JPH08509287A - 小寸法の組織の分光光度測定検査 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 可視または赤外の放射を使用した生物学的な組織の容量の検査のためのシステム（１０）は、分光光度計（１８）、選択可能な分散および吸収特性を備えた光学的媒体（１２）、並びに検査される組織の生理学上の特性を決定するためのプロセッサ（３５）を含む。分光光度計（１８）は、光学的入力ポート（１９）において放射線を導入するための光源（２１）と、入力ポート（１９）から光学的検知ポート（２１）を通って移動した放射線を検知するための検知器（２３）を含む。生物学上の組織は、組織−媒体光学的経路を生成するために、光学的媒体（１２）の内側の光子移動経路内に位置される。光学的媒体（１２）は組織からの光子の漏れを実質的に制限するように適合される。プロセッサ（３５）は、組織−媒体光学的経路上で検知した光学的特性と光学的媒体（１２）の選択可能な特性に基づいて組織の特性を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 小寸法の組織の分光光度測定検査 関連出願の前後参照 本発明は、１９９２年６月９日に発行された米国特許第５，１１９，８１５号 １９９２年４月３０日に出願された米国出願第０７／８７６，３６４号、１９９ １年１月２４日に出願された米国出願第６４５，５９０号、１９９１年１月２２ 日に出願された米国出願第６４４，０９０号、並びに１９９１年５月１６日に出 願された米国出願第７０１，１２７号に関連し、これら全ては本明細書に参考と して組み入れる。 発明の背景 連続波（ＣＷ）分光光度計は、生物学的な組織において光学的に吸収するピグ メント（例えば、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン）の生体内の濃度を決定す るために広く使用されている。例えばパルス酸素測定法において連続波分光光度 計は、指や耳たぶ内に光を導入して光減衰を測定し、次いでＢｅｅｒ Ｌａｍｂ ｅｒｔ式あるいは変更されたＢｅｅｒ Ｌａｍｂｅｒｔ吸光度式に基づいて濃度 を評価する。Ｂｅｅｒ Ｌａｍｂｅｒｔ式（１）は、吸収性のある構成物質（Ｃ ）の濃度、吸光係数（ε）、光子移動経路長＜Ｌ＞、並びに減衰された光の強度 （Ｉ／Ｉｏ）との間の関係を述べている。 しかしながら、Ｂｅｅｒ Ｌａｍｂｅｒｔ式を直接適用することはさまざま問 題がある。組織構造および生理機能は著しく変化するので、移動する光子の光学 的な経路長さも著しく変化し、ソースと検知器の間の幾何学的な位置から単に決 定することはできない。加えて、光子移動経路長それ自体は吸収性のある構成物 質の相対的な濃度の関数である、この結果、例えば高い血液ヘモグロビン濃度の 器官を通る経路長は、低い血液ヘモグロビン濃度のものとは異なる。さらに、多 くの組織の吸収係数が波長に依存するので、経路長は光の波長にしばしば依存す る。この問題の１つの解法は、ε、Ｃ、および＜Ｌ＞を同時に決定することであ るが、これはＣＷ酸素計では不可能である。 さらに、組織からの漏れが光子は吸収されたものとされるため、小さい容量の 組織（例えば、指）の量的な測定のために光子漏れが大きな誤差を招く。 生体内の組織の酸素測定法を使用するためのいくつかの理由がある。動脈の酸 素飽和は生体外で測定されるため、ヘモグロビン酸素濃度における変化は、それ が動脈から去って毛細ベッド（ｂｅｄ）に入るものとして評価することができな い。毛細ベッドから直接血液サンプルを引き出すための技術が案出されていない ので、静脈排液から特定の毛細ベッドにおける酸素飽和の中間値を決定すること は可能でない。 時間分解（ＴＲＳ−パルス）および位相変調（ＰＭＳ）分光光度計においては 、移動する光子の平均的な経路長を直接測定することができるが、時間分解また は周波数分解されたスペクトルの正しい量は、スペクトルが比較的大きなソース 検知器の分離の時集められたときにだけ達成することができる。この分離は耳た ぶ、指あるいは生物組織のような小さい容量に対しては達成することはできない 。 したがって、比較的小さい容量の生物学的な組織の量的な検査のための分光光 度測定システムおよび方法が必要とされている。 発明の要約 本発明は、可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の問題の生物 学的な組織の検査のための分光光度測定システムを特徴とする。 本発明の１つの特徴は、物体を通過する経路に導入された可視または赤外の放 射線を使用して問題の比較的小さな物体（例えば、生物学的な組織、固体、液体 またはガス状態中の有機体または無機物質）の検査のための分光高度測定システ ムである。本システムは、物体内へ放射線を導入するために適合した光学的入力 ポート並びに物体内の経路を通って移動した放射線を検知するのに適合した光学 的な検知ポートを備えた分光光度計、問題の比較的小さな物体の回りに配置され て物体の外側から導入された光子の漏れを制限するために適合した光子漏れ防止 手段、導入されたおよび検知された放射線の間の変化に基づいて物体の光学的特 性を決定するために適合した処理手段を含んで構成される。 本発明の他の特徴によれば、可視または赤外の放射線を使用して問題の比較的 小さな量の生物学的な組織の検査のためのシステムは、光学的入力ポートにおい て放射線を導入するために適合した光源、入力ポートから光学的検知ポートを通 って移動した放射線を検知するために適合した検知器、導入されおよび検知され た放射線の間の変化を評価するために適合したプロセッサを備えた分光光度計を 含んでいる。本システムはまた、光子防止手段を形成し、選択可能な分散および 吸収特定を有する比較的大きな容量の光学的媒体、組織−媒体の光学的経路を生 成するために問題の生物学上の組織を移動経路中に位置させるのに適合した位置 決め手段を含み、光学的媒体は組織−媒体光学経路からの光子の漏れを実質的に 制限し、並びに組織−媒体の光学的経路と前記光学的媒体の前記分散または吸収 特性に基づいて組織の生理学上の特性を決定するようにさらに適合した処理手段 からなる。 本発明のこれらの特徴の好ましい実施例は、１つまたはそれより多い次の特徴 を備えている。 光子漏れ防止手段は、物体を囲繞する選択可能な光学的特性の光学的媒体を含 む。選択可能な光学的特性は吸収または分散係数である。 光子漏れ防止手段は、物体を囲繞する光学的媒体を含み、この媒体は物体の光 学的特性に実質的に合致する少なくとも１つの光学的特性を有する。 分光光度計は連続波形分光光度計、位相変調波形分光学ユニット、時間分解波 形分光学ユニットである。 決定された生理学上の特性はヘモグロビン飽和、酵素濃度、グルコースのよう な組織物質の濃度である。 システムは、選択された生理学上の特性の単一の測定または連続的な、時間− 依存のモニタを行う。 上記したシステムは、物体内に導入することにより、光子漏れ防止手段により 囲繞され、選択された波長の電磁的な放射線および入力ポートから光学的検知ポ ートに移動した放射線を検知する動作をする。このシステムは導入されおよび検 知された放射線の間の変化に基づいて物体の光学的特性を決定する。加えて、物 体の光学的特性に匹敵する光学的特性を備えた囲繞する光学的媒体を有する異な る光子漏れ防止手段が選択される。次いで、システムは物体の光学的特性を再度 測定する。測定は、囲繞する媒体の光学的特性が物体の光学的な特性に実質的に 合致するまで、反復的に繰り返される。 図面の簡単な説明 第１図は、比較的小さな寸法の組織の検査のための分光光学測定システムのダ イヤグラム的な説明図である。 第２図および２Ａは、指の分光光学測定の間における光子の漏れ防止のための シリンダの異なる説明図である。 第２Ｂ図は、指の酸素測定法のための予め選択された光学的特性のシリンダセ ットを示した説明図である。 第３図は、頭部の分光光学測定の研究のための光学的指ホルダのダイヤグラム 的な説明図である。 第４図は、指の検査のために使用されるＴＲＳ試験システムのダイヤグラム的 な説明図である。 第４Ａと４Ｂ図は、試験において測定された吸収係数の測定された値の表示で あり、第４Ｃ図はそれらの相対的な発生を示した説明図である。 第４Ｄと４Ｅ図は分散係数の測定された値とそれらの相対的な発生をそれぞれ 示した説明図である。 第４Ｆと４Ｇ図はヘモグロビン飽和の計算された値とそれらの相対的な発生を それぞれ示した説明図である。 好ましい実施例の説明 第１図を参照して、比較的小さい容量の生物学的な組織の検査のためのシステ ム１０は、選択可能な光学的な特性の光学的媒体１２、分光光度計１８、滴定（ ｔｉｔｒｉｍｅｔｒｉｃ）循環システム３０、並びにコンピュータ制御部３５か ら構成される。ロケータ１５に取り付けられた問題の生物学的な組織１４は、光 学的媒体１２内に浸けられている。分光光度計１８は、光ガイド２０と２２を経 て伝達される可視または赤外の光を採用することにより、媒体１２の光学的特性 を検査する。好ましい実施例において光ファイバである、光ガイド２０と２２は 、光源２１と光検知器２３にそれぞれ接続されている。光学的入力ポート１９か ら導入された光子は媒体１２中を、分散および吸収経路を通って移動し、また検 知ポート２１において検知される。入力ポート１９および検知ポート２１の選択 可能な固定された形状は移動経路、つまり光学的フィールド２５を制御する。 システム３０は媒体１２の分散および吸収特性を正確に変化するように適合さ れる。媒体１２は、その濃度に依存した分散特性を示すイントラリピド（ｉｎｔ ｒａｌｉｐｉｄ）溶液（Ｋａｂｉ Ｖｉｔｒｕｍ， Ｉｎｃ．Ｃｌａｐｔｏｎ、 ＮＣにより製造される）および吸収特性を示すカーボンブラックインドインキを 含む。媒体１２の分散および吸収特性は溶液を正しく混合することにより一定で 均一に維持でき、または滴定システム３０において構成物質の濃度を変えること によりほぼ連続的に変化させることができる。チューブ３２と３４は溶液の連続 的 な循環のために適合される。 システムの動作においては、組織１４はまず光学的フィールド２５から離れて 位置される。分光光度計１８はフィールド領域２５内の媒体１２を検査し、制御 部３５は検知されたデータを予め選択された吸収係数（μ_a）と分散係数（μ_s） の値と比較する。次いで、ロケータ１５は組織１４をフィールド２５内に位置し 、また分光光度計１８は組織１４と媒体１２の光学的特性を測定する。集められ たスペクトルデータから組織１４によりまたはこれなしに、コンピュータ制御部 ３５は組織１４の光学的特性を決定する。 動作の他の好ましい方法においては、媒体１２の光学的特性を測定した後に、 媒体１２の分散および吸収特性が組織１４の特性に滴定により合致され、フィー ルド２５内に挿入されたときには、組織１４はフィールド２５の混乱（ｐｅｒｔ ｕｒｂａｔｉｏｎ）が起こることがない。媒体１２の分散および吸収係数が組織 １４の係数に合致した後、分光光度計１８は同じデータを組織１４によりまたは これなしに検知する。公知のμ_a ^*とμ_s ^*の滴定された値は、組織１４のμ_aとμ_s の値と等しい。合致プロセスはまず合致μ_aが次いでμ_sが、あるいはその逆が行 われる。 上記した方法は、生物内およびガラス器具内の両方に適用可能である。組織１ ４は、光学的に透明な材料中に閉じ込められた生物標本または媒体１２内に挿入 された人の指である。分光光度計に使用される光の波長は、問題の組織構成要素 （例えば、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、グルコース、酵素）に依存し、 多波長を使用することは本発明の範囲内である。 本発明は光学的媒体１２の異なる好ましい実施例の使用を想定するものである 。第２図を参照して、媒体１２が充填された中空のシリンダ４２は、例えば指４ ０を囲繞し、また導入された光子の漏れを防止する。媒体１２の光学的特性、圧 力および容量は、チューブ３２と３４によりシリンダ４２に連結されたシステム ３０により制御される。シリンダ４２の内壁は柔軟な、光学的に透明なバリア４ ４ により作られる。シリンダ４２の挿入後、バリア４４は指の回りにしっかりとフ ィットする。バリア４４の内側の寸法は、指４０が引き抜かれた後、媒体１２が シリンダ４２を完全に充填するようなものである。これにより、媒体１２の背景 の計測および媒体１２中の指４０の計測が第１図に示したのと同じ方法で可能と なる。光学的フィールド２５は、入力ポート１９と検知ポート２１の位置により 制御され、透過または反射形状のいずれかである。 第２Ｂ図を参照して、他の実施例のシリンダ４２は、それぞれ一定の予め選択 された吸収または分散係数を備えた媒体１２が流体または固体で充填されたシリ ンダ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ…のセットに置き換えられている。固体の光学的媒 体は酸化チタンであり、あるいは他の分散体が、ゲルのような吸収性の、柔軟な 媒体中に埋め込まれている。 人の指が個々のシリンダ中に挿入され、また挿入された指の光学的な特性が分 光光度計１８により測定される。シリンダおよび入力ポート−検出ポートの形状 の公知の光学的特性を使用して、指の光学的特性（つまり、μ_aとμ_s）がシリン ダの１つの特性に合致される。 分光光度計１８の好ましい実施例は、連続波分光光度計、位相変調分光計、お よび時間分解分光計であり、これらの全ては上記した書類に述べられている。 ２重の波長連続波分光計で動作するシステム１０が、例えば、指酸素計として 使用される。第２Ａ図に示したように、指４０内部に導入された光子の大部分は 囲繞する媒体１２により漏れが防止される。よって、導入された光子は吸収され るか、または検知ポート２１に達し、検知器により登録される。漏れた光子は吸 収されたものとして計数されない。シリンダ４２のそれぞれ選択された値μ_a ^*と μ_s ^*にそれぞれ対応する背景スペクトルデータは、システム内に記憶され、それ ぞれの波長に対する指およびシリンダのμ_aとμ_sの値と合致できる。ヘモグロビ ン（Ｈｂ）とオキシヘモグロビン（ＨｂＯ₂）に感応する２つの波長において動 作する連続波分光計は、吸収計数の比をとることによりヘモグロビン飽和 （Ｙ）を計算し、また酸素飽和のために次の式を使用する。 ここで、係数は７５４ｎｍと８１６ｎｍにおけるヘモグロビンの吸光値ε_Hb＝０ ．３８ｃｍ^-1ｍＭ^-1、ε_Hb＝０．１８ｃｍ^-1ｍＭ^-1からそれぞれ決定され、また オキシヘモグロビンとヘモグロビンの間の吸光係数の差はそれぞれΔε_Hbo-Hb＝ ０．０２５ｃｍ^-1ｍＨ^-1およびΔε_Hbo-Hb＝０．０３ｃｍ^-1ｍＨ^-1である。 当業者には自明のように、ヘモグロビン飽和計測において、酸素計は、変化す る血液容積による変動を除くために検知したデータを標準化する。しかしながら 、容積変化はパルス速度を検知するために使用される。 あるいは、パルス変調分光計は、検知器から数センチ離れて導入されサイン状 に変調された光の強度と位相シフトθを検知することにより光子移動を測定する ために使用される。小さな容積の組織に対しては、入力ポートと放射ポートとの 間の最適な距離は光学的媒体１２を使用して達成される。さらに、媒体１２は実 質的に光子漏れを防止する。 検知された位相シフトは第２Ａ図に示した光子経路長の分配の平均に直接関連 する。光子移動理論は、反射形状において３次元の「バナナ形状」の分配パター ンにより、または透過形状において「シガー（ｃｉｇａｒ）形状」の分配パター ンにより示すことができることを予測している。フィールド２５の中央に組織１ ４を挿入することで、経路長の分配において非均一さが起こる、っまり、組織の 吸収特性が媒体１２の特性と異なる場合には、バナナ形状の光学的フィールド２ ５は不均一になる。組織のμ_aが囲繞する媒体のものよりも小さい場合には、長 い経路長の光子が吸収されまたその逆であるため、平均の経路長さ＜Ｌ＞は減少 する。よって、組織１４は経路長と位相シフト、θにおける変化を引き起こす。 さらに、強力に分散する媒体の吸収および分散特性の重量な測定である、検知 された強度は、変調指数（Ｍ）を提供する。変調指数は、ＡＣとＤＣ（ＤＣλ） の振幅の合計に対するＡＣ振幅（Ａ／λ）の比として決定される。 本明細書に参考として組み入れられる、Ｓｅｖｉｃｋなどによる、Ａｎａｌｙ ｔｉｃａｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ．１９５、第３３０−３５１頁 に記載されたように、低い変調周波数（つまり、２πｆ＜＜μ_aＣ）に対しては 、位相シフトは経過（通過）時間の平均時間＜ｔ＞、つまりθ→２πｆ＜ｔ＞の 直接の指標である。全ての光子が一定速度、ｃで通過している媒体中では、位相 シフトは効率的に、平均経路長θ→２πｆ＜Ｌ＞／ｃとして説明される。ここで 、全ての経路長は等しく重み付けされる。決定された経路長は、吸収特性の決定 のためのＢｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ式において使用される。 変調周波数が増大するとともに、短くなった経路長はより重く重み付けされる 。周波数（つまり、２πｆ＜＜μ_aｃ）において、位相シフトはもはや経路長の 分配の良好な指標ではなく、これは吸収係数μ_aおよび有効な分散係数（１−ｇ ）・μ_sに直接比例するものとなる。 有効な分散係数が波長に依存するので、２つの波長において計測された位相シフ トの比は次のようになる。 ここで、θ_oλは、分散および背景吸収から起きる測定された波長における位相 シフトである。吸収係数の比は、例えば、組織飽和Ｙのために使用された。二重 周波数、二重波長位相変調分光計はθ_oを取り除くことによる飽和を決定するた めに使用される。吸収係数の比は、異なる周波数および波長において測定された 位相シフトの関数として表現される。 他の好ましい実施例において、時間分解された分光計（ＴＲＳ−パルス）は、 入力ポート１９において、ピコ秒より短いオーダーの光のパルスを導入する。移 動経路長２５の分散を通って移動する光子は、検知ポート２１において検知され る。反射率形状内で検知された光の強度Ｒ（ρ、ｔ）、（または透過度形状の強 度Ｔ（ρ、ｄ、ｔ））は、無限の媒体における近無限境界条件を備えたＧｒｅｅ ｎの関数としての拡散式を解くことにより決定される。反射率形状における半無 限の媒体条件のために、入力ポートと出力ポートの分離は以下の式を使用するた めに数センチのオーダーでなければならない。 ｔ→∞に対して、吸収係数μ_aは次のように決定される。 ここで、ρは入力ポートと検知ポート間の間隔であり、またｃは媒体内の光の速 度である。有効な分散係数（１−ｇ）μ_sは次のように決定される。 ここでｔ_maxは、検知された反射時間プロファイル（Ｒ（ρ、ｔ）＝Ｉ（ｔ）） が最大に達したときの遅延時間である。式７の右側端は、変調されたパルスの到 達時間の減衰スロープである。吸収係数は、式７のように、検知されたパルスの スロープの減衰を評価することにより定量される。有効な分散係数（１−ｇ）μ_s は、式８から決定される。公知のμ_aとμ_sおよび入力ポート、出力ポート形状 に対しては、システムは特有の時間プロファイルＩ（ｔ）を有する。記憶された プロファイルは、組織１４の分散および吸収係数が有する異なるプロファイルを 得るために、導入された組織に対する検知された時間プロファイルと比較される 。あるいは、媒体１２および組織１４のμ_aとμ_sは、媒体１２の分散と吸収特性 を変えることにより合致され、検知された時間プロファイルは導入された組織１ ４により変更されない。 ＴＲＳシステムは、測定されたデータを定量するためにＣＷ酸素計を校正する ために使用される。入力ポートと検知ポートの幾何学的な距離（ρ）と経路長＜ Ｌ＞の間の差を計数するために、いくつかの酸素計は、以下のような微分の経路 長のファクター（ＤＰＦ）を備えたＢｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ式を使用している 。 しかしながら、微分の経路長ファクターは、これが経路長に依存するため、ＣＷ 酸素計により正確に決定できる。ＴＲＳは以下のような吸収計数μ_aおよび分散 係数μ_sを使用してＤＰＦを決定する。 新生児の頭部を検査するために使用される光学的媒体の漏れを防止する他の実 施例は、第３図に示したオプトロード（ｏｐｔｒｏｄｅ）ホルダ４５である。光 ファイバ２０と２２は固体の分散材料４７内に、スタイロフォーム（ｓｔｙｒｏ ｆｏａｍ）のように突出しており、これは漏れる光子４８のための戻し経路を提 供している。ジグザグ状の矢印４８により示したように、分散材料により光子が 組織内に戻るため、組織内の移動する光子の経路長はより長い。よって、バナナ 形状のパターンはより深く浸透し、また光子漏れによるダメージや実質的な直接 の経路による「ショート」なしに重要な分光光度測定データが小さい入力−出力 ファイバの分離において達成される。 システム１０の異なる実施例は、選択された生理学上の特性の単一の計測また は連続的な、時間−依存のモニタのいずれかを実施するために適用される。計測 された値の連続的なモニタのための視覚ディスプレイが追加される。更に、測定 された値が予め選択された値と等しい場合には警報が発せられる。 例 第４図を参照して、テスト研究において、ＴＲＳ−パルス分光光度計が人の指 の分散および吸収特性を定量的に決定するために使用された。半無限の境界条件 を生成するため、検査した人差し指４０が比較的大きな容量の、インドインキを 含むカーボンを備えたイントラリピド溶液５２中に含浸された。市販の約２０％ の濃度のイントラリピドが、囲繞する媒体５２を作るために約０．５−２．５％ の濃度に希釈された。イントラリピドの濃度は、溶液の分散特性を決めるインド インキの量を決定する。希釈されたカーボンブラックの選択された量は必要に応 じて合致する媒体中に加えられた。テストにおいては、合致する媒体５２を保持 するために、直径約１５ｃｍで高さ８ｃｍの９．４リットルのシリンダの容器５ １が使用された。ほとんど全ての計測は、コーカサス人、アジア人、アフリカ− アメリカ人を含む、２５人の健康な志願者（男女）の人差し指に行われた。光フ ァイバ５６と６０のファイバ端５７と５９は溶液表面の数ミリメートル下にホス ト媒体内に挿入され、検査する指４０の両側上の３ｃｍの分離を維持した。指４ ０は、浸漬された端５７と５９により規定される光学フィールド５４内に位置す る囲繞する媒体５２の表面の約５−６ｃｍ下側に浸漬された。これにより表面に 光子が伝わるのが防止された。 ５ＭＨｚの反復速度の二重波長ＴＲＳシステムは赤（６７０ｎｍ）または近赤 外（７５０と８３０ｎｍ）の光が１００−ｐｓのパルス（６１）をパルサー６２ から媒体５２中に励起した。１μｍ直径の光学的入力ファイバー５６と２ｍｍ直 径の光学的出力ファイバー６０が使用された。検知器は、１５０ｐｓの時間解像 度のマイクロチャネルプレートのフォトマルチプレクサのチューブ６４（ＭＣＰ −ＰＭＴ）が一定フラクションの弁別装置（ＣＦＤ）６６に接続された。単一の 光子計数システムは時間振幅変換器（ＴＡＣ）６８とデジタル化されたデータを 登録するためのコンピュータ７０を含む。ＴＲＳ測定は、指４０の存在下、およ び存在なしの両方で行われた。 上記した合致方法は、希釈されたブラックインクを加えることで囲繞する媒体 ５２の吸収係数μ_a（ｈ）を最初に増大するために使用された。適当な吸収体の 濃度が一度決定されたならば、２番目の滴定プロセスが、イントラルピドの濃度 を増大することによりμ_s′（ｈ）を決定するために使用された。 ＴＲＳデータは、器具の応答を補償する器具関数と共にデコンボリュート（ｄ ｅｃｏｎｖｏｌｕｔｅ）により再回旋された。μ_a′、μ_s′、およびＴｏ（つま り、レーザパルス励起時間）は最小自乗適合された。吸収係数μ_a′と分散係数 μ_s′はｌｏｇ₁₀基準を使用して表現され、これは単に２．３０３を乗算するこ とでｌｏｇ_e基準に変換された（なお、式９により計算されたμ_sに対してはこの 変換はされなかった）。 第４Ａ図は１４人（４人がコーカサス人、５人はアジア人、また５人はアフリ カ−アメリカ人）について、合致方法および直接計測によって、それぞれ、６７ ０ｎｍの波長および２．５ｃｍのファイバ間距離で、得られた吸収係数を示した ものである。合致計測により得られたμ_aの相対的な値は、０．０５ｃｍ^-1から ０．０８ｃｍ^-1で変化し、明らかに３つの人種の間でランダムであるが、直接測 定した値はより均一に変化している。直接の測定は、合致法により得た値よりも よりずっと高い値μ_sを提供し、これは測定される指に光ファイバを取り付けた 際の指表面からの光子漏れによるものである。第４Ｂ図は、志願者の異なるグル ープに対して測定した吸収値を示したものである。第４Ｃ図は観測の数の関数と してのμ_aの値を示したものである。この研究において、指の直径と吸収係数μ_a との間には何の関係もなく、これは指のサイズが吸収係数μ_sに影響を与えない ことを意味している。 第４Ｄ図は、第４Ａ図の個々の１４人に対して合致法により６７０ｎｍにおいて 測定下μ_sを示したものである。分散データは、第４Ｅ図に、μ_sの相対的な発生 の関数として要約した。平均値は６．２６ｃｍ^-1であり、標準誤差はガウス分布 でおよそ０．６４ｃｍ^-1である。 指の定量的なヘモグロビン飽和は６７０ｎｍと７５０ｎｍにおいて計測された 。７５０ｎｍにおける水吸収の貢献は比較的高いので、計算されたμ_aの値から 水吸収背景を減算する必要がある。この目的のために、７５０ｎｍと６７０ｎｍ における水の吸収係数をそれぞれ０．００４ １／ｃｍおよび０．０２６ １／ ｃｍと仮定した。μ_aの背景を補正した値と対応するヘモグロビン飽和値は、次 の表、および第４Ｆと４Ｇ図に示した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体を通る経路に導入された可視または赤外の放射線を使用して物体の検査 をする分光光度測定方法において、前記方法は （ａ）前記物体の回りに、前記物体の外側の光子の漏れを制限するための光 学的手段を設け、 （ｂ）物体内に、光学的入力ポートにおいて、可視または赤外の範囲におけ る選択された波長の電磁的な放射線を導入し、 （ｃ）前記物体中において前記入力ポートから光学的検知ポートに移動した 放射線を検知し、 （ｄ）導入されおよび検知された放射の間における変化に基づいて前記物体 の光学的特性を決定する、各ステップからなる分光光度測定方法。 ２．前記光子の漏れを制限するための光学的手段が、選択可能な光学的特性を備 えた前記物体を囲繞する光学的媒体からなる、特許請求の範囲第１項記載の分光 光度測定方法。 ３．前記選択可能な光学的特性が吸収係数または分散係数である、特許請求の範 囲第２項記載の分光光度測定方法。 ４．前記光子の漏れを制限するための光学的手段が、前記物体を囲繞する光学的 媒体からなり、前記媒体が、前記物体の光学的特性に実質的に合致する少なくと も１つの光学的特性を有する、特許請求の範囲第１項記載の分光光度測定方法。 ５．前記光学的特性が、吸収係数または分散係数である、特許請求の範囲第４項 記載の分光光度測定方法。 ６．前記決定するステップが、 （ｅ）前記物体の光学的特性に一致する光学的特性の囲繞する光学的媒体を 有した前記光学的手段を選択し、 （ｆ）前記（ｂ）と（ｃ）のステップを実行することにより前記物体の光学 的特性を測定し、 （ｇ）前記物体の光学的特性により近く合致した前記囲繞する媒体の光学的 特性を有した他の光学的手段を選択し、 （ｈ）前記囲繞する媒体の光学的特性が実質的に前記物体の光学的特性に合 致するまで前記（ｆ）と（ｇ）のステップを反復的に繰り返すことからなる、特 許請求の範囲第１項記載の分光光度測定方法。 ７．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の検 査をする分光光度測定方法において、前記方法は （ａ）選択された分散または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学的媒 体を設け、 （ｂ）前記媒体中に前記生物学的な組織を導入して、これが光学的入力ポー トと光学的検知ポートの間の光学的経路の一部を占めて組織−媒体光学的経路を 生成し、 （ｂ）前記媒体中に位置する前記入力ポートにおいて、可視または赤外の領 域における選択された波長の電磁放射を導入し、 （ｃ）前記媒体中に位置する前記検知ポートにおいて、前記組織−媒体経路 を通って移動した放射を検知し、 （ｄ）前記検知された値と、前記選択された分散または吸収特性の前記媒体 に対応する放射の値の前記検知された値を比較することにより前記組織の分散お よび吸収特性を決定し、並びに （ｅ）前記組織の前記決定された分散または吸収特性に基づいて前記組織の 生理学上の特性を試験する、分光光度測定方法。 ８．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の検 査をする分光光度測定方法において、前記方法は （ａ）選択可能な分散または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学的媒 体を設け、 （ｂ）前記媒体中に位置する入力ポートにおいて、可視または赤外の領域に おける選択された波長の電磁放射を導入し、 （ｃ）前記媒体中に位置する検知ポートにおいて、入力ポートから前記媒体 中の経路を通って移動した放射を検知し、 （ｄ）前記検知された放射から前記経路の分散または吸収特性を決定し、 （ｅ）前記組織の生物学上の組織を前記媒体中に導入して、これが組織−媒 体の光学的な経路を生成するために前記経路の一部を占め、 （ｆ）ステップ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことにより前記組織 −媒体の光学的な経路の分散または吸収特性を決定し、並びに （ｇ）前記光学的な経路と前記組織−媒体経路の分散特性または吸収特性の 間に差に基づいて前記組織の生理学上の特性を試験する、各ステップからなる分 光光度測定方法。 ９．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の検 査をする分光光度測定方法において、前記方法は （ａ）選択された分散または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学的媒 体を設け、 （ｂ）前記媒体中に前記生物学的な組織を導入して、これが光学的入力ポー トと光学的検知ポートの間の光学的経路の一部を占めて組織−媒体光学的経路を 生成し、 （ｂ）前記媒体中に位置する前記入力ポートにおいて、可視または赤外の領 域における選択された波長のナノ秒より短いオーダーの持続時間を有するパルス を導入し、 （ｃ）前記媒体中に位置する検知ポートにおいて、前記組織−媒体経路を通 って移動した放射を時間について検知し、 （ｄ）前記波長において入力パルス波形に対する、検知されたパルス波形に おける形の変化を決定し、 （ｄ）前記変化した波形を前記選択された分散および吸収特性の前記媒体に 対応する波形と比較することにより前記組織の分散および吸収特性を決定し、並 びに （ｅ）前記組織の前記決定された分散または吸収特性に基づいて前記組織の 生理学上の特性を試験する、各ステップからなる分光光度測定方法。 １０．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の 検査をする分光光度測定方法において、前記方法は （ａ）選択された分散または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学的媒 体を設け、 （ｂ）前記媒体中に前記生物学的な組織を導入して、これが光学的入力ポー トと光学的検知ポートの間の光学的経路の一部を占めて組織−媒体光学的経路を 生成し、 （ｂ）前記媒体中に位置する前記入力ポートにおいて、可視または赤外の領 域における選択された波長の電磁気の信号を導入し、前記信号は前記光学的経路 の平均長さの決定を可能ならしめる周波数のキャリア波形により変調され、 （ｃ）前記媒体中に位置する前記検知ポートにおいて、前記組織−媒体経路 を通って移動した放射を検知し、 （ｄ）検知された信号を導入された信号と比較し、またこれから前記検知さ れた信号の前記導入された信号からの位相シフトを決定し、前記位相シフトは前 記組織−媒体経路の前記分散および吸収を示し、 （ｅ）前記検知された位相シフトおよび前記選択された分散および吸収特性 に対応する位相シフトに基づいて前記組織の分散または吸収特性を決定し、並び に （ｅ）前記組織の前記決定された分散または吸収特性に基づいて前記組織の 生理学上の特性を試験する、各ステップからなる分光光度測定方法。 １１．前記組織−媒体経路のために計測された分散または吸収特性が前記媒体の それぞれの特性に合致するまで、前記媒体の分散特性または吸収特性における既 知の変化を導入するステップをさらに含む、特許請求の範囲第７、８、９または １０項記載の方法。 １２．前記生理学上の特性を決定する際に前記変化の既知の値を採用するステッ プをさらに含む、特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３．前記生理学上の特性がヘモグロビン飽和である、特許請求の範囲第７、８ 、９または１０項記載の方法。 １４．前記組織が人の指である、特許請求の範囲第７、８、９または１０項記載 の方法。 １５．前記組織が生物の標本である、特許請求の範囲第７、８、９または１０項 記載の方法。 １６．物体を通る経路に導入された可視または赤外の放射線を使用して物体の検 査をするための分光光度測定装置において、前記装置は、 物体内に放射線を導入するために適合した光学的入力ポートおよび物体内の 経路を通って移動した放射線を検知するために適合した光学的検知ポートを含む 分光光度計と、 比較的小さな物体の回りに配置されて、物体の外側から導入された光子の漏 れを制限するために適合した光子漏れ防止手段と、 導入されたおよび検知された放射線の間の変化に基づいて物体の光学的特性 を決定するために適合した処理手段と、からなる分光光度測定装置。 １７．前記光子漏れ防止手段が、前記物体を囲繞する選択可能な光学的特性の光 学的媒体からなる、特許請求の範囲第１６項記載の分光光度測定装置。 １８．前記選択可能な光学的特性が吸収係数または分散係数である、特許請求の 範囲第１７項記載の分光光度測定装置。 １９．前記光子漏れ防止手段が、前記物体を囲繞する光学的媒体からなり、前記 媒体が前記物体の光学的特性に実質的に合致する少なくとも１つの光学的特性を 有する、特許請求の範囲第１６項記載の分光光度測定装置。 ２０．前記光学的特性が吸収係数または分散係数である、特許請求の範囲第１６ 項記載の分光光度測定装置。 ２１．前記分光光度計が連続波形分光光度計である、特許請求の範囲第１６項記 載の分光光度測定装置。 ２２．前記分光光度計が位相変調波形分光光度計である、特許請求の範囲第１６ 項記載の分光光度測定装置。 ２３．前記分光光度計が時間分解波形分光光度計である、特許請求の範囲第１６ 項記載の分光光度測定装置。 ２４．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の 検査のための装置において、 光学的入力ポートにおいて放射線を導入するために適合した光源、 前記入力ポートから光学的検知ポートを通って移動した放射線を検知するた めに適合した検知器、 導入されたおよび検知された放射線の間の変化を評価するために適合したプ ロセッサ、を含む分光光度計と、 選択可能な分散特性または吸収特性を有した比較的大きな容量の光学媒体と 、 組織−媒体の光学的経路を生成するために前記生物学上の組織を前記移動経 路中に位置させるのに適合した位置決め手段と、 前記光学的媒体は前記組織−媒体の光学的経路からの光子の漏れを実質的に 制限し、並びに 前記プロセッサは前記組織−媒体の光学的経路と前記光学的媒体の前記分散 または吸収特性に基づいて前記組織の生理学上の特性を決定するようにさらに適 合していることからなる、装置。 ２５．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の 検査のための装置において、 入力ポートにおいて、可視または赤外の範囲内の選択された波長の電磁気信 号を導入するために適合した光源であり、前記信号は１０⁸Ｈｚのオーダーの周 波数のキャリア波形により変調されており、 検知ポートにおいて、前記入力ポートから経路上を通って移動した放射線を 検知するために適合した検知器、 検知された信号を導入された信号と比較し、またこれから前記検知された信 号の前記導入された信号からの位相シフトを決定するために適合した位相検知器 、を含む位相変調分光光度計ユニットと、 選択可能な分散特性または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学媒体と 、 組織−媒体の光学的経路を生成するために前記生物学上の組織を前記移動経 路中に位置させるのに適合した位置決め手段と、 前記光学的媒体は前記組織−媒体の光学的経路からの光子の漏れを実質的に 制限し、並びに 検知された位相シフトと前記選択された分散または吸収特性の前記媒体に対 応する位相シフトに基づいて前記組織の生理学上の特性を決定するように適合し た処理手段、からなる装置。 ２６．可視または赤外の放射線を使用して比較的小さい容量の生物学的な組織の 検査のための装置において、 前記入力ポートにおいて、ナノ秒より短いオーダーの持続時間を有し、可視 または赤外の放射線の選択された波長のパルスを導入するために適合した光源、 検知ポートにおいて、前記入力ポートから前記組織の経路を通って移動した 放射線を、時間について、検知するために適合した検知器、 前記波長において、導入されたパルス波形に対する、検知されたパルス波形 の形状における変化を決定するために適合したプロセッサ、を含む時間分解分光 学ユニットと、 選択可能な分散特性または吸収特性を有する比較的大きな容量の光学媒体と 、 組織−媒体の光学的経路を生成するために前記生物学上の組織を前記移動経 路中に位置させるのに適合した位置決め手段と、 前記光学的媒体は前記組織−媒体の光学的経路からの光子の漏れを実質的に 制限し、並びに 前記プロセッサは 前記変化した波形を前記選択された分散または吸収特性を有する前記媒体に 対応する波形と比較することにより前記組織の生理学上の特性を決定するように さらに適合していることからなる、装置。 ２７．前記組織のそれぞれの特性に対応して選択された異なる分散または吸収特 性の他の光学的媒体をさらに有する、特許請求の範囲第２４、２５または２６項 記載の装置。 ２８．前記生理学上の特性がヘモグロビン飽和である、特許請求の範囲第２４、 ２５または２６項記載の装置。 ２９．前記組織が人の指である、特許請求の範囲第２４、２５または２６項記載 の装置。 ３０．前記組織が生物の標本である、特許請求の範囲第２４、２５または２６項 記載の装置。