JP2008155011A - 密度計測装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体情報として生体内部の密度を光により計測できる小型でかつ安価の密度計測装置を提供する。
【解決手段】光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射部２０と、照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光部３０と、照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化傾向を算出する変化傾向算出部２０１と、前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定部２０２とを備えることを特徴とする密度計測装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用して、非侵襲に生体内部の密度を計測する密度計測装置およびその方法に関するものである。

生体の内部を測定するには様々な手法がある。従来、Ｘ線診断装置、Ｘ線ＣＴ装置などのＸ線を用いた計測方法や超音波エコーなどの超音波を用いた計測方法は、現在、医療診断装置として確立されており有用であるが、装置が高価で大型である。さらに、Ｘ線を用いた計測方法は、被測定対象である人体に有害であり、被爆させてしまう問題がある。一方、光を用いた計測方法は、被爆の問題がなく波長を選択することにより計測対象である化合物を選択できるという利点を有している。

光を利用し生体情報を計測する計測装置として、血中グルコース等の血液成分濃度や生体酸素モニタなどの生体成分濃度を推定する計測装置や、脳や筋肉におけるヘモグロビン・ミオグロビンの経時変化を計測する計測装置や、骨組織や骨密度などの生体内部の組織あるいは密度を計測する計測装置などが提案されている。

従来の光を利用し生体情報を計測する計測装置は、光プローブを生体皮膚表面に押し当て経皮で生体内部に光を照射し、透過または反射してきた光が再び皮膚を通過して生体外に出射したものを受光し、それに基づいて種々の生体情報を計算する。また、受光した光より、例えば、計測位置や深さ、濃度、密度などの生体情報を解析する。この解析手法には、強度が時間的に変化する光源を用い、光が到達する時間の違いから深さなどの情報を得る手法（時間分解法）などがある。時間分解法は、光信号の時間応答を分割して深さなどの情報と対応させるため、時間幅の狭い光源と時間応答の早い光検出器が必要となる（例えば、特許文献１参照）。

下記特許文献１記載の計測装置では、光プローブとしてレーザ光を用いたパルスレーザシステムを用い、骨組織にパルスレーザ光を照射して時間分解法による計測によって骨組織内の光散乱係数および光吸収係数を求める。それにより、より精度良く骨構造変化を解析することを実現している。
特開平０９−７０４０４号公報

しかしながら、従来の計測装置では、高価で大型であるという問題がある。

上記特許文献１記載のように、時間幅の狭い光源と時間応答の早い光検出器としてパルスレーザ光を実現するパルスレーザシステムなどの装置が必要となる。そして、このようなシステムを構成する装置は、多くのシステム構成要素を必要とするので、どうしても装置が大掛かりになり、高額になってしまう。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、生体情報として生体内部の密度を光により計測できる小型でかつ安価の密度計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の密度計測装置は生体密度を計測する密度計測装置であって、光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射手段と、照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光手段と、照射された光の強度に対
する受光した反射光の強度の変化傾向を算出する変化傾向算出手段と、前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定手段とを備えることを特徴とする。

この構成により、光照射手段は照射される光の強度を変化させるだけでよいので、光照射手段を構成する装置として、時短パルスや多波長の発光源を有する装置などの多くのシステム構成要素を必要とする特殊な装置構成を必要としない。また、従来、例えば皮膚組織の測定場所によっての厚みの変化や、使用する光源の特定などの影響などの、バックグランドの影響を除去するために光源などをキャブリレーションする必要があったが、本発明では、変化傾向を評価することにより、バックグランドの影響を除去することができるので、光源などをキャブリレーションするための装置構成を必要としない。それにより、小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

また、前記変化傾向算出手段は、照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率から変化傾向を算出してもよい。このとき、前記密度計測装置は、さらに、照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率とから得られる変化傾向の曲線の変曲点を算出する変曲点算出手段とを備え、前記密度特定手段は、前記変曲点算出手段の算出した変曲点と前記変化傾向算出手段の算出した変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定してもよい。

この構成により、照射される光の強度と、その際検出される反射光の強度変化率との関係から得られる曲線の傾き、例えば、照射光強度と受光した反射光強度の対数比などで、測定対象の密度を評価することが可能になる。それにより、測定対象までに被測定対象ではない介在する領域がある場合でも、その影響を除いて生体内部の密度を評価できる。それにより、時短パルスや多波長の発光源を有する装置などの多くのシステム構成要素を必要とする特殊な装置構成を必要でないため、小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

また、前記光照射手段は、測定対象との距離を変化させることで、測定対象の表面に照射される光の強度を変化させてもよい。

この構成により、照射される光の強度の変化を、光照射手段と測定対象との距離を変化させて行う。ところで、例えば、光照射手段の光の強度そのものを変化させた場合、半導体の非線形性が出てしまうことがあり正確な測定を阻害する要因となる場合がある。ここでは、その要因を回避でき、かつ同様の効果を得ることができる。

このとき、前記密度計測装置は、さらに、当該光照射手段と測定対象との間に挿入された参照散乱媒体を備えてもよい。

この構成により、光照射手段と測定対象との間に挿入されている参照散乱媒体の厚さを変化させることで、光照射手段から測定対象の表面に照射される照射光の強度を変化することができる。それにより、光照射手段と測定対象とのそのものの位置を移動させる必要がなくなるだけでなく、参照散乱媒体が既知の光散乱特性を有する場合、既知の光散乱特性を利用することで、例えば、光照射手段と測定対象となる骨との間に介在する皮膚組織に影響されずに測定対象となる骨の密度計測が可能となる。

また、前記変化傾向算出手段は、前記光照射手段と前記測定対象との距離に対する受光した反射光の強度との変化率から前記変化傾向を算出してもよい。

この構成により、光照射手段および測定対象の距離と測定対象の表面に照射される光の強度およびその反射光の強度の変化率との関係から得られる曲線の傾きで、測定対象の密度を評価することが可能になる。それにより、測定対象までに被測定対象ではない介在する領域がある場合でも、その影響を除いて生体内部の密度を評価できる。

また、前記密度特定手段は、さらに、前記光照射手段と前記測定対象との距離に対する前記変化傾向の積分に基づき、前記測定対象の密度を特定してもよい。

この構成により、光照射手段および測定対象の距離と測定対象の表面に照射される光の強度およびその反射光の強度の変化率との関係から得られる曲線を積分することで、測定対象までに被測定対象ではない介在する領域がある場合に、その介在する領域の影響を除去することができる。それにより、測定対象の密度を評価することが可能になる。

また、前記光照射手段より照射される光は、近赤外線光であってもよい。

これにより、照射される光に、生体の透過性が良い近赤外光を用いることで、測定対象である生体の密度を非侵襲的に評価することが可能になる。すなわち、生体情報として生体内部の密度を光により計測できる。

また、前記光照射手段は、発光ダイオードで構成され、前記受光手段は、フォトダイオードで構成されてもよい。

これにより、発光ダイオードおよびフォトダイオードは小型でかつ安価で手に入る構成要素であるので、小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

また、前記測定対象は、骨であり、骨密度を計測することであってもよい。

これにより、骨密度を評価することができる。

また、前記光照射手段により照射される光の光軸と、前記受光手段における受光する光の光軸とは、同軸上に配置されてもよい。

これにより、照射される光が受光手段に届くまでの光の最短路長が短くなるので、照射される光の強度が弱くとも、受光手段に届きやすくなり、微弱な照射される光に対する検出感度があがる。それにより、より浅い部分の情報が正確になり、得られる生体密度計測値が正確になるので、精度のよい密度計測装置を実現することができる。

なお、本発明は、装置として実現するだけでなく、その装置を構成する処理手段をステップとする方法として実現したり、それらステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体として実現したり、そのプログラムを示す情報、データまたは信号として実現したりすることもできる。そして、それらプログラム、情報、データおよび信号は、インターネット等の通信ネットワークを介して配信してもよい。

本発明によれば、生体情報として生体内部の密度を光により計測できる小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態における密度計測装置について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
照射される光の強度を変化させることにより観察される反射光の強度の変化の傾向から、生体密度を評価する装置およびその方法（これを、強度分解法と呼ぶ。）について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示すブロック図である。

密度計測装置１０００は、光の強度を変化させ測定対象１０に光を照射する光照射部２０と、反射または散乱された光を受光する受光部３０と、光照射部２０の照射する光の強度を変化させる制御を行う制御部２００と、制御部２００からの光照射部２０の照射する光の強度と受光部３０からの受光した光の強度とに基づいて変化傾向を算出する変化傾向算出部２０１と、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向と予め用意されている参照データ２０３とに基づいて生体密度を特定する密度特定部２０２と、密度特定部２０２で計測された生体密度を表示する表示部２０４とから構成されている。

図２は、本発明の第１の実施の形態における測定対象１０を計測する際の測定対象１０と光照射部２０と受光部３０とについて模式的に示した図である。図２は、光照射部２０から照射される光の強度を図２（ａ）および図２（ｂ）、図２（ｃ）の順に強くした場合に、測定対象１０に照射された光の領域４０が拡がりながら測定対象１０の内部深くまで達し、それに応じて、測定対象１０内部で反射または散乱し受光部３０に受光される光が多くなることを示している。

ここで、一例として、測定対象１０は骨であり、照射部２０は発光ダイオード、受光部３０はフォトダイオードである。また、照射部２０の発光ダイオードは、例えば、生体の透過性が良い７５０〜２５００ｎｍの波長範囲の近赤外光を用いるとする。以下、生体密度として骨密度を評価する場合を説明する。

図２において、照射部２０である発光ダイオードは、近赤外光の強度を変化させて測定対象１０である骨に照射される。受光部３０であるフォトダイオードは、測定対象１０である骨の内部で反射・散乱した照射光の一部で、受光部３０であるフォトダイオードまで到達した光を検出する。受光部３０のフォトダイオードで検出される光の強度は、照射光強度変化に伴い変化する。また、受光部３０のフォトダイオードで検出される光の強度は、骨密度に依存する光吸収・拡散特性を反映しているため、受光部３０で検出したデータから骨密度を評価する。

図３は、本発明の第１の実施の形態における密度計測装置の生体密度の計測をする際の手順を示したフローチャートである。

まず、光照射部２０を、測定対象１０に押し当て、制御部２００にて制御することにより光の強度を変化させて光照射部２０を発光させる（Ｓ１０１）。

次に、光照射部２０より測定対象１０に照射され、測定対象１０の内部で反射または散乱し、受光部３０であるフォトダイオードまで到達した光を受光部３０が受光する（Ｓ１０２）。

次に、変化傾向算出部２０１は、制御部２００からの光照射部２０の光の強度と受光部３０からの受光した強度とに基づいて変化傾向を算出する（Ｓ１０３）。

次に、密度特定部２０２は、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向に基づいて生体密度を計測する（Ｓ１０４）。

次に、表示部２０４は、密度特定部２０２で計測された生体密度を表示する。

続いて、本発明の第１の実施の形態における密度計測装置１０００の生体密度計測方法についての原理を以下に説明する。

図２において、照射部２０である発光ダイオードからの照射光強度と受光部３０であるフォトダイオードで検出される反射・散乱光強度は、ランバートベールの法則に従うため次の（数１）で示す関係となる。ここで、ランバートベールの法則とは、濃度と光の減衰の関係を表す法則である。したがって、濃度が透過率の対数すなわち吸光度に比例する関係の式で表すことができる。

ここで、Ｉ₀は照射光強度、Ｉは反射・散乱光強度、μ_tは反射における減衰係数、Ｌは代表光路長である。

図４は、照射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの関係を示す図である。図４（ａ）は、（数１）式を概念的に示す図であり、図４（ｂ）は（数１）式の減衰係数μ_tが変化した場合における照射光強度―反射・散乱光強度曲線（以下、Ｉ₀−Ｉ曲線と記載。）の傾きの変化を模式的に示す図である。

図４（ａ）に示すように、（数１）式において、照射光強度Ｉ₀が増加した場合、反射
・散乱光強度Ｉも増加し、その増加の仕方は減衰係数μ_tと代表光路長Ｌにより規定され
る。また、代表光路長Ｌは照射光強度Ｉ₀の関数とみなせ、照射光強度Ｉ₀が増加すると増加する。すなわち、照射光強度Ｉ₀が増加すると照射光はより深部まで光が到達する。

光照射部２０における照射光の強度を変化させた照射光強度Ｉ₀と受光部３０で計測される反射・散乱光強度Ｉとから、図４（ｂ）に示すＩ₀−Ｉ曲線を得る。ここで、横軸は、強度を変化させた照射光強度Ｉ₀を示し、縦軸は、計測した反射・散乱光強度Ｉを示す。このＩ₀−Ｉ曲線の傾きは生体の密度状態、例えば骨の密度状態を反映している。つまり、減衰係数μ_tが大きい場合とは生体内部の密度が低い状態、ここでは骨密度が低い状態を示すので、この場合にはＩ₀−Ｉ曲線の傾きが小さくなる。逆に、減衰係数μ_tが小さい場合とは生体内部の密度が高い場合、ここでは骨密度が高い状態を示すので、この場合にはＩ₀−Ｉ曲線の傾きが大きくなる。

以上より、Ｉ₀−Ｉ曲線、すなわち、照射光強度―反射・散乱光強度曲線の傾きを調べることにより生体内部の密度状態、例えば骨密度を評価することができる。

（実施例）
実際に、牛大腿骨から採取した海綿骨チップをゼラチンに混ぜた模擬骨組織を測定対象１０として計測した結果を以下に示す。用意した測定対象１０の模擬骨の組織の空間密度が、２０および９０，２４０，３４０ ｍｇ／ｃｍ^３となるように、ゼラチンと海綿骨チップを混ぜた。作製した測定対象１０の模擬骨サンプルの上部を厚さ６ｍｍのゼラチンで覆い、模擬皮膚層とした。使用した照射部２０である近赤外光の発光ダイオードはピーク波長８５０ｎｍであり、受光部３０であるフォトダイオードはゲルマニウム・フォトダイオードを使用した。

図５（ａ）は、ゼラチン模擬骨試料に対するＩ₀−Ｉ曲線およびＩ₀−Ｉ曲線の傾きと骨密度の関係を示す図である。ここで、横軸は、強度を変化させた照射光強度Ｉ₀を示し、縦軸は、計測した反射・散乱光強度Ｉを示す。

図５（ａ）は、測定対象１０である各模擬骨の組織サンプルに対するＩ₀−Ｉ曲線である。なお、この実験では、簡易的に照射光強度Ｉ₀を照射部２０である近赤外光の発光ダイオードへの印加電圧とし、また反射・散乱光強度Ｉを受光部３０であるフォトダイオードでの検出電圧としている。反射・散乱光強度Ｉは、照射光強度Ｉ₀が増加すると、増加
する傾向を示した。また、反射・散乱光強度Ｉは、海綿骨チップ密度が増加すると増加する傾向を示した。

図５（ｂ）は、図３（ａ）において海綿骨チップ密度の違いをより反映している強い発光強度領域（光照射部２０である近赤外光の発光ダイオード印加電圧４〜５Ｖ）でのＩ₀−Ｉ曲線の傾き（近似直線から算出）と海綿骨チップ密度との関係を示す図である。ここで、横軸は骨密度を示し、縦軸は、Ｉ₀−Ｉ曲線の傾きを示す。図５（ｂ）より、両者、すなわち、Ｉ₀−Ｉ曲線の傾きと海綿骨チップ密度との関係は、強い正の相関（ｒ２＝０．９４８）を示しているのがわかる。この結果から、Ｉ₀−Ｉ曲線の傾きを用いて、骨密度を評価することが可能であるのがわかる。

なお、上述では、光照射部２０として近赤外光の発光ダイオードを一例に説明しているが、波長も光学装置もそれに限定されない。また、同様に、受光部３０として、フォトダイオードを一例に説明しているが、それに限定されない。また、測定対象１０として、骨を一例に説明しているが、それに限定されない。

なお、光照射部２０と受光部３０とはより近接して配置するのが好ましく、光照射部２０と受光部３０とが同軸上に配置するのはさらに好ましい。また、光照射部２０と受光部３０とは、それぞれ一つずつからなってもよく、一対の装置として構成されていても良い。

なお、上述した強度分解法、すなわち、照射光の強度を連続的に変化させることにより観察される反射光強度の変化から、生体組織の密度を評価できる方法であるならば、本発明の範囲であり、上述した実施例に限定されない。

以上より、照射光の強度を変化させることにより観察される反射光強度の変化からＩ₀−Ｉ曲線、すなわち、照射光強度―反射・散乱光強度曲線の傾きを調べることにより生体内部の密度状態、例えば骨密度を評価することができる。

以上より、本発明の第１の実施の形態によれば、生体密度を計測する際には、光照射部２０は照射する光の強度を変化させるだけでよいので、生体密度計測装置の構成要素として、時短パルスなどの多くのシステム構成要素を必要とする特殊な装置を必要としないので、上述の一例のように、近赤外光の発光ダイオード、フォトダイオードで構成されるように小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。さらに、光を用いて生体密度を計測するので、人体に被爆する危険性もなく、非侵襲で生体密度を計測できる。

（第２の実施の形態）
実際に、生体密度を計測する際に、例えば皮膚のような介在組織を介して測定するが、第１の実施の形態の生体密度計測では、皮膚のような介在組織の影響は、無視できる程度とみなしていた。第２の実施の形態では、例えば皮膚のような介在組織の影響を除去し、生体内部の密度を評価する方法（以下、空間強度分解法と呼ぶ。）および装置について、以下に説明する。

例えば、骨密度を測定する際に、皮膚のような組織層が存在するような場合、その影響がデータに影響することを説明する。

図６は、Ｉ₀−Ｉ曲線の傾きにおける皮膚層の影響を示す図である。図６は、図５で用いた模擬骨の組織サンプルにおいて、同一の海綿骨チップ密度（２４０ｍｇ／ｃｍ³）で、模擬皮膚層（ゼラチン層）の厚さを変えた場合の、反射・散乱光強度分布の傾きの違いを調べた結果である。なお、反射・散乱光強度分布の傾きは、上述と同様に照射部２０である近赤外光の発光ダイオードの発光強度が４〜５Ｖの範囲において、調べた結果の傾きである。図６より、模擬皮膚層（ゼラチン層）の厚さが増加すると、傾きが減少する傾向が確認された。例えば、模擬皮膚層の厚さが４ｍｍから２倍の８ｍｍとなった場合、傾きは約１８％減少することが示された。実際のヒトにおいて想定している測定部である遠位尺骨部や踝での皮膚層の厚さの個人差は、小さいものと考えられるが、より精度良く測定するために、骨を覆う上層組織層の影響を除去する必要がある。

図７は、本発明の第２の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示すブロック図である。

密度計測装置１０００は、光の強度を変化させ測定対象１０に光を照射する光照射部２０と、反射または散乱された照射光を受光する受光部３０と、光照射部２０の光の強度を変化させる制御を行う制御部２００と、制御部２００からの光照射部２０の光の強度と受光部３０からの受光した強度とに基づいて変化傾向を算出する変化傾向算出部２０１と、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向から変曲点を算出する変曲点算出部２０５と、変曲点算出部２０５で算出した変曲点と、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向と予め用意されている参照データ２０３とに基づいて生体密度を特定する密度特定部２０２と、密度特定部２０２で計測された生体密度を表示する表示部２０４とから構成されている。

図８は、本発明の第２の実施の形態おける測定対象１０を計測する際の測定対象１０と光照射部２０と受光部３０とについて模式的に示した図である。図８は、図８（ａ）および図８（ｂ）、図８（ｃ）の順に照射部２０の照射光の強度が増加し、それに伴い、介在組織部１１に照射された光の領域４０が介在組織部１１から介在組織部１１および測定対象１０へ拡がりながら測定対象１０の深部まで達し、それに応じて、生体組織である測定対象１０で反射・散乱した光から生体組織である測定対象１０と介在組織部１１とで反射・散乱した光が受光部３０に受光される光が多くなることを示す。

ここで、一例として、測定対象１０は骨であり、介在組織部１１は皮膚である。また、照射部２０は発光ダイオード、受光部３０はフォトダイオードである。また、照射部２０の発光ダイオードは、例えば、生体の透過性が良い７５０〜２５００ｎｍの波長範囲の近赤外光を用いるとする。以下、生体内部の密度として骨密度を評価する場合を説明する。

図８より、照射部２０である発光ダイオードは、近赤外光の強度を変化させて測定対象１０である骨に照射される。受光部３０であるフォトダイオードは、介在組織部１１である皮膚層を介し測定対象１０である骨層に到達し、そこで反射・散乱した照射光の一部で、受光部３０であるフォトダイオードまで到達した光を検出される。受光部３０のフォトダイオードで検出される光の強度は、照射光強度変化に伴い変化する。また、受光部３０のフォトダイオードで検出される光の強度は、骨密度に依存する光吸収・拡散特性を反映している。ただし、受光部３０のフォトダイオードで検出される光の強度は、皮膚層の厚さや光散乱特性の影響を受けているので除去する必要がある。

図９は、本発明の第２の実施の形態おける密度計測装置１０００の生体密度の計測をする際の手順を示したフローチャートである。

まず、光照射部２０を、測定対象１０に介在する介在組織部１１に押し当て、制御部２００にて制御することにより光の強度を変化させて光照射部２０を発光させる（Ｓ１０１）。

次に、光照射部２０より測定対象１０に照射され、測定対象１０と介在組織部１１との内部で反射または散乱し、受光部３０であるフォトダイオードまで到達した光を受光部３０が受光する（Ｓ１０２）。

次に、変化傾向算出部２０１は、制御部２００からの光照射部２０の光の強度と受光部３０からの受光した強度とに基づいて変化傾向を算出する（Ｓ１０３）。

次に、変曲点算出部２０５は、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向から変曲点を算出する（Ｓ１０３１）。

次に、密度特定部２０２は、変曲点算出部２０５で算出した変曲点と、変化傾向算出部２０１で算出した変化傾向に基づいて皮膚層の厚さや光散乱特性の影響を除去した生体密度を計測する（Ｓ１０４）。

次に、表示部２０４は、密度特定部２０２で計測された生体密度を表示する。

続いて、本発明の第２の実施の形態おける密度計測装置１０００の生体密度計測方法についての原理を以下に説明する。

図１０は、皮膚層と骨層の二層モデルの場合における空間強度分解法の原理を示す模式図である。空間強度分解法、すなわち、例えば皮膚のような介在組織の影響を除去し、生体内部の密度を評価する方法についての原理を説明する。図１０に示されるように、まず、皮膚層と骨層の二層モデルを考え、そこでの光の挙動の定式化をランバートベールの法則に基づいて試みる。ここで、厚さＬ^skinとして表されている皮膚層は、図８における介在組織部１１がモデル化されたものである。また、光到達深度Ｌ^bone（Ｉ₀）で表されている骨層は、図８における測定対象１０がモデル化されたものである。

はじめに、介在組織部１１の皮膚層の表面より照射部２０である発光ダイオードにより近赤外光が照射光強度Ｉ₀で照射される。照射光強度Ｉ₀を増加させると介在組織部１１の皮膚層内での光の到達距離が増加し、ある照射光強度Ｉ₀で介在組織部１１である皮膚層の厚さＬ^ｓｋｉｎまで光が到達する。このとき、介在組織部１１の皮膚層上に設置した受光部３０であるフォトダイオードから検出される反射・散乱光強度Ｉ^skin（以下、Ｉ^skinと記載。）はランバートベールの法則より、次の（数２）式で示される関係式となる。

ここで、μ_t ^skinは、介在組織部１１である皮膚層における光減衰係数である。（数２）式は、ある照射光強度Ｉ₀で介在組織部１１の皮膚層を往復した光が反射・散乱光強度Ｉ^skinとして介在組織部１１の皮膚層上に設置した受光部３０であるフォトダイオードで検出されることを表す。代表光路長が２Ｌ^skinであるのは、介在組織部１１である皮膚層を往復した距離が２Ｌ^skinであるからである。

また、同様に、介在組織部１１である皮膚層から測定対象１０である骨層へ照射される光の強度Ｉ₀ ^bone（以下、Ｉ₀ ^boneと記載。）は、次の（数３）式で示される関係式となる。

ここで（数３）式は、ある照射光強度Ｉ０で介在組織部１１の皮膚層を通過し骨層に到達した光が、骨層へ入射される光の強度Ｉ₀ ^boneとなることを表す。代表光路長がＬ^skinであるのは、介在組織部１１である皮膚層を通過した距離がＬ^skinであるからである。

また、皮膚層−骨層境界面すなわち、介在組織部１１である皮膚層と測定対象１０である骨との境界面での測定対象１０である骨層を光の入射点とみなした場合に観察される反射・散乱光強度Ｉ^bone（以下、Ｉ^boneと記載。）は、次に示される（数４）式で表せる。

ここで、μ_t ^boneは、測定対象１０の骨層の光減衰係数であり測定対象１０の骨密度を反映している。（数４）式は、ある入射光強度Ｉ₀ ^boneで測定対象１０である骨層を往復した光が、介在組織部１１である皮膚層に入射される反射・散乱光強度Ｉ^boneとなることを表す。代表光路長が２Ｌ^bone（Ｉ₀）であるのは、測定対象１０の骨層を往復した距離が２Ｌ^bone（Ｉ₀）であるからである。また、測定対象１０の骨層内における代表光路長Ｌ^boneは照射光強度Ｉ₀に依存する。測定対象１０である骨層から介在組織部１１である皮膚層に入射されるＩ^boneの強度を持つ反射・散乱光は、介在組織部１１である皮膚層を通過して、最終的には強度Ｉ^skin+boneで介在組織部１１である皮膚層上にある受光部３０であるフォトダイオードにより検出される。ここでＩ^skin+boneは、次の（数５）式で示される関係式となる。

ここで（数５）式は、ある入射光強度Ｉ^boneで介在組織部１１の皮膚層を通過した光が、反射・散乱光強度Ｉ^skin+bone（以下、Ｉ^skin+boneと記載。）として介在組織部１１の皮膚層上に設置した受光部３０であるフォトダイオードで検出されることを表す。代表光路長がＬ^skinであるのは、介在組織部１１である皮膚層を通過した距離がＬ^skinであるからである。

さらに、（数５）式は、上述した（数３）式、（数４）式より次の（数６）式のように表せる。

ここで、入射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの比に注目する。測定対象１０の骨層の領域に限定した場合、（数３）式、（数４）式より次の（数７）式のような関係が成り立つ。

（数７）式より、測定対象１０の骨層の領域の入射光強度Ｉ₀ ^boneと反射・散乱光強度Ｉ^boneの比の対数（以下、ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）と記載。）は、骨密度を反映している骨層の光減衰係数μ_t ^boneと相関のある値をとることがわかる。すなわち、ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）により骨密度を評価することができるのがわかる。

しかしながら、骨層における代表光路長Ｌ^boneが入射光強度Ｉ₀の関数であるため、
ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）は入射光強Ｉ０により変化する。そのため、どの入射光強度Ｉ₀を使ったかで骨密度の評価が変わってくる。

本発明の第２の実施の形態では、照射光強度Ｉ₀を連続的に変化させることで照射光強度Ｉ₀に対するｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）の変化が得られる。このように求められたｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の傾きは、照射光強度Ｉ₀の大きさに影響されない骨密度評価パラメタとなり得る。

以上から、ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）のＩ₀ ^boneに対する変化を求めれば骨密度を評価することができるのがわかる。しかし、Ｉ^boneとＩ₀ ^boneは、皮膚下の生体内部の領域での値のため直接知ることはできない。

ところで、（数２）式、（数６）式より次の（数８）式で示す関係が成り立つ。

（数８）式の右辺と（数７）式の右辺とを比べると等しくなっている。すなわち、ｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）は、ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）と同じ値となることがわかる。したがって、計測値であるＩ^skinとＩ^skin+boneを利用することでｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）を求めることができるのがわかる。

ここで、Ｉ^skin+boneは受光部３０であるフォトダイオードにより計測されるが、Ｉ^skinは、計測からは直接では求められない。

図１１は、図１０における皮膚層のみのモデルおよび皮膚層と骨層の二層モデルおよび骨層のみのモデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀を概念的に示す図である。ここで、ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀は、照射光強度Ｉ₀に対する照射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの比の対数との関係を示す（以下、照射光強度Ｉ₀に対する照射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの比の対数との関係ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀と記載する。添え字がある場合、入射光の場合も同様の表記とする。）。図１１において、縦軸は照射光強度Ｉ０と反射・散乱光強度Ｉの比の対数ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）であり、横軸は、照射光強度Ｉ₀である。ただし、代表光路長Ｌ^boneおよびＬ^ｓｋｉｎは照射光強度Ｉ０の関数であるため、正確にプロットすると曲線となるが、ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀を概念的に説明するために、代表光路長Ｌ^boneおよびＬ^skinをＩ₀の線形関数として直線のようにプロットしている。

図１１より、図１０における皮膚層のみのモデルと骨層のみのモデルとのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ０は近似直線となり、皮膚層と骨層の二層モデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀において変曲点が現れる。皮膚層と骨層との二層モデルの場合、変曲点までの照射光強度Ｉ₀が、皮膚層のみのモデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀に従い、変曲点より大きい照射光強度Ｉ₀では、骨層のみのモデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀と同じ傾きで従うことがわかる。これは、上述したように、ｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）は、ｌｎ（Ｉ^bone／Ｉ₀ ^bone）と同じ値となることからわかる。

したがって、Ｉ^skinは、図１１に示すようにｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の変曲点から知ることができる。すわなち、皮膚層と骨層との二層モデルで示される変曲点において、受光部３０であるフォトダイオードにより検出された反射・散乱光強度がＩ^skinである。

以上より、ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ０曲線の変化傾向を利用することで、骨の上層組織である皮膚の影響を除いて、骨密度の評価を行うことができるのがわかる。なお、この手法を空間強度分解法と呼んでいる。

（実施例）
次に、上述した空間強度分解法により、皮膚のような介在組織の影響を除去し生体内部の密度の評価を行えるか試料モデルを用いて検証実験を行った。

図１２は、空間強度分解法の検証実験システムの構成を示す図である。図１２（ａ）は、検証実験システム全体を示す。検証実験システムは、コンピュータ６０と、インターフェース・ボード７０と、ＢＮＣコネクタボックス８０と、発光ダイオード２１用電流駆動器９０と、フォトダイオード３１用電源およびアンプ１００と、計測部３００と、発光ダイオード用電源１１０とから構成される。計測部３００は、一対の発光ダイオード（ＬＥＤ）２１（１５５０ｎｍ／Ｅｐｉｔｅｘ／Ｉｎｃ．／ＩｎＧａＡｓＰ ＮＩＲ ＬＥＤ、Ｌ１５５０−３５）とフォトダイオード（ＰＤ）３１（Ｊｕｄｓｏｎ社、Ｊ１６−５ＳＰ−Ｒ０３Ｍ−ＳＣ）から構成されている。それぞれはコンピュータ６０と接続され、発光と受光が制御される。発光ダイオード２１とフォトダイオード３１はそれぞれの信号調節器、すなわち発光ダイオード２１用電流駆動器９０と、フォトダイオード３１用電源およびアンプ１００および１６ｂｉｔインターフェース・ボード７０（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、ＤＡＱＣａｒｄ−６０３６Ｅ）を介してラップトップ型コンピュータ６０（１、Ｄｅｌｌ Ｉｎｓｐｉｒｏｎ ２２００）と接続している。ここで、発光ダイオード（ＬＥＤ）２１は、図７における照射部２０に相当し、フォトダイオード（ＰＤ）３１は、図７における受光部３０に相当する。発光ダイオード２１用電流駆動器９０と発光ダイオード用電源１１０とは、図７における制御部２００に相当する。コンピュータ６０には、図７における変化傾向算出部２０１および変曲点算出部２０５および密度特定部２０２と、参照データ２０３と表示部２０４とを含んだものに相当する。

図１２（ｂ）は発光ダイオード用電流駆動回路図を示す。発光ダイオード用電流駆動回路は、発光ダイオード２１用電流駆動器９０に含まれており、発光ダイオード用電流駆動回路により、発光ダイオード２１は、弱い光から強い光まで広いレンジで発光することができる。

なお、発光ダイオード２１の発光制御およびフォトダイオード３１の検出信号の取得と処理などはＶｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃで作成したプログラムにより行った。

図１３は、本検証実験における発光ダイオード２１とフォトダイオード３１との関係を示した図である。図１３（ａ）は、本検証実験における、発光ダイオード（ＬＥＤ）２１とフォトダイオード（ＰＤ）３１との位置関係を示す図であり、図１３（ｂ）は、発光ダイオード２１に印加した電流（Ｉｎｐｕｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ＬＥＤ）と、フォトダイオード３１で検出される発光ダイオードの発光強度（ＰＤ ｏｕｔｐｕｔ）との関係を示す図である。図１３（ａ）で模式的に示したように、本実験では、発光ダイオード２１とフォトダイオード３１を約３０ｍｍの間隔をおいて向かい合わせに配置させた状態とした。そして、線形に発光ダイオード２１への電流を増加させ、その際にフォトダイオード３１で検出される発光ダイオード２１の発光強度（Ｖ）をＩ０とした。その結果、図１３（ｂ）に示すように、発光ダイオード２１への入力電流と発光強度との関係は非線形な関係であった。

図１４は、本検証実験において空間強度分解法を検証するために使用した試料モデルを示した図である。試料は、第一層としてグルコマンナン・ゲルを、第二層としてポリウレタン・スポンジより構成される二層からなる実験モデルである。水分を含むグルコマンナン・ゲルは皮膚層を、またポリウレタン・スポンジは骨層を模擬している。実験では、第一層のグルコマンナン・ゲルが６ｍｍの場合と１４ｍｍとの場合を比較し、さらに第二層のポリウレタン・スポンジは、光反射・散乱特性を変化させるために白、灰色、黒の三種類の色のものを用いている。

ここで、光反射・散乱特性を変化させるために用いた白、灰色、黒の三種類の色は、骨密度が違っている場合に相当する。図１４（ａ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが６ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は白の場合（以下、Ｗｈｉｔｅ（６ｍｍ）と呼ぶ。）を示し、図１４（ｂ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが１４ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は白の場合（以下、Ｗｈｉｔｅ（１４ｍｍ）と呼ぶ。）を示す。また、図１４（ｃ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが６ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は灰色の場合（以下、Ｇｒａｙ（６ｍｍ）と呼ぶ。）を示し、図１４（ｄ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが１４ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は灰色の場合（以下、Ｇｒａｙ（１４ｍｍ）と呼ぶ。）を示す。さらに、図１４（ｅ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが６ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は黒の場合（以下、Ｂｌａｃｋ（６ｍｍ）と呼ぶ。）を示し、図１４（ｆ）は、第一層のグルコマンナン・ゲルが１４ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は黒の場合（以下、Ｂｌａｃｋ（１４ｍｍ）と呼ぶ。）を示す。

計測は、発光ダイオード２１とフォトダイオード３１で構成される計測部３００を第一層表面に手で押し当てることにより行った。一つの条件に５回の測定を行い、その平均を採用した。

図１５は、発光ダイオード２１とフォトダイオード３１とで構成される計測部３００における計測結果を示す図である。横軸は、照射光強度Ｉであり、縦軸は、反射・散乱光強度Ｉもしくは、照射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの対数の比ｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）である。図１５（ａ）は、計測結果における各試料のＩ₀−Ｉ曲線を示す図である。図１４で示す全ての試料において、照射光強度Ｉ０が増加すると反射・散乱光強度Ｉが増加した。その傾向は特にＷｈｉｔｅ（６ｍｍ）の試料、すなわち第一層のグルコマンナン・ゲルが６ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は白の場合の試料において最も顕著に現れており、Ｂｌａｃｋ（１４ｍｍ）の試料、すなわち、第一層のグルコマンナン・ゲルが１４ｍｍと第二層のポリウレタン・スポンジの色は黒の場合の試料では増加傾向が最も弱かった。いずれの試料においても、第一層のグルコマンナン・ゲルが薄い場合には反射・散乱光強度Ｉの増加傾向がより強く現れた。図１５（ｂ）は、計測結果における各試料のｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線を示す図である。Ｉ₀−Ｉ曲線の場合と同様に、各試料を比べると違いが見られるものの、Ｉ₀がおよそ１〜２０付近までは、各試料での曲線の傾向は一致していた。したがって、図１２で上述したように、このＩ₀領域では、反射・散乱光が第一層のグルコマンナン・ゲルからのものであると判断できる。

図１６は、図１４の各試料におけるｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線における変曲点の抽出を示した図である。まず、低照射光強度領域における線形部（対数曲線で近似）を決定し、その直線上から外れ始める点を変曲点とした。そして、決定した変曲点における反射・散乱光強度ＩをＩ^skinとした。このように決定したＩ^skinを用いて、ｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）−Ｉ^skin曲線を描くと図１７のようになる。

図１７は、各試料について図１６で求めたＩ^skinを起点としてｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）−Ｉ^skin曲線を両対数曲線で描いた図である。ここで、ｓｐｏｎｇｅ ｌａｙｅｒ
とは第二層のポリウレタン・スポンジ層を示した領域であり、ｂｏｔｔｏｍ ｓｕｒｆａｃｅとは、試料を評価する際に用いた試料の下にある実験テーブルを示した領域である。

図１７に示されるように、曲線の変化の仕方は第二層のポリウレタン・スポンジの違いにより異なるものの、同じ第二層のポリウレタン・スポンジを持つ試料同士を比較した場合第一層のグルコマンナン・ゲルの厚さが異なっても同じ傾向となっていることがわかる。第二層のポリウレタン・スポンジを反映していると考えられる低Ｉ^ｓｋｉｎ領域の変化傾向を比較したものが図１８である。ここでは、低Ｉ^ｓｋｉｎ領域を対数関数で近似し、その係数を変化傾向のパラメタとして採用している。

図１８より、ｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）−Ｉ^skin曲線を用いることにより第一層の
グルコマンナン・ゲルの厚さの違いの影響を受けずに第二層のポリウレタン・スポンジの密度特性を評価することが可能であることがわかる。すなわち、骨密度を測定する際に、皮膚のような介在組織の影響を除去し、骨密度を評価することが可能であることがわかる。

なお、照射部２０として近赤外光の発光ダイオードを一例に説明しているが、例えば、光ファイバでもよく、密度計測装置としては実施例に限定されない。同様に、受光部３０として、フォトダイオードを一例に説明しているが、それに限定されない。また、測定対象１０として、骨を、介在組織部１１として皮膚を一例に説明しているが、それに限定されない。

なお、照射部２０と受光部３０とはより近接して配置するのが好ましく、照射部２０と受光部３０とが同軸上に配置するのはさらに好ましい。また、照射部２０と受光部３０とは、それぞれ一つずつからなってもよく、一対の装置として構成されていても良い。

また、上述した空間強度分解法、すなわち、照射光の強度を変化させることにより観察される反射光強度から演算して得られるｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の変化傾向を利用することで、介在組織の影響を除いて生体内部の密度を評価できる方法であるならば、本発明の範囲であり、上述した本実施の形態に限定されない。例えば、乳がんの検診や脳密度検診などの応用が考えられるが、測定対象１０はそれには限定されない。

以上のように、皮膚のような組織層が存在する場合でもその影響を受けずに骨密度を評価できるので、光を用いて骨密度ひいては生体内部の密度を非侵襲的に評価できる。そのため、従来の生体内部を計測する方法と比べると、照射部２０および受光部３０は、例えば発光ダイオードとフォトダイオードが一つずつでかつ同一箇所へ設置するような小型かつ安価な装置にて密度計測装置を構成することができる。したがって、装置の小型化および低価格化が可能になる。また、照射光強度の変化の傾向（傾き）を取るので、照射部２０は、１波長からなる発光源でも、バックグラウンド変化の影響を受けない。

それにより、近赤外光の発光ダイオード、フォトダイオードからなる小型でかつ安価な装置を密度計測装置の構成に用いることができる。したがって、光を用いることにより人体に被爆する危険性もなく、生体情報として生体内部の密度を非侵襲に計測できるだけでなく、小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

さらに、一般的には、測定対象物が光散乱特性を持つ場合、照射光強度と平均光路長は単純な比例関係ではないため、どの程度影響するかは予測不可能であり、光源における照射光強度の違いが計測値に影響を与えるため、固定した照射光強度を用いる従来法では、常に照射光強度の校正が必要であった。しかし、本発明では原理上、照射光強度の校正が必要ない。

また、さらに、空間強度分解法を用いると、従来、フォトダイオード・アレイを用いる方法、またはパルスレーザ光を用いる時間分解法など、いずれもより多くのシステム構成要素または比較的高額な構成要素を必要としたのに対し、強度分解法を利用した空間強度分解法では、少要素且つ低コストで実現することができる。すなわち、生体情報として生体内部の密度を、光により計測できる小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

（第３の実施の形態）
本発明における生体密度計測では、光を骨へ照射し、その際に計測される反射散乱光強度の大きさを利用して骨密度の非侵襲的評価を行う。しかしながら、実用的な計測精度を得るためには、骨を覆う皮膚層による光減衰分を補償する方法を確立する必要がある。第２の実施の形態では、空間強度分解法、すなわち、照射光の強度を変化させることにより観察される反射光強度から演算して得られるｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の変化傾向を利用することで、介在組織である皮膚の影響を除いて生体内部の密度を評価する方法を説明した。第３の実施例では、光源位置を連続的に変化させることにより観察される反射光強度の変化から、皮膚のような組織層が存在する場合でもその影響を受けずに骨密度を評価できる方法（以下、光源移動法と呼ぶ。）について説明する。

図１９は、本発明の第３の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示すブロック図である。

密度計測装置４０００は、測定対象１０との距離を変化させ、測定対象１０の表面に照射される光の強度を変化させて測定対象１０に光を照射する光照射部２０と、反射または散乱された光を受光する受光部３０と、光照射部２０と測定対象１０との距離を変化させる制御を行う制御部４００と、光照射部２０の照射する光の強度と受光部３０からの受光した光の強度とに基づいて変化傾向を算出する変化傾向算出部４０１と、変化傾向算出部４０１で算出した変化傾向と予め用意されている参照データ４０３とに基づいて生体密度を特定する密度特定部４０２と、密度特定部４０２で計測された生体密度を表示する表示部２０４とから構成されている。

図２０は、測定対象１０を計測する際における、光照射部２０より参照散乱媒体１２に照射される光強度Ｉ₀と、受光部３０が受光する反射光または散乱光Ｉとについて模式的に示した図である。図２０は、図２０（ａ）、図２０（ｂ）および図２０（ｃ）の順に照射部２０から介在組織部１１に照射される照射光の強度を増加させることで、測定対象１０および介在組織部１１への光侵入深度を増加させていることを示している。

ここで、被測定対象物である測定対象１０および介在組織部１１と光照射部２０との間に、所定の光散乱特性を有する参照散乱媒体１２が挿入されている。介在組織部１１と光照射部２０との間に挿入されている参照散乱媒体１２の厚さを変化させることで、照射部２０から介在組織部１１の表面に照射される照射光の強度を変化することができる。例えば、参照散乱媒体１２の厚さを薄くすることで、照射部２０から介在組織部１１の表面に照射される照射光の強度を増加させることができる。

次に、第３の実施の形態における密度計測装置４０００の生体密度の計測をする際の手順について説明する。

密度計測装置４０００の生体密度の計測をする際の手順は、図３に示されるフローチャートで説明できる。

まず、光照射部２０を発光させる（Ｓ１０１）。そして、光照射部２０と測定対象１０および介在組織部１１との間に挿入される参照散乱媒体１２の厚さを変化させて、照射部２０から介在組織部１１の表面に照射される照射光の強度を変化する。言い換えると、制御部４００で、光照射部２０と測定対象１０との距離を変化させて、照射部２０から介在組織部１１に照射される照射光の強度を変化させる。

次に、光照射部２０より参照散乱媒体１２を介して介在組織部１１の表面に照射された光は、測定対象１０と介在組織部１１との内部で反射または散乱する。受光部３０は、反射または散乱した光で受光部３０まで到達した光を受光する（Ｓ１０２）。

次に、変化傾向算出部４０１は、光照射部２０より参照散乱媒体１２に照射された光強度Ｉ₀と受光部３０で受光した光の強度Ｉと、参照散乱媒体１２の厚さ、すなわち光照射部２０と介在組織部１１との距離に基づいて変化傾向を算出する（Ｓ１０３）。

次に、密度特定部２０２は、変化傾向算出部４０１で算出した変化傾向に基づいて生体密度を計測する（Ｓ１０４）。

次に、表示部２０４は、密度特定部４０２で計測された生体密度を表示する。

以上のようにして、密度計測装置４０００の生体密度の計測をすることができる。

続いて、密度計測装置４０００の生体密度計測方法についての原理を説明する。

図２１は、皮膚層と骨層との二層モデルに参照散乱媒体を加えた三層モデルの場合における光源移動法の原理を示す模式図である。ここでは、光源移動法の原理、すなわち光源を、参照散乱媒体１２を介して移動させることで入射光強度（Ｉ₀）を変化させ、その際得られる反射・散乱光強度（Ｉ）とＩｏとの関係を利用することで、皮膚のような介在組織に影響されない生体内部の密度を評価する方法の原理を説明する。

図２１において、Ｌ^skinは、皮膚層の厚さ、すなわち介在組織部１１の厚さがモデル化されており皮膚層での光路長に相当する。Ｌ^boneは、骨層の厚さ、すなわち測定対象１０の厚さがモデル化されており骨層での光路長に相当する。また、Ｌ^refは、参照散乱媒体１２の厚さ、すなわち参照散乱媒体１２の厚さがモデル化されており参照散乱媒体１２での光路長に相当する。なお、皮膚層である介在組織部１１の厚さは一定としている。

μ_r ^skinは、介在組織部１１である皮膚層における光減衰係数である。μ_r ^boneは、測定対象１０である骨層における光減衰係数である。また、μ_r ^refは、参照散乱媒体１２である参照散乱媒体における光減衰係数である。

図２１では、図２０で示したように、皮膚層である介在組織部１１と光照射部２０との間にある参照散乱媒体１２の厚さを変化させることで、照射部２０と介在組織部１１との距離を変化させ、照射部２０から介在組織部１１の表面に照射される照射光の強度を変化させる。そのため、光路長Ｌ^refは可変であり、骨層への光侵入深度を示す光路長Ｌ^boneは、参照散乱媒体１２の厚さ、すなわち光照射部２０と介在組織部１１の表面との距離に伴って、照射部２０から介在組織部１１の表面に照射される照射光の強度が変化する。また、皮膚層である介在組織部１１の厚さは一定であるので、光路長Ｌ^skinは一定である。

図２１で示す皮膚層と骨層と参照散乱媒体との三層モデルにおいて、ランバートベールの法則に基づいて光の挙動の定式化を試みる。

得られる反射・散乱光強度（Ｉ）は、図１０における（数６）式と同様に、ランバートベールの法則に基づいて、次の（数９）式の関係式で表せる。

（数９）式により、入射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの比は、次の（数１０）の関係式で示される。

（数１０）式により、光照射部２０から参照散乱媒体１２に照射される光強度Ｉ₀に相当する入射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの比の対数は、図１０で上述したように骨密度を反映している。

ここで、皮膚層の光路長Ｌ^skinは上述したように一定である。（数１０）式における皮膚層に関する項は次の（数１１）式のように表せる。

また、図２０より、照射部２０と介在組織部１１との距離を短くすること、すなわち参照散乱媒体１２の厚さを薄くすることで、照射部２０から介在組織部１１に照射される照射光の強度が増加でき、測定対象１０への光侵入深度を増加させることができる。図２１で、上述の内容を言い換えると、参照散乱媒体１２での光路長Ｌ^refを短くすることで、骨層での光路長Ｌ^boneが長くすることができる。

そこで、上述の相関関係から、参照散乱媒体１２での光路長変化（移動量）と骨層での光路長変化とが等しいとすると、その関係は次の（数１２）式で示される。

以上、（数９）式と（数１０）式と（数１１）式と（数１２）式とにより、次の（数１３）式の関係を導くことができる。

ここで、（数１３）式の、μ_r ^refは既知の定数である。したがって、光路長Ｌ^refに対する照射光強度Ｉ０と反射・散乱光強度Ｉの比の対数との関係を示すｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｌ^ref曲線の傾きより、μ_r ^boneを評価することができる。

図２２は、図２１における皮膚層と骨層とに参照散乱媒体１２を加えた三層モデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｌ^refを概念的に示す図である。

光源移動法では、光照射部２０は、光散乱特性を有する参照散乱媒体１２を介して、計測対象物である測定対象１０（骨層）および介在組織部１１（皮膚層）へ光を照射し、受光部３０でその反射・散乱光強度を検出する。参照散乱媒体１２の厚さ、すなわち光照射部２０から計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）までの距離を変化させることで、計測対象物である測定対象１０（骨層）への光侵入深度を変えることができる。

まず、光照射部２０と計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）との距離が十分離れている場合、光は測定対象物である介在組織部１１（皮膚層）に届かないため、得られる反射・散乱光強度は参照散乱媒体１２の光学特性のみを反映した値となる（図２２の（ａ）の領域）。

次に、光照射部２０と計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）との距離が接近した場合には、光は、測定対象物である介在組織部１１（皮膚層）に届く。光が測定対象物である介在組織部１１（皮膚層）を通過する際、光は測定対象物である介在組織部１１（皮膚層）により減衰するため、得られる反射・散乱光強度は弱められる（図２２の（ｂ）の領域）。

次に、光照射部２０と計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）との距離がさらに接近した場合には、光は、測定対象物である測定対象１０（骨層）に届く。光が測定対象物である測定対象１０（骨層）へ到達すると骨層による反射・散乱のために得られる反射・散乱光強度（検出光）強度は強まる（図２２の（ｃ）の領域）。

最終的に、光照射部２０と計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）との距離がさらに接近し、光源が計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）と接触すると、得られる反射・散乱光強度は計測対象物である介在組織部１１（皮膚層）と測定対象１０（骨層）の光学特性のみにより決定される値となる。それにより、図２２の（ｃ）の領域における反射・散乱光強度変化（Ｉｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾き）は、介在組織部１１（皮膚層）の状態に依存せずに一定となる。

したがって、この値（傾き）を用いることで介在組織部１１（皮膚層）に影響されない骨密度評価を行うことができる。

（実施例）
次に、図２１および図２２で説明した光源移動法の原理をモンテカルロ・シミュレーションにより確認した。ここで、モンテカルロ・シミュレーションとは、乱数を用いる数値シミュレーションである。

図２３は、光源移動法を介在組織部１１（皮膚層）がない場合（骨のみ）に適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。骨のみの一層組織モデルに対し光源移動法を適用した例であり、ここでは、骨の条件（散乱係数）が変化している。図２３に示すように、骨の散乱係数の変化によってＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きが変わる。したがって、Ｉｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きから骨の散乱係数（骨密度と関係するパラメタ）が予測できる。

図２４は、光源移動法を介在組織部１１（皮膚層）がある場合に適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。皮膚と骨の二層組織モデルに対し光源移動法を適用した例であり、ここでは、骨の条件（散乱係数）は一定としている。図２４が示すように、皮膚条件（厚さ）が変化してもＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きは変わらない。

図２５は、さまざまな骨の条件（散乱係数）において、介在組織部１１（皮膚層）がない場合と介在組織部１１（皮膚層）がある場合のＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きを比較した図である。図２５に示すように、どの骨の条件（散乱係数）においても、両者は良好に一致する。

図２６は、さまざまな皮膚条件（厚さ）におけるＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）− Ｌ^ref曲線の傾きと骨の散乱係数との関係を示す図である。図２５に示すように、両者は、指数関数で良好に近似できる。このことから、Ｉｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きは、皮膚に影響されない骨密度評価パラメタと成り得ると言える。したがって、Ｉｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きから骨の散乱係数（骨密度）が予測できることが確認できる。

次に、モンテカルロ・シミュレーションにより、骨密度を予測する関係式の構築を試みた。

図２７は、骨密度を予測する関係式を構築するために用いた図である。モンテカルロ・シミュレーションにより構築された骨密度を予測する関係式は、図２７から次の（数１４）式のように表すことができる。

したがって、（数１４）式を用いることで、Ｉｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きから骨の散乱係数（骨密度）を予測することができる。

なお、骨の散乱係数（骨密度）の予測方法について、皮膚による減衰分を加味することで予測する方法がある。以下、それを変形例として説明する。

図２８は、図２１における皮膚層と骨層とに参照散乱媒体１２を加えた三層モデルにおいて、光源距離の変化に伴う拡散反射光強度の変化を概念的に示す図である。図２８（ａ）、図２８（ｂ）および図２８（ｃ）は、縦軸を拡散反射率として、図２２（ａ）、図２２（ｂ）および図２２（ｃ）と同様の内容を示しているので説明を割愛する。

なお、点線で示した曲線は、皮膚層なしの場合であり、図２２（ａ）の領域と同様の内容について縦軸を拡散反射率として示している。すなわち、皮膚層なしの場合の拡散反射率は、指数関数的に変化し、参照散乱媒体１２の光特性に依存する。

図２９は、光源移動法をさまざまな条件（厚さ）における拡散反射率と参照散乱媒体１２の厚さとの関係のシミュレーション結果を示す図である。縦軸を拡散反射率に、横軸を参照散乱媒体１２の厚さにとしている。ここで、図２８と比較すると、図２９の光源接触時の拡散反射率は骨密度を反映しているが、皮膚による減衰分が含まれることがわかる。すなわち、図２９中のΣΔ（Ｉ／Ｉｏ）で示される面積の大きさが皮膚影響の大きさを示している。

図３０は、皮膚影響の除去し、骨密度予測するためのシミュレーション結果を示す図である。図３０（ａ）は、ΣΔ（Ｉ／Ｉｏ）と光源接触時拡散反射率の皮膚による減衰量との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図３０（ｂ）は予測された光源接触時の拡散反射率と光源接触時の拡散反射率との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。

図３０により、ΣΔ（Ｉ／Ｉｏ）より光源接触時拡散反射率の皮膚による減衰量を知ることができる。したがって、皮膚による減衰分を加算することで、骨のみの光源接触時拡散反射率を知ることができ、骨密度を予測することができる。

次に、モンテカルロ・シミュレーションにより構築された骨密度を予測する関係式を検証するための検証実験システムを簡潔ではあるが、下記に説明する。

図３１は、光源移動法の検証実験システムの構成を示す図である。

図３１は、検証実験システム全体を示す。検証実験システムは、コンピュータ６０と、ＡＤ／ＤＡインターフェース・ボード７１と、レーザダイオード用電源４２０と、レーザダイオード４２１と、ビームスプリッタ４２２と、光源移動機構部４２３と、凸レンズ４２４と、レーザダイオード４２１用の電源およびアンプ４３２とから構成される。

ここで、図２０との対応について説明する。制御部４００は、光源移動機構部４２３に相当し、光照射部２０はレーザダイオード４２１に相当する。変化傾向算出部４０１、参照データ４０３、密度特定部４０２および表示部２０４はコンピュータ６０に含まれる。

なお、図３２は、光源移動法の検証実験システムの構成についての現物の写真である。

図３１および図３２に示した光源移動法の検証実験システムにより、上述した光源移動法の検証実験を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態の密度計測装置およびその方法によれば、照射光強度Ｉ₀を連続的に変化させ、その際検出される反射・散乱光強度を解析することで、骨密度ないし生体内の密度を非侵襲的に評価できる。具体的には、（１）強度分解法、すなわち、Ｉ₀−Ｉ曲線の傾きから骨密度ひいては生体内部の密度を評価する方法、（２）空間強度分解法、すなわちｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の変化傾向を利用することで上層組織の影響なしに骨密度ひいては生体内部の密度を評価する方法、あるいは、（３）光源移動法、すなわち、光源位置を連続的に変化させることにより観察される反射光強度の変化から、皮膚のような組織層が存在する場合でもその影響を受けずに骨密度を評価できる方法によって、光を用いて骨密度ひいては生体内部の密度を非侵襲的に評価できる。したがって、小型でかつ安価な装置を密度計測装置の構成に用いることができる。

それにより、光を用いることにより人体に被爆する危険性もなく、生体情報として生体内部の密度を非侵襲に計測できるだけでなく、小型でかつ安価の密度計測装置を実現することができる。

以上、本発明の密度計測装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、生体内部の密度を計測する密度計測装置および計測方法に利用でき、特に骨密度の計測や乳がんのしこりを検出する密度計測装置およびその計測方法に利用することができる。

本発明の第１の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態における測定対象と光照射部と受光部とについて模式的に示した図である。 本発明の第１の実施の形態における密度計測装置の生体密度の計測をする際の手順を示したフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態における密度計測装置の照射光強度Ｉ₀と反射・散乱光強度Ｉの関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるゼラチン模擬骨試料に対するＩ₀−Ｉ曲線およびＩ_０−Ｉ曲線の傾きと骨密度の関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるゼラチン模擬骨試料のＩ₀−Ｉ曲線の傾きへの皮膚層の影響を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態における測定対象１０を計測する際の測定対象１０と光照射部２０と受光部３０とについて模式的に示した図である。 本発明の第２の実施の形態における密度計測装置の生体密度の計測をする際の手順を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における皮膚と骨とからなる二層モデルの場合の空間強度分解法の原理を説明するための模式図である。 皮膚層のみおよび皮膚層と骨層との二層および骨層のみからなる場合のｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）−Ｉ_０を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態における空間分解法の検証実験システムの構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における検証実験の発光ダイオードおよびフォトダイオードの関係を示した図である。 本発明の第２の実施の形態における検証実験に用いた試料モデルを示した図である。 本発明の第２の実施の形態における検証実験システムの発光ダイオードとフォトダイオードで構成される計測部における計測結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における検証実験に用いた各試料のｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｉ₀曲線の変曲点の抽出を示した図である。 本発明の第２の実施の形態における各試料について求めた変曲点での反射・散乱光強度を起点としてｌｎ（Ｉ^skin+bone／Ｉ^skin）−Ｉ^skin曲線を両対数曲線で描いた図である。 本発明の第２の実施の形態における実験に用いた各試料のポリウレタン・スポンジ層を反映している低Ｉ^skin領域の変化傾向を比較した図である。 本発明の第３の実施の形態における密度計測装置の一例を概略的に示すブロック図である。 測定対象１０を計測する際における、光照射部２０より参照散乱媒体１２に照射される光強度Ｉ₀と、受光部３０が受光する反射光または散乱光Ｉとについて模式的に示した図である。 皮膚層と骨層との二層モデルに参照散乱媒体を加えた三層モデルの場合における光源移動法の原理を示す模式図である。 皮膚層と骨層とに参照散乱媒体１２を加えた三層モデルのｌｎ（Ｉ／Ｉ₀）−Ｌ^refを概念的に示す図である。 光源移動法を介在組織部１１（皮膚層）がない場合（骨のみ）に適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 光源移動法を介在組織部１１（皮膚層）がある場合に適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 さまざまな骨の条件（散乱係数）において、介在組織部１１（皮膚層）がない場合と介在組織部１１（皮膚層）がある場合のＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きを比較した図である。 さまざまな皮膚条件（厚さ）におけるＩｎ（Ｉ／Ｉｏ）−Ｌ^ref曲線の傾きと骨の散乱係数との関係を示す図である。 骨密度を予測する関係式を構築するために用いた図である。 皮膚層と骨層とに参照散乱媒体１２を加えた三層モデルにおいて、光源距離の変化に伴う拡散反射光強度の変化を概念的に示す図である。 光源移動法をさまざまな条件（厚さ）における拡散反射率と参照散乱媒体１２の厚さとの関係のシミュレーション結果を示す図である。 皮膚影響の除去し、骨密度予測するためのシミュレーション結果を示す図である。 光源移動法の検証実験システムの構成を示す図である。 光源移動法の検証実験システムの構成についての現物の写真である。

符号の説明

１０ 測定対象
１１ 介在組織部
１２ 参照散乱媒体
２０ 照射部
２１ 発光ダイオード
３０ 受光部
３１ フォトダイオード
６０ コンピュータ
７０ インターフェース・ボード
７１ ＡＤ／ＤＡインターフェース・ボード
８０ ＢＮＣコネクタボックス
９０ 発光ダイオード用電流駆動器
１００ フォトダイオード用電源およびアンプ
１１０ 発光ダイオード用電源
２００、４００ 制御部
２０１、４０１ 変化傾向算出部
２０２、４０２ 密度特定部
２０３、４０３ 参照データ
２０４ 表示部
２０５ 変曲点算出部
３００ 計測部
４２０ レーザダイオード用電源
４２１ レーザダイオード
４２２ ビームスプリッタ
４２３ 光源移動機構部
４２４ 凸レンズ
４３１ フォトダイオード
４３２ レーザダイオード用電源およびアンプ
１０００、４０００ 密度計測装置

Claims (15)

1. 生体密度を計測する密度計測装置であって、
   光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射手段と、
   照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光手段と、
   照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化傾向を算出する変化傾向算出手段と、
   前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定手段と
   を備えることを特徴とする密度計測装置。
2. 前記変化傾向算出手段は、照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率から得られる変化傾向を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の密度計測装置。
3. 前記密度計測装置は、さらに、
   照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率とから前記変化傾向の曲線の変曲点を算出する変曲点算出手段とを備え、
   前記密度特定手段は、前記変曲点算出手段の算出した変曲点と前記変化傾向算出手段の算出した変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の密度計測装置。
4. 前記光照射手段は、測定対象との距離を変化させることで、測定対象の表面に照射される光の強度を変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の密度計測装置。
5. 前記密度計測装置は、さらに、当該光照射手段と測定対象との間に挿入された参照散乱媒体を備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の密度計測装置。
6. 前記変化傾向算出手段は、前記光照射手段と前記測定対象との距離に対する受光した反射光の強度との変化率から前記変化傾向を算出する
   ことを特徴とする請求項５に記載の密度計測装置。
7. 前記密度特定手段は、さらに、前記光照射手段と前記測定対象との距離に対する前記変化傾向の積分に基づき、前記測定対象の密度を特定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の密度計測装置。
8. 前記光照射手段より照射される光は、近赤外線光である
   ことを特徴とする請求項１に記載の密度計測装置。
9. 前記光照射手段は、発光ダイオードで構成され、
   前記受光手段は、フォトダイオードで構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の密度計測装置。
10. 前記測定対象は、骨であり、骨密度を計測する
    ことを特徴とする請求項９に記載の密度計測装置。
11. 前記光照射手段により照射される光の光軸と、
    前記受光手段における受光する光の光軸とは、
    同軸上に配置される
    ことを特徴とする請求項１に記載の密度計測装置。
12. 生体密度を計測する方法であって、
    光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射ステップと、
    照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光ステップと、
    照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化傾向を算出する変化傾向算出ステップと、
    前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定ステップと
    を備えることを特徴とする生体密度計測方法。
13. 生体密度を計測する方法であって、
    光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射ステップと、
    照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光ステップと、
    照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率から得られる変化傾向を算出する変化傾向算出ステップと、
    前記変化傾向の曲線の変曲点を算出する変曲点算出ステップと、
    前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定ステップと、
    算出した前記変曲点と算出した前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する前記密度特定ステップと
    を備えることを特徴とする生体密度計測方法。
14. 生体密度の計測を実現するためのプログラムであって、
    光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射ステップと、
    照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光ステップと、
    照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化傾向を算出する変化傾向算出ステップと、
    前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定ステップと
    をコンピュータによって実現するための生体密度計測のプログラム。
15. 生体密度の計測を実現するためのプログラムであって、
    光の強度を変化させて測定対象の内部に光を照射する光照射ステップと、
    照射された光の前記測定対象の内部からの反射光を受光する受光ステップと、
    照射された光の強度に対する受光した反射光の強度の変化率から得られる変化傾向を算出する変化傾向算出ステップと、
    前記変化傾向の曲線の変曲点を算出する変曲点算出ステップと、
    前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する密度特定ステップと、
    算出した前記変曲点と算出した前記変化傾向に基づき前記測定対象の密度を特定する前記密度特定ステップと
    をコンピュータによって実現するための生体密度計測のプログラム。