JP5658979B2 - 生体光計測装置及び生体における吸収係数の変動を推定する方法 - Google Patents
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Description
深部(深さ10mmの面上)に、独立した3個の吸収係数変化(ターゲット信号1〜3)を与え、これについて上述の3つの方法でシミュレーションを行いトポグラフィ画像を作成した。なお、以下の説明において、深部に与えた吸収係数変化をターゲット信号と呼び、表層部に与えた吸収係数変化を表層妨害信号と呼ぶ。本シミュレーションにおいては、以下のように第1〜第3ターゲット信号を定義する。第1〜第3ターゲット信号は、それぞれ、座標(x,y,z)=(15,−15,−10),(22.5,15,−10),(−15,0,−10)に位置し、それぞれの位置の吸収散乱媒質の体積1mm3の領域に、1%の吸収係数の変化があったとする。第1ターゲット信号は、y方向に沿った30mm間隔のオプトードの丁度中間点に位置しており、最も感度の高い部位に相当する。第2ターゲット信号は、2組の30mm間隔のオプトード間の感度の谷間になっている部位に位置している。また、第3ターゲット信号はx軸に沿った感度の高い部位に位置している。
次に、オプトード直下の座標(0,0,−2)の位置に表層妨害信号(以下、第1表装妨害信号と呼ぶ)がある場合について、シミュレーションを行った。この位置はオプトードの直下の浅い位置であるため、感度が極めて高いといえる。なお、表層妨害信号の強度(吸収係数の変化の大きさ)は上述の第1〜第3ターゲット信号の場合の10分の1である。図7(a)〜(c)は、それぞれ、SBP法、SRI法、SARI法により作成されたトポグラフィ画像を示す。なお、図7(a)〜(c)においては表示スケールを同一に設定している。
上述の第1ターゲット信号と第1表層妨害信号とを同時に与えた場合のシミュレーション結果を図8(a)〜(c)に示す。また、図9(a)〜(c)は、図8(a)〜(c)の表示スケールを同一に設定したものである。図8(a)及び図9(a)に示されるように、SBP法においてはターゲット信号と表層妨害信号とを区別できないことが分かった。これに対して、SRI法及びSARI法においては、若干の振動的な悪影響が現れているものの、表層妨害信号を効果的に抑制することができるとともに、画像コントラストがSBP法よりも優れていることが分かった。
表層妨害信号が空間の1点に分布している場合ではなく、ある面上に広がって分布している場合を考える。ここでは、上述の第1ターゲット信号に加えて、4点(−20,−30,−2)、(−20,20,−2)、(20,20,−2)、(20,−30,−2)で囲まれる領域に、1mm3あたりターゲット信号の100分の1の強度の表層妨害信号が分布しているとした。このような条件の元でのシミュレーション結果を図10(a)〜(c)に示す。また、図11(a)〜(c)は、図10(a)〜(c)の表示スケールを同一に設定したものである。
一般に、逆問題では雑音(ノイズ)の影響による解の不安定性が問題になることが知られている。そこで、ここでは前述の第1ターゲット信号に加えて、ショットノイズを想定した正規分布のランダムノイズを加えた場合についてのシミュレーションを行い、その結果を図12(a)〜12(c)に示す。また、図13(a)〜(c)は、図12(a)〜(c)の表示スケールを同一に設定したものである。ここで、ランダムノイズの標準偏差は、最大受光パワーの1%に相当するように設定されている。
前述の第1ターゲット信号及び第1表層妨害信号に加えて、さらに上述のランダムノイズを与えた場合についてシミュレーションを行い、その結果を図14(a)〜14(c)に示す。なお、また、図15(a)〜(c)は、図14(a)〜(c)の表示スケールを同一に設定したものである。図15(a)〜(c)を比較すると、SBP法においては、第1ターゲット信号と第1表層妨害信号とを区別することができず、SRI法及びSARI法においては第1表層信号の影響を抑制して第1ターゲット信号を再現できることが分かった。なお、SRI法とSARI法による結果を比べると、SARI法による結果の方が画像コントラストが高いことが分かる。
なお、上述のように、SRI法、SARI法においては、深部に対応する4636個のボクセルに推定値が返されるだけでなく、表層部に配置された18個のボクセルに表層妨害信号の推定値が返される。つまり、数14において、深部領域のターゲット信号sig1だけでなく、表層部の表層妨害信号sig2も推定することができるため、この表層妨害信号sig2をマッピングすることにより、表層妨害信号を現すトポグラフィ画像を作成することができる。上述の、「1個のターゲット信号と1個の表層妨害信号とランダムノイズ」を与えた場合における、SRI法、SARI法により得られた表層妨害信号のトポグラフィ画像をそれぞれ図16(a),(b)に示す。同様に、「1個のターゲット信号と広がった表層妨害信号」を与えた場合における、SRI法、SARI法により得られた表層妨害信号のトポグラフィ画像をそれぞれ図16(c),(d)に示し、「ターゲット信号とランダムノイズ」を与えた場合における、SRI法、SARI法により得られた表層妨害信号のトポグラフィ画像をそれぞれ図16(e),(f)に示す。
次に、ファントム(擬似体)を用いた予備実験について説明する。予備実験に使用した生体光測定装置は、前述の脳機能計測装置1と同様であるため、その構成についての説明はここでは省略する。図17に示されるように、ファントム40は、透明容器41と、透明容器41に満たされた分散液42と、分散液42中に沈められた、1辺の長さが4mmの立方体形状の黒色アクリル製吸収体Lと、同じく分散液42中に沈められた、1.4mm×1.4mm×2mmの大きさの、黒色アクリル製微小吸収体Sとを備える。ここで、分散液42は、染料(オリエント化学:WB−3)と散乱粒子(綜研化学:ポリスチレン球直径1.6μm)を、換算散乱係数μS’=1[mm−1]、吸収係数μa=0.02[mm−1]となるように調整されている。なお、吸収体L及び微小吸収体Sは、いずれも、直径0.5mmのステンレス製の棒材43により、背面側(図17におけるz軸方向のマイナス側)から支持されて、それぞれ独立に移動できるように構成されている。また、透明容器41の正面41a(図17においてz軸方向に垂直な面であって、z軸方向プラス側に位置する面)には、脳機能計測装置1の送光プローブ12及び受光プローブ13とが、前述のように配置されている(図2参照)。
また、図21(a),(b)は、同様の場合における、SRI法、SARI法により作成された表層領域のトポグラフィ画像である。図20(a)によれば、表層部に配置された微小吸収体Sの影響を受けて、(x,y)=(30,0)の位置にあるオプトードの周囲に大きなノイズが出現している。これに対して、図20(b)によれば、表層妨害信号の源となる微小吸収体Sの影響が取り除かれていることが分かる。さらに、(x,y)=(−10,−15)の近くに、吸収体Lに起因する吸収係数変化を示す像が現れているが、この像が2つに分離していることが分かった。これに対して、図20(c)によれば、同じく微小吸収体Sの影響が取り除かれているとともに、(x,y)=(−10,−15)の近くに、吸収体Lに起因する吸収係数変化を示す像が現れていることが分かった。なお、この場合においては、像は2つに分離せず単一の像として現れている。
11 半導体レーザ
12 送光プローブ
13 受光プローブ
14 アバランシェフォトダイオード
15 A/Dコンバータ
Claims (6)
- 生体内を通過した光を計測する生体光計測装置であって、
前記光を発するとともに、前記生体の表面の、複数の照射点に光学的に接続された光源と、
前記生体の表面の、前記照射点の1つからの距離が第1距離である第1の検出点及び第1距離よりも短い第2距離である第2の検出点を含む複数の検出点に、それぞれ光学的に接続されるとともに、前記光源から発せられた光のうち、前記生体の内部を通過してきた通過光の光量を検出する複数の検出部と、
前記検出部により検出された前記通過光の光量の変動に基づいて、前記生体内部の、第1の深さの領域に対応する複数の第1ボクセルにおける前記光の吸収係数の変動と、第2の深さの領域に対応する複数の第2ボクセルにおける前記光の吸収係数の変動とをそれぞれ推定するデータ処理部とを備え、
前記データ処理部は、Aを感度行列とし、λをティホノフの正則化パラメターとし、γを深部及び浅部の相対感度を調整するために設定される深さ感度パラメターとし、Iを単位行列としたときに、(ATA+λI(ATA)γ)−1ATの形で表される深さ感度可変感度適応型正則化を用いて逆問題を解くことにより前記第1、第2ボクセルにおける前記吸収係数の変動を推定する、生体光計測装置。 - さらに、前記光源と前記生体の表面の前記複数の照射点とをそれぞれ光学的に接続する、複数の光ファイバ製の送光プローブと、
前記検出部と前記生体の表面の前記検出点とをそれぞれ光学的に接続する、複数の光ファイバ製の受光プローブとを備え、
前記複数の送光プローブと前記複数の受光プローブとは、前記生体の表面において、互いに間隔の異なる2種類以上の送光プローブ及び受光プローブの組を形成するように、格子状に並べられている請求項1に記載の生体光計測装置。 - 前記複数の照射点及び前記複数の検出点は、第1距離だけ隔てて配置された複数の照射点及び検出点の組と、第2距離だけ隔てて配置された複数の照射点及び検出点の組とを含むように配置され、
第2距離だけ隔てて配置された複数の照射点及び検出点の組の数は、第1距離だけ隔てて配置された複数の照射点及び検出点の組の数よりも少ない、請求項1又は2に記載の生体光計測装置。 - 前記光源は、近赤外光を照射する半導体レーザ又はLEDである請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体光計測装置。
- 前記検出部は、フォトダイオード又は光電子増倍管を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の生体光計測装置。
- 生体内を通過した光を計測して前記生体における吸収係数の変動を推定する方法であって、
光を発する光源を、前記生体の表面の、複数の照射点に光学的に接続することと、
複数の検出部を、前記生体の表面の、前記照射点の1つからの距離が第1距離である第1の検出点及び第1距離よりも短い第2距離である第2の検出点を含む複数の検出点に、それぞれ光学的に接続することと、
前記光源から前記光を照射し、前記生体の内部を通過してきた通過光の光量を前記検出部により検出することと、
前記生体内部の、第1の深さの領域に対応する複数の第1ボクセルと、第2の深さの領域に対応する複数の第2ボクセルとを設定することと、
前記検出部により検出された前記通過光の光量の変動に基づいて、前記第1、第2ボクセルにおける前記光の吸収係数の変動をそれぞれ推定することとを備え、
前記光の吸収係数の変動を推定する際に、Aを感度行列とし、λをティホノフの正則化パラメターとし、γを深部及び浅部の相対感度を調整するために設定される深さ感度パラメターとし、Iを単位行列としたときに、(ATA+λI(ATA)γ)−1ATの形で表される深さ感度可変感度適応型正則化を用いて逆問題を解くことにより前記2つの領域において前記光の前記吸収係数の変動をそれぞれ推定する、生体における吸収係数の変動を推定する方法。
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