(57)【要約】  本発明は、患者の関心体積中にある生物学的組織の特性を決定する分光分析系の保護機構を供する。分光系は高出力の放射線を利用し、かつ人体の感光性細胞組織が偶然に露光されるのを防ぐための保護機構を供するのが好ましい。本発明は、分光系の測定ヘッドが測定位置にあるか否かを検出するための様々な方法を提供する。測定ヘッドの測定位置は、たとえば、患者の皮膚の電気抵抗を測定する圧力センサの利用又は、関心体積の可視像を供する観察ビームの強度又は空間的構造を分析する光学的手段によって有効に決定することが可能である。
2007536053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の関心体積中にある生物学的組織の特性を決定する分光系であって：
前記関心体積へ励起ビームを導光する測定ヘッド；
前記測定ヘッドが測定位置にあるか否かを決定する少なくとも一の検出素子；及び、
前記少なくとも一の検出素子からの出力に応じて前記励起ビームを切り替える手段；
を有する分光系。
【請求項２】
前記少なくとも一の検出素子が前記測定ヘッドと皮膚表面との間の接触圧力を表す出力を発生させる圧力センサであることを特徴とする、請求項1に記載の分光系。
【請求項３】
前記少なくとも一の検出素子は二の電極を有し、かつ前記二の電極間の電気抵抗を表す電気信号を発生することを特徴とする、請求項1又は2に記載の分光系。
【請求項４】
前記関心体積へ観察ビームを導光し、前記関心体積からの観察戻り放射線を収集する観察手段を有し、
前記戻り放射線は前記関心体積の可視像を表す、
ことを特徴とする、請求項1から3のうちのいずれか1つに記載の分光系。
【請求項５】
前記検出素子が前記観察戻り放射線強度を表す強度信号を発生させることを特徴とする、請求項4に記載の分光系。
【請求項６】
前記検出素子は、前記の関心体積の可視像中の前記生物学的組織を認識し、さらに前記可視像中の前記生物学的組織の認識に応じて前記励起ビームを切り替える手段へ送信する検出信号を発生させる像解析ユニットであることを特徴とする、請求項4又は5に記載の分光系。
【請求項７】
前記の励起ビーム切り替え手段は、前記接触圧力が所定の範囲内のときにのみ、前記関心体積へ前記励起ビームを放出することを特徴とする、請求項1から6のうちのいずれか1つに記載の分光系。
【請求項８】
前記励起ビームの切り替え手段はさらに、前記の電極間抵抗が所定の範囲内のときにのみ、前記関心体積へ前記励起ビームを放出することを特徴とする、請求項3から7のうちのいずれか1つに記載の分光系。
【請求項９】
前記励起ビームの切り替え手段はさらに、前記強度信号が所定の範囲内のときにのみ、前記関心体積へ前記励起ビームを放出することを特徴とする、請求項5から8のうちのいずれか1つに記載の分光系。
【請求項１０】
前記励起ビームの切り替え手段はさらに、前記像解析ユニットによる前記可視像中の前記生物学的組織の認識に応じて検出信号が発生するときにのみ、前記関心体積へ前記励起ビームを放出することを特徴とする、請求項5から9のうちのいずれか1つに記載の分光系。
【請求項１１】
前記圧力センサの出力は、前記の励起ビーム切り替え手段と機械的に結合し、
前記の励起ビーム切り替え手段は機械シャッターとして実装される、
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の分光系。
【請求項１２】
前記測定ヘッドの反対側に備えられているビームトラップをさらに有し、
前記ビームトラップ及び前記測定ヘッドは、分光学的調査体積を生成する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の分光系。
【請求項１３】
患者の関心体積中の生物学的組織の特性を決定する分光系用コンピュータプログラム製品はコンピュータプログラム手段を有し、前記コンピュータプログラム手段は：  
前記分光系の少なくとも一の検出素子から得られる出力信号を処理する；
前記測定ヘッドが測定位置にあるか否かを測定ヘッドが出力信号処理に応じて決定する；及び、
前記出力信号処理に応じて前記励起ビームを切り替える；
ことを特徴とし、
前記分光系は前記関心体積へ励起ビームを導光する測定ヘッドを有することを特徴とするコンピュータプログラム製品。
【請求項１４】
前記分光系は、前記関心体積へ観察ビームを導光し、前記関心体積からの観察戻り放射線を収集する観察手段をさらに有し、
前記観察戻り放射線は前記関心体積の可視像を表し、
コンピュータプログラム手段はさらに、前記観察戻り放射線強度を決定する前記可視像を処理する、
ことを特徴とする、請求項13に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１５】
コンピュータプログラム手段をさらに有し、前記コンピュータプログラム手段は：
前記可視像中の生物学的組織を認識する、
前記の可視像中の生物学的平板状組織の認識に応じて前記励起ビームを切り替える前記手段へ送信する検出信号を発生させる、
ことを特徴とする、請求項13に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１６】
患者の関心体積中の生物学的組織の特性を決定する方法であって：
少なくとも一の検出素子を利用することで、前記測定ヘッドが測定位置にあるか否かを検出する手順；及び、
前記少なくとも一の検出素子からの出力に応じて前記励起ビームを切り替える手順；
を有し、
前記関心体積へ励起ビームを導光する測定ヘッドを有する分光系によって実行されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記の励起ビーム切り替え手順は、複数の満たされた放出基準のうちの一以上に応じて励起ビームを放出する手順を有し、前記放出基準は：
前記少なくとも一の検出素子によって所定の範囲内にあるか否かが決定される接触圧力；
前記少なくとも一の検出素子によって所定の範囲内にあるか否かが決定される電気抵抗；
所定の範囲内にある観察ビームのうちの観察戻り放射線強度；及び、
所定の範囲内にある少なくとも一の生物学的組織を表す前記観察戻り放射線によって供される可視像；
を有することを特徴とする、請求項16に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生物学的細胞組織の分光分析、特に生物学的細胞組織の生体内検査の保護機構の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的分光技術を分析目的に利用することそれ自体は従来技術から知られている。特許文献1及び特許文献2は、患者の皮膚の直下にある毛細血管を通って流れる血液の組成を生体内に侵襲せずに分析する分光分析用装置を示す。分光分析用励起ビームを導光すべき関心体積を特定するため、毛細血管の位置は観察系によって決定される。関心体積の画像解析及びスペクトル解析は同時に実行されるのが好ましい。観察とスペクトル解析を同時利用することで、S/N比又は検出可能な分光信号のバックグラウンドに対する比を増加させることが可能となる。原則として、毛細血管の十分な可視化を提供する方法であれば如何なる方法でも適用可能である。
【０００３】
分光分析はたとえば、血液中の検体濃度を測定するのにラマン分光を利用する。典型的には、ラマン分光では、レーザー出力約200mWの近赤外(NIR)レーザーが用いられる。近赤外範囲の光は可視ではないが、人の目に深刻な損傷を引き起こす恐れがあるため、たとえば非侵襲の血液分析システムのような、高出力赤外放射線を利用する医療検査システムには、患者の高感度部分の意図しない露光を防ぐ安全予防策が備えられていなければならない。特許文献3は、非侵襲の分光分析によって血液酸化を観察するレーザーダイオード光トランスデューサ集合体について開示している。この集合体はまた、誤って患者の皮膚から集合体が離れてしまった場合にレーザーダイオードをオフにできる発光ダイオード(LED)安全装置をも有する。この安全発光ダイオードは、そのような近赤外分光系の使用によって、レーザー光が人を露光する危険性を最小限にするレーザー安全インターロックの一部として機能する。
【０００４】
レーザー安全インターロックの目的は、近赤外分光用プローブが対象物に対して安全に取り付けられていない場合に、レーザーダイオードのパルス放出を抑制することである。LEDはレーザーダイオードのパルス放出が初期化される前に動作する。LEDの光レベルは、安全な近赤外プローブの取り付けを検出するフォトダイオードによって監視される。誤ってプローブが離れてしまった際には、レーザーダイオードは自動的にシャットダウンされる。検出されるLED光レベルが低いということは、レーザー光が自由空間に放出されている恐れがあるか、あるいは遮蔽されていることを示唆する。検出されるLED光レベルが高いということは、集合体が固定されていない状態であることを示唆する。なお、光は皮膚又は対象物で反射され、生物学的細胞組織を通り抜けることなくフォトダイオードへ向かうものと推定されている。
【０００５】
特許文献3で開示されているレーザー安全インターロックは、安全性LED及び、安全LEDの光レベルを監視するフォトダイオードを特別に利用する。従って、そのような近赤外分光用集合体は、レーザー安全インターロックを実現するために特別に設計された少なくとも二の付加的構成部品を必要とする。しかも、提案されたレーザー安全インターロックは、発光及び監視技術に基づいている。その結果、その機能性は取り付けられた対象物の反射率に大きく依存する。
【特許文献１】国際公開第02/057758号パンフレット
【特許文献２】国際公開第02/057759号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第1080683号明細書
【特許文献４】米国特許第60/262582号明細書
【特許文献５】欧州特許第02732161.1号明細書
【特許文献６】欧州特許第03100689.3号明細書
【特許文献７】欧州特許第03102481.3号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
問題は、近赤外分光用集合体が、表面条件の違いで様々な反射率を有することを特徴とする、様々な異なる対象物に対して取り付けられるときに生じる恐れがある。それはたとえば、それぞれ異なる人種に属する人々の皮膚の色の違いである。
【０００７】
そのようなレーザー安全インターロックの他の欠点は、近赤外分光用集合体が、たとえば前腕、耳たぶ、ほおの内側、舌又は鼻孔のような、反射率がそれぞれ異なることを特徴とする、人体のそれぞれ異なる領域にも普遍的に適用しなくてはならないときに生じる。
【０００８】
本発明は従って、患者の関心領域内の生物学的細胞組織の特性を決定する分光系の普遍的保護機構の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、関心体積中の生物学的組織の特性を決定する分光系を提供する。分光系は、生物学的細胞組織又は流体を生体内でかつ非侵襲で分析するように設計されているのが好ましい。生物学的組織は、たとえば皮膚表面の直下、特定の血管のような細胞組織の様々な特定試料を参照する。しかも、分光系はまた、たとえば髪の毛又は特定腺のように皮膚表面にある生物学的組織をも参照することが可能である。たとえば、患者の皮膚表面直下の血管を介して流れる血液の特性は、非侵襲的分光分析の手段で決定することが十分可能である。
【００１０】
分光系は、励起ビームを関心体積へ導光する測定ヘッド及び、測定ヘッドが測定位置にあるか否かを決定する少なくとも一の検出素子を有する。さらに分光系は、前記少なくとも一の検出素子からの出力に応じて励起ビームを切り替える手段を有する。測定位置は、測定ヘッドと患者の皮膚表面との間の相対位置を参照する。本発明の特定実施例に依存するが、測定ヘッドが皮膚表面と直接物理的に接しているとき又は、測定ヘッドが皮膚と直接接してはいないが、皮膚表面近傍に位置するときには、測定ヘッドは測定位置にある。
【００１１】
少なくとも一の検出素子は、測定ヘッドが測定位置にあるか否かを示す出力を発生する。原理的には、前記少なくとも一の検出素子の出力は、たとえば電気信号、磁気信号、空気信号、光信号、音響信号のような任意の信号又は単純な力学的変動であっても良い。
【００１２】
また、励起ビームを切り替える手段は、複数の異なる方法で実装することが可能である。その方法はたとえば、機械シャッター、電気駆動シャッター、音響光学変調器(AOM)又は同様の装置のような励起ビームの伝播を遮断するものである。あるいはその代わりに、励起ビームを切り替える手段は、励起光を発生させる光源の電源をオフにする単純スイッチとして実装することが可能である。
【００１３】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、前記少なくとも一の検出素子が、分光系の測定ヘッドと皮膚表面との間の接触圧力を表す出力を発生させる圧力センサとして実装される。検出素子として圧力センサを利用する機構及び、圧力センサによって供される信号に応答して励起ビームをオフに切り替える手段は、高強度励起ビームが誤って自由空間に放出されるのを有効に防止することができる。圧力センサが所定の接触圧力を検出するときのみ、対応する出力信号が、励起ビームをオフに切り替える手段に供される。
【００１４】
供された圧力信号が、測定ヘッドが患者の皮膚と物理的に接触していることを示唆する場合にのみ、その信号が供された後に、励起ビームをオフに切り替える手段は励起ビームを放出する。しかも、そのような圧力センサを利用することで、接触圧力が最大許容値を超える場合にも励起ビームによる皮膚の露光を有効に防止できる。たとえば、接触圧力が極端に大きいときには、患者の皮膚及び、特に関心体積内の生物学的組織は力学的に変形するため、分光分析の結果が不正になってしまう。
【００１５】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、前記少なくとも一の検出素子は二の電極を有する。さらに、前記少なくとも一の検出素子は、二の電極間の電気抵抗を表す電気信号を発生させる。測定ヘッド及び特に、測定ヘッドの検出素子における二の電極が患者の皮膚表面に物理的に接触しているとき、二の電極は、皮膚表面の電気抵抗の決定が十分可能となる。前記少なくとも一のセンサ素子における二の電極間の電気抵抗が所定の範囲内であるとき、つまり検出素子が患者の皮膚表面と物理的に接触していることを示唆するとき、励起ビームの切り替え手段は、励起ビームを関心体積内に向けて放出する。この特定実施例では、本発明は皮膚表面の電気的特性を利用する。それにより、検出素子が、皮膚表面とは実質的に異なる電気抵抗を有することを特徴とする、たとえば空気又は導体のような材料によって囲まれているときに、高出力放射線が測定ヘッドから放出されるのを有効に防止することができる。
【００１６】
皮膚表面の電気的特性の測定は、電気抵抗の測定を可能にする直流電圧の印加に基づいて実行されるのが好ましい。あるいはその代わりに、皮膚表面の電気抵抗及びリアクタンスの実効的測定を可能にする、数MHzまでの周波数を有する交流電圧を印加しても良い。
【００１７】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、分光系は、観察ビームを関心体積へ導光し、関心体積からの観察戻り放射線を収集する観察手段をさらに有する。この観察戻り放射線はさらに、関心体積の可視像を表す。
【００１８】
適切な観察又は画像化システムには、直交偏光スペクトルイメージング(OPSI)、共焦点ビデオ顕微鏡(CVM)、光コヒーレンストモグラフィ(OCT)、共焦点レーザー走査顕微鏡(CLSM)、ドップラーベースイメージング及び超音波に基づくイメージングが含まれる。対応する画像化技術については特許文献4〜7で開示されている。
【００１９】
典型的には、観察ビームの強度は、励起ビーム強度のよりもはるかに小さく、そのためたとえば目のような、放射線露光に対して一般に非常に敏感な人体の一部にも有害ではない。
【００２０】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、検出素子は、観察戻り放射線の強度を表す強度信号を生成する。従って強度信号は、分光系の測定ヘッド近傍にある対象物の反射率を表す。さらにこの強度信号はまた、測定ヘッドと物体間の距離をも表す。
【００２１】
たとえば、所定閾値未満の強度信号の減少は、測定ヘッドが皮膚表面から離れていることを意味する。その結果、励起ビームをオフに切り替える手段は、観察戻り放射線の強度が所定の範囲内に戻るまで、励起ビームの伝播を阻止する。この所定範囲は、分光系の測定ヘッドが、皮膚表面に近接している、又は物理的に接触しているときに、一般的には患者の皮膚表面によって反射される観察ビーム強度の特性値をカバーする。分光系が関心体積を可視化するために、実効的に観察戻り放射線を利用するので、分光系は、たとえば電荷結合素子(CCD)カメラのような観察戻り放射線を検出する手段をすでに有する。そのような場合、観察戻り放射線強度の決定によって、単一画素CCDアレイによって検出される強度の積算は制限される。特許文献3の開示とは対照的に、付加的安全LED及び、LED安全装置を実現するためのみに設計及び実装された独立検出器を実装する必要はない。
【００２２】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、検出素子は、検出体積に関連づけることのできる生物学的組織を認識する像分析ユニットをさらに有する。パターン認識手段を利用することで、分光分析に適した特性の生物学的組織は、像解析ユニットによって有効に追跡可能となる。パターン認識はたとえば、観察戻り放射線によって生成される関心体積の可視像に基づいて実行することが可能である。一旦関心体積の可視像が生成され、ユーザーに表示されると、特定の生物学的組織もまたユーザーによって認識され、かつ追跡可能となる。従って、ユーザーは手動でパターン認識を行うことも可能である。像解析ユニットはさらに、可視像中の生物学的平板状組織の認識に応じて励起ビームをオンに切り替える手段へ送信される検出信号を発生させる。
【００２３】
これにより、生物学的組織が関心体積中で検出されたときにのみ励起ビームを放出することが可能となる。特に、生物学的平板状組織は励起ビーム放出前に認識される。これにより、皮膚への放射線の露光を最小にできる。その結果、露光は、人体におけるこれらの分光分析に適した領域に限定される。
【００２４】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、測定ヘッドが測定位置にあるか否かを検出するのは、励起ビームに基づいて実行することが可能である。低出力励起ビームの放出及び、それに対応する戻り放射線の検出によって、測定ヘッドの測定位置を実効的に決定することが可能である。観察戻り放射線を解析する代わりに、励起ビームそれ自体を解析することも可能である。安全警告用の観察システムの機能はよって、分光分析用手段に実効的に置き換えることが可能である。戻り放射線強度は、励起ビームが自由空間へ向けて放射されるのか、あるいはたとえばヒトの皮膚と同様の光反射特性を有する表面に照射されるのかのいずれであるのかを十分に示すことが好ましい。
【００２５】
低出力及び/又は非常に短時間の間隔を有する励起ビームを放出することで、人体の光感受性部分への損傷を実効的に防止する。励起放射線を低出力及び/又は短時間で放出し、それに続く戻り放射線の解析後、測定ヘッドの正確な位置が決定されたときに正確な分光測定手順を実行することが可能となる。正確な分光分析は、高出力で長時間露光の励起ビームを実効的に利用する。
【００２６】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、圧力センサの出力は、励起ビームをオフにする手段と機械的に結合する。励起ビームをオフに切り替える手段として機械的シャッターを実装することで、全て機械的で、強固でかつ正確な安全機構を可能にして、それにより励起ビームが自由空間に誤って放出されるのを防止する。
【００２７】
本発明のさらに別な好適実施例に従うと、分光系は、測定ヘッドの反対側に備えられているビームトラップをさらに有する。ビームトラップ及び/又は測定ヘッドは、分光調査体積を生成するように設計されている。調査体積は比較的小さく、対象物前方の人体の小さな一部のみを設置することが可能である。頭のような大きな人体部分を分光調査体積に設置することはできない。従って、たとえば患者の目のような光感受性の組織は、励起放射線による露光の影響を受けない。それに加えて、ビームトラップは励起放射線に対して非透明で、高吸収性である。従って、高出力近赤外レーザー光が自由空間へ放出されるのを実効的に防ぐことが可能である。このようにしてビームトラップは、光感受性の組織又は光感受性の生物学的組織に誤って照射することを防ぐ付加的手段の役割を果たす。分光調査体積は、ビームトラップと分光系の測定ヘッドとの間の体積、つまり高出力レーザー放射線によって照射される体積で定義される。原理的には、調査体積は、ビームトラップの大体の設計によって任意に実装することが可能である。
【００２８】
別な態様では、本発明は患者の関心体積中の生物学的組織の特性を決定する分光系用コンピュータプログラム製品を供する。分光系は励起ビームを関心体積に導光する測定ヘッドを有する。コンピュータプログラム製品は、測定ヘッドの少なくとも一の検出素子から得られる出力信号を処理するコンピュータプログラム手段を有する。コンピュータプログラム手段はさらに、測定ヘッドが測定位置にあるか否かを測定ヘッドが出力信号処理に応じて決定し、かつ出力信号処理に応じて励起ビームを切り替える。
【００２９】
さらに別な態様では、本発明は患者の関心体積中の生物学的組織の特性を決定する方法を提供する。本発明の方法は、励起ビームを関心体積に導光する測定ヘッドを有する分光系によって実行される。本発明は、少なくとも一の検出素子を利用し、続いて前記少なくとも一の検出素子からの出力に応じて励起ビームをオフに切り替えることで、測定ヘッドが測定位置にあるか否かを検出する手順を有する。
【００３０】
本発明は、少なくとも一の検出素子又は、複数の検出素子の任意の組み合わせを利用する、改良された実効的露光安全機構を提供する。上述のように検出素子は、圧力センサ、電気抵抗を決定するセンサ、観察戻り放射線強度を決定するセンサ又は関心体積内の生物学的組織を検出する像解析ユニットとしてでさえも実装することが可能である。本発明の方法は、前記少なくとも一の圧力センサの一実施例又は、複数の各異なる検出素子の様々な実施例の任意の組み合わせのいずれかに基づいて良い。
【００３１】
たとえば洗練された実施例では、第1に接触圧力は圧力センサの利用によって決定される。第2に、測定ヘッドと物理的に接触する、たとえば皮膚表面のような対象物の電気抵抗が決定される。測定ヘッドと物理的に接触する対象物の接触圧力及び電気抵抗を決定した後、観察ビームが対象物へ放出され、観察戻り放射線の強度は第3手順にて決定される。第4及び最終手順では、関心体積中の如何なる生物学的組織をも認識するため、観察戻り放射線によって供される可視像が像解析ユニットによって解析される。パラメータに関する四の条件である、接触圧力、電気抵抗、反射強度及び認識された生物学的組織すべてが満足される場合にのみ、皮膚表面直下にある指定された毛細血管を照射するため、励起ビームが測定ヘッドから放出される。
【００３２】
しかも分光系が動作モードにある、つまり励起ビームが現時点で関心体積に導光されているとき、本発明の保護機構は、絶えず上述の基準のいずれをも満足しているか否かをチェックする。上述の条件の一が満たされていないということは、測定ヘッドが誤って皮膚から離れていると意味すると思われる。この場合、対応する信号は、前記検出素子のうちのいずれか一から、伝送後に励起ビームの伝播を禁止する切り替え手段へ伝送される。
【００３３】
本発明は、たとえばラマン分光法のような特定の型の分光技術に限定されず、他の分光技術も使用可能であることに留意すべきである。これには、(i)誘導ラマン分光法及びコヒーレント反ストークスラマン分光法(CARS)に基づく他の方法、(ii)赤外分光法、特に赤外吸収分光法、フーリエ変換赤外(FTIR)分光法及び近赤外(NIR)拡散反射分光法、(iii)他の散乱分光技術、特に蛍光分光法、多光子蛍光分光法及び反射分光法、及び(iv)たとえば光音響分光法、偏光分光法及びポンプ-プローブ分光法のような他の分光技術が含まれる。本発明への応用に対して好適な分光技術は、ラマン分光法及び蛍光分光法である。
【００３４】
以降では、図を参照しながら本発明の詳細について説明する。
【実施例】
【００３５】
図1は、本発明の保護機構のブロック図を示す。分光系100は励起ビーム116を発生させるレーザー光源106を有する。分光系はさらに、シャッター108、圧力センサ104、測定ヘッド120、対物レンズ102、二色性ミラー112、スペクトロメータ110及びキーモジュールを有する。分光系100又はその測定ヘッド120は皮膚150の表面直下にある関心体積152を分光学的に解析するため、皮膚150近傍にある。
【００３６】
レーザー光源106から放出される励起ビーム116は、レーザーの放出、又は励起ビーム116の伝播の阻止のいずれかの実行を可能にするシャッター108を介して伝搬する。シャッター108が開いているとき、励起ビームで関心体積を露光するため、励起ビームはある角度において、二色性ミラー112で反射される。従って励起ビームは、励起ビーム116を、たとえば皮膚150表面直下にある関心体積152へ集光する対物レンズ102を介して導光される。
【００３７】
測定ヘッド120は、励起ビーム116に対して実質的に透明であり、放射線で関心体積152を露光することを可能にする。図示された実施例では、測定ヘッド120は圧力センサ104と機械的に結合する。この目的のため、測定ヘッド120は、分光系100の筐体によって弾性的に支持されている。測定ヘッド120が皮膚150と物理的に接触することで、測定ヘッド120と皮膚150との間に明確な接触圧力が働くとき、圧力センサ104は、シャッター108へ伝送される出力信号を発生する。圧力センサ104の接触圧力及びそれに対応する出力信号が、分光系100が皮膚150に固着されていると結論づけるのを妥当とする所定の範囲内にあるとき、励起ビーム116は、シャッター108によって放出され、その結果関心体積152が励起ビームによって露光される。
【００３８】
キーモジュール107は、レーザー106をオンにするスイッチとして機能する。従ってキーモジュールは、適切なキーがキーモジュール107に挿入されるときにレーザー光源106の動作を可能にする、一種のキーロックとして実装される。キーへのアクセスが許可された個人のみに制限されているとき、許可のない分光系の使用は、実効的に防止される。さらにより洗練された実施例では、キーモジュールは、許可されたユーザーの同定に応じたときにのみレーザーの動作を可能にする、一般的なアクセス制御モジュールとして実装することが可能である。許可された個人の同定は、たとえば指紋又は虹彩のような個人の生体認証データをチェックすることで実行することが可能である。
【００３９】
好適には、測定ヘッドは、分光分析系の容易かつフレキシブルな応用を可能にする小型ハンドヘルド装置として設計される。従って、スペクトロメータ110、レーザー光源106及びシャッター108は、測定ヘッド120、対物レンズ102及び圧力センサ104を供するプローブヘッドとファイバ光学手段によって接続されているベースステーション内部に設けられている。
【００４０】
関心体積特に、関心体積152内部にある生物学的組織内部では、励起ビームは、様々な種類の散乱過程を含む。これらの散乱過程は、関心体積内で散乱される放射線スペクトルで、検出可能な周波数シフトを引き起こす。この散乱放射線の少なくとも一部が戻り放射線として測定ヘッド120に再入射し、対物レンズ102を介して伝搬し、二色性ミラー112を介して透過し、最終的にはスペクトロメータ110に入射する。二色性ミラー112は、低反射率を有することを特徴とするので、戻り放射線の周波数シフト成分に対する透過率は高くなる。このようにして、戻り放射線のうちのそのような、関心体積152内で非弾性散乱される成分のみが、たとえば関心体積152内にある毛細血管を流れる血液の組成のような特性の決定を可能にする分光分析用スペクトロメータへ向けて透過される。
【００４１】
このようにして、測定ヘッド120が任意の対象物と適切な状態で物理的に接触していないときに、保護機構は高出力励起ビーム116の放出を実効的に防止する。保護機構は励起ビーム116で皮膚150を露光している最中にも動作しているため、測定データ取得中に皮膚150から測定ヘッドが誤って離れるのを、検出後信号を、励起ビームを遮断するシャッター108へ伝送する圧力センサ104によって実効的に検出する。
【００４２】
複雑ではないが、精密な実施例では、圧力センサ及びシャッター108は、全機械的装置として実装可能である。この場合、圧力センサ104はシャッター108と機械的に結合しなくてはならない。
【００４３】
図2は、二の電極162及び164と電気的に接続する抵抗センサ160として検出素子が実装されている保護機構のブロック図を示す。分光系100の他すべての構成要素は、図1の実施例と比較してほとんど変化ない。二の電極162及び164は測定ヘッド120に埋め込まれている。ここで測定ヘッド120が、電極162及び電極164が皮膚150に物理的に接触することで皮膚150に近接するとき、抵抗センサ160は、皮膚150の電気抵抗を表す電気信号を発生することが可能となる。
【００４４】
抵抗センサ160は、皮膚150の表面と組み合わせることで電気回路を形成する二の電極162及び164に小さな電圧を印加する。この電気回路の電気抵抗を測定することで、抵抗センサは、二電極間の電気抵抗を十分に決定することが可能である。患者の皮膚の電気抵抗が周辺空気の電気抵抗よりもある程度小さいため、測定ヘッド120と、皮膚の電気抵抗に対応する電気抵抗を有する対象物との間の物理的接触を十分に決定することは可能である。抵抗センサ160によって決定される電気抵抗が、皮膚の抵抗に対して典型的な範囲内にあるとき、励起ビーム116を放出するため、対応する信号が抵抗センサ160からシャッター108へ伝送される。抵抗を決定するため、DC又はAC電圧のいずれかを印加することで、皮膚表面の電気抵抗及び/又は皮膚表面のリアクタンスの測定がそれぞれ可能となる。
【００４５】
図3は、関心体積可視化用の観察ビームを利用した洗練された保護機構のブロック図を示す。この実施例では、分光系はさらに、観察ビーム124を発生させる光源130、画像化ユニット170、像解析ユニット172、シャッター制御ユニット174、二の付加的ビームスプリッタ122及び126、及びミラー128を有する。
【００４６】
光源130は、ビームスプリッタ122での反射によって励起ビーム116と共軸で整合する観察ビーム124を放出する。観察ビーム124は、ビームスプリッタ126を透過し、さらに対物レンズ102をも透過して、最終的には画像化目的で関心体積152を露光する。一般的には、観察ビームの出力は、励起ビーム116の出力よりもはるかに小さい。観察ビームの少なくとも一部は、関心体積内で反射され、観察戻り放射線118として測定ヘッド及び対物レンズ102に再入射する。この観察戻り放射線は、部分的にはビームスプリッタ126及びビームスプリッタ126を透過する。その透過した戻り放射線は最終的にはミラー128によって反射されることで画像化ユニット170へ導光される。
【００４７】
画像化ユニット170は、受光観察戻り放射線から可視像を生成する一方で、他方では、観察戻り放射線の全強度を計算する能力を有する。この全強度の大きさは、皮膚150又は関心体積152の反射率を表す。全強度の大きさはさらに、観察ビーム124が測定ヘッド120外部の物体によって反射されるか否かを判断するのに用いることができる。あるいはその代わりに、観察ビーム124と戻り観察ビーム118との強度比を用いることも可能である。
【００４８】
たとえば測定ヘッド120を皮膚150から誤って話してしまったために観察ビーム124が自由空間へ放出されるとき、画像化ユニット170によって決定される観察戻り放射線118の強度は顕著に減少する。そのような場合、画像化ユニット170は、対応する信号をシャッター制御ユニット174へ伝送し、最終的にはシャッター108によって励起ビーム116の放出を防止する。
【００４９】
測定ヘッド120が皮膚150に適切に取り付けられているとき、画像化ユニット170は、固有範囲内にある観察戻り放射線124の強度値を検出する。そのような場合、画像化ユニット170はさらに、受光観察戻り放射線124を処理し、像解析ユニット172へ出力信号を供する。像解析ユニット172は、観察戻り放射線から導かれる可視像中の生物学的組織つまり毛細血管を検出するためのパターン認識を実行する。可視像中に認識可能な毛細血管が存在しない場合、励起ビーム116の伝送を阻止するため、像解析ユニット172は対応する信号をシャッター制御ユニット174へ伝送する。
【００５０】
このようにして観察ビームは多様な異なる方法で利用される。まず第1に、励起ビームを明確な毛細血管へ正確に導光するため、観察ビームは関心体積152を可視化する役割を果たす。第2に、分光系100の測定ヘッド120が非透明対象物に近接しているか否かを判断するために、観察戻り放射線を有効に利用することが可能である。第3に、関心体積内部に毛細血管が存在するか否かを判断するために、観察ビームに基づいて生成される可視像を利用することが可能である。
【００５１】
特に、観察戻り放射線の強度が所定の範囲外のとき又は、観察戻り放射線が毛細血管を全く表示しないとき、励起ビームを発生させるレーザー光源106がシャットダウンする又は、励起ビーム116がシャッター108によって遮断される。従って、励起ビーム人体の光感受性の高い部位に誤って導光される危険性は十分小さくなる。
【００５２】
図3で図示された実施例はまた、抵抗センサ160と接続する二の電極162及び164をも利用する。皮膚の抵抗測定の機能性については図2に図示されている。ここでは、抵抗センサ160は、二の電極162と164との間の抵抗を表す信号をシャッター制御ユニット174へ伝送する。シャッター制御ユニット174の手段によって、保護機構は複数の各異なる方法で調節可能となる。
【００５３】
画像化ユニット170、像解析ユニット172及び抵抗センサ160が信号をシャッター制御ユニット174に供するため、これらの各異なる信号は、シャッター制御ユニット174によって組み合わせられることで、各異なる保護レベルに従ってシャッター108を動作させることが可能となる。高次の保護レベルでは、シャッター制御ユニット174によって受信される各信号は、所定範囲内になくてはならないため、測定ヘッド120及び皮膚150が適切に取り付けられていることを示さなくてはならない。低次保護モードでは、受信信号のうちの一だけが、分光系100及び皮膚150が取り付けられていることを示さなくてはならない。
【００５４】
図示されたビームスプリッタ122、ビームスプリッタ126及び二色性ミラー112の配置は原則として、測定に利用される放射線を十分に導光できるような他の光学構成要素によって置き換えることが可能である。たとえばビームスプリッタ126はまた、二色性素子として実装することも可能である。その二色性素子は、励起放射線及び戻り放射線に対して高屈折率を供し、戻り放射線に対して高透過率を有することを特徴とする。
【００５５】
一般には図3で図示された実施例は、実効的保護機構を実装する様々な例のうちの一のみを示している。またここでは、分光系をベースステーションとプローブヘッドとに分離するのが有利である。プローブヘッドは少なくとも、励起放射線を関心体積に導光し、対応する戻り放射線を収集する対物レンズを提供しなければならない。さらに電極162及び電極164は、プローブヘッド内に実装されなくてはならない。プローブヘッドとベースステーションの間で光信号及び電気信号が十分に伝送されるのであれば、他の構成要素のすべては原則的にはベースステーション内部に設置されて良い。
【００５６】
図4はいよいよ、励起ビームの放出条件を評価するフローチャートを示している。このフローチャートは、高い保護レベルを特徴とする保護機構実現のため、好適には分光系特に分光系のシャッター制御ユニットによって実行される方法を表す。ここでは、様々な型の検出素子が、測定ヘッド120が適切に取り付けられていることを表す各異なるパラメータを与える。第1手順400では、接触圧力は圧力センサを利用して決定される。続く手順402では、決定された接触圧力が、分光系100が他の対象物と物理的に接触していることを示す所定範囲内にあるか否かをチェックする。
【００５７】
接触圧力が所定範囲外である場合、手順404において、励起ビームはシャッターの手段によって遮断される又は、励起ビームを発生するレーザー光源106がオフに切り替えられる。その後、手順400が繰り返し実行される。手順400、手順402及び手順404からなるループは、接触圧力が所定範囲外にある限り実行される。
【００５８】
手順402において接触圧力が所定範囲内にあるとき、続く手順406では、電極間の電気抵抗が測定される。続く手順408は、決定された抵抗が、皮膚における典型的な所定範囲内にあるか否かをチェックする。決定された抵抗が特性範囲外の場合、手順410が実行され、励起ビームは遮断される。その後本方法は、電極間の電気抵抗を繰り返し決定するため、手順406に戻る。上述と同様に、手順406、手順408及び手順410からなるループは、電気抵抗が所定外にある限り実行される。手順408で、電気抵抗が所定範囲内にあると判断されるときのみ、手順412が実行される。
【００５９】
手順412では、観察ビームが放出され、観察戻り放射線が決定される。続く手順414では、観察戻り放射線の強度が所定範囲内にあるか否かをチェックする。強度が所定範囲外にある場合には、手順416が実行され、励起ビームが遮断される又は、励起ビームを発生するレーザー光源がオフに切り替えられる。その後、手順412は繰り返し実行される。繰り返しになるが、手順412、手順414及び手順416からなるループは、観察戻り放射線の強度が所定範囲内になるまで繰り返し実行される。この場合、観察戻り放射線の可視像を解析するため、手順418が引き続いて実行される。
【００６０】
可視像中の毛細血管を認識するため、手順418で実行されるような観察戻り放射線の可視像の解析は、パターン認識手段を好適に利用する。手順420では、手順418で認識された如何なる毛細血管についてもチェックされる。手順420において毛細血管が認識されないとき、手順422が引き続き実行され、再度励起ビームが遮断される。その結果、解析手順418が繰り返し実行される。手順418、手順420及び手順422からなるループは、観察戻り放射線像の解析によって毛細血管が認識されるまで繰り返し実行される。四の条件402、408、414及び420すべてが真と評価されるときにのみ、励起ビームは最終的に手順424で放出される。
【００６１】
励起ビームの放出条件を評価する複数の代替的実施例もまた考えられる。たとえば各放出条件は、シャッター開放及び/又は、レーザー動作をオンにする前に一度だけ評価されるだけでも良い。そのような、プローブヘッドが離れていることが考えられにくい場合では、分光データ取得中においてはもはや放出条件はチェックされない。しかし好適実施例では、各放出条件は、永続的かつ独立にチェックされる。条件のうち1つでも偽と評価されるとすぐ、レーザー動作が停止し、励起ビームの放出が実効的に防止される。放出条件の順次評価又は同時評価の組み合わせを有する他の実施例も原理的には考えられる。
【００６２】
図5は、測定ヘッド120が、測定ヘッド120から放出される励起光の波長に対して非透明でかつ、強い吸収示すビームトラップ180で被覆されていることを特徴とする分光系100の実施例を図示している。好適には、ビームトラップ180は、たとえば指、手又は上腕のような人体の小部分182のみが測定ヘッド120の開口部前方に直接設置可能なように設計されている。このようにして、一方で自由空間への災害となる放射を実効的に防止する。他方では、ビームトラップ180を適切に設計することで、たとえば頭のような人体のかなり大きな部分は測定ヘッド前方に直接設置することができない。従って、励起ビームを、たとえば患者の目のような光感受性組織に誤って導光する危険が実効的に減少する。
【００６３】
しかも分光系のビームトラップ及び筐体によって特定される体積をそのままにしながら、光ビームは実効的に遮断される。応用分野に依存して、特定の幾何学的形状を有する様々なビームトラップを、分光系100の筐体に取り付けることが可能である。
【００６４】
本発明は、高エネルギーレーザー照射を利用する分光系の安全機構を実現するため、複数の有効な手段を供する。安全機構は、全機械装置として、及び/又は、分光系の測定ヘッドが患者の皮膚と直接接触しているか否かを示すセンサ素子を利用することで実装されて良い。このようにして、災害となる自由空間へのレーザー照射は実効的に防止される。付加的像処理手段を利用することで、重要な生物学的組織がパターン認識手段によって特定可能か否かに依存して、高出力レーザー放出を実効的に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】圧力センサを利用した本発明の保護機構のブロック図を示す。
【図２】電気抵抗測定を利用した保護機構のブロック図を示す。
【図３】観察戻り放射線を利用した洗練された保護機構のブロック図を示す。
【図４】励起ビームの放出条件を評価するフローチャートを示す。
【図５】ビームトラップを有する分光系のブロック図を示す。
【符号の説明】
【００６６】
100  分光系
102  対物レンズ
104  圧力センサ
106  レーザー
108  シャッター
110  スペクトロメータ
112  二色性ミラー
114  戻り放射線
116  励起ビーム
118  監視用戻り放射線
120  測定ヘッド
122  ビームスプリッタ
124  監視ビーム
126  ビームスプリッタ
128  ミラー
130  光源
150  皮膚
152  関心体積
160  抵抗センサ
162  電極
164  電極
170  画像化ユニット
172  画像解析ユニット
174  シャッター制御ユニット
180  ビームトラップ
182  人体の一部分
【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５】
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【国際調査報告】
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