表面(發(fā)光表 面)與透鏡的主點(diǎn)（透鏡的光心）之間的距離被設(shè)定為等于焦距(距離）"f"（例如，9mm)。即， 表面發(fā)射激光器陣列芯片被布置為使得發(fā)射表面被定位在透鏡的焦點(diǎn)的位置處。這里，"透 鏡的焦距"指代透鏡的主點(diǎn)與焦點(diǎn)之間的距離。
[0076] 這里，VCSEL的40個(gè)通道同時(shí)地發(fā)射光并且該時(shí)刻的總輸出為近似50W。從VCSEL所 發(fā)射的平行光束被棱鏡折射，如圖6中所示。
[0077]作為棱鏡，采用(使用)具有與亞克力水箱的折射率基本上相等的折射率的亞克力 棱鏡。棱鏡的反射表面被設(shè)計(jì)為與棱鏡的直徑匹配(fit)，并且反射表面的角度被設(shè)定為使 得通過透鏡的光入以近似50度的入射角入射在亞克力水箱上。
[0078] 水箱和棱鏡的亞克力與模體（即，脂肪乳劑水溶液)的折射率之間的差異被設(shè)定為 使得根據(jù)斯涅耳(Snell)定律在模體中的傳播角度為近似60度（圖1中的"01"）。棱鏡被安裝 在旋轉(zhuǎn)臺(tái)（未示出）上，該旋轉(zhuǎn)臺(tái)被提供在水箱的內(nèi)壁上并且圍繞在Z軸方向上延伸的旋轉(zhuǎn) 軸可旋轉(zhuǎn)。
[0079] 通過將旋轉(zhuǎn)臺(tái)與棱鏡一起旋轉(zhuǎn)，變?yōu)槟軌蚋淖兊嚼忡R的光的入射角和朝向。這里， 如圖7中所示，順序地測(cè)量四個(gè)朝向（即，+X、_X、+Y以及-Y朝向）。即，在四個(gè)光源模塊(B1至 B4)的每個(gè)位置處執(zhí)行這四個(gè)方向測(cè)量，使得執(zhí)行了 16( =4X4)個(gè)測(cè)量。在棱鏡與水箱之 間，填充(供給)有具有與棱鏡和水箱的折射率基本上相等的折射率的凝膠樹脂(未示出）。 通過具有凝膠樹脂，可以防止折射和反射。
[0080] 接下來，參考圖8中的流程圖來描述測(cè)量測(cè)試的對(duì)象中的信息的方法。
[0081 ]首先，設(shè)置探頭（步驟T1)。這里，如上所述，"探頭"整體地指代檢測(cè)模塊DM和光源 模塊LM。這里要被設(shè)置的探頭是四個(gè)檢測(cè)模塊DM和一個(gè)光源模塊LM。這四個(gè)檢測(cè)模塊DM分 別地被安裝在具有9mm的直徑四個(gè)透明窗口A中，如圖3中所示。一個(gè)光源模塊LM被安裝在透 明窗口B1中，如圖3中所示。
[0082]接下來，光源模塊LM的40個(gè)通道(發(fā)光部）同時(shí)地發(fā)射光(步驟T2)。電流值被確定 為使得總發(fā)射強(qiáng)度為近似50mW。發(fā)光時(shí)間為近似20s。在發(fā)光時(shí)間期間，四個(gè)檢測(cè)模塊DM的 PD檢測(cè)值被讀取(步驟T3)。對(duì)每lms間隔所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)的若干點(diǎn)（檢測(cè)值)進(jìn)行平均。然 后，平均檢測(cè)值(即，檢測(cè)值的平均值)被存儲(chǔ)在記錄部中（步驟T4)。
[0083]這里，在四個(gè)朝向（即，+X方向、+Y方向、-X方向以及-Y方向）上執(zhí)行測(cè)量（四方向測(cè) 量）（步驟T5和T6)。具體地，在緊接步驟T1之后的步驟T2至T4中，在棱鏡被布置在+X方向上 的同時(shí)執(zhí)行測(cè)量。接下來，棱鏡被旋轉(zhuǎn)為被布置在+Y方向上（步驟T6)。在這種狀態(tài)下，執(zhí)行 步驟T2至T4。接下來，棱鏡被旋轉(zhuǎn)為被布置在-X方向上（步驟T6)。在這種狀態(tài)下，執(zhí)行步驟 T2至T4。接下來，棱鏡被旋轉(zhuǎn)為被布置在-Y方向上（步驟T6)。在這種狀態(tài)下，執(zhí)行步驟T2至 T4〇
[0084]接下來，光源模塊LM的安裝位置從透明窗口 B1到透明窗口 B2、B3以及B4按照此次 序被順序地改變，使得在每個(gè)位置中執(zhí)行四方向測(cè)量(步驟T7和T8)。之后，光吸收體的位置 被移動(dòng)并且在四個(gè)光源模塊LM的四個(gè)安裝位置的每個(gè)中執(zhí)行四方向測(cè)量(步驟T9和T10)。
[0085] 在所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中，存在光吸收體時(shí)的數(shù)據(jù)和不存在光吸收體時(shí)的數(shù)據(jù)被分別地 給出為：
[0086] "r(s，i，n)(i = l，2,3,......，M，n = l，2,3,......，K)"W&"r(0，i，n)(i = l，2， 3,……，M，n = l，2,3,……，K)"。這里，"i"指示被分配給相應(yīng)的檢測(cè)模塊DM的編號(hào)。"n"指示 被分配給相應(yīng)的組的編號(hào)。接下來，計(jì)算相應(yīng)的差異A r(i，n)。
[0087] 下面，基于圖8的流程圖描述下述方法:基于通過以上所述的測(cè)量方法所獲取的測(cè) 量結(jié)果來計(jì)算光吸收體的位置(偽活體的光學(xué)特性)的方法。這里，使用逆問題估計(jì)算法。為 了求解逆問題，首先執(zhí)行測(cè)量和模擬(蒙特卡洛模擬)使得在正問題(direct problem)中形 成靈敏度分布(參見圖9中的步驟S21至S25)。圖39示出了計(jì)算部的框圖。在蒙特卡洛模擬中 要被使用的，指示模塊(探頭）的位置、活體的折射率和形狀等的信息被記錄在記錄部(B-1) 中?；谠撔畔ⅲ瑘?zhí)行正問題。在計(jì)算中，使用能夠進(jìn)行并行計(jì)算的多個(gè)圖形處理單元 (GPU)。通過使用多個(gè)圖形處理單元(GPU)，計(jì)算速度大大高于在傳統(tǒng)方法中所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算 速度。通過計(jì)算所獲取的靈敏度分布再次被存儲(chǔ)在記錄部(B-1)中。在記錄部(A-3)中所存 儲(chǔ)的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果被輸入到中央處理單元(B-3)，使得中央處理單元(B-3)執(zhí)行逆問 題估計(jì)。估計(jì)結(jié)果經(jīng)由中央處理單元(A-1)被顯示在顯示部上(參見圖38)。
[0088] 另一方面，通常思考過，在諸如活體的散射體中，光基本上按照各向同性的方式被 散射。然而，即使根據(jù)最近的科學(xué)會(huì)議等，報(bào)道過在毫米量級(jí)的微觀領(lǐng)域中，光傳播是各向 異性的。為了執(zhí)行反映各向異性的模擬，需要使用輸運(yùn)方程或執(zhí)行蒙特卡洛模擬。
[0089] 在此實(shí)施例中，來自光源的發(fā)射光被偏轉(zhuǎn)并且入射進(jìn)入測(cè)試的對(duì)象。因此，如果使 用一般的擴(kuò)散方程，則不能夠反映入射角度的信息。關(guān)于這點(diǎn)，提議了使用輸運(yùn)方程的方 法。然而，還已知使用輸運(yùn)方程進(jìn)行計(jì)算需要極大量的時(shí)間。
[0090] 因此，根據(jù)此實(shí)施例，采用蒙特卡洛模擬。蒙特卡洛模擬指代下述方法:在該方法 中，通過使用隨機(jī)變量來隨機(jī)地表達(dá)在散射介質(zhì)中光子被散射的條件，并且觀測(cè)其宏觀行 為。具體地，按照下述方式對(duì)行為進(jìn)行建模:每當(dāng)介質(zhì)中的光子移動(dòng)預(yù)先確定的距離時(shí)，光 子彼此碰撞并且其朝向（方向）被改變。"預(yù)先確定的距離"的平均值是由散射系數(shù)所定義的 平均自由程，并且方向的改變由各向異性"g"所定義。在所定義的區(qū)域內(nèi)碰撞如何重復(fù)和光 子如何傳播被記錄。通過計(jì)算如上所述地被建模的極大數(shù)量的光子，變?yōu)槟軌蚰M散射介 質(zhì)中的光行為。通過蒙特卡洛模擬，記錄單個(gè)光子沿何種路徑散射。
[0091] 在根據(jù)此實(shí)施例的蒙特卡洛模擬中，假定光子的數(shù)量為1〇9并且體元為1mm的立方 體，以及針對(duì)120mm X 120mm X 60mm的三維區(qū)域執(zhí)行計(jì)算。這里，散射介質(zhì)的散射系數(shù)、吸收 系數(shù)、各向異性以及折射率謹(jǐn)慎地(respectfully)被設(shè)定為7.8臟'0.0191111]1'0.89以及 1.37,其基本上與人類的頭皮的散射系數(shù)、吸收系數(shù)、各向異性以及折射率相同。具有這些 值的模體（即，脂肪乳劑水溶液)被制備，并且在光源模塊LM、傳播角度、檢測(cè)模塊DM的位置 等全部與模體中的這些相同的條件下，執(zhí)行模擬以計(jì)算靈敏度分布。
[0092] 在這種情況下，通過體元位置"r"的光子的數(shù)量被定義為"9〇 (r) "。特別地，當(dāng) 光源模塊LM的位置被給定為"rs"時(shí)，在體元位置"r"處的光子通過數(shù)量被定義為 ( r S , r 接下來，光源模塊LM被布置在檢測(cè)模塊DM之前被布置的位置處，并且然 后，再次計(jì)算光子的數(shù)量。當(dāng)檢測(cè)模塊被設(shè)置在位置"rd"處時(shí)，通過體元位置"r"的光子的 數(shù)量被定義為"抑（G rd卜。
[0093] 光路是可逆的。由于這點(diǎn)，乘積與已經(jīng)通過體元位置"r"的、從光源模塊LM所發(fā)射 的以及已經(jīng)進(jìn)入檢測(cè)模塊DM的光子的數(shù)量成比例。通過進(jìn)入檢測(cè)模塊DM的所有光子的數(shù)量 "姿D "被標(biāo)準(zhǔn)化的乘積為下面的靈敏度分布"A(r)"
[0094]
[0095] 靈敏度分布"A(r)"指示對(duì)在位置"r"處的檢測(cè)量的影響率。即，靈敏度分布"A(r)" 指示檢測(cè)量被在體元位置"r"處出現(xiàn)的光吸收體改變了多少。
[0096]圖10示出了如上所述地計(jì)算的靈敏度分布的示例。在示例中，光源模塊LM和檢測(cè) 模塊DM分別地被布置在位置0八4) = (45,6〇,〇)和034) = (75,6〇,〇)處。體元為1111111的 立方體。因此，體元等價(jià)于單位(_)值。在這些位置處的體元的靈敏度被表達(dá)為以10為底的 對(duì)數(shù)(即，常用對(duì)數(shù)）。
[0097]接下來，圖11是在體元(x，y，z)中、在Y = 60并且Z=10的線上、繪出在位置"x"（橫 軸)處的靈敏度(縱軸）的結(jié)果的圖表。在這種情況下，在圖12中指示了下述情況的結(jié)果:在 該情況中，當(dāng)Y軸被當(dāng)作法線時(shí)，作為在平面上的傳播角度的相對(duì)于X軸的角度為+60度和-60度。
[0098]如圖11中所示，在角度為+60度與-60度之間存在靈敏度分布的差異。該差異可以 被用作是否能夠提高分辨率的指標(biāo)。即，在靈敏度分布中出現(xiàn)的差異指示從兩個(gè)光源起的 光傳播路徑不同。這是因?yàn)椋绻麖膬蓚€(gè)光源起的光傳播路徑相同，則即使當(dāng)傳播角度改變 時(shí)，應(yīng)當(dāng)獲得基本上相同的靈敏度分布。由于從兩個(gè)光源起的不同的光傳播路徑，來自兩個(gè) 光源中的一個(gè)的光收集與由來自兩個(gè)光源中的另一個(gè)的光所收集的信息不同的信息。
[0099] 這針對(duì)以下所述的逆問題估計(jì)創(chuàng)造了很大的價(jià)值。如上所述，在幾mm量級(jí)上，光不 按照簡(jiǎn)單的各向同性方式散射而確實(shí)示出輕微的各向異性。由于在這樣的幾_量級(jí)上的差 異，變?yōu)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)具有幾mm量級(jí)的分辨率的逆問題估計(jì)。相對(duì)于在模體中所執(zhí)行的光源模 塊和檢測(cè)模塊DM之間的所有組合，在所有傳播角度/檢測(cè)角度條件中實(shí)現(xiàn)靈敏度分布。
[0100] 接下來，通過使用靈敏度分布來執(zhí)行逆問題估計(jì)。
[0101] 當(dāng)假定由光吸收體的存在所導(dǎo)致的吸收系數(shù)"〇ya(r)"的改變足夠小時(shí)，基于 Retov(Rytov)近似獲得下面的公式。
[0102]
[0103] 這里，符號(hào)V'指示介質(zhì)中的光速，符號(hào)"S"指示每單位時(shí)間從光源模塊所發(fā)射的 光的量，符號(hào)"rs"指示光源模塊LM的位置、符號(hào)"rd"指示檢測(cè)模塊DM的位置，符號(hào) "物r⑴，，指示從光源模塊LM所發(fā)射的并且被遞送到檢測(cè)模塊DM的光的量，以及符 號(hào)指示在不存在光吸收體的狀態(tài)下的光強(qiáng)度。該公式教導(dǎo)了當(dāng)在不存在光吸收體的 狀態(tài)下給定光強(qiáng)"少&"時(shí)，能夠?qū)⒂晒馕阵w的存在所導(dǎo)致的吸收系數(shù)"〇y a(r)"的改變與 觀測(cè)值i〇g9 (rs, rd}通過線性關(guān)系相關(guān)。
[0104] 當(dāng)簡(jiǎn)單地描述時(shí)，可以使用下面的公式。
[0105] Y=A(r)X
[0106] 這里，符號(hào)"Y"指示依賴于是否存在光吸收體的觀測(cè)值的改變，并且符號(hào)"X"指示 在體元位置"r"處吸收系數(shù)的改變。符號(hào)"A(r)"指示靈敏度分布?；谝陨瞎剑?yōu)槟軌?理解當(dāng)被表達(dá)為"X"的光吸收體的位置和量改變時(shí)，觀測(cè)值如何改變。
[0107] 在逆問題估計(jì)中，執(zhí)行反向處理。即，通過使用觀測(cè)值"Y"來估計(jì)光吸收體的位置 "X"。如在以上位置測(cè)量方法中所描述地，通過假定依賴于是否存在光吸收體的改變被表達(dá) 為A r (i，n)來執(zhí)行測(cè)量。此A r (i，n)與觀測(cè)值"Y"相對(duì)應(yīng)，使得基于觀測(cè)值"Y"來計(jì)算位置 "X"。
[0108] 通常，使用被稱為"L2-規(guī)范的規(guī)范化"的逆問題的估計(jì)方法。在此方法中，使得下 面的成本函數(shù)C最小化的"X"被計(jì)算。
[0109] c= |y-ax|2+a|x2
[0110] 這里，符號(hào)"Y"指示觀測(cè)值，符號(hào)"A"指示靈敏度分布，以及符號(hào)"A"指示規(guī)范化系 數(shù)。在逆問題中，通常使用這樣的方法。然而，在此實(shí)施例中，作為逆問題估計(jì)，使用其中能 夠進(jìn)行深度方向上的檢測(cè)的貝葉斯(Bayesian)估計(jì)。在下面的非專利文獻(xiàn)中描述了使用貝 葉斯估計(jì)的逆問題估計(jì)的詳情：T. Shimokawa、T.Kosaka、O.Yamashita、N.Hiroe、T.Amita、 Y. Inoue以及M. Sato，"Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography'，，Opt.Express*20*，20427-20446(2012)。
[0111] 作為結(jié)果，變?yōu)槟軌颢@取估計(jì)結(jié)果，如圖13B中所示。圖13A示出了光吸收體的位 置。圖13A示出了光吸收體的位置。圖13B的網(wǎng)格為3mm，使得理解到在3mm的精度下估計(jì)結(jié)果 與實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)。
[0112] 作為對(duì)比例，圖13C示出了當(dāng)四個(gè)方向之中的僅一個(gè)方向被用于檢測(cè)時(shí)的結(jié)果。在 此對(duì)比例中的配置與傳統(tǒng)的NIRS(DOT)設(shè)備中