JPH09173324A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定光波長の種類数に対する依存や測定光の
発振周波数に対する制約を低減することにより、測定光
の時間応答特性の計測時間を短縮化する計測装置を提供
する。 【解決手段】 計測装置１は、相互に異なる複数の波長
を有する測定光を発生することが可能な光源４０₁ 〜４
０_n と、測定光を散乱吸収体１０に入射するための照射
用光ガイド５０と、散乱吸収体１０の内部を拡散伝搬し
た測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出
することが可能な波長選択器ユニット９０と、波長選択
器ユニット９０により抽出された測定光の時間応答特性
を測定する光検出器ユニット１００と、光源４０₁ 〜４
０_n を駆動して測定光を相互に異なる発振タイミングで
順次散乱吸収体１０に入射させかつ光検出器ユニット１
００の測定動作を該発振タイミングに対応して制御して
測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、光検
出器ユニット１００で測定された時間応答特性を解析し
て散乱吸収体１０の内部情報を算出する信号処理系２
０，３０，８０，１１０〜１５０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医学、理学等の分
野において使用される非侵襲的な散乱吸収体の内部情報
の計測装置に関する。より詳しくは、本発明は、生体組
織のような散乱吸収体の内部における光散乱特性及び／
又は光吸収特性を計測することにより、諸特性値の時間
変化や空間分布などのデータを取得する計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、生体組織のような散乱吸収体の光
散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値を計測するた
めに、測定対象の散乱吸収体に照射された後に検出され
た測定光の時間応答特性を解析することが行われてい
る。このような計測装置においては、散乱吸収体に対し
て多成分計測を行うために、少なくとも２種類の波長を
有するパルス状の光を発生する光源が一般に搭載されて
いる。ここで、相互に異なる波長を有する光を散乱吸収
体に照射する方法としては、順次点灯方式及び交互点灯
方式と呼ばれる２種類の光源駆動方式がそれぞれ知られ
ている。

【０００３】図８に示すように、順次点灯方式で駆動さ
れる光源を用いる場合、例えば、２種類の波長λ₁ ，λ
₂ を有する測定光を測定対象の散乱吸収体に入射させる
ために、まず、光源から発生した波長λ₁ の測定光を数
パルス、入射光Ｉ₁ として散乱吸収体に照射する。そし
て、散乱吸収体から出射された波長λ₁ の測定光を、出
射光Ｏ₁ として順次検出する。続いて、波長λ₁ の測定
光を発生する光源に対して測定光の波長設定を波長λ₂
に切り換える処理を行った後、その光源から発生した波
長λ₂ の測定光を数パルス、入射光Ｉ₂ として散乱吸収
体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長
λ₂ の測定光を、出射光Ｏ₂ として順次検出する。

【０００４】また、図９に示すように、交互点灯方式で
駆動される１組の光源を用いる場合、例えば、２種類の
波長λ₁ ，λ₂ を有する測定光を測定対象の散乱吸収体
に入射させるために、一方の光源から発生した波長λ₁
の測定光を、入射光Ｉ₁ として散乱吸収体に照射する。
次いで、入射光Ｉ₁ の照射から所定期間経過後、他方の
光源から発生した波長λ₂ の測定光を、入射光Ｉ₂ とし
て散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射
された波長λ₁ の測定光を、出射光Ｏ₁ として検出す
る。続いて、散乱吸収体から出射された波長λ₂ の測定
光を、出射光Ｏ₂として検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した計測装置にお
いて、相互に異なる波長を有する測定光を散乱吸収体に
照射するために図８に示すような順次点灯方式を用いる
場合、パルス光照射の間隔を散乱吸収体から出射される
測定光（拡散光）の存続期間よりも長くする必要があ
り、さもないと拡散光が重なり合ってしまう。それゆ
え、散乱吸収体から出射される拡散光の時間応答特性を
計測するための時間は、測定光に設定する波長の種類数
に比例して増大してしまうという問題がある。一方、図
９に示すような交互点灯方式を用いる場合、相互に異な
る波長を有する測定光をそれぞれ発生する周波数の上限
は、波長λ₁ 及びλ₂ を有する拡散光が互いに混ざり合
ってしまうことを避けるために出射光Ｏ₁ と出射光Ｏ₂
との間に間隔ｔ₁が必要であるという制約があり、計測
時間の短縮化が充分に図れないという問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みて
なされたものであり、測定光波長の種類数に対する計測
時間の依存性を低減することが可能となり、測定光の時
間応答特性の計測時間を充分に短縮化することが可能な
計測装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の散乱吸収体の内
部情報の計測装置は、（ａ）相互に異なる複数の波長を
有する測定光を発生することが可能な光源と、（ｂ）前
記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイド
と、（ｃ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測
定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出する
ことが可能な波長選択器ユニットと、（ｄ）前記波長選
択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特
性を測定する光検出器ユニットと、（ｅ）前記光源を駆
動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次
前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの
測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定
光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検
出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記
散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と、を備え
るものである。

【０００８】本発明にかかる上記波長選択器ユニットは
下記の音響光学変調器で構成されることが好ましい。す
なわち、かかる音響光学変調器は、前記信号処理系から
出力された制御信号に基づいて超音波（振動）を発生し
かつ前記測定光の発振タイミングに同期して前記超音波
の波長を切換え、前記測定光の波長と前記超音波の波長
との比に対応する偏向角だけ前記測定光を回折させるも
のである。この場合、前記光検出器ユニットは下記の光
検出器で構成されることが好ましい。すなわち、かかる
光検出器は、前記音響光学変調器により所定の偏向角だ
け回折された前記測定光を前記信号処理系から出力され
た制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を
行うものである。

【０００９】また、本発明にかかる上記波長選択器ユニ
ットは下記の複数のダイクロイックミラーで構成されて
もよい。すなわち、かかるダイクロイックミラーは、そ
れらの閾波長（反射される測定光の波長と透過される測
定光の波長との境界の波長）が前記測定光の隣接する二
つの波長（昇順又は降順）間にそれぞれ入りかつ昇順ま
たは降順に設定されるように、前記散乱吸収体から前記
光検出器ユニットに導かれる前記測定光の光路中に直列
に配置される。この場合、前記光検出器ユニットは下記
の複数の干渉フィルタと複数の光検出器とで構成される
ことが好ましい。すなわち、かかる干渉フィルタはそれ
ぞれ、前記ダイクロイックミラーから前記干渉フィルタ
に入射される前記測定光の波長にそれぞれ一致する透過
中心波長を有しており、かかる光検出器はそれぞれ、前
記干渉フィルタから前記光検出器に入射される前記測定
光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて
検出し、変換して時間分解計測を行うものである。

【００１０】なお、本発明の計測装置は、（ｆ）前記散
乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光を前記波長選
択器ユニットに導くための検出用光ガイドと、（ｇ）前
記検出用光ガイドに光学的に接続され、前記測定光（光
線束）を収束して前記波長選択器ユニットに導く光整形
器とをさらに備えることが好適である。

【００１１】また、本発明にかかる前記光源は、前記信
号処理系から出力された制御信号に基づいて、前記散乱
吸収体に含まれた光吸収成分の種類数以上の数であり、
かつ前記光吸収成分に対して相互に異なる吸収係数を有
する複数の波長を有する前記測定光をそれぞれ発生する
光源群であることが好適である。

【００１２】本発明の計測装置において、単数又は複数
の前記光源は、信号処理系から出力された制御信号に基
づいて、相互に異なる波長を有する測定光を相互に異な
る発振タイミングで周期的に順次発生する。かかる光源
から順次出射された測定光は、照射用光ガイドによって
散乱吸収体に照射され、その散乱吸収体の内部を拡散伝
搬した後、波長選択器ユニットに順次入射される。

【００１３】このとき、波長選択器ユニットは、散乱吸
収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から所定波長
を有する測定光を選択的に順次抽出して光検出器ユニッ
トに導く。これにより、散乱吸収体から順次出射された
測定光が、その散乱吸収体の内部におけるランダムな散
乱に起因して発振時よりも拡張されたパルス幅を有する
ことによって相互干渉した成分光（他の波長を有する測
定光）を含む場合であっても、上記波長選択器ユニット
から順次出射された測定光は、かかる相互干渉した成分
光を含まない。

【００１４】そのため、上記光検出器ユニットに順次入
射された測定光においては相互干渉した成分光に起因す
るベースラインシフトが発生しないので、散乱吸収体か
ら出射される測定光が相互干渉した成分光を含む程度に
測定光の発振タイミングの間隔を短縮した場合であって
も、光検出器ユニットによって測定光の時間応答特性が
精度良く測定される。そして、前記信号処理系におい
て、光検出器ユニットで測定された測定光の時間応答特
性を解析することにより、散乱吸収体の光散乱特性及び
光吸収特性のような内部情報が高精度に算出される。

【００１５】従って、本発明の計測装置においては、散
乱吸収体から出射される測定光が相互干渉した成分光を
含まないように測定光の発振タイミングのインターバル
を大きくとる必要がなく、散乱吸収体に対する測定光の
時間応答特性の計測時間が従来よりも大幅に短縮化され
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の計測装置に係る諸
実施例の構成及び作用について、図１ないし図７を参照
して詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同
一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【００１７】第１実施例 図１に示すように、本実施例の計測装置１は、散乱吸収
体１０に所定の測定光を照射して散乱吸収体１０から出
射された測定光を検出する光学系１ａと、この光学系を
構成する各種機器の動作を制御して測定光の時間応答特
性を解析する信号処理系１ｂとを備えている。なお、散
乱吸収体１０は、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸
特性値を計測する測定対象として配置された生体組織で
あり、相互に異なるｎ−１種類の光吸収成分Ａ₁ 〜Ａ
_n-1 を含んでいる。これらｎ−１種類の光吸収成分Ａ₁
〜Ａ_n-1 は、所定範囲の波長を有する光に対して比較的
大きく、かつ、相互に異なる吸光度を有するものであ
り、例えば、ヘモグロビンやミオグロビンなどに対して
は範囲約７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を有する光が
好適である。ただし、ｎは２以上の整数である。

【００１８】ここで、光学系１ａは、相互に異なるｎ種
類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光を相互に異なる所定
の発振タイミングでそれぞれ順次発生する第１ないし第
ｎの光源４０₁ 〜４０_n と、これら第１ないし第ｎの光
源４０₁ 〜４０_n から順次出射された測定光を散乱吸収
体１０の所定の光入射位置に照射する照射用光ガイド
（光ファイバ）５０と、散乱吸収体１０の所定の光出射
位置から順次出射された測定光を検出する検出用光ガイ
ド（光ファイバ）６０と、この検出用光ファイバ６０に
よって順次導かれた測定光のパターン（光線束）を整形
する光整形器７０と、この光整形器７０から順次入射し
た測定光からｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n の中の１波長を有
する測定光を選択的に順次抽出する波長選択器ユニット
９０と、この波長選択器ユニット９０により抽出された
測定光を変換して得られた検出信号Ｄ₁ を出力する光検
出器ユニット１００とで構成される。

【００１９】また、信号処理系１ｂは、散乱吸収体１０
に関する計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ₁ を
出力する中央処理ユニット２０と、この中央処理ユニッ
ト２０から出力された制御信号Ｃ₁ に基づいて第１ない
し第ｎの光源４０₁ 〜４０_nの発振タイミングの指標と
なるトリガ信号Ｔを出力するトリガ回路３０と、このト
リガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて波
長選択器ユニット９０の駆動状態を指示する制御信号Ｃ
₂ を出力する制御回路８０と、光検出器ユニット１００
から出力された検出信号Ｄ₁ を増幅して検出信号Ｄ₂ を
出力する増幅器ユニット１１０とを含んで構成される。

【００２０】さらに、信号処理系１ｂは、増幅器ユニッ
ト１１０から出力された検出信号Ｄ₂ のレベルを検知す
ることによってスタート信号Ｓ₁ を出力するコンスタン
ト・フラクション方式波高弁別器（CFD; Constant-Frac
tion Discriminator）ユニット１２０と、トリガ回路３
０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間遅延した
ストップ信号Ｓ₂ を出力する遅延回路１３０と、ＣＦＤ
ユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力さ
れたスタート信号Ｓ₁ 及びストップ信号Ｓ₂ の時間差に
比例する振幅を有する時間相関信号Ａを出力する時間振
幅変換器（TAC;Time-to-Amplitude Converter）１４０
と、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ₁
に基づいて作動してＴＡＣ１４０から出力された時間相
関信号Ａに対応する時間スペクトルデータＰを出力する
マルチチャネル波高分析器（MCA;Multi-Channel Analyz
er ）１５０とを含んで構成される。

【００２１】なお、中央処理ユニット２０は、予めセッ
トアップされた所定の計測プログラムに基づいて動作す
る制御・解析用コンピュータである。この中央処理ユニ
ット２０は、制御信号Ｃ₁ を出力することによってトリ
ガ回路３０及びＭＣＡ１５０をそれぞれ駆動させるとと
もに、ＭＣＡ１５０から出力された時間スペクトルデー
タＰを解析することによって例えば散乱吸収体１０の光
吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度を算出する。

【００２２】トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０
から出力された制御信号Ｃ₁ が含む計測開始タイミング
の指示情報に基づいてｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する
各測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを
生成するものである。このトリガ回路３０は、トリガ信
号Ｔを出力することによって第１ないし第ｎの光源４０
₁ 〜４０_n 、制御回路８０、光検出器ユニット１００及
び遅延回路１３０をそれぞれ駆動させる。

【００２３】第１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４０_n は、
ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光を周期τでそれ
ぞれパルス発振するレーザダイオードである。これら第
１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４０_n の中で第ｉの光源４
０_i の発振タイミングｔ_oiは、トリガ回路３０からのト
リガ信号Ｔの入力タイミングｔ₀ に対して次式（１）で
決定されている。ただし、ｉは１以上ｎ以下の整数であ
り、ｍは整数である。

【００２４】 ｔ_oi＝ｔ₀ ＋τ・｛ｍ＋（ｉ−１）／ｎ｝ （１） なお、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光として
は、散乱吸収体１０に含まれたｎ−１種類の光吸収成分
Ａ₁ 〜Ａ_n-1 に対して比較的大きく、かつ、相互に異な
る吸光度（吸収係数）を呈するものがそれぞれ選択され
る。

【００２５】照射用光ガイド５０は、第１ないし第ｎの
光源４０₁ 〜４０_n から順次出射された測定光を、１パ
ルス毎に波長を順次切換える循環的な波長変換を施され
た測定光として時系列化するｎ分岐の光ファイバであ
り、この測定光をスポット状に散乱吸収体１０に照射す
る。検出用光ガイド６０は、散乱吸収体１０の内部を拡
散伝搬して順次出射された測定光を光整形器７０に導く
ための光ファイバである。光整形器７０は、検出用光ガ
イド６０から順次出射された測定光を集光する屈折レン
ズ又はレンズ群であり、この測定光は次いで波長選択器
ユニット９０に導かれる。

【００２６】なお、照射用光ガイド５０の一端を設置す
る散乱吸収体１０の光入射位置と、検出用光ガイド６０
の一端を設置する散乱吸収体１０の光出射位置との間の
物理的距離として、相互に異なる２種類の光入射位置−
光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂を設定することが好まし
い。そのため、照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド
６０の少なくとも一方は、散乱吸収体１０の表面に対し
て移動可能に設置されている。

【００２７】制御回路８０は、トリガ回路３０から出力
されたトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ₀ に同期して制
御信号Ｃ₂ を波長選択器ユニット９０に出力するもので
ある。この制御回路８０は、制御信号Ｃ₂ を出力するこ
とによって波長選択器ユニット９０を駆動させ、相互に
異なるｎ種類の波長λ₁'〜λ_n'を有する超音波を時間
（τ／ｎ）毎に切換えて発生させる。超音波におけるｎ
種類の波長λ₁'〜λ_n'は、測定光におけるｎ種類の波長
λ₁ 〜λ_n に対して例えば次式（２）で決定されてい
る。ただし、ｃは定数である。

【００２８】 λ₁'／λ₁ ＝λ₂'／λ₂ ＝…＝λ_n'／λ_n ＝ｃ （２） 波長選択器ユニット９０は、超音波の振動に基づいて光
屈折率を変化させることにより、入射光及び超音波の波
長比にほぼ一致する偏向角θだけその入射光を回折させ
る音響光学変調器（AOM; AcoustoOptic Modulator ）で
あり、制御回路８０から出力された制御信号Ｃ₂ が含む
超音波の波長の指示情報に対応して超音波の振動を発生
させる。この波長選択器ユニット９０は、第ｊの光源４
０_j における波長λ_j を有する測定光の発振タイミング
ｔ_j と第（ｊ＋１）の光源４０_{j+ 1} における波長λ_j+1
を有する測定光の発振タイミングｔ_j+1 との間の期間ｐ
_jに波長λ_j'を有する超音波を発生させる。ただし、ｊ
は１以上ｎ以下の整数であり、ｔ_n+1 ＝ｔ₁ かつｐ_n+1
＝ｐ₁ である。そして、波長選択器ユニット９０は、光
整形器７０から順次出力された測定光を偏向角θだけ順
次回折させる。測定光をブラッグ回折させる偏向角θ
は、測定光におけるｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n と超音波に
おけるｎ種類の波長λ₁'〜λ_n'との各比ｃに対して次式
（３）で決定されている。

【００２９】 θ＝２sin ^-1（ｃ／２） （３） 光検出器ユニット１００は、トリガ回路３０から出力さ
れたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選択器ユニット９０
から偏向角θで回折されて順次入射した測定光を検出し
て変換することにより検出信号Ｄ₁ を生成する光電子増
倍管である。この光検出器ユニット１００においては、
ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n の中の１波長を有する各種測定
光をそれぞれ良好に検出するために、比較的高い分光感
度及び利得を有することが好ましく、測定光の時間分解
計測を良好に行うために、可能な限り高い応答周波数を
有することが好ましい。増幅器ユニット１１０は、光検
出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ₁ の振幅
を増幅することによって検出信号Ｄ₂ を生成するアンプ
である。

【００３０】ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット
１１０から出力された検出信号Ｄ₂のレベルがその振幅
の所定割合に達してから所定時間が経過した時にスター
ト信号Ｓ₁ を生成するタイムピックオフ回路である。遅
延回路１３０は、トリガ回路３０から入力したトリガ信
号Ｔの入力タイミングｔ₀ よりも所定時間だけシフトし
た位相を有するストップ信号Ｓ₂ を生成するものであ
る。ＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回
路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ₁ 及び
ストップ信号Ｓ₂ の各入力タイミングの時間差に比例す
る振幅を有する時間相関信号Ａを生成するものである。

【００３１】ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０か
ら出力された制御信号Ｃ₁ が含む計測開始タイミングの
指示情報に基づいて、ＴＡＣ１４０から出力された時間
相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してｎ個のメモリ
群に順次格納するものである。そして、ＭＣＡ１５０
は、時間相関信号Ａのパルス高さ（波高値）を分析して
パルス高さの頻度分布として時間スペクトルデータＰを
生成する。

【００３２】次に、本実施例の計測装置１の動作につい
て説明する。

【００３３】このように構成された計測装置１におい
て、図１に示すように、所定の計測プログラムを起動し
た中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示
する制御信号Ｃ₁ をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０に
それぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央
処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ₁ に基づい
て、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光の発振タイ
ミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光
源４０₁ 〜４０_n 、制御回路８０、光検出器ユニット１
００及び遅延回路１３０にそれぞれ出力する。一方、Ｍ
ＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制
御信号Ｃ₁ に基づいて、ｎ種類の波長λ₁〜λ_n を有す
る測定光に関する時間相関信号Ａに対して入力待ちの状
態になる。

【００３４】続いて、第１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４
０_n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに
基づいて、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光を、
同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，
…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発
振する。一方、制御回路８０は、トリガ回路３０から出
力されたトリガ信号Ｔに基づいて、測定光に対して偏向
角θのブラッグ回折を起こさせる制御信号Ｃ₂ を波長選
択器ユニット９０に出力する。また、遅延回路１３０
は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも
所定時間だけ位相をシフトさせたストップ信号Ｓ₂ をＴ
ＡＣ１４０に出力する。

【００３５】ここで、第１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４
０₂ から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０に
よってスポット状に散乱吸収体１０に照射される。図２
に示すように、この測定光は、入射光Ｉとして散乱吸収
体１０の光入射位置に入射され、散乱吸収体１０の内部
で吸収の作用を受けることによって減衰しつつ拡散伝搬
した後、出射光Ｏとして散乱吸収体１０の光出射位置か
ら出射される。散乱吸収体１０の内部においては、この
測定光は、散乱吸収体１０を構成する散乱成分によって
ランダムに散乱されることにより、折れ曲がった光路を
取りながら進行するとともに、散乱吸収体１０を構成す
る吸収成分によって徐々に吸収されることにより、その
光量を指数関数的に失いながら進行する。そのため、図
３に示すように、入射光Ｉはインパルスであっても、出
射光（拡散光）Ｏは多重散乱によって入射光Ｉの発振タ
イミングよりも時間的に著しく遅い成分を含むことから
拡張されたパルス幅を有する。

【００３６】なお、散乱吸収体１０の内部では、測定光
はランダムな散乱に基づいてその強度（密度）を急激に
減衰してほぼ全領域に拡散するものである。しかしなが
ら、図２においては、散乱吸収体１０の光出射位置から
出射されかつ光検出位置で検出された光子の一例の飛跡
のみ、すなわち、実際の計測に利用される光子の一例の
飛跡のみを模式的に図示している。また、図３において
は、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各パルス幅を比較するため
に、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各強度を一致させて図示し
ている。

【００３７】そして、図１に示すように、散乱吸収体１
０から順次出射された測定光は、検出用光ガイド６０に
よって検出されて光整形器７０に導かれた後、光整形器
７０によって集光されて波長選択器ユニット９０に導か
れる。この波長選択器ユニット９０は、制御回路８０か
ら出力された制御信号Ｃ₂ に基づいて、ｎ種類の波長λ
₁ 〜λ_n の測定光の発振タイミングに同期して、ｎ種類
の波長λ₁'〜λ_n'を有する超音波を切換えて発生させ
る。そのため、波長選択器ユニット９０に入射した測定
光の中で、超音波の波長λ_i'に対応する波長λ_i を有す
る測定光のみが、偏向角θのブラッグ回折を受けて光検
出器ユニット１００に順次出射される。

【００３８】この光検出器ユニット１００は、トリガ回
路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選
択器ユニット９０を経て順次入射したｎ種類の波長λ₁
〜λ_n を有する測定光を順次検出して電気的な信号Ｄ₁
に変換する。これらｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測
定光の中で波長λ_i の測定光に対するサンプリング・タ
イミングｔ_siは、トリガ回路３０から出力されたトリガ
信号Ｔの入力タイミングｔ₀ 、あるいは、第ｉの光源４
０_i における波長λ_i の測定光の発振タイミングｔ_oiに
対して次式（４）で決定されている。

【００３９】 ｔ_si＝ｔ₀ ＋ｍτ＋τ（ｉ−１）／ｎ＋Δｔ ＝ｔ_oi＋Δｔ （４） ただし、Δｔはｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する各測定
光の周期τの整数分の１である。そして、光検出器ユニ
ット１００は、単一光電子レベル（single photo-elect
ron level ）に相当する程度の振幅を有する検出信号Ｄ
₁ を増幅器ユニット１１０に出力する。

【００４０】例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示す
ように、散乱吸収体１０に順次入射する測定光は、波長
λ₁ の入射光Ｉ₁ 、波長λ₂ の入射光Ｉ₂ 及び波長λ₃
の入射光Ｉ₃ を経時的に配列したパルス列を循環的に時
系列化したものとなる。このとき、図４（ｂ）に示すよ
うに、波長選択器ユニット９０で偏向角θのブラッグ回
折を起こす回折効率は、波長λ_j の入射光Ｉ_j の発振タ
イミングｔ_j と波長λ_j+1 の入射光Ｉ_j+1 の発振タイミ
ングｔ_j+1 との間の期間ｐ_j に、波長λ_j の光のみに対
して有効値に達する。ただし、ｊは１以上３以下の整数
であり、ｔ₄ ＝ｔ₁ かつｐ₄ ＝ｐ₁ である。

【００４１】散乱吸収体１０から順次出射された測定光
は、図５に示すように、波長λ₁ の出射光Ｏ₁ 、波長λ
₂ の出射光Ｏ₂ 及び波長λ₃ の出射光Ｏ₃ からなる経時
的な配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしな
がら、出射光Ｏ_j は入射光Ｉ_j+1 の発振タイミングｔ
_j+1 よりも時間的に遅い成分を含むことから、時間的に
近接した出射光Ｏ_j 及び出射光Ｏ_j+1 は、散乱吸収体１
０の内部で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含んでい
る。従って、仮に計測装置１が波長選択器ユニット９０
を備えていない場合は、このような混ざり合った成分に
起因して発生するベースラインシフトは、散乱吸収体１
０の光吸収特性及び光散乱特性を算出する際に誤差原因
となってしまう。

【００４２】これに対して本発明の計測装置１は波長選
択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に
示すように、散乱吸収体１０から光検出器ユニット１０
０に順次入射する測定光においては、出射光Ｏ_j は他の
成分を含まない。そのため、時間的に近接した出射光Ｏ
_j 及び出射光Ｏ_j+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに
混ざり合っていないので、ベースラインシフトを起こさ
ない。

【００４３】続いて、増幅器ユニット１１０は、光検出
器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ₁ の振幅を
増幅した検出信号Ｄ₂ をＣＦＤユニット１２０に出力す
る。このＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１
０から出力された検出信号Ｄ₂ のレベルがその振幅の所
定割合に達した後、所定時間が経過した時にスタート信
号Ｓ₁ をＴＡＣ１４０に出力する。このＴＡＣ１４０
は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれ
ぞれ出力されたスタート信号Ｓ₁ 及びストップ信号Ｓ₂
の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時
間相関信号ＡをＭＣＡ１５０に出力する。このＭＣＡ１
５０は、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを
時間（τ／ｎ）毎に分別してそのパルス高さ（波高値）
を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納することによ
り、時間相関信号Ａのパルス高さの頻度分布としてｎ種
類の波長λ₁ 〜λ_n にそれぞれ対応するｎ種類の時間ス
ペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。

【００４４】このようなｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n の測定
光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰ
の計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイ
ド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動
させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−
光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂ に関して行うことができ
る。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−
光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂ とｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n
の測定光とにそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクト
ルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中
央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２
ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することによっ
て散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収
成分濃度等を算出する。

【００４５】より具体的には、中央処理ユニット２０に
おいては、光拡散理論に基づいて時間スペクトルデータ
Ｐを解析する。なお、この光拡散理論に関する知見につ
いては、文献"Medical Physics, vol.19, no.14, pp.87
9-888, 1992"などに詳細に記載されている。以下、散乱
吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を測定する原理
について説明する。

【００４６】まず、散乱吸収体１０に入射した波長λの
測定光に関する光拡散方程式は、位置ｒ及び時刻ｔに対
応する光子流動率φ(r,t) 及び光子発生率Ｓ(r,t) に対
して次式（５）で記述することができる。

【００４７】

【数１】 ただし、φ(r,t) ：光子流動率［mm^-2・sec ^-1］， Ｄ(λ) ：光拡散係数［mm］， μ_a (λ)：光吸収係数［mm^-1］， ｃ：媒体中における光速度［mm・sec ^-1］， Ｓ(r,t) ：光子発生率［mm^-3・sec ^-1］ である。光速度ｃは、散乱吸収体１０の屈折率に対応し
て決定されている。

【００４８】ここで、測定光はインパルス状に発振され
ていることから、光子発生率Ｓ(r,t) はデルタ関数とし
て表される。そのため、原点（ｒ＝０）及び初期（ｔ＝
０）に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光に関す
る光拡散方程式は、次式（６）で記述される。

【００４９】

【数２】 なお、式（６）で用いられた種々の光学定数の間には、
次の２式（７），（８）で示す関係がある。

【００５０】 Ｄ(λ) ＝［３｛μ_a (λ)＋μ_ts(λ) ｝］^-1 （７） μ_ts(λ) ＝（１−ｇ）μ_s (λ) （８） ただし、μ_ts(λ) ：輸送光散乱係数［mm^-1］， μ_s (λ)：光散乱係数［mm^-1］， ｇ：散乱角βに対するcos βの平均値 である。

【００５１】また、散乱吸収体１０の表面上に沿ってρ
座標軸を設定するとともに、散乱吸収体１０の表面に対
する法線に沿ってその内部に向うｚ座標軸を設定する場
合、式（６）に示す光拡散方程式の境界条件は、測定光
の平均拡散長ｚ₀ を用いて負極性の点光源を位置（ρ＝
０，ｚ＝−ｚ₀ ）に想定することによって近似的に実現
される。そのため、光拡散方程式の解は、散乱吸収体１
０の表面上の位置（ρ，０）における時刻ｔのときの光
強度Ｉとして次式（９）に示すようになる。

【００５２】 Ｉ(ρ,0,t) ＝｛４πＤ(λ)・ｃ｝^-3/2・ｔ^-5/2・exp｛−μ_s(λ)・ｃ・ｔ｝ ・ｚ₀・exp［−（ｚ₀ ²＋ρ²）／｛４Ｄ(λ)・ｃ・ｔ｝］ （９） ただし、Ｉ(ρ,0,t) ：光強度［mm^-2・sec ^-1］であ
る。

【００５３】一方、原点（ρ＝０）及び初期（ｔ＝０）
に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光の平均光路
長Ｌは、散乱吸収体１０の光入射位置−光出射位置間距
離ρに対して次式（１０）に示すように定義される。

【００５４】

【数３】 なお、この平均光路長に関する知見については、文献"P
hys.Med.Biol., vol.37, no.7, pp.1531-1560, 1992"な
どに詳細に記載されている。

【００５５】ここで、測定光の平均光路長は、２式
（９），（10）に基づいて次式（11）に示すようにな
る。

【００５６】

【数４】 又は

【００５７】

【数５】

【００５８】そのため、波長λの測定光に関して２種類
の光入射位置−光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂ に対応する
２種類の時間スペクトルデータＰを式（10）に代入する
ことにより、２種類の平均光路長Ｌ(ρ₁ )，Ｌ(ρ₂ )を
算出することができる。そして、これら２種類の平均光
路長Ｌ(ρ₁ )，Ｌ(ρ₂ )をそれぞれ代入した式（11）を
連立させて解くことにより、光吸収係数μ_a (λ)及び輸
送光散乱係数μ_ts(λ)をそれぞれ算出することができ
る。したがって、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する各測
定光に関して２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ
₁ ，ρ₂ に対応する２種類の時間スペクトルデータＰを
同様にしてそれぞれ解析することにより、ｎ種類の光吸
収係数μ_a (λ₁ )〜μ_a (λ_n )とｎ種類の輸送光散乱係
数μ_ts(λ₁)〜μ_ts(λ_n )とをそれぞれ算出することが
できる。

【００５９】さらに、波長λの測定光に対する散乱吸収
体１０の光吸収係数μ_a は、ベール・ランバート（Beer
-Lambert）の法則に基づいて、散乱吸収体１０に含まれ
た（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ₁ 〜Ａ_n-1 に対して次
式（12）で示すように表される。

【００６０】 μ_a (λ)＝ε_A1(λ)［Ａ₁ ］＋ε_A2(λ)［Ａ₂ ］ ＋…＋ε_An-1(λ)［Ａ_n-1 ］＋α(λ) （12） ただし、ε_Ak(λ) ：光吸収成分Ａ_k のモル吸光係数［m
m^-1・mM^-1］， ［Ａ_k ］：光吸収成分Ａ_k のモル濃度［mM］， α(λ) ：バックグラウンド光吸収項 である。ｋは１以上（ｎ−１）以下の整数である。

【００６１】そのため、測定光の波長としてｎ種類のバ
ックグラウンド吸収項α(λ₁ )〜α(λ_n )を一致させる
ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を予め選択するとともに、ｎ種
類の波長λ₁ 〜λ_n を有する各測定光に対して（ｎ−
１）種類の光吸収成分Ａ₁ 〜Ａ_n-1 のモル吸光係数ε_A1
(λ₁ )〜ε_An-1(λ₁ )，ε_A1(λ₂ )〜ε_An-1(λ₂ )，
…，ε_A1(λ_n )〜ε_An-1(λ_n )をそれぞれ測定した場
合、これらｎ（ｎ−１）種類のモル吸光係数ε_A1(λ₁ )
〜ε_An-1(λ₁ )，ε_A1(λ₂ )〜ε_An-1(λ₂ )，…，ε_A1
(λ_n )〜ε_An-1(λ_n )とｎ種類の光吸収係数μ_a (λ₁ )
〜μ_a (λ_n )とをそれぞれ代入した式（12）を連立させ
て解くことにより、（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ₁ 〜
Ａ_n-1 のモル濃度［Ａ₁ ］〜［Ａ_n-1 ］をそれぞれ算出
することができる。

【００６２】このようにして、中央処理ユニット２０
は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペク
トルデータＰを解析することにより、散乱吸収体１０の
光吸収特性及び光散乱特性として、ｎ種類の光吸収係数
μ_a (λ₁ )〜μ_a (λ_n )と、ｎ種類の輸送光散乱係数μ
_ts(λ₁ )〜μ_ts(λ_n )と、（ｎ−１）種類の光吸収成分
Ａ₁ 〜Ａ_n-1 のモル濃度［Ａ₁ ］〜［Ａ_n-1 ］とをそれ
ぞれ算出することができる。

【００６３】第２実施例 図６に示すように、本実施例の計測装置２は、上述した
第１実施例の計測装置１とはほとんど同様にして構成さ
れている。ただし、この計測装置２は、制御回路８０を
備えずに、波長選択器ユニット９０、光検出器ユニット
１００、増幅器ユニット１１０及びＣＦＤユニット１２
０の各内部構成を変更している。

【００６４】ここで、波長選択器ユニット９０は、光整
形器７０から順次入射した測定光からｎ種類の波長λ₁
〜λ_n を有する測定光をそれぞれ選択的に順次抽出する
ために、光整形器７０から出射される測定光の光軸に沿
って直列に配置された第１ないし第（ｎ−１）のダイク
ロイックミラー９１₁ 〜９１_n-1 で構成されている。こ
れら第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９
１₁ 〜９１_n-1 は、光整形器７０から順次出射された測
定光を反射または透過するために昇順または降順に設定
された閾波長を、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n で昇順または
降順に隣接する二つの波長間にそれぞれ有する。

【００６５】例えば、第１ないし第（ｎ−１）のダイク
ロイックミラー９１₁ 〜９１_n-1 は、図７に示すよう
に、（ｎ−１）種類の波長λ₁ 〜λ_n-1 付近よりも大き
い波長の光に対して最大の透過率をそれぞれ呈する（ｎ
−１）種類の波長−透過率分布ｄ₁ 〜ｄ_n-1 をそれぞれ
有する。すなわち、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロ
イックミラー９１₁ 〜９１_n-1 の中で第ｈのダイクロイ
ックミラー９１_h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミ
ラー９１_h-1 から入射した測定光に含まれた波長λ_h 付
近以下の波長の成分光を反射して後述する第ｈの干渉フ
ィルタ１０１_h に出射するとともに、波長λ_h 付近より
も大きい波長の成分光を透過して第（ｈ＋１）のダイク
ロイックミラー９１_h+1 に出射する。ただし、ｈは１以
上ｎ−１以下の整数である。ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n
は、昇順に設定されている。

【００６６】なお、第１のダイクロイックミラー９１₁
は、光整形器７０を経て順次入射した測定光で波長λ₁
付近よりも大きい波長の成分光は透過しかつ波長λ₁ 付
近の成分光は第１の干渉フィルタ１０１₁ に向けて反射
させるものである。また、第ｈのダイクロイックミラー
９１_h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミラー９１
_h-1 を透過して順次入射した測定光で波長λ_h-1 付近よ
りも大きい波長の成分光を透過して第ｈの干渉フィルタ
１０１_h に出射する。

【００６７】光検出器ユニット１００は、波長選択器ユ
ニット９０を構成する第１ないし第（ｎ−１）のダイク
ロイックミラー９１₁ 〜９１_n-1 からそれぞれ反射（波
長λ_n については透過）された測定光からｎ種類の波長
λ₁ 〜λ_n を有する測定光を厳密にそれぞれフィルタリ
ングするために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイ
ックミラー９１₁ 〜９１_n-1 からの出射光の各光軸に沿
って並列に配置された第１ないし第ｎの干渉フィルタ１
０１₁ 〜１０１_n と、これら第１ないし第ｎの干渉フィ
ルタ１０１₁ 〜１０１_n を通ってそれぞれ入射した測定
光を変換したｎ種類の検出信号Ｄ₁₁〜Ｄ_1nをそれぞれ出
力するために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイッ
クミラー９１₁ 〜９１_n-1 からの出射光の各光軸に沿っ
て並列に配置された第１ないし第ｎの光検出器１０２₁
〜１０２_n とで構成されている。

【００６８】第１ないし第（ｎ−１）の干渉フィルタ１
０１₁ 〜１０１_n-1 は、第１ないし第（ｎ−１）のダイ
クロイックミラー９１₁ 〜９１_n-1 でそれぞれ反射され
た測定光の光路中にそれぞれ配置されており、第ｎの干
渉フィルタ１０１_n は、第ｎのダイクロイックミラー９
１_n を透過した測定光の光路中に配置されている。これ
ら第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１₁ 〜１０１_n
は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９
１₁ 〜９１_n-1 からそれぞれ出射された測定光を透過す
るために昇順または降順に設定された透過中心波長を、
ｎ種類の波長λ₁〜λ_n に一致してそれぞれ有する。

【００６９】第１ないし第ｎの光検出器１０２₁ 〜１０
２_n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに
基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１₁ 〜１
０１_n を通って順次入射した測定光を検出してそれらを
検出信号に変換することにより、ｎ種類の検出信号Ｄ₁₁
〜Ｄ_1nを生成する光電子増倍管である。これら第１ない
し第ｎの光検出器１０２₁ 〜１０２_n においては、ｎ種
類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光をそれぞれ良好に検
出するために、比較的大きい分光感度特性及び利得を有
することが好ましく、測定光の時間分解計測を良好に行
うために、可能な限り高い応答周波数を有することが好
ましい。

【００７０】増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニッ
ト１００を構成する第１ないし第ｎの光検出器１０２₁
〜１０２_n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ₁₁〜Ｄ_1n
を増幅してｎ種類の検出信号Ｄ₂₁〜Ｄ_2nをそれぞれ出力
するために、第１ないし第ｎの光検出器１０２₁ 〜１０
２_n の各後段として並列に配置された第１ないし第ｎの
増幅器１１１₁ 〜１１１_n で構成されている。これら第
１ないし第ｎの増幅器１１１₁ 〜１１１_n は、第１ない
し第ｎの光検出器１０２₁ 〜１０２_n から出力されたｎ
種類の検出信号Ｄ₁₁〜Ｄ_1nの振幅を増幅することによっ
てｎ種類の検出信号Ｄ₂₁〜Ｄ_2nをそれぞれ生成するアン
プである。

【００７１】ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット
１１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１₁ 〜１
１１_n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ₂₁〜Ｄ_2nの各
レベルを検知することによってｎ種類のスタート信号Ｓ
₁₁〜Ｓ_1nをスタート信号Ｓ₁としてそれぞれ出力するた
めに、第１ないし第ｎの増幅器１１１₁ 〜１１１_n の各
後段として並列に配置された第１ないし第ｎのＣＦＤ１
２１₁ 〜１２１_n で構成されている。これら第１ないし
第ｎのＣＦＤ１２１₁ 〜１２１_n は、第１ないし第ｎの
増幅器１１１₁ 〜１１１_n から出力されたｎ種類の検出
信号Ｄ₂₁〜Ｄ_2nの各レベルがその振幅の所定割合に達し
てから所定時間が経過した時にｎ種類のスタート信号Ｓ
₁₁〜Ｓ_1nをそれぞれを生成するタイムピックオフ回路で
ある。

【００７２】次に、本実施例の計測装置２の動作につい
て説明する。

【００７３】このように構成された計測装置２におい
て、図６に示すように、所定の計測プログラムを起動し
た中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示
する制御信号Ｃ₁ をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０に
それぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央
処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ₁ に基づい
て、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光の発振タイ
ミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光
源４０₁ 〜４０_n 、光検出器ユニット１００及び遅延回
路１３０にそれぞれ出力する。一方、ＭＣＡ１５０は、
中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ₁ に基
づいて、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光に関す
る時間相関信号Ａに対して入力待ちの状態になる。

【００７４】続いて、第１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４
０_n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに
基づいて、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n を有する測定光を、
同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，
…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発
振する。一方、遅延回路１３０は、トリガ回路３０から
出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間だけ位相をシフ
トさせたストップ信号Ｓ₂ をＴＡＣ１４０に出力する。

【００７５】ここで、第１ないし第ｎの光源４０₁ 〜４
０₂ から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０に
よってスポット状に収束されて散乱吸収体１０に照射さ
れる。散乱吸収体１０の光入射位置に順次入射した測定
光は、散乱吸収体１０の内部で吸収の作用を受けること
によって減衰しつつ拡散伝搬する。そして、散乱吸収体
１０の光出射位置から順次出射された測定光は、検出用
光ガイド６０によって検出されて光整形器７０に導かれ
た後、光整形器７０によって集光されて波長選択器ユニ
ット９０に導かれる。

【００７６】この波長選択器ユニット９０に順次入射し
た測定光は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイック
ミラー９１₁ 〜９１_n-1 を順次通過する際、波長λ₁ 付
近以下の波長の成分光、波長λ₁ 付近より大きく波長λ
₂ 付近以下の波長の成分光、…、波長λ_n-2 付近より大
きく波長λ_n-1 付近以下の波長の成分光が順次反射さ
れ、光検出器ユニット１００を構成する第１ないし第
（ｎ−１）の干渉フィルタ１０１₁ 〜１０１_n-1 にそれ
ぞれ導かれる。そして、第（ｎ−１）のダイクロイック
ミラー９１_n-1 を透過した測定光は、波長λ_n 付近以上
の波長を有しており、光検出器ユニット１００を構成す
る第ｎの干渉フィルタ１０１_n に導かれる。

【００７７】この光検出器ユニット１００において、第
１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１₁ 〜１０１_n にそれ
ぞれ入射した測定光は、ｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n の中の
１波長を有する測定光にそれぞれフィルタリングされ、
第１ないし第ｎの光検出器１０２₁ 〜１０２_n にそれぞ
れ導かれる。これら第１ないし第ｎの光検出器１０２₁
〜１０２_n は、トリガ回路３０から入力したトリガ信号
Ｔに基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１₁
〜１０１_n を通ってそれぞれ入射したｎ種類の波長λ₁
〜λ_n を有する測定光を順次検出して変換することによ
り、ｎ種類の検出信号Ｄ₁₁〜Ｄ_1nを、増幅器ユニット１
１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１₁ 〜１１
１_n にそれぞれ出力する。

【００７８】例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示す
ように、散乱吸収体１０に入射する測定光は、波長λ₁
の入射光Ｉ₁ 、波長λ₂ の入射光Ｉ₂ 及び波長λ₃ の入
射光Ｉ₃ を経時的に配列したパルス列を循環的に時系列
化したものとなる。

【００７９】散乱吸収体１０から出射された測定光は、
図５に示すように、波長λ₁ の出射光Ｏ₁ 、波長λ₂ の
出射光Ｏ₂ 及び波長λ₃ の出射光Ｏ₃ からなる経時的な
配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしなが
ら、出射光Ｏ_j は入射光Ｉ_j+1の発振タイミングｔ_j+1
よりも時間的に遅い成分を含むことから、出射光Ｏ_j 及
び出射光Ｏ_j+1 は時間的に近接し、散乱吸収体１０の内
部で互いに混ざり合ってしまう。従って、仮に計測装置
２が波長選択器ユニット９０を備えていない場合は、こ
のような混ざり合った成分に起因して発生するベースラ
インシフトは、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱
特性を算出する際に誤差原因となってしまう。

【００８０】これに対して本発明の計測装置２は波長選
択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に
示すように、散乱吸収体１０から第１ないし第ｎの光検
出器１０２₁ 〜１０２_n にそれぞれ入射する測定光はｎ
種類の波長λ₁ 〜λ_n 毎に分別されているので、出射光
Ｏ_j は入射光Ｉ_j+1 の発振タイミングｔ_j+1 よりも時間
的に遅い成分を含まない。そのため、時間的に近接した
出射光Ｏ_j 及び出射光Ｏ_j+1 は、散乱吸収体１０の内部
で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含まないので、ベ
ースラインシフトを起こさない。ただし、ｊは１以上３
以下の整数であり、ｔ₄ ＝ｔ₁ かつｐ₄ ＝ｐ₁ である。

【００８１】続いて、第１ないし第ｎの増幅器１１１₁
〜１１１_n は、第１ないし第ｎの光検出器１０２₁ 〜１
０２_n からそれぞれ出力されたｎ種類の検出信号Ｄ₁₁〜
Ｄ_1nの各振幅を増幅したｎ種類の検出信号Ｄ₂₁〜Ｄ
_2nを、ＣＦＤユニット１２０を構成する第１ないし第ｎ
のＣＦＤ１２１₁ 〜１２１_n にそれぞれ出力する。これ
ら第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１₁ 〜１２１_n は、第１
ないし第ｎの増幅器１１１₁ 〜１１１_n からそれぞれ出
力されたｎ種類の検出信号Ｄ₂₁〜Ｄ_2nの各レベルがその
振幅の所定割合に達した後、所定時間が経過した時にｎ
種類のスタート信号Ｓ₁₁〜Ｓ_1nをスタート信号Ｓ₁ とし
てＴＡＣ１４０に出力する。

【００８２】このＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２
０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート
信号Ｓ₁ 及びストップ信号Ｓ₂ の各入力タイミングの時
間差に比例する振幅を有する時間相関信号ＡをＭＣＡ１
５０に出力する。このＭＣＡ１５０は、ＴＡＣ１４０か
ら出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別
してその波高値を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納
することにより、時間相関信号Ａの波高値の頻度分布と
してｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n にそれぞれ対応するｎ種類
の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出
力する。

【００８３】このようなｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n の測定
光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰ
の計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイ
ド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動
させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−
光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂ に関して行うことができ
る。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−
光出射位置間距離ρ₁ ，ρ₂ とｎ種類の波長λ₁ 〜λ_n
の測定光にそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクトル
データＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中央
処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ
種類の時間スペクトルデータＰを解析することによって
散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成
分濃度等を算出する。

【００８４】ここで、本発明は、上述した諸実施例に限
られるものではなく、種々の変形を行うことが可能であ
る。例えば、上述した諸実施例においては、波長選択器
ユニットは複数の波長を有する測定光から所定波長の測
定光のみを選択的に抽出する音響光学変調器や多段構成
のダイクロイックミラー群などである。しかしながら、
測定光に対する波長選択が同様に可能であるならば、波
長選択器ユニットとしてプリスム及び方向性結合器のよ
うなその他種々のものを適用してもよい。

【００８５】また、上述した諸実施例においては、複数
個の光源は相互に異なる波長の測定光を相互に異なる発
振タイミングでそれぞれ発生するレーザダイオードであ
る。しかしながら、測定光における波長の設定と発振タ
イミングの制御とが同様にして可能であるならば、複数
の光源として発光ダイオードのようなその他種々のもの
を適用してもよい。

【００８６】また、上述した諸実施例においては、光検
出器は相互に異なる波長の測定光をそれぞれ検出する光
電子増倍管である。しかしながら、測定光に対する分光
感度特性及び利得が同様な程度に大きいならば、光検出
器としてアバランシェフォトダイオード、ストリークカ
メラ、光電管及びｐｉｎ型フォトダイオードのようなそ
の他種々のものを適用してもよい。

【００８７】また、上述した諸実施例においては、測定
対象の散乱吸収体に照射する測定光が含む波長の種類数
は、その散乱吸収体が含有する光吸収成分の種類数より
も１種類だけ多く設定されている。しかしながら、測定
対象の散乱吸収体の内部におけるバックグラウンド吸収
を無視することができる程小さい場合、測定光が含む波
長の種類数としてその散乱吸収体が含有する光吸収成分
の種類数に一致するものを設定してもよい。

【００８８】さらに、上述した諸実施例においては、測
定対象の散乱吸収体は生体組織である。しかしながら、
複数個の光源から出射された測定光に対して比較的大き
く、かつ、相互に異なる吸光度を有する光吸収成分を含
むのであれば、測定対象の散乱吸収体としてその他種々
のものを適用してもよい。

【００８９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の計
測装置において、単数又は複数個の光源から相互に異な
る波長を有して相互に異なる発振タイミングで周期的に
それぞれ順次発生された測定光は、照射用光ガイドによ
って散乱吸収体に照射されてその内部で拡散伝搬した
後、波長選択器ユニットに導かれる。そして、波長選択
器ユニットによって所定波長を有する測定光が選択的に
順次抽出される。これにより、散乱吸収体から順次出射
された測定光がランダム散乱に起因して照射時よりも拡
張されたパルス幅を有し、それゆえその散乱吸収体の内
部において混ざり合った成分光を含む場合であっても、
波長選択器ユニットから順次出射された測定光はかかる
混ざり合った成分光を含まない。

【００９０】そのため、光検出器ユニットに入射された
測定光においては混ざり合った成分光に起因するベース
ラインシフトが発生しないので、散乱吸収体から出射さ
れる測定光が混ざり合った成分光を含む程度に測定光の
発振タイミングの間隔を短縮した場合であっても、測定
光の時間応答特性を精度良く測定可能となる。従って、
信号処理系は、光検出器ユニットで測定された測定光の
時間応答特性を解析することにより、散乱吸収体の光散
乱特性及び光吸収特性を高精度に算出できる。なお、散
乱吸収体の光入射位置及び光出射位置を固定して異なる
時刻に上述した計測を繰り返すことにより、光散乱特性
及び光吸収特性に関する諸特性値の時間変化を得ること
ができる。また、散乱吸収体の光入射位置及び光出射位
置を走査しながら上述した計測を繰り返すことにより、
光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値の空間分布
を得ることができる。

【００９１】ここで、相互に異なる波長を有する測定光
が、相互に異なる発振タイミングで周期的に順次発生さ
れることから、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特
性を計測する時間は、測定光の波長毎に測定されるべき
拡散光（測定光）の存続期間に依存して決定され、測定
光に設定する波長の種類数に対する制約を従来よりも低
減している。また、波長選択器ユニットが、相互に異な
る波長の測定光が媒体中で混合している光の中から特定
の波長を有する成分光のみを抽出することから、測定光
の波長毎の発振周波数は従来よりも増大した上限を有す
る。したがって、本発明の計測装置によれば、散乱吸収
体から出射される測定光が混ざり合った成分光を含まな
いように測定光の発振タイミングの間隔を大きくとる必
要がなくなり、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特
性を計測する時間を従来よりも大幅に短縮化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の計測装置の１例の構成を示すブロック
図である。

【図２】図１に示す計測装置において散乱吸収体を通過
する測定光の光路の１例を模式的に示す断面図である。

【図３】図１に示す計測装置において散乱吸収体に入射
される測定光パルスと散乱吸収体から出射された測定光
との時間波形（時間スペクトル）を示すグラフである。

【図４】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波
長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光の時
間波形（ａ）と、散乱吸収体から出射された測定光が入
射される波長選択器ユニットにおける時間−透過率特性
（ｂ）と、波長選択器ユニットを通過した測定光の時間
波形（ｃ）との関係を示すグラフである。

【図５】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波
長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と散
乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラ
フである。

【図６】本発明の計測装置の他の例の構成を示すブロッ
ク図である。

【図７】図６に示す計測装置において、散乱吸収体から
出射された測定光が順次入射される複数のダイクロイッ
クミラーにおける波長−透過率特性を示すグラフであ
る。

【図８】従来の計測装置の１例において、数パルス毎に
波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と
散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグ
ラフである。

【図９】従来の計測装置の他の例において、１組の光源
から交互（半波長分の位相シフト）に散乱吸収体に入射
される波長｛(a):λ₁、(b):λ₂｝が相互に相違する測定
光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示
すグラフである。

【符号の説明】

１，２…計測装置、１０…散乱吸収体、２０，３０，８
０，１１０〜１５０…信号処理系、４０₁ 〜４０_n …光
源、５０…照射用光ガイド、６０…検出用光ガイド、７
０…光整形器、９０…波長選択器ユニット、１００…光
検出器ユニット。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相互に異なる複数の波長を有する測定光
   を発生することが可能な光源と、 前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイ
   ドと、 前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中か
   ら各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能
   な波長選択器ユニットと、 前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の
   時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、 前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイ
   ミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出
   器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制
   御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるととも
   に、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を
   解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理
   系とを備える、散乱吸収体の内部情報の計測装置。
2. 【請求項２】 前記波長選択器ユニットは音響光学変調
   器で構成され、該音響光学変調器は、前記信号処理系か
   ら出力された制御信号に基づいて超音波を発生しかつ前
   記測定光の発振タイミングに同期して該超音波の波長を
   切換え、該測定光の波長と該超音波の波長との比に対応
   する偏向角だけ該測定光を回折させるものであり、かつ
   前記光検出器ユニットは光検出器で構成され、該光検出
   器は、前記音響光学変調器により所定の偏向角だけ回折
   された前記測定光を前記信号処理系から出力された制御
   信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うも
   のである、 請求項１記載の計測装置。
3. 【請求項３】 前記波長選択器ユニットは複数のダイク
   ロイックミラーで構成され、該ダイクロイックミラー
   は、それらの閾波長が前記測定光の隣接する二つの波長
   間にそれぞれ入りかつ昇順または降順に設定されるよう
   に、前記散乱吸収体から前記光検出器ユニットに導かれ
   る前記測定光の光路中に直列に配置されており、かつ前
   記光検出器ユニットは複数の干渉フィルタと複数の光検
   出器とで構成され、該干渉フィルタはそれぞれ、前記ダ
   イクロイックミラーから該干渉フィルタに入射される前
   記測定光の波長にそれぞれ一致する透過中心波長を有し
   ており、該光検出器はそれぞれ、前記干渉フィルタから
   該光検出器に入射される前記測定光を前記信号処理系か
   ら出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間
   分解計測を行うものである、請求項１記載の計測装置。
4. 【請求項４】 前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前
   記測定光を前記波長選択器ユニットに導くための検出用
   光ガイドと、 該検出用光ガイドに光学的に接続され、前記測定光を収
   束して前記波長選択器ユニットに導く光整形器とをさら
   に備える、請求項１〜３のうちのいずれか１項記載の計
   測装置。
5. 【請求項５】 前記光源は、前記信号処理系から出力さ
   れた制御信号に基づいて、前記散乱吸収体に含まれた光
   吸収成分の種類数以上の数であり、かつ該光吸収成分に
   対して相互に異なる吸収係数を有する複数の波長を有す
   る前記測定光をそれぞれ発生する光源群である、請求項
   １〜４のうちのいずれか１項記載の計測装置。