KR20210027255A

KR20210027255A - 광학 흡수 및 산란 매체 내 표면 형광 물체의 깊이를 결정하고 물체의 형광 농도를 결정하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210027255A
Application number: KR1020207034102A
Authority: KR
Inventors: 키이스 디. 폴센; 데이빗 더블유. 로버츠; 데니스 월쓰; 브라이언 씨. 윌슨; 미라 시바이
Original assignee: 더 트러스티즈 오브 다트마우스 칼리지; 유니버시티 헬스 네트워크
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2021-03-10
Also published as: US20230324301A1; BR112020021901A2; AU2019260756A1; US11662315B2; CA3098446A1; WO2019210218A1; EP3785019A1; US11162900B2; AU2019260756B2; EP3785019B1; US20220057328A1; US11977027B2; EP3785019A4; BR112020021901B1; CN112449683A; SG11202010675UA; US20210239617A1; KR102521793B1

Abstract

종양 절제와 같은 형광 기반 수술 안내에 사용하기에 적합한 광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래 형광단 농도의 깊이 및 형광단 농도를 결정하는 방법 및 장치가 설명된다. 우리가 깊은 조직 침투를 얻기 위해 장-파장 자극이 사용된다. 깊이 복구는 각 공간 주파수에 대해 측정된 변조 진폭을 광학 파라미터 및 깊이로 색인된 변조 진폭 테이블에서 미리 계산된 변조 진폭에 맞추는 방식으로 수행된다.

Description

광학 흡수 및 산란 매체 내 표면 형광 물체의 깊이를 결정하고 물체의 형광 농도를 결정하기 위한 장치 및 방법

우선권 주장

본 출원은 2018년 4월 26일에 가출원된 미국 가출원 No.62/663,159의 혜택을 주장하며, 이 모든 내용은 전체가 참조로 통합된다.

정부의 권리

본 발명은 국립 보건원에서 수여하는 R01 NS 052274로 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.

광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래에 위치한 형광 물체의 깊이 및 형광단 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치가 설명된다. 이 방법과 장치는 종양 절제술과 같은 형광 기반 수술 안내에 사용하기에 적합하다.

수술은 일반적으로 종양 환자 치료의 일부로 사용된다. 많은 경우에, 목표는 종양 절제 범위를 최대화하는 동시에 주변의 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하여 생존과 삶의 질을 개선하는 것이다. 자기 공명 영상(MRI) 도는 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)와 같은 수술 전 방사선 영상은 종종 다른 해부학적 구조와 관련하여 종양의 위치를 보여주기 위해 절차를 안내하는데 사용된다. 그러나, 수술 중, 종양의 위치가 이동하여, 수술 전 이미지와 공동 등록(co-registration)이 손실될 수 있다. 또한, 실제 종양 마진을 확인하는 것이 어려울 수 있다. 수술이 끝나갈 무렵, 외과의는 제거하지 않으면 재성장할 수 있는 잔류 종양을 시각화하지 못할 수도 있다.

따라서, 수술중 형광 이미징(형광 유도 절제(fluorescence guided resection: FGR))은 이러한 한계를 해결하기 위한 유용한 보조 기술로 부상하고 있다.

FGR은 종종 조직자가 형광이라고 불리는 조직의 자연적인 형광을 초래할 수 있다. 대안적으로, 종양을 강조하기 위해 외인성 형광 물질 ("형광단")dl 환자에 투여될 수 있다. 이 경우, 적절한 여기 파장으이 빛으로 조직을 비출 때 조직에서 나오는 형광의 스팩트럼은 조직자가 형광과 특정 조직에 도달하는 농도에서 외인성 형광단으로부터의 형광의 조합이다.

상이한 외인성 형광단이 전임상 모델 및 상이한 종양 위치 및 단계의 임상 시험 모두에서 조사되었다. 예를 들어, 스펙트럼의 근적외선 영역 내 형광을 방출하는, indocyanine green (ICG)는 종종 조직 내 혈액의 관류를 이미지화하는데 사용된다. 종양 영상 촬영, 특히 수술 안내를 위한, 일반적인 형광단은 아미노레불린산(aminolevulinic acid: ALA) 투여 시 세포 내에서 합성되는 프로토 포르피린 IX(protoporphyrin IX: PpIX)이다. 일반적으로, 이것은 종양과 정상 숙주 조직 사이에 높은 대비를 나타낸다. PpIX는 약 400nm 에서 630nm의 파장 범위에서 흡수하여 약 700nm에서 형광 방출 스펙트럼을 여기시킨다. PpIx의 흡수는 그림 1b와 같이 이 흡수 범위의 단파장 끝에서 긴 끝에서보다 훨씬 더 강하다. 더 큰 흡수 효율과 넓은 분리에서 여기 광의 방출을 더 쉽게 필터링하기 때문에, 시스템 이미징 ALA-유도 PpIX 형광단 농도는 일반적으로 단파장 또는 "청색" 빛을 사용하여 여기(excitation)에 진한 적색 방출 빛을 관찰한다.

ALA-PpIx 형광 이미지 안내는 전형적으로, 예를 들어, 뇌종양 수술에서, 여기(excitation)을 위한 청색 광원 및 적색에서 근적외선 형광 검출을 신경 외과 현미경으로 통합함으로써 사용된다. 다른 부위의 경우, 형광 이미징 기술이 내시경에 통합되거나 또는 다른 의료 이미징 장치와 독립적인"독립형(stand-alone)"이다. ALA-PpIx 형광 이미지 가이드는 수술이 끝날 무렵 종양을 보다 완벽하게 절제할 수 있게 함으로써 임상적 이점을 입증하였다. 예를 들어, 청색광 여기를 사용하는 고급 신경 교종의 ALA-PpIX 기반 FGR은 완전 절제율을 적어도 두배로 높이고 무진행 생존율(progression-free survival)을 향상시키는 것으로 나타났다.

조직 표면에서 형광 이미지를 촬영할 때, 형광 신호의 강도는 조직에 의한 광의 광 흡수 및 산란으로 인한 여기 및 방출광의 감쇠에 의해 영향을 받는다. 이 감쇠는 상당할 수 있으며 복잡한 파장 의존성을 보여준다. 그 결과, 상대적으로 약하게 측정된 형광 신호 또는 조직 표면에서 촬영된 저휘도 이미지는 낮은 농도의 형광단 또는 여기 및/또는 방출 파장에서 높은 흡수 및/도는 산란의 결과일 수 있다. 반대로, 밝은 형광 강도 영역은 높은 형광단 농도 및 낮은 흡수 및 산란 때문일 수 있다. 형광단 (또는 ALA-PpIX의 경우와 같은 전구체)에 대해 주어진 투여 용량에 대한 형광단의 절대적인 농도는 악성 세포 또는 조직의 존재를 나타내는 중요한 마커이므로 이러한 모호성을 해결하는 것이 중요하다.

따라서, 절제 중에 조직 내 절대 PpIX 농도를 측정하면 질적 시각적 평가로 볼수 없는 형광 조직을 더 잘 식별함에 따라 잔류 종양 검출의 민감도(sensitivity) 및 특이성(specificity)을 크게 향상시킬 수 있다. 이것은 조직 표면의 단일 특정 위치에서 빛의 형광 스펙트럼을 측정하는 광섬유 프로브를 사용하여 입증되었다. 난반사(diffusely-reflected) 빛의 스펙트럼을 측정하고 분석하여 형광 여기 및 검출 파장에서 조직의 흡수 계수 (absorption coefficients:

및 수송 산란 계수 (

를 산출한다. 적절한 보정 계수를 적용한 이후, 이러한 데이터는 조직에서 빛을 전달하는 모델에 대한 입력으로 사용되어 측정 형광 신호를 조직에 의해 알려지지 않은 빛 감쇠의 교란 효과에 대해 보정된 실제 또는 고유 신호로 변환한다. 프로브 위치에 있는 조직 내 PpIX 농도는 조직자가 형광 및 수술 중 생성되었을 수 있는 PpIX의 모든 광생성물(photoproducts)로부터 알려진 PpIX 형광 스펙트럼을 스펙트럼으로 혼합 해제하여 복구된다.

이 포인트 분광 모드(point-spectroscopic mode)에서, 조직에서 PpIX 농도의 정량화는 정량적 형광 이미지 안내만을 사용하여 달성된 속도 이상으로 저급 및 고급 교종(gliomas)에서 향상된 절제율을 가능하게 하였다. 이 기술은 여기에서 정량적 포인트 형광 분광법 (quantitative point fluorescence spectroscopy, qFS)라고 한다.

본 발명을 입증하기 위하여 뇌종양 절제술의 ALA-PpIX 형광 유도 절제술을 사용할 것이나, 본원에 기술된 방법 및 장치는 근적외선 형광단을 포함하는 다른 형광단 및 다른 종양 및 비종양 적용에 적용가능할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

정량적 국소 형광 분광법은 조직의

및

가 수술 시야(field-of-view) 전체에 먼저 매핑되는 광 시야 정량 이미지(wide-field quantitative imaging, qFI)로 확장된 이후, 데이터를 적용하여 포인트 프로브 기술(point-probe technique)과 유사하게 픽셀 단위로 측정된 형광 이미지를 수정한다. 광학 특성을 매핑하는 한 가지 방법은 공간 주파수 도메인 이미징(spatial frequency domain imaging: SFDI)이다. 이것은 밀리미터 이하의 공간 해상도로 넓은 시야에 걸쳐

및

파라미터의 이미지를 생성할 수 있는 특정 형태의 확산 광학 이미징이다. SFDI 에서는, 사인파 또는 기타 주기의 광 패턴이 조직 표면에 투사(projected)되고, 조직에서 공간적으로 분해된 확산 반사 패턴이 이미지화된다. 이 패턴은 투사된 패턴과 동일한 공간 주파수 및 위상을 갖지만, 강도 분포는 조직에서의 산란 및 감쇠에 의해 변조된다.

수술 시야에 걸쳐 이러한 광 흡수 및 수송 산란 맵을 알면, 검출된 형광이미지에 대한 광 감쇠의 영향이 qFS와 유사하게 보정된다. 조직 형광을 뺀 이후, 조직 표면 또는 그 근처에서 PpIX의 절대 농도 이미지가 생성된다. SFDI가 하이퍼 스펙트럼 형광 이미징 시스템에 통합된 장치가 보고되었으며, 쥐의 신경 교종 모델에서 두개내의 종양의 PpIX 농도는 qFS와 비슷한 ±~10%의 정 확도로 2D 맵의 형태로 개선되었다. 검출가능한 최소 농도는 약 13ng/ml 이다.

조직에서 광 전 파의 엄격한 분석적 및 수치적 모델링을 적용하는 상기 정의된 qFS 및 qFI에 대한 방법 및 장치는 반 경험적 알고리즘에 기반한 다른 방법 및 장치와 구별된다. 예를 들어, 형광 이미지는 2개의 다른 여기 파장 또는 두개의 다른 검출 파장에서 수집될 수 있으며, 다양한 비율 이미지가 이로부터 생성될 수 있다. 이러한 방법 및 장치 는 형광 이미지에 영향을 줄 수 있는 광 감쇠 및 기타 요인의 영향을 최소화하거나 부분적으로 보상하기 위한 것이다. 그러나, 이들은 조직의 절대 형광단 농도를 계산하고 매핑할 수 없기 때문에 본 발명과 상이하다.

스펙트럼의 보라색 또는 청색 영역과 같은 단 파장의 광이 형광단을 여기시키는데 사용되는 경우, 조직에서의 광의 제한된 침투 깊이는 qFI를 최대 약 1mm의 깊이까지 표면(superficial) 종양으로 제한한다. 본 발명의 목적은 qFI의 정량적 능력을 절제 층(resection bed surface) 표면 너머에 있는 더 깊은 조직으로 확장하여 표면 하 종양의 깊이와 그 안의 형광단 농도를 모두 이미지화하는 것이다. 본 발명은 형광단 농도가 실질적으로 조직 표면 아레에 있는 형광단에 대해 계산된다는 점에서 상기 qFI 방법 및 장치와 상이하다.

도면의 요소들은 축척되지 않는다.
도 1a는 본 명세서에 기재된 바와 같이 조직 시뮬레이션 팬텀(tissue-simulating phantoms) 및 신경 교종 또는 다른 아 a에서 사용되는 벤치탑 하이퍼스펙트럼 SFDI 기구(benchtop hyperspectral SFDI instrument)의 개략도이다.
도 1b는 파장에 대한 프로토포르피린 IX(PpIX)의 흡수를 나타내는 그래 프로서, 단파장에서의 여기 파장 광의 흡수가 본 시스템에서 여기에 사용되는 632-나노미터 근처의 장파장에서보다 극적으로 더 높다는 것을 보여준다.
도 2는 신경 교종의 제거를 위한 뇌 수술과 같은 수술동안 qdFI를 사용하기 위한 대체 기구의 블록 다이어그램이다.
도 3은 qdFI를 수행하고, 외과의가 수술중에 종양 조직을 제거할 수 있도록 병리학적 검체를 분석하거나 외과의에게 종양 조직을 표시하는데 사용 이미지를 제시하는 도 1 및 도 2의 기구로 작동하는 방법의 순서도이다.
도 4는 액체 팬텀 표면 아래의 형광 물체의 상이한 깊이에 대한 입사 632nm 여기 광의 공간 주파수의 함수로서 705nm에서 측정된 형광 신호의 정규화된 변조 진폭의 그래프이다. mm단위의 깊이는 각 곡선에 표시된다. 형광 물체에는 혈액과 인트라리피드(intralipid)가 혼합된 10μg/ml의 PpIX가 포함되어 있어 조직의 광학적 특성이 밀리미터 당 μa = 0.001 라인(mm-1)이고 705nm에서 μ's =1 mm-1 이 시뮬레이션 되었다. 오차 막대는 세 번의 반복 실험에 대한 표준 편차이다.
도 5a 내지 5c는 팬텀의 광 흡수 및 수송 산란 계수의 상이한 조합 및 특정 공간 주파수 f에 대한 함유물(inclusion) 깊이 대 형광 변조의 대표적인 플롯을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 흡수 및 수송 산란 계수의 팬텀에 대한 형광 함유물의 실제 깊이에 대한 계산된 깊이의 플롯을 도시한다. 오차 막대는 3회 반복 실험의 표준이다. 최적의 적합 라인은 R2 적합도(goodness of fit)과 함께 표시된다.
도 7a 내지 도7c는 상이한 흡수 및 수송 산란 계수의 팬텀에 대한 형광함유물의 실제 깊이 대 산출된 PpIX의 농도의 플롯을 도시한다. PpIX 농도의 실제값은 각 플롯에서 수평선으로 표시된다. 오차 막대는 3회 반복 실험의 표준이다. P값은 산출된 농도가 실제 농도와 통계적으로 다른지 여부를 나타낸다.

여기에는 dFI로 지칭되는 이미징의 형태로, 표면하 형광 종양의 깊이를 결정하기 위한 적어도 2가지의 보완적인 접근법이 있다. 한가지 방법 및 장치에서는, 형광 이미지는 복수의 상이한 여기 파장에서 촬영된다. 이미지는 조직에서 각 파장의 광의 예상 유효 침투 깊이에 따라 순위가 매겨지고, 강도 임계값의 형태가 적용되며, 및 표면 하 형광 종양의 최상층의 깊이를 표시하는 지형 이미지(topographic image)가 생성된다. PpIX의 경우 이 방법과 장치는 뇌 조직에서 대략 ±0.5mm 의 깊이에서 최대 3mm의 정확도로 표면 하 형광 물체의 깊이를 결정하였다.

PpIX에 대해서도 입증된 두번째 방법 및 장치는, 조직 깊숙이 침투하는 적색광을 형광으로 여기시키고, 이후, 형광 방출의 여러 다른 파장에서 이미지를 형성한다. 긴 파장은 위에 놓인 조직에 의해 덜 감쇠되기 때문에, 이미지의 각 지점에서 감지된 형광 스펙트럼은 형광(fluorescent light)이 발생하는 깊이에 의존하여 왜곡된다. PpIX의 경우, 이 방법과 장치는 뇌 조직에서 대략 ±1mm 에서 최대 8mm의 깊이 정확도를 제공하였다. 적색광은 일반적으로 630 나노미터 또는 더 긴 파장의 광이다.

본 발명은 dFI에 대한 이러한 두가지 방법 및 장치와는 차이가 있는데, 여기서는 표면 하 형광단 깊이 이미지가 장 파장 여기(예를 들어 적색광) 하 형광 모드에서 촬영된 일련의 SFDI 이미지로부터 산출된다는 점에서 다르다. 깊이 추정치는 공간 주파수가 증가함에 따라 형광 모드 SFDI 신호 변 조의 감쇠속도를 기반으로 한다.

적색광을 사용하여 PpIX를 여기시키는 정성적 ALA-PpIX FGR 이 다양한 두개내 종양 병리를 가진 30명의 환자에서 보고되었으며, 형광 가능 신경 외과 현미경을 이 여기 파장에 적응시켰다. 이것은 청색광 여기에서 약 1mm에 비해 약 5mm의 추정 깊이까지 표면 아래 PpIX 형광의 검출을 가능하게 함으로써 종양 절제를 입증하였다. 그러나, PpIX 흡수는 405nm에서보다 635nm 근처에서 1~2배 더 낮으며, 약 635nm에서 훨씬 긴 광학 경로로 인해, 검출된 형광 강도는 형광단 농도, 깊이, 분포에 크게 의존되며, 조직 흡수 및 산란에 영향도 받는다. 피부 아래 종양에서 형광단 농도를 정량화하는데 이러한 통제되지 않은 부정적인 영향은 본 발명에서와 같이, 형광단의 깊이와 해당 깊이의 농도를 분리하는 방법 및 장치의 개 발 및 검증에 동기를 부여한다.

초분광(hyperspectral) 형광 이미징은 또한, 상이한 방출 파장에서 2개의 형광 이미지의 로그 비율이 형광단 깊이 및 광학 침투 김ㅍ이와 거의 선형이라는 사실을 사용하여, 서브-표면 PpIX 깊이를 추정하는데 사용될 수 있다. 약 1~9mm의 종양 깊이는 ±1mm 이내에서 회복될 수 있다. 그런, 깊이에서 형광단 농도를 추정하려면 추가 제약이 필요했다. 형광 모드 SFDI는 공간 주파수에 따라 여기광의 침투 깊이를 게이팅(gating)하여 형광단의 공간적 로컬라이제이션(localization)를 개선하여 깊이 분해 이미징을 용이하게 한다. 이것은 평면 조명, 즉, 균일한 패턴 없는 광의 조직의 조명과 대조를 이루는데, 여기서 수집된 신호는 모든 깊이에서 발생하지만 표면을 향해 가중된 형광을 포함한다.

SFDI 가능 깊이 분해 형광 이미징은 보고되었다. 적색광 SFDI 의 다중 공간 주파수를 사용하여 쥐의 표면 하 두개내 종양에서의 PpIX를 여기시켰다. 3D 단층 촬영 방식이 PpIX의 분포 및 농도를 회복하기 위하여 적용되었다. 이러한 보고된 방법에 대해 종양 깊이를 사전에 알려야 했기 때문에 이것은 본 발명과는 상이한 반면, 본 발명에서 이 깊이는 형광단의 표면 하 깊이에 대한 사전 지식 없이 개별 환자에서 측정된 데이터로부터 산출된다.

본 방법 및 장치는 약 635nm에서 PpIX의 적색광 여기를 사용하여 표면 바로 아래에서 최대 9mm까지 SFDI의 깊이 인코딩을 기능을 활용하여 표면 아래 형광단 깊이를 결정한다. 본 발명에서 접근 가능한 조직 표면(예: 절제 층) 아래에 있는 종양에 대한 깊이 및 그 깊이에서의 형광단 농도의 이미지가 결정된다. 여기서의 목표는 조직에서 형광단의 완전한 3D 단층 분포를 생성하는 것이 아니라, 해당 깊이에서의 형광단 농도뿐만 아니라, 절제 캐비티 표면에 가장 가까운 형광 종양의 깊이를 나타내는 지형 이미지를 제공하는 것이다. 이 정보는 개별적으로 또는 조합하여, 외과의가 수술 영역의 특정 영역에서 절제를 계속할지 여부에 대해 보다 정보에 입각한 결정을 내리는데 도움이 된다. 이 방법은 여기서 qdFI라고 한다.

형광단 깊이를 인코딩(encode)하기 위해, 패턴화된 적색광이 샘플 샘플에 투사되고 공간적으로 변조된 형광 이미지가 스펙트럼 분해 카메라에 의해 수집된다. 형광 변조의 감소율이 산출된다. 조직의 광학 흡수 및 수송 산란 계수 값은 광대역 광을 사용하고 조직에서 확산 반사 패턴을 이미징하는 별도의 SFDI 절차에 의해 결정된다. 이러한 데이터는 이 감소율과 함께 형광 물체의 표면 하 깊이를 산출하는데 사용된다. 조직 흡수 및 수송 산란의 이미지는 이후 이미지의 각 픽셀에서 이 깊이에서의 형광단의 농도를 산출하기 위하여 광학적으로 탁한 매체에서 광 전파의 전방 모델(forward model)에서도 사용된다.

따라서, 본 개시는, 형광 가이드 수술에 관한 것이고, 특히, 정량적 형광 평가에 관한 것이다. 이 기술은 외과의에게 제공되는 정성적인 시각에 의존하기 보다, 이 경우, 바로 수술 표면 아래 깊이에서의 형광단 농도의 정량적 레벨을 추정한다. 본 개시 내용은 수술을 가이드하기 위해 조직 내 형광단의 농도를 정량화하는 방법을 포함한다. 여기에 설명된 정량적 형광 이미지는 외과의사의 형광에 대한 시각적 인식에 의존하는 것보다는 더욱 민감하고 정확하다. 데이터는 외과의가 볼 수 있는 형광이 신경외과에서 절제가능한 종양을 나타낼 수 있음을 보여준다.

여기서 dFI로 지칭되는 이미징의 형태로, 표면 하 형광 종양의 깊이를 결정하도록 적어도 2개의 보완적인 접근법이 제시되었다. 한가지 방법 및 장치에서, 형광 이미지는 여러 다른 여기 파장에서 촬영된다. 이미지는 조직에서 광의 각 파장에서의 예상 유효 침투 깊이에 따라 순위가 매겨지고, 강도 임계 값의 형태가 적용되고, 표면 하 형광 종양의 최상층 깊이를 표시하는 지형 이미지가 생성된다. PpIX의 경우, 이 방법과 장치는 뇌 조직에서 대략 ±0.5mm의 깊이에서 최대 약 3mm의 정확도로 지하 형광 물체의 깊이를 결정했다.

PpIX에 대해서도 입증된 두번째 방법 및 장 치는, 조직 깊숙이 침투하는 적색광으로 형광을 여기하고 이후 형광 방출의 여러 파장에서 이미지를 형성하는 것이다. 더 긴 파장은 위에 있는 조직에 의해 덜 감쇠되기 때문에, 이미지의 각 지점에서 감지된 형광 스펙트럼이 형광이 발생하는 깊이에 의존하여 어느 정도 왜곡된다. PpIX의 경우 이 방법과 장치는 대략 ±1mm의 깊이에서 최대 8mm의 깊이 정확도를 제공한다.

본 발명은 장파장 여기 (예를 들어 PpIX의 경우 적색광)하에서 형광모드에서 촬영된 일련의 SFDI이미지로부터 표면 하 형광단 깊이 이미지가 여기서 산출된다는 점에서 DFI 에 대한 이러한 두가지 방법 및 장치가 상이하다. 깊이 추정치는 공간 주파수가 증가함에 따라 형광 모드 SFDI 신호 변조의 감쇠속도(rate of decay)에 기반한다.

적색광을 사용하여 PpIX를 여기시키는 정성적 ALA-PpIX FGR 은 다양한 두개내 종양 병리를 가지는 300명의 환자에서 보고되었으며, 형광 가능 신경외과 현미경을 여기 파장에 적응시켰다. 이 연구(발명자에 의해 개시됨)은 청색광 여기하에서 약 1mm 에 비해 약 5mm의 추정 깊이까지 표면 아래 PpIX 형광의 검출을 가능하게 함으로써 개선된 종양 절제를 입증하였다. 그러나, PpIX 흡수는 405nm 에서보다 1-2배 더 낮으며, 약 635nm에서 훨씬 더 긴 광학 경로로 인해 검출된 형광 강도는 형광단 농도, 깊이 및 분포에 크게 의존하고, 또한 조직 흡수 및 산란에 의해 영향도 받는다. 피부 아래 종양의 형광단 농도를 정량화하는데 이러한 통제되지 않은 요인의 부정적인 영향은 본 발명에서와 같이 형광단의 깊이와 해당 깊이의 농도를 분리하는 방법 및 장치의 개발 및 검증에 동기를 부여한다.

초분광 형광 이미징은 또한 상이한 방출 파장에서 2개의 형광 이미지의 로그 비율이 형광단 깊이 및 광학 침투 깊이와 거의 선형이라는 사실을 이용하여 표면 하 PpIX의 깊이를 추정하는데 사용될 수 있다. 약 1 내지 9mm의 종양 깊이는 ±1mm 이내에서 회복될 수 있다. 그러나 깊이에서 형광단 농도를 추정하려면 추가 제약이 필요했다. 형광 모드 SFDI는 공ㄱ안 주파수에 따라 여기 광의 침투 깊이를 게이팅하여 형광단의 공간적 로컬라이제이션(localization)을 개선하고 이로써 깊이 분해 이미징을 용이하게 한다. 이것은, 평면 조명, 즉 균일한 패턴 없는 광으로 조직의 조명과 대조를 이루는 바, 여기서 수집된 신호는 모든 깊이에서 발생하지만 표면을 향해 가중된 형광을 포함한다.

SFDI 가능 깊이 분해 형 광 이미징이 보고되었다. 적색광 SFDI 의 다중 공간 주파수를 사용하여 쥐의 표면 하 두개내 종양에서 PpIX를 여기하도록 사용되었다. PPIX 분포 및 농도를 복구하기 위하여 3D 단층 촬영 방식이 적용되었다. 이 보고된 방법에 대해 종양 깊이를 사전에 알려야 했기 때문에, 이것은 본 발명과 다른 반면, 본 발명에서 이 깊이는 형광단의 표면 하 깊이의 사전 지식 없이 개별 환자에서 측정된 데이터로부터 산출된다.

장파 qdFI

형광단 깊이를 인코딩(encode)하기 위해, 패턴화된 적색광이 샘플에 투사되고 공간적으로 변조된 형광 이미지가 스펙트럼 분해 카메라에 의해 수집된다. 형광 변조의 감소율이 산출된다. 형광 변조의 감소율이 산출된다. 조직의 광학 흡수 및 수송(전송) 산란 계수 값은 광대역 광을 사용하고 조직에서 확산 반사 패턴을 이미징하는 별도의 SFDI 절차에 의해 결정된다. 이러한 데이터는 이 감소율과 함께 형광 물체의 표면 하 깊이를 산출하는데 사용된다. 조직 흡수 및 수송 산란의 이미지는 이후 이미지의 각 픽셀에서 이 깊이에서의 형광단의 농도를 산출하기 위하여 광학적으로 탁한 매체에서 광 전파의 전방 모델(forward model)에서도 사용된다.

우리는 qdFI에 대한 다음의 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 방법 및 장치는 PpIX의 예에 의해 설명되지만 이 형광단에 제한되지 않는다. 적절한 조정과 형광 여기 및 방출 스 펙트럼을 알고 있으면, 광학 스펙트럼의 자외선-가시광선-근 적외선 범위에서 작동하는 다른 형광단에 적용될 수 있다.

구체적인 장치 및 실험은 방법 및 장치의 성능을 나타내는 결과와 함께 설명된다. 그러나, 방법과 장치는 환자의 형광 가이드 수술을 포함한 다른 실험적 조건에 적용될 수 있다. 방법과 장치는 신경 교종과 같은 뇌종양에만 국한되지 않는다. 광학 흡수 및 산란 매체 내에서 표면 하 형광단의 깊이와 농도를 결정하는데 적용될 수 있기 때문에, 방법과 장치는 종양 수술을 가이드하는 용도로 제한되지 않는다.

공지된 형광 여기 및 방출 스펙트럼의 형광 물질(형광단)을 포함하는 물체는 광학적으로 흡수 및 산란 특성이 알려지지 않은 균질 매질의 표면 아래에 위치한다. 매체 표면은 공간적으로 변조된 광의 알려진 패턴으로 조사되며, 각 패턴은 서로 다른 알려진 공간 주파수, f를 가진다. 2 가지 다른 형태의 조명이 순서대로 차례로 사용된다.

형광 모드 SFDI로 지칭되는 제 1 형태에서, 조명 광은 형광단을 여기시키고 형광 물체와 상호작용하도록 매체에 충분한 침투를 제공하는 것으로 알려진 파장 또는 파장 범위에 있는 바, 예를 들어, 조직에서 PpIX 형광을 여기하는 적색광, 예를 들어, 705nm에서 형광 피크를 여기하는 632nm 파장의 적색광, 또한, 700 에서 710 나노미터 사이의 피크가 있는 적색광이다. 조직 표면의 형광 이미지가 수집된다. 반사 모드 SFDI로 지칭되는 제 2 형태에서, 조명 광은 스펙트럼이 넓은 대역이며, 조직에서 확산 반사된 광의 이미지가 관심 파장에서 수집된다. 대안 실시예에서, 다른 형광단은 적색 또는 적외선 여기 광 및 적색 또는 적외선 형광 방출광과 함께 사용될 수 있다.

단일 장치 내 초분광 이미징 및 SFDI를 통합하는 qdFI를 시연하기 위해 구성된 시스템이 도 1에 도시되었다. 이 시스템은 조직 시뮬레이션 팬텀(tissue simulating phantom)(1)에서 표면 아래 PpIX 형광 함유물(2) 또는 신경 교종 또는 조직 내 기타 암을 국소화하도록 작동한다. 632nm의 LED 광(3)으로부터 광은 활성화될 수 있는 여러 LED 광원 중 하나의 예로서 도시된다. 이 광은 팬텀(1)의 표면에 공간적으로 변조된 광 패턴(7)을 반사하는 거울(6) 상의 디지털 광 프로젝터(5)에 광 가이드(4)에 의해 결합된다. 공간 변조 형광 이미지는 650nm 롱-패스 필터(8)에 의해 필터링되고 릴레이 렌즈(9)를 통과한 다음 액정 조정 가능 필터(10)를 통해 CCD 카메라(11)로 전달된다. 이 시스템에는 각각 20nm 대역폭 (Spectra X, lumencor, Beaverton, OR, USA)이 있는 390, 440, 475, 512, 586, 및 632nm를 중심으로 하는 6개의 LED 광원이 포함되었으며, 그 중 하나가 도면에 도시되었다. 다른 형광단과 매칭되도록 다른 중심 파장 및 대역폭이 선택될 수 있다. 액체 광 가이드 (4) (LGG0338, ThorLabs, Montreal, Canada)를 통과한 후, 광은 공간 광 변조기, DLP, (5)(Digital Micro mirror Device, 0.55XGA Series 450, Texas Instruments, Dallas, TX, USA)에 의해 매체(1)의 표면에 반사된다. 모든 LED가 동시에 켜져 백색광 반사 모드 SFDI를 시뮬레이션하여 조직의 광 흡수 및 전송 산란 계수를 매핑한다. 형광 모드 SFDI에서는 632 nm LED 만 활성화된다. 포화(saturation)을 피하면서 검출기의 동적 범위를 최적으로 커버하도록 각 LED의 강도가 선택된다. 이미징 서브 시스템은 가시 범위 액정 조정 가능 필터 (10) (LCTF : Varispec-07-02, Perkin Elmer. Inc, 월섬, 매사추세츠, 미국)로 1:1 릴레이 C- 마운트 렌즈 (9)에 의해 초점면에서 2.0cm 피사계 심도와 5cm x 5cm의 시야를 제공한다. 650 nm 롱 패스 필터 (8) (FELH0650, Thorlabs, Montreal, Canada)은 형광 모드 이미징 중에 매체에서 산란된 적색 여기 광을 차단하는 데 사용된다. 이미지의 2x2 비닝(binning)은 공간 주파수 당 합리적인 획득 시간(50-1000ms)으로 형광 이미지의 신호 대 잡음을 향상시킨다.

CCD 검출기 어레이(11)은 디지털 카메라 역할을 하며, 이미지 프로세싱 유닛(15)의 이미지 캡처 또는 이미지 수신 유닛(13)에 이미지를 제공한다. 이미지 프로세싱 유닛(15) 내에는 메모리(17) 및 이미지 프로세서(19)가 있다. 이미지 프로세서(15)는 메모리(17)의 코드(21) 및 구조화된 광 공간 패턴(23)의 이미지 처리 기계 판독 가능 명령어에 의해 구성된다. 이미지 프로세싱 코드(21)는 복수의 공간 주파수의 각 공간 주파수에 대해 매체 표면 아래의 복수의 깊이에 위치하는 형광단의 농도에 대해 미리 예측된 형광 변조의 룩업 테이블(25)을 사용하도록 구성된다.

qdFI를 사용하도록 구성된 시스템(200)의 대안적인 실시예가 도 2에 도시되었으며, 이 시스템(200)은 수술에서 사용하기 위해 수술용 현미경과 통합된다. 광원(202)는 일 실시예에서 디지털 마이크로미러 장치에 기초한 프로젝터인 공간 변조기(204)를 통해 공급된다. 패턴화된 광은 현미경 헤드(206)에 결합되어 수술 중에 개방된 두개골(212) 아래의 뇌 조직(210)과 같은 검사되는 조직의 표면에 광(208)로서 초점을 맞추고 투사된다. 조직(210)으로부터의 광은 초점이 맞춰지고 확대되는 현미경 헤드(206)에 의해 수신되고, 그 다음 빔 스플리터(beam splitter)가 수신된 광의 일부를 외과의사가 접안경(216)을 통해 볼 수 있도록 하는 현미경 본체(214)로 들어가고, 및 필터(218)를 통해 이미지가 캡쳐되는 전자 카메라(220)로 전환되는 부분을 포함한다. 전자 카메라(220)로부터 캡쳐된 이미지는 카메라 인터페이스(224)를 통해 디지털 이미지 프로세싱 시스템(222)에 공급된다. 이미지는 메모리(228)의 기계 판독 가능 명령어의 제어하에 동작하는 이미지 프로세서(226)에서 도 3을 참조하여 아래에 설명된 바와 같이 처리된다. 메모리(228)는 또한 조명 광 패턴을 포함하고, 이미지 프로세서(226)는 미리 결정된 공간 주파수를 가지는 공간 변조 광을 생성하는 공간 변조기(204)에 제공할 수 있다; 일 실시예에서, 조명 광 패턴은 밀리미터 당 0.1, 0.3, 0.5, 0.6, 0.8 및 1.0라인을 갖는 패턴을 포함한다.

도 1a 및 도 2의 시스템 모두는 도 3의 방법(300)을 사용하여 동작한다. 여기 파장에서 흡수 계수 및 산란 계수를 포함하는 광학 파라미터를 결정(302)하려면, 매체 또는 조직의 표면이 미리 정의된 패턴 중 하나의 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 공간적으로 변조된 패턴을 사용하여 형광단의 여기파장에서 광 빔을 표면에 투영(304)함으로써 조명된다.

표면에서 수신된 빛은 카메라에서 촬영되고(306), 이미지 프로세서에서 기록된다. 이러한 이미지는 여기 파장 이미지를 형성하기 위해 매체의 표면에서 방출되는 확산 반사 광 패턴을 포함한다. 광을 투사하고 이미징하는 단계는 적어도 2개의 추가 공간 주파수에서 반복되며(308), 정의된 공간 주파수를 가지는 6개의 사용가능한 조명 광 패턴 모두가 0.2 내지 0.8mm-1의 공간 주파수를 가지는 3개를 포함하여 사용된다. 각 공간 주파수의 광은 둘 이상의 공간 위상에서 투사되어 공간적으로 변조된 광 패턴의 밝은 막대와 어두운 막대를 효과적으로 이동함에 따라, 매체 표면의 모든 부분이 각 패턴의 적어도 한 단계에서 조명 되도록 한다. 광 흡수 및 산란 매체에서의 광 전파 모델은 여기 파장 이미지의 픽셀에서 형광단의 여기 파장에서 매체의 흡수 계수 및 전달 산란 계수를 계산하는 데 사용된다(310).

이어서, 픽셀에서의 광학 파라미터는 ALA 투여 후 뇌 종양의 종양 내 PpIX와 같은 매체 내 함유물에 존재할 것으로 예상되는 형광단의 방출 파장에서 결정된다. 일 실시예에서, 이것은 복수의 위상에서 공간적으로 변조된 광으로 방출 파장에서 조명 단계를 반복하고, 이미지를 기록하고, 여기 파장에서 수행된 대로 이미지에서 파라미터를 추출함으로써 수행된다. 대안적이지만 덜 정확한 실시예에서 이것은 자극 파장 매개 변수로부터 외삽(extrapolation)에 의해 수행된다.

이후, 여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴으로 조명(illuminating)(314)하는 동안, 매체 표면의 형광 방출 이미지는 복수의 공간 주파수에서 기록되고(315), 실시예에서는, 광학 파라미터를 획득하는 동안 사용된 동일한 복수의 공간 주파수는 318의 패턴을 반복함으로써 사용된다. 이들 이미지로부터, 측정된 변조 진폭은 복수의 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 이미지 내 15 X 20 픽셀 블록과 같은 픽셀 블록에 대한 복수의 공간 주파수에서 추출된다(320); 여기서 변조 진폭은 정규화된다(322).

이미지를 획득하기 전에, 매체 표면 아래의 다양한 깊이에 위치한 형광단의 농도에 대한 예측된 형광 변조를 포함하는 룩업 테이블(232)은 광 전파 모델을 사용하여 복수의 공간 주파수의 각 공간 주파수에 대해 계산되었다(324).

복수의 공간 주파수에서 픽셀 영역에 대한 복수의 공간 주파수에서 획득 된 측정된 변조된 진폭은 형광단 농도의 깊이를 결정하기 위해 룩업 테이블의 미리 계산된 값에 맞춰진다(326). 형광단 농도의 깊이가 결정되면 깊이와 적어도 흡수 파라미터가 흡수를 보상하는 데 사용되며, 형광단의 양을 나타내는 밝기와 깊이를 나타내는 색상과 같이 농도와 깊이를 나타내는 이미지가 생성될 수 있다.

실시예에서, 여기 파장은 705 나노미터 방출 파장을 갖는 632 나노미터 자극 파장과 같이 방출 파장보다 100 나노미터 미만 짧다.

제 1 작동 예시

도 1a에 따른 시스템은 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.27 및 0.38mm-1의 공간 주파수에서 순차적으로 6개의 공간 패턴을 투사(project)한다. 이러한 특정 주파수는 방법을 설명하기 위하여 선택된다. 검출된 공간 광 패턴의 변조의 충분한 범위를 제공하는 경우 다른 조합을 사용할 수 있다. 공간- 및 스펙트럼 해상도 이미지는 반사 모드와 형광 모드 모두에서 각 공간 주파수에서 수집되고 분석된다.

광의 각 주기적인 패턴은 공간적으로 변조된 패턴으로서, 이 문서의 목적을 위해 공간적으로 변조된 패턴은 시야에 걸쳐 여러 개의 번갈아 가며 밝은 막대와 어두운 막대를 갖는 패턴이며, 이때 밝은 막대와 어두운 막대는 어두운 막대의 피치(pitch)의 역(inverse)와 동일한 공간 주파수를 가진다. 패턴의 막대에 수직으로 선이 그려지고 선을 따라서 빛의 강도가 그려지면, 사인파 공간 변조 패턴에는 빛의 강도는 어두운 막대 중앙의 최소값에서 밝은 막대 중앙의 최대값까지 사인파로 변하는 패턴이 포함한다. 대안적인 실시예에서, 구조화된 광의 6개의 패턴이 0.1, 0.3, 0.5, 0.6, 0.8 및 1mm-1의 공간 주파수에서 순차적으로 투사된다. 실시예에서, 형광단 PpIX의 여기 파장과 형광단 PpIX의 방출 파장 모두에서 매체의 흡수 및 수송 산란 계수를 추출하기 위해 0.2와 0.8mm-1 사이의 적어도 3개의 공간 주파수가 3개의 공간 위상에서 사용된다. 뿐만 아니라, 일부 실시예에서, 고체 고강도 패턴이 투사된다.

방법 및 장치의 일 구현에서, 액체 팬텀은 적절한 파장 범위에 걸쳐 관심 조직의 광학 흡수 및 수송 산란 계수를 시뮬레이션하기 위해 준비되었다. 이러한 팬텀에는 알려진 광학 산란의 지질 단백질 현탁액인 Intralipid와 알려진 흡수 계수(extinction coefficient) (단위 농도당 흡수 계수) 및 농도의 녹색 흡수 염료가 포함되었다. Intralipid 및 염료 농도는 정상 뇌 조직의 전형적인 약 635 및 705 nm에서 흡수 및 수송 산란 계수를 갖도록 선택되었으며, 이들 파장은 각각 장파 PpIX 형광 여기 파장 및 PpIX 방출 파장을 나타낸다. PpIX 형광단 농도를 포함하는 형광 (2) 영역은 예를 들어 표면 하 종양을 시뮬레이션하기 위해 팬텀의 표면 아래 가변 거리에 위치하였다. 일 실시예에서, 이것은 팬텀을 통과하고 표면에 평행한 투명한 원통형 함유물(내경 3.2mm, 외경 4.8mm)을 포함하고, PpIX를 함유하는 인산염 완충 혈청과 벌크 매체와 같은 광학적 특성을 야기하는 농도의 Intralipid 또는 혈액으로 채워지지만 형광단 PpIX가 추가되었다. 혈액 공급이 제한되어 있기 때문에 벌크 매체 내 조직 흡수를 시뮬레이션 하기 위하여 쥐 혈액 대신 녹색 염료가 사용되었다. 형광 함유물의 서브 표면 깊이는 기기와 함유물 사이에 고정된 거리를 유지하면서 용기에 액체를 제거하거나 추가하여 변경되었다. 팬텀 준비 및 측정은 모든 실험에 대해 세 번 반복되었다. 표 1은 팬텀에 사용된 광학 계수를 나열한다.

(mm^-1)	(mm^-1)	(mm^-1)	(mm^-1)	PpIX 농도 (㎍/ml)
0.019	1.17	0.001	1.0	10
0.029	1.74	0.0015	1.5	10
0.038	2.32	0.002	2.0	15

(여기 (632 nm, 'x') 및 검출 (705 nm, 'm') 파장에서의 액체 팬텀 광학 특성, 및 함유물 내 PpIX의 농도 )

방법과 장치의 제 2 구현에서, 다진 생체외 소 근육(minced ex vivo bovine muscle)을 사용하여 보다 현실적인 생물학적 조건을 나타내었다. 조직을 액체 팬텀에 사용된것과 같은 용기에 넣고, 5μg/ml의 고정 PpIX 농도를 포함하는 얇은 원통형 함유물(내경 1.6mm, 외경 3.2mm)을 그 위에 놓았다. 그런 다음, 추가 조직이 함유물을 3가지 깊이 (2.5, 4.5, 9mm)로 덮고 각 깊이에서 세개의 이미지를 수집하였다. 조직의 광 패턴을 방해할 수 있는 함유물과 조직 사이의 공극을 최소화하기 위하여 액체 팬텀보다 더 작은 함유물 직경이 사용되었다.

반사율 모드(reflectance-mode) SFDI 이미징은 팬텀의 흡수 및 수송 산란 특성을 매핑하는데 사용되었다. 0 에서 0.38mm^- ¹ 까지의 6개의 공간 주파수는

인 각각의 3개의 공간 위상에서 팬텀 표면상에 투영되었다. 여기에 사용된 여기 파장은 632nm이고 LCTF 는 680nm 이상의 제한된 감도를 가지기 때문에, PpIX 방출 파장 대역 주변의 광학 특성은 직접 회복되지 않았다. 오히려, 헤모글로빈 흡수 및 Intralipid 감소 산란 계수는 705nm에서 외삽되었다. 각 실험의 시작과 끝에서 백색광 SFDI 를 수행하여, 예를 들어, Intralipid 또는 혈액의 침전으로 인한 팬텀 광학 특성에 변화가 없음을 확인하였다.

형광 모드에서 632nm의 source만이 사용되어 위와 같은 동일한 공간 주파수에서 사인파 패턴을 투영한다. 620 내지 640 나노미터 사이의 광원을 사용하는 대체 실시예는 실험의 632 나노미터 광원과 유사한 결과를 생성할 것으로 예상된다. 광 표백(photo-bleaching) 인한 신호 손실 또는 함유물 자체에서의 Intralipid 와 혈액의 가능한 분리를 측정하기 위하여 각 실험의 시작과 끝에서 공기에 포함된 평면 형광 이미지를 캡쳐하였다. 그런 다음, 용기를 200ml의 벌크 매체로 채우고 함유물로부터 배경 위에서 검출 가능할 때까지 (신호/배경 >1.5) 단계적으로 빼내었다 (5ml ≡ 깊이 1mm 변화). 이것은 검출 가능한 최대 깊이를 나타내는 데 사용되었다. 형광단 깊이는 여기에서 팬텀 표면과 함유물의 상단 사이의 거리로 정의된다. 그런 다음 660-720 nm 이상을 통합하여 각 깊이에 대해 평면 및 SFD 형광 이미지를 획득하였다. 액체 매체는 체계적인 편향을 도입하지 않고 깊이를 변화시키기 위해 무작위로 제거되거나 추가되었다.

팬텀에서 측정된 데이터는 매체 내 함유물의 표면 하 깊이 z를 산출하기 위하여 다음과 같이 분석하였다. 먼저, 함유물의 중심에 있는 10*20 픽셀(~2.4mm*4.8mm)관심 영역을 선택하여 705nm에서 f의 함수로 변조 진폭 Mf를 결정하였다. Mf는 형광단과 이미징 시스템 모두에 따라 다르다. 따라서, 각각의 알려지지 않은 깊이에서, Mf는 DC 변조 진폭 (f=0)으로 정규화되어 형광단 농도 또는 양자 수율(quantum yield)와 독립적이다. 측정된 변조 진폭은 이미징 시스템, MTF 시스템(x, y, z, f)의 변조 전달 함수에 의해 수정되었다.

따라서, 깊이 z의 형광 물체에 대해 형광 여기 파장에서 단위 광 세기로 조사된 경우, 정규화된 변조 진폭은 다음과 같다.

, (1)

여기서, F_m(x,y,f)_z 는 주파수 도메인에서 정규화된 공간 분해 확산 형광이다.

확산 이론을 사용하여, 정규화되고 보정된 공간 조명 변조 진폭 F_m은 깊이 z(0 내지 30mm, 0.05mm 단위) 및 다양한 광학 흡수 및 수송 산란 계수에 대한 f의 함수로 산출되었다. 흡수 및 수송 산란 계수 및 주파수에 의해 색인된 변조 진폭의 룩업 테이블은 데이터 세트에서 생성되었다.

팬텀의 정규화된 변조 진폭은 형광 모드 SFDI 측정으로부터 공간 주파수의 함수로서 결정되었다. 형광 방출 파장에서의 광학 흡수 및 수송 산란 계수(transport scattering coefficients)는 반사 모드 SFDI 측정에서 결정되었다. 룩업 테이블의 값 사이의 선형 보간을 사용하여, i)측정된 변조 진폭 vs 공간 주파수 및 ii) 측정된 광학계수에 기반한 해당 예측 곡선 사이에서 최소 제곱 적합(least-squares fit)이 수행되었다. 이 적합에서, 형광 포함 깊이는 결정될 자유 변수(free variable)이다.

이에 의해 z의 값을 알면, 각 이미지 픽셀에서의 깊이의 PpIX 농도는 측정된 변조되지 않은 형광 이미지 (f=0)으로부터 계산되었으며, 개입 조직(intervening tissue)에 의한 형광 여기 및 방출 광의 흡수 및 산란의 효과에 대해 보정되었다. 이 보정은 측정된 광 흡수 및 수송 산란 계수를 입력으로 하는 확산 이론을 사용하여 매체 내 광 전파의 순방향 모델링에 의해 획득하였다.

조직 시뮬레이션 액체 팬텀과 생체 외 조직 팬텀에 대한 실험결과는 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상이한 변조 주파수에서 632nm 광으로 조명될 때 액체 팬텀 중 하나의 표면에서 측정된 형광 강도 패턴의 변조는 본 발명의 중요한 측면, 즉 증가하는 공간 주파수에 따른 형광 변조의 감소 속도는 광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래의 형광 함유물의 깊이에 의존한다.

형광 변조 vs 형광단 깊이의 플롯의 예시는 도 5a 내지 5c에 도시되어 있으며, 이는 형광 방출 파장에서 매체의 흡수 및 수송 산란 계수의 특정 조합에 의존한다는 것을 증명한다. 이것은, 예를 들어, 반사율 모드 SFDI 이미징을 사용하여, 이것은 예를 들어 반사율 모드 SFDI 이미징을 사용하여 이러한 광학 계수를 측정하여 포함된 깊이가 측정된 형광 변조 vs 공간 주파수로부터 산출될 수 있도록 하는 것이 필요함을 보여준다.

도 6a 내지 6c는 팬텀의 표면 아래에 있는 형광 함유물의 실제 깊이 대 산출된 깊이의 산점도(scatter plot)의 예를 도시한다. 동일선(line of equality) 의 적합도 R2는 모든 경우에서 >0.95이다. 이 결과는 평균 불확실성(average uncertainty)을 ±0.42mm 내에서 깊이를 결정할 수 있음을 보여준다. 이 불확실성 수준 내에서 측정할 수 있는 최대 깊이는 팬텀 광학 특성 및 PpIX 농도에 따라 5.5 내지 7.5mm 범위이다. 깊이 측정의 불확실성은 낮은 신호 대 배경 비율로 인하여 더 큰 깊이에서 ±1.5mm 증가하였다.

도 7a 내지 7c는 표면 하 함유물에서 PpIX 농도에 상응하는 그래프의 예와 실험에 사용된 실제 농도와의 비교를 보여준다. P값은 다른 깊이에서 산출된 PpIX 농도가 표면 하 형광 함유물의 실제 값으로부터 통계적으로 다르지 않음을 나타낸다.

PpIX 농도(㎍/ml)	5 ±0.007	7.5 ±0.011	11 ±0.015	15 ±0.02
회복된 깊이(mm)	2.28 ±0.21	1.74 ±0.20	2.0 ±0.10	1.6 ±0.11
회복된 PpIX 농도(㎍/ml)	5.5 ±0.6	8.2 ±1.0	11.8 ±0.5	15.6 ±1.0

(다양한 PpIX 농도 내 함유물 깊이 1.75mm에서의 하나의 팬텀(μ_a,m= 0.002 mm^-1, μ'_s,m= 2 mm^-1) 에 대한 깊이 및 PpIX 농도 추정치)

생체 외(ex vivo) 조직 모델의 결과는 표 3에 요약되어 있다. 632nm에서의 여기 및 705nm에서의 검출에 대해 측정된 조직 광학 특성인, 함유물 근처에서의 3 위치에서의 평균은, μ_ax = 0.012 ± 0.0007, μ'_s,x = 2.74 ± 0.14, μ_a,m= 0.0046 ± 0.00014 and μ'_s,m= 2.24 ± 0.085 mm^- ¹ 이다. 회복된(recovered) 깊이는 9mm를 제외하고는 공칭 깊이(nominal depth)의 10%이내며, 복조된(demodulated) 이미지의 대비가 제한적이다 (신호 대 배경 =1.8). 파생된 PpIX 농도는 처음의 2개의 깊이에 대한 실제값의 15%이내 였으며 가장 큰 깊이에서 40%까지 증가하였다.

공칭 깊이(mm)	2.5	4.5	9
회복된 깊이(mm)	2.3 ± 0.02	5.0 ± 0.07	6.48 ± 0.03*
회복된 PpIX 농도(μg/ml)	4.88 ± 0.32	6.4 ± 0.85	7.04 ± 0.78*

(함유물의 PpIX 농도=5 μg/ml 에서의 생체 외 조직에서 추정된 깊이 및 PpIX 농도의 요약

*은 P<0.05 을 나타냄)

상대적으로 높은 PpIX 농도 (도 5)를 갖는 조직-시뮬레이션 팬텀의 결과는 형광단 깊이 및 농도가 큰 깊이 (7-9mm)에서의 다소 과대 평가를 보여준다. 반대로, 생체 외 조직에 대한 연구(표3)는 함유물이 5μg/ml의 비교적 낮은 형광단 농도를 가질 때 깊이와 PpIX 농도가 큰 깊이 (9mm)에서 과소 평가되었음을 나타낸다. PpIX 농도에 따른 이러한 상이한 거동은 Kolste et al의 표면 하 깊이 기술에서 보여진다. 그럼에도 불구하고, 모든 경우에서 깊이와 PpIX 농도를 모두 회복하는 오류는 더 높은 신호 대 배경 (> 1.5)에서 현저하게 감소했으며, 배경은 예를 들어 조직 형광으로 인한 것이다. 최소 신호 대 배경 비율이 2 인 경우, 조직 탁도(tissue turbidity)에 의존하여 깊이는 ±0.45 mm 이내로 회복되었고, PpIX 농도는 표면 바로 아래에서 최대 깊이 5-9 mm까지 위치하는 PpIX가 풍부한 종양에 대해 95 % 신뢰 수준에서 실제 값의 ± 10 % 이내로 회복되었다. 낮은 신호 대 배경 비율에서 깊이는 ± 1mm 이내로 복구되었으며, PpIX 농도는 평균 정확도 ± 25 % 내에서 복구되었다.

방법 및 장치에 대한 변경의 추가 개선이 예상될 수 있다. 먼저, 위에서 설명한 보정 절차(calibration procedure)은 필요한 단계를 추가한다. 또는, 여러 형광 함유물을 겔에 캡슐화하고, 기구 보정을 제공하기 위하여 동시에 이미징을 위해 서로 다른 깊이에서 측면으로 간격을 둔다.

둘째로, 다른 개선은 더 큰 깊이에서 더 낮은 형광단 농도를 검출하기 위해 획득 시간을 감소하고 민감도를 증가시킬 것이다. 예를 들어, 적색 LED 여기원(excitation source)는 유사한 파장의 고출력 다이오드 레이저에 의해 대체될 수 있다. 가시범위 LCTF는 근적외선 투과율이 높은 LCTF (예를 들어, Varispec SNIR/NIRR, Perkin Elmer. Inc, Waltham, MA) 또는 근적외선 범위에서 효율적인 기타 스펙트럼 필터에 의해 대체될 수 있다. EM-CCD 카메라와 같은 더욱 민감한 이미징 검출기 시스템은 민감도를 개선하고 획득 시간을 단축할 수 있다. 반사 모드 SFDI를 사용하여 모든 파장에서 μ_a,m and μ'_s,m을 직접 계산하면 위에서 보고된 실험에서 수행된 것처럼 632nm에서 이러한 값을 외삽하는 대신 가능하다. 최근 보고된 바와 같이, 단일 스냅샷 SFDI 를 사용하면 광학 속성의 빠른 정량 매핑이 가능하다. 이러한 접근법은 본 발명에 포함될 수 있다.

조합(combination)

본 명세서에서 개시된 다양한 개념은 다양한 방식으로 결합되는 것이 예상된다. 발명자들에 의한 예상된 조합은 다음과 같다:

광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래에 놓인 형광단의 농도의 깊이를 결정하기 위해 A로 지정된 방법은 0.1 내지 1mm-1 사이의 제 1 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하고, 복수의 상이한 위상에서 매체의 표면 상에 투영되는 제 1 공간 변조 패턴을 사용한 상기 형광단의 여기 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 비추는(illuminating) 단계;를 포함한다. 이렇게 비춰지는 동안, 방법은 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 1 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계; 를 계속한다. 이 방법은 0.1 내지 1mm-1 사이의 제 2 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 제 2 공간 변조 패턴을 사용하여 형광단의 상기 여기 파장에서 넓은 광 빔으로 매체의 표면을 비추는 단계; 여기서 상기 제 2 공간 변조 패턴은 복수의 상이한 위상에서 상기 매체의 표면 상에 투영되고, 상기 제 2 공간 변조 패턴은 상기 제 1 공간 변조 패턴과 상이한 공간 주파수를 가지고, 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 2 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계;를 계속한다. 이미지는 광학 흡수 및 산란 매체에 광 전파 모델을 적용하여 여기 파장 이미지의 픽셀에서 형광단의 상기 여기 파장에서 매체의 흡수 계수(absorption coefficient) 및 전송 산란 계수(transport scattering coefficient)를 산출하여 처리된다. 이 방법은 또한 픽셀에서 방출 파장 광학 파라미터 계수를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴으로 매체 표면을 비추고, 매체 표면의 형광 방출 파장 이미지를 제 3 공간 주파수에서 기록한다. 여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴의 매체 표면을 조사하는 동안, 제 4 공간 주파수에서 매체의 표면의 형광 방출 파장 이미지를 기록한다. 방출 파장 이미지가 기록되면, 방법은 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 파장 이미지의 픽셀 영역에 대한 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수 각각에서 측정된 변조된 진폭을 추출하는 단계; 를 계속한다. 이 방법은, 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수 각각에 대해 상기 매체 표면 아래의 복수 깊이에 위치된 형광단의 농도에 대한 이미지의 변조된 진폭을 예측하는 단계; 및 형광단 농도의 깊이를 결정하기 위해 픽셀 영역에 대한 제 3 및 제 4 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 대응하는 예측된 변조된 진폭에 피팅(fitting)하는 단계; 를 포함한다. 여기서, 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수는 0.1 내지 1mm-1 사이의 적어도 2개의 공간 주파수를 포함한다.

AA 로 지정된(designated) 방법에서, 여기(excitation) 및 방출(emission) 파장은 모두 630 나노미터보다 큰 파장의 적색 또는 적외선이다.

광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래에 놓인 형광단의 농도의 깊이를 결정하기 위해 AB로 지정된 방법은, 0.1 내지 1mm-1 사이의 제 1 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하고, 복수의 상이한 위상에서 매체의 표면 상에 투영되는 제 1 공간 변조 패턴을 사용한 상기 형광단의 여기 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 비추는(illuminating) 단계;를 포함한다. 이렇게 비춰지는 동안, 상기 방법은, 이렇게 비춰지는 동안, 방법은 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 1 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계; 를 계속한다. 이렇게 비춰지는 동안, 방법은 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 1 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계; 를 계속한다. 이 방법은 0.1 내지 1mm-1 사이의 제 2 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 제 2 공간 변조 패턴을 사용하여 형광단의 상기 여기 파장에서 넓은 광 빔으로 매체의 표면을 비추는 단계; 여기서 상기 제 2 공간 변조 패턴은 복수의 상이한 위상에서 상기 매체의 표면 상에 투영되고, 상기 제 2 공간 변조 패턴은 상기 제 1 공간 변조 패턴과 상이한 공간 주파수를 가지고, 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 2 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계;를 계속한다. 이미지는 광학 흡수 및 산란 매체에 광 전파 모델을 적용하여 여기 파장 이미지의 픽셀에서 형광단의 상기 여기 파장에서 매체의 흡수 계수(absorption coefficient) 및 전송 산란 계수(transport scattering coefficient)를 산출하여 처리된다. 이 방법은 또한 픽셀에서 방출 파장 광학 파라미터 계수를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴으로 매체 표면을 비추고, 매체 표면의 형광 방출 파장 이미지를 제 3 공간 주파수에서 기록한다. 여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴의 매체 표면을 조사하는 동안, 제 4 공간 주파수에서 매체의 표면의 형광 방출 파장 이미지를 기록한다. 방출 파장 이미지가 기록되면, 방법은 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 파장 이미지의 픽셀 영역에 대한 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수 각각에서 측정된 변조된 진폭을 추출하는 단계; 를 계속한다. 이 방법은 형광단 농도의 깊이를 결정하기 위하여 방출 파장 이미지를 사용한다. 세 번째 및 네 번째 공간 주파수는 0.1 ~ 0.1mm-1 사이의 두 개 이상의 공간 주파수를 포함하며, 여기 파장과 방출 파장은 모두 전통적으로 630-740 나노 미터 파장으로 알려진 스펙트럼의 "적색" 부분에 있거나 파장이 740 나노 미터 이상인 스펙트럼의 적외선 부분에 있다.

A, AA, 또는 AB로 지정된 방법을 포함하는 AC로 지정된 방법에 있어서, 공간적으로 변조된 패턴은 복수의 교대로 밝은 막대로 어두운 막대를 포함한다.

A, AA, AB, 또는 AC로 지정된 방법을 포함하는 AD로 지정된 방법에 있어서, 상기 이미지의 픽셀에서 방출 파장 광학 파라미터를 결정하는 것은, 복수의 위상 각각에서 밀리미터당 0.1 내지 1라인 사이의 제 5 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 공간 조명 패턴을 사용하여 형광단의 방출 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 조사하는(irradiating) 단계; 복수의 위상 각각에서 제 5 공간 주파수에 대한 방출 파장, 공간 조명 이미지를 형성하기 위해 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사광 패턴을 이미징하는 단계; 복수의 위상 각각에서 밀리미터당 0.1 내지 1라인 사이의 제 6 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 공간 조명 패턴을 사용하여 형광단의 방출 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 조사하는(irradiating) 단계; 복수의 위상 각각에서 제 6 공간 주파수에 대한 방출 파장, 공간 조명 이미지를 형성하기 위해 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사광 패턴을 이미징하는 단계; 상기 이미지의 각 픽셀에서 형광단의 상기 방출 파장에서 매체의 흡수 계수 및 전송 산란 계수를 산출하기 위하여 광 흡수 및 산란 매체 내 광 전파 모델을 적용하는 단계;를 포함한다.

A, AA, AB, AC, 또는 AD로 지정된 방법을 포함하는 AE로 지정된 방법은, 형광단 농도를 정량화하기 위하여 형광단 농도의 깊이와 적어도 각 픽셀의 흡수 계수를 사용하는 단계;를 더 포함한다.

A, AA, AB, AC, AD, 또는 AE로 지정된 방법을 포함하는 AF로 지정된 방법에 있어서, 상기 형광 물질은 프로토 포르피린 IX(protoporphyrin IX)이다.

A, AA, AB, AC, AD, AE, 또는 AF로 지정된 방법을 포함하는 AG로 지정된 방법에 있어서, 밝기로 인코딩(encoded)된 형광단 농도와 색상으로 인코딩된 형광단 깊이로 이미지를 준비하는 단계;를 더 포함한다.

AF로 지정된 방법을 포함하는 AH로 지정된 방법에 있어서, 상기 흡수 및 산란 매체는 포유동물 조직이고, 상기 프로토 포르피린 IX는 5-아미노 레불린 산(5-aminolevulinic acid) 투여시 조직 내 생성된다.

A, AA, AB, AC, AD, AE, AF, AG, 또는 AH로 지정된 방법을 포함하는 AJ로 지정된 방법에 있어서, 형광단의 농도는 종양을 포함한다.

A, AA, AB, AC, AD, AE, AF, AG, 또는 AH로 지정된 방법을 포함하는 AK로 지정된 방법에 있어서, 형광단의 농도는 약 600nm 내지 1300nm 범위의 적색 또는 근적외선 스펙트럼 범위에서 형광을 발하는 분자 물질 또는 나노 물질을 포함한다.

A, AA, AB, AC, AD, AE, AF, AG, AH, AJ, 또는 AK로 지정된 방법을 포함하는 AL로 지정된 방법에 있어서, 상기 제 1, 제 3, 및 제 5 공간 주파수는 동일하고, 상기 제 2, 제 4, 및 제 6 공간 주파수는 동일하고, 상기 제 1 및 제 2 공간 주파수는 다르다.

형광단 농도의 깊이를 결정하고 정량화하기 위한 B로 지정된 장치는, 공간적으로 변조된 광 패턴을 사용하여 상기 매체 내 상기 형광단을 여기하도록 구성할 수 있는 여기 파장 광원; 여기서, 상기 공간적으로 변조된 광 패턴은 밀리미터 당 0.2 내지 1 라인의 공간 주파수를 갖는 복수의 광 패턴으로부터 선택 가능하고, 확산 반사된 이미지 및 형광 방출 이미지를 매체로부터 이미징 서브 시스템으로 전송하도록 구성된 적어도 하나의 광학 소자; 상기 여기 파장에서 광을 거부하기 위해 광 경로에 삽입될 수 있는 적어도 하나의 필터, 및 광 타격 검출기 픽셀의 강도에 따라 수신된 광응ㅇㄹ 디지털 값의 매트릭스로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전자 카메라를 포함하는 상기 이미징 서브 시스템; 공간적으로 변조된 광 패턴을 제어하고, 이미지를 캡쳐하도록 구성되고, 상기 형광단 농도의 깊이를 결정하고 상기 카메라의 이미지 픽셀에 대한 상기 형광단 농도를 결정하기 위한 기계 판독 가능 명령으로 구성된 적어도 하나의 컴퓨터; 및 상기 형광단 농도 깊이 및 농도를 표시하도록 구성된 장치(apparatus);를 포함한다.

B로 지정된 장치를 포함하는 BA로 지정된 장치에 있어서, 상기 여기 파장은 형광단 농도의 형광 방출 파장의 피크의 100나노미터 이내이다.

B 또는 BA로 지정된 장치를 포함하는 BB로 지정된 장치에 있어서, 상기 형광단 농도의 깊이를 결정하기 위한 상기 기계 판독 가능 명령은, 복수의 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 이미지의 픽셀 영역에 대한 복수의 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 추출하는 단계; 복수의 공간 주파수의 각 공간 주파수에 대해 매체 표면 아래의 복수 깊이에 위치한 형광단의 농도에 대한 형광 변조를 예측하는 단계; 복수의 공간 주파수에서 픽셀 영역에 대한 복수의 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 대응하는 예측된 형광 변조에 피팅하여 형광단 농도의 깊이를 결정하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 구성된다.

B, BA, 또는 BB로 지정된 장치를 포함하는 BC로 지정된 장치에 있어서, 상기 흡수 및 산란 매체는 포유 동물 조직이다.

B, BA, BB, 또는 BC로 지정된 장치를 포함하는 BD로 지정된 장치에 있어서, 상기 여기 파장은 620 내지 640 나노미터 사이의 파장이다.

B, BA, BB, BC, 또는 BD로 지정된 장치를 포함하는 BE로 지정된 장치에 있어서, 상기 형광 방출 파장은 700 내지 720 나노미터 사이에서 PpIX 와 같이 피크를 가진다.

본 명세서의 범위를 벗어나지 않고 상기 방법 및 시스템에서 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 설명에 포함되거나 첨부 된 도면에 도시 된 사항은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 다음의 청구 범위는 여기에 설명 된 모든 일반 및 특정 특징뿐만 아니라, 언어의 문제로서 그 사이에 속한다고 할 수 있는 본 방법 및 시스템의 범위에 대한 모든 설명을 포함하도록 의도된다.

Claims

광학 흡수 및 산란 매체의 표면 아래에 있는 형광단의 농도의 깊이를 결정하는 방법으로서,
0.1 내지 1mm-1 사이의 제 1 공간 주파수에서 고 강도 및 저 강도(intensity) 영역을 교대로 포함하고, 복수의 상이한 위상에서 매체의 표면 상에 투영되는 제 1 공간 변조 패턴을 사용한 상기 형광단의 여기 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 비추는(조사하는)(illuminating) 단계;
상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 1 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계;
0.1 내지 1mm-1 사이의 제 2 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 제 2 공간 변조 패턴을 사용하여 형광단의 상기 여기 파장에서 넓은 광 빔으로 매체의 표면을 비추는 단계; 여기서 상기 제 2 공간 변조 패턴은 복수의 상이한 위상에서 상기 매체의 표면 상에 투영되고, 상기 제 2 공간 변조 패턴은 상기 제 1 공간 변조 패턴과 상이한 공간 주파수를 가지고,
상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사 광을 이미징하여 상기 제 2 공간 변조 패턴의 복수의 상이한 위상의 각 위상에 대한 여기 파장 이미지를 형성하는 단계;
광학 흡수 및 산란 매체에 광 전파 모델을 적용하여 여기 파장 이미지의 픽셀에서 형광단의 상기 여기 파장에서 매체의 흡수 계수(absorption coefficient) 및 전송 산란 계수(transport scattering coefficient)를 산출하는 단계;
픽셀에서 방출 파장 광학 계수를 결정하는 단계;
여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴으로 상기 매체의 표면을 비추는 동안, 제 3 공간 주파수에서 상기 매체의 상기 표면의 형광 방출 파장 이미지를 기록하는 단계;
여기 파장에서 공간적으로 변조된 패턴으로 매체의 표면을 비추는 동안, 제 4 공간 주파수에서 상기 매체의 상기 표면의 형광 방출 파장 이미지를 기록하는 단계;
상기 제 3 및 제 4 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 파장 이미지의 픽셀 영역에 대한 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수 각각에서 측정된 변조된 진폭을 추출하는 단계;
상기 제 3 및 제 4 공간 주파수 각각에 대해 상기 매체 표면 아래의 복수 깊이에 위치된 형광단의 농도에 대한 이미지의 변조된 진폭을 예측하는 단계; 및
형광단 농도의 깊이를 결정하기 위해 픽셀 영역에 대한 제 3 및 제 4 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 대응하는 예측된 변조된 진폭에 피팅(fitting)하는 단계;
여기서 상기 제 3 및 제 4 공간 주파수는 0.1 내지 1mm-1 사이의 적어도 2개의 공간 주파수를 포함하는, 방법.
제 1항에 있어서, 여기(excitation) 및 방출(emission) 파장은 모두 630 나노미터보다 큰 파장의 적색 또는 적외선인, 방법.
제 2항에 있어서, 상기 공간적으로 변조된 패턴은 복수의 교대로 밝은 막대와 어두운 막대를 포함하는, 방법.
제 2항에 있어서,
상기 이미지의 픽셀에서 방출 파장 광학 파라미터를 결정하는 것은,
복수의 위상 각각에서 밀리미터당 0.1 내지 1라인 사이의 제 5 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 공간 조명 패턴을 사용하여 형광단의 방출 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 조사하는(irradiating) 단계;
복수의 위상 각각에서 제 5 공간 주파수에 대한 방출 파장, 공간 조명 이미지를 형성하기 위해 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사광 패턴을 이미징하는 단계;
복수의 위상 각각에서 밀리미터당 0.1 내지 1라인 사이의 제 6 공간 주파수에서 고강도 및 저강도 영역을 교대로 포함하는 공간 조명 패턴을 사용하여 형광단의 방출 파장에서 넓은 광빔으로 매체 표면을 조사하는(irradiating) 단계;
복수의 위상 각각에서 제 6 공간 주파수에 대한 방출 파장, 공간 조명 이미지를 형성하기 위해 상기 매체의 표면에 의해 방출된 확산 반사광 패턴을 이미징하는 단계;
상기 이미지의 각 픽셀에서 형광단의 상기 방출 파장에서 매체의 흡수 계수 및 전송 산란 계수를 산출하기 위하여 광 흡수 및 산란 매체 내 광 전파 모델을 적용하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 수행되는 방법.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 형광단 농도를 정량화하기 위하여 형광단 농도의 깊이와 적어도 각 픽셀의 흡수 계수를 사용하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 형광 물질은 프로토 포르피린 IX(protoporphyrin IX)인, 방법.
제 6항에 있어서, 밝기로 인코딩된 형광단 농도와 색상으로 인코딩된 형광단 깊이로 이미지를 준비하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 흡수 및 산란 매체는 포유동물 조직이고, 상기 프로토 포르피린 IX는 5-아미노 레불린 산(5-aminolevulinic acid) 투여시 조직 내 생성되는, 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 형광단의 농도는 종양을 포함하는, 방법.
제 5항에 있어서, 형광단의 농도는 약 600nm 내지 1300nm 범위의 적색 또는 근적외선 스펙트럼 범위에서 형광을 발하는 분자 물질 또는 나노 물질을 포함하는, 방법.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 제 3, 및 제 5 공간 주파수는 동일하고, 상기 제 2, 제 4, 및 제 6 공간 주파수는 동일하고, 상기 제 1 및 제 2 공간 주파수는 상이한, 방법.
형광단 농도의 깊이를 정량화하고 결정하기 위한 장치에 있어서,
공간적으로 변조된 광 패턴을 사용하여 상기 매체 내 상기 형광단을 여기하도록 구성할 수 있는 여기 파장 광원; 여기서, 상기 공간적으로 변조된 광 패턴은 밀리미터 당 0.2 내지 1 라인의 공간 주파수를 갖는 복수의 광 패턴으로부터 선택 가능하고,
확산 반사된 이미지 및 형광 방출 이미지를 매체로부터 이미징 서브 시스템으로 전송하도록 구성된 적어도 하나의 광학 소자;
상기 여기 파장에서 광을 거부하기 위해 광 경로에 삽입될 수 있는 적어도 하나의 필터, 및 광 타격 검출기 픽셀의 강도에 따라 수신된 광응ㅇㄹ 디지털 값의 매트릭스로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전자 카메라를 포함하는 상기 이미징 서브 시스템;
공간적으로 변조된 광 패턴을 제어하고, 이미지를 캡쳐하도록 구성되고, 상기 형광단 농도의 깊이를 결정하고 상기 카메라의 이미지 픽셀에 대한 상기 형광단 농도를 결정하기 위한 기계 판독 가능 명령으로 구성된 적어도 하나의 컴퓨터; 및
상기 형광단 농도 깊이 및 농도를 표시하도록 구성된 장치(apparatus);를 포함하는 장치(device).
제 12항에 있어서, 상기 여기 파장은 형광단 농도의 형광 방출 파장 피크의 100 나노미터 이내인, 장치.
제 12항에 있어서, 형광단 농도의 깊이를 결정하기 위한 상기 기계 판독 가능 명령은,
복수의 공간 주파수에서 기록된 형광 방출 이미지의 픽셀 영역에 대한 복수의 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 추출하는 단계;
복수의 공간 주파수의 각 공간 주파수에 대해 매체 표면 아래의 복수 깊이에 위치한 형광단의 농도에 대한 형광 변조를 예측하는 단계;
복수의 공간 주파수에서 픽셀 영역에 대한 복수의 공간 주파수에서 측정된 변조된 진폭을 대응하는 예측된 형광 변조에 피팅하여 형광단 농도의 깊이를 결정하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 구성되는, 장치.
제 14항에 있어서, 상기 흡수 및 산란 매체는 포유 동물 조직인, 장치.
제 13항에 있어서, 상기 여기 파장은 620 내지 640 나노미터 사이인 장치.
제 12항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형광 방출 파장은 700 내지 720 나노미터 사이에서 피크를 가지는, 장치.