JPH11507440A - 異なる波長の放射線を使用した混濁媒体中の対象の局部化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 混濁媒体（２）の中の対象（１）を検査するシステムは、望ましくは６００ｎｍ乃至１μｍの範囲内の異なる波長の放射成分で混濁媒体を照射する放射線源（３）からなる。放射線成分は、望ましくは逆相で振幅変調される。混濁媒体からの放射線は、異なる波長に対して感度のある光検出器（４）によって受信される。混濁媒体中の異質物は光検出器における振幅変調の重ね合わせに影響を与え、それにより光検出器は混濁媒体中の対象の存在及び／又は位置の情報を含む信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】 異なる波長の放射線を使用した混濁媒体中の対象の局部化 本発明は、混濁媒体中の対象を局部化するシステムに関する。本発明はまた、 混濁媒体中の対象を局部化する方法に関する。 そのようなシステムは、人間又は動物の組織を撮像するために有利に使用され る。特に乳房造影の分野では、混濁媒体中の対象の検出は、女性の乳房の中の腫 瘍を検出するために使用される。 そのようなシステムは、１９９３年のProceedings of the National Academy of Science USA第９０巻３４２３乃至３４２７頁のB.Chance他による論文「High ly sensitive object location in tissue models with linear in-phase and a nti-phase multi-element optical arrays in one and two dimensions」によっ て知られている。 既知のシステムは、略同じ波長を放出する空間的に離間した光源からなる。光 源は、本質的に同じ周波数及び約１８０°の位相差で振幅変調される。既知のシ ステムが均質な媒体を照射するとき、振幅変調は２つの源の離間の垂直２等分線 に沿って打ち消しあう。混濁媒体中の対象といった異質物は、垂直２等分線に沿 った振幅変調の打ち消しからの偏向を起こし、従って垂直２等分線上で光検出器 装置によって信号が検出される。しかしながら、既知のシステムは対象の構成に 関係する情報を提供しない。従って、既知のシステムは、例えば悪性の癌性腫瘍 と良性の腫瘍とを識別することができない。 本発明は、対象の構成に対して実質的に感度のある混濁媒体中の対象を検出す る方法を提供することを目的とする。 この目的は、第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって混濁媒体を照 射する放射線源と、混濁媒体から放射線を検出するよう配置された光検出器とか らなり、第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、 第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調は所定の位相差を有する、本発明によ る混濁媒体中の対象を検出するシステムによって達成される。 放射線源は混濁媒体を照射し、混濁媒体の少なくとも一部分を通過した放射線 は光検出器によって検出される。混濁媒体が均質であるとき、振幅変調は所定の 方法で光検出器において重なり合う。その重ね合わせは、所定の光検出器信号に よって表される。特に、振幅変調の重ね合わせは、混濁媒体による第１及び第２ の波長の放射成分の吸収と、放射成分の入射位置と光検出器との間の距離とによ って予め決定される。対象は所定の重ね合わせからの偏向を生じさせ、続いて生 ずる実際の光検出器信号の所定の光検出器信号からの偏向は、対象の情報を含む 。特に、重ね合わせの偏向は、混濁媒体と対象との波長に対する吸収の依存度の 差によって生ずる。例えば、女性の乳房の中の癌性腫瘍は、健康な乳房組織と比 較して波長の関数として異なる吸収性質を有する。 実際の光検出器信号の所定の光検出器信号からの偏向は、対象の位置及び構成 の少なくとも幾らかの面の両方を表わす。偏向は、対象の少なくとも幾らかの面 を表わす、対象に関係する分光情報からなる。振幅変調の重ね合わせの偏向は、 放射成分によって通過される混濁媒体の中の領域の略全体に亘って生じる。従っ て、本発明によるシステムは、非常に小さな対象及び／又は周囲の混濁媒体とほ とんど相違のない対象、例えば周囲の健康な組織とはわずかに異なる非常に小さ な腫瘍を検出することが可能である。 均質な混濁媒体に関係する所定の光検出器信号と、混濁媒体中の対象に関係す る実際の光検出器信号との間に有意義な差が生ずるためには、光検出器は第１及 び第２の波長の両方に対して実質的に感 度を有さねばならない。放射成分の夫々が６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の波長を 有し、即ち赤外線又は可視光線が使用されることが望ましい。この範囲の波長は 非電離であり、従来知られている限りでは健康な組織に対してほとんど、又は全 く損傷を生じさせない。更に、この範囲では、対象の検出及び局部化を可能にす るために適切な空間解像度を達成するよう放射線の散乱は充分に弱く散乱され、 検出器信号が適切な信号対雑音比を有するために、放射成分の実質的な強度が光 検出器に達することを可能にするよう吸収は充分に低い。 本発明の更なる望ましい実施例では、所定の位相差は略１８０°に等しい。 第１及び第２の波長の放射成分は逆相で振幅変調される。両方の放射成分は混 濁媒体の同じ位置に入射される。第１及び第２の波長における吸収率及び散乱が 略同じである均質混濁媒体では、夫々の放射成分の振幅変調は混濁媒体の全ての 位置において相互に打ち消し合う。従って、混濁媒体中に対象が存在しなければ 、所定の光検出器信号は実質的に直流成分のみからなる。混濁媒体中に対象とい った異質物があるとき、振幅変調は完全には打ち消されず、実際の光検出器信号 は振幅変調の周波数を有する交流成分からなる。交流成分を測定することはかな り簡単である。更に、均質な混濁媒体の所定の光検出器信号は直流信号であるた め、所定の光検出器信号を実際に形成する必要はない。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は第１及び第２ の波長を含む感度波長範囲を有する。 第１及び第２の波長の放射成分を検出するための別々の検出器部分からなる光 検出器が使用されうるが、第１及び第２の波長の両方を含むために十分広い感度 帯域幅を有する感光性素子を有する光検出器が使用されることが望ましい。その ような高帯域光検出器では、容易に混濁媒体中の同じ位置から両方の放射成分を 検出することが できる。従って、光検出器によって異なる位置から混濁媒体を離れる放射成分が 検出され、それにより対象に関連しない誤った交流信号が発生されることが避け られる。更に、放射成分が第１及び第２の夫々の波長の周辺の帯域の中の波長を 含む場合に、高帯域光検出器の使用が適当である。これは、高帯域光検出器が使 用されるとき、混濁媒体からほとんど放射線が失われず、従って混濁媒体とほと んど相違のない小さな対象に対するシステムの感度を増強する。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、振幅変調は略方形波変調 である。 これは、１つの放射成分を連続的に供給する一方で他の放射成分を遮断するこ とに対応する。これは、夫々の放射成分を発生するために別々の線源を設けるこ とによって最も簡単に達成される。その場合、１つの線源をターンオンと共に他 の線源をターンオフすることによって、１８０°の位相差を有する方形波変調が 達成される。 本発明は、対象の構成に対しても感度のある、混濁媒体中の対象を検出し、局 部化するシステムを提供することを更なる目的とする。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は放射線受信部 分を有し、システムは、混濁媒体を圧縮する圧縮機構と、混濁媒体に対して放射 線放出面を移動する変移装置と、放射線放出面の反対側に配置された検出器の放 射線受信部分とからなる。 放射線源によって発生した放射線は、混濁媒体を照射するためその放射線放出 面から離れる。混濁媒体を少なくとも部分的に通過した放射線は光検出器の受信 部によって受信される。圧縮装置は、混濁媒体を略スラブ形状に配置する。混濁 媒体、即ち女性の乳房は放射線源の放射線放出面を混濁媒体に対して移動させる ことによって走査される。このように、混濁媒体は混濁媒体の表面の少なくとも 一部分上で連続的な位置から照射される。混濁媒体の走査の間、放射線受信部と 放射線放出面との間の距離が略一定に維持されるように単一の受信部が放射線放 出面と共に移動されるか、又は放射線放 出面と作動中の受信部との間の距離が略一定であり、走査の間に連続する受信部 が作動されるよう、複数の放射線受信面が使用されうる。従って、走査の間に、 放射線が混濁媒体の中を通過する路の長さは、正確に一定に維持されることが達 成される。従って、混濁媒体自体の吸収率の波長に対する依存によって生ずる光 検出器における第１及び第２の放射線成分の振幅の間の差は、有意義に避けられ る。連続的な光検出器信号は、対象の位置及び構成の情報を含む。夫々の放射成 分の振幅変調の深さは、混濁媒体中の第１及び第２の波長の放射成分の吸収に対 応して調節されることが望ましい。均質な混濁媒体に対して、所定の光検出器信 号は略直流成分のみを含むことを達成するために、夫々の放射成分の振幅変調の 深さは第１及び第２の波長に対する光検出器の感度に対応して調節され、即ち光 検出器が第１の波長に対して第２の波長よりも感度が低ければ、第１の波長の放 射成分の変調の深さは、第２の波長の放射成分の変調の深さよりも大きくされる 。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例は、放射線源から混濁媒体へ放 射線を案内するよう配置された線源ファイバと、混濁媒体の夫々の位置から光検 出器へ放射線を案内するよう配置された複数の検出器ファイバとからなる。 線源ファイバは両方の放射成分を混濁媒体の中へ送信する。夫々の検出器ファ イバは混濁媒体の周囲の別々の位置から放射線を収集する。従って、光検出器は 混濁媒体の中の別々の路を通過した放射線を受信する。従って、実際の光検出器 信号は混濁媒体中の対象の空間及び分光情報を含む。対象の位置及び／又は構造 を表わす画像信号を形成するよう、実際の光検出器信号は適当に処理される。別 々の検出器信号からの信号は、画像信号を発生するために並行に処理されうる。 画像信号は、例えばモニタ上又はハードコピー上といった画像の中に、対象及び ／又は混濁媒体中の対象の位置及び構成を再生するために使用されうる。 単一の線源ファイバ及び多数の検出器ファイバの代わりに、多数の線源ファイ バ及び単一の検出器ファイバを使用することも可能である。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は電荷結合デバ イス（ＣＣＤ）である。 検出器ファイバは、フォトダイオード又はＣＣＤセンサの別々の感光性素子に 結合され、それにより夫々の感光性素子は混濁媒体の様々な位置から放射線を受 信する。感光性素子は、（赤外線）光線といった入射放射線を電荷に変換する。 ＣＣＤセンサが使用されているとき、これらの電荷をバケットブリゲード式に読 み出しレジスタへ転送することによって、電荷は簡単に読み出される。読み出さ れた電荷から、実際の光検出器信号が導かれる。光検出器信号の信号対雑音比は 、熱励起によって放出される電荷を減少させるよう、光センサ又はＣＣＤセンサ の配列を冷却することによって改善される。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は振幅変調と同 時に作動するよう配置された読み出し回路からなる。 光検出器は第１及び第２の波長を有する夫々の放射成分に対応する連続的な光 検出器信号を供給する。これらの連続的な信号の間の差は、対象に関連する分光 情報を含む。 本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、読み出し回路は減算ユニ ットからなる。 読み出し回路は、混濁媒体からの夫々の放射成分に対応する電荷を出力する。 これらの電荷から、夫々の放射成分に対応する夫々の光検出器信号が導かれる。 減算ユニットは、信号レベルが連続的な光検出器信号の信号レベルの間の差に等 しい画像信号を形成するよう配置されている。画像信号は、混濁媒体中の対象の 位置を表わす。 本発明は、対象の構成に対して略感度のある、混濁媒体中の対象を検出する方 法を提供することを他の目的とする。 本発明によれば、混濁媒体中の対象を検出する方法は、媒体は第１及び第２の 波長を夫々有する放射成分によって照射され、第１及び第２の波長の放射成分は 略等しい変調周波数で振幅変調され、第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調 は所定の位相差を有し、混濁媒体からの放射線は検出される。 この方法は、検出のため、及び良い感度で混濁媒体中の対象の構成の少なくと も一部分を導くために提供されている。即ち、本発明による方法は、検出及び／ 又は局部化される対象の分光情報を提供する。周囲の混濁媒体とほとんど相違の ない小さな対象でさえ、正確に局部化される。 特に、本発明による方法は、適当な薬理学的トレーサ材料又は構成の分布を検 出するために有利に使用されうる。適当に選択されたトレーサは優位に悪性の組 織の中に集中し、そのようなトレーサは第１又は第２の波長のいずれかでその吸 収率が明らかに周囲の健康な組織の吸収率と異なるように選択されうる。 本発明の上述及び他の面は、添付の図面を参照して、以下説明される実施例を 参照して説明されよう。 図中、 図１は本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第１の実施例から なる乳房造影装置を系統的に示す図であり、 図２は本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第２の実施例から なる乳房造影装置を系統的に示す図である。 図１は、本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムからなる乳房造影 装置を系統的に示す。そのような乳房造影装置は、女性の乳房の組織内の異質物 を検出することを目的とする。そのような異質物は例えば、悪性腫瘍の周囲に形 成される微小血管化、即ち小さな血管の集中、又は腫瘍自体でありうる。特に本 発明による方 法は、癌腫が病理学的に早期に発見されるよう、病巣が非常に小さい場合にその ような病巣を検出し、局部化し、しかし検査されるべき女性がＸ線といった電離 放射線の危険に晒されることがないことを目的とする。 線源ファイバ５及び検出器ファイバ７は女性の乳房の周囲１５に沿って配置さ れる。２つの異なる波長の放射線は、実際には混濁媒体２である乳房組織の中へ 放射される。散乱により、夫々の検出器ファイバ７は略バナナ型の領域１６から 光線を受信する。６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の波長では、乳房組織内の吸収は 実質的な強度が検出器ファイバに達するために十分低く、乳房組織内の放射線の 散乱は対象の検出のための適切な空間解像度を達成するために十分低いため、こ の範囲の波長を有する放射線が適切である。実質的に１μｍよりも大きい波長を 有する赤外線放射が使用されれば、水による吸収は光検光器において不十分な赤 外線放射強度を生じさせる。６００ｎｍ（オレンジ）よりも短い波長を有する光 線は乳房組織内で非常に強く散乱されるため、空間解像度は対象を検出するには 不十分となる。特に望ましい結果は７８０ｎｍ乃至９４０ｎｍの波の波長を有す る放射線によって達成される。更に、６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の赤外線放射 は半導体注入レーザを使用することによって簡単に得られる。 別々の検出器ファイバ７によって受信される放射線は、実際はＣＣＤセンサで ある光検出器４に供給される。検出器ファイバ７からの放射線は、ＣＣＤセンサ の感光性素子の中で電荷に変換される。電荷は、実際は読み出しレジスタである 読み出し回路８によって増幅器２０へ読み出される。増幅器２０は読み出された 電荷から光検出器信号を導き、光検出器信号を信号処理ユニット９へ供給する。 光検出器信号は対象１の位置及び構成の情報を含む。光検出器信号は信号処理ユ ニットによって画像信号に変換される。特に画像信号は電子ビデオ信号として形 成される。電子ビデオ信号は、乳房組織 の混濁媒体中の対象１に関連する情報が目に見える形で表示されるモニタ２１へ 供給される。電子ビデオ信号はまた、更なる処理の前に記憶されるバッファユニ ット２２へ供給されうる。 放射線源３は、２つの別々の半導体注入レーザ３１及び３２が結合されるファ イバ結合器３０からなる。これらのレーザ３１，３２からの出力光線は光学ファ イバ３３，３４によってファイバ結合器へ供給される。別々の半導体注入レーザ は、７８０ｎｍ乃至９４０ｎｍの範囲の異なる波長の赤外線光線を放出する。注 入電流は電流源３５，３６によって供給され、半導体レーザの出力の振幅変調を 達成するため、別々の半導体レーザを通る注入電流は変調器３７によって振幅変 調される。ファイバ結合器３０は、半導体注入レーザからの異なる波長の赤外線 光線を、夫々第１及び第２の波長を有する２つの放射成分を有する赤外線光線へ 組み合わせる。ファイバ結合器３０からの出力光線は、女性の乳房へ異なる波長 の放射成分を有する光線を供給する線源ファイバ５の中へ案内する。 変調器が別々のレーザを通る夫々の注入電流を交番にスイッチオン及びスイッ チオフすることにより、簡単な振幅変調が達成され；実際には両方のレーザの出 力は方形波振幅変調で逆相で振幅変調される。この動作モードでは、ＣＣＤセン サは女性の乳房から交互に第１及び第２の波長の別々の放射成分を連続的に受信 する。読み出しレジスタ８は、連続的な放射成分によって形成される電荷の組が 交互に読み出されるよう、変調器３７に結合される。このように、読み出しレジ スタ８は振幅変調と同期される。増幅器２０は別々の放射成分に関する連続的な 光検出器信号を形成する。信号処理ユニット９は、連続的な光検出器信号の最初 の光検出器信号から得られた第１の画像信号が一時的に記憶されるバッファユニ ットからなる。信号処理ユニットはまた、第１の画像信号から、次の光検出器信 号から得られた第２の画像信号を減算するよう配置された減算器ユニットからな る。乳房組織内の１つ以上の対象の位置の情報と共 に分光情報を含む画像信号を形成するよう、第２及び第１の画像信号の間の差は 、別々の放射成分に対応する画像信号である。 図２は、本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第２の実施例か らなる乳房造影装置を系統的に示す。女性の乳房は圧縮装置を形成する２つのパ ースペックス板４０，４１の間で圧縮される。従って、乳房組織は約６ｃｍの厚 さを有するスラブ形状の中に配置される。例えば、女性の乳房は中外側又は頭尾 方向に圧縮される。その一方の端が放射線源の放射線放出面を形成する線源ファ イバは、パースペックス板を通して乳房組織内へ第１及び第２の放射成分を放出 する。光検出器の放射線受信部を形成する検出器ファイバ７は、線源ファイバ５ の反対側に０．５μｍの中に正確に配置される。検出器ファイバ７及び線源ファ イバ５の両方は、本実施例では検出器及び線源ファイバを共に夫々のパースペッ クス板４０，４１に平行に走査することによって、女性の乳房に関して変移可能 である。そのため検出器ファイバ７は線源ファイバ５を光検出器４に結合する柔 軟なファイバ部４２からなり、線源ファイバはファイバ結合器３０からの光線を 線源ファイバ５へ供給する柔軟なファイバ部４３からなる。線源及び検出器ファ イバは、ステッピングモータ４４，４５といった夫々の駆動手段に機械的に結合 される。機械的なカップリングは例えば線源及び検出器ファイバが夫々設けられ るロッド４６，４７である。ロッドはステッピングモータによって可動である。 ステッピングモータ４４，４５は、線源及び検出器ファイバが正確に相互に反対 に配置されるような方法で、線源及び検出器ファイバを共に移動させるよう配置 された制御ユニット４８によって制御される。 線源及び検出器ファイバの連続的な位置に関係する光検出器信号は、夫々のア ドレスにおいてメモリユニット４９に記憶される。そのため制御ユニット４８は メモリユニット４９に対して、線源及び検出器ファイバの位置に関するアドレッ シング信号を供給する。連 続する光検出器信号は、混濁媒体２の中の対象１の位置及び構成の情報を表わす 画像信号を得る画像処理ユニット９に供給される。画像信号によって搬送される 情報は、モニタ２１上に表示される及び／又は画像信号は更なる処理の前にバッ ファユニット２２の中に一時的に記憶される。 本は乳房写真システムを例に説明されたが、当業者によって本発明はまた人間 又は動物の体の他の部分の検査に対して有利に使用されうることが明らかであろ う。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって混濁媒体を照射する放 射線源（３）と、 混濁媒体からの放射線を検出するよう配置された光検出器（４）とからなり、 第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、 第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調は所定の位相差を有する、混濁媒体 （２）中の対象（１）を検出するシステム。 ２． 該所定の位相差は略１８０°に等しい、請求項１記載のシステム。 ３． 該光検出器は第１及び第２の波長を含む感度波長範囲を有する請求項１又 は２記載のシステム。 ４． 該振幅変調は略方形波変調である、請求項１乃至３のうちいずれか１項記 載のシステム。 ５． 該光検出器は放射線受信部を有し、 システムは、 該混濁媒体を圧縮する圧縮機構と、 該混濁媒体に対して放射線放出面を移動する変移装置と、 該放射線放出面の反対側に配置された光検出器の放射線受信部とからなる、請 求項１乃至４のうちいずれか１項記載のシステム。 ６． 該放射線源から該混濁媒体へ放射線を案内するよう配置された線源ファイ バと、 該混濁媒体の夫々の位置から該光検出器へ放射線を案内するよう配置された複 数の検出器ファイバとからなる、請求項１乃至４のうちいずれか１項記載のシス テム。 ７． 該光検出器は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）である請求項６記載のシステム 。 ８． 該光検出器は振幅変調と同時に作動するよう配置された読み出し回路から なる、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載のシステム。 ９． 該読み出し回路は減算ユニットからなる請求項８記載のシステム。 １０． 媒体は第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって照射され、 第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、 第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調は所定の位相差を有し、 混濁媒体からの放射線は検出される、混濁媒体中の対象を検出する方法。