(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル内の散乱体の深さ特性を決定するために、サンプルの深さ分解スペクトルを取得する方法であって、
掃引源光源からの波長の範囲にわたってスプリッタの上に光を生成するステップであって、スプリッタが、光を分割して参照ビームおよびサンプル入力ビームを生成するステップと、
サンプル入力ビームを一定の角度でサンプルに向けるステップと、
複数の散乱角で波長の範囲にわたってサンプルから散乱するサンプル入力ビームの結果として、サンプルからスペクトル分解および角度分解された散乱ビームを受信するステップと、
参照ビームをスペクトル分解および角度分解された散乱ビームと混合して、スペクトル分解および角度分解された散乱ビームに関する深さ分解情報を有する、相互相関信号を生成するステップと、
複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角で、相互相関信号を検出するステップと、
複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角の、前記検出された相互相関信号を処理し、複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角で、サンプルに関する深さ分解情報を有するスペクトル分解および角度分解された相互相関プロファイルを生じるステップと、
相互相関プロファイルをフーリエ領域に変換して、散乱角に応じてサンプルに関する深さ分解情報を生じるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
相互相関信号を検出するステップが、１つの散乱平面において、複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角で、相互相関信号を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
相互相関信号を検出するステップが、多数の散乱平面において、複数の散乱角のうちの２つ以上の散乱角で、相互相関信号を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
相互相関プロファイルからサンプル内の散乱体に関するサイズ情報を復元するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
スペクトル分解および角度分解された散乱ビームにおける散乱体が、細胞核である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
相互相関プロファイルに応じて、核のサイズ、形状または組織における変化を測定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
相互相関プロファイルに応じて、ミトコンドリアまたは他の小器官のサイズ、形状または組織における変化を測定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
サンプル内の散乱体の深さ特性を決定するために、サンプルの深さ分解スペクトルを取得するための装置であって、
波長の範囲にわたって光を生成するように構成される掃引源光源と、
光を受信し、光を参照ビームおよびサンプル入力ビームに分割するように構成されるスプリッタと、
サンプル入力ビームを一定の角度でサンプルに向けるように構成されるサンプル入力ビーム経路と、
複数の散乱角で波長の範囲にわたって、サンプルから散乱するサンプル入力ビームの結果として、サンプルからスペクトル分解および角度分解された散乱ビームを受信するように構成される受信器と、
参照ビームをスペクトル分解および角度分解される散乱ビームと混合して、スペクトル分解および角度分解される散乱ビームに関する深さ分解情報を有する、相互相関信号を生成するように構成される混合素子と、
複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角で、相互相関信号を検出するように構成される検出器と、
複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角の、前記検出された相互相関信号を受信し、複数の散乱角のうちの１つ以上の散乱角で、サンプルに関する深さ分解情報を有するスペクトル分解および角度分解される相互相関プロファイルを生じるように構成される処理システムであって、相互相関プロファイルをフーリエ領域に変換して、散乱角に応じてサンプルに関する深さ分解情報を生じるようにさらに構成される処理システムと
を備える、装置。
【請求項９】
処理システムが、相互相関プロファイルからサンプル内の散乱体に関するサイズ情報を復元するようにさらに構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
サンプル入力ビーム経路が、送出ファイバから構成される光ファイバ経路である、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
受信器が、サンプルからのスペクトル分解および角度分解された散乱ビームを受信するように構成された集光ファイバから構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
集光ファイバが、スペクトル分解および角度分解された散乱ビームの異なる角度分布を収集するように配置された複数の光ファイバから構成されるファイババンドルである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
送出ファイバが、サンプルによる鏡面反射がファイババンドルによって受信されない角度で、サンプルに向けられている、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２００７年９月１３日出願の「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｌｏｗ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」という名称の米国仮特許出願第６０／９７１，９８０号に対する優先権を主張し、その全開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願の技術は一般に、低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）およびＬＣＩを用いてサンプルに関する構造的情報および深さ分解情報を得ることに関する。本技術は、角度分解に基づくＬＣＩ（ａ／ＬＣＩ）、フーリエに基づくＬＣＩ（ｆ／ＬＣＩ）およびフーリエおよび角度分解に基づくＬＣＩ（ｆａ／ＬＣＩ）の装置、システムおよび方法を含む。
【背景技術】
【０００３】
細胞の構造的特徴を調べることは、多くの臨床的研究および実験室の研究では重要である。細胞の研究のための検査中に用いられる最も一般的な道具は、顕微鏡であった。顕微鏡的検査は、細胞およびそれらの構造の理解に大きな進歩をもたらしたが、標本のアーチファクトによって本質的に制限されている。細胞の特性は、化学薬品の添加のために変質する構造的な特徴を用いて、瞬間的に見られるに過ぎない。さらに、検査のために、細胞サンプルを得るために、侵襲が必要とされる。
【０００４】
したがって、光散乱分光法（ＬＳＳ）は、細胞をはじめとする生体内検査を可能にするために開発された。ＬＳＳ技術は、サイズおよび他の寸法情報を推測するために、細胞小器官の弾性散乱特性における変動を検査する。組織における細胞の特徴および他の細胞構造を測定するために、複数回散乱され、散乱物質に関する容易にアクセス可能な情報をもはや保持していない拡散光から個々に散乱する光を区別することが必要である。この区別または弁別は、研究および分析を弱く散乱するサンプルに制限または限定することによって、または拡散成分を除去するためにモデル化を用いることによって、偏光格子の適用など複数の方法において達成されることができる。
【０００５】
表面下の部位から個々に散乱する光を選択的に検出するための別の手法として、低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）はまた、ＬＳＳの方法として研究されてきた。ＬＣＩは通常、たとえば、広帯域の白色光源などの低い時間コヒーレンスを有する広帯域の光源を利用する。干渉は、干渉計の経路長遅延が光源のコヒーレンス時間と一致するときに、実現される。システムの軸方向の分解能は光源のコヒーレンス長さによって決定され、通常、組織サンプルの検査に好適なマイクロメートル範囲にある。実験結果は、広帯域の光源およびその２次高調波を用いることにより、ＬＣＩを用いた弾性散乱に関する情報の復元を可能にすることを示している。ＬＣＩは、サンプルの特定の点からの散乱情報を受信するために、サンプルに光を向ける参照アームに対してサンプルを移動することによって、時間領域の深さ走査を用いてきた。その結果、サンプルを完全に走査するための走査時間は、５から３０分程度であった。
【０００６】
角度分解ＬＣＩ（ａ／ＬＣＩ）は、細胞と、核およびミトコンドリアなどのその構成要素のサイズに関する表面下の構造情報を取得するための手段として開発されてきた。ａ／ＬＣＩは、組織および体外における細胞形態の測定のほか、発癌の動物モデルにおける上皮内腫瘍形成の診断および化学予防剤の効能の評価に適用されて好結果を得てきた。ａ／ＬＣＩはまた、組織を処理することなく、組織サンプルを予測的に選別するのに用いられ、生物医学診断として技術の可能性を実証してきた。
【０００７】
ａ／ＬＣＩにおいて、光は、参照ビームおよびサンプルビームに分割され、サンプルビームは、散乱光の角度分布を調べるために一定の角度でサンプルに投射される。ａ／ＬＣＩ技術は、表面下の部位からの個々の散乱光を検出するＬＣＩの機能と、サブ波長の精度および正確度で構造的情報を取得する光拡散方法の性能とを組み合わせることにより、深さ分解断層撮影画像を構成する。構造的情報は、伝搬角を備える基準場と混合される単一の広帯域の光源を用いて、後方散乱光の角度分布を調べることによって決定される。細胞と、核およびミトコンドリアなどのその構成要素のサイズ分布は、予測に対する測定される角度分布の振動部分を比較することによって決定されることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
初期の原型および第２世代のａ／ＬＣＩシステムは、類似のデータを取得するのにそれぞれ約３０分および５分を必要としていた。サンプルに関する構造的情報を得るために、角度特異性を得る方法は、干渉法の参照ビームを可変角度で検出器平面と交差させることによって達成された。しかしながら、時間領域深さに依存しているこれらのａ／ＬＣＩのシステムは、従来のＬＣＩに基づくシステムで実現されているのと同様に走査する。サンプルに関する深さ情報を得るために、検出される散乱角の逐次走査を達成するために、干渉計の参照アームの長さは、機械的に調整されなければならなかった。
【０００９】
本明細書に開示される実施形態は、高速で対象サンプルに関する構造的情報および深さ情報の取得を可能にする低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）技術を伴う。取得速度は、生体内適用を実行可能にするために十分高速である。本明細書に開示される実施形態の生物医学的適用は、組織および体外における細胞形態の測定のほか、上皮内腫瘍形成の診断、化学予防剤および化学治療剤の効能の評価のために、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび処理を用いることを含む。組織を処理することなく、組織サンプルを予測的に選別することはまた、本明細書に開示される実施形態を用い、生物医学診断として技術の可能性の実証も実現されることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態において、「掃引源」（ＳＳ）光源は、サンプルに関する構造的情報および深さ情報を取得するために、ＬＣＩにおいて用いられる。掃引源光源は、参照信号と、サンプルに向けられる信号を生成するために用いられる。サンプルから散乱される光は、結果として戻され、参照信号と混合されて、干渉を実現し、したがって、サンプルに関する構造的情報を提供する。「掃引源」によって、光源は、時間において所与の範囲の波長にわたって発光を掃引するように制御される。発光は、放射中に特定の波長またはより狭い範囲の波長に分割されるため、サンプルから戻った散乱光は、特定の波長または波長範囲に応じることが知られている。したがって、戻った光がスペクトル領域にわたる光源の発光に応じるため、戻った散乱光は、スペクトル的に分解され、深さ分解される。これは時間における１回の光放射においてより広い範囲の波長の光を生成するより広いまたは広帯域の光源とは対照的であり、サンプルから戻った散乱光は、より広い範囲の波長の散乱光を含む。この場合には、分光計は、戻った散乱光をスペクトル的に分解することが必要である可能性がある。しかしながら、掃引源光源が用いられるとき、各波長でサンプルから一連の戻った散乱光は、サンプルに関してスペクトル的に分解された情報を提供するために、既にスペクトル領域にある。
【００１１】
掃引源光源を利用する複数のＬＣＩの実施形態が、本明細書に開示される。たとえば、本明細書に開示される１つのＬＣＩの実施形態は、角度分解される低コヒーレンス干渉法（ａ／ＬＣＩ）において掃引源光源を用いることを伴う。これはまた、掃引源ａ／ＬＣＩ（ＳＳ  ａ／ＬＣＩ）と呼ばれる。掃引源光源は、参照信号と、波長の掃引範囲または波長範囲にわたってサンプルに向けられる信号を生成するために利用される。光は、一定の角度でサンプルに当たるように向けられるか、または系における光源または別の構成要素（たとえば、レンズ）が、複数の角度でサンプルの上に光を向けるように移動される。これは、一連の散乱光を複数の角度でサンプルから戻り送出させ、それにより、サンプルにおける複数の点からサンプルに関するスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報を表す。
【００１２】
サンプルに関するスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報は、１つの散乱角度で検出されることができ、サンプルに関するスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報の１つの散乱平面（すなわち、１次元）を提供する。あるいは、サンプルに関するスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報は、複数の角度または角度の範囲で検出されることができ、サンプルに関する２次元のスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報を提供する。複数の散乱角における２次元のスペクトル的に分解され、角度分解された散乱情報の捕捉は、研究中のサンプルに関する多くの情報の生成および／またはより高い信号対雑音比を有する情報の生成を可能にする。
【００１３】
サンプルに関する深さ情報は、ＳＳ  ａ／ＬＣＩを用いるときに、フーリエ領域概念のほか、時間領域技術を用いて取得されることができる。たとえば、深さ情報を取得するために、時間領域技術を用いる方法において、サンプルは、サンプル内の異なる平面に光を向けるように、光源に対して移動されることができる。結果として生じる散乱光は、対象サンプルに関する深さ特性を決定するために処理される。一例としてフーリエ技術を用いるときには、掃引源光源によって発せられた光の結果としてサンプルから戻った散乱光のスペクトル的に分解された分布は、フーリエ領域に変換される。これは、サンプルに関して深さ分解された情報の取得を可能にする。光源は掃引されるため、分光計は、サンプルに関するスペクトル情報を取得する必要がなく、サンプルから戻った散乱光は、その掃引中に、光源によって発せられたより狭い波長または範囲において収集される一連のデータ取得の結果として、スペクトル領域に既にある。サンプルに関する散乱サイズ特性情報は、スペクトル的に分解され、深さ分解されたプロファイルを処理することによって取得されることができる。
【００１４】
本明細書に開示される別の実施形態において、複数のチャネルの時間領域ａ／ＬＣＩのシステムおよび方法は、広帯域の光源を利用して提供される。この技術は、時間領域における深さを物理的に走査するが、他の従来のａ／ＬＣＩのシステムおよび方法と異なり、サンプルから戻った散乱光の角度分布は、複数の角度で同時に検出され、サンプルに関する角度分解された情報を取得する。光源は、サンプルに向けられる参照信号を生成する。光は、一定の角度でサンプルに当たるように向けられるか、または系における光源または別の構成要素（たとえば、レンズ）が、複数の角度でサンプルの上に光を向けるように移動される。これは、一連の散乱光をサンプルから複数の角度で散乱させてサンプルから戻らせ、それにより、サンプルにおける複数の点からサンプルに関する角度分解された散乱情報を表す。
【００１５】
さらに別の実施形態において、サンプルに関する角度散乱情報を逐次検出を用いるフーリエＬＣＩシステムおよび方法が、提供される。ａ／ＬＣＩシステムは、光源からの光がサンプルに向けられる角度を移動させることによって、逐次方式でサンプルから角度分布情報を収集するために用いられる。サンプルに関する深さ情報は、分光計を有する広帯域の光源または検出デバイスを有する掃引源光源のいずれかによって、フーリエ領域手法を用いてスペクトル領域で決定されることができる。広帯域の光源の場合には、システムおよび方法は、時間領域手法を用いず、したがって、時間領域に基づくデータを取得するために、サンプルに対する参照アームの移動は必要ではない。このシステムおよび方法はまた、広帯域の光源の代わりに掃引源光源によって実現されることができる。
【００１６】
別の実施形態において、マルチスペクトルのａ／ＬＣＩ手法は、サンプルに関する構造的情報および深さ分解情報を取得するために用いられることができる。一連のデータ取得を得るために、複数回、参照信号およびサンプルに向けられる信号を生成するために、より狭い帯域の光源が、利用される。光は、ＬＣＩの場合にはサンプルに直接的に放射されてもよく、ａ／ＬＣＩの場合には散乱角で放射されてもよい。参照信号およびサンプルから戻った散乱光が、混合されるか、または相互相関されて、サンプルに関するスペクトル情報を提供する。複数の波長で何度もこの方法を実行することにより、サンプルに関するスペクトル情報を提供する。サンプルに関する深さ情報は、フーリエ領域概念のほか、時間領域技術を用いて取得されることができる。
【００１７】
種々の装置およびシステムは、上述のシステムおよび方法において利用されることができる。たとえば、一実施形態において、装置は、一連のスプリッタおよびレンズを用いて放射された掃引源光を参照経路と、サンプル経路とに分割する光スプリッタシステムに基づいている。別の実施形態において、光ファイバプローブが、掃引源光源から光を送出して、対象サンプルからの散乱光を収集するために用いられることができる。複数の光ファイバから構成される光ファイババンドル集光器は、サンプルに関する２次元の角度分解スペクトル情報を検出するのに特に適している。
【００１８】
上述し、本出願におけるＬＣＩに基づく装置、システムおよび方法は、生検または次の組織病理学的評価を介して組織抽出を必要とすることなく、組織の健全さを評価するための臨床的に実行可能な方法であってもよい。これらのＬＣＩに基づく装置、システムおよび方法は、早期発見および異形成組織のスクリーニング、病期分類、治療効果の監視および臨床医に対する生検部位の指針を挙げられるがこれらに限定されるわけではない複数の目的のために適用されることができる。潜在的な標的組織としては、食道、結腸、胃、口腔、肺、膀胱および頸部が挙げられる。光学およびＬＣＩプローブの非侵襲的、非電離的性質は、悪影響を及ぼすことなく頻繁に適用されることができることを意味する。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび処理を用いて迅速に結果を得ることは、病気のスクリーニングのためにその広範囲に及ぶ適用可能性を著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】対象サンプルに関する情報を検出するために用いられる例示の掃引源（ＳＳ）角度分解低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）（ＳＳ  ａ／ＬＣＩ）装置およびシステムの概略図である。
【図２】図１に示されるＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムを用いて、サンプルに向けられる角度光と、サンプルから戻った角度散乱光の検出を示す概略図である。
【図３】図１および図２の例示のＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステムを用いて、サンプルに関する空間的、深さ分解情報を検出するための例示の処理を示すフローチャートである。
【図４】サンプルに関するサイズ情報を復元するために、角度に応じて散乱されたサンプル信号強度に関する生データおよびフィルタリングされたデータの角度分布プロットの図である。
【図５Ａ】サンプルに関するサイズ情報を決定するために、最適適合Ｍｉｅ理論と比較した散乱されたサンプル信号強度のフィルタリングされた角度分布の図である。
【図５Ｂ】サンプルにおける細胞の直径を推定するために、サンプルに関するサイズ情報のカイ２乗最小化である。
【図６Ａ】対象サンプルに関する情報を検出するために用いられる例示の光ファイバに基づく掃引源（ＳＳ）角度分解低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）（ＳＳ  ａ／ＬＣＩ）装置およびシステムの概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの例示の光ファイバに基づく掃引源（ＳＳ）角度分解低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）（ＳＳ  ａ／ＬＣＩ）装置およびシステムの別の概略図である。
【図７Ａ】図６Ａおよび図６Ｂに示されるＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムによって利用されるａ／ＬＣＩ光ファイバプローブチップの切り取り図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示されるＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムにおけるファイバプローブの位置を示す。
【図８】対象サンプルに関する情報を検出するために用いられる例示の掃引源多角度ＳＳ  ａ／ＬＣＩ（ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩ）装置およびシステムの概略図である。
【図９】図８に示されるＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムを用いて、サンプルに向けられる角度光と、２次元におけるサンプルから戻った角度分布散乱光の検出を示す概略図である。
【図１０】図８のＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムを用いて取得されたサンプルからの回折パターンの２次元画像の例示のモデルである。
【図１１】図８のＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステムにおいて利用される光ファイバケーブルからの例示の光ファイバブレイクアウトの概略図である。
【図１２】図８のＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステムにおいて利用されることができる内視鏡光ファイバ検出デバイスの相対的なファイバ位置の概略図である。
【図１３】対象サンプルに関する情報を検出するために用いられる多チャネル時間領域ａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【図１４】対象サンプルに関する情報を検出するために用いられる別の多チャネル時間領域ａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【図１５】逐次方式でサンプルに関する角度情報を収集するが、フーリエ領域技術を用いて深さ情報を収集する別の時間領域ａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【図１６】逐次方式でサンプルに関する角度情報を収集するが、フーリエ領域技術を用いて深さ情報を収集する光ファイバに基づく時間領域ａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【図１７】マルチスペクトルのａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【図１８】光ファイバに基づくマルチスペクトルのａ／ＬＣＩ装置およびシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、図面を参照して、本開示の複数の例示的実施形態が記載される。用語「例示」は、本明細書において「実施例、事例または例証として機能すること」を意味するために用いられる。「例示」として本明細書に記載される任意の実施形態は、他の実施形態に比べて好ましいまたは有利であるものと考える必要はない。
【００２１】
本明細書に開示される実施形態は、高速で対象サンプルに関する構造的情報および深さ情報の取得を可能にする新たな低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）技術を伴う。サンプルは、組織または任意の他の細胞に基づく構造であってもよい。取得速度は、生体内適用を実行可能にするために十分高速である。組織および体外における細胞形態の測定のほか、上皮内腫瘍形成の診断、化学予防剤および化学治療剤の効能の評価が、可能な用途である。組織を処理することなく、組織サンプルを予測的に選別することもまた、可能であり、生物医学診断として技術の可能性の実証も可能である。
【００２２】
一実施形態において、「掃引源」（ＳＳ）光源は、サンプルに関する構造的情報および深さ情報を取得するために、ＬＣＩにおいて用いられる。掃引源光源は、参照信号と、サンプルに向けられる信号を生成するために用いられる。サンプルから散乱される光は、結果として戻され、参照信号と混合されて、干渉を実現し、したがって、サンプルに関する構造的情報および深さ分解情報を提供する。「掃引源」によって、光源は、所与の範囲の波長にわたって発光の狭い帯域の中心波長を掃引するように制御されるか、または変化され、したがって、広い帯域の源を合成する。光は、放射中に特定の波長またはより狭い範囲の波長で放射されるため、サンプルから戻った散乱光は、特定の波長または波長範囲に応じることが知られている。したがって、戻った光が狭いスペクトル領域にわたる光源の発光に応じるため、戻った散乱光は、スペクトル的に分解され、深さ分解される。これは時間における１回の光放射において全波長の光を生成するより広いまたは広帯域の光源とは対照的であり、サンプルから戻った散乱光は、広い範囲の波長の散乱光を含む。この場合には、分光計は、戻った散乱光をスペクトル的に分解するために用いられる。しかしながら、掃引源光源が用いられるとき、各波長でサンプルから一連の戻った散乱光は、サンプルに関してスペクトル的に分解された情報を提供するために、既にスペクトル領域にある。サンプルに関するスペクトル的に分解される情報は、検出されることができる。
【００２３】
別の実施形態は、本明細書では「掃引源フーリエ領域ａ／ＬＣＩ」または「ＳＳ  ａ／ＬＣＩ」と呼ばれる角度分解される低コヒーレンス干渉法（ａ／ＬＣＩ）において掃引源光源を用いることを伴う。ＳＳ  ａ／ＬＣＩに関するデータ取得時間は、１秒未満であってもよく、閾値は、生体内組織からのデータの取得には、望ましい。掃引源光源は、参照信号と、波長の掃引範囲または波長範囲にわたってサンプルに向けられる信号を生成するために利用される。光は、一定の角度でサンプルに当たるように向けられるか、または系における光源または別の構成要素（たとえば、レンズ）が、一定の角度または多数の角度（すなわち、３つ以上の角度）を含んでもよい複数の角度（すなわち、２つ以上の角度）でサンプルの上に光を向けるように移動される。これは、一連の散乱光を複数の角度でサンプルから戻らせ、それにより、サンプルにおける複数の点からサンプルに関するスペクトル的に分解され、角度分解された（本明細書では「スペクトルおよび角度分解される」とも呼ばれる）散乱情報を表す。サンプルに関するスペクトルおよび角度分解される散乱情報は、検出されることができる。このＳＳ  ａ／ＬＣＩ実施形態はまた、深さ分解情報を取得するためにフーリエ領域概念を用いることができる。信号対雑音比の向上およびデータ取得時間に応じた削減は、フーリエ（またはスペクトル）領域における深さ走査を記録することによって可能であることが最近示されている。この実施形態において、ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムは、掃引源レーザなどの掃引源光源と、ライン走査アレイまたはカメラなどの検出器とを用いてフーリエ領域概念を組み合わせて、平行なサンプルから戻る散乱光の角度分布および時間における周波数分布を記録することができる。
【００２４】
図１および図２は、本発明の一実施形態によるＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０の実施例を示している。図１におけるＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステムは、改良型マッハツェンダ干渉計に基づいていてもよい。図１および図２におけるＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０の説明は、図３のフローチャートにおいて提供されるシステム１０において行われるステップと併せて説明される。図１に示されているように、光１１は、掃引源レーザ１２の形態の掃引源光源１２から生成される。掃引源光源１２からの光が、受信され（ステップ６０、図３）、ビームスプリッタ（ＢＳ１）１８によって、参照ビーム１４およびサンプル１７への入力ビーム１６に分割される（ステップ６２、図３）。参照ビーム１４の経路長は、再帰反射器（ＲＲ）２０を調整することによって設定されるが、測定中は一定のままである。参照ビーム１４は、レンズ（Ｌ１）２２および（Ｌ２）２４を用いて拡大され（ステップ６４、図３）、均一であり、実施例としてライン走査アレイまたはカメラであってもよい検出器デバイス２６に達するときに平行光線化される照射を作成する。
【００２５】
レンズ（Ｌ３）２８および（Ｌ４）３０は、サンプル１７に入射する平行光線化されるペンシルビーム３２を作製するように配置される（ステップ６６、図３）。レンズ（Ｌ３）２８に対してレンズ（Ｌ４）３０を垂直に移動させることにより、入力ビーム３２は、光軸に対して一定の角度でサンプル１７に当たるように構成される。この実施形態において、入力ビーム３２は、約０．１０ラジアンの角度でサンプル３０に当たる。しかしながら、本発明は、任意の特定の角度に限定されるわけではない。この構成は、レンズ（Ｌ４）３０の角度アパーチャ全体をサンプル１７から戻った散乱光３４を収集するために用いられることを可能にする。
【００２６】
サンプル１７によって散乱された光は、レンズ（Ｌ４）３０によって収集され（ステップ６８、図３）、レンズ（Ｌ５）３６および（Ｌ６）３８を介して４ｆイメージングシステムによって中継され、レンズ（Ｌ４）３０のフーリエ平面が、図２に示されているように、スリット４０で位相および振幅において再生されるようになっている（ステップ７０、図３）。散乱光３４は、ビームスプリッタ（ＢＳ２）４２で参照ビーム１４と混合され、結合ビーム４４が、検出器デバイス２６に当たる。結合ビーム４４は、サンプル１７に関する深さ分解される空間相互相関情報を復元するように処理される（ステップ７２、図３）。
【００２７】
この実施形態において、検出器デバイス２６は、ライン走査アレイの形態の１次元検出器デバイスであり、複数の検出器から構成される。これは、検出器デバイス２６が、サンプル１７から複数の散乱角で参照ビーム１４と混合された光を同時または本質的に同時に受信し、サンプル１７に関するスペクトル情報を受信することを可能にする。ライン走査アレイ２６を設けることにより、結合ビーム４４の角度分布、または別の言い方をすれば、複数の散乱角での検出を可能にする。検出器デバイス２６における各検出器は、同時または本質的に同時に所与の角度でサンプル１７から散乱光を受信する。
【００２８】
掃引源光源１２からの発光は、放射中に特定の波長またはより狭い範囲の波長に分割されるため、サンプル１７から戻った散乱光３４は、特定の波長または波長範囲に応じることが知られている。したがって、戻った散乱光３４がスペクトル領域にわたる光源の発光に応じるため、戻った散乱光は、スペクトル的に分解される。これは同時に１回の光放射において全波長の光を生成するより広いまたは広帯域の光源とは対照的であり、サンプルから戻った散乱光は、全波長の散乱光を含む。この場合には、分光計は、戻った散乱光をスペクトル的に分解するために用いられる。しかしながら、掃引源光源１２が用いられるとき、各波長でサンプル１７から一連の戻った散乱光３４は、サンプルに関してスペクトル的に分解された情報を提供するために、既にスペクトル領域にある。
【００２９】
図２は、ライン走査アレイ２６の前の寸法に対する散乱角の分布の実施例を示している。検出器デバイス２６によって検出される結合ビームまたは検出信号４４は、ライン走査アレイにおける垂直位置ｙ、波長λの関数であり、掃引源光源１２がその波長範囲にわたって掃引されるときの時間の関数である。ピクセルｍおよび時間ｔで検出される信号４４は、散乱光３４および参照ビーム１４（Ｅｓ、Ｅｒ）に関連付けられることができ、以下のようになる：
【数１】
0005579606.tif 000002
式中、Φは、２つの場の間の位相差であり、〈．．．〉は、時間におけるアンサンブル平均を表す。干渉の項は、散乱光３４および参照ビーム１４の強度を独立に測定し、全体強度からそれらを減算することによって抽出される。サンプル１７に関する深さ分解情報を取得する１つの方法において、各散乱角における波長スペクトルは、波数（ｋ＝２π／λ）スペクトルに補間され、各垂直ピクセルｙｎに関して空間相互相関ΓＳＲ（ｚ）を与えるためにフーリエ変換される。
【数２】
0005579606.tif 000003
参照場は、以下の形態をとる：
【数３】
0005579606.tif 000004
式中、ｋＯ（ｙＯおよびΔｋ（Δｙ）は、ガウス波ベクトル（空間）分布の中心および幅を表し、Δｌは、選択された経路長の差である。散乱サンプル場は、以下の形態をとる。
【数４】
0005579606.tif 000005
式中、Ｓｊは、深さｌｊに位置するｊ番目の境界から始まる散乱の振幅分布を表す。散乱サンプル場の角度分布は、関係ｙ＝ｆ４θにより、レンズ（Ｌ４）３０のフーリエ画像平面における位置分布に変換される。８から１２マイクロメートル（μｍ）のライン走査アレイ２６の例示のピクセルサイズの場合には、これは、１０２４個の要素アレイの場合には、０．０００２８から０．０００３４ミリラジアンの角度分解能および２８４から４３０ミリラジアンの予想角度範囲を生じる。式（３）および（４）を式（２）に代入し、参照場の均一性（Δｙ＞＞カメラ高さ）に注目することにより、検出器におけるｎ番目の垂直位置の空間相互相関性を生じる。
【数５】
0005579606.tif 000006
単一境界に関してこの式を評価することにより、以下の式を生じる：
【数６】
0005579606.tif 000007
ここで、散乱振幅Ｓが源の帯域幅にわたって著しく変化しないと仮定する。この表現は、散乱角に対応する各垂直ピクセルに関して、散乱分布の深さ分解されるプロファイルを取得することを示している。「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｌｏｗ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」という名称の米国特許出願第１１／５４８，４６８号に記載される技術は、その全開示内容が参照により本明細書に組み込まれ、サンプルからの散乱光に関して構造的情報および深さ分解情報を取得するために用いられてもよい。
【００３０】
広帯域の光源を用いた画像化分光計からの１つのフレーム捕捉から取得されるのと同一のデータ集合または類似のデータ集合を取得するために、ＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステム１０は、各波長でライン走査アレイ２６からの一連のデータ取得を捕捉して、それらを組み合わせることができる。この実施形態において、ライン走査アレイ２６のデータ取得速度は、掃引源光源１２の掃引レート未満である。１０００個の波長（周波数）点（したがって、掃引源の場合には時間における点）が、必要であると仮定した場合、サンプル１７から散乱情報の１０から２０個のデータ取得が、ライン走査アレイを用いて毎秒復元されてもよい。たとえば、このシナリオは、５０から１００ミリ秒の取得ごとに１回生じ、臨床および実用化に十分である。
【００３１】
ライン走査アレイおよびカメラ検出器デバイスは、可視波長および近赤外波長の両方で広く利用可能である。可視波長のライン走査アレイは、たとえば、約〜４００ｎｍから〜９００ｎｍで動作することができ、シリコン技術に基づいてもよい。近赤外波長のライン走査アレイは、約〜９００ｎｍから〜１７００ｎｍ以上で動作してもよい。以下の表１は、例として複数のメーカによるいくつかの代表的な仕様を与えている。
【表１】
0005579606.tif 000008
【００３２】
既に上述したように、掃引源レーザは、掃引源光源１２として利用されてもよい。いくつかの例が、以下の表２において提供される。
【表２】
0005579606.tif 000009
【００３３】
より高速の取得時間が可能である。より短い波長の掃引源光源は、たとえば、シリコン検出器などの高速検出器２６の利用を可能にする。たとえば、Ａｔｍｅｌ（Ｒ）シリコンベースカメラは、毎秒１００，０００ラインを実現することができ、場合によっては毎秒１００データ点取得または取得ごとに１０ミリ秒を可能にする。あるいは、別の例として、ライン走査アレイ２６は、ＩｎＧａＡｓ技術に基づいてもよく、より高速で、毎秒５０，０００から１００，０００ラインの読み出し速度に達し、したがって１０ミリ秒まで取得時間を削減してもよい。掃引源光源の掃引レート、出力、波長範囲および他の性能特性は、図１および図２のＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステム１０をはじめとするａ／ＬＣＩ装置およびシステムの高性能バージョンを可能にすることができることが予想される。
【００３４】
サンプル１７に関する深さ分解情報の取得に加えて、開示されたデータ取得スキームを用いて、サンプル１７から取得される散乱分布データ（すなわち、ａ／ＬＣＩデータ）はまた、Ｍｉｅ理論を用いた核のサイズ決定を行うために用いられることができる。サンプル１７の散乱分布は、輪郭プロットとして図４に示されている。サンプル１７に関する生の散乱情報は、信号場４４および角度に応じて示される。フィルタリングされた曲線は、散乱データを用いて決定される。Ｍｉｅ理論の予測に対するフィルタリングされた散乱分布曲線（すなわち、散乱データの表示）の比較（図５Ａにおける曲線）は、サイズ決定を行うことを可能にする。
【００３５】
散乱データをＭｉｅ理論に適合させるために、ａ／ＬＣＩ信号を処理して核のサイズの特性である振動成分を抽出する。平滑化されたデータは低次多項式（通常、２次が用いられるが、４次などのより高次が用いられてもよい）に適合され、その後、背景傾向を除去するために分布から減算される。結果として生じる振動成分は、次に、Ｍｉｅ理論を用いて得られる理論上の予測値のデータベースと比較されることができ、分析のために緩やかに変化する特徴が同様に除去される。
【００３６】
フィルタリングされたａ／ＬＣＩデータとＭｉｅ理論データ７８との直接比較は、カイ２乗適合アルゴリズムが固有振動でなく背景勾配と一致する傾向があるため、不可能である可能性がある。算出された理論的予測は、平均直径（ｄ）および標準偏差によって特徴付けられるサイズのガウス分布のほか、波長の分布を含み、広範な帯域幅光源を正確にモデル化する。
【００３７】
最良適合（図５Ａ）は、データ７６とＭｉｅ理論と間のカイ２乗を最小化することによりって決定され（図５Ｂ）、１０．２＋／−１．７μｍのサイズが得られ、真のサイズとの良好な一致を示す。測定誤差は、おそらくは測定において記録される角度の制限範囲のために、ビードサイズの変動より大きい。
【００３８】
ａ／ＬＣＩデータの処理およびＭｉｅ理論との比較の代わりとして、診断情報を得ることができる他の方法がいくつかある。これらは、フーリエ変換を用いて角度データを分析して、細胞核の周期的振動特性を識別することを含む。周期的振動は、核のサイズと相関がある可能性があり、したがって診断価値を有する。ａ／ＬＣＩデータを分析する別の方法は、データを有限要素法（ＦＥＭ）またはＴ−マトリクス計算を用いて生成される角度散乱分布のデータベースと比較することである。このような計算は、Ｍｉｅ理論と同様の制限を受けないため、優れた分析を提供できる。たとえば、ＦＥＭまたはＴ−マトリクス計算は、非球形散乱体および含有物を有する散乱体をモデル化することができるのに対して、Ｍｉｅ理論は同質球体のみしかモデル化することはできない。他の技術としては、「Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第７，１０２，７５８号明細書に記載されており、その全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
本発明の別の実施形態において、対象サンプルに光を送出して収集するために、光ファイバを用いることによって、内視鏡用途をはじめとするＳＳ  ａ／ＬＣＩ装置およびシステムが、提供されることができる。これらの別の実施形態が、図６Ａおよび図６Ｂに示されている。システムの光ファイバ部分は、略同一であり、システムの変更は、スーパルミネッセントダイオードの代わりに掃引源光源１２’、画像化分光計の代わりにライン走査アレイ（またはカメラ）、ライン走査アレイから複数の取得をまとめるためのデータ処理への修正からなる。サンプルから戻った散乱光の角度分布は、集光レンズを用いてサンプルの共役フーリエ変換平面にファイババンドルの遠位端を位置決めすることによって捕捉される。この角度分布は次に、４ｆシステムを用いてライン走査アレイに画像化されるファイババンドルの遠位端まで伝えられる。ビームスプリッタは、ライン走査アレイの前で、散乱サンプル場を参照場と重ねるために用いられ、その結果、低コヒーレンス干渉法は、深さ分解測定値を取得するために用いられることができる。
【００４０】
ここで図６Ａに目を向けると、光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’が、示されている。類似の光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’もまた、図６Ｂに示されている。光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’は、レンズのフーリエ変換特性を活用することができる。この特性は、物体がレンズの前方焦点平面に配置される場合に、共役像平面における画像はこの物体のフーリエ変換であることを示す。空間分布のフーリエ変換（物体または画像）は、ｍｍ当たりの周期についての画像の情報内容の表示である空間周波数分布によって与えられる。弾性散乱光の光学画像において、波長はその固定された最初の値を維持し、空間周波数表示は単に、散乱光の角度分布の倍率変更バージョンである。
【００４１】
光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’において、サンプルからの散乱光の角度分布は、集光レンズを用いてサンプルの共役フーリエ変換平面にファイババンドルの遠位端を位置決めすることによって捕捉される。この角度分布は次に、４ｆシステムを用いてライン走査アレイに画像化されるファイババンドルの遠位端まで伝えられる。ビームスプリッタは、ライン走査アレイの前で、散乱サンプル場を参照場と重ねるために用いられ、その結果、低コヒーレンス干渉法は、深さ分解測定値を取得するために用いられることができる。
【００４２】
図６Ａに目を向けると、掃引源光源１２’からの光１１’は、ファイバスプリッタ（ＦＳ）８０を用いて参照ビーム１４’と入力ビーム１６’とに分割される。スプリッタ比２０：１は、一実施形態において、サンプルから戻った散乱光３４’が通常、わずかな入射パワーであるため、信号アーム８２を介してサンプル（図示せず）により大きいパワーを振り向けるように選択されてもよい。参照ビーム１４’における光は、ファイバ（Ｆ１）から出て、参照アーム経路長の全体の位置合わせを可能にするために、並進ステージ８６上に取り付けられたレンズ（Ｌ１）８４によって平行光線化される。この経路長は作動中に走査されないが、位置合わせ中に変更されてもよい。平行ビーム８８はファイババンドル（Ｆ３）９０の端部９１に寸法が等しいように配置され、この結果、平行ビーム８８は等しい強度でファイババンドル（Ｆ３）９０内のすべてのファイバを照射する。ファイババンドル（Ｆ３）９０の遠位先端から出る参照ビーム１４’は、同時に複数の角度で、サンプル１７から戻った散乱光を捕捉するために、ファイバブレイクアウト９５を有するファイババンドル（Ｆ４）９４によって伝えられる散乱サンプル場と重ね合わせるために、レンズ（Ｌ３）９２によって平行光線化される。別の実施形態において、ファイバ（Ｆ１）から出る光は、平行光線化され、その後レンズ系を用いて拡大されて広いビームを生成する。
【００４３】
散乱サンプル場は、コヒーレントファイババンドルを用いて検出される。散乱サンプル場は、レンズ（Ｌ２）９８を用いて対象サンプルに向けられる信号アーム８２内で光を用いて生成される。自由空間システムと同様に、レンズ（Ｌ２）９８はシングルモードファイバ（Ｆ２）の中心から横方向に移動され、その結果、光軸に対して一定の角度で移動する平行ビームが生成される。入射ビームが斜角でサンプルに当たるということは、鏡面反射から弾性散乱情報を分離するのに不可欠である。散乱光３４’は、コヒーレントシングルモードファイバまたはマルチモードファイバのアレイからなるファイババンドルによって集光される。ファイバの遠位先端は、散乱光の角度分布を画像化するために、レンズ（Ｌ２）９８から離れて１つの焦点距離に維持される。図６Ａに示される実施形態において、サンプルは、機械式取付台１００を用いてレンズ（Ｌ２）９８の前方焦点平面に位置決めされる。図７Ａに示される内視鏡と互換性のあるプローブ９３では、サンプルは、透明シース１０２を用いてレンズ（Ｌ２）９８の前方焦点平面に位置決めされる。
【００４４】
図６Ａおよび図７Ｂに示されているように、ファイババンドル（Ｆ４）９４の近位端１０５から出る散乱光１０４は、レンズ（Ｌ４）１０７によって再度平行光線化され、ビームスプリッタ（ＢＳ）１０８を用いて参照ビーム１４’と重ね合わされる。２つの結合されたビーム１１０は、レンズ（Ｌ５）１１２を用いてライン走査アレイ２６’に再度画像化される。レンズ（Ｌ５）１１２の焦点距離は、ライン走査アレイ２６’を最適に満たすために変更されてもよい。ライン走査アレイ２６’は、コンピュータ１１１などの処理システムに検出信号を送って、戻った散乱信号を処理して、サンプルに関する構造的情報および深さ分解情報を決定する。結果として生じる光信号は、図１および図２の装置に関して上述したように、スリット４０’の垂直寸法にわたって各散乱角に関する情報を含む。上述のＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１２’は、実施例として、光ファイバプローブが、０．４５ラジアン範囲（約３０°）にわたる角度分布を収集し、１秒の数分の１で完全な深さ分解散乱分布または結合ビーム１１０を収集することができると予測される。
【００４５】
光工学の点からは同一であるファイバプローブを作製するためのいくつかの可能なスキームが存在する。１つの可能な実装は、信号アームおよび参照アームの両方におけるシングルモードファイバの線形アレイである。あるいは、参照アーム９６は、コヒーレントファイババンドルまたは線形ファイバアレイのいずれかからなる信号アーム８２を備える個別のシングルモードファイバから構成されることが可能である。
【００４６】
プローブ９３はまた、実質的に等価である複数の実装を有することが可能である。これらは、レンズ（Ｌ２）９８の代わりにドラムレンズまたはボールレンズの使用を含む。側視型プローブは、レンズおよびミラーまたはプリズムの組み合わせを用いて、またはレンズ−ミラーの組み合わせと置き換えるために凸面鏡を用いて作製されることができる。最終的に、プローブ全体は、探求される領域の周辺走査を提供するために、半径方向に回転するように構成されることができる。
【００４７】
光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムの別の例示的実施形態が、図６Ｂにおけるａ／ＬＣＩシステム１０’’に示される。このシステム１０’’において、掃引源光源１２’’は、図６Ａの光ファイバａ／ＬＣＩシステム１０’の場合と同様に用いられる。図６Ｂのシステム１０’’において提供される他の構成要素もまた、図６Ａのシステム１０’に含まれ、共通の要素表示で表される。光ファイバＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’において、サンプルからの散乱光の角度分布は、集光レンズを用いてサンプルの共役フーリエ変換平面にファイババンドルの遠位端を位置決めすることによって捕捉される。この角度分布は次に、４ｆシステムを用いてライン走査アレイに画像化されるファイババンドルの遠位端まで伝えられる。ビームスプリッタは、ライン走査アレイの前で、散乱サンプル場を参照場と重ねるために用いられ、その結果、低コヒーレンス干渉法は、深さ分解測定値を取得するために用いられることができる。
【００４８】
図６Ｂに目を向けると、光１１’’は、掃引源光源１２’’によって生成される。光アイソレータ１１３は、後方反射から光源１２’’を保護する。ファイバスプリッタ８０は、参照ビーム１４’’およびサンプルビーム１６’’を生成する。参照ビーム１４’’は、任意の偏光コントローラ１１４、一定の長さのファイバ１１７（経路光路長に至る）を通過し、次にレンズ（Ｌ４）１０７を通ってビームスプリッタ１０８に至る。サンプルビーム１６’’は、偏光コントローラ１１５およびファイバ偏光子１１６を進み、光源の偏光を改善して、ファイバ偏光子１１６の軸と偏光を位置合わせする。送出または照射ファイバ９０は、ファイバプローブ９３に設けられる。レンズ８４は、集光ファイババンドル９４によって特定の角度（または小さな範囲の角度）で集光されるサンプル１７から戻った散乱光を捕捉する。捕捉光は、複数の集光ファイバ９５から構成される集光ファイババンドル９４によって運ばれる。捕捉光は、光学レンズ（Ｌ２）９８およびレンズ（Ｌ３）９２を通って、ファイバプローブ９３に戻るように進む。参照ビーム１４’’およびサンプル１７から戻った散乱光は、前述のように、ビームスプリッタ１０８でライン走査アレイ検出器２６’を通過している結果として生じる干渉信号１１０と混合される。ライン走査アレイ２６’は、コンピュータ１１１’’などの処理システムに検出信号を送って、戻った散乱信号を処理して、サンプルに関する構造的情報および深さ分解情報を決定する。結果として生じる光信号は、図１および図２の装置に関して上述したように、スリット４０’の垂直寸法にわたって各散乱角に関する情報を含む。上述のＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’の一実施形態では、実施例として、光ファイバプローブ９３が、０．４５ラジアン範囲（約３０°）にわたる角度分布を収集し、１秒の数分の１で完全な深さ分解散乱分布または結合ビーム１１０を取得することができると予測される。
【００４９】
掃引源光源の使用もまた、サンプルからの２つ以上の散乱平面からの散乱情報を取得する機能を有する別のシステムアーキテクチャの可能性に通じる。この実装は、「多角度掃引源ａ／ＬＣＩ」システムまたはＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩと呼ばれる。ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’の実施例は、図８および図９に示されており、２次元の検出器デバイス２６’’がＣＣＤカメラの形態で設けられる点を除き、図１および図２のＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０と類似の構成を有する。これは、同時にまたは本質的に同時に、複数の角度または角度の範囲でサンプルから戻った散乱情報の取得を可能にする。この構成は、１次元の手法に比べて、１回の測定によってより多量の情報の取得を可能にする。１次元のスキームにおいて、散乱分布は、角度の１つのラインにわたって取得され、別の散乱平面における情報を取得するためにサンプルの操作を必要とする。複数の角度または角度の範囲からサンプルに関する情報を取得することによって、結果として生じる測定値においてよりよい信号対雑音の実現および／または非回転楕円散乱体の長軸および短軸などのサンプルに関するより多くの情報の取得を可能にする。
【００５０】
ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’は、図８に例示されており、ライン走査アレイ２６がＣＣＤカメラなどの２次元アレイ２６’’に置き換えられている点を除き、図１および図２のＳＳ  ａ／ＬＣＩと類似である。図３のフローチャートに記載されたステップが、この実施形態に関して適用可能であり、この実施形態は、混合されて戻った散乱光が、２次元の検出器２６’’に向けられて（ステップ７０）、２次元の検出器２６’’を用いてサンプルに関する空間的かつ深さ分解情報を復元するために分散光を検出することを伴う点だけが異なる（ステップ７２）。さらに、ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’は、ライン走査アレイ２６’が２次元検出器２６’’、すなわち、ＣＣＤカメラによって置き換えられる点を除き、図６Ｂと同様の光ファイバプローブおよびバンドル検出システムを用いて実装されることができる。いずれの実装の実施例においても、ＣＣＤカメラ２６’’は、掃引源レーザなどの掃引源光源１２’’が掃引される各ステップでフレームを取得してもよい（または、光源が連続的に掃引されるとき、フレームを捕捉する可能性がさらに高く、各フレームにおいて捕捉される波長範囲を結果として生じる）。掃引源光源１２’’は、ＣＣＤカメラ２６’’がサンプル１７からの結合ビーム４４’’から画像を同期して捕捉する周波数にわたって掃引する。この方法によって、取得時間は、１秒の数分１秒の１まで減少される可能性がある。掃引源光源１２’’の掃引からのフレームの収集が次に処理され、θ方向およびφ方向における散乱角の範囲、一連の個別の角度または２つのなんらかの組み合わせのいずれかに関する波長情報を生成する。さらなる処理により、サンプル１７における散乱体の性質に関する情報を提供する。図１０は、図８のＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩを用いて、８ミクロンの回転楕円体分布のための回折パターンの２次元画像の例示のモデルを示している。
【００５１】
ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’はまた、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの広帯域の光源を用い、分光計検出器デバイスを用いて実装されてもよい。いずれの場合も、ＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステム１０’’の光ファイバ実施形態において、広帯域の光源または掃引源光源１２’’を用いるかどうかに関係なく、サンプル１７からの結合ビーム４４’’を受信するファイババンドル９４は、図１１に示されているように、ファイババンドル９４内の複数の光ファイバ１１９によって捕捉されることができる。ここで、光ファイバブレイクアウトは、ファイババンドル９４からの光ファイバ１１９を１つ以上の水平線１２０、１２２、１２４にもたらすように送出されるが、半径方向のブレイクアウトおよび円形のブレイクアウトもまた、可能であり、光ファイバ１１９の断面の異なるタイプである。垂直行に示される光ファイバ１１９の数は１つの光ファイバ１１９幅であり、任意の数が可能である。垂直列における所与の位置で水平方向に用いられる光ファイバ１１９の数は、場合によっては、検出器デバイス２６’’または分光計からの特定の読み出しの角度範囲を決定する。
【００５２】
ＣＣＤカメラ２６’’にわたる散乱角の１つの可能な分布が、図１２に示される。この実装において、θにおける角度は、垂直に広がり、φにおける角度は、水平に広がる。角度はまた、θおよびφにおいて均等に分布されてもよく、分布されなくてもよい。たとえば、本出願において後述される内視鏡の実装において、照射ファイバ１２８は、ファイババンドルの一方の側にあり、取得される角度は、バンドル内のファイバの位置によって決定される。これは、図１２に示されており、システム１０’’は、θおよびφにおける角度の部分集合を収集することができるが、さらなる構造的測定値がデータ処理によって生成される取得され得る十分なさらなる情報であってもよい。
【００５３】
ＣＣＤカメラ２６’’に関して考えられる構成要素としては、画像検出器としてＣａｓｃａｄｅ：Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃｓ（ＴＭ）６５０ＣＣＤカメラが挙げられるがこれに限定されるわけではない。光源に関しては、Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＩＮＴＵＮ（ＴＭ）連続的に波長可変レーザが、種々の適切な光源の一実施例である。この実施例は、中心波長が７８０ｎｍであり、Ｃａｓｃａｄｅカメラをはじめとする標準的なＮＩＲ光学素子に適合し、前述のＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムにおいて用いられるライン幅に匹敵する同調範囲１５ｎｍを提供するので有用である。０．１ｎｍよりよい分解能が、ＣａｓｃａｄｅＣＣＤによって対象領域を用いるときに実現されることができる３００Ｈｚフレームレートに基づいて達成されることができるため、この光源に関する３０ｎｍ／ｓの同調速度は、ＣａｓｃａｄｅＣＣＤカメラとの同期に最適である。ＳＳ  ａ／ＬＣＩスキームは、取得時間を向上し、より高速の時間スケールで細胞力学の研究のために最新技術にａ／ＬＣＩシステムの性能を向上させる。
【００５４】
データ取得は、ＣＣＤカメラ２６’’のフレームレートによって制限される可能性があるが、掃引源光源１２’’の掃引レートによって制限されるわけではない。以下の表３は、例示のＣＣＤカメラを列挙する。毎秒わずか１０００フレームが最も高速であり、したがって、１０００個の波長点が必要とされる場合には、完全走査には、約１秒かかる。この実施例においてより少数のピクセルが必要とされる場合または波長においてより少数の点を用いることができる場合には、より高速に走査することが可能である場合もある。これらのカメラのうちの複数は、画像を取得するために、ユーザの対象を特定の対象領域にさせ、したがって、フレームレートの速度を上げる。たとえば、Ａｔｍｅｌ（Ｒ）カメラを用いて、合計１００００ピクセルの１００×１００ピクセルの対象領域を用いる場合には、フレームレートは、毎秒せいぜい１５，０００フレームであってもよく、１０００個の波長点に関して７０ミリ秒の走査時間を可能にする。ＣＣＤカメラの速度が、時間と共に増大し、増大したカメラ速度は、より高性能のＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩシステムに変換されると予想される。
【表３】
0005579606.tif 000010
【００５５】
本明細書に記載されるＳＳ  ａ／ＬＣＩおよびＭＡ  ＳＳ  ａ／ＬＣＩの実装に加えて、時間領域のａ／ＬＣＩ実装もまた、可能である。このａ／ＬＣＩシステム１３０実装の実施例が、図１３において実例によって示されている。このシステム１３０は、サンプルの深さを物理的に走査するが、同時にまたは本質的に同時に複数の角度からサンプルから戻った散乱光を同時に収集するために、検出器のアレイを用いる。これにより、システム１３０は複数の角度からの光を同時に集光することが可能となり、角度取得の数に等しい因子だけ処理能力を増大する。
【００５６】
システム１３０は、フォトダイオードアレイ＃１（１３２）および＃２（１３４）を用いて、サンプル（図示せず）からの角度散乱光を集光する。システム１３０は、この実施形態においてパルス化モードで動作するＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの形態で掃引源光源１３６を提供する。掃引源光源１３６は、光１３８をビームスプリッタ（ＢＳ１）１４０に向け、光１３８を参照信号１４１およびサンプル信号１４２に分割する。参照信号１４１は、ｗ＋１０ＭＨｚで音響光学復調器（ＡＯＭ）１４４を通り、次に、参照アーム１５３に取り付けられた再帰反射器（ＲＲ）１５４を通る。再帰反射器（ＲＲ）１５４は、深さ走査を行うために、サンプルにおける深さを変更するために、距離δｚ分移動される。サンプル信号１４２は、周波数「ω」のＡＯＭ１４６を通り、次に画像化光学素子１４８を通る。画像化光学素子１４８は、サンプルの上に平行光線化した光を光らせ、次に、サンプルからの角度散乱光を集光する。参照信号１４１および角度散乱光は、ビームスプリッタ（ＢＳ２）１５２で結合されて、次に、フォトダイオードアレイ＃１（１３２）および＃２（１３４）の上に画像化される。各フォトダイオード１３２または１３４からの信号１３５、１３７は、同一の角度位置に対応する他のアレイ１３２または１３４におけるフォトダイオードから減算される。多チャネル復調器１６０は、減算された信号１３９に用いられる。続いて、すべての信号が、処理のために、コンピュータ１６２に送られる。多チャネル復調器１６０によって受信される減算された信号１３９からの時間領域の深さ情報の処理は、この実施形態の場合には、考えられる実施例または方法として段落番号００５５から００５８において上述したように行われることができる。
【００５７】
図１４は、レンズＬ１（１５６）が小型レンズアレイ１６４に変更される点を除き、図１３の同一のシステム１３０を示している。小型レンズアレイ１６４における各小型レンズは、１つの角度位置用に参照アーム１５３を提供する。小型レンズアレイは、サンプルから角度散乱光を適切に捕捉するために、フォトダイオードアレイ１３２、１３４における各角度位置のために用いられることができる。
【００５８】
代表的な設定において、図１３および図１４に示された実施形態の場合には、サンプルに関するデータは、２０から６０個の角度で取得されてもよく、６０個の角度走査の場合には、約６分かかる。この実装は、少なくとも６秒でこの同一のデータ集合を取得することが可能である必要がある。フーリエ領域技術（フーリエ領域システムにおいて利用可能なより高い固有の信号対雑音比による）より依然として遅いが、これは、速度において向上しており、多くの用途に用いられることができる。この実装は、深さ走査において５００までのような十分なライン走査を取得することができるフォトダイオードアレイを必要とする。走査に６秒かかる場合には、これは毎秒約１００であり、表１に列挙されたカメラのいずれかのライン速度をはるかに下回る。カメラがこれよりはるかに高速でフレームを捕捉することができるのであれば、取得速度に対する制限は、サンプルから散乱される利用可能な光の量であってもよい。
【００５９】
このシステムは、フォトダイオードごとに、フォトダイオード１３２、１３４で信号１３５、１３７を減算し、次に、各チャネルを復調するなんらかの手段を用いることを留意されたい。これは、逐次方式または並列方式で実現されてもよい。１つの実装は、フォトダイオードアレイ（ライン走査カメラの場合と同様に）からデータをディジタルで取得し、次に、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップまたは類似物を用いて、データの減算および復調を行うことになる。これは、ライン走査アレイのライン速度未満である２つのＡＯＭ間のオフセット周波数を提供することを必要とする可能性がある。１００，０００ライン／秒までの信号データを受信するライン走査アレイが存在するため、＜５０ＫＨｚのオフセットが許容可能であってもよい。
【００６０】
第２の実装は、フォトダイオード１３２、１３４を用い、アナログに基づいて減算を実行することになっている。２つのフォトダイオードアレイは、同一の２次元のアレイの実際に２つの部分であることが当てはまる場合がある。また、このとき、各フォトダイオードペアに専用の復調器があってもよく、またはこの場合もディジタイザおよび適切なディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップがあってもよい。
【００６１】
別の実施形態および対象サンプルに関する情報を収集するための手法において、時間領域のａ／ＬＣＩシステムから前進するステップは、逐次方式で角度情報を依然として収集するために行われる。しかしながら、深さ情報は、フーリエ領域手法を用いて、対象サンプルから収集される。用いられてもよい光源には、サンプルに関するスペクトル的に分解された情報を処理するために、分光計と組み合わせた広帯域の光源を挙げることができる。あるいは、フォトダイオードを有する掃引源光源または別の実装が、用いられてもよい。図１５は、そのようなシステム１７０の実装を示す。示されたシステム１７０は、信号収集のために、フォトダイオードの代わりに、シングルライン分光計１８６を有する広帯域の光源用に、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザ光源１７を利用する。図１５において、レーザ１７２は、パルス化モードで、光１７４を生成する。ビームスプリッタ（ＢＳ１）１７６は、光１７４を参照信号１７７およびサンプル信号１７９に分割する。参照信号１７７は、光学素子、レンズ（Ｌ１）１８２を通るのに対して、サンプル信号１７９は、画像化光学素子１７８を通り、サンプル（図示せず）を照射して、サンプルから戻った散乱光を捕捉する。レンズ（Ｌ２）１８０は、分光計１８６によって見られるように、サンプルからの散乱光の特定の角度を設定するために移動される。ビームスプリッタ（ＢＳ２）１８４は、参照信号１７７およびサンプル信号１７９を結合し、次に分光計１８６に進める。結合信号は次に、処理のために、コンピュータ１８８を通過する。分光計１８６は、サンプルから戻った散乱光の少なくとも１つのラインを捕捉する。分光計１８６は、現在の作動実装により近いシステムを作製するために、２本以上のライン（すなわち、画像化分光計であってもよい）を捕捉することが可能である。これは、少数のラインの分光計を用いるか、またはより大きな角度範囲（またはより細かい分解能）の捕捉を可能にするために、有利である可能性がある。
【００６２】
このシステム１７０は、時間領域のデータ取得手法を用いないため、図１３および図１４におけるシステム１３０において提供されたようなＡＯＭ１４４、１４６および参照アーム１５３における移動再帰反射器（ＲＲ）１５４は必要ではない。このシステム１７０は、１つの分光計１８６を示しているが、光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）における潜在的な増大のためにまたは高度な処理または他の理由のために、さらなる信号用にビームスプリッタの他のポートに第２の分光計を用いることが可能である。この実装は、分光計１８６において広帯域の光源によって覆われるピクセルの数の程度で著しいＯＳＮＲの利点を有する。留意したように、このシステム１７０はまた、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの代わりに掃引源光源を用い、分光計１８６の代わりに１つのフォトダイオードを用いて実装されることもできる。
【００６３】
図１６は、角度は逐次検出するが、光ファイバ手法を用いる図１５のフーリエ領域システム１７０の別の実装を示している。サンプルからの角度情報は、レンズ１７１の前でファイバ（または２本以上のファイバ）を前後に移動することによって連続的に収集され、サンプル１７から戻った角度散乱光を収集する。光学エンジンは、この特定の実装において、ライン分光計１８６’の内側に設けられる自由空間光学素子を有する略全体的に光ファイバである。この実装は、光ファイバが通常、自由空間光学系より安価で扱いやすいため、コストおよび構成しやすさに関して好都合である。
【００６４】
図１６に示されているように、光１７４’は、ＳＬＤ広帯域の光源１７２’によって生成される。光アイソレータ１９０は、後方反射から光源１７２’を保護する。ファイバスプリッタ１９１は、サンプル信号１９３および参照信号１９２を生成する。参照ビーム１９２は、任意の偏光コントローラ１９４、一定の長さのファイバ１９５（経路光路長に至る）を通過し、ファイバ結合器１９６（すなわち、対向する方向に用いられるファイバスプリッタ）に至る。サンプル信号１９３は、偏光コントローラ１９７およびファイバ偏光子１９８を進み、光源の偏光を改善して、ファイバ偏光子１９８の軸と偏光を位置合わせする。照射ファイバ１９９は、ファイバプローブ２００に設けられ、レンズ１７１を通過して照射ファイバ１９９を照射する。レンズ１７１は、集光ファイバ２０１によって特定の角度（または小さな範囲の角度）で集光されるサンプル１７から戻った散乱光を捕捉する。集光ファイバ２０１は、サンプル１７から異なる角度での情報を捕捉するように移動される。示された移動機構は、この実施形態において電磁石２０２に基づいている。サンプル１７に対して集光ファイバ２０１を移動するための任意の方法を用いることができる。集光ファイバ２０１は、１次元または多次元で移動されることができる。集光ファイバ２０１からの光は、ファイバプローブ２００に戻り、ファイバ結合器１９６に接続する光学エンジン（図示せず）に進む。参照信号１９３およびサンプル１７から戻った散乱光は、ファイバ結合器１９６で結果として生じる光信号と混合され、ライン分光計１８６’に送りこまれる。結合信号は次に、処理のためにコンピュータ１８８を通過する。また、この実施例は、１つの集光ファイバを用いて示されているが、分光計の必要なサイズを削減するか、または角度範囲を増大するために、移動される複数の集光ファイバによって実装されることも可能である。
【００６５】
ａ／ＬＣＩの別の実装は、多スペクトルのａ／ＬＣＩシステムである。多スペクトルのａ／ＬＣＩシステム２１０、２１０’の実施形態は、図１７および図１８に示されている。この手法において、ａ／ＬＣＩ測定は、数百ｎｍまでの少数の分離され得る複数の波長（または周波数）で行われる。システム２１０は、ｆ／ＬＣＩシステムのように応答し、対象サンプルに関する深さ情報が複数の波長で取得される。多スペクトルのａ／ＬＣＩは、複数の波長で深さ情報および角度情報の両方を取得することができる。このシステム２１０は、後に、ａ／ＬＣＩまたはｆ／ＬＣＩを利用する技術を用いて構造的情報および深さ情報を生成することができる。あるいは、システム２１０は、血液の特性、水の特性または組織の他の特性を決定するために、少数の波長における組織応答を測定するために用いられることができる。
【００６６】
図１７のシステム２１０は、深さ情報を取得するために、時間領域を用い、角度情報の並列取得と、多スペクトルの情報取得のための波長可変源とを伴う。システム２１０は、サンプル（図示せず）から角度散乱光を収集するために、フォトダイオードアレイ＃１（２１１）および＃２（２１２）を用いる。システム２１０は、１０から２０ｎｍのスペクトル帯域幅を提供し、この実施例において数百ｎｍまで少数にわたって同調可能であってもよい波長可変フィルタ２１４をスーパコンティニウム光源２１３に提供する。この光源の市販の例は、Ｆｉａｎｉｕｍ（Ｒ）製のＳＣ４５０−ＡＯＴＦであり、光ファイバスーパコンティニウム光源を音響光学波長可変フィルタと結合する。他の光源の実施例は、実施例としてキセノンランプなどの白色光源を挙げることができる。液晶（ＬＣ）光学フィルタなどの他のフィルタを用いてもよいがこれに限定されるわけではない。
【００６７】
スーパコンティニウム光源２１３は、光２１２をビームスプリッタ（ＢＳ１）２１５に向け、光２１６を参照信号２１７およびサンプル信号２１８に分割する。参照信号２１７は、ＡＯＭ２２１を通り、次に、参照アーム２２０に取り付けられた再帰反射器（ＲＲ）２１９を通る。再帰反射器（ＲＲ）２１９は、深さ走査を行うために、サンプルにおける深さを変更するために、参照アーム２２０によって移動される。サンプル信号２１８は、周波数「ω」のＡＯＭ２２２を通り、次に画像化光学素子２２３を通る。画像化光学素子２２３は、サンプルの上にスーパコンティニウム光源２１３からの光を光らせ、次に、サンプルからの角度散乱光を集光する。参照信号２１７および角度散乱光は、ビームスプリッタ（ＢＳ２）２２４で結合されて、次に、フォトダイオードアレイ＃１（２１１）および＃２（２１２）の上に画像化される。各フォトダイオード２１１または２１２からの信号２２５、２２６は、同一の角度位置に対応する他のアレイ２１１または２１２におけるフォトダイオードから減算される。多チャネル復調器２２８は、結果として生じる減算された信号２２７に用いられる。減算された信号２２７は、処理のために、コンピュータ２３０に送られる。
【００６８】
図１７において多スペクトルのａ／ＬＣＩシステム２１０に対する別の手法は、複数の分光計を有する広帯域の光源を用いることできる。１つのそのようなシステム２１０’の実施例が、図１８に示されている。システム２１０’は、サンプルに関する深さ情報の取得、広帯域のフィルタおよび複数の分光計の使用によって、角度情報の並列取得および多スペクトル情報の並列取得のためにフーリエ領域を用いる。光学エンジンは、この特定の実装において、画像化分光計２６６、２６８、２７０の内側に設けられる自由空間光学素子を有する略全体的に光ファイバである。この実装は、光ファイバが通常、自由空間光学系より安価で扱いやすいため、コストおよび構成しやすさに関して好都合である。
【００６９】
図１８に示されているように、光２３２は、ＳＬＤ広帯域の光源２３４によって生成される。光アイソレータ２３６は、後方反射から光源２３４を保護する。ファイバスプリッタ２３８は、サンプル信号２４０および参照信号２４２を生成する。参照信号２４２は、任意の偏光コントローラ２４４、一定の長さのファイバ２４６（経路光路長に至る）を通過し、レンズ（Ｌ４）２４８を通ってビームスプリッタ２５０に至る。サンプル信号２４０は、偏光コントローラ２５２およびファイバ偏光子２５４を進み、光源の偏光を改善して、ファイバ偏光子２５４の軸と偏光を位置合わせする。照射ファイバ２５６は、ファイバプローブ２５８に設けられ、レンズ２６０を通過して照射ファイバ２５６を照射する。レンズ２６０は、集光ファイバ２６１によって特定の角度（または小さな範囲の角度）で集光されるサンプル１７から戻った散乱光を捕捉する。集光ファイバ２６１から運ばれた捕捉光は、光学レンズ（Ｌ２）２６２およびレンズ（Ｌ３）２６４を通って、ファイバプローブ２５８に戻るように進む。参照信号２４２およびサンプル１７から戻った散乱光は、ビームスプリッタ２５０で混合される。２つの自由空間光学フィルタ２６３、２６５は、サンプルからの散乱光スペクトルを３つの信号に分割し、各信号は、個別の画像化分光計２６６、２６８、２７０に提供される。これにより、サンプル１７からスペクトル的に分解された散乱光が、サンプルに関する構造的情報および深さ情報を取得するために、フーリエ領域技術を用いて、コンピュータ２３０’によって処理することを可能にする。
【００７０】
このシステム２１０’に１つの分光計を備えることが可能であるが、複数の分光計の組み合わせが、フーリエ領域の深さ検出のためのより高いスペクトル分解能と、多スペクトル情報を取得するために必要な波長の広い範囲を可能にする。システム２１０’は、必要に応じて、光スペクトルの多くの部分として拡張されることができる。ファイバ結合器およびファイバフィルタに基づくファイバ実装もまた、可能である。
【００７１】
システム２１０’はまた、深さ情報の取得および多スペクトル情報の取得のために、広帯域の掃引源光源を備えてもよい。別の手法は、多スペクトル情報を取得するために、異なる波長の複数の光源を共に多重化することである。たとえば、中心波長８３０ｎｍ、２０ｎｍの３ｄＢ幅のＳＬＤが、中心波長６５０ｎｍ、１５ｎｍの３ｄＢ幅のＳＬＤと共に多重化されて、２つの波長でａ／ＬＣＩ情報を取得することを可能にする。さらに、種々の波長がさらに遠くに離れるとき、異なる波長で屈折率における変動を考慮するために、補償構成要素を加えることが必要である場合もある。たとえば、波長４００ｎｍおよび８００ｎｍを用いるとき、干渉計アームが４００ｎｍの波長に適合する経路長であるとき、８００ｎｍ波長に関して、分光計によって利用可能な画像化深さ（通常は１から２ｍｍ）より大きく不一致である場合に当てはまる。
【００７２】
本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、生検または次の組織病理学的評価を介して組織抽出を必要とすることなく、組織の健全さを評価するための臨床的に実行可能な方法であってもよい。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、たとえば早期発見および異形成組織のスクリーニング、病期分類、治療効果の監視および臨床医に対する生検部位の指針など複数の目的のために適用されることができる。光学的ａ／ＬＣＩプローブの非侵襲的、非電離的性質は、悪影響を及ぼすことなく頻繁に適用されることができることを意味する。迅速に結果を得るためのａ／ＬＣＩの可能性は、病気のスクリーニングのためにその広範囲に及ぶ適用可能性を著しく向上する。
【００７３】
核形態学測定もまた、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を用いて可能である。核形態学は、細胞の局所的環境とその遺伝子発現との間の必要な接点である。ａ／ＬＣＩシステムおよび方法の１つの適用は、核形態学を調査することによって、幹細胞機能への局所的な手がかりを結び付けることである。これを実行するためには複数のステップがある。第１のステップは、ａ／ＬＣＩシステムおよび方法の改善であり、本明細書に記載される掃引源光源手法を用い、光散乱モデルを作製して実装することであってもよい。第２のステップは、ナノトロポジに応じて核形態学を提供することである。最後に、核形態学を遺伝子発現と結び付けることによって、ナノトポロジの手がかりの影響下で幹細胞の構造と機能の関係、たとえば、ヒト間葉幹細胞（ｈＭＳＣ）を確立することができる。
【００７４】
本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法はまた、細胞生物学用途のために用いられることもできる。核の変形の正確な測定、すなわち、環境刺激に応じた核の構造的変化は、信号伝達の研究に関して重要である。従来、これらの測定には、ラベル付けおよび画像化、続いて画像分析を用いた核測定が必要であった。この手法は時間がかかり、侵襲的であり、細胞系を動揺させることが不可避であった。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩ技術は、生物系の物理特性を調べるための代替法を提供する。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩ技術は、早期癌検出のほか、環境刺激に応じた核形態学における小さな変化の非侵襲的測定のために核形態学を定量化するために用いられることができる。本明細書において提供されるａ／ＬＣＩ方法およびシステムによって、非球面の核の高い処理能力の測定および調査を実現することができる。これは、細胞技術研究および組織技術研究の両方に関して実証される。基質のトポグラフィおよび浸透圧をはじめとする微妙な環境刺激による細胞核またはミトコンドリアにおける構造的変化は、細胞の破壊または従来の測定に関連するアーチファクトの導入を生じることなく、迅速にプロファイルされる。３％よりよい精度が、核の幾何構成の範囲にわたって取得されることができ、より複雑な幾何構成の場合に最大の偏差を生じる。
【００７５】
本明細書に開示される一実施形態において、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、浸透圧による核の変形を評価するために用いられる。細胞は、チャンバ型カバーガラスに高密度でシーディングされ、５００、４００および３３０ｍＯｓｍ食塩水とその順に平衡化される。核の直径は、９５％の信頼区間内で平均値＋／−標準誤差を取得するために、マイクロメートル単位で測定される。核のサイズにおける変化は、浸透圧に応じて検出され、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、細胞環境に影響を及ぼす因子に応じて、細胞の変化を検出するために用いられることができることを示している。当業者は、多くの生化学的因子および生理学的因子が、病気、治療薬に対する曝露および環境ストレスをはじめとする細胞環境に影響を及ぼし得ることを認識している。
【００７６】
ナノトポロジに応じて核の変化を評価するために、細胞は、細かい罫線パターンの軸に沿って細胞の伸張を生み出すナノパターンの基体の上で成長される。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび処理は、さまざまな配向および偏光を用いた反復測定によって、マイクロメートル単位で指向される回転楕円体の散乱体の長軸および短軸を測定するために適用される。細胞核の完全な特徴付けが実現され、核の長軸および短軸が決定されると、アスペクト比（長軸体短軸の比）が生じる。
【００７７】
本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法はまた、治療の監視のために用いられることができる。これに関して、ａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、化学治療剤を用いた治療後の複数の時点で、細胞内の核形態学および細胞内構造（たとえば、ミトコンドリア）を評価するために用いられる。光散乱信号は、フラクタル次元の形式化を用いて解釈される細胞内構造の組織における変化を明らかにする。パクリタキセルおよびドキソルビシンによって治療された細胞における細胞内構造のフラクタル次元は、対照細胞のフラクタル次元に比べて、著しく増大することが観察される。フラクタル次元は、たとえば、パクリタキセル、ドキソルビシンなどの治療薬に対する曝露によって、時間と共に変化し、アポトーシスに関連する構造的変化が生じていることを実証している。遷移行列理論に基づいた光散乱分析および逆光散乱アルゴリズムを用いて、細胞の核およびミトコンドリアのサイズおよび形状が決定される。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を用いて、アポトーシスによって生じた変化をはじめとする細胞内構造（たとえば、ミトコンドリア）および核の構造における変化を決定することができる。したがって、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび処理は、臨床用途および基本的な科学用途のための初期のアポトーシス事象を検出する効用がある。
【００７８】
本明細書に開示される実施形態は、好ましい実施形態およびその特定の実施例を参照して本明細書に例示および記載されるが、他の実施形態および実施例が、類似の機能の実現および／または似た結果の達成を行うことができることは当業者には容易に明白である。開示内容の前の説明により、任意の当業者が開示内容の構成または使用を可能にする。開示内容に対する種々の変更は、当業者には容易に明白であり、本明細書において定義された一般的な原理は、開示内容の精神または範囲を逸脱することなく、他の変形に適用されてもよい。そのような等価な実施形態および実施例はすべて、本発明の精神または範囲に包含されており、添付の特許請求の範囲によって網羅されることを意図している。また、当業者には、種々の変更および変形は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく行われることができることは明白である。したがって、開示内容は、本明細書に記載される実施例および設計に限定されることを意図するわけではなく、本明細書に開示される原理および新規な特徴と一致する最も広範な範囲と合致することを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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