JPH0698890A - 光ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 散乱・吸収体の内部構造を、従来の直進光検
出に代わり散乱光を検出して信号処理し、分析する光Ｃ
Ｔ装置を得ること。 【構成】 光散乱・吸収物体の内部構造を、物体を通過
した光によって計測する光ＣＴ装置において、複数個の
波長の異なる光を出すパルスレ−ザ光源と、該光源から
物体に入射され通過した光を波長ごとに別々に検出する
検出装置とを備え、検出装置によって検出される複数個
の波長の時間分解強度信号を処理することにより、物体
内部の構造を計測すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は医療分野及び工業分野に
おける不透明な散乱・吸収物体内部にある周囲の物体と
異なる性質を持った物体の形状、位置、化学物質の濃度
分布などを、該異なる物体の光学的性質に基づいて計測
する光ＣＴ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光を用いて生体組織等の散乱・吸
収物体内部の構造或は状態を計測する方法としては、超
音波診断装置やＸ線ＣＴ装置などが知られている。この
中で最近注目を集めているものに、物質の光学的な性質
を利用して内部計測を行う光ＣＴ装置がある。Ｘ線に比
べ分解能が悪いにもかかわらず光ＣＴが注目を集めてい
る理由は、従来のＸ線ＣＴなどでは組織の構造しか分か
らないのに対し、光ＣＴだと組織の活動状況に関する新
しい情報が得られることにある。

【０００３】物体の光学的性質の利用は、特に検査を行
う物質特有の光吸収特性に着目して行われる。光ＣＴの
場合、通常、生体組織中で適度な透過率を持ち、散乱と
水による吸収の少ない７００〜１３００ｎｍの近赤外域
の波長が計測に使用される。この波長域を用いると、生
体の機能と密接に関係する酸素の量を知ることができ
る。生体計測の場合の問題は、対象となる物体が単純に
光を透過・吸収するだけでなく、散乱特性を持ってお
り、検出信号にそれらの光が混在してＳＮを劣化させる
ことである。

【０００４】これまで提案されている手法には例えば特
開平２−２９０５３４号公報、あるいは特開平３−１１
１７３７号公報のような対象物である散乱・吸収体に連
続もしくはパルス状の平行光を入射させ、最短時間また
は最短距離で検出器に到達した光を検出する方式があ
る。即ち、内部で散乱を受けず直進してきた光のみをタ
イムゲ−ト方式や、へテロダイン方式などが提案されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
例では散乱体の厚みが増したり濃度が高くなるにつれ、
内部で散乱されずに直進する光が急激に減少するという
問題点がある。減少が指数関数的に生じるため光量の落
ちは深刻で、検出不能となる場合も多く、実用化への大
きな障害となっていた。実験的な小動物への適用はとも
かく、人体計測などに本格的に導入するには光量の問題
の解決が必須用件である。本発明は上記の問題点に鑑み
てなされたもので、高濃度で厚い散乱物体に対しても適
用できる光ＣＴ装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのため実用上
検出の困難な直進光を検出する代わりに、散乱光を経時
的に検出しながら波形解析することによって、対象物の
計測を行うことを特徴としている。より具体的には生体
などの散乱・吸収体試料に複数の波長の極短パルス光を
照射し、内部で散乱・吸収されて、このうち試料の外に
出射された散乱光を時系列的に検出して、得られた波形
である検出光量と到達時間の関係の解析から試料内部の
物体の位置や化学物質の濃度、光学特性などを求めるも
のである。散乱光を検出するため、測定は入射光と試料
に関し対抗した箇所にある数カ所で行われる。また使用
する光は対象となる試料によって吸収を受ける予め既知
の波長と、それとは異なる量の吸収を受ける別の波長を
用いる。

【０００７】得られた波形の解析は直進光、即ち最短時
間で得られる信号よりも所定の値だけ遅れた時間領域の
信号を用いて行われる。直進光より遅れた時間域は試料
内部の物***置や光学特性などに密接に関連し、散乱光
の光量に影響を与える。高濃度散乱・吸収体では非散乱
直進光の検出は困難であるが、それよりはるかに強度が
大きい散乱光の信号を利用し、該信号から逆算すれば試
料の内部状態を知ることが可能である。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部模式図であ
り、本発明の特徴を最も良く表すものである。同図にお
いて１は光検出器、２は散乱・吸収体サンプル、３は２
のサンプル中にある外側とは吸収の異なる物体であり、
サンプルの内部構造に対応するものである。例えば上記
構成において生体組織中のＨｂ（ヘモグロビン）とＨｂ
Ｏ₂ （酸素化ヘモグロビン）の濃度分布を測定するとす
ると、２は筋肉組織、３は血液を多く含んだ肝臓に対応
する。

【０００９】生体計測では散乱・吸収体のサンプル中に
散乱・吸収係数がサンプルとは異なる物体が入ってお
り、予めその物体に対する吸収特性が分かっている特殊
な波長を利用して測定が行われる。Ｈｂは酸素の運搬を
行うので、ＨｂとＨｂＯ₂ の濃度量を測定し、両者の濃
度の比を計算するとＨｂの酸素飽和度が求められる。酸
素飽和度は血液が正常に酸素を運んでいるか否かという
生体組織に対する酸素の供給状態を示す量で、生体に起
きた機能変化を判定する指標となる。Ｈｂと酸素と結合
したＨｂＯ₂ の近赤外域での吸収特性は異なっており、
本実施例ではその特性を利用する。

【００１０】図１の場合、波長として８０３ｎｍと、そ
れからわずかにずれた波長である８１０ｎｍを用いる事
とし、該２つの波長の光がｐｓｅｃオ−ダ−の極短パル
ス光となってサンプル２に左から入射する。光源として
は不図示のレ−ザ光源が用いられる。８０３ｎｍはＨｂ
とＨｂＯ₂ の等吸収波長に当たる特殊波長で、Ｈｂが酸
素化していても、脱酸素化していても吸収は変わらな
い。８１０ｎｍはＨｂとＨｂＯ₂ で吸収量が異なるが、
散乱の様相は波長が近いため８０３ｎｍと殆ど同じと考
えることができる。

【００１１】入射した光は散乱・吸収を受けながらサン
プル中を伝播する。検出を行いたいのは物体３について
の情報であるため、吸収に差のある８１０ｎｍの光が主
となる情報を与え、８０３ｎｍの光の出力は参照信号出
力としての役割を果す。

【００１２】サンプル内部を散乱・吸収されつつ拡散し
てサンプルから出射する光はサンプルの回りに配置され
た受光器で検出され、入射してからの経過時間と出射光
量の関係を捉えて、時間分解強度波形に変換される。入
射光、検出器に到達した波長の異なる光とその差分の時
間分解強度波形を図２に示す。

【００１３】縦軸は入射光量のピ−クを１と規格化した
光の強度、横軸は時間である。検出は波長ごとに別々に
行われるが、時間的に入射パルスを波長ごとに分けて行
って検出しても良いし、また検出素子を波長の数だけ用
意し、検出器の前にフィルタを置いて信号を分離しても
よい。フィルタを用いる場合は入射光が同時発光でも構
わない。

【００１４】４は入射パルス光の波形、５は波長８０３
ｎｍの検出波形、６は波長８１０ｎｍの検出波形、７は
検出波形５と検出波形６の波形の差分を８０３ｎｍの出
力で割ったものである。発光が同時に行われない場合
は、波形４のパルスは各波長ごとに独立にサンプルに与
えられ、信号処理時に重ね合わされる。

【００１５】異なった波長、この場合、８０３ｎｍと８
１０ｎｍ間の差は、ある時刻にサンプル内の物体によっ
て受けた吸収量の波長による差の関係を示すものであ
る。また得られた波形に時間を分析することによって、
入射してから吸収差が初めて現われるまでの時間を知る
ことができる。

【００１６】図３は入射した光が検出器に到達するまで
の最短時間からの遅れΔｔの中で散乱・吸収体の中でた
どることのできる軌跡の範囲を示したものである。直進
光からのずれ量の片側の最大幅をＬとすると、Ｌは次の
式で与えられることが知られている。

【００１７】

【数１】 ここで cは媒質中の光速度、 LＡは入射位置から検出器
の位置までの距離、△t は最短到達時刻からの経過時間
である。吸収係数の異なる物質３のような存在は散乱・
吸収物体内における光の光量に大きな影響を及ぼす。従
って、△t を最短到達時刻から吸収差が現われる時刻ま
での時間とすると、入射位置と射出位置を結ぶ直線から
サンプル中の物体までの距離を知ることができる。

【００１８】再び図２に戻りＴ₀ を８０３ｎｍ及び８１
０ｎｍの光が検出され始める時刻、Ｔ₁ を該２つの波長
の出力差が出始める時刻とする。図３で説明したように
出力７は物体３についての情報を持っており、Ｔ₁ −Ｔ
₀ が式（１）での△t に相当する。差分を取ることは結
果的に０次成分と言える直進光を信号処理上除去するこ
とに相当する。

【００１９】上記の関係より図１におけるＬ’、即ち入
射位置と検出位置を結んだ直線と物体３との距離を知る
ことができる。サンプルの全周に配置した検出器で入射
方向を変えて測定することにより、サンプルの光ＣＴ
像、即ち断層像を得ることができる。

【００２０】曲線７は、また、経過時間が十分大きいと
ある一定の値を示すことが分かる。この値は８０３ｎｍ
と８１０ｎｍの吸収量の比、即ちＨｂとＨｂＯ₂ の物体
中での存在比を示すことになる。

【００２１】図１以下の説明は主として酸素飽和度の解
析を例としてＨｂ、ＨｂＯ₂ の吸収特性を利用したもの
を示した。本発明は非破壊、非接触検査で、また人体に
対しても余り強い光をあてない限りは無害であるという
特徴があり、広い範囲での応用が可能である。従って本
発明はＨｂ、ＨｂＯ₂ の測定によるの肝臓に対する応用
にとどまらず、新生児の脳の検査など生体の他の部位へ
の適用や、生体の有するあらゆる色素の利用も同様に可
能である。また本発明は生体に限らずスラグ、汚水、そ
の他濁った媒質中での物体の光学特性の測定にも応用可
能である。

【００２２】

【発明の効果】以上、本発明では複数波長のパルス光を
対象物である散乱・吸収物体に入射させ、該物体より出
射される光をそれぞれ検出器で受けて時間分解強度信号
に直し、前記複数の波長の出力波形の経時的な差を解析
することにより、該物体内部にある物体の位置、化学物
質の濃度分布などを知ることを可能とした。また時間分
解強度信号の解析により内部の物体、或は化学物質の光
学特性も同時に測定ができるようになった。

【００２３】生体などの散乱・吸収物体の内部構造を得
る方法には、このほかＰＥＴ、ＭＲＩが知られている。
しかしながら本発明に係る方法は例えば近赤外のパルス
レ−ザと波形検出器を用いているだけで、従来法よりは
るかに安価であり、且つ実現することが容易である。ま
た人体に対する有害性についてもＸ線ＣＴ、ＰＴＥのよ
うな放射線被爆や、ＭＲＩのような磁気障害の可能性が
なく、極めて安全な非接触、非破壊ＣＴが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を円筒型のサンプルに適用した実施例
を示す要部模式図

【図２】 図１の系で得られる入射信号と出射信号を示
す説明図

【図３】 散乱・吸収物体中を伝播する光の軌跡の範囲
を示す説明図

【符号の説明】

１ 光検出器 ２ 散乱・吸収物体サンプル ３ サンプル内の物体または化学物質 ４ 入射パルス光の時間分解強度波形 ５ 第１の波長の出射光の時間分解強度波形 ６ 第２の波長の出射光の時間分解強度波形 ７ ２つの波長の検出光の差分を正規化した時間分解
強度波形

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光散乱・吸収物体の内部構造を、該物体
   を通過した光によって計測する光ＣＴ装置において、該
   装置は複数個の波長の異なる光を出すパルスレ−ザ光源
   と、該光源から該物体に入射され通過した光を前記複数
   個の波長ごとに別々に検出する検出装置とを備え、該検
   出装置によって検出される前記複数個の波長の時間分解
   強度信号を処理することにより、該物体内部の構造を計
   測することを特徴とする光ＣＴ装置。