JPH0810244A

JPH0810244A - 光散乱・吸収体の光学的測定装置

Info

Publication number: JPH0810244A
Application number: JP6309719A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tsunasawa; 義夫綱沢; Ichiro Oda; 一郎小田; Shoichi Tsuneishi; 召一常石
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-04-30
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1996-01-16
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JP2795197B2

Abstract

(57)【要約】【目的】定常光法で各測定成分の成分濃度を求める。【構成】 Δｙ算出手段３０は送受光部間距離ａ₁とａ₂
をパラメータとする吸光度差Δｙを求め、ｍ(λ）算出
手段３２は求められたΔｙを用いてその二次関数による
ｍ（λ）（λは波長）をｍ(λ）＝ｐ・Δｙ²＋ｑ・Δｙ＋ｒ（ｐ，ｑ，ｒは係数）として求める。成分濃度算出手段３４は各測定成分ｉの
成分濃度ｘｉ（ｉ＝１，２，……）を複数の波長λにつ
いてのｍ(λ)を含む方程式の解として求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は生体酸素モニタなどの光
散乱・吸収体の光学的測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸素モニタでは被検体の一部に測定光を
入射し、その被検体の他の部分から出てくる光を検出
し、複数の波長で測定した吸光度変化量の重みつき一次
結合として目的成分の変化量を求めている。その方法を
具体的に示すと、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグ
ロビンの濃度変化量をそれぞれΔ〔ＨｂＯ₂〕、Δ〔Ｈ
ｂ〕とし、散乱成分等による平行移動量をＳと表し、波
長λ₁、λ₂、λ₃に対する酸素化ヘモグロビンの分子吸
光度をそれぞれｅ₁，ｅ₂，ｅ₃、脱酸素化ヘモグロビン
の分子吸光度をそれぞれｂ₁，ｂ₂，ｂ₃とすれば、波長
λ₁，λ₂，λ₃についてヘモグロビン濃度と吸光度の線
形性を仮定して、対応する吸光度変化ΔＡ₁、ΔＡ₂、Δ
Ａ₃は ΔＡ₁＝ｅ₁Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₁Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ΔＡ₂＝ｅ₂Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₂Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ΔＡ₃＝ｅ₃Δ〔ＨｂＯ₂〕＋ｂ₃Δ〔Ｈｂ〕＋Ｓ ……（ａ）とかける。これをΔ〔ＨｂＯ₂〕、Δ〔Ｈｂ〕、Ｓを未
知数とする連立方程式として解けば、 Δ〔ＨｂＯ₂〕＝ｋ₁₁ΔＡ₁＋ｋ₁₂ΔＡ₂＋ｋ₁₃ΔＡ₃ Δ〔Ｈｂ〕＝ｋ₂₁ΔＡ₁＋ｋ₂₂ΔＡ₂＋ｋ₂₃ΔＡ₃ ……（ｂ）の形の解が得られる。また（ａ）式で散乱成分等による
平行移動量Ｓを考慮しない方法も可能であり、その場合
はＳ＝０として解けば、未知数が２つで式が３つになる
ので、最小自乗法で解けばよく、解の形はやはり（ｂ）
式になる。

【０００３】一方、均一な光散乱・吸収体の特性は吸収
係数μａと等価散乱係数μｓ’（＝（１−ｇ）μｓ；μ
ｓは散乱係数、ｇは非等方性パラメータ）の２つの光学
定数により記述することができる。図１に示されるよう
に、半無限体の一部に単位１のデルタ関数のパルス光を
時刻０に入射させ、その入射点からρｍｍ離れた点の１
ｍｍ²から時刻ｔに出る光の強度Ｒ（ρ，ｔ）は次の
（１）式で与えられる（APPLIED OPTICS, Vol.28, No.1
2, pp.2331-2336 (1989）参照）。

【０００４】

【数１】

【０００５】ここで、Ｄは拡散係数であり、Ｄ＝１／３
（μａ＋μｓ’）、ｃは媒体中での光速、Ｚ₀＝１／μ
ｓ’である。入射点から一定の距離だけ離れた受光点で
光の強度を時間分解法により測定し、（１）式にあては
めれば、光学定数μａとμｓ’を個々に求めることがで
き、現在その方向での検討が進められている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の酸素モニタでの
測定は、測定開始点を零として、それからの変化量の測
定に限られており、絶対量の測定はなされていない。絶
対量を測定しようとすれば、現在のところ時間分解法に
より求める方法しか検討がなされていないが、時間分解
法は装置が大型となり、価格も高価となるので、簡易な
測定装置としては実現することができない。そのため、
定常光法で光学定数の絶対値を求めることが長らく求め
られてきたが、これまで有用な方法が見出されていな
い。

【０００７】本発明は定常光法で光学定数の絶対測定を
行なう装置を提供することを目的とするものである。こ
こで、絶対量とはその時点の量であればよく、それが単
位を持たない比の形であるか、特定の単位を有する本来
の絶対量であるかは問わない。特定の時刻からの変化分
だけの測定量でなく、その時点の測定量を絶対量と称す
ことにする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、検出した光か
ら被検体の吸収係数μａと等価散乱係数μｓ’の積μａ
・μｓ’を一括した量として算出する演算部を備えた測
定装置である。本発明者らは、被検体の１点に入射した
光が入射点から距離を離れた点から再放射される強さの
理論式において積μａ・μｓ’が常に一括して現れるこ
と、並びに再放射される光の強さを入射点からの距離の
関数として測定すれば、時間分解法を用いることなく積
μａ・μｓ’の絶対値を求めることができることを見出
した。さらに複数の波長で求められた、複数個の（μａ
・μｓ’）の組の間の比を計算すれば、被検体のμａの
比率という意味での被検体の酸素化度の絶対値（変化量
ではないその時点の値）を算出することができることを
見出した。これは後述するようにμｓ’の波長依存性が
各検体についてほぼ等しいので、複数波長の（μａ・μ
ｓ’）の組の間の比によりμｓ’が消去されμａだけが
残るという理由による。

【０００９】本発明の前記μａ・μｓ’を求める演算を
受光点が２ヵ所であるときの最も簡単な例で述べれば次
の通りである。すなわち、１つの受光点と入射点との距
離をａ₁、その受光点での受光強度をＩ₁とし、他の受光
点と入射点との距離をａ₂、その受光点での受光強度を
Ｉ₂としたとき、 lnＩ₂−lnＩ₁ ＝−(ａ₂−ａ₁)Ｂ＋ln(ａ₂Ｂ＋１)−ln(ａ₁Ｂ＋１)−３ln(ａ₂／ａ₁) に基づいてμａ・μｓ’を求める。ただし、Ｂ＝(３μａ
・μｓ)^1/2である。

【００１０】一般的に、（μａ・μｓ’）を１つの定数
として扱えば、定常光による絶対測定が可能であること
を示す。定常光の扱いは（１）式を時間積分すればよ
く、その結果は次の（２）式になる。

【００１１】

【数２】

【００１２】ここで、拡散係数Ｄ＝１／３（μａ＋μ
ｓ’）において、μａはμｓ’の約１／１００であるの
で、μａは無視することができ、Ｄ＝１／３μｓ’とし
ても全く差し支えがない。これを、（２）式に代入し、
またａ＝（ρ²＋Ｚ₀ ²)^1/2とおけば、次の（３）式とな
る。

【００１３】

【数３】

【００１４】（３）式では（μａ・μｓ’）が１つの積
の形で一緒に現れていることが注目される。このこと
は、定常光方式ではμａとμｓ’は区別できず、常に一
括して扱わざるを得ないことを意味している。しかし、
（μａ・μｓ’）を１つの光学定数と考えると、（３）
式の光学定数はただ１つになるので、計算で求めること
が容易になる。なお、測定を多波長で行なえば、（μａ
・μｓ’）は各波長ごとに求まるので、後述するように
各波長での（μａ・μｓ’）の比を求める演算につなげ
ることができる。

【００１５】さて、（３）式においてＢ＝（３μａ・μｓ)^1/2 ……（４）とおくと、（３）式は

【００１６】

【数４】

【００１７】となる。（５）式の自然対数をとると、 lnＲ（ａ，Ｂ）＝−ａＢ＋ln(ａＢ＋１)−３lnａ＋Ｃ ……（６）となる。Ｃは定数で、 ln（Ｚ₀／２π）＝Ｃ ……（７）とおいた。

【００１８】（６）式において、lnＲ(ａ，Ｂ）をｙと
おけば、ｙ＝−ａＢ＋ln(ａＢ＋１)−３lnａ＋Ｃ ……（６’）となる。（６’）式を、Ｂをパラメータとし、ｙをａの
関数として描くと図２のようになり、Ｂ（すなわちμａ
・μｓ’）が大きい程、図の右下りの勾配が大きいこと
が分かる。

【００１９】（３）式を導くときはａ＝（ρ²＋ｚ₀ ²)^1/2 としたが、このａは送受光部間距離ρとほとんど等しい
ので、ａも送受光部間距離と呼ぶ。Ｚ₀は約１ｍｍであ
るので、例えばρ＝２０ｍｍとすれば、ａ＝２０.０２
ｍｍとなり、ａはほとんどρに等しい。そこで、実際の
測定ではａの値としてρの測定値を用いる。

【００２０】（Ｂ＝（３μａ・μｓ)^1/2の決定方法
）つぎに、Ｂを決定する方法を説明する。送受光部間
距離を変えた図２の関数ｙ(ａ）（＝lnＲ(ａ，Ｂ））か
ら逆にＢを求める。（６’）式の未知数はＣとＢの２つ
であるので、２種以上の送受光部間距離ａについて
（６’）式の測定結果が求まっておれば、ＢとＣが求ま
る。また、連続的又は多数のａについての測定結果があ
れば、それらの測定結果を図２の曲線に最小２乗法で合
わせることにより、一層正確にＢとＣを求めることがで
きる。

【００２１】以下に、最も簡単な場合として、２つの送
受光部間距離ａ₁とａ₂についての測定結果が与えられた
とき、Ｂを求める数値計算を試みる。ａ＝ａ₁，ａ₂につ
いて（６）式を作り、その差をとればＣが消え、次の式
を得る。 lnＲ(ａ₂，Ｂ）−lnＲ(ａ₁，Ｂ）＝−(ａ₂−ａ₁)Ｂ＋ln(ａ₂Ｂ＋１)−ln(ａ₁Ｂ＋１)−３ln(ａ₂／ａ₁) ……（８）これを図示したのが、図３である。ここで、見やすくす
るために、 lnＲ(ａ₂，Ｂ）＝ｙ₂、lnＲ(ａ₁，Ｂ）＝ｙ₁ とおいて、（８）式をｆ(Ｂ）＝０の形にすれば、ｆ(Ｂ）＝(ａ₂−ａ₁)Ｂ−ln(ａ₂Ｂ＋１)＋ln(ａ₁Ｂ＋１)＋（ｙ₂−ｙ₁）＋３ln(ａ₂／ａ₁) ……（９）となる。このｆ(Ｂ）＝０なる方程式を解いて、Ｂを求
めればよい。

【００２２】次に、その求め方を説明する。Ｂが未知数
であるので、分かりやすいようにＢをｘとおき、ｆ(ｘ）＝(ａ₂−ａ₁)ｘ−ln(ａ₂ｘ＋１)＋ln(ａ₁ｘ＋１)＋（ｙ₂−ｙ₁）＋３ln(ａ₂／ａ₁) ……（９’）と書き直す。Ｂを求めることは、ｆ(ｘ）＝０を満たす
ｘを求めることに相当する。

【００２３】（９’）式のｆ(ｘ）の典型的な例を図示
すると、図４のようになる。（ｙ₂−ｙ₁）は吸光度差で
あり、図４にはこの吸光度差が２種類の場合を示してい
る。この図からそれぞれｆ(ｘ）＝０となるｘは、ｘ₁＝
０.０４５、ｘ₂＝０.１５となり、それらが解である。
ニュートン法などの簡単な数値解法により、ｆ(ｘ）＝
０の解を求めることができる。

【００２４】ｆ(ｘ）＝０の解を実際に解いた例を図５
（Ａ）と（Ｂ）に示す。２つの距離に対する吸光度の差
Δｙが横軸に与えられ、対応するＢを縦軸に読み取るこ
とができる。（Ｂ）は（Ａ）の縦軸を拡大したものであ
る。パラメータとしてａ₁，ａ₂を用いている。ａ₁＝１
０ｍｍとし、ａ₂を２０，３０，５０ｍｍと変えた。

【００２５】図５のようなΔｙとＢの関係を表わす表を
装置に組み込んでおけば、入射点からの距離が異なる受
光部を有するプローブを用いて以下のようにＢ値を求め
ることができる。すなわち、図６に示すプローブは、送
光用光ファイバ６により被検体２の一部に測定光を入射
させ、入射点からそれぞれａ₁，ａ₂離れた受光点に検出
器Ｄ₁とＤ₂をおいて光信号を検出する。それぞれの検出
光信号をＩ₁，Ｉ₂とする。６は送光用ファイバ４と検出
器Ｄ₁，Ｄ₂を支持しているプローブである。検出器Ｄ₁
とＤ₂は同じ感度になるように較正しておく。例えば検
出器Ｄ₂をＤ₁の位置におくとき、出力が等しくなるよう
にするなどの方法で較正しておく。

【００２６】lnＩ₁＝ｙ₁、lnＩ₂＝ｙ₂とすると、 Δｙ＝−（ｙ₂−ｙ₁）となる。

【００２７】図６のプローブで、ａ₁＝１０ｍｍ、ａ₂＝
３０ｍｍとすれば、図５の曲線Ａを測定装置に記憶させ
ておけばよい。仮にΔｙ＝７であったとすれば、Ｂ値と
してＢ＝０.２３が得られ、これからμａ・μｓ’＝Ｂ²
／３＝０.０１７６が得られる。多波長測定を行なえ
ば、各波長に対してのＢ、及びそれから導かれる各波長
に対するμａ・μｓ’が得られる。

【００２８】図５の縦軸をＢからμａ・μｓ’に変換し
たものを図７に示す。単にμａ・μｓ’＝Ｂ²／３により
変換したものである。図７では、Δｙが増えるとμａ・
μｓ’が急上昇することが注目される。

【００２９】( μａ・μｓ’の利用法と有用性 )次
に、μａ・μｓ’の利用法と有用性について説明する。
μａ・μｓ’をμａｓ’と表わす。 μａｓ’＝μａ・μｓ’……（１０）これが各波長、例えばλ₁，λ₂，λ₃で求められ、各時
刻ｔで求められているとする。すなわち μａｓ'(λｉ，ｔ）（ｉ＝１，２，３）である。

【００３０】この光学定数μａｓ’が積の形になってい
る利点は、μｓ’は短波長側でやや大きくなるものの、
波長依存性は小さいと考えられており、かつ波長依存性
ｆ(λ）と試料依存性とに分離できることである。そこ
で、 μａｓ’＝f(λｉ)・ｓ(ｔ） ……（１１）と表わす。f(λｉ)は波長依存項、s(ｔ）は個別の検体
と時間ｔによる項で、波長によらない項である。

【００３１】（１０）式の値を例えば３波長について求
め、それらの比をとると、s(ｔ）が消え、次のようにな
る。ｍ₁＝μａｓ'(λ₁)／μａｓ'(λ₃) ＝（f(λ₁)／f(λ₃))(μａ(λ₁)／μａ(λ₃)）＝f₁₃・(μａ(λ₁)／μａ(λ₃)）ｍ₂＝μａｓ'(λ₂)／μａｓ'(λ₃) ＝（f(λ₂)／f(λ₃))(μａ(λ₂)／μａ(λ₃)）＝f₂₃・(μａ(λ₂)／μａ(λ₃)）故に、 μａ(λ₁)＝μａ(λ₃)×（ｍ₁／f₁₃） μａ(λ₂)＝μａ(λ₃)×（ｍ₂／f₂₃） ……（１２）が得られる。これから吸収係数の比が求まる。すなわ
ち、 μａ(λ₁)：μａ(λ₂)：μａ(λ₃) （ｍ₁／f₁₃）：（ｍ₂／f₂₃）：１ ……（１３）

【００３２】もし、吸収係数μａ(λ₁)，μａ(λ₂)及び
μａ(λ₃)μａがそれぞれ酸素化ヘモグロビン量［Ｈｂ
Ｏ₂］、ヘモグロビン量［Ｈｂ］及びチトクロムオキシ
ダーゼ量［Ｃｙｔ］のみからきたものであるとすれば、
上記３波長の比からこれらの成分の量比が求まることに
なり、従来は変化量Δ［ＨｂＯ₂］、Δ［Ｈｂ］及びΔ
［Ｃｙｔ］の比しか求められなかった状態から、絶対値
の比が求められるところまで進歩したことになる。すな
わち、変化量ではなく、比としてのその時点の量が求め
られる。

【００３３】μａの各波長の比を表わす量は、酸素化度
の情報である。一方、血液量の情報はμａの絶対値と
（１１）式のs(ｔ）の方に含まれているので、（１３）
式の比によっては評価することはできない。しかし、等
吸収点(λ＝８０５ｎｍ)におけるμａｓ’＝μａ(８０
５）×μｓ'(８０５）が血液量の情報を与える。

【００３４】実用上の光入射点と受光点との間隔では、
図５のＢとΔｙの関係は直線に近似することができる。
すなわち、Ｂ＝αΔｙ＋β （１４）という近似が成り立つ。この近似を用いると、（４）式
は、 μａ・μｓ'＝（１／３)・(αΔｙ＋β)² μａ＝（１／μｓ')・(１／３)・(αΔｙ＋β)² （１５）となる。ここで、μｓ’の波長依存性のみを分離し、 μｓ'＝μｓ'(λ₀)・ｆ(λ）（１６）と書けば、 μａ＝（１／μｓ'(λ₀))・〔(１／ｆ(λ))・(１／３)・(αΔｙ＋β)²〕（１７）となる。（１７）式の右辺の〔(１／ｆ(λ))・(１／３)・
(αΔｙ＋β)²〕を、ｍ＝(１／ｆ(λ))・(１／３)・(αΔｙ＋β)² ＝(１／ｆ(λ))・（ｐ・Δｙ²＋ｑ・Δｙ＋ｒ）（１８）とおけば、 μａ＝（１／μｓ'(λ₀))・ｍであり、μａは比例係数（１／μｓ'(λ₀))でｍに比例
する。

【００３５】さて、（１８）式のｐ，ｑ，ｒの値は試料
によらず、検出部の光入射点−受光点間間隔ａ₁，ａ₂で
決まる。ｍの（１８）式による近似が良好なものである
ことを示すために、Ｂ値を直接（８）式で解いたときの
μａ・μｓ’値と、（１８）式によるｍの値とを１／μ
ｓ'(λ₀)＝１として比較した。この例では、光入射点と
受光点の間の間隔はａ₁＝２５ｍｍ、ａ₂＝４５ｍｍと
し、ｐ，ｑ，ｒの値はその場合に（８）式が適合するよ
うに定めて（１８）式から次の式を得て計算を行なっ
た。ｍ＝0.000857913・Δｙ²−0.00225859・Δｙ＋0.001486526 表１はその結果を示したものであり、きわめてよく一致
している。

【００３６】

【表１】 Δｙ正しい二次式によるｍ値 μａ・μｓ’値（μｓ'＝１）３．５０．００４０２７
０．００４０９１４０．００６１５６
０．００６１７９５０．０１１６７５
０．０１１６４１６０．０１８８６８
０．０１８８２０７０．０２７７３２
０．０２７７１４８０．０３８２６６
０．０３８３２４

【００３７】このようにして得られたｍの値は、比例係
数を除いて散乱体により抽出されたμａの値であると考
えてよいので、純粋な系における連立方程式が成立す
る。２成分系のオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロ
ビンの３波長測定を例にとれば、 (1/2.303)・m(λ₁)／f(λ₁)＝ε₁(λ₁)・〔HbO₂〕＋ε₂(λ₁)・〔Hb〕 (1/2.303)・m(λ₂)／f(λ₂)＝ε₁(λ₂)・〔HbO₂〕＋ε₂(λ₂)・〔Hb〕 (1/2.303)・m(λ₃)／f(λ₃)＝ε₁(λ₃)・〔HbO₂〕＋ε₂(λ₃)・〔Hb〕（１９）となる。ここで〔ＨｂＯ₂〕，〔Ｈｂ〕はそれぞれオキ
シヘモグロビン、デオキシヘモグロビンの濃度（比例係
数を除いている）である。ε₁(λｉ)，ε₂(λｉ)（ｉ＝
１，２，３）はそれぞれオキシヘモグロビン、デオキシ
ヘモグロビンの各波長での分子吸光係数である。（ａ）
式と異なるのは、〔ＨｂＯ₂〕，〔ＨｂＯ₂〕の前に変化
量を示すΔマークが付いていないことである。また、
（１９）式のε₁(λｉ)，ε₂(λｉ)は純粋な溶液に対す
る吸光係数であるので、文献値を用いることができるの
に対し、（ａ）式の係数ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃，ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃
は散乱成分を含む個々の系での実験によって定めなけれ
ばならない不便がある。なお、（１９）式の(1/2.303)
という数値は、左辺の量が自然対数に基づいているのに
対し、右辺の分子吸光係数が常用対数に基づいているた
めの換算係数である。

【００３８】（１９）式は未知数が２つで式が３つであ
るから最小自乗法によって容易に解け、〔HbO₂〕=(1/2.303)〔k₁・m(λ₁)/f(λ₁)+k₂・m(λ₂)/f(λ₂)+k₃・m(λ₃)/f(λ ₃ )〕〔Hb〕 =(1/2.303)〔k₁'・m(λ₁)/f(λ₁)+k₂'・m(λ₂)/f(λ₂)+k₃'・m(λ₃)/f (λ₃)〕（２０）となる。なお、散乱補正係数f(λ₁)，f(λ₂)，f(λ₃)は
時間分解測定などで予め定めておく。これらの散乱補正
係数は波長によって大幅に変わることはなく、例えば以
下に示す７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍの場合、
それぞれf(780)=1.043，f(805)=1，f(830)=0.956とし
た。正確さは下がるが、この補正を省略し、全ての波長
でf(λ)＝１としてもこの方法は原理的に成り立つ。な
お、（１９），（２０）式は２成分系だけでなく、測定
波長数を増やし、チトクロム・オキシダーゼや水を加え
た式とすることも可能である。

【００３９】以上のように、測定によって得られた各波
長のΔｙから（１８）式によって各波長でのｍが求めら
れ、これを（２０）式に代入すれば直ちにオキシヘモグ
ロビン量〔ＨｂＯ₂〕とデオキシヘモグロビン量〔Ｈ
ｂ〕が求まる。このように、各測定成分ｉの成分濃度ｘ
ｉを求めるために、本発明は、Δｙ＝ln（Ｉ₁／Ｉ₂）を
求めるΔｙ算出手段と、その求められたΔｙを用いてそ
の二次関数によるｍ（λ）（λは波長）をｍ(λ）＝ｐ・Δｙ²＋ｑ・Δｙ＋ｒ（ｐ，ｑ，ｒは係数）として求めるｍ(λ）算出手段と、各測定成分ｉの成分
濃度ｘｉ（ｉ＝１，２，……）を複数の波長λについて
のｍ(λ)を含む方程式の解として求める成分濃度算出手
段とを備えている。

【００４０】

【実施例】図８は一実施例を表わす。レーザ装置３から
３波長のレーザ光λ₁，λ₂，λ₃が切り換えて発振さ
れ、送光ファイバ４により被検体２に送られる。入射点
からａ₁（例えば１０ｍｍ）とａ₂（例えば３０ｍｍ）離
れたそれぞれの受光点で光を受光する受光用光ファイバ
８−１，８−２と送光ファイバ４がプローブ６により一
体として支持されており、被検体２に接触させられる。
受光用光ファイバ８−１と８−２はそれぞれの検出器１
０−１と１０−２に導かれ、検出器１０−１，１０−２
の検出信号がそれぞれＩ₁，Ｉ₂となる。

【００４１】対数変換部１２はそれらの検出信号Ｉ₁，
Ｉ₂を対数に変換するものである。図では自然対数ｌｎ
を示したが、常用対数ｌｏｇの場合でも、係数１／２.
３０３がかかるだけで、事実上同じである。μａ・μ
ｓ’演算部１４はＣＰＵにより実現され、図５に示され
るように、送受光部間距離ａ₁とａ₂をパラメータとする
吸光度差Δｙに対するＢ値の計算結果表を備えており、
一例としてａ₁＝１０ｍｍ、ａ₂＝３０ｍｍの場合は図５
の曲線Ａを用いて、Ｉ₁とＩ₂から得られる吸光度差Δｙ
からＢを算出し、さらにμａ・μｓ’＝Ｂ²／３からμａ
・μｓ’を算出する。μａ・μｓ’は各波長ごとに算出さ
れ、それらは表示部１６に表示される。酸素化度、血液
量演算部１８では、（１３）式に与えられるような吸収
係数の比を算出したり、等吸収点でのμａ・μｓ’から
血液量を算出する。

【００４２】図９は他の実施例を表わしたものである。
図８のプローブ６を用いるのに代えてＣＣＤカメラ２０
のような面状検出器を用いている。２２はＣＣＤ素子で
ある。この場合、送受光部間の距離ａの連続関数として
（６）式又は図３に示されるｙ（ａ）のカーブが得られ
る。そのカーブに（６）式を合わせることにより、未知
数Ｂが求まる。ａ₁とａ₂の２点だけでＢ値を求めるより
も、いっそう精度のよいＢ値を求めることができる。

【００４３】図１０は各測定成分ｉの成分濃度ｘｉまで
求めるようにした実施例の演算部分を示したものであ
る。図８と同様に対数変換部１２で検出信号Ｉ₁，Ｉ₂が
対数に変換される。Δｙ算出手段３０は対数変換された
検出信号Ｉ₁，Ｉ₂から Δｙ＝ln（Ｉ₁／Ｉ₂）によりΔｙを算出する。ｍ(λ）算出手段３２は求めら
れたΔｙを用いてその二次関数によるｍ（λ）（λは波
長）をｍ(λ）＝ｐ・Δｙ²＋ｑ・Δｙ＋ｒ（ｐ，ｑ，ｒは係数）として求める。成分濃度算出手段３４は、各測定成分ｉ
の成分濃度ｘｉ（ｉ＝１，２，……）を複数の波長λに
ついてのｍ(λ)を含む方程式の解として求める。求めら
れた成分濃度は表示部３６に表示される。図１０で鎖線
で囲まれた手段３０，３２，３４はＣＰＵにより実現さ
れる。

【００４４】（１８）式と（２０）式を用いてオキシヘ
モグロビンとデオキシヘモグロビンの濃度を求め、さら
に酸素飽和度を求めた測定結果を図１１に示す。図１１
の測定では、腕にカフを巻きつけて、２００ｍｍＨｇの
圧力で動脈と静脈を止めた後の酸素状態の変化を７８０
ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍの３波長で測定し、その
ときの各時刻におけるΔｙの値から（１８）式と（２
０）式を用いて各時刻のオキシヘモグロビンとデオキシ
ヘモグロビンの濃度値を求めたのが図１１（Ａ）であ
る。図の左端の矢印の時刻から２００ｍｍＨｇの圧力で
腕を締め、その後約４５０秒後に解除している。図１１
（Ｂ）は酸素飽和度、すなわち（オキシヘモグロビンの
濃度値）／（オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビ
ンの濃度値の和）を酸素飽和度として示したものであ
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明では、定常光法で被検体上で測定
光の入射点から異なる距離だけ離れた複数の受光点で測
定光を受光することにより、吸収係数μａと等価散乱係
数μｓ’との積μａ・μｓ’の絶対値を求めることがで
き、従来不可能であった定常光法による光学定数の絶対
測定が可能になる。従来は時間分解法であれば光学定数
の絶対測定の可能性はあるが、定常光法で絶対測定を行
なうものはない。その結果、本発明によれば、光学定数
の絶対測定を安価な定常光方式の装置で実現できる。さ
らに、本発明では従来からの懸案であった濃度の絶対値
を比例係数を除いて簡単な方法で得ることができる。さ
らに、分子吸光係数ε₁(λi)，ε₂(λi)としては、個々
の散乱試料でなく、標準試料に対する値が使えるので、
客観性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光散乱・吸収体におけるパルス光入射と出射を
示す図である。

【図２】送受光部間距離を変えた場合のｙ(ａ）＝lnＲ
(ａ，Ｂ）を示す図である。

【図３】送受光間部距離を変えた吸光度差測定からＢを
求める方法を示す図である。

【図４】ｙ＝f（ｘ）にしたときのｘ＝Ｂを図上で求め
る方法を示す図である。

【図５】吸光度差Δｙに対するＢ値の計算結果を示す図
である。

【図６】被検体に対し１つの入射点と２つの受光点をも
つプローブによる測定を示す概略断面図である。

【図７】吸光度差Δｙとμａ・μｓ’の関係を示す図で
ある。

【図８】一実施例における光学系を概略断面図で示し、
演算部をブロック図で示す図である。

【図９】他の実施例の光学系を示す概略断面図である。

【図１０】成分濃度まで求める実施例の演算部分を示す
ブロック図である。

【図１１】（Ａ）は腕締め時のオキシヘモグロビンとデ
オキシヘモグロビンの濃度値の測定例、（Ｂ）はそのと
きの酸素飽和度の測定例を示す図である。

【符号の説明】

２被検体４送光ファイバ８−１，８−２受光ファイバ１０−１，１０−２検出器１２対数変換部１４ μａ・μｓ’演算部１８酸素化度・血液量演算部２０ＣＣＤカメラ３０ Δｙ算出手段３２ｍ(λ）算出手段３４成分濃度算出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光散乱・吸収体である被検体の一部に測
定光を入射し、その被検体上で前記測定光の入射点から
離れた受光点で測定光を受光するとともに、入射点と受
光点との距離を複数種類に異ならせるように入射点と受
光点のうちの一方が複数個設けられている測定光学系
と、受光点と入射点の１つの組における受光点と入射点との
距離をａ₁、その受光点での受光強度をＩ₁とし、受光点
と入射点の他の組における受光点と入射点との距離をａ
₂、その受光点での受光強度をＩ₂（Ｉ₁＞Ｉ₂）としたと
き、 lnＩ₂−lnＩ₁ ＝−(ａ₂−ａ₁)Ｂ＋ln(ａ₂Ｂ＋１)−ln(ａ₁Ｂ＋１)−３ln(ａ₂／ａ₁) に基づいてμａ・μｓ’を求める演算部と、を備えたこ
とを特徴とする光学的測定装置。ただし、Ｂ＝(３μａ・μｓ’)１／２ μａ；吸収係数 μｓ’＝（１−ｇ）μｓ； μｓ；散乱係数ｇ；散乱の非等方性パラメータ
【請求項２】光散乱・吸収体である被検体の一部に測
定光を入射し、その被検体上で前記測定光の入射点から
離れた受光点で測定光を受光するとともに、入射点と受
光点との距離を複数種類に異ならせるように入射点と受
光点のうちの一方が複数個設けられている測定光学系
と、受光点と入射点の１つの組における受光点と入射点との
距離をａ₁、その受光点での受光強度をＩ₁とし、受光点
と入射点の他の組における受光点と入射点との距離をａ
₂、その受光点での受光強度をＩ₂（Ｉ₁＞Ｉ₂）としたと
き、 Δｙ＝ln（Ｉ₁／Ｉ₂）を求めるΔｙ算出手段と、その求められたΔｙを用いてその二次関数によるｍ
（λ）（λは波長）をｍ(λ）＝ｐ・Δｙ²＋ｑ・Δｙ＋ｒ（ｐ，ｑ，ｒは係数）として求めるｍ(λ）算出手段と、各測定成分ｉの成分濃度ｘｉ（ｉ＝１，２，……）を複
数の波長λについてのｍ(λ)を含む方程式の解として求
める成分濃度算出手段と、を備えたことを特徴とする光
学的測定装置。