JP2001037761A - 生体計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】生体機能計測における位置情報の不足を補う。 【解決手段】機能計測手段は、光を生体の複数の位置に
照射する照射手段３０と、前記照射手段３０により照射
され生体を通過した光を検出する検出手段４０と、機能
計測データから生体機能の空間分布画像を作成する画像
作成手段８０とを備え、前記画像作成手段８０は、前記
形態計測手段１で得られた形態情報７０を利用して前記
空間分布画像１０５を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は生体内における医学
的情報を非侵襲的に計測し画像として表示する医用画像
装置にかかわるもので、特に代謝循環等の生体機能の定
量的な分布を画像として提供するのに好適な装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】医用診断に利用される診断装置は、生体
の外形及び臓器の形状を計測し、表示する形態診断装置
と、生体内における循環代謝などの機能を計測する機能
診断装置に分類することができる。

【０００３】両者のうち形態診断装置としてはＭＲＩ
（Magnetic Resonance Imaging)装置やＸ線ＣＴ装置な
どの高精度の画像診断機器が開発されたことにより、生
体の“形態的な異常”を非侵襲的にかつ正確に診断する
ことが可能になっている。しかし一般に生体臓器等の形
態異常は代謝循環等の生体機能の異常が原因となって生
ずるもので形態的異常の検出時点ではすでに代謝循環等
の機能面での病状が進行しており、治療が困難であった
り、治療期間が長引く場合が多い。

【０００４】そこで形態的異常に先立つ生体の機能的変
化を早期に発見し的確な治療を行うことが現代の臨床医
学における大きな課題となっている。またそのための道
具としての‘早期診断の可能な生体機能診断装置’の開
発が強く求められている。

【０００５】ところで機能診断の可能な機器としては血
液や尿などの検体検査装置がよく知られている。検体検
査では生体組織内の代謝物質の量や機能を直接化学物理
的に計測しており、定量的機能診断が正確に行える。し
かし血液，尿などの検体検査では全身的な異常状態の計
測は可能だが、形態診断のように異常部位を正確に確定
することは困難である。

【０００６】このため医師はまず検体検査などの機能的
診断で全身的な異常を判定し、さらにＸ線診断装置など
の形態的診断装置で異常部位の確定を行う、そして両者
の情報を総合的に判断して病気の診断を行っているのが
現状である。しかし形態診断により得た画像情報と、検
体検査などの機能的診断情報を組み合わせ異常部位やそ
の状況を正確に判断することは非常に難しく、さらにこ
のように複数の検査を行うことによる、診断時間、患者
への肉体的、さらには経済的な負担の増大が問題となっ
ている。

【０００７】上記のような問題を解決できる医用診断装
置として機能を計測しさらにその空間分布を画像化し表
示できる装置、つまり生体機能画像化装置が考案され開
発が行われている。

【０００８】例えば従来からある生体機能計測装置に位
置検出能を付加し、一台の診断装置で機能量の空間分布
を得ようという試みがなされている。このような例とし
ては核磁気共鳴スペクトル分析装置のイメージ装置化を
挙げることができる。核磁気共鳴スペクトルの微細計測
を用いてＰ³¹の核磁気共鳴周波数の化学シフトを計測す
ることにより、生体組織の代謝過程が計測できることは
以前から知られており、これを生体に適用し画像装置化
する、ＭＲＳイメージング装置の実用化が試みられてい
る。

【０００９】ところで核磁気共鳴スペクトル計測におい
て計測する信号は、非常に微弱な電磁波の吸収量の変位
である。このためこのような信号を利用して、さらに代
謝量を空間分布として画像化するには非常に長い計測時
間が必要で未だに実用的な装置は完成されていない。

【００１０】この例のように生体機能変化の計測可能な
装置は生体の質的な情報を捉える必要があるため、物理
的には非常に微弱な信号の変化を計測する必要がある。
更にこのような微弱な計測信号から生体の機能を示す物
理量を空間分布として表す、つまり画像化するのはさら
に困難で、最終的にこのような装置によって得られる画
像は従来のＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置の画像に比べ空間
特性の点で非常に劣ることが予想される。

【００１１】このような生体機能画像化装置として現在
研究が進められているものとしては核磁気共鳴装置のほ
かには、生体磁気分布計測装置、生体光計測装置、ＰＥ
Ｔ（Positron Emission Tomography）をあげることがで
きる。

【００１２】これらの装置はＰＥＴを除けば未だ臨床的
に実用可能レベルには達していない。そしてＰＥＴにお
いても未だ十分な空間分解能は得られておらず、これを
補うためにＸ線ＣＴ装置等の形態診断装置の画像を利用
しているのが現状である。これは先に述べた機能診断と
形態診断の併用の一例でもある。

【００１３】このような形態診断装置の併用のほかに、
これらの生体機能画像化装置の空間特性の向上のための
試みは数多くなされているが、十分な性能は得られてい
ない。

【００１４】例えば生体光イメージング装置は光を生体
に照射し上記生体からの散乱透過光を計測し生体内の各
種機能をし画像化しようとするもので、特開昭57−1152
32で提案されている。本装置は生体に与える障害が非常
に少ないため理想的な生体機能画像診断装置と成る可能
性が指摘されている。この生体光イメージング装置にお
いても空間性能の低さが実用上の大きな問題点となって
いる。

【００１５】生体における光計測では特に被写体内部で
生じる散乱光が計測データ上に加算され位置情報を乱す
ため、生体内部の特に深部における機能分布を画像化す
るのは困難であると言われる。

【００１６】この生体光イメージング装置の空間分解能
を向上させる方法として、時間ゲートを用いて光のパス
を制限する時間ゲート法と多波長法の組み合わせによ
る、散乱光の影響除去を本発明者は提案している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】生体機能の画像化装置
の研究は、未だ実用的な装置を開発するには至っていな
い。最も実用化に近い装置ＰＥＴにおいても空間特性が
不十分で、実際の診断にはＸ線ＣＴ装置等の形態診断装
置で得た画像情報を必要としている。このような例は他
の機能計測装置にも見られることは先に述べた。

【００１８】このように従来から行われている機能計測
と形態計測の併用は、それぞれ異なった装置で異なった
時点で計測された２種の画像を並列に表示することによ
って、機能計測における空間情報の不足を補うことを目
指したものである。しかし上記方法では、両者の計測を
異なった装置、異なった時刻で行うため、相互の幾何学
的な位置関係を正確にとらえることはできない。更に機
能計測画像に各種の物理的影響による空間的歪みがある
場合これを補正することも不可能である。このように従
来方法では機能、形態の両画像の正確な位置関係をとら
え、的確な医学診断を行うことは困難である。

【００１９】これとは別に機能計測装置自体の空間特性
を向上させる試みもそれぞれに為されているが、計測の
困難さから十分な結果はえられていない。またこれらの
試みが有効に為されたとしても、得られる画像の空間特
性は他の形態診断を不要とするまでには至らないことが
予想される。

【００２０】本発明はこのような生体機能計測における
位置情報の不足を補い、同時に機能計測画像自身の空間
分解能の向上および画像歪みの低減を行い、機能異常の
より正確な診断を可能にする簡便な方法を提供すること
を目的としたものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記従来の欠点
を除くために成されたもので、このために本発明におけ
る生体計測装置は、生体の代謝循環等の機能を計測し画
像化する機能を有する部分と生体の解剖学的な形態を計
測する機能を有する部分が一つの装置に構成されてお
り、両者の計測を同時にまたは順次に計測対象を移動す
ること無く行うことができる。

【００２２】形態計測部で計測した被写体の形態情報
は、機能計測部で得た機能的情報を画像に変換する処理
過程において利用され、更に表示部において機能の空間
分布に画像と同一画面上に表示される。形態を計測する
部分はＸ線ＣＴ装置またはＭＲＩ装置等の形態計測装置
の原理を用いる。

【００２３】機能分布を計測する部分は例えば光を入射
しその散乱透過光を検出して生体の機能を計測する生体
光イメージング装置などで構成する。生体光イメージン
グ装置は多数の光ファイバーで構成された光入力部と、
複数の光ファイバーで構成された光検出部より成り、検
出部の出力部は高速の光時間スペクトル計測部に入力す
る。機能計測部はその他の機能計測が可能で且つ空間分
布の計測できる装置であれば上記光イメージング装置に
は限定しない。

【００２４】上記計測画像の表示部では形態を示す画像
は組織の境界部分のみを単色で表示し、機能を示す画像
は上記形態画像とは異なる色で上記画像と重ねて表示す
る。機能分布を示す画像は医学的な基準から求められた
標準値からの差分を濃淡または、色相で表示してもよ
い。

【００２５】形態診断部と機能診断部が一体と成ってい
るために両者の診断が短時間のうちに空間的な変位も少
なく計測でき、両者の計測情報の空間位置関係が正確に
とらえられる。このため、機能計測結果の空間分布の画
像化処理において、形態情報を有効に利用できる。これ
により機能分布の画像化処理の高速化、高精度化が可能
になる。

【００２６】更に両者の画像が同一画面に表示されるた
め機能分布画像の解剖学的な位置関係が正確に判定で
き、正確な病気の診断が可能になる。

【００２７】さらに両機能部で用いる処理装置、画像表
示部、ベッドなどが共有できるために空間利用の効率
化、価格低減が図られる。また両方の診断が患者の移動
無く行えるために検査時間の短縮が図られ患者への負担
を低減できる。

【００２８】また表示部で機能分布に形態の境界画像を
重ねて表示することで機能画像の情報を損なうことな
く、機能画像の解剖学的位置関係を明確にし診断効率を
挙げることができる。機能分布画像を医学的な標準値か
らのずれに対応して表示することで、さらに異常部位の
判定が容易になる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。図１は本発明の一実施例の全体構成を示し
たものであり、形態を診断する形態計測部、及び機能的
な診断の可能な機能計測部から構成されている。形態，
機能両者の計測結果から画像を再構成し、表示する画像
再生部８０及び画像表示制御部100は両計測部に共通で
一式有する。形態計測部はＸ線ＣＴ装置の原理を用いて
おり、被複写のまわりを回転操作するＸ線源３及びＸ線
検出器１を有する。Ｘ線検出器１で検出されるＸ線射影
データはＸ線計測部のデータ収集部７０に取り込まれ
る。機能計測部は光を生体に照射しその散乱透過光を計
測し代謝物質の分布を計測する生体光イメージング装置
の原理を用いており、被写体に装着される計測用キャッ
プ２０，光源部３０及び光検出部４０及びこれらを制御
するタイミング制御部５０，計測結果を記録するデータ
収集部９０よりなる。Ｘ線計測及び光計測の各データ収
集部のデータは、画像再生部８０で処理され画像表示制
御部１００を介して表示部１０５に表示される。なおこ
れらの装置は全て１台のコンピュータ６０で制御され
る。

【００３０】上記装置構成のうち形態計測部は、Ｘ線Ｃ
Ｔ装置に限らずＭＲＩ装置などの生体内部の形態、代表
的には断層像を正確に計測し画像化できる形態診断装置
で構成することができる。機能計測部は生体の循環代謝
などの機能を定量化し空間分布として計測できる機能を
有する装置で構成する。本発明に適用可能な生体機能計
測手段としては上述の生体光イメージング装置（光Ｃ
Ｔ）に限らず、核磁気共鳴スペクトル分布計測装置（Ｍ
ＲＳイメージング装置）。生体磁場分布計測装置（脳磁
分布計測装置）などが適用できる。なお他の生体の循
環、代謝などの機能を計測できる装置で空間分布の計測
可能な装置であれば上記装置に限定しない。

【００３１】図２は機能計測部に生体光イメージング装
置の原理を用い、形態計測部としてはＸ線ＣＴ装置の原
理を用いた図１の実施例の装置の外観を示しており、特
に人体頭部を対象とした装置の例である。生体光イメー
ジング装置の原理は例えば特開昭57−115232号に詳細に
述べられている。図１の各部が搭載された装置本体１１
０のガントリー開口部には、ヘッド１２０に横たえられ
た被写体の頭部が挿入される。この構造は従来Ｘ線ＣＴ
装置と同様である。さらに本実施例では、機能計測部の
計測用キャップ２０をガントリー開口部内に保持する機
能を有することを特徴とする。

【００３２】図３は本装置における計測領域を示してお
り、Ｘ線ＣＴ装置部の計測領域４は生体光イメージング
計測部の計測領域５を包含するように構成されている。
なお３はＸ線発生部を、２０は生体光イメージング装置
における計測用キャップを示す。

【００３３】次に図４は上記生体光イメージング計測部
の詳細な構成を示すものである。

【００３４】被写体キャップ２０には、図４（ｂ）に示
すように光源部３０から入射する光を導いて被写体に照
射するための光ファイバー１２と、検出された光を光検
出部３０に導びく光ファイバー１４が設けられる。これ
ら２種類の光ファイバーはそれぞれ複数本設けられる。
これらの端部はキャップ２０の内面をひとつの断面が切
る円周に沿って配置される。キャップ２０を被写体の頭
部に装着すると、図２のベッド１２０の位置調整などに
より、Ｘ線ＣＴ装置の撮像断面と、上記光ファイバーの
端部が配置された断面とが一致するようにされる。これ
により、形態計測部の計測視野と機能計測部の計測視野
とは同一断面上にあり、前者が後者を包含する配置とす
る。

【００３５】図４（ａ）に示すように、光源部３０は１
００ｐｓｅｃ以下の短時間パルスを繰返し照射できる２
種類の波長のレーザ装置８−１及び８−２、上記レーザ
の一方を選択して任意の時間間隔で照射光の波長を切り
換えるための光源制御部６及び波長切り替え部７を有す
る。本構成例は２波長の構成であるが、光源の波長数は
これに限定されない、例えば血液中のヘモグロビンの酸
素飽和度の計測においては、酸素化ヘモグロビンと脱酸
素化ヘモグロビンの等吸収点（８０５ｎｍ）と他の一点
の波長（例えば６００ｎｍ）と各波長の近傍の各一点計
４点の計測を行なう必要がある。このような場合には光
源は４個と成る。

【００３６】レーザ８−１もしくは８−２から照射され
波長切り替え部７で選択されたレーザ光ビームは、光走
査部に入射する。光走査部は回転ミラー９で構成しレー
ザ光の進行方向を走査する。

【００３７】ミラー９により進行方向を偏向された光ビ
ームは図４（ａ）の照射用光ファイバー１２の他端１１
を配列した光分配部１０に入射し回転ミラー９の走査角
度に応じて順次、例えば入力部ファイバー番号１，２，
３，，の順番で入力して行く。この結果計測用キャップ
２０のファイバ１２の出力部からは時系列的に光が検出
し光ファイバーの配置に応じて順次生体への光照射が行
われる。この光走査と光源パルス発光のタイミングを制
御することによって任意のファイバーに、設定されたタ
イミングで設定数の光パルスを入力することが可能にな
る。

【００３８】ここで光走査部のミラー回転位置をパルス
制御モータで自由に制御することにより、ファイバーの
配置とは無関係に希望する自由な順番（１．２．．．で
はなく）で光照射が行える。なお光入射の順番及び設定
パルス数は生体に最も障害が少なくかつ最適な画像計測
が可能なように被写体の大きさや形状に応じて制御部６
で設定することが可能で、これによって常に最適な計測
状態で診断が可能と成る。

【００３９】また光走査部に光走査波長切り替え部７が
付加されているので複数の波長の光を順次設定されたス
ケジュールに沿って高速に照射することができる。

【００４０】被写体に入射した光は被写体を通過し各生
体代謝物質の特性に応じて吸収を受け、生体組織による
散乱を受け被写体表面から放出される。これが光ファイ
バ１３を介して光検出部４０に導かれる。

【００４１】図５は光検出部４０の詳細を示した図であ
る。計測用キャップ２０内の光収集部１３は光ファイバ
ー１４と複数のレンズで構成し常に被写体表面近傍に光
学系の焦点が設定されるように配置されている。

【００４２】上記光収集部１３に入射した被写体からの
透過散乱光は光ファイバー１４を通って光検出部４０に
導かれる。

【００４３】本実施例の光検出部４０は、光の強度変化
を高速に計測し記録できる装置、以下光時間スペクトル
計測装置と称する、を用いている。光時間スペクトル計
測装置は、それ自信が高速の時間応答を有し、さらに時
間スペクトルを計測、保存できるため光シャッターを用
いずに時間ゲートを設定できる。

【００４４】被写体キャップ２０から複数の光ファイバ
ー１４により導かれた計測光は、ストリークカメラの受
光面１６上に適当な間隔で入射する。上記光は入力面１
６において電子に変換され螢光面１８に向かって走行す
る。交流電場発生部１７は上記電子の走査方向を高速に
変位させる。この結果螢光面１８には入力光の時間変化
に対応した分布画像が表示され、これをＴＶカメラ等で
読みだすことにより光強度の時間変化を高速に計測する
ことができる。ところで高速のパルス光源８−１又は８
−２によって光ファイバー１２を介して光を照射された
被写体の表面からは光の走行過程に応じた遅れ時間を持
つ光が図６（ａ）のような時間分布を持って放出され
る。上記光はさらに光ファイバー１４を介して光時間ス
ペクトル計測装置の螢光面１８に図５（ｂ）のような分
布データを形成する。上記分布（ｂ）のうち縦方向は時
間を、Ｙ横方向は各ファイバーの光収集部１３が配置す
る被写体表面近傍の位置と対応する。このような時間分
布像のうち、光パルス照射からある時間以上経過した部
分は、被写体内で散乱，屈曲をくり返して回り込んでき
た光であるので、このような散乱線を除去するため、図
６（ａ）の斜線部Ｒ₁のように時間ゲートをかけ、この
部分の光量の積分値を検出データとする。本実施例では
ＴＶカメラ等で読み記録した光時間スペクトル像のうち
の特定範囲の部分を計算機で処理することで時間ゲート
の機能を実現し、所望の透過光量を得る。

【００４５】上記のような計測を光パルスの照射位置、
つまり照射用ファイバーを順次選択することにより、被
写体の多方向からの光入射による光伝達特性を計測し、
これによって被写体の３次元的な光学特性分布を画像化
するために必要な全てのデータを得ることができる。

【００４６】上記ファイバーの時系列的選択は従来のＸ
線ＣＴ装置におけるエックス線源走査と同様の効果を持
つもので、上記構成でえられた計測データをＣＴの画像
再生理論にもとづいて演算処理すれば被写体の光学特性
分布を画像化することができる。このような画像再生の
原理及び方法に関しては“Image Reconstruction from
Projection”G.T.Herman,1979に詳細に述べられてい
る。

【００４７】なお、図５に示した光時間スペクトル計測
装置に代え、特開昭63−20665号に記載されたように高
速光シャッタの採用により時間ゲートを実現してもよ
い。

【００４８】（機能画像計測の手順）次に本発明の装置
を用いた生体計測装置の生体機能画像の計測手順を上記
生体光イメージング装置とＸ線ＣＴ装置の原理を用いた
装置の例（図１）で説明する。

【００４９】本装置の被写体は人体頭部であり、被検者
はＸ吸収係数の小さい物質で構成された頭部保持部を有
するベッドに寝た状態で形態計測装置の計測部へ挿入さ
れる。

【００５０】上記設定の終了後生体光イメージング装置
の検査部である計測キャップ２０を被検者の頭にかぶせ
る。

【００５１】上記生体光イメージング装置の計測キャッ
プ２０はＸ線吸収係数の小さな物質で構成されており、
形態計測部からの照射Ｘ線の大部分はこれを透過する。
このため計測キャップはプラスチックまたはアルミを素
材で構成する。

【００５２】次に計測キャップ２０をセットした状態で
Ｘ線を照射し被写体と計測キャップを含めた断層像を計
測する。これによって形態計測部では図７に示すような
画像が得られる。表示領域２０は被写体及び生体光イメ
ージング装置計測キャップを含み被写体の形状２１及び
計測キャップの形状２２が表示される。

【００５３】上記計測キャップ内には特定の位置に比較
的Ｘ線吸収率の大きい物質を配置しておく。これによっ
てＸ線透過画像上に上記吸収体の位置２３が高吸収域と
して特異的に表示されるため、機能計測部と被写体及び
形態計測部の位置関係を容易に求めることができる。上
記表示用吸収体は計測キャップ上に少なくとも３ヵ所位
置する。これによりＸ線画像と生体光計測部の位置関係
を、計測画面上で正確に求めることが可能になる。

【００５４】以上計測の結果ＣＴの原理にもとづく画像
再生処理により、被検体の形状及び被写体内の臓器の分
布、更に上記被写体と機能計測部の空間的配置関係が求
まる。

【００５５】ここで形態計測と機能計測の両者は計測位
置の変動を防ぐため同時に行うことが望ましい。ただ
し、被検体位置の大きな変動の生じない程度の時間内で
あれば、同時計測せず両者の計測を時系列的に行っても
良い。

【００５６】形態及び機能の両計測を時系列的に行なう
場合、被写体位置のずれによる空間特性の劣化の可能性
が高くなるが、同時計測にくらべ、相互の物理的干渉に
よるクロストークがなく、また計測処理装置の負荷が時
間的に分散させるというメリットがある。

【００５７】なお、時系列で両者の計測を行う場合、計
測の順番はどちらを先にしても良いが、機能計測データ
の画像化処理には形態計測画像の情報を必要とするた
め、形態計測−機能計測の順に行うほうがデータ処理は
簡単化され、処理装置のメモリー量も小さくできる。

【００５８】また一般に機能的な計測では時系列的に計
測を繰返し代謝等の時間変化を計測する場合が多いが、
このような場合には図８（ａ）に示すように計測の最初
と最後に形態計測を１回ずつ行なっても良い。ただし計
測の時間間隔が長い場合には図７（ｂ）のように機能計
測と形態計測を交互に行なうことが好ましい。

【００５９】次に機能画像計測における各部の動作を説
明する、なお計測の順番は形態−機能の順で行う場合を
仮定する。

【００６０】計測キャップ内の光分岐用ファイバー１２
に順次光パルスを光照射１．２．３．．に示す番号で照
射する。この時各光検出器には図５（ａ）のような時間
スペクトルを持った光信号が順次入力する。これらの計
測値は一連の計測が終了するまで記憶部に保存される。

【００６１】ところでこれらのデータには生体内の散乱
光が多く含まれるためこのままでは画像化に用いること
はできない。そこで特開昭63−20665に示すように時間
ゲートにより散乱光を除く。本実施例においては上記時
間スペクトルデータのうち、散乱光の少ない時間スペク
トル前部のデータを選択し加算することで同様の効果を
得られる。この場合時間ゲート幅（データの選択幅）は
狭いほど散乱光の混入を小さくでき空間分解能を向上で
きるが、逆に信号量は減る。このため、時間ゲートの幅
は被検体の大きさ，光の透過率により最適値が異なって
くる。通常人体頭部を仮定した場合は１００ｐｓｅｃ程
度が最適な幅となる。

【００６２】このように上記スペクトルデータは設定し
た時間幅で時間方向に加算する。この結果光照射部の数
をＮｓ、光検出部の数をＮｄとすると上記計測でえられ
る一連のデータはＮｓｘＮｄ個の数値データとなる。

【００６３】（画像再生処理）次に上記計測でえられた
機能計測のデータの組（ＮｓｘＮｄ個の数値データ）
と、事前に計測した形態計測画像を用いて機能分布の画
像再生を行なう。以下に画像再生処理の流れを具体的に
説明する。

【００６４】Ｘ線ＣＴ装置の計測画像には図７に示すよ
うに被写体と機能計測装置のＸ線吸収画像が表示され
る。上記画像には計測キャップに埋め込まれた位置検出
用の表示２３が高吸収域として検出できる。そこまずＸ
線画像上で計測領域をＮｘＭの画素に分割する、この画
素と位置検出用吸収体の位置関係から機能計測装置の光
入力部と、光検出部の正確な位置を全て求める。これは
光イメージング装置の構造を事前に正確に計測し記憶し
ておけば容易にできる。

【００６５】次にＸ線ＣＴ画像から被写体のうち骨の部
分、脳内の白質部、灰白質部の各領域を分類する。この
ようなＸ線ＣＴ画像からの組織判別は、Ｘ線ＣＴ装置に
おいて生体臓器の３次元表示に使われている方法を用い
る。たとえば組織鑑別の最も簡便な方法は吸収値のレベ
ルから判定する方法で、例えば計測画像のＣＴ値で１２
００以上は骨、白質は１２００−１１００、灰白質は１
１００以下として表示する。

【００６６】次に機能計測領域を先のＸ線計測画像の画
素分割に従って４角形の画素に分割する。図９（ａ）に
示すように上記各画素に光学的な変数として、散乱係数
ｓｉ及び吸収係数ｍｉにあたえる。ここでｉは画素の番
号を示す。次に、Ｘ線ＣＴで計測した形態画像によって
被写体の構成組織は分類されているので、上記各光学変
数のうち、事前に決定できる数値を定数として与える。
たとえば計測に用いる光の波長を６００−７００ｎｍの
波長に設定したとすると、頭部の画像のうち骨の領域に
は６００−７００ｎｍの光を吸収する物質はほとんど存
在しないためｍｉ＝０と置くことができる。また骨の散
乱係数は被検者の年齢により異なるが従来の計測データ
から推定できる。そこで骨おける散乱係数の各年齢にお
ける標準的な数値を求めておけば、骨領域における散乱
係数ｓｉを定数として与えることができる。更に脳内の
各組識に関しても先に述べた組織分類に応じて散乱係数
を事前に実験的に求め、標準値をもとに設定する。この
結果画像化に必要な計測領域の真の変数は脳組織内にお
ける吸収係数ｍｉのみになる。

【００６７】上記の処理により本来は各領域に与えられ
ていた変数の組み合わせのうち多くの部分を事前に設定
できるため、以後の画像化が容易になり、演算に要する
時間も短縮できる。

【００６８】次にこれらの変数及び設定された定数分布
をもとに吸収係数の分布を求める方法を以下に述べる。

【００６９】ある発光点Ｓｋを仮定したとき得られる計
測値は被写体がある場合、図９（ｂ）に示されるように
各検出点でえられた計測地Ａｋ１の組み合わせとなる。

【００７０】ところで光照射部Ｓｋから放出された光は
ファイバーの端面から拡散し各検出器に入力する。そこ
で被写体の無いときの上記各検出器に入力する。そこで
被写体の無いときの上記各計測値をＡｋ１０とする。な
おこの計測値は時間ゲートをかけない。

【００７１】上記各データから Ｘｋ１＝−ｌｏｇ（Ａｋ１／Ａｋ１０）…(１) をもとめる。ここで時間ゲートを通過した光は生体内を
ほとんど直進したとみなせるからｋと１の組み合わせか
ら光が通過する領域Ｒｋｌを、先の図９（ｃ）のように
求めることができる、そこでこの通過領域に含まれる全
ての画素の番号の集合をＲとする。この時計測値よりえ
られた吸光度Ｘｋ１は Ｘｋ１＝Σ（ｍｉ＋ｓｉ）、ｉ∈Ｒ …(２) となる。これらのうちｓｉは既知であるので各計測単位
における真の吸収による減弱は Ｙｋ１＝Ｘｋ１−Σ（ｓｉ）、ｉ∈Ｒ により求めることができる。また画素ｉが骨の領域に含
まれる場合にはｍｉ＝０と置くことができる。更に全の
ｋと１の組み合わせに関して上記のような演算を行う。
これにより吸収値ｍｉのプロジェクションの組み合わせ
（Ｙｋ１，ｋ＝１〜Ｎｓ，１＝１〜Ｎｄ）が求められる
ので、従来のＸ線ＣＴにおけるＣＴ画像再生のアルゴリ
ズムを、適用して、吸収値（ｍｉ）の分布が求められ
る。

【００７２】以上の演算処理によって図９（ｄ）のよう
な特定の波長の光吸収係数の空間分布（つまり特定の代
謝物質の空間分布）を示す画像が得られる。なおここで
は既に形態計測装置による組織判別画像が得られてい
る。この両者の画像の位置関係は先の処理過程から明ら
かなように正確に対応づけられている。そこでこの両者
の画像は並列して表示しても有効な診断情報を与えられ
るが、さらに１台のＣＲＴ上に形態画像は各組織の境界
部のみを特定の色で示し、機能の濃淡画像（ｂ）を境界
表示とは異なる色を用いた濃度または色相で表示すれば
生体機能の実際の状態が的確に表示され、診断に最適な
情報提供が可能と成る。図９（ｄ）はこのような表示の
例を示す。

【００７３】なお、機能画像表示として、計測物理量の
値の絶対値を表示するのではなく、医学的な見地から得
れらている標準値からのずれを濃度として表示すれば更
に医学的に有効な情報を与えることができる。またこの
標準値は形態計測画像から得られた臓器または組織に対
応する値を用いれば更に好ましい。

【００７４】以上の実施例は機能計測部に生体光イメー
ジング装置を用いた例であるが、一般の任意の機能計測
方法を用いた場合においては以下のような一般的な処理
が可能である。

【００７５】まず生体機能を表示する物理量を計測し画
像化する方法は次のような手順を持つ必要が有る。

【００７６】(１)計測領域のうちの限定された部分から
の信号を受信する。この信号には計測領域のうちの限定
された部分における物理量の影響が反映されている。

【００７７】(２)上記限定領域（走査領域）を被写体全
域に移動し信号の計測を行う（計測領域走査）。

【００７８】この領域走査の時間的順番を１．２．．
ｉ，，Ｎｍ（Ｎｍ：計測の数）とするとこの各番号に応
じて計測値Ｘｉ（ｉ＝１〜Ｎｍ）が得られる。さらに各
計測番号に応じた計測領域Ｒｉ（ｉ＝１〜Ｎｍ）が計測
領域内に指定される。

【００７９】そこでまず計測領域を適当な大きさの画素
に分割しこれをｈｊ（ｊ＝１〜ＮｐＮｐ：画素数）とす
る。

【００８０】ところでこのような計測は当然特定の物理
量の計測を目的としたものであるが、特に機能的計測を
目的とする計測においては微弱な信号を扱うため、計測
された信号は求めたい物理量（光計測の場合は例えば吸
収係数）の他に他の物理量による変異を受ける場合が多
い。例えば光計測における散乱の効果などがこのような
変位の原因の例である。このため計測値Ｘｉは Ｘｉ＝ｆ（ａｋ．．，ｂｋ．．．．，ｃｋ） ｋ∈Ｒｉ …(３） のように表示できる。このうちａは求めたい物理量で、
ｂ，ｃは変異の原因となる物理量である。ｆはこれらの
間を関係づける関数である。ここで式（３)のような関
係があるとき各画素の計測対象物理量ａｋの算出には全
ての変数ａ，ｂ，ｃの値を求める必要がある。一般にこ
のような計算には膨大な計算量で、現実には実行不可能
な場合が多い。

【００８１】ところで本発明の装置によれば上記機能計
測の前または後に、まったく同一の位置で計測対象の形
態を計測することができる。これによって計測対象の外
形、更には内部の組織の分布形状が計測できる。また先
に示したような位置表示を付加することにより機能計測
における計測領域が形態計測画像と正確に対応付けるこ
とができる。

【００８２】次に上記物理変数（ａ，ｂ，ｃ）のうち求
めたい変数はａでありこれは一般に未知数となる。しか
し生体の物理特性は生体組織の種類に依存している。ま
た生体組織の種類は解剖学的な知見から、形態計測画像
上で識別可能である。先の実施例では、頭部における
骨，脳組織の鑑別の例を示している。

【００８３】光計測における散乱係数はこのような推定
可能な物理量の例であり、脳磁計測においては組織の透
磁率がＰＥＴにおいては消滅ガンマ線の吸収係数がこれ
らに当る。そしてこれらは何れも形態計測によって分類
可能な組織種別に対応して標準的な数値をあてはめるこ
とができる。つまり計測目的である変数ａは真の変数と
して他の形態依存の（形態により推定可能な）変数ｂ，
ｃは推定値を設定することにより、先の式(３)は Ｘｉ＝ｆ（ａｋ．．） ｋ∈Ｒｉ …(４) と成り、物理変数を１種とした従来からの画像再生の問
題に帰着できる。

【００８４】このように単純化した変数の組み合わせか
ら従来のＸ線ＣＴにおける画像再生法や、イテレイショ
ン法を用いて画像再生を行うことができる。

【００８５】さらに上記演算によって得られた機能の分
布画像と既に得た形態画像を先に述べたように重ねて表
示することで、有効な診断情報を与えることができる。

【００８６】また計測物理量ａも生体における物理量で
あるため組織によってはその範囲や平均的な値を限定で
きる場合がある。このような場合にはａｉの推定値をａ
ｉ０としてａｊ＝ａｊ０＋ｄａｉとして、ｄａｉを変数
とした演算を行うことができる。この場合ｄａｉは小さ
な値となる。このため画像再生処理においてはａｉを変
数とした場合に比べ演算時間の短縮や高精度化が可能と
成る。

【００８７】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば形態
計測部と機能計測部を一体で構成することにより、形態
画像から得られた形態的情報を、機能分布画像の再生に
利用し、正確な機能画像を高率良く得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体構成を示す図。

【図２】本発明の実施例の外観を示す。

【図３】本発明の実施例における計測領域を示す図。

【図４】本発明の第１の実施例における生体光イメージ
ング部の構成を示す図。

【図５】本発明の第１の実施例における生体光イメージ
ング部の構成を示す図。

【図６】本発明の生体光イメージング部の計測信号の状
態を示す図。

【図７】本発明の実施例の形態計測部における計測画像
を示す図。

【図８】本発明の実施例の計測シーケンスを示す図。

【図９】計測データの処理過程を示す図。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月１４日（２０００．７．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項１ 】生体の形状を計測する形態計測手段と、生
体の機能を計測する機能計測手段とを有する生体計測装
置において、 前記機能計測手段は、光を生体の複数の位置に照射する
照射手段と、前記照射手段により照射され生体を通過し
た光を検出する検出手段と、機能計測データから生体機
能の空間分布画像を作成する画像作成手段とを備え、前
記画像作成手段は、前記形態計測手段で得られた形態情
報を利用して前記空間分布画像を作成することを特徴と
する生体計測装置。

フロントページの続き (72)発明者 吉田 稔 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 但馬 武 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 関原 謙介 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体の解剖学的形状及び代謝循環等の生体
   機能の空間分布の両者を計測する機能を有する装置であ
   って、前記形状計測部でえられた形態情報を前記機能計
   測部において計測したデータから機能の空間分布を画像
   化し表示する過程において利用することを特徴とする生
   体計測装置。
2. 【請求項２】計測データから機能の空間分布を画像化し
   表示する過程において計測空間領域を複数の画素に分割
   し、上記各画素に複数の物理量を変数として与え、その
   内１個または複数の物理変数の変域を、上記装置の形態
   計測機能を有する部分において得られた生体の解剖学的
   な分布を示す形態情報を用いて制限し演算処理を行なう
   ことを特徴とする請求項１の生体計測装置。
3. 【請求項３】生体の所定断面の解剖学的形状を描出する
   形態計測手段と、前記断面の周囲にて、前記断面内の前
   記生体の代謝もしくは循環等の生体的機能の空間分布を
   反映する第１の物理変量並びに前記生体機能を反映しな
   い第２の物理変量の空間分布に少なくとも影響される計
   測データを計測する機能計測手段と、前記機能計測手段
   の計測視野に対応した記憶エリアを有し、前記形態計測
   手段から得る断層像に応じて各画素ごとに前記第２の物
   理変量の変位が指定されて記憶される記憶手段と、前記
   機能計測手段の計測データ及び前記記憶手段に記憶され
   た各画素の第２の物理変量の変域を用いて前記第１の物
   理変量の空間分布を演算する演算手段と、前記演算手段
   から得られる前記第１の物理変量の空間分布を前記生体
   の前記断面における生体機能分布画像として表示する表
   示手段とを含んで成る生体計測装置。
4. 【請求項４】前記形態計測手段はとしてＸ線ＣＴ装置で
   ある請求項３に記載の生体計測装置。
5. 【請求項５】前記形態計測手段はＭＲＩ装置である請求
   項３に記載の生体計測装置。
6. 【請求項６】前記機能計測手段は、前記生体の前記断面
   の周囲の複数の位置から可視乃至赤外の光を生体に順次
   照射する光照射部と、該光照射によって前記生体から放
   出される光を前記断面の周囲の複数の位置で計測する光
   検出部を含むことを特徴とする請求項３に記載の生体計
   測装置。
7. 【請求項７】前記機能計測手段の計測領域が前記形態計
   測手段の計測領域に含まれることを特徴とする請求項６
   に記載の生体計測装置。
8. 【請求項８】前記光照射部が複数の光ファイバーで構成
   されており、１つまたは複数のレーザー光ビームの走査
   により上記光ファイバーへの光入力を順次切り換えるこ
   とにより被検体への光入力位置を制御することを特徴と
   する請求項６に記載の生体計測装置。
9. 【請求項９】前記光検出部が複数の光ファイバーで構成
   されており、上記光ファイバーの光出力部が複数の入力
   部を持つ光時間スペクトル計測装置の入力部に接続して
   いることを特徴とする請求項６に記載の生体計測装置。
10. 【請求項１０】前記表示手段は前記形態計測手段から得
    る断層像の境界部分を前記機能分布画像とは異なる色で
    表示することを特徴とする請求項３に記載の生体計測装
    置。
11. 【請求項１１】前記表示手段は前記機能分布画像を標準
    値からのずれの大きさに対応する輝度または色相で表示
    し、前記形態計測手段から得る断層像と重ねて表示する
    ことを特徴とする請求項３に記載の生体計測装置。