(57)【要約】散乱試料の画像化ならびに光学特性および構造特性の測定のための、光ファイバベースの角度分解低コヒーレンス干渉計測システムおよび方法を開示する。シングルモード収集光ファイバを採用し、試料からの散乱光の角散乱分布を収集するようにスキャンさせることができる。シングルモード収集光ファイバの使用は、例として、費用を削減すること、信号精度を向上させること、および光コヒーレンストモグラフィシステムとの適合性をもたらすことができる。特定の実施形態では、試料からの光の収集された角散乱が、試料からの光の散乱の角散乱分布を提供するように、基準信号と相互相関される。角散乱分布は、散乱角での試料についての深度分解情報を有する、角度分解され、スペクトル的に分解された相互相関プロファイルを生じるように、スペクトル的に分散させることができる。角度分解され、スペクトル的に分解された相互相関プロファイルを分析して、試料についてのサイズおよび／または深度情報を提供することができる。また、本システムおよび方法は、不干渉計測モードで採用することもできる。
2013522619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料内の散乱体のサイズおよび／または深度特性を判定するために、前記試料の深度分解スペクトルを取得するための装置であって、
光源から分割される試料信号を伝達するように構成される、照射光ファイバで構成される試料経路であって、前記試料は、ある角度の前記試料信号で照射され、前記試料からの複数の角度の散乱試料信号を生成する、試料経路と、
前記光源から分割される基準信号を伝達するように構成される、基準経路と、
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記試料の周囲でスキャンさせられるように構成される、シングルモード収集光ファイバと、
それぞれが前記試料についての深度分解情報を有する、複数の相互相関された信号を生成するように、前記基準信号および前記複数の前記散乱試料信号のそれぞれを、前記複数の角度で相互相関させるように構成される、光ファイバカプラと、
前記散乱試料信号のスペクトル的に分解された角散乱分布を生じるように、前記複数の相互相関された信号をスペクトル的に分散させる、検出器と、
前記試料内の前記散乱体の特性情報を判定するために、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析するように構成される、制御システムと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記制御システムは、前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析する際、前記試料内の前記散乱体の前記深度特性を判定するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御システムは、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布をフーリエ変換することによって、前記試料内の前記散乱体の前記深度特性を判定するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御システムは、前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析する際、前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を判定するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記制御システムは、前記散乱試料信号の前記角散乱分布を、前記試料の分析的に予測される、または数値的に計算される角散乱分布と比較することによって、前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を回収するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記シングルモード収集光ファイバを前記試料の周囲で平行移動させるように構成される、アクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記アクチュエータは、少なくとも２次元内の前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記シングルモード収集光ファイバを前記試料の周囲で前記少なくとも２次元に平行移動させるように構成される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記シングルモード収集光ファイバは、前記試料からの正反射が前記シングルモード収集光ファイバによって受信されないように、前記試料に対してある傾斜角で位置付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光ファイバカプラは、前記基準経路および前記照射光ファイバに結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記検出器は、単一チャネル分光器で構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記照射光ファイバおよび前記シングルモード収集光ファイバは、前記照射光ファイバおよび前記シングルモード収集光ファイバと前記試料との間に配置されるレンズの焦面内に位置付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記試料経路内に配置される偏光子をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記基準経路内に配置される、少なくとも１つの基準光ファイバをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記基準経路の経路長を調節することを可能にするために、自由空間光学素子を間に備える、前記基準経路内に配置される一対のコリメータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記基準信号は、前記照射光ファイバの出力ファセットからの反射によって生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記照射光ファイバおよび前記シングルモード収集光ファイバの端部は、ファイバプローブ内に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ファイバプローブは、組織を検査するために使用される内視鏡の内視鏡プローブ内に採用される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
試料内の散乱体のサイズおよび／または深度特性を判定するために、前記試料の深度分解スペクトルを取得する方法であって、
前記試料からの複数の角度の散乱試料信号を生成するように、光源から分割され、照射光ファイバによって試料経路内を伝達される試料信号で、前記試料をある角度で照射することと、
前記光源を、基準経路内を伝達される基準信号に分割することと、
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、シングルモード収集光ファイバを、前記試料に対して複数の角度でスキャンさせることと、
それぞれが前記試料についての深度分解情報を有する、複数の相互相関された信号を生成するように、前記基準信号および前記複数の角度の前記散乱試料信号のそれぞれを相互相関させることと、
前記複数の相互相関された信号を検出することと、
前記散乱試料信号のスペクトル的に分解された角散乱分布を生じるように、前記複数の相互相関された信号をスペクトル的に分散させることと、
前記試料内の前記散乱体の特性情報を判定するために、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析することと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析することは、前記試料内の前記散乱体の前記深度特性を判定することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記試料内の前記散乱体の前記深度特性を判定することは、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布をフーリエ変換することによって判定される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析することは、前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を判定することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を判定することは、前記散乱試料信号の前記角散乱分布を、前記試料の分析的に予測される、または数値的に計算される角散乱分布と比較することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記試料の前記分析的に予測される、または数値的に計算される角散乱分布は、前記試料のミー理論角散乱分布および前記試料のＴ行列理論角散乱分布の群から構成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記シングルモード収集光ファイバをスキャンさせることは、前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記シングルモード収集光ファイバを前記試料の周囲で平行移動させることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記試料信号が前記試料を照射する前に、前記試料信号を偏光させることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記光源を基準経路内を伝達される基準信号に分割することは、前記照射光ファイバの出力ファセットからの反射を採用することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記試料内の散乱体のサイズ特性を判定するための装置であって、
光源から分割される試料信号を伝達するように構成される、照射光ファイバで構成される試料経路であって、前記試料は、ある角度の前記試料信号で照射され、前記試料からの複数の角度の散乱試料信号を生成する、試料経路と、
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記試料の周囲でスキャンさせられるように構成される、シングルモード収集光ファイバと、
前記散乱試料信号の角散乱分布を生じるように、前記複数の角度の前記散乱試料信号を検出するように構成される、検出器と、
前記試料内の前記散乱体のサイズ特性を判定するために、前記散乱試料信号の前記角散乱分布を分析するように構成される、制御システムと、
を備える、装置。
【請求項２８】
前記検出器は、前記散乱試料信号のスペクトル的に分解された角散乱分布を生じるように、前記複数の角度の前記散乱試料信号を検出するように構成され、
制御システムは、前記試料内の前記散乱体のサイズ特性を判定するために、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析するように構成される、
請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記制御システムは、前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析する際、前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を判定するように構成される、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記シングルモード収集光ファイバを前記試料の周囲で平行移動させるように構成される、アクチュエータをさらに備える、請求項２７に記載の装置。
【請求項３１】
前記照射光ファイバおよび前記シングルモード収集光ファイバは、前記照射光ファイバおよび前記シングルモード収集光ファイバと前記試料との間に配置されるレンズの焦面内に位置付けられる、請求項２７に記載の装置。
【請求項３２】
前記試料内の散乱体のサイズ特性を判定する方法であって、
前記試料からの複数の角度の散乱試料信号を生成するように、光源から分割され、照射光ファイバによって試料経路内を伝達される試料信号で、試料をある角度で照射することと、
前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、シングルモード収集光ファイバを、前記試料に対して複数の角度でスキャンさせることと、
前記散乱試料信号の角散乱分布を生じるように、前記複数の角度の前記散乱試料信号を検出することと、
前記試料内の前記散乱体のサイズ特性を判定するために、前記散乱試料信号の前記角散乱分布を分析することと、
を含む、方法。
【請求項３３】
前記散乱試料信号のスペクトル的に分解された角散乱分布を生じるように、前記複数の角度の前記散乱試料信号をスペクトル的に分散させることをさらに含み、
前記散乱試料信号の前記角散乱分布を分析することは、前記試料内の前記散乱体のサイズ特性を判定するように、前記散乱試料信号の前記スペクトル的に分解された角散乱分布を分析することを含む、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記散乱試料信号の前記角散乱分布を分析することは、前記試料内の前記散乱体の前記サイズ特性を判定することを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記シングルモード収集光ファイバをスキャンさせることは、前記複数の角度の前記散乱試料信号を受信するように、前記シングルモード収集光ファイバを前記試料の周囲で平行移動させることを含む、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００３年５月６日出願の、名称「Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」の米国特許第７，１０２，７５８号に関連する。
【０００２】
また、本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００６年１０月１１日出願の、名称「ｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｌｏｗ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」の米国特許第７，５９５，８８９号にも関連する。
【０００３】
また、本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００８年９月１５日出願の、名称「Ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ，  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  （ＬＣＩ）」の米国特許出願第１２／２１０，６２０号にも関連する。
【０００４】
また、本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００９年１月８日出願の、名称「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｉｓｓｕｅ  Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，  Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ，  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，  ａｎｄ／ｏｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ」の米国特許出願第１２／３５０，６８９号にも関連する。
【０００５】
また、本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００７年７月２０日出願の、名称「Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  Ｐｒｏｂｅ  Ｔｉｐ，  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｏｎ  ａ  Ｆｉｂｒｅ−Ｏｐｔｉｃ  Ｐｒｏｂｅ  Ｕｓｅｄ  ｉｎ  ａｎ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」の米国特許出願第１１／７８０，８７９号にも関連する。
【０００６】
また、本願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１０年１月２２日出願の、名称「Ｄｕａｌ  Ｗｉｎｄｏｗ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｃｈｅｍｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  （ＯＣＴ）  ａｎｄ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｌｏｗ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」の米国特許仮出願第６１／２９７，５８８号にも関連する。
【０００７】
背景
本開示の分野
本開示の技術は、散乱試料の画像化、ならびにそれらの光学特性および構造特性の測定のための、低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）システムおよび方法に関する。
【０００８】
技術背景
細胞の構造的特徴の検査は、多くの臨床研究および実験室での研究にとって必要不可欠である。細胞の研究の検査に使用される最も一般的なツールは、顕微鏡であった。顕微鏡検査は、細胞およびそれらの構造の理解における大きな発展をもたらしたが、準備のアーチファクトによって本質的に制限される。細胞の特性は、一瞬だけ見ることができ、それらの構造的特徴は、化学物質の追加のために変化する。さらに、検査のための細胞試料を取得するためには、侵襲が必要である。
【０００９】
したがって、細胞を含む生体内検査用途を可能にするために、光散乱分光法（ＬＳＳ）が開発された。ＬＳＳ技法は、細胞小器官の弾性散乱特性における変化量を検査して、それらのサイズおよび他の寸法情報を推測する。組織および他の細胞構造内の細胞特徴を測定するためには、多重散乱しており、もはや散乱物体についての容易にアクセス可能な情報を伝達しない拡散光から、単一散乱光を区別する必要がある。この区別または差別は、偏光格子の適用、研究および分析を弱散乱試料に制限または限定することによって、あるいは拡散した成分（単数または複数）を除去するようなモデル化を使用することによって等、いくつかの方法で達成することができる。
【００１０】
また、表面下部位からの単一散乱光を選択的に検出するための代替手法として、低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）も、ＬＳＳの方法として探究されてきた。ＬＣＩは、例えば、広帯域白色光源等の低時間的コヒーレンスを有する光源を利用する。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合致する際に達成される。本システムの距離分解能は、光源のコヒーレント長によって決定され、典型的に、マイクロメートル領域が、組織試料の検査に好適である。実験結果は、広帯域光源およびその第二高調波の使用は、ＬＣＩを使用した弾性散乱についての情報の回収を可能にすることを示した。ＬＣＩは、試料上の特定の点から散乱情報を受信するように、光源を試料上に向ける基準アームに対して試料を移動させることによる、時間深度スキャンを使用してきた。したがって、試料を完全にスキャンするためのスキャン時間は、約５〜３０分間であった。
【００１１】
細胞のサイズに関する表面下構造情報を取得する手段として、角度分解ＬＣＩ（ａ／ＬＣＩ）が開発された。これに関して、光は、基準ビームおよび試料ビームに分割され、試料ビームは、散乱光の角散乱分布を検査するために、試料上に異なる角度で投影される。ａ／ＬＣＩ技法は、サブ波長精密度および精度で構造情報を取得して、深度分解トモグラフィ画像を構築するために、ＬＣＩの表面下部位からの単一散乱光を検出する能力を、光散乱方法の機能と組み合わせる。構造情報は、単一の広帯域光源を、ある伝播角度を有する基準領域と組み合わせて使用して、後方散乱光の角散乱分布を検査することによって判定される。
【００１２】
ａ／ＬＣＩ技法は、細胞形態学の測定および発癌の動物モデルにおける上皮内新生組織形成の診断に見事に適用されてきた。試料についての構造情報を取得するａ／ＬＣＩ方法は、組織および生体外における細胞形態学の測定、ならびに発癌の動物モデルにおける上皮内新生組織形成の診断および化学抗癌剤の効果の評価に見事に適用されてきた。ａ／ＬＣＩは、組織を処理することなく、組織試料を予め格付けするために使用されており、生物医学診断としての技法の可能性を実証している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第７，１０２，７５８号明細書
【特許文献２】米国特許第７，５９５，８８９号明細書
【発明の概要】
【００１４】
「発明を実施するための形態」に開示される実施形態には、散乱試料の画像化ならびにそれらの光学特性および構造特性の測定に採用することができる、光ファイバベースの角度分解低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）（ａ／ＬＣＩ）システムおよび方法を含む。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、試料からの散乱光の角散乱分布を収集するために、関心試料に対して多数の散乱角でスキャンさせられる、シングルモード収集光ファイバを採用することができる。試料からの散乱光の角散乱分布を収集するために、シングルモード収集光ファイバを使用することで、いくつかの非限定的な利点をもたらすことができる。特定の実施形態では、１つのシングルモード収集光ファイバのみが採用される。
【００１５】
例えば、それぞれが試料からの光の特定の角度の散乱を収集するように構成される、複数の光ファイバを含む、マルチモード光ファイバ収集束を採用することができる。試料からの光の複数の角度の散乱の収集は、試料についての深度分解スペクトル情報を提供する、試料からの散乱光の角散乱分布を提供することができる。しかしながら、光ファイバ収集束内に複数のマルチモード光ファイバを提供することは、より費用がかかる可能性がある。さらに、マルチモード光ファイバの使用による、モード分散問題が存在し、それによって、基準信号の試料からの光信号の散乱との相互相関によって生成される干渉の精度が低減する可能性がある。問題をモード分散によって生じ得るより最小化するために、マルチモード光ファイバ内のいくつかのモードが励起されるように、マルチモード光ファイバのそれぞれの長さを、同一の長さになるように厳密に制御することができる。しかしながら、この厳密な長さ制御は、より費用がかかる場合がある。また、シングルモード光ファイバ収集束の使用も採用することができるが、複数のシングルモード収集光ファイバを提供することは、１つのシングルモード収集光ファイバを採用するより費用がかかる。さらに、シングルモード収集光ファイバの試料の周囲でのスキャンを提供することによって、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、標準的な光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）システムと適合し得、これは、ＯＣＴシステム用に既に開発されている機器に本ａ／ＬＣＩシステムを直接組み込むことを可能にし得る。さらに、ａ／ＬＣＩシステムでシングルモード収集光ファイバを使用することで、角度分解され、相互相関された試料信号を受信するために、画像化分光器というよりはむしろ単一チャネル分光器を採用することができ、例として、簡略化された小型のシステム設計および費用の削減をもたらす。
【００１６】
これに関して、本明細書に開示される特定の実施形態では、光源が提供される。基準信号および試料信号は、光源によって放出される光から分割される。試料信号は、ある角度で関心試料に向けられる。多数の散乱角の試料からの光の様々な角散乱を収集するように、シングルモード収集光ファイバを、試料の光軸に対して平行移動させることができる。これに関して、シングルモード収集光ファイバは、多数の散乱角の試料からの様々な散乱された試料光を収集するように、試料の周囲を多数の角度でスキャンさせることができる。試料からの散乱された試料光の収集された散乱は、干渉項を有する相互相関された信号を提供するように、基準信号と混合または相互相関される。次いで、シングルモード収集光ファイバの所与のスキャン角度の、試料についての深度分解情報を有するスペクトル的に分解され、相互相関された信号を生じるように、相互相関された信号を、分光器によってスペクトル的に分散させることができる。したがって、シングルモード収集光ファイバを、試料に対して多数の角度でスキャンさせることによって、各散乱角のスペクトル的に分解され、相互相関された信号の角散乱分布を判定し、提供することができる。したがって、スペクトル的に分解され、相互相関された信号の角散乱分布を制御システムによって処理して、試料についてのサイズ特性を判定することができる。
【００１７】
さらに、スペクトル的に分解され、相互相関された信号の角散乱分布をフーリエ変換して、試料についての深度情報および特性を生成することができる。この場合、本ａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、フーリエ領域ａ／ＬＣＩ（ｆａ／ＬＣＩ）システムおよび方法として特性付けることができる。試料についてのサイズおよび／または深度情報を判定するための様々な数学的技法および方法が提供される。また、シングルモード収集光ファイバを採用するａ／ＬＣＩシステムの他の実施形態も開示される。また、シングルモード収集光ファイバを採用する不干渉計測システムも開示される。
【００１８】
本明細書に開示されるこれらの方法、プロセス、技法、およびシステムは、患者の介護の標準を大幅に改善し、生体内の前癌および癌状態を含む組織状態の診断ならびに治療による全体の医療費を減少させる機会を提供する。本明細書に開示される方法、プロセス、および技法は、患者への最初の医療手順の時間までの治療時間を効果的に短縮し、したがって、より早期の治療および潜在的により優れた、かつより適時の結果をより低費用で提供する。これはまた、同一の、もしくは付随する医療手順または検査中に、罹患した組織を診断し、治療し、観察する能力により、観察が局所レベルで実施されるため、治療効果のより正確な診断および判定も提供する。また、上述の方法、プロセス、技法、およびシステムは、患者のより効果的な診断、治療、および観察、または処理量も可能にする。これは、保健医療施設および予約が限られた資源である場合に特に重要であり得る。
【００１９】
本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、生検または続く組織病理学的評価を介した組織抽出の必要なく、組織の健康状態を評価するための臨床的に実行可能な方法であり得る。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、多数の目的、例えば、異形成組織の早期検出およびスクリーニング、病期分類、治療効果の観察、および臨床医の生検または手術部位への誘導に適用することができる。ａ／ＬＣＩプローブに基づく光学的生検の非侵襲性、非イオン化性質は、これを、悪影響を及ぼすことなく、頻繁に適用することができることを意味する。ａ／ＬＣＩの迅速な結果を提供する潜在性は、その疾病スクリーニングへの広範囲に及ぶ適用性を大きく向上させる。
【００２０】
臨床活動に加えて、ａ／ＬＣＩ等のリアルタイムの光学的生検を、研究活動、特に化学的予防薬の研究において等、組織の健康状態を経時的に追跡するものにおいて使用することができる。組織試料または細胞培養物を様々な時点でスキャンして、組織または細胞の状態の変化を評価するために、リアルタイムａ／ＬＣＩを使用することができる。例えば、癌細胞の細胞培養物をスキャンし、次いで化学的予防薬で治療し、次いで、癌細胞が死滅したか（アポトーシスによって等）否かを調べるために、後の時点でスキャンすることができる。
【００２１】
さらなる特徴および利点は、以下の「発明を実施するための形態」において説明され、一部は、その説明から当業者に容易に明らかとなるであろう、または「発明を実施するための形態」、「特許請求の範囲」、ならびに添付の図面を含む、本明細書に記載される実施形態を実践することによって理解されるであろう。
【００２２】
前述の概略説明および以下の「発明を実施するための形態」の両方が、実施形態を提示し、本開示の本質および特性を理解するための要旨または構想を提供することが意図されることが理解される。添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、様々な実施形態を図示し、説明と共に、開示される概念の原理および動作を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】シングルモード収集光ファイバを採用する、角度分解低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）（ａ／ＬＣＩ）のための、例示的なＭａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ干渉計（ＭＺＩ）ベースのシステムの概略図である。
【図２】図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムを使用して、試料についての深度分解情報を有する、角度分解され、スペクトル的に分解されたプロファイルを回収するための例示的なステップを図示する、例示的なフローチャートである。
【図３Ａ】図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムによって捕捉された、カバースリップおよび顕微鏡用スライドで構成される、２層ファントムの例示的な深度分解角散乱分布を図示する。
【図３Ｂ】図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムによって捕捉された、２層ファントムのカバースリップ層の測定された散乱パターンの例示的なミー分析を図示する。
【図３Ｃ】図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムによって捕捉された、２層ファントムの顕微鏡層の測定された散乱パターンの例示的なミー分析を図示する。
【図４】図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムの例示的な不干渉計測モードの概略図である。
【図５Ａ】図４のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムの不干渉計測モードを採用する、例示的なミクロスフェア溶液の例示的なｐ偏光２次元（２Ｄ）角散乱分布を図示する。
【図５Ｂ】図４のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムの不干渉計測モードを採用する、例示的なミクロスフェア溶液の例示的なｐ偏光２次元（２Ｄ）角散乱分布を図示する。
【図５Ｃ】図４のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムの例示的なミクロスフェア溶液のｓ偏光２Ｄ分布を図示する。
【図５Ｄ】図４のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステムの例示的なミクロスフェア溶液のｓ偏光２Ｄ分布を図示する。
【図５Ｅ】それぞれ、図５Ａ〜図５Ｄに対応するミー理論シミュレーションを図示する。
【図５Ｆ】それぞれ、図５Ａ〜図５Ｄに対応するミー理論シミュレーションを図示する。
【図５Ｇ】それぞれ、図５Ａ〜図５Ｄに対応するミー理論シミュレーションを図示する。
【図５Ｈ】それぞれ、図５Ａ〜図５Ｄに対応するミー理論シミュレーションを図示する。
【図６Ａ】ａ／ＬＣＩ測定のための例示的なＭｉｃｈｅｌｓｏｎ−Ｓａｇｎａｃハイブリッドモード干渉計（ＭＳＨＩ）の概略図である。
【図６Ｂ】光路長（ＯＰＬ）に対する、図６ＡのＭＳＨＩからの信号の例示的な図である。
【図７Ａ】平行入射および平行散乱を伴う、例示的な２層ファントムの例示的な２Ｄ角散乱分布を図示する。
【図７Ｂ】平行入射および垂直散乱を伴う、例示的な２層ファントムの例示的な２Ｄ角散乱分布を図示する。
【図８】光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）測定に採用することができる、例示的なＭＳＨＩシステムの概略図である。
【図９Ａ】フーリエ面照射を使用する、例示的なＬＣＩイメージング法の概略図である。
【図９Ｂ】フーリエ面照射を使用する、例示的なＬＣＩイメージング法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ここで、実施形態の詳細について言及し、その実施例が添付の図面に図示され、すべてではないが、いくつかの実施形態が示される。実際には、概念は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用される法的必要要件を満足するために提供される。可能なときにはいつでも、類似の構成要素または部分を指すために、類似の参照番号が使用される。
【００２５】
「発明を実施するための形態」に開示される実施形態は、散乱試料の画像化ならびにそれらの光学特性および構造特性の測定に採用することができる、光ファイバベースの角度分解低コヒーレンス干渉計測（ＬＣＩ）（ａ／ＬＣＩ）システムおよび方法を含む。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、試料からの散乱光の角散乱分布を収集するために、関心試料に対して多数の散乱角でスキャンさせられる、シングルモード収集光ファイバを採用することができる。特定の実施形態では、１つのシングルモード収集光ファイバのみが採用される。試料からの散乱光の角散乱分布を収集するために、シングルモード収集光ファイバを使用することで、いくつかの非限定的な利点をもたらすことができる。
【００２６】
例えば、それぞれが試料からの光の特定の角度の散乱を収集するように構成される、複数の光ファイバを含む、マルチモード光ファイバ収集束を採用することができる。試料からの光の複数の角度の散乱の収集は、試料についての深度分解スペクトル情報を提供する、試料からの散乱光の角散乱分布を提供することができる。しかしながら、光ファイバ収集束内に複数のマルチモード光ファイバを提供することは、より費用がかかる可能性がある。さらに、マルチモード光ファイバの使用による、モード分散問題が存在し、それによって、基準信号の試料からの光信号の散乱との相互相関によって生成される干渉の精度が低減する可能性がある。問題をモード分散によって生じ得るより最小化するために、マルチモード光ファイバ内のいくつかのモードが励起されるように、マルチモード光ファイバのそれぞれの長さを、同一の長さになるように厳密に制御することができる。しかしながら、この厳密な長さ制御は、より費用がかかる場合がある。また、シングルモード光ファイバ収集束の使用も採用することができるが、複数のシングルモード収集光ファイバを提供することは、１つのシングルモード収集光ファイバを採用するより費用がかかる。さらに、シングルモード収集光ファイバの試料の周囲でのスキャンを提供することによって、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、標準的な光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）システムと適合し得、これは、ＯＣＴシステム用に既に開発されている機器にａ／ＬＣＩシステムを直接組み込むことを可能にし得る。
【００２７】
これに関して、図１は、改良型光ファイバマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）１２に基づく、ａ／ＬＣＩシステム１０の第１の実施形態を図示する。ＭＺＩ
１２は、動作の例示的なステップを提供する図２のフローチャートと併せて、以下に記載される。本実施形態では、ＭＺＩ１２は、２つの９０：１０シングルモード光ファイバカプラと、ＦＣ１  １４およびＦＣ２  １６とを含む。ＦＣ１  １４は、超発光ダイオード（ＳＬＤ）２０から放出される光ビームまたは信号１８（図２のブロック６０）を、基準経路またはアーム２２および試料経路またはアーム２４に分割する。基準アーム２２は、ＦＣ１  １４によって光信号１８から分割される基準信号２６（図２のブロック６２）を伝達する。本実施形態では、基準アーム２２は、基準信号２６をＦＣ２  １６に伝達する、ＦＣ１  １４およびＦＣ２  １６のそれぞれからの光ファイバ２５、２７を含有する。試料アーム２４は、ＦＣ１  １４によって光信号１８から分割される試料信号２８（図２のブロック６２）を伝達する。本実施形態では、試料信号２８は、照射光ファイバ２９によって伝達される。ＳＬＤ２０は、所望される任意の波長の光信号１８を放出してもよい。例えば、ＳＬＤ２０は、８３０ナノメートル（ｎｍ）ＳＬＤであってもよい。また、一例として、ＳＬＤ２０は、１７ナノメートル（ｎｍ）（すなわち、ΔλＦＷＨＭ＝１７ｎｍ）の帯域幅を有する、Ｓｕｐｅｒｌｕｍ  Ｄｉｏｄｅ，  Ｌｔｄ．によって製造されるＳＬＤであってもよい。
【００２８】
本実施形態では、基準アーム２２は、一対のコリメータＣ１  ３０およびＣ２  ３２を使用して、ＦＣ１  １４およびＦＣ２  １６の両方の１０パーセント（１０％）のポートを接続する。本実施形態では、基準アーム２２の経路長を試料アーム２４の経路長と合致させるために、基準アーム２２の経路長を調節することを可能にするために、Ｃ１  ３０は、直線移動ステージ３４上に搭載される。これに関して、以下に記載されるように、基準アーム２２の一部分は、基準アーム２２の経路長を試料アーム２４の経路長と合致させるために、基準アーム２２を容易に調節することを可能にする、自由空間光学素子を含有する。また、減光フィルタ（ＮＤＦ）３６を挿入することによって、基準アーム２２の強度を調節することもできる。本実施形態では、試料アーム２４は、ＦＣ１  １４およびＦＣ２  １６の２つの９０パーセント（９０％）のポートを反射モードに配設する。ＦＣｌ  １４からのポートは、光信号１８から分割される試料信号２８で、関心試料３８を照射する。ＦＣ２  １６からのポートは、それぞれ、試料３８からの光の後方散乱もしくは散乱、または試料３８を試料信号２８で照射する結果として散乱された試料光４０を収集する。
【００２９】
次いで、基準信号２６および散乱された試料光４０は、本実施形態では光ファイバ結合小型分光器４３である、検出器４２による検出のための干渉を生成するように、ＦＣ２  １６で混合される。例えば、分光器４３は、３６４８ピクセルを有するリニアセンサを含有する、ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓによって製造されるＨＲ４０００分光器であってもよい。本実施形態では、散乱された試料光４０の角散乱分布が偏光依存性であるため、データ分析にミー散乱モデルを効果的に使用するために、入射偏光が制御される。２つの配向の平均としてミーモデルベースの分析を実現することができるように、試料信号２８エネルギーをｐ偏光およびｓ偏光に均等に分布するために、偏光コントローラ（ＰＣ）４４が使用される。直線偏光が望ましい場合、インラインファイバ偏光子および偏光維持ファイバならびにカプラを使用することによって達成することができる。
【００３０】
続けて図１を参照すると、試料信号２８を試料３８に向け、試料信号２８の散乱の結果として試料３８からの散乱された試料光４０を収集する、シングルモード光ファイバプローブ４６の略図が図示されている。本実施形態では、ＦＣｌ  １４に結合される照射光ファイバ２９は、試料信号２８を伝達しており、ＦＣ２  １６に結合されるシングルモード収集光ファイバ４８は、試料３８からの散乱された試料光４０を収集するように位置付けられる。本実施形態では、１つのシングルモード収集光ファイバ４８が採用され、試料３８からの散乱された試料光４０を受信するようにスキャンさせられる。しかしながら、スキャン角度の数未満である場合にさえ、２つ以上のシングルモード収集光ファイバが採用されてもよい。例えば、２つのシングルモード収集光ファイバが採用され、スキャンさせられてもよく、各スキャンで、シングルモード収集光ファイバによって、２つの角度の散乱された試料光４０が受信される。そのようなことは要求されないが、散乱角より少ない数のシングルモード収集光ファイバを使用することによって、依然として利益を実現することができる。本実施形態では、照射光ファイバ２９およびシングルモード収集光ファイバ４８は、ドラムレンズ５０（例えば、レンズ５０は、長さが３．０ｍｍであり、直径が２．４ｍｍであり、２．２ｍｍの焦点距離を有する）の焦面内に位置付けられる。レンズ５０は、試料信号２８を平行化し、試料３８の光軸に対して角度θで移動する平行化されたビーム５２で、試料３８を照射する（図２のブロック６４）。また、レンズ５０は、混合された基準信号２６および散乱試料信号４０からの干渉項を含有する相互相関された信号５３を提供するように、基準アーム２２からの基準信号２６と混合または相互相関される、特定の角度θで収集光ファイバ４８に後方散乱され、ＦＣ２  １６に提供される光の散乱された試料光４０も収集する（図２のブロック６６）。
【００３１】
本実施形態では、収集光ファイバ４８は、シングルモード光ファイバである。さらに、本実施形態では、１つのシングルモード光ファイバのみが、収集光ファイバ４８内に提供される。したがって、それぞれが試料３８からの平行な異なる角度の散乱された試料光４０を収集するように配設されてもよい、複数の光ファイバを備える光ファイバ束とは対照的に、収集光ファイバ４８は、試料３８からの異なる角度の散乱された試料光４０を収集するように、試料３８の光軸に対して垂直に平行移動される。これに関して、収集光ファイバ４８は、散乱された試料光４０の角散乱分布を獲得する（図２のブロック６８）ために、モータ式アクチュエータ５４に結合されてもよい。例として、収集光ファイバ４８は、１次元（１Ｄ）角散乱分布を獲得するために１次元（ｘ）に、または２次元（２Ｄ）角散乱分布を獲得するために２次元（ｘおよびｙ）に、光軸に対して垂直に平行移動させることができる。
【００３２】
便宜上、θは、従来の散乱角の補完と定義される（すなわち、θ＝０ラジアン（ｒａｄ）は、後方散乱に対応する）。照射光ファイバ２９と収集光ファイバ４８との間のファイバ間距離ｄは、所与の速度（例えば、０．１ｍｍ／秒（ｓ））で、ある範囲（例えば、０．２５ｍｍ、１．３５ｍｍ）を通してスキャンさせられ、試料３８の光軸に対して多数の角度（例えば、１２秒間に約１１６角度）のスペクトルを収集する。このスキャンプロファイルは、対応して、有用な範囲（例えば、０．２７ｍｍ、１．２３ｍｍ、または０．０８８ｒａｄ、０．４０６ｒａｄ）、および角度分解能（例えば、０．００３２ｒａｄ）をもたらす。以下により詳細に記載されるように、試料３８からの散乱された試料光４０の角散乱分布の収集は、試料３８についてのサイズおよび／または深度特性を判定するために、制御システム４５によって処理し、分析することができる、試料についての深度分解スペクトル情報３８を提供することができる。
【００３３】
試料３８からの散乱された試料光４０の角散乱分布を収集するためにシングルモード収集光ファイバ４８を使用することで、いくつかの非限定的な利点をもたらすことができる。例えば、それぞれが図１の試料３８からの特定の角度の散乱された試料光４０を収集するように構成される、複数の光ファイバを含む、マルチモード光ファイバ収集束を採用することができる。試料３８からの複数の角度の散乱された試料光４０の収集は、試料についての深度分解スペクトル情報を提供する、角散乱分布を提供することができる。しかしながら、光ファイバ収集束内に複数のマルチモード光ファイバを提供することは、より費用がかかる可能性がある。さらに、マルチモード光ファイバの使用による、モード分散問題が存在し、それによって、基準信号の試料からの光信号の散乱との相互相関によって生成される干渉の精度が低減する可能性がある。問題をモード分散によって生じ得るより最小化するために、マルチモード光ファイバ内のいくつかのモードが励起されるように、マルチモード光ファイバのそれぞれの長さを、同一の長さになるように厳密に制御することができる。しかしながら、この厳密な長さ制御は、特により長い長さのファイバ束で、より費用がかかる場合がある。また、シングルモード光ファイバ収集束の使用を採用することもできるが、複数のシングルモード収集光ファイバを提供することは、シングルモード収集光ファイバ４８を採用するより費用がかかる。さらに、シングルモード収集光ファイバ４８の試料３８の周囲でのスキャンを提供することによって、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、標準的な光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）システムと適合し得、これは、ＯＣＴシステム用に既に開発されている機器にａ／ＬＣＩシステムを直接組み込むことを可能にし得る。さらに、シングルモード収集光ファイバを使用することで、角度分解され、相互相関された試料信号を受信するために、画像化分光器というよりはむしろ、単一チャネル分光器を採用することができ、例として、簡略化された小型システム設計および費用の削減をもたらす。
【００３４】
相互相関された信号５３は、分光器４３に入り、スペクトル的に分散される（図２のブロック７０）。シングルモード収集光ファイバ４８を多数の角度θでスキャンさせることによって、結果として生じる相互相関された信号５３を、分光器４３によって受信し、試料３８からの散乱された試料光４０の角散乱分布を提供するように、スペクトル的に分散させることができる。分光器４３によって検出される（図２のブロック７２）相互相関された信号５３の信号強度は、波数空間に再サンプリングした後、
【数１】
2013522619.tif 000003
と書くことができ、式中、Ｉｒ（ｋ）は、波数ｋでの基準アーム強度であり、ｄおよびθから独立しており、Ｉｓ（ｋ、θ）は、試料３８からの角度θで散乱される試料光４０であり、Δφ（ｋ、θ）は、２つの領域の間の位相差であり、ηは、一定であると見なされる、システムの結合効率および干渉効率を反映する因数である。図１のａ／ＬＣＩシステム１０では、Ｉｓ（ｋ、θ）は、無視することができ、したがって、信号処理は、Ｉｒ（ｋ）のみの除去を伴う。結果として生じる干渉計測項は、次いで、各散乱角θの深度スキャンを生成する（図２のブロック７２）ために、フーリエ変換される。ａ／ＬＣＩシステム１０によって許容される全範囲にわたる、試料３８からの散乱された試料光４０の角散乱分布が収集されると、本実施形態における最も近いサイズ合致を判定するために、結果がミー散乱データベースと比較される。
【００３５】
最適化された深度分解能を取得するために、ミー理論分析の前に、相互相関された信号５３のスペクトル分散を補償することができる。これは、分散が
Δφ（ｋ、θ）の非線形性であるか、または同等にδφ（ｋ、θ）＝Δφ（ｋ、θ）−ｋＬ、であり、式中、Ｌは、波長に依存しない、基準アームと試料アームとの間の光路長差の最良推定であるという事実に基づいて行うことができる。本実施形態におけるＬを発見するために、最初に、試料として鏡を使用して干渉を記録し、実際の位相差Δφ（ｋ、θ）とは２ｍπ異なり、式中、ｍは正の整数である、折り畳まれていない位相Δφ′（ｋ、θ）を取得する。したがって、
【数２】
2013522619.tif 000004
式（２）は、ｍおよびＬの初期推定値を生成することができる、最小二乗当てはめ問題である。ｍは、最も近い整数［ｍ］に丸められ、Ｌの最良推定を発見するために、別の直線回帰の式（２）において既知のパラメータとして使用される。次いで、分散δφ（ｋ、θ）がそれに応じて分かる。シングルモード収集光ファイバ４８をスキャンさせることは、試料アーム２４の経路を最小限にしか変更しないため、δφ（ｋ、θ）は、θから独立していると見なされ、したがって、すべての角度θに、同一の分散補償が適用される。
【００３６】
鏡の実験において、図１のａ／ＬＣＩシステム１０では、三次多項式を用いてδφ（ｋ）を当てはめることが十分であるということが分かった。分散補償の後、鏡ピークの半値全幅は、補償されていない２３．２マイクロメートル（μｍ）から、源自己相関関数から取得される、論理上の深度分解能である１８．１μｍと一致する、１８．５μｍに改善される。本実験では、分散のみが、論理上の値を約２８パーセント（２８％）、軽度に悪化させる。基準アーム２２の試料アーム２４との合致を改善する（例えば、Ｃ１  ３０とＣ２  ３２との間の自由空間を減少させる）ことによって、悪化をさらに最小化することが可能であり、分散補償の必要性が排除され得る。
【００３７】
また、深度および角度検出範囲も、ａ／ＬＣＩプローブの重要なパラメータである。これらのパラメータを評価するのに効果的な方法は、プローブの角度範囲にわたって均一な角散乱強度を生成する「散乱基準」（例えば、０．２６μｍのミクロスフェア等）（例えば、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，  Ｉｎｃ．によって製造される、１０％の標準偏差を有するもの）を使用することによって提供することができる。ミクロスフェアを、８０パーセント（８０％）の水および２０パーセント（２０％）のグリセロールの密度合致混合物中に懸濁し、第１カバースリップおよび顕微鏡用スライドによって挟持される、１ｍｍの厚さのチャンバを充填するために使用することができる。シングルモード収集光ファイバ４８が界面からの反射を検出することを回避するために、試料３８は、面外にわずかに傾斜される。
【００３８】
２層ファントムを使用して、シングルモード光ファイバプローブ４６をスキャンさせることによる深度分解サイズ測定能力を実証することができる。これに関して、図３Ａは、図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステム１０によって捕捉された、カバースリップ８４および顕微鏡用スライド８６で構成される２層ファントム８２の例示的な深度分解角散乱分布８０を図示する。本実施形態では、２層ファントム８２は、一例として、それぞれ、７．９７９μｍ±０．０５５μｍおよび１０．００μｍ±０．０５μｍの平均直径、ならびに１．１％および０．９％の標準偏差を有する、国立標準技術研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＮＩＳＴ）ｔｒａｃｅａｂｌｅ  ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ  ｓｉｚｅ  ｓｔａｎｄａｒｄｓ（例えば、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，  Ｉｎｃ．）の溶液で充填された、２つのチャンバ８８、９０で構成される。各チャンバ８８、９０は、一例として、第１カバーガラスと同一の厚さ（例えば、〜１５０μｍ）を有する。
【００３９】
また、図３Ａは、多層構造が識別される、２層ファントム８２の深度分解１次元（ｙ方向）角散乱分布９２も示す。２つのチャンバ８８、９０内部では、異なるサイズを示す、角振動の周期性を伴う強力な散乱を観測することができる。散乱体のサイズを判定するために、図３Ｂおよび図３Ｃに図示されるように、ミー理論を使用して、両方のチャンバ８８、９０からの最初の１９μｍ（深度分解能と合致する）の散乱信号から、試料からの散乱光が分析される。本実施例の結果、７．９６±０．３６μｍおよび１０．０４±０．２７μｍは、試料の仕様と一致し、サブ波長精度を有するａ／ＬＣＩシステム１０の深度分解サイズ測定能力を実証する。
【００４０】
要約すれば、試料のサイズおよび深度特性を判定するためのフーリエ領域ａ／ＬＣＩ技法は、図１のａ／ＬＣＩシステム１０の実施例によって提供されるように、シングルモード光ファイバプローブのスキャンおよび改良型マッハツェンダー干渉計に基づくことができる。この構成は、いくつかの非限定的な利点を提供する。例えば、ａ／ＬＣＩシステム１０は、ａ／ＬＣＩを多くの既存のハードウェアおよびソフトウェアプラットフォームとリンクする、現在のＯＣＴスキームと適合することができる。さらに、プローブの長さ制約が排除され、これは、特に長いプローブで、加工費用を潜在的に下げることができる。また、シングルモード光ファイバ実現を使用することによって、画像化分光器というよりはむしろ、単一チャネル分光器を採用することができ、簡略化された小型システム設計ももたらす。
【００４１】
また、図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステム１０を、シングルモード収集光ファイバ４８を使用して、不干渉計測モードで動作するように改良することもできる。これに関して、図１のＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステム１０からの改良型ＭＺＩベースのａ／ＬＣＩシステム１００である、図４が提供される。２つのシステム１０、１００の間で共通の要素が提供される場所では、図４に共通の要素番号が含まれ、したがって、再度記載されない。図４のａ／ＬＣＩシステム１００の本実施形態では、図１のａ／ＬＣＩシステム１０の基準アーム２２内のＣ１  ３０とＣ２  ３２との間の光路を遮断するか、または図４の改良型ａ／ＬＣＩシステム１００に図示されるように、図１のａ／ＬＣＩシステム１０内のＣ１  ３０、Ｃ２  ３２、ＮＤＦ３６、ＦＣ１  １４、およびＦＣ２  １６を全部除去するかのいずれかによって、不干渉計測動作を達成することができる。
【００４２】
図４を参照すると、そこに提供されているａ／ＬＣＩシステム１００は、試料３８の全深度からの同一の角度θの散乱された試料光４０の総合力を収集する。図５Ａ〜図５Ｈは、本実施例では、図４のａ／ＬＣＩシステム１００の動作の本不干渉計測モードで、シングルモード収集光ファイバ４８を、１次元にスキャンさせることも可能ではあるが、２次元にスキャンさせることによって取得された、２次元角散乱分布１０２のサンプルを示す。本実施例では、試料３８として使用された試験ファントムは、水中に懸濁された１０μｍのポリマーミクロスフェアであった。
【００４３】
図５Ａ〜図５Ｈは、各層および各偏光の測定された分布が、ミー理論の予測と良好に一致することを示す。実験データに見られるスペックルパターンは、ファントム内の隣接するミクロスフェアからの干渉性散乱による可能性が高い。そのような情報は、粒子密度および間隔の推定に潜在的に有用であり得る。これに関して、図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、６μｍおよび１０μｍの散乱体を含有する層のｐ偏光２Ｄ分布を図示する。図５Ｃおよび図５Ｄは、それぞれ、６μｍおよび１０μｍの散乱体を含有する層のｓ偏光２Ｄ分布を図示する。図５Ｅ〜図５Ｈは、それぞれ、図５Ａ〜図５Ｄに対応するミー理論シミュレーションを図示する。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｄの線Ａ、Ｂ、ならびにＣは、それぞれ、散乱体構造を評価するために、それに沿ってデータ当てはめが実行される、線である。
【００４４】
図６Ａは、ａ／ＬＣＩ測定にシングルモード収集光ファイバを採用することができる、別の例示的なａ／ＬＣＩシステム１２０の概略図である。これに関して、図６Ａは、ａ／ＬＣＩ測定にシングルモード収集光ファイバを採用することができる、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ−Ｓａｇｎａｃハイブリッドモード干渉計（ＭＳＨＩ）１２２を提供する。一実施形態では、干渉計の収集照射光ファイバは、散乱体の構造を判定するために、次いで分析することができる、試料からの角散乱強度を検出するために、２次元にスキャンさせられる。本システムの１つの特徴は、照射領域および収集領域の両方の偏光の完全な制御であり、２次元角度測定に基づく光逆散乱分析に使用される、高偏光感度の検出を可能にする。２層ミクロスフェアファントムを使用して、システム性能が実証される。異なるサイズを有する試料からの異なる偏光で獲得された実験データは、ミー理論との優良な一致を示し、サブ波長精度の構造測定をもたらす。
【００４５】
本実施形態では、ＭＳＨＩ  １２２は、シングルモード光ファイバカプラ（必要であれば、偏光維持ファイバおよびカプラ）に基づく。図６Ａに図示されるように、それぞれ光路長Ｌ１およびＬ２を有するシングルモード光ファイバ１２７、１２９に結合された、２つのアーム、または第１のポート１２６および第２のポート１２８を含む、シングルモード光ファイバカプラ１２４が提供される。シングルモード光ファイバ１２７は、照射ファイバであり、シングルモード光ファイバ１２９は、収集ファイバである。シングルモード光ファイバ１２７は、光源１３１からの光を試料１３３に伝達する。例えば、光源１３３は、シングルモード光ファイバカプラ１２４（例えば、結合率α＝０．０１）に結合された、チタン：サファイアレーザ（例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ，  Ｉｎｃ．によって製造される、８２５ｎｍ、Δλ＝１７ｎｍ）であってもよい。シングルモード光ファイバ１２９は、試料１３１が照射される結果としての試料１３１からの散乱光を収集する。以下により詳細に記載されるように、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎｓ信号およびＳａｇｎａｃ信号を組み合わせることによって、ハイブリッドモードの動作を可能にする、それぞれ特別な長さ差の光路長Ｌ１およびＬ２が提供される。シングルモード光ファイバ１２７、１２９の両方の分裂された、または研磨された端部１３０、１３２は、レンズ１３４の焦面内に定置される。散乱物体の存在下で、この構成は、分光器であってもよい検出器１３６で、試料１３３についてのサイズおよび／または深度特性を判定するために、次いで制御システム１３７によって分析されてもよい、６つの帰還信号を生成する。
【００４６】
図６Ａの参照を続けると、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ信号Ｒ１およびＲ２は、シングルモード光ファイバ１２７、１２９の端部からの反射である。また、それぞれのポート１２６、１２８の後方散乱信号Ｓ１１およびＳ２２も、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ信号であると見なすことができる。Ｓａｇｎａｃ信号Ｓ１２およびＳ２１は、２つのポート１２６、１２８の間の交差散乱信号であり、ａ／ＬＣＩ測定の関心信号である。明確化のため、以後、信号を指すために大文字が使用され、対応する反射または散乱係数を指すために小文字が使用される、例えば、ｓ１２は、信号Ｓ１２の散乱係数として使用される。
【００４７】
信号の相対光路長（ＯＰＬ）が、図６Ｂに図示される。Ｒ１およびＲ２のＯＰＬは、その散乱信号を決定することに留意する。これは、Ｓ２２およびＲ２の場合のように、Ｓ１１のＯＰＬがＲ１より２ｄ長いためである。加えて、本実施形態では、Ｓ１２およびＳ２１は、Ｌ１＋Ｌ２またはＲ１およびＲ２の中点より２ｄ長い、同一のＯＰＬを有する。これは、Ｒ１およびＲ２の相対長さ、またはＬ２＞Ｌ１であると仮定して同等にＬ２−Ｌ１を調整することによって、信号の経路長を合致させることができることを示唆する。例えば、Ｓａｇｎａｃ信号Ｓ１２およびＳ２１を、図６Ｂに示されるように、わずかにＭｉｃｈｅｌｓｏｎ信号Ｒ２の長いＯＰＬ側に定置することができる。基準としてＲ２を使用することによって、Ｓ１２およびＳ２１についての深度分解情報を取得することができ、したがって、合致条件が以下の、
Ｌ１−Ｌ２＝２ｄ              （３）
式中、ｄは、レンズの焦点距離および厚さによって決定され、通常、少なくとも数ミリメートルである、と書かれる、ハイブリッドモードの動作を達成する。結果として、Ｒ１、Ｓ１２、およびＳ２１を除くすべての他の信号は、ＯＰＬ内で遠く離れており、実際面では、フーリエ領域ＬＣＩによって検出される干渉を生成しない。
【００４８】
一例として、シングルモード光ファイバ１２７、１２９を分裂させることができ、それらのファセットは、照射および収集のために、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ（例えば、Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐ．、０．２３ピッチ、直径が１．８ｍｍ、長さが４．４ｍｍ）であってもよい、レンズ１３４の焦面内に定置される。試料１３３からの正反射の収集を回避または低減するために、例えば、試料１３３側上で、レンズ１３４を８度（８°）に角度付けることができる。源力の大部分が、照射光ファイバとしての機能を果たすシングルモード光ファイバ１２９に結合される。その出力は、レンズ１３４を介して平行化され、試料１３３上の関心面積を照射する。シングルモード光ファイバ１２７は、低力アームであり、角度θで散乱された光を受信する、収集ファイバとしての機能を果たす。検出可能な角度範囲を最大化するために、シングルモード光ファイバ１２９を、レンズ１３４の縁部に向かって位置付けることができ、一方、一対のモータ式アクチュエータを使用して、シングルモード光ファイバ１２７を、２Ｄパターンでラスタスキャンさせることができる。偏光コントローラ１３５、１３９を使用して、照射領域および収集領域の偏光を、２０ｄＢを超える消光比を伴って任意の方向に沿って直線偏光されるように、独立して調整することができ、照射偏光および収集偏光の任意の組み合わせ下での散乱を測定することを可能にする。小型分光器によって、混合試料および基準領域の帰還信号が検出される。
【００４９】
ａ／ＬＣＩシステム１２０の対称性は、Ｌ２＞Ｌ１であり、かつ式（３）を適用できるという条件で、Ｒ２もまた、基準信号としての機能を果たすことができるという事実を示す。２つの手法の間の差は、低力アーム信号Ｒ１を基準として使用することで、高力アーム信号Ｒ２を基準として使用するより優れた偏光性能が提供されるということである。これらの２つの信号は、共に伝播し、ファイバ障害の影響はない。干渉計によって検出されるＳ２１の偏光成分は、シングルモード光ファイバ１２７でファイバを出る際の直線偏光されたＲ１の方向、偏光子および電力計を使用して測定し、調節することができるパラメータによって決定される。照射偏光を調節するためにも、同様の手順を使用することができる。要約すれば、ａ／ＬＣＩシステム１２０は、照射および収集の両方をｐ（ｙ方向）またはｓ（ｘ方向）のいずれかに偏光させることを可能にし、完全な偏光制御を提供し、およびしたがって２Ｄ能力を可能にする。
【００５０】
図７Ａおよび図７Ｂは、図６ＡのＭＨＳＩ  １２２によって生成される角散乱分布の一例として、固体ポリマー（ＰＤＭＳ）マトリックスに埋め込まれたミクロスフェア（例えば、６μｍおよび１０μｍ）で構成される、２層ファントムの２次元深度分解角散乱分布を示す。２層構造は、２つのサイズの異なる散乱パターンを示すことが明白である。入射光は、平行偏光され、図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ平行散乱および垂直散乱のパターンを示す。２層ファントムは、それぞれがポリスチレン（ｎ＝１．５９）ミクロスフェアが中に埋め込まれた熱硬化シリコーンで充填された、２つのチャンバで構成される。それぞれ、５．９９０±０．０４５μｍおよび１０．００±０．０５μｍの平均直径、ならびに１．２％および０．９％の標準偏差を有するＮＩＳＴ  ｔｒａｃｅａｂｌｅ  ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ  ｓｉｚｅ  ｓｔａｎｄａｒｄｓ（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，  Ｉｎｃ．）が各チャンバに選択される。
【００５１】
例えば、シングルモード光ファイバ１２７は、ｘ方向は連続スキャン（例えば、０．３５ｍｍ／秒）、およびｙ方向はステップスキャン（例えば、１０μｍ／ステップ）で、レンズ１３４の検出可能な面積を網羅する、１．０×１．８ｍｍ（ｙ×ｘ）の面積をラスタスキャンする。いかなるスキャンの非線形性も補償するために、データは、分析の前に、ｘ方向に線形に再サンプリングされる。完全なスキャンは、１２分間かかる可能性があり、一例として、９０×１７０のデータ点を含有する、両方向に０．２１２°／ステップの角度分解能の２Ｄ角散乱分布を生成する。２Ｄ分布の各点で、干渉スペクトルを処理し、一例として、１７．７μｍの深度分解能の深度分解散乱強度にフーリエ変換することができる。高偏光感度測定を実証するために、散乱された領域のｐ成分およびｓ成分の両方を収集するために、ｐ偏光照射を使用することができる。
【００５２】
特定の角度で散乱試料を画像化するために、図８の代替のＭＳＨＩ  ａ／ＬＣＩシステム１４０に示されるように、ＭＳＨＩ  １２２もまた、適用することができる。この構成では、２つのポート１２６、１２８のそれぞれは、それぞれ、シングルモード光ファイバ１２７、１２９の端部１３０、１３２の前に配置された、レンズ１４２、１４４を有する。シングルモード光ファイバ１２７、１２９および試料１３３は、レンズ１４２、１４４の画像面および対物面のそれぞれに位置する。したがって、光源１３１からの照射光１４６に対して特定の角度で散乱される光を使用して、試料１３３を画像化することができる。
【００５３】
前述されるように、シングルモード収集光ファイバを使用する、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムは、ＯＣＴシステムとの適合性を可能にし得る。特に、ａ／ＬＣＩシステムは、ファイバプローブが代替のファイバプローブと置換される場合、ＯＣＴシステムと適合し得る。これに関して、図９Ａおよび図９Ｂは、例として、図１のａ／ＬＣＩシステム１０、図４のａ／ＬＣＩシステム１００、および図６Ａのａ／ＬＣＩシステム１２０の点線ボックスの内部に示されるファイバプローブを置換することができる、代替のプローブアセンブリ１５０、１５２の実施例を提供する。試料が画像化レンズの画像面から照射される、従来のＯＣＴとは異なり、図９Ａおよび図９Ｂの２つの代替のファイバプローブ１５０、１５２は、レンズＬ１１６０、１６２のそれぞれの焦面１５６、１５８、またはフーリエ面から試料１５４を照射する。ファイバプローブ１５０、１５２内のレンズ１６０、１６２は、光源（図示せず）からの光を伝達する照射光ファイバ１６７から受信される光から、シングルモード収集光ファイバ１６８をスキャンさせることによって収集される光を散乱させる、試料１５４上に入射する平行化されたビーム１６４、１６６を生成する。
【００５４】
図９Ａのファイバプローブ１５０では、レンズＬ１１６０およびレンズＬ２１７０は、試料１５４内の点をシングルモード収集光ファイバ１６８に画像化する、４−ｆシステムを形成する。図９Ｂのファイバプローブ１５２では、レンズＬ２１７２は、単独で、画像化機能を提供する。レンズＬ２１７０、１７２は、単一のレンズであっても同一の機能を有する一連のレンズであってもよいことに留意する。図８のａ／ＬＣＩシステム１４０と同様に、また、図９Ａおよび図９Ｂのファイバプローブ１５０、１５２も、画像コントラストを向上させ、そうでなければ識別が困難である特徴を明らかにし得る、特定の角度で散乱される光を使用して、試料１５４の画像を提供することができる。
【００５５】
本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、組織抽出の必要なく、生検または続く組織病理学的評価を介して、組織の健康状態を評価するための臨床的に実行可能な方法であり得る。例えば、ファイバプローブが、組織を検査するために使用される内視鏡の内視鏡プローブ内に採用される場合、照射光ファイバおよびシングルモード収集光ファイバの端部を、ファイバプローブ内に配置することができる。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を、多数の目的、例えば、異形成組織の早期検出およびスクリーニング、病期分類、治療効果の観察、および臨床医の生検または手術部位への誘導に適用することができる。ａ／ＬＣＩプローブに基づく光学的生検の非侵襲性、非イオン化性質は、これを、悪影響を及ぼすことなく頻繁に適用することができることを意味する。ａ／ＬＣＩの迅速な結果を提供する潜在性は、その疾病スクリーニングへの広範囲に及ぶ適用性を大きく向上させる。
【００５６】
また、核形態学的測定も、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を使用することが可能である。核形態学は、細胞のトポグラフィ環境とその遺伝子発現との間の必要な接合である。ａ／ＬＣＩシステムおよび方法の一用途は、核形態学を調査することによって、トポグラフィキューを幹細胞機能に結び付けることである。一実施形態では、ａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、本明細書に記載される波長掃引光源手法を使用し、光散乱モデルを作成し、実現する。第２の用途は、ナノトポグラフィの機能とし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、ナノトポグラフィキューの影響下で、幹細胞、例えば、ヒト間葉幹細胞（ｈＭＳＣ）の構造−機能関係を確立することができる。
【００５７】
また、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩ方法、プロセス、技法、およびシステムは、細胞生物学用途、およびそのような用途に基づく医療治療にも使用することができる。核変形、すなわち、環境刺激に応えた細胞核の構造変化の正確な測定は、信号変換研究に重要である。典型的に、これらの測定は、ラベリングおよび画像化し、次いで画像分析を使用して核測定することを必要とする。この手法は、時間がかかり、侵襲的であり、かつ回避不可能に細胞系を摂動させる。本明細書に記載されるａ／ＬＣＩ技法は、生物系の物理特性を精査するための代替方法を提供する。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩ技法は、早期癌検出、診断、および治療のため、ならびに環境刺激に応えた核形態学の小さい変化を非侵襲的に測定するために、核形態学を定量化するために使用することができる。本明細書に提供されるａ／ＬＣＩ方法、プロセス、技法、およびシステムを用いて、非球面の細胞核の高処理量の測定および精査を達成することができる。これは、細胞および組織の両方の工学研究で実証される。基質トポグラフィおよび浸透圧を含む、わずかな環境刺激による細胞核またはミトコンドリアの構造変化が、細胞を破壊することなく、または従来の測定に関連するアーチファクトを導入することなく、迅速にプロファイルされる。核形状の範囲にわたって、より複雑な形状で生じる最大偏差を伴う、３％より優れた精度を得ることができる。
【００５８】
本明細書に開示される一実施形態では、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、浸透圧による核変形を評価するために使用される。細胞は、チャンバカバーガラス内に高密度で撒かれ、５００、４００、および３３０ｍＯｓｍの食塩水で、その順番で平衡化された。核直径は、９５％信頼区間内の平均値＋／−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。核サイズの変化は、浸透圧の関数として検出され、細胞環境に影響を及ぼす要因に応えた細胞変化を検出するために、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を使用することができることを示す。当業者は、疾病、治療薬への暴露、および環境ストレスを含む、多くの生化学的および生理学的要因が、細胞環境に影響を及ぼす可能性があることを認識するであろう。
【００５９】
ナノトポグラフィに応えた核変化を評価するために、微細な罫線のパターンの軸に沿った細胞の伸長をもたらす、ナノパターンが形成された基材上で、細胞を成長させる。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよびプロセスは、配向および偏光を変化させながら繰り返し測定することによって、配向回転楕円状散乱体の長軸および短軸をマイクロメートル単位で測定するために適用される。細胞核の完全な特性評価が達成され、細胞核の長軸および短軸の両方が判定され、アスペクト比（短軸対長軸の比）を生じる。
【００６０】
また、本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、観察治療にも使用することができる。これに関して、ａ／ＬＣＩシステムおよび方法は、化学治療薬を用いた治療の後のいくつかの時点での核形態学および細胞内の細胞下構造（例えば、ミトコンドリア）を評価するために使用される。光散乱信号は、フラクタル次元形式主義を使用して解釈される、細胞下構造の構成の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を用いて治療された細胞内の細胞下構造のフラクタル次元は、対照細胞と比較して大幅に向上することが観測される。フラクタル次元は、例えば、パクリタキセル、ドキソルビシン等の治療薬への暴露を受けて、経時的に変化し、アポトーシスに関連する構造変化が生じていることを実証する。Ｔ行列理論ベースの光散乱分析および光逆散乱アルゴリズムを使用して、細胞核およびミトコンドリアのサイズならびに形状が判定される。本明細書に開示されるａ／ＬＣＩシステムおよび方法を使用して、アポトーシスによって生じる変化を含む、細胞下構造（例えば、ミトコンドリア）および核内構造の変化を検出することができる。したがって、本明細書に記載されるａ／ＬＣＩシステムおよびプロセスは、臨床的用途および基礎科学用途の両方に対して、早期のアポトーシス事象の検出における有用性を有する。
【００６１】
実施形態が関連する技術分野の当業者は、前述の記載および添付の図面において提示される教示の利益を有する、本明細書に説明される実施形態の多くの修正および他の実施形態を思い付くであろう。
【００６２】
本開示は、いかなる特定のａ／ＬＣＩ配設にも限定されない。一実施形態では、装置は、改良型マッハツェンダー干渉計に基づくが、他のａ／ＬＣＩ干渉計測配設が可能である。また、不干渉計測ａ／ＬＣＩ配設も可能である。
【００６３】
ａ／ＬＣＩデータを処理し、ミー理論と比較する代替として、診断情報をもたらすことができる、いくつかの他の手法が存在する。これらは、細胞核の周期的振動特性を識別するために、フーリエ変換を使用して、角度データを分析することを含む。周期的振動は、核サイズと相関し得、したがって、診断値を処理する。ａ／ＬＣＩデータを分析する別の手法は、例として、有限要素方法（ＦＥＭ）またはＴ行列計算を用いて生成される角散乱分布のデータベースとデータを比較することである。そのような計算は、ミー理論と同一の制限を受けないため、優れた分析を提供し得る。例えば、ＦＥＭまたはＴ行列計算は、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、一方、ミー理論は、均質な球体のみをモデル化することができる。
【００６４】
したがって、説明および「特許請求の範囲」は、開示される具体的な実施形態に限定されず、その修正および他の実施形態は、添付の「特許請求の範囲」の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。実施形態は、実施形態の修正および変形を、それらが添付の「特許請求の範囲」およびそれらの均等物の範囲内であることを条件として、対象とすることが意図される。本明細書において、特定の用語が採用されるが、それらは、限定目的ではなく、一般的かつ説明的意味でのみ使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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