JP2001519190A

JP2001519190A - 組織形態の測定法

Info

Publication number: JP2001519190A
Application number: JP2000515487A
Authority: JP
Inventors: ペレルマン，レブ・テイ; バツクマン，バデイム; フエルド，マイケル・エス; ゾニオス，ジヨージ; イツカン，アービング; マノハラン，ラマサミー
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2001-10-23
Also published as: EP1021126A1; CA2305898A1; DE69825303T2; US6922583B1; AU9693298A; US6091984A; EP1021126B1; CN1278153A; ATE271830T1; DE69825303D1; WO1999018845A1

Abstract

(57)【要約】例えば組織層中の核のサイズを決定するために、組織層により散乱される光学的照射により物質の１以上の物理的特徴を測定するための装置。この装置は、例えば組織が正常かまたは前癌性であるかを決定するために、目的の組織領域から光を送達し、そして集めるファイバーオプティックデバイス（１０、２０、３０）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】政府の援助本発明は全部または一部を国立衛生研究所の基金番号P41RR02594およびCA5371
7により援助された。政府は本発明に一定の権利を有する。関連出願本発明は、1997年10月10日に出願された米国特許出願番号第08/948,734号の一
部継続出願であり、その全内容は引用により本明細書に編入する。

【０００２】

【技術分野】

発明の背景初期の癌の診断法は、癌の予防および治療に必須である。多くの種類の癌がヒ
トの身体の内および外面を覆う上皮組織から成長する。これらの多く、例えば胃
腸管の癌は形成異常の段階を経て進行する。形成異常は未だ悪性ではない腫瘍性
の組織と定義できるが、悪性の前駆物質であると考えられる。この段階で診断さ
れれば、ほとんどの腫瘍は治癒できる。胃腸管の腫瘍の場合、現在の診断法は内
視鏡検査に基づく。しかし形成異常組織は、内視鏡法では明らかではないことが
多い。このように胃腸管における形成異常および他の部位の検出は、しばしばこ
の「見えない」悪性の前駆物質に関する散在的サンプリグに依存する。しかし散
在的な生検は形成異常的変化を見逃す可能性が高い。生検法では不可能な場合も
ある。

【０００３】インビボで、しかもリアルタイムで種々の器官における癌性組織の正確な診断
を提供するために、標準的な生検に代わる手法に向けて努力がなされてきた。こ
のために、非侵襲性の光学的技法は組織の摘出を必要とせず、そしてインビボで
行うことができる。そのような方法は顕微鏡レベルの情報を提供し、そしてこの
ように標準的な生検により見逃されるような大変小さい部位に関する調査を提供
することができる。ほとんどのヒトの器官が光学的技法により診断できるが、光
学的法は、通例の内視鏡管の１つの通路に挿入することができる光学プローブで
容易に接近できるので、ヒトの体腔における組織に特に応用することができる。発明の要約本発明は、物質の組織化された層の物理的特徴、そして特に散乱光を使用して
組織構造の形態学に関する特定のある種の定性的情報を測定するための光の使用
に関する。測定する物質の厚さおよび構造のサイズおよび分布に依存して、後方
散乱法および透視法の両方を使用することができる。測定できる物質の特性の例
は、表面の粗さ、パラシティ（parasity）、サイトメーター測定、または構造中
の変化に対応して物質の反射率が変化する任意の物質を含む。この種の散乱分光
学は、粒子の形態を定量的に測定することはできない吸光分光学からは区別する
ことができる。

【０００４】徹底的な調査にもかかわらず、インビボの形成異常を診断するための信頼でき
る光学的方法は知られていない。１つの難点は、形成異常的変化が光学的照射に
ほぼ透過性の１細胞層であるわずか20μmの薄い上皮層の最上に限定されているという事実による。

【０００５】例えば胃腸管の組織（他の中空器官も同じ欠点を共有する）は、上皮（管の部
分に依存して20μm〜300μm厚)と呼ばれる比較的非細胞性でしかも高度に脈管状
のゆるい結合組織、厚さが最高500μmでしかもコラーゲンおよび弾性繊維を含む
基底層、ならびに種々の白血球細胞により支えられている細胞層に覆われている
。基底層の下に、筋性層、粘膜筋板、（最高400μm厚）および多数の小血管およ
び豊富なコラーゲンおよび弾性繊維を含有する粘膜下組織（400〜600μm厚)と呼
ばれる別の中程度に密な結合組織がある。これらの層の全体の厚さは約１mmであ
る。生物組織中への光学的照射の特性侵入距離（characteristic penetration d
epth)は通常１mmを越えないので、好適な態様にはこのような層による組織に測定を限定することで十分である。

【０００６】食道の腺癌は食道の化生性柱状上皮細胞に生じ、「バーネット食道」と呼ばれ
るが、これは長期の胃小腸反射の合併症である。この症状では、遠位の鱗状上皮
が腸で見られるものに似た１細胞層から成る柱状上皮に置き換えられている。バ
ーネット食道はしばしば後に癌に進行する形成異常を伴う。バーネット食道を患
っている患者の内視鏡的監視の試験では、食道癌死亡率の減少をもたらさなかっ
た。最も考えられる理由として、食道に生じる形成異常は標準的な内視鏡画像で
みることはできず、そして散在的生検サンプリングが必要である。この手順は、
危機にあるわずか約0.3％の組織をサンプリングできるだけである。このようにサンプリングの誤りについて重大な潜在性が存在する。

【０００７】バーネット食道中の形成異常を診断するための光学的技法の応用は、組織中の
主要な変化が１細胞厚（〜20−30μm)である上皮中に生じるが、蛍光または反射
スペクトルはほとんどがより深い組織層で形成されるという事実により制限され
ている。形成異常上皮の最も顕著な形状の１つは、長く、高色素性で、しかも詰
まった核の存在である。実際には核のサイズおよび空間的分布におけるこのよう
な変化は、形成異常であると組織検体を診断するために病理学者により使用され
る主要マーカーである。他の組織層には有意な変化は観察されない。不幸なこと
には、上皮は強力な吸収物またはフルオロホアを含まず、そして上皮の厚さは比
較的小さく、したがって無視され得る。これがバーネット食道での上皮診断を困
難としている。

【０００８】拡散反射分光写真術は、生物組織上皮の分析および前駆損傷の検出に定量的な
生化学的および形態学的情報を提供することができる。拡散反射スペクトルは、
結腸鏡検査を受けている患者の腺腫様結腸ポリープ（癌前駆物質）および正常な
結腸粘膜から集められた。このデータは、ポリスチレンビーズおよびヘモグロビ
ンから成る物理的組織モデルについて測定した分析用光拡散システムを使用して
分析した。４つのパメーターが得られた：ヘモグロビン濃度、ヘモグロビン酸素
飽和、実効散乱物密度(effective scatterer density)および実効散乱物サイズ(
effective scatterer size)。正常および腺腫様組織部位は、ヘモグロビン濃度および実効散乱物サイズに差異を表した。このように拡散反射は、インビボで組
織の生化学的および形態学的情報を得るために使用することができる。

【０００９】本発明の好適な態様は、粘膜組織からの後方散乱光中、波長が周期的である微
細な構造成分を測定する方法に関する。この構造は通常は、観察できるように除
去されなければならない拡散性のバックグラウンドに隠れている。この成分の起
源は、表面の上皮細胞核によりミー-散乱した光によるものである。周期的構造の振幅および周波数を分析することにより、これらの核の密度およびサイズ分布
を抽出すことができる。このような量は、生物学組織中の腫瘍性前駆物質の変化
の重要な指示物質であり、したがってこの技法は、内視鏡検査を受ける患者のそ
のような変化を観察するために有用な道具を提供することができる。

【００１０】組織表面で薄層上に入射する光は完全に無作為化されない。この薄い領域では
、弾性散乱プロセスの詳細が保存され得る。身体の中空器官に並ぶ粘膜組織は一
般に、下の比較的非細胞性の結合組織に支えられた上皮細胞の薄い表面から成る
。健康な組織では、上皮はしばしば約10〜20μmのエンドフェイスおよび約25μm
の高さの１つのよく組織化された細胞層から成る。癌性および前癌性（形成異常
）上皮では細胞が増殖し、細胞層はしばしば肥厚化し、より密に詰まるようにな
り、そして細胞核が拡大し、そして染色した時により暗く見える（高色素性）。
これは核酸密度の上昇、したがって屈折率の上昇を示すことができる。

【００１１】本発明の好適な態様は、350から700nmの間の範囲の光学的照射で組織中の目的
領域を照らすための広帯域光源を利用する。ファイバーオプティックプローブを
使用して、組織からの照射を送達し、かつ／または集めることができる。このシ
ステムは患者内部の体腔を光学的に調査するために患者の内視鏡検査中に使用し
、これにより生検用の組織を摘出する必要性を排除し、あるいは生検に適する組
織の位置を決定するために使用することができる。

【００１２】後方散乱光は、２゜から12゜の間、好ましくは３゜から８゜の間の範囲の小さい収
集角度で好ましくは集められる。光学ファイバーシステムを使用して散乱光を集
める時、0.05から0.22の間、そして好ましくは0.07から0.1の間の多数の開口を有するファイバーを使用することができる。この範囲内で収集角度は、反射光中
の周期的成分を損失することなくバックグラウンド光のレベルを下げる。

【００１３】本発明の前述の、および他の目的、特徴および利点は、異なる観点を通して同
じ符号で言及する添付図面で説明する時に、以下の本発明の好適な態様のより詳
細な記載から明らかとなるだろう。図面は本発明の原理の説明の外に、決定され
たり強調される必要はない。本発明の詳細な説明本発明の好適な態様は、表層の１以上の物理的特徴を測定するために、目的領
域からの光を送達し、そして集めるためのファイバーオプティックシステムの使
用が関与する。そのようなシステムを図１に説明する。このシステムには広帯域
源のような光源５０、組織からの光を送達し、かつ／または集めるためのファイ
バーオプティックデバイス１０、組織からの散乱光を検出する検出システム８０
、検出したスペクトルを分析し、そして保存するメモリー１２２を有するコンピ
ューター１２０、ならびに測定結果を表示するディスプレイ１２４を含むことが
できる。レンズ６０は、光源５０からの光をプローブ１０の励起ファイバー３０
につなぐために使用することができる。フィルター１１０およびレンズ系９０、
１００は集めた光を効率的に分光器７０につなげるために使用することができる
。データ処理システム１２０に連結されたコントローラー１４０は、光源５０を
制御するクロックおよびパルサー１５０に連結することができる。

【００１４】プローブ１０の遠位末端１５を図２で説明し、ここで中央の励起ファイバー３
０は６つの周囲の収集ファイバー２０に囲まれている。デバイスの遠位末端は、
米国特許第5,199,431号明細書（この内容は全部、引用により本明細書に編入する）に記載されているような光学的シールド２５で包むことができる。他の内視
鏡デバイスは、上記の参照特許に記載されているような、または米国特許第5,28
0,788号明細書（この内容は全部、引用により本明細書に編入する）に記載されているようなオプティカルニードルに使用できる。

【００１５】収集ファイバー２０は測定する物質からの所望の収集角度を提供するために、
好ましくは0.05〜0.22の範囲で多数の開口を有する。これは、周期成分の損失な
しに散乱スペクトルから取り除かれるバックグラウンドの減少を補助する。

【００１６】収集ファイバーは、電荷結合素子またはCMOSイメージャーのような遠位に取り
付けられたイメージングセンサー３５に置き換えられるか、または補足されるこ
とができる。このセンサーは記録される散乱スペクトルに含まれる種々の色に対
して感受性のピクセル化構造を有する。遠位に取り付けられるセンサーの使用に
関するさらなる詳細は、1996年11月12日に出願された米国特許出願第08/745,509
号明細書（この内容は全部、引用により本明細書に編入する）に見いだすことが
できる。

【００１７】このシステムで集められる後方散乱光を分析して、上皮組織の特定の物理的特
徴を決定することができる。集めた光とこの光を使用して決定される物理的特徴
との間の関係は以下のように説明することができる。

【００１８】上皮核は、周囲の細胞質よりも高い屈折率を持つ回転楕円体のミー散乱物とし
て表すことができる。正常な核は特徴的な直径を有するｌ＝４〜７μm。対照的に、形成異常の核は20μmものサイズであることができ、ほとんどの細胞容積を占有する。このように可視の範囲で、波長λ＜＜１、および核により散乱される
光の成分は、波長との周期性を表し、その詳細は核サイズ分布により決定される
だろう。ファンデハルスト（Van de Hulst)近似法を使用して、核の光学的散乱断面積：

【００１９】

【数１】

【００２０】式中、δ＝πln_c(n-1)、ｎ_cは細胞質の屈折率であり、そしてｎは細胞質の屈折率に対する核の屈折率である、を表すことができる。

【００２１】光のビームが組織の上皮層に入射する時、この光の一部は上皮核から後方散乱
するが、残りはより深い組織層に透過し、ここで多重散乱し、そして無作為化さ
れる。組織に吸収されない拡散性の光のすべてが最終的に表面に戻り、もう一度
上皮を通過し、ここで細胞核からの散乱光を受ける。このように発光は大きな拡
散性バックグラウンドに加え、上皮層中の核からの前方散乱および後方散乱光の
成分から成る。サイズ分布Ｎ(１)（単位面積（mm²)あたり、および核の直径(μm
)の単位間隔あたりの核の数）の核を含有する上皮組織の薄板に関して、アクセプタンス立体角Ω_cを持つオプティカルプローブにより集められる反射Ｒ(λ)に関する輸送方程式の近似解は、以下の表現により与えられる：

【００２２】

【数２】

【００２３】式中、Ｉ_i((λ,ｓ))は、立体角Ω_iで送達される入射角の強度であり、Ｉ_d(λ, ｓ )は下層組織から発する光の強度であり、そして任意の関数Ｉ(ｓ)および立体角Ωに関する

【００２４】

【数３】

【００２５】で、ｓは組織面から任意方向で外側を指す単位ベクトルである。量

【００２６】

【数４】

【００２７】は、拡散性のバックグラウンドの反射である。光距離

【００２８】

【数５】

【００２９】および散乱相関数

【００３０】

【数６】

【００３１】は、両方ともＮ(１)に依存し；球に関しては、ρ（λ，ｌ，ｓ，ｓ¹）がミー理論により決定される。式(２)における第１項は拡散性バックグラウンドの減衰を
説明し、そしてカッコ内の項は入射光の後方散乱および細胞核による拡散性バッ
クグラウンドの前方散乱をそれぞれ説明する。

【００３２】小さいΩ_cについて、式(２)中の前方散乱項はτ(λ)に拡大できる。このように

【００３３】

【数７】

【００３４】ここで

【００３５】

【数８】

【００３６】である。数的にｆ₁<<ｆ₀であり、そしてｆ₀およびｆ₁は目的の範囲（λ_min＝360
からλ_max＝685nm）で波長とはほぼ無関係であることが分かった。同様に、後方
散乱項については

【００３７】

【数９】

【００３８】である。前方散乱への関与（contribution)において、１次元項は光学定理により必要とされるように相内でτ(λ)で変動するが、後方散乱への寄与については
相外であることに注目されたい。したがって式(２)を

【００３９】

【数１０】

【００４０】に換算し、これは上皮核が周期性の微細構造成分を、対応する散乱断面積の波長
に類似の波長依存性で反射に導入することを示す。この周期性はほぼ核の直径に
比例し、そしてその振幅は上皮層中の核のサイズおよび数の関数である。この量
は反射、Ｒ(λ)を分析することにより決定することができる。

【００４１】式(２)により説明される効果の例として、正常Ｔ84腫瘍ヒト結腸細胞単層から
の弾性光散乱(それぞれ１０および１５部位）を測定し、そして分析した。約15 μm長の細胞をバッファー溶液中ガラススライド上に固定し、そしてBaSO₄拡散（
かつ高度に反射性）プレート上に置いた。BaSO₄プレートは下層組織からの拡散性反射を近似するために使用した。正常なヒトの核は一般に５〜７μmであり、そして腫瘍細胞の核は７〜16μmである。

【００４２】図１に示すようにオプティカルファイバープローブを使用して、白色光をキセ
ノンアークフラッシュランプからサンプルに送達し、そして戻った反射シグナル
を集めた。直径１mmのプローブチップは、６つの収集ファイバーにより囲まれた
中央送達ファイバーから成り、そのすべてが１mm厚の石英光学シールドで覆われ
た。ファイバーは200μmコアの融合シリカ、NA＝0.22 (Ω_i＝Ω_c＝πNA ²）であった。正反射を排除するために、プローブは垂直に対して17゜に面取りした。近
位末端で収集ファイバーを一直線に並べ、そして分光器の入力スリット上に投影
した。ダイオードアレイ検出器が、360〜685nmからの反射スペクトルを記録した
。図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ正常およびＴ84腫瘍細胞サンプルからの正規化

【００４３】

【外１】

【００４４】較のために、BaSO₄プレート自身の反射率スペクトルも図３Ｃに示す。このスペクトルには構造が欠け、そして顕著な形状を示さない。

【００４５】反射率データから核サイズの分布に関する情報を得るためには、式（３）を変
換する必要がある。核のサイズ分布、Ｎ(１)は光距離（optical distance)

【００４６】

【数１１】

【００４７】の周期成分のフーリエ変換から得ることができる。パラメーターｑ＝１−ｂ₀ −ｆ₀＋２（ｂ₁−ｆ₁）は、前方および後方散乱に関連し、そしてプローブのジオメトリー（幾何学的形状）ならびに入射および反射光の角度分布に依存する。

【００４８】

【外２】

【００４９】および

【００５０】

【数１２】

【００５１】を導入することにより、

【００５２】

【数１３】

【００５３】を得る。式(４)は、データを分析するために使用した。スプリアス振動を除去す
るために、Ｎ(１)はガウス平滑子関数（Gaussian filtering function)を用いて
重畳することにより（convolving）さらに処理した。図４の実線の曲線は、図３
Ａおよび３Ｂのスペクトルから抽出した正常およびＴ84細胞単層サンプルの得ら
れた核サイズ分布を表す。ｎ＝1.06の核-対-細胞質の相対的屈折率およびｎ_c＝1
.36の細胞質の屈折率を使用した。破線の曲線は、光学顕微鏡を介して形態学的に測定した対応するサイズ分布を表す。このサイズ分布は、ガウス分布により近
似され得る。このためのパラメーターを表１に示す。抽出し、そして測定した分
布は、正常およびＴ84細胞サンプルの両方について良く合致している。

【００５４】

【表１】

【００５５】ヒト個体の食道および結腸粘膜の拡散性反射における周期的微細構造は、胃腸
病内視鏡検査法の最中に測定することができる。上皮が細胞培養実験で使用した
ものに類似する柱状細胞の薄い単層から成るバレット食道の場合は、データは細
胞培養実験時に集めた。オプティカルファイバープローブを食道の生検通路に挿
入し、そして組織表面と接触させる。本明細書に記載した方法は、他のＧＩ組織
、口腔、頸部、嚢および皮膚中の組織の構造的特徴を測定するためにも使用でき
る。

【００５６】細胞核の散乱サインである微細構造成分は、典型的には全サインの５％未満で
あり、そして図５Ａに示すように通常は下層組織からの拡散して散乱する光のバ
ックグラウンドにより隠れており、これ自体が吸収および散乱によるスペクトル
の形状を表す。そのスペクトルの形状は、ヘモグロビンおよびコラーゲン散乱の
特徴的な吸収バンドにより抑えられている。微細構造を観察するために、このバ
ックグラウンドは取り除かれなければならない。吸収長μ_a ^-1は、波長の変動に伴い0.5〜250mmの範囲であり、そして実効散乱長（μ_s')^-1は0.1〜１mmの範囲で
ある。このように散乱および吸収の両方がバックグラウンドサインを引く、また
は取り除く場合に考慮されなければならない。

【００５７】バックグラウンド光を表すために、組織への入射は指数的に減衰すると推定さ
れ、そして任意の深さｚで、減少した散乱係数μ_aに比例する光の量が、表面に対して後ろに散乱し、そしてさらに指数的に減衰する。光の減衰は散乱および吸
収の両方に依存するので、減衰係数は吸収係数μ_aおよび実効散乱係数μ_s ^(e)＝ βμ_s'の和になると予想される。パラメーターβはモンテカルロシュミレーショ

【００５８】

【外３】

【００５９】ることが分かった。光は組織中にわずか〜１mm透過するだけなので、ほとんどの
拡散的に散乱する戻った光は粘膜層に限られる。

【００６０】これにより組織は２層媒体として表され、そして下層から拡散して反射した光
は無視される。上皮細胞層上にあたる下層組織からの拡散性の光に関して、以下
の近似的表現が得られる：

【００６１】

【数１４】

【００６２】Ｆ(ｓ)は、ランベルティアン関数(Lambertian function)であり、粘膜層から発する光の角度依存性を説明し、Ｌは粘膜層の厚さを表すパラメーターであり、
そしてＬは粘膜層の厚さを表すパラメーターであり、そしてｃはヘモグロビンの
濃度であり、これはコラーゲン吸収物に対する主要な吸収物となることが分かり
、これが光散乱の原因である。酸化および脱酸化ヘモグロビンの両方が存在する
ので、全ヘモグロビン吸収は、

【００６３】

【数１５】

【００６４】として表され、酸素飽和パラメーターはα（０＜α＜１）である。

【００６５】図５Ａは、２つのバレット食道組織部位からの反射スペクトルを表し、両方が
独立して標準的な病理分析により診断されて、（１）正常および（２）前癌性（
すなわち、低度の形成異常）を示す。見れば分かるように、これらの未処理スペ
クトルの差異は小さい。それらを分析するために、式(５)は最初にパラメーターｃ、ａおよびＬを変動させることによりデータの広い形状に合わせた。図５Ａで
見られるように、得られたフィットは極めて正確である。

【００６６】

【数１６】

【００６７】を算出することにより、この拡散性のバックグラウンド構造を取り除いた後、周
期性の微細構造が図５Ｂで見られる。形成異常組織部位からの微細構造は、正常
な部位からのものよりも高い周波数コンテント（frequency content)を表すこと
に注目されたい。次に式(４)を使用して個々の核サイズ分布を抽出して図５Ｃを
得た。正常と形成異常組織部位との間の差異は明らかである。形成異常部位から
の核の分布は、正常部位からの分布よりも広く、そしてピーク直径は〜７μmから約〜10μmへとずれている。さらに、巨大核（＞10μm）の相対数および核の総
数の両方が有意に増加している。

【００６８】コンピューターの分析に基づき、核サイズ情報の抽出における上記方法の不確
実性は、ノイズレベルおよびモデルの正確さに依存して５％〜30％になると予想
される。分布は正常および形成異常核の両方について同じ屈折率を使用して算出
した。これは染色した組織学的切片において、屈折率の上昇を示しているかもし
れない形成異常核が高色素性で現れる限り、全く正しいわけではない。すなわち
形成異常部位から測定された分布における巨大核の相対数は、幾分過剰に予測さ
れているかもしれない。

【００６９】インビボで核サイズの分布を測定する能力は、臨床医学において価値のある応
用である。拡大した核は癌、形成異常および細胞再生の主な指示物である。さら
に異なるサイズの核を測定することにより、特定の細胞の存在に関する情報を提
供でき、そしてこのように例えば生物組織の炎症性反応の指示物として役立つこ
とができる。これは粘膜層における種々の形態学／病理学が、核分布の識別でき
るパターンを与えることを示唆している。

【００７０】バレット非形成異常と形成異常上皮との間を区別するために有用であると判明
した物理的特徴は、核の総数および巨大核（ｌ＞10μm）の割合である。サンプルの病理学的分析をそれらの光学的分析と比較して、プロット（核の総数対 10
μmより大きい直径の核の割合）を図６に提供した。このような50の部位から、この分析に関する重複感度および特異性は、それぞれ83％および100％であった。この実験は、正の効果予測値(positive predictive value)が100％であった。
ｎにより示される点は、正常または炎症しており、そしてｄにより示される点は
形成異常であった。20〜30％の範囲の割合でこの種類の診断については正確とな
ることが分かり、25％がこの特定の例では使用された。

【００７１】分光器および電荷結合素子（CCD）、CMOSまたは他の統合固体イメージングアレイを使用する摘出した組織サンプルからの後方散乱スペクトルデータの収集に
ついて使用する分光器システム３００の好適な態様を図７に説明する。

【００７２】システム３００は、サンプル４６を照射するために広帯域光源または回転可能
レーザー３１４を使用することができる。光源３１４は、散乱物質３２５上およ
び後ろの透明ウインド３２１上に取り付けられたサンプル４６上にあてるために
、焦点光学部３２０を通る鏡３１８により方向付けられるビーム３１６を生成す
る。このビームは入射角でサンプルに集められた。収集角度３３０は開口または
コリメーター３４０により決められ、そして２から１２度の間であり、そして好
ましくは３から８度の間である。

【００７３】サンプル４６から発せられる散乱光の一部は、入射光に比して小さい角度で収
集光学部３２４により集められた。別の好適な態様では、入射角および収集角は
１つの共通軸に沿うことができる。収集光学部３２４コリメーターおよびＦ／は
集めた光を分光器３１０に合わせる。分光器３１０の入口スリットに入る前に、
集められた光は集められた光の望ましくない散乱成分を減衰させる一連のフィル
ター３２６を通過する。

【００７４】図８は、組織のような目的物質からの散乱スペクトルを集め、そして分析する
ための工程４００を一般に説明する。この方法はインビトロで顕微鏡システムま
たは図７に示すようなカラーイメージングシステムを使用して、あるいはインビ
ボで患者について行うことができる。光源からの照明光４０２は300nm〜1200nm の範囲での照射に使用でき、赤外線範囲を含む。照射を集め４０４、そして検出
４０６した後に、拡散バックグラウンド４０８を取り除き、そして所望の特性を
算出することができる４１０。これらの結果は目的領域の診断を提供するために
使用できる。

【００７５】本発明の好適な態様は、固定の送達および収集ジオメトリーを用いたオプティ
カルファイバープローブを用いたデータ収集に基づく分析法を採用する。データ
分析は光拡散を使用するが、組織スペクトルを分析するためのモデルに直接応用
するというよりは、既知の光学特性を用いて拡散反射スペクトルと散乱物および
吸収物から成る物理的な組織表示との間の対応を確立する。分析用の配合を使用
するこの組織モデルからのスペクトルを分析することにより、変換することが容
易な計算システムを提供し、そして散乱物および吸収物の濃度を正確に予想する
。いったん計算を確立したら、この方法を組織スペクトルに応用する。

【００７６】以下はインビボの組織の粘膜表面に対するスペクトル分析の応用に関する。こ
の例では、結腸癌の前駆物質である腺腫様の結腸ポリープが測定される。このよ
うなポリープはコロニー性の形成異常形であり、そして組織学的には視覚では検
出できない平らな形成異常であるが、容易に検出できる。結果は標準的な組織学
的検査と相関し、そして疾患の早期発見のために使用することができ、そして最
も重要なことは、形態学および生化学的情報を得るためにどのようにこの分光学
的方法をインビボで応用できるかを例示する。

【００７７】拡散反射スペクトルは、日常的な結腸鏡検査を受けている13名の患者について
インビボで腺腫様の結腸ポリープから集めた。データは多−励起蛍光スペクトル
と同時に集めた：10μsのパルス期間および4Jj／パルスの平均入力エネルギーを
有するキセノン−アークフラッシュランプを白色光源として使用した。イメージ
ング分光器は集めた光を分散し、そしてゲートダイオードアレイ検波器を360〜6
85nmのスペクトル範囲の光の検出に採用した。ランプのパルスと同調する12μse
cのゲートを使用して内視鏡照明からのバックグラウンドを最小にした。検出器はPCノートブックコンピューターにより制御され、ここでデータが移され、そし
て保存された。

【００７８】光は、結腸鏡のアクセサリー通路を通って進み、そして組織に接触するによう
になるオプティカルファイバープローブを使用して送達し、そして集めた。この
プローブは、光を集めるために６つの同心ファイバーにより囲まれた光送達用の
中央オプティカルファイバーから成った。すべてのファイバーが200μmのコア直
径およびNA＝0.22を有した。プローブの先端は約1.5mm長および直径の石英のシールドがはめ込まれ、これはそれぞれおよそｒ_d＝0.35mmおよびｒ_c＝0.55mmの半
径を持つ重複円錐状態で、均一な環状の送達および収集スポットを持つ固定の送
達／収集ジオメトリーを提供した。この先端は17度の角度で面取りされて、シー
ルド／空気界面からの望ましくない鏡のような反射を排除した。

【００７９】 20容量％のBaSO₄粉末懸濁液の拡散反射スペクトルを参照として使用して、キセノンランプのスペクトル特性および全体的な強度を考慮した。プローブを懸濁
液に浸し、そして参照拡散反射スペクトルを各組のデータを集める前に記録した
。組織スペクトルはこの反射スペクトルを分割することにより算出した。拡散反
射スペクトルは、腺腫様ポリープ毎に２〜３の異なる部位から、ならびに対応す
る周辺の正常粘膜の部位から測定した。体動アーティファクトを回避するために
単一−パルス励起を使用した。次にポリープを摘出し、そして組織学的に検査し
たが、正常粘膜部位は生検を行わなかった。

【００８０】拡散反射を表すために、生物組織は減少した散乱および吸収係数、それぞれμ _s '(λ)およびμ_a'(λ)を持つ均一な半−非定形の濁った媒質として近似された（
λは光の波長）。入射光の一部は組織に吸収されるが、非吸収の部分は多重散乱
を受け、そして最終的には拡散反射として表面から出る。この戻り光のある画分
はプローブにより集められる一方、残りの部分は検出されずに逃れる。集められ
る光の量は、光学的特性μ_s'(λ)およびμ_a'(λ)、ならびにプローブの直径ｒ_p に依存する。ｒ_pは有限であるので、尺度の長さとして役立ち、μ_s'(λ)および μ_a'(λ)を別々に決定することが可能となる。

【００８１】オプティカルプローブにより集められた光を特徴付けるために、組織の表面上
の拡散反射の空間的および角度分解能の知識が必要である。放射性の輸送方程式
に拡散を近似するためのイメージ法を使用して、半−非定形の濁った媒質の表面
上への光の入射点からｒ離れた拡散反射半径方向密度Ｒ（λ，ｒ）は、

【００８２】

【数１７】

【００８３】ここで、

【００８４】

【数１８】

【００８５】そして

【００８６】

【数１９】

【００８７】により与えられる。

【００８８】パラメーターＡは、媒質の屈折率ｎに依存する（ｎ＝１についてはＡ＝１、そ
してｎ＞１についてはＡ＞１）。結腸組織の平均屈折率に関する合理的な仮定は

【００８９】

【外４】

【００９０】プローブにより集められる全部の光を見いだすために、式６は送達および収集
領域の空間的広がり（それぞれ、半径ｒ_dおよびｒ_cにより特徴付けられる）にわ
たり積分されなければならない。全送達領域にわたり入射光の強さが均一になる
と仮定すると、プローブにより集められる拡散反射Ｒ_p(λ)は、

【００９１】

【数２０】

【００９２】であり、ここで

【００９３】

【数２１】

【００９４】である。式７の積分は、数字的に評価することができる。しかしＲ_p(λ)につい
て簡単な分析的表現を得るために、光の点送達（ｒ_d＝０）および半径ｒ_cの環状
スポットにわたる収集を仮定すると、

【００９５】

【数２２】

【００９６】ここで

【００９７】

【数２３】

【００９８】であるを得る。

【００９９】ｒ_cの最適値は、既知の光学的特性を有する物理的組織モデルについて式８を計算することにより見いだされた。式８を使用することの利点は、数値的積分を
必要とする式７よりも変換することが大変容易である点である。式８は組織表面
に対して垂直方向で拡散反射を与える。これは光が表面に対して垂直方向から約
10度の最大の片寄りを持つ方向で光学プローブにより集められるだけなので許容
できる。

【０１００】式８はプローブにより集められる拡散反射スペクトルを分析するために使用で
きる。このような組織スペクトルの測定から、ヘモグロビンは結腸組織中で可視
範囲のスペクトルの唯一の有意な光吸収物であり、酸化型および脱酸化型の両方
で存在（encountered）する。両方の型の光吸収特性が研究され、そしてそれら

【０１０１】

【外５】

【０１０２】ン吸収は415nmで最大ならびに542および577nmで２番目の最大を与え、一方デオキシヘモグロビンは430nmで最大および555nmで唯一の２番目の最大を与える。全
吸収係数、μ_j(λ)は

【０１０３】

【数２４】

【０１０４】により与えられ、ここで

【０１０５】

【数２５】

【０１０６】はHb酸素飽和パヘメーターであり、Ｃ _hbO2およびＣ_Hbはそれぞれオキシおよびデ
オキシHbの濃度であり、そしてＣ'_hb＝Ｃ _hbO2 ＋Ｃ_HbはHBの全濃度である。

【０１０７】Ｃ_Hbおよびαの決定は、以下のように行った。所定の組織スペクトル、Ｒ_p(λ
)について、初期値を割り当てた（典型的にはＣ_Hb＝0.0、そしてα＝0.5）。次に式８は数値に変換してμ_s'(λ)を見いだし、これはHB吸収の残存スペクトル特
性を表した。次にパラメーターＣ_Hbおよびαを変更し、そしてこの方法をμ_s'( λ)がHbスペクトル特性を含まないなめらかなスペクトル形を表すまで再帰的に繰り返した。このようにしてμ_s'(λ)をＣ_Hbおよびαと同時に決定した。

【０１０８】

【表２】

【０１０９】上記手順は、μ_s'(λ)が波長λの比較的滑らかな関数であるという仮定に基づ
き、この分析は以下の検討から明らかになることが確認されるだろう。一般に、
μ_s'(λ)は種々の組織散乱からの要因の和である。不幸なことには、このような
個々の散乱に関する詳細な情報は入手できない。したがってμ_s'(λ)は、 μ_s'(λ)＝ρ_sσ'(λ) （１０）と記載され、ここでρ_sは実効散乱密度であり、そしてσ'(λ)は実効減少散乱断
面積であり、すなわち組織の散乱特性は組織が１つのよく定められた種類の散乱
物を含む場合に平均的様式でモデル化される。一般にσ'(λ)は散乱物の屈折率、形およびサイズ、ならびに周囲媒質の屈折率に依存する。直径ｄ_sの球状散乱物について、σ'(λ)はミー散乱理論を使用して数値的に算出することができる。

【０１１０】図１０は、そのようなσ'(λ)の計算を表す。σ'(λ)の傾斜はｄ_sに単純に依存すること、すなわち傾斜が散乱物のサイズに対して逆に相関していることに注
目されたい。この様式では、散乱物のサイズをσ'(λ)毎に、したがってｄ_s＝0.
2〜2.0μmの範囲でμ_s'(λ)毎に割り当てることが可能である。例えば、これまでに報告されたインビトロ測定に基づき正常な結腸粘膜のμ_s'(λ)を推定するこ

【０１１１】

【外６】

【０１１２】ｄ_sが決定されたら、密度ｐ_sはμ_s'(λ)をσ'(λ)により除算することによる。まとめると、各組織拡散反射スペクトルの４つのパラメーター、Ｃ_Hb、α、ｐ_s およびｄ_sが得られた。

【０１１３】図１０に示す結果を算出において、散乱物および周囲媒質の屈折率は組織につ
いて見出されたように類似して仮定される。合理的な近似は、散乱物については
約1.4であり、そし周囲媒質については1.36の屈折率である。これらの値は、可視範囲で組織屈折率の下限がおよそ1.33に等しい水の反射率に設定され、そして
上限が約1.45である柔軟組織について報告された最大屈折率に設定されているこ
とに注意することにより正当化することができる。そのような値は、柔軟な生物
組織について観察されたものと一致する。

【０１１４】物理的な組織表示は、式８の開発で作られた種々の近似の応用性を確認するた
めの方法として役立った。サンプルは、球状の微粒子と種々の濃度のHbとの混合
物から成った。このモデルはこのような混合物が組織サンプルの光学的特性を模
することを確立した。さらに光学的特性の点で分析モデルの有効性の範囲を確立
し、そしてパラメーターｒ_c、式８に関して最適値を決定した。

【０１１５】脱イオン水中のポリスチレンビーズ懸濁液（ポリサイエンス社：Polyscience,
Inc.）を使用して組織の光散乱を模し、そして凍結乾燥されたヒトHb（シグマ：
Sigma、H0267）から調製されたHb溶液を使用して吸収を模した。ビーズの散乱特
性はミー理論を使用して算出した。ビーズの直径は1.07μmであり、そしてポリスチレンの屈折率ｎ_pはｎ_p＝15607＋10002/λ²(26)、(nmでのλ)の表現により与
えられ、そしてポリスチレン濃度は0.625容量％であった。減少した散乱係数は4
00nmで約1.7mm^-1から変動した。このスペクトル依存性は、ｄ_s＝1.0μmの図１０
で示すものと同様であり、傾斜がポリスチレンの大きな屈折率のために大きい点
が異なった。

【０１１６】ポリスチレンによる光吸収は可視領域では無視できるので、吸収は単にオキシ
ヘモグロビンによるものであった。物理的−組織モデルのサイズは約３×３×0.
5cmであり、正常な結腸粘膜の平らなジオメトリーを模した。さらに深さ１cmおよび直径0.5cmの円筒状ジオメトリーのようなジオメトリーも調査してポリープのジオメトリーを模したが、有意なスペクトルの差異は見られなかった。使用し
た光学的パラメーターの範囲は、これまでに報告されたインビトロで行った結腸
組織パラメーターの個々の測定に基づき選択した。

【０１１７】図１１は、種々のHb濃度対分析モデル予測を用いて物理的組織モデルについ
て測定した拡散反射スペクトルを表し、これは図３でｒ_c＝0.45mmに設定することにより得られた。これはｒ_cについて最適値となるように決定され、これを全データ分析を通して固定して維持した。またパラメーターＺ₀＝１／(0.6μ_d＋μ _s ')が分析モデルと物理的組織モデルデータとの間の合致を、特に吸収の大きな値で向上させることも見出された。図１１に示す物理的組織モデルスペクトルは
、以下に与える組織スペクトルに大変よく似ている。この事実は、組織散乱物（
微小球としてモデル化した）および組織吸収（Hbの特性である）に関して、モデ
ルの開発において作成された仮定の間接的確認として役立つ。

【０１１８】この分析モデルは、目的とする生理学的範囲のHb濃度について物理的組織モデ
ルスペクトルを正確に予測することが分かった。100mg/dL未満の濃度のHbについ
ては、２つのモデル間の偏りは全波長範囲にわたり常に10％未満であった。最大
の偏りは吸収が散乱に匹敵する時に起こった。これは図１１の曲線（ｄ）、Hb吸
収のピーク近くの約415nmで見られる。このHb濃度はこの場合250mg/dLであり、これは415nmで約５mm^-1の吸収係数に相当し、一方散乱係数は同じ波長で約2.8mm ^-1 であった。

【０１１９】図１２は、１つの腺腫様ポリープ部位および１つの正常粘膜部位に由来する典
型的な拡散反射スペクトルを示す。有意なスペクトルの差異が特にスペクトルの
青色領域で容易に観察することができ、ここで420nm付近のHb吸収の谷が顕著なスペクトルの形状である。この谷はポリープのスペクトルでより一層顕著であり
、これはまたスペクトルの赤の端（〜700nm）から始まり、そして緑領域（〜500
nm）に移動する強度の連続的低下も示すが、同じ領域で正常な粘膜スペクトルは
強度の安定な上昇を示す。オキシヘモグロビンの第２の吸収の低下（542nmおよび577nm）は、腺腫様ポリープスペクトルでより一層顕著であり、Hb濃度の上昇を示している。モデル分析に従い、正常な粘膜スペクトルはHb濃度Ｃ_Hb＝22.5mg
/dLが特徴であり、一方で腺腫様ポリープについて相当する値は約６倍高かった（Ｃ_Hb＝165mg/dL）。Hb飽和はそれぞれ0.65±0.05および0.55±0.05であること
が判明した。

【０１２０】図１３は図１２に示すデータから算出した散乱スペクトルμ_s'(λ)を、最高の
ミー理論フィットに加えて示す。２種類の組織のスペクトル間の主な差異はスペ
クトルの傾斜に見られ、これは異なる実効散乱サイズ、ポリープについてはｄ_s ＝1.5μmそして正常粘膜についてはｄ_s＝0.35μmに対応する。散乱物密度に関す
る値は、正常粘膜についてｐ_s＝15×10⁸mm^-3、そして腺腫様ポリープについてｐ _s ＝1.3×10⁸mm^-3となることが分かった。また図１２は式８を使用したデータの最高の分析モデルフィットも示す。このモデルは２種類の組織間のスペクトル形
に特記される劇的な差異、ならびにμ_s'(λ)が球状散乱物の均一な分布を仮定す
るように近似するという事実にもかかわらずデータを正確に説明する。データと
モデルの間の偏りは、典型的にはほとんどの波長の範囲で10％より小さい。

【０１２１】図１４Ａ−１４Ｄは、実験したすべての組織部位について４つのパラメーター
の計算値を示す：（Ａ）全Hb濃度Ｃ_Hb（Ｂ）Hb酸素飽和α、（Ｃ）実効散乱物密度ｐ_sおよび（Ｄ）実効散乱物サイズｄ_s。腺腫様ポリープは増加したHb濃度が明らかに特徴であり、一方Hb酸素飽和については観察できる差異はなかった。
２つの種類の組織間でこのようなパラメーター分布に有意な重複はあるものの、
実効散乱物密度は一般に腺腫様ポリープで低く、そして実効散乱物サイズは大き
かった。表２は図１４Ａ−１４Ｄで示す結果を、各パラメーターについて平均値
および標準偏差を与えることによりまとめる。

【０１２２】図１５はHb濃度Ｃ_Hb 対実効散乱物サイズｄ_sのプロットを示す。このような２つのパラメーターは、結腸中の正常粘膜および腺腫様ポリープの散乱および吸
収特性に見られる差異をまとめ、そして説明するために一緒に示す。正常粘膜デ
ータはクラスターを形成する傾向があり、一方腺腫様ポリープデータは別れてお
り、そして実効散乱物サイズおよびHb濃度の両方でより広い広がりと不規則な分
布が特徴である。

【０１２３】拡散反射測定に基づき、インビボで結腸粘膜組織に関する定量的情報を提供す
る方法を記載した。この方法の主な構成は、（ａ）固定された送達／収集ジオメ
トリーを用いたオプティカルファイバープローブを通して集めたデータ、（ｂ）
光拡散に基づく分析データのための分析用モデル、および（ｃ）分析用モデルの
計算のための物理的組織モデル。

【０１２４】固定ジオメトリーのオプティカルプローブの使用で一貫したデータ収集、およ
び散乱および吸収の独立した決定が可能となる。プローブジオメトリーの設計（
Modeling）は、パラメーターｒ_cの使用を通して容易となり、これはまた吸収に対するプローブの感度も定める。より大きなｒ_cを有するプローブは、小さいｒ_c を有するプローブと比べて集めるスペクトルを組織吸収に対してより感度のある
ものとする。図４では、第２のHb吸収ピークは正常な粘膜スペクトルではほとん
ど確認できない；より大きなｒ_cを有するプローブは、このような形状をより顕著なものとするだろう。

【０１２５】分析的な拡散理論モデルは数値的変換に基づき分析でき、そしてポリスチレン
ビーズおよびオキシヘモグロビンから成る物理的組織モデルについて計算した後
の組織データを成功裏に説明する。他の研究者は、ＩＲ領域における組織および
物理的組織モデルからの拡散反射の実験において、すでに本明細書に記載した分
析モデルの変更態様を使用した。この実験は出願人の知識では、可視領域におけ
るモデルを、オプティカルファイバープローブを使用して測定したヒトの粘膜組
織からのインビボデータに最初に応用したものである。ＩＲではなく可視で操作
することにより、光の透過は約0.5mm、すなわち前癌性の変化が起こる粘膜層に限定された。出願人はモデルを使用して、Hb濃度、Hb酸素飽和、実効散乱物サイ
ズおよび実効散乱物密度のような実験した組織に関する定量的情報を得ることが
可能であることを示した。結果は拡散反射がインビボの粘膜組織表面の定量的分
析に関する道具を提供することを示す。

【０１２６】モデルで作成した基本的な近似では、Hbがスペクトルの可視領域において結腸
粘膜中の唯一の重要な吸収物である。たとえこの仮定が直接的な確認を欠いてい
ても、データはHb吸収の特徴的な形状を強く表し、Hbが主要な吸収物であること
を明らかに示している。加えて、Hbが唯一の吸収物であるとした組織物理モデル
について測定したスペクトルは、組織スペクトルに極めて似ている。

【０１２７】同様に、組織散乱は既知の屈折率を持つ均一な球状散乱物によりモデル化され
た。この近似は２つの基本的パラメーター、実効散乱物サイズおよび実効散乱物
密度という意味で、定量的な特性決定を可能とする。このようなパラメーターは
平均散乱特性の予測を提供する。物理的組織モデルについて測定したスペクトル
は実際の組織スペクトルを再生するという事実は、ここでも（Hbの場合のように
）この近似の有効性の間接的確認として役立つ。

【０１２８】データの分析では、腺腫様結腸ポリープはHb濃度の上昇が特徴であることが示
された。腫瘍および癌性組織は微小血管系の増加を表すことが知られており、し
たがって血液含量が増加する。走査型電子顕微鏡法と組み合わせて形態計測およ
び脈管キャスティング（vascular casting）を使用する。結腸の腺腫様ポリープ
のような前癌性組織も増加した微小管容量が特徴であり、Hb濃度の上昇の観察と
このような上記報告と一致する。他の報告は、クローン病および潰瘍性大腸炎に
付随した結腸粘膜の微小管性（microvascularity)が増加した。出願人はこのような種類の組織を実験してはいないが、本明細書で使用した技法はそのような疾
患のインビボの研究にも有用であると示すことができる。

【０１２９】 Hb酸素飽和は、正常粘膜および腺腫様ポリープの両方について平均で約60％と
なることが分かった。測定は本質的に粘膜の毛細管ネットワーク中で行われ、こ
こで酸素がHbから組織に輸送されるので、この結果は合理的である。毛細管内で
Hb酸素飽和はおよそ97％（動脈血）から約40％（静脈血）へ低下し、測定値（約
60〜70％）は適切にこの範囲の中央になった。２種類の組織間に観察される差異
が無いという事実は、おそらくそのような組織の乱れた代謝に関連するHb酸化に
変化を導入するようには腺腫様ポリープの代謝が有為に変化しないと言う事実に
よるものであろう。本明細書で与えた技法は、中空器官の表面上の腫瘍の研究に
、またはHb飽和の知識が必要な他の種類の組織の研究にインビボで使用すること
ができる。

【０１３０】２種類の組織間の散乱特性において固有の差異が観察された。腺腫様ポリープ
に関しては正常な粘膜と比べた時、平均実効散乱サイズはより大きく、そして平
均実効散乱物密度は小さかった。コラーゲンファイバーのような細胞外ならびに
ミトコンドリアおよび核のような細胞内の両方のさまざまな微細構造からの散乱
への関与を同定する多数の仮説がある。１つのモデルは、腺腫様ポリープでは細
胞がより高い容量比を占めるので、細胞内構造からの光散乱に対する関与が増加
することを提供する。加えて、コラーゲンがより密に詰まっている粘膜下は通常
、光散乱に関与できるためにはポリープ表面から離れ過ぎている。これで腺腫様
ポリープにおける低い散乱密度を説明することができるが、ただし平均して細胞
内の散乱は細胞外の散乱よりも大きい。均等物本発明は、好適な態様に関して特に示しそして説明したが、当業者は形態およ
び詳細における種々の変化を、前述の特許請求の範囲に定められるように本発明
の精神および範囲から逸脱することなく作成できると理解するだろう。当業者は
日常的な実験を使用するだけで記載した本発明の具体的態様に対する多くの均等
物を認識し、そして確認することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のファイバーオプティックプローブの概略図である。

【図２】本発明の内視鏡の遠位末端の拡大図である。

【図３】図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは正常結腸細胞（Ｒ＝0.46)；T84細胞（Ｒ＝0.38)の細胞単層；（ｃ）BaSO₄拡散プレート（Ｒ＝1.0）からの反射スペクトルを説明す
る。

【図４】それぞれ正常結腸細胞；およびT84細胞について、それぞれ図３Ａおよび３Ｂのデータから得られた核のサイズ分布を説明する。各々の場合で、実線はデータ
ーから抽出した分布であり、そして破線は光学顕微鏡を使用して測定した分布で
ある。

【図５】図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、それぞれ正常部位（実線）、形成異常部位（破線
）およびモデルフィット（太い実戦）からの拡散反射に関するバーネット食道に
由来する反射スペクトル；対応する微細構造；および得られた核サイズ分布であ
る。

【図６】標準的な病理学および本発明の光学的方法により分析されたサンプルの比較を
グラフで説明する。

【図７】本発明に従いインビトロの組織分析に使用するシステムである。

【図８】本発明に従い組織の光学的診断を行う方法を説明する工程の流れ図である。

【図９】酸化（細い線０）および脱酸化（太い線）ヘモグロビンのモル吸光係数スペク
トル（ヘム族あたり）である（２１）。特徴的なピークである415、542および57
7nm（オキシヘモグロビン−HbO₂)、ならびに430および555nm（デオキシヘモグロ
ビン−Hb）に注目されたい。

【図１０】ミー理論を使用して算出した減少した散乱断面積スペクトルσ'（λ）である。結果は４つの異なる直径ｄ_s（0.2、0.6、1.0および2.0μm）で示す。スペクト
ルの傾斜は直径に逆相関している。散乱粒子について1.4、そして周辺媒質について1.36の屈折率が予想された。

【図１１】４種のＨｂ濃度に相当する身体的組織モデル（太線）について測定した拡散反
射スペクトルを表す：（ａ）0.0mg/dL、（ｂ）50mg/dL、（ｃ）125mg/dL、（ｄ）250mg/dL。身体的組織モデルの調製物に同じ光学的パラメーターを使用する分
析モデルの予測も示し（細線）、分析と組織モデルとの間の合致が大変良いこと
を示す。

【図１２】典型的な正常および腺腫様ポリープスペクトル（太線）、ならびにモデル（細
線）を使用してデータに大変よく当てはまることを示す。モデルフィットに使用
する減少した乱吸光を近似するためにミー理論を使用した（図１３を参照にされ
たい）。

【図１３】図１２に示すデータから得られた散乱スペクトル（細線）、およびミー理論を
使用する最高のフィットを示す（太線）。ミー理論のフィットは実効散乱サイズ
ｄ_sを減少した散乱スペクトルに割り当てる。ポリープは正常な粘膜（ｄ_s＝0.35
）と比較してより大きな実効散乱サイズ（ｄ_s＝1.5μm）が特徴である。

【図１４】１４Ａ−１４Ｄは、データ分析から得られたパラメータを示す：（Ａ）全Ｈｂ
濃度、Ｃ_Hb、（Ｂ）Ｈｂ酸素飽和、α（Ｃ）実効散乱密度、ｐ_s、および（Ｄ）実効散乱サイズ、ｄ_s。正常粘膜（四角）と腺腫様ポリープ（星印）との間の最大の違いは、全Ｈｂ濃度で観察される。

【図１５】全Ｈｂ濃度Ｃ_Hb対実効散乱サイズｄ_sのバイナリープロットである。正常データは良く定められた集団を形成する傾向があるが、腺腫様ポリープのデータはよ
り広い変動が記録される。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年４月７日（２０００．４．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者バツクマン，バデイムアメリカ合衆国マサチユセツツ州02139ケンブリツジ・メモリアルドライブ550・アパートメント９イー１ (72)発明者フエルド，マイケル・エスアメリカ合衆国マサチユセツツ州02168ニユートン・ヒンクリーロード56 (72)発明者ゾニオス，ジヨージアメリカ合衆国マサチユセツツ州02139ケンブリツジ・メモリアルドライブナンバー 205ビー305 (72)発明者イツカン，アービングアメリカ合衆国マサチユセツツ州02116ボストン・ビーコンストリート330 (72)発明者マノハラン，ラマサミーアメリカ合衆国マサチユセツツ州02138ケンブリツジ・ホーマーアベニユーナンバー 12 25 Ｆターム(参考） 2G059 AA05 AA06 BB09 BB12 BB14 CC16 CC18 DD01 DD03 EE02 EE12 GG01 GG10 HH02 HH06 JJ01 JJ02 JJ11 JJ17 KK01 MM02 MM03 MM10 NN01 PP04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】組織の層中の構造のサイズを測定する方法であって：組織の層中の目的領域に照射を向け；組織からの照射の集め；収集した照射を検出し；そして組織層内の構造のサイズを決定する、ことを含んで成る方法。
【請求項２】さらに目的領域が形成異常組織を含むかどうかを決定するこ
とを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】さらにファイバーオプティックプローブを使用して照射を組
織上に向けることを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】さらにファイバーオプティックプローブを用いて組織からの
照射を集めることを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項５】さらに目的領域内の核の平均核サイズを決定することを含ん
で成る、請求項１に記載の方法。
【請求項６】さらに目的領域内の組織核の直径を測定することを含んで成
る、請求項１に記載の方法。
【請求項７】さらに組織からの照射の強度の周期的成分を波長の関数とし
て測定することを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項８】さらに周期的成分から組織中の核のサイズを決定することを
含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項９】組織を光学的に測定する方法であって：測定する組織中の目的領域に照射を向け；組織からの照射を集め；そして集めた照射の周期的成分を波長の関数として測定して組織の物理的特徴を決定
する、ことを含んで成る方法。
【請求項１０】さらに目的領域が形成異常組織を含むかどうかを決定する
ことを含んで成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】さらにファイバーオプティックプローブを使用して照射を
組織上に向けることを含んで成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】さらにファイバーオプティックプローブを用いて組織から
の照射を集めることを含んで成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】さらに目的領域内の核の平均核サイズを決定することを含
んで成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】さらに目的領域内の組織核の直径を測定することを含んで
成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】さらに内視鏡を用いて照射を集めることを含んで成り、内
視鏡は内視鏡の遠位末端にイメージングセンサーを有する、請求項９に記載の方
法。
【請求項１６】さらに周期的成分から組織中の核の密度を決定することを
含んで成る、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】組織中に形成異常の存在を決定する方法であって：組織の上皮層中の目的領域上に照射を向け；組織からの後方散乱照射を集め；集めた照射を検出器を用いて検出し；組織の目的領域中に形成異常の存在を決定する、ことを含んで成る方法。
【請求項１８】さらに目的領域が形成異常組織を含むかどうかを決定する
ことを含んで成る、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】さらに350nmから700nmの範囲の照射を集めることを含んで
成る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】さらにファイバーオプティックプローブを用いて組織から
の照射を集めることを含んで成る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】さらに目的領域内の核の平均核サイズを決定することを含
んで成る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】さらに目的領域内の組織核の直径を測定することを含んで
成る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】さらに組織からの照射の強度の周期的成分を波長の関数と
して測定することを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】さらに周期的成分から組織中の核のサイズを決定すること
を含んで成る、請求項７に記載の方法。
【請求項２５】物質を光学的に測定する方法であって：測定する物質組織中の目的領域上に照射を向け；物質からの照射を集め；集めた照射から散乱スペクトルを検出し；そして集めた照射の周期的成分を波長の関数として測定して、物質の物理的特徴を決
定する、ことを含んで成る方法。
【請求項２６】さらにファイバーオプティックプローブを使用して照射を
物質上に向けることを含んで成る、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】さらにファイバーオプティックプローブを用いて物質から
の照射を集めることを含んで成り、プローブは0.05から0.25の範囲で多数の開口
をもつオプティカルファイバーを有する請求項25に記載の方法。
【請求項２８】さらに目的領域内の核の平均核サイズを決定することを含
んで成る、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】さらに目的領域内の単位面積あたりの粒子数を測定するこ
とを含んで成る、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】組織を光学的に測定する装置であって：測定する組織の目的領域を照らす照射源；組織からの照射を集める光学システム；集めた照射を感知する検出器システム；および検出した照射の周期的成分を波長の関数として決定し、組織の物理的特徴を決
定するデータ処理機、を含んで成る装置。
【請求項３１】さらに350〜700nmの範囲の光を生成する広帯域光源を含ん
で成る、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】さらに源を組織につなぐファイバーオプティックプローブ
を含んで成る、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】さらに２から12度の間の収集角度で光を集めるファイバー
オプティックプローブを含んで成る、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】プローブが内視鏡に挿入可能である、請求項３３に記載の
装置。