JPH05142236A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定に対する拡散体表面からの反射光の影響
を除去できる光学測定装置を提供する。 【構成】 測定対象である生体表面を穴あきミラー４の
穴部分を介して直線偏光光源１３により照明する。生体
方向からの戻り光は、レンズ１、穴あきミラー４、レン
ズ２により受光素子５の受光面に結像される。受光素子
に至る光量の内訳は、組織表面からの反射光、組織での
多重散乱光、および血管内の赤血球からの散乱光であ
る。受光素子５前方には、生体表面からの反射光のもつ
偏光成分の方向に対して、その偏光方向が直交するよう
に偏光子６が設置される。生体表面からの反射光は、直
線偏光光源１３による直線偏光の方向を保持しているの
で、このノイズとしての測定対象表面からの反射光成分
を偏光子６により除去し、拡散体の測定対象内部の現象
を反映した光成分のみを受光することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学測定装置、特に拡散
体の測定対象内部の所定の現象を測定する光学測定装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、拡散体に光を照射して、拡散
体内の散乱光から吸光情報などを測定したり、拡散体内
を移動する粒子からの散乱光を受光してその周波数情報
から流速を測定する装置が知られている。

【０００３】拡散体としては生体組織などが挙げられ、
拡散体内の吸光情報をもつ物質として、赤血球や血しょ
うなどが、また拡散体内を移動する粒子として、血管内
の赤血球などがあり、たとえば、皮膚組織に光を照射
し、生体のもつパラメータを測定する装置としては、パ
ルスオキシメータやレーザー血流計などが存在する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種の光学測定にお
いて、拡散体である生体組織に光を照射すると光は多重
散乱を繰り返して深部へと到達していくが、目的とする
領域の血球からの散乱光が情報であり、他の組織からの
散乱光は全てノイズである。

【０００５】これらのノイズ源の１つとして、組織表面
からの戻り光または反射光が存在する。ここで、図１を
参照して、従来構造としてレーザー光源を用いた血流計
を例として説明する。但し、実際の血流計における光学
系には、光ファイバなどが使用されており、図示した構
成は原理的なものである。

【０００６】図１において、光源３からの光は穴開きミ
ラー４の穴の部分を通過してレンズ１を介して生体表面
に照射される。照射された光の多くは生体表面で反射さ
れる。残りの光は組織内で多重散乱を繰り返し、その一
部は組織の血管内の赤血球で散乱される。

【０００７】赤血球で散乱された光は更に多重散乱を繰
り返し、その一部は再び生体表面まで戻る。戻った光は
レンズ１と穴開きミラー４、レンズ２の組み合わせによ
り受光素子５の受光面に結像される。受光素子に至る光
量の内訳は、組織表面からの反射光、組織での多重散乱
光、および血管内の赤血球からの散乱光である。

【０００８】これらの散乱光の周波数成分を解析して血
流速度を解析することができる。この場合、受光面には
組織からの血流速度情報を含んだ光信号に加えて、組織
表面からの戻り光が重なって受光される。これは測定に
誤差をもたらし、また、測定感度にも影響をもたらす。
特に生体表面での反射光量は大きな問題となる。

【０００９】本発明の課題は、以上の問題を解決し、測
定に対する拡散体表面からの反射光の影響を除去できる
光学測定装置の構造を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明においては、拡散体の測定対象内部の所定
の現象を測定する光学測定装置において、直線偏光の照
射光を照射する光源と、測定対象方向からの光を受光す
る受光手段と、測定対象表面からの反射光のもつ偏光成
分の方向に対して、その偏光方向が直交するように設置
された偏光手段を有し、測定対象表面からの反射光を除
去した拡散体の測定対象内部の現象を反映した光成分の
みを前記受光手段により受光する構成を採用した。

【００１１】

【作用】以上の構成によれば、測定対象表面からの反射
光は、光源による直線偏光の方向を保持しているので、
この成分を偏光手段により除去し、拡散体の測定対象内
部の現象を反映した光成分のみを受光することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を
詳細に説明する。ただし、従来例と同一ないし相当する
部材に関しては同一符号を付しその詳細な説明は省略す
る。

【００１３】図２は、本発明を実施したレーザー血流速
測定装置の実施例を示す。図２に本実施例では、受光面
の前に偏光子６を設置し、生体表面からの反射光を除去
するようにしてある。偏光子６は、その偏光方向が戻り
光の偏光方向と直交するように設置する。

【００１４】直線偏光光源１３からの直線偏光の照明光
は生体組織表面に照射され、レンズ１、穴あきミラー
４、レンズ２を経、偏光子６を介して受光素子５に入力
される。

【００１５】受光素子５の受光面に至る光量の内訳は上
に述べたように、表面からの戻り光、組織（拡散体内
部）の散乱光、および血球からの情報をもった散乱光か
らなる。

【００１６】図２の構成によれば、血流情報に関しては
ノイズである生体表面からの反射光は全て除去される。
なぜなら、生体表面からの反射光は、直線偏光光源１３
による直線偏光成分がまだ保存されており、前記のよう
に偏光子６その偏光方向が、戻り光の偏光方向と直交す
るように設置しているので、受光素子５の受光面の前に
設置した偏光子６を通過することができない。

【００１７】一方、血球からの散乱光は多重散乱を繰り
返した光であるので、偏光成分はランダムであり、一部
の光は偏光子６を通過する。したがって、受光素子５の
受光面に至る光量において、血球などの粒子からの散乱
光量の相対的な割合が増加する。

【００１８】以下、上記構成における効果を図３に示し
た拡散体モデルについて示す。このモデルは、拡散体と
してのテフロンブロック１０内にシリコンチューブ１１
を通し、このシリコンチューブ１１内にポリスチレンラ
テックス懸濁液１２を流すことにより構成される。

【００１９】シリコンチューブ１１はテフロン１０の内
の深さ５ｍｍの位置に埋設される。ポリスチレンラテッ
クス粒子懸濁液１２はポンプにてシリコンチューブ１１
内に流す。以下、このモデルに対する実験について述べ
る。

【００２０】本実験は、図２の光学系に図４のような測
定回路を接続して行なった。図４では、受光素子５で受
光した光量を電流電圧変換器を内部にもつＡＣ（交流）
アンプ７で増幅し、ＡＣアンプ７の出力のＲＭＳ（実
効）値をＲＭＳ測定器８により測定する。

【００２１】ポリスチレンラテックス粒子懸濁液１２を
流さない場合、偏光子６を回転させていき、その回転角
に対するＡＣ受光量のＲＭＳ値をプロットすると図５の
ようになる。このＲＭＳ値の斜線部分は、受光素子５に
生体表面からの戻り光に由来する光電流が受光素子５に
流れることにより発生するショットノイズで、フォトダ
イオードなどから成る受光素子５の暗電流ノイズに重畳
されている。

【００２２】図示のように、モデルからの戻り光の多く
は直線偏光光源１３による偏光成分を保存しているため
に、光電流由来のノイズが偏光子の角度によって変化し
ていることが分かる。なお、ここではＡＣ成分を図って
いるのでテフロンブロック１０の拡散成分は現れていな
い。

【００２３】次に、懸濁液を流した場合の偏光子６の角
度に対する光量変化を図６に示す。この場合、ポリスチ
レンラテックス粒子懸濁液１２中のポリスチレンラテッ
クスの流れにより、流速に依存したＡＣ成分を図５の場
合の受光光量に加えたものが測定される。

【００２４】この流速に依存したＡＣ成分は、テフロン
１０内で多量散乱が繰り返されるために、偏光成分はラ
ンダムとなり偏光子の回転角に依存しない。すなわち、
図６は、図５の結果に角度依存のないポリスチレンラテ
ックス粒子懸濁液１２中のポリスチレンラテックス粒子
の流速情報をもったＡＣ成分が加わった結果を示す。

【００２５】従って、この構成では、図６で偏光子の方
向を偏光角で０゜、１８０°の位置に設置すると、光電
流に由来するショットノイズが最小になり、拡散体の深
部の散乱光すなわち、流速情報をもった光信号を主とし
て受光できることが分かる。

【００２６】上記の偏光子６の測定に最適な角度は、Ｒ
ＭＳ測定器８の出力を監視しながら、自動的に制御する
ようにしてもよい。あるいは、このようなキャリブレー
ションをメンテナンスの際に実施できるように、測定対
象の生体の配置位置に、前述のテフロン１０のような部
材を設置できるような構造を用いてもよい。

【００２７】このＳ／Ｎ改善は、図２で示したように偏
光子６を設置することで実現できる。また、ここでは偏
光子６を用いたが、穴空きミラー４に偏光特性をもたせ
て、偏光の変化していない測定対象からの直接反射光を
受光素子５の方向に反射しないように構成しても、前記
同様の効果がある。

【００２８】次に偏光子６の透過ロスが問題となる場合
について述べる。

【００２９】これまでは、偏光子６を常時装着すること
で生体表面からの戻り光除去を行なうことを述べたが、
測定開始前のみに偏光子６を装着して表面からの戻り光
量を測定対象ごとに見積もることも可能である。

【００３０】即ち、測定前に偏光子６を回転させ、図６
のデータを取得する。戻り光由来のノイズ（図６中の斜
線部）Ｉpを偏光子の回転角度θ＝０°〜３６０°にわ
たって積算し生体表面からの光による光電流由来ノイズ
Ｉpoを求める

【００３１】

【数１】

【００３２】次に、図６のデータでの最小値（図６では
０°、１８０°、３６０°）の値Ｉsmを偏光子の回転角
度０°〜３６０°にわたって積算し、光電流に由来しな
い信号と暗電流の和Ｉsoを求める。

【００３３】

【数２】

【００３４】表面戻り光由来ノイズを含まないときの全
信号を戻り光を含む場合の全信号で除した値Ｋは Ｋ＝Ｉso／（Ｉso＋Ｉpo・α） となる（ここで、αは偏光子の透過ロスで定まる既知の
係数）。

【００３５】偏光子を除去後に実際に測定される信号は
Ｉso'＋Ｉpo'であるので、上述のＫより、 Ｉso'=（Ｉso'＋Ｉpo’）・Ｋ と見積もることができ（ここで、Ｉso'，Ｉpo'は偏光子
を取り除いた時の信号）、常時偏光子６を装着した場合
と比較して、偏光子の透過ロスが存在しなくなる。

【００３６】すなわち、あらかじめ上記のようにして定
数Ｋを求めておき、偏光子を外して光量測定を行なう。
このとき（Ｉso'＋Ｉpo'）が測定されるから、この値に
Ｋを乗ずることにより、生体内部からの信号を求めるこ
とができる。この方法は、実際の測定においては偏光子
の光量ロスがないために、たとえば周波数解析などを行
ない、微小なレベルのスペクトルを扱う場合に有効であ
る。

【００３７】以上では、レーザー血流速測定装置の実施
例を示したが、拡散体内の散乱光から吸光情報などを測
定したり、拡散体内を移動する粒子からの散乱光を受光
してその周波数情報から流速を測定する種々の光学測定
装置に本発明を実施できるのはいうまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば、拡散体の測定対象内部の所定の現象を測定する光学
測定装置において、直線偏光の照射光を照射する光源
と、測定対象方向からの光を受光する受光手段と、測定
対象表面からの反射光のもつ偏光成分の方向に対して、
その偏光方向が直交するように設置された偏光手段を有
し、測定対象表面からの反射光を除去した拡散体の測定
対象内部の現象を反映した光成分のみを前記受光手段に
より受光する構成を採用しており、測定対象表面からの
反射光は、光源による直線偏光の方向を保持しているの
で、このノイズとしての測定対象表面からの反射光成分
を偏光手段により除去し、拡散体の測定対象内部の現象
を反映した光成分のみを受光し、測定Ｓ／Ｎ比を著しく
向上できるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光学測定装置の光学系の基本構造を示し
た説明図である。

【図２】本発明を採用した光学測定装置の光学系の基本
構造を示した説明図である。

【図３】本発明を採用した光学測定装置における拡散体
モデルを示した説明図である。

【図４】本発明を採用した光学測定装置の光学系、制御
回路を示す説明図である。

【図５】本発明を採用した光学測定装置において懸濁液
中のポリスチレンラテックスを流さない場合の受光量を
示した線図である。

【図６】本発明を採用した光学測定装置において懸濁液
中のポリスチレンラテックスを流した場合の受光量を示
した線図である。

【符号の説明】

１ レンズ ２ レンズ ３ 光源 ４ 穴あきミラー ５ 受光素子 ６ 偏光子 ７ ＡＣアンプ ８ ＲＭＳ測定器 １０ テフロン １１ シリコンチューブ １２ ポリスチレンラテックス粒子懸濁液 １３ 直線偏光光源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 拡散体の測定対象内部の所定の現象を測
   定する光学測定装置において、 直線偏光の照射光を照射する光源と、 測定対象方向からの光を受光する受光手段と、 測定対象表面からの反射光のもつ偏光成分の方向に対し
   て、その偏光方向が直交するように設置された偏光手段
   を有し、 測定対象表面からの反射光を除去した拡散体の測定対象
   内部の現象を反映した光成分のみを前記受光手段により
   受光することを特徴とする光学測定装置。