JP2004515779A - 間接方式撮像 - Google Patents

Abstract

混濁試料または高濃度試料内の形態の間接３次元像を、拡散撮像法よりも高い分解能の像を実現するために、放射輸送の原理に基づいて再構築することが可能である。間接方式撮像法によって、生きている動物または人の組織、セラミックス、プラスチック、液体、および他の材料のような混濁試料または高濃度試料の中を、５０μｍから１０ｍｍの深さまで、またはそれ以上の深さまで、拡散撮像法よりも高い分解能で「見る」ことができるようになる。光源（１１）からの光学放射が試料（１８）を照らし、試料から放射される多様に散乱した光学放射（２０）を少なくとも１つの検出器（２２）で検出する。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は光学撮像に関し、特に、混濁媒体または高濃度媒体の撮像に関する。
（背景）
生物医学的な光学撮像は、顕微鏡レベルおよび拡散レベルの両方で過去１０年にわたって研究された。共焦点反射率等の顕微鏡による方法（例えば、ラヤジャクシャ（Ｒａｊａｄｈｙａｋｓｈａ）等による、ジャーナル・インベスティガティブ（Ｊ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｖｅ）Ｄｅｒｍａｔｏｌ．、第１０４巻、９４６ページ、１９９５年を参照）および多光子蛍光顕微鏡法（例えば、デンケ（Ｄｅｎｋｅ）等による、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２４８巻、７８ページ、１９９０年を参照）は、細胞組織構造および機能のミクロン分解能の深さ分解像を実現するが、数百ミクロン以下の深さに限定されている。光学的コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ、例えば、ファン（Ｈｕａｎｇ）等による、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２５４巻、１１７８ページ、１９９１年を参照）で、より深い深さ（約１．０ｍｍ）まで透過することが可能になるが、空間分解能が低くなる（５〜２０μｍ）という犠牲を伴う。これらの方法の透過深さに対する制限は、各方法が単一散乱光の検出に依拠していることから生じ、さらに細胞組織は非常に散乱的であるので、数百ミクロンを通過する単一散乱光を検出する確率は、桁外れに小さくなる。
【０００２】
他方で、拡散光を用いた撮像では、一般に、数センチメートルの透過深さで数ミリメートルからセンチメートルのオーダーの空間分解能が得られる。検出光は何度も散乱されるので、像再構築アルゴリズムを使用して、散乱および吸収の摂動を再構築しなければならない。多様な再構築方法が使用されてきたが（例えば、アリッジ（Ａｒｒｉｄｇｅ）等による、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ、１５（２）、Ｒ４１、１９９９年を参照）、その多くはボルツマン輸送方程式の拡散近似に基づいている。
【０００３】
顕微鏡方法でカバーされる空間範囲と拡散方法でカバーされる空間範囲の間にある空間状況は、比較的未調査のままになっている。これは、ある意味では、ほんの数散乱長の長さの規模で、細胞組織と光との相互作用を記述することが複雑だからである。顕微鏡方法で、細胞組織構造の直接反射率マップまたは蛍光マップが得られるが、拡散方法では、一連の間接的な測定を利用し、その後で逆問題を解いて像を再構築する。この中間の空間状況では、単一散乱光の直接撮像は実現可能でない。
【０００４】
概要
生きている動物または人の細胞組織、セラミックス、プラスチック、液体、および他の材料等の、混濁試料または高濃度試料内の形態の間接３次元像を放射輸送の原理に基づいて再構築して、顕微鏡撮像方法よりも相当に深い透過深さを可能にすると同時に、拡散撮像方法よりも高分解能の像を実現することが可能であるという発見に、本発明は基づいている。
【０００５】
一般に、本発明による試料の間接方式撮像方法は、（ａ）試料を光源からの光学放射で照射し、（ｂ）試料から放射される光学放射を１つ以上の検出器で受け取り、（ｃ）検出器で受け取られた光学放射をディジタル化して、ディジタル化信号生成し、さらにこのディジタル化信号をプロセッサに伝送し、（ｄ）ディジタル化データと輸送に基づいた光子移動モデルとの間に非線形最小化を実施して、試料内の形態の空間的に変化する光学特性の像を再構築するためにディジタル化信号を処理することを特徴とする。
【０００６】
この方法において、「非線形最小化」は、以下でさらに詳細に説明するように、２つの量の差を最小化するように設計されたアルゴリズムである。「輸送に基づいた光子移動モデル」は、ここでさらに詳細に説明するように、生物医学的な細胞組織のような混濁媒体を通過する光（光子）の伝播を記述するモデルである。
【０００７】
この方法において、検出器はそれぞれ、光源からオフセットした位置にあることが可能であり、各検出器−光源対のオフセットのうちの１つ以上が異なっていてもよい。像δμ_ａ（ｒ）は、ｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式を計算することによって再構築し得る。ここで、μ_ａは吸収係数であり、ｒは試料内の位置であり、ｘ＝δμ_ａであり、ｙは各光源−検出器対の検出器信号のベクトルであり、Ａ_ｉｊは、各ボクセルｊの各測定ｉに関して、輸送方程式（Ｇ）のグリーン関数と第１次（背景）検出器信号（Ｌ_０）との積を表すマトリックスＡの要素である。この方法で、光学放射は可視、近赤外、または他の放射でもよいし、１つ以上の光源が存在してもよい。もしくは、光学放射は、多数の光源をシミュレートするために光源から試料全体にわたって走査することが可能である。例えば、１０、１５、２０、３０、４０、５０、またはより多くの検出器（または光源）を使用し得る。オフセットは、例えば、０．１ｍｍから１０ｍｍであり得る。
【０００８】
他の態様で、本発明の特徴とする試料の間接撮影システムは、（ａ）光源用光ファイバ、１つ以上の検出器用光ファイバ、および遠位端、からなり、光源用光ファイバおよび検出器用光ファイバの各々の遠位端がプローブを通って延びて、プローブの遠位端で終わるプローブと、（ｂ）光源用光ファイバの近位端と接続された光学放射源と、（ｃ）それぞれ検出器用光ファイバの１つの近位端に接続されて各検出器用光ファイバからの光学放射を検出しかつ試料から放射される光に対応するディジタル信号に変換する１つ以上の光検出器と、（ｄ）光検出器で生成されたディジタル信号を処理して試料内の形態の空間的に変化する光学特性の像を出力装置に供給するプロセッサとを含み、像が、ディジタル化データと輸送に基づいた光子移動モデルの間で非線形最小化を実施することによって再構築される。
【０００９】
このシステムにおいて、各検出器用光ファイバの遠位端は、光源用光ファイバの遠位端から、例えば約０．１ｍｍから１０ｍｍだけオフセットすることが可能である。さらに、このシステムでは、プロセッサは、ディジタル信号を処理してｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式を計算することによって再構築される像δμ_ａ（ｒ）を与えるようにプログラムされる。ここで、μ_ａは吸収係数であり、ｒは試料内の位置であり、ｘ＝δμ_ａであり、ｙは、各光源−検出器対の検出器信号のベクトルであり、Ａ_ｉｊは、各ボクセルｊの各測定ｉに関して、輸送方程式（Ｇ）のグリーン関数と第１次（背景）検出器信号（Ｌ_０）との積を表すマトリックスＡの要素である。
【００１０】
上記のように、各検出器−光源対のオフセットのうちの１つ以上は異なっていてもよく、光学放射は近赤外放射でもよく、さらに、光学放射は、多数の光源をシミュレートするために光源用光ファイバから試料全体にわたって走査されることが可能である。いくつかの実施形態では、１０、１５、２０、３０、４０、５０、またはより多くの検出器（または、光源）を使用し得る。オフセットは０．１から１０ｍｍまでであることが可能であり、さらに次から次へと変化してもよい。
【００１１】
他の態様では、本発明の特徴は間接方式撮像用のプローブである。このプローブは、光源用光ファイバ、１つ以上の検出器用光ファイバ、および遠位端を含み、光源用光ファイバおよび各検出器用光ファイバの遠位端がプローブを通って延びプローブの遠位端で終わり、さらに、光源用光ファイバの遠位端が検出器用光ファイバの各遠位端から０．１ｍｍから１０ｍｍだけオフセットしている。このプローブは、さらに、試料全体にわたって光学放射を走査するための走査ミラーを含むことが可能である。プローブは、１つ以上の光源−検出器対に関して種々の異なる長さのオフセットを有し得る。
【００１２】
特に定義しない限り、ここで使用される全ての技術的および科学的用語は、本発明の属する当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。ここで説明するものと類似または同等な方法および材料を、本発明の実施または試験で使用することが可能であるが、適切な方法および材料は以下で説明する。ここで言及する全ての刊行物、特許出願、特許、および他の引用は、その全体を本願明細書に援用する。衝突のある場合には、定義を含んだ本明細書が管理する。さらに、材料、方法、および実施例は単に例示的なものであり、限定を意図していない。
【００１３】
新規な撮像方法によって、５０μｍから１０ｍｍまでの深さで試料、例えば細胞組織、の中を「見る」ことができるようになる。この深さは、一般に試料の表面だけが見える顕微鏡撮像方法を使用して可能である深さよりも非常に深い。同時に、この新規な方法は、１０μｍから約１ｍｍの分解能を実現する。この分解能は、有用な透過深さを実現するが分解能が５ｍｍから１０ｍｍに過ぎない拡散撮像方法を使用して可能である分解能よりも相当に高い。新規な方法は、生物医学的用途のような多種多様な用途に使用することが可能であり、この生物医学的用途には、完全な頭蓋骨を通しての大脳皮質の機能的撮像、従来の顕微鏡技術で撮像するには深すぎ、さらに拡散法で分解するには小さすぎる小さな損傷の内視鏡撮像、および例えば網膜内の層の眼科的撮像などがある。他の用途には、セラミックス、半導体、および例えば処理中の他の混濁材料または高濃度材料がある。
【００１４】
ここで説明する技術の重要な利点は、顕微鏡法と断層撮影法との間の中間範囲の光学撮像を初めて可能にすることである。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１５】
様々な図面の同様な参照符号は同様な要素を示す。
詳細な説明
本発明は、混濁試料または高濃度試料内にある形態の間接的な３次元像を放射輸送の原理に基づいて再構築して、顕微鏡撮像方法よりも相当に深い透過深さを可能にすると同時に、拡散撮像方法よりも高分解能の像を実現することが可能であるという発見に基づいている。新規な間接方式撮像方法によって、生きている動物または人の組織、セラミックス、プラスチック、液体、および他の材料のような混濁試料または高濃度試料の中を、拡散撮像方法よりも高い分解能で、約５０μｍから約１０ｍｍ（例えば、１００μｍから５ｍｍ、または５００μｍから１．０ｍｍ）またはこれ以上の深さまで、「見る」ことができるようになる。この拡散撮像方法はより深い透過深さを可能にするが分解能が低い。
【００１６】
一般的な方法
光学的撮像および特に生物医学的な撮像は長年にわたって進歩してきたが、医療および他の撮像において非常に有用な範囲である約１ｍｍから１ｃｍの深さにある試料内の形態を撮像する能力が不足している。これまで常に透過深さと分解能の間にトレードオフがあったが、今日まで、１ｍｍから１ｃｍまでの深さにある特徴を高分解能で撮像する方法がなかった。このトレードオフを図１のグラフにまとめる。顕微鏡法は優れた分解能（１μｍから１０μｍ）を可能にするが、試料の表面の遥か下方を撮像するために使用することは不可能である（最大、３００μｍから５００μｍ）。他方で、光子移動に基づいた拡散撮像法では、約１０ｃｍまでの有用な透過深さが可能になるが、その深さでの分解能は、たったの約１ｃｍである。光学的コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ）で、顕微鏡法よりも深い透過深さが可能になったが（最高で約０．５から１．０ｍｍ）、試料中のもっと深い形態の像は得られないし、さらに最大透過深さでの分解能は約１００μｍである。
【００１７】
新規な間接方式撮像（ＩＭＩ）方法は、放射輸送方程式（ＲＴＥ）の枠組みに基づいて像を再構築することが可能であるという原理に基づいている（例えば、イシマル（Ｉｓｈｉｍａｒｕ）等による、Ｗａｖｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｒａｎｄｏｍ Ｍｅｄｉａ、第１巻（アカデミックプレスインコーポレーション（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．）１９７８年）を参照）。ＲＴＥに基づいた再構築と光子拡散方程式（ＤＥ）に基づいた再構築との重要な差は、細胞組織内の散乱光の角度依存性の取扱いである。新規な方法は、間接微視的撮像と間接巨視的撮像の両方を含む。
【００１８】
図２は、新規なＩＭＩ法で撮像するために使用される一般的な幾何学的配列１０を示す。ここで、光は多様に散乱されるが、まだ拡散しない。光源１１からミラー１２に向けられた光は、レンズ１６を通って目標物１８に入る。試料から反射された光（ビーム１４）は光軸に沿って点１３に達する。一般に共焦点反射率測定に使用されることであるが、ピンホール２１および検出器２２を光軸から横方向にずれた位置（点１３）に移動させることで、ピンホール２１の像が、光源から横方向にずれた点の検出器２２に形成される。したがって、光源開口からの検出器開口の横方向変位量によって、実効的な光源−検出器間隔が求められる。この間隔距離は０から約１０ｍｍまで変化することが可能である。光源と検出器はもはや共役像面にないので、検出光は少なくとも１回散乱されている。この散乱光は、図２で破線２０で表される。
【００１９】
光源−検出器間の間隔距離が増すにつれて、検出光は試料のより深くより大きな領域をプローブする。試料の特定の領域に対する測定の感度を最大にするために、図２の幾何学的配列でいくつかのパラメータを変えることが可能である。例えば、光源−検出器間隔（開口のオフセットが０から約１ｍｍまで、例えば、１、２、３、５、または７ｍｍ）、開口数（０から約１．０まで、例えば、０．１、０．２、または０．３）、媒体中の焦点深度（０から約５ｍｍまで、例えば、１、２、３、または４ｍｍ）、波長（一般に約４００ｎｍから約１５００ｎｍまで、例えば、５７０ｎｍから６５０ｎｍまで、または１３００ｎｍから１５００ｎｍまで）、およびピンホール径（約１００μｍから約１．０ｍｍ、例えば、１００、１５０、２００、２５０、または３００μｍ、または、０．５、０．７５、または０．９ｍｍ）を全て変えることが可能である。一般に、信号強度を最大にすることが大きな空間フィルタ処理を行うことよりも重要なので、ピンホール開口の大きさは、共焦点反射率測定で使用されるものよりも大きい。
【００２０】
図２の幾何学的配列を使用する単一散乱光の直接撮像は実現し得ない。したがって、像を形成するために、拡散方法のように、逆問題を解かなければならない。光源と検出器が近接しているために拡散近似はもはや有効でないので、輸送方程式に基づいた記述を使用する（例えば、イシマル（Ｉｓｈｉｍａｒｕ）等による、Ｗａｖｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｒａｎｄｏｍ Ｍｅｄｉａ、第１巻（アカデミックプレスインコーポレーション（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．）１９７８年）を参照）。
【００２１】
ほんの数散乱長の光源−検出器間隔を用いて吸収摂動の像を再構築するために、放射輸送方程式に対する第１ボルン近似に基づいた線形再構築アルゴリズムを使用することが可能である。第１ボルン近似では、吸収係数（μ_ａ）および散乱係数（μ_ｓ）は、均一背景成分と空間変化摂動の和として表される。
【００２２】
【数７】

次に、ラジアンス（すなわち、検出器に入る光の量）Ｌは、背景成分と摂動成分の和Ｌ＝Ｌ_０＋Ｌ_１として表される。吸収摂動では、第０次および第１次の項Ｌ_０およびＬ_１は、次式で与えられる。
【００２３】
【数８】

ここで、
【数９】

は、特定の検出器構成に対する輸送方程式のグリーン関数解である。散乱係数および位相関数の摂動は、同じ方法を用いて計算可能であり、散乱摂動の第１次の項は、次式で与えられる。
【００２４】
【数１０】

式２ａおよび式２ｂは、新規な間接方式撮像方法と拡散近似に基づいた撮像方法の主要な差の１つがラジアンスの角度依存性にあることを示している。ここでは、式２ｂを使用して吸収物体を再構築することだけを考えるが、同じ手順に従って、散乱摂動を再構築することが可能である。散乱摂動を再構築するために、同じ手順をそのまま使用するが、式２ａの代わりに式２ｂを使用する。吸収と散乱の両方の像を同時に再構築するには、式２ａと式２ｂの和を使用する。
【００２５】
式２ａからδμａ（ｒ）の像を再構築するために、集束ビームの幾何学配列でモンテ・カルロ・シミュレーションを使用して、公知の光学特性の均一背景のＬ０およびＧを計算する（ダン（Ｄｕｎｎ）等による、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、第３５巻、３４４１ページ（１９９６年））。検出器から媒体への光の伝播をシミュレートし、次に相反性を使用して媒体中の点ｒで方向Ωから検出器に達する光の部分を決定して、グリーン関数を計算する。全ての光源−検出器対について背景ラジアンスおよびグリーン関数が計算されると、測定値Ｌ１を使用してδμａ（ｒ）の像が再構築される。ここで、この測定値Ｌ１はシミュレートされたデータについて得られる。
【００２６】
像を再構築するために式２ａを使用する前に、輸送方程式に対する第１ボルン近似の妥当性を証明しなければならない。妥当性を調べるために、式２ａを使用して計算された摂動信号を、均一背景中に埋め込まれた吸収物体の摂動モンテ・カルロ・シミュレーションを使用して計算された摂動信号と比較した（ササロリア（Ｓａｓｓａｒｏｌｉａ）等による、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、第３７巻、７３９２ページ、１９９８年）。シミュレートされた比較で使用された吸収物体は、混濁試料の表面の下１ｍｍの深さにある１００μｍの寸法の立方物体であった。背景および摂動をシミュレートするためにプログラムされた光学特性は、μａ＝０．００１ｍｍ−１、μｓ＝１０ｍｍ−１、ｇ＝０．９、およびδμａ＝０．１ｍｍ−１であった。吸収物体が試料中を横方向に移動するときに、式２ａおよび全摂動モンテ・カルロ・モデルを用いて計算された摂動信号を図３にプロットする。図３は、δμａ＝０．１ｍｍ−１の表面の下１ｍｍにある物体について、５００μｍと２ｍｍの光源−検出器間隔で第１ボルン近似（実線）および全摂動モンテ・カルロ・シミュレーション（記号）を用いて計算された摂動信号の比較を示している。光源か検出器かいずれかを物体の位置を横切って走査するとき、摂動信号の減少が観察される。固定された間隔距離（オフセット）にある１つの光源−検出器対を使用して、有用な像を再構築することが可能であるが、様々なオフセットの光源−検出器対を計算に追加するとき、像分解能は向上する。
【００２７】
図３の摂動信号の振幅は、規格化されていないので、線形摂動モデルを使用して摂動信号の絶対振幅が正確に予測されることを立証している。
この比較は、第１ボルン近似で摂動信号が正確に予測されること、および式２ａを使用してδμａ（ｒ）の像を再構築することが可能であることを示している。第１ボルン近似は線形近似であるから、摂動信号の大きさはδμａの大きさに正比例する。シミュレーションによると、１ｍｍの深さにある１００μｍ物体に関して、δμａが約１．５ｍｍ−１のとき、線形近似は、全摂動モンテ・カルロ・モデルで予測される値からはずれ始める。一般に、線形近似が使用不能になる値は、摂動の大きさおよび深さに依存して変わる。結果として、最大のδμａは物体の深さが増すにつれて増加し、摂動の物理的な大きさが増すにつれて減少することになり、一般的な摂動理論と一致している。
【００２８】
間接方式撮像装置
新規な間接方式撮像システムは、（ｉ）一般的な走査形共焦点顕微鏡（例えば、ツァイス（Ｚｅｉｓｓ）、ＬＳＭ４１０（登録商標））のような照射付き検出装置、または、試料を照射し、かつ患者または動物の体の中の細胞組織のような試料から放射される光を集めるために使用される様々な部品を有する内視鏡プローブと、（ｉｉ）光ファイバで照明付き検出装置に接続された光源と、（ｉｉｉ）光をディジタル信号に変換し、さらに、このディジタル信号を間接３次元像に処理することが可能なアルゴリズムをプログラムされたプロセッサを含む装置とを含み、この間接３次元像は、生きている動物または患者の細胞組織の試料についての診断情報および予後情報のような、試料内の形態に関する情報を与える。
【００２９】
新規な方法は、いくつかの点では共焦点顕微鏡に似ているが、光源と１つ以上の検出器の間に可変なオフセットを有する装置を用いて実施し得る。例えば、このシステムは、一般的な走査形共焦点顕微鏡に接続された装置を含むことが可能である。光源は、レーザダイオードのようなレーザであり得る。他の光源には、発光ダイオードおよびランプがある。可視光および近赤外光の両方を使用してもよい。例えば、４００ｎｍから１５００ｎｍまでの波長範囲であるが、波長の選択は、ある程度、試料および試料内の撮像すべき特徴の性質に依存する。例えば、血管中のヘモグロビンを撮像するために、好ましい波長は約５７０ｎｍから６５０ｎｍまでである。セラミックスを撮像するために、１３００ｎｍから１５００ｎｍまでの波長を使用して、試料からの散乱を最小限にすることが可能である。光は、ある設定された振幅および周波数を有する連続波（ＣＷ）光源からのものであることが可能であり、または、振幅と周波数の両方で、または振幅か周波数かいずれかで変調することが可能である。さらに、光はパルス光でもよい。モード・ロック固体パルス・レーザのような非コヒーレント光源、および超発光ダイオードで、分解された経路長である光学測定を行って、より高い空間分解能を実現することが可能である。
【００３０】
図４Ａは、新規な撮像システムで有用な共焦点照射／検出アームすなわちプローブ３０の模式的な先端図である。プローブ３０は、レーザのような光源３２および、光軸からのオフセットが異なる多数の光検出器３４、例えば、アヴァランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）または光電子増倍管に接続されている。この構成は、遠位端板３９に集められた光ファイバ３６、３８のアレイで達成し得る。光源用ファイバ３６（これはプローブの中心に位置づけてもよいし、または、一方の側に配列してもよい）は、試料に光を射出し、さらに、従来の共焦点ピンホールとしても作用する。残りの検出器用ファイバ３８は、軸外しピンホールとして作用し、各々が光検出器３４に結合されている。ファイバ径およびオフセット量を変えて、信号レベルおよび媒体内の透過深さを決めることが可能である。例えば、７５０μｍの光源−検出器間隔および１００ｍｍのファイバ径の場合、検出光の平均透過深さは約０．５ｍｍである。さらに、いくつかの検出器用ファイバの光源用ファイバに対するオフセットは、他の検出器用ファイバの光源用ファイバに対するオフセットと異ってもよい。実際、最良の像は、多数の多様な光源−検出器間隔を使用することで得られる。
【００３１】
新規な測定器３０は、図４Ｂに示す撮像システムで使用し得る。図４Ｂに示すように、照明／検出プローブ３０はレンズ４２を通してミラー４４に、さらにミラーから第２のレンズ４６を通して光を送り出す。光は、ｘ／ｙ走査ミラー４８およびレンズ５０を介して進み、対物レンズ５４の後方焦点面内で使用者指定のパターン（一般に、ラスター走査）で走査される。この走査方法は、一般的な走査形共焦点顕微鏡の走査プロトコルを使用するプロセッサ５６で制御される。光の一部はビーム・スプリッタ５２を通過し対物レンズ５４に進み、この対物レンズ５４で光は試料１８に集束される。試料から反射された光は同じ経路に沿って戻るが、反射光の一部は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）またはカメラのような撮像装置５５方向に進み、この撮像装置５５が試料の表面の像を形成する。試料の表面の直接像は、新規なＩＭＩで形成される像の上に共通記録する、すなわち重ね合わせることが可能である。反射光の残りは、照明／検出プローブ３０に戻って、プロセッサ５６によって試料１８内の特徴の像を再構築するように処理される。
【００３２】
図４Ａのプローブ３０は、以下でさらに詳細に説明するように、アナログ・ディジタル変換器およびプロセッサを含む装置とともに使用される。ＡＤ変換器とプロセッサの両方が別個のＰＣ中にあることもあり得る。図４Ｂに示すように、そのようなプロセッサ５６は、一般に、入力／制御装置５７、メモリ５８、および出力装置５９を含む。プロセッサは、１つ以上の部品を含む電子回路であり得る。プロセッサは、ディジタル回路、アナログ回路、またはその両方で実現することが可能であり、ソフトウェアで実現することが可能であり、または、一体化された機械である可能性があり、またはそれらのハイブリッドでもよい。入力／制御装置５７は、キーボードまたは他の従来装置でもよい。出力装置５９は、陰極線管（ＣＲＴ）、他のビデオ・ディスプレイ、プリンタ、または他の画像表示システムであってもよい。メモリ５８は、電子的（例えば、固体状態）、磁気的、または光学的であってもよい。メモリは、光ディスク（例えば、ＣＤ）、電磁的なハード・ディスクまたはフロッピー・ディスク、またはそれらの組合せに格納することが可能である。
【００３３】
図５Ａの工程図に示すように、プロセッサはデータ収集および処理を制御する。最初に、工程１００で、プロセッサはミラー４４の走査を制御して、試料に光を当て、次に、随意選択的に、アナログ回路で検出器信号を適切なレベルに増幅する。工程１１０で、アナログ・ディジタル変換器でアナログ信号をディジタル化する。このアナログ・ディジタル変換器はコンピュータ内に含まれてもよい。ディジタル化された検出器信号は、コンピュータのメモリまたはハード・ディスクに格納される。工程１２０で、ディジタル化検出器信号は、像再構築ソフトウェア・パッケージを使用して処理する。この像再構築ソフトウェア・パッケージは以下でさらに詳細に説明する。そして、結果として得られる３次元像を、例えば２次元の形で、表示する（工程１３０）。
【００３４】
ディジタル化検出器信号から像を再構築するために、式２ａおよび／または２ｂを解いて、各ボクセル位置のδμａおよび／またはδμｓを求めなければならない。図５Ｂの工程図は、データ処理工程１２０の中の工程を示す。ｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式として式２ａを表して、ディジタル化データを処理する。ここで、ｘ＝δμａは各ボクセルの光学特性のベクトルであり、ｙは光源−検出器対ごとの検出器信号のベクトルであり、さらにＡｉｊは、各ボクセルｊの各測定ｉに関して、輸送方程式（Ｇ）のグリーン関数と第１次（背景）検出器信号（Ｌ０）の積を表すマトリックスＡの要素である。グリーン関数は、特定の光源−検出器構成に関する媒体中の光伝播のモンテ・カルロ・シミュレーションによって得られる（ダン（Ｄｕｎｎ）等による、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、第３５巻、３４４１ページ（１９９６年））。次に、打切り特異値分解のような一般的な方法を使用して、このマトリックス方程式を解くことが可能である（アリッジ（Ａｒｒｉｄｅ）、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｒｏｂｌｅｍ、１５（２）、Ｒ４１、１９９９年を参照）。
【００３５】
工程１２１で、プロセッサは、全ての像ボクセルの光学特性（μｓ、μａ、ｇ）の初期「推量」を行う。各ボクセルの光学特性のこの表をベクトルｘとして定義する。次に、工程１２２で、プロセッサは予測検出器信号測定値、ｘを仮定したＬｐ（ｘ）、を計算する。工程１２３で、プロセッサは、残差Ｌｐ−Ｌがシステムの測定雑音レベルに一般に設定される閾値よりも大きいか小さいかを調べる。測定雑音は、一般に、測定信号の約０．１％よりも小さくなければならない（Ｌｐ−Ｌ／Ｌ＜１０−３）。残差が閾値よりも小さい場合、像を表示する（工程１３０）。残差が閾値よりも大きい場合、ｘを仮定してマトリックスＡを計算する（工程１２４）。工程１２５で、プロセッサは、Ａを仮定してｘの更新値を計算し（任意のいくつかの知られている方法を使用して）、さらに測定値ｙと予測測定値ｙｐの差を計算し、更新されたｘを使用して他の予測検出器信号測定値、新しいｘを仮定したＬｐ（ｘ）、を計算する（工程１２２）。
【００３６】
残差Ｌｐ−Ｌが十分小さくなるまで、この方法の工程１２２、１２３、１２４、および１２５を繰り返し、十分小さくなった場合に像を表示する（工程１３０）。
【００３７】
図６は、新規な方法で使用するための内視鏡照射／検出プローブ６０を示す。このプローブ６０では、レーザ６２が、ビーム・スプリッタ６４を介し、さらに１対の走査ミラー６５を介して光を送り出す。光は、レンズ６５ａにより撮像用光ファイバ束６６の表面に集束される。一度に光をただ１本のファイバに結合するように、ファイバ束全体にわたって光の集束点を走査する。ファイバ束６６を内視鏡６７の中に挿入してもよいし、傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）レンズ６８を使用してファイバ束内の各ファイバから出る光を試料内部の点、例えば内部組織に集束させてもよい。微小レンズおよびホログラフィック・レンズのようなレンズの他の組合せを使用して、細胞組織内に光を集束してもよい。
【００３８】
また、反射光はＧＲＩＮレンズ６８で集められ、ファイバ束６６に逆戻りして結合される。ファイバ束から出る光は、レンズ６５ａおよび６４ａを介し、さらに走査ミラー６５およびビーム・スプリッタ６４ａを通って検出器アレイ６９に結像される。検出器アレイ６９は１つ以上の検出器要素からなり、これらの検出器要素の位置は光軸から横方向に変位している。変位量で、検出光の透過深さが決定される。例えば、７５０μｍの光源−検出器間隔で、約５００μｍの透過深さが得られる。この変位を変えて、光が細胞組織に中に入るときの光の透過深さを変え得る。間隔距離を増すことで、透過深さが増す（しかし、分解能は減少する）。
【００３９】
用途
新規な方法および装置によって、数百ミクロンの分解能で、人や動物の細胞組織のような混濁試料を数ミリメートルを通して撮像することができるようになる。したがって、この方法および装置を使用して、多くの新規な生物医学的な問題および用途に対処し得る。
【００４０】
例えば、新規な方法および装置を使用して、例えば皮膚および細胞組織を介して、細胞組織内部数ミリメートルにある表面下血管を撮像することが可能である。というのは、血管の大きさは数百ミクロンであり、さらに、血管と周囲組織の間の吸収の差は近赤外で約１ｍｍ−１であるからである。他の例では、内視鏡プローブを使用して、より大きな血管の壁の外側の細胞組織だけでなく、血管の壁を撮像することが可能である。
【００４１】
新規な方法の他の使用は、網膜下の構造を撮影するための間接方式走査形レーザ検眼鏡の使用を最適化することにある（ウェブ（Ｗｅｂ）等による、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、第２６巻、１４９２ページ、１９９７年）。この場合、多重散乱光を検出するように共焦点開口の代わりに環状開口が使用される。現在、間接方式の使用は、組織中の光散乱に基づいた理論すなわちモデルではなく観察に基づいている。したがって、この文献に示すモデルは、間接方式の使用を最適化するように応用され得る。何故ならば、この文献は、空間的に変化する細胞組織の光学特性（吸収および散乱）を定量化する方法を提供するからである。これらの光学特性を定量的に知ることで、細胞組織の状態について有用な診断情報が明らかになる。
【００４２】
ソフトウェア実施
試料から放射される光に対応するディジタル・データの処理は、ハードウェアまたはソフトウェア、またはその両方の組合せで実施することが可能である。本方法は、ここで説明した方法、方程式、および図に従って一般的なプログラミング技術を使用するコンピュータ・プログラムで実施し得る。プログラム・コードは、データを入力してここで説明した関数を実行し、さらに出力情報を生成すべく適用する。出力情報は、ディスプレイ・モニタのような１つ以上の出力装置に適用する。
【００４３】
各プログラムは、コンピュータ・システムと通信する高水準手順プログラム言語またはオブジェクト指向プログラム言語で実施するのが好ましい。しかし必要ならば、プログラムは、アセンブリ言語または機械言語で実施すことが可能である。いずれの場合でも、言語はコンパイル済みまたは解釈済み言語でもよい。
【００４４】
そのようなコンピュータ・プログラムはそれぞれ、汎用または専用のプログラム可能コンピュータで読出し可能な記憶媒体または装置（例えば、ＲＯＭまたは磁気ディスケット）に格納され、ここで説明した手順を実行するコンピュータが記憶媒体または装置を読んだときに、コンピュータを構成し動作させるのが好ましい。また、コンピュータ・プログラムは、プログラム実行中にキャッシュ・メモリまたは主メモリにあってもよい。また、処理方法は、コンピュータ・プログラムで構成されたコンピュータ読出し可能記憶媒体として実施することも可能であり、この場合、そのように構成された記憶媒体によって、コンピュータは、ここで説明した関数を実行するように特定の予め定義されたやり方で動作するようになる。
【００４５】
実施例
本発明は下記の実施例でさらに説明するが、実施例は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を制限しない。
実施例１−ラジアンスの角度依存性の検討
ラジアンスの角度依存性を検討するために、上の式１２の被積分関数をモンテ・カルロ・シミュレーションを使用して計算した。シミュレーションのための幾何学的配列は、開口数０．４で表面の下５００μｍの深さに集束されるビームからなる。試料内の光子の分布は、次の光学特性を有する試料について計算した。すなわち、μａ＝０．０１ｍｍ−１、μｓ＝１０ｍｍ−１、ｇ＝０．９、およびｎ＝１。光源−検出器間隔は７５０μｍに設定した。
【００４６】
グリーン関数
【００４７】
【数１１】

は、計算された光子分布を半径方向に移動し、光子経路
【００４８】
【数１２】

の相反性を使用して、シミュレーションの結果から計算した。
例として、図７は、検出器に到達する光子の媒体内の光子分布
【００４９】
【数１３】

を示す。
媒体内の光子の半径方向分布を調べることで、角度依存性を図８として示すことが可能である。図８で、半径方向分布は、角度が分解された場合（式３、「輸送」と表示した実線）および角度依存性が無視された場合（式４、「拡散」と表示した一点短鎖線）について、５００μｍの深さでプロットされている。
【００５０】
【数１４】

図８の強度は、比較のために各場合のピーク値に対して規格化されているが、絶対強度は、角度依存性が無視された場合（式４）よりも角度依存性が考慮された場合（式３）の方がほぼ１桁小さい。図８に示すように、光源位置と検出器位置の間の強度のくぼみは、角度依存性が考慮される場合により顕著になる。したがって、吸収不均一の像を再構築するとき、光子分布の角度依存性を考慮に入れるべきである。
【００５１】
実施例２−像再構築のシミュレーション
第１ボルン近似の妥当性が立証されると（図３）、式２をｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式として表して、δμａ（ｒ）の像を構築することが可能である。ここで、ｙは測定値とｘ＝δμａ（ｒ）の集合である。打切り特異値分解を使用して方程式のこの集合を反転させ、シミュレートされたデータを使用してδμａ（ｒ）を見出す（アリッジ（Ａｒｒｉｄｇｅ）、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ、１５（２）、Ｒ４１、１９９９年）。
【００５２】
１ｍｍおよび２ｍｍの深さにある１００μｍの吸収物体（δμａ＝１ｍｍ−１）の再構築像を図９ＡおよびＢに示す。媒体の背景光学特性は、上の図３に関連して説明したものと同じである。再構築のシミュレーションで使用された測定値の集合は、０．２および０．４の開口数で、２００μｍの増分で４００μｍから２ｍｍまで分布する、合計１８の光源−検出器対（光源と検出器のＮＡが０．２である９対とＮＡが０．４である９対）の光源−検出器間隔からなっている。各対は、２５μｍ単位を５１回で試料の表面を横切って１．２５ｍｍ移動して、合計９１８の測定値を与えた。光源と検出器の焦点は、全ての測定で表面の下１ｍｍに設定した。特異値スペクトルは、２５０で打ち切った。この数は、測定の可能性のある信号対雑音の比が１０３であることを考慮して決定した（ただし、本シミュレーションでは雑音はない）。システムは散弾雑音で制限されていると想定し、さらに、特異解の数は、摂動信号の大きさが全検出信号（背景＋摂動）の測定雑音よりも大きくなるように選んだ。像は、１００μｍの軸方向および横方向分解能が１ｍｍの深さ（図９Ａ）および２ｍｍの深さ（図９Ｂ）まで維持されていることをはっきりと示している。
【００５３】
図９Ａおよび９Ｂの像に基づいて、この方法は顕微鏡的方法と拡散方法の間にある空間状況で撮像することができることが明らかである。
他の実施形態
本発明を詳細な説明とともに説明したが、前述の説明は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を例示し、制限を意図しない。例えば、ここで説明した原理は、多様に散乱され検出された他の種類の放射の撮像を行うこと、すなわち、適切な照射／検出装置が与えられた場合のｘ線およびマイクロ波のような他の波長での撮像に適用することが可能である。他の態様、利点および修正は、次の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】新規な間接方式の撮像方法を含んだ様々な撮像方法の透過深さと分解能の間のトレードオフを示すグラフ。
【図２】新規な撮像方法で有用な一般的な撮像幾何学配列を示す模式図。
【図３】δμ２＝０．１ｍｍ−１の表面の下１．０ｍｍにある物体について、５００μｍおよび２．０ｍｍのソース−検出器間隔で、第１ボルン近似（実線）および全摂動モンテ・カルロ・シミュレーション（記号）を用いて計算した被摂動信号を示すグラフ。
【図４Ａ】新規な撮像方法で有用な照明／検出プローブを示す先端図。
【図４Ｂ】走査システムの照明／検出プローブを示す模式図。
【図５Ａ】新規な方法で光信号データを取得し処理するために使用される工程を示す流れ図。
【図５Ｂ】光信号を処理して試料中の特徴の像を再構築するために使用される工程を示す流れ図。
【図６】新規な方法で使用するための内視鏡照明／検出プローブの図。
【図７】７５０μｍのソース−検出器間隔の場合の光子分布のコンピュータによるシミュレーションの図。
【図８】角度依存性を考慮した場合（「輸送」、実線）および角度依存性を無視した場合（「拡散」、破線）におけるｚ＝５００μｍでの規格化半径方向強度対ｘ軸上の位置を示すグラフ。
【図９Ａ】シミュレートされたデータを使用した、表面の下１．０ｍｍの深さにある１００μｍの吸収物体の再構築像を示す図。
【図９Ｂ】シミュレートされたデータを使用した、表面の下２．０ｍｍの深さにある１００μｍの吸収物体の再構築像を示す図（δμａ＝０．１ｍｍ−１）。

Claims (27)

1. （ａ）試料を光源からの光学放射で照射する工程と、
   （ｂ）該試料から放射される光学放射を１つ以上の検出器で受け取る工程と、
   （ｃ）該検出器で受け取られた該光学放射をディジタル化して、ディジタル化信号を生成し、さらに該ディジタル化信号をプロセッサに送信する工程と、
   （ｄ）該ディジタル化データと輸送に基づいた光子移動モデルとの間の非線形最小化を実施して、該試料内の１つ以上の形態の空間的に変化する光学特性の像を再構築すべく該ディジタル信号を処理する工程と、
   からなる試料の間接方式撮像方法。
2. 前記検出器がそれぞれ前記光源からオフセットした位置にある請求項１に記載の方法。
3. 各検出器−光源対のオフセットのうちの１つ以上が異なっている請求項２に記載の方法。
4. 前記像δμ_ａ（ｒ）が、ｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式を計算することによって再構築され、ここで、
   μ_ａは吸収係数であり、
   ｒは前記試料内の位置であり、
   ｘ＝δμ_ａであり、
   ｙは各光源−検出器対の検出器信号のベクトルであり、
   Ａ_ｉｊは各ボクセルｊの各測定ｉに関して、輸送方程式（Ｇ）
   

   

   の（ｉ）グリーン関数
   

   

   と（ｉｉ）第１次背景検出器信号（Ｌ_０）との積を表すマトリックスＡの要素である請求項１に記載の方法。
5. 前記光学放射が近赤外放射である請求項１に記載の方法。
6. 前記光学放射が、多数の光源をシミュレートするために、前記光源から前記試料全体にわたって走査される請求項１に記載の方法。
7. １０個の検出器が、前記試料からの光学放射を受け取るために使用される請求項１に記載の方法。
8. 前記オフセットが０．１ｍｍから１０ｍｍまでである請求項２に記載の方法。
9. 前記１つ以上のオフセットが０．１ｍｍから１０ｍｍまでである請求項３に記載の方法。
10. 前記試料が吸収物体を含み、前記像δμ_ａ（ｒ）が式２ａ
    

    

    を解くことによって再構築される請求項１に記載の方法。
11. 前記試料が散乱物体を含み、前記像δμ_ｓ（ｒ）が式２ｂ
    

    

    を解くことによって再構築される請求項１に記載の方法。
12. 前記試料が吸収散乱物体を含み、前記像δμ_ａ（ｒ）＋δμ_ｓ（ｒ）が式２ａ＋２ｂの和を解くことによって再構築される請求項１に記載の方法。
13. （ａ）光源用光ファイバ、１つ以上の検出器用光ファイバ、および遠位端、からなり、該光源用光ファイバの遠位端および該各検出器用光ファイバの遠位端がプローブを通って延び該プローブの遠位端で終わる該プローブと、
    （ｂ）該光源用光ファイバの近位端と接続された光学放射源と、
    （ｃ）各々が該検出器用光ファイバの１つの近位端に接続されて、各検出器用光ファイバからの光学放射を受け取り該試料から放射される光に対応するディジタル信号に変換する１つ以上の光検出器と、
    （ｄ）該光検出器で生成された該ディジタル信号を処理して、該試料内の１つ以上の形態の空間的に変化する光学特性の像を出力装置に供給するプロセッサと、からなり、該像が、該ディジタル化データと輸送に基づいた光子移動モデルの間の非線形最小化を実施することによって再構築される、試料の間接撮影システム。
14. 各検出器用光ファイバの遠位端が、前記光源用光ファイバの遠位端からオフセットしている請求項１３に記載のシステム。
15. 前記オフセットが０．１ｍｍから１０ｍｍまでである請求項１４に記載のシステム。
16. 前記プロセッサが、前記ディジタル信号を処理して、ｙ＝Ａｘの形のマトリックス方程式を計算することによって再構築される像δμ_ａ（ｒ）を与えるべくプログラムされ、ここで、
    μ_ａは吸収係数であり、
    ｒは前記試料内の位置であり、
    ｘ＝δμ_ａであり、
    ｙは各光源−検出器対の検出器信号のベクトルであり、
    Ａ_ｉｊは、各ボクセルｊの各測定ｉに関して、（ｉ）輸送方程式（Ｇ）
    

    

    のグリーン関数
    

    

    と（ｉｉ）第１次（背景）検出器信号（Ｌ_０）との積を表すマトリックスＡの要素である、請求項１３に記載のシステム。
17. 各検出器−光源対のオフセットのうちの１つ以上が異なっている請求項１４に記載のシステム。
18. 前記光学放射が近赤外放射である請求項１３に記載のシステム。
19. 前記光学放射が、多数の光源をシミュレートするために、前記光源用光ファイバから前記試料全体にわたって走査される請求項１３に記載のシステム。
20. １０個の検出器が、前記試料からの光学放射を受け取るために使用される請求項１３に記載のシステム。
21. 前記オフセットが０．１ｍｍから１０ｍｍまでである請求項１４に記載のシステム。
22. 前記１つ以上のオフセットが０．１ｍｍから１０ｍｍまでである請求項１７に記載のシステム。
23. 前記像が３次元である請求項１に記載の方法。
24. 前記像が３次元である請求項１３に記載のシステム。
25. 光源用光ファイバ、１つ以上の検出器用光ファイバ、および遠位端、からなり、該光源用光ファイバおよび各々の該検出器用光ファイバの遠位端が、プローブを通って延び該プローブの遠位端で終わり、さらに、該光源用光ファイバの遠位端が該検出器用光ファイバの各遠位端から０．１ｍｍから１０ｍｍだけオフセットしている間接方式撮像用プローブ。
26. 試料全体にわたって光学放射を走査するために走査ミラーを更に含む請求項２５に記載のプローブ。
27. １つ以上の光源−検出器対のオフセットのうちの１つ以上が異なっている請求項２５に記載のプローブ。

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