JP2004333344A - Optical measurement method and device - Google Patents
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Abstract
【課題】小型・簡便な装置で、生体内部の情報を広い空間領域で高い分解能で、時間的及びシステム的に効率良く、さらに小型・簡便に画像計測する装置を提供する。
【解決手段】計測に複数の光105を用いることで装置を小型・簡便な構成とし、さらに複数計測位置について、お互いに異なる符号パターンで変調した光を用いることで、広い空間領域において高い分解能で、時間的及びシステム的に効率良く計測する。
【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a small and simple device for efficiently measuring information inside a living body in a wide space area with high resolution, temporally and systematically, and furthermore compactly and simply.
The apparatus has a small and simple configuration by using a plurality of light beams for measurement, and further uses high-resolution light in a wide spatial region by using light modulated with different code patterns for a plurality of measurement positions. , And efficiently measure in terms of time and system.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本願発明は生体光計測装置及びその装置における画像作成方法、すなわち、生体内部の情報を光を用いて測定し、測定結果を画像化する生体光計測装置及び画像作成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開昭57−115232号公報
【特許文献2】特開昭63−260532号公報
【特許文献3】特開昭63−275323号公報
【特許文献4】特開平05−317295号公報
【非特許文献1】「高散乱媒質中における吸収性及び透過性含有物の効果の実験的検討(Experimental study of the effect of absorbing and transmitting inclusions in highly scattering media)」,1994年10月1日,アプライドオプティクス,第33巻,第28号,第6692〜6698項(Applied optics,33,28,6692(1994))
生体内部を簡便かつ生体に害を与えずに測定する装置が臨床医学及び脳科学などの分野で望まれている。例えば具体的に頭部を測定対象と考えると、脳梗塞・脳内出血などの脳疾患及び、思考・言語・運動などの高次脳機能の計測などが挙げられる。また、このような測定対象は頭部に限らず、胸部では心筋梗塞などの心臓疾患、腹部では腎臓・肝臓などの内臓疾患に対する予防診断等も挙げられる。頭部を計測対象と考えて脳内の疾患もしくは高次脳機能を計測する場合、疾患部または機能領域を明確に特定する必要がある。このため頭部の広い領域を画像として計測することが非常に重要である。この重要性を示す例としては、脳内の画像計測装置として、ポジトロンエミッション断層装置(PET)及び機能的核磁気共鳴断層装置(fMRI)が現在広く用いられていることが挙げられる。これらの装置は、生体内部の広い領域を画像として計測可能という利点がある一方、装置が大型でその扱いが煩雑である。例えば、これらの装置の設置には専用の部屋が必要となり、もちろん装置の移動は容易ではなく被験者に対する拘束性は高い。さらに、保守管理の専任者も必要になることから、装置の運用には莫大なコストを要することになる。
【0003】
一方、前述の要望に対し、光計測は非常に有効である。その第1の理由は、生体内器官の正常及び異常、さらには高次脳機能に関する脳の活性化は、生体内部の酸素代謝及び血液循環と密接に関係している。この酸素代謝と血液循環は、生体中の特定色素(ヘモグロビン,チトクロームaa3,ミオグロビン等)の濃度に対応し、この色素濃度は可視から赤外領域の波長の光吸収量から求められるからである。また、光計測が有効である第2、第3の理由としては、光は光ファイバによって扱いが簡便であり、さらに安全基準の範囲内での使用により生体に害を与えないことが挙げられる。このように、光計測は実時間計測及び生体中の色素濃度定量化など、PET及びfMRIには無い利点を有し、また光による計測装置は小型・簡便化に適している。このような光計測の利点を利用して、可視から赤外の波長の光を生体に照射し、生体から反射された光を検出することで生体内部を計測する装置が、例えば特開昭57−115232号公報、特開昭63−260532号公報、特開昭63−275323号公報もしくは特開平5−317295号公報に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の光による生体計測技術では、生体の特定の位置もしくは限られた狭い領域しか計測できず、生体の広い空間領域における画像計測について考慮されていない。
【0005】
ここで、光計測方法及び光照射・検出点配置について、従来の方法による具体的問題点を以下に示す。まず、光計測方法について示す。広い空間領域での画像計測には、多点での光照射及び検出が必要になる。
図2でこの多点計測の一例を簡単に説明する。図2は光計測における照射位置、検出位置、計測位置の配置を示す平面図である。この例では、被検体表面の3個所の位置(「照射位置1」、「照射位置2」、「照射位置3」)に光を照射し、被検体表面の3個所の位置(「検出位置1」、「検出位置2」、「検出位置3」)で光を検出する場合を示す。画像計測の場合には、計測位置を特定しなければならない。光散乱体中例えば生体中での光伝播については、例えば、エヌ・シー・ブルース(N.C.Bruce)による「高散乱媒質中における吸収性及び透過性含有物の効果の実験的検討(Experimental study of the effect of absorbing and transmitting inclusions in highly scattering media)」,1994年10月1日,アプライドオプティクス,第33巻,第28号,第6692〜6698項(Applied optics,33,28,6692(1994))により報告されている。
【0006】
図3は、当該報告に基づく光計測における散乱体内での光伝播を模式的に示す断面図である。図3より、光照射位置と検出位置の中点近傍が、表面から深い場所の情報を多く有することが分る。そこで、生体の深部、例えば皮膚や骨のさらに深部を皮膚上から計測する場合、照射・検出位置の中点が計測位置となる。このような計測には、照射及び検出位置を対にして、個々の対ごとに特定される計測位置での情報を求める必要がある。
【0007】
例えば図2の計測配置において、光を同時にこれら3個所の照射位置から照射して、3個所の検出位置で検出する場合を考える。この場合、「照射位置2」と「検出位置2」の中点である「計測位置2」に対する計測では、「検出位置2」で検出された光に対して「照射位置2」で照射された光を正確に計測する必要がある。しかしこの場合、「検出位置2」で検出された光は、「照射位置2」からだけではなく、「照射位置1」及び「照射位置3」から照射された光も含むことになり、すなわちクロストークが生じる。従って、「照射位置2」で照射された光の検出光量を正確に求めることができない。 このような問題を解決するために、照射位置ごとにスイッチなどを用いて時系列的に計測位置を順次切替える構成が考えられる。
【0008】
図5にこの構成を比較例として示す。501−504は光照射装置、505は散乱体内部を通過する光、506は受光部、507は照射位置特定の様子、508は照射・検出配置図を示す。図5では4つの照射位置からの信号が検出位置にて検出される例を示しているが、各照射位置から光を照射するタイミングがT1、T2、T3、T4とそれぞれ異なるため、受光部において前述のようなクロストークは生じなくなる。しかし多くの照射位置を切替るためにはそれだけ切替えの時間を要し、そのため時間的に非効率的になる。さらに分解能向上のためには単位時間あたりに計測する計測点を増やす必要があるが、結果として、一つの照射位置に割り当てられる時間、すなわち照射時間が短くなるため、受信側において検出可能な光の検出光量に満たなくなる問題がある。
【0009】
また別の実現方法として、可視から赤外領域における複数波長の光を散乱体の複数部位に照射し、散乱体内部を通過した光を散乱体の複数部位から検出して画像化する装置において、例えば発振器、半導体レーザ、光ファイバ等にて、異なる変調周波数の光を発生させ複数部位ごとに照射し、例えば光ファイバ、フォトダイオードを含む光検出器、ロックインアンプ、A/D変換器等にて、複数検出部位で得られた通過光に対し変調計測を行うことにより、個々の照射位置及び検出位置に対応する散乱体内部の情報を画像化するように構成する方法が考えられる。
【0010】
図6にはこの構成を比較例として示す。601−604は複数変調周波数による光照射装置、605は散乱体内部を通過する光、606は複数変調周波数による受光部の構成、607は複数変調周波数による照射位置特定の様子、608は複数変調周波数による光照射・検出配置図である。
【0011】
この方法では各部位から異なる変調周波数の光を照射し、受信側におけるロックインアンプにより所望の変調周波数の光検出を行うため原理的にはクロストークは生じなくなるが、高精度のロックインアンプが必要となり、さらに分解能向上のためには計測する計測点を増やす必要があるが、結果として、計測点の数に比例した数の変調周波数の光を発生させ、受信側においてもこれらの数多くの変調周波数に対応したロックインアンプ等を用意する必要があり、装置規模が大きくなる問題がある。
【0012】
本発明の目的は、分解能向上をめざすにあたってこのような問題点を改善し、光を用いた小型・簡便な装置であって、生体内部の情報を広い空間領域で時間的及びシステム的に効率良く画像計測する装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、可視から赤外領域における複数波長の光を散乱体の複数部位に照射し、散乱体内部を通過した光を散乱体の複数部位から検出して画像化する装置において、例えば発振器、半導体レーザ、光ファイバ等にて、同一周波数の光を発生させ複数部位ごとに異なる符号パターンで変調をかけて照射し、例えば光ファイバ、フォトダイオードを含む光検出器、A/D変換器等にて、複数検出部位で得られた通過光に対し、送信側で用いた符号パターンとの相関計測を行うことにより、個々の照射位置及び検出位置に対応する散乱体内部の情報を画像化するように構成する。このような方式はスペクトル拡散変調方式ともいう。
【0014】
本発明の測定方法では、異なる符号パターンを生成し、異なる符号パターンで変調をかけた電磁波を生成し、電磁波を試料の複数の箇所に照射し、試料内部を通過した電磁波を試料の複数の箇所から検出し、試料の複数の箇所から得られた電磁波に対し符号パターンとの相関演算を行い、相関演算結果に基づいて試料の情報を得る。この構成によって、同時に試料の複数箇所の情報を拾得することができる。
【0015】
また、本発明の測定装置は、複数の電磁波源と、複数の電磁波源から形成される複数の電磁波に異なる変調を与える変調器と、変調された複数の電磁波を試料の異なる部位に照射する照射器と、試料により変調された複数の電磁波を検出する検出器と、検出された複数の電磁波と所定の符号パターンとの相関演算を行う検波器と、を有する。
電磁波は、可視から赤外領域における複数波長の光とすることができる。そして、複数波長の光に対し、それぞれ異なる符号パターンで変調をかけて照射するように構成することができる。変調は例えば、符号パターンに従って光出力あり/光出力なしを切替え動作することにより実現する。符号パターンとして、Walsh符号あるいは擬似雑音符号(PN符号:Poseudo Noise符号)を用いることができる。試料としては、光を散乱する散乱体が好適である。散乱体内部を通過した光を散乱体の複数部位から検出して、画像化する構成とすることもできる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1の実施例)
図1は第1の実施形態の画像化装置の構成及び光照射・検出位置配置を示すブロック図である。101−104はそれぞれ異なる符号パターンC1−C4で変調をかける光照射装置、105は散乱体内部を通過する光、106は受光部を示す。107は光照射位置、検出位置、計測位置の関係を示す平面模式図である。本発明においては、前記クロストークの問題を解決するため、図1に示す構成に従い、照射位置ごとに異なった符号パターンにより変調をかけた光を照射する。例えば、図2に示した「照射位置1」、「照射位置2」、「照射位置3」において、符号パターンC1、C2、C3で変調をかけた光をそれぞれ照射する。この時、各位置で用いる符号パターンは自己相関が高く、かつ互いに直交しているかあるいは相互相関が小さいものを使用する。この場合、「検出位置2」で光を検出した場合、検出光を光検出器例えば光電子増倍管もしくはフォトダイオードによって電気信号に変換した後、位相を照射位置2で照射されたタイミングと同期させ、照射位置2で使用した符号パターンと同一の符号パターンと得られた電気信号との相関演算を行うと、「照射位置2」から照射された光の検出光量のみを、「照射位置1」及び「照射位置3」から照射された光から分離して選択的に計測することが可能となる。
【0017】
図7は図1の実施形態の動作原理を説明する原理図である。101は符号パターンC1で変調をかける光照射装置、105は散乱体内部を通過する光、106は受光部を示す。701は受光した光の光電変換後信号、702は照射位置1で変調に用いた符号パターンC1、703は符号パターンC1と受信信号との相関演算、704は照射位置2で変調に用いた符号パターンC2、705は符号パターンC2と受信信号との相関演算である。
以下、所望の照射位置からの光を選択的に計測可能な原理を詳しく説明する。
【0018】
今簡単の為、照射位置は1点であるとする。「照射位置1」からは「0101」という周期が4の符号パターンで光源に変調をかける。符号パターンで光源に変調をかけるもっとも簡単な方法は、符号パターンの「0」と「1」をそれぞれ光源の出力「オフ」と「オン」にそれぞれ対応させる方法である。これは無線通信ではOOK(On/Off Keying)と呼ばれる技術である。受光部においてはこの「照射位置1」からの光が散乱体内部を通過して受光される。この光を光電変換すると「−1、+1、−1、+1」の信号が得られる(この例は散乱体内部を通過することによる雑音やレベル劣化がない場合)。次に変換されたこの信号と、計測したい照射位置に対応する符号パターンとの相関演算を行う。符号パターン「0101」は「0」「1」の論理値なので、これをまず「−1」「+1」のレベルに変換し、これと先ほどの受信信号との相関を計算する。すると、「(−1)×(−1)+(+1)×(+1)+(−1)×(−1)+(+1)×(+1)=4」と、すべてのタイミングにおいて高い相関値を得る(703)。この値が、「照射位置1」から照射された光を検出した値となる。さて図7の例では「照射位置2」からは光照射をしていないので、受光部において「照射位置2」に対応する符号パターンとの相関演算を行っても、何も取り出されないはずである。先ほどと同じ受信信号「−1、+1、−1、+1」と、「照射位置2」に対応する符号パターン「0011」との相関演算を実際に行うと、「(−1)×(−1)+(+1)×(−1)+(−1)×(+1)+(+1)×(+1)=0」となり、受信した信号と「照射位置2」の信号との相関=0、すなわち、「照射位置2」からの信号はないと計測される(705)。このように、照射側で互いに直交する符号パターンで変調をかけて照射することにより、受光部においては、それぞれの照射位置からの光を相関演算により互いに独立に分離、検出することが可能となる。
【0019】
図8は複数の照射位置からの光を分離する動作原理を説明する図である。801は照射位置1から符号C1で変調をかけて照射した光照射装置、802は照射位置2から符号C1で変調をかけて照射した光照射装置、803は散乱体内部における光のレベル劣化及び多重の様子、804は受光した光、805は受光した光の光電変換後信号、806は照射位置1に対応した符号C1による相関演算、807は照射位置2に対応した符号C2による相関演算を示す。 ここでは照射位置が2点で、同時に2つの照射位置から光が照射されている場合を考える。符号パターンによる変調方法は図7で示したのと同様、符号パターンによって光源のオン、オフにより実現するのが簡便である。図8「照射位置1」「照射位置2」から照射し、散乱体内部によってそれぞれ「照射位置1」からの信号は1のレベルに、「照射位置2」からの信号は3のレベルに劣化して、すなわち「照射位置2」からの信号レベルが3倍強い状態で受光部で受光した例を示している(803)。受光部ではこれらが多重されているので(804)に示す光が受光される。光電変換をして0〜4の論理値を−2〜+2の信号に変換すると(805)に示す信号が得られる。これと「照射位置1」及び「照射位置2」に対応する符号パターンで相関演算を行う(806、807)。相関演算方法は先ほどと同じである。すると、「照射位置1」に対応する符号パターンとの相関値=2、「照射位置2」に対応する符号パターンとの相関値=6となり、この相関値を比較すると、「照射位置2」からの信号レベルが「照射位置1」と比較して3倍ある状態を確かに検出していることがわかる。以上のことから符号パターンによって光源に変調をかけ、受信側で相関演算により所望の照射位置からの光を原理的に分離・検出可能である。
【0020】
さらに、ヘモグロビン,チトクロームaa3,ミオグロビンの色素濃度の定量計測のために、照射光として複数波長を用いて分光計測する場合、用いる波長ごとに異なる符号パターンを割り当てて照射する。そうすると、同一位置に照射する異なった波長の光に対して、それぞれの符号パターン毎に相関演算を行うことにより、複数波長の光を光学フィルタ、回折格子、プリズムなど、反射、散乱等の光の損失を伴う光学的分光手段によらずに電気的に分光計測することが可能となる。
【0021】
また、この変調方法を用いると、「検出位置2」で検出された光に対して、「照射位置2」からの光だけではなく、「照射位置1」及び「照射位置3」で照射された光の検出光量も計測可能となる。この利点は効率的な光照射・検出点配置に関連し、その詳細を次に示す。複数の計測位置に対して、計測位置ごとに独占的に特定の照射位置及び検出位置を割り当てた場合、すなわち図2に示したように例えば計測位置が3個の場合、照射位置及び検出位置がそれぞれ3個所必要になる。
【0022】
図4は本発明における効率的な光照射・検出位置配置を示す平面図である。ここで、照射位置及び検出位置を図4に示すように、格子状に交互に配置して複数の計測位置に対して共用可能にすると、照射位置及び検出位置がそれぞれ2個所のみで、4個の計測位置を設定することが出来る。ここで、前述の変調計測により、図4の「検出位置1」で計測された光に対して、異なった変調周波数による「照射位置1」、「照射位置2」の光をそれぞれ相関演算により独立に計測することで、「計測位置1」、「計測位置2」について同時に計測することが可能となる。同様にして、「検出位置2」で計測された光に対して、異なった符号パターンによる「照射位置1」、「照射位置2」の光をそれぞれ相関演算により計測することで、「計測位置3」、「計測位置4」についても同時に計測することが可能となる。以上より、照射位置数(すなわち付随する光源数)及び検出位置(すなわち付随する検出器数)を大幅に減ずることが可能となり、システム的に効率が向上する。
(第2の実施例)
本発明における照射位置での符号パターンによる変調方法は、符号パターンに応じて位相を回転する方法等様々な方法があるが、周波数帯の高い光では装置構成を簡単にするためOOK(On/Off Keying)による光出力のオンオフにより実現する方法を用いる。
(第3の実施例)
本発明における照射位置及び受光部で用いる符号パターンでは他の照射位置の光を分離・検出するため、符号のもつ性質として、自己相関が高く、相互相関が低いか相互相関がゼロ、すなわち符号同士が直交していることが望ましい。また照射位置で用いた符号パターンと同一パターンを受光部において生成する必要があるため、ある程度生成方法が簡単である方が望ましい。これらの観点から本発明における照射位置及び受光部で用いる符号パターンは、直交性のあるWalsh符号や相互相関の低い擬似雑音符号(PN符号:Poseudo Noise符号)を用いる。
【0023】
【発明の効果】
本発明により、生体内部の情報を広い空間領域で高い分解能で時間的に及びシステム的に効率よく、かつ小型・簡便に画像計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施形態の画像化装置の構成及び光照射・検出位置配置を示すブロック図である。
【図2】光計測における照射位置、検出位置、計測位置の配置を説明する平面図である。
【図3】光計測における散乱体内での光伝播を示す断面図である。
【図4】本発明における効率的な光照射・検出位置配置を示す平面図である。
【図5】時間切替による画像化装置の構成及び光照射・検出位置配置を示すブロック図である。
【図6】複数変調周波数を用いた画像化装置の構成及び光照射・検出位置配置を示すブロック図である。
【図7】本発明による第1の実施形態の動作原理を説明する原理図である。
【図8】本発明による第1の実施形態の複数の照射位置からの光を分離する動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
101…本発明による符号パターンC1で変調をかけた光照射装置
102…本発明による符号パターンC2で変調をかけた光照射装置
103…本発明による符号パターンC3で変調をかけた光照射装置
104…本発明による符号パターンC4で変調をかけた光照射装置
105…散乱体内部を通過する光
106…本発明による受光部の構成
501…時間切替による光照射装置(時刻T1で光照射)
502…時間切替による光照射装置(時刻T2で光照射)
503…時間切替による光照射装置(時刻T3で光照射)
504…時間切替による光照射装置(時刻T4で光照射)
505…散乱体内部を通過する光
506…時間切替による受光部の構成
507…時間切替による照射位置特定の様子
508…時間切替による光照射・検出配置図
601…複数変調周波数による光照射装置(変調周波数F1で光照射)
602…複数変調周波数による光照射装置(変調周波数F2で光照射)
603…複数変調周波数による光照射装置(変調周波数F3で光照射)
604…複数変調周波数による光照射装置(変調周波数F4で光照射)
605…散乱体内部を通過する光
606…複数変調周波数による受光部の構成
607…複数変調周波数による照射位置特定の様子
608…複数変調周波数による光照射・検出配置図
701…受光した光の光電変換後信号
702…照射位置1で変調に用いた符号パターンC1
703…符号パターンC1と受信信号との相関演算
704…照射位置2で変調に用いた符号パターンC2
705…符号パターンC2と受信信号との相関演算
801…照射位置1から符号C1で変調をかけて照射した光照射装置
802…照射位置2から符号C1で変調をかけて照射した光照射装置
803…散乱体内部における光のレベル劣化及び多重の様子
804…受光した光
805…受光した光の光電変換後信号
806…照射位置1に対応した符号C1による相関演算
807…照射位置2に対応した符号C2による相関演算。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biological light measurement device and an image creation method in the device, that is, a biological light measurement device and an image creation method for measuring information inside a living body using light and imaging a measurement result.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] JP-A-57-115232 [Patent Document 2] JP-A-63-260532 [Patent Document 3] JP-A-63-275323 [Patent Document 4] JP-A-05-317295 Gazette [Non-Patent Document 1] "Experimental study of the effect of absorbing and transmitting inclusions infusions in high sci- entation, October 10, 2010," Experimental study of the effect of absorbing and transmitting and inclusion. Applied Optics, 33, 28, 6692-6698 (Applied optics, 33, 28, 6692 (1994)).
There is a demand for a device for simply measuring the inside of a living body without damaging the living body in fields such as clinical medicine and brain science. For example, when the head is specifically considered as a measurement target, measurement of brain diseases such as cerebral infarction and intracerebral hemorrhage, and measurement of higher brain functions such as thinking, language, and movement can be mentioned. In addition, such a measurement target is not limited to the head, and may include preventive diagnosis of heart diseases such as myocardial infarction in the chest and visceral diseases such as kidney and liver in the abdomen. When measuring a disease or a higher brain function in the brain by considering the head as a measurement target, it is necessary to clearly specify a diseased part or a functional region. For this reason, it is very important to measure a wide area of the head as an image. An example of this importance is that positron emission tomography (PET) and functional nuclear magnetic resonance tomography (fMRI) are now widely used as brain image measurement devices. While these devices have the advantage of being able to measure a wide area inside a living body as an image, the devices are large and their handling is complicated. For example, the installation of these devices requires a dedicated room, and of course, the movement of the devices is not easy and the restraint on the subject is high. Further, since a dedicated person for maintenance and management is required, the operation of the apparatus requires enormous costs.
[0003]
On the other hand, optical measurement is very effective against the above-mentioned demand. The first reason is that normal and abnormal organs in the living body, as well as activation of the brain related to higher brain functions, are closely related to oxygen metabolism and blood circulation in the living body. This oxygen metabolism and blood circulation correspond to the concentration of a specific pigment (hemoglobin, cytochrome aa3, myoglobin, etc.) in the living body, and the pigment concentration is determined from the amount of light absorbed in the visible to infrared region. The second and third reasons why optical measurement is effective are that light is easy to handle with an optical fiber and that it does not harm the living body when used within the safety standards. As described above, optical measurement has advantages that PET and fMRI do not have, such as real-time measurement and quantification of dye concentration in a living body, and a measurement device using light is suitable for miniaturization and simplification. Utilizing such advantages of optical measurement, a device that irradiates a living body with light having a wavelength from visible to infrared and detects light reflected from the living body to measure the inside of the living body is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. JP-A-115232, JP-A-63-260532, JP-A-63-275323 or JP-A-5-317295.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described living body measurement technology using light can measure only a specific position or a limited narrow region of a living body, and does not consider image measurement in a wide spatial region of the living body.
[0005]
Here, specific problems of the light measurement method and the light irradiation / detection point arrangement according to the conventional method will be described below. First, an optical measurement method will be described. Image measurement in a wide spatial area requires light irradiation and detection at multiple points.
An example of this multi-point measurement will be briefly described with reference to FIG. FIG. 2 is a plan view showing the arrangement of irradiation positions, detection positions, and measurement positions in optical measurement. In this example, three positions (“
[0006]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing light propagation in a scatterer in optical measurement based on the report. From FIG. 3, it can be seen that the vicinity of the midpoint of the light irradiation position and the detection position has much information of a place deep from the surface. Therefore, when measuring a deep part of a living body, for example, a further deep part of the skin or bone from the skin, the midpoint of the irradiation / detection position is the measurement position. For such measurement, it is necessary to determine the information at the measurement position specified for each pair by irradiating and detecting position as a pair.
[0007]
For example, in the measurement arrangement of FIG. 2, it is assumed that light is simultaneously irradiated from these three irradiation positions and detected at three detection positions. In this case, in the measurement at the “
[0008]
FIG. 5 shows this configuration as a comparative example.
[0009]
As another realization method, an apparatus that irradiates a plurality of portions of the scatterer with light of a plurality of wavelengths in the visible to infrared region and detects and images light passing through the inside of the scatterer from the plurality of portions of the scatterer, For example, an oscillator, a semiconductor laser, an optical fiber, etc., generate light having different modulation frequencies and irradiate the light to each of a plurality of parts, for example, to an optical fiber, a photodetector including a photodiode, a lock-in amplifier, an A / D converter, etc. A method is conceivable in which modulation measurement is performed on transmitted light obtained at a plurality of detection sites, so that information inside the scatterer corresponding to individual irradiation positions and detection positions is imaged.
[0010]
FIG. 6 shows this configuration as a comparative example.
[0011]
In this method, light of a different modulation frequency is emitted from each part, and light detection of a desired modulation frequency is performed by a lock-in amplifier on the receiving side, so that crosstalk does not occur in principle, but a high-precision lock-in amplifier is used. It is necessary to increase the number of measurement points to be measured in order to improve the resolution.As a result, light with a modulation frequency proportional to the number of measurement points is generated. It is necessary to prepare a lock-in amplifier or the like corresponding to the frequency, and there is a problem that the device scale becomes large.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve such problems when aiming at improving the resolution, and to provide a small and simple device using light, which can efficiently and temporally and systematically information inside a living body in a wide space area. An object of the present invention is to provide a device for measuring an image.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention irradiates a plurality of portions of the scatterer with light of a plurality of wavelengths in the visible to infrared region, and detects and images light passing through the inside of the scatterer from the plurality of portions of the scatterer. In an apparatus that performs, for example, an oscillator, a semiconductor laser, an optical fiber, and the like, irradiates the light with the same frequency and modulates it with a different code pattern for each of a plurality of portions, for example, an optical fiber, a photodetector including a photodiode, A / D converters and the like measure the correlation between the transmitted light obtained at a plurality of detection sites and the code pattern used on the transmission side, so that the inside of the scatterer corresponding to each irradiation position and detection position is measured. Is configured to be imaged. Such a system is also called a spread spectrum modulation system.
[0014]
In the measurement method of the present invention, different code patterns are generated, electromagnetic waves modulated with different code patterns are generated, the electromagnetic waves are applied to a plurality of locations on the sample, and the electromagnetic waves that have passed through the inside of the sample are applied to a plurality of locations on the sample. And performs a correlation operation with the code pattern on the electromagnetic waves obtained from a plurality of locations on the sample, and obtains information on the sample based on the result of the correlation operation. With this configuration, information at a plurality of locations on the sample can be obtained at the same time.
[0015]
In addition, the measurement device of the present invention includes a plurality of electromagnetic wave sources, a modulator that provides different modulations to a plurality of electromagnetic waves formed from the plurality of electromagnetic wave sources, and an irradiation unit that irradiates different portions of the sample with the plurality of modulated electromagnetic waves. A detector for detecting a plurality of electromagnetic waves modulated by the sample; and a detector for performing a correlation operation between the detected plurality of electromagnetic waves and a predetermined code pattern.
The electromagnetic wave can be light of a plurality of wavelengths in the visible to infrared region. Then, it can be configured to irradiate light of a plurality of wavelengths by modulating them with different code patterns. The modulation is realized, for example, by performing a switching operation between light output and light output according to a code pattern. A Walsh code or a pseudo-noise code (PN code: Poseudo Noise code) can be used as the code pattern. As the sample, a scatterer that scatters light is suitable. A configuration may be adopted in which light passing through the inside of the scatterer is detected from a plurality of portions of the scatterer and imaged.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment and the arrangement of light irradiation / detection positions.
[0017]
FIG. 7 is a principle diagram for explaining the operation principle of the embodiment of FIG. 101 is a light irradiation device that modulates with the code pattern C1, 105 is light passing through the inside of the scatterer, and 106 is a light receiving unit. 701 is a signal after photoelectric conversion of the received light, 702 is a code pattern C1 used for modulation at the
Hereinafter, the principle by which light from a desired irradiation position can be selectively measured will be described in detail.
[0018]
For simplicity, it is assumed that the irradiation position is one point. From the “
[0019]
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation principle of separating light from a plurality of irradiation positions.
[0020]
Furthermore, when performing spectral measurement using a plurality of wavelengths as irradiation light for quantitative measurement of the pigment concentration of hemoglobin, cytochrome aa3, and myoglobin, a different code pattern is assigned to each wavelength used for irradiation. Then, by performing a correlation operation for each code pattern with respect to the light of different wavelengths irradiated to the same position, the light of a plurality of wavelengths can be reflected by optical filters, diffraction gratings, prisms, etc. Electrical spectroscopic measurement can be performed without using optical spectroscopic means involving loss.
[0021]
When this modulation method is used, the light detected at “
[0022]
FIG. 4 is a plan view showing an efficient light irradiation / detection position arrangement in the present invention. Here, as shown in FIG. 4, when the irradiation position and the detection position are alternately arranged in a grid pattern so that they can be shared by a plurality of measurement positions, the irradiation position and the detection position are each only two positions, and four irradiation positions and detection positions are required. Measurement position can be set. Here, the light at “
(Second embodiment)
There are various modulation methods using a code pattern at the irradiation position in the present invention, such as a method of rotating the phase according to the code pattern. However, in the case of light having a high frequency band, OOK (On / Off) is used to simplify the device configuration. Keying) is used.
(Third embodiment)
In the code pattern used in the irradiation position and the light receiving unit according to the present invention, since light at other irradiation positions is separated and detected, the properties of the code are that the autocorrelation is high and the cross-correlation is low or the cross-correlation is zero; Are desirably orthogonal. In addition, since the same pattern as the code pattern used at the irradiation position needs to be generated in the light receiving unit, it is desirable that the generation method be somewhat simple. From these viewpoints, a Walsh code having orthogonality or a pseudo noise code (PN code: Posudo Noise code) having low cross-correlation is used as the code pattern used in the irradiation position and the light receiving unit in the present invention.
[0023]
【The invention's effect】
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to efficiently and temporally and systematically and efficiently and compactly measure an image of information inside a living body in a wide space area with high resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration and a light irradiation / detection position arrangement of an imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view illustrating the arrangement of irradiation positions, detection positions, and measurement positions in optical measurement.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing light propagation in a scatterer in optical measurement.
FIG. 4 is a plan view showing an efficient light irradiation / detection position arrangement in the present invention.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging device based on time switching and an arrangement of light irradiation / detection positions.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an imaging device using a plurality of modulation frequencies and a light irradiation / detection position arrangement.
FIG. 7 is a principle diagram illustrating an operation principle of the first embodiment according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an operation principle of separating light from a plurality of irradiation positions according to the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101: a light irradiation device 102 modulated by a code pattern C1 according to the present invention 102: a
502: Light irradiation device by time switching (light irradiation at time T2)
503: Light irradiation device by time switching (light irradiation at time T3)
504: Light irradiation device by time switching (light irradiation at time T4)
505: Light passing through the inside of the scatterer 506: Configuration of the light receiving unit by time switching 507: Specification of irradiation position by time switching 508: Light irradiation / detection arrangement by time switching 601: Light irradiation device (modulation) by multiple modulation frequencies Light irradiation at frequency F1)
602: Light irradiation device using a plurality of modulation frequencies (light irradiation at modulation frequency F2)
603: Light irradiation device using a plurality of modulation frequencies (light irradiation at modulation frequency F3)
604: Light irradiation device using a plurality of modulation frequencies (light irradiation at modulation frequency F4)
Reference numeral 605: light passing through the inside of the scatterer 606: configuration of a light receiving unit using a plurality of modulation frequencies 607: specification of an irradiation position using a plurality of modulation frequencies 608: light irradiation / detection arrangement diagram 701: photoelectric conversion of received light Rear signal 702: code pattern C1 used for modulation at
703: Correlation operation between code pattern C1 and received signal 704: Code pattern C2 used for modulation at
705:
Claims (8)
上記異なる符号パターンで変調をかけた電磁波を生成し、
上記電磁波を上記試料の複数の箇所に照射し、
上記試料内部を通過した電磁波を上記試料の複数の箇所から検出し、
上記試料の複数の箇所から得られた電磁波に対し上記符号パターンとの相関演算を行い、
該相関演算結果に基づいて上記試料の情報を得る計測方法。Generate different code patterns,
Generating an electromagnetic wave modulated with the different code pattern,
Irradiating the electromagnetic wave to a plurality of portions of the sample,
Detecting electromagnetic waves passing through the inside of the sample from a plurality of locations of the sample,
Performs a correlation operation with the code pattern on electromagnetic waves obtained from a plurality of locations on the sample,
A measurement method for obtaining information on the sample based on the result of the correlation operation.
上記複数の電磁波源から形成される複数の電磁波に異なる変調を与える変調器と、
上記変調された複数の電磁波を試料の異なる部位に照射する照射器と、
上記試料により変調された上記複数の電磁波を検出する検出器と、
上記検出された複数の電磁波と所定の符号パターンとの相関演算を行う検波器と、
を有する計測装置。Multiple electromagnetic sources,
A modulator that gives different modulations to a plurality of electromagnetic waves formed from the plurality of electromagnetic wave sources,
An irradiator that irradiates the plurality of modulated electromagnetic waves to different portions of the sample,
A detector for detecting the plurality of electromagnetic waves modulated by the sample,
A detector that performs a correlation operation between the plurality of detected electromagnetic waves and a predetermined code pattern,
A measuring device having:
異なる符号パターンを生成して複数部位ごとにこの異なる符号パターンで変調をかけて照射する手段と、複数検出部位で得られた通過光に対し符号パターンとの相関演算を行う手段を備え、個々の照射位置及び検出位置に対応する散乱体内部の情報を画像化するように構成したことを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。In an apparatus that irradiates light of a plurality of wavelengths in the visible to infrared region to a plurality of portions of the scatterer, and detects light passing through the inside of the scatterer from the plurality of portions of the scatterer to form an image,
A means for generating a different code pattern and irradiating the modulated light with the different code pattern for each of a plurality of parts, and a means for performing a correlation operation between the transmitted light obtained at the plurality of detection parts and the code pattern. An apparatus for imaging the inside of a scatterer by light, characterized in that the information inside the scatterer corresponding to the irradiation position and the detection position is imaged.
上記散乱体に照射する複数波長の光に対し、それぞれ異なる符号パターンで変調をかけて照射するように構成したことを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。The imaging device according to claim 3,
A scatterer internal imaging device using light, characterized in that the plurality of wavelengths of light irradiating the scatterer are modulated with different code patterns for irradiation.
上記検出部位で得られた通過光に対して、波長及び光照射位置に対応した符号パターンとの相関演算により、対応した波長及び光照射位置の信号を分離するように構成したことを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。The imaging device according to claim 3 or 4,
It is characterized in that the signal of the corresponding wavelength and light irradiation position is separated from the transmitted light obtained at the detection site by correlation calculation with the code pattern corresponding to the wavelength and light irradiation position. , A scatterer internal imaging device by light.
上記散乱体に照射する複数波長の光に対し、それぞれ異なる符号パターンで変調をかけて照射する際、符号パターンに従って光出力あり/光出力なしを切替え動作することにより、符号パターンによる変調を実現することを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。The imaging device according to any one of claims 3 to 5,
When the light of a plurality of wavelengths to be radiated to the scatterer is modulated by different code patterns and irradiated, the modulation by the code pattern is realized by switching between light output / no light output according to the code pattern. A scatterer internal imaging device using light, characterized in that:
上記散乱体に照射する複数波長の光に対し、それぞれ異なる符号パターンで変調をかけて照射する際、符号パターンは各照射位置毎に異なり、各符号の性質は自己相関が高く、相互相関が零あるいは低いものを用いることを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。The imaging device according to any one of claims 3 to 6,
When irradiating the scatterer with light of a plurality of wavelengths by modulating the light with different code patterns, the code patterns are different for each irradiation position, and the properties of each code have high autocorrelation and zero cross-correlation. Alternatively, an apparatus for imaging the inside of a scatterer by light, characterized by using a low object.
散乱体に照射する複数波長の光に対し、それぞれ異なる符号パターンで変調をかけて照射する際、符号パターンとして、Walsh符号あるいは擬似雑音符号(PN符号:Poseudo Noise符号)を用いることを特長とする、光による散乱体内部画像化装置。The imaging device according to claim 7,
When irradiating a plurality of wavelengths of light to the scatterer with modulation with different code patterns, the light is characterized by using a Walsh code or a pseudo noise code (PN code: Poseudo Noise code) as the code pattern. , A scatterer internal imaging device by light.
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