JP2008522761A - 規準化された蛍光又は生物発光撮像のためのシステムと方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
同様に、生物発光撮像は、組織の中を撮像するのに用いられてきた。蛍光と生物発光撮像の違いは、生物発光撮像では、生物発光の光を放射させるのに励起光源を必要としないことである。生物発光撮像における生物発光の光の放射は、形質転換遺伝子から生じる組織内の化学発光反応によって起こる。
エピ照明光源とエピ照明撮像について、以下に説明する。一般的に、エピ照明光源は、生物組織の表面に向かって送られて、そこから反射する、及び/又は生物組織の中へ伝播して、生物組織の内部構造及び/又は表面から反射する、光を作る。エピ照明画像を形成するために、画像の光は、一般的に、組織のエピ照明光源と同じ側に集められる。
蛍光エピ照明撮像(FEI)、蛍光透照撮像(FTI)、及び生物発光撮像(BI)は、二次元画像を提供する「平面」撮像を形成する。
本発明の別の態様によれば、組織を撮像するためのシステムは、励起光を含む入射光を作成できるようになっている励起光源を含んでいる。本システムは、更に、受光器を含んでおり、受光器は、入射光が組織と相互作用した後で、入射光を受け取るようになっており、更に、組織から放射される放射光を受け取るようになっており、更に、入射光に反応して組織の内因性画像を作成するようになっており、更に、組織の、規準化されていない放射光の画像を作成するようになっている。本システムは、更に、非規準化放射光画像と内因性画像を組み合わせて、組織に関係付けられた規準化放射光画像を作成するようになっている規準化プロセッサーを含んでいる。
撮像システムと方法について述べる前に、導入概念と専門用語について説明する。ここで用いる「ファントム」という用語は、撮像する試験対象物を述べるのに用いる。「ファントム」は、代表的には、適切に作られた樹脂ブロックの様な、生きている組織と同様の拡散光伝播特性を有する物体である。別の例では、ファントムは、蛍光プロテイン、即ち蛍光マーカー又は蛍光色素、を有する細胞が入った小瓶である。
内因性エピ照明画像を作成するために、励起光(エピ照明光)は、撮像する対象物から送り返された(例えば、反射された)後で、カメラに受け取られる。対照的に、内因性透照画像を作成するために、励起光(透照光)は、撮像する対象物を通過した後で、カメラに受け取られる。
図1Bと関連付けて説明した、1つの透照光源52だけを有しているシステム50では、1つの透照画像が得られる。この場合、式2と式4には、積算項が無くなる。
内因性画像は、幅広い波長、即ち、励起光の波長(例えば、図1の14、18)だけでなく、生成された蛍光の波長も含む波長で得られる画像である。代わりに、2つの「内因性」画像は、1つが励起光の波長、1つが放射(蛍光)光の波長で得られ、その2つの組み合わせ、例えば線形の組み合わせ又は重み付け積が、規準化に用いられる。
式7の修正(式4と比べて)は、生物発光信号が励起光源に依存していないことを示しており、従って、光源の関数である積算は無くなる。同様に、式7と式8は、生物発光画像を捕捉する幾何学配置を明示的に指していないので、本質的により包括的であることを指摘しておく。しかしながら、両式は、励起光が、生物発光信号を集めるのと同様の組織から伝播すると想定している。式3によって与えられる規準化撮像の或る実施形態は、皮相構造の生物発光に適用され、生物発光画像は、エピ照明モードでの組織減衰に合わせて補正される。
閾値TfとTeは、全ての値kに対して一定であってもよいし、Tf=Tf(k)及びTe=Te(k)であってもよく、それは、個々の光源に適用される各比が、異なる閾値であることを示している。或る実施形態では、Teは、適応閾値であり、Iet(k)強度の関数として測定され、例えばTe=0.1*Iet(k)で、Tfは定数で、例えばノイズの標準偏差の5倍である。Teより小さい分母値を与える画像の画素は、合算されない。
カメラ100が受け取る光には、エピ照明光源によって生成された励起光から生まれた内因性励起光、及び/又は、エピ照明光源によって生成された励起光に反応して組織が放射した蛍光が含まれていてもよい。カメラ100が受け取る光には、更に、透照光源によって生成された励起光から生まれた励起光、及び/又は、透照光源によって生成された透照光に反応して組織が放射した蛍光が含まれていてもよい。カメラ100が受け取る光には、更に、組織内で自然に生成される生物発光の光が含まれることもある。
図5−5cでは、画像は、先に述べた第2ファントムの蛍光エピ照明及び蛍光透照撮像によって得られた。先に述べた様に、第2ファントムは、1%の内部脂肪溶液と、25ppmの墨汁に浸された2つの管を含んでいる。図5と図5Bでは、管には、25ppmの墨汁が中に入っており、即ち、背景濃度と同じだった。図5Aと図5Cでは、左の管には60ppmの墨汁が中に入っており、即ち、背景インク濃度の2.5倍までであった。
図8に戻るが、パネル(a)−(d)は、それぞれ、エピ照明内因性画像、非規準化エピ照明蛍光画像、ノイズ閾値をゼロとした規準化蛍光エピ照明画像、及び、式3で表されているノイズ閾値操作によって処理された規準化蛍光エピ照明画像を示している。画像は、矢印で示している様に表面腫瘍を煩っている動物を示しており、腫瘍は、内因性エピ照明画像(パネル(a))に暗く現れている。腫瘍は、光を吸収するので、非規準化蛍光エピ照明画像(パネル(b))では暗く現れる。腫瘍の上部で観察される或る種の活動は、動物に、図7と同じ活性化可能な蛍光探針が注入されていても、腫瘍の存在によって局所化されることはない。腫瘍の境界におけるその様な活動は、通常は、或る種の非規準化画像に存在しており、それは、組織の異質な吸収から生じる局所的な励起の場の変動によるものである。逆に、パネル(c)と(d)の規準化蛍光エピ照明画像は、腫瘍の場所と大きさを正しく識別する。パネル(d)の画像は、ノイズの閾値を当てはめて、コントラストを最大にすることによって、一層良くなっている。更に小さな病変部も、大きな腫瘍の左側に現れており、これは、両規準化蛍光画像で良く見えるようになっている。しかしながら、特に、パネル(d)の画像は、規準化蛍光画像が、全ての背景蛍光活動を如何に上手く示すことができるのか、を示している。
使用時に、身体部分又は器官212は、図示の様に、例えば、外科的切開を受けることもある。蛍光色素は、手術前又は手術中に患者に注入することができ、病変部位216に集まる傾向があって、病変部が蛍光に反応するようにする。先に述べた様に、カメラ202は、内因性エピ照明画像と非規準化蛍光エピ照明画像を作成することができる。規準化プロセッサー208は、規準化エピ照明蛍光画像を作成し、規準化画像を手術中のモニター210へ送り、外科医はそれを見ることができる。
更に図9に示している様に、照明装置/腹腔鏡/内視鏡218(以後、探針218と呼ぶ)が、様々な方法で用いられる。或る装置では、探針218は透照光源を提供し、カメラ202が、病変部220の内因性透照画像及び/又は非規準化蛍光透照画像を捕捉することができるように、この透照光源が用いられる。この探針は、外科手術中にエピ照明システム200を補完するために用いることもできるし、エピ照明光源を使用すること無く透照撮像だけを提供することもできる。
次に図10では、システム250は、歯254の、カメラ256とは反対側に配置されている透照光源252を含んでいる。カメラ256は、2つのフィルター258a、258bを有しており、図2のカメラ100と同じか、又は同様である。カメラ256は、歯254の、内因性透照画像と、非規準化蛍光透照画像を作成し、その中で構造化する。或る装置では、カメラは、そうではなく、図9の探針と同じか又は同様の内視鏡である。規準化プロセッサー(図示せず)とモニター(図示せず)は、規準化画像を作成するため、カメラ256に連結することができる。
規準化エピ照明及び規準化蛍光透照撮像が様々な用途で改良された画像を提供することは、図5−8Aに提供されている画像例から理解頂けよう。規準化エピ照明撮像は、表面が重み付けされる傾向がある。つまり、表面の造形を、良く見ることができるので、エピ照明撮像では、本技法は、外科及び内視鏡の用途に適している。しかしながら、エピ照明撮像の感度及び撮像解像度は、表面の下にある物体に対しては下がるので、その場合は、規準化蛍光透照撮像が好ましい。規準化蛍光透照撮像は、規準化蛍光エピ照明撮像よりも深くまで、拡散的な体積の有用な画像を提供できることが多い。これは、規準化蛍光透照撮像が、規準化蛍光エピ照明撮像とは異なる特性を有するためである。具体的には、規準化蛍光透照撮像では、励起光が拡散的体積を通過する際に励起光が減衰して、直接流出信号が減るために、比較的少量の励起光しか回収されない。同様に、規準化蛍光透照撮像では、あらゆる表面自動蛍光が、規準化蛍光エピ照明撮像と比べて大幅に減衰された光によって励起される。これらの差異は、透照及び大幅に少なくなった背景信号において、より均一な量のサンプリングを作り出す。
以上、本発明の好適な実施形態について述べてきたが、当業者には自明のように、それらの概念を組み込んでいる他の実施形態も使用することができる。従って、これらの実施形態は、開示されている実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲に述べる精神及び範囲によってのみ限定されるものと理解されたい。
図5Bは、図5でも見られる、一連のファントムの画像であり、励起光波長での内因性透照画像、蛍光透照画像、及び正規化蛍光透照画像を示している。
Claims (42)
- 撮像の方法において、
励起光源によって、励起光を含む入射光を作成する段階と、
前記入射光を組織に向けて送る段階と、
前記入射光が組織と相互作用した後で、前記入射光を光検出器で受け取る段階と、
前記組織から放射される放射光を前記光検出器で受け取る段階と、
前記入射光に反応して、前記組織の内因性画像を作成する段階と、
前記組織の非規準化放射光画像を作成する段階と、
前記非規準化放射光画像と、前記内因性画像を組み合わせて、前記組織の規準化放射光画像を作成する段階と、から成る方法。 - 手術処置中に探針を患者に挿入する段階を更に含んでおり、前記入射光を作成する前記段階は、前記探針から前記入射光を送る段階を含んでおり、前記入射光を受け取る前記段階は、前記探針で前記入射光を受け取る段階を含んでおり、前記放射光を受け取る前記段階は、前記探針で前記放射光を受け取る段階を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記手術処置は、患者の内部体腔を撮像する段階を含んでいる、請求項2に記載の方法。
- 前記方法は、腹腔鏡撮像法、内視鏡撮像法、結腸鏡撮像法、膣鏡撮像法、食道撮像法、肺撮像法、口腔撮像法、歯科撮像法の内の選択された方法を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね同じ側に配置されているエピ照明光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられた蛍光を備えており、
前記内因性画像は、内因性エピ照明画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化蛍光エピ照明画像を備えており、
前記規準化放射光画像は、規準化蛍光エピ照明画像を備えている、請求項1に記載の方法。 - 蛍光は、蛍光マーカーと、前記励起光に反応する内生組織蛍光分子の内の少なくとも1つによって生成され、前記蛍光マーカーは前記組織に投与される、請求項5に記載の方法。
- 前記入射光は、実質的に1つの波長である、請求項6に記載の方法。
- 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね反対側に配置されている透照光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられた蛍光を備えており、
前記内因性画像は、内因性透照画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化蛍光透照画像を備えており、
前記規準化放射光画像は、規準化蛍光透照画像を備えている、請求項1に記載の方法。 - 前記蛍光は、蛍光マーカーと、前記励起光に反応する内生組織蛍光分子の内の少なくとも1つによって生成され、前記蛍光マーカーは前記組織に投与される、請求項8に記載の方法。
- 前記入射光は、実質的に1つの波長である、請求項9に記載の方法。
- 前記透照光源は、複数の個別透照光源を備えており、前記方法は、
複数の内因性画像を組み合わせて、前記内因性画像を作成する段階であって、前記複数の内因性画像のそれぞれは、前記複数の透照光源の内のそれぞれと関係付けられている、段階と、
複数の非規準化放射光画像を組み合わせて、前記非規準化放射光画像を作成する段階であって、前記複数の非規準化放射光画像のそれぞれは、前記複数の透照光源のそれぞれと関係付けられている、段階と、を更に含んでいる、請求項8に記載の方法。 - 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね同じ側に配置されているエピ照明光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられた生物発光の光を備えており、
前記内因性画像は、内因性エピ照明画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化生物発光画像を備えており、
前記規準化放射光画像は、規準化生物発光エピ照明画像を備えている、請求項1に記載の方法。 - 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね反対側に配置されている透照光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられた生物発光の光を備えており、
前記内因性画像は、内因性透照画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化生物発光画像を備えており、
前記規準化放射光画像は、規準化生物発光エピ照明画像を備えている、請求項1に記載の方法。 - 前記透照光源は、複数の個別透照光源を備えており、前記方法は、
複数の内因性画像を組み合わせて、前記内因性画像を作成する段階であって、前記複数の内因性画像のそれぞれは、前記複数の透照光源のそれぞれと関係付けられている、段階を更に含んでいる、請求項13に記載の方法。 - 前記組み合わせる段階は、前記非規準化放射光画像を、前記内因性画像で除する段階を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記除する段階は、前記非規準化放射光画像の画素の画素等級を、前記内因性画像の調整された画素の画素等級で除する段階を含んでいる、請求項15に記載の方法。
- 前記入射光は、400から1000ナノメーターの範囲内の波長を有しており、前記放射光も、400から1000ナノメーターの範囲内の波長を有しており、前記放射光の波長は、前記励起光の波長より短い、請求項1に記載の方法。
- 前記受光器は、荷電結合素子カメラを備えている、請求項1に記載の方法。
- 前記組織の第1背景画像を、前記内因性画像と概ね同じ波長で作成する段階と、
前記組織の第2背景画像を、前記非規準化放射光画像と概ね同じ波長で作成する段階と、
前記内因性画像と前記第1背景画像を組み合わせて、ノイズ低減内因性画像を提供する段階と、
前記非規準化放射光画像と前記第2背景画像を組み合わせて、ノイズ低減非規準化放射光画像を提供する段階と、
前記ノイズ低減非規準化放射光画像と前記ノイズ低減内因性画像を組み合わせて、ノイズ低減規準化放射光画像を提供する段階と、を更に含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 前記入射光は、1つ又は複数の波長を含んでおり、前記内因性画像は、前記1つ又は複数の波長に関係付けられている内因性画像を組み合わせることによって作成される、請求項1に記載の方法。
- 組織を撮像するためのシステムにおいて、
励起光を含む入射光を生成するようになっている励起光源と、
前記入射光が前記組織と相互作用した後で、前記入射光を受け取るようになっており、更に、前記組織から放射される放射光を受け取るようになっており、更に、前記入射光に反応して前記組織の内因性画像を作成するようになっており、更に、前記組織の非規準化放射光画像を作成するようになっている受光器と、
前記非規準化放射光画像と前記内因性画像を組み合わせて、前記組織に関係付けられている規準化放射光画像を作成するようになっている規準化プロセッサーと、を備えているシステム。 - 探針と、
前記探針と前記励起光源の間、及び、前記探針と前記受光器の間に連結されている少なくとも1つの光ファイバーであって、前記少なくとも1つの光ファイバーは、前記入射光を前記探針に運び、前記入射光が前記組織と相互作用した後で、前記入射光を前記探針で受け取り、前記放射光を前記探針で受け取るようになっている光ファイバーと、を更に備えている、請求項21に記載のシステム。 - 前記探針は、患者の内部体腔を撮像するようになっている、請求項22に記載の方法。
- 前記探針は、腹腔鏡探針、内視鏡探針、結腸鏡探針、膣鏡探針、食道探針、肺探針、口腔探針、及び歯科探針の中から選択された探針を備えている、請求項22に記載のシステム。
- 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね同じ側に配置されているエピ照明光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられている蛍光を備えており、
前記内因性画像は、内因性エピ照明画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化蛍光エピ照明画像を備えており、
前記規準化プロセッサーは、前記規準化放射光画像を規準化蛍光エピ照明画像として作成するようになっている蛍光エピ照明規準化プロセッサーを備えている、請求項21に記載のシステム。 - 蛍光は、蛍光マーカーと、前記励起光に反応して内生組織蛍光分子の内の少なくとも1つによって生成され、前記蛍光マーカーは前記組織に投与される、請求項25に記載のシステム。
- 前記入射光は、実質的に1つの波長である、請求項26に記載のシステム。
- 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね反対側に配置されている透照光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられている蛍光を備えており、
前記内因性画像は、内因性透照画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化蛍光透照画像を備えており、
前記規準化プロセッサーは、前記規準化放射光画像を規準化蛍光透照画像として作成するようになっている蛍光透照規準化プロセッサーを備えている、請求項21に記載のシステム。 - 蛍光は、蛍光マーカーと、前記励起光に反応して内生組織蛍光分子の内の少なくとも1つによって生成され、前記蛍光マーカーは前記組織に投与される、請求項28に記載のシステム。
- 前記入射光は、実質的に1つの波長である、請求項29に記載のシステム。
- 前記透照光源は、複数の個別透照光源を備えており、前記規準化プロセッサーは、
複数の内因性画像を組み合わせて、前記内因性画像を作成するようになっている内因性画像組み合わせプロセッサーであって、前記複数の内因性画像のそれぞれは、前記複数の透照光源のそれぞれと関係付けられている内因性画像組み合わせプロセッサーと、
複数の非規準化放射光画像を組み合わせて、前記非規準化放射光画像を作成するようになっている放射画像組み合わせプロセッサーであって、前記複数の非規準化放射光画像のそれぞれは、前記複数の透照光源のそれぞれと関係付けられている、放射画像組み合わせプロセッサーと、を備えている、請求項28に記載のシステム。 - 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね同じ側に配置されているエピ照明光源を備えており、
前記放射光は、前記組織と関係付けられている生物発光の光を備えており、
前記内因性画像は、内因性エピ照明画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化生物発光画像を備えており、
前記規準化プロセッサーは、前記規準化放射光画像を規準化生物発光エピ照明画像として作成するようになっている生物発光エピ照明規準化プロセッサーを備えている、請求項21に記載のシステム。 - 前記励起光源は、前記組織の、前記光検出器と概ね反対側に配置されている透照光源を備えており、
前記放射光は、前記組織に関係付けられている生物発光の光を備えており、
前記内因性画像は、内因性透照画像を備えており、
前記非規準化放射光画像は、非規準化生物発光画像を備えており、
前記規準化プロセッサーは、前記規準化放射光画像を規準化生物発光透照画像として作成するようになっている生物発光透照規準化プロセッサーを備えている、請求項21に記載のシステム。 - 前記透照光源は、複数の個別透照光源を備えており、前記規準化プロセッサーは、複数の内因性画像を組み合わせて、前記内因性画像を作成するようになっている内因性励起画像組み合わせプロセッサーを備えており、前記複数の内因性画像のそれぞれは、前記複数の透照光源のそれぞれと関係付けられている、請求項33に記載のシステム。
- 前記規準化プロセッサーは、前記非規準化放射光画像を前記内因性画像で除することによって、前記非規準化放射光画像と前記内因性画像を組み合わせるようになっている、請求項21に記載のシステム。
- 前記規準化プロセッサーは、前記非規準化放射光画像の画素の画素等級を前記内因性画像の調整された画素の画素等級で除することによって、前記非規準化放射光画像と前記内因性画像を組み合わせるようになっている、請求項35に記載の方法。
- 前記入射光は、400から1000ナノメーターの範囲内の波長を有しており、前記放射光も、400から1000ナノメーターの範囲内の波長を有しており、前記放射光の波長は、前記励起光の波長より短い、請求項21に記載のシステム。
- 前記受光器は、荷電結合素子カメラを備えている、請求項21に記載のシステム。
- 前記光検出器に連結されており、第1波長を有する前記励起光を通過させるようになっている第1光学フィルターと、
前記光検出器に連結されており、前記第1波長とは異なる第2波長を有する前記放射光を通過させるようになっている第2光学フィルターと、を更に含んでいる、請求項21に記載のシステム。 - 前記光検出器に連結されており、前記励起光と前記放射光を通過させるようになっている光学フィルターを更に含んでいる、請求項21に記載のシステム。
- 前記光検出器は、更に、前記組織の第1背景画像を、前記内因性画像と概ね同じ波長で作成するようになっており、前記組織の第2背景画像を、前記非規準化放射光画像と概ね同じ波長で作成するようになっており、前記規準化プロセッサーは、
前記内因性画像と前記第1背景画像を組み合わせて、ノイズ低減内因性画像を提供するようになっている内因性画像ノイズ低減プロセッサーと、
前記非規準化放射光画像と前記第2背景画像を組み合わせて、ノイズ低減非規準化放射光画像を提供するようになっている放射画像ノイズ低減プロセッサーと、を備えており、
前記規準化プロセッサーは、更に、前記ノイズ低減非規準化放射光画像と前記ノイズ低減内因性画像を組み合わせて、ノイズ低減規準化放射光画像を提供するようになっている、請求項21に記載のシステム。 - 前記入射光は、1つ又は複数の波長を含んでおり、前記内因性画像は、前記1つ又は複数の波長と関係付けられている内因性画像を組み合わせることによって作成される、請求項21に記載のシステム。
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