JPH0537202U

JPH0537202U - 光による医学的撮像のための装置

Info

Publication number: JPH0537202U
Application number: JP6978792U
Authority: JP
Inventors: ラインフエルダーハンス‐エーリツヒ; クリンゲンベツク‐レグンクラウス
Original assignee: シーメンスアクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 1993-05-21
Also published as: DE4130369A1

Abstract

(57)【要約】【目的】透過された光の効率的な利用および散乱ビー
ムの計算を簡単な構成で可能にする。【構成】対象物１を照射するための赤ないし赤外のス
ペクトル範囲内の光を送り出す照明装置６と、対象物１
から出る光線を検出する撮像のための二次元的に位置分
解する像センサ１０とを有する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、対象物を照射するための赤ないし赤外のスペクトル範囲内の光を送り出す照明装置と、対象物から出る光線を検出するための光検出器とを有し、対象物による光の透過または反射を決定するための装置に関する。分光検査のためのこのような装置は血液または生物組織内の変化を指示するのに用いられる。

【０００２】

【従来の技術】

雑誌“医学および生物学エンジニアリングおよびコンピューティング”２６、５／１９８８、第２８９〜２９４頁のエム、コープ（M.Cope）ほかの論文“近赤外線透過法による新生乳児の脳血液および組織酸素処理の長時間測定のためのシステム”に、強く散乱し、また強く吸収する対象物、たとえばミリメートルおよびセンチメートル範囲内の層厚みを有する生物組織における光透過を決定するための方法を実施するための上記の装置が記載されている。このような方法は、光検出器により検知されなければならない極度にわずかな光強度により際立っている。人間における診断情報の取得のためには、透過される対象物厚みに関係して６ないし１０の光学濃度およびそれ以上の範囲内で減弱が生ずる赤または近赤外スペクトル範囲の光が応用される。

【０００３】レーザー光による透過法のこのような構成は図４に概要を示されている。対象物１の準点状の照明はたとえばコリメートされたレーザービーム２により行われ、その際にビーム源としては通常の気体および固体レーザーまたは半導体レーザーダイオードが使用され得る。対象物１のなかでレーザービーム２は散乱されて、散乱ビーム３が生ずる。透過された光は照射位置と反対側の対象物１の側で検出され、その際に相応の光信号がたとえば光導波路４により光検出器５に導かれ得る。そのために現在たいてい数１００μｍないし数ｍｍの直径を有し得る個々のガラスファイバから成る光導波路またはケーブルが使用される。撮像のために対象物１は送信器（レーザービーム２）および受信器（光検出器５を有する光導波路４）の同期シフトにより測定面の離散的な点において走査される。

【０００４】光検出器５としては、わずかな検知すべき光強度のゆえに、特殊な赤外敏感光電子増倍管が使用される。しかし、明らかにわずかな感度を有するホトダイオードも使用され得る。

【０００５】この原理により、小さい検出面積のゆえに、透過される散乱光のなかに含まれている情報のわずかな部分のみが受け入れられる。さらに光敏感な検出器表面が空間的に分解され得ない。さらに光電子増倍管の使用は、相応おシステムの実用性を制約する一連の問題を投げかける。たとえば光電子増倍管は過照明から保護されなければならず、その際に過照明は周囲光によってもレーザーの測定ビームによっても惹起され得る。従って、光学的措置と組み合わせて相応の電子的保護回路を設ける必要がある。さまざまな光学的厚みの対象物における測定の際にはさらに光検出器のダイナミックレンジが光電子増倍管における高電圧の変更により、またはレーザー出力の変更によりそれぞれ個々に設定されなければならない。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の課題は、冒頭に記載した種類の装置において、透過された光の効率的な利用および散乱ビームの計算を簡単な構成で可能にすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

この課題を解決するため、本考案によれば、対象物による光の透過または反射を決定するための装置において、対象物を照射するための赤ないし赤外のスペクトル範囲内の光を送り出す照明装置と、対象物から出る光線を検出する撮像のための二次元的に位置分解する像センサとを有する。光検出器としての二次元に位置分解する像センサにより、ほぼすべての透過された光が、すなわち散乱された光も、１つの面上で同時にまた空間的に分解されて検出され得る。散乱光に関する情報から散乱ビーム像が計算され、また散乱ビーム補正が行われ得る。また光透過の決定のための任意に大きい面が装置構成の変更なしに選択され得る。

【０００８】像センサがＣＣＤアレイ（電荷結合デバイス）であることは有利であることが判明している。ＣＣＤは二次元的に位置分解する光検出器である。定量的撮像のためのＣＣＤ（サイエンティフィック‐グレードＣＣＤ）の開発は現在、その応用をいまの場合にも可能にする段階に達している。

【０００９】１つの数値例として、８００ｎｍの波長において約４×１０¹⁵光子／秒の光出力に相当する１ｍＷのレーザー入力エネルギーを仮定する。４〜５ｃｍの厚みの生物組織の透過の際に経験によれば５ｍｍ直径の丸い受信面の上で入射された光の約１０^-6の部分がなお検知される。これは約２×１０⁸光子／（秒×ｍｍ²）の検出器面のパワ密度に相当する。２０×２０μｍ²のＣＣＤアレイの典型的な画素の大きさの際には８×１０⁴光子／（秒×画素）が得られる。それに対して５０ｍＷのレーザー出力および１０ｍｓの画素あたり積分時間を選ぶと、約４× １０⁴光子／画素が生ずる。

【００１０】現在のＣＣＤの性能データは、ＣＣＤがこの用途に非常に適していることを示している。ＣＣＤの典型的な照射感応面は２×２ｃｍ²（１０２４²画素）である。１つの画素の飽和充電（フル‐ウェル‐キャパシティ）は形式に応じて３００００ないし５０００００電子／画素である。暗電流は典型的に−４０°Ｃへの熱電冷却によりＭＰＰ（マルチ‐ピンド‐フェース）作動と組み合わされて電子／（秒×画素）の一部分まで減ぜられ得る。読出しノイズは５００ｋＨｚの読出し周波数の際にも１０電子（ＲＭＳ）のオーダーで移動する。典型的な直線性誤差は約０．１％である。これらの性能データから５００００：１までのダイナミックレンジが生ずる。λ＝７００ｎｍの波長における量子効率は典型的に４０％であり、従って特殊な赤外感応光電陰極（ＧａＡｓ（Ｃｓ））を有する光電子増倍管の場合よりも係数４だけ大きい。

【００１１】上記の数値例では、１０⁶の対象物減弱の際に４×１０⁴光子／画素が生ずる。その結果、ＣＣＤの画素あたり１．６×１０⁴電子となる。１０電子（ＲＭＳ）の電気的ノイズの際には約１．６×１０³のＳＮ比となる。ＣＣＤアレイの複数の画素の信号の加算によりＳＮ比は一層高められ得る。Ｎ×Ｎ画素の一括の際には、たとえばＮ＝５０の際に２０×２０μｍ²の面の５０×５０画素が１ｍｍ ² の１つの面に（アナログまたはディジタルに）一括されるならば、ＳＮ比は係数Ｎだけ改善され得る。この場合ＳＮ比は８×１０⁴である。注意深いＣＣＤの設計、冷却および読出しの際には、さらに明らかにわずかな光強度、すなわち６光学濃度の仮定された減弱よりも明らかに大きい対象物減弱も検知され得る。

【００１２】光電子増倍管と異なり、ＣＣＤは過照明に対して敏感でなく、従って冒頭に記載した問題および保護措置が省略される。

【００１３】照明装置および像センサの機械的変位は、照明装置が二次元的に偏向する走査ビームを発生するならば省略され得る。これは、照明装置の前に対応付けられている二次元の面状の偏向のための偏向装置により行われ得る。照明装置が６００ｎｍと１０００ｎｍとの間の波長の光を発生することは目的にかなっている。ロングパスフィルタが像センサの前に配置されていることは有利であることが判明している。ＣＣＤアレイと、像センサの前に配置されているたとえばファイバ光学的テーパーであってよい撮像装置との直接の光学的結合により、より大きい対象物面が約２×２ｃｍ²のＣＣＤの感応な面上で同時にかつ位置分解されて検出され得る。

【００１４】照明装置および像センサがシフト可能に配置されているならば、検査範囲が拡大され得るし、またトモグラムが作成され得る。照明装置および像センサが回転可能に配置されているならば、断層像が作成され得る。複数の像センサが並び合って配置されているならば、同時に検出すべき面がさらに拡大され得る。

【００１５】

【実施例】

以下、図面に示されている実施例により本考案を一層詳細に説明する。

【００１６】図１には、照明装置６、たとえばレーザーを有し、また対象物１にレーザービーム２を導くための光導波路７を設けられている光による医学的撮像のための本発明による装置が示されている。対象物１から出る散乱ビーム３は対象物１の後ろに配置されている光検出器により検出される。赤または赤外光による透過の特別な用途に対して光検出器は入力端として光学的ロングパスフィルタ８を有し、従って入力面は周囲光からの有害な背景から保護されている。ロングパスフィルタ８は光学的結像装置、たとえばテーパー９の前に配置されており、その出力端に像センサ、たとえばＣＣＤアレイ１０が結合されている。

【００１７】テーパー９は個々のファイバ光学的光導波路からなる光ブロックであり、その断面は入力側から出力側へ先細りになっており、従って大きい入力面が小さい出力面の上に歪みなしに結像され得る。しかし、テーパー９の代わりに任意の他の光学的結像装置、たとえば１つのレンズ系も使用され得る。しかし、これは、テーパー９による直接結合の場合よりも高い光損失が生ずるという欠点を有する。

【００１８】図１に示されている装置はいま図２に概要を示されているように投影ラジオグラフィの原理により、また図３により一層詳細に説明するようにコンピュータトモグラフィの原理により使用され得る。

【００１９】図２には矢印１２および１３により、照明装置６と、ロングパスフィルタ８、テーパー９およびＣＣＤアレイ１０から成る光検出器とが面状に対象物１の透過すべき範囲にわたって動かされることの概要が示されている。その際に像検出のために、対象物１の入射点と向かい合う像点の周囲面Ｕに当たる透過されたビームがＣＣＤアレイ１０の相応の配線により利用され得る。

【００２０】図３には、レーザービーム２を発生する照明装置６が示されている。照明装置６の前に、たとえば偏向鏡から成る偏向装置１１が対応付けられている。これは線１４により示されている範囲内で対象物１にわたってレーザービーム２を面状に偏向させる。レーザービーム２によりひきおこされて対象物１から出たビームを検出するため、像検出器８ないし１０は破線の図示１５のように１つの面内でシフトされ得る。図示１５に相応して複数の像検出器８ないし１０が並び合って配置されているならば、像検出器８ないし１０をシフトさせるための相応の装置は省略され得る。相応の配線により、撮像のために必要な周囲面Ｕは、それがレーザービーム２と同期して側方にシフトされるように選ばれ得る。

【００２１】ＣＣＤアレイ１０は、光電子増倍管の使用の際に生ずる前記の煩雑さを回避してわずかな光量の敏感な検知を可能にするように、図示されていない冷却装置により冷却される。

【００２２】しかし最も重要な利点は、透過された光が１つの面上で同時にかつ空間的に分解されて検知され得ることである。

【００２３】この平面的な情報のうち、入射位置と向かい合う点のより小さい周囲面Ｕ（図２および図３）に入る情報のみが利用されると、図４による装置が供給する情報が得られる。この直接的な情報は１つの直接的な投影像に処理され得る。図３によるトモグラフィ法ではそれから直接的な断層像がコンピュータトモグラフィの通常のアルゴリズムにより再構成され得る。

【００２４】さらにこの周囲面Ｕの外側で散乱光に関する情報が得られ、それから散乱ビーム像が計算され得る。これらの散乱ビーム像は種々の規範に従って選ばれ得る。これらは、図２に示されているように、光軸から半径方向の間隔ｒまたは光軸に対して相対的に角度αであってよい。散乱ビームに関するこれらの付加の情報は直接的な投影像において散乱ビーム補正のためにも利用され得る。

【００２５】同様にトモグラフィ法において種々の散乱ビームトモグラムが再構成され得るし、または付加の散乱ビーム情報により直接的な断層像における散乱ビーム補正が行われ得る。

【００２６】ＣＣＤアレイ１０を有する検出器の別の利点は、大きい受光面のゆえに、透過された光が効率的に利用されることである。ＣＣＤアレイ１０の受光面により受け入れられたすべての情報が１つの像に対して利用されると、この像は受光面と同一の面を有する部分像から合成され得る。この部分像の内側ではもはや点状に走査される必要はないので、撮像時間が点状の走査にくらべて短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＣＤアレイを有する本発明による装置。

【図２】投影ラジオグラフィの原理による撮像のための
図１による装置の斜視図。

【図３】コンピュータトモグラフィの原理による撮像の
ための本発明による装置の斜視図。

【図４】従来の技術による光透過の決定のための装置。

【符号の説明】

１対象物２レーザービーム３散乱ビーム４光導波路５光検出器６照明装置７光導波路８ロングパスフィルタ９テーパー１０ＣＣＤアレイ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】対象物（１）による光の透過または反射
を決定するための装置において、対象物（１）を照射す
るための赤ないし赤外のスペクトル範囲内の光を送り出
す照明装置（６）と、対象物（１）から出る光線を検出
する撮像のための二次元的に位置分解する像センサ（１
０）とを有することを特徴とする光による医学的撮像の
ための装置。
【請求項２】像センサがＣＣＤアレイ（１０）である
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】照明装置（６）が二次元的に偏向される
走査ビーム（２）を発生することを特徴とする請求項１
または２記載の装置。
【請求項４】照明装置（６）がレーザーを有し、その
前に二次元の面状の偏光のための偏光装置（１１）が設
けられていることを特徴とする請求項１ないし３の１つ
に記載の装置。
【請求項５】照明装置（６）が６００ｎｍないし１０
００ｎｍの間の波長の光を発生することを特徴とする請
求項１ないし４の１つに記載の装置。
【請求項６】ロングパスフィルタ（８）が像センサ
（１０）の前に配置されていることを特徴とする請求項
１ないし５の１つに記載の装置。
【請求項７】結像装置（９）が像センサ（１０）の前
に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６の
１つに記載の装置。
【請求項８】結像装置（９）がファイバ光学的テーパ
ー（９『であることを特徴とする請求項１ないし７の１
つに記載の装置。
【請求項９】照明装置（６）および像センサ（１０）
がシフト可能に配置されていることを特徴とする請求項
１ないし８の１つに記載の装置。
【請求項１０】照明装置（６）および像センサ（１
０）が回転可能に配置されていることを特徴とする請求
項１ないし９の１つに記載の装置。
【請求項１１】複数の像センサ（１０）が並び合って
配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０の
１つに記載の装置。