JP2004219426A - Method and apparatus for measuring absorbing data of scattering body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体組織などの散乱体内部の吸収に関する情報を得ることができる計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像撮影方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置に関するものである。より詳しくは、本発明は、散乱体内部の特定部分の特定吸収成分の濃度の時間変化やその空間分布を計測する方法および装置、さらには種々の形状の表面をもつ散乱体内部の特定吸収成分の濃度分布を非侵襲計測することができる散乱体の吸収情報計測方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a measuring method and an apparatus, an imaging method and an apparatus, a fluoroscopic method and an apparatus, a tomographic imaging method and an apparatus, or a mammography method and an apparatus capable of obtaining information on absorption inside a scatterer such as a biological tissue. It is. More specifically, the present invention relates to a method and an apparatus for measuring a temporal change in the concentration of a specific absorption component in a specific portion inside a scatterer and a spatial distribution thereof, and a specific absorption component inside a scatterer having variously shaped surfaces. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for measuring scatterer absorption information capable of non-invasively measuring the concentration distribution of scatterers.
光を利用して散乱体である生体組織を計測あるいはイメージングする主な方法は4種あり、これらは、(a)直進光(baristic photon)を利用するもの、(b)コヒーレント成分をヘテロダイン検出して利用するもの、(c)散乱光を利用するもの、(d)時間分解ゲートを利用するものに大別される。 There are four main methods for measuring or imaging living tissue, which is a scatterer, using light. These methods are (a) those that use baristic photon, and (b) that heterodyne detection of coherent components. (C) those using scattered light, and (d) those using a time-resolved gate.
(a)直進光(baristic photon)を利用するものは、計測対象にパルス光を入射して、出力光の中に含まれる直進透過成分を超高速ゲートで抽出する。この際、直進透過光の飛行時間は散乱光より短くなり、出力光の中で最短になる。したがって、計測対象から最初に出てくる光を超高速ゲートで切り出すことによって直進透過光が検出できる。この方法は、原理的にはX線CTのような高い空間解像度が期待できるという利点がある。しかし、散乱体である計測対象の内部ではほとんど全ての光が多重に散乱されるため、直進透過成分はほとんど存在しないか、たとえ有ったとしても極微量である。その結果、計測に際する光の利用率が極めて悪くなり、生体に入射できる最大光入射強度(2mW/mm2程度)を考慮すると、イメージング計測などに極めて長い時間が必要となり実用的でない。また、頭部や腕部などの大きな対象物では信号光が極微弱になり、実用上計測は不可能である。 (a) In the case of using a straight light (baristic photon), a pulse light is incident on a measurement target, and a straight transmission component included in output light is extracted by an ultra-high speed gate. At this time, the flight time of the straight transmitted light is shorter than the scattered light, and is the shortest among the output lights. Therefore, the straight transmitted light can be detected by cutting out the light first coming out of the measurement target by the ultra-high speed gate. This method has an advantage that a high spatial resolution such as X-ray CT can be expected in principle. However, since almost all light is scattered in multiples inside the measurement object, which is a scatterer, there is little or no, if any, linearly transmitted component. As a result, the utilization rate of light at the time of measurement becomes extremely poor. Considering the maximum light incident intensity (about 2 mW / mm 2 ) that can enter a living body, an extremely long time is required for imaging measurement and the like, which is not practical. In addition, in a large object such as a head or an arm, the signal light becomes extremely weak, and measurement is practically impossible.
(b)コヒーレント成分を利用する方法は、コヒーレントな高周波変調光を分岐して、一方を計測対象に入射する。そして出力光ともう一方の高周波変調光とを干渉させて、出力光の中に含まれるコヒーレント成分をヘテロダイン検出し、そのコヒーレント成分を計測に利用する。 (b) In the method using a coherent component, a coherent high-frequency modulated light is branched and one of the light is incident on a measurement target. Then, the output light and the other high-frequency modulated light interfere with each other, heterodyne detection is performed on a coherent component included in the output light, and the coherent component is used for measurement.
つまり、この計測系では、散乱の度合いに応じて散乱光の飛行時間(または光路長)や飛行方向が変化して乱されるため多重散乱された光は干渉しなくなり、ほぼ直進透過した光が検出される。したがってこの場合にも、先の例と同様に原理的には高い空間解像度が期待されるが、光の利用率が極めて悪く、生体の計測やイメージングなどに実用することは極めて困難である。また、頭部や腕部などの大きな対象物の計測は実用上不可能である。 In other words, in this measurement system, the flight time (or optical path length) and the flight direction of the scattered light change according to the degree of scattering, and the flight direction is changed. Is detected. Therefore, in this case as well, a high spatial resolution is expected in principle, as in the previous example, but the light utilization rate is extremely low, and it is extremely difficult to apply it to measurement or imaging of a living body. Further, it is practically impossible to measure a large object such as a head or an arm.
(c)散乱光を検出するものは、連続(CW)光、パルス光、あるいは変調光を計測対象に入射し、計測対象内を散乱伝播した光(出力光)を検出して利用する。この際、計測対象の時間応答特性に対して十分短いパルス幅のパルス光を入射する場合はインパルス光入射と考えてよく、対応する出力光はインパルス応答で表される。このような計測は時間分解計測(TRS)とよばれ、インパルス応答の時間波形を計測して内部情報を演算する。また、連続(CW)光を入射する方法はCW計測、変調光を入射する計測は位相変調計測(PMS)とよばれる。前者はインパルス応答の時間積分値を、また後者はインパルス応答のフーリエ変換、つまりシステム関数を計測していることになる。以上から、時間分解計測(TRS)では、他の2者より多くの情報を含む信号を得ていることが理解される。また、変調周波数を掃引する位相変調計測(PMS)とインパルス応答の時間分解計測(TRS)は、ほぼ同等の情報を含むことになる。連続(CW)計測と位相変調計測(PMS)では、信号処理方式は大きく異なるが、得られる信号は本質的に同等の情報を含むから、ほぼ同じ程度の情報の計測ができる。これらは、いずれの方法も、ほぼ全ての出力光を利用するから、前記(a)及び(b)の2例に比較すると光の利用率が桁違いに向上する。しかし、散乱光は計測対象の内部のほぼ全域、あるいはかなり広い範囲に広がってしまうため、上記の方法では狭い特定部位の定量計測ができない。また、イメジングや光CTでは、空間分解能が極めて悪く、実用化は困難である。 (c) For detecting scattered light, continuous (CW) light, pulsed light, or modulated light is incident on the measurement target, and light (output light) scattered and propagated in the measurement target is used. At this time, when pulse light having a pulse width sufficiently short with respect to the time response characteristic of the measurement target is incident, it may be considered that impulse light is incident, and the corresponding output light is represented by an impulse response. Such measurement is called time-resolved measurement (TRS), and measures the time waveform of the impulse response to calculate internal information. The method of inputting continuous (CW) light is called CW measurement, and the method of inputting modulated light is called phase modulation measurement (PMS). The former measures the time integral of the impulse response, and the latter measures the Fourier transform of the impulse response, that is, the system function. From the above, it is understood that in the time-resolved measurement (TRS), a signal including more information than the other two is obtained. The phase modulation measurement (PMS) for sweeping the modulation frequency and the time-resolved measurement (TRS) of the impulse response include almost equivalent information. Although the signal processing method is greatly different between the continuous (CW) measurement and the phase modulation measurement (PMS), the obtained signal contains essentially the same information, so that almost the same information can be measured. In each of these methods, almost all of the output light is used, so that the light utilization rate is improved by orders of magnitude compared to the two examples (a) and (b). However, since the scattered light spreads over almost the entire area of the inside of the measurement object or over a considerably wide area, the above method cannot perform quantitative measurement of a narrow specific site. Further, in imaging and optical CT, spatial resolution is extremely poor, and practical application is difficult.
以上に対して、(d)時間分解ゲートを利用するものは、インパルス応答波形の一部分を利用する。例えば、時間分解出力信号(インパルス応答波形)の最初の部分に含まれる光子は、ほとんど散乱されなかった光子(あまり寄り道をしなかった光子)、つまり光入射位置(光入射点)と光検出位置(受光点)を結ぶ直線光路の近くを伝播した光子である。したがって、時間分解ゲートによる信号を利用すれば、上記直線光路の近くを伝播して検出された光子を抽出することができ、イメージングなどの空間分解能を向上させることができる。この極限が先に述べた直進光(ballistic photon)である。しかし、現在までに開発あるいは提案されている時間分解ゲート法では、散乱体内部の吸収成分の定量測定ができない。この理由は、時間分解ゲート法で得られる信号を解析的に記述する方法が開発されていないことにある。つまり、時間分解ゲート法で得られる信号を光拡散理論に基づいて解析して、吸収成分の定量に利用する方法は知られていない。また、仮に光拡散理論に基づいて解析する方法が開発されたとしても、光拡散理論に基づくことに起因する本質的問題、つまり拡散近似が成立しない場合や種々の外形形状をもつ散乱体の計測が不可能であるという問題が残る。以上から、時間分解ゲート法は空間分解能を向上させることができるが、吸収成分などの内部情報を定量することができないという大きな問題がある。 On the other hand, (d) those using the time-resolved gate use a part of the impulse response waveform. For example, the photons contained in the first part of the time-resolved output signal (impulse response waveform) are photons that are hardly scattered (photons that did not make a detour), that is, the light incident position (light incident point) and the light detection position It is a photon that has propagated near a straight optical path connecting (light receiving points). Therefore, if a signal from the time-resolved gate is used, it is possible to extract a photon that has propagated near the above-mentioned straight optical path and detected, and it is possible to improve spatial resolution such as imaging. This limit is the ballistic photon mentioned earlier. However, the time-resolved gate method that has been developed or proposed to date cannot quantitatively measure the absorption component inside the scatterer. The reason for this is that no method has been developed to analytically describe the signal obtained by the time-resolved gate method. In other words, there is no known method for analyzing a signal obtained by the time-resolved gate method based on the light diffusion theory and using it for quantification of an absorption component. Even if a method based on the light diffusion theory is developed, the fundamental problem caused by the light diffusion theory is that the diffusion approximation does not hold or the measurement of scatterers with various external shapes The problem remains that is impossible. As described above, the time-resolved gate method can improve the spatial resolution, but has a serious problem that internal information such as absorption components cannot be quantified.
なお、以上のような時間分解ゲート法については多くの文献があり、代表的なものを次に列記する。ただし、いずれの場合にも、本発明で開示されるような吸収成分の定量化についての議論や示唆は皆無である。
本発明は、前述した従来の時間ゲート法の「高い空間分解能が得られる」という利点を生かしたまま、「吸収成分などの内部情報の定量計測ができない」という問題点を解決することを目的とする。具体的には、本発明は、形状の異なる散乱体内部の光の挙動を記述する方法(基本関係式)、およびこの基本関係を時間分解ゲート法に適用する方法を見出し、この関係を利用して種々の形状の散乱体内部の特定吸収成分の濃度変化や絶対値などを散乱体の外形形状に影響されずかつ高い空間解像度で計測する方法および装置を提供することを目的とする。そして、本発明は、特定部分の特定吸収成分に関する計測精度が大幅に改善されるとともに、それらの時間変化や空間分布を計測することができる生体計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像解析方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置などの散乱体内部の吸収情報の計測方法および装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the problem that “the quantitative measurement of internal information such as absorption components cannot be performed” while taking advantage of the above-mentioned “high spatial resolution is obtained” of the conventional time gate method. I do. Specifically, the present invention has found a method of describing the behavior of light inside a scatterer having a different shape (basic relational expression), and a method of applying this basic relation to a time-resolved gate method, and utilizes this relation. It is another object of the present invention to provide a method and an apparatus for measuring a change in the concentration or an absolute value of a specific absorption component inside a scatterer of various shapes at a high spatial resolution without being affected by the outer shape of the scatterer. The present invention provides a living body measurement method and apparatus, an imaging method and an apparatus, a fluoroscopic method, and the like, which can significantly improve the measurement accuracy of a specific absorption component of a specific portion and measure their time change and spatial distribution. It is an object to provide a method and an apparatus for measuring absorption information inside a scatterer, such as an apparatus, a tomographic image analysis method and an apparatus, or a mammography method and an apparatus.
本発明の第1の散乱体の吸収情報の計測方法は、所定の波長のパルス光を発生させる第1ステップと、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第2ステップと、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第3ステップと、前記第3ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第4ステップと、異なる複数のタイミングでそれぞれ前記第1乃至第4ステップを繰り返して行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第5ステップと、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第6ステップと、を備えることを特徴とする方法である。 In the first method for measuring absorption information of a scatterer according to the present invention, a first step of generating pulsed light having a predetermined wavelength is performed, and the pulsed light is spot-shaped at a light incident position on a surface of the scatterer to be measured. A second step of receiving the light propagating inside the object to be measured at a light detection position on the surface of the scatterer, and transmitting a part of the optical signal obtained in the third step in time. A fourth step of obtaining a measurement signal corresponding to the cut-out signal, and the first to fourth steps are respectively repeated at a plurality of different timings, and a plurality of the plurality of A fifth step of deriving a time integration value and an average optical path length for each of the measurement signals, and a change amount of the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and the absorption coefficient Based on a predetermined relationship between a method characterized by and a sixth step of calculating a change amount of absorption coefficient occurring between said plural timings.
この場合、前記第6ステップで得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算する第7ステップをさらに備えてもよい。 In this case, based on a predetermined relationship between the variation of the absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the variation in the concentration of the absorption component, the plurality of timings are determined. The method may further include a seventh step of calculating the amount of change in the concentration of the absorption component that has occurred therebetween.
また、前記第6ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。 Further, in the sixth step, based on a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the amount of change in the concentration of the absorption component, The amount of change in the concentration of the absorption component generated between the plurality of timings may be calculated.
本発明の第2の散乱体の吸収情報の計測方法は、所定の波長のパルス光を発生させる第1ステップと、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第2ステップと、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第3ステップと、前記第3ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第4ステップと、前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記第1乃至第4ステップを繰り返して行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第5ステップと、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第6ステップと、を備えることを特徴とする方法である。 In the second method for measuring absorption information of a scatterer according to the present invention, a first step of generating pulsed light having a predetermined wavelength is performed, and the pulsed light is spot-shaped at a light incident position on the surface of the scatterer to be measured. A second step of receiving the light propagating inside the object to be measured at a light detection position on the surface of the scatterer, and transmitting a part of the optical signal obtained in the third step in time. And a fourth step of acquiring a measurement signal corresponding to the clipped signal, and fixing the distance between the light incident position and the light detection position to a plurality of different measurement positions while fixing the distance. Performing a fourth step repeatedly to derive a time integration value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals obtained at the plurality of measurement positions; and Calculating a difference in absorption coefficient between the plurality of measurement positions based on a predetermined relationship between the plurality of measurement positions, a value, a plurality of average optical path lengths, and a difference in absorption coefficient. It is a method.
この場合、前記第6ステップで得られた吸収係数の差、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度の差を演算する第7ステップをさらに備えてもよい。 In this case, based on a predetermined relationship between the difference in the absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration difference of the absorption component, the plurality of measurement positions The method may further include a seventh step of calculating the difference between the concentrations of the absorption components in the above.
また、前記第6ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度差を演算してもよい。 In the sixth step, based on a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, an absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and a concentration difference of the absorption component, The concentration difference of the absorption component between a plurality of measurement positions may be calculated.
本発明の第3の散乱体の吸収情報の計測方法は、測定対象物に対して散乱係数が等しいか又は等しいと見なせる異なる波長のパルス光を発生させる第1ステップと、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第2ステップと、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第3ステップと、前記第3ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を、前記異なる波長のパルス光に対するそれぞれの時間関係が同一となるようにして取得する第4ステップと、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第5ステップと、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記異なる波長のパルス光に対する吸収係数の差を演算する第6ステップと、を備えることを特徴とする方法である。 A third method of measuring absorption information of a scatterer according to the present invention includes a first step of generating pulsed light of a different wavelength that can be regarded as having an equal or equal scattering coefficient with respect to an object to be measured; A second step of making the light incident position on the surface of the scatterer that is an object in a spot shape, and a third step of receiving light that has propagated inside the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer; A part of the optical signal obtained in the third step is temporally cut out, and a measurement signal corresponding to the cut out signal is obtained in such a manner that the respective time relations with respect to the pulse lights of different wavelengths are the same. Four steps, a fifth step of deriving a time integration value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals, the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and Based on a predetermined relationship between the difference between the fine absorption coefficient, a sixth step of calculating the difference in absorption coefficient with respect to the pulsed light of said different wavelengths, a method characterized in that it comprises.
この場合、前記第6ステップで得られた吸収係数の差、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する第7ステップをさらに備えてもよい。 In this case, based on a predetermined relationship between the difference in the absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component with respect to the pulse light having the different wavelength, and the concentration of the absorption component, The method may further include a seventh step of calculating the concentration of the absorption component.
また、前記第6ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。 In the sixth step, a predetermined value between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient of the absorption component per unit concentration with respect to the pulse light having the different wavelength, and the concentration of the absorption component is used. The concentration of the absorption component may be calculated based on the relationship.
さらに、前記第3ステップにおいて複数の光検出位置で受光し、前記第4ステップにおいて、前記複数の光検出位置でそれぞれ前記異なる波長のパルス光に対応してそれぞれ測定信号を取得し、前記第5ステップにおいて、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出し、前記第6ステップにおいて、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算する、ことがより好ましい。 Further, in the third step, light is received at a plurality of light detection positions, and in the fourth step, measurement signals are respectively obtained at the plurality of light detection positions in correspondence with the pulse lights having the different wavelengths. Deriving a time integration value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals in the step; and, in the sixth step, the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and the different wavelengths of absorption components. More preferably, the concentration of the absorption component is calculated based on a predetermined relationship between the absorption coefficient per unit concentration for the pulsed light and the concentration of the absorption component.
また、前記第2ステップにおける光入射位置と前記第3ステップにおける光検出位置とを測定対象である散乱体の外周に沿って走査し、前記走査による複数の測定位置に対してそれぞれ前記第6ステップで得られる吸収係数の濃度を演算して、散乱体内の濃度分布の断層像を演算する第8ステップをさらに備えることも可能である。 In addition, the light incident position in the second step and the light detection position in the third step are scanned along the outer periphery of the scatterer to be measured. It is also possible to further comprise an eighth step of calculating the density of the absorption coefficient obtained in the above, and calculating a tomographic image of the density distribution in the scatterer.
本発明の第1の散乱体の吸収情報の計測装置は、所定の波長のパルス光を発生させる光源と、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、異なる複数のタイミングでそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数のタイミングにおいて得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第1の演算部と、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収係数の変化量を演算する第2の演算部と、を備えることを特徴とする装置である。 A first apparatus for measuring absorption information of a scatterer according to the present invention includes a light source that generates pulsed light having a predetermined wavelength, and the pulsed light incident in a spot shape on a light incident position on a surface of a scatterer that is an object to be measured. Light incident portion, and light that has propagated inside the measurement object, a light receiving portion that receives light at a light detection position on the surface of the scatterer, and temporally cuts out a part of an optical signal obtained by the light receiving portion, A signal detection unit that acquires a measurement signal corresponding to the clipped signal, performs measurement to acquire the measurement signal at a plurality of different timings, and performs measurement for each of the plurality of measurement signals obtained at the plurality of timings. A first arithmetic unit for deriving a time integrated value and an average optical path length, and a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, and a variation in an absorption coefficient, A device characterized in that it comprises a second calculator for calculating a change amount of absorption coefficient occurring between the number of timing, the.
この場合、前記第2の演算部は、さらに、前記第2の演算部で得られた吸収係数の変化量、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。 In this case, the second calculation unit further includes a change amount of the absorption coefficient obtained by the second calculation unit, an absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and a change amount of the absorption component concentration. Based on a predetermined relationship, the amount of change in the concentration of the absorption component generated between the plurality of timings may be calculated.
また、前記第2の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度変化量との間の所定の関係に基づいて、前記複数のタイミングの間に生じた吸収成分の濃度の変化量を演算してもよい。 Further, in the second arithmetic unit, based on a predetermined relationship among the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient of the absorption component per unit concentration, and the amount of change in the concentration of the absorption component. Then, the amount of change in the concentration of the absorption component generated during the plurality of timings may be calculated.
本発明の第2の散乱体の吸収情報の計測装置は、所定の波長のパルス光を発生させる光源と、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第1の演算部と、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第2の演算部と、を備えることを特徴とする装置である。 A second apparatus for measuring absorption information of a scatterer according to the present invention includes a light source that generates pulsed light having a predetermined wavelength, and the pulsed light incident in a spot shape on a light incident position on a surface of a scatterer that is an object to be measured. Light incident portion, and light that has propagated inside the measurement object, a light receiving portion that receives light at a light detection position on the surface of the scatterer, and temporally cuts out a part of an optical signal obtained by the light receiving portion, A signal detection unit that obtains a measurement signal corresponding to the cut-out signal, and a measurement that obtains the measurement signal at a plurality of different measurement positions while fixing a distance between the light incident position and the light detection position. A first calculation unit for deriving a time integrated value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals obtained at the plurality of measurement positions; and the plurality of time integrated values and the plurality of average optical paths. Long, and Based on a predetermined relationship between the difference between the yield coefficients, a device characterized by and a second calculator for calculating the difference in absorption coefficient between the plurality of measurement positions.
この場合、前記第2の演算部は、さらに、前記第2の演算部で得られた吸収係数の差、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度の差を演算してもよい。 In this case, the second arithmetic unit further includes a predetermined difference between the difference between the absorption coefficients obtained by the second arithmetic unit, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration difference between the absorption components. Based on the relationship, a difference in the concentration of the absorption component between the plurality of measurement positions may be calculated.
また、前記第2の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収成分の濃度差を演算してもよい。 Further, in the second calculation unit, based on a predetermined relationship among the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration difference of the absorption component. , The concentration difference of the absorption component between the plurality of measurement positions may be calculated.
本発明の第3の散乱体の吸収情報の計測装置は、測定対象物に対して散乱係数が等しいか又は等しいと見なせる異なる波長のパルス光を発生させる光源と、前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を、前記異なる波長のパルス光に対するそれぞれの時間関係が同一となるようにして取得する信号検出部と、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第1の演算部と、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記異なる波長のパルス光に対する吸収係数の差を演算する第2の演算部と、を備えることを特徴とする装置である。 The third apparatus for measuring absorption information of a scatterer according to the present invention includes a light source that generates pulsed light of different wavelengths that can be regarded as having the same or equal scattering coefficient with respect to the object to be measured, and that the pulsed light is measured by the object to be measured. A light incident portion that enters a light incident position on a surface of a certain scatterer in a spot shape, a light receiving portion that receives light propagated inside the measurement target at a light detection position on the surface of the scatterer, and the light receiving portion A signal detection unit that temporally cuts out a part of the optical signal obtained in the above, and obtains a measurement signal corresponding to the cut-out signal, so that the respective time relations to the pulse light of the different wavelengths are the same, A first calculator for deriving a time integrated value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals, and a difference between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, and the difference between the absorption coefficients; Place Based on the relationship, and a second calculator for calculating the difference in absorption coefficients for the different wavelengths of the pulsed light is a device which is characterized in that it comprises.
この場合、前記第2の演算部は、さらに、前記第2の演算部で得られた吸収係数の差、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。 In this case, the second arithmetic unit further includes a difference between the absorption coefficients obtained by the second arithmetic unit, an absorption coefficient per unit density of the absorption component with respect to the pulse light having the different wavelength, and a density of the absorption component. And the concentration of the absorption component may be calculated based on a predetermined relationship between
また、前記第2の演算部において、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算してもよい。 In the second arithmetic unit, the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient of the absorption component per unit density with respect to the pulse light having the different wavelength, and the concentration of the absorption component The concentration of the absorption component may be calculated based on a predetermined relationship.
さらに、前記受光部は、複数の光検出位置で受光するものであり、前記信号検出部は、前記複数の光検出位置でそれぞれ前記異なる波長のパルス光に対応してそれぞれ測定信号を取得するものであり、前記第1の演算部は、前記複数の測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出するものであり、前記第2の演算部は、前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、吸収成分の前記異なる波長のパルス光に対する単位濃度当たりの吸収係数、および吸収成分の濃度との間の所定の関係に基づいて、前記吸収成分の濃度を演算するものである、ことが好ましい。 Further, the light receiving unit receives light at a plurality of light detection positions, and the signal detection unit acquires measurement signals corresponding to the pulse lights of different wavelengths at the plurality of light detection positions, respectively. Wherein the first arithmetic unit derives a time integrated value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals, and wherein the second arithmetic unit includes the plurality of time integrated values, Calculating the concentration of the absorption component based on a predetermined relationship between the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component with respect to the pulse light having the different wavelength, and the concentration of the absorption component. Is preferred.
また、前記光入射部における光入射位置と前記受光部における光検出位置とを測定対象である散乱体の外周に沿って走査し、前記走査による複数の測定位置に対してそれぞれ前記第2の演算部で得られる吸収係数の濃度を演算して、散乱体内の濃度分布の断層像を演算する第3の演算部をさらに備えることも可能である。 Further, a light incident position in the light incident section and a light detection position in the light receiving section are scanned along the outer periphery of the scatterer to be measured, and the second calculation is performed on each of a plurality of measurement positions by the scanning. It is also possible to further include a third calculation unit that calculates the concentration of the absorption coefficient obtained by the unit and calculates a tomographic image of the concentration distribution in the scatterer.
以上説明したように、本発明の散乱体の吸収情報計測方法及び装置によれば、再入射不可能な面からなる任意の形状の散乱体内部の特定吸収成分の濃度変化や絶対濃度などを、高空間分解能で計測することが可能となる。従って、本発明によれば、特定部分の特定吸収成分に関する計測精度を大幅に改善することができ、それらの時間変化や空間分布を散乱体の外形形状に影響されずかつ高い空間解像度で計測することができる生体計測方法及び装置、イメージング方法及び装置、透視方法及び装置、断層像解析方法及び装置、あるいはマンモグラフィーの方法及び装置などの散乱体内部の吸収情報の計測方法および装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the method and apparatus for measuring the absorption information of a scatterer of the present invention, the concentration change or the absolute concentration of the specific absorption component inside the scatterer having an arbitrary shape composed of a surface that cannot be re-entered, Measurement can be performed with high spatial resolution. Therefore, according to the present invention, it is possible to greatly improve the measurement accuracy of the specific absorption component of the specific portion, and to measure their time change and spatial distribution with high spatial resolution without being affected by the outer shape of the scatterer. It is possible to provide a method and an apparatus for measuring absorption information inside a scatterer, such as a biological measurement method and an apparatus, an imaging method and an apparatus, a fluoroscopic method and an apparatus, a tomographic image analysis method and an apparatus, or a mammography method and apparatus. It becomes possible.
(本発明の原理)
先ず、本発明の原理について説明する。ここでは、先ず一般に用いられている光拡散近似法の問題点を明確にし、次に本発明の原理を述べる。
(Principle of the present invention)
First, the principle of the present invention will be described. Here, first, the problems of the generally used light diffusion approximation method will be clarified, and then the principle of the present invention will be described.
一般には、散乱体内部の光子の挙動は光拡散理論(Photon Diffusion Theory)に基づく光拡散方程式によって解析されている。つまり、散乱体内部の光の挙動は光拡散方程式によって近似され、この方程式を解くと計測対象の光学的特性あるいは光学定数と出力光との関係が求められ、この関係から吸収情報などを導出することができる。ところが、光拡散方程式に基づく方法は次のような問題がある。 Generally, the behavior of photons inside a scatterer is analyzed by a light diffusion equation based on light diffusion theory (Photon Diffusion Theory). In other words, the behavior of light inside the scatterer is approximated by the light diffusion equation, and when this equation is solved, the relationship between the optical characteristic or optical constant of the measurement target and the output light is obtained, and the absorption information and the like are derived from this relationship. be able to. However, the method based on the light diffusion equation has the following problems.
つまり、光拡散方程式を解く場合、必ず境界条件が設定される必要がある。しかし、境界条件は散乱体の形状に大きく依存するため、正確な計測を行うためには、散乱体の形状が変わる度に、新たな境界条件を設定して光拡散方程式を解く必要がある。ところが、境界条件が有る程度正確に設定できる散乱体は無限空間、半無限空間、無限長の円柱、無限に広がる有限厚さのスラブ、球など、形状が極めて単純なものに限定される。この結果、形状が単純でない生体組織などの計測では、近似境界条件を用いることが不可欠になり、これが大きな計測誤差を生じる原因となっている。このような問題は、例えば最近の文献; Albert Cerussiet al. "The Frequency Domain Multi-Distance Method in the Presence of Curved Boundaries, in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, 1996, Technical Digest (Optical Society of America, washington DC, 1996) pp.24-26 でも議論されている。以上の問題点を要約すると、「形状の異なる散乱体に対して統一的に適用できる計測法は未開発であり、従来技術では形状の異なる散乱体に対して統一的に内部の特定吸収成分の濃度などを正確に計測することは不可能である」となる。 That is, when solving the light diffusion equation, it is necessary to set boundary conditions without fail. However, since the boundary condition greatly depends on the shape of the scatterer, it is necessary to set a new boundary condition and solve the light diffusion equation every time the shape of the scatterer changes in order to perform accurate measurement. However, the scatterers that can be set with a certain degree of boundary condition are limited to extremely simple shapes such as an infinite space, a semi-infinite space, an infinitely long cylinder, a slab with an infinitely wide slab, and a sphere. As a result, it is indispensable to use an approximate boundary condition in measurement of a biological tissue or the like whose shape is not simple, which causes a large measurement error. Such problems are discussed, for example, in the recent literature; Albert Cerussiet et al. 1996), pp.24-26.To summarize the above problem, "A measurement method that can be applied unifiedly to scatterers with different shapes has not been developed yet. It is not possible to accurately measure the concentration of specific absorption components inside the body in a unified manner. "
そこで以下では、先ず形状の異なる散乱体に対して統一的に適用できる関係式を開示し、次にこの関係式を時間分解ゲート法に適用し、吸収成分の定量方法を開示する。空間分解能を向上させて、吸収成分などの内部情報を定量することができる本発明の装置及び方法においては、ゲート時間とそのタイミングを制御することによって空間分解能を選択することができる。 Therefore, in the following, first, a relational expression that can be uniformly applied to scatterers having different shapes will be disclosed, and then, this relational expression will be applied to the time-resolved gate method, and a method for quantifying an absorption component will be disclosed. In the apparatus and method of the present invention that can improve the spatial resolution and quantify internal information such as absorption components, the spatial resolution can be selected by controlling the gate time and its timing.
生体組織などの散乱体の内部を非侵襲計測しようとする場合、散乱体の表面に光を入射し、散乱体の内部を伝播した光を表面の他の位置で受光して測定信号を得て、その測定信号から内部に含まれる吸収成分の濃度などの情報を計測する。この際、光子は散乱体内部の散乱成分によって強く散乱され、その光路はジグザグに折れ曲がる。図1は、位置Pに入射した光子が位置Qで受光されたときの光子の飛跡の例を示す。基準時間t=0に散乱体にインパルス光を入射したときの出力光の時間波形(インパルス応答)は、種々のジグザク光路を飛行した種々の飛行距離(光路長)をもつ複数の光子で構成される。ところが、任意の時間tにおける出力光を構成する光子は、媒体中の光速度をcとしたとき、それぞれが一定の飛行距離(光路長)l=ctをもち、それぞれの光子に対してベア・ランバート(Beer-Lambert)則が成立する。つまり、吸収係数をμaとしたときそれぞれの光子の生存率はexp(-cμat)となる。つまり、多数の光子からなる光パルスを位置Pから入射して位置Qで受光すると、時間tには種々の光路を通過した多くの光子が検出されることになるが、それらの総和である検出光量、つまり生存率はexp(-cμat)に比例する。なお上記で、生体の巨視的な屈折率は水の屈折率にほぼ等しい一定値となるから、前記光速度cは定数と見なした。以下、上記の事実をマイクロ・ベア・ランバート則とよぶ。 When trying to non-invasively measure the inside of a scatterer such as a biological tissue, light is incident on the surface of the scatterer, and the light propagated inside the scatterer is received at another position on the surface to obtain a measurement signal. Then, information such as the concentration of the absorption component contained therein is measured from the measurement signal. At this time, the photons are strongly scattered by the scattering components inside the scatterer, and the optical path is bent zigzag. FIG. 1 shows an example of a photon track when a photon incident at a position P is received at a position Q. The time waveform (impulse response) of the output light when the impulse light is incident on the scatterer at the reference time t = 0 is composed of a plurality of photons having various flight distances (optical path lengths) flying in various zigzag optical paths. You. However, the photons constituting the output light at an arbitrary time t each have a constant flight distance (optical path length) l = ct, where c is the light speed in the medium, and each photon has a bare beam. The Lambert (Beer-Lambert) rule holds. That is, the survival rate of each photon when the absorption coefficient was mu a becomes exp (-cμ a t). That is, when an optical pulse composed of a large number of photons enters from the position P and is received at the position Q, many photons that have passed through various optical paths are detected at the time t. amount, i.e. the survival rate is proportional to exp (-cμ a t). Since the macroscopic refractive index of the living body has a constant value substantially equal to the refractive index of water, the light speed c is regarded as a constant. Hereinafter, the above fact is referred to as the micro-bear Lambert rule.
以上から、t=0に散乱体にインパルス光を入射したときのインパルス応答h(t)は、散乱係数μs、吸収係数μa、および時間tの関数となり、次のように表される。
なお、ここで上式は境界条件に関する変数を含んでいないことに注目されたい。このことは、境界条件に関する変数を含む光拡散方程式の解とは大きく異なる。上式で境界条件はインパルス応答h(t)に関数s(μs,t)を介して反映されている。したがって、上式は種々の再入射不可能な表面形状をもつ散乱体に広く適用することができる。 Note that here the above equation does not include variables relating to boundary conditions. This is very different from the solution of the light diffusion equation including variables related to boundary conditions. In the above equation, the boundary condition is reflected on the impulse response h (t) via the function s (μ s , t). Therefore, the above equation can be widely applied to scatterers having various non-reentrant surface shapes.
このとき、出力信号J(μs,μa,t)は、
今、図2に示すように、出力信号J(μs,μa,t)の任意の一部分t=[t1,t2] (t1<t2)を切り出すことを考える。このときの積分出力信号つまり測定信号IT(μs,μa)は、次式のように表される。
さらに、(4.1)および(4.2)式から、
ここで、出力信号J(μs,μa,t)の一部分を切り出して得た測定信号を構成する光子の飛跡について考えると次のことが理解される。出力信号J(μs,μa,t)の最初の部分のみを切り出せば、先に述べたように短い光路長の光子が検出されるから、図3(a)及び図3(b)において実線ハッチ(T1)で示した狭い部分を伝播した光子が検出されて、空間分解能が向上する。ここで図3(a)は透過型計測、また図3(b)は反射型計測の構成を示す。また、切り出し時間T=t2−t1を長くしていくと(T1→T2→T3)、図3(a)及び図3(b)において鎖斜線ハッチ(T2)及び鎖縦線ハッチ(T3)で示すように順次広い部分を伝播した光子が検出されるようになることから、計測に利用する光量(または信号量)は増加するが、空間分解能は低下する。 Here, the following can be understood by considering the trajectories of photons constituting the measurement signal obtained by cutting out a part of the output signal J (μ s , μ a , t). If only the first part of the output signal J (μ s , μ a , t) is cut out, a photon having a short optical path length is detected as described above, and therefore, in FIG. 3A and FIG. Photons that have propagated in the narrow part indicated by the solid hatch (T 1 ) are detected, and the spatial resolution is improved. Here, FIG. 3A shows a configuration of the transmission type measurement, and FIG. 3B shows a configuration of the reflection type measurement. When the cutout time T = t 2 −t 1 is made longer (T 1 → T 2 → T 3 ), the chain hatching (T 2 ) and the chain length in FIGS. As shown by the line hatch (T 3 ), photons that propagate sequentially over a wide portion are detected, so that the amount of light (or the amount of signal) used for measurement increases, but the spatial resolution decreases.
さらに、出力信号J(μs,μa,t)の途中の一部分を切り出す場合、その切り出しタイミングを遅らせていくと、図4(a)及び図4(b)に示すように計測する部分を変えることができる(t1→t2)。また、このような計測は、異なる時間ゲートで得られた2つの信号の差を求める計測でも実現できる。つまり、出力信号J(μs,μa,t)の後の部分を切り出せば、周辺部の情報がより多く含まれることを利用している。したがって、本発明においては、前記の切り出し時間T=t2−t1および切り出しのタイミングを制御して、空間分解能や情報を取得する部位を選択することができる。 Further, the output signal J (μ s, μ a, t) when cutting out a middle of a portion of, the gradually delayed the clipped timing, a part for measuring, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) Can be changed (t 1 → t 2 ). Such a measurement can also be realized by a measurement for obtaining a difference between two signals obtained at different time gates. In other words, the fact that a portion after the output signal J (μ s , μ a , t) is cut out utilizes more peripheral information. Therefore, in the present invention, by controlling the timing of said cut-out time T = t 2 -t 1 and cut, it is possible to select a site to obtain the spatial resolution and information.
但し、図3(a)、(b)及び図4(a)、(b)は、検出光(出力信号)に含まれる光子の中で、ある程度の割合を占める一般的な光子の飛跡の範囲を示したものである。したがって、検出される光子の中には、当然、図示の範囲の外を伝播した光子も含まれる。 3 (a) and 3 (b) and FIGS. 4 (a) and 4 (b) show the range of the track of a general photon occupying a certain ratio among the photons included in the detection light (output signal). It is shown. Therefore, the photons detected naturally include photons that have propagated outside the illustrated range.
以下、前記(6)式を用いて測定値から吸収に関する情報を算出する方法を説明する。 Hereinafter, a method of calculating information on absorption from a measured value using the above-described formula (6) will be described.
(吸収成分の濃度変化の計測)
媒体中に1種類の吸収成分が含まれ、その濃度が変化して吸収係数μaがμa1からμa2に変化した場合を考える。通常の生体や散乱体では、吸収成分の濃度が変化しても散乱特性は変化しないと考えてよい。これは、丁度、牛乳の中にインクを入れる場合と同様である。変化の前後でs(μs,t)あるいは散乱係数μsが変化しない場合、測定位置(パルス光入射位置と光検出位置)を固定して計測すれば前記平均光路長LT(μs,μa)は吸収係数μaの関数となり、変化の前後の測定値に対して(6)式が成立する。したがって、変化の前後のμa1とμa2とを用いて(6)式から次式が導出される。
Consider a case in which one type of absorbing component is contained in the medium, and the concentration of the absorbing component changes to change the absorption coefficient μ a from μ a1 to μ a2 . In a normal living body or scatterer, it may be considered that the scattering characteristics do not change even if the concentration of the absorbing component changes. This is similar to the case where the ink is put into milk. If before and after the change s (μ s, t) or scattering coefficient mu s does not change, the measurement position the mean path length by measuring securing the (pulsed light incident position and photodetection position) L T (μ s, μ a ) is a function of the absorption coefficient μ a , and equation (6) holds for the measured values before and after the change. Therefore, the following equation is derived from Equation (6) using μ a1 and μ a2 before and after the change.
つぎに、平均値定理を用いると(7)式から次式が得られる。
さらにこの場合、平均光路長LT(μs, μx)は係数αを用いて、
)は単調関数であり、通常はμa1とμa2における値がほぼ等しいから、α=1/2としてよい。また、それぞれの平均光路長LT(μs,μa1)およびLT(μs,μa2)は、前出の(5)式に示したように、測定信号の波形の重心(平均タイムディレイ)を演算することによって求めることができる。すなわち、前出の(5)式の第2行に示す式の値を計算する。ここで、cは媒質中の光速度であるから、既知あるいは別の方法で知ることができる。また、分子と分母に含まれる項、つまりs(μs,t)exp(−μact)=Aは前出の(2.1)式に示した出力信号J(μs,μa,t)を1/b倍したものである。この係数bは積分操作の外に出すことができ、かつ分子と分母の両方に含まれるから消去される。つまり、上記の計算では、Aを用いても、bAである計測値J(μs,μa,t)を用いても、同じ結果が得られる。したがって、分子はtJ(μs,μa,t)を、また分母はJ(μs,μa,t)をtについて、それぞれt1からt2まで積分したものである。これら2つの項、及びそれらの比の計算は、コンピュータを用いて高速に計算することができる。また、上記重心の計算は、上記のように直接(5)式第2行の分子と分母を演算する方法以外に、これと等価な種々の方法がある。いずれの場合にも、この計算結果は平均飛行時間となり、前記cを乗じて平均光路長を得る。
Further, in this case, the average optical path length L T (μ s , μ x ) is calculated using the coefficient α.
) Is a monotonic function, and since the values at μ a1 and μ a2 are generally almost equal, α = 1/2 may be set. The average optical path lengths L T (μ s , μ a1 ) and L T (μ s , μ a2 ) are, as shown in the above equation (5), the center of gravity of the waveform of the measurement signal (average time). Delay). That is, the value of the expression shown in the second row of the expression (5) is calculated. Here, since c is the speed of light in the medium, it can be known by another method or another method. Moreover, terms that are included in the numerator and denominator, that is s (μ s, t) exp (-μ a ct) = A output signal J (mu s as shown in (2.1) equation supra, mu a, t) is multiplied by 1 / b. This coefficient b can be taken out of the integration operation and is eliminated because it is included in both the numerator and the denominator. That is, in the above calculation, even with A, a bA measurement J (μ s, μ a, t) be used, the same results are obtained. Thus, molecules tJ the (μ s, μ a, t ), also denominator J (μ s, μ a, t) for the t, is the integral from t 1 to t 2, respectively. The calculation of these two terms and their ratio can be calculated at high speed using a computer. There are various methods for calculating the center of gravity other than the method of directly calculating the numerator and denominator in the second row of equation (5) as described above. In each case, the result of this calculation is the average flight time, and the above-mentioned c is multiplied to obtain the average optical path length.
吸収成分の濃度変化ΔVを算出するには、ベア・ランバート則から導かれる次式を用いる。
ただし、εは吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数(または消光係数)であり、分光光度計で測定することができる。また、多くの吸収物質の吸収係数(または消光係数)は種々の文献に公表されている。したがって、(8)〜(10)式から、
(吸収成分の濃度変化の計測の応用)
上記の方法は、測定位置を固定したまま、異なる波長のパルス光を用いて複数種の吸収成分の濃度の時間的変化を計測することに応用できる。さらに、計測対象の外周に沿って複数箇所でこのような計測を繰り返して、X線CTや光CT等に見られるような断層像再構成演算を行えば、所定の部位のヘモグロビンの濃度の時間変化の計測などに応用することもできる。
(Application of measurement of concentration change of absorption component)
The above method can be applied to measuring the temporal change in the concentration of a plurality of types of absorption components using pulsed light of different wavelengths while the measurement position is fixed. Further, if such a measurement is repeated at a plurality of locations along the outer circumference of the measurement target and a tomographic image reconstruction calculation as seen in X-ray CT, optical CT, or the like is performed, the time of the hemoglobin concentration at a predetermined site can be obtained. It can also be applied to change measurement.
また、厚さが一定になるように保持した計測対象に対して、測定位置(光入射位置及び光検出位置)を平行移動あるいは走査させて計測し、任意の位置での測定値を基準値とすることで、散乱体内部の吸収成分の濃度の基準値に対する差の分布を計測することもできる。このような計測は、乳ガンの診断を行うための光マンモグラフィーに応用することができる。 In addition, the measurement position (light incident position and light detection position) is measured by moving or scanning the measurement target held so that the thickness is constant, and the measurement value at an arbitrary position is set as a reference value. By doing so, it is possible to measure the distribution of the difference of the concentration of the absorption component inside the scatterer from the reference value. Such measurement can be applied to optical mammography for diagnosing breast cancer.
本発明による以上のような計測は、ゲート時間(切り出し時間)を短くすると空間分解能が向上する。また、ゲートのタイミングを可変にして計測する部位(あるいは部分)を制御することができる。具体的な応用例として光マンモグラフィーの他に、透視装置、光CT、手術や治療に利用される臨床モニターなどがある。 In the above-described measurement according to the present invention, when the gate time (cutout time) is shortened, the spatial resolution is improved. Further, a part (or a part) to be measured can be controlled by making the gate timing variable. Specific application examples include, in addition to optical mammography, a fluoroscope, optical CT, and a clinical monitor used for surgery and treatment.
(特定吸収成分の濃度の計測)
つぎに、波長 がλ1とλ2の2種のパルス光を用いて計測する場合、つまり2波長分光計測法について説明する。今、1種類の吸収成分を含む散乱体の吸収係数が、波長λ1のときμa1、波長λ2のときμa2であるとする。そして、波長λ1とλ2における媒質の散乱係数μs1およびμs2が同じであるか、ほぼ等しいものとする。このような条件は、測定に用いる波長を選択することによって、容易に実現される。したがって、同一の測定位置(パルス光入射位置及び光検出位置)で2波長計測する場合、μs1≒μs2=μsとすれば、
Next, a description will be given of a case where measurement is performed using two types of pulsed light having wavelengths of λ 1 and λ 2 , that is, a two-wavelength spectroscopic measurement method. Now, it is assumed that the absorption coefficient of a scatterer containing one kind of absorption component is μ a1 when the wavelength is λ 1 and μ a2 when the wavelength is λ 2 . Then, it is assumed that the scattering coefficients μ s1 and μ s2 of the medium at the wavelengths λ 1 and λ 2 are the same or substantially equal. Such conditions are easily realized by selecting the wavelength used for measurement. Therefore, when measuring two wavelengths at the same measurement position (pulse light incident position and light detection position), if μ s1 ≒ μ s2 = μ s ,
平均光路長LT(μs,μx)は、前記と同様の係数αを用いて、
特定吸収成分の濃度Vは、波長λ1とλ2における特定吸収成分の単位濃度当たりの吸収係数(または消光係数)ε1およびε2を用いて、次式から算出される。
(2点2波長計測)
2種の検出距離(光入射−光検出位置間距離)で前記の2波長分光計測を行うと、前出の係数b1/b2を消去することができる。つまり、係数b1/b2が光入射−光検出位置に依存しないことを利用して、係数b1/b2を消去する。この場合、前記(17)式は次のようになる。
Two detection distances - when in (light incidence between the light detection position distance) performing two-wavelength spectroscopic measurement of the can erase coefficients b 1 / b 2, supra. That is, the coefficient b 1 / b 2 light incidence - by utilizing the fact that does not depend on the light detection position, to erase the coefficients b 1 / b 2. In this case, the above equation (17) becomes as follows.
(吸収成分の濃度の空間分布の計測)
多箇所で上述のような計測を行って、吸収成分の濃度の空間分布を計測することができる。この場合、吸収成分の濃度の計測値はそれぞれ独立に計測されるから、各計測位置での検出距離(光入射−光検出位置間距離)は異なっていてもよい。つまり、本発明の方法によれば、再入射不可能な種々の外形をもつ散乱体内部の吸収成分の濃度を高空間分解能で計測することができる。この際、空間分解能は前述の切り出し時間T=t2−t1とそのタイミングで制御する。具体的な応用例としては、光マンモグラフィー、透視装置、光CTなどがある。これらでは、複数箇所での受光、光入射位置や光検出位置の走査、時分割計測などの方法が利用される。また、必要に応じて、CTに見られるような画像再構成演算を行う。これらの計測の特長は、既に説明したように、特定吸収成分の濃度分布を高い空間分解能で定量計測できることにある。
(Measurement of spatial distribution of concentration of absorption component)
By performing the above-described measurement at many places, the spatial distribution of the concentration of the absorption component can be measured. In this case, the measured values of the concentrations of the absorption components are measured independently of each other, so that the detection distances (distance between light incidence and light detection positions) at each measurement position may be different. That is, according to the method of the present invention, it is possible to measure the concentration of the absorption component inside the scatterer having various external shapes that cannot be re-entered with high spatial resolution. At this time, the spatial resolution is controlled by the above-described cutout time T = t 2 −t 1 and its timing. Specific applications include optical mammography, fluoroscopy, and optical CT. In these methods, methods such as light reception at a plurality of locations, scanning of a light incident position and a light detection position, and time division measurement are used. Further, if necessary, an image reconstruction operation as seen in CT is performed. As described above, the feature of these measurements is that the concentration distribution of the specific absorption component can be quantitatively measured with high spatial resolution.
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。ただし、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, in the following description, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
実施例1
図5は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第1実施例を示すもので、散乱体2の内部の吸収成分の濃度の時間変化を計測する装置1の構成を示す。この装置1の構成では、1種類の吸収成分が含まれている散乱体2の吸収成分の濃度変化、あるいは複数の成分からなる吸収物質の濃度変化を計測する。この構成では、散乱体2の表面の位置P(光入射位置)に所定の波長λの十分時間幅の狭いパルス光を入射し、表面の他の位置Q(光検出位置)で散乱体2の内部を伝播した光を受光する。そして、この測定を繰り返して散乱体2内部の比較的狭い部分の吸収成分の濃度の変化を定量する。この場合、第1回目の計測を行ったときの吸収成分の濃度を基準値にとれば、吸収成分の濃度の変化が定量できる。計測装置1は一体化されて1つの筐体に収納されている。
Example 1
FIG. 5 shows a first embodiment of the apparatus of the present invention for carrying out the method of the present invention, and shows the configuration of the
光源10はレーザーダイオードなどを使用し、波長λのパルス光を発生する。この場合、波長は計測すべき散乱体2や吸収成分に応じて選択される。生体の計測では、酸素化型、脱酸素化型ヘモグロビンや酸素化型、脱酸素化型ミオグロビンを計測することが多く、それらの吸収成分の吸収スペクトルを図6に示す。したがって、生体の計測では通常600nm〜1.3μmの光が使用される。また、パルス幅は通常、20ps〜200ps程度にする。光源にはレーザーダイオードの他に、発光ダイオード、パルスレーザーなどを使用することができる。
The
光源10から発したパルス光は光ガイド12を通して計測対象である散乱体2の表面に入射される。光ガイド12と散乱体2の間の空間は、図5の実施例では微小になっている。しかし実際にはこの隙間を広くして、そこに散乱体2とほぼ等しい屈折率と散乱係数をもつ液状体やゼリー状物体(以下、インタフェース材と呼ぶ)を満たしておいてもよい。つまり、光はこのインタフェース材の中を伝播して計測対象に入射するから何ら問題は生じない。また、散乱体2の表面反射が問題になるときは、インタフェース材を適宜に選択することによって、表面反射などの影響を低減することができる。
The pulse light emitted from the
散乱体2の内部を伝播した光は、前記光入射位置Pから距離rの位置Q(光検出位置)に置いた光ガイド13で受光される。ここでも前記と同様の理由によって、インタフェース材を使用してもよい。光検出器14は、前記光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して出力する。光検出器14としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。光検出器14の選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性と必要な時間応答速度をもっていればよい。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
The light that has propagated inside the
信号検出部15は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。具体的には、よく知られているゲート回路が利用される。この際、所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部11で発生する。この場合、信号処理部11は、必要に応じて光源10から発せられるパルス光と同期した信号を利用する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅(ゲート時間)を可変にして制御することができる。また、ゲート信号のタイミングを変えて、測定すべき部分を選択することができる。例えば、検出信号の先端部分を狭いゲートで抽出した場合には、散乱体内部の狭い部分2aを伝播した光を計測することになるが、ゲート時間を長くすると部分2aより広い部分2bを伝播した光を計測することになる。さらに、前述の図3および図4に示したような制御も可能である。
The
以上の測定信号の取得は他の方法、例えば図7及び図8に示すように、光検出器で直接ゲートするようにしてもよい。例えば光電子増倍管を用いた場合、光電陰極、第1ダイノードやその他のダイノード、あるいは陽極にパルス状の電圧を印加して、ゲート動作をさせることができる。また、アバランシェフォトダイオードにおいてパルス電圧を印加してゲート動作をさせることができる。ストリークカメラも時間ゲート機能が備わっている。これらの場合は、光電変換とゲート動作が同一デバイスで実行される。 The acquisition of the above measurement signal may be performed by another method, for example, as shown in FIGS. 7 and 8, directly gated by a photodetector. For example, when a photomultiplier tube is used, a gate operation can be performed by applying a pulsed voltage to the photocathode, the first dynode, another dynode, or the anode. Further, a gate operation can be performed by applying a pulse voltage to the avalanche photodiode. The streak camera also has a time gate function. In these cases, the photoelectric conversion and the gate operation are performed by the same device.
第1の演算部16は、前記測定信号から時間積分値ITおよび平均光路長LT(波形の重心(平均タイムディレイ)に相当する)を演算する。この際、前記(5)式に従って平均光路長LTを演算する。そして以上の計測を異なる時間に繰り返して実行する。以下、m回目と(m+1)回目の計測を考える。
第2の演算部17は、m回目と(m+1)回目の計測で得られた2種の前記時間積分値 IT,mとIT,m+1、および(9)式を用いて2種の前記平均光路長LT,mとLT,m+1から求めた平均光路長LT(μs,μx)を前出の(8)式に代入して、散乱体2の部分の吸収係数の変化量μa(m+1)−μam(第1次情報)を演算し、さらに前出の(11)式を用いて吸収成分の変化量(第2次情報)を演算する。このとき、平均光路長LT(μs,μx)の算出は、前出の(8)式でα=1/2として十分な精度が得られる。これらの演算処理は、第1及び第2の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
The second
表示記録部18は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度情報を記憶する機能をもち、これらを表示あるいは記録する。
The
上記では、1つの波長のパルス光を用いたが、実際には2つ以上の波長のパルス光を利用することもできる。さらに、1つの光入射位置からパルス光を入射し、2つ以上の光検出位置で伝播光を検出することもできる。また、これらは並列あるいは時分割で検出してもよい。 In the above, pulse light of one wavelength is used, but pulse light of two or more wavelengths can be actually used. Furthermore, pulsed light can be incident from one light incident position, and propagation light can be detected at two or more light detection positions. These may be detected in parallel or in a time-division manner.
散乱体2に光を入射する手段は、図5に示した光ガイド12の代わりに、集光レンズによる方法(図9(a))、光ファイバーを用いる方法(図9(b))、ピンホールを利用する方法(図9(c))、胃カメラのように体内から光を入射する方法(図9(d))などがある。また、太いビーム状の光を散乱体に入射してもよい。この場合には、複数のスポット状光源が並んでいると考えればよい。
Means for making light incident on the
散乱体2の内部を拡散伝播した光を検出する手段としては、図5に示した光ガイド13を用いる方法以外に、直接検出する方法(図10(a))、光ファイバーを用いる方法(図10(b))、レンズを用いる方法(図10(c))などがある。
As means for detecting light diffused and propagated inside the
実施例2
上記第1実施例で、パルス光の光入射位置Pと光検出位置Qの相対位置関係を一定(固定)にしたまま、散乱体2に沿って走査させて計測し、任意の位置での吸収成分の濃度を基準値として、その基準値に対する濃度の差の空間分布を計測することができる。この場合、前記第1実施例と同様にして、(8)〜(11)式を用いて、吸収成分の濃度の基準値に対する差の空間分布を計測することができる。
Example 2
In the first embodiment, measurement is performed by scanning along the
図11は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第2実施例を示すもので、平行な平らな面をもつように軽く挟みつけた乳房のような散乱体2の内部の吸収成分の濃度の空間分布を計測する装置1の構成を示す。図11中では、前記第1実施例にかかる図5に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。散乱体2の表面に所定の波長λのパルス光を入射し、反対側の表面の位置で散乱体2の内部を伝播した光を受光する。この際、パルス光の光入射位置と光検出位置は、それらの相対位置関係を一定にしたまま、散乱体2に沿って走査させて計測する。そして、例えば、第1の測定位置(第1の光入射位置及び第1の光検出位置)で計測を行ったときの吸収成分の濃度を基準値(つまり変化量の計測の基準値)にとれば、吸収成分の濃度差の空間分布が計測できる。
FIG. 11 shows a second embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention, in which the absorption inside the
この第2実施例では、散乱体2を平行に軽く挟みつける第1の機構部30がある。つまり、乳房のような散乱体2を少し平たく伸して計測する。この第1の機構部30には、パルス光の光入射位置と光検出位置との相対位置関係を一定にしたまま、パルス光の光入射位置(入射部)と光検出位置(受光部)を散乱体に沿って同期して走査させて計測するための第2の機構部31が設けてある。そして、この第2の機構部31からは走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は表示記録部18に供給されて、空間分布の演算、表示記録に利用される。また、パルス光を発生する光源10の後段には波長選択器19が設けてあり、適宜所望の波長のパルス光が選択できるようにしてある。その他の部分は、前記の第1実施例の装置のものと同じである。
In the second embodiment, there is a
この第2実施例の装置1では、前記ゲート信号で出力光の最初の部分を抽出するが、その際にゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。また、上記では1つの波長のパルス光を用いたが、実際には2つ以上の波長のパルス光を利用することもできる。さらに、1つの光入射位置から光を入射し、2つ以上の光検出位置で同時あるいは時分割で伝播光を検出することもできる。
In the
実施例3
図12は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第3実施例を示すもので、散乱体2の内部の吸収成分の濃度分布を計測する装置1の構成を示す。この場合、乳房のような散乱体2は軽く挟みつけられる。図12中では、前記第1実施例にかかる図5および前記第2実施例にかかる図11に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。この装置1の構成では、散乱体2に対して散乱係数が等しいかまたは等しいと見なせる異なるn種の波長λ1〜λnのパルス光を用い、前出の(17)式を用いて(n-1)種の吸収成分の濃度のイメージングを行うことができる。この第3実施例は前記第2実施例とよく似た構成となっているが、計測するパラメーターは吸収成分の濃度の空間分布である。また、測定位置(光入射位置及び光検出位置)は走査されるが、各走査位置で吸収成分の濃度を前出の(17)式に基づいて計測するから、パルス光の光入射位置(光入射点)と光検出位置(受光点)の相対位置関係は変化してもよい。つまり、前記の第2実施例では散乱体2を平行に挟んで光入射位置と光検出位置の相対位置関係が一定になるように走査したが、第3実施例ではこのような制限はない。その理由については、前出の(吸収成分の濃度の空間分布の計測)の項で述べた通りである。
Example 3
FIG. 12 shows a third embodiment of the apparatus of the present invention for carrying out the method of the present invention, and shows the configuration of the
光源101〜10nはレーザーダイオードなどを使用し、異なるn種の波長のパルス光を順次に発生する。この際、光源101〜10nの発振タイミングは信号処理部11からの信号で制御される。光源101〜10nからのパルス光は合波器20で合波され、光ガイド12を通して計測対象である散乱体2の表面に入射される。
光ガイド12と散乱体2との間の空間は、図12の実施例では微小になっている。しかし実際には、第1実施例と同様にこれを広くして、この空間に散乱体2とほぼ等しい屈折率と散乱係数をもつインタフェース材を満たしておいてもよい。つまり、パルス光はこのインタフェース材の中を伝播して計測対象に入射するから何ら問題は生じない。また、散乱体2の表面反射が問題になるときは、インタフェース材を適宜に選択することによって、表面反射などの影響を低減することができる。
The space between the
散乱体2の内部を伝播した光は、前記光入射位置と反対側の位置に置いた光ガイド13で受光される。ここでも前記と同様の理由によって、インタフェース材を使用してもよい。光ガイド13からの光信号は波長選択器21で波長選択されて、それぞれの波長の入射パルス光に対応する光信号が光ガイド13を介して次段の光検出器14に導かれる。
The light that has propagated inside the
散乱体2は、前記第2実施例と同様に、第1の機構部30によって軽く挟みつけられる。この第1の機構部30には、パルス光の光入射位置と光検出位置とを同期して走査させるための第2の機構部31が設けてある。そして、この第2の機構部31からは、走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は表示記録部18に供給されて、空間分布演算及びその結果の表示記録に利用される。
The
光検出器14は前記のそれぞれの波長の光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して検出信号を出力する。光検出器14としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。光検出器14の選択に際しては、所定波長の光を検出する分光感度特性と必要な時間応答速度をもっていればよい。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器14の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
The
信号検出部15は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部11で発生する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅(ゲート時間)を可変にして制御することができ、ゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。例えば、検出信号の先端部分を狭いゲートで抽出した場合には、散乱体内部の狭い部分2aを伝播した光を計測することになる。ゲート時間を長くすると部分2aより広い部分を伝播した光を計測することになり、空間解像度が低下する。以上の測定信号の取得は他の方法、例えば前述の図7及び図8に示すように、光検出器で直接ゲートする方法でもよい。
The
第1の演算部16は、前記測定信号から時間積分値ITおよび平均光路長LT(波形の重心(平均タイムディレイ)に相当する)を演算する。この際、平均光路長LTは前記(5)式に従って演算する。第2の演算部17は、前記の計測で得られたn種の前記時間積分値IT1〜ITn、n種の前記平均光路長LT1〜LTnおよびn種の消光係数を用いて、散乱体2の内部の部分2aに含まれる(n-1)種類の吸収成分の濃度を演算する。これらの演算処理は、第1及び第2の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。
そして、前記第2の機構部31によって測定位置を変えて以上の一連の計測を繰り返えし、各測定位置(光入射位置及び光検出位置)での吸収成分の濃度を演算する。前記表示記録部18は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度を記憶する機能をもち、これらを表示あるいは記録する。
Then, the above-described series of measurements is repeated by changing the measurement position by the
上記の場合、n種の波長のパルス光を順次に入射する方法について述べたが、n種の波長のパルス光を同時に点灯して、同軸状に入射する方法としてもよい。この場合、光検出器14の直前に設けた波長選択器21で波長選択する方法、さらには検出光をnに分岐して波長選択したあと、n個の光検出器で並列に検出する方法もある。
In the above case, the method of sequentially inputting pulsed light of n kinds of wavelengths has been described. However, a method of simultaneously turning on pulsed light of n kinds of wavelengths and coaxially inputting the same may be used. In this case, a method of selecting a wavelength by the
また、図12では散乱体2をほぼ平行に挟むようにしたが、既に述べたように実際には厚さが異なってもよい。ただし、この場合には、第2の機構部31は散乱体2の表面に沿って走査されるようにする。さらに、図12では光入射位置と光検出位置が上下(紙面の上下方向)に配置してあるが、これらを斜めの位置関係に配置して計測したデータも含めて、CTのような画像再構成を行ってもよい。
Further, in FIG. 12, the
実施例4
図13は本発明の方法を実施するための本発明の装置の第4実施例を示すもので、散乱体2の断面内の吸収成分の濃度分布を計測する装置の構成を示す。光入射位置(光入射部)と光検出位置(受光部)は散乱体2の外周に沿って走査される。図13の中では、前記第1実施例にかかる図5、前記第2実施例にかかる図11、前記第3実施例にかかる図12に示したものと同じ機能をもつものには同じ記号を用いた。この装置の構成では散乱係数が等しいかまたは等しいと見なせる異なる2種の波長λ1とλ2のパルス光を用いる。そして、前出の(17)式を用いて各測定位置(光入射位置及び光検出位置)における特定吸収成分の濃度を求め、複数の測定位置における特定吸収成分の濃度値から、散乱体2の断面内の特定吸収成分の濃度の分布を求める。この第4実施例の装置は、光入射位置と光検出位置の周辺以外の部分では前記第3実施例とよく似た構成となるが、測定結果は断層像として得られる。
Example 4
FIG. 13 shows a fourth embodiment of the apparatus of the present invention for carrying out the method of the present invention, and shows the configuration of the apparatus for measuring the concentration distribution of the absorption component in the cross section of the
計測対象である散乱体2は、散乱体2を取りまく円形の回転機構部32の中に置かれる。散乱体2と回転機構部32の内壁との間隙にはインタフェース材33が詰められ、散乱体2を固定したまま回転機構部32が回転できるようになっている。また、回転機構部32には光入射用の光ファイバー12と受光用の光ガイド13が取り付けてある。この回転機構部32からは、走査位置を表す位置信号が発せられ、この位置信号は第3の演算部22に供給されて、断層像の再構成に利用される。
The
光源10はレーザーダイオードなどを使用して波長の異なる2種のパルス光を発生し、波長切換器19は前記2種のパルス光を交互に切り換えて通過させる。光源10の発振および波長切換器19の切り換えタイミングは信号処理部11からの信号で制御される。この際、2種の波長の異なるパルス光源を交互に点灯させてもよい。また、2種の波長のパルス光を同時に入射する方法としてもよく、このときには波長選択器19は省略され、後述する光検出器14の前段に波長選択器を設けて測定に用いる波長を選択する。
The
波長切換器19から出たパルス光は、光ファイバー12を通して計測対象である散乱体2を包む込むインタフェース材33の表面に入射される。インタフェース材33は、第1実施例において既に述べたものである。散乱体2とインタフェース材33の内部を伝播した光は、前記光入射位置と反対側の位置に設けられた光ガイド13で受光される。光ガイド13からの光信号は次段の光検出器14に導かれる。
The pulse light emitted from the
光検出器14は前記の2種の波長の光信号を電気信号に変換し、必要に応じて増幅して検出信号を出力する。光検出器14としては、光電子増倍管の他に、光電管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオード、ストリークカメラ、ストリークスコープ、光オシロスコープなどを使用することができる。また、光信号が微弱であるときは、高利得の光検出器を使用する。さらには、光子を計数する時間相関光子計数法を用いてもよい。光検出器14の受光面以外の場所は、光を吸収あるいは遮光する構造にしておくことが望ましい。
The
信号検出部15は、前記の検出信号から所定の時間域を切り出して、測定信号を出力する。所定の時間域を切り出すためのゲート信号は信号処理部11で発生する。空間分解能は前記ゲート信号の時間幅(ゲート時間)を可変にして制御することができ、ゲート時間を狭くすれば空間解像度が向上する。以上の測定信号の取得は他の方法、例えば前出の図7及び図8に示すように、光検出器で直接ゲートする方法でもよい。
The
第1の演算部16は、前記測定信号から時間積分値ITおよび平均光路長LT(波形の重心(平均タイムディレイ)に相当する)を演算する。この際、平均光路長は前記(5)式に従って演算する。第2の演算部17は、前記の計測で得られた2種の前記時間積分値IT1とIT2、2種の前記平均光路長LT1とLT2、および2種の消光係数を用いて、前記測定位置における特定吸収成分の濃度を演算する。
これらの演算処理は、第1及び第2の演算部に組み込んだマイクロコンピュータなどで高速に実行される。 These calculation processes are executed at high speed by a microcomputer or the like incorporated in the first and second calculation units.
次に、前記回転機構部32を適宜の角度だけ回転して測定位置(光入射位置及び光検出位置)を変えて、上記一連の計測を繰り返えし、各測定位置での吸収成分の濃度を演算する。第3の演算部22は、このようにして得られた複数の測定位置における吸収成分の濃度の値から、断面内の吸収成分の濃度分布(断層像)を演算する。
Next, the
表示記録部18は、以上のようにして得られた吸収成分の濃度分布を記憶する機能をもち、これらを断層像として表示あるいは記録する。なお、上記の断層像の再構成には、CTとしてよく知られている手法やハードウエアを利用することができる。
The
また、上記の実施例ではパルス光の光入射位置と光検出位置の相対位置関係を一定にしたが、この相対位置関係を可変にしてもよい。この場合には、散乱体に対するサンプリング密度が向上し、測定データ数も多くなるから、断層像の空間解像度が向上する。さらに、上記のパルス光の光入射位置と光検出位置の相対位置関係を3次元で可変制御して、3次元の解析を行うCTとすることもできる。 In the above embodiment, the relative positional relationship between the light incident position of the pulsed light and the light detection position is fixed, but the relative positional relationship may be variable. In this case, the sampling density for the scatterer is improved and the number of measurement data is increased, so that the spatial resolution of the tomographic image is improved. Further, the relative positional relationship between the light incident position and the light detection position of the pulse light can be variably controlled in three dimensions to provide a CT for performing three-dimensional analysis.
1…吸収情報計測装置、2…散乱体、2a…散乱体内部の第1の部分、2b…散乱体内部の第2の部分、10,101…10n…光源、11…信号処理部、12,13…光ガイド、14…光検出器、15…信号検出部、16…第1の演算部、17…第2の演算部、18…表示記録部、19…波長切換器、20…合波器、21…波長選択器、22…第3の演算部、30…第1の機構部、31…第2の機構部、32…回転機構部、33…インタフェース材。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する第2ステップと、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する第3ステップと、
前記第3ステップで得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する第4ステップと、
前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記第1乃至第4ステップを繰り返して行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第5ステップと、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第6ステップと、
を備えることを特徴とする散乱体の吸収情報の計測方法。 A first step of generating pulsed light of a predetermined wavelength;
A second step of irradiating the pulsed light in a spot shape at a light incident position on a surface of a scatterer that is a measurement target;
A third step of receiving light that has propagated inside the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer;
A fourth step of temporally cutting out a part of the optical signal obtained in the third step and obtaining a measurement signal corresponding to the cut out signal;
The first to fourth steps are repeated at a plurality of different measurement positions while fixing the distance between the light incident position and the light detection position, and the plurality of measurements obtained at the plurality of measurement positions are performed. A fifth step of deriving a time integral and an average optical path length for each of the signals;
A sixth step of calculating a difference in absorption coefficient between the plurality of measurement positions based on a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, and a difference in absorption coefficient;
A method for measuring absorption information of a scatterer, comprising:
前記パルス光を測定対象物である散乱体の表面における光入射位置にスポット状に入射する光入射部と、
測定対象物の内部を伝播した光を、前記散乱体の表面における光検出位置で受光する受光部と、
前記受光部で得られた光信号の一部分を時間的に切り出し、切り出された信号に相当する測定信号を取得する信号検出部と、
前記光入射位置と前記光検出位置との間の距離を固定しつつ異なる複数の測定位置でそれぞれ前記測定信号を取得する計測を行い、前記複数の測定位置において得られた複数の前記測定信号のそれぞれに対して時間積分値および平均光路長を導出する第1の演算部と、
前記複数の時間積分値、前記複数の平均光路長、および吸収係数の差との間の所定の関係に基づいて、前記複数の測定位置の間における吸収係数の差を演算する第2の演算部と、
を備えることを特徴とする散乱体の吸収情報の計測装置。 A light source for generating pulsed light of a predetermined wavelength,
A light incident portion that impinges the pulsed light in a spot shape at a light incident position on the surface of a scatterer that is an object to be measured,
A light receiving unit that receives light that has propagated inside the measurement target at a light detection position on the surface of the scatterer,
A signal detection unit that temporally cuts out a part of the optical signal obtained by the light receiving unit and obtains a measurement signal corresponding to the cut out signal,
Perform the measurement to obtain the measurement signal at each of a plurality of different measurement positions while fixing the distance between the light incident position and the light detection position, of the plurality of measurement signals obtained at the plurality of measurement positions A first calculation unit for deriving a time integration value and an average optical path length for each of the first and second calculation units;
A second calculating unit configured to calculate a difference in absorption coefficient between the plurality of measurement positions based on a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, and a difference in absorption coefficient. When,
An apparatus for measuring absorption information of a scatterer, comprising:
In the second calculation unit, based on a predetermined relationship between the plurality of time integrated values, the plurality of average optical path lengths, an absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and a concentration difference of the absorption component, The apparatus for measuring absorption information of a scatterer according to claim 4, wherein a concentration difference of an absorption component between a plurality of measurement positions is calculated.
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