JPH09264842A - 光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光散乱吸光媒質である測定対象物の吸光係数
および光散乱係数をリアルタイムに且つ正確に測定す
る。 【解決手段】 入射光量Ａ算出部１６４により、光散乱
吸光媒質である測定対象物１０２の幾何学的条件と略同
等の条件の下に求められた入射光量、吸光係数および光
散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解は、吸光
係数および光散乱係数が既知である標準試料１０４につ
いて求められた時間分解プロファイルに当てはめ計算が
行われて、実効的入射光量が求められる。次に、測定対
象物１０２について出射光の光強度と時間分解プロファ
イルが求められ、時間分解プロファイル補正部１６２に
より、この時間分解プロファイルが、出射光の光強度に
基づいて補正され、光散乱係数・吸光係数算出部１６６
により、この補正された時間分解プロファイルに、実効
的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめら
れて、測定対象物１０２の吸光係数および光散乱係数が
求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば生体組織に
光パルスを照射して、その透過光や散乱光の時間分解プ
ロファイルを測定して生体組織の吸光係数および光散乱
係数を求め、これに基づいて生体組織の生理状況等を測
定するのに好適に用いられる、光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定方法および測定装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光散乱吸光媒質の光散乱係数
μ_s'（reduced scattering coefficient）および吸光係
数μ_a （absorption coefficient）を測定する手法とし
て、光パルスを光散乱吸光媒質である測定対象物に入射
させ、光散乱吸光媒質内で多重散乱によって時間的に拡
がった光を時間分解分光法（time-resolved spectrosco
py）により時間分解計測し、この計測結果に光拡散方程
式およびフィックの法則の解析的な解を当てはめること
により、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を
求める手法が知られている。

【０００３】図９は、光散乱吸光媒質に入射した光パル
スの多重散乱の説明図であり、図９（ａ）は光散乱吸光
媒質に入射した光パルスの反射光の説明図、図９（ｂ）
は光散乱吸光媒質に入射した光パルスの透過光の説明図
である。この図に示すように、光パルスが光散乱吸光媒
質に入射して多重散乱されて出射した反射光・透過光を
時間分解計測すると、その時間分解プロファイルは、入
射光のプロファイルと比べて時間的に拡がったプロファ
イルになる。そして、この時間分解プロファイルの形状
が光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数に依存す
ることから、時間分解プロファイルの形状に基づいて、
光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を求めるこ
とができる。

【０００４】これに際して、時間分解計測の解析的な解
を求めるための光拡散方程式は、

【数１】 で表される。Ｄは光拡散係数、φは光子密度、ｃは光散
乱吸光媒質中の光速、ｔは時間変数、ｒは位置変数、ｑ
は入射光、μ_s'は光散乱吸光媒質の光散乱係数、μ_a は
光散乱吸光媒質の吸光係数である。光子密度φは、位置
変数ｒおよび時間変数ｔの関数である。また、フィック
の法則は、

【数２】 で表される。Ｊは光子流密度であり、ｄは入射位置と検
出位置との間の距離であり、ｎは光子の流れの向きを表
す。

【０００５】例えば、図９（ａ）に示したような平坦で
均質な光散乱吸光媒質において、（１）式および（２）
式を解くと、反射率Ｒ（ｄ，ｔ）は、

【数３】 なる式で表される（参考文献： M.S.Patterson, et a
l., Applied Optics, Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1
989)）。この（３）式で表される反射率Ｒ（ｄ，ｔ）と
時間分解計測による時間分解プロファイルとから、光散
乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数が求められる。

【０００６】このような測定技術は、例えば、強い光散
乱吸光媒質である生体組織の検査への応用が検討されて
おり、特に、適切な波長を用いて測定することにより、
生体組織中の水、脂肪、糖分などの濃度、また、ビリル
ビンなどの生体内物質の濃度の定量測定への応用が検討
されている。その他、生体組織内には、生理状態の変化
に応じて光吸光スペクトルが変化する物質が数多く存在
する。

【０００７】例えば、血液中に存在するヘモグロビン
は、生体組織の各臓器への酸素運搬の担っているもので
あるが、周囲の酸素濃度に応じて吸光係数が変化する。
そこで、生体組織の吸光係数を測定することにより、生
体組織の酸素代謝情報を得ることができる。また、他の
例として、筋肉中のミオグロビン、細胞のミトコンドリ
ア内に存在するチトクローム等の蛋白質、ニコチンアミ
ドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）等の物質も、生体
組織の酸素代謝状況やエネルギ代謝状況に応じて吸光係
数の変化が起こるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、測定対象物
は、一般的に幾何学的に複雑な形状をしており、光学的
に不均質である。このような光散乱吸光媒質の場合に
は、（１）式および（２）式とを解析的に解くことは困
難である。このような場合であっても、近似的に（３）
式を用いることも考えられるが、誤差が大きい。そこ
で、幾何学的に複雑な形状で光学的に不均質な光散乱吸
光媒質の測定に際しては、（１）式および（２）式とを
有限要素法等の手法を用いて近似的に解くか、あるい
は、モンテカルロシミュレーション等の方法で解析する
ことが行われている。しかし、これらは膨大な計算量を
必要とし、光散乱吸光媒質の光散乱係数およぶ吸光係数
をリアルタイムに測定することは困難である。

【０００９】特に、生体組織内の生理状態を測定しよう
とする場合には、その生理状態の変化が速いので、上述
の物質を計測またはモニタするためには秒単位での繰り
返し測定が必要不可欠である。しかし、生体組織は複雑
な構造をしており、生体組織の構造を単純な幾何学的構
造にモデル化することは困難である。中でも、脳組織
は、一般に筋肉や脳などの臓器よりも光散乱係数が高い
頭蓋骨に囲まれているため、図１０に示すように光の大
部分が脳組織を透過する状況であっても、頭蓋骨におけ
る光散乱の影響が脳組織における光の時間的拡散に影響
を及ぼして、単純な光拡散方程式の解での解析が困難と
なっている。したがって、測定対象物の光散乱係数およ
び吸光係数を正確に測定することができないという問題
点も生じている。

【００１０】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、光散乱吸光媒質が幾何学的に複雑な形
状であったり又は光学的に不均質であっても、その吸光
係数および光散乱係数をリアルタイムに且つ正確に測定
することができる、光散乱吸光媒質の吸光係数および光
散乱係数の測定方法および測定装置を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光散乱吸光
媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法は、(1)光
散乱吸光媒質である測定対象物の幾何学的条件と略同等
の条件の下に、入射光量、吸光係数および光散乱係数を
パラメータとする光拡散方程式の解を求める第１のステ
ップと、(2) 吸光係数および光散乱係数が既知である標
準試料に対して光パルスを照射し、標準試料における多
重散乱に伴って発生した出射光を時間分解計測して第１
の時間分解プロファイルを求める第２のステップと、
(3) 第１の時間分解プロファイルに、標準試料の吸光係
数および光散乱係数それぞれの値が代入された光拡散方
程式の解を当てはめて、実効的入射光量を求める第３の
ステップと、(4) 測定対象物に対して光パルスを照射
し、測定対象物における多重散乱に伴って発生した出射
光の光強度を測定するとともに、該出射光を時間分解計
測して第２の時間分解プロファイルを求める第４のステ
ップと、(5) 第２の時間分解プロファイルを出射光の光
強度に基づいて補正する第５のステップと、(6)第５の
ステップで補正された第２の時間分解プロファイルに、
実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当ては
めて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める
第６のステップと、を備えることを特徴とする。

【００１２】この測定方法によれば、第１のステップで
光散乱吸光媒質である測定対象物の幾何学的条件と略同
等の条件の下に求められた光拡散方程式の解は、第２の
ステップで吸光係数および光散乱係数が既知である標準
試料について求められた第１の時間分解プロファイル
に、第３のステップにおいて当てはめ計算が行われて、
実効的入射光量が求められる。次に、第４のステップ
で、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間分
解プロファイルが求められ、第５のステップで、第２の
時間分解プロファイルは出射光の光強度に基づいて補正
され、第６のステップで、第５のステップで補正された
第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入
された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物
の吸光係数および光散乱係数が求められる。

【００１３】第２のステップは、単一光子検出時間相関
法により、第１の時間分解プロファイルを求め、第４の
ステップは、単一光子検出時間相関法により、出射光の
光強度を測定するとともに第２の時間分解プロファイル
を求めることとしてもよい。この場合、出射光が微弱で
あっても、吸光係数および散乱係数を正確に求めること
ができる。

【００１４】第２のステップは、互いに時間的に重なる
ことなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスを標準
試料に照射して、第１の時間分解プロファイルを求め、
第３のステップは、第１の時間分解プロファイルに基づ
いて、複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分
解プロファイルを求めて、複数の波長の光パルスそれぞ
れについての実効的入射光量を求め、第４のステップ
は、複数の波長の光パルスを測定対象物に照射して、出
射光の光強度を測定するとともに、第２の時間分解プロ
ファイルを求め、第５のステップは、第２の時間分解プ
ロファイルに基づいて複数の波長の光パルスそれぞれに
ついての時間分解プロファイルを求めて補正し、第６の
ステップは、複数の波長の光パルスそれぞれについて測
定対象物の吸光係数および光散乱係数を求めることとし
てもよい。この場合、分光分析が可能となる。

【００１５】また、本発明に係る光散乱吸光媒質の吸光
係数および光散乱係数の測定装置は、(1) 光パルスを出
力して、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸
光係数および光散乱係数が既知である標準試料に光パル
スを入射させる光パルス光源部と、(2) 光パルスが照射
された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴
って発生した出射光の光強度を測定する光強度測定部
と、(3) 出射光を時間分解計測して、時間分解プロファ
イルを求める光強度時間分解測定部と、(4) 標準試料に
光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部によ
り測定された出射光の時間分解プロファイルに、測定対
象物の幾何学的条件と略同等の条件の下に解かれた光拡
散方程式の解に標準試料の吸光係数および散乱係数それ
ぞれの値が代入されたものを当てはめて、実効的入射光
量を求める入射光量算出手段と、(5) 測定対象物に光パ
ルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測
定された出射光の時間分解プロファイルを、光強度測定
部により測定された出射光の光強度に基づいて補正する
時間分解プロファイル補正手段と、(6) 時間分解プロフ
ァイル補正手段により補正された時間分解プロファイル
に、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当
てはめて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求
める光散乱係数・吸光係数算出手段と、を備えることを
特徴とする。

【００１６】この測定装置によれば、光パルス光源部か
ら出力された光パルスは、光散乱吸光媒質である測定対
象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である
標準試料に入射される。光パルスが照射された測定対象
物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出
射光の強度は、光強度測定部により測定される。また、
その出射光は、光強度時間分解測定部により、時間分解
計測されて、時間分解プロファイルを求められる。入射
光量算出手段により、標準試料に光パルスが照射された
ときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の
時間分解プロファイルに、測定対象物の幾何学的条件と
略同等の条件の下に解かれた光拡散方程式の解が当ては
められて、実効的入射光量が求められる。時間分解プロ
ファイル補正手段により、測定対象物に光パルスが照射
されたときに光強度時間分解測定部により測定された出
射光の時間分解プロファイルが、光強度測定部により測
定された出射光の光強度に基づいて補正される。そし
て、光散乱係数・吸光係数算出手段により、時間分解プ
ロファイル補正手段により補正された時間分解プロファ
イルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解
が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱
係数が求められる。

【００１７】光強度測定部は、出射光の個々の光子を検
出して電気的パルス信号を出力する単光子検出部と、電
気的パルス信号を計数して出射光の光強度を求めるパル
スカウンタを備え、光強度時間分解測定部は、光パルス
の出射時刻から電気的パルス信号の発生時刻までの時間
に応じた波高値の電気信号を出力する時間パルス波高変
換部と、電気信号の波高値分布を生成して時間分解プロ
ファイルを出力する波高分析部を備えることとしてもよ
い。この場合、単一光子検出時間相関法により出射光の
光強度および時間分解プロファイルが得られるので、出
射光が微弱であっても、吸光係数および散乱係数を正確
に求めることができる。

【００１８】更に、(1) 互いに時間的に重なることなく
且つ互いに異なる複数の波長の光パルスが照射された測
定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生
した出射光について光強度時間分解測定部により測定さ
れた時間分解プロファイルに基づいて、複数の波長の光
パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求め
る各波長時間分解プロファイル決定部と、(2) 複数の波
長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイル
および光強度測定部により測定された出射光の光強度に
基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての出
射光の光強度を求める各波長検出強度決定部と、を備
え、(a) パルス光源部は、複数の波長の光パルスそれぞ
れを順次出力し、(b) 入射光量算出手段は、複数の波長
の光パルスそれぞれについて実効的入射光量を求め、
(c) 時間分解プロファイル補正手段は、複数の波長の光
パルスそれぞれについて時間分解プロファイルを補正
し、(d)光散乱係数・吸光係数算出手段は、複数の波長
の光パルスそれぞれについて測定対象物の吸光係数およ
び光散乱係数を求める、こととしてもよい。この場合、
分光分析が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明におい
て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。

【００２０】（第１の実施形態）先ず、第１の実施形態
について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光散
乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構
成図である。

【００２１】光パルス光源１１０は、一定強度の光パル
スを出力する。この光パルスは、入射用導光部１２０を
経て、光散乱吸光媒質である測定対象物１０２、また
は、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料１
０４に照射される。光パルス照射に伴い、測定対象物１
０２または標準試料１０４において多重散乱に伴って発
生した透過光または反射光は、受光用導光部１３０を経
て、光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部
１５０に入射する。

【００２２】ここで、入射用導光部１２０および受光用
導光部１３０それぞれとして、例えば光ファイバが用い
られる。また、受光用導光部１３０は、入射端は１つで
あるが、途中で２分岐しており２つの出射端を有し、一
方の出射端が光パワーメータ１４０に接続されており、
他方の出射端が光強度時間分解測定部１５０に接続され
ている。光パワーメータ１４０は、測定対象物１０２ま
たは標準試料１０４の内部で多重散乱した後に透過また
は反射して出射した光パルスの時間平均的な光強度Ｉ
_obs を計測する。また、光強度時間分解測定部１５０
は、例えばストリーク管が好適に用いられ、光パルス光
源１１０から出力される光パルスに同期したトリガー信
号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻と
して、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で
多重散乱した後に透過または反射して出射した光パルス
の光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)を測定する。

【００２３】光パワーメータ１４０により測定された光
強度Ｉ_obs 、および、光強度時間分解測定部１５０によ
り測定された光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)
は、演算部１６０に入力する。そして、演算部１６０
は、光強度時間分解測定部１５０により測定された光強
度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)が測定対象物１０２
および標準試料１０４の何れについてのものであるかに
依って以下の処理を行う。

【００２４】標準試料１０４から反射または透過した光
パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、演
算部１６０の入射光量Ａ算出部１６４により、

【数４】 なる当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａが決
定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自乗
法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、測
定対象物１０２の幾何学的条件と略同等の条件の下に解
かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間変
数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_aをパラメータ
とするものである。ただし、ここでは、標準試料１０４
は光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知であり、光
拡散方程式の解には、これら既知の光散乱係数μ_s'およ
び吸光係数μ_a それぞれの値が代入されている。

【００２５】一方、測定対象物１０２から反射または透
過した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ
_obs(t)は、光パワーメータ１４０で測定された光強度Ｉ
_obs とともに、演算部１６０の時間分解プロファイル補
正部１６２により、

【数５】 なる演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補
正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が得られ
る。

【００２６】そして、演算部１６０の光散乱係数・吸光
係数算出部１６６は、時間分解プロファイル補正部１６
２で得られた補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ
_obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）とか
ら、

【数６】 なる当てはめ計算を行い、測定対象物１０２の光散乱係
数μ_s'および吸光係数μ_a を求める。この当てはめ計算
に際しても例えば最小自乗法が用いられる。（６）式に
おける値Ａは、（４）式で求められた実効的な入射光量
Ａの値が用いられる。

【００２７】次に、本実施形態に係る測定装置を用いた
測定方法について説明する。先ず、第１のステップとし
て、予め、演算部１６０は、光散乱吸光媒質である測定
対象物１０２の幾何学的条件と略同等の条件の下に、入
射光量、光散乱係数μ_a および吸光係数μ_s'をパラメー
タとする光拡散方程式（（１）式）の解を求めておく。

【００２８】第２のステップとして、標準試料１０４に
ついて測定を行って光強度Ｉ_obs および時間分解プロフ
ァイルｆ_obs(t)を求める。すなわち、光パルス光源１１
０から光パルスを出射し、その光パルスを入射用導光部
１２０を経て標準試料１０４に対して入射させる。そし
て、標準試料１０４から出力された光パルスの反射光ま
たは透過光を、受光用導光部１３０を経て光パワーメー
タ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに
入射させて、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間
分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれを測定する。

【００２９】そして、第３のステップとして、この標準
試料１０４について求められた光強度Ｉ_obs および時間
分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、実効的な入射光
量Ａを求める。すなわち、入射光量Ａ算出部１６４によ
り、光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)
を用いて、（４）式の当てはめ計算が行われて、実効的
な入射光量Ａが求められる。

【００３０】続いて、第４のステップとして、標準試料
１０４に替えて測定対象物１０２に対して、同様に、光
パルス光源１１０から出射された光パルスが入射され、
測定対象物１０２から出力された光パルスの反射光また
は透過光が、受光用導光部１３０を経て、光パワーメー
タ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに
入射して、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間分
解プロファイルｆ_obs(t)それぞれが測定される。

【００３１】そして、第５のステップとして、時間分解
プロファイル補正部１６２により、測定対象物１０２に
ついて得られた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイ
ルｆ_obs(t)に基づいて、（５）式に従って、補正された
時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が求められる。さら
に、第６のステップとして、光散乱係数・吸光係数算出
部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行われて、
測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a
が求められる。

【００３２】このような構成としたことにより、（６）
式の当てはめ計算に際して入射光の実効値Ａについては
既知であるので、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'お
よび吸光係数μ_a の２つの値のみを求めればよい。した
がって、これらの値を短時間に算出することが可能とな
り、測定対象物１０２が生体試料であっても、その生理
変化の様子をリアルタイムに測定することができる。

【００３３】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
について説明する。図２は、第２の実施形態に係る光散
乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構
成図である。本実施形態に係る測定装置は、単一光子検
出時間相関法により光強度Ｉ_obs および時間分解プロフ
ァイルｆ_obs(t)それぞれを測定するものであり、測定対
象物からの出射光が微弱である場合に好適に用いられる
ものである。

【００３４】本実施形態では、光パルス光源１１０から
出力された光パルスは、入射用導光部１２０を経て測定
対象物１０２または標準試料１０４に入射し、測定対象
物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後
に出射された反射光または透過光は、受光用導光部１３
２を経て単光子検出部１７０により光子検出されて電気
パルス信号に変換される。この単光子検出部１７０とし
て例えば光電子増倍管が好適に用いられる。

【００３５】この単光子検出部１７０から出力された電
気パルス信号は、パルスカウンタ１７２および時間パル
ス波高変換部１７４に入力する。パルスカウンタ１７２
は、単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号
を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出
力する。

【００３６】一方、時間パルス波高変換部１７４は、光
パルス光源１１０から出力された光パルスに同期したト
リガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基
準時刻として、単光子検出部１７０から出力された電気
パルス信号が入力される時刻に応じた波高値を有する電
気パルス信号を出力する。波高分析部１７６は、この時
間パルス波高変換部１７４から出力された電気パルス信
号を入力して、その波高値毎に計数して波高分布を求
め、この波高分布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)とし
て出力する。

【００３７】このようにして単一光子検出時間相関法に
より測定された光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイ
ルｆ_obs(t)は、前述の第１の実施形態と同様に、演算部
１６０に入力される。そして、入射光量Ａ算出部１６４
により、標準試料１０４を用いた測定により得られた時
間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（４）式に当
てはめ計算が行われて、入射光の実効値Ａが求められ
る。次に、時間分解プロファイル補正部１６２により、
測定対象物１０２を用いた測定により得られた光強度Ｉ
_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、
（５）式に従って、補正された時間分解プロファイルｋ
・ｆ_obs(t)が算出される。さらに、光散乱計数・吸光計
数算出部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行わ
れて、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係
数μ_a が求められる。

【００３８】このような構成として単一光子検出時間相
関法を採用したことにより、測定対象物１０２に光パル
スが入射して多重散乱した後に出射される出射光が微弱
であっても、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を
精度よく且つリアルタイムに測定することができる。

【００３９】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。図３は、第３の実施形態に係る光散
乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構
成図である。本実施形態に係る測定装置は、複数の光パ
ルス光源を備えて、複数波長それぞれについて光散乱係
数μ_s'および吸光係数μ_a を求めることができ、分光分
析にも応用できるものである。

【００４０】複数の光パルス光源２１１，２１２，…，
２１Ｎそれぞれは、互いに異なる波長λ₁ ，λ₂ ，…，
λ_N それぞれの光パルスを出力するものであり、トリガ
ー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号に基づ
いて、順次光パルスを１パルスづつ出力する。複数の光
パルス光源２１１〜２１Ｎそれぞれから出力された光パ
ルスそれぞれは、入射用導光部２２０のそれぞれの入射
端に入射して合波された後、入射用導光部２２０の出射
端から、測定対象物１０２または標準試料１０４に照射
される。そして、この光パルス照射に伴って測定対象物
１０２または標準試料１０４から出射された反射光また
は透過光は、受光用導光部２３０を経て単光子検出部２
７０により光子検出されて電気パルス信号に変換され
る。

【００４１】この単光子検出部２７０から出力された電
気パルス信号は、パルスカウンタ２７２および時間パル
ス波高変換部２７４に入力する。パルスカウンタ２７２
は、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号
を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出
力する。

【００４２】一方、時間パルス波高変換部２７４は、ト
リガー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号を
も入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻とし
て、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号
が入力される時刻に応じた波高値を有する電気パルス信
号を出力する。波高分析部２７６は、この時間パルス波
高変換部２７４から出力された電気パルス信号を入力し
てその波高値毎に計数して波高分布を求め、この波高分
布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)として出力する。

【００４３】この複数の光パルス光源２１１，２１２，
…，２１Ｎそれぞれから出力された光パルスの強度波
形、および、波高分析部２７６により生成される時間分
解プロファイルｆ_obs(t)を図４に示す。この図に示すよ
うに、トリガー信号発生器２７８から出力される１つの
トリガー信号に対して、光パルス光源２１１〜２１Ｎそ
れぞれから順次に光パルスが出力される。ここで、各光
パルスは互いに時間的に重なることはなく、また、各波
長λ_i 毎の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)も互いに時
間的に重なることはない（i=1,2,…,N）。

【００４４】この波高分析部２７６により生成された時
間分解プロファイルｆ_obs(t)は、各波長時間分解プロフ
ァイル決定部２６８により、各波長λ_i 毎に分解され
て、各波長λ_i それぞれについての時間分解プロファイ
ルｆ_i,obs(t)が得られる（i=1,2,…,N）。さらに、各波
長検出強度決定部２６９により、各波長λ_i 毎の光強度
Ｉ_i,obs （i=1,2,…,N）が以下のようにして求められ
る。すなわち、パルスカウンタ２７２により求められた
光強度Ｉ_obs は、各波長λ_i の光強度Ｉ_i,obs （i=1,2,
…,N）の和、すなわち、

【数７】 で表され、また、各波長λ_i についての光強度Ｉ_i,obs
は時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)の時間積分値に比例
し（i=1,2,…,N）、

【数８】 なる関係式が成り立つ。これらの関係式から、各波長λ
_i の光パルスについての光強度Ｉ_i,obs が求められる
（i=1,2,…,N）。また、（５）式と同様の

【数９】 なる関係式が各波長λ_i （i=1,2,…,N）の光パルスにつ
いて成立する。

【００４５】したがって、前述の第１または第２の実施
形態と同様にして、各波長λ_i それぞれについて、光強
度Ｉ_i,obs および時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)に基
づいて測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係
数μ_a が求められる（i=1,2,…,N）。すなわち、標準試
料１０４から反射または透過した波長λ_i の光パルスの
光強度の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)は、演算部２
６０の各波長入射光量Ａ_i算出部２６４により、（４）
式の当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａ_iが
決定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自
乗法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、
測定対象物１０２の幾何学的条件と略同等の条件の下に
解かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間
変数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a をパラメー
タとするものである。ただし、標準試料１０４の場合で
あるので、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知で
ある。

【００４６】一方、測定対象物１０２から反射または透
過した波長λ_i の光パルスの光強度の時間分解プロファ
イルｆ_i,obs(t)は、各波長検出強度決定部２６９で決定
された光強度Ｉ_i,obs とともに、演算部２６０の各波長
時間分解プロファイル補正部２６２により、（９）式の
演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補正さ
れた時間分解プロファイルｋ・ｆ_i,obs(t)が得られる。

【００４７】そして、演算部２６０の各波長光散乱係数
・吸光係数算出部２６６は、各波長時間分解プロファイ
ル補正部２６２で得られた補正された時間分解プロファ
イルｋ・ｆ_i,obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ
_s',μ_a）とから、（６）式の当てはめ計算を行い、測定
対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求
める。この当てはめ計算に際しても例えば最小自乗法が
用いられる。（６）式における値Ａ_i は、（４）式で求
められた実効的な入射光量Ａ_iの値が用いられる。

【００４８】このような構成としたことにより、各波長
毎に測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数
μ_a の２つの値のみを求めればよく、したがって、これ
らの値を短時間に算出することが可能となり、測定対象
物１０２が生体試料であっても、その生理変化の様子を
リアルタイムに多波長で分光測定することができる。

【００４９】（測定例）次に、第２の実施形態に係る測
定装置を用いた測定例について説明する。この測定にお
いて、測定対象物１０２は、麻酔下にある子豚の頭部で
あり、図５に示すように、照明用導光部１２０および受
光用導光部１３２が互いに３ｃｍの距離だけ離れて固定
配置されている。この子豚は、人工呼吸器につながれて
いて吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）の調整が可能となってい
る。

【００５０】光パルス光源１１０としてレーザ光源（波
長７６０ｎｍ、パルス幅約１ピコ秒程度）を用い、この
子豚頭部（測定対象物１０２）に、光パルス光源１１０
から出力され照明用導光部１２０を経た光パルスを入射
し、子豚頭部からの反射光を受光用導光部１３２を経て
単光子検出部１７０で光子検出し、時間パルス波高変換
部１７４および波高分析部１７６により時間分解プロフ
ァイルを求めた。その測定結果を図６に示す。

【００５１】この図において、破線は、本測定で用いた
時間分解プロファイル測定系（単光子検出部１７０、時
間パルス波高変換部１７４および波高分析部１７６）の
測定精度を示すものであり、光パルス光源１１０から出
力されたパルス幅数ピコ秒の光パルスをそのまま受光し
た場合であっても、この破線に示す程度の拡がりのある
パルスとして検出されることを示している。点は、実際
に光パルス光源１１０からの光パルスを測定対象物１０
２に入射し、その測定対象物１０２から出射した反射光
について、波高分析部１７６により得られた時間分解プ
ロファイルの測定結果を示す。

【００５２】実線は、標準試料１０４について求めた実
効的な入射光量Ａと、点で示された測定対象物（子豚頭
部）１０２での時間分解プロファイルとから、破線で示
された時間分解プロファイル測定系の測定精度をも考慮
して、時間分解プロファイル補正部１６２による（５）
式の補正計算および光散乱係数・吸光係数算出部１６６
による（６）式の当てはめ計算を行った結果を示す。こ
の当てはめ計算の結果、子豚頭部内の光散乱係数の値と
して０．９２ｍｍ^-1、吸光係数の値として０．０１２ｍ
ｍ^-1が得られた。ここで、標準試料は、波長８００ｎｍ
において、光散乱係数が１ｍｍ^-1であり、吸光係数が
０．０１ｍｍ^-1である試料である。また、実効的な入射
光量Ａは、この標準試料１０４に光パルスを入射して得
られた出射光の光強度および時間分解プロファイルに基
づいて、入射光量Ａ算出部１６４における（４）式の当
てはめ計算により決定された値である。

【００５３】この測定を繰り返し行い、その間に人工呼
吸器による子豚への吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）を、当初
２０．９％（即ち、空気中の酸素濃度）、次に１００
％、最後に１４．６％というようにステップ状に変化さ
せて同様に測定した。また、子豚頭部への実効的な入射
光量Ａは一定であるとして同様の（６）式の当てはめ計
算を行った。その結果のグラフを図７に示す。図７
（ａ）は、光散乱係数・吸光係数算出部１６６により
（６）式の当てはめ計算の結果として得られた子豚頭部
内の光散乱係数（図中の○印）および吸光係数（図中の
△印）の変化の様子を、図７（ｂ）は、パルスカウンタ
１７２により得られた光強度Ｉ_obs の変化の様子を、そ
れぞれ示す。

【００５４】図７（ａ）に示すように、子豚の吸入酸素
濃度が高くなれば、吸光係数は小さくなり、逆に、子豚
の吸入酸素濃度が低くなれば、吸光係数は大きくなって
いることが判る。この結果は、以下のように説明され
る。すなわち、近赤外領域（波長６５０ｎｍ〜１３００
ｎｍ）の光の生体内における吸収は、血液中のヘモグロ
ビンによる吸収が大部分であり、その中でも特に波長７
６０ｎｍ付近の光は、酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ₂ ）
より脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に強く吸収される。
したがって、子豚の吸入酸素濃度を下げると、子豚頭部
内の酸素濃度が減少し、血液中の脱酸素化ヘモグロビン
（Ｈｂ）の割合が高くなり、子豚頭部内の吸光係数が高
くなる。つまり、吸光係数の変化は、子豚頭部内のヘモ
グロビンの脱酸素化を反映したものとなっていることが
判る。

【００５５】また、図７（ａ）および（ｂ）から、子豚
の吸入酸素濃度が２０．９％または１００％の場合に
は、光散乱係数は殆ど一定であるが、子豚の吸入酸素濃
度が１４．６％になると、これに伴って、子豚頭部内に
おいて酸素交換が行われなくなり脱酸素化ヘモグロビン
（Ｈｂ）の割合が大きくなって子豚頭部内の吸光係数が
増加し、これにやや遅れて、子豚頭部内の光散乱係数が
減少していることが認められる。

【００５６】この本発明に係る測定方法による測定結果
を、従来の方法による測定結果と比較してみる。図８
は、従来の方法による測定結果を示すグラフである。実
験条件は、本発明に係る測定における条件と同様であ
る。この図８を見ると、従来方法では、子豚への吸入酸
素濃度が２０．６％から１００％に変化しても、測定に
より得られた吸光係数は殆ど変化していない。また、子
豚への吸入酸素濃度が１００％から１４．６％に変化し
たときに、吸光係数と光散乱係数とは略同時に変化を開
始している。

【００５７】以上のことから、従来方法では、吸光係数
の変化と光散乱係数の変化とが分離測定されておらず、
正確な測定結果が得られていないのに対して、本発明に
係る測定方法によれば、吸光係数と光散乱係数とが分離
して測定され、より正確な測定結果が得られていること
が判る。

【００５８】また、従来方法では、測定対象物について
得られた時間分解プロファイルに基づいて当てはめ計算
を行って吸光係数および光散乱係数を算出するのに、約
５秒要していたのに対して、本発明に係る方法によれ
ば、計算量が削減されたことにより、約２秒であった。
したがって、本発明によれば、生理状態が時々刻々と変
化する生体組織の吸光係数および光散乱係数をリアルタ
イムに測定することができる。

【００５９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明によ
れば、先ず、光散乱吸光媒質である測定対象物の幾何学
的条件と略同等の条件の下に求められた入射光量、吸光
係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式
の解は、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試
料について求められた第１の時間分解プロファイルに当
てはめ計算が行われて、実効的入射光量が求められる。
次に、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間
分解プロファイルが求められ、この第２の時間分解プロ
ファイルは出射光の光強度に基づいて補正され、この補
正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光
量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測
定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。

【００６０】このような構成としたので、測定対象物に
ついて得られた第２の時間分解プロファイルに光拡散方
程式の解の当てはめ計算を行う際には、実効的入射光量
が既に得られているので、光散乱係数および吸光係数の
２変数のみについて解析すればよく、従来技術に比べて
計算量が少なくて済み、リアルタイム測定が可能とな
る。したがって、時間経過とともに変化する生体組織の
生理状態を観察する場合であっても、リアルタイムに観
察することが可能となる。

【００６１】さらに、実効的入射光量については標準試
料を用いて求め、測定対象物の光散乱係数および吸光係
数については、第２の時間分解プロファイルに光拡散方
程式の解の当てはめ計算を行うことに求めることとした
ので、それぞれの測定を正確に行うことが可能となり、
測定対象物の光散乱係数および吸光係数それぞれの変化
を分離して測定することが可能となる。

【００６２】また、単一光子検出時間相関法により出射
光の光強度および時間分解プロファイルを測定すれば、
その出射光が微弱である場合でも、測定対象物の光散乱
係数および吸光係数を精度良く測定することができる。

【００６３】また、複数波長の光パルスを順次に測定対
象物または標準試料に照射して、複数波長の光パルスそ
れぞれについて出射光の光強度および時間分解プロファ
イルを求めることにより、分光分析を行うことができ、
更に有用な情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置の構成図である。

【図２】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置の構成図である。

【図３】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置の構成図である。

【図４】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置における複数の光パルス
光源それぞれから出力された光パルスの強度波形、およ
び、波高分析部により生成される時間分解プロファイル
である。

【図５】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における測
定対象物の説明図である。

【図６】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における時
間分解測定結果を示す図である。

【図７】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係
数および光散乱係数の測定装置を用いた測定において、
吸入酸素濃度を、当初２０．９％（即ち、空気中の酸素
濃度）、次に１００％、最後に１４．６％というように
ステップ状に変化させた場合の測定結果を示すグラフで
ある。

【図８】従来の方法による測定結果を示すグラフであ
る。

【図９】光散乱吸光媒質に入射した光パルスの多重散乱
の説明図である。

【図１０】頭蓋骨の中の脳組織に光パルスを入射したと
きの光検出の説明図である。

【符号の説明】

１０２…測定対象物、１０４…標準試料、１１０…光パ
ルス光源、１２０…入射用導光部、１３０，１３２…受
光用導光部、１４０…光パワーメータ、１５０…光強度
時間分解測定部、１６０…演算部、１６２…時間分解プ
ロファイル補正部、１６４…入射光量Ａ算出部、１６６
…光散乱係数・吸光係数算出部、１７０…単光子検出
部、１７２…パルスカウンタ、１７４…時間パルス波高
変換部、１７６…波高分析部、２１１，２１２，…，２
１Ｎ…光パルス光源、２２０…入射用導光部、２３０…
受光用導光部、２６０…演算部、２６２…各波長時間分
解プロファイル補正部、２６４…各波長入射光量Ａi算
出部、２６６…光散乱係数・吸光係数算出部、２６８…
各波長時間分解プロファイル決定部、２６９…各波長検
出強度決定部、２７０…単光子検出部、２７２…パルス
カウンタ、２７４…時間パルス波高変換部、２７６…波
高分析部、２７８…トリガー信号発生器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光散乱吸光媒質である測定対象物の幾何
   学的条件と略同等の条件の下に、入射光量、吸光係数お
   よび光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解を
   求める第１のステップと、 吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に対し
   て光パルスを照射し、前記標準試料における多重散乱に
   伴って発生した出射光を時間分解計測して第１の時間分
   解プロファイルを求める第２のステップと、 前記第１の時間分解プロファイルに、前記標準試料の吸
   光係数および光散乱係数それぞれの値が代入された前記
   光拡散方程式の解を当てはめて、実効的入射光量を求め
   る第３のステップと、 前記測定対象物に対して光パルスを照射し、前記測定対
   象物における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度
   を測定するとともに、該出射光を時間分解計測して第２
   の時間分解プロファイルを求める第４のステップと、 前記第２の時間分解プロファイルを前記出射光の光強度
   に基づいて補正する第５のステップと、 前記第５のステップで補正された前記第２の時間分解プ
   ロファイルに、前記実効的入射光量が代入された前記光
   拡散方程式の解を当てはめて、前記測定対象物の吸光係
   数および光散乱係数を求める第６のステップと、 を備えることを特徴とする光散乱吸光媒質の吸光係数お
   よび光散乱係数の測定方法。
2. 【請求項２】 前記第２のステップは、単一光子検出時
   間相関法により、前記第１の時間分解プロファイルを求
   め、 前記第４のステップは、単一光子検出時間相関法によ
   り、前記出射光の光強度を測定するとともに前記第２の
   時間分解プロファイルを求める、 ことを特徴とする請求項１記載の光散乱吸光媒質の吸光
   係数および光散乱係数の測定方法。
3. 【請求項３】 前記第２のステップは、互いに時間的に
   重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルス
   を前記標準試料に照射して、前記第１の時間分解プロフ
   ァイルを求め、 前記第３のステップは、前記第１の時間分解プロファイ
   ルに基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれにつ
   いての時間分解プロファイルを求めて、前記複数の波長
   の光パルスそれぞれについての前記実効的入射光量を求
   め、 前記第４のステップは、前記複数の波長の光パルスを前
   記測定対象物に照射して、前記出射光の光強度を測定す
   るとともに、前記第２の時間分解プロファイルを求め、 前記第５のステップは、前記第２の時間分解プロファイ
   ルに基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれにつ
   いての時間分解プロファイルを求めて補正し、 前記第６のステップは、前記複数の波長の光パルスそれ
   ぞれについて前記測定対象物の吸光係数および光散乱係
   数を求める、 ことを特徴とする請求項１記載の光散乱吸光媒質の吸光
   係数および光散乱係数の測定方法。
4. 【請求項４】 光パルスを出力して、光散乱吸光媒質で
   ある測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が
   既知である標準試料に前記光パルスを入射させる光パル
   ス光源部と、 前記光パルスが照射された前記測定対象物または前記標
   準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の光強
   度を測定する光強度測定部と、 前記出射光を時間分解計測して、時間分解プロファイル
   を求める光強度時間分解測定部と、 前記標準試料に前記光パルスが照射されたときに前記光
   強度時間分解測定部により測定された前記出射光の時間
   分解プロファイルに、測定対象物の幾何学的条件と略同
   等の条件の下に解かれた光拡散方程式の解に前記標準試
   料の吸光係数および散乱係数それぞれの値が代入された
   ものを当てはめて、実効的入射光量を求める入射光量算
   出手段と、 前記測定対象物に前記光パルスが照射されたときに前記
   光強度時間分解測定部により測定された前記出射光の時
   間分解プロファイルを、前記光強度測定部により測定さ
   れた前記出射光の光強度に基づいて補正する時間分解プ
   ロファイル補正手段と、 前記時間分解プロファイル補正手段により補正された前
   記時間分解プロファイルに、前記実効的入射光量が代入
   された前記光拡散方程式の解を当てはめて、前記測定対
   象物の吸光係数および光散乱係数を求める光散乱係数・
   吸光係数算出手段と、 を備えることを特徴とする光散乱吸光媒質の吸光係数お
   よび光散乱係数の測定装置。
5. 【請求項５】 前記光強度測定部は、前記出射光の個々
   の光子を検出して電気的パルス信号を出力する単光子検
   出部と、前記電気的パルス信号を計数して前記出射光の
   光強度を求めるパルスカウンタを備え、 前記光強度時間分解測定部は、前記光パルスの出射時刻
   から前記電気的パルス信号の発生時刻までの時間に応じ
   た波高値の電気信号を出力する時間パルス波高変換部
   と、前記電気信号の波高値分布を生成して前記時間分解
   プロファイルを出力する波高分析部を備える、 ことを特徴とする請求項４記載の光散乱吸光媒質の吸光
   係数および光散乱係数の測定装置。
6. 【請求項６】 互いに時間的に重なることなく且つ互い
   に異なる複数の波長の光パルスが照射された前記測定対
   象物または前記標準試料における多重散乱に伴って発生
   した出射光について前記光強度時間分解測定部により測
   定された時間分解プロファイルに基づいて、前記複数の
   波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイ
   ルを求める各波長時間分解プロファイル決定部と、 前記複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解
   プロファイルおよび前記光強度測定部により測定された
   前記出射光の光強度に基づいて、前記複数の波長の光パ
   ルスそれぞれについての前記出射光の光強度を求める各
   波長検出強度決定部と、 を更に備え、 前記パルス光源部は、前記複数の波長の光パルスそれぞ
   れを順次出力し、 前記入射光量算出手段は、前記複数の波長の光パルスそ
   れぞれについて前記実効的入射光量を求め、 前記時間分解プロファイル補正手段は、前記複数の波長
   の光パルスそれぞれについて前記時間分解プロファイル
   を補正し、 前記光散乱係数・吸光係数算出手段は、前記複数の波長
   の光パルスそれぞれについて前記測定対象物の吸光係数
   および光散乱係数を求める、 ことを特徴とする請求項４記載の光散乱吸光媒質の吸光
   係数および光散乱係数の測定装置。