JP6375297B2 - スペクトル照射デバイスおよび方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年８月７日の出願日を有する米国特許仮出願６１／７４２，３０３の利益および優先権を主張する、なお、その内容は、あたかもここに十分記載されているように、参照によりここに組み込まれている。
本開示は照射(illumination)およびオプティカルデバイス(optical devices)に関し、より具体的には、共通ガイド(common guide)に沿って複数の広帯域あるいは狭帯域の照射源(multiple broad or narrow band illumination sources)からの出力の相互調整(coalignment)を通し、多波長(multiple wavelengths)にわたって高出力照射(high-power illumination)を提供するように適合された装置(apparatus)に関する。本開示はまた、より高いパワーの出力を取得するために、実質上同じ波長プロフィールの複数の照射源を相互調整する(co-align)方法に関する。本開示はまた、画像化(imaging)で使用するために適切なハイパースペクトル照射源(hyperspectral illumination source)を提供するために、複数の照射源からの出力を組み合わせる方法に関係する。
背景
反射率(Reflectance)および蛍光画像(Fluorescence imaging)は、多数の医学および研究のアプリケーションにおいて使用される。ほんの一例として(By way of example only)、白色光内視鏡(White light endoscopy)（ＷＬＥ）は、結腸癌スクリーニング(colon cancer screening)の標準的アプローチである。しかしながら、従来のＷＬＥは、生来の組織対比(native tissue contrast)（反射率）に依存し、特異性(specificity)を欠く。自動蛍光画像（ＡＦＩ）および狭帯域画像（ＮＢＩ）が、結腸癌(cancers of the colon)を検出する能力を増加させるために、適用されてきている。これらのアプローチは、ある場合には、増加した感度および特異性を示してきた。しかしながら、様々な大規模な研究は、ＷＬＥについて無視できる程度の改良(negligible improvements)を示してきている。低い特異性は、大部分は、獲得された１つあるいは２つの波長域における不十分な情報に起因する。従って、ＡＦＩあるいはＮＢＩを使用して、健康な組織(tissue)から、自動蛍光の存在下で多くのバイオマーカ(biomarkers)に関連した蛍光における変化を検出することはとてもできない。
以前の研究は、腫瘍が、周囲の組織とは異なる反射率及び／又は蛍光を持っていることを実証し、このスペクトルをサンプリングすることが、増加した感度および特異性をもたらすことができることを実証している。しかしながら、今まで、マルチプルバイオマーカ(multiple biomarker)の反射率あるいは蛍光の実用的使用のための、広いスペクトル域にわたって複数の離散的な狭波長域(multiple, discrete narrow wavelength bands)に照射を提供する、適切なハイパースペクトルの照射デバイス(hyperspectral illumination dvice)はなかった。
簡潔に言えば(briefly)、蛍光は化学プロセスであって、この化学プロセスでは、励起として知られるプロセスにおいて、蛍光分子(fluorescent module)を照らした特定の波長の光が、電子を高エネルギー状態に励起させる。これらの電子は、低エネルギー状態に戻って低波長の光を放射する前に、この高エネルギー状態に少しの間、おおよそ１ナノセコンド、とどまる。このプロセスは、蛍光放射(fluorescent emission)、あるいは、蛍光(fluorescence)と呼ばれる。
典型的な蛍光画像アプリケーションにおいては、１つあるいは複数のタイプの蛍光物質あるいは蛍光分子（蛍光色素(fluorescent dyes)と呼ばれることもある）が、１つあるいは複数の励起波長(exciting wavelength, or wavelengths)を提供する発光体(illuminator)と共に使用される。異なる蛍光分子が、視覚的に異なる放射スペクトルを有するように選択されることができる。異なる蛍光分子は、一般的に異なる励起波長を有するので、１つの蛍光分子の励起光の帯域幅が画像化されている身体の中にある他の蛍光分子の励起波長とオーバーラップしない限り、それらは選択的に励起する。したがって、励起光は、理想的には、明確に定義された帯域幅(well defined bandwidths)を有するべきである。さらに、蛍光プロセスが発生する機会を増加させるように、強い光を使用することが望ましいことが有り得る。
従来の蛍光発光体は、光源として、キセノンあるいは水銀球(Xenon or Mercury bulbs)のような金属ハロゲンアーク灯バルブ(metal halide arc lamp bulbs)に依存していた。特定の色あるいは帯域通過フィルタと結合された(combined)とき、これらのランプによって生成された広い波長スペクトルは、異なる照射波長の選択を可能にする。しかしながら、この波長選択および光形成プロセスは、エネルギーの効率が悪い。この点、キセノンあるいは水銀球によって生成された波長スペクトルの比較的ごく一部のみの選択は、圧倒的多数の、使用されていないランプからの光出力をもたらす。さらに、典型的な多波長アプリケーションにおいては、機械的回転ホィール(mechanical rotating wheel)に置かれるときは特に、波長選択あるいは帯域通過フィルタは費用がかかる。
金属ハロゲンアーク灯バルブを使用する場合、異なる波長が選択されることができるスピードは、所定の位置へ様々なフィルタを移動させる機械的な動きによって制限される。エネルギー結合効率の悪さだけではなく、フィルタフィール(filter wheels)の不活発さ(sluggishness)及び信頼性欠如に加えて、金属ハロゲンアーク灯は、また、バルブの限られた寿命によって妨げられる(hampered)。光出力の強度は、バルブの使用と共に減少し、一度使い尽くされると、ユーザは、バルブを交換し、以前のように発光体が機能することの保証無しにそのあと光学部品(optics)を再調整する(realigning)、という複雑で費用のかかるプロセスに耐えなければならない(has to undergo)。これらの不利点は、バルブの変り易い出力に対処しなければならないユーザにとって、また、バブルが交換されることを必要とするときに光学的調整(optical alignment)に訓練されているかあるいは専門化に頼むことを必要とするユーザにとって、安定した結果(consistent results)を得ることを困難で不便なものにする。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ソリッドステート半導体ベースの光源(solid state, semiconductor based light source)である。最新のＬＥＤｓは、紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）の離散的な放射波長(discrete emission wavelengths)を提供するのに利用可能である。光源としてのＬＥＤｓの使用は、金属ハロゲンアーク灯の多くの制限を克服する。ほんの一例として、ＬＥＤの寿命は、典型的に、１０，０００時間を十分超えると評価されており、これは、金属ハロゲンアーク灯の寿命よりもはるかに大きい。さらに、パワー出力は、ＬＥＤの全寿命にわたって無視できるほどに変化する。さらに、ＬＥＤチップのスペクトル出力の帯域幅は、典型的に狭く（＜３０ｎｍ）、これは蛍光アプリケーションにおいて更なる帯域通過フィルタの必要性を減らす、あるいは取り除くことができる。さらに、ＬＥＤからの出力光の強度は、ＬＥＤチップ（１つあるいは複数のＬＥＤチップ）を通した電流によって、速く正確に電子的に制御されることができ、一方、金属ハロゲン発光体では、バルブの出力強度は一定であり、アパーチャ(apertures)あるいは減光フィルタ(neutral density filters)が、顕微鏡検査(microscopy)に入ってくる光を減じるために使用される。
過去においては、調整される(aligned)ことができたであろうＬＥＤ光源の数は、自由空間光通信を使用して空間的に分離される複数のチップあるいはモジュールからのビーム(beams)を組み合わせるのに必要な比較的長い光学距離に起因して、約４個あるいは５個に制限された。アプリケーションの所望の高強度は達成するのが難しいので、この調整の困難さ(alignment difficulty)は、画像アプリケーションにおけるＬＥＤ光源のそのようなアプリケーションを実質上制限していた。この欠陥に対処する試みは、例えば、各波長のレンズ、鏡、および同様の類の、更なる光学的エレメントの使用を組込んだ。しかしながら、そのような光学的エレメントの使用は、処理されたビームの強度および均一性に対するマイナスの影響(negative impact)に起因して実際的な制限を有している。これらの問題は、強い、空間的に均一な光を必要とする反射率及び蛍光画像アプリケーションにおいて、ＬＥＤベースの発光体の実用的用途を制限している。
従って、高強度で空間的に均一な放射の観察の場所への伝達のために複数の広帯域あるいは狭帯域の照射源、例えばＬＥＤｓ、レージングダイオード、あるいは同様の類、からの光を効率的に調整する(align)ように適合された照射デバイス(illumination device)について継続的な必要性がある。限定ではなく、ほんの一例として、そのような照射デバイスは、組織の構造及び分子構成における病状(pathology)の具体的な変化を見せる(reveal)ことができ、結腸あるいは他の組織における病理学的プロセス(pathological processes)の早期発見および識別化を可能とする、ハイパースペクトルの反射率あるいは蛍光画像の内視鏡(endoscope)あるいは顕微鏡(microscope)に使用されることができる。
開示の概要
本開示は、高強度の空間的均一な照射の伝達のために、照射源からのビームを集め、相互調整(collect and coalign)するように適合されたマルチブランチライトガイド(multi-branch light guide)に動作可能なように接続された複数の照射源、例えば、ＬＥＤｓ、レージングダイオード、あるいは同様の類、を含む照射デバイスを提供することによって、先行技術を超えた利点および代替品を提供する。
該キャリングデバイス(carrying device)の他の目的および利点は、図面で記載され示されたある特定の好ましい実施形態の記載から明らかになるであろう。
図１は、複数の(multiplicity of)ＬＥＤｓ、レージングダイオード、あるいは他の照射源への動作可能な接続のために適合された本開示と整合性のある例示的な照射システム(illumination system)の概略図である。 図２は、図１において概して線２−２に沿った概略図である。 図３は、図１の例示的な照射システムの概略斜視図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
例示的な実施形態が詳細に示され、説明される前に、本発明は、そのアプリケーションおよび構成において、以下の説明において記載され、あるいは図面において示されているコンポーネントの詳細および配置の構成に全く限定されない、ということが理解されるべきである。寧ろ、本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施され、あるいは実行されることができる。また、ここに使用されている表現および用語は、説明の目的のみのためのものであって、限定しているとして見なされるべきでない、ということが理解されるべきである。用語、例えば、「含んでいる("including")」、「備えている"comprising"」、およびその変形などの、ここでの使用は、更なるアイテム(additional items)およびその均等物だけでなく、その後に列挙されるアイテム(listed items)およびその均等物も、包含することを意味する。
いまから図面が参照される、なお、同様の参照番号が、さまざまな図における同様のエレメント(element)を示すために使用される。図１は、複数の発光ダイオード、レージングダイオード、あるいは他のソリッドステート光源からの光放射(light emissions)を相互調整する(coalign)ように適合された、例示的なハイパースペクトル照射システム(hyperspectral illumination system)１０の階略図である。認識されるように、示された例示的な照射システム１０は、光源への作動的接続のために適合された、１６個の光の入り口位置(light inlet positions)を組み込んでいるが、必要に応じて、任意のより多いあるいはより少ない数の入り口位置が使用されることができるということが、同様に意図されている。
示されるように、例示的なシステムにおいては、プログラマブルマイクロプロセッサ(programmable microprocessor)１２、例えば、汎用コンピュータ、あるいは同様の類、が１つあるいは複数の電流ドライバ１６に動作可能なようにリンクされた(operatively linked)電流ドライバコントローラ１４に指示を伝える(deliver)ために提供されることができる。当業者によって容易に理解されるように、電流ドライバ１６は、コントローラ１４から受け取られた指示に基づいて様々なレベルで電流を供給する(deliver)ことができる。したがって、マイクロプロセッサ１２からの指示に基づいて、電流ドライバ１６は、望まれるような範囲の電流を供給することができる。
図示された例示的な配置においては、電流ドライバ１６は各々、複数の個別の光源２０（ａ−ｐとラベル表示されている）に電流を伝達(delivers)できる。限定ではなく、ほんの一例として、図示された例示的な配置においては、光源２０の各々は、単一の発光素子であり得、あるいは後で説明されるような、複数の発光素子からの光放射を集め調整する(collects and aligns)適切なライトガイド(light guide)で有り得る。１つの例示的な手法に従って、光源２０は各々、複数の発光素子’２０、例えば、ＬＥＤｓ、レージングダイオード、あるいは実質上同じ波長特性の他の広帯域あるいは狭波長域の光源、のアレイに動作可能なようにリンクされることができる（図２および３）。各アレイは、順に、電流ドライバ１６に動作可能なようにリンクされることができるので、与えられたアレイの中の全ての発光素子が、同時に活性化され(activated)、また非活性化される(deactivated)ことができる。各個別発光素子２０’は、必要に応じて、実質上独立して動作させることができる、ということもまた意図されている。もちろん、望まれるような任意の数のアレイが使用されることができる。さらに、スペース制限によってのみ制限されるが、望まれるような事実上任意の数の層のアレイが使用されることができる、ということもまた意図されている。
ここで、図１−３を一緒に参照すると、図示された例示的な構成においては、光源２０の各々は、共通の波長放射特性を有する複数の発光素子２０’に動作可能なように接続されたマルチブランチライトガイドで有り得る。すなわち、図１において「ａ」とラベル表示された光源２０は、共通の波長放射特性λ１を有する複数の発光素子２０’に動作可能なように接続されたマルチブランチライトガイドで有り得る。同様に、図１において「ｂ」とラベル表示された光源２０は、共通の波長放射特性λ２を有する複数の発光素子２０’に動作可能なように接続されたマルチブランチライトガイドで有り得る。図１において「ｏ」とラベル表示された光源２０は、共通の波長放射特性λｎ−１を有する複数の発光素子２０’に動作可能なように接続されたマルチブランチライトガイドで有り得る。図１において「ｐ」とラベル表示された光源２０は、共通の波長放射特性λｎを有する複数の発光素子２０’に動作可能なように接続されたマルチブランチライトガイドで有り得る、なお、ｎは、光源２０によって照射システムに供給された異なる放射波長の数に等しい。もちろん、図示された例示的なシステムにおいては、ｎは１６に等しい。しかしながら、望まれるような任意の数の異なる放射波長が使用されることができる。
前に言及されたように、共通波長の発光素子の各アレイは、共通の電流ドライバ１６に結合されることができる。したがって、必要に応じて、与えられた波長で光源の各々が、同時に活性化され、非活性化されることができる。さらに以下に説明されるように、共通のライトガイドに結合された共通の波長を有した複数の光源のそのような同時の活性化は、定義された波長で非常に増強されたパワーの、ライトガイドからの最終放射(final emission)をもたらす付加的な利益を提供する。
任意の数のアレイの光源が利用されることができる、ということが理解されるべきである。同様に、必要に応じて、電流ドライバ１６に動作可能なように接続された各アレイは、２つあるいはそれ以上の異なる放射特性の発光素子２０’を組み込むことが出来る。２つあるいはそれ以上の光源２０が実質上同じ放射波長特性を有することができる、ということもまた意図されている。したがって、１つの意図された配置に従って、照射システム１０における光源２０の各々は、実質上同じ放射波長特性を有することができる。別の意図された配置に従って、照射システム１０における光源２０の各々は、実質上異なる放射波長特性を有することができる。全ての光源２０からの放射波長特性の均一性が無いが、様々な光源２０からの放射波長特性のある程度のデュープリケーション(some duplication)が有り得る、ということが同様に意図されている。
光源２０によって生成された放射波長は、２つの方法で、ユーザによって制御されることができる。第１に、発光素子２０’はそれら自体、固有ピーク波長放射(characteristic peak wavelength emission)を有する。この点において、市販の(commercially available)ＬＥＤｓは、紫外線からＩＲ波長までの範囲にわたって定義された放射ピーク(defined emission peaks)で利用可能である。したがって、既知のピーク波長特性を有する定義された発光素子(defined light emitting element)の選択によって、その光源からの放射波長は確立されることができる。第２に、必要に応じて、ＬＥＤｓは、波長の切り替え(wavelength switching)を可能とするように迅速な速度でパルス化される(pulsed)ことができる。
光源特性の選択にかかわらず、各光源２０によって生成された放射からのピーク波長を利用することが望ましいことが有り得る。この点に関して、ＬＥＤは比較的狭い波長域放射を提供することができるが、帯域をオーバーラップさせる可能性を低減し、かつ画像化使用(imaging use)の間に適切な蛍光性の励起を促進するように、光源のピークのまわりの波長域をさらに狭くすることが、それにもかかわらず有用で有り得る。１つの例示的な手法に従って、そのように波長域を狭くすることは、光源２０の出口(outlets)において、オプションの帯域通過フィルタ２２の配置によって達成されることができる。限定ではなく、ほんの一例として、対向する光源(the opposing light source)２０のピーク波長に対応するオプションの１０−１５ｎｍの帯域通過フィルタは望ましいフィルタレベルを提供することができる、ということが分かっている。もちろん、必要に応じて、より大きいあるいはより小さい幅の帯域通過フィルタが同様に使用されることができる。
照射システム１０における発光素子の数および特性は、画像環境における与えられた波長の達成可能な光パワー(optical power)を決定づける(dictate)であろう。複数のＬＥＤｓ、レージングダイオード、あるいは他の光源と、共通のピーク波長とを組み合わせることによって、それらの波長の光パワーレベルは上げられることができる。限定ではなく、ほんの一例として、帯域あたり少なくとも２０ｍＷの伝達された光パワー(delivered optical power)は、達成可能であり、多くの励起画像(excitation imaging)アプリケーションについては望ましく有り得る。
指数関数的ジュプリケーティング分岐特性(exponential duplicating branched character)のライトパイプ(light pipe)とも呼ばれるソリッドライトガイド(solid light guide)３０は、複数の光源からの出力を効率的に受け取り伝達するために、そして共通伝達トランク(common transmission trunk)に沿ったそれらの出力を相互調整するために使用されることができる、ということが知られている。同様に、図３の中で図示された例示的なシステムにおいては、実質上同様な形状の第２のソリッドライトガイド３０’が、ソリッドライトガイド３０へのその後の伝達について、複数の発光素子２０’からの出力を集めるために、そして相互調整するために使用されることができる。理解されるように、複数の発光素子２０’からの出力を集め、共通トランクに沿ったそれらの出力を相互調整することによって、ソリッドライトガイド３０に伝達された光パワー出力は、著しく増幅される(magnified)ことができる。この点に関し、ライトガイド（３０および３０’）の２つの層がスタック関係(stacked relation)で示されているが、実際には、ほとんど無限の数の発光素子が適応されることができるように任意の数の層が使用されることができる、ということが意図されている。
ここで、図１および２を一緒に参照すると、図示された例示的な構成においては、ライトガイド３０および３０’が分岐構造(branched construction)によって特徴づけられ(characterized)、この分岐構造では、１６個の近位ブランチ(proximal branches)３２および３２’の各々が、（光源２０からの、あるいは個別の発光素子２０’からの）個別の光入力の受理ポートを定義する(defines acceptance port)。この構成(configuration)においては、近位ブランチ３２および３２’は、各々、第１のセットの８個の中間ブランチ(intermediate branches)３４および３４’を形成するために、単一の隣接した近位ブランチとマージする(merge)。第１のセットの中間ブランチの各々は、次に、第２のセットの４個の中間ブランチ３６および３６’を生ずる(yield)ために、隣接した中間ブランチとマージする。第２のセットの中間ブランチの各メンバーは、次に、第３のセットの２個の中間ブランチ３８および３８’生じるために、隣接した中間ブランチとマージする。最後に、図示された例示的な構成においては、単一のメイントランク(single main trunk)に４０および４０’を生じるために、第３のセットの中間ブランチの２個のメンバーは、互いにマージする。理解されるように、図示されたライトガイド３０および３０’において、この累進的な指数関数的マージャ(progressive exponential merger)は、一般の幾何学的退行(general geometric regression)によって定義されることができる：
２ｎ、２ｎ−１、 . . . . . . ２１、２０
但し、ｎの値は、光源２０の所望の入力位置(desired input positions)の数を生ずるように選択される。ほんの一例として、図１の図示された例示的な構成においては、図示された１６個の作動入力位置(operative input positions)を生じるようにｎ＝４である。もちろん、必要に応じて、任意のより大きいあるいはより小さい数の入力が使用されることができる。いくつかの実施形態においては、単一のトランクにおいて最終的に終了するまで、ライトガイドに沿った位置で３個あるいはそれ以上のブランチがマージし得る、ということもまた意図されている。したがって、上記に概説されるように、基底２の退行(base 2 regression)は決して排他的ではない。
示されるように、マージする複数のブランチ間の交差において、マージする複数のブランチに沿って伸びている複数のセンターラインの傾斜(slope)が、公差点において実質上調整される(aligned)ことが望ましいことが有り得る。ほんの一例として、複数のセンターラインの接線(tangents to the centerlines)の交差が、鋭い交差角度が実質上回避されるような、ゼロ（すなわち並行）と約３０度未満との間の角度にあることが望ましいことが有り得る。中間ブランチの各々の曲率半径は約６０度以上であることが望ましいことがあり、より好ましくは、約７０ｎｍあるいはそれ以上であることが望ましいことがあり得る、ということが知られている。複数のブランチをマージするためのこれらの一般的なガイドライン(general guidelines)は、相互調整(coalignment)を促進しながらパワーロス(power loss)を低減することが分かっている。この点において、ブランチの大多数は、入力の３５％を超えて伝達するが、これは、従来のファイバーバンドル(fiber bundles)を用いて達成出来ないであろう効率である。加えて、各波長において複数のＬＥＤｓからの出力を組み合わせる能力は、ライトガイド結合ロス(light-guide coupling losses)を補償するために使用される。従って、たとえ低パワーのＬＥＤｓあるいは他の発生光源が使用されたとしても、何らかのロスにもかかわらず、２０ｍＷあるいはそれ以上の最終的な出力パワーレベルが、容易に実現されることができる。
１つの典型的な手法に従って、ライトガイド３０および３０’は、例えば、ポリカーボネート(polycarbonate)あるいは同様の類などの材料から、単一の構造(a unitary structure)として形成されることができる。１つの例示的な実施形態によれば、トランクおよびすべてのブランチは、等しい断面直径(cross sectional diameters)を有する実質的な円形で有り得る。限定ではなく、ほんの一例として、約５ｍｍの断面直径は、上記に概説されるような手法に従ってブランチがマージすることに伴って、効率的な光入力の伝達を提供する。この点に関し、光は、全反射(total internal reflection)によって各ブランチの長手方向軸(longitudinal axis)に沿って導かれ(channeled)、あるいは伝達される(transmitted)ので、光は、光ガイドの内側から外側へ通過するのを妨げられる。光が、臨界角より大きな角度で、ライトガイドと周囲の雰囲気(surrounding atmosphere)との間のインターフェースに衝突する(impinges)とき、全反射が生じる。臨界角は、ライトガイドの媒体および周囲の雰囲気の媒体の屈折率の関数である。
図で示されるように、１つの例示的な手法に従って、出力ライトガイド(output light guide)３０のメイントランク(main trunk)４０は、光ファイバーケーブル４２に動作可能なように接続されることができ、この光ファイバーケーブルは、次に、イメージングデバイス(imaging device)４４、例えば、小口径内視鏡、顕微鏡、あるいは同様な類、に接続される。使用の間、所望の波長放射特性を有する、前に説明されたような複数の光源２０は、出力ライトガイドの近位ブランチ３２の端に動作可能なように取り付けられることができる。この点に関して、光源２０は、個別に接続されることができる、あるいは、複数の光源エレメントを収容する個別のモジュールの中で支持されることができる、ということが意図されている。同様な特性の個別の発光素子からの出力は、マージする複数の隣接したブランチ(adjacent branches)として組み合わされ、これによって各定義された波長に関連した光パワーを増幅する(magnifying)。
照射システム１０の使用の間、定義された波長の発光素子の１つあるいは複数のアレイは、活性化されることができるので、相互に調整された光ビーム(coaligned light beam)の増幅された光パワーは、ライトガイド３０を通してイメージングデバイスに伝達されることができる。この点に関し、個別の発光素子からの光ビームのマージャおよび相互調整は、発生元素子(originating element)に対して、伝達された光出力における光パワーを増加させるが、波長特性は、変らないままである。
イメージングデバイス４４で、定義された波長放射は、蛍光励起、反射率、あるいは、蛍光及び反射率のなんらかの組み合わせ、のために使用されることができる。イメージングデバイスに伝達された光の波長特性は、選択された光源あるいは光源の組み合わせを活性化し、非活性化することにより、迅速に変更されることができる。ほんの一例として、組織あるいは他のターゲット材(other target material)についての第１の画像(image)を生成するために、波長λ１が、イメージングデバイスへの伝達のために活性化されることができ、その後に、該組織あるいは他のターゲット材についての第２の異なる画像を生成するために波長λ５の活性化が続く。異なる材料は異なる波長励起に異なって反応するので、発光素子の群(groups of light emitting elements)を活性化および不活性化することにより波長を非常に迅速に切り替える能力は、ターゲット材の異なる特性(different features)を詳細に説明する複数の異なる画像の開発(development)を可能とする。
本開示と整合する照射システム１０は、ほんの一例として、内視鏡、顕微鏡、検眼鏡(opthalmoscopes)、コルポスコープ(colposcopes)、小動物イメージャ(small animal imagers)、産業マシンビジョンデバイス(industrial machine vision devices)、および同種な類などを含む多くのイメージングデバイスに使用されることができる。本開示と整合する照射システム１０は、また、化学検出デバイス(chemical detection devices)、研究、臨床用途(clinical use)、及び同様の類において役立つバクテリアおよび他のタイプの分子スクリーニングデバイス(bacterial and other types of molecular screening devices)を含む、多くの、あるいは非結像のアプリケーション(a number of or non-imaging applications)に使用されることができる。
限定ではなく、ほんの一例として、１つの意図されたアプリケーションによれば、正常な細胞から、一連の異なる波長で蛍光を発する異常細胞の存在を識別するために、組織は、一連の異なる励起波長を使用してスキャンされることができる。さらに、異なる種類の異常細胞が異なる波長で蛍光を発するので、異常細胞の存在だけでなく特徴(character)も決定されることができる。一連の離散的な波長(a series of discrete wavelengths)を繰り返すことによって、異なる蛍光励起特性を有する異なるタイプの異常細胞が識別され画像化されることができる。
ほんの一例として、別の意図されたアプリケーションに従い、本開示と整合する照射システム１０における光源２０は、任意の波形を使用してパルス化されるか、あるいは、ターゲット材の蛍光のタイムディケイ(time decay)（蛍光寿命）を測定するために遅延検出(delayed detection)と組み合わせてストローブ化される(strobed)ことができる。これは、シヌソイドの(sinusoidal)照射および検出を用いて周波数領域を通して、あるいはパルス照射および遅延検出を用いて時間領域において達成されることができる。従って、照射システム１０は、スペクトルの測定および蛍光寿命の測定の両方が同時に得られることを可能にする。理解されるように、これは、ターゲット材に関する増強された情報を提供し、顕微鏡検査、臨床診断などのアプリケーションに特に有用で有り得る。
もちろん、上記のものの変形および修正は、本発明の範囲内にある。したがって、ここに開示され定義された本発明は、言及された、あるいは、本文および／または図面から明らかな、個々の特徴の２つあるいはそれ以上の代替の組み合わせのすべてに及ぶ、ということが理解されるべきである。これらの異なる組み合わせのすべてが、本発明の様々な代替の態様を構成する。ここに記載された実施形態は、本発明を実施するために知られるベストモード(best modes)を説明し、他の当業者が本発明を利用することを可能とするであろう。本願の請求項は、先行技術によって許される程度まで、代替の実施形態および等価物を含むように解釈されるべきである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
画像化されているターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率において使用するための、異なる波長特性の複数の相互に調整された光ビームを提供するように適合された照射システムであって、
定義されたピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源と；
メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも第１のマルチブランチソリッドライトガイドと、なお、前記近位ブランチのうちの少なくとも第１のブランチは、第１の中間ブランチを形成するために前記近位ブランチのうちの第２のブランチとマージし、前記近位ブランチのうちの少なくとも第３のブランチは、第２の中間ブランチを形成するために前記近位ブランチのうちの第４のブランチとマージする；
前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率のために適切なパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、前記メイントランクに動作可能なように接続されたイメージングあるいはオプティカルデバイスと；
を備える、
照射システム。
［２］
前記イメージングあるいはオプティカルデバイスは、内視鏡、顕微鏡、検眼鏡、コルポスコープ、小動物イメージャ、産業マシンビジョンデバイス、化学検出デバイス、バクテリアスクリーニングデバイス、分子スクリーニングデバイス、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、［１］の照射システム。
［３］
前記近位ブランチのうちの前記第１のブランチは、ゼロと３０度の間の角度で前記近位ブランチのうちの前記第２のブランチとマージする、［１］の照射システム。
［４］
前記近位ブランチのうちの前記第３のブランチは、ゼロと３０度の間の角度で前記近位ブランチのうちの前記第４のブランチとマージする、［３］の照射システム。
［５］
前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、選択的に活性化することができる発光素子からの光放射を受け取るように適合された複数の入り口を備える、第２のソリッドライトガイドを備える、［１］の照射システム。
［６］
前記第２のソリッドライトガイドは、メイントランク、前記発光素子からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチを備える、［５］の照射システム。
［７］
前記発光素子は、発光ダイオード、レージングダイオード、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、［５］の照射システム。
［８］
前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、個別の発光素子を備える、［１］の照射システム。
［９］
前記個別の発光素子は、発光ダイオードおよびレージングダイオードからなるグループから選択される、［８］の照射システム。
［１０］
前記第１の複数の選択的に活性化することができる光源から、約１５ｎｍ以下の帯域に、前記光放射を狭めるように適合された複数の帯域通過フィルタ、を更に備える［１］の照射システム。
［１１］
画像化されているターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率において使用するための、異なる波長特性の複数の相互に調整された光ビームを提供するように適合された照射システムであって、
定義されたピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源と；
前記光源からの前記光放射を約１５ｎｍ以下の帯域へ狭めるように適合された複数の帯域通過フィルタと；
メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも1つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも第１のマルチブランチソリッドライトガイドと、なお、前記近位ブランチのうちの少なくとも第１のブランチは、第１の中間ブランチを形成するために、ゼロと３０度との間の角度で前記近位ブランチのうちの第２のブランチとマージし、前記近位ブランチのうちの少なくとも第３のブランチは、第２の中間ブランチを形成するために、ゼロと３０度との間の角度で前記近位ブランチのうちの第４のブランチとマージする；
前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定のために少なくとも２０ｍＷのパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、前記メイントランクに動作可能なように接続されたイメージングあるいはオプティカルデバイスと；
を備える、
照射システム。
［１２］
前記イメージングあるいはオプティカルデバイスは、内視鏡、顕微鏡、検眼鏡、コルポスコープ、小動物イメージャ、産業マシンビジョンデバイス、化学検出デバイス、バクテリアスクリーニングデバイス、分子スクリーニングデバイス、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、［１１］の照射システム。
［１３］
前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、選択的に活性化することができる発光素子からの光放射を受け取るように適合された複数の入り口を備える、第２のソリッドライトガイドを備える、［１１］の照射システム。
［１４］
前記第２のソリッドライトガイドは、メイントランク、前記発光素子からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチを備え、前記中間ブランチは、ゼロと３０度の間の角度でマージする２つあるいはそれ以上の近位ブランチによって形成される、［１３］の照射システム。
［１５］
前記発光素子は、発光ダイオード、レージングダイオード、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、［１３］の照射システム。
［１６］
前記中間ブランチの各々の曲率半径は、約６０ｍｍあるいはそれ以上である、［１１］の照射システム。
［１７］
前記中間ブランチの各々の曲率半径は、約７０ｍｍあるいはそれ以上である、［１６］の照射システム。
［１８］
前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、個別の発光素子を備える、［１１］の照射システム。
［１９］
前記個別の発光素子は、発光ダイオードおよびレージングダイオードからなるグループから選択される、［１８］の照射システム。
［２０］
ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定において使用するための、異なる波長特性の光ビームを用いた前記ターゲットの照射方法であって、
異なる定義されたピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源を提供するステップと；
メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも1つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも第１のマルチブランチソリッドライトガイドを提供するステップと；
前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定のために少なくとも２０ｍＷのパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、イメージングあるいはオプティカルデバイスを前記メイントランクに動作可能なように接続するステップと；
異なる定義された波長特性の一連の光ビームで前記ターゲットを照射するために、前記光源を選択的に活性化するステップと；
異なる適用された波長において、前記ターゲットの前記蛍光、及び／又は蛍光減衰、及び／又は反射率特性を記録するステップと；
を備える、
照射方法。

Claims (20)

  1. 画像化されているターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率において使用するための、異なる波長特性の複数の相互に調整された光ビームを提供するように適合された照射システムであって、
    定義された固有ピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源と；
    メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも単一の構造の第１のマルチブランチソリッドライトガイドと、なお、前記近位ブランチのうちの少なくとも第１のブランチは、第１の中間ブランチを形成するために前記近位ブランチのうちの第２のブランチとマージし、前記近位ブランチのうちの少なくとも第３のブランチは、第２の中間ブランチを形成するために前記近位ブランチのうちの第４のブランチとマージする；
    個別の前記選択的に活性化することができる光源からの前記光放射のパワーレベルよりも大きな増幅されたパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、前記メイントランクに動作可能なように接続されたイメージングあるいはオプティカルデバイスと；
    を備え、
    前記増幅されたパワーレベルは、前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率のために適切なレベルである照射システム。
  2. 前記イメージングあるいはオプティカルデバイスは、内視鏡、顕微鏡、検眼鏡、コルポスコープ、小動物イメージャ、産業マシンビジョンデバイス、化学検出デバイス、バクテリアスクリーニングデバイス、分子スクリーニングデバイス、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１に記載の照射システム。
  3. 前記近位ブランチのうちの前記第１のブランチは、ゼロと３０度の間の角度で前記近位ブランチのうちの前記第２のブランチとマージする、請求項１に記載の照射システム。
  4. 前記近位ブランチのうちの前記第３のブランチは、ゼロと３０度の間の角度で前記近位ブランチのうちの前記第４のブランチとマージする、請求項３に記載の照射システム。
  5. 前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、選択的に活性化することができる発光素子からの光放射を受け取るように適合された複数の入り口を備える、第２のソリッドライトガイドを備える、請求項１に記載の照射システム。
  6. 前記第２のソリッドライトガイドは、メイントランク、前記発光素子からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチを備える、請求項５に記載の照射システム。
  7. 前記発光素子は、発光ダイオード、レージングダイオード、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項５に記載の照射システム。
  8. 前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、個別の発光素子を備える、請求項１に記載の照射システム。
  9. 前記個別の発光素子は、発光ダイオードおよびレージングダイオードからなるグループから選択される、請求項８に記載の照射システム。
  10. 前記複数の選択的に活性化することができる光源から、約１５ｎｍ以下の帯域に、前記光放射を狭めるように適合された複数の帯域通過フィルタ、を更に備える請求項１に記載の照射システム。
  11. 画像化されているターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率において使用するための、異なる波長特性の複数の相互に調整された光ビームを提供するように適合された照射システムであって、
    定義された固有ピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源と；
    前記光源からの前記光放射を１５ｎｍ以下の帯域へ狭めるように適合された複数の帯域通過フィルタと；
    メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも1つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも単一の構造の第１のマルチブランチソリッドライトガイドと、なお、前記近位ブランチのうちの少なくとも第１のブランチは、第１の中間ブランチを形成するために、ゼロと３０度との間の角度で前記近位ブランチのうちの第２のブランチとマージし、前記近位ブランチのうちの少なくとも第３のブランチは、第２の中間ブランチを形成するために、ゼロと３０度との間の角度で前記近位ブランチのうちの第４のブランチとマージする；
    少なくとも２０ｍＷの増幅されたパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、前記メイントランクに動作可能なように接続されたイメージングあるいはオプティカルデバイスと；
    を備え、
    前記増幅されたパワーレベルは、個別の前記選択的に活性化することができる光源からの前記光放射のパワーレベルよりも大きく、前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定のために適切なレベルである照射システム。
  12. 前記イメージングあるいはオプティカルデバイスは、内視鏡、顕微鏡、検眼鏡、コルポスコープ、小動物イメージャ、産業マシンビジョンデバイス、化学検出デバイス、バクテリアスクリーニングデバイス、分子スクリーニングデバイス、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１１に記載の照射システム。
  13. 前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、選択的に活性化することができる発光素子からの光放射を受け取るように適合された複数の入り口を備える、第２のソリッドライトガイドを備える、請求項１１に記載の照射システム。
  14. 前記第２のソリッドライトガイドは、メイントランク、前記発光素子からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも１つのセットの中間ブランチを備え、前記中間ブランチは、ゼロと３０度の間の角度でマージする２つあるいはそれ以上の近位ブランチによって形成される、請求項１３に記載の照射システム。
  15. 前記発光素子は、発光ダイオード、レージングダイオード、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１３に記載の照射システム。
  16. 前記中間ブランチの各々の曲率半径は、約６０ｍｍあるいはそれ以上である、請求項１１に記載の照射システム。
  17. 前記中間ブランチの各々の曲率半径は、約７０ｍｍあるいはそれ以上である、請求項１６に記載の照射システム。
  18. 前記選択的に活性化することができる光源のうちの１つあるいは複数は、個別の発光素子を備える、請求項１１に記載の照射システム。
  19. 前記個別の発光素子は、発光ダイオードおよびレージングダイオードからなるグループから選択される、請求項１８に記載の照射システム。
  20. ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定において使用するための、異なる波長特性の光ビームを用いた前記ターゲットの照射方法であって、
    異なる固有の定義されたピーク波長光放射によって特徴づけられた複数の選択的に活性化することができる光源を提供するステップと；
    メイントランク、前記光源からの前記光放射を受け取るように適合された入り口を定義する複数の近位ブランチ、及び前記近位ブランチと前記メイントランクとの間に配置された少なくとも1つのセットの中間ブランチ、を備える少なくとも単一の構造の第１のマルチブランチソリッドライトガイドを提供するステップと；
    少なくとも２０ｍＷの増幅されたパワーレベルで、前記光源からの相互に調整された光放射の伝達のために、イメージングあるいはオプティカルデバイスを前記メイントランクに動作可能なように接続するステップと；
    異なる定義された波長特性の一連の光ビームで前記ターゲットを照射するために、前記光源を選択的に活性化するステップと；
    異なる適用された波長において、前記ターゲットの前記蛍光、及び／又は蛍光減衰、及び／又は反射率特性を記録するステップと；
    を備え、
    前記増幅されたパワーレベルは、個別の前記選択的に活性化することができる光源からの前記光放射のパワーレベルよりも大きく、前記ターゲットの選択的な蛍光あるいは反射率の測定のために適切なレベルである
    照射方法。
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