JP4043530B2 - 混濁媒体中の対象を画像化する方法 - Google Patents

Description

本発明は、較正媒体中に混濁媒体を浸ける段階と、
混濁媒体を照射する段階と、
複数の光路に沿って、混濁媒体及び較正媒体を通って移送される光の一部の強度を測定する段階と、
測定された強度を正規化し、正規化された強度から混濁媒体の内部の画像を再構成する段階とを含む混濁媒体の中の対象を画像化する方法に関する。
本発明はまた上述の種類の方法を実行する装置に関する。本願の文脈では、光という用語は４００乃至１４００ｎｍの範囲の波長の電磁放射を意味すると理解されるべきである。更に、混濁媒体とは、高い光散乱係数を有する材料からなる物質を意味すると理解されるべきである。これに関する例としては、イントラリピッド溶液又は生物学的組織がある。更に、減衰係数とは逆拡散吸収距離Ｋを意味すると理解され、μ’_sを減少散乱係数とし、μ_aを吸収係数とすると、

として与えられる。
上述の種類の方法は特許出願ＥＰ９７２０２１８７．７号に記載される。既知の方法は、人間の女性又は動物の雌の乳房組織の中の腫瘍の存在を決定する生体内乳房検査に使用されうる。エッジ効果を打ち消すために、既知の方法によれば、較正媒体の減衰係数は乳房組織の所定の平均減衰係数と等しくなるようにされる。これは、例えば乳房組織の所定の平均減衰係数と等しい減衰係数を有する例えばイントラリピッドの溶液を含む液体の形状の較正媒体を選択することによって達成されうる。他の可能性は、所定の一定の割合のイントラリピッドが溶解されている液体に染料を加え、較正媒体の減衰係数が乳房組織の所定の平均減衰係数と等しくなるよう、光源によって発生されるべき光の波長を離調することである。更に、較正媒体と較正媒体の環境との間の遷移による再構成された画像の中のアーティファクトを防止するため、測定された強度は正規化される。
既知の方法の欠点は、検査されるべき人体の乳房組織の実際の平均減衰係数は、所定の平均減衰係数とは異なることである。これは例えば、所定の平均減衰係数の値のために、ほぼ同年齢の女性の集団の乳房組織の平均減衰係数が用いられるためである。従って、乳房の内部の再構成された画像の中にはアーティファクトが生じやすい。
本発明は、再構成された画像の中の上記のアーティファクトを打ち消すことを目的とする。このため、本発明による方法は、正規化された強度に対して補正を行なう段階を含み、選択された光路の補正された強度は、選択された光路の正規化された強度、正規化された複数の強度、複数の光路の長さ、及び選択された光路の長さの組合せによって決定される。画像の再構成において、補正された強度を使用することにより、較正媒体の減衰係数と混濁媒体の実際の平均減衰係数との間の不整合によって生ずるアーティファクトは打ち消される。本発明は、無限の媒体の中で、長さｒ及び強度Ｉ_ijkを有する選択された光路の一次近似のために、較正媒体の第１の減衰係数Ｋ1は基準媒体の第２の減衰係数Ｋ₂に関連する強度Ｉ_refへ再計算されうるという認識に基づく。更に、較正媒体の所与のＫ₁に対する強度が既知であれば、光源強度及び光検出器感度もまた定義され、それにより光源の強度の変化によって生ずる再構成された画像の中のアーティファクトは、使用されるべき光源の光度の変化、又は光検出器の感度の変化によって生ずる再構成された画像の中のアーティファクトは打ち消される。更に、較正媒体と混濁媒体との間に生ずるエッジ効果、又は較正媒体と較正媒体及び混濁媒体を含むホルダとの間に生ずるエッジ効果は、較正媒体の減衰係数Ｋが変動したときは予測可能に変化し、それによりエッジ効果は再構成の後に補償されうると仮定される。更なる利点は、補正を実行するために、較正測定値は、較正媒体の中の光路と関連する強度を決定するためただ一回決定されればよいことである。この較正は続いて、異なる人体又は動物の体に対して同一の装置によって行われる全ての続く測定に対する正規化された強度の補正値を決定するために使用され、これは、ｒを光源と光検出器との間の選択された光路の長さとすると、以下の式、

が使用される。正規化された複数の強度及び複数の光路の長さの組合せからのＫ₂−Ｋ₁の推定の結果として、Ｉ’は正規化された強度を表わし、ｒは選択された光路の長さを表わすとすると、選択された光路に対する補正された強度は、
Ｉ”＝Ｉ’−（Ｋ₂−Ｋ₁）ｒ
によって決定されうる。従って、基準媒体の中の対象の強度測定値は、基準媒体の中の対象の測定を行うことなく決定されうる。
本発明による方法の特別な変形例は、上記組合せの値が、選択された光路の長さの関数と、光路の長さに対する正規化された強度の導関数とを含むことを特徴とする。式（１）に従えば、導関数は差Ｋ₂−Ｋ₁の推定を含むことになる。導関数は、較正媒体の測定された強度の、選択された光路の線形関数ａ₁．ｒとしての基準媒体の測定された強度に対する比率の対数を表わす基準線の方向係数に等しく、その１次パラメータａ₁は較正媒体の減衰係数と基準媒体の減衰係数との間の差Ｋ₂−Ｋ₁の推定に対応する。
本発明による方法の更なる変形例は、選択されるべき光路の上記正規化された強度が、混濁媒体及び較正媒体の中の選択された光路の第１の強度の、較正媒体の中の選択された光路の第２の強度に対する比率の対数によって決定されることを特徴とする。この正規化の結果として、Ｉ_measurementが混濁媒体及び較正媒体の中の選択された光路の測定された強度を表わし、Ｉ_calが較正媒体の中の選択された光路の測定された強度を表わし、ａ₁が基準線の方向係数を表わし、ｒが選択された光路の長さを表わすとすると、選択されるべき光路に対する補正された強度Ｉ”は、以下の式、

に従って測定された強度から決定されうる。
第１の定数ｂを用いることにより、較正媒体から混濁媒体への光の結合効率の変化に対する補正、又は変化する減少散乱係数μ_s1による減衰係数Ｋの変化に対する補正が行われる。更に、光源と光検出器との間の選択されるべき光路に対する正規化された強度を用いて補正された強度Ｉ”は、Ｉ_measurementは混濁媒体及び較正媒体の中の選択された光路の測定された強度を表わし、Ｉ_calは較正媒体の中の選択された光路の測定された強度を表わし、ａ₁は基準線の方向計数を表わし、ｒは選択された光度の長さを表わし、ｂは第１の定数を表わすとすると、以下の式、

によって決定されうる。
本発明による方法の更なる変形例は、上記再構成された画像が、混濁媒体のボクセルの減衰係数に第２の定数を加えることによって較正媒体について補正され、上記ボクセルは再構成された画像のピクセルに対応することを特徴とする。上記の第２の定数の例は、較正媒体の減衰係数と基準媒体の減衰係数との間の差ａ₁＝Ｋ₂−Ｋ₁である。
本発明はまた、混濁媒体の中の対象を画像化する装置であって、正規化された強度に対して補正を行う補正手段を含み、選択された一つの光路の補正後の強度は、上記選択された光路の正規化された強度、複数の正規化された強度、複数の光路の長さ、及び上記選択された光路の長さの組合せによって決定されることを特徴とする装置に関する。
以下、例として図面を参照して、本発明の上述及び他の面を詳述する。図中、
図１は混濁媒体の測定を行なう装置を示す図であり、
図２は較正媒体及び混濁媒体を含むホルダの断面図を示す図であり、
図３は混濁媒体の画像を決定する反復的な方法のフローチャートを示す図であり、
図４は正規化された強度Ｉ’を光源と検出器との間の最短の長さの関数として与えるグラフを示す図である。
図１は、本発明による図の１つの実施例を示す図であり、本例では光学マンモグラフィー装置１である。本発明による装置は例として、マンモグラフィー装置として説明されているが、人体又は動物の体の他の部分の検査のためにも使用されうる。ここで説明される装置は、人体の乳房の一部の乳房組織の中の異質物の生体内の画像化のためのものである。かかる異質物の例としては悪性腫瘍がある。本発明による装置は、かかる異常がまだ非常に小さいうちに撮像し、それにより癌腫が早期に検出されうるよう配置される。しかしながら、検出は患者を例えばＸ線といった電離放射線による検査の危険にさらすことなく行われる。
装置１は、第１の複数のＮの測定光源１４−２１と、第２の複数のＭの光検出器３８−４５と、ホルダ１３とを含む。測定光源は、ｒ_i、但しｉ＝１．．．Ｎ、の位置でホルダ１３の壁に取り付けられる。Ｍの光検出器３８−４５はホルダ１３にｒ_j、但しｊ＝１．．．Ｍ、の位置で光検出器開口２２−２９に光学的に結合される。数Ｎ及びＭは一定であり、例えば６４乃至２５６の値とされる。実際はこれらの数はＮ及びＭに対して、２５６である。図１中、測定光源１４−２１の数及び光検出器開口２２−２９の数は、簡単化のために８として選択される。装置１はまた、光源２と、第１の光学光導体３と、複式光学スイッチ４と、第１の複数の第２の光導体５−１２とを含む。複式光学スイッチ４は、第１の光導体３及び１つの第２の光導体を通じて、光源２をホルダ１３の壁の発光開口１４−２１のうちの１つに接続し、上記開口は測定光源を構成する。使用される光源２は、例えば８１０ｎｍの波長を有する半導体レーザである。測定装置１はまた、第３の複数の光導体３０−３７と、選択ユニット４６と、アナログ・ディジタル変換器４７と、制御装置４８とを含む。第３の光導体３０−３７は、ホルダ１３の壁の光検出器開口２２−２９を通じて対応する数の光検出器３８−４５に接続される。光検出器３８−４５の出口は選択ユニット４６を通じてアナログ・ディジタル変換器４７に接続される。アナログ・ディジタル変換器の出力は、例えばマイクロコンピュータである制御装置４８の入力に接続される。
例えば女性の乳房の一部といった混濁媒体の一部の内部の画像を再構成するために、強度測定の実行中、検査されるべき乳房の一部はマンモグラフィー装置１１のホルダ１３の中にある較正媒体の中に浸される。較正媒体は、特に測定光源からの光を乳房組織の中へ結合するために役立つ。較正媒体の例は、乳房組織の所定の平均減衰係数に対応する減衰係数Ｋ₁を有するイントラリピッド溶液である。以下図２を参照して、ホルダ内の乳房の一部の位置及び較正媒体について詳述する。図２は女性の乳房の一部及び較正媒体を含むホルダの断面図であり、斜線部はホルダ１３と乳房５１との間の空間に存在する較正媒体を表わす。続いて制御ユニット４８は各測定光源−光検出器対（ｉ，ｊ）に対する強度測定を行い、それにより測定光源−光検出器対（ｉ，ｊ）の測定光源ｉと光検出器ｊとの間の最短の光路に対する強度が測定される。最短の光路は測定光源−光検出器対（ｉ，ｊ）の測定光源ｉと光検出器ｊとの間の幾何学的距離として定義される。続いて、制御ユニット４８は、ホルダ１３の中に配置される女性の乳房の一部の内部の画像を再構成する。続いて、モニタ４９は乳房の一部の内部の再構成された画像を表示する。以下、図３を参照して、Medical Optical Tomography,Vol.IS11,1993の中で発表されたS.R.Arridgeによる文献”The forward and inverse problems in time resolved infrared imaging”から既知の反復的な方法を詳述する。
図３は、既知の反復的な方法のフローチャートを示す図である。図３中第１のブロック１００によって表わされる第１の段階において、ホルダ１３の各測定光源−光検出器対（ｉ，ｊ）の強度Ｉ_i,jが測定される。図３中第２のブロック１０１によって表わされる次の段階中、これらの強度は制御ユニット４８のメモリ内にＭｘＮマトリックスとして記憶される。続いて、ホルダ内の乳房の一部を含むボクセルの直交系Ｘ，Ｙ，Ｚが選択される。各ボクセルには減衰係数Ｋ_x,y,zが関連づけられ、これらの係数は共に３次元マトリックスを構成する。これは図３中第３のブロック１０２によって表わされている。図３中第４のブロック１０３によって表わされる、方法の次の段階中、選択された最短の光路の測定光源−光検出器対Ｉ，Ｊに入射する光の推定強度Ｉ_s（Ｉ，Ｊ）の変化δＩは、Ｋは減衰係数Ｋと、選択された最短の光路の測定光源と光検出器開口との間の距離との積に等しいとすると、第１の関数Ｗ_x（ｘ_s，Ｋ）と重み付け関数Ｗ（ｘ_s，ρ，Ｋ）との積の、乳房の一部の中に存在する略全てのボクセルに亘って得られる総和から決定される。図３中第５のブロック１０４によって示される次の段階中、第１の選択された最短の光路に関連づけられる推定光度が決定され、続いて、複数の最短の光路ｉ，ｊについて推定された強度Ｉ_s（ｉ，ｊ）が決定される。続いて、図３中第６のブロック１０５によって示される、方法の次の段階中、各測定された強度Ｉ（ｉ，ｊ）及び推定された強度Ｉ_s（ｉ，ｊ）の最短の光路について差δＩ（ｉ，ｊ）が決定される。決定された差δＩ（ｉ，ｊ）から、図３中第７のブロック１０６によって示される次の段階において、誤り推定Ｉ_f（ｉ，ｊ）が決定される。続いて、図３中第８のブロック１０７によって示される次の段階において、乳房の一部のボクセルの減衰係数Ｋ_x,y,zの変化は、誤り推定のバックプロジェクションによって決定される。Ｇ（ｘ_s，ρ，Ｋ）＝Ｗ（ｘ_s，ρ，Ｋ）であり、Ｉ_f（ｉ，ｊ）は複数の最短の光路の推定された強度と測定された強度との間の誤り推定を表わすとすると、減衰係数の変化を決定するかかるバックプロジェクションの一例は、

である。図３中第９のブロック１０８によって表わされる次の段階中、減衰係数Ｋ_x,y,zの変化は、Ｋ_x,y,zの値に加えられる。反復の後、値Ｋ_x,y,zは、診断のための使用に適した乳房の一部の内部の画像を生成するのに充分に正確に決定されている。このため、図３中第１０のブロック１０９によって示される次の段階中、画像は減衰係数Ｋ_x,y,zの３次元マトリックスから決定される。
計算の正確さを増加するため、計算において使用される量の動的レンジは制限される。このため、Ｉ_measurement（ｉ，ｊ）は乳房の中の測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の測定された強度を表わし、Ｉ_cal（ｉ，ｊ）は較正媒体のみを含むホルダ内の測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の以前に測定された強度を表わすとすると、測定された強度の代わりに、以下の式、

によって決定される正規化された強度Ｉ’（ｉ，ｊ）が使用されることが望ましい。実際上は、乳房組織の実際の平均減衰係数Ｋ₂は乳房組織の所定の平均減衰係数Ｋ₁から逸脱しうるため、再構成された画像の中のアーティファクトが生じうる。
かかるアーティファクトを打ち消すため、本発明による方法の変形例では補正が行われる。以下、図４を参照してこの補正について詳述する。補正は、選択された最短の光路の正規化された強度、正規化された強度、最短の光路の長さ、及び選択された最短の光路の長さの組合せによって決定される。組合せの値は、望ましくは選択された光路の長さの線形関数と、正規化された強度の光路の長さに対する導関数とを含む。この線形関数は、グラフ中の測定点に沿った第１の基準線によって表わされ、測定点は測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の複数の最短の光路に対応し、Ｉ’軸であるグラフの第１の軸に沿った上記測定点の第１の座標は最短の光路の正規化された強度Ｉ’（ｉ，ｊ）を表わし、グラフの第２の軸に沿った上記測定点の第２の座標は最短の光路の長さｒ（ｉ，ｊ）を表わす。正規化された強度は、

によって与えられ、乳房及び較正媒体中の測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の選択された最短の光路ｉ，ｊの測定された強度Ｉ_measurement（ｉ，ｊ）の、較正媒体の中の選択された最短の光路に関連づけられた所定の較正強度Ｉ_cal（ｉ，ｊ）に対する比率の対数を表わす。制御ユニット４８は、グラフ上の測定点から、例えば最小二乗法といった線形回帰法によって基準線を決定する。続いて、Ｉ_ref（ｉ，ｊ）及びＩ_cal（ｉ，ｊ）が夫々基準媒体及び較正媒体中の選択された最短の光路の強度を表わし、ａ₁が基準線ｌ₁の方向係数を表わし、ｒが選択された最短の光路の長さを表わし、ｂが第１の定数を表わすとすると、基準線ｌ₂は、

として表わされうる。第１の定数ｂを使用して、結合効率の変化及び減衰係数Ｋの変化の性質に対して補正がなされうる。これは、減衰係数Ｋの変化の原因は、吸収係数μ_aの変化、又は減少された散乱係数μ_s’の変化であることを意味している。従って、吸収係数μ_aのみが変動すれば、結合効率は選択されるべき定数ｂによって補償されうる。減少された散乱係数μ_s’と同様に吸収係数μａが変動すれば、減少された散乱係数μ_s’の変化と同様、結合効率もまた定数ｂによって補償されうる。第１の定数ｂは、グラフの原点に対する基準線ｌ₂とグラフのＩ’軸との交点の距離によって決定される。ここで、ｒ（ｉ，ｊ）が測定された光源ｉと検出器ｊとの間の最短の光路を表わし、ａ₁が決定された方向係数を表わし、ｂが第１の定数を表わすとすると、測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の最短の光路ｒ_i,jに対する補正された強度Ｉ”（ｉ，ｊ）は、

によって決定される。補正された強度Ｉ”（ｉ，ｊ）は、すると、測定された強度を、乳房の一部の実際の平均減衰係数と等しい減衰係数を有する基準媒体に対して近似する。続いて、図３を参照してなされた説明に従って、再構成が行われる。これは、基準媒体に対する減衰係数Ｋ_x,y,zの３次元マトリックスを生成する。制御ユニット４８は続いて、１つの平面に配置される乳房の中のボクセルに対応する３次元マトリックスＫ_x,y,zから減衰係数を選択することによって再構成された画像を決定する。再構成された画像は、再構成された画像のピクセルに対応する混濁媒体のボクセルの減衰係数に第２の定数を加えることによって、使用される較正媒体について補正されえ、第２の定数は基準媒体の減衰係数と較正媒体の減衰係数との間の差Ｋ₂−Ｋ₁に対応する決定された方向係数ａ₁に等しい。
以下図４を参照して、方向係数ａ₁の決定について詳述する。図４は、例えば減衰係数Ｋ₂を有する液体である基準媒体を含むホルダ１３の中の測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）の強度の、装置１を使用した、連続する測定によって得られる基準測定点４１のグラフ４０を示す図である。ホルダ１３はまた例えば７０％の反射係数を有する反射性の内壁を有する。グラフ４０のＩ’軸に沿った基準測定点４１の座標は、較正媒体に対する正規化された強度を表わし、これは、基準媒体中の測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）に関連づけられる基準測定点からの選択された最短の光路ｉ，ｊの測定された強度Ｉ_ref（ｉ，ｊ）の、較正媒体中の選択された最短の光路に関連づけられる以前に測定された強度Ｉ_cal（ｉ，ｊ）に対する比率の対数によって与えられる。グラフ４０のｒ軸に沿った基準測定点４１の座標は、基準測定点に対応する測定光源−検出器対（ｉ，ｊ）に関連づけられる選択された最短の光路の長さｒ（ｉ，ｊ）を表わす。グラフは、減衰係数Ｋ₂を有する均一な基準媒体について、基準測定点が夫々、その方向係数ａ₁が基準媒体の減衰係数と較正媒体の減衰係数との間の差Ｋ₂−Ｋ₁に対応する基準線ｌ₂の上に略配置されていることを示す。第１の定数ｂは、グラフ４０の原点に対する基準線Ｉ₂とＩ’軸との交点の距離に対応する。

Claims (6)

1. 較正媒体中の混濁媒体の内部を画像化する装置を作動させる方法であって、
   上記装置は、
   上記混濁媒体への結合用の光を発生させる手段と、
   複数の光路に沿って、上記混濁媒体及び較正媒体を通って移送された光の一部の強度を測定する手段と、
   測定された強度を正規化し、正規化された強度から上記混濁媒体の内部の画像を再構成する手段と、
   を有し、
   当該方法は、
   上記正規化された強度に対して補正を行う段階を有し、該段階において、一つの選択された光路の補正後の強度が、上記選択された光路の正規化された強度、正規化された複数の強度、上記複数の光路の長さ、及び上記選択された光路の長さの組合せによって決定されることを特徴とする方法。
2. 上記組合せの値は、選択された光路の長さの関数と、光路の長さに対する正規化された強度の導関数とを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 選択されるべき光路の上記正規化された強度は、混濁媒体及び較正媒体の中の選択された光路の第１の強度の、較正媒体の中の選択された光路の第２の強度に対する比率の対数によって決定されることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 上記組合せの値は、グラフの原点に対する基準線とグラフの第１の軸との交点の距離によって決定される第１の定数を含み、上記基準線は、較正媒体の測定された強度の、基準媒体の測定された強度に対する比率の対数を示すことを特徴とする、請求項２記載の方法。
5. 上記再構成された画像は、混濁媒体のボクセルの減衰係数に第２の定数を加えることによって較正媒体について補正され、上記ボクセルは再構成された画像のピクセルに対応することを特徴とする、請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の方法。
6. 較正媒体及び混濁媒体を受容するホルダと、
   混濁媒体及び較正媒体を照射する光源と、
   光源によって発生されるべき光を異なる角度から混濁媒体の中へ結合させる手段と、
   異なる方向で混濁媒体及び較正媒体の中を通って移送される光を測定する複数の光検出器と、
   上記複数の光検出器から１つの光検出器を選択する手段と、
   上記光を異なる方向から混濁媒体の中へ結合させる手段のための制御信号を発生し、上記検出器のうちの１つを選択する制御装置と、
   上記測定された強度を正規化する手段と、
   上記測定された強度に基づいて混濁媒体の内部の画像を再構成する制御ユニットとを含む、混濁媒体の中の対象を撮像する装置であって、
   上記装置は上記正規化された強度に対して補正を行う補正手段を含み、選択された一つの光路の補正後の強度は、上記選択された光路の正規化された強度、複数の正規化された強度、複数の光路の長さ、及び上記選択された光路の長さの組合せによって決定されることを特徴とする装置。

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