(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影装置であって、
圧力波を放出させるために試料（３）を励起する励起モジュール（２、１０；９、１０）と、
生成された該圧力波を検出するための音響モジュール（９、１０）と、
試料を光学的に結像するためのレンズであって、光学的画像が透過光顕微鏡法、入射光顕微鏡法、光学投影断層撮影法、または光学的断面撮影のための光シート照明を用いた顕微鏡法に基づいて生成される、前記レンズと、
該音響モジュール（９、１０）のデータに基づいて音響画像を確定する制御モジュール（１０）と
を備え、前記制御モジュール（１０）は、
試料の前記光学的画像を受信し、
試料の前記光学的画像に基づいて、試料内部の音響特性が変化する少なくとも１つのセグメント境界を特定し、
前記音響モジュールから測定データを受信し、ここで、前記測定データは、検出された圧力波に基づくものであり、
試料の音響伝搬モデルを使用して前記少なくとも１つのセグメント境界および前記測定データに基づいて音響画像を検出するように構成されている、撮影装置。
【請求項２】
前記制御モジュール（１０）が、２次元の光学的撮影に基づいて前記少なくとも１つのセグメント境界を特定する、請求項１に記載の撮影装置。
【請求項３】
前記制御モジュール（１０）が、３次元の光学的撮影に基づいて前記少なくとも１つのセグメント境界を特定する、請求項１に記載の撮影装置。
【請求項４】
前記レンズが液浸対物レンズとして構成されている、請求項１に記載の撮影装置。
【請求項５】
圧力波を生成するために前記試料（３）に電磁放射線を当てるように前記励起モジュール（２、１０）が構成されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮影装置。
【請求項６】
前記音響モジュールの圧力センサ（９）が、前記励起モジュールの一部であり、かつ前記試料（３）に向けられた音波を生成するために使用され、前記音響モジュールは生成された音波を検出するように更に構成されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮影装置。
【請求項７】
撮影方法であって、
照明装置により試料を励起して圧力波を放出させるステップと、
音響モジュールが、生成された前記圧力波を検出するステップと、
レンズにより試料を光学的に結像するステップと、ここで、光学的画像が透過光顕微鏡法、入射光顕微鏡法、光学投影断層撮影法、または光学的断面撮影のための光シート照明を用いた顕微鏡法に基づいて生成され、
制御モジュールが、試料の前記光学的画像に基づいて、試料内部の音響特性が変化する少なくとも１つのセグメント境界を特定するステップと、
前記制御モジュールが、前記音響モジュールから測定データを受信するステップと、ここで、前記測定データは、検出された圧力波に基づくものであり、
前記制御モジュールが、試料の音響伝搬モデルを使用して前記少なくとも１つのセグメント境界および前記測定データに基づいて音響画像を検出するステップと
を含む撮影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波を結像するために試料を励起する励起モジュールと、生成された圧力波を検出するための音響モジュールと、音響モジュールのデータに基づいて音響画像を確定する制御モジュールとを備えた撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
励起モジュールは、例えば試料（またはその一部）をレーザ・パルス（例えばナノ秒パルス）で照明することができる。導入される光エネルギーの少なくとも一部は試料内の組織によって吸収され、その結果、局部加熱およびそれに続く熱弾性膨張が生じることによって、音波が生じる。この音波は音響モジュールを用いて検出されるので、局所分解画像を生成するために使用することができる。
【０００３】
このように生成された音響画像には、例えば試料と試料を包囲する媒体との間の境界における検出対象の音波の屈折に起因するアーチファクトが含まれていることがある。また、例えば組織種類の相違による試料内部の不均質性を原因として、生成された音響画像においてアーチファクトが生じ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これを踏まえて、本発明は、確定された音響画像が有するアーチファクトを極力低減した、冒頭で言及した種類の撮影装置を提供することを課題とする。また、これに対応する撮影方法も提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、圧力波を放出させるために試料を励起する励起モジュールと、生成された圧力波を検出するための音響モジュールと、音響モジュールのデータに基づいて音響画像を確定する制御モジュールとを備えた撮影装置によって上記の課題が解決される。この撮影装置は、試料を光学的に結像するための結像モジュールをさらに備えており、制御モジュールが、試料の光学的結像に基づいて、試料境界および試料内部の１つのセグメント境界（もしくは複数のセグメント境界）のうちの少なくとも一方を特定し、特定された試料境界および１つもしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方を音響画像の確定の際に考慮する。「試料境界および１つのセグメント境界もしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方」は、ここでは特に、試料境界もしくはセグメント境界の全体、または試料境界およびセグメント境界のうちの少なくとも一方の一部のみを意味する。
【０００６】
この試料境界および１つもしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方の光学的確定によって、音響画像の確定の際にこの境界を（例えば、適切な計算アルゴリズムにおいて）考慮することができるので、生成される局所分解音響画像においてアーチファクトを低減することができる。
【０００７】
特に、制御モジュールは、２次元の光学的撮影または３次元の光学的撮影に基づいて、試料境界および１つもしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方を特定してもよい。
【０００８】
また、制御モジュールは、特定された試料境界および１つもしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方を、音響画像を確定するために使用される試料の音響伝搬モデルにおいて考慮してもよい。
【０００９】
それにより、音響画像におけるアーチファクトを低減することが可能になる。
光学的結像のための結像モジュールは、従来の顕微鏡の場合と同様に構成されていてもよい。特に、撮影装置は試料を照明するための照明モジュールをも備えていてもよい。照明モジュールもまた従来の光学顕微鏡の場合と同様に構成されていてもよい。
【００１０】
特に、光学的撮影のために、例えば、透過光顕微鏡法、入射光顕微鏡法、光学投影断層撮影法、および光学的断面撮影のための光シート照明を用いた顕微鏡法のうちの少なくとも一つ等の、あらゆる既知の光学画像作成技術を適用することができる。その際、例えば位相コントラスト、蛍光コントラスト、および吸収コントラストのうちの少なくとも一つを利用することができる。
【００１１】
結像モジュールは、例えばレーザ走査顕微鏡として構成されていてもよい。
また、結像モジュールは対物レンズを備えていてもよい。対物レンズは特に液浸対物レンズであってもよい。
【００１２】
励起モジュールは、圧力波を生成するために試料に電磁放射線を当てるように構成されていてもよい。特に、光学的結像のための結像モジュールを介して励起を実施してもよい。
【００１３】
音響モジュールの圧力センサが励起モジュールの一部であり、試料に向けられた音波を生成するために使用されることも考えられる。
本発明による撮影装置では、結像モジュールが対物レンズを備えていてもよい。この対物レンズは、光学的に利用される中央領域を画定する試料側の前部レンズを含んでおり、音響モジュールは、対物レンズの光軸の方向に見て、この光学的に利用される中央領域を覆わないように対物レンズの試料側端部の領域に配置されるとともにその内径が選定されているリング状の圧力センサを備えている。
【００１４】
光学的に利用される中央領域が圧力センサによって覆われないので、このような撮影装置では光学的検出が影響を受けないことが達成されるという利点がある。他方では、対物レンズの試料側端部の領域における圧力センサの配置によって、圧力センサと試料との間の必要な音響結合を確実にもたらすことができる。
【００１５】
圧力センサは減衰体に固定されており、この減衰体がさらに鏡筒に固定されていてもよい。それにより、鏡筒における望ましくない音波反射が低減され得る。
また、圧力センサを対物レンズから離間して配置することも可能である。これは特に、圧力センサと対物レンズとの間に直接的な接続が存在しない配置を意味する。例えば、圧力センサをカバー・ガラスまたはスライド・ガラスに配置してもよい。圧力センサを試料室の壁部に配置することも可能である。
【００１６】
本発明による撮影装置では、対物レンズは鏡筒を備えていてもよく、圧力センサが鏡筒に固定されていてもよい。それにより、非常にコンパクトな構造が実現される。
圧力センサは圧電セラミック・トランスデューサを備えていてもよい。このようなトランスデューサを用いれば、正確な音波検出が可能である。
【００１７】
また、圧力センサは光学的に検出可能な特性を備えていてもよい。
対物レンズは液浸対物レンズとして構成されていてもよい。それにより、液浸媒体を圧力センサとも接触させることができるので、良好な光結合が可能になる。
【００１８】
励起モジュールは、圧力波を生成するために試料に電磁放射線を当てるように構成されていてもよい。電磁放射線は特に、３００ｎｍから３μｍ、好ましくは３００ｎｍから１３００ｎｍ、３００ｎｍから１０００ｎｍ、３００ｎｍから７００ｎｍ、７００ｎｍから３μｍ、７００ｎｍから１３００ｎｍ、または７００ｎｍから１０００ｎｍの範囲からの放射線であってもよい。特に、電磁放射線はパルス状のレーザ放射線である。パルス長はナノ秒の範囲であってもよい。
【００１９】
圧力センサは励起モジュールの一部であり、試料に向けられた音波を生成するために使用されてもよい。この場合、圧力センサは、圧力波または音波を生成するため、および試料から戻ってくる音波応答を検出するために使用される。
【００２０】
本発明による撮影装置は、顕微鏡として構成されていてもよく、顕微鏡を運用するための当業者に知られているさらなるユニットおよびモジュールを含んでいてもよい。
上記の課題はさらに、圧力波を放出させるために試料を励起し、生成された圧力波を検出し、検出された圧力波に基づいて音響画像を確定する撮影方法によって解決される。この方法では、試料の光学的結像をさらに実施し、試料の光学的結像に基づいて試料境界および試料内部の１つのセグメント境界（もしくは複数のセグメント境界）のうちの少なくとも一方を特定し、特定された試料境界および１つもしくは複数のセグメント境界のうちの少なくとも一方を音響画像の確定の際に考慮する。
【００２１】
本発明による撮影装置（既述の発展構成を含む）に関して説明される工程が実施されるように、本発明による撮影方法を発展させることができる。また、本発明による撮影方法（発展構成を含む）に関して説明される工程が実施可能となるように、本発明による撮影装置を発展させることができる。
【００２２】
なお、上述の特徴および以下でこれから説明される特徴は、提示された組み合わせに限らず、本発明の枠内で他の組み合わせにおいても、または単独でも適用可能である。
以下では本発明を例示的に、これらもまた本発明の基本的な特徴を開示するものである添付図面を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による撮影装置の第１の実施形態の概略図。
【図２】図１の対物レンズ４の試料側端部の拡大断面図。
【図３】図１および図２の対物レンズ４の底面図。
【図４】本発明による撮影装置の別の実施形態の概略断面図。
【図５】本発明による撮影装置の別の実施形態の断面図。
【図６】本発明による撮影装置の別の実施形態の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示された実施形態では、本発明による撮影装置１が顕微鏡として構成されており、試料３を照明するための照明モジュール２と、試料３を結像するための、対物レンズ４を備えた結像モジュール５とを含んでいる。
【００２５】
対物レンズ４は液浸対物レンズとして構成されている。したがって、図１の概略図では、カバー・ガラス６とスライド・ガラス７との間に位置する試料３の他に、液浸媒体８がカバー・ガラス６と対物レンズ４のカバー・ガラス６に対向する端部との間に示されている。
【００２６】
また、顕微鏡１は、カバー・ガラス６または試料３に対向する対物レンズ４の端部に配置されたリング状の圧力センサ９と、制御モジュール１０と、出力ユニット１１とを含んでいる。
【００２７】
制御モジュール１０を用いて照明モジュール２を制御することにより、照明モジュール２に含まれる偏向ユニット１２と対物レンズ４とを介して試料３内に（例えば焦点として）集束されてこの試料内で動かされる、例えば３００ｎｍ〜３μｍの範囲のパルス状の電磁放射線（以下、励起放射線とも呼ぶ）を生成することができる。その際に導入されるエネルギーの一部は、試料３内の組織によって吸収され、その結果、局部加熱およびそれに続く熱弾性膨張が生じることによって、圧力波または音波が生じる。
【００２８】
例えば試料３が生体試料である場合、この音波が試料を通って伝播する際にごく僅かにしか散乱しないので、この音波を局所分解画像の生成に使用することができる。その際、画像作成時の、例えば１ｍｍを超えるような大きい侵入深さが可能である。音波の検出には、リング状の圧力センサ９が使用される。
【００２９】
図２において対物レンズ４の試料側端部の拡大断面図から明らかであるように、対物レンズ４は鏡筒１３を含んでおり、この鏡筒内に複数のレンズ１４と試料側の前部レンズ１５とが配置されている。前部レンズ１５は、試料にパルス状の励起放射線を当てるために、および対物レンズを介した試料３の従来の光学的結像のために使用される、光学的に利用される中央領域１６を画定する。対物レンズ４の正面側端部にはリング状の圧力センサ９が配置されており、圧力センサ９の内径および位置は、対物レンズ４の光軸１７の方向に見て、圧力センサ９が光学的に利用される中央領域１６を覆わないように選定されている。超音波センサとも呼ぶことができる圧力センサ９は圧電セラミックから構成されていてもよく、それによって音波の正確な検出が可能となる。対物レンズ４の正面側端部における圧力センサ９の配置によって、顕微鏡１の運用中に圧力センサ９が液浸媒体８と接触した状態になるので、圧力センサ９に対する試料３の良好な音響結合がもたらされる。
【００３０】
図１に概略的に示されているように、圧力センサ９は制御モジュール１０と接続されている。制御モジュール１０は圧力センサ９の測定データに基づいて画像データを生成することができ、それによって光音響画像作成が実現される。画像データは、例えば出力ユニット１１を介して表示することができる。
【００３１】
対物レンズ４の機能は圧力センサ９の本発明による配置によって制限されないので、対物レンズ４を用いて従来の光学顕微鏡法を実施することが引き続き可能である。この対物レンズ４を、プレビュー・コントラスト画像、蛍光コントラスト画像等の撮影に使用することができる。
【００３２】
また、液浸対物レンズ４の高開口数を利用して、圧力波を励起するために試料３内に励起放射線の微小な焦点を生成することができる。したがって、パルス状の励起放射線（例えば、ナノ秒パルスのレーザ放射線）による試料３の局所励起が可能となり、それによって、光音響画像作成モードにおいて高い空間分解能が達成される。圧力波を生成する励起放射線（特にレーザ放射線）は、光軸１７に対して垂直な平面内で試料３を走査することができる。これは例えば、レーザ走査顕微鏡の場合に通常そうであるように、対物レンズ４の瞳に配置された偏向ユニット１２の走査ミラー（不図示）によって実現することができる。追加的に、励起放射線の焦点面を適宜設定することによって、パルス状の励起放射線が光軸１７の方向に試料３を走査するようにしてもよい。もちろん、代替的または追加的に、試料３を適宜移動させてもよい。
【００３３】
鏡筒１３の正面側端部におけるリング状の圧力センサ９の本発明による配置によって、既存の顕微鏡システムとの互換性がもたらされる。本発明による対物レンズを既存の顕微鏡システムに適用するだけでよい。
【００３４】
既に説明したように、制御モジュール１０は圧力センサ９の測定データに基づいて音響画像データを生成することができる。
生成された音響画像データには、例えば試料３と試料３を包囲する媒体８との間の境界における検出対象の圧力波または音波の屈折に起因するアーチファクトが含まれていることがある。また、例えば組織種類の相違による試料３内部の不均質性を原因として、音響画像においてアーチファクトが生じ得る。このように、例えば、骨組織、肺組織、および脳組織における音速は著しく異なっており、これが一般的に組織境界における音波の屈折および反射の原因となる。
【００３５】
そこで、本発明による撮影装置１では、追加的に試料の光学的結像が実施される。試料の光学的結像に基づいて、制御モジュール１０は試料境界および試料内部の１つのセグメント境界（もしくは複数のセグメント境界）のうちの少なくとも一方を確定する。「セグメント境界」は、ここでは特に、試料内部の基本的に一定である音響特性が変化する境界を意味する。この光学的に特定された試料境界およびセグメント境界のうちの少なくとも一方が、圧力センサ９のデータに基づく音響画像の確定の際に制御モジュールによって考慮される。このように、例えば制御モジュール１０は、試料境界およびセグメント境界のうちの少なくとも一方に関する情報を、音響画像決定または画像再構成の際にパラメータおよび境界条件のうちの少なくとも一方として利用することができる。例えば、使用する音響伝搬モデルにおいて音響画像を再構成するためにこれらの境界を考慮することができる。
【００３６】
したがって、本発明によれば、少なくともほぼ一定な音響インピーダンスを有する１つの領域または複数の領域が光学画像から導出されると言える。特定の領域における音響インピーダンスの具体的な値を音響画像から直接的に導出できない場合は、経験値またはその他の妥当な値を使用してもよい。これらの値は、制御モジュール１０に含まれるか、または制御モジュール１０がアクセス可能なデータバンク内に保存することができる。これらの保存された値は、例えば、各試料セグメントまたは試料領域の形状および面積のうちの少なくとも一方に基づいて、制御モジュール１０によって自動的に選択されてもよい。それからこれを音響画像再構成の際に考慮することによって、音響画像におけるアーチファクトが低減される。
【００３７】
試料の光学的結像は、実に様々な方法で実施することができる。前述のように、光学的結像を音響検出用の装置内で実施してもよい。しかしまた、これを個別の装置内で実施してもよい。
【００３８】
光学的画像作成技術として、例えば、透過光顕微鏡法、入射光顕微鏡法、光学投影断層撮影法、および光学的断面撮影のための光シート照明を用いた顕微鏡法のうちの少なくとも一つを適用することができる。また、例えば、位相コントラスト、蛍光コントラスト、および吸収コントラストのうちの少なくとも一つを利用することができる。試料の光学的撮影は、２次元の撮影または３次元の撮影であってもよい。３次元の撮影を行うには、複数回の光学的撮影を実施してもよい。このために、例えば、試料および撮影装置１のうちの少なくとも一方自体を、各回の撮影の間に回転させることができる。
【００３９】
試料の光学的結像は、単一の波長、複数の波長を用いた照明、または波長帯の照明のもとで実施してもよい。
ここで説明されている音響検出の方法の他に、当業者に知られているさらなる音響検出も可能である。
【００４０】
図３には対物レンズ４の正面側端部の底面図が示されている。この図から再び明らかであるように、圧力センサ９は前部レンズ１５を覆わずに包囲しており、したがって、前部レンズ１５の光学的に利用される中央領域１６も覆っていない。
【００４１】
圧力センサ９には、清浄度を高めるための、または保護のための保護被覆が設けられていてもよい。その際、保護被覆はプラスチック被覆であってもよい。
また、圧力センサ９を鏡筒１３に直接的には固定せずに、圧力センサ９と鏡筒１３との間に減衰体（不図示）を配置してもよい。それにより、音波反射を防止するために、鏡筒１３から圧力センサ９を背面側で切り離すことを実現できる。
【００４２】
図１には、制御モジュール１０から圧力センサ９への別個の接続が概略的に示されている。もちろん、例えば電気的接触の際には、電気接点が対物レンズ・フランジに配置されるように、対物レンズ４が構成されていてもよい。
【００４３】
図１に示された本発明による顕微鏡の構造は、例示に過ぎないものと解釈すべきである。図１に示された入射光構造以外に、もちろんその他の変型も可能である。したがって、この顕微鏡は、対物レンズ４が試料３の下方に配置される倒立顕微鏡として構成されていてもよい。
【００４４】
また、図４に概略的に示されているように、水が張られた試料室２０を対物レンズ４が側方から見ることも可能である。この実施形態では、鏡筒１３と試料室２０との間が、例えば概略的に示されたＯリング２１によって封止を実現される。さらに、対物レンズ４を介した既述の照明の他、任意的な照明モジュール２２（破線で示す）を用いた透過光照明、および別の任意的な照明モジュール２３（破線で示す）を用いた側方からの光シート照明のうちの少なくとも一方を実施することができる。これらの可能な照明が、矢印Ｐ１およびＰ２で示唆されている。
【００４５】
図５には図４の実施形態の変形例が示されている。この変形例では、リング状の圧力センサ９が鏡筒１３にもはや直接的に固定されておらず、対物レンズ４に対向する試料室壁部２２に固定されている。その際、圧力センサ９はここでも、光軸１７の方向に見て、前部レンズ１５の光学的に利用される中央領域１６を覆わないように配置されている。また、望ましい良好な音響結合を実現するために、圧力センサ９が試料室２０内の水または試料室２０内のその他の媒体と接触するように、圧力センサ９が試料室壁部２２に配置されている。
【００４６】
図６には本発明による撮影装置１の別の実施形態が示されており、本実施形態では、両矢印Ｐ３で示唆されているように、本発明による撮影装置１が試料３を光学的に結像するための光学モジュール２４を備えている。光学モジュール２４は、例えば照明モジュールと結像モジュールとを含んでいてもよい。
【００４７】
また、撮影装置１は、制御モジュール１０によって制御される保持装置２５を含んでいる。制御モジュール１０は、光学モジュール２４と圧力センサ９とも接続されている。矢印Ｐ４によって示唆されているように、圧力波は圧力センサ９を用いて検出される。
【００４８】
所望の光学的撮影および音響的撮影のうちの少なくとも一方を実施するために、保持装置２５を用いて試料３を回転させることができる。
また、概略的に図示されたコンピュータ・マウスによって示唆されているように、さらに任意的な入力ユニット２６が設けられていてもよい。この入力ユニットを介して、制御モジュール１０への入力を行うことができる。
【００４９】
これまでに説明した実施形態では、音波の励起が常に光学的に実施されていた。しかし、圧力センサ９を音波生成に使用することも可能である。この種の検出の際には、圧力センサ９が所定の時間にわたって試料３内に音波を送信し、試料３から戻ってくる音波応答を検出するように、制御モジュール１０が圧力センサ９を制御する。超音波の周波数は、例えば２０ＭＨｚ以上である。
【００５０】
既に説明したように、圧力センサ９は圧電セラミックから構成されていてもよい。したがって、圧電効果を利用して、圧力検出のために音響エネルギーを電気信号に変換することができる。圧力センサ９を音源として使用する場合は、圧電効果を利用して電気信号を圧力信号に変換することもできる。
【００５１】
この種の圧力検出以外にも、その他の考えられるあらゆる圧力検出の方法が可能である。したがって、例えば超音波を光学的に検出するためのファイバー・ブラッグ・センサまたは導波構造を使用することができる。この場合、センサは光学的に検出可能な圧力依存の特性を有しており、これが光学的に検出される。圧力センサは、共振圧力センサおよび広帯域圧力センサのうちの少なくとも一方として設計されていてもよい。
【００５２】
本発明による顕微鏡１は、検出対象の圧力波の励起が光学的に、および音波のうちの少なくとも一方によって可能となるように構成されていてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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