JP3624925B2 - 光透過映像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医用画像診断や理工学的な検査あるいは食品等の検査に用いられるのに好適な光透過映像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体に光を透過させてその透過像を撮像する装置として、被検体に対して細いレーザビームを走査して画像を得るものが知られている（特開平６−２７８０２８号「マルチレーザー光走査生体透視診断および治療装置」）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、被検体の表面に凹凸があるような場合に精度の高いデータを得ることができないという問題がある。たとえば人間の手、足の指のつけ根、かかと等の部位を被検体とするような場合、その表面が凹凸のある曲面となっていることからその被検体表面と光学系との間の大きな隙間が生じることが避けられず、そのため、被検体を透過または散乱した光が、光学系を介して撮像素子に入射させられる過程で、その隙間部分で外部に大部分逃げていってしまって撮像素子に入射する光量が少なくなり、対応画素のデータが著しく劣化してしまう。
【０００４】
この発明は、上記に鑑み、被検体の表面に凹凸がある場合でも精度の高い画像データを得ることができるように改善した光透過映像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明による光透過映像装置においては、細い光ビームを発生する光発生手段と、該光ビームを表面に凹凸のある被検体に対して２次元的に平行走査する走査手段と、該被検体の表面凹凸形状に実質的に沿うよう対応した表面凹凸形状を有するマルチファイバ構造の画像伝達手段と、該画像伝達手段により伝達された画像が入力される撮像手段と、該撮像手段の出力画像信号の、走査位置に実質的に対応する部分の信号を取り出して画像を作成する手段とが備えられることが特徴となっている。
【０００６】
光ビームが被検体に照射されると、その被検体から透過光あるいは散乱光が出てくる。この透過光・散乱光は、マルチファイバ構造の画像伝達手段を介して撮像手段に導かれるが、この画像伝達手段の表面形状は、被検体の凹凸のある表面形状に実質的に沿うよう対応した凹凸形状とされているため、画像伝達手段の表面を被検体表面に密着させてその間の隙間を小さくすることができ、被検体から出てきた透過光あるいは散乱光が外部に広がるように逃げる割合を著しく低減して十分な光量を撮像手段に導くことができる。そのため、感度の高い光検出が可能となり、精度の高い画像データを得ることができる。この光ビームは２次元的に平行走査され、その走査の各位置ごとに上記の撮像手段から１枚分の画像信号が得られる。この１枚分の画像信号の中からその走査位置に実質的に対応する部分の信号を取り出し、これを走査の各位置ごとに繰り返して１枚の画像を作成する。すると、この作成された画像では、各画素のデータは、主に、被検体を直線的に透過した透過光成分よりなり、散乱光成分が含まれていたとしても散乱して曲がりごく近傍に広がった散乱光による近傍散乱光成分だけであるから、精度の高いものとなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この発明では、図１に示すように、レーザ光照射装置１０から光ビームを被検体７１に向けて照射し、被検体７１を透過した光をマルチファイバ光学素子２３を介して集束用の凸レンズ１１に入射し、この凸レンズ１１により画像を縮小して固体撮像素子（ＣＣＤなどからなる）１２に伝える。光ビームは照射方向が平行に保たれたまま移動させられて光ビームの平行走査がなされる。マルチファイバ光学素子２３は、多数の光ファイバを束ねて一体化した構造となっており、各光ファイバの位置が入力側と出力側とで対応させられていて、入力された光がその位置を保って出力される、つまり入力された画像がそのまま出力されるものとなっている。そして、ここでは、その表面は被検体７１の表面形状に合わせて形成されている。つまり、たとえば、人間の手や足先、かかと等を主に撮像する用途とするなら、それらに合わせた形状とした、手用、足用、かかと用などの多種類のタイプを用意しておく。
【０００８】
そのため、被検体７１の表面とマルチファイバ光学素子２３の表面とはほぼ密着し、被検体７１を突き抜けた光が広がることなくそのまま凸レンズ１１に伝えられて固体撮像素子１２に導かれる。その結果、被検体７１から出てきた光が外部に逃げる割合を著しく減少させ、ほとんどすべての光を固体撮像素子１２に導くことができるので、感度を高め、画像データの劣化を防いで、データを精度を向上させることができる。
【０００９】
図２は全体の構成を示すもので、上記のレーザ光照射装置１０、マルチファイバ光学素子２３、凸レンズ１１、固体撮像素子１２等が暗箱７２などの中に納められ、これによって被検体７１が配置される空間が暗箱７２中に形成され、外部からの雑音光が固体撮像素子１３に入射しないように構成されている。
【００１０】
読み出し回路１３によって固体撮像素子１２から読み出された画像信号は画像収集メモリ１４にいったん格納された後、読み出されてインターフェイス回路１５、１６を経て画像処理メモリ１７に転送される。この画像データはＣＰＵ１８により編集および画像演算等の処理を受け、画像が作成される。この画像は表示装置２１で表示される。ＣＰＵ１８はインターフェイス回路１９を介して収集制御回路２０をコントロールしており、収集制御回路２０はレーザ光照射装置１０に指令を送って光ビームの走査を制御するとともに画像収集メモリ１４に指令を送ってこれを制御する。ＣＰＵ１８にはキーボードなどの入力装置が接続され、コマンドや各種の情報の入力が可能となっている。
【００１１】
レーザ光照射装置１０は、たとえば、図３に示すように構成されて３つの波長のレーザ光ビームのどれかを２次元的に平行走査する。すなわち、ここではそれぞれ異なる波長のレーザ光を発生する３つのレーザ光源３１、３２、３３が備えられており、収集制御回路２０で制御された選択スイッチ回路６１によりそのいずれかが選択的に動作させられる。３つのレーザ光源３１、３２、３３には、それぞれレンズ（凹レンズなど）４１、４２、４３が取り付けられており、これらのレンズ４１、４２、４３により光源３１、３２、３３から発生させられたレーザ光が細い平行な光ビームに形成される。この光ビームは平面鏡５１に当てられ、この鏡５１で反射した光ビームが被検体７１側に照射される。
【００１２】
レーザ光源３１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３は一体に保持されており、Ｘ方向駆動回路６２によってＸ方向に移動させられる。また平面鏡５１はＹ方向駆動回路６３によってＹ方向に移動させられる。これらＸ方向駆動回路６２およびＹ方向駆動回路６３は収集制御回路２０によって制御され、光ビームがＸ−Ｙ平面上に平行走査される。なお、レーザ光源３１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３は波長ごとに別々に構成されているため、各波長の光ビーム位置が異なるので、どの波長の光ビームが発生されるかに応じて平面鏡５１のＹ方向の位置が調整される。
【００１３】
このレーザ光照射装置１０は、図４に示すようにも構成できる。この図４では、光ビームのＸ方向の移動はもう一つの平面鏡５２のＸ方向移動によっている。すなわち、レーザ光源３１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３から各波長の光ビームをＸ方向に放出し、平面鏡５２をＸ方向駆動回路６２により光ビーム方向（Ｘ方向）に移動させることによって平面鏡５１に入射する光ビームをＸ方向に移動させている。その他の構成は図３と同様である。
【００１４】
被検体７１に向けて照射する光ビームの断面積は、１つの画素サイズに対応させ、それと同等またはやや大きい程度とするか、一定個数（２×２、４×４など）の画素の大きさに対応させ、それと同程度かやや小さい程度とする。光ビームの断面積を１つの画素の大きさと同等とした場合、光ビームを走査させる際に各画素の位置ごとに順次一定時間停止させて照射する。光ビームの断面積を２×２、４×４などの一定個数の画素の大きさに対応させた場合には、光ビームを走査させる際にその個数の画素の位置ごとに順次一定時間停止させて照射する。
【００１５】
光ビームの断面積を１つの画素の大きさと同等とした場合、光ビームの走査位置ごとに順次、図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）…のような、１枚ずつの画像データが固体撮像素子１２から読み出されて画像収集メモリ１４に格納される。ここでは画像のマトリクス（固体撮像素子１３の物理的マトリクスと考えてもよい）を説明の便宜上４×４であるとして、左上から右方向に走査されるものとしている。光ビームの位置が左上端画素位置にあるときは図５の（ａ）のような画像が得られ、その位置の画素のデータは、被検体７１を直線的に透過した透過光成分となっており、その周辺の画素のデータは散乱して曲がり近傍に広がった散乱光成分となる。各位置ごとに得られる１枚ずつの画像データは画像収集メモリ１４に格納される都度直ちに読み出されて画像処理メモリ１７に転送され、光ビーム位置の画素のデータのみが抜き出される。これが光ビーム走査における各位置ごとに繰り返されて図５の（ｄ）に示すような画像が作成される。この画像は、このように被検体７１を直線的に透過した透過光成分のみを集めて作ったものであるから、各画素のデータには、散乱光成分はほとんど含まれていず、きわめて精度の高いものとなる。
【００１６】
光ビームの断面積を２×２の画素の大きさに対応させた場合、光ビームの走査位置ごとに順次、固体撮像素子１２から、図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）…のような１枚ずつの画像データが読み出されて画像収集メモリ１４に格納される。ここでは画像のマトリクスを８×８とし、左上から右方向に走査し、２個分の距離移動しては停止し、右端に来たら２個分下がって左方向に２個分ずつ移動するものとしている。
【００１７】
この場合も、光ビームの位置が左上端の位置にあるときは図６の（ａ）のような画像が得られる。この画像において光ビーム位置の４個（２×２個）の画素のデータは、被検体７１を直線的に透過した透過光成分となっており、その周辺の画素のデータは散乱して曲がり近傍に広がった散乱光成分となる。この画像のうち上記の４個の画素のデータのみが抜き出される。このような操作が走査位置ごとに繰り返されて図６の（ｄ）で示すような１枚の画像が作成される。この作成画像は被検体７１を直線的に透過した透過光成分のみを集めて作ったものであるから、各画素のデータには、散乱光成分はほとんど含まれいず、きわめて精度の高いものとなる。そして、このように光ビーム走査位置のマトリクスを画像のマトリクスよりも粗い構成とすることにより、高精細画像を得ながら、全体の走査時間を短縮することができる。
【００１８】
光ビームの断面積が２×２の画素の大きさよりやや小さいものである場合には、各画素のデータは被検体７１を直線的に透過した透過光成分のみならず、散乱光成分も含むことになるが、散乱してごく近傍に広がったものであるため、離れた場所からの散乱光成分ではなく、一定の精度を保ったものとなる。
【００１９】
レーザ光源３１、３２、３３を順次切り換えて走査することにより、このような画像が３種類作成されることになる。光ビームの各波長をλ１、λ２、λ３とすると、各画像に関して、各画素のデータまたはそのデータの時間変化量から下記の原理を用いて、その画素の吸光度Ａ１，Ａ２，Ａ３または吸光度の時間変化量ΔＡ１，ΔＡ２，ΔＡ３が求められる。そして、各画素ごとに、各波長の吸光度または吸光度の変化量を用いて演算処理することにより、被検体７１中に含まれる特定の成分の濃度パラメータまたはその時間変化量を求めることが可能であり、各画素についてこの演算を行なうことによって、濃度パラメータまたはその時間変化量の分布（２次元画像）が求まる。
【００２０】
ある波長λｊ（ｊ＝１、２または３）の光に関して、入射光強度がＩｊ０であり、ある時刻ｔ付近で測定して得られたある画素のデータつまり透過光強度がＩｊｔで表わされるとする。被検体が均一な光吸収体であり、その吸収体の厚さがＬで、２種類の吸光物質ａおよびｂを含み、時刻ｔにおける各々の濃度がＣａｔおよびＣｂｔである場合を例として考えると、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、つぎの数式１が成り立つ。
【数１】

ここで、μｊｔは時刻ｔにおける吸収係数
Ａｊｔは時刻ｔにおける吸光度
εａｊおよびεｂｊは物質ａおよびｂの吸光係数
をそれぞれ表わす。
【００２１】
時刻ｔ’＝ｔ＋Δｔ付近で測定した時のその画素のデータつまり透過光強度をＩｊｔ’で表わすと、吸光度Ａｊｔ’も同様にしてつぎの数式２で表わされる。
【数２】

したがって、時刻ｔから時刻ｔ’への吸光度の変化量ΔＡｊは、Ｉｊ０が一定であるとすると、つぎの数式３
【数３】

で表わされる。
ただし、ΔＣａ＝Ｃａｔ’−ＣａｔおよびΔＣｂ＝Ｃｂｔ’−Ｃｂｔはそれぞれ物質ａ，ｂの各濃度の変化量を表わす。
【００２２】
吸光物質が２種類でない場合も同様である。また、吸収の他に散乱も存在する場合には、ＡｊｔやＡｊｔ’は減光度と呼ばれ、吸収係数の他に散乱係数も考慮する必要があるが、原理的には類似している。
【００２３】
たとえば、λ１＝７８０ｎｍ、λ２＝８０５ｎｍ、λ３＝８３０ｎｍとしたとき、ヘモグロビンおよびミオグロビンの酸素化した成分ｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、脱酸素化した成分ｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）の各時間変化量Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、Δｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）はそれぞれ近似的に次の式で表わされる。
Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）＝−３．０ΔＡ２＋３．０ΔＡ３
Δｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）＝１．６ΔＡ１−２．８ΔＡ２＋１．２ΔＡ３
そこで、これらの演算を行なうことにより、ｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、ｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）の各時間変化量Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、Δｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）のパラメータ分布像を得ることができる。
【００２４】
なお、上記は一つの例についての説明であり、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変更することが可能である。たとえば、レーザ光照射装置１０は、図３、図４の構成に限らず、照射する光ビームを一つの平面（たとえばＸ−Ｙ平面）内で平行走査することができるものであればよい。そのため、たとえばレーザ光源３１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３を一体に構成したブロック自体をＸ方向およびＹ方向に移動させることも考えられる。また、１次元配列のレーザ光源を移動させる構成としてもよいし、２次元配列のレーザ光源を用いてもよく、これらの場合は各レーザ光源を順次点灯させることになる。光ビーム走査のための機構は平面鏡を移動させるものに限らず、種々の機構を採用でき、オプティカルスイッチなどの光学的な手段を用いることも可能である。波長は３つ用いたが、１波長や２波長でもよいし、４波長以上用いてもよい。そして波長の切換は光学的な手段たとえばオプティカルスイッチなどを用いて行なうようにもできる。
【００２５】
さらに、凸レンズ１１の代わりに、多数の光ファイバを束ねてテーパー状に形成したマルチファイバ構造の光学素子（イメージファイバ）など、画像を縮小して伝達する特性を有する光学素子であれば、他のものも使用することができる。このようなマルチファイバ光学素子を凸レンズの代わりに用いるのであれば、被検体７１に密着するような形状のマルチファイバ光学素子２３と一体に形成する（というより、凸レンズの代わりのマルチファイバ光学素子の表面形状を被検体７１の表面形状に合わせる）ことも考えられる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の光透過映像装置によれば、被検体の表面に凹凸がある場合でも、それに対応する凹凸を有するマルチファイバ光学素子を被検体にあてがうため、凹凸のある被検体についてもその表面をマルチファイバ光学素子の入力側に密着させることができ、被検体から出てくる光を外部に逃すことなく撮像素子に導くことができて、被検体表面の凹凸に起因する位置ごとの感度むら（感度の位置依存性）を格段に改善でき、精度の高い画像データを得、画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す模式図。
【図２】同実施の形態の全体を示す模式図。
【図３】レーザ光照射装置の一例を示す模式図。
【図４】レーザ光照射装置の他の例を示す模式図。
【図５】画像マトリクスの一例を表わす図。
【図６】画像マトリクスの他の例を表わす図。
【符号の説明】
１０ レーザ光照射装置
１１ 集束用レンズ（凸レンズ）
１２ 固体撮像素子
１３ 読み出し回路
１４ 画像収集メモリ
１５、１６、１９ インターフェイス回路
１７ 画像処理メモリ
１８ ＣＰＵ
２０ 収集制御装置
２１ 表示装置
２２ 入力装置
２３ マルチファイバ光学素子
７１ 被検体
７２ 暗箱
３１、３２、３３ レーザ光源
４１、４２、４３ 平行光形成用レンズ
５１、５２ 平面鏡
６１ 選択スイッチ回路
６２ Ｘ方向駆動回路
６３ Ｙ方向駆動回路

Claims (1)

1. 細い光ビームを発生する光発生手段と、該光ビームを表面に凹凸のある被検体に対して２次元的に平行走査する走査手段と、該被検体の表面凹凸形状に実質的に沿うよう対応した表面凹凸形状を有するマルチファイバ構造の画像伝達手段と、該画像伝達手段により伝達された画像が入力される撮像手段と、該撮像手段の出力画像信号の、走査位置に実質的に対応する部分の信号を取り出して画像を作成する手段とを備えることを特徴とする光透過映像装置。

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