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コンピュータ断層撮影イメージング分光計( CTIS) は、シーンの 3 次元 (つまり、空間とスペクトル)ハイパースペクトルデータキューブを精細に生成できるスナップショット イメージング分光計です。
歴史
CTISは、理化学研究所（日本）の岡本隆之と山口一郎、およびモスクワ（ロシア）のF. ブリギンとG. ヴィシュナコフによって別々に考案されました。[1] [2] [3]このコンセプトはその後、ユースタス・デレニアック教授の指導の下、当時アリゾナ大学の博士課程の学生であったマイケル・デスコーによってさらに発展しました。[4]
CTISイメージングに基づく最初の研究実験は、分子生物学の分野で実施されました。[5]それ以来、特にハードウェアに関して、データキューブに関するより多くの情報を提供する分散要素、 [6]システムの強化されたキャリブレーションなど、技術のいくつかの改良が提案されました。[7] CTISの機能強化は、より大きな画像センサーの一般的な開発によっても促進されました。[8]学術目的では、他の分光計ほど広く使用されていませんが、CTISは軍事[9]から眼科学[10]や天文学[11]に至るまでのさまざまな用途で使用されています。
イメージ形成
光学レイアウト
CTIS 装置の光学レイアウトは、上の画像の左側に示されています。視野絞りは対物レンズの像面に配置され、その後レンズが光を平行にしてから、分散器 (格子やプリズムなど) を通過します。最後に、再結像レンズが視野絞りの分散像を大型検出器アレイにマッピングします。
結果画像
CTIS が取得する情報は、シーンの 3 次元データキューブとして見ることができます。もちろん、このキューブは機械的なオブジェクトのように物理空間に存在するわけではありませんが、この表現は画像が何を捉えているかを直感的に理解するのに役立ちます。右の図に示すように、画像上の形状はデータキューブの投影 (機械的な意味で) と見なすことができます。
0 次回折と呼ばれる中央投影は、スペクトル軸に沿ったデータキューブの合計です (したがって、この投影はパンクロマティックカメラとして機能します)。右側の「5」の画像では、中央投影の数字は明確に読み取れますが、光のスペクトルに関する情報は読み取れません。
その他の投影はすべて、キューブを斜めから「見る」ことによって得られるため、空間情報とスペクトル情報が混在しています。データキューブをスペクトル スライスのセットと見なす離散的な観点からは (上の図では、2 つのスライスが紫と赤で表されています)、これらの投影はスライスのスタックの部分的な広がりとして理解できます。これは、マジシャンがカードを広げて観客に 1 枚選ばせるのと似ています。一般的なスペクトル分散とセンサーの一般的なサイズでは、特定のスライスのスペクトル情報が他の隣接するスライスのスペクトル情報と大きく重なり合っていることに注意してください。「5」の画像では、側面投影で数字がはっきりと読み取れない (空間情報が失われている) ことがわかりますが、一部のスペクトル情報は利用できます (つまり、一部の波長が他の波長よりも明るく見える)。したがって、画像にはデータキューブに関する 多重化された情報が含まれています。
投影の数と配置は、使用される回折素子の種類によって異なります。特に、複数の回折次数を捉えることができます。[6]
データキューブの再構築
結果として得られる画像には、データキューブのすべての情報が含まれています。この画像を 3D 空間スペクトル空間に戻すには、再構成アルゴリズムを実行する必要があります。したがって、CTIS は計算画像システムです。
X線コンピュータ断層撮影へのリンク
概念的には、データキューブの各投影は、患者の体内の体積分布を推定するために使用される医療用 X 線コンピューター断層撮影装置によって測定される X 線投影と類似した方法で考えることができます。
したがって、CTIS再構成に最も広く使用されているアルゴリズムは、X線CT研究分野で使用されているものと同じです。特に、Descour [12]が使用したアルゴリズムは、X線CT再構成における先駆的な研究から直接採用されています。[13]それ以来、もう少し複雑な技術が採用され、[8]同じように（ただし同じ程度ではありませんが）X線CT再構成は80年代から改善されてきました。
困難
X 線 CT 分野と比較すると、CTIS 再構成はより困難であることが知られています。特に、CTIS 取得から得られる投影の数は、通常、X 線 CT よりもはるかに少なくなります。投影スライス定理に従って、再構成はよりぼやけたものになります。さらに、患者の周囲で投影が取得される X 線 CT とは異なり、CTIS はすべての画像化システムと同様に、単一の視点からシーンを取得するだけなので、多くの投影角度は取得できません。
参考文献
- ^ 岡本隆之、山口一郎、「スペクトル画像情報の同時取得」、光学論文集 16 :1277-1279 (1991)。
- ^ 岡本隆之、高橋明則、山口一郎、「スペクトルと空間強度分布の同時取得」、応用分光法 47 : 1198-1202 (1993)
- ^ FV Bulygin および GN Vishnyakov、「スペクトロトモグラフィー - 2 次元オブジェクトのスペクトログラムを取得する新しい方法」、Analytical Methods for Optical Tomography、Proc. SPIE 1843 : 315-322 (1992)。
- ^ Michael Robert Descour、「非走査イメージング分光法」、アリゾナ大学博士論文 (1994)
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外部リンク
- コンピュータ断層撮影画像分光計 (CTIS) の高速再構成アルゴリズムは、次の論文に記載されています: Larz White、W. Bryan Bell、Ryan Haygood、「空間シフト不変性を活用した並列アルゴリズムを使用したコンピュータ断層撮影画像分光計再構成の高速化」、Opt. Eng. 59(5)、055110 (2020)。[1]