(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、及び第３の数は何れも自然数であって、前記第１の数と前記第２の数との積は前記第３の数以上であるとしたときに、
被検体に個別に光を投射する前記第１の数の光出力位置を有する投光手段と、
前記投光手段によって投射された投射光が被検体内を透過して成る透過光を個別に受光する前記第２の数の受光位置を有する光検出手段と、
前記被検体を前記第３の数の体積要素に分割された集合体とみなし、前記投光手段が有する前記第１の数の光出力位置と同条件で光を投射する前記第１の数の仮想出力位置を有する仮想投光手段を想定するとともに、前記光検出手段が有する前記第２の数の受光位置と同条件で光を受光する前記第２の数の仮想受光位置を有する仮想光検出手段を想定して、前記第１の数の仮想光出力位置と前記第２の数の仮想受光位置との全ての組み合わせについて、任意の前記仮想光出力位置から光を投射して任意の前記受光位置で光を受光するときに前記第３の数の体積要素それぞれについて光路長Ｌで通過する光子の頻度を表す光路長分布Ｐ（Ｌ）を演算する第１の演算手段と、
前記第１の演算手段により求められた前記各体積要素の前記光路長分布Ｐ（Ｌ）と、前記投光手段及び前記光検出手段を用いて実測された前記被検体内を透過して成る透過光の光強度とから、前記各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量を演算する第２の演算手段と、を備えたことを特徴とする光ＣＴ装置。
【請求項２】
前記投光手段は、連続光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光ＣＴ装置。
【請求項３】
前記投光手段は、パルス光を出射し、前記光検出手段は、前記被検体内を透過して成る透過光を時分割計測することを特徴とする請求項１に記載の光ＣＴ装置。
【請求項４】
前記投光手段は、変調光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光ＣＴ装置。
【請求項５】
第１、第２、及び第３の数は何れも自然数であって、前記第１の数と前記第２の数との積は前記第３の数以上であるとしたときに、
前記第１の数の光出力位置を有する投光手段を用いて、被検体（ヒトを除く。）に個別に光を投射すると共に、前記第２の数の受光位置を有する光検出手段を用いて、前記投光手段によって投射された投射光が被検体内を透過して成る透過光を個別に検出する第１の工程と、
前記被検体を前記第３の数の体積要素に分割された集合体とみなし、前記投光手段が有する前記第１の数の光出力位置と同条件で光を投射する前記第１の数の仮想出力位置を有する仮想投光手段を想定するとともに、前記光検出手段が有する前記第２の数の受光位置と同条件で光を受光する前記第２の数の仮想受光位置を有する仮想光検出手段を想定して、前記第１の数の仮想光出力位置と前記第２の数の仮想受光位置との全ての組み合わせについて、任意の前記仮想光出力位置から光を投射して任意の前記受光位置で光を受光するときに前記第３の数の体積要素それぞれについて光路長Ｌで通過する光子の頻度を表す光路長分布Ｐ（Ｌ）を演算する第２の工程と、
前記第２の工程により求められた前記各体積要素の前記光路長分布Ｐ（Ｌ）と、前記第１の工程において前記投光手段及び前記光検出手段を用いて実測された前記被検体内を透過して成る透過光の光強度とから、前記各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量を演算する第３の工程と、を備えたことを特徴とする光ＣＴにおける画像再構成方法。
【請求項６】
前記投光手段は、連続光を出射することを特徴とする請求項５に記載の光ＣＴにおける画像再構成方法。
【請求項７】
前記投光手段は、パルス光を出射し、前記光検出手段は、前記被検体内を透過して成る透過光を時分割計測することを特徴とする請求項５に記載の光ＣＴにおける画像再構成方法。
【請求項８】
前記投光手段は、変調光を出射することを特徴とする請求項５に記載の光ＣＴにおける画像再構成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体等の被検体に光を投射し、その透過光強度から被検体の光吸収特性に基づく特徴量画像を再構成する光ＣＴ装置及び画像再構成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在医療用画像診断装置として、Ｘ線ＣＴ、超音波ＣＴ、ＭＲＩなどが用いられている。それらに加えて最近は、近赤外光が生体組織に対して高い透過性を有すること、生体組織中の酸素濃度を計測し得ること、Ｘ線などと比較して安全なことなどの理由で、光ＣＴが注目を集めている。
【０００３】
光ＣＴ装置は主に、被検体の各部位に光を投射する光投射部、光投射部から投射され、被検体内部を透過して成る透過光を検出し、透過光強度を計測する光検出部、計測された光強度及び光路から被検体内部の吸収係数分布画像を再構成する演算部とから構成されている。
【０００４】
画像再構成方法としては、被検体を複数の微小体積要素に分割し、モンテカルロ法によって求めた被検体内の各体積要素における平均光路長と、計測された透過光強度とから各体積要素の吸収物質濃度を求める方法が知られている（特開平３−５０５９２２、特開平８−２９３２９）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光ＣＴ装置においては、被検体の吸収係数分布画像を再構成するときに、各体積要素を通過する光子の平均光路長を使用して、検出された透過光の減衰への影響を求めていた。しかし、平均光路長を使用すると、被検体内部の吸収係数がゼロ、あるいはゼロに近い場合は比較的正確な吸収係数分布画像が得られるが、吸収係数が大きい組織においては、実効的な光路長が短くなってしまい、吸収係数の計算結果も実際の組織の吸収係数と異なってしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決し、吸収係数の大小を問わず、被検体の正確な吸収係数を計算することが可能な光ＣＴ装置、および画像再構成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光ＣＴ装置は、第１、第２、及び第３の数は何れも自然数であって、第１の数と第２の数との積は第３の数以上であるとしたときに、被検体に個別に光を投射する第１の数の光出力位置を有する投光手段と、投光手段によって投射された投射光が被検体内を透過して成る透過光を個別に受光する第２の数の受光位置を有する光検出手段と、被検体を第３の数の体積要素に分割された集合体とみなし、投光手段が有する第１の数の光出力位置と同条件で光を投射する第１の数の仮想出力位置を有する仮想投光手段を想定するとともに、光検出手段が有する第２の数の受光位置と同条件で光を受光する第２の数の仮想受光位置を有する仮想光検出手段を想定して、第１の数の仮想光出力位置と第２の数の仮想受光位置との全ての組み合わせについて、任意の仮想光出力位置から光を投射して任意の受光位置で光を受光するときに第３の数の体積要素それぞれについて光路長Ｌで通過する光子の頻度を表す光路長分布Ｐ（Ｌ）を演算する第１の演算手段と、第１の演算手段により求められた各体積要素の光路長分布Ｐ（Ｌ）と、投光手段及び光検出手段を用いて実測された被検体内を透過して成る透過光の光強度とから、各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量を演算する第２の演算手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
投光手段によって投射された光は、被検体内で散乱し、また一部は吸収される。被検体内を透過してきた光は、光検出手段によってその透過光強度を計測される。その後、第１の演算手段によって、被検体を複数に分割した各体積要素における、光路長分布が計算される。最後に第２の演算手段によって、実測された透過光強度と計算された光路長分布とから各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量が正確に求められる。
【０００９】
上記投光手段は、連続光を出射することを特徴としても良い。連続光を出射することを特徴とする投光手段を用いることにより、簡単な装置構成とすることができる。
【００１０】
また、上記投光手段は、パルス光を出射し、光検出手段は、被検体内を透過して成る透過光を時分割計測することを特徴としても良い。パルス光を出射することを特徴とする投光手段及び透過光を時分割計測することを特徴とする光検出手段を用いることにより、光強度信号の時分割情報を利用することができる。
【００１１】
さらに、上記投光手段は、変調光を出射することを特徴としても良い。変調光を出射することを特徴とする投光手段を用いることにより、光強度信号の位相情報を利用することができる。
【００１２】
また、本発明の画像再構成方法は、第１、第２、及び第３の数は何れも自然数であって、第１の数と第２の数との積は第３の数以上であるとしたときに、第１の数の光出力位置を有する投光手段を用いて、被検体（ヒトを除く。）に個別に光を投射すると共に、第２の数の受光位置を有する光検出手段を用いて、投光手段によって投射された投射光が被検体内を透過して成る透過光を個別に検出する第１の工程と、被検体を第３の数の体積要素に分割された集合体とみなし、投光手段が有する第１の数の光出力位置と同条件で光を投射する第１の数の仮想出力位置を有する仮想投光手段を想定するとともに、光検出手段が有する第２の数の受光位置と同条件で光を受光する第２の数の仮想受光位置を有する仮想光検出手段を想定して、第１の数の仮想光出力位置と第２の数の仮想受光位置との全ての組み合わせについて、任意の仮想光出力位置から光を投射して任意の受光位置で光を受光するときに第３の数の体積要素それぞれについて光路長Ｌで通過する光子の頻度を表す光路長分布Ｐ（Ｌ）を演算する第２の工程と、第２の工程により求められた各体積要素の光路長分布Ｐ（Ｌ）と、第１の工程において投光手段及び光検出手段を用いて実測された被検体内を透過して成る透過光の光強度とから、各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量を演算する第３の工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１３】
第１の工程では、投光手段によって投射され、被検体内を透過してきた光の透過光強度が光検出手段によって計測される。また、第２の工程では、被検体を複数に分割した各体積要素における、光路長分布が計算される。第３の工程において、実測された透過光強度と計算された光路長分布とから各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量が正確に求められる。
【００１４】
上記投光手段は、連続光を出射することを特徴としても良い。連続光を出射することを特徴とする投光手段を用いることにより、簡単な装置構成とすることができる。
【００１５】
また、上記投光手段は、パルス光を出射し、光検出手段は、被検体内を透過して成る透過光を時分割計測することを特徴としても良い。パルス光を出射することを特徴とする投光手段及び透過光を時分割計測することを特徴とする光検出手段を用いることにより、光強度信号の時分割情報を利用することができる。
【００１６】
さらに、上記投光手段は、変調光を出射することを特徴としても良い。変調光を出射することを特徴とする投光手段を用いることにより、光強度信号の位相情報を利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態にかかる光ＣＴ装置及び画像再構成方法について、図面を参照して説明する。
【００１８】
まず、本発明の第１の実施形態にかかる光ＣＴ装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光ＣＴ装置の構成図である。本実施形態の光ＣＴ装置は、被検体４０の光吸収特性を測定するための測定機構と、測定機構より得られた実測データを演算処理することにより被検体４０の吸収係数分布画像を再構成する演算機構とを備えている。
【００１９】
演算機構は、本装置全体の動作を制御するマイクロプロセッサーユニット（ＭＰＵ）を有する制御部１１と、あらかじめ決められたアルゴリズムにもとづいて、被検体４０の吸収係数分布画像を再構成するための演算処理を行う演算部１２と、演算部１２が演算処理の際に使用する種々のデータなどを格納するための記憶部１３と、上記演算処理により得られた被検体４０の吸収係数分布画像などを表示するための表示部１４とを備えている。
【００２０】
また、測定機構は、被検体４０に光を投射するための投光部と、投光部から投射され、被検体４０を透過して成る透過光強度を測定するための受光部とを備えている。
【００２１】
投光部は、近赤外光を出射する光源２１と、１入力ｎ（ｎは自然数）出力の投光側光スイッチ２２と、ｎ本の投光（照射）用光ファイバーＦ１〜Ｆｎとから構成されている。投光側光スイッチ２２の光入力端は光源２１の光出力端に接続されており、また投光側光スイッチ２２のｎ個の光出力端は、ｎ本の投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎのそれぞれの光入力端に接続されている。ｎ本の投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの光出力端は、同一平面上に所定の間隔で並べられ、機械的に固定されている。
【００２２】
また、投光側光スイッチ２２は制御部１１からの切り替え制御に従って、ｎ個中一つの分岐路のみを選択的にオン、残余の分岐路をオフにする機能を有している。この機能により、光源２１から出射された光は、ｎ本の投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎのいずれかに個別排他的に導入され、光の導入された投光用光ファイバーＦｋの光出力端のみから被検体４０に向けて投射（照射）される。従って、被検体４０内の異なる部位に向けて順次光を投射することが可能となっている。
【００２３】
一方受光部は、ｍ（ｍは自然数）本の受光（検出）用光ファイバーＢ１〜Ｂｍと、ｍ入力１出力の受光側光スイッチ３２と、光電変換デバイスなどを有する光検出部３１とから構成されている。受光側光スイッチ３２のｍ個の光入力端は、ｍ本の受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍのそれぞれの光出力端に接続されており、また、受光側光スイッチ３２の光出力端は光検出部３１の光入力端に接続されている。ｍ本の受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍの光入力端は、同一平面上に所定の間隔で並べられ、機械的に固定されている。
【００２４】
また、受光側光スイッチ３２は制御部１１からの切り替え制御に従って、ｍ個中一つの分岐路のみを選択的にオン、残余の分岐路をオフにする機能を有している。この機能により、ｍ本の受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍに入射した光は個別排他的に光検出部３１に導入される。従って、被検体４０の位置の異なる部位から発せられた透過光の光強度を順次測定することが可能となっている。
【００２５】
被検体４０の光吸収特性を測定する時は、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの光出力端を被検体４０の一側端に対向あるいは接触させ、光源２１から出射された光を各投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎから順次被検体４０の各部位に投射する。また、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍの光入力端は、被検体４０の一側端に対向あるいは接触させると共に、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの光出力端にも対向する位置に配置し、被検体４０の内部を透過して成る透過光を各受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍから順次光検出部３１に導入し、光電変換およびＡ／Ｄ変換することにより測定データを得る。
【００２６】
次に本実施形態の光ＣＴ装置の作用及び被検体４０内各部位の吸収係数分布画像の再構成方法について説明する。
【００２７】
図２は本実施形態における画像再構成方法を示すフローチャートである。本方法は、被検体４０に光を投射し、透過光の光強度を計測する第１の工程（Ｓ１０）と、モンテカルロ法により被検体４０内の各体積要素における透過光の光路長（光の行路長）分布を求める第２の工程（Ｓ２０）と、第１の工程（Ｓ１０）により測定された計測値と第２の工程（Ｓ２０）にて計算された透過光の光路長分布とから、被検体４０の光吸収特性に基づく特徴量である未知吸収係数の分布画像を計算する第３の工程（Ｓ３０）とから成り立っている。
【００２８】
上記３つの工程を順次説明していく。図３は、第１の工程（Ｓ１０）を示すフローチャートである。第１の工程（Ｓ１０）は、被検体４０に光を投射し、透過光の強度を測定する工程である。具体的には、まず、制御部１１が投光側光スイッチ２２を切り替えることによって投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎのうちひとつを選択する。光スイッチ２２によって選択された投光用光ファイバーＦｋは、光源２１から出射された光を被検体４０に向けて投射する（Ｓ１１）。
【００２９】
選択された投光用光ファイバーＦｋの光出力端から投射され、被検体４０を透過して成る透過光は、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍのそれぞれに入射する。制御部１１は受光側光スイッチ３２を切り替えることにより、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍに入射した光を順次光検出部３１に導入する。光検出部３１は入射光強度を検出し、光電変換及びＡ／Ｄ変換後に制御部１１に計測データを送出する（Ｓ１２）。データを受け取った制御部１１は、記憶部１３の該当エリアに入射光強度を記録する。
【００３０】
受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍへの入射光の計測が全て終了したら、制御部１１が投光側光スイッチ２２を切り替えることによって、投光用光ファイバーを切り替え、上記と同様に受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍに入射した光強度を順次計測し、記録する。投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの全てについて上記の操作を繰り返し、計測した光強度を記憶部１３に記録する。
【００３１】
図４は、第２の工程（Ｓ２０）を示すフローチャートである。第２の工程（Ｓ２０）は被検体を体積要素に分割し、各体積要素における透過光の光路長分布を求める工程である。
【００３２】
まず被検体４０を複数の体積要素に分割したモデルを計算機上に設定する（Ｓ２１）。体積要素の数、大きさ及び形状は、必要な空間分解能を考慮した上で任意に設定することが可能である。
【００３３】
次に、光源Ｓ及び検出器Ｄを設定し、光源Ｓから投射された光子が検出器Ｄに入射するまでの経路をモンテカルロ法によって計算する。光源Ｓは第１の工程において被検体４０に光を投射した投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎのいずれかの光出力端を模擬し、同様に検出器Ｄは受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍのいずれかの光入力端を模擬する。具体的な手順としては、まず光源Ｓから仮想的に光子を発生させ（Ｓ２２）、モンテカルロ法を用いて、光子が各体積要素を通過する行路長Ｌを求める（Ｓ２３）。１個の光子に対して、ある体積要素内を光子が通過する光路長が１つずつ求められるので、この操作を複数回行うことにより、その体積要素を行路長Ｌで通過する光子の頻度分布、つまりその体積要素における光路長分布Ｐ（Ｌ）が求まる。１つの光源Ｓと検出器Ｄとの組み合わせに対して、計算精度に必要な分布が得られるまでこの操作を繰り返す。この操作は全ての体積要素について行なわれるので、体積要素の位置を（ｘ,ｙ,ｚ）で表せば位置（ｘ,ｙ,ｚ）に存在する体積要素における光路長分布はＰ（ｘ,ｙ,ｚ,Ｌ）で表される。上記の操作を全ての光源Ｓ及び検出器Ｄとの組み合わせにおいて実施し、結果を記憶部１３に保存する（Ｓ２４）。
【００３４】
図５は、第３の工程（Ｓ３０）を示すフローチャートである。第３の工程（Ｓ３０）は、第１の工程（Ｓ１０）により測定された計測値と第２の工程（Ｓ２０）にて計算された透過光の光路長分布とから、被検体４０の光吸収特性に基づく特徴量である未知吸収係数の分布画像を計算する工程である。
【００３５】
以下、吸収係数分布を計算する手順を具体的に述べていく。体積要素の位置（ｘ,ｙ,ｚ）における吸収係数をＵ（ｘ,ｙ,ｚ）とすれば光源Ｓから出射され、検出器Ｄで受光される光強度に対して位置（ｘ,ｙ,ｚ）にある体積要素が与える減衰の影響ＥSDは
【００３６】
【数１】
0003836941.tif 000002
0003836941.tif 000003
で表される。ここで、ＰSD（ｘ,ｙ,ｚ,Ｌi）は光源Ｓと検出器Ｄとの組み合わせにおける、位置（ｘ,ｙ,ｚ）に存在する体積要素での光路長分布を表し、Ｌiは、光路長分布において光路長を量子化した際の、ｉ番目の領域の代表値を表している。位置（ｘ,ｙ,ｚ）に存在する体積要素を通過しなかった光量ＸSDは、吸収のない場合に検出された光子数をＮSDとすれば
【００３７】
【数２】
0003836941.tif 000004
0003836941.tif 000005
となる。以上から、被検体４０の存在によって検出光量ＩSDは
【００３８】
【数３】
0003836941.tif 000006
0003836941.tif 000007
で与えられる。ここでｊについてのサメンションは全ての体積要素についての和を表している。式（３）において検出光量ＩSDは光の入射位置Ｓと検出器位置Ｄで決定される値であり、その他の量のうち、吸収係数Ｕ（ｘ,ｙ,ｚ）以外はすべてモンテカルロ法により計算できる。よって検出光量ＩSDは吸収係数Ｕの関数であると考えられる。
【００３９】
また、基準検出光量Ｉ0SDから検出光量ＩSDに変化した場合、変化量ΔＩSDは基準吸収係数Ｕ0として
【００４０】
【数４】
0003836941.tif 000008
0003836941.tif 000009
のように表すこともできる。ここでΔＩSDもＩSDと同様に吸収係数Ｕの関数である。
【００４１】
ここで、式（３）または式（４）を用いて吸収係数Ｕを解き、吸収係数分布画像を再構成するためには、被検体を分割した体積要素数以上の方程式が必要であり、このことは、被検体を分割した体積要素数以上の光源Ｓと検出器Ｄとの組み合わせが必要であることを意味する。例えば、立方体の被検体を５×５×５の小さな立方体の体積要素に分割した場合、式（３）または式（４）は１２５個以上必要となる。よって、本実施形態の第１の工程（Ｓ１０）において、全ての投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎ及び受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍの組み合わせについて透過光強度を計測し、第２の工程（Ｓ２０）においても同様に、全ての光源Ｓ及び検出器Ｄの組み合わせについて各体積要素の光路長分布を求めたが、これらの組み合わせの数は分割した体積要素数以上でなくてはならず、また、分割した体積要素数以上となれば、全ての組み合わせについて実施する必要はない。
【００４２】
式（３）または式（４）は、シンプレックス法、共役勾配法やその他の非線形最小自乗法を用いて解くことが可能であり、これらの方程式を解くことにより吸収係数Ｕの再構成画像を得ることができる（Ｓ３１）。解かれた結果は、表示部１４に表示される（Ｓ３２）。
【００４３】
上記第２の工程（Ｓ２０）及び第３の工程（Ｓ３０）は、以下の方法に置き換えることもできる。すなわち、上記第２の工程（Ｓ２０）においては、各体積要素ごとに独立に光路長分布を求めていたが、ここでは、体積要素全体にわたる光路を考慮した光路長分布ＰSD（Ｌ１,…,Ｌｎ）を求める。ここで、Ｌｊ（ｊ＝１〜ｎ）はｊ番目の体積要素内を通過した光路長を表しており、ｎは分割した体積要素の数である。体積要素全体にわたる光路を考慮した光路長分布ＰSD（Ｌ１,…,Ｌｎ）を用いると、検出光量ＩSDは、
【００４４】
【数５】
0003836941.tif 000010
0003836941.tif 000011
で与えられる。ここで、Ｕｊ（ｊ＝１〜ｎ）は、ｊ番目の体積要素内の吸収係数を表している。式（５）において、検出光量ＩSDは光の入射位置Ｓと検出器位置Ｄで決定される値であり、その他の量のうち、吸収係数Ｕｊ（ｊ＝１〜ｎ）以外はすべてモンテカルロ法により計算できる。よって式（５）から吸収係数Ｕｊ（ｊ＝１〜ｎ）を計算できる。
【００４５】
同様に、基準検出光量Ｉ0SDから検出光量ＩSDに変化した場合の変化量ΔＩSDは、ｊ番目の体積要素内の基準吸収係数をＵ0ｊ（ｊ＝１〜ｎ）として、
【００４６】
【数６】
0003836941.tif 000012
0003836941.tif 000013
のように表すこともできる。ここでΔＩSDは吸収係数Ｕの関数であり、式（６）も式（５）と同様に解くことが可能となる。
【００４７】
式（５）あるいは式（６）においては、光路長分布ＰSD（Ｌ１、…、Ｌｎ）を用いて吸収係数Ｕを計算することにより、より精度の高い吸収係数分布の計算が可能となる。
【００４８】
以下に、本実施形態によって被検体４０の吸収係数分布画像を再構成した第１の実施例を示す。図６は、本実施例における被検体４０と投光用光ファイバーＦ１〜Ｆ５、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ５の位置関係を示したものである。本実施例は、簡単のため被検体４０、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆ５の光出力端面及び受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ５の光入力端面を同一平面上にもつ２次元モデルとして考える。被検体４０は５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の構造をしており、この被検体を２５個の１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の体積要素に分割する。投光用光ファイバーＦ１〜Ｆ５は正方形である被検体４０のある１辺に面した５個の体積要素にそれぞれ光を投射できるように配置されている。また、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ５は、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆ５の光出力端面が対向している被検体４０の１辺の対辺に面する５個の体積要素から出射する光をそれぞれ検出できるように設置されている。
【００４９】
被検体４０としては散乱係数１．０ｍｍ-1、吸収係数０．０ｍｍ-1の組織を形成し、図６の黒塗りの部分の体積要素のみが吸収係数０．０１ｍｍ-1の吸収体になっているモデルを作った。
【００５０】
この被検体４０において、図２から図５のフローチャートで示したアルゴリズムを適用し、吸収係数分布画像を再構成した。第１の工程（Ｓ１０）における透過光の強度計測は、被検体を２５個の体積要素に分割したため、全ての光源Ｓと全ての検出器Ｄとの組み合わせの２５通りで実施した。また、第２の工程（Ｓ２０）においては、１つの光源Ｓと検出器Ｄとの組み合わせに対して、約１億個の光子を仮想的に発生させ、モンテカルロ法を用いて光路長分布を求めた。第３の工程（Ｓ３０）において、式（３）を解く方法としてはシンプレックス法を用い、シンプレックス法における残差の自乗和が０．０２以下となった時点で収束したと判定し、計算を打ち切った。
【００５１】
再構成された吸収係数分布画像は図７の如くになる。０．０１ｍｍ-1の吸収係数を持つ吸収体が存在する体積要素における吸収係数の計算結果は０．００９４４ｍｍ-1となり、その他吸収係数が０．０ｍｍ-1である体積要素における吸収係数の計算結果は１．０×１０-5以下となっている。吸収体が存在する体積要素の吸収係数の計算結果は、シンプレックス法の収束判定に用いるしきい値を小さくすることにより、理論上限りなく０．０１ｍｍ-1に近づくことが期待できる。
【００５２】
次に、本方法によって被検体４０の吸収係数分布を計算した第２の実施例を以下に示す。図８は本実施例で用いた被検体及び光の入射位置、光検出位置を示している。第一の実施例と同様に、簡単のため二次元モデルの被検体４０を用いている。被検体４０は、表層から１０ｍｍの深さまでが吸収係数μ１、それより深部の吸収係数がμ２である二層モデルを用いた。今回は散乱係数を１．０ｍｍ-1、吸収係数μ１を０．０１ｍｍ-1、μ２を０．０２ｍｍ-1とした。
【００５３】
また、投光用光ファイバーＦ１を被検体４０の表層部の１カ所に対向させて設置し、４つの受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ４を投光用光ファイバーＦ１からそれぞれ１０ｍｍ，１５ｍｍ、２０ｍｍ，２５ｍｍ離れた位置に直線上に並べ、被検体の表層部に接触させた。
【００５４】
まず、投光用光ファイバーＦ１から出射され、被検体４０を透過して成る透過光の強度を４つの受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ４を通して光検出部で測定した。次に、モンテカルロ法をもちいて、表層部、深部の２つの体積要素について光路長分布を計算した。その後に、各体積要素、つまり表層部と深部の２つの体積要素について、シンプレックス法を用いて吸収係数を計算した。その結果はμ１＝０．０１００１ｍｍ-1、μ２＝０．０１９９２ｍｍ-1となった。
【００５５】
さらに、今回は被検体を２つの体積要素に分割しているため、光源Ｓと２つの検出器Ｄとの組み合わせがあれば各体積要素の吸収係数を求めることが可能である。そこで、４つの受光用光ファイバーＢ１〜Ｂ４のうち、光源から２０ｍｍ及び２５ｍｍ離れた位置に設置された２つの受光用光ファイバーＦ２、Ｆ３だけを用いて吸収係数を計算してみたが、４つの受光用光ファイバーＦ１〜Ｆ４を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００５６】
また今回は層の厚さを１０ｍｍで既知としたが、厚さを変数とし、それぞれの厚さにおける光路長分布を求めておけば、任意の厚さの層状組織について計算が可能である。
【００５７】
さらに、本実施形態にかかる光ＣＴ装置及び画像再構成方法の効果について説明する。本実施形態の光ＣＴ装置及び画像再構成方法を用いることにより、上記実施例における計算結果でも示したように、被検体４０の吸収係数がゼロあるいはゼロに近い場合でなくとも、非常に高精度な吸収係数分布画像が再構成できる。また、被検体４０を微小な体積要素に分割しなくても、高精度な吸収係数分布画像が得られるため、計算時間も非常に早くなる。
【００５８】
次に本発明の第２の実施形態にかかる光ＣＴ装置及び画像再構成方法について説明する。第１の実施形態では被検体４０に投射する投射光として連続光を用いたが、第２の実施形態においてはパルス光を使用する。装置の基本構成は第１の実施形態と同じで図１に示すとおりであるが、光源２１から所定のタイミングでパルス光を出射させ、そのタイミングに同期して入射側光スイッチ２２を順次切り替えることにより被検体４０内の異なる部位に対してパルス光を投射する。受光側光スイッチ３２も上記タイミングに同期して切り替えることにより、投光側光ファイバーＦ１〜Ｆｎ、受光側光ファイバーＢ１〜Ｂｍまでの全て、あるいは必要数以上の組み合わせについて透過光強度を検出し、記憶部１３に記憶する。以降の処理、つまり第２の工程以降は第１の実施形態と同様に実施し、吸収係数分布画像を再構成する。
【００５９】
第２の実施形態において、投射光Ｈｓが被検体４０に投射された場合の検出光Ｑｔをシミュレーションすると、図９に示す如く、時間分解波形Ｑｔが求められる。更に、実際の被検体４０について同じ条件で測定しても、図１０に示す如く同様の時間分解波形Ｑｔが得られる。ここで、検出光Ｑｔは時間分解波形となるので、例えば図９における点線部分より左側、つまりある時刻より前の光情報のみを用いても吸収係数分布画像の再構成が可能である。また、この場合は被検体４０内を短時間で伝播してきた光についてのみ処理することになるので、透過光強度に影響を与える被検体内の領域が相対的に狭まり、連続光を用いるよりも鮮明な画像を得ることができる。
【００６０】
次に本発明の第３の実施形態にかかる光ＣＴ装置について説明する。第１の実施形態では被検体４０に投射する投射光として連続光を用いたが、第３の実施形態においては変調光を使用する。装置の基本構成は第１の実施形態と同じで図１に示すとおりであるが、光源２１から変調光を出射し、入射側光スイッチ２２を順次切り替えることにより被検体４０に対して変調光を投射する。投光側光ファイバーＦ１〜Ｆｎ、受光側光ファイバーＢ１〜Ｂｍまでの全て、あるいは必要数以上の組み合わせについて透過光強度を検出し、記憶部１３に記憶する。以降の処理、つまり第２の工程以降は第１の実施形態と同様に実施し、吸収係数分布画像を再構成する。
【００６１】
第３の実施形態において、変調光を使用することにより、その位相情報を用いて鮮明な再構成画像を得ることが可能となる。
【００６２】
上記の第１から第３の実施形態においては、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの光出力端面及び受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍの光入力端面は平面上に２次元配置され、制御部１１によって光を被検体４０に投射する投射用光ファイバーおよび、光を光検出部３１に導入する受光用光ファイバーを順次選択していた。しかし、これは、光出力端面及び光入力端面が直線上に並んだ光ファイバー列をスキャンしながら投光及び受光を行っても良い。また、光源２１及び光検出部３１を２次元的にスキャンして投光及び受光を行っても良い。
【００６３】
また、上記の第１から第３の実施形態においては、光源２１から出射された光を各投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎに導入するために、投光側光スイッチ２２を用いていた。しかしこれは、投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎと同数の光源２１を備え、各光源２１の光出力端と各投光用光ファイバーＦ１〜Ｆｎの光入力端とを直接接続し、各光源２１を所定のタイミングでオンオフ制御することによっても実現可能である。同様に、受光側光スイッチ３２を用いる代わりに、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍと同数の光検出部３１を備え、受光用光ファイバーＢ１〜Ｂｍに導入された透過光の強度を同時に計測することも可能である。
【００６４】
また、散乱係数を変数としてそれぞれの散乱係数の場合における光路長分布を求めておけば、散乱係数、吸収係数を同時に求めることも可能である。
【００６５】
【発明の効果】
本発明においては、被検体内各体積要素の光吸収特性に基づく特徴量の計算時に、従来のような被検体の各体積要素毎の平均光路長を用いる代わりに、各体積要素毎の光路長分布を用いた。その結果、あらゆる吸収係数の場合に対しても実効的な光路長が得られ、吸収係数の大きさや分割する体積要素の大きさの制約なく正確な計算が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光ＣＴ装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる画像再構成方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる画像再構成方法の第１の工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる画像再構成方法の第２の工程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる画像再構成方法の第３の工程を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施例で用いた被検体及び光の入射位置、光検出位置を示した図である。
【図７】本発明の第１の実施例における吸収係数分布画像再構成結果を示した図である。
【図８】本発明の第２の実施例で用いた被検体及び光の入射位置、光検出位置を示した図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における入射光と検出光の時間分解波形をシミュレートした結果を示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における入射光と検出光の時間分解波形を実測した結果を示した図である。
【符号の説明】
１１…制御部、１２…演算部、１３…記憶部、１４…表示部、２１…光源、２２…入射側光スイッチ、３１…光検出部、３２…受光側光スイッチ、４０…被検体、Ｆ１〜Ｆｎ…投光用光ファイバー、Ｂ１〜Ｂｍ…受光用光ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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