JPH1082732A

JPH1082732A - 光測定装置

Info

Publication number: JPH1082732A
Application number: JP23774696A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tsunasawa; 義夫綱沢
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】光測定装置において、深さ方向について区別
して測定を行う。【解決手段】光測定装置１は、被検体９に送光し、被
検体中を散乱あるいは透過した光を受光することによっ
て被検体を光学的に測定する光測定装置において、送光
光は異なる波長を含み、この異なる波長に応じて被検体
上の送光点Ｓと受光点Ｄとの距離を異ならせる。これに
よって、光路長を小さくすると同時に吸収が大きな波長
域を選択して、光路長と実効減衰係数の積を同等とする
ことによって、被検体の浅い部分に対しても検出感度を
下げることなく測定を行い、深さ方向について区別して
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ＣＴや生体酸素
モニター等の被検体に光を照射し、透過散乱光を検出し
て被検体内の情報を測定する光測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被検体に可視光や近赤外光等の光を照射
し、被検体内を透過散乱した光を検出して、被検体内の
情報を非破壊的に測定する光測定装置が知られている。
このような光測定装置を生体に適用した測定装置として
光ＣＴや生体酸素モニターがある。被検体としては、可
視光や近赤外光等の光を透過することができる性質のも
のであれば可能であり、生体の他に動物や植物や青果物
等に適用することもできる。

【０００３】光ＣＴ等の光測定装置は、被検体送光手段
と受光手段を距離をおいて配置し、送光手段から測定光
を被検体内に照射し、被検体内を透過あるいは散乱した
光を受光手段で受光し、該測定光に基づいて測定データ
を得る装置であり、生体中のオキシヘモグロビンおよび
デオキシヘモグロビンの無侵襲定量方法に適用すること
ができる。

【０００４】この光測定装置の無侵襲定量測定への適用
として、一組の送光部と受光部を用いてオキシヘモグロ
ビンおよびデオキシヘモグロビンの初期値からの変化量
を求める方法や、複数の検出出力から測定時における絶
対値を求める方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光測定装置では、被検
体の深さ方向の情報が求められる場合がある。例えば、
生体中のオキシヘモグロビンやデオキシヘモグロビンの
測定では、皮膚に近い浅い部分と深い部分の状態が求め
られる場合がある。しかしながら、従来の光測定装置に
より測定される測定データは、被検体全体に対するもの
であり、被検体の深さ方向について区別して測定するこ
とが困難であるという問題点がある。

【０００６】例えば、従来の光測定装置による生体酸素
モニターが測定する組織中のオキシヘモグロビンとデオ
キシヘモグロビンの量は、送光部と受光部の下側にある
組織全体のオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロ
ビンの量であって、皮膚や生体の浅い部分と、深い分析
部とを区別して測定することは困難となっている。

【０００７】そこで、本発明は前記した従来の光測定装
置の問題点を解決し、深さ方向について区別して測定で
きることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光測定装置は、
被検体に送光し、被検体中を散乱あるいは透過した光を
受光することによって被検体を光学的に測定する光測定
装置において、送光光は異なる波長を含む光であり、こ
の波長に応じて被検体上の送光点と受光点との距離を異
ならせるものである。これによって、深さ方向について
区別して測定する。

【０００９】被検体上に送光点と受光点の組を複数個形
成し、一の波長の光を被検体内に一の送光点から入射
し、被検体内を通過した該波長の光を一の受光点から受
光する場合、入射する光の波長に応じて送光点と受光点
との距離を変える。一般に、被検体に対して送光点と受
光点を設定した場合、送光点と受光点の生体組織等の散
乱体の深さの各部分の受光量への寄与は、図１に示す特
性を示すことが知られている。図１は、点状吸収体に対
する寄与関数と呼ばれるものであり、図中に示す濃淡
は、点状の吸収体を散乱体内で移動させていき、検出光
量の減衰の程度を表しており、検出光量の減衰が大きい
場所ほど濃く表示している。この寄与関数の形状は、送
光，受光点間の距離に依存し、この距離が大きいほど被
検体の深い部分の寄与は大きくなる。

【００１０】この特性を利用して、２つの異なる距離間
で送受光を行い、短い距離で配置した送受光手段から浅
い部分の情報を求め、長い距離で配置した送受光手段か
ら深い部分の情報を求めることが考えられる。しかしな
がら、ここに１つの問題がある。というのは、試料中の
吸収体濃度の変化が等しい場合でも、送・受光距離が大
きい検出器の方が、送・受光距離が小さい検出器より
も、受光された信号の変化分が大きいということがあ
る。これは、送受光距離に依存して光が試料内を通過す
る平均光路長が変わり、大きい送受光距離の方が平均光
路長が大きくなるからである。従って、浅い部分を測ろ
うとして送・受光距離を小さくすると、受光された信号
の変化が小さくなってしまい目的を達しない。言い換え
れば、送・受光距離を変えると、深さ情報と、測定感度
の情報の両者が合わさってしまい、深さ方向だけを区別
して測定することにつながらない。

【００１１】この問題を解決するため、本発明の光測定
装置は、送光光を異なる波長を含んだ光とし、この異な
る波長と、送光点と受光点との距離とを組み合わせるこ
とによって、深さ方向について区別して測定を行う。吸
光体の吸光係数の大きさは、波長によって異なり、例え
ば、図２に示すオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロ
ビンの波長に対する吸光係数の特性では、両者がクロス
する８００ｎｍ付近の吸光係数は常用対数で０．２ｍＭ
^-1・ｃｍ^-1であるのに対して、５５０ｎｍにおける吸光
係数は常用対数で１０ｍＭ^-1・ｃｍ^-1であり、約５０倍
の差がある。なお、習慣に従い化学の分野で使われる常
用対数を底とする吸光度に基づく吸収係数を「吸光係
数」と記し、物理の分野で使われる自然対数を底とする
ものを「吸収係数μａ」と記すことにする。本発明の光
測定装置は、この波長による吸光係数の相違と、前記し
た送光，受光点間の距離による吸収の寄与特性とを組み
合わせるものである。

【００１２】ここで５０倍という吸収係数の違いが直接
現れるのは、散乱物質を含まない透明な試料の場合であ
る。この場合は吸収係数μａに対して（μａ×距離）と
いう量が光の減衰に対応する。

【００１３】これに対して、ここで対象にしている生体
のような、強い散乱物質を含む試料の場合には、透明試
料の（μａ×距離）が直接現れるではなく、吸収係数μ
ａと散乱係数μｓ’の両者によって決まる実効減衰係数
μeff が吸収量に関係する。この実効減衰係数μeff は
μeff ＝（３μａμｓ’）^1/2 で与えられ、（μeff＊
距離）という量が強い散乱物質を含む試料の場合の光の
減衰を規定する。μeff の式に平方根が入っているの
で、後述するように吸収体の本来の吸収係数に５０倍の
相違があるとき、実効減衰係数に換算すると７倍程度に
圧縮される。この程度の相違は、２つの送光・受光距離
を選ぶときにはむしろ手頃な相違であり好都合な点とな
る。

【００１４】次に、実効減衰係数μeff の効果を次の式
を用いて説明する。一般に、単位１の強度の点状（デル
タ関数）の光を半無限体の表面の１点に入射するとき、
入射点からρｍｍ離れた点で受光される光の強度Ｒ
（ａ，μeff ）の対数は以下の式（１）によって表され
る。ｌｎＲ（ａ，μeff ）＝−ａμeff ＋ｌｎ（ａμeff ＋１）−３ｌｎａ＋ｌｎ（Ｚ0 ／２π） …（１）ここで、ａは入射点と受光点間の距離をρｍｍ，Ｚ0 ＝
１／μｓ’（なお、μｓ’は等価散乱係数（＝（１−
ｇ）μｓ；μｓは散乱係数、ｇは非等方性パラメータ）
である）としたとき、ａ＝（ρ²＋Ｚ0²）^1/2で表され
る値である。また、μeff は実効減衰係数であり、吸収
係数をμａとしたとき、（３μａ・μｓ’）^1/2 で表さ
れる。また、ｌｎは自然対数を表している。

【００１５】以下、上記式（１）を用いて、上記した実
効減衰係数μeff （＝（３μａ・μｓ’）^1/2 ）は、送
受光間の距離および深さ方向の吸収の程度を表している
ことを示す。ここで、吸収係数の程度がα倍異なる２つ
の異なる実効減衰係数μeff1とμeff2（＝α・μeff1）
の吸収について、以下の式（２）が成り立てば、受光点
における光強度Ｒが同じとなる。

【００１６】０＝（ａ1 μeff1−α・ａ2 μeff1）＋ｌｎ｛（α・ａ2 μeff1＋１）／（ａ1 μeff1＋１）｝ −３ｌｎ（ａ2 ／ａ１） …（２）上式（２）が常に成り立つのは、以下の式（３）が成り
立つときである。ａ1 ＝α・ａ2 …（３）従って、ａは（ρ²＋Ｚ0²）^1/2で表される値であっ
て、主に送受光点間の距離ρで定まる値であるため、上
記式（３）は、実効減衰係数μeff の相違の程度は送受
光点間の距離の相違程度に対応することを示している。
さらに、前記した図１の寄与関数が示す、送光，受光点
間の距離と被検体の深さと相関関係から、実効減衰係数
μeff の相違の程度は被検体の深さ方向の相違程度に対
応することが分かる。

【００１７】ここで、図２に示されるヘモグロビンの吸
光係数の値（単位ｍＭ^-1・ｃｍ^-1）を常用対数から自然
対数でかつｍｍあたりに変換してｍｍあたりの吸収係数
を求めると、８００ｎｍでは０．０４６ｍＭ^-1・ｍｍ^-1
となり、５５０ｎｍでは２．３ｍＭ^-1・ｍｍ^-1となる。
このｍＭあたりの吸収係数に生体中のヘモグロビンの濃
度０．３ｍＭをかけると、吸収係数μａは１ｍｍ当たり
８００ｎｍでは０．０１４となり、５５０ｎｍでは０．
６９となる。この値を用いて、８００ｎｍと５５０ｎｍ
の異なる波長での実効減衰係数μeff を求めると、それ
ぞれ０．２（＝（３×０．０１４×１）^1/2 ），１．４
３（＝（３×０．６９×１）^1/2 ）となる。なお、散乱
係数μｓ’は１ｍｍ^-1とする。

【００１８】従って、ヘモグロビンの実効減衰係数μef
f は８００ｎｍと５５０ｎｍでは、約７倍異なる。この
実効減衰係数μeff が７倍異なることは、受光点での受
光感度を同じとすると、５５０ｎｍの光は８００ｎｍの
光と比較して、吸収の強さが約７倍大きく、また、深さ
方向で約７分の１の深さの情報を出力することを示して
いる。従って、同程度の受光感度で測定する場合、送受
光間の距離と波長とを組み合わせることによって、受光
感度の低下を減少させながら、深さ方向について区別し
て測定することができる。

【００１９】本発明の第１の実施形態は、送受光間の距
離が異なる複数の送・受光部を用い距離が短い方には短
い波長の光を用い、送受光間の距離が長い方には長い波
長の光を用いるものであり、これによって、短い波長に
よる測定で被検体の浅い部分の測定を行い、長い波長に
よる測定で被検体の深い部分の測定を行う。典型的な波
長の例としては、被検体の浅い部分の測定を行う波長域
を５００ｎｍから６５０ｎｍとし、被検体の深い部分の
測定を行う波長域を６５０ｎｍから１０００ｎｍとする
ものであり、これによって、生体中のヘモグロビンとデ
オキシヘモグロビンの測定を深さ方向で区別して測定す
る。

【００２０】ここで、オキシヘモグロビン、デオキシヘ
モグロビンの２成分を分離して測定することを元敵とす
るときは、浅い部分の測定に短波長域の例えば５６０ｎ
ｍ，５８０ｎｍの２波長の組を、深いブロック部位の測
定に長波長域の例えば７６０ｎｍ，８３０ｎｍの２波長
の組を用いる。浅い方、深い方のそれぞれの組に対し
て、２つの未知数の連立方程式を解いてオキシヘモグロ
ビン、デオキシヘモグロビンの吸収係数が等しくなる波
長を、短波長域，長波長域から選ぶこともできる。例え
ば、短波長域を５６０ｎｍに、長波長域を８００ｎｍに
する。また、この中間として、長波長域を２波長、短波
長域を１波長等とする変形も可能である。

【００２１】さらに、短波長域，長波長域にそれぞれ３
波長以上を選択する変形も可能である。３波長以上の場
合には、いわゆるオーバー・デターミネーションの場合
であって、最小自乗法の連立方程式となるが、これらの
光源と検出器との距離が１つの場合に行われている方法
と同じである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図３は、本発明の光測定
装置の一実施の形態を説明するための概略ブロック図で
ある。なお、図３は、１つの送光部に対して２つの受光
部を設けた構成例を示している。図３において、光測定
装置１は、送光部Ｓと検出部ＤｓとＤL を備え、被検体
９に接して取り付けられる。送光部Ｓは、光ファイバー
３の一端とすることができ、光ファイバー３の他端は光
源３に接続され、２つの波長の組（λL1, λL2）と（λ
S1, λS2）の光が送光され、同一の送光点から被検体９
内に入射される。なお、ここで、波長λL1, λL2の組は
波長λS1, λS2の組より長波長とする。

【００２３】検出部ＤS は短波長の組λS1, λS2を検出
し、検出部ＤL は長波長の組λL1,λL2を検出する部分
であり、光ファイバー４の一端あるいは、シリコンダイ
オード等の光−電気変換素子とすることができる。検出
部ＤS ，ＤL を光ファイバー４の一端で構成する場合に
は、他端にシリコンダイオード等の検出器５−１を設け
る。検出器５−１の出力は、プリアンプ５−２等を介し
て処理回路５−３で信号処理が行われて、例えば酸素化
度や血液量等を求める演算を行う。

【００２４】短波長を検出する検出部Ｄｓと送光部Ｓと
の距離ｄS は、長波長を検出する検出部ＤL と送光部Ｓ
との距離ｄL より短く設定する。この距離ｄS ，ｄL
は、測定する被検体内の深さに応じて設定することがで
きる。検出部ＤS は短波長λS の光を受光し、被検体９
の浅い部分を測定し、他方、検出部ＤL は短波長λL の
光を受光し、被検体９の深い部分を測定する。

【００２５】図４は、本発明の光測定装置の他の実施の
形態を説明するための概略ブロック図であり、２つの送
光部に対して１つの受光部を設けた構成例である。図４
において、光測定装置１は、送光部ＳS と送光部ＳL と
検出部Ｄを備え、被検体９に接して取り付けられる。送
光部ＳS ，ＳL は、それぞれ一端に光源が接続された光
ファイバーの端部とすることができ、異なる二つの組波
長λS1, λS2，λL1, λL2が送光され、異なる送光点か
ら被検体９内に入射される。

【００２６】検出部Ｄは短波長の二波長λS1, λS2およ
び長波長の二波長λL1, λL2を検出する部分であり、前
記図３と同様に、光ファイバーあるいは検出器とするこ
とができる。短波長を入射する送光部ＳS と検出部Ｄと
の距離ｄS は、長波長を入射する送光部ＳL 検出部Ｄと
の距離ｄL より短く設定する。この距離ｄS ，ｄL は、
測定する被検体内の深さに応じて設定することができ
る。検出部Ｄは短波長λS1, λS2の光を受光して被検体
９の４つの浅い部分を測定し、長波長λL1, λL2の光を
受光して被検体９の深い部分を測定する。受光する波長
λの区別は、各波長（長波長側の２波長，短波長側の２
波長）は時間的に順次点灯するので共通の検出器で受光
した後容易に弁別することができる。なお、図３，４の
被検体９内の斜線部分は、短波長λS1, λS2および長波
長λL1, λL2の光の吸収によって測定が行われる部分を
概略的に示している。

【００２７】前記図３，４に示す実施形態は、各波長の
組について１組の送受光手段によって初期からの変化量
を測定するものである。これに対して、図５に示す本発
明の光測定装置の別の実施の形態は、各波長の組に対し
て設置距離の異なる２組の送受光手段を構成し、これに
よって、絶対値の測定を行うものである。

【００２８】設置距離の異なる２組の送受光手段によっ
て得られる測定値を用いることによって、被検体の光学
定数である吸収係数μａと等価散乱係数μS との積を絶
対値で求めることが知られている。また、この光学定数
の複数の組の比を求めることによって例えば酸素化度等
の絶対値を求めることが知られている。

【００２９】そこで、図５に示す実施形態では、光測定
装置１は、送光部ＳS と送光部ＳLと検出部Ｄ1 と検出
部Ｄを備え、被検体９に接して取り付けられる。送光部
ＳS，ＳL は、それぞれ一端に光源が接続された光ファ
イバーの端部とすることができる。送光部ＳS からは、
短波長域の２波長λS1, λS2を送光し、送光部ＳL から
は、長波長域の２波長λL1, λL2を送光する。これら合
計４つの波長は、順次時間的に切り換えて送光される。
一方検出部も２つ設置されているが、これらは絶対値測
定のためであり、短波長，長波長の全てを受光する。す
なわち、２つの検出部Ｄ1 ，Ｄ2 は、短波長域、長波長
域の４つの波長の光をすべて受光する。図５の配置に示
すように、Ｄ1 ，Ｄ2 は長波長用光源ＳL からかなり離
れているので、深い部分の測定に寄与する。ところが送
光部ＳS を、検出部Ｄ1 ，Ｄ2 の間に配置していること
がポイントであり、このため、共通の検出部、Ｄ1 ，Ｄ
2が浅い部分用の送光部ＳS に対して、近距離にはいち
された巧みな構造となっている。この様にして、従来の
絶対値測定型の測定部に、単に短波長側の送光部ＳS を
追加するだけで、図５の構造ができることが実用上重要
である。該検出部Ｄ1 および検出部Ｄ2 は、前記図３，
４と同様に、光ファイバーあるいは検出器とすることが
できる。

【００３０】短波長を入射する送光部ＳS と検出部Ｄ1
との距離ｄS1は、送光部ＳL と検出部Ｄ1 との距離ｄL1
より短く設定し、これによって、検出部Ｄ1 は短波長λ
S1の光を受光して被検体９の浅い部分を測定し、長波長
λL1の光を受光して被検体９の深い部分を測定する。ま
た、短波長を入射する送光部ＳS と検出部Ｄ2 との距離
ｄS2は、長波長を入射する送光部ＳL と検出部Ｄ2 との
距離ｄL2より短く設定し、これによって、検出部Ｄ2 は
短波長λS2の光を受光して被検体９の浅い部分を測定
し、長波長λL2の光を受光して被検体９の深い部分を測
定する。

【００３１】さらに、上記２組の出力を用いることによ
って絶対値の測定を行うことができる。さらに、各長波
長および短波長において、異なる波長λS1, λS2，およ
びλL1, λL1を入射して、前記光学定数を複数組求め、
これらの組の間の比を求めることによって、例えば被検
体の酸素化度の絶対値を求めることができる。

【００３２】次に、本発明の光測定装置の構成例につい
て説明する。図６は本発明の光測定装置の一構成例を説
明する図である。図６に示す構成例は、前記図５の実施
形態に対応するものであり、プローブ６内に短波長の光
を送光する送光部ＳS と長波長の光を送光する送光部Ｓ
L と検出部Ｄ1 ，検出部Ｄ2 を備え、その端部を被検体
９側に向けて設置する。送光部ＳL および送光部ＳS は
光ファイバー３−１，３−２を通して光源部２に接続さ
れ、ＬＤあるいはＬＥＤの光源２−１〜２−４からそれ
ぞれ波長λL1，λL2および波長λS1，λS2を受けて、被
検体９に入射する。また、検出部Ｄ1 ，検出部Ｄ2 はプ
ローブ６から外部に検出出力Ｄ1out，Ｄ2outを出力す
る。

【００３３】また、図７は本発明の光測定装置の他の構
成例を説明する図である。図７に示す構成例は、検出部
をＣＣＤカメラ７により構成するものであり、暗室８内
に短波長の光を送光する送光部ＳS と長波長の光を送光
する送光部ＳL とを備え、被検体９からの光をＣＣＤカ
メラ７で検出する。送光部ＳL および送光部ＳS は光フ
ァイバーを通して光源部２に接続され、それぞれ波長λ
L1，λL2および波長λS1，λS2を受けて、被検体９に入
射すし、ＣＣＤカメラ７は被検体からの光の内測定可能
範囲１２内の光を受け検出を行う。送光部において、送
光部ＳL の周囲に遮光板１０あるいは減光用フィルター
１１を設け、送光部ＳL の外側に送光部ＳS を配置し、
この構成によって、波長と送受光間の距離の組み合わせ
を構成する。

【００３４】図８を用いて、図７の構成による受光状態
を説明する。図８において、送光部ＳL から入射した光
は長波長であるため、送光点付近での減衰の程度は少な
く、図８（ｂ）に示すように被検体の表面から出る光の
強度（図中の破線）は大きくなる。そこで、送光部ＳL
の周囲に設けた遮光板あるいは減光用フィルターによっ
てこの光を遮光あるいは減光して、ＣＣＤが測定光でき
る強度範囲となるように光強度のバランスをとる。ま
た、送光部ＳL から入射した光は短波長であるため、図
８（ｂ）に示すように送光点付近における光の吸収が強
いため（図中の破線）、送光部ＳL の周囲から比較的弱
い光が出る。そのため、遮光板あるいは減光用フィルタ
ー等を用いることなる測定を行うことができる。このよ
うにして、送光部付近について面状の光強度を測定し
て、前記と同様に被検体の濃度等の測定を行う。

【００３５】図９は、図７の構成例に適用する送光部Ｓ
の構成例である。この構成例では、同軸の光ファイバー
を用い、中心部分を長波長の光を送光する送光部ＳL と
し、周囲を短波長の光を送光する送光部ＳS とするもの
である。この構成では、送光部ＳS を減光器として構成
することができる。

【００３６】本発明の光測定装置によれば、光路長を小
さくすると同時に吸収が大きな波長域を選択して、光路
長と実効減衰係数の積を同等とすることによって、被検
体の浅い部分に対しても検出感度を下げることなく測定
を行うことができる。また、測定対象をヘモグロビンと
する場合には、深部用の長波長域に近赤外域を用い、浅
い部分用の短波長域に可視域を用いることができる。ま
た、可視域を用いることによって、可視域に吸収域を持
つ皮膚の色素のメラニンを吸収の補正を行うことができ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光測定装
置によれば、深さ方向について区別して測定できること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】点状吸収体に対する寄与関数を示す図である。

【図２】オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの
波長に対する吸収係数の特性図である。

【図３】本発明の光測定装置の一実施の形態を説明する
ための概略ブロック図である。

【図４】本発明の光測定装置の他の実施の形態を説明す
るための概略ブロック図である。

【図５】本発明の光測定装置の別の実施の形態を説明す
るための概略ブロック図である。

【図６】本発明の光測定装置の一構成例を説明する図で
ある。

【図７】本発明の光測定装置の他の構成例を説明する図
である。

【図８】本発明の光測定装置の他の構成例の受光状態を
説明する図である。

【図９】本発明の光測定装置の他の構成例の送光部の例
である。

【符号の説明】

１…光測定装置、２…光源、３，４…光ファイバー、５
…測定装置、６…プローブ、７…ＣＣＤカメラ、８…暗
室、９…被検体、１０…遮光板、１１…減光フィルタ
ー、１２…測定可能範囲、Ｓ…送光部、Ｄ…検出部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体に送光し、被検体中を散乱あるい
は透過した光を受光することによって被検体を光学的に
測定する光測定装置において、前記送光光は異なる波長
を含み、被検体上において送光点と受光点との距離を前
記波長に応じて異ならせることを特徴とする光測定装
置。