JP7434182B2 - コヒーレンスゲーテッド光音響リモートセンシング(cg-pars) - Google Patents
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Description
本特許出願は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、2018年1月26日に出願された米国仮特許出願第62/622,816に対する米国特許法第119条の下での優先権の利益を主張する。
光音響イメージングは、高空間分解能による光学コントラストをもたらす新たなハイブリッドイメージング技術である。組織に出射されたナノ秒またはピコ秒のレーザパルスは、熱弾性誘導音響波を発射し、それは、高分解能画像を形成するよう検出及び再構築される。
内視鏡は、システムを含んでもよい。
サンプルをリモートセンシングする方法は、励起ビーム及びインタロゲーションビームを含むコヒーレンスゲーテッド光音響リモートセンシングシステムを提供することであって、インタロゲーションビームは、低コヒーレントビームである、提供することと、励起ビームに、励起位置においてサンプル内で超音波信号を誘導させることと、インタロゲーションビームに、インタロゲーション位置においてサンプルを調査させることであって、インタロゲーションビームの部分は、生成された超音波信号を示すサンプルから戻り、インタロゲーション位置は、サンプルの表面の下にあり、及びサンプル内にある、調査させることと、インタロゲーションビームの戻り部を分離して、サンプルのインタロゲーションイベントを達成するために低コヒーレンス干渉計を使用することと、のステップを含んでもよい。
本明細書では、用語「備える(comprising)」は、非限定的な意味においてその用語に従う項目が含まれるが、特に言及されなかった項目が排除されないことを意味するために使用される。不定冠詞「a」による要素への参照は、要素のうちの1つ及び1つのみが存在することを必要としない。
本明細書で説明されるシステムが、上記説明されたそれらの目的などの様々な方式において使用されてもよく、上記説明された態様を利用する他の方式においても使用されてもよいことが理解されよう。用途の非包括的なリストは、以下で議論される。
システムはまた、(1)目、潜在的な蛍光眼底血管造影検査の増強または置き換え、(2)悪性黒色腫、基底細胞癌、血管腫、乾癬、湿疹、皮膚炎を含む皮膚病変のイメージング、モース手術のイメージング、腫瘍境界切除を検証するためのイメージング、(3)末梢血管疾患、(4)糖尿病及び圧迫潰瘍、(5)熱傷イメージング、(6)形成外科及び顕微鏡手術、(7)腫瘍細胞、特に悪性黒色腫細胞の循環のイメージング、(8)リンパ節血管新生のイメージング(9)血管除去機構によるものを含む光線力学的治療への応答のイメージング、(10)血管新生抑制薬を含む化学療法への応答のイメージング、(11)放射線療法への応答のイメージングなどの用途のための使用において発見することができる、マイクロ循環及びマクロ循環並びに色素細胞の臨床イメージングのために使用されてもよい。
1.提案されるCG-PARSは、励起レーザの光吸収に正比例した深度依存コントラストを提供する。例えば、CW CE-PARSは、高域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを使用して、信号の変調成分を抽出する。パルスCE-PARSまたはSD-CG-PARSと関連付けられたパルス検出システムは、励起パルスによりまたは励起パルスなしに検出された信号における差を使用する。
1.スペクトル領域コヒーレンスゲーテッドPARSトモグラフィ(SD-CG-PARSトモグラフィ)システムは、以下を有する。
b.低コヒーレンスインタロゲーション光源であって、コヒーレンス長は、深度分解能の主要な決定因子である。典型的には、インタロゲーション波長及び励起波長は、スペクトル的に明確に異なるが、任意選択の実施形態では、励起源及びインタロゲーション源は、1つで同一である。
d.それぞれのビームまたは組み合わされたビームを集束させ、サンプルからインタロゲーション光を収集する集束レンズ(複数可)。
j.スキャンの間の参照経路長を調節し、または所望の深度セクショニングを調節する任意選択のプログラム可能コントローラ及びアクチュエータ。
l.各々の深度位置において光吸収に比例したコントラストによりCG-PARS Aスキャンを形成するよう、OCT RF Aスキャンラインを処理する(励起パルスによりまたは励起パルスなしに、任意選択で、参照経路長シフトにより及び参照経路長シフトなしに)プロセッサ。1つのそのようなプロセッサの実施形態は、各々のOCT Aスキャンのエンベロープを形成すること、並びに励起レーザパルスにより及び励起レーザパルスなしにAスキャンのエンベロープを減算することを含む。この戦略は、望ましくない位相ノイズ感度を除去する利点を有するが、光音響初期圧力と関連付けられた屈折率変化をなおも捕捉する。
2.コヒーレンス拡張PARS(CE-PARS)マイクロスコピシステムは以下を有する。
b.低コヒーレンスインタロゲーションレーザであって、コヒーレンス長は、深度分解能の主要な決定因子である。典型的には、インタロゲーション波長及び励起波長は、スペクトル的に明確に異なるが、任意選択の実施形態では、励起源及びインタロゲーション源は、1つで同一である。
d.それぞれのビームまたは組み合わされたビームを集束させ、サンプルからインタロゲーション光を収集する集束レンズ(複数可)。
3.励起パルスによりまたは励起パルスなしの両方で(または、異なるパルスエネルギーにより)サンプルからのインタロゲーションパルス状信号を捕捉し(参照ビーム干渉によりまたは参照ビーム干渉なしに)、それぞれの信号を減算し、または励起パルスが存在しないOCT信号に対して正規化されたそれらの相対差を推定することを伴うパルスインタロゲーション検出サブシステム。これは、アナログ-デジタル変換器により増幅されたフォトダイオード信号を記録し、減算(任意選択で、除算)演算をデジタル的に行うことによって行われてもよい。それはまた、アナログ電子機器により行われてもよい。
4.(1)異なる励起波長または(2)異なるパルス幅(例えば、ピコ秒パルス及びナノ秒パルス)を使用して順次パルスを伴う機能イメージングシステム。(1)及び(2)の両方のケースでは、PARS初期圧力信号は、光吸収に比例し、上記説明されたCG-PARSシステムを使用して、または前に説明された干渉計もしくは非干渉計PARSシステムを使用して、インタロゲーションビームを使用して光学的に検出される。
a.(SDCG-PARS)サンプルの光学特性を調査する方法は、
サンプル内の光音響信号を生成する方法と、
光音響信号を検出するために使用される低コヒーレンス干渉計と、
所与の位置においてサンプルに光を案内する方法と、
所与の位置においてサンプルから光を収集する方法と、
光学スペクトル検出器と、
複数の光学スペクトルを収集するプロセッサと、
複数の光学スペクトルの間の差を抽出するプロセッサと、
を含む。
i.励起源の部分は、パルスツーパルス変動を説明するようフォトダイオードによって検出される、ステートメントIの方法。
III.低コヒーレンス干渉計は、広帯域連続波源電磁気源、参照経路及びサンプル経路にこのビームを分割する方法、並びに参照経路及びサンプル経路から戻るビームを組み合わせる方法を含む、ステートメントaの方法。
IV.サンプルに及びサンプルから案内する方法は、光学スキャナ(ガルバノミラー、共振ミラー、MEMSミラー、ポリゴンスキャナなどのうちの1つ以上)、集束光学系サブシステム(対物レンズ、反射目的物、放物面ミラー、GRINレンズ)、及び検出経路に沿った励起波長を拒絶する光学フィルタのシステムから構成される、ステートメントaの方法。
b.(並列CEPARS)サンプルの光学特性を調査する方法は、
サンプル内の光音響信号を生成する方法と、
光音響信号を検出するために使用される2つ以上の光学低コヒーレンス干渉計と、
所与の位置においてサンプルに光を案内する方法と、
所与の位置においてサンプルから光を収集する方法と、
干渉計からのデータチャネルを組み合わせるプロセッサと、
エンベロープ信号の時間変調を抽出するプロセッサと、
を含む。
i.励起源の部分は、パルスツーパルス変動を説明するようフォトダイオードによって検出される、ステートメントIの方法。
c.(直列QSCG-PARS)サンプルの光学特性を調査する方法は、
サンプル内の光音響信号を生成する方法と、
光音響信号を検出するために使用される低コヒーレンス干渉計であって、参照位相は、順次取得の間で調節される必要がある、低コヒーレンス干渉計と、
所与の位置においてサンプルに光を案内する方法と、
所与の位置においてサンプルから光を収集する方法と、
複数の取得を必要とする取得の方法と、
干渉計から直列データチャネルを組み合わせるプロセッサと、
エンベロープ信号の時間変調を抽出するプロセッサと、
を含む。
ii.励起源の部分は、パルスツーパルス変動を説明するようフォトダイオードによって検出される、ステートメントIの方法。
d.(直角位相CEPARS)サンプルの光学特性を調査する方法は、
サンプル内の光音響信号を生成する方法と、
光学直角位相検出器と、
所与の位置においてサンプルに光を案内する方法と、
所与の位置においてサンプルから光を収集する方法と、
直角位相検出器からのデータチャネルを組み合わせるプロセッサと、
エンベロープ信号の時間変調を抽出するプロセッサと、
を含む。
i.励起源の部分は、パルスツーパルス変動を説明するようフォトダイオードによって検出される、ステートメントIの方法。
Claims (15)
- サンプル内の詳細を可視化するコヒーレンスゲーテッドセンシングシステムであって、
励起位置において前記サンプル内の信号を生成する少なくとも1つの励起ビームを生成するように構成された1つ以上のレーザ源と、
前記1つ以上のレーザ源は、インタロゲーション位置において前記サンプルに入射する少なくとも1つのインタロゲーションビームを生成するようにも構成され、生成された前記信号を示す前記少なくとも1つのインタロゲーションビームの一部が、前記サンプルから戻り、
励起位置において前記サンプルに前記少なくとも1つの励起ビームを集束させ、かつ前記インタロゲーション位置においてサンプル経路に沿って前記サンプルに前記少なくとも1つのインタロゲーションビームを集束させる光学システムであって、前記励起位置及び前記インタロゲーション位置は、前記サンプルの表面の下にあり、及び前記サンプル内にある、前記光学システムと、
前記1つ以上のレーザ源は、参照経路に沿って参照ビームを生成するようにも構成されており、
前記少なくとも1つのインタロゲーションビームと前記参照ビームとの間の相対的な位相シフトまたはシフトを比較するように構成された干渉計と、
を備えた、コヒーレンスゲーテッドセンシングシステム。 - 前記1つ以上のレーザ源は、前記参照ビームに対して位相シフトされた1つ以上の追加の参照ビームを生成するように構成され、前記干渉計は、前記参照ビーム及び前記1つ以上の追加の参照ビームを使用して、戻り部分を分離し、前記1つ以上の追加の参照ビームは、異なる経路長、遅延ライン、1つ以上の波長板、離散補正媒体、または1つ以上の循環機のうちの少なくとも1つによって位相シフトされ、前記1つ以上の追加の参照ビームは、前記少なくとも1つのインタロゲーションビームと並んで検出される、請求項1に記載のシステム。
- 組み合わされた参照経路及びサンプル経路を検出するように構成された検出器と、
前記サンプルから戻る前記少なくとも1つのインタロゲーションビームの一部を前記参照ビームと比較するように構成された少なくとも1つの光学コンバイナと
を更に備えた、請求項1に記載のシステム。 - 励起ビームにより信号が生成される前の第1のインタロゲーションイベントにおいて、前記サンプルから戻る前記少なくとも1つのインタロゲーションビームの一部と前記参照ビームとの間の比較を解釈し、
励起ビームにより信号が生成される間又は後に発生する第2のインタロゲーションイベントにおいて、前記サンプルから戻る前記少なくとも1つのインタロゲーションビームの一部と前記参照ビームとの間の比較を解釈し、
前記第1のインタロゲーションイベント及び前記第2のインタロゲーションイベントの解釈に基づいて、深度分解光吸収を決定するプロセッシングユニットを更に備えた、請求項1に記載のシステム。 - 前記生成された信号は、熱信号および/または圧力信号を含むとともに、超音波信号および/または光音響信号のうちの少なくとも1つを含み、前記サンプルから戻る前記インタロゲーションビームの一部により、前記生成された信号が、強度変化、偏波変化、位相変化、蛍光変化、非線形散乱の変化、または非線形吸収の変化のうちの1つまたは複数として符号化され、媒体を結合する超音波が使用されておらず、少なくとも1つのレーザ源は、(i)パルス状インタロゲーション源、急速変調連続波源、または掃引レーザ源、および(ii)狭帯域パルス源または広帯域パルス源、または強度変調された狭帯域連続波源または広帯域連続波源を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前臨床腫瘍モデルについて血管新生を撮像すること、
多波長光音響励起を用いて酸素飽和度を推定すること、
パルス酸素飽和度測定を使用することができない場合に静脈酸素飽和度を推定すること、
脳静脈酸素飽和度および/または中心脈酸素飽和度を推定すること、
酸素流量および/または酸素消費量を推定すること、
組織の領域に及び組織の領域から流れる血管における血流を推定すること、
マイクロ循環及びマクロ循環並びに色素細胞の臨床イメージング、
眼のイメージング、
蛍光眼底血管造影検査を増強または置き換えること、
皮膚病変のイメージング、
悪性黒色腫のイメージング、
基底細胞癌のイメージング、
血管腫のイメージング、
乾癬のイメージング、
湿疹のイメージング、
皮膚炎のイメージング、
モース手術のイメージング、
腫瘍境界切除を検証するためのイメージング、
末梢血管疾患のイメージング、
糖尿病および/または圧迫潰瘍のイメージング、
熱傷のイメージング、
形成外科、
顕微鏡手術、
腫瘍細胞の循環のイメージング、
悪性黒色腫細胞のイメージング、
リンパ節血管新生のイメージング、
光力学的療法に対する応答のイメージング、
血管除去機構を有する光線力学的療法に対する応答のイメージング、
化学療法に対する応答のイメージング、
血管新生抑制薬に対する応答のイメージング、
放射線治療に対する応答のイメージング、
血管床並びにバレット食道および/または大腸癌における浸潤の深度のイメージング、
脳外科手術の間の機能イメージング、
内出血及び/または焼灼検証の評価、
臓器及び/または臓器移植のかん流の充足レベルのイメージング、
膵島移植の周りの血管形成のイメージング、
植皮のイメージング、
血管新生及び/または免疫拒絶を評価する組織スキャフォールド及び/または生体材料のイメージング、
顕微鏡手術を支援するイメージング、
血管及び/または神経を切除することを回避する案内、
臨床または事前臨床用途における造影剤のイメージング、
歩哨リンパ節の識別、
リンパ節内の腫瘍の非侵襲的または低侵襲的同定、
遺伝的に符号化されたレポータのイメージング、遺伝的に符号化されたレポータは、事前臨床または臨床分子イメージング用途のためのチロシナーゼ、色素タンパク、および/または蛍光タンパク質を含む、
分子イメージングに関して能動的または受動的に標的化された光学吸収ナノ粒子のイメージング、
凝血のイメージング、
凝固の期間の診断、
カテーテル治療手順の置き換え、
消化器の用途、
視野全体にわたる単一励起パルスイメージング、
組織のイメージング、
細胞のイメージング、
散乱光の吸収誘起変化のイメージング、または
光吸収の非接触イメージング
のうちの1つまたは複数のために使用される、請求項1に記載のシステム。 - 蛍光マイクロスコピ、2光子及び共焦点蛍光マイクロスコピ、コヒーレント反ラマンストークスマイクロスコピ、ラマンマイクロスコピ、または光学コヒーレンストモグラフィと組み合わせて、請求項1に記載のコヒーレンスゲーテッドセンシングシステムを備えたシステム。
- 前記システムは、深度依存コントラストを提供するように構成され、前記深度依存コントラストは、前記少なくとも1つの励起ビームの光吸収に正比例する、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのインタロゲーションビームのコヒーレンス長は、前記少なくとも1つの励起ビームの焦点の深度よりも短い、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、OCT信号を使用して初期圧力と関連付けられた屈折率変化を検出するように構成され、前記システムは、複数の検出器により直列または並列のいずれかで、少なくとも2つの取得したものを使用する、請求項1に記載のシステム。
- 励起パルスによりまたは励起パルスなしにOCTAスキャンを取得するように構成された分光器を更に備え、前記分光器は、ナノ秒スケールの吸収によって誘起される屈折率の変化を捕捉するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのインタロゲーションビームは、捕捉時間が100ナノ秒(100ns)未満となるように十分に短いパルスを有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのインタロゲーションビームの戻り部分に基づいて前記サンプルの画像を計算するプロセッサと、
励起ビームにより前記サンプル内の信号が生成された後の所定の時間に生成された信号を検出するように構成された時間ゲーティングシステムと、
をさらに備え、前記所定の時間は、生成された信号が所定の空間分解能まで伝搬する時間以下である、請求項1に記載のシステム。 - 前記1つ以上のレーザ源は、前記少なくとも1つの励起ビームを生成するように構成された励起ビーム源と、前記少なくとも1つのインタロゲーションビームを生成するように構成されたインタロゲーションビーム源とを含み、前記時間ゲーティングシステムは、
前記生成された信号を検出するためのゲーテッドカメラ露光、
前記励起ビームにより信号が生成された後、所定の数ナノ秒以内に前記生成された信号を測定するように構成されたパルスシーケンサおよび取得システム、
ナノ秒スケールの応答時間の間に所定の時間ウインドウ内で前記インタロゲーションビームの戻り部分のみを捕捉するように構成された光シャッタもしくは電子シャッタ、または
時間領域信号を電子的に捕捉するように構成されたフォトダイオードアレイを含む、請求項13に記載のシステム。 - 励起ビームにより信号が生成されない第1のインタロゲーションイベントと、励起ビームにより信号が生成される第2のインタロゲーションイベントとの間の差に基づいて深度分解光吸収を決定するように構成されたプロセッサを更に備えた、請求項1に記載のシステム。
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