JP5283525B2 - 光断層情報の生成方法、光断層情報生成装置及び光断層情報の生成プログラム - Google Patents
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Description
本発明は、光を用いたトモグラフィー（Tomography）に係り、詳細には、励起光を照射して、この励起光によって発光される蛍光体の分布を含めた光断層画像を取得可能とする光断層情報の生成方法、光断層情報生成装置及び光断層情報の生成プログラムに関する。
生体などの断層画像を取得する方法としては、Ｘ線を用いたＸ線ＣＴ、超音波を用いた超音波ＣＴ、核磁気共鳴を適用したＮＭＲ−ＣＴ、プロトンなどの粒子線を用いた陽子線ＣＴなどがある。また、生体においては、光透過性を有することが知られており、小動物の断層画像に光を用いる光ＣＴ（Computed Tomography）が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
生体に照射された光は、生体内で散乱し、散乱した光が生体の周囲から射出される。光ＣＴでは、生体内で乱反射して生体の周囲から射出される光を検出して、電気信号を取得し、それぞれの電気信号に対して所定の信号（画像信号）処理を施して得られる情報から画像再構成を行うことにより、生体の断層画像が得られるようにしたものである。
一方、病理学的な実験分野では、所定の波長の光で発光する蛍光体を含む薬剤などを生体に投与して、生体中での、その薬剤の移動、分布、特定部位へ集積するときの集積過程などを観察するときに光ＣＴ（以下、蛍光ＣＴとする）を用いることができる。すなわち、蛍光体に対する励起光を生体に照射し、この励起光に応じて生体から射出される光（蛍光）を検出して、生体の二次元的な断層画像、三次元的な断層画像を再構築する。これにより、この断層画像から蛍光体、蛍光体を含む試薬や細胞などの位置、量などの情報を得ることができる。
このような蛍光ＣＴにおいても、生体の表面の一点へ励起光を照射し、これにより生体から射出される散乱蛍光を多点で検出する。これを、励起光の照射位置を変えながら繰り返すことで、照射点数×検出点数だけのデータを取得する。これらのデータの間には、蛍光物質の分布、体内での光の散乱、吸収特性に応じた関係が成立することから、この関係に基づいて断層画像を再構築することができる。
ところで、この蛍光ＣＴにおいて、断層画像の再構築を行うために蛍光体の濃度分布を演算するときには、励起光強度分布及び、蛍光強度分布の２つの光強度分布について逆問題計算を行うように提案されている（例えば、特許文献３、非特許文献１参照。）。
この提案を適用するためには、励起光強度分布と蛍光強度分布の両方を検出する必要があり、そのために、それぞれの励起光の波長に対応できる装置構成が必要となり、かつ、それぞれの光強度分布を得るための２系統での逆問題計算を行う必要がある。この逆問題計算は、順問題計算と比較して、計算負荷が大きく、計算に時間が必要となる。
特開平１１−１７３９７６号公報
特開平１１−３３７４７６号公報
米国特許出願公開第２００７／０２８６４６８号明細書
S.R.Arridge "Optical tomography in medical" Inverse Problems １５（１９９９）Ｒ４１−９３
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、蛍光ＣＴにおける装置構成の簡略化を可能とするとともに蛍光体の分布を示す断層画像を形成するための処理負荷の軽減を図る光断層情報生成方法を提供することを目的とする。また、本発明は、蛍光ＣＴにおける蛍光体の分布を示す断層画像を形成可能とする光断層情報を生成する光断層情報生成装置及び光断層情報の生成プログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、蛍光体を含まない検体自体の光学的特性に基づいて検体自体の散乱係数及び吸収係数を予め設定すると共に、前記蛍光体を含ませた観察対象としての検体の蛍光体の濃度分布を仮設定し、光源から前記観察対象としての前記検体の表面へ前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記蛍光体から発せられて前記観察対象としての前記検体から周囲へ射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出して、前記蛍光の強度の測定データを取得し、前記検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて得られる蛍光の強度と、前記測定データとの差分を取得し、前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新し、前記差分が所定範囲内となった前記蛍光体の濃度分布から、前記蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する。
この発明によれば、光源から検体に照射する励起光によって、検体から射出される蛍光の強度を検出し、蛍光の強度（蛍光強度）の測定データを取得する。また、蛍光体を含まない検体自体の光学特性に基づいて検体自体の散乱係数及び吸収係数を予め設定すると共に、蛍光体を含ませて観測対象とした検体における蛍光体の濃度分布を仮設定しておき、数学的モデルから蛍光の強度を取得する。
この数学的モデルから取得した蛍光の強度と、測定データとして得られる蛍光の強度を比較し、この差分に対する評価を行う。
このときに、差分が大きければ、逆問題計算を行うことにより、この差分を減少させるように蛍光体の濃度分布を推定し、推定した蛍光体の濃度分布に基づいた蛍光の強度と測定データを比較する処理を反復することにより、蛍光体の濃度分布を特定する。
このようにして得られる蛍光体の濃度分布から検体内の蛍光の強度分布を求めて、検体の光断層画像を形成するための光断層情報を生成する。
これにより、光断層情報を取得するための光拡散方程式を用いた逆問題計算は、蛍光の強度に対して行うのみでよいために、断層情報を生成するための処理負荷が軽減され、処理時間の短縮を図ることができる。
また、断層画像を形成するための光の強度測定は、検体から射出される蛍光に対して行うのみでよいため、装置の簡略化、計測時間の短縮を図ることができる。
このような本発明では、前記光源を前記観察対象としての前記検体の周囲に沿って相対移動することにより前記励起光の前記観察対象としての前記検体への照射位置を変更しながら、それぞれの照射位置で前記蛍光の強度を検出して、前記測定データを取得するものであればよく、また、このときに、前記蛍光を検出する複数の検出手段を前記観察対象としての前記検体の周囲に予め設定された間隔で設け、前記複数の検出手段を前記光源と一体で移動して前記蛍光の強度を検出する構成を取り得る。
これにより、蛍光の強度を検出するための構成が簡略化できる。
このような本発明を適用する光断層情報生成装置は、蛍光体を含ませた観察対象としての検体へ、蛍光体を含まない検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記観察対象としての検体内の蛍光体により発せられて当該検体の周囲から射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出し、蛍光の強度の計測データとして読み込む読込み手段と、前記検体自体の光学的特性に基づいて予め設定した検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記観察対象としての前記検体に対して予め仮設定した蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて前記観察対象としての前記検体の周囲から発せられる前記蛍光の強度を演算する演算手段と、前記演算手段によって得られた前記蛍光の強度と前記計測データとの差分が所定範囲か否かを評価する評価手段と、前記差分が所定範囲でないと評価された場合に、前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新する更新手段と、前記更新手段によって更新された前記蛍光体の濃度分布を用いた前記演算結果に対して前記差分が前記所定範囲と評価された場合に、評価対象とされた前記蛍光体の濃度分布から、蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する生成手段と、を含むものであればよい。また、光断層情報生成装置は、前記励起光を発する光源、及び前記蛍光を検出する複数の検出手段が、前記観察対象としての検体の周囲に沿って所定の間隔で設けられた機枠を備え、前記読込み手段が、前記機枠の前記観察対象としての前記検体に対する相対移動により前記光源及び前記検出手段を一体で前記観察対象としての前記検体の周囲に沿って相対移動させて前記励起光の照射位置を変更しながら、照射位置のそれぞれで前記蛍光の強度を検出しても良い。
また、本発明は、コンピュータを、蛍光体を含ませた観察対象としての検体へ、蛍光体を含まない検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記観察対象としての検体内の蛍光体により発せられて当該検体の周囲から射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出し、蛍光の強度の計測データとして読み込む読込み手段と、前記検体自体の光学的特性に基づいて予め設定した検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記観察対象としての前記検体に対して予め仮設定した蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて前記観察対象としての前記検体の周囲から発せられる蛍光の強度を演算する演算手段と、前記演算手段によって得られた前記蛍光の強度と前記計測データとの差分が所定範囲か否かを評価する評価手段と、前記差分が所定範囲でないと評価された場合に、前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新する更新手段と、前記更新手段によって更新された前記蛍光体の濃度分布を用いた前記演算結果に対して前記差分が前記所定範囲と評価された場合に、評価対象とされた前記蛍光体の濃度分布から、蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する生成手段と、して機能させる光断層情報の生成プログラムを用いることにより達成することができる。
以上説明したように本発明によれば、生体（検体）の散乱係数に加えて吸収係数を予め設定することにより、逆問題計算を蛍光の強度に対して行うのみでよいために、検体内の蛍光体の部分を示す光断層情報を生成するための処理負荷が軽減され、処理時間の短縮を図ることができる。これと共に、本発明では、光断層情報を生成するための光の強度測定が、検体から射出される蛍光に対して行うのみでよいため、装置の簡略化、計測時間の短縮を図ることができるという効果を有する。
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１には、本実施の形態に係る光断層観察装置１０の概略構成が示されている。この光断層観察装置１０は、計測部１２と計測部１２から出力される電気信号に基づいた画像処理（信号処理）を行う画像処理部１４とを含んでいる。画像処理部１４には、表示手段としてＣＲＴ、ＬＣＤなどのモニタ１６が設けられており、このモニタ１６に、計測部１２の計測結果に基づいた画像が表示される。
この光断層観察装置１０では、小動物（例えばヌードマウス）などの生体を観察対象とする検体１８として、この検体１８から得られる光断層情報に基づいた画像（以下、光断層画像とする）をモニタ１６に表示したり、表示画像の画像データ（光断層情報）を各種の記憶媒体に記憶可能となっている。
計測部１２は、計測ユニット２０を備えている。計測ユニット２０は、リング状の機枠２２を備え、この機枠２２の軸心部が計測位置となっている。計測部１２では、前記検体１８が機枠２２内の計測位置に配置される。
計測ユニット２０には、計測位置へ向けて所定波長の光を照射する光源ヘッド２４と、前記生体から射出される光を検出光として、この検出光を検出する複数の受光ヘッド２６とが、所定の角度間隔で（所定の角度θずつずらされて）機枠２２に取付けられている。本実施の形態に適用した光断層観察装置１０では、一例として光源ヘッド２４から３０°ずつ（θ＝３０°）ずらして１１台の受光ヘッド２６を配列している。
これにより、計測部１２では、光源ヘッド２４から照射した光に対して、検体１８から射出された検出光を、１１台の受光ヘッド２６のそれぞれによって並行して受光可能となっている。
また、計測部１２は、機枠２２が軸心に対して所定の角度ずつ回転されるようになっている。これにより、計測部１２では、検体１８の周囲の複数点へ向けて光源ヘッド２４から光を照射し、それぞれの位置での検出光の受光が可能となっている。ここでは、一例として、機枠２２を角度θ（θ＝３０°）ずつ回転するようにしている。また、計測部１２では、検体１８の周囲の１２点に対して、光を照射し、それぞれの照射点における１１箇所で検出光の検出が可能となっている。なお、光源ヘッド２４の数、受光ヘッド２６の数、これらの配列及び光源ヘッド２４と受光ヘッド２６の移動量などは、これに限るものではなく、任意の数、配列及び移動量を適用することができ、また、光源ヘッド２４と受光ヘッド２６を一体とした構成を適用することもできる。
計測部１２では、基台２８上に支柱３０が立設されており、この支柱３０に対して、機枠２２が回転可能に支持されている。また、支柱３０は、基台２８上に、機枠２２の軸方向（図１の紙面表裏方向）に沿って移動可能に支持されている。これにより、計測部１２では、機枠２２が回転可能となっていると共に、その軸方向に沿って移動可能となっており、機枠２２の軸方向に沿った検体１８の任意の部位に対する計測可能となっている。
なお、このような機枠２２の回転機構及び移動機構は、任意の構成を適用することができる。また、計測部１２では、機枠２２を回転するようにしているが、これに限らず、機枠２２内に配置される検体１８を回転する構成としても良く、また、検体１８と機枠２２のそれぞれが回転されるものであっても良い。
一方、計測部１２には、制御ユニット３２が設けられている。図２に示されるように、制御ユニット３２は、マイクロコンピュータを含んで形成されたコントローラ３４を備えている。また、制御ユニット３２には、例えば、光源ヘッド２４を駆動する発光駆動回路３６、受光ヘッド２６のそれぞれから出力される電気信号を増幅する増幅器（Ａｍｐ）３８、増幅器３８から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０を備え、光源ヘッド２４の発光、各受光ヘッド２６での検出光の受光、受光した検出光の強度を示す測定データの生成が、コントローラ３４によって制御される。
また、計測部１２は、計測ユニット２０の機枠２２を回転駆動する回転モータ４２、機枠２２を軸方向に移動する移動モータ４４及び、それぞれの駆動回路４６、４８を含み、これらがコントローラ３４に接続された構成とすることができる。
一方、画像処理部１４は、ＣＰＵ５０、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５４、記憶手段とされるＨＤＤ５６、キーボードやマウスなどの入力デバイス５８、モニタ１６等がバス６０に接続された一般的構成のコンピュータが形成されている。これにより、画像処理部１４では、ＲＯＭ５２やＨＤＤ５６に記憶されたプログラム、図示しないリムーバルメモリなどに記憶されたプログラムに基づいた各種の制御、信号処理、画像処理などが可能となっている。
また、画像処理部１４と計測部１２の計測ユニット３２との間では、制御信号の送受信及びデータの送受信が可能となっている。なお、このような構成は、任意の通信インターフェイスを用いて構成することができる。
これにより、図３に示されるように、画像処理部１４には、読取部７０が形成され、
計測部１２での検体１８の計測を制御しながら、計測部１２（計測ユニット３２）から出力される計測データが読み込まれる。また、画像処理部１４には、演算処理部７２、評価部７４、更新処理部７６、断層情報生成部７８及び画像構築部８０が形成されている。
計測部１２での検体１８の計測を制御しながら、計測部１２（計測ユニット３２）から出力される計測データが読み込まれる。また、画像処理部１４には、演算処理部７２、評価部７４、更新処理部７６、断層情報生成部７８及び画像構築部８０が形成されている。
演算処理部７２では、蛍光体６２の吸収係数を含む予め設定されている光学特性値に基づいて光拡散方程式を用いた順問題計算によって蛍光の強度を演算する。
評価部７４では、演算された蛍光の強度と計測データから得られる蛍光の強度の差分を評価する。また、更新処理部７６では、光拡散方程式の逆問題計算を行うことにより、評価部７４の評価結果から得られる差分を減少させるように蛍光の強度から蛍光体の濃度分布に基づく吸収係数を設定する。また、演算処理部７２では、更新処理部７６で蛍光体の濃度分布に基づく吸収係数の更新が行われると、更新された蛍光体の濃度分布に基づいた蛍光の強度の演算を行なう。
このようにして蛍光の強度の更新と評価が繰り替えされ、例えば、演算された蛍光の強度と計測データとが一致したと評価されると、断層情報生成部７８では、そのときの蛍光体の濃度分布に基づく吸収係数から光断層情報である蛍光体の濃度分布を生成し、画像構築部８０では、この光断層情報に基づいて光断層画像を生成する。
このように画像処理部１４では、計測部１２から読み込んだ計測データに対して、所定のデータ処理を行った後、この処理結果に基づいた画像処理を行うことにより、計測データに基づいた検体１８の光断層画像を再構築する。
ここで、光断層観察装置１０における計測データの生成及び、計測データに対する処理を説明する。
本実施の形態に適用した光断層観察装置１０では、光源ヘッド２４から発する光を励起光として、この励起光が照射されることにより蛍光を発する蛍光体６２（図４参照）を含む物質ないし薬剤が投与される。光断層観察装置１０では、検体１８の断層画像として、蛍光体６２の分布を含む画像を再構築し、検体１８内での各種の臓器に対する蛍光体６２の分布が視認可能となるようにしている。
図４（Ｂ）に示されるように、検体１８に励起光を照射すると、この励起光が検体１８内で散乱しながら蛍光体６２に達する。これにより、検体１８内の蛍光体６２に発光が生じる。また、図４（Ａ）に示されるように、蛍光体６２から発せられる光（蛍光）は、検体１８内で散乱を繰り返しながら、検体１８から射出される。このときに、蛍光と共に励起光も射出されるが、受光ヘッド２６では、この検体１８から射出される蛍光を検出光として、この検出光（以下、蛍光とする）の強度を検出する。光断層観察装置１０では、この検出光の光強度分布から検体１８内での蛍光体６２の分布（濃度分布）を得る。
ここで、励起光などの光を検体１８に照射した場合、照射位置近傍の領域では、光に対する屈折率が方向によって異なるなどの異方散乱領域となっているが、検体１８内で所定距離以上に進行すると等方散乱領域となる。
検体１８内を散乱する光は、エネルギーを輸送する粒子と見なされることから、光強度の分布は、光強度のエネルギー保存式である光輸送方程式を用いて表すことができる。しかし、この光輸送方程式を解くことは現状では困難とされている。
一方、検体１８では、一般的に異方散乱領域が数ｍｍ程度であるために、数ｃｍ以上の大きさの検体１８では、その体内を実質的に等方散乱領域と見なすことができる。すなわち、検体１８での光の散乱は等方散乱として近似することができる。
ここから、光拡散方程式を用いることにより、光強度の分布が得られる。この光拡散方程式は、（１）式で表される。ここで、Φ（r、ｔ）は検体１８内の光強度、Ｄ（ｒ）は拡散係数、μａ（ｒ）は吸収係数、ｑ（ｒ、ｔ）は光源の光密度に対応する光強度を表し、ｒは検体１８内の座標位置、ｔは時間を表す。
ここで連続光であれば、光拡散方程式は（２）式で示すことができる。
光学特性値である拡散係数Ｄ（ｒ）、吸収係数μａ（ｒ）が既知であるときに、この光拡散方程式（（２）式）を用いて検体１８から射出される光強度分布を求める場合、順問題として計算することができる。しかし、光強度分布が既知であり、ここから、光拡散方程式を用いて検体１８の光学特性値を求めることは、逆問題計算となる。
ここで、検体１８での拡散係数Ｄ（ｒ）及び吸収係数μａ（ｒ）は、光の波長によって異なるため、励起光の波長に対する拡散係数をＤｓ（ｒ）、吸収係数をμａｓ（ｒ）とし、光源の光密度に対応する光強度をｑｓ（ｒ）とすると、励起光に対する光拡散方程式は（３）式で表され、一方、蛍光の波長に対する拡散係数をＤｍ（ｒ）、吸収係数をμａｍ（ｒ）とし、蛍光の光源をｑｍ（ｒ）とすると、蛍光に対する光拡散方程式は（４）式で表される。また、蛍光の光源ｑｍ（ｒ）は検体１８内の光強度Φｓ（ｒ）と、蛍光体６２の量子効率γ、モル吸光係数εを用いて、ｑｍ＝γ・ε・Ｎ（ｒ）・Φｓ（ｒ）と表すことができる。したがって、（４）式は（５）式で置き換えられる。
ここから、従来では、検体１８から射出される励起光強度及び、蛍光強度を計測し、それぞれに対して逆問題計算を行うことにより、蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）を得るようにしている。
これにより得られる蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）を検体１８の断層画像に合成することにより、検体１８内での蛍光体６２の分布を光断層画像上で視認することができる。
一方、図５に破線で示されるように、検体１８内のヘモグロビンは、約７００ｎｍ以下の波長の光に対して吸収が強く、また、図５に二点鎖線で示されるように、検体１８内の水分は、波長が約１μｍ以上の光に対して吸収が強い。したがって、検体１８では、７００ｎｍ〜１μｍの波長域が吸収の弱い帯域である所謂光学的窓となっている。この波長域では、検体１８の吸収係数μａは、０．００２ｍｍ−１〜０．１ｍｍ−１の範囲となっている。
また、検体１８内での光の散乱係数（散乱の強さ、図５に実線で示す）は、波長が長くなると小さくなるが、その変化は緩やかであり、光学的窓となっている７００ｎｍ〜１μｍの波長域では、散乱の強さを略一定と見なすことができる。
ここから、本実施の形態に適用した光断層観察装置１０では、光源ヘッド２４から発する光として、生体（検体１８）での光学的窓に該当する７００ｎｍ〜１μｍの波長の赤外線（近赤外線）を用いている。これにより、検体１８での光学的特性である吸収係数μａ、散乱係数（拡散係数Ｄ）を略一定の値（既知の値）とすることができ、（３）式及び（５）式において、Ｄｓ（ｒ）＝Ｄｍ（ｒ）＝Ｄ（ｒ）、μａｓ（ｒ）＝μａ（ｒ）＋ε・Ｎ（ｒ）、μａｍ（ｒ）＝μａ（ｒ）とおける。ここで、εはモル吸光係数、Ｎ（ｒ）は蛍光体６２の濃度分布を表し、ε・Ｎ（ｒ）は蛍光体６２による吸収を表す。したがって、（３）式及び（５）式は、（６）式及び（７）式で置き換えられる。
また、本実施の形態で断層画像を観察する検体１８には、この近赤外線を励起光として発光する蛍光体６２を含む物質ないし薬剤が投与される。
このときに、（７）式に示されるように、蛍光体６２が光源となるときの蛍光の強度は、励起光の強度Φｓ（ｒ）に基づくものである。これは、拡散係数や吸収係数を予め設定すれば既知であり、光源の光強度ｑｓ（ｒ）も既知であることから、有限要素法などの数値解析手法により検体１８内の光強度Φｓ（ｒ）を順問題として求めることができる。
したがって、計測部１２で蛍光の強度を計測し、これを計測データであるΦｍ（ｒ）を用いて、一つ（１系統）の逆問題計算によって検体１８内での蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）が得られる。
以下に、光断層観察装置１０での処理及び、光断層観察装置１０の画像処理部１４における処理の一例を説明する。
光断層観察装置１０では、計測部１２の計測ユニット２０に検体１８が配置されると、光源ヘッド２４から予め設定された波長の近赤外光を励起光として検体１８に照射する。この励起光は、検体１８内を拡散しながら伝播（透過）する。
ここで、検体１８に蛍光体６２が投与されていると、この蛍光体６２に励起光が照射され、これにより、蛍光体６２が発光する。この蛍光は、検体１８内を拡散しながら伝播して、検体１８から周囲へ射出される。
計測ユニット２０には、検体１８を囲うように受光ヘッド２６が所定の角度間隔で配列されており、計測部１２では、検体１８から射出される蛍光を検出光として、各受光ヘッド２６で受光する。
また、計測部１２では、機枠２２を回転することにより検体１８への励起光の照射位置及び検体１８から射出される蛍光の検出位置を相対的に変えて、励起光の照射、検出光の受光を繰り返す。これにより、検体１８の周囲に沿って照射した励起光に応じた蛍光の強度の測定データが得られる。
光断層観察装置１０の画像処理部１４では、この計測データに基づいて蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）を演算する。
図６には、このときの処理の一例を示している。なお、画像処理部１４では、検体１８の光学的特性に基づいて予め設定されている波長の近赤外線を励起光としており、ここから、吸収係数μａ（ｒ）、拡散係数Ｄ（ｒ）が予め設定されて記憶されている。なお、この吸収係数μａ（ｒ）、拡散係数Ｄ（ｒ）は、検体１８に合わせて入力されるものであっても良い。
このフローチャートでは、最初のステップ１００で、蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）の初期値を設定する。次のステップ１０２では、設定された濃度分布Ｎ（ｒ）と、予め設定されている吸収係数μａ（ｒ）及び拡散係数Ｄ（ｒ）に基づいて、検体１８から射出される蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを計算する。すなわち、仮想的な蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを取得する。この蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、数学的モデルである光拡散方程式を有限要素法などの数値解析手法を用いた公知の順問題計算として容易に演算することができる。
すなわち、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcは、（６）式又は（８）式から得られ、励起光と蛍光をあわせた光強度分布Φｔ（ｒ）calcは、（９）式から得られる。また、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcと光強度分布Φｔ（ｒ）calcとから得られる（（１０）式参照）。
また、ステップ１０４では、計測部１２で計測した検体１８に対する計測データを読み込み、次のステップ１０６では、読み込んだ計測データから、蛍光強度分布（蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measure）を算出する。すなわち、計測データに基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureを取得する。
なお、ここでは、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcの演算を行った後、計測データに基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureを取得するようにしているが、これに限らず、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureを取得した後、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを演算するようにしても良い。
この後、ステップ１０８では、計測データに基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureと、演算結果に基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを比較し、ステップ１１０では、一致しているか否かを確認する。なお、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcが一致しているか否かは、その差分が、予め設定した許容範囲内か否かから判断するものであっても良い。
ここで、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcが一致していないと判断されるときには、ステップ１１０で否定判定されてステップ１１２へ移行する。
このステップ１１２では、関数行列（Jacobian matrix）を用いた公知の手法で光学特性値の変化に対する光強度分布の変化を演算する。
次に、ステップ１１４では、Levenberg‐Marqurdt法などの最適化手法による逆問題計算を用いて蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcの誤差（例えば、二乗誤差ｙ）を評価する。すなわち、二乗誤差ｙは、（１１）式から得られ、この二乗誤差ｙを評価する。
また、このステップ１１４では、この二乗誤差ｙを最小とする蛍光体６２での光の吸収εＮ、すなわち、蛍光体６２の濃度分布Ｎ（ｒ）を推定する。これは、光拡散方程式である（１２）式（（７）式）を用いた逆問題計算を行うことにより推定することができる。
このようにして濃度分布Ｎ（ｒ）を求めると、ステップ１１６では、この演算結果に基づいて濃度分布Ｎ（ｒ）を更新する。
画像処理部１４では、このステップ１０２からステップ１１６を繰返し行う。これにより、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとが一致したとみなされると、ステップ１１０で肯定判定してステップ１１８へ移行し、このときの濃度分布Ｎ（ｒ）を計測データから得られた濃度分布Ｎ（ｒ）として設定する。
これに対して、従来構成では、散乱係数Ｄ（ｒ）及び吸収係数μａ（ｒ）が既知の値として設定されていないため、測定データとして蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measureに加え励起光強度分布Φｘ（ｒ）measureが必要となり、このときには、励起光に対する光拡散方程式及び、蛍光に対する光拡散方程式のそれぞれに対して逆問題計算が行われる。
このように、従来構成では、計測データとして励起光強度及び蛍光強度を求める必要があるのに対して、光断層観察装置１０では、励起光強度の測定データのみがあればよく、これにより、装置構成が簡略となると共に、計測時間の短縮が図られる。
また、従来構成では、光拡散方程式を用いた逆問題計算を励起光及び蛍光の２系統で行う必要があるのに対して、光断層観察装置１０に設けている画像処理部１４では、処理負荷の大きい逆問題計算が蛍光のみの１系統ですむために、迅速な演算が可能となる。
なお、以上説明した本実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。本発明は、光断層観察装置１０に限らず、励起光を検体１８に照射し、検体１８から射出される光を検出し、その光の強度に基づいて断層画像を再構築する任意の構成の光断層観察装置に適用することができる。
１０ 光断層観察装置
１２ 計測部
１４ 画像処理部
１６ モニタ
１８ 検体
２４ 光源ヘッド
２６ 受光ヘッド
６２ 蛍光体
７０ 読取部
７２ 演算処理部
７４ 評価部
７６ 更新処理部
７８ 断層情報生成部
８０ 断層画像構築部
１２ 計測部
１４ 画像処理部
１６ モニタ
１８ 検体
２４ 光源ヘッド
２６ 受光ヘッド
６２ 蛍光体
７０ 読取部
７２ 演算処理部
７４ 評価部
７６ 更新処理部
７８ 断層情報生成部
８０ 断層画像構築部
Claims (6)
- 蛍光体を含まない検体自体の光学的特性に基づいて検体自体の散乱係数及び吸収係数を予め設定すると共に、前記蛍光体を含ませた観察対象としての検体の蛍光体の濃度分布を仮設定し、
光源から前記観察対象としての前記検体の表面へ前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記蛍光体から発せられて前記観察対象としての前記検体から周囲へ射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出して、前記蛍光の強度の測定データを取得し、
前記検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて得られる蛍光の強度と、前記測定データとの差分を取得し、
前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新し、
前記差分が所定範囲内となった前記蛍光体の濃度分布から、前記蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する光断層情報の生成方法。 - 前記光源を前記観察対象としての前記検体の周囲に沿って相対移動することにより前記励起光の前記観察対象としての前記検体への照射位置を変更しながら、それぞれの照射位置で前記蛍光の強度を検出して、前記測定データを取得する請求項１記載の光断層情報の生成方法。
- 前記蛍光を検出する複数の検出手段を前記観察対象としての前記検体の周囲に予め設定された間隔で設け、前記複数の検出手段を前記光源と一体で移動して前記蛍光の強度を検出する請求項２記載の光断層情報の生成方法。
- 蛍光体を含ませた観察対象としての検体へ、蛍光体を含まない検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記観察対象としての検体内の蛍光体により発せられて当該検体の周囲から射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出し、蛍光の強度の計測データとして読み込む読込み手段と、
前記検体自体の光学的特性に基づいて予め設定した検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記観察対象としての前記検体に対して予め仮設定した蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて前記観察対象としての前記検体の周囲から発せられる前記蛍光の強度を演算する演算手段と、
前記演算手段によって得られた前記蛍光の強度と前記計測データとの差分が所定範囲か否かを評価する評価手段と、
前記差分が所定範囲でないと評価された場合に、前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新する更新手段と、
前記更新手段によって更新された前記蛍光体の濃度分布を用いた前記演算結果に対して前記差分が前記所定範囲と評価された場合に、評価対象とされた前記蛍光体の濃度分布から、蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する生成手段と、
を含む光断層情報生成装置。 - 前記励起光を発する光源、及び前記蛍光を検出する複数の検出手段が、前記観察対象としての検体の周囲に沿って所定の間隔で設けられた機枠を備え、前記読込み手段が、前記機枠の前記観察対象としての前記検体に対する相対移動により前記光源及び前記検出手段を一体で前記観察対象としての前記検体の周囲に沿って相対移動させて前記励起光の照射位置を変更しながら、照射位置のそれぞれで前記蛍光の強度を検出する、請求項４に記載の光断層情報生成装置。
- コンピュータを、
蛍光体を含ませた観察対象としての検体へ、蛍光体を含まない検体自体の光学特性に応じて設定した波長の励起光を照射することにより前記観察対象としての検体内の蛍光体により発せられて当該検体の周囲から射出される前記検体自体の光学特性に応じて設定した波長の蛍光を検出し、蛍光の強度の計測データとして読み込む読込み手段と、
前記検体自体の光学的特性に基づいて予め設定した検体自体の散乱係数及び吸収係数、前記観察対象としての前記検体に対して予め仮設定した蛍光体の濃度分布、並びに前記励起光の強度を用いて数学的モデルに基づいて前記観察対象としての前記検体の周囲から発せられる蛍光の強度を演算する演算手段と、
前記演算手段によって得られた前記蛍光の強度と前記計測データとの差分が所定範囲か否かを評価する評価手段と、
前記差分が所定範囲でないと評価された場合に、前記差分を減少させるように前記蛍光体の濃度分布を更新する更新手段と、
前記更新手段によって更新された前記蛍光体の濃度分布を用いた前記演算結果に対して前記差分が前記所定範囲と評価された場合に、評価対象とされた前記蛍光体の濃度分布から、蛍光体の濃度分布を含む前記観察対象としての前記検体の光断層画像が得られる光断層情報を生成する生成手段と、
として機能させる光断層情報の生成プログラム。
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