JPH08166341A - 光ｃｔ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 送光点との相対的な位置関係が変化する受光
点につながる検出系で検出するのを容易にする。 【構成】 被検体２の周囲に配置された光ファイバ受光
部１０の他端は環状に配列されている。光電子増倍管１
４の受光部が、光ファイバ受光部１０の光ファイバ出射
端と対向して光学的に結合するように環状に配列されて
いる。各光電子増倍管１４の受光部と光ファイバ受光部
１０の各光ファイバ出射端との間には、減光切換え器１
２に取りつけられて光電子増倍管１４へ至る光路上を順
次移動可能に支持された減光器列が配置されている。光
電子増倍管１４の後段には時間電圧変換器２０が接続さ
れ、時間電圧変換器２０の出力から受光パルスの時間応
答波形を検出するために波高分析器２２が接続されてい
る。データ処理部２４被検体２の内部の断層像を計算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は可視又は近赤外光を生体
などの被検体に照射し、その透過光や反射光（散乱光を
含む）を検出して被検体内の情報を非破壊的に得る光Ｃ
Ｔに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ＣＴでは測定光を被検体の周囲の１点
から照射し、被検体内を透過又は反射した光を被検体の
周囲で受光する。照射点を被検体の周囲にわたって移動
させるが、例えばｎ点から順次送光し、ｎ点で受光すれ
ば、ｎ²個のデータを得ることができ、これにより内部
の断層像を計算することができる。

【０００３】被検体内の情報を得るための光走査の１つ
の方法としては、被検体の一方向から測定光を扇形に走
査して照射し、その測定光の出射位置を被検体の周囲で
移動させていく方法がある。他の方法としては測定光を
被検体を含む範囲内で平行移動させ、その測定光を被検
体の周囲で移動させていく方法もある。

【０００４】しかし、これらの方法は測定光の送光部又
はさらには受光部も機械的に移動させていく必要があ
る。また送光部の送光端を被検体に接触した状態で移動
させることはできないため、送光端が被検体から離れた
位置に置かれることになり、被検体内の断層像を正確に
計算するのが容易ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】被検体の周囲での光走
査機構に機械的に移動する部分をなくして被検体の周囲
から順次測定光を照射できるようにした光ＣＴとして、
被検体の周囲に配置された複数個の送光端を有し、その
送光端から被検体への送光動作が一定の順序で切り換え
られて行なわれる送光部と、被検体の周囲で送光端の間
に１個ずつ配置された受光端を有する光ファイバ受光部
とを備えた図１に示されるものが検討されている。

【０００６】図１は本発明が対象とする光ＣＴの送光部
と受光部の一例を表わしたものである。被検体２の周囲
に送光部の光ファイバの送光端Ｉ₁〜Ｉｎが配置され、
送光端の間に１個ずつの受光端Ｏ₁〜Ｏｎが配置されて
いる。送光端からは送光パルスによって測定光が順次送
光され、全ての受光端で受光される。測定手順は、まず
送光端Ｉ₁からパルス光を被検体２に照射し、被検体２
を透過し又は被検体２内で反射した光を全ての受光端Ｏ
₁〜Ｏｎで同時に並列で受光することによりｎ個の受光
信号を得る。

【０００７】次に、送光部を１ステップ進めて、すなわ
ち送光端Ｉ₂から光パルスを被検体２に照射し、全ての
受光端Ｏ₁〜Ｏｎで受光する。これを繰り返して送光端
Ｉ₁〜Ｉｎまでｎ個の送光部を切り換えたｎ回の測定に
より、合計でｎ²個の受光信号を得ることができ、これ
から計算により断層像を求めることができる。各受光端
で受光した光は光ファイバを経て検出系に導かれる。検
出系は一例としては入射光を減光する減光器、その減光
器を経た光を検出する検出器、及びその検出器による光
子検出時間を検出する時間電圧変換器を少なくとも備え
ている。

【０００８】図２（Ａ）に示されるように、例えば被検
体２が直径１００ｍｍの球体であるとすると、送光点Ａ
に近いａ点（送光点からの距離は例えば２０ｍｍ）で受
光する場合と、最も離れたｂ点（送光点からの距離は１
００ｍｍ）で受光する場合とでは、受光パルスの持続時
間が大幅に異なる。例えば図２（Ｂ）に示されるよう
に、１００ｍｍ離れた点ｂ点では送光パルス発生後０〜
２０ナノ秒の範囲を測定する必要があるのに対し、２０
ｍｍ離れたａ点ではわずか０〜２ナノ秒の範囲を測定す
る必要がある。またａ点ではピーク高さが高く、ｂ点で
はピーク高さの低い時間応答曲線が得られる。図２
（Ｂ）で縦軸は受光される光の相対的な強度を表わして
いる。このように、送光点と受光点との間の距離によっ
て、得られる時間応答曲線のピーク高さ、持続時間が大
幅に異なる。

【０００９】微弱な光を検出する方法として受光した光
信号を減光器を介して高速光電子増倍管でパルス信号に
変換し、その検出したパルス信号を時間電圧変換器（Ｔ
ＡＣ；Time-to-Amplitude Converter）と波高分析器を
用いて、いわゆる時間相関単一光子検出法により検出す
る方法が知られている。しかし、ＴＡＣはダイナミック
レンジが狭く、図２におけるａ点とｂ点での検出信号の
ように、時間応答曲線のピーク高さや持続時間が大幅に
異なる光の検出に適用することができない。

【００１０】そこで、本発明の第１の目的は、図１に示
されるような光走査部を備えた光ＣＴで、送光点を順次
切り換えていった場合に送光点との相対的な位置関係が
変化する受光点につながる検出系で検出するのを容易に
することである。本発明の第２の目的は、受光系にＴＡ
Ｃのようなダイナミックレンジの狭い素子を含む場合に
も測定できるようにすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、被検体の周囲
に配置された複数個の送光端を有し、その送光端から被
検体への送光動作が一定の順序に切り換えて行なわれる
送光部と、その被検体の周囲に配置された複数個の受光
端を有し、光出射端が環状に配列された光ファイバ受光
部と、光ファイバ受光部の受光端と同数の検出系を有
し、それらの検出系の光入射端が光ファイバ受光部の光
出射端に一対一に対向して光学的に結合された検出系部
と、光ファイバ受光部と検出系部との間で光ファイバ受
光部から検出系部に至る光路上にくるように、減光フィ
ルタと可変型液晶光アテネータとを直列に結合した減光
器が環状に配列された減光器列を前記光路に対して順次
移動可能に支持するとともに、各減光器に対して光ファ
イバ受光部の各受光端と送光部の送光動作中の送光端と
の相対的位置関係がほぼ一定に保たれるように、送光部
による送光端からの送光動作の切換えに対応してこの減
光器列を順次同期して移動させる減光切換え部とを備え
た光ＣＴである。

【００１２】好ましい態様では、検出系部の各検出系
は、減光器を経た光を検出する検出器、及び送光部の送
光端の送光時から検出系による光子検出までの時間を電
圧として出力する時間電圧変換器を少なくとも備え、減
光器の減光率がそれぞれに割り当てられた送光部の送光
端と光ファイバ受光部の受光端との相対的位置関係に応
じて設定されている。

【００１３】

【作用】減光切換え部を導入することによって、送光点
が移動してもそれに対応して減光器も移動し、各検出系
へ入射する光強度の変動幅が抑えられる。減光器の一部
を構成する可変型液晶光アテネータは、印加電圧により
減光率が変化する光学素子である。減光器の減光率はそ
れぞれに割り当てられた送光部の送光端と光ファイバ受
光部の受光端との相対的位置関係に応じて設定されてい
るが、被検体の大きさが変化して送光部の送光端と光フ
ァイバ受光部の受光端との距離が変化した場合には、減
光フィルタはそのままにして、検出器のダイナミックレ
ンジを越えないように可変型液晶光アテネータへの印加
電圧を調整して減光器の減光率を調整することにより、
種々の大きさの被検体に対応させる。

【００１４】

【実施例】一実施例が適用される装置での被検体に接触
する送光部と光ファイバ受光部は図１に概略的に示され
るものである。図３は一実施例の全体を示したものであ
る。送光部は先端が被検体２に接触して被検体２の周囲
に配置された送光端となる送光側光ファイバ４と、近赤
外でピコ秒のパルスレーザ光を発生するパルスレーザ装
置６と、パルスレーザ装置６からのレーザ光を送光側光
ファイバ４に順次切り換えて導く送光側ファイバ切換え
器８とを備えている。光ファイバ受光部１０はその先端
の１本ずつが送光側光ファイバ４の間で被検体２と接触
するように配置された光ファイバを備えている。光ファ
イバ受光部１０の光ファイバの他端は環状に配列されて
いる。

【００１５】検出系部には光ファイバ受光部１０の受光
端と同数（ｎとする）の高速光電子増倍管１４が設けら
れ、光電子増倍管１４の受光部が、光ファイバ受光部１
０の環状に配列された光ファイバ出射端と対向して光学
的に結合するように環状に配列されている。各光電子増
倍管１４の受光部と光ファイバ受光部１０の各光ファイ
バ出射端との間には、減光切換え器１２に取りつけられ
て光ファイバ受光部１０の光ファイバ出射端から光電子
増倍管１４へ至る光路上を順次移動可能に支持された減
光器列が配置されている。各減光器は減光フィルタと可
変型液晶光アテネータとを直列に結合したものであり、
光電子増倍管１４に入射する光を減光する。光電子増倍
管１４で発生した１個の光電子パルスの到達時間を電圧
値に換算するために、各光電子増倍管１４には時間電圧
変換器２０に接続された波高分析器２２は多数回（例え
ば１０⁸回）にわたる光電子の到達時間の統計的分布を
出力するので、これが該当する「送・受光部対」に対す
る時間応答波形となる。２４は波高分析器２２の出力で
あるｎ個の時間応答波形を集め、被検体２の内部の断層
像を計算するデータ処理部である。

【００１６】ｎ個の光電子増倍管１４を配列順に１４−
１〜１４−ｎとすると、光電子増倍管１４−１〜１４−
ｎは光ファイバ受光部１０の受光端Ｏ₁〜Ｏｎにそれぞ
れ光学的に結合されている。光ファイバ受光部１０と光
電子増倍管１４−１〜１４−ｎの間には減光切換え部１
２によって移動可能な減光器列が配置されているが、動
作中の送光端がＩ₁のときにそれぞれの光電子増倍管に
入射する光の強度と、送光端がＩ₂に切り換えられたと
きにそれぞれの光電子増倍管に入射する光の強度が大き
く変動しないように、減光切換え部１２によって減光器
が１ステップ移動する。送光端がＩ₁からＩｎに向って
順次切り換えられていくのに対応して減光切換え部１２
によって減光器も１ステップずつ移動していき、送光端
の切換えにかかわらず各光電子増倍管１４−１〜１４−
ｎへの入射光強度の変動幅が抑えられる。

【００１７】図２で説明したように、被検体において送
光端に対して受光端の距離が異なるときは、例えば図２
でのａとｂのように、得られる時間応答波形の強度と持
続時間が大幅に異なる。ａの場合はピークの光強度が強
いので光子のカウントレートを減らすために減光器の減
光率を大きくし、逆にｂの場合は減光率を小さくする。
減光器はそれぞれが受けもつ光の送光端と受光端の相対
的位置関係に対応した減光率に設定しておく。減光器の
移動により、送光点が切り換えられても光電子増倍管１
４に入射する光強度の変動幅は小さく抑えられるが、時
間応答波形の持続時間は送光点の切換えに応じて変動す
る。そのため時間電圧変換器２０はそのような広い範囲
の持続時間を検出できるものを選定しておく。

【００１８】時間電圧変換器２０のトリガー信号として
は、例えばパルスレーザ装置６を発振させるときの駆動
回路からのパルス信号を用いる。このパルス信号は光パ
ルス発生と正確に対応した電気パルスであり、時間電圧
変換器２０に与えられ、時間電圧変換器２０のスタート
入力となる。送光側光ファイバ４の１つの送光端からの
光パルスにより、受光端を経て光電子増倍管１４が光子
を検出し、光電子パルスが発生すると時間電圧変換器２
０は、トリガ信号とこの光電子パルスとの時間差に比例
する電圧をパルスとして出力する。波高分析器２２はこ
の電圧パルスの電圧分布を統計的に集計する。

【００１９】時間相関単一光子検出法では波高分析器２
２に集計される多数回繰返し測定時の光子の到着時刻の
分布がそのまま時間応答波形となる。例えばパルスレー
ザ装置６を５ＭＨｚで２０秒間測定するとすれば、１０
⁸回の繰返し測定がｎ個のチャンネルで並列に行なわ
れ、その時の光子の到達時刻の分布曲線が各受光端Ｏ₁
〜Ｏｎでの受光信号の時間応答波形として並列に得られ
る。

【００２０】１つの送光端Ｉ₁での測定が終ると、パル
スレーザ装置６からの光パルスを被検体２に照射する送
光端をファイバ切換え器８で１ステップ進め、送光端Ｉ
₂から光パルスを被検体２に照射して上記と同様に受光
端Ｏ₁〜Ｏｎの受光信号からｎ個の時間応答波形を得
る。これを繰り返すことにより、送光端Ｉ₁〜Ｉｎまで
のｎ個の送光端を切り換えたｎ回の測定により、合計で
ｎ²個の時間応答波形が得られる。データ処理部２４で
はそのｎ²個の時間応答波形から計算で被検体２内の断
層像を求める。

【００２１】次に、減光切換え器１２の具体例を図４に
に示す。（Ａ）は光ファイバとともに示したもの、
（Ｂ）は減光切換え器１２のみを示したものである。光
ファイバ受光部１０の光出射端が、固定された円板状の
入力側ホルダ３０の円周に沿って配列されて取りつけら
れている。一方、光電子増倍管１４への導光路となる光
ファイバ列３２の光入射端が、固定された円板状の出力
側ホルダ３４の円周に沿って配列されて取りつけられて
いる。光ファイバ受光部１０の光出射端と光ファイバ列
３２の光入射端は一対一に対向して光学的に結合されて
おり、光ファイバ受光部１０から出射した光はそれぞれ
に対向した光ファイバ３２へ入射し、それぞれの光電子
増倍管へ導かれる。入力側ホルダ３０と出力側ホルダ３
４との間には減光器円板３６が回転可能に支持されて配
置されている。減光器円板３６にはその円周上で、光フ
ァイバ受光部１０の光ファイバから光ファイバ３２へ至
る光路を横切るように減光器３８が一列に配列されて取
りつけられている。減光器円板３６はステッピングモー
タなどの駆動モータ４０により駆動されて回転し、減光
器３８がファイバ１０から３２へ至る光路を１ステップ
ずつ移動する。

【００２２】送光点Ｉ₁〜Ｉｎが順次Ｉ₁→Ｉ₂→……Ｉ
ｎと１ステップずつ順に切り換えられていくのに対応し
て、減光器円板３６も減光器３８を１ステップずつ移動
させるように回転し、送光点の切換えによっても光ファ
イバ３２へ入射する光強度の変動幅を抑える。送光点が
Ｉ₁からＩｎへと一周すると減光器円板３６も一周し、
最初の位置に戻る。

【００２３】図５に減光器３８の例を示す。（Ａ）は側
面断面図、（Ｂ）は（Ａ）の右側面図、（Ｃ）は光学素
子を示す分解斜視図である。この減光器３８は光が透過
するように窓が開けられた減光器ホルダ４０内に透過光
の光路に沿って減光フィルタ４２と可変型液晶光アテネ
ータ４４とが直列に結合するように支持されたものであ
る。

【００２４】可変型液晶光アテネータ４４は液晶セル４
４ａの両側に偏光板４４ｂと４４ｃが互いの偏光方向が
直交するように組み合わされたものであり、液晶セル４
４ａへの印加電圧を変化させて液晶セル４４ａの偏光方
向を変化させることにより、可変型液晶光アテネータ４
４の減光率が変化する。このような可変型液晶光アテネ
ータの例としては、Model A-155シリーズや Model B-15
5シリーズ（株式会社ミワテックの製品）などがある。

【００２５】現在市販されている可変型液晶光アテネー
タの減光率は最高でＯＤ６程度であり、それより大きな
減光率のものはない。そのため、被検体の大きさによっ
てはそれより大きな減光率、例えばＯＤ８程度が必要に
なることもある。そこで、本発明では減光フィルタ４２
と可変型液晶光アテネータ４４とを組み合わせることに
より、そのような大きな減光率にも対応することができ
る。例えば、各減光器に割り当てられた送光部の送光端
と光ファイバ受光部の受光端との相対的位置関係に応じ
た基本的な減光率は減光フィルタ４２で設定しておき、
被検体の大きさの変動に伴なってさらに大きな減光率が
必要になると、その減光率の変動を可変型液晶光アテネ
ータ４４で調整するように用いることができる。

【００２６】図４では減光器切換え器から光電子増倍管
へ光ファイバ３２を介して光を導いているが、光ファイ
バ３２を設けず、減光器円板３６の減光器３８に対向す
るように光電子増倍管を直接環状に配列してもよい。ま
た、減光器切換え器は図４のような円板状のものに限ら
ず、例えばチェーンによって減光器３８を一列に循環的
に継ぎ、減光器の順序を保持しながら移動できるように
したものであってもよい。減光器切換え器の構造は上記
に例示したものに限らず、種々の機構に変更することが
できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明では、被検体上で送光点が移動す
るとき、光ファイバ受光部の受光端Ｏ₁〜Ｏｎのそれぞ
れで受光する光の強度は大幅に異なるが、送光点の切換
えにともなって減光器が順次移動をして、検出系に入射
するときの強度は一定の値の幅内に抑えられるので、検
出系に要求されるダイナミックレンジを抑えることがで
きる。

【００２８】送光点の移動にともなう受光点での光強度
の変動には規則性があり、この規則性は送光点と受光点
間の距離に依存して一定の順序で変動するので、減光器
切換え器の動きは送光点の動きと同期させておくだけで
すむ。減光器が減光フィルタと可変型液晶光アテネータ
とが直列に結合したものであるので、被検体の大きさが
変わっても可変型液晶光アテネータの減光率をその印加
電圧の調整によって対応させることができるので、種々
の大きさの被検体の測定が容易になる。そして、その調
整も電気的に行なうので、機構が簡単ですむ。機械的な
移動部分は減光器を移動させる減光切換え部だけである
ので、機械的な構造が簡易になる利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における送光部と受光部の一例を示す概
略平面図である。

【図２】図１の送光部と受光部における光パルスの伝搬
状態を示したものであり、（Ａ）は被検体部の概略平面
断面図、（Ｂ）は送光点に近い受光点と遠い受光点での
受光光信号を示す図である。

【図３】一実施例を概略的に示すブロック図である。

【図４】一実施例における減光切換え器の一例を示す図
であり、（Ａ）は光ファイバとともに示す外観斜視図、
（Ｂ）は概略斜視図である。

【図５】減光器の例を示す図であり、（Ａ）は側面断面
図、（Ｂ）は（Ａ）の右側面図、（Ｃ）は光学素子を示
す分解斜視図である。

【符号の説明】

２ 被検体 ４ 送光側光ファイバ ６ パルスレーザ装置 ８ 送光側光ファイバ切換え器 １０ 受光側光ファイバ １２ 減光切換え部 １４ 光電子増倍管 ２０ 時間電圧変換器 ２２ 波高分析器 ２４ データ処理部 ３６ 減光器円板 ３８ 減光器 ４２ 減光フィルタ ４４ 可変型液晶光アテネータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の周囲に配置された複数個の送光
   端を有し、その送光端から被検体への送光動作が一定の
   順序に切り換えて行なわれる送光部と、 前記被検体の周囲に配置された複数個の受光端を有し、
   光出射端が環状に配列された光ファイバ受光部と、 前記受光端と同数の検出系を有し、それらの検出系の光
   入射端が前記光ファイバ受光部の光出射端に一対一に対
   向して光学的に結合された検出系部と、 光ファイバ受光部と検出系部との間で光ファイバ受光部
   から検出系部に至る光路上にくるように、減光フィルタ
   と可変型液晶光アテネータとを直列に結合した減光器が
   環状に配列された減光器列を前記光路に対して順次移動
   可能に支持するとともに、各減光器に対して光ファイバ
   受光部の各受光端と送光部の送光動作中の送光端との相
   対的位置関係がほぼ一定に保たれるように、送光部によ
   る送光端からの送光動作の切換えに対応してこの減光器
   列を順次同期して移動させる減光切換え部と、を備えた
   光ＣＴ。