JP4499270B2

JP4499270B2 - Scattering absorber measuring apparatus calibration method and scattering absorber measuring apparatus using the same

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Publication number: JP4499270B2
Application number: JP2000331247A
Authority: JP
Inventors: 豊山下; 光春三輪; 恒幸浦上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002139420A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体などの散乱吸収体の内部情報を計測するための散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体などの散乱吸収体の内部情報を計測する方法として、散乱吸収体の内部を伝播したパルス光を用いる計測方法及び装置が提案されている。このような計測方法及び装置においては、計測対象となる散乱吸収体に対して、所定の光入射位置からパルス光を入射する。そして、散乱吸収体の内部を散乱されつつ伝播されたパルス光を光検出位置で検出し、その検出された光強度の時間変化を示す計測波形から、散乱吸収体の内部情報を取得する（例えば、特開平１０−２６５８５号公報参照）。
【０００３】
近年、近赤外光を用いた生体計測などの散乱吸収体の内部情報計測は、光拡散方程式などを用いた解析演算の導入により、従来の定性的な計測から、散乱吸収体に含まれる各成分の濃度などを決定する定量的な計測へと移行しつつある。このような定量的な計測は、例えば、検出光の時間分解波形を利用する時間分解計測法（ＴＲＳ法：Time Resolved Spectroscopy）、あるいは、変調光を利用する位相変調計測法（ＰＭＳ法：Phase Modulation Spectroscopy）などによる解析演算を適用することによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したＴＲＳ法またはＰＭＳ法などによる解析演算を実行して、散乱吸収体の内部情報を定量的に計測する場合、内部情報を正確に定量するためには、検出された光の計測波形に対する装置関数の影響を考慮する必要がある。
【０００５】
すなわち、上記した散乱吸収体計測では、散乱吸収体での光の伝播によって生じる時間遅れΔＴや時間分散ΔΩ、あるいはさらに位相遅れなどの時間応答を含む計測波形から、解析演算によってその内部情報を取得する。一方、散乱吸収体にパルス光を入射するための光入射系、及び散乱吸収体からのパルス光を検出して計測波形を取得するための光検出系などの計測装置各部に用いられている各装置や回路は、装置自体の時間応答である装置関数として、それぞれに時間遅れΔｔや時間分散Δωなどを生じる。
【０００６】
このとき、散乱吸収体計測で実際に得られる計測波形は、散乱吸収体での時間応答によって生成される理想的な計測波形（理想波形）に対して、上記した各装置や回路の時間応答に起因する装置関数が重畳されたものとなる。したがって、計測波形に対してそのまま解析演算を実行すると、装置関数の影響によって、内部情報を正確に定量することができない。
【０００７】
このような装置関数の影響を除去する方法として、散乱吸収体を用いない状態であらかじめ校正用計測を行って、装置関数を取得しておく方法がある。具体的には、例えば、散乱吸収体への光の入射及び検出に用いられる光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを、通常設置されている位置（光入射位置及び光検出位置）から取り外し、その先端同士を直接またはＮＤフィルタや拡散板を介して突き合わせて、校正用計測を行う方法がある。
【０００８】
このような校正用計測では、得られる計測波形はほぼ装置の時間応答のみを示すので、これによって装置関数を事前に算出しておけば、散乱吸収体計測から装置関数の影響を除去することが可能となる。しかしながら、上記した校正方法では、校正用計測を行うときに、光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを組み合わせごとに設置し直して校正用計測を行わなければならない。したがって、計測装置の校正に付加的な作業が必要となり、校正作業の効率が低下するという問題があった。
【０００９】
特に、散乱吸収体の断層図面を取得する光ＣＴ装置などにおいては、散乱吸収体に対して多数の光入射用ファイバ及び光検出用ファイバが設置される。このとき、上記した校正用計測の方法では、装置関数の校正が必要な光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの組み合わせが膨大となるため、上記した校正用計測を実行するために過大な作業が必要となる。
【００１０】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法は、所定波長のパルス光を散乱吸収体に対して光入射位置から入射する光入射手段と、散乱吸収体の内部を伝播した所定波長のパルス光を光検出位置で検出して光検出信号を取得する光検出手段と、光検出信号に基づいて、光強度の時間変化を示す計測波形を取得する信号処理手段と、を備える散乱吸収体計測装置に対して用いられる校正方法であって、校正用の散乱吸収体に対して、光入射手段から所定波長のパルス光を入射し、校正用の散乱吸収体の内部を伝播した所定波長のパルス光を光検出手段で検出して、信号処理手段で計測波形を取得する校正用計測を行うとともに、校正用計測で取得された計測波形と、校正用の散乱吸収体の既知の光学パラメータから予測してあらかじめ用意された理論波形とに対して比較演算を行って、計測波形に重畳されている装置関数を分離して、時間波形として装置関数を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による散乱吸収体計測装置は、所定波長のパルス光を散乱吸収体に対して光入射位置から入射する光入射手段と、散乱吸収体の内部を伝播した所定波長のパルス光を光検出位置で検出して光検出信号を取得する光検出手段と、光検出信号に基づいて、光強度の時間変化を示す計測波形を取得する信号処理手段と、計測波形に対して解析演算を行って、散乱吸収体の内部情報を算出する演算処理手段と、を備えるとともに、演算処理手段は、計測波形に重畳される装置関数を算出するために、校正用の散乱吸収体に対して行われる校正用計測に対して、校正用計測で取得された計測波形と、校正用の散乱吸収体の既知の光学パラメータから予測してあらかじめ用意された理論波形とに対して比較演算を行って、計測波形に重畳されている装置関数を分離して、時間波形として装置関数を算出する装置関数算出手段を有することを特徴とする。
【００１３】
上記した散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置においては、光入射手段及び光検出手段を、校正用の散乱吸収体に対してパルス光の入射及び検出を行うことが可能な光入射位置及び光検出位置となる設置位置を保持したまま校正用計測を行っている。これによって、計測装置の校正を行う際に、光入射手段及び光検出手段を組み合わせごとに設置し直すなどの付加的な作業が不要となるので、校正作業の効率が向上される。
【００１４】
ここで、校正用の散乱吸収体を用いて計測装置の校正を行った場合、装置関数による時間波形を直接に計測することはできなくなる。これに対して、上記の校正方法では、光学パラメータが既知の散乱吸収体である校正用の散乱吸収体を用いるとともに、それらの既知の光学パラメータから予測した理論波形をあらかじめ用意することとしている。これによって、校正用計測で得られた計測波形と理論波形との比較演算から、装置関数を分離算出することが可能となる。以上より、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置が実現される。
【００１５】
また、散乱吸収体計測装置の校正方法は、光入射手段または光検出手段の少なくとも一方が複数であるとともに、光入射手段と光検出手段との複数の組み合わせのそれぞれに対して、装置関数を別個に算出することを特徴とする。
【００１６】
同様に、散乱吸収体計測装置は、光入射手段または光検出手段の少なくとも一方を複数備えるとともに、装置関数算出手段は、光入射手段と光検出手段との複数の組み合わせのそれぞれに対して、装置関数を別個に算出することを特徴とする。
【００１７】
光ＣＴ装置など、多数の光入射手段及び光検出手段を備える散乱吸収体計測装置においては、上記のように、それぞれの光入射手段及び光検出手段の組み合わせごとに、別個に装置関数を算出することが必要である。このような場合においても、上記した校正方法及び計測装置によれば、すべての組み合わせに対して、付加的な作業を必要とせずに容易に校正用計測及び装置関数の算出を実行することが可能となる。
【００１８】
また、散乱吸収体計測装置は、光入射手段及び光検出手段を同数備えるとともに、複数の光入射手段及び光検出手段のそれぞれが、光入射手段及び光検出手段をそれぞれ組として、組ごとに略同一の位置に設置されていることを特徴としても良い。
【００１９】
このような構成は、光ＣＴ装置などにおいて多く用いられているが、この場合、光入射手段及び光検出手段ともに多数となるため、その組み合わせが膨大となる。これに対して、上記した校正方法及び計測装置を適用することによって、その校正作業を大幅に効率化することが可能となる。また、これ以外にも、様々な構成の散乱吸収体計測装置に対して、上記した校正方法及び計測装置の構成を適用することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
図１は、計測対象である散乱吸収体ＳＭ（Scattering Medium）の散乱係数、吸収係数、含まれている各成分の濃度などの内部情報を取得するために用いられる散乱吸収体計測装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。この散乱吸収体計測装置は、後述する本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法を適用可能に構成されている。
【００２２】
この計測装置は、内部情報の計測に用いるパルス光を散乱吸収体ＳＭに対して入射するための光入射用光ガイド４０ａを備えている。光ガイド４０ａは、その出力端が、散乱吸収体ＳＭの表面上の光入射位置Ａとなるように設置されている。また、光ガイド４０ａの入力端には、波長選択器２１を介して光源２０が光学的に接続されており、これらの光ガイド４０ａ、光源２０、及び波長選択器２１によって、本計測装置における光入射手段が構成されている。光源２０から供給されたパルス光は、波長選択器２１において所定波長に波長選択され、光ガイド４０ａを介して光入射位置Ａから散乱吸収体ＳＭへと入射される。
【００２３】
光源２０から供給されるパルス光としては、散乱吸収体ＳＭの内部情報が導出できる程度に短い時間幅のパルス光が用いられ、通常は１ｎｓ以下の範囲の時間幅が選択される。また、パルス光の波長は、計測対象である散乱吸収体ＳＭに応じて適宜に選択されるが、一般に例えば生体では、生体の透過率と定量すべき吸収成分の分光吸収係数との関係などから、７００〜９００ｎｍ程度の近赤外線域の波長が用いられる。
【００２４】
光源２０としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、各種のパルスレーザーなど、様々なものを使用することができる。また、複数の成分についての内部情報を取得する場合など、必要があれば、これらの光源２０及び波長選択器２１は、複数の波長成分のパルス光を計測光として供給可能に構成される。また、波長選択器２１については、設置を省略しても良い。
【００２５】
また、この計測装置は、散乱吸収体ＳＭの内部を伝播したパルス光を検出するための光検出用光ガイド４０ｂを備えている。光ガイド４０ｂは、その入力端が、散乱吸収体ＳＭの表面上の光検出位置Ｂとなるように設置されている。また、光ガイド４０ｂの出力端には、光検出器３０が光学的に接続されており、これらの光ガイド４０ｂ、及び光検出器３０によって、本計測装置における光検出手段が構成されている。散乱吸収体ＳＭの内部を散乱されつつ伝播したパルス光は、光ガイド４０ｂを介して光検出器３０に入射して検出され、検出した光強度等を示す光検出信号が生成される。
【００２６】
光検出器３０としては、光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオードなど、様々なものを使用することができる。光検出器３０の選択については、散乱吸収体計測に使用されるパルス光の波長の光が充分に検出できる分光感度特性を有していれば良い。また、光信号が微弱であるときは、高感度あるいは高利得の光検出器を使用することが好ましい。
【００２７】
光入射手段の光源２０、及び光検出手段の光検出器３０には、信号処理部５０が電気的に接続されている。この信号処理部５０において、光検出器３０からの光検出信号や光源２０からのパルス光出射のトリガー信号などに基づいて、検出されたパルス光強度の時間変化を示す計測波形が取得される。
【００２８】
さらに、信号処理部５０には、演算処理部６０が電気的に接続されている。この演算処理部６０においては、散乱吸収体ＳＭの内部情報を取得するために行われる通常の散乱吸収体計測では、信号処理部５０で得られた計測波形に対して、散乱吸収体ＳＭの内部情報を定量するための解析演算が行われる。また、校正用計測に対しては、後述するように、装置関数を算出するための校正演算が行われる。なお、図１においては、この演算処理部６０について、上記した校正演算を実行するための構成を図示しており、通常の解析演算を実行するための構成については図示を省略している。
【００２９】
本実施形態における演算処理部６０は、装置関数算出部６１、計測波形格納部６２、及び理論波形格納部６３を有して構成されている。信号処理部５０で取得された計測波形のデータは、演算処理部６０に入力されて計測波形格納部６２に格納される。一方、理論波形格納部６３には、あらかじめ用意された理論波形のデータが格納されている。校正用計測に対する演算処理では、装置関数算出部６１は、計測波形格納部６２にある計測波形のデータと、理論波形格納部６３にある理論波形のデータとに対して校正演算である比較演算を行って、散乱吸収体計測で計測波形に重畳される装置関数を分離して算出する。
【００３０】
計測波形と、散乱吸収体に対する理論波形と、計測装置自体による装置関数との関係、及び装置関数算出部６１において装置関数の算出に用いられる比較演算について説明する。図２は、計測波形Ｏ（ｔ）、理論波形Ｍ（ｔ）、及び装置関数ｈ（ｔ）の関係の一例を模式的に示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、理論波形Ｍ（ｔ）に対する時間０に対応する時刻を原点（ｔ＝０）とした経過時間ｔを示し、縦軸は、各時刻における光強度を示している。この光強度の経過時間ｔに依存した時間変化が、図示したそれぞれの時間波形となっている。
【００３１】
散乱吸収体の内部を伝播したパルス光を用いて内部情報を取得する散乱吸収体計測装置では、伝播後に検出されたパルス光の計測波形Ｏ（ｔ）に対して、ＴＲＳ法またはＰＭＳ法などによる解析演算を行う。そして、散乱吸収体での時間遅れΔＴや時間分散ΔΩなどの時間応答から、その内部情報を定量する。
【００３２】
一方、このような計測装置を用いた散乱吸収体計測では、計測対象である散乱吸収体による時間応答とは別に、散乱吸収体計測装置の各部、各回路に起因する装置関数として、時間遅れΔｔや時間分散Δωなどの装置自体の時間応答を生じる。例えば、図１に示した散乱吸収体計測装置では、光源２０、波長選択器２１、光検出器３０、光ガイド４０ａ、４０ｂ、信号処理部５０、及びそれらの間の回路配線等において、それぞれ時間応答を生じる。したがって、信号処理部５０で取得されて演算処理部６０へと入力される計測波形Ｏ（ｔ）は、これらの時間応答が総合された計測装置自体による装置関数ｈ（ｔ）が、散乱吸収体による理想的な計測波形（理想波形）に重畳（コンボリューション）されたものとなる。
【００３３】
これに対して、上記した実施形態の散乱吸収体計測装置においては、通常の計測とは別に行われる校正用計測に対して、あらかじめ用意された理論波形Ｍ（ｔ）を用いて、校正用計測で得られる計測波形Ｏ（ｔ）から装置関数ｈ（ｔ）を分離（デコンボリューション）して算出することとしている。
【００３４】
まず、校正用計測においては、計測対象となる散乱吸収体ＳＭとして、測定対象と屈折率がほぼ等しく、吸光係数μａや散乱係数μｓ’などの必要な光学パラメータが既知である散乱吸収体を、校正用の散乱吸収体として設置する。このような校正用の散乱吸収体では、既知の光学パラメータによって、パルス光に対する時間応答が理論的に予測可能である。そして、散乱吸収体自体の予測可能な時間応答による理想波形を、理論計算等によって、理論波形Ｍ（ｔ）としてあらかじめ算出しておく。
【００３５】
上記のように、あらかじめ用意された理論波形Ｍ（ｔ）に対して、校正用計測で得られる計測波形Ｏ（ｔ）と、計測装置の時間応答による装置関数ｈ（ｔ）とは、次式
Ｏ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）＊ｈ（ｔ）
によって表される関係を有する。ここで、演算子「＊」は、時間波形のコンボリューションを表している。すなわち、得られる計測波形Ｏ（ｔ）は、図２のグラフにその例を示すように、散乱吸収体ＳＭによる理想波形である理論波形Ｍ（ｔ）と、散乱吸収体計測装置による装置関数ｈ（ｔ）とがコンボリューションされた時間波形となる。
【００３６】
本実施形態においては、校正用計測に対して、演算処理部６０の装置関数算出部６１において、校正用計測で取得されて計測波形格納部６２に格納されている計測波形Ｏ（ｔ）のデータと、理論波形格納部６３にあらかじめ用意されている理論波形Ｍ（ｔ）のデータとに対して比較演算を行う。そして、この比較演算によって計測波形Ｏ（ｔ）から、理論波形Ｍ（ｔ）及び装置関数ｈ（ｔ）をデコンボリューションして、未知であった装置関数ｈ（ｔ）を分離し算出することとしている。
【００３７】
上記した実施形態による散乱吸収体計測装置及びその校正方法では、計測装置自体の時間応答による装置関数を算出する校正用計測において、光入射用及び光検出用の光ガイド４０ａ、４０ｂを通常の設置位置から取り外して、その先端同士を直接またはＮＤフィルタや拡散板を介して突き合わせた校正用計測によって装置関数を計測するのではなく、光ガイド４０ａ及び４０ｂの設置位置は、通常の光入射位置Ａ及び光検出位置Ｂのままとする。そして、散乱吸収体ＳＭとして校正用の散乱吸収体を設置し、この校正用の散乱吸収体へのパルス光の入射、検出によって校正用計測を行っている。これによって、計測装置の校正を行う際に、光ガイド４０ａ、４０ｂの取り外しや再設置などの付加的な作業が不要となるので、校正作業の効率が向上される。
【００３８】
また、校正用の散乱吸収体を用いて計測波形を得ることに対して、その散乱吸収体の既知の光学パラメータから理論波形を算出しておき、その理論波形と校正用計測で得られた計測波形との比較演算によって、装置関数を分離して算出している。このような方法を用いることによって、散乱吸収体がない状態で装置関数を直接計測することなく、校正用計測で得られた計測波形から装置関数を得ることが可能となる。
【００３９】
以上より、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置が実現される。
【００４０】
ここで、計測波形Ｏ（ｔ）と理論波形Ｍ（ｔ）とに対して比較演算を行って、装置関数ｈ（ｔ）を分離算出する具体的な演算方法としては、計測波形Ｏ（ｔ）を理論波形Ｍ（ｔ）でデコンボリューションする方法がある。あるいは、初期値として適当な装置関数ｈ（ｔ）を仮定し、その装置関数ｈ（ｔ）及び理論波形Ｍ（ｔ）をコンボリューションした時間波形と、校正用計測で得られた計測波形Ｏ（ｔ）との差が充分に小さくなるように、装置関数ｈ（ｔ）を変形していく方法がある。
【００４１】
具体的な演算例としては、例えば、Bayesian Methodを用いて以下の漸化式
h(t)^(k+1) ＝ h(t)^(k) [[O(t) / h(t)^(k) ＊ M(t)] ＄ M(t)]
から装置関数ｈ（ｔ）を算出する方法がある。ここで、演算子「＄」は、相関演算を表している。また、これ以外の比較演算方法によって装置関数ｈ（ｔ）の算出を行っても良い。
【００４２】
また、理論波形Ｍ（ｔ）の算出方法としては、校正用の散乱吸収体での既知の光学パラメータから理論解析解または数値解析解として求めることができる。また、この理論波形Ｍ（ｔ）の算出については、あらかじめ外部装置で算出して、演算処理部６０の理論波形格納部６３にデータとして与えても良く、あるいは、演算処理部６０内に、理論波形を算出する理論波形算出部を備える構成としても良い。
【００４３】
図３に、光検出器３０、信号処理部５０及び演算処理部６０に用いられるハードウエア構成の一例を示す。図３に示す構成は、いわゆる時間相関光電子計数法と呼ばれる方法を用いて高速時間波形計測法を実施するための構成である。本構成例においては、光検出器３０として光電子増倍管（ＰＭＴ）を用いており、また、信号処理部５０がコンスタント・フラクション・ディスクリミネータ（ＣＦＤ）５１、時間−振幅変換器（ＴＡＣ）５２及びＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ）５３で構成されている。
【００４４】
そして、ＰＭＴ３０の出力信号は、ＣＦＤ５１を介してＴＡＣ５２に導かれて時間に対応したアナログ電圧に変換され、さらにＡＤコンバータ５３でデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、検出光強度の時間変化を示す計測波形のデータに対応するものである。
【００４５】
また、図３に示す演算処理部６０においては、光源２０及び信号処理部５０にＣＰＵ７０が電気的に接続されている。これによって、光入射に同期した光検出のタイミング等がＣＰＵ７０によって制御されるとともに、信号処理部５０から出力された計測波形のデータは、ＣＰＵ７０に導かれて所定の演算処理が行われる。また、入射パルス光の波長など計測光の入射条件についても、このＣＰＵ７０によって制御あるいは選択される。
【００４６】
図３に示す演算処理部６０は、さらに、オペレーティングシステム（ＯＳ）７１ａ及び所定の演算処理を行うための演算プログラム７１ｂが記憶されたプログラムメモリ７１と、各種データファイルが記憶されるデータファイルメモリ７２と、得られた散乱吸収体の内部情報を示すデータを記憶するデータメモリ７３と、作業用データを一時的に記憶する作業用メモリ７４とを備えている。
【００４７】
プログラムメモリ７１の演算プログラム７１ｂには、上記した通常の計測での解析演算や、校正用計測での比較演算（校正演算）をそれぞれ実行するためのプログラムなどが含まれている。また、データファイルメモリ７２は、計測波形を記憶する計測波形格納部６２、及びあらかじめ用意された理論波形を記憶する理論波形格納部６３が含まれている。また、必要な物理量などの諸データや、あらかじめ入力された計測条件や既知値等のデータ等も記憶される。
【００４８】
また、演算処理部６０は、データの入力を受け付けるキーボード７５ａ及びマウス７５ｂを備える入力装置７５と、得られたデータを出力するディスプレイ７６ａ及びプリンタ７６ｂを備える出力装置７６とを備えている。これらの演算処理部６０の各部の動作は、いずれもＣＰＵ７０によって制御される。なお、上記の各メモリについては、コンピュータの内部に設置されているハードディスクなどであっても良く、あるいは、フレキシブルディスクなどを用いても良い。また、計測装置の具体的なハードウェア構成については図３に示すものに限られるものではなく、必要に応じて変形または拡張を行っても良い。
【００４９】
図４は、散乱吸収体計測装置の他の実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本散乱吸収体計測装置の構成は、図１に示した構成とほぼ同様であるが、散乱吸収体ＳＭに対して、複数の光入射用及び光検出用光ガイドが設置されており、散乱吸収体ＳＭの断層図面を取得することが可能な光ＣＴ装置として構成されている。
【００５０】
具体的には、図４に示した散乱吸収体計測装置は、１２個の光ファイバホルダ１〜１２を備えている。これらの光ファイバホルダ１〜１２は、それぞれ散乱吸収体ＳＭの一断面の周りに等間隔（図４においては、散乱吸収体ＳＭの中心から３０度間隔で放射線状に伸びる各線上）に配置されており、時計周りに１〜１２の番号が割り当てられている。
【００５１】
光ファイバホルダ１〜１２には、それぞれ、光入射用ファイバ１ａ〜１２ａと光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂとが設置されている。図４においては、これらの光入射用ファイバ１ａ〜１２ａ及び光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂは、対応する光入射用ファイバ及び光検出用ファイバをそれぞれ組として、組ごとに略同一の位置に設置されている。
【００５２】
具体的には、図４の例では、組となる光入射用ファイバ及び光検出用ファイバが、それぞれ対応する光ファイバホルダにおいて並列に束ねられた状態で、散乱吸収体ＳＭに対して設置されている。
【００５３】
なお、このように各光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを組として設置する場合の具体的な構成については、例えば、図５に光ファイバホルダ１について例示するように、光入射用ファイバ１ａの回りを複数の光検出用ファイバ１ｂ（バンドルファイバ）が包むように束ねられた同軸構造などを用いることも可能である。このような同軸構造を採用すると、散乱吸収体ＳＭの周囲に当たるファイバ端面は１つになる。このため、両ファイバを上下２段あるいは左右２列に並列に束ねた場合よりも、光入射用ファイバ端と光検出用ファイバ端との位置ずれをなくすことができ、誤差を低減できる傾向がある。
【００５４】
本計測装置においては、散乱吸収体ＳＭの内部情報についての断層図面を取得するため、図示のように、光ファイバホルダ１〜１２に対応する位置をそれぞれ光入射位置及び光検出位置として、複数の光入射用ファイバ１ａ〜１２ａ及び光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂが組として設置されている。断層図面を得るための散乱吸収体計測は、図６に、その計測方法の一例を示すように、これらの各位置を光入射位置及び光検出位置としてパルス光を順次入射及び検出することによって行われる。
【００５５】
図６に示した例では、まず、光ファイバホルダ１の設置位置を光入射位置とし、光ファイバホルダ１〜１２の設置位置をそれぞれ光検出位置として、散乱吸収体ＳＭについての計測が行われる。
【００５６】
この計測では、光入射位置にある１個の光入射用ファイバ１ａから、散乱吸収体ＳＭに対してパルス光が入射される。そして、散乱吸収体ＳＭの内部を散乱されつつ伝播したパルス光は、光検出位置にある１２個の光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂでそれぞれ検出されて、それぞれについて計測波形が取得される。このとき、光入射用ファイバ１ａに対する光検出用ファイバの組み合わせは、図６に実線で示した１２通りとなる。
【００５７】
続いて、光入射位置を他の光ファイバホルダ２〜１２のそれぞれの設置位置に順次移動して、同様の計測を行っていく。図６においては、それらの各計測の例として、光ファイバホルダ４の設置位置を光入射位置とし、光ファイバホルダ１〜１２の設置位置をそれぞれ光検出位置とした計測について、点線によって図示している。
【００５８】
この計測では、光入射位置にある１個の光入射用ファイバ４ａから、散乱吸収体ＳＭに対してパルス光が入射される。そして、散乱吸収体ＳＭの内部を散乱されつつ伝播したパルス光は、光検出位置にある１２個の光検出用ファイバ１ｂ〜１２ｂでそれぞれ検出されて、それぞれについて計測波形が取得される。このとき、光入射用ファイバ４ａに対する光検出用ファイバの組み合わせは、図６に点線で示した１２通りとなる。
【００５９】
同様にして、各光入射用ファイバからパルス光を入射して計測が行われて、散乱吸収体ＳＭの断層図面が取得される。このとき、光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの組み合わせは、全部で１２×１２＝１４４通りとなる。
【００６０】
計測波形に対する装置関数ｈ（ｔ）は、通常これらの各組み合わせごとに異なる。したがって、この計測装置に対して、装置関数を決定するための校正用計測を行う場合、光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを突き合わせて装置関数を直接計測しようとすると、１４４通りの組み合わせのすべてについて、ファイバの取り外し、計測、再設置を行うことが必要となってしまう。
【００６１】
また、光ＣＴ装置においては、さらに多数の光入射用ファイバ及び光検出用ファイバが設置される場合がある。このとき、各光入射用ファイバ及び光検出用ファイバを順次取り外し、その先端同士を直接またはＮＤフィルターや拡散板を介して突き合わせて校正用計測を行う方法を用いたのでは、校正用計測を実行するために過大な作業が必要となり、または、必要なすべての組み合わせに対して校正用計測を実行することができない。
【００６２】
これに対して、光入射用ファイバ及び光検出用ファイバをそのままにして校正用の散乱吸収体で校正用計測を行い、計測波形と理論波形との比較演算によって装置関数を算出する上記した校正方法によれば、すべての組み合わせに対して、付加的な作業を必要とせずに容易に校正用計測及び装置関数の算出を実行することが可能となる。
【００６３】
具体的には、図６の例では、例えば、図示のように光入射用ファイバ１ａからパルス光を入射させる１２通りの組み合わせについて、１回で校正用計測を行うことができ、上記した校正用計測の作業の簡単化と同時に、その回数も低減される。そして、光入射用ファイバｉ及び光検出用ファイバｊの各組み合わせに対して順次校正用計測を実行し、それぞれ計測波形Ｏ_ij（ｔ）及び理論波形Ｍ_ij（ｔ）から装置関数ｈ_ij（ｔ）を分離算出することによって、全組み合わせに対する装置関数を効率的に決定することができる。
【００６４】
なお、図４においては、演算処理部６０に、校正用計測以外の通常の計測に対して用いられる内部情報演算部６５を示している。上記したように、校正用計測では、装置関数ｈ（ｔ）を未知のものとして、装置関数算出部６１での校正演算による算出対象とし、既知の理論波形Ｍ（ｔ）、及び計測で得られた計測波形Ｏ（ｔ）から装置関数ｈ（ｔ）を算出する。
【００６５】
これに対して、通常の計測では、校正用計測での理論波形Ｍ（ｔ）に相当し、散乱吸収体ＳＭの時間応答を表す理想波形を未知のものとして内部情報演算部６５での解析演算による算出対象とし、あらかじめ実行された校正用計測によって既知となっている装置関数ｈ（ｔ）、及び計測で得られた計測波形Ｏ（ｔ）から理想波形を算出することができる。また、この理想波形から、散乱吸収体ＳＭでの時間遅れΔＴや時間分散ΔΩなどの時間応答、あるいはさらに、それらの時間応答から求められる散乱吸収体ＳＭの内部情報の算出などの演算処理が実行される。
【００６６】
なお、米国特許第５４９２１１８号公報に、複数の光入射位置（光源）を有する生体計測装置が記載されている。この装置では、光源からの光を振幅変調し、検出点で検出される光の振幅の位相遅れや強度などを検出することによって、内部情報を取得している。したがって、このような装置では、校正用計測を行う場合でも、これらの位相遅れなどを用いることとなる。
【００６７】
これに対して、上記した散乱吸収体計測装置では、生体などの散乱吸収体を伝播させる光としてパルス光を用いるとともに、伝播後のパルス光の時間遅れのみでなく、その時間波形である計測波形自体から時間応答及び内部情報を得ることとしている。そして、本発明による校正方法は、このような計測波形に重畳される装置関数について、理論波形との比較演算によって、その分離算出を可能とするものである。
【００６８】
本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置は、上記した各実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、散乱吸収体計測装置自体の具体的な構成については、図１及び図４に示したものに限らず、様々な構成の計測装置に対して、上記した校正方法及び計測装置の構成を適用することが可能である。
【００６９】
また、図１及び図４に示した装置では、上述したように、計測対象となる散乱吸収体ＳＭとして校正用の散乱吸収体を設置して校正用計測を行っている。これに対して、通常の測定対象の形状が個々で異なるような場合には、測定対象とは別に設けられた校正用の散乱吸収体に対して、その光入射位置及び光検出位置に光入射手段及び光検出手段を設置して校正用計測を行うこととなる。この場合にも、光入射手段及び光検出手段を組み合わせごとに設置し直すことなく、校正用の散乱吸収体に対する設置位置を保持したまま校正用計測を行うことができる。
【００７０】
また、図２に示した例においては、装置関数ｈ（ｔ）を計測波形Ｏ（ｔ）等と同様に時間波形として算出しているが、必要に応じて、他の形で装置関数を算出することとしても良い。例えば、光入射位置から光検出位置への平均光路長を求めようとする場合には、装置関数としては、装置関数の波形の重心位置のみが必要となる。したがって、この場合には、装置関数としては、計測波形及び理論波形の比較演算から重心位置のみを算出することとしても良い。
【００７１】
なお、パルス光として複数の波長の光を用いる場合には、使用する波長ごとに装置関数を求めることが必要である。また、計測装置の状態変化などの影響を低減するため、計測装置の電源をＯＮにしたときなど、必要なタイミングで校正用計測及び装置関数の算出を実行することが好ましい。
【００７２】
【発明の効果】
本発明による散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、計測対象となる生体などの散乱吸収体に対して、光入射手段からパルス光を入射し、散乱吸収体の内部を散乱しつつ伝播されたパルス光を光検出手段で検出して、その計測波形から内部情報を取得する散乱吸収体計測装置において、校正用の散乱吸収体を用いて校正用計測を行う。そして、得られた計測波形と理論波形とに対して比較演算を行って、装置関数を取得する。
【００７３】
これによって、計測装置の校正を行う際に、光入射手段及び光検出手段の取り外しや、再設置などの付加的な作業が不要となるので、校正作業の効率が向上され、校正用計測及び装置関数の算出を容易に実行可能な散乱吸収体計測装置の校正方法、及びそれを用いた散乱吸収体計測装置が実現される。
【００７４】
光ＣＴ装置においては、散乱吸収体の断層図面を取得する場合など、より詳細な内部情報を取得するために、非常に多数の光入射手段及び光検出手段を設置している。したがって、上記した校正方法は、このような光ＣＴ装置の実用化に際して、計測装置の長期の安定動作を保持していく上で非常に重要となるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】散乱吸収体計測装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】計測波形、理論波形、及び装置関数の一例を模式的に示すグラフである。
【図３】図１に示した散乱吸収体計測装置のハードウエア構成の一例を示すブロック図である。
【図４】散乱吸収体計測装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの構成の一例を示す斜視図である。
【図６】光入射用ファイバ及び光検出用ファイバの組み合わせについて模式的に示す図である。
【符号の説明】
１〜１２…光ファイバホルダ、１ａ〜１２ａ…光入射用ファイバ、１ｂ〜１２ｂ…光検出用ファイバ、
２０…光源、２１…波長選択器、３０…光検出器、４０ａ…光入射用光ガイド、４０ｂ…光検出用光ガイド、５０…信号処理部、６０…演算処理部、６１…装置関数算出部、６２…計測波形格納部、６３…理論波形格納部、６５…内部情報演算部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for calibrating a scattering medium measuring apparatus for measuring internal information of a scattering medium such as a living body, and a scattering medium measuring apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
As a method for measuring the internal information of a scattering medium such as a living body, a measuring method and apparatus using pulsed light propagating through the scattering medium has been proposed. In such a measurement method and apparatus, pulsed light is incident on a scattering medium to be measured from a predetermined light incident position. Then, the pulsed light propagated while being scattered inside the scattering medium is detected at the light detection position, and the internal information of the scattering medium is acquired from the measurement waveform indicating the temporal change in the detected light intensity (for example, JP, 10-26585, A).
[0003]
In recent years, internal information measurement of scattering absorbers such as living body measurements using near infrared light has been introduced from the conventional qualitative measurement by introducing analytical operations using light diffusion equations, etc. It is shifting to quantitative measurement that determines the concentration of components. Such quantitative measurement is, for example, a time-resolved measurement method (TRS method: Time Resolved Spectroscopy) using a time-resolved waveform of detection light, or a phase modulation measurement method (PMS method: Phase Modulation) using modulated light. This is done by applying an analytical operation such as Spectroscopy.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the case where the internal information of the scattering medium is quantitatively measured by executing the above-described analysis operation by the TRS method or the PMS method, an apparatus for the measured waveform of the detected light is used to accurately quantify the internal information. It is necessary to consider the effect of the function.
[0005]
That is, in the scattering absorber measurement described above, internal information is obtained by analytical calculation from a measurement waveform including time delay ΔT, time dispersion ΔΩ, and further phase delay caused by light propagation in the scattering absorber. To do. On the other hand, each of the measurement devices such as a light incident system for entering pulsed light into the scattering medium and a light detection system for detecting the pulsed light from the scattering medium and acquiring a measurement waveform Devices and circuits each produce a time delay Δt, a time dispersion Δω, and the like as device functions that are time responses of the device itself.
[0006]
At this time, the measurement waveform actually obtained by the scattering absorber measurement is the time response of each device or circuit described above with respect to the ideal measurement waveform (ideal waveform) generated by the time response of the scattering absorber. The resulting device function is superimposed. Therefore, if the analysis calculation is directly performed on the measurement waveform, the internal information cannot be accurately quantified due to the influence of the device function.
[0007]
As a method for removing the influence of such an apparatus function, there is a method in which an apparatus function is acquired by performing calibration measurement in advance without using a scattering medium. Specifically, for example, the light incident fiber and the light detection fiber used for the incidence and detection of light to the scattering medium are removed from the positions where the light is normally installed (the light incident position and the light detection position). There is a method of performing calibration measurement by directly abutting the front ends or through an ND filter or a diffusion plate.
[0008]
In such calibration measurement, the obtained measurement waveform shows only the time response of the device, so if the device function is calculated in advance, the influence of the device function can be removed from the scattering absorber measurement. It becomes possible. However, in the above-described calibration method, when performing calibration measurement, the light incident fiber and the light detection fiber must be reinstalled for each combination to perform calibration measurement. Accordingly, there is a problem that additional work is required for calibration of the measuring apparatus, and the efficiency of the calibration work is reduced.
[0009]
In particular, in an optical CT apparatus or the like that acquires a tomographic drawing of a scattering medium, a large number of light incident fibers and light detection fibers are installed on the scattering medium. At this time, in the above-described calibration measurement method, the number of combinations of the light incident fiber and the light detection fiber that require calibration of the device function becomes enormous, and therefore, excessive work is required to perform the calibration measurement. Necessary.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and a calibration method for a scattering medium measuring apparatus capable of easily executing calibration measurement and calculation of apparatus functions, and a scattering medium measuring apparatus using the same. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, a method for calibrating a scattering medium measuring apparatus according to the present invention includes a light incident means for inputting pulsed light of a predetermined wavelength to a scattering medium from a light incident position, A light detecting means for detecting a pulsed light having a predetermined wavelength propagated in the interior at a light detection position to obtain a light detection signal, and a signal processing means for obtaining a measurement waveform indicating a temporal change in light intensity based on the light detection signal. A calibration method used for a scattering medium measuring apparatus comprising: a pulsed light having a predetermined wavelength is incident on a scattering medium for calibration from a light incident means; Detecting pulsed light of a predetermined wavelength propagating through the inside with a light detection means, performing measurement for calibration to obtain a measurement waveform with a signal processing means, and measuring waveform obtained by calibration measurement, Predicting from the known optical parameters of the scatter absorber for calibration Perform a comparison operation on the theoretical waveform prepared in advance to separate the device function superimposed on the measured waveform. , Device function as time waveform It is characterized by calculating.
[0012]
In addition, the scattering medium measuring apparatus according to the present invention includes a light incident means for making a pulsed light having a predetermined wavelength incident on the scattering medium from a light incident position, and a pulsed light having a predetermined wavelength propagating through the scattering medium. Light detection means for detecting at the detection position and obtaining a light detection signal, signal processing means for obtaining a measurement waveform indicating a temporal change in light intensity based on the light detection signal, and performing analysis calculation on the measurement waveform Calculation processing means for calculating internal information of the scattering medium, and the calculation processing means is performed on the calibration scattering medium in order to calculate a device function superimposed on the measurement waveform. For calibration measurement, the measurement waveform acquired by calibration measurement, Predicting from the known optical parameters of the scatter absorber for calibration Perform a comparison operation on the theoretical waveform prepared in advance to separate the device function superimposed on the measured waveform. , Device function as time waveform It has a device function calculating means for calculating.
[0013]
In the above-described method for calibrating the scattering medium measuring apparatus and the scattering medium measuring apparatus using the same, the light incident means and the light detecting means perform incidence and detection of pulsed light on the scatter absorber for calibration. The measurement for calibration is performed while maintaining the installation position as the light incident position and the light detection position. This eliminates the need for additional work such as re-installing the light incident means and the light detection means for each combination when the measurement apparatus is calibrated, thereby improving the efficiency of the calibration work.
[0014]
Here, when the calibration of the measuring device is performed using the scatter absorber for calibration, it becomes impossible to directly measure the time waveform by the device function. On the other hand, in the calibration method described above, a scatter absorber for calibration whose optical parameters are known is used, and a theoretical waveform predicted from these known optical parameters is prepared in advance. As a result, it is possible to separate and calculate the device function from the comparison operation between the measured waveform obtained by the calibration measurement and the theoretical waveform. As described above, the method for calibrating a scattering medium measuring apparatus that can easily execute the calibration measurement and the calculation of the apparatus function, and the scattering medium measuring apparatus using the method are realized.
[0015]
Further, in the method for calibrating the scattering medium measuring apparatus, at least one of the light incident means and the light detection means is plural, and the apparatus function is separately set for each of the plurality of combinations of the light incident means and the light detection means. It is characterized by calculating to.
[0016]
Similarly, the scattering medium measuring apparatus includes a plurality of at least one of the light incident means and the light detection means, and the device function calculation means is provided for each of a plurality of combinations of the light incidence means and the light detection means. The function is calculated separately.
[0017]
In a scattering medium measuring apparatus having a large number of light incident means and light detection means, such as an optical CT apparatus, as described above, a device function is calculated separately for each combination of light incident means and light detection means. It is necessary. Even in such a case, according to the calibration method and the measurement device described above, it is possible to easily execute calibration measurement and device function calculation for all combinations without requiring additional work. It becomes.
[0018]
The scattering medium measuring apparatus includes the same number of light incidence means and light detection means, and each of the plurality of light incidence means and light detection means includes the light incidence means and the light detection means as a set, and each of the pairs is substantially omitted. It may be characterized by being installed at the same position.
[0019]
Such a configuration is often used in an optical CT apparatus or the like, but in this case, since both the light incident means and the light detection means become numerous, the number of combinations becomes enormous. On the other hand, by applying the above-described calibration method and measurement apparatus, the calibration work can be greatly improved in efficiency. In addition, it is possible to apply the calibration method and the configuration of the measurement device described above to the scattering absorber measurement devices having various configurations.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a method for calibrating a scattering medium measuring apparatus according to the present invention and a scattering medium measuring apparatus using the same will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0021]
FIG. 1 shows an embodiment of a scattering medium measuring apparatus used for acquiring internal information such as a scattering coefficient, an absorption coefficient, and a concentration of each component contained in a scattering medium SM (Scattering Medium) to be measured. It is a block diagram which shows the structure of a form schematically. This scattering medium measuring apparatus is configured to be applicable to a method for calibrating a scattering medium measuring apparatus according to the present invention described later.
[0022]
This measuring device is provided with a light incident light guide 40a for making the pulsed light used for measuring the internal information incident on the scattering medium SM. The light guide 40a is installed so that the output end thereof is the light incident position A on the surface of the scattering medium SM. A light source 20 is optically connected to the input end of the light guide 40a via a wavelength selector 21. The light guide 40a, the light source 20, and the wavelength selector 21 are used to transmit light in the measurement apparatus. Incident means are configured. The pulsed light supplied from the light source 20 is wavelength-selected at a predetermined wavelength by the wavelength selector 21, and is incident on the scattering medium SM from the light incident position A via the light guide 40a.
[0023]
As the pulsed light supplied from the light source 20, pulsed light having a time width short enough to derive internal information of the scattering medium SM is used, and a time width in the range of 1 ns or less is usually selected. The wavelength of the pulsed light is appropriately selected according to the scattering medium SM to be measured. In general, for example, in the living body, from the relationship between the transmittance of the living body and the spectral absorption coefficient of the absorption component to be quantified. A wavelength in the near infrared region of about 700 to 900 nm is used.
[0024]
As the light source 20, various things, such as a light emitting diode, a laser diode, and various pulse lasers, can be used. If necessary, such as when acquiring internal information about a plurality of components, the light source 20 and the wavelength selector 21 are configured to be able to supply pulsed light of a plurality of wavelength components as measurement light. Further, the wavelength selector 21 may be omitted.
[0025]
In addition, this measuring apparatus includes a light detection light guide 40b for detecting pulsed light that has propagated through the scattering medium SM. The light guide 40b is installed such that its input end is at the light detection position B on the surface of the scattering medium SM. A light detector 30 is optically connected to the output end of the light guide 40b, and the light guide 40b and the light detector 30 constitute a light detection means in the measurement apparatus. The pulsed light propagated while being scattered inside the scattering medium SM is incident on the light detector 30 through the light guide 40b and detected, and a light detection signal indicating the detected light intensity or the like is generated.
[0026]
As the photodetector 30, various types such as a photomultiplier tube, a photodiode, an avalanche photodiode, and a PIN photodiode can be used. The selection of the light detector 30 only needs to have spectral sensitivity characteristics that can sufficiently detect light having the wavelength of pulsed light used for scattering absorber measurement. When the optical signal is weak, it is preferable to use a photodetector with high sensitivity or high gain.
[0027]
A signal processing unit 50 is electrically connected to the light source 20 of the light incident means and the photodetector 30 of the light detection means. In the signal processing unit 50, a measurement waveform indicating a temporal change in the detected pulsed light intensity is acquired based on a light detection signal from the light detector 30, a trigger signal for emitting pulsed light from the light source 20, and the like.
[0028]
Furthermore, an arithmetic processing unit 60 is electrically connected to the signal processing unit 50. In the arithmetic processing unit 60, in the normal scattering absorber measurement performed to acquire the internal information of the scattering medium SM, the inside of the scattering medium SM is compared with the measurement waveform obtained by the signal processing unit 50. Analytical calculations are performed to quantify the information. Further, as will be described later, a calibration calculation for calculating an apparatus function is performed for calibration measurement. In FIG. 1, the calculation processing unit 60 is illustrated with a configuration for executing the above-described calibration calculation, and a configuration for executing a normal analysis calculation is not illustrated.
[0029]
The arithmetic processing unit 60 in this embodiment includes an apparatus function calculation unit 61, a measurement waveform storage unit 62, and a theoretical waveform storage unit 63. The measurement waveform data acquired by the signal processing unit 50 is input to the arithmetic processing unit 60 and stored in the measurement waveform storage unit 62. On the other hand, theoretical waveform data prepared in advance is stored in the theoretical waveform storage unit 63. In the calculation processing for the calibration measurement, the device function calculation unit 61 performs a comparison operation that is a calibration operation on the measurement waveform data in the measurement waveform storage unit 62 and the theoretical waveform data in the theoretical waveform storage unit 63. The device function superimposed on the measurement waveform in the scattering absorber measurement is calculated separately.
[0030]
The relationship between the measurement waveform, the theoretical waveform for the scattering medium, and the device function by the measurement device itself, and the comparison operation used for calculating the device function in the device function calculation unit 61 will be described. FIG. 2 is a graph schematically showing an example of the relationship between the measured waveform O (t), the theoretical waveform M (t), and the device function h (t). In this graph, the horizontal axis indicates the elapsed time t with the time corresponding to the time 0 with respect to the theoretical waveform M (t) as the origin (t = 0), and the vertical axis indicates the light intensity at each time. The time changes depending on the elapsed time t of the light intensity are the respective time waveforms shown.
[0031]
In a scattering medium measuring apparatus that acquires internal information using pulsed light that has propagated through the scattering medium, the measurement waveform O (t) of the pulsed light that is detected after propagation is measured by the TRS method, the PMS method, or the like. Perform analysis operations. Then, the internal information is quantified from the time response such as time delay ΔT and time dispersion ΔΩ in the scattering medium.
[0032]
On the other hand, in the scatter absorber measurement using such a measurement apparatus, apart from the time response by the scatter absorber to be measured, the time delay Δt as an apparatus function caused by each part and each circuit of the scatter absorber measurement apparatus. And time response of the device itself such as time dispersion Δω. For example, in the scattering medium measuring apparatus shown in FIG. 1, the light source 20, the wavelength selector 21, the photodetector 30, the light guides 40 a and 40 b, the signal processing unit 50, the circuit wiring between them, Produces a response. Therefore, the measurement waveform O (t) acquired by the signal processing unit 50 and input to the arithmetic processing unit 60 has a device function h (t) by the measurement device itself in which these time responses are integrated, and the scattering absorber. Is superimposed (convolution) on the ideal measurement waveform (ideal waveform).
[0033]
On the other hand, in the scattering medium measuring apparatus of the above-described embodiment, the calibration measurement is performed using the theoretical waveform M (t) prepared in advance for the calibration measurement performed separately from the normal measurement. The device function h (t) is separated (deconvolved) from the measured waveform O (t) obtained in step (5).
[0034]
First, in the calibration measurement, as the scattering absorber SM to be measured, a scattering absorber having a refractive index substantially equal to the measurement target and necessary optical parameters such as the absorption coefficient μa and the scattering coefficient μs ′ is known. Installed as a scattering absorber for calibration. In such a scattering medium for calibration, the time response to pulsed light can be theoretically predicted by known optical parameters. Then, an ideal waveform based on a predictable time response of the scattering medium itself is calculated in advance as a theoretical waveform M (t) by theoretical calculation or the like.
[0035]
As described above, with respect to the theoretical waveform M (t) prepared in advance, the measurement waveform O (t) obtained by calibration measurement and the device function h (t) based on the time response of the measurement device are expressed by the following equations:
O (t) = M (t) * h (t)
It has the relationship represented by. Here, the operator “*” represents the convolution of the time waveform. That is, the obtained measurement waveform O (t) has a theoretical waveform M (t) that is an ideal waveform by the scattering medium SM and an apparatus function h by the scattering medium measuring apparatus as shown in the graph of FIG. (T) is a convolved time waveform.
[0036]
In the present embodiment, for calibration measurement, the device function calculation unit 61 of the arithmetic processing unit 60 acquires data of the measurement waveform O (t) acquired by calibration measurement and stored in the measurement waveform storage unit 62. Are compared with the data of the theoretical waveform M (t) prepared in advance in the theoretical waveform storage unit 63. Then, the theoretical waveform M (t) and the device function h (t) are deconvoluted from the measured waveform O (t) by this comparison calculation, and the unknown device function h (t) is separated and calculated. Yes.
[0037]
In the scattering medium measuring apparatus and the calibration method thereof according to the above-described embodiment, the light guides 40a and 40b for light incidence and light detection are normally installed in the calibration measurement for calculating the apparatus function based on the time response of the measurement apparatus itself. The installation position of the light guides 40a and 40b is not a normal light incident position A, instead of measuring the device function by calibrating measurement that is removed from the position and the tips of each other are directly or butt-matched via an ND filter or a diffusion plate. And the light detection position B. Then, a scatter absorber for calibration is installed as the scatter absorber SM, and calibration measurement is performed by incidence and detection of pulsed light on the scatter absorber for calibration. This eliminates the need for additional work such as removal and re-installation of the light guides 40a and 40b when the measuring apparatus is calibrated, thereby improving the efficiency of the calibration work.
[0038]
Also, in contrast to obtaining a measurement waveform using a scatter absorber for calibration, a theoretical waveform is calculated from known optical parameters of the scatter absorber, and the measurement obtained from the theoretical waveform and calibration measurement is calculated. The device functions are calculated separately by comparison with the waveform. By using such a method, it is possible to obtain the device function from the measurement waveform obtained by the calibration measurement without directly measuring the device function in the absence of the scattering medium.
[0039]
As described above, the method for calibrating a scattering medium measuring apparatus that can easily execute the calibration measurement and the calculation of the apparatus function, and the scattering medium measuring apparatus using the method are realized.
[0040]
Here, as a specific calculation method for performing a comparison operation on the measured waveform O (t) and the theoretical waveform M (t) and separately calculating the device function h (t), the measured waveform O (t) Is deconvolved with the theoretical waveform M (t). Alternatively, an appropriate device function h (t) is assumed as an initial value, and the time waveform obtained by convolving the device function h (t) and the theoretical waveform M (t) and the measurement waveform O ( There is a method of modifying the device function h (t) so that the difference from t) becomes sufficiently small.
[0041]
As a specific calculation example, for example, the following recurrence formula using Bayesian Method
h (t) ^{(k + 1)} = H (t) ^(k) [[O (t) / h (t) ^(k) * M (t)] $ M (t)]
There is a method for calculating the device function h (t) from the above. Here, the operator “$” represents a correlation operation. Further, the device function h (t) may be calculated by other comparison calculation methods.
[0042]
The theoretical waveform M (t) can be calculated as a theoretical analysis solution or a numerical analysis solution from known optical parameters in the calibration scattering medium. The theoretical waveform M (t) may be calculated in advance by an external device and given as data to the theoretical waveform storage unit 63 of the arithmetic processing unit 60. Alternatively, the theoretical processing unit 60 may store the theoretical waveform M (t). It is good also as a structure provided with the theoretical waveform calculation part which calculates a waveform.
[0043]
FIG. 3 shows an example of a hardware configuration used for the photodetector 30, the signal processing unit 50, and the arithmetic processing unit 60. The configuration shown in FIG. 3 is a configuration for implementing a high-speed time waveform measurement method using a method called a time-correlated photoelectron counting method. In the present configuration example, a photomultiplier tube (PMT) is used as the photodetector 30, and the signal processing unit 50 includes a constant fraction discriminator (CFD) 51, a time-amplitude converter (TAC). 52 and an AD converter (A / D) 53.
[0044]
The output signal of the PMT 30 is guided to the TAC 52 via the CFD 51 and converted into an analog voltage corresponding to time, and further converted into a digital signal by the AD converter 53. This digital signal corresponds to data of a measurement waveform indicating a change in detected light intensity with time.
[0045]
In the arithmetic processing unit 60 shown in FIG. 3, a CPU 70 is electrically connected to the light source 20 and the signal processing unit 50. As a result, the timing of light detection synchronized with the light incidence is controlled by the CPU 70, and the measurement waveform data output from the signal processing unit 50 is guided to the CPU 70 and subjected to predetermined arithmetic processing. The CPU 70 also controls or selects the incident conditions of the measurement light such as the wavelength of the incident pulse light.
[0046]
The arithmetic processing unit 60 shown in FIG. 3 further includes an operating system (OS) 71a and a program memory 71 that stores an arithmetic program 71b for performing predetermined arithmetic processing, and a data file memory 72 that stores various data files. And a data memory 73 for storing data indicating the internal information of the obtained scattering medium, and a work memory 74 for temporarily storing work data.
[0047]
The calculation program 71b of the program memory 71 includes a program for executing the above-described analysis calculation in normal measurement and comparison calculation (calibration calculation) in calibration measurement. The data file memory 72 includes a measurement waveform storage unit 62 that stores measurement waveforms and a theoretical waveform storage unit 63 that stores theoretical waveforms prepared in advance. Further, various data such as necessary physical quantities, data such as previously input measurement conditions and known values, and the like are also stored.
[0048]
The arithmetic processing unit 60 includes an input device 75 including a keyboard 75a and a mouse 75b that accepts data input, and an output device 76 including a display 76a and a printer 76b that output the obtained data. The operation of each unit of these arithmetic processing units 60 is controlled by the CPU 70. In addition, about each said memory, the hard disk etc. which were installed in the inside of a computer may be sufficient, or a flexible disk etc. may be used. Further, the specific hardware configuration of the measuring device is not limited to that shown in FIG. 3 and may be modified or expanded as necessary.
[0049]
FIG. 4 is a block diagram schematically showing a configuration of another embodiment of the scattering medium measuring apparatus. The configuration of the present scattering absorber measuring apparatus is substantially the same as the configuration shown in FIG. 1, but a plurality of light incident and detection light guides are installed on the scattering absorber SM, and the scattering absorption is achieved. This is configured as an optical CT apparatus capable of acquiring a tomographic drawing of the body SM.
[0050]
Specifically, the scattering medium measuring apparatus shown in FIG. 4 includes twelve optical fiber holders 1 to 12. These optical fiber holders 1 to 12 are arranged at equal intervals around one cross section of the scattering medium SM (in FIG. 4, on each line extending radially from the center of the scattering medium SM at intervals of 30 degrees). The numbers 1 to 12 are assigned around the clock.
[0051]
The optical fiber holders 1 to 12 are provided with light incident fibers 1a to 12a and light detection fibers 1b to 12b, respectively. In FIG. 4, the light incident fibers 1a to 12a and the light detection fibers 1b to 12b are installed at substantially the same position for each set, with the corresponding light incident fibers and light detection fibers as a set. ing.
[0052]
Specifically, in the example of FIG. 4, a pair of light incident fibers and light detection fibers are installed on the scattering medium SM in a state of being bundled in parallel in the corresponding optical fiber holders. Yes.
[0053]
In addition, about the specific structure in the case of installing each light incident fiber and light detection fiber as a group in this way, for example, as illustrated about the optical fiber holder 1 in FIG. It is also possible to use a coaxial structure or the like bundled around a plurality of optical detection fibers 1b (bundle fibers). When such a coaxial structure is employed, there is one fiber end face that hits the periphery of the scattering medium SM. For this reason, the positional deviation between the light incident fiber end and the light detecting fiber end can be eliminated and the error can be reduced, compared to the case where the two fibers are bundled in parallel in two upper and lower rows or two left and right rows. .
[0054]
In this measurement apparatus, in order to obtain a tomographic drawing about the internal information of the scattering medium SM, as shown in the figure, the positions corresponding to the optical fiber holders 1 to 12 are set as a light incident position and a light detection position, respectively. The light incident fibers 1a to 12a and the light detection fibers 1b to 12b are installed as a set. Scattering absorber measurement for obtaining a tomographic drawing is performed by sequentially incident and detecting pulsed light with each of these positions as a light incident position and a light detection position, as shown in FIG. 6 as an example of the measurement method. Is called.
[0055]
In the example shown in FIG. 6, first, measurement is performed on the scattering medium SM with the installation position of the optical fiber holder 1 as a light incident position and the installation positions of the optical fiber holders 1 to 12 as light detection positions.
[0056]
In this measurement, pulsed light is incident on the scattering medium SM from one light incident fiber 1a at the light incident position. Then, the pulsed light propagated while being scattered inside the scattering medium SM is detected by each of the twelve light detection fibers 1b to 12b at the light detection position, and a measurement waveform is acquired for each of them. At this time, there are 12 combinations of light detection fibers with respect to the light incident fiber 1a as shown by the solid line in FIG.
[0057]
Subsequently, the light incident position is sequentially moved to the respective installation positions of the other optical fiber holders 2 to 12, and the same measurement is performed. In FIG. 6, as an example of each of these measurements, measurement using the installation position of the optical fiber holder 4 as the light incident position and the installation positions of the optical fiber holders 1 to 12 as the light detection positions is illustrated by dotted lines. Yes.
[0058]
In this measurement, pulsed light is incident on the scattering medium SM from one light incident fiber 4a at the light incident position. Then, the pulsed light propagated while being scattered inside the scattering medium SM is detected by each of the twelve light detection fibers 1b to 12b at the light detection position, and a measurement waveform is acquired for each of them. At this time, there are 12 combinations of light detection fibers with respect to the light incident fibers 4a as shown by dotted lines in FIG.
[0059]
Similarly, measurement is performed by inputting pulsed light from each light incident fiber, and a tomographic drawing of the scattering medium SM is obtained. At this time, there are a total of 12 × 12 = 144 combinations of light incident fibers and light detection fibers.
[0060]
The device function h (t) for the measurement waveform is usually different for each of these combinations. Therefore, when performing calibration measurement for determining a device function with respect to this measuring device, if the device function is directly measured by matching the light incident fiber and the light detecting fiber, all 144 combinations are combined. Therefore, it is necessary to remove, measure, and re-install the fiber.
[0061]
Further, in the optical CT apparatus, there may be a case where a larger number of light incident fibers and light detection fibers are installed. At this time, if each of the light incident fibers and the light detection fibers is sequentially removed and the tips thereof are brought into contact with each other directly or via an ND filter or a diffusion plate, the calibration measurement is performed. Therefore, excessive work is required, or calibration measurement cannot be performed on all necessary combinations.
[0062]
On the other hand, the above-described calibration method for performing calibration measurement with a scatter absorber for calibration while leaving the light incident fiber and the light detection fiber as it is, and calculating the apparatus function by comparing the measured waveform with the theoretical waveform According to the above, it is possible to easily execute calibration measurement and device function calculation for all combinations without requiring additional work.
[0063]
Specifically, in the example of FIG. 6, for example, as shown in the drawing, calibration measurement can be performed at one time for 12 combinations in which pulsed light is incident from the light incident fiber 1a. At the same time as the measurement work is simplified, the number of times is reduced. Then, calibration measurement is sequentially performed on each combination of the light incident fiber i and the light detection fiber j, and the measurement waveforms O are respectively measured. _ij (T) and theoretical waveform M _ij From (t), the device function h _ij By separately calculating (t), it is possible to efficiently determine device functions for all combinations.
[0064]
In FIG. 4, an internal information calculation unit 65 used for normal measurement other than calibration measurement is shown in the calculation processing unit 60. As described above, in the calibration measurement, the device function h (t) is assumed to be unknown, and is calculated by the calibration calculation in the device function calculation unit 61, and is obtained by the known theoretical waveform M (t) and measurement. The device function h (t) is calculated from the measured waveform O (t).
[0065]
On the other hand, in the normal measurement, it corresponds to the theoretical waveform M (t) in the calibration measurement, and the ideal waveform representing the time response of the scattering medium SM is assumed to be unknown, and the analysis calculation in the internal information calculation unit 65 is performed. The ideal waveform can be calculated from the device function h (t) known by the calibration measurement executed in advance and the measured waveform O (t) obtained by the measurement. Further, from this ideal waveform, calculation processing such as time response such as time delay ΔT and time dispersion ΔΩ in the scattering medium SM, or calculation of internal information of the scattering medium SM obtained from these time responses is executed. Is done.
[0066]
U.S. Pat. No. 5,492,118 describes a living body measuring apparatus having a plurality of light incident positions (light sources). In this apparatus, the internal information is acquired by modulating the amplitude of the light from the light source and detecting the phase delay or intensity of the amplitude of the light detected at the detection point. Therefore, in such an apparatus, even when calibration measurement is performed, these phase delays and the like are used.
[0067]
In contrast, in the scattering medium measuring apparatus described above, pulse light is used as light that propagates the scattering medium such as a living body, and not only a time delay of the pulse light after propagation but also a measurement waveform that is a time waveform thereof. The time response and internal information are obtained from itself. The calibration method according to the present invention makes it possible to separate and calculate the device function superimposed on such a measurement waveform by comparison with the theoretical waveform.
[0068]
The method for calibrating a scattering medium measuring apparatus according to the present invention and the scattering medium measuring apparatus using the same are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, the specific configuration of the scattering medium measuring device itself is not limited to the one shown in FIGS. 1 and 4, and the above-described calibration method and the configuration of the measuring device are applied to various measuring devices. Is possible.
[0069]
In the apparatus shown in FIGS. 1 and 4, as described above, a calibration scattering absorber is installed as the scattering absorber SM to be measured, and calibration measurement is performed. On the other hand, when the shape of the normal measurement object is different individually, the light is incident on the light incident position and the light detection position with respect to the calibration scattering absorber provided separately from the measurement object. Means and light detection means are installed to perform calibration measurement. Also in this case, it is possible to perform calibration measurement while maintaining the installation position with respect to the calibration scattering absorber without re-installing the light incident means and the light detection means for each combination.
[0070]
In the example shown in FIG. 2, the device function h (t) is calculated as a time waveform in the same manner as the measurement waveform O (t), but the device function is calculated in other forms as necessary. It is also good to do. For example, when the average optical path length from the light incident position to the light detection position is to be obtained, only the barycentric position of the waveform of the device function is required as the device function. Therefore, in this case, only the barycentric position may be calculated as a device function from the comparison calculation of the measured waveform and the theoretical waveform.
[0071]
In addition, when using light of a plurality of wavelengths as pulsed light, it is necessary to obtain an apparatus function for each wavelength used. Further, in order to reduce the influence of a change in the state of the measuring device, it is preferable to execute calibration measurement and device function calculation at a necessary timing, such as when the measuring device is turned on.
[0072]
【The invention's effect】
As described in detail above, the method for calibrating a scattering medium measuring apparatus according to the present invention and the scattering medium measuring apparatus using the same obtain the following effects. That is, pulse light is incident from a light incident means on a scattering absorber such as a living body to be measured, and the pulse light propagated while being scattered inside the scattering medium is detected by a light detection means. In a scattering medium measuring apparatus that acquires internal information from a measurement waveform, calibration measurement is performed using a scattering medium for calibration. Then, a comparison operation is performed on the obtained measurement waveform and theoretical waveform to obtain an apparatus function.
[0073]
This eliminates the need for additional work such as removal and re-installation of the light incident means and the light detection means when calibrating the measurement apparatus, thereby improving the efficiency of the calibration work and improving the calibration measurement and apparatus. A calibration method for a scattering medium measuring apparatus capable of easily calculating a function and a scattering medium measuring apparatus using the same are realized.
[0074]
In an optical CT apparatus, a large number of light incident means and light detection means are installed in order to acquire more detailed internal information, such as when acquiring a tomographic drawing of a scattering medium. Therefore, the above-described calibration method is considered to be very important in maintaining the long-term stable operation of the measuring apparatus when such an optical CT apparatus is put into practical use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a scattering medium measuring apparatus.
FIG. 2 is a graph schematically showing an example of a measured waveform, a theoretical waveform, and an apparatus function.
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of the scattering medium measuring apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of the scattering medium measuring apparatus.
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a configuration of a light incident fiber and a light detection fiber.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a combination of a light incident fiber and a light detection fiber.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-12 ... Optical fiber holder, 1a-12a ... Optical incident fiber, 1b-12b ... Optical detection fiber,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Light source, 21 ... Wavelength selector, 30 ... Light detector, 40a ... Light guide for light incidence, 40b ... Light guide for light detection, 50 ... Signal processing part, 60 ... Calculation processing part, 61 ... Device function calculation part 62 ... Measurement waveform storage unit, 63 ... Theoretical waveform storage unit, 65 ... Internal information calculation unit.

Claims

A light incident means for injecting pulsed light of a predetermined wavelength from the light incident position to the scattering medium;
A light detection means for detecting a pulsed light of the predetermined wavelength propagated inside the scattering medium at a light detection position to obtain a light detection signal;
Based on the light detection signal, a signal processing means for obtaining a measurement waveform indicating a temporal change in light intensity;
A calibration method used for a scattering medium measuring apparatus comprising:
The pulse light having the predetermined wavelength is incident on the calibration scattering absorber from the light incident means, and the light detection means detects the pulse light having the predetermined wavelength propagated through the calibration scattering absorber. Then, while performing calibration measurement to obtain the measurement waveform by the signal processing means,
A comparison operation is performed on the measured waveform acquired in the calibration measurement and a theoretical waveform prepared in advance by predicting from the known optical parameters of the scatter absorber for calibration, and superimposed on the measured waveform. A method for calibrating a scattering medium measuring apparatus, wherein the apparatus function is separated and the apparatus function is calculated as a time waveform .

At least one of the light incident means or the light detection means is plural,
2. The method of calibrating a scattering medium measuring apparatus according to claim 1, wherein the apparatus function is separately calculated for each of a plurality of combinations of the light incident means and the light detection means.

In the calculation of the device function, assuming a time waveform of the device function as an initial value, a difference between the time waveform obtained by convolution of the device function and the theoretical waveform and the measurement waveform obtained by the calibration measurement is 3. The method of calibrating a scattering medium measuring apparatus according to claim 1, wherein the apparatus function is calculated by deforming the apparatus function so as to be reduced.

A light incident means for injecting pulsed light of a predetermined wavelength from the light incident position to the scattering medium;
A light detection means for detecting a pulsed light of the predetermined wavelength propagated inside the scattering medium at a light detection position to obtain a light detection signal;
Based on the light detection signal, a signal processing means for obtaining a measurement waveform indicating a temporal change in light intensity;
An arithmetic processing unit that performs an analysis operation on the measurement waveform and calculates internal information of the scattering medium;
With
The arithmetic processing means includes:
In order to calculate an apparatus function to be superimposed on the measurement waveform, the measurement waveform acquired in the calibration measurement and the calibration A comparison operation is performed on a theoretical waveform prepared in advance by predicting from known optical parameters of the scattering medium, and the device function superimposed on the measurement waveform is separated to obtain the device function as a time waveform. measuring a scattering medium device characterized in that it comprises a device function calculating means for calculating.

A plurality of at least one of the light incident means or the light detection means,
5. The scattering medium measuring apparatus according to claim 4 , wherein the device function calculating unit separately calculates the device function for each of a plurality of combinations of the light incident unit and the light detecting unit. .

While providing the same number of the light incident means and the light detection means,
Each of the plurality of the light projecting means and said light detecting means, said light incident means and the light detecting means as respective sets, according to claim 5, characterized in that it is installed in substantially the same position for each set Scattering absorber measuring device.

The device function calculation means assumes a time waveform of a device function that is an initial value in the calculation of the device function, and is obtained by convolution of the device function and the theoretical waveform, and the calibration measurement. 7. The scattering medium measuring apparatus according to claim 4, wherein the apparatus function is calculated by modifying the apparatus function so that a difference from the measurement waveform is small. .