JP6983659B2 - 時間分解性拡散相関分光法のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2015年4月9日に出願された米国仮特許出願第62/145、104号に関連し、それに対する優先権を主張し、あらゆる目的のためにそれを参照により本明細書に組み込む。
本発明は、国立衛生研究所により与えられたP41−EB015896、R01−HD042908およびR01−EB001954の下での政府の支援によってなされた。政府は本発明における一定の権利を有する。
図1および2を参照すると、本開示の方法を実行するのに適したシステム10、110が提供される。システム10、110は、TR−DCS供給源12、112およびTR−DCS検出器14、114を含むことができる。システム10は、TR−DCS供給源12、112およびTR−DCS検出器14、114と電子通信するコンピュータ16、116を含むことができる。また、システム10、110は、ユーザと、コンピュータ16、116および/またはシステム10、110の他の態様との間のインタフェースを提供するように構成されたユーザの入力18、118を含むこともできる(ユーザの入力18、118と他の態様のつながりは示されていないが、当業者であれば理解できる)。TR−DCS供給源12、112およびTR−DCS検出器14、114は、標的媒体20、120に接続することができる。
方法
計算上の考慮事項
高度に散乱する媒体を通る光の拡散について、P(s)は、時間ドメイン光子拡散方程式の解によって得られる。
Claims (68)
- 標的媒体に1ps〜10nsのパルス長を有する光パルスを伝送するように構成された光パルスの供給源と、
前記標的媒体からの前記光パルスを受け取り、前記光パルスの受け取りに応答して検出器信号を生成するように構成された検出器と、
前記標的媒体内の散乱粒子のダイナミクスに、前記供給源から前記検出器へ移動する光子の飛行時間および光学的相関を関係付ける1つまたは複数の方程式を記憶するメモリと、
前記検出器および前記メモリに接続され、前記検出器信号および前記1つまたは複数の方程式を使用して前記標的媒体のダイナミクスを決定するように構成されたプロセッサと、を有し、
前記供給源は、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスの光源であり、前記光パルスは、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスである
時間分解性拡散相関分光測定法(TR−DCS)システム。 - 前記光パルスは、10ps〜700psのパルス長を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源は、ブラッグ反射型レーザ、分布型ブラッグ・フィードバック・レーザ、利得スイッチ分布型ブラッグ反射型レーザ、外部共振器レーザ、モードロックレーザ、Qスイッチレーザ、またはそれらの組み合わせである、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源が、ダイオードレーザ、固体レーザ、ファイバレーザ、またはそれらの組み合わせである、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源が掃引供給源である、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源は、400nm〜1500nmの波長で前記光パルスを前記標的媒体に伝送するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源は、10μW〜10Wの平均パワーで前記光パルスを前記標的媒体に伝送するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源は、1GHz以下の周波数で前記光パルスを前記標的媒体に伝送するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源が電気的または光学的にパルス化される、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源は、シード光源と増幅器とを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記シード光源が連続波シード光源であり、前記増幅器がパルス増幅器である、請求項10に記載のシステム。
- 前記シード光源がパルスシード光源であり、前記増幅器が連続波増幅器である、請求項10に記載のシステム。
- 前記シード光源がパルスシード光源であり、前記増幅器がパルス増幅器である、請求項10に記載のシステム。
- 前記光パルスの前記パルス長は、前記パルスシード光源と前記パルス増幅器との間のパルスのタイミングを変化させることによって決定される、請求項13に記載のシステム。
- 第2の供給源をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 第2の検出器をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- トリガ信号を生成するように構成されたトリガ源をさらに備え、前記供給源は、前記トリガ信号に対する送信の時間を合わせるように構成され、または前記トリガ源が、前記供給源からの前記送信に対する前記トリガ信号の時間を合わせるように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記プロセッサを備えたコンピュータが、前記トリガ信号を使用して、受け取った光パルスの飛行時間を決定する、請求項17に記載のシステム。
- 前記検出器は、単一光子アバランシェフォトダイオード検出器、光電子増倍管、Si、Ge、InGaAs、PbS、PbSeまたはHgCdTeフォトダイオードまたはPINフォトダイオード、フォトトランジスタ、MSM光検出器、CCDおよびCMOS検出器アレイ、シリコン光電子増倍管、マルチピクセル光子計数器、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器信号は、アナログ信号、デジタル信号、光子計数信号、またはそれらの組み合わせである、請求項1に記載のシステム。
- 前記供給源を標的媒体に接続するように構成された、または前記標的媒体を前記検出器に接続するように構成された1つまたは複数の導波路をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器信号の時間分解された態様を処理するように構成された時間分解プロセッサをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器信号の相関態様を処理するように構成された信号プロセッサをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 1つ以上のハンドヘルドユニットに含まれる、請求項1に記載のシステム。
- 標的媒体内の散乱粒子ダイナミクスの時間分解性拡散相関分光法(TR−DCS)測定を行うためのシステムの作動方法であって、
前記システムは、前記標的媒体に接続された光パルスの供給源と、及び前記標的媒体に接続された検出器と、プロセッサと、を有し、
a)1ps〜10nsのパルス長を有する光パルスを放出するように構成された前記供給源から、第1の光パルスが複数の光子を含む、前記供給源からの前記第1の光パルスを前記標的媒体に伝送すること、
b)前記標的媒体を通過した後に前記検出器で前記複数の光子の少なくとも一部を受け取ること、そしてそれにより、前記複数の光子の前記少なくとも一部についてのタイミング情報および光学的相関情報を含む検出器信号を生成すること、
c)前記プロセッサを用いて、前記タイミング情報、前記光学的相関情報、および、前記供給源から前記検出器に移動する光子の飛行時間と光学的相関を前記標的媒体のダイナミクスに関係付ける1つまたは複数の方程式を決定すること、および
d)前記プロセッサを用いて、前記標的媒体の前記ダイナミクスを含むレポートを生成すること
を含み、
前記供給源は、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスの光源であり、前記光パルスは、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスである、システムの作動方法。 - ステップa)の前記伝送することは、前記供給源を電子的または光学的にパルス化することを含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップa)の前記伝送することが、前記光パルスの前記少なくとも1つを生成するために前記供給源から放出された光の強度を増幅することを含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- 前記供給源がシード光源と増幅器とを含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- 前記シード光源は、連続波シード光源であり、前記増幅器はパルス増幅器であり、ステップa)の伝送することは、前記連続波シード光源からの連続波シード光を前記パルス増幅器にシードすることを含む、請求項28に記載のシステムの作動方法。
- 前記シード光源がパルスシード光源であり、前記増幅器が連続波増幅器である、請求項28に記載のシステムの作動方法。
- 前記シード光源がパルスシード光源であり、前記増幅器がパルス増幅器である、請求項28に記載のシステムの作動方法。
- ステップa)で伝送された前記第1の光パルスの前記パルス長は、前記パルスシード光源と前記パルス増幅器との間のパルスのタイミングを変化させることによって決定される、請求項31に記載のシステムの作動方法。
- ステップb)の前記受け取ることによって生成された前記検出器信号は、アナログ信号、デジタル信号、またはそれらの組み合わせである、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップb)の前記受け取ることによって生成された前記検出器信号は、前記アナログ信号である、請求項33に記載のシステムの作動方法。
- 前記ステップb)の前記受け取ることによって生成された前記検出器信号は、前記デジタル信号である、請求項33に記載のシステムの作動方法。
- 前記検出器がゲート検出器であり、ステップb)の前記受け取ることがゲート検出を伴う、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップb)の前記受け取ることは、ステップa)の前記第1の光パルスを前記伝送することと少なくとも部分的に一致するように選択された初期の期間中に前記ゲート検出器を停止させ、後続の期間に前記ゲート検出器を起動することを伴う、請求項36に記載のシステムの作動方法。
- 前記タイミング情報は、前記複数の光子の前記少なくとも一部の各々についての飛行時間タグを含み、前記光学的相関情報は、前記複数の光子の前記少なくとも一部の各々についての到着タグを含む、請求項25、33、34、35、または36に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することは、前記複数の光子の前記少なくとも一部のサブセットを、所定の範囲内にある前記サブセットの前記飛行時間タグに基づいて、選択し、前記サブセットの前記タイミング情報および前記光学的相関情報に基づいて決定することを含む、請求項38に記載のシステムの作動方法。
- 距離に換算された前記所定の範囲の最大値から距離に換算された前記所定の範囲の最小値を引くと、前記供給源から放出される光のコヒーレンス長の2倍以下になる、請求項39に記載のシステムの作動方法。
- 前記所定の範囲が1ps〜100nsである、請求項39に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することは、前記複数の光子の前記少なくとも一部の第2のサブセットを、第2の所定の範囲内にある前記第2のサブセットの前記飛行時間タグに基づいて、選択し、前記第2のサブセットの前記タイミング情報および前記光学的相関情報に基づいて決定することを含む、請求項39に記載の方法。
- ステップc)の前記決定することは、2つ以上の異なるタイムウィンドウで決定し、それにより前記標的媒体の前記ダイナミクスに関する前記標的媒体の深さに依存する情報を提供することを含む、請求項25、33、34、35、または36に記載のシステムの作動方法。
- ステップb)の前記受け取ることによって生成された前記検出器信号は波長情報を含み、ステップc)の前記決定することは前記波長情報を使用する、請求項25、33、34、35、または36に記載のシステムの作動方法。
- 前記波長情報が前記標的媒体の深さの識別を容易にするために使用される、請求項44に記載のシステムの作動方法。
- ステップa)およびb)が、前記供給源と前記検出器との間の異なる距離で繰り返される、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することが前記異なる距離を使用する、請求項46に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することが、前記異なる距離に起因する前記タイミング情報の差を補う、請求項47に記載のシステムの作動方法。
- ステップa)において、前記標的媒体に第2の検出器が接続されており、前記第2の検出器が前記検出器よりも、前記供給源から異なる距離に配置され、ステップb)は、前記第2の検出器において前記複数の光子の少なくとも第2の部分を受け取り、それにより、前記複数の光子の前記少なくとも第2の部分についての、第2のタイミング情報および第2の光学的相関情報を含む第2の検出器信号を生成することをさらに含み、ステップc)の前記決定することが、前記第2のタイミング情報と前記第2の光学的相関情報とを使用する、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することが前記異なる距離を使用する、請求項49に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することは、前記異なる距離に起因する前記タイミング情報および前記第2のタイミング情報の差を補う、請求項50に記載のシステムの作動方法。
- 前記第1の光パルスが400nm〜1500nmの波長を有する、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- 測定を行うのに十分なコヒーレンス長を有する連続波光を放出するように構成された、第2の供給源を前記標的媒体に接続することと、
前記第2の供給源から前記連続波光を前記標的媒体に伝送することと、
前記検出器を用いて、前記連続波光が前記標的媒体を通過した後の前記連続波光を取得することと
をさらに含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。 - 第2の検出器を前記標的媒体に接続することと、
前記標的媒体を通過した後に、前記複数の光子の少なくとも第2の部分を前記第2の検出器を用いて受け取ることと
をさらに含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。 - ステップc)の前記決定することは、経路長依存自己相関関数を使用して達成される、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することがデータに基づきフィッティングを行うことを含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- 前記データに基づきフィッティングを行うことは、相関減衰率対経路長のプロットの勾配を使用して達成される、請求項56に記載のシステムの作動方法。
- a1)前記供給源または1ps〜10nsのパルス長を有する第2の光パルスを放出するように構成されかつ前記標的媒体に接続された第2の供給源から前記標的媒体に、第2の複数の光子を含む第2の光パルスを伝送すること、
b1)前記標的媒体を通過した後、前記検出器または前記標的媒体に接続された第2の検出器で前記第2の複数の光子の少なくとも一部を受け取り、それによって前記第2の複数の光子の前記少なくとも一部についての、第2のタイミング情報および第2の光学的相関情報を含む第2の検出器信号を生成すること、をさらに含み、
ステップc)の前記決定することが、前記第2のタイミング情報と前記第2の光学的相関情報とを使用する、請求項25に記載のシステムの作動方法。 - 前記第1の光パルスおよび前記第2の光パルスは、異なる波長を有する、請求項58に記載のシステムの作動方法。
- ステップc)の前記決定することが、前記標的媒体の少なくとも2つの別個の種に関する1つ以上の特性を決定することを含む、請求項59に記載のシステムの作動方法。
- 前記標的媒体の前記少なくとも2つの別個の種に関する前記1つ以上の特性が、前記少なくとも2つの別個の種の濃度を含む、請求項60に記載のシステムの作動方法。
- 前記少なくとも2つの別個の種が、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンを含む、請求項60に記載のシステムの作動方法。
- 前記標的媒体の前記ダイナミクスが前記標的媒体内の流体の流れを含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。
- 前記標的媒体が組織であり、前記標的媒体内の前記流体の流れが前記組織内の血流である、請求項63に記載のシステムの作動方法。
- ステップb)の前記受け取ることに先立って、前記検出器信号を、所定のゲーティングタイムウィンドウ内で前記検出器で受け取られた複数の光子の前記少なくとも一部のゲートされたサブセットに対して生成するように、前記検出器をゲートすること
をさらに含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。 - ステップc)の前記決定することに先立って、所定のゲーティングタイムウィンドウ内の前記複数の光子の前記少なくとも一部のゲートされたサブセットについての前記タイミング情報および前記光学的相関情報を含み、前記ゲートされたサブセット外の前記複数の光子の前記少なくとも一部の前記タイミング情報および前記光学的相関情報を除外する、前記検出器信号をゲートすること
をさらに含む、請求項25に記載のシステムの作動方法。 - 第2の所定のゲーティングタイムウィンドウ内の前記複数の光子の前記少なくとも一部の異なるゲートされたサブセットについて、前記ゲートすること、ステップc)の前記決定すること、およびステップd)の前記生成することを繰り返すことをさらに含む、請求項66に記載のシステムの作動方法。
- 標的媒体の時間分解性拡散相関分光法(TR−DCS)測定を行うためのシステムの作動方法であって、
前記システムは、前記標的媒体に接続された光パルスの供給源と、光検出器と、プロセッサと、を有し、
a)前記供給源から標的媒体中に、1ps〜10nsの第1のパルス長を有するとともに複数の光子を含む第1の光パルスを放出すること、
b)前記供給源または異なる光源から放出された基準光パルスを用いて、前記標的媒体を通過した後の前記複数の光子の少なくとも一部を多重化し、それによって多重化された光信号を生成すること、
c)前記光検出器で前記多重化された光信号を受信し、それにより、前記複数の光子の前記少なくとも一部についてのタイミング情報および光学的相関情報を含む検出器信号を生成すること、
d)前記プロセッサを用いて、前記タイミング情報、前記光学的相関情報、および前記供給源から前記光検出器へ移動する光子の飛行時間および光学的相関を前記標的媒体のダイナミクスに関係付ける1つまたは複数の方程式を決定すること、および
e)前記プロセッサを用いて、前記標的媒体の前記ダイナミクスを含むレポートを生成すること
を含み、
前記工程b)において、前記基準光パルスは前記標的媒体を通過しておらず、前記基準光パルスは前記第1のパルス長と同じか異なる基準パルス長を有し、前記基準パルス長は1ps〜100nsであり、
前記供給源は、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスの光源であり、前記光パルスは、フーリエ変換限界またはほぼフーリエ変換限界光パルスである、システムの作動方法。
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