JP2004510132A - 位相分散式トモグラフイー - Google Patents

Abstract

混濁媒体を通して屈折されずに伝播する放射はその波動性のために少し位相速度変化を受ける。この変化は差動位相光学干渉計（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を使用して測定出来る。弾道伝播（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ） は３つの状況（ｒｅｇｉｍｅｓ）に分類出来て、すなわち波長に比して小さい散乱体用で該混濁媒体がバルク媒体として作用する状況と、大きい散乱体用で位相速度が混濁から独立している状況と、そして中間の状況で該位相速度が散乱体半径に強く左右される状況と、である。特に、中間の寸法を有する散乱体用では、より高い屈折率の正の分散散乱体（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｅｒｓ）を追加することにより位相速度は増加しそして負の分散（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）が観察される。これらの測定は基本波と調波の光との間の位相差を使って行われ、組織又は生物学的流体の診断情報と画像を提供するため使用出来る。

Description

【０００１】
［関連出願］
これは２０００年６月９日出願で、該出願の全開示がその全体の引用によりここに組み入れられる米国出願第０９／５９１、２９７号の１部継続出願である。
【０００２】
［政府援助］
本発明は米国国立衛生研究所からグラント（Ｇｒａｎｔ）番号Ｐ４１−ＲＲ０２５９４、１Ｆ３２ＲＲ０５０７５−０１及び１Ｆ３２ＣＡ８０３４５−０１によりそして全米科学財団のグラント番号９７０８２６５ＣＨＥにより、全体に亘り又は部分的に補助された。政府は本発明の或る権利を有する。
【０００３】
［発明の背景］
弾道光（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｌｉｇｈｔ）は入射光と同じ方向に散乱媒体（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）を横断する光として規定される。従来、弾道伝播（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）は透過時屈折されない光子として描かれた。この様な絵は、以下で光子モデル（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｍｏｄｅｌ）と呼ばれるが、光学的トモグラフイ（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）で広く使用され、それは弾道伝播の多くの特性を説明する。例えば、該光子モデルは弾性光（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｌｉｇｈｔ）の散乱光（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）より早い時期の厚い混濁した媒体（ｔｈｉｃｋ ｔｕｒｂｉｄ ｍｅｄｉｕｍ）からの出現を説明する。しかしながら、このモデルは、光の波動性が考慮されてないので、不完全である。
【０００４】
干渉計（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）は光路長の変動に基づく位相変化を測定するため使用されて来た。例えば、干渉顕微鏡を使用した位相測定は薄い組織サンプルの２次元画像を提供するために以前使用された。
【０００５】
しかしながら、組織の様な混濁媒体を測定するためにはシステムと方法の改良に対する引き続いたニーヅが存在する。
【０００６】
［発明の概要］
拡散散乱媒体（ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）を横断する光の位相速度（ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）は散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒ）寸法の関数である。この効果を光学的に測定するために、例えば、８００及び４００ｎｍの様な少なくとも２つの調波的に関係付けられた波長（ａｔ ｌｅａｓｔ ｔｗｏ ｈａｒｍｏｎｉｃａｌｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ）間の位相速度の非常に小さい差を測定する干渉計が使用される。かくしてもう１つの波長の整数倍である１つの波長が関心のある走査領域に関する定量的位相情報を提供するため使用され得る。この様な波長の対は、調波的に、すなわち最低波長の５％内へ整数倍の要求を満足させる、すなわち１つの波長がもう１つの波長の約整数倍である、２つの別々な光源を使用して、発生され得る。好ましい実施例では、本発明の干渉計システムは２ｃｍの厚さの混濁サンプルで少なくとも４０ｍ／ｓの位相速度差、すなわち、例えば、等価的に、約５ｎｍの光路長差、に感応する（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）。この感度は非常に希釈された混濁媒体の測定、生物医学的画像形成の様な光学的応用により関係深いモデルそしてスモーク（ｓｍｏｋｅ）又はフオグ（ｆｏｇ）の様な大気条件を通した遠隔探査（ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）を提供する。
【０００７】
位相速度の変動は弾道伝播の波動性から生じ、弾道電磁場（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を、該入力光場の散乱場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）との干渉として扱うことにより測定出来る。バンデフルスト（ｖａｎ ｄｅ Ｈｕｌｓｔ）及びミー（Ｍｉｅ）の散乱理論（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｉｅｓ）を使うと、弾道伝播は３つの状況（ｒｅｇｉｍｅｓ）に分けられ、すなわち、（１）散乱体寸法（ａ）が光学的波長（λ）より遙かに小さい時、該混濁媒体は位相速度の考察用にはバルク媒体（ｂｕｌｋ ｍｅｄｉｕｍ）として近似されてもよい状況と、（２）ａがλに比肩出来る時、該位相速度は散乱体寸法に強く左右される状況と、（３）ａがλより遙かに大きい時、位相速度考察用には混濁度（ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ）は無視出来る状況とである。結果として、適当に調波的に関係付けられた光の波長で組織を測定することにより、該組織内の細胞構造体の寸法と分布が測定出来る。
【０００８】
弾道光は混濁媒体の構成材料に特徴付けられない位相速度で伝播出来る。従って、該弾道光自身が混濁媒体の構造と組成に関する位相情報を担わねばならない。光子モデルは位相速度のこの変動を簡単に説明出来ない。
【０００９】
本発明の好ましい実施例はここでは位相分散顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）｛ピーデーエム（ＰＤＭ）｝と呼ばれる顕微鏡画像形成システム（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。このシステムは媒体を通して透過される光の基本波と散乱されない光の調波との間の位相差を測定することに基づく。ピーデーエムは光路長変動によるノイズを実質的に減じるか又は除去する干渉計を使用する。他の位相測定技術では、該測定される位相での微細な干渉計光路長差を考慮することは難しい。かくして、この様なジッター（ｊｉｔｔｅｒ）を除去する独立の方法無しでは、位相測定が物理的に関連する情報を直接生み出すことは出来ない。対照的に、本システムで測定された位相は光路長誤差から独立している。例として、該システムは、混濁した媒体を通した伝播中に弾道光により経験される非常に小さい不規則な位相速度差を測定するため使用される。本システムと方法はＤＮＡ水溶液の様な非常に希釈した材料の屈折率分散を測定することにより定量的情報を提供出来る。該技術の感度とその画像形成能力は支持されない組織断面（ｕｎｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｔｉｓｓｕｅ ｓｅｃｔｉｏｎ）の画像形成に応用出来る。
【００１０】
この技術は生体外及び生体内両方で組織の２次元｛２デー（２Ｄ）｝又は３次元｛３デー（３Ｄ）｝画像形成を提供するため使用出来る。本発明のシステムと方法に関する追加的詳細は引用によりここに組み入れられる２０００年４月２８日出願の出願番号第６０／２００、１８７号で見出される。
【００１１】
［発明の詳細な記述］
測定は図１に示す低コヒーレンス（ｌｏｗ−ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）位相分散干渉計（ｐｈａｓｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）１０を使用して行われる。入力光１２は基本波及び好ましくは第２調波周波数のレーザー光ビームを重畳（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｎｇ）することにより創られる。源（ｓｏｕｃｅ）１４は８００ｎｍで１５０ｆｓパルスを作る低コヒーレンスのチタン：サフアイヤレーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａｓｅｒ）とすることが出来て、該第２調波は標準的周波数ダブラーにより作られる。重畳されたビームはビームスプリッター１６で２つの成分に分割される。１つの成分はミラーＭ２を有する干渉計の信号アームの混濁媒体１８を通る２つのパス（ｐａｓｓｅｓ）を作る。もう１つの成分は水の補償器キュベット（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｃｕｖｅｔｔｅ）１５を通過し基準アーム（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｒｍ）内の基準ミラー（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｒｒｏｒ）Ｍ１から反射する。該基準ミラーＭ１は一定速度２０で移動し、該戻りビームにドップラーシフトを誘起する。次いで該再組合せされたビームはダイクロイックミラーＤＭを用いて波長により分離され、光検出器Ｄ１とＤ２により別々に測定される。両波長での最終ヘテロダイン信号（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｓｉｇｎａｌｓ）が測定され、１６ビット１００ｋＨｚＡ−Ｄ変換器２４によりデジタル化され、更にデータプロセサー２６で処理されてメモリー内に記憶される。各デジタル化された信号は該ドップラーシフトにより与えられた、その中央ヘテロダイン周波数付近でバンドパスされる。該フイルターされた信号は次いでヒルベルト変換（Ｈｉｌｂｅｒｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）され、そしてそれぞれの位相Ψ１（基本波）とΨ２（第２調波）が抽出される。関連した位相技術は金属の分散及び空気の屈折率を測定するために使用されて来た。
【００１２】
従来の干渉計では、波長の僅かな分数程小さい光路長変動が測定された位相を顕著に変え、従って、この様なジッター（ｊｉｔｔｅｒ）を除く独立した方法無しには、位相測定が物理的に関連する情報を直接生じることは出来ない。しかしながら、我々の干渉計の該信号及び基準アームの何れかでの大きさＤｘのジッターは該位相、Ψ_１及びΨ_２をそれぞれｋ_１Δｘ及びｋ_２Δｘだけ変え、ここでｋ_１及びｋ_２は基本波及び第２調波光ビームの自由空間波数（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｓ）である。ｋ_２は丁度ｋ_１の２倍なので、ジッターの影響はΨ_２からΨ_１の２倍を引くことにより全部を除去出来る。この様な除去が１つの波長がもう１つの整数倍である時だけ可能であることを注意すべきである。この操作は高感度で、
【００１３】
【数１】

【００１４】
すなわち該干渉計内の２つの波長の光路長差を産み出し下記となる：
【００１５】
【数２】

【００１６】
下記に提示する実験では、達成された感度は光路長差で約５ｎｍ又は等価的に、該第２調波光に関する位相差で約９×１０^−２ラデイアンである。
【００１７】
好ましい実施例では、水中の散乱するポリスチレン球（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｓｐｈｅｒｅｓ ｉｎ ｗａｔｅｒ）から成る１０ｍｍ厚さの混濁媒体を横断する光の位相が測定出来る。同じ厚さの水で充たしたキュベットが位相補償を提供する。弾道光は該キュベットを通して２回通過するので、有効厚さ、Ｌは２０ｍｍであることを注意すべきである。与えられた寸法のポリスチレン微少球（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ）は該信号アームのキュベットに徐々に追加され、光路差の変化を測定した。微少球の容積分数（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｖｏｌｕｍｅ ）、ηは８×１０^−６から３×１０^−３まで変えられた。該微少球の比屈折率は水のそれに対し８００ｎｍで１．２０そして４００ｎｍで１．２３である。光路差の各測定は該キュベット内の該２つの波長間の位相速度分数差（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、Δｖ_２／ｖ_０−Δｖ_１／ｖ_０を見出すために使用された：
【００１８】
【数３】

【００１９】
ここでｖ_０は水中の光の速度、ｎ_０は水の屈折率である。水の分散と、混濁と、のための第２次の修正（ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）は、それらが該計算に最小のインパクトしか有しないので、省略されたことを注意すべきである。我々のシステムは１０^７中２分（２ ｐａｒｔｓ）程に小さい位相速度差での僅かな変化を測定出来る。測定は１０ｎｍから１０ｍｍまで半径が変化する微少球について続けて行われた。図２のデータ点は散乱体寸法（ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｓｉｚｅ）の関数として測定された位相速度の分数差（ｍｅａｓｕｒｅｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を示す。
【００２０】
混濁媒体を通過する弾道光の透過は複素屈折率ｎ_ｃｘ＝ｎ−ｉｎ’により特徴付け出来る。混濁媒体内で距離Ｌを横断した弾道光場（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ）、Ｅ（Ｌ）は入射場（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）、Ｅ（０）の複素指数的減衰として書くことが出来て、
【００２１】
【数４】

【００２２】
ここでｋは周囲媒体内での波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）である。該屈折率の成分は、入力光の精確に前方方向で評価された散乱関数（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、Ｓ（０）の項で表すことが出来て、
ｎ＝１＋（２πＮ／ｋ^３）Ｉｍ（Ｓ（０））　 　　　（４ａ）
ｎ’＝（２πＮ／ｋ^３）Ｒｅ（Ｓ（０））　　　　　　（４ｂ）
ここで、Ｎは単位体積当たりの散乱体の数である。
【００２３】
該屈折率の該虚数部は散乱による弾道光の公知の減衰に付随し広く研究されて来た。光学的定理で決定される様に、減衰は前方方向で、例え非吸収性粒子に対しても、起こることを注意すべきである。しかしながら、散乱体の該屈折率の実数部分への影響は容易には測定出来ず、従来の方法で測定出来るｎの変化を誘起することは、Ｎの大きな値を要するので、検出するには余りに少しの弾道光しかない。本干渉計は遙かに高い感度の測定手段を提供することにより我々がこの問題を迂回することを可能にする。かくして、我々は該散乱関数の虚数部の微妙な変動を研究出来る。
【００２４】
球形散乱体の屈折率｛又は、等価的に、付随位相速度（ｔｈｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）｝への影響を明らかにするために、半径ａで周囲媒体に対する屈折率ｍの球のバンデフルスト散乱表現（ｖａｎ ｄｅ Ｈｕｌｓｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）を考える。この表現では、直線光線は球形散乱体を通してトレースされ、入る時及び出る時に離れない（ｎｏｔ ｔｏ ｄｅｖｉａｔｅ）と仮定される。これは該散乱体寸法が波長に比して大きく、該屈折率差が小さい時のみ厳密に妥当である。それにも拘わらず、それは重要な物理的洞察を提供し、下記で示す様に、これらの制限を良く超えて突出した特徴を説明する。１つの波長の光について、バンデフルスト表現は下記の形式の僅かな位相速度変化を与えるが：
Δν／ν_０＝１−ｎ＝−｛３η／（２ａ^３ｋ^３）｝（ｋａ）^２｛（ｓｉｎρ）／ρ^２−（ｃｏｓρ）／ρ｝　　　（５）
ここでρ＝２ｋａ（ｍ−１）は正規化された散乱体寸法であり、そして（ｍ−１）は該散乱体と該周囲媒体の間の比屈折率差である。該バンデフルスト表現を用いたΔｖ／（ηｖ_０）のプロットが図３で示される。比較のために、ミー理論に基づく精確な計算も示してある。
【００２５】
図３は該散乱体特性により、弾道光伝播の３つの異なる状況を表す。該バンデフルスト表現を分析的に使ってこれらの各々を考える。
Ｉ．ρ＜＜１−バルクの媒体としての混濁媒体
この制限では、式（５）は下記に帰着する。
【００２６】
Δｖ＝−ηｖ_０（ｍ−１）　　　　　　　　（６）
この場合、位相速度の変化は小さな散乱体の存在によるバルクの屈折率変化からのみ起こる。もう１つの見通しから、各散乱体を通しての位相遅れが小さい時、正味の結果は簡単に、該屈折率差により決定される、位相速度の全体的変化である。
【００２７】
【外１】

【００２８】
この状況では式（５）は簡単化され得ない。該位相速度はρを変えると共に振動すると見られる。該位相速度の正味の変化は該前方散乱光が該入力光と同相（ｉｎ ｐｈａｓｅ）か逆相（ｏｕｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ）かに強く依存する。該散乱体が水より高い屈折率を有する事実にも拘わらず、ρの或る値についての不規則な位相速度増加の存在を注意すべきである。この状況では、媒体の有効屈折率はより高い屈折率を有する材料の追加により減じられる。
ＩＩＩ．ρ＞＞１−位相速度が混濁から独立している
この制限では、式（５）は下記に帰着する。
【００２９】
【数５】

【００３０】
かくして位相速度は混濁の存在から独立している。これは光子モデルが完全な説明を提供する唯一の状況である。物理的には、我々は、ρが大きい時、透過光の位相は該球の中心からの距離の増加と共に急激に変化する事実から、これを理解出来る。正味の結果は該透過光の位相シフトは平均してゼロになることである。
【００３１】
上記は１つの波長の光についての弾道伝播の挙動に基づく。２つの波長間の位相速度差に基づいても、なお３つの状況が明らかに見られる（図２）。又、バンデフルスト表現から計算された予測位相速度変動、そしてミー理論から得られた精確な解、が図２で示される。近似であるが、該バンデフルスト表現は測定データへの良好な適合を与える。
【００３２】
２つの波長の位相速度差は、単一波長の挙動に存在しない追加的現象、（水に対する）負の分散の劇的領域（ｄｒａｍａｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を明らかにする。逆説的に、該負の分散は、適切に寸法付けされた正の分散散乱体（ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ ｓｉｚｅｄ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｅｒ）の追加により引き起こされる。この結果は波長でρを寸法付けすることから起こる位相速度プロフアイルでのシフトによる。それは上記で議論した不規則な位相速度増加に依存しない。
【００３３】
位相速度差プロフアイルの特異な特徴は該基本波／第２調波波長を走査することにより、多数分散媒体（ｐｏｌｙｄｉｓｐｅｒｓｅ ｍｅｄｉａ）での精密な散乱体寸法分布を抽出することを可能にする。該高精度は位相ベース測定で達成される極端な高感度により可能となる。この方法は、細胞核の寸法分布、すなわち生物学的組織での前ガン的変化の重要指標、を測定するための関連する強度ベースの技術を補間する。又ここで説明された位相分散測定法は従来の位相差顕微鏡検査（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）｛ピーシーエム（ＰＣＭ）｝を補間する画像形成技術の基礎を形成する。この場合、画像形成は標本を横断する弾道光の位相シフトに基づく。弾道光の使用は測定量が散乱された光から得られるピーシーエムに比較して組織について種々の種類の情報を明らかにする。本発明は分散性で、弱く散乱させる組織でピーシーエムより良好に動作する。
【００３４】
この実施例の、図４で見られる干渉計２８では、顕微鏡対物レンズ０３及び０４はビームを、両波長で約７μｍのエフダブリューエイチエム（ＦＷＨＭ）を有する切り取った組織の様なサンプル上に焦点合わせするが、しかしながら、入って来る通路と重なるように戻り通路を整合させることに困難がありそれは解像度を約１０マイクロメートルに劣化させる。より精細な解像度はより高いパワーの対物レンズと改良された整合とを使用することにより達成出来る。基準ミラーは１ｍｍ／ｓの一定速度で移動し、該戻りビーム上にドップラーシフトを誘起する。前の様に、該２つの複合ビームは次いで再組合せされ、ダイクロイックミラーでそれらの波長成分により分離され、そして光検出器により別々に測定される。
【００３５】
この方法の感度を図解するために、該屈折率分散変化が水に少量のデーエヌエイを追加することにより測定された。該測定は、該顕微鏡対物レンズ（Ｏ１及びＯ２）とサンプルを非常に希釈されたヘリングテストデーエヌエイ（０．０１４％容積濃度）のキュベットと置き換えることにより行われた。この特定のサンプルで、該キュベットは１０ｍｍの厚さで、それは該システムの２重通過設計のためＬ＝２０ｍｍとさせる。補償器３０とその付随対物レンズ（Ｏ３及びＯ４）は対応して水のみを含むキュベットにより置き換えられた。１０の別々の測定に基づく測定屈折率分散は（２．２７±０．０４）×１０^−６である。
【００３６】
現行の技術は画像に帰着する質的測定を提供するがそこでは寄与を吸収と位相シフトから分離することは難しい。本発明は該位相シフトの量的測定を提供する。加えて、現行の技術は対照用にターゲットからの散乱された光及び散乱されない光の間の小さな位相シフトに依存するが、本発明は該ターゲットの屈折に付随する非散乱光の小さな位相シフトを直接測定する。これは干渉ベースの技術が散乱光より遙かに効率的に非散乱光を検出する事実から生じる。従って、本方法は量的特徴付けが要求され、散乱が少ししか又は全く無い状況に適用出来る。
【００３７】
図解として、２枚のカバースリップ（ｃｏｖｅｒ ｓｌｉｐｓ）間にサンドウイッチされた水滴とデーエヌエイ溶液（１．０％容積濃度）滴とを含む同様に用意されたサンプルについて、従来の位相差技術の方法の性能を本発明の方法と比較する。該カバースリップ間の間隔は１７０マイクロメートルである。図５の従来技術を使用して発生された下部画像で明らかな様に、ピーデーエムは該２つの滴を容易に区別出来て、該デーエヌエイ溶液の屈折率分散値を提供する。対照的に、従来技術を使用して発生された上部画像は該２つを区別しない。興味あることは、該実験で測定された屈折率分散、（１．３±０．４）×１０^−４は、それらの濃度比のみに基づく、キュベット測定から外挿された値、１．６×１０^−４と異なる。この差は該屈折率が濃度のみならず散乱体寸法にも依る事実に帰せられる。かくして、より高い濃度では、散乱体としての挙動をする、デーエヌエイ凝集体（ＤＮＡ ａｇｇｒｅｇａｔｅｒ）の形成が該屈折率を有効に変えている。
【００３８】
脳組織サンプルの画像に対する本位相分散方法を更に図解する。ミクロトームを使用して、凍結脳組織ブロックから１６マイクロメートル厚さのサンプルが用意された。該サンプルはアルツハイマー疾患患者の検死解剖材料から得られた。該サンプルの湿気を保ち、屈折率整合（ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ）を提供するためにグリセロールの滴が付けられた。図６Ａは同じサンプルから取られた位相差（上部）及び位相分散（中間）画像を示す。比較用に、隣接の薄い部分からのステインされたサンプルも下部画像に示す。見られる様に、位相差画像は該グレーと白の物質間で僅かな区別のみを表すが、これは脳組織の比較的弱い散乱のためである。比較すると、２つの間の差は本発明の方法では極めて視認可能である。これは、小さいが測定可能な屈折率分散の変化を引き起こす該２つの組織の種類の組成の生物学的差に帰することが出来る。
【００３９】
又位相分散方法は後方散乱形状（ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を使うことにより、３Ｄ画像形成用に使用することが出来る。これは生体内サイトでのトモグラフイー的位相分散画像を提供する。この技術は屈折率での変化として現れる小さな生物学的差に非常に敏感である。加えて、ヘテロダイン信号の振幅と位相との同時測定は該屈折率の実数部及び虚数部を生じ、走査されたサンプルについてデータのより完全なセットを提供する。
【００４０】
図６Ｂで見られる様に、上部左のパネル画像形成されるべき構造を、下部の２つのパネルは８００及び４００ｎｍでのＯＣＴ画像を示すが、該画像はゼラチンと水の間を区別することに失敗している。上部右のパネルは該構造の差動位相画像を示し、該画像は画像の下部バンドで、光がミラーで反射した後のゼラチン／水の境界を明らかに特徴付けている。
【００４１】
かくして、基本波／第２調波の波長をスペクトル的に走査することにより、組織内の精密な散乱体寸法分布が測定出来る。寸法の特徴付けは実際のボクセル解像度（ａｃｔｕａｌ ｖｏｘｅｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を遙かに超えるが、それは位相ベースの測定が散乱体寸法での屈折率のスペクトル的変動に非常に敏感なためである。この方法は、生物学的組織での前ガン性又はガン性変化の重要な指標である細胞核の寸法分布及び染色質含有量（ｃｈｒｏｍａｔｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ）の３次元画像を色付けすることにより関連の強度ベースの技術を補間する。
【００４２】
第１の実施例では両波長は低コヒーレンス源からである必要がある。例えば、フェムト秒（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ）チタン：サフアイヤレーザー源とその第２調波発生である。もう１つの例は、適当な波長の２つのスーパールミネセントダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅｓ）である。この開示では、両波長は同じ走査深さまで貫通し、散乱され／反射され戻される。次いでそれらの相対位相は、それらがヘテロダイン信号を形成するためそれらのそれぞれの基準アーム成分と干渉した後、測定される。
【００４３】
図７で図解されるもう１つの好ましい実施例では、唯１つの波長が低コヒーレンス源５２からである必要のある３Ｄ位相画像形成システム５０がある。第２波長はコヒーレントな連続波５４｛シーダブリュー（ＣＷ）｝（又は何等か他のコヒーレント源）からでよい。追加的要求は該源のコヒーレンス長さ（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ）が該深さ走査の全長さより大きいことである。
【００４４】
この状況では、この光源の、該ターゲットの支配的な反射／散乱表面６０からの、反射成分６４がその基準アーム成分と干渉し、該ターゲット組織６８の深さ式走査中に連続的ヘテロダイン信号を発生する。その位相は次いで、光源の対の低コヒーレンス成分からジッターノイズを除去するために上記説明と同様な仕方で使用されてもよい。該低コヒーレンス成分は該走査された深さまで貫通し反射され／後方散乱させられる。それはその基準アーム成分とヘテロダイン信号を形成する。この画像形成システムで上記説明の様に２つの低コヒーレンス源が使用される実施例では、両波長が貫通し組織により反射され／散乱させられる。
【００４５】
前に説明した本発明の光散乱スペクトロスコピー式のシステムと方法と関連した光伝送及び／又は収集用光フアイバーシステム２００が図８と関連して図解される。光源は少なくとも２つの波長λ_１、λ_２を有するビーム２０２を提供するが、それは光フアイバー２０４の近位の端部に結合される。該光フアイバーシステムに組み入れられるビームスプリッター２０６はフアイバー２０８及び２１０を通しそしてそれぞれレンズ２１６及び２１４を通るよう光成分を発送する。第１光成分は方向２２０の方へ進む移動ミラー２２０により反射され、フアイバー２１０及び２１２を通して戻る。第２光成分は組織２１８上へ導かれ、そして該組織により散乱させられた光はフアイバー２０８及び２１２を通して戻る。ダイクロイックミラー２３０は該２つの波長をλ_１及びλ_２を分離し、それはそれぞれ検出器２４０及び２４２により検出される。ヘテロダイン検出システム２５０及び２５２が、図１に関連して前記で説明した様に該検出されたシステムを処理するために使用される。ここに説明されたシステムは、生体内で、人体の管腔又は組織から検索される診断情報を提供するために標準的内視鏡（ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃｓ）と連携して使用することが出来る。
【００４６】
本発明はその好ましい実施例を参照して特定的に示され、説明されたが、その中では形式及び詳細で種々の変更が行われても良いが、それらは付属する請求項により含まれる本発明の範囲から離れたものでないことを当業者は理解するであろう。
【００４７】
本特許のフアイルはカラーで作られた少なくとも１枚の図面を含む。カラーの図面を伴うこの特許のコピーは請求し、必要な料金を支払えば特許商標庁により提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ミラーを含む本発明の位相測定システムを図解する。Ｍ１及びＭ２はビームスプリッターＢＳ、Ｄ１及びＤ２は光検出器、そしてＤＭは４００ｎｍ／８００ｎｍダイクロイックミラーである。
【図２】
散乱体半径に対する位相速度差を図解する。
【図３】
正規化された散乱寸法、ρに対するモデル化され、正規化された位相速度、Δν／（ην_０）の表現をグラフ式に図解するが、そこでは正規化された屈折率差、（ｍ−１）、はこの特定の例用には０．２に等しい。
【図４】
ミラーＭ１及びＭ２、ビームスプリッターＢＳ、顕微鏡対物レンズ０１，０２，０３そして０４、光検出器Ｄ１及びＤ２、そして４００ｎｍ／８００ｎｍダイクロイックミラーＤＭを使用する本発明のもう１つの好ましい実施例である。
【図５】
２枚のカバースリップ間にサンドウイッチにされた、水滴と、該デーエヌエイ溶液の測定屈折率分散、（Δｎ_{４００ｎｍ}−Δｎ_{８００ｎｍ}）が（１．３±０．２）×１０−４であった１．０％デーエヌエイ溶液の滴と、の位相差システム（ｐｈａｓｅｃｏｎｔｒａｓｔ ｓｙｓｔｅｍ）（上方）とピーデーエム（ＰＤＭ）（下方）とからの画像を比較する。
【図６Ａ】
１６マイクロメートルの厚さの脳のサンプルでの白い物質−グレイ（ｇｒａｙ）の物質間のインターフエースの画像を含むが、その頂部は位相差画像（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｅ）、中間部は本発明の位相分散画像（ｐｈａｓｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｍａｇｅ）そして底部はヘモトキシリン（ｈｅｍｏｔｏｘｙｌｉｎ）とイオシン（ｅｏｓｉｎ）でステイン（ｓｔａｉｎｅｄ）された相接する凍結部分（ａｄｊａｃｅｎｔ ｆｒｏｚｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ）である。
【図６Ｂ】
本発明の３Ｄ画像形成を標準的オーシーテー（ＯＣＴ）画像と比較する。
【図７】
本発明の組織の画像形成用に使用されるシステムを図解する。
【図８】
本発明の光フアイバーシステムの使用を図解する。
本発明の前記及びその他の目的、特徴そして利点は、種々の図を通して同様な参照文字が同じ部品を参照する付属図面により図解される、本発明の好ましい実施例の下記特定説明から明らかになるであろう。該図面は必ずしも尺度合わせされておらず、寧ろ、本発明の原理を図解することに力点が置かれている。

Claims (28)

1. 媒体を光学的に測定するデバイスにおいて、
   光の第１波長と第２波長とを、該第２波長が該第１波長と調波的に関連するように、提供する光源と、
   該第１波長と該第２波長との光を第１光路と第２光路の両者に沿うよう結合させる光学システムとを具備しており、該第１光路は測定されるべき媒体上へ延びており、該第２光路は光路長の変化を受けており、そして該デバイスは又
   該媒体と相互作用する光の位相変化を測定するために該媒体からの光と該第２光路からの光とを検出する検出器を具備することを特徴とする該デバイス。
2. 該媒体が生物学的組織を含むことを特徴とする請求項１の該デバイス。
3. 更に、該媒体内の粒子の寸法を決定するデータプロセサーを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
4. 更に、検出され散乱された光で該媒体の画像を形成するデータプロセサーを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
5. 更に、該媒体と相互作用する光の位相速度変化を決定するデータプロセサーを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
6. 該光源が可視及び近赤外線領域の光を放射することを特徴とする請求項１の該デバイス。
7. 更に、第１の低コヒーレンス光源と第２の低コヒーレンス光源とを提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
8. 更に、低コヒーレンス光源とコヒーレント光源とを提供する過程を具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
9. 該第２波長が該第１波長の整数倍の５％内にあることを特徴とする請求項１の該デバイス。
10. 更に、該光源から該媒体まで光と結合する光フアイバーデバイスを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
11. 更に、該媒体から該検出器まで光と結合する光フアイバーデバイスを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
12. 該検出器が第１光検出器と第２光検出器とを備えることを特徴とする請求項１の該デバイス。
13. 更に、補償器を具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
14. 更に、該第１光路上で光を反射させる第１走査用ミラーと該第２光路上で光を反射させる第２ミラーとを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
15. 更に、ビームスプリッターと複数のレンズとを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
16. 更に、該検出器に接続されたＡ−Ｄ変換器を具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
17. 更に、ヘテロダイン検出システムを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
18. 更に、光フアイバープローブと内視鏡とを具備することを特徴とする請求項１の該デバイス。
19. 該光源が連続波レーザーを備えることを特徴とする請求項１の該デバイス。
20. 媒体を光学的に測定する方法において、
    第１波長と第２波長の光を、該第２波長が該第１波長に調波的に関連するように提供する過程と、
    第１光路と第２光路との両者に沿うよう該第１波長及び該第２波長の光を導く過程とを具備しており、該第１光路は測定されるべき媒体上に延びており、該第２光路は光路長の変化を受けており、そして該方法は又、
    該媒体と相互作用する光の位相変化を測定するために該媒体からの光と該第２光路からの光とを検出する過程を具備することを特徴とする該方法。
21. 該媒体が光散乱媒体を含むことを特徴とする請求項２０の該方法。
22. 更に、該媒体内の粒子の寸法を決定する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
23. 更に、該検出され散乱された光で該媒体の画像を形成する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
24. 更に、該媒体と相互作用する光の位相速度変化を測定する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
25. 更に、該第１波長及び調波的に関係する第２波長を放射する光源を提供する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
26. 更に、第１の低コヒーレンス光源と第２の低コヒーレンス光源とを提供する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
27. 更に、低コヒーレンス光源とコヒーレント光源とを提供する過程を具備することを特徴とする請求項２０の該方法。
28. 該第２波長が該第１波長の整数倍の５％内にあることを特徴とする請求項２０の該方法。

Images