JP2009517115A - 光学蛍光トモグラフィ - Google Patents

Abstract

本発明は、生物学的対象物の光学蛍光トモグラフィシステムに係る。解像度及び衝撃放射線の浸透深度を高めるために、より優れた深部信号をもたらすよう、生物学的対象物は、衝撃放射線によって漂白可能である蛍光色素（材料）を供給される。蛍光色素の制御可能な導体組織的漂白効果は、生成され、最大蛍光応答信号の時間依存性測定は、深部における実際の選択性漂白前部に対して相関され得る。

Description

本発明は、光学蛍光トモグラフィ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、及び生物学的対象物の光学蛍光トモグラフィシステムに係る。該対象物は、蛍光剤を供給される。

光学蛍光トモグラフィは、所謂分子画像化と称される組織特異的画像化に対するすぐれたモダリティである。多くの分子画像化造影剤の研究は、蛍光色素（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｙｅｓ）を目標とされる。光学トモグラフィの主な不利点は、限られた浸透深度及び低解像度である。これは現在、例えば胸部及び関節の診断において優れた接近性を有するヒト組織及び動物研究に対する光学蛍光トモグラフィの使用を制限する。

ＵＳ５９４９０７７（特許文献１）は、一方法を開示する。該方法において、対象物又は生物学的対象物は、ルミネセンス色素を供給され、励起光は、除去され、混濁媒体は、ルミネセンス光（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）に対する吸収色素を供給される。

問題は、生物学的材料がルミネセンス光の散乱を誘発する、ことである。この事実は、深さ分解能に対して制限を与える。

例えば、人体は、赤外光に対して高い透明性を有する。かかる対象物の不利点は、対象物としての人体が光衝撃（ｌｉｇｈｔ ｉｍｐａｃｔ）及び発された応答信号の大変強い散乱を引き起こす、ことである。したがって、最新のトモグラフィシステムは、応答信号領域（ｆｉｅｌｄ）の数学モデル化によってこの問題を解決する。もたらされる表示は、対象物の仮想画像であり、また、散乱効果により低解像度のみを有する再構成画像である。

しかしながら、蛍光トモグラフィは、人体に対して無害な放射線のみを使用し、それは重要な態様である。
ＵＳ５９４９０７７

この背景に対して、本発明は、光学蛍光トモグラフィの方法を改善すること、及び特にはより優れた深さ分解能であるより優れた解像度をもたらす光学蛍光トモグラフィシステムを改善すること、を目的とする。

該目的は、請求項１記載の特性を特徴とすることによってこの一般的な種類の方法に関して達成される。

本発明の更なる実施例は、従属請求項２−７において特徴付けられる。

前述の目的はまた、請求項８記載の特性を特徴とすることによって、トモグラフィシステム自体に関して対して達成される。

このトモグラフィシステムの更なる実施例は、従属請求項９−１２において特徴付けられる。

本発明の前述の目的は、対象物が特定の方途において衝撃放射線によって光退色性の蛍光剤（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ａｇｅｎｔ）を供給される、という特性によって方法に関して達成される。それによって、蛍光色素の制御可能な動態組織漂白効果（ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｉｓｓｕｅ−ｗｉｓｅ ｂｌｅａｃｈｉｎｇ−ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｄｙｅ）は、対象物において生成され、最大蛍光応答信号の時間依存性測定によって、これは、深部における実際の選択性漂白前部に相関され得る（ｂｙ ｔｉｍｅ ｄｅｐｅｎｄａｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｉｇｎａｌ， ｔｈｉｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｂｌｅａｃｈｉｎｇ ｆｒｏｎｔ ｉｎ ｄｅｐｔｈ）。

このことは、低光安定性の蛍光剤が光退色され、故に対象物のより深部の範囲からの蛍光性の光（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）のノイズ比に対して信号を強める、ことを意味する。フォトルミネセンス剤は、時間に応じて深部において光退色される。このようにして、信号強度（曲線）の前部は深部へと動き（ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｖｅｓ ｉｎｔｏ ｄｅｐｔｈ）、段階的あるいは連続的に増大された深度を有する動態像を達成することが可能となる。

蛍光色素は、長期にわたる光を有する照射のあとに破壊される。色素が最終的に漂白される前に放出する光子の平均的な数は、化学組成に依存して、１０^６乃至１である。従来、安定的色素は、時間が経過すると更なる積分信号強度（ｍｏｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）をもたらし得るため、該安定的色素のみが有益なトレーサと見なされていた。しかし、ヒト組織における約１０ｄＢ／ｃｍの光吸収を考慮すると、より深くにある組織において、各色素分子は少量の光子を発するのみである、ことが算出され得る。結果として、色素の低光安定性は、医学画像において不利ではない。

本発明における色素の低光安定性は、組織の選択的漂白によって有利なものとなる。これは、本発明の深い物理的思慮である（ｄｅｅｐ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｎｓｅ）。

蛍光色素蓄積組織の２つの層（ｔｗｏ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｙｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｉｓｓｕｅ）を仮定する。一方は、表面近くにあり、他方は、組織の表面の下方４ｃｍの深さにある。深さ４ｃｍの層からの信号強度は、表面層の信号強度の１０^−８のみである。したがって、組織の表面の下方深部にある蓄積を見ることは、略不可能である。強い光を当てる際、上方層は漂白され、下方層は視覚的には不変である。定量的にするよう、光積分強度は、下方層における信号強度が、
ｅ^{−０．０１}＝９９％
まで低減されるようにされるものと仮定する。

続いて、上方層は、
ｅ^{−０．０１＊１００００}＝ｅ^−１００＝３＊１０^−４４
の信号強度にまで減少される。

これは、より深部の組織の蛍光性の光が容易に識別され得る、ことを意味する。

この事実は、追って更に説明される。漂白された分子は、大変鋭い前部（ｓｈａｒｐ ｆｒｏｎｔ）を形成し、より優れたコントラストを有する深部からの情報が応答信号から直接生成される。

本発明の第１の実施例は、方法又は工程特性又は段階の論理的及び／又は順序的（ｃｈｒｏｎｏｌｏｇｉｃａｌ）範囲によって与えられる。

これによって、最終的な画像再構成は、
ａ） 従来の拡散性光学トモグラフィ（ｄｉｆｆｕｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＤＯＴ）及び従来の光学蛍光トモグラフィを実行し、吸収、蛍光、及び散乱の係数を算出する段階、
ｂ） 前述された漂白に対して対象物における期待光レベルを算出する段階、
ｃ） 追加的な光源からの光衝撃によって特定の漂白を引き起こし、光からの期待漂白を算出する段階、
ｄ） かかるデータに対して従来のＤＯＴ及び蛍光トモグラフィを機能させる段階、
ｅ） 複数の範囲における低減された蛍光に関する事前の情報を使用して吸収、蛍光、及び散乱の係数を再構成する段階、
ｆ） 測定が行なわれるまで、あるいはデータが処理されるまで、段階ｂ）を反復する段階、
によって実現される。

段階ａ）及びｂ）においては、事前になんらかの試験段階を、並びにあとで実時間測定を行なうことも可能である。そのため、方法は、前述の順序に特に固定されず、複数の段階の順序は変えられ得る。前述の特性の論理的組合せは、重要である。

複数の段階において、従来の蛍光トモグラフィＤＯＴは、使用されるが、発明の方途において前述の段階及び新しい特性と組み合わされる、ことは留意されなければならない。従来のＤＯＴは、本発明と組み合わされる。従来の特性は、例えば高周波数光のランタイム分析である。例えば患者の心拍の活用（ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ）は、光学的コントラストの変調に対して使用され得る。

従来のＤＯＴは、Ａ．Ｈ．Ｈｉｅｌｓｃｈｅｒ外、「Ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｄｉｓｅａｓｅ Ｍａｒｋｅｒｓ １８（２００２年）３１３−３３７、及び、Ａ．Ｂ．Ｍｉｌｓｔｅｉｎ外、「Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｆｆｕｓｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．４２、Ｎｒ １６（２００３年６月１日）３０８１−３０９４において記載される。

本発明の更なる実施例は、動態漂白効果が堆積衝撃放射線エネルギの変化（ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）によって制御される。追加的な光源のエネルギ衝撃は、積分時間関連エネルギ（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｔｉｍｅ−ｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）であり、光子エネルギではない。衝撃エネルギの変化によって、蛍光剤、対象物、及びシステムの漂白効果パラメータの複雑なシステムは、一般的に考えられ得る。

更なる実施例は、最大応答信号が間隔をあけて段階的に検出される、ことを開示する。時間間隔は、変更可能である。これによって、深部情報の段階的表示がもたらされ得る。

他の実施例では、最大応答信号は、連続的に検出される。連続的検出によって、深部情報は、高いコントラストを有する鮮明な像でもたらされ得る。

本発明の更なる一実施例は、少なくとも衝撃放射線の光エネルギ範囲において低い光安定性を有する蛍光色素又は蛍光剤が使用される、ことである。漂白効果は、作動中に伝播する深部情報の検出に対して使用される。

有利な一実施例は、データ記憶手段を順応的に（ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ）作動させることである。これによって、パラメータ評価及び最適化は、トモグラフィシステムの作動中に自動的に自己学習及び／又は自己最適化するようになる。

本発明の前述された目的は、測定処理の前に蛍光剤を与えられる有生の生物学的対象物に対する特性によって、トモグラフィシステムに関して達成される。対象物は、放射線源及び追加的な高輝度単色光源によって衝撃を与えられ（ｉｍｐａｃｔｅｄ）、対象物からの能動的応答信号は、光学検出器によって検出され、応答信号は、順応的なデータ記憶手段における時間データに応じて電子的に検出及び格納される。

光は、同一の工程中に同時に、制御された漂白及び画像化に対して使用される。これは、本発明の利点の１つである。

高輝度単色光源は、詳細には、使用される光パワーに対する絶対最小値が５ワットである、ことを意味する。大変効果的な画像化は、１５ワットを上回ってもたらされる。結果として、望ましくは、この光源に対して使用されるパワーは、患者の個別の耐性を認識した上で、少なくとも１５ワットから患者に対して個別に露光され得るパワーまでであるべきである。波長は、＜３０ナノメートルの帯域を有する単色精度にあるべきである。

本発明の第１の実施例は、システムが少なくとも周波数及び／又はパワーにおいて調整可能である追加的な光源を有する、ことを記載する。これによって、制御された深部伝播漂白手順は、追加的な光源によって引き起こされ得る。したがって、追加的な光源は、周波数及び／又はパワーにおける応答−信号最適化によって少なくとも自動的に調整され得る。

本発明の更なる一実施例は、システム内部において、時間依存性応答信号データが、深部における対象物の動態三次元画像を原位置において（ｉｎ ｓｉｔｕ）再構成又は生成するよう、組織時間依存性漂白効果によって相関される、ことを意味する。

更なる一実施例は、三次元画像データがスクリーン上に表示される、ことである。深部情報を有する画像化は、通常は組織である対象物の深部において対象物を可視にし得る。

更なる一実施例は、蛍光トモグラフィシステムが、離れて位置し得る更なる専門家に対してデータネットワークを介して、原位置において画像又は画像シーケンスを生成するよう、電子データインターフェイスを供給される、ことである。このことは、結果を他の専門家と話し合うよう、該他の専門家に対して直接診断データを送ることを容易にする。

本発明の実施例は、図面において示される。

図１において、方法は、対象物の深度Ｄの関数としての信号強度Ｉｓ（Ｄ）として示される。例えばヒトである生物学的対象物に対して供給される蛍光剤の分子は、照射衝撃（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｍｐａｃｔ）下における応答信号強度Ｉｓ（Ｄ）において大変急激な前部（ｓｈａｒｐ ｆｒｏｎｔ）を形成する。

衝撃照射の一定光強度を前提とすると、漂白された分子の前部は、徐々にゆっくりと前進する。そのため、光強度は、増大されなければならない。最終的に到達可能な深度の制限は、患者における許容光パワーである。これは、加熱露出と同様に感じられ得る。しかし、これは、厳格な制限ではなく、この深度において、蛍光光子の信号強度もゼロになり、光学的方法の最大浸透深度（反射モードにおいて約１０ｃｍ）が到達されるためである。

言い換えると、上述された通り、漂白効果は、深部へと時間の経過と共に徐々に展開する。そのため、第一に漂白される表面に近い上方組織は、応答信号に対してもはや大きく寄与しない。結果として、放射線露出による前述の漂白は、徐々に深く浸透し、実際の応答信号のみが漂白前部として称される実際に画定された漂白深度から明確に出る信号である、とされ得る。

従来の光学トモグラフィシステムに対する当該システムの主な相違は、再構成アルゴリズム、及び追加的な高輝度単色光源である。

理想的には、追加的な光源は、周波数を変更し得る。そのため、最初は、光源は、光が最もよく組織へと浸透する周波数に同調されない。これは、最初は漂白に対してより高いパワーを使用するが、より鮮明な漂白プロファイルをもたらす。

図２は、本発明の蛍光トモグラフィシステムの単純化されたものを示し、重要な部分のみが図示される。

対象物からの応答信号は、光学検出器２によって受信される。かかる信号は、多次元データ記憶領域として体系付けられる（ｏｒｇａｎｉｚｅｄ）電子データ記憶装置に対して送られ得る。漂白効果及びそれによってもたらされる深部情報が原位置において相関されなければならないため、入力信号は、相関時間依存性を有して格納されなければならない。

光学検出器２は、漂白工程を最適化するよう、追加的な単色光源１０の制御（ステアリング）に対して論理的に接続され得る。したがって、追加的な光源１０は、パワー及び／又は周波数最適化において制御され得る。

また、対象物において分散された蛍光剤から応答信号を生成する通常光源は、検出器−信号最適化の方法によって制御され得る。

そのため、データ領域３において格納される信号は、それらの時間依存性を有して格納され、対象物の画像は、三次元深部情報の実表示として画像化され得る。

固定的な時間依存性を生成するよう、システムは、調整可能な時計４を供給され、最適化された時間間隔は、蛍光剤の実際の漂白パラメータに対して調整され得る。

データ格納装置３の事前に格納されたデータは、例えば時間依存性における直角座標ｆ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ）の関数として事前に格納されるセンサ信号と相関するよう、データ相関手段５と置き換えられ、データは、対象物の深部情報を有する画像へと変換され得る。

画像の生成を最適化する最後まで、放射線源は、再構成手段５によって少なくとも更に影響され得る。そのため、コントラストが最適化される場合、例えば、信号生成に対する最初の放射線源１は、より高いエネルギ入力によって供給され得る。

データ格納装置３とデータ相関５との間のデータ接続は、順応性データ格納として体系付け且つ作動するよう、双方向性であり、作動中に原位置において学習及び最適化する。

最終的に、相関及び最適化されたデータは、対象物の深部の実画像へと変換され得、ディスプレイ又はスクリーン６上に表示される。該ディスプレイ又はスクリーンは、システムの一部であり得るか、あるいは他の場所において位置決めされ得る。

画像データを送信するよう、再構成手段５は、ネットワークインターフェイス７を介して接続される。画像データは、他の場所に位置する専門家に送信され得る。これは、世界中のデータ及び／又は電話会議による原位置における診断処置の実現を容易にする。

本発明は、複数の重要な利点をもたらす。

本発明は、深部組織における蛍光マーカーの検出の検出限界を大幅に高める。

本発明の目的にしたがって、全ての深度における解像度が向上される。

更なる利点は、本方法がハードウェア、即ち本発明を実現するよう必要とされる電子部品に対して僅かな複雑性を加えるのみである、ことである。

深部伝播漂白効果の使用を図示する。 トモグラフィシステムを図示する。

Claims (12)

1. 生物学的対象物の光学蛍光トモグラフィに対する方法であって、
   該対象物は、特定の衝撃放射線により光退色性の蛍光剤を供給され、蛍光色素の制御可能な動態組織漂白効果が生成され、最大蛍光応答信号の時間依存性測定は、実際の深部における選択的漂白前部に対して相関される、
   方法。
2. 画像再構成は、
   ａ） 従来の拡散性光学トモグラフィ（ＤＯＴ）及び従来の光学蛍光トモグラフィを実行し、吸収、蛍光、及び散乱の係数を算出する段階と、
   ｂ） 前記漂白に対して前記対象物における期待光レベルを算出する段階と、
   ｃ） 追加的な光源からの光衝撃によって特定の漂白を引き起こし、前記光からの前記期待漂白を算出する段階と、
   ｄ） かかるデータに対して従来のＤＯＴ及び蛍光トモグラフィを機能させる段階と、
   ｅ） 複数の範囲における低減された蛍光に関する事前の情報を使用して吸収、蛍光、及び散乱の係数を再構成する段階と、
   ｆ） 測定が行なわれるまで、あるいはデータが処理されるまで、段階ｂ）を反復する段階と、
   によって行なわれる、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記動態漂白効果は、堆積衝撃放射線エネルギの変化によって制御される、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記応答信号は、間隔をあけて段階的に検出され、時間間隔は、変更可能である、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記応答信号は、連続的に検出される、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 少なくとも堆積衝撃放射線の光エネルギ範囲における低い光安定性を有する蛍光色素又は蛍光剤は、使用される、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の方法。
7. 前記データ記憶手段は、順応して作動される、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の方法。
8. 特には測定処置の前に蛍光剤を与えられる有生の生物学的対象物に対する光学蛍光トモグラフィシステムであって、
   前記対象物は、放射線源及び追加的な高輝度単色光源によって衝撃を与えられ、前記対象物からの能動的応答信号は、光学検出器によって検出され、前記応答信号は、順応的なデータ記憶手段における時間データに応じて電子的に検出及び格納される、
   光学蛍光トモグラフィシステム。
9. 周波数及び／又は電力において少なくとも調整可能である、追加的な光源を有する、
   ことを特徴とする請求項８記載の光学蛍光トモグラフィシステム。
10. 再構成手段内部において、時間依存性応答信号は、前記対象物の動態三次元画像を原位置において再構成又は生成するよう、組織時間依存性漂白効果によって相関される、
    ことを特徴とする請求項８又は９記載の光学蛍光トモグラフィシステム。
11. 三次元画像データは、スクリーン上に表示される、
    ことを特徴とする請求項１０記載の光学蛍光トモグラフィシステム。
12. データネットワークを介して他の又は更なる専門家に対して、原位置において画像又は画像シーケンスを生成するよう、電子データインターフェイスを供給される、
    ことを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか一項記載の光学蛍光トモグラフィシステム。

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