JPH02234048A - 位相変調分光 - Google Patents

位相変調分光

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JPH02234048A
JPH02234048A JP1207095A JP20709589A JPH02234048A JP H02234048 A JPH02234048 A JP H02234048A JP 1207095 A JP1207095 A JP 1207095A JP 20709589 A JP20709589 A JP 20709589A JP H02234048 A JPH02234048 A JP H02234048A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔関連出願についてのクロスリファレンス〕本出願は、
以下の同時継続出願、 ’　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｕｐ目ｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　
ｆｏｒ　Ｕｓｅ　ｉｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｏｘｙｇ
ｅｎａｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｅ　Ｖｌｉｔｈｉｎ　Ｌｉｖ
ｉｎｇＴｉｓｓｕｅ“と標題の付されたブリトン・チャ
ンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃｈａｎｃａ）　１１による１
９８８年１１月２日に出願された米国出願第２６６、１
８６号、″Ａ　Ｕｓｅｒ−Ｗｅａｒａｂｌａ　｝ｌｅｍ
ｏｇｌｏｂｉｎｏｍｅｔｅｒ　ＦｏｒＭｅａｓｕｒｉｎ
ｇ　ｔｈｅ　Ｍｅｔａｂｏｌｉｃ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
　ｏｆ　ａＳｕｂｊｅｃｔ　”と標題の付されたブリト
ン・チャンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃｈａｎｃｅ）　ｌｌ
による１９８８年１１月２日に出願された米国出願第２
６６、０１９号、′Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　Ａｐｐａ
ｒａｔｕｓ　Ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅ　
　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ａ　　丁ｉ
ｓｓｕｅ　　Ｐｉｇｍｅｎｔ　　Ｏｆκｎｏｗｎ　Ａｂ
ｓｏｒｂａｎｃｅ，　　Ｉｎ　Ｖｉｖｏ．　Ｕｓｉｎｇ
　ｔｈｅ　ＤｅｃａｙＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
　ｏｆ　Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎ
ｅｔｉｃＲａｄｉａｔｉｏｎ”と標題の付されたブリト
ン・チャンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃｈａｎｃｅ）　栓に
よる１９８８年１２月２１日に出願された米国出願第２
８７、８４７号に関連するものである． ［発明の背景］ 組織のヘモグロビンおよびミオグロビンの変化を検出す
るのに、基本的なデュアル波長原理の応用が、ミリカン
（Ｇ．　Ａ．　Ｍｉｌｌｉｋａｎ）による猫の足の裏の
筋肉の研究における彼の仕事およびヒトの耳垂における
ヘモグロビンの脱酸素化を検出したミリカンとパッペン
八イマー（　Ｐａｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ）の仕事ととも
に始まった．多波長機器が開発されてきており、これら
の機器は、時分割フィルター技術または多波長レーザー
ダイオード光源のいずれをも使用し、パックグラウンド
信号と酸化チトクローム信号および還元チトクローム信
号とオキシヘモグロビン信号およびデオ．キシヘモグロ
ビン信号をほど（　（ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｅ）種々の
アルゴリズムを通じて高精度が求められる．この種の機
器はオキシ複合体形でありまた開発されたアルゴリズム
に適当な波長の光源を得ることが困難な場合が多く、ま
たはこれら光源はフォトンの計数が必要とされるような
ほどの低い光レベルを有する．これら機器は一般に８０
、０００ドル台の値段であり，そして文献に新生児およ
び成人の多くの実験データを生み出している．この種の
方法の基本的な問題は、光学距離が最初知られず、ヘモ
グロビンが除去できそしてチトクロームが直接調べられ
る動物モデルを参照して計算されることである．動物モ
デルからのこの種のデータのヒトへの転移可能性が、（
光学距離が直接測定される）時間分解式分光の発明の前
に克服されねばならなかった一つの困難性である．１９
８８年１１月２日に出願された本出願人による米国特許
第２６８．１６６号のｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｕｐｌ
ｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＩＪａｅ　ｉｎＭｏｎ
ｉｔｏｒｉｎｇ　Ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｅ
　Ｗｉｔｈｉｎ　ＬｉｖｉｎｇＴｉｓａｕｅＪを参照さ
れたい． 組織のヘモグロビンの連続波分光（　ＣＷＳ、Ｃｏｎｔ
ｉｎｕｏｕａ　ｗａｖｅ　ａｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）
が、際立った簡単さと感度ならびに組織の酸素欠乏の「
早期警告』の付与という利益を有することが立証されて
いる．光学距離を認定し、ヘモグロビン濃度の変化を定
量化し、そしてヘモグロビンおよびチトクロームの実際
の濃度値を認定するためのピコ秒パルス時間分解式分光
（ＴＲＳ．　ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄａｐｅｃｔｒ
ｏｓｃｏｐｙ）の組織への応用は組織の酸素欠乏の臨床
研究への大きな応用可能性を有する．その上さらに、連
続光分光法と結合して使用される時間分解式分光は、フ
ォトンが組織を移動するに応じそれらが通過する光学距
離を校正する手段を提供する．傾向ないし動向の指示が
多くの状況で大きな価値とされるが、連続光技術および
パルス光技術の両方について、ヘモグロビン濃度を定量
化する能力は、それらの臨床研究への応用可能性を大幅
に拡張するものである＃　”　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｕ
ｐｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｕｓｅ　ｉｎ　Ｍｏ
ｎｉｔｏｒｉｎｇ　ＯｘｙｇｅｎａｔｉｏｎＳｔａｔｅ
　Ｗｉｔｈｉｎ　Ｌｉｖｉｎｇ　Ｔｉｓｓｕｅ　”と標
題の付されたブリトン・チャンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃ
ｈａｎｃｅ）　経による１９８８年１１月２日に出願さ
れた米国出願第２６６、１６６号、および　　Ｍｅｔｈ
ｏｄｓ　　ａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓ　Ｆｏｒ　ｄｅｔ
ｅｒｍｉｎｔｎｇ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏ
ｎｏｆ　ａ　Ｔｉｓｓｕｅ　Ｐｉｇｍｅｎｔ　Ｏｆ　Ｋ
ｎｏｗｎ　Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ，　ＩｎＶｉｖｏ，　
Ｕｓｉｎｇ　ｔｈａ　ｒｊｅｃａｙ　Ｃｈａｒａｃｔｅ
ｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆＳｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ”と標題の
付されたブリトン・チャンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃｈａ
ｎｃｅ）社による１９８８年１２月２１日に出願された
米国出願第２８７、８４７号を参照されたい．［発明の
概要］ デュアル波長分光の原理は、搬送波周波数を時間特性が
散乱媒体を通る入力から出力へ向かうフォトン移動の時
間遅れと適合性がある（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）ある値
に選択する時間分解式分光に応用可能であることが見出
された． 本発明は、被変調波形が散乱媒体へ伝送されそして散乱
媒体の移動の後に検出される方法および装置を提供する
ものである．検出波形は変化を受けこうして初期の波形
と比較可能である．たとえば、波形が散乱媒体を通じて
の移動の際の遅れによって位相シフトを受ける．こうし
て、好ましい例において、波形の位相は変調されそして
位相シフトが検出される．互いに異なりまた既知の波長
を有する投射電磁輻射の２つの波形間の位相シフトの差
は、ヘモグロビンなどの吸収性成分の濃度を認定するよ
う順次処理できる． かくして、本発明の一つの目的は、時間、周波数および
位相変調などの信号変調技術を使用し、フォトン移動を
研究する方法および装置を提供することである．本発明
の特定の目的は、ＰＣｒ／Ｐ１比が減少し始める点で、
ヘモグロビンなどの吸収性色素の臨界値を認定するため
に、位相変調分光（ＰＭＳ％ｐｈａａｅ　ｍｏｄｕｌａ
ｔｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が連続波分光と結
合して利用可能な方法および装置を提供することである
．本発明の別の目的は特定の実施例として、ある経済的
で商業的に実行可能な実施例で、時間分解式分光の種々
の利益の臨床的な応用が許容されるデュアル波長位相変
調装置を提供することである． ［詳細な説明］ 信号の時間、周波数または位相が変調可能である．位相
変調が上述の時間開放式分光（ＴＢＳ、ｔｉｍｅ−ｒｅ
ｌｅａｓｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）技術の好都
合な手段のようにみえる．第ＩＡ図には、位相変調の原
理を使用する単一波長分光計が図示されている。
この例では、２００ＭＨｚで動作する周波数発生器ｌ７
が７６０ｎｍの波長の光を放射する４ｍＷレーザーダイ
オードを励起する．光はファイバ光学系ｌ５を通じて対
象物２０へ伝達される．光が組織を通じて移動した後そ
れは検出される．好ましくはこの検出器は光電子増倍管
とこれに関連付けられる電源ｌ６から構成され、この種
の装置の一つの例がＨａｍａｍａｔｇｕ　Ｒ９２８であ
る・周波数検出器１７はまた５０ｋＨｚ発振器ｌ９から
の入力を受容し、２００．０５ＭＨｚの基準波形を伝送
し、これが検出器ｌ６への入力である．したがって、検
出器ｌ６からの出力波形２２は差、すなわち５０ｋＨｚ
、に等しいある搬送波周波数にある．検出器ｌ６からの
出力波形２２および発振器ｌ９からの基準波形が位相お
よび振幅検出器２４に送られる．この実施例では、位相
・振幅検出器２４はロックイン増幅器である．ロツクイ
ン増幅器の出力は検出信号の位相シフトおよび振幅を表
す信号である．これらの信号は順次処理されまたヘモグ
ロビンなどの吸収性成分の相対濃度に関連せられる． 第１図の実施例では、ヘリウムーネオンレーザー光源ｌ
Ｏが、２００ＭＨｚで動作する広帯域音響一光学変調器
１２へ接続される．音響一光学変調器１２は、レーザー
１０が放射する光の周波数変調を行う．光は、ファイバ
光学系の導光手段ｌ４を通じて、図示されるように対象
物２０の前頭部へまたは別の調べられるべき領域へ伝達
される．入力波の場所から約３ないし６ｃｍのところの
信号が、たとえば、Ｈａｍａｍａｔｓｕ　Ｒ９２Ｂなど
の検出器１６により受信される．ダイノードは２２０．
０５０ＭＨｚの信号１８により変調を受け、５０Ｈｚの
ヘテロダイン信号が得られそしてＰＡＲ　ＳＲ５１０の
ようなロックイン増幅器２４へ送られる．上述のように
、ロックイン増幅器のための基準周波数は２つの周波数
間の差５０Ｈｚから得られる．伝送波形と検出波形との
間の位相シフトは高精度に測定されそして参照番号２６
で図示される出力波形はストリップチャートレコーダー
にアナログ信号としてプロットされ、使用者が脳やその
ほかの組織を通じての光の伝搬における変化を追跡する
ことが可能となる．信号の対数変換が順次得られる．結
果は、ヘモグロビンのような吸収性色素の濃度の変化に
直線的に関係づけられる． 第２図を参照すると、本発明により作られたデュアル波
長位相変調分光計の簡単な実施例のブロック図が図示さ
れている．第ＩＡ図の単一波長装置と異なり、この実施
例は絶対的規準で吸収成分の濃度の認定が可能である．
第２図の実施例は、光が２つの別個の波長で対象物へ伝
送されること以外は、第ＩＡ図に図示のものとほぼ同様
である． 第２図は本発明の装置の第２の実施例を図示する．この
実施例では、レーザーダイオード光は振幅変調を受けそ
してフォトン移動により生ずる位相シフトは光学検出器
とミクサと位相検出器とにより測定される．デュアル周
波数時分割装置は２２０Ｈｚのケンウッドモデル＃３２
１のような安定な発振器３ｏ、３２から構成され、好ま
しく使用される発振器は１４４ＭＨｚから４４０ＭＨｚ
（ケンウッドＴＭ７２１Ａ）の波形を発生できる．当業
者であれば分かるように、周波数の連続的な変化が可能
であるけれども、上述の周波数のうちの１４４ＭＨｚ、
２　２　０Ｍ｝ｌ　ｚおよび４４０ＭＨｚの３つの周波
数が、初期研究およびそのほかの応用の目的にとって適
当である．図示されるように、基準位相信号３６を得る
ために、発振器３０、３２は５０Ｈｚだけ離れて設定さ
れ差周波数はミクサ３４によって検出される。好ましく
は直径が約３ｍｍのファイバ光学系導光手段４４、４６
により伝達される２２０ＭＨＺ変調光を対象物２０の頭
部の面またはそのほかの検査されるべき領域へ投射する
ために、２００Ｈｚの電子切替手段３８が、公称約７５
０ｎｍないし７６０ｎｍおよび８００ｎｍないし８１０
ｎｍで動作するレーザーダイオード４０、４２を交互に
励起する． ２　２　０Ｍｔ｛　ｚで満足すべき動作を実現する目的
のために最もコスト的に効果的な検出器４８が｝１ａｍ
ａｍａｔｓｕ　Ｒ９２８であることが見出されタ．シカ
し、より有利な装置が、１２０ピコ秒の走行時間広がり
と高い利得とを有するマイクロチャネルプレート管であ
るＨａｍａｍａｔｓｕ　Ｒ１６４５ｕ　，すなわち２段
形マイクロチャネルプレート光電子増倍管４８である，
５ｘｌＯ＆　（５７ｄＢ）の電流増幅が可能なこの管は
時間分解式分光（ＴＲＳ）研究でのパルス作動時間測定
に使用されるものと同様であり、上述の目的にとって理
想的であると考えられる．　”　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎ
ｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉ
ｎｇｔｈｅ　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　
Ｔｉｓｓｕｅ　Ｐｉｇｍｅｎｔ　ＯｆＫｎｏｗｎ　Ａｂ
ｓｏｒｂａｎｃｅ，　Ｉｎ　Ｖｉｖｏ，　Ｕｓｉｎｇ　
ｔｈｅ　Ｄｅｃａｙ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
　ｏｆ　Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎ
ｅｔｉｃＲａｄ　ｆａｔ　ｔｏｎ”と標題の付されたブ
リトン・チャンス（Ｂｒｉｔｔｏｎ　Ｃｈａｎｃｅ）　
Ｊｊによる１９８８年１２月２１日に出願された米国出
願第２８７、８４７号を参照されたい．光電子増倍管４
８は高利得が保証されるために、約３４００Ｖの出力を
有する高電圧源５０へ接続される．図示のように、光電
子増倍管４８はファイバ光学系導光手段４４、４６を介
して脳またはそのほかの組織領域へ接続できまたは直接
接続可能でありそしてアース電位から隔離されるハウジ
ングに配置可能である．上述のように、検出器４８は対
象物２０に装着されモしてミクサ５２へ接続され、ミク
サが、発振器３２からの２２０．０５０ＭＨｚと混合す
る（ミキシングする）ことにより、検出器４８の２２０
ＭＨｚ出力を５０ｋＨｚ信号へ下方変換する．ロックイ
ン増幅器５４が射出波の・位相を認定する．ロックイン
増幅器５４はまた信号の対数を得る．この信号は２つの
波長の各々の信号間の差を認定する別の位相検出器／ロ
ツクイン増幅器５６へ順次送られ、信号５８は、ヘモグ
ロビンのような吸収性色素の濃度に比例する．この実施
例は新生児ならびに成人の脳で使用可能である．時分割
形デュアル波長レーザーダイオード位相変調分光装置の
好ましい実施例が第３図に図示されている．この実施例
では、一対のレーザーダイオード１００，１０２が２２
０ＭＨｚで安定周波数発生器１０４（ケンウッド３２ｌ
）により平行的に励起される．各ダイオード１０２、１
０４は、好ましくは７６０ｎｍと８００ｎｍの異なる波
長の電磁輻射を発生する．電磁輻射は振動ミラー１０５
により時分割が行われ、振動ミラーが、好ましくは約６
０Ｈｚのある変調周波数で単一ファイバ光学系ブローブ
を照射する．ミラー１０５の運動と６０Ｈｚ位相検出器
１２０の同期は（後述するように）６０Ｈｚのロックイ
ン増幅器１２０での基準電圧の電気的結合を使用して行
われる．こうして、各波長の電磁輻射が放射と検出との
間で同期化される． 当業者は、第３図の分光装置は第２図に図示される実施
例と、後者の実施例が一方のレーザーの励起パワーを他
方からコード化するのに搬送波変調系を使用するが第３
図の実施例は同じ周波数で励起される２つのレーザーか
らの出力光間で連続的に切り替える点で、異なることに
注目しよう．時分割される７　６　０　／　８　０　０
　ｎ　ｍの光は光学ファイバ１０６を通じて対象物２０
へ印加される．数センチメートル離れて、好ましくは比
較的広い面積の別のファイバを備える出力ブローブ１０
８が対象物を通じて移動してきた光を集めそして光電子
増倍管（Ｈａｍａｍａｔｓｕ　９２８）またはマイクロ
チャネル検出器（Ｉ｛ａｍａｍａｔｓｕ　Ｒ１６４５ｕ
）が適当なホト検出器１１０を照射する．集められた光
は、入力および出力間でのフォトン移動の時間遅れによ
り入力振動から位相シフトされる． ２２０．０３０ＭＨｚの波形を発生する別の発振器１１
４がミクサ１１２へ接続される．検出器１１０の２２０
．０００ＭＨｚ出力もまたミクサへ接続される．その結
果、位相変調周波数は、ロックイン検出に都合のよい周
波数である３０ｋＨｚへ下方シフトされる．この信号は
好ましくはロックイン増幅器である位相検出器１１６へ
の一人力である．位相検出器１１６への別の入力が、２
２０．ＯＯＯＭＨｚの発振器１０４および２２０．０３
０ＭＨｚの発振器１１４のからの入力なミクサ１１８に
接続し、位相基準として使用されるシフトされない３０
ｋＨｚ信号を得ることによって得られる．こうして、ロ
ックイン増幅器１１６は周波数検出器１０４、１１４か
ら直接得られる基準位相および対象物２０を通じてのフ
ォトン移動により得られる位相変調された入力で動作す
る． 信号出力の位相は８００ｎｍでの光伝搬による位相と７
６０ｎｍでの光伝搬による位相との間で変化する．ロッ
クイン増幅器１１６の出力はこうして６０Ｈｚの波形で
あり、その振幅は２つの波長で位相情報を保持する．位
相差検出器１１６の出力は順次６０Ｈｚの振動ミラー１
０５を駆動するものと同様の波形と接続が行われる．位
相検出器の出力は、各々が出力位相検出器の波形のピー
クの６０Ｈｚ波形の逆位相を交互に積分回路網へ接続す
る振動リード変調手段のスイッチ接点を使用することに
より得られる．出力は、７６０ｎｍおよび８００ｎｍの
位相シフトに対応する６０Ｈｚ波形の２つの部分の振幅
の差を記録するために差動増幅器へ入れられる．この位
相差出力は、０．０５ＨｚないしＩＨｚから適当にろ波
されそしてデュアル波長時間分解式分光によるヘモグロ
ビン濃度の変化の連続時間記録が提供される．第３図に
図示される装置の利益は、同一の発振器周波数で連続的
に動作せられる２つのレーザーダイオードから操作され
る対象物への単一導光入力の利益が与えられることであ
る．こうして、励起に関連付けられる周波数のスブリア
ス位相差が最小限なものとされる．すなわち、７６０ｎ
ｍ信号と８００ｎｍ信号との間で何らの差分位相シフト
も予期されない．かくして、３０ｋＨｚの差分信号は、
これら２つの波長間の真の位相遅れを表そう．・その上
、この領域の位相ノイズが差分検出器１１６によりでき
るだけ最小限なものとされよう．光電子増倍管検出器１
１０は、混合（ミキシング）機能は検出器から分離され
ているので、適当に速いものであればいずれのものでも
よい．２つの信号の位相および振幅の差を誘導するため
に得られたロックイン増幅器技術はこの種の機器にとっ
て可能な最も高い信号対雑音比を有する．ロックィン技
術を伴う時間分解式デュアル波長分光の原理は一般にデ
ュアル波長分光で採用される原理に従う．しかし、本発
明は、 ２２０．０００ＭＨｚの搬送波周波数が、観測される約
５ナノ秒の特性時間値を持つ入力および出力間のフォト
ン移動時間を測定するのに十分速いものであるので、著
しく改善された装置を提供するものである．それゆえ、
開示された装置の感度は高く、実験模型で観察されるよ
うに、単位ナノ秒当り約７０＠または光学距離の変化の
単位センチメートル当り約３°である。
時間分解式分光へのデュアル波長分光の原理の応用は、
時間特性が入力から出力へ向かうフォトン移動の時間遅
れと適合するある値に搬送波周波数を選択することが含
まれる．開示される装置は、フォトン移動がすべての可
能なパス長さにわたり測定される連続光方法と対照的に
たとえば約ｌメー１トルなどの特定距離にわたりフォト
ン移動の際の吸収変化を正確に測定するという結果が達
成される．脳内出血研究のため、脳の全ての部分の探索
が保証されるよう、好ましくは、約１メートルのパス長
さが選択される．明かに、より高い周波数により、入出
力構成で、局所化された脳のより小さな部分が選択され
よう． ヒトの組織のような多散乱媒体について、伝達されるフ
ォトンのパス長さを認定する唯一の知られている方法は
飛行時間および屈折率の測定であり、これから、移動距
離が計算可能である．脳のこのバス長さは数センチメー
トルの　桁であるので、走行時間はナノ秒またはそれ以
下の　桁である．この時間領域のこのような時間の直接
測定がいくつかの基本的な欠点を有する．必要とされる
時間分解能がより精細なものとなるに従って、検出帯域
幅は増大しなければならず、信号パワーはよくても一定
であり、ノイズパヮーは帯域幅の増大に比例して増加す
る．パルス作動動作および連続動作の両方について平均
出力パワーがほぼ同じであるレーザーダイオードなどの
発光源について、パルス幅が減ぜられる場合、信号パワ
ーは標準的には減少する．ブローブパルス間の時間は、
戻り光が約ゼロへ崩壊するのに十分な時間とされねばな
らないので、パルス列のデューティサイクルは標準的に
は小さく、これは低平均信号パワーまたは高ビークパワ
ーを意味し、これは、調べられる組織を被覆する皮膚に
とって危険性がある．最後に、適当な電子回路系を構成
することの費用および困難性は両方とも、連続波装置よ
りもパルス作動装置のほうがかなり高い．時間領域式測
定の一つの代替え例として、時間強度の代わりの位相測
定を付帯した連続波装置が利用可能であり、単一周波数
でプローブおよび戻り光間の位相シフトの測定に基く簡
単な計算が特性的な崩壊時間を与える．このような装置
が、ブローブ信号における高い平均パワーと検出と狭帯
域幅変調の．利益を有し、信号対雑音比したがってデー
タ収集時間での相当な利益をもたらす．時間測定のこの
技術、特にレーダーや時間基準や分光に応用されるもの
として相当な量の文献がある．おそらく本出願に最も関
連の文献は、けい光崩壊機構の位相分解式測定に関する
文献である． 本発明の装置の別の代替え例が第４図に図示されている
．この装置はＮＭＲ技術でなくより通信技術に頼るもの
であり、本質的に、側波帯が、必要とされる変調周波数
シフトに比例して変位せられる単一側波帯装置である．
この設計は、送信／受信周波数当り約３００ドルの値段
で重大な利益であるより多くの信頼性を既存の無線周波
数送信機／受信機に与えるものである． 上述されるように、装置のブロック図が第４図に図示さ
れている．この実施例において、２２０ＭＨｚで動作す
る第１の標準の通信送信機／受信機（トランシーバ）２
００が、レーザーダイオード２０２を励起する波形を発
生するために、送信モードで使用される．トランシーパ
２００は、３ｋＨｚで単側波帯（ＳＳＢ）変調を提供す
るために、単側波帯モードで使用される．この搬送波信
号は送信機２００へ送られそして位相検出器／フィルタ
２０８へ送られ、位相検出器／フィルタ２０８は別のト
ランシーバ２０４からの入力をも受容する．前述の実施
例におけるように、レーザーダイオード２０２は光学フ
ァイバ２１６を通じて対象物２０へ伝達される光を投射
する。
単側波帯変調信号は脳を通じての移動の際の遅れにより
位相シフトを受ける．光は、対象物２０を通じて移動す
るに応じて散乱および吸収され、そして光カップラ／フ
ァイバアツセンブリ２１８により受容される．受容光は
順次、（上述の実施例で説明した）光電子増倍管または
マイクロチャネルプレート形のもののいずれでもよい検
出器２２０へ伝送される． 検出器２２０の出力は第２のトランシーバ２０４のＲＦ
入力へ結合される．すなわち、トランシーバは受信単側
波帯モードで使用されそして位相シフトされた３　ｋ　
Ｈ　ｚのトーン（音調）が得られそして位相検出器ライ
ルタ２０８へ接続されろ．出力は、第２の単側波帯トラ
ンシーバ２０４へ入力される３ｋＨｚの位相シフトされ
た信号である。位相のコヒーレンスを保証するために、
第１のトランシーバ２００と第２のトランシーバ２０４
は位相同期ループを形成する，３ｋＨｚ搬送波波形もま
た周波数分割器２０６により２２０ＭＨｚへロックされ
、それにより、２　２　０ＭＨ　ｚおよび３ｋＨｚ位相
をロックし、位相シフトが高精度で認定されるようにす
る．第４図に図示されるように、送信機発振器２００の
出力が、３ｋＨｚ信号を生ずるよう、約７Ｘ１０’によ
り周波数分割される．位相検出器／フィルタ２０８の出
力はこうして位相シフトに関連付けられしたがって対象
物の吸収を表す． 搬送波周波数は最初２　２　０ＭＨ　ｚであるよう選択
され、これは数ナノ秒の崩壊時間について検出可能な位
相シフトを与えるのに十分な高さであり、商業的に入手
可能な種々のアクティブミクサの帯域幅内にあるのに十
分な低さである。ダイオードリング式ミクサが３６ＧＨ
ｚまでは容易に入手可能であるが、それらは、アクティ
ブ（トランジスタブリッジまたはリニアマルチブライヤ
）設計のものよりも大幅に小さいダイナミックレンジを
有し、この形の分光装置にとって大きなダイナミックレ
ンジがきわめて重要である．複数の光学波長が個々の副
搬送波周波数で平行に伝送されそして検出されるように
するため、そして位相検出が、市販の位相感知検出器す
なわちｒ口ックイン増幅器」の周波数帯域内で行われる
ようにするため、ヘテロダイン装置が選択される．これ
らの装置は無類の雑音指数と直線性とダイナミックレン
ジと位相および振幅確度を有し、それらの性能は、ＲＦ
搬送波周波数で直接動作するいずれの位相検出器よりも
非常に優れている．マスターＲＦ発振器からの周波数分
割によるロックイン増幅器のための基準信号の発生が、
搬送波についてのすべての復調信号およびすべての副搬
送波の適当な位相コヒーレンスを提供し、波長間の何ら
の位相校正も必要とされない．分割による周波数発生が
、任意のマスター発振器について、可能な限りできるだ
け最小限の位相ノイズをも提供する．多重指数関数形崩
壊の測定などのように、もし追加の搬送波周波数が必要
とされる場合には、この設計で必要とされる唯一の変更
は１　ｂｙＮのＲＦスイッチおよび追加のＲＦ発振器の
追加であろう．レーザーダイオードが、それらの非常に
高い放射性、光学ファイバへの結合の容易さ、狭い出力
スペクトルおよび波長安定性、長寿命ならびにＲＦ周波
数での変調の容易さのために熱発生に関して選ばれる．
装置の信号対雑音比をできるだけ最大限にするためにそ
してレーザーの非直線性による相互変調ひずみの問題を
回避するために、単一側波帯抑圧搬送波変調が使用され
る．中間周波数は１０ないし１００ｋＨｚの範囲内で選
択され、単一側波帯フィルタの実現可能なＱを許容する
のに十分高くなければならないが、低価格の市販のロッ
クイン増幅器の範囲内にあるよう十分低くなければなら
ない． レーザーのヒートシンクは、ベルチェ冷却器およびフィ
ードバック制御を使用し温度制御されることが好ましい
．温度制御は、レーザーの波長を安定化し、市販のダイ
オードの許容差 （約±１０止）をカバーするよう出力波長の十分な同調
動作が許容されるために必要である．しかし、位相シフ
トの復調後形検出が、一定の波長または振幅のいずれも
必要とされないので、この問題を実質的に除去すること
に注意されたい。
光学装置は、レーザーごとの一つの光アイソレー夕と、
レーザー光を光学ファイバへ結合するレンズ組立体と、
対象物へおよび対象物から光を伝送するファイバ束と、
ファイバ束の末端のファイバ一対象物カップラと光検出
器組立体とから構成される． アイソレー夕は、光学系または対象物からの反射による
レーザーキャビティへの光学的なフィードバックを回避
するのに必要であり、この種のフィードバックは、−６
０ｄＢと同程度のレベルでさえも、レーザー源に振幅雑
音および位相雑音の両方を生じさせることがよく知られ
ている．ファイバ束の製造のために選ばれるファイバは
公称の１００ＭＨｚ変調周波数で導入される位相の不確
定性が関心のある位相シフトよりも非常に小さいように
十分小さな分散を持たなければならない．同時に、可能
な限り最大限のコア径および開口数が所望される．これ
は、レーザーとファイバのカップリングを簡単化しそし
てこれをより強固なものにしそして近似的にランバート
放射体（Ｌａｍｂａｒｔｉａｎ　ｒａｄｉａｔｏｒ）で
ある対象物から集められる戻り光信号を大幅に増加する
．この理由のために，単一モードファイバが、それらの
途方もない帯域距離積（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ−ｌｅｎｇ
ｔｈ　ｐｒｏｄｕｃｔ）にもかかわらず、除外される．
多モードファイバについては、ここで考えられている帯
域幅や長さや発光源について多モード分散（ｍｏｄａ’
ｌ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）だけが重大であり、それゆ
え、導波路分散および材料分散を無視する．まずステッ
プインデックスファイバを考えると，簡単な射線光学系
がモード分散を決定するものが開口数でありコアの大き
さでないことを示す．許容可能な１００ピコ秒の時間不
確定性と２メートルの全ステップインデックスファイバ
長について、約０．１７またはそれ以下の開口数が必要
とされよう．市販のすべてのステップインデックス形多
モードファイバが非常に大きな開口数を有する．しかし
、理想的なグレーデッドインデックス形多モードファイ
バについて、メリジオナル光線についてのモード分散が
フェルマーの原理からゼロであり、そして市販のグレー
デッドインデックス形ファイバの実際の帯域距離積が、
この研究に関し関心のある波長で１　０　０　Ｍ｝ｌｚ
−ｋｍを超える．それゆえ、コアの大きさが１００μｍ
、開口数が０．３そして帯域距離積が１００ＭＨｚ−ｋ
ｍのグレーデッドインデックスファイバを選ぶ．このフ
ァイバはまたファイバ束を製造するのに十分安価（０．
５０ドル／メートル）であると考えられる． 検出光学系は、検出器の活性領域と整合する断面積のフ
ァイバ束と、レーザー波長だけを通過させそして室内光
による検出器の飽和を回避するための光学帯域幅フィル
タまたはくしフィルターと、検出器自体とから構成され
る．最初、光電陰極がガリウム砒素（セシウム） （ＧａＡｓ　（ｄｓ））の光電子増倍管を使用する．こ
の検出器は、光電陰極がシリコンの光電子増倍管と比較
して利得がほぼ３０良好で、またシリコンのアバランシ
エフオトダイオードと比較し、アバランシエフオトダイ
オードの非常に小さな活性領域を含まず、利得がほぼ３
００良好である．しかし、光電子増倍管はまたこの応用
に関しある限界帯域幅をも有しそして利得を減ずるのに
ダイノードの連鎖の中央からの信号の抽出を要求しても
よい．もし、信号対雑音比が十分であることが分かれば
、装置は、光電子増倍管に代えてアバランシェフォトダ
イオードの置き換えによって、後に容易に修正可能であ
り、こうして、費用が低減されそして帯域幅と信頼性と
堅牢さとが増大される．アバランシェフォトダイオード
検出器はまた、その大きさの小ささと価格の安さにより
，イメージング実験のために使用される．逆に、もしよ
り大きな検出帯域幅と高い利得が同時に必要とされるな
らば、マイクロチャネルプレートフォトマルチブライヤ
が使用可能であり、この場合の不利益は、非常なコスト
の高さと、入手可能なＧａＡｓ　（ｄｓ）のものと比較
して約３０の割合の光電陰極の感度の低さである． 可変利得段の次に、検出器からの信号は中間周波数へと
へテロダイン検波が行われそして市販の２位相口ックイ
ン増幅器へ送られる．一つの光学波長（中間周波数）当
り一つのロックィン増幅器が使用される．これはコスト
を増加させるけれども、《２つの増幅器と１つの増幅器
とを比較し》約１．４１　（ｆ２）の割合だけデータ収
集時間を減し、各波長での相対的吸収機構についての所
望されない仮定を回避させる． 全装置は、ＩＢＭコンパチブルポータブルコンピュータ
とＩ　ＥＥＥ４８８、アナログーディジタル、ディジタ
ルーアナログおよび双方向性ディジタルインタフェース
とにより制御可能である．後者は全てＩＢＭのための２
つの低コストプラグイン形カードにより提供可能である
．コンピュータ制卿装置の使用は種々の大きな利益を有
するが、その中でも特に、特に統計学的解析におけるデ
ータの後処理の容易さ、正確さ、速度、装置が改善され
るに応じての簡単な構成変更および試験や人体模型実験
のための自動操作の可能性という利益を有する．ポータ
ブル機械の選択によって、本発明の臨床的な試みを大幅
に簡単にする．各々それ自身の副搬送波によりコード化
される多波長位相変調の技術は第３図の好ましい実施例
に例示されるように容易に実行できる．この種の装置の
出力は、既存の装置の連続波技術に取って代わると同時
にヘモグロビンおよびチトクロームでさえもその種々の
状態をデコード化するためのアルゴリズムを利用する．
大きな利益は、光学的なパス長さが知られそして仮定さ
れないことである．こうして、位相変調は、崩壊が指数
関数的であり長いパス移動が含まれる場合、約５ｎｍ秒
の遅れ時間を強調するように作ることができるので、時
間分解形分光技術の便利な実施態様である．
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による単一波長位相変調分光装置のブ
ロック図である． 第ＩＡ図は、本発明によるデュアル波長位相変調分光装
置の実施例のブロック図である．第２図は、本発明によ
る位相変調分光装置の別の実施例のブロック図である． 第３図は、本発明による分光装置の好ましい実施例のブ
ロック図である． 第４図は、本発明による分光装置の代替実施例のブロッ
ク図である． ＦＩＧ．４ ＦＩ　Ｇ．

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する方法にお
    いて、 （ａ）散乱媒体における伝搬に適当な周 波数の波形を発生し、 （ｂ）散乱媒体を効果的に伝搬するよう 選択されそしてある既知の波長を有 する電磁輻射を発生し、 （ｃ）前記波形を前記電磁輻射に賦課し て被変調波形を発生し、 （ｄ）前記電磁輻射を散乱媒体へ結合 し、 （ｅ）前記散乱媒体を通じ移動する前記 電磁輻射の部分を備える変化波形を 検出し、 （ｆ）散乱媒体を通じて移動せられな かった基準波形と前記変化波形とを 比較することにより、散乱媒体にお ける伝搬および吸収による前記電磁 輻射に関連付けられる定量化可能な パラメータの変化を認定し、 （ｇ）前記変化を、散乱媒体の吸収性成 分の濃度の定量測定値へ変換する諸 段階から構成される方法。
  2. （２）前記定量化可能なパラメータは時間である請求項
    第１項記載の方法。
  3. （３）前記定量化可能なパラメータは位相である請求項
    第１項記載の方法。
  4. （４）前記定量化可能なパラメータは周波数である請求
    項第１項記載の方法。
  5. （５） （ｇ）散乱媒体を効果的に伝搬するよう 選択されそしてある別の既知の波長 を有する電磁輻射を発生し、 （ｈ）前記波形を、散乱媒体を有効に伝 搬するように選択されそしてある別 の既知の波長を有する前記電磁輻射 に賦課して別の変調波形を発生し、 （ｉ）第１の波長を有する前記輻射と第 ２の波長を有する前記輻射を交互に 散乱媒体に結合し、 （ｊ）段階（ｉ）の前記の交互の結合 と、前記変化波形の検出とを同期さ せる諸段階を備える請求項第１項記載の方法。
  6. （６）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する方法にお
    いて、 （ａ）第１の周波数を有する第１の波形 を発生し、 （ｂ）前記波形を、既知の波長の輻射を 投射する少くとも２つの電磁輻射源 に賦課し、 （ｃ）前記輻射源の各々からの輻射を、 ある入力場所にて散乱媒体へ交互に 結合し、該交互の結合はある基準周 波数で生じ、 （ｄ）ある出力場所で、前記散乱媒体を 通じ移動した電磁輻射部分を含む変 化波形を検出し、 （ｅ）第２の周波数を有する第２の波形 を発生し、 （ｆ）前記変化波形と前記第２の波形と の混合を行ない、下方変換波形を生 成し、 （ｇ）前記第１の波形と前記第２の波形と の混合を行ない、下方変換された基 準波形を生成し、 （ｈ）前記下方変換された波形と前記下 方変換された基準波形とを比較し、 そしてある出力波形を生成すること により、散乱媒体での伝搬および吸 収による前記輻射に関連付けられた 定量化可能なパラメータの変化を検 出し、 （ｉ）前記出力波形と前記基準波形とを 比較しそして差出力を生成すること により、前記輻射の各前記波長間 で、定量化可能なパラメータの前記 変化の差を検出し、それにより、前 記差出力が前記吸収性成分の濃度に 関連付けられる方法。
  7. （７）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する方法にお
    いて、 （ａ）第１の周波数を有する波形を発生 し、 （ｂ）前記波形を、前記散乱媒体へ伝送 し、 （ｃ）前記散乱媒体からのその出口で前 記波形の位相角を検出し、 （ｄ）第２の周波数を有する波形を発生 し、 （ｅ）前記波形を前記散乱媒体へ伝送 し、 （ｆ）前記散乱媒体からのその出口で前 記波形の位相角を検出し、 （ｇ）前記第１の周波数の波形および前 記第２の周波数の波形の位相角間の 位相差を認定し、 それにより、前記第１の周波数および第２の周波数が、
    段階（ｂ）と（ｃ）の伝送と段階（ｃ）または（ｆ）の
    検出との間の時間差に相応するよう選択される方法。
  8. （８）デュアル波長分光の原理を時間分解形分光へ応用
    することにより、散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定す
    る方法において、 （ａ）時間特性が、該散乱媒体を通る入 力から出力へ向かうフォトン移動の 時間遅れと適合するある値であるよ う選択される搬送波周波数にて、２ つの異なる波長の電磁エネルギを前 記散乱媒体へ伝送し、 （ｂ）前記散乱媒体を通る入力から出力 へ向かう前記電磁エネルギの位相シ フトの差を認定し、 （ｃ）前記位相シフトの差から吸収性成 分の前記濃度を認定し、 それにより、この装置は、ある特定の距離にわたるフォ
    トン移動の吸光度変化の正確な認定を達成する方法。
  9. （９）対象物の組織領域の吸収性色素の濃度を認定する
    方法において、 （ａ）第１の周波数を有する第１の波形 を発生し、 （ｂ）ある切替周波数で、各々異なる波 長を有するパルスを発生できる電磁 エネルギのパルスを発生する少くと も２つの手段との間で、前記第１の 波形を切り替え、 （ｃ）異なる波長の前記パルスを前記組 織領域近傍のある入力場所へ伝送 し、 （ｄ）前記組織領域近傍の出口場所で前 記パルスの位相角度を検出し、 （ｅ）前記位相角を表す検出信号を増幅 し、 （ｆ）第２の周波数を有する第２の波形 を発生し、 （ｇ）前記第２の波形および前記第１の 波形の混合を行い、第１の基準波形 を発生し、 （ｈ）前記第２の波形および前記検出信 号の混合を行い、前記第１の基準信 号と同様の周波数を有する位相シフ ト信号を発生し、 （ｉ）前記第１の基準信号と前記位相シ フト信号とを比較し、位相シフト データを生成し、 （ｊ）前記位相シフトデータを対数スケ ールへ変換しそして対数位相シフト データを表す信号を発生し、 （ｋ）前記対数位相シフトデータを前記 切替周波数と同期させることによ り、異なる波長のパルスの入力から 得られるデータを分離し、 （ｌ）各々が各波長を表すデータを包含 する、異なる波長のパルス入力から 得られた前記対数位相シフトデータ の連続組間の差を得、 （ｍ）前記差を、存在する前記吸収性成 分の実際の濃度へ変換することから 構成される方法。
  10. （１０）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する装置に
    おいて、 （ａ）散乱媒体の伝搬に適当なある周波 数の波形を発生する発振器手段と、 （ｂ）既知の波長を有する電磁輻射を発 生するレーザー手段と、 （ｃ）被変調波形を発生するために、前 記波形を前記レーザー手段に賦課す る手段と、 （ｄ）前記輻射を散乱媒体に結合する導 光手段と、 （ｅ）前記散乱媒体を通じ移動する前記 輻射の部分を備える変化波形を検出 する検出器手段と、 （ｆ）散乱媒体の伝搬および吸収による 前記輻射に関連付けられる定量化可 能なパラメータの変化を認定するロ ックイン増幅器手段と、 （ｇ）前記変化を、散乱媒体の吸収性成 分の濃度の定量測定値として追跡す る手段と から構成される装置。
  11. （１１） （ｈ）別の既知の波長を有する電磁輻射 を発生する別のレーザー手段と、 （ｉ）別の変調波形を発生するために、 前記波形を前記電磁輻射に賦課する 手段と、 （ｊ）第１の波長を有する前記輻射およ び第２の波長を有する前記輻射を交 互に散乱媒体に結合する切替手段 と、 （ｋ）前記変化波形の検出と（ｊ）の交 互の結合とを同期させる発振器手段 を備える請求項第１０項記載の装置。
  12. （１２）前記切替手段は音響−光学変調器である請求項
    第１１項記載の装置。
  13. （１３）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する装置に
    おいて、 （ａ）第１の周波数を有する第１の波形 を発生する発振器手段と、 （ｂ）既知の波長の輻射を投射する少く とも２つの電磁輻射源に前記波形を 賦課する手段と、 （ｃ）入力場所で、前記輻射源の各々か らの輻射を散乱媒体へ交互に結合す るための切替手段であって、該交互 の切替はある基準周波数で生ずる切 替え手段と、 （ｄ）前記散乱媒体を通じ移動する前記 輻射の部分を備える変化波形を検出 する検出器手段と、 （ｅ）第２の周波数を有する第２の波形 を発生する別の発振器手段と、 （ｆ）下方変換波形を生成するために、 前記変化波形搬および前記第２の波 形の混合を行うための手段と、 （ｇ）下方変換基準波形を生成するため に、前記第１の波形および前記第２ の波形の混合を行うための手段と、 （ｈ）前記下方変換波形と前記下方変換 基準波形とを比較することにより、 散乱媒体の伝搬および吸収による前 記輻射に関連付けられる定量化可能 なパラメータの変化を認定するロッ クイン増幅器手段と、 （ｉ）前記出力波形と前記基準波形とを を比較しそして差出力を発生するこ とにより、輻射の前記各波長間で、 定量化可能なパラメータの前記変化 の差を検出するロックイン増幅器手 段と、 から構成され、 それにより、前記差出力は前記吸収性成分の濃度に関連
    付けられる装置。
  14. （１４）前記切替手段は、電子切替手段から構成される
    請求項第１３項記載の装置。
  15. （１５）前記切替手段は、 （ａ）ミラーと、 （ｂ）前記ミラーを励振させるための電 気機械駆動手段と、 から構成される請求項第１３項記載の装置。
  16. （１６）散乱媒体の吸収性成分の濃度を認定する装置に
    おいて、 （ａ）単一側波帯波形を投射する第１の トランシーバ手段と、 （ｂ）前記第１のトランシーバにより励 起され、特定の波長の電磁輻射を投 射する手段と、 （ｃ）前記投射手段と散乱媒体とを結合 する手段と、 （ｄ）散乱媒体を通じて移動した後の前 記投射手段からの電磁輻射を集める 手段と、 （ｅ）変化波形を検出しそして前記変化 波形を表す信号を提供する検出器手 段と、 （ｆ）前記信号を受容しそして搬送波信 号を伝送しそして受容し、それによ り第１のトランシーバとフェーズロ ックループ状態である第２のトラン シーバ手段と、 （ｇ）前記変化波形の位相シフトを認定 し、吸収性成分の濃度を表す信号を 提供する位相検出器およびフィルタ 手段と から構成される装置。
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