JP3187416B2 - 蛍光により組織特性を測定する装置 - Google Patents

蛍光により組織特性を測定する装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は誘導蛍光による組織の特性の測定方法およ
び装置に関する。
例えば動脈のような血管に光ファイバーを導入し、レ
ーザー光で照射し、誘導蛍光を感知することは、本願に
引用例として挙げる例えば米国特許第4,682,594号と第
4,785,806号から公知である。またアテローム性動脈硬
化症のプラークを検出することも可能であり、同じ光フ
ァイバーを通じて強力レーザーエネルギーを照射するこ
とによってそのプラークを破壊して除くことができる。
上記の特許は、ビームスプリッター、結合手段およびレ
ーザー装置を含む励起、スペクトル分析および強力照射
のための手段を開示している。
ヨーロッパ特許公報第85905342.3号には、励起波長光
で照射された試料が、ビームスプリット装置を通じて複
数の像に影像化される影像化蛍光検出器が記載されてい
るが、その像は、フィルターされ、次いでマトリックス
検出器（CCD検出器）をヒットする。各像については、
一組の対応する画素強度値が得られ、これら数値は演算
処理されて、組合わせ画素値が得られる。この組合わせ
画素値は、改善したコントラストの像を作るのに用いら
れる。
組織を蛍光によって検査するために、異なる組織の蛍
光挙動が利用される。いくつかの場合、ヘマトポルフィ
リン誘導体のような物質を投与することによってコント
ラストを強くすることができる。この場合の欠点は、患
者が長期間にわたって太陽光に対して過敏になることで
ある。したがってこの発明の目的は、必要な投与量を減
らすために検出コントラストを増大することである。
この発明の一般目的は、蛍光検出時に最大のコントラ
ストが得られるようにすることである。
またこの発明の目的は、例えばアテローム性動脈硬化
症のプラークと種々の悪性腫瘍を検出するために、組織
の種々の状態や変化を生体内で診断する場合の認識可能
性を改善するにある。さらに他の目的は、治療前、治療
中および治療後の可能性が改善された検査によって、照
射によって組織を除去もしくは破壊する際の治療の可能
性を改善することである。さらに他の目的は、無傷のま
まで残すべき組織が破壊されるのを回避できるようにす
ることである。
この発明の特別の目的は血液の存在下でも検出ができ
るようにすることである。吸収剤として存在する血液
は、蛍光照射の差動吸収剤として作用し、得られるコン
トラストを破壊して診断情報をひどくひずませる。この
発明によれば、この妨害因子の影響を実質的に除去する
ことができる。
この発明の重要な態様によれば、この発明の目的は、
蛍光励起を行うためのレーザー光源手段、光検出器、光
ファイバーのごとき光導体、レーザー光を光導体の一端
に入れ、光をそれから取出して検出器に導入する連結手
段、および検出器に連結された組織測定手段を組合わせ
て、複数のスペクトルインターバルチャネルで蛍光を検
査しそのチャネルを比較できるようにすることによって
達成することができる。この組合わせは、同じ光ファイ
バーを通じてハイパワーで照射する手段、例えば破壊と
除去を連続的な認識段階で組合わせることができてその
除去を制御することができる手段で適切に完成すること
ができる。レーザーのエネルギーを適宜調節することが
できれば、同じレーザーを、組織測定と、ハイパワーに
よる照射との両方に利用できる。
この発明の他の態様によれば、そのシステムを影像シ
ステムに拡大することが可能で、その結果、多重画素シ
ステムは二次元影像化が可能になり、各画素について４
つの信号が複数のスペクトル蛍光インターバルに対して
得られる。
本出願において、スペクトル蛍光インターバルとは、
波長のインターバルと、時間のインターバルの両者から
なることを意味する。後者の場合、蛍光を誘発する放射
線が、短いパルスの形態を持っているか、または非常に
短い時間インターバルで停止しうる少なくとも１つのイ
ラディエーションをもっている。蛍光放射線が減少する
時の分布の検出を行うことができ、この減少は、励起状
態の異なる寿命によって起こり、その寿命は、異なる種
類の組織に対して適正な各種の物質について特徴的なも
のである。
この発明の特徴は、強度値について演算操作を利用す
ることであり、その演算は割り算で構成されている。強
度の次元を有する２つの値を割り算することによって、
強度、距離、角、および他の方法では結果を誤り伝える
他の変数の変動について大部分を補償する。正規化され
た値かまたは無次元値を得ることができる。
時間のインターバルを用いる時は、パルスレーザー、
または高速カットオフを有する少なくとも１つのレーザ
ーを利用するのが好ましい。時間インターバル窓を使わ
ずに検出する場合には連続レーザーを使用するが、その
場合、スペクトル分解能の欠陥のためにスプーリアス放
射線の除去を単純化するためにパルスレーザーを使うこ
とは興味深いことである。
この発明を、実施例と、図に示す態様を参照して説明
する。
第１図ａと第１図ｂは、蛍光放射線の機構を示す。
第２図は、いくつかの腫瘍のマーキング剤に対する波
長スペクトルを示す。
第３図は、癌組織と健康な組織間の波長蛍光スペクト
ルの差を示す。
第４図は、プラークを有する血管とプラークなしの血
管の波長蛍光スペクトルの差を示す。
第５図は、正常血管とプラークを有する血管に対し選
択され波長に対する時間スペクトルの差を示す。
第６図は、プラークと健康な血管に対して等しい波長
光を照射した時の時間スペクトル信号を割り算した結果
を示す。
第７図は、時間スペクトル分析ありおよびなしの場合
の２つの波長についての割り算の結果を示す。
第８図は、血液の吸収スペクトルを示す。
第９図は、正常血管（０）と、４種の次第に損傷の度
合いが増大しているアテローム性動脈硬化症の血管（Ｉ
−IV）とを区別する際の各種波長の選択の効力を示す。
第10図は、選択された波長に対する時間スペクトルに
おける分離の可能性を示す。
第11図は、選択された波長について、時間的分析法
（後期蛍光と初期蛍光間の比率）を用いた時に血液によ
る妨害がなくなったことを示す。
第12図は、この発明の影像化の態様を示す。
第13〜15図は、癌の影像化検出法を示す。
第16図は、正常組織と悪性腫瘍組織における異なる時
間的スペクトルの挙動を示す。
第１図ａは、大きな分子中での蛍光の機構を図式的に
示す。照射された試料は放射線を吸収し、各種のレベル
が励起される。この状態のいくつかが、ほぼ前の状態に
戻る（弾性散乱）が、いくつかは内部転換、衝突および
その外の損失機構で失われる。しかしいくつかは蛍光放
射線を発する。これは、状態の分布によって、第１図ａ
下部の図式的強度スペクトルに見られるように広い波長
分布を与える。
ヘマトポルフィリン誘導体のようないくつかの有用な
腫瘍指標剤は、特に405nmまわりのソレットバンド（Sor
et band）で励起されると第１図ｂのようなより明確な
構造を有する蛍光スペクトルを与える。この蛍光スペク
トルは、約630nmと690nmに代表的なピークを示し、実際
には、明確でない組織の自己蛍光に重なっている。この
ような薬剤には外にも公知の例がある。第２図は、DHE
（ジヘマトポルフィリンエーテル／エステル）、HP（ヘ
マトポルフィリン）、PHE（ポリヘマトポルフィリンエ
ステル）およびTSPC（テトラスルホン化フタロシアニ
ン）に337nm（N2レーザー）を照射した時の蛍光スペク
トルを示す。
異なる組織の波長スペクトルにおける差を示す他の例
を第３図に示す。第３図では、扁桃腺癌のスペクトル
が、内在性ポルフィリン類のために、正常な粘膜のスペ
クトルとは明らかに異なっている。
実施例Ｉ モード同期アルゴンイオンレーザー（Coherent Radia
ti on CR−12）を、キャビティダンパー（Cavity dumpe
r）を有するCoherent Radiation色素レーザーを同時に
ポンプするのに用いた。この色素レーザーは、約3MHzの
繰返し率で、640nmに6ps長のパルスを提供した。その平
均パワーは約10mWであった。レッドパルスが、約0.5％
の周波数ダブリングの効率で、KD＊Ｐ結晶中、320nmに
周波数ダブリングを行った。蛍光光線は、干渉フィルタ
とともに0.5mの分光計で選択された波長を有し、マイク
ロチャネルプレートの光電子像倍管（Hamamatsu1564U）
で検出された。電子機器は、開始パルスチャネルと適切
な心臓増幅器を備え、一定フラクションの弁別器と時間
−振幅変換器を使用した。時間ヒストグラムを多重チャ
ネルアナライザ内に設置し、データ分析をIBM−コンパ
チブルパーソナルコンピュータのプログラムパッケージ
で実施した。この装置の時間応答関数は散乱光で測定し
FWHM＝2500psであることが分かった。この値は、蛍光信
号のコンピュータによるデコンボリューション（deconv
olution）処理に用いた。
データは、正常な血管壁から始まりアテローム性動脈
硬化症のプラーク領域を通過させる操作によって記録し
た。試料を、マイクロメーターで制御されたスレッジ上
にのせて移動させ、異なる蛍光波長で時間分解記録走査
で試料を再現可能な位置ぎめを行った。一般に崩壊曲線
は２分間、約1000Hzのカウントレートで記録した。正常
な血管壁のプラークの代表的な時間積分蛍光構造を第４
図に示す。
400nmにおける試料蛍光の時間分割記録をプラークと
正常組織壁について第５図に示す。時間的挙動の明らか
な差異を観察できる。約8ns、2nsおよび200psより短い
３つの異なる寿命がプラークと正常血管の両者に見られ
る。
プラーク、石灰化プラークおよび正常血管壁から得た
データを第６図に示す。モノクロメータを、２つの特徴
的な波長に相当する400nmと480nmに設定した。400nmと4
80nmにおける蛍光強度をそれぞれａおよびｃで表わす。
5ns〜15nsで積分された信号を崩壊の最初の5nsから得た
信号で割り算する。速い崩壊に対しては、この比率は数
値が明らかに低いが、一方高い比率は遅い崩壊を示す。
ａ−信号を測定した時1.6:1のプラークデマーケーショ
ン比が得られ、Ｃ−信号を測定した時のプラークデマー
ケーション比の方が低い。この特徴は、適切なデマーケ
ーション、の基準に含めることができる。この時間挙動
を、時間積分量の代わりに無次元デマーケーション関数
ａ（５−15ns）/C（０−5ns）を形成するのに用いる場
合は、1.6のデマーケーションが改善される。プラーク
領域のスキャンは、時間積分と時間分解のデマーケーシ
ョン基準について第７図に示したが、2.8〜4.5のデマー
ケーションの改善を示している。
この実施例は、組織の差の分解能を高めるために、蛍
光検出の２次元（波長と時間）の分解値を示している。
第８図は、20％濃度の食塩水で希釈した動脈血（上
図）と静脈血（下図）の0.2mm厚層を通過した透過スペ
クトルを示す。生体内の試験では常に存在するかような
吸収物を通過する蛍光スペクトル写真を作製する場合
（一時的に他の液体で置換されるときを除く）、大きな
困難が生じる。それ故この発明のひとつの態様では、試
料の検出に用いる、同じ吸収因子を有する少なくとも一
対の異なる波長が選択される。図面には２対の波長を示
してある。
実施例II ５クラスの病理学的に確認されたプラークの試料（０
印：正常な動脈壁、Ｉ〜IV:番号順に進行した症状のも
の）を、異なる波長の蛍光について測定した。その強度
を各波長対毎に分けて第９図に示した。相関度が波長の
選択によって著しく変動することが第９図から明らかで
ある。F1〜F4は血液の再吸収に影響を受けているが、F5
とF6は受けていない。F5とF6は、これらの組織の種類間
に真のスペクトル差があり、血液の変動がないことを示
している。相対不確定性（１標準偏差で示す）が、血液
の補償された対のF5とF6については小さい。
実施例III 蛍光は、寿命が充分長いので400nmにおいて“初期”
と“後期”の蛍光を識別するのに二重チャネルボックス
カー積分器（Stanford Instruments社SR250型）と連結
して短パルス窒素レーザー（PRA LN250型、Δtp＝3n
s）を用いることができた。励起は337nmで行った。Hama
matsu R105型の光電子増倍器を用いた。１つの検出チャ
ネルを０〜5nsに時間を合わせた。一方第２の検出チャ
ネルは、第10図に示すように５〜15nsをカバーした。第
10図には、このピコ秒システムで得た崩壊曲線を挿入し
てある。ボックスカーシステムでは、“後期”と“初
期”の蛍光の比率（無次元量の全ての特徴を有する）が
形成され、ストリップチャート記録計に表示される。第
10図には、図式的に示した光ファイバーのプローブが、
プラーク領域を示す動脈試料を点から点へと移動する時
の信号を示す。図から分かるように、プラークの基準が
満たされ、プラークの切除レーザーに対するステアリン
グ信号を提供できるしきい値を確立できる。
第10図のデータは、血液を洗い落してアテローム性動
脈硬化領域と正常壁部分を明確に眼で検査できるように
した試料から得た。血液領域を通じての記録を取った２
つの選択された代表的なスポットで第２の試験を行っ
た。得られた結果を第11図に示す。やはり後期／初期蛍
光比を記録した。図から分かるようにその比は一定のま
まであり、0.3mmの血液層厚（60μｍの未稀釈血液）ま
で互いに分離している。厚い方の層については、個々の
信号が非常に小さいので有用なSN比は得られなかった。
第11図の右の部分に、血液なしの正常血管壁の個々のボ
ックスカー信号を示した。400nmでのこれらの信号は、
未稀釈血液の層の厚みが数拾マイクロメーターより大き
いと、非常に弱くなるということは第８図から明らかで
ある。したがってこの光診断法は、試料に密接したファ
イバーによらねばならないか、または観察領域は閉塞さ
れた末梢動脈においては塩水でフラッシュしなければな
らない。両方の場合、診断システムは、信号が低すぎる
時でも明確に示さねばならない。他方では、上記原理で
作製されたシステムは、ファイバーの先端を動脈壁の充
分近くにもっていきシステムをそれ自体データ記録モー
ドにスイッチが入ると、血液には無関係の信頼性のある
案内が得られる。
上記の実施例は、複数のスペクトル蛍光インターバ
ル、すなわち（１）ゼロ差吸収波長対および／または
（２）２つの時間スペクトルインターバルを用いること
によって、血液が存在していても動脈の信頼性のある診
断が可能なことを示している。
この発明を、空間については単一チャネルの態様で、
すなわち１画素の態様で説明した。しかし同じ原理は、
空間分解のための多重画素の態様にも用いることができ
る。
実験IV 第12図は、ヨーロッパ特許公告第85905342.3号に記載
され公知の装置の概略図を示す。オブジェクトプレーン
１内の試料をパルス紫外線光源２から照射される。試料
をミラー３によって像をつくる。このミラーは、異なる
角度方向に分割されているが、これによって、４つの別
個の像6A〜6Dを、カセグレンミラー４で反射させた後、
計算機７に連結されたイメージ増倍CCDカメラに作る。
ミラー３の各セグメントへの放射線は、４つのフィルタ
ー5A〜5Dを通じて導入される。それ故に像6A〜6Dは４つ
の異なる波長バンドの像を示す。検出器は、最新のマイ
クロチャネルプレートイメージ増倍管である。この増倍
管は少なくとも5nsまでゲートで制御できる。
第13〜15図に、ラットの悪性腫瘍についての実施例の
結果を示す。第13図は、波長470、600、630および690nm
における４つの“単色”像を示す。これらの波長の有意
性は、この種の腫瘍からの蛍光に関する第15図のスペク
トルから明らかである。モニター（図示せず）上の偽カ
ラー像には４色がついた。その像が見えるようにスケッ
チで第14図に示した。影像領域の実際の大きさは10mmで
あった。
この実施例では、デリーデルティ（Delli−Delti）イ
メージ増倍CCDカメラシステムと、データ翻訳DT7020型
ベクタープロセッサ付きIBM互換性計算機を用いた。
腫瘍性組織の630nm蛍光バンド（ポルフィリンによ
る）は、第16図に示すように同じ波長のバックグランド
の蛍光よりもはるかに寿命が長いことが実験によって観
察された。プラークと正常血管の時間的差異について
は、第５図と第10図によってすでに考察した。すでに述
べたカメラの増倍管のゲート設備を用い、“後期”蛍光
像を“初期”蛍光像で割り算することによって、影像設
備の検出効率をさらに増大さすことができることは明ら
かである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ａ６１Ｂ 10/00 Ａ６１Ｂ 10/00 Ｅ Ｔ (72)発明者 ステンラム，ウネ スウェーデン，エス‐223 65 ルンド, フアキレンス ヴアグ 24 (72)発明者 スヴアンベルグ，カタリナ スウェーデン，エス‐225 25 ルンド, オストゴタヴアゲン 12 (72)発明者 スヴアンベルグ，スネ スウェーデン，エス‐225 25 ルンド, オストゴタヴアゲン 12 (56)参考文献 特開 昭62−247232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−257638（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−38346（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−266942（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11135（ＪＰ，Ａ) 特表 昭62−500803（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/64 - 21/65 A61B 1/00 A61B 5/00 A61B 10/00 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】蛍光により組織特性を測定する装置であっ
    て、 レーザー照射源と、 複数の強度値を得るために、該照射源により照射された
    試料からの蛍光光を、複数の予め決められたスペクトル
    蛍光インターバルで検出する手段であって、ここで、該
    予め決められたスペクトルインターバルの少なくとも２
    つは、血液中で等しい吸収値を有する一対の波長値にそ
    の波長の中心を置く、手段と、 該複数の強度値について操作を行うための演算および／
    または論理手段であって、ここで、該操作は、該試料の
    該組織特性に特徴的な数値を得るための少なくとも１つ
    の割り算操作を含む、手段と、 を備える、装置。
  2. 【請求項２】前記複数のスペクトルインターバルについ
    ての検出器波長インターバルを予め決定するためのスペ
    クトル分解手段を備える、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記レーザー照射源が、パルス照射源であ
    り、そして該照射源からのパルスに対して予め決められ
    た関係で開始しそして終了する蛍光の時間スペクトルイ
    ンターバルを予め決定するための、時間分解手段を備え
    る、請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】前記検出手段が、前記レーザー照射源によ
    って照射された試料中の多数の表面要素からの、前記複
    数のスペクトルインターバルについての蛍光強度の同時
    検出を行うためのマルチチャネル手段である、請求項１
    記載の装置。
JP50429390A 1989-02-22 1990-02-21 蛍光により組織特性を測定する装置 Expired - Lifetime JP3187416B2 (ja)

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