JP3887668B2 - 光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば生体組織に光パルスを照射して、その透過光や散乱光の時間分解プロファイルを測定して生体組織の吸光係数および光散乱係数を求め、これに基づいて生体組織の生理状況等を測定するのに好適に用いられる、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光散乱吸光媒質の光散乱係数μ_s'（reduced scattering coefficient）および吸光係数μ_a （absorption coefficient）を測定する手法として、光パルスを光散乱吸光媒質である測定対象物に入射させ、光散乱吸光媒質内で多重散乱によって時間的に拡がった光を時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）により時間分解計測し、この計測結果に光拡散方程式およびフィックの法則の解析的な解を当てはめることにより、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を求める手法が知られている。
【０００３】
図９は、光散乱吸光媒質に入射した光パルスの多重散乱の説明図であり、図９（ａ）は光散乱吸光媒質に入射した光パルスの反射光の説明図、図９（ｂ）は光散乱吸光媒質に入射した光パルスの透過光の説明図である。この図に示すように、光パルスが光散乱吸光媒質に入射して多重散乱されて出射した反射光・透過光を時間分解計測すると、その時間分解プロファイルは、入射光のプロファイルと比べて時間的に拡がったプロファイルになる。そして、この時間分解プロファイルの形状が光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数に依存することから、時間分解プロファイルの形状に基づいて、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数を求めることができる。
【０００４】
これに際して、時間分解計測の解析的な解を求めるための光拡散方程式は、
【数１】

で表される。Ｄは光拡散係数、φは光子密度、ｃは光散乱吸光媒質中の光速、ｔは時間変数、ｒは位置変数、ｑは入射光、μ_s'は光散乱吸光媒質の光散乱係数、μ_a は光散乱吸光媒質の吸光係数である。光子密度φは、位置変数ｒおよび時間変数ｔの関数である。また、フィックの法則は、
【数２】

で表される。Ｊは光子流密度であり、ｄは入射位置と検出位置との間の距離であり、ｎは光子の流れの向きを表す。
【０００５】
例えば、図９（ａ）に示したような平坦で均質な光散乱吸光媒質において、（１）式および（２）式を解くと、反射率Ｒ（ｄ，ｔ）は、
【数３】

なる式で表される（参考文献： M.S.Patterson, et al., Applied Optics, Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989)）。この（３）式で表される反射率Ｒ（ｄ，ｔ）と時間分解計測による時間分解プロファイルとから、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【０００６】
このような測定技術は、例えば、強い光散乱吸光媒質である生体組織の検査への応用が検討されており、特に、適切な波長を用いて測定することにより、生体組織中の水、脂肪、糖分などの濃度、また、ビリルビンなどの生体内物質の濃度の定量測定への応用が検討されている。その他、生体組織内には、生理状態の変化に応じて光吸光スペクトルが変化する物質が数多く存在する。
【０００７】
例えば、血液中に存在するヘモグロビンは、生体組織の各臓器への酸素運搬の担っているものであるが、周囲の酸素濃度に応じて吸光係数が変化する。そこで、生体組織の吸光係数を測定することにより、生体組織の酸素代謝情報を得ることができる。また、他の例として、筋肉中のミオグロビン、細胞のミトコンドリア内に存在するチトクローム等の蛋白質、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）等の物質も、生体組織の酸素代謝状況やエネルギ代謝状況に応じて吸光係数の変化が起こるとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、測定対象物は、一般的に幾何学的に複雑な形状をしており、光学的に不均質である。このような光散乱吸光媒質の場合には、（１）式および（２）式とを解析的に解くことは困難である。このような場合であっても、近似的に（３）式を用いることも考えられるが、誤差が大きい。そこで、幾何学的に複雑な形状で光学的に不均質な光散乱吸光媒質の測定に際しては、（１）式および（２）式とを有限要素法等の手法を用いて近似的に解くか、あるいは、モンテカルロシミュレーション等の方法で解析することが行われている。しかし、これらは膨大な計算量を必要とし、光散乱吸光媒質の光散乱係数およぶ吸光係数をリアルタイムに測定することは困難である。
【０００９】
特に、生体組織内の生理状態を測定しようとする場合には、その生理状態の変化が速いので、上述の物質を計測またはモニタするためには秒単位での繰り返し測定が必要不可欠である。しかし、生体組織は複雑な構造をしており、生体組織の構造を単純な幾何学的構造にモデル化することは困難である。中でも、脳組織は、一般に筋肉や脳などの臓器よりも光散乱係数が高い頭蓋骨に囲まれているため、図１０に示すように光の大部分が脳組織を透過する状況であっても、頭蓋骨における光散乱の影響が脳組織における光の時間的拡散に影響を及ぼして、単純な光拡散方程式の解での解析が困難となっている。したがって、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を正確に測定することができないという問題点も生じている。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光散乱吸光媒質が幾何学的に複雑な形状であったり又は光学的に不均質であっても、その吸光係数および光散乱係数をリアルタイムに且つ正確に測定することができる、光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光散乱吸光媒質（ヒトを除く）の吸光係数および光散乱係数の測定方法は、(1) 光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて、入射光量、吸光係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解を求める第１のステップと、(2) 吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に対して光パルスを照射し、標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光を時間分解計測して第１の時間分解プロファイルを求める第２のステップと、(3) 第１の時間分解プロファイルに、標準試料の吸光係数および光散乱係数それぞれの値が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、実効的入射光量を求める第３のステップと、(4) 測定対象物に対して光パルスを照射し、測定対象物における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定するとともに、該出射光を時間分解計測して第２の時間分解プロファイルを求める第４のステップと、(5) 第２の時間分解プロファイルを出射光の光強度に基づいて補正する第５のステップと、(6) 第５のステップで補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める第６のステップと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この測定方法によれば、第１のステップで光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて求められた光拡散方程式の解は、第２のステップで吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料について求められた第１の時間分解プロファイルに、第３のステップにおいて当てはめ計算が行われて、実効的入射光量が求められる。次に、第４のステップで、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間分解プロファイルが求められ、第５のステップで、第２の時間分解プロファイルは出射光の光強度に基づいて補正され、第６のステップで、第５のステップで補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００１３】
第２のステップは、単一光子検出時間相関法により、第１の時間分解プロファイルを求め、第４のステップは、単一光子検出時間相関法により、出射光の光強度を測定するとともに第２の時間分解プロファイルを求めることとしてもよい。この場合、出射光が微弱であっても、吸光係数および散乱係数を正確に求めることができる。
【００１４】
第２のステップは、互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスを標準試料に照射して、第１の時間分解プロファイルを求め、第３のステップは、第１の時間分解プロファイルに基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて、複数の波長の光パルスそれぞれについての実効的入射光量を求め、第４のステップは、複数の波長の光パルスを測定対象物に照射して、出射光の光強度を測定するとともに、第２の時間分解プロファイルを求め、第５のステップは、第２の時間分解プロファイルに基づいて複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて補正し、第６のステップは、複数の波長の光パルスそれぞれについて測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求めることとしてもよい。この場合、分光分析が可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置は、(1) 光パルスを出力して、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に光パルスを入射させる光パルス光源部と、(2) 光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定する光強度測定部と、(3) 出射光を時間分解計測して、時間分解プロファイルを求める光強度時間分解測定部と、(4) 標準試料に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルに、測定対象物と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式の解に標準試料の吸光係数および散乱係数それぞれの値が代入されたものを当てはめて、実効的入射光量を求める入射光量算出手段と、(5) 測定対象物に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルを、光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて補正する時間分解プロファイル補正手段と、(6) 時間分解プロファイル補正手段により補正された時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解を当てはめて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める光散乱係数・吸光係数算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
この測定装置によれば、光パルス光源部から出力された光パルスは、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に入射される。光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の強度は、光強度測定部により測定される。また、その出射光は、光強度時間分解測定部により、時間分解計測されて、時間分解プロファイルを求められる。入射光量算出手段により、標準試料に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルに、測定対象物と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式の解が当てはめられて、実効的入射光量が求められる。時間分解プロファイル補正手段により、測定対象物に光パルスが照射されたときに光強度時間分解測定部により測定された出射光の時間分解プロファイルが、光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて補正される。そして、光散乱係数・吸光係数算出手段により、時間分解プロファイル補正手段により補正された時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００１７】
光強度測定部は、出射光の個々の光子を検出して電気的パルス信号を出力する単光子検出部と、電気的パルス信号を計数して出射光の光強度を求めるパルスカウンタを備え、光強度時間分解測定部は、光パルスの出射時刻から電気的パルス信号の発生時刻までの時間に応じた波高値の電気信号を出力する時間パルス波高変換部と、電気信号の波高値分布を生成して時間分解プロファイルを出力する波高分析部を備えることとしてもよい。この場合、単一光子検出時間相関法により出射光の光強度および時間分解プロファイルが得られるので、出射光が微弱であっても、吸光係数および散乱係数を正確に求めることができる。
【００１８】
更に、(1) 互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスが照射された測定対象物または標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光について光強度時間分解測定部により測定された時間分解プロファイルに基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求める各波長時間分解プロファイル決定部と、(2) 複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルおよび光強度測定部により測定された出射光の光強度に基づいて、複数の波長の光パルスそれぞれについての出射光の光強度を求める各波長検出強度決定部と、を備え、(a) パルス光源部は、複数の波長の光パルスそれぞれを順次出力し、(b) 入射光量算出手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて実効的入射光量を求め、(c) 時間分解プロファイル補正手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて時間分解プロファイルを補正し、(d) 光散乱係数・吸光係数算出手段は、複数の波長の光パルスそれぞれについて測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める、こととしてもよい。この場合、分光分析が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、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。
【００２０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【００２１】
光パルス光源１１０は、一定強度の光パルスを出力する。この光パルスは、入射用導光部１２０を経て、光散乱吸光媒質である測定対象物１０２、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料１０４に照射される。光パルス照射に伴い、測定対象物１０２または標準試料１０４において多重散乱に伴って発生した透過光または反射光は、受光用導光部１３０を経て、光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０に入射する。
【００２２】
ここで、入射用導光部１２０および受光用導光部１３０それぞれとして、例えば光ファイバが用いられる。また、受光用導光部１３０は、入射端は１つであるが、途中で２分岐しており２つの出射端を有し、一方の出射端が光パワーメータ１４０に接続されており、他方の出射端が光強度時間分解測定部１５０に接続されている。光パワーメータ１４０は、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に透過または反射して出射した光パルスの時間平均的な光強度Ｉ_obs を計測する。また、光強度時間分解測定部１５０は、例えばストリーク管が好適に用いられ、光パルス光源１１０から出力される光パルスに同期したトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に透過または反射して出射した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)を測定する。
【００２３】
光パワーメータ１４０により測定された光強度Ｉ_obs 、および、光強度時間分解測定部１５０により測定された光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、演算部１６０に入力する。そして、演算部１６０は、光強度時間分解測定部１５０により測定された光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)が測定対象物１０２および標準試料１０４の何れについてのものであるかに依って以下の処理を行う。
【００２４】
標準試料１０４から反射または透過した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、演算部１６０の入射光量Ａ算出部１６４により、
【数４】

なる当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａが決定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自乗法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、測定対象物１０２と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間変数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_aをパラメータとするものである。ただし、ここでは、標準試料１０４の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知であり、光拡散方程式の解には、これら既知の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a それぞれの値が代入されている。
【００２５】
一方、測定対象物１０２から反射または透過した光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、光パワーメータ１４０で測定された光強度Ｉ_obs とともに、演算部１６０の時間分解プロファイル補正部１６２により、
【数５】

なる演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が得られる。
【００２６】
そして、演算部１６０の光散乱係数・吸光係数算出部１６６は、時間分解プロファイル補正部１６２で得られた補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）とから、
【数６】

なる当てはめ計算を行い、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求める。この当てはめ計算に際しても例えば最小自乗法が用いられる。（６）式における値Ａは、（４）式で求められた実効的な入射光量Ａの値が用いられる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る測定装置を用いた測定方法について説明する。先ず、第１のステップとして、予め、演算部１６０は、光散乱吸光媒質である測定対象物１０２と同じ形状のものについて、入射光量、光散乱係数μ_a および吸光係数μ_s'をパラメータとする光拡散方程式（（１）式）の解を求めておく。
【００２８】
第２のステップとして、標準試料１０４について測定を行って光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)を求める。すなわち、光パルス光源１１０から光パルスを出射し、その光パルスを入射用導光部１２０を経て標準試料１０４に対して入射させる。そして、標準試料１０４から出力された光パルスの反射光または透過光を、受光用導光部１３０を経て光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに入射させて、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれを測定する。
【００２９】
そして、第３のステップとして、この標準試料１０４について求められた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、実効的な入射光量Ａを求める。すなわち、入射光量Ａ算出部１６４により、光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)を用いて、（４）式の当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａが求められる。
【００３０】
続いて、第４のステップとして、標準試料１０４に替えて測定対象物１０２に対して、同様に、光パルス光源１１０から出射された光パルスが入射され、測定対象物１０２から出力された光パルスの反射光または透過光が、受光用導光部１３０を経て、光パワーメータ１４０および光強度時間分解測定部１５０それぞれに入射して、平均的な光強度Ｉ_obs および光強度の時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれが測定される。
【００３１】
そして、第５のステップとして、時間分解プロファイル補正部１６２により、測定対象物１０２について得られた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（５）式に従って、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が求められる。さらに、第６のステップとして、光散乱係数・吸光係数算出部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行われて、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる。
【００３２】
このような構成としたことにより、（６）式の当てはめ計算に際して入射光の実効値Ａについては既知であるので、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a の２つの値のみを求めればよい。したがって、これらの値を短時間に算出することが可能となり、測定対象物１０２が生体試料であっても、その生理変化の様子をリアルタイムに測定することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。本実施形態に係る測定装置は、単一光子検出時間相関法により光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)それぞれを測定するものであり、測定対象物からの出射光が微弱である場合に好適に用いられるものである。
【００３４】
本実施形態では、光パルス光源１１０から出力された光パルスは、入射用導光部１２０を経て測定対象物１０２または標準試料１０４に入射し、測定対象物１０２または標準試料１０４の内部で多重散乱した後に出射された反射光または透過光は、受光用導光部１３２を経て単光子検出部１７０により光子検出されて電気パルス信号に変換される。この単光子検出部１７０として例えば光電子増倍管が好適に用いられる。
【００３５】
この単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号は、パルスカウンタ１７２および時間パルス波高変換部１７４に入力する。パルスカウンタ１７２は、単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出力する。
【００３６】
一方、時間パルス波高変換部１７４は、光パルス光源１１０から出力された光パルスに同期したトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、単光子検出部１７０から出力された電気パルス信号が入力される時刻に応じた波高値を有する電気パルス信号を出力する。波高分析部１７６は、この時間パルス波高変換部１７４から出力された電気パルス信号を入力して、その波高値毎に計数して波高分布を求め、この波高分布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)として出力する。
【００３７】
このようにして単一光子検出時間相関法により測定された光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、前述の第１の実施形態と同様に、演算部１６０に入力される。そして、入射光量Ａ算出部１６４により、標準試料１０４を用いた測定により得られた時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（４）式に当てはめ計算が行われて、入射光の実効値Ａが求められる。次に、時間分解プロファイル補正部１６２により、測定対象物１０２を用いた測定により得られた光強度Ｉ_obs および時間分解プロファイルｆ_obs(t)に基づいて、（５）式に従って、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_obs(t)が算出される。さらに、光散乱計数・吸光計数算出部１６６により、（６）式の当てはめ計算が行われて、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる。
【００３８】
このような構成として単一光子検出時間相関法を採用したことにより、測定対象物１０２に光パルスが入射して多重散乱した後に出射される出射光が微弱であっても、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を精度よく且つリアルタイムに測定することができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図３は、第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。本実施形態に係る測定装置は、複数の光パルス光源を備えて、複数波長それぞれについて光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求めることができ、分光分析にも応用できるものである。
【００４０】
複数の光パルス光源２１１，２１２，…，２１Ｎそれぞれは、互いに異なる波長λ₁ ，λ₂ ，…，λ_N それぞれの光パルスを出力するものであり、トリガー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号に基づいて、順次光パルスを１パルスづつ出力する。複数の光パルス光源２１１〜２１Ｎそれぞれから出力された光パルスそれぞれは、入射用導光部２２０のそれぞれの入射端に入射して合波された後、入射用導光部２２０の出射端から、測定対象物１０２または標準試料１０４に照射される。そして、この光パルス照射に伴って測定対象物１０２または標準試料１０４から出射された反射光または透過光は、受光用導光部２３０を経て単光子検出部２７０により光子検出されて電気パルス信号に変換される。
【００４１】
この単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号は、パルスカウンタ２７２および時間パルス波高変換部２７４に入力する。パルスカウンタ２７２は、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号を一定時間計数し、この計数値を光強度Ｉ_obs として出力する。
【００４２】
一方、時間パルス波高変換部２７４は、トリガー信号発生器２７８から出力されたトリガー信号をも入力し、このトリガー信号到達時刻を基準時刻として、単光子検出部２７０から出力された電気パルス信号が入力される時刻に応じた波高値を有する電気パルス信号を出力する。波高分析部２７６は、この時間パルス波高変換部２７４から出力された電気パルス信号を入力してその波高値毎に計数して波高分布を求め、この波高分布を時間分解プロファイルｆ_obs(t)として出力する。
【００４３】
この複数の光パルス光源２１１，２１２，…，２１Ｎそれぞれから出力された光パルスの強度波形、および、波高分析部２７６により生成される時間分解プロファイルｆ_obs(t)を図４に示す。この図に示すように、トリガー信号発生器２７８から出力される１つのトリガー信号に対して、光パルス光源２１１〜２１Ｎそれぞれから順次に光パルスが出力される。ここで、各光パルスは互いに時間的に重なることはなく、また、各波長λ_i 毎の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)も互いに時間的に重なることはない（i=1,2,…,N）。
【００４４】
この波高分析部２７６により生成された時間分解プロファイルｆ_obs(t)は、各波長時間分解プロファイル決定部２６８により、各波長λ_i 毎に分解されて、各波長λ_i それぞれについての時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)が得られる（i=1,2,…,N）。さらに、各波長検出強度決定部２６９により、各波長λ_i 毎の光強度Ｉ_i,obs （i=1,2,…,N）が以下のようにして求められる。すなわち、パルスカウンタ２７２により求められた光強度Ｉ_obs は、各波長λ_i の光強度Ｉ_i,obs （i=1,2,…,N）の和、すなわち、
【数７】

で表され、また、各波長λ_i についての光強度Ｉ_i,obs は時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)の時間積分値に比例し（i=1,2,…,N）、
【数８】

なる関係式が成り立つ。これらの関係式から、各波長λ_i の光パルスについての光強度Ｉ_i,obs が求められる（i=1,2,…,N）。また、（５）式と同様の
【数９】

なる関係式が各波長λ_i （i=1,2,…,N）の光パルスについて成立する。
【００４５】
したがって、前述の第１または第２の実施形態と同様にして、各波長λ_i それぞれについて、光強度Ｉ_i,obs および時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)に基づいて測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a が求められる（i=1,2,…,N）。すなわち、標準試料１０４から反射または透過した波長λ_i の光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)は、演算部２６０の各波長入射光量Ａ_i算出部２６４により、（４）式の当てはめ計算が行われて、実効的な入射光量Ａ_iが決定される。この当てはめ計算に際しては例えば最小自乗法が用いられる。ここで、ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）は、測定対象物１０２と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式（（１）式）の解であって、時間変数ｔ、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a をパラメータとするものである。ただし、標準試料１０４の場合であるので、光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a は既知である。
【００４６】
一方、測定対象物１０２から反射または透過した波長λ_i の光パルスの光強度の時間分解プロファイルｆ_i,obs(t)は、各波長検出強度決定部２６９で決定された光強度Ｉ_i,obs とともに、演算部２６０の各波長時間分解プロファイル補正部２６２により、（９）式の演算が行われて補正係数ｋが求められ、さらに、補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_i,obs(t)が得られる。
【００４７】
そして、演算部２６０の各波長光散乱係数・吸光係数算出部２６６は、各波長時間分解プロファイル補正部２６２で得られた補正された時間分解プロファイルｋ・ｆ_i,obs(t)と、光拡散方程式の解ｆ_calc（t,μ_s',μ_a）とから、（６）式の当てはめ計算を行い、測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a を求める。この当てはめ計算に際しても例えば最小自乗法が用いられる。（６）式における値Ａ_i は、（４）式で求められた実効的な入射光量Ａ_iの値が用いられる。
【００４８】
このような構成としたことにより、各波長毎に測定対象物１０２の光散乱係数μ_s'および吸光係数μ_a の２つの値のみを求めればよく、したがって、これらの値を短時間に算出することが可能となり、測定対象物１０２が生体試料であっても、その生理変化の様子をリアルタイムに多波長で分光測定することができる。
【００４９】
（測定例）
次に、第２の実施形態に係る測定装置を用いた測定例について説明する。この測定において、測定対象物１０２は、麻酔下にある子豚の頭部であり、図５に示すように、照明用導光部１２０および受光用導光部１３２が互いに３ｃｍの距離だけ離れて固定配置されている。この子豚は、人工呼吸器につながれていて吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）の調整が可能となっている。
【００５０】
光パルス光源１１０としてレーザ光源（波長７６０ｎｍ、パルス幅約１ピコ秒程度）を用い、この子豚頭部（測定対象物１０２）に、光パルス光源１１０から出力され照明用導光部１２０を経た光パルスを入射し、子豚頭部からの反射光を受光用導光部１３２を経て単光子検出部１７０で光子検出し、時間パルス波高変換部１７４および波高分析部１７６により時間分解プロファイルを求めた。その測定結果を図６に示す。
【００５１】
この図において、破線は、本測定で用いた時間分解プロファイル測定系（単光子検出部１７０、時間パルス波高変換部１７４および波高分析部１７６）の測定精度を示すものであり、光パルス光源１１０から出力されたパルス幅数ピコ秒の光パルスをそのまま受光した場合であっても、この破線に示す程度の拡がりのあるパルスとして検出されることを示している。点は、実際に光パルス光源１１０からの光パルスを測定対象物１０２に入射し、その測定対象物１０２から出射した反射光について、波高分析部１７６により得られた時間分解プロファイルの測定結果を示す。
【００５２】
実線は、標準試料１０４について求めた実効的な入射光量Ａと、点で示された測定対象物（子豚頭部）１０２での時間分解プロファイルとから、破線で示された時間分解プロファイル測定系の測定精度をも考慮して、時間分解プロファイル補正部１６２による（５）式の補正計算および光散乱係数・吸光係数算出部１６６による（６）式の当てはめ計算を行った結果を示す。この当てはめ計算の結果、子豚頭部内の光散乱係数の値として０．９２ｍｍ^-1、吸光係数の値として０．０１２ｍｍ^-1が得られた。ここで、標準試料は、波長８００ｎｍにおいて、光散乱係数が１ｍｍ^-1であり、吸光係数が０．０１ｍｍ^-1である試料である。また、実効的な入射光量Ａは、この標準試料１０４に光パルスを入射して得られた出射光の光強度および時間分解プロファイルに基づいて、入射光量Ａ算出部１６４における（４）式の当てはめ計算により決定された値である。
【００５３】
この測定を繰り返し行い、その間に人工呼吸器による子豚への吸入酸素濃度（ＦｉＯ₂ ）を、当初２０．９％（即ち、空気中の酸素濃度）、次に１００％、最後に１４．６％というようにステップ状に変化させて同様に測定した。また、子豚頭部への実効的な入射光量Ａは一定であるとして同様の（６）式の当てはめ計算を行った。その結果のグラフを図７に示す。図７（ａ）は、光散乱係数・吸光係数算出部１６６により（６）式の当てはめ計算の結果として得られた子豚頭部内の光散乱係数（図中の○印）および吸光係数（図中の△印）の変化の様子を、図７（ｂ）は、パルスカウンタ１７２により得られた光強度Ｉ_obs の変化の様子を、それぞれ示す。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、子豚の吸入酸素濃度が高くなれば、吸光係数は小さくなり、逆に、子豚の吸入酸素濃度が低くなれば、吸光係数は大きくなっていることが判る。この結果は、以下のように説明される。すなわち、近赤外領域（波長６５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）の光の生体内における吸収は、血液中のヘモグロビンによる吸収が大部分であり、その中でも特に波長７６０ｎｍ付近の光は、酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ₂ ）より脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に強く吸収される。したがって、子豚の吸入酸素濃度を下げると、子豚頭部内の酸素濃度が減少し、血液中の脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の割合が高くなり、子豚頭部内の吸光係数が高くなる。つまり、吸光係数の変化は、子豚頭部内のヘモグロビンの脱酸素化を反映したものとなっていることが判る。
【００５５】
また、図７（ａ）および（ｂ）から、子豚の吸入酸素濃度が２０．９％または１００％の場合には、光散乱係数は殆ど一定であるが、子豚の吸入酸素濃度が１４．６％になると、これに伴って、子豚頭部内において酸素交換が行われなくなり脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の割合が大きくなって子豚頭部内の吸光係数が増加し、これにやや遅れて、子豚頭部内の光散乱係数が減少していることが認められる。
【００５６】
この本発明に係る測定方法による測定結果を、従来の方法による測定結果と比較してみる。図８は、従来の方法による測定結果を示すグラフである。実験条件は、本発明に係る測定における条件と同様である。この図８を見ると、従来方法では、子豚への吸入酸素濃度が２０．６％から１００％に変化しても、測定により得られた吸光係数は殆ど変化していない。また、子豚への吸入酸素濃度が１００％から１４．６％に変化したときに、吸光係数と光散乱係数とは略同時に変化を開始している。
【００５７】
以上のことから、従来方法では、吸光係数の変化と光散乱係数の変化とが分離測定されておらず、正確な測定結果が得られていないのに対して、本発明に係る測定方法によれば、吸光係数と光散乱係数とが分離して測定され、より正確な測定結果が得られていることが判る。
【００５８】
また、従来方法では、測定対象物について得られた時間分解プロファイルに基づいて当てはめ計算を行って吸光係数および光散乱係数を算出するのに、約５秒要していたのに対して、本発明に係る方法によれば、計算量が削減されたことにより、約２秒であった。したがって、本発明によれば、生理状態が時々刻々と変化する生体組織の吸光係数および光散乱係数をリアルタイムに測定することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、先ず、光散乱吸光媒質である測定対象物と同じ形状のものについて求められた入射光量、吸光係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解は、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料について求められた第１の時間分解プロファイルに当てはめ計算が行われて、実効的入射光量が求められる。次に、測定対象物について出射光の光強度と第２の時間分解プロファイルが求められ、この第２の時間分解プロファイルは出射光の光強度に基づいて補正され、この補正された第２の時間分解プロファイルに、実効的入射光量が代入された光拡散方程式の解が当てはめられて、測定対象物の吸光係数および光散乱係数が求められる。
【００６０】
このような構成としたので、測定対象物について得られた第２の時間分解プロファイルに光拡散方程式の解の当てはめ計算を行う際には、実効的入射光量が既に得られているので、光散乱係数および吸光係数の２変数のみについて解析すればよく、従来技術に比べて計算量が少なくて済み、リアルタイム測定が可能となる。したがって、時間経過とともに変化する生体組織の生理状態を観察する場合であっても、リアルタイムに観察することが可能となる。
【００６１】
さらに、実効的入射光量については標準試料を用いて求め、測定対象物の光散乱係数および吸光係数については、第２の時間分解プロファイルに光拡散方程式の解の当てはめ計算を行うことに求めることとしたので、それぞれの測定を正確に行うことが可能となり、測定対象物の光散乱係数および吸光係数それぞれの変化を分離して測定することが可能となる。
【００６２】
また、単一光子検出時間相関法により出射光の光強度および時間分解プロファイルを測定すれば、その出射光が微弱である場合でも、測定対象物の光散乱係数および吸光係数を精度良く測定することができる。
【００６３】
また、複数波長の光パルスを順次に測定対象物または標準試料に照射して、複数波長の光パルスそれぞれについて出射光の光強度および時間分解プロファイルを求めることにより、分光分析を行うことができ、更に有用な情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図２】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図３】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置の構成図である。
【図４】第３の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置における複数の光パルス光源それぞれから出力された光パルスの強度波形、および、波高分析部により生成される時間分解プロファイルである。
【図５】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における測定対象物の説明図である。
【図６】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定における時間分解測定結果を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置を用いた測定において、吸入酸素濃度を、当初２０．９％（即ち、空気中の酸素濃度）、次に１００％、最後に１４．６％というようにステップ状に変化させた場合の測定結果を示すグラフである。
【図８】従来の方法による測定結果を示すグラフである。
【図９】光散乱吸光媒質に入射した光パルスの多重散乱の説明図である。
【図１０】頭蓋骨の中の脳組織に光パルスを入射したときの光検出の説明図である。
【符号の説明】
１０２…測定対象物、１０４…標準試料、１１０…光パルス光源、１２０…入射用導光部、１３０，１３２…受光用導光部、１４０…光パワーメータ、１５０…光強度時間分解測定部、１６０…演算部、１６２…時間分解プロファイル補正部、１６４…入射光量Ａ算出部、１６６…光散乱係数・吸光係数算出部、１７０…単光子検出部、１７２…パルスカウンタ、１７４…時間パルス波高変換部、１７６…波高分析部、２１１，２１２，…，２１Ｎ…光パルス光源、２２０…入射用導光部、２３０…受光用導光部、２６０…演算部、２６２…各波長時間分解プロファイル補正部、２６４…各波長入射光量Ａi算出部、２６６…光散乱係数・吸光係数算出部、２６８…各波長時間分解プロファイル決定部、２６９…各波長検出強度決定部、２７０…単光子検出部、２７２…パルスカウンタ、２７４…時間パルス波高変換部、２７６…波高分析部、２７８…トリガー信号発生器。

Claims (6)

1. 光散乱吸光媒質である測定対象物（ヒトを除く）と同じ形状のものについて、入射光量、吸光係数および光散乱係数をパラメータとする光拡散方程式の解を求める第１のステップと、
   吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に対して光パルスを照射し、前記標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光を時間分解計測して第１の時間分解プロファイルを求める第２のステップと、
   前記第１の時間分解プロファイルに、前記標準試料の吸光係数および光散乱係数それぞれの値が代入された前記光拡散方程式の解を当てはめて、実効的入射光量を求める第３のステップと、
   前記測定対象物に対して光パルスを照射し、前記測定対象物における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定するとともに、該出射光を時間分解計測して第２の時間分解プロファイルを求める第４のステップと、
   前記第２の時間分解プロファイルを前記出射光の光強度に基づいて補正する第５のステップと、
   前記第５のステップで補正された前記第２の時間分解プロファイルに、前記実効的入射光量が代入された前記光拡散方程式の解を当てはめて、前記測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める第６のステップと、
   を備えることを特徴とする光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法。
2. 前記第２のステップは、単一光子検出時間相関法により、前記第１の時間分解プロファイルを求め、
   前記第４のステップは、単一光子検出時間相関法により、前記出射光の光強度を測定するとともに前記第２の時間分解プロファイルを求める、
   ことを特徴とする請求項１記載の光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法。
3. 前記第２のステップは、互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスを前記標準試料に照射して、前記第１の時間分解プロファイルを求め、
   前記第３のステップは、前記第１の時間分解プロファイルに基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて、前記複数の波長の光パルスそれぞれについての前記実効的入射光量を求め、
   前記第４のステップは、前記複数の波長の光パルスを前記測定対象物に照射して、前記出射光の光強度を測定するとともに、前記第２の時間分解プロファイルを求め、
   前記第５のステップは、前記第２の時間分解プロファイルに基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求めて補正し、
   前記第６のステップは、前記複数の波長の光パルスそれぞれについて前記測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める、
   ことを特徴とする請求項１記載の光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定方法。
4. 光パルスを出力して、光散乱吸光媒質である測定対象物、または、吸光係数および光散乱係数が既知である標準試料に前記光パルスを入射させる光パルス光源部と、
   前記光パルスが照射された前記測定対象物または前記標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光の光強度を測定する光強度測定部と、
   前記出射光を時間分解計測して、時間分解プロファイルを求める光強度時間分解測定部と、
   前記標準試料に前記光パルスが照射されたときに前記光強度時間分解測定部により測定された前記出射光の時間分解プロファイルに、測定対象物と同じ形状のものについて解かれた光拡散方程式の解に前記標準試料の吸光係数および散乱係数それぞれの値が代入されたものを当てはめて、実効的入射光量を求める入射光量算出手段と、
   前記測定対象物に前記光パルスが照射されたときに前記光強度時間分解測定部により測定された前記出射光の時間分解プロファイルを、前記光強度測定部により測定された前記出射光の光強度に基づいて補正する時間分解プロファイル補正手段と、
   前記時間分解プロファイル補正手段により補正された前記時間分解プロファイルに、前記実効的入射光量が代入された前記光拡散方程式の解を当てはめて、前記測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める光散乱係数・吸光係数算出手段と、
   を備えることを特徴とする光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置。
5. 前記光強度測定部は、前記出射光の個々の光子を検出して電気的パルス信号を出力する単光子検出部と、前記電気的パルス信号を計数して前記出射光の光強度を求めるパルスカウンタを備え、
   前記光強度時間分解測定部は、前記光パルスの出射時刻から前記電気的パルス信号の発生時刻までの時間に応じた波高値の電気信号を出力する時間パルス波高変換部と、前記電気信号の波高値分布を生成して前記時間分解プロファイルを出力する波高分析部を備える、
   ことを特徴とする請求項４記載の光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置。
6. 互いに時間的に重なることなく且つ互いに異なる複数の波長の光パルスが照射された前記測定対象物または前記標準試料における多重散乱に伴って発生した出射光について前記光強度時間分解測定部により測定された時間分解プロファイルに基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルを求める各波長時間分解プロファイル決定部と、
   前記複数の波長の光パルスそれぞれについての時間分解プロファイルおよび前記光強度測定部により測定された前記出射光の光強度に基づいて、前記複数の波長の光パルスそれぞれについての前記出射光の光強度を求める各波長検出強度決定部と、
   を更に備え、
   前記パルス光源部は、前記複数の波長の光パルスそれぞれを順次出力し、
   前記入射光量算出手段は、前記複数の波長の光パルスそれぞれについて前記実効的入射光量を求め、
   前記時間分解プロファイル補正手段は、前記複数の波長の光パルスそれぞれについて前記時間分解プロファイルを補正し、
   前記光散乱係数・吸光係数算出手段は、前記複数の波長の光パルスそれぞれについて前記測定対象物の吸光係数および光散乱係数を求める、
   ことを特徴とする請求項４記載の光散乱吸光媒質の吸光係数および光散乱係数の測定装置。

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