JPH04297854A

JPH04297854A - 吸光スペクトルの補正方法およびその方法を用いた光拡散物質の分光測定装置

Info

Publication number: JPH04297854A
Application number: JP3063308A
Authority: JP
Inventors: Yoshi Hirao; 佳平尾
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1992-10-21
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: DE4209886A1; GB9206474D0; GB2254145B; GB2254145A; FR2674626A1; JP2539707B2; US5333610A

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質表面から物質内に
光を照射し、物質内を拡散透過した光を物質表面の少な
くとも一点において受光することにより、物質の吸光ス
ペクトル波形を正確に得ることのできる吸光スペクトル
の補正方法およびその方法を用いた光拡散物質の分光測
定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、吸光光度法による物質の定量
分析をする場合、被測定物質が溶液や気体ならば光が透
過するので光透過率を容易に測定することができたが、
不透明な物質では、光が十分に透過しないので薄く切る
か粉砕してから、吸光スペクトルを測定していた。

【０００３】ところが、生体を生きたまま測定したい場
合には、この方法がとれない。そこで物質の表面におい
て光を照射し、当該物質の同じ表面の別の点において照
射光を受光し、受光データに基づいて所定の演算を行い
、物質の内部情報を測定する方法が提案されている（例
えば、特公昭６１−１１６１４号公報参照）。この方法
によれば、光照射装置を用いて生体の測定部位に光を導
き、生体内を透過、散乱、反射させ、その光を集光する
ので、生体内の本来の位置に器官を所在させたまま生体
内に装置を侵入させることなく非外傷かつ連続的に測定
を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、被測定物質は
通常、透明体ではなく、図９に示すように、光を反射、
散乱させる、いわゆる光拡散物質というものである。光
拡散物質では、光照射点Ａ−受光点Ｂ間の距離を固定し
ていても、光拡散物質中で多数回の反射屈折が繰り返さ
れる。

【０００５】このため、前記のような光拡散物質の表面
において照射測定をすると、実質光路長の分布により吸
光スペクトル波形のブロード化という現象が生じる。図
１０は、この現象を示すグラフであり、物質を薄く切っ
て測定した本来の吸光スペクトル波形ａと比較して、物
質の表面から測定した吸光スペクトル波形ｂはピークが
なまって平坦化している。

【０００６】このようななまった吸光スペクトル波形に
基づいて今までの透過測定データを成分として物質の成
分分析等をしても、正確な結果が得られないという問題
があった。本発明の目的は、物質の表面の照射点におい
て光を照射し、同じ物質の受光点において物質の内部を
通った光を受光し、受光データに基づいて吸光スペクト
ル分析を行い、物質の内部情報を測定する場合において
、光拡散物質を粉砕などせずに測定した吸光スペクトル
波形の形を補正することにより、物質本来の吸光スペク
トル波形に近い形の曲線データを得ることのできる吸光
スペクトルの補正方法およびその方法を用いた光拡散物
質の分光測定装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めの請求項１又は２記載の吸光スペクトルの補正方法は
、受光点における受光強度Ｉを各波長λごとに検出し、
リファレンス光強度をＩｏとして、パーセンテージアブ
ソープション％ＡＢＳ　（λ）＝（Ｉｏ−Ｉ）／Ｉｏを求め、１個の定数ｎを用いて、Ｓ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕又は複数個
の定数ｎｉ　（ｉ＝１，２，　・・・・）　を用いて、
Ｓ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計
算し、このＳ（λ）によって、当該物質本来のパーセン
テージアブソープションのスペクトル波形を表わす方法
である。

【０００８】また、請求項３又は４記載の、吸光スペク
トルの補正方法を用いた光拡散物質の分光測定装置は、
物質の表面の照射点において光を照射する光照射手段と
、同じ物質の受光点において物質の内部を通った光を受
光する受光手段と、受光点における受光強度を各波長ご
とに検出し、リファレンス光強度をＩｏとして、パーセ
ンテージアブソープション％ＡＢＳ　（λ）＝（Ｉｏ−Ｉ）／Ｉｏを算出する手段
と、与えられた１個の定数ｎを用いて、スペクトル波形Ｓ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕又は与えら
れた複数個の定数ｎｉ　（ｉ＝１，２，　・・・・）　
を用いて、スペクトル波形Ｓ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計
算する手段とを有し、前記の計算により得たスペクトル
波形Ｓ（λ）のデータを用いて物質本来の吸光スペクト
ル波形を得ることができるものである。

【０００９】

【作用】前記の吸光スペクトルの補正方法および分光測
定装置によれば、試料の光学測定データからパーセンテ
ージアブソープション％ＡＢＳ　を算出し、１個の定数
ｎ又は複数個の定数ｎｉ　（ｉ＝１　　，２，　・・・
・）を設定して、スペクトル波形Ｓ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕又はＳ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計
算する。

【００１０】このＳ（λ）は、当該光拡散物質本来のパ
ーセンテージアブソープションのスペクトル波形と形が
近似している。したがって、このＳ（λ）を使って、物
質の正確なスペクトル分析を行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下実施例を示す添付図面によって詳細に説
明する。図１は、本発明の１つの実施例を示す説明図で
ある。まず、光ファイバ２の照射端３と、照射端３から
照射され生体内を拡散した光を受光する光ファイバ５の
受光端４とを、それぞれ生体組織の表面の照射点Ａ、受
光点Ｂに接近させる。受光点Ｂと照射点Ａとは、受光端
４に入る光の強度が十分あり、かつ、生体組織表面に沿
って伝わる表面光の影響が無視できるようにある程度の
間隔が保たれている。すなわち、受光点Ｂと照射点Ａと
の距離が離れ過ぎると、照射端３から受光端４に入る光
の強度が弱くなり、測定ＳＮ比が劣化する。しかし、受
光点Ｂと照射点Ａとの距離が近すぎると、照射端３から
照射される光が生体組織表面から直接、受光端４に入っ
てしまうので、測定信号が相対的に弱くなってしまう。この反射光の影響を除外するには、照射端３および受光
端４の指向性をできるだけ狭く設定することが好ましい
が、あまり指向性が狭すぎると、照射端３から照射され
た光の大半が生体内部に侵入してしまうので、受光端４
に達する光量を確保することができなくなる。

【００１２】前記照射端３は光ファイバ２を通して単色
計１に接続されており、受光端４は光ファイバ５を通し
て光検出器６に接続され、光検出器６の出力はデータ処
理回路７およびスペクトル表示装置８に供給されるよう
に構成されている。単色計１は、詳細に説明すると、白
色光源、プリズム、回折格子等の分光素子等を内蔵して
おり、所望の波長の光を出力する。照射端３は、光ファ
イバから出射される光を導く集光部材（例えばレンズ）
を含む。受光端４も同様に集光部材を含む。光検出器６
は、フォトトランジスタ等の光強度検出素子を内蔵して
いる。

【００１３】なお、前記の実施例において、集光部材は
空隙を介して生体組織表面に対向しているが（図２参照
）、生体組織表面に接触させることも可能である。照射
端３から出射される単色光は、生体の内部に侵入する。そのうち一部の光は図２に示すように、生体の内部を伝
わり、受光点Ｂに達する。より詳細にいえば、照射端３
を出射した光のうち受光端４で検出可能な光量として達
する光は、生体の　　内部を散乱し拡散しながら進む。前記光が拡散しながら進む光拡散領域は、図２の斜線を
施した部分で示される。この光拡散領域のうち、最も多
くの光が通過する経路、つまり拡散しながら進んでいく
場合、その光束のエネルギー分布の中心点あるいは平均
点を連ねた軌跡（実質的な光拡散光路、以下単に光拡散
光路という）を符号Ｐで表わしている。

【００１４】照射端３から出て受光端４に達する光は、
照射点Ａ−受光点Ｂ間の生体の内部情報を持っている。光検出器６は、照射端３から出て受光端４に達した光を
検出してデータ処理回路７に入力する。データ処理回路
７は、単色計１から出射される単色光強度をリファレン
スとして入力し、両検出信号の相違に基づいて所定の演
算を行うことにより、距離ＡＢ間の生体の内部情報を示
す吸光スペクトルを得ることができる。

【００１５】以下演算方法を詳細に説明する。まず、各
波長における光検出器６で検出された光強度をＩ、リフ
ァレンス光強度をＩｏとして、パーセンテージアブソー
プション％ＡＢＳ％ＡＢＳ　＝（Ｉｏ−Ｉ）／Ｉｏを求める。％ＡＢＳ　は波長λの関数になる。

【００１６】次に、適当な値（正の実数）ｎを当てはめ
て、Ｓ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ＊％ＡＢＳ　（λ）〕を計算する
。また、適当な値（正の実数）ｎ１，ｎ２　を当てはめ
て、Ｓ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ１　＊％ＡＢＳ　（λ）〕＋
ｅｘｐ〔ｎ２　＊％ＡＢＳ　（λ）〕を計算する。なお
「＊」は掛け算を示し、値ｎ１，ｎ２　は、波長λに依
存しない定数である。

【００１７】このようにして計算されるＳ（λ）は、そ
の物質の本来の吸光スペクトルをパーセンテージアブソ
ープションで表示したカーブとよく似ている。したがっ
て、Ｓ　（λ）に基づいて、物質本来の吸光スペクトル
を求めることができる。特に、物質が多成分系（異なっ
たスペクトルを示す物質を多種類含む系。例えばＨｂと
ＨｂＯ２　とを含む血液）であれば、スペクトルによる
多成分解析を正確に行うことができる。

【００１８】次に実験結果を説明する。図３は、ラット
の大腿筋を測定対象とした実験装置を示す。容器２２の
中に生きたラット１４を入れ、ラット１４の後ろ脚が支
持部材１５により固定する。ラット１４の後ろ脚の固定
状態を図４に示す。ラット１４の後ろ脚は、支持部材１
５先端のリング１５ａに挿通され、リング１５ａの中に
は入射光ファイバ１３ａ、透過光ファイバ１３ｂ、拡散
光ファイバ１３ｃの各先端が導かれる。透過光ファイバ
１３ｂおよび拡散光ファイバ１３ｃの先端のなす角は３
０°である。入射光ファイバ１３ａは、電源１１に接続
されたＩ２　ランプの照射光を導き、透過光ファイバ１
３ｂは、ラット１４の後ろ脚の内部を透過した光をピッ
クアップし、拡散光ファイバ１３ｃはラット１４の後ろ
脚の内部を拡散した光をピックアップする。以下、この
実験において、透過光ファイバ１３ｂによりピックアッ
プされる光を「透過光」、拡散光ファイバ１３ｃにより
ピックアップされる光を「拡散光」という。透過光は、
ラット１４の後ろ脚の内部を透過屈折しながら、入射光
と同じ方向に射出される光であり、その吸光スペクトル
は、物質本来の吸光スペクトルと同じ形をしていると考
えてよい。拡散光は、ラット１４の後ろ脚の内部を反射
屈折しながら、入射光と違った方向に射出される光であ
り、その吸光スペクトルは、物質本来の吸光スペクトル
波形よりもなまり、平坦化している。この理由は、前述
した実質的な光拡散光路が曲がっていて、光の後方への
反射散乱成分が多くなっているからと思われる。

【００１９】透過光ファイバ１３ｂからの透過光、拡散
光ファイバ１３ｃからの拡散光は光スイッチ（図示せず
）により選択され、スリット１７、鏡１８を通して回折
格子１９に入射する。回折格子１９からの分散光は１次
元イメージセンサ２０によって受光される。前記測定装
置において、Ｉ２　ランプの照射光をラット１４の後ろ
脚に当てると、光は脚の内部で種々の方向に広がり、光
の一部が透過光ファイバ１３ｂ及び拡散光ファイバ１３
ｃによりピックアップされる。透過光又は拡散光は回折
格子１９により分光され、その強度吸光スペクトルに相
当する像が１次元イメージセンサ２０の受光面に結像さ
れる。受光面の結像強度に比例して蓄積された電荷は転
送電極を通して時系列画像信号に変換され、処理部２１
において次のような処理が行われる。

【００２０】まず、透過光ファイバ１３ｂ、拡散光ファ
イバ１３ｃにより導かれた光の透過強度Ｔ，拡散強度Ｄ
を各波長ごとに測定する。そして、ラット１４の後ろ脚
に代えて、光拡散物質の一例としてヨーグルトを入れた
試験管をリング１５ａに挿通し、透過光ファイバ１３ｂ
、拡散光ファイバ１３ｃにより導かれるリファレンス光
の透過強度Ｔ０　，拡散強度Ｄ０　を測定する。

【００２１】次の式により透過係数αＴ　，拡散係数α
Ｄ　を算出する。 αＴ　＝ｌｏｇ（Ｔ０　／Ｔ） αＤ　＝ｌｏｇ（Ｄ０　／Ｄ）さらに，透過光のパーセンテージアブソープション％Ａ
ＢＳ　Ｔ　％ＡＢＳ　Ｔ　＝（Ｔ０　−Ｔ）／Ｔ０　拡散光のパー
センテージアブソープション％ＡＢＳ　Ｄ　％ＡＢＳ　
Ｄ　＝（Ｄ０　−Ｄ）／Ｄ０　を求める。

【００２２】さらに、拡散光のパーセンテージアブソー
プション％ＡＢＳ　Ｄ　を規準の波長７５８ｎｍの値で
引き算して規格化した数値ｎ−％ＡＢＳ　Ｄ　を求め、
規格化されたｎ−％ＡＢＳ　Ｄ　を、補正式　　ＳＤｎ１　＝ｅｘｐ〔１．９２７　＊ｎ−％ＡＢＳ
　Ｄ　〕　　　　　　　　　　　　　　　　（１）　　
ＳＤｎ２　＝ｅｘｐ〔０．８２７　＊ｎ−％ＡＢＳ　Ｄ
　〕　　　　　　　　　　　　　　　　（２）又はＳＤ
ｎ１，ｎ２＝　ｅｘｐ〔１．９２７　＊ｎ−％ＡＢＳ　
Ｄ　〕＋　ｅｘｐ〔０．８２７　＊ｎ−％ＡＢＳ　Ｄ　
〕（３）にそれぞれ当てはめて補正する。

【００２３】以上の結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１のデータのうち、透過係数αＴ　，拡
散係数αＤをグラフ化したものを図５に示す。図５を見
ると、拡散係数αＤ　のグラフの形は、透過係数αＴ　
のグラフの形に比較してピークは低下し、平坦部は持ち
上がっている。表１のデータのうち、透過光のパーセン
テージアブソープション％ＡＢＳ　Ｔ　、拡散光のパー
センテージアブソープション％ＡＢＳ　Ｄ　をグラフ化
したものを図６に示す。

【００２６】さらに、透過光のパーセンテージアブソー
プション％ＡＢＳ　Ｔ　、拡散光のパーセンテージアブ
ソープション％ＡＢＳ　Ｄを波長７５８ｎｍの値を０に
揃えて規格化したｎ−％ＡＢＳＴＴ　，ｎ−　％ＡＢＳ
　Ｄ　のグラフを図７に示す。拡散光のパーセンテージアブソープションｎ−％ＡＢＳ
　Ｄ　を補正式（１）（２）（３）を用いて補正したグ
ラフを図８に示す。ただし、７５８ｎｍのピークで揃え
ている。図８を見ると、ＳＤｎ２　の形は、規格化された拡散光
のパーセンテージアブソープション　ｎ−　％ＡＢＳ　
Ｄの形に近いが、ＳＤｎ１　となると、規格化された透
過光のパーセンテージアブソープションｎ−％ＡＢＳ　
Ｔ　の形に近づき、ＳＤｎ１，ｎ２の形は、最もｎ−％
ＡＢＳ　Ｔ　の形に近づいていることが分かる。

【００２７】すなわち、簡単な補正式（１）（２）又は
（３）を用いた補正によって、拡散光の吸光スペクトル
のなまりや平坦化をなくし、本来の透過吸光スペクトル
の形に近づけることに成功したといえる。したがって、
同様の試料については、補正したスペクトル形ＳＤｎ１
　、ＳＤｎ２　、ＳＤｎ１，ｎ２を利用して、スペクト
ル波形の補正を自動的に行うことができる。

【００２８】また、補正されたスペクトル波形から、多
成分物質の各含有率を求めることができる。なお、本発
明は前記の実施例に限定されるものではなく、例えば前
記実施例では生体を測定対象としていたが、光を拡散す
る物質であれば測定対象は何でもよい。例えば、ゼリー
、果実、肉、魚貝類等の食品、種、苗木等の植物を測定
対象とすることも可能である。その他本発明の要旨を変
更しない範囲内において、種々の設計変更を施すことが
可能である。また、発明の補正式はｅｘｐ型の数式を用
いたが、この補正式と同様の効果をもたらすものとして
テーラー展開した多項式など種々の数式が考えられる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明の吸光スペクトル
の補正方法およびその方法を用いた光拡散物質の分光測
定装置によれば、試料の光学測定データからパーセンテ
ージアブソープション％ＡＢＳ　を算出し、１個の定数
ｎ又は複数個の定数ｎｉ　（ｉ＝１　　，２，・・・・
）　を設定して、スペクトルＳ（λ）＝ｅｘｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕又はＳ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計
算し、当該光拡散物質本来のパーセンテージアブソープ
ションのスペクトルを極めてよい近似で得ることができ
る。

【００３０】したがって、このＳ（λ）を使って、光拡
散物質のスペクトル分析を行えば、物質を薄く切ったり
、粉砕したりしなくとも、再現性、信頼性のよい物質の
成分分析を行うことができる。特に、複数個の定数ｎｉ
　（ｉ＝１　　，２，　・・・・）　を設定して、Ｓ（
λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計算す
る場合は、当該光拡散物質本来のパーセンテージアブソ
ープションのスペクトルに最も近いスペクトル波形を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光拡散物質の分光測定装置の一実施例
を示す図である。

【図２】生体の測定部位を示す断面図である。

【図３】吸光スペクトルの補正実験に用いた分光測定装
置の一実施例を示す図である。

【図４】ラットの脚への照射部分を示す拡大図である。

【図５】実験で得られた透過係数αＴ　，拡散係数αＤ
　のグラフである。

【図６】透過光のパーセンテージアブソープション％Ａ
ＢＳ　Ｔ　、拡散光のパーセンテージアブソープション
％ＡＢＳ　Ｄ　のグラフである。

【図７】透過光のパーセンテージアブソープション％Ａ
ＢＳ　Ｔ　、拡散光のパーセンテージアブソープション
％ＡＢＳ　Ｄ　を７５８ｎｍのピークで揃えたグラフで
ある。

【図８】拡散光のパーセンテージアブソープション％Ａ
ＢＳ　Ｄ　を補正式（１）（２）（３）を用いて補正し
たグラフである。

【図９】光を反射、散乱させる光拡散物質の内部状態を
示す図である。

【図１０】図９の光拡散物質の表面において照射測定を
した、吸光スペクトル波形ｂ及び物質本来の吸光スペク
トル波形ａを比較したグラフである。

【符号の説明】

１　　　　単色計２　　　　光ファイバ３　　　　照射端４　　　　受光端５　　　　光ファイバ６　　　　光検出器７　　　　データ処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物質の表面の照射点において光を照射し、
同じ物質の受光点において物質の内部を通った光を受光
し、受光データに基づいて吸光スペクトル分析を行い、
物質の内部情報を測定する方法において、受光点におけ
る受光強度Ｉ（λ）を各波長λごとに検出し、リファレ
ンス光強度をＩｏ（λ）として、パーセンテージアブソ
ープション％ＡＢＳ　（λ）＝｛Ｉｏ（λ）−Ｉ（λ）｝／Ｉｏ（
λ）を求め、１個の定数ｎを用いて、スペクトル波形Ｓ（λ）＝ｅｘ
ｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕を計算し、このスペクトル
波形Ｓ（λ）によって、当該物質本来のパーセンテージ
アブソープションのスペクトル波形を再現することを特
徴とする吸光スペクトルの補正方法。
【請求項２】物質の表面の照射点において光を照射し、
同じ物質の受光点において物質の内部を通った光を受光
し、受光データに基づいて吸光スペクトル分析を行い、
物質の内部情報を測定する方法において、受光点におけ
る受光強度Ｉ（λ）を各波長λごとに検出し、リファレ
ンス光強度をＩｏ（λ）として、パーセンテージアブソ
ープション％ＡＢＳ　（λ）＝｛Ｉｏ（λ）−Ｉ（λ）｝／Ｉｏ（
λ）を求め、複数個の定数ｎｉ　（ｉ＝１，２，　・・・・）　を用
いて、スペクトル波形Ｓ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を計
算し、このスペクトル波形Ｓ（λ）によって、当該物質
本来のパーセンテージアブソープションのスペクトル波
形を再現することを特徴とする吸光スペクトルの補正方
法。
【請求項３】物質の表面の照射点において光を照射する
光照射手段と、同じ物質の受光点において物質の内部を
通った光を受光する受光手段と、受光点における受光強
度Ｉ（λ）を各波長ごとに検出し、リファレンス光強度
をＩｏ（λ）として、パーセンテージアブソープション
％ＡＢＳ　（λ）＝｛Ｉｏ（λ）−Ｉ（λ）｝／Ｉｏ（
λ）を算出する手段と、与えられた１個の定数ｎを用いて、スペクトル波形Ｓ（
λ）＝ｅｘｐ〔ｎ・％ＡＢＳ　（λ）〕を計算する手段
とを有し、前記の計算により得たＳ（λ）のデータを用
いて物質本来の吸光スペクトル波形を得ることを特徴と
する、吸光スペクトルの補正を用いた光拡散物質の分光
測定装置。
【請求項４】物質の表面の照射点において光を照射する
光照射手段と、同じ物質の受光点において物質の内部を
通った光を受光する受光手段と、受光点における受光強
度Ｉ（λ）を各波長ごとに検出し、リファレンス光強度
をＩｏ（λ）として、パーセンテージアブソープション
％ＡＢＳ　（λ）＝｛Ｉｏ（λ）−Ｉ（λ）｝／Ｉｏ（
λ）を算出する手段と、与えられた複数個の定数ｎｉ　
（ｉ＝１，２，　・・・・）　を用いて、スペクトル波
形Ｓ（λ）＝Σｅｘｐ〔ｎｉ　・％ＡＢＳ　（λ）〕を
計算する手段とを有し、前記の計算により得たＳ（λ）
のデータを用いて物質本来の吸光スペクトル波形を得る
ことを特徴とする、吸光スペクトルの補正を用いた光拡
散物質の分光測定装置。