(57)【要約】光学蛍光断層撮影法は、体内の造影剤を画像化する高感度の方法である。しかしながら、現在の再構成方法は、高い複雑性又は不安定性に有している。本発明の例示としての実施形態に従って、光学蛍光断層撮影のための吸収／散乱マップ再構成のための方法であって、スペクトルモデルを用いる方法を提供することができる。これは、改善された画像品質を有する後続の蛍光再構成を提供することができる。
2009515583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を検査する光学蛍光断層撮影装置であって：
前記対象物を透過する第１光、及び前記対象物の内部の増影剤により出射される第２光を検出し、検出データを得るように適合された検出器ユニット；並びに
前記検出データ及びスペクトルモデルに基づいて、蛍光再構成を実行し、前記対象物の内部の前記増影剤の空間分布を有する再構成データを得るように適合された再構成ユニット；
を有する光学蛍光断層撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記スペクトルモデルは増影剤の第１濃度を有する、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記スペクトルモデルは吸収モデル及び散乱モデルを有し、前記再構成ユニットは：
前記吸収モデルに基づいて蛍光波長において吸収の空間分布を決定し；
前記散乱モデルに基づいて前記蛍光波長において散乱の空間分布を決定するように更に適合されている；
光学蛍光断層撮影装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記吸収モデルは次式を読み取り、
【数１】
2009515583.tif 000005
ここで、λは波長であり、Ｎはモデルにおける発色団の数であり、Ｃｉは前記発色団ｉの濃度であり、ε（ｉ，λ）は波長λにおける前記発色団ｉの吸収である、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記散乱モデルは次式を読み取り、
【数２】
2009515583.tif 000006
ここで、Ａは散乱振幅であり、Ｂは散乱パワーである、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項６】
請求項２に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記スペクトルモデルは、酸素化ヘモグロビンの第２濃度と、脱酸素化ヘモグロビンの第３濃度と、水の第４濃度とを有する、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光学蛍光断層撮影装置であって：
前記検出器ユニットは検出要素を有し；
各々の検出要素は、スペクトル分解様式で透過光又は出射光を検出するように適合されている；
光学蛍光断層撮影装置。
【請求項８】
請求項１に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、対象物に対して電磁放射線を出射するように適合された励起源を更に有する、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項９】
請求項１に記載の光学蛍光断層撮影装置であって、前記励起源及び前記検出ユニットは、対象物の周りで動くように適合されている、光学蛍光断層撮影装置。
【請求項１０】
対象物を検査する画像処理装置であって：
対象物の検出データを記憶するメモリであって、前記検出データは、前記対象物を透過した、検出された第１光、及び前記対象物の内部の増影剤により出射された、検出された第２光を有する、メモリ；並びに
前記検出データ及びスペクトルモデルに基づいて、蛍光再構成を実行し、前記対象物の内部の前記増影剤の空間分布を有する再構成データを得るように適合された再構成ユニット；
を有する画像処理装置。
【請求項１１】
対象物の検査のコンピュータプログラムが記憶されているコンピュータ読み取り可能媒体であって、処理器により実行されるとき、次のステップ、即ち：
前記対象物に対して電磁放射線を励起源により出射するステップ；
前記対象物を透過した第１光、又は前記対象物の内部の造影剤により出射された第２光を検出し、検出データを得るステップ；並びに
前記検出データ及びスペクトルモデルに基づいて蛍光再構成を再構成ユニットにより実行し、前記対象物の内部の前記増影剤の分布を有する再構成データを得るステップ；
を実行するように適合されている、コンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項１２】
対象物の検査のプログラム要素であって、処理器により実行されるとき、次のステップ、即ち：
前記対象物に対して電磁放射線を励起源により出射するステップ；
前記対象物を透過した第１光、又は前記対象物の内部の造影剤により出射された第２光を検出し、検出データを得るステップ；並びに
前記検出データ及びスペクトルモデルに基づいて蛍光再構成を再構成ユニットにより実行し、前記対象物の内部の前記増影剤の分布を有する再構成データを得るステップ；
を実行するように適合されている、プログラム要素。
【請求項１３】
光学蛍光断層撮影装置による対象物の検査方法であって：
前記対象物に対して電磁放射線を励起源により出射するステップ；
前記対象物を透過した第１光、又は前記対象物の内部の造影剤により出射された第２光を検出し、検出データを得るステップ；
前記検出データ及びスペクトルモデルに基づいて蛍光再構成を再構成ユニットにより実行し、前記対象物の内部の前記増影剤の分布を有する再構成データを得るステップ；
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光断層撮影法の分野に関する。特に、本発明は、対象物を検査する光学蛍光断層撮影装置、画像処理装置、コンピュータ読み取り媒体、プログラム要素及び対象物の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学蛍光断層撮影法は、体内の増影剤を画像化する高感度の方法である。しかしながら、増影剤の分配は、再構成処理中、蛍光波長において周りの組織の吸収係数及び散乱係数が知られている場合にのみ、可能である。
【０００３】
光学蛍光断層撮影において、組織を通る光の伝搬は、典型的には、拡散方程式により表される。
【０００４】
λｘは励起光の波長であり、λｆは蛍光の波長であり、μａは組織の吸収係数であり、μｃは増影剤の吸収係数である。Φｘ及びΦｆはそれぞれ、励起光の強度及び発光光の強度である。最終的に、Ｄ＝ｌ／（３（ｌ−ｇ）μｓ）は拡散係数（μｓは散乱係数）及びｑ０はソース項、即ち、励起光の注入をシミュレーションする項である。蛍光は、効率γを有する造影剤により発生し、造影剤の濃度の一次関数である。波長以外の全ての量は空間的に変化する。
【０００５】
光学蛍光断層撮影法のタスクは、対象物の表面におけるΦｘ及びΦｆの測定に基づく造影剤γの空間分布を再構成することである。
【０００６】
上記の２つの結合された偏微分方程式（ＰＤＥ）のセットは、第２方程式において必要なパラメータの一部、即ち、Ｄ（λｆ）、μａ（λｆ）及びΦを決定するように、先ず、透過率測定（第１方程式のみにより表される）を行うことにより切り離される。それらの値は、蛍光の測定Φｆにより再構成されるように、第２方程式で用いられる。
【０００７】
周りの物質又は組織の吸収係数及び散乱係数の知識を与えるように、それら両方の同時の再構成、発光及び吸収／散乱マップがもたらされることが可能である。それに代えて、予めの吸収／散乱マップの再構成が、励起波長において得られる単独の透過率測定に基づいて、実行されることが可能である。
【０００８】
しかしながら、同時の再構成はかなり高い複雑度を被る可能性がある。更に、両方の方法は高い不安定性を被る可能性があり、その不安定性は、低分解能を有するマップの再構成をもたらす可能性がある。
【０００９】
改善された吸収／散乱マップ再構成を得ることが要請されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の例示としての実施形態に従って、対象物を検査する光学蛍光断層撮影装置であって、検出データをもたらす、対象物を透過する第１光及び対象物の内部の増影剤により出射される第２光を検出するように適合された検出器ユニットと、対象物の内部の増影剤の空間分布を有する再構成データをもたらす、スペクトルモデル及び検出データに基づいて蛍光再構成を実行するように適合された再構成ユニットと、を有する、光学蛍光断層撮影装置が提供される。
【００１１】
それ故、本発明のこの例示としての実施形態に従って、スペクトルモデルが、検出データの蛍光再構成について用いられることが可能である。このことは、対象物（例えば、組織である）の光学特性の再構成の安定度を改善する。
【００１２】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、スペクトルモデルは造影剤の第１濃度を有する。
【００１３】
更に、本発明の他の例示としての実施形態に従って、スペクトルモデルは、酸素化ヘモグロビンの第２濃度、脱酸素化ヘモグロビンの第３濃度及び水の第４濃度を有する。
【００１４】
それ故、そのモデルに造影剤の濃度を含めることにより、蛍光波長における吸収及び散乱は、より高い安定度を伴って導き出されることが可能である。
【００１５】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、スペクトルモデルは、吸収モデル及び散乱モデルを有し、再構成ユニットは、吸収モデルに基づいて蛍光波長における吸収を決定するように、そして散乱モデルに基づいて蛍光波長における散乱を決定するように更に適合される。
【００１６】
それ故、本発明のこの例示としての実施形態に従って、蛍光波長における吸収マップ及び蛍光波長における散乱マップの両方が、スペクトルモデルに基づいて決定されることが可能である。
【００１７】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、吸収モデルは次式を読み取り、
【００１８】
【数３】
2009515583.tif 000003
この式において、λは波長であり、Ｎはモデルにおける発色団の数であり、Ｃｉは発色団ｉの濃度であり、そしてε（ｉ，λ）は波長λにおける発色団ｉの吸収である。組織の典型的な成分の吸収のスペクトル依存性が知られていて、図４に水及び脂肪についてのグラフで示されている。
【００１９】
このことは、近赤外透過率測定を用いて、発色団の濃度の直接的な再構成を与えることが可能である。
【００２０】
更に、本発明の他の例示としての実施形態に従って、散乱モデルは次式を読み取り、
【００２１】
【数４】
2009515583.tif 000004
この式において、Ａは散乱振幅であり、Ｂは散乱パワーである。
【００２２】
それ故、この全体的なモデルを用いることにより、散乱マップを決定することが可能である。
【００２３】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、光学蛍光断層撮影装置は、対象物に電磁放射線を出射するように適合された励起源を有する。例えば、励起源により出射される放射線は近赤外光であることが可能である。更に、励起源は、対象物に対して、時間変動励起光、即ち、変調励起光を出射するように適合されることが可能である。その場合、ロックイン技術を用いることが可能である。更に、透過光の振幅及び位相シフトが、対象物の散乱及び吸収に関する付加情報を得るように、独立して検出されることが可能である。
【００２４】
更に、透過された励起光を退けるように、対象物からの発光光をフィルタリングするようにフィルタが備えられることが可能である。
【００２５】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、励起源及び検出器ユニットが、対象物の周りを移動するように適合される。このことは、異なる励起源及び検出器の位置から得られる断層撮影の三次元検出を与えることを可能にする。
【００２６】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、光学蛍光断層撮影装置は、医療アプリケーション装置又は材料試験装置を有する群の一として構成される。
【００２７】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、対象物の検査のための画像処理装置が備えられることが可能であり、その画像処理装置は、対象物の検出データを記憶するメモリを有する。更に、画像処理装置は、検出データ及びスペクトルモデルに基づいて蛍光再構成を実行するように適合された再構成ユニットを有することが可能であり、対象物の光学特性を有する再構成データを得ることができる。
【００２８】
それ故、吸収及び散乱マップ再構成に基づいて、改善された傾向再構成を実行するように適合された画像処理装置を備えることが可能である。
【００２９】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、光学蛍光断層撮影装置による対象物の検査方法であって、対象物の電磁放射線を励起源により出射するステップと、対象物を透過する第１光、及び対象物の内部の造影剤により出射される第２光を検出器ユニットにより検出するステップと、検出データ及びスペクトルモデルに基づいて、対象物の内部の造影剤の空間分布を有する再構成データを得るように、蛍光再構成を再構成ユニットにより実行するステップと、を有する、検査方法が提供される。
【００３０】
本発明の他の例示としての実施形態に従って、コンピュータ読み取り可能媒体が備えられることが可能であり、そのコンピュータ読み取り可能媒体において、処理器により実行されるときに、上記の方法のステップを実行するように適合された対象物の検査のコンピュータプログラムが記憶されている。
【００３１】
更に、本発明は、コンピュータ読み取り媒体に記憶されることが可能である、対象物の検査のプログラム要素に関連する。プログラム要素は、対象物に対して電磁放射線、例えば、近赤外光を出射するステップと、対象物を透過する透過光及び対象物の内部の造影剤により出射される光を検出するステップと、検出データ及びスペクトルモデルに基づいて蛍光再構成を実行するステップと、を実行するように適合されることが可能である。
【００３２】
プログラム要素は、好適には、データ処理器の作用メモリにロードされていることが可能である。データ処理器は、それ故、本発明の方法の例示としての実施形態を実行するように備えられていることが可能である。コンピュータプログラムは、例えば、Ｃ＋＋等の何れかの適切なプログラミング言語で書かれていることが可能であり、ＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読み取り媒体に記憶されていることが可能である。また、コンピュータプログラムは、ワールドワイドウェブのようなネットワークから利用可能であり、そのワールドワイドウェブから、画像処理ユニット又は処理器に、若しくは何れかの適切なコンピュータにダウンロードされることが可能である。
【００３３】
光学蛍光断層撮影法についての蛍光波長における吸収及び散乱マップの再構成がスペクトルモデルを用いることにより実行されることが、本発明の例示としての実施形態の要旨として記載されている。本発明の特徴に従って、このマップは、その場合、改善された画像品質を得ることが可能である後続の蛍光再構成のために用いられることが可能である。
【００３４】
本発明の上記の及び他の特徴については、以下に詳述する実施形態を参照することにより明らかになり、理解することができる。
【００３５】
本発明の例示としての実施形態について、図を参照して、以下に詳述する。
【００３６】
図は例示である。異なる図における類似する又は同じ要素には、同じ参照番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、対象物の光学的検査のための蛍光断層撮影装置の実施形態の模式図である。蛍光断層撮影装置１００は、検出データ及びスペクトルモデルに基づいて、対象物１０１（例えば、組織）の三次元画像を生成する。
【００３８】
可視光及び近赤外光は、吸収及び弾性散乱により主に生体組織と相互作用する。本発明の例示としての実施形態に従った検査システムは、固有組織発色団濃度及び散乱特性を数値化し、それにより、有用な機能情報を与えることができる。そのような検査システムは、例えば、近赤外域の光透過率を測定し、セル状及びサブセル状構造要素により影響される散乱パラメータ及び、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン及び水の空間分解された絶対画像を生成するように、モデルに基づく演算方法を用いる。
【００３９】
励起源１０２は、対象物１０１に励起光１０４を出射するように適合され、その結果、対象物１０１の内部の蛍光ターゲットの励起がもたらされる。励起源１０２は、レーザダイオードの形で適合されることが可能であり、そのレーザダイオードは、強度変調又はパルス化励起光若しくは一定の励起光を生成するように適合されることが可能である。例えば、そのレーザダイオードは、例えば、７００ｎｍ乃至９００ｎｍの範囲内の波長を有する近赤外励起光を発光するように適合されていることが可能である。しかしながら、光源１０２は、他の波長の光を発光するように適合されることが可能である。発色団の再構成のために必要な測定を実行するように、同じ光源が、更なる波長、例えば、６００ｎｍ乃至９００ｎｍの範囲内の８つの異なる波長における光を発光するように用いられることが可能である。これは、対象物に異なるレーザダイオードの光を結合させるように、異なるレーザダイオード及びファイバスイッチを用いることにより実施されることが可能である。他の例示としての実施形態においては、異なる波長を有すルレーザダイオードが独立した光源として用いられることが可能であり、そのことは、それらの光源が異なる位置で光を注入することができることを意味している。
【００４０】
装置は、対象物１０１を照明する励起光の拡大ビームを生成するように適合されたレンズ、光ファイバ又はフィルタ形１０３を有することが可能である。
【００４１】
対象物１０１は、励起光１０４に応じて光を出射するように適合された蛍光造影剤を有することが可能である。検出光１０５は、蛍光波長における発光光及び／又は入射波長１０４における透過光を有する。例えば、励起光ビームを最小化するように、前処理ユニット１０６を用いることが可能である。前処理ユニット１０６は、例えば、レンズ、複数のレンズ及び／又はコリメータを介して結合される、帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、それらの両方のようなフィルタ要素を有することが可能である。
【００４２】
ビーム前処理ユニット１０６を通った後、対象物１０１からの光１０５は検出器１０７に入射し、例えば、増倍型ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）又はフォトダイオードの形で適合されることが可能である。更に、検出器１０７は、三次元画像を与えるように、蛍光再構成を実行するように適合された再構成ユニット１０８に結合されることが可能である。
【００４３】
図２は、改善された画像を得ることが可能である、光学蛍光断層撮影のために吸収／散乱マップ再構成を実行する本発明に従った方法の例示としての実施形態を示している。
【００４４】
その方法は、励起源が、対象物の方に、例えば、８つの異なる波長の電磁放射線を出射するステップ１から開始する。それ故、その励起源は、８つの異なる副励起源、例えば、レーザダイオードを有し、それらの副励起源の各々は異なる波長の赤外光を出射する。それらの８つの放射ビームは、その場合、結合光が対象物の方に方向付けられる前に、カプラ、例えば、ファイバカプラ又はレンズ系により結合されることが可能である。
【００４５】
次いで、ステップ２において、出射光は対象物に達し、透過する。透過光は検出ユニットにより検出され、パラメータＣｉ、Ａ及びＢは、検出された透過率データに基づいて決定される。
【００４６】
ステップ３において、それらのパラメータから、蛍光波長における吸収／散乱（即ち、蛍光波長における対象物の光学特性）が、吸収モデル及び散乱モデルのそれぞれに基づいて演算される。
【００４７】
更に、ステップ４において、対象物の内部の造影剤が励起され、造影剤により出射された光は検出器ユニットにより検出される。この波長における吸収及び散乱についての演算された値は、対象物の内部の造影剤の空間分布を再構成するために用いられる。
【００４８】
ステップ４は、スペクトル分解検出システムを用いることにより、ステップ２及び３に引き続き又はそれらと並列して実行されることが可能である。
【００４９】
複数の別個の周波数において近赤外透過測定を用いて発色団の濃度を直接、再構成するように、吸収及び散乱についてのスペクトルモデルを用いることにより、再構成の安定度が、各々の別個の周波数から透過率データの個別の再構成に比べて、かなり改善されることが可能である。吸収についてのスペクトルモデルが読み取られ、そのスペクトルモデルにおいて、Ｃｉは発色団ｉの濃度であり、ε（ｉ，λ）は波長λにおける発色団ｉの吸収である。更に、散乱は、全体的なモデルによりモデル化されることが可能であり、そのモデル化において、Ａは散乱振幅であり、Ｂは散乱パワーである。このモデルは、成分の濃度を再構成するように透過率断層撮影のために用いられるばかりでなく、本発明の特徴に従って、造影剤の空間分布の再構成の安定度を改善するように、蛍光断層撮影において用いられることが可能である。
【００５０】
例えば、スペクトルモデル（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン及び水の濃度を含む）が、造影剤の濃度により拡張されることが可能である。そのスペクトルモデルから、蛍光波長における吸収及び散乱が、より高い安定度を伴って導き出されることが可能である。これは、そのスペクトルモデルが、アーティファクトがかなり押さえられて再構成されることが可能であり、後続の蛍光再構成が、改善された精度で実行されることが可能である（ステップ５）。
【００５１】
発色団の濃度は、本発明の例示としての実施形態に従って、中間的品質としてのみ、用いられることが可能であることに留意する必要がある。
【００５２】
図３は、本発明に従った方法の例示としての実施形態を実行する本発明に従った画像処理装置の例示としての実施形態を示している。図３に示す画像処理装置４００は、解析されるべき患者又は物質のような対象物を表す画像を記憶するメモリ４０２に接続された画像処理器４０１及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）を有する。データ処理器４０１は、光学蛍光断層撮影装置のような複数の入力／出力ネットワーク又は診断装置に接続されることが可能である。データ処理器４０１は、データ処理器４０１において適合された又は演算された画像又は情報を表示するように、表示装置４０３、例えば、コンピュータのモニタに更に接続されることが可能である。オペレータ又はユーザは、キーボード４０４及び／又は他の出力装置を介してデータ処理器４０１とインタラクトすることが可能である。
【００５３】
図４は水及び脂肪についてのグラフであり、そのグラフから、組織の典型低な成分の吸収のスペクトル依存性が導き出されることが可能である。
【００５４】
本発明に従った対象物の検査は、組織の光学特性の再構成の安定度の改善を可能にし、そのことは、後続の蛍光再構成の改善をもたらす。
【００５５】
本発明の例示と仕手の実施形態は、光学マンモグラフィスキャナコンソール、撮像ワークステーション又はＰＡＣＳワークステーションとしてのソフトウェアオプションとして販売されることが可能である。
【００５６】
用語“を有する”は他の要素を排除するものではなく、単数表現は複数の存在を排除するものではなく、単独の処理器又はシステムは、請求項に記載されている複数の手段又はユニットの機能を実行することが可能であることに留意する必要がある。また、異なる実施形態に関連して記載されている要素は、結合されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の例示としての実施形態に従った光学蛍光断層撮影装置の模式図である。
【図２】本発明に従った方法の例示としての実施形態のフロー図である。
【図３】本発明に従った方法の例示としての実施形態を実行する、本発明に従った画像処理装置の例示としての実施形態を示す図である。
【図４】組織の典型的な成分の吸収のスペクトル依存性を導くことができる水及び脂肪についてのグラフである。
【図１】
2009515583.tif 000007
【図２】
2009515583.tif 000008
【図３】
2009515583.tif 000009
【図４】
2009515583.tif 000010
【国際調査報告】
2009515583.tif 000011
2009515583.tif 000012
2009515583.tif 000013