JP2013040849A - 三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法は、実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、散乱係数μsを測定するステップと、算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光からの出力ビーム径との相関関係もしくは散乱光の透過/反射出力パワー比との相関関係を算出するステップと、三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光からの出力ビーム径の実測値と、前記相関関係とから、非等方散乱因子gを決定するステップを備える。
【選択図】図1
Description
すなわち、三次元光散乱体モデルの出力光強度分布と、散乱係数から得られる重み関数と、三次元光散乱体メディアの出力光強度分布の3つを用いて、再構成アルゴリズムを適用することにより吸収体の再構成を行なうことが可能となる。
従来においては、強散乱体の実効散乱係数を決定する上で、生体では非等方散乱因子を0.9程度の1に近い値として、モンテカルロシミュレーションにより実験結果と合致する散乱係数を求めるやり方などが用いられていた。
しかしながら、上述の再構成アルゴリズムを適用することにより吸収体の再構成を行なう上で、三次元光散乱体メディアの散乱係数は重要なファクターであり、未知の実効散乱係数を精度よく算定する方法が要望されている。
従来から、実効散乱係数を求める1つの方法として、光コヒーレンストモグラフィーを用いる方法が知られているが、これは深い領域での振幅反射率をもとに決定するため、ノイズに弱い特性を持つという欠点がある。
上記状況に鑑みて、本発明は、実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、実効散乱係数を精度よく算定する方法を提供することを目的とする。
a1)散乱係数μsを測定するステップ
a2)算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光からの出力ビーム径との相関関係を算出するステップ
a3)三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光からの出力ビーム径の実測値と、上記の相関関係とから、非等方散乱因子gを決定するステップ
光コヒーレンストモグラフィーなど既知の方法により散乱係数μsを測定し、得られた散乱係数μsを用いて、非等方散乱因子gを0から1まで変化させてモンテカルロシミュレーションを行い、散乱光の出力ビーム径を求める。例えば、非等方散乱因子gと出力ビーム径の相関グラフもしくは参照表を得る。ここで、相関グラフは、横軸が非等方散乱因子g(0〜1)で、縦軸が出力ビーム径を示すグラフである。また、参照表は、非等方散乱因子g(0〜1)をパラメータとする出力ビーム径の対応表である。
そして、実際に散乱光にビームを照射して得られる出力ビーム径をもとに、相関グラフまたは参照表と照らし合わせて、非等方散乱因子gを決定する。
b1)散乱係数μsを測定するステップ
b2)算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光の透過/反射出力パワー比との相関関係を算出するステップ
b3)三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光の透過/反射出力パワー比の実測値と、上記の相関関係とから、非等方散乱因子gを同定するステップ
光コヒーレンストモグラフィーなど既知の方法により散乱係数μsを測定し、得られた散乱係数μsを用いて、非等方散乱因子gを0から1まで変化させてモンテカルロシミュレーションを行い、散乱光の透過/反射出力パワー比を求める。例えば、非等方散乱因子gと透過/反射出力パワー比の相関グラフもしくは参照表を得る。ここで、相関グラフは、横軸が非等方散乱因子g(0〜1)で、縦軸が透過/反射出力パワー比を示すグラフである。また、参照表は、非等方散乱因子g(0〜1)をパラメータとする透過/反射出力パワー比の対応表である。
そして、実際に散乱光にビームを照射して得られる透過/反射出力パワー比をもとに、相関グラフまたは参照表と照らし合わせて、非等方散乱因子gを決定する。
従来から用いられている光コヒーレンストモグラフィーでは、深い領域での振幅反射率をもとに決定するため、ノイズに弱い特性を持つという欠点があるが、本発明では、弱散乱領域での散乱係数を光コヒーレンストモグラフィーで測定し、透過または反射ビーム径または、透過/反射パワー比を用いて非等方散乱因子を決定するので、ノイズ特性が改善されることになる。
図1に示すフローは、本発明の三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法の一実施形態であり、散乱光のビーム径を指標として非等方散乱因子gを決定するものである。
実施例1の算定方法は、実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、散乱係数μsを測定するステップと、算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光からの出力ビーム径との相関関係を算出するステップと、三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光からの出力ビーム径の実測値と、上記相関関係とから、非等方散乱因子gを決定するステップを備えるものである。
そして、物体にビームスプリッタ通過後の光を照射し、物体表面や内部構造の境界から反射もしくは散乱してきた光(以下、物体光)がビームスプリッタに戻る。そして物体光と参照鏡によって反射された光(以下、参照光)は、ビームスプリッタを通して重ね合わされて干渉する。その干渉光を回折格子で分光して得られたスペクトルを、レンズを通すことで波長ごとに分離し、光検出器を用いてスペクトル強度として検出する。
ここで、光子が一度散乱してから次の散乱までに進む距離Lは散乱係数μsと一様乱数R1を用いて下記の式3で表される。また、生体内では散乱角θは、下記の式4のような、非等方散乱因子gを用いたHenyey−Greenstein位相関数で表されるのが一般的である。
ここで、物体側は対物レンズにより波長による群速度分散が起こるので、参照側に補償板(BK7)を用いている。参照ミラーには、有効径が25.4mm、偏角精度が1.0秒、波面精度が0.10λの金コーティングされたミラーを用いた。コリメート/フォーカシングレンズ(L1〜L4)として、焦点距離が18.4mm、NAが0.15、ARコーティング波長が600〜1500nmのものを用いた。スペクトロメーターとして、スリット幅が50μm、波長範囲が810〜987nm、波長分解能が0.50nm程度のものを用いた。
また、Auミラーをサンプルとして、参照ミラーに対する光軸方向の相対位置を0.4mmに設定した状態で測定した反射面に対応する信号プロファイルを図7に示す。ここで、参照ミラーに対するサンプルの光軸方向での相対位置を0.4mmに設定するのは、相対位置が0mm付近ではノイズが乗りやすく、得ようとする信号に混ざってしまうためである。測定条件は、スペクトロメーター露光時間が4msec、スペクトロメーターアベレージ回数が128回であり、サンプルの同じ点に対して20回測定を行った。
また、離散フーリエ変換(以下、DFT)データ点数Nは65536個である。このプロファイルは20回行った測定の平均値をとり、振幅反射率を規格化したものである。これより半値全幅での深さ分解能が35.1μmであることがわかった。
参照ミラーに対するサンプル表面の光軸方向での相対位置が0.4mmになるよう設定した。また、深さ方向の信号減衰特性を考慮して、対物レンズを試料表面から内部方向に0.6mmの位置にデフォーカスした状態で測定を行った。測定条件は、スペクトロメーター露光時間が4msec、スペクトロメーターアベレージ回数が128回であり、試料横方向に50μmピッチで20点、試料縦方向に50μmピッチで20点の計400点で測定を行った。
そして、この範囲にあるデータに対して線形最小二乗法を適用し、得られた直線の傾きの大きさから散乱係数値を算出した。
Wangらが開発したMCML(Monte Carlo modeling of light transport in
Multi-Layered tissues)のソースコードを用いて製作した。なお、他の条件として、散乱係数はSD−OCTで求めた上記の表1の値を用いた。また、Number of pixel along depth directionは、下記表3に示す各散乱体の厚さから算出される値を用いた。非等方散乱因子を、0.1〜0.9間において0.1間隔で、0.91〜0.99間において、0.01間隔で変えてビーム径を算出した。透過光強度分布から得られた出力光ビーム径のグラフを図12に示す。
実施例2の算定方法は、実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、散乱係数μsを測定するステップと、算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光の透過/反射出力パワー比との相関関係を算出するステップと、三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光の透過/反射出力パワー比の実測値と、上記相関関係とから、非等方散乱因子gを決定するステップを備えるものである。
実験で得た散乱係数μsを用いて、非等方散乱因子gを0から1まで変化させて、それぞれモンテカルロシミュレーションによる光子の伝搬計算を行い、透過/反射出力パワー比を得る。そのグラフを図14に示す。実験で得られた透過/反射パワー比となるgをグラフから求めることで、非等方散乱因子gを決定した。
11 光源
12 レンズ
13 ビームスプリッタ
14 反射鏡
15 回折格子
16、17 対物レンズ
18 試料
19 CCDカメラ
Claims (5)
- 実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、
散乱係数μsを測定するステップと、
算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光からの出力ビーム径との相関関係を算出するステップと、
三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光からの出力ビーム径の実測値と、前記相関関係とから、非等方散乱因子gを決定するステップと、
を備えた、三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法。 - 実効散乱係数が未知の三次元光散乱体に対して、
散乱係数μsを測定するステップと、
算出した散乱係数μsに基づき、計算機シミュレーションを用いて散乱光の伝搬における非等方散乱因子gを0〜1まで変化させて、散乱光の透過/反射出力パワー比との相関関係を算出するステップと、
三次元光散乱体にビーム光を照射した際の散乱光の透過/反射出力パワー比の実測値と、前記相関関係とから、非等方散乱因子gを同定するステップと、
を備えた、三次元光散乱体の実効散乱係数の同定方法。 - 散乱係数を測定するステップは、光コヒーレンストモグラフィーにより得られる振幅反射率の深さ依存性を用いて実測するものである、請求項1又は2に記載の三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法。
- 前記計算機シミュレーションは、モンテカルロシミュレーションであり、散乱により変わる角度は非等方散乱因子gに依存するとされ、ある散乱から次の散乱までに進む距離は散乱係数μsに依存するとした、請求項1又は2に記載の三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法。
- 非等方散乱因子を決定するステップにおいて、照射するビーム光の波長は、三次元散乱体における散乱体の粒径よりも小さくする、請求項1又は2に記載の三次元光散乱体の実効散乱係数の算定方法。
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