(57)【要約】本発明は、皮膚（１１４）の下にある毛細血管（１１２）を流れる血液のような、生体管構造の中を流れる流体について、その性状を決定するための装置および方法を提供する。これにより、生体環境中での非侵襲血液分析が可能になる。開口数可変の対物レンズ（１０８）を使って血管（１１２）の自動検出を可能にし、分光分析のための戻り信号の高い信号対雑音比を実現し、目標領域に完全に収まる小さな検出体積を実現する。
2007500529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体管構造の中を流れる流体の属性を決定するための装置であって：
・前記生体管構造の位置を決定するための光学検出ステップを実行し、
・前記位置によって決定される所にある検出体積中の流体の属性決定のための光学分光ステップを実行するよう動作することができ、
前記光学検出ステップを実行するためには第一の開口数が使われ、前記光学分光ステップを実行するためには第二の開口数が使われ、前記第一の開口数が前記第二の開口数より小さいことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記光学検出ステップのため、および前記光学分光ステップのために可変な開口数を有する対物レンズが使用されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記光学検出ステップが撮像方法によって実行されることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記光学分光ステップを実行するためにラマン分光法が利用されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
前記光学分光ステップを実行するために蛍光分光法が利用されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
前記光学分光ステップを実行するために弾性散乱分光法が利用されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項７】
前記光学分光ステップを実行するために赤外線分光法が利用されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
前記光学分光ステップを実行するために光音響分光法が利用されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
前記第一の開口数が0.3未満、特に0.2未満、好ましくは0.1であることを特徴とする、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
前記第二の開口数が0.6超、特に0.7超、好ましくは0.7と0.9の間であることを特徴とする、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１１】
前記第二の開口数を用いた前記生体管構造の撮像によって前記生体管構造の動きを追跡することをさらに有することを特徴とする、請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１２】
前記第二の開口数を使って体の表面の下の前記生体管構造の深さを光学的に決定することをさらに有することを特徴とする、請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１３】
前記深さを決定するために、体の表面を横切る方向に沿って走査するために前記第二の開口数を用いていくつかの撮像ステップを実行することをさらに有することを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記流体が血液であり、前記生体管構造が血管であることを特徴とする、請求項１ないし１３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１５】
前記第一の開口数が前記位置の二つの次元を決定するために使われ、前記第二の開口数が前記位置の第三の次元を決定するために使われることを特徴とする、請求項１ないし１４のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１６】
光学検出手段および光学分光手段の制御のための、特にデジタル記憶媒体上のコンピュータプログラムであって、該制御が：
・流体が流れる生体管構造の位置を決定するために前記光学検出手段を制御し、
・前記位置によって決定される所にある検出体積中の流体の属性を決定するために前記光学分光手段を制御するステップを有しており、
前記光学検出手段は第一の開口数を用いて前記位置決定を実行するよう制御され、前記光学分光手段は第二の開口数を使って前記属性の分光学的決定を実行するよう制御され、前記第一の開口数が前記第二の開口数よりも小さいことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１７】
生体管構造の中を流れる流体の属性を決定するための装置であって：
・前記生体管構造の位置を決定するための光学検出手段と、
・前記光学検出システムによって決定される所にある検出体積中の流体の属性決定のための光学分光手段と、
・前記光学検出手段による前記位置の決定のためには第一の開口数を与えるための、および前記光学分光手段による前記属性の分光学的決定のためには第二の開口数を与えるための、前記第一の開口数が前記第二の開口数より小さいような光学手段、
とを有することを特徴とする装置。
【請求項１８】
生体管構造の中を流れる流体の属性を決定する方法であって：
・前記生体管構造の位置を決定するための光学検出ステップを実行し、
・前記位置によって決定される所にある検出体積中の流体の属性決定のための光学分光ステップを実行する、
ことを有しており、前記光学検出ステップを実行するためには第一の開口数が使われ、前記光学分光ステップを実行するためには第二の開口数が使われ、前記第一の開口数が前記第二の開口数より小さいことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学顕微鏡の分野に、より詳細には分析目的のための光学顕微鏡技術の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
分析目的のための光学顕微鏡技術の使用は従来技術から知られている。WO02/057759A1は、患者の毛細血管を流れる血液の組成の生体環境中における非侵襲顕微鏡分析のための顕微鏡分析装置を示している。毛細血管はモニターシステムによって撮像され、顕微鏡分析を実行するために毛細血管に対して励起ビームが当てられる。たとえば、ラマン散乱の励起のために近赤外線放射が使われる。ラマン散乱された放射は血液性状の決定のために分光分析される。
【０００３】
血液の生体環境中分析は、たとえば注射針を使って腕から血液を採取し、血液サンプルを化学実験室で分析するといった従来技術の血液分析に比べていくつかの利点がある。輸送と分析は相当な時間がかかる。２日から非常の場合には典型的には２０分といった範囲である。これに対し、生体環境中分析は患者にとって痛みも感染の危険もなく、血液の測定を瞬間的に連続的にモニターすることを可能にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、生体管構造を流れる流体の性状の非侵襲決定の改良された方法を、特に患者の皮膚の中の毛細血管を流れる血液の生体環境中での非侵襲分析のために提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、開口数を変えることによって生体管構造の光学的検出および分光学的分析を可能にする、生体管構造を流れる流体の性状を決定する装置、コンピュータプログラムプロダクトおよび方法を提供するものである。
【０００６】
生体管構造の位置の光学的検出は、小さな開口数を使って実行される。開口数が小さいということは、「焦点範囲」とも呼ばれる被写界深度（DOF:  depth  of  field）が大きいことを含意する。これによりＤＯＦ内のさまざまな深さにある生体管構造を検出することを可能にする。たとえば、手首では人間の毛細血管は典型的には皮膚表面の約60ないし120μｍのところに位置している。皮膚表面下のその深さ範囲にある毛細血管の検出を可能にするためには、光学検出ステップには小開口数が求められる。
【０００７】
光学検出によって決定された生体管構造の位置は、同時に、光学分光分析のための生体管構造内の検出体積を定義する。光学分光のためには、信号対雑音比を上げるためにその検出体積からの散乱放射をできるだけ多く集めるために、大きな開口数が使われる。大きな開口数（NA:  numerical  aperture）は、検出体積を小さくするためにも要求される。これは、皮膚の寄与なしに血液からの分光信号を集めるために必要である。典型的な毛細血管は10μｍの直径をもつ。たとえば、NAとして0.7以上あれば、検出体積は三次元の全方向で10μｍより小さくできる。
【０００８】
本発明は、皮膚表面の下のある深さ以内の生体管構造を光学的に検出し、高い信号対雑音比の光学分光測定を実行し、目標領域内に完全に収まる小さな検出体積を提供することを可能にするという点でとりわけ有益である。光学検出および分光測定は同時でも、逐次的でもよい。
【０００９】
本発明のある好ましい実施形態によると、開口数可変の対物レンズが使用される。同じ対物レンズを生体管構造の光学検出および光学分光の両方に使うことができる。対物レンズの開口数を可変にするのは、可変絞りによって実現できる。生体管構造の光学検出のためにはより小さな開口数を、光学分光のためには高い開口数を提供するのである。まず、皮膚表面下の広い深度範囲内で管構造の光学検出をするために小さな開口数が使われる。次に、光学分光測定のために大きな開口数が使われる。分光測定の間は、高い開口数を利用して管構造の位置を高精度で追跡することができる。
【００１０】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、前記絞りは対物レンズの外側で瞳の一つの近くに位置されるか、対物レンズから光路中でさらに撮像システムおよびラマンシステムのほうに離れて位置される。
【００１１】
さらなる実施形態は、撮像システムと分光システムに異なる可変NAを具備することである。これは撮像光路中（たとえば、ビームスプリッターとCCD検出器の間）の一つの可変絞りと、可能性としては分光光路（たとえば、ビームスプリッターとラマンシステムの間）中の第二の可変絞りとして実現することができる。これは、撮像と分光に使われるNAが独立に調整できるという利点がある。さらに、撮像絞りを照明および検出経路に置くことも、偏光ビームスプリッターとCCDカメラの間のような検出経路のみに置くことも可能である。OPS撮像のためにはNAは照明には重要でないので、このことは、焦点深度が絞りによって調整できる一方、できるだけ多くの光を照明のために有効に使うことができるという利点がある。同様に、分光絞りをラマン励起および検出の両者共通の経路中に置くことも、二つの経路の一方に置くことも可能である。好ましくは、ラマン光路には常に最大NAを使い、検出経路における絞り一つだけが要求される。
【００１２】
あるさらなる好ましい実施形態によれば、可変絞りではなく一つまたは二つの交換可能な絞りが使用される。
【００１３】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、生体管構造の位置の決定のためにパターン認識技術のような撮像方法が用いられる。あるいはまた、生体管構造の検出には、共焦点レーザー走査顕微鏡法（CLSM:  confocal  laser  scanning  microscopy）、直交偏光分光撮像（OPSI:  orthogonal  polarised  spectral  imaging）、光干渉断層撮影（OCT:  optical  coherence  tomography）または光音響撮像（photoacoustic  imaging）が使われる。
【００１４】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、共焦点ラマン分光が使われる。ラマン励起レーザーからの光が対物レンズを通じて検出体積に向けられ、ラマン散乱された放射もその同じ対物レンズによって分光分析のために集められる。本発明は自発ラマン分光に限定されず、他の分光技術を使うこともできる。それに含まれるものとしては、(i)誘導ラマン分光およびコヒーレント反ストークスラマン分光（CARS:  coherent  anti-stokes  Raman  spectroscopy）を含むラマンベースの諸方法、(ii)赤外線分光、特に赤外線吸収分光、フーリエ変換赤外線（FTIR:  Fourier  transform  infra-red）分光および近赤外線（NIR:  near  infra-red）拡散反射分光、(iii)その他の散乱分光技術、特に蛍光分光、多光子蛍光分光および反射分光、および、(iv)光音響分光、偏光測定およびポンププローブ分光のようなその他の分光技術、がある。本発明への適用のために好ましい分光技術はラマン分光および蛍光分光である。
【００１５】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、共焦点ラマン分光が使われる。生体管構造の光学検出のための前記の小さな開口数は0.3未満、好ましくは0.1である。これによって、体表下のさまざまな深さにある生体管構造の検出のための、広い焦点範囲が与えられる。
【００１６】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、光学分光のための前記の大きな開口数は0.6超、好ましくは0.8超である。これにより、検出体積から返ってくる放射の大きな部分が捕集にかかり、信号対雑音比が改善される。大きな開口数の第二の利点は、検出体積が完全に血管内に収まるほど小さくなることである。
【００１７】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、分析中の生体管構造の動きが追跡される。これにより、当該生体管構造の動きに合わせて検出体積を動かすことが可能になる。それにより、患者の動きに起因する測定誤差を避けることができる。特に、これは患者の呼吸その他の意図的でない動きによって引き起こされうる誤差を解消する。生体管構造の動きの追跡は、その動きの精密な追跡のための大きな開口数を使ってのその動きの光学検出によって実行される。特に、ｚ方向の精度はNAの大きさに強く依存する。
【００１８】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、生体管構造の二次元的な位置が小さな開口数を使って決定される。二次元的な位置が決定されたのち、生体管構造の第三の次元方向、すなわち体表を横切る方向の位置を大きな開口数を使って決定する。これは、前記の大きな開口数を用いて収集する一連の画像によって、前記の小さな開口数の焦点範囲を走査することで実行できる。
【００１９】
本発明は、生体環境中での非侵襲的血液分析を実行するために特に有益である。その場合、共焦点検出体積は典型的な直径が10μmである毛細血管の内部に位置される。毛細血管がわずかに動いたときは、その動きを追跡することができ、毛細血管とともに検出体積も動かすことができる。
【００２０】
本発明はまた、前記光学検出手段を制御するためのコンピュータプログラムにも関する。本発明に基づくコンピュータプログラムはある請求項において定義されている。好ましくは、該コンピュータプログラムプロダクトにおいては、プログラム手段は、可変開口数をもつ対物レンズを制御して前記第一の開口数および前記第二の開口数を提供するよう適応されている。好ましくは、該コンピュータプログラムプロタクトにおいては、プログラム手段は、前記第二の開口数を与えるよう前記対物レンズを制御する間、生体管構造の動きを追跡するために光学検出手段を制御するよう適応されている。好ましくは、該コンピュータプログラムプロダクトにおいては、プログラム手段は、前記第二の開口数を与えるよう前記対物レンズを制御する間に体表下の生体管構造の深さを決定するよう前記光学検出手段を制御するよう適応されている。好ましくは、該コンピュータプログラムプロダクトにおいては、プログラム手段は、前記第二の開口数を与えるよう前記対物レンズを制御する間に体表を横切る方向に沿って走査するためのいくつかの撮像ステップを実行するよう前記光学検出手段を制御するよう適応されている。
【００２１】
本発明はまた、流体性状を決定するための装置にも関する。本発明に基づく該装置はある請求項において定義されている。好ましくは、該装置においては、前記光学手段は、可変開口数をもつ対物レンズを有する。好ましくは、前記対物レンズは可変絞りを有する。好ましくは、前記装置において、前記光学手段は前記第一の開口数および前記第二の開口数を提供するよう交換可能な絞りを有する。
【００２２】
以下において本発明の好ましい実施形態を図面を参照することによってより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、患者の皮膚の下にある毛細血管を流れる血液のような、生体管構造の中を流れる流体について、その性状を決定するために使うことのできる装置のブロック図である。装置１００は、共焦点ラマン分光のためのラマン分光システム１０２および撮像システム１０４を有している。
【００２４】
ラマン分光システム１０２はレーザー光源１０１および分光計１０３を有している。ラマン戻り放射は分光システム１０２の鏡１０５によって分光計１０３に向けられる。
【００２５】
撮像システム１０４は光源１０７を有しており、光源１０７からの入射光ビーム１０６は対物レンズ１０８を通って検出体積１１０に向けられる。検出体積１１０は患者の体の皮膚１１４内の血管１１２の内部に位置している。対物レンズ１０８は可変絞り１１６を有しており、これにより対物レンズ１０８の開口数を制御することが可能になる。
【００２６】
さらに、撮像システム１０４は偏光ビームスプリッター１０９およびCCDカメラ１１１を有している。
【００２７】
光源１０７の入射光ビーム１０６は、戻り光１１８を引き起こし、これが撮像システム１０４、すなわちCCDカメラ１１１によって受信される。レーザー光源１０１の入射レーザー光ビーム１１３は鏡１１５により対物レンズ１０８を通って検査体積１１０に向けられ、ラマン戻り光ビーム１１７を引き起こし、これが鏡１１５および１０５によって反射されて分光計１０３に入射して分光分析に供される。レーザー光源１０１の動作は、撮像システム１０４の光源１０７と同じ波長もよいし、異なる波長でもよい。レーザー光源１０１によって放出される光は弾性散乱または非弾性散乱（ラマン散乱）され、ラマン戻り光ビーム１１７を生じる。
【００２８】
ラマン分光システム１０２および撮像システム１０４ならびに対物レンズ１０８の絞り１１６の動作は、制御プログラム１２４を有するコントローラ１２２によって実行される。
【００２９】
動作制御プログラム１２４は対物レンズ１０８に、小開口数を与えるように絞り１１６をセットするような制御信号を発する。次に、血管の一つ、すなわち血管１１２の位置を検出するために撮像システム１０４が呼び出される。これにより、血管１１２内での検出体積１１０のｘ，ｙ位置も決定される。制御プログラム１２４は、絞りを大きな開口数にセットするための制御信号を対物レンズ１０８に発する。次に、皮膚表面の下における検出体積の正しい深さ、すなわちｚ位置を見出すために撮像ステップが実行される。
【００３０】
その後、ラマン分光システム１０２が呼び出されて戻り光１１７の分光分析が実行される。これにより、血管１１２を流れる一つまたは複数の属性が決定される。よって、たとえば、初期のｘ位置決定のためには小さな開口数が使われ、初期のｚ位置決定、追跡および分光のためには大きな開口数が使われる。
【実施例１】
【００３１】
図２は代替的な実施形態のブロック図を示している。図２の実施形態の要素で図１の実施形態の要素に対応するものは同じ参照符号に１００を加えたもので示してある。
【００３２】
図１の実施形態とは異なり、図２の装置２００の対物レンズ２０８は可変絞りをもたない。その代わりに可変絞り２１６は偏光ビームスプリッター２０９とカメラ２１１との間に位置されている。これにより、撮像システム２０４による血管２１２の位置の同定のための小さな開口数が実現される。
【００３３】
加えて、鏡２０５と鏡２１５との間に、分光システム２０２のための開口数を設定するための可変絞り２３０があってもよい。ただし、ラマン分光の実行のためには最大の開口数が最善なので、絞り２３０は必須ではない。
【実施例２】
【００３４】
図３はあるさらなる好ましい実施形態のフローチャートを示している。ステップ３００において皮膚内での血管の二次元位置が小さな開口数を用いて検出される。ステップ３０２で皮膚表面下における血管の、表面を横切る方向の位置が大きな開口数を用いて決定される。これは、ステップ３００での小さな開口数によって与えられる焦点範囲を走査する、すなわち大きな開口数を用いて一連の画像を撮像することによって行われる。その画像のそれぞれは前記焦点範囲内に別の焦点面をもち、それが当該血管の検出に使われる。
【００３５】
ステップ３０４では、検出された血管を流れる血液が、大きな開口数を使った光学分光によって分析される。大きな開口数を使うことにより、戻り放射の大きな割合が対物レンズの捕集にかかることが保証される。それは信号対雑音比が高いということであり、検出体積が完全に血管の内部に位置するほど小さいということである。
【００３６】
並行して、ステップ３０６において血管の動きを追跡することができる。これは、前記撮像システムによって、同じ対物レンズを使って、光学分光に使われる大きな開口数を用いて行われる。これにより三次元全方向での血管の動きの精密な追跡が可能になる。これは、光学分光のための検出体積を血管の動きに合わせて動かすことができ、それにより測定誤差を避けることができるという利点がある。
【００３７】
ステップ３０２で実行される、皮膚の下における血管の深さの検出が、図４で概略的に示されている。血管２１２の二次元的なｘ，ｙ位置がステップ３００で、焦点深度１２６に対応する小さな開口数を用いて検出される。血管２１２のｚ座標はステップ３０２で、狭い焦点深度１２８に対応する大きな開口数を用いて検出される。この狭い深さ範囲の視野は「焦点面」とも称される。
【００３８】
ｚ座標は大きな開口数での撮像を用いてｚ方向に焦点深度１２６を走査することにより決定される。これは焦点深度２２８に沿ってそれぞれの焦点面の位置を変化させながら一連の画像を収集することによって行うことができる。血管２１２がみつかった画像の焦点面の位置がｚ座標を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の装置の第一の実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の装置の第二の実施形態のブロック図である。
【図３】本発明のある実施形態のフローチャートを説明する図である。
【図４】血管の深さの決定を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１００  装置
１０１  レーザー光源
１０２  ラマン分光システム
１０３  分光計
１０４  撮像システム
１０５  ダイクロイックミラー
１０６  入射撮像光ビーム
１０７  光源
１０８  対物レンズ
１０９  偏光ビームスプリッター（pbs）
１１０  検出体積
１１１  ＣＣＤカメラ
１１２  血管
１１３  入射レーザー光ビーム
１１４  皮膚
１１５  ダイクロイックミラー
１１６  絞り
１１７  ラマン戻り光ビーム
１１８  戻り光
１２２  コントローラ
１２４  コントロールプログラム
１２６  ＮＡの小さいシステムの焦点深度
１２８  ＮＡの大きいシステムの焦点深度
２００  装置
２０１  レーザー光源
２０２  ラマン分光システム
２０３  分光計
２０４  撮像システム
２０５  ダイクロイックミラー
２０６  入射光ビーム
２０７  光源
２０８  対物レンズ
２０９  偏光ビームスプリッター
２１０  検出体積
２１１  ＣＣＤカメラ
２１２  血管
２１３  入射レーザー光ビーム
２１４  皮膚
２１５  ダイクロイックミラー
２１６  絞り
２１７  ラマン戻り光ビーム
２１８  戻り光
２２２  コントローラ
２２４  コントロールプログラム
２３０  絞り
３００  小さなＮＡを用いて血管の二次元的位置を検出
３０２  大きなＮＡを用いて皮膚の下の血管の深さを検出
３０４  大きなＮＡを用いた血液分析のための光学分光
３０６  大きなＮＡを用いた血管の動きの追跡
【図１】
2007500529.tif 000003
【図２】
2007500529.tif 000004
【図３】
2007500529.tif 000005
【図４】
2007500529.tif 000006
【国際調査報告】
2007500529.tif 000007
2007500529.tif 000008
2007500529.tif 000009