JP2009516849A - 混濁媒体の内部のイメージングのための方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、混濁媒体55の内部をイメージングする方法及びデバイス1に関する。測定ボリューム15内部の混濁媒体55は、光源5からの光を用いて複数のソース位置25aから照射される。測定ボリューム15から生じる光は、複数の検出位置25bから検出される。混濁媒体55の内部の画像は、検出された光から再構成される。方法及びデバイス1の両方において、増幅回路60を有するマルチゲイン増幅ユニットにより、各ソース位置対検出位置ペアに対して、検出器信号が増幅されることができる。増幅係数は、先行技術における検出器信号強度に基づく多数の可能な増幅係数から選択される。しかしながら、本発明によれば、予想電気信号強度の推定に基づき少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対して増幅係数が選択されるよう、その方法及びデバイスは適合される。

Description

本発明は、混濁媒体の内部をイメージングする方法において、
測定ボリューム内部に上記混濁媒体を収容するステップと、
上記混濁媒体に対する複数のソース位置から光源からの光を上記混濁媒体に照射するステップと、
上記混濁媒体の照射の結果として上記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得するステップと、
各ソース位置対検出位置ペアに対する上記検出器信号をマルチゲイン増幅ユニットを用いて増幅するステップであって、各ユニットが、選択された増幅係数に設定される、ステップとを有する方法に関する。

本発明はまた、混濁媒体の内部をイメージングするデバイスであって、
上記混濁媒体を収容する測定ボリュームと、
上記混濁媒体に対する複数のソース位置から上記混濁媒体を照射する光源と、
上記混濁媒体の照射の結果として上記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得する光検出ユニットと、
各ソース位置対検出位置ペアに対する上記検出器信号を増幅するマルチゲイン増幅ユニットであって、各マルチゲイン増幅ユニットが、選択された増幅係数を設定する手段を有する、マルチゲイン増幅ユニットとを有する、デバイスに関する。

本発明はまた、
混濁媒体を収容する測定ボリュームと、
上記混濁媒体に対する複数のソース位置から上記混濁媒体を照射する光源と、
上記混濁媒体の照射の結果として上記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得する光検出ユニットと、
各ソース位置対検出位置ペアに対する上記検出器信号を増幅するマルチゲイン増幅ユニットであって、各マルチゲイン増幅ユニットが、選択された増幅係数を設定する手段を有する、マルチゲイン増幅ユニットとを有する、医療画像取得デバイスに関する。

この種の方法及びデバイスの実施形態は、米国特許第6,339,216 B1号より知られる。その知られた方法及びデバイスは、生物組織といった混濁媒体の内部のイメージングに使用されることができる。その方法及びデバイスは、女性の胸の内部をイメージングする医療診断において使用されることができる。例えば胸部等の混濁媒体が、測定ボリュームの内部に収容され、光源からの光で照射される。測定ボリュームから生じる光は、各ソース位置に対する多数の検出位置で検出され、混濁媒体の内部の画像を得るのに使用される。異なる位置での測定ボリュームから生じる光の強度、つまりその異なる位置において検出される信号の強度は、1桁違う場合を含む広いダイナミックレンジにわたり拡散される場合がある。従って、信号を適切なレベルにまで増幅するマルチゲイン増幅ユニットを通して、各検出器信号がチャネル化される。ゲイン設定は、検出される信号の強度により決定される。検出される信号は、光検出ユニット内部で所定時間期間にわたり記録される。測定ボリュームは、１つの開口サイドのみを持つホルダと境界を接することができる。その１つの開口サイドは、エッジ部分と境界を接する。このエッジ部分は、弾性的に変形可能なシールリングを具備することができる。斯かるホルダは、米国特許第6,480,281 B1号より知られる。測定ボリューム内部で、混濁媒体は、マッチング媒体により囲まれることができる。このマッチング媒体は、混濁媒体がその周囲と光学的な結合をすることにより生じる境界効果を打ち消すため、及び測定ボリューム内部での光学的短絡を防止するために使用される。測定ボリューム内部かつ混濁媒体の外側ではそれほど散乱及び減衰しない光が検出される場合、光学短絡が生じる。その場合、十分に散乱及び減衰していない検出光の強度が、その混濁媒体を通り通過して散乱及び減衰された検出光の強度を小さくする場合がある。マッチング媒体が使用される場合、混濁媒体が存在しない場合でも基準測定が実行される。

マルチゲイン増幅ユニットの正確な設定を決定し、マルチゲイン増幅ユニットをその決定された設定に切り替え、及びマルチゲイン増幅ユニットの切り替えから生じる過渡信号が十分に減衰するのを待つ処理が、結果として、何ら測定が実行されることができないアイドル時間をかなり長く生じさせることが既知の方法及びデバイスの欠点である。

本発明の目的は、マルチゲイン増幅ユニットの正確な設定を決定し、マルチゲイン増幅ユニットをその決定された設定に切り替え、及びマルチゲイン増幅ユニットの切り替えから生じる過渡信号が十分に減衰するのを待つ処理から生じるアイドル時間の長さを減らすよう、方法及びデバイスを適合させることにある。

本発明によれば、本目的は、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対する上記増幅係数が、予想電気信号強度の推定に基づき選択されることで実現される。本発明は、増幅係数の選択を検出される信号強度ではなく予想電気信号強度の推定に基づき行えば、マルチゲイン増幅ユニットを切り替えること及びその切り替えから生じる過渡信号が十分減衰するのを待つことが、実際の測定が実行される前に可能になるという理解に基づかれる。混濁媒体を照射する１つのソース位置から別のソース位置への切り替えと、マルチゲイン増幅ユニットの切り替えとを同期させることは、結果として、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な総合時間を削減させる。結果として、マルチゲイン増幅ユニットの正確な設定を決定し、マルチゲイン増幅ユニットをその決定された設定に切り替え、及びマルチゲイン増幅ユニットの切り替えから生じる過渡信号が十分に減衰するのを待つ処理に含まれるアイドル時間が、減らされる。予想電気信号強度の推定に基づきその増幅係数が選択されるようなソース位置の数が増加するにつれ、節約される時間の量は増加する。検出位置の数は、ここではあまり意味をなす必要がない(play a role here)。なぜなら、各ソース位置に対して、マルチゲイン増幅ユニットが同時に切り替えられることができるからである。本発明は、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な時間を4〜8分の1に短縮することができる。単一の検出位置に対して推定される増幅係数が、２つの連続するソース位置に対して同じである場合、マルチゲイン増幅ユニットは切り替えられる必要がない。

本発明の追加的な利点は、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な時間の削減が、医療診断中の患者に益々の快適さを与えることである。例えば、女性の胸の内部を画像化するのにその方法及びデバイスが使用されることができる。

本発明の更なる追加的な利点は、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な時間の削減が、医療診断において、結果として、患者の動きによってもたらされる画像アーチファクトの削減を生じさせることである。

本発明の更なる追加的な利点は、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な時間の削減が、医療診断において、所定の時間内により多くの患者を検査することを可能にすることである。

本発明の更なる追加的な利点は、混濁媒体の内部を画像化するのに必要な時間の削減が、より長期のデータ収集時間を可能とするのに用いられることができることである。その結果、より好適な信号対ノイズ比が得られる。この好適な信号対ノイズ比は、従来技術より測定時間を長くする必要なしに、光検出ユニットにおいて信号がより長い時間にわたり記録されることができるという事実から生じる。

本発明の更なる追加的な利点は、測定前にマルチゲイン増幅ユニットの増幅係数の選択が行われることが、あいまいな(ill-defined)過渡信号の効果を減らし、結果として、好適な測定信号を生じさせることである。単一の検出位置に対する推定増幅係数が２つの連続するソース位置に対して同じである場合、上述されたように、マルチゲイン増幅ユニットは切り替えられる必要がない。こうして、切り替えられることのない斯かるマルチゲイン増幅ユニットにおける過渡信号は、より長い時間をかけて減衰する。

本発明による方法の実施形態は、上記予想電気信号強度の推定が、単一の光源を用いる場合の無限媒体における拡散光の強度に対する分析式に基づかれることを特徴とする。無限媒体において、拡散光の強度は、e^-kr/rに比例する。この式で、kは、混濁媒体における減衰定数を表し、rは、ソース位置に対する距離を表す。この実施形態は、実現しやすいという利点を持つ。

本発明による方法の追加的な実施形態は、上記予想電気信号強度の推定が、単一のソース位置とすべての検出位置とに対する信号強度の測定に基づかれることを特徴とする。例えば、混濁媒体の形状と測定ボリュームの形状とに依存する対称性原理に基づき、すべての他のソース位置対検出位置ペアの増幅係数が得られることができる。この実施形態は、実現しやすく、実際に測定されたデータに基づかれ、及び洗練された計算を必要としないという利点を持つ。他のすべてのソース位置対検出位置ペアに対する増幅係数が、比較的簡単な対称性原理から得られることができるので、洗練された計算は必要とされない。

本発明による方法の追加的な実施形態は、上記予想電気信号強度の推定が、少なくとも２つの隣接ソース位置とすべての検出位置とに対する信号強度の測定と、上記隣接ソース位置に対応する上記選択された増幅係数間の差の外挿とに基づかれることを特徴とする。この実施形態は、実現しやすく、実際に測定されたデータに基づかれ、洗練された計算を必要とせず、及び対称性が限定される測定状況にも適用可能であるという利点を持つ。例えば、円筒形の対称性しか持たないような測定状況であっても、２つ又はそれ以上の信号強度の測定が、対称軸に関して異なる位置にあるソース位置に対して行われることができる。その後、他のすべてのソース位置対検出位置ペアに対する増幅係数が、ここでも対称性原理から得られることができる。

本発明による方法の追加的な実施形態は、上記予想電気信号強度の推定が、少なくとも１つのマルチゲイン増幅ユニットの増幅係数の選択に関する履歴データに基づかれることを特徴とする。その方法が女性の胸の内部をイメージングするのに使用されることができるような医療診断においては、履歴データは、過去の検査からのマルチゲイン増幅ユニットの設定を有することができる。この実施形態は、信号強度の計算又は測定が全く必要とされない、及び様々なマルチゲイン増幅ユニットに対する増幅係数を選択するのに必要とされる情報が既に存在しているという利点を持つ。

本発明による方法の追加的な実施形態は、マッチング媒体が、上記測定ボリューム内部で上記混濁媒体を囲み、上記予想電気信号強度の推定が、上記マッチング媒体の放射線伝達モデルと上記混濁媒体の推定とに基づかれることを特徴とする。この実施形態は、信号強度の実際の測定を必要とすることなく、混濁媒体、マッチング媒体、及び測定ボリュームと境界を接する任意の境界物の存在を考慮することができるという利点を持つ。予想電気信号強度の推定は実際の測定の前に実行されるので、混濁媒体の推定が放射線伝達モデルにおいて使用される。

本発明による方法の追加的な実施形態は、マッチング媒体が、上記測定ボリューム内部で上記混濁媒体を囲み、上記予想電気信号強度の推定が、上記マッチング媒体に関する基準測定の間に選択される増幅係数に基づかれることを特徴とする。この実施形態は、複雑な計算又は混濁媒体の存在を必要としないという利点を持つ。その方法及びデバイスが女性の胸の内部を画像化するのに使用されることができるような医療診断において、後者は、患者の検査の前に増幅係数を選択するのに患者が存在していなくてもできることを意味する。

本発明による方法の追加的な実施形態は、上記信号強度の推定が、前記混濁媒体に関する特性に基づかれることを特徴とする。その方法及びデバイスが女性の胸の内部をイメージングするのに使用されることができるような医療診断において、混濁媒体に関する所定の特性は、例えば、患者の年齢、胸の大きさ、肥満度指数等を有することができる。この実施形態は、信号強度の計算又は測定が全く必要とされない、及び様々なマルチゲイン増幅ユニットに対する増幅係数を選択するのに必要とされる情報が既に存在しているという利点を持つ。

本発明によれば、本発明による方法又はその方法のいずれかの実施形態を用いる予想電気信号強度の推定に基づき、選択された増幅係数を設定する手段が、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対して上記増幅係数を選択するよう、混濁媒体の内部をイメージングするデバイスが構成される。

本発明によれば、医療画像取得デバイスが、選択された増幅係数を設定する手段が、本発明による方法又はその方法のいずれかの実施形態を用いる予想電気信号強度の推定に基づき、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対して上記増幅効果を選択するよう構成される。例えば、そのデバイスが、医療診断において実行されるような女性の胸の内部を画像化するのに使用される場合、そのデバイスは、前述の実施形態のいずれからの利点も享受することができるであろう。

本発明のこれら及び他の側面は、図面を参照して更に説明され記述されることになる。

図１は、従来技術より知られる、混濁媒体の内部をイメージングするデバイスの実施形態を概略的に示す。デバイス１は、レーザといった光源５と、光検出ユニット１０と、光検出ユニット１０を用いて検出される光に基づき、混濁媒体５５の内部の画像を再構成する画像再構成ユニット１４と、複数の光入口位置２５ａと複数の光出口位置２５ｂとを有するレセプタクル２０により境界を接する測定ボリューム１５と、その入口及び出口位置に結合される光ガイド３０ａ及び３０ｂとを含む。デバイス１は、レセプタクル２０における多数の選択された光入口位置２５ａに光源５を結合する選択ユニット３５を更に含む。光源５は、入力光ガイド４０を用いて選択ユニット３５に結合される。明確さのため、光入口位置２５ａ及び光出口位置２５ｂは、レセプタクル２０の反対側に配置される。しかしながら実際は、両タイプの位置は、測定ボリューム１５の周囲に分散されることができる。混濁媒体５５は、測定ボリューム１５に収容されることができる。測定ボリューム１５は、光源５からの光を用いて複数の位置から照射される。選択ユニット３５は、その複数の位置の中で、選択される光入口位置２５ａに光源５を連続的に結合する。測定ボリューム１５から生じる光は、光出口位置２５ｂと光検出ユニット１０とを用いて、複数の位置から検出される。フォトダイオード１２が検出器として使用されることができる。その後、検出された光は、混濁媒体５５の内部の画像を得るのに使用される。例えば、代数的再構成技術又は有限要素法に基づかれるこの再構成処理は、逆問題に対する最も起こりそうなソリューションを見つけ、検出された光に正確に適合する画像を再構成する。

図２は、マルチゲイン増幅回路６０に対する電子回路の実施形態を概略的に示す図である。斯かる回路は、マルチゲイン増幅ユニットの一部とすることもできる。マルチゲイン増幅ユニットは、増幅回路６０だけでなく、選択された増幅係数を設定する、例えば中継器のような手段６５も含むことができる。図示される電子回路は、フォトダイオード検出器１２と、２つのゲインスイッチ７０、７５と、２つのオペアンプ８０、８５と、２つのレジスタ９０、９５と、信号ノイズを減らすフィルタ１００とを有する。通常、レジスタ９０の抵抗は、レジスタ９５の抵抗より大きさで数オーダー分小さい。先行技術において、増幅回路のゲインは、すべての検出位置に対して最初低い値に設定される。この理由は、オペアンプ８０の出力が、その最大値にクリップされるべきではないからである。なぜなら、クリップされると望ましくない熱効果をもたらすことになるからである。そして、測定される信号強度に基づき、ゲインはより高い値へと切り替えられる、等となる。スイッチ７０、７５は、このために使用されることができる。特に、スイッチ７０の切り替えは時間がかかる。なぜなら、その切り替えは、測定が開始することができる前に十分低いレベルに減衰するのに少なくとも250 msかかる過渡信号を生じさせるからである。

図３は、適合後の方法を図示するフローチャートである。ステップ１０５は、測定ボリューム１５内部に混濁媒体５５を収容するステップを有する。ステップ１１０は、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対する予想電気信号強度を推定するステップと、対応するマルチゲイン増幅ユニットの増幅係数を選択するステップとを有する。その推定は、例えば以下に基づかれる。

単一光源を用いての無限媒体における拡散光の強度に対する分析式。無限媒体において、拡散光の強度は、e^-kr/rに比例する。この式で、kは、混濁媒体における減衰定数を表し、rは、ソース位置に対する距離を表す。

単一のソース位置２５ａとすべての検出位置２５ｂとに対する信号強度の測定。例えば、混濁媒体の形状と測定ボリュームの形状とに依存する対称性原理に基づき、すべての他のソース位置対検出位置ペアの増幅係数が得られることができる。例えば、混濁媒体と測定ボリュームとが円筒形状の対称性を持ち、すべての検出位置に対する増幅係数が１つのソース位置に対する測定に従うことが知られている場合、すべての検出位置及び任意の他のソース位置に対する増幅係数は、検出位置に沿ってソース位置での増幅係数設定を繰り返し用いることで(rotation)得られる。

少なくとも２つの隣接ソース位置２５ａとすべての検出位置２５ｂとに対する信号強度の測定、及びその隣接ソース位置２５ａに対応する選択された増幅係数間の差の外挿。

少なくとも１つのマルチゲイン増幅ユニットの増幅係数の選択に関する履歴データ。その方法が女性の胸の内部をイメージングするのに使用されることができるような医療診断においては、履歴データは、過去の検査からのマルチゲイン増幅ユニットの設定を有することができる。

マッチング媒体の放射線伝達モデル及び混濁媒体５５の推定。この手法は、第１のものと似ており、単一光源を用いての無限媒体における拡散光の強度に対する分析式を用いる。モデルは、信号強度と検出位置とを予測するのに使用される。しかしながら、信号強度の実際の測定を必要とすることなく、混濁媒体、マッチング媒体、及び測定ボリュームと境界を接する任意の境界物の存在を考慮することができるという利点を持つ。単一光源を用いての無限媒体における拡散光の強度に対する分析式は、こうした事項を考慮しない。

マッチング媒体に関する基準測定の間に選択された増幅係数。これは、画像化される混濁媒体の光学特性にマッチング媒体がマッチする場合の、実行可能オプションである。

混濁媒体５５に関する所定の特性。その方法が女性の胸の内部をイメージングするのに使用されることができるような医療診断において、混濁媒体に関する所定の特性は、例えば、患者の年齢、胸の大きさ、肥満度指数等を有することができる。

ステップ１１５は、各ソース位置対検出位置ペアに対する検出器信号のための増幅係数の設定を有する。ステップ１２０は、混濁媒体５５に対する複数のソース位置２５ａから光源５からの光をその混濁媒体５５に照射することを開始するステップを有する。ステップ１２５は、その混濁媒体５５を照射した結果として、測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置２５ｂから検出することによる検出器信号の取得を有する。

図４は、本発明による医療画像取得デバイスの実施形態を示す。その医療画像取得デバイス１８０は、破線の四角で示されるように、図１において論じられるデバイス１を有する。デバイス１に加えて、医療画像取得デバイス１８０は、混濁媒体５５の内部の画像を表示するスクリーン１８５と、その医療画像取得デバイス１８０と相互作用することを可能にし、そのように動作される、例えばキーボードといった入力インタフェース１９０とを更に有する。

上記実施形態は、本発明を説明するものであって限定するものではなく、当業者であれば、添付された請求項の範囲から逸脱することなく他の多くの実施形態をデザインすることができるであろうことを理解されたい。請求項において括弧付きで記載されるいかなる参照符号も特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。単語「comprising(有する)」は、請求項に記載されている構成要素又はステップ以外の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。構成要素に先行する単語「a」又は「an」は、斯かる構成要素の存在が複数であることを排除するものではない。複数の手段を列挙するシステムクレームにおいて、こうした手段のいくつかが、コンピュータ可読ソフトウェア又はハードウェアである１つの同じアイテムにより実現されることができる。特定の手段が相互に異なる独立項に述べられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

混濁媒体の内部をイメージングするデバイスの実施形態を概略的に示す図である。 マルチゲイン増幅回路に対する電子回路の実施形態を概略的に示す図である。 適合された方法を説明するフローチャートを示す図である。 本発明による医療画像取得デバイスの実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 混濁媒体の内部をイメージングする方法において、
   測定ボリューム内部に前記混濁媒体を収容するステップと、
   前記混濁媒体に対する複数のソース位置から光源からの光を前記混濁媒体に照射するステップと、
   前記混濁媒体の照射の結果として前記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得するステップと、
   各ソース位置対検出位置ペアに対する前記検出器信号をマルチゲイン増幅ユニットを用いて増幅するステップであって、各ユニットが、選択された増幅係数に設定される、ステップとを有し、
   少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対する前記増幅係数が、予想電気信号強度の推定に基づき選択される、方法。
2. 前記予想電気信号強度の推定が、単一の光源を用いる場合の無限媒体における拡散光の強度に対する分析式に基づかれる、請求項１に記載の方法。
3. 前記予想電気信号強度の推定が、単一のソース位置とすべての検出位置とに対する信号強度の測定に基づかれる、請求項１に記載の方法。
4. 前記予想電気信号強度の推定が、少なくとも２つの隣接ソース位置とすべての検出位置とに対する信号強度の測定と、前記隣接ソース位置に対応する前記選択された増幅係数間の差の外挿とに基づかれる、請求項１に記載の方法。
5. 前記予想電気信号強度の推定が、少なくとも１つのマルチゲイン増幅ユニットの増幅係数の選択に関する履歴データに基づかれる、請求項１に記載の方法。
6. マッチング媒体が、前記測定ボリューム内部で前記混濁媒体を囲み、前記予想電気信号強度の推定が、前記マッチング媒体の放射線伝達モデルと前記混濁媒体の推定とに基づかれる、請求項１に記載の方法。
7. マッチング媒体が、前記測定ボリューム内部で前記混濁媒体を囲み、前記予想電気信号強度の推定が、前記マッチング媒体に関する基準測定の間に選択される増幅係数に基づかれる、請求項１に記載の方法。
8. 前記信号強度の推定が、前記混濁媒体に関する所定の特性に基づかれる、請求項１に記載の方法。
9. 混濁媒体の内部をイメージングするデバイスであって、
   前記混濁媒体を収容する測定ボリュームと、
   前記混濁媒体に対する複数のソース位置から前記混濁媒体を照射する光源と、
   前記混濁媒体の照射の結果として前記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得する光検出ユニットと、
   各ソース位置対検出位置ペアに対する前記検出器信号を増幅するマルチゲイン増幅ユニットであって、各マルチゲイン増幅ユニットが、選択された増幅係数を設定する手段を有する、マルチゲイン増幅ユニットとを有し、
   前記選択された増幅係数を設定する手段が、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法を用いる予想電気信号強度の推定に基づき、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対する前記増幅係数を選択する、デバイス。
10. 混濁媒体を収容する測定ボリュームと、
    前記混濁媒体に対する複数のソース位置から前記混濁媒体を照射する光源と、
    前記測定ボリュームから生じる光を複数の検出位置から検出することにより、検出器信号を取得する光検出ユニットと、
    各ソース位置対検出位置ペアに対する前記検出器信号を増幅するマルチゲイン増幅ユニットであって、各マルチゲイン増幅ユニットが、選択された増幅係数を設定する手段を有する、マルチゲイン増幅ユニットとを有し、
    前記選択された増幅係数を設定する手段が、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法による予想電気信号強度の推定に基づき、少なくとも１つのソース位置対検出位置ペアに対する前記増幅係数を選択する、医療画像取得デバイス。

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