JP2013238498A - 生体蛍光画像取得装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画像処理装置2は試料における励起光と蛍光の光伝搬解析を光拡散方程式の有限要素解析によって理論計算する順問題解析部10と、三次元表面形状データ、蛍光実測データ及び順問題解析部10における解析結果に基づいて試料内部の蛍光画像を作成する逆問題解析部20を備えている。順問題解析部10は試料について有限要素解析のための最適メッシュサイズを特定の条件式から導き出すメッシュサイズ導出部12と、導出されたメッシュサイズの各メッシュに対して三次元表面形状データ及び別途求められた励起光の照射分布測定値を用いて励起光強度を補正する励起光強度補正部14とを備えており、逆問題解析部20は順問題解析部10で求められたメッシュサイズと補正された励起光強度を用いて蛍光画像を作成する。
【選択図】図2
Description
(I)光拡散方程式を解く際の最適なメッシュサイズ(離散化)が分からない、
(II)広域照射の際に光源の照射ムラや生体試料の表面形状によって一様に励起照射されない、
といった課題が存在する。
ここで、メッシュサイについて説明する。光拡散方程式のような偏微分方程式の数値解法の一つに有限要素法がある。有限要素法とは、対象となる物理形状を要素(メッシュ)と呼ばれる小領域に分割(離散化)して、近似解を求める方法である。ここで、分割(離散化)の程度によってメッシュサイズが定義される。メッシュサイズを小さく設定すると、物理形状の離散化誤差が小さくなるため、解の精度は高くなることが一般的に知られている。
mesh_size=λ×factor×ε
として表わされるものである。
手順1:条件式に従って、メッシュサイズの最適化を行う。
手順2:光源分布および立体形状の取得データと手順1で得た情報を元に、励起光の強度補正を行う。
本手順では、小動物などの複雑形状をメッシュ構造で有限要素解析する場合のメッシュサイズの最適化を行う。
mesh_size=λ×factor×ε・・・(1)
ここで、
λ:平均自由行程、
factor:定数(=2)、
ε:形状関数の次数、
を表す。
λ=1/μs’・・・(2)
と表すことができる。等価散乱係数は生体組織や光の波長によって値が異なることが知られている。
ここで、条件式(1)で最適なメッシュサイズを導き出した例を述べる。
p(θ)は散乱位相関数を表す。一般に、g≒0だと等方散乱、g=0.9〜1だと前方散乱を示す。ここでは、前方散乱のg=0.9とする。
ここで、
D:拡散定数、
μa:吸収係数、
φi:i番目のメッシュに励起光を与えた場合の位置rにおける励起光フルエンスレート、
Iti:i番目のメッシュに与えられた(補正)励起光強度、
を表す。
ここで、Aは媒体表面での拡散光の全反射による反射率から決定される係数を表す。
ここで、R:反射光強度、
r1:点光源Sからの距離、
r2:鏡像点光源(外挿境界を隔てて点光源と対称位置にある光源)からの距離、
を表す(非特許文献2の図5参考。)。
また、平均自由行程λを(A)0.5mm、(B)1.0mm、(C)2.0mmと変えた場合に、(1)の条件式で最適なメッシュサイズが算出できるかどうかの検討を行った例を図10に示す。
(A)の場合:2mm、
(B)の場合:4mm、
(C)の場合:8mm
となる。
また、形状関数の次数を(A)2、(B)3と変えた場合に、(1)の条件式で最適なメッシュサイズが算出できるかどうかの検討を行った例を図11に示す。
(A)の場合:4mm、
(B)の場合:6mm
となる。
メッシュサイズの最適化を行った場合に、断層化計算にどのような効果が期待できるか検討した実施例を図12に示す。
ここで、
D:拡散定数、
μa:吸収係数、
φex(j):j番目の方向から励起光を与えた場合の位置rにおける励起光フルエンスレート、
φem(k):k番目の位置に蛍光剤が存在した場合の位置rにおける蛍光フルエンスレート、
ε:モル吸光係数、
γ:量子収率、
M:モル濃度、
を表す。
g=Af (8)
A= [a(1),a(2),…,a(k)] (9)
ここで、
A:システム行列、
f:蛍光剤の空間分布ベクトル、
g:生体表面での蛍光分布ベクトル、
を表す。例えば、蛍光剤の空間分布f=[0 0 0.5 1 0.5 0 … 0]Tが与えられた場合、このベクトルにシステム行列を掛けると(Af)、生体表面での蛍光分布ベクトルが得られる。
ここで、
λ:正則化パラメータ、
を表す。
手順2では、光源分布及び立体形状の取得データと手順1で得た情報を元に、励起光の強度補正を行う。
まず、表面に拡散反射を起こす材質(紙など)を用いた治具に対して励起光を照明し、その反射光データ取得する。この際、励起光強度が高い場合はNDフィルタ(減光フィルタ)やレンズの絞りを絞ることで検出器が飽和しないような機構を備える。
I=Kd・Ii・cosθ
である。したがって、光源と治具の位置関係が既知であれば観測データIから入射光強度Ii(x,y,z)を求めることができる。このような手順で最終的に各光源における励起光強度を求める。
立体形状データ取得の手法として多視点画像統合法、光切断法及びX線CTなどが挙げられる。例として、X線CTでマウスを撮像し、三次元表面形状データへ変換した結果を図14に示す。三次元表面形状データは、任意の点で構成される平面データ(メッシュデータ)及び平面の法線ベクトルで構成される。そのメッシュサイズは手順1で決定することができる。
具体的には、励起光照明分布のデータIiと、生体試料の三次元表面形状データから、実際に生体試料へ与えられる励起光Itを求める。
と表すことができる。ここでTは透過率である。i=1からNまでのすべてのメッシュに対して同様の処理を行うことによって、実際に生体媒体に与えられる励起光の強度補正処理を実行することができる。
本実施形態を蛍光断層画像化に適用した例を図16、17に示す。
1)凹面鏡M1、M2のそれぞれの曲率中心の位置C1、C2が重要であって、試料Sとその像S1、S2の各対応点がC1又はC2に対して立体的な点対称になっていることである。結像レンズ5から例えばQ点に焦点を合わせて見ているとし、結像レンズ5から試料Sの方に逆向きに進む主光線(結像レンズ5の中心を通る光)を考える。この主光線はQ点の延長上のG点で凹面鏡M1にあたり、そこで反射され試料S上のP点に向かうが、反射の入射角と射出角が等しいことから、P点とQ点の中点にミラーM1の曲率中心C1が存在する。すなわち、G点から進む光は、対称中心C1に対し、Q点と点対称のP点に向かって反射することになる。試料Sとしてマウスを測定する場合を例として挙げると、P点が図18Aに示すような、マウスの頭部の下面であるとすると、Q点はマウスの裏返った試料像S1の頭部の下部であって腹部がレンズの側を向いている。こうして主結像レンズ5から下を見ると、図18Dのようなマウスの背中が写った正面像とその両隣にマウスの腹部が写った裏面像が観測され、画像においてもP点とQ点がC1に対して点対称になっている。同様に試料Sの他の点、例えばH点は、試料像S2では、C2の反対側の点Iに写像されている。
5つの方向から同時観測する場合を例として、図19Aと図19Bを用いて説明する。図19Aにおいて、中央に配置した試料Sに対して、真上(観測角度0度方向)に主結像レンズ5及びCCD4が配置され、4つの凹面鏡M3、M1、M2、M4がそれぞれ観測角度60°、135°、205°、300°の方向に配置されている。すなわち0度方向の導光路は試料Sから直接にレンズ5に進む光が占める領域であり、60°方向の導光路は試料S→凹面鏡M3→平面鏡M5→レンズ5の順に進む光の占める領域であり、同様に135°方向は試料S→凹面鏡M1→レンズ5、205°方向は試料S→凹面鏡M2→レンズ5、300°方向は試料S→凹面鏡M4→平面鏡M6→レンズ5にそれぞれ進む光の占める領域である。このうち135°、205°方向の導光路中、凹面鏡M1、M2による試料Sの実像がS1、S2の位置にできており、一旦結像した後主結像レンズ5に向かって進み、再びCCD4上で結像する。また、60°方向及び300°方向の導光路中では、斜め上の凹面鏡M3とM4の実像がS3、S4にできているが、これは折り曲げ鏡M5とM6の効果によって実像から進む光の方向と実像の場所を必要な条件に変換した結果による。
4 二次元検出器
6 表示装置
10 順問題解析部
12 メッシュサイズ導出部
14 励起光強度補正部
20 逆問題解析部
Claims (2)
- 試料を離れた位置から広がる光束の励起光で広範囲に照射し前記試料中の対象物を励起して蛍光を発生させる少なくとも1つの光源部と、前記試料からの蛍光を検出する二次元検出器と、前記試料を複数の方向から同時に観測するとともに前記試料から放出される各方向の蛍光を前記二次元検出器に導く検出光学系と、前記試料の三次元表面形状データ及び前記二次元検出器が検出した蛍光実測データから前記試料中の蛍光画像を作成する画像処理装置と、前記画像処理装置が作成した蛍光画像を表示する表示装置と、を備えた蛍光画像撮像装置において、
前記画像処理装置は、前記試料における励起光と蛍光の光伝搬解析を光拡散方程式の有限要素解析によって理論計算する順問題解析部、並びに
前記三次元表面形状データ、前記二次元検出器が検出した蛍光実測データ及び前記順問題解析部における解析結果に基づいて前記試料内部の蛍光画像を作成する逆問題解析部を備えており、
前記順問題解析部は、前記試料について有限要素解析のための最適メッシュサイズを特定の条件式から導き出すメッシュサイズ導出部と、前記メッシュサイズ導出部により導出されたメッシュサイズの各メッシュに対して前記三次元表面形状データ及び別途求められた前記励起光の照射分布測定値を用いて励起光強度を補正する励起光強度補正部と、を備えており、
前記逆問題解析部は前記順問題解析部で求められたメッシュサイズと補正された励起光強度を用いて前記蛍光画像を作成するものであることを特徴とする蛍光画像撮像装置。 - 前記条件式は、メッシュサイズをmesh_size、光の平均自由行程をλ、形状関数の次数をε、及び比例係数をfactorとしたとき、
mesh_size=λ×factor×ε
として表わされるものである請求項1に記載の蛍光画像撮像装置。
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CN113614486A (zh) * | 2019-01-17 | 2021-11-05 | 大学健康网络 | 用于创伤和组织标本的三维成像、测量和显示的系统、方法和设备 |
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2012
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