JP3594794B2

JP3594794B2 - ナノ秒時間ゲート分光診断装置

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノ秒時間ゲート分光診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野における文献として、以下に示すようなものが開示されている。
【０００３】
（１）医療機器事典編集委員会編：“１９８７−８８医療機器事典”ｐｐ．４２６−４３６産業調査会
（２）“ＥＮＣＹＣＬＯＰＥＤＩＡＯＦＭＥＤＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＳ”ｐｐ．４６−５０講談社
（３）佐藤卓蔵著：“レーザＣＤプレーヤからＸ線レーザまで，”ｐｐ．１４６−１７０電気書院（１９８７）
（４）加藤治文、山本秀樹、日吉利光：“光感受性物質によるガン治療効果”ＯｐｌｕｓＥ，Ｎｏ．１６０，ｐｐ．８３−８８（１９９３）
（５）島岡優策、近江雅人、春名正光：“生体レーザアブレーションのナノ秒ストロボ顕微観測”、電子情報通信学会ＭＥとバイオサイバネティックス研究会、信学技報ＭＢＥ９６−９３（１９９６）
（６）ＹｕｓａｋｕＳｈｉｍａｏｋａ，ＭｉｔｓｕｏＮａｋａｍｕｒａ，ＭａｓａｔｏＯｈｍｉ，ＭａｓａｍｉｔｓｕＨａｒｕｎａ：“Ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓｔｒｏｂｏｓｃｏｐｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｏｒｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｉｓｓｕｅ，” ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＬａｓｅｒ＆ＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ／ＰａｃｉｆｉｃＲｉｍ（ＣＬＥＯ／ＰＲ’９７），ＰａｐｅｒＦＦ３，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｐｐ．２６１−２６２，Ｍａｋｕｈａｒｉ，Ｃｈｉｂａ，１９９７
従来、実際の医療現場では、赤外のＣＯ₂レーザやＮｄ：ＹＡＧレーザがレーザメスとして手術用の切開、凝固に用いられてきた〔上記文献（１）及び（２）参照〕。
【０００４】
また、レーザ励起蛍光分析〔上記文献（３）及び（４）参照〕は有力な診断法として継続して検討されている。今後、これらのレーザ励起生体反応を先端医療技術として進展、活用していくためには、レーザパルス照射時の生体表面近傍における反応形態の時間的推移、及び表面から飛散する物質の組成分析を含む詳細な実験データの蓄積が必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
生体におけるレーザアブレーション、蛍光発生等の物理現象は、一般の無機物と同様に〔上記文献（３）及び（４）参照〕ナノ秒あるいはそれ以下の反応速度を持つ。したがって、これらの分光分析を行うには、ナノ秒オーダーでの光測定技術を必要とする。ここで、生体レーザアブレーションとは、レーザパルス照射によって生体組織が熱的あるいは光化学的に分解し、瞬時に蒸散する現象である。
【０００６】
本発明者等は、既に、ナノ秒ストロボ観測システムを構築し、生体レーザアブレーションダイナミクス分析を行っている〔上記文献（５）及び（６）参照〕。その中で特にプルーム発光スペクトル分析を行うことによって、生体組織の組成分析あるいは正常部と病変部の識別を行える可能性がある。これは蛍光分析法と並んで、将来の光生体検査（ｏｐｔｉｃａｌｂｉｏｐｓｙ）を支えるキーテクノロジーとなることが期待できる。
【０００７】
発光スペクトル分析法として、モノクロメータを用いたストロボ分光があるが〔上記文献（６）参照〕、これは単一レーザパルス照射では、特定の一波長しか測定できない。それ故、プルームの発光スペクトルを得るには、長い測定時間とそれに伴う試料の損傷という欠点があり、臨床への応用は難しいと考えられる。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、ナノ秒時間オーダーのゲート幅を持つ高速ゲートイメージインテンシファイアーを含む光マルチチャネルアナライザを用い、単一レーザパルス照射で発光プルームの分光分析を瞬時に行うことができるナノ秒時間ゲート分光診断装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光源からのレーザパルスを生体組織に集光・照射し、レーザアブレーション（レーザ蒸散）によってこの生体組織表面から発生する発光プルーム（紡錘形発光体）をナノ秒の時間ゲートで分光し、この分光スペクトルをもとに前記生体組織の成分を分析し生体の病変・異常を診断するナノ秒時間ゲート分光診断装置であって、光源と生体組織に対向するレンズ間に配置され、１個のレーザパルスで前記生体組織を低侵襲に照射するシャッターと、前記１個のレーザパルスにより発生する発光プルームを検出する多チャンネル型分光器（ポリクロメータ）と、前記光源からのレーザパルスの一部を検出する光検出器と、この光検出器からの出力をモニターして高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲートトリガーパルスの遅延時間を測定するためのオシロスコープと、レーザパルスに同期して二つの出力パルスの遅延時間を独立かつ任意に設定できるパルス発生器と、このパルス発生器およびオシロスコープに接続されるゲート制御器と、このゲート制御器によってゲートがナノ秒オーダーの時間間隔で開放され前記多チャンネル型分光器の出力光を増強・撮像する前記高速ゲートイメージインテンシファイアーと、この高速ゲートイメージインテンシファイアーの出力像を捕らえるＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラの一フレームの分光画像データを時系列アナログ信号として取込み、アナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータに送り込むフレーム画像データ蓄積器（フレームグラバー）を含むデータ処理装置とを設けるようにしたものである。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、レーザアブレーションによって生体組織を蒸発・励起し、これによって発生する発光プルームの分光スペクトルをナノ秒オーダーの時間間隔で検出するようにしたものである。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源は紫外光、可視光、赤外光領域におけるナノ秒レーザパルスを発生可能なレーザ光源である。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記レーザ光源はフラッシュランプ励起あるいは半導体レーザ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ又は半導体レーザ励起の全固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザである。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源のレーザ波長は検出される発光プルームの波長に比べて長い領域をも含むようにしたものである。
【００１４】
〔６〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源と生体組織の間にシャッターを配置して一個のレーザパルス照射によって極めて低侵襲な分光診断が可能である。
【００１５】
〔７〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記多チャンネル型分光器は、入射スリットから入射した光を複数のグレーティングで波長ごとに分散し、特定の範囲の波長成分がそれぞれ異なる出射角度で一度に出射口から出射される構成を有するようにしたものである。
【００１６】
〔８〕上記〔７〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記複数のグレーティングは格子溝の密度が３００本／ｍｍ、６００本／ｍｍ、１２００本／ｍｍの何れかを設定可能であるようにしたものである。
【００１７】
〔９〕上記〔７〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記多チャンネル型分光器の出射口から出射される特定の範囲の波長成分は前記ＣＣＤカメラの各画素に像を映し出すように構成したものである。
【００１８】
〔１０〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記高速ゲートイメージインテンシファイアーとＣＣＤカメラとを前記光源のトリガーパルスに同期させる手段とを具備するようにしたものである。
【００１９】
〔１１〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記生体組織は毛髪、爪、歯牙等の生体硬組織である。
【００２０】
〔１２〕上記〔１〕記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記生体組織は血管壁、表皮下組織等の生体軟組織である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
本発明では、生体レーザアブレーションによるナノ秒時間ゲート分光システムを構築し、レーザ光源、パルス同期・遅延制御・発生系、時間ゲート分光系、分光画像処理系、それぞれの特性・機能について説明する。更に、実際にこの測定を行う際のゲート幅を決定した。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示すナノ秒時間ゲート分光システムの構成図である。
【００２４】
この図において、１は光源（例えば、フラッシュランプあるいは半導体レーザ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ又は半導体レーザ励起の全固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ）、２はその光源１に接続されるレーザコントローラ、３はハーフミラー、４，１２はレンズ、５は光検出器（アバランシェフォトダイオード：ＡＰＤ）、６はゲートパルス遅延時間測定／モニター用のオシロスコープ、７は高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲート制御器、８はパルス発生器（ＰＧ）、９はＣＣＤカメラ、１０は画像演算処理機能をもつデータ処理装置（パーソナルコンピュータ：ＰＣ）、１０Ａはフレーム画像データ蓄積器（フレームグラバー）、１１はシャッター、１３は生体組織（ヒト指爪等）、１４は発光プルーム、１５は光ファイバ、１６はポリクロメータ（多チャンネル型分光器）、１７は高速ゲートイメージインテンシファイアーである。
【００２５】
以下、本発明の実施例を示すナノ秒時間ゲート分光システムの動作について、説明する。
【００２６】
まず、光源（例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ）１からのレーザパルス（パルス幅１０〜９０ナノ秒）をシャッター１１を通して一個だけ生体組織（ヒト指爪等）１３に集光・照射すると、表面から微量の組織（約５０ミクロン径で、深さ数ミクロン程度）が蒸散（アブレーション）されて励起状態になり発光プルーム（紡錘形の発光体）１４が発生する。
【００２７】
また、レーザ照射直後に、主に生体組織（ヒト指爪）１３表面近傍の水分が蒸散され、紡錘形の明るい発光プルーム（これを先行プルームと呼ぶ）が発生し成長する。さらに、レーザ照射後、約１００ナノ秒経過すると、生体組織（ヒト指爪）表面が剥離されて、「後方プルーム」が発生する。これが対象とする生体組織の成分を含む蒸散・励起物質である。
【００２８】
したがって、上記の後方プルームの発光スペクトルを測定するために、光源１からのレーザパルスの一部を光検出器〔アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ〕５で検出し、この時刻を基準として、パルス発生器８から出力されるゲートトリガー用パルスの遅延時間をオシロスコープ６で所定の３００〜４００ナノ秒に測定・設定して、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７のゲート制御器７により、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７のゲートを１０ナノ秒の時間間隔で開放する。これによって、光ファイバ１５およびポリクロメータ１６を用いて検出する後方プルームの発光スペクトルの１０ナノ秒時間ゲート分光像を取り込む。
【００２９】
さらに、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７の出力像（分光イメージデータ）をＣＣＤカメラ９で捕らえ、時系列の信号パルスに変換して、その信号データをフレームグラバー１０Ａ（フレーム画像データ蓄積器）を介して、パーソナルコンピュータを含むデータ処理装置１０に取り込んで処理する。なお、フレームグラバーとは、ＣＣＤあるいはテレビの一画面（一フレーム）のデータを時系列信号として所定のメモリに蓄積／格納し、この時系列信号（アナログ信号）を８ビットあるいは１０ビットのデジタル信号に変換してコンピュータに送り込む。メモリサイズによって異なるが、通常は１０フレーム以上の画像データを同時に蓄積／格納でき、必要に応じて、所望のフレームデータをコンピュータに送り込む。
【００３０】
この装置では、光波長３００〜９００ｎｍの範囲内（この範囲を四つのレンジに分けて測定）の光スペクトルを、波長分解能１ｎｍで測定・表示することができる。
【００３１】
このように、ナノ秒時間ゲート分光システムによれば、単一のレーザパルスを照射するだけで、蒸散物質の発光プルームの分光分析を行うことができ、ほぼ無侵襲の光診断を行うことができる。
【００３２】
特に、Ｃａ、Ｎａ、Ｋなどのイオン化率の高い微量の金属イオンが効率良く検出できる。
【００３３】
したがって、例えば、この装置で爪や毛髪のＣａ含有量を同定することによって、老年者の骨粗鬆症の診断が行える可能性を有している。
【００３４】
上述のように、プローブ用のレーザパルスを用いて極微量の生体組織を蒸散させ、組織の病変を診断しようとする手法・装置は新規であり、従来の蛍光診断法と共に、光生体検査（光バイオプシ）のキーテクノロジー・装置として発展する可能性を充分に有するものである。
【００３５】
また、半導体レーザ（ＬＤ）励起の全固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いれば、診断装置の小型化が可能である。
【００３６】
以下、ナノ秒時間ゲート分光システムの各部の詳細な説明を行う。
【００３７】
照射レーザにはＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、波長は基本波の１０６４ｎｍである。レーザを焦点距離ｆ＝１００ｍｍレンズ１２で集光して生体組織（ヒト指爪）１３に照射し、生体組織をアブレーションする。
【００３８】
その場合、レンズ１２の前にシャッター１１を挿入することによって、シャッター１１が開いた瞬間のみ１発だけ生体組織（ヒト指爪）１３にレーザパルスを照射し、アブレーションが起こるようにした。発生したプルーム１４の発光を光ファイバ１５を通してポリクロメータ１６に入射させた。
【００３９】
入射した光はポリクロメータ１６内に設けられたグレーティングで分光した後に出射される。この分光像は、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７で像増強され、その蛍光面に結像する。この蛍光像はＣＣＤカメラ９によって分光画像として取り込まれる。さらに、ＣＣＤの画像データを時系列の信号としてフレームグラバー１０Ａに取り込み、アナログ信号をデジタル信号に変換してデータ処理する。
【００４０】
ポリクロメータ１６から出射される分光像は横方向（光波長に対応する方向）に拡がり、これを１０ナノ秒の時間ゲート（シャッター速度）で撮像するには、３〜６桁に及ぶ像信号の増強が必要である。このために用いる高速ゲートイメージインテンシファイアー１７としては、例えば、浜松ホトニクス製Ｃ４０７８−０１Ｘでゲート幅（シャッター速度に相当する量）は最小３ナノ秒である。
【００４１】
ポリクロメータ（多チャンネル型分光器）１６としては、アクトンリサーチ社のＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ−３００ｉ，ＭｏｄｅｌＳＰ−３０６を用いた。これには３種のグレーティングが内蔵されており、測定波長域３００〜９００ｎｍ、分解能１ｎｍである。
【００４２】
図２は本発明に係るポリクロメータの構成を示す模式図である。
【００４３】
この図に示すように、入射スリット１６Ａから入射した光は、グレーティング１６Ｄ〜１６Ｆで波長成分に分離（分光）される。なお、１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｇは反射鏡である。ポリクロメータからは所定の波長範囲の分光スペクトル成分がそれぞれ異なる出射角度で一度に出射口１６Ｈから出射され、これらはＣＣＤカメラ上のそれぞれ異なる位置で検出される。
【００４４】
次に、分光画像処理系について説明する。
【００４５】
ポリクロメータ１６の中のグレーティング１６Ｄ〜１６Ｆで分散された光はＣＣＤカメラ９に分光画像として映し出される。このときの分光画像は横軸が波長に対応したものである。
【００４６】
この時系列のデータをパーソナルコンピュータに取り込み処理した。
【００４７】
図３は本発明に係る分光画像処理の流れを示す図であり、図３（ａ）はポリクロメータ１６の中のグレーティング１６Ｄ〜１６Ｆによる光の分散を示す図、図３（ｂ）はＣＣＤカメラ９の分光画像を示す図、図３（ｃ）は最終的に得られる分光スペクトルを示す図である。
【００４８】
グレーティング１６Ｄ〜１６Ｆでは縦方向には分散されないので、縦軸は全て同じ波長成分のものである。よって縦軸方向に積分することにより、図３（ｃ）に示すように、スペクトルを得ることができる。この処理はスペクトル解析ソフトウエアＷｉｎ・Ｖｉｅｗを用いて行った。
【００４９】
次に、波長スケールの較正について説明する。
【００５０】
ポリクロメータ１６からの出射光はＣＣＤカメラ９の各画素に像を映し出すが、それがどの波長に対応するかを較正する必要がある。ここでは、水銀灯を用いて較正を行った。
【００５１】
図４は本発明に係る波長の較正の方法を示す図であり、図４（ａ）は既知である水銀灯のスペクトルを示す図、図４（ｂ）はその水銀灯の分光画像を示す図、図４（ｃ）はその較正された分光画像を示す図である。
【００５２】
まず、図４（ａ）に示すように、水銀灯を分光させ、図４（ｂ）に示すように、その分光像を取り込む。既に、知られている水銀の発光の輝線がこの波長範囲に２つ存在し、その波長は４０５ｎｍと４３５ｎｍである。分光像にも現れた２つの輝線に、この２点を割り当てることで、波長範囲内全ての波長の較正ができる。この処理には、スペクトル解析ソフトウエアＷｉｎ・Ｓｐｅｃを用いた。
【００５３】
次に、同期パルス・遅延系について説明する。
【００５４】
ナノ秒オーダーの分光分析を行う上では、同期系は極めて重要である。
【００５５】
図１に示すように、出力レーザパルスの検出にはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）５を用い、その出力信号及び高速ゲートイメージインテンシファイアー１７のゲート信号をオシロスコープ６で同期モニターして、パルス発生器８から出力されるゲート信号の遅延時間を測定した。
【００５６】
また、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７のゲート幅及び遅延時間（ｔ_d）はパルス発生器（ＰＧ）８で制御する。高速ゲートイメージインテンシファイアー１７と、ＣＣＤカメラ９はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ１に同期して駆動する。
【００５７】
次に、高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲート幅の決定について、説明する。
【００５８】
プルームの発光スペクトルの分光分析を行う場合のゲート幅（ｔ_g）を決定するために、高速ゲートイメージインテンシファイアー１７のゲート幅を変化させて測定した。
【００５９】
図５はその高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲート幅を変化させて測定した結果を示す図であり、図５（ａ）はそのゲート幅が５０ｎｓ、遅延時間ｔ_dが１５０ｎｓの場合のヒト歯牙の発光スペクトを示す図、図５（ｂ）はそのゲート幅が１０ｎｓで遅延時間を１１０ｎｓ、１２０ｎｓ、１３０ｎｓ、１４０ｎｓ、１５０ｎｓとずらした場合のヒト歯牙の発光スペクトを示す図である。
【００６０】
図５（ａ）に示すように、ゲート幅が５０ｎｓの時はレーザ照射時からの遅延時間ｔ_d＝１５０ｎｓであっても、実際はレーザパルス照射後１００ｎｓから１５０ｎｓと分割された発光を取り込んでいることになる。
【００６１】
図５（ａ）から明らかなように、この測定でもある程度輝線が見分けられる。しかし、図５（ｂ）に示すように、ゲート幅を１０ｎｓにして同じレーザパルス照射後１００ｎｓから１５０ｎｓまでを５分割し、測定してみると、この間でプルームのスペクトルは大きく変化していることが分かる。すなわち、ゲート幅が５０ｎｓでほかの輝線に埋もれて見にくかった３９０ｎｍ付近の輝線も、ゲート幅１０ｎｓ、遅延時間ｔ_d＝１５０ｎｓ迄は、はっきりと確認できた。
【００６２】
その結果、ゲート幅が５０ｎｓでは時間分解が不十分であるといえる。ゲート幅は３ｎｓまで短くできるが、光量が減ってしまうため、ゲート幅は１０ｎｓを採用した。
【００６３】
次に、レーザ照射条件及び分光分析条件について説明する。
【００６４】
レーザアブレーション及び本発明のナノ秒時間ゲート分光測定条件を表１に示す。
【００６５】
【表１】

【００６６】
分光測定条件としては発光プルームのスペクトルの時間分解能を示すゲート幅や、グレーティングによって変わる測定波長範囲などがある。
【００６７】
ゲート幅は１０ｎｓであり、測定波長範囲は格子溝が３００本／ｍｍのグレーティングを用いているので１８０ｎｍであった。
【００６８】
このように、本発明によれば、単一レーザパルス照射で発光プルームの分光分析を瞬時に行うことができる。
【００６９】
また、試料の前にシャッターを挿入することによって、単一レーザパルス照射を可能とした。
【００７０】
さらに、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザのトリガーパルスで高速ゲートイメージインテンシファイアーとＣＣＤカメラを同期させることによって、レーザアブレーションによる発光現象と、その分光画像の取り込みを同期させることができる。
【００７１】
以下、本発明の具体例について説明する。
【００７２】
生体レーザアブレーションのナノ秒時間ゲート分光分析を行った。また、レーザアブレーション後の生体組織の変化を確認するために、顕微鏡写真を撮って考察した。
【００７３】
（１）発光プルームの時間的推移
ストロボ顕微観測により、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波λ＝１０６４ｎｍをヒト歯牙に照射した際に、大気中で成長速度の違う２つのプルーム、先行および後方プルームが観測された。これらの２つのプルームを時間的に分離するために、まずヒト指爪を用いてプルームの発光スペクトルの時間的推移を測定した。
【００７４】
図６は本発明の第１の具体例を示すヒト指爪から発生する発光プルームの時間的推移の測定結果を示す図であり、図６（ａ）はその遅延時間ｔ_dが２００ｎｓの場合の発光スペクトルの強度、図６（ｂ）はその遅延時間ｔ_dが３００ｎｓの場合の発光スペクトルの強度、図６（ｃ）はその遅延時間ｔ_dが４００ｎｓの場合の発光スペクトルの強度である。なお、どの場合にも、レーザパルス幅は３５ｎｓ、高速ゲートイメージインテンシファイアーゲート幅は１０ｎｓ、パルスエネルギーは１７ｍＪである。
【００７５】
この図を見ると、遅延時間ｔ_d＝２００ｎｓ（レーザ照射後２００ｎｓ）では波長５００ｎｍ付近に強い輝線が見られる。
【００７６】
しかし、この輝線は遅延時間ｔ_d＝３００ｎｓ、４００ｎｓでは徐々に減衰していくのが見られる。これより、先行プルームの成分である窒素（Ｎ）の輝線であると考えられる。
【００７７】
一方、波長３９０ｎｍ付近に遅延時間ｔ_d＝３００ｎｓあたりから成長する輝線が見られる。これは後方プルームに含まれるカルシウム（Ｃａ）の発光スペクトルである。このように、ｔ_d＝３００ｎｓ以降では、先行プルームの影響が急激に減少し、生体組織の成分を反映する後方プルームの発光スペクトルが支配的となるので、時間ゲート分光の結果に基づいて生体組織の組成分析が可能になる。
【００７８】
（２）発光プルームの分光分析
図７は本発明の第１の具体例を示すヒト指爪での発光プルーム分析結果を示す図である。なお、この図において、レーザパルス幅は３５ｎｓ、高速ゲートイメージインテンシファイアーゲート幅は１０ｎｓ、パルスエネルギーは１７ｍＪである。
【００７９】
図７に示すように、後方プルームの成分を分析するために遅延時間ｔ_d＝４００ｎｓで行った。単一パルス照射で測定できる範囲は１８０ｎｍであるので、４回に分けて測定し、３８０ｎｍから９００ｎｍまでのスペクトルを得た。
【００８０】
これによれば、３９０ｎｍ付近に２本の強い輝線が見られる。これは上記したように、カルシウム（Ｃａ）の輝線である。その他、５８９ｎｍにナトリウム（Ｎａ）、６５８ｎｍに炭素（Ｃ）と推定できる輝線が見られた。残りのピークについてはカルシウム（Ｃａ）や酸素（Ｏ）及びリン酸（ＨＰＯ）などと考えられるものがあるが、その付近に様々な組成元素の輝線があるために限定し難い。
【００８１】
また、４００ｎｍから５００ｎｍにかけて幅の広い吸収スペクトルが見られる。これも特定には至っていないが、有機化合物でこの様なスペクトルが見られると言われており、今後検討する必要がある。
【００８２】
ヒト指爪におけるＣａの含有量は０．１％程度である。それにも関わらず、爪の主成分であるケラチンを構成する炭素（Ｃ）の輝線よりも強いことが確認できた。この事実から、本測定システムではカルシウム（Ｃａ）の感度が非常に高いことが分かった。このことより、カルシウムの輝線に注目し、様々な生体組織での分光分析を行った。
【００８３】
次に、様々な生体組織での分光分析結果について説明する。
【００８４】
（１）ヒトの毛髪での分析結果
図８は本発明の第２の具体例を示すヒトの毛髪での発光プルーム分析結果を示す図である。なお、この図において、レーザパルス幅は３５ｎｓ、高速ゲートイメージインテンシファイアーゲート幅は１０ｎｓ、パルスエネルギーは１７ｍＪである。
【００８５】
図８に示すように、測定は遅延時間ｔ_d＝４００ｎｓで行った。毛髪においてもＣａの含有量は約０．１％であるが、Ｃａの輝線が顕著に見られた。この測定は、レーザのスポットサイズが直径５０μｍと小さいため、一本の毛髪で行うことができた。毛髪は重金属を排泄する役割を担っており、これに関しての医療への応用が期待できる。
【００８６】
（２）ヒト歯牙での分析結果
図９は本発明の第３の具体例を示すヒトの歯牙での発光プルーム分析結果を示す図である。なお、この図において、レーザパルス幅は３５ｎｓ、高速ゲートイメージインテンシファイアーゲート幅は１０ｎｓ、パルスエネルギーは１７ｍＪである。
【００８７】
図９に示すように、測定は遅延時間ｔ_d＝４００ｎｓで行った。成分の３６％がカルシウムであるヒト歯牙（エナメル質）では、Ｃａの輝線は爪や毛髪と比べて、とても強いことが分かった。
【００８８】
（３）鶏の皮での分光分析結果
図１０は本発明の第４の具体例を示す鶏の皮の発光プルーム分析結果を示す図である。なお、この図において、レーザパルス幅は３５ｎｓ、高速ゲートイメージインテンシファイアーゲート幅は１０ｎｓ、パルスエネルギーは１７ｍＪである。
【００８９】
図１０に示すように、測定は遅延時間ｔ_d＝４００ｎｓで行った。鶏の皮はＣａ成分をほとんど含まない表皮であるので、ほとんどＣａのピークが見られなかった。一方、３６０ｎｍから５４０ｎｍの全範囲にわたって、幅の広い吸収スペクトルのようなものが見られた。これは上記した発光プルームの分光分析でも触れたように、有機化合物によるものと推定される。
【００９０】
このように、本発明のナノ秒時間ゲート分光システムにおいて、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波１０６４ｎｍを用い、レーザアブレーションに伴う発光プルームで生体組織の分光分析を行った。
【００９１】
その結果、高感度で生体組織のカルシウムの輝線を見出すことができた。またカルシウム輝線の強度とカルシウム含有量は対応していると見なすことができ、このことが臨床光診断の手がかりになると考えている。例えば、上記で顕著に見られたカルシウム（Ｃａ）の輝線から骨粗鬆症の診断、及び老化の度合いの推定などに応用できる可能性がある。また、毛髪の分光分析により重金属中毒などの診断にも適用できると考えられる。
【００９２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９３】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、以下のような効果を奏する。
【００９４】
（１）請求項１記載の発明によれば、単一のレーザパルスを照射するだけで、容易に、蒸散物質の発光プルームの分光分析を行うことができ、瞬時に無侵襲の光診断を行うことができる。
【００９５】
また、生体組織表面から発生する後方プルームの分光分析によりＣａ，Ｎａ，Ｋなどのイオン化率の高い微量の金属イオンを効率良く検出することができる。
【００９６】
（２）請求項２記載の発明によれば、蒸散物質の発光プルームの分光分析を迅速、かつ確実に行うことができる。
【００９７】
（３）請求項３記載の発明によれば、汎用性のある光源を用いて蒸散物質の発光プルームの分光分析を迅速、かつ確実に行うことができる。
【００９８】
（４）請求項４記載の発明によれば、診断装置の小型化が可能である
（５）請求項５記載の発明によれば、従来の蛍光診断法と異なり、検出される発光プルームの波長に比べて、光源のレーザ波長は必ずしも短い必要はなくなる。
【００９９】
（６）請求項６記載の発明によれば、一個のレーザパルスの照射によって極めて低侵襲な分光診断を的確に行うことができる。
【０１００】
（７）請求項７記載の発明によれば、特定の範囲の波長成分がそれぞれ異なる出射角度で一度に出射され、波長ごとに分散を行うことができる。
【０１０１】
（８）請求項８記載の発明によれば、格子溝の密度を変えることにより、分解能の調整を行うことができる。
【０１０２】
（９）請求項９記載の発明によれば、高速ゲートイメージインテンシファイアーからの出射光は、ＣＣＤカメラの各画素に像を映し出すことができる。
【０１０３】
（１０）請求項１０記載の発明によれば、高速ゲートイメージインテンシファイアーとＣＣＤカメラとを前記光源のトリガーパルスに同期させ、確実な分光画像を得ることができる。
【０１０４】
（１１）請求項１１記載の発明によれば、毛髪、爪、歯牙等の生体硬組織のレーザアブレーションにより、例えば、Ｃａ含有量を同定することができ、骨粗鬆症の診断を行うことができる。
【０１０５】
（１２）請求項１２記載の発明によれば、血管壁、表皮下組織等の生体軟組織のレーザアブレーションにより、例えば、有機化合物含有量を同定することができ、無侵襲の光診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すナノ秒時間ゲート分光システムの構成図である。
【図２】本発明に係る多チャンネル型分光器（ポリクロメータ）の構成を示す模式図である。
【図３】本発明に係る分光画像処理の流れを示す図である。
【図４】本発明に係る波長の較正の方法を示す図である。
【図５】本発明に係る高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲート幅を変化させて測定した結果を示す図である。
【図６】本発明の第１の具体例を示すヒト指爪から発生する発光プルームの時間的推移の測定結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の具体例を示すヒト指爪での発光プルーム分析結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の具体例を示すヒトの毛髪での発光プルーム分析結果を示す図である。
【図９】本発明の第３の具体例を示すヒトの歯牙での発光プルーム分析結果を示す図である。
【図１０】本発明の第４の具体例を示す鶏の皮の発光プルーム分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１光源（フラッシュランプ励起あるいは半導体レーザ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ又は半導体レーザ励起の全固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ）
２レーザコントローラ
３ハーフレンズ
４，１２集光レンズ
５光検出器（アバランシェフォトダイオード：ＡＰＤ）
６オシロスコープ
７ゲート制御器
８パルス発生器（ＰＧ）
９ＣＣＤカメラ
１０データ処理装置（パーソナルコンピュータ：ＰＣ）
１０Ａフレームグラバー（フレーム画像データ蓄積器）
１１シャッター
１３生体組織（ヒト指爪）
１４発光プルーム
１５光ファイバ
１６ポリクロメータ（多チャンネル型分光器）
１６Ａ入射スリット
１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｇ反射鏡
１６Ｄ〜１６Ｆグレーティング
１６Ｈ出射口
１７高速ゲートイメージインテンシファイアー

Claims

光源からのレーザパルスを生体組織に集光・照射し、レーザアブレーションによって該生体組織表面から発生する発光プルームをナノ秒の時間ゲートで分光し、この分光スペクトルをもとに前記生体組織の成分を分析し生体の病変・異常を診断するナノ秒時間ゲート分光診断装置であって、
（ａ）光源と生体組織に対向するレンズ間に配置され、１個のレーザパルスで前記生体組織を低侵襲に照射するシャッターと、
（ｂ）前記１個のレーザパルスにより発生する発光プルームを検出する多チャンネル型分光器と、
（ｃ）前記光源からレーザパルスの一部を検出する光検出器と、
（ｄ）該光検出器からの出力をモニターして高速ゲートイメージインテンシファイアーのゲートトリガーパルスの遅延時間を測定するためのオシロスコープと、
（ｅ）レーザパルスに同期して二つの出力パルスの遅延時間を独立かつ任意に設定できるパルス発生器と、
（ｆ）該パルス発生器およびオシロスコープに接続されるゲート制御器と、
（ｇ）該ゲート制御器によってゲートがナノ秒オーダーの時間間隔で開放され前記多チャンネル型分光器の出力光を増強・撮像する前記高速ゲートイメージインテンシファイアーと、
（ｈ）該高速ゲートイメージインテンシファイアーの出力像を捕らえるＣＣＤカメラと、
（ｉ）該ＣＣＤカメラの一フレームの分光画像データを時系列アナログ信号として取込み、アナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータに送り込むフレーム画像データ蓄積器を含むデータ処理装置とを具備することを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、レーザアブレーションによって生体組織を蒸発・励起し、これによって発生する発光プルームの分光スペクトルをナノ秒オーダーの時間間隔で検出することを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源は紫外光、可視光、赤外光領域におけるナノ秒レーザパルスを発生可能なレーザ光源であることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記レーザ光源はフラッシュランプ励起あるいは半導体レーザ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ又は半導体レーザ励起の全固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源のレーザ波長は検出される発光プルームの波長に比べて長い領域をも含むことを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記光源と生体組織の間にシャッターを配置して一個のレーザパルス照射によって極めて低侵襲な分光診断が可能であることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記多チャンネル型分光器は、入射スリットから入射した光を複数のグレーティングで波長ごとに分散し、特定の範囲の波長成分がそれぞれ異なる出射角度で一度に出射口から出射される構成を有することを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項７記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記複数のグレーティングは格子溝の密度が３００本／ｍｍ、６００本／ｍｍ、１２００本／ｍｍの何れかを設定可能であることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項７記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記多チャンネル型分光器の出射口から出射される特定の範囲の波長成分は前記ＣＣＤカメラの各画素に像を映し出すように構成したことを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記高速ゲートイメージインテンシファイアーとＣＣＤカメラとを前記光源のトリガーパルスに同期させる手段とを具備することを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記生体組織は毛髪、爪、歯牙等の生体硬組織であることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。
請求項１記載のナノ秒時間ゲート分光診断装置において、前記生体組織は血管壁、表皮下組織等の生体軟組織であることを特徴とするナノ秒時間ゲート分光診断装置。