JP6710383B2 - 生体計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体計測装置及び生体計測方法に関するものである。

特許文献１には、生体光計測装置に関する技術が記載されている。この文献に記載された装置では、被検査体へ光を照射する複数の光照射器と、光照射器から照射され被検査体内を伝播した光を受ける複数の光受光器とが、被検査体上に交互に配置されている。そして、この装置は、光受光器によって検出された信号に基づいて、光照射器と光受光器の略中点位置を計測点として被検査体内の代謝物質濃度およびその濃度変化を計測する。

特開２００１−１７８７０８号公報 特開２００５−０４９２３８号公報

頭部や乳房といった生体の内部情報を非侵襲的に計測する装置として、生体の光吸収特性を利用して内部情報を得る、いわゆる拡散光トモグラフィ（ＤＯＴ；Diffuse Optical Tomography）を用いたものが提案されている。このような計測装置においては、計測対象となる生体の部位に対して所定の照射位置から光を照射し、当該部位の内部で散乱しつつ伝播した光を所定の検出位置にて検出し、その強度や時間波形などの測定結果から、当該部位の内部情報、すなわち当該部位の内部に存在する腫瘍やヘモグロビンなどの光吸収体に関する情報（位置、濃度など）を得ることができる。

このような計測装置において、被計測部位への光の照射及び拡散光の検出を、把持可能な小型のプローブを用いて行う方式が考えられている。すなわち、被計測部位の内部を拡散する光のうち、例えば拡散反射光を計測に利用する方式であり、このような方式によって、より簡便で使い易い計測装置を実現できる。しかしながら、この方式では、被計測部位表面の限られた狭い領域において光の照射と拡散光の検出とを行うので、計測感度の均一性が損なわれ易いという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、計測感度の均一性を向上できるプローブ方式の生体計測装置及び生体計測方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態による生体計測装置は、被検者の被計測部位に光を入力し、被計測部位を伝播した計測光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する装置であって、被計測部位へ光を入力する複数の光入力部、及び被計測部位から出力される計測光を受ける複数の受光部を有し、被計測部位に押し当てられる当接面を有するプローブと、光入力部と受光部との組み合わせ毎に得られる計測光の検出結果に基づいて内部情報を算出する演算部と、を備える。複数の光入力部及び複数の受光部は、当接面上において、間隔がｄであり、互いに直交する第１方向及び第２方向に沿った格子を構成し、少なくとも複数の受光部の一部は、光入力部から第１方向及び第２方向に距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数）だけ離れて位置し、少なくとも複数の光入力部の一部は、受光部から第１方向及び第２方向に距離Ａ×ｄだけ離れて位置する。当該組み合わせは、光入力部と受光部との間隔が、距離Ａ×ｄとなる組み合わせである。

また、本発明の一形態による生体計測方法は、被検者の被計測部位に光を入力し、被計測部位を伝播した計測光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する方法であって、複数の光入力部及び複数の受光部を有する当接面を有するプローブを被計測部位に配置するステップ（配置ステップ）と、複数の光入力部のうち、１つの光入力部から被計測部位へ光を入力するステップ（光入力ステップ）と、当接面上において複数の光入力部及び複数の受光部によって構成された格子の間隔をｄとするとき、複数の受光部のうち、光を入力した光入力部から距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数）だけ離れて位置する受光部によって受光された計測光を検出し、検出結果を出力するステップ（検出ステップ）と、検出結果に基づいて内部情報を算出するステップ（演算ステップ）とを備える。

この生体計測装置及び生体計測方法によれば、光入力部と受光部との間隔が、距離Ａ×ｄとなる組み合わせによる内部情報を算出するので、光入力部と受光部との組み合わせの密度が均一となり、計測感度の均一性を向上することができる。

一形態において、複数の光入力部は、被計測部位へ順次光を入力してもよい。この場合、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

また、一形態において、整数Ａは、２であってもよい。この場合、当該組み合わせの数を多く取ることができる。

さらに、一形態において、格子間隔ｄは、０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下であってもよい。この場合、光検出時におけるサチレーションを抑えつつ、分解能を向上させることができる。

さらに、一形態において、演算部（演算ステップ）は、内部情報に基づいて２次元画像又は３次元画像を作成してもよい。光入力部と受光部との組み合わせの密度が均一となるので、鮮明な画像を作成することができる。

本発明によれば、計測感度の均一性を向上できるプローブ方式の生体計測装置及び生体計測方法を提供できる。

本発明による生体計測装置の一実施形態の構成を概念的に示す図である。 光照射部及び受光部の配置を模式的に示す平面図である。 （ａ）（ｂ）光照射部及び受光部の配置の基本パターンを示す図である。 光照射部と受光部との組み合わせを示す図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 光照射部及び受光部の配置例を模式的に示す平面図である。 一実施形態による生体計測方法を示すフローチャートである。 被計測部位を含む乳がん患者の左右の乳房を示す正面図である。 （ａ）（ｂ）図１３に示された被計測部位を計測し、ＣＴ画像化した結果を示す。 （ａ）（ｂ）図１３に示された被計測部位を計測して得られた２次元マッピング画像を示す。 （ａ）〜（ｃ）一実施形態に至った過程を説明するための図である。 比較例における光照射部と受光部との組み合わせを示す図である。 （ａ）（ｂ）比較例における光照射部と受光部との組み合わせを示す図である。 （ａ）（ｂ）比較例における光照射部と受光部との組み合わせを示す図である。 固体ファントム内部における吸収体の位置及び形状と、比較例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像と、実施例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像とを示す図である。 固体ファントム内部における吸収体の位置及び形状と、比較例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像と、実施例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像とを示す図である。 固体ファントム内部における吸収体の位置及び形状と、比較例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像と、実施例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像とを示す図である。 （ａ）（ｂ）特許文献１に記載された光照射器及び光受光器の配置、光照射器及び光受光器の組み合わせ、及び各組み合わせにおける計測点を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による生体計測装置及び生体計測方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による生体計測装置及び生体計測方法の一実施形態の構成を概念的に示す図である。本実施形態による生体計測装置１Ａは、被検者の被計測部位（例えば頭部、乳房等）Ｂに近赤外光である光Ｌａを照射し、被計測部位を伝播した拡散反射光（計測光）Ｌｂを検出することにより被計測部位Ｂの内部情報（散乱係数や吸収係数といった光学係数、及び各種吸光物質（例えば腫瘍や血中ヘモグロビン）の濃度など）を取得して該内部情報を画像化し、腫瘍や癌などの有無を検査するための装置である。なお、計測光は、拡散反射光に限らない。

図１に示されるように、生体計測装置１Ａは、被計測部位Ｂの表面に配置されるプローブ２を備えている。プローブ２は、所定方向を長手方向とする略直方体状を呈しており、その短手方向の幅は、片手で把持可能な程度の大きさである。プローブ２は、該長手方向の一端に、被計測部位Ｂに押し当てられる当接面２ａを有する。また、プローブ２は、光を照射するための複数本の照射用光ファイバ１１ａ、及び拡散反射光を検出するための複数本の検出用光ファイバ１１ｂの各一端部を保持している。なお、図１には代表してそれぞれ１本の光ファイバ１１ａ，１１ｂが示されている。これらの光ファイバ１１ａ，１１ｂの各端面は、当接面２ａにおいて、所定の配置（レイアウト）でもって被計測部位Ｂの表面Ｂａへ向けて固定されている。

更に、生体計測装置１Ａは、光源装置４、光検出器５、同期信号発生部６、信号処理部７、及び演算処理装置８を備えている。光源装置４は、照射用光ファイバ１１ａの本数に対応して複数設けられ、被計測部位Ｂに対して照射される光Ｌａを発生する。光源装置４としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）などのレーザ光源など、様々なものを使用することができる。また、光源装置４から出力される光Ｌａの態様は、演算処理装置８における内部情報の算出方法に応じて決定され、例えばパルス光、連続光（ＣＷ光）など様々な光が採用される。パルス光としては、被計測部位Ｂの内部情報が計測できる程度に短い時間幅のパルス光が用いられ、例えば１ナノ秒以下の範囲の時間幅が選択される。光源装置４は、照射用光ファイバ１１ａを介してプローブ２の当接面２ａと光学的に結合されている。照射用光ファイバ１１ａは、光源装置４から出射された光Ｌａをプローブ２の当接面２ａにおける所定の照射位置へと導く。そして、その出力端から被計測部位Ｂの表面Ｂａに向けて光Ｌａを照射する。なお、被計測部位Ｂに光Ｌａを入力することは、被計測部位Ｂの表面Ｂａに向けて光Ｌａを照射することに限らない。

被計測部位Ｂに向けて照射された光Ｌａは、被計測部位Ｂの内部を伝播して拡散反射光Ｌｂとなり、被計測部位Ｂの表面Ｂａから出射することにより、被計測部位Ｂから出力される。検出用光ファイバ１１ｂは、被計測部位Ｂの表面Ｂａから出射する拡散反射光Ｌｂを所定の受光位置において受け、この拡散反射光Ｌｂを光検出器５へ導く。

光検出器５は、検出用光ファイバ１１ｂの本数に対応して複数設けられる。光検出器５は、検出用光ファイバ１１ｂを介してプローブ２の当接面２ａと光学的に結合されており、被計測部位Ｂから検出用光ファイバ１１ｂを介して得られた拡散反射光Ｌｂの強度を検出する。光検出器５は、拡散反射光Ｌｂの強度を示す光検出信号Ｓｄを出力する。光検出器５から出力された光検出信号Ｓｄは信号処理部７に入力される。光検出器５としては、光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）など、様々なものを用いることができる。なお、光検出器５は、光源装置４から出力される光Ｌａの波長帯域を十分に検出できる分光感度特性を有していることが好ましい。また、被計測部位Ｂからの拡散反射光Ｌｂが微弱である場合、高感度あるいは高利得の光検出器５を使用することが好ましい。

同期信号発生部６は、各光源装置４及び信号処理部７を互いに同期して動作させる（各照射位置における光Ｌａの照射タイミングと、対応する受光位置における拡散反射光Ｌｂの検出タイミングとを合わせる）ためのトリガ信号Ｓｔを出力する。前述した各光源装置４は、トリガ信号Ｓｔに示されるタイミングと同期して光Ｌａを出力する。

信号処理部７は、各光検出器５及び同期信号発生部６と電気的に接続されており、各光検出器５から出力された光検出信号Ｓｄと、同期信号発生部６から出力されたトリガ信号Ｓｔとを受ける。信号処理部７は、各光源装置４に対するトリガ信号Ｓｔにそれぞれ示されるタイミングと同期して、各照射位置に対応する各受光位置の光検出信号Ｓｄを取得する。そして、信号処理部７は、各照射位置に対応する受光位置から得られた拡散反射光Ｌｂの光強度の時間変化（計測波形）を示す計測データＤａを生成する。信号処理部７は、取得した計測データＤａを演算処理装置８へ提供する。

演算処理装置（演算部）８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）といった演算手段と、メモリなどの記憶手段とを有するコンピュータによって実現される。このようなコンピュータとしては、例えば、パーソナルコンピュータ又は、スマートフォンあるいはタブレット端末などのスマートデバイス、クラウドサーバーなどがある。演算処理装置８は、信号処理部７と電気的に接続されており、信号処理部７から入力された計測データＤａを解析して被計測部位Ｂの内部情報を算出し、内部情報の画像化（画像再構成）を行う。演算処理装置８は、計測データ格納部８１と内部情報算出部８２とを有する。計測データ格納部８１は、信号処理部７から演算処理装置８に入力された計測データＤａを格納（記憶）する。計測データ格納部８１には、更に、内部情報の算出に用いられるリファレンス用の計測データが格納されてもよい。内部情報算出部８２は、計測データＤａを解析して被計測部位Ｂの内部情報を算出し、内部情報の画像化を行う。内部情報の算出は、例えば、拡散反射光Ｌｂの時間分解波形を利用する時間分解計測法（ＴＲＳ法：Time Resolved Spectroscopy）、光Ｌａとして変調光を利用する位相変調計測法（ＰＭＳ法：Phase Modulation Spectroscopy）、或いは光ＬａとしてＣＷ（Continuous Wave）光を用いる方法等による解析演算を適用することにより行われる。内部情報の詳細な算出方法としては、例えば特許文献２に記載された方法を用いることができる。なお、演算処理装置８は、光源装置４、光検出器５、及び信号処理部７といった構成要素のうち少なくとも一つを制御する機能を更に有してもよい。

ここで、プローブ２の当接面２ａにおける光照射部（光入力部）２ｃ及び受光部２ｄの配置について詳細に説明する。図２は、光照射部２ｃ及び受光部２ｄの配置を模式的に示す平面図である。なお、光照射部２ｃは、被計測部位Ｂへ光を照射する部分であって、複数本の照射用光ファイバ１１ａにそれぞれ対応して複数個設けられる。各光照射部２ｃは、対応する照射用光ファイバ１１ａの一端に光学的に結合されるか、対応する照射用光ファイバ１１ａの一端によって構成される。受光部２ｄは、被計測部位Ｂから出射される拡散反射光Ｌｂを受ける部分であって、複数本の検出用光ファイバ１１ｂにそれぞれ対応して複数個設けられる。各受光部２ｄは、対応する検出用光ファイバ１１ｂの一端に光学的に結合されるか、対応する検出用光ファイバ１１ｂの一端によって構成される。

図２に示されるように、当接面２ａには、Ｘ方向（第１方向）に沿って延びておりＹ方向（第２方向）に並ぶ互いに平行な複数の線と、Ｙ方向に沿って延びておりＸ方向に並ぶ互いに平行な複数の線とによって構成される仮想的な正方格子Ｄが設定される。Ｘ方向およびＹ方向は互いに直交する。この正方格子Ｄの格子間隔はｄであり、例えば、ｄは１ｃｍである。この正方格子Ｄは、間隔ｄでもってＸ方向およびＹ方向に略等間隔に並ぶ複数の格子点を有する。なお、間隔ｄが小さい場合、光検出の際にサチレーションを起こす可能性があり、また、間隔ｄが大きいと分解能が低下する。そのため、間隔ｄは、０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下であることが好ましい。

複数の光照射部２ｃは、複数の格子点のうち一部の格子点にそれぞれ配置され、複数の受光部２ｄは、複数の格子点のうち他の格子点にそれぞれ配置されている。一例として、図２にはＸ方向に５列、Ｙ方向に５列（計２５個）の格子点が示されており、そのうち１３個の格子点に光照射部２ｃが設けられ、１２個の格子点に受光部２ｄが設けられている。各光照射部２ｃの中心位置は対応する格子点の位置と一致し、各受光部２ｄの中心位置は対応する格子点の位置と一致する。

これらの光照射部２ｃ及び受光部２ｄは、所定のルールに基づいて配置されている。すなわち、光照射部２ｃが配置されている格子点からＸ方向に距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数、図２はＡ＝２の場合を例示）だけ離れた各格子点、及びＹ方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点には、必ず受光部２ｄが配置されている。また、受光部２ｄが配置されている格子点からＸ方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点、及びＹ方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点には、必ず光照射部２ｃが配置されている。言い換えれば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、一辺の長さが（Ａ×ｄ）となる正方形において、一方の対角線上の２角に光照射部２ｃが配置され、他方の対角線上の２角に受光部２ｄが配置される。そして、このような配置を基本パターンとし、複数の基本パターンが組み合わされることによって、光照射部２ｃと受光部２ｄとが正方格子Ｄの各格子点上に位置するように配置される。なお、図２には、１つの基本パターンを示す正方形Ｓが示されている。

内部情報算出部８２は、光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせ毎に得られる拡散反射光Ｌｂの検出結果に基づいて、被計測部位Ｂの内部情報を算出する。具体的には、図４に示されるように、内部情報算出部８２は、Ｘ方向に距離Ａ×ｄだけ離れた光照射部２ｃと受光部２ｄとの複数の組み合わせ（図中の矢印Ａ１）、及びＹ方向に距離Ａ×ｄだけ離れた光照射部２ｃと受光部２ｄとの複数の組み合わせ（図中の矢印Ａ２）によって得られる拡散反射光Ｌｂの検出結果に基づいて、内部情報を算出する。従って、本実施形態では、拡散反射光Ｌｂの検出に用いられる光照射部２ｃと受光部２ｄとの組における照射−受光間距離は、Ａ×ｄで一定である。

なお、光照射部２ｃ及び受光部２ｄの配置は、所定のルールに従えばよく、図２の配置に限られない。図５は、光照射部２ｃ及び受光部２ｄの配置の別の例を模式的に示す平面図である。図５に示す例は、図２と同じく定数Ａ＝２の場合であり、図２と同じルールに基づいて配置されているが、光照射部２ｃ及び受光部２ｄの配置は図２と異なっている。また、図６〜図８に示す例は、定数Ａ＝３の場合であり、光照射部２ｃ及び受光部２ｄは図２と同じルールに基づいて配置されている。これら図６〜図８に示す例では、光照射部２ｃと受光部２ｄとの照射−受光間距離は３×ｄとなる。照射−受光間距離を図２と等しくする場合には、格子間隔ｄの長さを、図２の格子間隔ｄの２／３とするとよい。また、図９〜図１１に示す例は、定数Ａ＝４の場合であり、光照射部２ｃ及び受光部２ｄは図２と同じルールに基づいて配置されている。これら図９〜図１１に示す例では、光照射部２ｃと受光部２ｄとの照射−受光間距離は４×ｄとなる。照射−受光間距離を図２と等しくする場合には、格子間隔ｄの長さを、図２の格子間隔ｄの１／２とするとよい。

図１２は、この生体計測装置１Ａによる生体計測方法を示すフローチャートである。図１２に示されるように、本実施形態の生体計測方法では、まず当接面２ａが被計測部位Ｂの表面Ｂａに押し当てられる（配置ステップＳ１）。そして、或る一つの光照射部２ｃが光Ｌａを被計測部位Ｂ内に照射する（光入力ステップＳ２）。光Ｌａは、被計測部位Ｂを伝播し、拡散反射光Ｌｂとして複数の受光部２ｄに出力される。そして、各受光部２ｄに出力された拡散反射光Ｌｂは、それぞれの受光部２ｄに対応する光検出器５によって検出される。各光検出器５は、信号処理部７に光検出信号Ｓｄを出力する。信号処理部７は、各光検出器５から出力された光検出信号Ｓｄのうち、当該光照射部２ｃから距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数）だけ離れて位置する受光部２ｄに対応する光検出信号Ｓｄを処理し、検出結果として計測データＤａを演算処理装置８へ提供する（検出ステップＳ３）。そして、当該光照射部２ｃにおける計測が完了したら、次の光照射部２ｃにおける計測を行う。設定されたすべての光照射部２ｃでの計測が終わるまでこれらの動作を繰り返す（ステップＳ４）。なお、信号処理部７は、上述の関係ではない受光部２ｄに対応する光検出信号Ｓｄを受け入れなくてもよいし、処理しなくてもよい。

内部情報算出部８２は、得られた検出結果に基づいて、例えばＴＲＳ法あるいはＰＭＳ法といった解析演算を行うことにより、被計測部位Ｂの内部情報を算出する（演算ステップＳ５）。従って、内部情報算出部８２は、光照射部２ｃと受光部２ｄとの間隔が距離Ａ×ｄとなる組み合わせに対応する検出結果に基づいて、被計測部位Ｂの内部情報を算出することができる。

内部情報算出部８２は、プローブ２の当接面２ａによって覆われる被計測部位Ｂの領域（例えば５ｃｍ×５ｃｍの領域）において、深さ０ｃｍから例えば３〜４ｃｍまでの範囲の光学係数や各種吸光物質濃度の３次元分布を画像化する（ＣＴ画像）。ここで、内部情報算出部８２によって算出される吸光物質濃度を実際に画像化した例について説明する。図１３は、計測対象とされた被計測部位Ｂを含む、乳がん患者の左右の乳房を示す正面図であって、左乳房に直径２０ｍｍ程度の腫瘍Ｅが存在している。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、図１３に示された被計測部位Ｂを計測し、ＣＴ画像化した結果を示す。なお、理解の容易のため、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）には、３次元ＣＴ画像の或る深さ方向位置（Ｚ＝１７ｍｍ）における断面が示されている。図１４（ａ）は、腫瘍Ｅが生じていない右乳房に関するＣＴ画像を示し、図１４（ｂ）は、腫瘍Ｅを含む左乳房に関するＣＴ画像を示す。これらのＣＴ画像を比較すると、図１４（ｂ）には、図１４（ａ）には無い腫瘍Ｅに関する画像Ｅ１が明瞭に含まれていることがわかる。

また、内部情報算出部８２は、上述した３次元ＣＴ画像の他にも、例えば１チャネルのＴＲＳ法を用いて格子間隔ｄと等しい間隔（例えば１ｃｍ間隔）で格子状に光学係数や各種吸光物質濃度を計測し、得られた値を２次元画像としてマッピングすることも可能である。すなわち、１回の計測で３次元画像（ＣＴ画像）と２次元画像（マッピング画像）との双方を得ることが可能である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、図１３に示された被計測部位Ｂを実際に計測して得られた２次元マッピング画像を示す。図１５（ａ）は、腫瘍Ｅが生じていない右乳房に関する２次元マッピング画像を示し、図１５（ｂ）は、腫瘍Ｅを含む左乳房に関する２次元マッピング画像を示す。これらの２次元マッピング画像を比較すると、図１５（ｂ）には、図１５（ａ）には無い腫瘍Ｅに関する画像Ｅ２が明瞭に含まれていることがわかる。

以上に説明した本実施形態による生体計測装置１Ａによって得られる効果について説明する。図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、本実施形態に至った過程を説明するための図である。まず、図１６（ａ）に示されるように、所定の照射−受光間距離を有する光照射部２ｃ及び受光部２ｄのペアを、これらの並び方向と直交する方向に均等に並べるとする。この場合、光照射部２ｃ及び受光部２ｄの並び方向（図の縦方向）の計測データしか得ることができず（図中の矢印Ａ３）、横方向の計測データが不足する。次に、図１６（ｂ）に示されるように、中央に位置するペアの光照射部２ｃと受光部２ｄとを相互に入れ替える。この場合、図１６（ａ）に示された縦方向の計測データに加えて、横方向の計測データが得られる（図中の矢印Ａ４）。更に、中央に位置するペアの隣のペアの光照射部２ｃと受光部２ｄとを相互に入れ替える。この場合、図１６（ｂ）に示された計測データに加えて、横方向の計測データが更に増える（図中の矢印Ａ５）。このように検討した結果、所定の照射−受光間距離の計測データとして横方向（図２のＸ方向）の計測データと縦方向（図２のＹ方向）の計測データを出来る限り多く取得する為には、図３（ａ），図３（ｂ）に示された基本パターンの組み合わせに従って光照射部２ｃ及び受光部２ｄを配置することが好ましいという結論に至った。そして、光照射部２ｃ及び受光部２ｄを、縦横に等間隔である正方格子状に並ぶように配置することによって、計測データの密度が均一になり、計測感度が均一に近くなることを見出した。

すなわち、当接面２ａにおいて複数の光照射部２ｃ及び複数の受光部２ｄを図２、図５〜図１１のように配置し、且つ、拡散反射光Ｌｂを検出するための光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせを前述のように設定することにより、光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせの密度が当接面２ａ内において均一となるので、計測感度の均一性が向上し、より鮮明な画像を得ることができる。

なお、光照射部と受光部との組み合わせを均一とする構成は、一端において光照射及び受光の双方を行うことができる同軸ファイバを用いることによっても実現可能である。しかしながら、その場合には同軸ファイバが格子点の数（図２では２５個）だけ必要であり、光源装置及び光検出器もそれぞれ格子点の数だけ必要となる。これに対し、本実施形態では、同様の感度での計測をより少ない光照射部２ｃ及び受光部２ｄによって実現できるので、装置構成が複雑化することを回避し、製造コストを大幅に抑制できる。

また、本実施形態では定数Ａが２以上の整数とされているが、定数Ａが１である場合（すなわち、格子間隔ｄと照射−受光間距離とが等しい場合）では、例えばＴＲＳ法で生体内代謝物の濃度を求める場合等に受光部２ｄに入射する光強度が高すぎることがあり、ダイナミックレンジが劣化するおそれがある。この問題を解決するために格子間隔ｄを広げると、得られる計測データの数が減るので、再構成画像が劣化してしまう。これに対し、本実施形態では、定数Ａが２以上であることによって、受光部２ｄに入射する光強度を抑えつつ、十分な数の計測データを取得できる。従って、計測精度が向上し、より鮮明な画像を取得することができる。

また、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、特許文献１に記載された光照射器及び光受光器の配置を示す図であって、光照射器及び光受光器の組み合わせと、各組み合わせにおける計測点とを示している。これらの図に示される配置では、計測点が縦横に所定の間隔で並ぶように、光照射器及び光受光器が配置されている。しかしながら、何れの計測点に関しても、光照射器及び光受光器の並び方向は縦方向及び横方向の何れか一方のみである。計測精度をより高めるためには１つの計測点に対して出来るだけ多くの方向から光を伝搬させることが理想ではあるが、計測感度の均一性を向上させるためには、少なくとも２方向から光を伝搬させ、計測することが望ましい。また、図２３（ａ）に示される光照射器及び光受光器の配置では、照射−受光間距離が縦方向と横方向とで異なるので、均一な照射−受光間距離での計測データを取得することができず、計測感度の均一性が低下してしまう。本実施形態の生体計測装置１Ａは、このような特許文献１記載の装置の問題点を解決し、計測感度の均一性を向上させてより鮮明な画像を得るものである。

また、本実施形態のように、複数の光照射部２ｃは、被計測部位Ｂへ順次光を入力してもよい。これにより、複数の光照射部２ｃから入力される光同士の干渉を回避して、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

また、本実施形態のように、整数Ａは２であってもよい。これにより、複数の光照射部２ｃと複数の受光部２ｄとの組み合わせの数を多く取ることができるので、計測感度の均一性及び分解能が更に向上し、更に鮮明な画像を得ることができる。

また、本実施形態のように、格子間隔ｄは、０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下であってもよい。この場合、光検出時におけるサチレーションを抑えつつ、分解能を向上させることができる。

また、本実施形態のように、演算処理装置８（演算ステップ）は、内部情報に基づいて２次元画像又は３次元画像を作成してもよい。本実施形態によれば、上述したように光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせの密度が均一となるので、鮮明な画像を作成することができる。

ここで、上記の効果を検証するための実施例及び比較例について説明する。本発明者は、図２に示される光照射部２ｃ及び受光部２ｄの配置を有するプローブ２を作製し、以下に示す検証実験を行った。なお、格子間隔ｄを１０ｍｍとし、定数Ａを２とした。

まず、実施例として、Ｘ方向に距離２０ｍｍだけ離れた光照射部２ｃと受光部２ｄとの複数の組み合わせ（図４の矢印Ａ１）、及びＹ方向に距離２０ｍｍだけ離れた光照射部２ｃと受光部２ｄとの複数の組み合わせ（図４の矢印Ａ２）によって得られる拡散反射光Ｌｂの検出結果（すなわち、照射−受光間距離が２０ｍｍである計測データ）のみを用いて、内部に吸収体を含む固体ファントムを計測し、吸収係数に関する再構成画像を得た。

次に、比較例として、光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせを変更して不均一にし、固体ファントムを計測して吸収係数に関する再構成画像を得た。図１７、図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１９（ａ）、及び図１９（ｂ）は、比較例における光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせを示す図であって、各図における両矢印が、光照射部２ｃと受光部２ｄとの組み合わせを示している。これらの図において、照射−受光間距離はそれぞれ２．２４ｃｍ、３ｃｍ、３．１６ｃｍ、３．６１ｃｍ、及び４．４７ｃｍである。比較例では、これらの照射−受光間距離の計測データを併用して一つの再構成画像を作成した。

図２０は、固体ファントム内部における吸収体Ｆの位置及び形状（左端の上下２図）と、比較例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像（中央の上下２図）と、実施例によって取得された固体ファントム内部の吸収係数の三次元分布を表すＣＴ画像（右端の上下２図）とを示す図である。なお、理解の容易のため、上の３図は或る深さ方向位置（Ｚ＝１．５ｃｍ）における断面を示しており、下の３図は或るＹ方向位置（Ｙ＝２．５ｃｍ）における断面を示している。

図２０を参照すると、比較例（中央の２図を参照）では、画素値が低く（すなわち感度が鈍く）、且つ、固体ファントム内部の吸収体Ｆの位置及び大きさを正確に計測できていないことがわかる。これに対し、実施例では、比較例と比べて計測データの数が半分以下となるにもかかわらず、画素値が高く（すなわち感度が良く）、固体ファントム内部の吸収体Ｆの位置及び大きさを正確に計測できていることがわかる。

なお、横方向（ＸＹ平面内方向）の均一性を確認するため、吸収体Ｆの位置を、図２０に示された位置からＹ方向に１ｃｍずらした場合（図２１）、及びＸ方向に１ｃｍずらした場合（図２２）に関しても、実施例と比較例とを比べた。その結果、実施例では比較例よりも感度が高く、横方向の均一性も改善されることが確認された。

本発明による生体計測装置及び生体計測方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、本発明の光照射部及び受光部の配置は、図２、図５〜図１１に示された各形態に限られず、上記実施形態において説明されたルールに従う様々な配置であることができる。また、プローブ２が光源装置４及び光検出器５を備え、光照射部２ｃに光源装置４を配置し、受光部２ｄに光検出器５を配置してもよい。

また、生体計測装置は、被検者の被計測部位に光を入力し、被計測部位を伝播した計測光を検出することにより被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置であって、被計測部位へ光を入力する複数の光入力部、及び被計測部位から出力される計測光を受ける複数の受光部を有し、被計測部位に押し当てられる当接面に有するプローブと、光入力部と受光部との組み合わせ毎に得られる計測光の検出結果に基づいて内部情報を算出する演算部と、を備え、光入力部及び受光部は、格子間隔がｄであり、互いに直交する第１方向及び第２方向に沿った格子が有する複数の格子点のうち一部の格子点にそれぞれ配置され、複数の受光部は、複数の格子点のうち他の格子点にそれぞれ配置され、光入力部が配置されている格子点から第１方向に距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数であり定数）だけ離れた各格子点、及び第２方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点には受光部が配置されており、受光部が配置されている格子点から第１方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点、及び第２方向に距離Ａ×ｄだけ離れた各格子点には光入力部が配置されており、演算部は、第１方向に距離Ａ×ｄだけ離れた光入力部と受光部との複数の組み合わせ、及び第２方向に距離Ａ×ｄだけ離れた光入力部と受光部との複数の組み合わせによって得られる計測光の検出結果に基づいて内部情報を算出してもよい。

１Ａ…生体計測装置、２…プローブ、２ａ…当接面、２ｃ…光照射部（光入力部）、２ｄ…受光部、４…光源装置、５…光検出器、６…同期信号発生部、７…信号処理部、８…演算処理装置（演算部）、１１ａ…照射用光ファイバ、１１ｂ…検出用光ファイバ、８１…計測データ格納部、８２…内部情報算出部、Ｂ…被計測部位、Ｂａ…表面、Ｄ…正方格子、Ｄａ…計測データ、Ｅ…腫瘍、Ｆ…吸収体、Ｌａ…光、Ｌｂ…拡散反射光（計測光）、Ｓｄ…光検出信号、Ｓｔ…トリガ信号。

Claims (5)

1. 被検者の被計測部位に光を入力し、前記被計測部位を伝播した計測光を検出することにより前記被計測部位の内部情報を取得する生体計測装置であって、
   前記被計測部位へ前記光を入力する複数の光入力部、及び前記被計測部位から出力される前記計測光を受ける複数の受光部を有し、前記被計測部位に押し当てられる当接面を有するプローブと、
   前記光入力部と前記受光部との組み合わせ毎に得られる前記計測光の検出結果に基づいて前記内部情報を算出する演算部と、
   を備え、
   前記複数の光入力部及び前記複数の受光部は、前記当接面上において、間隔がｄであり、互いに直交する第１方向及び第２方向に沿った格子を構成し、
   少なくとも前記複数の受光部の一部は、前記光入力部から前記第１方向及び第２方向に距離Ａ×ｄ（Ａは２以上の整数）だけ離れて位置し、
   少なくとも前記複数の光入力部の一部は、前記受光部から前記第１方向及び前記第２方向に距離Ａ×ｄだけ離れて位置し、
   前記組み合わせは、前記光入力部と前記受光部との間隔が、距離Ａ×ｄとなる組み合わせである、生体計測装置。
2. 前記複数の光入力部は、前記被計測部位へ順次前記光を入力する、請求項１記載の生体計測装置。
3. 前記整数Ａは、２である、請求項１又は２記載の生体計測装置。
4. 前記格子間隔ｄは、０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項記載の生体計測装置。
5. 前記演算部は、前記内部情報に基づいて２次元画像又は３次元画像を作成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体計測装置。