JP6205346B2 - 光学測定装置およびファイババンドルの対応付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体組織に測定光を照射し、生体組織で反射および／または散乱した測定光の戻り光の測定値に基づいて、生体組織の性状を推定する光学測定装置およびファイババンドルの対応付け方法に関する。

従来、生体組織等の比較的弱い散乱媒質からの後方への散乱戻り光は、その照明光の空間的可干渉度（空間コヒーレンス）に応じて干渉増強光として観察されることが知られている（非特許文献１参照）。この現象を利用した分光情報計測技術はＬＥＢＳ（Low-Enhanced Backscattering Spectroscopy）と呼ばれ、散乱媒質内の散乱平均自由行程（散乱係数の逆数）に対する干渉パターンの特性が良く研究されている（非特許文献２参照）。この散乱平均自由行程は、散乱媒質の内部構造変化と相関があり、早期の癌に見られるような微小な組織構造変化の検出に用いられる。たとえば、散乱戻り光の干渉パターンを用いて大腸癌の判別が可能であることが知られている（非特許文献３参照）。

上述したＬＥＢＳにおいて、内視鏡に挿入される測定プローブを通して体内での非侵襲計測に適用する技術が知られている（特許文献１参照）。この技術では、干渉パターンを取得するために、測定プローブの照明ファイバ先端から生体組織に照明光を照射し、複数の角度の散乱光の強度分布を複数の受光ファイバを用いて測定することによって、生体組織の性状を検出する。

また、複数の光ファイバを束ねたファイババンドルで構成された測定プローブを用いて生体組織の性状を検出する技術が知られている（特許文献２参照）。この技術では、ファイババンドルにおける先端部および基端部それぞれの端面における各光ファイバの配置を対応させることによって、生体組織の性状を検出する。

米国特許出願公開第２００９／０００９７５９号明細書 米国特許第７６５２７７２号明細書

Young L. Kim, et.al, "Low-coherence enhanced backscattering; review of principles and applications for colon cancer screening" Journal of Biomedical Optics, 11（4）, 041125 2006年 V, Turzhitsky, et.al, ":Characterization of Light transport in Scattering Media at Subdiffusion Length Scales with Low-Coherence Enhanced Backscattering" IEEE journal of selected topics in quantum electronics, Vol.16, No.3, 619 (2010) Hemant K. Roy, et.al, "Association between Rectal Optical Signatures and Colonic Neoplasia: Potential Applications for Screening" Cancer Research, 69(10), 4476 (2009)

しかしながら、光ファイバは、細径のため、ファイババンドルを用いる場合、先端部および基端部それぞれの端面における各光ファイバの配置を対応させて作成するのに多大な労力がかかるという問題点があった。このため、簡易な構成でファイババンドルの先端部および基端部それぞれの端面における各光ファイバの位置関係を対応させることができる技術が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でファイババンドルの先端部と基端部とそれぞれの端面における各光ファイバの位置を対応付けることができる光学測定装置およびファイババンドルの対応付け方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光学測定装置は、生体組織を測定するための光を出射する光源部と、複数の光ファイバを不規則に束ねたファイババンドルを有し、前記光源部からの光を照明光として先端に伝播して前記生体組織に照射する照明ファイバと、前記照明ファイバが照射した前記照明光であって、前記生体組織で反射および／または散乱した前記照明光の戻り光を受光して伝播する複数の受光ファイバと、を有する測定プローブと、前記複数の受光ファイバがそれぞれ検出した前記照明光の戻り光を受光して光電変換を行うことによって各々の信号強度を検出する検出部と、前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバを中心とした強度勾配を持つ光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付ける対応付け部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記対応付け部は、前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバを中心とした対称の強度分布の空間プロファイルを有する光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付けることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記対応付け部は、前記検出部が検出した前記各々の信号強度のうち信号強度が高い順に、前記複数の受光ファイバのうち前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバからの距離が近い前記受光ファイバを順次対応付けることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記対応付け部は、前記検出部が検出した前記各々の信号強度に基づいて、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから前記複数の受光ファイバそれぞれの距離毎にグループ化を行うとともに、該グループに対応する前記各々の信号強度を一つの信号強度としてまとめて対応付けることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記測定プローブの先端部から前記複数の受光ファイバの端面に対して、強度が空間的に一様な光が入射された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度を平滑化する補正部をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記ファイババンドルは、基端部の端面における前記複数の光ファイバの配置と先端部の端面における前記複数の光ファイバの配置とが異なることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記ファイババンドルは、ライトガイドであることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学測定装置は、上記発明において、前記測定プローブの先端部に設けられ、前記照明ファイバおよび前記複数の受光ファイバの先端と前記生体組織との距離を一定に保つ光学部材をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるファイババンドルの対応付け方法は、生体組織を測定するための光を出射する光源部と、複数の光ファイバを不規則に束ねたファイババンドルを有し、前記光源部からの光を照明光として先端に伝播して前記生体組織に照射する照明ファイバと、前記照明ファイバが照射した前記照明光であって、前記生体組織で反射および／または散乱した前記照明光の戻り光を受光して伝播する複数の受光ファイバと、を有する測定プローブと、前記複数の受光ファイバがそれぞれ検出した前記照明光の戻り光を受光して光電変換を行うことによって各々の信号強度を検出する検出部と、を備えた光学測定装置が実行するファイババンドルの対応付け方法であって、前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバを中心とした強度勾配を持つ光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付ける対応付けステップを含むことを特徴とする。

また、本発明にかかるファイババンドルの対応付け方法は、上記発明において、前記測定プローブの先端部に対して、前記照明ファイバを中心とした対称の強度分布の空間プロファイルの光を投影する投影ステップをさらに含むことを特徴とする。

また、本発明にかかるファイババンドルの対応付け方法は、上記発明において、前記対応付けステップは、前記検出部が検出した前記各々の信号強度のうち信号強度が高い順に、前記複数の受光ファイバのうち前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバからの距離が近い前記受光ファイバを順次対応付けることを特徴とする。

また、本発明にかかるファイババンドルの対応付け方法は、上記発明において、前記対応付けステップは、前記対応付け部は、前記検出部が検出した前記各々の信号強度に基づいて、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから前記複数の受光ファイバそれぞれの距離毎にグループ化を行うとともに、該グループに対応する前記各々の信号強度を一つの信号強度としてまとめて対応付けることを特徴とする。

また、本発明にかかるファイババンドルの対応付け方法は、上記発明において、前記測定プローブの先端部から前記複数の受光ファイバに対して、強度が空間的に一様の光を入射された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度を平滑化する補正ステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、対応付け部が測定プローブの先端部の端面に対して、照明ファイバを中心として強度勾配を持つ光が投影された際に、検出部が検出した複数の受光ファイバの各々の信号強度と、測定プローブの先端部の端面における照明ファイバから受光ファイバの距離とを対応付けるので、簡易な構成でファイババンドルの先端部と基端部とそれぞれの端面における各光ファイバの位置を対応付けることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の構成を模式的に示す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブのファイババンドルの要部を拡大した模式図である。 図３は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置が実行するファイババンドルの対応付け処理の概要を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部の端面の照明ファイバを中心に強度勾配が対称に変化する空間プロファイルを測定プローブの先端部に発生させる際の模式図である。 図５は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部の端面の照明ファイバを中心に強度勾配が対称に変化する空間プロファイルを測定プローブの先端部に発生させる際の模式図である。 図６は、光散乱部材に対して照明光を照射した際の空間プロファイルを模式的に示す図である。 図７は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部に照明ファイバを中心として光強度が変化する空間プロファイルを有する光を投影した状態を示す図である。 図８は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部に照明ファイバを中心として光強度が変化する空間プロファイルを有する光を投影した際に基端部における各受光ファイバの光強度の分布を示す図である。 図９は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの基端部における各受光ファイバの番号と、各受光ファイバの検出強度の順位とを示す図である。 図１０は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの検出強度の高い順に受光ファイバの番号を並べたテーブルを示す。 図１１は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部における各受光ファイバの強度順位を示す図である。 図１２は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの照明ファイバから各受光ファイバまでの距離と各受光ファイバが検出する検出強度との関係を示す図である。 図１３は、光散乱部材に対して照明光を照射した際の別の空間プロファイルを模式的に示す図である。 図１４は、別の空間プロファイルを模式的に示す図である。 図１５は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの先端部に光学部材を設けた際の概略構成図である。 図１６は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブにおけるファイババンドルの照明ファイバと受光ファイバとが六方細密状に配置された先端部の一例を示す図である。 図１７は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブにおけるファイババンドルの照明ファイバと受光ファイバとが同心円状に配置された先端部の別の一例を示すである。 図１８は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブにおけるファイババンドルの照明ファイバと受光ファイバとが格子状に配置された状態であって、照明ファイバの位置がファイババンドルの中心からずれた位置に配置された先端部の一例を示す図である。 図１９は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブにおけるファイババンドルの照明ファイバと受光ファイバとがランダムに配置された先端部の一例を示す図である。 図２０は、本発明の一実施の形態の変形例１にかかる光学測定装置を模式的に示す概略構成図である。 図２１は、本発明の一実施の形態の変形例２にかかる光学測定装置を模式的に示す概略構成図である。 図２２は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの照明ファイバを中心とした軸対象に強度が変化する空間プロファイルを測定プローブの先端部に発生させる際の別の模式図である。 図２３は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置の測定プローブの照明ファイバを中心として光強度が変化する空間プロファイルを有する光を測定プローブの先端部に発生させる際の別の模式図である。 図２４は、図２３に示す状況で投影される空間プロファイルを模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる光学測定装置およびファイババンドルの対応付け方法の好適な実施の形態として、ＬＥＢＳ技術を用いた光学測定装置を例に詳細に説明する。また、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付して説明する。また、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係および各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれる。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる光学測定装置を模式的に示す概略構成図である。図１に示す光学測定装置１は、散乱体である生体組織等の測定対象物Ｓ１に対して光学測定を行って測定対象物Ｓ１の光学特性を測定する本体部２と、本体部２に着脱自在に接続され、内視鏡の処理具チャンネルを介して被検体内に挿入される測定プローブ３と、を備える。

まず、本体部２について説明する。本体部２は、電源２１と、光源部２２と、光学系２３と、検出部２４と、入力部２５と、出力部２６と、記録部２７と、制御部２８と、を備える。電源２１は、本体部２の各構成部に電力を供給する。

光源部２２は、測定対象物へ照射する少なくとも一つのスペクトル成分を有する光を照明光として測定プローブ３に出射する。光源部２２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、キセノンランプ、タングステンランプおよびハロゲンランプ、レーザーといった光源と、複数のレンズを含む光学系、たとえば集光レンズやコリメートレンズと、光源ドライバ等を用いて構成される。光源部２２は、制御部２８の制御のもと、照明光を測定プローブ３に向けて出射する。たとえば、光源部２２は、制御部２８の制御のもと、照明光の点灯や消灯を切り替える。光源部２２は、光源（図示せず）が発した光を光学系（図示せず）により後述する測定プローブ３の照明ファイバに集光させることにより、光源と測定プローブ３との光束結合効率が増大し、照明光の光量が増加するので、測定対象物Ｓ１の測定品質を向上させることができる。

光学系２３は、測定プローブ３から出射された光を平行光にして検出部２４に出射する。光学系２３は、複数のレンズ、たとえば集光レンズやコリメートレンズを用いて構成される。

検出部２４は、光学系２３を介して測定プローブ３の先端から照射された照明光であって、測定対象物Ｓ１で反射および／または散乱した照明光の戻り光を検出し、この検出結果（信号強度）を制御部２８に出力する。検出部２４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の２次元光検出器等を用いて構成される。なお、検出部２４は、後述する測定プローブ３の受光ファイバの数が少ない場合、ＰＤ（Photo Diode）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）およびＰＭＴ（Photomultiplier tube）等の光感受性検出器を複数用いて構成してもよい。

入力部２５は、本体部２の起動を指示する指示信号または他の各種の動作を指示する指示信号の入力を受け付けて制御部２８に出力する。入力部２５は、ブッシュ式のスイッチ、タッチパネル、キーボードやマウス等の入力デバイスを用いて構成される。

出力部２６は、光学測定装置１における各種処理に関する情報、測定対象物の測定結果を出力する。出力部２６は、液晶または有機ＥＬ（Electro Luminescence）等の表示ディスプレイおよびスピーカ等を用いて構成される。

記録部２７は、光学測定装置１を動作させるための各種プログラム、光学測定処理に使用される各種データや各種パラメータを記録する。記録部２７は、光学測定装置１の処理中の情報を一時的に記録する。また、記録部２７は、測定対象物の測定結果を記録する。記録部２７は、揮発性メモリや不揮発性メモリ等を用いて構成される。なお、記録部２７は、本体部２の外部から装着されるメモリカード等を用いて構成されてもよい。

制御部２８は、本体部２の各部の処理動作を制御する。制御部２８は、本体部２の各部に対する指示情報やデータの転送等を行うことによって、本体部２の動作を統括的に制御する。制御部２８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いて構成される。また、制御部２８は、演算部２８ａと、補正部２８ｂと、対応付け部２８ｃと、を有する。

演算部２８ａは、検出部２４が検出した検出結果に基づいて、複数の演算処理を行い、測定対象物の光学特性や性状に関する特性値を演算する。この特性値の種別は、たとえば入力部２５が受け付けた指示信号または記録部２７に記録された各種プログラムに従って設定される。

補正部２８ｂは、測定プローブ３の先端部３３から複数の受光ファイバに対して、強度が空間的に一様の光を入射された際に、検出部２４が検出した複数の受光ファイバの各々の信号強度を平滑化して検出部２４および測定プローブ３それぞれの感度を補正する。

対応付け部２８ｃは、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａに対して、照明ファイバ３４１を中心とした強度勾配を持つ光が投影された際に、検出部２４が検出した後述する測定プローブ３の複数の受光ファイバにおける各々の信号強度と、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａにおける照明ファイバ３４１から各々の受光ファイバの距離とを対応付けて記録部２７に記録する。具体的には、対応付け部２８ｃは、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａに対して、照明ファイバ３４１を中心とした対称の強度分布の空間プロファイルを有する光が投影された際に、検出部が検出した前記各々の信号強度と、検出部２４が検出した後述する測定プローブ３の複数の受光ファイバにおける各々の信号強度と、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａにおける照明ファイバ３４１からの距離とを対応付けて記録部２７に記録する。たとえば、対応付け部２８ｃは、検出部２４が検出した各々の信号強度のうち信号強度が高い順に、測定プローブの複数の受光ファイバのうち測定プローブ３の先端部の端面における照明ファイバからの距離が近い位置に配置された受光ファイバを順次対応付けて記録部２７に記録する。

つぎに、測定プローブ３について説明する。図１に示す測定プローブ３は、本体部２に着脱自在に接続される基端部３１と、可撓性を有する可撓部３２と、光源部２２から供給される照明光を測定対象物Ｓ１に照射するとともに、測定対象物Ｓ１で反射および／散乱した照明光の戻り光を受光する先端部３３と、基端部３１から入射された照明光を先端部３３に伝播するとともに、先端部３３が受光した測定対象物Ｓ１で反射および／散乱した照明光の戻り光を検出部２４へ伝播するファイババンドル３４と、ファイババンドル３４を覆うことによってファイババンドル３４の遮光や傷防止を行う被覆部３５と、を備える。

ファイババンドル３４は、複数の光ファイバを用いて構成される。具体的には、ファイババンドル３４は、複数の光ファイバが不規則に束ねられたライトガイドやランダムファイバ、または複数の光ファイバが規則的に束ねられたイメージファイバを用いて構成される。より好ましくは、ファイババンドル３４は、ライトガイドまたはランダムファイバを用いて構成される。ここで、ライトガイドとは、ファイババンドル３４の基端部３１の端面３１ａとファイババンドル３４の先端部３３の端面３３ａとの各光ファイバの配列位置（空間配列）が異なるものである。また、ファイババンドル３４は、光源部２２から供給された照明光を測定対象物Ｓ１に照射する照明ファイバ３４１と、測定対象物Ｓ１で反射および／または散乱した照明光の戻り光を受光する複数の受光ファイバ３４２と、を有する。

ここで、測定プローブ３のファイババンドル３４の構成について詳細に説明する。図２は、測定プローブ３のファイババンドル３４の要部を拡大した模式図である。

図２に示すように、ファイババンドル３４は、光源部２２から供給された照明光を伝播して測定プローブ３の先端部３３から測定対象物Ｓ１に照射する照明ファイバ３４１と、測定対象物Ｓ１からの戻り光が異なる角度で入射する複数の受光ファイバ３４２と、を有する。たとえば、ファイババンドル３４は、測定対象物Ｓ１からの戻り光が異なる角度で入射する第１受光ファイバ３４２ａ（第１受光チャンネル）、第２受光ファイバ３４２ｂ（第２受光チャンネル）および第３受光ファイバ３４２ｃ（第３受光チャンネル）と、他の複数の光ファイバ３４２ｄとを不規則に束ねて構成される。

このようにファイババンドル３４は、先端部３３の端面３３ａにおける位置と基端部３１の端面３１ａにおける位置とで照明ファイバ３４１、第１受光ファイバ３４２ａ、第２受光ファイバ３４２ｂ、第３受光ファイバ３４２ｃおよび他の複数の光ファイバ３４２ｄそれぞれの配置位置（位置座標）が異なる。なお、図２において、基端部３１および先端部３３それぞれに斜線（ハッチング）を施したものが対応関係を満たす例を示す。さらに、図２においては、第１受光ファイバ３４２ａ、第２受光ファイバ３４２ｂ、第３受光ファイバ３４２ｃおよび他の複数の光ファイバ３４２ｄの位置は、後述する対応付け処理に応じてファイババンドル３４を構成する複数の光ファイバの中から設定される。

照明ファイバ３４１は、光源部２２から供給された照明光を伝播し、測定対象物Ｓ１に照明光を照射する。なお、照明ファイバ３４１の数は、検査項目および測定対象物の種類、たとえば血流や、胃や膵臓等の部位に応じて適宜変更することができる。

第１受光ファイバ３４２ａ、第２受光ファイバ３４２ｂおよび第３受光ファイバ３４２ｃは、先端部３３の端面３３ａから入射した測定対象物Ｓ１からの戻り光を伝播して光学系２３を介して検出部２４に出射する。なお、受光ファイバの数は、検査項目および測定対象物の種類、たとえば血流や部位に応じて適宜変更することができる。

このように構成された光学測定装置１は、内視鏡（内視鏡スコープ）に設けられた処置具チャンネルを介して測定プローブ３が被検体内に挿入され、照明ファイバ３４１が測定対象物Ｓ１に照明光を照射し、第１受光ファイバ３４２ａ、第２受光ファイバ３４２ｂおよび第３受光ファイバ３４２ｃがそれぞれ測定対象物Ｓ１からの戻り光を受光して本体部２の検出部２４へ伝播する。その後、演算部２８ａは、検出部２４の検出結果に基づいて、測定対象物Ｓ１の光学特性を演算する。

つぎに、光学測定装置１が実行する先端部３３における照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離と、各受光ファイバ３４２を介して検出部２４で検出される信号強度とを対応付ける対応付け処理について説明する。図３は、光学測定装置１が実行するファイババンドル３４の対応付け処理の概要を示すフローチャートである。

図３に示すように、まず、補正部２８ｂは、測定プローブ３の各受光ファイバ３４２の検出感度を補正する（ステップＳ１０１）。具体的には、強度が空間的に一様な光を測定プローブ３の先端部３３から各受光ファイバ３４２に入射された際に、補正部２８ｂは、検出部２４が各受光ファイバ３４２に対応する各々の検出強度に基づいて、各受光ファイバ３４２の検出感度が一定になるように検出部２４の感度を補正するキャリブレーション処理を実行する（補正ステップ）。この場合、測定対象物Ｓ１の受光ファイバ３４２の入射ＮＡと感度補正時の強度が空間的に一様な光の受光ファイバ３４２の入射ＮＡが略等しいことが好ましい。これにより、補正部２８ｂは、感度補正をより安定して行うことができる。この結果、検出部２４は、強度が空間的に一様な光に対して各受光ファイバ３４２に応じた一律の値を検出することができる。なお、検出部２４は、各受光ファイバ３４２に対応する画素毎に受光して光電変換を行った検出強度（信号強度）を検出する、または各受光ファイバ３４２に対応する複数の画素を一組とした検出強度の平均値を検出する。

続いて、対応付け部２８ｃは、先端部３３における照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離と各受光ファイバ３４２の検出強度とを対応付ける対応付け処理を実行する（ステップＳ１０２）。具体的には、光学測定装置１は、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａから照明ファイバ３４１を中心とした強度勾配を持つ光、たとえば、照明ファイバ３４１を中心とした対称の強度分布の空間プロファイルを有する光を投影する（投影ステップ）。

図４は、照明ファイバ３４１を中心に強度勾配が対称に変化する空間プロファイルを測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａに発生させる際の模式図である。図４に示すように、光学測定装置１は、測定プローブ３の先端部３３から所定の距離離れた位置に配置された散乱特性が一様な光散乱部材４に対して、照明ファイバ３４１から照明光を照射させることによって各受光ファイバ３４２の先端部３３に空間プロファイルを有する光を投影（入射）させる。ここで、光散乱部材４は、測定対象の波長の光を効率的に均一に散乱する物質を用いて形成される。具体的には、光散乱部材４は、散乱粒子を透明媒質に均一に分散させた溶液や樹脂、たとえば牛乳等を用いて形成される。また、光散乱部材４は、白色の標準反射板等を用いてもよい。さらに、光学測定装置１は、図５に示すように、測定プローブ３の先端部３３に光散乱部材４を密着させた状態で照明ファイバ３４１から照明光を照射させてもよい。

図６は、光散乱部材４に対して照明光を照射した際の空間プロファイルを模式的に示す図である。先端部３３における各受光ファイバ３４２が受光する光強度は、照明ファイバ３４１からの距離に応じて変化する。具体的には、図６に示すように、空間プロファイルＰ１は、照明ファイバ３４１を中心とした位置に近づくほど光強度が高く、外縁に向けて照明ファイバ３４１から距離が離れるほど、連続的に光強度が低くなる分布になる（同心円パターン）。

ここで、光学測定装置１が測定プローブ３の先端部３３に照明ファイバ３４１を中心として光強度が変化する空間プロファイルを有する光を投影した状態について説明する。

図７は、測定プローブ３の先端部３３に照明ファイバ３４１を中心として光強度が変化する空間プロファイルＰ１を有する光を投影した状態を示す図である。図８は、測定プローブ３の先端部３３に照明ファイバ３４１を中心として光強度が変化する空間プロファイルＰ１を有する光を投影した際に基端部３１における各受光ファイバ３４２の光強度の分布を示す図である。

図７に示すように、たとえば、空間プロファイルＰ１は、照明ファイバ３４１から距離ｄ離れた受光ファイバ３４２が検出する光強度が低くなる。この場合、図８に示すように、ファイババンドル３４は、基端部３１の各受光ファイバ３４２の位置と先端部３３の各受光ファイバ３４２とが異なるので、基端部３１においては光強度がまばらな分布になる。

図３に戻り、ステップＳ１０３以降の説明を続ける。ステップＳ１０３において、対応付け部２８ｃは、基端部３１における各受光ファイバ３４２の番号（番地）と各受光ファイバ３４２の検出強度とを対応付ける対応付け処理を実行する。

図９は、基端部３１における各受光ファイバ３４２の番号と、各受光ファイバ３４２の検出強度の順位とを示す図である。図１０は、検出強度の高い順に受光ファイバ３４２の番号を並べたテーブルを示す。なお、図９の各受光ファイバ３４２内の数字は、基端部３１における受光ファイバ３４２の検出強度の順位を示す。具体的には、数字が大きいほど検出強度が小さくなる。

図９および図１０に示すように、対応付け部２８ｃは、検出部２４が検出した検出結果に基づいて、基端部３１における各受光ファイバ３４２の番号（番地）と各受光ファイバ３４２の検出強度とを対応付けたテーブルＴ１を生成して記録部２７に記録する。たとえば、図１０に示すように、対応付け部２８ｃは、基端部３１における受光ファイバ３４２の縦の番号「ｃ」と、横の番号「５」とを、検出強度の順位が１の受光ファイバ３４２として対応付けたテーブルＴ１を生成する。

続いて、対応付け部２８ｃは、測定プローブ３の先端部３３における照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離と測定プローブ３の基端部３１における各受光ファイバ３４２の番号とを対応付ける対応付け処理を実行する（ステップＳ１０４）。

図１１は、先端部３３における各受光ファイバ３４２の強度順位を示す図である。図１１に示すように、対応付け部２８ｃは、照明ファイバ３４１の順位を１とするとき、照明ファイバ３４１からの距離に応じて、先端部３３における各受光ファイバ３４２の順位を設定する。具体的には、図１１に示すように、対応付け部２８ｃは、照明ファイバ３４１に距離が近い受光ファイバ３４２ほど高い順位を設定する。たとえば、図１１に示すように、対応付け部２８ｃは、受光ファイバ３４２の番号「４，ｃ」を「２」に、「５，ｄ」を「３」、「４，ｅ」を「４」、「３，ｄ」を「５」にそれぞれ設定する。これにより、対応付け部２８ｃは、検出強度（図１０のテーブルＴ１）と先端部３３における照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離に応じた光強度（図１１のテーブルＴ２）とに基づいて、ファイババンドル３４の先端部３３の端面３３ａと基端部３１の端面３１ａの各受光ファイバ３４２の位置を対応付けることができる。

図１２は、照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離と各受光ファイバ３４２が検出する検出強度との関係を示す図である。図１２に示すように、測定プローブ３の先端部３３における照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２までの距離は、基端部３１における各受光ファイバ３４２の距離も離散的であるので、基端部３１における各受光ファイバ３４２の検出強度も離散的になる。このため、対応付け部２８ｃは、図１０のテーブルＴ１と図１１のテーブルＴ２とに基づいて、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａにおける照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２の距離毎にグループ化を行うとともに、このグループ化に対応する各々の信号強度を一つの信号強度としてまとめた対応付けを行う。具体的には、対応付け部２８ｃは、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａにおいて照明ファイバ３４１に最も近い受光ファイバ３４２を一つのグループ化にするとともに、このグループに基端部３１において検出強度が高い順の受光ファイバ３４２の位置番号（ファイバ番地）を対応付ける。たとえば、対応付け部２８ｃは、図１１に示すテーブルＴ２を参照して、測定プローブ３の先端部３３の端面３３ａにおける照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２の距離が等しい４つの受光ファイバ３４２（ｃ，４）、（ｄ，５）、（ｅ，４）、（ｄ，３）と、測定プローブ３の基端部３１の端面３１ａにおいて強度順位が２（ｄ，３）、３（ｂ，５）、４（ｇ，１）、５（ａ、１）とを対応付ける。これにより、対応付け部２８ｃは、測定プローブ３の基端部３１の端面３１ａおよび先端部３３の端面３３ａにおける各受光ファイバ３４２の配置が仮想的に対応付けることができる。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、対応付け部２８ｃが照明ファイバ３４１を中心とした軸対象に強度が変化する空間プロファイルＰ１を投影することにより、検出部２４が検出する各々の信号強度に基づいて、照明ファイバ３４１から各受光ファイバ３４２の距離までの対応付けを行うので、各光ファイバの位置座標が設定されていないランダムなファイババンドル３４を用いても、ＬＥＢＳ信号または散乱媒質表面上の強度減衰分布の解析を行うことができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、先端部３３と基端部３１で各受光ファイバの配置がランダムに配置されたファイババンドル３４を用いるので、製造のコストを低下させることができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、照明ファイバ３４１を中心とした軸対称に強度が変化する空間プロファイルＰ１を有する光を投影することで、先端部３３の端面３３ａにおける各受光ファイバ３４２が検出する光の検出強度が照明ファイバ３４１からの距離に応じて変化する。これにより、基端部３１の端面３１ａにおける各受光ファイバ３４２の検出強度に基づいて、先端部３３の端面３３ａにおける照明ファイバ３４１からの各受光ファイバ３４２の距離を対応付けることができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、照明ファイバ３４１を中心とした軸対称に強度が変化する空間プロファイルＰ１を得る方法の一つとして、測定対象物Ｓ１の測定と同様の方法で光散乱部材４を測定することによって、上述した対応付け作業用の空間プロファイルを得ることができるので、実際の測定を行ったとしても、容易に対応付け処理を行うことができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、照明ファイバ３４１を中心とした軸対称に強度が変化する空間プロファイルＰ１を得る方法の一つして、光散乱部材４を用いるだけでよいので、空間プロファイルＰ１を有する光の発生を容易に行うことができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、照明ファイバ３４１からの距離に基づいた解析が可能であり、より詳細な解析を行うことができる。たとえば、散乱シミュレーションとの比較を行うことができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、対応付け部２８ｃが測定プローブ３の先端部３３に対して一様な光を入射された際に、検出部２４が検出した各受光ファイバ３４２の各々の信号強度を平滑化することによって、各受光ファイバ３４２の感度を補正するので、より正確な測定を行うことができる。なお、対応付け部２８ｃが行った感度補正の結果を記録部２７に予め記録させてもいてもよい。

また、本発明の一実施の形態によれば、新たな測定プローブ３が本体部２に接続される毎に、対応付け部２８ｃが上述したファイババンドル３４の対応付けを行ってもよい。

また、本発明の一実施の形態によれば、測定プローブ３が本体部２に固定されている場合、または同じ測定プローブ３が本体部２に接続される場合、対応付け部２８ｃが行った上述した対応付けの処理の結果を記録部２７に記録し、この結果を再利用してもよい。

（その他の実施の形態）
本発明では、測定プローブ３の先端部３３に投影する空間プロファイルを変更することもできる。図１３は、光散乱部材４に対して照明光を照射した際の別の空間プロファイルを模式的に示す図である。

図１３に示す空間プロファイルＰ２は、照明ファイバ３４１を中心とした位置から近づくほど光強度が低く、外縁に向けて照明ファイバ３４１から距離が離れるほど、連続的に光強度が高くなる分布にしてもよい。さらに、図１４に示す空間プロファイルＰ３のように、ファイババンドル３４の１例のみに投影させてもよい。

また、本発明では、測定プローブ３の先端部３３に、測定対象物Ｓ１と照明ファイバ３４１および受光ファイバ３４２との距離を一定にする光学部材５を設けてもよい。図１５は、光学測定装置１の測定プローブ３の先端部３３に光学部材５を設けた際の概略構成図である。

図１５に示すように、光学部材５は、照明ファイバ３４１が出射した照明光を中継して測定対象物Ｓ１に照明光を照射するとともに、測定対象物Ｓ１からの照明光の戻り光を受光ファイバ３４２に中継する。光学部材５は、所定の屈折率を有する硝材やプラスティック等の材質を用いて構成される。

これにより、光学測定装置１は、測定対象物Ｓ１の表面の凹凸形状の影響を受けずに測定対象物Ｓ１の測定を行うことができる。なお、光学部材５の先端部を、長手方向に対して斜めに切り欠くことによって傾斜面を形成してもよい。さらに、光学部材５は、測定波長の光を中継できればよく、空気などの気体、水などの液体であってもよい。この場合、金属や樹脂からなる中空の部材を用いればよい。

さらにまた、光学部材５が測定プローブ３の先端部３３に対して着脱自在であってもよい。これにより、測定対象物Ｓ１によって測定対象物Ｓ１と測定プローブ３の先端との距離を設定した光学測定を行うことができる。また、光学部材５の着脱は、結合部（図示せず）にそれぞれ雄ネジおよび雌ネジを設けることにより着脱自在に構成してもよい。もちろん、一方に溝を設け、他方に爪を設けて着脱自在に構成してもよい。

また、本発明では、異なる配置のファイババンドル３４を用いることができる。図１６は、照明ファイバ３４１と受光ファイバ３４２とが六方細密状に配置された先端部３３の一例を示す図である。図１７は、照明ファイバ３４１と受光ファイバ３４２とが同心円状に配置された先端部３３の別の一例を示すである。図１８は、照明ファイバ３４１と受光ファイバ３４２とが格子状に配置された状態であって、照明ファイバ３４１の位置がファイババンドル３４の中心からずれた位置に配置された先端部３３の一例を示す図である。図１９は、照明ファイバ３４１と受光ファイバ３４２とがランダムに配置された先端部３３の一例を示す図である。

対応付け部２８ｃは、上述した対応付け処理を行うことによって、図１６〜図１９に示すように配置されたファイババンドル３４を用いる場合であっても、先端部３３の各受光ファイバ３４２と基端部３１の各受光ファイバ３４２との位置合わせを容易に行うことができる。

また、本発明では、光源部２２と照明ファイバ３４１との接続方法を変更することができる。図２０は、本発明の一実施の形態の変形例１にかかる光学測定装置を模式的に示す概略構成図である。

図２０に示す光学測定装置２００は、ファイババンドル３４の途中から個別に延ばした照明ファイバ３４１を本体部２０１の光源部２２に接続する。この場合、検出部２４は、測定プローブ３の基端部３１に接続させてもよい。

また、本発明では、光源部２２と照明ファイバ３４１との接続方法をさらに変更することができる。図２１は、本発明の一実施の形態の変形例２にかかる光学測定装置を模式的に示す概略構成図である。

図２１に示す光学測定装置３００は、本体部３０１に光源部２２が照射する照明光を測定プローブ３の照明ファイバ３４１に向けて反射するとともに、測定プローブ３の各受光ファイバ３４２から出射された測定対象物Ｓ１からの照明光の戻り光を検出部２４に透過させる光学系３０２を備える。光学系３０２は、光源部２２が照射する照明光を集光する集光レンズ３０２ａと、集光レンズ３０２ａが出射した照明光を測定プローブ３の照明ファイバ３４１に向けて反射する一方、測定プローブ３から出射された測定対象物からの照明光の戻り光を透過させる光分割素子３０２ｂと、測定プローブ３が出射した測定対象物Ｓ１からの照明光の戻り光を集光する一方、光分割素子３０２ｂから反射された照明光を照明ファイバ３４１に集光する集光レンズ３０２ｃと、光分割素子３０２ｂを透過した照明光の戻り光を伝播するコリメートレンズ３０２ｄと、を有する。

また、本発明では、測定プローブ３の先端部３３から照明ファイバ３４１を中心とした軸対象に強度が変化する空間プロファイルを別の投影で行ってもよい。図２２は、照明ファイバ３４１を中心とした軸対象に強度が変化する空間プロファイルを測定プローブ３の先端部３３に発生させる際の別の模式図である。

図２２に示すように、リレー光学系４０１を介して同心円状に強度が変化する少なくとも１種類の１次像Ｐ４の中心と測定プローブ３の先端部３３の照明ファイバ３４１の中心とを一致させて投影させる。これにより、対応付け部２８ｃは、１次像Ｐ４のパターンとリレー光学系４０１の倍率に基づいて、先端部３３の受光ファイバ３４２の強度分布と照明ファイバ３４１の距離とを対応付けることができる。さらに、１次像を投影する方法は、空間プロファイルの制御がしやすく、既知の空間プロファイルを得る場合に適用することが容易である。

また、本発明では、測定プローブ３の先端部３３から照明ファイバ３４１を中心とした軸対象に強度が変化する空間プロファイルを有する光を別の投影で行ってもよい。図２３は、照明ファイバ３４１を中心として光強度が変化する空間プロファイルを有する光を測定プローブ３の先端部３３に発生させる際の別の模式図である。

図２３に示すように、レーザ等によって構成された外部光源４０２によって、集光レンズ４０３を介して測定プローブ３の先端部３３における照明ファイバ３４１に１波長の波長長光を入射させる。これにより、照明ファイバ３４１のクラッド厚みが波長長光を漏れ出し、測定対象波長の光を閉じ込めた空間プロファイルを先端部３３に投影される。具体的には、図２４に示す空間プロファイルが測定プローブ３の先端部３３に投影される。なお、外部光源４０２として、測定プローブ３の照明ファイバ３４１のコア径と同一以下のコア径の照明ファイバからの射出光を用いても良い。この場合、ＬＥＤ、Ｘｅランプなどの任意の光源から得られる光を用いてもよい。

また、本発明では、照明光の波長範囲は、生体組織の情報取得のために最適化されるべきもので、適用先によって任意に設定可能であり、分光情報が有用である場合は、その波長範囲をカバーして広めに設定したり、離散的に複数帯域を設定したり、不要な場合はある程度帯域を限定したりすることで設定することができる。

また、本発明では、検出部２４が測定プローブ３の受光ファイバ３４２から入射された測定対象物Ｓ１内部を伝播して戻ってきた光のスペクトル成分および強度分布を検出して、各波長の検出値を測定してもよい。この場合、検出部２４は、分光のための回折格子等の分光デバイスを用いればよい。この回折格子等の分光デバイスは、リレー光学系の平行光路中に配置されることが望ましい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態を含みうるものであり、特許請求の範囲によって特定される技術的思想の範囲内で種々の設計変更等を行うことが可能である。

１，２００，３００ 光学測定装置
２，２０１，３０１ 本体部
３ 測定プローブ
４ 光散乱部材
５ 光学部材
２１ 電源
２２ 光源部
２３，３０２ 光学系
２４ 検出部
２５ 入力部
２６ 出力部
２７ 記録部
２８ 制御部
２８ａ 演算部
２８ｂ 補正部
２８ｃ 対応付け部
３１ 基端部
３１ａ，３３ａ 端面
３２ 可撓部
３３ 先端部
３４ ファイババンドル
３５ 被覆部
３０２ａ，３０２ｃ，４０３ 集光レンズ
３０２ｂ 光分割素子
３０２ｄ コリメートレンズ
３４１ 照明ファイバ
３４２ 受光ファイバ
４０１ リレー光学系
４０２ 外部光源
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 空間プロファイル
Ｓ１ 測定対象物

Claims (13)

1. 生体組織を測定するための光を出射する光源部と、
   複数の光ファイバを不規則に束ねたファイババンドルであって、先端部の端面における位置と基端部の端面における位置とで、ファイババンドルを構成する複数の光ファイバそれぞれの配置位置が異なる、かつ、前記光源部からの光を照明光として先端に伝播して前記生体組織に照射する照明ファイバと、前記生体組織で反射および／または散乱した前記照明光の戻り光を受光して伝播する複数の受光ファイバと、を有するファイババンドルを備えた測定プローブと、
   前記複数の受光ファイバがそれぞれ検出した前記照明光の戻り光を受光して光電変換を行うことによって各々の信号強度を検出する検出部と、
   前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバからの距離が異なる２以上の受光ファイバに対し前記照明ファイバを中心とした強度勾配を持つ光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付ける対応付け部と、
   を備えたことを特徴とする光学測定装置。
2. 前記対応付け部は、前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバを中心とした対称の強度分布の空間プロファイルを有する光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付けることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記対応付け部は、前記検出部が検出した前記各々の信号強度のうち信号強度が高い順に、前記複数の受光ファイバのうち前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバからの距離が近い前記受光ファイバを順次対応付けることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定装置。
4. 前記対応付け部は、前記検出部が検出した前記各々の信号強度に基づいて、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから前記複数の受光ファイバそれぞれの距離毎にグループ化を行うとともに、該グループに対応する前記各々の信号強度を一つの信号強度としてまとめて対応付けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学測定装置。
5. 前記測定プローブの先端部から前記複数の受光ファイバの端面に対して、強度が空間的に一様な光が入射された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度を平滑化する補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学測定装置。
6. 前記ファイババンドルは、基端部の端面における前記複数の光ファイバの配置と先端部の端面における前記複数の光ファイバの配置とが異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光学測定装置。
7. 前記ファイババンドルは、ライトガイドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光学測定装置。
8. 前記測定プローブの先端部に設けられ、前記照明ファイバおよび前記複数の受光ファイバの先端と前記生体組織との距離を一定に保つ光学部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光学測定装置。
9. 生体組織を測定するための光を出射する光源部と、複数の光ファイバを不規則に束ねたファイババンドルであって、先端部の端面における位置と基端部の端面における位置とで、ファイババンドルを構成する複数の光ファイバそれぞれの配置位置が異なる、かつ、前記光源部からの光を照明光として先端に伝播して前記生体組織に照射する照明ファイバと、前記生体組織で反射および／または散乱した前記照明光の戻り光を受光して伝播する複数の受光ファイバと、を有するファイババンドルを備えた測定プローブと、前記複数の受光ファイバがそれぞれ検出した前記照明光の戻り光を受光して光電変換を行うことによって各々の信号強度を検出する検出部と、を備えた光学測定装置が実行するファイババンドルの対応付け方法であって、
   前記測定プローブの先端部の端面に対して、前記照明ファイバからの距離が異なる２以上の受光ファイバに対し前記照明ファイバを中心とした強度勾配を持つ光が投影された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度と、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから各受光ファイバの距離とを対応付ける対応付けステップを含むことを特徴とするファイババンドルの対応付け方法。
10. 前記測定プローブの先端部に対して、前記照明ファイバを中心とした対称の強度分布の空間プロファイルの光を投影する投影ステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のファイババンドルの対応付け方法。
11. 前記対応付けステップは、前記検出部が検出した前記各々の信号強度のうち信号強度が高い順に、前記複数の受光ファイバのうち前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバからの距離が近い前記受光ファイバを順次対応付けることを特徴とする請求項９または１０に記載のファイババンドルの対応付け方法。
12. 前記対応付けステップは、前記検出部が検出した前記各々の信号強度に基づいて、前記測定プローブの先端部の端面における前記照明ファイバから前記複数の受光ファイバそれぞれの距離毎にグループ化を行うとともに、該グループに対応する前記各々の信号強度を一つの信号強度としてまとめて対応付けることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載のファイババンドルの対応付け方法。
13. 前記測定プローブの先端部から前記複数の受光ファイバに対して、強度が空間的に一様の光を入射された際に、前記検出部が検出した前記各々の信号強度を平滑化する補正ステップをさらに含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一つに記載のファイババンドルの対応付け方法。

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