DE69733100T2

DE69733100T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft

Info

Publication number: DE69733100T2
Application number: DE69733100T
Authority: DE
Inventors: Yukio Hamamatsu-shi Ueda; Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya; Kazuyoshi Hamamatsu-shi Ohta
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1997-05-08
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2017-05-09
Also published as: JP3662376B2; US6075610A; DE69733100D1; EP0806650A3; EP0806650A2; JPH1026585A; EP0806650B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft eines gemessenen Objekts und einer Vorrichtung dafür. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft und eine Vorrichtung dafür, die auf eine optische CT(Computertomographie)-Vorrichtung oder dergleichen anwendbar ist, um durch Bewegen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition entlang der Oberfläche des gemessenen Objekts ein tomographisches Bild zu erhalten.
STAND DER TECHNIK
Bei der optischen CT-Vorrichtung, worin Meßlicht an einer Lichteinfallsposition an der Oberfläche des Objekts, das ein Streuungsmedium ist, einfällt, wobei das als durch das Objekt gestreut übertragene Meßlicht an mehreren Lichtfeststellpositionen an der Oberfläche des Objekts empfangen wird, und wobei eine Verteilung einer inneren Eigenschaft im Streuungsmedium erhalten wird, während die Lichteinfallsposition und die Lichtfeststellposition entlang der Oberfläche des Objekts bewegt werden, sind die folgenden Verfahren als Verfahren zum Erhalten zum Beispiel einer Verteilung eines Absorptionskoeffizienten in seinem Inneren bekannt. Im Besonderen sind sie die Verfahren, die in "Imaging of Multiple Targets in Dense Scattering Media" (H. L. Graber, J. Chang, R. L. Barbour, SPIE Band 2570, Seite 219 bis Seite 234), "Imaging diffusive media using time-independent and time-harmonic sources; dependence of image quality on imaging algorithms, target volume weight matrix, and view angles" (Jenghwa Chang et al., SPIE Band 2389) beschrieben sind.
Das grundlegende Abbildungsprinzip bei derartigen herkömmlichen Verfahren ist, eine relationale Gleichung zwischen dem empfangenen Licht und einer Funktion, die einen Beitrag zum empfangenen Licht angibt (und die aus Bequemlichkeit als "Ausbreitungsfunktion" bezeichnet wird), zu verwenden, wobei das Innere des gemessenen Objekts zur Bequemlichkeit in mehrere Voxel geteilt wird, Licht, das von einem bestimmten Punkt an der Oberfläche des Objekts einfällt, durch das Innere des gemessenen Objekts verläuft und an einem anderen Punkt an der gleichen Oberfläche empfangen wird, und bei dieser Gelegenheit die Aufmerksamkeit auf eine bestimmte innere Eigenschaft wie etwa einen Absorptionskoeffizienten für jedes Voxel gerichtet wird. Das hierin angeführte Voxel bedeutet jeden Bereich (jedes Volumenelement), der (das) durch Teilen des gemessenen Objekts in mehrere Bereiche erhalten wird.
Bei den obigen herkömmlichen Verfahren wurde jedoch gesondert vom gemessenen Objekt ein Phantom ohne Absorption angefertigt, unter seiner Verwendung die Menge des festgestellten Lichts, das einen Bezug darstellen soll, gemessen, und in diesem Zustand unter Verwendung der Ausbreitungsfunktion eine beabsichtigte Absorptionskoeffizientenverteilung im Inneren des Streuungsmediums erhalten. Für die Abbildung mit derartigen Verfahren war es nötig, ein Phantommodell (physisches Modell) oder ein Simulationsmodell anzunehmen, das so angefertigt war, daß es eine Form aufwies, die jener des gemessenen Objekts identisch oder ähnlich war, und so angefertigt war, daß es eine bekannte innere Eigenschaft aufwies, und Daten, die von einem derartigen Modell erhalten wurden, als Bezugswert bei der Berechnung der Abbildung zu verwenden. Daher waren diese herkömmlichen Verfahren nicht fähig, Fehler, die durch den Unterschied zwischen dem tatsächlich gemessenen Objekt und dem physischen Modell oder Simulationsmodell, einzelnen Unterschieden des gemessenen Objekts, usw. verursacht wurden, zu vermeiden, und war es sehr schwierig, sie insbesondere auf ge messene Objekte, die einen komplexen Aufbau aufweisen, wie etwa einen lebenden Körper, anzuwenden.
Andererseits ist das in der Bekanntmachung der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 8-29329 beschriebene Verfahren ein Verfahren zum Erhalten einer räumlichen Verteilung der Konzentration einer absorptionsfähigen Substanz ohne Verwendung eines Phantoms. Das in dieser Bekanntmachung beschriebene Verfahren benötigte jedoch sogar für die Fälle von nur einem absorptionsfähigen Bestandteil im gemessenen Objekt die Verwendung von Licht, das mehrere Wellenlängen aufweist, und die räumliche Verteilung der Konzentration der absorptionsfähigen Substanz wurde unter der Annahme erhalten, daß eine mittlere optische Weglängenverteilung und eine abgeschwächte Lichtmenge (die Menge des Lichts, die aufgrund des Einflusses der Streuung oder dergleichen abgeschwächt wurde) unter diesen Wellenlängen konstant waren. Zusätzlich nahm dieses Verfahren ein imaginäres Subjekt ohne absorptionsfähige Substanz an und erhielt es die räumliche Verteilung der Konzentration der absorptionsfähigen Substanz unter Verwendung der mittleren optischen Weglänge im imaginären Subjekt, zog aber die Veränderung der optischen Weglänge aufgrund der Absorption nicht in Betracht. Daher war das in der obigen Bekanntmachung beschriebene Verfahren hinsichtlich der Verläßlichkeit der erhaltenen Verteilung der inneren Eigenschaft noch nicht zufriedenstellend.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen herkömmlichen Probleme erreicht, und eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die den Bezugswert direkt von den gemessenen Werten über das gemessene Objekt erhalten können, ohne den Bezugswert vom früher benötigten physischen Modell oder Simulationsmodell zu erhalten, und ohne das Licht, das für einen Bestandteil im gemessenen Objekt mehrere Wellenlängen aufweist, zu verwenden, wodurch ermöglicht wird, die Verteilung einer inneren Eigenschaft im gemessenen Objekt auf Basis des Bezugswerts mit hoher Verläßlichkeit, d.h., mit hoher Genauigkeit zu erhalten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eifrige Forschungen durchgeführt, um die obige Aufgabe zu lösen, und haben herausgefunden, daß die obigen Probleme durch Verwenden eines mittleren Werts von mehreren gemessenen Werten, die durch mehrere Kombinationen von Lichteinfallspositionen und Lichtfeststellpositionen erhalten wurden, welche sich auf der Oberfläche des gemessenen Objekts befinden und in einer Positionsbeziehung in Bezug auf einen Punkt im Objekt (zum Beispiel die Mitte des Objekts) verhältnismäßig identisch sind, als Bezugswert zum Erhalten der Verteilung der inneren Eigenschaft gelöst wurden, wodurch die vorliegende Erfindung erzielt wurde.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das Folgendes umfaßt:
einen Schritt, in dem Meßlicht aufeinanderfolgend von mehreren Lichteinfallspositionen auf einer Oberfläche eines gemessenen Objekts zum Einfallen in das Objekt gebracht wird;
einen Schritt, in dem das Meßlicht, das durch das Objekt verlaufen ist, aufeinanderfolgend oder gleichzeitig an zumindest einer Lichtfeststellposition von mehreren Lichtfeststellpositionen auf der Oberfläche des Objekts und in einer vorbestimmten Positionsbeziehung in Bezug auf eine Lichteinfallsposition, an der das zu messende Meßlicht eingefallen war, festgestellt wird;
einen Schritt, in dem auf Basis jedes an jeder Lichtfeststellposition festgestellten Meßlichts ein gemessener Wert eines vorbestimmten Parameters des Meßlichts erhalten wird;
einen Schritt, in dem mehrere der gemessenen Werte, die durch mehrere Kombinationen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, erhalten wurden, extrahiert werden und ein Mittelwert der gemessenen Werte berechnet wird, um einen Bezugswert in der Positionsbeziehung zu erhalten; und
einen Schritt, in dem unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, und des Bezugswerts ein Veränderungsausmaß einer vorbestimmten inneren Eigenschaft in jedem Bereich des in mehrere Bereiche geteilten Objekts berechnet wird, wodurch eine Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft im Objekt erhalten wird.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft nach der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die Folgendes umfaßt:
ein Lichteinfallsmittel, um Meßlicht aufeinanderfolgend von mehreren Lichteinfallspositionen auf einer Oberfläche eines gemessenen Objekts zum Einfallen in das Objekt zu bringen;
ein Lichtfeststellmittel, um das Meßlicht, das durch das Objekt verlaufen ist, aufeinanderfolgend oder gleichzeitig an zumindest einer Lichtfeststellposition von mehreren Lichtfeststellpositionen auf der Oberfläche des Objekts und in einer vorbestimmten Positionsbeziehung in Bezug auf eine Lichteinfallsposition, an der das zu messende Meßlicht eingefallen war, festzustellen;
ein Meßwerterlangungsmittel, um auf Basis jedes an jeder Lichtfeststellposition festgestellten Meßlichts einen gemessenen Wert eines vorbestimmten Parameters des Meßlichts zu erhalten;
ein Mittel zum Berechnen eines Bezugswerts, um mehrere der gemessenen Werte, die durch mehrere Kombinationen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, erhalten wurden, zu extrahieren und einen Mittelwert der gemessenen Werte zu berechnen, um einen Bezugswert in der Positionsbeziehung zu erhalten; und
ein Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft, um unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, und des Bezugswerts ein Veränderungsausmaß einer vorbestimmten inneren Eigenschaft in jedem Bereich des in mehrere Bereiche geteilten Objekts zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft im Objekt zu erhalten.
Beim Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird der mittlere Wert von mehreren gemessenen Werten, die durch die mehreren Kombinationen von Lichteinfallspositionen und Lichtfeststellpositionen erhalten wurden, welche sich auf der Oberfläche des gemessenen Objekts befinden und in der Positionsbeziehung in Bezug auf einen Punkt im Objekt (zum Beispiel die Mitte des Objekts) verhältnismäßig identisch sind, als ein Bezugswert zum Erhalten der Verteilung der inneren Eigenschaft verwendet. Im Besonderen wird ein Veränderungsausmaß (Unterschied) einer inneren Eigenschaft in jedem Bereich des Objekts, das in die mehreren Bereiche geteilt ist, durch Lösen der nachstehend beschriebenen Gleichung erhalten, wobei der Bezugswert und jeder gemessene Wert verwendet wird.
Wie beschrieben wird der Bezugswert bei der vorliegenden Erfindung aus dem mittleren Wert der gemessenen Werte erhalten, die bei der tatsächlichen Messung erhalten wurden, und wird das Veränderungsausmaß der inneren Eigenschaft auf Basis dieses Bezugswerts berechnet. Da die vorliegende Erfindung nicht den Bezugswert verwendet, der vorbereitend aus dem physischen Modell oder Simulationsmodell erhalten wurde, gibt es keine Gelegenheit, Fehler hervorzurufen, die durch die einzelnen Unterschiede des gemessenen Objekts, den Unterschied des Zustands, der zwischen dem tatsächlich gemessenen Objekt und dem physischen Modell oder Simulationsmodell auftritt, und so weiter, verursacht werden. Außerdem beseitigt die vorliegende Erfindung die Arbeit zum vorbereitenden Erhalten des Bezugswerts mit dem physischen Modell oder Simulationsmodell, wodurch die Meßzeit verringert wird.
Daß "der Bezugswert aus dem mittleren Wert der gemessenen Werte erhalten wird, die durch tatsächliche Messung erhalten wurden, und ein Veränderungsausmaß der inneren Eigenschaft oder dergleichen auf Basis dieses Bezugswerts erhalten wird" ist nichts als, "daß", wenn zum Beispiel mit 1 beschrieben, "jeder Wert von A, B, und C erhalten werden kann, wenn ein Unterschied zum mittleren Wert bekannt ist, ohne den Wert von 0 zu kennen". Das Betriebsprinzip der vorliegenden Erfindung ist, auf Basis eines solchen Prinzips einen Unterschied oder einen absoluten Wert einer inneren Eigenschaft zu erhalten.
Da die vorliegende Erfindung gestattet, daß die Verteilung der inneren Eigenschaft im gemessenen Objekt erhalten wird, ohne das Licht, das für einen Bestandteil im gemessenen Objekt mehrere Wellenlängen aufweist, zu verwenden, ist sie vom Auftreten von Fehlern, die sich aus der Annahme ergeben, daß die mittlere optische Weglängenverteilung und die abgeschwächte Lichtmenge (die Menge des Lichts, die aufgrund des Einflusses der Streuung oder dergleichen abge schwächt wurde) unter den mehreren Wellenlängen konstant sind, frei, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird. Außerdem kann die vorliegende Erfindung auch das Auftreten von ähnlichen Fehlern in dem Fall verhindern, in dem mehrere Bestandteile im gemessenen Objekt unter Verwendung des Lichts, das mehrere Wellenlängen aufweist, analysiert werden. Dies liegt nämlich daran, daß der Streukoeffizient bei der vorliegenden Erfindung für jede Wellenlänge entsprechend einer Veränderung der Wellenlängenabhängigkeit des Streukoeffizienten, die in tatsächlichen Objekten vorhanden ist, erhalten wird.
Die Positionsbeziehung zwischen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition nach der vorliegenden Erfindung ist hinsichtlich des Bezugs, der sich zum Beispiel in der Mitte des gemessenen Objekts befindet, definiert, d.h., durch einen Winkel zwischen einer Linie, die die Mitte mit der Lichteinfallsposition verbindet, und einer Linie, die die Mitte mit der Lichtfeststellposition verbindet, und die "Positionsbeziehung ist verhältnismäßig identisch" bedeutet zum Beispiel, daß die oben definierten Winkel identisch sind.
Die gemessenen Werte nach der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise gemessene Werte eines vorbestimmten Parameters, der in Bezug zur Streuung und Absorption des Meßlichts im Inneren des gemessenen Objekts steht, und bevorzugt gemessene Werte sind jene eines Parameters wie der Lichtmenge des Meßlichts, eines Phasenunterschieds (oder einer Phasenverzögerung), der Amplitude, oder zeitaufgelöster Wellenformen.
Interne Eigenschaften, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen werden können, umfassen den Absorptionskoeffizienten, den verminderten Streukoeffizienten (oder einen gleichwertigen Streukoeffizienten) und den Brechungsindex, wovon entweder eine Eigen schaft einzeln erhalten werden kann oder mehrere Eigenschaften gleichzeitig oder hintereinander erhalten werden können.
Zuerst ist der Fall beschrieben, wobei die innere Eigenschaft, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen werden soll, der Absorptionskoeffizient ist.
In diesem Fall umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient und ein mittlerer verminderter Streukoeffizient des Objekts erhalten wird (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten), und einen Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den Absorptionskoeffizienten) gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht, wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet werden kann.
Ebenso umfaßt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten und einen mittleren verminderten Streukoeffizienten des Objekts zu erhalten (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten), und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den Absorptionskoeffizienten) zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht, wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet werden kann.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Veränderungsausmaß (der Unterschied) des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich auf Basis der Ausbreitungsfunktion erhalten, die entsprechend dem Absorptionskoeffizienten und dem verminderten Streukoeffizienten als mittlere Werte, die für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen sind, gewählt wird. Daher können das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verglichen mit der Berechung unter der Annahme des Absorptionskoeffizienten und/oder des verminderten Streukoeffizienten als Null das Auftreten von Fehlern, die sich aus der dadurch verursachten Veränderung der wirksamen optischen Weglänge ergeben, vollständig verhindern, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Außerdem kann das obige Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner Folgendes umfassen: einen Schritt, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten und des mittleren Absorptionskoeffizienten ein absoluter Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten im Objekt erhalten wird, und/oder einen Schritt, in dem unter Verwendung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt erhalten wird.
Ebenso kann die obige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner Folgendes umfassen: ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffi zienten und des mittleren Absorptionskoeffizienten einen absoluten Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten im Objekt zu erhalten, und/oder ein Mittel zum Berechnen der Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils, um unter Verwendung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten eine Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt zu erhalten.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich auf Basis des Absorptionskoeffizienten als einem mittleren Wert, der für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen ist, aus dem Veränderungsausmaß (der Veränderung) des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich erhalten. Auf diese Weise erhalten das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung den absoluten Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich, ohne den Bezugswert zu verwenden, der vom Phantom erhalten wird, das den gleichmäßigen Absorptionskoeffizienten und den gleichen Umriß wie das gemessene Objekt aufweist. Sobald der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich erhalten ist, wird unter Verwendung des bekannten molaren Absorptionskoeffizienten des absorptionsfähigen Bestandteils oder dergleichen die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich erhalten. Da ein Fehler der Verteilung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird, viel kleiner als jener im Fall des herkömmlichen Verfahrens ist, wird die Genauigkeit der Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten und der darauf beruhend erhaltenen Konzentrationsverteilung des absorptionsfähigen Bestandteils hoch.
Wenn das obige Verfahren der vorliegenden Erfindung auf ein Objekt angewendet wird, das zumindest zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, weist das Meßlicht, das im Lichteinfallsschritt in das Objekt einfällt, vorzugsweise zumindest zwei Wellenlängen auf, bei denen die Absorptionskoeffizienten für die absorptionsfähigen Bestandteile voneinander verschieden sind. In diesem Fall wird es möglich, daß im Lichtfeststellschritt jeweils das Meßlicht, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, festgestellt wird; daß im Schritt, in dem die gemessenen Werte erhalten werden, die gemessenen Werte für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, erhalten werden; daß im Schritt, in dem der Bezugswert erhalten wird, der mittlere Wert für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; daß im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; daß im Schritt, in dem die Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten erhalten wird, der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; und daß im Schritt, in dem die Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils erhalten wird, die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird, wodurch eine Konzentrationsverteilung jedes absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt mit hoher Genauigkeit erhalten wird.
Wenn die obige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um das Objekt, das zumindest zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, zu messen, weist das Meßlicht, das im Lichteinfallsmittel in das Objekt einfällt, zumindest zwei Wellenlängen auf, bei denen die Absorptionskoef fizienten für die absorptionsfähigen Bestandteile voneinander verschieden sind. In diesem Fall wird es möglich, daß im Lichtfeststellmittel jeweils das Meßlicht, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, festgestellt wird; daß im Meßwerterlangungsmittel die gemessenen Werte für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, erhalten werden; daß im Mittel zum Berechnen eines Bezugswerts der mittlere Wert für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; daß im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; daß im Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; und daß im Mittel zum Berechnen der Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird, wodurch eine Konzentrationsverteilung jedes absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt mit hoher Genauigkeit erhalten wird.
Als nächstes ist der Fall beschrieben, wobei die innere Eigenschaft, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen werden soll, der verminderte Streukoeffizient ist.
In diesem Fall umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient und ein mittlerer verminderter Streukoeffizient des Objekts erhalten wird (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten); und einen Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den verminderten Streukoeffizienten) gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht, wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet werden kann.
Ebenso umfaßt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten und einen mittleren verminderten Streukoeffizienten des Objekts zu erhalten (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten); und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den mittleren Streukoeffizienten) zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet werden kann.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Veränderungsausmaß (der Unterschied) des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich auf Basis der Ausbreitungsfunktion erhalten, die entsprechend dem Absorptionskoeffizienten und dem verminderten Streukoeffizienten als mittlere Werte, die für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen sind, gewählt wird. Demgemäß können das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem Fall der Berechung auf Basis der Annahme, daß der Absorptionskoeffizient und/oder der verminderte Streukoeffizient Null ist, das Auftreten der Fehler auf Basis der dadurch verursachten Veränderung der wirksamen optischen Weglänge vollständig verhindern, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Außerdem kann das obige Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner einen Schritt umfassen, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten und des mittleren verminderten Streukoeffizienten ein absoluter Wert des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten im Objekt erhalten wird.
Ebenso kann die obige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten umfassen, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten und des mittleren Absorptionskoeffizienten einen absoluten Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten im Objekt zu erhalten.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird der absolute Wert des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich auf Basis des verminderten Streukoeffizienten als einem mittleren Wert, der für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen ist, aus dem Veränderungsausmaß (der Veränderung) des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich erhalten. Auf diese Weise erhalten das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung den absoluten Wert des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich, ohne den Bezugswert zu verwenden, der vom Phantom erhalten wird, das den gleichmäßigen verminderten Streukoeffizienten und den gleichen Umriß wie das gemessene Objekt aufweist. Verglichen mit dem Fall nach den herkömmlichen Verfahren wird der Fehler der Verteilung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird, viel kleiner, wodurch die Genauigkeit der darauf beruhend erhaltenen Verteilung des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten verbessert wird.
Als nächstes ist der Fall beschrieben, wobei die innere Eigenschaft, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen werden soll, der Brechungsindex ist.
In diesem Fall umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient, ein mittlerer verminderter Streukoeffizient, und ein mittlerer Brechungsindex des Objekts erhalten wird (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten); und einen Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den Brechungsindex) gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten, dem mittleren verminderten Streukoeffizienten, und dem mittleren Brechungsindex entspricht; wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet werden kann.
Ebenso umfaßt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten, einen mittleren verminderten Streukoeffizienten, und einen mittleren Brechungsindex des Objekts zu erhalten (vorzugsweise werden sie auf Basis des Bezugswerts erhalten; und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion (eine Ausbreitungsfunktion für den Brechungsindex) zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten, dem mittleren ver minderten Streukoeffizienten, und dem mittleren Brechungsindex entspricht; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet werden kann.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Veränderungsausmaß (der Unterschied) des Brechungsindex in jedem Bereich auf Basis der Ausbreitungsfunktion erhalten, die entsprechend dem Absorptionskoeffizienten, dem verminderten Streukoeffizienten und dem Brechungsindex als mittlere Werte, die für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen sind, gewählt wird. Demgemäß können dieses Verfahren und diese Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem Fall der Berechung unter der Annahme, daß der Absorptionskoeffizient und/oder der verminderte Streukoeffizient Null ist, das Auftreten der Fehler auf Basis der dadurch verursachten Veränderung der wirksamen optischen Weglänge vollständig verhindern, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Außerdem kann das obige Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner einen Schritt umfassen, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex und des mittleren Brechungsindex ein absoluter Wert des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Brechungsindex im Objekt erhalten wird.
Ebenso kann die obige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Brechungsindex umfassen, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex und des mittleren Brechungsindex einen absoluten Wert des Brechungsindex in je dem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Brechungsindex im Objekt zu erhalten.
Durch ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird der absolute Wert des Brechungsindex in jedem Bereich auf Basis des Brechungsindex als einem mittleren Wert, der für das gemessene Objekt mit ungleichmäßigem Inneren gemessen ist, aus dem Veränderungsausmaß (der Veränderung) des Brechungsindex in jedem Bereich erhalten. Auf diese Weise erhalten das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung den absoluten Wert des Brechungsindex in jedem Bereich, ohne den Bezugswert zu verwenden, der vom Phantom erhalten wird, das den gleichmäßigen Brechungsindex und den gleichen Umriß wie das gemessene Objekt aufweist. Der Fehler der Verteilung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird, wird verglichen mit jenem im Fall nach den herkömmlichen Verfahren viel kleiner, wodurch die Genauigkeit der darauf beruhend erhaltenen Verteilung des absoluten Werts des Brechungsindex verbessert wird.
Das oben angeführte Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt umfassen, in dem auf Basis der erhaltenen Verteilung ein Bild dargestellt wird, das die Verteilung im Inneren des Objekts angibt. Ebenso kann die oben angeführte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner ein Bilddarstellungsmittel umfassen, um auf Basis der erhaltenen Verteilung ein Bild darzustellen, das die Verteilung im Inneren des Objekts angibt. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung können das Bild der mit hoher Genauigkeit erhaltenen Verteilung der inneren Eigenschaft darstellen.
Die vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung, die nachstehend geboten wird, und den beiliegenden Zeichnungen, die nur veranschaulichend geboten sind und nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend betrachtet werden sollen, genauer verstanden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erklärende Zeichnung des Betriebsprinzips der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Zeichnung, um ein Modell des Streuungsmediums mit gleichmäßiger Absorption zu zeigen.
3 ist eine schematische Zeichnung, um ein Modell des Streuungsmediums mit ungleichmäßiger Absorption zu zeigen.
4 ist eine schematische Zeichnung, um ein Beispiel der Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
5A und 5B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine schematische Ansicht, um ein Beispiel der Lichteinfallsfaser zu zeigen.
6 ist ein Diagramm, um die Absorptionsspektren von Hämoglobin und Myoglobin zu zeigen.
7A und 7B sind schematische Zeichnungen, um ein Beispiel des Lichteinfallsmittels zu zeigen.
8 ist ein Ablaufdiagramm, um ein Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
9 ist ein Ablaufdiagramm, um ein anderes Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
10 ist ein Ablaufdiagramm, um noch ein anderes Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
11 ist eine schematische Zeichnung, um ein Beispiel der Anordnung der Lichteinfalls- und/oder der Lichtfeststellpositionen nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
12 ist eine schematische Zeichnung, um ein anderes Beispiel der Anordnung der Lichteinfalls- und/oder der Lichtfeststellpositionen nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
13 ist ein Ablaufdiagramm, um noch ein anderes Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
14 ist ein Ablaufdiagramm, um noch ein anderes Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
15 ist ein Ablaufdiagramm, um noch ein anderes Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
16A, 16B und 16C sind schematische Zeichnungen, um jeweils ein Beispiel des Verfahrens des Lichteinfalls in das Streuungsmedium zu zeigen.
17 ist eine schematische Zeichnung, um ein Beispiel des Lichtfeststellmittels zu zeigen.
18A, 18B und 18C sind schematische Zeichnungen, um jeweils ein Beispiel des Lichtfeststellverfahrens zu zeigen.
19A und 19B sind schematische Zeichnungen, um jeweils ein Beispiel des rauscharmen Verstärkungsverfahrens des Feststellsignals zu zeigen.
20A und 20B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine von oben her gesehene Flachansicht des im Beispiel verwendeten Phantoms.
21 ist eine Hilfszeichnung zum Erklären der Beziehung zwischen den Lichteinfallspositionen und den Lichtfeststellpositionen im Beispiel.
22A und 22B sind Fotografien, um ein Halbtonbild zu zeigen, das als Ergebnis der Rekonstruktion des Bilds durch das herkömmliche Verfahren an der Anzeige dargestellt wird.
23A und 23B sind Fotografien, um ein Halbtonbild zu zeigen, das als Ergebnis der Rekonstruktion des Bilds durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung an der Anzeige dargestellt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. In den Zeichnungen werden identische oder gleichwertige Abschnitte mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Als erstes wird das Abbildungsprinzip der Licht-CT, das in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben werden. Es ist nötig, Licht, das sich ausbreitet, als mit dreidimensiona len Koordinaten gestreut zu behandeln, doch die folgende Besprechung setzt zur Vereinfachung der Beschreibung zweidimensionale Koordinaten ein.
Teilen wir als erstes das Innere eines Streuungsmediums in N Voxel und betrachten wir die Beziehung zwischen der Menge des einfallenden Lichts und der Menge des austretenden Lichts (Menge des festgestellten Lichts) in Bezug auf das Streuungsmedium unter, der Bedingung, daß der Absorptionskoeffizient vorhanden ist. 2 zeigt ein schematisches Diagramm des Inneren des Streuungsmediums mit gleichmäßigem verminderten Streukoeffizienten μ'_s und Absorptionskoeffizienten μ_a (N = 25). Die nachstehende Gleichung (1) gilt, wo I₀ die Menge des einfallenden Lichts ist, I_d0 die Menge des festgestellten Lichts ist, W₁ eine wirksame optische Weglänge in jedem Voxel ist, wenn der verminderte Streukoeffizient μ'_s und der Absorptionskoeffizient μ_a im Inneren des Streuungsmediums gleichmäßig sind, und D_sr ein Abschwächungsfaktor ist, um ein Verhältnis des ausgehenden Lichts vom Streuungsmedium zum einfallenden Licht aufgrund der Streuung und Reflexion oder dergleichen anzugeben. Id0 = Dsr – I 0 – exp{–μa(W1 + W2 + . . . + WN)} (1)
Als nächstes zeigt 3 ein schematisches Diagramm des Inneren eines anderen Streuungsmediums, das das gleiche wie das in 2 gezeigte ist, außer daß das Medium den gleichen verminderten Streukoeffizienten aufweist, aber ein unterschiedlicher Absorptionskoeffizient in einige Voxel gestellt ist. Die Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten μ_ai (i = 1, 2, ..., N) jedes Mediums, das im in 3 gezeigten Streuungsmedium verwendet ist, und dem Absorptionskoeffizienten μ_a des Mediums, das im in 2 gezeigten Streuungsmedium verwendet ist, ist die wie in der nachstehenden Gleichung (2) gezeigte Beziehung: μai = μa + Δμai (i = 1, 2, ... N) (2)
Wenn, angenommen, I₀ die Menge des einfallenden Lichts zu dieser Zeit ist und I_d1 die Menge des festgestellten Lichts ist, und angenommen wird, daß der Abschwächungsfaktor D_sr, der die Rate des ausgehenden Lichts vom Streuungsmedium zum einfallenden Licht aufgrund der Streuung und Reflexion oder dergleichen angibt, dem beim gleichmäßigen Absorptionskoeffizienten (2) gleich ist, kann die Menge des festgestellten Lichts I_d1 durch die nachstehende Gleichung (3) ausgedrückt werden: Id1 = Dsr – I0 – exp{–[W1(μa + Δua1) + W2(μa + Δμa2) + ... + WN(μa + ΔμaN) = Ido – exp{–(W1Δμa1 + W2Δμa2 ... + WNΔμaN)} (3)
Demgemäß ist die nachstehende Gleichung (4) von Gleichung (3) abgeleitet:
Auf diese Weise gestattet die Verwendung der Bezugslichtmenge I_d0, daß eine Verteilung des Absorptionskoeffizienten μ_a im Inneren des Streuungsmediums aus der Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten μ_a, der erhalten werden soll, und der festgestellten Lichtmenge I_d1, die durch ein tatsächliches Versuchssystem gemessen werden kann, erhalten werden kann, wenn die wirksame optische Weglänge W_j bestimmt ist. Gleichung (4) gibt die Beziehung an, die für ein Paar einer Lichteinfallsposition und einer Lichtfeststellposition gilt. Demgemäß werden zum Erhalten von N Absorptionskoeffizienten (Unbekannten) N Kombinationen einer Lichteinfallsposition und einer Lichtfeststellposition gewählt und gekoppelte Gleichungen von N Gleichungen (4), die für die entsprechenden Kombinationen gelten, gelöst, wodurch die N Absorptionskoeffizienten erhalten werden.
Wenn die gekoppelten Gleichungen von N Gleichungen (4), die für die N Kombinationen einer Lichteinfallsposition und einer Lichtfeststellposition gelten, in der Form einer Matrixdarstellung ausgedrückt werden, ergibt sich die nachstehende Gleichung (5) [ΔI] = [W][Δμa] (5)
Hier stellt ΔI(lnI_do – lnI_d1) dar und stellt W eine Ausbreitungsfunktion dar, um eine Verteilung der wirksamen optischen Weglänge jedes Voxels anzugeben. Wenn, angenommen, X die Anzahl der Lichteinfallspositionen M (M₁ bis M_X) ist, x die Anzahl der Lichtfeststellpositionen m (m₁ bis m_x) ist, ΔI_Mm das Veränderungsausmaß in der Lichtmenge im Fall der Lichteinfallsposition M und der Lichtfeststellposition m ist, und W_Mm eine Ausbreitungsfunktion jedes Voxels im Fall der Lichteinfallsposition M und der Lichtfeststellposition m ist, ist [I_Mm] eine Matrix von (X·x)·1, [W_Mm] eine Matrix von (X·x) × N, und [Δμ_an] eine Matrix von N·1. Daher können die Veränderungsausmaße Δμ_an des Absorptionskoeffizienten durch Lösen der nachstehenden gekoppelten Gleichungen von Gleichung (6) erhalten werden. Die gekoppelten Gleichungen (6) sollen vorzugsweise durch Wählen solcher Werte für X und x gelöst werden, daß X·x = N erfüllt wird. [Δμan] = [WMm]–1[ΔIMm] (6)
Zum Quantifizieren der Absorptionskoeffizienten im Inneren des Streuungsmediums durch ein derartiges Bildrekonstruktionsverfahren ist der wie in 2 gezeigte Zustand, der einen Bezug darstellen soll, im Grunde notwendig, und im obigen Fall wurde der Absorptionskoeffizient jedes Voxels aus Gleichung (2) und Gleichung (4) erhalten, da der gleichmäßige Zustand des Absorptionskoeffizienten als der Bezug angenommen wurde. Doch ein derartiges Abbildungsverfahren erfordert nur die vorherige Kenntnis des Werts des inneren Absorptionskoeffizienten und der Lichtmenge an jeder Lichtfeststellposition zu jener Zeit, erzwingt aber keinerlei besondere Beschränkung für den Zustand des Bezugs, der tatsächlich verwendet werden soll. Im Besonderen wird zum Beispiel dann, wenn ein innerer Absorptionskoeffizient mit dem Bezug beim Wert des inneren Absorptionskoeffizienten unter einer bestimmten Bedingung und der Lichtmenge an jeder Lichtfeststellposition zu jener Zeit erhalten wird, ein Wert des Absorptionskoeffizienten in der Form eines Unterschieds zum Wert des Bezugs erhalten.
Herkömmlich wurde ein derartiger Wert des inneren Absorptionskoeffizienten und der Lichtmenge an jeder Lichtfeststellposition zu jener Zeit, der den Bezug darstellen soll, von einem Phantommodell oder einem Simulationsmodell erhalten, das sich nur im inneren Absorptionskoeffizienten vom Streuungsmedium als ein gemessenes Objekt unterschied.
Die vorliegende Erfindung setzt jedoch einen mittleren Wert von mehreren gemessenen Werten, die mit mehreren Kombinationen einer Lichteinfallsposition und einer Lichtfeststellposition, welche sich an der Oberfläche des gemessenen Objekts und in der verhältnismäßig gleichen Positionsbeziehung in Bezug auf einen Punkt im Objekt (zum Beispiel der Mitte des Objekts) befinden, erhalten wurden, als einen Bezugswert zum Erhalten der Verteilung einer inneren Eigenschaft ein. Ein Verfahren zum Herstellen der wirksamen optischen Weglänge jedes Voxels ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-6619 der vorliegenden Erfinder mit der Bezeichnung "Optical CT apparatus and image reconstructing method by optical CT" usw. beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nach diesem Herstellungsverfahren vorbereitend eine Verteilung der wirksamen optischen Weglänge (d.h., eine Ausbreitungsfunktion) jedes Voxels in ei ner bestimmten Beziehung der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition auf Basis eines mittleren Werts des Absorptionskoeffizienten, eines mittleren Werts des verminderten Streukoeffizienten, und dergleichen, vorbereitet. Auf diese Weise gestattet die vorliegende Ausführungsform, daß der Bezugswert direkt von gemessenen Werten über das gemessene Objekt erhalten wird, ohne den Bezugswert vom herkömmlich benötigten physischen Modell oder Simulationsmodell zu erhalten, und gestattet sie, daß die Verteilung der inneren Eigenschaft des gemessenen Objekts auf Basis des Bezugswerts mit hoher Genauigkeit gemessen wird.
Das Vorhergehende beschrieb die Ausführungsform, die eine Messung von unpolarisiertem Licht verwendet, doch ist es bei der vorliegenden Erfindung auch möglich, eine zeitaufgelöste Messung anzuwenden. Im Besonderen drückt die oben beschriebene Gleichung (3) das festgestellte Licht als einen integralen Wert der festgestellten Lichtmenge aus, die zwischen den Zeiten 0 und t(s) durch den Detektor empfangen wird, doch gilt der gleiche Beziehungsausdruck auch im Fall von zeitaufgelösten Wellenformen, die durch den Detektor empfangen werden, wenn eine Lichtquelle aus Impulslicht besteht. Wenn Gleichung (3) in Bezug auf einen bestimmten Zeitraum t₁ bis t₂ neu geschrieben wird, wird Gleichung (7) erhalten: [Id1]t1-t2 = [Id0]t1-t2 – exp{–([W1]t1-t2Δμa1 + [[W2]t1-t2Δμa2 + ... + [WN]t1-t2ΔμaN)} (7)
Hier stellen [I_d0]_t1-t2, [I_d1]_t1-t2 Lichtmengen von zeitaufgelösten Wellenformen jedes festgestellten Lichts zwischen den Zeiten t₁ und t₂ dar, und stellt [W_j]_t1-t2 die Ausbreitungsfunktion zwischen den Zeiten t₁ und t₂ dar (wobei j eine Anzahl jedes Voxels angibt). Außerdem ist 0 ≤ t₁ ≤ t₂. Daher wird die nachstehende Gleichung (8) aus Gleichung (7) abgeleitet:
Wie beschrieben gestattet das Verfahren, das die zeitaufgelöste Messung verwendet, daß ein Absorptionskoeffizient jedes Voxels durch Erhöhen der Anzahl der Gleichungen mit verschiedenen Abschnitten der Meßzeiträume und Lösen von N Gleichungen mit der gleichen Anzahl wie der Anzahl der Voxel erhalten wird.
Die obige Ausführungsform wurde mit dem Absorptionskoeffizienten als zu messender innerer Eigenschaft beschrieben, doch kann die vorliegende Erfindung auf andere innere Eigenschaften einschließlich des verminderten Streukoeffizienten (oder eines gleichwertigen Streukoeffizienten) und des Brechungsindex angewendet werden. Im Besonderen wird das Licht, das empfangen wird, nachdem es durch das Innere des Objekts verlaufen ist, nicht nur durch den Absorptionskoeffizienten und den verminderten Streukoeffizienten, die das Innere des Objekts aufweist, beeinflußt, sondern auch durch alle inneren Eigenschaften, die das Objekt aufweist, und diese wirken linear und unabhängig auf das empfangene Licht. Zum Erhalten innerer Eigenschaften, die einander beeinflussen, kann die Unabhängigkeit durch ihr Betrachten als eine innere Eigenschaft sichergestellt werden.
Aus diesen Beziehungen werden Werte aller inneren Eigenschaften, die das Objekt aufweist, unter Verwendung des empfangenen Lichts und von Funktionen zum Angeben der Beiträge der inneren Eigenschaften in jedem Voxel zum empfangenen Licht (den Ausbreitungsfunktionen) durch Gleichungen ausgedrückt, und gestattet die Verwendung dieser Gleichungen, daß die Verteilung des verminderten Streukoeffizienten oder des Absorptionskoeffizienten erhalten wird, wie zum Beispiel in "Forward und Inverse Calculations for 3-D Frequency-Domain Diffuse Optical Tomography" (Brian W. Pogue et al., SPIE Band 2389, Seite 328 bis Seite 338) beschrieben ist. In derartigen Fällen kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch als ein Ableitungsverfahren für den Bezugswert eines Parameters wie etwa die Amplitude oder die Phase des festgestellten Lichts angewendet werden. Demgemäß wird, wenn das Bezugswertableitungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des empfangenen Lichts und der Funktionen zum Angeben der Beiträge zum empfangenen Licht (der Ausbreitungsfunktionen) auf den Vergleichsausdruck und für die inneren Eigenschaften wie etwa den Absorptionskoeffizienten, den verminderten Streukoeffizienten, und den Brechungsindex angewendet wird, eine Quantifizierung dieser inneren Eigenschaften möglich. Beispiele derartiger Vergleichsausdrücke umfassen die nachstehenden Gleichungen. Und zwar sind die nachstehenden Gleichungen (4') und (8'), die Abwandlungen der obigen Gleichungen (4) und (8) sind, Gleichungen, die auf die Erlangung des Absorptionskoeffizienten und des verminderten Streukoeffizienten anwendbar sind.
Ferner sind die nachstehenden Gleichungen (4'') und (8''), die Abwandlungen der obigen Gleichungen (4) und (8) sind, Gleichungen, die auf die Erlangung des Absorptionskoeffizienten, des verminderten Streukoeffizienten, und des Brechungsindex anwendbar sind.
Sogar im Fall des Erhalts einer internen Eigenschaft neigt die Meßgenauigkeit dazu, durch Verwendung von Ausbreitungsfunktionen, die alle inneren Eigenschaften betreffen, welche das festgestellte Licht beeinflussen, verbessert zu werden. Demgemäß gibt es, wenn das gemessene Objekt den Absorptionskoeffizienten, den verminderten Streukoeffizienten, den Brechungsindex, und so weiter als innere Eigenschaften aufweist, wie ein lebender Körper, einige Fälle, bei denen die Verwendung zumindest der Ausbreitungsfunktionen, die dem mittleren Wert des Absorptionskoeffizienten und dem mittleren Wert des verminderten Streukoeffizienten (im Fall der Durchführung einer zeitaufgelösten Messung dem mittleren Wert des Absorptionskoeffizienten, dem mittleren Wert des verminderten Streukoeffizienten und dem mittleren Wert des Brechungsindex) entsprechen, sogar in dem Fall bevorzugt ist, wenn nur die Verteilung des Absorptionskoeffizienten dargestellt wird.
Als nächstes ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die in 4 gezeigte Vorrichtung ist mit zwölf Faseroptikhaltern 1 bis 12 (die, falls nötig, als Ganzes auch als "Lichtleitfaserhaltergruppe" bezeichnet werden) versehen, und die Faseroptikhalter 1 bis 12 sind in gleichen Abständen um einen Querschnitt des Streuungsmediums SM angeordnet (in der in 4 gezeigten Vorrichtung sind sie an Linien angeordnet, die sich jeweils radial in Abständen von 30 Grad von der Mitte des Streuungsmediums SM erstrecken) und sind im Uhrzeigersinn mit den Zahlen 1 bis 12 bezeichnet.
Jeder Faseroptikhalter 1 bis 12 weist eine Lichteinfallsfaser 1a bis 12a und eine Lichtfeststellfaser 1b bis 12b auf. Die Lichteinfallsfaser 1a bis 12a und die Lichtfeststellfaser 1b bis 12b können in einer solchen Struktur aufgebaut sein, daß sie wie in 4 gezeigt parallel gebündelt sind, sie können aber auch in einer solchen gebündelten Struktur gebildet sein, daß mehrere Lichtfeststellfasern 1b (Bündelfasern) wie in 5A gezeigt eine Lichteinfallsfaser 1a umgeben, oder in einer solchen Struktur gebildet sein, daß eine Lichteinfallsfaser 1a und eine Lichtfeststellfaser 1b wie in 5B gezeigt durch eine optische Kopplung 1c in der Faseroptikhalter gekoppelt sind. Die Anwendung der in 5A und 5B gezeigten Strukturen wird zu einer Neigung, Fehler zu verringern, führen, da verglichen mit dem Fall, bei dem die beiden Fasern senkrecht in zwei Stufen oder waagerecht in zwei Spalten angeordnet sind, nur eine Faserendfläche mit dem Umfang des Streuungsmediums SM in Kontakt steht, wodurch eine Positionsabweichung zwischen dem Ende der Lichteinfallsfaser und der Lichtfeststellfaser unterdrückt wird.
Eine Lichtquelle 30 ist durch einen Wellenlängenwähler 20 optisch mit den Lichteinfallsfasern 1a bis 12a verbunden. Dann wird Licht, das von der Lichtquelle 30 ausgestrahlt wird, einer Wellenlängenauswahl im Wellenlängenwähler 20 unterzogen, um durch die Lichtleitfaserhalter 1 bis 12 zur Oberfläche des Streuungsmediums SM, das ein zu messendes Objekt darstellt, einzufallen. Die Lichtquelle 30 kann aus verschiedenen Quellen einschließlich Leuchtdioden, Laserdioden, He-Ne-Lasern und so weiter gewählt werden. Die Lichtquelle 30 kann eine Lichtquelle zum Erzeugen von Impulslicht oder Rechteckwellenlicht oder einem modulierten Licht davon sein.
Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Lichtquelle 30 kann eine Lichtquelle zum Ausstrahlen von Licht (gemessenem Licht) mit einer einzelnen Wellenlänge sein, ist aber vorzugsweise eine Lichtquelle, die fähig ist, Licht mit zwei oder mehr Wellenlängen auszustrahlen. Die Wellenlänge des Lichts, das zum Messen verwendet wird, wird abhängig von einem gemessenen Objekt passend gewählt. Im Allgemeinen wird im Fall von lebenden Körpern von den Absorptionseigenschaften von Hämoglobin und dergleichen her die Verwendung von Licht mit 700 oder mehr nm bevorzugt und das sichtbare Licht oder das Licht des nahen Infrarot besonders bevorzugt. Wenn das Objekt zum Beispiel mit Sauerstoff gesättigtes Hämoglobin und sauerstoffarmes Hämoglobin ist, gestattet aufgrund deren wie in 6 gezeigter unterschiedlicher Absorptionskoeffizienten die Verwendung richtig gewählter Wellenlängen, daß sie unter Trennung gemessen werden.
Ein Detektor 40 ist optisch mit den Lichtfeststellfasern 1b bis 12b verbunden. Dann wird Licht (Meßlicht), das im Streuungsmedium SM als gestreut übertragen wird, durch die Lichtfeststellfaser 1b bis 12b der Faseroptikhalter 1 bis 12 zum Detektor 40 geführt, und wandelt der Photodetektor 40 ein Signal des empfangenen Lichts in ein verstärktes Feststellsignal (elektrisches Signal) um und gibt er das Feststellsignal, das jeder Faser entspricht, aus. Der Photodetektor 40 kann aus allen Arten von Photodetektoren einschließlich Photovervielfacherröhren, Photozellen, Photodioden, Lawinenphotodioden, PIN-Photodioden und so weiter gewählt werden. Der Punkt bei der Wahl des Photodetektors 40 ist, daß der Detektor spektrale Empfindlichkeitseigenschaften aufweist, die fähig sind, Licht der Wellenlänge des verwendeten Meßlichts festzustellen. Wenn die Lichtsignale schwach sind, wird bevorzugt, einen Photodetektor mit hoher Empfindlichkeit oder hohem Verstärkungsgrad zu verwenden. Es ist erwünscht, die anderen Stellen außer den lichtempfangenden Oberflächen der Lichtfeststellfasern 1b bis 12b und des Photodetektors so auszuführen, daß sie Licht absorbieren oder abschirmen. Falls das Licht, das sich im Inneren des Streuungsmediums SM diffus ausgebreitet hat, Licht mit mehreren Wellenlängen beinhaltet, kann, falls nötig, ein Wellenlängenauswahlfilter (nicht veranschaulicht) zwischen dem Photodetektor 40 und dem Streuungsmedium SM angeordnet werden.
Eine Steuereinheit 50 ist mit der Lichtquelle 30 und dem Detektor 40 verbunden, und die Auswahl der Faseroptikhalter 1 bis 12, die beim Einfallen oder beim Annehmen verwendet werden, wird durch die Steuereinheit 50 vorgenommen. Und zwar führt die Steuereinheit 50 eine derartige Steuerung durch, daß das Meßlicht in konstanten Zeitabständen aufeinanderfolgend (z.B., 1a–2a–3a– ... –12a) von den Lichteinfallsfasern in das Streuungsmedium SM einfällt, und eine derartige Steuerung durch, daß das Meßlicht im Gleichlauf damit von den Lichtfeststellfasern festgestellt wird, die sich in der vorbestimmten Positionsbeziehung in Bezug auf die Lichteinfallsfasern befinden, durch die das Meßlicht eingefallen ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Meßlicht von jeder aller Lichtfeststellfasern an Stellen, die von der Einfallsfaser, durch die das Meßlicht ein gefallen ist, unterschiedlich sind, festgestellt (zum Beispiel von den Lichtfeststellfasern 2b bis 12b, falls es sich bei der Lichteinfallsfaser um 1a handelt), doch muß die Kombination nicht ausdrücklich auf eine derartige Kombination beschränkt sein.
Wenn das Meßlicht, das mehrere Wellenlängen aufweist, verwendet wird, wird eine Wellenlänge des Meßlichts, das ausgesendet werden soll, ebenfalls durch die Steuereinheit 50 gesteuert. Besondere Techniken umfassen eine Technik zur Verwendung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, die in Zeitteilung ausgesendet werden, und eine Technik zur Verwendung von Licht, das wie nachstehend beschrieben gleichzeitig Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweist. Besondere Wellenlängenauswahlmittel umfassen eine Lichtstrahlschaltvorrichtung, die einen Spiegel verwendet, eine Wellenlängenschaltvorrichtung, die einen Filter verwendet, eine Lichtschaltvorrichtung, die einen optischen Schalter verwendet, und so weiter (7A).
Die obigen Lichteinfallsfasern 1a bis 12a, der Wellenlängenwähler 20, die Lichtquelle 30 und die Steuereinheit 50 bilden das Lichteinfallsmittel nach der vorliegenden Erfindung, während die obigen Lichtfeststellfasern 1b bis 12b, der Detektor 40 und die Steuereinheit 50 das Lichtfeststellmittel nach der vorliegenden Erfindung bilden.
Eine Verarbeitungseinheit (zum Beispiel eine ZVE) 60 ist elektrisch mit der Steuereinheit 50 verbunden, und eine Speichereinheit (zum Beispiel eine Festplatte oder eine Diskette) 70 und eine Anzeigeeinheit (zum Beispiel eine Anzeige oder ein Drucker) 80 sind elektrisch mit der Verarbeitungseinheit 60 verbunden. Ein Feststellsignalausgang vom Detektor 40 wird durch die Steuereinheit 50 zur Verarbeitungseinheit 60 geführt.
Die obige Verarbeitungseinheit 60 und die Speichereinheit 70 bilden ein Meßwerterlangungsmittel, ein Mittel zum Berechnen eines Bezugswerts, ein Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft, ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten, ein Mittel zum Berechnen der Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils, ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten, und ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Brechungsindex nach der vorliegenden Erfindung, während die obige Anzeigeeinheit 80 ein Bilddarstellungsmittel bildet. Diese Mittel nach der vorliegenden Erfindung werden auf Basis des in 8 gezeigten Ablaufdiagramms einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
1) Beim in 8 gezeigten Verfahren werden zuerst Meßdaten (I_d1{M, m}) durch optische CT wie nachstehend beschrieben erlangt (S100). Hier stellt M eine Anzahl von Lichteinfallsfasern und m eine Anzahl von Lichtfeststellfasern dar.
Im Besonderen fällt das Meßlicht von den Lichteinfallsfasern 1a bis 12a aufeinanderfolgend in das Streuungsmedium SM ein, und jedes Meßlicht, das als im Streuungsmedium SM gestreut übertragen wurde, wird aufeinanderfolgend oder gleichzeitig von allen Lichtfeststellfasern, die sich an Positionen befinden, die von der Lichteinfallsfaser, durch die das Meßlicht eingefallen ist (Zum Beispiel von den Lichtfeststellfasern 2b bis 12, falls die Lichteinfallsfaser 1a ist) verschieden sind, festgestellt. Zum gleichzeitigen Feststellen der jeweiligen Meßlichtstrahlen müssen Photodetektoren 40 in jener Anzahl, die der Anzahl von Lichtfeststellfasern entspricht, vorbereitet werden.
Dann gibt der Photodetektor 40 auf Basis jedes Meßlichts, das durch jede Lichtfeststellfaser festgestellt wurde, ein Feststellsignal aus. Dann wird jedes dieser Feststellsignale in der Verarbeitungseinheit 60 verarbeitet, um in einen gemessenen Wert umgewandelt zu werden, der in einem Verhältnis zu jeder festgestellten Lichtmenge des festgestellten Meßlichts steht, und die erhaltenen gemessenen Werte werden zeitweilig in der Speichereinheit 70 gespeichert. Im Besonderen führt die Verarbeitungseinheit 60 eine Integrationsarithmetik in einer Zeitdomäne für die Feststellsignale durch, wobei sie ein Signal verwendet, das mit der Erzeugung von Licht von der Lichtquelle 30 synchron ist, und erhält sie dadurch gemessene Werte, die in einem Verhältnis zu Mengen festgestellten Lichts stehen. Das synchrone Signal kann jedoch weggelassen werden, wenn Impulslicht oder dergleichen verwendet wird. Der arithmetische Prozeß dieser Art kann durch einen Mikrocomputer oder dergleichen, der im Verarbeitungsmittel enthalten ist, mit Hochgeschwindigkeit ausgeführt werden. Ebenso kann die Verarbeitungseinheit 60 so eingerichtet sein, daß die gemessenen Werte unter Verwendung einer mittelwertbildenden Filterung, einer Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadratmethode oder dergleichen korrigiert werden.
2) Als nächstes extrahiert die Verarbeitungseinheit 60 mehrere gemessene Werte, die durch mehrere Kombinationen von Lichteinfallsfasern mit Lichtfeststellfasern, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, erhalten wurden, und berechnet sie einen Bezugswert (I_d0{M, m}), der ein mittlerer Wert dieser gemessenen Werte ist (S110).
Und zwar erhält die Verarbeitungseinheit 60, um den Bezugwert zum Erlangen eines Veränderungsausmaßes im Absorptionskoeffizienten oder dergleichen zu erhalten, den mittleren Wert der gemessenen Werte für jedes Paar von Lichteinfalls- und Lichtfeststellpositionen, deren Positionsbezie hung des Lichteinfalls und der Lichtfeststellung verhältnismäßig identisch ist.
Bei besonderer Beschreibung auf Basis von 4, zum Beispiel, sind im Fall einer Positionsbeziehung, bei der ein Winkel, der durch die Lichteinfallsfaser, die Mitte des Streuungsmediums SM und die Lichtfeststellfaser gebildet wird, 180 Grad beträgt, Kombinationen von Lichteinfalls- und Lichtfeststellpositionen, die verhältnismäßig identisch sind, (1, 7), (2, 8), (3, 9), (4, 10), (5, 11), und (6, 12), wenn sie durch (Nummer des Lichteinfallshalters, Nummer des Lichtfeststellhalters) ausgedrückt werden. Wenn der Reziprozitätssatz von Licht nicht gilt, ist es nötig, die gegenüberliegenden Kombinationen von Lichteinfalls- und Lichtfeststellpositionen in Betracht zu ziehen.
Wenn die jeweiligen gemessenen Werte I(1, 7), I(2, 8), I(3, 9), I(4, 10), I(5, 11), und I(6, 12) sind, ist ihr mittlerer Wert durch die folgende Gleichung gegeben: I(ave_180) = {I(1, 7) + I(2, 8) + I(3, 9) + I(4, 10) + I(5, 11) + I(6, 12)}/6Dieses I(ave_180) ist als ein Bezugswert definiert, wenn die Positionsbeziehung von Lichteinfall und Lichtfeststellung 180 Grad beträgt.
In der gleichen Weise werden auch I(ave_150), I(ave_120), I(ave_90), I(ave_60), und I(ave_30) erhalten, und diese mittleren Werte werden als Bezugswerte in den obigen jeweiligen Positionsbeziehungen zeitweilig in der Speichereinheit 70 gespeichert.
3) Als nächstes kann bei der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der Photonendiffusionstheorie oder dergleichen auf Basis der Bezugswerte in den obigen jeweiligen Positionsbeziehungen und dergleichen der mittlere Absorpti onskoeffizient μ_a0 und der mittlere verminderte Streukoeffizient μ'_s0 erhalten werden (S120).
Im Besonderen werden innere Absorptionskoeffizienten und verminderte Streukoeffizienten aus den Bezugswerten jedes Winkels erhalten, werden ferner ihre mittleren Werte berechnet, und werden sie als mittlerer Absorptionskoeffizient μ_a0 und mittlerer verminderter Streukoeffizient μ'_s0 im Inneren des Streuungsmediums SM zeitweilig in der Speichereinheit 70 gespeichert. Es kommt zu keiner Ungelegenheit, wenn der mittlere Absorptionskoeffizient μ_a0 und der mittlere verminderte Streukoeffizient μ'_s0 im Inneren des Streuungsmediums SM nur aus dem Bezugswert eines der Winkel, zum Beispiel nur dem Wert von I(ave_180), erhalten wird.
Ein Verfahren zum Erhalten des Absorptionskoeffizienten und des verminderten Streukoeffizienten im Inneren des Streuungsmediums SM aus den obigen Bezugswerten ist, zum Beispiel, das in "Imaging diffusive media using time-independent and time-harmonic sources; dependence of image quality on imaging algorithms, target volume weight matrix, and view angles" (Jenghwa Chang et al., SPIE Band 2389) beschriebene Verfahren.
4) Als nächstes wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine Ausbreitungsfunktion (Wθ) gewählt, die dem obigen mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 und mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 entspricht (S130).
Und zwar wird eine Ausbreitungsfunktion, die zum oben erhaltenen mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 und mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 paßt, aus Ausbreitungsfunktionen gewählt, die vorbereitend angefertigt und in der Speichereinheit 70 gespeichert wurden. Da die Ausbreitungsfunktion auf Basis des Absorptionskoeffizienten und des verminderten Streukoeffizienten, die aus den tat sächlich gemessenen Werten erhalten wurden, gewählt wird, können in diesem Fall Fehlerfaktoren verglichen mit dem Fall, der jene Werte verwendet, die als geeignet angenommen werden, beseitigt werden.
Diese "Ausbreitungsfunktion" bedeutet eine Funktion, um den Weg der Ausbreitung des Lichts (Meßlichts) in jedem Voxel anzugeben, und ist eine Vorstellung, die mit einer sogenannten Gewichtsfunktion hinsichtlich der wirksamen optischen Weglänge in jedem Voxel und einer sogenannten Beitragsfunktion hinsichtlich eines Grads des Beitrags zum Meßlicht in jedem Voxel verbunden ist. Die Ausbreitungsfunktion nach der vorliegenden Erfindung kann entweder die obige Gewichtsfunktion oder die Beitragsfunktion sein. Eine derartige Ausbreitungsfunktion ist, zum Beispiel, in "A Perturbation Model for Imaging in Dense Scattering Media: Derivation and Evaluation of Imaging Operation" (H. L. Graber et al., SPIE Band IS11), "Initial assessment of a simple system for frequency domain diffuse optical tomography" (B. W. Pogue et al., Phys. Med. Biol. 40 (1995) Seite 1709 bis Seite 1729), und der Japanischen Patentanmeldung Nr. 8-6619 der vorliegenden Erfinder mit der Bezeichnung "Optical CT apparatus and image reconstructing method by optical CT" beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausbreitungsfunktionen nach dem Herstellungsverfahren, das in der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-6619 beschrieben ist, unter Verwendung der Photonendiffusionsgleichung ohne Zeitglieder wie nachstehend beschrieben vorbereitend angefertigt: ΔΦ – μaD–1Φ = 0
Hierbei ist D = 1/{3(1 – g)μ_a} = 1/3μ'_s, wobei Φ die Dichte der Photonen ist, D die Photonendiffusionskonstante ist, μ_a der Absorptionskoeffizient ist, μ'_s der verminderte Streukoeffizient ist, und g der mittlere Kosinus des Streuungswinkels der Photonen aufgrund des Streuungsmediums ist.
Ferner zeigt das Folgende die Photonendiffusionsgleichung mit Zeitgliedern, die bevorzugt beim Erhalten der Brechungsindexverteilung verwendet wird:
Hier ist D(r) = 1/{3(1 – g)μ_a(r)} = 1/3μ'_s(r), Φ(r, t) die Dichte der Photonen an der Position r und zur Zeit t, C die Geschwindigkeit des Lichts im Medium, D die Photonendiffusionskonstante, μ_a der Absorptionskoeffizient, s(r, t) die Lichtquelle, μ'_s der verminderte Streukoeffizient, t die Zeit, r die Position, und g der mittlere Kosinus des Streuungswinkels der Photonen aufgrund des Streuungsmediums. Wenn C' die Geschwindigkeit des Lichts in einem Vakuum ist, und n ein Brechungsindex eines gemessenen Objekts ist, ist C = C'n.
Eine Ausbreitungsfunktion, die auf den mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 und den mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 paßt, ist im Besonderen eine Funktion, um den Weg der Ausbreitung des Lichts anzugeben, der erhalten würde, wenn die gleiche relative Beziehung der Lichteinfalls- und der Lichtfeststellpositionen wie bei der tatsächlichen Messung für ein Objekt festgesetzt würde, das den gleichen mittleren Absorptionskoeffizienten und mittleren verminderten Streukoeffizienten wie den mittleren Absorptionskoeffizienten und den mittleren verminderten Streukoeffizienten des gemessenen Objekts aufweist und die gleiche Form wie jene des gemessenen Objekts aufweist, welche Funktion auf Basis des mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 und des mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 und dergleichen gewählt wird.
Die Speichereinheit 70 kann eingerichtet sein, um ein Korrekturglied zum Korrigieren von Verzerrungen zu speichern, die auftreten, wenn das Objekt in mehrere Blöcke (Voxel) geteilt wird, und in diesem Fall können die oben erwähnten gemessenen Werte und/oder die oben erwähnten Bezugswerte in der Verarbeitungseinheit 60 korrigiert werden (S140). Diese Korrektur bezüglich der Voxel ist von einer solchen Art, daß, wenn zum Beispiel die gesamten Entfernungen an den Voxeln abhängig vom Schnittweg der Voxel unterschiedlich sind, obwohl zum Beispiel die Entfernung zwischen der Lichteinfallsposition a und den Lichtfeststellpositionen b, c die gleiche ist, ein Unterschied zwischen ihnen als ein Korrekturglied für die gemessenen Werte und/oder die Bezugswerte verwendet wird.
5) Anschließend berechnet die Verarbeitungseinheit 60 unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die oben erwähnten mehreren Kombinationen erhalten wurden, der oben erwähnten Bezugswerte, und der oben erwähnten Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß Δμ_a im Absorptionskoeffizienten in jedem oben erwähnten Bereich der unterteilten mehreren Bereiche (S150), und gibt dieses aus (S160).
Im Besonderen wird unter Verwendung des obigen Bezugswerts jedes Winkels, der obigen gemessenen Werte, und der obigen Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß im Absorptionskoeffizienten erhalten. Die Beziehung, die bei dieser Gelegenheit gilt, ist bei Betrachtung in Übereinstimmung mit der obigen Gleichung (4) von einer solchen Art, daß der Bezugswert I_d0 zum Beispiel dort, wo die Positionsbeziehung von Lichteinfall und Lichtfeststellung 180 Grad ist, I(ave_180) ist, und die gemessenen Werte I_d1 I(1, 7), I(2, 8), I(3, 9), I(4, 10), I(5, 11), und I(6, 12) sind. Zu dieser Zeit ist der Absorptionskoeffizient des Bezugswerts I_d0 der mittlere Absorptionskoeffizient des Inneren des Streuungsmediums SM. Wenn, ferner, angenommen Wθ die Ausbreitungsfunktion ist, wo die Positionsbeziehung von Lichtein fall und Lichtfeststellung 180 Grad ist, gelten die nachstehenden Gleichungen (4-1) bis (4-6), und wenn diese gekoppelten Gleichungen (die gekoppelten Gleichungen der obigen Gleichung (8)) für jede Positionsbeziehung erhalten werden (d.h., gekoppelte Gleichungen mit der gleichen Anzahl wie der Anzahl der Unbekannten) und sie gelöst werden, ergibt sich das Veränderungsausmaß Δμ_a im Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich.
Um eine räumliche Verteilung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten oder eine räumliche Verteilung der Konzentrationsänderung im Inneren des Streuungsmediums SM zu erhalten, können die somit geltenden Beziehungen mit ge koppelten Gleichungen mit der gleichen Anzahl wie der Anzahl von Voxeln (Volumenelementen), die durch Teilen des Inneren des Streuungsmediums SM erhalten wurden, gelöst werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die konjugierte Gradientenmethode eingesetzt. Sogar, wenn die Anzahl der Gleichungen kleiner oder größer als die Anzahl der Voxel ist, wird durch Verwenden des Singulärwertzerlegungsmethode oder dergleichen eine Verteilung der inneren Eigenschaft erhalten werden, da sie ein singuläres Problem zu einem nichtsingulären Problem verändert.
Eine Absorptionsverteilung hinsichtlich von Veränderungsausmaßen des Absorptionskoeffizienten im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen Veränderungsausmaßes Δμ_a im Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S170).
Es gibt eine Vielfalt anderer Verfahren, die als Verfahren zum Erhalten der Absorptionsverteilung aus dem Berechnungsverfahren von Δμ_a in der Verarbeitungseinheit 60 und zum Darstellen des Bilds wie oben beschrieben bekannt sind. Derartige Verfahren sind, zum Beispiel, in "Optical Back Projection Tomography in Heterogeneous Diffusive Media" (S. B. Cloak et al., in Advances in Optical Imaging and Photon Migration, 1996 Technical Digest; Optical Society of America, Washington DC, 1996, Seite 147 bis 149), "Back-projection image reconstruction using photon density wave in tissues" (S. A. Walker et al., SPIE Band 2389, Seite 350, 1995), "Optical tomography by the temporally extrapolated absorbance method" (Ichiro Oda et al., APPLIED OPTICS, 35. Jahrgang, Nr. 01, 1996) beschrieben. Diese Verfahren sind Rückprojektionsverfahren oder Abänderungen davon, die Verfahren zum Rekonstruieren von Bildern sind, anstelle des obigen Algorithmus.
Es ist auch möglich, aus dem obigen Veränderungsausmaß Δμ_a im Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich unter Verwendung eines bekannten molaren Absorptionskoeffizienten des absorptionsfähigen Bestandteils einen absoluten Wert eines Konzentrationsunterschieds eines absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich zu berechnen (S80), eine Verteilung hinsichtlich von Konzentrationsunterschieden des absorptionsfähigen Bestandteils im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen absoluten Werts des Konzentrationsunterschieds des absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S190).
Ferner ist es möglich, unter Verwendung des obigen Veränderungsausmaßes Δμ_a im Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich und des obigen mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 einen absoluten Wert μ_a des Absorptionskoeffizienten in jedem obigen Bereich zu berechnen (S200), eine Verteilung hinsichtlich der absoluten Werte des Absorptionskoeffizienten im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen absoluten Werts μ_a des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S210).
Außerdem ist es ferner möglich, unter Verwendung des bekannten molaren Absorptionskoeffizienten des absorptionsfähigen Bestandteils aus dem obigen absoluten Wert μ_a des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich zu berechnen (S220), eine Verteilung hinsichtlich von Konzentrationen des absorptionsfähigen Bestandteils im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis der so erhaltenen Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S230).
Wenn das Streuungsmedium SM zumindest zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, zum Beispiel, wenn das Streuungsmedium mit Sauerstoff gesättigtes sowie sauerstoffarmes Hämoglobin enthält, wird durch Verwenden von Meßlicht, das zumindest zwei Wellenlängen aufweist, die sich im Absorptionskoeffizienten gegenüber diesen absorptionsfähigen Bestandteilen voneinander unterscheiden, Erhalten der obigen gemessenen Werte und der obigen Bezugswerte für jede der Meßlichtkomponenten, die die jeweiligen Wellenlängen aufweisen, und darauf beruhendes Erhalten des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten und des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten für jede der Meßlichtkomponenten, die die jeweiligen Wellenlängen aufweisen, eine Konzentrationsverteilung jedes absorptionsfähigen Bestandteils erhalten.
Nachstehend ist eine Messung der Konzentration von Hämoglobin unter Verwendung der obigen Zwei-Wellenlängen-Spektroskopie beschrieben.
Die wichtigsten absorptionsfähigen Bestandteile in einem Säugetiergehirn sind Wasser, Zytochrom, und sauerstoffreiches sowie sauerstoffarmes Hämoglobin. Die Absorption von Wasser und Zytochrom im Bereich des nahen Infrarot ist in Bezug auf sauerstoffreiches sowie sauerstoffarmes Hämoglobin so gering, daß sie beinahe unbedeutend ist. Sauerstoffreiches sowie sauerstoffarmes Hämoglobin weisen wie in 6 gezeigt unterschiedliche Absorptionsspektren auf. Außerdem kann der Schädel als ein Streuungsmedium in Bezug auf Strahlen des nahen Infrarot betrachtet werden.
Wenn, angenommen, die Absorptionskoeffizienten μ_a1 und μ_a2 für Licht mit zwei Wellenlängen, den Wellenlängen λ₁ und λ₂, durch das bisher in den obigen Abschnitten beschriebene Verfahren erhalten wurden, gelten nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz die folgenden Gleichungen: μa1 = ∊Hb,1[Hb] + ∊HbO,1[HbO] μa2 = ∊Hb,2[Hb] + ∊HbO,2[HbO]wobei
∊_Hb,1 der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1·M^–1] von sauerstoffarmem Hämoglobin bei der Wellenlänge λ₁ ist;
∊_HbO,1 der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1·M^–1 von sauerstoffreichem Hämoglobin bei der Wellenlänge λ₁ ist;
∊_Hb,2 der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1·M^–1 von sauerstoffarmem Hämoglobin bei der Wellenlänge λ₂ ist;
∊_HbO,2 der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1·M^–1 von sauerstoffreichem Hämoglobin bei der Wellenlänge λ₂ ist;
[Hb] die molare Konzentration [M] von sauerstoffarmem Hämoglobin ist;
[HbO] die molare Konzentration [M] von sauerstoffreichem Hämoglobin ist.
Daher kann die molare Konzentration [Hb] von sauerstoffarmem Hämoglobin und die molare Konzentration [HbO] von sauerstoffreichem Hämoglobin aus den bekannten Parametern ∊_Hb,1 ∊_HbO,1, ∊_Hb,2, ∊_HbO,2 und den aus den gemessenen Werten berechneten Werten μ_a1 und μ_a2 erhalten werden.
Die Quantifizierung der jeweiligen Konzentrationen von drei Komponenten, deren Absorptionsspektren bekannt sind, wie in dem Fall, in dem zusätzlich zum obigen Fall Zytochrom in Betracht gezogen wird, kann unter Verwendung von Licht mit drei oder mehr Wellenlängen durchgeführt werden. Im Allgemeinen können Konzentrationen von n Bestandteilen, deren Absorptionsspektren bekannt sind, in der gleichen Weise wie oben aus gemessenen Werten des Absorptionskoeffizienten bei n oder (n + 1) Wellenlängen quantitativ gemessen werden.
Da, ferner der Grad der Sättigung Y Y = [HbO]/([Hb] + (HbO] ) ist, kann unter Verwendung von μa1/μa2 = [∊Hb,1 + Y(∊HbO,1 – ∊Hb,1)] + [∊Hb,2 + Y(∊HbO,2 – ∊Hb,2)der Grad der Sättigung Y leicht aus den bekannten Parametern ∊_Hb,1, ∊_HbO,1, ∊_Hb,2, ∊_HbO,2 und den aus den gemessenen Werten berechneten Werten μ_a1 und μ_a2 berechnet werden.
Beim obigen Verfahren gestattet die vorliegende Erfindung, daß die Absorptionskoeffizienten μ_a1 und μ_a2 für das Licht mit jeder Wellenlänge mit Genauigkeit erhalten werden, so daß jede Konzentration ebenfalls mit Genauigkeit erlangt werden kann. Die obigen Gleichungen können mit der Verwendung der Wellenlänge (800 nm, isosbestische Wellenlänge), die den gleichen Wert der Absorption für sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin zeigt, weiter vereinfacht werden.
Das Vorhergehende beschrieb die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, doch wird angemerkt, daß die vorliegende Erfindung natürlich keineswegs auf die obige Ausführungsform beschränkt ist.
Im Besonderen wurde die obige Ausführungsform eingerichtet, um den Absorptionskoeffizienten als eine innere Eigenschaft zu erhalten, doch kann die vorliegende Erfindung wie vorher beschrieben auch auf die Messung des verminderten Streukoeffizienten angewendet werden. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform, um den Absorptionskoeffizienten und den verminderten Streukoeffizienten zu erhalten.
Beim Verfahren, das in 9 gezeigt ist, wird die Messung des Absorptionskoeffizienten in der gleichen Weise wie beim in 8 gezeigten Verfahren durchgeführt, doch beim Wählen der Ausbreitungsfunktion (Wθ), die mit dem mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0 und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 verbunden ist, wird vorzugsweise die Ausbreitungsfunktion (Wμ_a,j) für den Absorptionskoeffizienten und die Ausbreitungsfunktion (Wμ'_s,j) für den verminderten Streukoeffizienten gewählt (S130).
Dann berechnet die Verarbeitungseinheit 60 unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, der Bezugswerte, und der Ausbreitungsfunktion das Veränderungsausmaß Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich der unterteilten mehreren Bereiche (S240), und gibt dieses aus (S250). Im Besonderen wird auf Basis der vorher beschriebenen Gleichung (4') unter Verwendung des Bezugswerts jedes Winkels, der gemessenen Werte, der Ausbreitungsfunktionen, und des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten das Veränderungsausmaß des verminderten Streukoeffizienten erhalten. Konkreter gelten gekoppelte Gleichungen auf Basis von Gleichung (4') in der gleichen Weise wie die vorher beschriebenen Gleichungen (4-1) bis (4-6), und diese gekoppelten Gleichungen werden für jede Positionsbeziehung erstellt und gelöst, wodurch das Veränderungsausmaß Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird.
Eine Verteilung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen Veränderungsausmaßes Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S260).
Ferner ist es möglich, unter Verwendung des obigen Veränderungsausmaßes Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich und des mittleren verminderten Streukoeffizienten Δμ'_s0 den absoluten Wert Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich zu berechnen (S270), eine Verteilung hinsichtlich der absoluten Werte des verminderten Streukoeffizienten im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen absoluten Werts Δμ'_s des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S280).
Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auch auf die Messung des Brechungsindex angewendet werden, und 10 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform zum Erhalten des Absorptionskoeffizienten, des verminderten Streukoeffizienten, und des Brechungsindex.
Beim Verfahren, das in 10 gezeigt ist, wird die Messung des Absorptionskoeffizienten und des verminderten Streukoeffizienten in der gleichen Weise wie bei den in 8 und 9 gezeigten Verfahren durchgeführt, doch beim Erhalten des mittleren Absorptionskoeffizienten Δμ'_a0 und des mittleren verminderten Streukoeffizienten Δμ'_s0 auf Basis des Bezugswerts oder dergleichen in jeder Positionsbeziehung wird auch ein mittlerer Brechungsindex n₀ erhalten (S120). Es kann jedoch der Brechungsindex von Wasser (1,33) als der mittlere Brechungsindex n₀ verwendet werden. Beim Wählen der Ausbreitungsfunktion (Wθ) wird vorzugsweise die Ausbreitungsfunktion (Wμ_a,j) für den Absorptionskoeffizienten, die Ausbreitungsfunktion (Wμ'_s,j) für den verminderten Streukoeffizienten, und die Ausbreitungsfunktion (W_n,j) für den Brechungsindex gewählt (S130).
Dann berechnet die Verarbeitungseinheit 60 unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, der Bezugswerte, und der Ausbreitungsfunktion das Veränderungsausmaß Δn des Brechungsindex in jedem Bereich der wie oben beschrieben unterteilten mehreren Bereiche (S290), und gibt dieses aus (S300). Im Besonderen wird auf Basis der vorher beschriebenen Gleichung (4'') unter Verwendung des Bezugswerts jedes Winkels, der gemessenen Werte, der Ausbreitungsfunktionen, des Ver änderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten, und des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten das Veränderungsausmaß des Brechungsindex erhalten. Konkreter gelten gekoppelte Gleichungen auf Basis von Gleichung (4'') in der gleichen Weise wie die vorher beschriebenen Gleichungen (4-1) bis (4-6), und diese gekoppelten Gleichungen werden für jede Positionsbeziehung erstellt und gelöst, wodurch das Veränderungsausmaß Δn des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet wird.
Eine Verteilung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen Veränderungsausmaßes Δn des Brechungsindex in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S310).
Ferner ist es möglich, unter Verwendung des obigen Veränderungsausmaßes Δn des Brechungsindex in jedem Bereich und des mittleren Brechungsindex n₀ den absoluten Wert n des Brechungsindex in jedem obigen Bereich zu berechnen (S320), eine Verteilung hinsichtlich der absoluten Werte des Brechungsindex im Inneren des gemessenen Objekts wird auf Basis des so erhaltenen absoluten Werts n des Brechungsindex in jedem Bereich erhalten, und ein Bild, das die Verteilung angibt, wird in der Anzeigeeinheit 80 dargestellt (S330).
Sobald die Verteilung hinsichtlich der Brechungsindizes auf diese Weise erlangt ist, wird es möglich, eine Verteilung der Blutglukosekonzentration zu erhalten. Ein Verfahren zum Feststellen der Blutglukosekonzentration durch eine Veränderung des Brechungsindex ist, zum Beispiel, das in "Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coefficient of tissues in the near infrared" (John S. Maier et al., OPTICS LETTERS 19. Jahrgang, Nr. 24, 15. Dezember 1994) beschriebene Verfahren. Die Glukosekonzentration von Körpergewebe beeinflußt den Brechungsindex von extrazellulärem Fluid stark, und der ver minderte Streukoeffizient im Gewebe ist stark von einem Indexunterschied zwischen dem extrazellulären Fluid und der Zelle abhängig. Daher wird eine Veränderung im Brechungsindex von extrazellulärem Fluid zu einer Beeinflussung des festgestellten Lichts führen. Es wird somit möglich, durch Erhalten einer Verteilung des Brechungsindex auf Basis des festgestellten Lichts eine Verteilung der Blutzellenkonzentration im Inneren des Gewebes zu erhalten.
Bei der obigen Ausführungsform waren die mehreren Lichteinfalls- und Lichtfeststellpositionen um einen Querschnitt des Streuungsmediums positioniert, doch können die Lichteinfalls- und/oder Lichtfeststellpositionen (die durch P bezeichnet werden) wie in 11 oder 12 stereoskopisch angeordnet werden. Und zwar können, wenn das gemessene Objekt angenommen ein Kopf oder eine Brustdrüse ist, die Lichteinfalls- und/oder Lichtfeststellpositionen nämlich wie in 11 gezeigt angeordnet sein; wenn das gemessene Objekt angenommen ein Arm, ein Bein, eine Brust oder eine Brustdrüse (unter Druck) ist, können die Lichteinfalls- und/oder Lichtfeststellpositionen (P) wie in 12 gezeigt angeordnet sein.
Die obige Ausführungsform setzte die gemessenen Werte der Lichtmenge durch die Zeitintegrationsmethode als gemessene Werte ein, doch die gemessenen Werte, die auf die vorliegende Erfindung anwendbar sind, sind nicht auf diese beschränkt. Zum Beispiel können sie jene des Phasenunterschieds (oder der Phasenverzögerung) oder der Amplitude des Meßlichts sein. Zusätzlich kann eine bestimmte Technik zum Erlangen der gemessenen Werte in der Verarbeitungseinheit 60 abhängig von den gewünschten gemessenen Werten richtig gewählt werden, und derartige Mittel können, zum Beispiel, als Phasenunterschieds- und/oder Amplitudenmessung durch die Phasenmodulationsmethode oder als zeitaufgelöste Wellenformmessung durch die zeitaufgelöste Spektroskopie eingesetzt werden.
Bei der obigen Ausführungsform wurden der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient im Inneren des Streuungsmediums SM aus den Daten erhalten, die nach der vorliegenden Erfindung durch die optische CT-Vorrichtung selbst erhalten wurden, doch ist es auch möglich, den mittleren Absorptionskoeffizienten und den mittleren verminderten Streukoeffizienten im Inneren des Streuungsmediums SM durch eine andere Vorrichtung zu erhalten (S120a), und darauf beruhend die Ausbreitungsfunktion zu wählen (S130a), wie in 13 bis 15 gezeigt ist. Die sonstigen Schritte neben den obigen in 13 bis 15 entsprechen jeweils den Schritten in 8 bis 10. Ein Vorteil in diesem Fall ist die einfache Gestaltung des Systems der optischen CT-Vorrichtung, da, zum Beispiel, Daten, die durch die optische CT-Vorrichtung erhalten werden, durch CW (unpolarisiertes Licht) gemessen werden können, und das Impulslicht oder modulierte Licht nur in der Vorrichtung zum Erhalten des mittleren Absorptionskoeffizienten und des mittleren verminderten Streukoeffizienten verwendet wird. Eine Technik zum Erhalten des mittleren Absorptionskoeffizienten und des mittleren verminderten Streukoeffizienten durch eine andere Vorrichtung kann die Phasenmodulationsmethode oder die zeitaufgelöste Spektroskopie sein.
Verfahren zum Messen des mittleren verminderten Streukoeffizienten μ'_s0 und des mittleren Absorptionskoeffizienten μ_a0, um auf diese Weise die Verteilung des optischen Parameters im Inneren des gemessenen Objekts als gleichmäßig zu betrachten, sind hinsichtlich der zeitaufgelösten Spektroskopie zum Beispiel in "Development of Time Resolved Spectroscopy System for Quantitative Non-invasive Tissue Measurement" M. Miwa et al., SPIE Band 2389, und hinsichtlich der Phasenmodulationsmethode zum Beispiel in der Bekanntmachung der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-221913 beschrieben. Wenn die optische CT-Vorrichtung die obige Technik enthält, wird sie fähig sein, die Berechnung zur gleichen Zeit wie die Erlangung der gemessenen Werte durchzuführen.
Ein anderes Mittel zum Ausstrahlen von Licht in das Streuungsmedium wie etwa einen lebenden Körper als das in 4 und 16B gezeigte Verfahren, das die Lichtleitfasern verwendet, kann jedes beliebige Verfahren sein, das eine Kondensorlinse (16A) oder ein Nadelloch (16C) und so weiter verwendet.
Da die mittlere Diffusionslänge im Streuungsmedium wie etwa einer lebenden Probe ungefähr 2 mm beträgt, wird einfallendes Licht gestreut, bevor es sich etwa 2 mm gerade ausbreitet, wodurch die Richtwirkung des Lichts verloren geht. Daher ist der Einfluß der mittleren Diffusionslänge im Fall von Streuungsmedien mit einer Dicke von einigen cm oder mehr unbedeutend, und kann das Licht daher in einer Punktform zum Einfallen gebracht werden. Es kann auch ein dicker Lichtstrahl zu Einfallen in das Streuungsmedium gebracht werden. In diesem Fall kann der Strahl als mehrere angeordnete Punktlichtquellen betrachtet werden.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der Raum zwischen der Lichteinfallsfaser und der Lichtfeststellfaser und der Oberfläche des Streuungsmediums SM gering. In praktischen Anwendungen kann er vergrößert werden, und kann dieser Raum mit einer Flüssigkeit oder einer gallertartigen Substanz (im Folgenden als ein Grenzflächenmaterial bezeichnet) gefüllt werden, die einen Brechungsindex und einen verminderten Streukoeffizienten aufweist, die denjenigen des Streuungsmediums SM, das ein gemessenes Objekt darstellt, beinahe gleich sind. Es wird kein Problem auftreten, da das Licht nämlich als sich im Grenzflächenmaterial diffus ausbreitend in das gemessene Objekt einfällt. Wenn die Reflexion an der Oberfläche des Streuungsmediums SM nicht unbedeutend ist, kann die richtige Auswahl des Grenz flächenmaterials den Einfluß der Oberflächenreflexion oder dergleichen verringern. Ferner können in einem Fall, bei dem ein Raum zwischen der Lichteinfallsfaser und/oder der Lichtfeststellfaser und der Oberfläche des Streuungsmediums SM wie etwa einer lebenden Probe mit einem derartigen Grenzflächenmaterial gefüllt ist, mehrere Kombinationen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, leicht und sicher erhalten werden.
Ferner wurde die obige Ausführungsform hinsichtlich eines Gesichtspunkts beschrieben, bei dem das Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen als in Zeitteilung ausgestrahlt verwendet wird, doch ist es auch zulässig, ein Verfahren, bei dem Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen durch eine optische Kopplung 35 zu koaxialen Strahlen gekoppelt werden, eine Wellenlänge durch einen Wellenlängenauswahlfilter 20, der unmittelbar vor einem Einfallspunkt des Lichts bereitgestellt ist, gewählt wird, und Licht von jeder Wellenlänge in das Streuungsmedium eintreten gelassen wird, oder ein Verfahren, bei dem die Strahlen so, wie sie sind, parallel in das Streuungsmedium eintreten gelassen werden (7B), einzusetzen. Im letzteren Fall ist es jedoch nötig, das festgestellte Licht wie in 17 gezeigt einer Wellenlängenauswahl durch Wellenlängenauswahlfilter 25a bis 25c, die unmittelbar vor den Photodetektoren 40a bis 40c angeordnet sind, zu unterziehen.
Andere Mittel zum Empfangen und Feststellen des Lichts, das sich diffus im Inneren des Streuungsmediums ausgebreitet hat, als das wie in 4 und 18B gezeigte Verfahren, das die Lichtleitfasern verwendet, können ein direktes Feststellverfahren (18A), ein Verfahren, das eine Linse verwendet (18C), und so weiter sein.
Wenn Signale, die durch den Photodetektor 40 erhalten werden, mit schwachem Rauschen verstärkt werden müssen, kann ein Schmalbandverstärker (19A), ein Lock-in-Verstärker (19B), oder dergleichen verwendet werden. Falls der Lock-in-Verstärker verwendet wird, wird das oben erwähnte synchrone Signal als ein Bezugssignal verwendet. Dieses Verfahren ist zum Durchführen einer Messung in einem Bereich mit hoher Dynamik unter Verwendung des Rechteckwellenlichts oder des Impulslichts wirksam.
Ferner wurden bei der obigen Ausführungsform mehrere Lichteinfallsfasern und Lichtfeststellfasern um das Streuungsmedium herum angeordnet und wurden die Lichteinfallsposition und die Lichtfeststellposition durch aufeinanderfolgendes Verändern der Fasern, die jeweils für den Lichteinfall und die Lichtfeststellung verwendet werden, bewegt, doch kann die Lichteinfallsposition und die Lichtfeststellposition zum Streuungsmedium im Gleichlauf abgetastet werden. Diese Anordnung gestattet, daß ein Bild, welches eine Verteilung einer inneren Information angibt, erhalten wird, indem die innere Information jedes Teils des Streuungsmediums erhalten wird, in einem Rahmenspeicher gespeichert wird, und durch ein Fernsehmedium gelesen wird. Ferner gestatten Messungen zu unterschiedlichen Zeiten, daß eine zeitliche Veränderung der inneren Information gemessen wird. Die obenerwähnte Speichereinheit 70 weist eine Funktion zum Speichern der so erhaltenen inneren Information auf, und die Anzeigeeinheit 80 stellt einen Zwischenzustand oder ein Ergebnis davon dar. In diesem Fall können diese arithmetischen Vorgänge durch die Computervorrichtung 60, die mit dem Speicher 70, der Anzeige 80, und so weiter versehen ist, mit Hochgeschwindigkeit ausgeführt werden.
Bei Verwendung noch eines anderen Verfahrens, wie es in der Bekanntmachung der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-221913 oder in der Bekanntmachung der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-129984 beschrieben ist, wobei ein regelmäßig kreisförmiger Halter um das gemessene Objekt herum angeordnet wird und darin die Mes sung vorgenommen wird, werden darin Unterschiede zwischen Einzelpersonen sogar beim Messen des menschlichen Kopfes absorbiert, und kann die Messung in dem Zustand ausgeführt werden, in dem das tatsächliche Meßsystem nahe am Modellsystem liegt, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit führt.
Zumindest zwei Lichteinfallspositionen und zumindest zwei Lichtfeststellpositionen können im Voraus festgelegt werden, so daß die Positionsbeziehungen der Kombinationen der Lichteinfallspositionen und der Lichtfeststellpositionen verhältnismäßig identisch werden. In diesem Fall wird es leicht, an den Kombinationen, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, gemessene Werte zu erhalten und einen mittleren Wert der gemessenen Werte zu berechnen.
Die obige Ausführungsform war ausgerichtet, um die räumliche Verteilung des Absorptionskoeffizienten aus dem bekannten verminderten Streukoeffizienten zu berechnen, doch kann durch die gleiche Technik auch die räumliche Verteilung des verminderten Streukoeffizienten aus dem bekannten Absorptionskoeffizienten erhalten werden. Durch die dieses Mal vorgeschlagene Technik ist es daher möglich, die räumlichen Verteilungen sowohl des Absorptionskoeffizienten als auch des verminderten Streukoeffizienten zu erhalten.
Die obige Ausführungsform benutzte die Photonendiffusionsgleichung als eine Gleichung zum Erhalten der inneren Eigenschaft, doch muß die Gleichung nicht immer darauf beschränkt sein. Zum Beispiel ist es auch zulässig, eine Gleichung zu verwenden, die aus der Tatsache abgeleitet wurde, daß die Absorption von Licht im Inneren des Streuungsmediums als eine Funktion der Ausbreitungsentfernung ausgedrückt werden kann, eine empirisch erhaltene relationale Gleichung zwischen dem festgestellten Licht und der inneren Eigenschaft zu verwenden, oder dergleichen.
Wenn eine Korrelation zwischen einer Krankheit oder einem Körperzustand und dem festgestellten Licht erzielt wird, wird es die vorliegende Erfindung ermöglichen, nützliche Informationen direkt vom festgestellten Licht zu erlangen. Wenn, zum Beispiel, die Korrelation zwischen einer Veränderung des festgestellten Lichts und einer strukturellen Veränderung des Gewebes besteht, kann die strukturelle Veränderung unter Benutzung der Korrelation aus dem festgestellten Licht erhalten werden.
[Beispiel]
Das folgende Beispiel zeigt ein Beispiel des Abbildens des Absorptionskoeffizienten, wenn unter allen inneren Eigenschaften (Absorptionskoeffizient, verminderter Streukoeffizient, Brechungsindex, usw.), die das Objekt aufweist, nur der Absorptionskoeffizient verändert wird.
Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu beweisen, wurden die Untersuchungen bei den folgenden Vorgängen unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie der in 4 gezeigten durchgeführt, außer daß die Abstände der Standorte der Lichteinfallsfasern 20 Grad betrugen und die Abstände der Standorte der Lichtfeststellfasern 10 Grad betrugen. Da das in diesem Beispiel verwendete Phantom in der Richtung entlang der Höhe die gleiche Form aufweist (oder da es in der Richtung der z-Achse über Symmetrie verfügt), kann das 3-D-Problem (stereoskopische Problem) dimensional auf ein 2-D-Problem (Querschnittproblem) vermindert werden.
Im Besonderen wurde der Laser von unpolarisiertem Licht, der eine Wellenlänge von 800 nm und eine Leistung von 50 mW aufwies, durch die Lichteinfallsfasern zum Einfallen in das in 20A und 20B gezeigte Phantom gebracht, und das Licht, das durch das Phantom übertragen oder gestreut reflektiert wurde, wurde durch die Lichtfeststellfasern fest gestellt, um zum Detektor geführt zu werden. Die Spezifikationen des verwendeten Phantoms lauteten wie folgt:
(Material) Matrix = Epoxidharz
Streuungssubstanz = Siliziumdioxid-Teilchen
absorptionsfähige Substanz = Farbstoffe
(Form) zylinderförmiges festes Phantom
Durchmesser = 8 cm
Höhe = 9 cm
(Matrix) Absorptionskoeffizient = 0,01/mm
verminderter Streukoeffizient = 1,00/mm
(absorptionsfähige Substanz) Durchmesser = 1 cm
Absorptionskoeffizient = 0,02/mm
verminderter Streukoeffizient = 1,00/mm
Die festgestellten Lichtsignale wurden durch eine Photovervielfacherröhre in Feststellsignale umgewandelt, und die Feststellsignale wurden zehn Sekunden lang addiert, während sie durch einen Zähler gelesen wurden. Die Summe wurde durch GPIB (einen Meßschnittstellenbus) zum Computer gesendet.
Unter Definition der Messung bis zu diesem Punkt als eine Messung wurden Daten durch eine Bewegung der Lichteinfallsfaser im Uhrzeigersinn von A bis R in 21 um jeweils 20 Grad und durch eine Bewegung der Lichtfeststellfaser im Uhrzeigersinn um jeweils 10 Grad erlangt. Die Lichtfeststellpositionen pro Lichteinfallsposition waren zehn Stellen von 0 Grad bis 90 Grad im Hinblick auf den Bezug jeder Lichteinfallsposition.
Die Untersuchungsergebnisse lauten wie folgt:

1) Der Bezugswert I_d0 wurde mit einem gesondert angefertigten Phantom ohne absorptionsfähige Substanz erlangt, und ein Bild wurde rekonstruiert. Das Ergebnis ist in 22A gezeigt (wobei der Hintergrund schwarz ist, und der Index des Absorptionskoeffizienten in 22B gezeigt ist). Im Bild, das in 22 gezeigt ist, scheinen mehrere Bilder auf und tritt eine Positionsabweichung auf. Der in 22A veranschaulichte Kreis gibt die Position des erwarteten Bilds an.
2) Nach der vorliegenden Erfindung wurde der mittlere Wert der gemessenen Werte für jede Kombination von Lichteinfalls- und Lichtfeststellpositionen, deren Positionsbeziehung von Lichteinfall und Lichtfeststellung verhältnismäßig identisch war, erhalten, und unter Verwendung des mittleren Werts als Bezugswert I_d0 ein Bild rekonstruiert. Das Ergebnis ist in 23A gezeigt (wobei der Hintergrund schwarz ist, und der Index des Absorptionskoeffizienten in 23B gezeigt ist). Wie im Bild, das in 23A gezeigt ist, ersichtlich, ist augenscheinlich, daß die vorliegende Erfindung die Positionsabweichung und die Quantifizierungseigenschaft verglichen mit dem in 22A gezeigten Bild, das durch das herkömmliche Verfahren erhalten wurde, verbesserte. Der in 23A veranschaulichte Kreis gibt die Position des erwarteten Bilds an.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, den Bezugswert direkt aus den gemessenen Werten für das gemessene Objekt zu erhalten, ohne den Bezugswert von einem physischen Modell oder Simulationsmodell, das früher benötigt wurde, und ohne Verwenden von Licht, das für einen Bestandteil im gemessenen Objekt mehrere Wellenlängen aufweist, zu erhalten, und auf Basis des Bezugswerts eine Verteilung einer inneren Eigenschaft (zum Beispiel eine Verteilung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten, eine Verteilung des Absorptionskoeffizienten, eine Verteilung der Konzentration des Absorptionskoeffizienten, eine Verteilung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten, eine Verteilung des verminderten Streukoeffizienten, eine Verteilung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex, oder eine Verteilung des Brechungsindex) im gemessenen Objekt zu erhalten. Daher kann die vorliegende Erfindung das Auftreten eines Fehlers aufgrund des Unterschieds zwischen dem tatsächlich gemessenen Objekt und dem physischen Modell oder Simulationsmodell, den einzelnen Unterschieden des gemessenen Objekts, und dergleichen vermeiden, wodurch eine Messung mit hoher Verläßlichkeit, d.h., mit hoher Genauigkeit, gestattet wird. Zusätzlich beseitigt die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit der Arbeit zum vorbereitenden Erhalt des Bezugswerts mit dem physischen Modell oder dergleichen, wodurch eine Verringerung der Meßzeit ermöglicht wird. Ferner kann die vorliegende Erfindung das Auftreten eines Fehlers verhindern, der sich aus der Annahme ergibt, daß die Verteilung der mittleren optischen Weglänge und die Abschwächungslichtmenge (die Menge an Licht, das aufgrund des Einflusses des Streuens oder dergleichen abgeschwächt wird) unter mehreren Wellenlängen konstant sind, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft, umfassend: einen Schritt, in dem Meßlicht der Reihe nach von mehreren Lichteinfallspositionen auf einer Oberfläche eines gemessenen Objekts zum Einfallen in das Objekt gebracht wird; einen Schritt, in dem das Meßlicht, das durch das Objekt verlaufen ist, der Reihe nach oder gleichzeitig an zumindest einer Lichtfeststellposition von mehreren Lichtfeststellpositionen auf der Oberfläche des Objekts und in einer vorbestimmten Positionsbeziehung in Bezug auf eine Lichteinfallsposition, an der das zu messende Meßlicht eingefallen war, festgestellt wird; einen Schritt, in dem auf Basis jedes an jeder Lichtfeststellposition festgestellten Meßlichts ein gemessener Wert eines vorbestimmten Parameters des Meßlichts erhalten wird; wobei das Verfahren durch Folgendes gekennzeichnet ist: einen Schritt, in dem mehrere der gemessenen Werte, die durch mehrere Kombinationen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, erhalten wurden, extrahiert werden und ein Mittelwert der gemessenen Werte berechnet wird, um einen Bezugswert in der Positionsbeziehung zu erhalten; und einen Schritt, in dem unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, und des Bezugswerts ein Veränderungsausmaß einer vorbestimmten inneren Eigenschaft in jedem Bereich des in mehrere Bereiche geteilten Objekts berechnet wird, wodurch eine Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die innere Eigenschaft ein Absorptionskoeffizient ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfaßt: einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient und ein mittlerer verminderter Streukoeffizient des Objekts erhalten wird; und ein Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht, wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Schritt, in dem der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient erhalten werden, der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Schritt, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten und des mittleren Absorptionskoeffizienten ein absoluter Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend einen Schritt, in dem unter Verwendung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung der Konzen tration des absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Objekt zumindest zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, wobei das Meßlicht, das im Lichteinfallsschritt in das Objekt einfällt, zumindest zwei Wellenlängen aufweist, bei denen die Absorptionskoeffizienten für die absorptionsfähigen Bestandteile voneinander verschieden sind; wobei im Lichtfeststellschritt jeweils das Meßlicht, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, festgestellt wird; wobei im Schritt, in dem die gemessenen Werte erhalten werden, die gemessenen Werte für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, erhalten werden; wobei im Schritt, in dem der Bezugswert erhalten wird, der mittlere Wert für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; wobei im Schritt, in dem die Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten erhalten wird, der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; und wobei im Schritt, in dem die Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils erhalten wird, die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird, wodurch eine Konzentrationsverteilung jedes absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die innere Eigenschaft ein verminderter Streukoeffizient ist, wobei das Verfahren Folgendes umfaßt: einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient und ein mittlerer verminderter Streukoeffizient des Objekts erhalten wird; und einen Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht, wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei im Schritt, in dem der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient erhalten werden, der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Schritt, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten und des mittleren verminderten Streukoeffizienten ein absoluter Wert des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die innere Eigenschaft ein Brechungsindex ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfaßt: einen Schritt, in dem ein mittlerer Absorptionskoeffizient, ein mittlerer verminderter Streukoeffizient, und ein mittlerer Brechungsindex des Objekts erhalten wird; und ein Schritt, in dem eine Ausbreitungsfunktion gewählt wird, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten, dem mittleren verminderten Streukoeffizienten, und dem mittleren Brechungsindex entspricht; wobei im Schritt, in dem die Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft erhalten wird, unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei im Schritt, in dem der mittlere Absorptionskoeffizient, der mittlere verminderte Streukoeffizient, und der mittlere Brechungsindex erhalten werden, zumindest der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Schritt, in dem unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex und des mittleren Brechungsindex ein absoluter Wert des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet wird, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Brechungsindex im Objekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt, in dem auf Basis der erhaltenen Verteilung ein Bild dargestellt wird, das die Verteilung im Inneren des Objekts angibt.
Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung einer inneren Eigenschaft, umfassend: ein Lichteinfallsmittel, um Meßlicht der Reihe nach von mehreren Lichteinfallspositionen auf einer Oberfläche eines gemessenen Objekts zum Einfallen in das Objekt zu bringen; ein Lichtfeststellmittel, um das Meßlicht, das durch das Objekt verlaufen ist, der Reihe nach oder gleichzeitig an zumindest einer Lichtfeststellposition von mehreren Lichtfeststellpositionen auf der Oberfläche des Objekts und in einer vorbestimmten Positionsbeziehung in Bezug auf eine Lichteinfallsposition, an der das zu messende Meßlicht eingefallen war, festzustellen; ein Meßwerterlangungsmittel, um auf Basis jedes an jeder Lichtfeststellposition festgestellten Meßlichts einen gemessenen Wert eines vorbestimmten Parameters des Meßlichts zu erhalten; wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist: ein Mittel zum Berechnen eines Bezugswerts, um mehrere der gemessenen Werte, die durch mehrere Kombinationen der Lichteinfallsposition und der Lichtfeststellposition, deren Positionsbeziehung verhältnismäßig identisch ist, erhalten wurden, zu extrahieren und einen Mittelwert der gemessenen Werte zu berechnen, um einen Bezugswert in der Positionsbeziehung zu erhalten; und ein Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft, um unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, die durch die mehreren Kombinationen erhalten wurden, und des Bezugswerts ein Veränderungsausmaß einer vorbestimmten inneren Eigenschaft in jedem Bereich des in mehrere Bereiche geteilten Objekts zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft im Objekt zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die innere Eigenschaft ein Absorptionskoeffizient ist, wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfaßt: ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten und einen mittleren verminderten Streukoeffizienten des Objekts zu erhalten; und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei im Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Mittel zum Berechnendes absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Absorptionskoeffizienten und des mittleren Absorptionskoeffizienten einen absoluten Wert des Absorptionskoeffizienten in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten im Objekt zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend ein Mittel zum Berechnen der Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils, um unter Verwendung des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Objekt zumindest zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, wobei das Meßlicht, das im Lichteinfallsmittel in das Objekt einfällt, zumindest zwei Wellenlängen aufweist, bei denen die Absorptionskoeffizienten für die absorptionsfähigen Bestandteile voneinander verschieden sind; wobei im Lichtfeststellmittel jeweils das Meßlicht, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, festgestellt wird; wobei im Meßwerterlangungsmittel die gemessenen Werte für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, erhalten werden; wobei im Mittel zum Berechnen eines Bezugswerts der mittlere Wert für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft das Veränderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; wobei im Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Absorptionskoeffizienten der absolute Wert des Absorptionskoeffizienten für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird; und wobei im Mittel zum Berechnen der Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils für jedes des Meßlichts, das die zumindest zwei Wellenlängen aufweist, berechnet wird, wodurch eine Konzentrationsverteilung jedes absorptionsfähigen Bestandteils im Objekt erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die innere Eigenschaft ein verminderter Streukoeffizient ist, wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfaßt: ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten und einen mittleren verminderten Streukoeffizienten des Objekts zu erhalten; und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten und dem mittleren verminderten Streukoeffizienten entspricht; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei im Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des verminderten Streukoeffizienten und des mittleren verminderten Streukoeffizienten einen absoluten Wert des verminderten Streukoeffizienten in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des verminderten Streukoeffizienten im Objekt zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die innere Eigenschaft ein Brechungsindex ist; wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfaßt: ein Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten, um einen mittleren Absorptionskoeffizienten, einen mittleren verminderten Streukoeffizienten, und einen mittleren Brechungsindex des Objekts zu erhalten; und ein Mittel zum Wählen einer Ausbreitungsfunktion, um eine Ausbreitungsfunktion zu wählen, die dem mittleren Absorptionskoeffizienten, dem mittleren verminderten Streukoeffizienten, und dem mittleren Brechungsindex entspricht; wobei im Mittel zum Berechnen des Veränderungsausmaßes der inneren Eigenschaft unter Verwendung der mehreren gemessenen Werte, des Bezugswerts, und der Ausbreitungsfunktion ein Veränderungsausmaß des Brechungsindex in jedem Bereich berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei im Mittel zum Feststellen eines mittleren Absorptions- und Streukoeffizienten zumindest der mittlere Absorptionskoeffizient und der mittlere verminderte Streukoeffizient auf Basis des Bezugswerts erhalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 23, ferner umfassend ein Mittel zum Berechnen des absoluten Werts des Brechungsindex, um unter Verwendung des Veränderungsausmaßes des Brechungsindex und des mittleren Brechungsindex einen absoluten Wert des Brechungsindex in jedem Bereich zu berechnen, und dadurch eine Verteilung des absoluten Werts des Brechungsindex im Objekt zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Bilddarstellungsmittel, um auf Basis der erhaltenen Verteilung ein Bild darzustellen, das die Verteilung im Inneren des Objekts angibt.