JP3878943B2 - Method and apparatus for measuring absorption information of scatterers - Google Patents
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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 measurement method and apparatus, an imaging method and apparatus, a fluoroscopy method and apparatus, a tomographic imaging method and apparatus, or a mammography method and 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 apparatus for measuring the temporal change in the concentration of a specific absorption component in a specific portion inside the scatterer and its spatial distribution, and also the specific absorption component inside the scatterer having variously shaped surfaces. The present invention relates to a method and an apparatus for measuring absorption information of a scatterer capable of noninvasively measuring the concentration distribution of the scatterer.
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 a biological tissue, which is a scatterer, using light. These include (a) using straight photon, and (b) heterodyne detection of coherent components. And (c) using scattered light, and (d) 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 straight light (baristic photon), pulsed light is incident on a measurement target, and a straight transmission component contained 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 of the output light. Therefore, the straight transmitted light can be detected by cutting out the light that first emerges from the measurement target with the ultra-high speed gate. This method has an advantage that a high spatial resolution like X-ray CT can be expected in principle. However, since almost all light is scattered in a scatterer within the measurement target, there is little or no trace of linearly transmitted component. As a result, the utilization factor of light during measurement becomes extremely poor, and taking into consideration the maximum light incident intensity (about 2 mW / mm 2 ) that can enter the living body, an extremely long time is required for imaging measurement and the like, which is not practical. In addition, signal light becomes extremely weak for large objects such as the head and arms, and measurement is impossible in practice.
(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, coherent high-frequency modulated light is branched, and one is incident on a measurement target. Then, the output light and the other high-frequency modulated light are caused to interfere with each other, the coherent component contained in the output light is heterodyne detected, 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 scattered light is disturbed by changing the flight time (or optical path length) and flight direction according to the degree of scattering, so that the multiple scattered light does not interfere and almost straightly transmitted light is transmitted. Detected. Therefore, in this case as well, in principle, a high spatial resolution is expected as in the previous example, but the light utilization rate is extremely poor, and it is extremely difficult to put it to practical use for measurement and imaging of living bodies. In addition, it is practically impossible to measure large objects such as the head and arms.
(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 a measurement object, and light (output light) scattered and propagated in the measurement object is detected and used. At this time, when pulse light having a sufficiently short pulse width with respect to the time response characteristic of the measurement target is incident, it may be considered as impulse light incidence, and the corresponding output light is represented by an impulse response. Such measurement is called time-resolved measurement (TRS), and measures internal information by measuring a time waveform of an impulse response. The method of entering continuous (CW) light is called CW measurement, and the measurement of entering modulated light is called phase modulation measurement (PMS). The former measures the time integral value 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 a signal including more information than the other two is obtained in time-resolved measurement (TRS). In addition, the phase modulation measurement (PMS) for sweeping the modulation frequency and the time-resolved measurement (TRS) of the impulse response contain almost the same information. In continuous (CW) measurement and phase modulation measurement (PMS), the signal processing method is greatly different. However, since the obtained signals contain essentially the same information, almost the same information can be measured. Since both methods use almost all output light, the light utilization rate is improved by an order of magnitude compared to the two examples (a) and (b). However, since the scattered light spreads over almost the entire area inside the measurement target or a fairly wide range, the above-described method cannot quantitatively measure a narrow specific part. Also, imaging and optical CT have extremely poor spatial resolution and are difficult to put into practical use.
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 included in the first part of the time-resolved output signal (impulse response waveform) are photons that are hardly scattered (photons that have not deviated too much), that is, the light incident position (light incident point) and the light detection position. It is a photon that has propagated near the straight optical path connecting (light receiving points). Therefore, if a signal from the time-resolved gate is used, photons that are detected by propagating near the straight optical path can be extracted, and spatial resolution such as imaging can be improved. This limit is the ballistic photon mentioned earlier. However, the time-resolved gate method developed or proposed to date cannot quantitatively measure the absorption component inside the scatterer. This is because a method for analytically describing a signal obtained by the time-resolved gate method has not been developed. That is, there is no known method for analyzing the signal obtained by the time-resolved gate method based on the light diffusion theory and using it for quantifying the absorption component. Even if a method of analysis based on the light diffusion theory is developed, an essential problem caused by the light diffusion theory, that is, measurement of scatterers with various external shapes when diffusion approximation is not established. The problem remains that is impossible. From the above, the time-resolved gate method can improve the spatial resolution, but has a big 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 “quantitative measurement of internal information such as absorption components cannot be performed” while taking advantage of the above-mentioned conventional time gate method that “high spatial resolution can be obtained”. To do. Specifically, the present invention has found a method (basic relational expression) for describing the behavior of light inside scatterers having different shapes, and a method for applying this basic relation to the time-resolved gate method, and uses this relation. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring the concentration change and absolute value of a specific absorption component in various shapes of a scatterer without being affected by the outer shape of the scatterer and with high spatial resolution. And the present invention greatly improves the measurement accuracy related to the specific absorption component of the specific portion, and can measure the temporal change and spatial distribution of the living body measurement method and apparatus, imaging method and apparatus, fluoroscopy method, and It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring absorption information inside a scatterer such as an apparatus, a tomographic image analysis method and apparatus, or a mammography method and 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 of a predetermined wavelength, and the pulsed light is spot-shaped at a light incident position on the surface of a scatterer that is a measurement object. A second step incident on the surface of the object to be measured, a third step of receiving the light propagating through the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer, and a part of the optical signal obtained in the third step as time. A fourth step of obtaining a measurement signal corresponding to the cut-out signal, and repeating the first to fourth steps at a plurality of different timings, and a plurality of the plurality of the obtained at the plurality of timings. A fifth step of deriving a time integration value and an average optical path length for each of the measurement signals; and the change amounts 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 among the change amount of the absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration change amount of the absorption component, the plurality of timings You may further provide the 7th step which calculates the variation | change_quantity of the density | concentration of the absorption component produced in the meantime.
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 among the plurality of time integral values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration change amount of the absorption component, 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、ヒトを除く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、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、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を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき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。
また、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所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第2の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第2の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することとしてもよい。
また、前記第5ステップにおいて、散乱係数をμs、吸収係数をμa、光速度をc、前記光信号に対応する時間tの関数であるインパルス応答をs(μs,t)exp(−μact)、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をt=[t1,t2](t1<t2)、とそれぞれしたときに、前記平均光路長LT(μs,μa)を以下の式
Further, in the fifth step, a second time integrated value obtained by multiplying each of the plurality of measurement signals by a time from a predetermined reference time is derived, and the time integrated value and the second time are calculated. The average optical path length may be derived based on the integral value.
In the fifth step, the scattering coefficient is μ s , the absorption coefficient is μ a , the speed of light is c, and the impulse response that is a function of the time t corresponding to the optical signal is s (μ s , t) exp (− μ a ct), and when the predetermined extraction timing and extraction time are t = [t1, t2] (t1 <t2), the average optical path length L T (μ s , μ a ) is expressed by the following equation:
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 among the difference in absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the difference in concentration of the absorption component, the plurality of measurement positions The method may further include a seventh step of calculating a difference in the concentration of the absorption component at.
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。 Further, in the sixth step, based on a predetermined relationship among the plurality of time integral 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, You may calculate the density | concentration difference of the absorption component between several measurement positions.
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。 According to the third method for measuring absorption information of a scatterer of the present invention, a first step of generating pulsed light having different wavelengths that can be regarded as being equal to or equal to a scattering coefficient with respect to the measurement object, and the pulsed light to be measured A second step of entering the light incident position on the surface of the scatterer that is an object in the form of a spot; a third step of receiving light propagating through 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 cut out in terms of time, and a measurement signal corresponding to the cut out signal is obtained in such a way that the respective time relationships with the pulsed light of different wavelengths are the same. 4 steps, a fifth step for 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 among the difference in absorption coefficient obtained in the sixth step, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component with respect to the pulsed light of the different wavelength, and the concentration of the absorption component, You may further provide the 7th step which calculates the density | concentration of an 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。 Further, in the sixth step, a predetermined value among the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, an absorption coefficient per unit concentration of the absorption component with respect to the pulsed light having the different wavelength, and a concentration of the absorption component Based on the relationship, the concentration of the absorption component may be calculated.
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 acquired corresponding to the pulsed light of different wavelengths at the plurality of light detection positions, and the fifth step In the step, a time integration value and an average optical path length are derived for each of the plurality of measurement signals, and in the sixth step, the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and the different wavelengths of the 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。 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, and the sixth step is performed for each of the plurality of measurement positions by the scanning. It is also possible to further include an eighth step of calculating the concentration of the absorption coefficient obtained in step (1) to calculate a tomographic image of the concentration 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。 The apparatus for measuring absorption information of a first scatterer according to the present invention includes a light source that generates pulsed light of a predetermined wavelength, and the pulsed light is incident in a light incident position on the surface of the scatterer that is a measurement object. A light incident part, a light receiving part that receives light propagating inside the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer, and a part of the optical signal obtained by the light receiving part in time, A signal detection unit that acquires a measurement signal corresponding to the cut out signal, and performs measurement to acquire the measurement signal at a plurality of different timings, and each of the plurality of measurement signals obtained at the plurality of timings Based on a predetermined relationship between the first calculation unit for deriving the time integration value and the average optical path length, and the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and the amount of change in the 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 the amount of change in the absorption coefficient obtained by the second calculation unit, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration change amount of the absorption component. Based on the predetermined relationship, the amount of change in the concentration of the absorption component generated during 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 calculation unit, based on a predetermined relationship among the plurality of time integral values, the plurality of average optical path lengths, an absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and a concentration change amount 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、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、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を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な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。
また、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所定の基準時刻からの時間を乗じた値の第2の時間積分値を導出し、前記時間積分値及び当該第2の時間積分値に基づき前記平均光路長を導出することとしてもよい。
また、前記第1の演算部は、散乱係数をμ s 、吸収係数をμ a 、光速度をc、前記光信号に対応する時間tの関数であるインパルス応答をs(μ s ,t)exp(−μ a ct)、前記所定の切り出しタイミング及び切り出し時間をt=[t1,t2](t1<t2)、とそれぞれしたときに、前記平均光路長L T (μ s ,μ a )を以下の式
Further, the first calculation unit derives a second time integrated value obtained by multiplying each of the plurality of measurement signals by a time from a predetermined reference time, and the time integrated value and the second The average optical path length may be derived on the basis of the time integral value.
In addition, the first arithmetic unit has a scattering coefficient as μ s , an absorption coefficient as μ a , a light velocity as c, and an impulse response as a function of time t corresponding to the optical signal as s (μ s , t) exp. (−μ a ct), when the predetermined cutting timing and cutting time are t = [t1, t2] (t1 <t2), the average optical path length L T (μ s , μ a ) is as follows: Formula of
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 calculation unit further includes a predetermined difference between the absorption coefficient difference obtained by the second calculation unit, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component, and the concentration difference of the absorption component. 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 integral 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 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。 A third scatterer absorption information measuring apparatus according to the present invention includes a light source that generates pulsed light having different wavelengths that can be regarded as being equal to or equal to the scattering coefficient of the measurement object, and the pulsed light is measured by the measurement object. A light incident portion that is incident in a spot shape on a light incident position on the surface of a scatterer; a light receiving portion that receives light propagating through the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer; and the light receiving portion. A signal detector that temporally cuts out a part of the optical signal obtained in step (b) and acquires a measurement signal corresponding to the cut-out signal so that each time relationship with respect to the pulsed light of different wavelengths is the same; A first arithmetic unit that derives a time integral value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals, and a difference between the plurality of time integral values, the plurality of average optical path lengths, and an absorption coefficient; 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 calculation unit further includes a difference in absorption coefficient obtained by the second calculation unit, an absorption coefficient per unit concentration for the pulsed light of the different wavelength of the absorption component, and a concentration of the absorption component 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。 Further, in the second arithmetic unit, the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration for the pulsed light of the different wavelength of the absorption component, 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。 Furthermore, the light receiving unit receives light at a plurality of light detection positions, and the signal detection unit acquires measurement signals corresponding to the pulsed light of different wavelengths at the plurality of light detection positions, respectively. The first calculation unit derives a time integration value and an average optical path length for each of the plurality of measurement signals, and the second calculation unit includes the plurality of time integration values, The concentration of the absorption component is calculated based on a predetermined relationship among the plurality of average optical path lengths, the absorption coefficient per unit concentration of the absorption component with respect to the pulsed light having the different wavelength, and the concentration of the absorption component. It is preferable that there is.
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, the light incident position in the light incident part and the light detection position in the light receiving part are scanned along the outer periphery of the scatterer that is a measurement target, and the second calculation is performed for each of the 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 absorption information of a scatterer of the present invention, the concentration change or absolute concentration of a specific absorption component inside a scatterer having an arbitrary shape made of a non-re-incident surface, It becomes possible to measure with high spatial resolution. Therefore, according to the present invention, it is possible to greatly improve the measurement accuracy relating to the specific absorption component of the specific portion, and to measure the temporal change and the spatial distribution with high spatial resolution without being affected by the outer shape of the scatterer. It is possible to provide a biological measurement method and apparatus, an imaging method and apparatus, a fluoroscopy method and apparatus, a tomographic image analysis method and apparatus, or a method and apparatus for measuring absorption information inside a scatterer such as 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 are clarified, and then the principle of the present invention is 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。 In general, the behavior of photons inside a scatterer is analyzed by a light diffusion equation based on the Photon Diffusion Theory. In other words, the behavior of light inside the scatterer is approximated by the light diffusion equation, and by solving this equation, the relationship between the optical characteristics of the measurement object or the optical constant and the output light is obtained, and 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, boundary conditions must be set. However, since the boundary condition largely depends on the shape of the scatterer, in order to perform accurate measurement, it is necessary to set a new boundary condition and solve the light diffusion equation every time the shape of the scatterer changes. However, scatterers that can be set accurately to the extent that there are boundary conditions are limited to extremely simple shapes such as an infinite space, a semi-infinite space, an infinite length cylinder, an infinitely wide finite slab, and a sphere. As a result, it is indispensable to use the approximate boundary condition in measurement of a living tissue or the like whose shape is not simple, which causes a large measurement error. Such problems are described, for example, in recent literature; 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.The above problems can be summarized as follows: “A measurement method that can be applied uniformly to scatterers with different shapes has not been developed, and scattering with different shapes has not been achieved in the prior art. It is impossible to accurately measure the concentration of the specific absorption component 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, a relational expression that can be applied uniformly to scatterers having different shapes will be disclosed first, and then this relational expression will be applied to the time-resolved gate method to disclose a method for quantifying the absorption component. In the apparatus and method of the present invention that can improve the spatial resolution and quantify the internal information such as the absorption component, 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 measure the inside of a scatterer such as a living tissue noninvasively, light is incident on the surface of the scatterer, and the light propagated inside the scatterer is received at other positions 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 photon is strongly scattered by the scattering component inside the scatterer, and its 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) that have traveled through various zigzag optical paths. The 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 speed of light in the medium, and Lambert's law holds. That is, the survival rate of each photon when the absorption coefficient was mu a becomes exp (-cμ a t). That is, when a light pulse composed of a large number of photons is incident from position P and received at position Q, many photons that have passed through various optical paths are detected at time t. amount, i.e. the survival rate is proportional to exp (-cμ a t). In the above description, since the macroscopic refractive index of the living body is a constant value substantially equal to the refractive index of water, the light velocity c is regarded as a constant. Hereinafter, the above fact is referred to as a micro bear Lambert law.
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 the above expression does not include variables related 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 in 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-re-incident 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 track 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 FIGS. 3 (a) and 3 (b). A photon propagated through a narrow portion indicated by a solid line hatch (T 1 ) is detected, and the spatial resolution is improved. Here, FIG. 3A shows a configuration of transmission type measurement, and FIG. 3B shows a configuration of reflection type measurement. Further, when the cutting time T = t 2 −t 1 is increased (T 1 → T 2 → T 3 ), the chain diagonal hatch (T 2 ) and the chain vertical in FIGS. 3 (a) and 3 (b). As shown by the line hatch (T 3 ), photons that have sequentially propagated through a wide part are detected, so that the amount of light (or signal amount) 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, when a part of the output signal J (μ s , μ a , t) is cut out, if the cut-out timing is delayed, a portion to be measured is shown as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). It can be changed (t 1 → t 2 ). Such measurement can also be realized by measuring the difference between two signals obtained at different time gates. In other words, the fact that the information after the output signal J (μ s , μ a , t) is cut out is used to include more peripheral information. Therefore, in the present invention, the segmentation time T = t 2 −t 1 and the segmentation timing can be controlled to select a region for obtaining 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。 However, FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B are general photon track ranges that occupy a certain proportion of the photons contained in the detection light (output signal). Is shown. Accordingly, the detected photons 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 for calculating information related to absorption from the measured value using the equation (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 absorption component is included in the medium, and its concentration 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 exactly the same as when ink is put into milk. If s (μ s , t) or the scattering coefficient μ s does not change before and after the change, if the measurement position (pulse light incident position and light detection position) is fixed and measured, the average optical path length L T (μ s , μ a ) is a function of the absorption coefficient μ a , and Equation (6) is established for the measured values before and after the change. Therefore, the following equation is derived from the 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。
Furthermore, in this case, the average optical path length L T (μ s , μ x ) is calculated using the coefficient α,
) Is a monotone function, and since the values in μ a1 and μ a2 are generally equal, α = 1/2 may be set. Also, the average optical path lengths L T (μ s , μ a1 ) and L T (μ s , μ a2 ) are expressed by the centroid (average time) of the waveform of the measurement signal as shown in the above equation (5). It can be obtained by calculating (delay). That is, the value of the equation shown in the second row of the above equation (5) is calculated. Here, since c is the speed of light in the medium, it can be known by a known method or another method. A term included in the numerator and denominator, that is, s (μ s , t) exp (−μ a ct) = A is an output signal J (μ s , μ a , t) is multiplied by 1 / b. This coefficient b can be taken out of the integration operation and is deleted because it is included in both the numerator and denominator. That is, in the above calculation, the same result can be obtained regardless of whether A is used or the measured value J (μ s , μ a , t) which is bA. Therefore, the numerator integrates tJ (μ s , μ a , t) and the denominator integrates J (μ s , μ a , t) with respect to t from t 1 to t 2 , respectively. The calculation of these two terms and their ratio can be performed at high speed using a computer. In addition to the method of calculating the numerator and denominator of the second row of the equation (5) directly as described above, there are various equivalent methods for calculating the center of gravity. In either case, the calculation result is the average flight time, and the average optical path length is obtained by multiplying by c.
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 concentration change measurement of absorption components)
The above method can be applied to measuring temporal changes in the concentrations of plural types of absorption components using pulsed light having different wavelengths while fixing the measurement position. Furthermore, if such a measurement is repeated at a plurality of locations along the outer periphery 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 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 object held so that the thickness is constant, and the measurement value at an arbitrary position is used as a reference value. By doing so, it is also possible to measure the distribution of the difference with respect to the reference value of the concentration of the absorption component inside the scatterer. 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 measurement according to the present invention, the spatial resolution is improved by shortening the gate time (cutout time). Further, the part (or part) to be measured can be controlled by changing the gate timing. Specific application examples include fluoroscopic devices, optical CT, and clinical monitors used for surgery and treatment in addition to optical mammography.
(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 case where measurement is performed using two types of pulsed light having wavelengths λ 1 and λ 2 , that is, a two-wavelength spectroscopic measurement method will be described. Now, the absorption coefficient of the scattering medium containing one absorptive constituent has the time mu a1 wavelength lambda 1, and a time mu a2 wavelength lambda 2. The scattering coefficients μ s1 and μ s2 of the medium at the wavelengths λ 1 and λ 2 are the same or approximately equal. Such a condition is easily realized by selecting a 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。
When the two-wavelength spectroscopic measurement is performed at two types of detection distances (light incident-light detection position distance), the above-described coefficients b 1 / b 2 can be eliminated. That is, the coefficient b 1 / b 2 is erased by utilizing the fact that the coefficient b 1 / b 2 does not depend on the light incident-light detection position. In this case, the equation (17) is 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 absorption component concentration)
It is possible to measure the spatial distribution of the concentration of the absorption component by performing the above-described measurement at multiple locations. In this case, since the measured value of the concentration of the absorption component is measured independently, the detection distance (light incident-light detection position distance) 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 outer shapes that cannot be reincident with high spatial resolution. At this time, the spatial resolution is controlled by the above-described clipping time T = t 2 −t 1 and its timing. Specific application examples include optical mammography, fluoroscopy, and optical CT. In these, methods such as light reception at a plurality of locations, scanning of light incident positions and light detection positions, and time-division measurement are used. Further, image reconstruction calculation as seen in CT is performed as necessary. 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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, in the following description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
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 pulsed 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 propagating through 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 above measurement signal may be acquired by another method, for example, as shown in FIGS. 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, other dynodes, or the anode. Further, a gate operation can be performed by applying a pulse voltage in the avalanche photodiode. The streak camera also has a time gate function. In these cases, photoelectric conversion and 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。
The
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
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, pulsed light having one wavelength is used, but in practice, pulsed light having two or more wavelengths can be used. Furthermore, pulsed light can be incident from one light incident position, and propagating light can be detected at two or more light detection positions. These may be detected in parallel or in time division.
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。
The means for injecting light into 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 the 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, the 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, 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。
The
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 propagating through 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。
The
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 measurement position is changed 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 entering the pulsed light of n types of wavelengths has been described. However, it is also possible to turn on the pulsed light of the n types of wavelengths at the same time and make it incident coaxially. In this case, there is also a method of selecting a wavelength with 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。
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 an 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 pulsed 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。
The
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 arithmetic processes are executed at high speed by a microcomputer or the like incorporated in the first and second arithmetic 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 made constant. However, the relative positional relationship may be made 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. Furthermore, the relative positional relationship between the light incident position and the light detection position of the above-described pulsed light can be variably controlled in three dimensions to obtain a CT that performs 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 (10)
前記パルス光を、ヒトを除く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、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、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を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な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 in which the pulsed light is incident in a spot shape on a light incident position on the surface of a scatterer that is a measurement object excluding a human ;
A third step of receiving the light propagated inside the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer;
A fourth step in which a part of the optical signal obtained in the third step is temporally cut out at a predetermined cut-out timing and cut-out time, and a measurement signal corresponding to the cut-out signal is acquired;
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 a plurality of the measurements obtained at the plurality of measurement positions are performed. A fifth step of deriving a time integral value for each of the signals and deriving a temporal average optical path length based on the time integral value and the measurement signal for each of the plurality of measurement 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 integral values, the plurality of average optical path lengths, and the difference in absorption coefficient;
Measurement method of absorption information of that scattering bodies be characterized in that it comprises a.
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、所定の切り出しタイミング及び切り出し時間で切り出し、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を導出し、前記複数の測定信号のそれぞれに対して当該時間積分値及び当該測定信号に基づき時間的な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 that generates pulsed light of a predetermined wavelength;
A light incident portion that incidents the pulsed light in a spot shape on a light incident position on the surface of a scatterer that is a measurement object;
A light receiving unit that receives light propagating through the measurement object at a light detection position on the surface of the scatterer; and
A signal detection unit that obtains a measurement signal corresponding to the cut out signal by cutting out a part of the optical signal obtained by the light receiving unit temporally at a predetermined cutout timing and cutout time ;
The measurement is performed by acquiring the measurement signals at a plurality of different measurement positions while fixing the distance between the light incident position and the light detection position, and a plurality of the measurement signals obtained at the plurality of measurement positions are measured. A first calculation unit that derives a time integral value for each of the plurality of measurement signals, and derives a temporal average optical path length based on the time integration value and the measurement signal for each of the plurality of measurement signals ;
A second computing unit that computes an absorption coefficient difference between the plurality of measurement positions based on a predetermined relationship among the plurality of time integration values, the plurality of average optical path lengths, and the 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 among the plurality of time integral 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 any one of claims 6 to 8 , wherein a concentration difference of an absorption component between a plurality of measurement positions is calculated.
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