JP6043276B2

JP6043276B2 - 散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法

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Publication number: JP6043276B2
Application number: JP2013270885A
Authority: JP
Inventors: 裕昭鈴木; 元樹小田; 鈴木　俊彦; 俊彦鈴木; 悦子矢巻; 秀本間
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP2015125090A

Description

本発明は、散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法に関するものである。

特許文献１には、散乱吸収体の内部情報の計測方法及び装置が記載されている。この文献に記載された方法及び装置では、複数の波長の光パルスが散乱吸収体に入射され、出力光が光検出器により検出され、その検出結果に基づいて散乱吸収体の内部情報が算出される。内部情報の算出の際には、光路長平均と分散、或いはそれらに相当する物理量を利用する分光計測方法（ＭＶＳ法）により、ＭＢＬ則に基づく時間分解積分計測法（ＴＩＳ法）及び位相変調計測法（ＰＭＳ法）を用いて吸収係数差を算出することによって散乱吸収体の内部情報が算出される。

非特許文献１には、近赤外時間分解分光法を用いて酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度を測定する方法が記載されている。この文献に記載された方法では、Ｍｉｅ散乱近似を適用して換算散乱係数を波長の関数とし、各波長値に基づいて濃度を算出している。

特開２０００−１４６８２８号公報

C. D’Andrea et al., "Time-resolved spectrally constrained method for the quantificationof chromophore concentrations and scattering parameters in diffusing media", OPTICS EXPRESS, Vol.14, No. 5, pp.1888-1898, 6 March 2006 M.S. Patterson et. al., "Time resolved reflectance and transmittance for non-invasivemeasurement of tissue", Optical Properties, Appl Optics 28, pp. 2331-2336, 1989

散乱吸収体の内部情報を光を用いて非侵襲的に測定する際に、複数の波長における換算散乱係数を用いて該内部情報を算出する場合がある。例えば、内部情報として光吸収物質の濃度情報を算出する場合には、各波長における吸収係数及び換算散乱係数を算出し、これらの値に基づいて濃度情報を算出する。このような場合、従来の一般的な方法では、各波長毎の検出結果に基づいて、光拡散理論を用いて換算散乱係数及び吸収係数を各波長毎に算出した上で、内部情報を算出する。

しかしながら、上記の方法では、例えば光の入射位置と検出位置との距離が長いときや、光吸収物質の濃度が大きく上昇したとき等に検出信号のＳ／Ｎ比が低下すると、換算散乱係数の精度に大きく影響し、ひいては内部情報の算出精度が低下してしまうという問題がある。なお、非特許文献１では換算散乱係数の波長依存性を考慮した手法が提案されているが、この換算散乱係数の波長依存性にはＭｉｅ散乱近似が利用されている。Ｍｉｅ散乱は均一媒質内の任意材質の均一な球（波長と同程度の直径）を想定した理論であるため、例えば生体組織といった現実の散乱吸収体では誤差が大きくなってしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、換算散乱係数及び吸収係数を精度良く算出することができる装置及び方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による散乱吸収体測定装置は、散乱吸収体に入力される、互いに波長が異なる複数の光パルスを出力する光源と、散乱吸収体の内部を伝搬した各光パルスを検出し、検出信号を出力する光検出部と、検出信号に基づいて、時間分解分光計測法により換算散乱係数及び吸収係数を算出する演算部と、を備え、演算部は、複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータを決定し、前記検出信号に基づく各波長の時間分解計測プロファイル及び前記データに基づいて換算散乱係数及び吸収係数を算出する。

また、本発明による散乱吸収体測定方法は、互いに波長が異なる複数の光パルスを散乱吸収体に入力するステップと、散乱吸収体の内部を伝搬した各光パルスを検出し、検出信号を出力するステップと、複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータを決定するステップと、検出信号に基づいて、時間分解分光計測法により換算散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、を備える。算出するステップでは、検出信号に基づく各波長の時間分解計測プロファイル及び前記データに基づいて換算散乱係数及び吸収係数を算出する。

上記の散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法では、複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータが決定される。換算散乱係数は波長と一定の相関があるので、各波長間での換算散乱係数の比は、複数回の測定を通じてほぼ一定とみなされるからである。そして、演算部（算出ステップ）において、各波長毎の換算散乱係数が換算散乱係数の比に従うものとして、検出信号に基づく各波長の時間分解計測プロファイル及び決定されたデータに基づいて、換算散乱係数及び吸収係数を算出する。このような方式によれば、各波長に光拡散理論を適用して換算散乱係数及び吸収係数を算出する方法と比較して、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を高めることができる。

また、上記の散乱吸収体測定装置では、演算部が、決定されたデータに基づいて各波長における換算散乱係数を関連付けながら、各波長の時間分解計測プロファイルに対して光拡散方程式に基づくフィッティングを行ってもよい。同様に、上記の散乱吸収体測定方法では、算出ステップにおいて、決定されたデータに基づいて各波長における換算散乱係数を関連付けながら、各波長の時間分解計測プロファイルに対して光拡散方程式に基づくフィッティングを行ってもよい。このような方式によれば、各波長の換算散乱係数を関連付けながら複数の時間分解計測プロファイルに対してフィッティングを行うため、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を高めることができる。
また、上記の散乱吸収体測定装置では、演算部が、各波長の時間分解計測プロファイルに基づく重み付けを、フィッティングに用いられる各波長毎の換算散乱係数に対して行ってもよい。同様に、上記の散乱吸収体測定方法では、算出ステップにおいて、各波長の時間分解計測プロファイルに基づく重み付けを、フィッティングに用いられる各波長毎の換算散乱係数に対して行ってもよい。光検出部（光検出ステップ）において光パルスが検出される際には、検出されたフォトン数やＳ／Ｎ比などによって、各波長間で検出結果の信頼性にばらつきが生じることがある。そのような場合であっても、時間分解計測プロファイルを考慮した重み付けがなされることにより、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を更に高めることができる。
また、上記の散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法では、複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータが記憶装置に記憶されていてもよい。この方式によれば、予め換算散乱係数の比に関するデータを好条件下で精度良く測定しておくことができるので、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を更に高めることができる。

本発明による散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法によれば、換算散乱係数及び吸収係数を精度良く算出することができる。

本発明による測定装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。光源部から出射される光パルス、及び光検出部において検出される検出光の各光強度の時間変化の一例を示すグラフである。換算散乱係数と波長との関係を表すグラフである。測定装置の動作及び散乱吸収体測定方法を示すフローチャートである。図３に示される換算散乱係数の波長依存性のうち、波長λ₁＝７５９ｎｍ、波長λ₂＝７９３ｎｍ、波長λ₃＝８３４ｎｍにおいて確認された換算散乱係数比Ｒ₁：Ｒ₂：Ｒ₃＝１．０３６６：１．００００：０．９５９５）を用い、散乱吸収体であるヒト前額部を測定して得られた換算散乱係数を示す図表である。（ａ）（ｂ）各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数と、従来の方法によって測定された比較例としての各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数とを示す図表である。（ｃ）酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度、及び組織酸素飽和度を示す図表である。前額部測定時の計測時間を変化させて得られた、吸収係数、換算散乱係数、及びヘモグロビン量の変動係数値を示す図表である。前額部測定時の計測時間を変化させて得られた、吸収係数、換算散乱係数、及びヘモグロビン量の変動係数値を示す図表である。血液ファントムを用いて各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。血液ファントムを用いて各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。ヒト前腕部の各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。ヒト前腕部の各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による散乱吸収体測定装置及び散乱吸収体測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、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。

（実施の形態）
図１は、本発明による測定装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。この測定装置１Ａは、近赤外光を用いた時間分解分光計測法によって散乱吸収体Ｂの内部情報を測定する装置である。散乱吸収体Ｂは例えば生体の一部位であり、内部情報は例えば酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度、及び酸素飽和度等である。この測定装置１Ａによれば、非侵襲的かつ簡易的にヘモグロビン動態を定量的に計測することが可能なため、術中における脳酸素代謝モニターや運動時の筋肉評価などに応用可能である。

図１に示されるように、測定装置１Ａは、光源部３１と、光照射用ファイバ３２と、光検出部４１と、光検出用ファイバ４２と、演算部５と、表示部９と、これらの制御を行う制御部１０とを備えている。

光源部３１及び光照射用ファイバ３２は、本実施形態における光入射部であって、互いに波長が異なる複数の光を散乱吸収体Ｂに入射する。例えば、光源部３１は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）を発生する。Ｎ個の光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の中心波長は互いに異なっており、各光パルスＰ（ｎ）（但し、ｎ＝１，・・・，Ｎ）の半値全幅は例えば１０ｐｓ〜数ｎｓである。光照射用ファイバ３２の一端は光源部３１に接続され、光照射用ファイバ３２の他端（光入射端）は、散乱吸収体Ｂの表面における所定の光入射位置Ｓに配置される。光源部３１から出力された各光パルスＰ（ｎ）は、光照射用ファイバ３２の一端に入力され、光照射用ファイバ３２の他端から散乱吸収体Ｂの内部へ照射される。また、光源部３１は、演算部５の信号処理部５１（後述）に接続されており、光源部３１における光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の発光タイミングを示すトリガ信号Ｓ１を、信号処理部５１へ出力する。なお、光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の発光タイミングは、制御部１０によって制御される。

光源部３１としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、各種パルスレーザ装置など、様々なものが用いられる。光源部３１において発生する光パルスＰ（ｎ）としては、散乱吸収体Ｂの吸収係数の変化量を測定できる程度にパルスの時間幅が短く、且つ、被測定物質の光吸収特性において光吸収率が低い波長を中心波長とする近赤外光パルスが用いられる。一実施例では、ｎ＝３であり、光パルスＰ（１）〜Ｐ（３）の波長はそれぞれ７６０ｎｍ、８００ｎｍ、８３０ｎｍである。

光検出部４１及び光検出用ファイバ４２は、散乱吸収体Ｂの内部を伝搬した各光を検出する。光検出用ファイバ４２の一端（光検出端）は、散乱吸収体Ｂの表面における所定の光検出位置Ｄに配置され、光検出用ファイバ４２の他端は光検出部４１に接続されている。光検出部４１は、光パルスＰ（ｎ）が散乱吸収体Ｂの内部を伝搬して生じる検出光を、光検出用ファイバ４２を介して検出する。光検出部４１の信号出力端は演算部５の信号処理部５１（後述）に接続されており、光検出部４１は、検出された光（フォトン）の検出タイミングを示す光検出信号Ｓ２を信号処理部５１へ出力する。

光検出部４１としては、光電子増倍管（Photomultiplier Tube；ＰＭＴ）、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）といった様々なものが用いられる。また、光検出部４１としては、光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の各波長を十分に検出可能な分光感度特性を有するものが望ましい。また、検出光が微弱であるときは、高感度あるいは高利得の光検出器が用いられてもよい。

一例では、光照射用ファイバ３２の光入射端と、光検出用ファイバ４２の光検出端とは、散乱吸収体Ｂの表面上に配置される光ファイバ保持具２に固定されている。光ファイバ保持具２は、例えば柔軟性があり散乱吸収体Ｂの表面に沿って変形が可能な部材により構成されるとよい。

なお、光ファイバ保持具２は省かれることもできる。また、光源部３１から出射される光パルスＰ（ｎ）は、光照射用ファイバ３２を介さずに、別の方式によって散乱吸収体Ｂに直接入力されてもよい。また、散乱吸収体Ｂから出射する検出光は、光検出用ファイバ４２を介さずに、散乱吸収体Ｂの表面に配置された光検出部４１に直接入力されてもよい。

図２は、光源部３１から出射される光パルスＰ（ｎ）、及び光検出部４１において検出される検出光の各光強度の時間変化の一例を示すグラフである。図２において、縦軸は光量（対数目盛）を示し、横軸は時間を示している。グラフＧ１１は、時刻ｔ_０に光源部３１から散乱吸収体Ｂへ入射される光パルス強度の時間波形（入射波形）である。グラフＧ１２は、時刻ｔ_０に入射された光パルスに対応する検出光強度の時間波形（検出波形）である。散乱吸収体Ｂの内部を伝搬した光が光検出位置Ｄに達する時間は、その伝搬状況によって一様ではなく、また、散乱吸収体Ｂでの散乱や吸収によって減衰を受ける。従って、図２のグラフＧ１２に示されるように、検出波形は或る一定の分布曲線となる。

再び図１を参照する。演算部５は、光検出部４１での検出結果に基づいて、散乱吸収体Ｂの内部における換算散乱係数及び吸収係数を算出し、更に内部情報を算出する。演算部５は、信号処理部５１、光学特性計測部５２、換算散乱係数データベース５３及び演算処理部５４を有する。

信号処理部５１は、光源部３１に接続されており、光源部３１における光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の発光タイミングを示すトリガ信号Ｓ１を受ける。また、信号処理部５１は、光検出部４１に接続されており、検出された光（フォトン）の検出タイミングを示す光検出信号Ｓ２を受ける。信号処理部５１は、これらのトリガ信号Ｓ１及び光検出信号Ｓ２に基づいて、時間相関単一光子計数法（Time-correlated single photon counting method）により複数（Ｎ個）の時間分解計測波形を取得する。信号処理部５１は、こうして得られたＮ個の時間分解計測波形に関するデータＤ１を、光学特性計測部５２へ出力する。

光学特性計測部５２は、信号処理部５１から提供されたＮ個の時間分解計測波形に関するデータＤ１を用い、光拡散方程式（Photon Diffusion Theory）に基づいて、吸収係数及び換算散乱係数を算出する。本実施形態の光学特性計測部５２は、不揮発性の記憶手段である換算散乱係数データベース５３に予め記憶されているデータＤ２を読み出し、このデータＤ２を使用して換算散乱係数を算出する。データＤ２には、複数の光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）の波長（λ₁，λ₂，・・・，λ_N）間での換算散乱係数の比率（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に関する情報が含まれている。この情報は、測定装置１Ａの使用前（例えば測定装置１Ａの製造時）に、好適な条件下において、基準となる散乱吸収体の波長毎の換算散乱係数が予め測定されることによって得られた数値である。

ここで、図３は、本発明者が成人男女５０名の左右前額部を対象に換算散乱係数を測定して得られた、換算散乱係数と波長との関係を表すグラフである。同図には、６９０ｎｍから８４０ｎｍまでの波長域内に含まれる６つの波長それぞれにおいて測定された換算散乱係数の標準偏差（図中のＩ印）及び平均値（図中の黒丸）が示されている。同図に示されるように、換算散乱係数と波長との間には有意の相関があり、概ね、波長が大きいほど換算散乱係数が小さくなる。また、換算散乱係数が各波長間で一定の比率に従っていることがわかる。

光学特性計測部５２は、換算散乱係数データベース５３からデータＤ２を読み出し、各波長毎の換算散乱係数が比率（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に従うものと仮定する。言い換えれば、光学特性計測部５２は、各波長毎の換算散乱係数をＲ₁・μ’_s,R、Ｒ₂・μ’_s,R、・・・、Ｒ_N・μ’_s,R（但し、μ’_s,Rは基本となる換算散乱係数）と仮定する。そして、光学特性計測部５２は、データＤ１に基づく複数波長λ₁，λ₂，・・・，λ_Nでの時間分解計測プロファイルを光拡散方程式の解にまとめてフィッティングすることにより、基本換算散乱係数μ’_s,R及び各波長毎の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を算出する。なお、この基本換算散乱係数μ’_s,Rに各比率（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）を乗算すると、各波長毎の換算散乱係数を算出することができる。

より好適な形態としては、光学特性計測部５２は、各波長毎の検出結果の信頼性に基づく重み付けを、各波長毎の換算散乱係数に対して更に行うとよい。一例としては、光学特性計測部５２は、データＤ１に含まれるＮ個の時間分解計測波形のＳ／Ｎ比、及び／又は各光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）に対応する検出光の強度（検出フォトン数）から各波長の測定信頼度を判断し、各波長毎の換算散乱係数を光拡散方程式に適用する際に、測定信頼度から算出される重み配分を与えるとよい。

フィッティングに用いられる光拡散方程式の解としては、例えば上述した非特許文献２に開示されているものが挙げられる。一例として、半無限スラブにおける反射型計測時（境界条件：Zero Boundary Condition）の解に換算散乱係数Ｒ₁・μ’_s,R、Ｒ₂・μ’_s,R、・・・、Ｒ_N・μ’_s,Rを適用すると、各波長に関して以下の式（１）が得られる。但し、Ｆ_１（ρ，ｔ）、・・・、Ｆ_Ｎ（ρ，ｔ）は、それぞれ波長λ₁，・・・，λ_Nにおける反射型の時間応答関数である。また、ρは光軸間距離であり、tは応答時間、ｃは散乱吸収体中の光速である。

なお、本実施形態では換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）が換算散乱係数データベース５３に予め記憶されているが、図示しない入力装置を介して換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）が測定装置１Ａの外部から入力されてもよい。また、換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）は、例えば、散乱吸収体Ｂ（例えば生体組織）内の構造や水分量を計測できるＭＲＩや超音波データの利用、十分な測定精度を実現した状態での時間分解分光装置による様々な測定部位、ファイバ間距離、年代、及び性別ごとの換算散乱係数データの収集により、データベースとして好適に構築される。

また、フィッティングの際には、Ｎ個の時間分解計測波形と上式（１）との差が最小に近づくように、Levenberg-Marquardt法による非線形最小二乗法などを併用して、各波長の吸収係数及び基本換算散乱係数μ’_s,Rを決定する。その後、光学特性計測部５２は、決定した基本換算散乱係数μ’_s,R若しくは各波長の換算散乱係数Ｒ₁・μ’_s,R、Ｒ₂・μ’_s,R、・・・、Ｒ_N・μ’_s,Rと、各波長の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）とを演算処理部５４へ出力する。

演算処理部５４は、散乱吸収体Ｂ内部の内部情報、例えば吸収物質濃度を算出する。一例として、本実施形態の演算処理部５４は、光学特性計測部５２から提供された各波長の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を以下の式（２）に適用し、Ｎ個の連立方程式を解くことによって、酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_HbO2および脱酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_Hbを算出する。なお、ε_HbO2,λは波長λでの酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数であり、ε_Hb,λは波長λでの脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光係数である。

更に、演算処理部５４は、算出された酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_HbO2および脱酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_Hbに基づいて、以下の式（３）より組織酸素飽和度ＳＯ₂を算出してもよい。

表示部９は、光学特性計測部５２及び演算処理部５４において算出されたパラメータのうち任意のもの（例えば、酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_HbO2、脱酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_Hb）が表示される。測定をする者及び被験者は、この表示部９によってパラメータの値を認識する。

以上の構成を備える測定装置１Ａの動作を、本実施形態による散乱吸収体の測定方法とともに説明する。図４は、測定装置１Ａの動作及び散乱吸収体測定方法を示すフローチャートである。

図４に示されるように、まず、高いＳ／Ｎ比が得られる安定した条件下にて複数の散乱吸収体Ｂ（例えば生体組織）を測定することにより、換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）を決定する（ステップＳ１０）。このとき、例えばＭＲＩや超音波データを用いて、換算散乱係数比を精度良く測定するとよい。また、換算散乱係数は散乱吸収体内の構造や水分量に大きく依存するので、時間分解分光計測法を用いて様々な被験者の年齢、性別、測定部位、並びに、光入射位置Ｓと光検出位置Ｄとの距離等に応じた換算散乱係数データを収集し、複数組の換算散乱係数比を決定しておくとよい。決定された換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）は、換算散乱係数データベース５３に記憶されてもよく、或いは、後述する測定の際に手動で設定されてもよい。

次に、測定装置１Ａの暖機運転を行い（ステップＳ１１）、測定対象となる散乱吸収体Ｂの表面に、光照射用ファイバ３２及び光検出用ファイバ４２が取り付けられた光ファイバ保持具２を配置する（ステップＳ１２）。

そして、複数組の換算散乱係数比の中から測定対象に適合する換算散乱係数比を選択する。このとき、換算散乱係数比の選択に換算散乱係数データベース５３を利用するか否かを決定する（ステップＳ１３）。換算散乱係数データベース５３を利用する場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、測定対象に適合する換算散乱係数比を換算散乱係数データベース５３から選択する（ステップＳ１４）。また、換算散乱係数データベース５３を利用しない場合（ステップＳ１３；ＮＯ）、測定対象に適合する換算散乱係数比を手動にて設定する（ステップＳ１５）。

続いて、互いに波長が異なる複数の光パルスＰ（ｎ）を、光源部３１から光照射用ファイバ３２を介して散乱吸収体Ｂの光入射位置Ｓに順次入射するとともに、散乱吸収体Ｂの内部を伝搬した各光パルスＰ（ｎ）を、光検出用ファイバ４２を介して光検出部４１へ導き、検出する（光検出ステップＳ１６）。次に、光検出ステップＳ１３での検出結果に基づいて、信号処理部５１が、Ｎ個の時間分解計測波形に関するデータＤ１を生成する。データＤ１は、光学特性計測部５２に提供される。

続いて、光学特性計測部５２は、各波長（λ₁，・・・，λ_N）毎の換算散乱係数を、比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に従うものとしてＲ₁・μ’_s,R、Ｒ₂・μ’_s,R、・・・、Ｒ_N・μ’_s,R（但し、μ’_s,Rは基本換算散乱係数）とおく。このとき、光学特性計測部５２は、各波長毎の検出結果（Ｎ個の時間分解計測波形）の信頼性に基づく重み付けを、各波長毎の換算散乱係数に対して行う（ステップＳ１７）。一例としては、光学特性計測部５２は、データＤ１に含まれるＮ個の時間分解計測波形のＳ／Ｎ比、及び／又は各光パルスＰ（１）〜Ｐ（Ｎ）に対応する検出光の強度（検出フォトン数）から各波長の測定信頼度を判断し、測定信頼度から算出される重み配分を与えるとよい。

続いて、光学特性計測部５２は、時間分解分光計測法により基本換算散乱係数μ’_s,R及び各波長毎の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を算出する（演算ステップＳ１８）。このとき、光学特性計測部５２は、データＤ１に基づく複数波長の時間分解計測プロファイルを光拡散方程式の解にまとめてフィッティングすることにより、基本換算散乱係数μ’_s,R及び各波長毎の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を算出する。

続いて、演算処理部５４は、散乱吸収体Ｂ内部の内部情報、例えば吸収物質濃度を算出する（ステップＳ１９）。一例として、本実施形態の演算処理部５４は、光学特性計測部５２から提供された各波長の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を上記の式（２）に適用し、Ｎ個の連立方程式を解くことによって、酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_HbO2および脱酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_Hbを算出する。また、これらの数値から、総ヘモグロビン濃度（Ｃ_tHb＝Ｃ_HbO2＋Ｃ_Hb）や組織酸素飽和度等を算出することもできる。

以上に説明した本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によって得られる効果について説明する。前述したように、本実施形態では、複数の光パルスＰ（ｎ）の波長間での換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に関するデータＤ２が予め用意される。図３に示されたように、換算散乱係数は波長と一定の相関があるので、複数波長間での換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）は、複数回の測定を通じてほぼ一定とみなされるからである。そして、光学特性計測部５２及び演算ステップＳ１８において、各波長毎の換算散乱係数が換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に従うものとして、データＤ１に基づく複数波長の時間分解計測プロファイルを光拡散方程式の解にまとめてフィッティングすることにより、基本換算散乱係数μ’_s,R及び波長毎の吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を算出する。このような方式によれば、予め換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）に関するデータを好条件下で精度良く測定しておくことができ、また複数の値を同時にフィッティングするのでフィッティング精度も高まる。従って、各波長毎に光拡散理論を適用して換算散乱係数及び吸収係数を算出する方法と比較して、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を高めることができる。

更に、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によれば、光入射位置Ｓと光検出位置Ｄとの間の正確な距離が不明であるような場合においても、換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：・・・：Ｒ_N）を利用することで、従来よりも吸収係数μ_a,λ（λ＝λ₁,・・・,λ_N）を正確に測定することができ、さらに酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度、及び組織酸素飽和度を正確に測定することができる。

また、本実施形態のように、Ｎ個の時間分解計測波形の信頼性に基づく重み付けが、フィッティングに用いられる各波長毎の換算散乱係数に対して行われてもよい。光検出部４１（光検出ステップＳ１６）において光が検出される際には、検出されたフォトン数やＳ／Ｎ比などによって、Ｎ個の時間分解計測波形の信頼性にばらつきが生じることがある。そのような場合であっても、信頼性を考慮した重み付けがなされることにより、Ｓ／Ｎ比が低い波長の影響を抑え、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度を更に高めることができる。

ここで、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法を用いて、複数の被験者の換算散乱係数、酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度、組織酸素飽和度等を測定した結果について説明する。

図５は、図３に示される換算散乱係数の波長依存性のうち、波長λ₁＝７５９ｎｍ、波長λ₂＝７９３ｎｍ、波長λ₃＝８３４ｎｍにおいて確認された換算散乱係数比Ｒ₁：Ｒ₂：Ｒ₃＝１．０３６６：１．００００：０．９５９５）を用い、散乱吸収体であるヒト前額部を測定して得られた換算散乱係数を示す図表である。なお、図５には、比較例として、従来の測定方法（各波長毎に換算散乱係数を決定）によって得られた数値も併せて示されている。図５を参照すると、本実施形態によって得られる換算散乱係数の比は、上記した換算散乱係数比（Ｒ₁：Ｒ₂：Ｒ₃）に従っていることがわかる。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によって測定された各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数と、従来の方法によって測定された比較例としての各波長毎の吸収係数及び換算散乱係数とを示す図表である。更に、図６（ｃ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）の結果から算出された、酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_HbO2、脱酸素化ヘモグロビン濃度Ｃ_Hb、総ヘモグロビン濃度Ｃ_tHb、及び組織酸素飽和度ＳＯ₂を示す図表である。なお、図６に記載された各数値は（平均値）±（標準偏差）を表している。

図６を参照すると、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によって得られた数値の標準偏差は、比較例の数値の標準偏差よりも格段に小さいことがわかる。このことから、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によれば、換算散乱係数及び吸収係数の算出精度が高められることがわかる。

図７及び図８は、前額部測定時の計測時間を１００ｍｓから５０００ｍｓまで変化させて得られた、吸収係数、換算散乱係数、及びヘモグロビン量（総ヘモグロビン濃度Ｃ_tHb及び組織酸素飽和度ＳＯ₂）の変動係数値を示す図表である。図７は従来の方法により得られた変動係数値を示しており、図８は本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法によって得られた変動係数値を示している。なお、換算散乱係数比Ｒ₁：Ｒ₂：Ｒ₃は上記と同一である。通常、変動係数値は計測時間を長くするほど小さくなる（すなわち測定精度が高まる）が、図７と図８とを比較すると明らかなように、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法では、同じ計測時間で比較した場合、従来の方法よりも変動係数値が小さくなっている。言い換えれば、或る測定精度を得るための計測時間を、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法により短縮することができる。

図９及び図１０は、血液ファントムを用いて各波長（６８９ｎｍ、７３２ｎｍ、７５９ｎｍ）毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。図９及び図１０において、横軸は時間を表し、縦軸は吸収係数（単位：ｃｍ^-1）及び換算散乱係数（単位：ｃｍ^-1）を表している。また、図９は従来の方法による結果を示しており、図１０は本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法による結果を示している。図中の時刻ｔ₁は血液ファントム中の酸素を消費させるためにドライイースト菌を投入したタイミングを示し、時刻ｔ₂はアッテネータを変更したタイミングを示し、時刻ｔ₃はアッテネータを更に変更したタイミングを示す。

また、図１１及び図１２は、ヒト前腕部の各波長（６８９ｎｍ、７３２ｎｍ、７５９ｎｍ）毎の吸収係数及び換算散乱係数を測定した結果を示すグラフである。図１１及び図１２において、横軸は時間を表し、縦軸は吸収係数（単位：ｃｍ^-1）及び換算散乱係数（単位：ｃｍ^-1）を表している。また、図１１は従来の方法による結果を示しており、図１２は本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法による結果を示している。図中の時刻ｔ₄は前腕部にカフを装着したタイミングを示し、時刻ｔ₅はカフを外したタイミングを示す。

図９及び図１０に示される血液ファントムを用いた測定では、生体とは異なり、組織酸素飽和度ＳＯ₂が０％〜１００％と広い範囲におよぶ。従って、生体と比べてＳ／Ｎ比が低くなる傾向がある。また、図１１及び図１２に示される前腕部の測定では、カフを装着してヘモグロビン量に急激な変化（脱酸素化）を与えることにより、６８９ｎｍの吸収係数を急激に増加させ、Ｓ／Ｎ比を低下させている。図９〜図１２を参照すると、これらのようにＳ／Ｎ比が低い状態においても、従来の方法（図９、図１１）と比較して、本実施形態の測定装置１Ａ及び測定方法（図１０、図１２）ではグラフの振幅が小さく、高い精度で安定的に測定できていることがわかる。また、これにより、測定時間の短縮も可能となる。

１Ａ…散乱吸収体測定装置、２…光ファイバ保持具、５…演算部、９…表示部、１０…制御部、３１…光源部、３２…光照射用ファイバ、４１…光検出部、４２…光検出用ファイバ、５１…信号処理部、５２…光学特性計測部、５３…換算散乱係数データベース、５４…演算処理部、Ｂ…散乱吸収体、Ｄ…光検出位置、Ｐ（ｎ）…光パルス、Ｓ…光入射位置。

Claims

散乱吸収体に入力される、互いに波長が異なる複数の光パルスを出力する光源と、
前記散乱吸収体の内部を伝搬した各光パルスを検出し、検出信号を出力する光検出部と、
前記検出信号に基づいて、時間分解分光計測法により換算散乱係数及び吸収係数を算出する演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータを決定し、前記検出信号に基づく各波長の時間分解計測プロファイル及び前記データに基づいて前記換算散乱係数及び前記吸収係数を算出する、散乱吸収体測定装置。
前記演算部は、前記データに基づいて前記各波長における前記換算散乱係数を関連付けながら、前記各波長の前記時間分解計測プロファイルに対して光拡散方程式に基づくフィッティングを行う、請求項１に記載の散乱吸収体測定装置。
前記演算部は、前記各波長の前記時間分解計測プロファイルに基づく重み付けを、前記フィッティングに用いられる波長毎の前記換算散乱係数に対して行う、請求項２に記載の散乱吸収体測定装置。
前記複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関する前記データを記憶する記憶手段をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の散乱吸収体測定装置。
互いに波長が異なる複数の光パルスを散乱吸収体に入力するステップと、
前記散乱吸収体の内部を伝搬した各光パルスを検出し、検出信号を出力するステップと、
前記複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関するデータを決定するステップと、
前記検出信号に基づいて、時間分解分光計測法により換算散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、
を備え、
前記算出するステップでは、前記検出信号に基づく各波長の時間分解計測プロファイル及び前記データに基づいて前記換算散乱係数及び前記吸収係数を算出する、散乱吸収体測定方法。
前記算出するステップでは、前記データに基づいて前記各波長における前記換算散乱係数を関連付けながら、前記各波長の前記時間分解計測プロファイルに対して光拡散方程式に基づくフィッティングを行う、請求項５に記載の散乱吸収体測定方法。
前記算出するステップでは、前記各波長の前記時間分解計測プロファイルに基づく重み付けを、前記フィッティングに用いられる波長毎の前記換算散乱係数に対して行う、請求項６に記載の散乱吸収体測定方法。
前記複数の光パルスの波長間での換算散乱係数の比に関する前記データは記憶手段に記憶される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の散乱吸収体測定方法。