JP2022525113A - 血流及び灌流可視化のための近赤外蛍光イメージング及び関連するシステム並びにコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Abstract

対象の画像を得るためのシステムが提供され、本システムは、各々が異なる深さで対象に浸透する２つ以上の異なる波長を使用して対象を照明するように構成された少なくとも１つの多波長照明モジュールと、対象を照明する２つ以上の異なる波長を対応する異なるチャネル上で検出し、対象を照明する検出された２つ以上の異なる波長に基づいて対象の対応する画像を取得するように構成された多波長カメラと、少なくとも１つの多波長照明モジュールによる対象の照明とカメラによる２つ以上の異なる波長の検出を同期させるように構成された制御モジュールと、対象の取得された画像を受信し、取得された画像を解析して解析結果を提供するように構成された解析モジュールと、解析結果に基づいて取得された画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供する画像可視化モジュールとを含む。【選択図】図１

Description

［優先権の主張］
[0001] 本出願は、NEAR-INFRARED FLUORESCENCE IMAGING FOR BLOOD FLOW AND PERFUSION VISUALIZATION AND RELATED METHODS AND SYSTEMS と題する、２０１９年３月２６日に出願された米国仮出願第６２／８２３，７１５号の優先権を主張するものであり、その内容は、その全体が記載のものとして参照により本明細書に援用される。

[0002] 本発明の概念は、概して、血流及び灌流に関し、具体的には、蛍光イメージングなどのイメージング技法を使用した血流及び灌流の描出、解析、定量化、及び可視化に関する。

[0003] 蛍光イメージングは一般に、血流中に蛍光体（fluorophobe）を注入することを伴う。この蛍光体は、特定の波長の励起光で照明することによって刺激されて蛍光を発する。励起波長とは異なる波長で撮像することによって、血管及び組織内の低エネルギー蛍光パターンが捕捉される。

[0004] 蛍光体、例えば、臨床用途のためのインドシアニングリーン色素（ＩＣＧ）を使用する現在の近赤外蛍光デバイスの照明源は、典型的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲン電球、又は典型的な１０ｍＷ／ｃｍ^２を超える照明強度のレーザである。従来のシステムは一般に、この照明を単一の光源から提供する。この設計からいくつかの結果がもたらされる。

[0005] 蛍光発光エネルギーは一般に非常に弱いので、イメージング結果（血液及び／又は組織内の蛍光強度）が、励起光によって、及び視野（ＦＯＶ）を照明する周囲光の存在によっても影響を受ける可能性がある。市販のデバイスのほとんどは、蛍光発光信号を励起／周囲信号から分離して信号対雑音比を増加させるために、高出力照明及び光学フィルタリング機構を使用する。しかしながら、この設計は、周囲光がＦＯＶに存在するときに満足のいくものではない場合がある。実際には、現在のデバイスのほとんどでは、例えば、頭上の室内灯、手術灯、及びヘッドライト等の周囲光を撮像のためにオフにする必要があり、これは、処置中に不便であるか又は更には混乱を招く可能性がある。

[0006] 更に、現在の蛍光技術設計で撮像中の組織の表面に対する検出深さを決定することができず、したがって、制御可能でない場合がある。これは、現在のデバイス設計が一般に、特定の浸透深さのみを許容する単波長レーザ、又は異種であるが定義できない浸透深さをもたらす広帯域ＬＥＤ若しくはハロゲン照明のいずれかを使用するということによる。

[0007] 本発明の概念のいくつかの実施形態は、対象の画像を得るためのシステムを提供する。本システムは、２つ以上の異なる波長を使用して対象を照明するように構成された少なくとも１つの多波長照明モジュールと、ここで、２つ以上の異なる波長の各々は、異なる深さで対象に浸透し、対象を照明する２つ以上の異なる波長を対応する異なるチャネル上で検出し、対象を照明する検出された２つ以上の異なる波長に基づいて対象の対応する画像を取得するように構成された多波長カメラと、少なくとも１つの多波長照明モジュールによる対象の照明とカメラによる２つ以上の異なる波長の検出を同期させるように構成された制御モジュールと、２つ以上の波長の各々に関連付けられた対象の取得された画像を受信し、取得された画像を解析して解析結果を提供するように構成された解析モジュールと、解析結果を受信し、解析結果に基づいて取得された画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供するように構成された画像可視化モジュールと、ここで、最終的な改善画像は、周囲光ノイズが低減されている、を含む。

[0008] 更なる実施形態では、画像可視化モジュールは、マルチスペクトル画像合成、画像強調、コントラスト及び輝度調整、並びにオーバーレイ手順を実行することによって画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供するように構成され得る。

[0009] なお更なる実施形態では、マルチスペクトル画像合成は、蛍光イメージング技法で生成された画像と、レーザスペックルイメージング技法、レーザドップラーイメージング技法、反射イメージング技法、及び組織酸素関連イメージング技法のうちの１つを使用して生成された画像の合成を含み得る。

[00010] いくつかの実施形態では、解析モジュールは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させ、周囲光背景を除去し、複数の異なるチャネルからの画像をリンクさせ、特定の検出深さで取得された画像に関連する情報を取得することによって、取得された画像を解析するように構成され得る。

[00011] 更なる実施形態では、取得された画像は、蛍光イメージング技法を用いて得られ得る。

[00012] なお更なる実施形態では、対象は、蛍光色素ファントム（fluorescence dye phantom）、インビトロ及びインビボ組織、並びに蛍光色素で標識した器官のうちの１つであり得る。

[00013] いくつかの実施形態では、画像可視化モジュールは、周囲光ノイズが低減された最終的な改善画像、特定の検出深さ、及び異なる多波長イメージング技法を使用して得られた異なる多波長画像の合成を提供するように更に構成され得る。

[00014] 更なる実施形態では、少なくとも１つの多波長照明モジュールは、単一の照明パルス列を使用してオン及びオフパターンで対象を繰り返し照明することと、複数の照明制御パルス列を使用してオン及びオフパターンで異なる波長で対象を繰り返し照明することと、のうちの１つを行うように構成され得る。

[00015] なお更なる実施形態では、多波長カメラは、照明が存在するときに原画像（Ｉｍｇ_ｓｎ）を捕捉し、照明がオフであるときに背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）を捕捉するように更に構成され得、ここにおいて、捕捉された原画像は、照明光及び周囲ノイズ光を含み、捕捉された背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）は周囲光ノイズを含む。画像可視化モジュールは、次式のように、周囲光ノイズを含まない画像（図３ＣのＩｍｇ_ｓ）を計算するように構成され得、
Ｉｍｇ_ｓ＝Ｉｍｇ_ｓｎ－ｋ×Ｉｍｇ_ｎ
ここで、Ｉｍｇ_ｓｎは原画像であり、Ｉｍｇ_ｎは背景画像であり、ｋは露光時間Ｔ_１及びＴ_２の関数である。

[00016] 図１は、本発明の概念のいくつかの実施形態による多波長イメージングを実施するためのシステム／方法を例示するブロック図である。 [00017] 図２は、単一の照明源のパルス制御を例示する図である。 [00018] 図３Ａ～図３Ｃは、本発明の概念のいくつかの実施形態によるバックグラウンドノイズの除去を例示する蛍光画像である。 [00019] 図４Ａ～図４Ｃは、本発明の概念のいくつかの実施形態による、バックグラウンドノイズの除去を例示し、バックグラウンドノイズのない蛍光画像と比較する蛍光画像である。 [00020] 図５は、複数の照明源のパルス制御を例示する図である。 [00021] 図６は、本発明の概念のいくつかの実施形態による検出深さの特定の範囲を達成するシステムを例示するブロック図である。 [00022] 図７Ａ～図７Ｄは、本発明の概念の実施形態と市販の蛍光技術（Ｎｏｖａｄａｑ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．からのＳＰＹ）の複合を例示する画像であり、ブタモデルにおける同じ大腿動脈及び周辺組織を５分間隔で連続的に撮像している（最初にＳＰＹ、次いで本発明の概念。イメージング取得ごとにＩＣＧ色素の標準希釈液０．５ｃｃを注入した）。 [00023] 図８Ａ～図８Ｆは、本発明の概念のいくつかの実施形態による、室内灯をオンにしたインビトロイメージング（ブタ組織）の画像であり、それぞれ、ＮＩＲ１、ＶＩＳ、ＮＩＲ２、カラー、オーバーレイ１、及びオーバーレイ２を含む。 [00024] 図９Ａ～図９Ｆは、本発明の概念のいくつかの実施形態による、室内灯（周囲光）をオフにしたインビトロイメージング（ブタ組織）の画像であり、それぞれ、ＮＩＲ１、ＶＩＳ、ＮＩＲ２、カラー、オーバーレイ１、及びオーバーレイ２を含む。 [00025] 図１０は、本発明の概念のいくつかの実施形態により使用することができるデータ処理システムのブロック図である。

[00026] 本発明の概念について、本発明の概念の実施形態を示す添付図面を参照して以下でより十分に説明する。しかしながら、この本発明の概念は、多くの別の形式で具現化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈するべきではない。

[00027] したがって、本発明の概念は、様々な修正形態及び代替形態が可能であるが、その特定の実施形態について、例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。しかしながら、本発明の概念を開示された特定の形態に限定する意図はなく、反対に、本発明の概念は、特許請求の範囲によって定義される本発明の概念の趣旨及び範囲内にあるすべての修正形態、均等物、及び代替形態を網羅するものであることを理解されたい。図の説明全体にわたり、同様の番号は同様の要素を指す。

[00028] 本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本発明の概念を限定することを意図するものではない。本明細書で使用するとき、単数形の「a」、「an」、及び「the」は、そうでないことが文脈により明確に示されていない限り、複数形も含むことを意図している。「備える」、「備えている」、「含む」、及び／又は「含んでいる」という用語は、本明細書で使用するとき、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外するものではないことが更に理解されよう。更に、ある要素が別の要素に「反応」又は「接続」していると言及されているとき、それは、該別の要素に直接反応又は接続することができ、又は介在する要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接反応」又は「直接接続」していると言及されているとき、介在する要素は存在しない。本明細書で使用するとき、「及び／又は」という用語は、関連するリストの項目のうちの１つ又は複数のあらゆる組合せを含み、「／」と略すこともある。

[00029] 別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明の概念が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているものと同じ意味を有する。更に、本明細書で使用する用語は、本明細書及び関連する技術分野の文脈における意味と矛盾しない意味を有するものと解釈するべきであり、本明細書でそのように明確に定義されていない限り、理想化された又は過度に正式な意味で解釈するものではないことが理解されよう。

[00030] 第１、第２等の用語を、様々な要素を説明するために本明細書で使用する場合があるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素と別の要素を区別するためだけに使用される。例えば、本開示の教示から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。いくつかの図では、通信の主方向を示すために通信経路上に矢印を含むが、通信は、図示された矢印と反対方向に生じてもよいことを理解されたい。

[00031] 上述したように、従来の近赤外蛍光デバイスは一般に、この照明を単一の光源から提供する。蛍光発光信号を励起／周囲信号から分離して信号対雑音比を増加させるために、高出力照明及び光学フィルタリング機構が使用され得る。しかしながら、この設計は、周囲光が視野（ＦＯＶ）に存在するときに満足のいくものではない場合がある。したがって、実際には、現在のデバイスのほとんどでは、例えば、頭上の室内灯、手術灯、及びヘッドライト等の周囲光を撮像のためにオフにする必要があり、これは、処置中に不便であるか又は更には混乱を招く可能性がある。更に、現在の蛍光技術設計で撮像中の組織の表面に対する検出深さを決定することができず、したがって、制御可能でない場合がある。これは、現在のデバイス設計が一般に、特定の浸透深さのみを許容する単波長レーザ、又は異種であるが定義できない浸透深さをもたらす広帯域ＬＥＤ若しくはハロゲン照明のいずれかを使用するということによる。

[00032] したがって、本発明の概念のいくつかの実施形態は、マルチスペクトルイメージング、パルス照明、及び照明と検出との同期に基づく。一連のハードウェア設計及びソフトウェアモジュールを通して、本発明の概念の実施形態は、既存の蛍光技術とは対照的に、蛍光イメージングにおける周囲光ノイズを低減又は場合によっては排除し、特定の検出深さを達成し、蛍光画像を、例えば、レーザスペックル、レーザドップラー、反射イメージング、及び組織酸素関連イメージング等の他のイメージング技術と共に同じデバイス内でリアルタイムに組み合わせることができる、蛍光イメージングを実行する。マルチスペクトルイメージング部分は、例えば、米国特許第１０，３９０，７１８号で説明されているような、例えば、マルチスペクトル生理学的可視化（ＭＳＰＶ：Multi-Spectral Physiologic Visualization）を含む様々なソリューションによって提供されてもよく、その内容は、その全体が記載のものとして参照により本明細書に援用されることが理解されよう。本発明の概念の実施形態に関する詳細について、以下の図１～図１０に関連して更に説明する。

[00033] まず図１を参照して、本発明の概念のいくつかの実施形態によるイメージングシステム１００を説明する。図１に例示するように、システム１００は、マルチスペクトルカメラ１０１と、例えばレンズ及び放射フィルタ等のカメラ光学系１０２と、例えばレーザ及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等の多波長照明１０３と、例えば励起フィルタなどの照明光学系１０４と、撮像対象１０５と、照明と検出の同期及び制御モジュール１０６と、画像定量化及び解析モジュール１０７と、画像可視化モジュール１０８とを含む。図１のシステム１００を示す点線は、システム１００のすべてのモジュールを含む。しかしながら、モジュールは、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、同じデバイスの一部であってもよいし、又は通信する別個のデバイス中にあってもよいことが理解されよう。

[00034] 例示するように、λ１－Ｎは、チャネル１からチャネルＮまでの波長である。波長は、例えば４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の任意の「Ｎ」個の波長を含み得る。例えば、カスケードブルーを励起するλ１（約４００ｎｍ）、エオシンを励起するλ２（約５２４ｎｍ）、昼光６３３を励起するλ３（約６２４ｎｍ）、インドシアニングリーンを励起するλ４（約７８０ｎｍ）である。これらの色素及び波長は、例としてのみ提供されており、したがって、本発明の概念を限定するべきではない。

[00035] 本明細書で使用するとき、「対象」とは、蛍光色素ファントム、インビトロ及びインビボ組織、並びに蛍光色素で標識した器官等であり得る。これらは例としてのみ提供されており、したがって、本発明の概念の実施形態がそれらに限定されるものではない。

[00036] 本発明の概念の実施形態による照明は、例えば４００ｎｍの可視光から１０００ｎｍの近赤外（ＮＩＲ）光までの範囲の多波長光源である。照明の波長特性は、例えば、波長範囲を調整するためにフィルタなどのフロントエンド光学系と共に複数のレーザ、ＬＥＤ、又はハロゲンを使用して制御することができる。照明における可視波長の一部は、浸透することなく対象の表面から直接反射され、近赤外波長は、通常、約１０ｍｍ以内の異なる浸透レベルを有する。

[00037] 本明細書で説明する実施形態によるカメラシステム（１０１、１０２、１０３、１０４）は、多波長の照明を検出し、複数のイメージングチャネルを通して画像を取得することができる。同期及び制御モジュール１０６（制御モジュール）は、照明と検出を同期させるように構成されており、したがって、カメラは、同時に多波長を捕捉、又は特定の時間に１つの波長を捕捉することができる。

[00038] 画像定量化及び解析モジュール１０７（解析モジュール）は、画像チャネル１－Ｎを介して生画像を受信し、既定のアルゴリズムを生画像に適用して信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させ、周囲光背景を除去し、複数のチャネルの画像をリンクさせ、特定の検出深さで情報を取得する等を行うように構成されている。

[00039] 画像可視化モジュール１０８は、解析結果を受信し、マルチスペクトル画像合成、画像融合などの画像強調、コントラスト及び輝度調整、並びにオーバーレイ等を実行し、最終結果をリアルタイムで提示するように構成されている。本明細書で使用するとき、「リアルタイム」とは、瞬時に発生したように見えるほど短い時間量を指す。図１には示していないが、リアルタイムで画像を見るためにディスプレイ（図１０）が提供されることが理解されよう。

[00040] 次に図２を参照して、単一の照明パルス列について説明する。図２の図は、蛍光イメージングなどのイメージングモダリティにおいて周囲光によって引き起こされるノイズを除去するために、オン－オフ－オン－オフ・・・繰り返しパターンで１つのパルス照明をカメラ露光時間と同期させることを例示する。

[00041] 本明細書の図の多くは、対象領域から得られた画像の例示であることが理解されよう。しかしながら、カラー図面は特許プロセスで公開できないので、本明細書ではすべての図面をグレースケールで提示する。したがって、グレースケールでの提示により、詳細が多少失われている場合がある。

[00042] 図３Ａ～図３Ｃを参照して、本発明の概念のいくつかの実施形態による一例として蛍光イメージングを使用する背景減算方法を例示する画像について説明する。図３Ａは、照明がオンの間に取得された画像（信号＋ノイズ）を例示し、図３Ｂは、照明がオフの間に取得された画像（ノイズ）を例示し、図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂの画像を使用して生成された画像（信号）を例示する。換言すれば、照明がオンであるとき、有用な信号（照明光）＋ノイズ（周囲光）を含む原画像（図３ＡのＩｍｇ_ｓｎ）が捕捉される。照明がオフであるとき、ノイズ（周囲光）を含む背景画像（図３ＢのＩｍｇ_ｎ）が捕捉される。図３Ｃに例示する画像は、以下のように計算され、有用な信号（図３ＣのＩｍｇ_ｓ）のみを含む。
Ｉｍｇ_ｓ＝Ｉｍｇ_ｓｎ－ｋ×Ｉｍｇ_ｎ 式（１）
ここで、Ｉｍｇ_ｓｎは原画像であり、Ｉｍｇ_ｎは背景画像であり、ｋは露光時間Ｔ_１及びＴ_２の関数である。

[00043] 本発明の概念のこれらの実施形態では、この方法を、画像ビニング、正規化、及び鮮鋭化等を含む画像処理アルゴリズムと組み合わせることができ、画像輝度、コントラスト、及び全体的な画像品質を効果的に増加させることができる。

[00044] 次に図４Ａ～図４Ｃを参照して、対象であるインビトロブタ組織との周囲光比較のために使用される蛍光画像について説明する。図４Ａは、周囲光なしで得られた蛍光画像を例示し、図４Ｂは、周囲光ありで得られた蛍光画像を例示し、図４Ｃは、周囲光ありで得られ、本明細書で説明する本発明の概念の実施形態による周囲光除去を使用した蛍光画像を例示する。図４Ａ～図４Ｃに例示するように、図４Ａ（周囲光なし）と図４Ｂを比較すると、周囲光が存在する場合（図４Ｂ）、蛍光画像の品質が低下している。しかしながら、図１～図３Ｃに関して上述した本明細書で説明する方法及びシステムを使用して図４Ｂの画像を処理した後、周囲光汚染のない蛍光画像が復元される（図４Ｃ）。

[00045] 次に図５を参照して、複数の照明制御パルス列について説明する。例示するように、いくつかの実施形態では、異なる波長に固有である複数の色素を使用したマルチスペクトル及びハイパースペクトル蛍光イメージングを達成するために、複数のパルス源が、（波長１オン、波長２オフ）－（波長２オン、波長１オフ）・・・の繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。色素は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、例えば、カスケードブルー、エオシン、昼光６３３、及びインドシアニングリーン等であり得る。

[00046] 次に図６を参照して、本発明の概念のいくつかの実施形態による、特性検出深さの特定の範囲で対象を撮像することを例示する図について説明する。多波長に反応する１つの蛍光体又は２つの多波長に反応する複数の蛍光体を使用した組織深度の特性範囲での蛍光イメージングを達成するために、特に、複数のパルス源が、時間Ｔ_１における（波長１オン、波長２オフ）－時間Ｔ_２における（波長２オン、波長１オフ）・・・繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。図６に例示するように、様々な波長が、異なる深さ、例えば、深さ１及び深さ２で対象に浸透する。

[00047] 図７Ａ～図７Ｄを参照して、単波長パルス励起照明を使用した、大腿動脈のインビボブタモデルにおける本明細書で説明する実施形態を使用して得られた画像について説明する。図７Ａは生画像であり、図７Ｂは、背景が除去された画像であり、図７Ｃは、蛍光カラースキームによる可視化を含む画像であり、図７Ｄは、既承認機器の撮像である。図７Ａ～図７Ｄは、単波長（励起）パルス照明を使用した、ブタ組織における本発明の概念の特定の実施形態を示す。大腿動脈及び周辺組織が、０．５ｃｃの希釈ＩＣＧ色素を注入することによって、（ａ）特定の実施形態における本発明の概念からの生イメージングデータ、（ｂ）背景が除去されたイメージングデータ、及び（ｃ）Ｎｏｖａｄａｑ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＳＰＹ近赤外蛍光デバイス（単波長）を用いて撮像された同じＦＯＶを使用して、可視化されている。これらの画像は例としてのみ提供されており、したがって、本発明の概念の実施形態を限定するものではない。

[00048] 本発明の概念のいくつかの実施形態は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、例えば、レーザスペックル、レーザドップラー、反射イメージング、及び組織酸素関連イメージング等の異なるイメージングモダリティと順次組み合わせて適用され得る。

[00049] 本発明の概念のいくつかの実施形態では、蛍光イメージングなどのイメージングモダリティにおいて周囲光によって引き起こされるバックグラウンドノイズを除去するために、１つのパルス照明が、オン－オフ－オン－オフ・・・繰り返しパターンでカメラ露光時間と同期される。これらの実施形態では、１つの色素及び１つの波長を使用してノイズを除去することができる。

[00050] 本発明の概念のいくつかの実施形態では、蛍光イメージングなどのイメージングモダリティにおいて色素の残留によって引き起こされるノイズを除去するために、複数のパルス源が、（波長１オン、波長２オフ）－（波長２オン、波長１オフ）・・・の繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。これらの実施形態では、１つの色素及び多波長を使用してノイズを除去することができる。

[00051] いくつかの実施形態では、多波長に反応する１つの色素を使用した組織深度の特性範囲での蛍光イメージングを達成するために、複数のパルス源が、（波長１オン、波長２オフ）－（波長２オン、波長１オフ）・・・の繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。これらの実施形態では、１つの色素及び多波長を使用して、特定の深度を明らかにすることができる。

[00052] いくつかの実施形態では、多波長に反応する複数の色素を使用した組織深度の特性範囲での蛍光イメージングを達成するために、複数のパルス源が、（波長１オン、波長２オフ）－（波長２オン、波長１オフ）・・・の繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。これらの実施形態では、複数の色素及び多波長を使用して特定の深さを明らかにすることができる。

[00053] いくつかの実施形態では、異なる波長に固有である複数の色素を使用したマルチスペクトル及びハイパースペクトル蛍光イメージングを達成するために、複数のパルス源が、（波長１オン、波長２オフ）－（波長２オン、波長１オフ）・・・の繰り返しパターンで、異なる波長でカメラ露光時間と同期され得る。これらの実施形態では、複数の色素及び多波長を使用して、複数の蛍光を同時に行うことができる。

[00054] 次に図８Ａ～図８Ｆを参照して、同期してリアルタイムで取得されたマルチスペクトル生画像について説明する。両方のイメージングモダリティ（レーザスペックル及びＮＩＲＦ）についてこれらの点を同時に効果的に例示するために、エクスビボ・インビトロイメージングを使用している。図８Ａ～図８Ｆでは、このインビトロイメージング（ブタ組織）は、室内灯をオンにして行い、具体的には、以下で更に詳細に説明するように、それぞれ、ＮＩＲ１、ＶＩＳ、ＮＩＲ２、カラー、オーバーレイ１、オーバーレイ２を例示する。特に、図８Ａは、蛍光イメージングのための近赤外チャネル１（＞８１５ｎｍ）を使用して取得された画像（Ｉｍｇ_ＮＩＲ１）を例示し、図８Ｂは、反射イメージングのための可視チャネル（＜７００ｎｍ）を使用して取得された画像（Ｉｍｇ_ＶＩＳ）であり、図８Ｃは、反射イメージング、レーザスペックルイメージング、レーザドップラーイメージングのための近赤外チャネル２（７００ｎｍ～８１５ｎｍ）を使用して取得された画像（Ｉｍｇ_ＮＩＲ２）である。

[00055] これらの画像は、図８Ｄ～図８Ｅに関して説明するように、リアルタイムで解析され、表示され、保存され得る（マルチスペクトルオーバーレイ画像）。図８Ｄは、解剖学的イメージングのためのカラービューを例示する（グレースケールで示す）。図８Ｅは、可視画像上の蛍光画像オーバーレイ（カラーマップ１：青→緑→黄→赤カラースキーム）を例示し（グレースケールで示す）、図８Ｆは、可視画像上の蛍光画像オーバーレイ（カラーマップ２：緑強度カラースキーム）を例示する。

[00056] オーバーレイを次のように定義することができる。背景レイヤ：Ｉｍｇ_ＶＩＳ（ｉ，ｊ）は、輝度、コントラスト、及びガンマ値を調整した可視画像である。前景レイヤ：ＲＧＢ_ＩＣＧ（ｉ，ｊ）は、既定のカラーマップに基づいて赤緑青（ＲＧＢ）カラースキームに変換されるＩＣＧ画像（Ｉｍｇ_ＮＩＲ１）であり、ここにおいて、透過度係数（transparency factor）（Ｔ（ｉ，ｊ））を、以下のように定義する。

ここで、ｘは、０～１の正規化パラメータであり、ｉ及びｊは、水平及び垂直画素のインデックスを表す。

[00057] 図９Ａ～図９Ｆは、本発明の概念のいくつかの実施形態による、室内灯（周囲光）をオフにしたインビトロイメージング（ブタ組織）の画像であり、具体的には、それぞれ、ＮＩＲ１、ＶＩＳ、ＮＩＲ２、カラー、オーバーレイ１、及びオーバーレイ２である。ここでも、両方のイメージングモダリティ（レーザスペックル及びＮＩＲＦ）についてこれらの点を同時に効果的に例示するために、エクスビボ・インビトロイメージングを使用している。図８Ａ～図８Ｆ（室内灯オン）と図９Ａ～図９Ｆ（室内灯オフ）を比較すると、本発明の概念の実施形態による方法及びシステムは、明らかに、周囲光ノイズが低減された画像及び強調されたＩＣＧ蛍光信号を提供する。

[00058] 図８Ａ～図９Ｆを要約すると、図９Ａ～図９Ｆには、本発明の概念のいくつかの実施形態による本明細書で説明する方法に基づいて周囲光を除去した後の画像が示されていることから、図８Ａ～図８Ｆ及び図９Ａ～図９Ｆは、実質的に同様に見える。最終的に、目標は、最終画像を同じにすることである（周囲光なし対周囲光除去後）。図示していないが、原画像は、除去前は異なる。

[00059] 上述したように、本発明の概念のいくつかの実施形態は、画像を処理して新しい画像を計算する。これらの実施形態は一般に、データプロセッサを使用する。次に図１０を参照して、本発明の概念のいくつかの実施形態による使用に好適なデータ処理システム１０００の例示的な実施形態について説明する。例えば、データ処理システム１０００は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、システムのいずれの場所にも提供され得る。図１０に例示するように、データ処理システム１０００は、例えば、ディスプレイ、キーボード、キーパッド、又はタッチパッド等のユーザインターフェース１０４４と、Ｉ／Ｏデータポート１０４６と、プロセッサ１０３８と通信するメモリ１０３６とを含む。Ｉ／Ｏデータポート１０４６は、データ処理システム１０００と別のコンピュータシステム又はネットワークとの間で情報を転送するために使用することができる。これらの構成要素は、多くの従来のデータ処理システムで使用されるものなど従来の構成要素であり得、これらは、本明細書で説明するように動作するように構成され得る。このデータ処理システム１０００は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、任意のタイプのコンピューティングデバイスに含まれ得る。

[00060] 例示的な実施形態について、方法、デバイス、システム、及び／又はコンピュータプログラム製品のブロック図及び／又はフローチャート図を参照して上述した。ブロック図及び／又はフローチャート図のブロック、並びにブロック図及び／又はフローチャート図中のブロックの組合せが、コンピュータプログラム命令によって実施され得ることを理解されたい。これらのコンピュータプログラム命令が、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、及び／又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供されてマシンを生み出し得、その結果、コンピュータ及び／又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令は、ブロック図及び／又は単数又は複数のフローチャートブロックにおいて指定された機能／動作を実施するための手段（機能性）及び／又は構造をもたらす。

[00061] これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置に特定の様式で機能するように指示することができるコンピュータ可読メモリに記憶され得、その結果、コンピュータ可読メモリに記憶された命令は、ブロック図及び／又は単数又は複数のフローチャートブロックにおいて指定された機能／動作を実施する命令を含む製造品を生み出す。

[00062] コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置上にロードされて、一連の動作ステップをコンピュータ又は他のプログラマブル装置上で実行させてコンピュータ実施プロセスを生み出し得、その結果、コンピュータ又は他のプログラマブル装置上で実行される命令は、ブロック図及び／又は単数又は複数のフローチャートブロックにおいて指定された機能／動作を実施するためのステップを提供する。

[00063] したがって、例示的な実施形態は、ハードウェア及び／又はソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）において実施され得る。更に、例示的な実施形態は、命令実行システムによる使用又はそれに関連する使用のために媒体内に具現化されたコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態をとり得る。本文書の文脈において、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体とは、命令実行システム、装置、又はデバイスによる使用又はそれらと接続した使用のためにプログラムを含む、格納する、通信する、伝搬する、又は転送することができる任意の媒体であり得る。

[00064] コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体は、例えば、ただし限定はしないが、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、又は半導体のシステム、装置、デバイス、又は伝搬媒体であり得る。コンピュータ可読媒体のより具体的な例（非包括的リスト）が、１つ又は複数の電線を有する電気的接続、携帯型コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、及び携帯型コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）を含む。プログラムは、例えば、紙又は別の媒体の光学走査を介して電子的に捕捉され、次いで、コンパイルされ、解釈され、又はそうでなければ、必要に応じて、好適な様式で処理され、次いで、コンピュータメモリに記憶されることができるので、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読媒体は、プログラムが印刷される紙又は他の好適な媒体でさえあり得ることに留意されたい。

[00065] 本明細書で説明するデータ処理システムの動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、開発の便宜のために、Ｊａｖａ（登録商標）、ＡＪＡＸ（非同期ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標））、Ｃ、及び／又はＣ＋＋などの高水準プログラミング言語で書かれ得る。更に、例示的な実施形態の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、限定はしないが、解釈言語などの他のプログラミング言語で書かれてもよい。いくつかのモジュール又はルーチンは、性能及び／又はメモリ使用量を向上させるために、アセンブリ言語又はマイクロコードでも書かれ得る。しかしながら、実施形態は、特定のプログラミング言語に限定されない。プログラムモジュールのいずれか又はすべての機能性がまた、個別のハードウェア構成要素、１つ又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又はプログラムデジタルシグナルプロセッサ、プログラム論理コントローラ（ＰＬＣ）、マイクロコントローラ、若しくはグラフィックス処理ユニットを使用して実施され得ることが更に理解されよう。

[00066] いくつかの代替実装形態では、ブロック中に示された機能／動作は、フローチャート中に示された順序から外れて行われ得ることにも留意されたい。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、又はブロックは、関連する機能／動作に依存して、逆の順序で実行されるときもあり得る。更に、フローチャート及び／又はブロック図の所与のブロックの機能は、複数のブロックに分離されてもよいし、及び／又はフローチャート及び／又はブロック図の２つ以上のブロックの機能は、少なくとも部分的に統合されてもよい。

[00067] 図面及び明細書では、本発明の概念の例示的な実施形態が開示されている。特定の用語が用いられるが、それらは一般的及び記述的な意味でのみ使用されており、限定することを目的としておらず、本発明の概念の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (20)

1. 対象の画像を得るためのシステムであって、
   ２つ以上の異なる波長を使用して対象を照明するように構成された少なくとも１つの多波長照明モジュールと、ここで、前記２つ以上の異なる波長の各々は、異なる深さで前記対象に浸透し、
   対応する異なるチャネル上で前記対象を照明する前記２つ以上の異なる波長を検出し、前記対象を照明する前記検出された２つ以上の異なる波長に基づいて前記対象の対応する画像を取得するように構成された多波長カメラと、
   前記少なくとも１つの多波長照明モジュールによる前記対象の照明と前記多波長カメラによる前記２つ以上の異なる波長の検出を同期させるように構成された制御モジュールと、
   前記２つ以上の異なる波長の各々に関連付けられた前記対象の前記取得された画像を受信し、前記取得された画像を解析して解析結果を提供するように構成された解析モジュールと、
   前記解析結果を受信し、前記解析結果に基づいて前記取得された画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供するように構成された画像可視化モジュールと、
   を備え、前記最終的な改善画像は、周囲光ノイズが低減されている、システム。
2. 前記画像可視化モジュールは、マルチスペクトル画像合成、画像強調、コントラスト及び輝度調整、並びにオーバーレイ手順を実行することによって前記画像を修正して前記最終的な改善画像をリアルタイムで提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. マルチスペクトル画像合成は、蛍光イメージング技法で生成された画像と、レーザスペックルイメージング技法、レーザドップラーイメージング技法、反射イメージング技法、及び組織酸素関連イメージング技法のうちの１つを使用して生成された画像の合成を備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記解析モジュールは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させ、周囲光背景を除去し、複数の異なるチャネルからの画像をリンクさせ、特定の検出深さで前記取得された画像に関連する情報を取得することによって、前記取得された画像を解析するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記取得された画像は、蛍光イメージング技法を用いて得られる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記対象は、蛍光色素ファントム、インビトロ及びインビボ組織、並びに蛍光色素で標識した器官のうちの１つを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記画像可視化モジュールは、周囲光ノイズが低減された最終的な改善画像、特定の検出深さ、及び異なる多波長イメージング技法を使用して得られた異なる多波長画像の合成を提供するように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
8. 少なくとも１つの多波長照明モジュールは、
   単一の照明パルス列を使用してオン及びオフパターンで前記対象を繰り返し照明することと、
   複数の照明制御パルス列を使用してオン及びオフパターンで異なる波長で前記対象を繰り返し照明することと
   のうちの１つを行うように構成されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記多波長カメラは、照明が存在するときに原画像（Ｉｍｇ_ｓｎ）を捕捉し、照明がオフであるときに背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）を捕捉するように更に構成されており、ここで、前記捕捉された原画像は、照明光及び周囲ノイズ光を含み、前記捕捉された背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）は周囲光ノイズを含み、
   前記画像可視化モジュールは、次式のように、前記周囲光ノイズを含まない画像（図３ＣのＩｍｇ_ｓ）を計算するように構成されており、
   Ｉｍｇ_ｓ＝Ｉｍｇ_ｓｎ－ｋ×Ｉｍｇ_ｎ
   ここで、Ｉｍｇ_ｓｎは原画像であり、Ｉｍｇ_ｎは背景画像であり、ｋは露光時間Ｔ_１及びＴ_２の関数である、
   請求項１に記載のシステム。
10. 対象の画像を得るための方法であって、
    ２つ以上の異なる波長を使用して対象を照明することと、ここで、前記２つ以上の異なる波長の各々は、異なる深さで前記対象に浸透し、
    対応する異なるチャネル上で前記対象を照明する前記２つ以上の異なる波長を検出することと、
    前記対象を照明する前記検出された２つ以上の異なる波長に基づいて、前記対象の対応する画像を取得することと、
    少なくとも１つの多波長照明モジュールによる前記対象の照明とカメラによる前記２つ以上の異なる波長の検出を同期させることと、
    前記２つ以上の異なる波長の各々に関連付けられた前記対象の取得された画像を受信し、前記取得された画像を解析して解析結果を提供することと、
    前記解析結果を受信し、前記解析結果に基づいて前記取得された画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供することと、
    を備え、前記最終的な改善画像は、周囲光ノイズが低減されており、
    前記照明すること、検出すること、取得すること、同期させること、受信すること、解析すること、受信すること、及び修正することのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのプロセッサによって実行される、方法。
11. マルチスペクトル画像合成、画像強調、コントラスト及び輝度調整、並びにオーバーレイ手順を実行することによって前記画像を修正して前記最終的な改善画像をリアルタイムで提供することを更に備える、請求項１０に記載の方法。
12. マルチスペクトル画像を合成することは、蛍光イメージング技法で生成された画像を、レーザスペックルイメージング技法、レーザドップラーイメージング技法、反射イメージング技法、及び組織酸素関連イメージング技法のうちの１つを使用して生成された画像と合成することを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させ、周囲光背景を除去し、複数の異なるチャネルからの画像をリンクさせ、特定の検出深さで前記取得された画像に関連する情報を取得することによって、前記取得された画像を解析することを更に備える、請求項１０に記載の方法。
14. 画像を取得することは、蛍光イメージング技法を使用して画像を取得することを備える、請求項１０に記載の方法。
15. 前記対象は、蛍光色素ファントム、インビトロ及びインビボ組織、並びに蛍光色素で標識した器官のうちの１つを備える、請求項１０に記載の方法。
16. 周囲光ノイズが低減された最終的な改善画像、特定の検出深さ、及び異なる多波長イメージング技法を使用して得られた異なる多波長画像の合成を提供することを更に備える、請求項１０に記載の方法。
17. 単一の照明パルス列を使用してオン及びオフパターンで前記対象を繰り返し照明することと、
    複数の照明制御パルス列を使用してオン及びオフパターンで異なる波長で前記対象を繰り返し照明することと
    のうちの１つを更に備える、請求項１０に記載の方法。
18. 照明が存在するときに原画像（Ｉｍｇ_ｓｎ）を捕捉することと、ここで、前記捕捉された原画像は、照明光及び周囲ノイズ光を含み、
    照明がオフであるときに背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）を捕捉することと、ここで、前記捕捉された背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）は、周囲光ノイズを含み、
    次式のように、前記周囲光ノイズを含まない画像（図３ＣのＩｍｇ_ｓ）を計算することと、
    Ｉｍｇ_ｓ＝Ｉｍｇ_ｓｎ－ｋ×Ｉｍｇ_ｎ
    を更に備え、
    ここで、Ｉｍｇ_ｓｎは原画像であり、Ｉｍｇ_ｎは背景画像であり、ｋは露光時間Ｔ_１及びＴ_２の関数である、請求項１０に記載の方法。
19. 対象の画像を得るためのコンピュータプログラム製品であって、
    コンピュータ可読プログラムコードが具現化された非一時的コンピュータ可読記憶媒体を備え、前記コンピュータ可読プログラムコードは、
    ２つ以上の異なる波長を使用して対象を照明するためのコンピュータ可読プログラムコードと、ここで、前記２つ以上の異なる波長の各々は、異なる深さで前記対象に浸透し、
    対応する異なるチャネル上で前記対象を照明する前記２つ以上の異なる波長を検出するためのコンピュータ可読プログラムコードと、
    前記対象を照明する前記検出された２つ以上の異なる波長に基づいて、前記対象の対応する画像を取得するためのコンピュータ可読プログラムコードと、
    少なくとも１つの多波長照明モジュールによる前記対象の照明とカメラによる前記２つ以上の異なる波長の検出を同期させるためのコンピュータ可読プログラムコードと、
    前記２つ以上の異なる波長の各々に関連付けられた前記対象の前記取得された画像を受信し、前記取得された画像を解析して解析結果を提供するためのコンピュータ可読プログラムコードと、
    前記解析結果を受信し、前記解析結果に基づいて前記取得された画像を修正して最終的な改善画像をリアルタイムで提供するためのコンピュータ可読プログラムコードと
    を備え、前記最終的な改善画像は、周囲光ノイズが低減されている、コンピュータプログラム製品。
20. 照明が存在するときに原画像（Ｉｍｇ_ｓｎ）を捕捉するためのコンピュータ可読プログラムコードと、ここで、前記捕捉された原画像は、照明光及び周囲ノイズ光を含み、
    照明がオフであるときに背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）を捕捉するためのコンピュータ可読プログラムコードと、ここで、前記捕捉された背景画像（Ｉｍｇ_ｎ）は、周囲光ノイズを含み、
    次式のように、前記周囲光ノイズを含まない画像（図３ＣのＩｍｇ_ｓ）を計算するためのコンピュータ可読プログラムコードと、
    Ｉｍｇ_ｓ＝Ｉｍｇ_ｓｎ－ｋ×Ｉｍｇ_ｎ
    を更に備え、
    ここで、Ｉｍｇ_ｓｎは原画像であり、Ｉｍｇ_ｎは背景画像であり、ｋは露光時間Ｔ_１及びＴ_２の関数である、請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。

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