JPH05261109A - 光ct画像装置 - Google Patents

光ct画像装置

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JPH05261109A
JPH05261109A JP4063055A JP6305592A JPH05261109A JP H05261109 A JPH05261109 A JP H05261109A JP 4063055 A JP4063055 A JP 4063055A JP 6305592 A JP6305592 A JP 6305592A JP H05261109 A JPH05261109 A JP H05261109A
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文男 川口
Yukito Shinohara
幸人 篠原
Munetaka Haida
宗孝 灰田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】散乱性物体のLSF関数とその物体の散乱透過
光強度を利用して散乱性物体の内部情報を計測する。 【構成】レーザ光源12−1、12−2と光スイッチ1
5−1、15−2、光ファイバ13−4を用いて生体に
光を照射し、生体を透過した光の強度を、光ファイバ1
3−5、光スイッチ15−2、光検出器17−1、17
−2により測定する。測定したデータとメモリ装置19
−2に記憶させた生体の寸法、LSF等を用いてマイク
ロコンピュータ19−1で演算を行い、その結果、得ら
れた生体の内部情報を表示装置19−3に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】光散乱性物体の吸収係数の測定に
関し、方法及び医用画像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】生体の断層像の計測にはX線CTが広く
用いられている。特に医療用としては手術をすること無
く生体内部の様子を知ることが出来る為広く普及してい
る。しかし、その一方では、X線による放射線障害を無
視出来ないという問題点がある。そこで、この様な問題
を解決するための一つの方法として、X線の代わりに光
を用いたCT装置が考えられている。
【0003】この様な光CT装置を実現するためには光
により生体内の情報を測定することが必要である。この
様な試みとしては次のような報告がある。
【0004】1977年にフランシス・フレデリック・
エプシスは成人の頭部に赤外線を照射し、透過光の強度
変化から成人頭部内で生じた生理的変化を光を用いて計
測した。この変化は生理的な変化に対応して生じた光吸
量の変化を初めて計測したものであり、その内容は特許
出願公開、昭57−115232号公報に詳細に述べら
れている。この特許の中で光CT装置に関することが述
べられているが、そこでの記述は、X線CTのX線を単
に光に置き換えて構成するという考えに基ずいている。
【0005】一方、光を用いて生体の部情報を測定する
装置として特許出願公開、平2−163634号公報に
示されているようなものもある。この装置は散乱体に光
を照射し、その、光の照射点の近傍に反射されてくる光
を検出する事により、生体の内部の情報を計測する方法
を用いている。
【0006】このほか、光散乱体の吸収特性を光ヘテロ
ダイン法とよばれる微弱光測定法によって測定し、光C
T画像を得たとの報告もある。(戸井田、他1名 散乱
光に埋もれた微小信号光の計測 BME誌、Vol.
4,No.41990,p12-23)しかし、光ヘテロダイン法
によって散乱体の透過光を測定した場合、透過光の強度
が非常に小さくなるため、厚さの厚い試料に対してこの
方法を適用することには困難が多い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一般に断層像撮像装置
では断層像の構成方法としてバックプロジェクション法
として知られている方法が用いられている。この方法で
は、プロジェクションとよばれているデータを利用す
る。今、物体の2次元的な特性分布をf(x,y)と
し、その物体をある方向から見たとき、図2に示すよう
に、物体を貫く直線に沿ってf(x,y)を積分するこ
とができる。この積分値は積分路である直線の位置に応
じてその値が定まるので、一つの方向について直線位置
に対応した一連の積分値がえられる。この一連の積分値
がプロジェクションとよばれるデータである。
【0008】図2において21は断層像を得るための試
料物体を表わす。22−1はある方向から物体を貫く直
線である。22−2はその直線に沿ってf(x,y)を
積分することによって得られる一連の積分値、即ち、プ
ロジェクションデータである。23−1は異なる方向か
ら21を貫く直線である。23−2は23−1に沿って
f(x,y)を積分して得られるプロジェクションデー
タである。
【0009】このようなプロジェクションデータを多く
の方向について測定し、そのデータから演算により物体
の特性分布であるf(x,y)を求める方法がバックプ
ロジェクション法である。
【0010】このバックプロジェクション法を用いる為
には物体を貫く直線を積分路とする特性分布の積分値が
必要である。X線CTの場合はX線が直線的に物体を透
過するため正確なプロジェクションデータを測定する事
が出来る。しかし、光を利用してプロジェクションデー
タを測定しようとしても、物体が生体のような散乱体の
場合には光は物体中を直進することが出来ないため正確
なプロジェクションデータを測定することが出来ない。
そのため、単にX線CTのX線の代わりに光を用いたの
では断層像撮像装置を実現することは出来ない。
【0011】本発明の目的は散乱体へ照射した光の散乱
透過光強度分布から散乱体のプロジェクションデータを
算出し、その値を用いてバックプロジェクション法によ
り断層像を構成し、光CT装置を実現することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】光散乱性物体の特性を新
たに導入したLine Spread Function(以後LSF関数)
と名付けた特性関数で表す。そして、そのLSFと散乱
体の散乱光透過率測定値とを用い、散乱体への入射光が
直線的に散乱体中を透過すると仮定した場合の、光の透
過率を算出する。さらに、その算出値を用いて、散乱体
の断層像を構成する。
【0013】
【作用】光散乱性物体の特性を表すLSF関数を用い
て、その物体の吸収係数を測定する方法について説明す
る。物体中での光の散乱は3次元的に記述されるが、こ
こでは、説明を簡単にするため2次元的な図面を用いて
説明を進める。まず、図3に示すように厚さLが一様な
物体に、幅がΔxの細い平行光束が垂直に入射した場合
を考える。物体の表面上を幅Δxで分割し番号を付け、
その番号で物体への光の入射点を表すことにする。
【0014】物体が透明な場合、光は入射点nから射出
点まで物体中を直線的に進む。また、点nに入射した光
が物体中を直線的に透過する光路をPnとし射出点も番
号nで表すことにする。
【0015】透明物体中に散乱源が含まれている場合に
は光束は物体中を進むにつれて散乱によって拡がり、物
体の裏面では光束の直径が大きくなった状態になる。
【0016】これらの散乱の原因としては、物体中に含
まれる微粒子や、屈折率が変化している界面での反射な
ど、いろいろな要因が考えられる。このような散乱源は
物体中を局部的に見た場合はランダムに、しかし、全体
的には均一に分布しているとみなせる。
【0017】今、吸収のない散乱体を透過する光につい
て考えてみる。強度Iiの光が入射点oに入射した場
合、射出点oへ透過してくる光の強度Iosは数式1で
表せる。
【0018】
【数1】
【0019】但しSは散乱係数、Lは物体の厚さであ
る。
【0020】射出点oへ達する光束は全てが同一の光路
を通ってくるわけではなく、散乱によって、分岐しなが
ら、多くの光束に別れ、その別れた各光束がそれぞれ異
なった光路を通過して、射出点nに到達すると考えた方
が自然である。
【0021】そこで、物体への入射光束は多数の素光束
からなり,散乱によってその各素光束が次々に拡散して
広がって行くと考える。
【0022】すなわち、多数の素光束を一本に束ねたよ
うな光束が物体に入射し、はじめは、入射点oに対応し
た光路Poにそって物体中を進む。そして、散乱源に出
会ごとに光束を構成する素光束の何本かが散乱されその
光路を変更する。このような散乱による光路の変更を繰
り返しながら、初めは一本にまとまっていた各素光束が
しだいにばらばらに広がって物体の裏面に到達する。
【0023】つぎに、入射点oに入射し物体の裏面に達
した各素光束の中から、射出点oを透過する光束だけに
ついて考え、それらの素光束をBmで表す。mは各素光
束につけた番号である。そのような素光束のうちの1本
について散乱の様子を図4にしめす。図4に示すように
物体へ入射した光束は、初めは光路Poをすすむ。そし
て、散乱源に出会う度に光路変更を繰り返しながら射出
点oに達する。
【0024】光束Bmが物体に入射してから物体を透過
するまでの途中にいろいろな光路を透過するが、n番目
の光路Pnを透過したときの透過部分の長さをΔLnm
とする。ただし、このΔLnmの値や、透過部分が物体
表面からどの程度の深さの部分であるのかは入射光の多
重散乱の様子によって決まるため各素光束ごとに異なり
その値は不規則に変化している。
【0025】次にこの散乱体が吸収性物質である場合に
ついて考えてみる。今までに述べた散乱の様子は変化し
ないが、射出点へ達する光の強度が吸収により減衰す
る。例えば、素光束が物体透過の途中に通過する光路P
nの光束透過部分の局所的な平均吸収係数をA(n,l)
とし、Bmが物体に入射したときの光束の強度をIim,
物体から射出する時の強度をIomとすると、Iomは次の
ような数式で表される。
【0026】
【数2】
【0027】光路P0の射出端oを通り物体を透過する
光束の強度Ioは各素光束の強度の和となるので、次の
式で表される。
【0028】
【数3】
【0029】吸収係数A(n,l)の値が小さい場合に
は数式3は次のように近似できる。
【0030】
【数4】
【0031】数式4の右辺2行目、第1項は吸収のない
場合の散乱透過光の強度であるため、この値はIosと
なる。右辺の第2項は、各光路についてその光路を透過
する素光束の強度Iimとその光束の透過光路の長さΔ
Lnm、そして、透過位置の吸収係数A(n,l)の積
を計算し、各素光束に対するその積の和を求める。そし
て、さらに、全光路についてその積算値の和を求めるこ
とを意味している。
【0032】図4に光路Pnを透過する各光束の様子の
一例を示す。各素光束が透過する物体表面からの深さl
は前述のとうり各光束ごとに異なった値となり、また、
その値は不規則となっている。従って、各素光束の透過
場所の吸収係数A(n,l)も各素光束ごとに異なった
値となる。この値と各素光束の強度ΔIimや透過光路
長ΔLnmとは散乱によって決まる量であるため、互い
に相関はないと考えられる。そのため、数式4のように
多くの項の和を求める場合、各素光束の透過場所の吸収
係数A(n,l)を光路Pnの平均吸収係数Aav
(n)で置き換えて近似することができる。この各光路
の平均吸収係数Aav(n)は次の数式で表される。
【0033】
【数5】
【0034】従って数式4は次のように表される。
【0035】
【数6】
【0036】ここで、この式の一部を次のように表す。
【0037】
【数7】
【0038】ここに現れた関数LSF(n)は分数式と
なっており、その分子は入射点からn番目の光路Pnを
透過する各素光束について、その強度Iimと透過光路
長ΔLnmの積の和であり、分母は吸収が無いときの散
乱透過光強度Iosと光路長L(n)の積となってい
る。この分母は分子の値を規格化するためのものであ
る。この式の値は吸収が無い時に、射出端に透過して来
る光に対して各光路を透過する散乱光の強度の割合を表
している。従って、この関数LSF(n)は散乱による
光の拡散を反映した関数であることがわかる。
【0039】物体中の散乱源は均一に分布していると考
えられるため物体中での光の拡散は光の入射点にたいし
て左右対称に拡散する。そのため入射点から等距離にあ
る光路nと光路(−n)を透過する光の強度は等しくな
り、
【0040】
【数8】LSF(n)=LSF(−n) となりこの関数が偶関数であることがわかる。
【0041】この様な関数LSFを用いることにより数
式6は次のような形になる。
【0042】
【数9】
【0043】以上の説明では光束の入射点をoとしてき
たが、入射点を任意の点n’としたときの射出点n’の
透過光強度Io(n’)を求めるとIo(n’)は次式
のようになる。
【0044】
【数10】
【0045】次に入射点n’に同じ強度の波長λ1とλ
2の光を入射した場合を考えてみる。それぞれの波長で
の透過光の強度は数式9で与えられる。さらにこの二波
長の透過光の強度差ΔIo(n’)を求めると次のよう
になる。
【0046】
【数11】
【0047】ここでΔAav(n)は光路Pnにおける
波長λ1とλ2の光の平均光吸収の差を表す。
【0048】物体中での散乱の様子には波長依存性が少
ないため、二波長の波長差が少ない場合には各波長での
LSF(n)は同じであるとみなせる。この場合にも波
長λ1とλ2のLSF(n)を等しいとしている。
【0049】このように散乱性物体の各光路における2
波長の透過光強度差ΔIo(n)と平均吸収係数Aav
(n),散乱係数S、LSF(n)及び、散乱体の寸法
L(n)との関係が数式11のように与えられる。本発
明では、ΔIo(n)と散乱係数S,散乱体寸法L
(n)を実測により、そして、LSF(n)をモンテカ
ルロ法などのシュミレーションあるいは実験などにより
求める。さらに、それらの値を数式11に代入し、演算
により各光路の平均光吸収の波長差ΔAav(n)を求
める。
【0050】数式11を用いて具体的にΔAav(n)
を求めるためにはフーリエ変換を利用する。すなわち数
式11の両辺をフーリエ変換すると、数式11の右辺が
LFS(n)とΔAav(n)・L(n)とのコンボリ
ューションの形式になっているため右辺のフーリエ変換
はLSF(n)のフーリエ変換とΔAav(n)・L
(n)のフーリエ変換の積として与えられる。そのた
め、フーリエ変換の記号をF{ }であらわすと次のよ
うになる。
【0051】
【数12】
【0052】この式を変形すると次のようになりAav
(n)・L(n)のフーリエ変換が得られる。
【0053】
【数13】
【0054】各光路の平均光吸収Aav(n)・L
(n)は数式13の逆フーリエ変換を計算することによ
り求めることができる。L(n)は試料の形状として値
が計測できるので数式13の逆フーリエ変換によって求
めた値から各光路の平均光吸収係数を算出することがで
きる。
【0055】本発明は以上のような方法で散乱性物体中
の各光路の平均光吸収を求めその値を用いて前述のバッ
クプロジェクション法により断層像を得るものである。
このバックプロジェクション法の詳細については、例え
ば、Image Reconstruction from Projection (T.H
erman著、Academic Press)に述べられている。
【0056】
【実施例】
(実施例1)図1に本発明の実施例の一つを示す。本実
施例は生体の体内血液分布を計測するための装置であ
る。この装置の構成は概略的に、計測用の光を生体資料
へ照射するための照明用光学系と生体試料の透過光を検
出するための検出用光学系、それに、検出した光データ
を処理するためのデータ処理系に大別できる。
【0057】11は計測の対象となる生体である。照明
用光学系は光源として用いるレーザダイオード12−1
と12−2、合波器14−1、それに光スイッチ15−
1、それにレーザダイオードと合波器、合波器と光スイ
ッチ、光スイッチと生体試料の間で光を伝達するための
光ファイバ13−1〜13−4からなる。レーザダイオ
ード12−1のレーザ光波長は0.57μm、12−2
は0.7μmである。
【0058】検出用光学系は光スイッチ15−2、分波
器14−2、光検出器17−1、17−2それに生体試
料11と光スイッチ15−2、光スイッチと分波器14
−2、分波器14−2と光検出器17−1、17−2と
を結ぶ光ファイバ13−5〜13−8からなる。
【0059】光ファイバ13−4と13−5の生体への
接触部分は生体を間に挾んで向かいあった方向となって
いる。また、13−4の各素線ファイバから生体に照射
した光が直線的に生体を透過したと仮定し、その仮定光
線の光軸上に13−5の素線ファイバ端が位置するよう
に配置されている。
【0060】データ処理系はAD変換器18−1、18
−2、データ処理用のマイクロコンピュータ19−1と
そのマイクロコンピュータに接続したメモリー装置19
−2、それに処理データのディスプレイ装置19−3か
らなる。16は光スイッチ15−1と15−2を同期さ
せて動作させるためのクロック信号発生器である。
【0061】次に本装置の動作について説明する。
【0062】レーザ12−1と12−2からの光を光フ
ァイバによって合波器へ導き、合波器により重ねあわせ
る。重ねあわせた光を光スイッチ15−1に導き、さら
に光スイッチにより選択された光ファイバ13−4のう
ちの一本に導入する。そして、その光ファイバを通して
レーザ光源の光を生体に照射する。
【0063】生体に照射したレーザ光は散乱を繰り返し
ながら生体を透過する。生体を透過した光は光ファイバ
13−5に入射する。これらの光は光ファイバを通して
光スイッチ15−2へ導かれる。この光スイッチ15−
2は、光ファイバ13−5を構成する多くの光ファイバ
の中から、生体へ光を照射した光ファイバに対向する位
置に配置された一本の光ファイバを選択し、そのファイ
バへ入射した光を分波器14−2に導く。
【0064】この分波器は入射した光をその波長により
分離し、波長0.57μmの光を光ファイバ13−6を
通して光検出器17−1に伝送する。一方、波長0.7
μmの光を光ファイバ13−8を通して光検出器17−
2に導く。そして、これらの光検出器により生体試料を
透過したレーザ光の強度を電気信号に変換する。光検出
器17−1と17−2の電気出力はAD変換器18−1
と18−2によりデジタル信号に変換し、マイクロコン
ピュータ19−1に送る。
【0065】光スイッチ15−1と15−2のスイッチ
切り替えはクロック信号発生器からの同一信号によって
同期して行う。この時、光スイッチ15−1により選択
される光ファイバが生体に光を照射する位置と、15−
2により選択される光ファイバが生体からの透過光を取
り込む位置は互いに対向する位置になるようにスイッチ
の切り替えを行うように設定してある。このような光ス
イッチの切り替えを行うことにより、生体への光の照射
位置と検出位置を走査し生体透過光の測定を行う。
【0066】光検出器17−1及び17−2の出力とし
て、波長0.57μmと0.7μmでの生体透過光強度
すなわち、数式I0で表される散乱透過光強度I(n)
をそれぞれの波長について得ることができる。
【0067】マイクロコンピュータ19−1は光検出器
17−1と17−2からディジタル化した生体透過光強
度信号を、クロック信号発生器からのクロックに同期し
て取り込む。そして、波長0.57μmと0.7μmの
2波長の散乱透過光の強度差を計算する。
【0068】血液による吸収は一般的に、血液の酸素化
の程度により変動する。図6に酸素化度の変化による血
液の各波長における吸収の変化を示す。
【0069】この図からわかるように0.57μmの波
長では吸収係数は酸素化の程度にはかかわらず、一定の
吸収値を示す。そのため、血液の量を測定するのに適し
た波長である。一方、0.7μmの波長は血液の酸化の
程度には関わらず光の吸収係数は非常に小さな為この波
長での吸収は血液の量による変化は少なくほぼ一定とみ
なせる。従って、この2波長での吸収の差は血液の量に
比例した値となる。
【0070】メモリ装置18に記憶させてある生体のL
SF(n)と生体の形状データすなわち、各光路の長さ
L(n)を数式11に代入し、各光路の平均吸収係数A
av(n)を計算する。
【0071】はじめにAav(n)としては図1の生体
にたいして設定した光ファイバ13−4と13−5によ
って決まる方向のAav(n)が算出される。つぎに、
生体に対する光ファイバの取付け位置と方向を変え、同
様の方法により別方向の各光路の平均光吸収を測定す
る。このようにして、多くの方向から見た光路の平均光
吸収を測定し、これらの平均光吸収係数を使い、バック
プロジェクション法により生体の断層像を得る。
【0072】各光路の平均光吸収の値は血液の量に比例
した値となるため、得られた断層像は血液の生体内の分
布を反映した像となる。
【0073】(実施例2)本実施例は生体中の血液の酸
素化度を計測することを目的とした実施例である。装置
構成は実施例1の装置と同じである。本実施例と実施例
1の装置での相違はレーザダイオード12ウ2の波長と
して0.56μmの光源を用いていることである。レー
ザダイオード12−1の波長は実施例1の場合と同様に
0.58μmである。実施例1の場合レーザダイオード
12−2の波長が血液による吸収が少なく一定であるよ
うな波長であったのにたいし、本実施例の場合の波長
0.56μmは図5のグラフに示されているように血液
の酸素化度に依存して吸収係数が変化する波長である。
したがって、0.56μmと0.58μmの波長の平均
光吸収の差が血液の酸素化度に比例した値となり、この
差から血液の酸素化度を知ることができる。
【0074】本実施例でも実施例1で述べた方法と同様
の方法により0.56μmと0.58μmの波長の平均
光吸収の差を各光路について測定する。この2波長の平
均光吸収の差差は血液の酸素化度に依存した値となるが
同時にその光路に含まれる血液の量にも比例してその値
が変化する。そこで血液の量に比例した変化を打ち消す
ために、血液量のみに比例した値である波長0.58μ
mの平均光吸収値にたいする2波長の平均光吸収差の比
率を求める。この比率は一定の血液量に対する波長0.
56μmの平均光吸収値に比例した値になるため、血液
の酸素化度のみを反映した値となる。これらの演算はマ
イクロコンピュータ19−1でおこなう。
【0075】このような演算で求めた数値を使い実施例
1で述べたのと同様の方法で生体の断層像を構成する。
得られた断層像は生体内の血液の酸素化度の分布を表す
断層像となる。
【0076】
【発明の効果】本発明では計測に光を用いているため、
生体に対してまったく障害を与えること無く生体内の情
報を測定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明による光CT装置の基本構成図
【図2】図2はバックプロジェクション法の説明図
【図3】図3は散乱体への光の入射点、散乱体中の光
路、射出点の説明図
【図4】図4は散乱体中を散乱しながら透過する光束の
光路変更の様子を説明するための図
【図5】図5は任意の一つの光路を透過する各光束の様
子を示した説明図
【図6】図6は血液の酸素化による吸収係数の変化を示
した図
【符号の説明】
11…生体試料、12−1、12−2…半導体レーザ、
13−1〜13−8…光ファイバ、14−1…光合波
器、14−2…光分波器、15−1、15−2…光スイ
ッチ、16…クロック信号発生器、17−1、17−2
…光検出器、18−1、18−2…AD変換器、19−
1…マイクロコンピュータ、19−2…メモリ装置、1
9−3…表示装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠原 幸人 神奈川県伊勢原市下粕屋143番地 学校法 人東海大学医学部内 (72)発明者 灰田 宗孝 神奈川県伊勢原市下粕屋143番地 学校法 人東海大学医学部内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】生体に照射した光の生体の散乱透過光の強
    度分布とその生体の散乱性特性を表すLSF関数とその
    生体の寸法と散乱係数を用いた演算を行い、生体中を貫
    く直線上の平均光吸収係数を算出せしめ、画像化するこ
    とを特徴とする光CT画像装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の光CT画像装置において、
    照射する光として2種類の波長の光を用いることを特徴
    とする光CT画像装置。
  3. 【請求項3】請求項1記載の光CT画像装置において、
    生体への光の照射に光ファイバを用いたことを特徴とす
    る光CT画像装置。
  4. 【請求項4】請求項1記載の光CT画像装置において、
    波長が0.5μmから0.9μmの範囲内にある光を用
    いたことを特徴とする光CT画像装置。
  5. 【請求項5】請求項1記載の光CT画像装置において生
    体へ照射する光の走査に光スイッチを用いたことを特徴
    とする光CT画像装置。
  6. 【請求項6】請求項1又は4記載の光CT画像装置にお
    いて、生体へ照射する光の光源に半導体レーザを用いた
    ことを特徴とする光CT画像装置。
  7. 【請求項7】生体中の酸素分布を計測するための請求項
    第1の断層像計測装置。
  8. 【請求項8】生体中の血液量分布を計測するための請求
    項第1の断層像計測装置。
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