JPH10260131A

JPH10260131A - 光計測装置

Info

Publication number: JPH10260131A
Application number: JP9066581A
Authority: JP
Inventors: Debaraji Barashigamani; バラシガマニ・デバラジ; Chikashi Usa; 史宇佐; Masaki Kobayashi; 正樹小林; Motohiro Takeda; 元博武田; Fumio Inaba; 文男稲場
Original assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ｉｎｖｉｖｏ系の、特に人体の指１００など
の内部を光で探索するのに適した光計測装置を提供す
る。【解決手段】例えば指を圧迫する圧迫体を備え、その圧
迫体により圧迫された部分よりも先端側の部分に測定光
を照射して光計測を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、柱状の被測定体、
特に人体の指や腕等の内部を光で探索するのに適した光
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人体内部の状態をあらわす画像を
得る手法として、Ｘ線撮影装置や超音波診断装置が使用
されている。ところが、Ｘ線撮影装置は人体にＸ線を照
射するため被爆の問題があり、超音波診断装置は体内を
超音波で探索するため、長波長の超音波では分解能が悪
く短波長の超音波では減衰がはげしく、分解能の良好な
画像を得にくいという問題がある。

【０００３】このような背景下において、近年、光によ
る生体計測が盛んに研究されている。これは、いわゆる
光ヘテロダイン法を用い、高散乱体である生体内を透過
してきた光の中から直進透過光や近軸前方散乱光のみを
抽出することにより、生体内部を探索しようというもの
である。光ヘテロダイン法は、生体内を直進した光は偏
波面が保存され、大きく散乱すると偏波面が乱れるとい
う性質を利用し、光源から出射した光を測定光と参照光
とに二分し、例えば参照光の周波数を遷移させ、測定光
を生体に照射し、参照光と生体を透過した測定光とを干
渉させそれら参照光と測定光との周波数差に対応した周
波数のビート信号を得る手法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の光ヘテロダイン
法により、生体から摘出した、あるいは生体から切り出
した試料については、その内部の様子を知ることに成功
しつつある。ところが、例えば人間の指等、生きたまま
の生体（ｉｎｖｉｖｏ系）について光ヘテロダイン法
により光計測を行なおうとすると、光ヘテロダイン法
は、上述したように測定光と参照光との周波数差に応じ
た周波数を持つビート信号を抽出することにより測定光
と参照光との周波数差が予め定めた一定の周波数差を保
っている必要があるのに対し、血液やその他の体液によ
るドプラ効果により測定光が周波数遷移を受けてしま
い、正しい光計測を行なうことができないという問題が
ある。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑み、ｉｎｖｉｖ
ｏ系の、例えば人間の指等の光計測を行なうことのでき
る光計測装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光計測装置は、柱状の被測定体が挿入される開口部
を有し、該開口部に挿入された被測定体を圧迫する圧迫
体と、光源から出射された光を測定光と参照光とに二分
し、測定光と参照光の周波数が互いに異なる周波数とな
るように測定光と参照光とのうち少なくとも一方の光の
周波数を遷移させ、測定光を、被測定体の、上記圧迫体
により圧迫された部分よりも先端側の部分に照射し、参
照光と、被測定体を透過した測定光とを重畳させ、重畳
された光を受光することにより測定光と参照光との干渉
に起因する信号を得る光ヘテロダイン検出器と、光ヘテ
ロダイン検出器により得られた信号に基づいて、被測定
体内部の情報を求める演算部とを備えたことを特徴とす
る。

【０００７】本発明の光計測装置は、柱状の被測定体
（例えば指）を圧迫する圧迫体を備え、その圧迫体によ
り圧迫された部分よりも先端側の部分に測定光を照射し
て光計測を行なうものであるため、光計測を行なってい
る間は血液やその他の体液の流れが停止し、したがって
ドプラ効果による周波数遷移を受けずに光計測を行なう
ことができる。

【０００８】ここで、上記本発明の光計測装置におい
て、上記圧迫体により圧迫された被測定体、もしくは、
その被測定体に照射する測定光を、相対的に回動させる
回動機構を備え、上記演算部が回動機構により回動され
る間に得られた信号に基づいて、被測定体内部のＣＴ画
像を求めるものであることが好ましい。

【０００９】光ＣＴ画像を得ることにより被測定体内部
の断層像が得られる。また、上記本発明の光計測装置に
おいて、圧迫体により、被測定体を圧迫する圧力を検出
する圧力センサを備えることが好ましい。血液やその他
の体液の循環を停止させるのに十分であって、かつ圧迫
しすぎないように圧力を調整するためである。

【００１０】また、上記本発明の光計測装置において、
上記圧迫体により圧迫された被測定体の温度を検出する
温度センサを備えることも好ましい。ｉｎｖｉｖｏ系
の光計測を行なうに当り、被測定体（例えば指）が実際
に活動している状態と同じ状態での光計測を行なうこと
が好ましく、このためには通常の状態よりも大幅に温度
が低下した状態で光計測を行なうのは好ましくない。血
液等の循環を停止した後、温度が下がる以前に光計測を
行なうためである。測定条件を維持・制御するために、
温度センサにより測定された温度に応じて圧迫体による
圧迫の圧力を調整するフィードバック機構を設けてもよ
い。

【００１１】また、本発明の光計測装置において、光ヘ
テロダイン検出器は、５１４．５ｎｍ以上かつ１．３１
９μｍ以下の波長の光を用いて前記信号を得る検出器で
あることが好ましい。５１４．５ｎｍ未満の波長の光、
あるいは１．３１９μｍを超える波長の光では、減衰が
激し過ぎて十分なＳ／Ｎの光計測を行なうことができな
いからである。５１４．５ｎｍや１．３１９μｍのよう
に中途半端な波長で範囲を規定しているのは、入手でき
る光源の波長が限られているからである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。ここでは、人体の指を被測定体とする実施形
態について説明する。図１は、本発明の光計測装置の一
実施形態における、測定対象の指を固定する機構を含む
測定ヘッドの概略構成図である。

【００１３】この測定ヘッド１０には、指を固定する固
定部２０と、固定部２０に固定された指に、前段側の光
学系（後述する）から導かれた測定光を照射し指を透過
した測定光を後段側の光学系（後述する）に導く測定部
３０とが備えられている。固定部２０の中央には、開口
２１が形成されており、その開口２１に指１００が挿入
され、その開口２１に指１００が挿入されると圧迫部材
２２により指１００が圧迫される構造となっている。

【００１４】測定部３０は、固定部２０に対し、開口２
１に挿入された指１００の先端側に位置しており、この
測定部３０には前段側の光学系から延びる複数本（ここ
では代表的に３本のみ図示）の、偏波面保存光ファイバ
４１の先端部４１ａが配置されている。以下特に断らな
い限り、光ファイバは全て偏波面保存光ファイバであ
る。この光ファイバ４１の先端からは前段側の光学系か
ら導かれた測定光が出射し、その測定光が指１００の、
圧迫された部分よりも先端側の部分に照射される。ま
た、この測定部３０には、光ファイバ４１と対向する位
置に複数本（ここでは代表的に３本のみ図示）の光ファ
イバ４２の先端部４２ａが配置されており、指１００を
透過した測定光は、光ファイバ４２に入射し、光ファイ
バ４２により後段側の光学系に導かれる。

【００１５】光ファイバ４１の先端部４１ａ及び光ファ
イバ４２の先端部４２ａは、矢印Ａ方向に回動自在なリ
ング状の回動部３１に固定されている。回動部３１があ
る１つの回動位置にある時に複数本ずつの光ファイバ４
１，４２を経由する測定光により一回の測定が行なわ
れ、その測定が終了すると回動部３１が所定の角度だけ
回動し、その状態で次の測定を行なうというように、回
動と測定が交互に行なわれ、これによりＣＴ画像形成用
のデータが収集される。尚、回動と測定とを同時に連続
的に行なってもよい。

【００１６】図２は、測定ヘッドのもう一つの例を示す
概略構成図である。この図２は、図１とは反対側であ
る、指の先端側から見た図である。指のつけ根の部分
は、図１と同様にして圧迫されている。その圧迫部２２
（図１参照）は、矢印Ｂ方向に指を回動させる回動部２
３に固定されている。この測定ヘッド１０の測定部３０
に延びる光ファイバは、前段側の光学系からの測定光２
０を測定ヘッド１０に導く光ファイバ４１と、指１００
を透過した測定光を後段側の光学系に導く光ファイバ４
２との各一本ずつであり、各光ファイバ４１，４２の先
端部４１ａ，４２ａは、各走査部３２，３３に固定され
ている。

【００１７】各走査部３２，３３は固定した各光ファイ
バ４１，４２の先端を常に対向した状態を保ちながら各
先端部４１ａ，４２ａを矢印Ｃ方向に移動させ、これに
より指１００が図２の上下方向に測定光で走査される。
測定にあたっては、回動部２３がある１つの回動位置に
あるときに操作部３２，３３矢印Ｃ方向に移動し、それ
に伴い測定光により指１００が矢印Ｃ方向に走査され、
次いで回動部２３により指が所定の角度だけ回動し、走
査部３２，３３が矢印Ｃ方向に移動して測定光により指
１００が走査され、これを繰り返すことによりＣＴ画像
形成用のデータが収集される。

【００１８】ここでは、指１００のつけ根を圧迫するこ
とにより、指を流れる血液やその他の体液の流れを一時
的に停止させ、その状態で、指１００の、圧迫された部
分よりも先端側の部分について測定を行なうため、測定
光がドップラ効果による周波数遷移を受けることから免
れ、高精度の光計測が可能となる。以下、指の圧迫機構
について説明する。

【００１９】図３は、指の圧迫機構の第１例を示す図で
ある。ここには、リング状のバルーン２２１が備えられ
ており、中央の開口２２０に指が挿入され、コンピュー
タ２２３により制御されるエアポンプ２２２によりその
バルーン２２１に空気が送り込まれバルーン２２１が膨
らんで指を圧迫する。バルーン２２１には、圧力センサ
２２４が固定されている。圧力センサ２２４はバルーン
２２１による指の圧迫圧力を検出するものであり、この
圧力センサ２２４により検出された圧力はコンピュータ
２２３に通知され、バルーン２２１による指の圧迫圧力
が、血液やその他の体液の流れを停止させるのに十分で
あって、かつ指を圧迫しすぎない圧力に調整される。

【００２０】また、バルーン２２１には温度センサ２２
５も固定されており、この温度センサ２５では指の温度
が検出されてコンピュータ２２３に通知される。測定に
当たっては指の先端部の血液等の流れが停止されるが、
流れを停止したままにしておくと指が実際に活動してい
る時の状態とは異なってしまう恐れがある。そこで、指
の温度を測定し、指の温度が下がる前に測定を行ない、
測定に手間どってしまったときは一旦圧迫を解除し再測
定を促す等の処置がとられる。もしくは、最適な測定条
件が維持されるように、温度センサ２５で検出された指
の温度に応じてバルーン２２による指の圧迫圧力を調整
してもよい。

【００２１】図４は、指の圧迫機構の第２例を示す図で
ある。中央の開口２２０に挿入された指を上下から挟む
ようにリングが二分割された形状の圧迫部材２２６ａ，
２２６ｂが備えられており、これらの圧迫部材２２６，
２２６ｂは、指が開口２２０に挿入されると、コンピュ
ータ２２３により制御された各シリンダ２２７ａ，２２
７ｂにより指を圧迫するように移動される。

【００２２】シリンダ２２６ａ，２２６ｂにはそれぞれ
圧力センサ２２４，温度センサ２２５が固定されてい
る。図５は、指の圧迫機構の第３例を示す図である。こ
こには一端２２８ａが固定され中央にリング２２８ｂが
形成された帯状の圧迫部材２２８が備えられており、そ
のリング２２８ｂに指が挿入されると、その圧迫部材２
２８の他端２２８ｃが、コンピュータ２２３により制御
された牽引機２２９により図の左側に引かれ、指が圧迫
部材２２８により圧迫される。この圧迫部材２２８に
は、２つの圧力センサ２２４と１つの温度センサ２２５
が備えられている。

【００２３】次に測定光学系の各例について説明する。
図６は、測定光学系及び信号処理系の第１例を示す図で
ある。ここでは、光ファイバを使用しない例について説
明する。レーザ光源１０１から出射したレーザ光１０１
ａは、コリメータレンズ１０２によりコリメートされた
後、ビームスプリッタ１０３により、測定光１０１ｂと
参照光１０１ｃとに強度的に二分される。

【００２４】ビームスプリッタ１０３から出射した測定
光１０１ｂは、ＡＯＭ（音響光学的光変調器）１０４に
より周波数遷移を受け、測定ヘッド１０に配置された指
１００を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５により、
後述する参照光と重畳され、光検出器であるＰＩＮフォ
トダイオード１０６に入射する。一方、ビームスプリッ
タ１０３により測定光１０１ｂと分かれた参照光１０１
ｃは、ミラー１０７で反射した後、ＡＯＭ１０８によ
り、ＡＯＭ１０４による測定光１０１ｂの周波数遷移量
とは異なる周波数遷移量だけ周波数遷移が与えられ、１
／２波長板１０９を通過し、ミラー１１０で反射し偏光
ビームスプリッタ１０５で測定光と重畳されてＰＩＮフ
ォトダイオード１０６に入射する。

【００２５】ここで、レーザ光源１０１から出射したレ
ーザ光１０１ａは所定方向に偏光した偏光光であり、指
１００を透過した測定点１０１ｂのうち、指１００内部
で散乱されずに直進した直進透過光はその偏光状態を維
持し、一方指１００内で散乱された後に指１００から出
射した前方散乱光は偏波面が乱れている。そこで偏光ビ
ームスプリッタ１０５は、指１００から出射した測定光
１０１ｂのうち直進透過光成分がＰＩＮフォトダイオー
ド１０６に入射するように、測定光の光軸を中心とした
回転角度が定められている。

【００２６】また、１／２波長板１０９は、参照光１０
１ｃの偏波面を回転させる性質を有しており、偏光ビー
ムスプリッタ１０５で適度な強度の参照光が反射されて
測定光に重畳されるように、光軸を中心とした回転角度
が調整される。ＰＩＮフォトダイオード１０６では、測
定光１０１ｂと参照光１０１ｃとが干渉し、２つのＡＯ
Ｍ１０４，１０８による測定光１０１ｂと参照光１０１
ｃの周波数遷移量どうしの差に相当する周波数成分を有
する信号が得られる。ＰＩＮフォトダイオード１０６で
得られた信号は、プリアンプ１１１を経由し、バンドパ
スフィルタ１１２によりその周波数成分のみが抽出さ
れ、ログアンプ１１３で対数圧数され、さらに整流器１
１４で整流され、ローパスフィルタ１１５により包絡線
が求められ、Ａ−Ｄコンバータ１１６によりデジタルデ
ータに変換されて、コンピュータ１１７に入力される。

【００２７】前述したように、指１００は、測定光１０
１ｂに対し相対的に矢印Ｃ方向に走査され、かつ１回の
走査が終わる毎に、所定角度ずつ矢印Ｂ方向に回転さ
れ、その間以上のような測定が繰り返され、コンピュー
タ１１７にデータが蓄積される。コンピュータ１１７で
は、それらのデータに基づいて、後に例を示すような、
指１００の断面を表わす光ＣＴ画像が生成される。ＣＴ
画像を生成する演算アルゴリズムは既に広く知られてお
り、ここではその演算アルゴリズムの説明は省略する。

【００２８】図７は、測定光学系および信号処理系の第
２例を示す図である。レーザ光源１０１から出射したレ
ーザ光１０１ａは、レンズ１０２を経由して偏波面保存
光ファイバ３０１に入射する。光ファイバ３０１に入射
したレーザ光は、ファイバカプラ３０２により、光ファ
イバ３０３内を進む測定光と光ファイバ３０４内を進む
参照光とに二分される。光ファイバ３０３内を進む測定
光は、ＡＯＭ１０４により周波数遷移を受け、さらに測
定ヘッド１０に導かれて光ファイバ３０３から出射し、
レンズ３０５を介して指１００に照射される。指１００
を透過した測定光はレンズ３０６を経由して光ファイバ
３０７に入射し、ファイバカプラ３０８に至る。

【００２９】一方、光ファイバ３０４内を進む参照光
は、ＡＯＭ１０８により、ＡＯＭ１０４による測定光の
周波数遷移量とは異なる周波数遷移量だけ周波数遷移を
受け、偏光子３１０および１／２波長板１０９を経由し
てファイバカプラ３０８に至る。偏光子３１０および１
／２波長板１０９は、それら双方合わせて、参照光の光
量調整および偏波面の調整を行なう目的のものである。
ファイバカプラ３０８では、測定光と参照光との双方が
光ファイバ３０９に入射しＰＩＮフォトダイオード１０
６に入射する。

【００３０】以下の信号処理は、図６に示す第１例と同
様であり、説明は省略する。図８は、図６ないし図７に
示す測定光学系で用いるレーザ光の波長λ（ｎｍ）に対
する、そのレーザ光の、指内での減衰率（ｄＢ）を示す
図、図９は、レーザ光波長λ（ｎｍ）に対する、指の透
過光のコントラストを示す図である。５１４．５ｎｍ未
満では、コントラストは良好だが、減衰率が大きすぎて
Ｓ／Ｎの良好な信号が得られず、１３１９ｎｍ（１．３
１９μｍ）を超えると、やはりコントラストは上昇する
もの減衰率が大きすぎてＳ／Ｎの良好な信号が得られな
い。５１４．５ｎｍ以上、１．３１９μｍ以下の領域で
は７１５ｎｍ付近でコントラストが低下するものの、減
衰が小さいため、充分なＳ／Ｎの信号が得られる。

【００３１】図１０は、指の光ＣＴ画像の一例を示す図
である。上述のように、指を圧迫することで、指の血液
やその他の体液の循環を停止させ、その状態で、光ヘテ
ロダイン法による測定を行なうことにより、このような
光ＣＴ画像を得ることができる。尚、上記実施形態では
人体の手の指の光ＣＴ画像を得る例について説明した
が、本発明においては、光ＣＴ画像を得ることは必ずし
も必要ではなく、指の、ある一次元方向の透過率分布を
求める場合にも適用可能である。また、本発明は指を被
測定体とする場合に限られるものではなく、例えば腕や
足を被測定体する場合にも適用可能である。また、指を
測定する場合であっても、腕全体を圧迫して血流等を一
次停止させて指に測定光を照射してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ヘテロダイン法を用いて、ｉｎｖｉｖｏ系について
良好なＳ／Ｎの光計測を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光計測装置の一実施形態における、測
定対象の指を固定する機構を含む測定ヘッドの概略構成
図である。

【図２】測定ヘッドのもう一つの例を示す概略構成図で
ある。

【図３】指の圧迫機構の第１例を示す図である。

【図４】指の圧迫機構の第２例を示す図である。

【図５】指の圧迫機構の第３例を示す図である。

【図６】測定光学系および信号処理系の第１例を示す図
である。

【図７】測定光学系および信号処理系の第２例を示す図
である。

【図８】レーザ光の波長λ（ｎｍ）に対する、そのレー
ザ光の、指の内部での減衰率（ｄＢ）を示す図である。

【図９】レーザ光波長λ（ｎｍ）に対する、指の透過光
のコントラストを示す図である。

【図１０】指の光ＣＴ画像の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０測定ヘッド２０固定部２１開口２２圧迫部材２３回動部３０測定部３１回動部３２，３３走査部４１，４２光ファイバ４１ａ，４２ａ先端部１００指１０１レーザ光源１０１ａレーザ光１０２コリメータレンズ１０３ビームスプリッタ１０４，１０８ＡＯＭ１０５偏光ビームスプリッタ１０６ＰＩＮフォトダイオード１０７，１１０ミラー１０９１／２波長板１１１プリアンプ１１２バンドパスフィルタ１１３ログアンプ１１４整流器１１５ローパスフィルタ１１６Ａ−Ｄコンバータ１１７コンピュータ２２０開口２２１バルーン２２２エアポンプ２２３コンピュータ２２４圧力センサ２２５温度センサ２２６ａ，２２６ｂ圧迫部材２２７ａ，２２７ｂシリンダ２２８圧迫部材２２９牽引機３０１，３０３，３０４，３０６，３０８偏波面保存
光ファイバ３０２，３０７ファイバカプラ３０５レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武田元博山形県山形市松栄２丁目２番１号株式会社生体光情報研究所内 (72)発明者稲場文男仙台市太白区八木山香澄町35−１東北工業大学内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】柱状の被測定体が挿入される開口部を有
し、該開口部に挿入された被測定体を圧迫する圧迫体
と、光源から出射された光を測定光と参照光とに二分し、該
測定光と該参照光の周波数が互いに異なる周波数となる
ように該測定光と該参照光とのうち少なくとも一方の光
の周波数を遷移させ、該測定光を、前記被測定体の、前
記圧迫体により圧迫された部分よりも先端側の部分に照
射し、前記参照光と、該被測定体を透過した測定光とを
重畳させ、重畳された光を受光することにより測定光と
参照光との干渉に起因する信号を得る光ヘテロダイン検
出器と、前記光ヘテロダイン検出器により得られた信号に基づい
て、前記被測定体内部の情報を求める演算部とを備えた
ことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】前記圧迫体により圧迫された被測定体、
もしくは該被測定体に照射する測定光を、相対的に回動
させる回動機構を備え、前記演算部が前記回動機構により回動される間に得られ
た信号に基づいて、前記被測定体内部のＣＴ画像を求め
るものであることを特徴とする請求項１記載の光計測装
置。
【請求項３】前記圧迫体による、前記被測定体を圧迫
する圧力を検出する圧力センサを備えたことを特徴とす
る請求項１記載の光計測装置。
【請求項４】前記圧迫体により圧迫された前記被測定
体の温度を検出する温度センサを備えたことを特徴とす
る請求項１記載の光計測装置。
【請求項５】前記光ヘテロダイン検出器が、５１４．
５ｎｍ以上かつ１．３１９μｍ以下の波長の光を用いて
前記信号を得る検出器であることを特徴とする請求項１
記載の光計測装置。