JPH03500207A - 光又は他の放射を散乱する環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定するための分光測光法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 光又は他の放射を散乱する環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定するだめの分 光測光法 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般に、既知濃度の基準成分と組合わされた希薄成分を含む光又は他 の放射を散乱する環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定する分光測光法に関す る。

関連技術の説明 多数の技術分野において、希薄成分が既知濃度の基準成分と組合わされた環境中 の希薄成分の濃度の定量的決定の必要性がある。そのような形式の環境の例は、 体液中の酵素、蛋白質及び代謝産物、大気中の酸性煙又はガス成分（例えば、硫 化水素と硫酸、硝酸、−酸化炭素等）、脱塩を受ける海水中の塩濃度、廃水オゾ ン処理システム中で使用されるオゾンに富む空気におけるオゾン等である。

特に、患者の体液又は組織中の臨界的な代謝指示薬量の、非侵入的で連続的なそ して外傷を与えない生体内でのその場における決定のために、医療及び健康診断 分野において特別の必要性があった。そのような体液の例は、リンパ系及び神経 系に関連した血液と体液を含む。人間の循環系に関与する更に特定の例は、グル コースの監視、血流における酸素化／脱酸素化されｊ；動脈／静脈色素ヘモグロ ビンの監視を含む。更に、（チトクロームａ％ａ３として非公式的に公知である ）チトクロームＣオキシダーゼ酵素、又は（グルコースのような）代謝物質、又 は（二酸化炭素のような）生成物等、幾つかの酵素種の脳及び筋肉のような局所 組織における監視は、分光測光技術の益々緊急の実際的応用になりつつある。

分光測光法が、体液における代謝産物を監視するために、本技術分野において提 案されてきた。このような方法は、皮膚を通して及び内部組織への放射の侵入の ために、被験者の外部身体部分へ、典型的には可視又は近赤外領域の放射を衝突 させることを含み、代謝産物又は他の監視すべき成分が放射を選択的に吸収する ような波長条件において、反射又は透過として監視される。この技術は、代謝の 定量的特性の（反射又は透過された）測定された出力放射からの定性的決定に主 に制限される。

せいぜい、半定量的な結果を所謂傾向Ｑｒｅｎｄ）監視モードにおいて獲得する ことができ、この場合、濃度変化は、未知濃度の元のベースライン条件により監 視することができる。

希薄流体媒体における溶質濃度は、次式のベール・ランバートの法則によって理 論的に定量化することができる。

１　ｏｇ　（Ｉｏ／Ｉ）−ｄｘＥｘｃ この場合 ■、−試料に衝突した放射源の強度 １−試料を透過した放射強度 Ｅ　−試料に衝突した放射源の波長における溶質種の吸収（吸光）係数 ｄ　−光学的距離（試料を透過した放射の移動光路長）Ｃ−溶液試料における溶 質（希薄成分）の濃度である。

前述のベール・ランバートの法則の式は、従来の分光測光分析のために使用され る生体内又は他の非身体の離散試料系において溶質濃度の容易な決定を許容する が、影響を及ぼす放射が例えば骨、筋系、器官等の身体系の身体要素に侵入した としても、身体系の通過中の放射の散乱が特性において広範囲であり且つ高度に 可変であるために、このような直接な定量的測定は生身の身体において可能では ない。このような散乱は、特定の吸収に関する必要な情報に未知の放射損失を加 えるだけでなく、多重散乱により、身体要素から究極的に出る光子の光路長を未 知の程度にまで長くする。その結果、出て来た透過放射又は反射された放射の測 定の前に、衝突した放射の有効光路長ｄが実際にどのようであるかを生体内条件 において決定することは可能でな力じだ。結論において、身体系における溶質濃 度の絶対的な定量は著しく不都合に制限されてきた。

対象とする体液を侵入的にそして外傷を与えて試料採取をするという代替案、あ るいは組織又は体液溶質濃度変化の定量的又はせいぜい半定量的測定を実現する 分光測光法に直面して、体液溶媒における溶質の体液濃度を定量的に決定する非 侵入性の生体内方法に対する、本技術分野において実質的に認識されている必要 性が存在する。

同様の必要性が、流体媒体における希薄成分種の絶対濃度が流体系の特性付けを 著しく助ける多数の他の分野にも存在する。例えば、「酸性雨」の大気監視、即 ち、森林群落の落葉化及び自然水域と他の水環境の破壊を含む、最近急増しそし て広範な生物圏の損害を生じさせる因子である風媒の酸性汚染物質の大気監視で ある。酸性雨問題が益々厳しくなるにつれて、対応する大きな科学的及び法律的 努力は、好ましくない強い影響を制御し且つ最小化するといった観点から、酸性 雨の監視に注がれることが予想される。混濁水及び露のかかった又は曇った大気 のような自然界に存在する媒体における決定は、これらの環境の直接、有効旦つ 迅速な監視にとって大きな恩恵である。

多数の他の産業及び自然系において、離散的な試料収集、精製及び分析の時間、 努力及び費用に関与しない間接的な方法で溶質種を定量的に監視する必要性があ る。

Ｆ、Ｆ、ジコブシス（Ｊｏｂｓｉｓ）への米国特許第４．２８１．６４５号には 、人間又は動物の体の脳、心臓、腎臓、他の器官、手足又は他の部分における血 液容積、ヘモグロビンの酸化状態及び血液法流速の変化と共に、細胞のチトクロ ームの定常状態の酸化還元の生体内変化を非侵入的に測定することによって、細 胞酸化代謝を監視する分光測光システムが記載されている。

ジョブシスの特許に記載された方法は、少なくとも２つの異なる周期的に再発す る波長の近赤外線を身体環境を透過させて、ベール・ランバートの法則の近似を 使用して、生化学的反応の監視のために、身体の別の遠位点又は反対側において 発出する放射強度を検出しそして測定することを含む。測定のために選択された そのような波長の１つは、酸化チトクロームａ、ａ３が選択的に高度に吸収性で ある範囲である。１つ以上の基準信号が、チトクローム吸収帯のピークの外側に ある対応する波長にて設けられているが、好ましくは、測定波長に極めて近接し ている。

測定信号と基準信号との間の差又は比が決定され、モしてチトクローム種による 吸収に帰せられない透過した放射の強度における非特異的な変化が除去される。

こうして、この特許のシステムは、生体内の代謝活動状態の関数として、身体の 器官又は他の身体部分による測定信号及び基準信号の吸収差又は吸収比を表わす 出力信号を生成し、これは、そのような活動の実質的に連続な測定を与える信号 に変換され得る。関連しｔ；分光測光反射技術が、Ｆ、Ｆ、ジョブシスへの米国 特許第４．２２３，６８０号に開示されている。

Ｃ，ダーネ（Ｄａｈｎｅ）他への米国特許第４，６５５．２２５号には、身体組 織におけるグルコース濃度の非侵入的な決定のだめの分光測光システムが開示さ れている。このシステムは光源による外部身体部分の照射を含み、その透過率又 は反射率は、グルコース吸収スペクトルに対する選択帯波長の値において、及び 、グルコースを完全に又は微量にしか含まないバックグラウンド組織の吸収スペ クトルに対する選択されｌ；帯波長の値にて収集される。収集された測定放射及 び基準放射は、次に電気信号に変換され、そしてグルコース濃度を決定する！こ めに使用される。

対象とすべき環境において、基準成分を使用することによって、希薄成分の量を 間接、定量的且つ分光測光的に決定するだめの改良された方法と装置を提供する ことが本発明の目的である。

身体溶媒環境において、希薄溶質成分の濃度の非侵入的な生体内における定量的 決定のための方法を提供することが本発明の別の目的である。

本発明の他の目的と利点は、以降の開示と添付の請求の範囲から十分に明らかに なるであろう。

発明の要約 本発明は、環境媒体中の真の濃度を（例えば、基準成分の容積光たりの希薄成分 のダラム又はモル数により）決定する方法に関し、この場合、光路長は、分光測 光法の拡散反射モードにおけると同様な透視中の強烈な光散乱媒体と同様に、非 常に長距離の大気監視におけるような、入射放射の広範囲の散乱の発生により曖 昧に規定される。

ここで使用する用語「環境」は、向けられそして測定される放射が実質的に同一 経路に沿って透過及び／又は反射される、選択された空間領域を意味する。

本発明の重要な点は、未知の濃度の希薄成分と、関連した既知の濃度の基準成分 との両方に対して、透過及び／又は反射された放射を測定することである。多重 散乱は、ベール・ランバートの式における光路長パラメーターを損ない、そして 波長に依存した異なる程度でそれを行う。

このため、厳密に同一スペクトル領域において希薄成分及び基準成分を測定する ことが必要である。環境中の２つの形式の分子、希薄成分及び基準成分による光 の吸収及び／又は反射強度を測定しそして各々の吸光係数を適用することは、濃 度の本質的特性であると認識される相対的な量の見地から、それらを互いに関連 させる機会を与える。こうして、吸収（及び／又は反射）測定及び吸光係数の知 識により、光路中の希薄成分の量及び他の接近した波長において同様に決定され る関連した基準成分の量は、基準成分に対して希薄成分の濃度を計算するために 使用することができる。

基準成分が既知の濃度で存在する系において、見掛けの光路長は、同一の電磁ス ペクトル領域における未知の光路長の環境において取られた吸収測定値によって 決定することができる。結果として得られた吸収値の間の差は、光路長を決定す べき環境において示差吸光度として計算される。そのような波長における純粋な 基準成分の一覧表にされた又は以前に決定された吸光係数の値は、それぞれの吸 光係数の値の間の差として示差吸光係数を計算するために次に使用される。示差 吸光度を示差吸光係数によって除するとき、その結果は、環境の見掛は有効光路 長である。電磁放射エミッターと検出器との間の距離を測定するとき、系の光路 長因子は、実際のエミッターと検出器との間の距離に対する見掛は有効光路長の 比として決定される。

別の選択された特定の見地において、本発明は、選択された波長において透過及 び／又は反射放射の一連の連続する実質的に同時測定により、既知濃度の基準成 分と組合わされｌ；何であるかは既知であるが未知濃度の希薄成分を含む環境中 の希薄成分の濃度を定量的に決定する分光測光法に関し、 （ａ）該環境における見掛は有効光路長を決定し、（ｂ）希薄成分及び／又は基 準成分が電磁放射に対する吸収を示す選択されたスペクトル領域において、第１ 波長の入射電磁放射を環境に向け、 （ｃ）環境によって透過及び／又は反射された第１波長の放射を測定し、 （ｄ）希薄成分及び／又は基準成分が第１波長の入射放射とは異なる相対強度の 吸収を示す選択されたスペクトル領域において、少なくとも１つの他の波長の入 射電磁放射を環境に向け、これにより、希薄成分及び基準成分の両方によって、 該第１波長及び少なくとも１つの他の波長から成る該選択されたスペクトル領域 において吸収が示され、（ｅ）環境によって透過又は反射された他の波長の放射 を測定し、（ｆ）該環境において、該第１波長及び他の波長における希薄成分に 対する吸光係数の値を決定し、 （ｇ）環境に対して決定された見掛は有効光路長と、該第１波長及び他の波長に おける希薄成分に対する吸光係数の値と、該波長における測定された吸収及び／ 又は反射放射とに基づいて、環境中の希薄成分の濃度として基準成分の量に対す る希薄成分の相対量を決定する、ことから成る。

上記で概略された方法の別の見地において、段階Ｃｆ’）の決定は、放射の吸収 及び／又は反射の測定段階の各々に対して、修正された連立ベール・ランバート 方程式を確立すること、及び、環境中の希薄成分と基準成分の濃度のための方程 式を解くことによって行われる。

本発明の一層の見地は、既知濃度の基準成分と組合わされた何であるかは既知で あるが未知濃度の希薄成分を含む環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定する分 光測光法に関し、　゛（ａ）希薄成分及び／又は基準成分が電磁放射に対して吸 収を示す選択されたスペクトル領域において、多数の波長の入射電磁放射を環境 に向け、 ここで、そのような波長・の数は、環境中の希薄成分及び基準成分の数と、環境 の散乱特性によって決定され、（ｂ）環境による種々の波長における電磁放射の 吸収と、希薄成分及び基準成分の吸収寄与の相対強度と、そのような波長の各々 における環境からの散乱損失とを決定し、 （ｃ）そのような波長の各々において、下記の形式の吸収方程式を確立し、 Ａ　ｂＳ＝は、波長Ｗの入射電磁放射の希薄成分及び基準成分を含む環境による 吸光度、 ｘｌは、関連する希薄成分Ａ、の吸収寄与の相対強度、形式ｘｌＡ１の項は、希 薄成分の各々に対して与えられ、２は基準成分の吸収寄与の相対強度、 Ｒは基準成分の濃度、 Ｓは波長Ｗにおける環境の正規化された散乱、であり、これによって、そのよう な波長の各々に対して吸光度方程式を確立し、希薄成分及び基準成分の数並びに 環境の散乱を特徴付けるために必要とされる波長の数に等しい一組の連立方程式 を作り、（ｄ）前述の連立方程式のマトリックス解決によってアルゴリズムを導 出し、 ここでアルゴリズムは、 の形式であり、この場合、 ［ｃｌは特定の希薄成分及び基準成分の濃度、ａｌは決定された数値定数、 ｍは、該波長決定の数、 Ａｂｓ＝Ｊは波長Ｗにおける吸光度、 であり、 これによって、環境における希薄成分及び基準成分の各々の濃度を確立する、 ことから成る。

既知濃度の基準成分と組合わされた希薄成分を含む環境において、希薄成分の濃 度を定量的に決定する本発明の上記の方法の見地において、種々の選択された波 長にて多様な放射を向ける段階及び測定する段階は、希薄成分濃度を決定するた めに同時の方式において実施される。しかし、特に身体環境を含む多数の対象と すべき系においては、そのような同時性の放射を向ける段階及び測定する段階に よって希薄成分濃度を確立することが望ましく、そしてそのような決定に続いて 、離散的な間隔又は連続ベースのいづれかにおいて、成る時間の開基を監視する ことが都合が良いことが認識されよう。

本発明の更に別の見地は、既知濃度の基準成分と組合わされた何であるかは既知 であるが未知濃度の希薄成分を含む環境中の希薄成分の濃度を分光測光法により 定量的に決定する装置に関し、該装置は、 （ａ）既知波長の電磁放射を生成し、そして希薄成分によって特徴付けられるた めに環境ｌこ該放射を向ける手段と、（ｂ）環境から発出し及び／又は反射され る電磁放射を検出し、そしてそれに対応する電気信号をそれから生成する手段と 、（ｃ）該電気信号を受信しモして該異なる波長に対応する電気信号を生成する 手段と、 （ｄ）該異なる波長に対応する該電気信号に応答する吸光度方程式を確立しそし て該吸光度方程式を解くことにより吸収種の量を計算するために、該異なる波長 に対応する該電気信号を受信しそして機能的に応答する手段と、 ここで、波長の各々における吸光度は、希薄成分と基準成分の吸収寄与の相対強 度、及び希薄成分と基準成分の濃度の関数として表現され、 （ｅ）該希薄成分及び基準成分の計算濃度を表示する手段、とを具備する。

一般に、系における希薄成分の濃度決定のために使用される波長の数は、吸収種 の数（即ち、希薄成分と基準成分の数）に等しい。波長に独立した散乱により、 環境がバックグラウンド散乱に対する平坦な非特異性のベースラインを示すなら ば、付加的な１つの波長が付加されなければならないが、ベースラインが直線的 に傾斜するならば、付加的な２つの波長が導入されなければならず、そして散乱 が非線形的に波長に従属するならば、ベースラインの湾曲を補正するために多数 の余分の波長が必要とされ、波長の決定の増加は決定された濃度に対する精度を 高める。

本発明の別の見地において、選択されＩ；希薄成分（即ち、その濃度が望まれる 希薄成分）が吸収スペクトルを有するスペクトル領域において、基準成分の吸収 バンドが存在せず、しかしながらそのようなスペクトル領域が第２の希薄成分の バンドを含み、そして基準成分と第２の希薄成分が吸収を示す比較的近いスペク トル領域が存在する事例においては、第２の希薄成分の濃度が、第２の希薄成分 に対して選択された希薄成分を較正することにより、選択された希薄成分の濃度 の決定のｔ；めの橋渡し基準（ｂｒｉｄｇｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）Ｉ！ニ ジて決定され且つ使用される。

本発明の応用は、放射散乱状況における濃度を決定するための分光測光手段を使 用して、分析化学の全分野に拡張される。代謝の非侵入的な監視といった生物医 学分野における応用に対する特別な注意が、以下の説明において与えられる。

生物医学の応用の１つは、酵素の酸化還元状態の決定、及び、脳、骨格筋、肝臓 等のような活性的に代謝を行う固形器官を通って流れる血液の酸素化の程度の決 定である。そのような器官が有効な透視のＩ；めに十分大きい場合、光反射技術 が使用される。そのような測定は、任意の時点においてそして継続するベースに おいて、生命器官への酸素の搬送と酸素使用の適切さに関する非常に必要とされ る診断情報を提供する。

透視モードを使用する第２の好ましい応用は、指又は耳たぶが各鼓動により脈動 するとき、指又は耳たぶの血液成分中の脈動の増大に関するヘモグロビン及び水 含有量の定量的決定による、血液中のヘモグロビン含有量の測定である。測定は 、同様に、不可視の赤外又は他の部分の電磁スペクトルにおいて吸収特性を有す る、他の血液保持成分（例えば、グルコース、脂質、コレステロール、二酸化炭 素等）に関しても行うことができる。

本発明の他の一般の応用において、定量的決定は、既知濃度の基準複合物が大き な吸収特性を有するスペクトル範囲において吸収特性を有する任意の及びすべて の構成成分の、光あるいは他の放射を散乱する媒体、混合物又は溶液に対して行 うことができる。そのような応用は、可視又は近赤外部分のスペクトルに制限さ れず、電磁スペクトルの任意の部分において行うことができ、この場合、透視モ ード又は反射モードにおける放射の吸収は、定型的な機器分析のために十分に強 力な放射信号の獲得を妨げるほど強烈ではない。

図面の簡単な説明 第１図は、純水の吸収スペクトルのプロットである。

第２図は、放射散乱に関連した平坦なベースラインＢを示す環境中の水の吸収ス ペクトルのプロットである。

第３図は、水、ヘモグロビン及びオキシヘモグロビンの吸収スペクトルのプロッ トであり、第１のベースラインは環境による放射散乱に帰せられる。

第４図は、水、ヘモグロビン及びオキシヘモグロビンの吸収スペクトルのプロッ トであり、環境中の波長に依存した放射散乱に関する直線的に傾斜したベースラ インを有する。

第５図は、水、ヘモグロビン及びオキシヘモグロビンの吸収スペクトルのプロッ トであり、湾曲したベースラインは環境中の波長に依存した放射散乱を示す。

第６図は、吸収測定が例示のシステムにおいて行われる（矢印によって示された ）６つの波長の値を示す、約７００〜１４００ナノメートルの近赤外範囲での、 水、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン及びチトクロームａ、ａ３の吸収スペク トルのプロットである。

第７図は、透過を使用する人の指における吸収量の生体内での決定のための装置 システムの略図である。

第８図は、大人の頭のような比較的緻密な身体器官において、第７図に示した装 置と同一の一般形式の装置で使用される反射モードの略図である。

発明、方法論、及び好ましい実施態様の詳細な説明本発明は、先行技術の赤外線 監視技術の欠点を克服するだけでなく、より一般には、光ビームの光路長が未知 である条件の下で、分光測光的に吸収する材料の濃度を確かめる方法を提供する 。この不確かさは、液体、固体又はガス状混合物であれ光散乱媒体において存在 し、この場合、多重散乱は、幾何学的に測定可能な光路長を長くする。本発明は 、成る波長範囲の電磁放射スペクトル領域において独自の光吸収特性を有する媒 体中の不確かな光路長の問題を克服し、この場合、濃度を決定すべき材料は放射 吸収性である。

本発明の一般の広い応用は本発明の詳細な説明から明らかになろうが、以下の説 明は以後示される例において近赤外スペクトル範囲を使用する。

又、溶液又は他の既知成分が衝突しｔ；放射を吸収しないスペクトル範囲（例え ば可視範囲）において、幾つかの場合に、光子によって横断された有効光路長を 確立するために、（特に生体内決定において）望ましくは溶液に指示薬を添加す ることができる。

ベール・ランバートの法則は、放射吸収材料の濃度の分光測光的決定の基礎を規 定する。光（又は他の放射）の吸収は２つの条件に依存することが強調される。

即ち、光を吸収する分子又は原子の効率、及び光路におけるそのような分子又は 原子の数である。２つの見地を直ちに注目すべきである。放射吸収の効率は、光 の狭い「単色ｊバンドを使用しそして材料がその光を吸収する効率を定めること を必要とするために、異なる波長において変化する。このパラメータは吸光係数 と呼ばれる。他方の見地は、選択物又は混合物を通る光路の長さが既知であると き、溶液又は混合物中の分子又は原子の数を決定する変数が濃度のみであるとい う結果である。ペンチトップの分光測光器を使用する定量的分析の全分野は、光 路長が既知の分光測光用容器（「キュベツト」）を使用することにより、この事 実を適用する。勿論、透明な溶液又はガス混合物が、多重光散乱による光路長の 延長を避けるためにそのような分析において必要とされる。散乱による光の損失 が吸収による光の損失の決定を複雑にするために、散乱媒体は又可能な限り常に 避けられる。示差分光測光法は、光の損失は発生するが光路の延長は無視可能な 因子である穏やかな（ｍｉ　Ｉｄ）散乱に対する誤差を減少させるために開発さ れてきｔ；。この技術は、異なる吸収係数を有する２つの密接に間隔をあけられ た単色波長、あるいは等しい光散乱特性を有するが一方は決定すべき吸収材料を 欠く２つの試料、のいづれかを使用する。示差分光測光法に対するこれらの２つ の公知のアプローチは、散乱による光路延長を補正できずあるいは補正しないこ とを強調しておく。

溶液に対するベール・ランバートの法則は、溶解した材料（溶質）によって吸収 された光の部分の対数が、溶質のモル吸光係数（Ｅ）と、濃度（ｃ）と、光路長 （ｄ）の積に等しいことを示す。即ち、未知の濃度を決定するために書き換えれ ば、 ｃ＝ｌ／Ｅ−１／ｄ−１ｏｇＩｏ／１ である。

量’ｉ　０　ｇ　Ｉ　６　／　ｌは、吸光度（以前には光濃度）と呼ばれる。こ れらの方程式において、■。は吸収量のない光の元の強度であり、そしてｌはビ ームが溶液を横断した後の強度である。実際には、強度１０は、純粋な溶媒を含 むキュベツトを光が横断した後の分光測光器め検出器に入る光として規定される 。こうして獲得された信号は■。とじて指定され、そして未知の濃度の溶液を含 む同一キュベツトにおいて獲得された信号はＩとして指定される。

吸光係数は、標準的には、１モル溶液（１リツトル溶液に含まれた１分子量の溶 質）において１ｃｍの光路長にて生成される吸収量の形式で与えられる。モル吸 光係数に対する値は、発行された表から一般に利用可能であり、そして通常、最 大吸収の波長に対して与えられる。

強い光散乱特性を有する材料の透視は、試料の直接的な幾何学的長さを超えて横 断する距離を増大させる曲がりくねっＩ；光路を有する検出器に入る十分な部分 の光子を生じさせる。最も極端なモードにおいて、即ち反射分光測光法において 、吸光スペクトルは、斜めに（典型的には９０＠での観察）又は後方散乱（同一 面での観察）のいづれかにより、試料から散乱された光子を用いて取られる。光 路長は未知であり、同一面での観察の場合に特に未定である。後方散乱の発生前 の浸透の平均深さは決定することが困難又は不可能である。いづれの場合にも、 有効光路長は未知であり、そして濃度はベール・ランバートの法則によって決定 することができる。

本発明は、種々の媒体、即ち溶液、ガス混合物及び固体中の濃度を決定するため の完全に新しいアプローチを務め、アプローチは光路長に基づくのではなく、横 断した媒体の量の同時測定に基づく。溶液において、この方法は、出会った溶媒 の量に関する報告を与える。このパラメーター及び溶質による吸収強度から、溶 液の濃度を導出することができる。

前提条件は、吸収帯が比較的密接な間隔の波長において発生すること、及び、散 乱が特に可視及び紫外波長のスペクトル領域において波長に依存することである 。

第１１！ｌは、約９００〜１１００ナノメートルの波長範囲において、選択され たスペクトル領域での純水成分の吸収スペクトルを示す。基準成分のみを含む非 散乱環境において、光路長が定型的なベンチトップ分光測光法においてなされる ように既知であるならば、成分の濃度を決定することができる。逆に、濃度は既 知だが光路長が未知ならば、光路長は、ベール・ランバートの法則の検査から明 らかなように、計算することができる。

第１図の吸収成分は指示薬又は溶媒自身である。理解の容易さのために、吸収成 分を指示薬と見なすことが有益である。そのような指示薬は、既知の濃度で存在 しなければならない。適切な指示薬成分が試験におけるスペクトル範囲中にない のならば、対象スペクトル範囲中で吸収性である適切な指示薬を既知の濃度ｌこ で溶液ｊこ添加することができる。既知でなければならない事項は、測定波長に おける光路長１センチメートル当たりの指示薬のモル吸光係数である。測定吸収 ピークの強度は光路の長さを示す。この指示薬技術は、ベンチトップ分光測光法 において有益であるが、明らかに生体内監視には役立ｔ；ない。しかし、その状 況において、生物学的組織における水の遍在は、ちょうど大気の応用ｊ：８いて 窒素ガスがこの必要性を満たすのと同様に、水を選択指示薬にする。

それ自体の濃度によって水を表現することが可能であり、これは上記の指示薬の 場合に形式的に同一のケースを与えることを指摘しておく。

濃度は、しばしば１リットル当ｔ；りのグラム数で表現されるが、より厳密には 、モル濃度、即ち溶液１リットル当ｔ；りのモル数により表現され、これは、 １リツトル当たりの　グラム／分子量 を意味する。１リツトルの水の重量は１０００グラムであり、分子量は１８であ るから、純水は、１０００／１８−５５．６モル「溶液」の形態で存在する。こ うして水は、既知の濃度で存在する指示薬ｔある。しかし、本議論によって、水 といった特殊な場合又は他の分光測光法により測定可能な溶媒に対して、純水で 満たされた１ｃｍキニベットが所与の波長において例えば０゜５０の「吸光度」 を示すことが既知であるならば、未知の光路長ｊ；おいて同一波長で見い出され た６、００の「吸光度」の値は光路長が１２ｃｍでなければならないことを示す ことに明らかに注目すべきである。

この説明において、溶質分子は水分子をある程度変位させ、これにより純水中の それ自体の濃度と比較して、溶液における濃度を低下させる。

しかし、この効果は、多くの状況において出会う希薄溶液に対して非常に小さい 。例えば、血液の最も濃縮された塩成分（ＮａＣ１）は、１リツトルの水に溶解 されたとき、２．６ｍｌよりも小さな容積増大を生じる。

このため、結果として生じる「生理学的塩溶液」の水含有率は、０．２６％より も小さい率だけ減少される。こうして生じｔ；誤差は、この又は他の分光測光法 において固有の多数の不確かさよりも遥かに小さい。

しかし、巨大分子及び組織の所謂「形成」成分のための平行した議論は、水含有 率の項目に最良に縮約される。典型的には、軟らかい組織に対する水含有率は８ ５％である。約１５〜２０％の補正が重要であり、そしてそのような場合に適用 することができる。その場合に、決定された濃度は全体組織の重量によるであろ う。しかし、これは、１５〜２０％の補正が適用されないならば生ずるであろう 全組織の水による表現に対して好ましくないであろう。ここで、同一アプローチ を、例えば露、蒸気又は雲のような光散乱を示すガス状混合物の分析に適用でき ることに注目すべきである。多数の大気の応用に対して、窒素ガスは、既知濃度 、即ち約７９％の基準成分として役立つことができる。高度又は気圧の変化は、 Ｎ、パーセントが同一に留まるｊ：めに有益性を減少させない。

そして汚染物質はパーセント、パーミル又はｐｐｍにより決定することができる 。

第１図を参照する上記の例は、完全に透明な、即ち非散乱性の溶液又は混合物に 基いており、単一波長のアプローチを許容する。散乱が発生するとき、吸収に関 連しない光の損失、及び多重散乱による光路の延長を補正しなければならない。

幾つかの成分が重なる吸収スペクトルを生じるとき、これは複雑さを加える。次 の４つの場合において、複雑さが増大する光散乱と吸収状況を分析する。

第２図Ｉ；、波長に独立の散乱の場合が示されている。スペクトルの関連範囲の 全体にわたって等しい光損失が、（この例では水である）決定すべき材料のスペ クトルに付加され、（第２図において線Ｂによって識別される）「ベースライン のシフト」を生じる。２つの波長の示差アプローチを、今、この問題に対処する ための第１の最小段階として示す。

これは、２つの波長（λ１とλ、）における信号を減算することに等しく、これ により散乱による光損失を除去する。

９００〜１１００ナノメートルの波長範囲における水のスペクトルに対して、例 えば、９８０ナノメートル及び１１００ナノメートルにおける波長範囲に沿った ２つの点における水の吸光係数は、純水成分に対する一覧表の値から容易に決定 又は獲得することができる。それぞれの波長において観察された「吸光度」の値 における差は、光路ｌ二沿つた光子の流れと出会った水の量の測定値、あるいは 、希薄溶液（即ち、水の濃度が約５５．６モルである溶液）の場合の光路長の測 定値のいづれかである。このため、実際の示差「吸光度」、即ち、９８０ナノメ ートル及び１１００ナノメートルの波長の値における吸収の値の差が決定される ならば、試験システムの有効光路長は、測定された示差吸光度を、１ｃｍの水に 対する９８０ナノメートル及び１１００ナノメートルの示差吸光度値によって割 ることにより導出することができる。

例えば、第２図は、約９００〜１１００ナノメートルのスペクトル範囲における 水（曲線Ａ）に対する吸収スペクトルを示し、平坦なベースラインは環境の散乱 （ベースラインＢ）に由来する。プロットは、第１波長λ１における水に対する 吸収スペクトルのピーク（曲線Ａ）と、第２波長λ、におけるスペクトルの谷と を示す。それぞれのλ□とλ２の値における水の吸収の差は、平坦なベースライ ンを生じさせる後方数社を示す環境中の示差吸収として、量Ａ　ｔ　−Ａ　ｘに よって示される。既知成分のそれぞれの波長における吸光度が大きく異なるこの 方法において、隣接する波長の値における吸収信号を減算することは、散乱によ る損失の存在する波長に独立なベースラインを減算することに等しい。残りのＡ ＋Ａｚの値の強度は有効光路長の測定値を与える。まだ議論されていない事柄は 、水中に溶解された他の吸収成分の濃度の決定と、水の測定に対するそれらの効 果である。

第３図は、系における散乱損失に関連した平坦なベースライン（曲線Ｂ）に対す る、水（曲線Ａ）、オキシヘモグロビン（曲線Ｃ）及びデオキシヘモグロビン（ 曲線Ｄ）の吸収スペクトルを示す。第３図の系における試料のを勤先路長の導出 は、他の吸収曲線が「既知」又は「基準」材料（即ち水）の量を決定するために 必要とされるスペクトル範囲において発生するために、より複雑である。３つの 吸収種（水、ヘモグロビン及びオキシヘモグロビン）に対して、３つの吸光度方 程式又は「アルゴリズム」を確立しそして未知量、即ち３つの吸収種の寄与を解 くために、最低３つの波長が必要とされる。平坦な非特異性のベースラインが（ 図示されたように波長に独立した散乱により）存在するならば、第４の波長を付 加しなければならず、４つの未知寄与を解＜１＋めの４つの方程式を生ずる。こ れらの４つの方程式の解は、出会う各材料の量にの情報を与える。水の既知濃度 （５５，６モル）は横断しなければならない光路長を計算する機会を与え、そし てこれにより、他の成分の濃度の計算を可能にする。簡単化された項において、 これは又、水の信号から見掛は有効光路長を計算しそしてこの方法において溶質 の濃度を導出することによって、行うことができる。

類似の形式の複雑さは、考察されるスペクトル領域にわたる波長の関数として、 強度の変化する散乱によって生成される。第４図は、直線状傾斜したベースライ ン（曲線Ｂ）に対する、水（曲線Ａ）、ヘモグロビン（曲線Ｃ）及びデオキシヘ モグロビン（曲線Ｄ）の吸収スペクトルのプロットである。この形式の吸収系に おいて、第５の波長が、傾斜の急峻度を決定するために、吸光度の関係において 導入されなければならない。

第５図に示す形式の系において、この場合、水、オキシヘモグロビン、デオキシ ヘモグロビン及びベースライン曲線がそれぞれ文字Ａ、Ｃ％Ｄ及びＢによって表 され、そしてベースラインが曲線状の波長に依存する散乱特性を示すが、多数の 余分な波長がベースラインの湾曲を補正するために必要とされる。計算濃度に対 して必要とされる精度が高くなればなるほど、使用しなければならない波長決定 数が多くなる。

方法論 本発明の方法は、放射源が身体部分に衝突しそしてそのような身体部分の別の外 部領域において収集されるところの透視が使用される身体の末端部において、前 述のヘモグロビン及びオキシヘモグロビンのような血液成分の濃度の決定に対す る特定の適用を有する。この方法論は、指、つま先、耳たぶ及び幼児の頭までを も含む他の器官等の身体部分に適用される。代替的に、関連した身体部分、例え ば大人の頭、肺、腎臓等の質量と光密度により透視が実際的でない身体の部分に おいては、反射分光測光法を使用することができる。

水（曲線ｌ）、ヘモグロビン（曲線２）及びオキシヘモグロビン（曲線３）のス ペクトルが、約７００〜１４００ナノメートルの範囲にわたる近赤外スペクトル にて、第６図に示されている。更に、チトクロームａ、ａ３の吸収曲線が後述の 議論のために示されている。これらのスペクトルは、透視を使用するベンチトッ プ分光測光法によって獲得された。

水のスペクトルは所謂絶対的なスペクトルである。即ち、各波長において１．を 決定するために、「ブランクｊとして空のキュベツトを使用して、水を一杯にし たキュベツトから獲得される。他のスペクトルは、水のブランクに対して水溶液 に各々溶解されたヘモグロビン及びオキシヘモグロビン複合物である。

未知容積及び／又は未知光路長の材料又は身体器官における特定の分子種の量を 分光測光的に決定するために、必要とされる波長の最小数は吸収分子種の数に等 しい。測定すべき系における光子の入力と収集の幾何的構成が複雑であるか又は 場合場合によって変化するならば、あるいは散乱の波長依存性が使用されるスペ クトル範囲の２つの極値においてかなり異なって付加されるならば、付加的な波 長が必要とされる。次の例において、複雑さの増大するレベルを例示として使用 する。

簡単さのために、第１例は、未知濃度の２つの希薄成分に制限する。

即ち、ヘモグロビン（Ｈｂ：まだデオキシヘモグロビンとして公知である）と、 オキシヘモグロビン（Ｈｂ　Ｏ、）である。これらの希薄成分を分析すべき環境 は、（指先から幼児の頭の大きさの）小さな身体器官であり、そして一定の媒体 吸収体又はこの例における既知濃度の「基準成分」は水である。観察モードは透 視であり、放射入力と収集（検出）点は、指又は頭を直径に沿って横切る。吸収 曲線が重ならないとき、４波長方法が実際的であり、「散乱ベースライン」は平 坦である、即ち、必要とされる精度に対して散乱は波長に独立である、という暗 黙の了承がある。

第６図において、水と２つのヘモグロビン種による相対的な吸収寄与が示され、 人の頭におけるこれらの３つの吸収体の標準的で相対的な寄与にほぼ等しい。同 様に、脳の吸収に対するチトクロームａ％ａ３の寄与はおよそのスケールで示さ れる（酸化チトクロームａＳａ３のスペクトルは曲線４として示され、そして対 応する還元酵素スペクトルは曲線４ａとして示される）が、指の組織において、 酵素の濃度が無視可能であることを注目すべきである。

近赤外スペクトル範囲の９００〜１４００ｎｍ領域を考察すると、ヘモグロビン の寄与は約１１５０ｎｍ以上で無視可能になることが注目される。こうして、指 のような非常に小さい身体部分を通る有効光路長は、１２７０ｎｍにおける谷か 、あるいはいづれかの隣接するピーク、即ち約１２００ｎｍ又は１４００ｎｍを 測定することにより、決定することができる。２つの波長における「吸光度」の 値を互いから減算することにより、示差吸収値が見い出される。そのような示差 吸収値を、１ｃｍの水に対する示差吸収（吸光）係数で割ると、見掛は有効光路 長が決定される。隣接する７００〜９００ｎｍ領域において同程度に平坦な散乱 効果を仮定し、そして指の組織が測定可能な量のチトクロームａ１ａ３又はこの 範囲における他の吸収種を含まないという知識により、７００〜９００ｎｍ範囲 において２つの波長で透視し、且つ、上記で確立した光路延長因子を使用するこ とにより、２つのヘモグロビンの正確な量を計算することが可能である。

この最も簡単な場合は、しばしば、多数の因子によって複雑化される。

例えば、乳児の頭の透視の場合に、乳児の頭の厚さは、１４００ｎｍのような波 長の使用を非実際的にし、この場合、水の吸収強度は多くの光の損失を生じ、残 りの信号の検出が困難になる。この場合、４つの波長は９００〜ｌｌ１００ｎ範 囲で選ばれ、吸収強度が測定される。前述の実験から、各吸収種による吸光に加 えて光散乱による吸光への寄与が、近似的なモデルを使用して確立された。後者 に対して、死体又は他の適切な動物モデルからの対応する身体部分が最良に適す る。これらは、ヘモグロビンのない溶液、（Ｈｂ寄与による）酸素のない血液、 及び（Ｈｂｏ、寄与による）完全に酸素化された血液で交互に満ｌこすことであ る。

後者の場合に、血液が観察中酸素化されていることを確実なものとするために、 組織による０２の使用を抑制するシアン化物のような少量の毒物を添加する。

放射環境における光損失（吸収）に対する３つの吸収種及び散乱の個々の寄与が ４つの波長の各々において合計され、各波長において（「修正ベール・ランバー トの方程式」とここで呼ぶ）全体吸収方程式を導出する。これらの方程式は、９ ８０ｎｍの波長に対して以下に示された形式を取る。

Ａｂｓ＊５ｏ−ｘ１Ｈｂ＋ｘｌＨｂ０２＋ｚＨ２０＋　ｒ散乱」この場合、Ａｂ ｓＨｏは、波長９８０ｎｍの入射放射の照射系による「吸光度」である。Ｈｂ％ Ｈｂｏ、及びＨ２Ｏは、照射系におけるヘモグロビン、オキシヘモグロビン及び 水の濃度である。そして係数ＸｓＹ及びＺは、関連成分の吸収寄与の相対強度を 表わす。散乱項（「散乱」）は係数１を有する。即ち、その寄与は正規化されて いる。３つの係数ＸｓＹ及び２がかなりの範囲の値を示すように、４つの波長を 選ぶ。例えば、９４０．９８０．１０３０及び１１０７０ｎの選択は、Ｈ，０１ Ｈｂ及び１−ｒｂｏ、の寄与の相対値において優れた変動を生ずる。

この情報から、アルゴリズムは、４つの方程式において４つの未知量（３つの吸 収成分濃度と散乱損失）のマトリックス解法によって導出される。これらの結果 のアルゴリズムは、次の形式を取る。

Ｈｂ　”　ａＡ　ｂ　５１４１　＋ｂＡｂ　Ｓ＠＠６　＋ｃＡ　ｂ　Ｓ　ｔｏｓ ｓ　十ｄＡｂ　Ｓ　１１＠。

この場合定数ａ、、ｂ、ｃ及びｄの値は数値的に決定され、系内のヘモグロビン の量に対する方程式を与える。ＨｂＯ２とＨ，Ｏに対する類似の方程式が又獲得 される。散乱寄与は、分析評価に関連しないためにアルゴリズムにおいて計算さ れない。定数ａ％ｂ％Ｃ等は、正又は負であるか、あるいはｌよりも大又は小で あることができる。

ヘモグロビン及びオキシヘモグロビン濃度へ適用可能な上記の方法論は、何であ るかは既知であるが未知濃度の希薄成分を既知濃度の基準成分と組合わせて含む 環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定するための分光測光法として一般化され 且つ広く述べることができ、次の段階が実施される。

（ａ）希薄成分及び／又は基準成分が電磁放射に対して吸収を示す選択されｔ； スペクトル領域において、多数の波長にて入射電磁放射を環境内に向け、 ここで、そのような波長の数は、環境における希薄成分及び基準成分の数と、環 境の散乱特性によって決定され、＜ｂ＞多様な波長における電磁放射の環境によ る吸収、希薄成分及び基準成分の吸収寄与の相対強度、及びそのような波長の各 々における環境からの散乱損失を決定し、 （ｃ）前記波長の各々において、次の形式の吸収方程式を確立し、この場合、Ａ ｂｓ＝は波長Ｗの入射電磁放射の希薄及び基準成分を含む環境による吸光度であ り、Ｘ、は関連する希薄成分Ａ。

の吸収寄与の相対強度であり、形式Ｘ　＋　Ａ　１の項は希薄成分の各々に対し て与えられ、ｎは希薄成分の数であり、２は基準成分の吸収寄与の相対強度であ り、Ｒは基準成分の濃度であり、モしてＳは波長Ｗにおける環境の正規化されｔ ；散乱であり、これにより、希薄成分及び基準成分の数と、環境の散乱を特徴付 けるために必要とされる波長数とに等しい数の一組の連立方程式を生じさせるた めに、前記波長の各々に対して吸光度方程式を確立し、（ｄ）前記連立方程式の マトリックス解によってアルゴリズムを導出し、該アルゴリズムは、次の形式で あり、この場合、［Ｃ］は特定の希薄成分及び基準成分の濃度であり、ａｌは決 定された数値定数であり、ｍは波長決定の数であり、そしてＡｂｓ、１は波長Ｗ における吸光度であり、これによって環境における希薄成分及び基準成分の各々 に対して濃度を確立することである。

ヘモグロビンとオキシヘモグロビンの濃度を決定する前述の特定の例において、 Ｈ，Ｏ信号を、濃度計算のための光路延長因子を与えるために使用することがで きる。この方法において、ＨｂとＨｂｚの量は、ｌリットル当たりのグラム数の 濃度に変換することができる。この項は、真の濃度項であるが、不均質の分散系 に帰することが強調される。ヘモグロビンが赤血球細胞に別個に含まれるだけで なく、観察された水は、血漿中の水を含み更に細胞とリンパ空間中の水を含む。

こうして、濃度単位は、血液に対して臨床的に使用される通常の単位（１００ｍ ｌ当たりのグラム数）と直接比較することができない。しかし、通常の単位を、 各鼓動により指を膨らませる血液の余分な量のみを考察するならば、獲得するこ とができる。脈動信号は、例えば、脈拍酸素濃度計の公知の技術において使用さ れる。

脈拍酸素濃度計において、各脈拍で指を膨らませる余分の血液の色が決定される 。即ち、ＨｂとＨｂＯ，の相対量であり、こうして血液の酸素飽和の程度の測定 を与える。この技術は血液中のヘモグロビンの総量に関する情報を与えない。各 脈拍による水の増加の測定を付加することは、指における血液容積の各脈動増大 を測定するＨ、Ｏ吸収信号を使用することによって達成することができる。この 方法において、血液中の実際のヘモグロビン濃度を計算することができる。この 数値は一般的であり、そして導出された（指のような）特定の器官に制限されな い。こうして決定されたヘモグロビン含有量は、貧血症又は赤血球増加症のよう な状態に対して重要な診断情報を与える。更に、ヘモグロビン含有量は、血液の 実際の酸素含有量を決定するｔ；めに必要とされるが、その多くは、オキシヘモ グロビンの形態でヘモグロビンと組合わされて保持される。既知のヘモグロビン 含有量、及び標準的な酸素濃度法によって獲得されるヘモグロビンの０．飽和の パーセントにより、一層重要な０２含有量パラメータを極めて簡単に計算するこ とができる。

大径の他の器官、例えば、順、手足の筋肉組織等において、透過放射が組織を通 過した後、組織の厚さが機器的に有益な信号の取得を妨げないならば、透視を行 うことができる。この観点において、１ｃｍの水はそれを通過する１４００ｎｍ の近赤外放射線の約８０％を吸収することに注目すべきである。５ｃｍ直径の幼 児の頭の透視は、吸収のみによって入射近赤外光子の約９９．９７％の吸光を示 すであろう。しかし、濁った試料において、この損失は増大され得、そして検出 器からの散乱による損失と、検出器に究極的に達する光子による多重散乱によっ て生じｔ；光路の延長に帰することができる付加的な吸収とにより、更に増大さ れ得る。これらの光損失は非常に厳しいが、有益な信号がそのような状況におい てすら導出された。しかし、上記の例は、人の器官と身体部分に適用された本透 視技術の限界である。

大きな固体器官への応用に対しては、透視の代わりに反射モードを使用しなけれ ばならない。大人の頭への応用における反射モードの例として、前頭における第 １の位置にて光を適切に侵入させ、そして第１の位置から数センチメートル離れ た前頭における第２の位置にて収集し、収集された光子は、頭皮と頭蓋を横断し そして再び散乱して出る前に脳の皮層と相互作用する。この反射モードにおいて 、本発明の大きな必要性が特に明確に示される。

放射強度の反射測定によって決定されｆ：ＨｂとＨｂＯ，の大脳含有量は観察さ れｔ；余水に関連付けられ、侵入から収集点への光子流が出会った水の量に関連 した脳中の血液量の測定を与える。脳中の血液は、血管空間に勿論位置する赤血 球において高度に区分化される。しかし、測定されｔ；量は全水含有量と関連付 けられ、全水含有量は、血液、脳細胞及び髄膜空間内に、又ある程度は骨及び皮 膚内に顕著に存在する。このｔ；め、決定された濃度は、全「頭水」又は「組織 水」の量当たりのＨｂ（又はＨｂＯ，）の量として表現される。多くであるがす べてではないこの組織水は脳のそれであり、そして他の軟らかい組織の水含有量 に極めて匹敵する。この通常ではない表現は、本発明の分析の方法の文脈におい て最初幾分扱いにくいように見えるが、独自の重要性を有する。組織及び脳の全 水含有量は、特に、全重量の極めて一定な部分であり、こうしてそのような水は 分光「基準成分」のだめの必要条件を満たすことが注目される。挿入的に、浮腫 の場合に、血液とリンパ空間から細胞への水の移動が発生することが注目される 。脳において、実際に閉鎖系を形成する頭蓋骨の非弾性的な性質により、大脳浮 腫は、頭蓋内圧力の増大、及びその結果、髄膜流体と血液の流出につながる。し かし、全頭蓋内水含有量は同一のままである。付随的に、余水の信号と比較した ヘモグロビンの損失は、潜在的に致命的な苦痛となる頭蓋内圧力蓄積への優れた 非侵入的な指示を構成する。

前例において、酵素チトクロームＣオキシダーゼ（「チトクロームａ１ａ３Ｊ又 は「チトａ、ａ３Ｊ）を使用する主要な酸素による吸収を無視した。全スペクト ルへのこの酵素の比較的小さな寄与という見地から、ヘモグロビン・データに生 じる結果として得られる誤差は無視可能である。しかし、チトａ、ａ３の情報が 所望の場合には、２つのより適切に間隔をあけられた波長が必要とされ、一方は ８２５ｎｍ領域にあり、そして他方は８６５ｎｍ領域にある。水のバンドはその 正確な領域に存在しないが、９８０ｎｍピークが比較的近く、そして酵素濃度を 決定するための橋渡し基準として、内領域において吸収するヘモグロビンを使用 することができる。

好ましい実施態様 上記の測定を行うために使用することができる装置を記載する前に、上記の例に おいて使用された一般原理に３つの警告を付加する。

第１の警告は、狭いバンド、即ち、比較的単色の光源は鋭いアルゴリズムを構成 する際に重要な利点であるという事実である。第６図から、光の狭いバンド、例 えばＳｎｍ幅を与える光子源は、例えば光子の間に５０ｎｍの波長の広がりがあ る広いバンドよりも吸収特性の間により少ない重なりを生じさせることが極めて 明らかである。

第２の警告は第１の警告から直接に続く。新しい光源を使用するとき、中心波長 又はバンド幅が僅かでも異なると、新しいアルゴリズムを構成しなければならな い。

第３の警告は、本発明の実施が、明確な解における分光測光データのような認め られた基準の見地から結果を変換する手段の開発、あるいは認められた基準が関 連しない、即ち脳のような外生糸における拡張されたデータベースの新規の開発 に強く依存するということである。

本発明を実施し決定を行うために必要とされる装置システムは、次の構成システ ムを適切に具備する。

（ａ）希薄成分により特徴付けられるために、組織又は身体部分に侵入する可変 波長の光を生じさせる手段と、（ｂ）身体部分から発出しｔ；又は反射した光を 検出する手段と、（ｃ）異なる波長の光源から獲得された信号を分離増幅し、あ るいはそうでなければ処理する手段と、 （ｄ）これらの光源に対して導出されたアルゴリズムを使用して、吸収種の量を 計算する手段と、 （ｅ）濃度の次元（即ち、水又は他の基準成分の単位量当たりの量）、あるいは （未知濃度の希１成分の決定のために測定すべき身体部分の水以外の基準成分の 量に対する希薄成分の量のような）部分量として結果を表示する手段、 である。

第７図は、人の指における血液希薄成分の濃度を、指に含まれた水を基準にして 、定量的に決定する分光測光法システムの略図である。

前述のとおり、身体部分内で光子が出会うｔ；水の量を最初に確立しなければな らない。これは、水が実際に唯一の吸収種であるスペクトル範囲における測定、 あるいは他の吸収種が存在するならば多重波長の示差分光測光法によって行うこ とができる。人の指において、水は、死体の指における適切な分光測光的決定に よって最良に決定することができる。

そのような測定がヘモグロビンとの吸収バンドの重なる領域において行われなけ ればならないならば、赤血球による散乱を模倣するために、適切な非吸収性の散 乱流体によって血液を置換えなければならない。適切な散乱流体の例は、フルオ ロカーボン血液置換溶液、塩分溶液における炭酸カルシウム懸濁液等を含む。そ のような「無血液」の系において、死体の指の分光測光的特性は、透視を行うた めに指を通過したときの所与のスペクトル領域における放射に対する見掛は有効 光路長を決定するＩ；めに、参照基準として純水に対して決定し得る。かかる形 態の多数の決定に対して、多様な形式の人の指（例えば、幼児、青年、大人；黒 人、白人、東洋人；等）の光学的長さのデータベースが開発されている。この点 において、メラニンは、被験者の人種及び起源に依存した可変な程度を示す色素 種であることに注目すべきである。幾つかの事例に８いて、メラニン又は他の色 素関連剤を系における付加的な吸収種として処理し、そして研究対象の身体系に おいて所望の希薄成分の濃度を決定する際に付加的な波長の放射指向及び測定段 階を更に追加することが望ましい。

代替的に、データ取得とアルゴリズム計算のためのルーチンは、マイクロプロセ ッサ−・ベース・システムにおいてソフトウェアとして組込まれ、監視期間の開 始において所与の患者に適切なアルゴリズムの設定を与える。

統いて、被験者の指を種々の値の波長の放射を使用して透視する。波長の数は、 対象の希薄成分に対して決定すべき濃度に必要とされる精度に対応する。測定が 行われる波長の数は、前述のとおり、系における吸収種（基準成分と希薄成分） の数、及び反射測定のために透視又は照射される環境における散乱損失を示唆す るベースラインの波長依存特性に依存する。

選択された波長における種々の吸収測定及び／又は反射測定から、前述の形式の 一連の連立方程式が確立される。マトリックス代数による解の後、アルゴリズム が構成され、この場合、濃度は、所与の波長において決定された、無次元の係数 を掛けた個々の吸収値の合計として表現される。一旦試料（即ち身体器官）中に 存在する未知の希薄成分の量を決定したならば、これは、器官の全水中の濃度に よる値を得るために、水の信号に対する比率で示すことができる。

別の実施態様において、指のような脈動する器官又は身体部分における血液の増 大のみを得るために、全バックグラウンド減算を使用することができ、ヘモグロ ビンのような血液保持種（ｂｌｏｏｄ−ｂｏｒｎｅ　５ｐｅｃｉｅｓ）、アンモ ニア、尿素、クレアチニン及び二酸化炭素のような廃棄物、グルコース、脂質及 びコレステロールのような基質及び代謝産物、−酸化炭素、シアン化物及び砒素 のような毒素等の血液中の濃度の決定を達成する。

第７図に示された装置を適用するとき、指１０は、供給用オプトロード１４と収 集用オプトロード１６とを具備する２つの「オプトロード」組立体１２に乗せら れる。透視の方向は重要ではない。指の爪を通る光路が幾つかの事例において好 ましい。

供給用オプトロード１４は光ファイバー・ケーブル１６を介して光源１８に連結 され、光源１８は、この例示の実施態様において、電源供給線２２を介して電源 ２０によって電圧を加えられる多重固体レーザーから成る。レーザー源１８は近 赤外領域において電磁放射を発し、単色特性の各々は、指ｌＯの関連する表面に おける衝突と透視のために、光ファイバー・ケーブル１６によってオプトロード １４に伝送される。

生ずる透過した電磁放射は検出器オプトロード１６によって収集され、そして光 ファイバー・ケーブル２４を介して適切な変換器２６に伝達され、変換器２６は 、この例示の実施態様において、電源供給線３０を介して高電圧電源２８によっ て電圧を加えられる光電子増倍管から成る。

光ファイバー・ケーブル２４から光電子増倍管へ伝達される感知された透視信号 はそこで増幅され、そして信号転送手段３２によって信号処理モジュール３４に 伝達される。小さな低電圧「固体」検出器を使用する場合には、検出器を検出器 オプトロードに組込むことができる。光ファイバー・ケーブル２４は、それから 被験者に対して直接に電気ケーブルによって置き換えられる。

図示のように、光ファイバー・ケーブル１６は、皮膚によって直接に後方散乱さ れたレーザー源１８からの単色光の小部分を伝送する小さな分離された束の分岐 線３６を含む、これはケーブル分岐線３６によってフォトダイオード３８に結合 され、フォトダイオード３８は、信号線４０により電気信号を計算モジュール３ ４に伝送し、計算モジュール３４は、例えば、デジタル電子計算器から成りある いは１つ又は複数の専用マイクロプロセッサ−・ユニットから成ることができる 。

計算モジュール３４において、７オトダイオード３８及び光電子増倍管２６によ って伝送された電気信号が記憶され、記憶され又は計算されたシステム・パラメ ータと共に入射及び検出放射強度の測定を与える。

これらの変数及び予めプログラムされたアルゴリズムから、あるいはこれらのア ルゴリズムを「オンライン」で生ずるためにマトリックス解法によって確立され 且つ解かれた前述の連立吸光度方程式により、選択された希薄成分の濃度が計算 され、そして指の系におけろ水又は他の基準成分に対するかかる成分の量として 表現される。

生理学系への本発明の好ましい応用において、連続する放射を向けそして測定す る段階は、身体環境の代謝反応動態よりも実質的にずっと短い期間にて実施され なければならない。

計算モジュールは、適切なメーター及び／又はストリップチャート記録計等を具 備する装置３４ａを通しての出力としてそのような濃度データを与え、そして計 算モジュールと関連したデジタル・ディスク記録媒体又は類似の記憶手段による 出力された濃度データへのアクセスのために、出力された濃度データを記憶する 。

第８図は、構成が、オプトロード１１４と１１６を除いて第７図に示されたもの に対応するシステムの略図を示す。オプトロード１１４及び１１６は、被験者１ １０の前頭の間隔をあけられた領域に反射モードの分光測光法のために配置され ている。第８図のシステム要素において示されたすべての他のシステム要素は、 第７図の相対する要素と同一の番号を付けられる。但し、第７図にて使用された 参照番号に１００を加えである。

第８図のシステムにおいて、入射電磁放射は、オプトロード１１４から発せられ 、そして被験者の順の灰白質及び白質と、皮膚及び雪層の両方を浸透することが できる光子を与える。オプトロード１１６に反射された光子は感知され、そして その結果生じる検出信号が、第７図に関連して前述したように、光ファイバー・ ケーブル！２４によって光検出及び計算モジュール成分に伝送される。

本発明を、近赤外放射を使用した、指、手、つま先、足、耳たぶ、頭等のような 身体部分（全組織／全器官環境）内の組織成分と血液保持種のような希薄成分の 濃度の検出及び決定を主に参照して記載したが、本発明の応用性はそのように制 限されないことは明らかである。本発明の方法は、既知濃度の基準成分を含む環 境において、そして分光測光的吸収技術を実施することができる電磁スペクトル の範囲において、希薄成分の決定に適用し得る。

そのような代替的な応用の例は、酸性雨成分、−酸化炭素、あるいは大気及び大 洋／川岸環境における他の空気汚染種の測定、半導体製造及び産業ガス精製プロ セスにおける有毒ガス種の検出を含むが、それらに制限されるものではない。

更に、本発明を、例示の＊Ｘ態様を参照して示し且つ記載したが、他の変形、修 正及び実施態様が可能であり、そしてすべてのそのような明らかな変形、修正及 び実施態様は本発明の精神と範囲内にあると見なされる。

発明を実施するための最良モード 本発明を実施するための最良モードは、分析すべき環境において決定すべき吸収 分子成分の数と少なくとも同数の電磁放射の波長を使用する。

波長は、成分が吸収を示す選択された領域にある。身体器官環境の成分の分析は 、選択された波長による器官の透視から成り、放射入力及び検出点は器官を直径 方向に横切って置かれ、各波長の吸光度の決定が行われる。それから、アルゴリ ズムは、未知量に対する方程式のマトリックス解法によって、各波長における吸 収方程式から導出される。大きな固体器官に対して反射放射を使用することがで き、そして成分濃度の決定に対して使用することができる。

産業上の応用 本発明は希薄成分濃度の定量的決定のために使用することができ、この場合、希 薄成分は既知濃度の基準成分を有する環境中にある。例えば、本発明は、体液中 の酵素、蛋白質、代謝産物の濃度を決定するために使用することができる。大気 中の硫化水素、硫酸、硝酸、−酸化炭素のような酸性煙又はガス状成分の濃度を 又、脱塩プロセスにおける海水の塩濃度、廃水オゾン化システムにおけるオゾン と同様に、本発明により決定することができる。

国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．選択された波長において透過放射及び／又は反射放射の一連の連続する実質 的に同時の測定により、既知濃度の基準成分と組合わされた何であるかは既知で あるが未知濃度の希薄成分を含む環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定する分 光測光法であって、（ａ）該環境中の見掛け有効光路長を決定し、（ｂ）希薄成 分及び／又は基準成分が電磁放射に対する吸収を示す選択されたスペクトル領域 において、第１波長の入射電磁放射を環境に向け、 （ｃ）環境によって透過及び／又は反射された第１波長の放射を測定し、 （ｄ）希薄成分及び／又は基準成分が第１波長入射の放射とは異なる相対強度の 吸収を示す選択されたスペクトル領域において、少なくとも１つの他の波長の入 射電磁の放射を環境に向け、（ｅ）環境によって透過及び／又は反射された他の 波長の放射を測定し、 （ｆ）環境における前記第１及び他の波長の希薄成分に対する吸光係数の値を決 定し、 （ｇ）環境に対して決定された見掛け有効光路長、前記第１及び他の波長におけ る希薄成分に対する吸光係数の値、及び該波長における測定された吸収放射及び ／又は反射放射に基づいて、環境中の希薄成分の濃度として、基準成分の量に対 する希薄成分の相対量を決定する、ことから成る分光測光法。
2. ２．前記環境の前記見掛け有効光路長が、（ｉ）前記選択されたスペクトル領域 において異なる選択された波長における前記基準成分の吸光度を測定し、（ｉｉ ）測定された吸光度の値から示差吸光度を計算し、（ｉｉｉ）段階（ｉ）の異な る選択された波長において該基準成分に対する吸光係数の値を決定し、 （ｉｖ）該基準成分に対する決定された吸光係数の値から、示差吸光係数を計算 し、 （ｖ）該環境の見掛け有効光路長を与えるために、示差吸光度を示差吸光係数で 割る、 ことによって決定される請求の範囲１に記載の方法。
3. ３．段階（ｆ）の前記決定は、前記吸収／散乱測定段階の各々に対して修正され た連立ベール・ランバート方程式を確立し、前記環境における前記希薄成分と前 記基準成分の濃度のために該方程式を解くことにより行われる請求の範囲１に記 載の方法。
4. ４．未知濃度の第２の希薄成分が前記環境中に含まれ、前記選択されたスペクト ル領域における第３波長の電磁放射が、該第２の希薄成分が電磁放射の吸収を示 す該環境に向けられ、そして、環境によって透過及び／又は反射された第３波長 の放射が測定され、基準成分の量に対する第２の希薄成分の相対量を決定するた めに使用される請求の範囲１に記載の方法。
5. ５．３つの修正された連立ベール・ランバート方程式が、前記環境中の希薄成分 と基準成分の濃度に対して確立される請求の範囲４に記載の方法。
6. ６．前記環境は、前記放射の波長に独立した前記電磁放射の散乱を行い、そして 透過及び／又は反射放射は単一の付加波長にて測定される請求の範囲１に記載の 方法。
7. ７．前記環境は、波長に対して傾斜した直線状の関係で、或る程度前記電磁放射 の散乱を行い、そして透過及び／又は反射放射は付加的な２つの波長にて測定さ れる請求の範囲１に記載の方法。
8. ８．前記環境は、波長の非線形な関数である前記電磁放射の波長散乱を行い、そ して透過及び／又は反射放射は付加的な少なくとも３つの波長にて測定される請 求の範囲１に記載の方法。
9. ９．前記環境は身体環境である請求の範囲１に記載の方法。
10. １０．前記環境は、身体組織と身体器官から成るグループから選択される請求の 範囲９に記載の方法。
11. １１．希薄成分は、組織成分と血液保持種から成るグループから選択される請求 の範囲９に記載の方法。
12. １２．希薄成分は、酵素、代謝産物、基質、廃棄物及び毒物から成るグループか ら選択される請求の範囲９に記載の方法。
13. １３．希薄成分は、グルコース、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン及びチトク ロームａ、ａ３から成るグルコースから選択される請求の範囲９に記載の方法。
14. １４．前記環境は、基準成分として外的に添加された指示薬溶液を含む請求の範 囲１に記載の方法。
15. １５．前記環境は身体部分であり、そして前記指示薬はインドシアニングリーン 染料の水性溶液である請求の範囲１４に記載の方法。
16. １６．第１の希薄成分と基準成分が前記選択されたスペクトル領域において電磁 放射の吸収を示し、そして第２の希薄成分が該スペクトル領域において電磁放射 の吸収を示さず、そして第１及び第２の希薄成分が、該選択されたスペクトル領 域に密接に近接した第２のスペクトル領域において、電磁放射の吸収を示し、そ して基準成分が電磁放射の吸収を示さず、 環境中の第１の希薄成分の濃度として、該選択されたスペクトル領域における基 準成分の量に対する第１の希薄成分の相対量を決定し、該第２のスペクトル領域 における第２の希薄成分に対する基準成分として、濃度が決定された第１の希薄 成分を使用することから成る請求の範囲１に記載の方法。
17. １７．前記身体環境は、頭、指、手、つま先、足及び耳たぶから成るグループか ら選択された身体部分を含む請求の範囲９に記載の方法。
18. １８．前記電磁放射は、約７００〜１４００ナノメートルの範囲の波長を有する 赤外線放射である請求の範囲１に記載の方法。
19. １９．前記基準成分は水である請求の範囲９に記載の方法。
20. ２０．既知濃度の基準成分と組み合わされた何であるかは既知であるが未知濃度 の希薄成分を含む環境中の希薄成分の濃度を定量的に決定する分光測光法であっ て、 （ａ）希薄成分及び／又は基準成分が電磁放射に対して吸収を示す選択されたス ペクトル領域において、多数の波長の入射電磁放射を環境に向け、 ここで、該波長の数は、環境中の希薄成分及び基準成分の数と、環境の散乱特性 によって決定され、 （ｂ）環境による多様な波長の電磁放射の吸収、希薄成分及び基準成分の吸収寄 与の相対強度、及び該波長の各々における環境からの散乱損失を決定し、 （ｃ）該波長の各々において、次の形式の吸収方程式を確立し、▲数式、化学式 、表等があります▼ この場合、 Ａｂｓｗは、希薄成分及び基準成分を含む環境による波長ｗの入射電磁放射の吸 光度であり、 Ｘｊは、関連する希薄成分Ａｊの吸収寄与の相対強度であり、形式ＸｊＡｉの項 は、希薄成分の各々に対して与えられ、ｎは希薄成分の数であり、 ｚは、基準成分の吸収寄与の相対強度であり、Ｒは、基準成分の濃度であり、 そしてＳは、波長ｗにおける環境の正規化された散乱であり、これによって、希 薄成分及び基準成分の数並びに環境の散乱を特徴付けるために必要とされる波長 の数に等しい数の一組の連立方程式を与えるために、該波長の各々に対して吸光 度方程式を確立し、（ｄ）該連立方程式のマトリックス解法によってアルゴリズ ムを導出し、該アルゴリズムは次の形式であり、▲数式、化学式、表等がありま す▼ この場合、 ［ｃ］は、特定の希薄成分及び基準成分の濃度であり、ａｉは、決定された数値 定数であり、 ｍは該波長決定の数であり、 そしてＡｂｓｗｉは、波長ｗにおける吸光度であり、これによって、環境中の希 薄成分及び基準成分の各々の濃度を確立することから成る分光測光法。
21. ２１．既知濃度の基準成分と組合わされた何であるかは既知であるが未知濃度の 希薄成分を含む環境中の希薄成分の濃度を分光測光法により定量的に決定する装 置であって、 （ａ）既知波長の電磁放射を生じさせ、そして希薄成分に対して特徴付けられる 該放射を環境に向ける手段と、（ｂ）環境から発出した及び／又は反射された電 磁放射を検出し、そして対応する電気信号を生成する手段と、（ｃ）該電気信号 を受信し、そして該異なる波長に対応する電気信号を生成する手段と、 （ｄ）該異なる波長に対応する該電気信号に応答する吸光度方程式を確立し、そ して該吸光度方程式の解により希薄成分及び基準成分の量を計算するために、該 異なる波長に対応する該電気信号を受信しそして機能的に応答する手段と、 ここで、波長の各々における吸光度は、希薄成分及び基準成分の吸収寄与の相対 強度と、希薄成分及び基準成分の濃度の関数として表現され、 （ｅ）該希薄成分及び基準成分の計算濃度を表示する手段、とを其備する装置。
22. ２２．環境中の希薄成分の濃度の決定に続いて、環境が、該濃度の変化を監視さ れる請求の範囲１に記載の方法。
23. ２３．環境中の希薄成分及び基準成分の各々の濃度の決定に続いて、環境が、該 濃度の変化を決定するために監視される請求の範囲２０に記載の方法。