(57)【要約】【解決手段】本発明は、画像化される対象物の表面トポグラフィを再構成するために、画像化システムに構造光源を組み込む。構造光源は、或る角度から前記対象物上に１組の線を伝達するための機構を備える。それらの線は、マウスなど、限られた高さを有する対象物に当たると、変位、すなわち、位相シフトされる。この位相シフトは、対象物の構造光情報を提供する。カメラが、この構造光情報を取得する。構造光解析を用いるソフトウェアにより、線の位相シフトから、対象物の表面トポグラフィデータが決定される。【選択図】図６Ｈ
2008541092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動物の三次元表面表現を提供するための画像化システムであって、
内部空洞を取り囲む１組の壁と、カメラを位置決めするよう構成されたカメラ架台とを備えた画像化チャンバと、
前記内部空洞内で、前記カメラの視野内に、前記動物を支持するよう構成されたステージと、
前記動物が前記ステージ上に存在する状態で前記動物上に伝達される構造光を生成するよう構成された構造光源であって、前記動物による前記構造光の遮断により、前記動物の構造光表面情報が生成される、構造光源と、
前記カメラによって取得された前記構造光表面情報を用いて、前記動物の少なくとも一部の三次元表面表現を生成するよう構成されたプロセッサと、を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記構造光を生成するよう構成された構造光プロジェクタを備える、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記動物上に、格子状の線を伝達するよう構成されている、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記構造光プロジェクタは、或る角度から、前記動物上に前記格子状の線を投射する、システム。
【請求項５】
請求項３に記載のシステムであって、前記格子状の線は、１ミリメートル当たり約０．５ないし約２本の範囲の線間隔を有する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記動物の表面から放出された光を前記カメラに伝達する光輸送装置を備える、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記光輸送装置に結合されている、システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、前記光輸送装置は、前記カメラによって受光される前に、前記動物から放出された光を遮断するよう構成された鏡を備える、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、さらに、前記カメラ架台を通って、前記画像化チャンバの垂直壁に直交する固定基準線を備える、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記光輸送装置は、前記固定基準線の周りを回転するよう構成されている、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記光輸送装置に結合されており、前記固定基準線の周りを前記光輸送装置と共に回転する、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであって、前記ステージは、前記内部空洞内の複数の位置の中の１つに移動可能である、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、さらに、前記構造光表面情報から前記三次元表面表現を生成する方法を決定するメモリに格納された命令を用いて、前記動物の前記三次元表面表現を生成するよう構成されている、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、前記１組の壁は、前記画像化チャンバが実質的に遮光性を有するように前記内部空洞を取り囲む、システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムであって、前記構造光源は、走査型レーザ検流計を備え、
前記走査型レーザ検流計は、
光線を生成するレーザと、
前記光線を反射して格子状の線を前記動物上に投射するよう配置可能な少なくとも１つの鏡と、を備え、
前記格子状の線は、１ミリメートル当たり約０．５ないし約２本の範囲の線間隔を有する、システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、前記走査型光検流計は、前記ステージより上に配置されており、前記動物の上面に向かって下向きに前記光線を反射する、システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記ステージの表面法線に対して約１５°ないし約３０°の角度で構造光を投射する走査型レーザ検流計を備える、システム。
【請求項１８】
動物の三次元表現を提供するための画像化システムであって、
内部空洞を取り囲む１組の壁と、カメラを位置決めするよう構成されたカメラ架台とを備えた画像化チャンバと、
移動機構と、前記内部空洞内で前記動物を支持するよう構成されたステージとを備えた可動ステージ装置であって、前記ステージは、前記内部空洞内の複数の位置の中の１つに前記動物を移動させるために前記移動機構に結合されている、可動ステージ装置と、
前記動物の構造光表面情報を生成するために、前記動物が前記ステージ上に存在する状態で前記動物上に伝達される構造光を生成するよう構成された構造光源と、
前記カメラによって取得された前記構造光表面情報を用いて、前記動物の三次元表面表現を生成するよう構成されたプロセッサと、を備える、システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムであって、前記構造光源は、走査型レーザ検流計を備え、
前記走査型レーザ検流計は、
光線を生成するレーザと、
前記光線を反射して格子状の線を前記動物上に投射するよう配置可能な鏡と、を備える、システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムであって、前記走査型光検流計は、前記ステージより上に配置されており、前記動物の上面に向かって下向きに前記光線を反射する、システム。
【請求項２１】
請求項１８に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記構造光を生成するよう構成された構造光プロジェクタを備える、システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載のシステムであって、前記構造光プロジェクタは、前記動物上に、格子状の線を投射するよう構成されている、システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のシステムであって、前記構造光プロジェクタは、或る角度から、前記動物上に前記格子状の線を投射する、システム。
【請求項２４】
請求項１８に記載のシステムであって、前記画像化チャンバは、実質的に遮光性を有する、システム。
【請求項２５】
動物の三次元表面表現を提供するための画像化システムであって、
内部空洞を取り囲む１組の壁と、カメラを位置決めするよう構成されたカメラ架台とを備えた画像化チャンバと、
前記内部空洞内で、前記カメラの視野内に、前記動物を支持するよう構成されたステージと、
前記動物の構造光表面情報を生成するために、前記動物が前記ステージ上に存在する状態で前記動物上に伝達される格子状の光の線を生成するよう構成された構造光源と、
前記カメラによって取得された前記構造光表面情報を用いて、前記動物の三次元表面表現を生成するよう構成されたプロセッサと、を備える、システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載のシステムであって、前記構造光源は、或る角度から、前記動物上に前記格子状の線を伝達する、システム。
【請求項２７】
請求項２５に記載のシステムであって、前記構造光源は、１ミリメートル当たり約０．５ないし約２本の範囲の線間隔を有する１組の格子状の線を投射する、システム。
【請求項２８】
請求項２５に記載のシステムであって、前記１組の壁は、前記画像化チャンバが実質的に遮光性を有するように前記内部空洞を取り囲む、システム。
【請求項２９】
請求項２５に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記格子状の線を投射する構造光プロジェクタである、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、画像化システムおよびその使用方法に関し、特に、構造光源を備えた画像化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい型の画像化は、対象物から低光度の光を捕捉することを含む。光源は、対象となる活動が起きている可能性がある対象物の部分を示す。一例では、対象物は、マウスなどの小型動物であり、光源は、発光レポータ（ホタルルシフェラーゼ、蛍光タンパク質、または、蛍光色素など）で標識された腫瘍細胞を含む。この技術は、インビボ光学画像化として知られている。
【０００３】
インビボ画像化でのトモグラフィ再構成は、対象物の表面の内側の内部光源の三次元表現を構築する。一部のトモグラフィ再構成技術は、対象物表面の三次元表現に依存する。マウスなどの小動物を画像化するには、個体ごと、および、その個体を画像化するたびに、新しい表面表現が必要になる。
【０００４】
ユーザが、対象物の表面表現を容易に取得することを可能にするシステムは、今のところ存在しない。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、画像化される対象物の表面トポグラフィを再構成するために、画像化システムに構造光源を組み込む。構造光源は、或る角度から前記対象物上に１組の線を伝達するための機構を備える。それらの線は、マウスなど、限られた高さを有する対象物に当たると、変位、すなわち、位相シフトされる。この位相シフトは、対象物の構造光情報を提供する。カメラが、この構造光情報を取得する。構造光解析を用いるソフトウェアにより、それらの線の位相シフトから、対象物（表面全体または一部）の表面トポグラフィデータが決定される。
【０００６】
一態様において、本発明は、動物の三次元表面表現を提供するための画像化システムに関する。画像化システムは、内部空洞を取り囲む１組の壁と、カメラを位置決めするよう構成されたカメラ架台とを備えた画像化チャンバを備える。画像化システムはさらに、内部空洞内で、カメラの視野内に、動物を支持するよう構成されたステージを備える。画像化システムは、さらに、動物がステージ上に存在する状態で動物上に伝達される構造光を生成するよう構成された構造光源を備える。これにより、動物の構造光表面情報が生成される。画像化システムは、さらに、カメラによって取得された構造光表面情報を用いて、動物の少なくとも一部の三次元表面表現を生成するよう構成されたプロセッサを備える。
【０００７】
別の態様において、本発明は、動物の三次元表現を提供するための画像化システムに関する。画像化システムは、移動機構と、内部空洞内で動物を支持するよう構成されたステージとを備えた可動ステージ装置を備える。ステージは、内部空洞内の複数の位置の中の１つに動物を移動させるために、移動機構に結合されている。画像化システムは、さらに、動物の構造光表面情報を生成するために、動物がステージ上に存在する状態で動物上に伝達される構造光を生成するよう構成された構造光源を備える。
【０００８】
さらに別の態様において、本発明は、動物の三次元表現を提供するための画像化システムに関する。画像化システムは、動物上に伝達される格子状の光の線を生成するよう構成された構造光源を備える。
【０００９】
本発明の上記およびその他の特徴は、本発明の詳細な説明において、添付の図面を参照しつつ詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の本発明の詳細な説明では、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの具体的な実施形態について説明する。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これら具体的な詳細事項がなくとも、また、別の要素や処理を用いても、実施可能である。また、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないように、周知の処理、手順、構成要素、および、回路については、詳細な説明をしていない。
【００１１】
概要
本発明は、小動物などの対象物上に伝達するための構造光を生成する構造光源を備えた画像化システムに関する。構造光は、１組の光の線を用いる。一実施形態では、１組の光の線は、表面の法線に対して特定の角度（例えば、約３０度）で対象物上に投射される。対象物は、動物の形状に対する各々の光の線の反応に応じて、構造光表面情報を生成する。累積的に、それらの光の線は、それぞれ、対象物を通過する際に、屈曲したり間隔が変化したりする（図６Ｃ）。構造光表面情報は、構造光源によって照明されたすべての位置における表面の高さを決定するために、測定および利用されてよい。
【００１２】
カメラが、構造光表面情報を取得し、その情報を二値化して、１または複数の構造光画像を生成する。プロセッサが、構造光情報を用いて、対象物（すなわち、カメラの方を向いた対象物の一部）の三次元表面表現を生成する。具体的には、処理システムが、構造光表面情報からトポグラフィ表現（表面マップ）を生成するための格納された命令を実行することで、構造光表面情報を用いて対象物の三次元トポグラフィ表現を構築する。三次元トポグラフィ表現を構築するために、様々な再構成技術が、ソフトウェアに格納されて利用されてよい。一実施形態では、表面トポグラフィ再構成は、表面メッシュを生成する。
【００１３】
構造光源
図１は、対象物への構造光の投射と、構造光表面情報の生成とを示す図である。本発明の光源は、１または複数の線４０４、かつ、角度θで、対象物４０２上に光を送る。投射角がわかっているため、各線４０４の水平変位は、対象物４０２の高さに関係する。具体的には、対象物４０２が各線４０４と交わる高さが、入射光に起きた水平変位に応じて、各線４０４についての構造光情報を生成する。対象物４０２の対向する表面上に、既知の寸法の線４０４の格子を伝達させることにより、捕捉された光における水平の屈曲を定量的に評価して、対向する表面のトポグラフィのマップを得ることができる。図６Ｃは、マウスのサンプル上に投射された線の格子における屈曲を示す図である。構造光表面情報は、干渉を受けることなく伝達された線の配列の既知の間隔と、カメラが取得した観察パターンとの間の差分を含む。本発明は、水平面の法線に対する構造光の水平の差分に関して説明されているが、他のシステムが、他の角度で構造光を伝達させて、他の方向（例えば、垂直面の法線、または、水平面の法線と垂直面の法線との間の任意の角度）での構造光情報を生成してもよいことを理解されたい。
【００１４】
表面の法線に対する入射角度は、様々であってよい。一実施形態では、約１５°ないし約３０°の角度が適切である。この範囲よりも大きい角度または小さい角度を用いてもよい。投射角度は、空間分解能を実現するのに十分な線の「屈曲」を得られる程大きく、影が大きくならない程小さいことが好ましい。
【００１５】
本発明の構造光源によって出力される光は、様々であってよい。一般に、光出力は、表面トポグラフィの構築に有用な構造光表面情報を生成するのに適切な任意の線または形状を含んでよい。一実施形態では、構造光源は、線の格子を動物上に投射する。平行格子における線の間隔は、特定の対象物または画像に対して適合されてよい。１ｍｍ当たり約０．５ないし約２本の線間隔を有する線の平行格子を生成する構造光源が、マウスに適している。本発明と共に、他の線間隔を用いてもよい。線間隔を小さくすると、分解能が高くなるが、毛皮などの荒い表面上で線を追跡することが困難になる。線間隔は、対象物の表面性状および対象物のサイズに基づいて変更してもよい。
【００１６】
本発明は、任意の適切な構造光生成システムを用いてよい。一実施形態では、画像化システムで用いられる構造光源は、線４０４の格子を投射するプロジェクタを備える。別の実施形態では、構造光源は、単一の光線を高速で移動させて対象物４０２にわたって１組の線を形成する一対の駆動鏡と協働するレーザを備える。別の適切な構造光プロジェクタは、所望の構造光パターンを実現する回折パターンを用いたレーザ素子を備える。本発明において、他の構造光源を用いてもよい。
【００１７】
図２Ａは、本発明の一実施形態に従って、走査型レーザ検流計４２０を備えた構造光源を示す図である。走査型レーザ検流計４２０は、レーザ４２２と、一対の鏡４２４および４２６とを備える。
【００１８】
レーザ４２２は光を生成する。レーザ４２２は、その線状レーザ光線の出力が、鏡４２４に入射するように配置される。レーザ４２２は、ダイオードレーザまたはダイオード励起固体レーザなど、任意の適切なレーザを備えてよい。レーザ４２２では、任意の色を用いてよい。市販のレーザの色には、赤、緑、および、青がある。具体的に実施形態では、レーザ４２２は、様々な製造業者から入手可能な緑色ダイオード励起固体レーザを備える。
【００１９】
鏡４２４および４２６は、それぞれ、レーザ４２２によって供給された光を方向付ける。図に示すように、最初に、鏡４２４が、レーザ４２２によって供給された光を受けて、その光を鏡４２６に向かって反射し、鏡４２６が、画像化チャンバ内に光を反射する。２つの鏡を備えることで、レーザ４２２によって供給された光線について、２自由度の位置決めが可能になる。最大伝達範囲４２８は、鏡４２４および４２６による光の方向に関する空間的な範囲を規定する。鏡４２４および４２６は、範囲４２８内で、任意の線、形状、格子、または、パターンを生成してよい。例えば、駆動装置および鏡４２４は、（マウスの任意の位置について）マウスの頭からつま先の方向に垂直な１組の平行線を形成してよい。一実施形態では、鏡４２４および４２６は、走査型レーザ検流計４２０によって出力される特定の光パターンを決定する位置制御を、コンピュータから受信する。
【００２０】
駆動装置４３０および４３２は、それぞれ、鏡４２４および４２６を位置決めする。各駆動装置４３０および４３２は、電気入力に応答する任意の適切な機械的駆動手段を備えてよい。例えば、駆動装置４３０および４３２での利用には、モータが適切である。別の具体的な例では、駆動装置４３０および４３２で、磁気による駆動手段を用いてもよい。磁気駆動手段は、正確かつ迅速な応答を実現する。検流計４２０について、駆動装置は、レーザ４２２によって生成される単一の光線が、１組の線を生成するのに十分なほどの高速で動作する。この例では、レーザ点が、カメラによって検出された線を記録するのに十分な速さで、動物の表面を走査できる程の速度で、鏡が動く。具体的な実施形態では、線の格子は約１００本の線を含み、１０分の２秒毎に、格子全体が走査される。他の走査速度で、他の数の線を含む格子が用いられてもよい。
【００２１】
一実施形態では、走査型レーザ検流計４２０は、本発明の画像化チャンバで用いるために特別設計される。別の実施形態では、走査型レーザ検流計４２０は、市販のモデルを備える。本発明での利用に適した走査型レーザ検流システムの一例としては、マサチューセッツ州ケンブリッジのＣａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社が供給する型式６２００Ｈガルバノスキャナ並びに６７１２０−０６２７マイクロマックスモデル６７１ＸＸサーボドライバおよびコントローラが挙げられる。
【００２２】
走査型レーザ検流計４２０のための鏡４２４および４２６のコンピュータ制御によっても、構造光源の光出力をカスタマイズすることができる。例えば、線の間隔を変更して精密に制御することができる。この場合、コンピュータ制御は、ユーザが、線の間隔の密度を増大させて、構造光表面情報の量を増大させ、より詳細なトポグラフィ表現を生成することを可能にしてよい。コンピュータ制御は、さらに、動物の構造光表面情報の質を改善するように、構造光パターンを制御することを可能にする。例えば、コンピュータ制御により、動物のサイズおよび動物の毛皮の色または質感における変動に応じて、線の間隔を変更することができる。さらに、コンピュータ制御により、動物の画像化または位置確認に用いられる特定の視界に、構造光パターンを適合させることができる。
【００２３】
また、各鏡４２４および４２６を独立して制御することにより、ユーザは、画像化チャンバ内の異なる位置に光を導くことが可能になる。これは、ユーザが、中心を外れた位置に動物すなわち対象物を配置する場合に有用である。さらに、画像化ボックス内で複数の動物を画像化する場合にも有用である。
【００２４】
走査型レーザ検流計４２０によって生成された投射光パターンは、他の目的に利用されてもよい。例えば、投射パターンは、画像化チャンバ内で対象物すなわち動物を位置決めするための位置決めターゲットを生成するために用いられてもよい。この場合、走査型レーザ検流計４２０は、画像化チャンバのステージまたは床面上で動物を位置決めするために、十字またはその他の位置決めターゲットを生成する。光出力は、さらに、カメラの視界を示してもよい。
【００２５】
さらに、走査型レーザ検流計４２０は、自動焦点技術で利用されてもよい。具体的には、マウスの上面における格子線の変位は、マウスの高さを示しうる。各マウスは、異なる高さを有しうるため、カメラが個々のマウスに固有な高さに対して適応的に焦点を合わせることを可能にする自動焦点システムを、画像化システムに提供することができる。
【００２６】
鏡４２４および４２６は、光の方向を変えたり伝送したりすることを柔軟に実行できるようにするため、走査型レーザ検流計４２０を、画像化チャンバ内で柔軟に配置することができる。一実施形態では、走査型レーザ検流計４２０は、画像化チャンバの最上部に配置されて、動物の上面に向かってレーザ光線を下向きに反射する。検流計４２０が、画像化チャンバの上壁４２３（すなわち、副壁）の外側に配置される場合（図２Ｂ参照）には、上壁は、第２の鏡からの光を通過させて画像化チャンバ内に導くための小孔４２１を備える。第２の鏡と壁４２３との間を近接させることにより、ある投射角で投射される任意の構造光パターンまたはその他のパターンが拡大する程の距離がないため、孔４２１のサイズを小さくできる。
【００２７】
走査型レーザ検流計４２０は、多くの光画像化システムにおいて、柔軟に実施されてよい。一実施形態では、走査型レーザ検流計４２０は、画像化される動物の上方に配置され、ある角度で動物に対して光を投射する。
【００２８】
図２Ｂは、本発明の一実施形態に従って、走査型レーザ検流計４２０を備えた画像化ボックス内部のステージを示す簡略な断面図である。可動ステージ５８を備えた画像化ボックスが図示されている。別の実施形態では、ステージ５８は、固定されており、画像化チャンバの底面を含む。
【００２９】
可動ステージ５８は、画像化の対象物を支持する。可動ステージ５８は、底部の隔壁５２と上部の筐体パネルとの間で直線的に往復動することが可能であり、画像を取得するために、その間の任意の位置に保持されてよい。したがって、可動ステージ５８は、画像化チャンバ４４内で、複数の垂直位置を取ると共に、ほぼ同じ水平位置を取る。具体的な実施形態では、可動ステージ５８は、可動ステージ５８の垂直移動を実現するウォームギア１６４に対して動作可能に係合されるネジ穴を有する。モータが、ウォームギアを駆動して、ステージ５８を一対のガイド１４０に沿って上下動させる。別の実施形態では、ステージ５８は、ウォームギアよりも反応の速いベルト駆動システムを用いて垂直に駆動される。ステージ５８上に配置された哺乳類の温度を制御するために、ステージ５８の上面に配置された加熱ブランケットによって、温度制御要素１３２が提供される。一実施形態では、温度制御要素１３２は、ステージ５８の切り欠き部分に固定（例えば、接着）された熱シートを備える。
【００３０】
走査型レーザ検流計４２０は、ステージ５８の上面に対して（または、その上の温度制御要素１３２に対して）構造光４２５を投射する。ステージ５８（または、その上に存在する動物）上に生成される格子のサイズは、所望の格子サイズに従ったステージ５８の位置と各鏡４２４および４２６の制御とによって決まる。
【００３１】
別の実施形態では、構造光源は、光プロジェクタを備える。図３Ａは、本発明の別の実施形態に従って、構造光プロジェクタ１７０の内部構成要素を示す図である。構造光プロジェクタ１７０は、光源と、構造光パターンを生成するフィルタまたはマスクとを備える。この場合、構造光プロジェクタ１７０は、ケーラー照明系を備え、スライドが、光源によって照明されて、そのスライドの像が、サンプルまたは背景上に投射される。図に示すように、構造光プロジェクタ１７０は、ＬＥＤ１７２と、拡散器１７３と、集光器１７４と、マスク１７５と、レンズ１７６および１７７と、絞り１７８とを備える。
【００３２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）１７２は、光を発する。具体的な実施形態では、ＬＥＤ１７２は、緑色など、１つの色の複数のＬＥＤを含む。ただし、任意の色の光を用いてよい。ＬＥＤ１７２は、格子パターンの生成に十分な光を発するために、任意の適切な数の発光ダイオードを含んでよい。拡散器１７３は、その表面領域にわたる光度の空間的な変動を低減して、光束の領域にわたって、より一様な光度分布を有する光束を、その出力面において生成する。ＬＥＤ１７２および拡散器１７３は、累積的に、実質的に均等な光度分布を有する所望の光束を供給する。
【００３３】
集光器は、拡散器１７３から光を受けて、ＬＥＤ１７２からの発散光束を集光し、その光をマスク１７５上に投射する。マスク１７５は、選択的に光の通過を許可する複数の絞りを備える。図に示すように、マスク１７５は、平行線格子を形成する一連の平行線を備える。線の間隔および数は、上述のように様々であってよい。マスク１７５によって、平行線以外のパターンが形成されてもよい。マスク１７５の光出力は、構造光画像化のために対象物または表面に投射される構造光格子に類似する。
【００３４】
レンズ１７６および１７７は、連携して、マスク１７５の光出力を所望の表面上に投射する。レンズ１７６および１７７の出力は、絞り１７８を通過して、構造光プロジェクタ１７０の出力を形成する。一実施形態では、プロジェクタ１７０から出力された線の格子は、結像面上に直接投射される。別の実施形態では、プロジェクタ１７０から出力された線の格子は、対象物および結像面に投射される前に、１または複数の投射用鏡１７９上に投射される。一実施形態では、次いで、格子の線は、約１０×の倍率で、動物ステージ上に投射される。絞り１７８は、プロジェクタ１７０から出力されるパターンのサイズを制御する。一実施形態では、絞り１７８は、可変であり、コンピュータで制御される。
【００３５】
図３Ａは、構造光投射源の具体的な一実施形態を図示しているが、本発明において、他の構造光投射源を用いてもよい。
【００３６】
図３Ｂは、本発明の一実施形態に従って、光輸送装置１２０に取り付けられ、共に回転する構造光プロジェクタ１７０を示す図である。動物がステージ上に存在する状態で、構造光プロジェクタ１７０が、動物１０６上に伝達するための光の線の格子を生成することで、その動物の構造光表面情報が生成される。具体的な実施形態では、構造光プロジェクタ１７０は、ケーラー照明系からなり、スライドが、光源によって照明されて、そのスライドの像が、動物に投射される。
【００３７】
プロジェクタ部１７０は、回転する光輸送装置１２０の背面上に配置されており（装置１２０の動作可能な回転については、図３Ｃないし３Ｅを参照）、それにより、すべての視角でサンプル１０６上に対して、常に、光が投射されるようになっている。照明パターンは、水平に投射され、大きい反射鏡の基部に配置された投射用鏡１７３で反射されて、サンプル１０６を照明する。図７Ａないし７Ｄは、回転する光輸送装置１２０の背面に取り付けられたプロジェクタ部１７０の別の実施形態を詳細に示す図である。
【００３８】
画像化システムの例
一態様では、本発明は、一般に、構造光源を用いた改良画像化システムに関する。本発明の技術を実施するのに適切な画像化システムのいくつかの実施形態については、２００１年７月１３日にＮｉｌｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．が出願した米国特許出願Ｎｏ．０９／９０５，６６８、「ＭＵＬＴＩ−ＶＩＥＷ  ＩＭＡＧＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」で説明されている。その出願の開示全体は、参照によって、本明細書に組み込まれる。
【００３９】
図４Ａは、本発明の一実施形態に従って、写真画像、構造光画像、および、発光画像を取得するよう適合された画像化システム１０を示す図である。画像化システムの具体的な例および構成要素について説明するが、本発明は、本明細書で説明する具体的な画像化システムに限定されず、より複雑なシステム、および、より簡略なシステムを含んでもよい。
【００４０】
システム１０は、画像化ボックス１２における画像取得の自動制御をユーザに提供する。画像化システム１０は、構造光画像の取得および構成にも有用である。画像化システム１０は、発光する対象物を収容するよう適合された画像化ボックス１２を備えており、画像化ボックス１２内で、低光度の光（例えば、ルシフェラーゼによる発光）が検出される。画像化ボックス１２は、カメラを受けるよう適合されたカメラ架台１０９を有するハウジング１６を、ボックスの垂直な側壁上に備える。画像化ボックス１２は、「遮光性を有する」、すなわち、本質的にすべての外の光が、周囲環境からボックス１２内に侵入しないように構成されている。
【００４１】
高感度カメラ、例えば、増感または電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ２０が、好ましくは、ハウジング１６に固定されたカメラ架台によって、画像化ボックス１２に取り付けられる。ＣＣＤカメラ２０は、画像化ボックス１２内の対象物の写真画像、構造光画像、および、発光画像を取得する。ＣＣＤカメラ１２は、導管２４を通してＣＣＤカメラに低温流体を循環させる冷却装置２２など、適切な手段によって冷却されてよい。適切な冷却システムとしては、ペンシルベニア州アレンタウンのＩＧＣ−ＡＰＤ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ社から入手可能な「ＣＲＹＯＴＩＧＥＲ」コンプレッサが挙げられる。液体窒素または固体装置など、他の冷却手段を用いて、ＣＣＤカメラ２０を冷却してもよい。
【００４２】
随意的に、画像処理部２６が、それぞれ、ケーブル３０および３２を介して、カメラ２０および処理システム２８の間に設けられる。処理システム２８は、任意の適切な種類の物であってよく、通例は、プロセッサと、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などのメモリ要素と、ディスクドライブ要素（例えば、ハードディスクドライブ、ＣＤ、フロッピードライブなど）とを含むハードウェアを備えた本体３６を備える。システム１０は、さらに、ディスプレイ３８と、キーボード４０およびマウス４２などの入力装置とを備える。処理システム２８は、１または複数のケーブル３４を介して、画像化ボックス１２の様々な構成要素と通信する。さらに、システム２８は、さらなる画像化ハードウェアおよびソフトウェアと、構造光ソフトウェアと、カメラ２０で取得された情報を処理するための画像処理論理および命令とを備えてよい。例えば、処理システム２８によって実行される格納された命令は、後に詳述するように、ｉ）構造光情報を受信するための命令と、ｉｉ）動物がステージ上に配置された状態でカメラによって取得された構造光表面情報を用いて、ボックス１２内の対象物の三次元トモグラフィ表現を構築するための命令と、を含んでよい。
【００４３】
様々な構成要素の制御を行うために、処理システム２８は、画像化ボックス１２が備えた装置のいずれかを制御するための出力を供給するよう構成された適切な処理ハードウェアおよびソフトウェアを備える。処理ハードウェアおよびソフトウェアは、Ｉ／Ｏカード、画像化システム１０の構成要素のいずれかを制御するための制御論理、および、画像化システム１０のための適切なグラフィカルユーザインターフェースを含んでよい。処理システム２８は、さらに、カメラ２０によって取得された情報を処理するためのさらなる画像化ハードウェア、ソフトウェア、および、画像処理論理など、カメラ２０に適切な処理ハードウェアおよびソフトウェアを備える。処理システム２８によって制御される構成要素は、カメラ２０、カメラ２０の焦点を合わせるためのモータ、サンプルを支持するステージの位置制御のための１または複数のモータ、カメラのレンズ、Ｆストップなどを含んでよい。処理システム２８の論理は、ソフトウェア、ハードウェア、または、それらを組み合わせたもの、の形態を取ってよい。システム２８は、ユーザに画像化情報を提示するためのディスプレイ３８とも通信する。例えば、ディスプレイ３８は、モニタであってよく、測定結果のグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を提示する。グラフィカルユーザインターフェースは、ユーザが、画像化の結果を見ることを可能にすると共に、画像化システム１０を制御するためのインターフェースとしても機能する。適切な画像化ソフトウェアの１つとして、カリフォルニア州アラメダのＸｅｎｏｇｅｎ社が提供する「ＬｉｖｉｎｇＩｍａｇｅ」が挙げられる。
【００４４】
システム１０は、トポグラフィ画像化ツールおよびトモグラフィ画像化ツールの両方を提供する。トポグラフィ画像化は、対象物の表面の特徴付けを行うものである。本発明は、構造光を用いて、対象物の表面トポグラフィを決定する。トモグラフィ画像化は、表面の内部の情報を扱うものである。これは、例えば、対象物内で、内部の対象を三次元で位置特定する際に有用である。これら２つの画像化形態の代表的な視覚化では、対象物の二次元の平断面を用いる。すなわち、トポグラフィが、表面（外側の境界線）を与え、トモグラフィが、境界線の内側のすべてを与える。
【００４５】
処理システム２８は、カメラ２０によって取得された構造光表面情報を用いて、動物の三次元表面表現を生成するよう構成されている。通例は、プロセッサが、構造光表面情報から三次元表面表現を生成する方法を決定するメモリに格納された命令を用いて、三次元表面表現を生成する。構造光情報を三次元表面表現に変換するために、プロセッサが行う適切な方法およびその具体的な工程について、図６Ｂを参照して後述する。構造光表面情報を三次元表面表現に変換する他のシステムも、当業者に周知である。したがって、本発明のシステムは、プロセッサが、カメラによって取得された構造光表面情報を用いて、動物の三次元表面表現を生成する方法に限定されない。
【００４６】
画像化システム１０は、カメラ１０に対する対象物の様々な方向および位置からの画像を取得することに適している。標本の写真表現上に重ね合わせた標本の内部からの放射の１または複数の表現の解析を含むインビボ画像化用途において、３つの画像を用いてよい。一実施形態では、画像化システム１０は、ルシフェラーゼの発現した細胞からの発光や、蛍光性分子からの蛍光など、低光度の光源の二次元または三次元の構造光画像化に用いられる。低光度の光源は、例えば、組織培養プレート、マルチウェルプレート（９６、３８４、および、８６４ウェルプレートなど）、および、発光する細胞を含む動物など、様々な発光する対象物またはサンプルのいずれかから放出されてよい。動物は、マウス、ネコ、または、ラットなど、任意の哺乳類であってよい。
【００４７】
一実施形態では、対象物は、発光する細胞を含むマウスである。したがって、結果としての発光画像は、対象物自体以外の光源を用いることなく取得されてよい。対象物からの発光は、発光画像を生成するために、位置の関数として記録される。かかる複合的な写真／発光画像を生成する方法の１つが、１９９７年７月２２日にＣｏｎｔａｇ  ｅｔ  ａｌ．に発行された米国特許第５，６５０，１３５号に開示されている。その特許の開示全体は、参照によって、本明細書に組み込まれる。
【００４８】
特定の一実施形態では、二次元または三次元の発光画像が、所定の期間にわたってＣＣＤカメラ２０の各検出画素によって受光された一群の放出光子を表す。換言すると、発光画像は、個々の検出画素における光子のカウントを表す大きさの値を表示してよい。放射（例えば、光子）を発する対象物の領域が、発光画像内に現れる。発光画像は、例えば、生体適合性の実体の存在を示してよい。その実体は、分子、高分子、細胞、微生物、粒子などであってよい。したがって、インビボでの解析は、哺乳類対象物における生体適合性の実体の位置を検出することを含んでよい。
【００４９】
図４Ｂは、本発明の一実施形態に従って、図４Ａの画像化ボックス１２の構成要素を示す図である。図４Ｂに示すように、画像化ボックス１２は、ドア１８を開いた状態で図示されており、対象物を収容する画像化チャンバ４４が見えている。画像化チャンバ４４は、互いに対向する側面筐体パネル１０３と、底面の遮光性隔壁５２と、上部パネル（図示せず）と、背面筐体パネル４７と、画像化チャンバ４４内への空洞開口部４９を規定する前壁４８とによって規定されている。
【００５０】
チャンバ４４の下には、遮光性隔壁５２によって隔てられた小区画が設けられており、遮光性隔壁５２の上面は、画像化チャンバ４４の床面として機能する。一実施形態では、小区画は、本体１４に形成された前面開口部５５から引き出し５４を摺動可能に受け入れるよう適合された収容空間を提供する。引き出し５４は、処理システム２８（図４Ａ）と電気的に接続されてボックス１２の様々な構成要素および機能を制御する電子要素５６を収容する。具体的な実施形態では、画像化ボックス１２は、鋼鉄などの適切な金属から形成された本体１４を有する。
【００５１】
係止可能なドア１８は、ヒンジ４６によってボックス本体１４に対して旋回可能に取り付けられており、それによって、図４Ａに示す閉位置から図４Ｂに示す開位置に移動できるようになっている。ドア１８が開位置にある場合、ユーザは、開口部４９を通して空洞４４にアクセスすることができる。ドア１８が閉位置にある場合、開口部４９を通して空洞内部４４にアクセスすることはできない。
【００５２】
図４Ｃは、本発明の別の実施形態に従って、画像化システム１００を示す図である。画像化システム１００は、システム１０の構成要素を１つの構造にまとめた設計を備える。
【００５３】
画像化システム１００は、発光する対象物を受け入れるよう適合された内部空洞２０１を規定するドア１０８および内壁１０９（図４Ｄ）を有する画像化ボックス１０２を備える。画像化ボックス１０２は、例えば、個々の光子ほどの低光度の光を捕捉することを含む画像化に適している。画像化ボックス１０２は、周囲の空間からの外部光の基本的にすべてがボックス１０２に入らないように密封されており、ドア１０８が閉じられた際にボックス内に光が入ることを防止する１または複数のシールを備えてよい。具体的な実施形態では、ドア１０８は、ダブルバッフルのシールなど、１または複数の遮光要素を備え、チャンバ１０２の残りの部分は、空洞２０１へのすべての光の侵入を最小限に抑えるよう構成されている。構造光画像化の対象物は、ドア１０８を開けて、対象物をチャンバ２０１内に挿入し、ドア１０８を閉じることにより、画像化に向けてボックス１０２内に配置される。適切な画像化システムの１つとして、カリフォルニア州アラメダのＸｅｎｏｇｅｎ社が提供するＩＶＩＳ（登録商標）Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ２００  Ｓｅｒｉｅｓが挙げられる。
【００５４】
画像化ボックス１０２は、上側に取り付けられたカメラ２０を備える。ハウジング１０６は、カメラ２０を収容するよう適合されている（図４Ｄ）。画像化システム１００は、さらに、試料またはファントム装置から光を収集して、その光をカメラ２０に供給するレンズ（図示せず）を備えてよい。ステージ２０５は、画像化チャンバ２０１の底面を形成しており、カメラ２０の視野２０３を変更するようにステージ２０５が上下動することを可能にするモータおよび制御部を備える。さらに、スペクトル画像化を可能とするために、多位置フィルタホイールを備えてもよい。画像化ボックス１０２は、さらに、写真画像を取得する際にサンプルを照らすために、チャンバ２０１の最上部に１または複数の発光ダイオードを備えてよい。他の要素としては、ガス麻酔システムや、画像の取得および麻酔中に動物の体温を維持するための加熱式サンプル棚が備えられてよい。
【００５５】
図４Ｄは、システム１００に備えられた様々な電子機器および処理構成要素を示すために、画像化ボックス１０２の側面パネルを取り外した状態のシステム１００を示す図である。画像化システム１００は、画像処理部２６と、処理システム２８とを備える。
【００５６】
画像化システムの動作および構造光の取得
本発明は、幅広い画像化の用途で利用されてよい。一般に、本発明は、哺乳類サンプルにおける発光体や生物学的事象を検出、位置特定、および、追跡するための任意の非侵襲的な方法および構成要素と共に用いられてよい。例えば、画像化システム１０を、高感度電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラと共に用いて、マウスなどの生体動物の体内の発光細胞（例えば、ルシフェラーゼＤＮＡ構築物で形質転換することにより生物発光性を与えられた特定の細菌や腫瘍細胞）の位置を検出することができる。かかる用途では、生物発光性の細胞を含む動物が、ボックス１２の内部のステージ２０４上に配置される。次いで、放出された電子を検出するために、カメラ２０が作動される。次いで、光子信号を用いて、光子放出の発光画像を構成してよい。発光画像は、対象物自体からの発光以外の光源を用いることなしに構成される。この発光は、発光画像を生成するために、位置の関数として記録される。発光画像の位置の視覚化に役立つように、同じ対象物について、写真画像も取得されてよい。かかる複合的な写真／発光画像を生成する方法の１つが、１９９７年７月２２日にＣｏｎｔａｇ  ｅｔ  ａｌ．に発行された米国特許第５，６５０，１３５号に開示されている。その特許の開示全体は、前述のように、参照によって、本明細書に組み込まれている。
【００５７】
ここで、図５によると、処理の流れ５００は、本発明の一実施形態に従って、画像化システム１０を用いて、写真画像、構造光画像、および、発光画像を取得する方法を示す。処理の流れ５００は、画像化すべき動物などの対象物を、光放出のために、画像化ボックス１２内のステージ２０４上に配置する工程２０２で始まる。コンピュータ２８を用いて、ユーザは、ステージ２０４の所望の位置を入力する。その入力に基づき、移動機構２０２は、コンピュータ２８によって供給される制御信号に従って、対応する位置にステージ２０４を移動させる（工程５０４）。光伝達装置１１１が、さらに、コンピュータ２８によって供給された制御信号に従って再配置する。
【００５８】
次に、対象物の写真画像を取得するために、画像化ボックス１２および関連の画像化構成要素が準備される。準備には、画像化および取得用のソフトウェア（例えば、カリフォルニア州アラメダのＸｅｎｏｇｅｎ社が提供する「ＬｉｖｉｎｇＩｍａｇｅ」など）をコンピュータ２８上で起動すること、および、カメラ２０を初期化すること、が含まれてよい。さらなる準備には、ドア１８を閉めること、ソフトウェアにおいて写真取得のオプションを作動させること、対象物すなわち動物の特定の深さにカメラ２０の焦点を合わせること、および、ボックス１２内に光を点灯すること、が含まれてよい。準備には、さらに、レンズ１００の焦点を合わせること、適切なレンズフィルタ１１８を選択的に配置すること、および、Ｆストップを設定することなど、が含まれてよい。次いで、写真画像が取得される（工程５０８）。写真の取得が終了すると、写真画像データが、画像化処理部２６、および／または、コンピュータシステム２８のプロセッサに転送される。これらの装置を用いて、写真画像データを操作および格納したり、コンピュータモニタ３８に表示するためにデータを処理したりすることができる。
【００５９】
次に、対象物の構造光画像を取得するために、画像化ボックス１２および関連の画像化構成要素が準備される。構造光の準備には、構造光源を作動させることと、格子線の密度などの構造光画像取得パラメータを指定することなど、が含まれてよい。次いで、構造光画像が取得される（工程５１０）。構造光の取得が終了すると、構造光画像データが、画像化処理部２６、および／または、コンピュータシステム２８のプロセッサに転送される。
【００６０】
次に、ステージ２０４を同じ位置に配置した状態で、発光画像取得のために、画像化装置１０を準備する（工程５１２）。かかる準備には、コンピュータを用いて、発光の露光時間およびビニングのレベルを選択すること、および、内部空洞４４内の光を消すこと、が含まれてよい。準備ができたら、ＣＣＤカメラ２０は、設定期間（数分以下）にわたって発光画像を取得する（工程５１４）。発光画像データが、画像処理部２６、および／または、コンピュータ２８のプロセッサに転送される（工程５１６）。
【００６１】
この時点で、ユーザは、発光画像データを操作および格納したり、コンピュータディスプレイ３８に表示するためにデータを処理したりしてよい。この操作は、さらに、発光画像と写真画像とを重ね合わせること、２つの画像を二次元の「オーバーレイ」画像として一緒に表示すること、を含んでよい。その場合、発光データは、通例、光度を示すために、擬似カラー表示される。次いで、このオーバーレイ画像は、ユーザによる解析の基礎となってもよいし、必要に応じた解析および操作をなされてもよい。特に、解析は、発光表現の一部分に含まれる画素について照射の大きさを合計することを含んでよい。なお、単一の発光表現をオーバーレイ画像に用いる場合について説明しているが、処理の流れ５００は、例えば、同じ時点または後の時点において、同じ位置のステージ２０４からの複数の発光表現を取得してもよい。
【００６２】
必要であれば、ステージ２０４は、第２の位置に移動されてよい（工程５２０）。ステージが第２の位置に配置された状態で、上述のように、対象物についての１または複数の写真画像および／または発光画像が取得されてよい。各画像の取得が終了すると、コンピュータ２８のプロセッサは、その画像データを受信する。サンプルの他の位置および方向からの対象物の画像を取得することにより、さらに、画像を収集してもよい。
【００６３】
上述のように、光子放出データは、画像取得期間にわたって光子を検出するＣＣＤカメラ２０の特定の画素を表しうる。対象物の構造光写真表現と、対象物の発光表現とを組み合わせて、構造光重ね合わせ画像すなわち構造光オーバーレイ画像を形成してよい。画像化装置１００は、通例、対象物１０６全体を測定するために用いられるため、発光表現のデータは、通例、１または複数の対照となる明確な発光部分を有する。
【００６４】
構造光の画像が、カメラ２０によって取得される。二次元構造光画像が取得および格納された後、コンピュータ２８は、構造光画像データを処理して、表面トポグラフィを生成してよい（工程５２２）。当業者にとって明らかなように、構造光画像から表面を再構成する多くの従来のアルゴリズムが存在する。例えば、画像上のすべての点における各線の位相シフトは、計算効率のよい二次元フーリエ変換から決定できる。次いで、位相マップを「アンラップ」することにより、実際の表面の高さが算出される。
【００６５】
構造光の取得および表面トポロジの構成は、柔軟に適用されてよい。一実施形態では、本発明は、カメラに向かい合う表面についてのみ、動物の表面トポグラフィを構築する。別の実施形態では、本発明は、カメラに向かい合う表面よりも広い動物の表面について、動物の表面トポグラフィを構築する。この場合、画像化装置１０は、複数の位置から一連の複数画像を取得する。この一連の複数画像は、異なる視角で取得され、複数の表面トポグラフィの部分をつなぎ合わせるのに必要な情報を提供する（図７Ａないし７Ｃ）。
【００６６】
次いで、表面トポグラフィは、動物内の光源の位置、明るさ、および、サイズを再構成するために用いられてよい。本発明での利用に適した再構成アルゴリズムの１つとして、拡散光トモグラフィが挙げられる。拡散光トモグラフィは、動物の三次元表面トポグラフィを用いて、この三次元表面上に生物発光をマッピングする。
【００６７】
プロセッサ２８は、三次元表面トポグラフィを得るために、構造光情報に対して任意の適切な再構成アルゴリズムを適用してよい。当業者にとって明らかなように、構造光画像から表面を再構成する多くのアルゴリズムが存在する。例えば、画像上のすべての点における各線の位相シフトは、二次元フーリエ変換から決定できる。かかる処理については、Ｍ．Ｔａｋｅｄａ、Ｈ．Ｉｎａ、Ｓ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉによる論文「Ｆｏｕｒｉｅｒ−ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｆｒｉｎｇｅ−ｐａｔｔｅｒｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｆｏｒ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」、ＪＯＳＡ  ７２、１５６−１６０（１９８２）で詳述されており、この論文は、参照によって本明細書に組み込まれる。次いで、位相マップを「アンラップ」することにより、実際の表面の高さが算出される。かかる処理については、Ｄ．Ｃ．ＧｈｉｇｌｉａおよびＭ．Ｄ．Ｐｒｉｔｔによる教科書「Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ，  Ｔｈｅｏｒｙ，  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，  ａｎｄ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ」、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９９８）に詳述されており、この教科書は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００６８】
構造光重ね合わせ画像すなわち三次元オーバーレイ画像を形成するために、サンプルの構造光表現とサンプルの発光表現とを合成してよく、その際、発光データは、通例、光度を視覚的に特徴付ける擬似カラーで表示される。
【００６９】
図６Ａは、本発明の具体的な実施形態に従って、光画像化システムを用いて表面トポグラフィデータを取得するための処理の流れ５３０を示す図である（処理の流れ５００の工程５０２）。図６Ｂないし６Ｈは、処理の流れ５３０に対応する構造光画像化の様子を示す図である。
【００７０】
処理の流れ５３０は、構造光基準を画像化してサンプルなしのパターンを生成する工程で始まる（工程５３１および図６Ｂ）。これは、サンプルが画像化される前に、サンプルが配置されるステージすなわち表面に対して構造光を当てることによって実行されてよい。サンプルの画像取得中に、ステージは、サンプルのない状態での画像取得で用いた位置と共通する位置に移動される。
【００７１】
次いで、サンプルは、画像化チャンバ内に配置されると、構造光を用いて画像化される（工程５３２および図６Ｃ）。構造光は、表面の法線に対して或る角度でサンプル上に投射される一連の光の線を用いる。それらの線は、サンプルを通過する際に屈曲し、線の屈曲を用いて、構造光プロジェクタによって照射されたすべての位置における表面の高さを決定することができる。投射角度は、空間分解能を実現するのに十分な線の「屈曲」を得られる程大きく、影が大きくならない程小さい。
【００７２】
次に、処理の流れ５３０は、構造光なしでサンプルを画像化する工程に進む（工程５３３および図６Ｄ）。背景およびサンプル上のすべての点における各線の位相シフトは、二次元フーリエ変換から決定されてよい。
【００７３】
次に、背景データは、ラップ位相（wrapped phase）に変換される（工程５３４および図６Ｅ）。ここで、背景データは、ラップ位相が算出される前に、フーリエ変換されてフィルタリングされる。同様に、サンプルデータは、フーリエ変換およびフィルタリングを受けて、そのサンプルデータのラップ位相を算出することにより、ラップ位相に変換される（工程５３５および図６Ｆ）。
【００７４】
次に、サンプルの表面トポグラフィが算出される（工程５３６および図６Ｇ）。この例では、これは、位相マップを「アンラップ」することにより実行される。当業者は、この処理に対して、いくつかのアンラップアルゴリズムを利用できる。例えば、画像上のすべての点における各線の位相シフトは、フーリエ形状測定技術を用いて決定できる。これらの方法により、干渉縞データ（図６Ｄ）の二次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実行されて、画像（図６Ｆ）のすべての位置における線の位相シフトが決定される。位相は、典型的な対象物については、２πの倍数だけシフトするため、図６Ｆに示すように、２πの位相飛びが見られる。これらの位相飛びは、実際の表面を決定するために、「アンラップ」される。
【００７５】
次に、異なる方向および位置から、上述の工程（５３１−５３６）を繰り返してよい（工程５３７）。複数の視点からサンプルを画像化することにより、より正確な三次元表面レンダリングを実現する本明細書に記載の技術に役立つ追加の情報が提供される。次に、複数の画像、すなわち、三次元画像化システムにおいて各視点から得られた部分的な表面は、完全な三次元表面を形成するように、位置合わせされる（工程５３８および図６Ｈ）。位置合わせは、結合される２つの表面上のメッシュエレメント間の距離を最小にする非線形最小二乗フィット技術を用いて実現できる。通例、それらの表面は、最終的な結合位置のかなり近くの開始位置を有することが好ましい。換言すれば、表面位置に関する微調整のみが、この方法によって実現されてよい。他の位置合わせ技術では、画像内に絶対的な基準線またはある種の基準を提供し、それが、例えば、ステージに対して、任意の部分表面の絶対的な位置を与える。各表面の絶対的な位置決めが、十分に正確であれば、上述の非線形フィット法を省略できる。
【００７６】
構造光データから導出された表面トポグラフィには、多くの利用法がある。ユーザは、対象物の表面の透視図を提供するために表面トポグラフィを用いてよい。表面トポグラフィは、内部光源のトモグラフィ再構成で利用されてもよい。この場合、ａ）対象物の内部の光源に関する１または複数の発光画像と、ｂ）表面トポグラフィまたは表面トポグラフィを用いて構築された表面メッシュの配置とを用いて、表面直下の光子密度を決定することができる。表面直下の光子密度は、表面から放出されて発光画像に取り込まれた光の光度に関連する。表面の内部のボリューム内には、１組のボリュームエレメントを構成することができる。次いで、表面直下の光子密度を用いて、各ボリュームエレメント内の光源の強さを決定してよい。トモグラフィ再構成に適したシステムについては、共同所有の係属中の特許出願Ｎｏ．１０／６０６，９７６、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」で詳述されており、この出願は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【００７７】
したがって、本明細書に記載されたトモグラフィ再構成および様々な画像処理機能を実行するために、処理ハードウェアおよびソフトウェアを用いてもよい。例えば、プロセッサは、内部空洞内のステージの１または複数の位置から取得された画像に含まれる構造光情報を用いて、三次元構造光表面を生成するよう構成されてよい。一実施形態では、画像化システム１０は、組織内での光子の拡散を評価する定量的モデルを用いる。一実施形態では、モデルは、発光源のサイズ、形状、および位置の三次元表現を空間的に分解するために、インビボの画像データを処理する。通例、トモグラフィモデルは、処理システム２８のメモリ内に命令として格納される。哺乳類サンプルや本明細書に記載するファントム装置を通しての光子の伝播を表すために、様々な拡散および再構成のモデルが、システム１０によって実施されてよい。１または複数の画像からのデータを用いて哺乳類サンプルまたはファントム装置内の光源のデジタル表現を生成するソフトウェアの適切なトモグラフィの例の１つは、共同所有の係属中の特許出願Ｎｏ．１０／６０６，９７６、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ３−Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」、発明者Ｂｒａｄ  Ｒｉｃｅ  ｅｔ  ａｌ．、に記載されている。この出願は、参照によって、全体として本明細書に組み込まれる。
【００７８】
上述の構造光源および方法に関連して、構造光の生成を説明したが、本発明は、本明細書に記載された構造光動作を実行するためのプログラム命令や状態情報などを含む機械読み取り可能な媒体にも関連する。機械読み取り可能な媒体の例としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、磁気テープなどの磁気媒体；ＣＤ−ＲＯＭディスクなどの光媒体；フロプティカルディスクなどの光磁気媒体；読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など、プログラム命令を格納および実行するよう特別に構成されたハードウェア装置、が挙げられるが、それらに限定されない。上述のプロセッサは、格納された命令を実行することで、上述の方法（例えば、処理の流れ５３０）の多くを実行するよう構成されてよい。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるコードなどのマシンコードや、インタープリタを用いてコンピュータが実行できる高級言語のコードを含むファイルが挙げられる。
【００７９】
構造光を用いた三次元画像化装置
一実施形態では、本発明は、カメラに向かい合う表面よりも広い動物の表面について、動物の表面トポグラフィを構築する。この場合、画像化装置１０は、複数の位置から一連の複数画像を取得する。この一連の複数画像は、異なる視角で取得され、複数の表面トポグラフィの部分をつなぎ合わせるのに必要な情報を提供する。各構造光画像は、動物の対向する約半分のみについて、表面トポロジを提供する。いくつかの視角（例えば、約４５度ごと）から画像を取得することにより、各視点から得られた部分的な表面再構成を「つなぎ合わせて」、動物の三次元表面の全体を再構成することができる。図７Ａないし７Ｃは、複数の視角から一連の構造光画像を取得するのに適したシステムの一例を示す。
【００８０】
図７Ａは、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の内部構成要素の上面斜視図であって、ステージ２０４が、固定基準線１０７の真下に存在する様子を示す図である。図７Ｂは、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の構成要素の上面斜視図であって、ステージ２０４が、固定基準線１０７の下側で、その中心を外れた位置に存在する様子を示す図である。図７Ｃは、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の構成要素の上面斜視図であって、ステージ２０４が、固定基準線１０７の上側で、その中心を外れた位置に存在する様子を示す図である。
【００８１】
図７Ｃに示すように、カメラ架台１０９が、側壁１０３ｂの側面ハウジング１６に取り付けられている。カメラ架台１０９は、カメラ２０によって空洞４４内の対象物１０６を見るために、カメラ２０を受けて固定基準線１０７に対して位置決めするよう適合されている。カメラ２０は、写真画像および構造光画像を取得することが可能であり、さらに、発光画像を取得するに十分な感度を有する。
【００８２】
可動ステージ装置２００が、内部空洞４４内に配置されており、移動機構２０２と、発光する対象物１０６を支持するためのステージ２０４とを備える。可動ステージ装置２００は、内部空洞４４内の複数の位置にステージ２０４（および対象物１０６）を再配置する自由度２の移動を実行できる。画像を取得するために、その範囲の任意の位置が保持されてよい。
【００８３】
図７Ａないし７Ｃに示すように、この実施形態の移動機構２０２は、互いにほぼ直交して配置された線形アクチュエータ２０６および２０８を備える。各線形アクチュエータ２０６および２０８は、それぞれのアクチュエータに沿って直線的にステージ２０４を位置決めすることができる線形アクチュエータ２０６は、ステージ２０４の垂直の位置決めを行い、線形アクチュエータ２０８は、ステージ２０４の水平の位置決めを行う。線形アクチュエータ２０６は、ボックス１２に取り付けられた静止部分と、線形アクチュエータ２０８に取り付けられた移動部分とを有する。線形アクチュエータ２０８は、線形アクチュエータ２０６に取り付けられた相対的静止部分と、ステージ２０４に取り付けられた移動部分とを有する。移動機構２０２での利用に適したかかる線形アクチュエータの一例としては、ニューヨーク州ポートワシントンのＴｈｏｍｓｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社のＬＣ−３３が挙げられる。
【００８４】
移動機構２０２は、ステージ２０４の位置を制御するための位置フィードバックを供給するためにコンピュータ２８に動作可能に接続された１組の位置センサを備えることが好ましい。線形アクチュエータ２０６および２０８と、位置センサ２１２と、コンピュータ２８との組み合わせにより、内部空洞４４内のステージ２０４を、閉じた輪の軌道で位置制御する。具体的には、ユーザが、コンピュータ２８を介して、固定基準線１０７の周りのほぼ円形の軌道に沿って、ステージ２０４の１または複数の位置を入力してよい。一実施形態では、ユーザは、固定基準線１０７に対してステージ２０４に対する視角を設定する。次いで、コンピュータ２８に備えられたソフトウェアが、その視角を、各アクチュエータ２０６および２０８を動かすための制御信号に変換する。
【００８５】
光伝達装置１１１は、カメラ２０による画像の取得のために、対象物１０６から反射または放出された光を固定基準線１０７に沿うように方向付ける。光伝達装置１１１は、固定ブラケット１１９に取り付けられており（図７Ａ）、固定ブラケット１１９は、固定ブラケット１１９と移動ブラケット１２６との間でそれらの周辺に配置されたベアリングを備え、それらのベアリングにより、反射鏡アセンブリ１２０は、固定ブラケット１１９に対して自由に回転することができる。このように、鏡アセンブリ１２０は、ハウジング１６に対して回転可能に結合されており、固定基準線１０７の固定軸と同軸上に配置された軸を中心に回転する。
【００８６】
図７Ｃによると、鏡アセンブリ１２０は、ステージ２０４上の対象物１０６からの光を固定基準線１０７に沿って反射する傾斜した鏡１２１を備える。外壁１２３は、ほぼ円筒形であり、光がステージ２０４と反射鏡１２１との間を通ることを可能にする開口部１２２を備える。鏡アセンブリ１２０の外壁１２３は、さらに、ステージ２０４の現在の視角に直接関係のない内部空洞４４内の残存光が、レンズ１００に到達することを防止する。これは、ステージ２０４の長さにかかるのに十分な長さを有するよう、鏡１２１を構成することによって、部分的に実現される。ステージは、固定軸を中心とした円形の軌道に沿って配置されるため、外壁１２３および反射鏡１２１は、レンズ１００によって受光されるために固定基準線１０７に沿って反射される光を、主に、ステージ２０４の角度方向から集光する。
【００８７】
図７Ｄは、光伝達装置１１１を用いたボックス１２内での光の伝達を示す簡略な図である。また、図７Ｄは、構造光プロジェクタ１７０の別の構成を示している。図に示すように、構造光１７５は、構造光プロジェクタ１７０から放出され、鏡１７３で反射されて、部分的に透過性を有する鏡１２１を通過して、対象物１０６に到達する。一実施形態では、鏡１２１の部分的な透過性は、半透鏡すなわち部分的に銀メッキされた鏡を用いて実現される。別の実施形態では、波長特異的な透過特性を有するダイクロイックミラーを用いる。次いで、構造光１７５は、カメラ２０によって捕捉されてよい。
【００８８】
移動機構２０２によって実現される自由度２の移動により、ステージ２０４および対象物１０６は、カメラ２０による画像取得のために、固定基準線１０７に対して複数の角度で配置されることが可能になる。したがって、コンピュータ２８を介したユーザ入力に基づいて、移動機構２０２および光伝達装置１１１は、カメラ２０を用いて画像を取得できるように、ステージ２０４上の対象物１０６からの光を固定基準線１０７およびレンズ１００の方向に向ける。円形の軌道の周りの３６０度の視角を提供するのに加えて、移動機構２０２は、固定基準線１０７に対するステージ２０４の所与の角度について画像の深度を変更できる。移動機構２０２および光伝達装置１１１は、約７．５ｃｍないし約１６．５ｃｍの範囲の視野をカメラ２０に提供する。具体的な実施形態では、光伝達装置１１１は、約１３ｃｍないし約１６．５ｃｍの範囲の視野をカメラ２０に提供する。上述のユーザ起動の角度位置制御と同様に、ユーザは、ステージ２０４について、所望の焦点深度および視角を入力してよい。次いで、コンピュータ２８に備えられたソフトウェアと、線形アクチュエータ２０６および２０８とによって、固定基準線１０７に対して、所望の角度および深さにステージ２０４が配置される。
【００８９】
ステージ
本明細書で用いられているように、ステージという用語は、画像取得中に対象物を支持するために利用される構造を意味する。画像化ボックス内の固定された平らな底面など、平面がその利用に適している。別の実施形態では、ステージは可動である。垂直方向に位置決め可能である適切なステージの一例を上述した。一般に、本発明は、任意の特定のステージの構造または構成に限定されない。
【００９０】
一部のステージは、ステージを通して画像を取得できる透明部分を備えてよい。例えば、上述の移動機構２０２は、ステージにおける部分的な透過性に依存する。
【００９１】
図８Ａおよび８Ｂによると、ステージ２０４は、枠２５２と、透明部分２５４とを備える。透明部分２５４は、対象物１０６から放出または反射された光を、固定基準線１０７の周りのステージ２０４の任意の位置について、ほぼ干渉せずに最小限の歪みで透過させる。透明部分２５４は、対象物１０６を支持する透明な線の配列２５６を備えることが好ましい。具体的な実施形態では、透明な線の配列２５６は、枠２５２の両端にある穴２５８を通して張られた１本の透明なナイロン線である。別の実施形態では、配列２５６は、テニスラケットのメッシュと同様の交差パターンの格子のようなメッシュである。
【００９２】
具体的な実施形態では、ステージ２０４は、ボックス１２内で、ステージ２０４と他の構成要素との間の望ましくない接触を防止する衝突保護手段に基づくハードウェアを備える。具体的な実施形態では、図８Ａに示すように、カメラ２０に最も近いステージ２０４の側部に、衝突ピン２５０が配置される。衝突ピン２５０は、空洞４４内でのステージ２０４と構成要素との接触を防止する。ステージ２０４と、光伝達装置１１１、カメラ２０、または、壁１０３ｂとの間の接触を防止するために、固定ブランケット１１９上の光伝達装置１１１の周囲に、金属リング２６０が配置される。
【００９３】
簡潔にするために、様々な詳細事項を省略したが、明らかな設計の代替物が実施されてよい。例えば、主に、インビボ画像化用途に有用な構造光源に関連して、本発明を説明したが、本発明は、他の画像化用途にも適しており、それに応じて構成されてよい。したがって、上述の例は、例示的なものであって制限的ではないものと見なされ、本発明は、本明細書に記載された詳細事項に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変形可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】或る角度からの構造光の伝達を示す簡略な図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に従って、走査型レーザ検流計を備えた構造光源を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に従って、図２Ａの走査型レーザ検流計を備えた画像化ボックス内部のステージを示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に従って、構造光を生成するために用いられる構造光プロジェクタの内部構成要素を示す図である。
【図３Ｂ】対象物の表面トポグラフィを取得するために用いられる構造光プロジェクタの構成を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｄおよび３Ｅの光輸送装置に対するステージの位置の４つの例（すなわち、０度、９０度、１８０度、および、２７０度）を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に従って、サンプルの複数の見方を容易にするための内部構成要素を有する画像化を示す切り欠き斜視図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に従って、サンプルの複数の見方を容易にするための図３Ｄの内部構成要素を示す斜視図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に従って、画像を取得するよう適合された画像化ボックスを備えた画像化システムを示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの画像化ボックスの構成要素を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の別の実施形態に従って、画像化システムを示す斜視図である。
【図４Ｄ】本発明の別の実施形態に従って、画像化システムを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って、画像化システムを用いて、写真画像、構造光画像、および、発光画像を取得する方法を示すフローチャート。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に従って、表面トポグラフィデータを取得するための処理の流れを示すフローチャート。
【図６Ｂ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｅ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｆ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｇ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図６Ｈ】図６Ａの処理の流れに対応する構造光画像化の画像表現を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に従って、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の内部構成要素の上面斜視図であって、可動ステージが、固定基準線の真下に存在する様子を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に従って、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の内部構成要素の上面斜視図であって、可動ステージが、固定基準線の下側で、その中心を外れた位置に存在する様子を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態に従って、外側の壁を取り除いた状態の画像化ボックス内の内部構成要素の上面斜視図であって、可動ステージが、固定基準線の上側で、その中心を外れた位置に存在する様子を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ａの光伝達装置を用いた画像化ボックス内での光の伝達を示す簡略な図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に従って、画像化ボックスが備えるステージを示す上面図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態に従って、画像化ボックスが備えるステージを示す側面図である。
【図１】
2008541092.tif 000003
【図２Ａ】
2008541092.tif 000004
【図２Ｂ】
2008541092.tif 000005
【図３Ａ】
2008541092.tif 000006
【図３Ｂ】
2008541092.tif 000007
【図３Ｃ】
2008541092.tif 000008
【図３Ｄ】
2008541092.tif 000009
【図３Ｅ】
2008541092.tif 000010
【図４Ａ】
2008541092.tif 000011
【図４Ｂ】
2008541092.tif 000012
【図４Ｃ】
2008541092.tif 000013
【図４Ｄ】
2008541092.tif 000014
【図５】
2008541092.tif 000015
【図６Ａ】
2008541092.tif 000016
【図６Ｂ】
2008541092.tif 000017
【図６Ｃ】
2008541092.tif 000018
【図６Ｄ】
2008541092.tif 000019
【図６Ｅ】
2008541092.tif 000020
【図６Ｆ】
2008541092.tif 000021
【図６Ｇ】
2008541092.tif 000022
【図６Ｈ】
2008541092.tif 000023
【図７Ａ】
2008541092.tif 000024
【図７Ｂ】
2008541092.tif 000025
【図７Ｃ】
2008541092.tif 000026
【図７Ｄ】
2008541092.tif 000027
【図８Ａ】
2008541092.tif 000028
【図８Ｂ】
2008541092.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月3日(2008.3.3)
【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】
動物の三次元表面表現を提供するための画像化システムであって、
内部空洞を取り囲む１組の壁を備えた画像化チャンバと、
前記内部空洞内で、カメラの視野内に、前記動物を支持するよう構成されたステージと、
前記動物が前記ステージ上に存在する状態で前記動物上に伝達される構造光を生成するよう構成された構造光源であって、前記動物による前記構造光の遮断により、前記動物の構造光表面情報が生成され、前記構造光源は、光線を生成するレーザと、前記光線を反射して前記動物上に格子状の線を投射するよう配置可能な少なくとも１つの鏡とを備えた走査型レーザ検流計を備える、構造光源と、
前記カメラによって取得された前記構造光表面情報を用いて、前記動物の少なくとも一部の三次元表面表現を生成するよう構成されたプロセッサと、を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記構造光源は、前記動物上に、格子状の線を伝達するよう構成されている、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記構造光プロジェクタは、或る角度から、前記動物上に前記格子状の線を投射する、システム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムであって、前記格子状の線は、１ミリメートル当たり約０．５ないし約２本の範囲の線間隔を有する、システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のシステムであって、さらに、
前記動物の表面から放出された光を前記カメラに伝達する光輸送装置を備え、
前記構造光源は、前記光輸送装置に結合されており、
前記光輸送装置は、前記カメラによって受光される前に、前記動物から放出された光を遮断するよう構成された鏡を備える、システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のシステムであって、前記ステージは、前記内部空洞内の複数の位置の中の１つに移動可能である、システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のシステムであって、前記プロセッサは、さらに、前記構造光表面情報から前記三次元表面表現を生成する方法を決定するメモリに格納された命令を用いて、前記動物の前記三次元表面表現を生成するよう構成されている、システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のシステムであって、前記１組の壁は、前記画像化チャンバが実質的に遮光性を有するように前記内部空洞を取り囲む、システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のシステムであって、前記走査型レーザ検流計は、前記ステージより上に配置されており、前記動物の上面に向かって下向きに前記光線を反射する、システム。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のシステムであって、前記走査型レーザ検流計は、前記ステージの表面法線に対して約１５°ないし約３０°の角度で構造光を投射する、システム。
【国際調査報告】
2008541092.tif 000030
2008541092.tif 000031