JPH11344442A

JPH11344442A - 媒体パラメ―タの決定方法及び自己参照型の光センサ

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Publication number: JPH11344442A
Application number: JP11082214A
Authority: JP
Inventors: Dennis M Hueber; デニス・エム・ヒューバー
Original assignee: ISS USA Inc
Current assignee: ISS USA Inc
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 1999-12-14
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: US6078833A; EP0945100A1; CA2266284A1; CA2266284C; JP4726270B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光源及び検出器を較正する必要なく、また光
結合効率の影響を受けることなく媒体のパラメータを常
に高精度に決定する。【解決手段】媒体、好ましくは例えば生体組織などの
高度散乱媒体のパラメータ決定する方法及び装置を構成
する。少なくとも２つの離間した光源が、組織又は他の
媒体を通って少なくとも２つの離間した検出器まで至る
光を提供する。これらの検出器は、ある定まった寸法に
制約される。そのような検出器により受け取られた結合
されたデータは、光源強度、検出器の感度、光源から媒
体までの光の結合効率、及び媒体から検出器までの光の
結合効率から実質的に独立であるデータを提供すること
ができる。２つの光源からの光はほぼ同一の波長を有す
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、例えば生体組織な
どの媒体の光学伝搬特性を検出することにより該媒体の
パラメータを決定する方法及び該方法を実施する際に用
いる自己参照型の光センサに関する。

【０００２】

【従来技術】グラットンその他に与えられた米国特許番
号５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号で
は、多数の光源に基づく計器であり且つ周波数領域での
分光原理を用いる計器が、例えば吸収係数、換算された
散乱係数及び屈折率などの散乱媒体の光伝播特性を間接
的に検査する決定方法に関して説明されている。生体組
織の光学特性を測定することによって、米国特許番号
５，４９７，７６９号及び５，４９２，１１８号で説明
されたこの計器は、オキシヘモグロビン、デオキシヘモ
グロビン、グルコースなどの物質濃度を決定することが
できる。周波数領域での分光原理が周知されており、該
原理は周波数領域における蛍光測定法及び又は燐光測光
法で使用され、中でも例えばグラットンの米国特許番号
４，８４０，４８５その他、及び米国特許番号５，２１
２，３８６号及び５，３２３，０１０号などに開示され
ている。

【０００３】そのようなプローブは、典型的には、高周
波数の正弦波状に変調された光を用いて作動する。典型
的には、プローブは測定されるべき媒体の表面と接触し
た状態で配置される。平均的な光強度、光強度の変調振
幅及び変調の位相が、多数の源検出器の各区分で測定さ
れ、例えば人間或いは動物の組織などの高度な散乱媒体
の吸収係数、散乱係数及び／又は屈折率の決定を可能に
する。多数の波長の源が用いられるとき、例えばオキシ
ヘモグロビン、デオキシヘモグロビンの濃度を、組織の
散乱又は反射特性に関する何らの先験的な知識或いは推
定を必要とすることなく、直接測定することができる。
これは、組織内の散乱が固体から固体へと、また個体内
の様々な組織の間で幅広く変化するので、重要な前進で
ある。散乱は組織内で時間の経過と共に変化し得るので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の先行技術では、複数の光源及び１つの検出器（或いは
複数の検出器）は既知の光伝播特性の基準に対して定期
的に較正しなければならない。この較正は、光源の強度
及び／又は位相が例えば時間や温度などの多くの要因に
より推移し、検出器の位相応答も推移し得るので定期的
に繰り返さなければならない。更には、この較正は、既
知の特性を持つ基準サンプルと測定されるべきサンプル
との間の光結合効率であり得る相違点を示すことができ
ない。髪の毛や土などがこの効率に影響を与えることが
でき、この効率で光はプローブとサンプルとの間を伝播
する。また、サンプルに抗してプローブを保持するため
に使用される圧力変化は、サンプルへの光の結合効率並
びにサンプルから検出器への光出力の結合効率に影響を
与えることができる。

【０００５】本発明は、上記事実に鑑みなされたもの
で、光源及び検出器を較正する必要無しに、媒体のパラ
メータを常に高精度に決定できる方法及び該方法を実施
する際に用いる自己参照型の光センサを提供することを
目的とする。

【０００６】また、本発明は、光源及び媒体間の光結合
効率、並びに、媒体及び検出器間の光結合効率の影響を
受けることなく、媒体のパラメータを常に高精度に決定
できる方法及び自己参照型の光センサを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、新しい
型式のプローブが提供され、このプローブは、上記と類
似した測定が較正の必要なくなされることを可能にする
という利点を有する。光源の強度、光検出器の感度、光
源及び検出器の高周波位相応答、現存するファイバー製
の光案内手段の結合効率及び高度の散乱サンプルの中に
入る光と出て行く光との結合効率を知ったり、予め制御
することは必要ではない。また、測定の前後で実行され
る任意の較正によって修正因子を見出す必要もない。本
明細書で説明される、測定を行うために使用されるプロ
ーブ及びプロセスは、本発明を用いることによって上記
に掲げた因子から独立に表すことができるからである。
かくして、本発明により得られるデータは、サンプルの
光学特性及び範囲を広げると生体組織のヘモグロビン或
いはグルコースを含むサンプル中の様々な実体の濃度を
演算するために使用することができる。

【０００８】本発明のプローブは、好ましくは動く部分
を含まず、典型的には組織の光吸収率が低い約６５０ｎ
ｍ乃至１０００ｎｍの波長範囲にある近赤外領域の光
で、人間或いは動物の組織などの高度な散乱媒体の放射
をほとんど瞬間的に望むデータを得ることができるのが
よい。このような光は組織を通って数ｃｍまで移動する
ことができ、組織成分の測光学的及び分光学的決定に役
立つ分光窓を提供する。（本発明のパラメータ決定方法）本発明によれば、媒体
のパラメータを決定する方法が提供され、該方法は、次
のステップを含む。即ち、第１の光源から媒体を通って
第１の検出器まで光の第１の部分を通過させる。次いで
第１の光源から媒体を通って第１の検出器から離れた第
２の検出器まで光の第２の部分を通過させる。

【０００９】第２の光源から媒体を通って上記に特定さ
れる第２の検出器まで光の第３の部分も通過させる。更
に、第２の光源から媒体を通って第１の検出器まで光の
第４の部分を通過させる。

【００１０】第１の光源と第１の検出器との間の距離、
及び、第２の光源と第２の検出器との間の距離は、ぼぼ
等しい。第１の光源と第２の検出器との間の距離、及
び、第２の光源と第１の検出器との間の距離も、ほぼ等
しいが前記距離とは異なる。

【００１１】上記ステップは連続的に行われるようにし
てもよい。単一の光源を含むステップを、同時に実行す
るようにしてもよい。次に、上記ステップで検出器によ
り受信されたデータを、光源の強度、検出器の感度、光
源から媒体への光の結合効率、及び、媒体から検出器へ
の光の結合効率からほぼ独立である態様で結合すること
ができる。これに基づいて、かかるデータから媒体のパ
ラメータを決定する。

【００１２】上記各光の部分は、本発明に係る方法がよ
り多くの或いはより良いデータを得るため異なる波長の
光部分を用いて再度実行してもよいが、本態様では、ほ
ぼ同一の波長を有している。

【００１３】検出器により受信される結合されたデータ
は、検出器と光源との間の媒体を通る距離の関数として
光部分の強度を含む。本発明に係る方法は、必要である
ならば、上記引用特許、特に米国特許番号５，４９７，
７６９号及び５，４９２，１１８号で説明された方法と
類似の態様で実行することができる。特にこれらの特許
では、結合されたデータは、（それらの前述した特許で
定義されたように）検出器からの信号の少なくとも２つ
の位相、交流（ＡＣ）成分及び直流（ＤＣ）成分を示
す。かくして、距離に関する上記成分の変化率は、第１
及び第２の検出器により検出される光部分の少なくとも
２つの位相シフト、直流成分の自然対数、及び交流成分
の自然対数を決定するため使用することができる。この
ことから、媒体の例えば吸収係数、散乱係数、及び／又
は屈折率などを決定することができ、これらから媒体の
様々な成分の濃度を決定し、実時間で監視することがで
きる。

【００１４】好ましくは、本発明に係る方法は、上述さ
れた手法で各々の光源から高度な散乱媒体を通って光の
変調された部分を通過することによって実行することが
できる。光の第４の部分を通る最初の変調部分は、ほぼ
同じ波長を持ち、各々は第１の周波数で変調される。第
１及び第２の検出器は第１の周波数とは異なる第２の周
波数で変調される。

【００１５】次に、好ましくは第２の周波数で検出され
た光部分から第３の周波数での合成信号を演算すること
ができ、この第３の周波数は第１の周波数と第２の周波
数との間の相違を示し、一般に、「相互相関周波数（cr
oss correlation frequency）」と称されているもので
ある。これより、データポイントを、第１及び第２の検
出器からのデータを結合して決定することができる。次
に媒体の望ましいパラメータは、データポイントから、
典型的には前に引用された特許での説明に類似した手法
で決定することができる。

【００１６】特に、光ビームから引き出された合成信号
から検出された、位相シフト、直流成分の自然対数、及
び交流成分の自然対数のうち、少なくとも２つにおける
距離による変化率を決定するためのステップを、上記方
法において用いることができる。これより、上述したよ
うに、媒体の吸収係数、屈折率及び散乱係数の少なくと
も１つを決定することができる。これによって、例えば
上で引用された最初の２つの特許で提供される公式に従
って光の２つの異なる波長を２回用いる本発明の上記方
法を実施することによって、典型的に２つの波長におけ
る吸収係数からヘモグロビンの少なくとも１つの形態に
おける媒体の絶対濃度を決定することが可能になる。そ
の代わりに、グルコースの相対濃度を屈折率により乗算
された散乱係数から媒体中で決定することができる。

【００１７】本発明によって、データから媒体のパラメ
ータを決定するステップは、光源の強度、第１及び第２
の検出器の感度、光源及び検出器の高周波数位相応答、
光源から高度な散乱媒体まで通過する光の結合効率から
ほぼ独立である態様で第１及び第２の検出器から受け取
った応答データを結合するステップを含むことができ、
これによって光源及び検出器の較正が不必要とみなすこ
とができる結果となる。このシステムエラーは、相殺し
合う。

【００１８】本発明の方法は、データ精度を改善するた
め、単一部材である第１の光源を複数回順次使用し、単
一部材である第２の光源を複数回順次使用する繰り返し
に基づいて上記方法を変更した態様で使用することがで
きる。

【００１９】また、本発明の方法は、第１及び第２の検
出器に各々第３の光源からの光の第５及び第６の部分を
各々通過させる、追加のステップを含むことができる。
第３の光源は、第１及び第２の検出器から等距離に配置
され、これによって参照光源が検出器の自己較正のため
に提供される結果となる。

【００２０】第５及び第６の光の部分を使用する、この
後者の方法は、本発明の第２実施形態を示し、自己参照
される絶対プローブのように参照されることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、媒体のパラメ
ータを決定するための計器１０が開示されている。特
に、この計器は、生きている患者の組織におけるヘモグ
ロビン、オキシヘモグロビン及び／又はグルコースの濃
度を監視するという目的がある。これは、患者１４の皮
膚、例えば頭、腿、或いは腕などに対してプローブ即ち
剛性ハウジング１２の面１６を押し当てることによって
達成される。また、このプローブを、液体中に浸漬させ
てもよい。面１６が堅く穏やかな圧力で患者の皮膚に同
一面内で圧された状態で、図２乃至図５に示す代替設計
された面を用いてもよい。

【００２２】図２に特定された実施形態では、プローブ
１２は、プローブ１２の面１６から突出している、２つ
の検出器１８、１９及び４つの光源２０、２１、２３、
２５を備えている。面１６はパーティションにより範囲
を画定してもよく、これによって光源２０、２１、２
３、２５からの光がこのパーティションを通って患者の
組織を通過するように放射され、患者の組織を通過した
そのような光が検出器１８、１９によって検出されるよ
うにしてもよい。検出器１８、１９及び光源２０、２
１、２３、２５は、ワイヤ及び／又はケーブル２２の可
撓性を持った光案内手段と連通しており、これによって
光がケーブル２２を通過して様々な光源に至り、検出器
１８からの信号がケーブル２２を通過してコントローラ
２４に至るようにしている。その代わりに、光源がプロ
ーブに取り付けられたＬＥＤであって、更にこれらのＬ
ＥＤは、それの発光及び消灯を選択するためコントロー
ラ２４により制御される電位ポテンシャルを運ぶ細かい
ワイヤに接続されるようにしてもよい。また、必要とあ
らば、光がプローブ１２の面１６上の様々な場所即ち位
置で検出されるように、単一の検出器が適切な光ファイ
バー及び他の従来の設備を用いて該単一の検出器を交互
に使用する方法で使用されるようにしてもよい。この検
出器はコントローラ２４に備わっていてもよく、一対の
光案内手段などにより面１６と連通するようにしてもよ
い。更に、線形ＣＣＤカメラを検出器として役立つよう
に使用することもでき、このとき該ＣＣＤカメラは特に
図２に示す分離型検出器１８、１９と等価な構造を構成
するように光ファイバーと接続される。アレイ型検出器
が検出器１８、１９の両方を構成するように使用するこ
とができる。これらのシステムは、すべて「（１つの）
検出器」又は「（複数の）検出器」という用語によって
包括される。

【００２３】コントローラ２４からの信号は、例えばコ
ンピュータ２８などの電子プロセッサにコンダクター２
６により伝達される。このコンピュータでは、信号をデ
ータに変換し、必要に応じて、特に本明細書で説明され
る手法で数学的に処理することができる。

【００２４】更に加えて、光源を時間分割制御するシス
テムを設けてもよい。このシステムでは、一つの光源の
みが常時点灯し、且つ、両方の検出器からの信号が、与
えられた時刻で単一の光源から生成された光に応答した
ものであるように、各光源のオンオフを切り替え制御す
ることができる。これは、コントローラ２４内に設けら
れた従来の回路により提供される。その代わりに且つ同
等に、光源を多重送信する他の手段、例えばチョッピン
グ又は周波数多重送信（frequency multiplexing）など
を用いることができる。

【００２５】波長毎に対する２つの光源の必要性は、光
源を２又はそれ以上の光案内手段の間で機械光学的に切
り替えることができるならば減じることができる。この
とき、波長毎に単一の光源が要求されるが、プローブ上
ではまだ光源の２位置が確保される。波長を調整可能な
光源を用いることにより、要求される光源の数を減少さ
せることも可能である。また、理論的には、１つの電子
光学検出器を２つの光案内手段の間で切り替えることが
できる。しかしながら、１つの検出器がこの方法で時間
分割制御される場合には、２つの検出器位置に到達する
光の測定は、同時には行われなくなる。これは、後者の
デバイスが光源強度の迅速な変化及び他の変化に対し感
度が低下するため、欠点となるであろう。

【００２６】図２は、本発明に係るプローブ面を示して
おり、このプローブは均衡の取れた絶対型式のものであ
る。図示のように、少なくとも２つの光源２０、２３及
び２つの検出器１８、１９が要求される。しかしなが
ら、第２の組の光源２１、２５が図示されたものと同等
の幾何学的配置で提供される方がより好ましい。

【００２７】本発明によって、光の第１の部分は、ライ
ンＸｂで示すように、第１の光源２０から患者１４の組
織媒体を通って第１の検出器１８にまで至る。同時に又
は継時的に、ラインＸｆで示すように、光の第２の部分
は第１の光源から媒体を通って第２の検出器１９にまで
至る。

【００２８】次に、光の第３の部分は、第２の光源２３
から組織媒体を通って第２の検出器１９にまで至り、こ
の経路は光部分Ｘａとして特定される。同時に又は継時
的に、光の第４の部分Ｘｅは、第２の光源２３から媒体
を通って第１の検出器１８にまで通過される。

【００２９】検出器及び光源の幾何学的配置を参照する
と、第１の光源２０と第１の検出器１８との間の距離
は、第２の光源２３と第２の検出器１９との間の距離に
ほぼ等しい。換言すれば、光部分Ｘｂ及びＸａは、組織
を通る長さが相等しい。また、第１の光源２０と第２の
検出器１９とは第２の光源２３と第１の検出器１８との
間の距離にほぼ等しい。換言すれば、組織を通過する光
部分Ｘｅ及びＸｆの長さはほぼ等しく、前者の距離とは
異なっている。

【００３０】光源２０及び２３はほぼ同じ波長を有して
いる。光源２１及び２５が、異なる波長で同じ方法が実
行されることを可能にするべく光学的に提供され、ある
環境において例えばオキシヘモグロビン及び／又はデオ
キシヘモグロビンなどの組織媒体１４の成分について定
量的決定を可能にする。かくして、必要とあらば、上述
した方法が、同じ波長を持つ光源２１、２５で実行され
るが、同じ検出器１８、１９を用いながら光源２０、２
３の波長とは異なっている。光源と検出器との間で光源
２０、２３に対して見出されるのと同じ距離という拘束
は、光源２１、２５に対し適用されることがわかる。必
要ならば追加の波長を持つ追加の光源の対を追加するこ
とができる。

【００３１】本発明を更に示すため、理論的な背景を以
下に説明する。均一で高度な散乱媒体の中で光が光源か
ら外側に進行するとき、媒体中のある点で観測（測定）
された放射エネルギー密度Ｕは、観測点と光源との間の
距離の関数として光源からの距離の増加と共に指数関数
的に減少する。距離に関する放射エネルギー密度Ｕの変
化率は、媒体の光学特性に依存する。光源の放射強度が
正弦波状に変動する場合、光源から外側の媒体を通って
伝播するため「光子密度波（photon density wave）」
と云うことができる。媒体中の任意の点ｘにおける、放
射エネルギー密度ｕの時間ｔにおける変化は、次の波動
方程式によって記述することができる。

【００３２】Ｕ（ｔ）＝Ｕ_AC（ｘ）ｓｉｎ（２πｆｔ＋
Φ_U）＋Ｕ_DC（ｘ）Ｕ_ACは変動振幅、ｆは変動の周波数、Φ_Uは位相、Ｕ_DC
は平均放射エネルギー密度である。Ｕ_AC及びＵ_DCの両方
は、観測点と光源との間の距離の関数として指数関数的
に減少する。しかしながら、Ｕ_ACはＵ_DCが減少するより
も更に迅速に減少する。

【００３３】光子密度波が一定周波数及び一定速度で進
行している間、該光子密度波の速度は、媒体中の光の速
度よりも遅い。固定時刻における位相（又は位相シフ
ト）は、光子密度波の速度に従って距離に関して線形に
増加する。

【００３４】距離に関するＵ_AC、Ｕ_DC及びΦ_Uは、すべ
て媒体の光学特性に依存する。Ｕ_AC、Ｕ_DC及びΦ_Uの変
化を測定することによって、媒体の光学特性に関する情
報を得ることができる。これらの特性のうち３つが、吸
収係数μ_a、換算された散乱係数μ’_s、及び屈折率ηで
ある。吸収係数は物質中の吸収量の測定値であり、μ’
_sは散乱量の測定値であり、ηは媒体中の光速度の測定
値である。物質中の散乱及び吸収は光の波長に従って変
化する。それで、μ_a、及びμ’_sを測定するために、狭
い波長バンド幅で放射する光源（又は狭い波長バンド幅
の光のみを検出する検出器）が用いられる。

【００３５】「光子拡散理論」によれば、距離に関する
Ｕ_AC、Ｕ_DC及び／又はΦ_Uの変化を測定することによっ
てμ_a、μ’_s、或いはηを高度な散乱媒体中で推定する
ことができる。この主張を裏付ける数学は、均一媒体の
表面に接触した状態で配置されたプローブの場合につい
て、米国特許番号５，４９７，７６９号及び５，４９
２，１１８号で以前に論じられた。手短にいえば、ｄを
光源と検出器との間の距離、ｌｎを自然対数とすると、
ｌｎ（Ｕ_ACｄ²）、ｌｎ（Ｕ_DCｄ²）及びΦ_Uがｄに対し
てプロットされ、各々が直線を与えた場合、これらの直
線の傾斜角をμ_a／η及びημ_s’の値を計算するために
使用することができる。ηが既知の場合はμ_a及びμ_s’
の値を計算することができる。これら３つの傾斜角のう
ち２つを決定する必要がある。通常では、この２つは、
ｄに関するｌｎ（Ｕ_ACｄ²）或いはｌｎ（Ｕ_DCｄ²）のい
ずれかの変化及びΦ_Uの変化が用いられる。最初の２つ
の傾斜角を使用するだけでは、測定に際して非常な精度
を要するからである。表面の測定及びサンプル中に浸漬
されたプローブを用いた測定に適した類似の数学的手法
が、フィシュキン及びグラットンによる「直線エッジに
より境界をつけられた、吸収する半無限平面を含む強散
乱媒体における光子密度波の伝播（Propagation of Pho
ton-density Waves in Strongly Scattering Media Con
taining an Absorbing Semi-infinite Plane Bounded b
y a Straight Edge）」（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．
Ａ，第１０巻、Ｎｏ．１号の１２７頁乃至１４０頁）で
説明されている。

【００３６】本発明に関しては、これらの量は距離ｄに
関して直線を画定しており、それでこの直線の傾斜角は
任意の２点間におけるｄに関する変化率であることを強
調すべきである。従って、均一な高度の散乱媒体のμ_a
及びμ_s’は、点光源からある距離にある２又はそれ以
上の点における平均的なＵ_DC（又はＵ_AC）の比率、光源
からある距離にある２又はそれ以上の点における位相及
び媒体中のηのみを知っているとみなすことができる。
ημ’_s及びμ_a／ηの値は独立に見出すことができる
が、ηは、測定のみによってはμ’_s及びμ_aから分離す
ることができない。幸運にもηは他の方法（例えば、
「応用光学」２８巻、Ｎｏ．１２号、２２９７頁乃至２
３０２頁、１９８９年発行のボリンその他による「光フ
ァイバー被覆方法を用いた乳房組織の屈折率）によって
組織中で決定することができる。また、ηが波長に関し
て変化する一方で、組織を含む多くの物質中で小さな波
長範囲に亘ってほとんど一定である。

【００３７】サンプルの吸収係数は重要な特性である。
何故ならば、媒体中の吸収要素の数が既知の場合、この
吸収要素の数に少なくとも等しい波長の数においてμ_a
が既知の場合、各々の吸収要素の吸光係数が測定された
波長で等しくない場合、吸収体の濃度を決定することが
できる。２つの吸収体Ａ及びＢがあり、２つの波長にお
けるμ_aが各々測定された簡単な場合について、次式が
成り立つ。

【００３８】

【数１】

【００３９】ここで、〔Ａ〕は一方の要素の濃度であ
り、〔Ｂ〕は他方の要素の濃度である。波長λ１におけ
る要素Ａの吸光係数は、ε_A,λ₁によって与えられ、波
長λ２における要素Ａの吸光係数は、ε_A,λ₂などによ
って与えられる。

【００４０】関数Ｕ_DC（ｘ）の象徴記号がサンプル内の
エネルギー密度Ｕの平均を表すために本明細書で使用さ
れる。ここで、ｘはサンプル内への光の入射ポイントと
観察点との間の距離、即ち「光源及び検出器の分離間
隔」である。光源の波長が特定化されなければならない
場合、添字λを用いて波長を特定することができる。即
ちＵ_DC（ｘ）λと表す。２つの分離間隔におけるＵ
_DC（ｘ）λの比率及びλは、次式によって与えられる。

【００４１】

【数２】

【００４２】ここで、ｘ₁及びｘ₂は各々異なる２つの分
離間隔である。又は、Ｕ_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λと
表すこともできる。同様に、放射エネルギー密度の変動
振幅はＵ_AC（ｘ）又はＵ_AC（ｘ）λで示され、２距離に
おける振幅比率はＵ_AC（ｘ ₁）λ／Ｕ_AC（ｘ₂）λで示さ
れる。与えられた距離ｘにおける光子密度波の位相は、
波長が特定されるとき、添字λを用いて再度Φ_U（ｘ）
と記述されるであろう。次に、２位置における位相の相
違は、Φ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λとなるであろう。Ｄ
Ｃ及びＡＣの記号が、光電検出器の信号の直流及び交流
成分を表すために使用され、信号の位相に対しては記号
Ｐが使用される。

【００４３】Ｕ_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λは、例えば
検出器における平均放射フラックス又は検出器からの電
気信号（信号の直流部分）などのＵ_DC（ｘ₁）λ及びＵ
_DC（ｘ₂）λに直接比例する任意の値の比率に等しいこ
とを記しておくべきである。同様に、Ｕ_AC（ｘ₁）λ／
Ｕ_AC（ｘ₂）λは、例えば検出器からの信号の交流部分
などのＵ_AC（ｘ₁）λ及びＵ_AC（ｘ₂）λに直接比例する
任意の値の比率に等しい。事実、厳密に等しい特性及び
光学経路を持つ２つの線形検出器を、波長λの単一光源
から２つの距離（ｘ₁及びｘ₂）離れたところの媒体の光
を同時に監視するために使用することができるならば、
Ｕ_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λの比率を、ＤＣ（ｘ₁，
ｄ₁）λ／ＤＣ（ｘ₂，ｄ₂）λ（ここで、ｄ₁及びｄ₂は
検出器１８及び１９を指し示すことができる）の比率か
ら直接見出すことができる。また、Ｕ _AC（ｘ₁）λ／Ｕ
_AC（ｘ₂）λの値は、ＡＣ（ｘ₁，ｄ₁）λ／ＡＣ（ｘ₂，
ｄ₂）λに等しく、Φ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λは、Ｐ
（ｘ₁，ｄ₁）λ−Ｐ（ｘ₂，ｄ₂）λに等しい。

【００４４】しかしながら、２つの厳密に整合された高
感度、高速度の検出器であって、２つの同一の光学経路
を備えたサンプルに結合された検出器を使用することは
実用的ではない。本明細書で説明されるプローブは、た
とえこれらの光源の強度がわからず、且つ等しくなかっ
たとしても、及びたとえ検出器の感度及び位相応答がわ
からず、且つ等しくなかったとしても、均一散乱中でＵ
_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λ、Ｕ_AC（ｘ₁）λ／Ｕ
_AC（ｘ₂）λ及びΦ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λを測定す
るために使用することができる。２つの完全に類似した
光源（及び類似した光源光学経路）を使用することはや
はり同様に実用的ではない。様々な機械的解答を提案す
ることができ、これらの解答では、検出器の位置及び／
又は光源の位置は、動くミラー及び他の装置の手段によ
って変えられる。しかしながら、本明細書で説明される
プローブは、動く部分を全く要せず、複雑さを追加する
こともほとんどない。

【００４５】図２は、均衡のとれた絶対プローブを示
し、このプローブは、較正すること無しに量的示度を提
供し、上述されたシステム変数により引き起こされるエ
ラーから独立している。特に、いくつかのプロトタイプ
の絶対プローブを、「Ｉｓｓデュアルチャンネルオキシ
メータ（ISS Dual Channel Oximeter）」を用いて使用
した。このＩＳＳオキシメータは、変動するレーザダイ
オードを１６個まで時間分割制御し、２つの光電子増倍
管（ＰＭ）の検出器を有し、それらすべてが可撓性の光
ファイバー製光案内手段に連結されている。光源切り替
えのタイミングは、パーソナルコンピュータ２８により
制御され、アナログ−デジタルコンバータが２つの光電
子増倍管からの信号を測定するために使用される。

【００４６】プロトタイプのプローブでは、光案内手段
が使用された。従って、本明細書において光源への言及
は、光がプローブから放射され及びサンプル内へと放射
されるポイントに言及されたものと理解するべきであ
る。また、光ファイバー製の光案内手段は、プローブに
検出器１８、１９を接続するために使用され、それで
「検出器」という用語はプローブ面１４上の位置に言及
されたものと理解されるべきである。このプローブ面上
の位置から検出器を励起する光が集められ、「光源及び
検出器の分離間隔」は、光がプローブにより放射される
ポイントと、プローブにより集められるポイントとの間
の距離となる。

【００４７】図３を参照すると、均衡のとれた絶対プロ
ーブが開示されており、このプローブは図２の構成と機
能的に類似しているが、検出器１８ａ、１９ａが光源２
０ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａのグループの外側に配置
されている。第１の光源２０ａ及び第１の検出器１８ａ
間の距離が第２の光源２３ａ及び第２の検出器１９ａの
間の距離と同一である上述した配置上の制約が本実施形
態並びに図２の実施形態に当てはまっていることが理解
できる。また、前記のように、第１の光源２０ａ及び第
２の検出器１９ａ間における距離は、第２の光源２３ａ
と第１の検出器１８ａ間の距離とほぼ同じである。

【００４８】追加された光源２１ａ、２５ａは、図２の
実施形態で追加された光源２１、２５の使用と同様の目
的のために、これら後者の２つの光源が第１及び第２の
光源２０ａ、２３ａの同一波長とは異なる同一波長を持
つ光を提供する状態で存在している。

【００４９】かくして、図２及び図３に示す構成を持つ
光源の各々は、使用中に、短い周期の時間（数ミリ秒か
ら数秒）で切り替えられ、両方の検出器からの対応する
信号は同時に測定される。他の方法では、必要とあらば
検出器の測定は逐次的となり、各々の光源は検出器が唯
一の光源からの光を検出するように逐次的にオンオフさ
れる。上記光源構成の対称性は、較正無しに、Ｕ_DC（ｘ
₂）λ／Ｕ_DC（ｘ₁）λ、Ｕ_AC（ｘ₂）λ／Ｕ_AC（ｘ₁）λ
及びΦ_U（ｘ₂）λ−Φ_U（ｘ₁）λの平均を演算すること
を可能にする。ここで、ｘ₁及びｘ₂は光源及び検出器の
２つの分離間隔であり、例えば、一方の光源及び検出器
の分離間隔に対してＸａ、Ｘｂであり、他方の光源及び
検出器の分離間隔に対してＸｅ、Ｘｆである（図２）。

【００５０】このことを数学的に示すために、まず、第
１の光源（例えば光源２０）がオンのとき、Ｕ
_DC（ｘ₁）λ及びＵ_DC（ｘ₂）λは、検出器に対する感度
因子及び光源に対する強度因子が分かっている場合、２
つの関係から次式のように見出すことができる。

【００５１】Ｕ_DC（ｘ₁）λ＝Ｉ_s1Ｕ’_DC,S1Ｘ_d1,λＳ
_d1,λＤＣ（ｘ₁，ｓ₁，ｄ₁）〔１〕Ｕ_DC（ｘ₂）λ＝Ｉ_s2Ｕ’_DC,S1Ｘ_d2,λＳ_d2,λＤＣ（ｘ
₂，ｓ₁，ｄ₂）〔２〕指標ｄ₁及びｄ₂は、例えば図２では検出器１８，１９及
び他の図ではこれに対応する検出器などのシステム内の
検出器に言及している。指標ｓ₁、ｓ₂は、例えば図２で
は光源２０、２３及び他の図ではこれに対応する光源な
どの第１及び第２の光源に言及している。ＤＣ（ｘ_a，
ｓ_b，ｄ_c）は、光源ｂから距離ｘ_aにある検出器ｃから
の光源ｂに由来する信号の平均である。Ｘ_d1,λは単位
光子密度当たりのボルト（又は電流）単位で示す検出器
ｃの感度である。Ｕ’_DC,sbは、光源ｂの強度である。
Ｓ_dc,λは光源１及び２の波長（λ）における（すべて
の比例損失（proportional losses）を含む）感度検出
器ｃの損失因子である。Ｉ_sbは、光源ｂに対する強度損
失因子（すべての比例損失を含む）。強度損失因子Ｉ、
検出器損失因子Ｓ、強度Ｕ’、及び感度Ｘが未知であ
る。

【００５２】同様に、第２の光源ｓ₂（例えば光源２
３）がオンであるとき、次式が成り立つ。Ｕ_DC（ｘ₁）λ＝Ｉ_s2Ｕ’_DC,S2Ｓ_d2,λＸ_d2,λＤＣ（ｘ
₁，ｓ₂，ｄ₂）〔３〕Ｕ_DC（ｘ₂）λ＝Ｉ_s2Ｕ’_DC,S2Ｓ_d1,λＸ_d1,λＤＣ（ｘ
₂，ｓ₂，ｄ₁）〔４〕次に、自明な変換操作によって、次式を得る。

【００５３】

【数３】

【００５４】式〔１〕〜〔４〕におけるＵ_DC（ｘ₁）λ
及びＵ_DC（ｘ₂）λに対する表現を上記に得た式〔５〕
の最終項に置き換えることによって、次式が得られる。

【００５５】

【数４】

【００５６】又は、

【００５７】

【数５】

【００５８】ここで、Ｉ及びＳの因子のすべてがキャン
セルされる。（式中の≡記号は、測定で何らかの誤差が
常に生じることを強調するため上式で使用される。）類
似の議論によって、次式が成立することを示すことがで
きる。

【００５９】

【数６】

【００６０】位相に対しては、数学が僅かに異なる。最
初に位相遅延が既知量としてデバイス内で導入された場
合、２点の距離における光子密度波の位相は、光源１が
オンとなっている間、次式から見い出すことができる。

【００６１】Φ（ｘ₁）λ＝Ｐ（ｘ₁，ｓ₁，ｄ₁）＋ｑ
_d1,λ＋ｗ_a1,λ〔１０〕 Φ（ｘ₂）λ＝Ｐ（ｘ₂，ｓ₁，ｄ₂）＋ｑ_d2,λ＋ｗ_s1,λ
_'〔１１〕ここで、Ｐ（ｘ_a，ｓ_b，ｄ_c）は、光源ｂからの光（距
離ｘ_a走行した）に由来して検出器ｃで測定された位相
である。検出器の位相遅延（電子的及び光学的）は、ｑ
_d1,λ及びｑ_d2,λにより与えられ、ｗ_s1,λ及びｗ_s2,λ
は光源に対する位相遅延（電子的及び光学的）である。

【００６２】第２の光源がオンであるとき、次式を見い
出すことができる。 Φ（ｘ₂）λ＝Ｐ（ｘ₂，ｓ₂，ｄ₁）＋ｑ_d1,λ＋ｗ_s2,λ
〔１２〕 Φ（ｘ₁）λ＝Ｐ（ｘ₁，ｓ₂，ｄ₂）＋ｑ_d2,λ＋ｗ_s2,λ
〔１３〕次に、次式を記す。

【００６３】

【数７】

【００６４】式〔１０〕〜〔１３〕からのΦ_U（ｘ₁）及
びΦ_U（ｘ₂）に対する表現を上記に得た式〔１４〕の最
終項に置き換えることによって、次式が得られる。

【００６５】

【数８】

【００６６】光源が調整可能であるか或いはより多くの
光源位置２１，２５をプローブに単に追加する場合に
は、他の波長にこれらの光源を調整することによって均
衡のとれた絶対プローブに追加の波長を追加することが
できる。追加の光源位置の各組は、２つの検出器位置に
関して上記に説明されたのと同じ対称性を保持しなけれ
ばならないが、２つの光源及び検出器の分離間隔まで必
ずしも前と同じに定める必要はない。１波長につき少な
くとも２つの光源が存在しなければならない一方で、検
出器に関して同じ対称性を保持する各々の対も２以上あ
ったとしてもよい。（自己参照絶対プローブの実施形態）図４を参照する
と、特に図２及び図３で図解されたスキームの変更が示
されている。

【００６７】図４はプローブ１２の面１６ｂを示し、こ
のプローブは前記実施形態と機能が類似しているが、自
己参照機能を有している。特に、図４のプローブ面は、
図２の対応する光源と類似している４つの光源２０ｂ、
２１ｂ、２３ｂ、２５ｂを長方形状に配列した状態で載
置している点において図２の実施形態と類似している。
また、プローブ面１６ｂは、１対の光検出器１８ｂ、１
９ｂを載置しており、これらの光検出器は、図２の実施
形態で対応する光検出器と同じ位置に配置するのが好ま
しい。しかしながら、このシステムは、前記実施形態よ
りも変化や非対称的配列に対して、より耐性がある。

【００６８】本発明によれば、少なくとも１つの参照光
源３０が追加され、好ましくは、それに加えて第２の参
照光源３２が更に追加されるのがよい。参照光源３０
が、光源２０ｂ、２３ｂの波長を持つ光を放射すると共
に、参照光源３２が光源２１ｂ、２５ｂの波長を持つ光
を放射する。参照光源３０は、各々の検出器１８ｂ、１
９から等間隔に配置されている。参照光源３０と共に機
能する他の光源２０ｂ、２３ｂは、上述した対称性に制
限されるのが好ましいが、特定の光源及び検出器間の距
離を変えることもできる。同じことが、参照光源３２及
び該光源と共に機能する他の光源２１ｂ、２５ｂの間の
関係にも当てはまる。

【００６９】各々の光源は短周期で逐次的に切り替えら
れる。このサイクルは、必要とあらば連続的に繰り返す
ことができる。検出器の感度及び位相修正因子を決定す
るために参照光源３０、３２を使用することができる。
これらの感度及び位相の応答修正因子は、動的に測定し
てもよく、次いで検出器１８ｂ、１９ｂがオンとなって
いる間に、各々の光源２０ｂ、２３ｂ（及び対応する光
源２１ｂ、２５ｂ）から検出された信号に適用される。
例えば、第１の参照光源３０を発光させ、検出器１８ｂ
及び１９ｂからの平均的な信号の大きさの比率を記録す
ることができる。次に、参照光源３０を消灯させ、検出
器１８ｂ、１９ｂの平均的な信号の大きさが記録されて
いる状態で測定用光源２０ｂを発光させることができ
る。次に、このステップで検出器１９ｂで測定された値
は、参照光源３０からの光に対する検出器１８ｂの応答
と検出器１９ｂの応答との記録された比率によって乗じ
られる。かくして、修正ステップが適用されて、各々の
検出器１８ｂ、１９ｂの異なる感度に起因する誤差を消
去することができる。次に、測定用光源２３ｂは更なる
較正のため上記のように光源２０ｂと同様に取り扱うこ
とができる。

【００７０】同様に、付加的な修正因子が位相に対して
使用され得るという点を除き、システムに適用された光
の変動振幅及び位相を修正することができる。この修正
因子は次式によって与えられる。

【００７１】

【数９】

【００７２】ここで、Ｃ_DC,λ、Ｃ_AC,λ及びＣΦ_,λ
は、ＤＣ（ｘ，ｓ，ｄ₂）λ、ＡＣ（ｘ，ｓ，ｄ₂）λ、
及びΦｓ（ｘ，ｓ，ｄ₂）λに対する修正因子であり、
ｓ_R及びｘ_Rは、参照光源３０若しくは３２、及び、光源
及び検出器の間の距離を表す。ＵＤＣ（ｘ₁）λ／ＵＤ
Ｃ（ｘ₂）λ、ＵＤＣ（ｘ₁）λ／ＵＤＣ（ｘ₂）λ及び
Φ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λが次式より見出すことがで
きる。

【００７３】

【数１０】

【００７４】これらの式からわかる通り、多数の光源の
存在は余分な測定を提供する。多数の結果を平均化する
ことができる。１波長当たりにつきほんの２つだけの光
源位置、１回の測定及び１つの参照光源を持つことも可
能である。

【００７５】図４が示唆しているように、ある１つのプ
ローブは、均衡のとれた絶対型式及び自己参照型式の両
方の基本的な設計基準に適合することができる。それは
上述した対称性を持ってもよく、（１波長当たりにつ
き）第３の「参照」光源を持ってもよい。この場合に
は、上記対称性を有するのが好ましい。いずれか１組の
式を用いても、或いは、両方の式を用いてもよく、その
答えがサンプルの均一性のチェックとして比較されるか
らである。

【００７６】使用時には、いずれかの絶対プローブが測
定されるべき材料に対して堅固に圧されるか、或いは、
サンプルが液体の場合、このプローブはサンプル中に浸
漬される。各々の光源を順次オンにするサイクルが確立
され、無限に繰り返される。両方の検出器からの信号が
監視され、各々の光源の「オン」周期に連係してＡＣ、
ＤＣ及びΦが測定される。各々の波長において、Ｕ
_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λ、Ｕ_AC（ｘ₁）λ／Ｕ
_AC（ｘ₂）λ、Φ（ｘ₁）λ−Φ（ｘ₂）λ、μ_a、μ_s’
などの各値を演算するためコンピュータを使用すること
ができる。この結果がコンピュータにより表示される
か、或いはメモリに格納される。測定における信号対ノ
イズ比を改善するため数サイクル分の結果を平均化する
ことができる。

【００７７】かくして、図４のプローブが上述された
（自己較正される）絶対測定をなすために使用すること
ができ、或いは、それらは最初の（平均的な）光学特性
を測定し、次いで波長当たりにつき、ただ一つの光源を
用いて使用することができる。試験される媒体の最初の
光学特性が試験され、これらの測定値は、「修正因子」
を演算するのに使用され、各々２つの検出器１８ｂ、１
９ｂの応答を対等にすることができる。次に、波長当た
りただ一つの光源位置、即ち光源２０ｂ、２３ｂのうち
の一つだけ及び光源２１ｂ、２５ｂのうちの一つだけを
用いて更なる測定をなすことができる。これらの光源が
多重時間制御される場合、これによって、サンプルの光
学特性における変化のより迅速な測定が可能となり、光
学特性の実時間測定に資することができる。

【００７８】図５を参照すると、プローブ１２の面１６
ｃが異なる実施形態で示されている。この実施形態は図
４の実施形態と等価である。図５に示す実施形態では、
第１及び第２の検出器１８ｃ、１９ｃが、ここで使用さ
れる各々の光源の外側に配置されている。異なる波長用
の光源２０ｃ、２１ｃが光源２３ｃ、２５ｃと共に図示
のように配置されている。これらは図４で同じ番号のそ
れらの対応物と等価である。第１及び第２の検出器１８
ｃ、１９ｃに対するこれら４つの光源の空間的関係は図
３の実施形態で見出されるものと同じであるのが好まし
いが、２つの参照光源３０ｃ及び３２ｃが追加されてい
る。参照光源３０ｃ、３２ｃは検出器１８ｃ、１９ｃの
間に等間隔に配置され、図４の実施形態において対応す
る参照光源３０、３２に関連して説明された態様で機能
する。

【００７９】

【実施例】均衡のとれた絶対型式及び自己参照型式（図
２及び図４の各々）のいくつかのプロトタイプのプロー
ブが製作され、単一光源、単一検出器を用いた測定によ
って以前に決定された光学特性を持つサンプルを測定す
るために使用された。使用した光源及び検出器は、２波
長における多重距離光源及び光ファイバー製光案内手段
に連結された検出器の複数組を有し、前記に引用した米
国特許番号５，４９７，７６９号に開示された設計に類
似したＩＳＳデュアルチャンネルオキシメータを含む。
この計器は、本発明の変更されたヘッド部１２の各々の
検出器を照射する変調光の相対振幅及び位相を測定する
ため直前に引用された特許で説明されたようなヘテロダ
イン方式及びデジタルフーリエ変換方法を使用する。こ
れらの方法では、前に引用された特許に係るデバイスが
使用される。光源は振幅が変調されたダイオードレーザ
ーであり、検出器は感度変調された光電子増倍管（ＰＭ
Ｔ）であった。光電子増倍管は、レーザーダイオードを
変調するため使用される１１０ＭＨｚの基本周波数とは
僅かに異なる周波数で変調される。かくして、検出器は
基本変調周波数と検出器変調周波数との差に等しい相互
相関周波数で信号を生成する。この相互相関周波数は、
典型的には約１０ＫＨｚまであり得る。

【００８０】平均検出器信号及び相互相関周波数での変
調の振幅は、検出器を照射する光の平均強度及び光の強
度での変調振幅に比例する。検出器の相互相関周波数信
号の位相は、基本周波数における光の変調の位相に等し
い。両方の検出器からの信号は、パーソナルコンピュー
タでのアナログデジタル変換器によってサンプリングさ
れる。従来型式のフーリエ変換アルゴリズムが、相互相
関周波数における変調振幅（ＡＣ）、信号の位相
（Ｐ）、及びゼロ周波数振幅（ＤＣ）を演算するために
使用される。

【００８１】テストが実行される媒体は、媒体に高度な
散乱を提供するために使用されるリポジンIIIファット
エミュレーション（Liposyn III fat emulation）（ア
ボット（Abbott）研究所）を含む水性サスペンションと
アブソーバーとしてのインド製インクとを含み、それら
は、そのような媒体の６リットル以上を保持するおおよ
そ１４インチ径で７インチの高さを有するプラスティッ
ク製円筒容器内に入れられていた。かくして、そのよう
な媒体は、この容器の中心近傍に配置されたとき光源及
び検出器に関して実効的に無限であり、媒体の頂部表面
に接触した状態で保持された光源及び検出器に関して単
一の平面境界では実効的に半無限であった。様々な量の
リポジンが様々なテスト用の固体含有物の変化を得るた
め混合物に添加され、各々の混合物の光学特性が、図２
の設計を有するプローブを用いて各々測定された。

【００８２】図２の均衡のとれた絶対型式の設計を有す
るプローブが、８３０ｎｍの波長を持つ２つの光源２
０、２３と、７５０ｎｍの波長を持つ２つの光源２１、
２５と、２つの検出器１８、１９とを用いて作動され
た。検出器１８，１９の間の距離は、１．４ｃｍであっ
た。より短い光源及び検出器の間の分離間隔は２．９ｃ
ｍであった。

【００８３】このプローブはリポジン水性媒体の上に配
置され、水性媒体の表面下約１ｍｍのところを保持され
ている（光案内手段である）光源の先端部２０、２１、
２３、２５を備えている。各々の光源は４０ミリ秒間オ
ンの状態に保持され、４つの光源すべてが完全に照明す
るサイクルが０．３２秒間、継続し、様々な光源の照明
の間にデッドタイムが存在している。多数のサイクルに
よる結果は少なくとも１０秒間平均化され、平均化され
た結果は光学パラメータを演算するため使用された。こ
れらの演算は半無限媒体に対して実行された（１９９４
年１０月、Ｎｏ．１０第１１巻部分Ｂのアメリカ光学会
ジャーナル誌２１２３〜２１２８頁、又は、米国特許番
号５，４９７，７６９号に掲載された、Ｓ．ファンティ
ミ，Ｍ．フランセシニ及びＥ．グラットンによる「高度
散乱媒体における光移動に関する半無限幾何学的境界値
問題」で与えられるような演算方法）。

【００８４】参照プローブが図２の絶対プローブ上で得
られたデータをチェックするために用いられた。この参
照プローブは、単一の光源ファイバー及び単一の光検出
ファイバーを含んでいた。光源は、処理手続きの間に７
５０ｎｍレーザーダイオードと８４０ｎｍレーザーダイ
オードとの間を切り替えられた。光源ファイバーの末端
部は容器の中心部近傍に置かれ、水性リポジン媒体中に
沈められた。ファイバー間の距離は、コンピュータ制御
された移動ステージによって正確に調整可能であった。
光源及び検出器の分離間隔は、各測定サイクル用の少な
くとも４つの位置に対し変更され、信号の平均ＡＣ、Ｄ
Ｃ及び位相シフトが２、３秒間各位置で記録された。か
くして、すべての示度は単一の光源及び光検出器からき
ている。このサイクルは、光源強度変化及び他の道具の
ずれが結果に影響を及ぼさないことを確証するため少な
くとも５回は繰り返された。平均光学パラメータは、無
限媒体中の光子拡散に関する前記引用で与えられた理論
を用いて、これらの結果に基づいて演算された。

【００８５】図２に示す絶対プローブ及び対照標準とし
て使用された参照プローブが７５０ｎｍおよび８４０ｎ
ｍの波長でテストされた。図６は、異なる度合いの光散
乱を生成する様々なリポジン濃度の混合物中において各
々のプローブシステムにより２波長で決定された散乱係
数の換算された測定値を示している。様々に異なる体積
含有量を達成するため比較的少ない量のリポジンのみが
追加されるとき、システム中のインク含有量はほぼ一定
に保たれる。

【００８６】比較的低い散乱条件の下では、図２に示す
新しい絶対プローブが対照標準として使用される参照方
法と実験的に同一である結果を与える。より高いレベル
の散乱では、図２のプローブが参照プローブ方法より幾
分大きい値を与えるが、これらの結果は、計器の較正無
しに、これらのより高い散乱レベルにおける大きな範囲
の散乱に亘って散乱係数を１０パーセント以内の精度で
推定することができることをなおも示している。

【００８７】図７では、図２に示す各々の絶対プローブ
に関して演算され、測定された吸収係数がリポジン体積
含有量を同様に様々に変化させて得られた参照プローブ
の方法の結果と比較された。この方法は、体積含有量が
上昇するにつれて散乱係数が増加する結果を提供してい
る。使用されたＩＲ放射に関する７５０ｎｍ及び８４０
ｎｍの波長において各々のデータがプロットされる。前
記したように、インクの総計含有量は、より多くのリポ
ジンが追加されるとき、小さい量だけ希釈されることに
起因して僅かに変化する程度にインクの濃度は一定に保
たれている。

【００８８】図２の測定システムは、対応する参照プロ
ーブ方法と実験的誤差の範囲内で本質的に同じ吸収係数
値を与えており、散乱強度の大きな変化に亘って計器を
較正する必要無しに吸収を測定することができることを
示していた。

【００８９】参照プローブから得られた結果の中には、
図２に示す絶対プローブの結果とは少し異なる結果を示
すものがあるが、これらの誤差は、主として半無限理論
で使用される近似によって導入されたもので、Ｕ_DC（ｘ
₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λ、Ｕ_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）
λ、及びΦ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λの測定値の誤差に
起因するものではないと考えられている。

【００９０】同様の結果が図４の自己参照システムの使
用及びテストを通して得られた。上記テストの結果は、
本発明のプローブ及びこれを実施する方法が均一で高度
な散乱媒体において吸収係数及び散乱係数の正確で且つ
絶対的な測定が可能であることを確証している。本技術
は、たとえ光源間の変化が弁別できたとしても、光源強
度の変化には敏感ではない。また、本技術は、検出器の
応答変化、光ファイバー製の光案内手段における結合効
率の変化、及びシステムで使用される光ファイバーの汚
れにさえ、敏感ではない。本発明による改善点は、光源
若しくは検出器の因子のドリフト及び変化に対し非常に
大きな耐性を提供する。かくして、それらは、従来技術
とは反対に、測定前の較正を要しないので、更に容易に
使用することができる。

【００９１】これらの新しいプローブは、周波数領域の
アプローチを用いて使用されるのが好ましいが、それら
は周波数領域の手段を用いての使用に限定されるもので
はない。パルス発光する光源を用いて時間領域の測定用
にこれらのプローブを使用することも可能である。それ
らは、変調無しに定常状態の光源及び検出器でＵ
（ｘ ₁）λ／Ｕ（ｘ₂）λを測定するためにも使用するこ
とができる。本発明によって提供されるＵ_DC（ｘ₁）λ
／Ｕ_DC（ｘ₂）λ、Ｕ_DC（ｘ₁）λ／Ｕ_DC（ｘ₂）λ、及
びΦ_U（ｘ₁）λ−Φ_U（ｘ₂）λの正確な測定は、本明細
書で論じられた方法と異なる数学的方法と組み合わせて
役立つようにすることができる。例えば、ツチヤに附与
された米国特許番号５，５１７，９８７号では、直流
（ＤＣ）測定のみを用いた光学パラメータの測定に関す
る方法が説明されている。また、コモヌその他に附与さ
れた米国特許番号５，０５７，６９５号で示された方法
と類似した非周波数領域でのアプローチを使用すること
もできる。

【００９２】上記説明は、実例を示すという目的のみで
提供されたが、本出願に係る発明の範囲を限定すること
を意図するものではなく、本発明の範囲は請求の範囲で
画定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】例えば生体組織などの媒体のパラメータを決定
するため、本発明の自己参照光センサを備えて、これを
使用する装置の部分概略図である。

【図２】パラメータが決定される媒体に載置され、均衡
のとれた絶対プローブ用の設計を含む、図１に示すプロ
ーブ面の平面図である。

【図３】図１のプローブ面の代替設計を示す図である。

【図４】自己参照絶対プローブを備えた、図１のプロー
ブ面の代替設計を示す図である。

【図５】自己参照絶対プローブ面の他の実施形態を示す
図である。

【図６】様々な度数の散乱において換算された散乱係数
の測定結果を示すグラフである。

【図７】様々な度数の散乱において吸収係数の測定結果
を示すグラフである。

【符号の説明】

１２プローブ１４患者（組織媒体）１６プローブの面１８、１９検出器１８ａ、１９ａ検出器１８ｂ、１９ｂ検出器１８ｃ、１９ｃ検出器２０、２１、２３、２５光源２０ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａ光源２０ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂ光源２０ｃ、２１ｃ、２３ｃ、２５ｃ光源２２ケーブル（光案内手段）２４コントローラ２６コンダクター２８パーソナルコンピュータ３０、３２参照光源３０ｃ、３２ｃ参照光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】媒体のパラメータを決定する方法であっ
て、前記方法は、第１の光源から前記媒体を介して第１
の検出器まで光の第１の部分を通過させ、前記第１の光
源から前記媒体を介して第２の検出器まで光の第２の部
分を通過させ、第２の光源から前記媒体を介して前記第２の検出器まで
光の第３の部分を通過させ、前記第１の光源と前記第１
の検出器との距離及び前記第２の光源と前記第２の検出
器との距離はほぼ等しく、前記第２の光源から前記媒体
を介して前記第１の検出器まで光の第４の部分を通過さ
せ、前記第１の光源と前記第２の検出器との距離及び前
記第２の光源と前記第１の検出器との距離はほぼ等し
く、前記各光源の強度、前記各検出器の感度、前記各光源か
ら前記媒体への光の結合効率、前記媒体から前記各検出
器への光の結合効率から実質的に独立である態様で前記
検出器により受け取られたデータを結合し、結合した前
記データから前記媒体のパラメータを決定する、各工程
を含み、前記第１乃至第４の光の部分はほぼ同一の波長
を有する、前記方法。
【請求項２】前記検出器により受け取られたデータ
は、前記検出器及び前記光源間の距離の関数として前記
光の部分の強度を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】高度に散乱性の媒体のパラメータを決定
する方法であって、第１の光源から前記高度散乱媒体を
介して第１の検出器まで光の第１の変調部分を通過さ
せ、前記第１の光源から前記高度散乱媒体を介して第２
の検出器まで光の第２の変調部分を通過させ、第２の光源から前記高度散乱媒体を介して前記第２の検
出器まで光の第３の変調部分を通過させ、前記第１の光
源と前記第１の検出器との距離及び前記第２の光源と前
記第２の検出器との距離はほぼ等しく、前記第２の光源
から前記高度散乱媒体を介して前記第１の検出器まで光
の第４の変調部分を通過させ、前記第１の光源と前記第
２の検出器との距離及び前記第２の光源と前記第１の検
出器との距離はほぼ等しく、前記光の各変調部分は、ほぼ同じ波長を有し、各々が同
じ周波数で変調され、前記第１及び第２の光検出器は、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で変調され、前記第１及び第２の検出器からのデータの結合よりなる
データポイントを決定し、前記データポイントから前記媒体のパラメータを決定す
る、各工程を含む前記方法。
【請求項４】前記結合されたデータは、前記検出器か
らの信号の位相、交流成分及び直流成分のうち少なくと
も２つを示す、請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記決定されたパラメータは、前記媒体
の吸収係数、屈折率、及び散乱係数のうち少なくとも１
つを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】前記複数の光のビームから得られた合成
信号から検出された位相シフト、直流成分の自然対数、
及び交流成分の自然対数のうち少なくとも２つにおける
距離による変化率を決定し、前記変化率から前記媒体の前記吸収係数、屈折率、及び
散乱係数のうち少なくとも１つを決定する、各工程を含
む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】２つの異なる波長を持つ光を用いて前記
方法を２回使用して、前記吸収係数からヘモグロビンの
うち少なくとも１形態の前記媒体における絶対濃度を決
定する工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】組織体におけるヘモグロビンの２形態の
比率を決定する工程を更に含む、請求項７に記載の方
法。
【請求項９】前記散乱係数を前記屈折率によって乗じ
ることから前記媒体におけるグルコースの相対濃度を決
定する工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】前記データから前記媒体のパラメータ
を決定する工程は、前記各光源の強度、前記第１及び第
２のセンサの感度、前記各光源及び前記センサの高周波
数での位相応答、前記各光源から前記高度散乱媒体へ通
過する光の結合効率、及び、前記高度散乱媒体から前記
検出器へ通過する光の結合効率から実質的に独立である
態様で前記第１及び第２の検出器により受け取られた各
々のデータを結合する各工程を含み、これによって各光
源及び各センサの較正が不必要とする請求項３に記載の
方法。
【請求項１１】前記方法は、データ精度を改善するた
め、単一部材である前記第１の光源及び第２の光源を複
数回使用して逐次繰り返される、請求項３に記載の方
法。
【請求項１２】第３の光源から前記第１及び第２の検
出器に至る光の第５及び第６の部分を各々通過させる工
程を更に含み、前記第３の光源は、前記検出器の自己較
正用の参照光源を提供するため、前記第１及び第２の検
出器から等距離に配置されている、請求項３に記載の方
法。
【請求項１３】前記方法は、自己較正の精度を改善す
るため、単一部材である前記第３の光源を複数回使用し
て逐次繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記方法は、データ精度を改善するた
め、単一部材である前記第１の光源及び第２の光源を複
数回使用して逐次繰り返される、請求項１に記載の方
法。
【請求項１５】第３の光源から前記第１及び第２の検
出器に至る光の第５及び第６の部分を各々通過させる工
程を更に含み、前記第３の光源は、前記検出器の自己較
正用の参照光源を提供するため、前記第１及び第２の検
出器から等距離に配置されている、請求項１に記載の方
法。
【請求項１６】前記方法は、自己較正の精度を改善す
るため、単一部材である前記第３の光源を複数回使用し
て逐次繰り返される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】前記第１及び第２の検出器は、単一の
アレイ型検出器の対である、請求項３に記載の方法。
【請求項１８】前記第１及び第２の検出器は、単一の
アレイ型検出器の対である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】光検出手段を用いてテストするための
媒体と接触する面を有するプローブを含む自己較正型光
センサであって、前記プローブから信号を受け取るため前記プローブに電
気的に接続されたコントローラと、前記プローブからの信号に応答した前記コントローラか
らの信号を受け取って処理すると共に前記信号をデータ
に変換するコンピュータと、を含み、前記プローブは、前記面の開口を通った光を放射するよ
うに配置された互いに離間する第１及び第２の光源を有
し、前記プローブは、更に前記面の他の開口を通過した
前記媒体からの光を受け取るように配置された互いに離
間する第１及び第２の検出器を有し、前記第１の光源は、前記第２の光源と前記第２の検出器
との間の間隔に等しい前記第１の検出器からの間隔を有
し、前記第１の光源は、前記第２の光源と前記第１の検
出器との間の間隔に等しい前記第２の検出器からの間隔
を有する、前記自己較正型光センサ。
【請求項２０】前記プローブの面が生体組織と接触し
ている、請求項１９に記載の自己較正型光センサ。
【請求項２１】複数の前記第１の光源と、複数の前記
第２の光源とが存在する、請求項２０に記載の自己較正
型光センサ。
【請求項２２】第３の光源が前記面の第３の開口を通
って光を通過させるために存在し、前記第３の光源は前
記検出器の自己較正用参照光源を提供するため前記第１
及び第２の検出器の間に等距離に配置されている、請求
項１９に記載の自己較正型光センサ。