JP2020151474A - 光照射野の対称条件を使用する光学モニタリングのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルのパラメータをモニタリングするシステムについて述べる。【解決手段】システム１００は、撮像ユニット１１５を有し、撮像ユニットが、レンズアセンブリ１１０および検出器ユニット１２０を備え、検出器ユニットが、対象物の関心領域に対して焦点をずらしながら関心領域から到来する光を収集して、関心領域から収集した光を示すデフォーカスされた画像データ片を生成し、レンズアセンブリが、少なくとも１のレンズを含み、かつ検出器ユニットの像平面に対する共役像平面または中間フーリエ平面である少なくとも１の中間光学平面を規定するように構成されており、当該システムが、少なくとも１の中間光学平面に配置された少なくとも１の対称レプリケータＳ１，Ｓ２を備え、それにより、選択した対称条件を有する二次スペックルパターンの撮像を検出器アレイ上に提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の様々なパラメータを光学的にモニタリングおよび検出するためのシステムおよび方法に関する。この手法は、対象物の生体力学的パラメータおよび機械的パラメータのモニタリングに関連している。

光学モニタリングは、生体組織や他のサンプルなど、様々なサンプルの非侵襲的検査を可能にする。様々な光学モニタリング手法は、サンプルの運動の検出と認識を可能とし、幅広い用途で不可欠なツールとして使用されている。さらに、光学モニタリングは、例えば、心拍数、呼吸、血圧などのモニタリングなど、人体の生理学的パラメータを測定する生物医学的ユーティリティにおいて非常に重要である。

スペックルベースのモニタリング手法により、高い空間分解能で組織の振動と動きを検出することができる。例えば、そのような手法は、遠距離から衣服を通して被験者の心拍を検出することができる。それらのスペックルベースの手法は、一般に、サンプルの表面で反射および／または散乱する光成分の自己干渉により生成される二次スペックルによって形成されるパターンの時間的変化のモニタリングを利用する。表面の動きと方向の変化により、対応する変化が検出パターンに生じ、それにより高感度のモニタリングが可能になる。

例えば、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１９／０６３８９８号は、動く対象物の運動パラメータをモニタリングするためのスペックルベースの撮像手法を述べている。この手法によれば、撮像システムは、３次元空間における動きの６自由度の異なる成分を横方向の平行移動に変換することにより、少なくとも１の運動パラメータから幾何学的関係への空間的画像空間変換を適用するように構成されて動作可能な光学変換器を利用する。動く対象物は像平面上に結像され、画像データはｘ−ｙ平面内の動く対象物を示し、撮像データから得られた運動データは動きの６自由度を示す。

本発明は、スペックルベースの光学モニタリングを改善して、例えば、対象物の生物医学的パラメータを含む様々なパラメータの検出を可能にするシステムおよび方法を提供する。

本手法は、対象物上の関心領域の並進シフトおよび傾きシフトの検出を可能にする。これにより、そのような並進シフト／動きと傾きシフトの分離を改善し、Ｓ／Ｎ比に関してモニタリングを改善し、患者の動きなどの不要なパラメータを除外することが可能になる。この目的のために、本手法は、関心領域から収集した光の対称複製（symmetric replication）を利用する。

より具体的には、本手法は、（通常、コヒーレント照明に応答して）関心領域から戻る光の収集、選択した１または複数の光学平面で収集した光に１または複数の対称複製を適用すること、並びに、選択したサンプリングレートで収集した光のスペックルパターンを示す画像データを生成して、画像データ片（image data pieces）のシーケンスを提供することを含む。

その後、収集した画像データ片のシーケンスを処理して、対象物の１または複数のパラメータに関するデータを決定することができる。本手法におけるデータ処理は、関心領域で反射／散乱した後の光の自己干渉から形成されるスペックルパターンを含む収集した画像データのシーケンスが、関心領域の振動または運動関数に関連するデータを含むという、本発明者等の理解に基づいている。しかしながら、収集した画像データ片が収集した光の強度の直接的な測定値を提供する一方で、通常は、収集した光の位相の直接的な測定値を提供しないため、運動データの一部が失われる。対称で正の光信号を利用することにより、関心領域の動きに関する追加データの再構築が可能となり、関心領域の傾き運動や並進運動を含む振動の簡単なモニタリングが可能になる。

より具体的には、対称レプリケータ（symmetry replicator）は、入力／入射光波面を受け取って、入力波面の少なくとも一部の対称複製である対応する出力波面を送る。収集される光波面にこのような対称複製に基づく光学処理を施すことにより、スペックルパターンの検出強度とパターンの複素振幅との間の望ましい関係が得られる。

例えば、光波面が対称である場合、波面のフーリエ表現はエルミートである。波面のフーリエ表現も対称である場合、それは真の表現（例えば、フラットな位相パターン）を有する。

したがって、本手法は、光学配列（例えば、１または複数の対称レプリケータ）を利用して、（典型的にはコヒーレント照明に応答して）関心領域から伝播し、少なくとも実質的に真の表現、好ましくは真で正の画像データを有する（すなわち、ほぼ均一な位相を有する）光波面の検出を与える。

そのようにして得られた画像データのデータ処理は、通常、連続する画像データ片間の相関を判定すること、並びに、判定した相関を使用して、傾き運動および並進運動を含む関心領域の動きを示す時間相関関数を生成することを含む。関心領域の動きに関するそのようなデータは、対象物の様々なパラメータに関するデータを決定するために使用される。例えば、患者のパラメータ（例えば、心拍数または他の任意の生理学的パラメータ）をモニタリングする場合、検査／撮像されている患者の体の位置の傾き運動に加えて、並進運動の検出により、モニタリングする必要のあるパラメータに関連する振動から患者の動きをフィルタリングすることが可能になる。

そこで、広範な態様によれば、本発明は、関心領域のデフォーカス撮像を実行するように構成された撮像ユニットを有するシステムを提供し、撮像ユニットが、レンズアセンブリおよび検出器ユニットを備え、検出器ユニットが、関心領域に対して焦点をずらしながら関心領域から到来する光を収集して、検出器ユニットによって規定される像平面内の関心領域から収集した光を示す画像データ片を生成し、レンズアセンブリが、少なくとも１のレンズを含み、かつ像平面に対する共役平面または検出器ユニットの像平面に対する中間フーリエ平面である少なくとも１の中間光学平面を規定するように構成されており、当該システムが、少なくとも１の中間光学平面に配置された少なくとも１の対称レプリケータを備え、それにより、選択した対称条件を有する二次スペックルパターンの撮像を像平面上に提供する。

いくつかの実施形態によれば、収集ユニットは、少なくとも１の中間像平面および少なくとも１の中間フーリエ平面を規定する少なくとも１のレンズユニットを備えることができ、システムは、中間像平面および中間フーリエ平面にそれぞれ位置する少なくとも第１および第２の対称レプリケータを備え、それにより光分布に影響を与えて、検出器ユニット上に実質的に真の振幅パターンを提供する。

検出器ユニットは、２以上の異なる露光時間を使用して画像データ片を収集するように構成され、それにより、画像収集の露光時間内での空間的な運動モードを区別することが可能となっている。２以上の異なる露光時間を使用することにより、関心領域の動きに関するデータの時間分解能を高めることができる。以下でさらに述べるように、露光時間は、収集した画像データ片の動きの不鮮明化（smearing）に関連付けられる。したがって、異なる露光時間で収集した画像データ片を使用することで、時間積分により生じる不鮮明化に関係なく運動モードを決定でき、時間分解能を向上させることができる。

いくつかの実施形態によれば、システムは、検出器ユニットに接続可能な制御ユニットをさらに備え、制御ユニットが、画像データ片の少なくとも１のシーケンスを含む画像データを受信するとともに、関心領域の１または複数の運動モードを決定するために画像データを処理するように構成されている。

制御ユニットは、少なくとも処理ユーティリティおよびストレージユーティリティを備えることができ、ストレージユーティリティが、１または複数の基本運動モードに関連付けられた中間スペックル応答関数を示す予め格納されたデータを保持する少なくとも１のセクタを備え、処理ユーティリティが、中間スペックル応答に関する予め格納されたデータに従って受信した画像データを処理し、受信した画像データにおいてスペックルパターン応答を生成する１または複数の運動モードの組合せを決定するよう構成されている。

制御ユニットは、画像データの連続する画像データ片におけるスペックルパターン間の相関を判定し、関心領域の動きの時間関数を決定するように構成されるものであってもよい。制御ユニットは、関心領域の動き／振動をモニタリングし、１または複数の運動モードに関するデータを利用して、傾き運動と並進運動との間を判定するようにしてもよい。

いくつかの実施形態によれば、１または複数の対称レプリケータは、２以上の光反射面の配列により構成されて、それらの反射面が光伝播の全体的な方向と平行となるように配置されるものであってもよい。

いくつかの実施形態によれば、１または複数の対称レプリケータは、３以上の光反射面を含む多角形配列で構成されるものであってもよく、多角形配列が、光伝播の全体的な方向に垂直な平面内で閉じられ、光伝播の全体的な方向に沿って開いたものであってもよい。

他の広範な態様によれば、本発明は、撮像ユニットを有するシステムを提供し、撮像ユニットが、レンズアセンブリおよび検出器ユニットを備え、検出器ユニットが、関心領域に対して焦点をずらしながら関心領域から到来する光を収集して、関心領域から収集した光を示すデフォーカスされた画像データ片を生成し、レンズアセンブリが、少なくとも１のレンズを含み、かつ検出器ユニットの像平面に対する共役像平面または中間フーリエ平面である少なくとも１の中間光学平面を規定するように構成されており、さらに、少なくとも１の中間光学平面に配置された少なくとも１の対称レプリケータを備え、それにより、選択した対称条件を有する二次スペックルパターンの撮像を検出器ユニット上に提供し、検出器ユニットが、収集した光の経路に配置され、収集した光を分割して２以上の検出器アレイ上に２以上の像複製を形成するように構成された光分割器を備え、２以上の検出器アレイが、対応する２以上の異なる露光時間を有する画像データ片を収集するように動作する。

さらに別の広範な態様によれば、本発明は、対象物のモニタリングに使用する方法を提供し、この方法が、
コヒーレント照明に応答して関心領域から戻る光パターンを収集するステップであって、その収集が、選択した対称条件を、光パターンの収集経路に沿う少なくとも１の光学平面に適用する、ステップと、
光パターンの二次スペックルパターンに関連付けられた画像データ片の少なくとも１のシーケンスを生成し、光パターンに適用された対称条件に従って収集した画像データの信号振幅マップを決定する、ステップと、
２以上の異なる露光時間で収集した信号振幅マップに従って、１または複数の運動モードを決定するステップと、
関心領域の対応する１または複数の運動モードを決定するステップとを含む。

いくつかの実施形態によれば、収集した画像および収集した画像のフーリエの少なくとも一方に対称条件を適用することには、光収集経路に沿う中間フーリエ平面および中間像平面の少なくとも一方に１または複数の対称レプリケータを提供することが含まれる。

いくつかの実施形態によれば、画像データ片の少なくとも１のシーケンスを生成することには、画像収集の２以上の異なる露光時間を使用してそれぞれ収集した画像データ片の２以上のシーケンスを生成することが含まれる。１または複数の運動モードを決定することには、画像データ片の２以上のシーケンスにおける二次スペックルパターンを処理して、画像データ片の露光時間に沿った時間積分により生じる不鮮明な画像を補正しながら、関心領域の空間的な運動モードを決定することが含まれる。

本明細書に開示の主題をより良く理解し、実際にそれが如何にして実行され得るのかを例示するために、添付の図面を参照しながら、単なる非限定的な例としての実施形態を以下に説明する。
図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る対象物のパラメータをモニタリングする際に使用するシステムを概略的に示している。 図２は、本発明のいくつかの実施形態に従って構成されたシステムで使用される光学配列の動作を示す図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に係る対称レプリケータの構成を例示しており、図３Ａはコーナーレプリケータを例示し、図３Ｂは三角形レプリケータを例示し、図３Ｃは矩形レプリケータを例示している。 図４は、本発明のいくつかの実施形態に係るモニタリングの動作を例示するフローチャートである。 図５は、本発明のいくつかの実施形態に係る制御ユニットのモジュール構成を示している。

上述したように、本発明は、サンプル、生物組織または患者などの対象物で反射または散乱する光によって形成されるスペックルパターンの変化の検出を使用して、対象物のパラメータをモニタリングするシステムおよび対応する手法を提供する。本手法は、コヒーレント照明に応答して対象物上の関心領域から反射される光に形成されるスペックルパターンに関連付けられた画像データ片の１または複数のシーケンスの収集を利用する。さらに、本手法は、収集した光の光学的操作を利用して、関心領域に関して像平面およびフーリエ平面の少なくとも一方、好ましくは両方で対称光学パターンの収集を提供する。

本手法は、収集したスペックルパターンが関心領域の動きに従って時間の関数として決定されるという本発明者の理解に基づいている。検出器アレイによるスペックルパターンの収集と画像データ片の生成には、通常、収集した波面の絶対値演算が含まれる。これにより、波面の位相パターンに関連する情報が失われる。しかしながら、収集した波面が対称で正の場合、絶対値演算によりデータがさらに失われることはない。この手法により、収集したスペックルパターンから追加情報を抽出することが可能となる。

図１を参照すると、本発明のいくつかの実施形態に係るシステム１００が概略的に示されている。このシステム１００は、撮像ユニット１１５を含み、この撮像ユニットが、光学配列１１０と、少なくとも１の検出器アレイを含む検出器ユニット１２０とにより形成されている。システム１００は、検出器アレイ１２０によって収集された画像データ片を受信および処理するように構成された制御ユニット５００も含むことができる。光学配列１１０は、対象物上の関心領域Ｒから収集した光を検出器ユニット１２０に導くように構成されている。光学配列１１０は、検出器ユニット１２０の検出面上に関心領域Ｒのデフォーカス撮像を提供するように構成されている。すなわち、検出器アレイ１２０が関心領域Ｒに関する像平面から離れて位置するように構成されている。換言すれば、光学配列は、関心領域と光学配列との間に位置する中間平面の撮像を提供するように構成されている。制御ユニット５００は、通常、検出器アレイ１２０に接続され、検出器アレイを操作するとともに、処理のために検出器アレイ１２０から１または複数の画像データ片を受け取るように構成されている。システム１００は、照明ユニット１３０も含むことができ、この照明ユニットは、選択した波長範囲のコヒーレント光を含む光学照明を関心領域に向け、それにより反射光の収集および反射光における二次スペックルパターンの検出を可能にするように構成されている。

光学配列１１０は、関心領域Ｒから伝播する光を収集し、光を検出器ユニット１２０に向けるように構成された１または複数のレンズ、通常は２以上のレンズを含む。光学配列１１０のレンズは、像平面およびフーリエ平面の少なくとも一方に関して共役である少なくとも１の中間光学平面を規定するように配置されている。そのような３つのレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３が図１に例示されており、中間（共役）像平面および中間フーリエ平面を規定している。また、光学配列は、選択した中間光学平面に配置された１または複数の対称レプリケータ、例えば、図１に示す対称レプリケータＳ１、Ｓ２も含む。通常、対称レプリケータは、中間／共役像平面と中間フーリエ平面の少なくとも一方に配置される。対称レプリケータＳ１、Ｓ２は、波面の対称複製を形成する反射を生成しながら、そこに到来する光を透過するように構成されている。例えば、対称レプリケータＳ１、Ｓ２は、光伝播方向に対して垂直に配置された１または複数の光反射面によって形成され、光反射面が、対応する中間光学平面の周囲の特定の長さに位置する。より具体的には、１または複数の光反射面は、収集ユニット１１０の光軸に平行な１または複数の平面に配置される。

検出器ユニット１２０は、コヒーレント照明に応答して関心領域から反射される光成分の自己干渉によって形成されるスペックルパターンに関連付けられた画像データ片を収集するように構成される。通常、検出器ユニット１２０は、選択したサンプリングレートおよび露光時間を使用して画像データを収集し、例えば制御ユニット５００による処理のために、画像データ片の少なくとも１のシーケンスを送るように動作可能である。いくつかの態様では、検出器ユニット１２０が少なくとも１の検出器アレイであってもよい。いくつかの態様では、検出器ユニット１２０が、光分割器と２以上の検出器アレイを含むことができ、収集した光が分割されて、異なる露光時間、例えばΔｔ_１およびΔｔ_２で動作可能な２以上の検出器アレイに導かれ、それにより異なる露光時間で収集した画像データ片の対応する少なくとも２のシーケンスを提供するように構成されている。

制御ユニット５００は、画像データの少なくとも１のシーケンスを受け取り、関心領域の動きを示すデータを決定するために画像データ片を処理するように構成されている。関心領域Ｒの動きに関するそのようなデータは、関心領域の傾き変化および並進変化を含む全体的な動き／振動関数ｆ（ｔ）を示すデータを含む。いくつかの態様では、制御ユニット５００が、２以上の異なる露光時間に関連付けられた（取得されるか、または、含むように前処理された）画像データ片の処理を利用するようにしてもよい。このため、制御ユニット５００は、少なくとも２の画像データシーケンスを処理し、関心領域の運動プロファイルに関する対応する少なくとも２セットのデータを決定するように動作することができる。これにより、関心領域の傾き運動および並進運動の分離を改善することができる。さらに、２以上の異なる露光時間を使用することにより、改善された時間分解能で関心領域の運動プロファイルを決定することができる。これは、露光時間内で収集したスペックルパターンの不鮮明化に関連付けられ、２以上の異なる露光時間での画像データ片の収集と処理により、そのような不鮮明化を除去し、関心領域の運動モードを決定することができる。

いくつかの態様では、通常、システム１００が検出器ユニット１２０を含み、この検出器ユニットが、１つの検出器アレイを有し、よって画像データ片の単一のシーケンスを提供する。そのような態様では、制御ユニット５００が、より長い有効露光時間（２つの画像データ片の合計が、二重の露光時間で収集した画像データを示すことがあるため）およびより低いサンプリングレートを特徴とする画像データ片の第２のシーケンスを生成する画像データ片の加算（summation）を利用することができる。なお、収集ユニット１１０が検出器アレイの絶対値演算に関連するデータ損失を低減する対称波面パターンを提供するため、そのような画像データ片の加算は収集した光のパターンを維持することに留意されたい。いくつかの他の態様では、上述したように、検出器ユニット１２０が２以上の検出器アレイを含み、それらが、対応する２以上の異なる露光時間で動作し、処理のために制御ユニットに対して画像データ片の対応する２以上のシーケンスを送るように構成されている。

制御ユニット５００は、関心領域の振動／動きに関するデータを決定するために画像データ片の１または複数のシーケンスを処理するように動作する。通常、処理には、画像データ片の少なくとも１のシーケンスの連続する画像データ片間の相関を判定すること、並びに、時間に沿った画像データ片間の相関に従って対応する時間相関関数を決定することが含まれる。そのような時間相関関数は、関心領域の振動を示し、関心領域の１または複数のパラメータ（例えば、生物医学パラメータ、エラストメトリなど）に関するデータを決定することを可能にする。さらに、本手法によれば、処理には、２以上の異なる露光時間でほぼ同時に収集された画像データ片を利用すること、並びに、画像データ片で収集したスペックルパターンを処理して、関心領域Ｒの傾き運動と並進運動の両方に関するデータを求め、それにより運動のタイプを分離できるようにすることが含まれる。

典型的には、連続する画像データ片間の相関を求めることにより、関心領域の角度方向（傾き）の変化を示す高品質のデータを提供することができる。本明細書に記載の本手法は、並進運動と傾き運動の両方を求めるために、１または複数の光対称レプリケータ（例えば、Ｓ１、Ｓ２）および（画像データ片を収集するか、または画像データ片を加算して人工的な異なる露光時間を生成することにより）２以上の異なる露光時間での画像データ片の処理を利用する。これにより、関心領域の様々なパラメータをモニタリングしながら、目的のパラメータに関係しないノイズと見なされる動きを除去することができる。例えば、傾き運動モードと並進運動モードの両方を決定することにより、心拍数や呼吸音などの患者の生物医学的パラメータに関する収集データから患者の動きを除外することができる。通常、以下でさらに詳細に説明するように、本手法は、光学配列１１０の選択した光学平面に配置された１または複数の対称レプリケータを利用して、スペックルパターンの収集に適切な条件を提供し、それにより、関心領域の完全な運動特性のデータを求める処理が可能になる。

さらに詳細に後述するように、収集したスペックルパターンの適切な条件は、通常、収集した強度パターンと実際の複素光照射野との関係に関連している。典型的な検出器アレイは、通常、収集した光照射野の強度を検出することができ、それが、露光時間にわたって平均化された光照射野の絶対値を示す。そこで、収集した波形の表現を改善するために、本手法は、選択した光学平面に配置された１または複数の対称レプリケータを含む光学配列を利用する。対称レプリケータは、通過する光照射野に影響を与えて、実質的に真で正の（すなわち、ほぼ均一な位相を有する）光照射野を形成するように構成されている。図２を参照すると、本発明のいくつかの実施形態に係る光学配列１１０が例示されている。この例では、光学配列１１０が、関心領域Ｒと光学配列１１０との間に位置する中間平面ＩｓＰを検出器ユニット１２０上に結像し、コヒーレントな照明に応じて関心領域から反射される光に形成される二次スペックルパターンの撮像を提供するように構成されている。光学配列は、選択数の１または複数のレンズを含み、それらが、共役像平面ＩＰおよびフーリエ平面ＦＰから選択される少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２の中間／共役光学平面を生成する。図２は、３つのレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３を例示しており、それらが、中間スペックル平面ＩｓＰの検出器ユニット１２０への結像を提供するとともに、中間スペックル平面ＩｓＰに関して中間フーリエ平面ＦＰおよび中間／共役像平面ＩＰの両方を生成するように配置されている。光学配列は、図２のＳ１、Ｓ２として例示される１または複数の対称リプリケータをさらに含む。対称リプリケータＳ１、Ｓ２は、中間フーリエ平面ＦＰおよび／または像平面ＩＰに配置されるとともに、中間光学平面で波面に選択した光学処理を適用して、検出器ユニット１２０に向けて対称波面を送るように構成されている。より具体的には、１または複数の対称レプリケータＳ１、Ｓ２は、入力波面を受け入れて、入力波面の少なくとも一部の対称複製である出力波面を送るように構成されている。収集した波面にそのような対称処理を適用することにより、スペックルパターンの検出された強度とその複素振幅との間の望ましい関係を得ることができる。このため、波面が対称である場合、波面のフーリエ表現はエルミートである。波面のフーリエ表現も対称である場合、それは真の表現を有する（例えば、フラットな位相パターンを持つ）必要がある。なお、対称レプリケータＳ１および／またはＳ２は、通常、対応する中間光学平面と少なくとも部分的に重なるように配置されることに留意されたい。対称レプリケータＳ１、Ｓ２は、通常、収集ユニット１１０の光軸に沿って特定の長さを有し、対応する中間光学平面が対称レプリケータの長さ内に位置するように配置される。

より具体的には、図２の実施例に示されるように、光学配列１１０は、中間スペックル平面ＩｓＰの像を検出器ユニット上に与えるように構成されている。レンズＬ１は、平面ＩｓＰから到来する光を透過して、中間フーリエ平面ＦＰを形成する。平面ＩｓＰおよび中間フーリエ平面ＦＰは、レンズＬ１の前後に距離ｆ１（その焦点距離に対応）に位置する。レンズＬ２は、中間フーリエ平面ＦＰから距離ｆ２（その焦点距離に対応）に位置し、中間フーリエ平面ＦＰから到来する光を収集して、そこから距離ｆ２の位置に中間像平面ＩＰを形成する。結像レンズＬ３は、中間像平面ＩＰから距離Ｓｏおよび検出器ユニット１２０の検出面から距離Ｓｉに配置され、検出器ユニット１２０上に中間像平面ＩＰの結像を与える。なお、図２に示す距離は例示であり、中間フーリエ平面ＦＰおよび／または共役像平面ＩＰを与えるために、追加の光学配列を使用することができる。

対称レプリケータＳ１、Ｓ２は、１または複数の光反射面から構成され、反射面が光伝播の全体的な方向に対して平行に、すなわち、反射面の平面が収集ユニット１１０の光軸に平行に取り付けられている。一般に、そのような光反射面は、それぞれの中間光学平面に配置されて、波面の複製を生成し、それにより対称的な出力波面を提供することができる。対称性レプリケータＳｒの例示的な構成は、それぞれ２、３または４の光反射面を使用する図３Ａ〜図３Ｃに示されている。図３Ａは、２の光反射面Ｒ１、Ｒ２を有する対称レプリケータＳｒを示しており、それら光反射面が互いに垂直であり、光反射面Ｒ１、Ｒ２の表面が光伝播方向に平行になるように配置されている。図３Ｂは、３つの光反射面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有する対称レプリケータＳｒを示しており、それら光反射面が三角形状に配置されるとともに、光反射面の表面が光伝播方向に平行になるように配置されている。図３Ｃは、矩形または正方形配列の４つの光反射面Ｒ１〜Ｒ４を有する別の構成を示している。光反射面の反射側は通常内側に向けられていて、この例の光反射面Ｒ１〜Ｒ４が互いに向き合うようになっており、これにより、上述したように、波面の対称複製が提供される。図３Ａ〜図３Ｃの対称性レプリケータＳｒは、光軸が紙面に対して垂直である場合を示している。図３Ａ〜図３Ｃの対称性レプリケータＳｒは、通常、光軸が反射面に囲まれた領域内を通り、かつ反射面が光軸に向けて光を反射するように、配置されている。通常、対称レプリケータは、レンズアセンブリの１または複数のレンズの開口数と対称レプリケータの有効内径に従って選択される、光軸に沿った選択された長さで構成されるものであってもよい。

上述したように、本手法は、画像データ片の少なくとも１のシーケンスを含む画像データ片の生成を利用し、画像データの処理は、収集の２以上の異なる露光時間に関連付けられた画像データ片の処理を含む。図４は、関心領域の運動／振動のモードを決定するための本手法のいくつかの実施形態に係る画像データの処理のステップを示すフローチャートを例示している。上述したように、本手法は、（例えば、１または複数の対称レプリケータを使用して）少なくとも実質的に真の表現を有する波面を提供する光学配列を利用する。この目的のために、処理は通常、光学配列および対称レプリケータ構成に関するデータを利用する（４０１０）。例えば、いくつかの態様では、光学配列が単一の対称レプリケータを含み、その対称レプリケータが、例えば中間像平面に配置される（図２のＩＰ）。そのような態様では、処理は、検出器ユニット１２０によって検出された強度パターンから収集光の波面を推定するために１または複数の位相回復手法を利用することができる。さらに、処理は、予め設定された、例えばストレージユーティリティに格納された、基本的な運動モードに関連付けられた中間スペックル応答に関するデータを使用することができる（４０２０）。通常、関心領域の動きは、ｆ（ｔ）＝Σ_ｎａ_ｎｔ^ｎとして、べき（テイラー）級数で表すことができる。係数ａ_ｎは、（例えば、６次元空間における）並進運動または傾き運動の方向を示すベクトルの場合がある。さらに以下でさらに詳細に述べるように、ｆ_ｍ（ｔ）＝ａ_ｍｔ^ｍとして表される異なるそのような運動モードは、次式により、一般的に可逆である。

このため、本手法は、６次元運動空間内の特定の方向の運動に関するスペックルパターンの変化、および画像収集の関連する露光時間内のスペックルパターンの対応する変化を示す、選択した数の運動モードｍに対する中間応答の事前の数値決定を利用することができる。これは、式６を参照して以下に詳述されており、通常は、収集した波面に影響を与える光学配列および対称レプリケータに関するデータに基づいて決定され得る。

このデータを使用して、上記システムは、２以上の画像データ片を含む画像データを収集するように動作する（４０３０）。２以上の画像データ片を処理して、２以上の異なる露光（収集）時間に関連付けられたスペックルパターンを決定する。画像データの処理は、通常、スペックルパターン間の相関の判定に加えて、収集したスペックルパターンと関心領域の様々な運動モードｆ_ｍ（ｔ）について関連する中間スペックル応答との関係を判定することを含む（４０４０）。本手法は、これらの関係を使用して、様々な運動モードの係数ａ_ｍを決定し、それにより関心領域の運動パターンに関するデータを、運動モードと関連係数との線形結合として決定する（４０５０）。通常、関心領域の動きは、ベクトル表現、すなわちテイラー級数ｆ（ｔ）＝Σ_ｎａ_ｎｔ^ｎによって表現され、その係数ａ_ｎは、３次元または６次元空間のベクトルである。

図５をさらに参照すると、本手法のいくつかの実施形態に係るシステム１００を動作させるのに適した制御ユニット５００が概略的に示されている。制御ユニット５００は、通常、１または複数のプロセッサ、ストレージユーティリティ、および適切な入出力接続を含むコンピュータユニットとして構成することができる。制御ユニット５００は、上記システム１００の一部として構成され、データ通信によって上記システムに関連付けられ、かつ／または上記システムから分離され、収集した画像データを遠隔で処理するために使用され得る。通常、制御ユニット５００は、使用時に検出器ユニット１２０および照明ユニット１３０の動作を制御するように構成された制御モジュール５１０を含むことができる。制御モジュール５１０は、関連するユニットに接続可能であり、かつ関連する撮像パラメータを使用して画像データを収集するためにユニットをオンまたはオフにするための動作コマンドを提供するように構成された電子回路を含むことができる。制御ユニット５００は通常、入力／出力接続モジュール５２０、ストレージユーティリティ６００、および一般に１または複数のプロセッサによって形成されるプロセッサユーティリティ５５０も含むことができる。ストレージユーティリティ６００には、典型的には、選択した基本的な運動モードに対する中間スペックル応答を示すデータが予めロードされる。予め格納されたデータは、集光に使用される光学配列に関するデータを使用する数値計算によって決定することができ、また、関心領域からの距離、照明スポットのサイズおよび照明の波長に関するデータも使用することができる。追加的または代替的には、予め格納されたデータは、予め定義された運動モードでサンプルから収集した試験データに基づいて決定される。処理ユーティリティ５５０は、検出器ユニット１２０によって収集された画像データ片の１または複数のシーケンスを受け取り、受け取った画像データを処理して関心領域を示すデータを提供するように構成される。上述したように、通常、処理は、連続して収集した画像データ片間の空間的相関を使用して関心領域の振動に関するデータを決定することを含むことができる。さらに、本手法によれば、処理は、収集したスペックルパターンを分析して、関心領域の運動モードに関するデータを決定するために、光学配列の１または複数の対称レプリケータを利用する。

処理ユーティリティ５５０は、本手法に従って、選択した処理動作を決定するように動作可能な１または複数のソフトウェアまたはハードウェアモジュールを含むことができる。例えば、処理ユーティリティ５５０は、画像データ集約モジュール５０１０および運動モードモジュール５０３０を含むことができる。いくつかの態様では、処理ユーティリティが、位相推定器５０２０、相関モジュール５０４０およびサンプルパラメータモジュール５０５０のうちの１または複数も含むことができる。画像データ集約モジュール５０１０は、検出器ユニットから画像データの１または複数のシーケンスに関連付けられた画像データ片を受信するように構成される。画像データ集約モジュール５０１０は、異なる露光時間を有しながら、実質的に同様のタイムスタンプ（取込の時間）を有する画像データ片を決定するために動作することもできる。上述したように、いくつかの実施形態では、画像データ集約モジュール５０１０が、画像データ片を組み合わせて、有効なより長い露光時間で取り込まれた画像を示すデータを生成するように動作することもできる。２以上の異なる露光時間で収集した画像データを使用することにより、画像取込の露光時間に沿って平均化されたスペックルの空間分布に関するデータを分離することができる。これにより、本手法は、本明細書で説明するように、異なる空間パターンを区別し、関心領域の運動モードを判定することができる。

上述したように、システム１００の光学配列１１０は、集光経路に沿った中間フーリエ平面および／または共役像平面に位置する１または複数の対称レプリケータ（例えば、図１のＳ１、Ｓ２）を利用する。対称レプリケータは、収集したスペックルパターンに対称条件を適用することにより、（検出器ユニットによって）収集した強度のパターンから収集した光の複素振幅に関する追加データの抽出を可能にする。いくつかの態様では、光学配列が（例えば、中間フーリエ平面に配置される）単一の対称レプリケータを含む場合に、処理ユーティリティは、画像データの強度パターンに従って、画像データ片で収集したスペックルパターンの位相変化を判定するように構成される位相推定器５０２０を含むことができる。位相推定器は、既存の位相判定手法を利用することができ、対称レプリケータの使用とその位置と設計に関する予め提供されたデータを利用する。通常、いくつかの態様では、位相推定器は、ゼロ（または実質的にゼロ）強度の線で囲まれた収集したスペックルパターン内の領域を判定し、そのような隣接領域の正または負の位相を決定するように構成される。

収集した画像データ片の判定した位相、または実際の振幅パターンを提供する２つの対称レプリケータの使用に関する予め提供されたデータに従って、処理は関心領域の運動モードを判定するように動作する。運動モードモジュール５０３０は、異なる露光時間で収集した画像データ片の空間パターン間の関係を決定するために動作する。この目的のために、運動モードモジュール５０３０は、ストレージユーティリティ６００に格納された又はネットワークストレージモジュールから利用可能な、中間スペックル応答に関する予め格納されたデータを利用する。運動モードモジュール５０３０は、選択した基底（例えば、テイラーべき級数または他の基底）分解に基づいて基本的な運動モードを判定するように動作する。以下でさらに詳細に述べるように、運動モードモジュール５０３０は、関心領域の運動モード成分を判定するために、同様のタイムスタンプおよび異なる露光時間で収集した（例えば、露光時間を考慮すると、タイムスタンプが類似または重複する）画像データ片を処理するために動作し得る。これにより、以下でさらに詳細に述べるように、画像データ片の収集時間中の関心領域の運動のモードおよび方向を示すデータが提供される。時間に沿った関心領域の動きに関するデータと組み合わされ、例えば画像データ片間の全体的な空間的相関に従って相関モジュール５０４０によって決定される、この運動のモードの分離は、関心領域の傾き運動および並進運動に関するデータを提供し、運動モード間の分離を可能にする。

例えばマイクロスケールおよびナノスケールの動きを含む、動きに関するデータの決定は、例えば心拍数などの生物医学的パラメータまたはエラストメトリパラメータを含む、関心領域の様々なパラメータを決定するために使用することができる。この目的のために、処理ユーティリティは、検出した動きパターンに従って、関心領域の１または複数の選択されたパラメータを決定するように構成されたサンプルパラメータモジュール５０５０を含むことができる。サンプルパラメータモジュール５０５０は、関心領域におけるサンプルのタイプに関する予め提供されたデータと、１または複数の予め提供されたスケーリング／較正データおよび／または選択した追加処理を利用することができる。例えば、関心領域の振動／動きは、心臓の動作、呼吸の動きまたは音、血圧、グルコースの変化などを示す場合がある。関心領域Ｒのパラメータに関するそのようなデータは、オペレータ、ユーザに提示されるか、または、ローカルおよび／またはリモートストレージユーティリティに更なる処理のために保存される。

本手法は、適切な光学操作を使用して、関心領域の僅かな動きに関するデータとそこから反射される光のパターンとの間の直接的な関係を解読することができるという本発明者等の理解に基づいている。通常、収集したスペックルパターンの時間変化は関心領域の振動に起因し、振動関数は一般関数である（テイラー級数としてモデル化できる）ｆ（ｔ）＝Σ_ｎａ_ｎｔ^ｎと仮定される。このため、レンズ配列のデフォーカスにより関心領域から反射される光のパターンからの空間フーリエ変換によって形成されるスペックルパターンｓ（ｘ，ｔ）の強度は、次のように記述される。

これは次のように簡略化できる。

ここで、Δｘは照明スポットのサイズ、＊は畳み込み演算、Ｓはスペックルパターンｓのフーリエ変換である。

取り込まれる強度は、通常、絶対値作用素によって記述される。しかしながら、収集した光パターンｓ（ｘ）の分布が真で正の値の場合、情報の内容の意味で、真の演算と絶対値との差は僅かである（すなわち、取り込む強度データに関連する絶対値の二乗演算による情報の損失はない）。このため、以下でさらに詳細に述べるように、本手法に係るシステムの構成および動作は、光収集の経路に１または複数の対称レプリケータを提供し、それにより全体として真の分布に変換される光照射野（スペックルパターン）の収集を提供する（すなわち、複製に起因して実質的にフラットな位相を有する）。光分布は真で正の値であることが好ましいが、「ゼロ交差」アルゴリズムなどの適切な位相回復手法は、分布がゼロ値と交差する空間位置を見付けることで絶対値から真値のデジタル再構築を可能にする。ゼロ（または選択した閾値未満の強度）の線で囲まれた領域を使用して、そのゼロ交差位置周辺の画像データの様々な領域で信号分布の符号を修正し、その絶対値分布から非正の真の分布を再構築することができる。上述したように、いくつかの態様では、収集した光パターンは、その１つの平面（例えば、フーリエ平面）でのみ対称化され、そのような態様では、位相回復手法を使用して、収集した光パターンの複素振幅および位相分布を決定することができる。

例えば、収集したパターンｓが空間的に対称であると仮定すると、フーリエ変換Ｓはエルミートになる。フーリエ空間の対称性（すなわち、対称Ｓ）は、真の表現を有する光照射野ｓをもたらすことになる。この仮定の下で、関心領域Ｒの予想される運動振幅、または特性モニタリング時間を掛けた運動速度に関して大きい照明スポットの場合、式２のｓｉｎｃ関数が、式２から提供されるディラックのデルタ関数で近似できる。

また、測定は特定の露光時間で実行されるため、実際に検出される強度は時間で平均化されて、以下の式が与えられる。

さらに、関心領域での動き／振動を表すｆ（ｔ）が、

として可逆的であると仮定すると、

に従って積分パラメータを置き換えることができる。比較的短い露光時間の場合、ｆ（ｔ）は通常、時間の単調関数であり、以下の式が与えられる。

ｆ座標上でフーリエ変換を決定できるようにすると、

式６では、１または複数の運動モードｎの基本的な運動モードＴ_ｎ（ｘ’）の中間スペックル応答を規定することができる。この式は、フーリエ空間の強度パターンが以下と等しい場合に数値的に演算することができる。

このため、２以上の露光時間で強度パターンシーケンス（スペックルパターン）の収集を使用してｆ（ｔ）を決定し、それにより式７のΔｔを分離することができる。通常、上述したように、運動モードの組合せとして関心領域の動きを決定することにより、分解能を改善することができる。これは、上記推定に基づき、ｓｉｎｃ関数をディラックのデルタ関数に置き換えて、２以上の異なる露光時間で収集した画像データ片のシーケンスに基づいてデータを決定することに直接関連付けられる。

例えば、（一時的な）一定の速度ｆ（ｔ）＝ａ_１ｔ（短時間の場合、例えば、単一フレームの露光時間の範囲で）の線形並進運動を与えると、

という逆関数が与えられるとともに、積分パラメータが

だけ変化し、それが以下の形の式６をもたらし、

それが、以下の式に繋がる。

これは、異なる露光時間Δｔでの収集パターンの測定により、関心領域の線形変換の簡単な抽出が可能になり、運動モードと中間スペックル応答からの再構築が可能になることを示している。ただし、ｘ’は１／長さ（ｍ^−１）の次元を持つフーリエ変換座標であることに留意されたい。このため、関心領域での空間座標ｘはλＺによって正規化される。ここで、Ｚはデフォーカス距離、λは光学波長である。

上記式２をさらに分析すると、ｓｉｎｃ関数をディラックのデルタ関数として仮定できない条件に関して、収集した強度パターンは次のように表される。

照明スポットサイズΔｘが関心領域の動きに関連して大きいという仮定を維持する。これにより、ｓｉｎｃ関数１／Δｘの幅が小さくなり、ｘ’’が小さな値の範囲内で変化し、

というように１次近似することができる。このため、強度パターンは次のようになる。

これは、空間スペクトルの分解能が、

により制限され、ｓ（ｘ）の視野が制限され、よって式１１の第２項が以下のように近似されることを意味する。

したがって、収集した強度は次のように記載することができる。

また、上記のように、露光時間を積分し、積分パラメータをｄｆに置き換えると、次の式が与えられる。

したがって、式６に記載したように、基本的な運動モードの中間スペックル応答の表現は、次のように数値的に決定することができ、

フーリエ変換が次式を与えると判定することができる。

ここで、Ｔ（ｘ’）は、近似の選択に従って決定される伝達関数である。

したがって、上記のように、光の収集経路で１または複数の対称レプリケータを使用することにより、収集した光パターンの処理と、ミクロおよびナノスケールでの関心領域の運動モードに直接関連するデータの回復が可能になる。また、本手法は、画像データから異なるモードの単純な抽出（例えば、線形）を可能にするために、２以上の異なる露光時間で画像収集を使用することもできる。これにより、関心領域の並進運動と傾き／振動を分離することができる。

Claims (18)

1. 関心領域のデフォーカス撮像を実行するように構成された撮像ユニットを有するシステムであって、
   前記撮像ユニットが、レンズアセンブリおよび検出器ユニットを備え、前記検出器ユニットが、関心領域に対して焦点をずらしながら前記関心領域から到来する光を収集して、前記検出器ユニットによって規定される像平面内の前記関心領域から収集した光を示す画像データ片を生成し、前記レンズアセンブリが、少なくとも１のレンズを含み、かつ前記像平面に対する共役平面または前記検出器ユニットの前記像平面に対する中間フーリエ平面である少なくとも１の中間光学平面を規定するように構成されており、
   当該システムが、前記少なくとも１の中間光学平面に配置された少なくとも１の対称レプリケータを備え、それにより、選択した対称条件を有する二次スペックルパターンの撮像を前記像平面上に提供することを特徴とするシステム。
2. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、
   前記レンズアセンブリが、少なくとも１の共役像平面および少なくとも１の中間フーリエ平面を規定し、当該システムが、前記共役像平面および中間フーリエ平面にそれぞれ位置する少なくとも第１および第２の対称レプリケータを備え、それにより光分布に影響を与えて、前記検出器ユニット上に実質的に真の振幅パターンを提供することを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記検出器ユニットが、少なくとも第１および第２の検出器アレイと、収集した光を前記少なくとも第１および第２の検出器アレイに導く光スプリッタとを含み、前記第１および第２の検出器アレイが、第１および第２の異なる露光時間に関連付けられた画像データ片を生成するように構成されていることを特徴とするシステム。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステムにおいて、
   前記検出器ユニットが、２以上の異なる露光時間を使用して画像データ片を収集し、それにより画像収集の露光時間内の空間的な運動モードを区別できるように構成されていることを特徴とするシステム。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステムにおいて、
   前記検出器ユニットに接続可能な制御ユニットをさらに備え、前記制御ユニットが、画像データ片の少なくとも１のシーケンスを含む画像データを受信するとともに、関心領域の１または複数の運動モードを判定するために前記画像データを処理するように構成されていることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、
   前記制御ユニットが、少なくとも処理ユーティリティおよびストレージユーティリティを備え、前記ストレージユーティリティが、１または複数の基本運動モードに関連付けられた中間スペックル応答関数を示す予め格納されたデータを保持する少なくとも１のセクタを備え、前記処理ユーティリティが、中間スペックル応答に関する前記予め格納されたデータに従って受信した画像データを処理し、この受信した画像データにおいてスペックルパターン応答を生成する１または複数の運動モードの組合せを決定するよう構成されていることを特徴とするシステム。
7. 請求項５または６に記載のシステムにおいて、
   前記制御ユニットが、２以上の異なる露光時間に関連付けられた画像データ片の２以上のシーケンスを処理して、中間スペックル応答関数を示す前記予め格納されたデータに従って、２以上のシーケンスの空間パターンの画像データ片間の関係を決定し、関心領域の１または複数の運動モードの組合せを決定し、それにより運動検出の時間分解能を高められていることを特徴とするシステム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記制御ユニットが、受信した画像データ片の１つのシーケンスを前処理して、より長い有効露光時間を特徴とする画像データの第２のシーケンスを生成するように構成された画像データ集約モジュールを含むことを特徴とするシステム。
9. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記制御ユニットが、運動モードモジュールを備え、この運動モードモジュールが、画像データ片の２以上のシーケンスを処理するとともに、基本運動モードの一構成として運動関数を決定し、それにより、画像データ片の収集のための露光時間内の関心領域の動きの方向および振幅を示すデータを決定するように構成されていることを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、
    前記制御ユニットが、相関モジュールをさらに含み、この相関モジュールが、画像データ片の１または複数のシーケンスを処理するとともに、画像データ片の１または複数のシーケンスにおける画像データ片間の空間的相関を示す少なくとも１の相関関数を決定するように構成されており、前記制御ユニットが、画像データ片の収集のために、露光時間内での関心領域の動きの方向および振幅を示すデータと、関心領域の並進運動および傾き運動に関するデータを個別に決定するために、前記少なくとも１の相関関数に関するデータとを利用するように構成されていることを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、
    前記制御ユニットが、関心領域の動き／振動をモニタリングして、傾き運動および並進運動間で決定するために１または複数の運動モードに関するデータを利用するように構成されていることを特徴とするシステム。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のシステムにおいて、
    前記１または複数の対称レプリケータは、その反射面が前記撮像ユニットの光軸に平行となるように配置された２以上の光反射面の配列により構成されていることを特徴とするシステム。
13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載のシステムにおいて、
    前記１または複数の対称レプリケータが、前記撮像ユニットの光軸に平行な３以上の光反射面を含む多角形配列で構成される少なくとも１の対称レプリケータを含み、前記多角形配列が、前記光軸に対して垂直な平面内で閉じられており、前記光軸に沿って進む光が前記多角形配列内を通過することを可能にすることを特徴とするシステム。
14. 対象物のモニタリングに使用する方法であって、
    コヒーレント照明に応答して関心領域から戻る光パターンを収集するステップであって、その収集が、選択した対称条件を、光パターンの収集経路に沿う少なくとも１の光学平面に適用する、ステップと、
    前記光パターンの二次スペックルパターンに関連付けられた画像データ片の少なくとも１のシーケンスを生成し、前記光パターンに適用された対称条件に従って収集した画像データの信号振幅マップを決定する、ステップと、
    ２以上の異なる露光時間で収集した信号振幅マップに従って、１または複数の運動モードを決定するステップと、
    関心領域の対応する１または複数の運動モードを判定するステップとを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    収集した画像および前記収集した画像のフーリエの少なくとも一方に対称条件を適用することには、光収集経路に沿う中間フーリエ平面および中間像平面の少なくとも一方に１または複数の対称レプリケータを提供することが含まれることを特徴とする方法。
16. 請求項１４または１５に記載の方法において、
    画像データ片の少なくとも１のシーケンスを生成することには、画像収集の２以上の異なる露光時間を使用してそれぞれ収集した画像データ片の２以上のシーケンスを生成することが含まれることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    １または複数の運動モードを判定することには、画像データ片の２以上のシーケンスにおける二次スペックルパターンを処理して、画像データ片の露光時間に沿った時間積分により生じる不鮮明な画像を補正しながら、前記関心領域の空間的な運動モードを判定することが含まれることを特徴とする方法。
18. 撮像ユニットを有するシステムであって、
    前記撮像ユニットが、レンズアセンブリおよび検出器ユニットを備え、前記検出器ユニットが、対象物上の関心領域に対して焦点をずらしながら前記関心領域から到来する光を収集して、前記関心領域から収集した光を示すデフォーカスされた画像データ片を生成し、
    前記レンズアセンブリが、少なくとも１のレンズを含み、かつ前記検出器ユニットの像平面に対する共役像平面または中間フーリエ平面である少なくとも１の中間光学平面を規定するように構成されており、さらに、前記少なくとも１の中間光学平面に配置された少なくとも１の対称レプリケータを備え、それにより、選択した対称条件を有する二次スペックルパターンの撮像を前記検出器ユニット上に提供し、
    前記検出器ユニットが、収集した光の経路に配置され、前記収集した光を分割して２以上の検出器アレイ上に２以上の像複製を形成するように構成された光分割器を備え、前記２以上の検出器アレイが、対応する２以上の異なる露光時間を有する画像データ片を収集するように動作することを特徴とするシステム。
    

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