JP4055266B2

JP4055266B2 - 光計測装置

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Publication number: JP4055266B2
Application number: JP29087898A
Authority: JP
Inventors: 優一山下; 敦牧; 文男川口
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: WO2000022415A1; JP2000116625A; US6611698B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光計測装置に係り、特に生体内部の情報を、光を用いて計測するのに適した光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体内部の血液循環、血行動態及び酸素代謝を、簡便に、被検体である被検者に対して低拘束でかつ生体に害を与えずに計測する装置が臨床医学及び脳科学などの分野で大いに望まれている。例えば頭部を計測対象とすると、脳梗塞、脳内出血、痴呆症などの脳疾患、さらには思考、言語、運動などの高次脳機能の計測などが具体的なニーズとして挙げられる。また、このような計測対象は頭部に限らず、胸部では心筋梗塞などの心臓疾患、腹部では腎臓、肝臓などの内臓疾患に対する予防診断が、さらには手足の筋肉における酸素代謝計測なども挙げることができる。
【０００３】
ここで、計測対象を頭部として考えた場合、脳内の疾患もしくは高次脳機能の計測において、疾患部又は脳機能領域を明確に特定する必要がある。そのためには、頭部の画像計測が重要となる。もちろん、この画像計測の重要性は、頭部だけに限らず胸部、腹部等についても言えることである。
【０００４】
この重要性を示す例としては、脳機能の画像計測装置として、ポジトロンエミッション断層装置（ＰＥＴ）及び機能的核磁気共鳴断層装置（ｆＭＲＩ）及び脳磁場計測装置（ＭＥＧ）が現在広く用いられている状況を挙げることができる。これらの装置は、脳内の活動領域を画像として計測可能という利点がある一方、装置が大型でその扱いが非常に煩雑であるという欠点が存在する。例えば、これらの装置の設置には専用の大きな部屋が必要となり、もちろん装置の移動は現実的には困難である。さらに、計測中、被検者は装置内部で固定姿勢を長時間強いられるため、被検者に対する拘束性は非常に高いと共に、精神的にも苦痛を強いることになる。また、装置の保守管理を行う専任者も必要になることから、装置の運用には莫大な費用を要する。
【０００５】
一方、生体内部の血液循環、血行動態及び酸素代謝を、簡便に、被検者に対して低拘束でかつ生体に害を与えずに計測する方法として、光計測は非常に有効な手段である。その第１の理由としては、生体の血液循環と酸素代謝は、生体中の特定色素（ヘモグロビン、チトクローム、ミオグロビン等）の濃度及び濃度変化に対応し、これらの色素濃度は可視から赤外領域の波長の光吸収量から求められることが挙げられる。この血液循環及び酸素代謝は、生体内器官の正常及び異常、さらには高次脳機能に関する脳の活性化に対応している。また、光計測が有効である第２の理由としては、半導体レーザ・発光ダイオード及びフォトダイオード関連技術により装置の小型及び簡便化が実現できることが挙げられる。さらに、柔軟性の高い光ファイバを測定に利用することで、計測中における頭部固定が不要となり、被検者への拘束性が非常に小さくなると共に精神的な苦痛も大幅に低減できる。さらに第３の理由として、光強度が安全基準（ANSIZ 136-1973, JISC6802規格:2mW/mm²）の範囲内に抑えられており、従ってその光照射により生体に害が与えられないことが挙げれる。
【０００６】
また、これらの特徴以外にも、光計測は実時間計測及び生体中の色素濃度定量化など、前述のＰＥＴ、ｆＭＲＩ、ＭＥＧにはないい利点を有している。このような光計測の利点を利用して、可視から赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体内で反射しその生体内を通過した光を検出することで生体内部を計測する装置が、例えば特開昭５７−１１５２３２号あるいは特開昭６３−２７５３２３号に記載されている。さらに、光計測により生体を画像化する装置が特開平９−１９４０８号及び特開平９−１４９９０３号に記載されている。また、この光を用いた生体の画像計測の有用性は、例えば、アツシ・マキ(Atsushi Maki)他による「無侵襲近赤外光トポグラフィによるヒト脳活動の時空間解析(Spatial and temporal analysis of human moter activity using noninvasive NIR topography)」、１９９５年、メディカルフィジックス、第２２巻、第１９９７〜２００５頁(Medical physics,22,1997(1995))記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に生体計測において、高い時間分解能及び高精度計測は必要な性能である。前述の特開平９−１４９９０３号に記載された装置では、ヘモグロビンなどの生体色素濃度変化の画像計測に必要となる複数波長及び複数位置での多チャンネル計測を同時に行うことで、高い時間分解能が実現されている。この特開平９−１４９９０３号に記載されている装置の概略を図１４に示す。この装置は、被検者の複数の光照射位置に光が照射され、複数の光検出位置から光を検出する構成となっている。
【０００８】
この場合、光強度が光照射位置毎に異なる周波数で変調されている。例えば、図１４における光照射位置１、２、３、４から照射される光の変調周波数をそれぞれf1、f2、f3、f4とする。従って、これらの変調周波数が各光照射位置に対応した位置情報となっている。ここで、光検出位置１で検出した光は、これらの変調光を全て含んでいるが、フォトダイオードからの出力信号について、ロックインアンプ等のフィルター回路で個々の変調周波数信号を選択的に計測することで、位置情報に関する光計測信号を分離計測することができる。例えば、この光検出位置１に対応したフォトダイオードにより検出された変調周波数f1、f2、f3、f4による各々の検出信号レベルをI1、I2、I3、I4とすると、それぞれの周波数で同期されている各ロックインアンプの出力では個々の信号が完全に分離されている。その結果、計測信号間のクロストークがなく、効率的な多チャンネル同時計測が実現できている。
【０００９】
しかし、このような計測から最終的に画像を得る場合、個々の信号に対してそれぞれ高い計測精度が必要とされる。例えば、これらの検出信号の中で、精度すなわちＳ／Ｎが顕著に低い信号があれば、画像上でその信号に相当する計測部位の信頼性が低下し、ひいては、画像そのものの信頼性までもが低下してしまうことになる。そのため、全ての検出信号についてＳ／Ｎのバランスが取れた精度の高い計測が必要となる。しかし、従来の装置では、この計測精度に関して以下の課題が存在する。
【００１０】
生体内部の状態は、通常、光学的に不均一であり、大きな血管など、光吸収体であるヘモグロビンが大量に存在する部位に光照射位置もしくは光検出位置が配置された場合、光の減衰が著しくなり、該当検出信号レベルが顕著に低下する。このように、検出信号レベルが、ある特定の計測チャンネルで低下する他の要因として、計測に用いる光ファイバの端面が光学的に汚れている場合、さらに光ファイバと被検者頭部の皮膚との間に髪がはさまれるなど、光ファイバ装着状態に問題が生じている場合なども挙げることができる。
【００１１】
このように部分的に強度が弱い検出信号を含み、全体として計測信号レベルのアンバランスが生じる場合では、どのように計測のＳ／Ｎが影響を受けるかを以下に述べる。
【００１２】
通常、フォトダイオードなどの光検出器のショットノイズは、光検出器に到達する光すなわち検出光強度の総和の平方根に比例する。ここで、図１４における光検出位置１から検出される検出信号レベルI1、I2、I3、I4において、I1、I2、I3の信号レベルが同程度（I1〜I2〜I3）で、I4の信号レベルのみが１桁程度小さい場合（I1≫I4）を考える。この状況は、光照射位置４付近に大きな血管がある場合、もしくはこの光照射位置４における光ファイバ装着に問題が生じている場合を想定している。この場合、フォトダイオードによるノイズは主に(I1＋I2＋I3＋I4)の平方根に比例するため、もともと信号レベルの弱いI4が、強い信号レベルのI1、I2、I3の影響を強く受けて、Ｓ／Ｎの著しい低下を被ってしまう。この現象をさらに説明すると、I4の信号レベルは変わらず、I1、I2、I3の信号レベルがさらに大きくなった場合を考える。その場合、I4については信号レベルすなわちＳは変化しないけれども、ノイズレベルであるＮが増加することになる。結果として、I4については信号のＳ／Ｎがさらに劣化してしまうが、一方、信号レベルの強いI1、I2、I3についてはＳ／Ｎは増加する。従って、このように１個の光検出器で複数の光信号を検出する場合、計測チャンネル間に著しいＳ／Ｎの差異が生じ得ることになる。
【００１３】
また、このような計測では、さらに次のような課題も生じてくる。複数の強い検出光信号があると、光検出器及びロックインアンプなどのダイナミックレンジの有限性のため、これらの検出光の総和がダイナミックレンジを超えてしまう場合がある。このダイナミックレンジは、通常、検出器の線形応答性が保証される範囲で規定される。しかし、このダイナミックレンジを信号レベルが超えた場合でも、通常、検出器からは有限なある値が出力される。しかし、この場合の値は、計測の信頼性が非常に低いものとなっている。
【００１４】
以上述べたように、検出信号レベル間に大きな差異が生じると、信号のＳ／Ｎが各信号毎に大きく異なり、これらの信号を用いて画像化を行うと、画像の信頼性が低下してしまう。また、これらの信号で、強い検出光信号がある場合、検出器のダイナミックレンジを超え、計測の信頼性そのものが損なわれてしまう。
【００１５】
本発明の目的は、信頼性の高い多チャンネル同時計測を可能とするのに適した光計測装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光計測装置は、被検体の複数の光照射位置毎に、複数の光モジュールで複数波長の光を照射する光照射手段と、前記複数の光照射手段からの照射によって前記被検体内部を通過した光を検出して計測する複数の検出手段と、表示部を含んで構成する際に、前記各検出手段のうち一つの検出手段は、前記複数の光モジュールからの光を検出し、本計測に先立って前記光を前記光照射位置毎及び前記波長毎に順次照射し、それによって前記被検体内部を通過した光を検出して電気信号に変換し、該電気信号にもとづいて前記光照射位置毎及び前記波長毎の検出信号を生成し、該検出信号レベルを計測する準備計測を行う際に、前記検出信号レベルの平均値に基づいて、各検出信号の前記平均値からの差異の大きさを示すバランス指標を求めると共に、前記バランス指標が所定レベルに達しない場合は、その対応する前記波長、前記光照射位置及び前記光検出位置を前期表示部に表示させ、前記検出手段で検出された複数の検出信号の各々のレベル差が所定範囲内に入るように前記光の強度レベル及び前記検出信号レベルを制御する制御器を備えていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による光計測装置の一実施例の主要部の構成を示す。本実施例では、被検体、例えば頭部の皮膚に光を照射し、それによって被検体内で反射されその被検体内を通過した光を検出することにより大脳内部を画像化する実施形態を、計測チャンネルの個数すなわち計測位置の数が１２、計測すべき信号の数（アナログ／ディタル変換チャンネルの数）が２４の場合で示す。もちろん本発明は、計測対象として頭部に限らず他の部位、さらには生体以外に対しても実施可能である。
【００２１】
光源部１は４個の光モジュール２から構成されている。各光モジュールは、可視から赤外の波長領域内での複数の波長、例えば７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの２波長の光をそれぞれ放射する２個の半導体レーザから構成されている。これらの２波長の値は、７８０ｎｍと８３０ｎｍに限定されるものではなく、また、波長数も２波長に限定されるものではない。この光源部１については、半導体レーザの代わりに発光ダイオードを用いてもよい。この光源部１に含まれる全ての半導体レーザ８個からの光は、発振周波数の異なる８個の発振器で構成されている発振部３によりそれぞれ変調される。
【００２２】
図２は光モジュール２内の構成を、光モジュール２(1)を例にして示す。光モジュール２(1)内には、半導体レーザ３(1-a)、３(1-b)、及びこれらの半導体レーザの駆動回路４(1-a)、４(1-b)が含まれている。ここで、括弧内の文字については、数字は含まれる光モジュール番号を、a、bはそれぞれ波長７８０ｎｍ、８３０ｎｍを表す記号を示している。これらの半導体レーザ駆動回路４(1-a)、４(1-b)では、半導体レーザ３(1-a)、３(1-b)に対して直流バイアス電流を供給すると共に、発振器３によりそれぞれ異なる周波数ｆ(1-a)、ｆ(1-b)の信号をも供給することで、半導体レーザ３(1-a)、３(1-b)から放射される光に変調を与える。この変調として、本実施例では正弦波によるアナログ変調の場合を示すが、もちろん、それぞれ異なる時間間隔の矩形波によるディジタル変調、つまり異なる時間間隔で光を点滅させるディジタル変調を用いてもよい。このようにして変調された光ビ−ムはそれぞれの半導体レーザ毎に集光レンズ５により光ファイバ６に個々に導入される。個々の光ファイバに導入された２波長の光ビ−ムは光モジュール毎に光ファイバ結合器７により１本の光ファイバ、たとえば照射用光ファイバ８−１内に導入される。光モジュール毎に、２波長の光ビ−ムが照射用光ファイバ８−１〜８−４内に導入され、これらの照射用光ファイバの他端から被検体９の表面上の異なる４個所の光照射位置に照射される。被検体９内で反射されその被検体を通過した光は、被検体表面上の５個所の光検出位置から、該光検出位置に配置されている検出用光ファイバ１０−１〜１０−５を通してフォトダイオ−ド１１−１〜１１−５によって検出される。光ファイバ１０−１〜１０−５の端面は被検体９表面上に軽く接触しており、例えば特開平９―１４９９０３号公報に記載されているプローブにより光ファイバは被検体９に装着される。
【００２３】
図３は、被検体９表面上における、光照射位置１〜４及び光検出位置１〜５の幾何学的配置例を示す。本実施例では、光照射位置及び光検出位置を交互に正方格子上に配置する。隣接する光照射位置及び光検出位置の中点を計測位置とすると、この場合、隣接する光照射位置及び光検出位置の組合せが１２通り存在するため、計測位置数すなわち計測チャンネル数は１２個となる。この光照射位置及び光検出位置の配置は、例えば特開平９―１４９９０３号及びユウイチ・ヤマシタ(Yuichi Yamashita)他による「近赤外光トポグラフィ計測システム：散乱媒体中に局在する吸収体の画像化(Near-infrared topographic measurement system: Imaging of absorbers localized in a scattering medium)」、１９９６年、レヴュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメント、第６７巻、第７３０〜７３２頁(Rev. Sci. Instrum.,67,730(1996))に記載されている。隣接する照射及び検出位置間隔を３ｃｍに設定すると、各光検出位置から検出された光は、皮膚、頭蓋骨を通過して大脳の情報を有していることが、例えばピィー・ダブリュ−・マコーミック(P.W.McCormic)他による「赤外光の大脳内部の浸透(Intracerebral penetration of infrared light)」，１９９２年，ジャーナル・オブ・ニューロサージェリ，第７６巻，第３１５〜３１８頁(J.Neurosurg.,33,315(1992))により報告されている。
【００２４】
以上のことから、この光照射位置及び光検出位置の配置で１２計測チャンネルを設定すれば、全体として６ｃｍ×６ｃｍの領域における大脳の計測が可能となる。この実施例では、簡単のために計測チャンネル数が１２の場合を示しているが、格子状に配置する光照射位置及び光検出位置の数をさらに増加させることにより、計測チャンネルをさらに増加させて計測領域を拡大することも容易に可能である。例えば、２４チャンネル計測計測における光照射位置及び光検出位置の配置関係を図４に、４０チャンネル計測における同配置関係を図５にそれぞれ示す。また、隣接する光照射位置及び光検出位置間隔は３ｃｍに限定されるものではなく、計測部位等に応じて適宜変化させることもできる。
【００２５】
図１において、それぞれの検出用光ファイバ１０−１〜１０−５を通して検出された光は、光検出位置毎に、すなわち各光検出位置に対応した検出用光ファイバ毎に独立に５個の光検出器たとえばフォトダイオード１１−１〜１１−５によって検出される。このフォトダイオードは高感度な光計測が実現できるアバランシェフォトダイオードであることが望ましい。また、光検出器としては光電子増倍管を用いてもよい。これらのフォトダイオードで光が電気信号に変換された後、変調信号の選択的な検出回路、例えば複数のロックイン増幅器から構成されるロックイン増幅器モジュール１２で、光照射位置及び波長に対応した変調信号を選択的に検出する。この実施例では、アナログ変調の場合に対応する変調信号検出回路としてのロックイン増幅器を示しているが、デジタル変調を用いた場合、変調信号検出のためにデジタルフィルタもしくはデジタルシグナルプロセッサを用いる。
【００２６】
図６は、図１のロックイン増幅器モジュ−ル１２の構成を示す。まず、図３の光検出位置１からフォトダイオ−ド１１−１を介して検出される検出信号について、その変調信号分離の説明を行う。「光検出位置１」からは、隣接した「光照射位置１」、「光照射位置２」、「光照射位置３」及び「光照射位置４」に照射された光を検出することができ、したがって図３における「計測位置４」、「計測位置６」、「計測位置７」及び「計測位置９」が計測対象位置となる。ここで、「光検出位置１」からフォトダイオード１１−１を通して検出された光は、「光照射位置１」、「光照射位置２」、「光照射位置３」及び「光照射位置４」に照射された各２波長の光に対応する、変調周波数がｆ(1-a)、ｆ(1-b)、ｆ(2-a)、ｆ(2-b)、ｆ(3-a)、ｆ(3-b)、ｆ(4-a)及びｆ(4-b)である８個の信号成分を含んでいる。これらの８個の信号成分を含む光信号は８個の増幅器１４−１〜１４−８を介して８個のロックイン増幅器１３−１〜１３−８に導入される。８個のロックイン増幅器１３−１〜１３−８には、それぞれｆ(1-a)、ｆ(1-b)、ｆ(2-a)、ｆ(2-b)、ｆ(3-a)、ｆ(3-b)、ｆ(4-a)及びｆ(4-b)の変調周波数信号が参照信号として与えられている。したがって、「光照射位置１」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分はロックイン増幅器１３−１及び１３−２によって、「光照射位置２」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分はロックイン増幅器１３−３及び１３−４によって、「光照射位置３」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分はロックイン増幅器１３−５及び１３−６によって、そして「光照射位置４」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分はロックイン増幅器１３−７及び１３−８によってそれぞれ選択的に分離してロックイン検出される。
【００２７】
「光検出位置２」、「光検出位置３」、「光検出位置４」及び「光検出位置５」からそれぞれフォトダイオ−ド１１−２〜１１−５を通して検出される検出信号についても、同様にして所望の光信号成分が選択的に分離してロックイン検出される。すなわち、「光検出位置２」からフォトダイオ−ド１１−２を通して検出された光信号は４個の増幅器１４−９〜１４−１２を介して４個のロックイン増幅器１３−９〜１３−１２に導入されて「光照射位置１」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分と「光照射位置２」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分がそれぞれ選択的に分離してロックイン検出され、「光検出位置３」からフォトダイオ−ド１１−３を通して検出された光信号は４個の増幅器１４−１３〜４−１６を介して４個のロックイン増幅器１３−１３〜１３−１６に導入されて「光照射位置１」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分と「光照射位置３」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号がそれぞれ選択的にロックイン検出され、「光検出位置４」からフォトダイオ−ド１１−４を通して検出された光信号は４個の増幅器１４−１７〜４−２０を介して４個のロックイン増幅器１３−１４〜１３−２０に導入されて「光照射位置３」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分と「光照射位置４」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分がそれぞれ選択的にロックイン検出され、そして「光検出位置５」からフォトダイオ−ド１１−５を通して検出された光信号は４個の増幅器１４−２１〜４−２４を介して４個のロックイン増幅器１３−２１〜１３−２４に導入されて「光照射位置２」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号成分と「照射位置４」に照射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの光成分がそれぞれ選択的にロックイン検出される。
【００２８】
なお、図３からわかるように、光検出位置が「光検出位置２」、「光検出位置３」、「光検出位置４」及び「光検出位置５」である場合の計測対象位置は「計測位置１」及び「計測位置３」、「計測位置２」及び「計測位置５」、「計測位置１０」及び「計測位置１２」並びに「計測位置８」及び「計測位置１１」である。
【００２９】
以上のように、波長の数が２で、計測位置の数が１２の場合は、計測する信号の数（アナログ／ディジタル変換チャンネルの数）は２４となるため、これらのチャンネル用として、ロックイン増幅器モジュール１２は合計２４個のロックイン増幅器１３−１〜１３−２４を含む。これらのロックイン増幅器１３−１〜１３−２４のアナログ出力信号は被検体９をそれぞれ特徴づけるもので、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６によりそれぞれデジタル信号に変換される。これらの計測は制御部１７により制御される。さらに、計測された信号は記録部１８で記録される。また、これらの記録された信号は処理部１９において、各計測位置毎に２波長の検出光量を用いて、脳活動に伴う酸素化ヘモグロビン濃度変化及び脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、さらにはこれらのヘモグロビン濃度総量としての全ヘモグロビン濃度変化を、例えば、特開平９―１９４０８号及び前述アツシ・マキ(Atsushi Maki)他による「無侵襲近赤外光トポグラフィによるヒト脳活動の時空間解析(Spatial and temporal analysis of human moter activity using noninvasive NIR topography)」、１９９５年、メディカルフィジックス、第２２巻、第１９９７〜２００５頁(Medical physics,22,1997(1995))及びに記載されている方法で計算し、それらの画像として、表示部２０において、例えばトポグラフ画像が表示される。
【００３０】
ここで、本格的なヘモグロビン等の濃度変化の計測、すなわち本計測の前に準備計測を行う。この準備計測全体の概要を示すフローチャートを図７に示す。この図７中における各処理の詳細を以下で説明する。
【００３１】
（ステップ１：環境設定）
図７の環境設定（ステップ１）の処理の詳細を図８に示すフローチャートで述べる。
【００３２】
（ステップ１−１）制御部１７により光源部１の駆動回路４を制御して、全ての半導体レーザの光出力をゼロレベルにすると共に、ロックイン増幅器モジュール１２内の増幅器１４の増幅率すなわちゲインをある一定値、例えば１に設定する。また、増幅器の後の各スイッチ１５をオフにすることで、増幅器１４からの信号が各ロックイン増幅器に入力せずに、直接アナログ／デジタル変換器１６に入力するように設定する。
【００３３】
（ステップ１−２）
すべての半導体レーザからの光出力がゼロの状態で、各フォトダイオードからの直流出力を迷光レベルとして計測する。
【００３４】
（ステップ１―３）
各フォトダイオードにおける迷光レベルが、ある所定の範囲を超えている場合、そのフォトダイオードに対応する光検出位置を表示部２０で表示する。
【００３５】
（ステップ１―４）
オペレ−タに計測室内の照明レベルや光ファイバの装着状況についての再考を促し、オペレ−タが再考を選択すればステップ１―２に戻る。再考を選択しなければ、ステップ１―５へ進む。
【００３６】
（ステップ１―５）
光検出位置を示す変数をｙとし、各フォトダイオード１１―ｙに対応する迷光レベル値をIs(y)として記録部１８で記録する。
【００３７】
（ステップ２：光順次照射）
図７の光逐次照射（ステップ２）の処理の詳細を図１０に示すフローチャートで述べる。
【００３８】
（ステップ２−１）ロックイン増幅器モジュール１２内の各スイッチ１５をオンにし、増幅器１４からの出力信号が各ロックイン増幅器に入力されるようにする。
【００３９】
（ステップ２―２）
変数ｎに数値１を代入する。
【００４０】
（ステップ２−３）照射位置ｎ、ここではｎ＝１の場合、図３における光照射位置１に照射する波長７８０ｎｍの半導体レーザ３（１−ａ）に関する駆動回路４（１−ａ）及び発信器３を制御し、この半導体レーザからの光出力をゼロレベルからある設定値まで連続的もしくは離散的に上昇させる。ここで、照射位置１に隣接する検出位置１、２、３それぞれに対応するフォトダイオード１１−１〜１１−３に接続され、かつ、半導体レーザ３（１−ａ）の変調周波数ｆ（１−ａ）と同じ周波数で同期している該当ロックイン増幅器における検出信号もそれぞれ同時に計測する。このとき、光源部の光出力レベル変化に対する、各ロックイン増幅器の検出信号レベルの反応が、全てフォトダイオード及びロックイン増幅器の線形反応の範囲内すなわちダイナミックレンジの範囲内であることを確認する。ここで、検出信号レベルの１つでも、このダイナミックレンジを超えて線形性が失われていた場合、半導体レーザ３（１−ａ）からの光出力設定値を所定レベルまで低下させて、再度同様な操作を繰り返す。
【００４１】
この際の、半導体レーザの光強度レベルと各ロックイン増幅器からの検出信号レベルを共に記録する。例えば光照射位置を示す変数をｘ、光検出位置を示す変数をｙ、さらに波長を示す文字変数をｚとして、光強度レベルをＰ（ｘ，ｚ）、検出信号レベルをＩ（ｘ，ｙ, ｚ）とする。このｚとしては、波長７８０ｎｍの場合は文字ａを、波長８３０ｎｍの場合は文字ｂを代入することになる。
【００４２】
その後、この半導体レーザの光出力をゼロとする。
【００４３】
引き続き照射位置ｎ、ここでｎ＝１の場合、照射位置１に照射する波長８３０ｎｍの半導体レーザ3(1-b)に関しても、上記波長７８０ｎｍの場合と同様な操作を行う。
【００４４】
次に、ｎを１加算して、ｎが照射位置の数、すなわち４以下であれば、半導体レーザ3(n-b)及び3(n-b)に対してさらに同様な操作を順次繰り返す。
【００４５】
（ステップ３：検出信号のバランス指標計算）
図７の検出信号のバランス指標計算（ステップ３）の処理の詳細を図１０に示すフローチャートで述べる。
【００４６】
（ステップ３―１）
変数ｎに数値１を代入する。
【００４７】
（ステップ３―２）
ステップ２―３で導入した光強度レベルP(x,z)及び検出信号レベルI(x,y,z)を初期条件として、これらの仮想操作用変数としてPv(x,z)及びIv(x,y,z)を設定する。
【００４８】
（ステップ３―３）
検出位置ｎに対応するフォトダイオード１１―ｎ、例えばｎ＝１の場合フォトダイオード１１―１で検出される迷光以外の検出信号レベルIv(1,1,a), Iv(1,1,b), Iv(2,1,a), Iv(2,1,b), Iv(3,1,a), Iv(3,1,b), Iv(4,1,a), Iv(4,1,b)の平均値をIm(n)、すなわちIm(1)とし、この平均値に対する各検出信号レベルの比率をバランス指標として計算する。このバランス指標としては、照射位置x、検出位置y、波長zの３変数を用いてV(x,y,z)で示す。例えば検出信号レベルIv(1,1,a)に対するバランス指標V(1,1,a)は、Iv(1,1,a)/ Im(1)となる。
【００４９】
この指標の意味として、V(x,y,z)の値が１であればその該当信号レベルは平均であることを示し、１を超えると信号レベルが強い傾向を、１を下回ると信号レベルが弱い傾向を示している。同一フォトダイオードからの全ての信号において、バランス指標が全て１であれば、バランスの取れた検出レベルであることを示し、１を大きく超えたもの及びゼロに近いものが混在していれば、検出信号レベルが強いアンバランスであることを示している。
【００５０】
次に、ｎに１を加算して、ｎが検出位置の数、ここでは５以下であれば検出位置ｎに対するフォトダイオード１１―ｎに対して同様な処理を行い、全ての検出信号レベルに対してバランス指標を計算する。
【００５１】
（ステップ３―４）
ステップ３―３で計算した全てのバランス指標V(x,y,z)を、それらの値に従ってグループ分けする。例えば、V(x,y,z)が1.5以上をＡグループ、1.5から0.5までをＢグループ、0.5から0.2までをＣグループ、さらには0.2以下をＤグループとする。検出信号レベルのアンバランスは、通常、計測部位又は光ファイバ装着状況など、特定の光照射位置もしくは光検出位置に関して生じる場合が多い。従って、Ｃ及びＤグループには光ファイバを同じくするものが多く含まれることになる。この光照射位置及び光検出位置を求めると共に、Ａグループに属する光照射位置及び光検出位置を抽出する。
【００５２】
（ステップ４：検出信号バランス化（光強度レベル増加））
図７の検出信号バランス化（光強度レベル増加）処理（ステップ４）の詳細を図１１に示すフローチャートで述べる。
【００５３】
（ステップ４―１）
バランス指標のグループ分けで、Ｄグループに分類されるV(x,y,z)が含まれる場合、波長を含めて該当する光照射位置及び光検出位置を表示部２０で表示する。
【００５４】
（ステップ４―２）
オペレ−タに該当光照射位置及び光検出位置における光ファイバの再装着についての再考を促し、オペレ−タが再考を選択すればステップ１に戻る。再考を選択しなければ、ステップ４―３へ進む。
【００５５】
（ステップ４―３）
バランス指標のグループ分けで、Ｄ及びＣグループに分類されるV(x,y,z)が含まれない場合ステップ６へ進む。
【００５６】
（ステップ４―４）
ＤおよびＣグループのバランス指標に該当する光照射位置からの仮想操作用光強度レベルPv(x,z)をある一定幅だけ増加させ、増加させた値にPv(x,z)の値を置き換える。
【００５７】
（ステップ４―５）
ステップ４―４で増加したPv(x,z)の照射位置に該当する全ての仮想操作用検出信号レベルIv(x,y,z)について、Pv(x,z)の増加率に比例した値でそれぞれ置き換えると共に、全てのV(x,y,z)についても再計算を行い新たな値に置き換える。
【００５８】
（ステップ４―６）
新たなバランス指標に対して、グループ分けを再度実行する。
【００５９】
（ステップ４―７）
Ｃ及びＤグループに該当するV(x,y,z)が含まれない場合、ステップ６へ進む。（ステップ４―８）
所定の上限値に達したPv(x,z)が存在する場合、ステップ５へ移動する。所定の上限値に達していない場合、ステップ４―４に戻り同様な操作をさらに繰り返す。
【００６０】
（ステップ５：検出信号バランス化（光強度レベル減少））
図７の検出信号バランス化（光強度レベル減少）処理（ステップ５）の詳細を図１２に示すフローチャートで述べる。
【００６１】
（ステップ５―１）
バランス指標のグループ分けで、Ａグループに分類されるV(x,y,z)が含まれない場合、ステップ６へ進む。
【００６２】
（ステップ５―２）
Ａグループのバランス指標に該当する照射位置からの仮想操作用光強度レベルPv(x,z)をある一定幅だけ減少させ、減少させた値にPv(x,z)の値を置き換える。
【００６３】
（ステップ５―３）
ステップ５―２で減少したPv(x,z)の光照射位置に該当する全ての仮想操作用検出信号レベルIv(x,y,z)について、Pv(x,z)の減少率に比例した値でそれぞれ置き換えると共に、全てのV(x,y,z)についても再計算を行い新たな値に置き換える。（ステップ５―４）
新たなバランス指標に対して、グループ分けを再度実行する。
【００６４】
（ステップ５―５）
Ｃ及びＤグループに該当するV(x,y,z)が含まれない場合、ステップ６へ進む。
【００６５】
（ステップ５―６）
所定の下限値に達したPv(x,z)が存在する場合、ステップ６へ移動する。所定の下限値に達していない場合、ステップ５―１に戻り同様な操作をさらに繰り返す。
【００６６】
（ステップ６：最終調整）
図７の最終調整の処理（ステップ６）の詳細を図１３で示すフローチャートで述べる。
【００６７】
（ステップ６―１）
変数ｎに数値１を代入する。
【００６８】
（ステップ６―２）
検出位置ｎに対応するフォトダイオード１１―ｎ、例えばｎ＝１の場合フォトダイオード１１―１で検出される迷光レベル値をIs(1)とし、これと検出信号レベルIv(1,1,a), Iv(1,1,b), Iv(2,1,a), Iv(2,1,b), Iv(3,1,a), Iv(3,1,b), Iv(4,1,a), Iv(4,1,b)との総和をIt(y)、すなわち検出位置ｎが１の場合It(1)とし、この総和の値がフォトダイオードのダイナミックレンジを超えている場合、It(1)がこのダイナミックレンジの上限値となるように該当検出信号レベルIv(x,y,z)を均一の比率で減ずると共に、減じたIv(x,y,z)に係るPv(x,z)、さらにそのPv(x,z)に係る他のIv(x,y,z)についても同じ比率で減ずる。
【００６９】
（ステップ６―３）
次に、ｎに１を加算して、ｎが検出位置の数、すなわち５以下であれば、検出位置ｎに対してさらに同様な操作を順次繰り返す。
【００７０】
（ステップ６―４）
全ての仮想操作用変数Iv(x,y,z)に対する全平均Itmを計算する。
【００７１】
（ステップ６−５）全てのＩｖ（ｘ，ｙ, ｚ）の検出信号レベルがＩｔｍになるように、ロックイン増幅器モジュール１２内の個々の増幅器１４の増幅率を独立に変化する。ここで、個々のＩｖ（ｘ，ｙ, ｚ）に係る増幅器の増幅率をＧ（ｘ，ｙ, ｚ）とする。
【００７２】
（ステップ６−６）個々のロックイン増幅器に入力するＩｔ（ｙ）とＧ（ｘ，ｙ, ｚ）との積が、ロックイン増幅器のダイナミックレンジを超えていれば、該当ロックイン増幅器に係るＧ（ｘ，ｙ, ｚ）を、Ｉｔ（ｙ）とＧ（ｘ，ｙ, ｚ）との積がこのダイナミックレンジの上限値となるように減ずる。
【００７３】
（ステップ６―７）
このステップの時点における各光照射位置及び各波長におけるPv(x,z)の値に従い、実際に光源部１における全ての半導体レーザから光を同時に照射する。
【００７４】
（ステップ６−８）各ロックイン増幅器からの個々の実際の検出信号レベルが、Ｉｖ（ｘ，ｙ, ｚ）とＧ（ｘ，ｙ, ｚ）との積を中心とした所定の範囲から外れていれば、オペレ−タにその旨を表示する。その場合、オペレ−タが準備計測の再実行を選択すればステップ１に戻る。（ステップ６−９）Ｐｖ（ｘ，ｚ）値およびＧ（ｘ，ｙ, ｚ）値を記録部１８で記憶する。
（ステップ６−９）Ｐｖ（ｘ，ｚ）値およびＧ（ｘ，ｙ, ｚ）値を記録部１８で記憶する。
【００７５】
以上のステップで準備計測を終え、Pv(x,z)値およびG(x,y,z)値の値を利用して引き続き本計測を行う。以上の準備計測において、各半導体レーザの光強度レベルの変化は、発振器及び駆動回路４からの直流電流又は変調電流を制御部１７で制御することで行う。また、この光強度レベルの変化は、印可電流の変化に限らず、半導体レーザから被検体までの光路中に可変の光減衰フィルタを導入することで実行することもできる。
【００７６】
なお、本発明の実施は、以上の実施例で示した準備計測のフローに限定されるものではない。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、信頼性の高い多チャンネル同時計測を可能にするのに適した光計測方法及び装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光計測装置の一実施例の主要部の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光モジュール内の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の被検体表面上における、光照射位置及び光検出位置の幾何学的配置例を示す図である。
【図４】図３に対応する、２４チャンネル計測の場合の光照射位置及び光検出位置の配置例を示す図である。
【図５】図３に対応する、４０チャンネル計測の場合の光照射位置及び光検出位置の配置例を示す図である。
【図６】図１のロックイン増幅器モジュ−ルの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例における準備計測全体の概要を示すフローチャートである。
【図８】図７の準備計測における環境設定処理（ステップ１）の詳細を示すフローチャートである。
【図９】図７の準備計測における光順次照射処理（ステップ２）の詳細を示すフローチャートである。
【図１０】図７の準備計測のにおける検出信号バランス指標計算処理（ステップ３）の詳細を示すフローチャートである。
【図１１】図７の準備計測における検出信号バランス化（光強度レベル増加）処理（ステップ４）の詳細を示すフローチャートである。
【図１２】図７の準備計測検出信号バランス化（光強度レベル減少）処理（ステップ５）の詳細を示すフローチャートである。
【図１３】図７の準備計測における最終調整処理（ステップ６）の詳細を示すフローチャートである。
【図１４】従来の高時間分解計測装置の要点を示す概要図である。
【符号の説明】
１：光源部、２：光モジュール、３：発振部、３(1-a)〜３(1-b)：半導体レーザ、４(1-a)〜４(1-b)：駆動回路、５：集光レンズ、６：光ファイバ、７：光ファイバ結合器、８−１〜８−４：照射用光ファイバ、９：被検体、１０−１〜１０−５：検出用光ファイバ、１１−１〜１１−５：フォトダイオード、１２：ロックイン増幅器モジュール、１３−１〜１３−２４：ロックイン増幅器、１４：増幅器、１５：スイッチ、１６：アナログ／ディジタル変換器、１７：制御部、１８：記録部、１９：処理部、２０：表示部。

Claims

被検体の複数の光照射位置毎に、複数の光モジュールで複数波長の光を照射する光照射手段と、前記複数の光照射手段からの照射によって前記被検体内部を通過した光を検出して計測する検出手段と、表示部を含む光計測装置において、前記各検出手段のうち一つの検出手段は、前記複数の光モジュールからの光を検出し、本計測に先立って前記光を前記光照射位置毎及び前記波長毎に順次照射し、それによって前記被検体内部を通過した光を検出して電気信号に変換し、該電気信号にもとづいて前記光照射位置毎及び前記波長毎の検出信号を生成し、該検出信号レベルを計測する準備計測を行う際に、前記検出信号レベルの平均値に基づいて、各検出信号の前記平均値からの差異の大きさを示すバランス指標を求めると共に、前記バランス指標が所定レベルに達しない場合は、その対応する前記波長、前記光照射位置及び前記光検出位置を前記表示部に表示させ、前記検出手段で検出された複数の検出信号の各々のレベル差が所定範囲内に入るように前記光の強度レベル及び前記検出信号レベルを制御する制御器を備えていることを特徴とする光計測装置。
請求項１において、前記光照射手段は、前記照射位置毎及び前記波長毎の発光ダイオ−ド又は半導体レ−ザを含み、該発光ダイオ−ド又は半導体レ−ザに印加する直流電流又は変調電流を変化させることで前記光の強度レベルを変えるものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１において、前記光照射手段は、前記発光ダイオ−ド又は半導体レ−ザ毎の、それから放射される光の強度レベルを変える減光フイルタ−を含むものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１において、前記制御器は、更に前記光を前記被検体に照射しない状態における迷光を検出して迷光信号を生成し、該迷光信号を計測するものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１から４のいずれかにおいて、前記光照射手段は、前記照射する光の強度をゼロレベルから所定の強度レベルまで上昇させするものであることを特徴とする光計測装置。
請求項５において、前記制御器は、前記照射する光の強度を上昇させたときの前記検出信号レベルの反応が非線形である場合、前記照射する光の強度レベルを所定の強度レベルまで減ずるものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１において、前記光照射手段は、前記複数波長の光を前記複数の光照射位置に同時に照射するものであることを特徴とする光計測装置。
請求項４において、前記電気信号を独立に増幅する増幅器を備え、各検出信号間の前記レベル差が所定範囲に入るように前記増幅器を変化させるものであることを特徴とする光計測装置。
請求項８において、前記制御器は、光検出位置毎の前記それぞれの検出光レベルの和と前記迷光信号レベルとの総和が所定の範囲内に入るように前記和を変えるものであることを特徴とする光計測装置。
請求項９において、前記制御器は、前記全ての光検出位置についての前記検出光レベルの平均を算出し、前記前記検出光レベルが前記平均と実質的に同じとなるように前記増幅器の増幅率を変えるものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１０において、前記制御器は、前記総和と前記前記増幅器の増幅率との積が所定の範囲内に入っているかどうかの判断を実行するものであることを特徴とする光計測装置。
請求項１０において、前記制御器は、前記前記総和と前記増幅器の増幅率との積が所定の範囲内に入っているときの前記照射する光強度レベル及び前記増幅器の増幅率を記録するものであることを特徴とする光計測装置。