JP2009516561A - 混濁媒質の光学的撮像の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、混濁媒質の光学的撮像の方法および装置に関する。本方法は、混濁媒質中のある参照血中酸素飽和（SaO2）で混濁媒質から発する光の参照強度の参照測定と、測定された参照強度から混濁媒質の参照画像を再構成する参照撮像ステップとを有する。さらに、本方法は、混濁媒質中のコントラスト血中酸素飽和（SaO2）レベルで混濁媒質から発する光のコントラスト強度のコントラスト測定と、測定されたコントラスト強度から混濁媒質のコントラスト画像を再構成するコントラスト撮像ステップとを有する。混濁媒質のコントラスト画像と参照画像との間の比較がなされる。

Description

本発明は、混濁媒質の光学的撮像法および混濁媒質撮像装置に関する。

拡散光トモグラフィー（DOT: Diffuse Optical Tomography）は、近赤外（NIR）光を使い、生物学的組織の吸収のほか散乱属性をも探査する撮像技術である。この技法の主たる適用は脳の撮像（たとえば卒中撮像、機能的撮像――これは新生児でも）、光マンモグラフィー、四肢および関節の撮像である。この技術は、低エネルギー電磁放射を典型的には光ファイバーを通じて身体部分の表面に送達し、透過および／または反射された強度を20cmまでの距離で測定することに基づいている。DOTは、測定された吸収係数が、ヘモグロビン濃度および血液酸素度といった組織の生化学的構成に関係しているという恩恵を有する。この技法は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンが近赤外領域で支配的な吸収体であるという事実を利用するものである。

拡散光トモグラフィーは、混濁媒質中の異常領域を位置特定するために特に好適である。ここで、混濁媒質とは、生物学的組織を意味すると理解される。異常領域とは、混濁媒質が任意の仕方または形で、周辺領域の混濁媒質から逸脱する領域を意味すると理解される。より特定的には、本願の背景では、そのような領域は、腫瘍組織を有する領域を意味すると理解される。

拡散光トモグラフィーは低コストで高い安全性をもって高速に結果を与え、有望な技法ではあるが、DOTで光の単一の波長を使った静的な画像は、身体部分の構造の決定的な映像を与えない。身体部分内部の異なる組織の異なる吸収および散乱の結果としての内在的なコントラストは十分ではなく、画像解像度は機能させるには貧弱すぎる。いくつかの波長が使用され、異なる組織種別の異なる分光特徴の知識が活用される場合（分光拡散光トモグラフィー）でも、現状技術では信頼できる診断は得られない。この問題を解消するための追加的な情報を、たとえば造影剤を使うことによって得ることができる。造影剤は一方では光学的なコントラストを向上させ、より重要なことには、いわゆる差分技法に道を開く。そのような技法では、患者に造影剤を投与する間および投与後、以前に作成された二つ以上の画像の差分を取る。背景が減算されるので、これは使用される剤に固有のコントラストを大幅に向上させ、時系列が造影剤の洗い入れ（wash-in）、取り込み（uptake）および洗い出し（wash-out）のような動的特徴を示す。しかしながら、造影剤の投与には、針注射の必要、関わってくる費用および関わってくる安全上のリスクといったいくつかの重要な欠点がある。

向上した光学的コントラストでの混濁媒質の光学的撮像の方法を提供することが本発明のねらいである。

この目的に向け、本発明は、混濁媒質の光学的撮像の方法であって：
・混濁媒質中の参照血中酸素飽和（SaO2）レベルで混濁媒質から発する光の参照強度の参照測定と；
・測定された参照強度から混濁媒質の参照画像を再構成する参照撮像ステップとを有する方法を提供する。該方法は、該方法が：
・混濁媒質中のコントラスト血中酸素飽和（SaO2）レベルで混濁媒質から発する光のコントラスト強度のコントラスト測定と；
・測定されたコントラスト強度から混濁媒質のコントラスト画像を再構成するコントラスト撮像ステップとをさらに有しており、
・混濁媒質のコントラスト画像と参照画像との間の比較がなされることを特徴とする。

特に、混濁媒質から発する光は、混濁媒質を一つまたは複数の光源で照明することによって生成できる。また、種々の血中酸素飽和レベルでのコントラスト測定に加えて、混濁媒質からの蛍光が、混濁媒質から光を発させてもよい。たとえば、蛍光は、混濁媒質に投与される好適な蛍光剤によって引き起こされてもよい。

本発明は、混濁媒質中の血中酸素飽和レベルの――人為的な――変化が光透過の動的な変化につながるという洞察に基づいている。血中酸素飽和レベルの人為的変化は、たとえば酸素マスクを通じて人間または動物に投与される気体混合物のO₂/N₂比の変調によって得ることができる。O₂/N₂比のこの変調は、血中酸素度――またはオキシヘモグロビン濃度――を動的に変化させる。光透過の動的な変化は、DOT撮像を使ってたとえば血液量の精確な値を得るために使うことができる。癌における血液量、血中酸素飽和および血流は、正常組織とは異なるように見え、したがって、混濁媒質中の癌領域と混濁媒質中の正常（癌でない）領域との間に、静的画像だけよりも、より大きな画像コントラストが得られる。本発明は、仮想造影剤を使った、単純で、動的で、強力にコントラストを向上させる機能的撮像技法である。

人間が数十秒息を止めるとき、血液中のO₂レベル（HbO₂）が低下し、血液中のCO₂レベルが上昇する。結果として、脳幹のCO₂受容体が呼吸するよう警告し、我々は呼吸しようとする強い反射作用を感じる。ほとんど酸素を含まない空気が吸入されると、そのような反射は喚起されない――これは、血液中の酸素飽和レベルが60%を下回らない限りである。よって、息を止めることによって血液中のO2レベルを下げることは非常に難しいが、自然の空気に比べて少量の酸素を含む気体を呼吸することによって同様またはずっと低い血中酸素レベルを得ることができる。純粋な窒素（N₂）が最も自然な例であるが、ヘリウムおよびアルゴンもある。自然な空気では、約21%のO₂および79%のN₂を見出す（O₂/N₂比は0.26）。O₂/N₂比は、ある周期内に、0.1以下に下げることができ、次いで（急速に補充するために）0.5以上に上げることができる。これは分光DOTによって測定できるHb/HbO₂の動的な向上につながる。

本発明に基づく方法の利点は明確である。まず第一に、コントラストを向上させる機能的撮像の方法を提供する。O₂/N₂混合物は安価で、入手しやすく、洗い入れおよび洗い出しは非常に迅速である。さらに、何らかの造影剤の針注射または輸液のような侵襲的ステップは必要とされない。

ある有利な実施形態では、本発明に基づく混濁媒質の光学的撮像の方法は、次のステップを有する：
・いくつかのコントラスト測定を実行して、前記コントラスト血中酸素飽和レベルで混濁媒質から発する参照光強度のそれぞれのセットを測定し；
・前記参照光強度のセットからおよび前記コントラスト光強度のセットから、それぞれいくつかの参照画像およびいくつかのコントラスト画像が再構成され；
・前記いくつかのコントラスト画像の前記いくつかの参照画像との比較がなされる。

ある有利な実施形態では、前記いくつかの参照画像を平均することによって平均参照画像が形成され、前記いくつかのコントラスト画像を平均することによって平均コントラスト画像が形成され、平均コントラスト参照画像と平均参照画像との間で比較がなされる。

いくつかの参照画像およびコントラスト画像を作成してこれらの画像を平均することによって、信号対雑音比が改善できる。

好ましくは、平均コントラスト参照画像と平均参照画像との比較は、減算または（平均）コントラスト画像と（平均）参照画像との比を取ることに関わる。

混濁媒質中の血中酸素飽和レベルは好ましくは、検査対象に投与される酸素分圧（pO₂）の窒素分圧（pN₂）に対する比を変調することによって変調される。

たとえば、人間の場合、所望の比での酸素および窒素の投与は、人間に、酸素／窒素気体混合物が供給される酸素マスクを通じて呼吸させることによって生起できる。

分光DOT撮像手順の間、分圧O₂/N₂比は、ある周期内に、たとえば0.1以下に下げられ、次いで（急速に補充するために）たとえば0.5以上に上げられることができ、よりよい信号対雑音比（SNR）を得るためにこのシーケンスを反復することができる。特に、SNRは、いくつかの測定にわたって平均することによって改善される。さらに、平均および減算は、測定された光強度に対しても、あるいは再構成された画像に対してもできる。画像再構成プロセスの本来的に非線形な特性のため、これら二つの可能性は等価ではなく、同じねらいに資する。これに対し、平均と減算の操作は可換であり、よって結果を変えることなく逆順で行うこともできる。これは、分光DOTによって測定できるHb/HbO₂の動的な向上につながる。心拍数、血圧および呼吸は緊密に監視されるべきであり、酸素変調周期の長さおよび振幅の両方に対するフィードバック信号として使われるべき自明な候補である。

本発明のある例では、血中酸素飽和レベルは、酸素分圧と窒素分圧との比を変調することによって変調される。これは、検査されるべき患者環境（たとえば大気圧）が変更される必要がないことを達成する。

好ましくは、混濁媒質中のO₂/N₂比の変調は、関係する人間または動物に、0.26より高いまたは低い比でO₂/N₂を投与することによって行われる。0.26より高い比はオキシヘモグロビンの高濃度につながり、一方、0.26より低い比はデオキシヘモグロビンのより高い濃度につながる。

酸素または窒素または酸素／窒素混合物は、関係する人間または動物にいくつかの仕方で投与できる。しかしながら、特に人間が関わる場合、好ましい方法は、口呼吸マスクを介した投与である。

本発明はまた、混濁媒質を撮像する装置にも係る。請求項APにおいて定義されているような本発明の装置は、本発明の方法を実行する機能性を有する。そのような装置の例は、女性の胸の光学的または特に近赤外での撮像のための撮像システムである。この種の混濁媒質、特に人間の生物学的組織の撮像は、50nmから1.4μmの波長範囲で可能であり、650〜900nmの波長範囲では非常に良好な結果が達成され、700〜800nmの範囲では優秀な結果が達成される。波長範囲の選択は低い散乱（波長が短いほど増加する）、低い吸収（長波長で増加する）およびたとえば酸素添加または非酸素添加血液などに起因する特定の吸収帯域の不在の考慮に依存する。胸の組織は、胸の組織を通って進む光の多重散乱のために光学的に混濁体として振る舞うことが明らかになっている。本発明の撮像装置は、混濁媒質を受領する検査空間を有する。実際上は、検査空間はたとえば、上端が開いたチェンバーの形をもち、女性が安楽に下を向いて（すなわち、うつぶせの姿勢で）チェンバー上に位置される間、女性の胸が上からチェンバーの開口部にぶら下がる。しばしば、胸の縁における強い光学的な遷移を避けるために、チェンバー中にぶら下げられた胸を取り囲むよう、マッチング流体が加えられる。マッチング流体の使用は、検査される胸の再構成画像におけるアーチファクトを強く低減させた。

胸からの電磁放射は、チェンバーの壁面またはその近くに位置する電磁放射検出モジュールによって測定される。あるいはまた、一つまたは複数の電磁放射検出モジュールが検査空間のまわりを軌道運動してもよい。電磁放射検出モジュールは、検査空間からの電磁放射を、いくつかの配向から検出する。本撮像装置のある側面では、混濁媒質すなわち女性の胸にいくつかの配向から照射するために、胸は、検査領域のまわりに位置されている、あるいは検査空間のまわりを回る源によって照明されてもよい。本発明の撮像装置のもう一つの側面では、検査すべき患者に、胸の組織からの蛍光を引き起こす造影剤が投与される。ここで特に、蛍光は腫瘍組織において向上される。たとえば、蛍光向上は造影剤の増加した濃度に起因し、それは造影剤が腫瘍組織中に優先して蓄積されることに起因する。

本発明の撮像装置は一つまたは複数の電磁放射検出モジュールを設けられる。電磁放射検出モジュールは本発明の撮像装置において、電磁放射、特に、混濁媒質、特に女性の胸からの可視光または近赤外放射を検出するために用いられる。これらの一つまたは複数の電磁放射検出モジュールは、蓄積した電荷を表す出力強度信号を供給し、該電荷はそれぞれの配向から観察される検査ゾーンからの放射強度を表す。これらの出力強度信号は再構成器に加えられ、該再構成器は混濁媒質、すなわち女性の胸の一つまたは複数の画像を再構成する。二次元または三次元画像データセットを再構成するために、いくつかの再構成アルゴリズムが利用可能である。

さらに、本発明は、請求項SWにおいて定義されるようなコンピュータ・プログラムに係る。本発明のコンピュータ・プログラムはCD-ROMのようなデータ担体上で提供されてもよく、ワールド・ワイド・ウェブのようなデータ・ネットワークからダウンロードされてもよい。本コンピュータ・プログラムは、DOT撮像装置のような混濁媒質の光学的撮像のための装置のプロセッサ中にインストールされてもよい。本発明のコンピュータ・プログラムをインストールされることは、混濁媒質の光学的撮像のための装置に、本発明の方法を実行する機能性を提供する。

本発明のこれらの側面およびその他の側面は、以下に記載される実施形態および付属の図面を参照して明確にされるであろう。

図１は、本発明の混濁媒質を撮像するための装置の概略図を示している。特に、図１に図的に示されている混濁媒質撮像装置は、光マンモグラフィー・システムである。本光マンモグラフィー・システムは、検査されるべき患者（特に胸１を検査すべき女性）がうつぶせで（すなわち下向きに）位置され、一方の胸が、測定カップ２の形をもつ検査空間２内に懸架される（図２参照）。胸１とカップ表面との間の空間は、散乱流体２２で満たされる。散乱流体２２の散乱属性はたとえば平均的な胸の散乱属性と密接に一致し、そのため胸の組織と胸の外側の空間との間の光学的属性の遷移が軽減される。

図２は、カップと胸１との概略的な断面図を示している。

多数のファイバー２３（全部で510本）が一端でカップに接続されている。ファイバーの半分は他端で検出器モジュール５に接続され、ファイバーの半分は他端でファイバー・スイッチ１２に接続されている。ファイバー・スイッチ１２は、異なる波長をもつ複数レーザー２４からの光を、256本の源ファイバー２３（255本はカップまで、一本は直接検出器ファイバーまで）のどれか一つに指向させることができる。このようにして、源ファイバー２３のどれか一つが、カップ内に円錐形の光ビームを提供できる。ファイバー・スイッチ１２を適正に切り換えることによって、すべての源ファイバーが、その後、円錐形の光ビームを放出することになる。

選択された源ファイバーからの光は、散乱流体および胸によって散乱され、255個の検出器モジュールによって検出される。胸部組織における光の散乱は強く、これは、反射される（すなわち後方散乱される）光に比較して限られた量の光子のみが胸を通過できるということを意味する。したがって、大きなダイナミックレンジ（約9桁）が検出器によってカバーされるべきである。検出器モジュールにおける光センサー５としては、フォトダイオードが使われる。フロントエンド検出器電子回路は、これらのフォトダイオードおよび増幅器３１を含む。増幅器の増幅因子はいくつかの値の間で切り換えることができる。機械はまず、最低増幅で測定し、必要なら増幅を上げる。検出器はコンピュータ１４によって制御される。

コンピュータ１４は、レーザー、ファイバー・スイッチおよびポンプ・システムをも制御する。コンピュータ、カップ、ファイバー、検出器、ファイバー・スイッチおよびレーザーはみな、図２に示されるようにベッドにマウントされる。

測定は、散乱流体２２で完全に満たされたカップ２で始まる。これは較正測定である。この較正測定後、胸１が流体中に浸漬され、測定手順が再び実行される。較正測定および胸部測定はいずれも、三つのレーザー２４のそれぞれについて255′255の検出器出力強度信号（OIS: output intensity signal）からなる。これらの検出器出力強度信号（OIS）は、画像再構成と呼ばれるプロセスを使って、三次元画像に変換されることができる。胸部の画像の画像再構成は、通例コンピュータ１４においてソフトウェアで実装される再構成器４によって実行される。代数的再構成法（ART: algebraic reconstruction technique）または有限要素法（FEM: finite element method）に基づく再構成プロセスは、（非適切問題である（ill-posed））逆問題の最も確からしい解を見出す。

図３は、たとえば患者の胸の複数波長での画像を作成できる近赤外撮像器（分光DOT撮像器）を有するシステムの概略図を示している。患者の心拍数および血液酸素化レベルが監視され、その信号がコントローラに送られ、該コントローラはO₂/N₂気体混合物を調節するために、信号を一組の気体弁に送り、圧力計からの読みを受信する。気体混合物は、口呼吸マスク（mouth-breathing mask）または麻酔酸素マスク（anaesthetic oxygen mask）を使って、患者に送られる。撮像器は気体混合物についての制御信号を受信し、コントローラに、画像スキャンの進行のような自らの状態についての信号を送る。なかでも出力は、患者における血液供給および血液酸素化の機能的画像である。これらのデータはその後、癌発達が疑われる位置をマークするために使われる。

本発明の混濁媒質を撮像する装置の概略図である。 カップおよび胸部の形の混濁媒質の概略的な断面図である。 近赤外撮像器および呼吸気体を投与するシステムを有する、本発明に基づくシステムの概略図である。

Claims (10)

1. 混濁媒質の光学的撮像の方法であって：・混濁媒質中の参照血中酸素飽和度で混濁媒質から発する光の参照強度の参照測定と、・測定された参照強度から混濁媒質の参照画像を再構成する参照撮像ステップとを有しており、さらに：
   ・混濁媒質中のコントラスト血中酸素飽和度で混濁媒質から発する光のコントラスト強度のコントラスト測定と、
   ・測定されたコントラスト強度から混濁媒質のコントラスト画像を再構成するコントラスト撮像ステップとをさらに有しており、
   ・混濁媒質のコントラスト画像と参照画像との間の比較がなされることを特徴とする、
   方法。
2. 混濁媒質から発する光の前記参照強度および／または前記コントラスト強度を生成するために、混濁媒質が光源からの光によって照射される、混濁媒質の光学的撮像の方法。
3. 請求項１または２に記載の、混濁媒質の光学的撮像の方法であって、
   ・いくつかのコントラスト測定を実行して、前記コントラスト血中酸素飽和レベルで混濁媒質から発する参照光強度のそれぞれのセットを測定し；
   ・前記参照光強度のセットからおよび前記コントラスト光強度のセットから、それぞれいくつかの参照画像およびいくつかのコントラスト画像が再構成され；
   ・前記いくつかのコントラスト画像の前記いくつかの参照画像との比較がなされる、
   方法。
4. 請求項３記載の方法であって、
   ・前記いくつかの参照画像を平均することによって平均参照画像が形成され、
   ・前記いくつかのコントラスト画像を平均することによって平均コントラスト画像が形成され、
   ・前記平均コントラスト参照画像と前記平均参照画像との間で比較がなされる、
   方法。
5. 前記比較が、減算または前記（平均）コントラスト画像と前記平均）参照画像との比を取ることに関わる、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の、混濁媒質の光学的撮像の方法。
6. 混濁媒質中の血中酸素飽和レベルが、検査対象に投与される酸素分圧の窒素分圧に対する比を変調することによって変調される、請求項１記載の、混濁媒質の光学的撮像の方法。
7. 混濁媒質中の血中酸素飽和レベルの変調が、検査対象に、0.26より高いまたは低い比でO₂/N₂を投与することによって行われる、請求項１または２に記載の方法。
8. O₂/N₂がガスマスクを介して施される、請求項３記載の方法。
9. 混濁媒質の光学的撮像装置であって、
   ・参照酸素分圧とコントラスト酸素分圧においてそれぞれ混濁媒質から発する光を検出する一つまたは複数の検出器モジュールと、
   ・前記検出器モジュールから出力された参照強度信号およびコントラスト強度信号を受信して、該参照出力強度信号およびコントラスト出力強度信号から参照画像およびコントラスト画像を再構成する再構成器と、
   ・前記コントラスト画像と前記参照画像との間の比較を実行する比較器モジュールとを有する、
   装置。
10. ・特に窒素分圧に対する酸素分圧を制御することによって混濁媒質に参照酸素分圧およびコントラスト酸素分圧を加え、
    ・前記参照酸素分圧およびコントラスト酸素分圧においてそれぞれ混濁媒質を表すコントラスト画像と参照画像とを比較する、
    ための命令を有するコンピュータ・プログラム。
    

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