CN103562705B - 光学层析成像装置 - Google Patents

Abstract

提供一种可更高精度获得测定对象的断层信息的光学层析成像装置（1）。根据光学层析成像装置（1），受光光纤（12）、（13）的数值孔径彼此不同。因而，通过构成为分别在受光光纤（12）、（13）中接收两种立体角分布不同的光，从而除了从测定对象（100）射出的光的强度信息外，还能够获得角度信息。其结果，能够提高与测定对象的断层信息相关的解析精度。

Description

光学层析成像装置

技术领域

本发明涉及光学层析成像装置。

背景技术

作为用于得到活体的断层信息的方法，已知一种使用对于活体来说安全且透过性高的近红外光的扩散光学层析成像。在该扩散光学层析成像中使用的近红外光与X射线不同，其对活体的侵袭性非常低，且近红外光的频率波段中的分光特性根据活体内物质的不同而有很大差异，因此，该扩散光学层析成像具有能够以较高的时间分辨率，收集以氧为首的活体物质的各种代谢信息等的优点。另外，对于使用该扩散光学层析成像的测定装置，因装置自身小型且便宜，而且在测定时不要求测定对象维持姿态等，对于测定对象来说负担也很小，因此，进行了多种研究，希望应用于活体功能的更加详细的分析，并研究了根据将近红外光照射在测定对象上而得到的结果，获得活体的断层信息的解析方法等（例如，参照专利文献1）。

专利文献1：日本特表2003-528291号公报

发明内容

但是，由于近红外光在活体内的散射严重，因此，入射至活体内的光直至从活体内射出为止为扩散状态，根据从作为测定对象的活体射出的光的受光结果而得到的空间信息很少，因此，可能导致根据近红外光的受光结果而对活体内各部位的控制方程内的参数（散射系数、吸收系数等）进行解析所需的时间变长，并且，解析结果的精度变低。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，目的在于提供一种光学层析成像装置，该光学层析成像装置能够以更高精度得到测定对象的断层信息。

为了实现上述目的，本发明的一个技术方案所涉及的光学层析成像装置的特征在于，具有：光源；照射光纤，其将来自光源的光照射在测定对象上；受光光纤，其接收与照射光纤的光照射相伴而从测定对象射出的光；检测部，其用于检测由受光光纤受光的光的强度；以及解析部，其基于通过检测部检测到的光的强度，求出测定对象内部的光学特性值，照射光纤和受光光纤中的至少一方是将多根光纤捆束而形成束状，多根光纤的数值孔径大于或等于2种。

在上述的光学层析成像装置中，在照射光纤的数值孔径大于或等于2种的情况下，能够对不同范围的测定对象进行照射。另外，在受光光纤的数值孔径大于或等于2种的情况下，能够接收来自不同范围的测定对象的光。如上所述，通过构成为对立体角分布不同的大于或等于2种的光进行照射或受光，从而，除了来自测定对象的光的强度信息之外，还能够得到角度信息。其结果，能够提高与测定对象的断层信息相关的解析精度。

在这里，光学层析成像装置可构成为，解析部通过将由检测部得到的结果应用于迁移方程，从而求出测定对象内部的光学特性值，其中，该迁移方程是用于对测定对象中的光传输进行控制的控制方程。

在使用迁移方程进行解析时，来自测定对象的光的角度信息能够得到最有效地利用。因此，在使用迁移方程进行解析的情况下，能够进一步提高解析的精度。

在这里，作为有效发挥上述作用的结构，具体地说，可以举出光学特性值是测定对象内部的吸收系数的方式。另外，光学特性值可以是测定对象内部的散射系数。此外，光学特性值可以是测定对象内部的各向异性散射参数。

另外，在本发明的一个技术方案所涉及的光学层析成像装置中，解析部求出测定对象内部的光学特性值的平均值和该光学特性值在测定对象内部的分布。

另外，照射光纤是将多根光纤束状化而形成的，束状化的照射光纤可设置多根。在这种情况下，通过设置多根束状化的照射光纤，从而能够容易地对光的照射位置进行变更，其结果，能够提高通过解析而得到的断层信息的精度。

另外，受光光纤是将多根光纤束状化形成的，束状化的受光光纤可设置多根。在这种情况下，能够容易地变更来自测定对象的光的受光位置，其结果，能够提高通过解析而得到的断层信息的精度。

另外，照射光纤以及受光光纤分别与光源及检测部连接，且通过光路切换装置而对与光源以及检测部的连接进行切换。在这种情况下，能够使照射光纤和受光光纤的功能互换，从而能够以简单的结构进行照射位置和受光位置的变更。

另外，照射光纤和受光光纤的特征在于，捆束而形成束状。在这种结构的情况下，能够简化光学层析成像装置。

发明的效果

根据本发明的一个技术方案，可提供一种能够以更高的精度得到测定对象的断层信息的光学层析成像装置。

附图说明

图1是说明光学层析成像装置的结构的图。

图2是对光学层析成像装置的解析方法进行说明的流程图。

图3是说明变形例所涉及的光学层析成像装置的结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外，在附图说明中，对同一要素标记同一标号，省略重复说明。

图1是说明本实施方式所涉及的光学层析成像装置的结构的图。光学层析成像装置1具有下述功能，即，将近红外光照射在测定对象上，其结果，接收从测定对象射出的光并进行解析，基于该解析结果而构成测定对象的断层图像并输出。如图1所示，本实施方式所涉及的光学层析成像装置1包含光源10、照射光纤11、受光光纤12、13、检测部20、解析部30、以及输出部40而构成。另外，在图1中示出了通过光学层析成像装置1进行测定的测定对象100。

通过本实施方式的光学层析成像装置1进行测定的测定对象100，例如可例举活体的头部，在以活体的头部为测定对象的情况下，作为MR信息，能够获取用于确定该测定对象内部的头部的内部构造的信息。在测定对象是活体的头部的情况下，MR信息包含：用于确定头部的外观形状的信息；以及用于确定表皮、头盖骨、脑脊髓液、脑实质（灰质、白质）、血管构造（动脉、静脉）等头部的内部组织的空间分布的信息。

光源10射出照射在测定对象100上的光。作为从光源10射出的光，使用从测定对象100中透过的波长的光，但在测定对象100是活体的头部的情况下，使用波长700至2500nm（大于或等于700nm且小于或等于2500nm的波长）的近红外光。另外，在从该光源10射出之前，能够用斩波器等以特定频率进行调制。由光源10射出的光在与光源10光学连接的光纤即照射光纤11中传播，从照射光纤11的射出端11A向测定对象100射出。

来自光源10的光向测定对象100射出而从测定对象100射出，并从受光光纤12、13的入射端12A、13A射入至受光光纤12、13，在受光光纤12、13中传播而由检测部20进行检测。在这里，作为受光光纤12、13，使用数值孔径彼此不同的光纤。举例来说，使用数值孔径NA为0.8（受光角为±53°，即，受光角在大于或等于-53°且小于或等于+53°的范围内）的受光光纤12，和数值孔径NA为0.7（受光角为±44°，即，受光角在大于或等于-44°且小于或等于+44°的范围内）的受光光纤13。这些受光光纤12、13被捆束而形成束状（捆束而集束）。另外，也可形成为使用多根束状化的受光光纤12、13的装置结构。此外，在图1中，照射光纤11和受光光纤12、13各自独立，也可以将它们捆束成为束状。

检测部20检测由受光光纤12、13接收到的光的强度。另外，在检测部20中使用锁定放大器。在测定对象100内部散射的光中，射出到外部而入射至受光光纤12、13中的光，由设置在检测部20中的光电倍增管或雪崩光电二极管等光检测器受光。此外，受光的光的功率被转换为电信号（电压），但在该电信号中含有噪声等。在这里，在从光源10射出的光被调制为特定频率的情况下，通过使用锁定放大器而从含有大量噪声等的电信号中，仅将特定频率成分提取出来。由此实现弱光检测。与由检测部20检测出的电信号相关的信息被发送至解析部30。

解析部30基于通过检测部20得到的测定值，对测定对象100内部的光学特性值进行解析。具体地说，通过将由检测部20得到的结果应用于对测定对象中的光传输进行控制的控制方程即迁移方程，从而求出测定对象100内部的光学特性值。作为光学特性值，可以列举散射系数、吸收系数、及各向异性散射参数。另外，除了对测定对象100内部的光学特性值的平均值进行计算之外，还能够根据光学特性值的分布而求出测定对象100内部的光学特性值的分布，即测定对象100内部的构造。在解析部30中解析出的结果被发送至输出部40。解析部30具有CPU和存储器（ROM及RAM等），在解析部30中，通过由CPU执行储存于存储器中的计算机程序（例如，图2的流程图所示的处理等），从而执行对测定对象100内部的光学特性值进行解析的处理。

输出部40将解析部30的解析结果输出至外部。作为将解析结果输出至外部的方法，可列举：在监视器等显示装置上显示的方法；输出至打印机等的方法；以及作为电子数据而输出的方法等。

在这里，对于解析部30的解析进行说明。已知在使光射入测定对象内的情况下，测定对象内的光的传输由迁移方程这一描述粒子运动的方程进行控制。而且，通过使用该迁移方程，能够准确地对射入测定对象内的光和通过该光的射入而从测定对象射出的光的关系进行建模。因此，通过将与各部位的组织相对应的散射系数及吸收系数的准确值应用于该迁移方程，从而能够准确地计算在使特定的光射入测定对象时从测定对象射出的光。

在解析部30中用于解析的迁移方程可以通过下述算式表示。在下述的算式中，μ_s为散射系数，μ_a为吸收系数。另外，g相当于各向异性散射参数。

[算式1]

$\frac{1}{c}\frac{\∂I(\stackrel{\→}{r},\hat{s},t)}{\∂t}+\hat{s}\·\▿I(\stackrel{\→}{r},\hat{s},t)+{\mathrm{\μ}}_{t}I(\stackrel{\→}{r}\widehat{,s},t)={\mathrm{\μ}}_s\underset{4\mathrm{\π}}{\∫}A({\hat{s}}^{\′}\·\hat{s})I(\stackrel{\→}{r},{\hat{s}}^{\′},t)d{\mathrm{\Ω}}^{\′}+S(\stackrel{\→}{r},\hat{s},t)$

c:物质中的光的速度

μ_t=μ_s+μ_a:散射系数与吸收系数之和

相位函数(是散射的各向异性程度）

内部光源

光的强度

位置矢量

方向矢量

与散射相关的方向矢量

t:时间

Ω′:立体角

在本实施方式所涉及的光学层析成像装置1中，使数值孔径彼此不同的两根受光光纤12、13成为一束，将其用于散射光的计测。作为上述实施方式的一个例子，将NA=0.8的光纤作为受光光纤12使用，将NA=0.7的光纤作为受光光纤13使用。由于受光光纤12的受光角为±53°（大于或等于-53°且小于或等于+53°的范围），因此，位于该角度内的散射光被受光。另外，由于受光光纤13的受光角为±44°（大于或等于-44°且小于或等于+44°的范围），因此，位于该角度内的散射光被受光。其结果，能够通过计算受光光纤12受光的光和受光光纤13受光的光的功率之差，而计算角度比±44°（大于或等于-44°且小于或等于+44°的范围）大而比±53°（大于或等于-53°且小于或等于+53°的范围）小的角度成分的光功率。

在使用迁移方程作为控制方程的情况下，由于光的强度由位置矢量、方向矢量、和时间的函数表示，所以从测定对象100射出的光的散射角对于解析来说也是很重要的信息。但是，已知获取与该散射角相关的信息并不容易，且求解迁移方程也很困难。因而，当前使用对迁移方程进行扩散近似的扩散方程。

但是，根据上述实施方式，通过使用彼此不同的数值孔径的光纤作为受光光纤12、13，而能够得到与受光的光的散射角相关的信息，因此，与现有的光学层析成像装置相比较，能够获得更多与测定对象100相关的信息，能够进行使用迁移方程的更详细的解析。

作为本实施方式所涉及的光学层析成像装置1的解析方法，即，对光学特性值进行计算的方法，可以使用两种方法。一种是以逆向问题（逆向问题：inverse problem）方式计算光学特性值的方法，该方法使用测定得到的光的强度的结果，对散射系数、吸收系数等进行计算。作为另一种的方法，可以列举以正向问题（正向问题：forwardproblem）的方式进行解析的方法。在这里，使用图2对于以正向问题的方式进行解析的方法进行说明。图2是对光学层析成像装置的解析方法进行说明的流程图。图2的流程图所示的处理通过光学层析成像装置1的解析部30进行。

首先，作为前提，在光学层析成像装置1中，对于测定对象内部包含的各部位，预先针对每个部位存储（即，存储在解析部30的存储器中）使散射系数或吸收系数等测定对象的光学特性值的最大值及最小值相关联的信息。然后，选择在使用迁移方程进行光传输模拟时所使用的系数，即，作为与该测定对象内部的各部位相对应的组织的光学特性值而使用的信息（S01，系数初始化）。

接下来，进行测定对象中的光传输的模拟。具体地说，通过将在前一个步骤中初始化的系数应用于迁移方程，从而计算计算值（S02）。在这里，在将构成测定对象内部的组织的光学特性值应用于迁移方程时，与测定对象的各部位相对应的散射系数及吸收系数被应用于迁移方程。然后，将该计算值和由光学层析成像装置1得到的测定对象100的实测值进行比较（S03）。然后，判断计算值和测定值的差是否小于或等于规定的阈值（S04）。

在这里，在判断为计算值和测定值的差小于或等于阈值的情况下，可以判断为，作为初始值代入迁移方程的光学测定值，是与测定对象内各部位的光学测定值相近的值。另一方面，在比阈值大的情况下，能够判断为初始值不正确。由此，在判断为计算值和测定值的差小于或等于阈值的情况下，将该结果从解析部30发送至输出部40，在输出部40中，使用解析结果而形成测定对象的断层图像并输出，其中，该解析结果使用了用于进行计算值计算的光学特性值（S05）。

另一方面，在判断为计算值和测定值的差并非小于或等于阈值（即，比阈值大）的情况下，对于选择作为初始值的光学特性值进行修正（S06）。进行第2次的计算值计算（S02），将作为结果得到的第2次的计算值和测定值进行比较（S03、S04），在其比较的结果（计算值和测定值的差）比阈值大的情况下，再次对系数进行修正（S06）。如上所述，也可以采用下述方法，即，通过直到计算值和测定值的差比规定的阈值小为止，重复进行计算值的计算、计算值和测定值的比较以及系数修正（S02、S03、S04、S06），从而计算光学特性值。

如上所述，根据本实施方式的光学层析成像装置1，通过构成为在数值孔径不同的受光光纤12、13中接收立体角分布不同的大于或等于2种的光，从而除了从测定对象100射出的光的强度信息以外，还能够得到角度信息。其结果，能够提高与测定对象的断层信息相关的解析的精度。

另外，在光学层析成像装置1的解析部30中，通过使用迁移方程进行解析，从而能够更有效地利用上述光的角度信息，因此，能够生成更高精度的断层信息。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够进行多种变更。

例如，在上述实施方式中，对于具有1根照射光纤11和数值孔径彼此不同的2根受光光纤12、13的光学层析成像装置1进行了说明，但这些数量能够适当变更，例如，可以将受光光纤的根数设为大于或等于3根，将数值孔径的种类设为大于或等于3种。在这种情况下，由于在检测部20中检测的光的角度信息增多，因此认为能够实现更高精度的解析。

另外，可以构成为，将受光光纤设为1根，设置2根束状化且数值孔径彼此不同的照射光纤。在这种情况下，由于从2根照射光纤射出的光的立体角分布不同，因此能够从射入至受光光纤的光获得其角度信息。因此，与上述实施方式同样地，能够提高与测定对象的断层信息相关的解析的精度。

另外，可以构成为，具有多组照射光纤11和束状化的受光光纤12、13（或者是受光光纤和束状化的多根照射光纤）。在这种情况下，由于能够容易地对来自光源的光的照射位置及受光位置进行变更，因此能够形成简单的装置结构，且能够获得多种测定结果。

另外，也可以构成为，使1根光纤作为照射光纤和受光光纤起作用。图3是对该变形例所涉及的光学层析成像装置2的结构进行说明的图。在图3所示的光学层析成像装置2中，照射光纤11和受光光纤12、13与光路切换装置50连接，在光路切换装置50和测定对象100之间，连接有与照射光纤11以及受光光纤12、13不同的另外3根光纤14、15、16。通过设置这样的结构，由光路切换装置50对照射光纤11以及受光光纤12、13与光纤14、15、16的连接进行切换，从而，例如，在将光纤14与照射光纤11光学连接的情况下，光纤14作为照射光纤起作用，另一方面，在将光纤14与受光光纤12光学连接的情况下，光纤14作为受光光纤起作用。由此，通过设置光路切换装置，从而能够实现装置简单化（特别是光纤数量的削减）。

工业实用性

可应用于能够以更高精度获得测定对象的断层信息的光学层析成像装置。

标号的说明

1、2…光学层析成像装置，10…光源，11…照射光纤，12、13…受光光纤，20…检测部，30…解析部，40…输出部，50…光路切换装置，100…测定对象。

Claims (9)

1.一种光学层析成像装置，其特征在于，具有：

光源；

照射光纤，其将来自所述光源的光照射在测定对象上；

受光光纤，其接收与所述照射光纤的光照射相伴而从所述测定对象射出的光；

检测部，其用于检测由所述受光光纤受光的光的强度；以及

解析部，其基于通过所述检测部检测到的光的强度，求出所述测定对象内部的光学特性值，

所述照射光纤和所述受光光纤中的至少一方是将多根光纤捆束而形成束状，

所述多根光纤的数值孔径大于或等于2种，

所述解析部通过将由所述检测部得到的结果应用于迁移方程，从而求出所述测定对象内部的光学特性值的平均值和该光学特性值在所述测定对象内部的分布，为了根据所述分布求出所述测定对象内部的构造，其中，该迁移方程是用于对所述测定对象中的光传输进行控制的控制方程，

所述光学特性值为所述测定对象内部的各向异性散射参数。

2.根据权利要求1所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述光学特性值为所述测定对象内部的吸收系数。

3.根据权利要求1所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述光学特性值为所述测定对象内部的散射系数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述照射光纤是将所述多根光纤束状化而形成的，

束状化的所述照射光纤设有多根。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述受光光纤是将所述多根光纤束状化而形成的，

束状化的所述受光光纤设有多根。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述照射光纤以及所述受光光纤分别与所述光源及所述检测部连接，且通过光路切换装置而对与所述光源以及所述检测部的连接进行切换。

7.根据权利要求4所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述照射光纤以及所述受光光纤分别与所述光源及所述检测部连接，且通过光路切换装置而对与所述光源以及所述检测部的连接进行切换。

8.根据权利要求5所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述照射光纤以及所述受光光纤分别与所述光源及所述检测部连接，且通过光路切换装置而对与所述光源以及所述检测部的连接进行切换。

9.根据权利要求1所述的光学层析成像装置，其特征在于，

所述照射光纤以及所述受光光纤被捆束而形成束状。