JPH07151673A - 光学的計算断層撮影装置及び撮影方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】比較的簡単かつ効率的に生体等の断層像を得る
ことが出来る新規な光学的計算断層撮影装置及び撮影方
法を提案すること。 【構成】個々の照射シーケンスにおける検出光の強度デ
ータを被検体周囲方向の複数の固定領域に等分割し、当
該固定領域ごとに個別に強度データを積算して固定領域
相互間の最小値を求めると共に、個々の固定領域を強度
データの積算値が前記最小値にほぼ等しい一又は複数の
可変領域に再分割して不等間隔の離散強度データを求め
る。 【効果】単なる演算処理によって透過光の検出面積を自
動的に最適値に調整することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ＣＴ装置〔光学的計
算断層撮影装置(computed tomograph)〕及び当該装置を
用いた計算断層撮影方法、特に生体計測に利用して好適
な光学的計算断層撮影装置及び撮影方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光ＣＴ装置は、可視光又は近赤外光を位
置を変えて被検体に照射し、被検体の周囲で透過光を検
出することによって得たデータに適当な演算処理を施し
て所望の断層画像を得るものであるが、被検体が生体で
ある場合は、生体内部を伝搬する光が細胞の境界面や細
胞内の微細構造によって不所望に散乱するのを防止する
ことが出来ない。即ち、波長約８００ｎｍの近赤外光を
用いてラット頭部のヘモグロビン計測を行なう場合は、
生体内における光の平均散乱距離（１回の散乱から次の
散乱までの間に光が進行する平均距離）が１ｍｍ程度で
あるから、直径約３０ｍｍのラット頭部を光が透過する
間に少なくとも３０回以上の散乱が生ずることになる。

【０００３】このため、従来は、伝搬経路が直線に近い
光ほど短時間で受光器に到達するという原理を利用し、
検出光強度の時間変化スペクトルから、比較的直線に近
い伝搬経路を通って検出器に到達した光の成分を選択
し、当該成分を直進光と見なして演算処理を行なってい
る〔特開平２−２９０５３４号公報及び日本機械学会論
文誌(Ｂ編)５７巻(１９９１年)第２８２２頁〜２８２５
頁参照〕。しかし、このような対策を講じた場合でも、
被検体の内部状態や光の伝搬距離によって検出光の強度
が大きく変化するため、検出位置によっては信号対雑音
比が著しく不均一となるほか、検出光の強度差が測定系
のダイナミックレンジを超過して計測自体が困難となる
等の障害が発生する。

【０００４】この種の障害は、検出位置ごとに透過光の
検出時間又は検出面積を変えることによって或る程度軽
減することが可能であるが、検出時間を変えた場合は、
結果としての計測所要時間が長くなって効率的でない点
で問題があり、検出面積を変えた場合は、受光面積が異
なる検出器（光ファイバ）を多種類用意して計測の都度
交換しなければならない等、煩雑な準備を必要とする点
で問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題点を解消し、比較的簡単かつ効率的に生
体等の断層像を得ることが出来る新規な光学的計算断層
撮影装置及び撮影方法を提案することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の前記課題は、各
照射シーケンスごとに位置を変えて被検体に光を照射す
るための手段、被検体内部を透過した光を断層面上の被
検体周囲において二次元画像として検出するための手
段、当該画像を光電変換することによって得た検出光の
強度データを位置データと共に記憶して蓄積するため手
段、蓄積された強度データ及び位置データに基づいて計
算断層像を得るための必要な演算処理を行なう手段をそ
れぞれ備えた装置を使用し、個々の照射シーケンスにお
ける検出光の強度データを被検体周囲方向の複数の固定
領域に等分割し、当該固定領域ごとに個別に強度データ
を積算して固定領域相互間の最小値を求めると共に、個
々の固定領域を強度データの積算値が前記最小値にほぼ
等しい一又は複数の可変領域に再分割して不等間隔の離
散強度データを求めることによって解決することが出来
る。

【０００７】即ち、検出光の強度データを被検体周囲方
向の複数の固定領域に一旦等分割した後、各該固定領域
を一又は複数の可変領域に再分割することよって求めた
不等間隔の離散強度データを利用する場合は、被検体周
囲における個々の光検出面積を実効的に変化させて最適
化することが可能となり、従来のように、計測時間を長
くしたり、受光面積が異なる検出器を多種類用意しなく
ても、断層像を得るために必要なデータを充分に確保す
ることが出来る。

【０００８】被検体を透過した光の検出は、例えば、多
数の光ファイバ素線の端部を相互に接着整形して受光面
を形成した検出用光ファイバケーブルを被検体の周囲に
複数個配置することによって行なうことが出来る。検出
用ケーブルは、その受光面が被検体表面に対して圧接す
るように配設することが望ましい。一方、被検体に対す
る光の照射は、一又は複数の光ファイバ素線をもって構
成した光ファイバケーブルの光出力端を被検体周囲の適
当な位置に配置することによって行なうことが出来る
が、一又は複数の素線の端部を前記検出用ケーブルの多
数の素線と共に一体的に整形して光の照射面を形成する
ことも可能である。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図面に示した実施例を参照し
て更に詳細に説明する。本発明に係る光ＣＴ装置の一実
施例の全体構造を図１に示す。光検出プローブ５０は、
図４に示す如く、複数の検出用光ファイバケーブル３を
被検体４の周囲を取り囲むように隣接配置することによ
って構成した。同ケーブルは、図５に示す如く、外径が
例えば５０μｍの多数の光ファイバ素線を使用し、か
つ、その１辺が例えば１ｃｍの正方形の受光面を形成す
るよう、素線の端部相互間を接着整形することによって
作成した。なお、本実施例では、外径が例えば１００μ
ｍの１本の光ファイバ素線からなる照射用光ファイバケ
ーブル１の光出力側端部を検出用ケーブル３の受光面の
中央に配置し、その位置から被検体４に光を照射するこ
とが出来るようにした。ガイド部材２は、複数の検出用
ケーブル３を可調整的に保持するためのものである。

【００１０】検出用ケーブルは、被検体透過光を洩れな
く検出するため、受光面の相互間に隙間が生じないよう
にその複数個を隣接して配置することが望ましい。同様
の理由により、同ケーブルは、被検体の周囲方向に長い
形状の受光面を有するものを使用することも可能であ
る。照射用ケーブルは、必ずしも全ての検出用ケーブル
内に配設する必要はなく、例えば一つ置きに配設する
等、使用目的に応じた任意の変更が可能である。個々の
検出用ケーブル内における配設本数（素線の本数を含
む）や配設位置についても同様である。

【００１１】照射用ケーブル１の他端（光入力端）は、
図１に示す如く、光源１３からの光を切り換えるための
光スイッチ１１に接続され、一方、検出用ケーブル３の
他端（光出力端）は、検出光を電気信号に変換するため
の二次元光電変換器５に接続されている。光スイッチ１
１は、光源１３から光源用光ファイバケーブル１２を介
して伝送された光を時系列的に切り換え、複数の照射用
ケーブル１に順次分配するように機能する。

【００１２】複数の照射用ケーブル１のいずれか一に分
配された光は、被検体４の外周の特定の位置から被検体
内に送り込まれる。被検体内部を放射状に透過した光
は、断層面上の被検体周囲に配置された複数の検出用ケ
ーブル３の受光面よって同時に検出された後、同ケーブ
ルを介して二次元光電変換器５に送られてアナログ信号
に変換される。当該アナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器６に
よって二次元画像情報を表わすデジタル信号に変換さ
れ、位置情報と共に計算機７の画像記憶装置８に格納さ
れる。光スイッチ１１は、計算機７の制御のもとで動作
する駆動回路１０の指令により、複数の照射用ケーブル
１のいずれか一を順番に選択するように構成されている
ため、被検体４に対する照射位置を順次変更しながら同
様の探査を繰り返すことが出来る。計算機７は、各照射
シーケンスごとに画像記憶装置８に蓄積された二次元画
像情報に必要な演算処理を施し、得られた計算断層像１
４をモニター９に表示する。

【００１３】光スイッチ１１の具体例を図２に示す。同
スイッチは、回転板２０及び固定板２４を屈折率調整剤
２２と共にケース２１内に収納した構造となっている。
回転板２０の周縁には、適当な間隔をおいて複数の照射
用ケーブル１の光入力端が接続されている。一方、固定
板２４は、回転板２０上に接続された照射用ケーブル１
に対応する位置に配置されており、かつ、当該固定板に
は、回転板２０上の照射用ケーブル１の光入力端との間
で例えば８０μｍの空隙を形成するよう、光源用ケーブ
ル１２の光出力端が接続されている。屈折率調整剤２２
は、両ケーブル間の屈折率のマッチングを取るためのも
のである。回転板２０の中心軸は、駆動回路１０の指令
によって所定の角度ずつ回転するステップモータ１９に
連結されている。

【００１４】本実施例では、屈折率調整剤２２としてシ
リコンオイルを使用した。光源用ケーブル１２は、例え
ば外径が１００μｍのものを使用し、同ファイバと複数
の照射用ケーブル１のいずれか一との間で光軸を一致さ
せることにより、光源１３からの光を被検体４に伝送す
る。照射位置の変更は、ステップモータ１９を回転さ
せ、光源用ケーブル１２と複数の照射用ケーブル１との
間の対向位置関係を順次変更することによって行なっ
た。光スイッチ１１の更に詳細な構造例を図３に示す。
光源用ケーブル１２は、ケース２１に固定された固定板
２４に接続されており、一方、照射用ケーブル１は、ベ
アリング２３を介して回転板２０に接続されている。こ
のような構造を採用すれば、回転板２０の回転によって
生じる照射用ケーブル１の捩れを有効に防止することが
出来る。被検体４にセットされた光検出プローブ５０の
状態を図６に示す。個々の検出用ケーブル３は、固定具
２７及び圧縮ばね２８を介して中空構造のガイド部材２
の内壁に軸方向の摺動可能なように取り付けられてお
り、当該ばねの力によって被検体４に圧接する。

【００１５】二次元光電変換器５の具体例を図７に示
す。この変換器は、二次元光電変換面１５、当該光電変
換面から放射する二次電子を増幅するためのマイクロチ
ャンネルプレート１６、当該プレートによって増幅され
た二次電子を再び光に逆変換するための蛍光面１７及び
当該蛍光面に生成した二次元画像を撮影するためのＣＣ
Ｄカメラ１８から構成されている。このような構造の光
電変換器を採用することにより、被検体から取り出した
画像を効率良くアナログ信号に変換することが出来る。

【００１６】ＣＣＤカメラ１８は、５１２×５１２個の
画素を有するものを使用することにより、１２×１２本
の光ファイバー素線相当の約０．６ｍｍ角を１画素とす
る画像信号を得ることが出来る。画像記憶装置８も、Ｃ
ＣＤカメラで撮影した画像の空間分解能の劣化を防止す
るため、５１２×５１２個の画素を区別して格納するこ
とが出来るものを使用することが望ましい。各画素信号
は、２バイトを用いて記録したが、４バイトを用いて記
録することも可能である。なお、図５に示した検出用ケ
ーブル３は、受光面の中心部に照射光伝送ケーブル１が
配置されているため、当該部分における透過光のデータ
が欠落することになるが、この程度のデータ欠落は、実
質的な支障をもたらすものではない。

【００１７】本実施例の装置を使用し、被検体表面の特
定の位置から１回の光照射を行なった場合におけるプロ
ジェクションデータの一例を図８に示す。同図は、画像
記憶装置に格納された画像情報（約０．６ｍｍ角の各受
光領域に対応する透過光の強度を表わす数値群）を画素
単位で断層厚さ方向（Ｙ軸方向）に積算した値を検出光
強度とし、その値の被検体周囲方向（Ｘ軸方向）の分布
を示すものである。検出光の強度が検出位置によって大
きく相違しているため、検出用ケーブル３の実効的な受
光面積を変えてやる必要がある。

【００１８】先ず、画像記憶装置の記憶領域を画素の幅
（約０．６ｍｍ）よりも大きな固定幅ΔＷ（例えば検出
用ケーブルの受光面の幅１ｃｍと同じ幅）をもってＸ軸
方向に等分割し、ｎ個の固定領域Ｒ_i（但し ｉ＝１〜
ｎ、以下同じ）を設定する。図８のプロジェクションデ
ータをｎ個の固定領域Ｒ_i に等分割した結果を図９に示
す。各固定領域内の強度データをＸ軸及びＹ軸方向で積
算した値をＡ_i とし、当該積算値の最小値をＡ_i(min)と
する。

【００１９】次に、各固定領域Ｒ_i を可変の小領域ｒ_ij
（但しｊ＝１〜ｍ、以下同じ）に再分割し、個々の可変
領域内の強度データの積算値ａ_ijがいずれも次式で与え
られる値となるように各固定領域Ｒ_i 内の強度データを
再配分する。固定領域Ｒ₁ についてデータを配分した結
果を図１０に示す。

【００２０】

【数１】 ａ_ij ＝ Ａ_i／int（Ａ_i／Ａ_i(min)）・・・・・（１） 式１における int（ｖ）は、括弧内の変数ｖを小数点以
下を切り捨てて整数化する関数である。この演算処理に
より、各可変領域ｒ_ij内の強度データの積算値ａ_ijをＡ
_i(min)にほぼ等しくすることが出来る結果、各検出位置
における検出光の強弱に応じて実効的な検出面積を変え
ることが可能となる。そして、各可変領域ｒ_ijのＸ軸方
向の中心位置の座標ｘ_ijを原点とし、かつ、各可変領域
の強度データａ_ijを当該領域の幅Δｗ_ijで除した値（ａ
_ij／Δｗ_ij）を当該原点における信号データとすること
により、不等間隔に離散したプロジェクションデータ
（図１１参照）を得ることが出来る。

【００２１】最後に、不等間隔に離散したプロジェクシ
ョンデータを「画像解析ハンドブック」（高木幹夫等監
修：東京大学出版会発行）記載の直接フーリエ変換法を
用いてフーリエ変換し、変換後のデータにフィルタ関数
を作用させた後、逆フーリエ変換した。そして、このよ
うな演算処理を全ての照射シーケンスについて繰り返し
て行なうことにより、計算断層像を合成した。

【００２２】本実施例では、画像記憶装置の記憶領域を
検出用ケーブルの受光面の幅と同じ幅でＸ軸方向に等分
割して固定領域としたが、透過光の強度が強い場合は、
当該分割幅を適宜小さくして位置精度を高めることが出
来る。また、透過光の強度が弱い場合は、検出用ケーブ
ルの受光面の幅よりも大きな幅で記憶領域を分割するこ
とにより、必要な信号量を確保することが可能である。
このほか、本実施例では、複数の検出用ケーブルを被検
体周囲に隣接して配置したが、必要に応じて間隔をおい
て配置することも可能である。なお、検出用ケーブル
は、通常の光ファイバー素線の代わりに光増幅作用を有
するファイバー素線を用いて構成することも可能であ
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、単なる演算処理によっ
て透過光の検出面積を自動的に最適値に調整することが
出来る。このため、検出位置、被検体の大きさ又は被検
体の内部状態によって検出光の強度が変化する場合で
も、計測時間を変更したり、検出用の光ファイバーを取
り換えたりすることなく、より正確に断層像を合成に必
要な信号量を確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光ＣＴ装置の一実施例を示す全体
構造図。

【図２】図１の実施例において使用する光スイッチの一
例を示す概念図。

【図３】図２の光スイッチの詳細構造を示す断面図。

【図４】図１の実施例において使用する光検出プローブ
の一例を示す平面図。

【図５】図４の光検出プローブにおいて使用する透過光
検出用光ファイバケーブルの受光面を示す平面図。

【図６】図４の光検出プローブを被検体にセットした状
態を示す。

【図７】図１の実施例において使用する二次元光検出器
の一例を示す概念図。

【図８】本発明の装置を用いて被検体を照射した場合に
おけるプロジェクションデータの一例を示す曲線図。

【図９】図８のプロジェクションデータの分割例を示す
曲線図。

【図１０】図８のプロジェクションデータの再分割例を
示す曲線図。

【図１１】本発明の演算処理によって不等間隔に離散さ
せたプロジェクションデータの一例を示す曲線図。

【符号の説明】

１…照射用光ファイバケーブル ３…検出用光ファイバケーブル ４…被検体 ５…二次元光電変換器 ６…Ａ／Ｄ変換器 ７…計算機 ８…画像記憶装置 ９…モニター １０…ステップモーター駆動回路 １１…光スイッチ １２…光源用光ファイバケーブル １３…光源 １４…計算断層像 ５０…光検出プローブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 優一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 平林 由紀子 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各照射シーケンスごとに位置を変えて被検
   体に光を照射するための手段と、被検体内部を透過した
   光を断層面上の被検体周囲において二次元画像として検
   出するための手段と、当該画像を光電変換することによ
   って得た検出光の強度データを位置データと共に記憶し
   て蓄積するため手段と、蓄積された強度データ及び位置
   データに基づいて計算断層像を得るための必要な演算処
   理を行なう手段とを少なくとも備え、当該演算処理手段
   は、個々の照射シーケンスにおける検出光の強度データ
   を被検体周囲方向の複数の固定領域に等分割し、当該固
   定領域ごとに個別に強度データを積算して固定領域相互
   間の最小値を求めると共に、個々の固定領域を強度デー
   タの積算値が前記最小値にほぼ等しい一又は複数の可変
   領域に再分割することによって不等間隔の離散強度デー
   タを求め、当該離散強度データを用いて必要な演算処理
   を行なうものであることを特徴とする光学的計算断層撮
   影装置。
2. 【請求項２】前記検出手段は、多数の光ファイバ素線を
   束ねて構成した複数の光ファイバケーブルからなり、か
   つ、個々のケーブルを構成する多数の素線の端部は、相
   互に接着整形されて光の受光面を形成するものであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光学的計算断層撮影装
   置。
3. 【請求項３】前記検出手段を構成する複数の光ファイバ
   ケーブルは、その受光面が被検体表面に対して圧接する
   ように被検体の周囲に配設されていることを特徴とする
   請求項２に記載の光学的計算断層撮影装置。
4. 【請求項４】前記照射手段は、一又は複数の光ファイバ
   素線をもって構成した複数の光ファイバケーブルからな
   り、かつ、個々のケーブルを構成する一又は複数の素線
   の端部は、前記検出手段を構成する前記複数の光ファイ
   バケーブルの多数の素線と共に一体的に整形されて光の
   照射面を形成するものであることを特徴とする請求項２
   又は請求項３に記載の光学的計算断層撮影装置。
5. 【請求項５】前記照射手段は、光源からの光を時系列的
   に順次切り換えて前記複数の光ファイバケーブルに分配
   するための光スイッチを具備するものであることを特徴
   とする請求項４に記載の光学的計算断層撮影装置。
6. 【請求項６】各照射シーケンスごとに位置を変えて被検
   体に光を照射し、被検体内部を透過した光を断層面上の
   被検体周囲において二次元画像として検出し、得られた
   検出光の強度データを個々の照射シーケンスごとに被検
   体周囲方向の複数の固定領域に等分割し、当該固定領域
   ごとに強度データを積算して固定領域相互間の最小値を
   求めると共に、個々の固定領域を強度データの積算値が
   前記最小値にほぼ等しい一又は複数の可変領域に再分割
   することによって不等間隔の離散強度データを求め、か
   つ、当該離散強度データに基づいて計算断層像を得るた
   めの演算処理を行なうことを特徴とする光学的計算断層
   撮影方法。
7. 【請求項７】被検体内部を透過した光を被検体周囲に配
   置した複数の二次元画像検出手段によって検出し、得ら
   れた検出光の強度データを当該画像検出手段を単位とす
   る複数の固定領域に等分割することを特徴とする請求項
   ６に記載の光学的計算断層撮影方法。