成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法
【課題】散乱光の時間分解波形を高い分解能で取得するための新しい手法の提案。時間分解波形に基づいて、被検体が含有する成分の濃度を高精度に測定する手法の提案。
【解決手段】光源部３０１からの光源光が分岐部３０２によって分岐され、その一方の光が測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。そして、被検体からの出射光が集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって光変換部３０７に中継される。他方、分岐部３０２によって分岐された他方の光はゲート光として光駆動シャッター部３１１に導光される。この際、ゲート光は、ゲート光導光部３０９によって光路長が変更され、光路長が異なるゲート光がカー材質部３１１Ａに導光される。そして、変更された光路長における光強度の検出結果から時間分解波形が求められて、被検体に含まれている成分濃度が算出される。
【解決手段】光源部３０１からの光源光が分岐部３０２によって分岐され、その一方の光が測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。そして、被検体からの出射光が集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって光変換部３０７に中継される。他方、分岐部３０２によって分岐された他方の光はゲート光として光駆動シャッター部３１１に導光される。この際、ゲート光は、ゲート光導光部３０９によって光路長が変更され、光路長が異なるゲート光がカー材質部３１１Ａに導光される。そして、変更された光路長における光強度の検出結果から時間分解波形が求められて、被検体に含まれている成分濃度が算出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に含まれている成分濃度を測定する装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検体に含まれている成分濃度を測定する濃度測定方法が考案されている。その１つとして、例えば、人間の皮膚を被検体として、その血糖値を測定する技術が考案されている。従来、血糖値の測定は、指先などから採血を行い、血中のグルコースに対する酵素活性を測定することで行っていた。
【０００３】
しかし、上記のような血糖値の測定方法では、指先などから血液を採取する必要がある。つまり、従来の測定方法は、侵襲式の測定方法であり、被検者にとって痛みや不快感を伴うという問題があった。そこで、非侵襲式の測定方法として、人体の一部（例えば手の表面）に近赤外光を照射し、その光吸収量から血糖値を測定する技術が考案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、皮膚に照射した光の反射光の時間分解波形を利用して真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する技術が記載されている。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３７１３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９４２６号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、被検体に含まれている成分濃度を測定する上で、実用性のある時間分解波形を実測する方法は実現されていなかった。詳細に説明すると、特許文献１には散乱光の時間分解波形の具体的な実測方法について開示されていない。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する技術が記載されているが、近赤外光用のストリークカメラは時間的な分解能がせいぜいピコ秒のオーダーである。より高い分解能で散乱光の時間分解波形を取得する場合には、特許文献２，３の技術をそのまま利用することはできない。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その第１の目的は、散乱光の時間分解波形を高い分解能で取得するための新しい手法を提案することにある。また、第２の目的は、時間分解波形に基づいて、被検体に含有されている成分の濃度を高精度に測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための第１の形態は、パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、光強度を検出する検出部と、前記測定光に同期したパルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、を備えた成分濃度測定装置である。
【０００９】
また、他の形態として、パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、を含む成分濃度測定方法を構成することとしてもよい。
【００１０】
この第１の形態等によれば、パルス光である測定光を被検体に照射する。そして、測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光し、その光強度を検出する。その一方、測定光に同期したパルス光でなるゲート光に基づき、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させる。ゲート光は、導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部によって導光される。そのゲート光導光部の光路長を変更制御し、変更された光路長における光強度の検出結果から時間分解波形を求めて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。
【００１１】
測定光に同期したパルス光でなるゲート光の光路長を変更しながらゲート光を導光し、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させることで、被検体からの出射光の時間分解波形を取得することができる。ゲート光のパルス幅を、例えばフェムト秒といった短い時間幅とすることで、出射光の時間分解波形を高い分解能で取得することができる。また、このようにして求めた時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に算出することができる。
【００１２】
また、第２の形態として、第１の形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、この光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１３】
この第２の形態によれば、上記の形態で取得した時間分解波形と、予め定められた被検体を伝播するパルス光の光路モデルとを用いて、被検体の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【００１４】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、前記時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に前記測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１５】
この第３の形態によれば、上記の形態で取得した時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。参照物質は光学特性が既知である。そのため、被検体に測定光を照射した場合に測定される時間分解波形と参照用時間分解波形とが類似する参照物質を用いることで、被検体と参照物質との光学特性の僅かな違いを捉えることができる。その結果、被検体に含まれている成分濃度を高い正確性で算出することが可能となる。
【００１６】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の成分濃度測定装置において、前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１７】
この第４の形態によれば、光駆動シャッター部が、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。そして、ゲート光をカー材質に導光することで、光駆動シャッターを簡易な構成により実現することができる。
【００１８】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の成分濃度測定装置において、パルス光を生成する光源と、前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、を更に備えた成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１９】
この第５の形態によれば、光源によって生成されたパルス光を分岐させることで、互いに同期した測定光とゲート光とを簡単に得ることができる。
【００２０】
また、第６の形態として、第１〜第５の何れかの形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００２１】
この第６の形態によれば、少なくとも被検体に含まれているグルコースの成分濃度を高い正確性で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】成分濃度測定装置の機能構成の一例を示すブロック図。
【図２】光学装置の構成の一例を示す図。
【図３】散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャート。
【図４】モデルデータのデータ構成の一例を示す図。
【図５】散乱光時間分解波形データのデータ構成の一例を示す図。
【図６】濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【図７】第２実施形態における光学装置の構成の一例を示す図。
【図８】第２実施形態における処理部の機能構成の一例を示す図。
【図９】第２実施形態における記憶部のデータの一例を示す図。
【図１０】散乱光時間分解差異波形データのデータ構成の一例を示す図。
【図１１】第２濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【図１２】散乱光時間分解差異波形生成処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して、光学装置を用いて被検体に含まれている成分濃度を測定する成分濃度測定装置の実施形態について説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２４】
１．第１実施形態
図１は、本実施形態における成分濃度測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。成分濃度測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、演算装置５とを備えて構成される。成分濃度測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込まれて利用される。
【００２５】
１−１．光学装置３の構成
図２は、光学装置３の光学的な構成の概略を示す図である。光学装置３は、例えば、光源部３０１と、分岐部３０２と、照射部３０３と、集光部３０４と、中継部３０５と、光変換部３０７と、ゲート光導光部３０９と、光駆動シャッター部３１１と、光検出部３１３とを有して構成される。
【００２６】
光源部３０１は、パルス光を生成して出射する光源であり、例えばフェムト秒レーザー等といったパルス光の生成装置を有して構成される。光源部３０１は、演算装置５から入力した波長制御信号に応じた波長のパルス光を生成する。
【００２７】
分岐部３０２は、光源部３０１から射出されたパルス光を分岐させる光分岐器であり、例えばハーフミラーを有して構成される。分岐部３０２によって分岐された光のうちの一方の光は、測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。また、分岐された光のうちの他方の光は、ゲート光としてゲート光導光部３０９に導光される。従って、測定光とゲート光とは、互いに同期したパルス光であると言える。
【００２８】
被検体は、成分濃度の測定対象とする物質又は溶液であり、本実施形態では人間の皮膚とする。人間の皮膚は、大きく分けて、表皮層、真皮層及び皮下組織層の３層で構成されている。本実施形態では、この３層のうち、真皮層に含まれているグルコースの成分濃度を測定することを目的とする。
【００２９】
集光部３０４は、外部から被検体に向けて測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する。具体的には、測定光が被検体に照射された場合の後方散乱光（以下、簡潔に「散乱光」と称す。）を出射光として集光し、中継部３０５に導く。集光部３０４は、いわば散乱光を入光（受光）する入光部（受光部）とも言え、例えばレンズを有して構成される。
【００３０】
中継部３０５は、集光部３０４で集光された散乱光を光変換部３０７に中継する機能を有し、例えば光ファイバーを有して構成される。
【００３１】
光変換部３０７は、中継部３０５によって中継された出射光を平行光に変換する機能を有し、例えばコリメートレンズを有して構成される。
【００３２】
ゲート光導光部３０９は、分岐部３０２によって分岐された光のうちのゲート光の光路長を変更可能に構成され、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導光する導光路を形成する装置である。例えば、光路長可変セルなどを有する機構として構成することとしてもよいし、図２に示すように、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導くための２枚の反射板の位置をスライドさせるなどして、光駆動シャッター部３１１に入射するゲート光の距離を物理的に変化させる機構を設けてもよい。
【００３３】
光駆動シャッター部３１１は、ゲート光導光部３０９が導光した光に基づき、集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって中継された光を光検出部３１３に向けて透過させる。光駆動シャッター部３１１は、カー材質部３１１Ａと、第１偏光部３１１Ｂと、第２偏光部３１１Ｃとを有して構成される。
【００３４】
カー材質部３１１Ａは、光カー効果を引き起こす材料で構成された結晶や非晶質であり、例えば二硫化炭素などの有機溶剤や、カルコゲン系のガラス、鉛含有ガラスなどで構成される。このカー材質部３１１Ａの両側には、一対の偏光部（第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃ）が配置される。
【００３５】
第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃは、入射した光を直線偏光に変換する偏光子であり、透過軸が直交するように位置決めされている。つまり、光駆動シャッター部３１１は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。
【００３６】
透過軸が直交しているため、通常時には、カー材質部３１１Ａに入射した光は第２偏光部３１１Ｃを通過することができない。しかし、ゲート光がカー材質部３１１Ａに入射したタイミングで、カー材質部３１１Ａの屈折率がゲート光の振動方向にのみ変化して、カー材質部３１１Ａが複屈折性を持つ。その結果、パルス光のパルス長に応じた時間だけ散乱光の偏光状態が変調され、散乱光が第２偏光部３１１Ｃを通過する。ゲート光導光部３０９は、ゲート光をカー材質部３１１Ａに導光する。
【００３７】
なお、ゲート光と測定光とは、その偏光方向が４５度の関係となるようにすると好適である。ゲート光と測定光の偏光方向が同じである場合、散乱光の偏光状態が変調されず、カーシャッターとして機能しなくなるためである。
【００３８】
光検出部３１３は、光駆動シャッター部３１１を透過した散乱光の光強度を検出する検出部であり、例えば受光素子と光電変換素子とを有して構成される。受光素子によって受光され、光電変換素子によって光電変換された光強度は、電圧値のデータとして演算装置５に出力される。
【００３９】
１−２．原理
光源部３０１から被検体（皮膚）内に入射した光は、散乱過程を繰り返しながら伝播して被検体から出射すると、中継部３０５等を通過して最終的に光検出部３１３で受光される。光検出部３１３に到達した光は、その検出時刻によって、被検体内の所定部位（皮膚の各層）を選択的に通過してくると考えることができる。すなわち、被検体内を伝播した光子の伝播経路が光散乱係数により特徴付けられ、その光路に沿った光強度変化が光吸収係数によって特徴付けられると考えられる。
【００４０】
本実施形態では、パルス光を被検体に照射した場合の出射光である後方散乱光の時間特性のことを「散乱光時間分解波形」と称して説明する。散乱光時間分解波形において、早い時刻に検出された光ほど表面から浅い部分のみを通ってきており、逆に遅い時刻に検出された光ほど表面から深い領域まで到達してきている。このように異なる検出時刻における検出光の強度は、異なる経路分布を経てきた光成分に対応する。つまり、ある検出時刻の光強度には、その時刻に応じた光経路分布中の吸光情報が含まれている。従って、時間分解波形の検出時刻毎の光経路を実測により予め求めておけば、逆問題解法により、光吸収係数の分布を推定することができる。
【００４１】
本実施形態では、上記の原理に基づき、被検体からの散乱光の時間分解波形を、パルス光を被検体（皮膚）に実際に照射して測定（実測）する。そして、測定した時間分解波形をもとに、皮膚内部の各層の光吸収係数を算出し、当該光吸収係数を用いて、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。
【００４２】
被検体に入射した測定光は、被検体の散乱特性のために様々な経路を辿り、反射光（散乱光）として出射したところを集光部３０４によって集光される。このとき、光子（フォトン）が被検体を辿った経路は様々である。つまり、散乱光として捕捉される光は、辿った経路が異なる光子を含む光となるため、時間軸で考えた場合、捕捉される光子数の時間分布の波形で表される。
【００４３】
捕捉される光子数は、捕捉された光の強度と同義である。従って、上記のようにして観測される光の波形は、散乱光の強度の時間的な変化を観測した波形となる。本実施形態では、この波形のことを「散乱光時間分解波形」と称する。そして、光駆動シャッター部３１１による超高速シャッターを利用して、以下説明する手順で散乱光時間分解波形を求める。
【００４４】
図３は、散乱光時間分解波形の生成に係る処理である散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャートである。
【００４５】
最初に、パルス光の候補波長を決定する（ステップＡ１）。候補波長は、任意の波長の中から選択すればよいが、被検体の主成分について光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると効果的である。具体的には、皮膚の真皮層の主成分である水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると好適である。
【００４６】
次いで、ゲート光の光路長範囲及び光路長刻み幅を決定する（ステップＡ３）。具体的には、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とし、散乱光時間分解波形の精度（分解能）に応じて光路長刻み幅を決定する。図５に示したように、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすると好適である。
【００４７】
その後、ステップＡ１で決定した各候補波長それぞれについて、ループＡの処理を行う（ステップＡ５〜Ａ１９）。ループＡの処理では、光路長を初期設定する（ステップＡ７）。つまり、ゲート光の光路長が、ステップＡ３で決定した光路長範囲の初期値となるように、ゲート光導光部３０９を制御する。
【００４８】
次いで、当該候補波長のパルス光を生成するように光源部３０１を制御する（ステップＡ９）。そして、被検体（皮膚）からの散乱光の光駆動シャッター部３１１の透過タイミングと対応付けて、光検出部３１３において検出された散乱光の強度を取得する（ステップＡ１１）。
【００４９】
次いで、光路長範囲の全体について光強度を取得できたか否かを判定し（ステップＡ１３）、まだ取得できていないと判定した場合は（ステップＡ１３；Ｎｏ）、ステップＡ３で決定した光路長刻み幅だけゲート光の光路長を変更するように、ゲート光導光部３０９を制御する（ステップＡ１５）。そして、ステップＡ９に戻る。
【００５０】
一方、ステップＡ１３において光路長範囲の全体について光強度を取得できたと判定した場合は（ステップＡ１３；Ｙｅｓ）、ステップＡ１１で取得した各々の光路長についての光強度で表される散乱光時間分解波形を記憶する（ステップＡ１７）。そして、次の候補波長へと処理を移行する。全ての候補波長についてステップＡ７〜Ａ１７の処理を行ったならば、ループＡの処理を終了する（ステップＡ１９）。これにより、散乱光時間分解波形生成処理は終了となる。
【００５１】
上記のようにして散乱光時間分解波形を生成したならば、当該散乱光時間分解波形に基づいて、異なる時刻における光強度を取得する。そして、皮膚の各層の光吸収係数を算出し、算出した光吸収係数を用いて、真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。この詳細については、フローチャートを用いて後述する。
【００５２】
１−３．演算装置５の構成
演算装置５は、光学装置３の制御を行う制御装置であり、且つ、光学装置３から取得した光強度に基づいて、真皮層に含有されているグルコース濃度を算出・測定する演算装置である。
【００５３】
図１に示すように、演算装置５は、処理部５１０と、入力部５２０と、表示部５３０と、音出力部５４０と、通信部５５０と、Ｉ／Ｆ（Inter Face）部５６０と、記憶部５７０とを備え、各部がバス５８０を介して接続されるコンピューターシステムである。
【００５４】
処理部５１０は、記憶部５７０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、演算装置５の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。
【００５５】
処理部５１０は、主要な機能部として、モデル生成部５１１と、散乱光時間分解波形生成部５１３と、光吸収係数算出部５１５と、成分濃度算出部５１７と、光路長制御部５１９とを有する。但し、これらの機能部は、一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。
【００５６】
モデル生成部５１１は、例えばモンテカルロ法を利用したシミュレーション（モンテカルロシミュレーション）を行うことで、入射光子数が「Ｎin」の場合における皮膚の各層の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を算出する。また、モンテカルロシミュレーションを行うことで、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」の場合における無吸収時の散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を算出する。
【００５７】
散乱光時間分解波形生成部５１３は、記憶部５７０に記憶された散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３で説明した散乱光時間分解波形生成処理を行うことで、散乱光の時間分解波形「Ｒ（ｔ）」を求める。
【００５８】
光吸収係数算出部５１５は、皮膚の各層それぞれについて光吸収係数を算出する。また、成分濃度算出部５１７は、真皮層が含有する成分それぞれについて濃度を算出する。
【００５９】
光路長制御部５１９は、光学装置３のゲート光導光部３０９に光路長制御信号を出力することで、ゲート光導光部３０９の光路長を変更制御する。
【００６０】
入力部５２０は、例えばキーボードやボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部５１０に出力する。この入力部５２０の操作により、各種データの入力や、成分濃度の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００６１】
表示部５３０は、処理部５１０から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部５３０には、成分濃度算出部５１７によって算出された成分濃度の情報等が表示される。
【００６２】
音出力部５４０は、処理部５１０から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部５４０からは、成分濃度測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００６３】
通信部５５０は、演算装置５が外部の情報処理装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置である。通信部５５０は、例えば、有線ケーブルを介して通信を行う有線通信モジュールや、無線ＬＡＮやスペクトラム拡散通信等を行う無線通信モジュール等を有して構成される。
【００６４】
Ｉ／Ｆ部５６０は、光学装置３と演算装置５との間で、光強度のデータの入力や、各種の制御信号の出力といった信号やデータの授受を行うための入出力インターフェイスである。
【００６５】
記憶部５７０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、演算装置５のシステムプログラムや、散乱光時間分解波形生成機能、成分濃度測定機能といった各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００６６】
記憶部５７０には、プログラムとして、処理部５１０によって読み出され、成分濃度測定処理（図６参照）として実行される成分濃度測定プログラム５７１が記憶されている。成分濃度測定プログラム５７１は、散乱光時間分解波形生成処理（図３参照）として実行される散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａをサブルーチンとして含む。
【００６７】
また、記憶部５７０には、データとして、例えば、モデルデータ５７２と、散乱光時間分解波形データ５７３と、被検体物性値データ５７４と、層別光吸収係数データ５７５と、成分濃度データ５７６とが記憶される。
【００６８】
モデルデータ５７２は、モデル生成部５１１がモンテカルロシミュレーション等を行うことで生成したモデルに係るデータであり、そのデータ構成の一例を図４に示す。モデルデータ５７２には、候補波長と、伝播光路長分布と、無吸収時散乱光強度時間特性とが対応付けて記憶されている。
【００６９】
伝播光路長分布は、入射光子数が「Ｎin」のときのパルス光の光子の伝播光路長を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、光吸収係数がゼロの皮膚モデルを構成し、当該皮膚モデルの各層において光子が次に進む点までの距離及び方向を、単位時間毎に乱数を用いて繰り返し行う。このシミュレーションを多数の光子について行い、光検出部３１３に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を、分類された層毎に算出することで、例えば図４に示すような層別の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を得る。
【００７０】
また、無吸収時散乱光強度時間特性は、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」のときの散乱光強度を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、上記の光吸収係数がゼロの皮膚モデルについて、当該皮膚モデルにパルス光を照射した場合に光検出部３１３において検出される光子の個数（＝散乱光強度）を単位時間毎に算出することで、図４に示すような無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を得る。縦軸の散乱光強度は、光検出部３１３において検出される光子の個数（光子数）と同義である。
【００７１】
散乱光時間分解波形データ５７３は、散乱光時間分解波形生成部５１３が生成した散乱光時間分解波形に係るデータであり、そのデータ構成の一例を図５に示す。散乱光時間分解波形データ５７３には、候補波長と、散乱光時間分解波形とが対応付けて記憶されている。散乱光時間分解波形は、上記の光学装置３において、光駆動シャッター部３１１による光駆動シャッターを利用して測定される被検体からの散乱光の時間分解波形（散乱光強度の時間特性）である。
【００７２】
被検体物性値データ５７４は、皮膚の真皮層が含有する成分に係る物性値が記憶されたデータであり、例えば、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分の光吸収係数を定めた成分別光吸収係数データ５７４Ａがこれに含まれる。このデータは、被検体の物性値として予め測定・記憶されたデータであり、既知の値である。
【００７３】
層別光吸収係数データ５７５は、皮膚の表皮層、真皮層及び皮下組織層それぞれについて、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される光吸収係数の値が記憶される。
【００７４】
成分濃度データ５７６は、真皮層が含有する水、たんぱく質、脂質及びグルコースの測定データであり、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される。
【００７５】
１−４．処理の流れ
図６は、記憶部５７０に記憶されている成分濃度測定プログラム５７１が処理部５１０によって読み出されて実行されることで、成分濃度測定装置１において実行される成分濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００７６】
最初に、モデル生成部５１１が、モデル生成処理を行う（ステップＳ１）。具体的には、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」と、無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」とを生成する。そして、これらのモデルを記憶部５７０にモデルデータ５７２として記憶させる。
【００７７】
次いで、散乱光時間分解波形生成部５１３が、記憶部５７０に記憶されている散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３の散乱光時間分解波形生成処理を行う（ステップＳ３）。
【００７８】
その後、処理部５１０は、複数の候補波長の中から、被検体の主成分数と同数の波長を選定する（ステップＳ５）。真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分である。そのため、ステップＳ５では、複数の候補波長の中から４つの波長「（λ1、λ2、λ3、λ4）」を選定する。
【００７９】
次いで、処理部５１０は、被検体の層数と同数の異なる時刻を選定する（ステップＳ７）。皮膚は、表皮層、真皮層及び皮下組織層の３層でなる。そのため、ステップＳ７では、異なる３つの時刻「ｔk＝（ｔ1、ｔ2、ｔ3）」を選定する。
【００８０】
その後、処理部５１０は、ステップＳ５で選定した各選定波長についてループＢの処理を行う（ステップＳ９〜Ｓ２３）。ループＢの処理では、処理部５１０は、ステップＳ７で選定した各選定時刻についてループＣの処理を行う（ステップＳ１１〜Ｓ１９）。
【００８１】
ループＣの処理では、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における被検体の各層の伝播光路長「Ｌm（ｔk）」をモデルデータ５７２の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」から取得する（ステップＳ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎ（ｔk）」をモデルデータ５７２の無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」から取得する（ステップＳ１５）。
【００８２】
次いで、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における散乱光強度「Ｒ（ｔk）」を散乱光時間分解波形データ５７３から取得する（ステップＳ１７）。そして、処理部５１０は、次の選定時刻へと処理を移行する。
【００８３】
３つの選定時刻の全てについてステップＳ１３〜ステップＳ１７の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＣの処理を終了する（ステップＳ１９）。次いで、光吸収係数算出部５１５は、当該選定波長について、層別の光吸収係数「μam」を算出する（ステップＳ２１）。
【００８４】
具体的には、式（１）及び（２）に従って、３つの選定時刻についての連立方程式を解くことで、表皮層の光吸収係数「μa1」、真皮層の光吸収係数「μa2」及び皮下組織層の光吸収係数「μa3」を算出する。そして、算出した光吸収係数を層別光吸収係数データ５７５として記憶部５７０に記憶させる。
【数１】
【数２】
【００８５】
但し、式（１）において、「μam」は層別の光吸収係数を表し、添え字の「ｍ」は皮膚の層の番号を表している。便宜的に、表皮層の番号を「ｍ＝１」、真皮層の番号を「ｍ＝２」、皮下組織層の番号を「ｍ＝３」と表記する。「Ｍ」は皮膚の層数であり、ここでは「Ｍ＝３」である。つまり、「μa1」は表皮層の光吸収係数であり、「μa2」は真皮層の光吸収係数であり、「μa3」は皮下組織層の光吸収係数である。
【００８６】
また、「Ｌm（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層における伝播光路長分布を示している。例えば、「Ｌm（ｔ1）」は、時刻「ｔ1」において検出される光子が第ｍ層を伝播した距離の総和を示す。また、「Ｎin」は、パルス光の光子の総数（入射光子数）であり、既知である。「Ｉin」は、パルス光の強度（入射光強度）であり、既知である。
【００８７】
式（１）は、時刻「ｔ」において検出される光強度「Ｒ（ｔ）」が、次式（３）によって近似的に書き表すことができることに基づいて導出される。
【数３】
【００８８】
式（３）において、「Ｌ´m（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層を伝播した距離の１光子あたりの平均値であり、伝播距離の総和「Ｌm（ｔ）」を「Ｎ´（ｔ）」で除算した値であり、次式（４）で与えられる。
【数４】
式（４）を用いて式（３）を変形すると、式（１）が導出される。
【００８９】
４つの選定波長の全てについてステップＳ１１〜ステップＳ２１の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＢの処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００９０】
次いで、成分濃度算出部５１７が、被検体の各成分それぞれについて濃度を算出する（ステップＳ２５）。成分の総数が「Ｎ個」である場合の各成分の体積分率「ｃvi」を求める式は、次式（５）で与えられる。
【数５】
【００９１】
真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分である（Ｎ＝４）。そのため、式（５）を４成分の式として書き表すと、次式（６）のようになる。この式（６）に従って、水、たんぱく質、脂質及びグルコースそれぞれの体積分率を算出する。
【数６】
【００９２】
但し、「μai」は成分別の光吸収係数を表しており、添え字の「ｉ」は成分の記号を表している。便宜的に、水を「ｉ＝ｗ」、たんぱく質を「ｉ＝ｐ」、脂質を「ｉ＝ｌ」、グルコースを「ｉ＝ｇ」と表記する。つまり、「μaw」、「μap」、「μal」及び「μag」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収係数を示す。
【００９３】
また、式（６）の右辺において、「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、それぞれ波長毎に定まる水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収係数であり、これらのデータは成分別光吸収係数データ５７４Ａとして被検体物性値データ５７４に予め記憶されている既知の値である。
【００９４】
また、「ｃvi」は成分別の体積分率を表しており、添え字の「ｉ」は上記と同じである。つまり、「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの体積分率を示す。これらの体積分率は未知数である。
【００９５】
式（６）の左辺は、４つの選定波長それぞれについてステップＳ２１で算出した真皮層（ｉ＝２）の光吸収係数「μa2（λ1）」、「μa2（λ2）」、「μa2（λ3）」及び「μa2（λ4）」の値であり、式（２）の連立方程式を解くことで、ステップＳ２１において求まっている。
【００９６】
また、式（６）の右辺の「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、上記の通り既知の値として定まっている。従って、４種類の選定波長「λ1〜λ4」についての連立方程式を解くことで、各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」を算出することができる。
【００９７】
各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」が求まったならば、体積分率を重量体積濃度等に変換し、最終的な各成分の濃度とする。なお、体積分率を重量体積濃度等に変換する方法は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００９８】
１−５．作用効果
第１実施形態によれば、光源部３０１からの光源光が分岐部３０２によって分岐され、その一方の光が測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。そして、被検体からの出射光が集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって光変換部３０７に中継される。他方、分岐部３０２によって分岐された他方の光はゲート光として光駆動シャッター部３１１に導光される。この際、ゲート光は、ゲート光導光部３０９の光路長が変更され、光路長が異なるゲート光がカー材質部３１１Ａに導光される。結果、光駆動シャッターが異なる時刻（タイミング）で作用することとなり、異なる光路長、すなわち異なる時刻（タイミング）での出射光の強度が得られる。このことは、被検体内での散乱経路の異なる出射光を捉えることに相当する。従って、出射光の強度から時間分解波形を精度良く取得することができる。
【００９９】
また、光源部３０１は、例えばフェムト秒レーザーを有して構成されるため、フェムト秒といった極めて微小な時間分解能で精細な時間分解波形を得ることができる。また、このようにして取得した時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に求めることができる。
【０１００】
本実施形態では、上記のようにして実測で求めた散乱光時間分解波形と、予めモデル化した被検体を伝播するパルス光の伝播光路長分布及び無吸収時における散乱光強度の時間特性とを用いて、人間の皮膚の各層の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の光学系の構成によれば、光源部３０１によって生成されたパルス光が、分岐部３０２において測定光とゲート光とに分岐される。かかる構成により、光源部３０１によって生成されたパルス光から、互いに同期したパルス光でなる測定光とゲート光とを簡単に生成することができる。
【０１０２】
１−６．変形例
１−６−１．光吸収係数の算出
上記の実施形態では、式（２）に従って皮膚の各層の光吸収係数を算出した。しかし、式（２）ではなく、式（１）を積分型に発展させた次式（７）を用いて各層の光吸収係数を算出してもよい。
【数７】
【０１０３】
１−６−２．濃度の算出
上記の実施形態では、光吸収係数と体積分率との関係により定まる式（５）及び（６）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出した。しかし、モル吸光係数とモル濃度との関係により定まる次式（８）及び（９）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【数８】
【数９】
【０１０４】
また、上記以外にも、例えば、特許文献１の第１２ページに記載されている第７式に基づいて、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【０１０５】
２．第２実施形態
本発明を適用可能な実施形態は、上記の第１実施形態に限定されるわけではない。以下、本発明を適用した第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同一の構成要素や、フローチャートの同一のステップについては、同一の符号を付して、再度の説明を省略する。
【０１０６】
２−１．光学装置の構成
図７は、第２実施形態における光学装置３の構成の一例を示す図である。光学装置３は、例えば、光源部３０１と、第１分岐部３０２Ａと、第２分岐部３０２Ｂと、第１照射部３０３Ａと、第２照射部３０３Ｂと、第１集光部３０４Ａと、第２集光部３０４Ｂと、第１中継部３０５Ａと、第２中継部３０５Ｂと、第１光変換部３０７Ａと、第２光変換部３０７Ｂと、ゲート光導光部３０９と、第２光駆動シャッター部３２１と、第１光検出部３１３Ａと、第２光検出部３１３Ｂとを有して構成される。
【０１０７】
第１分岐部３０２Ａによって分岐された光のうちの一方の光は、測定光として第２分岐部３０２Ｂによって再び分岐される。そして、第２分岐部３０２Ｂによって分岐された光のうちの一方の光は、第１照射部３０３Ａによって被検体に照射される。他方の光は、第２照射部３０３Ｂによって参照体に照射される。
【０１０８】
本実施形態において、参照体は、被検体と光吸収特性や光散乱特性が類似した、光学特性が既知の参照物質とする。例えば、人間を被検体とする場合には、参照体として、（１）着色された磨り硝子、（２）水＋黒インク＋静注用脂肪乳剤の混合液、といった参照物質を用いると好適である。参照体を着色するのは、透明な材質を用いた場合、光を透過してしまうためである。また、静注用脂肪乳剤を用いるのは、皮膚の真皮層等に含まれる脂肪分を人工的に作り出すためである。なお、静注用脂肪乳剤の代わりにダイズ油を用いてもよい。
【０１０９】
被検体に特性が類似する物質や溶液を参照体として用いるのには理由がある。その理由は、パルス光を被検体に照射して光駆動シャッターによりその一部をサンプリングした場合の光強度（以下、「第１光強度」と称す。）と、パルス光を参照体に照射して光駆動シャッターによりその一部をサンプリングした場合の光強度（以下、「第２光強度」と称す。）との比を「１」に近づけることを狙いとしているためである。第１光強度と第２光強度との差をゼロに近づける狙いがあると言うこともできる。
【０１１０】
第２光駆動シャッター部３２１は、カー材質部３２１Ａと、それに対して対称となる位置に配置される偏光子対を２組有して構成される。具体的には、第１偏光部３２１Ｂ及び第２偏光部３２１Ｃでなる第１偏光部組と、第３偏光部３２１Ｄ及び第４偏光部３２１Ｅでなる第２偏光部組との２組の偏光部対を有する。
【０１１１】
カー材質部３２１Ａに入射した第１散乱光は、通常は第２偏光部３２１Ｃを通過することができない。また、カー材質部３２１Ａに入射した第２散乱光は、通常は第４偏光部３２１Ｅを通過することができない。しかし、ゲート光がカー材質部３２１Ａに入射したタイミングで、カー材質部３２１Ａが複屈折性を持つことで、第１実施形態と同様に、第１散乱光及び第２散乱光が、光駆動シャッター部３２０を透過する。その結果、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂで光が検出される。
【０１１２】
２−２．演算装置の構成
図８は、第２実施形態における演算装置５の処理部５１０の機能構成の一例を示す図である。処理部５１０は、モデル生成部５１１と、散乱光時間分解差異波形生成部５１４と、光吸収係数算出部５１５と、成分濃度算出部５１７と、光路長制御部５１９とを機能部として有する。
【０１１３】
散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂによってそれぞれ検出された第１光強度と第２光強度との比（以下、「光強度比」と称す。）に基づいて、散乱光時間分解差異波形を生成する。散乱光時間分解差異波形は、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、参照物質に測定光を照射した場合に測定された参照用時間分解波形との差異に相当する波形である。
【０１１４】
図９は、第２実施形態における演算装置５の記憶部５７０のデータ構成の一例を示す図である。記憶部５７０には、第２成分濃度測定処理（図１１参照）として実行される第２成分濃度測定プログラム５７７が記憶されている。第２成分濃度測定プログラム５７７は、散乱光時間分解差異波形生成処理（図１２参照）として実行される散乱光時間分解差異波形生成プログラム５７７Ａをサブルーチンとして含む。
【０１１５】
また、記憶部５７０には、データとして、モデルデータ５７２と、被検体物性値データ５７４と、層別光吸収係数データ５７５と、成分濃度データ５７６と、散乱光時間分解差異波形データ５７８と、参照体光学特性データ５７９とが記憶される。
【０１１６】
モデルデータ５７２には、被検体について伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」をシミュレーションにより求めた被検体モデルデータ５７２Ａと、参照体について伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」をシミュレーションにより求めた参照体モデルデータ５７２Ｂとが含まれる。詳細は数式を用いて後述するが、被検体に対する特性に下付きの添え字“ｓ”を付し、参照体に対する特性に下付きの添え字“ｒ”を付して、それぞれ区別する。
【０１１７】
散乱光時間分解差異波形データ５７８は、第１光強度と第２光強度との比の時間特性として表される散乱光時間分解差異波形に係るデータであり、そのデータ構成の一例を図１０に示す。散乱光時間分解差異波形データ５７８には、候補波長と、散乱光時間分解差異波形とが対応付けて記憶される。本実施形態では、光学特性が被検体に類似する参照体を用いるため、図１０に示すように、生成される散乱光時間分解差異波形は、「１」の近傍で値が振動する波形となる。なお、実際に格納されるデータとしては、後述する換算処理において、光強度比「０．９〜１．１」の範囲に、例えば１６ビットの数値を割り当てた場合のステップ数のデータが換算データ５７８Ａとして記憶される。
【０１１８】
参照体光学特性データ５７９は、参照体の光学特性に係るデータであり、例えば層別光吸収係数データ５７９Ａがこれに含まれる。層別光吸収係数データ５７９Ａは、参照体の各層それぞれの光吸収係数（参照体の層別光吸収係数）が記憶されたデータである。このデータは、予め測定等により求められた既知のデータであり、被検体の各層それぞれの光吸収係数（被検体の層別光吸収係数）を算出するために用いられる。
【０１１９】
２−３．処理の流れ
図１１は、処理部５１０が、記憶部５７０に記憶されている第２成分濃度測定プログラム５７７に従って実行する第２成分濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【０１２０】
先ず、モデル生成部５１１が、被検体モデル生成処理を行う（ステップＴ１）。具体的には、被検体を対象として、第１実施形態と同様に、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」を求める。そして、これらのモデルを被検体モデルデータ５７２Ａとして記憶部５７０に記憶させる。
【０１２１】
また、モデル生成部５１１は、参照体モデル生成処理を行う（ステップＴ２）。具体的には、参照体を対象として、第１実施形態と同様に、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」を求める。そして、これらのモデルを参照体モデルデータ５７２Ｂとして記憶部５７０に記憶させる。
【０１２２】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、記憶部５７０に記憶されている散乱光時間分解差異波形生成プログラム５７７Ａに従って、散乱光時間分解差異波形生成処理を行う（ステップＴ３）。
【０１２３】
図１２は、散乱光時間分解差異波形生成処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＡ３の後、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、各候補波長についてループＥの処理を行う（ステップＢ５〜Ｂ２３）。ループＥの処理では、ステップＡ９の後、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂから、第１光強度及び第２光強度をそれぞれ取得する（ステップＢ１１）。そして、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、取得した第１光強度及び第２光強度の比（光強度比）を算出する（ステップＢ１３）。
【０１２４】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、換算処理を行う（ステップＢ１５）。本実施形態では、上述したように、被検体と光吸収特性や光散乱特性が類似した物質や溶液でなる参照体を用いて、第１光強度と第２光強度との比を求める。被検体と参照体とは光学特性が類似しているため、算出される光強度比は「１」に近い値となる。そこで、本実施形態では、「１」を中心とする所定範囲に、予め定められたビット数の数値を割り当てる。
【０１２５】
具体的には、例えば、光強度比「０．９〜１．１」の範囲に、１６ビットの数値を割り当てる。つまり、「０．２＝２16ステップ」とし、１ステップを「（０．２）／２16」とする。この場合、光強度比を「Ｘ」と表記し、ステップ数を「Ｙ」と表記すると、「Ｘ＝０．９＋（（０．２）／２16）×Ｙ」と表すことができる。この場合、例えば、散乱光時間分解差異波形データ５７８として、ステップ数「Ｙ＝（Ｘ−０．９）×２16／０．２」を格納した換算データ５７８Ａを記憶部５７０に記憶させる（ステップＢ１７）。そして、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、ステップＢ１９へと処理を移行する。
【０１２６】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、ステップＡ１３においてした光路長範囲の全体について光強度比を取得できたか否かを判定し（ステップＢ１９）、まだ取得できていないと判定した場合は（ステップＢ１９；Ｎｏ）、ステップＡ１５へと移行する。また、取得できたと判定した場合は（ステップＢ１９；Ｙｅｓ）、次の候補波長へと処理を移行する。
【０１２７】
図１１の第２成分濃度測定処理に戻り、散乱光時間分解差異波形生成処理を行った後、ループＢ及びループＣの処理において、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における被検体の各層の伝播光路長「Ｌsm（ｔk）」を被検体モデルデータ５７２Ａの伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」から取得する（ステップＳ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎs（ｔk）」を被検体モデルデータ５７２Ａの無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」から取得する（ステップＳ１５）。
【０１２８】
同様に、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における参照体の各層の伝播光路長「Ｌrm（ｔk）」を参照体モデルデータ５７２Ｂの伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」から取得する（ステップＴ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎr（ｔk）」を参照体モデルデータ５７２Ｂの無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」から取得する（ステップＴ１５）。
【０１２９】
次いで、処理部５１０は、逆換算処理を行う（ステップＴ１６）。具体的には、ステップＢ１５の換算処理で換算データ５７８Ａとして記憶させたステップ数「Ｙ」から、光強度比「Ｘ」に逆換算する演算を行う。その結果として、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における散乱光の第１光強度「Ｒs（ｔk）」と第２光強度「Ｒr（ｔk）」との比「Ｒr（ｔk）／Ｒs（ｔk）」を取得する（ステップＴ１７）。そして、処理部５１０は、次の選定時刻へと処理を移行する。
【０１３０】
３つの選定時刻の全てについてステップＳ１３〜ステップＴ１７の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＣの処理を終了する（ステップＳ１９）。次いで、光吸収係数算出部５１５は、当該選定波長について、層別の光吸収係数「μam」を算出する（ステップＴ２１）。
【０１３１】
皮膚の各層の光吸収係数の算出方法について説明する。式（３）において、被検体に対する特性に下付きの添え字の“ｓ”を付し、参照体に対する特性に下付きの添え字の“ｒ”を付している。このとき、第１光強度「Ｒs（ｔ）」と第２光強度「Ｒr（ｔ）」との比「Ｒs（ｔ）／Ｒr（ｔ）」は、次式（１０）のように表すことができる。
【数１０】
【０１３２】
式（１０）を整理すると、次式（１１）のようになる。
【数１１】
【０１３３】
なお、式（１１）は、式（４）を用いて次式（１２）のように表すこともできる。
【数１２】
【０１３４】
式（１１）又は式（１２）は、第１実施形態の式（１）に相当する式である。従って、式（１１）又は式（１２）を利用することで、第１実施形態と同様に、表皮層の光吸収係数「μa1」、真皮層の光吸収係数「μa2」及び皮下組織層の光吸収係数「μa3」を算出することができる。
【０１３５】
より具体的には、３つの異なる時刻について式（１２）を書き表すと、次式（１３）のようになる。
【数１３】
【０１３６】
このとき、被検体についてステップＳ１３及びＳ１５で取得した各層の伝播光路長「Ｌsm（ｔk）」及び無吸収時散乱光強度「Ｎs（ｔk）」と、参照体についてステップＴ１３及びＴ１５で取得した各層の伝播光路長「Ｌrm（ｔk）」及び無吸収時散乱光強度「Ｎr（ｔk）」と、ステップＴ１７で取得した光強度比「Ｒr（ｔk）／Ｒs（ｔk）」と、層別光吸収係数データ５７９Ａに含まれる参照体の層別の光吸収係数「μar1」、「μar2」及び「μar3」とを用いて、式（１３）の連立方程式を解く。その結果、被検体の皮膚の表皮層の光吸収係数「μas1」、真皮層の光吸収係数「μas2」及び皮下組織層の光吸収係数「μas3」が求まる。
【０１３７】
被検体の真皮層の光吸収係数「μas2」が求まった後は、第１実施形態と同様の手法により、式（６）に従って、真皮層に含まれている各成分の濃度を算出することができる（ステップＳ２５）。
【０１３８】
２−４．作用効果
第２実施形態によれば、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差異を用いて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。具体的には、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、参照用時間分解波形との比で表される散乱光時間分解差異波形に基づいて、所定の演算式に従って、皮膚の各層の光吸収係数を算出する。そして、算出した光吸収係数を用いて、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。
【０１３９】
散乱光時間分解差異波形の生成では、所定の換算処理を行う。測定光の光強度そのものに着目した場合、その時間分解波形は、例えば図５に示したような波形となる。つまり、光強度は、微小な値から大きな値まで広範囲な値を取り得る。この広範な数値の範囲を所定数のビット（例えば１６ビット）で表す場合には、１ビット値当たりの数値は大きくなる。しかし、第２実施形態では、時間分解波形の比として表される数値の範囲を想定し、この数値範囲を同じ所定数のビットで表すため、１ビット値当たりの数値を小さくすることができる。その結果、光強度（光強度比）としてより精細（高分解能）な値を取り扱うことができるようになり、第１実施形態と比べて、成分濃度の算出精度を向上させることが可能となる。
【０１４０】
２−５．変形例
上記の実施形態では、式（１３）に従って皮膚の各層の光吸収係数を算出した。しかし、式（１３）ではなく、式（１３）を積分型に発展させた次式（１４）を用いて各層の光吸収係数を算出してもよい。
【数１４】
【０１４１】
３．他の実施例
３−１．適用例
上記の実施形態では、被検体を人間の皮膚として説明したが、被検体は何もこれに限られるわけではない。例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置といった測定用機器に本発明の成分濃度測定装置を組み込んで利用することも可能である。
【０１４２】
また、グルコースの成分濃度を算出する用途に限らず、例えば、スクロースやラクトースといった他の糖分の成分濃度を測定してもよいし、食塩水といった各種の溶液の成分濃度を測定することも可能であることは勿論である。上記の実施形態の場合には、グルコースの他に、水やたんぱく質、脂質の成分濃度も併せて算出することができる。
【０１４３】
３−２．光源
上記の実施形態では、測定光及びゲート光の光源を共通光源として説明したが、同期したパルス光を生成することができれば、測定光の光源とゲート光の光源とを別光源としてもよい。
【０１４４】
また、光源は、パルス光を単発で発生させる光源に限らず、パルス光を繰り返し発生させる光源でもよい。そして、この場合は、例えば、光検出部において検出された光強度を所定時間分積算し、その積算された光強度を用いて後段の処理を行うこととしてもよい。
【０１４５】
３−３．光駆動シャッター
光駆動シャッターによる効果を効率良く得るために、例えばカー材質の前段にレンズ等を配置して、カー材質内で集光させることとしてもよい。
【０１４６】
３−４．光強度検出
測定光が微弱である場合などを想定し、フォトンカウンティング検出によって光子の数を計数することによって光強度を取得してもよい。
【０１４７】
３−５．光吸収係数及び成分濃度の算出
光吸収係数及び成分濃度を算出するための手法として、例えば、主成分分析やＰＬＳ（Partial Least Squares）法などの多変量解析に基づく手法を用いてもよい。
【０１４８】
３−６．散乱光時間分解波形の取得
上記の実施形態では、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすることで、散乱光時間分解波形の略全体形状を取得するものとして説明した。しかし、必ずしも散乱光時間分解波形の略全体形状を取得する必要はなく、演算に必要な時間帯に応じた一部分の形状のみを取得するようにしてもよい。つまり、散乱光時間分解波形の一部又は全体の形状が得られる範囲を光路長範囲として設定すればよい。
【符号の説明】
【０１４９】
１ 成分濃度測定装置、 ３ 光学装置、 ５ 演算装置、 ３０１ 光源部、 ３０２ 分岐部、 ３０３ 照射部、 ３０４ 集光部、 ３０５ 中継部、 ３０７ 光変換部、 ３０９ ゲート光導光部、 ３１１ 光駆動シャッター部、 ３１１Ａ カー材質部、 ３１１Ｂ 第１偏光部、 ３１１Ｃ 第２偏光部、 ３１３ 光検出部、 ５１０ 処理部、５２０ 入力部、 ５３０ 表示部、 ５４０ 音出力部、 ５５０ 通信部、 ５６０ Ｉ／Ｆ部、 ５７０ 記憶部、 ５８０ バス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に含まれている成分濃度を測定する装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検体に含まれている成分濃度を測定する濃度測定方法が考案されている。その１つとして、例えば、人間の皮膚を被検体として、その血糖値を測定する技術が考案されている。従来、血糖値の測定は、指先などから採血を行い、血中のグルコースに対する酵素活性を測定することで行っていた。
【０００３】
しかし、上記のような血糖値の測定方法では、指先などから血液を採取する必要がある。つまり、従来の測定方法は、侵襲式の測定方法であり、被検者にとって痛みや不快感を伴うという問題があった。そこで、非侵襲式の測定方法として、人体の一部（例えば手の表面）に近赤外光を照射し、その光吸収量から血糖値を測定する技術が考案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、皮膚に照射した光の反射光の時間分解波形を利用して真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する技術が記載されている。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３７１３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９４２６号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、被検体に含まれている成分濃度を測定する上で、実用性のある時間分解波形を実測する方法は実現されていなかった。詳細に説明すると、特許文献１には散乱光の時間分解波形の具体的な実測方法について開示されていない。特許文献２，３には、ストリークカメラを用いて時間分解波形を測定する技術が記載されているが、近赤外光用のストリークカメラは時間的な分解能がせいぜいピコ秒のオーダーである。より高い分解能で散乱光の時間分解波形を取得する場合には、特許文献２，３の技術をそのまま利用することはできない。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その第１の目的は、散乱光の時間分解波形を高い分解能で取得するための新しい手法を提案することにある。また、第２の目的は、時間分解波形に基づいて、被検体に含有されている成分の濃度を高精度に測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための第１の形態は、パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、光強度を検出する検出部と、前記測定光に同期したパルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、を備えた成分濃度測定装置である。
【０００９】
また、他の形態として、パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、を含む成分濃度測定方法を構成することとしてもよい。
【００１０】
この第１の形態等によれば、パルス光である測定光を被検体に照射する。そして、測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光し、その光強度を検出する。その一方、測定光に同期したパルス光でなるゲート光に基づき、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させる。ゲート光は、導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部によって導光される。そのゲート光導光部の光路長を変更制御し、変更された光路長における光強度の検出結果から時間分解波形を求めて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。
【００１１】
測定光に同期したパルス光でなるゲート光の光路長を変更しながらゲート光を導光し、集光部が集光した光を検出部に向けて透過させることで、被検体からの出射光の時間分解波形を取得することができる。ゲート光のパルス幅を、例えばフェムト秒といった短い時間幅とすることで、出射光の時間分解波形を高い分解能で取得することができる。また、このようにして求めた時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に算出することができる。
【００１２】
また、第２の形態として、第１の形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、この光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１３】
この第２の形態によれば、上記の形態で取得した時間分解波形と、予め定められた被検体を伝播するパルス光の光路モデルとを用いて、被検体の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【００１４】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、前記時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に前記測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１５】
この第３の形態によれば、上記の形態で取得した時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。参照物質は光学特性が既知である。そのため、被検体に測定光を照射した場合に測定される時間分解波形と参照用時間分解波形とが類似する参照物質を用いることで、被検体と参照物質との光学特性の僅かな違いを捉えることができる。その結果、被検体に含まれている成分濃度を高い正確性で算出することが可能となる。
【００１６】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の成分濃度測定装置において、前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１７】
この第４の形態によれば、光駆動シャッター部が、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。そして、ゲート光をカー材質に導光することで、光駆動シャッターを簡易な構成により実現することができる。
【００１８】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の成分濃度測定装置において、パルス光を生成する光源と、前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、を更に備えた成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００１９】
この第５の形態によれば、光源によって生成されたパルス光を分岐させることで、互いに同期した測定光とゲート光とを簡単に得ることができる。
【００２０】
また、第６の形態として、第１〜第５の何れかの形態の成分濃度測定装置において、前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出する、成分濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００２１】
この第６の形態によれば、少なくとも被検体に含まれているグルコースの成分濃度を高い正確性で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】成分濃度測定装置の機能構成の一例を示すブロック図。
【図２】光学装置の構成の一例を示す図。
【図３】散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャート。
【図４】モデルデータのデータ構成の一例を示す図。
【図５】散乱光時間分解波形データのデータ構成の一例を示す図。
【図６】濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【図７】第２実施形態における光学装置の構成の一例を示す図。
【図８】第２実施形態における処理部の機能構成の一例を示す図。
【図９】第２実施形態における記憶部のデータの一例を示す図。
【図１０】散乱光時間分解差異波形データのデータ構成の一例を示す図。
【図１１】第２濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【図１２】散乱光時間分解差異波形生成処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して、光学装置を用いて被検体に含まれている成分濃度を測定する成分濃度測定装置の実施形態について説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２４】
１．第１実施形態
図１は、本実施形態における成分濃度測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。成分濃度測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、演算装置５とを備えて構成される。成分濃度測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込まれて利用される。
【００２５】
１−１．光学装置３の構成
図２は、光学装置３の光学的な構成の概略を示す図である。光学装置３は、例えば、光源部３０１と、分岐部３０２と、照射部３０３と、集光部３０４と、中継部３０５と、光変換部３０７と、ゲート光導光部３０９と、光駆動シャッター部３１１と、光検出部３１３とを有して構成される。
【００２６】
光源部３０１は、パルス光を生成して出射する光源であり、例えばフェムト秒レーザー等といったパルス光の生成装置を有して構成される。光源部３０１は、演算装置５から入力した波長制御信号に応じた波長のパルス光を生成する。
【００２７】
分岐部３０２は、光源部３０１から射出されたパルス光を分岐させる光分岐器であり、例えばハーフミラーを有して構成される。分岐部３０２によって分岐された光のうちの一方の光は、測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。また、分岐された光のうちの他方の光は、ゲート光としてゲート光導光部３０９に導光される。従って、測定光とゲート光とは、互いに同期したパルス光であると言える。
【００２８】
被検体は、成分濃度の測定対象とする物質又は溶液であり、本実施形態では人間の皮膚とする。人間の皮膚は、大きく分けて、表皮層、真皮層及び皮下組織層の３層で構成されている。本実施形態では、この３層のうち、真皮層に含まれているグルコースの成分濃度を測定することを目的とする。
【００２９】
集光部３０４は、外部から被検体に向けて測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する。具体的には、測定光が被検体に照射された場合の後方散乱光（以下、簡潔に「散乱光」と称す。）を出射光として集光し、中継部３０５に導く。集光部３０４は、いわば散乱光を入光（受光）する入光部（受光部）とも言え、例えばレンズを有して構成される。
【００３０】
中継部３０５は、集光部３０４で集光された散乱光を光変換部３０７に中継する機能を有し、例えば光ファイバーを有して構成される。
【００３１】
光変換部３０７は、中継部３０５によって中継された出射光を平行光に変換する機能を有し、例えばコリメートレンズを有して構成される。
【００３２】
ゲート光導光部３０９は、分岐部３０２によって分岐された光のうちのゲート光の光路長を変更可能に構成され、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導光する導光路を形成する装置である。例えば、光路長可変セルなどを有する機構として構成することとしてもよいし、図２に示すように、ゲート光を光駆動シャッター部３１１に導くための２枚の反射板の位置をスライドさせるなどして、光駆動シャッター部３１１に入射するゲート光の距離を物理的に変化させる機構を設けてもよい。
【００３３】
光駆動シャッター部３１１は、ゲート光導光部３０９が導光した光に基づき、集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって中継された光を光検出部３１３に向けて透過させる。光駆動シャッター部３１１は、カー材質部３１１Ａと、第１偏光部３１１Ｂと、第２偏光部３１１Ｃとを有して構成される。
【００３４】
カー材質部３１１Ａは、光カー効果を引き起こす材料で構成された結晶や非晶質であり、例えば二硫化炭素などの有機溶剤や、カルコゲン系のガラス、鉛含有ガラスなどで構成される。このカー材質部３１１Ａの両側には、一対の偏光部（第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃ）が配置される。
【００３５】
第１偏光部３１１Ｂ及び第２偏光部３１１Ｃは、入射した光を直線偏光に変換する偏光子であり、透過軸が直交するように位置決めされている。つまり、光駆動シャッター部３１１は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成される。
【００３６】
透過軸が直交しているため、通常時には、カー材質部３１１Ａに入射した光は第２偏光部３１１Ｃを通過することができない。しかし、ゲート光がカー材質部３１１Ａに入射したタイミングで、カー材質部３１１Ａの屈折率がゲート光の振動方向にのみ変化して、カー材質部３１１Ａが複屈折性を持つ。その結果、パルス光のパルス長に応じた時間だけ散乱光の偏光状態が変調され、散乱光が第２偏光部３１１Ｃを通過する。ゲート光導光部３０９は、ゲート光をカー材質部３１１Ａに導光する。
【００３７】
なお、ゲート光と測定光とは、その偏光方向が４５度の関係となるようにすると好適である。ゲート光と測定光の偏光方向が同じである場合、散乱光の偏光状態が変調されず、カーシャッターとして機能しなくなるためである。
【００３８】
光検出部３１３は、光駆動シャッター部３１１を透過した散乱光の光強度を検出する検出部であり、例えば受光素子と光電変換素子とを有して構成される。受光素子によって受光され、光電変換素子によって光電変換された光強度は、電圧値のデータとして演算装置５に出力される。
【００３９】
１−２．原理
光源部３０１から被検体（皮膚）内に入射した光は、散乱過程を繰り返しながら伝播して被検体から出射すると、中継部３０５等を通過して最終的に光検出部３１３で受光される。光検出部３１３に到達した光は、その検出時刻によって、被検体内の所定部位（皮膚の各層）を選択的に通過してくると考えることができる。すなわち、被検体内を伝播した光子の伝播経路が光散乱係数により特徴付けられ、その光路に沿った光強度変化が光吸収係数によって特徴付けられると考えられる。
【００４０】
本実施形態では、パルス光を被検体に照射した場合の出射光である後方散乱光の時間特性のことを「散乱光時間分解波形」と称して説明する。散乱光時間分解波形において、早い時刻に検出された光ほど表面から浅い部分のみを通ってきており、逆に遅い時刻に検出された光ほど表面から深い領域まで到達してきている。このように異なる検出時刻における検出光の強度は、異なる経路分布を経てきた光成分に対応する。つまり、ある検出時刻の光強度には、その時刻に応じた光経路分布中の吸光情報が含まれている。従って、時間分解波形の検出時刻毎の光経路を実測により予め求めておけば、逆問題解法により、光吸収係数の分布を推定することができる。
【００４１】
本実施形態では、上記の原理に基づき、被検体からの散乱光の時間分解波形を、パルス光を被検体（皮膚）に実際に照射して測定（実測）する。そして、測定した時間分解波形をもとに、皮膚内部の各層の光吸収係数を算出し、当該光吸収係数を用いて、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。
【００４２】
被検体に入射した測定光は、被検体の散乱特性のために様々な経路を辿り、反射光（散乱光）として出射したところを集光部３０４によって集光される。このとき、光子（フォトン）が被検体を辿った経路は様々である。つまり、散乱光として捕捉される光は、辿った経路が異なる光子を含む光となるため、時間軸で考えた場合、捕捉される光子数の時間分布の波形で表される。
【００４３】
捕捉される光子数は、捕捉された光の強度と同義である。従って、上記のようにして観測される光の波形は、散乱光の強度の時間的な変化を観測した波形となる。本実施形態では、この波形のことを「散乱光時間分解波形」と称する。そして、光駆動シャッター部３１１による超高速シャッターを利用して、以下説明する手順で散乱光時間分解波形を求める。
【００４４】
図３は、散乱光時間分解波形の生成に係る処理である散乱光時間分解波形生成処理の流れを示すフローチャートである。
【００４５】
最初に、パルス光の候補波長を決定する（ステップＡ１）。候補波長は、任意の波長の中から選択すればよいが、被検体の主成分について光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると効果的である。具体的には、皮膚の真皮層の主成分である水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収スペクトルの直交性が高くなる波長を候補波長として選択すると好適である。
【００４６】
次いで、ゲート光の光路長範囲及び光路長刻み幅を決定する（ステップＡ３）。具体的には、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とし、散乱光時間分解波形の精度（分解能）に応じて光路長刻み幅を決定する。図５に示したように、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすると好適である。
【００４７】
その後、ステップＡ１で決定した各候補波長それぞれについて、ループＡの処理を行う（ステップＡ５〜Ａ１９）。ループＡの処理では、光路長を初期設定する（ステップＡ７）。つまり、ゲート光の光路長が、ステップＡ３で決定した光路長範囲の初期値となるように、ゲート光導光部３０９を制御する。
【００４８】
次いで、当該候補波長のパルス光を生成するように光源部３０１を制御する（ステップＡ９）。そして、被検体（皮膚）からの散乱光の光駆動シャッター部３１１の透過タイミングと対応付けて、光検出部３１３において検出された散乱光の強度を取得する（ステップＡ１１）。
【００４９】
次いで、光路長範囲の全体について光強度を取得できたか否かを判定し（ステップＡ１３）、まだ取得できていないと判定した場合は（ステップＡ１３；Ｎｏ）、ステップＡ３で決定した光路長刻み幅だけゲート光の光路長を変更するように、ゲート光導光部３０９を制御する（ステップＡ１５）。そして、ステップＡ９に戻る。
【００５０】
一方、ステップＡ１３において光路長範囲の全体について光強度を取得できたと判定した場合は（ステップＡ１３；Ｙｅｓ）、ステップＡ１１で取得した各々の光路長についての光強度で表される散乱光時間分解波形を記憶する（ステップＡ１７）。そして、次の候補波長へと処理を移行する。全ての候補波長についてステップＡ７〜Ａ１７の処理を行ったならば、ループＡの処理を終了する（ステップＡ１９）。これにより、散乱光時間分解波形生成処理は終了となる。
【００５１】
上記のようにして散乱光時間分解波形を生成したならば、当該散乱光時間分解波形に基づいて、異なる時刻における光強度を取得する。そして、皮膚の各層の光吸収係数を算出し、算出した光吸収係数を用いて、真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。この詳細については、フローチャートを用いて後述する。
【００５２】
１−３．演算装置５の構成
演算装置５は、光学装置３の制御を行う制御装置であり、且つ、光学装置３から取得した光強度に基づいて、真皮層に含有されているグルコース濃度を算出・測定する演算装置である。
【００５３】
図１に示すように、演算装置５は、処理部５１０と、入力部５２０と、表示部５３０と、音出力部５４０と、通信部５５０と、Ｉ／Ｆ（Inter Face）部５６０と、記憶部５７０とを備え、各部がバス５８０を介して接続されるコンピューターシステムである。
【００５４】
処理部５１０は、記憶部５７０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、演算装置５の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。
【００５５】
処理部５１０は、主要な機能部として、モデル生成部５１１と、散乱光時間分解波形生成部５１３と、光吸収係数算出部５１５と、成分濃度算出部５１７と、光路長制御部５１９とを有する。但し、これらの機能部は、一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。
【００５６】
モデル生成部５１１は、例えばモンテカルロ法を利用したシミュレーション（モンテカルロシミュレーション）を行うことで、入射光子数が「Ｎin」の場合における皮膚の各層の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を算出する。また、モンテカルロシミュレーションを行うことで、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」の場合における無吸収時の散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を算出する。
【００５７】
散乱光時間分解波形生成部５１３は、記憶部５７０に記憶された散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３で説明した散乱光時間分解波形生成処理を行うことで、散乱光の時間分解波形「Ｒ（ｔ）」を求める。
【００５８】
光吸収係数算出部５１５は、皮膚の各層それぞれについて光吸収係数を算出する。また、成分濃度算出部５１７は、真皮層が含有する成分それぞれについて濃度を算出する。
【００５９】
光路長制御部５１９は、光学装置３のゲート光導光部３０９に光路長制御信号を出力することで、ゲート光導光部３０９の光路長を変更制御する。
【００６０】
入力部５２０は、例えばキーボードやボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部５１０に出力する。この入力部５２０の操作により、各種データの入力や、成分濃度の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００６１】
表示部５３０は、処理部５１０から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部５３０には、成分濃度算出部５１７によって算出された成分濃度の情報等が表示される。
【００６２】
音出力部５４０は、処理部５１０から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部５４０からは、成分濃度測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００６３】
通信部５５０は、演算装置５が外部の情報処理装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置である。通信部５５０は、例えば、有線ケーブルを介して通信を行う有線通信モジュールや、無線ＬＡＮやスペクトラム拡散通信等を行う無線通信モジュール等を有して構成される。
【００６４】
Ｉ／Ｆ部５６０は、光学装置３と演算装置５との間で、光強度のデータの入力や、各種の制御信号の出力といった信号やデータの授受を行うための入出力インターフェイスである。
【００６５】
記憶部５７０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、演算装置５のシステムプログラムや、散乱光時間分解波形生成機能、成分濃度測定機能といった各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００６６】
記憶部５７０には、プログラムとして、処理部５１０によって読み出され、成分濃度測定処理（図６参照）として実行される成分濃度測定プログラム５７１が記憶されている。成分濃度測定プログラム５７１は、散乱光時間分解波形生成処理（図３参照）として実行される散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａをサブルーチンとして含む。
【００６７】
また、記憶部５７０には、データとして、例えば、モデルデータ５７２と、散乱光時間分解波形データ５７３と、被検体物性値データ５７４と、層別光吸収係数データ５７５と、成分濃度データ５７６とが記憶される。
【００６８】
モデルデータ５７２は、モデル生成部５１１がモンテカルロシミュレーション等を行うことで生成したモデルに係るデータであり、そのデータ構成の一例を図４に示す。モデルデータ５７２には、候補波長と、伝播光路長分布と、無吸収時散乱光強度時間特性とが対応付けて記憶されている。
【００６９】
伝播光路長分布は、入射光子数が「Ｎin」のときのパルス光の光子の伝播光路長を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、光吸収係数がゼロの皮膚モデルを構成し、当該皮膚モデルの各層において光子が次に進む点までの距離及び方向を、単位時間毎に乱数を用いて繰り返し行う。このシミュレーションを多数の光子について行い、光検出部３１３に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を、分類された層毎に算出することで、例えば図４に示すような層別の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」を得る。
【００７０】
また、無吸収時散乱光強度時間特性は、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」のときの散乱光強度を、モンテカルロシミュレーションにより求めたモデルである。具体的には、上記の光吸収係数がゼロの皮膚モデルについて、当該皮膚モデルにパルス光を照射した場合に光検出部３１３において検出される光子の個数（＝散乱光強度）を単位時間毎に算出することで、図４に示すような無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」を得る。縦軸の散乱光強度は、光検出部３１３において検出される光子の個数（光子数）と同義である。
【００７１】
散乱光時間分解波形データ５７３は、散乱光時間分解波形生成部５１３が生成した散乱光時間分解波形に係るデータであり、そのデータ構成の一例を図５に示す。散乱光時間分解波形データ５７３には、候補波長と、散乱光時間分解波形とが対応付けて記憶されている。散乱光時間分解波形は、上記の光学装置３において、光駆動シャッター部３１１による光駆動シャッターを利用して測定される被検体からの散乱光の時間分解波形（散乱光強度の時間特性）である。
【００７２】
被検体物性値データ５７４は、皮膚の真皮層が含有する成分に係る物性値が記憶されたデータであり、例えば、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分の光吸収係数を定めた成分別光吸収係数データ５７４Ａがこれに含まれる。このデータは、被検体の物性値として予め測定・記憶されたデータであり、既知の値である。
【００７３】
層別光吸収係数データ５７５は、皮膚の表皮層、真皮層及び皮下組織層それぞれについて、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される光吸収係数の値が記憶される。
【００７４】
成分濃度データ５７６は、真皮層が含有する水、たんぱく質、脂質及びグルコースの測定データであり、後述するように、所定の連立方程式を解くことで算出される。
【００７５】
１−４．処理の流れ
図６は、記憶部５７０に記憶されている成分濃度測定プログラム５７１が処理部５１０によって読み出されて実行されることで、成分濃度測定装置１において実行される成分濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００７６】
最初に、モデル生成部５１１が、モデル生成処理を行う（ステップＳ１）。具体的には、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」と、無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」とを生成する。そして、これらのモデルを記憶部５７０にモデルデータ５７２として記憶させる。
【００７７】
次いで、散乱光時間分解波形生成部５１３が、記憶部５７０に記憶されている散乱光時間分解波形生成プログラム５７１Ａに従って、図３の散乱光時間分解波形生成処理を行う（ステップＳ３）。
【００７８】
その後、処理部５１０は、複数の候補波長の中から、被検体の主成分数と同数の波長を選定する（ステップＳ５）。真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分である。そのため、ステップＳ５では、複数の候補波長の中から４つの波長「（λ1、λ2、λ3、λ4）」を選定する。
【００７９】
次いで、処理部５１０は、被検体の層数と同数の異なる時刻を選定する（ステップＳ７）。皮膚は、表皮層、真皮層及び皮下組織層の３層でなる。そのため、ステップＳ７では、異なる３つの時刻「ｔk＝（ｔ1、ｔ2、ｔ3）」を選定する。
【００８０】
その後、処理部５１０は、ステップＳ５で選定した各選定波長についてループＢの処理を行う（ステップＳ９〜Ｓ２３）。ループＢの処理では、処理部５１０は、ステップＳ７で選定した各選定時刻についてループＣの処理を行う（ステップＳ１１〜Ｓ１９）。
【００８１】
ループＣの処理では、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における被検体の各層の伝播光路長「Ｌm（ｔk）」をモデルデータ５７２の伝播光路長分布「Ｌm（ｔ）」から取得する（ステップＳ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎ（ｔk）」をモデルデータ５７２の無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎ（ｔ）」から取得する（ステップＳ１５）。
【００８２】
次いで、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における散乱光強度「Ｒ（ｔk）」を散乱光時間分解波形データ５７３から取得する（ステップＳ１７）。そして、処理部５１０は、次の選定時刻へと処理を移行する。
【００８３】
３つの選定時刻の全てについてステップＳ１３〜ステップＳ１７の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＣの処理を終了する（ステップＳ１９）。次いで、光吸収係数算出部５１５は、当該選定波長について、層別の光吸収係数「μam」を算出する（ステップＳ２１）。
【００８４】
具体的には、式（１）及び（２）に従って、３つの選定時刻についての連立方程式を解くことで、表皮層の光吸収係数「μa1」、真皮層の光吸収係数「μa2」及び皮下組織層の光吸収係数「μa3」を算出する。そして、算出した光吸収係数を層別光吸収係数データ５７５として記憶部５７０に記憶させる。
【数１】
【数２】
【００８５】
但し、式（１）において、「μam」は層別の光吸収係数を表し、添え字の「ｍ」は皮膚の層の番号を表している。便宜的に、表皮層の番号を「ｍ＝１」、真皮層の番号を「ｍ＝２」、皮下組織層の番号を「ｍ＝３」と表記する。「Ｍ」は皮膚の層数であり、ここでは「Ｍ＝３」である。つまり、「μa1」は表皮層の光吸収係数であり、「μa2」は真皮層の光吸収係数であり、「μa3」は皮下組織層の光吸収係数である。
【００８６】
また、「Ｌm（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層における伝播光路長分布を示している。例えば、「Ｌm（ｔ1）」は、時刻「ｔ1」において検出される光子が第ｍ層を伝播した距離の総和を示す。また、「Ｎin」は、パルス光の光子の総数（入射光子数）であり、既知である。「Ｉin」は、パルス光の強度（入射光強度）であり、既知である。
【００８７】
式（１）は、時刻「ｔ」において検出される光強度「Ｒ（ｔ）」が、次式（３）によって近似的に書き表すことができることに基づいて導出される。
【数３】
【００８８】
式（３）において、「Ｌ´m（ｔ）」は、皮膚の第ｍ層を伝播した距離の１光子あたりの平均値であり、伝播距離の総和「Ｌm（ｔ）」を「Ｎ´（ｔ）」で除算した値であり、次式（４）で与えられる。
【数４】
式（４）を用いて式（３）を変形すると、式（１）が導出される。
【００８９】
４つの選定波長の全てについてステップＳ１１〜ステップＳ２１の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＢの処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００９０】
次いで、成分濃度算出部５１７が、被検体の各成分それぞれについて濃度を算出する（ステップＳ２５）。成分の総数が「Ｎ個」である場合の各成分の体積分率「ｃvi」を求める式は、次式（５）で与えられる。
【数５】
【００９１】
真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分である（Ｎ＝４）。そのため、式（５）を４成分の式として書き表すと、次式（６）のようになる。この式（６）に従って、水、たんぱく質、脂質及びグルコースそれぞれの体積分率を算出する。
【数６】
【００９２】
但し、「μai」は成分別の光吸収係数を表しており、添え字の「ｉ」は成分の記号を表している。便宜的に、水を「ｉ＝ｗ」、たんぱく質を「ｉ＝ｐ」、脂質を「ｉ＝ｌ」、グルコースを「ｉ＝ｇ」と表記する。つまり、「μaw」、「μap」、「μal」及び「μag」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収係数を示す。
【００９３】
また、式（６）の右辺において、「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、それぞれ波長毎に定まる水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収係数であり、これらのデータは成分別光吸収係数データ５７４Ａとして被検体物性値データ５７４に予め記憶されている既知の値である。
【００９４】
また、「ｃvi」は成分別の体積分率を表しており、添え字の「ｉ」は上記と同じである。つまり、「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの体積分率を示す。これらの体積分率は未知数である。
【００９５】
式（６）の左辺は、４つの選定波長それぞれについてステップＳ２１で算出した真皮層（ｉ＝２）の光吸収係数「μa2（λ1）」、「μa2（λ2）」、「μa2（λ3）」及び「μa2（λ4）」の値であり、式（２）の連立方程式を解くことで、ステップＳ２１において求まっている。
【００９６】
また、式（６）の右辺の「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」は、上記の通り既知の値として定まっている。従って、４種類の選定波長「λ1〜λ4」についての連立方程式を解くことで、各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」を算出することができる。
【００９７】
各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」が求まったならば、体積分率を重量体積濃度等に変換し、最終的な各成分の濃度とする。なお、体積分率を重量体積濃度等に変換する方法は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００９８】
１−５．作用効果
第１実施形態によれば、光源部３０１からの光源光が分岐部３０２によって分岐され、その一方の光が測定光として照射部３０３によって被検体に照射される。そして、被検体からの出射光が集光部３０４によって集光され、中継部３０５によって光変換部３０７に中継される。他方、分岐部３０２によって分岐された他方の光はゲート光として光駆動シャッター部３１１に導光される。この際、ゲート光は、ゲート光導光部３０９の光路長が変更され、光路長が異なるゲート光がカー材質部３１１Ａに導光される。結果、光駆動シャッターが異なる時刻（タイミング）で作用することとなり、異なる光路長、すなわち異なる時刻（タイミング）での出射光の強度が得られる。このことは、被検体内での散乱経路の異なる出射光を捉えることに相当する。従って、出射光の強度から時間分解波形を精度良く取得することができる。
【００９９】
また、光源部３０１は、例えばフェムト秒レーザーを有して構成されるため、フェムト秒といった極めて微小な時間分解能で精細な時間分解波形を得ることができる。また、このようにして取得した時間分解波形を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を高精度に求めることができる。
【０１００】
本実施形態では、上記のようにして実測で求めた散乱光時間分解波形と、予めモデル化した被検体を伝播するパルス光の伝播光路長分布及び無吸収時における散乱光強度の時間特性とを用いて、人間の皮膚の各層の光吸収係数を算出する。そして、この光吸収係数を用いることで、被検体に含まれている成分濃度を正しく算出することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の光学系の構成によれば、光源部３０１によって生成されたパルス光が、分岐部３０２において測定光とゲート光とに分岐される。かかる構成により、光源部３０１によって生成されたパルス光から、互いに同期したパルス光でなる測定光とゲート光とを簡単に生成することができる。
【０１０２】
１−６．変形例
１−６−１．光吸収係数の算出
上記の実施形態では、式（２）に従って皮膚の各層の光吸収係数を算出した。しかし、式（２）ではなく、式（１）を積分型に発展させた次式（７）を用いて各層の光吸収係数を算出してもよい。
【数７】
【０１０３】
１−６−２．濃度の算出
上記の実施形態では、光吸収係数と体積分率との関係により定まる式（５）及び（６）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出した。しかし、モル吸光係数とモル濃度との関係により定まる次式（８）及び（９）に従って、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【数８】
【数９】
【０１０４】
また、上記以外にも、例えば、特許文献１の第１２ページに記載されている第７式に基づいて、皮膚の真皮層の各成分の濃度を算出することとしてもよい。
【０１０５】
２．第２実施形態
本発明を適用可能な実施形態は、上記の第１実施形態に限定されるわけではない。以下、本発明を適用した第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同一の構成要素や、フローチャートの同一のステップについては、同一の符号を付して、再度の説明を省略する。
【０１０６】
２−１．光学装置の構成
図７は、第２実施形態における光学装置３の構成の一例を示す図である。光学装置３は、例えば、光源部３０１と、第１分岐部３０２Ａと、第２分岐部３０２Ｂと、第１照射部３０３Ａと、第２照射部３０３Ｂと、第１集光部３０４Ａと、第２集光部３０４Ｂと、第１中継部３０５Ａと、第２中継部３０５Ｂと、第１光変換部３０７Ａと、第２光変換部３０７Ｂと、ゲート光導光部３０９と、第２光駆動シャッター部３２１と、第１光検出部３１３Ａと、第２光検出部３１３Ｂとを有して構成される。
【０１０７】
第１分岐部３０２Ａによって分岐された光のうちの一方の光は、測定光として第２分岐部３０２Ｂによって再び分岐される。そして、第２分岐部３０２Ｂによって分岐された光のうちの一方の光は、第１照射部３０３Ａによって被検体に照射される。他方の光は、第２照射部３０３Ｂによって参照体に照射される。
【０１０８】
本実施形態において、参照体は、被検体と光吸収特性や光散乱特性が類似した、光学特性が既知の参照物質とする。例えば、人間を被検体とする場合には、参照体として、（１）着色された磨り硝子、（２）水＋黒インク＋静注用脂肪乳剤の混合液、といった参照物質を用いると好適である。参照体を着色するのは、透明な材質を用いた場合、光を透過してしまうためである。また、静注用脂肪乳剤を用いるのは、皮膚の真皮層等に含まれる脂肪分を人工的に作り出すためである。なお、静注用脂肪乳剤の代わりにダイズ油を用いてもよい。
【０１０９】
被検体に特性が類似する物質や溶液を参照体として用いるのには理由がある。その理由は、パルス光を被検体に照射して光駆動シャッターによりその一部をサンプリングした場合の光強度（以下、「第１光強度」と称す。）と、パルス光を参照体に照射して光駆動シャッターによりその一部をサンプリングした場合の光強度（以下、「第２光強度」と称す。）との比を「１」に近づけることを狙いとしているためである。第１光強度と第２光強度との差をゼロに近づける狙いがあると言うこともできる。
【０１１０】
第２光駆動シャッター部３２１は、カー材質部３２１Ａと、それに対して対称となる位置に配置される偏光子対を２組有して構成される。具体的には、第１偏光部３２１Ｂ及び第２偏光部３２１Ｃでなる第１偏光部組と、第３偏光部３２１Ｄ及び第４偏光部３２１Ｅでなる第２偏光部組との２組の偏光部対を有する。
【０１１１】
カー材質部３２１Ａに入射した第１散乱光は、通常は第２偏光部３２１Ｃを通過することができない。また、カー材質部３２１Ａに入射した第２散乱光は、通常は第４偏光部３２１Ｅを通過することができない。しかし、ゲート光がカー材質部３２１Ａに入射したタイミングで、カー材質部３２１Ａが複屈折性を持つことで、第１実施形態と同様に、第１散乱光及び第２散乱光が、光駆動シャッター部３２０を透過する。その結果、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂで光が検出される。
【０１１２】
２−２．演算装置の構成
図８は、第２実施形態における演算装置５の処理部５１０の機能構成の一例を示す図である。処理部５１０は、モデル生成部５１１と、散乱光時間分解差異波形生成部５１４と、光吸収係数算出部５１５と、成分濃度算出部５１７と、光路長制御部５１９とを機能部として有する。
【０１１３】
散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂによってそれぞれ検出された第１光強度と第２光強度との比（以下、「光強度比」と称す。）に基づいて、散乱光時間分解差異波形を生成する。散乱光時間分解差異波形は、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、参照物質に測定光を照射した場合に測定された参照用時間分解波形との差異に相当する波形である。
【０１１４】
図９は、第２実施形態における演算装置５の記憶部５７０のデータ構成の一例を示す図である。記憶部５７０には、第２成分濃度測定処理（図１１参照）として実行される第２成分濃度測定プログラム５７７が記憶されている。第２成分濃度測定プログラム５７７は、散乱光時間分解差異波形生成処理（図１２参照）として実行される散乱光時間分解差異波形生成プログラム５７７Ａをサブルーチンとして含む。
【０１１５】
また、記憶部５７０には、データとして、モデルデータ５７２と、被検体物性値データ５７４と、層別光吸収係数データ５７５と、成分濃度データ５７６と、散乱光時間分解差異波形データ５７８と、参照体光学特性データ５７９とが記憶される。
【０１１６】
モデルデータ５７２には、被検体について伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」をシミュレーションにより求めた被検体モデルデータ５７２Ａと、参照体について伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」をシミュレーションにより求めた参照体モデルデータ５７２Ｂとが含まれる。詳細は数式を用いて後述するが、被検体に対する特性に下付きの添え字“ｓ”を付し、参照体に対する特性に下付きの添え字“ｒ”を付して、それぞれ区別する。
【０１１７】
散乱光時間分解差異波形データ５７８は、第１光強度と第２光強度との比の時間特性として表される散乱光時間分解差異波形に係るデータであり、そのデータ構成の一例を図１０に示す。散乱光時間分解差異波形データ５７８には、候補波長と、散乱光時間分解差異波形とが対応付けて記憶される。本実施形態では、光学特性が被検体に類似する参照体を用いるため、図１０に示すように、生成される散乱光時間分解差異波形は、「１」の近傍で値が振動する波形となる。なお、実際に格納されるデータとしては、後述する換算処理において、光強度比「０．９〜１．１」の範囲に、例えば１６ビットの数値を割り当てた場合のステップ数のデータが換算データ５７８Ａとして記憶される。
【０１１８】
参照体光学特性データ５７９は、参照体の光学特性に係るデータであり、例えば層別光吸収係数データ５７９Ａがこれに含まれる。層別光吸収係数データ５７９Ａは、参照体の各層それぞれの光吸収係数（参照体の層別光吸収係数）が記憶されたデータである。このデータは、予め測定等により求められた既知のデータであり、被検体の各層それぞれの光吸収係数（被検体の層別光吸収係数）を算出するために用いられる。
【０１１９】
２−３．処理の流れ
図１１は、処理部５１０が、記憶部５７０に記憶されている第２成分濃度測定プログラム５７７に従って実行する第２成分濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【０１２０】
先ず、モデル生成部５１１が、被検体モデル生成処理を行う（ステップＴ１）。具体的には、被検体を対象として、第１実施形態と同様に、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」を求める。そして、これらのモデルを被検体モデルデータ５７２Ａとして記憶部５７０に記憶させる。
【０１２１】
また、モデル生成部５１１は、参照体モデル生成処理を行う（ステップＴ２）。具体的には、参照体を対象として、第１実施形態と同様に、例えばモンテカルロシミュレーションを行って、伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」及び無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」を求める。そして、これらのモデルを参照体モデルデータ５７２Ｂとして記憶部５７０に記憶させる。
【０１２２】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、記憶部５７０に記憶されている散乱光時間分解差異波形生成プログラム５７７Ａに従って、散乱光時間分解差異波形生成処理を行う（ステップＴ３）。
【０１２３】
図１２は、散乱光時間分解差異波形生成処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＡ３の後、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、各候補波長についてループＥの処理を行う（ステップＢ５〜Ｂ２３）。ループＥの処理では、ステップＡ９の後、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、第１光検出部３１３Ａ及び第２光検出部３１３Ｂから、第１光強度及び第２光強度をそれぞれ取得する（ステップＢ１１）。そして、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、取得した第１光強度及び第２光強度の比（光強度比）を算出する（ステップＢ１３）。
【０１２４】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、換算処理を行う（ステップＢ１５）。本実施形態では、上述したように、被検体と光吸収特性や光散乱特性が類似した物質や溶液でなる参照体を用いて、第１光強度と第２光強度との比を求める。被検体と参照体とは光学特性が類似しているため、算出される光強度比は「１」に近い値となる。そこで、本実施形態では、「１」を中心とする所定範囲に、予め定められたビット数の数値を割り当てる。
【０１２５】
具体的には、例えば、光強度比「０．９〜１．１」の範囲に、１６ビットの数値を割り当てる。つまり、「０．２＝２16ステップ」とし、１ステップを「（０．２）／２16」とする。この場合、光強度比を「Ｘ」と表記し、ステップ数を「Ｙ」と表記すると、「Ｘ＝０．９＋（（０．２）／２16）×Ｙ」と表すことができる。この場合、例えば、散乱光時間分解差異波形データ５７８として、ステップ数「Ｙ＝（Ｘ−０．９）×２16／０．２」を格納した換算データ５７８Ａを記憶部５７０に記憶させる（ステップＢ１７）。そして、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、ステップＢ１９へと処理を移行する。
【０１２６】
次いで、散乱光時間分解差異波形生成部５１４は、ステップＡ１３においてした光路長範囲の全体について光強度比を取得できたか否かを判定し（ステップＢ１９）、まだ取得できていないと判定した場合は（ステップＢ１９；Ｎｏ）、ステップＡ１５へと移行する。また、取得できたと判定した場合は（ステップＢ１９；Ｙｅｓ）、次の候補波長へと処理を移行する。
【０１２７】
図１１の第２成分濃度測定処理に戻り、散乱光時間分解差異波形生成処理を行った後、ループＢ及びループＣの処理において、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における被検体の各層の伝播光路長「Ｌsm（ｔk）」を被検体モデルデータ５７２Ａの伝播光路長分布「Ｌsm（ｔ）」から取得する（ステップＳ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎs（ｔk）」を被検体モデルデータ５７２Ａの無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎs（ｔ）」から取得する（ステップＳ１５）。
【０１２８】
同様に、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における参照体の各層の伝播光路長「Ｌrm（ｔk）」を参照体モデルデータ５７２Ｂの伝播光路長分布「Ｌrm（ｔ）」から取得する（ステップＴ１３）。また、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における無吸収時散乱光強度「Ｎr（ｔk）」を参照体モデルデータ５７２Ｂの無吸収時散乱光強度時間特性「Ｎr（ｔ）」から取得する（ステップＴ１５）。
【０１２９】
次いで、処理部５１０は、逆換算処理を行う（ステップＴ１６）。具体的には、ステップＢ１５の換算処理で換算データ５７８Ａとして記憶させたステップ数「Ｙ」から、光強度比「Ｘ」に逆換算する演算を行う。その結果として、処理部５１０は、当該選定波長について、当該選定時刻「ｔk」における散乱光の第１光強度「Ｒs（ｔk）」と第２光強度「Ｒr（ｔk）」との比「Ｒr（ｔk）／Ｒs（ｔk）」を取得する（ステップＴ１７）。そして、処理部５１０は、次の選定時刻へと処理を移行する。
【０１３０】
３つの選定時刻の全てについてステップＳ１３〜ステップＴ１７の処理を行ったならば、処理部５１０は、ループＣの処理を終了する（ステップＳ１９）。次いで、光吸収係数算出部５１５は、当該選定波長について、層別の光吸収係数「μam」を算出する（ステップＴ２１）。
【０１３１】
皮膚の各層の光吸収係数の算出方法について説明する。式（３）において、被検体に対する特性に下付きの添え字の“ｓ”を付し、参照体に対する特性に下付きの添え字の“ｒ”を付している。このとき、第１光強度「Ｒs（ｔ）」と第２光強度「Ｒr（ｔ）」との比「Ｒs（ｔ）／Ｒr（ｔ）」は、次式（１０）のように表すことができる。
【数１０】
【０１３２】
式（１０）を整理すると、次式（１１）のようになる。
【数１１】
【０１３３】
なお、式（１１）は、式（４）を用いて次式（１２）のように表すこともできる。
【数１２】
【０１３４】
式（１１）又は式（１２）は、第１実施形態の式（１）に相当する式である。従って、式（１１）又は式（１２）を利用することで、第１実施形態と同様に、表皮層の光吸収係数「μa1」、真皮層の光吸収係数「μa2」及び皮下組織層の光吸収係数「μa3」を算出することができる。
【０１３５】
より具体的には、３つの異なる時刻について式（１２）を書き表すと、次式（１３）のようになる。
【数１３】
【０１３６】
このとき、被検体についてステップＳ１３及びＳ１５で取得した各層の伝播光路長「Ｌsm（ｔk）」及び無吸収時散乱光強度「Ｎs（ｔk）」と、参照体についてステップＴ１３及びＴ１５で取得した各層の伝播光路長「Ｌrm（ｔk）」及び無吸収時散乱光強度「Ｎr（ｔk）」と、ステップＴ１７で取得した光強度比「Ｒr（ｔk）／Ｒs（ｔk）」と、層別光吸収係数データ５７９Ａに含まれる参照体の層別の光吸収係数「μar1」、「μar2」及び「μar3」とを用いて、式（１３）の連立方程式を解く。その結果、被検体の皮膚の表皮層の光吸収係数「μas1」、真皮層の光吸収係数「μas2」及び皮下組織層の光吸収係数「μas3」が求まる。
【０１３７】
被検体の真皮層の光吸収係数「μas2」が求まった後は、第１実施形態と同様の手法により、式（６）に従って、真皮層に含まれている各成分の濃度を算出することができる（ステップＳ２５）。
【０１３８】
２−４．作用効果
第２実施形態によれば、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差異を用いて、被検体に含まれている成分濃度を算出する。具体的には、被検体に測定光を照射した場合に測定された時間分解波形と、参照用時間分解波形との比で表される散乱光時間分解差異波形に基づいて、所定の演算式に従って、皮膚の各層の光吸収係数を算出する。そして、算出した光吸収係数を用いて、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を算出する。
【０１３９】
散乱光時間分解差異波形の生成では、所定の換算処理を行う。測定光の光強度そのものに着目した場合、その時間分解波形は、例えば図５に示したような波形となる。つまり、光強度は、微小な値から大きな値まで広範囲な値を取り得る。この広範な数値の範囲を所定数のビット（例えば１６ビット）で表す場合には、１ビット値当たりの数値は大きくなる。しかし、第２実施形態では、時間分解波形の比として表される数値の範囲を想定し、この数値範囲を同じ所定数のビットで表すため、１ビット値当たりの数値を小さくすることができる。その結果、光強度（光強度比）としてより精細（高分解能）な値を取り扱うことができるようになり、第１実施形態と比べて、成分濃度の算出精度を向上させることが可能となる。
【０１４０】
２−５．変形例
上記の実施形態では、式（１３）に従って皮膚の各層の光吸収係数を算出した。しかし、式（１３）ではなく、式（１３）を積分型に発展させた次式（１４）を用いて各層の光吸収係数を算出してもよい。
【数１４】
【０１４１】
３．他の実施例
３−１．適用例
上記の実施形態では、被検体を人間の皮膚として説明したが、被検体は何もこれに限られるわけではない。例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置といった測定用機器に本発明の成分濃度測定装置を組み込んで利用することも可能である。
【０１４２】
また、グルコースの成分濃度を算出する用途に限らず、例えば、スクロースやラクトースといった他の糖分の成分濃度を測定してもよいし、食塩水といった各種の溶液の成分濃度を測定することも可能であることは勿論である。上記の実施形態の場合には、グルコースの他に、水やたんぱく質、脂質の成分濃度も併せて算出することができる。
【０１４３】
３−２．光源
上記の実施形態では、測定光及びゲート光の光源を共通光源として説明したが、同期したパルス光を生成することができれば、測定光の光源とゲート光の光源とを別光源としてもよい。
【０１４４】
また、光源は、パルス光を単発で発生させる光源に限らず、パルス光を繰り返し発生させる光源でもよい。そして、この場合は、例えば、光検出部において検出された光強度を所定時間分積算し、その積算された光強度を用いて後段の処理を行うこととしてもよい。
【０１４５】
３−３．光駆動シャッター
光駆動シャッターによる効果を効率良く得るために、例えばカー材質の前段にレンズ等を配置して、カー材質内で集光させることとしてもよい。
【０１４６】
３−４．光強度検出
測定光が微弱である場合などを想定し、フォトンカウンティング検出によって光子の数を計数することによって光強度を取得してもよい。
【０１４７】
３−５．光吸収係数及び成分濃度の算出
光吸収係数及び成分濃度を算出するための手法として、例えば、主成分分析やＰＬＳ（Partial Least Squares）法などの多変量解析に基づく手法を用いてもよい。
【０１４８】
３−６．散乱光時間分解波形の取得
上記の実施形態では、散乱光時間分解波形の略全体形状が得られる範囲を光路長範囲とすることで、散乱光時間分解波形の略全体形状を取得するものとして説明した。しかし、必ずしも散乱光時間分解波形の略全体形状を取得する必要はなく、演算に必要な時間帯に応じた一部分の形状のみを取得するようにしてもよい。つまり、散乱光時間分解波形の一部又は全体の形状が得られる範囲を光路長範囲として設定すればよい。
【符号の説明】
【０１４９】
１ 成分濃度測定装置、 ３ 光学装置、 ５ 演算装置、 ３０１ 光源部、 ３０２ 分岐部、 ３０３ 照射部、 ３０４ 集光部、 ３０５ 中継部、 ３０７ 光変換部、 ３０９ ゲート光導光部、 ３１１ 光駆動シャッター部、 ３１１Ａ カー材質部、 ３１１Ｂ 第１偏光部、 ３１１Ｃ 第２偏光部、 ３１３ 光検出部、 ５１０ 処理部、５２０ 入力部、 ５３０ 表示部、 ５４０ 音出力部、 ５５０ 通信部、 ５６０ Ｉ／Ｆ部、 ５７０ 記憶部、 ５８０ バス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、
前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、
光強度を検出する検出部と、
前記測定光に同期したパルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、
前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、
前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、
前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、
を備えた成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、この光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、
請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に前記測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、
請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、
前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
パルス光を生成する光源と、
前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、
を更に備えた請求項１〜４の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出する、
請求項１〜５の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、
前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、
前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、
前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、
を含む成分濃度測定方法。
【請求項１】
パルス光である測定光を被検体に照射する照射部と、
前記測定光が照射されることによる被検体からの出射光を集光する集光部と、
光強度を検出する検出部と、
前記測定光に同期したパルス光でなるゲート光を導光する光路長が変更可能に構成されたゲート光導光部と、
前記ゲート光導光部が導光したゲート光に基づき前記集光部が集光した光を前記検出部に向けて透過させる光駆動シャッター部と、
前記ゲート光導光部の光路長を変更制御する光路長制御部と、
前記光路長制御部によって変更された光路長における前記検出部の検出結果から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する算出部と、
を備えた成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記時間分解波形と、予め定められた前記被検体を伝播する前記パルス光の光路モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部を有し、この光吸収係数算出部により算出された光吸収係数を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、
請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記時間分解波形と、光学特性が既知の参照物質に前記測定光を照射した場合に測定された時間分解波形である参照用時間分解波形との差違を用いて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出する、
請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記光駆動シャッター部は、透過軸が直交となる偏光子対の間にカー材質を設けて構成され、
前記ゲート光導光部は、前記ゲート光を前記カー材質に導光する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
パルス光を生成する光源と、
前記パルス光を前記測定光と前記ゲート光とに分岐させる分岐部と、
を更に備えた請求項１〜４の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記算出部は、少なくとも前記被検体に含まれているグルコースの成分濃度を算出する、
請求項１〜５の何れか一項に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
パルス光である測定光が照射されることによる被検体からの出射光をゲート光に基づいて透過させる光駆動シャッター部に、前記測定光に同期したパルス光を前記ゲート光として導光することと、
前記光駆動シャッター部に導光する前記ゲート光の光路長を変更制御することと、
前記光駆動シャッター部を透過した光の強度を検出することと、
前記光路長を変えて検出された前記光の強度から時間分解波形を求めて、前記被検体に含まれている成分濃度を算出することと、
を含む成分濃度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８８２４４（Ｐ２０１３−８８２４４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７９３２（Ｐ２０１１−２２７９３２）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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