(57)【要約】  電磁放射線を検出する検出モジュールは、光センサ、電流積分回路及び演算ユニットを有する。演算ユニットは、積分サンプルを、積分電流の所定の時間依存性にフィッティングし、このフィッティングから、積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算する。この検出モジュールは、とりわけ、例えば女性の乳房を近赤外光によって撮像する光撮像装置において用いられる。
2009516828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線を検出する検出モジュールであって、
−  入射電磁放射線から電流を得る光センサ、
−  電流積分回路であり、
（ｉ）前記光センサからの前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ
（ｉｉ）前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する
電流積分回路、及び
−  演算ユニットであり、
（ｉ）前記積分サンプルを、前記積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングし、
（ｉｉ）前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算し、且つ
（ｉｉｉ）前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する
演算ユニット、
を有する検出モジュール。
【請求項２】
（ｉ）擾乱源からの擾乱を表すモニター信号を受信し、且つ
（ｉｉ）前記モニター信号に基づいて前記出力強度信号を形成するように、当該検出モジュールの回路の動作を制御する
同期化回路、
を更に有する請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項３】
前記積分された電流の前記所定の時間依存性は線形である、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項４】
前記電流積分回路は、４００−５００サンプルの範囲内の多数の積分サンプルを取得するように構成されている、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項５】
前記電流積分回路は、前記範囲内で、或るサンプル／秒の時間密度で積分サンプルを取得するように構成されている、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項６】
不透明媒体を撮像するための装置であって、
−  前記不透明媒体を受け入れる検査空間、
−  前記検査空間の近くに配置され、前記不透明媒体からの電磁放射線を検出して出力強度信号を供給する、１つ以上の請求項１記載の検出モジュール、及び
−  前記検出モジュールから前記出力強度信号を受信し、前記出力強度信号から前記不透明媒体の画像を再構成する再構成モジュール、
を有する装置。
【請求項７】
電磁放射線の検出方法であって、
−  入射電磁放射線から電流を得る段階、
−  前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する段階、
前記積分サンプルを、前記時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングする段階、
前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算する段階、及び
前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する段階、
を有する検出方法。
【請求項８】
電磁放射線の検出方法であって、
（ｉ）擾乱源の状態を表すモニター信号が受信され、且つ
（ｉｉ）電流を積分する前記電流積分回路が、前記モニター信号に基づいて制御される、
検出方法。
【請求項９】
−  積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得するための命令、
−  前記積分サンプルを、前記時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングするための命令、及び
−  前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算するための命令、
を有するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流積分回路を備えた光センサを有する電磁放射線検出用の検出モジュールに関する。本発明はまた、不透明な媒体を撮像する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、検出系を備えた光断層撮影スキャン装置を開示している。この既知の光断層撮影スキャン装置は、女性の乳房を撮像するように設計されている。従って、この既知の光断層撮影スキャン装置は、乳房組織によって形成される不透明な媒体を撮像するための装置を形成している。この既知の光断層撮影スキャン装置は、検査される女性の乳房を照射する近赤外（ｎｉｒ）レーザを備えている。検出系は乳房の周りの軌道に乗せられており、乳房を透過したｎｉｒ光及び乳房によって再放射されたｎｉｒ光を軌道内の複数の角度位置から検出する。検出系は、入射光を電気的な出力電流に変換するフォトダイオードを備えている。この既知の検出系は、連続的に長くなる長さを有する幾つかの相異なる積分期間において、フォトダイオードからの出力電流を連続的に積分する。そして、それぞれの積分期間の末端で得られた値がデジタル化される。この手法は、フォトダイオードからの出力電流を繰り返し積分することにより、オーバーサンプリング又は多重サンプリングとなる。これらの多重サンプリングは、平均化された信号の信号対雑音比を向上させるように平均化される。平均化された信号においては量子化誤差が抑制される。このような量子化誤差は、付加雑音のような影響を有するものである。
【特許文献１】国際公開第２００３／０７７７２４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、特に入射電磁放射線の強度が低いときに、出力が高い信号対雑音比を有するような、電磁放射線の検出用の検出モジュールを提供することを目的とする。本発明はまた、長い信号収集時間及び／又は信号処理時間を必要としないような、電磁放射線の検出用の検出モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題は、電磁放射線を検出する検出モジュールであって、
−  入射電磁放射線から電流を得る光センサ、
−  電流積分回路であり、
（ｉ）前記光センサからの前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ
（ｉｉ）前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する
電流積分回路、及び
−  演算ユニットであり、
（ｉ）前記積分サンプルを、前記積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングし、
（ｉｉ）前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算し、且つ
（ｉｉｉ）前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する
演算ユニット、
を有する検出モジュール、によって達成される。
【０００５】
電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールは、光センサからの電流を時間積分した複数のサンプルを取得する。故に、検出モジュールはその電流積分回路によって電荷の蓄積を追跡し、電流が積分期間にわたって積分される。これら複数のサンプルは、時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングされる。この所定の時間依存性は、光センサの設計と入射放射線の強度の時間依存性とによって決定される。この情報に基づいて、時間積分された電流の所定の時間依存性は、パラメータ化された数学関数の形態にモデル化されることができる。故に、積分期間が経過するにつれて、時間に依存する時間積分電流の実際の値を正確に表す数学モデルが提供される。多くの実際の状況において、入射強度は積分期間にわたってほぼ一定である。この状況は、とりわけ、入射電磁放射線の入射強度の変動の典型的な時間尺度より積分期間が遙かに短いときに発生する。例えば、１０−１００ｍｓの時間的長さを有する積分期間の場合、線形近似は正確な結果をもたらす。他方、入射電磁放射線の強度の時間的変動が予め決められているとき、又はそれが正確に見積もられるとき、その強度の時間依存性は数学モデルに含められることが可能である。時間関数、すなわち、そのパラメータの１つ以上、の実際の詳細は、所定の時間依存性に基づくフィッティング手順を、サンプリングされた値に適用することによって得られる。そして、積分期間にわたって蓄積される時間積分された電流の正確な値が、積分期間の終了時点におけるフィッティングから、実際の時間依存性の値として単純に計算される。このフィッティング手順は、積分期間が経過するときの電流の全蓄積量が考慮されるので、電子雑音、光子のショット雑音及び量子化雑音などに起因する誤差を抑圧する。とりわけ、このフィッティング手順は、単に積分期間の終了時点においてサンプリングされる蓄積値に頼るのではなく、積分期間中の電流蓄積の実体部分を考慮する。本発明に係る検出モジュールは実際に、１０ｆＡ（１０×１０−１５Ａ）未満という非常に低い雑音レベルを実現することが実験により示されている。従って、本発明に係る検出モジュールは、２５ｆＡ未満という非常に小さい電流を、良好な信号対雑音比で正確に測定することができる。例えば、１ｆＡ未満（すなわち、１×１０−１５Ａ未満）の実効値（ｒｍｓ）の雑音が達成される。とりわけ、積分される電流に含まれる雑音は、電流積分回路に使用される演算増幅器に起因するインピーダンス利得によって増幅される。本発明は、積分電流を線形な時間増加にフィッティングすることによって、この雑音を除去、あるいは実効的に低減する。さらに、本発明は、電流積分回路における電気的ドリフトによって発生され得るオフセットのバラつき、及び電流積分回路の収集キャパシタをリセットした後に残される電荷のバラつきに起因するオフセットのバラつきの影響を抑制する。また、オフセットのバラつきは、光センサの暗電流の変動、及び光センサ全体でのオフセット電圧への依存性に関連付けられ得る。
【０００６】
複数の時間積分された電流をサンプリングすることは１つの積分期間内で行われるため、長い測定時間は必要でなく、また、積分期間中の電磁放射線の入射強度を表す蓄積電荷の個々の測定値に対する連続的な平均化は不要である。
【０００７】
本発明の更なる一態様によれば、検出モジュールは、擾乱源をモニターし且つモニターされた擾乱源の状態に基づいて、光センサからの電流の積分を制御、あるいは例えばトリガーする機能を有する同期化回路を備えている。このような擾乱源には幾つかの例が存在する。とりわけ、スイッチングモード電源及び主電源によって生成される場が多量に存在して、特に極めて小さい電流を測定するときに、検出モジュールの動作を乱すことがある。この同期化回路は、例えば、擾乱が小さい、あるいは存在しないとき、時間積分された電流のサンプリングを開始するように特に適応される。他の一例においては、電磁放射線を繰り返し検出するように、同期化回路は擾乱の特定の状態において、時間積分された電流のサンプリングをトリガーする。他の一例において、同期化回路は、モニターされた擾乱の補正を実行するように演算回路を制御する。特に非常に小さい電流を検出するとき、サンプリングの同期化は出力強度信号の信号対雑音比を更に向上させると考えられる。雑音レベルは１ｐＡ−１ｆＡの範囲まで効果的に低減され、１ｐＡ未満の非常に小さい雑音レベルでさえも達成され得る。
【０００８】
本発明の特定の一態様によれば、積分された電流の所定の時間依存性は線形である。この線形依存性は非常に単純であり、今日商業的に入手可能な光センサからの出力として、時間積分された電流をかなり正確に表すものと考えられる。線形依存性に基づくと、蓄積電荷は、このフィッティング及びこの積分期間から見出された線形依存性の傾きから容易に計算される。また、積分電流の単純な線形依存性の場合、少量のデータのみが演算ユニットに伝達されればよい。これは、高価でない小電力部品によって実現され得る。さらに、単純なデータセットの伝達及び処理には、更なる信号伝送帯域は必要とされない。
【０００９】
本発明の更なる一態様によれば、電流積分回路は、個々の積分期間において典型的に４００−５００サンプルの範囲内の数のサンプルを取得する。
【００１０】
本発明はまた、不透明媒体を撮像するための装置に関する。このような装置の一例は、女性の乳房の光撮像、とりわけ近赤外撮像のための撮像システムである。この種の不透明媒体、とりわけヒトの生体組織の撮像は、５０ｎｍ−１．４μｍの波長範囲で可能であり、良好な結果が６５０−９００ｎｍの波長範囲で得られ、優れた結果が７００−８００ｎｍの波長範囲で得られる。波長範囲の選択は、低い散乱（すなわち、短い波長ほど増大）、低い吸収（長い波長で増大）、及び、例えば酸素化された血液又は非酸素化血液による特定の吸収帯域が存在しないこと等の検討事項に依存する。乳房組織は光学的に、乳房組織内を進行する光の多重散乱のため、不透明であるように振る舞う。本発明に係る撮像装置は、不透明媒体を受け入れる検査空間を有する。実際上、検査空間は例えば、上方から女性の乳房が吊り下げられるような開口を上端に有するチャンバーの形態を有し、女性が楽にチャンバー上にうつ伏せ（すなわち、腹臥位）で配置されるようにされている。しばしば、乳房の縁での強い光学遷移を回避するため、チャンバー内に吊られた乳房を囲むように整合（matching）流体が適用される。整合流体の使用は、検査された乳房の再構成画像においてアーチファクトを大幅に減少させる。
【００１１】
乳房からの電磁放射線は、チャンバー壁の位置又はその近傍に配置された電磁放射線検出モジュールによって測定される。他の例では、１つ以上の電磁放射線検出モジュールが検査空間の周りの軌道に乗っていてもよい。電磁放射線検出モジュールは、様々な方向から、検査空間からの電磁放射線を検出する。撮像装置の一態様において、乳房は、不透明媒体すなわち女性の乳房を様々な方向から照射するように検査空間の周りに配置された、あるいは検査空間の周りの軌道に乗った放射線源によって照射される。本発明に係る撮像装置の他の一態様においては、乳房組織から蛍光を発生させ、とりわけ腫瘍組織において蛍光を強める造影剤が、検査対象の患者に投与される。例えば、蛍光の増強は、造影剤の濃度が腫瘍組織内で高められること、すなわち、造影剤が腫瘍組織内に優先的に蓄積することに起因する。
【００１２】
本発明に係る撮像装置は、上述のような本発明に係る１つ以上の電磁放射線検出モジュールを備えている。電磁放射線検出モジュールは、本発明に係る撮像装置において、とりわけ女性の乳房である不透明媒体からの、とりわけ光又は近赤外線である電磁放射線を検出するために用いられる。これら１つ以上の電磁放射線検出モジュールは、蓄積電荷を表し、ひいては検査領域からそれぞれの方向で観測された放射線強度を表す出力強度信号を供給する。これら出力強度信号は、不透明媒体すなわち女性の乳房の１つ以上の画像を再構成する再構成手段に与えられる。２次元又は３次元の画像データセットを再構成することには、様々な再構成アルゴリズムが利用可能である。
【００１３】
本発明に係る検出モジュールは、非常に良好な信号対雑音比で、特に非常に低い強度レベルで出力強度を生成する。故に、再構成画像における再構成アーチファクトが回避され、その結果、再構成画像は高い診断品質を有し、コントラストが低い小さい細部までもが十分に見えるように表示される。
【００１４】
本発明のこれら及び他の態様は、従属請求項にて規定される実施形態を参照して更に詳述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のこれら及び他の態様は、以下にて説明される実施形態と添付の図面とを参照して明らかにされる。
【００１６】
図１は、不透明な媒体を撮像するための本発明に係る装置を概略的に示している。図１に概略的に示された不透明媒体を撮像する装置は、とりわけ、光マンモグラフィシステムである。この光マンモグラフィシステムは、検査される患者（とりわけ、乳房１が検査される女性）が、測定カップ２（図２参照）の形態を有する検査空間２に一方の乳房を吊るして、腹臥位（すなわち、うつ伏せ）で置かれる担体１１を有している。乳房１とカップの表面との間の空間は、散乱性の流体２２で充填される。この流体の散乱特性は、乳房組織と乳房の外側の空間との間の光特性の変化が低減されるように、例えば、平均的な乳房の散乱特性によく一致するものである。
【００１７】
図２は、カップの概略的な断面図を乳房１とともに示している。多数のファイバー２３（総数で５１０本）がその一端でカップに接続されている。ファイバーの半数はその他端で検出器モジュール５に接続されており、ファイバーの半数はその他端でファイバースイッチ１２に接続されている。ファイバースイッチ１２は、３つの異なるレーザ２４からの光を、２５６本のソースファイバー２３の何れか１つ内に導くことができる（２５５本がカップへ、１本が直接的に検出器ファイバーへ）。斯くして、ソースファイバー２３の何れか１つは、カップ内に円錐状の光ビームを提供することができる。ファイバースイッチ１２を適切に切り換えることにより、全てのソースファイバーが次々と円錐状の光ビームを放射する。
【００１８】
選択されたソースファイバーからの光は、散乱性の流体及び乳房によって散乱され、２５５個の検出器モジュールによって検出される。乳房組織における光の散乱は、反射光（後方散乱光）と比較して強い。このことは、限られた数の光子のみが乳房を横断できることを意味する。故に、検出器群は大きいダイナミックレンジ（約９桁の大きさ）を有するべきである。フォトダイオードが検出器モジュール内の光センサ５として使用される。フロントエンド検出器の電子装置は、これらのフォトダイオード及び増幅器３１を含んでいる。この増幅器の増幅率は幾つかの値の間で切り換えられることができる。この機械は先ず最小の増幅率で測定し、必要に応じて増幅率を増大させる。検出器群はコンピュータ１４によって制御される。
【００１９】
このコンピュータ１４はまた、レーザ、ファイバースイッチ、及びポンプ系を制御する。コンピュータ、カップ、ファイバー、検出器、ファイバースイッチ、及びレーザは全て、図１に示されるような寝台に搭載される。
【００２０】
散乱性の流体２２で完全に充填されたカップ２を用いて測定が開始する。これは較正測定である。この較正測定の後、乳房１が流体に浸され、測定手順が再び実行される。較正測定結果及び乳房測定結果の双方は、３つのレーザ２４の各々に対する２５５×２５５の検出器出力強度信号（output  intensity  signals；ＯＩＳ）から成る。これらの検出器出力強度信号（ＯＩＳ）は、画像再構成と呼ばれる処理を用いて３次元画像に変換されることができる。乳房の画像の画像再構成は、コンピュータ１４にソフトウェアにて実装されるのが通常である再構成手段４によって実行される。例えば代数的再構成法（ＡＲＴ）又は有限要素法（ＦＥＭ）に基づく再構成処理により、（不明確な）逆問題の最も可能性ある解が見出される。
【００２１】
図３は、電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールの電気回路図を示している。この検出モジュールは、演算増幅器３１とキャパシタンス３３とを並列に含む積分回路３１を含んでいる。さらに、リセットスイッチＲがキャパシタンス３３に並列接続されている。この積分回路はフォトダイオード５から光電流を受信する。積分されたフォトダイオード電流は標本化ユニット６によって、例えば１２０ｍｓの積分期間中に約４６０回にわたってサンプリングされる。例えば、２４ビットのＡＤＣが標本化ユニットとして使用され得る。標本化ユニットからの積分サンプルは、積分サンプルを線形な時間依存性（図４参照）にフィッティングする演算ユニット７に与えられる。このフィッティングの結果から出力強度信号が、積分期間の末端における、すなわち、１２０ｍｓの時点におけるフィッティングされた線形依存性の値として計算される。
【００２２】
続いて、フィッティング手順について幾分詳細に説明する。
【００２３】
積分期間中における積分された電流の時間に対する線形依存性は、ｙ＝ｂｘ＋ａとして与えられる。ただし、ａはオフセット（無関係）であり、ｂは勾配すなわち傾きである。これらのパラメータは、
【００２４】
【数１】
2009516828.tif 000003
として計算される。ただし、Σは
【００２５】
【数２】
2009516828.tif 000004
を表す。
【００２６】
この計算は各ＡＤＣサンプルの中断中に“オンザフライ”で行われる。
【００２７】
図４は、サンプリングされた１６ｆＡの積分光電流を示している。この光電流は、積分され、１２０ｍｓの積分期間中に４６０回サンプリングされている。これはかなりの雑音を有するカーブを生じさせる。この雑音を有するカーブ上に線形フィットが描かれ、積分期間中に蓄積された電荷が、積分期間の終了時点における、すなわち、１２０ｍｓの時点における線形フィットの値として計算される。このフィットは、線形依存性の傾きと積分期間の開始時におけるオフセットとの２つのスカラーパラメータのみを含んでいる。
【００２８】
図５は、幾つかの個々の積分期間上での実験結果を示している。図５は、とりわけ、光センサからの電流の積分の繰り返しを表している。個々の雑音を幾分有する線の各々は、個々の積分を表している。図５が示すように、個々の積分の各々の開始時におけるオフセットは変化し得る。しかしながら、本発明に従った線形依存性へのフィッティングは、計算された蓄積電荷へのこのオフセットの変化の影響を低減させ、あるいは排除する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】不透明な媒体を撮像するための本発明に係る装置を概略的に示す図である。
【図２】乳房の形態の不透明媒体を有するカップを概略的に示す断面図である。
【図３】電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールを示す電気回路図である。
【図４】サンプリングされた１６ｆＡの積分光電流を示す図である。
【図５】幾つかの個々の積分期間上での実験から得られた結果を示す図である。
【図１】
2009516828.tif 000005
【図２】
2009516828.tif 000006
【図３】
2009516828.tif 000007
【図４】
2009516828.tif 000008
【図５】
2009516828.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月27日(2008.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線を検出する検出モジュールであって、
−  入射電磁放射線から電流を得る光センサ、
−  電流積分回路であり、
（ｉ）前記光センサからの前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ
（ｉｉ）前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する
電流積分回路、及び
−  演算ユニットであり、
（ｉ）前記積分サンプルを、前記積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングし、
（ｉｉ）前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算し、且つ
（ｉｉｉ）前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する
演算ユニット、
を有する検出モジュール。
【請求項２】
（ｉ）擾乱源からの擾乱を表すモニター信号を受信し、且つ
（ｉｉ）前記モニター信号に基づいて前記出力強度信号を形成するように、当該検出モジュールの回路の動作を制御する
同期化回路、
を更に有する請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項３】
前記積分された電流の前記所定の時間依存性は線形である、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項４】
前記電流積分回路は、４００−５００サンプルの範囲内の多数の積分サンプルを取得するように構成されている、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項５】
前記電流積分回路は、前記範囲内で、或るサンプル／秒の時間密度で積分サンプルを取得するように構成されている、請求項１に記載の検出モジュール。
【請求項６】
不透明媒体を撮像するための装置であって、
−  前記不透明媒体を受け入れる検査空間、
−  前記検査空間の近くに配置され、前記不透明媒体からの電磁放射線を検出して出力強度信号を再構成モジュールに供給する、１つ以上の請求項１記載の検出モジュール、及び
−  前記検出モジュールから前記出力強度信号を受信し、前記出力強度信号から前記不透明媒体の画像を再構成する前記再構成モジュール、
を有する装置。
【請求項７】
電磁放射線の検出方法であって、
−  入射電磁放射線から電流を得る段階、
−  前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する段階、
前記積分サンプルを、前記時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングする段階、
前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算する段階、及び
前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する段階、
を有する検出方法。
【請求項８】
請求項７に記載の電磁放射線の検出方法であって、
（ｉ）擾乱源の状態を表すモニター信号が受信され、且つ
（ｉｉ）電流を積分する電流積分回路が、前記モニター信号に基づいて制御される、
検出方法。
【請求項９】
−  積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得するための命令、
−  前記積分サンプルを、前記時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングするための命令、及び
−  前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算するための命令、
を有するコンピュータプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流積分回路を備えた光センサを有する電磁放射線検出用の検出モジュールに関する。本発明はまた、不透明な媒体を撮像する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、検出系を備えた光断層撮影スキャン装置を開示している。この既知の光断層撮影スキャン装置は、女性の乳房を撮像するように設計されている。従って、この既知の光断層撮影スキャン装置は、乳房組織によって形成される不透明な媒体を撮像するための装置を形成している。この既知の光断層撮影スキャン装置は、検査される女性の乳房を照射する近赤外（ｎｉｒ）レーザを備えている。検出系は乳房の周りの軌道に乗せられており、乳房を透過したｎｉｒ光及び乳房によって再放射されたｎｉｒ光を軌道内の複数の角度位置から検出する。検出系は、入射光を電気的な出力電流に変換するフォトダイオードを備えている。この既知の検出系は、連続的に長くなる長さを有する幾つかの相異なる積分期間において、フォトダイオードからの出力電流を連続的に積分する。そして、それぞれの積分期間の末端で得られた値がデジタル化される。この手法は、フォトダイオードからの出力電流を繰り返し積分することにより、オーバーサンプリング又は多重サンプリングとなる。これらの多重サンプリングは、平均化された信号の信号対雑音比を向上させるように平均化される。平均化された信号においては量子化誤差が抑制される。このような量子化誤差は、付加雑音のような影響を有するものである。
【特許文献１】国際公開第２００３／０７７７２４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、特に入射電磁放射線の強度が低いときに、出力が高い信号対雑音比を有するような、電磁放射線の検出用の検出モジュールを提供することを目的とする。本発明はまた、長い信号収集時間及び／又は信号処理時間を必要としないような、電磁放射線の検出用の検出モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題は、電磁放射線を検出する検出モジュールであって、
−  入射電磁放射線から電流を得る光センサ、
−  電流積分回路であり、
（ｉ）前記光センサからの前記電流を積分期間にわたって積分し、且つ
（ｉｉ）前記積分期間中に時間積分された電流の、幾つかの積分サンプルを取得する
電流積分回路、及び
−  演算ユニットであり、
（ｉ）前記積分サンプルを、前記積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングし、
（ｉｉ）前記フィッティングから、前記積分期間にわたって蓄積された蓄積電荷を計算し、且つ
（ｉｉｉ）前記蓄積電荷を表す出力強度信号を供給する
演算ユニット、
を有する検出モジュール、によって達成される。
【０００５】
電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールは、光センサからの電流を時間積分した複数のサンプルを取得する。故に、検出モジュールはその電流積分回路によって電荷の蓄積を追跡し、電流が積分期間にわたって積分される。これら複数のサンプルは、時間積分された電流の所定の時間依存性にフィッティングされる。この所定の時間依存性は、光センサの設計と入射放射線の強度の時間依存性とによって決定される。この情報に基づいて、時間積分された電流の所定の時間依存性は、パラメータ化された数学関数の形態にモデル化されることができる。故に、積分期間が経過するにつれて、時間に依存する時間積分電流の実際の値を正確に表す数学モデルが提供される。多くの実際の状況において、入射電磁放射線の強度は積分期間にわたってほぼ一定である。この状況は、とりわけ、入射電磁放射線の入射強度の変動の典型的な時間尺度より積分期間が遙かに短いときに発生する。例えば、１０−１００ｍｓの時間的長さを有する積分期間の場合、線形近似は正確な結果をもたらす。他方、入射電磁放射線の強度の時間的変動が予め決められているとき、又はそれが正確に見積もられるとき、その強度の時間依存性は数学モデルに含められることが可能である。時間関数、すなわち、そのパラメータの１つ以上、の実際の詳細は、所定の時間依存性に基づくフィッティング手順を、サンプリングされた値に適用することによって得られる。そして、積分期間にわたって蓄積される時間積分された電流の正確な値が、積分期間の終了時点におけるフィッティングから、実際の時間依存性の値として単純に計算される。このフィッティング手順は、積分期間が経過するときの電流の全蓄積量が考慮されるので、電子雑音、光子のショット雑音及び量子化雑音などに起因する誤差を抑圧する。とりわけ、このフィッティング手順は、単に積分期間の終了時点においてサンプリングされる蓄積値に頼るのではなく、積分期間中の電流蓄積の実体部分を考慮する。本発明に係る検出モジュールは実際に、１０ｆＡ（１０×１０−１５Ａ）未満という非常に低い雑音レベルを実現することが実験により示されている。従って、本発明に係る検出モジュールは、２５ｆＡ未満という非常に小さい電流を、良好な信号対雑音比で正確に測定することができる。例えば、１ｆＡ未満（すなわち、１×１０−１５Ａ未満）の実効値（ｒｍｓ）の雑音が達成される。とりわけ、積分される電流に含まれる雑音は、電流積分回路に使用される演算増幅器に起因するインピーダンス利得によって増幅される。本発明は、積分電流を線形な時間増加にフィッティングすることによって、この雑音を除去、あるいは実効的に低減する。さらに、本発明は、電流積分回路における電気的ドリフトによって発生され得るオフセットのバラつき、及び電流積分回路の収集キャパシタをリセットした後に残される電荷のバラつきに起因するオフセットのバラつきの影響を抑制する。また、オフセットのバラつきは、光センサの暗電流の変動、及び光センサ全体でのオフセット電圧への依存性に関連付けられ得る。
【０００６】
複数の時間積分された電流をサンプリングすることは１つの積分期間内で行われるため、長い測定時間は必要でなく、また、積分期間中の電磁放射線の入射強度を表す蓄積電荷の個々の測定値に対する連続的な平均化は不要である。
【０００７】
本発明の更なる一態様によれば、検出モジュールは、擾乱源をモニターし且つモニターされた擾乱源の状態に基づいて、光センサからの電流の積分を制御、あるいは例えばトリガーする機能を有する同期化回路を備えている。このような擾乱源には幾つかの例が存在する。とりわけ、スイッチングモード電源及び主電源によって生成される場が多量に存在して、特に極めて小さい電流を測定するときに、検出モジュールの動作を乱すことがある。この同期化回路は、例えば、擾乱が小さい、あるいは存在しないとき、時間積分された電流のサンプリングを開始するように特に適応される。他の一例においては、電磁放射線を繰り返し検出するように、同期化回路は擾乱の特定の状態において、時間積分された電流のサンプリングをトリガーする。他の一例において、同期化回路は、モニターされた擾乱の補正を実行するように演算回路を制御する。特に非常に小さい電流を検出するとき、サンプリングの同期化は出力強度信号の信号対雑音比を更に向上させると考えられる。雑音レベルは１ｐＡ−１ｆＡの範囲まで効果的に低減され、１ｐＡ未満の非常に小さい雑音レベルでさえも達成され得る。
【０００８】
本発明の特定の一態様によれば、積分された電流の所定の時間依存性は線形である。この線形依存性は非常に単純であり、今日商業的に入手可能な光センサからの出力として、時間積分された電流をかなり正確に表すものと考えられる。線形依存性に基づくと、蓄積電荷は、このフィッティング及びこの積分期間から見出された線形依存性の傾きから容易に計算される。また、積分電流の単純な線形依存性の場合、少量のデータのみが演算ユニットに伝達されればよい。これは、高価でない小電力部品によって実現され得る。さらに、単純なデータセットの伝達及び処理には、更なる信号伝送帯域は必要とされない。
【０００９】
本発明の更なる一態様によれば、電流積分回路は、個々の積分期間において典型的に４００−５００サンプルの範囲内の数のサンプルを取得する。
【００１０】
本発明はまた、不透明媒体を撮像するための装置に関する。このような装置の一例は、女性の乳房の光撮像、とりわけ近赤外撮像のための撮像システムである。この種の不透明媒体、とりわけヒトの生体組織の撮像は、５０ｎｍ−１．４μｍの波長範囲で可能であり、良好な結果が６５０−９００ｎｍの波長範囲で得られ、優れた結果が７００−８００ｎｍの波長範囲で得られる。波長範囲の選択は、低い散乱（すなわち、短い波長ほど増大）、低い吸収（長い波長で増大）、及び、例えば酸素化された血液又は非酸素化血液による特定の吸収帯域が存在しないこと等の検討事項に依存する。乳房組織は光学的に、乳房組織内を進行する光の多重散乱のため、不透明であるように振る舞う。本発明に係る撮像装置は、不透明媒体を受け入れる検査空間を有する。実際上、検査空間は例えば、上方から女性の乳房が吊り下げられるような開口を上端に有するチャンバーの形態を有し、女性が楽にチャンバー上にうつ伏せ（すなわち、腹臥位）で配置されるようにされている。しばしば、乳房の縁での強い光学遷移を回避するため、チャンバー内に吊られた乳房を囲むように整合（matching）流体が適用される。整合流体の使用は、検査された乳房の再構成画像においてアーチファクトを大幅に減少させる。
【００１１】
乳房からの電磁放射線は、チャンバー壁の位置又はその近傍に配置された電磁放射線検出モジュールによって測定される。他の例では、１つ以上の電磁放射線検出モジュールが検査空間の周りの軌道に乗っていてもよい。電磁放射線検出モジュールは、様々な方向から、検査空間からの電磁放射線を検出する。撮像装置の一態様において、乳房は、不透明媒体すなわち女性の乳房を様々な方向から照射するように検査空間の周りに配置された、あるいは検査空間の周りの軌道に乗った放射線源によって照射される。本発明に係る撮像装置の他の一態様においては、乳房組織から蛍光を発生させ、とりわけ腫瘍組織において蛍光を強める造影剤が、検査対象の患者に投与される。例えば、蛍光の増強は、造影剤の濃度が腫瘍組織内で高められること、すなわち、造影剤が腫瘍組織内に優先的に蓄積することに起因する。
【００１２】
本発明に係る撮像装置は、上述のような本発明に係る１つ以上の電磁放射線検出モジュールを備えている。電磁放射線検出モジュールは、本発明に係る撮像装置において、とりわけ女性の乳房である不透明媒体からの、とりわけ光又は近赤外線である電磁放射線を検出するために用いられる。これら１つ以上の電磁放射線検出モジュールは、蓄積電荷を表し、ひいては検査領域からそれぞれの方向で観測された放射線強度を表す出力強度信号を供給する。これら出力強度信号は、不透明媒体すなわち女性の乳房の１つ以上の画像を再構成する再構成手段に与えられる。２次元又は３次元の画像データセットを再構成することには、様々な再構成アルゴリズムが利用可能である。
【００１３】
本発明に係る検出モジュールは、非常に良好な信号対雑音比で、特に非常に低い強度レベルで出力強度を生成する。故に、再構成画像における再構成アーチファクトが回避され、その結果、再構成画像は高い診断品質を有し、コントラストが低い小さい細部までもが十分に見えるように表示される。
【００１４】
本発明のこれら及び他の態様は、従属請求項にて規定される実施形態を参照して更に詳述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のこれら及び他の態様は、以下にて説明される実施形態と添付の図面とを参照して明らかにされる。
【００１６】
図１は、不透明な媒体を撮像するための本発明に係る装置を概略的に示している。図１に概略的に示された不透明媒体を撮像する装置は、とりわけ、光マンモグラフィシステムである。この光マンモグラフィシステムは、検査される患者（とりわけ、乳房１が検査される女性）が、測定カップ２（図２参照）の形態を有する検査空間２に一方の乳房を吊るして、腹臥位（すなわち、うつ伏せ）で置かれる担体１１を有している。乳房１とカップの表面との間の空間は、散乱性の流体２２で充填される。この流体の散乱特性は、乳房組織と乳房の外側の空間との間の光特性の変化が低減されるように、例えば、平均的な乳房の散乱特性によく一致するものである。
【００１７】
図２は、カップの概略的な断面図を乳房１とともに示している。多数のファイバー２３（総数で５１０本）がその一端でカップに接続されている。ファイバーの半数はその他端で検出器モジュールに接続されており、ファイバーの半数はその他端でファイバースイッチ１２に接続されている。ファイバースイッチ１２は、３つの異なるレーザ２４からの光を、２５６本のソースファイバー２３の何れか１つ内に導くことができる（２５５本がカップへ、１本が直接的に検出器ファイバーへ）。斯くして、ソースファイバー２３の何れか１つは、カップ内に円錐状の光ビームを提供することができる。ファイバースイッチ１２を適切に切り換えることにより、全てのソースファイバーが次々と円錐状の光ビームを放射する。
【００１８】
選択されたソースファイバーからの光は、散乱性の流体及び乳房によって散乱され、２５５個の検出器モジュールによって検出される。乳房組織における光の散乱は、反射光（後方散乱光）と比較して強い。このことは、限られた数の光子のみが乳房を横断できることを意味する。故に、検出器群は大きいダイナミックレンジ（約９桁の大きさ）を有するべきである。フォトダイオードが検出器モジュール内の光センサ５として使用される。フロントエンド検出器の電子装置は、これらのフォトダイオード及び増幅器３１を含んでいる。この増幅器の増幅率は幾つかの値の間で切り換えられることができる。この機械は先ず最小の増幅率で測定し、必要に応じて増幅率を増大させる。検出器群はコンピュータ１４によって制御される。
【００１９】
このコンピュータ１４はまた、レーザ、ファイバースイッチ、及びポンプ系を制御する。コンピュータ、カップ、ファイバー、検出器、ファイバースイッチ、及びレーザは全て、図１に示されるような寝台に搭載される。
【００２０】
散乱性の流体２２で完全に充填されたカップ２を用いて測定が開始する。これは較正測定である。この較正測定の後、乳房１が流体に浸され、測定手順が再び実行される。較正測定結果及び乳房測定結果の双方は、３つのレーザ２４の各々に対する２５５×２５５の検出器出力強度信号（output  intensity  signals；ＯＩＳ）から成る。これらの検出器出力強度信号（ＯＩＳ）は、画像再構成と呼ばれる処理を用いて３次元画像に変換されることができる。乳房の画像の画像再構成は、コンピュータ１４にソフトウェアにて実装されるのが通常である再構成手段４によって実行される。例えば代数的再構成法（ＡＲＴ）又は有限要素法（ＦＥＭ）に基づく再構成処理により、（不明確な）逆問題の最も可能性ある解が見出される。
【００２１】
図３は、電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールの電気回路図を示している。この検出モジュールは、演算増幅器３１とキャパシタンス３３とを並列に含む積分回路３１を含んでいる。さらに、リセットスイッチＲがキャパシタンス３３に並列接続されている。この積分回路はフォトダイオード５から光電流を受信する。積分されたフォトダイオード電流は標本化ユニット６によって、例えば１２０ｍｓの積分期間中に約４６０回にわたってサンプリングされる。例えば、２４ビットのＡＤＣが標本化ユニットとして使用され得る。標本化ユニットからの積分サンプルは、積分サンプルを線形な時間依存性（図４参照）にフィッティングする演算ユニット７に与えられる。このフィッティングの結果から出力強度信号が、積分期間の末端における、すなわち、１２０ｍｓの時点におけるフィッティングされた線形依存性の値として計算される。
【００２２】
続いて、フィッティング手順について幾分詳細に説明する。
【００２３】
積分期間中における積分された電流の時間に対する線形依存性は、ｙ＝ｂｘ＋ａとして与えられる。ただし、ａはオフセット（無関係）であり、ｂは勾配すなわち傾きである。これらのパラメータは、
【００２４】
【数１】
2009516828.tif 000010
として計算される。ただし、Σは
【００２５】
【数２】
2009516828.tif 000011
を表す。
【００２６】
この計算は各ＡＤＣサンプルの中断中に“オンザフライ”で行われる。
【００２７】
図４は、サンプリングされた１６ｆＡの積分光電流を示している。この光電流は、積分され、１２０ｍｓの積分期間中に４６０回サンプリングされている。これはかなりの雑音を有するカーブを生じさせる。この雑音を有するカーブ上に線形フィットが描かれ、積分期間中に蓄積された電荷が、積分期間の終了時点における、すなわち、１２０ｍｓの時点における線形フィットの値として計算される。このフィットは、線形依存性の傾きと積分期間の開始時におけるオフセットとの２つのスカラーパラメータのみを含んでいる。
【００２８】
図５は、幾つかの個々の積分期間上での実験結果を示している。図５は、とりわけ、光センサからの電流の積分の繰り返しを表している。個々の雑音を幾分有する線の各々は、個々の積分を表している。図５が示すように、個々の積分の各々の開始時におけるオフセットは変化し得る。しかしながら、本発明に従った線形依存性へのフィッティングは、計算された蓄積電荷へのこのオフセットの変化の影響を低減させ、あるいは排除する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】不透明な媒体を撮像するための本発明に係る装置を概略的に示す図である。
【図２】乳房の形態の不透明媒体を有するカップを概略的に示す断面図である。
【図３】電磁放射線を検出するための本発明に係る検出モジュールを示す電気回路図である。
【図４】サンプリングされた１６ｆＡの積分光電流を示す図である。
【図５】幾つかの個々の積分期間上での実験から得られた結果を示す図である。
【国際調査報告】
2009516828.tif 000012
2009516828.tif 000013