JP2016057259A - Tomographic imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いて断層像を撮影する技術に関する。 The present invention relates to a technique for taking a tomographic image using a terahertz wave.
テラヘルツ波は、X線のような被曝をすることなく、内部構造を安全に可視化でき、指紋スペクトルを利用した複素誘電率分布の測定が可能である。光電気技術を用いて生成した連続波テラヘルツ光による誘電分光イメージングシステムが開発され、薬剤の2D分光イメージングに適用されている(非特許文献1参照)。 The terahertz wave can safely visualize the internal structure without being exposed to X-rays, and can measure the complex permittivity distribution using the fingerprint spectrum. A dielectric spectroscopic imaging system using continuous wave terahertz light generated using photoelectric technology has been developed and applied to 2D spectroscopic imaging of drugs (see Non-Patent Document 1).
また、3次元分光イメージングへの展開が検討されており、光技術によるパルス波テラヘルツ(Pulse-THz)を用いた誘電分光イメージングシステムが開発され、3D分光イメージングに成功している(非特許文献2,3参照)。3Dイメージングによる立体的な密度分布の取得は、製造工程へのフィードバックが可能である。例えば、薬剤には様々な形状があり、断層像の取得においては様々な擾乱が存在する。 In addition, development of three-dimensional spectroscopic imaging has been studied, and a dielectric spectroscopic imaging system using a pulsed wave terahertz (Pulse-THz) based on optical technology has been developed and succeeded in 3D spectroscopic imaging (Non-Patent Document 2) , 3). Acquisition of a three-dimensional density distribution by 3D imaging can be fed back to the manufacturing process. For example, the medicine has various shapes, and various disturbances exist in the acquisition of tomographic images.
特許文献1には、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムが開示されている。特許文献1の電磁波分光測定システムは、周波数の異なる2つの連続光波が合波された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、2つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合波した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。
テラヘルツ帯では、レンズを用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。CT(Computed Tomography)により断層像を撮影する際には、レンズ間に測定対象を挿入し、挿入位置を変化させて360度回転させ、角度、位置の2次元データを取得する。そして、取得した2次元データに対して、X線CTで一般的な手法であるFBP(Filtered Back-Projection)法を用いることで、断層像の再構成や画像空間フィルタ等による断層像の高精細化を行う(非特許文献4参照)。 In the terahertz band, it is common to measure a complex dielectric constant of a measurement object by a free space method using a pseudo optical system using a lens. When a tomographic image is taken by CT (Computed Tomography), a measurement object is inserted between the lenses, and the insertion position is changed and rotated 360 degrees to obtain two-dimensional data of angles and positions. Then, by using the FBP (Filtered Back-Projection) method, which is a general technique in X-ray CT, on the acquired two-dimensional data, high-definition of the tomographic image by reconstruction of the tomographic image, image space filter, or the like. (See Non-Patent Document 4).
しかしながら、テラヘルツ波をCTに適用した場合、被測定対象物の入射界面での反射や回折、媒質内での屈折、入射ビーム強度分布等の影響によりCT像が正確に取得できないという問題があった。 However, when terahertz waves are applied to CT, there is a problem in that a CT image cannot be obtained accurately due to the influence of reflection and diffraction at the incident interface of the object to be measured, refraction in the medium, incident beam intensity distribution, and the like. .
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波を用いた断層像撮影において断層像をより精度良く取得することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a tomographic image with higher accuracy in tomographic imaging using a terahertz wave.
本発明に係る断層像撮影装置は、周波数が互いに異なる2つの連続光波を合波した光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波をTM波に偏光して被測定対象物に照射する偏光制御手段と、前記被測定対象物を透過した前記テラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ波受信手段と、前記被測定対象物の角度を変えて、前記被測定対象物を所定の方向に走査して得られた前記テラヘルツ波の強度の投影データから前記被測定対象物の断層像を再構成する信号処理手段と、を有することを特徴とする。 A tomography apparatus according to the present invention includes a terahertz wave generating means for photoelectrically converting an optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to generate a terahertz wave, and polarizing the terahertz wave into a TM wave. Polarization control means for irradiating the measurement object, terahertz wave reception means for detecting the intensity of the terahertz wave transmitted through the measurement object, and changing the angle of the measurement object, the measurement object Signal processing means for reconstructing a tomographic image of the object to be measured from projection data of the intensity of the terahertz wave obtained by scanning in a predetermined direction.
上記断層像撮影装置において、前記信号処理手段は、前記投影データ中の前記被測定対象物のエッジを検出し、前記被測定対象物の外形に合わせて前記投影データを補正して前記断層像を再構成することを特徴とする。 In the tomographic imaging apparatus, the signal processing unit detects an edge of the measurement target in the projection data, corrects the projection data according to an outer shape of the measurement target, and converts the tomographic image into an image. It is characterized by reconfiguring.
上記断層像撮影装置において、前記被測定対象物の誘電率に合わせた材料で形成した容器に前記被測定対象物を封止して前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする。 In the tomographic imaging apparatus, the object to be measured is sealed in a container formed of a material matched to a dielectric constant of the object to be measured, and the terahertz wave is irradiated.
上記断層像撮影装置において、前記容器は、対向する面が平行で、常に入射角が60度以下の面を有する外周を備えることを特徴とする。 In the tomographic imaging apparatus, the container includes an outer periphery having faces that are parallel to each other and always have an incident angle of 60 degrees or less.
上記断層像撮影装置において、前記テラヘルツ波受信手段は、前記2つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合波した参照光を入力して光電変換し、前記テラヘルツ波とホモダインミキシングして位相を検波し、前記信号処理手段は、前記テラヘルツ波受信手段が検波した位相像を用いて前記断層像を再構成することを特徴とする。 In the tomography apparatus, the terahertz wave receiving means inputs a reference beam obtained by modulating and combining one of the two continuous light waves, performs photoelectric conversion, and performs homodyne mixing with the terahertz wave. The phase is detected, and the signal processing unit reconstructs the tomographic image using the phase image detected by the terahertz wave receiving unit.
上記断層像撮影装置において、前記偏光制御手段がTE波にも偏光することを特徴とする。 In the tomographic imaging apparatus, the polarization control means also polarizes TE waves.
本発明によれば、テラヘルツ波を用いた断層像撮影において断層像をより精度良く取得することができる。 According to the present invention, a tomographic image can be acquired with higher accuracy in tomographic imaging using a terahertz wave.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態における断層像撮影装置の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す断層像撮影装置は、光源11A,11B、スプリッタ12A,12B、カプラ13A,13B、位相変調器14、テラヘルツ波発生器15、偏光制御器16、テラヘルツ波受信器17、位相検波増幅器18、および信号処理部19を備える。
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the tomographic imaging apparatus in the present embodiment. The tomographic imaging apparatus shown in the figure includes
光源11A,11Bは、周波数が互いに異なる連続光波を出力する。以下、光源11Aから出力された連続光波を第1の光信号、光源11Bから出力された連続光波を第2の光信号と称する。
The
スプリッタ12Aは、第1の光信号を2つに分波し、スプリッタ12Bは、第2の光信号を2つに分波する。
The
カプラ13Aは、スプリッタ12Aで分波された第1の光信号とスプリッタ12Bで分波された第2の光信号を合波する。カプラ13Aで合波された光信号は、テラヘルツ波発生器15に入力される。
The coupler 13A combines the first optical signal demultiplexed by the
カプラ13Bは、スプリッタ12Aで分波された第1の光信号と位相変調器14で位相変調された第2の光信号を合波する。カプラ13Bで合波された参照光は、テラヘルツ波受信器17に入力される。
The coupler 13B combines the first optical signal demultiplexed by the
位相変調器14は、スプリッタ12Bとカプラ13Bの間に配置され、外部からの制御信号により、スプリッタ12Bで分波された第2の光信号の位相を電気的に変調する。
The
テラヘルツ波発生器15は、カプラ13Aで合波された光信号を光電変換し、第1、第2の光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波(テラヘルツ波)を発生する。テラヘルツ波発生器15には、単一走行キャリアフォトダイオード(UTC−PD:Uni-Traveling Carrier Photodiode)を用いる。
The
偏光制御器16は、テラヘルツ波発生器15が発生したテラヘルツ波をTM波に偏光して測定試料2に照射する。偏光制御器16には、ワイヤーグリッド偏光子を用いる。測定試料2に照射するテラヘルツ波は、例えば測定周波数を1THz、ビーム径を500μmとする。
The
テラヘルツ波受信器17は、測定試料2を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、カプラ13Bで合波された参照光を光電変換し、ホモダインミキシングしてテラヘルツ波を検波する。テラヘルツ波受信器17には、光伝導アンテナ(PCA:Photoconductive Antenna)を用いる。
The
位相検波増幅器18は、テラヘルツ波受信器17が検波したテラヘルツ波を増幅するとともに、位相を検出する。
The
信号処理部19は、テラヘルツ波の振幅と位相を処理して測定試料2の断層像を得る。本実施例では、z軸を中心として角度を変えてy軸方向にスキャンして振幅に関する2次元投影データを得て、得られたデータをフィルター処理した後に逆投影して断層像を再構成するFBP法を用いる。
The
測定試料2は、y軸方向に移動可能で、z軸を中心として回転可能な回転ステージ上に設置される。測定試料2は、例えば、曲面形状を有する錠剤、人間や動物から採取した溶液や個体である。
The
次に、TE波とTM波に関して、測定試料に入射するときと測定試料から出射するときの入射角と反射率について説明する。 Next, regarding the TE wave and the TM wave, the incident angle and the reflectance when entering the measurement sample and emitting from the measurement sample will be described.
まず、テラヘルツ波が測定試料2に入射するときの入射角と反射率について説明する。図2は、テラヘルツ波が測定試料2に入射する様子を示す図である。図3は、大気(屈折率n1=1)から測定試料2(屈折率n2=1.4)に入射するときのTE波とTM波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
First, an incident angle and a reflectance when a terahertz wave enters the
図2に示すように、大気から測定試料2に入射する際、電界が入射面に垂直なTE波の場合はブリュースター角は存在しないが、電界が入射面に平行なTM波の場合はブリュースター角が存在する。図3のグラフに示すように、TM波は入射角に対して入射面に対する反射率が小さく、入射角が80度程度まで反射率は0.2以下である。
As shown in FIG. 2, when entering the
続いて、テラヘルツ波が測定試料2から出射するときの入射角と反射率について説明する。図4は、テラヘルツ波が測定試料2から出射する様子を示す図である。図5は、測定試料2(屈折率n2=1.4)から大気(屈折率n1=1)へ出射するときのTE波とTM波の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
Next, the incident angle and reflectance when the terahertz wave is emitted from the
図5に示すように、測定試料2から大気へ出射するときは、全反射条件により入射角が40度程度以上でほぼすべての電磁波が境界で反射されて、測定試料2から出射されない。境界で反射された電磁波は測定試料内で多重反射して出射されるが、これらは測定値の誤差の要因となる。
As shown in FIG. 5, when emitted from the
続いて、断面が楕円形の測定試料を走査したときのTE波、TM波の透過強度について説明する。 Subsequently, the transmission intensity of the TE wave and the TM wave when the measurement sample having an elliptical cross section is scanned will be described.
図6は、TE波、TM波を測定試料に入射した際の、ある回転角度θにおいてY軸方向に走査したときの透過強度を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the transmission intensity when scanning in the Y-axis direction at a certain rotation angle θ when TE waves and TM waves are incident on the measurement sample.
テラヘルツ波は測定試料の入射面にて一部が反射される。透過したテラヘルツ波により得られた投影データはビーム強度分布関数で畳み込み積分されている。測定試料の断面が図6に示すように楕円形の場合、測定試料の中央では入射角がゼロとなり、中央から離れるに従って入射角が増加する。図6に示すように、TE波では、測定試料の中央の入射角ゼロから入射角が増加するに従って測定試料の表面における反射による損失が生じる。一方、TM波でも同様に反射による損失が生じるが、TE波に比べ、その影響は小さい。 A part of the terahertz wave is reflected on the incident surface of the measurement sample. Projection data obtained by the transmitted terahertz wave is convolved and integrated with a beam intensity distribution function. When the cross section of the measurement sample is elliptical as shown in FIG. 6, the incident angle is zero at the center of the measurement sample, and the incident angle increases as the distance from the center increases. As shown in FIG. 6, in the TE wave, a loss due to reflection on the surface of the measurement sample occurs as the incident angle increases from zero in the center of the measurement sample. On the other hand, a loss due to reflection similarly occurs in the TM wave, but the influence is small compared to the TE wave.
次に、信号処理部がスキャンデータから断層像を再構成する処理について説明する。 Next, processing in which the signal processing unit reconstructs a tomographic image from scan data will be described.
図7は、断層像を再構成する処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing a flow of processing for reconstructing a tomographic image.
まず、所定の角度範囲でz軸を中心とした回転角度θを変えて、y軸方向に測定試料を移動させることでテラヘルツ波の入射位置Yを変化させて、投影データI(Y,θ)を取得する(ステップS11)。 First, by changing the rotation angle θ around the z axis within a predetermined angle range and moving the measurement sample in the y axis direction, the incident position Y of the terahertz wave is changed, and the projection data I (Y, θ) Is acquired (step S11).
続いて、測定試料の境界面での反射に起因する投影データのエッジをライン毎に検出し、外形の寸法が既知の測定試料の形状に合わせて、各ラインのエッジが揃うようにラインをシフトして投影データを補正する(ステップS12)。 Next, the edge of the projection data caused by reflection at the boundary surface of the measurement sample is detected for each line, and the line is shifted so that the edges of each line are aligned with the shape of the measurement sample with known external dimensions. Then, the projection data is corrected (step S12).
そして、投影データの変数Y,θをx,yに逆ラドン変換し、物体関数f(x,y)を取得することで測定試料のxy平面における断層像を再構成する(ステップS13)。 Then, the variables Y and θ of the projection data are inversely Radon transformed into x and y, and the object function f (x, y) is acquired to reconstruct a tomographic image on the xy plane of the measurement sample (step S13).
本断層像撮影装置で得られた断層像のエッジには、境界面での反射や回折により高損失領域が形成される。測定試料が円形の場合は、中央付近の値は反射や回折の影響が小さく、真値とみることができる。 A high-loss region is formed at the edge of the tomographic image obtained by the tomographic imaging apparatus by reflection or diffraction at the boundary surface. When the measurement sample is circular, the value near the center is less influenced by reflection and diffraction and can be regarded as a true value.
次に、断層像の撮影時に測定試料を収納する測定試料カセットについて説明する。図5のグラフに示したように、測定試料から大気へ出射する際の界面反射の影響が大きいので、測定試料の形状に合わせて内部封止可能な、誘電率(屈折率)を測定試料に合わせた測定試料カセットを用いてもよい。 Next, a measurement sample cassette that stores a measurement sample when a tomographic image is taken will be described. As shown in the graph of FIG. 5, since the influence of interface reflection when emitting from the measurement sample to the atmosphere is large, the dielectric constant (refractive index) that can be internally sealed in accordance with the shape of the measurement sample A combined measurement sample cassette may be used.
図8は、測定試料を収納する測定試料カセットの例を示す図である。測定試料カセット3は、誘電率を測定試料2に合わせた、測定試料2を内部封止する容器である。例えば、測定試料カセット3の材料には、比誘電率が4以下のポリミイド等のポリマー材料、石英、液晶ポリマーを用いる。測定試料カセット3の図8(a)における上面と底面は、テラヘルツ波の波長λに対して十分に平行度があり、例えばλ/10以下である。図8(b)に示すように、測定試料カセット3をz軸を中心に回転させた際も、出射界面での全反射は生じず、TM波のブリュースター角となる60度までの範囲(−60度〜60度の範囲)で良好な透過特性を示す。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a measurement sample cassette that stores a measurement sample. The
また、上記以外の範囲では、図9に示すような測定試料2を90度回転させて収納する別の測定試料カセット3を用意し、30度〜150度の範囲を測定してもよい。
Further, in a range other than the above, another
図10は、さらに別の測定試料カセット3を示す図である。同図のように測定試料カセット3の外周を正六角形としてもよい。この測定試料カセット3の対向する面の平行度は例えばλ/10以下とする。図10に示す測定試料カセット3は、入射角が60度以下の面を常に有しているため、測定試料カセット3を取り替えることなく全周にわたって測定が可能である。なお、測定試料カセット3の外周は正六角形でなくても、対向する面が平行で、常に入射角が60度以下の面を有する形状であればよい。
FIG. 10 is a diagram showing still another
次に、位相像を用いる実施例について説明する。 Next, an embodiment using a phase image will be described.
テラヘルツ波の振幅のみを用いて測定試料の断層像を撮影した場合、測定試料のテラヘルツ波の吸収が小さく振幅の変化量が小さい場合は明瞭な断層像を撮影しにくいという問題がある。測定試料内に異なる誘電率の媒質が分布している場合は、位相を測定して位相像も含めた高コントラストの断層像を取得可能である。 When a tomographic image of a measurement sample is photographed using only the amplitude of the terahertz wave, there is a problem that it is difficult to photograph a clear tomographic image when the terahertz wave absorption of the measurement sample is small and the amount of change in amplitude is small. When media having different dielectric constants are distributed in the measurement sample, it is possible to obtain a high-contrast tomographic image including a phase image by measuring the phase.
本実施の形態では、第1の光信号と位相変調器14で位相変調された第2の光信号を合波した参照光を用いて、ホモダイン検波方式とすることにより、測定試料2を透過したテラヘルツ波の位相を測定可能な構成とした。
In the present embodiment, the reference light obtained by combining the first optical signal and the second optical signal phase-modulated by the
図11は、偏光制御器16によりテラヘルツ波をTE波に偏光する構成を示す図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration in which the terahertz wave is polarized into a TE wave by the
図11の構成を用いて、TE波とTM波の両方を測定してもよい。TE波とTM波の透過信号強度の比を取ることにより、光源の変動の影響を排除することができる。 Both the TE wave and the TM wave may be measured using the configuration of FIG. By taking the ratio of the transmitted signal intensity of the TE wave and the TM wave, the influence of fluctuations in the light source can be eliminated.
以上説明したように、本実施の形態によれば、偏光制御器16によりテラヘルツ波をTM波に偏光して測定試料2に照射することにより、TM波は所定の角度(ブリュースター角)で入射させると反射率がゼロになるという性質を有するため、測定試料2の入射界面での反射の影響を低減し、断層像の精度を向上することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
11A,11B…光源
12A,12B…スプリッタ
13A,13B…カプラ
14…位相変調器
15…テラヘルツ波発生器
16…偏光制御器
17…テラヘルツ波受信器
18…位相検波増幅器
19…信号処理部
2…測定試料
3…測定試料カセット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記テラヘルツ波をTM波に偏光して被測定対象物に照射する偏光制御手段と、
前記被測定対象物を透過した前記テラヘルツ波の強度を検出するテラヘルツ波受信手段と、
前記被測定対象物の角度を変えて、前記被測定対象物を所定の方向に走査して得られた前記テラヘルツ波の強度の投影データから前記被測定対象物の断層像を再構成する信号処理手段と、
を有することを特徴とする断層像撮影装置。 Terahertz wave generating means for photoelectrically converting an optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to generate a terahertz wave;
Polarization control means for polarizing the terahertz wave into a TM wave and irradiating the object to be measured;
Terahertz wave receiving means for detecting the intensity of the terahertz wave transmitted through the object to be measured;
Signal processing for reconstructing a tomographic image of the object to be measured from projection data of the intensity of the terahertz wave obtained by changing the angle of the object to be measured and scanning the object to be measured in a predetermined direction Means,
A tomographic imaging apparatus characterized by comprising:
前記信号処理手段は、前記テラヘルツ波受信手段が検波した位相像を用いて前記断層像を再構成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の断層像撮影装置。 The terahertz wave receiving means inputs and photoelectrically converts a reference light obtained by modulating and combining one phase of the two continuous light waves, detects the phase by homodyne mixing with the terahertz wave,
5. The tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the signal processing unit reconstructs the tomographic image using a phase image detected by the terahertz wave receiving unit.
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