JPH0682096B2 - 散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法及び装置 - Google Patents
散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法及び装置Info
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- JPH0682096B2 JPH0682096B2 JP2322105A JP32210590A JPH0682096B2 JP H0682096 B2 JPH0682096 B2 JP H0682096B2 JP 2322105 A JP2322105 A JP 2322105A JP 32210590 A JP32210590 A JP 32210590A JP H0682096 B2 JPH0682096 B2 JP H0682096B2
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Description
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。
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。
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、生成の一部を透過し
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の測定のた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割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、且つその現像の度
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。
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、生成の一部を透過し
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の測定のた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割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、且つその現像の度
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。
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、主に肺機能のチェッ
クに用いられるものであり、脈波が検出できなければSa
O2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ラビン等のような、散乱
媒質中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。
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、主に肺機能のチェッ
クに用いられるものであり、脈波が検出できなければSa
O2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ラビン等のような、散乱
媒質中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。
第１発明は、吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ
１、λ２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）、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） ×［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V1〜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670nm〜1.33μｍ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、λ２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
A1、A2、ｌ及びλ１、λ２における吸光係数ε１、ε２
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ｔ
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。 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、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高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）、f1
（t2）、波長λ２の光の時刻t1、t2での光強度f2（t
1）、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） ×［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、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、光路長に変換するよ
うにしてもよい。
１、λ２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）、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） ×［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V1〜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670nm〜1.33μｍ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、λ２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
A1、A2、ｌ及びλ１、λ２における吸光係数ε１、ε２
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ｔ
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。 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、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高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）、f1
（t2）、波長λ２の光の時刻t1、t2での光強度f2（t
1）、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） ×［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、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、光路長に変換するよ
うにしてもよい。
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）f0（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（吸収プロファイル）10−εVct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。 ｆ（ｔ）＝f0（ｔ）10−εVct ……（１） ここで、第１図（Ｂ）のεは吸光係数（波長により変わ
る）、Ｖ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が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、λ２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A1、A2を求め、これらの差ΔＡ＝A1−
A2を求め、又、散乱媒質の実際の光路長ｌを時間計測法
を導入して求め、更に演算回路により Ｖ＝ΔA/l（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。
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）f0（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（吸収プロファイル）10−εVct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。 ｆ（ｔ）＝f0（ｔ）10−εVct ……（１） ここで、第１図（Ｂ）のεは吸光係数（波長により変わ
る）、Ｖ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が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、λ２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A1、A2を求め、これらの差ΔＡ＝A1−
A2を求め、又、散乱媒質の実際の光路長ｌを時間計測法
を導入して求め、更に演算回路により Ｖ＝ΔA/l（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。
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が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
したとすれば、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f0
（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）の式を、波
長毎にたてると次のようになる。 f1（ｔ）＝I1・f0（ｔ）10−ε1Vct ……（２） f2（ｔ）＝I2・f0（ｔ）10−ε2Vct ……（３） ここで、f1（ｔ）、f2（ｔ）は、波長λ１、λ２光の観
測された時間的プロファイル、I1、I2は入射光強度、ε
１、ε２は波長λ１、λ２光における吸光物質の光吸収
係数、Ｖは吸光物質の濃度、Ｃは速度、ｔは時間をそれ
ぞれ示す。 なお、f1（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｛f1（ｔ）｝＝logI1＋log｛f0（ｔ）｝ ＋（−ε1VCt） ……（２′） log｛f2（ｔ）｝＝logI2＋lmg｛f0（ｔ）｝ ＋（−ε2VCt） ……（３′） （２′）−（３′）式は、次の（４）式となる。 log｛f1（ｔ）/f2（ｔ）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VCt ……（４） 上記（４）式は、第２図に示されるように、全てのｔに
ついて成立するので、ｔ＝t1〜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｛f1（t1）/f2（t1）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VCt ： ： log｛f1（tn）/f2（tn）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VC・tn ……（５） 上記（５）式では、log（I1/I2）と吸光物質の濃度Ｖが
未知数であり、従って、log（I1/I2）を消去する連立方
程式により、濃度Ｖ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。 log｛f1（t1）/f2（t1）｝ −log｛f1（t2）/f2（t2）｝ ＝（ε２−ε１）VC（t1−t2） ……（６） 従って、 Ｖ＝［1/｛Ｃε２−ε１）（t1−t2）｝］ ×［log｛f1（t1）/f2（t1）｝ −log｛f1（t2）/f2（t2）｝］ ……（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…f1（ｔ） ＝I1f0（ｔ） ×10−（ε11V1＋ε12V2＋…＋ε1nVn）ct ： ： ： ： 波長λｎ…fn（ｔ） ＝Inf0（ｔ） ×10−（ε1V1＋ε2V2＋…＋εnnVn）ct 波長λｎ＋１…fn＋１（ｔ） ＝In＋1f0（ｔ） ×10-(εn+1,1V1+εn+1,2V2+…＋εn+1,nVn)ct となる。 fk（ｔ）：波長ｋにおける観測された時間的パターン f0（ｔ）：吸収のない時仮定される時間的パターン Ik:波長ｋにおける入射光強度規格変係数 Vk:k番目の吸光物質の濃度 εi1j:波長λｉにおけるｊ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
減ずると、 log｛f1（ｔ）/fn＋１（ｔ）｝ ＝log（I1/In＋１） −｛（ε1,1−εｎ＋1,1）V1＋… ＋（ε1,n−εｎ＋1,n）Vn｝ct ： ： ： ： log｛fn（ｔ）/fn＋１（ｔ）｝ ＝log（In/In＋１） −｛（εn,1−εｎ＋1,1）V1＋… ＋（εn,n−εｎ＋1,n）Vn｝ct ……（８） 以上をマトリックス化すると、 以上を使って（８）式を書直すと、 時刻t1、t2において式をたて直すと、 となり、（10）−（11）を行うと、 なお、更に多くの種類の波長光を使えば最小自乗法を用
いても 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）＝Ｋと
置換えることができる。 次に、第３発明による散乱媒質内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10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ィスプレイ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
媒質内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12か
ら、同一時刻に多波長のピコ秒レーザを測定対象10に入
射させなければならない。 このため、前記入射光パルスモータ用ファイバー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
ィスプレイ24に表示すようにされている。 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、チロクローム、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実施例に係る生体測定装置31は、波長700〜900
nm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38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40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38によって得られた波長毎の時間約強度
パターンに基づいて、前記（14）式の演算を行い、各吸
光物質即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ィスプレイ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、このパルス
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ーザドライバー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、測定対象生体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ができる。
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、700〜900
nm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
の酸化画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、ディスプレイ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34
Aとし、この頭頂部34に入射側光ファイバー36及び出射
側光ファイバー40を各々頭頂部の真上に出射口及び入射
口を配置する。 又、第６図（Ｂ）に示されるように、上腕部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、光路頂ｌ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高度Ａは次式で表わされる。 Ａ＝log（I0/I1）＝εVl＋Ｂ ……（15） I0:入射光強度 I1:出射光強度 ε：吸光物質のモル吸光係数 V:吸光物質のモル濃度 l: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λ
１とλ２における２波長計測を行う。 A1＝ε1Vl＋Ｂ ……（16） A2＝ε1Vl＋Ｂ ……（17） ε1:λ１におけるモル吸光係数 ε2:λ２におけるモル吸光係数 （16）、（17）式から次式が得られる。 ΔＡ＝A1−A2＝（ε１−ε２）cl ∴Ｖ＝ΔA/l（ε１−ε２） ……（18） （18）式において、光路長ｌは、第12図に示すように幾
何学的光路長Ｌよりも散乱によって長くなっているた
め、実際の光路長ｌ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ｌを求めるため、時間計測法を導
入すると、次式から求めることができる。 ｌ＝ｃ・ｔ＝C0/n・ｔ ……（19） c:試料中の光源 C0:真空中の光速 n:試料の屈折率 t:試料内走行時間 この（19）式から実際の光路長ｌ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61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Ｌ＋ΔＬ（＝ｌ）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PMT63までの
走行時間T1は T1＝T0＋L/V ……（20） T0:試料（２）以外の走行時間試料62があるときの走行
時間T2は T2＝T0＋（Ｌ＋ΔＬ）n/V ……（21） この（20）、（21）式から T2−T1＝ΔＴ ＝（Ｌ＋ΔＬ）n/V−L/V ∴ｌ＝Ｌ＋ΔＬ＝1/n（Ｌ＋ＶΔＴ） ……（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＝ｌの距離を走行してきたことにな
り、このΔＴを求めればｌ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ピーク位
置Ｐ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（ウインド）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例を示している。
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64a、64bと波
長λ１とλ２のピコ秒レーザ発振部65a、65bとからな
る。このレーザ発振部65a、65b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PMT63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）69a、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、データ解析回路72、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76a、75b、第１第２
の積算回路76a、76b、ピーク値検出回路77、SCAのウイ
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、logアンプ80、
電圧−距離変換回路81、モル濃度演算回路82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t0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62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、PMT63の各チャンネルに
導かれる。このときPMT63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76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t1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t0との時間差がTAC70a、70bにて正比例した
う気信号に変換される。この電気信号は第１、第２のSC
A74a、74bに送られる、これら第１、第２のSCA74a、74b
はウインド電圧設定回路78で設定されたある電圧レベル
におけるウインド幅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75a、75bへ送る。そしてある
時間tnのデータSnと、直前tn−１のデータSn−１とがピ
ーク値検出回路77で比較される。前のデータをSn−１、
後のデータをSnとすると、ピークに達するまではSn−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Sn−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インド中心電圧V0と
の差から試料62中の走行時間が求められ、これが電圧−
距離交換回路81でｌ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I11とλ２における出射光度I12が得られ、
これが割算回路79で I12/I11 が求められ、logアンプ80で logI12/I11 が求められる。 即ち、λ１による吸光度A1とλ２による吸光度A2は次式
の通りである。 A1＝log（I01/I11）， A2＝log（I02/I12） 従って、 ΔＡ＝A1−A2 ＝log（I01/I11）−log（I02/I12） ＝log｛（I01・I02）／（I11・I02）｝ ここで、入射光強度は等しいから、I01＝I02となり、 ΔＡ＝log（I12/I11） ……（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82では、こ
れらｌとΔＡの他、予めわかっているε１、ε２から前
記18式が演算されて試料62のモル濃度Ｖ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図の例では試料62中の走行時間、即ちｌを
求めるのに第１、第２のSCA74a、74bを用い、電圧レベ
ル（ウインド）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CPU83に入力すると、掃引装置84
では、第11図に示すようにΔｔの時間間隔で掃引電極85
を駆動し、スリット86、螢光体87を介してλ１用とλ２
用のPMT68a、68bに入射させる。このPMT68a、68bはλ
１、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、λ２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SW＆Ｈ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Sn−１を出力し、ピーク値検出回路77で比較する。Sn
＞Sn−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＜Sn−１になると、NO信号が
出力して、時間−距離変換回路91で時間ｔを距離ｌに変
換する。同時に、CPU83からのNO信号で割算回路79へＳ
＆H90a、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Ｖが求められる。
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
したとすれば、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f0
（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）の式を、波
長毎にたてると次のようになる。 f1（ｔ）＝I1・f0（ｔ）10−ε1Vct ……（２） f2（ｔ）＝I2・f0（ｔ）10−ε2Vct ……（３） ここで、f1（ｔ）、f2（ｔ）は、波長λ１、λ２光の観
測された時間的プロファイル、I1、I2は入射光強度、ε
１、ε２は波長λ１、λ２光における吸光物質の光吸収
係数、Ｖは吸光物質の濃度、Ｃは速度、ｔは時間をそれ
ぞれ示す。 なお、f1（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｛f1（ｔ）｝＝logI1＋log｛f0（ｔ）｝ ＋（−ε1VCt） ……（２′） log｛f2（ｔ）｝＝logI2＋lmg｛f0（ｔ）｝ ＋（−ε2VCt） ……（３′） （２′）−（３′）式は、次の（４）式となる。 log｛f1（ｔ）/f2（ｔ）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VCt ……（４） 上記（４）式は、第２図に示されるように、全てのｔに
ついて成立するので、ｔ＝t1〜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｛f1（t1）/f2（t1）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VCt ： ： log｛f1（tn）/f2（tn）｝ ＝log｛I1/I2｝＋（ε２−ε１）VC・tn ……（５） 上記（５）式では、log（I1/I2）と吸光物質の濃度Ｖが
未知数であり、従って、log（I1/I2）を消去する連立方
程式により、濃度Ｖ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。 log｛f1（t1）/f2（t1）｝ −log｛f1（t2）/f2（t2）｝ ＝（ε２−ε１）VC（t1−t2） ……（６） 従って、 Ｖ＝［1/｛Ｃε２−ε１）（t1−t2）｝］ ×［log｛f1（t1）/f2（t1）｝ −log｛f1（t2）/f2（t2）｝］ ……（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…f1（ｔ） ＝I1f0（ｔ） ×10−（ε11V1＋ε12V2＋…＋ε1nVn）ct ： ： ： ： 波長λｎ…fn（ｔ） ＝Inf0（ｔ） ×10−（ε1V1＋ε2V2＋…＋εnnVn）ct 波長λｎ＋１…fn＋１（ｔ） ＝In＋1f0（ｔ） ×10-(εn+1,1V1+εn+1,2V2+…＋εn+1,nVn)ct となる。 fk（ｔ）：波長ｋにおける観測された時間的パターン f0（ｔ）：吸収のない時仮定される時間的パターン Ik:波長ｋにおける入射光強度規格変係数 Vk:k番目の吸光物質の濃度 εi1j:波長λｉにおけるｊ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
減ずると、 log｛f1（ｔ）/fn＋１（ｔ）｝ ＝log（I1/In＋１） −｛（ε1,1−εｎ＋1,1）V1＋… ＋（ε1,n−εｎ＋1,n）Vn｝ct ： ： ： ： log｛fn（ｔ）/fn＋１（ｔ）｝ ＝log（In/In＋１） −｛（εn,1−εｎ＋1,1）V1＋… ＋（εn,n−εｎ＋1,n）Vn｝ct ……（８） 以上をマトリックス化すると、 以上を使って（８）式を書直すと、 時刻t1、t2において式をたて直すと、 となり、（10）−（11）を行うと、 なお、更に多くの種類の波長光を使えば最小自乗法を用
いても 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）＝Ｋと
置換えることができる。 次に、第３発明による散乱媒質内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10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ィスプレイ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
媒質内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12か
ら、同一時刻に多波長のピコ秒レーザを測定対象10に入
射させなければならない。 このため、前記入射光パルスモータ用ファイバー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
ィスプレイ24に表示すようにされている。 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、チロクローム、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実施例に係る生体測定装置31は、波長700〜900
nm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38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40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38によって得られた波長毎の時間約強度
パターンに基づいて、前記（14）式の演算を行い、各吸
光物質即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ィスプレイ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、このパルス
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ーザドライバー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、測定対象生体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ができる。
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、700〜900
nm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
の酸化画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、ディスプレイ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34
Aとし、この頭頂部34に入射側光ファイバー36及び出射
側光ファイバー40を各々頭頂部の真上に出射口及び入射
口を配置する。 又、第６図（Ｂ）に示されるように、上腕部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、光路頂ｌ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高度Ａは次式で表わされる。 Ａ＝log（I0/I1）＝εVl＋Ｂ ……（15） I0:入射光強度 I1:出射光強度 ε：吸光物質のモル吸光係数 V:吸光物質のモル濃度 l: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λ
１とλ２における２波長計測を行う。 A1＝ε1Vl＋Ｂ ……（16） A2＝ε1Vl＋Ｂ ……（17） ε1:λ１におけるモル吸光係数 ε2:λ２におけるモル吸光係数 （16）、（17）式から次式が得られる。 ΔＡ＝A1−A2＝（ε１−ε２）cl ∴Ｖ＝ΔA/l（ε１−ε２） ……（18） （18）式において、光路長ｌは、第12図に示すように幾
何学的光路長Ｌよりも散乱によって長くなっているた
め、実際の光路長ｌ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ｌを求めるため、時間計測法を導
入すると、次式から求めることができる。 ｌ＝ｃ・ｔ＝C0/n・ｔ ……（19） c:試料中の光源 C0:真空中の光速 n:試料の屈折率 t:試料内走行時間 この（19）式から実際の光路長ｌ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61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Ｌ＋ΔＬ（＝ｌ）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PMT63までの
走行時間T1は T1＝T0＋L/V ……（20） T0:試料（２）以外の走行時間試料62があるときの走行
時間T2は T2＝T0＋（Ｌ＋ΔＬ）n/V ……（21） この（20）、（21）式から T2−T1＝ΔＴ ＝（Ｌ＋ΔＬ）n/V−L/V ∴ｌ＝Ｌ＋ΔＬ＝1/n（Ｌ＋ＶΔＴ） ……（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＝ｌの距離を走行してきたことにな
り、このΔＴを求めればｌ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ピーク位
置Ｐ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（ウインド）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例を示している。
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64a、64bと波
長λ１とλ２のピコ秒レーザ発振部65a、65bとからな
る。このレーザ発振部65a、65b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PMT63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）69a、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、データ解析回路72、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76a、75b、第１第２
の積算回路76a、76b、ピーク値検出回路77、SCAのウイ
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、logアンプ80、
電圧−距離変換回路81、モル濃度演算回路82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t0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62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、PMT63の各チャンネルに
導かれる。このときPMT63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76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t1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t0との時間差がTAC70a、70bにて正比例した
う気信号に変換される。この電気信号は第１、第２のSC
A74a、74bに送られる、これら第１、第２のSCA74a、74b
はウインド電圧設定回路78で設定されたある電圧レベル
におけるウインド幅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75a、75bへ送る。そしてある
時間tnのデータSnと、直前tn−１のデータSn−１とがピ
ーク値検出回路77で比較される。前のデータをSn−１、
後のデータをSnとすると、ピークに達するまではSn−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Sn−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インド中心電圧V0と
の差から試料62中の走行時間が求められ、これが電圧−
距離交換回路81でｌ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I11とλ２における出射光度I12が得られ、
これが割算回路79で I12/I11 が求められ、logアンプ80で logI12/I11 が求められる。 即ち、λ１による吸光度A1とλ２による吸光度A2は次式
の通りである。 A1＝log（I01/I11）， A2＝log（I02/I12） 従って、 ΔＡ＝A1−A2 ＝log（I01/I11）−log（I02/I12） ＝log｛（I01・I02）／（I11・I02）｝ ここで、入射光強度は等しいから、I01＝I02となり、 ΔＡ＝log（I12/I11） ……（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82では、こ
れらｌとΔＡの他、予めわかっているε１、ε２から前
記18式が演算されて試料62のモル濃度Ｖ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図の例では試料62中の走行時間、即ちｌを
求めるのに第１、第２のSCA74a、74bを用い、電圧レベ
ル（ウインド）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CPU83に入力すると、掃引装置84
では、第11図に示すようにΔｔの時間間隔で掃引電極85
を駆動し、スリット86、螢光体87を介してλ１用とλ２
用のPMT68a、68bに入射させる。このPMT68a、68bはλ
１、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、λ２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SW＆Ｈ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Sn−１を出力し、ピーク値検出回路77で比較する。Sn
＞Sn−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＜Sn−１になると、NO信号が
出力して、時間−距離変換回路91で時間ｔを距離ｌに変
換する。同時に、CPU83からのNO信号で割算回路79へＳ
＆H90a、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Ｖが求められる。
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
の原理を示す線図、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内吸光物質の濃度
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
吸光係数と吸光される光の波長との関係を示す線図、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ｌの説明のた
めのブロック図、第13図はフローチャート、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……出射側光ファイバー、 22、46……コンピュータ、 24、44……ディスプレイ、 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……TPO、 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……SCA、 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。
の原理を示す線図、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内吸光物質の濃度
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
吸光係数と吸光される光の波長との関係を示す線図、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ｌの説明のた
めのブロック図、第13図はフローチャート、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……出射側光ファイバー、 22、46……コンピュータ、 24、44……ディスプレイ、 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……TPO、 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……SCA、 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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 守 北海道札幌市中央区宮の森三条10―５―３ ―41 (72)発明者 西村 吾朗 北海道札幌市北区北二十八条西４丁目２― 14 (56)参考文献 特開 平２−290538（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−234048（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−174940（ＪＰ，Ａ)
Claims (10)
- 【請求項１】吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ
１、λ２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）、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） ×［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。 - 【請求項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。 - 【請求項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aa
3及びミオグロビンであり、パルス光は670nm〜1.33μｍ
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。 - 【請求項４】吸光物質を含む散乱媒質に、異なる波長λ
１、λ２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
A1、A2、ｌ及びλ１、λ２における吸光係数ε１、ε２
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。 - 【請求項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ｔ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。 - 【請求項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。 - 【請求項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）、f1
（t2）、波長λ２の光の時刻t1、t2での光強度f2（t
1）、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） ×［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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2322105A JPH0682096B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2322105A JPH0682096B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04191642A JPH04191642A (ja) | 1992-07-09 |
| JPH0682096B2 true JPH0682096B2 (ja) | 1994-10-19 |
Family
ID=18139974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2322105A Expired - Fee Related JPH0682096B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0682096B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003202287A (ja) * | 2002-01-08 | 2003-07-18 | Hamamatsu Photonics Kk | 散乱吸収体測定方法及び装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2780935B2 (ja) * | 1994-09-22 | 1998-07-30 | 浜松ホトニクス株式会社 | 散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置 |
| DE69633890T2 (de) * | 1995-08-08 | 2005-03-31 | Technology Research Association Of Medical And Welfare Apparatus | Vorrichtung zur Messung interner Information in streuenden Medien |
| US6064474A (en) * | 1998-02-06 | 2000-05-16 | Optical Sensors, Inc. | Optical measurement of blood hematocrit incorporating a self-calibration algorithm |
| JP4489282B2 (ja) * | 2000-12-14 | 2010-06-23 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 分光計測装置 |
| US8219170B2 (en) | 2006-09-20 | 2012-07-10 | Nellcor Puritan Bennett Llc | System and method for practicing spectrophotometry using light emitting nanostructure devices |
| US7574245B2 (en) | 2006-09-27 | 2009-08-11 | Nellcor Puritan Bennett Llc | Flexible medical sensor enclosure |
| US7684842B2 (en) | 2006-09-29 | 2010-03-23 | Nellcor Puritan Bennett Llc | System and method for preventing sensor misuse |
| US8280469B2 (en) | 2007-03-09 | 2012-10-02 | Nellcor Puritan Bennett Llc | Method for detection of aberrant tissue spectra |
| US8265724B2 (en) | 2007-03-09 | 2012-09-11 | Nellcor Puritan Bennett Llc | Cancellation of light shunting |
| US8750953B2 (en) | 2008-02-19 | 2014-06-10 | Covidien Lp | Methods and systems for alerting practitioners to physiological conditions |
| US9895068B2 (en) | 2008-06-30 | 2018-02-20 | Covidien Lp | Pulse oximeter with wait-time indication |
| US8483788B2 (en) | 2010-02-28 | 2013-07-09 | Covidien Lp | Motion compensation in a sensor |
| US9833146B2 (en) | 2012-04-17 | 2017-12-05 | Covidien Lp | Surgical system and method of use of the same |
| US20170340252A1 (en) * | 2014-12-22 | 2017-11-30 | Hitachi, Ltd. | Device for optical measurement of living body, analysis device, and analysis method |
-
1990
- 1990-11-26 JP JP2322105A patent/JPH0682096B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003202287A (ja) * | 2002-01-08 | 2003-07-18 | Hamamatsu Photonics Kk | 散乱吸収体測定方法及び装置 |
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|---|---|
| JPH04191642A (ja) | 1992-07-09 |
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