WO2020255685A1 - 模擬試料設計方法、模擬試料作製方法、模擬試料設計装置、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

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健治 佳元
之雄 上田
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method and an apparatus for designing a simulated sample used in evaluating the performance of a near-infrared spectroscope.
  • NIRS Near-infrared spectroscopy
  • TRS Time Resolved Spectroscopy
  • a simulated sample (phantom) is used to evaluate the performance (measurement accuracy, reproducibility, stability, etc.) of the near-infrared spectroscope.
  • the simulated sample is required to have optical characteristics close to the optical characteristics of the object of spectroscopic measurement. Further, in order to evaluate the reproducibility and long-term stability of the near-infrared spectroscope, it is desired that the change over time in the optical characteristics of the simulated sample is small.
  • resins, water, gelatin, agar (water base), oil (lard, butter) and the like have been used as base materials for simulated samples.
  • Patent Document 1 describes the invention of a simulated sample using a resin as a base material. Since the simulated sample is often used to evaluate basic characteristics such as measurement accuracy at each wavelength of the near-infrared spectroscope, a dye (for example, carbon ink) whose absorption spectrum does not change significantly in the near-infrared region is used as a base material. It is contained in. As the wavelength becomes longer in the near infrared region, the absorption of carbon ink decreases monotonically. Therefore, it is difficult for this simulated sample to reproduce the absorption spectrum of living tissue.
  • a dye for example, carbon ink
  • the reproducibility and long-term stability of the near-infrared spectroscopic device can be improved by using the simulated sample.
  • the evaluation can be performed easily, and it is considered to be very useful in advancing the development of the near-infrared spectroscope.
  • the present inventors have prototyped a simulated sample that reproduces the absorption spectrum of the object of spectroscopic measurement by containing an appropriate type of dye in an appropriate concentration in the resin as the base material, and using this simulated sample.
  • we tried to evaluate the performance of the near-infrared spectroscope we found that good evaluation results could not be obtained.
  • Embodiments include a simulated sample design method and a simulated sample design device capable of designing a simulated sample preferably used when evaluating the performance of a near-infrared spectroscope, a method for producing such a simulated sample, and the like. It is an object of the present invention to provide a program of a simulated sample design method as well as a recording medium on which such a program is recorded.
  • the embodiment is a simulated sample design method.
  • the simulated sample design method is a method of designing a simulated sample used when evaluating the performance of a near-infrared spectroscopic device, and (1) the refractive index of the object of spectroscopic measurement by the near-infrared spectroscopic device and the simulated sample.
  • the correction step of modifying the target absorption spectrum based on the refractive index of the resin used as the base material to create the modified absorption spectrum, and (2) the absorption spectrum of the resin and the absorption spectra of each of the two or more N types of dyes.
  • N types to be contained in the base material so that the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N types of dyes approximates the corrected absorption spectrum in a predetermined wavelength range in the near infrared region.
  • a calculation step for obtaining the content concentration of each dye is provided.
  • the embodiment is a simulated sample preparation method.
  • the content concentration of each of the N types of dyes in the base material is determined by the simulated sample design method having the above configuration, and the base material is made to contain the N types of dyes according to the determined content concentration to prepare a simulated sample. ..
  • the embodiment is a program.
  • the program is a program for causing a computer to execute a modification step and a calculation step of the simulated sample design method having the above configuration.
  • the embodiment is a recording medium.
  • the recording medium is a computer-readable recording medium on which the above program is recorded.
  • the embodiment is a simulated sample design device.
  • the simulated sample design device is a device for designing a simulated sample used when evaluating the performance of the near-infrared spectroscopic device, and (1) the refractive index of the object of spectroscopic measurement by the near-infrared spectroscopic device and the simulated sample.
  • the correction section that modifies the target absorption spectrum based on the refractive index of the resin used as the base material to create the corrected absorption spectrum, and (2) the absorption spectrum of the resin and the absorption spectra of each of the two or more N types of dyes.
  • N types to be contained in the base material so that the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N types of dyes approximates the corrected absorption spectrum in a predetermined wavelength range in the near infrared region.
  • a calculation unit for obtaining the content concentration of each dye is provided.
  • the simulated sample design method design and prepare a simulated sample that is suitably used when evaluating the performance of the near infrared spectroscopic device. Can be done.
  • FIG. 1 is a flowchart of a simulated sample design method and a simulated sample preparation method.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a simulated sample design device.
  • FIG. 3 is a diagram showing absorption spectra of the breast and each component.
  • FIG. 4 is a diagram showing absorption spectra of the epoxy resin and the dyes A to C, respectively.
  • FIG. 5 is a diagram showing absorption spectra of the target (breast), the simulated sample, the epoxy resin, and the dyes A to C, respectively.
  • FIG. 1 is a flowchart of a simulated sample design method and a simulated sample preparation method.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a simulated sample design device.
  • FIG. 3 is a diagram showing absorption spectra of the breast and each component.
  • FIG. 4 is a diagram showing absorption spectra of the epoxy resin and the dyes A to C, respectively.
  • FIG. 5 is a diagram showing ab
  • FIG. 6 shows the absorption coefficient at each wavelength, the oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), the deoxidized hemoglobin concentration (HHb), and the total hemoglobin concentration (tHb) for each of the target (breast) and the simulated sample actually prepared. It is a table summarizing the tissue oxygen saturation (StO 2 ).
  • FIG. 7 is a diagram showing absorption spectra of the target (head in a normal oxygen state), a simulated sample, an epoxy resin, and dyes A to C, respectively.
  • FIG. 8 shows the absorption coefficient, oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), deoxidized hemoglobin concentration (HHb), and total for each of the target (head in normal oxygen state) and the simulated sample actually prepared.
  • FIG. 9 is a diagram showing absorption spectra of the target (head in a hypoxic state), a simulated sample, an epoxy resin, and dyes A to C, respectively.
  • FIG. 10 shows the absorption coefficient, oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), deoxygenated hemoglobin concentration (HHb), and total for each of the target (head in a low oxygen state) and the simulated sample actually prepared. It is a table summarizing the hemoglobin concentration (tHb) and the tissue oxygen saturation (StO 2 ).
  • FIG. 1 is a flowchart of a simulated sample design method and a simulated sample preparation method.
  • the simulated sample design method includes a modification step S11 and a calculation step S12.
  • the simulated sample preparation method includes a design step S10 and a preparation step S13 including a modification step S11 and a calculation step S12.
  • the simulated sample to be designed and manufactured is one in which a resin is used as a base material and two or more N kinds of dyes are contained in the base material, and it is also preferable that the simulated sample contains scattered particles.
  • the correction step S11 first, the target of spectroscopic measurement by the near-infrared spectroscopic apparatus, the resin used as the base material of the simulated sample, and the N kinds of dyes contained in the base material are determined. Then, the absorption spectrum of the target is modified based on the refractive index of the target of spectroscopic measurement and the refractive index of the resin to create a corrected absorption spectrum. Details of this modification will be described later.
  • the target of spectroscopic measurement is arbitrary, but it is a living tissue such as a breast, a head, a leg / arm muscle, and the like.
  • the amount of hemoglobin, the amount of water, and the amount of fat differ depending on the target site. Therefore, the absorption spectrum of the target differs depending on the target and may differ depending on the state of the target.
  • the resin and dye are determined according to the subject.
  • the resin used as the base material of the simulated sample may be in a cured state or may be used in a liquid state.
  • the cured resin is used as a base material, the dye and scattered particles are mixed and then cured.
  • various resins such as epoxy resin, polyurethane resin, and silicone rubber can be used.
  • the resin may be cured by any method such as 1-component curing type, 2-component mixed type, ultraviolet curing type, and thermosetting type. It is desirable to use a resin having a transmittance of 95% or more in the wavelength range of approximately 700 nm to 1100 nm.
  • the N types of dyes those in which the absorption spectrum of the simulated sample can accurately approximate the target absorption spectrum by appropriately setting the content concentration of each dye in the base material (resin) are used.
  • the pigment A and the pigment B among the N types of pigments can be as follows.
  • Dye A is selected so that the simulated sample can reproduce the light absorption characteristics of deoxygenated hemoglobin (HHb) by itself or by mixing with other dyes.
  • HHb deoxygenated hemoglobin
  • Various things such as 761 can be used.
  • Dye B is selected so that the simulated sample can reproduce the light absorption characteristics of oxygenated hemoglobin (O 2 Hb) by itself or by mixing with other dyes.
  • a dye B it is desirable that the absorption gradually increases from the wavelength of 700 nm toward the long wavelength side and has an absorption peak near the wavelength of 900 nm in the near infrared region of a wavelength of 700 nm to 1100 nm, similar to oxygenated hemoglobin.
  • Fujifilm's Pro-Jet 900NP, Exciton's IRA 912, IRA 931, etc. can be used.
  • the scattered particles are added to the base material in order to reproduce the light scattering characteristics close to the target in the simulated sample.
  • various particles such as titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silica particles (SiO 2 ), silicon powder (Si), and acrylic powder can be used.
  • the diameter of the scattered particles is preferably about 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the simulated sample may have a plurality of regions having different absorption spectra.
  • the absorption spectra of the internal region of the simulated sample and the peripheral region surrounding the internal region may be different from each other.
  • the processing of the correction step S11 is performed for each area, and the processing of the calculation step S12 and subsequent steps is performed.
  • the cancer tissue in the normal tissue, the pathological condition such as the change in the hemoglobin concentration or the tissue oxygen saturation in the living body, and the change in the living tissue, etc., can be reproduced according to the actual measurement. It is possible to realize a simulated sample that is also possible.
  • the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing the N types of dyes is in the near infrared region with respect to the corrected absorption spectrum.
  • the content concentration of each of the N types of dyes to be contained in the base material is determined so as to approximate in the predetermined wavelength range of.
  • the predetermined wavelength range is a wavelength range used for spectroscopic measurement of an object, and includes, for example, 750 nm to 850 nm when the object is a biological tissue.
  • the least squares method can be used to calculate the content concentration of each dye. That is, the absorption coefficient of the resin at the wavelength ⁇ is expressed as ⁇ ⁇ a, resin .
  • the absorption coefficient of the nth dye among the N kinds of dyes at the wavelength ⁇ per unit concentration is expressed as ⁇ ⁇ a, n, and the content concentration of the nth dye is expressed as C n .
  • the value of the corrected absorption spectrum at the wavelength ⁇ is expressed as ⁇ ⁇ a, tissue .
  • the absorption coefficient ⁇ ⁇ a, phantom (C) at the wavelength ⁇ of the simulated sample is expressed by the following equation (1). Then, the following (2) F of the formula (C) is minimized (or smaller than a predetermined threshold value) such Request containing a concentration C 1 ⁇ C N. The summation calculation on the right side of equation (2) is obtained for each wavelength within a predetermined wavelength range in the near infrared region.
  • the degree of agreement between the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N kinds of dyes at the obtained content concentration and the modified absorption spectrum may be obtained.
  • the degree of agreement is expressed by, for example, the above equation (2).
  • the concentration of each of the N types of dyes to be contained in the base material is obtained for each group consisting of any N types of dyes among the three or more M types of dyes, and the degree of agreement is obtained. It is preferable to select the N dyes and content concentrations of any group based on the number and degree of agreement of the dye types in each group. As the number of types of dyes contained in the base material increases, the preparation of a simulated sample becomes more complicated. Therefore, it is preferable that the number of types of dyes is small if a desired degree of agreement can be obtained. Further, if the desired degree of agreement cannot be obtained unless the number of types of dyes contained in the base material is increased, the number of types of dyes must be increased.
  • a simulated sample is produced by impregnating the base material (resin) with N kinds of dyes according to the content concentration obtained in the calculation step S12. At this time, a simulated sample may be prepared by incorporating scattered particles in addition to the N types of dyes in the base material.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the simulated sample design device 10.
  • the simulated sample design device 10 includes a correction unit 11, a calculation unit 12, an input unit 13, a display unit 14, and a storage unit 15.
  • the simulated sample design device 10 may be configured by a computer.
  • the correction unit 11 performs the processing of the correction step S11
  • the calculation unit 12 performs the processing of the calculation step S12.
  • the correction unit 11 and the calculation unit 12 are configured to include a processor such as a CPU.
  • the input unit 13 receives input of information necessary for processing by the correction unit 11 and the calculation unit 12 (for example, information on the target of spectroscopic measurement, resin, dye, wavelength range, etc.), and includes, for example, a keyboard and a mouse. Consists of.
  • the display unit 14 displays various information (for example, the absorption spectrum of the target, the corrected absorption spectrum, the absorption spectrum of the simulated sample, etc.), and includes, for example, a liquid crystal display.
  • the storage unit 15 stores programs and various types of information, and includes, for example, a hard disk drive, RAM, and ROM.
  • the program stored in the storage unit 15 includes a program that causes the correction unit 11 to execute the processing of the correction step S11 and causes the calculation unit 12 to execute the processing of the calculation step S12 (hereinafter referred to as an “execution program”).
  • the execution program may be stored in the storage unit 15 at the time of shipment of the simulated sample design device 10, or may be stored in the storage unit 15 after shipment via a communication line, or may be read by a computer. What was recorded in the possible recording medium 20 may be stored in the storage unit 15.
  • the recording medium 20 may be a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a BD-ROM, a USB memory, or the like.
  • FIG. 3 is a diagram showing absorption spectra of the breast and each component.
  • the absorption spectrum of the breast is the sum of the absorption spectra of each component.
  • a two-component mixed epoxy resin (main agent: Araldite DBF, curing agent: XD716) is used as the base material of the simulated sample.
  • FDN-001 manufactured by Yamada Chemical Co., Ltd. is used as the dye A that mainly reproduces the light absorption characteristics of deoxygenated hemoglobin (HHb).
  • Fujifilm's Pro-Jet 900NP is used as the dye B that mainly reproduces the light absorption characteristics of oxygenated hemoglobin (O 2 Hb).
  • CB # 900 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation is used as the dye C. Although the dye C contributes little to the reproduction of the absorption spectrum of the breast, it is necessary to reproduce the absorption spectrum of the head or muscle.
  • FIG. 4 is a diagram showing absorption spectra of the epoxy resin and the dyes A to C, respectively.
  • the absorption spectrum of each dye is an absorption spectrum of an epoxy resin containing the dye having a unit content (1% by weight).
  • a product prepared by dissolving only the unit content (weight ratio 1%) in the main agent of the epoxy resin in advance to do. In the following, these will be referred to as dyes A to C.
  • a resin that approaches the absorption coefficient of the object at each of multiple wavelengths in the wavelength range of 750 nm to 850 nm is calculated by the least squares method or the like (calculation step).
  • the absorption coefficient at a wavelength of 760 nm is 0.0658 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 800 nm is 0.0559 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 830 nm is 0.0673.
  • / Cm When the content concentration of each dye that can reproduce the absorption spectrum of the target is calculated, the content concentration of dye A is 0.0206%, the content concentration of dye B is 0.0378%, and the content concentration of dye C is approximately 0. It becomes%.
  • the absorption coefficient at a wavelength of 760 nm is 0.0658 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 800 nm is 0.0573 / cm
  • the wavelength is 830 nm.
  • the absorption coefficient at is 0.0661 / cm.
  • FIG. 5 is a diagram showing absorption spectra of the target (breast), the simulated sample, the epoxy resin, and the dyes A to C, respectively. As shown in this figure, the absorption spectra of the subject (breast) and the simulated sample are in good agreement with each other.
  • the refractive index of the target is measured because the time response waveform of the diffused light output from the target is measured in response to the irradiation of the target with short pulse light. It is necessary to consider that n tissue and the refractive index n resin of the resin are different.
  • the refractive index n tissue of the subject varies depending on the site, but is about 1.36 on average.
  • the refractive index n resin of the epoxy resin is 1.56. Due to this difference in refractive index, when an attempt is made to evaluate the performance of a near-infrared spectroscope using a simulated sample, a good evaluation result cannot be obtained.
  • the absorption spectrum of the target is modified based on the refractive index n tissue of the target of spectroscopic measurement and the refractive index n resin of the resin to create a corrected absorption spectrum. Then, in the calculation step, the content concentration of each dye is calculated based on this modified absorption spectrum.
  • the processing contents of the correction step are as follows.
  • the absorption of light by a substance can be expressed by the Beer-Lambert law.
  • I 0 be the intensity of light at the time of incident on the substance
  • L be the distance that light passes through the substance
  • I the intensity of light at the time of exit from the substance
  • ⁇ a be the absorption coefficient of the substance.
  • c be the speed of light in a substance
  • t be the time required for light to pass through the substance. Since the distance L is the product of the speed of light c and the time t, the equation (3) becomes the following equation (4).
  • the speed of light c in a substance depends on the refractive index n of the substance.
  • n be the refractive index of vacuum.
  • the speed of light c tissue in the object is expressed by the following equation (5).
  • the speed of light c resin in the resin is represented by the following equation (6).
  • the previously determined content concentrations of dyes A to C (dye A content concentration 0.0206%, dye B content concentration 0.0378%, dye C content concentration approximately 0%) are the absorption spectra of the subject before modification. It is calculated based on.
  • dyes A to C are contained in an epoxy resin according to this content concentration to prepare a simulated sample, and the simulated sample is regarded as an actual object and spectroscopically measured, the obtained absorption coefficient is n with respect to the actual one. The value is multiplied by tissue / n resin .
  • the absorption coefficient at a wavelength of 760 nm is 0.0754 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 800 nm is 0.0640 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 830 nm is 0.0771 / cm.
  • the absorption coefficient at a wavelength of 760 nm is 0.0658 / cm
  • the absorption coefficient at a wavelength of 800 nm is 0.0559 / cm
  • the wavelength is 830 nm.
  • the absorption coefficient at is 0.0673 / cm.
  • FIG. 6 shows the absorption coefficient at each wavelength, the oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), the deoxidized hemoglobin concentration (HHb), and the total hemoglobin concentration (tHb) for each of the target (breast) and the simulated sample actually prepared.
  • It is a table summarizing the tissue oxygen saturation (StO 2 ). These values were obtained by measuring with a time-resolved spectroscope TRS-21 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. From this result, it can be confirmed that the simulated sample prepared as an example can reproduce the absorption coefficient and the hemoglobin concentration close to those of the actual living tissue.
  • the human normal oxygenated head generally contains 47 ⁇ M oxygenated hemoglobin (O 2 Hb), 23 ⁇ M deoxidized hemoglobin (HHb), 60% water and 8% fat (Lipid). ..
  • FIG. 7 is a diagram showing absorption spectra of the target (head in a normal oxygen state), a simulated sample, an epoxy resin, and dyes A to C, respectively.
  • FIG. 8 shows the absorption coefficient, oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), deoxidized hemoglobin concentration (HHb), and total for each of the target (head in normal oxygen state) and the simulated sample actually prepared. It is a table summarizing the hemoglobin concentration (tHb) and the tissue oxygen saturation (StO 2 ).
  • the human hypoxic head generally contains 28 ⁇ M oxygenated hemoglobin (O 2 Hb), 42 ⁇ M deoxygenated hemoglobin (HHb), 60% water and 8% lipid. ..
  • FIG. 9 is a diagram showing absorption spectra of the target (head in a hypoxic state), a simulated sample, an epoxy resin, and dyes A to C, respectively.
  • FIG. 10 shows the absorption coefficient, oxygenated hemoglobin concentration (O 2 Hb), deoxygenated hemoglobin concentration (HHb), and total for each of the target (head in a low oxygen state) and the simulated sample actually prepared. It is a table summarizing the hemoglobin concentration (tHb) and the tissue oxygen saturation (StO 2 ).
  • the simulated sample prepared as an example was able to reproduce the absorption coefficient and hemoglobin concentration close to those of actual living tissue.
  • the simulated sample produced in this embodiment is complicated by using actual blood because it is possible to reproduce an arbitrary hemoglobin concentration and tissue oxygen saturation by configuring the resin to contain a plurality of dyes.
  • the sheath instability is eliminated, and it becomes possible to evaluate a device that is simple and highly reproducible.
  • the content concentration of each dye contained in the resin that is the base material is calculated and the simulated sample. Since the above is designed and manufactured, the performance of the near-infrared spectroscope can be evaluated more accurately.
  • simulated sample design method simulated sample preparation method, simulated sample design device, program, and recording medium are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the simulated sample design method is a method for designing a simulated sample used when evaluating the performance of the near-infrared spectroscopic device, and (1) the refractive index of the object of spectroscopic measurement by the near-infrared spectroscopic device. And the correction step of modifying the target absorption spectrum based on the refractive index of the resin used as the base material of the simulated sample to create the modified absorption spectrum, and (2) the absorption spectrum of the resin and two or more N types of dyes, respectively.
  • the base material is contained so that the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N kinds of dyes is close to the modified absorption spectrum in a predetermined wavelength range in the near infrared region.
  • the configuration includes a calculation step for determining the content concentration of each of the N types of dyes to be power.
  • the degree of agreement between the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N kinds of dyes at the obtained content concentration and the modified absorption spectrum may be obtained. ..
  • the concentration of each of the N types of dyes to be contained in the base material is obtained for each group consisting of any N types of dyes out of three or more M types of dyes, and the degree of agreement is obtained for each.
  • the N kinds of dyes and the content concentration of any group may be selected based on the number of kinds of dyes in the group and the degree of agreement.
  • the predetermined wavelength range in the calculation step may be configured to include 750 nm to 850 nm.
  • the content concentration of each of the N types of dyes in the base material is determined by the simulated sample design method having the above configuration, and the base material is simulated by containing N types of dyes according to the determined content concentration. It is configured to prepare a sample.
  • a simulated sample may be produced by including scattered particles in addition to N types of dyes in the base material.
  • the program according to the above embodiment is a program for causing a computer to execute a modification step and a calculation step of the simulated sample design method having the above configuration.
  • the recording medium according to the above embodiment is a computer-readable recording medium on which the above program is recorded.
  • the simulated sample design device is a device for designing a simulated sample used when evaluating the performance of the near-infrared spectroscopic device, and (1) the refractive index of the object of spectroscopic measurement by the near-infrared spectroscopic device. And the correction part that modifies the target absorption spectrum based on the refractive index of the resin used as the base material of the simulated sample to create the corrected absorption spectrum, and (2) the absorption spectrum of the resin and two or more N types of dyes, respectively.
  • the base material is contained so that the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N kinds of dyes is close to the modified absorption spectrum in a predetermined wavelength range in the near infrared region. It is configured to include a calculation unit for obtaining the content concentration of each of the N types of dyes to be power.
  • the calculation unit may be configured to obtain the degree of agreement between the absorption spectrum of the simulated sample composed of the base material containing N kinds of dyes at the obtained content concentration and the corrected absorption spectrum. ..
  • the calculation unit obtains the concentration of each of the N types of dyes to be contained in the base material for each group consisting of any N types of dyes out of three or more M types of dyes, and also obtains the degree of agreement, and each The N kinds of dyes and the content concentration of any group may be selected based on the number of kinds of dyes in the group and the degree of agreement.
  • the predetermined wavelength range in the calculation unit may be configured to include 750 nm to 850 nm.
  • Embodiments include a simulated sample design method and a simulated sample design device capable of designing a simulated sample preferably used when evaluating the performance of a near-infrared spectroscope, a method for producing such a simulated sample, and the like. It can be used as a program for a simulated sample design method and as a recording medium for recording such a program.

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Abstract

模擬試料設計方法は、修正ステップＳ１１および算出ステップＳ１２を備える。修正ステップＳ１１において、近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する。算出ステップＳ１２において、樹脂の吸収スペクトルおよびＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める。これにより、近赤外分光装置の性能を評価する際に好適に用いられる模擬試料を設計することができる模擬試料設計方法が実現される。

Description

模擬試料設計方法、模擬試料作製方法、模擬試料設計装置、プログラムおよび記録媒体
　本開示は、近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する方法及び装置に関するものである。
　大凡７００ｎｍ～１１００ｎｍの波長域の近赤外光を生体に照射した際に得られる光吸収特性から生体組織のヘモグロビン濃度および組織酸素飽和度などを測定することができる近赤外分光（ＮＩＲＳ：Near Infrared Spectroscopy）装置が知られている。この近赤外分光装置を用いた時間分解分光法（ＴＲＳ：Time　Resolved　Spectroscopy）による分光測定では、その分光測定の対象である生体に近赤外域の短パルス光を照射し、その短パルス光が生体の内部で拡散して生体の外部に出てきた拡散光を検出して、その検出した拡散光の時間応答波形に基づいて生体組織のヘモグロビン濃度および組織酸素飽和度などを測定することができ、さらに、これらの分布を画像化することができる。
　近赤外分光装置の性能（測定精度、再現性、安定性など）を評価する際に模擬試料（ファントム）が用いられる。模擬試料は、分光測定の対象の光学特性に近い光学特性を有することが要求される。また、近赤外分光装置の再現性や長期的な安定性を評価する為には、模擬試料の光学特性の経時変化は小さいことが望まれる。従来から、模擬試料の母材の材料として、樹脂、水、ゼラチン、寒天（水ベース）および油（ラード、バター）等が用いられている。
　これらの母材の材料のうち樹脂は、光学特性の経時変化が小さい点、取り扱いが容易である点、等で好ましい。特許文献１に、樹脂を母材とする模擬試料の発明が記載されている。模擬試料は、多くの場合、近赤外分光装置の各波長における測定精度等の基本特性の評価に用いられるので、近赤外域において吸収スペクトルに大きな変化がない色素（例えばカーボンインク）を母材中に含有している。近赤外域において波長が長くなると、カーボンインクの吸収は単調に減少していく。したがって、この模擬試料は、生体組織の吸収スペクトルを再現することが困難である。
　一方、近赤外分光装置を用いて生体組織のヘモグロビン濃度および組織酸素飽和度などを測定したり、それらの値の変化を観察したりする場合、通常は、蒸留水で希釈した脂肪乳剤に実際の血液を添加した液体模擬試料が用いられる。この模擬試料は、生体組織の吸収スペクトルを正確に再現することができる。しかし、この模擬試料では実際の血液を使用することから、血液を扱うことに因る衛生上の問題や実験系の複雑さの点で好ましくない。
特開２０１７－１４８２２３号公報
　分光測定の対象の吸収スペクトルを精度良く再現することができ且つ樹脂を母材とする模擬試料があれば、その模擬試料を用いることで近赤外分光装置の再現性や長期的な安定性の評価を簡便に行うことが可能となり、近赤外分光装置の開発を進める上で非常に有用になると考えられる。
　しかしながら、本発明者らは、母材となる樹脂に適当な種類の色素を適当な濃度で含有させることで分光測定の対象の吸収スペクトルを再現した模擬試料を試作し、この模擬試料を用いて近赤外分光装置の性能の評価を試みたところ、良好な評価結果を得ることができないことを見出した。
　実施形態は、近赤外分光装置の性能を評価する際に好適に用いられる模擬試料を設計することができる模擬試料設計方法および模擬試料設計装置、このような模擬試料を作製する方法、このような模擬試料設計方法のプログラム、ならびに、このようなプログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
　実施形態は、模擬試料設計方法である。模擬試料設計方法は、近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する方法であって、（１）近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正ステップと、（２）樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出ステップと、を備える。
　実施形態は、模擬試料作製方法である。模擬試料作製方法は、上記構成の模擬試料設計方法により母材におけるＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求め、その求めた含有濃度に従って母材にＮ種類の色素を含有させて模擬試料を作製する。
　実施形態は、プログラムである。プログラムは、上記構成の模擬試料設計方法の修正ステップおよび算出ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。また、実施形態は、記録媒体である。記録媒体は、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
　実施形態は、模擬試料設計装置である。模擬試料設計装置は、近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する装置であって、（１）近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正部と、（２）樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出部と、を備える。
　実施形態の模擬試料設計方法、模擬試料作製方法、模擬試料設計装置、プログラムおよび記録媒体によれば、近赤外分光装置の性能を評価する際に好適に用いられる模擬試料を設計し作製することができる。
図１は、模擬試料設計方法および模擬試料作製方法のフローチャートである。 図２は、模擬試料設計装置の構成を示す図である。 図３は、乳房および各成分の吸収スペクトルを示す図である。 図４は、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。 図５は、対象（乳房）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。 図６は、対象（乳房）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。 図７は、対象（正常酸素状態の頭部）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。 図８は、対象（正常酸素状態の頭部）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。 図９は、対象（低酸素状態の頭部）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。 図１０は、対象（低酸素状態の頭部）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。
　以下、添付図面を参照して、模擬試料設計方法、模擬試料作製方法、模擬試料設計装置、プログラムおよび記録媒体の実施の形態を詳細に説明する。なお、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。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
　図１は、模擬試料設計方法および模擬試料作製方法のフローチャートである。模擬試料設計方法は、修正ステップＳ１１および算出ステップＳ１２を備える。模擬試料作製方法は、修正ステップＳ１１および算出ステップＳ１２を含む設計ステップＳ１０ならびに作製ステップＳ１３を備える。設計・製造される模擬試料は、樹脂を母材として、その母材中に２以上のＮ種類の色素を含有するものであり、また、散乱粒子を含有するのも好適である。
　修正ステップＳ１１において、まず、近赤外分光装置による分光測定の対象、模擬試料の母材として用いる樹脂、および、母材に含有させるＮ種類の色素を決定する。そして、分光測定の対象の屈折率および樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する。この修正の詳細については後述する。
　分光測定の対象は、任意であるが、例えば乳房、頭部、脚・腕の筋肉などの生体組織である。対象とする部位によってヘモグロビン量、水分量および脂肪量は異なる。したがって、対象の吸収スペクトルは、対象によって異なり、対象の状態によっても異なる場合がある。樹脂および色素は対象に応じて決定される。
　模擬試料の母材として用いられる樹脂は、硬化した状態のものであってもよいし、液状のままで用いられてもよい。硬化した樹脂を母材とする場合には、色素および散乱粒子が混合された後に硬化される。樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーンゴムなど、様々なものを使用することができる。また、樹脂は、１液硬化型、２液混合型、紫外線硬化型、熱硬化型など、硬化方法も任意である。大凡７００ｎｍ～１１００ｎｍの波長域において透過率が９５％以上である樹脂を用いるのが望ましい。
　Ｎ種類の色素としては、母材（樹脂）中における各色素の含有濃度が適切に設定されることにより模擬試料の吸収スペクトルが対象の吸収スペクトルを精度よく近似することができるものが用いられる。例えば、対象が生体組織である場合、Ｎ種類の色素のうちの色素Ａおよび色素Ｂは次のようなものとすることができる。
　色素Ａは、それ単体で又は他の色素との混合によって模擬試料が脱酸素化ヘモグロビン（ＨＨｂ）の光吸収特性を再現することができるものが選ばれる。このような色素Ａとしては、波長７００ｎｍ～１１００ｎｍの近赤外域において脱酸素化ヘモグロビンと同じ７６０ｎｍ付近に吸収ピークを有するものが望ましく、山田化学工業（株）製のFDN-001、Exciton製のIRA 761など、様々なものを使用することができる。
　色素Ｂは、それ単体で又は他の色素との混合によって模擬試料が酸素化ヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）の光吸収特性を再現することができるものが選ばれる。このような色素Ｂとしては、波長７００ｎｍ～１１００ｎｍの近赤外域において酸素化ヘモグロビンと同様に波長７００ｎｍから長波長側に向かって緩やかに吸収が高くなり波長９００ｎｍ付近に吸収のピークがあるものが望ましく、Fujifilm製のPro-Jet 900NP、Exciton 製のIRA 912、 IRA 931など、様々なものを使用することができる。
　散乱粒子は、模擬試料において対象に近い光散乱特性を再現するために母材に添加されるものである。散乱粒子としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ粒子（ＳｉＯ２）、シリコンパウダー（Ｓｉ）、アクリルパウダーなど、様々なものを使用することができる。散乱粒子の直径は０.０１μｍ～１０μｍ程度であるのが望ましい。
　模擬試料は、吸収スペクトルが互いに異なる複数の領域を有していてもよい。例えば、模擬試料の内部領域と、この内部領域を包囲する周辺領域とで、吸収スペクトルが互いに異なっていてもよい。この場合、それぞれの領域について、修正ステップＳ１１の処理を行い、算出ステップＳ１２以降の処理を行う。このようにすることにより、例えば、正常組織中の癌組織や、生体内でのヘモグロビン濃度または組織酸素飽和度の変化といった病態や生体組織中での変化など、実際の測定に即した状態の再現も可能な模擬試料を実現することができる。
　算出ステップＳ１２において、樹脂の吸収スペクトルおよびＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める。ここで、所定波長範囲は、対象を分光測定する際に用いられる波長範囲であって、例えば対象が生体組織である場合には７５０ｎｍ～８５０ｎｍを含む。
　この各色素の含有濃度の算出に際しては最小二乗法を用いることができる。すなわち、樹脂の波長λでの吸収係数をμλ a,resinと表す。Ｎ種類の色素のうちの第ｎの色素の単位濃度当たりの波長λでの吸収係数をελ a,nと表し、第ｎの色素の含有濃度をＣｎと表す。また、修正後吸収スペクトルの波長λでの値をμλ a,tissueと表す。
　模擬試料の波長λでの吸収係数μλ a,phantom(Ｃ)は、下記（１）式で表される。そして、下記（２）式で表されるＦ(Ｃ)が最小になる（または、所定の閾値より小さくなる）ような含有濃度Ｃ１～ＣＮを求める。（２）式の右辺の総和演算は、近赤外域の所定波長範囲内の各波長について求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　算出ステップＳ１２において、求めた含有濃度でＮ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルと修正後吸収スペクトルとの間の一致度を求めてもよい。一致度は例えば上記（２）式で表される。
　また、算出ステップＳ１２において、３以上のＭ種類の色素のうちの任意のＮ種類の色素からなる各グループについて母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求めるとともに一致度を求め、各グループの色素の種類の数および一致度に基づいて何れかのグループのＮ種類の色素および含有濃度を選択するのが好適である。母材に含有させる色素の種類の数が多いほど模擬試料の作製が煩雑になるので、所望の一致度が得られれば色素の種類の数が少ない方が好ましい。また、母材に含有させる色素の種類の数を多くしないと所望の一致度が得られないのであれば、色素の種類を多くせざるを得ないことになる。
　作製ステップＳ１３において、算出ステップＳ１２で求めた含有濃度に従って母材（樹脂）にＮ種類の色素を含有させて模擬試料を作製する。このとき、母材にＮ種類の色素に加えて散乱粒子を含有させて模擬試料を作製してもよい。
　図２は、模擬試料設計装置１０の構成を示す図である。模擬試料設計装置１０は、修正部１１、算出部１２、入力部１３、表示部１４および記憶部１５を備える。模擬試料設計装置１０はコンピュータにより構成され得る。修正部１１は修正ステップＳ１１の処理を行うものであり、算出部１２は算出ステップＳ１２の処理を行うものである。修正部１１および算出部１２はＣＰＵ等のプロセッサを含んで構成される。入力部１３は、修正部１１および算出部１２による処理に必要な情報（例えば、分光測定の対象、樹脂、色素、波長範囲などに関する情報）の入力を受けるものであり、例えばキーボードやマウスを含んで構成される。
　表示部１４は、各種の情報（例えば、対象の吸収スペクトル、修正後吸収スペクトル、模擬試料の吸収スペクトルなど）を表示するものであり、例えば液晶ディスプレイを含んで構成される。記憶部１５は、プログラムや各種の情報を記憶するものであり、例えばハードディスクドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含んで構成される。記憶部１５が記憶するプログラムは、修正ステップＳ１１の処理を修正部１１に実行させるとともに算出ステップＳ１２の処理を算出部１２に実行させるもの（以下「実行プログラム」という）を含む。
　実行プログラムは、模擬試料設計装置１０の出荷時に記憶部１５に記憶されていてもよいし、出荷後に通信回線を経由して取得されたものが記憶部１５に記憶されてもよいし、コンピュータ読み取り可能な記録媒体２０に記録されていたものが記憶部１５に記憶されてもよい。記録媒体２０は、フレキシブルディスク、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ-ＲＯＭ、ＢＤ-ＲＯＭ、ＵＳＢメモリなど任意である。
　以下では、分光測定の対象がヒトの乳房である場合について模擬試料設計方法を更に具体的に説明する。ヒトの乳房は、一般に、１８μＭの酸素化ヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）、７μＭの脱酸素化ヘモグロビン（ＨＨｂ）、１８.７％の水分（Water）および６６.１％の脂肪（Lipid）を含む。図３は、乳房および各成分の吸収スペクトルを示す図である。乳房の吸収スペクトルは各成分の吸収スペクトルの総和となる。先ずは乳房の吸収スペクトルを再現することができる模擬試料の設計について説明する。
　模擬試料の母材となる樹脂として２液混合型のエポキシ樹脂（主剤：Araldite DBF、硬化剤：XD716）を用いる。脱酸素化ヘモグロビン（ＨＨｂ）の光吸収特性を主に再現する色素Ａとして山田化学工業（株）製のFDN-001を用いる。酸素化ヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）の光吸収特性を主に再現する色素ＢとしてFujifilm製のPro-Jet 900NPを用いる。また、色素Ｃとして三菱化学製のCB#900を用いる。なお、色素Ｃは、乳房の吸収スペクトルを再現する上では寄与が小さいが、頭部または筋肉の吸収スペクトルを再現する際には必要となる。
　図４は、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。各色素の吸収スペクトルは、エポキシ樹脂に単位含有量（重量比１％）の該色素を含有させたものの吸収スペクトルである。なお、色素Ａ～Ｃをそのまま用いるのではなく、樹脂中の色素の含有量の調節を容易にする目的で、予めエポキシ樹脂の主剤に単位含有量（重量比１％）だけ溶かしたものを用意する。以下では、これを色素Ａ～Ｃとする。
　分光測定の対象の吸収スペクトルを再現することができる模擬試料を設計するために、波長７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内の複数波長それぞれにおける対象の吸収係数に基づいて、それらの吸収係数に近づくように樹脂中の色素Ａ～Ｃそれぞれの含有濃度（％重量比）を最小二乗法等で算出する（算出ステップ）。
　分光測定の対象が乳房である場合、波長７６０ｎｍでの吸収係数は０.０６５８／ｃｍであり、波長８００ｎｍでの吸収係数は０.０５５９／ｃｍであり、波長８３０ｎｍでの吸収係数は０.０６７３／ｃｍである。その対象の吸収スペクトルを再現し得る各色素の含有濃度を計算すると、色素Ａの含有濃度は０.０２０６％となり、色素Ｂの含有濃度は０.０３７８％となり、色素Ｃの含有濃度は略０％となる。この含有濃度に従って各色素をエポキシ樹脂に含有させて作製される模擬試料では、波長７６０ｎｍでの吸収係数は０.０６５８／ｃｍとなり、波長８００ｎｍでの吸収係数は０.０５７３／ｃｍとなり、波長８３０ｎｍでの吸収係数は０.０６６１／ｃｍとなる。
　図５は、対象（乳房）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。この図に示されるように、対象（乳房）および模擬試料それぞれの吸収スペクトルは互いによく一致している。
　しかし、近赤外分光装置を用いたＴＲＳ法による分光測定では、対象への短パルス光の照射に対して該対象から出力される拡散光の時間応答波形を測定することから、対象の屈折率ｎtissueと樹脂の屈折率ｎresinとが相違することを考慮する必要がある。対象の屈折率ｎtissueは、部位によって異なるが平均的に１.３６程度である。エポキシ樹脂の屈折率ｎresinは１.５６である。この屈折率の違いに因り、模擬試料を用いて近赤外分光装置の性能の評価を試みると、良好な評価結果を得ることができない。
　そこで、算出ステップに先立つ修正ステップにおいて、分光測定の対象の屈折率ｎtissueおよび樹脂の屈折率ｎresinに基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する。そして、算出ステップでは、この修正後吸収スペクトルに基づいて各色素の含有濃度を算出する。修正ステップの処理内容は次のとおりである。
　一般に、物質による光の吸収はBeer-Lambert law で表すことができる。物質に入射する時点での光の強度をＩ０とし、光が物質を通過する距離をＬとし、物質から出射する時点での光の強度をＩとし、物質の吸収係数をμａとする。これらのパラメータの間には下記（３）式の関係がある。物質中での光速をｃとし、物質を光が通過するのに要する時間をｔとする。距離Ｌは光速ｃと時間ｔとの積であるから、（３）式は下記（４）式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　物質中での光速ｃは、該物質の屈折率ｎに依存する。真空中での光速をｃ０とし、真空の屈折率をｎ０とする。対象内における光速ｃtissueは下記（５）式で表される。樹脂内における光速ｃresinは下記（６）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　光が通過する物質が樹脂（吸収係数μａ,resin、屈折率ｎresin、光速ｃresin）である場合、上記（４）式は下記（７）式となる。更に、実際の対象内における光速ｃtissueを用いて、樹脂を母材とする模擬試料を解析しようとすると、下記（８）式に書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　この（８）式は、樹脂の吸収係数が見かけ上ではｃresin／ｃtissue（＝ｎtissue／ｎresin）倍されていることを表している。その結果、模擬試料を用いて得られる分光測定の値は、実際より低い値となる。先に求めた色素Ａ～Ｃの含有濃度（色素Ａの含有濃度０.０２０６％、色素Ｂの含有濃度０.０３７８％、色素Ｃの含有濃度略０％）は、対象の修正前の吸収スペクトルに基づいて算出されたものである。この含有濃度に従って色素Ａ～Ｃをエポキシ樹脂に含有させて模擬試料を作製し、その模擬試料を実際の対象と見做して分光測定すると、得られる吸収係数は、実際のものに対してｎtissue／ｎresin倍した値となる。
　そこで、修正ステップでは、対象の吸収スペクトルをｎresin／ｎtissue倍（＝１.１５倍）したものを修正後吸収スペクトルとする。修正後吸収スペクトルでは、波長７６０ｎｍでの吸収係数は０.０７５４／ｃｍとなり、波長８００ｎｍでの吸収係数は０.０６４０／ｃｍとなり、波長８３０ｎｍでの吸収係数は０.０７７１／ｃｍとなる。この修正後吸収スペクトルを再現し得る各色素の含有濃度を計算すると、色素Ａの含有濃度は０.０２３９％となり、色素Ｂの含有濃度は０.０４４１％となり、色素Ｃの含有濃度は略０％となる。この含有濃度に従って各色素をエポキシ樹脂に含有させて作製される模擬試料では、波長７６０ｎｍでの吸収係数は０.０６５８／ｃｍとなり、波長８００ｎｍでの吸収係数は０.０５５９／ｃｍとなり、波長８３０ｎｍでの吸収係数は０.０６７３／ｃｍとなる。
　図６は、対象（乳房）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。これらの値は、浜松ホトニクス株式会社製の時間分解分光装置TRS-21で測定して得られたものである。この結果から、実施例として作製した模擬試料は、実際の生体組織に近い吸収係数およびヘモグロビン濃度を再現できることが確認できる。
　図７および図８は、分光測定の対象がヒトの頭部（正常酸素状態）である場合の結果を示すものである。ヒトの正常酸素状態の頭部は、一般に、４７μＭの酸素化ヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）、２３μＭの脱酸素化ヘモグロビン（ＨＨｂ）、６０％の水分（Water）および８％の脂肪（Lipid）を含む。
　図７は、対象（正常酸素状態の頭部）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。図８は、対象（正常酸素状態の頭部）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。
　図９および図１０は、分光測定の対象がヒトの頭部（低酸素状態）である場合の結果を示すものである。ヒトの低酸素状態の頭部は、一般に、２８μＭの酸素化ヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）、４２μＭの脱酸素化ヘモグロビン（ＨＨｂ）、６０％の水分（Water）および８％の脂肪（Lipid）を含む。
　図９は、対象（低酸素状態の頭部）、模擬試料、エポキシ樹脂および色素Ａ～Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。図１０は、対象（低酸素状態の頭部）および実際に作製した模擬試料それぞれについて、各波長での吸収係数、酸素化ヘモグロビン濃度（Ｏ２Ｈｂ）、脱酸素化ヘモグロビン濃度（ＨＨｂ）、総ヘモグロビン濃度（ｔＨｂ）および組織酸素飽和度（ＳｔＯ２）を纏めた表である。
　何れの対象についても、実施例として作製した模擬試料は、実際の生体組織に近い吸収係数およびヘモグロビン濃度を再現できることができた。
　本実施形態で作製される模擬試料は、複数の色素を樹脂が含有する構成とすることによって、任意のヘモグロビン濃度および組織酸素飽和度の再現が可能であるので、実際の血液を用いることによる複雑さや不安定さが無くなり、簡便で且つ再現性の高い装置の評価が可能になる。また、分光測定の対象である生体組織および模擬試料の母材である樹脂それぞれの屈折率の違いを考慮した上で、母材である樹脂に含有させる各色素の含有濃度を算出して模擬試料を設計し作製するので、より正確に近赤外分光装置の性能を評価することができる。
　模擬試料設計方法、模擬試料作製方法、模擬試料設計装置、プログラムおよび記録媒体は、上述した実施形態および構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　上記実施形態による模擬試料設計方法は、近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する方法であって、（１）近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正ステップと、（２）樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出ステップと、を備える構成としている。
　上記の設計方法では、算出ステップにおいて、求めた含有濃度でＮ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルと修正後吸収スペクトルとの間の一致度を求める構成としても良い。
　また、算出ステップにおいて、３以上のＭ種類の色素のうちの任意のＮ種類の色素からなる各グループについて母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求めるとともに一致度を求め、各グループの色素の種類の数および一致度に基づいて何れかのグループのＮ種類の色素および含有濃度を選択する構成としても良い。
　上記の設計方法では、算出ステップにおける所定波長範囲は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍを含む構成としても良い。
　上記実施形態による模擬試料作製方法は、上記構成の模擬試料設計方法により母材におけるＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求め、その求めた含有濃度に従って母材にＮ種類の色素を含有させて模擬試料を作製する構成としている。
　上記の作製方法では、母材にＮ種類の色素に加えて散乱粒子を含有させて模擬試料を作製する構成としても良い。
　上記実施形態によるプログラムは、上記構成の模擬試料設計方法の修正ステップおよび算出ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。また、上記実施形態による記録媒体は、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
　上記実施形態による模擬試料設計装置は、近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する装置であって、（１）近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正部と、（２）樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、Ｎ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルが修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出部と、を備える構成としている。
　上記の設計装置では、算出部は、求めた含有濃度でＮ種類の色素を含有する母材により構成される模擬試料の吸収スペクトルと修正後吸収スペクトルとの間の一致度を求める構成としても良い。
　また、算出部は、３以上のＭ種類の色素のうちの任意のＮ種類の色素からなる各グループについて母材に含有させるべきＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求めるとともに一致度を求め、各グループの色素の種類の数および一致度に基づいて何れかのグループのＮ種類の色素および含有濃度を選択する構成としても良い。
　上記の設計装置では、算出部における所定波長範囲は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍを含む構成としても良い。
　実施形態は、近赤外分光装置の性能を評価する際に好適に用いられる模擬試料を設計することができる模擬試料設計方法および模擬試料設計装置、このような模擬試料を作製する方法、このような模擬試料設計方法のプログラム、ならびに、このようなプログラムを記録した記録媒体として利用可能である。
　１０…模擬試料設計装置、１１…修正部、１２…算出部、１３…入力部、１４…表示部、１５…記憶部、２０…記録媒体。

Claims (12)

  1. 　近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する方法であって、
    　前記近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および前記模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて前記対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正ステップと、
    　前記樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、前記Ｎ種類の色素を含有する前記母材により構成される前記模擬試料の吸収スペクトルが前記修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、前記母材に含有させるべき前記Ｎ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出ステップと、
    を備える、模擬試料設計方法。
  2. 　前記算出ステップにおいて、求めた含有濃度で前記Ｎ種類の色素を含有する前記母材により構成される前記模擬試料の吸収スペクトルと前記修正後吸収スペクトルとの間の一致度を求める、請求項１に記載の模擬試料設計方法。
  3. 　前記算出ステップにおいて、３以上のＭ種類の色素のうちの任意のＮ種類の色素からなる各グループについて前記母材に含有させるべき前記Ｎ種類の色素それぞれの含有濃度を求めるとともに前記一致度を求め、各グループの色素の種類の数および前記一致度に基づいて何れかのグループのＮ種類の色素および含有濃度を選択する、請求項２に記載の模擬試料設計方法。
  4. 　前記算出ステップにおける前記所定波長範囲は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍを含む、請求項１～３の何れか１項に記載の模擬試料設計方法。
  5. 　請求項１～４の何れか１項に記載の模擬試料設計方法により母材におけるＮ種類の色素それぞれの含有濃度を求め、その求めた含有濃度に従って前記母材に前記Ｎ種類の色素を含有させて模擬試料を作製する、模擬試料作製方法。
  6. 　前記母材に前記Ｎ種類の色素に加えて散乱粒子を含有させて前記模擬試料を作製する、請求項５に記載の模擬試料作製方法。
  7. 　請求項１～４の何れか１項に記載の模擬試料設計方法の修正ステップおよび算出ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
  8. 　請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  9. 　近赤外分光装置の性能を評価する際に用いられる模擬試料を設計する装置であって、
    　前記近赤外分光装置による分光測定の対象の屈折率および前記模擬試料の母材として用いる樹脂の屈折率に基づいて前記対象の吸収スペクトルを修正して修正後吸収スペクトルを作成する修正部と、
    　前記樹脂の吸収スペクトルおよび２以上のＮ種類の色素それぞれの吸収スペクトルに基づいて、前記Ｎ種類の色素を含有する前記母材により構成される前記模擬試料の吸収スペクトルが前記修正後吸収スペクトルに対し近赤外域の所定波長範囲において近似するように、前記母材に含有させるべき前記Ｎ種類の色素それぞれの含有濃度を求める算出部と、
    を備える、模擬試料設計装置。
  10. 　前記算出部は、求めた含有濃度で前記Ｎ種類の色素を含有する前記母材により構成される前記模擬試料の吸収スペクトルと前記修正後吸収スペクトルとの間の一致度を求める、請求項９に記載の模擬試料設計装置。
  11. 　前記算出部は、３以上のＭ種類の色素のうちの任意のＮ種類の色素からなる各グループについて前記母材に含有させるべき前記Ｎ種類の色素それぞれの含有濃度を求めるとともに前記一致度を求め、各グループの色素の種類の数および前記一致度に基づいて何れかのグループのＮ種類の色素および含有濃度を選択する、請求項１０に記載の模擬試料設計装置。
  12. 　前記算出部における前記所定波長範囲は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍを含む、請求項９～１１の何れか１項に記載の模擬試料設計装置。
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