JPH10179558A

JPH10179558A - 光透過映像装置

Info

Publication number: JPH10179558A
Application number: JP9278199A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Kumazawa; 良彦熊澤; Hideo Eda; 英雄江田; Yoshio Tsunasawa; 義夫綱沢; Ichiro Oda; 一郎小田; Hiroaki Kumagai; 博彰熊谷
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】入射光強度を測定せずに被検体に含まれる吸
収体の濃度に関するデータを得る。【解決手段】レーザ光照射装置１０から細い光ビーム
を被検体７１に向けて照射しそれを通って出射した光を
固体撮像素子１２に入射させるとともにこの光ビームを
走査し、固体撮像素子１２から得られる光軸上の画素デ
ータおよびその周囲の画素群のデータを画像収集メモリ
１４を介して画像処理メモリ１７に格納し、ＣＰＵ１８
によってこれら２種のデータから吸光度差を求めて被検
体７１に含まれる吸収体の濃度に関するデータを算出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、医用画像診断や
理工学的な検査あるいは食品等の検査に用いられるのに
好適な光透過映像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体に光を透過させて検査する装置・方
法としては、従来より、パルスオキシメータ、無侵襲酸
素モニタ、光トポグラフィ、光ＣＴなどの、１個または
複数個の光源（白熱球、ＬＥＤ、レーザ光源など）と１
個または複数個の光検出素子（フォトダイオードなど）
とを組み合わせたものが知られている。また、１個の光
源（白熱球、レーザ光源など）から広い面積に光を放射
させてその透過光を２次元配列構造の固体撮像素子（Ｃ
ＣＤなど）で検出する光透過映像装置も知られている。
さらに、細いレーザビームを走査して画像を得るもの
（特開平７−２７５２５１号「マルチレーザー光走査生
体透視診断及び治療装置」）も知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置ではいずれも問題がある。すなわち、１個または複
数個の光源と１個または複数個の光検出素子とを組み合
わせたものでは光トポグラフィと光ＣＴを除いて画像を
作成することはできないし、光トポグラフィは生体表面
の酸素消費量の分布計測しかできない。光ＣＴは断層像
を作成するもので２次元光透過画像を計測するには時
間、コストの面で不適である。また１個の光源と２次元
撮像素子とを組み合わせたものは２次元光透過画像を計
測するものであるが、光源直下の局所以外は精度が低
い。さらに、特開平７−２７５２５１号では、散乱光の
影響のない精度の高いデータを効率よく収集することが
できず、また被検体周辺の光が光検出素子に直接入射し
てこれを飽和させる問題がある。

【０００４】さらに、根本的な問題として入射光強度の
測定ができないこと等から吸光物質の濃度または濃度比
の２次元分布データを求めることが困難であることをあ
げることができる。すなわち、とくに被検体が生体等の
場合には入射光強度の測定が困難である場合が多い（た
とえば経時的に測定する場合には途中で被検体を除いて
入射光強度を測定するなどいうことはできない）。ま
た、たとえ入射光強度を測定できたとしても、表面での
散乱などの影響から逃れることができず、これらに影響
されない吸光物質の濃度に関する分布データを求めるこ
とはできない。

【０００５】この発明は、上記に鑑み、入射光強度を測
定せずに、しかも表面での散乱等の影響を受けないで、
吸光物質の濃度に関する２次元分布データを得ることが
できる、光透過映像装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１記載の発明による光透過映像装置において
は、細い光ビームを発生する光発生手段と、該光ビーム
を被検体に対して２次元的に平行走査する走査手段と、
該被検体を挟んで上記光発生手段と対向配置されて該光
ビーム位置に対応する位置付近において被検体から出射
する光を検出する光検出手段と、該光検出手段から出力
される信号を格納することにより、上記光ビーム位置に
対応する位置から出射する光に関する２次元画像データ
とその位置の周囲から出射する光に関する２次元画像デ
ータとを収集する記憶手段と、該記憶手段から読み出さ
れた上記のビーム位置の画像データとその周囲の画像デ
ータとの間の吸光度差情報を求めて吸光物質の濃度に関
する分布データを算出するデータ処理手段とが備えられ
ることが特徴となっている。

【０００７】光ビーム位置に対応する位置において被検
体から出射する光に関するデータとその位置の周囲から
出射する光に関するデータとを用いて、吸光度差情報を
求め、これから被検体内に含まれている吸光物質の濃度
を算出したり、吸光物質が複数の場合にその濃度比を算
出する。その吸光度差情報を求める演算の過程で入射光
強度に関する情報が相殺されるため、入射光強度に関す
る測定を行なわずにそれら吸光物質の濃度に関するデー
タを得ることができる。また、このように吸光度差情報
を求める過程で入射光強度に関する情報を相殺している
ため、入射光強度の時間的変動や雑音（光源の劣化、光
源の電源変動、蛍光灯などの外光雑音など）に関して影
響を受けない。

【０００８】また、上記の目的を達成するため請求項２
記載の発明による光透過映像装置においては、波長の異
なる複数の細い光ビームを選択的に発生する光発生手段
と、該光ビームを被検体に対して２次元的に平行走査す
る走査手段と、該被検体を挟んで上記光発生手段と対向
配置される画像縮小伝達特性を有する光画像伝達手段
と、該光画像伝達手段の出力側に光結合される２次元配
列の固体撮像手段と、該固体撮像手段から読み出された
信号を格納することにより異なる時点における２次元画
像データを収集する記憶手段と、該記憶手段から読み出
された異なる時点での各波長ごとの２次元画像データを
編集および演算処理してパラメータ画像を作成するデー
タ処理手段とが備えられることが特徴となっている。

【０００９】被検体を通りこれから出射する光が光画像
伝達手段を経て固体撮像手段に導かれ、この固体撮像手
段から読み出された画像信号が記憶手段に格納される。
これを異なる時点において行なうことにより、記憶手段
において異なる時点での画像データを収集することがで
きる。そして、異なる時点での各波長ごとの２次元画像
データを記憶手段から読み出して編集および演算処理す
ることにより、吸光度の時間的変化量を求め、これから
被検体に含まれている吸光物質の濃度に関するデータを
得ることができる。吸光度の時間的変化量を求める際に
入射光強度に関する情報が相殺されるため、入射光強度
に関する測定を行なわずに吸光物質の濃度に関するデー
タを得ることができる。

【００１０】上記の光ビームの正規の走査・撮像に先だ
って、あらかじめ、１つの波長の光ビームのみを用い、
上記の走査を高速に（各走査位置ごとの光照射時間を短
いものとして）行なって２次元光透過画像データを収集
し、このパイロット画像の各画素データを所定のしきい
値と比較し、比較結果をマップ画像として保持し、この
マップ画像にしたがって正規の走査・撮像を行なう際の
各走査位置での光照射時間を調節するよう構成すること
もできる。

【００１１】これによると、正規の走査・撮像時に、被
検体の存在しない領域（輪郭・周辺部）で光照射時間を
短縮しあるいは照射しないこととすることができるの
で、その領域の画素について固体撮像手段が飽和しエラ
ーを起こしたり放電などのための不感時間が増大するな
どの不都合を解消することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。図１におい
て、レーザ光照射装置１０から細い光ビームが放出さ
れ、集束レンズ（凸レンズ）１１により固体撮像素子
（ＣＣＤなどからなる）１２に導かれる。レーザ光照射
装置１０と集束レンズ１１との間には被検体７１が配置
され、この被検体７１に照射された光ビームの透過光お
よび散乱光が集束レンズ１１を経て固体撮像素子１２に
入射する。集束レンズ１１は画像を縮小して伝達する特
性を有するものであり、他に、このような伝達特性を有
するものであれば、多数の光ファイバを束ねてテーパー
状に形成したマルチファイバ構造のイメージファイバな
どを用いることもできる。このような集束レンズ１１等
を用いることにより、固体撮像素子１２の小さな受光面
に、大きい領域の光を入射させることができ、小さな固
体撮像素子１２を用いても大きな有効視野を得ることが
できる。被検体７１が配置される空間は暗箱７２などの
中に形成され、外部からの雑音光が固体撮像素子１２に
入射しないように構成することが望ましい。

【００１３】読み出し回路１３によって固体撮像素子１
２から読み出された画像信号は画像収集メモリ１４にい
ったん格納された後、読み出されてインターフェイス回
路１５、１６を経て画像処理メモリ１７に転送される。
この画像データはＣＰＵ１８により編集および画像演算
等の処理を受け、画像が作成される。この画像は表示装
置２１で表示される。ＣＰＵ１８はインターフェイス回
路１９を介して収集制御回路２０をコントロールしてお
り、収集制御回路２０はレーザ光照射装置１０に指令を
送って光ビームの走査を制御するとともに画像収集メモ
リ１４に指令を送ってこれを制御する。ＣＰＵ１８には
キーボードなどの入力装置が接続され、コマンドや各種
の情報の入力が可能となっている。

【００１４】レーザ光照射装置１０は、たとえば、図２
に示すように構成されて３つの波長のレーザ光ビームの
どれかを２次元的に平行走査する。すなわち、ここでは
それぞれ異なる波長のレーザ光を発生する３つのレーザ
光源３１、３２、３３が備えられており、収集制御回路
２０で制御された選択スイッチ回路６１によりそのいず
れかが選択的に動作させられる。３つのレーザ光源３
１、３２、３３には、それぞれレンズ（凹レンズなど）
４１、４２、４３が取り付けられており、これらのレン
ズ４１、４２、４３により光源３１、３２、３３から発
生させられたレーザ光が細い平行な光ビームに形成され
る。この光ビームは平面鏡５１に当てられ、この鏡５１
で反射した光ビームが被検体７１側に照射される。

【００１５】レーザ光源３１、３２、３３およびレンズ
４１、４２、４３は一体に保持されており、Ｘ方向駆動
回路６２によってＸ方向に移動させられる。また平面鏡
５１はＹ方向駆動回路６３によってＹ方向に移動させら
れる。これらＸ方向駆動回路６２およびＹ方向駆動回路
６３は収集制御回路２０によって制御され、光ビームが
Ｘ−Ｙ平面上に平行走査される。なお、レーザ光源３
１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３は波長ご
とに別々に構成されているため、各波長の光ビーム位置
が異なるので、どの波長の光ビームが発生されるかに応
じて平面鏡５１のＹ方向の位置が調整される。

【００１６】このレーザ光照射装置１０は、図３に示す
ようにも構成できる。この図３では、光ビームのＸ方向
の移動はもう一つの平面鏡５２のＸ方向移動によってい
る。すなわち、レーザ光源３１、３２、３３およびレン
ズ４１、４２、４３から各波長の光ビームをＸ方向に放
出し、平面鏡５２をＸ方向駆動回路６２により光ビーム
方向（Ｘ方向）に移動させることによって平面鏡５１に
入射する光ビームをＸ方向に移動させている。その他の
構成は図２と同様である。

【００１７】なお、レーザ光照射装置１０は、これら図
２、図３の構成に限らず、照射する光ビームを一つの平
面（たとえばＸ−Ｙ平面）内で平行走査することができ
るものであればよい。そのため、たとえばレーザ光源３
１、３２、３３およびレンズ４１、４２、４３を一体に
構成したブロック自体をＸ方向およびＹ方向に移動させ
ることも考えられる。

【００１８】被検体７１に向けて照射する光ビームの断
面積は、１つの画素サイズに対応させ、それと同等また
はやや大きい程度とするか、一定個数（２×２、４×４
など）の画素の大きさに対応させ、それと同程度かやや
小さい程度とする。光ビームの断面積を１つの画素の大
きさと同等とした場合、光ビームを走査させる際に各画
素の位置ごとに順次一定時間停止させて照射する。光ビ
ームの断面積を２×２、４×４などの一定個数の画素の
大きさに対応させた場合には、光ビームを走査させる際
にその個数の画素の位置ごとに順次一定時間停止させて
照射する。

【００１９】光ビームの断面積を１つの画素の大きさと
同等とした場合、光ビームの走査位置ごとに順次、図４
の（ａ），（ｂ），（ｃ）…のような、１枚ずつの画像
データが固体撮像素子１２から読み出されて画像収集メ
モリ１４に格納される。ここでは画像のマトリクス（固
体撮像素子１２の物理的マトリクスと考えてもよい）を
説明の便宜上４×４であるとして、左上から右方向に走
査されるものとしている。光ビームの位置が左上端画素
位置にあるときは図４の（ａ）のような画像が得られ、
その位置の画素のデータは、被検体７１を直線的に透過
した透過光成分と散乱した光の成分とを含むものとなっ
ており、その周囲の画素のデータは散乱して曲がり近傍
に広がった散乱光成分のみを表すものとなる。

【００２０】各位置ごとに得られる１枚ずつの画像デー
タは画像収集メモリ１４に格納される都度直ちに読み出
されて画像処理メモリ１７に転送され、光ビーム位置の
画素のデータのみが抜き出される。これが光ビーム走査
における各位置ごとに繰り返されて図４の（ｄ）に示す
ような画像が作成される。同時に、光ビーム位置の周囲
の画素群のデータも、その光ビーム位置ごとに抜き出さ
れて画像処理メモリ１７に転送される。

【００２１】光ビームの断面積を２×２の画素の大きさ
に対応させた場合、光ビームの走査位置ごとに順次、固
体撮像素子１２から、図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）…
のような１枚ずつの画像データが読み出されて画像収集
メモリ１４に格納される。ここでは画像のマトリクスを
８×８とし、左上から右方向に走査し、２個分の距離移
動しては停止し、右端に来たら２個分下がって左方向に
２個分ずつ移動するものとしている。

【００２２】この場合も、光ビームの位置が左上端の位
置にあるときは図５の（ａ）のような画像が得られる。
この画像において光ビーム位置の４個（２×２個）の画
素のデータは、被検体７１を直線的に透過した透過光成
分と散乱した光の成分とを表すものとなっており、その
周囲の画素のデータは散乱して曲がって近傍に広がった
散乱光成分のみのデータとなる。この画像のうち上記の
４個の画素のデータのみが抜き出され、このような操作
が走査位置ごとに繰り返されて図５の（ｄ）で示すよう
な１枚の画像が作成される。この作成画像は、被検体７
１から出射する光のうち、光ビーム位置から出射する光
の強度データを各画素のデータとするものとなり、主に
直線的に透過した透過光成分を表すが散乱光の成分も含
まれる。同時に、光ビーム位置の４個の画素の周囲画素
群のデータも、その光ビーム位置ごとに抜き出されて画
像処理メモリ１７に転送される。なお、この場合、光ビ
ームの断面積を、２×２の画素の大きさよりやや小さい
ものとすることもできる。このように光ビーム走査位置
のマトリクスを画像のマトリクスよりも粗い構成とする
ことにより、高精細画像を得ながら、全体の走査時間を
短縮することができる。

【００２３】ここでは、各走査位置での停止時間（光照
射時間）は一定としており、そのため、被検体７１が存
在しない領域（被検体の輪郭や周辺部）では多量の光線
が固体撮像素子１２に入射し、その部分の画素が飽和し
たり、画像収集メモリ１４におけるその部分の画素のデ
ータ量がオーバーフローすることなどが生じ、放電など
のための不感時間が増大したりエラーなどが起こる不都
合が出る場合もある。そこで、正規の走査・撮像に先だ
って、あらかじめ、予備的に、１つの波長の光ビームの
みを用い、上記の走査を高速に（各走査位置ごとの光照
射時間を短いものとして）行なって図６で示すような光
透過２次元画像データを収集するようにしてもよい。そ
して、このパイロット画像の各画素データを所定のしき
い値と比較し、しきい値を超えているかいないかにより
「０」、「１」の結果を得る。こうして図７で示すよう
なマップ画像を得る。そして、正規の走査・撮像を行な
う場合に、このマップ画像にしたがって各走査位置ごと
の光照射時間を調節する。

【００２４】図７のようなマップ画像が得られた場合、
たとえば「０」の画素の位置では停止せずに（光照射し
ないで）通過し、「１」の画素の位置でのみ一定時間停
止して光照射するようにする。そうすると、被検体７１
が存在しない領域で多量の光線が固体撮像素子１２に入
射することによって引き起こされる種々の不都合が生じ
ないようにすることができ、かつ撮像時間（総走査時
間）の短縮も図ることができる。ここでは各走査位置が
画像のマトリクスに対応している場合を想定して説明し
たが、走査位置が画像のマトリクスよりも粗い場合も同
様である。

【００２５】また、画像データがしきい値を超えたか否
かの判別を行ない「０」、「１」の１ビットの結果を得
ているが、画像データを何段階かに判別して２ビット以
上の結果を得、これに応じて、正規の走査・撮像時にお
ける各走査位置ごとの光照射時間を数段階に変化させる
ようにしてもよい。こうすることにより、輪郭付近で適
切な画像データを得て画質を向上させたり、被検体７１
の厚さが局所的に変化している場合などに対応して精度
の高い画像データを収集し、データの精度の位置依存性
を改善することなどができる。この予備的な走査・撮像
においては、データの精度があまり要求されない（せい
ぜい数段階に分解できればよいから）ため、各走査位置
ごとに得られる１枚ずつの画像を画像収集メモリ１４や
画像処理メモリ１７でそのまま加算する（走査位置の画
素のデータのみを抜き出して画像を作るのではなく）よ
うにしてもよい。

【００２６】このような光ビーム走査・画像データ収集
の操作をレーザ光源３１、３２、３３を順次切り換えて
行ない、それぞれの光源ごとに上記のようなデータを収
集する。図８に示すように、被検体７１が厚さＬの均一
な光吸収体であるとして説明する。この被検体（均一光
吸収体）７１には、２種類の吸光物質ａ，ｂが含まれ、
それぞれの濃度がＣａ，Ｃｂであるとする。波長λｉ
（ｉ＝１、２または３）の光ビームに関して、入射光強
度をＩｊｏ、入射光軸上の出射光強度をＩｊとすると、
Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、つぎの数式１
および数式２が成り立つ。

【数１】

【数２】ここで、μｊは吸収係数Ａｊは吸光度 εａｊおよびεｂｊは物質ａおよびｂの吸光係数をそれ
ぞれ表わす。

【００２７】波長λ１とλ２との吸光度比Ｒを求める
と、つぎの数式３のようにＬが消去され、また、これか
ら濃度比Ｃａ／Ｃｂが数式４のように導かれる。

【数３】

【数４】

【００２８】濃度Ｃａ、Ｃｂの絶対値は、つぎの数式
５、数式６のようになり、厚さＬの情報も必要となる。

【数５】

【数６】

【００２９】そこで、採血試料などの検査のように、入
射光強度Ｉｊｏを容易に測定できる場合は、数式２から
吸光度Ａｊの絶対値を求めることができ、これから数式
３〜６を用いて濃度Ｃａ、Ｃｂの絶対値等を計算するこ
とができる。しかし、現実の生体の検査の場合などで
は、入射光強度Ｉｊｏそれ自体を測定することが困難な
ことが多い。また、たとえこれが測定できたとしても吸
光度Ａｊを現実に求めることは困難である。すなわち、
試料検査では、試料容器の散乱などの影響も含めて入射
光強度Ｉｊｏを測定できるので、吸光度Ａｊとして物質
ａ、ｂの正味の吸収だけを含む情報が得られるのである
が、生体検査などではそれができずに物質ａ、ｂの吸収
だけでなく表面の散乱の影響も含んだ吸光度Ａｊしか得
られない。

【００３０】そのため、生体等の検査では時間的な変化
量を測定する。時刻ｔおよび時刻ｔ’＝ｔ＋Δｔで測定
した出射光強度をＩｊｔおよびＩｊｔ’とし、吸光度Ａ
ｊｔとＡｊｔ’の差（変化量）をΔＡｊ、物質ａ，ｂの
それぞれの濃度の変化量をΔＣａ、ΔＣｂとすると、つ
ぎの数式７が成り立つ。

【数７】

【００３１】これから、各波長の吸光度の変化量の比を
Ｑとしてつぎの数式８〜１１が導かれる。

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】すなわち、ΔＣａ／ΔＣｂ、ΔＣａおよびΔＣｂに関し
ては、入射光強度Ｉｊｏを測定しなくても数式７〜１１
によって計算可能である。生体表面の散乱がある場合で
も、その影響はΔＡｊの計算の際に相殺されてしまう。
すなわち、数式７においてΔＡｊを求める際にＩｊｏ項
が相殺されるため、Ｉｊｏを測定せずにΔＣａ／ΔＣ
ｂ、ΔＣａおよびΔＣｂを求めることができる。

【００３２】これに基づいて、たとえば、λ１＝７８０
ｎｍ、λ２＝８０５ｎｍ、λ３＝８３０ｎｍとし、ヘモ
グロビンおよびミオグロビンの酸素化した成分ｏｘｙ
（Ｈｂ＋Ｍｂ）、脱酸素化した成分ｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋
Ｍｂ）の各時間変化量Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、Δｄｅ
ｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）をそれぞれ近似的に求める次の式
が導き出される。 Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）＝−３．０ΔＡ２＋３．０ΔＡ
３ Δｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）＝１．６ΔＡ１−２．８Δ
Ａ２＋１．２ΔＡ３そこで、画像処理メモリ１７に格納したおいた２つの時
点での光ビーム軸上の画素データを数式７のＩｊｔ、Ｉ
ｊｔ’の値として用いてΔＡｊを求めることによって、
ｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、ｄｅｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）の各
時間変化量Δｏｘｙ（Ｈｂ＋Ｍｂ）、Δｄｅｏｘｙ（Ｈ
ｂ＋Ｍｂ）の２次元分布像を得ることができる。

【００３３】一方、空間的な変化量をとらえることによ
れば、時間的な変化量ΔＣａ／ΔＣｂ、ΔＣａおよびΔ
Ｃｂではなく、Ｃａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂの値自体を
Ｉｊｏを測定しないで近似的に求めることが可能であ
る。図８において、入射光ビームの光軸より微小に変位
した位置（出射面上での変位量Δｘ）での出射光強度を
Ｉｊｘとし、このＩｊｘを入射光ビームの光軸上の出射
光強度Ｉｊとともに測定する。このとき変位した位置で
の出射光に関する光路長は（Ｌ＋ΔＬ）となり、光軸上
の出射光に関する光路長Ｌとの差ΔＬはつぎの数式１２
で表される。

【数１２】そして、変位した位置での吸光度Ａｊｘを光軸上の吸光
度Ａｊと比較した場合の吸光度差をΔＡｊｘとすると、

【数１３】が得られる。このΔＡｊｘを求める数式１３においてＩ
ｊｏ項が相殺される。

【００３４】そこで、波長λ１での吸光度差ΔＡ１ｘと
波長λ２での吸光度差ΔＡ２ｘとの比をＰとして、つぎ
の数式１４〜１７を導くことができる。

【数１４】

【数１５】

【数１６】

【数１７】これらの式より、入射光強度Ｉｊｏを測定しなくても
Ｐ、Ｃａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂを求めることができ
る。表面の散乱がある場合でも、その影響はΔＡｊｘの
計算の際に近似的に相殺される。上記のように数式１３
においてＩｊｏが相殺されるため、Ｉｊｏの時間的変動
や雑音（光源の劣化、光源の電源変動、蛍光灯などの外
光雑音など）に関して影響を受けない。数式１３におい
て、ＩｊとＩｊｘに含まれる時間的な変動や雑音は同相
成分となるからである。

【００３５】この原理は、均一な吸収体の場合、光軸上
からの変位Δｘが出射面上でどの方向でも、つまり出射
面について等方的に、成り立つ。そこで、これに基づい
てＣａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂの２次元分布データを計
算する場合は、上記のように画像処理メモリ１７に格納
しておいた、光ビーム位置の画素のデータとその周囲の
画素群のデータとを用いる。すなわち、ある走査時点で
光ビームの光軸がｎ番目の画素上にあるとすると、図９
に示すように、そのｎ番目の画素のデータαｎに加え
て、その周囲の画素群のデータβｎ、γｎ、δｎを用い
る。周囲の画素群のデータβｎ、γｎ、δｎはそれぞれ
４つづつあるので、その加算平均値を用いる。すなわ
ち、数式１３のＩｊとしてαｎを、ＩｊｘとしてΣβｎ
／４、Σγｎ／４またはΣδｎ／４のいずれかの値を代
入してΔＡ１ｘ、ΔＡ２ｘを求め、さらに数式１４〜１
７からＰ、Ｃａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂを計算する。こ
うしてそのｎ番目の画素についての値を求めることがで
きる。

【００３６】つぎの（ｎ＋１）番目の画素についても同
様で、図１０に示すように、光ビームの光軸上の（ｎ＋
１）番目の画素のデータαｎ＋１を数式１３のＩｊに代
入し、その周囲の画素群のデータβｎ＋１、γｎ＋１、
δｎ＋１の加算平均値Σβｎ＋１／４、Σγｎ＋１／４
またはΣδｎ＋１／４のいずれかの値を数式１３のＩｊ
ｘに代入してΔＡ１ｘ、ΔＡ２ｘを求め、さらに数式１
４〜１７からＰ、Ｃａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂを計算す
る。こうして各画素についてつぎつぎに計算を行なって
いくことにより、吸光物質ａ，ｂの濃度およびその濃度
比の２次元分布データ（画像）を得ることができる。

【００３７】このようにＩｊｘとして周囲の画素のデー
タの加算平均値を採用することにより、入射光強度や計
測時間についての条件が同一の場合にΔＡ１ｘ、ΔＡ２
ｘ等の値をより高い精度で求めることが可能である。な
お、視野の端の部分では光軸上の画素の周囲に位置する
画素のすべてについてデータは得られない（βｎ、γ
ｎ、δｎはそれぞれ４つまでは得られない）ので、これ
ら得られたβｎ、γｎ、δｎの重み付け加算平均値を用
いる。

【００３８】被検体７１が不均一な吸収体である場合
も、同様に、各画素ごとのΔＡ１ｘ、ΔＡ２ｘ、Ｐ、Ｃ
ａ／Ｃｂ、ＣａおよびＣｂを近似的に求めることができ
る。この場合、光軸上の画素のデータαに近い周囲画素
のデータβを用いて吸光度差ΔＡｊｘを求めると、ΔＡ
ｊｘの値は小さいものとなるため統計誤差は大きくなる
が空間分解能は高いという傾向となり、光軸上の画素の
データαから遠い周囲画素のデータδ（またはさらに外
側の画素のデータ）を用いて吸光度差ΔＡｊｘを求める
と、空間分解能は低下するが、ΔＡｊｘの値は大きいも
のとなるため統計誤差は小さくなるという傾向となる。

【００３９】なお、このデータα、β、γ、δについて
は、図４で説明した単一の画素のデータのみならず、図
５で説明した、光ビーム断面積が複数個数の画素の塊と
同程度であるときに画像処理メモリ１７に蓄積しておい
たその複数個数の画素の塊のデータを用いることもでき
る。

【００４０】これにより、たとえば生体の血液中に含ま
れる酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの
それぞれの濃度を測定する場合は、λ１＝７８０ｎｍと
λ２＝８３０ｎｍとの組み合わせや、λ１＝６６０ｎｍ
とλ２＝９１０ｎｍとの組み合わせなどを用いて出射光
強度データＩｊ、Ｉｊｘを測定する。このとき、酸素化
ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンのそれぞれの
濃度をＣａ、Ｃｂとすると、酸素飽和度Ｓはつぎの数式
１８のようになって、比率（Ｃａ／Ｃｂ）から算出で
き、ΔＬの情報は不要となる。

【数１８】

【００４１】これらの説明では被検体７１が波長λｊの
光に対して吸収体であるとしているが、生体のように光
に対して吸収するほか散乱する場合にはＡｊは減光度と
呼ぶことができ、厳密には吸収係数のほかに散乱係数を
も考慮する必要があるが、たとえば実効光路長を厚さＬ
または（Ｌ＋ΔＬ）の数倍の値に置き換えて補正するな
どの方法により、原理的には上記の数式１〜１８を用い
て近似的に計算することができる。

【００４２】なお、上記は一つの実施形態に関する説明
であり、この発明が上記に限定されるものではなく、こ
の発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変更できること
はもちろんである。たとえば、レーザ光源の配置や走査
機構などは他の構成も採用可能であり、レーザ光照射装
置１０は、１次元配列のレーザ光源を移動させる構成と
してもよいし、２次元配列のレーザ光源を用いてもよ
い。これらの場合は各レーザ光源を順次点灯させること
になる。またレーザ光源以外にＬＥＤや電球とフィルタ
を用いたものなどを光源とすることもできる。光ビーム
走査位置のマトリクス数や撮像素子のマトリクス数も例
示にすぎない。

【００４３】光ビームの波長は３波長としてその２波長
のデータを用いたり３波長のデータを用いた例について
説明したが、１波長でもよいし、４波長以上用いてもよ
い。そして波長の切換は光学的な手段たとえばオプティ
カルスイッチなどを用いて行なうようにもできる。

【００４４】周囲の画素群との吸光度差情報を利用して
演算する場合、δよりも遠い画素群のデータを用いても
よいし、Δｘの異なる複数の画素群のデータを複合して
用い演算するようにしてもよい。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１記載の光透過映像装置によれば、空間的な吸光度差情
報を求めて被検体内に含まれている吸光物質の濃度を算
出したり、吸光物質が複数の場合にその濃度比を算出し
ており、その演算の過程で入射光強度に関する情報が相
殺されるため、入射光強度に関する測定を行なわずにそ
れら吸光物質の濃度に関するデータを得ることができ
る。また、このように吸光度差情報を求める過程で入射
光強度に関する情報を相殺しているため、入射光強度の
時間的変動や雑音（光源の劣化、光源の電源変動、蛍光
灯などの外光雑音など）に関して影響を受けない。

【００４６】この発明の請求項２記載の光透過映像装置
によれば、２つの時点での出射光強度を測定し、これか
ら吸光度の時間的変化量を求めることにより入射光強度
情報を相殺しているため、入射光強度を測定することな
しに吸光物質の濃度に関する２次元分布データを得るこ
とができる。また、画像縮小伝達特性を有する光画像伝
達手段を用いて光を固体撮像手段に導いているので、小
型の固体撮像手段を用いても大きな有効視野が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す模式図。

【図２】レーザ光照射装置の一例を示す模式図。

【図３】レーザ光照射装置の他の例を示す模式図。

【図４】画像マトリクスの一例を表わす図。

【図５】画像マトリクスの他の例を表わす図。

【図６】予備的走査・撮像により得られる画像の例を示
す図。

【図７】予備的走査・撮像により得られる画像から求め
たマップ画像の例を示す図。

【図８】吸収体を通って出射する光を説明する模式図。

【図９】光ビームの光軸がｎ番目の画素上にあるときの
その光軸上の画素のデータとその周囲の画素群のデータ
とを示す模式図。

【図１０】光ビームの光軸が（ｎ＋１）番目の画素上に
あるときのその光軸上の画素のデータとその周囲の画素
群のデータとを示す模式図。

【符号の説明】

１０レーザ光
照射装置１１集束レン
ズ（凸レンズ）１２固体撮像
素子１３読み出し
回路１４画像収集
メモリ１５、１６、１９インターフェイス回路１７画像処理
メモリ１８ＣＰＵ２０収集制御
回路２１表示装置２２入力装置３１、３２、３３レーザ光源４１、４２、４３平行光形成用レンズ５１、５２平面鏡６１選択スイ
ッチ回路６２Ｘ方向駆
動回路６３Ｙ方向駆
動回路７１被検体７２暗箱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田一郎神奈川県秦野市堀山下字松葉380−１株式会社島津製作所秦野工場内 (72)発明者熊谷博彰東京都町田市南つくし野４丁目７番10号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細い光ビームを発生する光発生手段と、
該光ビームを被検体に対して２次元的に平行走査する走
査手段と、該被検体を挟んで上記光発生手段と対向配置
されて該光ビーム位置に対応する位置付近において被検
体から出射する光を検出する光検出手段と、該光検出手
段から出力される信号を格納することにより、上記光ビ
ーム位置に対応する位置から出射する光に関する２次元
画像データとその位置の周囲から出射する光に関する２
次元画像データとを収集する記憶手段と、該記憶手段か
ら読み出された上記のビーム位置の画像データとその周
囲の画像データとの間の吸光度差情報を求めて吸光物質
の濃度に関する分布データを算出するデータ処理手段と
を備えることを特徴とする光透過映像装置。
【請求項２】波長の異なる複数の細い光ビームを選択
的に発生する光発生手段と、該光ビームを被検体に対し
て２次元的に平行走査する走査手段と、該被検体を挟ん
で上記光発生手段と対向配置される画像縮小伝達特性を
有する光画像伝達手段と、該光画像伝達手段の出力側に
光結合される２次元配列の固体撮像手段と、該固体撮像
手段から読み出された信号を格納することにより異なる
時点における２次元画像データを収集する記憶手段と、
該記憶手段から読み出された異なる時点での各波長ごと
の２次元画像データを編集および演算処理してパラメー
タ画像を作成するデータ処理手段とを備えることを特徴
とする光透過映像装置。