光断層計測装置
【課題】計測対象とされる生体内の蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うときに、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成し得る光断層計測装置。
【解決手段】予めマウス１２に蛍光標識剤を投与しておき、このマウス１２の体長方向と交差する計測面９２に対して光源ユニット４０が照射した励起光に励起されたマウス１２から発せられる蛍光を受光ユニット４２で受光する。このときの計測面９２のマウス１２の体長方向における位置を特定し、その位置における臓器に応じた光学特性分布を取得する。受光ユニット４２における蛍光の受光量と取得した光学特性分布とに基づいて、計測面９２上の蛍光の濃度分布を再構成する。
【解決手段】予めマウス１２に蛍光標識剤を投与しておき、このマウス１２の体長方向と交差する計測面９２に対して光源ユニット４０が照射した励起光に励起されたマウス１２から発せられる蛍光を受光ユニット４２で受光する。このときの計測面９２のマウス１２の体長方向における位置を特定し、その位置における臓器に応じた光学特性分布を取得する。受光ユニット４２における蛍光の受光量と取得した光学特性分布とに基づいて、計測面９２上の蛍光の濃度分布を再構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光に応じて計測対象となる生体から発せられる蛍光を計測して、光断層画像の再構成を行う光断層計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体組織は、近赤外線などの所定波長の光に対して透過性を有することが知られている。ここから、特許文献１、特許文献２等では、光を用いた生体内の観察を提案している（光トモグラフィー：光ＣＴ）。
【０００３】
光ＣＴでは、生体内の光の吸収係数の分布を得るものであり、ファントムモデルを用いて得られる検出光量と測定対象物から得られる検出光量とから、測定対象である散乱吸収体内部の吸収係数分布を求めている。
【０００４】
特許文献３、特許文献４等では、測定対象の一点に対して相対的に同じ位置関係にある光入射位置と光検出位置との複数の組み合わせによって、それぞれの光入射位置から入射されて測定対象を透過することにより光検出位置で検出される複数の測定値の平均値を、吸収係数分布や等価散乱係数の分布などの内部特性分布を求めるための基準値とすることにより、ファントムモデル等の基準とする計測対象を用いることなく、吸収係数分布の再構成を行うように提案している。
【０００５】
また、生体組織の光透過性を用いた断層像測定装置としては、試料に対して励起レーザ光を照射し、この励起光が計測対象内の蛍光源で散乱されることにより発せられる蛍光のうち、散乱光を除去して得られる平面波のフランフォーファ回折像の０次光を取り込むことにより、光断層像を得る蛍光断層像測定装置が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００６】
一方、腫瘍部分などの病変部位に特異的に付着する抗体に蛍光物質を付与した蛍光標識剤を用い、この蛍光標識剤を生体に投与することにより、生体から発せられる蛍光の濃度分布から、生体中での蛍光標識剤の移動、特定部位への集積／離散過程を観察することができる（蛍光ＣＴ）。
【０００７】
生体中での蛍光標識剤の濃度分布（以下、蛍光の濃度分布とする）を得る場合、生体の表面の一点へ励起光を照射し、これにより生体から放出される蛍光の強度を生体の周囲の多点で検出する。これを、励起光の照射位置を変えながら繰返し行うことにより得られる計測データの間には、蛍光標識剤の分布、生体内での光の散乱特性、及び生体内での光の吸収特性に応じた関係が成り立つ。この関係を用いて、計測データから蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１７３９７６号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７４７６号公報
【特許文献３】特開平１０−０２６５８５号公報
【特許文献４】特開平１１−３１１５６９号公報
【特許文献５】特開平０５−２２３７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
蛍光ＣＴにおいて、断層画像の再構成を行う場合、励起光の強度分布及び蛍光の強度分布を、光の拡散方程式に基づいた逆問題演算で得ることができる。この逆問題演算では、生体内の光の吸収係数μａ及び散乱係数（等価散乱係数μｓ’）を未知数として、この吸収係数μａ及び等価散乱係数μｓ’の演算を行い、この演算結果に基づいて蛍光の濃度分布を得るようにしている。
【００１０】
蛍光の濃度分布を得るときに励起光の強度及び蛍光の強度のそれぞれを多数箇所で計測し、それぞれの計測結果を用いて２系統での逆問題演算を行うことは、計測作業に時間が掛かると共に、演算時間も長くなる。
【００１１】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、計測対象とされる生体内の蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うときに、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成し得る光断層計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、蛍光標識剤が投与された計測対象である生体の体長方向と交差する計測面上となるように光軸が配置され、前記計測対象へ励起光を照射する照射手段と、それぞれの光軸が前記計測面上となるように配置され、前記照射手段から照射された前記励起光により前記蛍光標識剤から発せられて前記計測対象から周囲に放出される蛍光を受光する複数の受光手段と、前記計測対象の光学特性分布を記憶する記憶手段と、前記体長方向における前記計測面の位置を特定する特定手段と、前記特定手段で特定した位置に応じた光学特性分布を前記記憶手段から取得する取得手段と、前記受光手段のそれぞれで受光した前記蛍光の強度及び前記取得手段で取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する構成手段と、を含む。
【００１３】
この発明によれば、特定手段が前記体長方向における前記計測面の位置を特定し、特定した位置に応じて、計測対象の光学特性分布を取得し、受光した蛍光の強度及び取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する。
【００１４】
これにより、本発明では、計測対象の体長方向の位置に応じた、計測面内での光学特性分布を取得し再構成に用いているので、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成できる。
【００１５】
また、本発明は、前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って前記計測対象に対して相対移動することにより、前記計測面を移動する移動手段をさらに含み、前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する。
【００１６】
この発明によれば、移動手段が前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って相対移動することにより、前記計測面を移動させ、前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する。
【００１７】
これにより、本発明は、移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定できるので、移動量から計測面の位置を精度よく把握することができ、計測位置に応じた光学特性分布を取得することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、前記光学特性分布は、前記生体を構成する前記光学特性分布は、前記生体を構成する肺、心臓、胃、肝臓、腸、腎臓、骨、筋肉、脂肪の少なくとも１つに応じて予め設定されている。
【００１９】
また、本発明は、前記光学特性分布は、光の吸収係数及び等価散乱係数で構成される。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、計測対象とされる生体内の蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うときに、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成し得るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態に係る光断層計測システムの要部の概略構成図である。
【図２】マウスの保定に用いる検体ホルダの一例を示す概略斜視図である。
【図３】光計測装置の要部を示す斜視図である。
【図４】蛍光の計測位置を示す概略構成図である。
【図５】光断層計測システムの制御部の概略構成図である。
【図６】（Ａ）は検体ホルダに保定されたマウス内の臓器の配置を示す概略図、（Ｂ）はマウスの胸部断面を示す模式図、（Ｃ）はマウスの腹部断面を示す模式図、（Ｄ）はマウスの腰部断面を示す模式図である。
【図７】光計測装置における計測処理の概略を示すフローチャートである。
【図８】計測データを用いた濃度分布の演算の概略を示すフローチャートである。
【図９】原理確認に用いたマウスの胸部の断面分布の一例を示す概略図である。
【図１０】本実施の形態に係る光断層計測システムを用いた場合の蛍光の再構成画像の模式図である。
【図１１】従来の手法によるマウス全体を同じ光学特性値に設定した場合の蛍光の再構成画像の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図１には、本実施の形態に係る光断層計測システム１０の概略構成が示されている。光断層計測システム１０は、光計測装置１４及び、光計測装置１４で得られる計測データに対して所定のデータ処理を行うデータ処理装置１６を備えている。なお、光断層計測システム１０は、光計測装置１４の機能とデータ処理装置１６の機能を一体化した構成であっても良い。
【００２３】
この光断層計測システム１０では、例えば、ヌードマウスなどの生体を計測対象とする。以下では、計測対象をマウス１２（図２参照）として説明する。なお、計測対象は、マウス１２に限らず任意の生体を計測対象とすることができる。
【００２４】
計測対象とするマウス１２には、例えば、腫瘍細胞などの病変細胞を注入するなどして予め所定の病変部位を生じさせる（発現させる）。また、マウス１２には、例えば、病変部位などの特定部位に特異的に付着する抗体に蛍光物質を含ませた蛍光標識剤が投与される。
【００２５】
光断層計測システム１０では、発現させたマウス１２に投与した蛍光標識剤が血液循環によりマウス１２の体内に分散されたのち、抗原抗体反応により病変部位に集積して付着するタイミングで、該マウス１２を光計測装置１４へ装填する。光計測装置１４は、蛍光標識剤に対する励起光をマウス１２へ照射し、マウス１２の体内の蛍光標識剤から発せられる蛍光強度を計測する。データ処理装置１６では、光計測装置１４から出力される蛍光強度に応じた計測データに基づいてマウス１２内の蛍光（蛍光標識剤）の濃度分布を演算し、蛍光標識剤（蛍光物質）の体内における濃度分布を示す断層画像を生成する（光断層画像の再構成）。再構成された光断層画像は、例えば、モニタ１８等に表示される。
【００２６】
図２に示されるように、光断層計測システム１０では、マウス１２を光計測装置１４に装填するときに、マウス１２を検体ホルダ３０に収容して保定する。検体ホルダ３０は、上型ブロック３２と下型ブロック３４とによって構成され、上型ブロック３２と下型ブロック３４とが重ね合わせられることにより、所定の外径の略円柱形状となる。
【００２７】
上型ブロック３２には、マウス１２の背側の体型（外形形状や大きさ）に合わせた凹部３２Ａが形成され、下型ブロック３４には、マウス１２の腹側の体型に合わせた凹部３４Ａが形成されている。マウス１２は、腹側が下型ブロック３４の凹部３４Ａ内に収容された状態で上型ブロック３２が被せされることにより、体長方向が検体ホルダ３０の軸方向に沿うように配置され、表皮が内面に密接されて検体ホルダ３０に保定される。
【００２８】
本実施の形態では、主としてマウス１２の胴部（胸部から腰部）を計測部位としており、検体ホルダ３０は、内面に少なくともマウス１２の胴部の表皮が緊密に接した状態で保定する。また、検体ホルダ３０は、例えば、上型ブロック３２における凹部３２Ａ及び、下型ブロック３４における凹部３４Ａを形成する位置により、検体ホルダ３０内でのマウス１２の位置を定めることができる。
【００２９】
検体ホルダ３０では、例えば、マウス１２の頭部側の端面が基準面３８とされており、これにより、マウス１２は、検体ホルダ３０に収容されたときに体型（大きさ）に応じて計測部位の位置が定まる。なお、検体ホルダ３０では、例えば、下型ブロック３４に形成された一対の係合突部３６Ａが、上型ブロック３２に形成された係合凹部３６Ｂに嵌め込まれることにより、上型ブロック３２と下型ブロック３４との間の位置決めがなされる。また、検体ホルダ３０は、予め規定した外形であれば、角柱状などの任意の形状を適用することができる。
【００３０】
図３に示されるように、光計測装置１４には、図示しないケーシングにより遮光された内部に基台２０が配置され、この基台２０にベース板２４が立設されている。ベース板２４には、一方の面に計測ヘッド部２２が設けられている。計測ヘッド部２２は、例えば、リング状に形成された枠体２６を備え、この枠体２６がベース板２４に形成されている図示しない円孔と同軸となるように配置されている。
【００３１】
ベース板２４には、一方の面にロータリーアクチュエータ２８が取り付けられ、このロータリーアクチュエータ２８に枠体２６が取り付けられている。ロータリーアクチュエータ２８には、ベース板２４の円孔に対応した図示しない空洞部が形成され、この空洞部が円孔に同軸となるようにベース板２４に取り付けられ、枠体２６は、このロータリーアクチュエータ２８の空洞部と同軸となるように取り付けられている。
【００３２】
ロータリーアクチュエータ２８は、例えば、ステッピングモータ、パルスモータなどを用いた図示しない駆動源が作動されることにより、枠体２６を、その軸心部を軸にベース板２４に対して回動する。
【００３３】
光計測装置１４には、ベース板２４を挟んでアーム４４、４６が対で設けられている。アーム４４は、支柱４８の先端部にブラケット５０が取り付けられ、このブラケット５０の先端が枠体２６の開口を通してアーム４６側へ向けられている。また、アーム４６は、支柱５２の先端部にブラケット５４が取り付けられ、このブラケット５４の先端が枠体２６の開口を通してアーム４４側へ向けられている。
【００３４】
基台２０上には、長尺のスライダ５６及びスライドベース５８が配置されている。スライダ５６は、長手方向が枠体２６の軸線方向に沿って配置され、ベース板２４の下端部に形成された開口部２４Ａに挿通されて基台２０上に取り付けられている。スライドベース５８は、長手方向がスライダ５６の長手方向に沿うようにスライダ５６上に配置され、スライダ５６に設けられている図示しないブロックを介してスライダ５６に取り付けられている。このスライドベース５８には、長手方向の一端側にアーム４４の支柱４８が立設され、他端側にアーム４６の支柱５２が立設されている。
【００３５】
スライダ５６は、その内部に、送りねじ機構（図示省略）が設けられ、送りねじが回転駆動されることにより、送りねじに連結されている図示しないブロックが移動される。スライドベース５８は、この送りねじに連結されているブロックに取り付けられ、送りねじ機構により長手方向（図３の紙面左右方向）に沿って移動される。これにより、光計測装置１４では、一対のアーム４４、４６が一体で、枠体２６の軸線方向に移動される。
【００３６】
なお、送りねじ機構は、公知の一般的構成を適用でき、ここでは詳細な説明を省略する。また、一対のアーム４４、４６を一体で移動する構成は、送りねじ機構に限らず、公知の任意の構成を適用することができる。さらに、本実施の形態では、アーム４４、４６を移動するが、これに限らず、枠体２６（計測ヘッド部２２）が移動する構成であっても良い。
【００３７】
光計測装置１４では、アーム４４のブラケット５０とアーム４６のブラケット５４との間に、検体ホルダ３０が掛け渡されて装着される。このとき、検体ホルダ３０は、その軸線が枠体２６の軸線に重なるように配置される。また、検体ホルダ３０内のマウス１２は、検体ホルダ３０の基準面３８が、ブラケット５０に設定している基準面５０Ａに突き当てられることにより、光計測装置１４に対して体長方向に沿った位置決めがなされる。
【００３８】
光計測装置１４では、アーム４４のブラケット５０が、ベース板２４の図示しない貫通孔に挿通されてベース板２４の反対側（図３の紙面奥側）へ突出された状態が、ブラケット４４、４６への検体ホルダ３０の着脱位置とされている。光計測装置１４では、着脱位置で検体ホルダ３０が装填されると、スライダ５６の駆動により、検体ホルダ３０を枠体２６の軸心部を通過するように移動する（矢印Ａ方向）。また、光計測装置１４では、検体ホルダ３０が矢印Ａ方向と反対方向へ移動されて着脱位置に戻されることにより、アーム４４、４６からの検体ホルダ３０の取り出しが行われる。
【００３９】
一方、図１に示すように、計測ヘッド部２２には、光源ユニット４０及び、複数の受光ユニット４２が取り付けられている。光源ユニット４０及び受光ユニット４２は、それぞれの光軸が枠体２６の軸心へ向けられ、枠体２６の軸線方向と交差する同一平面（図４参照。以下、計測面９２とする）上とされている。また、図１に示されるように、光源ユニット４０及び受光ユニット４２は、互いの光軸の間の角度が所定の角度θとなるように枠体２６の軸心から放射状となるように配置されている。なお、本実施の形態では、一例として１基の光源ユニット４０と、１１基の受光ユニット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇ、４２Ｈ、４２Ｉ、４２Ｊ、４２Ｋとが設けられ、角度θが３０°となるように配置されている。
【００４０】
一方、図５に示されるように、光計測装置１４には、制御部６０が設けられている。制御部６０は、図示しないマイクロコンピュータを備えたコントローラ６２を有する。また、制御部６０には、ロータリーアクチュエータ２８を駆動する駆動回路６４及び、スライダ５６を駆動する駆動回路６６が設けられ、これらがコントローラ６２に接続されている。これにより、光計測装置１４では、コントローラ６２により検体ホルダ３０の移動及び、計測ヘッド部２２の回動が制御される。
【００４１】
また、光源ユニット４０は、ＬＥＤ、半導体レーザなどの発光素子により蛍光標識剤に対する励起光となる波長の光を発する発光ヘッド６８を備え、受光ユニット４２は、受光素子により蛍光標識剤の発する蛍光を受光する受光ヘッド７２を備えている。制御部６０には、光源ユニット４０に設けられている発光ヘッド６８を駆動する発光駆動回路７０、受光ユニット４２のそれぞれに設けられている受光ヘッド７２から出力される電気信号を増幅する増幅器（amp）７４、増幅器７４から出力される電気信号（アナログ信号）に対してＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換器７６を備えている。
【００４２】
これにより、制御部６０では、光源ユニット４０の発光ヘッド６８による発光を制御しながら、各受光ユニット４２の受光ヘッド７２によって検出された計測データがデジタル信号として出力される。なお、光計測装置１４には、図示しない表示パネルが設けられ、コントローラ６２によって装置の作動状態等が表示される。
【００４３】
データ処理装置１６は、ＣＰＵ７８、ＲＯＭ８０、ＲＡＭ８２、記憶手段とされるＨＤＤ８４、キーボードやマウス（ポインティングデバイス）などの入力デバイス８６、モニタ１８等がバス８８に接続された一般的構成のコンピュータにより形成されている。この、データ処理装置１６には、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ ＩＦ）９０Ａが設けられており、この入出力インターフェイス９０Ａが、光計測装置１４の制御部６０に設けている入出力インターフェイス９０Ｂに接続されている。なお、光計測装置１４とデータ処理装置１６との接続は、ＵＳＢインターフェイスなどの公知の任意の規格を適用することができる。
【００４４】
データ処理装置１６は、ＣＰＵ７８が、ＲＡＭ８２をワークメモリとして用い、ＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４に記憶されたプログラムを実行することにより、光計測装置１４の作動を制御する。
【００４５】
これにより、光計測装置１４は、アーム４４、４６に装着された検体ホルダ３０を軸方向に移動し、検体ホルダ３０の所定位置（マウス１２の所定部位）が枠体２６の軸心部（計測面９２）に配置された状態で、光源ユニット４０から検体ホルダ３０へ励起光を照射し、この励起光に応じてマウス１２内の蛍光標識剤から発せられて検体ホルダ３０の周囲から放出される蛍光を受光ユニット４２のそれぞれで受光し、受光量に応じたデータを計測データとしてデータ処理装置１６へ出力する。
【００４６】
データ処理装置１６では、光計測装置１４から出力される計測データに基づいて、蛍光の濃度分布の再構成を行う。なお、光断層計測システム１０では、データ処理装置１６が光計測装置１４の作動を制御するように説明するが、これに限らず、光計測装置１４が単独で動作して、計測データを出力する構成であっても良い。
【００４７】
ところで、図４に示されるように、光断層計測システム１０では、検体ホルダ３０の基準面３８が、ブラケット５０の基準面５０Ａに突き当てられて光計測装置１４に装填される。これにより、光計測装置１４では、ブラケット５０の基準面５０Ａを原点ｘｓとして、検体ホルダ３０の所定位置が、計測ヘッド部２２に対向されるように、検体ホルダ３０を矢印Ｘ方向へ相対移動する。なお、以下では、検体ホルダ３０内のマウス１２の体長方向（枠体２６の軸線方向）をｘ軸として、原点ｘｓからの検体ホルダ３０に対する計測面９２の相対移動位置のｘ軸上の座標を計測位置ｘとして説明する。
【００４８】
光計測装置１４では、予め設定されている位置を計測する初期位置（計測位置ｘ１）として、計測位置ｘ１から所定間隔Δｘ（例えば、Δｘ＝３ｍｍ）毎に検体ホルダ３０を相対移動した計測位置ｘｎのそれぞれで、蛍光の計測を行う。このとき、光計測装置１４では、計測位置ｘｎのそれぞれで、光源ユニット４０を予め設定された原位置から所定の角度θずつ回転し（例えば、原位置θ１から回転位置θ２、θ３、・・・、θ１２（図１参照））、それぞれの回転位置θｐ（ここでは、ｐ＝１〜１２）で、光源ユニット４０から検体ホルダ３０へ励起光を照射して、受光ユニット４２Ａ〜４２Ｋの出力信号である計測データＭ（ｍ）を読み込む。なお、ｍは、ｍ＝１〜１１として、受光ユニット４２Ａ〜４２Ｋを特定する変数としている。
【００４９】
これにより、光計測装置１４では、計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）として計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）が得られる。このときに、計測位置ｘが同じであれば、その計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）は、検体ホルダ３０の移動方向に対して交差する同一平面（計測面９２）上のデータとなる。
【００５０】
一方、マウス１２等の生体では、光に対して異方性散乱媒質となっている。異方性散乱媒質は、入射された光が光浸達長（等価散乱長）に達するまでは、前方散乱が支配的な領域となっているが、光浸達長を超えた領域では、光の偏向がランダムな多重散乱（等方散乱）が生じ、光の散乱が等方的となる（等方散乱領域）。この前方散乱が支配的な領域は数ｍｍ程度であるため、異方性散乱媒質の表面から数ｍｍ程度以上の深さでは、等方散乱とみなすことができる。
【００５１】
本実施の形態では、マウス１２の体内での光の散乱を実質的に等方散乱領域と見なされるように、光浸達長以上の厚みを持った検体ホルダ３０（上型ブロック３２と下型ブロック３４）にマウスを収容している。このような検体ホルダ３０の材質としては、ポリエチレン（ＰＥ）や、光の等価散乱係数μｓ’が１．０５ｍｍ−１のポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）などを用いることができる。なお、検体ホルダ３０を形成する材質は、これに限らず、マウス１２の体内が等方散乱領域とみなせる任意の材質を適用することができる。
【００５２】
高密度媒質内で光が散乱を受けながら伝播するときに、光強度の分布は、光子のエネルギーの流れを記述する基本的な方程式である光（光子）の輸送方程式で表されるが、光の散乱が等方散乱に近似されることにより、光の拡散方程式を用いて光強度の分布を表すことができる。
【００５３】
この光の拡散方程式は、（１）式で表される。なお、Φ（ｒ、ｔ）はマウス１２内の光密度、Ｄ（ｒ）は拡散係数、μａ（ｒ）は吸収係数、ｑ（ｒ、ｔ）は光源の光密度を表し、ｒは計測対象であるマウス１２（検体ホルダ３０）内の座標位置、ｔは時間を表す。
【００５４】
【数１】
【００５５】
ここで、等価散乱係数をμｓ’（ｒ）としたときに、一般的な三次元モデルにおいて、等価散乱係数μｓ’（ｒ）と拡散係数Ｄ（ｒ）とは、Ｄ（ｒ）＝（３・μｓ’（ｒ））−１と表される関係を有している。μｓ’（ｒ）は等価散乱係数であり、本実施の形態では、計測面９２に沿った二次元の断層画像を再構成するものであり、二次元モデルである場合、拡散計数Ｄ（ｒ）と等価散乱係数μｓ’の間では、Ｄ（ｒ）＝（２・μｓ’（ｒ））−１と表される関係を有する。
【００５６】
等価散乱係数μｓ’は、異方性散乱領域と等方性散乱領域を含む物質（異方性散乱媒質）における等方散乱領域における散乱係数を指す。光の拡散方程式では、等方性散乱領域のみを対象としており、ここでは、等価散乱係数μｓ’を用いる。
【００５７】
光断層の計測に連続光を用いる場合、光強度の分布が時間によらず一定となるので、（１）式の光の拡散方程式は、（２）式で示すことができる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
光学特性値である拡散係数Ｄ（ｒ）、吸収係数μａ（ｒ）が既知であるときに、（２）式で示される光の拡散方程式を用いてマウス１２（検体ホルダ３０）から放出される光の強度分布を求める場合、順問題として計算することができる。しかし、光強度分布が既知であり、ここから、光の拡散方程式を用いてマウス１２の光学特性値を求める場合、逆問題計算となる。
【００６０】
ここで、マウス１８の拡散係数Ｄ（ｒ）、吸収係数μａ（ｒ）は、光の波長によって異なり、励起光の波長λｓに対する拡散係数をＤｓ（ｒ）、吸収係数をμａｓ（ｒ）とし、光源の光密度をｑｓ（ｒ）とすると、励起光に対する拡散方程式は（３）式で表される。また、蛍光の波長λｆに対する拡散係数をＤｍ（ｒ）、吸収係数をμａｍ（ｒ）とし、蛍光を光源とする光密度をｑｍ（ｒ）とすると、蛍光に対する光の拡散方程式は、（４）式で表される。
【００６１】
【数３】
【００６２】
また、蛍光の光密度ｑｍ（ｒ）は、マウス１２内の光密度Φｓ（ｒ）及び、蛍光標識剤の量子効率γ、モル吸光係数εを用いて、ｑｍ（ｒ）＝γ・ε・Ｎ（ｒ）・Φｓ（ｒ）と表すことができる。したがって、（４）式は（５）式に置き換えられる。
【００６３】
【数４】
【００６４】
ここで、マウス１２の光学特性である吸収係数μａ（ｒ）、等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散計数Ｄ（ｒ））が既知であれば、（３）式及び（５）式では、Ｄｓ（ｒ）＝Ｄｍ（ｒ）＝Ｄ（ｒ）、μａｓ（ｒ）＝μａ（ｒ）＋ε・Ｎ（ｒ）、μａｍ（ｒ）＝μａ（ｒ）と置き換えられる。ここから、（３）式及び（５）式は、（６）式及び（７）式に置き換えられる。なお、ε・Ｎ（ｒ）は蛍光標識剤による吸収を表す。
【００６５】
【数５】
【００６６】
また、蛍光標識剤が光源となる蛍光の強度は、励起光の強度Φｓ（ｒ）に基づくものである。これは、励起光の光源の強度ｑｓ（ｒ）が既知となり、等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散係数Ｄ（ｒ））及び吸収係数μａ（ｒ）を既知とすることにより、有限要素法などの数値解析手法によりマウス１２内の光強度Φｓ（ｒ）を順問題として求めることができる。
【００６７】
これに基づき、データ処理装置１６では、計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）を用いて、順問題計算と１系統の逆問題計算を行い、検体ホルダ３０の内部のマウス１２の蛍光標識剤から発せられる蛍光の濃度分布Ｎ（ｒ）を得るようにしている。
【００６８】
一方、図５に示されるように、光計測装置１４では、スライダ５６の駆動原として、例えばステッピングモータ５６Ａが設けられている。スライダ５６では、ステッピングモータ５６Ａにより図示しない送りねじが回転されて、スライドベース５８が移動される（図３参照）。コントローラ６２は、駆動回路６６を介してステッピングモータ５６Ａの駆動を制御する。
【００６９】
これにより、光計測装置１４では、ステッピングモータ５６Ａの駆動に基づいて、計測ヘッド部２２の計測面９２に対する検体ホルダ３０の相対位置が把握されている。
【００７０】
図２に示されるように、本実施の形態に適用した検体ホルダ３０では、上型ブロック３２に形成された凹部３２Ａ及び、下型ブロック３４に形成された凹部３４Ａによりマウス１２を保定する。このときに、検体ホルダ３０では、基準面３８に対する凹部３２Ａ、３４Ａの位置により、検体ホルダ３０内でのマウス１２の位置が定まるようになっている。
【００７１】
さらに、図６（Ａ）に示されるように、マウス１２の解剖学的な臓器構造は揃っているため、マウス１２が検体ホルダ３０に保定されているとき、マウス１２の体格によって所定の計測面９２に位置する臓器はほぼ同じであると考えることができる。このとき、本実施の形態に係る光計測装置１４の計測位置ｘ１〜ｘ１５は、マウス１２の胸部１００、腹部１０２、腰部１０４に位置している。なお、以下では、肺・心臓・胃・肝臓・腸・腎臓などの内臓器官に加えて、骨組織、及び、筋肉・脂肪などの軟部組織を総称して臓器という。
【００７２】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の胸部１００に含まれる位置での断面図である。図６（Ｂ）に示されるように、マウス１２の胸部１００には、骨１０６Ａの周りに肺１０８や心臓１１０が位置しており、これらを覆うように骨１０６Ｂ、筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７３】
また、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の腹部１０２に含まれる位置での断面図である。図６（Ｃ）に示されるように、マウス１２の腹部１０２には、骨１０６Ａがあって、大部分を胃１１４や肝臓１１６が占めており、それらを覆うように筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７４】
さらに、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の腰部１０４に含まれる位置での断面図である。図６（Ｄ）に示されるように、マウス１２の腰部１０４では、骨１０６Ａと、腸１１８や腎臓１２０などの内臓器官と、これらを覆う筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７５】
すなわち、本実施の形態に係る光計測装置１４では、基準面３８に対する計測面９２の移動距離（計測位置ｘｎ）に基づいて、マウス１２の体長方向における計測面９２の位置を把握し、その計測面９２上でのマウス１２の臓器の分布を特定することが可能である。
【００７６】
ここで、表１に示されるように、マウス１２などの生体は、臓器によって光の吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’等の光学的特性が異なる。
【００７７】
【表１】
【００７８】
そこで、本実施の形態に係るデータ処理装置１６は、計測位置ｘｎに基づいて計測面９２上の臓器を特定し、臓器の位置及び臓器毎に異なる光学特性値（吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’）から光学特性分布を作成して、データ処理装置１６のＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４等に記憶している。
【００７９】
より具体的には、本実施の形態において、図６（Ａ）に示すように、検体ホルダ３０の基準面３８における中心を原点Ｏ、原点Ｏを通る検体ホルダ３０の移動方向をｘ軸とし、基準面３８上で、原点Ｏを通りｘ軸に対してそれぞれが互いに直交するようなｙ軸及びｚ軸として説明をする。このとき、図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示されるように、マウス１２の各断面である計測面９２は、ｚ軸及びｙ軸上となる。これにより、各計測面９２上をｙｚ座標として、マウス１２の断面を２次元座標で表すことができる。
【００８０】
すなわち、各断面内での臓器の分布を、各計測面９２上における原点Ｏに対するｙ軸、ｚ軸の２次元座標とし、主要な臓器の光学特性値（吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’）を座標位置で予め記憶している。なお、主要な臓器として肺・心臓・胃・肝臓・腸・腎臓・骨組織・筋肉・脂肪等があるが（表１参照）、これに限らず、他の臓器を用いることが可能である。
【００８１】
このようにして、光断層計測システム１０では、マウス１２の計測位置ｘｎに応じた臓器の分布に基づいて、光学特性値とされる吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）が設定され、臓器の分布に応じた光学特性分布がデータ処理装置１６のＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４に記憶されている。データ処理装置１６では、この吸収係数μａ及び等価散乱係数μｓ’を吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）に設定し、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいた光断層画像の再構成を行うようになっている。
【００８２】
なお、実際には３次元であるが、これにより２次元で光学特性値を設定しておき、演算に用いることができる。
【００８３】
以下に、本実施の形態に係る光断層計測システム１０における光断層画像の再構成を説明する。
【００８４】
図７には、光断層計測システム１０に設けている光計測装置１４での計測処理の概略が示されている。このフローチャートは、マウス１２を収容した検体ホルダ３０が光計測装置１４に装填されて、計測処理の開始が指示されると実行される。なお、ここでは、計測位置ｘを計測位置ｘｎとして、間隔Δｘ（例えば、Δｘ＝３ｍｍ）でｎ＝１〜１５までの計測を行う。計測位置ｘｎのそれぞれで、光源ユニット４０の回転位置θを回転位置θｐとして、３０°間隔でｐ＝１〜１２まで順に回転し、ｍ＝１〜１１の各受光ユニット４２で蛍光の計測を行う。また、光計測装置１４の作動はデータ処理装置１６により制御される。
【００８５】
最初のステップ２００では、初期設定を行い、ｍ＝０、ｎ＝０、ｐ＝０に設定し、ステップ２０２では、ｎをインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）する。次に、ステップ２０４では、ステッピングモータ５６Ａを駆動してスライダ５６を作動させることにより、マウス１２の計測位置ｘｎの初期位置（計測位置ｘ１）が計測ヘッド部２２に対応するように移動する。
【００８６】
マウス１２を、蛍光の計測を行う計測位置ｘnへ移動すると、ステップ２１４では、ｐをインクリメント（ｐ＝ｐ＋１）し、ステップ２１６でロータリーアクチュエータ２８を作動することにより、計測ヘッド部２２を回転し、光源ユニット４０を原位置θ１へ移動する。
【００８７】
この後、ステップ２１８では、光源ユニット４０の発光ヘッド６８を作動させて検体ホルダ３０へ励起光を照射する。これと共に、ステップ２２０では、ｍをインクリメント（ｍ＝ｍ＋１）して、ステップ２２２では、ｍに対応する受光ユニット４２で受光している蛍光の光量を計測位置ｘｎ、回転位置θｐにおける計測データＤ（ｍ）として読み込む。また、ステップ２２４では、全ての受光ユニット４２から計測データを読み込んだか否か（ｍ≧１１）を確認し、ｍ≧１１となっていなければ、ステップ２２４で否定判定して、ステップ２２０へ移行し、次の計測データＭ（ｍ）を読み込む。
【００８８】
このようにして、計測位置ｘｎ、計測角度θｐにおいて、受光ユニット４２の全ての計測データを読み込むと、ステップ２２４で肯定判定してステップ２２６へ移行し、光源ユニット４０の発光を停止すると共に、読み込んだ計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）をデータ処理装置１６へ出力する（ステップ２２８）。
【００８９】
次のステップ２３０では、計測位置ｘｎで光源ユニット４０を全周に移動した（ｐ≧１２）か否かを確認し、否定判定された場合は、ｍをリセット（ｍ＝０）して（ステップ２３２）、ステップ２１４へ移行する。
【００９０】
このようにして、計測位置ｘｎにおいて、光源ユニット４０を計測位置θ１〜θ１２まで回転して、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）の計測を終了すると、ステップ２３０で肯定判定され、ステップ２３４へ移行する。このステップ２３４では、全ての計測位置ｘｎでの計測が終了したか否か（ｎ≧１５）を確認し、否定判定された場合は、ステップ２３６で、ｍ＝０及びｐ＝０に設定して、ステップ２０２へ移行し、次の計測位置ｘｎにおける計測を開始する。また、全ての計測位置ｘｎ（ｘ１〜ｘ１５）での計測が終了すると、ステップ２３４で肯定判定され、計測処理を終了する。なお、計測処理が終了したときには、スライダ５６が作動されて検体ホルダ３０が着脱位置に戻される。
【００９１】
一方、図８には、光計測装置１４の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいたデータ処理装置１６での処理の概略を示している。このフローチャートは、光計測装置１４での計測処理が開始されることにより実行される。
【００９２】
このフローチャートでは、ステップ２５０及びステップ２５２で、先ず計測位置ｘｎの設定を行う。なお、ここでは、ｎを初期化（ｎ＝０）した後にインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）することにより、最初の計測位置ｘｎ（計測位置ｘ１）に設定する。
【００９３】
次のステップ２６０では、光計測装置１４から出力される計測データを順に読み込み、ステップ２６２では、計測位置ｘｎにおいて、光源ユニット４０の１周分の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）（ｐ＝１〜１２までのデータ）の読み込みを終了したか否かを確認する。
【００９４】
ここで、１周分の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）を読み込むと、ステップ２６２で肯定判定してステップ２６３へ移行する。ステップ２６３では、計測位置ｘｎにおけるマウス１２の光学特性値である吸収係数μａ（ｒ）及び透過散乱係数μｓ’（ｒ）を読み出し設定する。
【００９５】
本実施の形態では、ステッピングモータ５６Ａの駆動により計測面９２に対する検体ホルダ３０の相対位置から、マウス１２の体長方向における計測面９２の位置を特定し、この位置のマウス１２の光学特性分布を２次元座標で把握している。そこで、計測面９２に係るｙ軸、ｚ軸の２次元座標の全部、すなわち原点Ｏに対する座標位置（ｒ）毎に予め設定されている吸収係数μａ（ｒ）、等価散乱係数μｓ’（ｒ）を読み込む。
【００９６】
次のステップ２６４では、読み込んだ計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）から、蛍光強度分布（蛍光強度分布Φｍ（ｒ）meas）を算出する。すなわち、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measを取得する。
【００９７】
この後、ステップ２６６では、マウス１２を含めた検体ホルダ３０内の蛍光（蛍光標識剤）の濃度分布Ｎ（ｒ）の初期値を設定し、ステップ２６８では、設定された濃度分布Ｎ（ｒ）と、先に設定した吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散係数Ｄ（ｒ））に基づいて、マウス１２から放出された蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを計算する。すなわち、仮想的な蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを取得する。この蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、数学的モデルである光拡散方程式を有限要素法などの数値解析手法を用いた公知の順問題計算として容易に演算することができる。
【００９８】
すなわち、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcは、（６）式又は（８）式から得られ、励起光と蛍光をあわせた光強度分布Φｔ（ｒ）calcは、（９）式から得られる。また、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcと光強度分布Φｔ（ｒ）calcとから得られる（（１０）式参照）。
【００９９】
【数６】
【０１００】
次のステップ２７０では、計測データに基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと、演算結果に基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを比較し、ステップ２７２では、一致しているか否かを確認する。この判定は、例えば、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとの二乗誤差ｙを用い、二乗誤差ｙが、予め設定した規定値内か否かから判断するものであっても良い。
【０１０１】
ここで、二乗誤差ｙが規定値より大きく、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcが一致していないと判断されるときには、ステップ２７２で否定判定されてステップ２７４へ移行する。
【０１０２】
このステップ２７４では、関数行列（Jacobian matrix）を用いた公知の手法で光学特性値の変化に対する光強度分布の変化を演算する。また、次のステップ２７６では、Levenberg Marqurdt法などの最適化手法による逆問題計算を用いて蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcの誤差（例えば、二乗誤差ｙ）を評価する。すなわち、二乗誤差ｙは、（１１）式から得られ、この二乗誤差ｙを評価する。なお、γは量子効率、εはモル吸光係数としている。
【０１０３】
【数７】
【０１０４】
また、このステップ２７６では、この二乗誤差ｙを最小とする蛍光標識剤での蛍光の吸収εＮ、すなわち、蛍光標識剤の濃度分布Ｎ（ｒ）を推定する。これは、光拡散方程式である（７）式又は（１２）式を用いた逆問題計算を行うことにより推定することができる。
【０１０５】
【数８】
【０１０６】
このようにして濃度分布Ｎ（ｒ）を求めると、ステップ２７８では、この演算結果に基づいて濃度分布Ｎ（ｒ）を更新する。
【０１０７】
データ処理装置１６では、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとが一致したとみなされるまで、ステップ２６８からステップ２７８を繰り返す。
【０１０８】
これにより、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとが一致したとみなされると、ステップ２７２で肯定判定してステップ２８０へ移行し、このときの濃度分布Ｎ（ｒ）を計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）から得られた濃度分布Ｎ（ｒ）として格納する。この濃度分布Ｎ（ｒ）を用いることにより、計測位置ｘｎにおける蛍光分布の断層画像が得られる。
【０１０９】
このようにして、計測位置ｘｎに対する演算が終了すると、ステップ２８２では、全ての計測位置ｘｎに対する処理が終了したか否かを確認（ｎ≧１５）し、否定判定された場合には、ステップ２５２へ移行し、次の計測位置ｘｎに対する処理を行う。
【０１１０】
このように、データ処理装置１６では、マウス１６の光学的特性である吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）を予め設定することにより、蛍光強度の計測データがあれば、蛍光の濃度分布（ｒ）を得ることができるので、計測の簡略化及び計測時間の短縮を図ることができる。また、データ処理装置１６では、光拡散方程式の逆問題計算が、蛍光に対して行えば良いので、処理負荷の軽減が図られる。
【０１１１】
また、光断層計測システム１０では、名側面９２内における座標（ｒ）毎に適切に吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）を設定できるので、マウス１２の全体を同じ吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）に設定する場合に比べて、高精度の蛍光の濃度分布Ｎ（ｒ）を得ることができる。
【０１１２】
例えば、図９では、マウス１２の胸部１００の断面を示している。マウス１２の計測面９２上には、骨１０６Ａ、心臓１１０及びこれらを覆う筋肉１１２と共に、それぞれに蛍光標識剤が付着した肺１０８が存在している。この計測面９２の蛍光の濃度分布の再構成を行う際に、本実施の形態に係る光断層計測システム１０を用いた結果を図１０に示し、用いない結果を図１１に示す。
【０１１３】
このとき、図１１では、光学特性値をマウス１２の全身の平均値を設定している。このため、再構成画像では図９の蛍光標識剤１５０と比較して、蛍光標識剤１５０の形状が崩れている。また、本来存在しないノイズ（アーチファクト）１５２Ｂの数も多く、蛍光濃度も高いため、ノイズであるか否かの判断も付けにくい。
【０１１４】
一方、図１０では、光学特性値を三次元的に設定しているため、計測面９２上の２つの蛍光標識剤１５０が精度よく表されている（蛍光濃度が高い）。また、ノイズ１５２Ａが表示されていても、その濃度が低いため、ノイズであることが明確に分かる。
【０１１５】
なお、以上説明した本実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。本発明は、光断層計測システム１０に限らず、励起光を計測対象とする生体に照射し、この励起光により計測対象から放出される蛍光を、計測対象の周囲の複数位置で計測する任意の構成の光断層計測装置に適用することができる。
【０１１６】
また、本実施の形態では、平均的な体格のマウス１２の臓器分布を想定して断面毎の光学特性値分布を設定しているが、これに限られず、マウス１２の体格毎の臓器分布を想定して、断面毎の光学特性値分布を複数パターン設定しておいてもよい。この場合、データ処理装置１６において、ユーザが計測対象のマウス１２の体格に応じた光学特性値分布パターンを選択するようにすればよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１０ 光断層計測システム１０
１２ マウス１２（計測対象）
１４ 光計測装置
１６ データ処理装置（構成手段、特定手段、取得手段）
４０ 光源ユニット（照射手段）
４２ 受光ユニット（受光手段）
５６ スライダ（移動手段）
５６Ａ ステッピングモータ（移動手段）
９２ 計測面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光に応じて計測対象となる生体から発せられる蛍光を計測して、光断層画像の再構成を行う光断層計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体組織は、近赤外線などの所定波長の光に対して透過性を有することが知られている。ここから、特許文献１、特許文献２等では、光を用いた生体内の観察を提案している（光トモグラフィー：光ＣＴ）。
【０００３】
光ＣＴでは、生体内の光の吸収係数の分布を得るものであり、ファントムモデルを用いて得られる検出光量と測定対象物から得られる検出光量とから、測定対象である散乱吸収体内部の吸収係数分布を求めている。
【０００４】
特許文献３、特許文献４等では、測定対象の一点に対して相対的に同じ位置関係にある光入射位置と光検出位置との複数の組み合わせによって、それぞれの光入射位置から入射されて測定対象を透過することにより光検出位置で検出される複数の測定値の平均値を、吸収係数分布や等価散乱係数の分布などの内部特性分布を求めるための基準値とすることにより、ファントムモデル等の基準とする計測対象を用いることなく、吸収係数分布の再構成を行うように提案している。
【０００５】
また、生体組織の光透過性を用いた断層像測定装置としては、試料に対して励起レーザ光を照射し、この励起光が計測対象内の蛍光源で散乱されることにより発せられる蛍光のうち、散乱光を除去して得られる平面波のフランフォーファ回折像の０次光を取り込むことにより、光断層像を得る蛍光断層像測定装置が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００６】
一方、腫瘍部分などの病変部位に特異的に付着する抗体に蛍光物質を付与した蛍光標識剤を用い、この蛍光標識剤を生体に投与することにより、生体から発せられる蛍光の濃度分布から、生体中での蛍光標識剤の移動、特定部位への集積／離散過程を観察することができる（蛍光ＣＴ）。
【０００７】
生体中での蛍光標識剤の濃度分布（以下、蛍光の濃度分布とする）を得る場合、生体の表面の一点へ励起光を照射し、これにより生体から放出される蛍光の強度を生体の周囲の多点で検出する。これを、励起光の照射位置を変えながら繰返し行うことにより得られる計測データの間には、蛍光標識剤の分布、生体内での光の散乱特性、及び生体内での光の吸収特性に応じた関係が成り立つ。この関係を用いて、計測データから蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１７３９７６号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７４７６号公報
【特許文献３】特開平１０−０２６５８５号公報
【特許文献４】特開平１１−３１１５６９号公報
【特許文献５】特開平０５−２２３７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
蛍光ＣＴにおいて、断層画像の再構成を行う場合、励起光の強度分布及び蛍光の強度分布を、光の拡散方程式に基づいた逆問題演算で得ることができる。この逆問題演算では、生体内の光の吸収係数μａ及び散乱係数（等価散乱係数μｓ’）を未知数として、この吸収係数μａ及び等価散乱係数μｓ’の演算を行い、この演算結果に基づいて蛍光の濃度分布を得るようにしている。
【００１０】
蛍光の濃度分布を得るときに励起光の強度及び蛍光の強度のそれぞれを多数箇所で計測し、それぞれの計測結果を用いて２系統での逆問題演算を行うことは、計測作業に時間が掛かると共に、演算時間も長くなる。
【００１１】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、計測対象とされる生体内の蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うときに、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成し得る光断層計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、蛍光標識剤が投与された計測対象である生体の体長方向と交差する計測面上となるように光軸が配置され、前記計測対象へ励起光を照射する照射手段と、それぞれの光軸が前記計測面上となるように配置され、前記照射手段から照射された前記励起光により前記蛍光標識剤から発せられて前記計測対象から周囲に放出される蛍光を受光する複数の受光手段と、前記計測対象の光学特性分布を記憶する記憶手段と、前記体長方向における前記計測面の位置を特定する特定手段と、前記特定手段で特定した位置に応じた光学特性分布を前記記憶手段から取得する取得手段と、前記受光手段のそれぞれで受光した前記蛍光の強度及び前記取得手段で取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する構成手段と、を含む。
【００１３】
この発明によれば、特定手段が前記体長方向における前記計測面の位置を特定し、特定した位置に応じて、計測対象の光学特性分布を取得し、受光した蛍光の強度及び取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する。
【００１４】
これにより、本発明では、計測対象の体長方向の位置に応じた、計測面内での光学特性分布を取得し再構成に用いているので、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成できる。
【００１５】
また、本発明は、前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って前記計測対象に対して相対移動することにより、前記計測面を移動する移動手段をさらに含み、前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する。
【００１６】
この発明によれば、移動手段が前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って相対移動することにより、前記計測面を移動させ、前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する。
【００１７】
これにより、本発明は、移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定できるので、移動量から計測面の位置を精度よく把握することができ、計測位置に応じた光学特性分布を取得することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、前記光学特性分布は、前記生体を構成する前記光学特性分布は、前記生体を構成する肺、心臓、胃、肝臓、腸、腎臓、骨、筋肉、脂肪の少なくとも１つに応じて予め設定されている。
【００１９】
また、本発明は、前記光学特性分布は、光の吸収係数及び等価散乱係数で構成される。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、計測対象とされる生体内の蛍光の濃度分布を示す断層画像の再構成を行うときに、簡単な構成で精度の良い光断層画像を再構成し得るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態に係る光断層計測システムの要部の概略構成図である。
【図２】マウスの保定に用いる検体ホルダの一例を示す概略斜視図である。
【図３】光計測装置の要部を示す斜視図である。
【図４】蛍光の計測位置を示す概略構成図である。
【図５】光断層計測システムの制御部の概略構成図である。
【図６】（Ａ）は検体ホルダに保定されたマウス内の臓器の配置を示す概略図、（Ｂ）はマウスの胸部断面を示す模式図、（Ｃ）はマウスの腹部断面を示す模式図、（Ｄ）はマウスの腰部断面を示す模式図である。
【図７】光計測装置における計測処理の概略を示すフローチャートである。
【図８】計測データを用いた濃度分布の演算の概略を示すフローチャートである。
【図９】原理確認に用いたマウスの胸部の断面分布の一例を示す概略図である。
【図１０】本実施の形態に係る光断層計測システムを用いた場合の蛍光の再構成画像の模式図である。
【図１１】従来の手法によるマウス全体を同じ光学特性値に設定した場合の蛍光の再構成画像の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図１には、本実施の形態に係る光断層計測システム１０の概略構成が示されている。光断層計測システム１０は、光計測装置１４及び、光計測装置１４で得られる計測データに対して所定のデータ処理を行うデータ処理装置１６を備えている。なお、光断層計測システム１０は、光計測装置１４の機能とデータ処理装置１６の機能を一体化した構成であっても良い。
【００２３】
この光断層計測システム１０では、例えば、ヌードマウスなどの生体を計測対象とする。以下では、計測対象をマウス１２（図２参照）として説明する。なお、計測対象は、マウス１２に限らず任意の生体を計測対象とすることができる。
【００２４】
計測対象とするマウス１２には、例えば、腫瘍細胞などの病変細胞を注入するなどして予め所定の病変部位を生じさせる（発現させる）。また、マウス１２には、例えば、病変部位などの特定部位に特異的に付着する抗体に蛍光物質を含ませた蛍光標識剤が投与される。
【００２５】
光断層計測システム１０では、発現させたマウス１２に投与した蛍光標識剤が血液循環によりマウス１２の体内に分散されたのち、抗原抗体反応により病変部位に集積して付着するタイミングで、該マウス１２を光計測装置１４へ装填する。光計測装置１４は、蛍光標識剤に対する励起光をマウス１２へ照射し、マウス１２の体内の蛍光標識剤から発せられる蛍光強度を計測する。データ処理装置１６では、光計測装置１４から出力される蛍光強度に応じた計測データに基づいてマウス１２内の蛍光（蛍光標識剤）の濃度分布を演算し、蛍光標識剤（蛍光物質）の体内における濃度分布を示す断層画像を生成する（光断層画像の再構成）。再構成された光断層画像は、例えば、モニタ１８等に表示される。
【００２６】
図２に示されるように、光断層計測システム１０では、マウス１２を光計測装置１４に装填するときに、マウス１２を検体ホルダ３０に収容して保定する。検体ホルダ３０は、上型ブロック３２と下型ブロック３４とによって構成され、上型ブロック３２と下型ブロック３４とが重ね合わせられることにより、所定の外径の略円柱形状となる。
【００２７】
上型ブロック３２には、マウス１２の背側の体型（外形形状や大きさ）に合わせた凹部３２Ａが形成され、下型ブロック３４には、マウス１２の腹側の体型に合わせた凹部３４Ａが形成されている。マウス１２は、腹側が下型ブロック３４の凹部３４Ａ内に収容された状態で上型ブロック３２が被せされることにより、体長方向が検体ホルダ３０の軸方向に沿うように配置され、表皮が内面に密接されて検体ホルダ３０に保定される。
【００２８】
本実施の形態では、主としてマウス１２の胴部（胸部から腰部）を計測部位としており、検体ホルダ３０は、内面に少なくともマウス１２の胴部の表皮が緊密に接した状態で保定する。また、検体ホルダ３０は、例えば、上型ブロック３２における凹部３２Ａ及び、下型ブロック３４における凹部３４Ａを形成する位置により、検体ホルダ３０内でのマウス１２の位置を定めることができる。
【００２９】
検体ホルダ３０では、例えば、マウス１２の頭部側の端面が基準面３８とされており、これにより、マウス１２は、検体ホルダ３０に収容されたときに体型（大きさ）に応じて計測部位の位置が定まる。なお、検体ホルダ３０では、例えば、下型ブロック３４に形成された一対の係合突部３６Ａが、上型ブロック３２に形成された係合凹部３６Ｂに嵌め込まれることにより、上型ブロック３２と下型ブロック３４との間の位置決めがなされる。また、検体ホルダ３０は、予め規定した外形であれば、角柱状などの任意の形状を適用することができる。
【００３０】
図３に示されるように、光計測装置１４には、図示しないケーシングにより遮光された内部に基台２０が配置され、この基台２０にベース板２４が立設されている。ベース板２４には、一方の面に計測ヘッド部２２が設けられている。計測ヘッド部２２は、例えば、リング状に形成された枠体２６を備え、この枠体２６がベース板２４に形成されている図示しない円孔と同軸となるように配置されている。
【００３１】
ベース板２４には、一方の面にロータリーアクチュエータ２８が取り付けられ、このロータリーアクチュエータ２８に枠体２６が取り付けられている。ロータリーアクチュエータ２８には、ベース板２４の円孔に対応した図示しない空洞部が形成され、この空洞部が円孔に同軸となるようにベース板２４に取り付けられ、枠体２６は、このロータリーアクチュエータ２８の空洞部と同軸となるように取り付けられている。
【００３２】
ロータリーアクチュエータ２８は、例えば、ステッピングモータ、パルスモータなどを用いた図示しない駆動源が作動されることにより、枠体２６を、その軸心部を軸にベース板２４に対して回動する。
【００３３】
光計測装置１４には、ベース板２４を挟んでアーム４４、４６が対で設けられている。アーム４４は、支柱４８の先端部にブラケット５０が取り付けられ、このブラケット５０の先端が枠体２６の開口を通してアーム４６側へ向けられている。また、アーム４６は、支柱５２の先端部にブラケット５４が取り付けられ、このブラケット５４の先端が枠体２６の開口を通してアーム４４側へ向けられている。
【００３４】
基台２０上には、長尺のスライダ５６及びスライドベース５８が配置されている。スライダ５６は、長手方向が枠体２６の軸線方向に沿って配置され、ベース板２４の下端部に形成された開口部２４Ａに挿通されて基台２０上に取り付けられている。スライドベース５８は、長手方向がスライダ５６の長手方向に沿うようにスライダ５６上に配置され、スライダ５６に設けられている図示しないブロックを介してスライダ５６に取り付けられている。このスライドベース５８には、長手方向の一端側にアーム４４の支柱４８が立設され、他端側にアーム４６の支柱５２が立設されている。
【００３５】
スライダ５６は、その内部に、送りねじ機構（図示省略）が設けられ、送りねじが回転駆動されることにより、送りねじに連結されている図示しないブロックが移動される。スライドベース５８は、この送りねじに連結されているブロックに取り付けられ、送りねじ機構により長手方向（図３の紙面左右方向）に沿って移動される。これにより、光計測装置１４では、一対のアーム４４、４６が一体で、枠体２６の軸線方向に移動される。
【００３６】
なお、送りねじ機構は、公知の一般的構成を適用でき、ここでは詳細な説明を省略する。また、一対のアーム４４、４６を一体で移動する構成は、送りねじ機構に限らず、公知の任意の構成を適用することができる。さらに、本実施の形態では、アーム４４、４６を移動するが、これに限らず、枠体２６（計測ヘッド部２２）が移動する構成であっても良い。
【００３７】
光計測装置１４では、アーム４４のブラケット５０とアーム４６のブラケット５４との間に、検体ホルダ３０が掛け渡されて装着される。このとき、検体ホルダ３０は、その軸線が枠体２６の軸線に重なるように配置される。また、検体ホルダ３０内のマウス１２は、検体ホルダ３０の基準面３８が、ブラケット５０に設定している基準面５０Ａに突き当てられることにより、光計測装置１４に対して体長方向に沿った位置決めがなされる。
【００３８】
光計測装置１４では、アーム４４のブラケット５０が、ベース板２４の図示しない貫通孔に挿通されてベース板２４の反対側（図３の紙面奥側）へ突出された状態が、ブラケット４４、４６への検体ホルダ３０の着脱位置とされている。光計測装置１４では、着脱位置で検体ホルダ３０が装填されると、スライダ５６の駆動により、検体ホルダ３０を枠体２６の軸心部を通過するように移動する（矢印Ａ方向）。また、光計測装置１４では、検体ホルダ３０が矢印Ａ方向と反対方向へ移動されて着脱位置に戻されることにより、アーム４４、４６からの検体ホルダ３０の取り出しが行われる。
【００３９】
一方、図１に示すように、計測ヘッド部２２には、光源ユニット４０及び、複数の受光ユニット４２が取り付けられている。光源ユニット４０及び受光ユニット４２は、それぞれの光軸が枠体２６の軸心へ向けられ、枠体２６の軸線方向と交差する同一平面（図４参照。以下、計測面９２とする）上とされている。また、図１に示されるように、光源ユニット４０及び受光ユニット４２は、互いの光軸の間の角度が所定の角度θとなるように枠体２６の軸心から放射状となるように配置されている。なお、本実施の形態では、一例として１基の光源ユニット４０と、１１基の受光ユニット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇ、４２Ｈ、４２Ｉ、４２Ｊ、４２Ｋとが設けられ、角度θが３０°となるように配置されている。
【００４０】
一方、図５に示されるように、光計測装置１４には、制御部６０が設けられている。制御部６０は、図示しないマイクロコンピュータを備えたコントローラ６２を有する。また、制御部６０には、ロータリーアクチュエータ２８を駆動する駆動回路６４及び、スライダ５６を駆動する駆動回路６６が設けられ、これらがコントローラ６２に接続されている。これにより、光計測装置１４では、コントローラ６２により検体ホルダ３０の移動及び、計測ヘッド部２２の回動が制御される。
【００４１】
また、光源ユニット４０は、ＬＥＤ、半導体レーザなどの発光素子により蛍光標識剤に対する励起光となる波長の光を発する発光ヘッド６８を備え、受光ユニット４２は、受光素子により蛍光標識剤の発する蛍光を受光する受光ヘッド７２を備えている。制御部６０には、光源ユニット４０に設けられている発光ヘッド６８を駆動する発光駆動回路７０、受光ユニット４２のそれぞれに設けられている受光ヘッド７２から出力される電気信号を増幅する増幅器（amp）７４、増幅器７４から出力される電気信号（アナログ信号）に対してＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換器７６を備えている。
【００４２】
これにより、制御部６０では、光源ユニット４０の発光ヘッド６８による発光を制御しながら、各受光ユニット４２の受光ヘッド７２によって検出された計測データがデジタル信号として出力される。なお、光計測装置１４には、図示しない表示パネルが設けられ、コントローラ６２によって装置の作動状態等が表示される。
【００４３】
データ処理装置１６は、ＣＰＵ７８、ＲＯＭ８０、ＲＡＭ８２、記憶手段とされるＨＤＤ８４、キーボードやマウス（ポインティングデバイス）などの入力デバイス８６、モニタ１８等がバス８８に接続された一般的構成のコンピュータにより形成されている。この、データ処理装置１６には、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ ＩＦ）９０Ａが設けられており、この入出力インターフェイス９０Ａが、光計測装置１４の制御部６０に設けている入出力インターフェイス９０Ｂに接続されている。なお、光計測装置１４とデータ処理装置１６との接続は、ＵＳＢインターフェイスなどの公知の任意の規格を適用することができる。
【００４４】
データ処理装置１６は、ＣＰＵ７８が、ＲＡＭ８２をワークメモリとして用い、ＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４に記憶されたプログラムを実行することにより、光計測装置１４の作動を制御する。
【００４５】
これにより、光計測装置１４は、アーム４４、４６に装着された検体ホルダ３０を軸方向に移動し、検体ホルダ３０の所定位置（マウス１２の所定部位）が枠体２６の軸心部（計測面９２）に配置された状態で、光源ユニット４０から検体ホルダ３０へ励起光を照射し、この励起光に応じてマウス１２内の蛍光標識剤から発せられて検体ホルダ３０の周囲から放出される蛍光を受光ユニット４２のそれぞれで受光し、受光量に応じたデータを計測データとしてデータ処理装置１６へ出力する。
【００４６】
データ処理装置１６では、光計測装置１４から出力される計測データに基づいて、蛍光の濃度分布の再構成を行う。なお、光断層計測システム１０では、データ処理装置１６が光計測装置１４の作動を制御するように説明するが、これに限らず、光計測装置１４が単独で動作して、計測データを出力する構成であっても良い。
【００４７】
ところで、図４に示されるように、光断層計測システム１０では、検体ホルダ３０の基準面３８が、ブラケット５０の基準面５０Ａに突き当てられて光計測装置１４に装填される。これにより、光計測装置１４では、ブラケット５０の基準面５０Ａを原点ｘｓとして、検体ホルダ３０の所定位置が、計測ヘッド部２２に対向されるように、検体ホルダ３０を矢印Ｘ方向へ相対移動する。なお、以下では、検体ホルダ３０内のマウス１２の体長方向（枠体２６の軸線方向）をｘ軸として、原点ｘｓからの検体ホルダ３０に対する計測面９２の相対移動位置のｘ軸上の座標を計測位置ｘとして説明する。
【００４８】
光計測装置１４では、予め設定されている位置を計測する初期位置（計測位置ｘ１）として、計測位置ｘ１から所定間隔Δｘ（例えば、Δｘ＝３ｍｍ）毎に検体ホルダ３０を相対移動した計測位置ｘｎのそれぞれで、蛍光の計測を行う。このとき、光計測装置１４では、計測位置ｘｎのそれぞれで、光源ユニット４０を予め設定された原位置から所定の角度θずつ回転し（例えば、原位置θ１から回転位置θ２、θ３、・・・、θ１２（図１参照））、それぞれの回転位置θｐ（ここでは、ｐ＝１〜１２）で、光源ユニット４０から検体ホルダ３０へ励起光を照射して、受光ユニット４２Ａ〜４２Ｋの出力信号である計測データＭ（ｍ）を読み込む。なお、ｍは、ｍ＝１〜１１として、受光ユニット４２Ａ〜４２Ｋを特定する変数としている。
【００４９】
これにより、光計測装置１４では、計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）として計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）が得られる。このときに、計測位置ｘが同じであれば、その計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）は、検体ホルダ３０の移動方向に対して交差する同一平面（計測面９２）上のデータとなる。
【００５０】
一方、マウス１２等の生体では、光に対して異方性散乱媒質となっている。異方性散乱媒質は、入射された光が光浸達長（等価散乱長）に達するまでは、前方散乱が支配的な領域となっているが、光浸達長を超えた領域では、光の偏向がランダムな多重散乱（等方散乱）が生じ、光の散乱が等方的となる（等方散乱領域）。この前方散乱が支配的な領域は数ｍｍ程度であるため、異方性散乱媒質の表面から数ｍｍ程度以上の深さでは、等方散乱とみなすことができる。
【００５１】
本実施の形態では、マウス１２の体内での光の散乱を実質的に等方散乱領域と見なされるように、光浸達長以上の厚みを持った検体ホルダ３０（上型ブロック３２と下型ブロック３４）にマウスを収容している。このような検体ホルダ３０の材質としては、ポリエチレン（ＰＥ）や、光の等価散乱係数μｓ’が１．０５ｍｍ−１のポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）などを用いることができる。なお、検体ホルダ３０を形成する材質は、これに限らず、マウス１２の体内が等方散乱領域とみなせる任意の材質を適用することができる。
【００５２】
高密度媒質内で光が散乱を受けながら伝播するときに、光強度の分布は、光子のエネルギーの流れを記述する基本的な方程式である光（光子）の輸送方程式で表されるが、光の散乱が等方散乱に近似されることにより、光の拡散方程式を用いて光強度の分布を表すことができる。
【００５３】
この光の拡散方程式は、（１）式で表される。なお、Φ（ｒ、ｔ）はマウス１２内の光密度、Ｄ（ｒ）は拡散係数、μａ（ｒ）は吸収係数、ｑ（ｒ、ｔ）は光源の光密度を表し、ｒは計測対象であるマウス１２（検体ホルダ３０）内の座標位置、ｔは時間を表す。
【００５４】
【数１】
【００５５】
ここで、等価散乱係数をμｓ’（ｒ）としたときに、一般的な三次元モデルにおいて、等価散乱係数μｓ’（ｒ）と拡散係数Ｄ（ｒ）とは、Ｄ（ｒ）＝（３・μｓ’（ｒ））−１と表される関係を有している。μｓ’（ｒ）は等価散乱係数であり、本実施の形態では、計測面９２に沿った二次元の断層画像を再構成するものであり、二次元モデルである場合、拡散計数Ｄ（ｒ）と等価散乱係数μｓ’の間では、Ｄ（ｒ）＝（２・μｓ’（ｒ））−１と表される関係を有する。
【００５６】
等価散乱係数μｓ’は、異方性散乱領域と等方性散乱領域を含む物質（異方性散乱媒質）における等方散乱領域における散乱係数を指す。光の拡散方程式では、等方性散乱領域のみを対象としており、ここでは、等価散乱係数μｓ’を用いる。
【００５７】
光断層の計測に連続光を用いる場合、光強度の分布が時間によらず一定となるので、（１）式の光の拡散方程式は、（２）式で示すことができる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
光学特性値である拡散係数Ｄ（ｒ）、吸収係数μａ（ｒ）が既知であるときに、（２）式で示される光の拡散方程式を用いてマウス１２（検体ホルダ３０）から放出される光の強度分布を求める場合、順問題として計算することができる。しかし、光強度分布が既知であり、ここから、光の拡散方程式を用いてマウス１２の光学特性値を求める場合、逆問題計算となる。
【００６０】
ここで、マウス１８の拡散係数Ｄ（ｒ）、吸収係数μａ（ｒ）は、光の波長によって異なり、励起光の波長λｓに対する拡散係数をＤｓ（ｒ）、吸収係数をμａｓ（ｒ）とし、光源の光密度をｑｓ（ｒ）とすると、励起光に対する拡散方程式は（３）式で表される。また、蛍光の波長λｆに対する拡散係数をＤｍ（ｒ）、吸収係数をμａｍ（ｒ）とし、蛍光を光源とする光密度をｑｍ（ｒ）とすると、蛍光に対する光の拡散方程式は、（４）式で表される。
【００６１】
【数３】
【００６２】
また、蛍光の光密度ｑｍ（ｒ）は、マウス１２内の光密度Φｓ（ｒ）及び、蛍光標識剤の量子効率γ、モル吸光係数εを用いて、ｑｍ（ｒ）＝γ・ε・Ｎ（ｒ）・Φｓ（ｒ）と表すことができる。したがって、（４）式は（５）式に置き換えられる。
【００６３】
【数４】
【００６４】
ここで、マウス１２の光学特性である吸収係数μａ（ｒ）、等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散計数Ｄ（ｒ））が既知であれば、（３）式及び（５）式では、Ｄｓ（ｒ）＝Ｄｍ（ｒ）＝Ｄ（ｒ）、μａｓ（ｒ）＝μａ（ｒ）＋ε・Ｎ（ｒ）、μａｍ（ｒ）＝μａ（ｒ）と置き換えられる。ここから、（３）式及び（５）式は、（６）式及び（７）式に置き換えられる。なお、ε・Ｎ（ｒ）は蛍光標識剤による吸収を表す。
【００６５】
【数５】
【００６６】
また、蛍光標識剤が光源となる蛍光の強度は、励起光の強度Φｓ（ｒ）に基づくものである。これは、励起光の光源の強度ｑｓ（ｒ）が既知となり、等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散係数Ｄ（ｒ））及び吸収係数μａ（ｒ）を既知とすることにより、有限要素法などの数値解析手法によりマウス１２内の光強度Φｓ（ｒ）を順問題として求めることができる。
【００６７】
これに基づき、データ処理装置１６では、計測データＭ（ｘ、θ、ｍ）を用いて、順問題計算と１系統の逆問題計算を行い、検体ホルダ３０の内部のマウス１２の蛍光標識剤から発せられる蛍光の濃度分布Ｎ（ｒ）を得るようにしている。
【００６８】
一方、図５に示されるように、光計測装置１４では、スライダ５６の駆動原として、例えばステッピングモータ５６Ａが設けられている。スライダ５６では、ステッピングモータ５６Ａにより図示しない送りねじが回転されて、スライドベース５８が移動される（図３参照）。コントローラ６２は、駆動回路６６を介してステッピングモータ５６Ａの駆動を制御する。
【００６９】
これにより、光計測装置１４では、ステッピングモータ５６Ａの駆動に基づいて、計測ヘッド部２２の計測面９２に対する検体ホルダ３０の相対位置が把握されている。
【００７０】
図２に示されるように、本実施の形態に適用した検体ホルダ３０では、上型ブロック３２に形成された凹部３２Ａ及び、下型ブロック３４に形成された凹部３４Ａによりマウス１２を保定する。このときに、検体ホルダ３０では、基準面３８に対する凹部３２Ａ、３４Ａの位置により、検体ホルダ３０内でのマウス１２の位置が定まるようになっている。
【００７１】
さらに、図６（Ａ）に示されるように、マウス１２の解剖学的な臓器構造は揃っているため、マウス１２が検体ホルダ３０に保定されているとき、マウス１２の体格によって所定の計測面９２に位置する臓器はほぼ同じであると考えることができる。このとき、本実施の形態に係る光計測装置１４の計測位置ｘ１〜ｘ１５は、マウス１２の胸部１００、腹部１０２、腰部１０４に位置している。なお、以下では、肺・心臓・胃・肝臓・腸・腎臓などの内臓器官に加えて、骨組織、及び、筋肉・脂肪などの軟部組織を総称して臓器という。
【００７２】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の胸部１００に含まれる位置での断面図である。図６（Ｂ）に示されるように、マウス１２の胸部１００には、骨１０６Ａの周りに肺１０８や心臓１１０が位置しており、これらを覆うように骨１０６Ｂ、筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７３】
また、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の腹部１０２に含まれる位置での断面図である。図６（Ｃ）に示されるように、マウス１２の腹部１０２には、骨１０６Ａがあって、大部分を胃１１４や肝臓１１６が占めており、それらを覆うように筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７４】
さらに、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）に示すマウス１２の腰部１０４に含まれる位置での断面図である。図６（Ｄ）に示されるように、マウス１２の腰部１０４では、骨１０６Ａと、腸１１８や腎臓１２０などの内臓器官と、これらを覆う筋肉１１２・脂肪１２２が位置している。
【００７５】
すなわち、本実施の形態に係る光計測装置１４では、基準面３８に対する計測面９２の移動距離（計測位置ｘｎ）に基づいて、マウス１２の体長方向における計測面９２の位置を把握し、その計測面９２上でのマウス１２の臓器の分布を特定することが可能である。
【００７６】
ここで、表１に示されるように、マウス１２などの生体は、臓器によって光の吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’等の光学的特性が異なる。
【００７７】
【表１】
【００７８】
そこで、本実施の形態に係るデータ処理装置１６は、計測位置ｘｎに基づいて計測面９２上の臓器を特定し、臓器の位置及び臓器毎に異なる光学特性値（吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’）から光学特性分布を作成して、データ処理装置１６のＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４等に記憶している。
【００７９】
より具体的には、本実施の形態において、図６（Ａ）に示すように、検体ホルダ３０の基準面３８における中心を原点Ｏ、原点Ｏを通る検体ホルダ３０の移動方向をｘ軸とし、基準面３８上で、原点Ｏを通りｘ軸に対してそれぞれが互いに直交するようなｙ軸及びｚ軸として説明をする。このとき、図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示されるように、マウス１２の各断面である計測面９２は、ｚ軸及びｙ軸上となる。これにより、各計測面９２上をｙｚ座標として、マウス１２の断面を２次元座標で表すことができる。
【００８０】
すなわち、各断面内での臓器の分布を、各計測面９２上における原点Ｏに対するｙ軸、ｚ軸の２次元座標とし、主要な臓器の光学特性値（吸収係数μａ、等価散乱係数μｓ’）を座標位置で予め記憶している。なお、主要な臓器として肺・心臓・胃・肝臓・腸・腎臓・骨組織・筋肉・脂肪等があるが（表１参照）、これに限らず、他の臓器を用いることが可能である。
【００８１】
このようにして、光断層計測システム１０では、マウス１２の計測位置ｘｎに応じた臓器の分布に基づいて、光学特性値とされる吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）が設定され、臓器の分布に応じた光学特性分布がデータ処理装置１６のＲＯＭ８０又はＨＤＤ８４に記憶されている。データ処理装置１６では、この吸収係数μａ及び等価散乱係数μｓ’を吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）に設定し、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいた光断層画像の再構成を行うようになっている。
【００８２】
なお、実際には３次元であるが、これにより２次元で光学特性値を設定しておき、演算に用いることができる。
【００８３】
以下に、本実施の形態に係る光断層計測システム１０における光断層画像の再構成を説明する。
【００８４】
図７には、光断層計測システム１０に設けている光計測装置１４での計測処理の概略が示されている。このフローチャートは、マウス１２を収容した検体ホルダ３０が光計測装置１４に装填されて、計測処理の開始が指示されると実行される。なお、ここでは、計測位置ｘを計測位置ｘｎとして、間隔Δｘ（例えば、Δｘ＝３ｍｍ）でｎ＝１〜１５までの計測を行う。計測位置ｘｎのそれぞれで、光源ユニット４０の回転位置θを回転位置θｐとして、３０°間隔でｐ＝１〜１２まで順に回転し、ｍ＝１〜１１の各受光ユニット４２で蛍光の計測を行う。また、光計測装置１４の作動はデータ処理装置１６により制御される。
【００８５】
最初のステップ２００では、初期設定を行い、ｍ＝０、ｎ＝０、ｐ＝０に設定し、ステップ２０２では、ｎをインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）する。次に、ステップ２０４では、ステッピングモータ５６Ａを駆動してスライダ５６を作動させることにより、マウス１２の計測位置ｘｎの初期位置（計測位置ｘ１）が計測ヘッド部２２に対応するように移動する。
【００８６】
マウス１２を、蛍光の計測を行う計測位置ｘnへ移動すると、ステップ２１４では、ｐをインクリメント（ｐ＝ｐ＋１）し、ステップ２１６でロータリーアクチュエータ２８を作動することにより、計測ヘッド部２２を回転し、光源ユニット４０を原位置θ１へ移動する。
【００８７】
この後、ステップ２１８では、光源ユニット４０の発光ヘッド６８を作動させて検体ホルダ３０へ励起光を照射する。これと共に、ステップ２２０では、ｍをインクリメント（ｍ＝ｍ＋１）して、ステップ２２２では、ｍに対応する受光ユニット４２で受光している蛍光の光量を計測位置ｘｎ、回転位置θｐにおける計測データＤ（ｍ）として読み込む。また、ステップ２２４では、全ての受光ユニット４２から計測データを読み込んだか否か（ｍ≧１１）を確認し、ｍ≧１１となっていなければ、ステップ２２４で否定判定して、ステップ２２０へ移行し、次の計測データＭ（ｍ）を読み込む。
【００８８】
このようにして、計測位置ｘｎ、計測角度θｐにおいて、受光ユニット４２の全ての計測データを読み込むと、ステップ２２４で肯定判定してステップ２２６へ移行し、光源ユニット４０の発光を停止すると共に、読み込んだ計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）をデータ処理装置１６へ出力する（ステップ２２８）。
【００８９】
次のステップ２３０では、計測位置ｘｎで光源ユニット４０を全周に移動した（ｐ≧１２）か否かを確認し、否定判定された場合は、ｍをリセット（ｍ＝０）して（ステップ２３２）、ステップ２１４へ移行する。
【００９０】
このようにして、計測位置ｘｎにおいて、光源ユニット４０を計測位置θ１〜θ１２まで回転して、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）の計測を終了すると、ステップ２３０で肯定判定され、ステップ２３４へ移行する。このステップ２３４では、全ての計測位置ｘｎでの計測が終了したか否か（ｎ≧１５）を確認し、否定判定された場合は、ステップ２３６で、ｍ＝０及びｐ＝０に設定して、ステップ２０２へ移行し、次の計測位置ｘｎにおける計測を開始する。また、全ての計測位置ｘｎ（ｘ１〜ｘ１５）での計測が終了すると、ステップ２３４で肯定判定され、計測処理を終了する。なお、計測処理が終了したときには、スライダ５６が作動されて検体ホルダ３０が着脱位置に戻される。
【００９１】
一方、図８には、光計測装置１４の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいたデータ処理装置１６での処理の概略を示している。このフローチャートは、光計測装置１４での計測処理が開始されることにより実行される。
【００９２】
このフローチャートでは、ステップ２５０及びステップ２５２で、先ず計測位置ｘｎの設定を行う。なお、ここでは、ｎを初期化（ｎ＝０）した後にインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）することにより、最初の計測位置ｘｎ（計測位置ｘ１）に設定する。
【００９３】
次のステップ２６０では、光計測装置１４から出力される計測データを順に読み込み、ステップ２６２では、計測位置ｘｎにおいて、光源ユニット４０の１周分の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）（ｐ＝１〜１２までのデータ）の読み込みを終了したか否かを確認する。
【００９４】
ここで、１周分の計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）を読み込むと、ステップ２６２で肯定判定してステップ２６３へ移行する。ステップ２６３では、計測位置ｘｎにおけるマウス１２の光学特性値である吸収係数μａ（ｒ）及び透過散乱係数μｓ’（ｒ）を読み出し設定する。
【００９５】
本実施の形態では、ステッピングモータ５６Ａの駆動により計測面９２に対する検体ホルダ３０の相対位置から、マウス１２の体長方向における計測面９２の位置を特定し、この位置のマウス１２の光学特性分布を２次元座標で把握している。そこで、計測面９２に係るｙ軸、ｚ軸の２次元座標の全部、すなわち原点Ｏに対する座標位置（ｒ）毎に予め設定されている吸収係数μａ（ｒ）、等価散乱係数μｓ’（ｒ）を読み込む。
【００９６】
次のステップ２６４では、読み込んだ計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）から、蛍光強度分布（蛍光強度分布Φｍ（ｒ）meas）を算出する。すなわち、計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）に基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measを取得する。
【００９７】
この後、ステップ２６６では、マウス１２を含めた検体ホルダ３０内の蛍光（蛍光標識剤）の濃度分布Ｎ（ｒ）の初期値を設定し、ステップ２６８では、設定された濃度分布Ｎ（ｒ）と、先に設定した吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）（拡散係数Ｄ（ｒ））に基づいて、マウス１２から放出された蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを計算する。すなわち、仮想的な蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを取得する。この蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、数学的モデルである光拡散方程式を有限要素法などの数値解析手法を用いた公知の順問題計算として容易に演算することができる。
【００９８】
すなわち、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcは、（６）式又は（８）式から得られ、励起光と蛍光をあわせた光強度分布Φｔ（ｒ）calcは、（９）式から得られる。また、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcは、励起光強度分布Φｓ（ｒ）calcと光強度分布Φｔ（ｒ）calcとから得られる（（１０）式参照）。
【００９９】
【数６】
【０１００】
次のステップ２７０では、計測データに基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと、演算結果に基づいた蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcを比較し、ステップ２７２では、一致しているか否かを確認する。この判定は、例えば、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとの二乗誤差ｙを用い、二乗誤差ｙが、予め設定した規定値内か否かから判断するものであっても良い。
【０１０１】
ここで、二乗誤差ｙが規定値より大きく、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcが一致していないと判断されるときには、ステップ２７２で否定判定されてステップ２７４へ移行する。
【０１０２】
このステップ２７４では、関数行列（Jacobian matrix）を用いた公知の手法で光学特性値の変化に対する光強度分布の変化を演算する。また、次のステップ２７６では、Levenberg Marqurdt法などの最適化手法による逆問題計算を用いて蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcの誤差（例えば、二乗誤差ｙ）を評価する。すなわち、二乗誤差ｙは、（１１）式から得られ、この二乗誤差ｙを評価する。なお、γは量子効率、εはモル吸光係数としている。
【０１０３】
【数７】
【０１０４】
また、このステップ２７６では、この二乗誤差ｙを最小とする蛍光標識剤での蛍光の吸収εＮ、すなわち、蛍光標識剤の濃度分布Ｎ（ｒ）を推定する。これは、光拡散方程式である（７）式又は（１２）式を用いた逆問題計算を行うことにより推定することができる。
【０１０５】
【数８】
【０１０６】
このようにして濃度分布Ｎ（ｒ）を求めると、ステップ２７８では、この演算結果に基づいて濃度分布Ｎ（ｒ）を更新する。
【０１０７】
データ処理装置１６では、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとが一致したとみなされるまで、ステップ２６８からステップ２７８を繰り返す。
【０１０８】
これにより、蛍光強度分布Φｍ（ｒ）measと蛍光強度分布Φｍ（ｒ）calcとが一致したとみなされると、ステップ２７２で肯定判定してステップ２８０へ移行し、このときの濃度分布Ｎ（ｒ）を計測データＭ（ｘｎ、θｐ、ｍ）から得られた濃度分布Ｎ（ｒ）として格納する。この濃度分布Ｎ（ｒ）を用いることにより、計測位置ｘｎにおける蛍光分布の断層画像が得られる。
【０１０９】
このようにして、計測位置ｘｎに対する演算が終了すると、ステップ２８２では、全ての計測位置ｘｎに対する処理が終了したか否かを確認（ｎ≧１５）し、否定判定された場合には、ステップ２５２へ移行し、次の計測位置ｘｎに対する処理を行う。
【０１１０】
このように、データ処理装置１６では、マウス１６の光学的特性である吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）を予め設定することにより、蛍光強度の計測データがあれば、蛍光の濃度分布（ｒ）を得ることができるので、計測の簡略化及び計測時間の短縮を図ることができる。また、データ処理装置１６では、光拡散方程式の逆問題計算が、蛍光に対して行えば良いので、処理負荷の軽減が図られる。
【０１１１】
また、光断層計測システム１０では、名側面９２内における座標（ｒ）毎に適切に吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）を設定できるので、マウス１２の全体を同じ吸収係数μａ（ｒ）及び等価散乱係数μｓ’（ｒ）に設定する場合に比べて、高精度の蛍光の濃度分布Ｎ（ｒ）を得ることができる。
【０１１２】
例えば、図９では、マウス１２の胸部１００の断面を示している。マウス１２の計測面９２上には、骨１０６Ａ、心臓１１０及びこれらを覆う筋肉１１２と共に、それぞれに蛍光標識剤が付着した肺１０８が存在している。この計測面９２の蛍光の濃度分布の再構成を行う際に、本実施の形態に係る光断層計測システム１０を用いた結果を図１０に示し、用いない結果を図１１に示す。
【０１１３】
このとき、図１１では、光学特性値をマウス１２の全身の平均値を設定している。このため、再構成画像では図９の蛍光標識剤１５０と比較して、蛍光標識剤１５０の形状が崩れている。また、本来存在しないノイズ（アーチファクト）１５２Ｂの数も多く、蛍光濃度も高いため、ノイズであるか否かの判断も付けにくい。
【０１１４】
一方、図１０では、光学特性値を三次元的に設定しているため、計測面９２上の２つの蛍光標識剤１５０が精度よく表されている（蛍光濃度が高い）。また、ノイズ１５２Ａが表示されていても、その濃度が低いため、ノイズであることが明確に分かる。
【０１１５】
なお、以上説明した本実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。本発明は、光断層計測システム１０に限らず、励起光を計測対象とする生体に照射し、この励起光により計測対象から放出される蛍光を、計測対象の周囲の複数位置で計測する任意の構成の光断層計測装置に適用することができる。
【０１１６】
また、本実施の形態では、平均的な体格のマウス１２の臓器分布を想定して断面毎の光学特性値分布を設定しているが、これに限られず、マウス１２の体格毎の臓器分布を想定して、断面毎の光学特性値分布を複数パターン設定しておいてもよい。この場合、データ処理装置１６において、ユーザが計測対象のマウス１２の体格に応じた光学特性値分布パターンを選択するようにすればよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１０ 光断層計測システム１０
１２ マウス１２（計測対象）
１４ 光計測装置
１６ データ処理装置（構成手段、特定手段、取得手段）
４０ 光源ユニット（照射手段）
４２ 受光ユニット（受光手段）
５６ スライダ（移動手段）
５６Ａ ステッピングモータ（移動手段）
９２ 計測面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光標識剤が投与された計測対象である生体の体長方向と交差する計測面上となるように光軸が配置され、前記計測対象へ励起光を照射する照射手段と、
それぞれの光軸が前記計測面上となるように配置され、前記照射手段から照射された前記励起光により前記蛍光標識剤から発せられて前記計測対象から周囲に放出される蛍光を受光する複数の受光手段と、
前記計測対象の光学特性分布を記憶する記憶手段と、
前記体長方向における前記計測面の位置を特定する特定手段と、
前記特定手段で特定した位置に応じた光学特性分布を前記記憶手段から取得する取得手段と、
前記受光手段のそれぞれで受光した前記蛍光の強度及び前記取得手段で取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する構成手段と、
を含む光断層計測装置。
【請求項２】
前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って前記計測対象に対して相対移動することにより、前記計測面を移動する移動手段をさらに含み、
前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する請求項１に記載の光断層計測装置。
【請求項３】
前記光学特性分布は、前記生体を構成する肺、心臓、胃、肝臓、腸、腎臓、骨、筋肉、脂肪の少なくとも１つに応じて予め設定されている請求項１又は請求項２記載の光断層計測装置。
【請求項４】
前記光学特性分布は、光の吸収係数及び等価散乱係数で構成される請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光断層計測装置。
【請求項１】
蛍光標識剤が投与された計測対象である生体の体長方向と交差する計測面上となるように光軸が配置され、前記計測対象へ励起光を照射する照射手段と、
それぞれの光軸が前記計測面上となるように配置され、前記照射手段から照射された前記励起光により前記蛍光標識剤から発せられて前記計測対象から周囲に放出される蛍光を受光する複数の受光手段と、
前記計測対象の光学特性分布を記憶する記憶手段と、
前記体長方向における前記計測面の位置を特定する特定手段と、
前記特定手段で特定した位置に応じた光学特性分布を前記記憶手段から取得する取得手段と、
前記受光手段のそれぞれで受光した前記蛍光の強度及び前記取得手段で取得した光学特性分布に基づいて、前記計測面上の蛍光の濃度分布を構成する構成手段と、
を含む光断層計測装置。
【請求項２】
前記照射手段及び前記受光手段を組にして前記体長方向に沿って前記計測対象に対して相対移動することにより、前記計測面を移動する移動手段をさらに含み、
前記特定手段は、前記移動手段の移動量に基づいて計測面の位置を特定する請求項１に記載の光断層計測装置。
【請求項３】
前記光学特性分布は、前記生体を構成する肺、心臓、胃、肝臓、腸、腎臓、骨、筋肉、脂肪の少なくとも１つに応じて予め設定されている請求項１又は請求項２記載の光断層計測装置。
【請求項４】
前記光学特性分布は、光の吸収係数及び等価散乱係数で構成される請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光断層計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１４９４２（Ｐ２０１１−２１４９４２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２２３８（Ｐ２０１０−８２２３８）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]