(57)【要約】  電磁放射線を複数の入射角で調査中の検体と交差させて、各角度でラマン散乱スペクトルを提供させる可変角度ラマン分光法のためのシステム及び方法が説明される。複数の入射角でかかるスペクトルを測定する１つの使用例は、検体の複数の深度における評価を可能にする。多くの実装において、入射角の範囲は、臨界角、及び臨界角の両側も含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体を評価するための方法であって、
コヒーレント電磁放射の励起ビームを、プリズムを通して、複数の入射角で検体と交差させるように方向付ける動作と、
前記複数の入射角の各々での前記励起ビームと前記検体との交差からもたらされるラマン散乱スペクトルを検出する動作と、
複数の前記ラマンスペクトルの少なくとも一部を参照して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数の角度は、臨界入射角を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コヒーレント電磁放射の励起ビームを方向付ける動作は、前記ビームをレーザから放射することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コヒーレント電磁放射の励起ビームは、近赤外線範囲にあることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の角度は、前記臨界角に近接する０．０２度未満の増分の角度を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プリズムは、台形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
イメージング装置を用いて前記各ラマン散乱スペクトルを記録する動作をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作は、少なくとも１つの検出されたラマンスペクトルを、前記評価される特性に関連する基準スペクトルと比較することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作は、前記複数の検出されたラマンスペクトルを用いることにより、前記検体の多次元表現を形成することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
組織検体を評価する方法であって、
近赤外線電磁放射の単一波長ビームを、プリズムを通して、前記組織検体と交差するように方向付ける動作を含み、
前記ビームは、第１の範囲において複数の増分的入射角で前記検体に方向付けられ、前記プリズムは、ラマン散乱電磁スペクトルを検出器に通信するように構成され、
前記検出器を用いて前記ラマン散乱電磁スペクトルを検出する動作と、
前記検出された電磁スペクトルを処理して、複数の調査深度での前記組織検体の分子組成の多次元表示を提供する動作と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記複数の増分的な入射角で前記近赤外線電磁放射のビームを方向付ける動作は、ビーム指向機構を用いて、第１の入射角で近赤外線電磁放射のビームを方向付けることを含み、前記第１の入射角は、臨界角と、前記臨界角の第１の側に近接することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ビーム指向機構は、可動に取り付けられた電磁放射源を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ビーム指向機構は、電磁放射源と、前記電磁放射源と前記プリズムとの間に反射部材とを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
ラマン分光法を用いて検体を評価するためのシステムであって、
本質的に単一波長を有するコヒーレント電磁放射のビームを放射するように構成された電磁放射源と、
検体照準表面とスペクトル放出表面とを有するプリズムと、
前記コヒーレント電磁放射のビームを前記プリズムの前記検体照準表面に対する複数の入射角で前記プリズムへ方向付けるように構成された電磁ビーム位置決め組立体と、
前記スペクトル放射表面から散乱した電磁放射を受けるように配置され、前記受けた散乱した電磁放射を記録するように構成された散乱検出器と、
前記ビーム位置決め組立体を制御して、前記コヒーレント電磁放射のビームを、選択された角度の増分で複数の制御された入射角で方向付けるように構成された制御装置組立体と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記電磁ビーム位置決め組立体は、前記電磁放射源を支持する駆動機構を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電磁ビーム位置決め組立体は、
前記電磁ビームを受け、前記ビームを前記プリズムの方向に反射するように配置された可動ミラーと、
前記可動ミラーを支持し、前記ミラーを運動範囲で移動させて、前記電磁ビームを方向付けるように構成された位置決め機構と
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検体から前記プリズムを通して反射した放射線を受けるように配置された反射検出器をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記制御装置組立体は、前記反射検出器が受けたラマン散乱スペクトルを表わすデータを受け、前記ラマン散乱スペクトルを表わす各データを、前記スペクトルをもたらした増分的な位置と相関させるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記制御装置組立体は、前記反射検出器からの反射電磁放射を表わすデータを受けるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御装置組立体は、
１つ又はそれ以上のプロセッサと、
前記１つ又はそれ以上のプロセッサにより実行されたときに、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記プリズムの検体照準表面に対して第１の入射角に方向付ける動作と、
前記レーザを起動させる動作と、
検出した電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられたデータを前記検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信したデータを記録する動作と、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記第１の入射角から定められた増分にある第２の入射角で方向付ける動作と、
を行わせる機械可読媒体格納命令と、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記動作は、前記検出した電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられた前記受信したデータを処理して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御装置組立体は、
１つ又はそれ以上のプロセッサと、
前記１つ又はそれ以上のプロセッサにより実行されたときに、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記プリズムの検体照準表面に対して第１の入射角に方向付ける動作と、
レーザを起動させる動作と、
検出した電磁放射の１つ又はそれ以上のスペクトルと関連付けられた散乱データを散乱検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信した散乱データを記録する動作と、
電磁放射と関連付けられた反射データを前記反射検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信した前記反射データを記録する動作と、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記第１の入射角から定められた増分にある第２の入射角において前記電磁ビームを方向付けるようにする動作と、
を行わせる機械可読媒体格納命令と、
を含むことを特徴とする、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２３】
前記動作は、前記検出された電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられた前記受信した散乱データを処理して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価することさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記動作は、前記受信した反射データを処理して、前記反射散乱測定動作のパラメータを評価することをさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電磁放射を、複数の角度で検体（ｓａｍｐｌｅ）と交差するよう方向付けるように適合されたラマン分光法の使用による検体の評価に関し、より具体的には、複数の入射角からのラマン散乱電磁放射を用いて、調査中の検体の１つ又はそれ以上の特性を評価する方法に関する。
【０００２】
（優先権の主張）
本出願は、２０１１年４月２９日に出願された米国特許出願番号第１３／０９８，１４０号に基づく利益を主張し、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
従来のラマン分光法においては、レーザなどの電磁放射源が、励起エネルギーによって調査中の検体を励起させるために用いられる。検体に接触した後、励起エネルギーは散乱する。検体によって散乱した光のほとんどは弾性的に散乱し、この光は、未シフト波長であり、試験片を出た後で検出することができる。しかしながら、レーザ光の比較的僅かな部分は、検体と接触した結果、非弾性的に散乱する。非弾性的に散乱した光は、元のレーザ波長より高い及び低いエネルギー状態のシフト波長で試験片から出ていく。より長い波長にシフトした光はストークスシフト（Ｓｔｏｋｅｓ−ｓｈｉｆｔｅｄ）ラマン信号と呼ばれ、より短い波長にシフトした光はアンチストークスシフト・ラマン信号と呼ばれる。シフト量は、検査中の検体の振動スペクトルを反映する。分光器などの使用により、このラマンシフト・スペクトルを検出し分析して、検査中の検体の１つ又はそれ以上の特性又は特徴を評価することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３２７０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在のラマン分光法システムの限界は、検体中の様々な深度で検体と相互作用する能力が比較的限定されていることである。調査の深度に幾らかの多様性を与えるために、共焦点ラマンプローブなどのシステムが用いられている。しかし、これらのシステムは、比較的非効率であり、通常利用可能なラマン散乱信号が比較的少量であることを考慮すると、幾つかの用途には適さない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で説明する方法及び装置は、電磁放射の励起ビームを、複数の入射角で調査中の検体と交差させて、各角度でラマン散乱スペクトルを与えさせる、可変角度ラマン分光法のための新規な方法を提供する。ほとんどの例において、励起ビームは単一波長である。幾つかの例では、各々が単一波長の、複数の励起ビームを用いて、検体を励起させ、ラマン散乱を誘起することができる。複数の入射角でのかかるスペクトルを測定する１つの使用例では、検体内の複数の深度での評価をすることができる。多くの例において、用いられる複数の入射角の範囲は、臨界入射角に非常に近く、従って、かかる方法は、「近臨界ラマン分光法」と呼ぶことができる。本明細書で説明する多くの例において、入射角の範囲は、臨界角、及び臨界角の両側も含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本明細書にさらに説明される可変角ラマン分光法のための例示的な方法を示すフローチャートを示す。
【図２】図１の方法を行うのに用いることができる可変角ラマン分光法システムのブロック図表現を示す。
【図３】図２のシステムに用いることができるラマン検出器のブロック図表現を示す。
【図４】図２のシステムの制御装置組立体の例示的機能のフローチャートを示す。
【図５】電磁ビーム指向組立体の代替的な構成を示す。
【図６】図２のシステムに用いるのに適した制御装置構造の一例のブロック図表現を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の詳細な説明は、どのように本発明を実施することができるかを示すために選択された例の様々な詳細を示す添付の図面を参照する。本検討は、少なくとも部分的にこれらの図面を参照して本発明の内容の様々な例を取り上げ、当業者が本発明を実施できるよう十分に詳細に、図示する実施形態を説明する。本明細書で説明する例示的な例とは異なる多くの他の実施形態を用いて本発明の内容を実施することができ、本発明の内容の範囲から逸脱することなく、本明細書に特に論じられる代替物に加えて、多くの構造上及び動作上の変更を行うことができる。
【０００９】
本説明において、「１つの実施形態」若しくは「一実施形態」、又は「１つの例」若しくは「一例」とは、言及している特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態又は例に含まれること、又は、含まれ得ることを意味する。本説明における「１つの実施形態」若しくは「一実施形態」、又は「１つの例」若しくは「一例」への別個の言及は、必ずしも同じ実施形態又は例に言及することを意図するものではないが、特にそのように規定されない限り、又は本開示の利益を有する当業者に明らかであるように、こうした実施形態は、いずれも相互排他的ではない。従って、本発明は、本明細書で説明される実施形態及び例の様々な組み合わせ及び／又は統合、並びに本開示に基づく全ての特許請求の範囲内に定められるさらなる実施形態及び例、並びにそうした特許請求の範囲の全ての法的等価物を含むことができる。
【００１０】
本明細書の目的のために、本明細書で用いる「プロセッサベースのシステム」又は「処理システム」は、１つ又はそれ以上のマイクロプロセッサ、マイクロ制御装置及び／又はデジタル信号プロセッサ又は「プログラム」を実行する能力を有する他の装置（全てのこうした装置は、本明細書において「プロセッサ」と呼ばれる）を用いるシステムを含む。「プログラム」は、いずれかの組の実行可能な機械コード命令であり、かつ、本明細書で用いられるとき、ユーザ・レベルのアプリケーション並びにシステム向けアプリケーション又はデーモンを含む。
【００１１】
新しい方法の概要を提供するため、ここで、近臨界ラマン分光法についての例示的方法１００のフローチャートを示す図１を参照する。図示した例示的方法１００において、ブロック１０２に示されるように、単一波長の電磁放射が、プリズムを透過し、検体に照準を合わせるように方向付けられる。本説明の目的のために、検体は組織検体として論じられるが、これは説明される方法を有利に用いることができる多くの用途のうちの１つであるためである。
【００１２】
ブロック１０４において確認されるように、電磁ビームの経路は、これが選択された角度範囲内の複数の角度で組織検体と交差するように方向付けられる。当該主要範囲は、ビームが、臨界角に非常に近い及び臨界角を含む入射角に方向付けられた場合であり、例えば、臨界角を０．１０度上回る角度で開始するなど、臨界角を０．２０度又はそれより少なく上回る角度で開始する範囲内である。また、多くの用途において、この範囲は、臨界入射角、及び臨界角を下回る同様の範囲まで及ぶ。検体の臨界入射角は、「Ｍｅｔｈｏｄｓ，  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｋｉｔｓ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｉ−Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」と題する、本出願人による同時係属中の特許文献１に論じられている。端的にいえば、電磁波が２つの異なる誘電定数間の境界に達すると、波の一部は反射し、別の一部は透過し、これら２つの波のエネルギーの合計は、元の波のエネルギーと等しい。光が高指数媒体を通って横切り、低指数媒体との界面に接近すると、反射成分が総計であり、透過する光はない。これが生じる角度を臨界角（θｃ）と呼び、以下の等式で定義される。
【数１】
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ここで、ｎ１はプリズムの屈折率を表わし、ｎ２は検体の屈折率を表わす。臨界角に近接する上記の入射角範囲において、プリズム／検体の界面で、強力な消滅波が検体に形成され、進行波は、プリズム／検体の界面平面に対して平行な方向に伝播する。ビームの拡散を慎重に制限し、入射角の増分を精密に制御することにより、消滅波を、組織検体表面下の相当なかつ可変の距離まで貫入させることができる。
【００１３】
本明細書において、以下の考察から明らかになるように、ビームを操作して、複数の精密に制御された角度で説明した交差を生じさせることは、様々な機構によって達成することができる。幾つかの例において、ビーム指向機構は、精密駆動部を用いて、最も一般的にレーザである電磁ビーム源の位置を、例えば、説明されたプリズム及び組織検体に対する複数の回転位置などの位置範囲を通して、増分的に回転させる（又は別の方法で変更する）など、比較的直接的である。しかし、代替的に、例えば、１つ又はそれ以上のミラー又は中間偏向プリズムを用いて、及びミラー（又は偏向プリズム）を、固定源及び検体に接触する固定プリズムに対する位置範囲を通して移動させることによって、電磁ビームをレーザ（又は他の源）からプリズムへ方向付けるなどの、他のビーム指向機構を用いることができる。幾つかの実施形態においては、検体でのプリズムの位置を変化させることにより、交差を、角度の範囲を通して生じさせることも可能であるが、多くの用途において、プリズムは、１つ又はそれ以上の検出器に対して本質的に固定の関係にあり、組織検体（患者の身体など）を、相当の精密さをもって移動させるのは困難であり得る。従って、多くの用途において、プリズムは、組織検体及び少なくともシステムの検出器の両方に対して固定配向で維持することが望ましい。代替的に、当業者には明らかであるように、ミラー又は偏向プリズムなどの様々な従来の構造体を用いて、電磁放射をプリズムからシステムの検出器に方向付けることができる。
【００１４】
ブロック１０６において、各々の増分的な位置における電磁ビームと検体との交差から生じるラマン散乱と、生じる消滅波が検出される。最終的に、各々の検出されたラマン散乱スペクトルは、そのスペクトルをもたらす入射角と相関されることが好ましい。検出されたラマン散乱は、典型的に、少なくとも関心のある範囲内で、略完全なスペクトルを提供する。当業者であれば理解するように、多くの用途において、初期励起波の周波数において検出された放射線は、ラマン散乱電磁放射を表わさないので、除去することが望ましい。
【００１５】
本明細書で説明する近臨界ラマン分光法のための説明された方法及び装置は、振動分光法情報を提供し、それにより検査中の検体の分子構造を反映するのに特に適している。その文脈において、有用な情報は、最大４０００シフト波数において得られる。１μの波長は１０，０００波数を表わし、価値のある波長は、１μ乃至１．６μであるが、光波長は、４０００波数の範囲の、有用な振動スペクトル情報を定める。
【００１６】
ステップ１０８において、検出されたラマン散乱を用いて、調査中の検体の１つ又はそれ以上の特性又はパラメータを評価することができる。この評価を行う厳密な様式は、少なくとも部分的に、当業者に既知である多数の技術のいずれかによって行うことができる。例えば、多くの用途において、検出された散乱電磁スペクトルを１つ又はそれ以上の基準スペクトルと比較することができる。基準スペクトルは、基準の性質に応じて、調査中の検体の分子組成における変動など、１つ又はそれ以上の特性の有無を判断するのに用いることができる。１つ又はそれ以上の個別スペクトルと基準の比較に加えて、励起角度の範囲全体で得られたスペクトルの全て又は幾つかの部分を組み合わせて、データが調査中の検体の分子組成における変化を反映している検体における深度を特定することができる。例えば、説明した装置及び技術を、人間又は他の哺乳類の組織などの組織検体に適用する場合の、自然な例は皮膚の検査である。１つの用途例は、メラノーマ又は同様な異常が皮膚に存在する場合、観察されたスペクトルパターンと一致するスペクトルパターンについて皮膚を検査することである。
【００１７】
図１は、例示の方法において随意的に行うことができる一対の付加的なステップの例も示す。例えば、ブロック１１０は、臨界角をおよそ特定し、そこからブロック１０４で定義される動作に用いられる角度の範囲を定めるために行うことができる動作を説明する。例えば、電磁ビームの交差角を、例えば４度又は５度のオーダーの範囲の、臨界角を含むと予測される比較的広い範囲を増分的に走査でき、増分的な位置決めは、範囲全体の走査に必要な時間を最短にするために、比較的粗い解像度で行うことができる。例えば、０．１度乃至０．２度の解像度を幾つかの用途に対して有利に用いることができる。受信した信号の評価により、臨界角を、比較的狭い範囲で定めることができる。その後、ブロック１０４の走査動作を、例えば臨界角の両側約０．１０度のみなど、より限定された範囲に対して行うことができる。しかし、その範囲にわたる各走査の増分的な位置決めの解像度は、かなり小さい場合がある。例えば、１０００分の１度に満たない増分内での位置決めは、既存のハードウェアで可能である。実際の慣行においては、好ましい増分範囲は、例えば０．０００３度から０．０１度乃至０．０２度の範囲であることが多い。一般に、より深いサンプリング深度は、より長波長の励起レーザ光によって得られるが、かかる長波長では、臨界角の周りで、より大きい角解像度が必要である。従って、使用する波長及び解像度の要件は、識別する検体及び／又は必要な調査深度に応じて変わり得る。ブロック１１０の粗い走査動作を行う際、反射電磁放射の検出器を含むように構築された幾つかのシステムにおいては、反射検出器のみを用いて臨界角を特定することができる。臨界角での反射信号における大きな差異により、粗い走査を行うことができ、各増分的位置においてラマン散乱スペクトルのデータ全てを収集することと比較すると、データを比較的効率的に分析することができる。受信した光を評価する際、ラマン散乱又は反射のいずれかから検出した放射を処理して、入射角と検出した放射線強度が相関され、臨界角を識別する変曲点を特定する。
【００１８】
これまで、近臨界分光法は、減衰全反射（ＡＴＲ）分光法などの吸収分光法に用いられてきた。かかる使用において、近臨界ＡＴＲ分光法は、検体において、励起波長での光を吸収する特定の構成成分の存在の程度などの、特定の定量的測定を提供することができる。対照的に、本明細書で説明する近臨界ラマン分光法の使用は、本質的に全スペクトル分析を提供し、従って、調査中の検体の１つ又はそれ以上のパラメータに対して、比較的質的な特徴付けを適用するのにより適している。
【００１９】
説明する方法の利点は、得られた各スペクトルは、入射角と及び結果としての消滅波の特性の関数である、検体のそれぞれの深度を表わすことがある。結果として、各増分的な入射角に対して検出されるラマンシフト・スペクトルデータを相関させて、検体の三次元表現を提供することができ、１つのスペクトルから別のスペクトルへのスペクトル情報の変化は、問題のスペクトルと相関する二つの深度の間の分子組成における幾つかの変化を反映する。また、本明細書で前述したように、関心のあるスペクトルを、１つ又はそれ以上の基準と個々に比較し、識別された変化を生じさせる検体の組成を識別することができる。さらに、スペクトルを、全体において又は関心のある特定の波長内で互いに相関させて、１つ又はそれ以上の基準と比較することができる相関されたスペクトル信号を生成することができる。
【００２０】
説明した方法の別の利点は、ラマン散乱光の相対的量における改善である。レーザビームが組織と相互作用すると、大きな散乱が生じ得る。しかし、内部反射分光法は、組織におけるかかる散乱によって比較的影響を受けず、従って、戻り光のより大部分はラマン非弾性散乱である。戻りラマン散乱の大部分により、ラマン散乱と非ラマン散乱との間の、より大きい解像度が可能になる。
【００２１】
ここで図２を参照すると、図２は、評価する検体との動作関係において示される例示的な近臨界ラマン分光法システム２００を示す。本例においても、検体２０２は、人間又は他の哺乳類の組織などの組織検体として説明される。システム２００は、ほとんどの用途においてはレーザ組立体（アセンブリ）２０４である、照明源を含む。レーザ組立体２０４は、随意的に、干渉計、又はレーザ組立体２０４からのビームの視準を支援するための他の機構を含むことができる。レーザ組立体２０４は、組織検体２０２に対するレーザビームの入射角を変化させるように、レーザ組立体２０４を増分的に動かすための適切な機構に取り付けられる。レーザ組立体２０４の位置決めの増分的制御のための１つの好適な精密駆動部の例は、カリフォルニア州アーバインのＮｅｗｐｏｒｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのモデルＲＧＶ１００である。この精密回転駆動部は、０．３ミリ度の一方向再現性を有する。
【００２２】
多くのタイプのレーザを分光法システム２００に用いることを想定できるが、単一ダイオードレーザが望ましいことが多い。かかるダイオードレーザは、かかる組織の検査に対して十分なパワーのビームを与え、かつ説明するシステムの幾つかの用途に所望され得るように、比較的携帯型であり得る。近臨界ラマン分光法システムの例を人間の組織を評価する際に用いることを意図する場合、システムに課される重要な制約は、検体を励起させるのに用いることができる電磁放射のパワーである。このパワーの制約は、生きている患者に痛みを引き起こす又は検体の破壊を招くレベルなどの、実際的な制限だけでなく、国の規制の対象でもあることが多い。この制約は、紫外線領域において電磁放射を用いる場合、実際のつまり課されるパワー限度が相当低くされるように、典型的に、（電磁放射の影響が、より変異原性又は発がん性である場合）比較的より短い波長におけるパワーを非常に低いレベルに制限する。しかし、赤及び赤外線スペクトルの波長に対しては、かかるパワーの制約は、５０ｍＷのオーダーとすることができる。いずれの波長における電磁放射の使用も除外することなく、本発明で説明する技術は、一般に、赤外線スペクトル、特に、近赤外線及び中赤外線範囲の放射で用いられる。本説明の目的のために、中赤外線範囲は、２．５乃至２０ミクロンの範囲の波長を指し、近赤外線範囲は、およそ７００ｎｍ乃至２．５ミクロンの範囲の波長を指すと考える。説明した技術及びシステムを用いて、本明細書の例において説明した組織検体を評価する場合、およそ７００ｎｍから１ミクロンまでの範囲の波長を用いるのが適切であることが多い。
【００２３】
再び図２を参照すると、電磁ビームは、検体が検体２０２と接触して配置されたプリズム２０８を通して方向付けられる。プリズム２０８の複数の可能な構成を想定することができる。一例のみとして、比較的単純明快な構成のプリズムは、切頂三角形の形態の断面を有し、従って、対称的な台形の断面を形成する。図示した例において、検体照準表面（ｓａｍｐｌｅ−ｅｎｇａｇｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ）２２０は、スペクトル放出表面２２２と平行関係で延び、これをラマン散乱放射が通過する。プリズム２０８のこの構成は、ラマン散乱放射が、スペクトル放出検体からプリズム２０８を通って、検体の本質的に正反対にある検出器２１０まで届くことを可能にする。さらに、反射光は、軸２１８に沿って反射検出器２１６へ透過する。反射検出器２１６は、システム２００の随意的な構成要素であり、この検出器とシステム内の接続を破線で示す。
【００２４】
プリズム用の材料の選択は、検査する検体の性質に応じて変わり得る。多くの用途に対して、検体の屈折率より、比較的少量だけ高い屈折率をもったプリズムを有することが好ましい。生きている人間の組織を評価することが意図した分光法システムの場合、かかる組織は、典型的には約１．３３乃至１．５の範囲に入る屈折率を有する。励起波について１μの波長を仮定する場合、フッ化バリウム又は硫化亜鉛が典型的に適切な選択となる。
【００２５】
以下に、図３を参照して、ラマン散乱検出器２１０をより詳細に説明する。ラマン散乱検出器２１０は、本質的に、検体についての関心のある周波数範囲内の放射線及び用いられる励起周波数を検出するように構成された分光器である。幾つかの用途においては単一素子検出器を用いることができるが、多くの用途に対しては、複数ピクセルアレイ検出器を用いることが望ましい。
【００２６】
中央制御装置組立体２１２を用いて、図１を参照して説明する方法のための必要な機能を協調させる。制御装置２１２の基本的機能のフローチャートを図４に示す。制御装置組立体２１２は、必ずしも単一の装置又は構成要素ではなく、一緒に必要な機能を提供する複数の構成要素で具体化できることを理解されたい。制御装置組立体が別個の構成要素を形成する場合、これらの構成要素は、１つの一般的な位置に配置されず、分散し、かつ例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、及び／又はインターネットなどの１つ又はそれ以上のネットワークを通して、必要に応じて接続できることをはっきりと理解されたい。説明した制御機能の幾つか又は全てを、汎用コンピュータ上で機能する１つ又はそれ以上のアプリケーションプログラムにより実行することができる。他のシステムにおいて、制御装置組立体２１２は、専用装置とすることができ、又は、必要な機能を提供するよう具体的に適合された専用装置を含むことができる。さらに、図示した出力装置２１４は、実際、制御装置組立体２１２の一部とすることができ、又は、全くシステムの必要な部分ではない別個の構成要素とすることができる。例えば、出力装置は、取得データ及び／又は分析結果のさらなる分析、使用、又は維持を容易にするために適切な遠隔端末、プリンタ又はデータベースとすることができる。絶対に必要ではないが、制御装置組立体２１２のほとんどの実施形態は、１つ又はそれ以上のプロセッサを含み、各プロセッサは、機械可読格納媒体の１つ又はそれ以上の例にまとめて保持される複数の命令を実行することが想定される。ほとんどの例において、機械可読格納媒体は、制御装置組立体２１２内にあるが、かかる配置は必須ではない。例えば、機械可読命令は、制御装置から離れた機械可読媒体に保持することができるが、有線又は無線ネットワークを介して制御装置組立体２１２に通信されると考えることができる。
【００２７】
ここで図３を参照すると、図３は、一般には従来の分光器とすることができる検出器２１０のブロック図表現を示す。検出器２１０は、比較的高性能のイメージング装置３０２を含み、ラマン散乱によって典型的に表われる比較的小さい信号を捕捉することが好ましい。例えば、高性能ＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像装置が有用である。さらに、検出器２１０は、プリズム２０８から来る弾性散乱光を捕捉するレンズ３０４を含む。好適な装置の一例として、北アイルランド、ベルファスト所在のＡｎｄｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙから入手可能なＩＸＯＮ  Ｘ３  ＥＭＣＣＤカメラが多くの用途に適している。
【００２８】
さらに、検出器２１０は、回折格子３０８を含むことが好ましい。回折格子は、入射光を別個のビームに分割し回折する。適切な格子の例は、１ミリメートル格子当たり１２００ラインのホログラフィー回折格子であることが好ましい。前述のように、幾つかの用途においては、元の光と同じ波長の入射光はラマン散乱を反映しないので、フィルタ除去することが望ましい。幾つかのシステムにおいて、適切なエッジフィルタを用いることができ、エッジフィルタは、励起波長及びそれを下回る全ての波長をフィルタ除去し、又は代替的に、励起波長及びその周りの全ての波長をフィルタ除去する。前述のように、ラマン散乱システムにおいては、長波長側にストークス散乱を有し、短波長側にアンチストークス散乱を有する。最も従来的なラマン分光法においては、ストークス散乱及びアンチストークス散乱の両方を評価する必要はない。しかし、現在は、より長波長及びより短波長散乱の両方を調べることが望ましい場合があると想定される。かかる状況においては、ノッチフィルタを用いて、励起波長だけをフィルタ除去し、一方、本質的に全ての波長を励起波長の両側に通す。
【００２９】
ここで図４を参照すると、図４は、制御装置組立体２１２の制御下で行われる基本動作のフローチャートを示す。図４の例示的制御装置の機能４００において、ブロック４０２の最初の動作は、レーザ（又は他のビーム指向機構）を、走査が所望の入射角で開始するように配向することである。開始入射角は、幾つかの場合においては予めプログラムすることができ、又は、他の場合においてはユーザが入力することができる。制御装置組立体２１２は、適切な信号を配向装置２０６に送信して、所望の配置を実現する。実施する走査の範囲全体でビーム指向機構の増分的位置決めを制御することに加えて、制御装置組立体２１２は、機構の位置を追跡し、及び／又は位置の表示について指向機構を監視し、スペクトル測定値と検出された各スペクトルをもたらした入射角との相関を可能にする。
【００３０】
次に、ブロック４０４において、レーザが所与の時間起動される。幾つかの場合において、所与の時間は、個別の測定に対して選択された間隔とすることができる。代替的に、レーザは、選択された範囲の増分的な位置を通して走査する際、継続的にオンにしておくことができる。次いで制御装置組立体２１２は、検出器２１０から、検出された散乱を表わすデータを受信する。本開示の便益を有する当業者には、制御装置組立体によってこの情報を受信するタイミングは、少なくともほとんどの実施形態において、重要ではなく、データは、制御装置組立体２１２に伝送される前に、検出器２１０に幾らかの時間保持できることが明らかであろう。検出された散乱を表わすデータは、典型的に、及び多くの場合好ましくは、未加工の検出スペクトルデータを含む。しかしながら、幾つかのシステムにおいては、データの幾つかの処理は、検出器で行われ、従って、検出された散乱を表わすデータは、処理されたスペクトルデータとすることができる又はそれを含むことができると考えられる。さらに、随意的なステップで、反射検出器２１６が、前述の例示的なシステム２００に含まれる場合は、ブロック４０８に示すように、検出器２１６により受信した反射光も受信することができる。次に、ラマン検出器２１０及び／又は反射検出器２１６から受信したスペクトル情報がいくつかの様式で記録される。ほとんどの実施形態において、記録は、制御装置組立体２１２内の又は制御装置組立体２１２と通信する機械可読媒体に格納された受信情報のデジタル表現を含む。
【００３１】
次に、ブロック４１２において、制御装置組立体２１２は、直前の走査位置が、走査範囲の終端部であったか否か（すなわち、直前の位置が、多数の位置の走査における最後の位置であったか否か）を判断する。答えがノーである場合は、制御装置組立体２１２は、（ブロック４１４で）レーザの位置を、走査範囲の次の位置に移動させ、プロセスは、ブロック４０４に戻り、（レーザが走査中連続起動されていない限り）再びレーザを起動させる。ブロック４１２で、ひとたびシステムが最終的に直前の走査位置が走査の最終位置であったと判断すると、フローはブロック４１６へ進み、制御装置組立体２１２は、少なくとも幾つかの実施形態においては、本明細書で前述した、ある程度のデータ処理を行う。その後、データ及び／又は処理の結果が適切な装置に出力される。
【００３２】
例示のフローチャートは、データ収集の最後に行われる処理を示すが、データ収集中に幾つかのタイプの処理を行うことが望ましい場合があることを理解されたい。例えば、近臨界ラマン分光法システムが、図２の２１６で示す反射検出器を含む場合、その検出器からの信号を用いて、励起レーザの安定性を監視することができる。幾つかの例においては、その監視は、選択された範囲を通る励起レーザの走査中に行うことが好ましい。代替的に、反射検出器からの信号を用いて、散乱データの処理中に受信したラマン散乱スペクトルの強度を正規化することができる。
【００３３】
ここで図５を参照すると、図５は、近臨界ラマン分光法システム、つまり概ね図２を参照して説明した形態のシステムに用いることができる、代替的光学組立体５００のブロック図表現を示す。光学組立体５００において、レーザ５０２は固定位置にあり、電磁ビームが可動ミラー（又は中間偏向プリズム）５０４で反射して、プリズム２０８を通り組織検体２０２まで透過できるように配向される。可動ミラー（又は偏向プリズム）５０４は、図２を参照して説明したものと同じ形態の精密回転制御装置５０６に取り付け、その実施形態において、レーザと共に用いることができる。当然、当業者には明らかであるように、複数のミラー又は偏向プリズムを、図５に示す単一の組立体の代わりに用いることができる。さらに、偏向組立体は、電磁ビーム入力と関連してのみ示されるが、当然、プリズムを通って検体から戻る放射線も、同様なミラー又は偏向プリズムを用いて、１つ又はそれ以上の検出器に向かう１つ又はそれ以上の所望の経路に方向付けることができる。図から明らかなように、光学システムの他の全ての基本的な動作は同じままである。幾つかの用途において、この代替的構成を用いる幾つかの利点は、特に、所与の用途が、より重い又はより大きいレーザ又は他の電磁ビーム指向組立体の使用を要求する場合に、所望の移動精度を達成するのがより容易であることを含むことができる。
【００３４】
単一波長の電磁放射を用いて、組織検体を励起させラマン散乱を生じさせる文脈において、例示的な方法及び装置を説明した。しかし、同じ原理を、電磁放射の複数の別個の波長の使用に適用し、ラマン散乱を誘起して、１つ又はそれ以上の他の波長からもたらされるスペクトルと相関させることができる、それぞれのスペクトルを生成できることをはっきりと理解されたい。幾つかの場合において、第１の波長は、検体と相互作用し、検体への第１の範囲の貫入を提供し、第２の波長は、想定される入射角の範囲で、より浅い又はより深い深度のいずれかで、検体と相互作用するように選択することができる。他の場合において、複数の波長の使用は、効率的なラマン分光法に対する障壁を回避する際に有用な場合がある。例えば、幾つかのタイプの検体のラマン分光法では、特定の波長における励起は、ラマン散乱の効果的な測定に干渉する蛍光を引き起こすことがある。複数の励起波長を有することにより、第１の波長からもたらされた散乱データの第１の組が、説明した蛍光などに起因して最適ではない場合は、１つ又はそれ以上の代替的波長を用いて、満足できる測定値を提供することができる。
【００３５】
ここで図６を参照すると、図６は、１つの例が図４を参照して説明された、制御装置組立体の機能の幾つか又は全てを提供するために用いられる、制御装置６００の例示的アーキテクチャのブロック図表現を示す。必要ではないが、制御装置組立体２１２の多くの構成においては、１つ又はそれ以上の命令のセットに従って動作し、本明細書で論じられた方法のいずれか１つ又はそれ以上を機械に行わせる、１つ又はそれ以上のマイクロプロセッサを含む。
【００３６】
例示的な制御装置組立体６００は、プロセッサ６０２（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）又は両方）と、互いにバス６０８を介して通信するメインメモリ６０４及びスタティックメモリ６０６とを含む。制御装置組立体６００は、ビデオディスプレイ装置６１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は陰極線管（ＣＲＴ））をさらに含むことができる。制御装置組立体６００はまた、文字数字入力装置６１２（例えば、機械的又は仮想キーボード）、カーソル制御装置６１４（例えば、マウス又はトラックパッド）、ディスクドライブ装置６１６と、信号生成装置６１８（例えば、スピーカー）と、ネットワークインターフェース装置６２０とを含む。
【００３７】
ディスクドライブ装置６１６は、本明細書で説明した方法又は機能のいずれか１つ又はそれ以上を具体化する実行可能命令の１つ又はそれ以上の組（例えば、ソフトウェア６２４）が格納された機械可読媒体６２２を含む。ディスクドライブ装置の代わりに、フラッシュメモリを含むソリッドステート格納装置を用いることができる。ソフトウェア６２４は、完全に又は少なくとも部分的に、制御装置組立体６００による実行中に、メインメモリ６０４内及び／又はプロセッサ６０２内にも常駐でき、メインメモリ６０４及びプロセッサ６０２も、機械可読媒体を構成する。代替的に、命令は、制御装置６００内の機械可読媒体上に、ネットワークインターフェース装置６２０を介してネットワーク６２６上で受信できるまで一時的に格納することができる。
【００３８】
機械可読媒体６２２は、例示的実施形態では、単一の媒体として示されたが、本明細書で用いる用語「機械可読媒体」は、１つ又はそれ以上の命令の組を格納する単一の媒体又は複数の媒体（例えば、集中又は分散データベース、及び／又は関連するキャッシュ又はサーバ）を含むと解釈されたい。用語「機械可読媒体」又は「コンピュータ可読媒体」は、機械によって実行するための命令のシーケンスを格納又はエンコードすることができ、かつ機械に方法のいずれか１つを実行させる、任意の有形非一過性媒体を含むと解釈されたい。
【００３９】
本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に説明され示された技術及び構造体に多くの付加的な修正及び変更を行うことができる。例えば、説明された方法及びシステムは、皮膚等の組織の特性の測定について説明された。しかし、他のタイプの組織も検査することができる。説明した技術は、外科手術中などに用いることも想定され、この場合は、他の組織を十分に露出し、本明細書に論じられた原理に従って、プリズムを通して電磁励起刺激を印加し、結果としてもたらされるラマン散乱を検出するように構成された適切なプローブによるアクセスを可能にできる。従って、本発明は、特許請求の範囲、及びその均等物によってのみ制限されることをはっきりと理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１００：例示的な手順
２００：近臨界ラマン分光法システム
２０２：検体
２０４：レーザ組立体
２０８：プリズム
２１０：検出器
２１２：制御装置組立体
２１４：出力装置
２１６：反射検出器
２１８：軸
２２０：検体照準表面
２２２：スペクトル放出表面
３０２：イメージング装置
３０４：レンズ
３０６：格子
３０８：フィルタ
５００：光学組立体
５０２：レーザ
５０４：可動ミラー
５０６：精密回転制御装置
６００：制御装置組立体
６０２：プロセッサ
６０４：メインメモリ
６０８：バス
６１０：ビデオディスプレイ装置
６１２：文字数字入力装置
６１４：カーソル制御装置
６１６：ディスクドライブ装置
６１８：信号生成装置
６２０：ネットワークインターフェース装置
６２２：機械可読媒体
６２４：ソフトウェア
６２６：ネットワーク
【図１】
2014513799.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月23日(2013.10.23)
【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】
検体を評価するための方法であって、
視準を合わせたコヒーレント電磁放射の励起ビームを、プリズムを通して、複数の入射角で前記検体と交差させるように方向付ける動作と、
前記複数の入射角の各々での前記励起ビームと前記検体との交差からもたらされるラマン散乱スペクトルを検出する動作と、
複数の前記ラマンスペクトルの少なくとも一部を参照して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数の入射角は、臨界入射角を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記視準を合わせたコヒーレント電磁放射の励起ビームを方向付ける動作は、前記ビームをレーザから放射することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記視準を合わせたコヒーレント電磁放射の励起ビームは、近赤外線範囲にあることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の入射角は、前記臨界角に近接する０．０２度未満の増分の角度を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プリズムは、台形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
イメージング装置を用いて前記各ラマン散乱スペクトルを記録する動作をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作は、少なくとも１つの検出されたラマンスペクトルを、前記評価される特性に関連する基準スペクトルと比較することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記検体の少なくとも１つの特性を評価する動作は、前記複数の検出されたラマンスペクトルを用いることにより、前記検体の多次元表現を形成することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
組織検体を評価する方法であって、
視準を合わせた近赤外線電磁放射の単一波長ビームを、プリズムを通して、前記組織検体と交差するように方向付ける動作を含み、
前記ビームは、第１の範囲において複数の増分的入射角で前記組織検体に方向付けられ、前記プリズムは、ラマン散乱電磁スペクトルを検出器に通信するように構成され、
前記検出器を用いて前記ラマン散乱電磁スペクトルを検出する動作と、
前記検出された電磁スペクトルを処理して、複数の調査深度での前記組織検体の分子組成の多次元表示を提供する動作と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記複数の増分的な入射角で前記近赤外線電磁放射のビームを方向付ける動作は、ビーム指向機構を用いて、第１の入射角で前記近赤外線電磁放射のビームを方向付けることを含み、前記第１の入射角は、臨界角と、前記臨界角の第１の側に近接することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ビーム指向機構は、可動に取り付けられた電磁放射源を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ビーム指向機構は、電磁放射源と、前記電磁放射源と前記プリズムとの間に反射部材とを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ラマン分光法を用いて検体を評価するためのシステムであって、
本質的に単一波長を有し、視準を合わせたコヒーレント電磁放射のビームを放射するように構成された電磁放射源と、
検体照準表面とスペクトル放出表面とを有するプリズムと、
前記コヒーレント電磁放射のビームを前記プリズムの前記検体照準表面に対する複数の入射角で前記プリズムへ方向付けるように構成された電磁ビーム位置決め組立体と、
前記スペクトル放射表面から散乱した電磁放射を受けるように配置され、前記受けた散乱した電磁放射を記録するように構成された散乱検出器と、
前記ビーム位置決め組立体を制御して、前記コヒーレント電磁放射のビームを、選択された角度の増分で複数の制御された入射角で方向付けるように構成された制御装置組立体と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記電磁ビーム位置決め組立体は、前記電磁放射源を支持する駆動機構を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電磁ビーム位置決め組立体は、
前記電磁ビームを受け、前記ビームを前記プリズムの方向に反射するように配置された可動ミラーと、
前記可動ミラーを支持し、前記ミラーを運動範囲で移動させて、前記電磁ビームを方向付けるように構成された位置決め機構と
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検体から前記プリズムを通して反射した放射線を受けるように配置された反射検出器をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記制御装置組立体は、前記反射検出器が受けたラマン散乱スペクトルを表わすデータを受け、前記ラマン散乱スペクトルを表わす各データを、前記スペクトルをもたらした増分的な位置と相関させるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記制御装置組立体は、前記反射検出器からの反射電磁放射を表わすデータを受けるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御装置組立体は、
１つ又はそれ以上のプロセッサと、
前記１つ又はそれ以上のプロセッサにより実行されたときに、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記プリズムの検体照準表面に対して第１の入射角に方向付ける動作と、
前記レーザを起動させる動作と、
検出した電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられたデータを前記検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信したデータを記録する動作と、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記第１の入射角から定められた増分にある第２の入射角で方向付ける動作と、
を行わせる機械可読媒体格納命令と、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記動作は、前記検出した電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられた前記受信したデータを処理して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御装置組立体は、
１つ又はそれ以上のプロセッサと、
前記１つ又はそれ以上のプロセッサにより実行されたときに、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記電磁ビームを前記プリズムの検体照準表面に対して第１の入射角に方向付ける動作と、
レーザを起動させる動作と、
検出した電磁放射の１つ又はそれ以上のスペクトルと関連付けられた散乱データを散乱検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信した散乱データを記録する動作と、
電磁放射と関連付けられた反射データを前記反射検出器から受信する動作と、
前記検出器から受信した前記反射データを記録する動作と、
前記電磁ビーム位置決め組立体を配向して、前記第１の入射角から定められた増分にある第２の入射角において前記電磁ビームを方向付けるようにする動作と、
を行わせる機械可読媒体格納命令と、
を含むことを特徴とする、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２３】
前記動作は、前記検出された電磁散乱の複数のスペクトルと関連付けられた前記受信した散乱データを処理して、前記検体の少なくとも１つの特性を評価することさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記動作は、前記受信した反射データを処理して、前記反射散乱測定動作のパラメータを評価することをさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載のシステム。
【国際調査報告】
2014513799.tif 000010
2014513799.tif 000011
2014513799.tif 000012
2014513799.tif 000013