JPH0620458B2 - High directivity imaging element and high directivity imaging device - Google Patents
High directivity imaging element and high directivity imaging deviceInfo
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- JPH0620458B2 JPH0620458B2 JP1062898A JP6289889A JPH0620458B2 JP H0620458 B2 JPH0620458 B2 JP H0620458B2 JP 1062898 A JP1062898 A JP 1062898A JP 6289889 A JP6289889 A JP 6289889A JP H0620458 B2 JPH0620458 B2 JP H0620458B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は生体等の散乱体内の吸収分布を検出するのに適
した高指向性結像素子及び高指向性結像装置に関するも
のである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a highly directional imaging element and a highly directional imaging apparatus suitable for detecting an absorption distribution in a scattering body such as a living body.
X線の発見以来、生体(人体)内部を外部より損傷を与
えずに観察する技術(非観血的、あるいは無侵襲的計測
法)は、生物学、特に医学の分野で強く求められ発達し
てきた。この技術は電磁波として見ると最も波長の短い
ガンマ線やX線と、最も波長の長いラジオ波が使用され
ている。前者はX線CTとして、後者はNMR−CT
(Magnetic Resonance Imagi
ng,MRI)として実用化されている。Since the discovery of X-rays, a technique (non-invasive or non-invasive measurement method) for observing the inside of a living body (human body) from the outside without any damage has been strongly demanded and developed in the field of biology, particularly in medicine. It was This technology uses gamma rays and X-rays having the shortest wavelengths when viewed as electromagnetic waves, and radio waves having the longest wavelength. The former is X-ray CT and the latter is NMR-CT.
(Magnetic Resonance Image
ng, MRI).
一方物理や化学の分野で広く用いられている紫外−可視
−近赤外−赤外の領域の分光学を“丸ごと”の生体(i
n vivo)へ応用する試みは比較的少ない。これは
光を用いた主体計測、特に吸収や発光の過程を利用する
ものにおいて、もっとも基本的な“定量性”に関し多く
の問題が解決されずに残されているからである。現在、
固体素子を用いた反射スペクトルの測定装置や高感度T
Vカメラ等による計測が試みられているが、再現性や得
られた絶対値に対し信頼性が少ないのはこの理由によ
る。On the other hand, the spectroscopy of ultraviolet-visible-near-infrared-infrared region, which is widely used in the fields of physics and chemistry, is called "whole body" (i.
There are relatively few attempts to apply it to (n vivo). This is because many problems regarding the most basic "quantitativeness" remain unsolved in the main measurement using light, especially those utilizing the processes of absorption and light emission. Current,
A reflection spectrum measuring device using a solid-state element and a high sensitivity T
Although measurement with a V camera or the like has been attempted, it is for this reason that the reproducibility and the reliability of the obtained absolute value are low.
生体組織のような散乱体で光を照射した際、180゜向
かい合わせで受光すればある程度直進光を取り出すこと
ができるが、今のところ、その空間分解能はあまり良い
とはいえない。When light is emitted from a scatterer such as a biological tissue, straight light can be extracted to some extent by receiving light 180 degrees facing each other, but at present, its spatial resolution is not very good.
X線と光とでの空間分離能の差は今のところ埋めること
はできない。しかしながら光、特に近赤外光を用いる
と、血液中のヘモグロビンから組織酸素濃度のイメージ
ングができるはずである。これらは他のNMR−CTや
X線CTと異なった情報を与えてくれるであろう。The difference in spatial separation between X-rays and light cannot be filled up so far. However, the use of light, especially near infrared light, should allow imaging of tissue oxygen concentration from hemoglobin in blood. These will give different information from other NMR-CT and X-ray CT.
3〜5cmの厚さの組織ならばわれわれは透過してきた光
を検出することができる。このことは“光−レントゲン
写真”を診断に使えることを意味する。女性の乳房は組
織が比較的均一であり光が透過しやすく、またその形状
から透過光の検出(厚さ:〜3cm程度)が容易であり、
古くから乳ガンの診断に、Diaphanograph
y(Lightscanning)という名で用いられ
てきた。このような従来の診断装置について第38図に
より説明する。With a tissue thickness of 3-5 cm, we can detect the transmitted light. This means that "light-radiography" can be used for diagnosis. Female breasts have relatively uniform tissue and light is easily transmitted, and the transmitted light can be easily detected (thickness: about 3 cm) from its shape,
Diaphanograph has been used to diagnose breast cancer since ancient times.
It has been used under the name y (Light scanning). Such a conventional diagnostic device will be described with reference to FIG.
第38図は従来の光吸収分布像を得る装置構成を示す図
である。図中、401はスキャンヘッド、403は人
体、405はビデオカメラ、407はA/Dコンバー
タ、409は近赤外光フレームメモリ、411は赤色光
フレームメモリ、413はプロセッサ、415はカラー
変換処理部、417はエンコーダキーボード、419は
D/Aコンバータ、421はプリンタ、423はテレビ
モニタ、425はビデオテープレコーダである。FIG. 38 is a diagram showing the configuration of a conventional device for obtaining a light absorption distribution image. In the figure, 401 is a scan head, 403 is a human body, 405 is a video camera, 407 is an A / D converter, 409 is a near infrared light frame memory, 411 is a red light frame memory, 413 is a processor, 415 is a color conversion processing unit. Reference numeral 417 is an encoder keyboard, 419 is a D / A converter, 421 is a printer, 423 is a television monitor, and 425 is a video tape recorder.
赤色光(主に血液中のヘモグロビンが強く吸収する)と
近赤外光(血液、水分、脂肪、その他が吸収する)を交
互にライトガイドを介してスキャンヘッド401により
人体の被測定部位、例えば乳房に照射しつつ走査する。
図では下から上方へ光が照射されている。その結果乳房
全体が明るく光り、この透過像をビデオカメラ405で
捉え、A/Dコンバータ407でデジタル信号に変換
し、デジタルスイッチを介して近赤外光、赤色光をそれ
ぞれフレームメモリ409,411に取り込み、両フレ
ームメモリのデータから、プロセッサ413で近赤外光
および赤色光の強度比を演算し、さらにカラー変換処理
してアナログ信号に変換し、プリンタやテレビモニタ、
ビデオテープで光吸収分布像を観測する。Red light (mainly strongly absorbed by hemoglobin in blood) and near-infrared light (absorbed by blood, water, fat, etc.) are alternately passed through the light guide by the scan head 401 to a measurement site of the human body, for example, Scan while illuminating the breast.
In the figure, light is emitted from the bottom to the top. As a result, the whole breast shines brightly, this transmission image is captured by the video camera 405, converted into a digital signal by the A / D converter 407, and near-infrared light and red light are respectively stored in the frame memories 409 and 411 via the digital switch. The processor 413 calculates the intensity ratio of near-infrared light and red light from the data in both frame memories, and further performs color conversion processing to convert into an analog signal.
Observe the light absorption distribution image on a video tape.
この装置においてはスキャンヘッド401からの光は平
行光ではなく、恰も懐中電燈で照らしたのと同じように
組織(乳房)で拡がっており、これをビデオカメラのよ
うな2次元検出器で受けるので分解能はあまり良くな
い。In this device, the light from the scan head 401 is not parallel light, and the light is spread by the tissue (breast) as if it was illuminated by a flashlight, and this is received by a two-dimensional detector such as a video camera. The resolution is not very good.
この点を改良し、コリメートした照射−受光システムを
用いた例を第39図により説明する。An example in which this point is improved and a collimated irradiation-light reception system is used will be described with reference to FIG.
第39図はコリメートした照射−受光系を使用した従来
の光吸収分布像を得る装置構成を示す図である。FIG. 39 is a diagram showing the configuration of a conventional device for obtaining a light absorption distribution image using a collimated irradiation-light receiving system.
この例においては、光源にレーザ光を使用し、光ファイ
バ433でレーザを導いて測定対象435に照射し、そ
の透過光をファイバコリメータ437で捉えて検出器4
43で電気信号に変換し、前処理回路445、A/Dコ
ンバータ447、インターフェース449を介してコン
ピュータ451で信号処理する。この場合に照射用光フ
ァイバ433と検出用のファイバコリメータ437をモ
ータ439で同期してスキャニングすることにより測定
対象各部位の光吸収分布像を得てモニタ453で観察し
ている。In this example, a laser beam is used as a light source, a laser is guided by an optical fiber 433 to irradiate a measurement target 435, and the transmitted light is captured by a fiber collimator 437 and detected by a detector 4
The signal is converted into an electric signal by 43, and the signal is processed by the computer 451 through the preprocessing circuit 445, the A / D converter 447, and the interface 449. In this case, the irradiation optical fiber 433 and the fiber collimator 437 for detection are synchronously scanned by the motor 439 to obtain a light absorption distribution image of each site of the measurement target and observe it on the monitor 453.
なお、光源は赤色光として633nmのHe−Neレー
ザー、近赤外光として830nmの半導体レーザーを用
いる。この診断装置は1977年,Jobsisらがネ
コや人の頭部に近赤外光を照射して透過した光の検出に
成功し、その透過光量が動物の呼吸状態で変動すること
を報告した。700〜1500nmの波長の近赤外光は
ネコの頭程度の大きさの組織であれば5mW程度の照射
光量で十分に透過した光を検出でき、この光量は現在の
レーザーの安全基準の約1/50以下である。また、わ
れわれが海岸で浴びる近赤外光の約1/10程度でもあ
り非常に安全である。As a light source, a He-Ne laser of 633 nm is used as red light, and a semiconductor laser of 830 nm is used as near-infrared light. In 1977, Jobsis et al. Succeeded in detecting the light transmitted by irradiating the heads of cats and humans with near-infrared light, and reported that the amount of transmitted light fluctuates depending on the respiratory condition of the animal. Near-infrared light with a wavelength of 700 to 1500 nm can detect sufficiently transmitted light with an irradiation light amount of about 5 mW if the tissue is about the size of a cat's head. This light amount is about 1 of the current laser safety standards. / 50 or less. Also, it is about 1/10 of the near infrared light that we see on the coast, which is very safe.
ところで、生体等に照射した場合、その透過光は試料に
よる吸収と散乱が生ずる。By the way, when a living body is irradiated, the transmitted light is absorbed and scattered by the sample.
第40図はTwerskyの散乱理論曲線を示す図であ
り、赤血球浮遊液の吸光度とヘマトクリプト濃度との関
係を求めたもので、波長940nmのレーザ光を照射し
たとき得られる透過光強度及び透過光の散乱成分と吸光
度成分とを示したものである。FIG. 40 is a diagram showing a Twersky's theory of scattering, in which the relationship between the absorbance of erythrocyte suspension and the hematocrypt concentration was determined, and the transmitted light intensity and transmitted light obtained when laser light with a wavelength of 940 nm was irradiated. 2 shows the scattering component and the absorbance component of.
第40図から分かるように、透過光には吸光度成分に大
きな散乱成分が重畳されている。散乱成分は方向性がな
いため、いろいろな部位からの散乱光が含まれてしま
い、光断層像をぼけたものにしてしまう性質がある。そ
のため単に透過光を検出してもこの散乱成分のために必
要な情報の吸光度成分を精度よく検出することができな
い。As can be seen from FIG. 40, the transmitted light has a large scattering component superimposed on the absorbance component. Since the scattered component has no directivity, scattered light from various parts is included, which has the property of making the optical tomographic image blurred. Therefore, even if the transmitted light is simply detected, the absorbance component of the information necessary for the scattered component cannot be detected accurately.
ところで、第38図、第39図に示すような従来の装置
において、第41図(a)〜(c)、第42図(a)、(b)のいず
れかに示す方式で透過光を検出している。By the way, in a conventional device as shown in FIGS. 38 and 39, transmitted light is detected by any of the methods shown in FIGS. 41 (a) to (c), 42 (a) and (b). is doing.
第41図(a)は試料460に対して細束ビームを照射
し、所定の開口径を有するスクリーン462を通して検
出器464で透過光を検出する方式である。しかし、細
束ビームは試料により散乱されて検出器に前の開口径に
よって決まる受光指向性の光束が検出されているので、
細束ビームの広がり具合で直進光束以外の光、即ち、散
乱成分も検出してしまうことになる。FIG. 41 (a) shows a system in which a sample 460 is irradiated with a fine-bundle beam and transmitted light is detected by a detector 464 through a screen 462 having a predetermined aperture diameter. However, since the fine-bundle beam is scattered by the sample and a light-receiving directional light beam determined by the front aperture diameter is detected by the detector,
Light other than the straight light flux, that is, a scattered component will also be detected depending on the degree of spread of the fine bundle beam.
第41図(b)は太束平面波を試料460に照射し、所定
の開口径を有するスクリーン462を通して透過光を検
出器464で検出する方式である。この場合も、同様に
開口径によって決まる受光指向性内の光束が検出され、
直進する光束以外の散乱光も検出することになる。FIG. 41 (b) shows a method in which a thick bundle plane wave is applied to the sample 460 and transmitted light is detected by a detector 464 through a screen 462 having a predetermined aperture diameter. In this case as well, the light flux within the light receiving directivity determined by the aperture diameter is similarly detected,
Scattered light other than the light flux that travels straight will also be detected.
第41図(c)は試料460の後方にレンズ466を配置
して結像させ、検出器464で検出するようにしたもの
で、試料各点から出る発散球面波をレンズを用いて結像
点に結像する集束球面波として検出していることになる
ため、光束の直進成分だけでなくレンズの口径と焦点距
離で決まる受光指向性の光束が検出され、同様に散乱成
分を全て拾ってしまい、極めて解像度が悪いことにな
る。In FIG. 41 (c), a lens 466 is arranged behind the sample 460 to form an image, which is detected by the detector 464. The divergent spherical wave emitted from each point of the sample is imaged by the lens. Since it is detected as a focused spherical wave that forms an image at, not only the straight component of the light beam but also the light receiving directional light beam that is determined by the lens aperture and focal length is detected, and similarly, all the scattered components are picked up. , The resolution is extremely poor.
第42図はファイバコリメータで透過光を検出するもの
で、同図(a)はコアとクラッドとの屈折率を階段状に変
化させた方式、同図(b)はココアの屈折率に分布を持た
せた方式である。どちらの場合にも、ファイバコリメー
タはある立体角の範囲の光を受光してしまうため、直進
成分以外の光、即ち散乱光を受光してしまうことにな
り、極めて解像度の悪いものとなってしまう。FIG. 42 shows a method of detecting transmitted light with a fiber collimator. The figure (a) shows a method in which the refractive index of the core and the clad is changed stepwise, and the figure (b) shows the distribution of the refractive index of the cocoa. It is a method that has. In either case, since the fiber collimator receives light in a certain solid angle range, it receives light other than the straight-ahead component, that is, scattered light, resulting in extremely poor resolution. .
本発明は上記問題点を解決するためのもので、透過光に
多くの散乱成分が含まれる場合にも、その散乱成分を確
実に除去し、必要な吸収成分の情報のみを抽出すること
ができる高指向性結像素子及び高指向性結像装置を提供
することを目的とするものである。The present invention is for solving the above-mentioned problems, and even when many scattered components are contained in transmitted light, the scattered components can be surely removed, and only necessary information on the absorbing component can be extracted. An object of the present invention is to provide a high directivity image forming device and a high directivity image forming apparatus.
本発明においては、内壁面に光吸収材を塗布するか、コ
ア部分の屈折率をクラッド部分の屈折率より小さくした
直線状の中空細管、或いはこれらを束ねたもの、また壁
面に吸収材を塗布した複数のプレート2組を互いに交差
させて配置した高指向性結像系を使用する。レーザー光
がコヒーレントな光波であり、鋭い指向性を有すること
を利用し、レーザー光を測定対象に照射してその透過光
を高指向性結像系で受光する。入力波がフラウンホーフ
ァ回折により平面波となり、その直進成分だけを検出
し、直進成分以外は減衰させてしまう。すなわち、イン
コヒーレント光、散乱光などの無指向性な光は、高指向
性結像系で受光すると、減衰が大きくて結像系からの再
放出光は利用出来る程の強さではなく、レーザー光のよ
うなコヒーレント光は、あまり減衰せず強い再放出光と
して取り出すことができる。したがって、本発明は、コ
ヒーレント光をインコヒーレント光から分離する機能を
有している。このような高指向性結像系を使用し、人体
等の散乱体を含む対象物にレーザ光を照射してその透過
光を検出することにより、散乱成分の影響を除去して高
解度の光断層像を観測することが可能となる。In the present invention, a light absorbing material is applied to the inner wall surface, or a linear hollow thin tube in which the refractive index of the core portion is smaller than the refractive index of the cladding portion, or a bundle of these, or an absorbent material is applied to the wall surface. A highly directional imaging system is used in which two sets of the above-mentioned plurality of plates are arranged so as to intersect each other. Utilizing the fact that the laser light is a coherent light wave and has a sharp directivity, the laser light is applied to the measurement target and the transmitted light is received by the highly directional imaging system. The input wave becomes a plane wave due to Fraunhofer diffraction, and only the rectilinear component is detected, and the components other than the rectilinear component are attenuated. That is, when non-directional light such as incoherent light and scattered light is received by a highly directional imaging system, the attenuation is large and the re-emitted light from the imaging system is not strong enough to be used by the laser. Coherent light such as light can be extracted as strong re-emitted light without much attenuation. Therefore, the present invention has a function of separating coherent light from incoherent light. By using such a highly directional imaging system, by irradiating an object including a scatterer such as a human body with a laser beam and detecting the transmitted light, the influence of the scattered component is removed and a high resolution is obtained. It becomes possible to observe an optical tomographic image.
本発明はレーザー光を照射光源として使用し、生体のよ
うな散乱成分を多く含む透過光を検出して光断層像を得
る場合に、透過光のうち光軸に平行な直進成分のみを取
り出し、光軸に平行でない成分は減衰させることにより
散乱成分を確実に除去するものであり、光吸収情報のみ
を取り出すことができるので、極めて解像度よく生体等
の光断層像を観測することが可能となる。The present invention uses a laser light as an irradiation light source, and when detecting transmitted light containing a lot of scattered components such as a living body to obtain an optical tomographic image, only the straight-ahead component parallel to the optical axis of the transmitted light is extracted A component that is not parallel to the optical axis is attenuated to reliably remove the scattered component, and only the optical absorption information can be extracted, so it is possible to observe an optical tomographic image of a living body or the like with extremely high resolution. .
以下、実施例を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明の光断層像画像化装置に使用する平面波
高指向性結像素子を示す図である。図中、100は高指
向性光学素子、103は光吸収材、105はコア、10
7はクラッドである。FIG. 1 is a diagram showing a plane-wave highly directional imaging element used in the optical tomographic imaging apparatus of the present invention. In the figure, 100 is a highly directional optical element, 103 is a light absorbing material, 105 is a core, 10
7 is a clad.
第1図(a)において、高指向性結像素子100は例えば
直線状の細長い中空のガラス繊維からなっており、その
内壁面には光吸収材、例えばカーボン等が塗布されてい
る。In FIG. 1 (a), the highly directional imaging element 100 is made of, for example, a linear elongated hollow glass fiber, and a light absorbing material such as carbon is applied to the inner wall surface thereof.
入射面105から光が入射したとすると、光学素子10
0の光軸に平行な光は直進して出射面107から出射す
るが、光軸に対して傾きをもった光は壁面に当たって吸
収材103により吸収されて出射面側には現れない。こ
こで、高指向性結像素子103の開口径をD、長さを
l、入射光の波長をλとしたとき、光軸に平行でない成
分が吸収され、出射面側で完全に平面波によるフランフ
ォーファー回折像として、略点光源となり、それを検出
することにより結果的に平面波のみ検出される長さl
は、l∝D2/λの関係がある。即ち、フランフォーフ
ァー回折像が観測できる距離である。If light is incident from the incident surface 105, the optical element 10
Light parallel to the optical axis of 0 goes straight out and is emitted from the emission surface 107, but light having an inclination with respect to the optical axis hits the wall surface and is absorbed by the absorber 103 and does not appear on the emission surface side. Here, when the aperture diameter of the high directional imaging element 103 is D, the length is 1, and the wavelength of the incident light is λ, a component that is not parallel to the optical axis is absorbed, and a flank completely generated by a plane wave is emitted on the exit surface side. As a Forfar diffraction image, it becomes a substantially point light source, and by detecting it, only the plane wave is detected as a length l
Has a relationship of l∝D 2 / λ. That is, this is the distance at which the Franforfer diffraction image can be observed.
例えばλ=6328Åの場合、D=10mmのとき、l=
600m、D=1mmのときl=6m、D=0.1mmのと
きl=6cm、D=0.01mmのときl=0.6mm、D=
1μmのときl=6μm、D=0.5μmのときl=
1.25μmである。For example, when λ = 6328Å, when D = 10 mm, l =
600 m, l = 6 m when D = 1 mm, l = 6 cm when D = 0.1 mm, l = 0.6 mm when D = 0.01 mm, D =
L = 6 μm when 1 μm, l = when D = 0.5 μm
It is 1.25 μm.
従って、適宜測定対象に応じて開口径と長さを設定し、
結像素子を入射開口径に比して充分長くすれば、高指向
性結像素子に入射した光のうち、光軸に平行な平面波の
みが出射面から取り出せることになる。但し、管径が入
射光の波長に比較して大きく略平面波伝播ができる必要
がある。もし入射光波長と同程度の径となると回折が大
きく出射面から取り出せる光量は極端に小さくなる。Therefore, set the aperture diameter and length appropriately according to the measurement target,
If the imaging element is made sufficiently longer than the entrance aperture diameter, only the plane wave parallel to the optical axis can be extracted from the exit surface of the light incident on the highly directional imaging element. However, it is necessary that the tube diameter is large as compared with the wavelength of the incident light so that substantially plane wave propagation can be performed. If the diameter is about the same as the wavelength of the incident light, the diffraction is large and the amount of light that can be extracted from the exit surface is extremely small.
第1図(b)は通常の光ファイバとは逆にコア109の屈
折率をクラッド111の屈折率よりも小さくしたもの
で、光軸に平行でない光はクラッド111で全反射され
ず散逸し、一部反射されたとしても何回か反射を繰り返
すうちに光軸でない光は全て光学素子外に失われてしま
い、結局出射面107からは光軸に平行な平面のみを取
り出すことができる。なお、第1図(a)(b)を組み合わ
せ、クラッドの内面に光吸収材を塗布するようにしても
よい。In FIG. 1 (b), the refractive index of the core 109 is made smaller than the refractive index of the cladding 111, contrary to the ordinary optical fiber. Light that is not parallel to the optical axis is dissipated without being totally reflected by the cladding 111, Even if it is partially reflected, all the light that is not the optical axis is lost to the outside of the optical element after repeating the reflection several times, and eventually only the plane parallel to the optical axis can be extracted from the emission surface 107. The light absorbing material may be applied to the inner surface of the clad by combining FIGS. 1 (a) and 1 (b).
第2図は第1図に示した高指向性結像素子を円筒状に束
ねた実施例を示す図である。図中、120は高指向性結
像系、121は放射指向パターンである。この放射性指
向性は、入射光波長λと管径Dで決まり、管径が小さい
程球面波放射に近づく。FIG. 2 is a view showing an embodiment in which the high directivity image forming elements shown in FIG. 1 are bundled in a cylindrical shape. In the figure, 120 is a high directivity imaging system, and 121 is a radiation directivity pattern. This radiative directivity is determined by the incident light wavelength λ and the tube diameter D, and the smaller the tube diameter, the closer to spherical wave radiation.
図に示すように、高指向性結像素子100を円筒状に束
ねて高指向性結像系120を構成すると、各高指向性結
像素子からは放射指向パターン121で示す出射光が得
られるので、入射側に散乱光および平面波を含む光を入
射させると、出射面107からは平面波によるフランフ
ォーファー回折像として略点光源となり、それを検出す
ることにより、結果的に平面波のみを検出することが可
能である。したがって、高指向性結像系120の受光面
を所定の大きさになるようにすれば、人体等の透過光を
所定の範囲で一度に検出することができ、光断層像を得
るための高解像検出器として使用することができる。As shown in the figure, when the high directivity imaging elements 100 are bundled in a cylindrical shape to form the high directivity imaging system 120, the outgoing light indicated by the radiation directivity pattern 121 is obtained from each high directivity imaging element. Therefore, when the light including the scattered light and the plane wave is incident on the incident side, it becomes a substantially point light source as a Franforfer diffraction image by the plane wave from the exit surface 107, and by detecting it, only the plane wave is detected. It is possible. Therefore, if the light receiving surface of the highly directional imaging system 120 is made to have a predetermined size, the transmitted light of the human body or the like can be detected at a time within a predetermined range, and a high light tomographic image can be obtained. It can be used as a resolution detector.
第3図は第2図に示した高指向性結像系の入射面側に凸
レンズを設けた例を示す図である。図中、123は凸レ
ンズ、125はピンホールである。FIG. 3 is a diagram showing an example in which a convex lens is provided on the incident surface side of the highly directional imaging system shown in FIG. In the figure, 123 is a convex lens and 125 is a pinhole.
第3図(a)は入射面に凸レンズ123を設けた例を示す
図であり、本実施例では凸レンズ123によりフランフ
ォーファー回折像を焦点面に作り、平面波の入射光を収
束させ、近軸光線以外は光学素子100の内面で吸収さ
せるようにしており、さらに光軸に平行な直進光成分の
み検出することできる。この場合高指向性結像素子の長
さは、レンズの焦点距離となりピンホールで光を取り出
す。FIG. 3 (a) is a diagram showing an example in which a convex lens 123 is provided on the incident surface. In this embodiment, a convex lens 123 is used to form a Franforfer diffraction image on the focal plane, and the plane wave incident light is converged to form a paraxial line. Other than light rays are absorbed by the inner surface of the optical element 100, and only the straight light component parallel to the optical axis can be detected. In this case, the length of the highly directional imaging element becomes the focal length of the lens and the light is extracted through the pinhole.
また、第3図(b)に示すように凸レンズ123の焦点位
置にピンホール125を設け、高指向性結像素子を長く
することもできる。この場合、ピンホール125の位置
は凸レンズの焦点距離をfとしたとき焦点位置で、検出
器の位置はレンズに対してfより遠方であればよいが、
2fより離すと高指向性光学素子の壁での損失が増大す
るので、f〜2fの範囲とすることが望ましい。Further, as shown in FIG. 3 (b), a pinhole 125 may be provided at the focal position of the convex lens 123 to lengthen the highly directional imaging element. In this case, the position of the pinhole 125 is the focal position when the focal length of the convex lens is f, and the position of the detector may be farther than f with respect to the lens.
If the distance is more than 2f, the loss in the wall of the highly directional optical element increases, so it is desirable to set it in the range of f to 2f.
第4図は高指向性結像系の入射面側に光ファイバ127
を設けた例を示す図で、光ファイバはコア部分の屈折率
がクラッド部分の屈折率よりも大きいため、第3図にお
ける凸レンズと同様の役割をし、指向性を向上させるこ
とが可能となる。これとは逆に高指向性結像系の出射面
側に、光ファイバーを設けることにより、フレキシブル
な像の取り扱いが可能となる。FIG. 4 shows an optical fiber 127 on the incident surface side of the highly directional imaging system.
In the figure showing an example in which the refractive index of the optical fiber is larger than that of the clad portion in the optical fiber, the optical fiber plays the same role as the convex lens in FIG. 3 and can improve the directivity. . On the contrary, by providing an optical fiber on the exit surface side of the highly directional imaging system, it is possible to handle the image flexibly.
第2図〜第4図に示したものは、例えば薄膜製造技術等
を応用することにより、第5図に示すようなマルチチャ
ンネルタイプに形成することにより高解像度の光学系と
して形成するようにしてもよい。The structure shown in FIGS. 2 to 4 is formed as a high resolution optical system by forming a multi-channel type as shown in FIG. 5 by applying a thin film manufacturing technique or the like. Good.
次に、第6図〜第8図により本発明の球面波高指向性結
像系を説明する。Next, the spherical wave height directivity imaging system of the present invention will be described with reference to FIGS.
第6図は球面波高指向性結像系の基本的な構成を示す図
で、各高指向性結像素子の光軸が一点から発散する形と
なるように放射状に束ねて円錐状に構成したものであ
る。FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration of a spherical wave high directivity imaging system, which is configured by conically bundling radially so that the optical axis of each high directivity imaging element diverges from one point. It is a thing.
本実施例においては、各高指向性結像素子100の光軸
に平行でない入射光は減衰してしまい、光軸に平行に進
行する球面波のみ出射面から取り出すことができる。In the present embodiment, incident light that is not parallel to the optical axis of each highly directional imaging element 100 is attenuated, and only spherical waves traveling parallel to the optical axis can be extracted from the exit surface.
第7図は第6図の光学系の入射面側に凸レンズ123を
設けたもので、凸レンズは第3図の場合と同様な作用を
し、より高指向性を向上させることができる。もちろ
ん、第7図の例においても第3図(b)で説明したと同様
にピンホールを設けて一層指向性を向上させるようにし
てもよい。FIG. 7 shows a structure in which a convex lens 123 is provided on the incident surface side of the optical system of FIG. 6, and the convex lens has the same function as in the case of FIG. 3 and can further improve the high directivity. Of course, also in the example of FIG. 7, pinholes may be provided to further improve the directivity, as described in FIG. 3 (b).
第8図は入射面側に光ファイバ127を設けたもので、
光ファイバは凸レンズと同様の働きをし、指向性を向上
させることができる。また、その逆の接属も可能であ
る。FIG. 8 shows an optical fiber 127 provided on the incident surface side.
The optical fiber has a function similar to that of a convex lens and can improve directivity. The opposite is also possible.
第9図は第6図〜第8図の高指向性結像素子の束ね方を
示す図で、各光学素子は同一点から放射状に発散する光
軸を有するように束ねることにより、球面波に対する高
指向性結像系を構成することができる。この場合、各高
指向性結像素子100を入射面側から出射面側に連続的
に太くなるように一端の径は小さく、他端の径は大きい
細管とすることにより、球面波の中心点から放射される
球面波のみを透過させる球面波高指向性結像系を構成す
ることができる。FIG. 9 is a view showing how to bundle the high-directivity image forming elements of FIGS. 6 to 8. Each optical element is bundled so as to have an optical axis radially radiating from the same point, so that a spherical wave A highly directional imaging system can be constructed. In this case, each high-directivity imaging element 100 is a thin tube having a small diameter at one end and a large diameter at the other end so that the diameter becomes continuously thicker from the incident surface side to the exit surface side. It is possible to configure a spherical wave height directivity imaging system that transmits only spherical waves radiated from the.
第10図は高指向性結像素子を矩形断面のもので構成し
た例を示し、矩形断面の各高指向性結像素子101を束
ねることにより、或いは複数のプレートを用い、一方に
孔を開けて交差させて構成してもよく、円筒状の光学系
の場合と同様に高指向性の光学系を構成することができ
る。FIG. 10 shows an example in which the high-directivity imaging element has a rectangular cross section, and a hole is formed in one by bundling the high-directivity imaging elements 101 having a rectangular cross section or using a plurality of plates. The optical system having a high directivity can be configured similarly to the case of the cylindrical optical system.
第11図は互いに直交するように分離配置した2組の光
学プレート群150,151により第10図の場合と同
様の高指向性結像系を構成した例を示す図である。本実
施例においては、まず高指向性光学プレート150によ
り、進行方向が垂直方向に光軸に対して角度を有する光
が減衰され、次に高指向性光学プレート151により、
進行方向が水平方向に光軸に対して角度を有する光線が
減衰させられ、結果として出射面側からは2組のプレー
トに平行な光線のみを取り出すことができる。FIG. 11 is a diagram showing an example in which a high directional imaging system similar to that in FIG. 10 is configured by two sets of optical plate groups 150 and 151 which are separately arranged so as to be orthogonal to each other. In the present embodiment, first, the high directivity optical plate 150 attenuates light whose traveling direction is perpendicular to the optical axis, and then the high directivity optical plate 151
Rays whose traveling direction is horizontal and have an angle with the optical axis are attenuated, and as a result, only rays parallel to the two sets of plates can be extracted from the exit surface side.
第12図(a)は矩形断面の球面積の球面波高指向性結像
系を示す図で、矩形断面積が連続的に大きくなるように
した複数の光学素子を束ねるか、垂直方向の高指向性光
学プレート群と、これに交差する高指向性光学プレート
群を、一点から発散する光軸を有するように放射状に交
差させることにより構成したものである。FIG. 12 (a) is a diagram showing a spherical wave height directivity imaging system having a rectangular cross-sectional spherical area, which is formed by bundling a plurality of optical elements whose rectangular cross-sectional areas are continuously large or by vertically directing high directivity. The optical optics plate group and the high directivity optics plate group intersecting with the optical optics plate group are radially arranged so as to have an optical axis diverging from one point.
また、第12図(b)は所定の角度で発散するように放射
状に分離配置した2組の高指向性光学プレート群16
1,162により構成した高指向性結像系を示し、第1
1図の場合と同様に各プレート群161,162によ
り、その光軸方向に進む球面波以外を全て減衰させて所
定の球面波のみを取り出すことができる。Further, FIG. 12 (b) shows two sets of highly directional optical plate groups 16 which are radially separated and arranged so as to diverge at a predetermined angle.
1 shows a highly directional imaging system composed of
As in the case of FIG. 1, each plate group 161, 162 attenuates all but the spherical wave propagating in the optical axis direction, and only a predetermined spherical wave can be extracted.
第13図は本発明における試料に対するレーザ光照射方
法を説明するための図で、図中170は試料、171は
ビーム縮小器、173は走査装置、175はビーム拡大
器、177は凸レンズである。FIG. 13 is a diagram for explaining a laser irradiation method for a sample in the present invention, in which 170 is a sample, 171 is a beam contractor, 173 is a scanning device, 175 is a beam expander, and 177 is a convex lens.
第13図(a)においてはビーム縮小器171によりビー
ムを細くし、走査装置173によりX軸、Y軸方向に走
査しながら試料170を照射する。試料170の透過光
は試料による吸収の情報を帯びた光と試料により散乱さ
れた光とからなり、この透過光を本発明の高指向性光学
系で検出することにより、散乱光を減衰させて吸収の情
報を帯びた光のみを検出することができる。In FIG. 13 (a), the beam is reduced by the beam reducer 171, and the sample 170 is irradiated while being scanned in the X-axis and Y-axis directions by the scanning device 173. The transmitted light of the sample 170 consists of light carrying information of absorption by the sample and light scattered by the sample. The transmitted light is detected by the highly directional optical system of the present invention to attenuate the scattered light. Only light bearing absorption information can be detected.
第13図(b)においてはレーザ光をビーム拡大器175
で拡大した平面波を試料170に照射することにより走
査機構を必要とせずに検出することができる。In FIG. 13B, the laser beam is expanded by the beam expander 175.
By irradiating the sample 170 with the expanded plane wave, it is possible to detect without requiring a scanning mechanism.
第13図(c)は凸レンズ177によりレーザ光から球面
波を得、これを試料170に照射するようにしたもの
で、この場合は本発明の球面波高指向性結像系を使用す
ることにより、吸収の情報を帯びた光のみを検出するこ
とができる。In FIG. 13 (c), a spherical wave is obtained from the laser light by the convex lens 177, and this is irradiated onto the sample 170. In this case, by using the spherical wave high directivity imaging system of the present invention, Only light bearing absorption information can be detected.
第14図は本発明の高指向性結像系を用いて試料透過光
を検出する例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of detecting sample-transmitted light using the highly directional imaging system of the present invention.
第14図(a)においては、試料から透過した直進する光
のみを検出する場合を示し、高指向性結像系100を使
用し、検出器180により各光学素子の直径と長さで決
まる光束のみ光学素子内を進行し、これを検出する。こ
の場合、管の長さを長くすることにより指向性を一層高
くすることがきる。FIG. 14 (a) shows the case of detecting only the straight-ahead light transmitted from the sample, which uses the highly directional imaging system 100 and uses the detector 180 to determine the light flux determined by the diameter and length of each optical element. Only travels through the optical element and detects this. In this case, the directivity can be further increased by increasing the length of the tube.
第14図(b)は球面波の透過光を検出する場合を示す図
で、球面波高指向性結像系130を使用し、検出器18
0により検出することにより所定の角度で発散する球面
波のみを検出することができる。FIG. 14 (b) is a diagram showing a case where the transmitted light of the spherical wave is detected, in which the spherical wave high directivity imaging system 130 is used and the detector 18
By detecting 0, only spherical waves diverging at a predetermined angle can be detected.
第14図(c)は望遠鏡を用いた本発明の他の実施例を示
す図である。図中、182は望遠鏡、184はレンズで
ある。本実施例においては望遠鏡182の焦点距離fが
カメラレンズに比較して非常に大きいレンズ184を使
用し、その開口径をDとすると、視野角はD/fで決ま
り、非常に小さくなる。従って試料に光を照射し、それ
から充分離れた距離l、但しlはl>fの距離に配置す
ることにより検出器に入ってくる光束は視野角の範囲の
ほぼ直進成分のみが得られる。但し、本実施例では充分
密に複数の望遠鏡を束ねることが困難であること、完全
なフランフォーファーの像ではないので多少ボケは生ず
る難点はあるが、シャープな画像を得ることができる。FIG. 14 (c) is a diagram showing another embodiment of the present invention using a telescope. In the figure, 182 is a telescope and 184 is a lens. In the present embodiment, when a lens 184 having a focal length f of the telescope 182 which is much larger than that of a camera lens is used and its aperture diameter is D, the viewing angle is determined by D / f and becomes very small. Therefore, by irradiating the sample with light and arranging it at a distance l sufficiently far from it, where l is a distance l> f, the light flux entering the detector can obtain only a straight-ahead component within the viewing angle range. However, in the present embodiment, it is difficult to bundle a plurality of telescopes in a sufficiently dense manner, and since it is not a perfect Franforfer image, there is a problem that some blurring occurs, but a sharp image can be obtained.
第14図(d)本発明の検出方式の概念図である。図中、
181はレーザ光源、170aは吸収体、170b,1
70cは散乱体、186はレンズである。FIG. 14 (d) is a conceptual diagram of the detection method of the present invention. In the figure,
181 is a laser light source, 170a is an absorber, 170b, 1
70c is a scatterer and 186 is a lens.
図に示すように、生体等の測定対象は散乱体170b,
170cおよび吸収体170aが併存する形になってお
り、これにレーザ光源を照射し、本発明の高指向性結像
系を用いて検出することにより散乱体による散乱成分は
除去し、吸収体による吸収成分のみ検出することができ
る。As shown in the figure, the measurement target such as a living body is a scatterer 170b,
170c and the absorber 170a coexist, and by irradiating this with a laser light source and detecting using the highly directional imaging system of the present invention, the scattering component by the scatterer is removed and Only absorbing components can be detected.
なお、本発明の高指向性結像系による検出は、第15図
(a)に示すように、直接検出器180により検出した場
合、各光学素子から得られる光が分離しているために像
が不連続な点の集まりとして観測されること、さらに各
受光素子からの光が干渉して不要な干渉縞が生じる可能
性がある。そこで、第15(b)に示すように、高指向性
結像系と検出器180の間にスリガラス183を挿入す
ることにより不連続な光の集まりとして観測される像を
平滑化して綺麗な像にすること、さらに各光学素子の出
力光の干渉性をなくして干渉縞が生じないようにするこ
とができる。The detection by the highly directional imaging system of the present invention is shown in FIG.
As shown in (a), when the light is directly detected by the detector 180, since the light obtained from each optical element is separated, the image is observed as a group of discontinuous points. Light may interfere with each other to generate unnecessary interference fringes. Therefore, as shown in FIG. 15 (b), by inserting a ground glass 183 between the highly directional imaging system and the detector 180, the image observed as a discontinuous collection of light is smoothed and a beautiful image is obtained. In addition, the interference of the output light of each optical element can be eliminated to prevent interference fringes.
高指向性結像系からの出力光の検出は第16図(a)に示
すように、点検出器185をX軸、Y軸方向に走査する
ことにより検出してもよく、また第16図(b)に示すよ
うに1次元アレイ検出器187を一方向、図ではY方向
に走査することにより検出してもよく、また16図(c)
に示すように、2次元検出器189により一度で検出す
るようにしてもよい。The output light from the highly directional imaging system may be detected by scanning the point detector 185 in the X-axis and Y-axis directions as shown in FIG. 16 (a). As shown in (b), it may be detected by scanning the one-dimensional array detector 187 in one direction, that is, in the Y direction in the figure.
Alternatively, the two-dimensional detector 189 may be used to detect at once.
なお、本発明においては連続色素レーザ、パターン色素
レーザ、YAGレーザ、半導体レーザ等のレーザ光を使
用することができ、また検出器としては可視領域、近赤
外領域を検出可能なフォトダイオード、フォトダイオー
ドアレイ、MOSアレイ、CCDセンサ等の半導体検出
器や光電子放出タイプのピジコン、イメージオルシコン
等を利用することができる。また増倍機能の付いた検出
器としてはダイノードやバランシェフォトダイオードと
2次電子検出を組合わせたもの、マイクロチャンネルプ
レートで2次電子増倍し、螢光面の螢光像をダイオード
アレイ、ビジコン、イメージオルシコン等で検出するも
の等、適宜使用することができる。In the present invention, laser light such as a continuous dye laser, a pattern dye laser, a YAG laser, and a semiconductor laser can be used, and the detector can be a photodiode capable of detecting a visible region or a near infrared region, a photo diode. A semiconductor detector such as a diode array, a MOS array, a CCD sensor, a photo-emission type pidicon, an image olicon, or the like can be used. As a detector with a multiplication function, a dynode or balunche photodiode combined with secondary electron detection is used, a secondary electron multiplication is performed with a microchannel plate, and the fluorescent image on the fluorescent surface is diode array, vidicon. , Those detected by image orthicon, etc. can be appropriately used.
第17図は本発明の光断層像画像化装置の全体構成を示
す図で、図中、201,203はレーザ、205はセク
タ、207はレーザ照射系、209は試料、211は検
出部、211aは高指向性結像系、211bは検出器、
211cは同期検波器、213はデータ処理部、213
aは吸収伏布算出部、213bは3次元分布算出部、2
15は試料台制御部、217は試料台駆動部である。FIG. 17 is a diagram showing the overall configuration of the optical tomographic imaging apparatus of the present invention. In the figure, 201 and 203 are lasers, 205 is a sector, 207 is a laser irradiation system, 209 is a sample, 211 is a detector, and 211a. Is a highly directional imaging system, 211b is a detector,
211c is a synchronous detector, 213 is a data processing unit, 213
a is an absorbent fabric calculation unit, 213b is a three-dimensional distribution calculation unit, 2
Reference numeral 15 is a sample table controller, and 217 is a sample table driver.
図において、セクタ205によりレーザ201,203
より波長λ1、λ2のレーザ光を交互にレーザ照射系20
7を通して試料209に照射する。試料209からの透
過光は本発明の高指向性結像系211aを通して検出器
211bにより検出する。その検出信号はセクタ205
の駆動信号により同期検波し、データ処理部213で吸
収分布を測定する。同時にデータ処理部213により試
料台制御部215、試料台駆動部217を通して試料2
09を回転ないし移動させることにより、試料の各部位
において吸収を受けた透過光を検出してデータ処理部2
13により吸収の3次元分布像を求め、光断層像を得る
ことができる。なお、試料からの透過光は、一般に散乱
成分と吸収成分とが混在することになる。In the figure, the lasers 201, 203 are indicated by sector 205.
The laser light of the wavelengths λ 1 and λ 2 is alternately irradiated by the laser irradiation system 20.
The sample 209 is irradiated through 7. The transmitted light from the sample 209 is detected by the detector 211b through the highly directional imaging system 211a of the present invention. The detection signal is the sector 205.
The synchronous detection is carried out by the drive signal of, and the data processing unit 213 measures the absorption distribution. At the same time, the data processing unit 213 causes the sample table controller 215 and the sample table driving unit 217 to pass the sample 2
By rotating or moving 09, the transmitted light absorbed in each part of the sample is detected to detect the data processing unit 2.
A three-dimensional distribution image of absorption can be obtained from 13 to obtain an optical tomographic image. It should be noted that the transmitted light from the sample generally has a mixture of a scattering component and an absorbing component.
第18図は酸素化ミオグロビン、脱酸素化ミオグロビン
の波長に対する吸光度特性の例を示し、散乱成分は波長
依存性が小さく、ほぼ一定な値をとる波長領域を有して
いる。そこで散乱成分がほぼ一定な波長λ1、λ2を使用
し、それぞれの吸光度を差し引くことにより散乱成分を
除去することができる。但し、本発明においては高指向
性結像系によりこの散乱成分が完全に除去できるが、2
波長法を採用することにより吸収の絶対量を算出するこ
とができる。FIG. 18 shows an example of the absorbance characteristics with respect to wavelengths of oxygenated myoglobin and deoxygenated myoglobin. The scattering component has a small wavelength dependence and has a wavelength region in which it has a substantially constant value. Therefore, it is possible to remove the scattering component by using wavelengths λ 1 and λ 2 where the scattering component is almost constant and subtracting the respective absorbances. However, in the present invention, this scattered component can be completely removed by the highly directional imaging system.
By adopting the wavelength method, the absolute amount of absorption can be calculated.
一般に、生体組織に対する分光測定は本質的に散乱粒子
を含む不均一系での測定となる。この場合、透明試料で
成立するBeer−Lambert則が必ずしも成り立
たない。このような濁った試料に対する測定法として2
波長と差スペクトル法とがある。試料の低濃度で、Be
er−Lambert則が成り立つ場合を考え、第19
図(a)に示すように照射光量をI0、透過光量をIとする
と logI0/I=εcd ……(1) ここでエプシロンは吸光係数、cは濃度、dは光路長で
ある。In general, spectroscopic measurements on biological tissues are essentially inhomogeneous systems containing scattering particles. In this case, the Beer-Lambert law, which holds for a transparent sample, does not always hold. As a measuring method for such a cloudy sample, 2
There are wavelength and difference spectrum methods. Be at low sample concentration
Considering the case where the er-Lambert rule holds,
As shown in the figure (a), when the irradiation light amount is I 0 and the transmitted light amount is I, log I 0 / I = εcd (1) where epsilon is the extinction coefficient, c is the concentration, and d is the optical path length.
2つの異なった波長λ1λ2について同様に logI0(λ1)/I(λ1)=ε(λ1)cd……(2) logI0(λ2)/I(λ2)=ε(λ2)cd……(3) となる。(2)式、(3)式より log(λ2)/I(λ1)−logI0(λ2)/I0(λ1)=ε(λ1)−ε
(λ2)cd ……(4) となる。即ち、2つの波長の吸光度の差は濃度に比例す
ることになる。また、懸濁試料では第19図(b)に示す
ように、I0を入射光とすると透過光の外に散乱、反射
成分Isが生ずる。従って logI0/I=εcd+Is ……(5) ここで、Isは散乱による減衰を示す。したがって同様
に、 loI(λ2)/I(λ1)=ε(λ1)−ε (λ2cd−logI0(λ2)/I0(λ1) +(Is(λ1)−I2)) ……(6) となる。Similarly, for two different wavelengths λ 1 λ 2 , logI 0 (λ 1 ) / I (λ 1 ) = ε (λ 1 ) cd (2) logI 0 (λ 2 ) / I (λ 2 ) = ε (λ 2 ) cd becomes (3). From equations (2) and (3), log (λ 2 ) / I (λ 1 ) −log I 0 (λ 2 ) / I 0 (λ 1 ) = ε (λ 1 ) −ε
(Λ 2 ) cd (4) That is, the difference in absorbance between the two wavelengths is proportional to the concentration. Further, in the suspension sample, as shown in FIG. 19 (b), when I 0 is the incident light, scattering and reflection component I s are generated outside the transmitted light. Therefore, log I 0 / I = εcd + I s (5) Here, I s represents attenuation due to scattering. Therefore, similarly, loI (λ 2 ) / I (λ 1 ) = ε (λ 1 ) −ε (λ 2 cd−logI 0 (λ 2 ) / I 0 (λ 1 ) + (I s (λ 1 ) − I 2 ))… (6).
従ってIs(λ1)がIs(λ2)に等しければ、散乱の影
響を除いて吸光度の差を求めることにより、試料の濃度
を測定することができ、またλ1とλ2を接近させると、
散乱等の影響はほぼ等しいと仮定することできるので、
吸光度の差により試料の濃度を求めることができる。Therefore, if I s (λ 1 ) is equal to I s (λ 2 ), it is possible to measure the concentration of the sample by determining the difference in absorbance by removing the influence of scattering, and to make λ 1 and λ 2 close to each other. And let
Since it can be assumed that the effects of scattering etc. are almost equal,
The concentration of the sample can be determined from the difference in absorbance.
第20図は2波長検出方式における自動利得制御を説明
するための図である。図中、205はセクタ、220は
モータ、222は同期信号発生器、224は検出系、2
26は増幅器、228は同期検波回路、230は帰還回
路、232は増幅器、234は信号処理装置である。FIG. 20 is a diagram for explaining automatic gain control in the dual wavelength detection system. In the figure, 205 is a sector, 220 is a motor, 222 is a synchronization signal generator, 224 is a detection system, 2
Reference numeral 26 is an amplifier, 228 is a synchronous detection circuit, 230 is a feedback circuit, 232 is an amplifier, and 234 is a signal processing device.
図において、モータ220はよりセクタ205を回転さ
せ、検出系224によりリファレンス信号Rと検出信号
Sとを交互に取り出し増幅器226に入力させる。一方
モータ220の回転に同期した信号を同期信号発生器2
22により発生させ、この同期信号により増幅器226
の出力を同期検波し、検出信号Sとリファレンス信号R
とを分離する。分離したリファレンス信号Rを帰還回路
230を通して増幅器226の入力に負帰還させてゲイ
ン調整をする。In the figure, the motor 220 rotates the sector 205 more, and the detection system 224 alternately inputs the reference signal R and the detection signal S to the extraction amplifier 226. On the other hand, a signal synchronized with the rotation of the motor 220 is supplied to the synchronization signal generator 2
22 and an amplifier 226 is generated by this synchronizing signal.
Output is synchronously detected, and detection signal S and reference signal R
And separate. The separated reference signal R is negatively fed back to the input of the amplifier 226 through the feedback circuit 230 to adjust the gain.
こうしてリファレンス信号が一定になるようにゲイン調
整された状態で信号Sを取り出し、これを信号処理装置
234で処理することにより試料の吸収情報を得ること
ができる。In this way, the signal S is extracted in the state where the gain is adjusted so that the reference signal becomes constant, and the signal S is processed by the signal processing device 234, whereby the absorption information of the sample can be obtained.
第21図は第20図の自動自得制御系を多素子検出系に
適用した場合を説明するための図である。FIG. 21 is a diagram for explaining a case where the automatic self-control system of FIG. 20 is applied to a multi-element detection system.
多素子検出器224Mの各検出器に対応して第20図の
自動利得制御系を設け、各制御系からの出力をアナログ
スイッチ238により切り換えて取り出すことにより、
各検出器に対する信号のゲイン調整を行うことができ
る。By providing the automatic gain control system of FIG. 20 corresponding to each detector of the multi-element detector 224M, and switching the output from each control system by the analog switch 238 to take out,
Gain adjustment of the signal for each detector can be made.
第22図はサンプルホールド方式による吸光度差検出方
式を説明するための図である。図中、240は検出系、
242は増幅器、244は同期信号発生回路、246は
同期検波回路、248a,248bはサンプルホールド
回路、250a,250bは対数増幅器、252は合成
回路、254はA/Dコンバータである。FIG. 22 is a diagram for explaining the absorbance difference detection method by the sample hold method. In the figure, 240 is a detection system,
Reference numeral 242 is an amplifier, 244 is a synchronous signal generation circuit, 246 is a synchronous detection circuit, 248a and 248b are sample and hold circuits, 250a and 250b are logarithmic amplifiers, 252 is a synthesis circuit, and 254 is an A / D converter.
検出系240で検出した信号は、増幅後同期検波回路2
46で2波長、例えばλ1、λ2に分離され、それぞれサ
ンプルホールドされた後、対数増幅され、減算回路25
2で減算させることにより波長λ1、λ2に対する出力の
比の対数値が得られる。これは前述したように吸光度の
差、即ち試料の濃度を表し、これをA/Dコンバータ2
54でデジタル量に変換し、計算器等によりデータ処理
を行うことになる。The signal detected by the detection system 240 is the amplified synchronous detection circuit 2 after amplification.
At 46, two wavelengths, for example, λ 1 and λ 2, are separated, sample-held respectively, logarithmically amplified, and subtraction circuit 25
Subtracting by 2 gives the logarithmic value of the ratio of the outputs to the wavelengths λ 1 and λ 2 . As described above, this represents the difference in absorbance, that is, the concentration of the sample.
At 54, it is converted into a digital amount and data processing is performed by a calculator or the like.
第23図は第22図のサンプルホールド方式を多素子検
出系に適用して、各複数の各検出器からの信号により吸
光度差を検出する例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example in which the sample hold method of FIG. 22 is applied to a multi-element detection system to detect the difference in absorbance based on signals from a plurality of detectors.
第23図においては検出器4個に対して1組の対数増幅
器と1つの減算器を対応させ、切り変えスイッチ256
a,256bを用いて切り変えることにより対数増幅器
を共用し、各減算回路から得られる出力をアナログスイ
ッチ258を通して取り出し、それぞれA/Dコンバー
タ254によりデジタル出力を得るようにしている。In FIG. 23, one set of logarithmic amplifiers and one subtractor are associated with the four detectors, and the switching switch 256 is used.
The logarithmic amplifier is shared by switching using a and 256b, the output obtained from each subtraction circuit is taken out through the analog switch 258, and each A / D converter 254 obtains a digital output.
第24図、第25図は周波数成分検出による電気的直接
比検出方式を説明するための図で、図中260は検出
器、262は前置増幅器、264は信号成分分離回路、
266,268はフィルタ、270,272は同期整流
回路、274は同期信号発生器、276は加算回路、2
78は比率演算回路、280は記録器、282は演算回
路、284はセクタである。24 and 25 are views for explaining an electrical direct ratio detection method by frequency component detection, in which 260 is a detector, 262 is a preamplifier, 264 is a signal component separation circuit,
Reference numerals 266 and 268 are filters, 270 and 272 are synchronous rectifier circuits, 274 is a synchronous signal generator, 276 is an adder circuit, 2
Reference numeral 78 is a ratio calculation circuit, 280 is a recorder, 282 is a calculation circuit, and 284 is a sector.
本方式においては、セクタ284は第25図(a)に示す
ように、4領域に分け、領域P1が信号を通さないダー
ク領域、P2,P4領域が波長λ1の信号を通す領域、P3
領域が波長λ2の信号を通す領域になっていて、このセ
クタを回転させることにより、第25図(b)に示すよう
に、D,λ1,λ2,D……というようなシーケンスの信
号を取り出す。In this method, the sector 284 is divided into four areas as shown in FIG. 25 (a), the area P 1 is a dark area where no signal passes, and the areas P 2 and P 4 are areas where a signal of wavelength λ 1 passes. , P 3
The area is an area through which a signal of wavelength λ 2 is passed, and by rotating this sector, as shown in FIG. 25 (b), a sequence such as D, λ 1 , λ 2 , D. Take out the signal.
この信号は直流成分を阻止することによりλ1の周波数
をfとし、λ2の信号の周波数を2fとする交流信号と
して検出することができる。いま、第24図に示すよう
に検出器260で、第25図(c)のような信号を検出
し、前置増幅器262で増幅して周波数f,2fを通す
フィルタ266,268でフィルタすることにより、そ
れぞれλ1、λ2の信号を抽出する。この信号を同期整流
回路270,272で同期検波することよりそれぞれ波
長λ1、λ2に対応した信号を抽出する。This signal can be detected as an AC signal having a frequency of λ 1 of f and a frequency of λ 2 of 2f by blocking a DC component. Now, as shown in FIG. 24, the detector 260 detects a signal as shown in FIG. 25 (c), and the signals are amplified by the preamplifier 262 and filtered by the filters 266 and 268 that pass the frequencies f and 2f. In this way, signals of λ 1 and λ 2 are extracted, respectively. By synchronously detecting this signal by the synchronous rectifier circuits 270 and 272, signals corresponding to the wavelengths λ 1 and λ 2 are extracted.
ところで、波長λ2、即ち周波数2fの信号には周波数
数f、即ちλ1の信号が重畳されているので、加算回路
276で波長λ1の成分を減算して除去することによ
り、それぞれI(λ1)、I(λ2)の信号を分離して取
り出すことができ、比率演算回路278でこれらの比率
を演算することにより、吸光度の差に応じた信号を取り
出すことができ、これを記録器280で記録する。By the way, since the signal of the frequency number f, that is, λ 1 is superimposed on the signal of the wavelength λ 2 , that is, the frequency 2f, the component of the wavelength λ 1 is subtracted and removed by the adder circuit 276 to obtain I ( The signals of λ 1 ) and I (λ 2 ) can be separated and extracted, and by calculating these ratios by the ratio calculation circuit 278, the signal corresponding to the difference in absorbance can be extracted and recorded. Record with device 280.
こうして2波長の信号をそれぞれ周波数f,2fの信号
として割り付け、それらの周波数成分を検出することに
よりノイズの影響を受けない信号として検出することが
可能である。In this way, signals of two wavelengths are allocated as signals of frequencies f and 2f, respectively, and by detecting those frequency components, it is possible to detect signals that are not affected by noise.
第26図は第24図の検出方式を多素子の検出系に適用
した例を示しており、多素子検出器260Mの数に対応
したプリアンプ、信号成分分離回路、演算回路をそれぞ
れ接続配置し、マルチプレクサ284によって順次切り
換えて各信号を取り出すようにしている。FIG. 26 shows an example in which the detection method of FIG. 24 is applied to a multi-element detection system, and preamplifiers, signal component separation circuits, and arithmetic circuits corresponding to the number of multi-element detectors 260M are connected and arranged, Each signal is taken out by sequentially switching by the multiplexer 284.
以上は検出光強度が比較的強く、出力として連続出力が
得られる場合の例であるが、以下で極微弱光測定方式に
ついて説明する。The above is an example of the case where the detected light intensity is relatively strong and continuous output is obtained, but the extremely weak light measurement method will be described below.
第27図、第28図は極微弱光測定方式を説明するため
の図である。図中、290はレーザ光源、292はチョ
パー、294はフォトマルチプライヤ(PM)、296
はパルス増幅器、298は波高弁別器、300はゲー
ト、302は位相器、304はゲート出力発生器、30
6は加減算カウンタ、308は記録計である。27 and 28 are diagrams for explaining the extremely weak light measurement method. In the figure, 290 is a laser light source, 292 is a chopper, 294 is a photomultiplier (PM), 296.
Is a pulse amplifier, 298 is a pulse height discriminator, 300 is a gate, 302 is a phase shifter, 304 is a gate output generator, 30
Reference numeral 6 is an addition / subtraction counter, and 308 is a recorder.
PMで光を検出するとき、検出すべき光の強度が強い場
合にはPMの出力は連続的になり、その直流成分から入
射光強度が測定できる。しかしながら、入射光強度が極
めて弱くなった場合にはPMの出力は離散的となり、不
連続なパルス出力となる。このパルス出力をカウントす
ることによりフォトン1個づつのような極微弱な入射光
を測定することができる。しかし、このような極微弱な
光を測定する場合にはPM自身が雑音パルスを放出する
ためバックグランドを検出してしまうので、このような
バックグラウンドを除去する必要がある。そこで、第2
7図の例においては信号光とバックグラウンドとをチョ
ッパーにより切り換え、それぞれの期間に検出される出
力を加減算カウンタにより減算してバックグラウンドを
除去し、極微弱な入射光を測定している。When detecting light with PM, if the intensity of light to be detected is strong, the output of PM is continuous, and the intensity of incident light can be measured from its DC component. However, when the intensity of the incident light becomes extremely weak, the PM output becomes discrete and the pulse output becomes discontinuous. By counting this pulse output, it is possible to measure extremely weak incident light such as one photon at a time. However, when such extremely weak light is measured, the PM itself emits a noise pulse and thus detects the background. Therefore, it is necessary to remove such background. Therefore, the second
In the example of FIG. 7, the signal light and the background are switched by the chopper, the output detected in each period is subtracted by the addition / subtraction counter to remove the background, and extremely weak incident light is measured.
第27図において、極微弱な入射光をチョッパ−292
によりチョッピングしてPM294で検出する。このと
きチョッパ−の切り換え周波数f0を参照信号として位
相器302、ゲート信号発生器304を通して加減算カ
ウンタ306を駆動する。PM294の出力はパルス増
幅器296で増幅した後、波高弁別器298で波高弁別
し、一定の大きさ以上の信号、即ちパルス出力をゲート
300を通して加減算カウンタに加える。加減算カウン
タではチョッパ−292でチョッピングした信号および
バックグラウンドの検出出力を加減算する。In FIG. 27, a very weak incident light is detected by the chopper-292.
And chopping is performed and detected by PM294. At this time, the addition / subtraction counter 306 is driven through the phase shifter 302 and the gate signal generator 304 using the switching frequency f 0 of the chopper as a reference signal. The output of the PM 294 is amplified by the pulse amplifier 296, and then the pulse height is discriminated by the pulse height discriminator 298, and a signal having a certain magnitude or more, that is, a pulse output is added to the addition / subtraction counter through the gate 300. The addition / subtraction counter adds / subtracts the signal chopped by the chopper-292 and the background detection output.
いま第28図(a)に示すようにチョッパ−が開いている
間は信号SとノイズNの合計の出力が得られ、チョッパ
−が閉じている期間にはバックグラウンドのノイズNが
得られたとする。ゲート300はこのチョッパ−に同期
し、第28図(b)(c)のように、チョッパ−が開いている
間は加算し、チョッパ−が閉じた期間は減算するように
加減算カウンタ306のゲート制御を行う。こうするこ
とによりノイズは全ての期間にわたって一定に現れる性
質があるので、加減算カウンタ306の出力からはノイ
ズが除去され信号Sを検出することができる。As shown in FIG. 28 (a), the total output of the signal S and the noise N is obtained while the chopper is open, and the background noise N is obtained while the chopper is closed. To do. The gate 300 is synchronized with this chopper, and as shown in FIGS. 28 (b) and (c), the gate of the addition / subtraction counter 306 is such that addition is made while the chopper is open and subtraction is made while the chopper is closed. Take control. By doing so, noise has a property of appearing constant over the entire period, so that noise can be removed from the output of the addition / subtraction counter 306 and the signal S can be detected.
第29図、第30図は第27図に示した検出方式を2波
長検出方式に適用した場合を示している。図中、第27
図と同一番号は同一内容を示し、カウンタ306b,3
06cはそれぞれ波長λ1、λ2についての加減算回路を
構成している。29 and 30 show the case where the detection method shown in FIG. 27 is applied to the dual wavelength detection method. 27th in the figure
The same numbers as in the figure indicate the same contents, and the counters 306b, 3
Reference numeral 06c constitutes an adder / subtractor circuit for wavelengths λ 1 and λ 2 , respectively.
いま第30図(a)(b)(c)に示す信号をゲート制御回路3
12に加えることにより加減算カウンタ306b,30
6cをゲート制御する。第30図(a)に示すゲート信号
の期間では波長λ1の信号が、加減算カウンタ306b
で加算され、第30図(b)のゲート信号の期間には波長
λ2の信号が加減算カウンタ306cで加算され、第3
0図(c)のゲート信号の期間には両加減算カウンタ30
6b,306cでバックグラウントの信号が減算され
る。その結果、加減算カウンタ306b,306cから
はそれぞれ長λ1,λ2についての信号出力が得られ、演
算処理装置310でそれらの信号の比率を演算すること
により、吸光度の差を検出することができる。Now, the signals shown in FIGS. 30 (a) (b) (c) are applied to the gate control circuit 3
12 to add / subtract counters 306b, 30
Gate 6c. In the period of the gate signal shown in FIG. 30 (a), the signal of wavelength λ 1 is added / subtracted by the counter 306b.
The signal of wavelength λ 2 is added by the adder / subtractor counter 306c during the period of the gate signal of FIG.
In the period of the gate signal in FIG.
The background signal is subtracted at 6b and 306c. As a result, signal outputs for the lengths λ 1 and λ 2 are obtained from the adder / subtractor counters 306b and 306c, respectively, and the difference in absorbance can be detected by calculating the ratio of these signals in the arithmetic processing unit 310. .
第31図は第29図の方式を多素子検出系に適用した場
合で、各加減算カウンタ306−1〜306−nの出力
をメモリ314−1〜314−nに記憶させておき、そ
れらを順次演算処理装置310に取り込んで、2波長の
比率演算を計算することによりそれぞれの検出器による
吸光度の差を測定することができる。FIG. 31 shows a case in which the method of FIG. 29 is applied to a multi-element detection system, in which the outputs of the addition / subtraction counters 306-1 to 306-n are stored in the memories 314-1 to 314-n and they are sequentially stored. It is possible to measure the difference in absorbance between the respective detectors by taking in the arithmetic processing unit 310 and calculating the ratio calculation of two wavelengths.
第32図は上腕の近赤外吸収スペクトルを示し、Iは脂
肪の少ない男性の例、IIは脂肪の多い女性の例、IIIは
脂肪のみ、IVは水の吸収スペクトルである。FIG. 32 shows the near-infrared absorption spectrum of the upper arm, where I is an example of a man with a small amount of fat, II is an example of a woman with a large amount of fat, III is an absorption spectrum of only fat, and IV is an absorption spectrum of water.
脂肪の多い女性の上腕のスペクトルには水による970
nmの吸収とともに脂肪に由来する930nmの吸収の
山が明らかに見られる。一方脂肪の少ない男性の腕はこ
の930nmの吸収は小さな肩として見られるのみであ
る。このようなスペクトルの差から相対的な脂肪含量を
計算することができ、その値は実際に分析したものと良
い相関を示す。970 due to water in upper arm spectrum of fat woman
The absorption peak at 930 nm derived from fat is clearly seen with the absorption at nm. On the other hand, in a man's arm with little fat, the absorption at 930 nm is seen only as a small shoulder. Relative fat content can be calculated from such spectral differences, and the values correlate well with those actually analyzed.
ところで、生体は正常な機能を営む時、酸素の供給はも
っとも不可欠な因子であり、例えば心筋梗塞や脳梗塞は
血管が一部つまることにより血流が途絶えた結果組織へ
の酸素供給が断たれ、細胞の不可逆的な懐死に到るもの
である。この生体組織中の酸素濃度の測定は歴史的にも
光計測が最初に応用され、その後、現在までもっとも多
くの成果が得られている。光生体計測とは、端的にいえ
ば、チトクローム酸化酵素、ミオグロビン(Mb)、ヘ
モグロビン(Hb)、ビリジンヌクレオチド(NAD
H)の四つの色素蛋白質(Chromophore,ク
ロモホア)の吸光度、および螢光強度を生体で追ったも
のにほかならない。By the way, when the living body performs normal functions, the supply of oxygen is the most indispensable factor.For example, in myocardial infarction and cerebral infarction, the blood supply is cut off due to the blockage of some blood vessels, resulting in interruption of oxygen supply to tissues. , Irreversible death of cells. Historically, optical measurement was first applied to the measurement of oxygen concentration in living tissues, and since then, the most results have been obtained. In short, photobiological measurement means cytochrome oxidase, myoglobin (Mb), hemoglobin (Hb), pyridine nucleotide (NAD).
It is nothing but the absorbance and fluorescence intensity of the four chromoproteins (Chromophore) of H) traced in vivo.
以下では、チトクローム酸化酵素、ミオグロビン(M
b)、ヘモグロビン(Hb)、ビリジンヌクレオチド
(NADH)の四つの色素蛋白質の吸光度、および螢光
強度について概略説明する。In the following, cytochrome oxidase, myoglobin (M
b), the hemoglobin (Hb), the absorbance of four chromoproteins of pyridine nucleotide (NADH), and the fluorescence intensity will be briefly described.
第33図(a)は酸素化ヘモグロビン溶液の可視及び近赤
外吸収スペクトルを示す図である。FIG. 33 (a) is a diagram showing visible and near-infrared absorption spectra of the oxygenated hemoglobin solution.
われわれが一番見なれている“分光学的酸素濃度指示物
質”は血液でる。動脈の血(酸素が十分にある)はきれ
いな赤色しているのに、酸素の少ない静脈血は黒ぽっく
見える。これは血液の中の赤血球に含まれるHbが酸素
と結合した時としない時で色が変わることを反映してい
る。そのスペクトルは、第33図(a)に示すようにな
り、これを本発明の高指向性結像系を用いて検出し、色
の変化(吸収変化)を光学的に追いかければ、血液中の
酸素量を知ることができる。The most speculative "spectroscopic oxygen concentration indicator" we have is blood. The blood in the arteries (where there is plenty of oxygen) has a clean red color, while the venous blood with low oxygen looks blackish. This reflects that the color of Hb contained in red blood cells in the blood changes depending on whether or not it is combined with oxygen. The spectrum is as shown in FIG. 33 (a), and if it is detected by using the highly directional imaging system of the present invention and the color change (absorption change) is optically followed, You can know the amount of oxygen.
第33図(b)はミオグロビンの可視領域における吸収ス
ペクトルを示す図である。FIG. 33 (b) is a diagram showing an absorption spectrum of myoglobin in the visible region.
ミオグロビンは主に哺乳類の筋内細胞の中に多量に存在
して血液中のヘモグロビンと同様に鉄−ポルフィリンを
持っている。豚肉や牛肉の新鮮なものがきれいな赤色を
しているのはこの蛋白質の色である。この蛋白質は前に
述べたチトクロームより約5〜10倍多く含まれるの
で、筋肉に光を照射した場合このミオグロビンが大部分
の可視領域の光を吸収する。Myoglobin is mainly present in a large amount in mammalian muscle cells and has iron-porphyrin like hemoglobin in blood. It is this protein color that makes fresh pork and beef a nice red color. This protein is about 5 to 10 times more abundant than the cytochromes mentioned above, so that myoglobin absorbs most of the visible light when the muscle is illuminated.
今筋肉が収縮を始めるとミオグロビンは最初、酸素が結
合した状態(酸素化ミオグロビン)から酸素の結合しな
い状態(脱酸素化ミオグロビン)に移っていく。この場
合、収縮している時間が長いほど脱酸素化が大きく起こ
る。この時筋肉には正常に血液が流れている。次に血流
を止めて(動脈をしばる)筋内の収縮を行わせると、ミ
オグロビンの脱酸素化の速度は速くなり、また収縮を止
めても血液からの簡素供給がないから元に戻らない。こ
のことより、われわれの筋肉中でも、急に力を出したり
運動したりすると、酸素の消費が大きくなり、血管から
の供給が間に合わず、細胞の中は酸素不足になることが
分かる。実際に人の腕で同じような測定を行うと、運動
負荷に対し、年令やトレーニングの有無によって大きく
挙動が異なる。したがって、本発明の高指向性結像系に
より光の吸収を測定することにより筋肉の詳細な挙動を
知ることができる。When the muscle begins to contract now, myoglobin first shifts from a state where oxygen is bound (oxygenated myoglobin) to a state where oxygen is not bound (deoxygenated myoglobin). In this case, the longer the contraction time, the greater the deoxygenation. At this time, blood is flowing normally in the muscle. Next, if the blood flow is stopped (constriction of arteries) to cause intramuscular contraction, the rate of deoxygenation of myoglobin increases, and even if the contraction is stopped, there is no simple supply from blood and it cannot be restored. . From this, it can be seen that even in our muscles, when suddenly exerting force or exercising, oxygen consumption becomes large, supply from blood vessels cannot be made in time, and cells become deficient in oxygen. Actually, when the same measurement is performed by a human arm, the behavior greatly differs depending on the age and the presence or absence of training with respect to the exercise load. Therefore, the detailed behavior of the muscle can be known by measuring the absorption of light with the highly directional imaging system of the present invention.
第34図はHbとMbの700〜1200nm領域(近
赤外)における吸収スペクトル及び吸光度の差を示す図
である。第34図(a)において、実線は酸素化型、破線
は脱酸素化型を示している。FIG. 34 is a diagram showing the difference between the absorption spectrum and the absorbance in the 700 to 1200 nm region (near infrared) of Hb and Mb. In FIG. 34 (a), the solid line shows the oxygenated type and the broken line shows the deoxygenated type.
HbとMbとではほとんど差がない。酸素化Hbは93
0nmに吸収ピークを持つ。この吸収強度は可視部の5
78nmの吸収の1/40以下である。脱酸素化Hbは
760nm、905nmに吸収ピークを持つ。酸素化−
脱酸素化における等吸収点(isosbestic p
oint)は805nmであり、この波長における吸収
強度は酸素飽和度に依存しないので、全ヘモグロビン量
を測定するの用いることができる。したがって、これら
の吸収スペクトルを本発明の高指向性結像系を使用して
求めることにより、全ヘモグロビン量等を正確に求める
ことができる。There is almost no difference between Hb and Mb. Oxygenated Hb is 93
It has an absorption peak at 0 nm. This absorption intensity is 5
It is 1/40 or less of the absorption at 78 nm. Deoxygenated Hb has absorption peaks at 760 nm and 905 nm. Oxygenation-
Isosorption point in deoxygenation (isosbestic p
oint) is 805 nm, and since the absorption intensity at this wavelength does not depend on the oxygen saturation, it can be used to measure the total hemoglobin amount. Therefore, by obtaining these absorption spectra using the highly directional imaging system of the present invention, the total hemoglobin amount and the like can be accurately obtained.
第35図は精製チトクローム酸化酵素の吸光度スペクト
ルを示す図である。図中、実線は酸化型、破線は還元型
である。FIG. 35 is a diagram showing an absorbance spectrum of purified cytochrome oxidase. In the figure, the solid line is the oxidation type and the broken line is the reduction type.
チトクロームの光吸収変化はそのとき細胞に酸素が充分
存在しているか、不足しているかを提示してくれる指示
物質である。このチトクロームは人を含めた全ての生物
組織に存在する。実際はこのチトロームが存在するミト
コンドリアと呼ばれる細胞内微小顆粒が全ての生物に存
在している。したがって、このチトクロームの吸収変
化、主として可視領域を本発明の高指向性結像系により
分光学的に測定すれば、その組織(細胞内)の酸素の過
不足を非破壊で知ることができ、スペクトルを容易に記
録することができる。The change in light absorption of cytochrome is an indicator that shows whether the cells have sufficient oxygen or lack of oxygen at that time. This cytochrome is present in all biological tissues, including humans. In fact, all organisms have intracellular microgranules called mitochondria in which this cytolme exists. Therefore, if the change in absorption of this cytochrome, mainly in the visible region, is spectroscopically measured by the highly directional imaging system of the present invention, excess or deficiency of oxygen in the tissue (intracellular) can be known nondestructively, The spectrum can be easily recorded.
第36図はピリジンヌクレオチド(NADH)の相対螢
光強度のスペクトルを示す図である。FIG. 36 is a diagram showing a spectrum of relative fluorescence intensity of pyridine nucleotide (NADH).
我々の身体(組織)は紫外線を当てると可視部に比較的
強い発光(螢光)を出す。この螢光強度もまた細胞の中
の酸素濃度を敏感に反映する。Our body (tissue) emits relatively strong luminescence (fluorescence) in the visible part when it is exposed to ultraviolet light. This fluorescence intensity also sensitively reflects the oxygen concentration in the cells.
第36図はネズミの生きた心臓に紫外光、この場合34
0nmを照射して、そこで生ずる螢光のスペクトルを示
したもので、450〜480nmの螢光は生体組織中に
含まれる低分子化合物ビリジンヌクレオチドの還元型が
発するもので、これも全ての組織に存在する。この螢光
は組織の酸素がなくなるとその強度が大きくなる。した
がって、本発明の高指向性結像系によりこの物質の螢光
強度の変化を測定することにより酸素量の増減を推定す
ることができる。Fig. 36 shows the live heart of a mouse in ultraviolet light, in this case 34
It shows the spectrum of fluorescence generated by irradiation with 0 nm, and the fluorescence of 450 to 480 nm is emitted by the reduced form of the low molecular compound pyridin nucleotide contained in the biological tissue, and this also applies to all tissues. Exists. The intensity of this fluorescence increases when the oxygen in the tissue is exhausted. Therefore, by measuring the change in the fluorescence intensity of this substance with the highly directional imaging system of the present invention, the increase or decrease in the amount of oxygen can be estimated.
第37図は前述した指示物質の酸素濃度依存性、即ち較
正曲線を示している。FIG. 37 shows the oxygen concentration dependence of the above-mentioned indicator, that is, the calibration curve.
図において、ヘモグロビンとミオグロビンは酸素が全て
結合した状態としない状態を100%および0%として
何%結合しているかを示しており、またチトクロームオ
キシダーゼとNADHは酸化/還元の割合を縦軸に目盛
ってある。この較正曲線から光を使って何%の、例えば
ミオグロビンが酸素と結合しているかを検出できれば、
そのときの組織中の酸素濃度の絶対値を知ることができ
る。同様に例えば人間の頭に外から光を当ててヘモグロ
ビンに吸収される光量変化を検出すれば、頭蓋骨に穴を
開けなくても脳組織の酸素量を知ることができる。In the figure, hemoglobin and myoglobin show how much oxygen is bound in the state where all oxygen is bound and not bound as 100% and 0%, and for cytochrome oxidase and NADH, the ratio of oxidation / reduction is plotted on the vertical axis. There is. If we could use light from this calibration curve to detect what percentage, for example myoglobin was bound to oxygen,
The absolute value of the oxygen concentration in the tissue at that time can be known. Similarly, for example, by shining light on the human head from the outside and detecting a change in the amount of light absorbed by hemoglobin, the amount of oxygen in brain tissue can be known without making a hole in the skull.
また最初の状態でミオグロビンが100%酸素化し、酸
素供給が0で光吸収変化が一定になったときを全てのミ
オグロビンが脱酸素化した状態として、この変化をフル
スケールにとり、こうしてフルスケールが決まれば任意
の所でミオグロビンの脱酸素化の割合を求めることがで
き、酸素濃度を較正曲線から酸素濃度に換算することが
できる。In the first state, when myoglobin is 100% oxygenated, and when the oxygen supply is 0 and the change in light absorption is constant, all myoglobin is deoxygenated, and this change is taken as the full scale, thus determining the full scale. For example, the rate of deoxygenation of myoglobin can be obtained at any place, and the oxygen concentration can be converted from the calibration curve into the oxygen concentration.
以上のように本発明によれば、散乱成分を含む測定対象
からの透過光のうち、散乱成分を確実に減衰させて除去
し、吸収情報のみを含む光直進成分を抽出することが可
能となる。従って、本発明の高指向性結像素子及び高指
向性結像装置を使用することにより解像度を飛躍的に向
上させ、光CT像を得ることも可能となる。そして、人
体等に適用すれば、例えばヘモグロビンの吸収域に対応
する波長を用いることにより、人体の血管像のみを観測
することが可能であり、あるいは神経系の吸収波長に対
応する波長光を用いれば、神経系の像を観測することが
でき、あるいは脳細胞、骨、特定の細胞等、所定の吸収
波長を有するものを観測したい場合にその吸収波長の光
を照射することにより、見たい部分のみを鮮明に画像化
して観測することかできるので、医療技術等の飛躍的な
向上に役立てることが可能となる。さらに付け加えるな
らば、像の拡大、縮小を可能にしたレンズの結像方法を
第1の結像方法とし、立体像の記録、再生を可能とした
ホログラフィーの結像方法を第2の結像方法とすると、
本発明は従来になかった全く新しい結像方法を提供する
ものである。すなわち、光の伝播途中に散乱媒体があっ
ても、吸収像を可能とする方法である。この新しい第3
の結像方法が発明されて、従来不可能とされていた散乱
媒体中の吸収像の観測が可能となり、生体の光断層像計
測が可能となったのである。この新しい第3の結像方法
は、生体の光断層像計測だけでなく、光の伝播途中に散
乱媒体がある場合の像観測に広く適用できることは明ら
かで、新しい革新的結像方法として広く社会に貢献する
ものと期待される。As described above, according to the present invention, it is possible to reliably attenuate and remove the scattered component of the transmitted light from the measurement target that includes the scattered component, and extract the light straight-ahead component that includes only the absorption information. . Therefore, by using the high directivity imaging element and the high directivity imaging apparatus of the present invention, it is possible to dramatically improve the resolution and obtain an optical CT image. When applied to the human body, it is possible to observe only the blood vessel image of the human body, for example, by using the wavelength corresponding to the absorption region of hemoglobin, or the wavelength light corresponding to the absorption wavelength of the nervous system is used. For example, you can observe an image of the nervous system, or if you want to observe something that has a predetermined absorption wavelength, such as brain cells, bones, specific cells, etc., irradiate with light of that absorption wavelength to see the part you want to see. Only the image can be clearly imaged and observed, which can be used for a dramatic improvement in medical technology and the like. In addition, the image forming method of the lens capable of enlarging and reducing the image is the first image forming method, and the holographic image forming method capable of recording and reproducing the stereoscopic image is the second image forming method. Then,
The present invention provides a completely new imaging method that has never existed before. In other words, it is a method that enables an absorption image even if there is a scattering medium in the middle of light propagation. This new third
The invention of the imaging method described in (1) makes it possible to observe an absorption image in a scattering medium, which has been impossible in the past, and it has become possible to measure an optical tomographic image of a living body. It is clear that this new third imaging method can be widely applied not only to optical tomographic image measurement of a living body but also to image observation when there is a scattering medium in the course of light propagation, and it is widely used as a new innovative imaging method in society. Expected to contribute to.
第1図は本発明の平面波高指向性結像素子を示す図、第
2図は第1図に示した高指向性結像素子を円筒状に束ね
た実施例を示す図、第3図は高指向性結像系の入射面に
凸レンズを設けた例を示す図、第4図は高指向性結像系
の入射面側に光ファイバを設けた例を示す図、第5図は
高指向性結像系をマルチチャンネルタイプに構成した例
を示す図、第6図は球面波高指向性結像系の基本的な構
成を示す図、第7図は第6図の光学系の入射面側に凸レ
ンズを設けた例を示す図、第8図は第6図の高指向性結
像系の入射面側に光ファイバを設けた例を示す図、第9
図は球面波高指向性結像素子の束ね方を説明するための
図、第10図は矩形断面の高指向性結像系を説明するた
めの図、第11図は互いに直交するように分離配置した
2組の光学プレートにより平面波高指向性結像系を構成
した例を示す図、第12図(a)は矩形断面の球面波高指
向性結像系を示す図、第12図(b)は所定の角度で発散
するように放射状に分離配置した2組の高指向性光学プ
レートにより構成した球面波高指向性結像系を示す図、
第13図は試料に対するレーザ光照射方法を説明するた
めの図、第14図は本発明の高指向性結像系を用いて試
料透過光を検出する例を示す図、第15図、第16図は
本発明の高指向性結像系による検出方法を説明するため
の図、第17図は本発明の光断層像画像化装置の全体構
成を示す図、第18図は酸素化ミオグロビンと脱酸素化
ミオグロビンの波長に対する吸光度特性を示す図、第1
9図は2波長法と差スペクトル法を説明するための図、
第20図は2波長検出方式における自動利得制御を説明
するための図、第21図は第20図の自動自得制御系を
多素子検出系に適用した場合を説明するための図、第2
2図はサンプルホールド方式による吸光度差検出方式を
説明するための図、第23図は第22図のサンプルホー
ルド方式を多素子検出系に適用した例を示す図、第24
図、第25図は周波数成分検出による電気的直接比検出
方式を説明するための図、第26図は第24図の検出方
式を多素子の検出系に適用した例を示す図、第27図、
第28図は極微弱光測定方式を説明するための図、第2
9図、第30図は第27図に示した検出方式を2波長検
出方式に適用した例を説明するための図、第31図は第
29図の方式を多素子検出系に適用した例を示す図、第
32図は上腕の近赤外吸収スペクトルを示す図、第33
図(a)は酸素化ヘモグロビン溶液の可視及び近赤外吸収
スペクトルを示す図、第33図(b)はミオグロビンの可
視領域における吸収スペクトルを示す図、第34図はH
bとMbの近赤外吸収スペクトル及び吸光度の差を示す
図、第35図は精製チトクローム酸化酵素の吸光度スペ
クトルを示す図、第36図はビリジンヌクレオチド(N
ADH)の相対螢光強度のスペクトルを示す図、第37
図は指示物質の酸素濃度依存性を示す図、第38図は従
来の光吸収分布像を得る装置構成を示す図、第39図は
従来の光吸収分布像を得る他の装置構成を示す図、第4
0図はTwerskyの散乱理論曲線を示す図、第41
図は従来の透過光検出方式を説明するための図、第42
図はファイバコリメータによる透過光の検出を説明する
ための図である。 100……高指向性結像素子、103……光吸収材、1
05……コア、107……クラッド、120……高指向
性結像系、121……放射指向パターン、123……凸
レンズ、125……ピンホール、127……光ファイ
バ、130……球面波高指向性結像系。FIG. 1 is a diagram showing a plane wave highly directional imaging element of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an embodiment in which the highly directional imaging elements shown in FIG. 1 are bundled in a cylindrical shape, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example in which a convex lens is provided on the incident surface of the high-directivity image forming system, FIG. 4 is a diagram showing an example in which an optical fiber is provided on the incident surface side of the high-directivity image forming system, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example in which the sexual imaging system is configured as a multi-channel type, FIG. 6 is a diagram showing the basic configuration of a spherical wave height directivity imaging system, and FIG. 7 is the incident surface side of the optical system of FIG. FIG. 8 is a diagram showing an example in which a convex lens is provided, FIG. 8 is a diagram showing an example in which an optical fiber is provided on the incident surface side of the highly directional imaging system in FIG.
FIG. 10 is a diagram for explaining how to bundle the spherical wave high directional image forming elements, FIG. 10 is a diagram for explaining a high directional image forming system having a rectangular cross section, and FIG. 11 is a separated arrangement so as to be orthogonal to each other. The figure which shows the example which constituted the plane wave high directivity imaging system with the 2 sets of optical plates which were done, FIG. 12 (a) is a figure which shows the spherical wave high directivity imaging system of a rectangular cross section, FIG. 12 (b) is The figure which shows the spherical wave high directivity imaging system comprised by two sets of high directivity optical plates radially arranged so as to diverge at a predetermined angle.
FIG. 13 is a diagram for explaining a method of irradiating a sample with a laser beam, and FIG. 14 is a diagram showing an example of detecting a sample-transmitted light by using the highly directional imaging system of the present invention, FIGS. 15, 16 FIG. 17 is a diagram for explaining the detection method by the highly directional imaging system of the present invention, FIG. 17 is a diagram showing the overall configuration of the optical tomographic imaging apparatus of the present invention, and FIG. 18 is oxygenated myoglobin and desorption. The figure which shows the light absorbency characteristic with respect to the wavelength of oxygenated myoglobin, 1st
FIG. 9 is a diagram for explaining the two-wavelength method and the difference spectrum method,
FIG. 20 is a diagram for explaining automatic gain control in the two-wavelength detection system, and FIG. 21 is a diagram for explaining a case where the automatic self-control system of FIG. 20 is applied to a multi-element detection system.
FIG. 2 is a diagram for explaining the absorbance difference detection system by the sample hold system, FIG. 23 is a diagram showing an example in which the sample hold system of FIG. 22 is applied to a multi-element detection system, and 24.
25, FIG. 25 is a diagram for explaining an electrical direct ratio detection method by frequency component detection, FIG. 26 is a diagram showing an example in which the detection method of FIG. 24 is applied to a multi-element detection system, FIG. ,
FIG. 28 is a diagram for explaining an extremely weak light measurement method, and FIG.
9 and 30 are diagrams for explaining an example in which the detection method shown in FIG. 27 is applied to a two-wavelength detection method, and FIG. 31 is an example in which the method in FIG. 29 is applied to a multi-element detection system. Fig. 32 shows the near-infrared absorption spectrum of the upper arm, Fig. 33
Fig. (A) is a diagram showing visible and near-infrared absorption spectra of oxygenated hemoglobin solution, Fig. 33 (b) is a diagram showing absorption spectra of myoglobin in the visible region, and Fig. 34 is H
b and Mb showing the near-infrared absorption spectrum and the difference in absorbance, FIG. 35 shows the absorbance spectrum of purified cytochrome oxidase, and FIG. 36 shows the pyridyl nucleotide (N
FIG. 37 shows a spectrum of relative fluorescence intensity of ADH),
FIG. 38 is a diagram showing the oxygen concentration dependence of the indicator substance, FIG. 38 is a diagram showing a device configuration for obtaining a conventional light absorption distribution image, and FIG. 39 is a diagram showing another device configuration for obtaining a conventional light absorption distribution image. , 4th
Fig. 0 shows Twersky's scattering theory curve, 41st
FIG. 42 is a view for explaining a conventional transmitted light detection method, 42nd
The figure is a diagram for explaining detection of transmitted light by a fiber collimator. 100 ... Highly directional imaging element, 103 ... Light absorbing material, 1
05 ... Core, 107 ... Clad, 120 ... High directivity imaging system, 121 ... Radiation directing pattern, 123 ... Convex lens, 125 ... Pinhole, 127 ... Optical fiber, 130 ... Spherical wave height directivity Sexual imaging system.
Claims (6)
面円形または矩形の中空細管からなり、該中空細管は、
開口径をD、長さをl、入射光の波長をλとしたとき、 l=kD2/λ (k:比例定数) なる寸法形状であり、開口径Dを少なくとも波長λより
も大きくし、出射面側で平面波によるフラウンフォーフ
ァ回折像を観測可能にしたことを特徴とする高指向性結
像素子。1. A hollow thin tube having a linear cross-section with a circular or rectangular cross section, the inner wall surface of which is coated with a light absorbing material.
When the aperture diameter is D, the length is 1, and the wavelength of the incident light is λ, the dimensions and shape are l = kD 2 / λ (k: proportional constant), and the aperture diameter D is at least larger than the wavelength λ, A highly directional imaging element characterized in that it is possible to observe a Fraunforfer diffraction image due to a plane wave on the exit surface side.
分の屈折率をクラッド部分の屈折率より小さく構成した
光ファイバであって、該光ファイバは、開口径をD、長
さをl、入射光の波長をλとしたとき、 l=kD2/λ (k:比例定数) なる寸法形状であり、開口径Dを少なくとも波長λより
も大きくし、出射面側で平面波によるフラウンフォーフ
ァ回折像を観測可能にしたことを特徴とする高指向性結
像素子。2. An optical fiber comprising a core portion and a cladding portion, the refractive index of the core portion being smaller than the refractive index of the cladding portion, wherein the optical fiber has an aperture diameter of D, a length of 1, and an incident light. When the wavelength of light is λ, the size and shape are l = kD 2 / λ (k: proportional constant), the aperture diameter D is made larger than at least the wavelength λ, and the Fraunhofer diffraction by a plane wave is performed on the emission surface side. Highly directional imaging element characterized by making images observable.
を複数本束ねて構成し、各結像素子ごとのフラウンフォ
ーファ回折像の空間分布像を検出可能にしたことを特徴
とする高指向性結像装置。3. A plurality of highly directional imaging elements according to claim 1 or 2 are bundled together, and a spatial distribution image of a Fraunforfer diffraction image for each imaging element can be detected. High directivity imaging device.
を光軸に垂直な断面が入射面から出射面に向かって連続
的に大きくなるように構成し、各結像素子ごとのフラウ
ンフォーファ回折像の空間分布像を検出可能にしたこと
を特徴とする高指向性結像装置。4. The highly directional imaging element according to claim 1 or 2, wherein the cross section perpendicular to the optical axis continuously increases from the entrance surface to the exit surface, and A highly directional imaging device, which is capable of detecting a spatial distribution image of a Fraunforfer diffraction image.
トを平行に配置した少なくとも2組の光学プレート群を
互いに直交させて分離配置し、各組の光学プレート群に
より形成される複数の開口の各々は、その径をD、長さ
をl、入射光の波長をλとしたとき、 l=kD2/λ (k:比例定数) なる寸法形状とし、開口径Dを少なくとも波長λよりも
大きくし、出射面側で平面波によるフラウンフォーファ
回折像を観測可能にし、複数の開口により各開口のフラ
ウンフォーファ回折像の空間分布像を検出可能にしたこ
とを特徴とする高指向性結像装置。5. A plurality of apertures formed by each set of optical plate groups, wherein at least two sets of optical plate groups, each of which has a plurality of optical plates whose walls are coated with an absorbing material, are arranged in parallel with each other and are separated from each other. Where D is the diameter, l is the length, and λ is the wavelength of the incident light, the dimensions and shape are l = kD 2 / λ (k: proportional constant), and the aperture diameter D is at least the wavelength λ. High directivity, which is characterized by making it larger so that the Fraunforfer diffraction image due to a plane wave can be observed on the exit surface side, and the spatial distribution image of the Fraunforfer diffraction image of each aperture can be detected by multiple apertures. Imaging device.
トを壁面が1点から放射状に発散する線に平行であるよ
うに配置した少なくとも2組の光学プレート群を互いに
直交させて分離配置し、各組の光学プレート群により形
成される複数の開口の各々は、その入射口径をD、長さ
をl、入射光の波長をλとしたとき、 l=kD2/λ (k:比例定数) なる寸法形状とし、入射口径Dを少なくとも波長λより
も大きくし、出射面側で平面波によるフラウンフォーフ
ァ回折像を観測可能にし、複数の開口により各開口のフ
ラウンフォーファ回折像の空間分布像を検出可能にした
ことを特徴とする高指向性結像装置。6. At least two optical plate groups in which a plurality of optical plates whose walls are coated with an absorbing material are arranged so that the wall surfaces are parallel to a line radially radiating from one point, are separated from each other and are orthogonal to each other. , Where each of the plurality of apertures formed by each set of optical plate groups has an incident aperture diameter of D, a length of l, and a wavelength of incident light of λ, then l = kD 2 / λ (k: proportional constant ), The entrance aperture D is made larger than at least the wavelength λ, and the Fraunforfer diffraction image due to a plane wave can be observed on the exit surface side. A highly directional imaging device characterized by being able to detect a distribution image.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP1062898A JPH0620458B2 (en) | 1989-03-14 | 1989-03-14 | High directivity imaging element and high directivity imaging device |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02239844A JPH02239844A (en) | 1990-09-21 |
JPH0620458B2 true JPH0620458B2 (en) | 1994-03-23 |
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Family Applications (1)
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JP1062898A Expired - Lifetime JPH0620458B2 (en) | 1989-03-14 | 1989-03-14 | High directivity imaging element and high directivity imaging device |
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