JP2010107519A - 多重スペクトルコード化を用いる共焦点顕微鏡法並びに分光法コード化共焦点顕微鏡法のためのシステム及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガンの初期段階の検出やガンのスクリーニング及び腫瘍縁の外科的検出のような臨床的処置に、標準的な組織病理学に近い分解能をもつ非侵襲性画像化技術を提供する。
【解決手段】光ファイバ９の末端に接続された可撓性プローブによる内視鏡法に特に有用な走査型共焦点顕微鏡法システム及び装置。プローブは、対象物のある領域にわたって１次元に延びるスペクトル成分を有する多重スペクトル光のビームを送出し、別の次元での走査のために動かされる、回折格子１２及びレンズ１４を有する。上記領域の画像を提供するために、反射共焦点スペクトルが測定される。
【選択図】図１

Description

関連出願の説明

本出願は、１９９９年２月２６日出願の国際特許出願第ＰＣＴ/ＵＳ９９/０４３５６号の米国内出願である、２０００年８月２４日出願の米国特許出願第０９/６２２９７１号の一部継続出願であり、１９９８年２月２６日に出願された米国仮特許出願第６０/０７６０４１号の優先権を主張するものである。上記出願の明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。

本発明は生物組織標本切片の検査または画像化のための共焦点顕微鏡法のためのシステム（方法及び装置）に関し、特に、多重スペクトル照明光を用い、多重スペクトル光を処理する、そのようなシステムに関する。

医用画像化技術は、患者の巨視的な解剖学的構造に関する不可欠な情報を医師に提供するため、この２０年にわたり進歩してきた。Ｘ線撮影法、磁気共鳴画像化法、コンピュータ連動断層撮影法及び超音波法のような画像化法は、１００μｍから１ｍｍの範囲の分解能で人体の大規模構造の非侵襲的検査を可能にする。

しかし、ガンの初期段階の検出のような疾病過程の多くでは、適切な診断のためにさらに高い分解能が必要である。さらに、ガンのスクリーニング及び腫瘍縁の外科的検出のような臨床的処置にはさらに分解能の高い診断用画像化方法が必要である。

上記及びその他の臨床問題に現場で対処するためには、標準的な組織病理学に近い分解能をもつ非侵襲性画像化技術が用いる必要がある。その可能性を秘めた有望な非侵襲性画像化様式は、反射率共焦点顕微鏡法として知られる光学顕微鏡法の形態のものである。

現在、高速走査型共焦点顕微鏡法は、アクセス可能な皮膚及び眼の表面に限られている。その理由は、唯一の信頼できる光走査法が自由空間で実施されなければならないからである。さらに、そのような光走査器の大きさのため、内視鏡またはカテーテルなど、小型のプローブでの使用が妨げられている。高速走査機構を小型化し、人体の全表面、婦人科用途、プローブを用いる用途、及び内部器官系を含めるために、共焦点顕微鏡法の医用用途の数を増やすことが、本発明の特徴である。

多重スペクトル光を共焦点顕微鏡法で使用することが提案されたが、検査下にある人体の垂直方向に間隔を置いた各領域の画像化に対して提案されたにすぎない。１９９０年１０月２５日に発行された、ビー・ピカード（B. Picard）の米国特許第４９６５４４１号の明細書を参照されたい。回折格子を用いて干渉計で分解される多重スペクトル光を得て分光法画像を得るための干渉計が、１９９６年１０月１５日に発行されたエイ・クヌッタル（A. Knuttal）の米国特許第５５６５９８６号の明細書に開示されている。多重スペクトル光を得る色分離回折格子を有するレンズが、１９９７年２月４日に発行された米国特許第５６００４８６号の明細書に開示されている。そのような多重スペクトル案は小型で可撓性のプローブを用いる高分解能画像化には有効ではない。本発明にしたがう共焦点顕微鏡システムは小型化して、小型プローブに組み込むことができる。さらに、単線の光ファイバによる光伝送を可能にすることにより、プローブをカテーテルまたは内視鏡に容易に組み込むこともできる。すなわち、本発明にしたがう共焦点顕微鏡により、人体のアクセス可能な表面の全ての画像化が可能になり、共焦点顕微鏡法の生物医学用途が一桁多くなる。

簡単に説明すれば、本発明を具現化している共焦点顕微鏡法システムは、プローブを挿入することができる人体の注目する領域を、１つの次元に沿って延びる共焦点スペクトルで照明する。プローブの光学系または（光ファイバとすることができる）可撓性導光部材のプローブへの取付けにより可能となるプローブの物理的運動により、さらに１つまたは２つの次元に沿うスペクトルの走査が可能になり、よって前記領域の２次元または３次元の画像化が提供される。反射された共焦点スペクトルは、好ましくは干渉計法により実施することができるヘテロダイン検波機構により、分光法を用いて検出またはデコードすることができる。

以下の文献が参照として本明細書に含まれる。

ピー・コーカフ（P. Corcuff）及びジェイ・エル・レベック（J. L. Leveque），「タンデム走査型顕微鏡によるヒトの皮膚の生体内視（In vivo vision of the human skin with the tandem scanning microscope」，Dermatology，１９９３年，第１８６巻，ｐ.５０−５４，
エム・ラヤディヤクシャ（M. Rajadhyaksha）等，「ヒトの皮膚の生体内共焦点走査型レーザ顕微鏡法：メラニンが強く対抗する（In vivo confocal scanning laser microscopy of human skin: Melanin provides strong contest）」，J. Invest. Derm.，１９９５年，第１０４巻，ｐ.９４６，
ビー・アール・マスターズ（B. R. Masters）編，「眼科学における非侵襲性診断法（Noninvasive diagnostic techniques in ophthalmology）」，（米国ニューヨーク），スプリンガー−バーラグ（Springer-Verlag），１９９０年に収録されている、アール・エイチ・ウエッブ（R. H. Webb），「走査型レーザ検眼鏡（Scanning Laser opthalmoscope）」，及び
ジー・ジェイ・ターネイ（G. J. Tearney）、アール・エイチ・ウエッブ及びビー・イー・ブーマ（B. E. Bouma），「スペクトルコード化共焦点顕微鏡法（Spectrally encoded confocal microscopy）」，Optics Letters，１９９８年，第２３巻，第１５号，ｐ.１１５２−１１５４。

生体内のアクセス可能な上皮組織のほとんどを画像化するためには、３つの重要な要件が満たされなければならない。第１に、集束ビームが標本にかけて走査されなければならない。第２に、画像アクイジション時間が運動のアーティファクトを防止するに十分に短くなければならない。最後に、内視鏡またはカテーテルに組み込むに十分に装置が小さくなければならない。生体内共焦点画像化システムに対する高速ビーム走査要件に対処するために、タンデム走査型及びレーザ走査型の共焦点顕微鏡法のような技法が開発された。しかし、これらの方法では、容易には小型化できない大型機械装置の使用により高速走査が得られている。この結果、これらの技法の効用は基本的に皮膚科学及び眼科学の分野に限定されている。有望な新しい光ファイバを使用する技法である、スペクトルコード化共焦点顕微鏡法（“ＳＥＣＭ”）が最近示された。この技法により、カテーテルまたは内視鏡のような小型プローブによる反射率共焦点顕微鏡法の実施が可能になる。ＳＥＣＭは試料から反射された１次元空間情報をコード化するために波長分割多重化（“ＷＤＭ”）を用いる。高速走査軸は、それぞれの位置が相異なる光波長で表されている一連の焦点で置き換えられる。空間位置の関数としての反射強度は反射光のスペクトルを測定することにより決定される（図８）。２次元画像はプローブの低速機械運動により波長コード化軸を走査することによりつくられる。すなわち、本発明を具現化している内視鏡装置は、標準的な内視鏡と一体化されるかまたは独立型の装置として、様々な組織及び器官のＳＥＣＭ画像化を可能にする。

本発明の一実施形態にしたがえば、生体内内視鏡共焦点顕微鏡法の実施が可能である装置が提供される。そのような装置はおそらく、内部器官系において非侵襲性非細胞診断画像化を実施するためのツールを医師に提供できよう。そのような様式は、ガンのスクリーニングまたは生検ガイダンス及び手術中の腫瘍またはその他の組織の識別を含む、様々な臨床用途を可能にする能力においてかなり長期にわたる強い影響を有するであろう。本発明を具現化している装置は生体内内視鏡共焦点顕微鏡法画像化を可能にでき、おそらく、注目する発症組織の診断を可能にするであろう。複雑さが増すにもかかわらず、そのような装置はそのような装置でなければアクセス不能な組織へのアクセスを提供でき、したがって、診断ツールとしての共焦点顕微鏡法の価値を相当に高めることができるであろう。

本発明は添付図面によりさらに明白になるであろう。

ここで図を参照すれば、共焦点顕微鏡法のための多重スペクトルコード化は、顕微鏡への入力として広帯域幅光源１０を用いる。顕微鏡のプローブ８において、光ファイバ９を介して与えられる光源のスペクトルが回折格子１２により分散され、対物レンズ１４により試料１６上に集束される。レンズ９ａは、図１に示されるように、光ファイバからの光をコリメートするために、光ファイバ９と回折格子１２の間に配されることが好ましいが、レンズ９ａは省略することもできる。それぞれの波長に対する光点は試料上の別々の位置ｘに集束される（図１）。横断方向の位置の関数としての反射率が、プローブ８から戻される、試料１６からの反射共焦点スペクトルを測定することによって求められる。

波長の数すなわち分解し得る点の数は、

により決定され、ここで、λは中心波長、∂λはスペクトル帯域幅、Ｎは多色入力ビーム１０で照明される回折格子１２の線数、ｍは回折次数である。光源の総帯域幅がΔλであれば、分解可能な点の数ｎは、

で定められる。

中心波長が８００ｎｍ，帯域幅が２５ｎｍ，入力光点直径が５ｎｍ，回折格子線数が１８００本/ｍｍ，及び回折次数が１の入力光源に対し、スペクトルコード化共焦点システムによりｎ＝２８１の点を分解することができる（図２）。本例に用いたパラメータは普通の廉価な光コンポーネントで得ることができる。この点数は単に入力光点直径を大きくするかまたは光源の帯域幅を広げることにより、増加させることができる。光点直径を大きくするとプローブ直径が大きくなる。光源の帯域幅の拡張は、より広帯域の超発光ダイオード、希土類元素ドープファイバ超蛍光源または固体モードロックレーザを用いることにより達成できよう。

次に多重スペクトルプロセスを考察する。初めに、直接スペクトル測定を考察する。軸に垂直な方向の位置の関数としての試料１６からの反射率は試料アーム１８からの反射共焦点スペクトルを測定することにより求められる。スペクトルは、マイケルソン干渉計２０の試料アームにプローブ８を組み込み（図３）、干渉計の出力ポート１９において高分解能分光計２１を通過させた光を検出することにより高効率で測定できる。すなわち、測定される波長のそれぞれは試料上の別々の位置ｘに対応する（図３）。従来の実時間共焦点顕微鏡法に優る本方法の利点は、高品質分光計で十分に得られる範囲の上記パラメータに対してほぼ０.１ｎｍのスペクトル分解能をもって分光計２１によりプローブ８の外部で高速軸走査（〜１５ｋＨｚ）を実施できることである。

ヘテロダイン検波の使用により高感度を達成できる。ミラー２４をもつ変調器２３によるなどして（図３）、基準アーム２２が変調されていれば、試料アーム１８からの光と基準アーム２２からの光の干渉も変調されるであろう。

次いで、基準アーム変調周波数に対する検出器２６のロックイン検出によって高い信号対雑音比を達成できる。

別のスペクトル測定法は、干渉分光法またはフーリエ変換分光法である。これは、基準アーム２２に直線平行移動ミラー２８を挿入し、試料アーム１８及び基準アーム２２のそれぞれから反射された光の干渉による干渉分光計からの相互相関出力３０を測定することにより達成できる（図４）。このタイプの分光法検出の利点は、直接検出法より高いスペクトル分解能、高い戻り光の利用効率及び移動ミラー２８のドップラーシフトによる基準アーム２２の固有変調を達成できる能力、及び試料１６から反射率データ及び位相データのいずれをも抽出できる能力などである。試料から位相データを抽出できる能力は、試料の分子組成を明らかにするためにも、標本試料１６の反射率とは別の画像コントラスト源をさらに提供するためにも有用な、軸に垂直な方向の位置ｘの関数としての屈折率の検出を可能にすることができる。最後に、干渉計法検出には、可干渉性ゲーティングにより共焦点信号から高次の多重散乱を排除できる能力がある。

最後に画像形成を考察する。横断方向の位置ｘの多重スペクトルコード化により一次元ラスター走査の実施が可能になる。画像を得るためには別の軸の走査が行われなければならず、これは通常、より低速である。ｙ軸のそのような低速走査を達成する方法には、ｙ方向での光ファイバ９の移動（図５Ｂ）、または前方走査構成における光ファイバ軸の周りのプローブ８全体の回転（図５Ｃ）、または側方照射構成における光ファイバ軸の周りのプローブ８全体の回転（図５Ｄ）がある。ｚ軸に沿う光ファイバ９または対物レンズ１４の走査により断面画像をつくることができる（図６）。最後に、光ファイバ９（または回折格子１２と対物レンズ１４の間の別のレンズ３６）を対物レンズの像面に対して前後に走査することによりズームモードをつくることができる（図７）。ｙ軸またはｚ軸に沿う直線運動及び回転のいずれも圧電変換器の使用により小型プローブで容易に達成することができる。図５Ａに示されるように、試料の微視的区画の画像を表す信号を、（図３に関して説明したような）分光計または（図４に関して説明したような）フーリエ変換により分光検出器３２からコンピュータ３４で受け取ることができ、コンピュータに接続されたディスプレイ上に画像を表示できる。

前述したように、スペクトルコード化共焦点顕微鏡法（“ＳＥＣＭ”）により、カテーテルまたは内視鏡のような小型プローブを介した反射率共焦点顕微鏡法の実施が可能になる。ＳＥＣＭは、試料から反射される１次元空間情報をコード化するために波長分割多重化（“ＷＤＭ”）を用いる。それぞれの位置が光の相異なる波長で表される一連の集束点で高速走査軸が置き換えられる。反射光のスペクトルを測定することにより空間位置の関数としての反射強度が求められる（図８）。プローブの低速の機械的運動によって波長コード化軸を走査することにより２次元画像がつくられる。すなわち、本発明を具現化している内視鏡法装置により、標準的な内視鏡と一体化されるかまたはスタンドアローン装置として、様々な組織及び器官のＳＥＣＭ画像化が可能になる。

図８は、本発明の一実施形態にしたがうＳＥＣＭプローブ３８の基本的な光学特性及びコンポーネントを示す。ＳＥＣＭプローブ３８は、図１に示されるプローブ８の要素と同様であり、そのような要素については同じ参照数字で表されている要素を備える。それらの要素の説明は図１に関して上で既に与えられており、ここで繰り返すことはしない。図８に示されるように、対物レンズユニット１４は、回折格子１２により分散されたファイバ９からの光源スペクトルを試料１６における結像面上に集束させるための、１つまたはそれより多くの（例えば２つの）レンズを備えることができる。結像面は、試料１６の任意の表面上、任意の部位内等に合焦させ得ることに注意されたい。回折格子１２により分散され、対物レンズユニット１４によって結像面上に集束させられる光源スペクトルの範囲（λ_−ｎからλ_０を経てλ_＋ｎまで）は、ＳＥＣＭプローブ３８の視野（“ＦＯＶ”）を形成できる。この範囲は、縦方向（すなわち図６に示されるように“ｚ軸”に沿う方向）、縦方向を実質的に横断する方向、上記２つの方向の間の任意の方向等を含む、任意の方向に延びることができる第１の次元（すなわち、第１の次元に沿うベクトルは前記任意の方向を指す）上に集束させることができる。例えば、第１の次元は、軸とは異なる（すなわち、図６に示される“ｚ軸”上にはない）任意の方向に延びる非軸方向次元とすることができる。第１の次元のような次元は、当然、互いに逆に双方向に延び得ることに注意されたい。前記範囲は、第１の次元に沿う直線上、曲線上、円周上、楕円周上、あるいは任意の点列上に集束させることができる。集束範囲は、結像面を形成するために、（“低速軸”と称されることもある）第２の次元に沿う別の方向、すなわち第１の次元に沿うベクトルの方向とは異なる方向（例えば、第１の次元に沿うベクトルに垂直な方向等）に、走査することができる。スペクトルは、結像面を形成するために、別の方向、すなわち第１の方向に沿うベクトルの方向とは異なる方向に延びる軸の周りを走査することもできる。

図９Ａは、本発明の一実施形態にしたがう、前方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４０の構成の例を、基本機構とともに示す。ここに示されるように、前方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４０は、光学系及び制御系ハウジング４５、回転子／アクチュエータ５０、近端で（例えば、図３，４及び５Ａに示されるような）ＳＥＣＭシステムに接続され、遠端で光を集束し、光の向きを変える（図９Ａ）光ファイバ素子（例えばファイバ９）を入れることができる内コア５５を備えることができる。プローブ８または３８の光コンポーネントと同様の光コンポーネント（または“遠端光学系”）を、内コア５５内の光学系及び制御系ハウジング４５に封入することができる。したがって、上述したように、内コア５５（したがってその中の光コンポーネント）を回転または平行移動させるか、あるいはビームを偏向させることにより２次元画像化を達成することができる。本発明の一実施形態にしたがう前方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４０のために特別に設計された光コンポーネントの例及びその特性を、図１０を参照しながら以下でさらに詳細に説明する。内コアは、誘導ワイヤ７０を遠端光学系への電気的または機械的／圧気式接続と一緒に入れることができるシース６５内に封入することができる。光コンポーネントを水分、塵埃等から保護するために、透明窓７２を設けることもできる。図９Ｂは、本発明の一実施形態にしたがう、側方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４２の構成の例を、基本機構とともに示す。図９Ａに示されるように、側方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４２は、前方画像化ＳＥＣＭプローブの要素と同様の要素を備えることができる。それらの要素をここで繰り返して説明はしない。しかし、側方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４２の（試料１６における）結像面はプローブ／カテーテル４２の軸に対して角度をもたせることができ、一方、前方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４０の結像面は光学系及び制御系ハウジング４５の遠端から広がり得ることに注意されたい。すなわち、画像化されるべき試料１６のタイプ（例えば、囲繞構造）に応じて、プローブ／カテーテル４０及び／またはプローブ／カテーテル４２を用いることができる。図１１を参照して以下に説明するように、側方画像化ＳＥＣＭプローブ／カテーテル４２の光学系及び制御系ハウジング４５の光コンポーネントは、プローブの軸に対して任意の角度で結像面を合焦させるように調節することができる。

プローブ／カテーテル４０（図９Ａ）の前方画像化構成では、本質的にビームを偏向させ得る回折格子（例えば、内コア５５内の光学系及び制御系ハウジング４５に封入され得る、回折格子１２）が存在する中でビーム経路をプローブ／カテーテル４０の軸に合わせることが課題となりうる。ビーム経路合わせは、ＧＲＩＳＭとしても知られる回折格子−プリズム対７５（図１０）を用いて達成され得る。図１０に示されるように、ＧＲＩＳＭ７５は、（屈折率がｎ_ｐであることを特徴とする材料でつくられ、φで定められる傾角面を有する）プリズム７６，回折格子７７，及び屈折率がそれぞれｎ_１及びｎ_２であることを特徴とする材料７８及び７９を備えることができる。本用途の場合、透過モードＧＲＩＳＭ７５（図１０）が好ましい。ブレーズド格子及びバイナリ格子を用いることができるが、好ましい実施形態は傾角プリズム面に固着されたホログラフィック格子を備えるものであることが研究により示された。ホログラフィック格子は、ディクソン格子等を含む任意のタイプとすることができる。図１０に示される距離ｆ_１及びｆ_２は、相互間の、及び／または１つまたはそれより多くのＧＲＩＳＭ７５の特性値／パラメータ（例えば、設計及び材料によりあらかじめ定めることができる、ｎ_ｐ，φ，ｎ_１，ｎ_２及びＧＲＩＳＭ７５の寸法等）による、あらかじめ定められた関係を有することができる。本発明の一実施形態にしたがえば、ＧＲＩＳＭ７５のプリズムは、シリコン、その他の高屈折率材料等でつくることができる。高屈折率材料を用いる場合は、透過率を高め、有害な背面反射を回避するため、屈折率界面の全てに適切な反射防止膜を用いることができる。

すなわち、ＧＲＩＳＭ７５を含む、図１０に示される光コンポーネントは、図９Ａに示される前方画像化プローブ／カテーテル４０の内コア５５内の光学系及び制御系ハウジング４５に封入される光コンポーネントとすることができる。大偏向角を可能にするためには、高屈折率材料が必要となり得る。表１は、様々な波長において可能な設計のいくつかについての設計パラメータのリストを示す。設計の選択肢は、視野、分解能並びに回折格子及びプリズムの入手可能性の間の許容トレードオフであり、そのような許容トレードオフに依存する。

設計パラメータは上表１に挙げられた値の±５％の範囲内とし得ることに注意されたい。

可能な別の設計により、様々な角度でのＳＥＣＭ画像化が可能になる。これは、細い内腔を画像化する場合、あるいは口腔表面のような複雑であるかまたは平らではない表面を画像化する場合に好ましい設計であり得る。図１１に示されるように、反射型プリズムまたは反射型ＧＲＩＳＭ８０（簡単のため、以降はＧＲＩＳＭ８０と称する）を、装置（例えば、図９Ｂのプローブ／カテーテル４２）の画像化角の完全制御を可能にするように用いることができる。図１１に示される距離ｆ_１及びｆ_２は、相互間の、及び／または１つまたはそれより多くのＧＲＩＳＭ８０の特性値／パラメータ（例えば、設計及び材料によりあらかじめ定めることができる、ＧＲＩＳＭ８０の反射角，寸法等）による、あらかじめ定められた関係を有することができる。本発明の一実施形態にしたがえば、ＧＲＩＳＭ８０は、シリコン、その他の高屈折率材料等でつくることができる。高屈折率材料を用いる場合は、透過率を高め、有害な背面反射を回避するために屈折率界面全部に適切な反射防止膜が必要である。

２次元画像化を達成するため、様々な方法で低速軸を走査できる。可能な方法の１つは、円形区画（例えば、図１２Ａに示されるような前方画像化プローブ４０の場合）あるいは円筒形区画（例えば、図１３Ａに示されるような側方画像化プローブ４２の場合）を画像化するため、例えば回転子５０により、プローブの内コア５５を回転させることである。（例えば、図１３Ｂに示されるようにアクチュエータ５０を用いて内コア５５を滑動させることにより）直線的に平行移動するようにプローブを構成して、プローブの軸に平行な平面から画像を得ることも可能である。別の動作モードは、限定的ではないが、圧電素子、電気光学素子、音響光学素子、機械素子、電磁気素子、または圧気素子８５を含む機械的または光学的技法を用いるビーム偏向とすることができる（図１２Ｂ）。

検査下にある組織内の様々な層を画像化できるようにするために、プローブの焦平面を調節することもできる。前方画像化カテーテル（４０）では、これは、画像化窓の前面または背後におかれた弾性スペーサに可変圧力を印加することによるか（図１４Ａ）、外装シース及び画像化窓７２に対して内コアを直線的に平行移動させることによるか（図１４Ｂ）、またはねじ溝付外装シース及び画像化窓７２に対して同じくねじ溝付の内部光学系集成体とともに内コアを回転させることにより（図１４Ｃ）、行うことができる。側方画像化プローブ（４２）の場合は、機械式、圧気式または圧電式とすることができる並進器９５（図１５Ａ）、あるいはプローブ外部のバルーン１００（図１５Ｂ）により、焦平面を調節することができる。

前方画像化用途に十分に適していると思われる別のＧＲＩＳＭ構造は、対称二重プリズム構造１６００（図１６）である。図１６に示されるように、二重プリズムＧＲＩＳＭ１６００はプリズム１６０５及び１６１０並びに回折格子１６１５を有することができる。本発明の一実施形態にしたがえば、プリズム１６０５は屈折率がｎ_ｐであることを特徴とする材料でつくることができ、φで定められる傾角面を有することができる。回折格子１６１５は屈折率がｎ_ｇであることを特徴とする材料でつくることができる。回折格子１６１５はホログラフィック格子とすることができる。二重プリズムＧＲＩＳＭ１６００は、プリズム１６１０を屈折率がｎ_ｐであることを特徴とする材料でつくることもでき、φで定められる傾角面を有することもできるから、対称とすることができる。これにより、回折格子１６１５に出入りするビームを同じ角度（リトロー角）にすることが可能となり、よって、本構造はいずれの偏光においても極めて有効となる。二重プリズムＧＲＩＳＭ１６００の１つまたはそれより多くの特性値／パラメータ、例えば、ｎ_ｐ，ｎ_ｇ，φ等は、用途の要求にしたがってあらかじめ定めることができる。二重プリズムＧＲＩＳＭ１６００に接する屈折率ｎ_空気の空気は、異なる屈折率ｎを有する材料で置き換えることができる。あらかじめ定められた屈折率ｎを有する材料により、回折格子１６１５をプリズム１６０５及び１６１０から隔てることもできる。異なるプリズム材料（例えば、シリコン、その他の高屈折率材料等）の選択、したがって異なるプリズム角の選択により、装置要件を満たすための、出力ビーム広がり（Δθ）の大幅な合せ込みが可能になる。分散を最大化しながらビームクリッピング及び分散光学素子の総長を最小限に抑えるためには、高屈折率材料がプリズムに必要となり得る。表２は、様々な波長において可能な設計のいくつかについての設計パラメータのリストを示す。本構成の枢要な利点は、前方へのビーム伝搬を維持しながら高いスペクトル分散を達成し得る能力である。

設計パラメータは上表２に挙げられた値の±５％の範囲内とし得ることに注意されたい。好ましい実施形態が以下の表３に挙げられるパラメータを含み得ることに、さらに注意されたい。

好ましい設計パラメータは上表３に挙げられた値の±５％の範囲内とし得ることに、さらにまた、注意されたい。

前方画像化のための別の構成はプリズムの連接である（図１７）。この構成は回折格子構成に比較すると分散能力が低いという問題があるが、比較的簡素であり、非常に小さい寸法につくることができる。

低速（ｙ）軸走査は、ファイバ９及びコリメータ９ａを併せて傾けることにより実施することもできる。これは、ファイバ／コリメータ集成体を保持するコーン１０５を、プッシュプル（図１８Ａ及び図１９Ａ）及び偏心レバー回転（図１８Ｂ及び図１９Ｂ）などの数多くの方法により軸回転させることで達成できる。これらの方式のいずれも、ファイバ／コリメータ集成体と直列の変換器により実施でき、したがって装置の全体直径を大きくすることはない。

（ファイバ／コリメータ、ファイバまたは対物レンズさえも）走査するための別の方法は、円筒形圧電二重層を用いることによる方法である。このバイモルフは、電圧が印加されると直径が拡大し、よって自由縁に取り付けられた物体を高効率で走査するという特性を有する（図２０Ａ，２０Ｂ及び２０Ｃ）。この構成の利点には単純性及び高トルク能力があり得るが、この構成には高電圧が必要となり得るし、小直径に対しては、今日入手できる圧電材料の物理特性により拡大量が限定され得る。

上述した本発明のシステム、方法、装置及び技法は、手術中の組織識別に用いることができる。本発明の特徴を具現化しているプローブ（８，４０または４２）を用いれば、外科医が手術中に組織のタイプに関する情報を得ることもでき、よって、手術の実施に必要な時間を短縮でき、手術の結果を改善することができる。手術中に外科医が未知のタイプの組織に遭遇した場合に、時間を節約することができる。一例は、上皮小体摘出及び甲状腺摘出中の上皮小体の識別である。このタイプの手術においては、（小さく、解剖学的位置が一定していない）上皮小体の識別は困難であり、別の組織が誤って上皮小体であると考えられることが多く、この結果、（甲状腺摘出手術における）上皮小体の不慮の切除または損傷あるいは（上皮小体摘出手術における）筋肉、脂肪またはリンパ節の切除がおこり、切開処置の遅滞により手術時間が長くなる結果となる。上記の例では、上皮小体を識別し、患者の組織の誤った外科切除を回避するために、（本発明の特徴を具現化しているＳＥＣＭ装置のような）手動プローブを用いることができよう。この問題は他の外科手術にも存在するが、頭部及び頸部の手術においてはその解剖学的領域における複雑な解剖学的構造により、特に重大である。本発明の特徴を具現化している装置は、甲状組織、胎児組織等を含む、いかなるタイプの組織の識別にも用いることができる。さらに、全ての外科手術に関して、本発明にしたがうシステムにより提供される能力より、まさしく、より多くの情報が切開前に外科医に提供されるので、手術時間を短縮できる。

上述の説明から、（a）可撓性カテーテルまたは内視鏡を介した、光ファイバ使用のコンパクトな共焦点顕微鏡法を可能にすることができ、（ｂ）プローブ外部の高速走査を行い、（ｃ）位相情報を取り出すことができ、（ｄ）光源の帯域幅及び回折格子上のビーム直径に比例する分解可能点数を提供する、共焦点顕微鏡法システムを本発明が提供することは明らかであろう。当業者には、疑いなく、本明細書に説明される共焦点顕微鏡法システム及び本発明にしたがうプローブ／カテーテルの変形及び改変が思い浮かぶであろう。したがって、上述の説明は説明としてとらえられるべきであり、限定の意味でとらえられるべきではない。すなわち、本発明の好ましい実施形態及びそれらの改変を本明細書で詳細に説明したが、本発明はそれらの実施形態及び改変に限定されず、その他の改変及び変形が添付される特許請求の範囲により定められる本発明の精神及び範囲を逸脱することなく当業者により実施され得ることを理解すべきである。

説明の目的のために特定の波長が示される、本発明にしたがうスペクトルコード化共焦点プローブの略図であり、波長の正確な値はシステムの光学パラメータに依存する 本発明にしたがう直接スペクトル検出を用いる共焦点検出により得られたスペクトルコード化光のグラフであり、相異なる波長は分光計回折格子の回転により検出される 試料上の、横断方向の相異なる位置ｘからの反射率に対応する、スペクトルＩ（λ）の測定のために分光計を用いて本発明を具現化しているシステムを示す略図である 干渉分光法を用いるスペクトルコード化共焦点検出を有する、本発明を具現化しているシステムの略図である 画像形成を示す略図である 光ファイバのｙ方向への平行移動を示す略図である 前方照射モードにおける光ファイバの回転を示す略図である 側方照射モードにおける光ファイバの回転を示す略図である 本発明を具現化しているシステムを用いる、ｚ軸に沿う光ファイバまたは対物レンズの走査による断面画像形成を示す略図である 対物レンズの像面に対して中間レンズの焦点を前後に移動させることにより光学ズームが達成される、本発明を具現化しているシステムの別の略図である 本発明の一実施形態にしたがうスペクトルコード化共焦点プローブの基本原理を示す図である Ａは、本発明を具現化しているＳＥＣＭ前方画像化プローブを示し、Ｂは、本発明を具現化しているＳＥＣＭ側方画像化プローブを示す 図９Ａの前方画像化ＳＥＣＭプローブを示す図である 本発明の一実施形態にしたがう傾角画像化ＳＥＣＭプローブを示す図である 本発明のそれぞれの実施形態にしたがう図９Ａの前方画像化プローブのための低速軸走査を示す 本発明のそれぞれの実施形態にしたがう図９Ｂの側方画像化プローブのための低速軸走査を示す 本発明のそれぞれの実施形態にしたがう図９Ａの前方画像化プローブのための焦点調節を示す 本発明のそれぞれの実施形態にしたがう図９Ｂの側方画像化プローブのための焦点調節を示す 本発明の一実施形態にしたがう二重プリズム回折格子−プリズム対（または“ＧＲＩＳＭ”）を示す図である 本発明を具現化している多重プリズム分散素子を示す １８Ａは本発明のそれぞれの実施形態にしたがう、線形変換による低速走査機構を示す図であり、１８Ｂは本発明のそれぞれの実施形態にしたがう、カム機構またはレバー機構を用いる回転による低速走査機構を示す図である 図１８の１８Ａの低速走査機構を示す 図１８の１８Ｂの低速走査機構を示す 本発明の一実施形態にしたがう環形圧電バイモルフ素子を用いる低速走査機構を示す図である

８ ＳＥＣＭプローブ
９ 光ファイバ
９ａ レンズ
１０ 多色入力ビーム
１２ 回折格子
１４ 対物レンズ
１６ 試料

Claims (19)

1. 注目する人体領域に移動させることができる、共焦点顕微鏡システムと共に使うことができる装置であって、当該装置が、
   光の放射軸に対し実質的に横断方向の１次元に延びる共焦点光スペクトルにより前記領域を照明するために回折スペクトルを分離する第１の手段及び、
   少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段とを有してなる第２の手段であって、当該少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段を使って、前記共焦点光スペクトルを、前記実質的に横断方向の１次元に平行でない軸の周りに回転させて、前記領域の画像に関係する情報を得るものを有してなることを特徴とする装置。
2. 組織に関連のある共焦点画像を提供する装置であって、当該装置が、
   共焦点光スペクトルを提供するように構成された光を分散する第１の手段、
   少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段とを有してなる第２の手段であって、前記組織に前記共焦点光スペクトルの焦点を合わせるように構成され、前記光スペクトルが、前記光の放射軸に対し実質的に横断方向の１次元に延びているものであり、前記少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段を使って、前記実質的に横断方向の１次元に平行でない軸の周りに前記共焦点光スペクトルを回転するもの、及び
   前記組織に関連のある画像を提供するために前記共焦点光スペクトルの戻ってきたものに従って前記組織から戻ってきた光を検出するように構成された第３の手段を有してなることを特徴とする装置。
3. 前記第１の手段が、さらに、光ファイバを経由して光を受けるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の手段が、前記共焦点光スペクトルを前記横断方向の１次元に偏向するように構成された光偏向ユニットを有してなることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記第２の手段が、プリズム及び二重プリズム回折格子の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記第２の手段が、更に、ホログラム回折格子を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第２の手段が、更に、前記プリズムの傾斜面に固定されている回折格子を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記プリズムが反射型プリズムであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記組織における前記共焦点光スペクトルを調節するように構成された第４の手段を更に含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
10. 前記第４の手段が、更に、別の方向の１次元に沿った方向に前記共焦点光スペクトルを動かすように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記第４の手段が、更に、前記第２の手段を調節するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記第４の手段が、バルーンを有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 光源からの光を入力するための手段を更に含み、前記第４の手段が、前記光を入力するための手段を調節するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
14. 前記光を入力するための手段が、ファイバ／コリメータ集成体を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記第４の手段が、前記ファイバ／コリメータ集成体を動かすために、回転カム機構、回転レバー機構および環状圧電バイモルフの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記第４の手段が、縦方向の１次元とは別の方向の１次元に延びる軸の周りで、前記共焦点光スペクトルを移動させることを特徴とする請求項９に記載の装置。
17. 前記第１の手段に送られる光を生成するように構成された光源を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
18. 注目する人体領域に移動させることができるプローブを有する共焦点顕微鏡システムにおいて、前記プローブが、光の放射軸に対し実質的に横断方向の１次元に延びる共焦点光スペクトルにより前記領域を照射するように構成された回折スペクトルを分離する第１の手段、及び、少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段とを有してなる第２の手段であって、当該少なくとも１つのレンズ手段とグレーティング手段を使って、前記共焦点光スペクトルを前記実質的に横断方向の１次元に平行でない軸の周りに回転させて、反射された前記共焦点スペクトルを測定することにより、前記領域の画像を得る第２の手段を有してなることを特徴とする共焦点顕微鏡システム。
19. 注目する人体領域に移動させることができる第１の手段であって、前記人体領域の軸上深さ次元に平行でない１次元に延びる共焦点光スペクトルにより前記領域を照明するもの及び、
    前記共焦点光スペクトルを別の次元に沿って移動させ、反射された前記共焦点光スペクトルを測定することにより前記人体領域の画像を得るように構成された第２の手段を有してなる共焦点顕微鏡システムであって、
    前記第２の手段が、(i)グリズム、(ii) 圧電変換器、(iii)複数のプリズム又はビーム偏向器、(iv)２重プリズムグレーティング及び(v)バルーンのうちの少なくとも一つからなることを特徴とするシステム。

Images