生物体测量装置以及图像制作方法
【专利摘要】生物体测量装置（10）具备将光照射于被测量部位（B）的光照射部、检测来自被测量部位的扩散光的光检测部、制作关于被测量部位的内部的再构成图像的运算部（14）。运算部（14）计算出被设定于再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数（wj）（J为再构成图像的像素数），并通过进行使用了以下的迭代式的逐步近似运算从而制作再构成图像。由此，实现了能够抑制因被测量部位内部的位置引起的空间分辨率或噪声特性的差并且能够制作更加接近于均匀的图像的生物体测量装置以及图像制作方法，[数1]式中，k为从1到N为止的整数，N为迭代运算的次数。xj(k)为第j号的像素的第k次迭代运算时的像素值，dj(k)为第j号像素的第k次迭代运算时的更新量。
【专利说明】生物体测量装置以及图像制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物体测量装置以及图像制作方法。
【背景技术】
[0002]作为非侵袭地测量头部或乳房这样的生物体的内部信息的装置，提出了利用生物体的光吸收特性来获取内部信息的、所谓使用扩散光学层析成像(DOT ;Diffuse OpticalTomography)的装置。在这样的测量装置中，对于成为测量对象的生物体的部位从规定的照射位置照射光，在规定的检测位置检测在该部位的内部被散射并被传播的光，根据其强度或时间波形等的测定结果，能够获取该部位的内部信息、即与存在于该部位的内部的肿瘤等的光吸收体相关的信息。还有，在专利文献1中记载有使用了扩散光学层析成像的生物体测量方法。另外，在非专利文献1以及2中记载有关于扩散光学层析成像中的逐步近似图像再构成法。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本专利申请公开2001-264245号公报
[0006]非专利文献
[0007]非专利文献1:Y.Ueda, K.0hta, M.0da, M.Miwa, Y.Tsuchiya, andY.Yamashita, “Three-dimensional imaging of a tissuelike phantom by diffusionoptical tomography，，, Applied Optics Vol.40N0.34, pp.6349-6355 (2001)
[0008]非专利文献2:Y.Ueda, T.Yamanaka, D.Yamashita, T.Suzuki, E.0hmae, M.0daand Y.Yamashita, “Reflectance Diffuse Optical Tomography:1ts Application toHuman Brain Mapping”，Japanese Journal of Applied Physics Vol.44N0.38, pp.L1203-L1206(2005)
【发明内容】
[0009]发明所要解决的问题
[0010]在由扩散光学层析成像进行的生物体测量中，因为空间分辨率或噪声特性由于被测量部位内部的位置而不同，所以生成不均匀的图像。图17是用于说明这样的现象的模式图，并且表示被测量部位100、被设置于被测量部位100的表面的光照射部101及光检测部102。在被测量部位100的内部，从光照射位置101射出并到达光检测位置102的光子的飞行时间越短，则飞行距离越短且飞行路径越被限定。相反，光子的飞行时间越长，则飞行距离变得越长且飞行路径越不被限定。于是，在光子的飞行时间短的数据中，较多地包含图17所表示的区域A1、即通过接近于被测量部位的表面的区域的飞行路径R1。另外，在光子的飞行时间长的数据中，较多地包含图17所表示的区域A2、即通过远离被测量部位的表面的区域的飞行路径R2。因此，远离被测量部位的表面的区域的信息量少于接近于被测量部位的表面的区域的信息量。由此，远离被测量部位的表面的区域的空间分辨率或噪声大于离被测量部位的表面近的区域的空间分辨率或噪声。
[0011]本发明是有鉴于这样的技术问题而悉心研究的结果，其目的在于，提供一种能够抑制由于被测量部位内部的位置引起的空间分辨率或噪声特性的差并能够制作更加接近于均匀的图像的生物体测量装置以及图像制作方法。
[0012]解决问题的技术手段
[0013]为了解决上述的技术问题，本发明所涉及的第1生物体测量装置，其特征在于，具备:光照射部，将光照射于受检者的被测量部位；光检测部，检测来自被测量部位的扩散光；运算部，根据来自光检测部的输出信号运算被测量部位内的光吸收系数分布并制作关于被测量部位的内部的再构成图像；运算部算出被设定于再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数Wj (下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像素数)，并通过进行使用了以下的迭代式
[0014][数1]
[0016](式中,k为从1到N的整数,N为迭代运算的次数。χ/15)为第j号像素的第k次迭代运算时的像素值，d/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的更新量。)的逐步近似运算，从而制作再构成图像。
[0017]另外，本发明所涉及的第2生物体测量装置，其特征在于，具备:照射部，将放射线或者声波照射于受检者的被测量部位；检测部，检测来自被测量部位的扩散了的放射线或者声波；运算部，根据来自检测部`的输出信号运算被测量部位内的放射线或者声波的吸收系数分布并制作关于被测量部位的内部的再构成图像；运算部算出被设定于再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数\ (其中，下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像素数)，并通过进行使用了上述迭代式(1)的逐步近似运算，从而制作再构成图像。还有，在本发明中，所谓放射线，例如是指X射线、y射线或者微波这样的短波长的电磁波，所谓声波，是指例如超声波那样的波动。
[0018]在这些生物体测量装置中，使用被设定于再构成图像的每一个像素的J个系数Wl~&来进行用于图像再构成的逐步近似运算。例如，通过以在N次迭代运算中收敛速度最慢的区域上使该像素的收敛速度一致的方式设定这些系数Wl~&，从而收敛速度被均匀化并且可以抑制由于被测量部位内部的位置引起的空间分辨率或噪声特性的差并可以制作更加接近于均匀的图像。
[0019]另外，生物体测量装置也可以是以下所述构成:运算部求得分割再构成图像而成并且分别包含多个像素的多个部分区域中的、在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的收敛速度(以下称为最低收敛速度)CN，并准备满足0 <vm< 1的Μ个数值vm (m为从1到Μ的整数)，关于从1到Μ的各个m，通过使用以下的迭代式
[0020][数2]
[0021]= x\h…(2 )
JJm J
[0022]来进行N次迭代运算从而算出J个各个像素的像素值Xl(N)~x/)，将从该像素值x/N)~x/N)获得的各个部分区域的收敛速度与最低收敛速度CN大致一致的时候的数值vm作为被包含于该部分区域的多个像素的系数Wj。由此，能够更加适宜地获得上述的效果。[0023]另外，生物体测量装置也可以是以下所述构成:运算部将在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的系数％设为1。由此，能够更加适宜地获得上述的效果。
[0024]本发明所涉及的第1图像制作方法，其特征在于，是将光照射于受检者的被测量部位，检测来自被测量部位的扩散光，根据该检测信号运算被测量部位内的光吸收系数分布并制作关于被测量部位的内部的再构成图像的方法，算出被设定于再构成图像的每一个像素的大于0且1以下的J个系数％ (其中，下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像素数)，并通过进行使用了以下的迭代式
[0025][数3]
[0026]fOW …(3)
JJJ J [0027](式中,k为从1到N的整数,Ν为迭代运算的次数。χ/15)为第j号像素的第k次迭代运算时的像素值，d/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的更新量。)的逐步近似运算，从而制作再构成图像。
[0028]另外，本发明所涉及的第2图像制作方法，其特征在于，是将放射线或者声波照射于受检者的被测量部位，检测来自被测量部位的扩散了的放射线或者声波，根据该检测信号运算被测量部位内的放射线或者声波的吸收系数分布并制作关于被测量部位的内部的再构成图像，算出被设定于再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数Wj (其中，下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像素数)，并通过进行使用了上述迭代式(3)的逐步近似运算，从而制作再构成图像。还有，在本发明中，所谓放射线，例如是指X射线、Y射线或者微波这样的短波长的电磁波，所谓声波，是指例如超声波那样的波动。
[0029]在这些图像制作方法中，使用被设定于再构成图像的每一个像素的J个系数A~wj来进行用于图像再构成的逐步近似运算。例如，通过以在N次迭代运算中收敛速度最慢的区域中使该像素的收敛速度一致的方式设定这些系数Wi~从而收敛速度被均匀化并且可以抑制由于被测量部位内部的位置引起的空间分辨率或噪声特性的差并可以制作更加接近于均匀的图像。
[0030]另外，图像制作方法也可以是以下所述构成:求得在分割再构成图像而成并且分别包含多个像素的多个部分区域中在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的收敛速度(以下称为最低收敛速度)CN，并准备满足0 < vm< 1的Μ个数值vm (其中，m为从1到Μ的整数)，关于从1到Μ的各个m，通过使用以下的迭代式
[0031][数4]
[0032]χ\Μ) = X:*! + Vjif1 ".( 4 )
[0033]来进行N次迭代运算从而算出J个各个像素的像素值Xl(N)~x/)，将从该像素值x/N)~X/N)获得的各个部分区域的收敛速度与最低收敛速度CN大致一致的时候的数值vm作为被包含于该部分区域的多个像素的系数Wj。由此，能够更加适宜地获得上述的效果。
[0034]另外，图像制作方法也可以是以下所述构成:将在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的系数设为1。由此，能够更加适宜地获得上述的效果。
[0035]发明的效果
[0036]根据本发明的生物体测量装置以及图像制作方法，能够抑制由于被测量部位内部的位置引起的空间分辨率或噪声特性的差，并能够制作更加接近于均匀的图像。【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是表示一个实施方式所涉及的生物体测量装置的结构的图。
[0038]图2是表示系数(步长(stepsize))的具体的决定方法的流程图。
[0039]图3是表示在模拟中成为再构成的对象的2个种类的被测量部位的图。
[0040]图4是表示模拟被测量部位的内部的光子的飞行的正向问题解析中的条件的图表。
[0041]图5是表示从被检测的光子统计直方图(histogram)再构成图像的逆向问题解析中的条件的图表。
[0042]图6是表示为了在模拟中决定步长而使用的4个图像的图。
[0043]图7 (a)是对应于图3 (a)所表不的图像的、由|吴拟进行的再构成后的图像，图7
(b)是对应于图3 (a)所表示的图像的、由不使用步长的现有的方法进行的再构成后的图像。
[0044]图8是表示图9所表示的3根线上的像素值的变化的图表。
[0045]图9是表示在图像上所设想的3根线的图。
[0046]图10 (a)是对应于图3 (b)所表示的图像的由模拟进行的再构成后的图像，图7
(b)是对应于图3 (b)所表示的图像的由不使用步长的现有的方法进行的再构成后的图像。
[0047]图11是表示图12所表示的2根线上的像素值的变化的图表。
[0048]图12是表示在图像上所设想的2根线的图。
[0049]图13 (a)是对应于图3 (a)所表示的图像的、附加了统计噪声的情况下的本实施方式的再构成后的图像，图13 (b)是对应于图3 (a)所表示的图像的附加了统计噪声的情况下的现有的方法的再构成后的图像。
[0050]图14 (a)是对应于图3 (b)所表示的图像的附加了统计噪声的情况下的本实施方式的再构成后的图像，图14 (b)是对应于图3 (b)所表示的图像的附加了统计噪声的情况下的现有的方法的再构成后的图像。
[0051]图15是表示每一个部分区域的NSD的图表。
[0052]图16是表示标准偏差的计算结果的图表。
[0053]图17是用于说明在扩散光学层析成像中生成不均匀的图像的现象的模式图。【具体实施方式】
[0054]以下，一边参照附图一边对本发明的生物体测量装置以及图像制作方法的实施方式进行详细的说明。还有，在附图的说明中，将相同的符号标注于相同的要素，省略重复的说明。
[0055]图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的生物体测量装置10的结构的图。本实施方式的生物体测量装置10是将光照射于作为测量对象的受检者的被测量部位B并检测扩散光(返回光)，根据其检测位置和被测量的光量数据(例如时间分辨光子统计直方图(histogram))推定光子的平均飞行路径和平均光路长，将体内的信息作为图像再构成问题进行图像化的装置。由该装置获得的图像例如是使肿瘤的位置或氧合血红蛋白(oxyhemoglobin)以及脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin)的分布可视化的图像,并且是生物体组织的功能图像。还有，作为被测量部位B，例如设想头部或女性的乳房等。
[0056]生物体测量装置10具备:光照射部，将测量光照射于被测量部位B的内部；光检测部,检测由来自光照射部的光的照射而从被测量部位B产生的扩散光；运算部14，根据来自光检测部的输出信号计算被测量部位B的吸收系数的空间分布并制作被测量部位B的再构成图像。
[0057]本实施方式的光照射部由被安装于被测量部位B的η个光射出/检测端16各自所具有的光射出端、光源22以及光开关24所构成。作为光源22，例如可以使用激光二极管。作为测量光的波长，根据生物体的透光率与应该定量的吸收体的分布吸收系数的关系等，优选为700nm~900nm左右的近红外线区域的波长。
[0058]测量光例如作为连续光从光源22射出。从光源22射出的测量光从光射出/检测端16被照射到被测量部位B。光开关24为I输入η输出的光开关，从光源22经由光源用光纤26输入光并分别相对于上述η个光射出/检测端16按顺序提供该光。即，光开关24一根一根按顺序选择被连接于各个光射出/检测端16的η根射出用光纤28,并光学性地连接该射出用光纤28和光源22。
[0059]本实施方式的光检测部由上述的η个光射出/检测端16各自所具有的光检测端、分别对应于η个光射出/检测端16的η个光检测器30、被配置于各个光检测器的输入部前段的η个快门(shutter) 32所构成。入射到各个光射出/检测端16的光检测端的来自被测量部位B的扩散光经由检测用光纤34而分别被输入到N个光检测器30。光检测器30对应于到达所对应的光射出/检测端16的扩散光的光强度生成模拟信号。作为光检测器
30,除了光电倍增管(PMT:Photomultiplier Tube)之外,还可以使用光电二极管、雪崩光电二极管、PIN光电二极管等各种各样的检测器。在来自被测量部位B的扩散光微弱的时候，优选使用高灵敏度或者高增·益的光检测器。在光检测器30的信号输出端上连接有信号处理电路36,信号处理电路36A/D转换从光检测器30输出的模拟信号并生成对应于扩散光的光强度的数字信号，将该数字信号提供给运算部14。
[0060]运算部14根据从信号处理电路36提供的数字信号来运算被测量部位B内的光吸收系数分布，并制作关于被测量部位B的内部的再构成图像。运算部14例如由CPU (中央处理器(Central Processing Unit))这样的具有运算单元以及存储器等的存储单元的计算机来进行实现。还有，运算部14可以进一步具有控制光源22的发光、光开关24的动作以及开门32的开闭的功能。另外，在运算部14上连接有记录/显示部38，可以对运算部14中的运算结果、即被测量部位B的再构成图像进行可视化。
[0061]被测量部位B的内部信息的计算、即内部信息测量，例如如以下所述进行。分别从N个光射出/检测端16按顺序将测量光照射到被测量部位B的内部，经由η个光射出/检测端16并由η个光检测器30来检测通过被测量部位B发生扩散的光。根据该检测结果，运算在被测量部位B的内部的吸收系数的空间分布，制作包含关于肿瘤等的吸收体的位置或形状的信息(内部信息)的再构成图像。
[0062]还有，对于运算部14中的吸收系数分布的计算来说，可以使用例如专利文献I所详细说明那样的众所周知的方法。
[0063]接着，对根据光吸收系数的空间分布，制作再构成图像的方法进行说明。还有，以下说明的运算在运算部14中进行。在此，为了对扩散光学层析成像中的图像再构成问题进行格式化，由以下的J维列向量X表示构成基于未知的光吸收系数分布的再构成图像的各个像素的值。
[0064]X= (X1, X2,…，Xj)T
[0065]另外，由以下的I维列向量T表示在光检测部检测的测定数据即光子直方图。
[0066]T = (T1, T2,…，T1)1
[0067]另外，将使这些X与T互相关联的I X J型的系统行列L定义为
[0068]L = (IijI
[0069]。将Ii作为L的第i行要素向量。再有，光吸收系数分布同样且已知的图像作为J维列向量xMf，并且由以下的I维列向量B表示对应于该xMf的测定数据即光子直方图。
[0070]B = (B1, B2,…，B1)1
[0071]在统计噪声不包含于测定数据即光子直方图的情况下，下式(5)成立。
[0072][数5]
[0073]Ti = Bjexp (-1i.(x_xref)}…(5)
[0074]但是，在混入 了统计噪声的情况下，上式(5)不成立。因此，有必要求取在混入统计噪声的状态下的最适宜的X。因此，本实施方式中使用所谓极大似然估计法来求取这样的Xo极大似然估计法中，根据光检测部中的光子的检测几率来建立似然函数，通过将该似然函数作为目的函数来解析最适化问题从而能够求得最适宜的X。
[0075]扩散光学层析成像中的光子的检测几率遵循泊松分布(Poissondistribution),其统计噪声也遵循泊松分布。因此，扩散光学层析成像的最适化问题由下式(6)进行表示。
[0076][数6]
[0077]maximize F(x) s.t.x ^ 0...(6)
[0078]另外，式(6)中的目的函数F (X)由下式(7)所表示的对数似然函数进行表示。
[0079][数7]
[0080]
【权利要求】
1.一种生物体测量装置，其特征在于:具备:光照射部，将光照射于受检者的被测量部位；光检测部，检测来自所述被测量部位的扩散光；运算部，根据来自所述光检测部的输出信号，运算所述被测量部位内的光吸收系数分布，并制作关于所述被测量部位的内部的再构成图像，所述运算部计算被设定于所述再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数Wj，并通过进行使用了以下的迭代式的逐步近似运算，从而制作所述再构成图像，其中，下标j为1到J的整数，J为所述再构成图像的像素数，[数1]
2.一种生物体测量装置，其特征在于:具备:照射部，将放射线或者声波照射于受检者的被测量部位；检测部，检测来自所述被测量部位的扩散了的所述放射线或者所述声波；运算部，根据来自所述检测部的输出信号，运算所述被测量部位内的所述放射线或者所述声波的吸收系数分布，并制作关于所述被测量部位的内部的再构成图像，所述运算部计算被设定于所述再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数wj;并通过进行使用了以下的迭代式的逐步近似运算，从而制作所述再构成图像，其中，下标j为1到J的整数，J为所述再构成图像的像素数，[数2]
3.如权利要求1或者2所述的生物体测量装置，其特征在于:所述运算部，求得分割所述再构成图像而成并且分别包含多个像素的多个部分区域中的、在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的所述收敛速度CN，以下，将该收敛速度CN称为最低收敛速度CN，准备满足0 < vm < 1的Μ个数值vm，其中，m为从1到Μ的整数，关于从1到Μ的各个m，通过使用以下的迭代式来进行N次迭代运算从而算出J个像素的各个像素的像素值Xl(N)~x/N)，[数3]
4.如权利要求3所述的生物体测量装置，其特征在于:所述运算部将在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的所述系数％设为1。
5.一种图像制作方法，其特征在于:是将光照射于受检者的被测量部位，检测来自所述被测量部位的扩散光，根据该检测信号运算所述被测量部位内的光吸收系数分布并制作关于所述被测量部位的内部的再构成图像的方法，算出被设定于所述再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数Wj，其中，下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像素数，通过进行使用了以下的迭代式的逐步近似运算，从而制作所述再构成图像，[数4]式中，k为从1到N的整数，N为迭代运算的次数，x/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的像素值，d/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的更新量。
6.一种图像制作方法，其特征在于:是将放射线或者声波照射于受检者的被测量部位，检测来自所述被测量部位的扩散了的所述放射线或者所述声波，根据该检测信号运算所述被测量部位内的所述放射线或者所述声波的吸收系数分布并制作关于所述被测量部位的内部的再构成图像的方法，算出被设定于所述再构成图像的每一个像素的、大于0且1以下的J个系数Wj，其中，下标j为1到J的整数，J为再构成图像的像`素数，通过进行使用了以下的迭代式的逐步近似运算，从而制作所述再构成图像，[数5]xf^^xf + Wjdf式中，k为从1到N的整数，N为迭代运算的次数，x/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的像素值，d/k)为第j号像素的第k次迭代运算时的更新量。
7.如权利要求5或者6所述的图像制作方法，其特征在于:求得分割所述再构成图像而成并且分别包含多个像素的多个部分区域中的、在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的所述收敛速度CN，以下，将该收敛速度CN称为最低收敛速度CN，准备满足0 < vm < 1的Μ个数值vm，其中，m为从1到Μ的整数，关于从1到Μ的各个m，通过使用以下的迭代式来进行N次迭代运算从而算出J个像素的各个像素的像素值Xl(N)~x/N)，[数6]^=^+vjf将从该像素值Xl(N)~χ/Ν)获得的各个部分区域的所述收敛速度与所述最低收敛速度CN大致一致的时候的数值vm作为包含于该部分区域的多个像素的所述系数wp
8.如权利要求7所述的图像制作方法，其特征在于:将在N次迭代运算中收敛速度最慢的部分区域的所述系数wj设为1。
【文档编号】A61B6/03GK103635148SQ201280033086
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年7月7日
【发明者】工藤博幸, 斋藤直哉, 上田之雄, 佳元健治, 山下丰 申请人:浜松光子学株式会社