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JPH0675033B2 - 生体組織の光学的計測方法及びその計測用光源装置 - Google Patents
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JPH0675033B2 - 生体組織の光学的計測方法及びその計測用光源装置 - Google Patents

生体組織の光学的計測方法及びその計測用光源装置

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JPH0675033B2
JPH0675033B2 JP14781890A JP14781890A JPH0675033B2 JP H0675033 B2 JPH0675033 B2 JP H0675033B2 JP 14781890 A JP14781890 A JP 14781890A JP 14781890 A JP14781890 A JP 14781890A JP H0675033 B2 JPH0675033 B2 JP H0675033B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は医療診断方法の内、光学的に生体組織を計測す
る生体組織の光学的計測方法及びその計測用光源装置に
関するものである。
従来の技術 最近、外部より損傷を与えない(悲観血的)生体内部の
観測技術の開発が進んでいる。即ち、この観測技術は、
生体組織による光の散乱、吸収、発光は、各組織により
特徴的な波長依存性(分散関係)がある性質を利用した
もので、この観測方法はX線CTや超音波CTなどの観測技
術において、X線、超音波の代わりに、観測のプルーブ
を用いたものである。つまり、光と呼ばれる電磁波の中
で、特に赤外領域の光は生体組織に対して良好な透光性
を示すから、この種の光を用いることにより、光を使用
したCTが可能になる。
第2図はファイバ・コリメータを用いた従来の生体内酸
素濃度の2次元走査システムを示す。
第2図において、1は後述する半導体レーザ及びHe−Ne
レーザを用いた光源、2はその光源1のレーザ光を対象
物3に導く光ファイバー、4は対象物3からのレーザ光
を受光して導く光ファイバー、5,6は光ファイバーから
の光を検出して光電変換等を行なう検出器及び前処理回
路である。7は前処理回路6の出力するアナログ検出信
号をデジタル信号に変換するA/D変換器、8はその出力
をインターフェイス9を介して特性分布を解析するコン
ピュータ、10はそのモニターである。11はモーター12を
介して光ファイバー2,4を2次元に駆動するモータード
ライバーである。なお、前処理回路6は半導体レーザと
He−Neレーザに対応して2系統が設けられており、モー
ター12もx,y方向に対応して2系統が設けられている。
さて、この2次元走査システムでは、光源として、発振
波長が780mmのA1GaAs/GaAs系の半導体レーザと、同じく
632.8mmのHe−Neレーザを用いている。したがって、フ
ァイバ・コリメータを2次元面内で走査することによっ
て、光の吸収分布が計測されるが、光の吸収の波長依存
によって、例えば脂肪と腫瘍組織の区別ができ、その分
布が得られる。しかしながら、前述した2つの光源を用
いた場合の波長依存性は、散乱の波長依存性であるか
ら、コントラストがつきにくいという難点がある。
ところで、生体系の分光測定は、本質的に散乱体を含む
不均一系の分光計測として取り扱える。つまり、光を生
体内を透過させたとき、透過率の波長依存性は散乱と吸
収とによるもので、それらの寄与は互いに独立であると
して扱える。生体組織を構成している、水、脂肪、タン
パク質などの物質は、可視から赤外線の波長領域に亙っ
て、それぞれの物質に特有な吸収線(帯)を持つ。ま
た、タンパク質においても、多くの種類ごとにそれぞれ
特有の吸収線を有し、これを利用して生体組織の同定が
可能である。
タンパク質を例にして、その測定方法を説明すると、目
的の吸収線の波長と、その極近傍の波長の吸収率を比較
することで、目的のタンパク質の存在量、分布の知見が
原理的に得られる。吸収線は、一般に各タンパク質ごと
に複数あるため、複数の波長点で測定することで、濃
度、分布の測定精度が向上する。さらに、測定波長を走
査できれば、吸収体の形状が分かり、吸収率の測定精度
が向上を期待できる。また、光の吸収後の各物質で特有
の発光においても、同様な組成の同定、分布の知見が得
られる。
また、生体は完全散乱体であるけれども、光の散乱は主
としてレーリー散乱の寄与が大きく、また、多重散乱が
一回散乱より支配的であり、経験的には波長の逆数の4
から6乗に比例する散乱係数を示す。光の散乱の分散関
係を利用し、複数の波長の光を用いた例では、腫瘍組織
の検出、組織内の酸素濃度分布測定が知られている。
吸収率の測定を行う際は、単純には波長が長い領域に存
在する吸収線の測定の方が、波長が短い領域の吸収線よ
りも、散乱による光の減衰の効果が減って有利になる。
例えば、波長600nmと1000nmでは光の透過量は10程度の
差がある。
ところが、光を微小口径(<1mm)に絞って、透過光を
検出する場合には、状況が異なる。この測定の場合、光
は散乱を受けながら、一方では特定の波長の光はタンパ
ク質、水、脂肪で特定の波長の吸収が起こるが、入射し
た方向を保った光、直進した光はそれらの物質で吸収を
受けない。反対に、散乱を受けた光は光路が長くなるた
めに、吸収される割合が高く、その強度が減少する。こ
の結果、吸収線近傍の波長を持つ光は、入射した後、ほ
とんど広がらずに反対側から出射するような強度分布を
持つ。この性質を利用することで、光を測定体上を走査
(スキャン)し、2次元、3次元的な分布の状態の知見
を得ることができ、原理的にいえば、光学CTへの応用が
可能である。詳細にいえば、測定体を透過してきた光を
検出できるなら、波長はできるだけ短い方が、光の広が
りが少なく、空間分解能がよい。ただし、空間分解能を
よくするには、散乱による光の強度の減衰が大きくなる
ため、測定に際してのそれぞれの最適条件の波長があ
る。
以上に述べたように、光を用いた生体の“そのままの観
察”では、可視から近赤外光が非常に重要な役割を果た
そうとしている。
発明が解決しようとする課題 前述した生体の観察・測定を行う際には、500〜1500nm
の間の波長光で可変でありかつ輝度の高い光源(例えば
単一波長発振のレーザであれば5〜20mw程度)が必要で
あるが、現状では、適当な光源が無かった。即ち、ハロ
ゲン光などの白色光を分光器で分光して用いる場合に
は、分光後の光の輝度が低く、測定に時間がかかった
り、十分な分解能が得られない。そこで、輝度(パワー
密度)の高いレーザが注目されているけれども、一般的
に知られている固体、ガスレーザでは波長が固定されて
いるため、波長を代える測定には適切ではない。また、
従来の色素レーザの場合には、波長の走査範囲が狭く、
色素の種類を多数変える必要もあり、また色素の寿命が
一般に短く、これも適切とはいえない。さらに、固体、
ガス、色素レーザは大型(100kg以上)かつ高価である
といった難点もある。
これに対して、半導体レーザは、発振波長の範囲が広
く、小型(通常1g以下)、低消費電力の性質と併せて、
目的に合っている。
半導体レーザにつき検討すると、現在、実用化されてい
る半導体レーザは、大きく3つの種類に分類できる。つ
まり、これらの種類は、A1GaAs/GaAs系、InGaAsP/InP
系、そしてA1GaInP/GaAs系であるが、発振波長の範囲は
それぞれ780〜900nm1、100〜1600nm5、80〜670nmの範囲
内にある。
しかしながら、従来の半導体レーザは、 1)生体組織測定で使用頻度が高い900〜1100nmの波長
領域が空白になっていること 2)発振波長は素子の活性層の組成、もしくは構造によ
って変化できるが、それぞれの素子ごとに決まってお
り、電流注入などの外的操作条件では大きく変化できな
いこと の2つの課題があった。
加えると、従来の半導体レーザでは、一つの素子では広
範囲に波長は変えられないので、波長を操作する代わり
に、複数の半導体レーザ素子を用いることになるけれど
も、多数の素子を用いると、素子を変更するごとに、例
えば面倒な光軸の調整が必要になる。
課題を解決するための手段 前述した課題を解決するため、本発明では、次のような
技術的解決手段をとる。即ち、 1)基板がGaAsであり、クラッド層、オーミックコンタ
クト層の材料は基板と格子整合するA1xGa1-xAsであり、
活性層を構成する材料が基板と格子不整合であるGaxIn
1-xAs(0≦x≦0.5)を用いた半導体レーザを、光源と
して使用する。この半導体レーザは活性層の組成Xを変
化させることで、780〜1100nmまでの間の発振波長が得
られる。
2)複数のレーザ素子を用いる代わりに、マルチストラ
イブ型のレーザを用いて、これを光源とする。このレー
ザでは、前述したGaInAs/A1GaAs系のレーザの活性層のG
axIn1-xAsのIn組成をストライプごとに変えられる。即
ち、このようなストライプ構造では、ストライプ間で発
振波長が異なるため、不連続であるが、異なった発振波
長での走査が可能になる。つまり、ストライプ間の間隔
を200μm程度にできるため、光軸の調整は、不要もし
くは微少になり、光学系が非常に簡単になる。
作 用 前述した本発明の構成によると、可視から近赤外光領域
での波長の異なった複数のレーザ光の走査による生体内
組織の物質の同定と、その分布の測定を容易になる。ま
た、このような計測方法によれば、現状に対して、同定
出来る物質の種類の拡大が図れ、また組織の分布測定で
は、空間分解能の向上、また測定の時間の短縮が図れ
る。
実施例 以下、図面を用いて本発明の実施例の詳細を説明する。
ちなみに、光源として、GaInAs/A1GaAs系のレーザを併
せて用い、波長が900,1000nmの4点測定を行うと、コン
トラストがよくなる。これは波長範囲が拡大したため
に、異なる生体組織間での、散乱による減光量の差が明
瞭になるためである。また、脂肪は930nmに、水は970nm
に吸収線が存在し、この波長の光を用いることで、さら
に明瞭な組織の分布が得られるのは周知のとおりであ
る。
第2図に示した従来の生体組織の計測システム、即ち、
発振波長が780nmのA1GaAs/GaAs系の半導体レーザと、発
振波長が632.8nmのHe−Neレーザとに加えて、本発明に
よる発振波長が900nmと1000nmのGaInAs/A1GaAs系半導体
レーザを併せて使用し、4点測定を行ったところ、高い
コントラストが得られた。これは、波長範囲が拡大した
ために、異る生体組織での散乱による減光量の差が大き
くなったためである。
また、脂肪の吸収線は930nmに、水の吸収線は970nmにあ
る。したがって、これらの波長の光を用いることによっ
て、さらに明瞭な組織の分布を観測することが可能にな
る。
さらに、A1GaInP/GaAs系の可視光の赤の領域の半導体レ
ーザ、InGaAsP/InP系の赤外半導体レーザを併せて用い
ると、さらに広い波長領域で、生体組織の光吸収、射の
波長依存の測定が可能になる。
第1図は前述したような種々の光を得る本発明によるマ
ルチストライプ型のレーザの断面図であり、101は活性
層、102、103はクラッド層、1041…104nは複数の発光部
である。
この活性層はGaxIn1-xAsであり、第3図に示すように左
の方でIn組成が、0であり、右に向かって増加してい
く。この材料の場合、In組成の増加でバンドギャップは
減少し、レーザとしての発振波長は大きくなる。例え
ば、単一量子井戸構造では、量子井戸幅7nm、x=0.2.
で発振波長は約980nmとなる。また、ストライプの間隔
が200μmの場合、11個のストライプで2mmの幅となる。
生体測定では、組織内の散乱のため、光のビーム径は1
〜2mmで十分であるため、これで同一光源と見なせる。
勿論、必要に応じてIn組成の分布、ストライプの個数は
変化させて変えて使用する。
第2図に戻って、本発明のマルチストライプレーザ素子
で、発振波長が860〜1000nmまでの間で、等間隔で11の
波長が得られる素子を用いた測定例を示す。この範囲で
の脂肪と水の吸収線がそれぞれ930、970nmに存在してい
る。また、この領域での生体内の散乱は低く、数cmから
数十cmの厚さ(マウス、ウサギ、人の頭程度の、大き
さ)を透過した光を検出できる。このマルチストライプ
レーザを光源として、第2図のシステムで、乳ガンの検
査に用いると、数mm程度の腫瘍が、検査時間1分以内で
検出できる。
発明の効果 以上のように本発明は、従来の光源では、輝度の不足、
もしくは使用できる光の波長が限られるために、実現が
困難であった生体組織物質の同定と、精細な分布測定が
容易になり、また、本発明による光源は輝度が高いため
に短時間で測定を終了できる。したがって、本発明によ
れば、例えば腫瘍の検診などの医療診断、生体組織内の
酸素濃度分布の生きた状態での観察などのような生体の
物質の観察に使用できる光学式測定方法をえることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の半導体発光装置を示し、(a)はその
断面図、(b)は活性層のIn組成を示す図、(c)はス
トライプ位置に対応した発光波長の変化を示す図であ
り、第2図は従来の生体組織の計測システムを示すブロ
ック図である。 101……活性層、102,103……クラッド層、1041から104n
……発光部。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAsが基板であり、少なくとも活性層を構
    成する材料がGaXIn1-XAs(0≦x≦0.5)であり、クラ
    ッド層、オーミックコンタクト装を構成する材料がA1XG
    a1-XAsである、可視領域の赤から、近赤外の波長領域で
    発光する半導体発光装置を光源とし、この光源からの光
    を生体に照射して、生体組織による光吸収、反射発光の
    波長依存を計測することを特徴とする生体組織の光学的
    計測方法。
  2. 【請求項2】GaAsが基板であり、(A1xGa1-X)yIn1-yP
    (0≦x・y≦1)を構成材料とする発光装置であっ
    て、クラッド層が、活性層に比べてバンドギャップの大
    きさが略0.25eVだけ大きくかつ前記GaAs基板に格子整合
    した組成である(A1×Ga1-x)0.5In0.5P(0≦x≦
    1)である半導体発光装置を、可視領域の赤で発光する
    計測用光源として用いることを特徴とする請求項1記載
    の生体組織の光学的計測方法。
  3. 【請求項3】InPが基板であり、InGaAsPを構成材料と
    し、クラッド層が活性層に比べてバンドギャップの大き
    さが略0.25eVだけ大きい半導体発光装置を計測用光源と
    して用いることを特徴とする請求項1記載の生体組織の
    光学的計測方法。
  4. 【請求項4】GaAsが基板であり、少なくとも活性層を構
    成する材料がGaXIn1-XAs(0≦x≦0.5)であり、クラ
    ッド層、オーミックコンタクト層を構成する材料がA1XG
    a1-XGa1-XAsであり、可視領域の赤から近赤外の波長領
    域で発光しかつ独立的に発光させることができる複数の
    発光部を有する半導体発光装置であって、前記各発光部
    の活性層間で前記活性層構成材料の組成比xが異ってお
    り、前記発光部間で異る波長の光を発光させることを特
    徴とする生体組織の計測用光源装置。
  5. 【請求項5】発光部が同一光軸内とみなすことのできる
    領域内に設置されていることを特徴とする請求項4記載
    の生体組織の計測用光源装置。
  6. 【請求項6】注入する電流の場所を変えることにより、
    複数の前記発光部の発光波長を変化できる請求項4記載
    の生体組織の計測用光源装置。
  7. 【請求項7】請求項4記載の光源装置を使用することに
    より、生体組織の光吸収、反射、発光の波長の依存性を
    計測することを特徴とする生体組織の光学的計測方法。
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