ｂと接続された光源ユニット１５と、検出光取得部１３と接続された計測ユニット１６と、光源ユニット１５および計測ユニット１６と接続された制御・信号処理ユニット１７とを備えている。

入射用ファイバ１０ａ、入射用ファイバ１０ｂおよび検出用ファイバ１２は、それぞれ直径１００μｍであり、コア径は８０μｍ、クラッド層は厚さ１０μｍである。また、散乱体１８は、ポリエチレンラテックス粒子を固化したものであり、縦１００μ、横１ｃｍ、高さ５ｍｍの板状に形成されている。また入射用ファイバ１０ｂの端部は、図２に示すように、散乱体１８の端面１９ａへ当接している。また散乱体１８の端面1９ａと相対する端面１９ｂは、被測定部９へ対向している。

光源ユニット１５は、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の非散乱入射光Ｌ１を、１００ＭＨｚで射出する光源２０と、該光源から射出された非散乱入射光Ｌ１を入射用ファイバ１０ａと入射用ファイバ１０ｂを交互に、かつ端部に配置された入射用ファイバから順次入射させる光スイッチ２１と、該光スイッチ２１の出力端と各入射用ファイバ１０ａと入射用ファイバ１０ｂとの間にそれぞれ配置された２００枚のレンズ２２とから構成されている。

計測ユニット１６は、各検出用ファイバ１２へ、それぞれ接続されている１００個の光計測部２５から構成されている。各光計測部２５は、計測用ファイバ１２から射出された光のうち、波長７６０ｎｍ未満の波長の光を直角に反射し、波長７６０nm以上の光を透過するダイクロイックミラー２６と、波長７６０ｎｍ未満の波長の光に対して、各計測時間における検出フォトン数を求めるフォトンカウンティング回路２７と波長７６０ｎｍ以上の波長の光に対して、各計測時間における検出フォトン数を求めるフォトンカウンティング回路２８と、レンズ２９ａ、２９ｂおよび２９ｃとから構成されている。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８は、それぞれ不図示の高速フォトディテクターおよびＴＡＣ(Time Amplitude Detector) から構成され、光パルスを入射したタイミングとフォトンが検出されたタイミングの時間差を測定するものであり、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット１７へ出力される。

制御・信号処理ユニット１７は、試料分析装置１全体の動作を制御するものであり、被測定部９内の蛍光薬剤分布状態を算出する信号処理部３０を有している。また、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力に基いて、図２に示すような時間プロファイルを作成するものである。制御・信号処理ユニット１７の動作の詳細は後述する。

次に、上記第１の実施の形態の試料分析装置１の動作について説明する。まず、本試料分析装置１においては、腫瘍が存在する被検者の被測定部９へ光プローブ部１４を接触させる。なお、図示省略してはあるが、光プローブ部１４は、被測定部９へ接触しているものであり、また光プローブ部１４の先端部は透明な保護部材により保護されている。

制御・信号処理ユニット１７の制御により、計測動作が開始される。まず、光源ユニット１５の光源２０から、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の非散乱入射光Ｌ１が１００ＭＨｚで射出される。光スイッチ２１は、光源２０から射出されたパルス状の非散乱入射光Ｌ１を、入射用ファイバ１０ａと入射用ファイバ１０ｂに交互に、かつ端部に配置された入射用ファイバから１００万パルス毎に順次１本分ずつずらしながら、入射させる。

入射用ファイバ１０ａ内を伝送した非散乱入射光Ｌ１は、端面から射出され、被測定部９へ入射する。入射用ファイバ１０ｂ内を伝送した非散乱入射光Ｌ１は、端面から射出され、散乱体１８の端面１９ａへ入射し、散乱体１８内で散乱され、その一部は端面１９ｂから散乱入射光Ｌ２として射出され、被測定部９へ入射する。

非散乱入射光Ｌ１の照射と平行して、各検出用ファイバ１２へそれぞれ接続されている１００個の光計測部２５において計測動作が行われる。被測定部９へ非散乱入射光Ｌ１が照射された場合には、被測定部９からは、非散乱入射光Ｌ１が被測定部９内で散乱された散乱光Ｌ３と、被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光Ｌ４とが射出されている。これらの光は、各検出用ファイバ１２を透過して、各光計測部２５へ入射する。散乱光Ｌ３は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光Ｌ４はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット１７の信号処理部３０へ出力される。

被測定部９へ散乱入射光Ｌ２が照射された場合には、被測定部９からは、散乱入射光Ｌ２が被測定部９内でさらに散乱された散乱光Ｌ５と、被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光Ｌ６とが射出されている。これらの光は、各検出用ファイバ１２を透過して、各光計測部２５へ入射する。散乱光Ｌ５は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光Ｌ６はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット１７の信号処理部３０へ出力される。

信号処理部３０では、入射用ファイバ１０ａを伝送した非散乱入射光Ｌ１が被測定部９へ照射された場合には、該入射用ファイバ１０ａと並んでいる検出用ファイバ１２から数えて５０本より遠方、すなわち本発明の遠方領域内、に配設されている検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力を記憶する。５０本以内の検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は記憶せずに廃棄する。

一方、入射用ファイバ１０ｂを伝送し、散乱体１８により散乱された散乱入射光Ｌ２が被測定部９へ照射された場合には、該入射用ファイバ１０ｂと並んでいる検出用ファイバ１２から数えて５０本以内、すなわち本発明の近傍領域内、に配設されている検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力を記憶する。５０本より遠方にある検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は記憶せずに廃棄する。

なお、光スイッチ２２により、非散乱入射光Ｌ１が入射される入射用ファイバ１０ａおよび１０ｂの位置が順次変更されるため、近傍領域内および遠方領域も非散乱入射光Ｌ１が入射される入射用ファイバ１０ａおよび１０ｂの位置と共に順次変更される。

信号処理部３０では、非散乱入射光Ｌ１が入射用ファイバ１０ａまたは１０ｂに１００万パルス入射される毎に、図３に示すような各計測用ファイバ１２と対応する時間プロファイル（光の散乱による時間的な広がり）を作成する。非散乱入射光Ｌ１が入射用ファイバ１０ａおよび１０ｂにそれぞれ１００万パルス×１００回ずつ入射されると、フォトンカウンティング回路２７により計測された入射光の伝播光の時間プロファイル１００個と、フォトンカウンティング回路２８により計測された薬剤蛍光の伝播光の時間プロファイル１００個とが作成される。非散乱入射光Ｌ１は、入射用ファイバ１０ａおよび１０ｂの位置を変更しながらそれぞれ１００万パルス×１００回照射されるので、最終的には入射光の伝播光の時間プロファイル１００００個と、薬剤蛍光Ｌ４の伝播光の時間プロファイル１００００個が作成される。

計測終了後、信号処理部３０では、散乱光Ｌ３および散乱光Ｌ５の時間プロファイル１００００個に対して光拡散方程式に基いた信号処理を施して、被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布を算出する。なお、予め散乱体１８の光散乱係数および吸収係数は、信号処理部３０へ記憶されている。次に、この波長７５０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布にもとづいて、波長７７０nm〜７９０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布を計算により求める。その後、波長７７０nm〜７９０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布と、蛍光Ｌ４および蛍光Ｌ６の伝播光の時間プロファイル１００００個および光拡散方程式に基づいて、薬剤蛍光Ｌ４の射出源の分布、すなわち蛍光薬剤の分布を算出し、不図示のモニタへ断層画像として出力する。蛍光薬剤としては、前述したように腫瘍親和性を有する蛍光薬剤を用いているため、この断層画像は腫瘍の形状を示す断層画像となる。

以上の説明で明らかなように、本発明の第１の実施形態である試料分析装置１においては、非散乱光である非散乱入射光Ｌ１が被測定部９へ照射された場合には、該入射用ファイバ１０ａと並んでいる検出用ファイバ１２から数えて５０本より遠方、すなわち本発明の遠方領域内に配設されている検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力が信号処理部３０へ出力される。また、散乱体１８により散乱された散乱入射光Ｌ２が被測定部９へ照射された場合には、該入射用ファイバ１０ｂと並んでいる検出用ファイバ１２から数えて５０本以内、すなわち本発明の近傍領域、に配設されている検出用ファイバ１２と接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力が信号処理部３０へ出力される。

このため、入射光の入射点から所定距離内の近傍領域においても拡散近似を適用することができ、非測定部９内の光散乱係数および吸収係数の算出時間を増大することなく、入射光の入射点近傍から遠方までの全領域において、光散乱係数および吸収係数の算出精度を向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。なお、入射光として非散乱光を用いても拡散近似が適用可能な遠方領域では、非散乱入射光Ｌ１を用いて検出することにより、検出光量が大きくなり、高い精度で光散乱係数および吸収係数を検出できる。

また、本実施の形態においては説明を簡単にするために、１次元のファイバアレイを用いて計測を行ったが、２次元ファイバアレイを用いてもよく、この場合には３次元断層像を取得することもできる。また1次元ファイバアレイを該ファイバアレイの長手方向と直角な方向へ移動させながら、計測を繰り返すことによっても３次元断層像を取得することができる。

なお、本実施の形態の変形例として、信号処理部３０の代わりに、入射光の入射点から３ｍｍ以内を近傍領域とし、また７ｍｍより遠方を遠方領域とし、３ｍｍより遠方で７ｍｍ以内である中間領域においては、各検出点毎に、非散乱入射光Ｌ１が被測定部９に照射された時に測定された時間プロファイルの形状（以下非散乱光による時間プロファイル形状と記載）と、散乱入射光Ｌ２が被測定部９に照射された時に測定された時間プロファイルの形状（以下散乱光による時間プロファイル形状と記載）とを求め、両者の差が所定以下である場合には、非散乱光による時間プロファイル形状を採用し、両者の差が所定より大きい場合には、散乱光による時間プロファイル形状を採用する信号処理部３１を用いてもよい。

すなわち、非散乱光による時間プロファイル形状と散乱光による時間プロファイル形状との差が小さい場合は、拡散近似が適用可能な場合であるため、検出光量が大きく、高い精度で検出された非散乱光による時間プロファイル形状を採用し、非散乱光による時間プロファイル形状と散乱光による時間プロファイル形状との差が大きい場合は、拡散近似が適用できない場合であるため、散乱光による時間プロファイル形状を採用するものである。

なお、本実施の形態においては、１００本の入射用ファイバ１０ａからなる非散乱入射光射出部１１ａと、１００本の検出用ファイバ１２からなる検出光取得部１３とが別個に設けられた光プローブ１４を用いたが、図４に示すように、光サーキュレータ４０を用いて、非散乱入射光射出部１１ａと、検出光取得部１３とが一体化されている光プローブ４４を用いることもできる。光プローブ４４では、入射用ファイバ１０ａおよび検出用ファイバ１２の代わりに、光サーキュレータ４０により接続された、入射用ファイバ４１と、検出用ファイバ４２と、入射・検出用ファイバ４３とが用いられている。この場合には入射用ファイバ４１+入射・検出用ファイバ４３中の１本のファイバが、非散乱入射光Ｌ１の照射用として順次用いられ、残りの入射・検出用ファイバ４３+検出用ファイバ４２が計測用に用いられる。また、散乱入射光Ｌ２の照射時には、入射・検出用ファイバ４３+検出用ファイバ４２が計測用に用いられる。

また、図５に示すように、非散乱入射光射出部１１ａと散乱入射光射出部１１ｂの変わりに、入射用ファイバ４５の先端に散乱程度を制御できる可変散乱体４６を設けた入射光射出部４７を備えた光プローブ４８を用いることもできる。可変散乱体４６として、電力印加により散乱状態が変化するものを用い、パルス毎に、非散乱状態および高散乱状態を交互に繰り返すことにより、非散乱入射光および散乱入射光を射出することができる。可変散乱体の散乱程度を複数段階に変更しながら、検出を行うことにより、小型な光プローブを使用して検出を行うことができる。

次に、図６を用いて本発明の第２の実施の形態である試料分析装置２について説明する。本試料分析装置２は、予め腫瘍親和性を有する蛍光薬剤が投与された被検者の被測定部９へ、該蛍光薬剤を励起する波長帯域の非散乱入射光Ｌ１または散乱入射光Ｌ２を照射し、被測定部９内に予め投与された蛍光薬剤の分布状態を計測する装置であり、1本の検出用ファイバ５１を走査することにより計測を行う簡易型の試料分析装置である。

本試料分析装置２は、図６に示すように、非散乱入射光Ｌ１を伝送する入射用ファイバ５０と、該入射用ファイバ５０の先端に設けられた、散乱状態を非散乱状態と散乱状態とに変更可能な可変散乱体５８と、検出用ファイバ５１と、該検出用ファイバ５１を直線的に走査する走査部５２とを有する光プローブ部５３と、入射用ファイバ５０と接続された光源ユニット５４と、検出用ファイバ５１と接続された計測ユニット５５と、光源ユニット５４および計測ユニット５５と接続された制御・信号処理ユニット５６とを備えている。なお図１に示す第１の具体的な実施の形態と同等の要素については同番号を付し、特に必要のない限りその説明は省略する。

入射用ファイバ５０および検出用ファイバ５１は、それぞれ直径１００μｍであり、コア径は８０μｍ、クラッド層は厚さ１０μｍである。可変散乱体５８は、縦１００μｍ、横１００μｍ、高さ５ｍｍの棒状に形成されている。また入射用ファイバ５０の端部は、可変散乱体５８の端面５９ａへ当接している。また散乱体５８の端面５９ａと相対する端面５９ｂは、被測定部９へ対向している。また、可変散乱体５８は、制御・信号処理ユニット５６の制御により非散乱状態または散乱状態に切り替わるものである。

光源ユニット５４は、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の可変散乱入射光Ｌ７を、１ＭＨｚで射出する光源５７とレンズ２２とから構成されている。

計測ユニット５５は、第１の実施の形態である試料分析装置１の光計測部２５と同じ構成である。

制御・信号処理ユニット５６は、試料分析装置２全体の動作を制御するものであり、また、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力に基いて、被測定部９内の蛍光薬剤分布状態を算出するものである。制御・信号処理ユニット５６の動作の詳細は後述する。

次に、上記第２の実施の形態の試料分析装置２の動作について説明する。まず、本試料分析装置２においては、腫瘍が存在する被測定部９へ光プローブ部５３を接触させる。なお、図示省略してあるが、光プローブ部５３の先端部は透明な保護部材により保護されている。

制御・信号処理ユニット５６の制御により、計測動作が開始される。まず、光源ユニット５４の光源５７から、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の非散乱入射光Ｌ１を１００ＭＨｚで射出する。また、制御・信号処理ユニット５６の制御により走査部５２は、１００万パルス毎に、検出用ファイバ５１を入射用ファイバ５０の隣から、１００μｍずつ直線的に遠方へ１００回移動させる。

制御・信号処理ユニット５６は、光源ユニット５４から最初の１００万×５０パルスが射出される間は、可変散乱体５８が散乱状態となるように制御し、また光源ユニット５４から次の１００万×５０パルスが射出される間は、可変散乱体５８が非散乱状態となるように制御する。このため、光源ユニット５４から最初の１００万×５０パルスが射出される間、すなわち入射用ファイバ５０から５ｍｍ以内で検出が行われる間は、試料９には、散乱状態の可変散乱体５８により散乱された散乱入射光Ｌ２が照射される。また、光源ユニット５４から次の１００万×５０パルスが射出される間、入射用ファイバ５０から５ｍｍより離れているところで検出が行われる間は、試料９には、非散乱状態の可変散乱体５８を透過した非散乱入射光Ｌ１が照射される
１パルス毎に、光計測部２５においてフォトンカウンティング動作が行われる。被測定部９からは、散乱入射光Ｌ２が被測定部９内で散乱した散乱光Ｌ５および散乱入射光Ｌ２により励起された被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光Ｌ６、または非散乱入射光Ｌ１が被測定部９内で散乱した散乱光Ｌ３および非散乱入射光Ｌ１により励起された被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光Ｌ４が射出される。

これらの光は、検出用ファイバ５１を透過して、光計測部２５へ入射する。散乱光Ｌ３またはＬ５は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光Ｌ４またはＬ６はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット５６の信号処理部６０へ出力される。

信号処理部６０では、光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力から、図２に示すような時間プロファイル（光の散乱による時間的な広がり）を作成する。入射光は、１００万パルス×１００回照射されるので、最終的には散乱光の時間プロファイル１００個と、蛍光Ｌ４の時間プロファイル１００個が取得される。

計測終了後、散乱光の時間プロファイル１００個に対して光拡散方程式に基いた信号処理を施して、波長７５０nmの入射光に対する被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布を算出する。なお、予め散乱体１８の光散乱係数および吸収係数は、信号処理部３０へ記憶されている。次に、この波長７５０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布にもとづいて、波長７７０nm〜７９０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布を計算により求める。その後、波長７７０nm〜７９０nmの光に対する光散乱係数分布および吸収係数分布と、蛍光Ｌ４および蛍光Ｌ６の伝播光の時間プロファイル１００個および光拡散方程式に基づいて、薬剤蛍光Ｌ４の射出源の分布、すなわち蛍光薬剤の分布を算出し、不図示のモニタへ断層画像として出力する。蛍光薬剤としては、前述したように腫瘍親和性を有する蛍光薬剤を用いているため、この断層画像は腫瘍の形状を示す断層画像となる。なお、時間プロファイルの取得数が少ないため、簡易な断層画像となるが、断層画像取得時間および処理時間が短縮され、短時間で断層画像を取得することができる。

以上の説明で明らかなように、本発明の第２の実施形態である試料分析装置１においては、入射点から所定距離内の近傍領域においても拡散近似を適用することができ、被測定部９内の試料内の特性の算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の特性の算出精度を向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。

なお、本実施の形態においては説明を簡単にするために、計測用光ファイバ５１を１次元状に移動させたが、２次元状に移動させてもよく、この場合には３次元断層像を取得することもできる。

なお、本実施の形態の変形例として、信号処理部６０の代わりに、まず非散乱入射光Ｌ１を照射した計測と、散乱入射光Ｌ２を照射した計測とを行い、各検出点毎に、非散乱入射光Ｌ１が被測定部９に照射された時に測定された時間プロファイルの形状（以下非散乱光による時間プロファイル形状と記載）と、散乱入射光Ｌ２が被測定部９に照射された時に測定された時間プロファイルの形状（以下散乱光による時間プロファイル形状と記載）とを求め、両者の差が所定以下である場合には、非散乱光による時間プロファイル形状を採用し、両者の差が所定より大きい場合には、散乱光による時間プロファイル形状を採用する信号処理部６１を用いてもよい。

なお、可変散乱体５８として、散乱程度を連続的に可変できるものを用いれば、非散乱光による時間プロファイル形状と散乱光による時間プロファイル形状との差の大きさに応じて、散乱程度を段階的あるいは連続的に変化させてもよい。すなわち、差がない場合には、散乱程度を最小にし、差が大きくなるに従って、散乱程度も大きくすることにより、
拡散近似が適用可能な程度に散乱した光を用いて、測定が可能となり、光量を確保しつつ、試料内の特性の算出時間を増大することなく、光の入射点近傍から遠方までの全領域において、試料の特性の算出精度をより向上させることができる。

なお、各実施の形態においては、時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）を用いた計測システムへ本発明を適用したが、周波数分解分光法（frequency-domain spectroscopy）を用いた計測システムへも本発明を適用可能であることは言うまでもない。周波数分解分光法を用いた場合には、入射光として高い周波数で変調された変調光を用い、検出した散乱光および蛍光の強度変化および位相遅れを計測すればよい。

本発明の第１の実施の形態である試料分析装置の概略構成図散乱体の概略構成図時間プロファイルの説明図光プローブの概略構成図光プローブの概略構成図本発明の第２の実施の形態である試料分析装置の概略構成図

符号の説明

１，２試料分析装置
９被測定部
１０ａ、１０ｂ、４１入射用ファイバ
１１ａ非散乱入射光射出部
１１ｂ散乱入射光射出部
１２、４２検出用ファイバ
１３検出光取得部
１４、４４、４８、５３光プローブ部
１５、５４光源ユニット
１６、５５計測ユニット
１７、５６制御・信号処理ユニット
２５光計測部
３０、３１、６０、６１信号処理部
４０光サーキュレータ
４３励起・検出用ファイバ
５２走査部

Claims

試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数点から取得し、この取得した光情報に対して拡散近似法を適用して、前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光照射手段が、非散乱光と散乱媒質により散乱された散乱光とを射出するものであり、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の近傍領域に含まれる前記複数点からは前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を取得し、前記入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域に含まれる前記複数点からは前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を取得して前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とする試料分析装置。
前記光照射手段が、前記非散乱光および前記散乱光を交互に前記試料へ照射するものである事を特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
前記光情報取得・処理手段が、前記入射点から前記近傍領域より遠方に位置し、かつ前記遠方領域より近くに位置する中間領域に含まれる前記複数点から求めた、前記散乱光による時間プロファイル形状と前記非散乱光による時間プロファイル形状とを比較し、両者の差が所定以下であった場合には、前記非散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、両者の差が所定より大きい場合には、前記散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を用いて、前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とする請求項１または２記載の試料分析装置。
試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数点から取得し、この取得した光情報に対して拡散近似法を適用して、前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光照射手段が、散乱程度が複数段階または連続的に制御可能な散乱媒質により散乱された散乱光を射出する散乱光射出部および前記散乱程度を制御する散乱程度制御手段を有するものであり、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の近傍領域に含まれる前記複数点からは前記散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を取得し、また前記入射点から近傍領域より遠方に位置する遠方領域に含まれる前記複数点からは前記散乱程度が前記高程度より低い低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報を取得して前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とする試料分析装置。
前記散乱程度制御手段が、散乱程度が高程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報と散乱程度が前記高程度より低い低程度である散乱光の照射に起因して伝播した光の光情報とを比較し、該比較結果に基づいて、前記散乱程度を制御するものである事を特徴とする請求項４記載の試料分析装置。
前記試料内を伝播した光が、前記試料から発せられる蛍光である事を特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の試料分析装置。