(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関連するサンプル中の光学深さを評価するための光学装置であって、
当該装置は、放射源、第１放射線ガイド、第２放射線ガイド、検出器及び処理手段を有し、
前記放射源は、初期偏光を持つ放射線を放射することができ、
第１放射線ガイドは、前記サンプルに放射線を放射するために前記放射源に光学的に接続し、第１及び第２放射線ガイドは、実質的に互いに揃えられたそれぞれの端部を備え、前記端部はさらに、前記サンプルから反射された放射線を取り込むように配置され、
前記検出器は、第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続し、前記検出器は、光学サブバンド内で、
- 反射された放射線の第１偏光、
- 反射された放射線の、第１偏光とは異なる第２偏光、
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度、
の指標を測定し、
前記処理手段は前記検出器に動作可能に接続し、前記処理手段は、前記光学サブバンド内で第１及び第２スペクトル関数を計算し、両方のスペクトル関数は、前記サンプル中の単散乱現象を実質的に示し、
- 第１スペクトル関数は、反射された放射線の第１偏光と反射された放射線の第２偏光との間の偏光の差の測度であり、
- 第２スペクトル関数は、反射された放射線の第１及び第２強度の間の強度の差の測度であり、
前記処理手段はさらに、単散乱現象が前記サンプル内の実質的に同じ光学深さから生じているかを評価するために、第１及び第２スペクトル関数の間の相関の測度を計算する、光学装置。
【請求項２】
第１スペクトル関数が偏光光散乱分光関数である請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
第２スペクトル関数が、第１及び第２放射線ガイドの間の差分経路長の測度である、請求項１又は請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記検出器が、前記光学サブバンド内で、第１放射線ガイドによって取り込まれた反射された放射線の第１偏光及び第２偏光を測定する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
第３放射線ガイドが、前記サンプルに前記初期偏光を持つ放射線を伝えるように配置され、第３放射線ガイドは、第１及び第２放射線ガイドの端部に実質的に揃えられた端部を持つ、請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
第３放射線ガイドは、前記サンプルから反射された放射線を取り込むように配置され、第３放射線ガイドは、前記検出器に光学的に接続している、請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記検出器は、２つの実質的に直交する向きで、反射された放射線の第１及び第２偏光を測定する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記放射源が、測定される第１偏光又は測定される第２偏光の偏光面に実質的に平行な面の中で直線偏光された前記初期偏光を持つ放射線を放射する、請求項１又は請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
第１放射線ガイド、第２放射線ガイド及び/又は第３放射線ガイドは、最大２００マイクロメートルの直径を持つ光ファイバである、請求項１又は請求項５に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記処理手段はさらに、前記光学サブバンド内の複数の領域の相関を決定し、前記処理手段は続いて、後の光学測定のために最適な相関の領域を選択する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記処理手段はさらに、見出された相関に依存して前記光学サブバンドを変更する、請求項１又は請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記相関に依存して第１及び第２放射線ガイドの間のそれぞれの端部の距離を少なくとも変更する駆動手段を有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１３】
第１放射線ガイド、第２放射線ガイド及び/又は第３放射線ガイドがカテーテルの一部を構成する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１４】
光学装置と協働するカテーテルであって、
前記カテーテルは、第１放射線ガイド及び第２放射線ガイドを有し、
第１放射線ガイドは、サンプルに放射線を放射するために放射源に光学的に接続し、第１及び第２放射線ガイドは、実質的に互いに揃えられたそれぞれの端部を備え、前記端部はさらに、前記サンプルから反射された放射線を取り込むように配置され、
前記光学装置は、放射源、検出器及び処理手段を有し、
前記放射源は、初期偏光を持つ放射線を放射することができ、
前記検出器は、第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続し、前記検出器は、光学サブバンド内で、
- 反射された放射線の第１偏光、
- 反射された放射線の、第１偏光とは異なる第２偏光、
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度、
の指標を測定し、
前記処理手段は前記検出器に動作可能に接続し、前記処理手段は、前記光学サブバンド内で第１及び第２スペクトル関数を計算し、両方のスペクトル関数は、前記サンプル中の単散乱現象を実質的に示し、
- 第１スペクトル関数は、反射された放射線の第１偏光と反射された放射線の第２偏光との間の偏光の差の測度であり、
- 第２スペクトル関数は、反射された放射線の第１及び第２強度の間の強度の差の測度であり、
前記処理手段はさらに、単散乱現象が前記サンプル内の実質的に同じ光学深さから生じているかを評価するために、第１及び第２スペクトル関数の間の相関の測度を計算する、カテーテル。
【請求項１５】
第３放射線ガイドが、前記サンプルに前記初期偏光を持つ放射線を伝えるように配置され、第３放射線ガイドは、第１及び第２放射線ガイドの端部に実質的に揃えられた端部を持つ、請求項１４に記載のカテーテル。
【請求項１６】
第３放射線ガイドは、前記サンプルから反射された放射線を取り込むように配置され、第３放射線ガイドは、前記検出器に光学的に接続している、請求項１５に記載のカテーテル。
【請求項１７】
第１放射線ガイド、第２放射線ガイド及び/又は第３放射線ガイドが偏光維持特性を持つ、請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載のカテーテル。
【請求項１８】
サンプル中の光学深さを評価する光学装置を動作させる方法に従って、少なくとも一つのコンピュータとそれに結合されたデータ記憶手段とを有するコンピュータシステムが前記光学装置を制御することを可能にする、コンピュータプログラムであって、前記方法は、
放射源によって初期偏光を持つ放射線を放射するステップ、
前記サンプルに対して第１放射線ガイド及び第２放射線ガイドを配置するステップであって、第１放射線ガイドは、前記サンプルに放射線を放射するために前記放射源に光学的に接続し、第１及び第２放射線ガイドは、実質的に互いに揃えられたそれぞれの端部を備え、前記端部はさらに、前記サンプルから反射された放射線を取り込むように配置されるステップ、
第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続している検出器を提供するステップであって、前記検出器は、光学サブバンド内で、
- 反射された放射線の第１偏光、
- 反射された放射線の、第１偏光とは異なる第２偏光、
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度、
の指標を測定するステップ、
前記検出器に動作可能に接続している処理手段を提供するステップであって、前記処理手段は、前記光学サブバンド内で第１及び第２スペクトル関数を計算し、両方のスペクトル関数は、前記サンプル中の単散乱現象を実質的に示し、
- 第１スペクトル関数は、反射された放射線の第１偏光と反射された放射線の第２偏光との間の偏光の差の測度であり、
- 第２スペクトル関数は、反射された放射線の第１及び第２強度の間の強度の差の測度であるステップ、
前記処理手段によって、単散乱現象が前記サンプル内の実質的に同じ光学深さから生じているかを評価するために、第１及び第２スペクトル関数の間の相関の測度を計算するステップ、を有するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル中の光学深さを評価する光学装置に関する。本発明は、対応するカテーテル、対応する方法、及び対応するコンピュータプログラム製品にも関する。
【背景技術】
【０００２】
新生の光学技術によって検出可能である使用可能な医学的条件の数が増加していることに部分的に起因して、患者の医学的状態の光学特性決定は現在の成長領域である。特に、例えば癌の光学方法による早期発見は、患者の生存可能性を高める改善された検出機会を促進することができる。医学的に重要な情報が非常に小さい組織ボリュームから入手可能な場合、組織モルフォロジ及び生理機能における前癌性の変化さえ区別可能である。
【０００３】
全ての癌のうちの90%以上が上皮性起源である。体表面は、大部分が上皮組織の薄膜層によって覆われる。さまざまな臓器のこの上皮組織層は、単純な（単一層の）扁平上皮における10ミクロン未満から、重層の（複数の細胞層の）上皮における数百ミクロンの厚さを有する。上皮層の下に、結合組織、炎症細胞、神経血管構造などの、さまざまな他の組織層が存在する。光の侵入深さが、一般に、上皮性層の深さより非常に大きいので、組織から後方散乱された光は、より深い層状組織から生じる大きいバックグラウンド信号に重畳された上皮層中の変化の情報を含む。これため、この信号から重要な情報を直接抽出することは難しい。この問題を解決するために、上皮性層からの信号が、より深い層に起因する信号（すなわちバックグラウンド信号）から分離されることができる方法が必要である。V. Backman等は、IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., Vol. 5, No. 4, July/August 1999, p. 1019においてこの問題に対する解を開示する。Backman他による方法では、偏光した光が組織を照らすために用いられる。その後、偏光ビームスプリッタ及び２つの別々の検出器を用いることにより、同じ偏光及び直交偏光を有する散乱光を別々に検出する。上皮性層から来る信号は一般的に一回散乱するだけであるので、偏光はかなり維持される。より深い層から来る散乱光は複数回散乱され、元の偏光情報を解放して、等方的に分散され、それによって元の偏光は失われる。両方の信号を互いから差し引くことによって、上皮性層から後方散乱した所望の信号からバックグラウンド信号を除去することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Backman他の方法の欠点は、通常は上皮性層より深い層から来る単散乱光子が依然として存在し、したがってこれらのより深い層が所望の信号に負の影響を及ぼす場合があることである。さらに、大きいバックグラウンド信号が小さい実際の信号から除去されるので、重大な量のノイズが最終的な信号中に存在し、測定精度を制限する。これは次に、組織中の癌がどれくらい早期に検出されることができるかに関する検出限界を制限する。加えて、患者が一時的に物質（例えば調合薬）の影響下にある場合、上皮層の光学特性は前記物質に応じて変化する場合があり、それによってこの方法による患者の光学的評価の信頼性が低下する。
【０００５】
よって、改善された光学装置は有益であり、特に、より効率的及び/又は信頼性が高い光学装置は有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明は好ましくは、単独で又は任意の組み合わせで、一つ以上の上述の短所を緩和し、軽減し、又は排除することを試みる。特に、光学的に薄い層から信頼性が高い信号を取得することに関する従来の技術の上記の問題を解決する光学装置を提供することが本発明の目的として理解される。
【０００７】
この目的及びいくつかの他の目的は、関連するサンプル中の光学深さを評価するための光学装置を提供することによって本発明の第１の態様において達成される。
当該装置は、初期偏光(P_0)を持つ放射線を放射することが可能な放射源を有する。
当該装置は、第１及び第２放射線ガイドを有する。第１放射線ガイドは、サンプルに放射線を放射するために放射源に光学的に接続される。第１及び第２放射線ガイドは、互いに実質的に揃えられるそれぞれ端部を有する。端部はさらに、サンプルから反射された放射線を取り込むように配置される。
当該装置は、第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続される検出器を有する。この検出器は、光学サブバンド内で、以下の指標を測定するように配置される。
- 反射された放射線の第１偏光 (P_1)。
- 反射された放射線の第２偏光(P_2)。第２偏光 (P_2) は第１偏光 (P_1)とは異なる
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度 (I_1, I_2)。
当該装置は、検出器に使用可能に接続される処理手段を有する。この処理手段は、光学サブバンド内の第１(f)及び第２(g)スペクトル関数を計算するように適応される。両方のスペクトル関数(f, g)は、サンプル中の単散乱現象を実質的に示す。
- 第１スペクトル関数(f)は、反射された放射線の第１(P_1)偏光と反射された放射線の第２(P_2)偏光との間の偏光の差の測度である。
- 第２スペクトル関数(g)は、反射された放射線の第１及び第２強度(I_1, I_2)の間の強度の差の測度である。処理手段は、単散乱現象がサンプル内の実質的に同じ光学深さから生じるかどうかを評価するために第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間の相関の測度を計算するようにさらに配置される。
【０００８】
本発明は特に（但しこれに限らず）、第１及び第２スペクトル関数間の因果関係が、２つのスペクトル関数を生じさせる単散乱現象が、前記光学サブバンドの中で、サンプル内の実質的に同じ光学深さ(D)から来るかどうか、すなわち第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間に有意な相関(C)があるかを評価するために用いられることができる光学装置を得るために有益である。例えば上皮性層の光学プロービングのために、上皮性層の下の層に対する識別は、上皮性層自体からの信頼性が高い信号の指標として相関が用いられることができるという利点を提供する。特に、患者の医学的状態（例えば(前)癌性病変）の評価のために、この相関は、後に正しい診断をもたらすことができる情報を提供することと、後に誤診に結びつく可能性がある情報を提供することの違いである場合があり、後者は例えば偽陽性診断又は偽陰性診断である。
【０００９】
本発明は特に、両方のスペクトル関数の根底ある物理的作用が、基本的に少なくとも多くの実際的な条件及びアプリケーション、特に医学的アプリケーションにとって、互いに独立しているとの事実に基づく。第１スペクトル関数(f)に結びつくサンプルの偏光解消は、存在する分子の種類に強く依存し、一方、第２スペクトル関数(g)に結びつくサンプル中の光子の平均自由行程は、サンプル中の分子の分布に強く依存する。
【００１０】
したがって、第１及び第２スペクトル関数の両方が、それらが主に単散乱現象から生じるという意味で有効な場合、第１及び第２スペクトル関数は、異なる状態で取得されるが、適切な補正（例えば正規化）が実行されると、実質的に同じスペクトル信号をもたらすはずである。例えば、サンプル中に強い偏光解消があり、光子の平均自由行程が第１及び第２放射線ガイドの固有の直径より大きい場合、有意な相関が存在する可能性がある。
【００１１】
したがって、医学的アプリケーションの場合には、第１及び第２スペクトル関数の間に強い相関がある場合、提供される情報は、後の診断に関してより良好な信頼性を伴って用いられることができる。弱い相関の場合には、本発明のパラメータ及び/又は条件が修正又は適応されることができ、或いは、他の方法が、医療目的の情報を提供するために用いられることができる。
【００１２】
本発明との関連で、主にサンプル中の単散乱現象が第１及び第２スペクトル関数に寄与するという意味で、第１(f)及び第２(g)スペクトル関数は単散乱現象を実質的に示すことが理解されるべきである。それでも、二重散乱現象、三重散乱現象などからの第１及び/又は第２スペクトル関数への徐々に弱まる寄与が存在する場合もあり、一旦本発明の一般的な原理が認知されれば当業者によって容易に認識されるように、これらのより高次の散乱現象の寄与は、一般に放射線及び光学特性上の特定の相互作用に依存する。より具体的には、この相互作用及びそれによる高次の散乱現象からの寄与は、放射線の種類(例えば単色、広帯域)、放射線の偏光(直線、楕円形、円形)、放射線の強度(高パワー、低パワー)、そしてもちろん、問題のサンプルの光散乱特性(吸収、弾性散乱、非弾性散乱など)に依存する。一般に本発明は、サンプルから反射される光学放射線がサンプルに関する情報を抽出するために用いられる逆散乱問題に関連する。更なる技術上の詳細のために、読者は、Biomedical Photonics Handbook, Editor-in-CHief Tuan Vo-Dinh, CRC Press LLC, Florida, ISBN 0-8493-1116-0を参照されたい（例えば第２章）。
【００１３】
本発明は医療分野における適切なアプリケーションを見いだすことができるが、本発明の教示はこの技術分野に制限されない。むしろ本発明は、なんらかの種類の基板に重ね合わせられる光学的に薄い層からの光学応答が望まれる、多くの光学アプリケーション及び領域におけるアプリケーションを見いだすことができる。条件は、この光学的に薄い層が好ましくは導電性（例えば金属）ではないことである。何故なら、導電性の層は一般的に非常に高い反射率を持ち、すなわち、より深い層は放射線の衝突ビームによって通常調べられないからである。したがって、生物学的サンプルの表面が分析される他のアプリケーションが想定される。あるいは、半導体表面層(例えばシリコン、又はシリカのようなその変種) は、本発明によって分析されることができる。
【００１４】
有利には、第１スペクトル関数(f)は、偏光光散乱分光(PLSS)関数であることができる。加えて又は代わりに、第２スペクトル関数(g)は、第１及び第２放射線ガイドの間の差分経路長(DPL)の測度であることができる。
【００１５】
一般的に、検出器は、偏光した放射線の最も単純な光学経路を提供するための第１放射線ガイドによって取り込まれる反射された放射線の第１偏光(P_1)及び第２偏光(P_2)を、光学サブバンド内で測定するように配置されることができる。しかしながら、その代わりに又は付加的に、検出器は、第２放射線ガイドによって取り込まれる反射された放射線の第１偏光(P_1)及び第２偏光(P_2)を、光学サブバンド内で測定するように配置されることができる。
【００１６】
実施の形態において、追加的な第３放射線ガイドが、初期偏光(P_0)を有する放射線をサンプルに伝えるために配置されることができ、第３放射線ガイドは、第１及び第２放射線ガイドの端部と実質的に揃えられた端部を持つ。しかしながらこの実施の形態は、第３放射線ガイドのための更なる空間を必要とする。通常、第３放射線ガイドは、サンプルから反射された放射線を取り込むように配置されることができ、第３放射線ガイドは検出器に光学的に接続している。特に、この第３放射線ガイドは、PLSS及びDPL測定が互いに別々の放射線ガイドにおいて並列に実行されることができるという利点を提供する。
【００１７】
他の一実施例において、検出器は、２つの実質的に直交する向きで、反射された放射線の第１( P_1)及び第２(P_2)偏光を測定するように配置されることができる。したがって、測定される偏光の相対的な向きが直交する場合、一般的に最大の差分信号を得る。加えて又は代わりに、光学装置の単純な、さらに効率的な光学構成を提供するために、放射源は、測定される第１(P_1)偏光又は測定される第２(P_2)偏光の偏光面に実質的に平行な面で直線偏光する初期偏光(P_0)を持つ放射線を放射するように配置されることができる。いくつかのアプリケーションにおいて、円形に偏光した放射線を利用することは、この偏光がいくつかの種類の放射線ガイドにおいて良好に保存されるので、より有利である。
【００１８】
一実施例において、第１、第２及び/又は第３放射線ガイドは、光学ファイバであることができる。光学ファイバは、(クラッドを無視して)最大200マイクロメートル、好ましくは最大100マイクロメートル、さらに好ましくは最大50マイクロメートルの直径を持つことができる。
【００１９】
しかしながら、サンプルから反射された放射線を取り込んで、それによる偏光散乱分光(PLSS)を実行するための第３放射線ガイドが配置されることができる実施の形態に関連して、一般に、放射線ガイドの直径が小さいほど、放射線ガイドを通してより適切に偏光が維持されるので、第３放射線ガイドは、100マイクロメートル、好ましくは最大50マイクロメートル、より好ましくは最大25マイクロメートルの最大直径を持つことができる。
【００２０】
同様に、第３放射線ガイドの前記実施の形態に関して、一般に放射線ガイドの直径が、DPLに関してサンプルにどこまで侵入することができるかについての上限を設定するので、第１及び/又は第２放射線ガイドは、差分経路長(DPL)分光を実行するために、100マイクロメートル、好ましくは最小200マイクロメートル、さらに好ましくは最小300マイクロメートル、最も好ましくは400マイクロメートルの最小直径を持つことができる。
【００２１】
他の一実施例において、処理手段は、光学サブバンド内の複数の領域のための相関を決定するようにさらに配置されることができ、処理手段は、例えば患者の医学的状態の後の測定のための最適な設定を選択するために、後の光学測定のための最適な相関(C)の領域を後で選択するように適応されることができる。その代わりに又は付加的に、処理手段は、見いだされた相関に依存して光学サブバンドを変更するようにさらに配置されることができる。
【００２２】
有利には、光学装置は、相関に依存して、少なくとも第１及び第２放射線ガイドの間のそれぞれの端部の距離を変更するために配置される駆動手段を含むことができる。あるいは、この駆動手段は、お互い及び/又はサンプルに対するそれらの相対的な位置を調整することができる。
【００２３】
一実施例において、第１、第２及び/又は第３放射線ガイドは、カテーテルの一部を形成することができ、このカテーテルは患者のin-vivo特性決定に適している。
【００２４】
第２の態様において、本発明は、関連する光学装置と協働するように配置されるカテーテルに関する。
【００２５】
当該カテーテルは、第１及び第２放射線ガイドを有する。第１放射線ガイドは、サンプルに放射線を放射するための放射源に光学的に接続可能である。第１及び第２放射線ガイドは、互いに実質的に揃えられるそれらそれぞれの端部を持つ。端部はさらに、サンプルから反射された放射線を取り込むように配置される。
【００２６】
前記関連する光学装置は以下を有する。
初期偏光(P_0)を有する放射線を放射することが可能な放射源。
第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続している検出器。この検出器は、光学サブバンドの中で、以下の指標を測定するために配置される。
- 反射された放射線の第１偏光 (P_1)。
- 反射された放射線の第２偏光 (P_2)。当該第２偏光(P_2)は第１偏光(P_1)と異なる。
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度 (I_1, I_2)。
使用可能な状態で検出器に接続している処理手段。この処理手段は、光学サブバンドの中で第１(f)及び第２(g)スペクトル関数を計算するように適応される。両方のスペクトル関数(f, g)は、サンプル中の単散乱現象を実質的に示す。
- 第１スペクトル関数(f)は、反射された放射線の第１(P_1)偏光と反射された放射線の第２(P_2)偏光との間の偏光の差分の測度である。
- 第２スペクトル関数(g)は、反射された放射線の第１及び第２強度(I_1, I_2)の間の強度の差分の測度である。
この処理手段は、単散乱現象がサンプルの中で実質的に同じ光学深さから生じるかどうかを評価するために、第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間の相関の測度を計算するようにさらに配置される。
【００２７】
有利には、このカテーテルの中に、初期偏光(P_0)を有する放射線をサンプルに伝えるために第３放射線ガイドが配置されることができ、第３放射線ガイドは、第１及び第２放射線ガイドの端部に実質的に揃えられる端部を持つ。第３放射線ガイドは、サンプルから反射された放射線を取り込むように配置されることができ、第３放射線ガイドは、偏光散乱分光(PLSS)を実行するために、検出器に光学的に接続可能である。特に、第３放射線ガイドは、PLSS及び差分経路長(DPL)分光測定が、互いに並列に別々の放射線ガイドにおいて実行されることができるという利点を提供する。それによって本発明は、小さい直径の放射線ガイドが一般的に望まれるPLSSと、大きな直径の放射線ガイドが通常求められるDPLとの間の放射線ガイドの直径に関する対立する要求を緩和することができる。
【００２８】
有利には、第１、第２及び/又は第３放射線ガイドは、第１(P_1)及び第２(P_2)偏光の実質的に歪められていない測定を容易にするために、偏光維持特性を持つことができる。
【００２９】
第３の態様において、本発明は、サンプル中の光学深さ(D)を評価するための光学装置を動作させるための方法に関し、当該方法は以下のステップを有する。
放射源によって初期偏光(P_0)を有する放射線を放射すること。
サンプルに対して第１及び第２放射線ガイドを配置すること。第１放射線ガイドは、サンプルに放射線を放射するための放射源に光学的に接続している。第１及び第２放射線ガイドは、互いに実質的に揃えられるそれらのそれぞれの端部を持つ。端部はさらに、サンプルから反射された放射線を取り込むように配置される。
第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続された検出器を提供すること。この検出器は、光学サブバンドの中で、以下の指標を測定するように配置される。
- 反射された放射線の第１偏光 (P_1)。
- 反射された放射線の第２偏光 (P_2)。当該第２偏光(P_2)は第１偏光(P_1)と異なる。
- それぞれ第１及び第２放射線ガイドにおける反射された放射線の第１及び第２強度 (I_1, I_2)。
使用可能な状態で検出器に接続している処理手段を提供すること。この処理手段は、光学サブバンドの中で第１(f)及び第２(g)スペクトル関数を計算するように適応される。両方のスペクトル関数(f, g)は、サンプル中の単散乱現象を実質的に示す。
- 第１スペクトル関数 (f) は、反射された放射線の第１ (P_1) 偏光と反射された放射線の第２ (P_2) 偏光との間の偏光の差分の測度である。
- 第２スペクトル関数 (g) は、反射された放射線の第１及び第２強度 (I_1, I_2) の間の強度の差分の測度である。
単散乱現象がサンプル内で実質的に同じ光学的深さから生じるかどうかを評価するために、第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間の相関の測度を処理手段によって計算すること。
【００３０】
第４の態様において、本発明は、少なくとも一つのコンピュータとそれに結合されたデータ記憶手段とを備えるコンピュータシステムが、本発明の第３の態様に従って光学装置を制御することを可能にするように適応されるコンピュータプログラム製品に関する。
【００３１】
本発明のこの態様は、コンピュータシステムが本発明の第２の態様の動作を実行することを可能にするコンピュータプログラム製品によって本発明が実現されることができる点で特に（しかしこれに限らず）有益である。したがって、いくつかの既知の光学装置は、当該既知の光学装置を制御するコンピュータシステムにコンピュータプログラム製品をインストールすることによって、本発明にしたがって動作するように変更されることができることが意図される。そのようなコンピュータプログラム製品は、磁気若しくは光学ベースのメディアのような任意の種類のコンピュータ可読メディア、又はコンピュータベースのネットワーク(例えばインターネット) によって、提供されることができる。
【００３２】
本発明の第１、第２、第３及び第４の態様は、任意の他の態様とそれぞれ組み合わせられることができる。本発明のこれらの及び他の態様は、以下に述べられる実施の形態から明らかであり、それらを参照して説明される。本発明は、添付の図を参照して、単に一例として以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の光学装置の模式図。
【図２】PLSS及びDPLの光学経路の模式図。
【図３】単散乱現象に対する関連するサンプル内の光学経路の模式図。
【図４】多重散乱現象に対する関連するサンプル内の光学経路の模式図。
【図５】第１(f)及び第２(g)スペクトル関数及びその計算された相関(C)の２つの例を有するグラフを概略的に示す図。
【図６】本発明の他の光学装置の模式図。
【図７】本発明の他の光学装置の模式図。
【図８】本発明による方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図1は、関連するサンプル100において光学深さD (以下の図3及び4参照) を評価するために用いられることができる光学装置の模式図である。この光学装置は、初期偏光P_0を有する放射線20を放射することが可能な放射源10を有する。放射源10は、例えば従来のレーザ、又はサンプルに向けた光学経路に沿った任意の位置で光学的に接続された適切な偏波フィルタを有するタングステンランプであることができる。「放射線」という用語によって、任意の種類の適切な放射線が、本発明に適用されることができることが理解されるべきであり、例えば、赤外線(IR)光、可視光、紫外線(UV)光及び(軟)X線が適用されることができる。
【００３５】
加えて、第１(30a)及び第２(30b)放射線ガイドが光学装置に含まれ、第１及び第２放射線ガイドは、例えば光ファイバ又は他の適切な光学ガイド手段であることができる。第１放射線ガイド30aは、図1に示すようにサンプル100に放射線20を放射するための放射源10に光学的に接続し、第１放射線ガイド30aは実質的に偏光維持特性を有する。放射源10は、補助放射線ガイド11によって、第１放射線ガイド30aに光学的に接続していることができる。
【００３６】
図1に概略的に示されるように、第１及び第２放射線ガイドは、互いに実質的に揃えられるそれらそれぞれの端部30a'及び30b'を有し、これらの端部はさらに、サンプル100から反射された放射線25a及び25bを取り込むように配置される。第１及び第２放射線ガイドのこの光学構成によって、本発明による光学装置によって差分経路長分光(DPL)を実行することが可能である。DPLについて詳しくは、読者はWO2005/029051(Amelink及びSterenborg) を参照されたい（この文献は全体として本願明細書に引用したものとする）。
【００３７】
光学装置はさらに、第１(30a)及び第２(30b)放射線ガイドに光学的に接続している検出器40を含む。検出器40は、光学サブバンド内で、以下の指標を測定するように配置される。
-反射された放射線25の第１偏光P_1。
-反射された放射線25の第２偏光P_2。当該第２偏光P_2は第１偏光P_1と異なる。
-それぞれ第１(30a)及び第２(30b)放射線ガイドにおける反射された放射線25a及び25bの第１(I_1)及び第２(I_2)強度。
【００３８】
検出器40は、例えば適切な偏光検出手段(例えば偏光フィルタ又は対応する光学ユニット) を有する一つ以上の分光器であることができる。したがって、測定された第１(I_1)及び第２(I_2)強度は、前記光学サブバンドによって定められるような特定の放射線バンドのスペクトログラフであることができる。反射された放射線25の第１偏光P_1及び第２偏光P_2(当該第２偏光P_2は第１偏光P_1と異なる)を検出することによって、光学装置によって偏光光散乱分光(PLSS)を実行することが可能である。PLSSについて詳しくは、読者は、V. Backman et al. in IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., Vol. 5, No. 4, July/August 1999, p. 1019を参照されたい（この文献は全体として本願明細書に引用したものとする）。
【００３９】
加えて、処理手段60が検出器40に使用可能な状態で接続しており、この処理手段は、光学サブバンド内で第１(f)及び第２(g)スペクトル関数を計算するように適応され、両方のスペクトル関数(f, g)は、サンプル中の単散乱現象を実質的に示す。それでもやはり、上で説明されるように、二重散乱現象、三重散乱現象などからの第１(f)及び/又は第２(g)スペクトル関数への徐々に弱まる寄与も存在する場合がある。処理手段は、当業者によって容易に理解されるように、一つ以上のデータプロセッサ及び/又はデジタルシグナルプロセッサ上で動作するコンピュータソフトウェアとして実現されることができる。
【００４０】
第１スペクトル関数(f)は、反射された放射線25の第１(P_1)偏光と反射された放射線25の第２(P_2)偏光との間の偏光の差分の測度である。P_1及びP_2の相対的な位置で図1に示されるように、第１及び第２偏光は、第１放射線ガイド25aによって取り込まれる反射光25aから検出されることができるが、代わりに又は更に、第１及び第２偏光は、第２放射線ガイド25bによって取り込まれる反射光25bから検出されることができる(図1に示されない)。
【００４１】
第２スペクトル関数(g)は、放射線の第１(25a)及び第２(25b)ビームで反射された放射線の第１(I_1)及び第２(I_2)強度間の強度の差分の測度である。
【００４２】
処理手段60は、単散乱現象がサンプル100の中で実質的に同じ光学深さ(D)から生じるかどうかを評価するために、第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間の相関(C)の測度を計算するようにさらに配置される。
【００４３】
図2は、PLSS(上部)及びDPL(下部)のための光学経路の模式図である。
【００４４】
PLSSに対して、入射光20の初期偏光はP_0によって示される。後方散乱に応じて、反射された光25は、検出器40(図2に示されない)が測定する少なくとも２つの成分P_1及びP_2を持つ特有の偏光を有する。反射された放射線25の第１(P_1)及び第２(P_2)偏光は、２つの実質的に直交する方向を指すように示され、他の相対的な方向も可能であるが、これが２つの測定された偏光方向の間の最大差分を有利にもたらすことができる。一般的に、放射源10(例えば固体レーザ)は、(図2に示されるように)測定される第１偏光(P_1)又は測定される第２(P_2)偏光の偏光面に実質的に平行な面中に直線偏光している初期偏光P_0を有する放射線を放射する。
【００４５】
DPLのために、反射された放射線25a及び25bの第１ (I_1)及び第２強度(I_2)間の強度差分が、それぞれ、更なる分析のために利用される。第１及び第２放射線ガイド30a及び30b(図示せず)の相対的な位置は、もちろん、どんな種類の情報が強度の差分信号から得られるかに関して非常に重要である。同様に、放射線ガイド(例えば光ファイバ) の有効径は、DPL分光にとって非常に重要である。目安として、光ファイバの直径は、DPLのための組織へのプロービング深さの約２倍である。
【００４６】
図3は、単散乱現象に対する関連するサンプル100の中の光学経路の模式図である。図3に示されたように、入射放射線20は、特定の光学深さDでサンプル100に侵入し、サンプル100内の部位における光学的相互作用に応じて、特定の方向に反射される放射線25が存在する。反射された放射線25を光学装置によって測定するために、図3に示されるように、反射された放射線25は、おおよそ又は正確に入射放射線20の方向に後方散乱されることが通常必要である。しかしながら、レンズ及び/又は放射線ガイド30のより広い直径によって、反射された放射線25の取込みの立体角を増加させることができる。
【００４７】
図4は、多重散乱現象に対する関連するサンプル100の中の光学経路の模式図である。図3と同様に、入射放射線20はサンプル100内の部位において散乱され、そして引き続いて、反射された放射線25の光学経路を示している矢印25の２つの変わり目によって示されるように、反射された放射線25はサンプル100の中で二回散乱する。したがって検出される放射線25は光学深さD'に侵入し、したがって反射された放射線25はこの深さのサンプルに関する情報を含み、この情報は３つの散乱現象の要約された寄与であり、各々の散乱現象から個々の寄与を分離することはほとんどできない。
【００４８】
図5は、垂直軸に沿った第１(f)及び第２(g)スペクトル関数、並びに水平軸に沿った波長(L (μm) )によるグラフを示す。２つのスペクトル関数は、L1からL2までの光学サブバンドの中で示される。第１(f)及び第２(g)スペクトル関数の間の相関Cは、以下のように正規化によって計算されることができる。
0004796652.tif 000002
したがって、高い相関がある場合、Cは0に等しいか又は0に近く、相関が低い場合には、Cはほとんどのスペクトルでおよそ２である。相関Cを計算する他の方法が、当業者にとって容易に利用可能である。
【００４９】
図5において２つのスペクトル関数の下に、計算された相関C(L1, L2)が定数として示される。相関C(L1, L2)は、２つのスペクトル関数(f, g)をもたらす散乱現象がサンプル100内の同じ光学的深さDから生じていることの確かさの許容できるレベルを定める予め定められた値と比較されることができる。相関のレベルが予め定められた値と比較して許容できない場合、処理手段60は、検出器40の光学サブバンドL1,L2を調整することができ、放射源10の放射線20(電力、波長、繰り返し周波数など)を変更することができ、第１(25a)及び第２(25b)放射線ガイドの相対的な位置を修正することができ、第１(25a)及び/若しくは第２(25b)放射線ガイドの直径を変更することを提案することができ、並びに/又は、検出器40の設定(サンプリング速度、感度など)を変更することができる。処理手段60は、光学装置を制御しているオペレータの許可なしでこれらの変更又は修正を開始するように手配されることができ、又は処理手段は、オペレータの許可を求めることができ、あるいは処理手段は、オペレータにいくつかの変更（例えば他のセットの放射線ガイドを用いることにより放射線ガイドの直径を変えること）を提案することができる。
【００５０】
あるいは相関Cは、４つの相関C1, C2, C3及びC4によって示されるように、光学サブバンド内の複数の領域において処理手段60によって計算されることができる。４つの領域は、明確にするために重なり合わないように示されるが、これらの領域は互いに重なる場合もある。処理手段は引き続いて、光学装置によるその後の光学測定のための最適な相関(C)の領域を選択することができ、特に、後の診断のための最適な相関(C)が選択されることができる。
【００５１】
他の一実施例において、処理手段60は、相関Cの全体の値を得るために、光学サブバンドL1, L2 内の複数の領域(例えば図5の４つの領域)からの相関を加算することができる。あるいは相関は、各々の相関に対する固有の重み付けで合計されることができ、重みは、見いだされる特定の相関(例えばC1, C2など)、予め定められたスペクトル特性(例えばfの最大値若しくは最小値)及び/又はスペクトル領域(波長L)によって、決定される。
【００５２】
図6は本発明の他の光学装置の模式図であり、第３放射線ガイド30cが、サンプル100に初期偏光P_0を有する放射線20'を伝えるために配置される。図6に示される光学装置は、その他の点では図1に示される光学装置と同様である。第３放射線ガイド30cは、第１及び第２放射線ガイドの端部30a, 30bにそれぞれ実質的に揃えられる端部30cを持つことができる。第３放射線ガイド25aを通る放射線20'に平行に、第１放射線ガイドは放射線20をサンプル100に伝え、PLSSが図6に示すように反射された光25cを用いて追加された第３放射線ガイド30cでもっぱら実行されることができるので、放射線20は必ずしも偏光を必要とするわけではない。この実施例において、放射源10は、２つの別々の相互に独立した放射源に分割されることができる(図6に示されない)。光学装置のこの実施の形態は、PLSS及びDPLが互いに独立して実行されることができるという利点を持ち、それによって、第１(30a)及び/又は第２(30b)放射線ガイドが両方の種類の分光を実行することが可能でなければならないという制約のない光学装置を設計することを可能にする。
【００５３】
図7は、相関Cに依存して第１(30a)及び第２(30b)放射線ガイドの間のそれぞれの端部30a'及び30b'の距離d(二重矢印によって示される)を変えるように配置される駆動手段(図示せず)を含む他の光学装置の模式図である。したがって、相関Cは、距離dの関数として最適化されることができる。第１及び第２スペクトル関数は、現在利用可能な光学装置によって、通常すばやく(一秒未満で)見いだされることができ、そして同様に、相関Cは従来の計算手段によってさらにより短時間に見つけることができ、これは、光学装置が患者に適用される場合であっても、相関及び放射線ガイド距離dのそのような最適化を実行するための時間が多くの場合存在することを意味する。したがって、本発明の光学装置によるin-vivo特性解析が実行可能である。図7に示される光学装置は、図1に示される光学装置とその他の点では同様であり、検出器40及び処理手段60は明確にするために省略されている。
【００５４】
図8は、本発明による方法のフローチャートである。この方法は、サンプル100中の光学深さDを評価するための光学装置を作動することを可能にし、当該方法は以下のステップを有する。
【００５５】
S1: 放射源10によって初期偏光P_0を持つ放射線20を放射する。
【００５６】
S2: サンプルに対して第１(30a)及び第２(30b)放射線ガイドを配置する。第１放射線ガイド30aは、サンプルに放射線20を放射するように放射源に光学的に接続している。第１及び第２放射線ガイドは、互いに実質的に揃えられたそれらそれぞれの端部30a'及び30b'を持つ。端部はさらに、サンプルから反射された放射線25a及び25bを取り込むように配置される。
【００５７】
S3: 第１及び第２放射線ガイドに光学的に接続される検出器40を提供する。検出器は、光学サブバンドの中で、以下の指標を測定するように配置される。
- 反射された放射線25の第１偏光P_1。
- 反射された放射線25の第２偏光P_2。当該第２偏光P_2は第１偏光P_1と異なる。
- それぞれ第１ (30a)及び第２(30b)放射線ガイドにおける反射された放射線25a及び25bの第１及び第２強度I_1及びI_2。
【００５８】
S4: 使用可能な状態で検出器に接続している処理手段60を提供する。この処理手段は、光学サブバンド内の第１(f)及び第２(g)スペクトル関数を計算するように適応される。両方のスペクトル関数(f, g)はサンプル中の単散乱現象を実質的に示す。
- 第１スペクトル関数 (f) は、反射された放射線25の第１ (P_1) 偏光と反射された放射線25の第２ (P_2) 偏光との間の偏光の差分の測度である。
- 第２のスペクトル関数 (g) は、反射された放射線の第１及び第２強度I_1, I_2の間の強度の差分の測度である。
【００５９】
S5: 単散乱現象がサンプル内の実質的に同じ光学深さDから生じているかどうかを評価するために、第１ (f) 及び第２ (g) スペクトル関数の間の相関Cの測度を処理手段60によって計算する。
【００６０】
本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの任意の組み合わせを含む任意の適切な形態で実現されることができる。本発明又は本発明のいくつかの特徴は、一つ以上のデータプロセッサ及び/又はデジタルシグナルプロセッサ上で動作するコンピュータソフトウェアとして実現されることができる。本発明の実施の形態の要素及びコンポーネントは、任意の適切な態様で、物理的に、機能的に、そして論理的に実現されることができる。実際に、機能性は、単一のユニットで、複数のユニットで又は他の機能ユニットの一部として実現されることができる。このように、本発明は、単一のユニットで実現されることができ、又は異なるユニット及びプロセッサの間で物理的及び機能的に分散されることができる。
【００６１】
本発明が特定の実施の形態に関して述べられたが、本願明細書において記載される特定の形態に制限されることは意図されない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ制限される。請求項中の「含む、有する」などの用語は、他の要素又はステップの存在を除外しない。加えて、個々の特徴が異なる請求項に含まれる場合があるが、これらはあるいは有利に組み合わせられることができ、そして、別々の請求項に含まれることは、特徴の組み合わせが実行可能でない及び/又は有益でないことを意味しない。加えて、単数形の参照は、複数を除外しない。したがって、"a"、 "an"、"第１"、"第２"などは複数を除外しない。さらに、請求項中の参照記号は、範囲を制限するものとして解釈されてはならない。
【図１】
0004796652.tif 000003
【図２】
0004796652.tif 000004
【図３】
0004796652.tif 000005
【図４】
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【図５】
0004796652.tif 000007
【図６】
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【図７】
0004796652.tif 000009
【図８】
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