(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用イメージングにおける表面スキャニング方法であって、
画像源と、近位端および遠位端を有する第１の光ファイバを備える第１のファイバ束とを設けることと、
医療用スキャナのスキャナボアホール内に前記第１の光ファイバの遠位端を配置することと、
前記画像源から第１の光カプラの近位端に画像を供給することであって、前記第１の光カプラが第１のレンズ要素と第２のレンズ要素とを含む複数のレンズ要素を備えることと、
前記第１の光カプラの遠位端から前記第１の光ファイバの前記近位端に画像を供給することと、
を含む医療用イメージングにおける表面スキャニング方法。
【請求項２】
前記画像源は４８０×３２０ピクセル以上の解像度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画像源はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）チップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記画像源は、制御ユニットに接続されて前記制御ユニットから制御信号を受信し、前記制御信号はパターンシーケンスセレクタを備え、前記画像源が、前記パターンシーケンスセレクタに応じて異なるパターンシーケンスを投射するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
複数の異なるパターンシーケンスが前記画像源に記憶され、前記画像源は、前記制御ユニットからの前記パターンシーケンスセレクタに基づき、選択されたパターンシーケンスを投射するように構成される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記画像源は光源を備え、前記光源からの光を前記第１の光カプラにガイドするためにミラーまたはプリズムが使用される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の光カプラはリレーレンズカプラである、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の光カプラの前記遠位端は、クリックリリースカップリングによって前記第１のファイバ束の前記近位端に着脱可能に固定される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の光カプラの前記遠位端は、前記第１のファイバ束の前記近位端に着脱不能に固定される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
第１のレンズ要素と第２のレンズ要素とを含む複数のレンズ要素を備える第２の光カプラを設けることと、
近位端および遠位端を有する第２の光ファイバを備える第２のファイバ束を設けることと、
前記医療用スキャナの前記スキャナボアホール内に前記第２の光ファイバの前記遠位端を配置することと、
前記第２の光ファイバの前記遠位端によって前記スキャナボアホール内の被験者から投射画像をキャプチャリングすることと、
前記第２の光ファイバの前記近位端から前記投射画像を前記第２の光カプラに供給することと、を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
医療用イメージングにおける表面スキャニング用の表面スキャニング装置であって、
画像源と、
近位端および遠位端を有する第１の光ファイバを備える第１の光ファイバ束と、
前記画像源からの画像を前記第１の光ファイバの前記近位端に結合する第１の光カプラと、を備え、
前記第１の光カプラは、第１のレンズ要素および第２のレンズ要素を含む複数のレンズ要素を備え、前記複数のレンズ要素のそれぞれは、前記第１の光カプラの遠位端に面する第１面と、前記第１の光カプラの近位端に面する第２面とを備える表面スキャニング装置。
【請求項１２】
前記画像源は４８０×３２０ピクセル以上の解像度を有する、請求項１１に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１３】
前記画像源はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）チップを含む、請求項１１または１２のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１４】
前記画像源は、制御ユニットに接続されて前記制御ユニットから制御信号を受信し、前記制御信号はパターンシーケンスセレクタを備え、前記画像源は、前記パターンシーケンスセレクタに応じて異なるパターンシーケンスを投射するように構成される、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１５】
複数の異なるパターンシーケンスが前記画像源に記憶され、前記画像源は、前記制御ユニットからの前記パターンシーケンスセレクタに基づき、選択されたパターンシーケンスを投射するように構成される、請求項１４に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１６】
前記第１の光カプラは偶数のレンズ要素、例えば、２、４、６、８、１０、１２、またはそれ以上のレンズ要素を含む、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１７】
前記第１の光カプラはリレーレンズカプラである、請求項１１から１６のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１８】
前記第１の光カプラの前記遠位端は、クリックリリースカップリングによって前記第１の光ファイバ束の前記近位端に着脱可能に固定される、請求項１１から１７のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項１９】
前記第１の光カプラの前記遠位端は、前記第１の光ファイバ束の前記近位端に着脱不能に固定される、請求項１１から１７のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項２０】
前記複数のレンズ要素の少なくとも１つはアクロマティックレンズである、請求項１１から１９のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【請求項２１】
前記第１のレンズ要素は前記第１の光カプラの前記近位端に配置され、前記第２のレンズ要素は第１の光カプラの前記遠位端に配置され、前記第１のレンズ要素と前記第２のレンズ要素とは、互いに面する凸側を有するアクロマティックレンズである、請求項２０に記載の表面スキャニング装置。
【請求項２２】
前記複数のレンズ要素のそれぞれの前記第１面は凹状または凸状であり、前記複数のレンズ要素のそれぞれの前記第２面は凹状または凸状である、請求項１１から２１のいずれか１項に記載の表面スキャニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用イメージングにおける表面スキャニング用の方法および装置、特に、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、および／またはＭＲＩ／ＰＥＴの組み合わせに関する。本発明は、特に小さな形状（ＰＥＴ、ＭＲＩ、ＣＴ、ＳＰＥＣＴ、またはＰＥＴ／ＣＴやＭＲＩ／ＰＥＴなどの複合スキャナのボア内）における、表面スキャニング／モーショントラッキング（動作追跡）のために使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
この数十年にわたって、脳画像の表面スキャニングおよびモーショントラッキング方法が多数開発されているが、スキャニング中の頭の動きは、アーチファクトを招く深刻な問題を引き起こし、画像品質を大幅に低下させる。
【０００３】
既知の方法は、外部トラッキングシステムならびに画像ベースのモーショントラッキングおよび補正を含む。多くの外部トラッキングシステムは、被験者（ｓｕｂｊｅｃｔｓ）の頭に装着されるマーカを使用する。このために誤差が潜在的に導入され、スキャンされる被験者を準備するプロセスが複雑化して、臨床診療上の有用性が低下する。したがって、医学用脳画像のために開発された画像ベースのモーショントラッキング方法は通常、十分に高い時間分解能と空間分解能とを同時に取得することができない。さらに、最新の医療用スキャナの高解像度（ＭＲＩでは１ミリメートルの何十分の１、ＰＥＴでは数ミリメートルまで）は、モーショントラッキングシステムに厳格な要件を課す。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、医療用イメージングにおける向上された表面スキャニング（表面走査）用の方法および装置に関する。したがって、本書において被験者のトラッキング（追跡）に使用可能な医療用イメージングにおける表面スキャニング方法を開示し、該方法は、ａ）画像源（ｉｍａｇｅ  ｓｏｕｒｃｅ）と、近位端および遠位端を有する第１の光ファイバを備える第１のファイバ束とを設けることと、ｂ）医療用スキャナのスキャナボアホール内に第１の光ファイバの遠位端を配置することと、ｃ）画像源からの画像を第１の光カプラの近位端に供給することであって、第１の光カプラが第１のレンズ要素と第２のレンズ要素とを含む複数のレンズ要素を備えることと、ｄ）第１の光カプラの遠位端から第１の光ファイバの近位端に画像を供給することと、を含む。
【０００５】
本書において医療用イメージングにおける表面スキャニング用の表面スキャニング装置を開示し、該装置は、ａ）画像源と、ｂ）近位端および遠位端を有する第１の光ファイバを備える第１の光ファイバ束と、ｃ）画像源からの画像を第１の光ファイバの近位端に結合する第１の光カプラであって、第１のレンズ要素および第２のレンズ要素を含む複数のレンズ要素を備え、複数のレンズ要素がそれぞれ第１の光カプラの遠位端に面する第１面と第１の光カプラの近位端に面する第２面とを含む第１の光カプラと、を備える。
【０００６】
上記方法および／または表面スキャニング装置によって、電波放射コンポーネントおよび／または強磁性コンポーネントなどのノイズを生成するコンポーネント（部品）をボアから分離して、離した状態を保つことで、向上された表面スキャニング方法および／またはモーショントラッキング方法が達成される。さらに、完全に回避されないにせよ、閉塞作用（ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔｓ）が大幅に低減される。さらに、ボアホール（穴、空洞部；ｂｏｒｅｈｏｌｅ）でスキャンされる対象に関する向上された画像品質が提供される。スキャナと光源との間の長い距離が原因の画像品質の低下に関する上述の問題は、より長い距離であっても高い画像品質を確保する光ファイバの使用によって回避される。
【０００７】
該方法は、医療用イメージングにおけるモーショントラッキング方法で特に有益であり、表面スキャニング装置はモーショントラッキング装置とすることができる。
【０００８】
また、該方法および／または表面スキャニング装置を、超小型装置として実現することで、スキャナに容易に組み込むことのできる、あるいは既存のスキャニングシステムへの増設機器として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、添付図面を参照し、以下の例示的実施形態の詳細な説明を読むことで当業者にとって容易に自明になるであろう。
【００１０】
【図１ａ】医療用スキャナおよびコンピュータシステムと組み合わせた表面スキャニング装置を概略的に示す。
【図１ｂ】例示的表面スキャニング装置を概略的に示す図である。
【図２】例示的表面スキャニング装置の一部を概略的に示す図である。
【図３】例示的表面スキャニング装置の一部を概略的に示す図である。
【図４】例示的表面スキャニング装置の一部を概略的に示す図である。
【図５】例示的表面スキャニング装置の一部を概略的に示す図である。
【図６ａ】光カプラ内の異なるレンズ要素で画像サイズを低減することを概略的に示す。
【図６ｂ】光カプラ内の異なるレンズ要素で画像サイズを拡大することを概略的に示す。
【図７ａ】リレーレンズカプラを概略的に示す図である。
【図７ｂ】別のリレーレンズカプラを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面は明瞭化のために概略的であり、簡略化されており、本発明を理解するのに不可欠な細部のみを示し、他の細部は割愛する。図面全体を通じて、同一または類似の部分には同じ参照符号を付す。
【００１２】
表面スキャニングは、ある時間にわたって表面または表面点の空間位置をトラッキングすること、および／または所定の時点における表面または表面点の空間位置をトラッキング／判定することを組み込む。
【００１３】
医療用スキャナは磁気共鳴（ＭＲ）スキャナとすることができる。さらに、モーショントラッキング用の方法および装置は、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）スキャナ、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）スキャナ、またはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナなどの他の医療用スキャナによって取得される画像をスキャニングするモーション補正（動作補正；ｍｏｔｉｏｎ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）のために採用することができる。１つ以上の態様では、該方法および装置は、複合ＰＥＴ−ＭＲスキャナまたは複合ＰＥＴ−ＣＴスキャナにおける被験者のモーション補正のために採用することができる。
【００１４】
該方法または装置に設けられる画像源は、光源および／またはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）チップを含むことができ、ＤＭＤチップは、光源からの入射光を調節することによって所定の画像源を形成する。
【００１５】
画像源は、変形ＤＬＰ（デジタル光処理）プロジェクタであってもよい。
【００１６】
画像源から第１の光カプラの近位端に画像を供給すること、および／または第１の光カプラの遠位端から第１の光ファイバの近位端に画像を供給することなどは、パターンまたは複数の異なるパターンを含むパターンシーケンスを供給することを含むことができる。
【００１７】
画像源は、ボアホール内の被験者の表面領域またはシーン（ｓｃｅｎｅ）にパターンを投射（投影）するため、例えば複数の異なるパターンを含むパターンシーケンスを提供するように構成することができる。第１のパターンシーケンス（Ｓ１）および／または第２のパターンシーケンス（Ｓ２）などのパターンシーケンス（Ｓ）は、第１パターンと第２パターンとを含む複数の異なるパターンなどの１つ以上のパターン（Ｐ）を含む。パターンシーケンスはＮ個のパターンを含む、あるいはＮ個のパターンから成る。パターンシーケンスは、例えば、パターンシーケンスのパターンの数、パターンシーケンスの各パターンの構成（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）／構造（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、パターンシーケンスのパターンの順序（ｏｒｄｅｒ）、および／またはパターンシーケンスの少なくとも一つのパターンのタイミングなどの、パターンシーケンスパラメータによって定義することができる。パターンシーケンスの持続期間は１ミリ秒〜約１秒とすることができる。パターンシーケンスの持続期間は約１０ミリ秒、約２０ミリ秒、約５０ミリ秒、約１００ミリ秒、または約２００ミリ秒とすることができる。
【００１８】
パターンは、第１および第２の軸に沿ってアレイ状に（整列して；ｉｎ  ａｎ  ａｒｒａｙ）配置されるなどのいくつかのピクセルを含むことができる。パターンは、パターン内の各ピクセル（画素）および／または１つ以上のピクセル群のピクセル設定（色／波長および／または強度）などのパターンパラメータによって定義することができる。パターンのピクセル群は、パターンのＲで表記されるサブ領域と称することができる。したがって、パターンは１つ以上のサブ領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…、を含むことができ、１サブ領域は１つ以上のピクセルを含む。パターンシーケンスパラメータは、第１パターン、第２パターン、および／または第３パターンなどのパターンパラメータを含むことができる。
【００１９】
画像源は光変調器を含むことができる。
【００２０】
光変調器またはＤＭＤチップは、ボアホール内の被験者の表面領域またはシーンにパターンを投射するように適合させることができる。光変調器は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）チップまたはＤＭＤチップを含むことができる。１つ以上の実施形態では、光変調器は、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）チップを含むことができる。１つ以上の実施形態では、光変調器はグリッド、スリット、またはフィルタを含むことができる。光変調器は透過型または反射型光変調器とすることができる。
【００２１】
ＤＭＤチップ／光変調器は約９．８６ｍｍ×６．１６ｍｍのアレイとすることができ、ＤＭＤチップ／光変調器からの画像は第１の光カプラで第１のファイバ束にマッピングされ、近位端のサイズは約６．７ｍｍ×５ｍｍである。
【００２２】
画像源は制御ユニットに接続されて制御ユニットから制御信号を受信することができる。制御信号は、パターンシーケンスのパターンの数、構成、順序、および／またはタイミングなどのパターンシーケンスパラメータを備えることができる。１つ以上の実施形態では、制御信号はパターンシーケンスセレクタを備えることができ、パターンシーケンスセレクタに応じて異なるパターンシーケンスを投射するように画像源を構成することができる。
【００２３】
画像源および／または第１のファイバ束の解像度は、被験者に投射されるパターンの解像度を限定する。画像源は、被験者に有効な画像を投射するため、少なくとも５００のピクセル、例えば少なくとも１，０００のピクセルや少なくとも１０，０００のピクセルの解像度を有することができる。例示的方法および／または装置では、画像源は、ＨＶＧＡ（４８０×３２０ピクセル）以上の解像度、例えば（６０８×６８４ピクセル）、ＳＶＧＡ（８００×６００ピクセル）、ＸＧＡ（１０２４×７６８ピクセル）、７２０ｐ（１２８０×７２０ピクセル）、または１０８０ｐ（１９２０×１０８０ピクセル）の解像度を有することができる。
【００２４】
１つ以上の実施形態では、いくつかの異なるパターンシーケンスは画像源に記憶させることができ、制御ユニットからのパターンシーケンスセレクタに基づき、選択されたパターンシーケンスを投射するように画像源を構成することができる。
【００２５】
１実施形態では、光源は、第１の波長λ１の光を発するように構成される第１のレーザ／ＬＥＤ、および／または第２の波長λ２の光を発するように構成される第２のレーザ／ＬＥＤを含む１つ以上のレーザまたは（高出力）ＬＥＤを含むことができる。光源は、第３の波長λ３の光を発するように構成される第３のレーザ／ＬＥＤをさらに含むことができる。
【００２６】
光源は、メタルハライドランプなどの広いスペクトル光源を含むことができる。１つ以上の実施形態では、光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。光源は、所望の周波数スペクトル／波長分布の光を形成するフィルタを含むことができる。１つ以上の実施形態では、光源は、７００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、例えば約８５０ｎｍの波長で赤外（ＩＲ）または近赤外（ＮＩＲ）領域の光を発するように構成することができる。１つ以上の実施形態では、光源は、ＵＶ領域の光を発するように構成することができる。
【００２７】
１つ以上の実施形態では、画像源は、第１の波長λ１が７８０〜９００ｎｍの範囲である光を含むことができる。例えば、波長範囲は８００〜８６０ｎｍとすることができる。第１のレーザ／ＬＥＤは、第１の波長λ１が約５９０ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲である赤色またはオレンジ色／赤色レーザとすることができる。１つ以上の実施形態では、第１の波長λ１は約６３５ｎｍである。第１のレーザ／ＬＥＤは、第１の波長λ１が約８３０ｎｍ〜約８７０ｎｍの範囲、例えば約８５０ｎｍ、あるいは約８１０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲であるＬＥＤとすることができる。第１のレーザ／ＬＥＤは、第１の波長λ１が約７９０ｎｍ〜約８３０ｎｍの範囲、例えば約８１０ｎｍ、あるいは約８００ｎｍ〜約８２０ｎｍの範囲であるＬＥＤとすることができる。
【００２８】
第２のレーザ／ＬＥＤは、第２の波長λ２が約４９０ｎｍ〜約５６０ｎｍの範囲、例えば約５３２ｎｍである緑色レーザとすることができる。第２のレーザ／ＬＥＤは、第２の波長λ２が約８８０ｎｍ〜約９２０の範囲、例えば約９００ｎｍであるＬＥＤとすることができる。
【００２９】
第３のレーザ／ＬＥＤは、第３の波長λ３が４３０ｎｍ〜約４９０ｎｍの範囲、例えば約４４５ｎｍまたは約４７３ｎｍである青色または紫色レーザとすることができる。第３のレーザ／ＬＥＤは、第３の波長λ３が９３０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲、例えば約９４０ｎｍであるＬＥＤとすることができる。
【００３０】
光源は、約２３０ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲、例えば約３５０ｎｍの波長で光を発するように構成されるＵＶ源を含むことができる。
【００３１】
１つ以上のミラーまたはプリズムを使用して、光源および／または画像源から第１の光カプラへ光または画像をガイド（案内）することができる。この様々な例を図２〜５に関連して図示し説明する。
【００３２】
第１の光カプラは、偶数のレンズ要素、例えば、２，４、６、８、１０，１２、またはそれ以上のレンズ要素を含む、あるいはそれらから成ることができる。１つ以上の実施形態では、１０個のレンズが第１の光カプラに含まれる。別の実施形態では、６つのレンズが第１の光カプラに含まれる。少数のレンズを選択する際、光損失（ｏｐｔｉｃａｌ  ｌｏｓｓ）は最小限に保たれ、多数のレンズを選択する際、画像品質を向上させ、歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）や滲み（不明瞭性；ｂｌｕｒｒｉｎｅｓｓ）が低減される。リレーレンズ（ｒｅｌａｙ  ｌｅｎｓ）要素は、４〜１２のレンズ要素を含むことができる。
【００３３】
第１の光カプラは、画像が第１の光カプラを通過した後、画像のサイズを増減させるように構成することができる。１例示的方法／装置では、第１の光カプラのレンズ要素は、入力画像サイズを１：１．２の比にマッピングすることによって、第１の光カプラの遠位端からの出力画像のサイズは、近位端で第１の光カプラに入る画像のサイズよりも２０％大きくなる。概して、画像サイズを１：０．５（すなわち、出力画像は入力画像よりも５０％小さい）〜１：２でマッピングすることができる。
【００３４】
有利なことに、第１の光カプラは、リレーレンズカプラとすることができる。
【００３５】
第１の光カプラの遠位端は、クリックリリースカップリング（ｃｌｉｃｋ−ｒｅｌｅａｓｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって第１のファイバ束の近位端に着脱可能に固定することができる。これにより、スキャナのボアホールに光ファイバを簡易かつ柔軟に配置することができ、両者のうち他方を移動させずに、光ファイバまたは第１の光カプラを簡単に取替および／または交換することができる。
【００３６】
あるいは、第１の光カプラから光ファイバへの画像の安定した最適結合を確保するため、第１の光カプラの遠位端は、第１のファイバ束の近位端に着脱不能に固定することができる。
【００３７】
第１のレンズ要素および第２のレンズ要素を含む複数のレンズ要素を備える第２の光カプラは、モーションをトラッキングする表面スキャニング装置および／または方法に含めることができる。また、近位端および遠位端を有する第２の光ファイバを備える第２のファイバ束を設けて、その遠位端を医療用スキャナのスキャナボアホール内に配置することができる。第２の光ファイバの遠位端をボアホール内の被験者から投射画像をキャプチャリング（キャプチャ）するために適用することができる。通常、この投射画像は、第２の光ファイバの近位端から第２の光カプラへと供給される。
【００３８】
画像が第２の光カプラを通過した後に投射画像のサイズを拡大または縮小するために、第２の光カプラを適合することもできる。
【００３９】
第１の光カプラおよび／または第２の光カプラの複数のレンズ要素のうちの少なくとも１つはアクロマティックレンズ（アクロマートレンズ）とすることができる。
【００４０】
本発明の１実施形態では、第１の光カプラおよび／または第２の光カプラの第１のレンズ要素は、対応する第１の光カプラおよび／または第２の光カプラの近位端に配置することができ、第２のレンズ要素は、対応する第１の光カプラおよび／または第２の光カプラの遠位端に配置することができる。第１のレンズ要素と第２の要素とは、互いに面する凸側を有するアクロマティックレンズとすることができる。
【００４１】
第１のおよび／または第２の光カプラにおける複数のレンズ要素のそれぞれの第１面は、凹状、凸状、平面状、またはそれらの組み合わせとすることができる。同様に、第１のおよび／または第２の光カプラにおける複数のレンズ要素のそれぞれの第２面は、凹状、凸状、平面状、またはそれらの組み合わせとすることができる。１つ以上のレンズ要素の第１面は凹状とすることができる。１つ以上のレンズ要素の第１面は凸状とすることができる。１つ以上のレンズ要素の第１面は平面状とすることができる。１つ以上のレンズ要素の第２面は凹状とすることができる。１つ以上のレンズ要素の第２面は凸状とすることができる。１つ以上のレンズ要素の第２面は平面状とすることができる。
【００４２】
該装置および方法はミラーおよび／またはプリズムをさらに含むことができ、光源からの光は、第１の光カプラに入る前にミラー／プリズムを通過することができる。さらに、第１の光ファイバは、医療用スキャナのボアホールに配置される被験者の表面領域に、第１の光ファイバを介して画像源から少なくとも１つのパターンを投射するように適合させることができる。
【００４３】
第１の光ファイバは、少なくとも１００の光ファイバ、例えば少なくとも１０，０００のファイバを含むことができ、各ファイバは被験者の表面領域に投射されるパターン内のピクセルに対応する。１つ以上の実施形態では、第１の光ファイバの数は、画像源の解像度を十分に生かすために、画像源におけるピクセル数以上である。第２の光ファイバの数は、画像源の解像度に合わせる、あるいは画像源の解像度の±２０％の範囲とすることができる。１つ以上の実施形態では、第１の光ファイバの数は、光ファイバを最大限に生かすために画像源のピクセル数より少ない。
【００４４】
少なくとも１つの投射パターンおよび／または被験者から投射される画像をキャプチャリングするために、第２の光ファイバを適合することができる。第２の光ファイバは、少なくとも１００の光ファイバ、例えば少なくとも１００，０００のファイバを含むことができる。第２の光ファイバはそれぞれ、キャプチャリングした画像を送信する第１のカメラにおいて１つ以上のピクセルに対応させることができる。１つ以上の実施形態では、第２の光ファイバの数は、カメラの処理時間を増大させるために第１のカメラのピクセル数以上とすることができる。１つ以上の実施形態では、第２の光ファイバの数は、画像キャプチャリングの精度を向上させるために第１のカメラのピクセル数より少ない。第２の光ファイバの数は、第１のカメラの解像度に合わせる、あるいは第１のカメラの解像度の±５０％の範囲にすることができる。
【００４５】
第１のカメラはＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラとすることができる。第１のカメラは、少なくとも６４０×４８０、例えば１２８０×９６０、３２６４×２４４８以上の解像度を有することができる。
【００４６】
表面領域は、少なくとも０．１ｃｍ２、例えば、１ｃｍ２〜５００ｃｍ２の範囲とすることができる。１つ以上の実施形態では、表面領域は２０ｃｍ２〜１００ｃｍ２の範囲とすることができる。
【００４７】
表面領域は、被験者の鼻領域を少なくとも部分的に対象とすることができる。これにより、本領域における被験者表面の大きな曲率のため、モーショントラッキングを向上させることができる。さらに、顔面の動きは、頭蓋骨および脳の運動をトラッキングする際に好ましい鼻のブリッジ近辺に限定される。
【００４８】
該装置は第１のレンズアセンブリ、すなわち、第１の光ファイバから画像またはパターンシーケンスを被験者の表面領域に結合するため、第１の光ファイバの遠位端に配置される、および／または装着されるプロジェクタ側の投射光学部品をさらに備えることができる。第２の光ファイバの遠位端には、第２のレンズアセンブリ、すなわち、被験者の表面領域から第２の光ファイバに画像またはパターンシーケンスを結合する画像キャプチャリング光学部品を設けることができる。
【００４９】
装置はフレームを備えることができ、第１および第２のレンズアセンブリがフレームに搭載される。フレームは、正確なムーブメント補正（動作補正；ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を行うために、および／または２つのファイバ束をボアホール内で共に移動させるよう、ファイバ束の２つの遠位端間および／または第１および第２のレンズアセンブリ間の位置を固定して、固定された位置関係を維持する。第１および第２のファイバ束の遠位端をフレームに搭載することができる。
【００５０】
第１および第２のレンズアセンブリは通常、所定の焦点距離とアパーチャ（口径）を有する対物レンズを含む。焦点距離は対物レンズを交換することによって変更することができる。また、対物レンズと第１または第２の光ファイバ束内の光ファイバの遠位端との間の距離を変更することによって、画像源がどの程度被験者を照らすか、および投射光がどの領域でキャプチャリングされるかを制御することができる。第１のおよび／または第２のレンズアセンブリのアパーチャはアセンブリを開くおよび／または閉じることによって調節することができ、第１のレンズアセンブリおよび第２のレンズアセンブリに関して、第１の光ファイバから被験者への出力、被験者から第２の光ファイバへの投射画像を制御するツールも提供する。
【００５１】
第２のレンズアセンブリは、ＮＩＲフィルタなどのフィルタも含むことができる。同様に、第１のレンズアセンブリもフィルタを含むことができる。
【００５２】
第１のレンズアセンブリは、第１のミラー／プリズムを含むことができる。第２のレンズアセンブリは、第２のミラー／プリズムをそれぞれ含むことができる。共通のミラー／プリズムは、第１のレンズアセンブリと第２のレンズアセンブリで共有することができる。レンズアセンブリのミラー／プリズムは、遠位ファイバ端／レンズアセンブリをボア内に配置する自由度を高めることができる光の転送を提供することができる。
【００５３】
第１および第２の光ファイバは、対応する第１および第２のファイバアレイに配置することができる。１つ以上の実施形態では、第１の光ファイバは、少なくとも１０，０００のファイバ、例えば、１００×１００のファイバ、例えば４００×４００または６００×６００のファイバ、あるいは６８０×４８０のファイバ、あるいは１，２００×１，２００ファイバあるいはそれ以上のファイバの第１のアレイを含むことができる。第１の光ファイバは、少なくとも１００，０００のファイバ、例えば５，０００×５，０００のファイバの第１のアレイを含むことができる。１つ以上の実施形態では、第２の光ファイバは、少なくとも１０，０００のファイバ、例えば、１００×１００のファイバ、例えば４００×４００、あるいは６００×６００のファイバ、または６８０×４８０のファイバ、あるいは１，２００×１，２００のファイバあるいはそれ以上のファイバの第２のアレイを含むことができる。第２の光ファイバは、少なくとも１００，０００のファイバ、例えば５，０００×５，０００のファイバの第２のアレイを含むことができる。光ファイバは、矩形、円形、楕円形、多角形などの任意の適切なサイズおよび形状のアレイで配置することができる。通常、ファイバ径は、５〜２０マイクロメートルの範囲である。第１の光ファイバの数は、１，０００超、例えば１０，０００超とすることができる。第２の光ファイバの数は、１，０００超、例えば１０，０００超とすることができる。
【００５４】
第１および第２の光ファイバを使用することで、ＭＲスキャナなどの対象を取り巻く永久磁場を有する医療用スキャナのための方法および装置の使用が可能になる、あるいは簡易化される。さらに、第１および第２の光ファイバを使用することで、被験者がスキャニング中にスキャナボアホールに配置されるために、被験者へのアクセスが制限される医療用スキャナのための方法および装置の使用が可能になる、あるいは簡易化される。
【００５５】
第１および第２のファイバ束はそれぞれ、１メートルより長い、例えば、２メートルより長い、例えば約５メートルまたは約１０メートルの長さを有することができる。例示的装置および／または方法では、第１および第２のファイバ束は、１〜５メートル、例えば、２．５〜３メートル、例えば約２．７メートルの長さを有することができる。この長さ範囲のファイバ束を有することで、ユーザは、第１のおよび／または第２の光カプラを、スキャナから離れた別の位置、あるいはスキャニング室からさらに離れた位置／スキャニング室の外部に保持しつつ、スキャナ内に第１および第２のファイバ束の遠位端を配置することができる。
【００５６】
ファイバ束の長さによって、画像源に関連するシーケンス、画像パターンなどを制御する電源管理部および／またはコンピュータを、スキャナを備えた部屋の外部に配置することができる。このため、遠隔表面スキャナを形成することができる。２つのファイバ束によって電子部品と光学端とを分離することによって、小型の、無線周波数ノイズのない、低減衰表面スキャナが達成される。
【００５７】
本発明の装置および方法では、最小数の構成要素がスキャナのボアホールに配置され、妨害する構成要素が常にボアホール外に置かれる。このため、視界と最新の表面スキャナの高解像度とが維持される。さらに、スキャナのボアホールに配置される構成要素は、非金属材料で形成することができる。
【００５８】
表面スキャニング装置は、すべてのモーショントラッキング素子を取り囲むハウジングを、ハウジングの表面から延在するファイバ束とは別にさらに備えることができる。ハウジングは、例えば厚さ１ｍｍの薄銅層あるいはシートで覆われるフレームから成る無線周波数遮蔽ボックスとすることができる。電気部品の遮蔽に適した任意の金属を使用することができる。
【００５９】
１つ以上のコンデンサのフィルタは、ハウジング内の構成要素から生じる電磁ノイズが、電源テーブルに沿って伝播しないように確保することができる。したがって、電源はスキャナ室の外部に配置され、壁内のフィルタを介して、スキャナ室とハウジングの内部に通電して、その中の関連構成要素に給電する。
【００６０】
表面スキャニング装置は、医療用スキャナの一部である、あるいは、既存のスキャナの増設機器として使用することができるように構成することができる。
【００６１】
図１ａは、該方法および装置と共に使用される医療用スキャナ３０を概略的に示す。スキャナ３０は、スキャナボアホール３６を形成するスキャナハウジング３４に永久磁石３２を備えるＭＲスキャナである。スキャナ３０は、支持構造（スキャナベッド）３９に配置される被験者をスキャニングするヘッドコイル３８を備える。
【００６２】
第１のレンズアセンブリ４２および第２のレンズアセンブリ４４は、第１の光ファイバ１６および第２の光ファイバ２０の対応する遠位端に搭載され、ヘッドコイル３８内の表面領域に／表面領域からパターンシーケンスを投射し検出するためにスキャナボアホール３６に配置される。
【００６３】
図１ａに示すＭＲスキャナの代わりに、スキャナボアホールを形成するスキャナハウジングに少なくとも１つの検出リングを備えるＰＥＴスキャナも企図することができる。この場合、光ファイバ１６、２０の遠位端は、スキャナボアホール内の表面領域に／表面領域からパターンシーケンスを投射し検出するために、検出リング外、かつスキャナボアホールの近傍に配置することができる。図１のＭＲスキャナの代替は、複合ＭＲ／ＰＥＴスキャナである。
【００６４】
図１ａは表面スキャニング装置２を示し、該装置は、装置２の左側の１つの壁／ファラデーケージとして示される周壁５２によって画定されるスキャナ室内に配置される。電源管理部および／またはコントローラ部５０、例えば図１ａに示すコンピュータは、スキャナ室外に配置される。表面スキャニング装置２は、光ファイバ１６、２０が十分に長い場合、周壁５２によってスキャナ室外に配置することができる。
【００６５】
図１ａは、表面スキャニング装置２とスキャナ室外のコンピュータ５０との間で画像データをノイズなしに転送する光学エクステンダ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｘｔｅｎｄｅｒ）５４も示す。装置２は、無線周波数遮蔽ボックスとして機能するハウジング４で囲むことができる。ハウジング４は、１ｍｍの銅層で覆われる木製フレームなどのフレームで製造することができる。コンデンサ（図示せず）のフィルタは、ハウジング内の構成要素から生じる電磁ノイズが、電源ケーブルに沿って伝播しないように確保することができる。任意で、別個の電源である、あるいは電源管理部／コントローラ部５０の一部である電源はスキャナ室外に配置され、壁５２内のフィルタを介して、スキャナ室と装置２のハウジング４内の要素とに給電される。
【００６６】
ファイバの遠位端には、それぞれ投射光学部品と画像キャプチャリング光学部品とから成る第１のレンズアセンブリ４２および第２のレンズアセンブリ４４が設けられる。フレーム４６は、第１のレンズアセンブリ４２と第２のレンズアセンブリ４４間、および／または第１の光ファイバ１６と第２の光ファイバ１８の遠位端間の位置を固定するために使用される。
【００６７】
第１および第２のレンズアセンブリはそれぞれ、所定の焦点距離とアパーチャを有する対物レンズを含むことができる。また、第２のレンズアセンブリは近赤外線（ＮＩＲ）フィルタを含むことができる。第１および第２のレンズアセンブリはいずれも、対応する第１のミラー／プリズムおよび／または第２のミラー／プリズムを含むことができる。ミラー／プリズムは、２つのレンズアセンブリで共有することができる。
【００６８】
図１ｂは、本発明の表面スキャニング装置２を概略的に示す。装置２は、制御ユニット６と、光源１０および光変調器１２を備える画像源８とを収容するハウジング４を備える。さらに、装置２は、制御ユニット６と第１のカメラ１４との間で制御信号および／またはパターンシーケンスデータをやり取りするため、制御ユニット６に接続される第１のカメラ１４を任意で備える。使用中、第１の光ファイバ１６が、第１の光カプラ１８を介して第１の光ファイバの近位端１７で装置に接続されるため、画像源８からの光が第１の光ファイバ１６に結合される。第１の光カプラ１８は近位端１５と遠位端１９を有する。
【００６９】
装置は任意で、メモリ部２４とユーザインタフェース部２６とを含む。
【００７０】
第１の光ファイバ１６をハウジング４に固定的に搭載することができる、すなわち、第１の光ファイバ１６は装置２の一部を形成することができる。あるいは、第１の光カプラ１８の遠位端１９は、クリックリリースカップリングによって第１のファイバ束１６の近位端１７に着脱可能に固定することができる。
【００７１】
使用中、第２の光ファイバ２０は第２の光カプラ２２を介して第２の光ファイバ２０の近位端２１で装置２に接続されて、表面領域に投射されるパターンシーケンスまたは画像が第１のカメラ１４によって検出される。第２の光カプラ１８は近位端２３と遠位端２５とを含む。
【００７２】
第１および第２の光ファイバはハウジング４に固定的に搭載することができる。すなわち、第１および第２の光ファイバは装置２の一部を成すことによって、装置の設定を簡易化することができる。
【００７３】
あるいは、第１の光カプラ１８の遠位端１９および／または第２の光カプラ２２の遠位端２５は、クリックリリースカップリングによって第１のファイバ束１６の近位端１７および第２のファイバ束２０の近位端２１に着脱可能に固定することができる。
【００７４】
装置２は、画像源１０で被験者の表面領域に第１のパターンシーケンス（Ｓ１）を投射するために構成され、被験者は医療用スキャナのスキャナボアホールに配置され、第１のパターンシーケンスは任意で第１の第１パターン（Ｐ１、１）と第１の第２パターン（Ｐ１、２）とを備える。装置２は、投射された第１のパターンシーケンス（Ｓ１’）を第１のカメラ１４で検出するように構成することができる。制御ユニット６は任意で、検出された第１のパターンシーケンス（Ｓ１’）に基づき第２の第１パターン（Ｐ２、１）を備える第２のパターンシーケンス（Ｓ２）を決定し、制御信号を画像源８に送信し、画像源１０と光変調器１２が第１の光カプラ１８を介して、第２のパターンシーケンス（Ｓ２）の形状の画像を被験者の表面に投射する。投射される第２のパターンシーケンス（Ｓ２’）は第１のカメラ１４で検出することができ、パターンシーケンスデータは制御ユニットおよび／または第１のカメラ１４および／または外部コンピュータ５０で処理される。パターンシーケンスデータの検出時および検出中、装置２または外部コンピュータ５０は、検出された第２のパターンシーケンス（Ｓ２’）に基づきモーショントラッキングパラメータを判定する。
【００７５】
図２〜５は、第１のレンズ要素ｌ１と第２のレンズ要素ｌ２とを含む複数のレンズ要素ｌ１．．．，ｌＮを備える第１の光カプラ１８の様々な実施形態を示す。図２では、２つのレンズ要素が提供されるが、図３および４は多数のレンズ要素を示す。図５では、第１の光カプラ１８は、リレーレンズカプラの外部ハウジング内に配置されるＮ個のレンズ要素を含む、あるいはＮ個のレンズ要素から成るリレーレンズカプラである。Ｎは、６、８、または１０とすることができる。
【００７６】
図２〜５は単独の第１の光カプラ１８を示すが、第２の光カプラ２２は、第１の光カプラ１８に関して図２〜５に示す実施形態と同一または異なる構成を有することができる。したがって、第１の光カプラ１８内のレンズ要素の以下の説明は、第２の光カプラ２２のレンズ要素に適用することができる。
【００７７】
複数のレンズ要素ｌ１．．．，ｌＮの各レンズ要素は、第１の光カプラ１８の遠位端１９に面する第１面２８と、第１の光カプラ１８の近位端１５に面する第２面２９とを備える。通常、第１の光カプラ１８および／または第２の光カプラ２２に偶数のレンズ要素が含まれる。２、４、６、８、１０、１２、またはそれ以上のレンズ要素ｌ１．．．，ｌＮを設けることができる。
【００７８】
レンズ要素ｌＮのうちの１つ以上はアクロマティックレンズとすることができ、例えば、複数のレンズ要素のうちの少なくとも１つはアクロマティックレンズである。図２〜５は、クロマティックレンズ要素のみを示す。
【００７９】
１つ以上の実施形態では、図２に示すように、第１のレンズ要素ｌ１は第１の光カプラ１８の近位端１５に配置され、第２のレンズ要素ｌ２は第１の光カプラ１８の遠位端１９に配置される。図２では、両レンズ要素ともクロマティックである。しかしながら、第１のレンズ要素ｌ１と第２の要素ｌ２とは、凸側が相互に対面するアクロマティックレンズにすることもできる。
【００８０】
該装置では、ミラーおよび／またはプリズムを使用して、画像源８から第１の光カプラ１８に画像をガイドすることができる。図２および図３では、ミラー７は、画像源から光変調器１２へ、および光変調器１２から第１の光カプラ１８の近位端１５へ画像をガイドするために使用される。図４および図５では、画像は、画像源８からプリズム９を介して光変調器１２へ通過し、再度プリズム９を通過して、第１の光カプラ１８の近位端１５に直接ガイドされる。
【００８１】
第１の光カプラ１８および／または第２の光カプラ２２は、画像および／または投射画像のサイズを増減させるように適合させることができるため、画像／投射画像のサイズは、第１のおよび／または第２の光カプラを通過後、大きくまたは小さくなる。
【００８２】
光カプラを使用して画像サイズをどのように増減させるかを図６ａおよび図６ｂに概略的に示す。図６ａでは、画像サイズは入力画像サイズｄｉｎから出力画像サイズｄｏｕｔまで低減され、ｄｉｎはｄｏｕｔより大きく、図６ｂでは、画像サイズは入力画像サイズｄｉｎからｄｏｕｔまで増大され、ｄｉｎはｄｏｕｔより大きい。レンズ要素の様々な焦点距離ｆ１、ｆ２を図面に示す。
【００８３】
３つ以上のレンズ要素を使用することによって、補正を向上させ、（幾何学的）歪みを低減することができる。さらに、収差作用も低減される。これにより、ユーザは、第１の光ファイバ１６に結合される画像の一部の大きさと、第２の光ファイバ２０によって収集された後の第２の光カプラ２２から出力される投射画像のサイズとを制御することができる。
【００８４】
図７ａおよび図７ｂは、第１の光カプラ１８および／または第２の光カプラ２２として本発明で使用することのできるリレーレンズカプラの２つの異なる例を示す。
【００８５】
図７ａでは、リレーカプラは、対称的に配置される６つのレンズ要素ｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４、ｌ５、ｌ６を含み、あるいは６つのレンズ要素から成り、最も外側のレンズ要素ｌ１、ｌ６は略同一のサイズで、互いに鏡像となるように配向される。同様に、最も外側のレンズ要素ｌ１、ｌ６に隣接するレンズ要素ｌ２、ｌ５は、鏡像対を形成し、リレーレンズカプラの真ん中に近づいていく次のレンズ要素も同様である。４つのレンズ要素ｌ１、ｌ３、ｌ４、ｌ６は平凸であり、すなわち、凸側と平面側とを有する。別の２つのレンズ要素ｌ２、ｌ５は両凹であり、すなわち、レンズ要素の第１側と第２側の両方が凹状である。
【００８６】
図７ｂは、対称的に配置される１０個のレンズ要素ｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４、ｌ５、ｌ６、ｌ７、ｌ８、ｌ９、ｌ１０を備えるリレーレンズカプラを示し、２つの最も外側のレンズ要素からリレーレンズカプラの中央へと向かうレンズ要素対は相互に鏡像である。図７ａでは、４つのレンズ要素ｌ１、ｌ４、ｌ７、ｌ１０は平凸であり、２つのレンズ要素ｌ３、ｌ８は両凹であり、２つのレンズ要素ｌ２、ｌ９は両凸であり、すなわち、レンズ要素の第１側と第２側とは凹状であり、最後の２つの要素ｌ５、ｌ６は平凹であり、すなわち、凹側と平面側とを有する。
【００８７】
レンズ要素対の数は、図７ａおよび図７ｂに示す例に限定されない。さらに、レンズ要素のサイズと形状の組み合わせは変更することができる。例えば、互いに鏡像を形成するように配置される、様々な組み合わせの平凹、平凸、両凹、および／または両凸レンズ要素対に撮像させることができる。
【００８８】
なお、添付図面に示す本発明の例示的実施形態に加えて、本発明は、様々な形状で具体化することができ、本明細書に記載する実施形態に限定するものと解釈すべきではない。逆に、これらの実施形態は、本開示が綿密で完全なものになり、本発明の概念を当業者に伝えるように提示される。
【符号の説明】
【００８９】
２      装置
４      ハウジング
６      制御ユニット
７      ミラー
８      画像源
９      プリズム
１０    光源
１２    光変調器
１４    第１のカメラ
１５    第１の光カプラの近位端
１６    第１の光ファイバ
１７    第１の光ファイバの近位端
１８    第１の光カプラ
１９    第１の光カプラの遠位端
２０    第２の光ファイバ
２１    第２の光ファイバの近位端
２２    第２の光カプラ
２３    第２の光カプラの近位端
２４    メモリ
２５    第２の光カプラの遠位端
２６    ユーザインタフェース
２８    レンズ要素の第１面
２９    レンズ要素の第２面
３０    医療用スキャナ
３２    磁石
３４    スキャナハウジング
３６    スキャナボアホール
３８    ヘッドコイル
３９    スキャナベッド
４０    被験者
４２    第１のレンズアセンブリ
４４    第２のレンズアセンブリ
４６    フレーム
５０    電源管理部
５２    スキャナ室の周壁
５４    光学エクステンダ
ｌＮ    第Ｎのレンズ要素
ｌ１    第１のレンズ要素
ｌ２    第２のレンズ要素
ｌ３    第３のレンズ要素
ｌ４    第４のレンズ要素
ｌ５    第５のレンズ要素
ｌ６    第６のレンズ要素
ｌ７    第７のレンズ要素
ｌ８    第８のレンズ要素
ｌ９    第９のレンズ要素
ｌ１０  第１０のレンズ要素
ｄｉｎ  第１の／第２の光カプラ入力前の画像のサイズ
ｄｏｕｔ  第１の／第２の光カプラ出力後の画像のサイズ
ｆ１    第１のレンズ要素の焦点距離
ｆ２    第２のレンズ要素の焦点距離
【図１ａ】
0006581083.tif 000002
【図１ｂ】
0006581083.tif 000003
【図２】
0006581083.tif 000004
【図３】
0006581083.tif 000005
【図４】
0006581083.tif 000006
【図５】
0006581083.tif 000007
【図６ａ】
0006581083.tif 000008
【図６ｂ】
0006581083.tif 000009
【図７ａ】
0006581083.tif 000010
【図７ｂ】
0006581083.tif 000011