JP4709969B2 - マルチスペクトル符号化を用いた共焦点顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、１９９８年２月２６日付け出願の米国仮特許出願第６０／０７６，０４１号の優先権について請求するものである。
【０００２】
本発明は、生物組織の被検物の部分的な検査またはイメージングのための共焦点顕微鏡用のシステム（方法及び装置）に関するものであり、特に、マルチスペクトル照明とマルチスペクトルライトの処理を用いた同様のシステムに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
現在、高速走査共焦点顕微鏡の使用は、皮膚と眼の接触可能な表面に制限されている。その理由は、信頼性のある光学走査方法のみが自由空間において実施されるべきだからである。さらに、これらの光学スキャナのサイズのために、内視鏡やカテーテルのような小型プローブ内で使用することができないためである。本発明の特徴は、使用範囲を身体の表面全体、婦人科範囲、プローブベースの用途、内臓システムへと拡大するために、高速走査機構を小型化し、共焦点顕微鏡の医療用用途の数を増やしたことである。
【０００４】
共焦点顕微鏡で使用するためにマルチスペクトル光線が提案されたが、これは、検査中の身体の垂直方向に離間した範囲の画像化のみについてのものであった。１９９０年１０月２５日付けで出願されたＢ．Ｐｉｃａｒｄによる米国特許第４，９６５，４４１号を参照のこと。１９９６年１０月１５日に発行されたＡ．Ｋｎｕｔｔａｌによる米国特許第５，５６５，９８６号には、分光画像を得るために干渉計内で解像されるマルチスペクトル光線を得るべく回折格子を用いた干渉計が開示されている。また、１９９７年２月４日発行の、米国特許第５，６００，４８６号には、マルチスペクトル光線を得る色分離回折格子を備えたレンズが開示されている。このようなマルチスペクトルの提案は、コンパクトで柔軟なプローブを使用した解像度の高い画像化には効果的でない。
【０００５】
【発明の開示】
本発明による共焦点顕微鏡システムは、小型製造、およびコンパクトなプローブへの内蔵が可能である。さらに、単一光ファイバを介した光線伝搬を許容することにより、プローブをカテーテルや内視鏡内に容易に組み入れることもできる。従って、本発明による共焦点顕微鏡によって、身体の接触可能な全ての表面の画像化が可能になり、共焦点顕微鏡のバイオ医療用途を著しく拡大する。
【０００６】
簡単に言えば、本発明を具現化した共焦点顕微鏡システムは、プローブを、１次元に沿ってのびる共焦点スペクトルと共に挿入する身体の対象範囲を照射する。柔軟な光線誘導部材（光ファイバであってもよい）を取り付けることによって可能となった該プローブにおける光学系または該プローブの物理的動作により、１つまたは２つのさらなる次元に沿った該スペクトルの走査が可能になり、これにより、その範囲の２つまたは３つの次元における画像化を得ることができるようになる。反射された共焦点スペクトルは、好ましくは干渉計的に実現することができるヘテロダイン検波機構によって、分光的に検波または解読できる。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
次に、図面を参照すると、共焦点顕微鏡用のマルチスペクトル符号化は、広帯域光源１０を顕微鏡への入力として使用している。顕微鏡のプローブ８内では、光ファイバ９を介して提供された光源スペクトルが格子１２によって分散され、対物レンズ１４によってサンプル１６上へ集束される。レンズ９ａは、図１に示すように、光ファイバから光を照準するために光ファイバ９と格子１２の間に配置されていることが好ましいが、しかし、レンズ９ａを省いても構わない。各波長についてスポットが、サンプル上の個別の位置ｘで集束される（図１）。プローブ８から戻るサンプル１６から反射した共焦点スペクトルを測定することで、横方向位置の関数としての反射率が決定される。
【０００８】
解像されるべき波長または点の数は次の式によって求められる。
【０００９】
【数１】

ここで、λは中心波長、δλはスペクトルの帯域幅、Ｎはポリクロマティックな入力ビーム１０によって照射される格子１２内の線の数、ｍは回折次数である。光源の総帯域幅がΔλである場合、解像可能な点の数、ｎは次に式によって定義される。
【００１０】
【数２】

中心波長が８００ｎｍ、帯域幅が２５ｎｍ、入力スポット直径が５ｍｍ、回折格子が１８００本／ｍｍ、回折次数が１の入力光源の場合、スペクトル符号化された共焦点システムによってｎ＝２８１点を解像することができる（図２）。この例で用いたパラメータは、一般のあまり高価でない光コンポーネントでも使用されていることがある。点の数を増やすには、単純に入力スポット直径または光源の帯域幅を増せばよい。スポット直径が増すと、最終的なプローブ直径が増す。光源の帯域幅を増すには、より広い帯域幅スーパールミネセントダイオード、希土類ドープファイバスーパールミネセント光源、または固体モード同期レーザを使用する。
【００１１】
次に、マルチスペクトル処理について説明する。まず、直接スペクトル測定について考える。サンプルアーム１８から反射された共焦点スペクトルを測定することで、サンプル１６からの横位置の関数としての反射が求められる。このスペクトルの測定は、マイケルソン干渉計２０（図３）のサンプルアームにプローブ８を採用し、干渉計の出力ポート１９にある高解像スペクトロメータ２１介して伝達された光線を検出することで効率的に行うことができる。従って、測定された各々の波長は、サンプル上の個別の位置ｘに関連している（図３）。従来のリアルタイム共焦点顕微鏡と比べたこの方法の利点は、上述のパラメータについて、質の高いスペクトロメータの範囲に入るスペクトル解像約０．１ｎｍを有するスペクトロメータ２１によって、プローブ８の外部で高速な軸走査（〜１５ｋＨｚ）を実行することができる点である。
【００１２】
ヘテロダイン検出を用いることで高い感度を達成することができる。鏡２４を備えた変調器２３（図３）等によってリファレンスアーム２２を変調すると、サンプルアーム１８とリファレンスアーム２２からの光線の干渉も変調される。また、検出装置２６のリファレンスアーム変調周波数上のロックイン検出によって高い信号対雑音比を得ることができる。
【００１３】
スペクトルを測定するための別の方法には干渉またはフーリエ変換分光法がある。これは、リファレンスアーム２２内に直線移動する鏡２８を挿入し、サンプルとリファレンスアーム１８、２２の各々から反射された光の干渉による干渉スペクトロメータからの相互相関出力３０を測定することによって達成される（図４）。このタイプの分光検出の利点には、直接検出方法よりもより高度なスペクトル解像度、戻り光線の効率的な利用、移動鏡２８のドップラーシフトによるリファレンスアーム２２の固有変調、サンプル１６からの反射と位相データの両方を抽出する機能を達成できることが含まれる。サンプルからの位相データを抽出できることにより、サンプル被検物１６の反射性以外の画像コントラストの追加の光源を提供するのと同様に、サンプルの分子構造を明らかにするのに有益な、横位置、ｘの関数として屈折率を検出することが可能になる。最後に、干渉計検出は、コヒーレンス回折格子により共焦点信号から高次数の多重散乱を省略することの可能性を備えている。
【００１４】
次に、最終的な画像の形成について考える。横位置ｘのマルチスペクトル符号化により、１次元レーザ走査の実施が可能になる。画像を得るためには、一般に遅速な別の軸の走査を行う必要がある。このｙ軸の遅速走査には、光ファイバ９のｙ方向への移動（図５Ｂ）、または、光ファイバ軸周囲でのプローブ８全体の前進走査形態（図５Ｃ）またはサイドファイアリング形態（図５Ｄ）での回転が含まれる。光ファイバ９または対物レンズ１４をｚ軸に沿って走査することによって、断面画像を生成することができる（図６）。最後に、光ファイバ９（または、格子１２と対物レンズ１４の間の別のレンズ３２）を、対物レンズの画像平面に出したり入れたりして走査することでズームモードを作成することができる（図７）。ｙまたはｚ軸に沿った直線移動と、回転の両方とも、圧電性変換器を使用することで簡易プローブ内において容易に達成できる。図５Ａに示すように、スペクトロメータ（図３に関連して説明したもの等）またはフーリエ変換（図４に関連して説明したもの等）によって、分光検出装置３２から発信されたサンプルの極微部分の画像を表す信号がコンピュータ３４に受信され、この画像がコンピュータと接続しているディスプレイ上に表示される。
【００１５】
前述の説明から、本発明が（ａ）コンパクトで、光ファイバベースであり、柔軟カテーテルや内視鏡を介した共焦点顕微鏡検査の実施を可能にし；（ｂ）プローブ外部での高速走査を備え；（ｃ）位相情報の検索が可能であり；（ｄ）光源の帯域幅と、格子上のビーム直径とに比例する数々の解像可能な点を提供する共焦点顕微鏡システムを提供することが明白である。当業者には、ここで説明した本発明による共焦点顕微鏡システムの多様化および変更が思い浮かぶはずである。従って、前述の説明は、限定ではなく例証として考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 例証的な目的で特定の波長を示した、本発明によるスペクトル符号化された共焦点プローブの略線図であり、正確な数値はシステムの光学パラメータに依存する。
【図２】 本発明による直接スペクトル検出を用いて共焦点検出によって得たスペクトル符号化した光線のグラフであり、ここで、スペクトロメータ回折格子を回転させることによって異なる波長が検出される。
【図３】 被検物上の異なる横位置ｘからの反射率に関連したスペクトルＩ（λ）を測定するためのスペクトロメータを用いて本発明を具現化するシステムを示す略線図である。
【図４】 干渉分光を利用した、スペクトル符号化された共焦点検出を備えた本発明を具現化するシステムの略線図である。
【図５Ａ】 本発明のシステムにおける画像の構成を示す略線図である。
【図５Ｂ】 本発明のシステムにおける光ファイバのｙ方向への移動を示す略線図である。
【図５Ｃ】 本発明のシステムにおける光ファイバの前進ファイアリングモードにおける回転を示す略線図である。
【図５Ｄ】 本発明のシステムにおける光ファイバのサイドファイアリングモードにおける回転を示す略線図である。
【図６】 本発明を具現化するシステムを使用して、光ファイバまたは対物レンズをｚ軸に沿って走査することにより断面画像構成を示す略線図である。
【図７】 本発明を具現化するシステムを示す別の略線図であり、ここで、中間レンズの焦点を対物レンズの画像平面に出し入れして移動することにより光ズームが達成される。

Claims (20)

1. 必要な身体領域へ移動することが可能なプローブを備えた共焦点顕微鏡システムであって、前記プローブが、前記身体領域表面上の一つの次元に沿ってのびる光の共焦点スペクトルで照射する手段と、前記スペクトルを別の次元に沿って移動させ、前記光の反射された共焦点スペクトルを測定することにより被検物の前記領域の画像を得る手段とを有することを特徴とする共焦点顕微鏡システム。
2. 前記プローブが、柔軟で光を誘導する部材の端部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記部材が光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記プローブを前記別の次元において移動するために、前記ファイバが回転可能または移動可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記領域を照射する手段は、前記プローブを光学的または物理的に移動することにより、前記スペクトルを含む画像平面を移動させるように、前記スペクトルを調整するための手段を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記スペクトルを前記別の次元において走査するために、前記プローブを物理的に移動せしめるように構成し、前記プローブが、さらに別の方向における走査のために前記画像平面を光学的に移動する手段を有し、これにより３次元画像が得られることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記画像を得るための前記手段が、ヘテロダイン検波手段を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記ヘテロダイン検波手段が干渉計を有することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記干渉計が、末端部に前記プローブを備えたサンプルアームと、末端部に鏡を備えたリファレンスアームと、分光検出装置を備えた出力アームと、ポリクロマティック照明の光源を備えた入力アームと、光線を前記光源から前記サンプルとリファレンスアームへ導き、前記反射された共焦点スペクトルを含んだ干渉光を前記出力アームへと導くビームスプリッタとを有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記リファレンスアームが、前記反射されたスペクトルを変調するための手段を有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記変調するための手段が、前記鏡または変調器を往復振動するための手段を有することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記変調器または往復振動がある特定の周波数におけるものであり、前記検出装置をロックイン操作するための手段が前記周波数におけるものであることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記検出装置がスペクトロメータであることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
14. 前記検出装置が相互相関またはフーリエ変換スペクトロメータを有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
15. 前記プローブが、格子および対物レンズを有し、前記対物レンズは当該対物レンズの画像平面において前記共焦点スペクトルを提供することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
16. 前記プローブが、前記身体の内臓へ挿入することができる大きさであることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 組織を共焦点的に画像化するためのシステムであって、
    光線を生成するための光源と、
    前記光線の共焦点スペクトルを生成するための手段と、
    前記共焦点スペクトルを前記組織内に集束し、前記組織からの戻り光線を受け入れるための手段とを含み、前記共焦点スペクトルは、焦点平面に於ける前記組織の表面上の一つの次元に沿って伸びており、且つ、前記共焦点スペクトルは、別の次元に沿って移動する様に構成されており、
    前記組織を表す画像を提供するために前記戻り光線のスペクトルに沿って前記戻り光線を検出するための手段と、
    を有することを特徴とするシステム。
18. 前記組織に関連した少なくとも組織の表面上の一つの次元に沿って伸びる前記共焦点スペクトルを走査するための手段をさらに有し、前記一つの次元は、前記焦点平面と異なることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 少なくとも前記生成手段と前記集束および受けいれる手段が、体内への挿入が可能なプローブ内に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記光源から前記生成手段へ前記光線を供給し、前記集束および受け入れる手段からの前記戻り光線を前記検出手段へ供給する光ファイバをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。

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