(57)【要約】【解決手段】ヒトまたは動物組織などのような混濁媒体中で、深度区分された反射率または透過率の画像化を行うための、定量的変調画像化の方法の改良である。混濁媒体を周期パターンに露光し、混濁媒体内の構造を深度分解して弁別するとき、照明、好ましくは蛍光励起波長を有する照明の周期パターンをコード化するステップと、混濁媒体内の構造の非接触三次元画像を再構成するステップとが、改良の対象である。結果として、広い範囲で画像化でき、単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離でき、照明の空間周波数の選択に基づいて深部特徴から表層特徴を分離でき、または、空間コード化されたデータから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報が抽出できる。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混濁媒体を、空間周波数によって特徴付けられた照明の周期パターンに露光することと、
前記混濁媒体からデータ画像を受け取ることと、
前記混濁媒体の関心対象領域を選択することと、
前記混濁媒体の前記選択された関心対象領域の前記データ画像を変換することと、
前記混濁媒体の前記選択された関心対象領域の前記変換データ画像を空間フィルタリングすることと、
前記混濁媒体の前記選択された関心対象領域の、前記フィルタリングされた変換データ画像を再構成することとを含んでなる、
混濁媒体中で深度区分された蛍光および反射率を画像化するための定量変調蛍光画像化法であって、
前記混濁媒体を前記周期パターンに露光するとき、蛍光励起波長を有する照明の周期パターンをコード化して、前記混濁媒体内の蛍光構造を深度分解して弁別することと、
混濁媒体中の蛍光の非接触三次元画像を再構成することを含んでなり、
それにより、広い範囲で画像化し、単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離し、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離し、または、空間コード化されたデータから定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記コード化することおよび再構成することの各ステップが、関心対象の励起および発光波長において空間分解された光学特性を提供し、
さらに、測定された蛍光から散乱および吸収の影響を取り除くことを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
表面および表面下の媒体の構造、機能、および組成を同時にマッピングすることを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
広い範囲で画像化すること含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
単一画像から、不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
照明の空間周波数の選択に基づいて、深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
空間コード化データから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項３に記載の方法において、
前記表面および表面下の媒体の構造、機能、および組成を同時マッピングすることは、光源の空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として、深度感度を評価することを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項４に記載の方法において、
広い範囲で画像化することは、広い範囲にわたって空間的に分解する光学特性の決定を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法において、
前記空間コード化データから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出することは、蛍光データに加えて散乱および吸収特性を空間的に分解すること、ならびに蛍光団スペクトルからの散乱および吸収の影響を取り除くことの両方によって、蛍光を定量的に測定することを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項５に記載の方法であって、さらに、
照明の空間周波数の選択に基づいて標的蛍光からバックグラウンド蛍光を分離することと、
照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
組織の自己蛍光を、組織内の他の外因性蛍光団または遺伝子工学によって合成されたタンパク質蛍光の発現から深度で分解することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
光源の空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として深度感度を評価することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離することを含んでなる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを小動物の画像化に応用する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、蛍光内視鏡、蛍光気管支鏡、蛍光膣鏡（子宮頸癌）を用いて、前癌および癌の検出および監視、組織のタイプを識別するための手術中ガイダンス、モーズの外科手術ガイダンス（蛍光および／または反射率に基づく皮膚腫瘍輪郭の描写）、または蛍光および／または反射率に基づく腫瘍輪郭描写のような脳腫瘍切除のうちの少なくとも１つに応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、薬剤開発などのような治療法の効果の監視に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、広範囲の組織の水分補給を行いながら、年齢、疾患関連の変化、および皮膚内の化粧品のモニタリング、光老化および治療（化学物質、レーザ、高周波または焼灼）に対する光老化した皮膚の反応、または日焼け止め剤の効果の定量化（様々な日焼け止め製剤を使用した場合の日焼け止め剤としての適切性と日光に対する生理反応との両方の調査）のうちの少なくとも１つに応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、糖化最終産物に関連する蛍光変化などのような糖尿病に関連する組織状態の変化に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、移植のための火傷の重症度／火傷の深さの評価に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、光線力学療法の線量測定に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、火傷評価、末梢血管疾患の診断および管理のための広い範囲の組織の酸素測定、または新生児の酸素測定に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１に記載の方法において、
コード化することおよび再構成することを、医薬品および定量的なプロセス工学の品質管理の手段として、蛍光、反射率、またはそれらの組合せを用いた化学的画像化に応用する
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
混濁試料を照明の周期パターンに露光する光源と、前記試料からのデータ画像を受け取るカメラと、および前記試料の前記データ画像をフーリエ変換し、前記試料の前記変換したデータ画像を空間フィルタリングして、前記試料の前記フィルタリングした変換データ画像を再構成するシグナルプロセッサを備えてなる、
蛍光混濁媒体から成る混濁試料の深度区分された蛍光および反射率を画像化するための定量変調蛍光画像化装置であって、
前記光源が、蛍光励起波長でコード化された照明の周期パターンを提供して、前記混濁媒体内の蛍光構造を深度分解して弁別することと、
前記混濁試料内の発光周波数における非接触三次元画像を再構成する手段を備えてなることと、
それにより、広い範囲で画像化し、単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性の分離し、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離し、または空間コード化されたデータから定性的および定量的な構造、機能、および組成情報を抽出することと、
を特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の装置において、
前記光源および前記再構成手段は、組み合わさって、関心対象の励起および発光波長における空間分解光学特性を決定し、前記再構成手段は、さらに、測定された蛍光から散乱および吸収の影響を取り除く
ことを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、さらに、表面および表面下の媒体の構造、機能、および組成を同時にマッピングする
ことを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項２４に記載の装置において、
前記光源および前記再構成手段は、組み合わさって、広範囲の画像化を実行する
ことを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離する
ことを特徴とする装置。
【請求項２９】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する
ことを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、空間コード化データから定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出する
ことを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項２６に記載の装置において、
前記再構成手段は、光源空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として、深度感度を評価する
ことを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項２７に記載の装置において、
前記再構成手段は、広い領域にわたる光学特性決定を空間的に分解する
ことを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項３０に記載の装置において、
前記再構成手段は、蛍光データに加えて散乱および吸収特性を空間的に分解すること、および蛍光団スペクトルから散乱および吸収の影響を取り除くことの両方によって、蛍光を定量的に測定する
ことを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項２８に記載の装置において、
前記再構成手段は、照明の空間周波数の選択に基づいて標的蛍光からバックグラウンド蛍光を分離し、かつ照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する
ことを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、組織の自己蛍光を組織内の他の外因性蛍光団または遺伝子工学によって合成されたタンパク質蛍光の発現から深度で分解する
ことを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、光源空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として深度感度を評価する
ことを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項２４に記載の装置において、
前記再構成手段は、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する
ことを特徴とする装置。
【請求項３８】
混濁媒体を選択された空間周波数の光の周期パターンに露光し、前記選択された空間周波数が、前記光のフルエンス率の制御された対応する深度プロフィルを決定することと、
前記光を前記混濁媒体と相互作用させて、前記混濁媒体中の深度の制御された関数として、選択された副次的効果を創出することと、
を含んでなる方法。
【請求項３９】
請求項３８に記載の方法において、
前記混濁媒体中の深度の制御された関数として前記選択された副次的効果は、前記混濁媒体中の制御された蛍光プロフィルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３８に記載の方法において、
前記混濁媒体中の深度の制御された関数として前記選択された副次的効果は、前記混濁媒体中の制御された熱プロフィルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３８に記載の方法において、
前記混濁媒体中の深度の制御された関数として前記選択された副次的効果は、前記混濁媒体中の制御された音響プロフィルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３８に記載の方法であって、さらに、
前記混濁媒体中の制御された深度関数として前記選択された副次的効果を、画像化、治療上の処置、または診断検査に用いることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３８に記載の方法であって、さらに、
前記混濁媒体中の深度の制御された関数として前記選択された副次的効果に関連するデータを受け取ることと、前記データに逆アルゴリズムを適用して吸収、散乱、蛍光、または光と前記混濁媒体との相互作用を示す他の光学パラメータの定性的または定量的な高分解能三次元表示を提供することを含んでなり、
当該アルゴリズムは、前記混濁媒体の算出された平均光学特性を用いて光の横方向拡散について計算し、また、当該アルゴリズムは、前記光のフルエンス率の制御された深度プロフィルの深度感度を計算するものである
ことを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項３８に記載の方法であって、さらに、
前記混濁媒体の光学特性の計算された平均バックグラウンドを生成することと、
前記混濁媒体の光学特性の前記計算された平均バックグラウンドを用いて前記混濁媒体中の副次的効果を制御することを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項４５】
混濁媒体中の関心対象物の深度区分された反射率または透過率のデータ検出を行うための方法であって、
前記混濁媒体を選択された空間変調された周波数の光に露光し、前記選択された空間周波数が前記光のフルエンス率の対応する制御された深度プロフィルを決定することと、
前記光を前記混濁媒体と相互作用させて、前記混濁媒体中の制御された深度関数として選択された副次的効果を創出することと、
前記混濁媒体中の前記選択された副次的効果を前記光の前記選択された空間変調の周波数において測定することと、
前記測定された選択副次的効果を変換してスペクトルを取得することと、
前記スペクトルを副次的効果カーネルで除算して、再構成された対象物スペクトルを取得することと、
前記再構成された対象物スペクトルを逆変換して、再構成された対象物データを取得することと
を含んでなる方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法において、
前記スペクトルを副次的効果カーネルで除算して再構成された対象物スペクトルを取得することは、関心対象物がその中に含まれ、かつ関心対象物の深度が分かっている前記混濁媒体のバックグラウンドを多周波数光学特性測定して決定した光学特性を用いて、前記スペクトルを前記副次的効果カーネルで除算することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４５に記載の方法において、
前記測定された選択副次的効果を変換してスペクトルを取得すること、および前記再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物データを取得することは、前記測定された副次的効果をフーリエ変換してスペクトルを取得すること、および前記再構成された対象物スペクトルを逆フーリエ変換して再構成された対象物画像を取得することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の方法において、
前記測定された選択副次的効果を変換してスペクトルを取得すること、および前記再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物データを取得することは、前記測定された副次的効果をヒルベルト変換またはウェーブレット変換してスペクトルを取得すること、および前記再構成された対象物スペクトルを、それぞれ逆ヒルベルト変換または逆ウェーブレット変換して再構成された対象物画像を取得することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項４５に記載の方法において、
前記混濁媒体の前記副次的効果を前記光の空間変調の選択された周波数において測定することと、前記測定された副次的効果を変換してスペクトルを取得することと、前記スペクトルを副次的効果カーネルで除算して再構成された対象物スペクトルを取得することと、前記再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物画像を取得することの各ステップは、それぞれのステップを、固定された平均深度に対応する前記空間変調された周波数において二次元で実行して、前記混濁媒体中の関心対象物の二次元画像を取得することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４９に記載の方法において、
前記混濁媒体を空間変調された周波数の光に露光し、その選択された空間周波数が前記光のフルエンス率の対応する制御された深度プロフィルを決定することと、前記混濁媒体中の前記副次的効果を前記光の前記選択された空間変調の周波数において測定することと、前記測定された副次的効果を変換してスペクトルを取得することと、前記スペクトルを副次的効果カーネルで除算して再構成された対象物スペクトルを取得することと、前記再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物データを二次元に取得して画像を取得することの各ステップは、さらに、
前記ステップのぞれぞれを、空間変調された周波数を変更しながら繰り返して、変更される固定平均深度に対応する複数の画像を取得すること、および
変更される固定平均深度に対応する複数の画像から減算画像を生成して、前記混濁媒体中の対応する単一の固定平均深度だけに実質的に由来する画像を取得することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項４５に記載の方法において、
前記混濁媒体中の前記副次的効果を前記光の前記選択された空間変調の周波数において測定することは、前記混濁媒体中の前記関心対象物からの複数の副次的効果を前記対応する深度において同時に測定することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の方法において、
前記混濁媒体中の前記関心対象物からの複数の副次的効果を前記対応する深度において同時に測定することは、深度の関数としてフルエンス率を決定する順方向モデルおよび逆方向技法を用いて、前記混濁媒体中の前記関心対象物に関連する前記複数の副次的効果を前記対応する深度において取得することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５２に記載の方法において、
前記複数の副次的効果は、前記光の吸収および散乱を含み、
前記深度の関数としてフルエンス率を決定する順方向モデルおよび逆方向技法を用いて前記混濁媒体中の前記関心対象物に関連する前記複数の副次的効果を前記対応する深度にある取得することは、次式で与えられる順方向モデルを用いてフルエンス率を深度の関数として決定し、
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ここに、φ0(ｚ)は深度ｚの関数としてのフルエンス率であり、Ｐ0は平面照明の入射光パワーであり、Ｃは境界条件の選択によって決まる定数であり、μs'は減少した散乱係数であり、μtrは輸送係数であり、そしてμeffは実効散乱係数であり、そして、
前記関心対象物に関連する前記副次的効果を取得する逆方向技法は、最小二乗回帰または線形一般逆行列乗法を用いることを含む
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、混濁媒体の光学計測に関し、とりわけ、組織吸収、散乱パラメータ、および組織画像化の光学計測に関する。
【０００２】
この発明は、ＮＩＨ（国立衛生研究所）により付与された認可番号ＰＲ０１１９２の下に、政府支援を受けて行われた。政府は、この発明に関し一定の権利を有する。
【０００３】
この出願は、２００５年１月２０日に出願の米国仮特許出願第６０／６４５，４３０号に関連し、当該仮出願はここに援用し、かつ、それについて米国特許法第１１９条に基づいて優先権を主張する。
【背景技術】
【０００４】
構造照明を利用して、小動物における蛍光ベースの分子画像化（画像描写）を行う先行技術は多数存在する。照明の構造特性は、一般的に単一の空間周波数で標的に対し提示され、非常に簡単な方法で使用して、照射された標的の表面の空間的位置およびトポロジ（幾何学的位相）の情報を伝え、対象物の三次元描出を作成する。本質的に、このアプローチは、照明から対象物までと、対象物からセンサまでとの間の距離の変化を修正するための方法である。いくつかの例を以下に示す。
【０００５】
第１の例は、「Visualization Of Antitumor Treatment By Means Of Fluorescence Molecular Tomography With An Annexin V-Cy5.5 Conjugate」、Ntziachristos V他著、Proc Natl Acad Sci USA、２００４年８月１７日、１０１（３３）：１２２９４−９頁掲載、電子出版２００４年８月１０日、Center for Molecular Imaging Research, Massachusetts General HospitalおよびHarvard Medical School, Boston, MA 02115, USA、vasilis@helix.mgh.harvard.edu に記載されている。分子レベルでの治療反応のインビボ(in vivo)画像化が、薬剤発見の速さおよび最終的にはテーラーメイド医療に重大な影響を与える可能性が認識されてきている。組織および動物全体を通して、非侵襲の３Ｄ画像化のための分子特異性および分子感度に優れた蛍光ベースの定量技術を開発する必要性が認識されている。化学療法に対する腫瘍反応は、修飾アネキシンに基づくホスファチジルセリン感知蛍光プローブを用いる蛍光分子断層撮影法（ＦＭＴ）により、正確に解像（分解）できる。対照研究と比較して、シクロホスファミド感受性の腫瘍においては少なくとも１０倍の蛍光色素濃度の増加が、かつシクロホスファミド耐性の腫瘍においては７倍の蛍光色素濃度の増加が観察されている。蛍光分子断層撮影法は、一般的に使用される平面照明法の限界を克服するために開発された光学画像化技術であり、組織学により確認された高い定量化精度を実証している。バックグラウンド吸収不均一における３倍の変化が、平面画像化では１００％の誤差を生じるであろうのに対し、蛍光分子断層撮影法では２０％の誤差しか生じない場合がある。したがって、組織における蛍光プローブの定量的調査にとって、断面画像化（断層撮像）が好適なツールであることが確認されている。断層撮影法によるアプローチは、小動物の光学画像化にとって必要不可欠であることが発見されており、臨床的薬剤開発およびモニタリングにとって非常に好適である可能性がある。
【０００６】
第２の例は、「In vivo Tomographic Imaging Of Near-infrared Fluorescent Probes」、Ntziachristos V他著、Mol Imaging.、２００２年４月〜６月、１（２）：８２−８頁掲載、Center for Molecular Imaging Research, Massachusetts General HospitalおよびHarvard Medical School, Bldg149 13th Street 5406, Charlestown, MA 02129-2060, USA、vasilis@helix.mgh.harvard.edu に記載されている。蛍光画像化が、生きた動物内でのタンパク質の作用および遺伝子の発現を探索するために、ますます使用されつつある。この技術は、病因、薬剤開発、および治療介入の研究を強化する技術分野に見られる。蛍光媒介式分子断層撮影法（ＦＭＴ）を用いた三次元蛍光観察が開発されてきている。インビボでの蛍光プローブ分布を再構成することによって深部組織における分子機能を解像できる画像化技術が、実証されてきている。蛍光媒介式分子断層撮影法による研究結果は、表面下に腫瘍を移植したヌードマウスにおけるプロテアーゼ機能を研究するための蛍光反射率画像化法（ＦＲＩ）と比較されてきている。蛍光媒介式分子撮影法を蛍光反射率画像化法と比較して確認すると、この二つの技術によって判定されるように、蛍光色素活性化の空間的一致が実証されている。
【０００７】
第３の例は、「Experimental Fluorescence Tomography Of Tissues With Noncontact Measurements」、Schulz RB他著、IEEE Trans Med Imaging.２００４年４月、２３（４）：４９２−５００頁掲載、German Cancer Research Center (DKFZ)のDepartment of Medical Physics in Radiology, Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg, Germany、r.schulz@dkfz.de に記載されている。拡散媒体から非接触の光学測定を行うと、拡散光学断層撮影法の応用において、複数の角度での大型検出器アレイの使用が容易になることが発見さている。このような画像化戦略（作戦、方策）は、各個々のファイバーが組織、制限された形状、および整合流体と接触する必要性を排除する。したがって、実験的手順ならびにインビボでの機能および分子の過程を可視化する能力は、小動物画像化を行うための実験的実装に見られるように改良される。
【０００８】
超音波を用いると、ある程度まで表面下の情報にアクセスすることができる。しかしながら、超音波は、組織の機構的特性に関するデータを与えてくれるにすぎない。光コヒーレンス断層撮影法は、現在、組織表面下の構造を探索するために開発されつつあるが、非常に小さな組織体積について教えてくれるにすぎない。標準的な写真撮影は、表面構造に関する半定量的な情報を提供するような方法で行えるが、表面下の構造に関しては提供してくれない。
【０００９】
最近まで、蛍光断層撮影法によるアプローチは、関心対象物の断層撮影画像を作り上げるために、順次に切り替わる単一のソースおよび検出器のアレイに限定されていた。典型的には、これらの形状は、多種多様な標的に適合しない。モデルに基づくアプローチが、データから意味を抽出するために必要とされている。
【００１０】
近年、広範囲の画像化および単一の空間周波数での構造照明を採用して、関心の標的の三次元範囲を推定する努力がなされている。この研究の大半は、小動物画像化に的を絞っている。研究者は、対象物表面による投影された静的照明パターンの空間的歪みを頼りに、関心対象物の三次元範囲に起因する試料と検出器との間の距離の変化を「修正」する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
米国特許出願２００３／０１８４７５７号は、混濁媒体の広範囲、広帯域にわたる空間変調照明を開示した。このアプローチは、媒体の構造、機能、および組成の表面および表面下の同時マッピングの可能性を有する。この方法は、広範囲にわたって媒体に対し非接触で応用でき、広範囲の画像特性を要する様々な応用に使用することが可能である。生物医学分野における多数の潜在応用が、蛍光を利用した応用を含めて示された。定量変調蛍光画像化については、ついでに言及されてはいるが、詳細な具体説明は提供されなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の具体的に詳解する実施態様は、混濁媒体中で深度区分された反射率または透過率の画像化を行うための方法に向けられており、その方法は、混濁媒体を複数の空間周波数で平面照明の周期パターンに露光するステップであって、前述の平面照明がデータ検出の固定平均深度に対応しており、かつ前述の複数の空間周波数がデータ検出の深度感度を変化させるステップと、前述の複数の空間周波数の各々について、前述の混濁媒体からのデータ画像を受け取るステップと、前述の混濁媒体の選択された深度に在る前述の混濁媒体の関心対象領域を選択するステップと、前述の選択された深度に在る前述の混濁媒体の選択された関心対象領域のデータ画像を変換するステップと、前述の選択された深度に在る前述の混濁媒体の関心対象選択領域の前述の変換されたデータ画像を空間フィルタリングするステップと、前述の選択された深度に在る前述の混濁媒体の関心対象選択領域の、前述のフィルタリングされた変換データ画像を再構成するステップとを含んでいる。
【００１３】
この発明の具体的に詳解する実施態様は、また、混濁媒体を空間変調周波数の平面照明に露光するステップであって、前述の平面照明がデータ検出の固定平均深度に対応しており、かつ前述の空間周波数がデータ検出の深度感度に対応するステップと、前述の混濁媒体の拡散反射率または透過率を平面照明の選択周波数の空間変調として測定するステップと、前述の測定された拡散反射率または透過率を変換して拡散反射率または透過率のスペクトルを取得するステップと、前述の拡散反射率または透過率スペクトルを拡散カーネルによって除算して再構成された対象物スペクトルを取得するステップと、前述の再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物データを取得するステップとを含んでいることを特徴とすることもできる。
【００１４】
この実施態様では、拡散反射率または透過率スペクトルを拡散カーネルによって除算して再構成された対象物スペクトルを取得するステップは、その中に関心対象物が含まれ、かつ前述の関心対象物の深度が既知である混濁媒体の、バックグラウンドの多周波数光学特性を測定して決定した光学特性を用いて、拡散カーネルにより前述の拡散反射率または透過率スペクトルを除算することを含む。
【００１５】
一つの実施では、測定した拡散反射率または透過率を変換して拡散反射率または透過率スペクトルを取得するステップ、および再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物画像を取得するステップは、前述の測定した拡散反射率または透過率をフーリエ変換して拡散反射率または透過率スペクトルを取得すること、および前述の再構成された対象物スペクトルを逆フーリエ変換して再構成された対象物画像を取得することを含む。
【００１６】
他の実施では、測定した拡散反射率または透過率を変換して拡散反射率スペクトルまたは透過率スペクトルを取得するステップ、および再構成した対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物画像を取得するステップは、前述の測定した拡散反射率または透過率をヒルベルト変換またはウェーブレット変換して拡散反射率または透過率スペクトルを取得すること、および前述の再構成した対象物スペクトルを逆ヒルベルト変換または逆ウェーブレット変換して再構成された対象物画像を取得することを含む。
【００１７】
一つの実施態様では、平面照明の選択周波数の空間変調として混濁媒体の拡散反射率または透過率を測定するステップ、前述の測定した拡散反射率または透過率を変換して拡散反射率または透過率スペクトルを取得するステップ、前述の拡散反射率または透過率スペクトルを拡散カーネルで除算して再構成された対象物スペクトルを取得するステップ、前述の再構成された対象物スペクトルを逆変換して再構成された対象物画像を取得するステップは、各ステップを、二次元で、固定平均深度に対応する空間変調周波数で実施し、前述の混濁媒体中の関心対象物の二次元画像を取得することを含む。
【００１８】
上記の最後の実施態様では、上記の露光、測定、変換、除算、および逆変換の各ステップを、空間変調周波数を変更しながら繰り返し、変更される固定平均深度に対応する複数の画像を取得して、変更される固定平均深度に対応する前述の複数の画像から減算画像を生成し、混濁媒体中の、対応する単一の固定平均深度だけに実質的に由来する画像を取得する。
【００１９】
平面照明の選択周波数での空間変調として混濁媒体の拡散反射率または透過率を測定するステップは、対応深度に在る前述の混濁媒体中の関心対象物からの前述の平面照明の蛍光、吸収、および散乱を同時に測定することを含む。同時測定のステップは、深度の関数としてフルエンス率を決定する順方向モデルを用いて、前述の対応深度に在る前述の混濁媒体中の関心対象物の蛍光、吸光、および散乱の特性を得ることを含む。深度の関数としてフルエンス率を決定する順方向モデルのステップは、次式で与えられる。
2008537995.tif 000003
【００２０】
式中φ0(z)は、深さｚの関数としてのフルエンス率であり、Ｐ0は、平面照明の入射光パワーであり、Ｃは、境界条件の選択によって決定される定数であり、μs'は、低減された散乱係数であり、μtrは、輸送係数であり、そしてμeffは、実効散乱係数である。逆方向技法を用いて関心対象物の蛍光、吸光、および散乱の特性を得るステップは、最小二乗回帰または疑似逆線形行列乗法を用いることを含む。
【００２１】
定量変調蛍光撮像について、混濁媒体、典型的にはヒトまたは動物組織の中での深度区分された蛍光および反射率の撮像を行う方法を改良する。前述の改良が行われる方法は、空間周波数によって特徴付けられた照明の周期パターンに前述の混濁媒体を露光することと、前述の混濁媒体からのデータ画像を受け取ることと、前述の混濁媒体の関心対象領域を選択することと、前述の混濁媒体の選択した関心対象領域のデータ画像を変換することと、前述の混濁媒体の選択した関心対象領域の前述の変換したデータ画像を空間フィルタリングすることと、前述の混濁媒体の選択した関心対象領域の、前述のフィルタリングされた変換データ画像を再構築することとを含む。
【００２２】
この改良は、混濁媒体を周期パターンに露光するときに、照明の周期パターンを蛍光励起波長とともにコード化して、混濁媒体内の蛍光構造を深度分解して弁別すること、および混濁媒体内の蛍光の非接触三次元画像を再構築することを含む。結果として、空間コード化されたデータから、広い範囲の画像化ができ、単一画像から不均一成分の平均バックグラウンド光学特性を分離でき、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離でき、または定性的および定量的な構造、機能および組成情報を抽出できる。
【００２３】
コード化および再構成のステップは、さらに、関心対象の励起および発光波長で空間分解された光学特性を提供し、測定された蛍光から散乱および吸収の影響を取り除くことを含む。
【００２４】
この方法は、さらに、表面および表面下の媒体の構造、機能および組成を同時にマッピングするステップも含む。そのステップは、反射率および発光周波数に関する光学特性マップおよびその変換物を用いてコンピュータで実施する。
【００２５】
この方法は、ファイバ光学または他の分野を制限するモダリティを用いることなく、広範囲の画像化（撮像）技術として実施される。広い範囲の画像化のステップは、広域にわたって光学特性の決定を空間的に分解することを含む。
【００２６】
この方法は、さらに、不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を単一画像から分離することを含む。
【００２７】
この方法は、さらに、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離することを含む。
【００２８】
この方法は、さらに、空間コード化データから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出すること含む。
【００２９】
表面および表面下の媒体の構造、機能および成分を同時にマッピングするステップは、光源の空間周波数、波長の選択、および／または振幅変調の関数として、深度感度を評価することを含む。
【００３０】
空間コード化データから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出するステップは、蛍光データに加えて散乱および吸収特性を空間的に分解すること、ならびに蛍光団スペクトルから散乱および吸収の影響を取り除くことの両方によって、蛍光を定量的に測定することを含む。この場合も、この発明の教示に従ってコンピュータで実施される、データ処理ステップである。
【００３１】
この方法は、さらに、照明の空間周波数の選択に基づいて標的蛍光からバックグラウンド蛍光を分離するステップ、および照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離するステップを含む。
【００３２】
この方法は、さらに、組織の自己蛍光を、組織内の他の外因性蛍光団または遺伝子工学によって合成されたタンパク質の蛍光の発現から深さで分けることを含む。
【００３３】
この方法は、さらに、光源の空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として、深度感度を評価することを含む。
【００３４】
この方法は、さらに、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離することを含む。
【００３５】
一つの実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、小動物撮像に応用される。
【００３６】
様々な実施態様において、コード化のステップおよび再構成のステップは、蛍光内視鏡、蛍光気管支鏡、蛍光膣鏡（子宮頸癌）を用いた前癌および癌の検出およびモニタリング、組織のタイプを識別するための手術中ガイダンス、モーズの外科手術ガイダンス（蛍光および／もしくは反射率に基づく皮膚腫瘍輪郭の描写）、または蛍光および／もしくは反射率に基づく腫瘍輪郭描写などのような脳腫瘍切除のうち少なくとも一つに応用される。
【００３７】
別の実施態様では、コード化のステップおよび再構築のステップは、薬剤開発などでの治療の有効性のモニタリングに応用される。
【００３８】
さらなる実施態様では、コード化のステップおよび再構築のステップは、年齢、疾患関連の変化、および皮膚化粧品のモニタリング、広範囲の組織の水分補給、光老化、および治療（化学物質、レーザー、高周波、または焼灼）に対する光老化した皮膚の反応の使用、または日焼け止め剤の効果の定量化（様々な日焼け止め剤を使用した場合の日焼け止め剤としての適切性と日光に対する生理反応の両方の調査）のうち少なくとも１つに応用される。
【００３９】
より更なる実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、糖化最終産物に関連する蛍光の変化などのような、糖尿病に関連する組織内の変化に応用される。
【００４０】
さらに別の実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、移植のための火傷の重症度／火傷の深さの評価に応用される。
【００４１】
別の実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、光線力学療法の線量測定に応用される。
【００４２】
別の実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、火傷評価、末梢血管疾患の診断および管理のための広い範囲の組織の酸素測定、または新生児の酸素測定に応用される。
【００４３】
別の実施態様では、コード化のステップおよび再構成のステップは、医薬品および定量的なプロセス工学の品質管理の手段としての蛍光、反射率、またはそれらの組合せを用いた化学的画像化に応用される。
【００４４】
この発明の具体的に詳解された実施態様は、また、定量変調蛍光撮像のための装置に改良を加え、ヒトまたは動物の組織などの混濁試料の深度区分された蛍光および反射率を撮像することも含む。混濁試料はまた、その天然構成要素の蛍光を利用するか、または蛍光タグもしくは色素の浸透あるいはそれとの結合を利用した蛍光物質のいずれでもよい。この改良が加えられる装置は、混濁試料を照明の周期パターンに露光する光源、前述の試料からのデータ画像を受け取るカメラ、および前述の試料のデータ画像をフーリエ変換し、前述の変換した試料のデータ画像を空間フィルタリングし、かつ前述のフィルタリングした変換された試料のデータ画像を再構成するシグナルプロセッサを含む。前述のシグナルプロセッサは、ソフトウェア／ファームウェア制御コンピュータ、デジタル信号プロセッサ、論理回路、または任意の他のシグナル処理回路もしくは装置を含む。この改良は、光源が蛍光励起波長とともにコード化された照明の周期パターンを提供して、混濁媒体内の蛍光構造を深度分解して弁別するものである。この装置は、前述の混濁試料内の、発光周波数での蛍光の非接触三次元画像を再構成するための手段に結合される。この手段は、前述の装置の前述のシグナルプロセッサであってもよく、あるいは追加のソフトウェア／ファームウェア制御コンピュータ、デジタル信号プロセッサ、論理回路、または他の任意の信号処理回路もしくは装置であってもよい。結果として、空間コード化データから、広い範囲で画像化し、単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離し、照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴からの表層蛍光特徴を分離し、または定性的および定量的な構造、機能および組成の情報が抽出される。
【００４５】
光源および再構成のために組み合わされる手段は、関心対象の励起波長および発光波長における空間分解された光学特性を決定し、かつ再構成のための手段は、さらに、測定された蛍光から散乱および吸収の影響を取り除く。
【００４６】
再構成手段は、さらに、表面および表面下の媒体の構造、機能および組成を同時にマッピングする。
【００４７】
光源および再構成手段の組合せは、広範囲の画像化を実施する。
【００４８】
再構成手段は、単一画像から、不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離する。
【００４９】
再構成手段は、照明の空間周波数の選択に基づいて、深部蛍光特徴から表層層蛍光特徴を分離する。
【００５０】
再構成手段は、空間コード化データから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出する。
【００５１】
再構成手段は、光源の空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として、深部感度を評価する。
【００５２】
再構成手段は、広い領域にわたって光学特性決定を空間的に分解する。
【００５３】
再構成手段は、蛍光データに加えて散乱および吸収特性を空間的に分解すること、ならびに蛍光団スペクトルから散乱および吸収の影響を取り除くことの両方によって、蛍光を定量的に測定する。
【００５４】
再構成手段は、照明の空間周波数の選択に基づいて標的蛍光からバックグラウンド蛍光を分離し、かつ照明の空間周波数の選択に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する。
【００５５】
再構成手段は、組織の自己蛍光を組織内の他の外因性蛍光団または遺伝子工学によって合成されたタンパク質の発現から深度で分解する。
【００５６】
再構成手段は、光源の空間周波数、波長選択および／または振幅変調の関数として、深度感度を評価する。
【００５７】
再構成手段は、照明の空間周波数に基づいて深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する。
【００５８】
この発明の装置および方法は、文法的な流暢さのために作用面からの説明でもって記述してきたし、また記述していくが、各請求項は、米国特許法第１１２条でことさらに規定されていない限り、いかなる形でも「手段」または「ステップ」の限定解釈により必然的に限定して解釈されるべきでないこと、各請求項により規定される定義の意味および均等の全範囲が司法上の均等論の下に与えられるべきであること、そして各請求項が米国特許法第１１２条の下で明言的に規定されている場合は、米国特許法第１１２条の下で全法定均等物が与えられるべきであることを、正にその旨理解されたい。ここで図面に移ることにより、この発明はよりよく思い描くことができ、そこでは同じ要素は同じ番号で参照されている。
【００５９】
次に、各請求項に定義されるこの発明の具体的な詳解例として提示する好適な実施態様についての以下の詳細な説明に移ることにより、この発明およびその種々の実施態様をよりよく理解することができよう。各請求項により定義される発明は、以下に記述する具体的に詳解された実施態様よりも範囲が広くあり得ると、ここでは正にそのように理解している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
ある光のパターンを有する照明は、混濁媒体または組織の表面下の撮像（画像化）および広域にわたる光学特性の決定を可能にする。光学特性の平均および空間的変動は、ともに非侵襲的に決定できる。試料との接触またはスキャンニングは必要ではないが、望ましいこともある。表面下の撮像は、照明のスペクトルをフーリエドメインにフィルタリングすることで実施されるが、ウェーブレット変換、主成分フィルタリングといったその他のフィルタリングアプローチも同様に実行可能であろう。深度感度(depth sensitivity)は、照明の空間周波数を変更することによって最適化される。平均光学特性および光学特性の空間変動の定量分析を得る。光学特性、すなわち低減された散乱および吸収係数は、変調伝達関数、ＭＴＦ、（ここに援用する）、開示された混濁媒体の広範囲、広帯域の、空間変調された照明から決定される。本書において、この方法および装置のさらなる改良、すなわち変調された撮像（画像化）を提供する。
【００６１】
これに加えて、蛍光指向のこの技術の応用によって導き出される情報コンテンツについて説明する。この発明の目的は、１）混濁媒体内で深度区分された蛍光および反射率を撮像すること、および２）空間的に分解された蛍光および光学特性を導き出すことを実施する手段を含む。このアプローチは、媒体の構造、機能および組成の表面および表面下の同時マッピングを提供できる。ここに開示する方法は、広い範囲の撮像、および単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離することを可能にする。これに加えて、この方法は、照明の空間周波数の選択に基づいて表面の蛍光特徴を深部蛍光特徴から分離する手段も提供する。空間的にコード化されたデータから、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出することができる。
【００６２】
空間変調蛍光撮像および断層撮影のためのこの方法および装置では、混濁媒体中に導入された光分布は、変調撮像を介して照明の空間周波数によってコード化され、それによって混濁媒体内の蛍光構造を深度分解して弁別できるようになる。これにより、混濁媒体内の蛍光を、簡単に非接触で三次元に再構成できる。
【００６３】
さらには、この技術は、関心対象の励起波長および発光波長において空間的に分解（解像）された光学特性を提供する能力を有していることから、このアプローチを用いて、測定された蛍光（内因性、外因性、または両者の組合せでもよい）から散乱および吸収の影響を取り除くことができる。
【００６４】
このアプローチは、媒体の構造、機能および組成の表面および表面下を同時マッピングする可能性を有している。開示された方法によって、広い範囲の撮像、および単一画像から不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性を分離することを可能にする。これに加えて、この方法は、照明の空間周波数の選択に基づいて、深部蛍光特徴から表層蛍光特徴を分離する手段も提供する。空間的にコード化されたデータからは、定性的および定量的な構造、機能および組成の情報を抽出することができる。
【００６５】
空間周波数ドメインにおける理論
均一媒体について時間非依存的な拡散方程式は、式［数１］で与えられる。
【００６６】
【数１】
2008537995.tif 000004
【００６７】
式中のφは、フルエンス率であり、ｑは、光源であり、μtr ＝μa ＋μs’は、輸送係数であり、μeff ＝ (３μaμtr)1/2、μaは、吸収係数であり、μs’＝μs(１−ｇ)は、低減された散乱係数であり、そして、ｇは、平均散乱角度のコサインである。図１３に示すように、半無限幾何を導入して、次式［数２］の正規化入射角を有し、周期変動する平面波光源を導いた。
【００６８】
【数２】
2008537995.tif 000005
【００６９】
このとき、空間周波数（または、反復性）ｆx ＝ｋ／２πおよび空間位相φは、深度ｚに若干任意依存的に、正接空間寸法ｘに無限大に延長されている。光が媒体の中へと伝播するとき、それは正負のｘ方向に等しく散乱され、ＡＣの波振幅は減衰する。線形媒体を仮定すると、この正弦波光源は、ｘ方向に同一の振動挙動をするフルエンス率を生じる（すなわち、垂直入射光については横方向の位相シフトがない）。
【００７０】
【数３】
2008537995.tif 000006
【００７１】
式［数２］および式［数３］を式［数１］に入れると、深度ｚでのフルエンス率に関する一元二次のヘルムホルツ方程式が得られる。
【００７２】
【数４】
2008537995.tif 000007
【００７３】
上式中、次式［数５］の関係にある。
【００７４】
【数５】
2008537995.tif 000008
【００７５】
ゼロ空間周波数（ｋ＝０）では、有効貫通深度δeff’は、平面照明光源の有効貫通深度、δeff ＝１／μeff に等しい。しかしながら、一般的には、μeff’およびδeff’は、照明の光学特性と空間周波数の両方の関数である。一元型の式［数４］は、周期的波の振幅、φ0(z)が横方向次元ｘに対する真の依存性は有していないことを暗示している。式［数４］は、平面照明の拡散方程式と同一であることから、μeff を新規項のμeff’で単純に置き換えることによって、既存の平面幾何についての解を得ることができる。
【００７６】
以下の平面光子密度波反射率の標準的な導出に続いて、拡張光源を次式［数６］とモデル化し、
【００７７】
【数６】
2008537995.tif 000009
【００７８】
フルエンス率について１つの表現として、次式［数７］を得る。
【００７９】
【数７】
2008537995.tif 000010
【００８０】
ここに、Ｐ0は、入射光パワーであり、Ｃは、境界条件の選択によって決定される定数である。フラックスｊが境界面ｚ＝０におけるフルエンスに比例するとして、部分的な現境界条件を用いると、次式［数８］が導かれる。
【００８１】
【数８】
2008537995.tif 000011
【００８２】
このとき、実効反射係数Ｒeff は、次式［数９］となり、
【００８３】
【数９】
2008537995.tif 000012
【００８４】
次式［数１０］の拡散反射率、Ｒd(ｋ) を得る。
【００８５】
【数１０】
2008537995.tif 000013
【００８６】
式中ａ’は、低下アルベドである。示した式は、純粋に一元の正弦波照明パターンについてのものであるが、２方向に正弦波を線形重合せすることによって、任意の照明機能をモデル化することができる。
【００８７】
式［数７］および式［数１０］には、２つの重要な意味がある。第１は、平面照明を用いることは疑問の平均深度が固定されていることを意味するが、照明パターンの空間周波数を変更することで混濁媒体中の検出の深度感度を制御できることである。第２は、周波数依存的な反射率を分析することによって、媒体の光学特性を定量的にサンプリングできることである。これは、周波数ドメインの光子移動アプローチに似ており、各時間周波数および空間周波数の測定値は、フーリエ変換によってそれぞれ時間分解されたおよび空間分解された測定値に関連付けられる。
【００８８】
これらの基本概念を拡散という文脈の中で公式化したが、それらは、確率論のモンテカルロシミュレーションなどのような完全放射輸送方程式に対するより正確な解、または直接の数値解の中に定性的に残されており、それは、光輸送モデルを低散乱、高吸収、および／または高空間周波数のレジームに拡張する。
【００８９】
空間周波数ドメインにおける測定
混濁システムの拡散変調伝達関数(diffuse modulation transfer function)（ＭＴＦ）は、透過または反射幾何学内で測定できる。実際には、照明は、負のスカラー強度で照射することは物理的に不可能であることから、ＡＣ（空間的に変調）とＤＣ（平面的）反射率の項を重ね合わせなければならない。それ故に、次式［数１７］の形の空間パターンで試料を照明する。
【００９０】
【数１７】
2008537995.tif 000014
【００９１】
式中、Ｓ0、Ｍ0、ｆx、およびΦは、それぞれ照明光源強度、変調深度、空間周波数、および空間位相である。この単純な例では、パターンは、直交するｙ方向については一定である。反射モードでは、拡散反射強度Ｉは、次式［数１８］に示すように、ＡＣ成分とＤＣ成分の和である。
【００９２】
【数１８】
2008537995.tif 000015
【００９３】
式中、測定された反射強度のＡＣ成分ＩAC’は、次式［数１９］のようにモデル化できる。
【００９４】
【数１９】
2008537995.tif 000016
【００９５】
ここでＭAC(ｘ、ｆx) は、周波数ｆx での反射光子密度「定在波」の振幅を表す。第一に、ＭACは、図１４の上部に示した位置ｘの関数であってよいことに留意されたい。これに加えて、二次元カメラを使って、各ｙピクセル行について、平行に複数のＭAC(ｘ、ｆx) 曲線をサンプリングすることができ、何百万もの反射率値を同時に空間的にサンプリングすることができる。
【００９６】
多数ある従来の信号処理スキームのうちの任意の一つを用いて、ＭAC(ｘ、ｆx) を得ることができる。具体的に詳解する実施態様では、単純な時間ドメイン振幅復調法を採用して、同一の空間周波数で、位相オフセットをそれぞれΦ＝０、２／３π、４／３πラジアンとして、正弦波パターンを３回照射した。すると、ＭAC(ｘ、ｆx) を次式［数２０］により、各空間位置ｘi について代数学的に算出できる。
【００９７】
【数２０】
2008537995.tif 000017
【００９８】
式中、Ｉ1、Ｉ2、およびＩ3 は、空間位相をシフトさせた各位置のＩAC 画像値を表す。この差分アプローチは、１）三つの画像全てに共通し、平均画像ノイズおよびデジタル化オフセットを含む特性を自動的に取り除くこと、および２）空間周波数が既知であり、潜在的空間キャリブレーション誤差を取り除くことを必要としないこと、から便利である。空間的に変化するＤＣ振幅、ＭDC(ｘ) は、ｆx ＝０として上記の式から、または次式［数２１］を用いて任意の照明周波数について算出できる。
【００９９】
【数２１】
2008537995.tif 000018
【０１００】
ここで、復調に関する上記の位相シフト時間ドメイン法は、同じ目的を果たすことができる、すなわち空間的に変化する拡散光子密度波の空間局在的振幅を算出できる、数多くある様々な従来の方法の一つにすぎないことに留意されたい。復調のための、他の時間ドメインおよび周波数ドメインでの信号処理法としては、ヒルベルト変換、ウェーブレット変換、およびフーリエ変換→除算→ベースドフィルタリング→逆フーリエ変換をする方法が挙げられる。
【０１０１】
周波数ドメインでは、次式［数２２］に示すように、測定値ＭAC(ｆx) は、１）光源強度、Ｉ0 と、２）照明および撮像の光学システムのＭＴＦ、ＭＴＦsystem と、３）真の混濁システムのＭＴＦ、Ｒd の積である。
【０１０２】
【数２２】
2008537995.tif 000019
【０１０３】
その結果、光学特性が分かっている混濁ファントムについて、参照測定、ＭAC,ref(ｘ,ｆｘ) を実施することによって、光源の絶対強度と撮像システムのＭＴＦを同時にキャリブレートできる。ファントムの拡散反射率のモデル予測値、Ｒd,ref,pred(ｆｘ) を用いると、各空間位置の拡散反射率を次式［数２３］のように書くことができる。
【０１０４】
【数２３】
2008537995.tif 000020
【０１０５】
システムの周波数応答についての直接の除算に基づく修正は、他の空間分解測定に比して空間フーリエドメイン（ＳＦＤ）測定の方が優れており、測定ノイズおよび不確定性を増幅する可能性のある真の空間ドメイン内でのシステム点広がり関数（ＰＳＦ）を回避する。
【０１０６】
最後に、ある所与の変調周波数について、式［数１０］には、二つの未知項、すなわちμaおよびμs’が存在する。それ故に、２個という少ない空間周波数を用いて測定して吸収と散乱を分離することができる。例示の実施態様では、広帯域周波数ドメイン光子移動(frequency domain photon migration)（ＦＤＰＭ）アプローチと同様に、空間周波数空間に「スイープ(sweep)」を用いて、最小二乗法最小化を用いて式［数１０］に近似できる測定値の優決定集合(over-determined set)を作成した。
【０１０７】
ファントム１０を図解する図１ａおよび図１ｂに図式的に描かれているように、実験データは、図１２に図式的に描かれ、ここに援用する米国特許第６，９５８，８１５号に詳細に記載されている、システム内照明用にデジタルマイクロミラー装置３２を採用したデジタルプロジェクタ３０を用いて取得した。様々な空間周波数の正弦波パターンを、不均一ファントム１０に投影し、ペルチエ冷却した１６ビットＣＣＤカメラ３４を使って捕獲した。データをカメラ３４から集めてコンピュータ３６に入力した。
【０１０８】
図１ａの上面図に示すファントム１０は、三角形の吸収対象物１４の上部に斜めに位置決めされた四角形の散乱・吸収対象物１２を備え、それらはともにＴｉＯ2 を加えたシロキサンのブロック１６内に浸漬されている。ファントム１０は、図１ｂでは側面図として示されており、そこでは四角形の散乱・吸収材料１２の上面が、三角形の吸収材料１４の上部２ｍｍのところに配置されている。シロキサンブロック１６は、ＴｉＯ2 を含有するように変更されており（６４０ｎｍにおいてμa ＝０．００３／ｍｍ、μs’＝１／ｍｍ）、２つの異成分、すなわち対象物１２および対象物１４に適合している。対象物１４は、吸収マスク（三角形）で、試料の内側２ｍｍのところに置かれている。対象物１２は、シロキサンブロック（厚さ＝０．５ｍｍ、μa ＝０．００６／ｍｍ、μs’＝１／ｍｍ）の表面に置かれた散乱・吸収素子（四角形）である。
【０１０９】
正反射は、垂直の方向（放線方向）に対して小さな角度でファントム１０を照射すること、および交差させた直線偏光子を用いて注意深く回避する。干渉フィルタは、狭い波長域（ここに示す実施例では、λ＝６４０ｎｍ、Δλ＝２０ｎｍ半値全幅(full width at hald maximum)）の選択を可能にする。シロキサンの反射率標準体を用いて、測定した強度をキャリブレートし、照明および撮像システムの両方について空間不均一性を修正する。
【０１１０】
実際には、照明はＭ*ｃｏｓ(２πｆx ＋φ) ＋１の形をしており、ＤＣ（平ら）成分を含み、０〜１の変調を可能にしている。ＡＣおよびＤＣ成分に起因する反射率を別々に見るために、信号処理の従来技術を採用する。この作業では、試料を０、１２０、および２４０度で位相オフセットしながら、３回、同一の空間周波数で照射することを必要とする。ＡＣ変調された反射率の画像は、前記式［数５］（下記に再掲する）を用いて算出できる。
2008537995.tif 000021
【０１１１】
式中Ａ、Ｂ、およびＣは、空間位相をシフトした反射率画像を表す。この方法は、共焦点顕微鏡用に当技術分野で近年採用されている。
【０１１２】
図２は、異なる対象物１２および対象物１４の有効コントラストが照明の空間周波数に依存することを実証している。図２は、４２種類の空間周波数でのファントムの変調画像を示す二次元データの写真を配列したものである。図２の左上から始まり、変調画像に用いた空間周波数を、右下に向かって０／ｍｍ（ＤＣ）から０．６３／ｍｍまで増加した。ＤＣ画像１８では、表面対象物と深部対象物の両方が出現する。しかしながら、照明の空間周波数が増加すると（右下に向かう）、下部対象物は徐々に不鮮明になり、最終的には表層対象物のみ認識できるようになる。これは、高周波数光子密度波が表層部だけ貫通するという我々の公式と一致する。
【０１１３】
図２のデータにコード化されているのは、深度分解(depth-resolved)された光学特性である。混濁媒体に利用できる様々な定量的断層撮影再構成技術が、空間不均一性逆問題を３Ｄで解くのに応用できる。しかしながら二つの隣接する空間周波数間の単純な差分画像によって、空間周波数に伴って変化する情報を可視化できる。図３には、図２のデータセット（データ集合）の差分画像を示している。図３は、図２のデータ写真の配列に対応する、異なる空間周波数の変調画像の間で単純に減算して得た深度区分された断層撮影像を配列したものである。この場合、３５枚の画像の各々は、深度感度の大まかな変化を捕獲するための、移動周波数窓内のデータ（ｆ１−ｆ９、ｆ２−ｆ１０等）間減算の結果である。図３の各画像では、ピクセル値を個々の画像の平均値を０．５〜１．５倍してプロットし、周波数空間全体で画像を比較しやすくしている。この単純な再構成は、下方対象物１４および上方対象物１２をそれぞれ低周波数および高周波数に限定して描き出しており、この技術の深度分解力を実証している。
【０１１４】
光学特性マッピングの例：均一ファントム
第２の実験のセットは、均一になるように設計されたシロキサンファントムの撮像である。図４は、四角で示した多周波数データ、および実線で示した対応する近似曲線のグラフである。混濁媒体は、低域通過フィルタとして働く。６４０ｎｍについて既知の「バルク」光学特性は、次のとおりである。大型の光源・検出器分離周波数ドメイン光子移動(frequency domain photon migration)（ＦＤＰＭ）によって測定したμa ＝０．００７３６／ｍｍ、μs’＝０．９０１／ｍｍ。５×５ｃｍ２の表面全体から、空間周波数が０／ｍｍから０．６／ｍｍまでの範囲の、１１組の３画像セットを取得した。各周波数での変調画像は、前述したようにして取得した。取得した１１組の画像は、混濁ファントムの拡散反射率の定量的「周波数応答」、または変調伝達関数（ＭＴＦ）を提供する。さらに、このＭＴＦは、各ピクセルについて入手できる。拡散反射率対周波数は、空間分解された反射率モデルを空間フーリエ変換することによって分析的に予測できる。これにより、ファントムに基づくキャリブレーションおよび最小二乗法回帰が可能となり、試料の絶対的な光学特性を得ることができるようになる。ここでは、ファントムキャリブレーションは、ランプ強度および撮像光学のＭＴＦの両方に関係している。
【０１１５】
ＭＦＴデータの例は、図４に、中抜きの四角として図示された点として識別できるように示されている。各データ点は、変調画像全体の平均を表している。組織試料が低域通過フィルタとして働き、空間周波数が増加するほど反射率をより強く減衰することに留意されたい。これらのデータを、非線形最小二乗法最適化ルーチンを用いる分析的拡散反射率モデルに当てはめた。回収された光学特性は、μa ＝０．００７９６／ｍｍ、μs’＝０．９６５／ｍｍであり、既知の「バルク」値μa ＝０．００７３６／ｍｍ、μs’＝０．９０１／ｍｍに非常に近かった。
【０１１６】
ＡＣ変調は、各ピクセルについて決定されるが、ピクセルごとの周波数近似が可能である。これを５×５ｃｍ2 の領域全体について実施した（約５００×５００ピクセル）。回収された吸収特性μa および散乱特性μs’の二次元データマップを図５に示す。各マップの右は、ピクセル値のヒストグラムであり、黒の破線は、既知のバルク値μa ＝０．００７３６／ｍｍ、μs’＝０．９０１／ｍｍを示している。回収された特性は、既知のバルク特性、すなわち対応するヒストグラム内にきちんと収まるバルク特性に非常によく一致した。このことは、既知のバルク特性が大型の光源・検出器分離ＦＤＰＭ測定から決定されたものであるので、特に興奮させる。このことは、この発明の力が、照射された試料の光学特性に反映できることを実証している。
【０１１７】
次に、深度依存的な蛍光撮像を実証する、不均一ファントムの実験に移る。この実験は、これまでに示した反射率／吸収／散乱に関しては、蛍光についても同じタイプの深度区分化および断層撮影が可能であることを検証するために実施された。そのために、図６の左側に示すような、固体のシロキサンファントム２０を、シロキサン２４内に埋め込まれた、表面から深さ８ｍｍまでの範囲の様々な深さで蛍光発光している５本の円筒状の液体摂動２２用いて構成した（１００ｎＭ：１ｎＭ＝摂動：バックグラウンド）。ファントム２０は、μa ＝０．００１６／ｍｍ、μs’＝１．３／ｍｍの均一なバックグラウンドと蛍光、１ｎＭのＣｙ５．５ｄｙｅを提供した。蛍光励起は、６６０ｎｍであり、ＤＣ反射データを励起（透過）および発光帯（７２０ｎｍ帯域通過フィルタ）の両方で収集した。６６０ｎｍ±１０ｎｍのＤＣ反射データを図６の右に示す。
【０１１８】
６６０ｎｍの励起光学特性マップ、すなわちμa およびμs’データマップを、図７上部に示す。図７の下部は、対応するμa およびμs’の定量的ヒストグラムである。励起波長の光学特性マップは、予想どおりであった。測定された吸収は、摂動の領域で明らかに高い。散乱の減少は小さいが、これは液体および固体ファントムの反射指数の変化によると思われる。吸収は、摂動が深いほど弱く、またより拡散した。
【０１１９】
７２０ｎｍでの蛍光変調画像は、図８に示すように表面対象物強度に対し正規化した。ここには７２０ｎｍで算出された、等間隔８つの周波数の変調画像がプロットされている。低変調周波数から高変調周波数に進むと、蛍光反応は、表面対象物に比べて深部対象物について低下することに留意されたい。この特徴は、データセットを表面対象物強度に対し正規化することによって解消される。高変調周波数では、深部に埋め込まれた対象物の明瞭化によって、空間分解能が明らかに上昇することにも留意されたい。このことは、他の非蛍光データセットでも明らかである。画像形成の観点からは、最終画像は照明および対象物機能を実空間にコンボリューション（たたみ込み）したものである。通常は、生物学的撮像では空間周波数モーメントの非常に低い平面照明が行われ、そのため最初から最終分解能が制限され、画像分解能は全て検出側に負担させている。ここでは、高周波数照明が画像再構成により大きな基本セットを提供することによって、混濁試料画像の「鮮鋭化」を可能にしている。周波数空間の値域が、これまで達成可能であった以上に高い混濁媒体中の空間分解能構成を可能にするであろう。
【０１２０】
次にＣｙ５．５標識された創傷標的ペプチドを用いた予備的なインビボ蛍光実験について検討する。左冠動脈を永久的に結紮した３週後のマウスの腹部像を、創傷領域内に局在させ、かつ膀胱、肝臓、および腎臓により全身クリアランスされると信じられている蛍光標識を投与した４時間後に撮像した。図９のＤＣ反射率画像では、胸部域全体に形成された瘢痕２６が明瞭に認められる。
【０１２１】
図９のマウスの励起光学特性マップ（６６０ｎｍのμa およびμs’マップ）を図１０の上部に示す。対応するμa およびμs’マップの定量的ヒストグラムを図１０の下部に示す。マウスの光学特性マップの興味深い特徴の中でも、骨および軟骨領域全体で散乱の減少が明らかに低下していた。股関節部が特に暗いことに留意されたい。カメラに対して極端に曲がっているために、腕部の下側は若干変則である。この変則は、トポロジーが既知であれば修正することが可能であり、それは構造化された光反射率をさらに分析することで達成可能である。
【０１２２】
７２０ｎｍで図９のマウスの正規化した蛍光（Ｆ／Ｒ）変調画像を図１１に示す。それが安定した、再現性のある、定量的な結果をもたらすことが既に示されていたことから、ピクセルごとに反射率で蛍光画像を除算した。実際には、これは、反射率および蛍光が表面角度の関数として似た「反射係数」を有することから、良好なフラットフィールディング(flat-fielding)も提供する。低周波数から高周波数までの規格化蛍光シグナルの変化に留意されたい。低周波数画像では、膀胱２８および瘢痕２６の両方が明瞭であるが、高周波数画像では瘢痕２６のみが明らかである。瘢痕２６は、表面から心臓まで、少なくとも２ｍｍの深さで伸びているはずである。しかし、膀胱２８は、腹腔内に埋没しており、それ故に、高周波数のシグナル（浅い問合せ）を有することはないであろう。
【０１２３】
このように吸収、散乱、および蛍光の光学特性の定量的、機能的な断層撮影が実証された。ハイパースペクトル技術も撮像手段に加えることができることは、この発明の範囲内であると意図している旨を、明言する。とりわけ、ここでは、周波数ドメイン光子移動で行ったものと類似して、波長依存的な吸収（メラニン、ｈｂ、ｈｂｏ２、ｈ２０、外因性吸収体）、散乱（細胞構造、火傷深度、大きな組織／マトリックスの構造）、および蛍光（ＥＥＭ発生、色素濃度／親和性／結合の定量的測定）を研究することに関心がある。変調された光源は、このようなシステムに重要な自由度を付加し、殆どの空間分離／３Ｄ撮像を照明の空間周波数に負担させて処理されるようにし、かつ機能的定量的数値の決定に空間情報を役立てることが可能となる。
【０１２４】
結論として、混濁媒体中での、広い三次元の視野全体にわたって、深度の区分化および定量的光学特性の決定をなし得る迅速かつ経済的な方法を実証した。この技術は、共焦点／多光子顕微鏡、または光学コヒーレント断層撮影ＯＣＴなどのようなミリメートル以下の撮像技術と拡散光学断層撮影との間の隔たりを埋めるであろう。
【０１２５】
図１５は、変調された撮像のインビボ蛍光区分化および断層撮影能力を明瞭に実証している。基本概念は、図９および図１０に関連する説明と同じであるが、図１５のデータセットを深度区分化処理して、動物全体を通して個々のコントラスト断面を可視化している。この図は、断層撮影切片を直接示している。
【０１２６】
変調撮像（ＭＩ）は、空間周波数によって入力強度変調波の深度範囲を決定できる。このことは、結果としてこの波によって励起される蛍光の深度依存性を制御できるようにもする。このことは、インビボのマウスモデルでのこの能力を実証しており、変調撮像がインビボでも外因性の蛍光コントラストを拡散光学断層撮影できることを実証している。一つの実験では、心臓虚血を誘導した３０分後に蛍光標識アネクシン−５を静脈内注射した。次に、前述の実験と同じ空間周波数を用いて、全身について変調撮像を用いて蛍光を測定した。全測定時間は約３０分であり、より高感度の強化電荷結合素子（ＩＣＣＤ）検出器を使って改良が加えられた。動物の平面蛍光を図１５の最も左側の写真に示す。再構成されたデータを図１５の右側の写真に、左から右に向かって、マウス上面（深度＝０ｍｍ）から底面（深度＝８ｍｍ）まで約２ｍｍ厚の切片を全身（５０×２０×２ｍｍ）の光学切片（断面）として示す。深度依存的な蛍光コントラストは明瞭であり、深くなるに伴って胃および肺の蛍光は消失し、同時に膀胱が出現している。これらの画像は、表面下１ｃｍまでしか探索していないが、撮像システムの高い感度と広いダイナミックレンジは、反射率モードで最大２〜３ｃｍ深度まで、透過モードでは４〜５ｃｍ深度まで蛍光コントラストを届けるであろう。
【０１２７】
次に、定量的断層撮影への使用を例示するこの発明の実施態様について検討し、シミュレーションと実際の測定および再構成の両方について、深部での高分解能撮像を実証する。ここでは、混濁媒体中における高分解能断層撮影再構成のための回折断層撮影の概要を示す。最初に、数学モデルの表面の下の所与の深さにある薄層に純粋な吸収体が含まれている単純なケースについて検討する。表面下４ｍｍに置かれた直径１．５ｍｍの対象物をモデルとした。また、実際の混濁システムでの拡散反射率のデータを取得し、同じようにシミュレーション幾何学を映し出すように設計した。そのために、１％のイントラリピド液の中に４ｍｍの深さの所に沈められた、直径１．５ｍｍ±０．１ｍｍの吸収ドットを有する、１０ミクロンの透明なマイラー層を用いた。６６０ｎｍの測定を、０〜０．５／ｍｍの間の４２の空間周波数について行った。
【０１２８】
図１６は、順（上）および逆（下）フーリエ変換を用いた、直径１．５ｍｍのシミュレーションおよび測定した摂動の結果をそれぞれ示す図である。図面の左上には、深さ４ｍｍでのシミュレーション摂動が３０×３０ｍｍの視野にプロットされている。すぐ右に図示されている対象物のフーリエスペクトルの内容を見るために、二次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用した。照明の高い空間周波数が試料内を通過する時に減衰するのと同じように、対象物の高い空間周波数も表面を伝播するとき減衰するが、このとき図面中央に示すような拡散減衰カーネルが広く受け入れられており、かつそれは式［数７］の第２項（均一）に比例する。最終の逆変換によって、あたかも表面で見られるような対象物の摂動が得られる。
【０１２９】
逆に図面下部を右から左方向に進んで、単一の照明周波数（０／ｍｍ）での拡散反射率の測定を示し、二次元ＦＦＴを行って拡散摂動スペクトルを見た。拡散の影響を取り除くために、次に多周波数から決定した光学特性を用いて、バックグラウンドの光学特性測定値および理論的な対象物深度を拡散カーネルで除算した。スペクトルウインドウイングを行い、左側にある次の図面に見られる高周波数のノイズ増幅を回避し、最後に逆変換して摂動の高分解能画像を回収した。
【０１３０】
図１７では、再構成された対象物のＦＷＨＭが、既知の対象物のサイズと定量的に一致することを示している。図１８では、４２全ての、回収した空間照明周波数について拡散反射率プロフィルをプロットし、空間周波数が増加したときの深度４ｍｍの対象物に対する感度の変化を示した。この挙動は、式［数７］から分析的に予測されるフルエンスプロフィルの変更によるものである。この影響をさらに示すために、図１９に深度４ｍｍにある対象物の最大振幅摂動を、空間周波数の関数としてプロットし、バックグラウンドフルエンスの深度プロフィルが変化することを示した。この対象物との相互作用の感度の差は、式［数７］などのような順モデル、および最小二乗法回帰または疑似逆線形行列乗法などのような断層撮影逆技術を用いることで、定量的な光学特性（蛍光、吸収、または散乱）のデータを空間（ｘ−ｙ）および深度（ｚ）について同時に回収できる可能性を示している。
【０１３１】
最後に、これら概念を拡散の観点で公式化したが、それらは確率論のモンテカルロシミュレーションなどのような完全放射輸送方程式のより正確な解、または直接の数値解の中に定性的に残されており、光輸送再構成モデルを低散乱、高吸収、および／または高空間周波数レジームにまで拡張する。このように、この発明は、蛍光、深度制御された光治療の線量測定、深度制御された熱効果を含むが、これらに限定されず、「下流」の光に依存した現象について一般化された「深さ方向探知」を想定していることを理解できるであろう。これらの概念は、美容治療におけるFraxel技術を含め、既存の事業において現実的な意味を持っている。
【０１３２】
この発明の様々な実施態様の応用としては、様々な組織内の医学的診断および治療モニタリング、ならびに小動物の蛍光撮像が挙げられるが、これらに限定されない。この技術は、あらゆる生物学的研究に、深部組織の自己蛍光を、組織内の他の外因性蛍光団または遺伝子工学によって合成されたタンパク質発現から分解（弁別）する能力を提供する。
【０１３３】
ここに至り、この発明が、空間変調された光と混濁媒体との相互作用の深度選択性／深度感受性を活用する方法および装置、より具体的には、入射光の空間周波数を選択して光フルエンス率の深度プロフィルの変更を活用するための方法および装置を広く指向していることが理解できるであろう。物質または混濁媒体とのこの相互作用の一般的な挙動は、１つの可能な解を示すここに開示の分析方程式の中で、最初に証明された。活用される相互作用は、図１８および図１９に示す制御されたファントム測定の中で明瞭に実証されている。
【０１３４】
光と混濁媒体との相互作用のこの深度プロフィルの「下流」効果の後続制御としては、ファントムまたはここに開示のインビボで実証されたような蛍光プロフィル、混濁媒体中の熱プロフィル、および聴覚周波数のみに限定されない任意の周波数の混濁媒体中の音響プロフィルまたは媒体圧力波が挙げられるが、これらに限定されない。光と混濁媒体の物質との相互作用がもたらす任意の副次的効果は、撮像、治療上の処置、または診断検査といった任意の目的に採用することができる。
【０１３５】
この発明は、また、発明のアルゴリズムを用いて、吸収、散乱、蛍光、または光と混濁媒体との相互作用を指示する他のパラメータの定性的または定量的な高分解能の三次元表示も提供することを特徴とし、このときアルゴリズムは、図１７および図１８に示され、以下に説明する光学特性の平均算出値として使用されるような横方向の拡散、および上記の深度感度を扱う。
【０１３６】
この発明は、データまたは画像を正確に、高分解能で再構成するための重要な基礎として、算出された光学特性の値を使用する。図１７の高分解能の再構成は、平均のバックグラウンド特性を正確に知ることなしには不可能である。これは、「下流」効果の後続制御と組み合わせるか、または上記の逆アルゴリズムを使用するときに、特に新規であるこの発明の例示した実施態様の顕著な能力である。
【０１３７】
このように、この発明は、光と物質との相互作用を活用して、混濁媒体中の深度の関数として混濁媒体中に副次的効果を創出する方法および装置として特徴付けることができる。副次的効果を操作して、選択した深度での混濁媒体の高分解能画像を提供し、選択した深度に治療的仲介を提供し、または選択した深度に診断的情報を提供する。
【０１３８】
広範囲の撮像に加えて、この発明の方法は、次の応用を提供できるが、これらに限定されない。
【０１３９】
ａ．表面下撮像／断層撮影：深度感度は、光源空間周波数、波長選択、および／または振幅変調の関数として評価される。
【０１４０】
ｂ．広い表面全体の光学特性の決定
ｃ．定量的な反射率、透過、および蛍光撮像：典型的な生物学的試料では、定量的な蛍光測定は、散乱および吸収の影響によって乱される。ここに開示した方法は、蛍光データに加えて、空間分解された散乱および吸収特性の両方も提供できる。したがって、適切な光伝達モデルを用いることにより、蛍光団スペクトルから散乱および吸収の影響を取り除くことができる。
【０１４１】
ｄ．単一の画像からの不均一成分に由来する平均バックグラウンド光学特性の分離
ｅ．照明の空間周波数の選択に基づく、標的蛍光からのバックグラウンド蛍光の分離
ｆ．照明の空間周波数の選択に基づく、深部蛍光特徴からの表層蛍光特徴の分離
ｇ．この発明の有用性として、次のものが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４２】
ｈ．小動物の撮像
ｉ．前癌または癌の検出およびモニタリング
ｉ．蛍光内視鏡
ｉｉ．蛍光気管支鏡
ｉｉｉ．蛍光膣鏡（子宮頚癌）
ｉｖ．組織のタイプを識別するための手術中ガイダンス
ｖ．モーズの手術ガイダンス：蛍光および／または反射率に基づく皮膚腫瘍輪郭描写
ｖｉ．脳腫瘍切除：蛍光および／または反射率に基づく腫瘍輪郭描写
ｊ．治療効果のモニタリング：これには薬剤開発も含まれる
ｋ．皮膚の年齢、疾患に関連する変化、および化粧品のモニタリング
ｉ．広範囲の組織の水分補給
ｉｉ．光老化および治療（化学物質、レーザ、高周波、または焼灼）に対する光老化した皮膚の反応
ｉｉｉ．日焼け止め剤の効果の定量化（様々な日焼け止め剤使用時の日焼け止め剤としての適切性と日光に対する生理反応の両方についての調査）
ｌ．組織状態での糖尿病関連変化（例えば、進行した糖化最終産物に関連する蛍光の変化）
ｍ．火傷重症度／火傷の深さの評価（移植にとって重要）
ｎ．光線力学療法の線量測定
ｏ．広範囲の組織の酸素測定（火傷評価、末梢血管疾患の診断および管理、新生児の酸素測定にとって有用）
ｐ．品質管理（医薬品）および定量的なプロセス工学の手段としての化学撮像（蛍光、反射率、またはそれらの組み合わせ）
多くの変更や修正が、この発明の精神および範囲から逸脱することなしに、当業者によってなし得るであろう。したがって、ここに具体的に詳解した実施態様は、単に例示の目的として記載されたものであり、前掲の発明および様々の実施態様により定義される発明を制限するものと受け取ってはいけないと理解されなければならない。
【０１４３】
よって、ここに具体的に詳解した実施形態は、単に例示の目的で記載されたものであり、前掲の請求項により定義される発明を限定するものと受け取ってはいけないと理解されなけれぼならない。例えば、ある請求項の複数要素が一つの特定の組合せで前掲に記載されているという事実にかかわらず、この発明は、より少ない要素、より多い要素、または異なる要素での他の組合せをも含み、たとえそのような組合せが当初請求されていなくても、ここに開示されているものは含むものであるということを、篤と理解されたい。２つの要素が組み合わされて請求項で一つの組合せ物となっているという教示は、さらに、請求項の組合せ物においてその２つの要素が互いに組み合わされていなくて、単独で用いられたり、他の組合せに組み合わされてもよいという組合せ物をも許容していると理解されたい。この発明の開示されたいかなる要素の除去も、この発明の範囲内にあることを、明らかに意図している。
【０１４４】
この発明およびその各種実施態様を記述するためにこの明細書で使用された語は、その一般的に定義された意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、その一般的に定義されている意味の範囲を超えた構造、材料または働きを含むと理解すべきである。したがって、ある要素がこの明細書の文脈の中で二つ以上の意味を包含すると理解できる場合には、特許請求の範囲でのその使用は、この明細書およびその語自体により裏付けられる全ての可能な意味について包括的であると理解しなければならない。
【０１４５】
したがって、前掲の各請求項の語および要素の定義は、この明細書において、文言どおりに記載された要素の組合せだけでなく、実質的に同一の要領で実質的に同一の作用をして実質的に同一の結果を得る全ての均等な構造、材料または働きを包含するものとして、定義されている。したがって、この意味で、各請求項におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に置換してもよいこと、または請求項における二つ以上の要素を単一の要素で置き換えてもよいことを、筆者は意図している。複数の要素が特定の組合せで働くように上述され、そのように当初請求されているかも知れないが、請求された組合せからの一つまたは複数の要素は、場合によっては、その組合せから外すことができ、また請求された組合せは部分的組合せにまたは部分的組合せの変形に向けられてもよいことを、篤と理解されたい。
【０１４６】
当業者から見て、請求された主題からの非実質的な変更は、現在知られているものでも今後案出されるものでも、特許請求の範囲内の均等物であると意識的に意図している。したがって、当業者にとって現在知られておりまたは今後知られる自明な置換は、定義された要素の範囲内であるものと定義されている。
【０１４７】
したがって、各請求項は、上記に具体的に図解および記述されたもの、概念的に均等なもの、自明に置き換えできるもの、およびこの発明の必須の思想を本質的に取り込んでいるものをも包含していると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１ａ】第一のファントムの上面図である。
【図１ｂ】図１ａのファントムの側面図である。
【図２】４２個の空間周波数におけるファントムの変調画像を示すデータ写真の配列である。
【図３】図２のデータ写真の配列に由来する差分画像であるデータ写真の配列である。
【図４】複数の空間周波数に対してＡＣ振幅を□でプロットして実線で結んだ、空間周波数の関数としての多周波数データのグラフである。
【図５】左側の上下は、それぞれ回収された吸収特性μaおよび散乱特性μs'の二次元データマップであり、右側の上下は、それぞれ対応するピクセルヒストグラムである。
【図６】左側は、第二の深度のファントムの概略図であり、右側は、対応する反射率の深度画像である。
【図７】上部に、図６のファントムの６６０ｎｍにおける励起光学特性マップ、すなわちμaおよびμs'のデータマップを示す。図７の下部は、対応するμaおよびμs'の定量的ヒストグラムである。
【図８】図６のファントムの７２０ｎｍでの蛍光変調画像であり、周波数を等間隔に開けた８つの変調画像についての表面対象物強度に対して正規化されている。
【図９】胸部／心臓瘢痕を外科的に作成したマウスの腹部のＤＣ反射率画像である。
【図１０】上部に、図９のマウスの励起光学特性マップ（６６０ｎｍでのμaおよびμs'マップ）を示す。対応するμaおよびμs'マップの定量的ヒストグラムを図１０の下部に示す。
【図１１】図９のマウスの７２０ｎｍにおける標準化された蛍光（Ｆ／Ｒ）変調の２枚の画像を示す。上部の画像は、０／ｍｍの空間変調におけるものであり、下部の画像は、０．１１４０／ｍｍの空間変調におけるものである。
【図１２】上記の画像が提供された実験用セットアップの概略図である。
【図１３】変調された照明の光源、および組織を含む混濁媒体中に生じた変調された内部フルエンス率を象徴的に描いた図である。
【図１４】図面の上部に変調された反射率のグラフを示し、図面の下部に復調されたＡＣおよびＤＣ振幅を示す。
【図１５】インビボのマウスモデルにおける外因性蛍光コントラスト測定を示す一連の写真６枚である。最も左の写真に平面蛍光を示し、そのすぐ右側に、深さ０から８ｍｍまで、２ｍｍ区切りの深さごとに全身（５０×２０×２ｍｍ）の光学的断面図を示す。これらの断面写真は、インビボでの深度分解された蛍光構造の断層画像を実証している。
【図１６】平面画像化のための回折断層撮影フレームワークを示す。図面の上部には、左側から始まり右側に向かって、３０×３０ｍｍの視野を有する散乱媒体の深さ４ｍｍにおける直径１．５ｍｍの吸収摂動の順フーリエ変換モデルを示す。図面の下部には、右側から始まり左に向かって、深さ４ｍｍの１％イントラリピドに浸漬された、３０×３０ｍｍの視野について測定された１．５ｍｍの吸収摂動を再構成する逆フーリエ変換問題を示す。スペクトルウインドウ表示を用いて、高周波ノイズの影響を制限している。
【図１７】左側は、測定された拡散反射率から再構成した深さ４ｍｍにある吸収対象物を示す写真である。図面右側は、対応する空間プロフィルのグラフであり、高い分解能と空間精度を示し、既知の１．５ｍｍ対象物直径に比べて最大半値１．７ｍｍで全幅を測定している。
【図１８】最も左側の部分に、測定された拡散反射率から再構成した深さ４ｍｍにある吸収対象物の写真を示す。図面の中央部分は、各照明周波数における対応の空間プロフィルを示すグラフである。図面の最も右側の部分は、対応する正規化した空間プロフィルのグラフであり、高い分解能と空間精度を示し、既知の１．５ｍｍ対象物直径に比べて最大半値１．７ｍｍで全幅を測定している。図１８はまた、最も左側の部分に、平面照明（空間周波数＝０／ｍｍ）について測定した拡散反射率画像の写真も示す。中央部分は、０／ｍｍから０．５／ｍｍの範囲に４２ある空間周波数の各々における吸収摂動の空間プロフィルの写真である。最も右側の部分は、正規化した摂動プロフィルであり、吸収対象物に対する感度が、深度分解バックグラウンドフルエンスプロフィルの変化による空間周波数の増加に伴って変化することを示す。
【図１９】測定された拡散反射率から得た、深さ４ｍｍにある対象物の、空間周波数の関数としての振幅摂動の写真であり、バックグラウンドフルエンスの深度プロフィルの変化を示す。この対象物との相互作用の感度差は、式［数７］によってモデル化されるような順方向モデルと、最小二乗回帰または疑似逆線形行列乗法のような断層撮影逆方向技法を用いることにより、対象物の大きさ、深さ、および光学特性（蛍光、吸収、または散乱）を定量的に断層撮影できる可能性があることを実証している。
【符号の説明】
【０１４９】
１０  …  ファントム
１２  …  散乱・吸収対象物
１４  …  吸収対象物
１６  …  シロキサンブロック
３０  …  デジタルプロジェクタ
３２  …  デジタルマイクロミラー装置
３４  …  ＣＣＤカメラ
３６  …  コンピュータ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2008537995.tif 000024
【図２】
2008537995.tif 000025
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
2008537995.tif 000043