JPH07209177A - 散乱吸収体計測方法及び散乱吸収体計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 散乱吸収体の内部情報計測の計測精度を向上
するとともに、散乱吸収体の内部情報の絶対値計測およ
び内部情報の時間変化や空間分布の高精度計測を行う。 【構成】 散乱吸収体の表面に種々の入射角度成分をも
つ所定の波長の光を入射させて、散乱吸収体表面の極近
傍に等価的に点光源あるいは点光源の集まりを生成さ
せ、散乱吸収体内部を拡散伝搬した光を散乱吸収体の外
部で検出し、前記等価光源から発する等方性の光が直ち
に拡散すると見做して光検出信号を演算して第１次情報
である所定のパラメータを検出し、さらにこの所定のパ
ラメータの値を演算処理して第２次情報である散乱吸収
体の内部情報を高精度で計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は種々の入射角度成分をも
つ光を散乱吸収体に入射し、散乱吸収体の内部を拡散伝
搬した光を検出して、散乱吸収体の内部情報を非侵襲に
計測するもので、散乱吸収体の吸収係数や輸送散乱係数
の絶対値、特定吸収成分や特定散乱成分の絶対量、ヘモ
グロビンの酸素飽和度、及びそれらの時間変化や空間分
布などを計測すること、あるいはそれらの計測精度を高
めることができる散乱吸収体計測方法及び散乱吸収体計
測装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】生体のような散乱吸収体の吸収係数、散乱
係数、輸送散乱係数、あるいは特定吸収成分の濃度や絶
対量、さらにはこれらの時間変化や空間分布などを精密
に測定したいという要請は非常に強く、現在までに連続
光（cw光）や変調光（例えばパルス光、方形波光、正弦
波変調光など）を用いる方法、さらにはこれらに波長の
異なる光を適用する方法（例えば２波長分光法）など、
種々の試みがなされている。また、散乱吸収体の内部を
拡散伝搬する光の振る舞いは、コンピュータによるモン
テカルロシミュレーションで解析・実験・検討できるこ
と、および光拡散理論（Photon Diffusion Theory)によ
って、記述、解析できることが知られている。また、散
乱吸収体計測に関する最近の状況は、例えば次に示す参
考文献1)乃至5)などの文献に詳しく述べられている（な
お、以下では、参考文献を文献番号X)、あるいは文中の
^x)で示す）。

【０００３】［参考文献］ １） Ｂ． Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｓ． Ｌ．
Ｊａｃｑｕｅｓ： Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔ
ａｎｃｅ ａｎｄＴｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ
Ｔｉｓｓｕｅｓ： Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａｐ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｔｕｍ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｖｏｌ．２６， Ｎｏ．１２，
ｐｐ．２１８６−２１９９ （１９９０） ２） Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ， Ｊ．Ｄ． Ｍ
ｏｕｌｔｏｎ， Ｂ．Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ， ａｎｄ
Ｂ． Ｃｈａｎｃｅ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｔｉｍｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔ
ｅｒｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｔｏＰｈｏｔ
ｏｄｙｎａｍｉｃ Ｔｈｅｒａｐｈｙ Ｄｏｓｉｍｅｔ
ｒｙ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．１２０３，
ｐ．６２−７５ （１９９０） ３） Ｅ．Ｍ． Ｓｅｖｉｃｋ， Ｎ．Ｇ． Ｗａｎ
ｇ， ａｎｄ Ｂ．Ｃｈａｎｃｅ： Ｔｉｍｅ−ｄｅｐ
ｅｎｄｅｎｔ ＰｈｏｔｏｎＭｉｇｒａｔｉｏｎ Ｉｍ
ａｇｉｎｇ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．１５
９９， ｐ．２７３−２８３ （１９９１） ４） Ｅ．Ｍ． Ｓｅｖｉｃｋ， Ｂ． Ｃｈａｎｃ
ｅ， Ｊ． Ｌｅｉｇｈ， Ｓ． Ｎｉｏｋａ， ａｎ
ｄ Ｍ． Ｍａｒｉｓ：Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｏｎ ｏ
ｆ Ｔｉｍｅ− ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｒｅｓ
ｏｌｖｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒａ ｆｏｒ
ｔｈｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｓｓ
ｕｅ Ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ， Ａｎａｌｙｔｉｃａ
ｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ．１９５，ｐ．
３３０−３５１ （１９９１） ５） Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ， Ｂ． Ｃｈａ
ｎｃｅ， ａｎｄ Ｂ．Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ： Ｔｉｍ
ｅ ＲｅｓｏｌｖｅｄＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｎｏ
ｎ−Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ
Ｔｉｓｓｕｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅ
ｓ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．２
８， Ｎｏ．１２， ｐｐ．２３３１−２３３６（１９
８９） ６） Ｓ．Ｔ． Ｆｌｏｃｋ， Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅ
ｒｓｏｎ， Ｂ．Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｄ．
Ｒ． Ｗｙｍａｎ： Ｍｏｎｔｅ ＣａｒｌｏＭｏｄｅ
ｌｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
ｉｎ Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｉｓ
ｓｕｅｓ − Ｉ： ＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ Ｄｉｆ
ｆｕｓｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ． ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇ．， Ｖｏｌ．３
６， Ｎｏ．１２， ｐｐ．１１６２−１１６８ （１
９８９） しかし、以上のような従来技術では、「いずれの方法や
装置を用いても、十分な計測精度が得られな
い^１−４）」という大きな問題がある。

【０００４】ここで、以上のような従来技術を眺めてみ
ると、比較的計測精度が高いものは、参考文献5)に報告
されている方法や装置、あるいはこれに準拠した方法や
装置^2-4)であることがわかる。ところが、このような従
来技術は、散乱吸収体にコリメート光、あるいはほぼコ
リメートな光を入射するものであり、このような光入射
条件が、直接的あるいは間接的に従来技術の大きな問題
点である計測精度を大きく制限する原因になっている。
以下では、本願の発明の目的と新規性の理解を容易にす
るために、従来技術の代表例として、従来技術の中で最
も計測精度が優れていると考えられる前記参考文献5)に
報告されている方法や装置、あるいはこれに準拠した方
法や装置について説明する。このとき、本願の発明の特
徴の一つは、後述するように、種々の入射角度成分をも
つ光を散乱吸収体に入射することであることを念頭に置
いて考えると、以下の説明が理解され易い。また、前記
利用分野や従来技術で、コリメート光以外の光入射を利
用する計測方法や装置について検討や解析をした報告
は、全く知られていない。

【０００５】さて、散乱吸収体内部を拡散伝搬する光の
振る舞いは、光拡散理論（Photon Diffusion Theory)に
よって、かなり厳密に記述、解析できることが知られて
いる。つまり、光輸送理論の拡散近似から導かれる光拡
散方程式を解くことによって、散乱吸収体に入射された
光が散乱、吸収されながら散乱吸収体の内部を拡散伝搬
する様子を知ることができる。ところが、散乱吸収体の
大きさが有限であるときは、境界条件を設定して光拡散
方程式を解く必要がある。この境界条件は、散乱吸収体
の外部では、光拡散がないため、拡散伝搬光が存在しな
いということである。

【０００６】そこでPattesonらは上記を考慮して、境界
条件を含んだモデルを考案し、そのモデルから境界条件
下の光拡散方程式の解、つまり光子流動率（fluence ra
te)φを導出し、この光子流動率φから導出した光子流
Ｊの時間波形（後述するように、光子の飛行時間分布に
相当する）が、実際の実験値および前記モンテカルロシ
ミュレーションで得られる結果とほぼ一致することを報
告した⁵⁾。このモデルは図２０に示すようなもので、次
に列記する条件、仮定、近似、及び負極性の点光源など
が導入されている⁵⁾。なお、前記光子流動率φ、光子流
（photon current density) Ｊなどについては、後で詳
しく説明する。

【０００７】（１）入射光は細いコリメート光であり、
散乱吸収体に垂直に入射される。

【０００８】（２）入射された光または光子（photon）
は、まず散乱の影響を受けずに距離ｚ₀ ′だけ直進し、
その後で拡散が始まると仮定する。

【０００９】（３）光子流動率φは、散乱吸収体表面
（自由表面と呼ばれる）で零になると仮定する。

【００１０】（４）上記の境界条件を満足させるため
に、散乱吸収体表面の外側ｚ₀ ′の位置に、負極性の点
光源を導入する。

【００１１】（５）自由表面における光子流Ｊは、その
自由表面における光子流動率φの勾配(gradient)に比例
すると仮定する（Fickの法則と呼ばれる）。

【００１２】ここで、彼らの方法を具体的に説明すると
次のようになる。彼らは、散乱吸収体に垂直に入射する
光は、まず散乱の影響を受けずにｚ₀ ′だけ直進し、そ
の後で拡散が始まると考え、この現象を散乱吸収体のｚ
₀ ′だけ内部の位置に置いた点光源でモデル化した。つ
ぎに、前記の境界条件（つまり自由表面でφ＝０）を満
たすために、負極性の点光源を散乱吸収体の外側のｚ軸
上のｚ＝−ｚ₀ ′の位置に仮定した。そして、境界条件
下の光拡散方程式の解、つまり光子流動率φを導出し
た。つぎに、光子流Ｊは Fick の法則に従うとして、上
記で求めた自由表面における光子流動率φの傾斜から、
散乱吸収体の表面から流出する光子流Ｊを求めた。な
お、前記正極性の点光源は全方向に光を放射する。ま
た、負極性の点光源は、正極性の点光源と逆の性質をも
つ仮想の点光源であり、負の強度の光を全方向に放射す
ると考える。

【００１３】さらに彼らは、上記モデル及びそれから得
られる結果について検討し、上記ｚ₀ ′の値が平均自由
行程(mean free path)、つまり１／μ_S ′、あるいはこ
れにほぼ等しい値になると結論した⁵⁾。なお、μ_S ′は
輸送散乱係数(transport scattering coefficient)であ
る。また、彼らはスラブ状の散乱吸収体を透過する光を
計測する場合についても、上記と同様にしてモデルを検
討し、上記と同様のｚ₀ ′を導入した。

【００１４】以来、彼らの知見は、前記利用分野の種々
の計測に応用することが試みられてきたが、現在のとこ
ろ十分な計測精度が得られていないことは、最初に述べ
た通りである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本願の発明は、前述し
た従来技術の問題点を解決して、計測精度を大幅に改善
し、さらには絶対値計測を実現させるものである。以下
では．計測精度を大幅に向上させるという観点から従来
技術の問題点を分析し、これと対比する形で本願の発明
が解決しようとする具体的な課題を説明する。

【００１６】光は散乱吸収体の内部でランダムに散乱、
吸収されながら拡散伝搬し、散乱吸収体のほぼ全域に広
がり、その一部が表面に出てくる。このような拡散伝搬
光を散乱吸収体表面に配置した光検出器で検出する場
合、光検出器で検出される個々の光子の飛跡を摸式的に
示すと、その概略は図２１のようになる。つまり、図２
１は実際に計測に利用される（光検出器に入射する）光
子の概略の飛跡を示す。この場合、入射光はコリメート
光であり、図中のｚ₀ ′は前記のPattesonらが提案した
ｚ₀ ′である。但し現在では、後に述べるような本願の
発明者らの検討によって、厳密な意味ではｚ₀ ′≠１／
μ_S ′であることが明らかになっている。また、図２１
の中には、位置Ｐ₁ （ρ，０）で光を検出する反射型
と、位置Ｐ_２（０，ｚ）で光を検出する透過型の計測法
の様子が合わせて示されている。

【００１７】以上のような光子の振る舞いは、入射光強
度の時間変化つまり入射光の光強度の時間波形とは無関
係であるから、入射光が連続光、パルス光、方形波光、
変調光などであっても、上記の様子は変わらない。例え
ば、図２２は散乱吸収体に正弦波状の変調光を入射して
内部を拡散伝搬した光を受光し、その検出信号から前記
変調周波数成分の信号のみを抽出して、散乱吸収体の内
部情報を計測する様子を示す。図２２に示したように、
ここでも、ｚ_０ ′及び−ｚ₀ ′の位置に、それぞれ正
極性および負極性の点光源が導入されている。

【００１８】以上のことを踏まえて、従来技術の問題点
を列挙すると次のようになる。まず第１の問題は、Patt
esonらが採用したｚ₀ ′＝１／μ_S ′あるいはｚ₀ ′≒
１／μ_S ′という仮定が成立しないということである。
これは、従来技術の計測精度を大きく制限しているもの
で、高い計測精度を考える場合、以下の理由からこの仮
定が成立しない。

【００１９】本願の発明者らは、本願の発明に先立っ
て、散乱吸収体内部の光の振る舞いを詳細に解析・実験
・検討し、厳密にはｚ₀ ′≠１／μ_S ′であること、及
びｚ₀′の値が散乱吸収体に入射する光の入射角度など
の光入射条件に大きく依存することを見い出した。特に
重要なことであるが、ｚ₀ ′＝１／μ_S ′と仮定するこ
とに起因する誤差は、光子流動率φの誤差として問題に
なるだけでなく、光子流動率φから後述するような方法
によって求めた散乱吸収体の吸収係数や輸送散乱係数な
どの誤差を大きく増大させるという重大な問題があるこ
とがわかった。また、上記のPattesonらが報告した結果
と、本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションの
結果とは、厳密には一致しない。本願の発明者らのモン
テカルロシミュレーションは、実際の実験結果とよく一
致することが確認してあるので、上記Pattesonらが報告
した結果は、実際の実験結果と厳密には一致しないこと
になる。

【００２０】以上から、Pattesonらが報告した方法およ
びこの方法に基づく散乱吸収体の内部情報の計測方法や
装置では、かなり大きな計測誤差が発生することが明ら
かになった。したがって、計測精度の向上を図るには、
より精密な光拡散方程式とその解法あるいは新しいモデ
ルの開発が必要であることが明らかになった。

【００２１】また上記から、高精度の計測を行うために
は、上記のｚ₀ ′を未知数として取り扱うか、あるいは
種々の計測に対する光入射条件を工夫してｚ₀ ′が定数
と見做せるようにするなどの対策が必要なことがわか
る。そこで、本願の発明者の一人は、この問題を解決す
る一つの手段として、入射光にパルス光や方形波光を使
用して出力光の時間積分値を利用する散乱吸収体の計測
方法及び装置で、上記ｚ₀ ′を未知数として取り扱う方
法及び装置を特願平４−１３２２１４（未公開）として
特許出願している。

【００２２】第２の問題は、前述したｚ₀ ′の値が、Pa
ttesonらの論文からも明らかなように、散乱係数の異な
る種々の散乱吸収体に対してそれぞれに異なる値となる
ことである。つまり前記のｚ₀ ′は散乱吸収体の輸送散
乱係数の逆数１／μ_S ′に等しいか、あるいは１／
μ_S ′にほぼ等しいから、種々の散乱吸収体に対してｚ
₀′は種々の値をとることになる。

【００２３】したがって、種々の散乱吸収体に対する計
測精度を向上させるためには、個々の散乱吸収体の
ｚ₀ ′の値を別の方法で正確に知ることが必要になる。
ところが、上記のｚ₀ ′の値を知ることは、散乱吸収体
の精密な計測つまりμ_S ′の値を正確に計測することと
等価であるから、話が振り出しに戻ってしまい、結局、
従来技術で散乱吸収体計測の計測精度を向上させること
は困難になる。

【００２４】第３の問題は、散乱吸収体内部の拡散伝搬
光の光路が光入射側と光検出側で非対称になることであ
る。これは、前述したように、光入射の直後に光が
ｚ₀ ′の距離だけ直進することに起因している。したが
って、非対称性の原因となる拡散伝搬光の光路の歪み
は、後で詳しく述べるように、光入射位置の近傍つまり
０＜ｚ＜ｚ₀ ′の場所に顕著に現れる。

【００２５】一般に、このような非対称性の取り扱いは
簡単ではなく、散乱吸収体内部の特定成分の絶対量など
を計測するための演算あるいはアルゴリズムの複雑化を
招く。ところが、この複雑さを避けるために何らかの近
似を用いると、計測誤差が増大するという厄介な問題が
ある。また、特定吸収成分などの空間分布を計測する場
合、前記非対称性があると、位置計測に関する演算過程
やそのアルゴリズムが極めて複雑になり、これが間接的
に大きな計測誤差を発生させる原因になるという問題も
ある。このように、第３の問題は、特に散乱吸収体内部
のイメージングや空間分布の計測、あるいは断層像の計
測など場合に、厄介で重大な問題となるので、その改善
が強く望まれる。

【００２６】本願の発明の目的は、以上のような従来技
術の問題を解決して、前記利用分野における散乱吸収体
の内部情報計測の計測精度を向上させること、あるいは
散乱吸収体の内部情報の絶対値計測を行うことであり、
さらにはこれらの内部情報の時間変化や空間分布の高精
度計測を行うことである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本願の発明は、散乱吸収
体の表面に種々の入射角度成分をもつ光を入射させて、
散乱吸収体の表面近傍に等価的に点光源あるいは点光源
の集まりを生成させ、この等価光源から発する光を用い
て散乱吸収体の内部情報を計測するもので、種々の散乱
吸収体に対する光入射条件を一定にし、かつ散乱吸収体
の表面の近傍に生成される等価光源の位置を正確に特定
できるようにし、さらには拡散伝搬光の光路分布が光入
射側と光検出側で対称となるようにして、種々の散乱吸
収体の内部情報を高精度で計測できるようにするもので
ある。

【００２８】すなわち、本願の発明の散乱吸収体計測方
法は、（ａ）種々の入射角度成分をもつ所定波長の光を
散乱吸収体に入射し、（ｂ）散乱吸収体内部を拡散伝搬
した所定波長の光を光入射位置と異なる位置で検出して
光検出信号を取得し、（ｃ）光検出信号を演算して拡散
伝搬経路における散乱特性及び吸収特性に関係する第１
次情報である所定のパラメータを検出し、（ｄ）拡散伝
搬経路における所定波長の光に対する散乱特性及び吸収
特性と所定のパラメータとの関係に基づいて、所定のパ
ラメータを演算処理して第２次情報である散乱吸収体の
内部情報を算出する、ことを特徴とする。

【００２９】ここで、所定波長の光は、散乱吸収体内
部の特定成分に対して吸収係数が異なる複数の波長の光
であり、光検出信号は、それぞれの所定波長の光に対
して取得した複数の信号であり、第１次情報である所
定のパラメータは、それぞれの光検出信号を演算して検
出した複数のパラメータであり、関係は拡散伝搬経路
におけるそれぞれの所定波長の光に対する散乱特性及び
吸収特性とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係で
ある、ことを特徴としてもよい。

【００３０】また、上記において、光検出信号は、複
数の異なる光入射位置−光検出位置間距離に対応する散
乱吸収体内部の拡散伝搬経路を拡散伝搬した所定波長の
光を検出して取得した複数の信号であり、第１次情報
である所定のパラメータは、それぞれの光検出信号を演
算して検出した複数のパラメータであり、関係は、そ
れぞれの拡散伝搬経路における所定波長の光に対する散
乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメータとの
連立関係である、ことを特徴としてもよい。

【００３１】さらに、所定波長の光は変調光とすること
が可能である。また、所定波長の光は、所定変調周波
数成分をもつ変調光であり、第１次情報である所定の
パラメータは、光検出信号を演算して検出した所定変調
周波数成分の信号の位相遅れである、ことを特徴として
もよいし、所定波長の光は、複数の異なる所定変調周
波数成分をもつ変調光であり、光検出信号は、それぞ
れの所定変調周波数成分の変調光に対して取得した複数
の信号であり、第１次情報である所定のパラメータ
は、それぞれの光検出信号を演算して検出した複数の所
定変調周波数成分の信号の位相遅れであり、関係は、
拡散伝搬経路における所定波長のそれぞれの所定変調周
波数成分の変調光に対する散乱特性及び吸収特性とそれ
ぞれの位相遅れとの連立関係である、ことを特徴として
もよい。

【００３２】また、第１次情報である所定のパラメータ
は、光量、光入射に対する光検出信号の遅延時間、
光検出信号の時間波形の微分係数、または光検出信
号に含まれる変調光と同一の周波数成分の信号の振幅、
を採用することができる。また、所定波長の変調光
は、複数の異なる所定変調周波数成分をもつ変調光であ
り、光検出信号は、それぞれの所定変調周波数の変調
光に対して取得した複数の信号であり、第１次情報で
ある所定のパラメータは、光検出信号を演算して検出し
たそれぞれの所定変調周波数成分の信号の振幅であり、
関係は、拡散伝搬経路における所定波長のそれぞれの
所定変調周波数成分の変調光に対する散乱特性及び吸収
特性とそれぞれの振幅との連立関係である、ことを特徴
としてもよい。

【００３３】本願の発明の散乱吸収体計測装置は、
（ａ）所定波長の光を発生する光源と、（ｂ）種々の方
向の入射角度成分をもつようにして所定波長の光を散乱
吸収体に入射する光入射手段と、（ｃ）散乱吸収体の内
部を拡散伝搬した所定波長の光を光入射位置と異なる位
置で検出して光検出信号を取得する光検出手段と、
（ｄ）光検出信号を演算して拡散伝搬経路における散乱
特性及び吸収特性に関係する第１次情報である所定のパ
ラメータを検出するパラメータ演算手段と、（ｅ）拡散
伝搬経路における所定波長の光に対する散乱特性及び吸
収特性と所定のパラメータとの関係に基づいて所定のパ
ラメータを演算処理して第２次情報である散乱吸収体の
内部情報を算出する内部情報演算処理手段と、を備える
ことを特徴とする。

【００３４】ここで、光源は、散乱吸収体内部の特定
成分に対して吸収係数が異なる複数の所定波長の光を発
生し、光検出手段は、それぞれの所定波長の光に対す
る光検出信号を取得し、パラメータ演算手段は、それ
ぞれの光検出信号を演算して、第１次情報である複数の
所定のパラメータを検出し、内部情報演算処理手段
は、拡散伝搬経路におけるそれぞれの所定波長の光に対
する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメー
タとの連立関係に基づいて、所定のパラメータを演算処
理して第２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出す
る、ことを特徴としてもよい。

【００３５】さらに、光入射手段と光検出手段は、複
数個あり、かつ、複数の異なる光入射位置−光検出位置
間距離に対応するように配置され、光検出手段はそれ
ぞれの光入射位置−光検出位置間距離に対応する散乱吸
収体内部の拡散伝搬経路を拡散伝搬する所定波長の光を
検出して複数の光検出信号を取得し、パラメータ演算
手段はそれぞれの光検出信号を演算して、第１次情報で
ある複数の所定のパラメータを検出し、内部情報演算
処理手段はそれぞれの拡散伝搬経路における所定波長の
光の散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメー
タとの連立関係に基づいて、所定のパラメータを演算処
理して第２次情報である散乱吸収体の内部情報を演算処
理する、ことを特徴としてもよい。

【００３６】また、光源は所定波長の変調光を発生する
光源をとすることが可能である。このとき、光源は所
定波長の所定変調周波数成分をもつ変調光を発生し、
光検出手段は所定波長の所定周波数成分の光を検出して
光検出信号を取得し、パラメータ演算手段は所定周波
数成分に対する光検出信号を演算して、第１次情報であ
る所定変調周波数成分の信号の位相遅れを検出する、こ
とを特徴とするしてもよい。また、光源は所定波長の
複数の異なる所定変調周波数成分をもつ変調光を発生
し、光検出手段は所定波長のそれぞれの所定変調周波
数成分の光を検出して複数の光検出信号を取得し、パ
ラメータ演算手段はそれぞれの光検出信号を演算して、
第１次情報であるそれぞれの所定変調周波数成分の信号
の位相遅れを検出し、内部演算手段は拡散伝搬経路に
おける所定波長のそれぞれの所定変調周波数成分の変調
光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの位相遅れ
との連立関係に基づいて、位相遅れを演算処理して第２
次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、ことを
特徴としてもよい。

【００３７】

【作用】本願の発明によれば、散乱吸収体の表面に種々
の入射角度成分をもつ所定の波長の光を入射させて、散
乱吸収体表面の極近傍に等価的に点光源あるいは点光源
の集まりを生成させる。この等価光源は等方性の光を発
生するもので、この等価光源から出た光に対して直ちに
光拡散が始まると見做して、光検出信号を演算して第１
次情報である所定のパラメータを検出し、さらにこのパ
ラメータの値を演算処理して第２次情報である散乱吸収
体の内部情報を高精度で計測することが可能になる。こ
の場合、所定のパラメータは光子流（光検出信号に相当
する）、光子流の時間変化（微分値）、光子流の時間積
分値、平均光路長、光検出信号に含まれる特定周波数成
分の信号の振幅や位相遅れなどであり、内部情報は散乱
吸収体の吸収係数や輸送散乱係数の絶対値、特定吸収成
分や特定散乱成分の絶対量、ヘモグロビンの酸素飽和度
の絶対値、及びこれらの時間的変化や空間分布、断層像
などである。また、第２次情報を得るための前記演算処
理は、所定のパラメータの値と、所定波長の光が散乱吸
収体の内部を拡散伝搬するときの拡散伝搬経路における
散乱特性及び吸収特性との関係に基づいて、所定のパラ
メータの値から散乱吸収体の内部情報を演算するもので
ある。このとき、複数の所定の波長の光を利用すること
もでき、この場合には、複数の所定波長の光に対するそ
れぞれの前記関係の連立関係を利用する。

【００３８】上記のようにして発生させた拡散伝搬光を
用いて散乱吸収体の内部情報を計測する本願の発明で
は、前記第２次情報を得るための演算処理に用いる関
係、つまり所定のパラメータの値と所定波長の光が散乱
吸収体の内部を拡散伝搬するときの拡散伝搬経路におけ
る散乱特性及び吸収特性との関係において、従来技術の
大きな問題つまり計測精度を大きく制限する原因となる
近似や仮定などによる誤差を大幅に減少させることがで
きるとともに、種類の異なる散乱吸収体に対する光入射
条件を一定にすることができ、かつ散乱吸収体の表面近
傍に生成される前記等価光源の位置を正確に特定するこ
とができ、さらには光入射側と光出力側で拡散伝搬光の
光路分布を対称にすることができるなどの利点が生じる
ため、第２次情報である散乱吸収体の内部情報に対する
計測精度が大幅に改善され、散乱吸収体の内部情報を絶
対値で計測すること、あるいはこれらの計測の精度を高
めること、さらにはこれらの時間変化や空間分布を高精
度で計測することが可能になる。

【００３９】

【実施例】本願の発明の実施例の説明に先立ち、本願の
発明の原理について説明する。

【００４０】［本願の発明の原理］ １． 種々の入射角度成分をもつ光の散乱吸収体への入
射 本願の発明の特徴の一つは、種々の入射角度成分をもつ
光を散乱吸収体へ入射することである。以下では、まず
この効果などについて説明する。

【００４１】散乱吸収体の内部を拡散伝搬する個々の光
子の振る舞いは、コンピュータを利用したモンテカルロ
シミュレーション（Monte Carlo Calculation)によって
解析、実験、検討することができる。このモンテカルロ
シミュレーションの結果は、物理模型や生体試料などを
用いたときの実験結果とよく一致することが知られてい
る。そこで本願の発明者らは、モンテカルロシミュレー
ションによって、種々の入射角度成分をもつ光を散乱吸
収体に入射したときの光の振る舞いを実験・検討・解析
した。

【００４２】図１および図２は反射型計測の場合のシミ
ュレーション結果で、散乱吸収体の表面にコリメート光
を垂直に入射したとき（図１参照）と、全ての入射角度
成分をもつ光、つまり等方性の光を入射したとき（図２
参照）の結果が対比して示されている。これらの図１お
よび図２では、散乱吸収体内部の各位置に対して、検出
された光子がそこを通過した頻度が表示されている。な
お、この頻度は光入射点の頻度で正規化してある。した
がって、この図１または図２から、検出された光子がど
の位置をどの程度の頻度で通過したかがわかる。なお、
図１および図２中で、■印、×印、／印、□印となるに
したがって、それぞれ頻度が１／１０倍に減少する。

【００４３】図１では、入射光が２〜３mm程度直進（■
印部）した後、光拡散が始まっている。これは、前述し
たｚ₀ ′の効果である。この結果、図１では、頻度分布
つまり拡散伝搬光の光路分布が光入射側と光検出側で非
対称となり、光入射側の光路分布が紙面の下向きに伸び
ている。これに対して図２では、光入射直後から光拡散
が始まり、光入射側と光検出側の光路分布がほぼ対称に
なっている。

【００４４】このモンテカルロシミュレーションに用い
た条件は、点状の光入射、光入射位置−光検出位置間距
離（単に光検出距離とも呼ばれる）は１０mm、光検出器
の直径は２mm、また散乱吸収体の輸送散乱係数は０．４
５mm^-1、吸収係数は０．０１mm^-1である。所定の面積を
もつ領域に複数個の前記点状の光入射を行い、光入射部
の径と光検出器の径が等しくなるようにすれば、前記光
路分布の対称性はさらによくなる。

【００４５】図３および図４は透過型計測のシミュレー
ション結果であり、散乱吸収体の表面にコリメート光を
垂直に入射したとき（図３参照）と、等方性の光を点状
に入射したとき（図４参照）の結果が対比して示されて
いる。図３および図４の表示の意味は、前記の図１およ
び図２と同じである。図３では、前記ｚ₀ ′の効果がよ
く現れている。また図４では、前記反射型計測の例と同
様に、光入射側と光検出側の光路分布がほぼ対称になっ
ている。

【００４６】モンテカルロシミュレーションに用いた条
件は、点状の光入射、光入射位置−光検出位置間距離つ
まり散乱吸収体の厚さは２０mm、光検出器の直径は２m
m、また散乱吸収体の輸送散乱係数は０．４５mm^-1、吸
収係数は０．０１mm^-1である。この場合にも前記反射型
計測の例と同様に、光入射部の径と光検出器の径が等し
くなるようにすれば、前記光路分布の対称性はさらによ
くなる。

【００４７】以上から、本願の発明に利用される次の新
しい重要な知見が得られる。つまり、散乱吸収体に種々
の入射角度成分をもつ光を入射したときは、等価的に点
光源または点光源の集まりが散乱吸収体表面の極近傍に
生成され、この等価光源の位置から光の拡散伝搬が始ま
ると見做してよい。また、散乱係数の異なる散乱吸収体
でも、等価光源はその表面の極近傍に生成されるから、
種類の異なる散乱吸収体の場合でも拡散伝搬が始まる位
置が同一、つまり光入射条件が同一になる。したがっ
て、従来技術の問題点の一つである光入射直後の直進光
の取扱が簡単になり、直進距離に対する近似や仮定を導
入する必要がないため、散乱吸収体の内部情報計測の計
測精度を大幅に向上させることが可能になる。

【００４８】さらに、光入射側と光検出側で前記頻度分
布、つまり光路分布が対称になるということは、拡散伝
搬光に対していわゆる相反定理（reciprocity theorem,
可逆定理とも呼ばれる）が成立することを意味してい
る。この場合、光入射点と光検出点を入れ換えても、光
路分布が不変であることを意味する。したがって、この
ような対称性を利用することによって、散乱吸収体の内
部情報計測の計測精度を大きく改善することができる。
また上記の知見は、特定吸収成分の位置などを計測する
場合、さらには散乱吸収体の内部の断層像を再構成する
場合などにおいて、特に大きな効果があることが明らか
である。

【００４９】なお、上記では全ての入射角度成分をもつ
光を散乱吸収体に入射する場合について述べたが、実際
の入射光は散乱吸収体、つまり半空間に対して全ての入
射角度成分をもてばよい。また、入射角度分布が制限さ
れる場合について検討すると、入射角度が０°から約３
０°以上の範囲にほぼ均一に分布するとき、上記のこと
がほぼ成立する。したがって、実際の装置で簡便な光学
系を使用する場合には、上記のような入射角度分布につ
いて注意する必要がある。

【００５０】２． 新しい数学的モデルの導入 本願の発明者らは、前記光入射条件、つまり種々の入射
角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射したときの光の振
る舞いを理論的及び実験的に検討し、境界条件を含めた
新しいモデルを開発し、次のような知見を得た。つま
り、上記のモデルに光拡散理論を適用して導かれる結
果、モンテカルロシミュレーションの結果、および実際
の実験結果との間には、それぞれよい一致が得られると
いう知見である。但し、光拡散理論を利用する場合に
は、境界条件の設定方法、及び光子流動率φから種々の
パラメータの関係を導出する際の近似方法を十分に考慮
する必要がある。つまり、境界条件を適用して光拡散方
程式を解くときに、計測の最終目的である散乱吸収体の
内部情報の値に対する誤差を慎重に見積もって、この誤
差が無視できるような近似を選択して適用する必要があ
る。

【００５１】以下では、光拡散方程式と散乱吸収体の光
学定数との関係、及び本願の発明者らによって開発され
た数学的モデルと境界条件との関係を述べる。

【００５２】（１）光拡散方程式と散乱吸収体の光学定
数との関係 まず最初に、光拡散方程式、及び散乱吸収体に関する種
々の光学定数などについて述べる。これらの定義や記号
は、後の詳細な説明でしばしば使用される。

【００５３】散乱吸収体内部の光の振る舞いを記述する
光拡散方程式は、光子輸送理論の拡散近似から導かれ、
光子流動率（fluence rate) φを用いて、例えば次のよ
うに記述される。

【００５４】

【数１】

【００５５】ここで、 φ(r,t) ：位置 r、時刻 t における光子流動率(fluen
ce rate)〔光子／mm²・sec 〕 但し、r はベクトルである。

【００５６】Ｄ：光拡散係数（diffusion coefficient)
〔mm〕 μ_a ：吸収係数 (absorption coefficient) 〔mm^-1〕 ｃ：散乱吸収体内部の光速度〔mm/sec〕（散乱吸収体の
屈折率によって定まる） Ｓ(r,t) ：光源〔光子／mm³ ・sec 〕 である。

【００５７】インパルス光源はデルタ関数で表されるか
ら、原点(r=0) にt=0 のとき入射する光インパルスは、
次のように表される。

【００５８】 Ｓ(r,t) ＝δ(r,t) ＝δ(0,0) ＝δ(0) δ(0) …（１．２） したがって、インパルス光入射に対する光拡散方程式は
次のようになる。

【００５９】

【数２】

【００６０】ここで、δ(0,0) は、原点(r=0) にt=0 の
とき入射する光インパルスである。詳細は省略するが、
公式を用いてこの光拡散方程式の解を求めることができ
る。

【００６１】散乱吸収体に関するその他の種々の光学定
数は、 μ_S ：散乱係数 (scattering coefficient) 〔mm^-1〕 μ_S ′：輸送散乱係数 (transport scattering coeffic
ient) 〔mm^-1〕 μ_tr ：輸送減衰係数 (transport attenuation coeffi
cient)〔mm^-1〕 μ_eff ：有効減衰係数 (effective attenuation coeffi
cient)〔mm^-1〕 ｇ ：散乱角θに対するｃｏｓθの平均値 (mean cos
ine of thescattering angle) ω ：散乱吸収体に入射する変調光の変調角周波数 としたとき、 Ｄ＝〔３ (μ_a ＋μ_S ′）〕^-1＝（３μ_tr）^-1 …（１．４） μ_S ′＝（１−ｇ）μ_S …（１．５） μ_tr＝μ_a ＋μ_S ′＝μ_a ＋（１−ｇ）μ_S …（１．６） μ_eff ＝〔３μ_a （μ_a ＋μ_S ′）〕^1/2 ＝｛３μ_a 〔μ_a ＋（１−ｇ）μ_S 〕｝^1/2 …（１．７） なる関係にある。

【００６２】また、前記の光子流動率φから導出される
パラメータとして、 Ｊ：光子流または光子流密度（photon current densit
y) 〔光子／mm² ・sec 〕 ＜Ｌ＞：平均光路長（average optical pathlength) ＝
ｃ＜ｔ＞ 〔mm〕 但し、＜ｔ＞は光子流の時間波形の平均遅れ時間あるい
は平均飛行時間 ｄＪ／ｄｔ：光子流の時間微分 Ｉ：光子流の時間積分値〔光子／mm² 〕 Ｆ（ω）：光子流Ｊのフーリエスペクトル Φ：Ｆ（ω）の位相遅れ（phase delay)〔radian〕 などがあり、後の詳細説明でしばしば使用される。な
お、光子流密度Ｊの時間波形は、光子の飛行時間の分布
（time of flight）を表す。また、実際の計測で定量で
きる量は光検出信号であり、この光検出信号を演算し
て、第１次情報である上記の平均光路長、時間積分値、
傾き（微分値）あるいは特定周波数成分の信号の振幅や
位相遅れなどを導出する。なお、本願の発明では、この
ような第１次情報を所定のパラメータと呼ぶ。

【００６３】また、光輸送理論では、部分光子流という
概念がある。これは、散乱吸収体内部の単位面積を左か
ら右へ通過する光子流Ｊ₊ 、及び右から左へ通過する光
子流Ｊ_- で定義され、正味の光子流を表す光子流Ｊは部
分光子流の差、つまり、 Ｊ＝Ｊ₊ −Ｊ_- …（１．８） となる。

【００６４】ここで、拡散近似を行うと、位置ｒにおけ
る部分光子流は、 Ｊ₊ （ｒ）＝ (１／４) φ(r、t)−（Ｄ／２）ｅ_S ▽φ(r，t) …（１．９） Ｊ_- （ｒ）＝ (１／４) φ(r，t)＋（Ｄ／２）ｅ_S ▽φ(r，t) …（１．１０） と表される。但し、ｅ_S は上記単位面積の法線方向の単
位ベクトルである。したがって、拡散近似では、（１．
８）式乃至（１．１０）式が散乱吸収体内部のあらゆる
場所で成立する。

【００６５】（２）境界条件とモデル 光輸送理論によれば、自由表面（便宜上、ｚ＝ｚ_S とす
る）の光子流動率φは有限の値φ（ｚ_S ）≠０となり、
図５に示すように、自由表面からｚ₀ だけ離れた位置で
φ＝０となる。以上を考慮して、本願の発明者が開発し
た反射型計測のモデルを図６に、また透過型計測のモデ
ルを図７に示す。これらでは、図中の原点に光を入射す
る。また、図中には、上記のような境界条件を満足させ
るために、自由表面から−２ｚ₀ の位置に負極性の点光
源が導入してある。この結果、位置ｚ＝−ｚ₀ で光子流
動率φ（−ｚ₀ ）＝０となる。なお、図中の●は正極性
の点光源、また○は負極性の点光源を示す。

【００６６】図６及び図７では、散乱吸収体表面の光入
射点に、種々の入射角度成分をもつ光を入射する。ま
た、図７の透過型モデルでは、光入射側と光検出側の両
方で前記の境界条件を満足させるために、無限個の正極
性と負極性の点光源が導入されている。但し実用上は、
有限個の正及び負の点光源によって、十分な精度で近似
することができる。

【００６７】また、上記ｚ₀ については、光拡散理論で
は、 ｚ₀ ＝２Ｄ …（２．１） となるが、より厳密な光輸送理論では、 ｚ₀ ＝０．７１０４／μ_tr＝２．１３１２Ｄ …（２．２） となる。

【００６８】ここで、拡散近似で求められる光子流動率
φは、散乱吸収体内部の光源及び自由表面から十分に離
れた場所では、きわめて高い精度が得られるが、自由表
面近傍では、かなりよい精度ではあるが、原理的に近似
値しか求められないことを考慮すると、上記ｚ₀ は前記
（２．１）式および（２．２）式のいずれの関係を用い
ても、大きな差は生じないと考えてよい。したがって以
下では、（２．１）式、つまりｚ₀ ＝２Ｄなる関係に基
づいて説明する。

【００６９】なお、通常の計測系では、散乱吸収体に空
気中から光を入射し、空気中で光検出する。この場合、
上記ｚ₀ は、厳密には空気の屈折率及び散乱吸収体の屈
折率の関数となる（このことは、例えば参考文献6)に述
べられている）。しかし、散乱吸収体の屈折率はほぼ水
に等しいと見做せるので、両者の屈折率を定数と見做す
と、ｚ₀ とＤとの関係を示す式は（２．１）式で比例定
数が変化したものとなる。ところが、このような場合で
も、以下に述べることがほぼ同様にして成立することを
証明することができる。さらに、前述のような近似が無
視できないような高い精度が必要な計測では、上記で得
られた光子流動率φに所定の補正を行う必要があり、こ
れについての対策の具体例は後に述べる。

【００７０】つぎに、光拡散方程式に適用する具体的な
境界条件を求める。この境界条件は、散乱吸収体の表面
つまり自由表面 r_S では、外側から流入する光子流Ｊ_-
（光子／mm² ・sec ）が、Ｊ_- ＝０となることである。

【００７１】この境界条件は、（１．１０）式から、 Ｊ_- (r_S ) ＝ (１／４) φ(r_S ,t) ＋（Ｄ／２）ｅ_S ・▽φ(r_S ,t) ＝０ …（２．３） となる。但し、ｅ_S は自由表面の法線方向の単位ベクト
ルである。この式は、１次元問題ではさらに、

【００７２】

【数３】

【００７３】となる。ここで、（ｄφ／ｄｚ）］ｚ
_S は、ｚ＝ｚ_S つまり自由表面ｚ_S でのｄφ／ｄｚ（微
分）の値を表す。また、この境界条件に前述したＦｉｃ
ｋの法則を適用すると、前出の（２．１）が導出され
る。

【００７４】他方、自由表面ｚ_S から流出する光子流Ｊ
₊ は、上記と同様に（１．９）式から、

【００７５】

【数４】

【００７６】である。なお、ここで、Ｊ＝Ｊ₊ −Ｊ_- で
ある。したがって、自由表面から流出する光子流、つま
り検出される光子流Ｊは、次の２種の方法で記述でき
る。

【００７７】

【数５】

【００７８】または、 Ｊφ＝φ（ｚ_S ,t）／２ …（２．７） ここで、添字ｇとφは、それぞれ、光子流動率φの勾配
(gradient)と光子流動率φ、つまりＪを導出するのに用
いたパラメータの種類を表す。また、（２．６）式と
（２．７）式とは、本願の発明における光入射位置と光
検出位置との間の距離ρまたはｄに対して、ｚ₀ ＝２Ｄ
が十分小さいと見做せるとき、両者が等価であることを
証明することができる。

【００７９】本願の発明では、上記の２種類の表記法に
よる光子流Ｊ_g とＪφから導出される２種類の表記法に
よる所定のパラメータ、つまり平均光路長＜Ｌ＞、光子
流の時間微分値、光子流の時間積分値Ｉ、光子流のフー
リエ変換Ｆ（ω）およびその位相遅れΦなど（第１次情
報）を求めて、この第１次情報から演算処理によって第
２次情報である散乱吸収体の内部情報を定量する。な
お、上記で導出される２種類の表記法による所定のパラ
メータは、何れの場合にも、本願の発明における光入射
位置と光検出位置との間の距離ρまたはｄに対して、ｚ
₀ ＝２Ｄが十分小さいと見做せるとき、両者が等価であ
ることを証明することができる。

【００８０】３． 光拡散方程式の解とそれから導出さ
れる種々のパラメータ 次に、前記数学的モデルから光拡散方程式の解つまり光
子流動率φを求め、この光子流動率φから種々の所定の
パラメータに関する関係式を導出する。この導出過程で
近似を適用するときは、計測の最終目的である散乱吸収
体の内部情報の値に生じる誤差が無視できることを確認
しておく必要がある。なお、以下に述べる光拡散方程式
の解、及びそれから導出される種々のパラメータに関す
る関係式は一つの例であり、本願の発明が他の形の解あ
るいはそれから導出される他の形の関係式を用いてもよ
いことは明らかである。

【００８１】まず、前出の図６に示した半空間反射型の
モデルにおける光拡散方程式の解は、

【００８２】

【数６】

【００８３】となる。

【００８４】光子流動率φは、図６に示した境界条件下
の光拡散方程式の解であり、この光子流動率φから所定
のパラメータ、つまり光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光
子流の時間積分値Ｉ、光子流のフーリエ変換Ｆ（ω）、
その位相遅れΦなどを導出することができる。

【００８５】ここで注目すべきことは、上記のようにし
て求めた光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流の時間積
分値Ｉ、さらには光子流のフーリエ変換Ｆ（ω）及びそ
の位相遅れΦなどが、２個の未知数つまり吸収係数μa
及び輸送散乱係数μ_S ′と複数の既知数の関数となるこ
とである。なお、上記の既知数は、散乱吸収体内部の光
速度ｃ、入射光の波長λ、光入射位置−光検出位置間距
離ρ、および変調光の変調成分の角周波数ωなどであ
る。

【００８６】したがって、制御あるいは設定可能な既知
数、例えば上記の例では、光入射位置−光検出位置間距
離ρあるいは変調光の変調角周波数ωを２つ以上の異な
る値に設定して計測し、得られた光検出信号つまり計測
値を演算して上記の何れかのパラメータを検出し、この
パラメータに対する上記の関係の２つ以上の連立関係に
基づいて、２個の未知数つまり吸収係数μ_a および輸送
散乱係数μ_S ′を演算処理によって算出することが可能
になる。この場合、当然ではあるが、独立な計測値の数
が多いほど上記演算処理の精度が向上する。

【００８７】具体的な所定のパラメータとしては、例え
ば次のものがあり、これらは全て（３．１）式から導出
される。また、次に述べる所定のパラメータを表す式
は、本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションや
実験結果とよく一致することが確認されている。

【００８８】反射型の計測では光検出位置でｚ＝０であ
ることを考慮すると、光子流Ｊは、

【００８９】

【数７】

【００９０】

【数８】

【００９１】平均光路長＜Ｌ＞は、

【００９２】

【数９】

【００９３】また、光子流Ｊの時間積分値Ｉは、

【００９４】

【数１０】

【００９５】

【数１１】

【００９６】さらに、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）
の位相遅れΦは、

【００９７】

【数１２】

【００９８】

【数１３】

【００９９】となる。ただし、 ｚ₀ ＝２Ｄ …（３．９） ｑ² ＝ρ² ＋（２ｚ₀ ）² …（３．１０） Θ＝ tan^-1（ω／ｃμ_a ） …（３．１１） である。

【０１００】また、（３．７）式と（３．８）式の第２
項は、ｑμ_eff 》１あるいはρμ_eff 》１、かつΘ＜
１．５［ｒａｄｉａｎ］のとき、−Θ／２となる。

【０１０１】つぎに、透過型の計測について述べる。前
出の図７に示したスラブ透過型のモデルにおける光拡散
方程式の解は、

【０１０２】

【数１４】

【０１０３】となる。

【０１０４】前記反射型計測の場合と同様にして、この
解つまり光子流動率φから、種々の所定のパラメータ、
例えば光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流の時間積分
値Ｉ、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）、およびその位
相遅れΦなどを導出することができる。

【０１０５】ここで重要なことは、反射型計測の場合と
同様に、上記で求めた所定のパラメータつまり光子流
Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分ｄＪ／ｄ
ｔ、光子流Ｊの時間積分値Ｉ、さらには光子流Ｊのフー
リエ変換Ｆ（ω）とその位相遅れΦなどが、吸収係数μ
_a 及び輸送散乱係数μ_S ′の２個の未知数と複数の既知
数で表記できることである。なお、上記の既知数は、散
乱吸収体内部の光速度ｃ、入射光の波長λ、光入射位置
−光検出位置間距離ρ、および変調光の変調成分の角周
波数ωなどである。

【０１０６】したがって、制御あるいは設定可能な既知
数、例えば上記の例では、光入射位置−光検出位置間距
離ρあるいは変調光の変調角周波数ωを２つ以上の異な
る値に設定して計測し、光検出信号を演算して上記の何
れかのパラメータを検出し、得られたパラメータに対す
る上記の関係の２つ以上の連立関係に基づいて、２個の
未知数つまり吸収係数μ_a 及び輸送散乱係数μ_S ′を演
算処理によって算出することが可能になる。この場合、
当然のことであるが、独立な計測値の数が多いほど、上
記演算処理の精度が向上する。

【０１０７】具体的なパラメータは、例えば次のように
なり、これらは全て（３．１２）式から導出される。ま
た、これらのパラメータを表す式は、本願の発明者らの
モンテカルロシミュレーションや実験結果とよく一致す
ることが確認されている。なお、以下の種々の式を誘導
する際に、無限個の正負の点光源で構成されるモデル
は、正負それぞれ２個の点光源で構成されるモデルで十
分に近似できるので、以下ではこの近似を用いて説明す
る。

【０１０８】透過型計測では光検出位置でρ＝０である
ことを考慮すると、２種の光子流Ｊは、

【０１０９】

【数１５】

【０１１０】

【数１６】

【０１１１】平均光路長＜Ｌ＞は、４ｚ₀ 《ｄのとき、

【０１１２】

【数１７】

【０１１３】また、光子流Ｊの時間積分値Ｉは、

【０１１４】

【数１８】

【０１１５】

【数１９】

【０１１６】さらに、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）
の位相遅れΦは、

【０１１７】

【数２０】

【０１１８】

【数２１】

【０１１９】となる。但し、上記のα₃ は、

【０１２０】

【数２２】

【０１２１】また、２ｚ₀ tan(Θ／２）＜１／４、ｚ₀
《ｄのとき、 α₃ ＝− tan^-1｛〔１＋ｅｘｐ（−２ｚ₀ μ_eff ）〕tan(Θ／２）｝ …（３．２１） となる。

【０１２２】さらに、α₄ は、

【０１２３】

【数２３】

【０１２４】また、２ｚ₀ tan(Θ／２）＜１／４、ｚ₀
《ｄのときは、

【０１２５】

【数２４】

【０１２６】となる。但し上記で、 ｘ＝２^1/2 ｚ₀ μ_eff 〔（１＋ tan² Θ）^1/2 ＋１〕^1/2 …（３．２４） である。

【０１２７】以上の場合にも反射型計測と同様、ｚ₀ ＝
２Ｄ、およびΘ＝ tan^-1( ω／ｃμ_a ）である。また、
Θ《１、ｚ₀ 《ｄのとき、α₃ ＝α₄ ＝−Θとなる。

【０１２８】４． 内部情報の計測 光検出手段によって直接得られる信号は光子流Ｊに相当
する。したがって、散乱吸収体の内部情報計測では、前
記光検出信号を演算して第１次情報である所定のパラメ
ータを抽出し、つぎにこの所定のパラメータと散乱吸収
体内部の拡散伝搬経路における散乱特性及び吸収特性と
の関係に基づいて、第２次情報である散乱吸収体の内部
情報を演算処理によって算出する。この演算処理に際し
て前記関係の連立関係が必要となる場合には、制御ある
いは設定可能なパラメータ、例えば光検出距離や変調光
の変調角周波数などが異なる２つ以上の条件で計測す
る。

【０１２９】このような計測には、絶対値計測と相対値
計測がある。また、特定吸収成分や特定散乱成分などを
定量計測する場合には、２つ以上の異なる波長の光を利
用する。さらに、上記で求めた内部情報が光入射位置−
光検出位置に対応する拡散伝搬経路に沿った線積分値で
あると見做して、散乱吸収体の断層面に沿った種々の方
向に対する計測で得られた多数のデータを利用して、Ｘ
線ＣＴに見られるような断層像を再構成することも可能
になる。

【０１３０】以下では、これらの中の代表例について述
べる。但し、他の種類の計測に、以下で述べる方法や装
置およびそれらの変形例を応用することは容易に類推で
きる。

【０１３１】（１）内部情報の絶対値計測 散乱吸収体の内部情報の絶対値を計測する方法は、前記
で求めた所定のパラメータ、つまり光子流Ｊ、平均光路
長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分ｄＪ／ｄｔ、光子流Ｊの
時間積分値Ｉ、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）の振幅
などを利用する方法（以下では、略して光強度法と呼
ぶ）と、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）の位相遅れΦ
などを利用する方法（以下では、略して変調光法と呼
ぶ）に大別できる。換言すれば、前者は（３．２）式乃
至（３．６）式、及び（３．１３）式乃至（３．１７）
式などで表記される関係を利用する方法である。また後
者は（３．７）式や（３．８）式、及び（３．１８）や
（３．１９）式などで表記される関係を利用する方法で
ある。以下では、前者の光強度法の代表例として、
（３．５）式で表される関係を利用する方法について述
べる。但し、以下に述べる方法が、同様にして他の光強
度方法に適用できることは明らかである。

【０１３２】いま、図８に示すように、異なる２つの光
検出距離で、（３．５）式に示した所定のパラメータＩ
_g を計測するものとし、光検出距離をそれぞれρ₁ およ
びρ₂ とし、これらに対する所定のパラメータの２つの
計測値をそれぞれ、 Ｉ［ρ₁ ］：検出距離ρ₁ での計測値 Ｉ［ρ₂ ］：検出距離ρ₂ での計測値 のように表すことにする。

【０１３３】なお、図８では１つの光入射位置と２つの
光検出位置を設定したが、２つの光入射位置と１つの光
検出位置を用いても、同様の計測ができることは明らか
である。また、この計測は光検出信号の積分値を利用す
るので、入射光は積分時間が規定できるものであれば、
どんな波形のものでもよい。例えば方形波や連続光でも
よいことは明らかである。

【０１３４】さて、２つの光検出距離ρ₁ とρ₂ に対す
る２つの計測値は、（３．５）式から導かれる次の２連
の連立方程式を満足する。

【０１３５】

【数２５】

【０１３６】ただし、ｑ₁ ² ＝ρ₁ ² ＋（２ｚ₀ ）² ｑ₂ ² ＝ρ₂ ² ＋（２ｚ₀ ）² ｚ₀ ＝２Ｄ＝２／〔３（μ_a ＋μ_S ′）〕 μ_eff ＝〔３μ_a （μ_a ＋μ_S ′）〕^1/2 である。

【０１３７】この連立方程式（４．１）を構成する２連
の式はそれぞれ独立であり、未知数はμ_a およびμ_S ′
の２個である。したがって、計測によって得られる２個
の計測値Ｉ［ρ₁ ］及びＩ［ρ₂ ］と、既知あるいは別
の方法で測定した値ρ₁ 及びρ₂ を用いて、２個の未知
数μ_a 及びμ_S ′を一意的に求めることができる。ま
た、これらの値からμ_eff やｚ₀ の値を算出することも
できる。

【０１３８】以上のようにμ_a とμ_S ′あるいはμ_eff
を求めるには、（３．１）式から導かれた２連のそれぞ
れ独立した式であれば、どんな形の式でもよい。また、
以上のような連立方程式を解く計算は、コンピュータを
利用して高速に実行することができる。なお、独立な計
測値の数が多いほど、つまり連立方程式の数が多いほ
ど、前記計算の精度が向上する。

【０１３９】以上では、計測対象が半空間を占める散乱
吸収体である場合について説明したが、実際には有限の
大きさの散乱吸収体を計測することが多い。この場合、
図８の散乱吸収体の外側で前記の境界条件が満足され、
かつ散乱吸収体内部を拡散伝搬する光に対して光拡散の
条件が成立すればよい。この条件は、検出距離ρ₁ 及び
ρ₂ に比較して散乱吸収体が十分大きいと見做せるとき
に成立する。例えば、図８に示した波線内の部分は、検
出位置に到達する光子の大部分が通過する領域を示す。
このような領域が存在することは、前述した Sevick ら
が報告した散乱吸収体内部のバナナ状の光の束³⁾、ある
いは本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションの
結果（たとえば、図１や図２）からも明らかである。ま
た、上記では、種々の入射角度成分をもつ光を点状にし
て散乱吸収体に入射する。しかし、既に述べたように、
光を入射する部分を有限の面積をもつ領域にしてもよ
く、また、ある程度入射角度分布が制限された光を入射
してもよい。つまり、前者の場合は点光源の集まりと考
えればよい。また後者の場合は、先に述べたように、入
射角度が０°乃至３０°以上の範囲に、ほぼ均一に分布
しておれば、それに起因する誤差を無視することができ
る。また、０〜４５゜の範囲で均一に分布するようにす
れば、さらに計測精度が向上する。

【０１４０】さらに、異なる２つの波長λ₁ とλ₂ の光
に対して上記の計測を行えば、それぞれの波長に対する
吸収係数μ_a1及びμ_a2、及びそれぞれの波長に対する輸
送散乱係数μ_S1′及びμ_S2′を求めることができる。し
たがって、例えばμ_a1／μ_a2の値からヘモグロビンの酸
素飽和度などを算出することができる⁴⁾。このような２
波長分光計測では、散乱吸収体に含まれる吸収成分の吸
収係数の波長依存性を利用する。例えば、酸化・還元ヘ
モグロビンや酸化・還元ミオグロビンの計測では、酸化
・還元に対して吸収係数の差が大きい波長の光、例えば
700 nmから1.2μm の波長の光がよく使用される。ま
た、３種以上の波長の光を利用すれば、より精度の高い
計測、あるいはバックグラウンド吸収がある試料の計測
などが可能になる⁴⁾。

【０１４１】本願の計測方法及び装置を以上に述べたよ
うな２波長分光計測に応用した場合、２つの波長に対す
る輸送散乱係数μ_S1′とμ_S2′の絶対値が求められると
いう、従来例にはない大きな利点が生じる。したがっ
て、従来の２波長分光における仮定、つまり異なる２つ
の波長の光に対する散乱成分の散乱係数が同一または差
があっても極めて小さいという仮定が成立しなくても、
本願の発明による計測方法及び装置では、精度の高い計
測ができる。このように、本願の発明による計測方法や
装置は、従来の２波長分光計測の適用範囲を大幅に拡大
して、計測精度を大きく向上させることができる。な
お、異なる２つの波長に対して輸送散乱係数μ_S ′が等
しいと見做せる場合には、上記の（４．１）式を変形し
たより簡単な式、あるいはより少ない数の連立関係を利
用することができる。

【０１４２】また、以上に述べた計測方法と装置は、ス
ラブ状の試料に適用することもでき、この様子を図９に
示す。ただし、図９では１つの位置から光を入射して、
光検出距離の異なる２つの位置で光検出しているが、２
つの位置から光を入射して、光検出距離の異なる２つの
位置で検出しても同様のことができる。但し、このよう
な透過型の計測では、（３．１２）式から導出される
式、例えば（３．１３）乃至（３．１９）式などの連立
関係を利用する。

【０１４３】ところで、上記で得た内部情報つまり吸収
係数μ_a や輸送散乱係数μ_S ′は、光入射位置から光検
出位置に拡散伝搬する光の光路に沿う情報の積算値ある
いは平均値である。したがって、図８示した光入射位置
−光検出位置間の距離、あるいは図９に示した光検出位
置の間隔に比較して、内部情報の変化が十分緩やかであ
る場合には、計測位置つまり光入射位置と光検出位置の
組を散乱吸収体に対して相対的に走査させることによっ
て、各種の内部情報の空間分布の画像化つまりイメージ
ングができる。また、当然ではあるが前記の計測を異な
る時間に行えば、前記内部情報の時間変化を計測するこ
とができ、この種の計測は脳内酸素量などのモニタリン
グに利用される。なお、以上のような画像化演算など
は、メモリ、デイスプレイなどを備えたコンピュータ装
置によって高速に実行される。

【０１４４】また、上記で求めた吸収係数μ_a や輸送散
乱係数μ_S ′が、前記光入射位置−光検出位置に対応す
る拡散伝搬光の拡散伝搬経路に沿った線積分値であると
見做せば、このデータを利用して、Ｘ線ＣＴに見られる
ような断層像を再構成することが可能になる。

【０１４５】（２）表面での光減衰を考慮した絶対値計
測 散乱吸収体に光を入射するとき、あるいは散乱吸収体か
ら光が出射するときに、何らかの光減衰、例えば表面の
着色層などでの吸収があると、前記（１）項に述べた計
測原理に基づいて計測した吸収係数μ_a や輸送散乱係数
μ_S ′に誤差が生じる。また、前述した拡散近似による
誤差（拡散近似では、厳密には自由表面での光子流動率
φの近似値しか求められないこと）、さらには光検出器
の量子効率などをこのηに含めて考えることもできる。

【０１４６】以下では、このような光減衰によって誤差
が発生する可能性がある場合でも、その誤差を発生させ
ない計測方法について説明する。なお、以下では代表例
として（３．５）式で表される関係を利用する場合につ
いて説明するが、（３．１）式や（３．１２）式から導
出される他の形の関係を利用する場合についても、同様
にしてμ_a やμ_S ′の絶対値を計測することができる。

【０１４７】いま、上記のような光減衰の減衰率ηとす
ると、計測に利用される光子流は（３．２）式から、

【０１４８】

【数２６】

【０１４９】となる。

【０１５０】この（４．２）式から計測に利用される光
子流、つまり光検出信号Ｊgdの時間積分値であるＩgdを
表す式、つまり前出の（３．５）式に対応する式を求め
ると、

【０１５１】

【数２７】

【０１５２】となる。ただし、ｑ² ＝ρ² ＋（２ｚ₀ ）
² である。

【０１５３】明らかに（４．３）式の未知数は、μ_a 、
μ_S ′, 及びηの３個である。したがって、制御あるい
は設定可能な既知数である光検出距離ρを３つ以上の異
なる値に設定して上記のＩ_gdを演算し、得られた３個以
上のＩ_gdに対する上記の関係の連立関係に基づいて、３
個の未知数つまり光減衰率η、吸収係数μ_a 及び輸送散
乱係数μ_S ′を算出することが可能になる。さらに、異
なる２つ以上の波長の光に対して上記の計測を行えば、
散乱吸収体内部の特定吸収成分や特定散乱成分の定量計
測を行うことができる。この場合、上記の計算はコンピ
ュータを用いて高速に実行される。また、当然である
が、互いに独立な計測値Ｉ_gdの数が多いほど上記の計算
精度が向上する。

【０１５４】このような計測を行うための光入射位置と
光検出位置の関係は、図８及び図９で３つの異なる光検
出距離が得られるようにすること、例えば光検出距離が
異なる３つの位置で光を検出することで実現できる。ま
た、逆に光検出距離の異なる３つの位置に光を入射し
て、１つの光検出位置で光検出する方法を用いてもよ
い。また、前記光減衰率ηが既知である場合、あるいは
別の方法によって測定される場合には、前記（１）項に
述べた方法を利用することができる。

【０１５５】（３）変調光法による内部情報の計測 変調光法による絶対値計測では、前出の（３．７）式及
び（３．８）式、あるいは（３．１８）式及び（３．１
９）式で表されるような位相遅れΦと吸収係数μ_a 及び
輸送散乱係数μ_S ′との関係、すなわち一般的にΦ＝ｆ
（μ_a ，μ_S ′，ω）と表記される関係を利用する。こ
のとき、ωは制御または設定可能なパラメータであるか
ら、２つ以上の異なる角周波数ωに対して前記Φを検出
し、ω₁とω₂ に対する２つの前記関係の連立関係か
ら、吸収係数μ_a 及び散乱係数μ_S′、さらには有効減
衰係数μ_eff を求めることができる。なおここでは、吸
収係数や輸送散乱係数が、変調光の変調角周波数ωに依
存しないことを利用している。

【０１５６】上記の計測では、２つ以上の異なる角周波
数の正弦波変調光を使用する方法、異なる２つ以上の角
周波数成分を含む変調光を利用する方法などがある。ま
た、繰り返しパルス光や繰り返し方形波光は、基本周波
数成分とその整数倍の高次の周波数成分をもっているの
で、これらを利用することもできる。

【０１５７】さらに、上記の計測で、異なる２つ以上の
波長を有する光を使用して、散乱吸収体内部の特定吸収
成分や、特定散乱成分の定量計測を行うこともできる。
この計測の様子は、異なる２つ以上の角周波数の変調光
を用いること以外は、前記（１）項の計測とほぼ同様に
なる。但し、位相遅れΦは、前記（２）項に述べたよう
な光減衰率ηとは無関係であるから、これを考慮する必
要がない。

【０１５８】以上から明らかなように、ここに述べた変
調光法は１つの光検出距離を用いるので、計測装置の構
成、演算処理などが簡単になるという利点がある。また
このことから、特に、前記（１）項に述べたようなイメ
ージングや断層像計測に有効な方法と装置を提供するこ
とができる。なお、イメージングや断層像計測の原理
は、前記（１）項とほぼ同様であるので、その詳細は略
する。また、当然ではあるが、３種以上の変調角周波数
を利用すれば、計測精度が向上する。さらに、変調光法
と前述した異なる光検出距離での計測法を併用すること
もできる。

【０１５９】（４）内部情報の相対値計測 前記（１）項乃至（３）項では絶対値計測について説明
した。しかし、相対値として計測された吸収係数の時間
的変化、あるいは吸収係数の空間分布なども有効な情報
である。このような相対値計測では、前記所定のパラメ
ータを適当に選ぶと、未知数を求めるために必要な連立
関係の数を減らすことができる場合がある。

【０１６０】例えば、２波長分光原理を応用する場合、
２つの異なる波長に対して輸送散乱係数μ_S ′が一定値
であると見做せるときは、この輸送散乱係数μ_S ′を一
定値として取り扱うことができ、連立関係の数を減らす
ことができる。さらにμ_a《μ_S ′であれば、近似を用
いて、式を簡単化することができる。また、１つの光検
出距離で、異なる時間、異なる位置、あるいは異なる波
長の光を用いて内部情報の相対値を計測することも可能
になる。さらに、前記（２）項で述べた光減衰率ηは２
つの光検出信号の比を取ることによって、消去すること
ができるので、光子流φの時間微分波形を利用した相対
値計測、あるいは近似的な絶対値計測が可能になる。

【０１６１】以上のようなことは、近似を適用して、前
記（３．２）式乃至（３．８）式、及び（３．１３）乃
至（３．１９）式などで表される関係を簡単化して変形
することで、容易に理解される。なお、以上のような近
似を用いる方法や手法は、近似などによって計測誤差が
少し増大するという弱点があるが、２次元計測であるイ
メージングや断層像計測が比較的簡単に実行できるとい
う大きな利点がある。

【０１６２】以下、添付図面を参照して本発明の実施例
を説明する。なお、図面の説明においては同一の要素に
は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【０１６３】（第１実施例）図１０は本願の発明の第１
実施例を示すもので、散乱吸収体９の内部情報、例えば
吸収係数や輸送散乱係数の絶対値を計測する方法及び装
置の構成を示す。この構成では、３種類の光検出距離に
対応する３個の光検出信号が得られるから、３つの前述
した関係の連立関係、例えば３連の連立方程式が得られ
る。したがって、この実施例は未知数が３個以下となる
場合の計測に適用でき、その代表的な適用例は既に動作
原理を説明した「表面での光減衰を考慮した絶対値計
測」である。

【０１６４】計測ヘッド部１０は、計測対象である散乱
吸収体９の表面に近接、あるいは接触させて使用するも
ので、筐体あるいはケースの中に光入射部や光検出器が
収納してある。光源２からの所定波長の光は、光ファイ
バーなどの導光部３１を介して、光入射部４に導かれ
る。光入射部４は、後に述べるように、散乱吸収体の表
面の所定部分に種々の入射角度成分をもつ光を入射す
る。この場合、光源２が発生する光は、連続光、パルス
光、方形波光、変調光など、どのような波形をもつもの
でもよい。光源には、レーザーダイオード、発光ダイオ
ード、ＨｅＮｅレーザーなど、種々のものを使用するこ
とができる。

【０１６５】光入射部４を介して散乱吸収体９に入射さ
れた光は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬し、その一部
分が光ファイバーなどの導光部３２、３３及び３４を通
過し、それぞれの光検出器６２、６３及び６４で光検出
されて電気信号に変換される。この光検出器には、光電
管、光電子増倍管、フォトダイオード、ｐｉｎフォトダ
イオード、アバランシェフォトダイオードなど、前記所
定波長の光に感度をもつあらゆる種類の光検出器を使用
することができる。演算処理器７は、前記光検出器６
２、６３及び６４で得られた光検出信号を演算して第１
次情報である所定のパラメータを抽出し、さらにこの第
１次情報を演算処理して、第２次情報である散乱吸収体
の内部情報を算出して出力する。この演算に際して、通
常、予め設定された３種の光検出距離、あるいは予め別
の方法で測定して求めた３種の光検出距離を既知数とし
て用いる。また、これらの演算処理に際して、光源に同
期した同期信号を必要に応じて利用する。さらに、散乱
吸収体の内部情報に関する演算結果は、表示記録器８に
よって、必要に応じて表示あるいは記録される。

【０１６６】ここで、上記の第１次情報及び第２次情報
を得るための演算処理について、具体的に説明する。前
記光入射部４から種々の入射角度成分をもつ光が散乱吸
収体に入射されると、既に説明したように、等価的に点
光源または点光源の集まりが散乱吸収体の表面の極近傍
に生成され、この点光源から出た光が直ちに散乱吸収体
の内部を拡散伝搬すると考えてよい。したがって、光検
出器６２、６３及び６４で得られる光検出信号を演算し
て検出した第１次情報、つまり所定のパラメータと、拡
散伝搬光の拡散伝搬経路における吸収特性及び散乱特性
との間には、前述した関係、例えば（３．２）式乃至
（３．８）式に示した関係が成立する。したがって、こ
のような関係に基づいて前記第１次情報である所定のパ
ラメータを演算処理して、第２次情報である散乱吸収体
の内部情報、例えば吸収係数μ_a や輸送散乱係数μ_S ′
を算出することができる。

【０１６７】上記の計測に用いられるパラメータとして
は、前述した光子流Ｊ_g とＪφから導出される２種類の
表記法による種々の所定のパラメータ、つまり平均光路
長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分値、光子流Ｊの時間積分
値などがある。但しここでは、前記光減衰率ηを考慮し
た光計測信号を考えている。例えば、光子流Ｊは（３．
２）式及び（３．３）式で与えられ、前記光減衰率ηを
考慮した光検出信号は、例えば（４．２）式のようにな
る。また、これと同様にして他の所定のパラメータに対
する関係式を求めることができる。以上のように、第１
次情報である所定のパラメータは、前記（３．２）式乃
至（３．８）式に基づく演算などによって、光検出信号
から求めることができる。

【０１６８】前記光入射部４は、散乱吸収体の表面の所
定部分に種々の入射角度成分をもつ光を入射させて、散
乱吸収体の表面近傍に点光源あるいは点光源の集まりを
生成するもので、前述のように、入射光の角度分布は０
°乃至３０°以上の範囲で、均一に分布させることが望
ましい。また、０〜４５゜に範囲で均一に分布するよう
にすると、さらに精度が向上する。具体的な光入射部の
構成例としては、例えば図１１および図１２に示すよう
な種々のものがあり、以下、図１１および図１２を用い
て種々の光入射部を具体的に説明する。

【０１６９】図１１（ａ）はレンズを使用した光入射部
を示す。管状筐体あるいは管状ケース４９の端部にレン
ズ４１が取り付けてあり、このレンズにコリメート光あ
るいはほぼコリメートな光ビームを入射する。すると、
光ビームはレンズ４１で集光されて、散乱吸収体９に入
射する。レンズ４１は管状ケース４９の先端部から少し
内部に取り付けてあり、管状ケース４９の先端を散乱吸
収体に接触させたとき、散乱吸収体９の表面が、丁度、
前記光入射部の集光点あるいは集光点の近傍に配置され
るようにしてある。この場合、散乱吸収体に入射する光
の角度分布はレンズの口径、レンズの焦点距離、光ビー
ムの径、光ビームの発散角度などで定まるから、これら
を適宜に選択することによって、種々の角度成分、例え
ば０°（垂直入射）から３０°以上の広い範囲に及ぶ種
々の入射角度成分をもたせることができる。この構成で
は、通常のレンズの他に、ロッドレンズ、フレネルレン
ズなどの種々のレンズを使用することができる。また、
レンズ４１に入射する光は光ファイバーで導かれた光な
どでもよい。

【０１７０】図１１（ｂ）は管状ケース４９の先端に拡
散体４２を配置した光入射部を示す。管状ケース４９の
先端に配置した拡散体４２を介して散乱吸収体９へ光を
入射するもので、他の部分は前記（ａ）の構成例と同じ
である。この構成例では、レンズ４１から得られる種々
の入射角度成分をもつ光が、拡散体４２によってさらに
拡散されるので、より多くの種類の入射角度成分をもつ
光が散乱吸収体に入射される。例えば、完全拡散する拡
散体の場合には、０乃至９０°の入射角度成分をもつ光
（半球状になる）が散乱吸収体９に入射される。なお、
この構成では、レンズ４１を省略することもできる。ま
た、この構成では、拡散体とほぼ等しい面積をもつ散乱
吸収体の表面の所定の部分に、点光源の集まりを生成す
ることができる。

【０１７１】図１１（ｃ）は光ファイバー４３の先端に
拡散体４２を付けた光入射部を示す。光ファイバー４３
を伝搬してきた光は、拡散体４２で拡散されて散乱吸収
体に入射し、拡散体４２で拡散された種々の入射角度成
分をもつ光が散乱吸収体９に入射する。光ファイバーに
入射できる光の角度分布、あるいは光ファイバーから出
射する光の角度分布は、光ファイバーの開口数から推定
することができ、市販の光ファイバーでは、通常３０°
以下の角度成分の光しか出射されない。ところが、拡散
体を配置した図１１（ｃ）の構成では、これより遥かに
多くの角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射することが
できる。また、この構成で、拡散体４２を散乱吸収体９
の表面に配置し、この拡散体４２に光ファイバー４３か
らの光を入射する構成にしてもよい。

【０１７２】図１２（ａ）は散乱吸収体９の表面に配置
した積分球４４の中に置いた光源２からの光を、積分球
４４の開口部を利用して散乱吸収体９に入射する手段を
示す。光源２からの光は、積分球４４の中で多重回反射
され、種々の角度成分をもつ光が積分球４４の開口から
出るので、この光が散乱吸収体に入射される。なお、光
源は、積分球に付けたコネクタを介して、電気的に制御
される。

【０１７３】また、図１２（ｂ）は管状ケース４９の先
端に微小球レーザー４５を付けた光入射部を示す。最近
では、直径が２０μm 程度のポリエチレン球にレーザー
用色素をドープした単一球によるレーザー発振が観測さ
れている。この微小球から出る光は種々の角度成分をも
つので、この光を直接散乱吸収体に入射する。

【０１７４】以上に詳しく説明したように、光入射部は
種々の入射角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射させる
ものであれば、どのような構成であってもよい。また、
前記拡散体４は、オパールガラスなど所定の波長の光を
拡散するものであれば、どのようなものでもよい。

【０１７５】さらに、以上の実施例では３チャンネルの
光検出系を使用しているが、この変形例として、２チャ
ンネル以上の光源を用いる方法、多箇所に配置した４チ
ャンネル以上の光検出系で計測する方法などを用いても
よい。これらの場合、それぞれの光源を時分割点灯する
方法、波長の異なる光源用いる方法などがある。また、
２波長分光の原理を応用する計測では、２つ以上の波長
の異なる光を入射して、それぞれの波長の光に対して第
１次情報である上記のような所定のパラメータを求め、
これらの値から第２次情報である散乱吸収体の内部情報
を演算処理する。これらの場合、２つ以上の波長の異な
る光を時分割で点灯して、これと同期してそれぞれの波
長の光に対する光検出信号を得る方法、２つ以上の波長
の異なる光を同時に入射して、光検出側で波長を選択し
て光検出信号を得る方法、図１０に示した装置をそれぞ
れの波長に対して複数個用いる方法などがある。

【０１７６】また、以上の方法を相対値計測に応用する
こともできる。この場合には、先に説明したように、連
立関係の数を減らせる場合があり、例えば２つの光検出
距離を利用する方法もある。さらに、図１０の構成で、
散乱吸収体９に対して、計測ヘッド部１０を走査（図示
せず）させれば、散乱吸収体の内部情報の空間分布を計
測することができる。この場合、簡便には、人間の手で
計測ヘッド部１０を走査する方法がある。

【０１７７】（第２実施例）第２実施例の装置は、図１
０を用いて説明した第１実施例の計測ヘッド部１０を変
形したもので、人体頭部の内部情報計測に使用する。具
体的には、脳内の酸化ヘモグロビンの濃度あるいはヘモ
グロビンの酸素飽和度などを計測あるいはモニタリング
する装置である。また、構造を少し変形すれば、マラソ
ン中の人の脚の筋肉中の酸化ヘモグロビン濃度の計測あ
るいはモニタリングなどに使用することもできる。

【０１７８】図１３は、このような第２実施例の計測ヘ
ッド部の具体的な構成例を示す。取り付け用のバンドと
一体化された容器１１は、鉢巻きのように頭部に装着さ
れ、容器の中に実装した計測部で脳内のヘモグロビンの
酸素飽和度などが計測される。この実施例に示す装置
は、２つの異なる所定波長λ1 とλ2 の光を使用し、そ
の動作は第１実施例の装置とほぼ同じである。但し、図
１３では、計測ヘッド部のみが示してあり、光源部、光
検出部、演算処理部、記録表示部などは省略してある。
また、前出の図１０で説明したものと同一の機能をもつ
ものには、図１０と同一の符号が付けてある。

【０１７９】光源部（図示せず）からの所定波長λ₁ あ
るいはλ₂ の光は、光ファイバー４３を通過して計測部
に導かれ、光ファイバーの先端に付けた拡散体４２を介
して散乱吸収体である頭部に入射される。したがって、
散乱吸収体の表面の所定部分に種々の入射角度成分をも
つ光が入射される。この際、２つの波長は、計測対象で
ある特定吸収成分に対して吸収係数が異なるよう、適宜
に選ばれる必要がある。散乱吸収体である頭部内を拡散
伝搬した光は、光ファイバー３５、３６及び３７で受光
され、それそれ３個の光検出器（図示せず）に導かれ、
そこで電気信号に変換される。

【０１８０】光ファイバー４３には、図１４（ａ）に示
すように２つの波長の光を波長選択で波長を切り換える
方法、あるいは図１４（ｂ）に示すように２つの波長の
光を混合する方法などを用いて、光源からの光を導く。
光検出器側では（図示せず）、これらに対応して、バン
ドパスフィルタなどを切り換えて、所定の波長の光を検
出する。この場合、２つの異なる波長の光を時分割で点
灯して、これと同期してそれぞれの波長の光を時分割で
検出する方法もある。また、相対値計測を行う場合に
は、２つの波長の光を混合した光を散乱吸収体に入射し
て、図１３に示した３個の光検出器のうち、２個の光検
出器は波長λ₁ の光、他の１個の光検出器は波長λ₂ の
光を検出するようにすることもできる。

【０１８１】さらに以上の構成で、光源や光検出器など
を容器１１の中に入れてもよい。この場合、電源や信号
などはコネクタを介して電気的に接続される。

【０１８２】以上に述べた第２実施例の構成における未
知数は、波長λ₁ とλ₂ に対する吸収係数μ_a1とμ_a2、
波長λ₁ とλ₂ に対する輸送散乱係数μ_S1′及び
μ_S2′、及び前記の光減衰率ηであり、未知数の数は５
個になる。したがって、絶対値計測を行うには、５種以
上の光検出信号を得る必要があり、前述した所定のパラ
メータに関する５連の関係に基づいて、第２次情報であ
る内部情報、例えばヘモグロビンの酸素飽和度などが算
出される。

【０１８３】また、波長λ₁ とλ₂ に対して輸送散乱係
数が等しいと見做せるとき、つまりμ_S1′＝μ_S2′のと
きは未知数の数が４個になるから、４個以上の光検出信
号から内部情報を算出することができる。さらに、前記
光減衰率ηが無視できるときは、未知数の数が３個にな
り、３個の光検出信号から内部情報を算出することがで
きる。さらに、内部情報の時間変化などの相対値計測を
行う場合にも、必要な光検出信号の数を減らすことがで
きる場合がある。

【０１８４】以上のような光検出信号に対する種々の演
算は演算処理器（図示せず）で実行される。この演算
は、第１実施例とほぼ同様であり、コンピュータなどを
利用して高速に実行することができる。

【０１８５】（第３実施例）図１５は本願の発明の第３
実施例を示すもので、変調光を入射して散乱吸収体９の
内部情報、例えば吸収係数や特定吸収成分の濃度を計測
する方法を示す。なお図１５の中で、図１０及び図１３
に示したものと作用あるいは動作が同一であるものにつ
いては、図１０及び図１３で用いたものと同一の符号が
付けてある。変調光源２１で発生した所定波長の変調光
は、２つの所定の角周波数成分ω₁ とω₂ をもち、光フ
ァイバー４３を介して、光入射部４に導かれる。ここで
は、光入射部として前記拡散体を利用している。

【０１８６】２つ以上の所定の周波数成分を含む変調光
は、図１６に示すように、レーザーダイオードの電流変
調を利用して発生させることができる。この場合、レー
ザーダイオードを駆動する電流は、所定の周波数成分の
２つ以上の正弦波を加算器で加算して発生させる。ま
た、変調周波数が異なる２つの変調光を混合して発生さ
せることもできる。また、既に述べたように、上記の計
測では繰り返しパルス光や繰り返し方形波光を利用して
もよい。

【０１８７】光入射部４は、散乱吸収体の表面に種々の
角度成分をもつ光を入射させるもので、具体的な構成例
としては第１実施例で説明したように種々のものがあ
る。光入射部４を介して散乱吸収体９に入射された光
は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬する。この光の一部
分は、光ファイバー３５を通過して光検出器６２で電気
信号に変換される。演算処理器７を構成するロックイン
アンプ７１は、光検出信号を演算して第１次情報である
所定周波数成分の信号の位相遅れΦを検出する。このと
き、前記変調光に同期した角周波数ωの信号をロックイ
ンアンプ７１の参照信号として利用する。具体的には、
ロックインアンプ７１を構成する信号検出部７２は、ま
ず前記光検出信号から所定の角周波数成分ω₁ の信号を
検出し、次段のパラメータ検出部は所定のパラメータつ
まり位相遅れΦ₁ を検出する。つぎに、ロックインアン
プ７１の参照信号を切り換えて、所定の角周波数ω₂ に
対する位相遅れΦ₂ を検出する。なお、前記ロックイン
アンプ７１は、これと同等の機能をもつ種々の回路方式
の装置で置き換えることができる。

【０１８８】内部情報演算部７４は、第１次情報である
位相遅れΦと拡散伝搬光の拡散伝搬経路における吸収特
性及び散乱特性との関係、例えば（３．１８）式及び
（３．１９）式に示した関係を前記のΦ₁ 及びΦ₂ に対
して連立させ、その連立関係に基づいて第２次情報であ
る散乱吸収体の内部情報、例えば吸収係数μ_a や輸送散
乱係数μ_S ′を算出する。このとき必要に応じて、測距
器６８で計測した距離ｄを演算に用いる。さらに、これ
らの結果は必要に応じて記録表示あるいは出力される。

【０１８９】上記の構成で、異なる２つの波長λ₁ とλ
₂ の光に対して計測を行えば、それぞれの波長に対する
吸収係数μ_a1及びμ_a2、及びそれぞれの波長に対する輸
送散乱係数μ_S1′及びμ_S2′を求めることができる。し
たがって、例えば特定吸収成分や特定散乱成分の定量、
あるいはヘモグロビンの酸素飽和度などを算出すること
ができる。また、３種以上の波長の光を利用すれば、よ
り精度の高い計測、あるいはバックグラウンド吸収があ
る試料の計測などが可能になる。さらに、複数チャンネ
ルの光検出系を利用することもできる。

【０１９０】このような２波長分光計測では、２つの波
長に対する輸送散乱係数μ_S1′とμ_S2′の絶対値が求め
られるという、従来例にはない大きな利点が生じる。し
たがって、従来の２波長分光における仮定、つまり異な
る２つの波長の光に対する散乱成分の散乱係数が同一ま
たは差があっても極めて小さいという仮定が成立しなく
ても、本願の発明による計測方法及び装置では、精度の
高い計測ができる。このように、本願の発明による計測
方法や装置は、従来の２波長分光計測の適用範囲を大幅
に拡大して、計測精度を大きく向上させることができ
る。なお、異なる２つの波長に対して輸送散乱係数
μ_S ′が等しいと見做せる場合には、より簡単な式ある
いは関係を利用することができる。

【０１９１】さらに上記の構成で、散乱吸収体９に対し
て光入射位置と光検出位置を同期して相対的に走査させ
れば（図示せず）、内部情報の空間分布を計測すること
ができる。このとき、複数チャンネルの光検出系を利用
することもできる。また、当然ではあるが前記の計測を
異なる時間に行えば、前記内部情報の時間変化を計測す
ることができ、この種の計測は脳内酸素量などのモニタ
リングに利用される。さらに、上記で求めた吸収係数μ
_a や輸送散乱係数μ_S ′が、前記光入射位置−光検出位
置に対応する拡散伝搬光の拡散伝搬経路に沿った線積分
値であると見做せば、このデータを利用して、Ｘ線ＣＴ
に見られるような断層像を再構成することが可能にな
る。

【０１９２】以上のような演算は、通常、メモリ、デイ
スプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に
実行される。

【０１９３】（第４実施例）図１７は本願の発明の第４
実施例の構成を示すもので、人体頭部や生体内部の内部
情報計測に使用される。具体的には、脳内や筋肉内の酸
化ヘモグロビンの濃度あるいはヘモグロビンの酸素飽和
度などを計測あるいはモニタリングすることができる。
この実施例は、反射型計測に変調光法を適用したもので
ある。なお、図１７の中では、図１０、図１３、及び図
１５に示したものと作用あるいは動作が同一であるもの
は、それらと同一の符号を付けた。

【０１９４】変調光源２１は２つの所定の角周波数成分
ω₁ とω₂ をもち、光ファイバーなどの導光部３１を介
して、光入射部４に導かれる。光入射部４は、散乱吸収
体表面に種々の入射角度成分をもつ光を入射させるもの
で、具体的な構成例としては第１実施例で説明したよう
に種々のものがある。光入射部４を介して散乱吸収体９
に入射された光は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬し、
その光の一部は導光部３２を通過して光検出器６２で電
気信号に変換される。演算処理器７は、前記実施例３と
同様にして、光検出信号を演算して第１次情報である所
定周波数成分の信号の位相遅れΦを検出し、第２次情報
である散乱吸収体の内部情報、例えば吸収係数μ_a や輸
送散乱係数μ_S ′を算出する。このとき、前記変調光に
同期した角周波数ωの信号を参照信号として利用する。
さらに、これらの結果は必要に応じて記録表示あるいは
出力される。

【０１９５】２つ以上の所定の周波数成分を含む変調光
は、レーザーダイオードの電流変調を利用して発生させ
る方法、変調周波数が異なる２つの変調光を混合して発
生させる方法を利用することができる。また、既に述べ
たように、上記の計測では繰り返しパルス光や繰り返し
方形波光を利用してもよい。

【０１９６】この実施例でも、前記の第３実施例と同様
にして、異なる２つの波長λ₁ とλ₂ の光を利用して、
それぞれの波長に対する吸収係数μ_a1及びμ_a2、及びそ
れぞれの波長に対する輸送散乱係数μ_S1′及びμ_S2′を
求めることができる。したがって、例えば特定吸収成分
や特定散乱成分の定量、あるいはヘモグロビンの酸素飽
和度などを算出することができる。また、３種以上の波
長の光を利用すれば、より精度の高い計測、あるいはバ
ックグラウンド吸収がある試料の計測などが可能にな
る。さらに、複数チャンネルの光検出系を利用すること
もできる。また、異なる２つの波長に対して輸送散乱係
数μ_S ′が等しいと見做せる場合には、より簡単な式あ
るいは関係を利用することができる。また、以上の方法
を相対値計測に応用することもできる。この場合には、
先に説明したように、連立関係の数を減らせる場合があ
る。さらに、図１７の構成で、散乱吸収体９に対して、
計測ヘッド部１０を走査（図示せず）させれば、散乱吸
収体の内部情報の空間分布を計測することができる。こ
の場合、簡便には、人間の手で計測ヘッド部１０を走査
する方法がある。

【０１９７】以上のような演算は、通常、メモリ、デイ
スプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に
実行される。また、計測ヘッド部１０は、第２実施例に
示したように、バンドに取り付ける構造としてもよい。

【０１９８】（第５実施例）図１８は、第５実施例の散
乱吸収体の断層像計測装置の構成を示す。この第５実施
例では、変調光入射点と光検出点を結ぶ計測線が、散乱
吸収体の所定の断面内において、あらゆる方向となるよ
うに、計測対象である散乱吸収体を回転、あるいは逆に
変調光入射部と光検出器のペアを回転走査させて計測す
る。そして得られた第２次情報をさらに演算処理して、
種々の内部情報に関する断層像を再構成する。

【０１９９】図１８に示す構成は、前出の図１５と基本
部分は同じであるが、計測対象９２を保持する部分、波
長選択器２２、光ガイド３８、断層像再構成用の信号処
理器７５などが異なる。光源２は発振器２５からの信号
に同期して、２つの所定の波長の光の変調光を発生す
る。この変調光は、２つの所定の角周波数成分ω₁ とω
₂ をもち、その光強度Ｉ（ｔ）は、例えばＩ＝Ｉ₀ （２
＋Ｍ₁ ｃｏｓω₁ ｔ＋Ｍ₂ ｃｏｓω₂ ｔ）のようにな
る。

【０２００】以上のような変調光は、波長選択器２２で
波長選択されて、λ₁ またはλ₂ の何れかの波長の変調
光が光ファイバー４３を通って、インターフェース材９
１に囲まれた計測対象９２に入射する。インターフェー
ス材９１は、計測対象９２とほぼ等しい屈折率とほぼ等
しい輸送散乱係数をもつ液状物体あるいはゼリー状物体
である。また、インターフェース材９１は、光反射の少
ない薄膜の容器９３で取り囲まれている。したがつて、
インターフェース材９１を入れた容器９３へ入射する光
はその境界面での反射が少ない。また、薄膜容器９３の
表裏面が粗面であれば入射光はあらゆる方向に進む成分
をもつ。このようにすれば、拡散光はインターフェース
材９１と計測対象９２の内部を拡散伝搬し、光検出部に
到達する。光検出部には光ガイド３８があり、この光ガ
イド３８を介して、検出光が光検出器６２に入射する。
ここで、光ガイド３８の開口部の周辺のインターフェー
ス材９１を入れた容器９３の内側は、光吸収体にしてお
くことが望ましい。このようにすることによって、内面
での光反射がなくなり、正確な計測ができる。

【０２０１】なお、光ファイバー４３、光ガイド３８、
インターフェース材９１および容器９３に対して、計測
対象９２が相対的に回転することになる。したがって、
容器９３は断面の外径は円形であるが、内側は計測対象
９２に対応した形になり、かつ計測対象９２が回転して
も隙間ができないような構造にする必要がある。かかる
構造として、例えば図１８に示すように計測対象９２の
周囲を包む１個の容器とする方法と、容器を光入射側と
出力側のそれぞれに１個ずつ用意する方法とがある。い
ずれにしても、重力または圧力を利用してインターフェ
ース材９１が光入射および光検出用の開口に密接し、か
つ内側が計測対象９２に密着するように工夫する必要が
ある。

【０２０２】以上のような構成によって、まず所定の波
長λ₁ に対する光検出信号が、第４実施例と同様にして
演算処理器で演算処理されて、第２次情報、例えば波長
λ₁における吸収係数μ_a1が算出される。このような第
２次情報は、計測対象の所定の断面を種々の方向から計
測したデータ、例えば回転角１°毎に全方向から計測し
た３６０個のデータである。このような第２次情報は、
光入射位置と光検出位置を結ぶ直線、つまり拡散伝搬経
路に沿った吸収係数の線積分値と見做なせるから、信号
処理器７５で、Ｘ線ＣＴに見られるような画像再構成を
行って、例えば波長λ₁ における吸収係数の断層像を算
出し、これを前記信号処理器に備えられた第１の画像メ
モリー（図示せず）に記憶する。

【０２０３】つぎに、波長選択器２２で変調光の波長を
所定の波長λ₂ に切り換えて、上記と同様の計測を行
い、前記と同様にして再構成画像、例えば波長λ₂ にお
ける吸収係数μ_a2の断層像を信号処理器７５に備えられ
た第２の画像メモリー（図示せず）に記憶する。さらに
信号処理器７５は、波長λ₁ と波長λ₂ における断層像
を演算処理して、特定吸収成分の濃度の断層像、あるい
はヘモグロビンの酸素飽和度の断層像などを算出する。
さらにこれらの結果は、画像表示記録器８１に表示記録
される。

【０２０４】なお、上記の実施例で得られる断層像は、
散乱吸収体内部の吸収係数、散乱係数、特定成分の濃
度、酸化ヘモグロビンの飽和度などの分布である。ま
た、上記の説明では、制御あるいは設定可能な既知数と
して、変調角周波数ω₁ とω₂ 及び波長λ₁ とλ₂ を用
いたが、これらは計測目的に応じて、それぞれの数を増
減することができる。

【０２０５】

【発明の効果】以上に述べたように、本願の発明によれ
ば、散乱吸収体に種々の入射角度成分をもつ光を入射し
て、散乱吸収体の表面の極近傍に等価的な点光源あるい
は点光源の集まりを生成して、散乱吸収体の内部情報を
計測するので、計測精度が大幅に向上し、高精度の絶対
値計測が可能になる。また、輸送散乱係数や吸収係数が
異なる種々の散乱吸収体に対して、等価光源が生成され
る位置が一定になるので、これらに対する内部情報計測
の精度を大幅に向上させることができる。さらに、散乱
吸収体内部の拡散伝搬光の拡散伝搬経路が、光入射側と
光検出側で対称になるので、内部の特定位置の情報を求
めるための演算処理が簡単になるとともに、その計測精
度が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】散乱吸収体内部の光の振る舞い（反射型；コリ
メート光入射）の説明図である。

【図２】散乱吸収体内部の光の振る舞い（反射型；等方
性光入射）の説明図である。

【図３】散乱吸収体内部の光の振る舞い（透過型；コリ
メート光入射）の説明図である。

【図４】散乱吸収体内部の光の振る舞い（透過型；等方
性光入射）の説明図である。

【図５】自由表面近くの光子流動率φの説明図である。

【図６】反射型計測のモデルの説明図である。

【図７】透過型計測のモデルの説明図である。

【図８】内部情報の絶対値計測（反射型計測）の説明図
である。

【図９】内部情報の絶対値計測（透過型計測）の説明図
である。

【図１０】第１実施例の装置の構成図である。

【図１１】光入射部の具体的な構成図である。

【図１２】光入射部の具体的な構成図である。

【図１３】第２実施例の装置の構成図である。

【図１４】波長の異なる光の切り換え方法と混合方法の
説明図である。

【図１５】第３実施例の装置の構成図である。

【図１６】レーザーダイオードによる変調光の発生方法
の説明図である。

【図１７】第４実施例の装置の構成図である。

【図１８】第５実施例の装置の構成図である。

【図１９】インターフェース容器の変形例の説明図であ
る。

【図２０】散乱吸収体内部の光子流動率φを求めるため
のモデル（従来例）の説明図である。

【図２１】コリメート光入射に対する散乱吸収体内部の
光の振る舞いの説明図（従来例）である。

【図２２】変調光（コリメート光）入射に対する散乱吸
収体内部の光の振る舞いの説明図（従来例）である。

【符号の説明】

１０…計測ヘッド、１１…ケース、２…光源、２１…変
調光源、２２…波長選択器、２５…発振器、３１，３
２，３３，３４…導光部、３５，３６，３７，４３…光
ファイバー、３８…光ガイド、４…光入射部、４１…レ
ンズ、４２…拡散体、４４…積分球、４５…微小球レー
ザー、４８…コネクター、４９…管状ケース、６２，６
３，６４…光検出器、６８…測距器、７…演算処理器、
７１…ロックインアンプ、７２…信号検出部、７３…パ
ラメータ演算部、７４…内部情報演算部、７５…信号処
理器、８…表示記録器、８１…画像表示記録器、９…散
乱吸収体、９１…インターフェース材、９２…計測対
象、９３…容器

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 種々の入射角度成分をもつ所定波長の光
   を散乱吸収体に入射し、 前記散乱吸収体内部を拡散伝搬した前記所定波長の光を
   前記光入射位置と異なる位置で検出して光検出信号を取
   得し、 前記光検出信号を演算して拡散伝搬経路における散乱特
   性及び吸収特性に関係する第１次情報である所定のパラ
   メータを検出し、 前記拡散伝搬経路における前記所定波長の光に対する散
   乱特性及び吸収特性と前記所定のパラメータとの関係に
   基づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次
   情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする散乱吸収体計測方法。
2. 【請求項２】 前記所定波長の光は、散乱吸収体内部の
   特定成分に対して吸収係数が異なる複数の波長の光であ
   り、 前記光検出信号は、それぞれの所定波長の光に対して取
   得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
   光検出信号を演算して検出した複数のパラメータであ
   り、 前記関係は、前記拡散伝搬経路におけるそれぞれの所定
   波長の光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所
   定のパラメータとの連立関係である、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体計測方法。
3. 【請求項３】 前記光検出信号は、複数の異なる光入射
   位置−光検出位置間距離に対応する散乱吸収体内部の拡
   散伝搬経路を拡散伝搬した前記所定波長の光を検出して
   取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
   光検出信号を演算して検出した複数のパラメータであ
   り、 前記関係は、それぞれの前記拡散伝搬経路における所定
   波長の光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの前
   記所定のパラメータとの連立関係である、 ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに
   記載の散乱吸収体計測方法。
4. 【請求項４】 前記所定波長の光は変調光である、こと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
   散乱吸収体計測方法。
5. 【請求項５】 前記所定波長の光は、所定変調周波数成
   分をもつ変調光であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、前記光検出
   信号を演算して検出した前記所定変調周波数成分の信号
   の位相遅れである、 ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
   載の散乱吸収体計測方法。
6. 【請求項６】 前記所定波長の光は、複数の異なる所定
   変調周波数成分をもつ変調光であり、 前記光検出信号は、それぞれの前記所定変調周波数成分
   の変調光に対して取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
   前記光検出信号を演算して検出した複数の前記所定変調
   周波数成分の信号の位相遅れであり、 前記関係は、前記拡散伝搬経路における前記所定波長の
   それぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に対する散
   乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記位相遅れとの連立
   関係である、 ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
   載の散乱吸収体計測方法。
7. 【請求項７】 第１次情報である前記所定のパラメータ
   は光量である、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４
   のいずれかに記載の散乱吸収体計測方法。
8. 【請求項８】 第１次情報である前記所定のパラメータ
   は光入射に対する前記光検出信号の遅延時間である、こ
   とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
   の散乱吸収体計測方法。
9. 【請求項９】 第１次情報である前記所定のパラメータ
   は光検出信号の時間波形の微分係数である、ことを特徴
   とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の散乱吸
   収体計測方法。
10. 【請求項１０】 第１次情報である前記所定のパラメー
    タは前記光検出信号に含まれる前記変調光と同一の周波
    数成分の信号の振幅である、ことを特徴とする請求項４
    記載の散乱吸収体計測方法。
11. 【請求項１１】 前記所定波長の変調光は、複数の異な
    る所定変調周波数成分をもつ変調光であり、 前記光検出信号は、それぞれの前記所定変調周波数の変
    調光に対して取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、前記光検出
    信号を演算して検出したそれぞれの前記所定変調周波数
    成分の信号の振幅であり、 前記関係は、前記拡散伝搬経路における前記所定波長の
    それぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に対する散
    乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記振幅との連立関係
    である、 ことを特徴とする請求項４記載の散乱吸収体計測方法。
12. 【請求項１２】 所定波長の光を発生する光源と、 種々の方向の入射角度成分をもつようにして前記所定波
    長の光を散乱吸収体に入射する光入射手段と、 散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記所定波長の光を前
    記光入射位置と異なる位置で検出して光検出信号を取得
    する光検出手段と、 前記光検出信号を演算して前記拡散伝搬経路における散
    乱特性及び吸収特性に関係する第１次情報である所定の
    パラメータを検出するパラメータ演算手段と、 前記拡散伝搬経路における前記所定波長の光に対する散
    乱特性及び吸収特性と前記所定のパラメータとの関係に
    基づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次
    情報である散乱吸収体の内部情報を算出する内部情報演
    算処理手段と、 を備えることを特徴とする散乱吸収体計測装置。
13. 【請求項１３】 前記光源は、散乱吸収体内部の特定成
    分に対して吸収係数が異なる複数の所定波長の光を発生
    し、 前記光検出手段は、それぞれの前記所定波長の光に対す
    る前記光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
    を演算して、第１次情報である複数の前記所定のパラメ
    ータを検出し、 前記内部情報演算処理手段は、前記拡散伝搬経路におけ
    るそれぞれの前記所定波長の光に対する散乱特性及び吸
    収特性とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係に基
    づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次情
    報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする請求項１２記載の散乱吸収体計測装
    置。
14. 【請求項１４】 前記光入射手段と前記光検出手段は、
    複数個あり、かつ、複数の異なる光入射位置−光検出位
    置間距離に対応するように配置され、 前記光検出手段は、それぞれの前記光入射位置−光検出
    位置間距離に対応する散乱吸収体内部の拡散伝搬経路を
    拡散伝搬する前記所定波長の光を検出して複数の光検出
    信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
    を演算して、第１次情報である複数の所定のパラメータ
    を検出し、 前記内部情報演算処理手段は、それぞれの前記拡散伝搬
    経路における前記所定波長の光の散乱特性及び吸収特性
    とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係に基づい
    て、前記所定のパラメータを演算処理して第２次情報で
    ある散乱吸収体の内部情報を演算処理する、 ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１３のいずれか
    に記載の散乱吸収体計測装置。
15. 【請求項１５】 前記光源は所定波長の変調光を発生す
    る光源である、ことを特徴とする請求項１２乃至請求項
    １４のいずれかに記載の散乱吸収体計測装置。
16. 【請求項１６】 前記光源は、所定波長の所定変調周波
    数成分をもつ変調光を発生し、 前記光検出手段は、前記所定波長の前記所定周波数成分
    の光を検出して光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、前記所定周波数成分に対す
    る前記光検出信号を演算して、第１次情報である前記所
    定変調周波数成分の信号の位相遅れを検出する、ことを
    特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載
    の散乱吸収体計測装置。
17. 【請求項１７】 前記光源は、所定波長の複数の異なる
    所定変調周波数成分をもつ変調光を発生し、 前記光検出手段は、前記所定波長のそれぞれの所定変調
    周波数成分の光を検出して複数の光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
    を演算して、第１次情報であるそれぞれの所定変調周波
    数成分の信号の位相遅れを検出し、 前記内部演算手段は、前記拡散伝搬経路における前記所
    定波長のそれぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に
    対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記位相遅れ
    との連立関係に基づいて、前記位相遅れを演算処理して
    第２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか
    に記載の散乱吸収体計測装置。