JPH0843295A - 光生体計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光生体計測を、幅広い光量にわたって対応す
ることができ、測定時間も比較的短くすることができ、
しかも小型で安価に実現できるようにする。 【構成】 光源２２からのパルス光が被検体２８に照射
され、光照射点から離れた位置から出射する拡散透過反
射光が光電子増倍管３２に受光される。光電子増倍管３
２は照射光と同期したゲート信号により駆動され、その
ゲート信号は照射光パルス列の照射間隔Ｔよりも短かく
設定されているとともに、遅延をもち、その遅延が順次
変化させられる。光電子増倍管３２の検出信号はプリア
ンプ４２を経て積分器４４により積分されて取り込まれ
るが、その積分された信号は光伝播波形に対し０〜Ｔの
間で順次変化している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は近赤外光を生体の被検体
に照射し、その拡散透過反射光を検出して被検体内の情
報を無侵襲的に得る光学的生体測定装置に関するもので
ある。このような光学的生体測定装置は、例えば生体酸
素モニタや光ＣＴなどとして利用される。

【０００２】

【従来の技術】６００〜１２００ｎｍの範囲の近赤外光
線は生体の透過性が比較的よく、生体中を数ｃｍほど通
過した後でも十分測定が可能な強度を保つ。そして、好
都合なことに、生体機能を反映する重要な物質であるヘ
モグロビンやチトクロムオキシダーゼなどの吸収スペク
トルがちょうどこの波長域に存在するので、近赤外光の
この性質を利用して生体機能を無侵襲で測定することが
行なわれている。

【０００３】生体に近赤外光を照射し、その近赤外光が
生体各部で散乱して生体を透過して出てきたもの（拡散
透過反射光という）をＣＣＤカメラなどの二次元検出器
により受光し、計算により生体内部の吸収の分布を画像
化する考え方が知られている。

【０００４】被検体の一部に超短光パルスを入力したと
き、被検体の他の部分から出てくる光の時間応答曲線Ｒ
(ｔ）の解析解はパターソンらの文献（APPLIED OPTICS,
Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989）の（７）式によ
り与えられている。その文献では、時間応答波形に含ま
れる吸収係数μａと等価散乱係数μｓ'（＝（１−ｇ)μ
ｓ；μｓは散乱係数、ｇは散乱の非等方性パラメータ）
を求める１つの方法が示されている。その文献の（９）
式で与えられているように、時間応答波形の傾き（時間
部分）の時間を無限大にしたときの値、すなわち時間応
答波形のテールの傾きが−μａ・ｃとなることを利用
し、吸収係数μａを求めている。等価散乱係数μｓ'は
その文献の（１０）式でμａの関数として与えられてお
り、μａが求まればμｓ'も計算により求めることがで
きる。

【０００５】被検体から出てくる光の時間応答曲線を求
めるために用いられる時間分解測定法の一例を図１
（Ａ）に示す。この方法は「単一光子時間相関計数法」
と呼ばれるもので、生体の被検体２に対しパルス駆動部
１により駆動された光源３から励起パルス光が照射さ
れ、単一光子状態となった被検体２からの拡散透過反射
光を光電子増倍管４で検出する。ＴＡＣ（Time to Ampl
itude Converter）１０には、プリアンプ６、ディスク
リミネータ８を介して光電子増倍管４の出力信号及び励
起パルス光信号が入力され、２つのパルス信号の時間差
（到着時間ｔｉ）が電圧として変換される。マルチチャ
ンネルアナライザ（ＭＣＡ）１２はこの電圧をデジタル
変換し、到着時間ごとにカウントするためのもので、多
数のパルスについての到着時間ｔｉを集積することで時
間応答波形を得ることができる。検出方法としては上記
の方法の外、ストリークカメラや光オシロスコープも使
用されている。ストリークカメラや光オシロスコープは
光電面で光を電子に変換した後、電界掃引により時間軸
を空間軸に変えて測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光ＣＴを初め、光生体
計測では生体被検体への光照射点と検出点との距離によ
って受光光量が大きく異なる。また、多くの照射点での
測定が必要であるので、１回の測定時間をできるだけ短
くしたいとの要望がある。

【０００７】ＴＡＣは単一光子条件（例えば照射サイク
ルの１／２０以下の確立で光子１個が検出される状態）
を満たすことが前提になっており、すなわち（Ｃ）に示
されるように、測定時間幅Ｔに２つ以上のパルスが来て
はならない。もし２つのパルスが来れば、初めのパルス
に対する到達時間ｔｉが計測され、後のパルスは計測さ
れないので誤差となる。したがって、比較的光量が多い
測定においても、このようにパルスがだぶって入射する
ことがない程度に光電子増倍管４への入射光強度を弱く
するための減光機構を必要とし、無理やり、光量を落し
て測定することになる。

【０００８】その上、最大計数率による制約から、十分
なＳ／Ｎ比を得るためには測定時間を長くして集積され
るパルス数を多くするしかない。すなわち、ＴＡＣを用
いた測定は光量の大小に全くかかわらず、Ｓ／Ｎ比を上
げるためには測定時間が長くなるという欠点が存在す
る。典型的な測定時間は、１０〜３０分である。ストリ
ークカメラや光オシロスコープにはこのような制約はな
いが、装置が大がかりで高価になり、特に複数のチャン
ネルを同時計測する光ＣＴには実用上不向きである。

【０００９】本発明は光生体計測を、幅広い光量にわた
って対応することができ、測定時間も比較的短くするこ
とができ、しかも小型で安価に実現することを目的とす
るものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光生体計測装置
は、被検体に対し高速繰返しの光パルス列又は高速変調
光の照射光を照射する照射光学系と、被検体からの拡散
透過散乱光を受光する光検出器と、光検出器を照射光よ
りも短かい周期をもち照射光と同期させた遅延ゲート信
号で動作させるとともに、その遅延ゲート信号の遅延時
間を順次変化させていく光検出器駆動回路とを備えてい
る。

【００１１】この検出方法はボックスカー積分測定法と
して知られる方法であるが、一般には波形のサンプリン
グを目的として使われており（「分光技術ハンドブッ
ク」第４５６〜４５７頁、朝倉書店刊、１９９０年参
照）、本発明が対象とする１０ナノ秒程度というような
高速の光生体計測に使用することは考えられていない。
生体計測では、検出される光伝播波形は比較的緩やかで
あるため、高分解能を必要としないこと、及びゲート信
号をコンボリューション関数として扱えば極端に短かい
幅のゲート信号である必要がないことから、ボックスカ
ー積分法を適用することができる。

【００１２】

【作用】本発明では光検出器で光伝播波形の一部のみを
積分できるように光検出器にゲートをかけて動作させ、
このゲート遅延時間を順次ずらしながら検出していくこ
とにより、光伝播波形とゲート信号とのコンボリューシ
ョン波形を測定する。ゲート信号波形は別途知ることが
できるので、得られたコンボリューション波形をデコン
ボリューションなどのデータ処理を施すことにより、も
との光伝播波形そのもの又はそれを特徴づけるパラメー
タを得ることができる。

【００１３】

【実施例】図２に一実施例の構成を概略的に示す。光源
２２を発振器２４によりごく短かいパルス光の繰返し列
として駆動させる。その光源２２からのパルス光Ｉ
₀(ｔ）を照射用光ファイバ２６によって生体の被検体２
８に照射する。被検体２８への光照射点から離れた位置
から出射する拡散透過反射光を検出用光ファイバ３０に
よって光電子増倍管３２に導く。光源の駆動は、光電子
増倍管３２で検出する隣合う光伝播波形が重なり合わな
いような間隔になるように、照射光の光パルス列を発生
するように行なう。光源の駆動は、ストリークカメラの
場合には掃引の戻しを必要とするので隣合う光伝播波形
が重なり合わないような間隔よりもさらに長い間隔を必
要とし、またＴＡＣではＭＣＡの変換速度による制限に
より、照射しても検出されない時間帯をもち、その時間
帯はおよそ波形の長さの数倍から１０数倍程度に及ぶ。
したがって、本発明での光源の駆動は、ストリークカメ
ラやＴＡＣよりも高速に行なうことができる。このよう
な、被検体２８への光照射と被検体２８からの光伝播波
形の検出は光生体計測装置として従来から提案されてい
る時間分解計測法と同じものである。

【００１４】光電子増倍管３２の動作を制御するため
に、発振器２４が光源２２を駆動する信号に同期してゲ
ート信号を発生するゲート信号発生器３４と、その発生
したゲート信号を遅延させるディレー切換え器３６によ
り、光電子増倍管３２のダイノードに印加する高電圧を
発生する高圧電源３８に対し遅延ゲート信号を発生す
る。このゲート信号の幅は照射光パルス列の照射間隔Ｔ
よりも短かく設定する。ディレー切換え器３６により発
生する遅延ゲート信号の遅延時間は、制御及びデータ収
集部４２によって順次変化するように制御される。ディ
レー切換え器３６による遅延時間の切換えは、例えば信
号を伝達するケーブルの長さを切り換えることにより、
簡単に、かつ安価に実現することができる。

【００１５】高圧電源３８から光電子増倍管３２に印加
される高電圧が遅延ゲート信号であることにより、光電
子増倍管３２の検出信号はプリアンプ４２を経て積分器
４４により積分されて取り込まれる。また、遅延時間を
順次切り換えていくことで、その積分された信号は、光
伝播波形に対し０〜Ｔの間で順次変化している。

【００１６】図３によりこの実施例の動作を説明する。
被検体２８への照射光の１つのパルスに対し、光電子増
倍管３２に入射する光伝播波形ｓ(ｔ）は（Ａ）のよう
に、照射時点０から遅れた位置にピークをもつ波形とな
る。この光伝播波形ｓ(ｔ）とゲート信号ｇ(ｔ−ｚ）の
コンボリューション値が観測値である。ここで、ｚは遅
延時間である。図３のようにゲート信号ｇ(ｔ−ｚ）が
矩形波であれば、波形ｓ(ｔ）の一部を積分しているこ
とになる。これを遅延時間を０からＴの間で変化させな
がら収集した観測波形ｍ(ｚ）は、光伝播波形ｓ(ｔ）と
ゲート信号ｇ(ｔ−ｚ）のコンボリューション波形であ
る。したがって、ゲート信号ｇ(ｔ）を予め別の方法で
求めておけば、図３中に示した式（１）〜（３）の関係
からもとの光伝播波形ｓ(ｔ）を求めることができる。

【００１７】ここで、ゲート信号に含まれる成分のうち
で、ω＝０となる成分は解が不定になるため、ゲート信
号には必要とする分解能成分ω（≠０）が含まれている
必要がある。ゲート信号がｓｉｎ波のときは、得られる
観測波形はモジュレーション法（ＳＰＩＥ Vol.1204, 4
81-491 (1990)参照）と同じになる。

【００１８】検出される光が非常に弱く、ホトンカウン
トレベルの際でも積分器をディスクリミネータとカウン
タの組合わせに切り換えることにより対応することがで
きる。さらに、このときの光子条件は、ディスクリミネ
ータで２つのホトンが分離でき、カウンタでカウントで
きるレベルであればよく、ＴＡＣのように照射サイクル
の１／２０以下という制約はない。

【００１９】

【発明の効果】本発明ではボックスカー積分法を光生体
計測に適用したので、幅広い光量に対応できるため複雑
な減光機構を必要とせず、またコンパクトで安価な装置
で生体計測を行なうことができるようになる。また、ゲ
ート信号の遅延を切り換えていく操作は必要であるが、
ストリークカメラやＴＡＣ法の場合のような長いデッド
時間が必要でないので、全体として短かい測定時間での
計測を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＴＡＣ法によるシングルホトンカウンテ
ィング法による測定装置を示す図であり、（Ａ）は構成
を示すブロック図、（Ｂ）は時間応答波形を示す図、
（Ｃ）は測定時間幅Ｔにおける検出パルスを示す図であ
る。

【図２】一実施例を示す概略構成図である。

【図３】同実施例の動作を示す波形図である。

【符号の説明】

２２ 光源 ２４ 発振器 ２８ 被検体 ３２ 光電子増倍管 ３４ ゲート信号発生器 ３６ ディレー切換え器 ３８ 高圧電源 ４０ 制御及びデータ収集部 ４２ 積分器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体の被検体に対し高速繰返しの光パル
   ス列又は高速変調光の照射光を照射する照射光学系と、 被検体からの拡散透過散乱光を受光する光検出器と、 光検出器を照射光よりも短かい周期をもち、照射光と同
   期させた遅延ゲート信号で動作させるとともに、その遅
   延ゲート信号の遅延時間を順次変化させていく光検出器
   駆動回路とを備えたことを特徴とする光生体計測装置。