JP3276947B2 - 吸収物質濃度空間分布画像装置 - Google Patents
吸収物質濃度空間分布画像装置Info
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Description
物質が存在してなる被検体において、吸収物質濃度の空
間分布を求める方法に関する。特に、光を用いて生体内
部あるいは大気中の吸収物質濃度の空間分布を計測する
方法、装置に関する。
RI(核磁気共鳴イメージング装置)X線CT、超音波
診断装置等がある。それぞれ、臨床医療の現場で多用さ
れ有用性が認められている。現在、臨床医療に使用され
ている画像診断装置は、主に生体内の組織、構造を断層
像として得るものが多く、生体内に分布する化学物質の
代謝活動に起因する生体機能を計測するための簡便で実
用的な画像診断装置は少ない。生体機能の計測により得
られる情報は、脳疾患やガンの予防診断、脳機能の解明
に有用と期待されており、簡便、実用的な生体機能画像
診断装置の開発が医療の分野では待たれている。散乱物
質中に、光の波長により吸収特性が異なる吸収物質が存
在してなる被検体中の吸収物質の濃度の空間分布を画像
化する光計測装置として、生体内の特定の色素濃度の空
間分布を画像化する生体光計測装置がある。生体中に
は、生体機能に関与する吸収物質が多く存在し、吸収物
質の濃度の空間分布を計測できる生体光計測装置は、生
体機能を画像化して診断に有効となる装置の一つとして
開発が急がれている。
生体中に多く含まれる特定色素の濃度に対応しており、
この色素濃度は可視から近赤外領域における光吸収の量
から計測することが可能である。特定色素として、酸化
型あるいは還元型の別により、異なる光吸収の分光特性
を持つことが知られている、血液中に存在するヘモグロ
ビン(以下では、Hbと略記する)、細胞中に存在する
チトクロームaa3、筋肉中に存在するミオグロビン等
がある。さらに、光による計測は、光ファイバーや小型
光源を用いることにより、簡便、小型な装置として開発
される可能性を持っている。
測する装置が、例えば、特開昭57−115232号公
報、特開昭63−275323号公報に記載されてい
る。生体光計測装置で重要な課題の1つとして、生体内
に存在する吸収物質の空間分布を画像化する方法の確立
が挙げられる。この課題は吸収物質の濃度と位置を求め
る問題である。従来技術での画像化方法として、(1)
X線CTのアルゴリズムを用いる方法、(2)輸送方程
式を用いる方法、(3)モンテカルロシミュレーション
の結果を用いる方法、に大別される。
ト法を用いて得た計測データから、X線CTにおいて使
用されてきた画像再構成のアルゴリズムにより画像を得
る方法(特開平01−209342号公報に記載)が挙
げられる。
( Aridge )等の方法(" Reconstruction methods for i
nfrared absorption imaging ", Proc. SPIE 1431, 204
-215(1991)に記載)や、シンガー( Singer )等の方
法(" Image reconstruction ofthe interior of bodie
s that diffuse radiation ", Science, 248, 990-993
(1990)に記載)が挙げられる。両者の方法共に、散乱と
吸収現象を表わす数学モデルに基づき、照射光強度と散
乱を表わす変数(以下では、散乱変数と略記する)と吸
収物質の吸収を表わす変数(以下では、吸収変数と略記
する)とから、輸送方程式を立て検出光強度を計算す
る。ここで、散乱変数と吸収変数は散乱体内部の位置の
関数であり、また、吸収変数は吸収物質の濃度を反映す
る値である。上記の輸送方程式の散乱変数と吸収変数の
値を散乱体内部の任意の位置で独立に変化させ、計算さ
れた出光強度と実際に計測された検出光強度との差を評
価し、その差が最小となるまで計算を繰り返す。この繰
り返しの結果得られた、吸収変数の空間分布が吸収物質
濃度の空間分布を表わしており、その分布を画像化して
表示する。アリッジ( Aridge )等の方法では、散乱変数
として散乱係数を、吸収変数として吸収係数を用いてお
り、シンガー( Singer )等の方法では、散乱変数として
散乱体内に設定された面積要素もしくは体積要素から出
て行く光子の確率を、吸収変数として要素内で吸収され
る光子の確率を用いている。
ランダル エル等によるモンテカルロ法を利用した画
像化方法がある(特表平3−505922号公報に記
載)。この方法の概要は以下の通りである。媒体中の全
ての点(位置及び方向)に対し、フラックスによって与
えられる重みを割当て、その点で検出器の吸収体の存在
しない媒体に対する応答に対する光子の期待される寄与
を割り当てることによって、複雑な媒体を画像化する技
術に関する。照射される輻射線の測定された強度が、予
定される強度と比較されることにより、対応する散乱体
積の透過係数が決定される。予定される強度は、予め規
定されたモデル媒体に対するモンテカルロシュミレーシ
ョンを用いた計算により得られ、透過強度係数が重み関
数に適用される。媒体中における微小な吸収の検出器応
答特性に対する影響は、影響を受ける体積要素に対する
吸収散乱断面積と対応する重み関数との積となるものと
仮定される。重み関数は、モンテカルロ法を用いて計算
され、領域内の全ての点の、与えられた光源−検出器の
配置に対する検出器応答性への相対寄与の3次元マップ
を与える。画像化は、透過係数と、光源−検出器の各配
置ごとに、各体積要素に対応する重み関数との積を計算
することにより達成される。これらの積の総和は、光源
−検出器の配置のすべてに対するすべての体積要素の重
ね合わせに対応する。この計算は、全ての光源の位置の
関数として、全ての領域にわたる相対吸収断面積の3次
元マップを与える。
b(ヘモグロビン)のように、生体内で機能する吸収物
質濃度の空間分布を、画像として表示して、例えば癌の
様な疾病の予防診断への応用が期待されている。しか
し、生体は光に対して強い散乱特性を有しているため
(散乱係数は1.0〔mm-〕程度である)、生体内部
の吸収物質濃度の空間分布の精度良い画像化は非常に困
難である。生体光計測装置を臨床医療で実用化するため
には、生体の様な散乱体の内部に存在する吸収物質濃度
の空間分布を精度良く画像化する方法が重要である。現
在、このような生体内部の吸収物質濃度の画像化方法と
して、実用化レベルに達していると考えられる方法はま
だ存在しない。従来技術における方法では、様々な問題
があり、上記(1)の方法では、3次元的な散乱現象を
2次元空間上で扱うため再構成された画像の空間分解能
が低い。上記(2)の方法では、繰り返し計算をするた
め長時間の演算が必要で、現状の計算機速度では高分解
能の画像を得ることは実質的に困難であり、また局所最
小値( local minimun )に落ちこみ真の最適解が得ら
れにくい場合がある。上記(3)の方法では、不透明な
媒体中にある標的物体を3次元的に画像化することの記
載はあるが、画像化する具体的な手順は数式的に明確に
は示されておらず、さらに媒体中の吸収物質の濃度を計
算することの記載はない。
考慮して、特に生体内で機能する吸収物質濃度を精度良
く、短時間に空間分解能で求め、吸収物質の濃度の3次
元空間分布を求める方法、及び装置を提供することにあ
る。
過して検出された光強度が、被検体中に存在する吸収物
質の濃度と、散乱に基づく光子の平均光路長との線形結
合により表わされると仮定し、平均光路長の空間分布を
使用して、被検体中に存在する吸収物質の濃度の3次元
分布を求めることに特徴を有する。即ち、光吸収物質を
含んでなる光散乱体からなる被検体に、所定の光照射位
置から所定の波長を有するパルス光又は連続光を照射す
る照射ステップと、被検体を通過する光の強度を所定の
光検出位置で検出する検出ステップと、を有し被検体内
に分布する吸収物質濃度の空間分布画像化方法におい
て、光照射位置から光検出位置までの複数の光路を求め
るステップと、複数の光路から平均光路長を求めるステ
ップと、平均光路長と、被検体に照射される光の強度
と、光検出位置で検出される検出光強度と、被検体に照
射される光に対する吸収物質の光学定数とから、各体積
要素毎の吸収物質の濃度を求めることを特徴とする。平
均光路長の空間分布は、モンテカルロ法により模擬して
計算により求める。この計算では、被検体と実質的に同
一の散乱係数を有し、仮想被検体を包含する大きさの仮
想散乱体内の一点から発する複数光子のそれぞれのたど
る複数光路を求める。仮想被検体は被検体と同一又は類
似した形状を有し吸収物質を含まないものとする。
質濃度の空間分布画像化方法では、被検体と同一又は類
似した形状を有し、吸収物質を含まない仮想被検体を想
定して、仮想被検体において設定される光照射位置と光
検出位置の複数の対のそれぞれで、光子がたどる光照射
位置から光検出位置に至るまでの複数の光路を求めるス
テップと、複数の光路から光照射位置から光検出位置ま
での仮想被検体内における平均光路長を求めるステップ
と、平均光路長と、被検体に照射される照射光強度と、
光検出位置で検出される検出光強度と、被検体に照射さ
れる光に対する吸収物質の光学定数(吸光係数)と、か
ら吸収物質の濃度の空間分布を求めるステップと、吸収
物質の濃度の空間分布を表示するステップと、を有する
ことに特徴を有する。被検体の形状を表す空間は複数の
体積要素に分割され、各体積要素ごとにに平均光路長が
求められ、各体積要素内の吸収物質濃度が一様であると
仮定し、各体積要素毎の吸収物質濃度が求められる。
化のステップは、上記対における照射光強度と検出光強
度との比に基づいて計測値行列を生成するステップと、
上記対における平均光路長に基づいて平均光路長の空間
分布行列を生成するステップと、計測値行列と平均光路
長の空間分布行列から吸収物質濃度を求めるステップ、
とからなる。予め与えられている所定の形状と所定の散
乱係数を有する被検体に本発明の手順を適用する場合
は、平均光路長の空間分布行列を生成するステップで求
められ記憶手段に予め記憶されている平均光路長の空間
分布行列を使用する。 光路を求めるステップは、被検
体と実質的に同一の散乱係数を有し、仮想被検体を包含
する大きさの仮想散乱体内の一点から発する光子のたど
る光路を模擬するモンテカルロ法により模擬して求めら
れ、モンテカルロ法では、光子が順次散乱される複数の
散乱点の内の連続する2つの散乱点のそれぞれの空間座
標位置を関連づける散乱角度特性を表す関数、及び乱数
を使用する。モンテカルロ法により求められた複数の光
路のそれぞれを表す複数の散乱点の空間座標位置が記憶
され、複数の光路データが記憶手段に記憶される。光路
データは、仮想散乱体内の一点から発する単一光子のた
どる有限光路長を有する光路データを求めるか、あるい
は仮想被検体の2点を結ぶ最大距離以上の半径を有する
球を仮想散乱体として、球の中心から複数光子を発し
て、複数光子のそれぞれの光子のたどる光路のうち、球
の内部に存在する光路データを求める。
までの光路は、仮想被検体での光照射位置と仮想散乱体
内の1点とを一致させ、光検出位置とモンテカルロ法に
より求められた光路とが交差する点を、光路を表す散乱
点の空間座標、又は仮想被検体の形状を表す空間座標の
いずれか一方の空間座標を、他方の空間座標に対して座
標変換(回転移動及び/又は並進移動)して求める。求
められた仮想被検体での光照射位置から仮想被検体での
光検出位置までの複数光路のそれぞれのを、被検体での
対応する光照射位置から光検出位置までの光路とする。
なお、仮想被検体の形状を表す空間は、被検体の形状を
表す空間を複数の体積要素に分割したと同様に体積要素
に分割される。また、光照射位置と光検出位置の対の数
は、被検体、仮想被検体を分割した体積要素の総数以上
の値に設定される。上記の複数光路データから仮想被検
体の各体積要素を通過する平均光路長を体積要素ごとに
求め、被検体の各体積要素を通過する平均光路長とす
る。光照射位置(i)と光検出位置(j)の対(i−
j)に対して得られた光路に関するデータに基づいて、
光照射位置と光検出位置の位置関係が入れ替わった光照
射位置(j)と光検出位置(i)の対(j−i)に対す
る光路に関するデータを、対(i−j)に対して得られ
た光路に関するデータから、座標変換により求めること
ができる。
光は、400nmから2000nmの範囲にある複数の
波長を有する光であり、複数の波長の差が100nm以
下とする。被検体を通過する光の強度が時間分解計測さ
れる場合には、検出光強度は時間分解計測された光強度
の所定の時間内での光強度の積分値から求められ、所定
の時間内に光照射位置から光検出位置に到達する光子に
関する光路から求められる平均光路長に基づいて平均光
路長の空間分布行列が生成される。
測値行列Yを生成し、散乱体内部の吸収物質の吸光係数
と、吸収物質の存在しない散乱体を模擬して得る散乱体
内における光が通過する光路データをモンテカルロ法に
より求め、光路データから、平均光路長の空間分布行列
Aを生成し、行列Yと行列Aとから、未知数行列Xを導
出して、求められた未知数行列Xから被検体内部の吸収
物質濃度を求めこの空間分布を表示する。さらに、異な
る複数位置に配置される光照射位置と光検出位置の対の
数は、被検体、仮想被検体を分割した体積要素の総数以
上の値に設定するので、ある体積要素に注目するとき、
複数方向からの散乱の影響が考慮されるので、従来方法
に比較して、約3倍以上の空間分解能を有する3次元的
な吸収物質の空間分布を得ることができ、10〜100
倍程度計算時間が短縮され、さらに定量性の改善が可能
である。本方法では、局所の最適解に落ち込むことなく
解を得ることができる。さらに、モンテカルロ法による
光路の計算が、予め計算された光路データが記憶保存さ
れている場合には、記憶保存されている光路データを使
用するので、従来のモンテカルロ法を適用する方法と比
較して、平均光路長の空間分布を約100倍以上の速度
で求めることができる。
内部に分布する特定色素濃度の空間分布を計測する生体
光計測装置があり、また大気中に存在する吸収物質濃度
の空間分布の計測として、レーザーレーダがある。この
様に、散乱物質中に存在する吸収物質の濃度の空間分布
を求め画像化する方法を必要とする分野は広い。特に以
下では、、生体光計測装置を代表的な例として説明をす
る。
光強度から、被検体内部に存在する吸収物質の濃度を画
像化する方法に係り、本願発明における手順は要約する
と、計測された検出光強度から計測値行列Yを生成する
step1、散乱体内部の吸収物質の吸光係数と、吸収
物質の存在しない散乱体を模擬して得る散乱体内におけ
る光が通過する光路データをモンテカルロ法により求
め、光路データから、平均光路長の空間分布行列Aを生
成するstep2、行列Yと行列Aとから未知数行列X
を導出するstep3、求められた未知数行列Xから被
検体内部の吸収物質濃度を求めこの空間分布を表示する
step4からなる。モンテカルロ法による光路の計算
が、step2の処理開始以前に既になされ、光路デー
タが記憶保存されている場合には、記憶保存されている
光路データを使用する。
されない場合(即ち、被検体が非散乱体である場合)に
関して説明し、次いで、被検体によって照射光が散乱さ
れる場合(即ち、被検体が散乱体である場合)に関して
説明する。図1に示す様な、光源1から被検体2へ所定
の波長の光を照射し、光路3を通過してきた光の強度を
検出器4で検出する光計測系を考える。図1は、光路3
を含む被検体2の断面を示す。被検体2中に1成分の吸
収物質が一様濃度cで存在する場合に、光源1からの照
射光強度をI0、検出器4で検出される検出光強度を
Id、吸収物質の吸光係数をε、光照射位置と光検出位
置間の幾何学的距離で決まる光路長をL’とすると、
(数1)で定義されるベール・ランバート則が成り立
つ。
体2が、吸収物質濃度の異なる2個の体積要素5−1、
5−2に分けられる場合に、体積要素5−1中での吸収
物質濃度をc1、光路長をL1’、体積要素5−2中での
吸収物質濃度をc2、光路長をL2’とし、光源1からの
照射光強度をI0、体積要素5−1から5−2に入射す
る光の強度をIC、検出器4で検出される検出光強度Id
とすると、(数1)より、体積要素5−1、体積要素5
−2に関し、それぞれ(数2)、(数3)が成り立つ。
測されないので、(数2)、(数3)を用いてICを消
去すると、(数4)が成り立つ。
下の説明では、特に明記しない場合は、被検体は散乱体
とする)。
に1成分の吸収物質が一様な濃度cで存在する場合に、
光源1からの照射光強度をI0、検出器4で検出される
検出光強度をId、吸収物質の吸光係数をε、被検体内
部に吸収物質が存在しないときの光路長(以下光路長と
略す)をL、散乱によって被検体2の外に出て行く成分
を減衰定数DSとすると、(数5)が成り立つ( Victor
Twersky,"Absorptionand Multiple Scattering by Bio
logical Suspensions ", J. Opt. Soc. Am.,60 ,1089(1
970)に記載)。
光子は被検体2中で散乱を繰り返して検出器4に到達す
る。光子は散乱の度に進行方向が変わるので、その光路
は、図3中に示す光路3の様にジグザグを描く。なお、
図3では、図1、図2と同様に被検体2は立体であり、
簡単のために、2本の光路3が1つの断面内にある場合
を例示しており、一般に、光路3は3次元的にジグザグ
を描く。散乱による進行方向の変化はランダムであり光
路3は各光子によって異なり、(数5)中の光路長Lは
複数個存在し一義的に決定できない。そこで、複数個存
在する光路長の平均値(以下では、平均光路長と略記す
る)を近似値として用いる。
光路の数はm本存在し、m本ある光路のうちk番目の光
路長をLKとして、平均光路長LAを(数6)で定義し、
さらに、平均光路長LAを用いて(数5)を書き換える
と(数7)になる。
う。
を、n個の体積要素に分割して考え、光源から発した光
子は、全ての体積要素を通過して検出器4に至るものと
仮定する。さらに各体積要素における吸収物質濃度は一
般に異なると考える。図4は、簡単のために、図3で例
示したのと同様に、光源1から照射された光子が被検体
2中で散乱を繰り返して検出器4に到達する光路が全
て、厚さが1体積要素からなる1断面内にある場合を示
し、各体積要素の中心部分に示される太い線分は、この
1断面内に存在する複数個の光路を各体積要素に分割し
て考え、各体積要素において複数個の光路のそれぞれ進
行方向での距離を加算し一定値で割算して得た光路長を
示し(得られる光路長の最大長を体積要素の辺長さ以下
とするために一定値で割算した)、光源1と検出器4を
結ぶ方向に平行に示したものである。言いかえると、図
4は、被検体2として2次元物体を想定し、被検体2を
空間(面積)要素に分割して考え、光源1からの複数光
子のそれぞれが、2次元平面内で散乱の度に進行方向を
変えて光路を形成し進む場合に、各面積要素において複
数光子の描くそれぞれの光路を、それぞれの光子の進行
方向での距離を加算し一定値で割算して得た光路長とし
て太い線分により、光源1と検出器4を結ぶ方向に平行
に示したものである。吸収物質が存在せず、かつ一様な
散乱体では、図4に示すように、この太い線分の長さの
分布は光源1と検出器4を結ぶ直線に対して対称とな
り、この直線から距離が離れる程太い線分の長さは短く
なる。しかし、一般に被検体2は一様な散乱体ではなく
しかも、被検体2の各部位は異なる濃度の吸収物質が存
在するため、このような場合には図4に示す太い線分の
長さは、各要素で異なることになる。
れぞれは、被検体2を構成する全ての体積要素を一般に
通過していくと想定し、各体積要素が図3に示す被検体
であると見做して(数7)を適用し、さらに複数の異な
る濃度の吸収物質が存在する場合に適用される(数4)
を適用する。即ち、光源1からの複数光子のそれぞれ
は、散乱のためジグザグを描いて進行するが、このとき
各光子は、全ての体積要素を通過して検出器4に至るも
のと仮定すると、(数4)、(数7)を考慮して(数
8)が成立するものとする。但し、(数8)において、
各体積要素中での、吸収物質濃度をcj、平均光路長を
LAjとし、添字jは、j番目の体積要素内における吸収
物質濃度、平均光路長の値であることを示し、加算Σは
j=1〜nについて行なう。nは、体積要素の総数であ
り、図4に示す例では、5×5=25である。
要素を一般に通過していくと想定するが、光子が通過し
ない体積要素では、LAj=0であり、体積要素毎の平均
光路長LAj(j=1〜n)を求める方法に関しては後述
するので、LAj(j=1〜n)は既知として扱う。(数
8)において、減衰定数DSを直接求めることは困難で
あるため、照射光として波長の異なる2種類の光を用
い、各波長毎に計測を行ないDSを消去する。波長λ1の
照射光、波長λ2の照射光を用いた計測に関して、それ
ぞれ(数9)、(数10)が成り立つ。ここで、平均光
路長LAjは波長に依存しないものとする。DS、εは波
長に依存する。
(数12)を用いて変数変換をすると、(数13)及び
(数14)が得られる。
(j,λ2)=(ε(λ1)−ε(λ2))cj …
(数17)と置いて、(数16)の両辺の自然対数(L
oge)とり(数18)を得て、
いて行なう。
ともn組の同様の方程式を用意すればn個ある未知数χ
(j,λ1,λ2)(j=1〜n)を求めることができ
る。1つの方程式は被検体に関する1つの計測位置(光
源1と検出器4の位置関係)毎に成立するので、図5に
示す様に、1つの光源1に対して検出器4を被検体2に
複数配置して複数位置で検出するか、あるいは複数の照
射位置から光を照射し、n個の検出位置で光検出を行う
と、n組の(数20)の方程式が得られ、未知数χ
(j,λ1,λ2)(j=1〜n)と同数の連立方程式
(数21)を得ることができる。但し、iはi番目の光
検出位置を示す添え字である。なお図5は、被検体2が
2次元体である例を示す。
A、Xを定義すると、(数21)で表される連立方程式
は(数25)となる。以下の説明においては、Yを計測
値行列、Aを光路長の空間分布行列、Xを未知数行列と
呼ぶ。
とするn行n列の行列である。
6)で示すように、Aの逆行列を両辺にかければよい。
7)で表される。
素に分割して、n個の検出位置(光源1(光照射位置)
と検出器4の対)で光検出を行ない、n組の(数20)
の方程式が得たが、nをn’≧nなるn’に置き換え、
即ちn’個の検出位置(光源1(光照射位置)と検出器
4の対)で光検出を行ない、n’組の(数20)の方程
式が得ても、以下のようにして未知数行列Xを得ること
ができる。以上の説明において(数22)、(数23)
を以下のように置き換えればよい。即ち、(数22)
は、
をLAijとするn’行n列の行列である。このような置
き換えを行なった(数25)の解は一般に、
表し、ATはAの反転行列であり、Wは重み行列を表す
n’行n’列の行列である。重み行列Wをn’行n’列
の単位行列とするとき(数30)は、
割して、n’≧nなるn’個の各種方向での検出位置
(光源1(光照射位置)と検出器4の対)で光検出を行
なうことにより、精度よく未知行列X、即ち被検体の各
体積要素中の吸収物質濃度cjを得ることができる。
る被検体が多成分の吸収物質を含む場合には、照射光に
用いる波長の種類を増やして、多成分の吸収物質の濃度
を求めることができる。例えば、被検体がαとβの2種
類の吸収物質を含む場合、(数5)を拡張して(数3
2)が成り立つ。但し、吸収物質α、βの分子吸光係数
と濃度をそれぞれ、εα、εβ、cα、cβで表す。
る場合には、吸収物質が1種類ある場合と同様にして、
(数32)から(数33)が得られる。
う。
射光を用いて消去すると(数34)が得られ、(数3
5)の置換を行なうと、(数34)は(数36)で表さ
れる。
(数36)と同様の式を得る。
はj=1…nについて行なう。(数36)の両辺の自然
対数(Loge)をとると線形な式となるので、以下、
先に説明した1種類の吸収物質がある場合と同様に、
n’≧nなるn’個の検出位置(光源1(光照射位置)
と検出器4の対)で光検出を行ない、(数36)を解く
ことができ、各体積要素内における変数χ(j,λ1,
λ2)が求まる。ここで、波長λ1と波長λ3から得られ
る各体積要素内における変数χ(j,λ1,λ3)と前記
の変数χ(j,λ1,λ2)により連立方程式(数37)
が成り立つ。
方程式(数37)に吸光係数の値を代入して、各体積要
素内の2種類の吸収物質の濃度cα、cβを求めること
ができる。従って、被検体内部にγ種類の吸収物質が存
在する場合、(γ+1)種類の波長の照射光を用いて、
各吸収物質の濃度分布を求めることができる。 以上の
説明した被検体を複数の体積要素に分割した場合におい
て、特に被検体を分割しない場合(即ち、分割の数をn
=1とする)にも、以上の方法は適用できることは言う
までもない。この場合、(数29)はn’行1列の行列
となり、異なる各種の方向位置に配置される光照射位置
と光検出位置の対により計測されるn’個の計測値から
なる計測値行列と、上記の対におけるそれぞれの平均光
路長とから吸収物質の濃度が求められる。もちろん、被
検体が複数種類の吸収物質を含む場合にも、被検体を分
割せず分割の数をn=1として、(数37)を適用でき
る。このようにして求められる吸収物質の濃度は、被検
体の2次元的空間(被検体の特定の断面の周囲に2次元
的に上記の対が配置されるとき)、あるいは3次元的空
間(被検体の外周に3次元的に上記の対が配置されると
き)での平均的な値が求められることになる。
には、行列Aが既知でなければならない。行列Aを構成
する成分LAijは、i番目の計測位置(光源と検出器の
位置関係)におけるj番目の体積要素内の平均光路長を
表している。即ち、LAijは、各計測位置毎に検出器に
到達する光子の光路が既知であれば求めることができ
る。図6は、光源1から被検体2を通過し、検出器4に
到達する光子の光路3を、被検体2が2次元体である例
をとって模式的に表した図である。
光路を求める方法として、被検体内の光散乱を模擬する
モンテカルロ法シミュレーションを用いる。被検体内の
光散乱を模擬するモンテカルロ法シミュレーションの例
として、B.C.Wilson等の方法(" A Monte Ca
rlo model for the absorption and flux distribution
s of light in tissue ", Med. Phys., 10(6), 824ー830
(1983)に記載)が知られている。本願発明で使用するモ
ンテカルロ法は、よく知られた方法であるが、この方法
の概要を以下に説明する。光源から発した1光子のたど
る経路は各散乱点を表す、極座標(r,θ,φ)で示さ
れる。各散乱点では、1光子が次に達する散乱点を与え
る、r、θ、φの各座標値が確率的に定められ、散乱点
間の距離は散乱距離LSから、光子の進行方向を定める
ための角度方向は、θ方向の散乱角度θSとφ方向の散
乱角度φSとから決定される。なお、光子がたどる物体
中には吸収物質は含まれないものとする。各散乱毎の散
乱距離LSは散乱係数μSを用いて(数38)で表わさ
れ、
体角ω=0〜4πの範囲について行なうものとして、g
=(∫Pf・cosθdω)/(∫Pfdω)により与え
れる。一般の生体関連物質では、g≒0.9であること
が知られている。
し、(数39)は、
すことができ、一様乱数Rを用いた(数41)で表わさ
れる。
R<1)Rにより、確率的に与えられる(LS,θS,φ
S)により、順次与えられる。以上が、本願発明で使用
するモンテカルロ法の概要である。
路シミュレーションを用いて、i番目の計測位置(光照
射位置(光源)と光検出位置の組み合わせ)における1
光路を求めた時に、j番目の体積要素内での光路長をp
(i,j)とする。実際の被検体内での光の伝播を実質
的に再現するに十分な光路数m本(被検体形状に依存す
るが、少なくとも1000本程度とする)を、上記で説
明したモンテカルロ法シミュレーションを用いて計算し
記憶しておき、各光路毎にp(i,j)を求める。k
(k=1〜m)番目の光路におけるp(i,j)をp
(i.j.k)とすると、LAijは(数42)で計算さ
れる。
う。全ての計測位置(i)と、全ての体積要素(j)に
関してLAijを計算すれば、平均光路長の空間分布行列
Aが求められる。
て連続光を用い被検体を通過する光強度を計測信号とす
る場合、あるいは、照射光としてパルス光を用い、被検
体を通過するパルス光に対応する全光強度を計測信号と
する場合であるが、被検体を通過する光強度を時間分解
計測し、計測された光強度の1部を計測信号とする場合
にも、同様の手順で吸収物質の濃度分布を求めることが
できる。
関数状のパルス光を、被検体、例えば生体の所定部分に
照射し、照射位置と対向する側の位置で通過光強度を、
ストリークカメラを用いて時間分解計測すると、図8に
示す様に時間的に拡がった通過光強度の時間スペクトル
Id(t)が得られる。ただし、横軸はパルス光が照射さ
れてから通過光が検出されるまでの時間(検出時間)を
表す。検出光強度の時間スペクトルId(t)が、時間的
に広がる理由は、被検体が散乱体である場合には、各光
子の光路長に応じて検出される時間が変化するためであ
る。図6の様な系で、i番目の各計測位置毎に検出光強
度の時間スペクトルIdi(t)を計測し、検出時間t1か
らt2までIdi(t)を積分した値を検出光強度Idiとし
て用い計測値行列Yを求め、検出時間t1からt2までの
平均光路長の空間分布行列Aを求めれば、同様の手順で
未知数行列Xを求めることができる。検出時間t1から
t2までの平均光路長の空間分布行列Aは、検出時間t1
からt2までの間に検出器に到達する光子の光路のみに
ついて(数42)を用いて計算すれば求めることができ
る。このように検出時間t1からt2まで、時間ゲートを
設定してIdi(t)を積分した値を求める際に、時間ゲ
ート幅、(t2−t1)の大きさを、小さくすればする
程、最終的に再構成される被検体中の吸収体の3次元空
間分布の空間分解能、及び定量性を向上させることが可
能となる。
実施例について詳細に説明する。まず簡単のため、本発
明を、生体の散乱特性を模擬した立方体の被検体に適用
した例を示す。なお、本願発明は被検体が立方体の形状
に限定されるものではなく、任意の形状に適用できるこ
とは言うまでもない。任意形状の被検体では、被検体の
形状を小さい立方体の集合として近似して表してもよい
し、被検体の内部を小さい立方体の集合とし、被検体の
外面を含む部分を、一部を欠損する小さい立方体で近似
して表してもよい。さらに、検査対象物体の特定部分の
みの空間、例えば、特定組織部分を含む空間部分、生体
表面もしくは表面近傍にある腫瘍を含む空間部分等を、
被検体部位として上記と同様の方法で表すことも可能で
ある。
示す図である。被検体2は1辺25mmの立方体で、被
検体内部の位置を表す座標系(X0,Y0,Z0)は図
9に示す通りである。被検体2の各面を図9に示す様
に、P1〜P6とする。ここで、P1はZ0=0(m
m)の面、P2はX0=25(mm)の面、P3はZ0
=25(mm)の面、P4はX0=0(mm)の面、P
5はY0=25(mm)の面、P6はY0=0(mm)
の面である。被検体2の散乱特性として、(数38)で
使用する散乱係数を生体に近い値であるμS=1.0
〔mm-1〕とし、(数39)で使用する先に説明した位
相関数のコサイン平均は、g=0とした。即ち、1回散
乱における散乱光強度の角度分布は一様であり等方的で
あるとした。
5×5×5の仮想の体積要素に分割し、それぞれの体積
要素の位置を(Vx,Vy,Vz)で表し、各体積要素番
号jは(数43)で定義する。例えば、図10の体積要
素5の位置は(5,5,1)であり、体積要素番号j=
25となる。
置6−1から照射していることを示している。本実施例
では、全ての光照射位置、及び光検出位置は、被検体表
面に接する任意の体積要素の面の重心位置に設定されて
いる。図9の様に、光を照射するi番目の面Piに固有
の座標(X,Y)Piを定義すると、光照射位置6−1は
(2,2)P1、光照射位置6−2は(2,2)P2、光照
射位置6−3は(3,3)P5で表される。また、本実施
例では、光検出位置を光照射位置が対向する側の被検体
外面にある全ての体積要素面の重心位置に設けた。例え
ば、図11において、P1面上の光照射位置6−1から
照射光7を照射した時には、対向側のP3面上に25点
の光検出位置を設けており、それぞれの光検出位置で検
出光強度が計測される(面Piの定義については図9を
参照)。本実施例では、被検体2を合計125個の体積
要素で分割しているので、それぞれの体積要素内で一様
な吸収物質濃度を未知数とすると、求めるべき125個
の未知数があることになる。未知数を決定するために
は、光計測位置(光源と光検出器の位置関係)も125
組だけ必要となる。そこで、本実施例では、照射点を
(2,2)P1、(2,2)P2、(4,4)P3、(4,
2)P4、(3,3)P5の5点とし、光検出位置は各光照
射位置の対向側の面上に25点設定し、合計125(5
×25)組の光計測位置を用意した(面Piの定義につ
いては図9を参照)。
位置の異なる2通りを用意した。これら被検体内部の吸
収物質の位置を図12と図13に示す。図12と図13
における吸収物質8の位置を(Vx,Vy,Vz)で表す
と、図12の被検体では、吸収物質が(3,3,3)の
体積要素内に均一濃度で存在し、図13の被検体では、
吸収物質が(3,3,3)と(1,3,1)の体積要素
内に均一濃度でそれぞれ存在している。照射光として2
波長λ1、λ2のパルス光を用い、各検出位置において通
過光強度を時間分解計測した。波長λ1、λ2のそれぞれ
に対する吸収物質の吸光係数は、ε(λ1)=1.0
〔(mm・mM)-1〕、ε(λ2)=0.0〔(mm・m
M)-1)〕とし、吸収物質濃度は全て0.01〔mM〕と
した。図14に、先に説明したモンテカルロシュミレー
ションにより得られた、透過光強度(検出光強度)の時
間スペクトルIdi(λ1,t)、Idi(λ2,t)の1例
を示す。横軸は検出時間を表しており、光子が散乱され
ずに直接検出位置に到達する時刻を原点としている。な
お、図7、図8と同様に、図14の横軸は、それぞれの
横軸の値に、光子の進行する媒体での光速度を乗算し
て、光子の進行距離として示すこともできる。本実施例
では、i番目の計測位置における検出光強度I
di(λ1)、Idi(λ2)として、各計測位置(i)毎に
得られる検出光強度の時間スペクトルを検出時間t1=
0〔ps〕から検出時間t2=1500〔ps〕まで積
分した値を用いた。なお、t2を1500〔ps〕よ
り、小さい値に設定することにより、最終的に得られる
吸収体の3次元分布の空間分解能、及び定量精度は、更
に向上する。
存在する吸収物質の濃度を画像化する手順の概要を図1
5に示す。この画像化の手順は大きく分けると、計測値
行列Yを生成するstep1、平均光路長の空間分布行
列Aを生成するstep2、行列Yと行列A逆行列から
未知数行列Xを導出するstep3、求められた未知数
行列Xから被検体内部の吸収物質濃度を求めこの空間分
布を表示するstep4からなる。なお、モンテカルロ
法による光路の計算が、step2の処理開始以前に既
になされ、光路データが記憶保存されている場合には、
記憶保存されている光路データを使用することは言うま
でもない。以下、各stepにおける詳細な手順を、図
16と図17にフローチャートにより説明する。
通過光強度を計測して、それぞれ検出光強度I
di(λ1)、Idi(λ2)を求める。
照射光に用いた2波長の照射光強度Id0(λ1)、Id0
(λ2)を計測する。
して計測終了後、step1−1、及びstep1−2
で求められた検出光強度Idi(λ1)、Idi(λ2)、及
びId0(λ1)、Id0(λ2)を(数19)に代入してy
iを得る。
yi(i=1〜125)から計測値行列Y(数22)を生
成する。
行列Aの生成。
の3次元的な外形形状を計測して、外形形状を表す座標
データを演算処理装置に入力し、仮想被検体データを生
成する。外形形状を計測する方法としては、光切断法、
MRI、X線CT等その他方法を用いる。本実施例では
被検体は1辺25mmの立方体であり、この外形形状デ
ータを入力する。
測位置(光照射位置と光検出位置)の座標を入力する。
本実施例では先に説明した125組の計測位置を演算処
理装置に入力する。
の散乱特性として、被検体の散乱係数μS、及び位相関
数のコサイン平均gを演算処理装置に入力する。本実施
例では、散乱係数μS=1.0〔mm-1〕、指向性を表
わす変数としてg=0を用いる。
ep2−3で入力したパラメータを基に、モンテカルロ
法を用いて吸収物質の存在しない被検体内の光散乱を模
擬する計算を行なう。設定された各計測位置(i)毎に
複数の光路を計算し、各計測位置(i)毎の各体積要素
(j)毎における平均光路長LAij(平均光路長の空間
分布)をメモリに記憶しておく。この時、通過光強度を
時間分解計測する場合には、計測信号として用いる検出
時間t1からt2の間に到達する光子の光路のみから、平
均光路長の空間分布LAijを求めて、メモリに記憶して
おく。本実施例では、各計測位置毎に30000本の光
路を計算し、検出時間は0〔psec〕から1500
〔psec〕とした。本ステップで用いるモンテカルロ
法に関しては先に概要を説明した。なお、モンテカルロ
法による光路の計算が、step2−4の処理開始以前
に既になされ、光路データが記憶保存されている場合に
は、記憶保存されている光路データを使用することは言
うまでもない。光路データが記憶保存されている場合
の、各計測位置(i)毎の各体積要素(j)毎における
平均光路長LAijを求めるための処理方法に関しては、
後で詳細に説明する。
測位置(i)と全体積要素内(j)に関して平均光路長
LAij(i=1〜125、j=1〜125)を求めた
後、平均光路長の空間分布行列A(数23)を生成す
る。ただし、計測対象である被検体の形状が予想される
場合、あるいは被検体の形状と類似した形状を用いる場
合には、あらかじめ平均光路長の空間分布行列Aを計算
しておく。例えば、生体頭部や***が被検体である場合
には、複数種類の頭部形状や***形状について、平均光
路長の空間分布行列Aを計算しておき、実際に計測対象
となる生体頭部や***と最も近い形状に関して計算した
平均光路長の空間分布行列Aを選択する。また、生体頭
部等は、球体あるいは楕円体に近似して計算する。
された計測値行列Yとstep2−5で生成された平均
光路長の空間分布行列Aの逆行列A-1を求め(数26)
に代入して、未知数行列Xを求める。もちろん(数3
0)により未知数行列Xを求めてもよい。
(数27)より、照射光の各波長に対する吸収物質の吸
光係数を用いて、各体積要素毎の吸収物質濃度を求め
る。
分布から、任意断層面の吸収物質濃度分布を画像表示す
る。
ーチャートに従って求められた吸収物質濃度の空間分布
の結果を表示する。図18から図20は、図12に示し
た被検体における吸収物質濃度の空間分布を求めた結果
である。図18はVy=2の面、図19はVy=3の面、
図20はVy=4の面を表示している。図21から図2
3は、図13に示した被検体における吸収物質濃度の空
間分布を求めた結果である。図21はVy=2の面、図
22はVy=3の面、図23はVy=4の面を表示してい
る。図18から図23において、x=、y=、z=のそ
れぞれに続いて記される数は対応する座標の値を示す。
以上の計算では、被検体の散乱係数として、生体に近い
散乱係数、μ=1.0〔mm-1〕を設定し、(数39)
中の位相関数のコサイン平均をg=0(等方散乱)と仮
定している。一般の生体関連物質では、g≒0.9であ
ることが知られているが、上記の計算ではg=0の仮定
にもかかわらず、得られた結果は、明確に予め設定され
た被検体における吸収物質濃度の空間分布を再現してお
り、吸収物質濃度が異なる5×5×5のサイズの空間が
明確に識別されており、が空間分解能も良好である。
tered Back Projection 法)を用いた結果例を示す。図
24は、外径25mm、高さ100mmを有する円柱
(散乱係数1.0mm-1である)の中心軸位置に、外径
5.mm、高さ100mmを有する円柱(空間分解能の
評価において広く仮定される完全吸収体とし、吸収系数
は無限大とする)の吸収体を配置した被検体に関する再
構成画像である。画像の再構成に使用した計測データ
は、被検体に照射する光をδ関数と見做して、先に概要
を説明したモンテカルロ法を使用したシミュレーション
により、図14に示すような検出光強度の時間スペクト
ルを生成した。画像の空間分解能を上げるために、時間
ゲート幅を小さく設定して、検出光強度の時間スペクト
ルの0〔psec〕から300〔psec〕までの積分
信号を計測信号とした。断層像は、計算により円柱の高
さ方向の中心位置で Filtered Back Projection 法で求
めた。
示しており、高さ方向の値の最大値を1.0、高さ方向
の表示の最小間隔を0.05として示している。図18
〜図23と図24との比較から、本発明による画像化方
法は従来の方法と比較して明らかに空間分解能が向上し
ていることがわかる。 Filtered Back Projection 法で
は、散乱の影響を十分考慮することができず、検出光強
度の時間スペクトルの積分時間間隔を仮に短くした計測
信号を使用しても、S/N比が劣化してしまい高い分解
能を得ることは困難である。図24の結果では、外径5
mmの吸収体は、空間分解能は半値幅で評価すると15
mmであり、5mm×5mm×5mmの大きさの吸収体
を再構成した、図18〜図23に示す結果では、吸収体
は明確に鋭く(シャープ)に検出されている。このよう
に、本発明での空間分解能は、 Filtered Back Project
ion 法に比較して約3倍以上改善されている。
構成を説明する図である。光源9は少なくとも2波長の
光を発する光源で、例えばチタンサファイアレーザ、も
しくは複数の半導体レーザで構成される。波長の切り替
えは、計算機24で制御する。まず、光源9から1波長
(λ1)の光が選択され、光ファイバー、レンズ等の光
学系で構成される光源用導波路10(以下、特に断りの
無い場合、導波路は光ファイバーあるいは光学系で構成
される)を通り、光は分波器11で参照光用導波路12
と光源用光ファイバー13の2系統に分岐される。スト
リークカメラ等の光検出器20により、参照光用導波路
12に分岐した光は照射光強度I0をもつ参照光として
計測される。光源用光ファイバー13に分岐した光は光
スイッチ14に入射する。光スイッチ14は、被検体2
の表面上に配置された複数の光照射用光ファイバー15
の1本を選択し、光源用光ファイバー13と接続され、
光源用光ファイバー13からの光は被検体2の任意位置
から被検体2内部に照射される。
ファイバー固定ホルダー16で位置を固定維持されてい
る。被検体2を通過した光は、被検体2の表面上に配置
された複数の光検出用光ファイバー17に入射する。光
スイッチ18は、複数の光検出用光ファイバー17の中
から必要な光ファイバーのみを選択し、検出器用光ファ
イバー19と接続する。選択された光検出用光ファイバ
ー17を通過する検出光は光検出器20に導かれ、各検
出器用光ファイバー19毎に検出光強度の時間分解信号
が計測される。光源の強度信号と、検出光強度の時間分
解信号は信号伝送ケーブル21でA/D変換器22に転
送されデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換
された光源の強度信号と検出光強度の時間分解信号は、
信号伝送ケーブル23で計算機24に転送され、計算機
内の記憶装置に保存される。
る波長(λ2)の光を選択し、上記と同様の計測を行な
う。1照射位置に関して計測終了後、前回の照射位置あ
るいは検出位置と異なる位置における光計測をするた
め、光スイッチ14及び18を光スイッチ制御ケーブル
26及び27を介して計算機24により制御して、光源
用光ファイバー13と光照射用光ファイバー15の接続
位置及び検出器用光ファイバー19と光検出用光ファイ
バー17の接続位置を切り替える。必要な計測が終了し
た後、先に説明した図15、図16、図17のフローチ
ャートの手順に従い、吸収物質濃度の空間分布を求め表
示装置25に表示する。
検出用光ファイバー17の配置例を示す。被検体の面の
番号Piを図9と同様に定義し、照射位置と検出位置を
図9と同様にする場合には、照射用光ファイバー13を
(2,2)P1、(2,2)P2、(4,4)P3、(4,
2)P4、(3,3)P5の5点に配置し、検出用光ファイ
バー17はP1〜P5の各面の各体積要素面の重心位置
に配置する。ただし、前記の5点の光照射位置には、光
照射用光ファイバー15と光検出用光ファイバー17の
2本の光ファイバーが配置されるので、それぞれの光フ
ァイバーの先端位置を多少ずらして配置するものとす
る。光照射用光ファイバー15、及び光検出用光ファイ
バー17には、例えば径1mmの石英ファイバーを用い
る。
の、光照射用光ファイバー15と光検出用光ファイバー
17の配置例を示す。被検体が生体頭部の場合には、ヘ
ルメット状の光ファイバー固定具28を用いて光照射用
光ファイバー15、あるいは光検出用光ファイバー17
を固定維持する。光ファイバー固定具28には、光照射
用光ファイバー15、あるいは光検出用光ファイバー1
7を挿入する穴が設けられ、各光ファイバーを任意の穴
位置に挿入する。被検体が生体の様な場合にも、仮想の
体積要素5を立方体とするが、図27に示す様に、表面
に接する体積要素5は立方体とはならない。
分割する場合には、計測位置(照射位置と検出位置の関
係)を少なくとも1000組用意する必要があり、計測
位置を1000組設定するために、図25に示す光照射
用ファイバー15と光検出用光ファイバー17の配置方
法としては、様々の方法がある。例えば、光照射用光フ
ァイバー15を少なくとも20本、光検出用光ファイバ
ー17を少なくとも1000本、それぞれ配置し、少な
くとも20本の光照射用光ファイバー15から光を照射
した時に、少なくとも1000本の光検出用光ファイバ
ー17の中から少なくとも50本を選択して、検出光強
度を計測すればよい。この計測は、図25と同様な装置
構成で実現できる。
吸収物質としては酸化ヘモグロビン(以下HbO2と略
す)と脱酸素化ヘモグロビン(以下Hbと略す)が支配
的であり、これら2成分の吸収物質濃度の空間分布を求
めることができる。この場合は、照射光として3種類の
波長(λ1,λ2,λ3)の光を用いて、各波長毎に光計
測を行い、(λ1,λ2)の波長を照射光として用いた計
測から図15、図16、図17に記載の、step1か
らstep3までと同様のフローチャートの手順に従
い、未知行列X、即ちχ(j,λ1,λ2)を求め、次に
(λ1,λ3)の波長を照射光として用いた計測から同様
にしてχ(j,λ1,λ3)を求め、得られたχ(j,λ
1,λ2)、χ(j,λ1,λ3)から連立方程式(数3
7)を立て、連立方程式(数37)に各波長の光に対す
る吸収物質の吸光係数εを代入して解き、各体積要素毎
のHbの濃度c(Hb,j)と、HbO2の濃度c(H
bO2,j)を求める。
bとHbO2の吸光係数の波長スペクトルを示す( S.Wr
ay 等, " Characterization of the near infrared abs
orption spectra of cytochrome aa3 and hemoglobin f
or the non-invasive monitoring of cerebral oxygena
tion "; Biochim. Biophys. Acta 933, 184-192(1988)
より数値を抜粋してグラフ化した)。図28中で、実線
がHbの吸光係数の波長スペクトルを、点線がHbO2
の吸光係数の波長スペクトルを、それぞれ示す。
係数の波長スペクトルをあらかじめ計算機内の記憶装置
に記憶しておき、照射光として用いる波長に対する吸光
係数を求める。頭部以外の生体組織、例えば***等の様
な部位を被検体とする場合も、専用の光ファイバー固定
具を使用し、照射光として近赤外光を用いて、被検体内
部のHbとHbO2の空間分布を求めることができる。
する場合には、照射光として(γ+1)種類の波長の光
を用いて、被検体中のγ種類の吸収物質濃度の空間分布
を得ることができる。例えば、近赤外光を用いて筋肉中
のHbとHbO2とミオグロビンの空間分布を求める場
合には、4種類の波長の照射光を用いればよい。
度の空間分布を求める方法を、図29を用いて説明す
る。図29では、生体頭部を被検体2とし、被検体の一
部である注目領域31内の吸収物質濃度の空間分布を求
めることを示している。図29において、注目領域31
の形状は25mm角の立方体で、5×5×5の合計12
5個の体積要素に分割し、各体積要素内の吸収物質濃度
を求める。注目領域31の近傍に配置した光照射用光フ
ァイバー15から照射光29を被検体2に照射し、被検
体2内で散乱された光が、注目領域31の近傍に配置さ
れた光検出用光ファイバー17に到達し検出光30とし
て検出される(この時検出される光は、光照射位置と同
一方向に配置された検出器により検出される、反射光で
ある)。但し、光照射用光ファイバー15から光検出用
光ファイバー17までの光路3は、注目領域31外の領
域を通過する光路もあるので、光が到達する領域32
(以下では、光到達領域と略記する)の内部全体につい
ての吸収物質濃度の空間分布を求めなければならない。
光到達領域32の形状は、あらかじめモンテカルロ法に
よるシミュレーションや、拡散方程式を用いたシミュレ
ーション等で決定する。
検出用光ファイバー17に到達する光の95%が通過す
る領域を包絡するように、光到達領域32を定める。
布を求めるには、光到達領域32を注目領域31と同様
に体積要素に分割して求める方法と、注目領域31外の
光到達領域32に含まれる領域を1体積要素と扱って求
める方法がある。両方法とも体積要素数が異なるだけで
あり、本質的には同じであるので、本実施例では注目領
域31外の領域を1体積要素として説明する。従って、
光吸収物質濃度の空間分布を求めるべき光到達領域32
内には、体積要素数が126個存在することになり、異
なる計測位置(照射位置と検出位置の位置関係)を少な
くとも126組用意しなければならない。計測位置の配
置方法は無数にあるが、図29において、例えば光照射
用光ファイバー15を注目領域31付近に少なくとも9
本配置し、光検出用光ファイバー17を注目領域付近に
少なくとも14本配置すれば、少なくとも126(9×
14)組の計測位置を用意できる。図25と同様な装置
構成で、各計測位置毎に被検体2を通過してくる検出光
30の強度を計測し、図15、図16、図17と同様の
フローチャートの手順で、光到達領域32内の吸収物質
濃度の空間分布を求めることができる。ただし、照射光
として近赤外光を用い、各体積要素中のHbO2とHb
の濃度を求める場合には、照射光として3種類の波長を
用いる。また、平均光路長の空間分布行列Aを計算する
際には、光到達領域32の外部形状が入力される。光到
達領域32の外部形状は、あらかじめ求めることができ
るので、平均光路長の空間分布行列Aも、あらかじめ計
算してメモリに記憶しておいても構わない。
の光検出位置までの、複数の光路を計算して一旦メモリ
に光路データとして記憶しておき、記憶された光路デー
タに基づいて、平均光路長の空間分布行列Aをもとめる
ための手順(以下では、簡単のため回転移動型モンテカ
ルロ法と略記する)について図を用いて、詳細に説明す
る。任意の光照射位置から任意の光検出位置までの複数
光路は、被検体内の光散乱を被検体の散乱特性を用いて
模擬するモンテカルロ法で計算して求めた。従来の光散
乱を模擬し光路を計算する従来のモンテカルロ法は、ウ
ィルソン等の行った方法が一般的であり、先に説明し
た。被検体の任意の光照射位置から任意の光検出位置ま
での光路を、従来のモンテカルロ法を用いて、必要に応
じてその都度計算してもよいが、その計算のために膨大
な計算時間を要するため実用的ではない。本発明では、
光路データを記憶しておき、これを使用することより、
その都度光路を計算する従来方法より、約100倍以上
高速化できる。
は図13と同様な立方体を用いて説明する。図30は、
回転移動型モンテカルロ法を説明するために想定した被
検体形状と、照射光29を照射する光照射位置33と検
出光30を検出する光検出位置34の相対位置関係を示
す図である。図30において光照射位置33から光検出
位置34に至るまでの複数の光路を回転移動型モンテカ
ルロ法で求める手順を、代表例として以下説明する。図
30において、立方体の被検体2は、仮想的に5×5×
5の体積要素に分割され、各体積要素5は立方体であ
る。回転移動型モンテカルロ法の概念を図31に示す。
図31は、簡単のため、光照射位置33と光検出位置3
4の位置を含む断面を示しており、この断面内に存在す
る光路37が示される。最初に、半径が被検体2の任意
の2点をとりその間の距離の最大値(図30の被検体形
状では、頂点35−1と頂点35−2の距離)と等し
い、球形の仮想散乱体36を計算機内で発生する。球形
の仮想散乱体36(図30では図示せず)の中心Oから
発射される1光子は、被検体2と等価な散乱特性で多重
散乱を繰り返し、仮想散乱体36の境界面まで到達す
る。ここで与えている散乱特性とは、先に説明した被検
体の散乱係数と位相関数で与えられる。
光子の散乱点を、光路データとして記憶保存しておくこ
とにより、1光子の仮想散乱体36中における光路37
を再現することができる。発射された1光子が境界面に
到達した後、同様の過程を繰り返して複数の光子に関す
る光路を得る。統計的な精度を実質的に補償するに十分
な光路数が得られた後、図31に示す様に、被検体2の
外形形状を有する仮想被検体38を発生する。被検体2
上の光照射位置33と光検出位置34の位置に対応し
て、仮想被検体38上に光照射位置33と光検出位置3
4を設定する。続いて、仮想被検体38上の光照射位置
33を、球形の仮想散乱体36の中心位置に配置し、球
形の仮想散乱体36の中心Oを回転中心として仮想被検
体38を回転させて、仮想被検体38と光路の相対位置
を変化させ、仮想被検体38上の光検出位置34と、上
記の過程で記憶保存されている光路とが交差する点を求
め、中心Oからこの交差点に至るまでの光路を再現する
散乱点の座標を仮想被検体38に設定されている座標系
に変換する。即ち、球形の仮想散乱体36の中心Oを回
転中心として、仮想被検体38上の光照射位置33と光
検出位置34を結ぶ線分を回転させて、この線分の先端
点である光検出位置34と記憶保存されている光路とが
交差する点を求める。上記の保存されている光路データ
のそれぞれに関して、同様の操作を繰り返し、仮想被検
体38上の光照射位置33から光検出位置34に至るま
での複数の光路が求められる。例えば、図31中に示す
様に、1光路に関して処理が終了した後、仮想散乱体3
8を中心Oの周りに矢印の方向に回転し、次の光路デー
タに関する処理を行う。求められた仮想被検体36上の
光照射位置33から光検出位置34に至るまでの光路デ
ータ(各光路に属する散乱点のデータ)から、各体積要
素毎の光路長を計算することができ、各体積要素毎の光
路長を記憶しておき、被検体2上の光照射位置33と光
検出位置34の計測位置における、平均光路長の空間分
布を(数42)から計算することができる。以上が、回
転移動型モンテカルロ法の2次元での説明であるが、3
次元においても同様の処理ができることは言うまでもな
い。被検体の形状が一般の場合にも、被検体を複数の空
間要素に分割して、被検体の外形形状を有する仮想被検
体を処理装置において生成して、以上の説明と同様の処
理を行なって、任意形状の被検体に関しての、光照射位
置と光検出位置とが設定されたとき、この光照射位置と
光検出位置とを通過する平均光路長の空間分布を(数4
2)から計算することができる。
として図32、及び図33に示し、以下にその詳細を各
ステップ毎に説明する。ただし、ここでは図17に示さ
れている様に、既に被検体の外形形状を表すデータが入
力されており、さらに、被検体の散乱特性も入力されて
いるものとする。
点を取り、その距離の最大値が半径となるような球の仮
想散乱体36を発生する。仮想散乱体36の中心から光
子を出射し、仮想散乱体境界面から光子が出ていくまで
の光路データを保存する。統計精度を実質的に補償する
ために、少なくとも1000本の光路データを保存す
る。仮想散乱体36の散乱特性は、被検体の散乱特性を
反映する。
被検体を発生し、被検体上の光照射位置に対応して、光
照射位置が仮想被検体に設定される。仮想被検体上の光
照射位置を球形の仮想散乱体中心に配置する。
る任意の光路データから、光路の1本を選択し、被検体
上の光照射位置と同位置に設定される仮想被検体上の光
検出位置と、光路が交差するように被検体を回転する。
この時、回転中心は仮想散乱体の中心(即ち光照射位
置)とする。本ステップで任意光路を選ぶ際に、既に選
択された光路は重複して選択しない。
光検出位置を通過した光路が、光路中で仮想被検体の境
界面と交差するか否かを判断する。交差する場合はst
ep3に戻り、次の光路に関して処理を行ない、交差し
ない場合はstep5に進む。
への到達時間tを総光路長から計算し、検出時間条件t
1、t2に対して、t1≦t≦t2の条件を満たしているか
否かを判断する。条件を満たしていない場合は、ste
p3に戻り次の光路データに関して処理を行ない、条件
を満たしている場合は、step6に進む。
に至るまでの光路の散乱点の座標を、仮想散乱体の座標
系から仮想被検体の座標系に変換した後、各体積要素毎
の光路長p(i,j,k)を計算し、記憶保存する。
タに関する以上の各stepの処理が終了したか否かを
判断する。計算終了でない場合はstep3に戻り次の
光路に関して処理を行ない、処理終了の場合はstep
9へ進む。
た光路の累積数mは、(数38)の右辺の分母に相当す
るmであり、検出器への到達時間〔t1〜t2〕の時間区
間に到達する光子数mと等しく、step6で保存され
ている各体積要素毎の光路長p(i,j,k)から、各
体積要素毎の累積光路長((数38)の右辺の分子)を
計算し、光路の累積数mで除算する。本stepでi番
目の光計測位置(光照射位置と光検出位置の組)におけ
る、j番目の体積要素毎の平均光路長LAij(平均光路
長の空間分布)を求めたことになる。異なる計測位置に
関して平均光路長の空間分布を計算する場合には、st
ep9に進む。
光検出位置の組)に関して、処理を終了したか否かを判
断する。処理終了していない場合は、step2に戻り
次の計測位置に関して処理を行なう。処理終了の場合に
は、step10に進む。
光路長の空間分布を記憶保存する。
計測位置に関して必ずしも処理する必要はない。幾何学
的に等価な関係にある異なる計測位置(光照射位置と光
検出位置の組)が複数ある場合に関しては、その中から
1つの計測位置を選択して、光路を求め、得られた光路
が、他の幾何学的に等価な計測位置を通過するように座
標変換して、処理時間を短縮できる。この処理は、前記
のstep6で行えばよい。例えば、図30において、
光照射位置33が(3,3)P1であり、光検出位置34
が(4,3)P2である計測位置は、光照射位置が(3,
3)P1であり、光検出位置が面P2と平行な面P4上の
点である(4,3)P4、等の計測位置と幾何学的に等価
と考える(面Piの定義は図9参照)。
であるが、同様の考え方により、図34に示すように、
仮想散乱体36(十分大きいサイズを有する空間であれ
ば任意の形状でよい)の1点(O0)から、発する1光
子の複数の散乱点を、光路データとして記憶保存してお
き、光路37を再現することができる(この方法を、移
動回転型モンテカルロ法と呼ぶ)。なお、図34では、
図31と同様に、簡単のため、図30に示される光照射
位置33と光検出位置34の位置を含む断面を示してお
り、この断面内に存在する光路37が示される。仮想散
乱体36中における仮想被検体38上の光照射位置33
を、仮想散乱体36の任意の位置Oに配置し、仮想散乱
体36の中心Oを回転中心として仮想被検体38を回転
させて、仮想被検体38と光路37の相対位置を変化さ
せ、仮想被検体38上の光検出位置34と、保存された
光路37とが交差する点を求め、点Oからこの交差点に
至るまでの光路を再現する散乱点の座標を仮想被検体3
8に設定されている座標系に変換し、各体積要素毎の光
路長p(i,j,k)を計算し、記憶保存する。次い
で、光照射位置33の位置を点Oから、光路の沿って点
O’に移動させて同様の処理を行なう。点Oと点O’と
の間の距離は、仮想被検体の光照射位置33と光検出位
置34との間の距離より大きくすることが望ましい。そ
の他の処理に関しては、先に説明した回転移動型モンテ
カルロ法の場合と同様である。以上が、移動回転型モン
テカルロ法の2次元での説明であるが、3次元において
も同様の処理ができることは言うまでもない。同様にし
て、被検体の形状が一般の場合にも、被検体に光照射位
置と光検出位置とが設定されたとき、この光照射位置と
光検出位置とを通過する平均光路長の空間分布を(数3
8)から計算することができる。
量性、計算時間の点で問題点があったが、本発明の方法
では、従来方法に比較して、空間分解能で約3倍以上の
改善がなされた3次元的な吸収物質の空間分布を得るこ
とができ、10〜100倍程度計算時間が短縮され、局
所の最適解に落ち込むことなく解を得ることができ、さ
らに定量性の改善が可能である。また、回転移動型、も
しくは移動回転型モンテカルロ法を用いることにより、
従来のモンテカルロ法を適用する方法と比較して、平均
光路長の空間分布を約100倍以上の速度で求めること
ができる。
断面図。
路を含む断面図。
む断面図。
素に分割したときの各体積要素での光路を模式的に示す
図。
の例を示す図。
例を示す図。
図。
示す図。
示す図。
間スペクトル例を示す図。
処理を示すフローチャート。
処理を示すフローチャート。
処理を示すフローチャート。
布の例を示す図。
布の例を示す図。
布の例を示す図。
布の例を示す図。
布の例を示す図。
布の例を示す図。
分布の例を示す図。
ーを配置する例を示す図。
バーを配置する例を示す図。
の吸光係数の波長スペクトル。
す図。
用する被検体の例を示す図。
念を説明するための図。
り平均光路長の空間分布を求める手順を示すフローチャ
ート。
り平均光路長の空間分布を求める手順を示すフローチャ
ート。
念を説明するための図。
被検体の第3面、P4…被検体の第4面、P5…被検体
の第5面、P6…被検体の第6面、1…光源、2…被検
体、3…光路、4…検出器、5…体積要素、6…光照射
位置、7…照射光、8…吸収物質、9…光源、10…光
源用導波路、11…分波器、12…参照光用導波路、1
3…光源用光ファイバー、14…光スイッチ、15…光
照射用光ファイバー、16…光ファイバー固定具、17
…光検出用光ファイバー、18…光スイッチ、19…検
出器用光ファイバー、20…光検出器、21…信号伝送
ケーブル、22…A/D変換器、23…信号伝送ケーブ
ル、24…計算機、25…表示装置、26…光スイッチ
制御ケーブル、27…光スイッチ制御ケーブル、28…
光ファイバー固定具、29…照射光、30…検出光、3
1…注目領域、32…注目領域外の領域、33…光照射
位置、34…光検出位置、35…被検体の頂点、36…
仮想散乱体、37…光路、38…仮想被検体。
Claims (8)
- 【請求項1】光吸収物質を含んでなる光散乱体からなる
被検体に、所定の光照射位置から所定の波長を有するパ
ルス光又は連続光を照射する照射手段と、前記被検体を
通過する光の強度を所定の光検出位置で検出する検出手
段と、前記照射位置から前記光検出位置までの複数の光
路を求め、前記複数の光路から平均光路長を求める第1
の計算手段と、前記平均光路長と前記吸収物質の光学定
数とから前記吸収物質の濃度を求める第2の計算手段と
を具備してなることを特徴とする吸収物質濃度空間分布
画像装置。 - 【請求項2】前記平均光路長をモンテカルロ法により求
めることを特徴とする請求項1記載の吸収物質濃度空間
分布画像装置。 - 【請求項3】光吸収物質を含んでなる光散乱体からなる
被検体に、所定の光照射位置から二波長を有するパルス
光又は連続光を照射する照射手段と、前記被検体を通過
する光の強度を所定の光検出位置で検出する検出手段
と、前記検出手段で二波長毎の検出光強度を求め検出光
強度に対応した照射光強度を計測し、これらから計測値
行列を求める手段と、前記光散乱体の外形形状を計測す
る手段と、前記検出位置と前記光散乱体の特性値を入力
し平均光路長を求める演算処理手段と、前記平均光路長
の空間分布行列とその逆行列を求めて吸収物質の吸光係
数を求める手段とを有することを特徴とする吸収物質濃
度空間分布画像装置。 - 【請求項4】前記光散乱体の特性値として被検体の散乱
係数と指向性を表す変数を入力することを特徴とする請
求項3記載の吸収物質濃度空間分布画像装置。 - 【請求項5】前記吸収物質の濃度の空間分布から任意の
断層面の吸収物質濃度分布を表示する画像表示手段を付
加してなること特徴とする請求項3記載の吸収物質濃度
空間分布画像装置。 - 【請求項6】生体の吸収物質である酸素化ヘモグロビン
と脱酸素化ヘモグロビンに波長の異なる近赤外光を照射
光として用い、各波長毎に生体からの光を検出して平均
光路長と各波長に対する酸素化ヘモグロビンと脱酸素化
ヘモグロビンの吸光係数とから前記酸素化ヘモグロビン
と前記脱酸素化ヘモグロビンの濃度を求める手段を有す
ることを特徴とする吸収物質濃度空間分布画像装置。 - 【請求項7】前記酸素化ヘモグロビン又は前記脱酸素化
ヘモグロビンのいずれかの濃度の空間分布から任意の断
層面の分布を表示する画像表示手段を付加してなること
を特徴とする請求項6記載の吸収物質濃度空間分布画像
装置。 - 【請求項8】前記請求項1に記載の複数光路を、予め求
め、記録媒体に記憶しておくことを特徴とする吸収物質
濃度空間分布画像装置。
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JP30482499A JP3276947B2 (ja) | 1999-10-27 | 1999-10-27 | 吸収物質濃度空間分布画像装置 |
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-
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