JP3689496B2 - 計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医学、理学等の分野において使用される非侵襲的な散乱吸収体の内部情報の計測装置に関する。より詳しくは、本発明は、生体組織のような散乱吸収体の内部における光散乱特性及び／又は光吸収特性を計測することにより、諸特性値の時間変化や空間分布などのデータを取得する計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生体組織のような散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値を計測するために、測定対象の散乱吸収体に照射された後に検出された測定光の時間応答特性を解析することが行われている。このような計測装置においては、散乱吸収体に対して多成分計測を行うために、少なくとも２種類の波長を有するパルス状の光を発生する光源が一般に搭載されている。ここで、相互に異なる波長を有する光を散乱吸収体に照射する方法としては、順次点灯方式及び交互点灯方式と呼ばれる２種類の光源駆動方式がそれぞれ知られている。
【０００３】
図８に示すように、順次点灯方式で駆動される光源を用いる場合、例えば、２種類の波長λ1 ，λ2 を有する測定光を測定対象の散乱吸収体に入射させるために、まず、光源から発生した波長λ1 の測定光を数パルス、入射光Ｉ1 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ1 の測定光を、出射光Ｏ1 として順次検出する。続いて、波長λ1 の測定光を発生する光源に対して測定光の波長設定を波長λ2 に切り換える処理を行った後、その光源から発生した波長λ2 の測定光を数パルス、入射光Ｉ2 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ2 の測定光を、出射光Ｏ2 として順次検出する。
【０００４】
また、図９に示すように、交互点灯方式で駆動される１組の光源を用いる場合、例えば、２種類の波長λ1 ，λ2 を有する測定光を測定対象の散乱吸収体に入射させるために、一方の光源から発生した波長λ1 の測定光を、入射光Ｉ1 として散乱吸収体に照射する。次いで、入射光Ｉ1 の照射から所定期間経過後、他方の光源から発生した波長λ2 の測定光を、入射光Ｉ2 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ1 の測定光を、出射光Ｏ1 として検出する。続いて、散乱吸収体から出射された波長λ2 の測定光を、出射光Ｏ2 として検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した計測装置において、相互に異なる波長を有する測定光を散乱吸収体に照射するために図８に示すような順次点灯方式を用いる場合、パルス光照射の間隔を散乱吸収体から出射される測定光（拡散光）の存続期間よりも長くする必要があり、さもないと拡散光が重なり合ってしまう。それゆえ、散乱吸収体から出射される拡散光の時間応答特性を計測するための時間は、測定光に設定する波長の種類数に比例して増大してしまうという問題がある。一方、図９に示すような交互点灯方式を用いる場合、相互に異なる波長を有する測定光をそれぞれ発生する周波数の上限は、波長λ1 及びλ2 を有する拡散光が互いに混ざり合ってしまうことを避けるために出射光Ｏ1 と出射光Ｏ2 との間に間隔ｔ1が必要であるという制約があり、計測時間の短縮化が充分に図れないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、測定光波長の種類数に対する計測時間の依存性を低減することが可能となり、測定光の時間応答特性の計測時間を充分に短縮化することが可能な計測装置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】
本発明の散乱吸収体の内部情報の計測装置は、
（ａ）相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
（ｂ）前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
（ｃ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
（ｄ）前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
（ｅ）前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と、
を備え、上記波長選択器ユニットは音響光学変調器で構成され、かかる音響光学変調器は、前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて超音波（振動）を発生しかつ前記測定光の発振タイミングに同期して前記超音波の波長を切換え、前記測定光の波長と前記超音波の波長との比に対応する偏向角だけ前記測定光を回折させるものであり、かつ前記光検出器ユニットは光検出器で構成され、かかる光検出器は、前記音響光学変調器により所定の偏向角だけ回折された前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである。
【０００９】
本発明の散乱吸収体の内部情報の計測装置は、
（ａ）相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
（ｂ）前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
（ｃ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
（ｄ）前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
（ｅ）前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と、
を備え、上記波長選択器ユニットは複数のダイクロイックミラーで構成され、かかるダイクロイックミラーは、それらの閾波長（反射される測定光の波長と透過される測定光の波長との境界の波長）が前記測定光の隣接する二つの波長（昇順又は降順）間にそれぞれ入りかつ昇順または降順に設定されるように、前記散乱吸収体から前記光検出器ユニットに導かれる前記測定光の光路中に直列に配置されており、かつ前記光検出器ユニットは複数の干渉フィルタと複数の光検出器とで構成され、かかる干渉フィルタはそれぞれ、前記ダイクロイックミラーから前記干渉フィルタに入射される前記測定光の波長にそれぞれ一致する透過中心波長を有しており、かかる光検出器はそれぞれ、前記干渉フィルタから前記光検出器に入射される前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである。
【００１０】
なお、本発明の計測装置は、（ｆ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光を前記波長選択器ユニットに導くための検出用光ガイドと、（ｇ）前記検出用光ガイドに光学的に接続され、前記測定光（光線束）を収束して前記波長選択器ユニットに導く光整形器とをさらに備えることが好適である。
【００１１】
また、本発明にかかる前記光源は、前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて、前記散乱吸収体に含まれた光吸収成分の種類数以上の数であり、かつ前記光吸収成分に対して相互に異なる吸収係数を有する複数の波長を有する前記測定光をそれぞれ発生する光源群であることが好適である。
【００１２】
本発明の計測装置において、単数又は複数の前記光源は、信号処理系から出力された制御信号に基づいて、相互に異なる波長を有する測定光を相互に異なる発振タイミングで周期的に順次発生する。かかる光源から順次出射された測定光は、照射用光ガイドによって散乱吸収体に照射され、その散乱吸収体の内部を拡散伝搬した後、波長選択器ユニットに順次入射される。
【００１３】
このとき、波長選択器ユニットは、散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から所定波長を有する測定光を選択的に順次抽出して光検出器ユニットに導く。これにより、散乱吸収体から順次出射された測定光が、その散乱吸収体の内部におけるランダムな散乱に起因して発振時よりも拡張されたパルス幅を有することによって相互干渉した成分光（他の波長を有する測定光）を含む場合であっても、上記波長選択器ユニットから順次出射された測定光は、かかる相互干渉した成分光を含まない。
【００１４】
そのため、上記光検出器ユニットに順次入射された測定光においては相互干渉した成分光に起因するベースラインシフトが発生しないので、散乱吸収体から出射される測定光が相互干渉した成分光を含む程度に測定光の発振タイミングの間隔を短縮した場合であっても、光検出器ユニットによって測定光の時間応答特性が精度良く測定される。そして、前記信号処理系において、光検出器ユニットで測定された測定光の時間応答特性を解析することにより、散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性のような内部情報が高精度に算出される。
【００１５】
従って、本発明の計測装置においては、散乱吸収体から出射される測定光が相互干渉した成分光を含まないように測定光の発振タイミングのインターバルを大きくとる必要がなく、散乱吸収体に対する測定光の時間応答特性の計測時間が従来よりも大幅に短縮化される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の計測装置に係る諸実施例の構成及び作用について、図１ないし図７を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
第１実施例
図１に示すように、本実施例の計測装置１は、散乱吸収体１０に所定の測定光を照射して散乱吸収体１０から出射された測定光を検出する光学系１ａと、この光学系を構成する各種機器の動作を制御して測定光の時間応答特性を解析する信号処理系１ｂとを備えている。なお、散乱吸収体１０は、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値を計測する測定対象として配置された生体組織であり、相互に異なるｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 を含んでいる。これらｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 は、所定範囲の波長を有する光に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度を有するものであり、例えば、ヘモグロビンやミオグロビンなどに対しては範囲約７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を有する光が好適である。ただし、ｎは２以上の整数である。
【００１８】
ここで、光学系１ａは、相互に異なるｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を相互に異なる所定の発振タイミングでそれぞれ順次発生する第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n と、これら第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n から順次出射された測定光を散乱吸収体１０の所定の光入射位置に照射する照射用光ガイド（光ファイバ）５０と、散乱吸収体１０の所定の光出射位置から順次出射された測定光を検出する検出用光ガイド（光ファイバ）６０と、この検出用光ファイバ６０によって順次導かれた測定光のパターン（光線束）を整形する光整形器７０と、この光整形器７０から順次入射した測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する測定光を選択的に順次抽出する波長選択器ユニット９０と、この波長選択器ユニット９０により抽出された測定光を変換して得られた検出信号Ｄ1 を出力する光検出器ユニット１００とで構成される。
【００１９】
また、信号処理系１ｂは、散乱吸収体１０に関する計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 を出力する中央処理ユニット２０と、この中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを出力するトリガ回路３０と、このトリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて波長選択器ユニット９０の駆動状態を指示する制御信号Ｃ2 を出力する制御回路８０と、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 を増幅して検出信号Ｄ2 を出力する増幅器ユニット１１０とを含んで構成される。
【００２０】
さらに、信号処理系１ｂは、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルを検知することによってスタート信号Ｓ1 を出力するコンスタント・フラクション方式波高弁別器（CFD; Constant-Fraction Discriminator）ユニット１２０と、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間遅延したストップ信号Ｓ2 を出力する遅延回路１３０と、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の時間差に比例する振幅を有する時間相関信号Ａを出力する時間振幅変換器（TAC; Time-to-Amplitude Converter）１４０と、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて作動してＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａに対応する時間スペクトルデータＰを出力するマルチチャネル波高分析器（MCA; Multi-Channel Analyzer ）１５０とを含んで構成される。
【００２１】
なお、中央処理ユニット２０は、予めセットアップされた所定の計測プログラムに基づいて動作する制御・解析用コンピュータである。この中央処理ユニット２０は、制御信号Ｃ1 を出力することによってトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０をそれぞれ駆動させるとともに、ＭＣＡ１５０から出力された時間スペクトルデータＰを解析することによって例えば散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度を算出する。
【００２２】
トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 が含む計測開始タイミングの指示情報に基づいてｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを生成するものである。このトリガ回路３０は、トリガ信号Ｔを出力することによって第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、制御回路８０、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０をそれぞれ駆動させる。
【００２３】
第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を周期τでそれぞれパルス発振するレーザダイオードである。これら第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n の中で第ｉの光源４０i の発振タイミングｔoiは、トリガ回路３０からのトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 に対して次式（１）で決定されている。ただし、ｉは１以上ｎ以下の整数であり、ｍは整数である。
【００２４】
ｔoi＝ｔ0 ＋τ・｛ｍ＋（ｉ−１）／ｎ｝ （１）
なお、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光としては、散乱吸収体１０に含まれたｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度（吸収係数）を呈するものがそれぞれ選択される。
【００２５】
照射用光ガイド５０は、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n から順次出射された測定光を、１パルス毎に波長を順次切換える循環的な波長変換を施された測定光として時系列化するｎ分岐の光ファイバであり、この測定光をスポット状に散乱吸収体１０に照射する。検出用光ガイド６０は、散乱吸収体１０の内部を拡散伝搬して順次出射された測定光を光整形器７０に導くための光ファイバである。光整形器７０は、検出用光ガイド６０から順次出射された測定光を集光する屈折レンズ又はレンズ群であり、この測定光は次いで波長選択器ユニット９０に導かれる。
【００２６】
なお、照射用光ガイド５０の一端を設置する散乱吸収体１０の光入射位置と、検出用光ガイド６０の一端を設置する散乱吸収体１０の光出射位置との間の物理的距離として、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 を設定することが好ましい。そのため、照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方は、散乱吸収体１０の表面に対して移動可能に設置されている。
【００２７】
制御回路８０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 に同期して制御信号Ｃ2 を波長選択器ユニット９０に出力するものである。この制御回路８０は、制御信号Ｃ2 を出力することによって波長選択器ユニット９０を駆動させ、相互に異なるｎ種類の波長λ1'〜λn'を有する超音波を時間（τ／ｎ）毎に切換えて発生させる。超音波におけるｎ種類の波長λ1'〜λn'は、測定光におけるｎ種類の波長λ1 〜λn に対して例えば次式（２）で決定されている。ただし、ｃは定数である。
【００２８】
λ1'／λ1 ＝λ2'／λ2 ＝…＝λn'／λn ＝ｃ （２）
波長選択器ユニット９０は、超音波の振動に基づいて光屈折率を変化させることにより、入射光及び超音波の波長比にほぼ一致する偏向角θだけその入射光を回折させる音響光学変調器（AOM; AcoustoOptic Modulator ）であり、制御回路８０から出力された制御信号Ｃ2 が含む超音波の波長の指示情報に対応して超音波の振動を発生させる。この波長選択器ユニット９０は、第ｊの光源４０j における波長λj を有する測定光の発振タイミングｔj と第（ｊ＋１）の光源４０j+1 における波長λj+1 を有する測定光の発振タイミングｔj+1 との間の期間ｐj に波長λj'を有する超音波を発生させる。ただし、ｊは１以上ｎ以下の整数であり、ｔn+1 ＝ｔ1 かつｐn+1 ＝ｐ1 である。そして、波長選択器ユニット９０は、光整形器７０から順次出力された測定光を偏向角θだけ順次回折させる。測定光をブラッグ回折させる偏向角θは、測定光におけるｎ種類の波長λ1 〜λn と超音波におけるｎ種類の波長λ1'〜λn'との各比ｃに対して次式（３）で決定されている。
【００２９】
θ＝２sin -1（ｃ／２） （３）
光検出器ユニット１００は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選択器ユニット９０から偏向角θで回折されて順次入射した測定光を検出して変換することにより検出信号Ｄ1 を生成する光電子増倍管である。この光検出器ユニット１００においては、ｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する各種測定光をそれぞれ良好に検出するために、比較的高い分光感度及び利得を有することが好ましく、測定光の時間分解計測を良好に行うために、可能な限り高い応答周波数を有することが好ましい。増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 の振幅を増幅することによって検出信号Ｄ2 を生成するアンプである。
【００３０】
ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルがその振幅の所定割合に達してから所定時間が経過した時にスタート信号Ｓ1 を生成するタイムピックオフ回路である。遅延回路１３０は、トリガ回路３０から入力したトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 よりも所定時間だけシフトした位相を有するストップ信号Ｓ2 を生成するものである。ＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号Ａを生成するものである。
【００３１】
ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 が含む計測開始タイミングの指示情報に基づいて、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してｎ個のメモリ群に順次格納するものである。そして、ＭＣＡ１５０は、時間相関信号Ａのパルス高さ（波高値）を分析してパルス高さの頻度分布として時間スペクトルデータＰを生成する。
【００３２】
次に、本実施例の計測装置１の動作について説明する。
【００３３】
このように構成された計測装置１において、図１に示すように、所定の計測プログラムを起動した中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０にそれぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、制御回路８０、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０にそれぞれ出力する。一方、ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光に関する時間相関信号Ａに対して入力待ちの状態になる。
【００３４】
続いて、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を、同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発振する。一方、制御回路８０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、測定光に対して偏向角θのブラッグ回折を起こさせる制御信号Ｃ2 を波長選択器ユニット９０に出力する。また、遅延回路１３０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間だけ位相をシフトさせたストップ信号Ｓ2 をＴＡＣ１４０に出力する。
【００３５】
ここで、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０2 から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０によってスポット状に散乱吸収体１０に照射される。図２に示すように、この測定光は、入射光Ｉとして散乱吸収体１０の光入射位置に入射され、散乱吸収体１０の内部で吸収の作用を受けることによって減衰しつつ拡散伝搬した後、出射光Ｏとして散乱吸収体１０の光出射位置から出射される。散乱吸収体１０の内部においては、この測定光は、散乱吸収体１０を構成する散乱成分によってランダムに散乱されることにより、折れ曲がった光路を取りながら進行するとともに、散乱吸収体１０を構成する吸収成分によって徐々に吸収されることにより、その光量を指数関数的に失いながら進行する。そのため、図３に示すように、入射光Ｉはインパルスであっても、出射光（拡散光）Ｏは多重散乱によって入射光Ｉの発振タイミングよりも時間的に著しく遅い成分を含むことから拡張されたパルス幅を有する。
【００３６】
なお、散乱吸収体１０の内部では、測定光はランダムな散乱に基づいてその強度（密度）を急激に減衰してほぼ全領域に拡散するものである。しかしながら、図２においては、散乱吸収体１０の光出射位置から出射されかつ光検出位置で検出された光子の一例の飛跡のみ、すなわち、実際の計測に利用される光子の一例の飛跡のみを模式的に図示している。また、図３においては、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各パルス幅を比較するために、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各強度を一致させて図示している。
【００３７】
そして、図１に示すように、散乱吸収体１０から順次出射された測定光は、検出用光ガイド６０によって検出されて光整形器７０に導かれた後、光整形器７０によって集光されて波長選択器ユニット９０に導かれる。この波長選択器ユニット９０は、制御回路８０から出力された制御信号Ｃ2 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光の発振タイミングに同期して、ｎ種類の波長λ1'〜λn'を有する超音波を切換えて発生させる。そのため、波長選択器ユニット９０に入射した測定光の中で、超音波の波長λi'に対応する波長λi を有する測定光のみが、偏向角θのブラッグ回折を受けて光検出器ユニット１００に順次出射される。
【００３８】
この光検出器ユニット１００は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選択器ユニット９０を経て順次入射したｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を順次検出して電気的な信号Ｄ1 に変換する。これらｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の中で波長λi の測定光に対するサンプリング・タイミングｔsiは、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 、あるいは、第ｉの光源４０i における波長λi の測定光の発振タイミングｔoiに対して次式（４）で決定されている。
【００３９】
ただし、Δｔはｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光の周期τの整数分の１である。そして、光検出器ユニット１００は、単一光電子レベル（single photo-electron level ）に相当する程度の振幅を有する検出信号Ｄ1 を増幅器ユニット１１０に出力する。
【００４０】
例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示すように、散乱吸収体１０に順次入射する測定光は、波長λ1 の入射光Ｉ1 、波長λ2 の入射光Ｉ2 及び波長λ3 の入射光Ｉ3 を経時的に配列したパルス列を循環的に時系列化したものとなる。このとき、図４（ｂ）に示すように、波長選択器ユニット９０で偏向角θのブラッグ回折を起こす回折効率は、波長λj の入射光Ｉj の発振タイミングｔj と波長λj+1 の入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 との間の期間ｐj に、波長λj の光のみに対して有効値に達する。ただし、ｊは１以上３以下の整数であり、ｔ4 ＝ｔ1 かつｐ4 ＝ｐ1 である。
【００４１】
散乱吸収体１０から順次出射された測定光は、図５に示すように、波長λ1 の出射光Ｏ1 、波長λ2 の出射光Ｏ2 及び波長λ3 の出射光Ｏ3 からなる経時的な配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしながら、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含むことから、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含んでいる。従って、仮に計測装置１が波長選択器ユニット９０を備えていない場合は、このような混ざり合った成分に起因して発生するベースラインシフトは、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を算出する際に誤差原因となってしまう。
【００４２】
これに対して本発明の計測装置１は波長選択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に示すように、散乱吸収体１０から光検出器ユニット１００に順次入射する測定光においては、出射光Ｏj は他の成分を含まない。そのため、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合っていないので、ベースラインシフトを起こさない。
【００４３】
続いて、増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 の振幅を増幅した検出信号Ｄ2 をＣＦＤユニット１２０に出力する。このＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルがその振幅の所定割合に達した後、所定時間が経過した時にスタート信号Ｓ1 をＴＡＣ１４０に出力する。このＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号ＡをＭＣＡ１５０に出力する。このＭＣＡ１５０は、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してそのパルス高さ（波高値）を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納することにより、時間相関信号Ａのパルス高さの頻度分布としてｎ種類の波長λ1 〜λn にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。
【００４４】
このようなｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰの計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に関して行うことができる。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 とｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光とにそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することによって散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度等を算出する。
【００４５】
より具体的には、中央処理ユニット２０においては、光拡散理論に基づいて時間スペクトルデータＰを解析する。なお、この光拡散理論に関する知見については、文献
"Medical Physics, vol.19, no.14, pp.879-888, 1992"
などに詳細に記載されている。以下、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を測定する原理について説明する。
【００４６】
まず、散乱吸収体１０に入射した波長λの測定光に関する光拡散方程式は、位置ｒ及び時刻ｔに対応する光子流動率φ(r,t) 及び光子発生率Ｓ(r,t) に対して次式（５）で記述することができる。
【００４７】
【数１】
ただし、φ(r,t) ：光子流動率［mm-2・sec -1］，
Ｄ(λ) ：光拡散係数［mm］，
μa (λ)：光吸収係数［mm-1］，
ｃ：媒体中における光速度［mm・sec -1］，
Ｓ(r,t) ：光子発生率［mm-3・sec -1］
である。光速度ｃは、散乱吸収体１０の屈折率に対応して決定されている。
【００４８】
ここで、測定光はインパルス状に発振されていることから、光子発生率Ｓ(r,t) はデルタ関数として表される。そのため、原点（ｒ＝０）及び初期（ｔ＝０）に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光に関する光拡散方程式は、次式（６）で記述される。
【００４９】
【数２】
なお、式（６）で用いられた種々の光学定数の間には、次の２式（７），（８）で示す関係がある。
【００５０】
Ｄ(λ) ＝［３｛μa (λ)＋μts(λ) ｝］-1 （７）
μts(λ) ＝（１−ｇ）μs (λ) （８）
ただし、μts(λ) ：輸送光散乱係数［mm-1］，
μs (λ)：光散乱係数［mm-1］，
ｇ：散乱角βに対するcos βの平均値
である。
【００５１】
また、散乱吸収体１０の表面上に沿ってρ座標軸を設定するとともに、散乱吸収体１０の表面に対する法線に沿ってその内部に向うｚ座標軸を設定する場合、式（６）に示す光拡散方程式の境界条件は、測定光の平均拡散長ｚ0 を用いて負極性の点光源を位置（ρ＝０，ｚ＝−ｚ0 ）に想定することによって近似的に実現される。そのため、光拡散方程式の解は、散乱吸収体１０の表面上の位置（ρ，０）における時刻ｔのときの光強度Ｉとして次式（９）に示すようになる。
【００５２】
ただし、Ｉ(ρ,0,t) ：光強度［mm-2・sec -1］である。
【００５３】
一方、原点（ρ＝０）及び初期（ｔ＝０）に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光の平均光路長Ｌは、散乱吸収体１０の光入射位置−光出射位置間距離ρに対して次式（１０）に示すように定義される。
【００５４】
【数３】
なお、この平均光路長に関する知見については、文献
"Phys.Med.Biol., vol.37, no.7, pp.1531-1560, 1992"
などに詳細に記載されている。
【００５５】
ここで、測定光の平均光路長は、２式（９），（10）に基づいて次式（11）に示すようになる。
【００５６】
【数４】
又は
【００５７】
【数５】
【００５８】
そのため、波長λの測定光に関して２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に対応する２種類の時間スペクトルデータＰを式（10）に代入することにより、２種類の平均光路長Ｌ(ρ1 )，Ｌ(ρ2 )を算出することができる。そして、これら２種類の平均光路長Ｌ(ρ1 )，Ｌ(ρ2 )をそれぞれ代入した式（11）を連立させて解くことにより、光吸収係数μa (λ)及び輸送光散乱係数μts(λ)をそれぞれ算出することができる。したがって、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光に関して２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に対応する２種類の時間スペクトルデータＰを同様にしてそれぞれ解析することにより、ｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )とｎ種類の輸送光散乱係数μts(λ1 )〜μts(λn )とをそれぞれ算出することができる。
【００５９】
さらに、波長λの測定光に対する散乱吸収体１０の光吸収係数μa は、ベール・ランバート（Beer-Lambert）の法則に基づいて、散乱吸収体１０に含まれた（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 に対して次式（12）で示すように表される。
【００６０】
ただし、εAk(λ) ：光吸収成分Ａk のモル吸光係数［mm-1・mM-1］，
［Ａk ］：光吸収成分Ａk のモル濃度［mM］，
α(λ) ：バックグラウンド光吸収項
である。ｋは１以上（ｎ−１）以下の整数である。
【００６１】
そのため、測定光の波長としてｎ種類のバックグラウンド吸収項α(λ1 )〜α(λn )を一致させるｎ種類の波長λ1 〜λn を予め選択するとともに、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光に対して（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル吸光係数εA1(λ1 )〜εAn-1(λ1 )，εA1(λ2 )〜εAn-1(λ2 )，…，εA1(λn )〜εAn-1(λn )をそれぞれ測定した場合、これらｎ（ｎ−１）種類のモル吸光係数εA1(λ1 )〜εAn-1(λ1 )，εA1(λ2 )〜εAn-1(λ2 )，…，εA1(λn )〜εAn-1(λn )とｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )とをそれぞれ代入した式（12）を連立させて解くことにより、（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル濃度［Ａ1 ］〜［Ａn-1 ］をそれぞれ算出することができる。
【００６２】
このようにして、中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することにより、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性として、ｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )と、ｎ種類の輸送光散乱係数μts(λ1 )〜μts(λn )と、（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル濃度［Ａ1 ］〜［Ａn-1 ］とをそれぞれ算出することができる。
【００６３】
第２実施例
図６に示すように、本実施例の計測装置２は、上述した第１実施例の計測装置１とはほとんど同様にして構成されている。ただし、この計測装置２は、制御回路８０を備えずに、波長選択器ユニット９０、光検出器ユニット１００、増幅器ユニット１１０及びＣＦＤユニット１２０の各内部構成を変更している。
【００６４】
ここで、波長選択器ユニット９０は、光整形器７０から順次入射した測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光をそれぞれ選択的に順次抽出するために、光整形器７０から出射される測定光の光軸に沿って直列に配置された第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 で構成されている。これら第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 は、光整形器７０から順次出射された測定光を反射または透過するために昇順または降順に設定された閾波長を、ｎ種類の波長λ1 〜λn で昇順または降順に隣接する二つの波長間にそれぞれ有する。
【００６５】
例えば、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 は、図７に示すように、（ｎ−１）種類の波長λ1 〜λn-1 付近よりも大きい波長の光に対して最大の透過率をそれぞれ呈する（ｎ−１）種類の波長−透過率分布ｄ1 〜ｄn-1 をそれぞれ有する。すなわち、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 の中で第ｈのダイクロイックミラー９１h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミラー９１h-1 から入射した測定光に含まれた波長λh 付近以下の波長の成分光を反射して後述する第ｈの干渉フィルタ１０１h に出射するとともに、波長λh 付近よりも大きい波長の成分光を透過して第（ｈ＋１）のダイクロイックミラー９１h+1 に出射する。ただし、ｈは１以上ｎ−１以下の整数である。ｎ種類の波長λ1 〜λn は、昇順に設定されている。
【００６６】
なお、第１のダイクロイックミラー９１1 は、光整形器７０を経て順次入射した測定光で波長λ1 付近よりも大きい波長の成分光は透過しかつ波長λ1 付近の成分光は第１の干渉フィルタ１０１1 に向けて反射させるものである。また、第ｈのダイクロイックミラー９１h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミラー９１h-1 を透過して順次入射した測定光で波長λh-1 付近よりも大きい波長の成分光を透過して第ｈの干渉フィルタ１０１h に出射する。
【００６７】
光検出器ユニット１００は、波長選択器ユニット９０を構成する第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からそれぞれ反射（波長λn については透過）された測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を厳密にそれぞれフィルタリングするために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からの出射光の各光軸に沿って並列に配置された第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n と、これら第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通ってそれぞれ入射した測定光を変換したｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nをそれぞれ出力するために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からの出射光の各光軸に沿って並列に配置された第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n とで構成されている。
【００６８】
第１ないし第（ｎ−１）の干渉フィルタ１０１1 〜１０１n-1 は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 でそれぞれ反射された測定光の光路中にそれぞれ配置されており、第ｎの干渉フィルタ１０１n は、第ｎのダイクロイックミラー９１n を透過した測定光の光路中に配置されている。これら第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からそれぞれ出射された測定光を透過するために昇順または降順に設定された透過中心波長を、ｎ種類の波長λ1 〜λn に一致してそれぞれ有する。
【００６９】
第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通って順次入射した測定光を検出してそれらを検出信号に変換することにより、ｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを生成する光電子増倍管である。これら第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n においては、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光をそれぞれ良好に検出するために、比較的大きい分光感度特性及び利得を有することが好ましく、測定光の時間分解計測を良好に行うために、可能な限り高い応答周波数を有することが好ましい。
【００７０】
増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００を構成する第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを増幅してｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nをそれぞれ出力するために、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n の各後段として並列に配置された第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n で構成されている。これら第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n は、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nの振幅を増幅することによってｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nをそれぞれ生成するアンプである。
【００７１】
ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルを検知することによってｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをスタート信号Ｓ1 としてそれぞれ出力するために、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n の各後段として並列に配置された第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n で構成されている。これら第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n は、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルがその振幅の所定割合に達してから所定時間が経過した時にｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをそれぞれを生成するタイムピックオフ回路である。
【００７２】
次に、本実施例の計測装置２の動作について説明する。
【００７３】
このように構成された計測装置２において、図６に示すように、所定の計測プログラムを起動した中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０にそれぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０にそれぞれ出力する。一方、ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光に関する時間相関信号Ａに対して入力待ちの状態になる。
【００７４】
続いて、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を、同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発振する。一方、遅延回路１３０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間だけ位相をシフトさせたストップ信号Ｓ2 をＴＡＣ１４０に出力する。
【００７５】
ここで、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０2 から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０によってスポット状に収束されて散乱吸収体１０に照射される。散乱吸収体１０の光入射位置に順次入射した測定光は、散乱吸収体１０の内部で吸収の作用を受けることによって減衰しつつ拡散伝搬する。そして、散乱吸収体１０の光出射位置から順次出射された測定光は、検出用光ガイド６０によって検出されて光整形器７０に導かれた後、光整形器７０によって集光されて波長選択器ユニット９０に導かれる。
【００７６】
この波長選択器ユニット９０に順次入射した測定光は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 を順次通過する際、波長λ1 付近以下の波長の成分光、波長λ1 付近より大きく波長λ2 付近以下の波長の成分光、…、波長λn-2 付近より大きく波長λn-1 付近以下の波長の成分光が順次反射され、光検出器ユニット１００を構成する第１ないし第（ｎ−１）の干渉フィルタ１０１1 〜１０１n-1 にそれぞれ導かれる。そして、第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１n-1 を透過した測定光は、波長λn 付近以上の波長を有しており、光検出器ユニット１００を構成する第ｎの干渉フィルタ１０１n に導かれる。
【００７７】
この光検出器ユニット１００において、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n にそれぞれ入射した測定光は、ｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する測定光にそれぞれフィルタリングされ、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n にそれぞれ導かれる。これら第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n は、トリガ回路３０から入力したトリガ信号Ｔに基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通ってそれぞれ入射したｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を順次検出して変換することにより、ｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを、増幅器ユニット１１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n にそれぞれ出力する。
【００７８】
例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示すように、散乱吸収体１０に入射する測定光は、波長λ1 の入射光Ｉ1 、波長λ2 の入射光Ｉ2 及び波長λ3 の入射光Ｉ3 を経時的に配列したパルス列を循環的に時系列化したものとなる。
【００７９】
散乱吸収体１０から出射された測定光は、図５に示すように、波長λ1 の出射光Ｏ1 、波長λ2 の出射光Ｏ2 及び波長λ3 の出射光Ｏ3 からなる経時的な配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしながら、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含むことから、出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は時間的に近接し、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合ってしまう。従って、仮に計測装置２が波長選択器ユニット９０を備えていない場合は、このような混ざり合った成分に起因して発生するベースラインシフトは、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を算出する際に誤差原因となってしまう。
【００８０】
これに対して本発明の計測装置２は波長選択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に示すように、散乱吸収体１０から第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n にそれぞれ入射する測定光はｎ種類の波長λ1 〜λn 毎に分別されているので、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含まない。そのため、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含まないので、ベースラインシフトを起こさない。ただし、ｊは１以上３以下の整数であり、ｔ4 ＝ｔ1 かつｐ4 ＝ｐ1 である。
【００８１】
続いて、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n は、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n からそれぞれ出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nの各振幅を増幅したｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nを、ＣＦＤユニット１２０を構成する第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n にそれぞれ出力する。これら第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n は、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n からそれぞれ出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルがその振幅の所定割合に達した後、所定時間が経過した時にｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをスタート信号Ｓ1 としてＴＡＣ１４０に出力する。
【００８２】
このＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号ＡをＭＣＡ１５０に出力する。このＭＣＡ１５０は、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してその波高値を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納することにより、時間相関信号Ａの波高値の頻度分布としてｎ種類の波長λ1 〜λn にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。
【００８３】
このようなｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰの計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に関して行うことができる。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 とｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することによって散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度等を算出する。
【００８４】
ここで、本発明は、上述した諸実施例に限られるものではなく、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上述した諸実施例においては、波長選択器ユニットは複数の波長を有する測定光から所定波長の測定光のみを選択的に抽出する音響光学変調器や多段構成のダイクロイックミラー群などである。しかしながら、測定光に対する波長選択が同様に可能であるならば、波長選択器ユニットとしてプリスム及び方向性結合器のようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８５】
また、上述した諸実施例においては、複数個の光源は相互に異なる波長の測定光を相互に異なる発振タイミングでそれぞれ発生するレーザダイオードである。しかしながら、測定光における波長の設定と発振タイミングの制御とが同様にして可能であるならば、複数の光源として発光ダイオードのようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８６】
また、上述した諸実施例においては、光検出器は相互に異なる波長の測定光をそれぞれ検出する光電子増倍管である。しかしながら、測定光に対する分光感度特性及び利得が同様な程度に大きいならば、光検出器としてアバランシェフォトダイオード、ストリークカメラ、光電管及びｐｉｎ型フォトダイオードのようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８７】
また、上述した諸実施例においては、測定対象の散乱吸収体に照射する測定光が含む波長の種類数は、その散乱吸収体が含有する光吸収成分の種類数よりも１種類だけ多く設定されている。しかしながら、測定対象の散乱吸収体の内部におけるバックグラウンド吸収を無視することができる程小さい場合、測定光が含む波長の種類数としてその散乱吸収体が含有する光吸収成分の種類数に一致するものを設定してもよい。
【００８８】
さらに、上述した諸実施例においては、測定対象の散乱吸収体は生体組織である。しかしながら、複数個の光源から出射された測定光に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度を有する光吸収成分を含むのであれば、測定対象の散乱吸収体としてその他種々のものを適用してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の計測装置において、単数又は複数個の光源から相互に異なる波長を有して相互に異なる発振タイミングで周期的にそれぞれ順次発生された測定光は、照射用光ガイドによって散乱吸収体に照射されてその内部で拡散伝搬した後、波長選択器ユニットに導かれる。そして、波長選択器ユニットによって所定波長を有する測定光が選択的に順次抽出される。これにより、散乱吸収体から順次出射された測定光がランダム散乱に起因して照射時よりも拡張されたパルス幅を有し、それゆえその散乱吸収体の内部において混ざり合った成分光を含む場合であっても、波長選択器ユニットから順次出射された測定光はかかる混ざり合った成分光を含まない。
【００９０】
そのため、光検出器ユニットに入射された測定光においては混ざり合った成分光に起因するベースラインシフトが発生しないので、散乱吸収体から出射される測定光が混ざり合った成分光を含む程度に測定光の発振タイミングの間隔を短縮した場合であっても、測定光の時間応答特性を精度良く測定可能となる。従って、信号処理系は、光検出器ユニットで測定された測定光の時間応答特性を解析することにより、散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性を高精度に算出できる。なお、散乱吸収体の光入射位置及び光出射位置を固定して異なる時刻に上述した計測を繰り返すことにより、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値の時間変化を得ることができる。また、散乱吸収体の光入射位置及び光出射位置を走査しながら上述した計測を繰り返すことにより、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値の空間分布を得ることができる。
【００９１】
ここで、相互に異なる波長を有する測定光が、相互に異なる発振タイミングで周期的に順次発生されることから、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特性を計測する時間は、測定光の波長毎に測定されるべき拡散光（測定光）の存続期間に依存して決定され、測定光に設定する波長の種類数に対する制約を従来よりも低減している。また、波長選択器ユニットが、相互に異なる波長の測定光が媒体中で混合している光の中から特定の波長を有する成分光のみを抽出することから、測定光の波長毎の発振周波数は従来よりも増大した上限を有する。したがって、本発明の計測装置によれば、散乱吸収体から出射される測定光が混ざり合った成分光を含まないように測定光の発振タイミングの間隔を大きくとる必要がなくなり、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特性を計測する時間を従来よりも大幅に短縮化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測装置の１例の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す計測装置において散乱吸収体を通過する測定光の光路の１例を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す計測装置において散乱吸収体に入射される測定光パルスと散乱吸収体から出射された測定光との時間波形（時間スペクトル）を示すグラフである。
【図４】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光の時間波形（ａ）と、散乱吸収体から出射された測定光が入射される波長選択器ユニットにおける時間−透過率特性（ｂ）と、波長選択器ユニットを通過した測定光の時間波形（ｃ）との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【図６】本発明の計測装置の他の例の構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す計測装置において、散乱吸収体から出射された測定光が順次入射される複数のダイクロイックミラーにおける波長−透過率特性を示すグラフである。
【図８】従来の計測装置の１例において、数パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【図９】従来の計測装置の他の例において、１組の光源から交互（半波長分の位相シフト）に散乱吸収体に入射される波長｛(a):λ1、(b):λ2｝が相互に相違する測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２…計測装置、１０…散乱吸収体、２０，３０，８０，１１０〜１５０…信号処理系、４０1 〜４０n …光源、５０…照射用光ガイド、６０…検出用光ガイド、７０…光整形器、９０…波長選択器ユニット、１００…光検出器ユニット。
【発明の属する技術分野】
本発明は、医学、理学等の分野において使用される非侵襲的な散乱吸収体の内部情報の計測装置に関する。より詳しくは、本発明は、生体組織のような散乱吸収体の内部における光散乱特性及び／又は光吸収特性を計測することにより、諸特性値の時間変化や空間分布などのデータを取得する計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生体組織のような散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値を計測するために、測定対象の散乱吸収体に照射された後に検出された測定光の時間応答特性を解析することが行われている。このような計測装置においては、散乱吸収体に対して多成分計測を行うために、少なくとも２種類の波長を有するパルス状の光を発生する光源が一般に搭載されている。ここで、相互に異なる波長を有する光を散乱吸収体に照射する方法としては、順次点灯方式及び交互点灯方式と呼ばれる２種類の光源駆動方式がそれぞれ知られている。
【０００３】
図８に示すように、順次点灯方式で駆動される光源を用いる場合、例えば、２種類の波長λ1 ，λ2 を有する測定光を測定対象の散乱吸収体に入射させるために、まず、光源から発生した波長λ1 の測定光を数パルス、入射光Ｉ1 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ1 の測定光を、出射光Ｏ1 として順次検出する。続いて、波長λ1 の測定光を発生する光源に対して測定光の波長設定を波長λ2 に切り換える処理を行った後、その光源から発生した波長λ2 の測定光を数パルス、入射光Ｉ2 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ2 の測定光を、出射光Ｏ2 として順次検出する。
【０００４】
また、図９に示すように、交互点灯方式で駆動される１組の光源を用いる場合、例えば、２種類の波長λ1 ，λ2 を有する測定光を測定対象の散乱吸収体に入射させるために、一方の光源から発生した波長λ1 の測定光を、入射光Ｉ1 として散乱吸収体に照射する。次いで、入射光Ｉ1 の照射から所定期間経過後、他方の光源から発生した波長λ2 の測定光を、入射光Ｉ2 として散乱吸収体に照射する。そして、散乱吸収体から出射された波長λ1 の測定光を、出射光Ｏ1 として検出する。続いて、散乱吸収体から出射された波長λ2 の測定光を、出射光Ｏ2 として検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した計測装置において、相互に異なる波長を有する測定光を散乱吸収体に照射するために図８に示すような順次点灯方式を用いる場合、パルス光照射の間隔を散乱吸収体から出射される測定光（拡散光）の存続期間よりも長くする必要があり、さもないと拡散光が重なり合ってしまう。それゆえ、散乱吸収体から出射される拡散光の時間応答特性を計測するための時間は、測定光に設定する波長の種類数に比例して増大してしまうという問題がある。一方、図９に示すような交互点灯方式を用いる場合、相互に異なる波長を有する測定光をそれぞれ発生する周波数の上限は、波長λ1 及びλ2 を有する拡散光が互いに混ざり合ってしまうことを避けるために出射光Ｏ1 と出射光Ｏ2 との間に間隔ｔ1が必要であるという制約があり、計測時間の短縮化が充分に図れないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、測定光波長の種類数に対する計測時間の依存性を低減することが可能となり、測定光の時間応答特性の計測時間を充分に短縮化することが可能な計測装置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】
本発明の散乱吸収体の内部情報の計測装置は、
（ａ）相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
（ｂ）前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
（ｃ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
（ｄ）前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
（ｅ）前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と、
を備え、上記波長選択器ユニットは音響光学変調器で構成され、かかる音響光学変調器は、前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて超音波（振動）を発生しかつ前記測定光の発振タイミングに同期して前記超音波の波長を切換え、前記測定光の波長と前記超音波の波長との比に対応する偏向角だけ前記測定光を回折させるものであり、かつ前記光検出器ユニットは光検出器で構成され、かかる光検出器は、前記音響光学変調器により所定の偏向角だけ回折された前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである。
【０００９】
本発明の散乱吸収体の内部情報の計測装置は、
（ａ）相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
（ｂ）前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
（ｃ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
（ｄ）前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
（ｅ）前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と、
を備え、上記波長選択器ユニットは複数のダイクロイックミラーで構成され、かかるダイクロイックミラーは、それらの閾波長（反射される測定光の波長と透過される測定光の波長との境界の波長）が前記測定光の隣接する二つの波長（昇順又は降順）間にそれぞれ入りかつ昇順または降順に設定されるように、前記散乱吸収体から前記光検出器ユニットに導かれる前記測定光の光路中に直列に配置されており、かつ前記光検出器ユニットは複数の干渉フィルタと複数の光検出器とで構成され、かかる干渉フィルタはそれぞれ、前記ダイクロイックミラーから前記干渉フィルタに入射される前記測定光の波長にそれぞれ一致する透過中心波長を有しており、かかる光検出器はそれぞれ、前記干渉フィルタから前記光検出器に入射される前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである。
【００１０】
なお、本発明の計測装置は、（ｆ）前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光を前記波長選択器ユニットに導くための検出用光ガイドと、（ｇ）前記検出用光ガイドに光学的に接続され、前記測定光（光線束）を収束して前記波長選択器ユニットに導く光整形器とをさらに備えることが好適である。
【００１１】
また、本発明にかかる前記光源は、前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて、前記散乱吸収体に含まれた光吸収成分の種類数以上の数であり、かつ前記光吸収成分に対して相互に異なる吸収係数を有する複数の波長を有する前記測定光をそれぞれ発生する光源群であることが好適である。
【００１２】
本発明の計測装置において、単数又は複数の前記光源は、信号処理系から出力された制御信号に基づいて、相互に異なる波長を有する測定光を相互に異なる発振タイミングで周期的に順次発生する。かかる光源から順次出射された測定光は、照射用光ガイドによって散乱吸収体に照射され、その散乱吸収体の内部を拡散伝搬した後、波長選択器ユニットに順次入射される。
【００１３】
このとき、波長選択器ユニットは、散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から所定波長を有する測定光を選択的に順次抽出して光検出器ユニットに導く。これにより、散乱吸収体から順次出射された測定光が、その散乱吸収体の内部におけるランダムな散乱に起因して発振時よりも拡張されたパルス幅を有することによって相互干渉した成分光（他の波長を有する測定光）を含む場合であっても、上記波長選択器ユニットから順次出射された測定光は、かかる相互干渉した成分光を含まない。
【００１４】
そのため、上記光検出器ユニットに順次入射された測定光においては相互干渉した成分光に起因するベースラインシフトが発生しないので、散乱吸収体から出射される測定光が相互干渉した成分光を含む程度に測定光の発振タイミングの間隔を短縮した場合であっても、光検出器ユニットによって測定光の時間応答特性が精度良く測定される。そして、前記信号処理系において、光検出器ユニットで測定された測定光の時間応答特性を解析することにより、散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性のような内部情報が高精度に算出される。
【００１５】
従って、本発明の計測装置においては、散乱吸収体から出射される測定光が相互干渉した成分光を含まないように測定光の発振タイミングのインターバルを大きくとる必要がなく、散乱吸収体に対する測定光の時間応答特性の計測時間が従来よりも大幅に短縮化される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の計測装置に係る諸実施例の構成及び作用について、図１ないし図７を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
第１実施例
図１に示すように、本実施例の計測装置１は、散乱吸収体１０に所定の測定光を照射して散乱吸収体１０から出射された測定光を検出する光学系１ａと、この光学系を構成する各種機器の動作を制御して測定光の時間応答特性を解析する信号処理系１ｂとを備えている。なお、散乱吸収体１０は、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値を計測する測定対象として配置された生体組織であり、相互に異なるｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 を含んでいる。これらｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 は、所定範囲の波長を有する光に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度を有するものであり、例えば、ヘモグロビンやミオグロビンなどに対しては範囲約７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を有する光が好適である。ただし、ｎは２以上の整数である。
【００１８】
ここで、光学系１ａは、相互に異なるｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を相互に異なる所定の発振タイミングでそれぞれ順次発生する第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n と、これら第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n から順次出射された測定光を散乱吸収体１０の所定の光入射位置に照射する照射用光ガイド（光ファイバ）５０と、散乱吸収体１０の所定の光出射位置から順次出射された測定光を検出する検出用光ガイド（光ファイバ）６０と、この検出用光ファイバ６０によって順次導かれた測定光のパターン（光線束）を整形する光整形器７０と、この光整形器７０から順次入射した測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する測定光を選択的に順次抽出する波長選択器ユニット９０と、この波長選択器ユニット９０により抽出された測定光を変換して得られた検出信号Ｄ1 を出力する光検出器ユニット１００とで構成される。
【００１９】
また、信号処理系１ｂは、散乱吸収体１０に関する計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 を出力する中央処理ユニット２０と、この中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを出力するトリガ回路３０と、このトリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて波長選択器ユニット９０の駆動状態を指示する制御信号Ｃ2 を出力する制御回路８０と、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 を増幅して検出信号Ｄ2 を出力する増幅器ユニット１１０とを含んで構成される。
【００２０】
さらに、信号処理系１ｂは、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルを検知することによってスタート信号Ｓ1 を出力するコンスタント・フラクション方式波高弁別器（CFD; Constant-Fraction Discriminator）ユニット１２０と、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間遅延したストップ信号Ｓ2 を出力する遅延回路１３０と、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の時間差に比例する振幅を有する時間相関信号Ａを出力する時間振幅変換器（TAC; Time-to-Amplitude Converter）１４０と、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて作動してＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａに対応する時間スペクトルデータＰを出力するマルチチャネル波高分析器（MCA; Multi-Channel Analyzer ）１５０とを含んで構成される。
【００２１】
なお、中央処理ユニット２０は、予めセットアップされた所定の計測プログラムに基づいて動作する制御・解析用コンピュータである。この中央処理ユニット２０は、制御信号Ｃ1 を出力することによってトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０をそれぞれ駆動させるとともに、ＭＣＡ１５０から出力された時間スペクトルデータＰを解析することによって例えば散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度を算出する。
【００２２】
トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 が含む計測開始タイミングの指示情報に基づいてｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを生成するものである。このトリガ回路３０は、トリガ信号Ｔを出力することによって第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、制御回路８０、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０をそれぞれ駆動させる。
【００２３】
第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を周期τでそれぞれパルス発振するレーザダイオードである。これら第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n の中で第ｉの光源４０i の発振タイミングｔoiは、トリガ回路３０からのトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 に対して次式（１）で決定されている。ただし、ｉは１以上ｎ以下の整数であり、ｍは整数である。
【００２４】
ｔoi＝ｔ0 ＋τ・｛ｍ＋（ｉ−１）／ｎ｝ （１）
なお、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光としては、散乱吸収体１０に含まれたｎ−１種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度（吸収係数）を呈するものがそれぞれ選択される。
【００２５】
照射用光ガイド５０は、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n から順次出射された測定光を、１パルス毎に波長を順次切換える循環的な波長変換を施された測定光として時系列化するｎ分岐の光ファイバであり、この測定光をスポット状に散乱吸収体１０に照射する。検出用光ガイド６０は、散乱吸収体１０の内部を拡散伝搬して順次出射された測定光を光整形器７０に導くための光ファイバである。光整形器７０は、検出用光ガイド６０から順次出射された測定光を集光する屈折レンズ又はレンズ群であり、この測定光は次いで波長選択器ユニット９０に導かれる。
【００２６】
なお、照射用光ガイド５０の一端を設置する散乱吸収体１０の光入射位置と、検出用光ガイド６０の一端を設置する散乱吸収体１０の光出射位置との間の物理的距離として、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 を設定することが好ましい。そのため、照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方は、散乱吸収体１０の表面に対して移動可能に設置されている。
【００２７】
制御回路８０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 に同期して制御信号Ｃ2 を波長選択器ユニット９０に出力するものである。この制御回路８０は、制御信号Ｃ2 を出力することによって波長選択器ユニット９０を駆動させ、相互に異なるｎ種類の波長λ1'〜λn'を有する超音波を時間（τ／ｎ）毎に切換えて発生させる。超音波におけるｎ種類の波長λ1'〜λn'は、測定光におけるｎ種類の波長λ1 〜λn に対して例えば次式（２）で決定されている。ただし、ｃは定数である。
【００２８】
λ1'／λ1 ＝λ2'／λ2 ＝…＝λn'／λn ＝ｃ （２）
波長選択器ユニット９０は、超音波の振動に基づいて光屈折率を変化させることにより、入射光及び超音波の波長比にほぼ一致する偏向角θだけその入射光を回折させる音響光学変調器（AOM; AcoustoOptic Modulator ）であり、制御回路８０から出力された制御信号Ｃ2 が含む超音波の波長の指示情報に対応して超音波の振動を発生させる。この波長選択器ユニット９０は、第ｊの光源４０j における波長λj を有する測定光の発振タイミングｔj と第（ｊ＋１）の光源４０j+1 における波長λj+1 を有する測定光の発振タイミングｔj+1 との間の期間ｐj に波長λj'を有する超音波を発生させる。ただし、ｊは１以上ｎ以下の整数であり、ｔn+1 ＝ｔ1 かつｐn+1 ＝ｐ1 である。そして、波長選択器ユニット９０は、光整形器７０から順次出力された測定光を偏向角θだけ順次回折させる。測定光をブラッグ回折させる偏向角θは、測定光におけるｎ種類の波長λ1 〜λn と超音波におけるｎ種類の波長λ1'〜λn'との各比ｃに対して次式（３）で決定されている。
【００２９】
θ＝２sin -1（ｃ／２） （３）
光検出器ユニット１００は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選択器ユニット９０から偏向角θで回折されて順次入射した測定光を検出して変換することにより検出信号Ｄ1 を生成する光電子増倍管である。この光検出器ユニット１００においては、ｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する各種測定光をそれぞれ良好に検出するために、比較的高い分光感度及び利得を有することが好ましく、測定光の時間分解計測を良好に行うために、可能な限り高い応答周波数を有することが好ましい。増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 の振幅を増幅することによって検出信号Ｄ2 を生成するアンプである。
【００３０】
ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルがその振幅の所定割合に達してから所定時間が経過した時にスタート信号Ｓ1 を生成するタイムピックオフ回路である。遅延回路１３０は、トリガ回路３０から入力したトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 よりも所定時間だけシフトした位相を有するストップ信号Ｓ2 を生成するものである。ＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号Ａを生成するものである。
【００３１】
ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 が含む計測開始タイミングの指示情報に基づいて、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してｎ個のメモリ群に順次格納するものである。そして、ＭＣＡ１５０は、時間相関信号Ａのパルス高さ（波高値）を分析してパルス高さの頻度分布として時間スペクトルデータＰを生成する。
【００３２】
次に、本実施例の計測装置１の動作について説明する。
【００３３】
このように構成された計測装置１において、図１に示すように、所定の計測プログラムを起動した中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０にそれぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、制御回路８０、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０にそれぞれ出力する。一方、ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光に関する時間相関信号Ａに対して入力待ちの状態になる。
【００３４】
続いて、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を、同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発振する。一方、制御回路８０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、測定光に対して偏向角θのブラッグ回折を起こさせる制御信号Ｃ2 を波長選択器ユニット９０に出力する。また、遅延回路１３０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間だけ位相をシフトさせたストップ信号Ｓ2 をＴＡＣ１４０に出力する。
【００３５】
ここで、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０2 から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０によってスポット状に散乱吸収体１０に照射される。図２に示すように、この測定光は、入射光Ｉとして散乱吸収体１０の光入射位置に入射され、散乱吸収体１０の内部で吸収の作用を受けることによって減衰しつつ拡散伝搬した後、出射光Ｏとして散乱吸収体１０の光出射位置から出射される。散乱吸収体１０の内部においては、この測定光は、散乱吸収体１０を構成する散乱成分によってランダムに散乱されることにより、折れ曲がった光路を取りながら進行するとともに、散乱吸収体１０を構成する吸収成分によって徐々に吸収されることにより、その光量を指数関数的に失いながら進行する。そのため、図３に示すように、入射光Ｉはインパルスであっても、出射光（拡散光）Ｏは多重散乱によって入射光Ｉの発振タイミングよりも時間的に著しく遅い成分を含むことから拡張されたパルス幅を有する。
【００３６】
なお、散乱吸収体１０の内部では、測定光はランダムな散乱に基づいてその強度（密度）を急激に減衰してほぼ全領域に拡散するものである。しかしながら、図２においては、散乱吸収体１０の光出射位置から出射されかつ光検出位置で検出された光子の一例の飛跡のみ、すなわち、実際の計測に利用される光子の一例の飛跡のみを模式的に図示している。また、図３においては、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各パルス幅を比較するために、入射光Ｉ及び出射光Ｏの各強度を一致させて図示している。
【００３７】
そして、図１に示すように、散乱吸収体１０から順次出射された測定光は、検出用光ガイド６０によって検出されて光整形器７０に導かれた後、光整形器７０によって集光されて波長選択器ユニット９０に導かれる。この波長選択器ユニット９０は、制御回路８０から出力された制御信号Ｃ2 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光の発振タイミングに同期して、ｎ種類の波長λ1'〜λn'を有する超音波を切換えて発生させる。そのため、波長選択器ユニット９０に入射した測定光の中で、超音波の波長λi'に対応する波長λi を有する測定光のみが、偏向角θのブラッグ回折を受けて光検出器ユニット１００に順次出射される。
【００３８】
この光検出器ユニット１００は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、波長選択器ユニット９０を経て順次入射したｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を順次検出して電気的な信号Ｄ1 に変換する。これらｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の中で波長λi の測定光に対するサンプリング・タイミングｔsiは、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔの入力タイミングｔ0 、あるいは、第ｉの光源４０i における波長λi の測定光の発振タイミングｔoiに対して次式（４）で決定されている。
【００３９】
【００４０】
例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示すように、散乱吸収体１０に順次入射する測定光は、波長λ1 の入射光Ｉ1 、波長λ2 の入射光Ｉ2 及び波長λ3 の入射光Ｉ3 を経時的に配列したパルス列を循環的に時系列化したものとなる。このとき、図４（ｂ）に示すように、波長選択器ユニット９０で偏向角θのブラッグ回折を起こす回折効率は、波長λj の入射光Ｉj の発振タイミングｔj と波長λj+1 の入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 との間の期間ｐj に、波長λj の光のみに対して有効値に達する。ただし、ｊは１以上３以下の整数であり、ｔ4 ＝ｔ1 かつｐ4 ＝ｐ1 である。
【００４１】
散乱吸収体１０から順次出射された測定光は、図５に示すように、波長λ1 の出射光Ｏ1 、波長λ2 の出射光Ｏ2 及び波長λ3 の出射光Ｏ3 からなる経時的な配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしながら、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含むことから、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含んでいる。従って、仮に計測装置１が波長選択器ユニット９０を備えていない場合は、このような混ざり合った成分に起因して発生するベースラインシフトは、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を算出する際に誤差原因となってしまう。
【００４２】
これに対して本発明の計測装置１は波長選択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に示すように、散乱吸収体１０から光検出器ユニット１００に順次入射する測定光においては、出射光Ｏj は他の成分を含まない。そのため、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合っていないので、ベースラインシフトを起こさない。
【００４３】
続いて、増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００から出力された検出信号Ｄ1 の振幅を増幅した検出信号Ｄ2 をＣＦＤユニット１２０に出力する。このＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０から出力された検出信号Ｄ2 のレベルがその振幅の所定割合に達した後、所定時間が経過した時にスタート信号Ｓ1 をＴＡＣ１４０に出力する。このＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号ＡをＭＣＡ１５０に出力する。このＭＣＡ１５０は、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してそのパルス高さ（波高値）を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納することにより、時間相関信号Ａのパルス高さの頻度分布としてｎ種類の波長λ1 〜λn にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。
【００４４】
このようなｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰの計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に関して行うことができる。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 とｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光とにそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することによって散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度等を算出する。
【００４５】
より具体的には、中央処理ユニット２０においては、光拡散理論に基づいて時間スペクトルデータＰを解析する。なお、この光拡散理論に関する知見については、文献
"Medical Physics, vol.19, no.14, pp.879-888, 1992"
などに詳細に記載されている。以下、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を測定する原理について説明する。
【００４６】
まず、散乱吸収体１０に入射した波長λの測定光に関する光拡散方程式は、位置ｒ及び時刻ｔに対応する光子流動率φ(r,t) 及び光子発生率Ｓ(r,t) に対して次式（５）で記述することができる。
【００４７】
【数１】
Ｄ(λ) ：光拡散係数［mm］，
μa (λ)：光吸収係数［mm-1］，
ｃ：媒体中における光速度［mm・sec -1］，
Ｓ(r,t) ：光子発生率［mm-3・sec -1］
である。光速度ｃは、散乱吸収体１０の屈折率に対応して決定されている。
【００４８】
ここで、測定光はインパルス状に発振されていることから、光子発生率Ｓ(r,t) はデルタ関数として表される。そのため、原点（ｒ＝０）及び初期（ｔ＝０）に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光に関する光拡散方程式は、次式（６）で記述される。
【００４９】
【数２】
【００５０】
Ｄ(λ) ＝［３｛μa (λ)＋μts(λ) ｝］-1 （７）
μts(λ) ＝（１−ｇ）μs (λ) （８）
ただし、μts(λ) ：輸送光散乱係数［mm-1］，
μs (λ)：光散乱係数［mm-1］，
ｇ：散乱角βに対するcos βの平均値
である。
【００５１】
また、散乱吸収体１０の表面上に沿ってρ座標軸を設定するとともに、散乱吸収体１０の表面に対する法線に沿ってその内部に向うｚ座標軸を設定する場合、式（６）に示す光拡散方程式の境界条件は、測定光の平均拡散長ｚ0 を用いて負極性の点光源を位置（ρ＝０，ｚ＝−ｚ0 ）に想定することによって近似的に実現される。そのため、光拡散方程式の解は、散乱吸収体１０の表面上の位置（ρ，０）における時刻ｔのときの光強度Ｉとして次式（９）に示すようになる。
【００５２】
【００５３】
一方、原点（ρ＝０）及び初期（ｔ＝０）に対応して散乱吸収体１０に入射した測定光の平均光路長Ｌは、散乱吸収体１０の光入射位置−光出射位置間距離ρに対して次式（１０）に示すように定義される。
【００５４】
【数３】
"Phys.Med.Biol., vol.37, no.7, pp.1531-1560, 1992"
などに詳細に記載されている。
【００５５】
ここで、測定光の平均光路長は、２式（９），（10）に基づいて次式（11）に示すようになる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
【数５】
そのため、波長λの測定光に関して２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に対応する２種類の時間スペクトルデータＰを式（10）に代入することにより、２種類の平均光路長Ｌ(ρ1 )，Ｌ(ρ2 )を算出することができる。そして、これら２種類の平均光路長Ｌ(ρ1 )，Ｌ(ρ2 )をそれぞれ代入した式（11）を連立させて解くことにより、光吸収係数μa (λ)及び輸送光散乱係数μts(λ)をそれぞれ算出することができる。したがって、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光に関して２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に対応する２種類の時間スペクトルデータＰを同様にしてそれぞれ解析することにより、ｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )とｎ種類の輸送光散乱係数μts(λ1 )〜μts(λn )とをそれぞれ算出することができる。
【００５９】
さらに、波長λの測定光に対する散乱吸収体１０の光吸収係数μa は、ベール・ランバート（Beer-Lambert）の法則に基づいて、散乱吸収体１０に含まれた（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 に対して次式（12）で示すように表される。
【００６０】
［Ａk ］：光吸収成分Ａk のモル濃度［mM］，
α(λ) ：バックグラウンド光吸収項
である。ｋは１以上（ｎ−１）以下の整数である。
【００６１】
そのため、測定光の波長としてｎ種類のバックグラウンド吸収項α(λ1 )〜α(λn )を一致させるｎ種類の波長λ1 〜λn を予め選択するとともに、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する各測定光に対して（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル吸光係数εA1(λ1 )〜εAn-1(λ1 )，εA1(λ2 )〜εAn-1(λ2 )，…，εA1(λn )〜εAn-1(λn )をそれぞれ測定した場合、これらｎ（ｎ−１）種類のモル吸光係数εA1(λ1 )〜εAn-1(λ1 )，εA1(λ2 )〜εAn-1(λ2 )，…，εA1(λn )〜εAn-1(λn )とｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )とをそれぞれ代入した式（12）を連立させて解くことにより、（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル濃度［Ａ1 ］〜［Ａn-1 ］をそれぞれ算出することができる。
【００６２】
このようにして、中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することにより、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性として、ｎ種類の光吸収係数μa (λ1 )〜μa (λn )と、ｎ種類の輸送光散乱係数μts(λ1 )〜μts(λn )と、（ｎ−１）種類の光吸収成分Ａ1 〜Ａn-1 のモル濃度［Ａ1 ］〜［Ａn-1 ］とをそれぞれ算出することができる。
【００６３】
第２実施例
図６に示すように、本実施例の計測装置２は、上述した第１実施例の計測装置１とはほとんど同様にして構成されている。ただし、この計測装置２は、制御回路８０を備えずに、波長選択器ユニット９０、光検出器ユニット１００、増幅器ユニット１１０及びＣＦＤユニット１２０の各内部構成を変更している。
【００６４】
ここで、波長選択器ユニット９０は、光整形器７０から順次入射した測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光をそれぞれ選択的に順次抽出するために、光整形器７０から出射される測定光の光軸に沿って直列に配置された第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 で構成されている。これら第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 は、光整形器７０から順次出射された測定光を反射または透過するために昇順または降順に設定された閾波長を、ｎ種類の波長λ1 〜λn で昇順または降順に隣接する二つの波長間にそれぞれ有する。
【００６５】
例えば、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 は、図７に示すように、（ｎ−１）種類の波長λ1 〜λn-1 付近よりも大きい波長の光に対して最大の透過率をそれぞれ呈する（ｎ−１）種類の波長−透過率分布ｄ1 〜ｄn-1 をそれぞれ有する。すなわち、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 の中で第ｈのダイクロイックミラー９１h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミラー９１h-1 から入射した測定光に含まれた波長λh 付近以下の波長の成分光を反射して後述する第ｈの干渉フィルタ１０１h に出射するとともに、波長λh 付近よりも大きい波長の成分光を透過して第（ｈ＋１）のダイクロイックミラー９１h+1 に出射する。ただし、ｈは１以上ｎ−１以下の整数である。ｎ種類の波長λ1 〜λn は、昇順に設定されている。
【００６６】
なお、第１のダイクロイックミラー９１1 は、光整形器７０を経て順次入射した測定光で波長λ1 付近よりも大きい波長の成分光は透過しかつ波長λ1 付近の成分光は第１の干渉フィルタ１０１1 に向けて反射させるものである。また、第ｈのダイクロイックミラー９１h は、第（ｈ−１）のダイクロイックミラー９１h-1 を透過して順次入射した測定光で波長λh-1 付近よりも大きい波長の成分光を透過して第ｈの干渉フィルタ１０１h に出射する。
【００６７】
光検出器ユニット１００は、波長選択器ユニット９０を構成する第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からそれぞれ反射（波長λn については透過）された測定光からｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を厳密にそれぞれフィルタリングするために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からの出射光の各光軸に沿って並列に配置された第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n と、これら第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通ってそれぞれ入射した測定光を変換したｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nをそれぞれ出力するために、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からの出射光の各光軸に沿って並列に配置された第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n とで構成されている。
【００６８】
第１ないし第（ｎ−１）の干渉フィルタ１０１1 〜１０１n-1 は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 でそれぞれ反射された測定光の光路中にそれぞれ配置されており、第ｎの干渉フィルタ１０１n は、第ｎのダイクロイックミラー９１n を透過した測定光の光路中に配置されている。これら第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 からそれぞれ出射された測定光を透過するために昇順または降順に設定された透過中心波長を、ｎ種類の波長λ1 〜λn に一致してそれぞれ有する。
【００６９】
第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通って順次入射した測定光を検出してそれらを検出信号に変換することにより、ｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを生成する光電子増倍管である。これら第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n においては、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光をそれぞれ良好に検出するために、比較的大きい分光感度特性及び利得を有することが好ましく、測定光の時間分解計測を良好に行うために、可能な限り高い応答周波数を有することが好ましい。
【００７０】
増幅器ユニット１１０は、光検出器ユニット１００を構成する第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを増幅してｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nをそれぞれ出力するために、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n の各後段として並列に配置された第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n で構成されている。これら第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n は、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nの振幅を増幅することによってｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nをそれぞれ生成するアンプである。
【００７１】
ＣＦＤユニット１２０は、増幅器ユニット１１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルを検知することによってｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをスタート信号Ｓ1 としてそれぞれ出力するために、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n の各後段として並列に配置された第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n で構成されている。これら第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n は、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n から出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルがその振幅の所定割合に達してから所定時間が経過した時にｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをそれぞれを生成するタイムピックオフ回路である。
【００７２】
次に、本実施例の計測装置２の動作について説明する。
【００７３】
このように構成された計測装置２において、図６に示すように、所定の計測プログラムを起動した中央処理ユニット２０は、計測開始タイミングを指示する制御信号Ｃ1 をトリガ回路３０及びＭＣＡ１５０にそれぞれ出力する。このとき、トリガ回路３０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光の発振タイミングの指標となるトリガ信号Ｔを第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n 、光検出器ユニット１００及び遅延回路１３０にそれぞれ出力する。一方、ＭＣＡ１５０は、中央処理ユニット２０から出力された制御信号Ｃ1 に基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光に関する時間相関信号Ａに対して入力待ちの状態になる。
【００７４】
続いて、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０n は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔに基づいて、ｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を、同一の周期τで、かつ、時間０，τ／ｎ，２τ／ｎ，…，（ｎ−１）τ／ｎだけシフトした各位相でパルス発振する。一方、遅延回路１３０は、トリガ回路３０から出力されたトリガ信号Ｔよりも所定時間だけ位相をシフトさせたストップ信号Ｓ2 をＴＡＣ１４０に出力する。
【００７５】
ここで、第１ないし第ｎの光源４０1 〜４０2 から順次発生した測定光は、照射用光ガイド５０によってスポット状に収束されて散乱吸収体１０に照射される。散乱吸収体１０の光入射位置に順次入射した測定光は、散乱吸収体１０の内部で吸収の作用を受けることによって減衰しつつ拡散伝搬する。そして、散乱吸収体１０の光出射位置から順次出射された測定光は、検出用光ガイド６０によって検出されて光整形器７０に導かれた後、光整形器７０によって集光されて波長選択器ユニット９０に導かれる。
【００７６】
この波長選択器ユニット９０に順次入射した測定光は、第１ないし第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１1 〜９１n-1 を順次通過する際、波長λ1 付近以下の波長の成分光、波長λ1 付近より大きく波長λ2 付近以下の波長の成分光、…、波長λn-2 付近より大きく波長λn-1 付近以下の波長の成分光が順次反射され、光検出器ユニット１００を構成する第１ないし第（ｎ−１）の干渉フィルタ１０１1 〜１０１n-1 にそれぞれ導かれる。そして、第（ｎ−１）のダイクロイックミラー９１n-1 を透過した測定光は、波長λn 付近以上の波長を有しており、光検出器ユニット１００を構成する第ｎの干渉フィルタ１０１n に導かれる。
【００７７】
この光検出器ユニット１００において、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n にそれぞれ入射した測定光は、ｎ種類の波長λ1 〜λn の中の１波長を有する測定光にそれぞれフィルタリングされ、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n にそれぞれ導かれる。これら第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n は、トリガ回路３０から入力したトリガ信号Ｔに基づいて、第１ないし第ｎの干渉フィルタ１０１1 〜１０１n を通ってそれぞれ入射したｎ種類の波長λ1 〜λn を有する測定光を順次検出して変換することにより、ｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nを、増幅器ユニット１１０を構成する第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n にそれぞれ出力する。
【００７８】
例えば、ｎ＝３の場合、図４（ａ）に示すように、散乱吸収体１０に入射する測定光は、波長λ1 の入射光Ｉ1 、波長λ2 の入射光Ｉ2 及び波長λ3 の入射光Ｉ3 を経時的に配列したパルス列を循環的に時系列化したものとなる。
【００７９】
散乱吸収体１０から出射された測定光は、図５に示すように、波長λ1 の出射光Ｏ1 、波長λ2 の出射光Ｏ2 及び波長λ3 の出射光Ｏ3 からなる経時的な配列を循環的に時系列化したものとなる。しかしながら、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含むことから、出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は時間的に近接し、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合ってしまう。従って、仮に計測装置２が波長選択器ユニット９０を備えていない場合は、このような混ざり合った成分に起因して発生するベースラインシフトは、散乱吸収体１０の光吸収特性及び光散乱特性を算出する際に誤差原因となってしまう。
【００８０】
これに対して本発明の計測装置２は波長選択器ユニット９０を備えていることから、図４（ｃ）に示すように、散乱吸収体１０から第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n にそれぞれ入射する測定光はｎ種類の波長λ1 〜λn 毎に分別されているので、出射光Ｏj は入射光Ｉj+1 の発振タイミングｔj+1 よりも時間的に遅い成分を含まない。そのため、時間的に近接した出射光Ｏj 及び出射光Ｏj+1 は、散乱吸収体１０の内部で互いに混ざり合った成分をそれぞれ含まないので、ベースラインシフトを起こさない。ただし、ｊは１以上３以下の整数であり、ｔ4 ＝ｔ1 かつｐ4 ＝ｐ1 である。
【００８１】
続いて、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n は、第１ないし第ｎの光検出器１０２1 〜１０２n からそれぞれ出力されたｎ種類の検出信号Ｄ11〜Ｄ1nの各振幅を増幅したｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nを、ＣＦＤユニット１２０を構成する第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n にそれぞれ出力する。これら第１ないし第ｎのＣＦＤ１２１1 〜１２１n は、第１ないし第ｎの増幅器１１１1 〜１１１n からそれぞれ出力されたｎ種類の検出信号Ｄ21〜Ｄ2nの各レベルがその振幅の所定割合に達した後、所定時間が経過した時にｎ種類のスタート信号Ｓ11〜Ｓ1nをスタート信号Ｓ1 としてＴＡＣ１４０に出力する。
【００８２】
このＴＡＣ１４０は、ＣＦＤユニット１２０及び遅延回路１３０からそれぞれ出力されたスタート信号Ｓ1 及びストップ信号Ｓ2 の各入力タイミングの時間差に比例する振幅を有する時間相関信号ＡをＭＣＡ１５０に出力する。このＭＣＡ１５０は、ＴＡＣ１４０から出力された時間相関信号Ａを時間（τ／ｎ）毎に分別してその波高値を分析しつつｎ個のメモリ群に順次格納することにより、時間相関信号Ａの波高値の頻度分布としてｎ種類の波長λ1 〜λn にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。
【００８３】
このようなｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応するｎ種類の時間スペクトルデータＰの計測は、散乱吸収体１０の表面に対して照射用光ガイド５０及び検出用光ガイド６０の少なくとも一方を移動させることにより、相互に異なる２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 に関して行うことができる。そのため、ＭＣＡ１５０は、２種類の光入射位置−光出射位置間距離ρ1 ，ρ2 とｎ種類の波長λ1 〜λn の測定光にそれぞれ対応する２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを中央処理ユニット２０に出力する。この中央処理ユニット２０は、ＭＣＡ１５０から出力された２ｎ種類の時間スペクトルデータＰを解析することによって散乱吸収体１０の光吸収係数、光散乱係数及び光吸収成分濃度等を算出する。
【００８４】
ここで、本発明は、上述した諸実施例に限られるものではなく、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上述した諸実施例においては、波長選択器ユニットは複数の波長を有する測定光から所定波長の測定光のみを選択的に抽出する音響光学変調器や多段構成のダイクロイックミラー群などである。しかしながら、測定光に対する波長選択が同様に可能であるならば、波長選択器ユニットとしてプリスム及び方向性結合器のようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８５】
また、上述した諸実施例においては、複数個の光源は相互に異なる波長の測定光を相互に異なる発振タイミングでそれぞれ発生するレーザダイオードである。しかしながら、測定光における波長の設定と発振タイミングの制御とが同様にして可能であるならば、複数の光源として発光ダイオードのようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８６】
また、上述した諸実施例においては、光検出器は相互に異なる波長の測定光をそれぞれ検出する光電子増倍管である。しかしながら、測定光に対する分光感度特性及び利得が同様な程度に大きいならば、光検出器としてアバランシェフォトダイオード、ストリークカメラ、光電管及びｐｉｎ型フォトダイオードのようなその他種々のものを適用してもよい。
【００８７】
また、上述した諸実施例においては、測定対象の散乱吸収体に照射する測定光が含む波長の種類数は、その散乱吸収体が含有する光吸収成分の種類数よりも１種類だけ多く設定されている。しかしながら、測定対象の散乱吸収体の内部におけるバックグラウンド吸収を無視することができる程小さい場合、測定光が含む波長の種類数としてその散乱吸収体が含有する光吸収成分の種類数に一致するものを設定してもよい。
【００８８】
さらに、上述した諸実施例においては、測定対象の散乱吸収体は生体組織である。しかしながら、複数個の光源から出射された測定光に対して比較的大きく、かつ、相互に異なる吸光度を有する光吸収成分を含むのであれば、測定対象の散乱吸収体としてその他種々のものを適用してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の計測装置において、単数又は複数個の光源から相互に異なる波長を有して相互に異なる発振タイミングで周期的にそれぞれ順次発生された測定光は、照射用光ガイドによって散乱吸収体に照射されてその内部で拡散伝搬した後、波長選択器ユニットに導かれる。そして、波長選択器ユニットによって所定波長を有する測定光が選択的に順次抽出される。これにより、散乱吸収体から順次出射された測定光がランダム散乱に起因して照射時よりも拡張されたパルス幅を有し、それゆえその散乱吸収体の内部において混ざり合った成分光を含む場合であっても、波長選択器ユニットから順次出射された測定光はかかる混ざり合った成分光を含まない。
【００９０】
そのため、光検出器ユニットに入射された測定光においては混ざり合った成分光に起因するベースラインシフトが発生しないので、散乱吸収体から出射される測定光が混ざり合った成分光を含む程度に測定光の発振タイミングの間隔を短縮した場合であっても、測定光の時間応答特性を精度良く測定可能となる。従って、信号処理系は、光検出器ユニットで測定された測定光の時間応答特性を解析することにより、散乱吸収体の光散乱特性及び光吸収特性を高精度に算出できる。なお、散乱吸収体の光入射位置及び光出射位置を固定して異なる時刻に上述した計測を繰り返すことにより、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値の時間変化を得ることができる。また、散乱吸収体の光入射位置及び光出射位置を走査しながら上述した計測を繰り返すことにより、光散乱特性及び光吸収特性に関する諸特性値の空間分布を得ることができる。
【００９１】
ここで、相互に異なる波長を有する測定光が、相互に異なる発振タイミングで周期的に順次発生されることから、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特性を計測する時間は、測定光の波長毎に測定されるべき拡散光（測定光）の存続期間に依存して決定され、測定光に設定する波長の種類数に対する制約を従来よりも低減している。また、波長選択器ユニットが、相互に異なる波長の測定光が媒体中で混合している光の中から特定の波長を有する成分光のみを抽出することから、測定光の波長毎の発振周波数は従来よりも増大した上限を有する。したがって、本発明の計測装置によれば、散乱吸収体から出射される測定光が混ざり合った成分光を含まないように測定光の発振タイミングの間隔を大きくとる必要がなくなり、散乱吸収体に対して測定光の時間応答特性を計測する時間を従来よりも大幅に短縮化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測装置の１例の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す計測装置において散乱吸収体を通過する測定光の光路の１例を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す計測装置において散乱吸収体に入射される測定光パルスと散乱吸収体から出射された測定光との時間波形（時間スペクトル）を示すグラフである。
【図４】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光の時間波形（ａ）と、散乱吸収体から出射された測定光が入射される波長選択器ユニットにおける時間−透過率特性（ｂ）と、波長選択器ユニットを通過した測定光の時間波形（ｃ）との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示す計測装置において、１パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【図６】本発明の計測装置の他の例の構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す計測装置において、散乱吸収体から出射された測定光が順次入射される複数のダイクロイックミラーにおける波長−透過率特性を示すグラフである。
【図８】従来の計測装置の１例において、数パルス毎に波長を順次変化させて散乱吸収体に入射される測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【図９】従来の計測装置の他の例において、１組の光源から交互（半波長分の位相シフト）に散乱吸収体に入射される波長｛(a):λ1、(b):λ2｝が相互に相違する測定光と散乱吸収体から出射された測定光との時間波形を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２…計測装置、１０…散乱吸収体、２０，３０，８０，１１０〜１５０…信号処理系、４０1 〜４０n …光源、５０…照射用光ガイド、６０…検出用光ガイド、７０…光整形器、９０…波長選択器ユニット、１００…光検出器ユニット。
Claims (2)
- 相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と
を備え、
前記波長選択器ユニットは音響光学変調器で構成され、該音響光学変調器は、前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて超音波を発生しかつ前記測定光の発振タイミングに同期して該超音波の波長を切換え、該測定光の波長と該超音波の波長との比に対応する偏向角だけ該測定光を回折させるものであり、かつ
前記光検出器ユニットは光検出器で構成され、該光検出器は、前記音響光学変調器により所定の偏向角だけ回折された前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである、
散乱吸収体の内部情報の計測装置。 - 相互に異なる複数の波長を有する測定光を発生することが可能な光源と、
前記測定光を散乱吸収体に入射するための照射用光ガイドと、
前記散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記測定光の中から各波長を有する測定光を選択的に抽出することが可能な波長選択器ユニットと、
前記波長選択器ユニットにより抽出された前記測定光の時間応答特性を測定する光検出器ユニットと、
前記光源を駆動して前記測定光を相互に異なる発振タイミングで順次前記散乱吸収体に入射させかつ前記光検出器ユニットの測定動作を該発振タイミングに対応して制御して該測定光の時間応答特性を順次測定させるとともに、前記光検出器ユニットで測定された時間応答特性を解析して前記散乱吸収体の内部情報を算出する信号処理系と
を備え、
前記波長選択器ユニットは複数のダイクロイックミラーで構成され、該ダイクロイックミラーは、それらの閾波長が前記測定光の隣接する二つの波長間にそれぞれ入りかつ昇順または降順に設定されるように、前記散乱吸収体から前記光検出器ユニットに導かれる前記測定光の光路中に直列に配置されており、かつ
前記光検出器ユニットは複数の干渉フィルタと複数の光検出器とで構成され、該干渉フィルタはそれぞれ、前記ダイクロイックミラーから該干渉フィルタに入射される前記測定光の波長にそれぞれ一致する透過中心波長を有しており、該光検出器はそれぞれ、前記干渉フィルタから該光検出器に入射される前記測定光を前記信号処理系から出力された制御信号に基づいて検出し、変換して時間分解計測を行うものである、
散乱吸収体の内部情報の計測装置。
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