JPH0961359A - 濃度測定装置 - Google Patents
濃度測定装置Info
- Publication number
- JPH0961359A JPH0961359A JP7220493A JP22049395A JPH0961359A JP H0961359 A JPH0961359 A JP H0961359A JP 7220493 A JP7220493 A JP 7220493A JP 22049395 A JP22049395 A JP 22049395A JP H0961359 A JPH0961359 A JP H0961359A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- scattering medium
- concentration
- measuring device
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 散乱吸収体内の吸収物質濃度を高精度かつ非
侵襲で定量測定できる濃度測定装置を提供する。 【構成】 本発明の濃度測定装置は、光源２から出力さ
れ、散乱吸収体を透過したパルス光を測定する際、検出
器６にパルス状のゲート電圧ＧＣを印加し、透過光と同
期したタイミングの光信号を検出することにより、検出
器６の時間応答特性の影響をあまり受けないで、散乱吸
収体４を透過したパルス光の吸収係数を精度良く計測す
る。散乱吸収体４を透過した光の時間応答特性、主に光
の減衰率を検出器６の時間応答特性に影響されることな
く、正確に求めることによって散乱体４内部の吸収物質
濃度を精度良く測定する。
侵襲で定量測定できる濃度測定装置を提供する。 【構成】 本発明の濃度測定装置は、光源２から出力さ
れ、散乱吸収体を透過したパルス光を測定する際、検出
器６にパルス状のゲート電圧ＧＣを印加し、透過光と同
期したタイミングの光信号を検出することにより、検出
器６の時間応答特性の影響をあまり受けないで、散乱吸
収体４を透過したパルス光の吸収係数を精度良く計測す
る。散乱吸収体４を透過した光の時間応答特性、主に光
の減衰率を検出器６の時間応答特性に影響されることな
く、正確に求めることによって散乱体４内部の吸収物質
濃度を精度良く測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、散乱吸収体内の光
吸収物質の濃度測定技術に属する。
吸収物質の濃度測定技術に属する。
【０００２】
【従来の技術及び本発明が解決しようとする課題】散乱
体中の吸収物質濃度を定量的に計測する手法として、時
間分解分光法が提案されている（例えば、米国特許第
５，１１９，８１５号）。この手法は、光パルスを生体
のような散乱吸収体に入射した時、生体組織内部での散
乱のため時間的に広がった光パルスプロファイルが観測
され、時間変化に対する光強度変化を示すプロファイル
が得られる。生体組織内部の吸収濃度は、得られたプロ
ファイルの光強度を対数でとり、この光強度の時間に対
する傾きにより求めることができる。
体中の吸収物質濃度を定量的に計測する手法として、時
間分解分光法が提案されている（例えば、米国特許第
５，１１９，８１５号）。この手法は、光パルスを生体
のような散乱吸収体に入射した時、生体組織内部での散
乱のため時間的に広がった光パルスプロファイルが観測
され、時間変化に対する光強度変化を示すプロファイル
が得られる。生体組織内部の吸収濃度は、得られたプロ
ファイルの光強度を対数でとり、この光強度の時間に対
する傾きにより求めることができる。
【０００３】上記手法では一般的に時間分解単一光電子
計測法が用いられる。時間分解単一光電子計測法は、入
射する各光パルスに対し検出する光の量は光子１個に限
られる。つまり、散乱吸収体である生体組織に入射した
光パルスが生体組織内部を透過し、検出器に到達する光
の量が十分多く有するような場合には、光子１個以下に
なるよう減光する必要があるため、データ取得に長時間
を要するという欠点がある。また時間分解単一光電子計
測法は使用する装置が高価であるため、応用分野がある
程度限定される。
計測法が用いられる。時間分解単一光電子計測法は、入
射する各光パルスに対し検出する光の量は光子１個に限
られる。つまり、散乱吸収体である生体組織に入射した
光パルスが生体組織内部を透過し、検出器に到達する光
の量が十分多く有するような場合には、光子１個以下に
なるよう減光する必要があるため、データ取得に長時間
を要するという欠点がある。また時間分解単一光電子計
測法は使用する装置が高価であるため、応用分野がある
程度限定される。
【０００４】以上の問題を解決する手段として、Ｂ．Ｃ
ｈａｎｃｅとＫ．Ｋａｕｆａｍａｎｎよりボックスカー
積分器を用いた装置の提案がされた（米国特許番号第５
３８６８２号）。この手法は、時間的に非常に短いパル
ス光を生体等の散乱吸収体に入射し、散乱吸収体内部を
拡散伝搬して表面に出てくる所定波長の光を検出器で検
し、検出器からの信号出力をボックスカー積分器に導
き、ボックスカー積分器にて検出器の信号出力の減衰ス
ロープに相当する所定の２箇所以上のタイミングの信号
から吸収係数を算出する。
ｈａｎｃｅとＫ．Ｋａｕｆａｍａｎｎよりボックスカー
積分器を用いた装置の提案がされた（米国特許番号第５
３８６８２号）。この手法は、時間的に非常に短いパル
ス光を生体等の散乱吸収体に入射し、散乱吸収体内部を
拡散伝搬して表面に出てくる所定波長の光を検出器で検
し、検出器からの信号出力をボックスカー積分器に導
き、ボックスカー積分器にて検出器の信号出力の減衰ス
ロープに相当する所定の２箇所以上のタイミングの信号
から吸収係数を算出する。
【０００５】異なる２波長における吸収係数を上記手法
にて求め、これら２つの吸収係数の情報より生体等の散
乱吸収体内部の特定吸収成分、例えばヘモグロビン等の
濃度を定量するというものである。この手法によれば、
検出する光量は単一光子の制限を受けないため、検出器
に到達する光の量が十分多くなるような場合には短時間
測定が可能となる。また装置の低価格化が可能となる。
にて求め、これら２つの吸収係数の情報より生体等の散
乱吸収体内部の特定吸収成分、例えばヘモグロビン等の
濃度を定量するというものである。この手法によれば、
検出する光量は単一光子の制限を受けないため、検出器
に到達する光の量が十分多くなるような場合には短時間
測定が可能となる。また装置の低価格化が可能となる。
【０００６】ところが、上記ボックスカー積分器を使用
した手法では、検出器の時間応答特性が真の波形に重畳
され、波形がなまってしまうため、正確な吸収係数の測
定ができないという問題がある。図９は波形なまりの説
明図であり、測定対象を透過したパルス光、検出器の時
間応答特性と観測される検出器からの出力波形を模式的
に示す。こうした波形なまりの結果、例えば、生体に時
間的に非常に短いパルス光を照射した場合、透過した光
の半値幅は５ｎｓ程度であることがわかっている。透過
光を測定するための検出器として光電子増倍管を例えに
とると、光電子増倍管の時間応答特性は光電子増倍管内
の電子の走行時間のバラツキにより３〜５ｎｓ程度であ
り、観測される信号出力は、光電子増倍管の時間応答特
定の影響を大きく受ける。
した手法では、検出器の時間応答特性が真の波形に重畳
され、波形がなまってしまうため、正確な吸収係数の測
定ができないという問題がある。図９は波形なまりの説
明図であり、測定対象を透過したパルス光、検出器の時
間応答特性と観測される検出器からの出力波形を模式的
に示す。こうした波形なまりの結果、例えば、生体に時
間的に非常に短いパルス光を照射した場合、透過した光
の半値幅は５ｎｓ程度であることがわかっている。透過
光を測定するための検出器として光電子増倍管を例えに
とると、光電子増倍管の時間応答特性は光電子増倍管内
の電子の走行時間のバラツキにより３〜５ｎｓ程度であ
り、観測される信号出力は、光電子増倍管の時間応答特
定の影響を大きく受ける。
【０００７】本発明は、上記を鑑みてなされたものであ
り、散乱吸収体内の吸収物質濃度を高精度かつ非侵襲で
定量測定できる濃度測定装置を提供することを目的とす
る。
り、散乱吸収体内の吸収物質濃度を高精度かつ非侵襲で
定量測定できる濃度測定装置を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の濃度測定装置
は、光を散乱吸収を有する散乱吸収体内部での光の減衰
特性を利用し、散乱吸収体内の吸収物質の濃度を測定す
る濃度測定装置であって、（ａ）所定波長の光を発生す
る光源と、（ｂ）光源から出力された光信号が散乱吸収
体に入射し、散乱吸収体の内部を拡散伝搬して前記散乱
吸収体の表面の検出位置に到達した所定波長の光強度を
検出する光検出器と、（ｃ）光源から出力された信号光
が散乱吸収体に入射している期間に、複数の異なるタイ
ミングで検出器にパルス状のゲート電圧を印加する電圧
印加手段と、（ｄ）検出器から出力された光検出信号を
収集し、電圧印加手段によって印加されたゲート電圧の
印加期間の信号強度を抽出し、抽出した信号強度に基づ
いて散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光信号の特性を求
め、散乱吸収体内部の吸収物質濃度を導出する信号処理
手段と備えることを特徴とする。
は、光を散乱吸収を有する散乱吸収体内部での光の減衰
特性を利用し、散乱吸収体内の吸収物質の濃度を測定す
る濃度測定装置であって、（ａ）所定波長の光を発生す
る光源と、（ｂ）光源から出力された光信号が散乱吸収
体に入射し、散乱吸収体の内部を拡散伝搬して前記散乱
吸収体の表面の検出位置に到達した所定波長の光強度を
検出する光検出器と、（ｃ）光源から出力された信号光
が散乱吸収体に入射している期間に、複数の異なるタイ
ミングで検出器にパルス状のゲート電圧を印加する電圧
印加手段と、（ｄ）検出器から出力された光検出信号を
収集し、電圧印加手段によって印加されたゲート電圧の
印加期間の信号強度を抽出し、抽出した信号強度に基づ
いて散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光信号の特性を求
め、散乱吸収体内部の吸収物質濃度を導出する信号処理
手段と備えることを特徴とする。
【０００９】ここで、所定波長の光の波長は６００ｎｍ
以上かつ１５００ｎｍ以下であることを特徴としてもよ
い。
以上かつ１５００ｎｍ以下であることを特徴としてもよ
い。
【００１０】また、散乱吸収体に入射する前記所定波長
の信号光はパルス光であることを特徴としてもよい。こ
こで、電圧印加手段が発生するパルス状のゲート電圧
を発生タイミングと前記散乱吸収体に入射するパルス光
とのタイミングとを調整するタイミングコントローラを
更に備えることを特徴としてもよいし、信号処理手段
は、夫々のゲート電圧印加パルスによって得られる２つ
以上光検出信号から散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光
信号の時間的スロープを求め、スロープに基づいて散乱
吸収体内部の吸収係数を算出することを特徴としてもよ
い。
の信号光はパルス光であることを特徴としてもよい。こ
こで、電圧印加手段が発生するパルス状のゲート電圧
を発生タイミングと前記散乱吸収体に入射するパルス光
とのタイミングとを調整するタイミングコントローラを
更に備えることを特徴としてもよいし、信号処理手段
は、夫々のゲート電圧印加パルスによって得られる２つ
以上光検出信号から散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光
信号の時間的スロープを求め、スロープに基づいて散乱
吸収体内部の吸収係数を算出することを特徴としてもよ
い。
【００１１】また、パルス光は異なる２つ以上の波長の
パルス光を出射し、信号処理手段は、各波長の光の吸収
係数より前記散乱吸収体内の複数の光吸収物質濃度を所
定の計算式を用いて定量的に測定することを特徴として
もよい。ここで、散乱吸収体内の光吸収物質を酸化ヘモ
グロビンおよび還元ヘモグロビンとし、信号処理部は酸
化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度およびヘモ
グロビン酸素飽和度を算出することを特徴としてもよ
い。
パルス光を出射し、信号処理手段は、各波長の光の吸収
係数より前記散乱吸収体内の複数の光吸収物質濃度を所
定の計算式を用いて定量的に測定することを特徴として
もよい。ここで、散乱吸収体内の光吸収物質を酸化ヘモ
グロビンおよび還元ヘモグロビンとし、信号処理部は酸
化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度およびヘモ
グロビン酸素飽和度を算出することを特徴としてもよ
い。
【００１２】また、信号処理手段は、時間的に異なる２
箇所以上のパルス状のゲート電圧が加えられた各期間内
の前記光検出信号を積算する積算手段を更に備えること
を特徴としてもよい。
箇所以上のパルス状のゲート電圧が加えられた各期間内
の前記光検出信号を積算する積算手段を更に備えること
を特徴としてもよい。
【００１３】また、光検出器は複数個であり、散乱吸収
体表面の複数箇所で光を検出することを特徴としてもよ
い。
体表面の複数箇所で光を検出することを特徴としてもよ
い。
【００１４】本発明の濃度測定装置は、散乱吸収体を透
過したパルス光を測定する際、検出器にパルス状のゲー
ト電圧を印加し、透過光と同期したタイミングの光信号
を検出することにより、検出器の時間応答特性の影響を
あまり受けないで、散乱吸収体を透過したパルス光の吸
収係数を精度良く計測する。
過したパルス光を測定する際、検出器にパルス状のゲー
ト電圧を印加し、透過光と同期したタイミングの光信号
を検出することにより、検出器の時間応答特性の影響を
あまり受けないで、散乱吸収体を透過したパルス光の吸
収係数を精度良く計測する。
【００１５】また、異なる２波長以上の光源における吸
収係数を上記と同様の手法にて求め、これら２つ以上の
吸収係数の情報より生体等の散乱吸収体内部の特定吸収
成分、例えばヘモグロビン等の濃度の定量測定が可能と
なる。
収係数を上記と同様の手法にて求め、これら２つ以上の
吸収係数の情報より生体等の散乱吸収体内部の特定吸収
成分、例えばヘモグロビン等の濃度の定量測定が可能と
なる。
【００１６】本発明の濃度測定装置では、散乱吸収体を
透過した光の時間応答特性、主に光の減衰率を検出器の
時間応答特性に影響されることなく、正確に求めること
によって散乱体内部の吸収物質濃度を精度良く測定す
る。本発明によれば、検出器に到達する光の量が十分多
いような場合には、光子１個以下になるよう減光する必
要がなく、短時間でのデータ取得が可能である。さら
に、装置が比較的簡便であることから安価な装置が実現
できる。
透過した光の時間応答特性、主に光の減衰率を検出器の
時間応答特性に影響されることなく、正確に求めること
によって散乱体内部の吸収物質濃度を精度良く測定す
る。本発明によれば、検出器に到達する光の量が十分多
いような場合には、光子１個以下になるよう減光する必
要がなく、短時間でのデータ取得が可能である。さら
に、装置が比較的簡便であることから安価な装置が実現
できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の説明に先立
って、本発明の原理の概略を説明する。
って、本発明の原理の概略を説明する。
【００１８】生体のような散乱吸収体内部で、光は散
乱、吸収を受け拡散伝搬しながら生体内を透過し、その
一部は表面より出てくる。図１は、光の吸収散乱体内部
での振る舞いの説明図である。図１（ａ）は透過型の場
合の振る舞いを、図１（ｂ）は反射型の場合の振る舞い
を示す。吸収散乱体に入射された光は、内部で不規則に
散乱されて球状にほぼ全域に広がるが、図１では、ある
１点から入射された光が、入射位置とは違う場所に設置
された検出器で検出される光子の飛跡が示してある。つ
まり、図１は実際に検出される光子の散乱吸収体内での
振る舞いが示されている。このような散乱吸収体内部の
光の振る舞いは、光拡散理論によりかなり厳密に記述で
きることが知られている（M.S.Patterson et al., Appl
ied Optics, Vol.28, No.12, 15 June 1989,pp2331〜23
36（以後、参考文献１と呼ぶ）参照）。光拡散理論によ
れば、散乱吸収体に入射された光パルスは、散乱吸収体
内部で散乱、吸収の影響を受けながら拡散伝搬する際
に、パルス幅が広がっていくことが示される。一方、散
乱吸収体内部を拡散伝搬する光子個々の振る舞いは、処
理装置ーを利用したモンテカルロシミュレーションによ
って解析することができる。また、実際に散乱吸収体の
物理模型や生体試料などを用いて実験することもでき
る。最近得られている知見では、光拡散理論から導かれ
る結果とモンテカルロシミュレーションにより得られる
結果、また物理模型により実験結果とはそれぞれ良い一
致が得られている。従って、散乱吸収体内部の光の振る
舞いは光拡散理論で正確に記述できる。
乱、吸収を受け拡散伝搬しながら生体内を透過し、その
一部は表面より出てくる。図１は、光の吸収散乱体内部
での振る舞いの説明図である。図１（ａ）は透過型の場
合の振る舞いを、図１（ｂ）は反射型の場合の振る舞い
を示す。吸収散乱体に入射された光は、内部で不規則に
散乱されて球状にほぼ全域に広がるが、図１では、ある
１点から入射された光が、入射位置とは違う場所に設置
された検出器で検出される光子の飛跡が示してある。つ
まり、図１は実際に検出される光子の散乱吸収体内での
振る舞いが示されている。このような散乱吸収体内部の
光の振る舞いは、光拡散理論によりかなり厳密に記述で
きることが知られている（M.S.Patterson et al., Appl
ied Optics, Vol.28, No.12, 15 June 1989,pp2331〜23
36（以後、参考文献１と呼ぶ）参照）。光拡散理論によ
れば、散乱吸収体に入射された光パルスは、散乱吸収体
内部で散乱、吸収の影響を受けながら拡散伝搬する際
に、パルス幅が広がっていくことが示される。一方、散
乱吸収体内部を拡散伝搬する光子個々の振る舞いは、処
理装置ーを利用したモンテカルロシミュレーションによ
って解析することができる。また、実際に散乱吸収体の
物理模型や生体試料などを用いて実験することもでき
る。最近得られている知見では、光拡散理論から導かれ
る結果とモンテカルロシミュレーションにより得られる
結果、また物理模型により実験結果とはそれぞれ良い一
致が得られている。従って、散乱吸収体内部の光の振る
舞いは光拡散理論で正確に記述できる。
【００１９】以下に光拡散理論について説明する。光拡
散方程式は、例えば光子流動率を用いて次のように記述
される。
散方程式は、例えば光子流動率を用いて次のように記述
される。
【００２０】
【数１】
【００２１】ここで、 φ（ｒ，ｔ）：位置ｒ（ｒ：３次元位置ベクトル；以後も同様）、時刻ｔに おける光子流動率［光子／（ｍｍ2 ・ｓｅｃ）］ Ｄ ：光子拡散係数［ｍｍ］ μa ：吸収係数［ｍｍ-1］ ｃ ：散乱吸収体内部の光速度［ｍｍ／ｓｅｃ］ Ｓ（ｒ，ｔ）：光源［光子／（ｍｍ3 ・ｓｅｃ）］ である。
【００２２】インパルス光源はデルタ関数で表わされる
から、原点（ｒ＝０）においてｔ＝０のとき入射するイ
ンパルス光は、 Ｓ（ｒ，ｔ）＝δ（ｒ，ｔ）＝δ（０，０）＝δ（０）
・δ（０） と表わされる。
から、原点（ｒ＝０）においてｔ＝０のとき入射するイ
ンパルス光は、 Ｓ（ｒ，ｔ）＝δ（ｒ，ｔ）＝δ（０，０）＝δ（０）
・δ（０） と表わされる。
【００２３】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。
拡散方程式は次のようになる。
【００２４】
【数２】
【００２５】散乱吸収体に関する光学定数を、 μs ：散乱係数、 μs ′：輸送散乱係数、 ｇ ：散乱角θに対するｃｏｓθの平均値 としたとき、 Ｄ＝［３（μa ＋μs ′）］-1、 μs ′＝（１−ｇ）μs なる関係となる。
【００２６】半空間を占める散乱吸収体に光パルスを入
射する場合の境界条件は、参考文献１にあるように、図
２に示すように、負極性の点光源を位置（ρ＝０（ρ：
２次元位置ベクトル；以後も同様），ｚ＝−ｚ0 ）に置
くことで実現される。通常ｚ0 は１／μs ′程度であ
る。このような境界条件で光拡散方程式（２）式を解い
て、散乱吸収体の表面の任意の位置（ρ，０）における
光信号強度Ｒ（ρ，０，ｔ）［光子数／（ｍｍ2 ・ｓｅ
ｃ）］を求めると、 Ｒ（ρ，０，ｔ）＝（４πＤｃ）-3/2ｚ0 ｔ-5/2 ×ｅｘｐ［−（ｚ0 2 ＋ρ2 ）／（４Ｄｃｔ）］ ×ｅｘｐ（−μa ｃｔ） …（３） （３）式の対数を時間ｔで微分して、観測された光の強
度波形の各時間での傾きをえると（４）式となる。
射する場合の境界条件は、参考文献１にあるように、図
２に示すように、負極性の点光源を位置（ρ＝０（ρ：
２次元位置ベクトル；以後も同様），ｚ＝−ｚ0 ）に置
くことで実現される。通常ｚ0 は１／μs ′程度であ
る。このような境界条件で光拡散方程式（２）式を解い
て、散乱吸収体の表面の任意の位置（ρ，０）における
光信号強度Ｒ（ρ，０，ｔ）［光子数／（ｍｍ2 ・ｓｅ
ｃ）］を求めると、 Ｒ（ρ，０，ｔ）＝（４πＤｃ）-3/2ｚ0 ｔ-5/2 ×ｅｘｐ［−（ｚ0 2 ＋ρ2 ）／（４Ｄｃｔ）］ ×ｅｘｐ（−μa ｃｔ） …（３） （３）式の対数を時間ｔで微分して、観測された光の強
度波形の各時間での傾きをえると（４）式となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】（４）式でｔ→∞と置くと（５）式が得ら
れる。
れる。
【００２９】
【数４】
【００３０】つまりこれは、散乱吸収物質にパルス光が
入射されてから充分な時間を経過した時点での観測され
た時間分解波形を対数で表示した時、その傾きから吸収
係数が求まることを意味している。図３は、散乱吸収体
内部を経過したパルス光の対数で表示された時間波形
と、吸収係数の関係の説明図である。
入射されてから充分な時間を経過した時点での観測され
た時間分解波形を対数で表示した時、その傾きから吸収
係数が求まることを意味している。図３は、散乱吸収体
内部を経過したパルス光の対数で表示された時間波形
と、吸収係数の関係の説明図である。
【００３１】以下に、得られた吸収係数を使用して、吸
収成分に関する情報を演算処理して導出する方法につい
て説明する。
収成分に関する情報を演算処理して導出する方法につい
て説明する。
【００３２】［ヘモグロビン酸素飽和度の計算方法］哺
乳類の脳における吸収成分の主なものは、水、チトクロ
ーム、酸化および還元ヘモグロビンである。近赤外線領
域での水とチトクロームの吸収は、酸化および還元ヘモ
グロビンに対してほぼ無視できる程度に小さい。そこ
で、波長λ1 と波長λ2 の２種の光を考える。λ1 とλ
2 に対する吸収係数μa1とμa2は、ベール・ランバート
則によって、次のようになる。
乳類の脳における吸収成分の主なものは、水、チトクロ
ーム、酸化および還元ヘモグロビンである。近赤外線領
域での水とチトクロームの吸収は、酸化および還元ヘモ
グロビンに対してほぼ無視できる程度に小さい。そこ
で、波長λ1 と波長λ2 の２種の光を考える。λ1 とλ
2 に対する吸収係数μa1とμa2は、ベール・ランバート
則によって、次のようになる。
【００３３】 μa1＝ε11・［Ｈｂ］＋ε12・［ＨｂＯ2 ］ …（６．１） μa2＝ε21・［Ｈｂ］＋ε22・［ＨｂＯ2 ］ …（６．２） ここで、 ε11：還元ヘモグロビンの波長＝λ1 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε12：酸化ヘモグロビンの波長＝λ1 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε21：還元ヘモグロビンの波長＝λ2 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε22：酸化ヘモグロビンの波長＝λ2 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ［Ｈｂ］ ：還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｍ］ ［ＨｂＯ2 ］：酸化ヘモグロビンのモル濃度［Ｍ］ である。ここで、酸素飽和度Ｙは、 Ｙ＝［ＨｂＯ2 ］／（［ＨｂＯ2 ］＋［Ｈｂ］） …（７） であるから、次式が得られる。
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε12：酸化ヘモグロビンの波長＝λ1 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε21：還元ヘモグロビンの波長＝λ2 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε22：酸化ヘモグロビンの波長＝λ2 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ［Ｈｂ］ ：還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｍ］ ［ＨｂＯ2 ］：酸化ヘモグロビンのモル濃度［Ｍ］ である。ここで、酸素飽和度Ｙは、 Ｙ＝［ＨｂＯ2 ］／（［ＨｂＯ2 ］＋［Ｈｂ］） …（７） であるから、次式が得られる。
【００３４】
【数５】
【００３５】したがって、前述の計測によって求めたμ
a1／μa2と既知のパラメータε11、ε12、ε21、ε22と
を用いて、還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｈｂ］、酸化
ヘモグロビンのモル濃度［ＨｂＯ2 ］、ヘモグロビンの
トータルモル濃度＝［Ｈｂ］＋［ＨｂＯ2 ］、および酸
素飽和度Ｙを算出することができる（E.M.Sevick eta
l., Analytical Biochemistry 195, pp330 〜351 (199
1)（以後参考文献と呼ぶ）参照）。
a1／μa2と既知のパラメータε11、ε12、ε21、ε22と
を用いて、還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｈｂ］、酸化
ヘモグロビンのモル濃度［ＨｂＯ2 ］、ヘモグロビンの
トータルモル濃度＝［Ｈｂ］＋［ＨｂＯ2 ］、および酸
素飽和度Ｙを算出することができる（E.M.Sevick eta
l., Analytical Biochemistry 195, pp330 〜351 (199
1)（以後参考文献と呼ぶ）参照）。
【００３６】［バックグラウンド吸収がある場合］ヘモ
グロビン以外の吸収体をバックグラウンド吸収として取
り扱う場合は３波長の光源を用いることにより、より正
確なヘモグロビン濃度の定量測定が可能となる。この場
合、２波長（λ1 、λ2 ）の光に加えて、第３の波長＝
λ3 の光を考えると、 μa1＝ε11・［Ｈｂ］＋ε12・［ＨｂＯ2 ］＋α1 …（９．１） μa2＝ε21・［Ｈｂ］＋ε22・［ＨｂＯ2 ］＋α2 …（９．２） μa3＝ε31・［Ｈｂ］＋ε32・［ＨｂＯ2 ］＋α3 …（９．３） ここで、 α1 ：波長＝λ1 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ α2 ：波長＝λ2 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ α3 ：波長＝λ3 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ ε31：還元ヘモグロビンの波長＝λ3 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε32：酸化ヘモグロビンの波長＝λ3 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ となる。
グロビン以外の吸収体をバックグラウンド吸収として取
り扱う場合は３波長の光源を用いることにより、より正
確なヘモグロビン濃度の定量測定が可能となる。この場
合、２波長（λ1 、λ2 ）の光に加えて、第３の波長＝
λ3 の光を考えると、 μa1＝ε11・［Ｈｂ］＋ε12・［ＨｂＯ2 ］＋α1 …（９．１） μa2＝ε21・［Ｈｂ］＋ε22・［ＨｂＯ2 ］＋α2 …（９．２） μa3＝ε31・［Ｈｂ］＋ε32・［ＨｂＯ2 ］＋α3 …（９．３） ここで、 α1 ：波長＝λ1 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ α2 ：波長＝λ2 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ α3 ：波長＝λ3 の光のバックグラウンド吸収［ｍ
ｍ-1］ ε31：還元ヘモグロビンの波長＝λ3 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ ε32：酸化ヘモグロビンの波長＝λ3 の光に関するモル
吸光係数［ｍｍ-1・Ｍ-1］ となる。
【００３７】（９．１）〜（９．３）式を整理すると、
【００３８】
【数６】
【００３９】となる。ここで、（α1−α2）および（α
3 −α2 ）が充分小さくなる光の波長を選択すれば、
3 −α2 ）が充分小さくなる光の波長を選択すれば、
【００４０】
【数７】
【００４１】となる。これを、ヘモグロビン酸素飽和度
Ｙの式に書き換えると、
Ｙの式に書き換えると、
【００４２】
【数８】
【００４３】となり、上記の２波長の場合と同様にし
て、３種類の波長の光に対するそれぞれの吸収係数と、
既知のパラメータより還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｈ
ｂ］、酸化ヘモグロビンのモル濃度［ＨｂＯ2 ］、ヘモ
グロビンのトータルモル濃度［Ｈｂ］＋［ＨｂＯ2 ］お
よび酸素飽和度Ｙを算出することができる（参考文献
２）。
て、３種類の波長の光に対するそれぞれの吸収係数と、
既知のパラメータより還元ヘモグロビンのモル濃度［Ｈ
ｂ］、酸化ヘモグロビンのモル濃度［ＨｂＯ2 ］、ヘモ
グロビンのトータルモル濃度［Ｈｂ］＋［ＨｂＯ2 ］お
よび酸素飽和度Ｙを算出することができる（参考文献
２）。
【００４４】以下、添付図面を参照して、本発明の濃度
測定装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明に
あたっては、同一の要素には同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。
測定装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明に
あたっては、同一の要素には同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。
【００４５】（第１実施形態）図４は、本発明に係る濃
度測定装置の第１実施形態の構成図である。図６に示す
ように、この装置は、、光源をパルス駆動するパルス光
源駆動回路１と、パルス光源２と、パルス光源を測定対
象物４を導く光源用光ガイド３と、散乱吸収体である測
定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光を検出器６に
導く検出用光ガイド５と、入射した光の強度に応じた光
検出子号を出力する検出器６と、検出器６により検出さ
れた信号を積分する信号積分器７と、得られた信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８と、デジタル信号
を演算、格納する処理装置９と、パルス光源駆動回路１
からのトリガー信号を遅延、調整するためのトリガー遅
延回路１０と、パルス幅を調整できるゲート電圧発生回
路１１と、処理装置９の演算結果を表示する表示装置１
２とを備える。
度測定装置の第１実施形態の構成図である。図６に示す
ように、この装置は、、光源をパルス駆動するパルス光
源駆動回路１と、パルス光源２と、パルス光源を測定対
象物４を導く光源用光ガイド３と、散乱吸収体である測
定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光を検出器６に
導く検出用光ガイド５と、入射した光の強度に応じた光
検出子号を出力する検出器６と、検出器６により検出さ
れた信号を積分する信号積分器７と、得られた信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８と、デジタル信号
を演算、格納する処理装置９と、パルス光源駆動回路１
からのトリガー信号を遅延、調整するためのトリガー遅
延回路１０と、パルス幅を調整できるゲート電圧発生回
路１１と、処理装置９の演算結果を表示する表示装置１
２とを備える。
【００４６】本実施形態では、光検出器６として、第１
ダイノードにゲート電圧発生回路１１から出力されたゲ
ート信号が印加される光電子増倍管を使用可能である。
図５は、こうして構成した光検出器６の動作説明図であ
る。図５（ａ）に示すように、一般の光電子増倍管で
は、カソード−アノード間時間応答は数ｎｓであるが、
光電子増倍管のカソードと第１ダイノード間の電子の走
行時間は数１００ｐｓと極めて短く、図５（ｂ）に示す
ように、カソード−第１ダイノード間の時間応答は数１
００ｐｓである。したがって、図５（ｃ）に示すよう
に、第１ダイノードにパルス状のゲート信号を印加する
ことにより、第１ダイノードの段階で、カソードに入射
した光の波形を再現性良く反映した波形の一部を切出す
ことができる。こうして切出された波形の一部の振幅×
時間に応じた信号がアノードから出力される。
ダイノードにゲート電圧発生回路１１から出力されたゲ
ート信号が印加される光電子増倍管を使用可能である。
図５は、こうして構成した光検出器６の動作説明図であ
る。図５（ａ）に示すように、一般の光電子増倍管で
は、カソード−アノード間時間応答は数ｎｓであるが、
光電子増倍管のカソードと第１ダイノード間の電子の走
行時間は数１００ｐｓと極めて短く、図５（ｂ）に示す
ように、カソード−第１ダイノード間の時間応答は数１
００ｐｓである。したがって、図５（ｃ）に示すよう
に、第１ダイノードにパルス状のゲート信号を印加する
ことにより、第１ダイノードの段階で、カソードに入射
した光の波形を再現性良く反映した波形の一部を切出す
ことができる。こうして切出された波形の一部の振幅×
時間に応じた信号がアノードから出力される。
【００４７】なお、アノードから出力された信号は、波
形が第１ダイノード−アノード間の時定数に応じてなま
ることになるが、信号の時間積分値は、第１ダイノード
の段階で切出した波形の振幅値を反映しており、アノー
ドから出力された信号の時間積分値から入射波形の切出
し部の再現が可能である。
形が第１ダイノード−アノード間の時定数に応じてなま
ることになるが、信号の時間積分値は、第１ダイノード
の段階で切出した波形の振幅値を反映しており、アノー
ドから出力された信号の時間積分値から入射波形の切出
し部の再現が可能である。
【００４８】こうして、時間応答特性の影響が少ない正
確な測定が可能となる。
確な測定が可能となる。
【００４９】本実施形態の装置は、以下のようにして、
測定対象物４の内部の特定物質濃度を測定する。図６
は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャー
トである。
測定対象物４の内部の特定物質濃度を測定する。図６
は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャー
トである。
【００５０】本実施形態の装置では、パルス光源駆動回
路１によりパルス駆動されたレーザーダイオード、ＬＥ
Ｄ、ＳＬＤあるいはモードロック色素レーザーやチタン
サフィイアレーザー等のパルス光源２から出力された光
が、光源用光ガイド３を介して測定対象物４の表面に照
射される。使用する光の波長は、測定対象に応じて適宜
に選択する。一般に生体では、ヘモグロビンなどの波長
に依存する吸光度の関係から６００ｎｍ〜１５００ｎｍ
程度の近赤外光が使用される。
路１によりパルス駆動されたレーザーダイオード、ＬＥ
Ｄ、ＳＬＤあるいはモードロック色素レーザーやチタン
サフィイアレーザー等のパルス光源２から出力された光
が、光源用光ガイド３を介して測定対象物４の表面に照
射される。使用する光の波長は、測定対象に応じて適宜
に選択する。一般に生体では、ヘモグロビンなどの波長
に依存する吸光度の関係から６００ｎｍ〜１５００ｎｍ
程度の近赤外光が使用される。
【００５１】散乱吸収体である測定対象物４の内部を拡
散伝搬したパルス光は、前記光入射位置から距離｜ρ｜
の位置に設定した検出用光ガイド５で受光し、検出器６
に導かれる。検出器６には光電子増倍管のほか、アバラ
ンシェフォトダイオード等を使用することができる。
散伝搬したパルス光は、前記光入射位置から距離｜ρ｜
の位置に設定した検出用光ガイド５で受光し、検出器６
に導かれる。検出器６には光電子増倍管のほか、アバラ
ンシェフォトダイオード等を使用することができる。
【００５２】使用するパルス光源が複数の波長を含む場
合や散乱吸収体内部で蛍光等の入射光の波長以外の波長
の光が発生する場合には、光検出器６と測定対象物４と
の間に、適宜、波長選択フィルタが配置される場合があ
る。パルス光源駆動回路１からのトリガー信号は、トリ
ガー遅延回路１０により、測定対象物４の内部を拡散伝
搬したパルス光強度の時間的な減衰スロープに相当する
第１のタイミングに調整され、ゲート電圧調整回路１１
から発生されたパルス状のゲート電圧が検出器６に印加
され、印加されたゲート電圧の期間のみの第１の光信号
が検出される。検出器６により検出された信号は信号積
分器７にて積分され、第１の信号として処理装置９内部
のメモリに記録される。
合や散乱吸収体内部で蛍光等の入射光の波長以外の波長
の光が発生する場合には、光検出器６と測定対象物４と
の間に、適宜、波長選択フィルタが配置される場合があ
る。パルス光源駆動回路１からのトリガー信号は、トリ
ガー遅延回路１０により、測定対象物４の内部を拡散伝
搬したパルス光強度の時間的な減衰スロープに相当する
第１のタイミングに調整され、ゲート電圧調整回路１１
から発生されたパルス状のゲート電圧が検出器６に印加
され、印加されたゲート電圧の期間のみの第１の光信号
が検出される。検出器６により検出された信号は信号積
分器７にて積分され、第１の信号として処理装置９内部
のメモリに記録される。
【００５３】次にトリガー遅延回路１０により第１のタ
イミングより適当な時間だけ遅延させた第２のタイミン
グでパルス状のゲート電圧を検出器６に印加し、印加さ
れたゲート電圧の期間のみの第２の光信号が検出され
る。検出器６により検出された第２の信号は信号積分器
１０にて積分され、第２の信号強度として処理装置９内
部のメモリに記録される。
イミングより適当な時間だけ遅延させた第２のタイミン
グでパルス状のゲート電圧を検出器６に印加し、印加さ
れたゲート電圧の期間のみの第２の光信号が検出され
る。検出器６により検出された第２の信号は信号積分器
１０にて積分され、第２の信号強度として処理装置９内
部のメモリに記録される。
【００５４】処理装置９内部において、第１のタイミン
グと第２のタイミングとにおける時間差と第１の信号強
度の対数と第１の信号強度の対数の比より測定対象物４
の内部を拡散伝搬したパルス光強度の時間的な減衰スロ
ープが演算され、散乱体内部の吸収係数が算出される。
また、算出された結果は表示装置１２上に表示される。
グと第２のタイミングとにおける時間差と第１の信号強
度の対数と第１の信号強度の対数の比より測定対象物４
の内部を拡散伝搬したパルス光強度の時間的な減衰スロ
ープが演算され、散乱体内部の吸収係数が算出される。
また、算出された結果は表示装置１２上に表示される。
【００５５】一般的に生体に非常に短い時間幅のパルス
光を照射した場合、生体内部を透過したパルス波形の減
衰時間、すなわち、光強度のピークから信号がゼロにな
るまでの時間はおよそ５〜１０ｎｓである。そこで、検
出器に印加するゲート電圧幅はおよそ１ｎｓ、第１ゲー
トを印加するタイミングと第２のゲートを印加するタイ
ミングとの時間差は３〜５ｎｓが望ましい。
光を照射した場合、生体内部を透過したパルス波形の減
衰時間、すなわち、光強度のピークから信号がゼロにな
るまでの時間はおよそ５〜１０ｎｓである。そこで、検
出器に印加するゲート電圧幅はおよそ１ｎｓ、第１ゲー
トを印加するタイミングと第２のゲートを印加するタイ
ミングとの時間差は３〜５ｎｓが望ましい。
【００５６】パルス光源２は短時間測定を可能とするた
め、高い繰り返しが望ましいが、生体内部を透過したあ
とのパルス幅は１０〜２０ｎｓと広がるため、あまり高
い繰り返し周波数の場合は、後ろの波形が前の波形に重
なってしまうため、正確な測定が困難となる。そこで使
用するパルス光源の繰り返し周波数は５ＭＨｚ〜５０Ｍ
Ｈｚが望ましい。
め、高い繰り返しが望ましいが、生体内部を透過したあ
とのパルス幅は１０〜２０ｎｓと広がるため、あまり高
い繰り返し周波数の場合は、後ろの波形が前の波形に重
なってしまうため、正確な測定が困難となる。そこで使
用するパルス光源の繰り返し周波数は５ＭＨｚ〜５０Ｍ
Ｈｚが望ましい。
【００５７】以上は測定対象物４の内部を拡散伝搬した
パルス光強度の時間的な減衰スロープより散乱体の吸収
係数を算出する方法について説明したが、信号の立ち上
がり部分を利用して同様の演算を行うこともできる。ま
た光信号の存在する期間において３つ以上の異なるタイ
ミングのゲート信号により切り出された光強度の信号を
（３）式で解析しても同様の演算を行える。
パルス光強度の時間的な減衰スロープより散乱体の吸収
係数を算出する方法について説明したが、信号の立ち上
がり部分を利用して同様の演算を行うこともできる。ま
た光信号の存在する期間において３つ以上の異なるタイ
ミングのゲート信号により切り出された光強度の信号を
（３）式で解析しても同様の演算を行える。
【００５８】（第２実施形態）図７は、本発明の濃度測
定装置の第２実施形態の構成図である。図７に示すよう
に、この装置は、第１実施形態の装置と比べて、検出器
としてゲート動作が可能なイメージインテンシファイア
等を用いた２次元光像増倍器を使用する点が異なる。そ
して、測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光強度
の時間的な減衰スロープに相当する第１および第２のタ
イミングでパルス状のゲート電圧を印加し、印加された
ゲート電圧の期間に得られた第１と第２の信号強度の対
数の比より測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光
強度の時間的な減衰スロープを演算することにより、１
次元的あるいは２次元的な散乱体内部の吸収係数の分布
を同時に算出する。
定装置の第２実施形態の構成図である。図７に示すよう
に、この装置は、第１実施形態の装置と比べて、検出器
としてゲート動作が可能なイメージインテンシファイア
等を用いた２次元光像増倍器を使用する点が異なる。そ
して、測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光強度
の時間的な減衰スロープに相当する第１および第２のタ
イミングでパルス状のゲート電圧を印加し、印加された
ゲート電圧の期間に得られた第１と第２の信号強度の対
数の比より測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光
強度の時間的な減衰スロープを演算することにより、１
次元的あるいは２次元的な散乱体内部の吸収係数の分布
を同時に算出する。
【００５９】本実施形態の装置は、以下のようにして、
測定対象物４の内部の特定物質濃度を測定する。図８
は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャー
トである。
測定対象物４の内部の特定物質濃度を測定する。図８
は、本実施例の装置の動作を説明するタイミングチャー
トである。
【００６０】本実施例の装置では、パルス光源駆動回路
１によりパルス駆動された、レーザーダイオード、ＬＥ
Ｄ、ＳＬＤあるいはモードロック色素レーザーやチタン
サファイアレーザー等のパルス光源２を、コリメートレ
ンズ３１により平行ビームに変換し、測定対象物４に照
射する。測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光は
フォーカスレンズ５１によりイメージインテンシファイ
ア６１に結像される。
１によりパルス駆動された、レーザーダイオード、ＬＥ
Ｄ、ＳＬＤあるいはモードロック色素レーザーやチタン
サファイアレーザー等のパルス光源２を、コリメートレ
ンズ３１により平行ビームに変換し、測定対象物４に照
射する。測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光は
フォーカスレンズ５１によりイメージインテンシファイ
ア６１に結像される。
【００６１】パルス光源駆動回路１からのトリガー信号
はトリガー遅延回路１０により、測定対象物４の内部を
拡散伝搬したパルス光強度の時間的な減衰スロープに相
当する第１のタイミングに調整され、ゲート電圧調整回
路１１から発生されたパルス状のゲート電圧がイメージ
インテンシファイア６１に印加され、印加されたゲート
電圧の期間のみの第１の光信号がイメージインテンシフ
ァイア６１後部に接続されたＣＣＤカメラ等の２次元検
出器６２により２次元像として検出される。２次元検出
器６２により検出された二次元像はＡ／Ｄ変換器８にて
ディジタル信号に変換され、第２の信号像として処理装
置９内部のメモリに記録される。
はトリガー遅延回路１０により、測定対象物４の内部を
拡散伝搬したパルス光強度の時間的な減衰スロープに相
当する第１のタイミングに調整され、ゲート電圧調整回
路１１から発生されたパルス状のゲート電圧がイメージ
インテンシファイア６１に印加され、印加されたゲート
電圧の期間のみの第１の光信号がイメージインテンシフ
ァイア６１後部に接続されたＣＣＤカメラ等の２次元検
出器６２により２次元像として検出される。２次元検出
器６２により検出された二次元像はＡ／Ｄ変換器８にて
ディジタル信号に変換され、第２の信号像として処理装
置９内部のメモリに記録される。
【００６２】次に、トリガー遅延回路１０により第１の
タイミングより適当な時間だけ遅延させた第２のタイミ
ングでパルス状のゲート電圧をイメージインテンシファ
イア６１に印加し、印加されたゲート電圧の期間のみの
第１の光信号が２次元検出器６２で２次元像として検出
される。２次元検出された第２信号像はＡ／Ｄ変換器８
にてディジタル信号に変換され、第２の信号像として処
理装置９内部のメモリに記録される。
タイミングより適当な時間だけ遅延させた第２のタイミ
ングでパルス状のゲート電圧をイメージインテンシファ
イア６１に印加し、印加されたゲート電圧の期間のみの
第１の光信号が２次元検出器６２で２次元像として検出
される。２次元検出された第２信号像はＡ／Ｄ変換器８
にてディジタル信号に変換され、第２の信号像として処
理装置９内部のメモリに記録される。
【００６３】処理装置９内部において、第１のタイミン
グと第２のタイミングとにおける時間差と２次元的に求
めた第１の信号像強度と第２の信号像強度の対数の比よ
り測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光強度の時
間的な減衰スロープが演算され、散乱体内部の２次元的
な吸収係数の分布が算出される。また算出された吸収係
数の２次元分布画像は表示装置１２上に表示される。
グと第２のタイミングとにおける時間差と２次元的に求
めた第１の信号像強度と第２の信号像強度の対数の比よ
り測定対象物４の内部を拡散伝搬したパルス光強度の時
間的な減衰スロープが演算され、散乱体内部の２次元的
な吸収係数の分布が算出される。また算出された吸収係
数の２次元分布画像は表示装置１２上に表示される。
【００６４】パルス光源は、単一あるいは複数の光ファ
イバーで測定対象物に導いてもよい。また複数の光ファ
イバーを測定対象物表面に設置し、測定対象物表面の複
数個の光信号をイメージインテンシファイアーに同時に
導いてもよい。イメージインテンシファイアー６１後部
にリニアダイオードアレイ等の１次元検出器を接続して
もよい。この場合、信号処理の方法は前記ＣＣＤ等の２
次元検出器と同じであるが、得られる結果は１次元検出
器が設定された方向の散乱体内部の１次元的な散乱係数
の分布が算出される。使用するパルス光源が複数の波長
を含む場合や散乱吸収体内部で蛍光等の入射光以外の波
長の光が発生する場合には、２次元光像倍器６と測定対
象物４との間の適宜の位置に波長選択フィルターを入れ
る場合がある。
イバーで測定対象物に導いてもよい。また複数の光ファ
イバーを測定対象物表面に設置し、測定対象物表面の複
数個の光信号をイメージインテンシファイアーに同時に
導いてもよい。イメージインテンシファイアー６１後部
にリニアダイオードアレイ等の１次元検出器を接続して
もよい。この場合、信号処理の方法は前記ＣＣＤ等の２
次元検出器と同じであるが、得られる結果は１次元検出
器が設定された方向の散乱体内部の１次元的な散乱係数
の分布が算出される。使用するパルス光源が複数の波長
を含む場合や散乱吸収体内部で蛍光等の入射光以外の波
長の光が発生する場合には、２次元光像倍器６と測定対
象物４との間の適宜の位置に波長選択フィルターを入れ
る場合がある。
【００６５】以上は測定対象物４の内部を拡散伝搬した
パルス光強度の時間的な減衰スロープより散乱体の吸収
係数を算出する方法について説明したが、信号の立ち上
がり部分を利用して同様の演算を行うこともできる。ま
た光信号の存在する期間において３つ以上の異なるタイ
ミングのゲート信号により切り出された光強度の信号を
（３）式で解析しても同様の演算を行える。
パルス光強度の時間的な減衰スロープより散乱体の吸収
係数を算出する方法について説明したが、信号の立ち上
がり部分を利用して同様の演算を行うこともできる。ま
た光信号の存在する期間において３つ以上の異なるタイ
ミングのゲート信号により切り出された光強度の信号を
（３）式で解析しても同様の演算を行える。
【００６６】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
濃度測定装置によれば、所定波長のパルス光を生体など
の散乱吸収体に入射し、散乱吸収体内部を拡散伝搬して
表面に出てくる所定波長の光を検出する際、検出器に所
定のタイミングで複数のパルス状のゲート電圧を印加し
て、出力光信号の複数部分を切り出し、拡散伝搬したパ
ルス光強度の時間的な分解特性を求めるので、この特性
から生体等の散乱吸収体内部の特性吸収成分、例えばヘ
モグロビン等の濃度および、ヘモグロビン酸素飽和度を
高精度かつ非侵襲で定量測定できる。
濃度測定装置によれば、所定波長のパルス光を生体など
の散乱吸収体に入射し、散乱吸収体内部を拡散伝搬して
表面に出てくる所定波長の光を検出する際、検出器に所
定のタイミングで複数のパルス状のゲート電圧を印加し
て、出力光信号の複数部分を切り出し、拡散伝搬したパ
ルス光強度の時間的な分解特性を求めるので、この特性
から生体等の散乱吸収体内部の特性吸収成分、例えばヘ
モグロビン等の濃度および、ヘモグロビン酸素飽和度を
高精度かつ非侵襲で定量測定できる。
【図１】散乱吸収体内での光の振る舞いの説明図であ
る。
る。
【図２】半無限とスラブの境界条件を考慮した仮想光源
の位置の説明図である。
の位置の説明図である。
【図３】散乱体内部を透過したパルス光を対数表示した
時の時間分解波形の傾きと吸収係数との関係を示すグラ
フである。
時の時間分解波形の傾きと吸収係数との関係を示すグラ
フである。
【図４】本発明の第１実施形態の濃度測定装置の構成図
である。
である。
【図５】光電子増倍管内時間応答の説明図である。
【図６】第１実施形態の濃度測定装置の動作のタイミン
グチャートである。
グチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態の濃度測定装置の構成図
である。
である。
【図８】第１実施形態の濃度測定装置の動作のタイミン
グチャートである。
グチャートである。
【図９】測定対象を透過したパルス光と、有限な時間応
答特性を持つ検出器により観測される出力波形との説明
図である。
答特性を持つ検出器により観測される出力波形との説明
図である。
１…パルス光源駆動回路、２…パルス光源、３…光源用
光ガイド、４…測定対象、５…検出用ライトガイド、６
…光検出器、７…信号積分器、８…Ａ／Ｄ変換器、９…
処理装置、１０…トリガ遅延回路、１１…ゲート電圧調
整回路、１２…表示装置、３１…コリメートレンズ、５
１…フォーカスレンズ、６１…ゲート機能付イメージイ
ンテンシファイア、６２…２次元検出器。
光ガイド、４…測定対象、５…検出用ライトガイド、６
…光検出器、７…信号積分器、８…Ａ／Ｄ変換器、９…
処理装置、１０…トリガ遅延回路、１１…ゲート電圧調
整回路、１２…表示装置、３１…コリメートレンズ、５
１…フォーカスレンズ、６１…ゲート機能付イメージイ
ンテンシファイア、６２…２次元検出器。
Claims (9)
- 【請求項１】 光を散乱吸収を有する散乱吸収体内部で
の光の減衰特性を利用し、前記散乱吸収体内の光吸収物
質の濃度を測定する濃度測定装置であって、所定波長の
光を発生する光源と、 前記光源から出力された光信号が前記散乱吸収体に入射
し、前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬して前記散乱吸収
体の表面の検出位置に到達した前記所定波長の光強度を
検出する光検出器と、 前記光源から出力された信号光が前記散乱吸収体に入射
している期間に、複数の異なるタイミングで前記検出器
にパルス状のゲート電圧を印加する電圧印加手段と、 前記検出器から出力された光検出信号を収集し、前記電
圧印加手段によって印加されたゲート電圧の印加期間の
信号強度を抽出し、抽出した信号強度に基づいて前記散
乱吸収体の内部を拡散伝搬した光信号の特性を求め、前
記散乱吸収体内部の吸収物質濃度を導出する信号処理手
段と、 備えることを特徴とする濃度測定装置。 - 【請求項２】 前記所定波長の光の波長は６００ｎｍ以
上かつ１５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項
１記載の濃度測定装置。 - 【請求項３】 前記散乱吸収体に入射する前記所定波長
の信号光はパルス光である、ことを特徴とする請求項１
記載の濃度測定装置。 - 【請求項４】 前記電圧印加手段が発生するパルス状の
ゲート電圧を発生タイミングと前記散乱吸収体に入射す
るパルス光とのタイミングとを調整するタイミングコン
トローラを更に備える、ことを特徴とする請求項３記載
の濃度測定装置。 - 【請求項５】 前記信号処理手段は、夫々のゲート電圧
印加パルスによって得られる２つ以上光検出信号から前
記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した光信号の時間的スロ
ープを求め、前記スロープに基づいて前記散乱吸収体内
部の吸収係数を算出する、ことを特徴とする請求項４記
載の濃度測定装置。 - 【請求項６】 前記パルス光は異なる２つ以上の波長の
パルス光を出射し、 前記信号処理手段は、各波長の光の吸収係数より前記散
乱吸収体内の複数の光吸収物質濃度を所定の計算式を用
いて定量的に測定する、 ことを特徴とする請求項４記載の濃度測定装置。 - 【請求項７】 前記散乱吸収体内の光吸収物質は、酸化
ヘモグロビン、還元ヘモグロビンであり、 前記信号処理部は、酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグ
ロビン濃度およびヘモグロビン酸素飽和度を算出する、 ことを特徴とする請求項７記載の散乱吸収体の吸収物質
濃度測定装置。 - 【請求項８】 前記信号処理手段は、時間的に異なる２
箇所以上のパルス状のゲート電圧が加えられた各期間内
の前記光検出信号を積算する積算手段を更に備える、こ
とを特徴とする請求項３記載の濃度測定装置。 - 【請求項９】 前記光検出器は複数個であり、前記散乱
吸収体表面の複数箇所で光を検出する、ことを特徴とす
る請求項１記載の散乱吸収体の吸収物質濃度測定装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7220493A JPH0961359A (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 濃度測定装置 |
| DE69635790T DE69635790T2 (de) | 1995-08-29 | 1996-08-28 | Vorrichtung und Verfahren zur Messung eines streuenden Mediums |
| EP96113769A EP0760477B1 (en) | 1995-08-29 | 1996-08-28 | Apparatus for measuring scattering medium and method for the same |
| US08/704,124 US5772588A (en) | 1995-08-29 | 1996-08-28 | Apparatus and method for measuring a scattering medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7220493A JPH0961359A (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 濃度測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0961359A true JPH0961359A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=16751931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7220493A Pending JPH0961359A (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 濃度測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5772588A (ja) |
| EP (1) | EP0760477B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0961359A (ja) |
| DE (1) | DE69635790T2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018143778A (ja) * | 2011-11-02 | 2018-09-20 | セノ メディカル インストルメンツ，インク． | 機能的および解剖学的同時表示マッピングのための二重モダリティ画像処理システム |
| WO2020080409A1 (ja) * | 2018-10-17 | 2020-04-23 | メディカルフォトニクス株式会社 | 粒子濃度計測装置、粒子濃度計測プログラム、及び、粒子濃度計測方法 |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0836409B1 (en) * | 1996-04-02 | 2004-03-17 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Localization of an object in a turbid medium using radiation of different wavelenghts |
| JP3887486B2 (ja) * | 1998-05-26 | 2007-02-28 | 浜松ホトニクス株式会社 | 散乱吸収体の内部特性分布の計測方法及び装置 |
| US6221011B1 (en) * | 1999-07-26 | 2001-04-24 | Cardiac Intelligence Corporation | System and method for determining a reference baseline of individual patient status for use in an automated collection and analysis patient care system |
| US6336903B1 (en) * | 1999-11-16 | 2002-01-08 | Cardiac Intelligence Corp. | Automated collection and analysis patient care system and method for diagnosing and monitoring congestive heart failure and outcomes thereof |
| EP1372483A2 (en) * | 2001-03-01 | 2004-01-02 | Trustees of Dartmouth College | Fluorescence lifetime spectrometer (fls) and methods of detecting diseased tissues |
| US6992762B2 (en) * | 2002-11-11 | 2006-01-31 | Art Advanced Research Technologies Inc. | Method and apparatus for time resolved optical imaging of biological tissues as part of animals |
| WO2004044562A1 (en) * | 2002-11-11 | 2004-05-27 | Art Advanced Research Technologies Inc. | Method and apparatus for time resolved optical imaging of biological tissues as part of animals |
| US7720525B2 (en) * | 2003-03-12 | 2010-05-18 | New Art Advanced Research Technologies Inc. | Method and apparatus for combining continuous wave and time domain optical imaging |
| GB2408628A (en) * | 2003-11-28 | 2005-06-01 | Imp College Innovations Ltd | Gated image intensifier |
| JP4716004B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2011-07-06 | 日本電気株式会社 | 光子検出回路およびノイズ除去方法 |
| US20100245803A1 (en) * | 2005-04-12 | 2010-09-30 | Chromedx Inc. | Blood sample holder for spectroscopic analysis |
| JP4662831B2 (ja) * | 2005-09-20 | 2011-03-30 | 富士フイルム株式会社 | 試料分析装置 |
| JP5219440B2 (ja) * | 2007-09-12 | 2013-06-26 | キヤノン株式会社 | 測定装置 |
| WO2011031235A1 (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-17 | Nitto Denko Corporation | A detection method |
| JP5623121B2 (ja) * | 2010-04-27 | 2014-11-12 | キヤノン株式会社 | 被検体情報取得装置 |
| EP2621333B1 (en) | 2010-09-28 | 2015-07-29 | Masimo Corporation | Depth of consciousness monitor including oximeter |
| US9775545B2 (en) | 2010-09-28 | 2017-10-03 | Masimo Corporation | Magnetic electrical connector for patient monitors |
| US10154815B2 (en) | 2014-10-07 | 2018-12-18 | Masimo Corporation | Modular physiological sensors |
| SE1500335A1 (sv) * | 2015-08-17 | 2017-02-18 | Utrustning och metod för intern laserbelysning för medicinskgasanalys | |
| JP2023523722A (ja) * | 2020-04-20 | 2023-06-07 | ベクトン・ディキンソン・アンド・カンパニー | 光検出器の定量的特性評価のための装置及び方法 |
| CN116583735A (zh) * | 2020-10-30 | 2023-08-11 | 贝克顿·迪金森公司 | 用于表征和编码光检测系统的方法和系统 |
| CN114765662A (zh) * | 2021-01-13 | 2022-07-19 | 富士康(昆山)电脑接插件有限公司 | 感测模组 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5119815A (en) * | 1988-12-21 | 1992-06-09 | Nim, Incorporated | Apparatus for determining the concentration of a tissue pigment of known absorbance, in vivo, using the decay characteristics of scintered electromagnetic radiation |
| US5386827A (en) * | 1993-03-30 | 1995-02-07 | Nim Incorporated | Quantitative and qualitative in vivo tissue examination using time resolved spectroscopy |
| US5413098A (en) * | 1991-12-24 | 1995-05-09 | Sextant Medical Corporation | Path constrained spectrophotometer and method for determination of spatial distribution of light or other radiation scattering and absorbing substances in a radiation scattering medium |
| JP3310390B2 (ja) * | 1993-06-10 | 2002-08-05 | 浜松ホトニクス株式会社 | 散乱媒質内吸光物質の濃度測定方法および装置 |
| US5503148A (en) * | 1994-11-01 | 1996-04-02 | Ohmeda Inc. | System for pulse oximetry SPO2 determination |
-
1995
- 1995-08-29 JP JP7220493A patent/JPH0961359A/ja active Pending
-
1996
- 1996-08-28 EP EP96113769A patent/EP0760477B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-08-28 US US08/704,124 patent/US5772588A/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-08-28 DE DE69635790T patent/DE69635790T2/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018143778A (ja) * | 2011-11-02 | 2018-09-20 | セノ メディカル インストルメンツ，インク． | 機能的および解剖学的同時表示マッピングのための二重モダリティ画像処理システム |
| WO2020080409A1 (ja) * | 2018-10-17 | 2020-04-23 | メディカルフォトニクス株式会社 | 粒子濃度計測装置、粒子濃度計測プログラム、及び、粒子濃度計測方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69635790T2 (de) | 2006-07-20 |
| DE69635790D1 (de) | 2006-04-20 |
| EP0760477B1 (en) | 2006-02-08 |
| EP0760477A2 (en) | 1997-03-05 |
| EP0760477A3 (en) | 1998-03-25 |
| US5772588A (en) | 1998-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH0961359A (ja) | 濃度測定装置 | |
| JP3433534B2 (ja) | 散乱吸収体内の散乱特性・吸収特性の測定方法及び装置 | |
| EP0592200B1 (en) | Apparatus for measuring optical information in scattering medium and method therefor | |
| JP3665061B2 (ja) | 時間分解分光法を用いた定量および定性生体内組織分析 | |
| EP0627620B1 (en) | Method for measuring internal information in scattering medium and apparatus for the same | |
| JP3107914B2 (ja) | 散乱吸収体内部の吸収情報計測装置及び方法 | |
| US8357915B2 (en) | Method and device for measuring optical characteristics of an object | |
| JP2780935B2 (ja) | 散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置 | |
| JP3660761B2 (ja) | 散乱体の吸収情報の計測方法及び装置 | |
| EP0627619A1 (en) | Method for measuring scattering medium and apparatus for the same | |
| JPH1073481A (ja) | 散乱体の吸収情報計測方法及び装置 | |
| EP1136811B1 (en) | Method and device for measuring internal information of scattering absorber | |
| US6567165B1 (en) | Concentration measuring method and apparatus for absorption component in scattering medium | |
| JP3878943B2 (ja) | 散乱体の吸収情報の計測方法及び装置 | |
| JP4077477B2 (ja) | 散乱体の吸収情報計測方法及び装置 | |
| JP3878942B2 (ja) | 散乱体の吸収情報の計測方法及び装置 | |
| JP4077476B2 (ja) | 散乱体の吸収情報計測方法及び装置 | |
| JP4077475B2 (ja) | 散乱体の吸収情報計測方法及び装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040616 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040809 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050411 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050802 |