JPH04191642A - Method and apparatus for measuring concentration of light-absorbing substance in scattering medium - Google Patents

Method and apparatus for measuring concentration of light-absorbing substance in scattering medium

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JPH04191642A
JPH04191642A JP2322105A JP32210590A JPH04191642A JP H04191642 A JPH04191642 A JP H04191642A JP 2322105 A JP2322105 A JP 2322105A JP 32210590 A JP32210590 A JP 32210590A JP H04191642 A JPH04191642 A JP H04191642A
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scattering medium
absorbing substance
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wavelength
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Kazuyoshi Ota
和義 太田
Mamoru Tamura
守 田村
Goro Nishimura
吾朗 西村
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Abstract

PURPOSE:To detect an absolute value of the concentration of hemoglobin in blood, for instance, in addition to the state of a change in an organism by applying a pulse light to a scattering medium containing a light-absorbing substance. CONSTITUTION:Five kinds of pulse lights selected from a wavelength band of 670nm to 1.33mum are applied to a scattering medium containing oxidation-type hemoglobin, reduction-type hemoglobin, cytochrome and myoglobin, for instance, and the intensity of light for each wavelength is measured. Utilizing that a scattering profile in the case when no light-absorbing substance exists in the scattering medium does not change according to the wavelength, the scattering profile is removed from simultaneous equations of a time-base profile of the intensity of light for each wavelength obtained herein and the scattering profile, and thereby concentration V is obtained. The concentration V is calculated by the equation on the right. In the equation, K denotes a constant of absorption of lights of wavelengths lambda1 and lambda2, C denotes the velocity of light in the scattering medium, f1 denotes the light intensity of the light of the wavelength lambda1 at times t1 and t2, and f2 denotes the light intensity of the light of the wavelength lambda2 at the times t1 and t2.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、例えば血液中のヘモグロビン等の、散乱媒質
中の吸光物質の濃度を測定するための散乱媒質内吸光物
質の濃度測定方法及び装置に関するものである。
The present invention relates to a method and apparatus for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, such as hemoglobin in blood, for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium.

【従来の技術】[Conventional technology]

−日   − 従来、血液中のヘモグロビン等の濃度を検出する手段と
しては、非侵襲的酸素代謝モニタとして、近赤外領域の
波長の連続光を、生体中に入射し、生体の一部を透過し
た光を増幅し、各波長毎の出力強度の相関をとるように
したものがある。 他に、心臓の脈波を利用したパルスオキシメータが、動
脈血におけるSaO2の測定のなめに用いられている。 更に、生体が強い光散乱媒質であることを利用して、ピ
コ秒光パルスと光強度の時間分解計測を組合わせた方法
が提案されている。 その原理は、第14図に示されるように、吸光物質を含
んだ散乱媒質1内に、ピコ秒光パルス2を入射し、この
光ピコ秒パルス2が生体内での散乱によって時間的に拡
がる状態を、ストリークカメラ等の光時間分解計測装置
3により測定するものである。 これは、ピコ秒光パルス2が生体等の散乱媒質1内で十
分拡散されると、時間的に測定された光の強度パターン
が時間に対して指数関数的に減少し、且つその現象の度
合が散乱媒質内の吸光物質の濃度に依存することを利用
している。
- Japan - Conventionally, as a non-invasive oxygen metabolism monitor, a method for detecting the concentration of hemoglobin, etc. in blood has been to inject continuous light with a wavelength in the near-infrared region into a living body and transmit it through a part of the living body. There is a method that amplifies the emitted light and correlates the output intensity of each wavelength. Additionally, a pulse oximeter that uses heart pulse waves is used to measure SaO2 in arterial blood. Furthermore, a method has been proposed that takes advantage of the fact that living bodies are strong light scattering media and combines picosecond light pulses with time-resolved measurement of light intensity. The principle is that, as shown in Fig. 14, a picosecond light pulse 2 is introduced into a scattering medium 1 containing a light-absorbing substance, and this picosecond light pulse 2 is spread in time by scattering within the living body. The state is measured by an optical time-resolved measuring device 3 such as a streak camera. This is because when the picosecond light pulse 2 is sufficiently diffused within the scattering medium 1 such as a living body, the temporally measured light intensity pattern decreases exponentially over time, and the degree of this phenomenon decreases exponentially. depends on the concentration of light-absorbing substances in the scattering medium.

【発明が解決しようとする課題】[Problem to be solved by the invention]

前記従来の非侵襲的酸素代謝モニタは、あくまでもモニ
タであるために、生体の変化の状況のみを測定し、例え
ば血液中のヘモグロビン濃度等の絶対値を検出すること
ができないという問題点がある。 更に、前記パルスオキシメータは、主に肺機能のチエツ
クに用いられるものであり、脈波が検出できなければS
aO2等の測定に利用できないという問題点がある。 又、上記光ピコ秒パルスが生体の散乱によって指数関数
的に拡がることを利用した測定方法では、得られる光の
強度パターンが、測定対象の散乱状況に大きく影響され
、必ずしも指数関数的な現象を示さず、複雑なパターン
となって観測されることが多く、正確な測定を安定して
行うことができないという問題点がある。 この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、例えば血液中のヘモグロビン等のような、散乱
媒質内吸光物質の濃度を非侵襲的に測定する方法及び装
置を提供することを目的とする。 又、この発明は、光ピコ秒パルスの散乱媒質内での指数
関数的な散乱が不安定な状態であっても、散乱媒質内の
吸光物質濃度を測定する方法及び装置を提供することを
目的とする。
Since the conventional non-invasive oxygen metabolism monitor is just a monitor, there is a problem in that it measures only the state of changes in the living body and cannot detect the absolute value of, for example, the hemoglobin concentration in the blood. Furthermore, the pulse oximeter is mainly used to check lung function, and if a pulse wave cannot be detected, S
There is a problem that it cannot be used for measuring aO2, etc. In addition, in the measurement method that utilizes the fact that the picosecond pulse of light spreads exponentially due to scattering by living organisms, the intensity pattern of the light obtained is greatly affected by the scattering state of the measurement target, and does not necessarily reflect an exponential phenomenon. This poses a problem in that accurate measurements cannot be stably performed because complex patterns are often observed. The present invention has been made in view of the above conventional problems, and provides a method and apparatus for non-invasively measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, such as hemoglobin in blood. With the goal. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium even when the exponential scattering of picosecond pulses of light in the scattering medium is unstable. shall be.

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

第1発明は、吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ
1、A2のパルス光を入射し、この入射パルス光に基づ
く散乱媒質からの光の時間応答関数における波長A1光
の時刻t1、t2での光強度f1(tl) 、fl (
t2) 、波長A2光の時刻t1、t2での光強度f2
 (tl) 、f2 (t2)を測定し、波長λ1、A
2光の吸光物質における吸光の定数に、散乱媒質中での
光の速度をCとしたとき、吸光物質の濃度■を、次式 %式%) ] することを特徴とする散乱媒質内吸光物質の濃度測定方
法により上記目的を達成するものである。 又、請求項1において、前記散乱媒質中に吸光物質がN
種類含まれているとき、N+1種類の異なる波長λ1〜
λN+1のパルス光を散乱媒質に照射し、各波長毎の時
刻t1、t2での光強度を測定し、各吸光物質の濃度■
1〜VNを算出するようにしてもよい。 更に、請求項2において、前記吸光物質は、酸化型ヘモ
グロビン、還元型ヘモグロビン、チトクロームaa3及
びミオグロビンであり、パルス光は670 nl〜1.
33μIの波長域から5種類選択するようにしてもよい
。 第2発明は、吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ
1、A2のパルス光を入射する過程と、これらλ1、λ
2光における前記吸光物質の吸光度λ1、λ2を求める
過程と、前記吸光物質の光路長1を測定する過程と、こ
れらAI 、A2.1及びλ1、λ2における吸光係数
ε1、ε2に基一  8  − づいて、吸光物質の濃度Vを V= (AI −A2 ) / (1(ε1−ε2 )
 1から演算する過程と、からなる散乱媒質内吸光物質
の濃度測定方法により上記目的を達成するものである。 又、請求項4において、前記光路長1は、入射したパル
ス光の散乱媒質中を走行する時間tを求め、この時間を
に基づいて計測するようにしてもよい。 又、請求項1〜5のいずれかにおいて、前記パルス光を
ピコ秒発振レーザの出射光としてもよい6第3発明は、
吸光物質を含む散乱媒質に、少なくとも2種の波長λ1
、A2のパルス光を入射するパルス光源と、前記入射パ
ルス光に基づく前記散乱媒質からの光を時間分解計測し
て、各波長光の時間的強度パターンを得る光時間分解計
測装置と、この光時間分解計測装置により得られた各波
長光の時間的強度パターンのデータに基づき、波長A1
光の時刻t1、t2での光強度ti (ti) 、ri
(t2)、波長λ2の光の時刻t1、t2での光強度f
2(tlン、f2(t2>を測定し、波長λ1、A2光
の吸光物質における吸光の定数に、散乱媒質中での光の
速度をCとしたとき、吸光物質の濃度Vを、次式 %式%) )] で算出する計算器と、を有してなる散乱媒質内吸光物質
の濃度測定装置により上記目的を達成するものである。 第4発明は、吸光物質を含む散乱媒質にレーザ光を入射
して吸光部から吸光物質濃度Vを測定する装置において
、異なる2波長λ1、A2を発生するレーザ発生装置と
、散乱媒質を透過した出射光強度を測定する光電子増倍
管と、レーザのスタート信号から前記光電子増倍管で検
出した出射光信号の立上りまでの時間差を検出して電圧
に変換する時間−電圧変換回路と、設定された電圧レベ
ルのウィンドを通過するパルス数を計数するパルス計数
回路と、このパルス計数回路のピーク時の電圧と散乱媒
質を透過しないときの電圧レベルとの差から散乱媒質中
の走行時間を求め、光路長1に変換する電圧−距離変換
回路と、2波長λ1、A2に対するそれぞれの出射光強
度に基づき吸光度の変化分を求め、この変化分のデータ
と前記電圧距離変換回路のデータに基づいて吸光物質の
濃度を演算する回路とを具備してなることを特徴とする
散乱媒質内吸光物質の濃度測定装置により上記目的を達
成するものである。 又、請求項8において、前記パルス計数回路は、ウィン
ド電圧設定回路によって所定量ずつウィンド電圧を変化
させ、このウィンド電圧から走行時間を求め、光路長に
変換するようにしてもよい。 更に、請求項8において、前記パルス計数回路はウィン
ドの掃引タイミングをCPUにより所定量ずつ変化させ
、この掃引時間から走行時間を求め、光路長に変りする
ようにしてもよい。
The first invention provides a scattering medium containing a light-absorbing substance with different wavelengths λ.
1, A2 pulsed light is incident, and the light intensity f1 (tl), fl (
t2), light intensity f2 of wavelength A2 light at times t1 and t2
(tl), f2 (t2), wavelength λ1, A
2. A light-absorbing substance in a scattering medium characterized in that, where the light absorption constant in the light-absorbing substance and the speed of light in the scattering medium is C, the concentration of the light-absorbing substance is expressed as follows: The above object is achieved by the concentration measuring method described above. Further, in claim 1, the light-absorbing substance is N in the scattering medium.
When different types are included, N+1 types of different wavelengths λ1~
Irradiate the scattering medium with pulsed light of λN+1, measure the light intensity at times t1 and t2 for each wavelength, and calculate the concentration of each light-absorbing substance.
1 to VN may be calculated. Furthermore, in claim 2, the light-absorbing substance is oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, cytochrome aa3, and myoglobin, and the pulsed light is 670 nl to 1.
Five types may be selected from the wavelength range of 33 μI. The second invention provides a scattering medium containing a light-absorbing substance with different wavelengths λ.
1. The process of inputting A2 pulsed light and these λ1, λ
Based on the process of determining the absorbances λ1 and λ2 of the light-absorbing substance in two lights, the process of measuring the optical path length 1 of the light-absorbing substance, and the extinction coefficients ε1 and ε2 of these AI, A2.1 and λ1 and λ2, 8- Then, the concentration V of the light-absorbing substance is V = (AI - A2) / (1 (ε1 - ε2)
The above object is achieved by a method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, which comprises a process of calculating from 1. Further, in claim 4, the optical path length 1 may be determined by determining the time t during which the incident pulsed light travels in the scattering medium, and measuring this time based on the time t. Further, in any one of claims 1 to 5, the pulsed light may be emitted light of a picosecond oscillation laser.
At least two types of wavelengths λ1 are added to the scattering medium containing a light-absorbing substance.
, A2; an optical time-resolved measurement device that time-resolves the light from the scattering medium based on the incident pulsed light to obtain a temporal intensity pattern of each wavelength light; Based on the temporal intensity pattern data of each wavelength light obtained by a time-resolved measurement device, wavelength A1
Light intensity ti (ti), ri at light times t1 and t2
(t2), light intensity f of light with wavelength λ2 at times t1 and t2
2(tln, f2(t2>), wavelength λ1, A2 light absorption constant in the light-absorbing substance, and the speed of light in the scattering medium as C, the concentration V of the light-absorbing substance can be calculated using the following formula. The above object is achieved by an apparatus for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, which includes a calculator that calculates the calculation using the % formula %))]. A fourth invention provides a device for measuring the concentration V of the light-absorbing substance from a light-absorbing part by making a laser beam incident on a scattering medium containing a light-absorbing substance, which includes a laser generator that generates two different wavelengths λ1 and A2, and a laser beam that passes through the scattering medium. A photomultiplier tube that measures the intensity of the emitted light, and a time-voltage conversion circuit that detects the time difference from the laser start signal to the rise of the emitted light signal detected by the photomultiplier tube and converts it into a voltage. A pulse counting circuit counts the number of pulses passing through a window of voltage level, and the travel time in the scattering medium is determined from the difference between the voltage at the peak of this pulse counting circuit and the voltage level when it does not pass through the scattering medium. A voltage-distance conversion circuit converts the optical path length to 1, and a change in absorbance is calculated based on the output light intensity for two wavelengths λ1 and A2, and the absorbance is calculated based on data on this change and data from the voltage-distance conversion circuit. The above object is achieved by an apparatus for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, which is characterized by comprising a circuit for calculating the concentration of the substance. Further, in claim 8, the pulse counting circuit may change the window voltage by a predetermined amount using a window voltage setting circuit, calculate the travel time from this window voltage, and convert it into an optical path length. Furthermore, in claim 8, the pulse counting circuit may change the sweep timing of the window by a predetermined amount by a CPU, calculate the travel time from this sweep time, and change it to the optical path length.

【発明の作用及び効果】[Operation and effects of the invention]

まず第1発明及び第3発明の基本原理を説明する。 この発明は、吸光物質を含む散乱媒質内に光パルスを入
射させた場合、縦軸に光強度を対数でとり、横軸を時間
としたときの、散乱媒質を通過した光パルスの光強度は
、第1図(A)に示されるような、散乱媒質内に吸光物
質がないときの光強度(散乱プロファイル)fo(t)
と、第1図(B)に示されるような、吸光物質がある場
合の光強度−εVct (吸収プロファイル)10   の積として第1図(C
)のように次式(1)で表わされることを利用したもの
である。 一εVct f(t ) =fO(t ) 10     ・・・(
1)ここで、第1図(B)のεは吸光係数(波長により
変わる)、■は吸光物質のモル濃度、Cは散乱媒質内に
おける光速である。 更に上記に加えて、散乱プロファイルが光パルスの波長
によって変化せず、又、吸収プロファイルが波長によっ
て変化することを利用する。 即ち、散乱媒質内に吸光物質かない場合の散乱プロファ
イルが波長によって変化しないことを利用して、吸光物
質が1種類の場合は2種類の異なる波長のパルス光を入
射させ、得られた波長毎の光強度の時間的プロファイル
と散乱プロファイルとの式との連立方程式から、散乱プ
ロファイルを除去して、吸光物質の濃度を測定する。 第2及び第4発明は、吸光物質を含む散乱媒質に異なる
波長λ1、A2のピコ秒発振レーザを照射し、それぞれ
に対応する吸光度λ1、λ2を求め、これらの差ΔA=
AI−A2を求め、又、散乱媒質の実際の光路長1を時
間計測法を導入して求め、更に演算回路により ■=ΔA/1 (ε1−ε2) を演算してモル濃度Vを求めるものである。 これらの発明では、吸光物質の濃度は、実測値として正
確に測定できる。又、データの蓄積量も少なく演算方法
及びその装置の構成も簡単である。 更に、入力光強度が一定でなくても、吸光物質の濃度を
測定できる。又、吸光物質が複数種類散乱媒質内にある
場合でも、各吸光物質についての濃度を正確に測定でき
る。
First, the basic principles of the first invention and the third invention will be explained. In this invention, when a light pulse is incident on a scattering medium containing a light-absorbing substance, the light intensity of the light pulse that has passed through the scattering medium is , the light intensity (scattering profile) fo(t) when there is no light-absorbing material in the scattering medium, as shown in FIG. 1(A)
Figure 1 (C
), which is expressed by the following equation (1). -εVct f(t) = fO(t) 10...(
1) Here, ε in FIG. 1(B) is the extinction coefficient (varies depending on the wavelength), ■ is the molar concentration of the light-absorbing substance, and C is the speed of light in the scattering medium. Furthermore, in addition to the above, it takes advantage of the fact that the scattering profile does not change depending on the wavelength of the optical pulse, and the absorption profile changes depending on the wavelength. That is, taking advantage of the fact that the scattering profile when there is no light-absorbing material in the scattering medium does not change depending on the wavelength, when there is only one kind of light-absorbing material, pulsed light of two different wavelengths is incident, and the obtained wavelength The concentration of the light-absorbing substance is measured by removing the scattering profile from a simultaneous equation of the temporal profile of light intensity and the expression of the scattering profile. The second and fourth inventions irradiate a scattering medium containing a light-absorbing substance with picosecond oscillation lasers of different wavelengths λ1 and A2, obtain the corresponding absorbances λ1 and λ2, and calculate the difference ΔA=
Determine AI-A2, determine the actual optical path length 1 of the scattering medium by introducing a time measurement method, and further calculate ■=ΔA/1 (ε1-ε2) using an arithmetic circuit to determine the molar concentration V. It is. In these inventions, the concentration of the light-absorbing substance can be accurately measured as an actual value. Furthermore, the amount of data stored is small, and the calculation method and the configuration of the device are simple. Furthermore, the concentration of the light-absorbing substance can be measured even if the input light intensity is not constant. Furthermore, even when multiple types of light-absorbing substances are present in the scattering medium, the concentration of each light-absorbing substance can be accurately measured.

【実施例】【Example】

以下、第1発明の実施例を図面を参照して説明する。 まず、散乱媒質内の吸光物質か1種類の場合の、該吸光
物質の濃度を測定する過程について説明する。 光の散乱は、入射する光の波長と、散乱の原因となる物
質に依存する。 2波長で測定する場合、測定対象に対して等しい条件で
、これら2種類の波長光が入射し、等しい条件で観測し
なとすれば、入射光に対する散乱媒質による影響は等し
いと考えられる。又、散乱媒質自体が同時に吸光物質で
あっても同様に考えられる。更に、入射する異なる波長
光の波長が充分に近ければ、散乱媒質内での散乱はほぼ
等しいと考えることができる。 そこで、第1図(A)に示される散乱プロファイルfo
(t)が共通であり、吸光係数ε1、ε2が異なってい
る波長λ1、λ2の光を選び、前述の(1)式を、波長
毎にたてると次のようになる。 −εIVCt fl(t)=11  ・fo(t)10    ・・・
(2)f2(t)=I2  ・ fo (t  )1 
0−”〜パシ ・・・ (3)ここで、fl(t ) 
、f2(t )は、波長λ1、λ2光の観測された時間
的プロファイル、11、■2は入射光強度、ε1、ε2
は波長λ1、λ2光における吸光物質の光吸収係数、■
は吸光物質の濃度、Cは光速、tは時間をそれぞれ示す
。 なお、fl(t)とf2(t)については、入射光パル
スのプロファイルに違いがあるときは補正する必要があ
る。 前出(2)式及び(3)式の両辺で対数をとると、次式
のようになる。 log(fl(t ) ) =  1OQ11 +  
log(fo(t ) 1十(−εI VCt )・・
・(2′)tag(f2(t ) l = Ioa12
 +  IoQ(fO(t ) )+(−ε2 VCt
 )・・・(3′)(2′)−(3’ )式は、次の(
4)式となる。 loa (fl (t ) /f2 (t ) 1= 
100(11/I21 +(ε2−ε1)vct・・・
・・・・・・(4) 上記(4)式は、第2図に示されるように、全一  1
5 − てのをについて成立するので、t= ti〜tnのそれ
ぞれで、(4)式に準じて式をたてると次のようになる
。 log (fl (tl) /f2 (tl) 1= 
 to(+i11./I2 ) + (ε2−εi)v
cttog(fl (tn) / f2 (tn) )
= log(11/I21 +(ε2−ε1 )VC−
tn・・・・・・・・・〈5) 上記(5)式では、 l0G(II/I2)と吸光物質
の濃度■が未知数であり、従って、 log (11/
I2)を消去する連立方程式により、濃度■が求められ
ることになる。 例えば、時間t1、t2の式を使って濃度Vを求めると
次のようになる。 loa (fl (tl) /f2 (tl) )−1
0gff1 (t2) /f2 (t2) 1= (ε
2−e 1 ) VC(tl−t2)    −(6)
従って、 一  16 − V=[1/IC(ε2−ε1  )  (tl−t2)
  )  ]x  [10g(fl (tl) /f2
 (tl)  1−  log (fl (t2) /
f2 (t2)  l  ]    ・・・ (7)と
なる。 上記は吸光物質が1種類の場合であるが、吸光物質がn
種類ある場合については次のように行う。 N+1種の波長光における測定を行うと、波長λ1 ・
・・fl(t) =11fO(t) X10−(ε11v1+ε12V2 +−・・+ε1n
vn)ct波長λn・・・fn(t) =InfO(t) X10−(εnIV1  +6n2V2  +、−・十
εnnVn)Ct波長λn+1 −−− fn+1 (
t )=In+1 fO(t ) X  1 0−(En+1.IVI +En”1.2V
2+ −+E、n+1 、nvn)ctとなる。 fk(t):波長kにおける観測された時間的ツマター
ン fO(t):吸収のない時仮定される時間的パターン ■に二波長kにおける入射光強度規格化係数Vk:に番
目の吸光物質の濃度 ε11j:波長λiにおける3番目の吸光物質の吸光係
数 波長λ1〜λn+1において任意の1波長、例えば、波
長λn+1を基準とする。 ここで、波長λ1〜λn+1のそれぞれの式の両辺の対
数をとって波長λ1〜λnの式より波長λn+1の式を
減すると、 10(J  (fl  (t  )  /fn+1  
(t  )  )=   1oq(11/In+1  
)−((ε1,1−εn+1.1 ) Vl +・・・
+ (ε l、n  −ε n+1.n  )  Vn
  )  ctloo  (fn  (t  )  /
fn+1  (t  )  1=   log(In 
 /In+1  )−(<  ε n、  1 − ε
 n+1.?   )−V  1  + ・  ・  
・+(ε n、n  −ε n+1.n)Vn)ct 
    ・・−(s)い。。3.。。1)/、。、13
02.ノ、・・′ \   1 叉V n 、、’ 以上を使って(8)式を書直すと、 lj’ (t ) =I−ctεV    −−・・・
・・(9)時刻t1、t2において式をたて直すと、I
i’ (tl) = I−ct1ε■  ・・・・・・
・・・(10)F (t2) = 1−ct2ε■  
・・・・・・・・・(11)となり、(10)−<11
)を行うと、F (tl)  F (t2) = c(
t2−tl) EV・・・・・・・・・(12) εV= (1/ C(t2−tl) IX (F (t
l) −11’ (t2) )・・・(13)V= (
1/ c(t2−tl) 1 Xε  (F (tl) −F (t2) )・・・(
14) となり、濃度ベクトル■が求められる。 なお、更に多くの種類の波長光を使えば最小臼乗法を用
いてもVを決定できる。 又、上記では、各波長毎の測定対象物質の吸光係数Aを
既知のものとしているが、これは、吸光係数が予めわか
らない場合も、例えば、測定対象物質にパルス光を入射
させて、そのときの透過光に基づいて、当該吸光物質に
おける吸光の定数Kを測定して、これを利用するように
してもよい。 この場合は、(7)式におけるC(ε2−ε1)−にと
置換えることができる。 次に、第3発明による散乱媒質自吸光物質の濃度測定装
置の実施例について、第3図を参照して説明する。 この実施例は、測定対象10に異なる波長のピコ秒パル
スレーザを照射するピコ秒パルス光源12と、このピコ
秒パルス光源12からのレーザパルスを前記測定対象1
0に導く入射側光ファイバー14と、光を時間分解計測
する光時間分解計測装置16と、前記測定対象10を透
過したレーザパルスを、フィルター18を介して前記光
時間分解計測装置16に導く受光側光ファイバー20と
、前記光時間分解計測装置16の計測値から、測定対象
10における吸光物質の濃度Vを計算するコンピュータ
22と、このコンピュータ22の計算結果を表示するデ
イスプレィ24と、前記ピコ秒パルス光源12を作動さ
せるドライバー26とを含んで、散乱媒質自吸光物質の
濃度測定装置28を構成したものである。 前記入射側光ファイバー14には、入射光パルスモニタ
用ファイバー30が接続され、入射側光ファイバー14
を通るレーザパルスの一部をフィルター18を介して光
時間分解計測装置16に導くようにされている。 この濃度測定装置28においては、ピコ秒パルス光源1
2から、同一時刻に多波長のピコ秒レーザを測定対象1
0に入射させなければならない。 このなめ、前記入射光パルスモニタ用ファイバー30に
より入射光パルスの一部をフィルター18を介して光時
間分解計測装置16に導き、受光側光ファイバー20に
より導かれた光と同時に計測するか、ドライバー26か
らのトリガ信号と各波長のピコ秒光パルスの入射タイミ
ングを合わせるか、あるいは各波長における違いを管理
して、各波長における時間軸を合わせるようにする。 又、前記複数のピコ秒パルス光源12は、波長毎に、時
分割で交互に点灯させるか、フィルター18によって測
定する波長を選び出して、各波長の時間的強度パターン
を得るようにする。 前記コンピュータ22は、光時間分解計測装置16によ
って得られた波長毎の時間的強度パターンに基づいて、
前記(14)式の演算を行い、その結果を、吸光物質毎
に、デイスプレィ24に表示するようにされている。 次に、第4図に示される、第3発明の第2実施例につい
て説明する。 この第2実施例は、生体の血液中のヘモグロビン、ミオ
グロビン、チトクローム、オキシダーゼ等の濃度を測定
し、結果として、生体における酸素代謝を測定するもの
である。 この第2実施例に係る生体計測装置31は、波長700
〜90 On11の近赤外光領域での、異なる波長のレ
ーザパルスを発生する複数の半導体レーザ32と、これ
ら複数の半導体レーザ32から出射されるレーザパルス
を測定対象生体34に導く入射側光ファイバー36と、
ストリークカメラ等からなる光強度時間分解計測装置3
8と、この光強度時間分解計測装置38に測定対象生体
34を通ったレーザパルスを導く出射側光ファイバー4
0と、前記複数の半導体レーザ32を個々に駆動するた
めのドライバー42と、前記光強度時間分解計測装置3
8によって得られた波長毎の時間的強度パターンに基づ
いて、前記(14)式の演算を行い、各吸光物質部ち血
液中の酸化型ヘモグロビン、還元型ヘモグロビン、筋肉
中のビオグロビン、細胞中のチトクロームオキシダーゼ
等の濃度を演算するコンピュータ44と、このコンピュ
ータ44の演算結果を表示するデイスプレィ46とから
構成されている。 前記ドライバー42は、パルス発生器42Aと、このパ
スル発生器42Aからのパルス信号に基づいて半導体レ
ーザ32を駆動するための半導体レ−つ閾 − 一ザドライバー42Bとから構成されている。 半導体レーザドライバー42Bと前記半導体レーザ32
との間には遅延装置48が介在され、半導体レーザ32
からのレーザパルスの各波長でのばらつきを調整できる
ようにされている。 前記パルス発生器42Aから出力されるパルス信号は、
遅延装置50を介して前記光強度時間分解計測装置38
に入力されるようになっている。 この実施例においては、測定対象土#34に入射される
光パルスが半導体レーザ32から発振されるが、この半
導体レーザ32は発振のジッタが非常に小さいので、第
3図の実施例のように、入射光をモニタする必要がなく
、前記パルス発生器42Aからのパルスに基づいて、半
導体レーザ32を駆動することによってほとんどばらつ
きなく、測定対象生体34にレーザパルスを入射するこ
とかできる。又、僅かのばらつきも、前記遅延装置48
によって調整することができる。 前記光強度時間分解計測装置38は、遅延装置50を経
て、パルス発生器42Aからのパルス信号が入力される
ことにより、半導体レーザ32と同期して、出射側光フ
ァイバー40を介して導入される光パルスの計測を行う
ことができる。 一般に、生体は、強い光の散乱媒質となっていて、近赤
外領域の光に対して吸収は大部分が、前述のヘモグロビ
ン、ミオグロビン及びチトクロームオキシダーゼによっ
てなされている。 この実施例においては、半導体レーザ32から、700
〜900rvの近赤外光領域のレーザパルスが発振され
、且つ、この近赤外光領域は、第5図(A)、(B)に
示されるように、血液中の酸化型及び還元型ヘモグロビ
ン、筋肉中の酸化型及び還元型ミオグロビン、細胞中の
チトクロームオキシダーゼ等の吸光係数の安定した範囲
に合致するので、生体の酸素代謝等の測定に最適である
。 測定過程及びコンピュータ46で演算し、デイスプレィ
46に表示する過程は、前記第3図の実施例と同様であ
るので説明を省略する。 この第4図の実施例により、実際の生体の一部に半導体
レーザを照射して測定する場合の、測定例を第6図に示
す。 第6図(A)の場合は、測定対象生体を人体の頭頂部3
4Aとし、この頭頂部34に入射側光ファイバー36及
び出射測光ファイバー40を各々頭頂部の真上に出射口
及び入射口を配置する6又、第6図(B)に示されるよ
うに、上院部34Bを測定する場合も、同様に、上腕部
34Bに対して入射側光ファイバー36及び出射側光フ
ァイバー40を直角に当てる。 又、第6図(C)に示されるように、心臓34Cを測定
する場合は、入射側光ファイバー36からのレーザパル
スが心臓34Cを通って、出射側光ファイバー40に入
るように配置する。 次に、光路長1及び吸光度から、吸光物質濃度を測定す
る第2発明の方法及び装置の実施例について説明する。 まず、第2発明を理論的な面から考察する。 一般に不透明物質の吸光度Aは次式で表わされる。 A=  log(IO/II  )=gVl  +B−
(15)IO二人射光強度 ■1 :出射光強度 ε:吸光物質のモル吸光係数 ■=吸光物質のモル濃度 1:光路長 B:散乱強度 不透明物質の吸光測定は散乱光の影響Bを除くためにA
1とA2における2波長計測を行う。 A1 =C1Vl +B       −(16)A2
 =C2Vl 十B       −(17)C1:A
1におけるモル吸光係数 ε2:A2におけるモル吸光係数 (16)、(17)式から次式が得られる。 ΔA=AI −A2 = (C1−C2)C1、−、V
 =ΔA/1(C1−C2) ・・・(18)(18)
式において、光路長1は、第12図に示すように幾何学
的光路長りよりも散乱によって長くなっているなめ、実
際の光路長1を求めなければ絶対濃度Vを求めることが
できない。 ここで、実際の光路長1を求めるため、時間計側法を導
入すると、次式から求めることができる。 l=c −t =CO/n −t    =−(19)
C:試料中の光源 CO:真空中の光速 n:試料の屈折率 t;試料的走行時間 この(19)式から実際の光路長1を求めることによっ
て、吸光物質の絶対濃度Vを測定することができる。 ここで、第12図に示すように、レーザ発生装置6Iか
らピコ秒発振レーザを試料62に送り、この試料62内
で散乱吸収された後、光電子増倍管(以下PMTという
)63へ送るものとする。 試料62の厚さをLに固定すれば、試料62内の光子の
走行距離り十ΔL(=1)は以下のようにして求めるこ
とができる。 試料62がないときのレーザ発生装置61からPMT6
3までの走行時間T1は TI =TO+L/V・・・(20) TO:試料(2)以外の走行時間 −30= 試f162があるときの走行時間T2はT2 =TO+
(L+ΔL) n/V−(21)この(20)、(21
)式から T2−TI =ΔT =(L十ΔL)  n/V−L/V 、、l=L+ΔL=1/n  (L十VAT)・・・(
22) 従って、第9図に示すような試料62がないときの時間
対応に対して試料62を入れたためΔT遅れてきた信号
(光子)は全てL+ΔL=1の距離を走行してきたこと
になり、このΔTを求めれば1が求められる。このΔT
を求めるためには、試料62を入れたときの時間応答の
ピーク値ytPをどのようにして検出するかが問題とな
る。 第7図は、ある電圧レベル(ウィンド)のパルスを計数
するシングルチャンネルアナライザ(以下SCAという
)を用いてピーク位置を検出する装置のPノを示してい
る。この第7図において、61はレーザ発生装置で、こ
のレーザ発生装置61は第1、第2のレーザ発振部64
a 、64bと波長λ1とλ2のピコ秒レーザ発振部6
5a−65bとからなる。このレーザ発振部65a、6
5bの出射側には被測定試料62がセットされ、この試
料62の出射側には光ファイバー66a 、66b、干
渉フィルタ67a、67bを介してマルチアノードのP
MT63が設けられ、そのアノード68a、68bはそ
れぞれタイムピックオフ回路(以下TPOという)69
a 、69bに結合されている。このTPO69a 、
69bは、時間を電圧に変換する回路(以下TACとい
う)70a、70bを介して波高分析回路71、データ
解析回172、データ表示回路73に順次結合されてい
る。 前記波高分析回路71は、第1、第2のシングル
チャンネルアナライザ(以下SCAという)74a 、
74b 、第1、第2のカウンタメモリ75a、75b
、第1第2の積算回路76a、76b、ピーク値検出回
路77、SCAのウィンド電圧設定回路78からなる。 前記データ解析回路72は、割算回路79.10qアン
プ80、電圧−距離変換回路81、モル濃度演算回路8
2からなる。 以上のような回路構成における作用を第13図のフロー
チャートに基づき説明する。 レーザ発生装置61が10時のスタート信号により点灯
し、発生したλ1とλ2のピコ秒発振レーザは、試料6
2に入射する。レーザはこの試料62内で散乱吸収され
た後、光ファイバー66a、66bを通り、干渉フィル
タ67a、67bへ送られる。ここで分光された後、P
MT63の各チャンネルに導かれる。このときPMT6
3の光電面上で単一光電子となるようにレーザ光量が調
整される。又、測定中、レーザ光量が非常に一定となる
ように前記レーザ電源64a 、64bが制限され、必
要に応じて光量モニタ信号がデータ表示回路73により
表示される。 前記PMT63の各アノード68a 、68bの出力は
、TPO69a 、69b へ送られ、第9図のように
信号の立上りtlを検出する。この立上り時間t1と前
記レーザ電源64a 、64bのスタート信号の時間t
Qどの時間差がTAC70a 、70bにて正比例しな
電気信号に変換される。この電気信号は第1、第2の5
CA74a 、74bに送られる、これら第1、第2の
5CA74a 、74bはウィンド電圧設定回路78で
設定されたある電圧レベルにおけるウィンド幅Tの間パ
ルスを計数し、それぞれ第1、第2のカウンタメモリ7
5a、75bへ送る。そしである時間tnのデータSn
と、直前tn−iのデータS n−1とがピーク値検出
回路77で比較される。前のデータを5n−7、後のデ
ータをsnとすると、ピークに達するまではSr+−1
<Snの関係にある。この関係にある間は再び元へ戻っ
て積算する。前のデータS n−1が後のデータSnよ
り大の関係に変ったときがピークPであるから、このピ
ークP直後の電圧Vmと、試料がないときのウィンド中
心電圧Voとの差がら試料62中の走行時間が求められ
、これが電圧−距離変換回路81で1に変換されてモル
濃度演算回路82に送られる。 一方前記第1、第2の演算回路76a 、76bでは、
λ1における出射光度111とλ2における出射光度1
12が得られ、これが割算回路79でI 12/ I 
11 が求められ、logアンズ80で togI 12/ I 11 が求められる。 即ち、A1による吸光度A1とA2による吸光度A2は
次式の通りである。 AI =  100(IO1/III) 。 A2 =  log(I O2/ I 12)従って、 ΔA=AI −A2 = 1op(IO1/111) −IoII02/11
2)=  too((IOl・I 12) / (r 
11・l02))ここで、入射光強度は等しいから、I
 01= I 02となり、 ΔA=  IOQ (I 12/ I 11)    
 ・・・(23)となる。 この23式の値がlogアンプ80から出力されてモル
濃度演算回路82に送られる。このモル濃度演算回路8
2では、これら1とΔAの他、予めわかっているε1、
ε2がら前記18式が演算されて試料62のモル濃度■
が絶対値として求められる。 次に、第10図は本発明の他の実施例を示すものである
。即ち、前記7図の例では試′#62中の走行時間、即
ち1を求めるのに第1、第2の5cA74a 、74b
を用い、電圧レベル(ウィンド)を順次ΔVだけ変化さ
せるようにした。これに対し、第10図では、掃引のタ
イミングを順次Δtだけ変化させるものである。更に詳
しくは、レーザ発生装置61のスタート信号がCPU8
3に入力すると、掃引装置84では、第11図に示すよ
うにΔtの時間間隔て掃引電極85を駆動し、スリツト
86、螢光体87を介してA1用とA2用のPMT68
a 、68bに入射させる。このPMT68a 、68
bはλ1、λ2の2波長を同時計測しなければならない
ので、同一性能のものを2本用いるか、2本並列型を用
いる。このPMT68a、68bの出力はそれぞれ第1
、第2の積分回路89a 、89bに送られ、試料62
からのλ1、A2のデータを積分し、第1、第2のサン
プルアンドホールド回路(以下S W & )[という
)90a、90bへ送られる。 この第1、第2のS&H90a 、90bでは前記同様
積算値snとS n−1を出力し、ピーク値検出回路7
7で比較する。Sn >5n−1のときは傾斜が上向き
であるため、YES信号が出力し、掃引を続ける。sn
 <5n−iになると、No信号が出力して、時間−距
離変換口#r91で時間tを距離1に変換する。同時に
、CPU83からのNo信号で割算回路79へS&H9
0a 、90bからデータを取り込み割算する。以下の
処理は第7図と同様にしてモル濃度■が求められる。
Embodiments of the first invention will be described below with reference to the drawings. First, a process of measuring the concentration of a light-absorbing substance when there is only one kind of light-absorbing substance in a scattering medium will be explained. Light scattering depends on the wavelength of the incident light and the substance that causes the scattering. When measuring with two wavelengths, if these two types of wavelength light are incident on the measurement target under equal conditions and observation is performed under equal conditions, it is considered that the influence of the scattering medium on the incident light is equal. Further, the same can be considered even if the scattering medium itself is also a light-absorbing substance. Furthermore, if the wavelengths of incident light of different wavelengths are sufficiently close, it can be considered that the scattering within the scattering medium is approximately equal. Therefore, the scattering profile fo shown in FIG. 1(A)
(t) is common, and light having wavelengths λ1 and λ2 having different extinction coefficients ε1 and ε2 are selected, and the above-mentioned equation (1) is established for each wavelength, as follows. −εIVCt fl(t)=11 ・fo(t)10 ・・・
(2) f2(t)=I2・fo(t)1
0-”~paci... (3) Here, fl(t)
, f2(t) are the observed temporal profiles of wavelengths λ1 and λ2 light, 11, ■2 are the incident light intensities, ε1, ε2
is the light absorption coefficient of the light-absorbing substance at wavelengths λ1 and λ2, ■
represents the concentration of the light-absorbing substance, C represents the speed of light, and t represents time. Note that fl(t) and f2(t) need to be corrected if there is a difference in the profile of the incident light pulse. If the logarithm is taken on both sides of the above equations (2) and (3), the following equation is obtained. log(fl(t)) = 1OQ11 +
log(fo(t) 10(-εI VCt)...
・(2') tag(f2(t) l = Ioa12
+IoQ(fO(t))+(-ε2 VCt
)...(3')(2')-(3') formula is the following (
4) Equation becomes. loa (fl (t) /f2 (t) 1=
100 (11/I21 + (ε2-ε1)vct...
・・・・・・(4) As shown in Figure 2, the above equation (4) is
5 - holds true for , so if we create an equation according to equation (4) for each of t = ti to tn, we get the following. log (fl (tl) /f2 (tl) 1=
to(+i11./I2) + (ε2−εi)v
cttog(fl(tn)/f2(tn))
= log(11/I21 +(ε2−ε1)VC−
tn・・・・・・・・・〈5) In the above equation (5), l0G(II/I2) and the concentration ■ of the light-absorbing substance are unknown quantities, so log (11/
The concentration ■ can be found by simultaneous equations that eliminate I2). For example, when the concentration V is calculated using the equations for times t1 and t2, the following is obtained. loa (fl (tl) /f2 (tl) )-1
0gff1 (t2) /f2 (t2) 1= (ε
2-e 1 ) VC(tl-t2) −(6)
Therefore, 116 − V=[1/IC(ε2−ε1) (tl−t2)
) ]x [10g(fl (tl) /f2
(tl) 1-log (fl (t2) /
f2 (t2) l ] (7). The above is a case where there is one type of light absorbing substance, but the number of light absorbing substances is n
If there are different types, proceed as follows. When measurements are made using N+1 types of wavelength light, the wavelength λ1 ・
・・fl(t) =11fO(t) X10−(ε11v1+ε12V2 +−・・+ε1n
vn) ct wavelength λn...fn(t) = InfO(t)
t )=In+1 fO(t) X 1 0-(En+1.IVI +En”1.2V
2+ −+E, n+1, nvn) ct. fk(t): Observed temporal turn at wavelength k fO(t): Temporal pattern assumed when there is no absorption. Two incident light intensity normalization coefficients at wavelength k. Vk: Concentration of the th light-absorbing substance. ε11j: Absorption coefficient of the third light-absorbing substance at wavelength λi An arbitrary wavelength among wavelengths λ1 to λn+1, for example, wavelength λn+1 is used as a reference. Here, if we take the logarithms of both sides of each equation for wavelengths λ1 to λn+1 and subtract the equation for wavelength λn+1 from the equation for wavelengths λ1 to λn, we get 10(J (fl (t) / fn+1
(t))=1oq(11/In+1
)−((ε1,1−εn+1.1) Vl +...
+ (ε l,n −ε n+1.n ) Vn
) ctloo (fn (t) /
fn+1 (t) 1=log(In
/In+1)−(<ε n, 1 − ε
n+1. ? )−V 1 + ・ ・
・+(ε n, n −ε n+1.n)Vn)ct
...-(s) Yes. . 3. . . 1)/. , 13
02.ノ,...' \ 1 prong V n,,' Rewriting equation (8) using the above, lj' (t) = I-ctεV −-...
...(9) Rewriting the equation at times t1 and t2, I
i' (tl) = I-ct1ε■ ・・・・・・
...(10)F (t2) = 1-ct2ε■
・・・・・・・・・(11) becomes (10)−<11
), F (tl) F (t2) = c(
t2-tl) EV・・・・・・・・・(12) εV= (1/C(t2-tl) IX (F (t
l) -11' (t2) )...(13)V= (
1/ c(t2-tl) 1 Xε (F (tl) -F (t2) )...(
14) Then, the density vector ■ is obtained. Note that if more types of wavelength light are used, V can also be determined using the least power method. In addition, in the above, the extinction coefficient A of the substance to be measured for each wavelength is assumed to be known, but this also applies if the extinction coefficient is not known in advance, for example, by injecting pulsed light into the substance to be measured. The light absorption constant K of the light-absorbing substance may be measured based on the transmitted light of the light-absorbing substance, and this may be used. In this case, it can be replaced with C(ε2−ε1)− in formula (7). Next, an embodiment of an apparatus for measuring the concentration of a self-absorbing substance in a scattering medium according to the third invention will be described with reference to FIG. This embodiment includes a picosecond pulse light source 12 that irradiates a measurement object 10 with picosecond pulse lasers of different wavelengths, and a laser pulse from this picosecond pulse light source 12 that irradiates the measurement object 10 with picosecond pulse lasers of different wavelengths.
0, an optical time-resolved measurement device 16 for time-resolved measurement of light, and a light-receiving side that guides the laser pulse transmitted through the measurement object 10 to the optical time-resolved measurement device 16 via a filter 18. An optical fiber 20, a computer 22 that calculates the concentration V of the light-absorbing substance in the measurement target 10 from the measured values of the optical time-resolved measuring device 16, a display 24 that displays the calculation results of this computer 22, and the picosecond pulse light source. 12, and constitutes a concentration measuring device 28 for a scattering medium self-absorbing substance. An incident light pulse monitoring fiber 30 is connected to the incident side optical fiber 14.
A part of the laser pulse passing through the optical time-resolved measuring device 16 is guided through a filter 18 . In this concentration measuring device 28, the picosecond pulse light source 1
2, the multi-wavelength picosecond laser is measured at the same time as the measurement target 1.
It must be input at 0. In this case, a part of the incident light pulse is guided by the incident light pulse monitoring fiber 30 to the optical time-resolved measuring device 16 via the filter 18 and measured simultaneously with the light guided by the light-receiving side optical fiber 20, or the driver 26 The timing of the trigger signal and the picosecond light pulse of each wavelength are matched, or the differences in each wavelength are managed to match the time axes of each wavelength. Further, the plurality of picosecond pulse light sources 12 are turned on alternately in a time-division manner for each wavelength, or the wavelengths to be measured are selected by the filter 18 to obtain a temporal intensity pattern of each wavelength. The computer 22, based on the temporal intensity pattern for each wavelength obtained by the optical time-resolved measuring device 16,
The above equation (14) is calculated, and the results are displayed on the display 24 for each light-absorbing substance. Next, a second embodiment of the third invention shown in FIG. 4 will be described. In this second embodiment, the concentrations of hemoglobin, myoglobin, cytochrome, oxidase, etc. in the blood of a living body are measured, and as a result, the oxygen metabolism in the living body is measured. The bioinstrumentation device 31 according to this second embodiment has a wavelength of 700
A plurality of semiconductor lasers 32 that generate laser pulses of different wavelengths in the near-infrared light region of ~90 On11, and an incident-side optical fiber 36 that guides the laser pulses emitted from the plurality of semiconductor lasers 32 to the living body 34 to be measured. and,
Light intensity time-resolved measuring device 3 consisting of a streak camera, etc.
8, and an output side optical fiber 4 that guides the laser pulse that has passed through the living body 34 to be measured to the light intensity time-resolved measuring device 38.
0, a driver 42 for individually driving the plurality of semiconductor lasers 32, and the light intensity time-resolved measuring device 3.
Based on the temporal intensity pattern for each wavelength obtained in step 8, the above formula (14) is calculated, and each light-absorbing substance moiety, oxidized hemoglobin in blood, deoxyhemoglobin, bioglobin in muscle, bioglobin in cells, is calculated. It is comprised of a computer 44 that calculates the concentration of cytochrome oxidase, etc., and a display 46 that displays the calculation results of this computer 44. The driver 42 includes a pulse generator 42A and a semiconductor laser threshold driver 42B for driving the semiconductor laser 32 based on a pulse signal from the pulse generator 42A. Semiconductor laser driver 42B and the semiconductor laser 32
A delay device 48 is interposed between the semiconductor laser 32 and
It is possible to adjust the variations in each wavelength of the laser pulse from. The pulse signal output from the pulse generator 42A is
The light intensity time-resolved measuring device 38 via the delay device 50
is now entered. In this embodiment, the optical pulse incident on the soil to be measured #34 is oscillated from a semiconductor laser 32, but since this semiconductor laser 32 has very small oscillation jitter, There is no need to monitor the incident light, and by driving the semiconductor laser 32 based on the pulses from the pulse generator 42A, the laser pulse can be applied to the living body 34 to be measured with almost no variation. Moreover, even slight variations can cause the delay device 48 to
It can be adjusted by The light intensity time-resolved measuring device 38 receives the pulse signal from the pulse generator 42A via the delay device 50, and thereby controls the light introduced through the output side optical fiber 40 in synchronization with the semiconductor laser 32. Pulse measurement can be performed. Generally, a living body is a strong light scattering medium, and absorption of light in the near-infrared region is mostly performed by the aforementioned hemoglobin, myoglobin, and cytochrome oxidase. In this example, from the semiconductor laser 32, 700
A laser pulse in the near-infrared light region of ~900 rv is oscillated, and this near-infrared light region detects oxidized and deoxyhemoglobin in the blood, as shown in FIGS. 5(A) and (B). , oxidized and reduced myoglobin in muscles, cytochrome oxidase in cells, etc., and therefore it is ideal for measuring oxygen metabolism in living organisms. The measurement process and the process of calculating by the computer 46 and displaying it on the display 46 are the same as those in the embodiment shown in FIG. 3, so their explanation will be omitted. FIG. 6 shows a measurement example in which a part of an actual living body is irradiated with a semiconductor laser and measured using the embodiment shown in FIG. In the case of Fig. 6 (A), the living body to be measured is the top of the head 3 of the human body.
4A, and the input side optical fiber 36 and the output photometric fiber 40 are placed in the top part 34, and the output port and the input port are arranged directly above the top part, respectively.As shown in FIG. 6(B), 34B, similarly, the input side optical fiber 36 and the output side optical fiber 40 are applied at right angles to the upper arm 34B. Further, as shown in FIG. 6(C), when measuring the heart 34C, the arrangement is such that the laser pulse from the input side optical fiber 36 passes through the heart 34C and enters the output side optical fiber 40. Next, an embodiment of the method and apparatus of the second invention for measuring the concentration of a light-absorbing substance from the optical path length 1 and absorbance will be described. First, the second invention will be considered from a theoretical perspective. Generally, the absorbance A of an opaque substance is expressed by the following formula. A=log(IO/II)=gVl+B-
(15) IO two-person incident light intensity ■1: Outgoing light intensity ε: molar extinction coefficient of light-absorbing substance ■ = molar concentration of light-absorbing substance 1: optical path length B: scattering intensity Absorption measurement of opaque materials excludes the influence of scattered light B For A
Perform two wavelength measurements at 1 and A2. A1 = C1Vl +B - (16) A2
=C2Vl 10B - (17) C1:A
molar extinction coefficient ε2 at A2: molar extinction coefficient at A2 (16) and (17), the following equation is obtained. ΔA=AI-A2=(C1-C2)C1,-,V
=ΔA/1(C1-C2)...(18)(18)
In the equation, the optical path length 1 is longer than the geometric optical path length due to scattering, as shown in FIG. 12, so the absolute concentration V cannot be determined unless the actual optical path length 1 is determined. Here, in order to obtain the actual optical path length 1, if a time meter side method is introduced, it can be obtained from the following equation. l=c-t=CO/n-t=-(19)
C: light source in the sample CO: speed of light in vacuum n: refractive index of the sample t; sample transit time By determining the actual optical path length 1 from this equation (19), the absolute concentration V of the light-absorbing substance is measured. I can do it. Here, as shown in FIG. 12, a picosecond oscillation laser is sent from a laser generator 6I to a sample 62, and after being scattered and absorbed within this sample 62, it is sent to a photomultiplier tube (hereinafter referred to as PMT) 63. shall be. If the thickness of the sample 62 is fixed to L, the travel distance of photons within the sample 62, ΔL (=1), can be determined as follows. From the laser generator 61 to the PMT 6 when there is no sample 62
The running time T1 up to 3 is TI = TO + L/V (20) TO: Running time other than sample (2) - 30 = Running time T2 when there is test f162 is T2 = TO +
(L+ΔL) n/V-(21) This (20), (21
) From the formula, T2-TI = ΔT = (L+ΔL) n/V-L/V,, l=L+ΔL=1/n (L+ΔL)...(
22) Therefore, compared to the time response when there is no sample 62 as shown in Fig. 9, all the signals (photons) that are delayed by ΔT due to the insertion of the sample 62 have traveled a distance of L+ΔL=1, If this ΔT is found, 1 can be found. This ΔT
In order to find this, the problem is how to detect the peak value ytP of the time response when the sample 62 is inserted. FIG. 7 shows an apparatus for detecting peak positions using a single channel analyzer (hereinafter referred to as SCA) that counts pulses of a certain voltage level (window). In this FIG. 7, 61 is a laser generator, and this laser generator 61 is connected to the first and second laser oscillating units 64.
a, 64b and a picosecond laser oscillation unit 6 with wavelengths λ1 and λ2
It consists of 5a-65b. These laser oscillation units 65a, 6
A sample to be measured 62 is set on the output side of the sample 62, and a multi-anode P is connected to the output side of the sample 62 via optical fibers 66a, 66b and interference filters 67a, 67b.
An MT 63 is provided, and its anodes 68a and 68b are respectively connected to time pick-off circuits (hereinafter referred to as TPO) 69.
a, bound to 69b. This TPO69a,
69b is sequentially coupled to a pulse height analysis circuit 71, a data analysis circuit 172, and a data display circuit 73 via circuits 70a and 70b that convert time into voltage (hereinafter referred to as TAC). The wave height analysis circuit 71 includes first and second single channel analyzers (hereinafter referred to as SCA) 74a,
74b, first and second counter memories 75a, 75b
, first and second integration circuits 76a and 76b, a peak value detection circuit 77, and an SCA window voltage setting circuit 78. The data analysis circuit 72 includes a division circuit 79, a 10q amplifier 80, a voltage-distance conversion circuit 81, and a molar concentration calculation circuit 8.
Consists of 2. The operation of the circuit configuration as described above will be explained based on the flowchart of FIG. 13. The laser generator 61 is turned on by the 10 o'clock start signal, and the generated picosecond oscillation lasers of λ1 and λ2 are applied to the sample 6.
2. After the laser is scattered and absorbed within this sample 62, it passes through optical fibers 66a and 66b and is sent to interference filters 67a and 67b. After being spectroscopy here, P
Guided to each channel of MT63. At this time, PMT6
The amount of laser light is adjusted so that a single photoelectron is generated on the photocathode No. 3. Further, during measurement, the laser power supplies 64a and 64b are restricted so that the amount of laser light is kept very constant, and a light amount monitor signal is displayed by the data display circuit 73 as necessary. The outputs of the anodes 68a and 68b of the PMT 63 are sent to TPOs 69a and 69b, and the rising edge tl of the signal is detected as shown in FIG. This rise time t1 and the time t of the start signal of the laser power supplies 64a and 64b
Q Which time difference is converted into a directly proportional electrical signal at the TACs 70a and 70b. This electric signal is transmitted to the first and second 5
These first and second 5CAs 74a and 74b, which are sent to the CAs 74a and 74b, count pulses during a window width T at a certain voltage level set by the window voltage setting circuit 78, and count pulses in the first and second counter memories, respectively. 7
Send to 5a and 75b. Then, data Sn at a certain time tn
The peak value detection circuit 77 compares the data S n-1 of the immediately preceding tn-i. If the previous data is 5n-7 and the subsequent data is sn, Sr+-1 until the peak is reached.
The relationship is <Sn. While this relationship is maintained, the calculation returns to the original state and is integrated again. Since the peak P occurs when the previous data S n-1 becomes larger than the subsequent data Sn, the difference between the voltage Vm immediately after this peak P and the window center voltage Vo when there is no sample is measured. 62 is calculated, and this is converted to 1 by the voltage-distance conversion circuit 81 and sent to the molar concentration calculation circuit 82. On the other hand, in the first and second arithmetic circuits 76a and 76b,
Output luminous intensity 111 at λ1 and output luminous intensity 1 at λ2
12 is obtained, which is converted by the division circuit 79 to I 12/I
11 is obtained, and togI 12/I 11 is obtained with log anz 80. That is, the absorbance A1 due to A1 and the absorbance A2 due to A2 are as follows. AI = 100 (IO1/III). A2 = log(IO2/I12) Therefore, ΔA=AI - A2 = 1op(IO1/111) -IoII02/11
2) = too((IOl・I 12) / (r
11・l02)) Here, since the incident light intensity is equal, I
01=I 02, ΔA= IOQ (I 12/I 11)
...(23). The value of this equation 23 is output from the log amplifier 80 and sent to the molar concentration calculation circuit 82. This molar concentration calculation circuit 8
2, in addition to these 1 and ΔA, ε1, which is known in advance,
Equation 18 above is calculated from ε2, and the molar concentration of sample 62 is
is determined as an absolute value. Next, FIG. 10 shows another embodiment of the present invention. That is, in the example shown in FIG.
was used to sequentially change the voltage level (window) by ΔV. In contrast, in FIG. 10, the sweep timing is sequentially changed by Δt. More specifically, the start signal of the laser generator 61 is transmitted to the CPU 8.
3, the sweep device 84 drives the sweep electrode 85 at a time interval of Δt as shown in FIG.
a, 68b. This PMT68a, 68
Since the two wavelengths λ1 and λ2 must be measured simultaneously, two wavelengths of the same performance or two parallel types are used. The outputs of the PMTs 68a and 68b are the first
, to the second integrating circuits 89a and 89b, and the sample 62
The data of λ1 and A2 are integrated and sent to first and second sample-and-hold circuits (hereinafter referred to as SW&) 90a and 90b. The first and second S&Hs 90a and 90b output integrated values sn and S n-1 as described above, and the peak value detection circuit 7
Compare with 7. When Sn > 5n-1, the slope is upward, so a YES signal is output and the sweep continues. sn
When <5n-i, a No signal is output, and time t is converted into distance 1 at time-distance conversion port #r91. At the same time, the No signal from the CPU 83 sends the S&H9 to the divider circuit 79.
Take in data from 0a and 90b and divide. The following process is similar to that shown in FIG. 7 to determine the molar concentration (■).

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法の第1発明
の原理を示す線区、第2図は同原理を説明するための線
図、第3図は第3発明に係る散乱物質的吸光物質の濃度
測定装置の第1実施例を示すブロック図、第4図は同第
2実施例を示すブロック図、第5図は生体内吸光物質の
吸光係数と吸一  36 − 光される光の波長との関係を示す線区、第6図は第4図
の第2実施例により生体の各部を測定する場合の測定方
法を示す説明図、第7図は第4発明による吸光物質濃度
測定装置の実施例を示すブロック図、第8図は電圧−時
間の関係を示す図、第9図は時間応答を示す図、第10
図は第4発明の他の実施例のブロック図、第11図は掃
引時間の説明図、第12図は光路長1の説明のためのブ
ロック図、第13図は70−チャート、第14図は吸光
物質を含む散乱媒質にピコ秒パルス光を入射する過程及
び出射光の計測結果を示すブロック図である。 10・・・測定対象、 12・・・ピコ秒パルス光源、 14.36・・・入射側光ファイバー、16.38・・
・光時間分解計測装置、20.40・・・出射測光ファ
イバー、22.46・・・コンピュータ、 24.44・・・デイスプレィ、 26.42・・・ドライバー、 28・・・濃度測定装置、 31・・・生体計測装置、 32・・・半導体レーザ、 34・・・測定対象生体、 61・・・レーザ発生装置、 62・・・吸収物質(試料)、 63・・・PMT、 66a、66b・・・光ファイバー、 67a、67b・・・干渉フィルタ、 69a 、69b ・−TPO1 70a 、70b−TAC。 71・・・波高分析、 72・・・データ解析装置、 73・・・データ表示回路、 74a 、74b−8CA、 77・・・ピーク値検出回路、 78・・・ウィンド設定回路、 79・・・割算回路、 80・・・logアンプ、 81・・・電圧−距離変換回路、 82・・・モル濃度演算回路、 83・・・CPU、 84・・・掃引装置、 86・・・スリット、 87・・・螢光体、 88a 、88b ・ PMT、 91・・・時間−距離変換回路。
Fig. 1 is a line section showing the principle of the first invention of the method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, Fig. 2 is a line diagram for explaining the same principle, and Fig. 3 is a line section showing the principle of the method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium according to the third invention. FIG. 4 is a block diagram showing the first embodiment of the device for measuring the concentration of a light-absorbing substance, FIG. 4 is a block diagram showing the second embodiment of the same, and FIG. 6 is an explanatory diagram showing the measurement method when measuring each part of a living body according to the second embodiment of FIG. 4, and FIG. 7 is a measurement of light absorbing substance concentration according to the fourth invention. A block diagram showing an embodiment of the device, FIG. 8 is a diagram showing the voltage-time relationship, FIG. 9 is a diagram showing the time response, and FIG. 10 is a diagram showing the voltage-time relationship.
The figure is a block diagram of another embodiment of the fourth invention, FIG. 11 is an explanatory diagram of sweep time, FIG. 12 is a block diagram for explaining optical path length 1, FIG. 13 is a 70-chart, and FIG. 14 is an explanatory diagram of the sweep time. FIG. 2 is a block diagram showing the process of inputting picosecond pulsed light into a scattering medium containing a light-absorbing substance and the measurement results of the emitted light. 10...Measurement object, 12...Picosecond pulse light source, 14.36...Incidence side optical fiber, 16.38...
- Optical time-resolved measuring device, 20.40... Output photometric fiber, 22.46... Computer, 24.44... Display, 26.42... Driver, 28... Concentration measuring device, 31 ... Biological measurement device, 32 ... Semiconductor laser, 34 ... Living body to be measured, 61 ... Laser generator, 62 ... Absorbing substance (sample), 63 ... PMT, 66a, 66b. ...Optical fiber, 67a, 67b...Interference filter, 69a, 69b -TPO1 70a, 70b-TAC. 71... Wave height analysis, 72... Data analysis device, 73... Data display circuit, 74a, 74b-8CA, 77... Peak value detection circuit, 78... Window setting circuit, 79... Division circuit, 80... Log amplifier, 81... Voltage-distance conversion circuit, 82... Molar concentration calculation circuit, 83... CPU, 84... Sweep device, 86... Slit, 87 ... Fluorescent material, 88a, 88b, PMT, 91... Time-distance conversion circuit.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ1、λ
2のパルス光を入射し、この入射パルス光に基づく散乱
媒質からの光の時間応答関数における波長λ1光の時刻
t1、t2での光強度f1(t1)、f1(t2)、波
長λ2光の時刻t1、t2での光強度f2(t1)、f
2(t2)を測定し、波長λ1、λ2光の吸光物質にお
ける吸光の定数に、散乱媒質中での光の速度をCとした
とき、吸光物質の濃度Vを、次式 V=1/KC・1/(t1−t2) ×[log{f1(t1)/f2(t1)}−log{
f1(t2)/f2(t2)}]で算出することを特徴
とする散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法。
(1) Different wavelengths λ1 and λ are used in the scattering medium containing the light absorbing substance.
In the time response function of the light from the scattering medium based on the input pulsed light, the light intensities f1(t1) and f1(t2) of the wavelength λ1 light at times t1 and t2, and the light intensities f1(t1) and f1(t2) of the wavelength λ2 light are Light intensity f2(t1), f at time t1, t2
2(t2), and the concentration V of the light-absorbing substance is calculated by the following formula, V=1/KC, where C is the speed of light in the scattering medium and the constant of absorption in the light-absorbing substance for wavelengths λ1 and λ2 light.・1/(t1-t2) × [log{f1(t1)/f2(t1)}-log{
f1(t2)/f2(t2)}] A method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium.
(2)請求項1において、前記散乱媒質中に吸光物質が
N種類含まれているとき、N+1種類の異なる波長λ1
〜λN+1のパルス光を散乱媒質に照射し、各波長毎の
時刻t1、t2での光強度を測定し、各吸光物質の濃度
V1〜VNを算出することを特徴とする散乱媒質内吸光
物質の濃度測定方法。
(2) In claim 1, when the scattering medium contains N types of light-absorbing substances, N+1 types of different wavelengths λ1
A method of irradiating a scattering medium with pulsed light of ~λN+1, measuring the light intensity at time t1 and t2 for each wavelength, and calculating the concentration V1 to VN of each light absorbing substance. Concentration measurement method.
(3)請求項2において、前記吸光物質は、酸化型ヘモ
グロビン、還元型ヘモグロビン、チトクロームaa3及
びミオグロビンであり、パルス光は670nm〜1.3
3μmの波長域から5種類選択することを特徴とする散
乱媒質内吸光物質の濃度測定方法。
(3) In claim 2, the light-absorbing substance is oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, cytochrome aa3, and myoglobin, and the pulsed light is 670 nm to 1.3 nm.
A method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, characterized in that five types are selected from a wavelength range of 3 μm.
(4)吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ1、λ
2のパルス光を入射する過程と、これらλ1、λ2光に
おける前記吸光物質の吸光度A1、A2を求める過程と
、前記吸光物質の光路長lを測定する過程と、これらA
1、A2、l及びλ1、λ2における吸光係数ε1、ε
2に基づいて、吸光物質の濃度Vを V=(A1−A2)/{l(ε1−ε2)}から演算す
る過程と、からなる散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法
(4) Different wavelengths λ1, λ
2, a process of determining the absorbances A1 and A2 of the light-absorbing substance in these λ1 and λ2 lights, a process of measuring the optical path length l of the light-absorbing substance, and a process of determining the optical path length l of the light-absorbing substance;
Extinction coefficients ε1, ε at 1, A2, l and λ1, λ2
2, a method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium comprises the step of calculating the concentration V of the light-absorbing substance from V=(A1-A2)/{l(ε1-ε2)}.
(5)請求項4において、前記光路長lは、入射したパ
ルス光の散乱媒質中を走行する時間tを求め、この時間
をに基づいて計測するようにしたことを特徴とする散乱
媒質内吸光物質の濃度測定方法。
(5) In claim 4, the optical path length l is determined by determining a time t for the incident pulsed light to travel through the scattering medium, and is measured based on the absorption of light within the scattering medium. Method for measuring concentration of substances.
(6)請求項1〜5のいずれかにおいて、前記パルス光
はピコ秒発振レーザの出射光であることを特徴とする散
乱媒質内吸光物質の濃度測定方法。
(6) A method for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium according to any one of claims 1 to 5, wherein the pulsed light is emitted light from a picosecond oscillation laser.
(7)吸光物質を含む散乱媒質に、少なくとも2種の波
長λ1、λ2のパルス光を入射するパルス光源と、前記
入射パルス光に基づく前記散乱媒質からの光を時間分解
計測して、各波長光の時間的強度パターンを得る光時間
分解計測装置と、この光時間分解計測装置により得られ
た各波長光の時間的強度パターンのデータに基づき、波
長λ1光の時刻t1、t2での光強度f1(t1)、f
1(t2)、波長λ2の光の時刻t1、t2での光強度
f2(t1)、f2(t2)を測定し、波長λ1、λ2
光の吸光物質における吸光の定数K、散乱媒質中での光
の速度をCとしたとき、吸光物質の濃度Vを、次式 V=1/KC・1/(t1−t2) X[log{f1(t1)/f2(t1)}−log{
f1(t2)/f2(t2)}]で算出する計算器と、
を有してなる散乱媒質内吸光物質の濃度測定装置。
(7) A pulsed light source that injects pulsed light of at least two wavelengths λ1 and λ2 into a scattering medium containing a light-absorbing substance, and time-resolved measurement of the light from the scattering medium based on the input pulsed light, so that each wavelength Based on the optical time-resolved measuring device that obtains the temporal intensity pattern of light, and the data of the temporal intensity pattern of each wavelength light obtained by this optical time-resolved measuring device, the optical intensity of the wavelength λ1 light at times t1 and t2 is calculated. f1(t1), f
1 (t2), the light intensities f2 (t1) and f2 (t2) at times t1 and t2 of light with wavelength λ2 are measured, and the light intensities f2 (t1) and f2 (t2) of light with wavelength λ2 are
When the light absorption constant K in the light absorbing substance and the speed of light in the scattering medium are C, the concentration V of the light absorbing substance can be calculated using the following formula: V=1/KC・1/(t1−t2) X[log{ f1(t1)/f2(t1)}-log{
f1(t2)/f2(t2)}];
A device for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, comprising:
(8)吸光物質を含む散乱媒質にレーザ光を入射して吸
光部から吸光物質濃度Vを測定する装置において、異な
る2波長λ1、λ2を発生するレーザ発生装置と、散乱
媒質を透過した出射光強度を測定する光電子増倍管と、
レーザのスタート信号から前記光電子増倍管で検出した
出射光信号の立上りまでの時間差を検出して電圧に変換
する時間−電圧変換回路と、設定された電圧レベルのウ
ィンドを通過するパルス数を計数するパルス計数回路と
、このパルス計数回路のピーク時の電圧と散乱媒質を透
過しないときの電圧レベルとの差から散乱媒質中の走行
時間を求め、光路長lに変換する電圧−距離変換回路と
、2波長λ1、λ2に対するそれぞれの出射光強度に基
づき吸光度の変化分を求め、この変化分のデータと前記
電圧距離変換回路のデータに基づいて吸光物質の濃度を
演算する回路とを具備してなることを特徴とする散乱媒
質内吸光物質の濃度測定装置。
(8) A device that measures the concentration V of the light-absorbing substance from the light-absorbing part by inputting a laser beam into a scattering medium containing a light-absorbing substance, which includes a laser generator that generates two different wavelengths λ1 and λ2, and an emitted light that has passed through the scattering medium. A photomultiplier tube that measures the intensity;
A time-voltage conversion circuit that detects the time difference between the laser start signal and the rise of the emitted light signal detected by the photomultiplier tube and converts it into voltage, and counts the number of pulses that pass through a set voltage level window. a voltage-distance conversion circuit that calculates the traveling time in the scattering medium from the difference between the peak voltage of the pulse counting circuit and the voltage level when not passing through the scattering medium, and converts it into an optical path length l; , a circuit that calculates a change in absorbance based on the respective output light intensities for two wavelengths λ1 and λ2, and calculates the concentration of the light-absorbing substance based on data on this change and data from the voltage distance conversion circuit. A device for measuring the concentration of a light-absorbing substance in a scattering medium, characterized in that:
(9)請求項8において、前記パルス計数回路は、ウィ
ンド電圧設定回路によって所定量ずつウィンド電圧を変
化させ、このウィンド電圧から走行時間を求め、光路長
に変換するようにしたことを特徴とする散乱媒質内吸光
物質の濃度測定装置。
(9) In claim 8, the pulse counting circuit is characterized in that the window voltage setting circuit changes the window voltage by a predetermined amount, calculates the traveling time from this window voltage, and converts it into an optical path length. A device for measuring the concentration of light-absorbing substances in a scattering medium.
(10)請求項8において、前記パルス計数回路はウィ
ンドの掃引タイミングをCPUにより所定量ずつ変化さ
せ、この掃引時間から走行時間を求め、光路長に変換す
るようにしたことを特徴とする散乱媒質内吸光物質の濃
度測定装置。
(10) The scattering medium according to claim 8, wherein the pulse counting circuit changes the sweep timing of the window by a predetermined amount by a CPU, calculates the travel time from this sweep time, and converts it into an optical path length. Concentration measuring device for internally absorbing substances.
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