(57)【要約】連続波（ＣＷ）および時間ドメイン（ＴＤ）または周波数ドメイン（ＦＤ）手法を結合して、光学撮像の頑健さを実質的に増大すると共に、ＴＤ手法に関連する取得時間を低減する、濁質体における光学撮像のための方法およびシステムを提供する。一態様では、物理的単位の不一致の問題を回避するために、ＣＷ測定を使用して、時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）の値または位相／強度変調信号をスケーリングする方法を提供する。別の態様では、ＣＷおよびＴＤまたはＦＤ測定の両方を相乗的に組み合わせて、画像再生に使用される媒質の光学特性を推定する。これらの方法を実現することのできる光学システムをも提供する。
2006519984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濁質体における標的体積部分（ＶＯＩ）の光学撮像のための方法であって、
ｉ）連続波（ＣＷ）を使用して複数の光源／検出器構成でＶＯＩを光学的に走査して、ＣＷデータを発生するステップ、
ｉｉ）時間ドメイン（ＴＤ）を使用して複数の光源／検出器構成でＶＯＩを光学的に走査して、測定時間点拡散関数（ＴＰＳＦ）の少なくとも一部分を表わすデータを発生し、前記ＴＰＳＦデータが複数の光パルスから測定され、そこから時間の関数として受け取る光の統計的平均が得られ、前記ＴＰＳＦデータが前記ＶＯＩ内の吸収および散乱に関する情報を生じるようにするステップ、および
ｉｉｉ）ＣＷデータから抽出された情報をＴＰＳＦデータと結合して、精度を改善し、かつ／または画像の取得時間を低減するステップ、を含む方法。
【請求項２】
ＴＤおよびＣＷデータ取得のための前記光源／検出器構成が、一組の総構成を形成し、前記組内のＴＤおよびＣＷの構成の個数および相対的割合が、所望の取得時間および画像精度に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記組内のＴＤ光源／検出器構成の前記個数を低減して、前記取得時間を低減する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記結合ステップが、
ｉ）測定されたＴＰＳＦを使用してＶＯＩ内の一つまたはそれ以上のそれ以上の光学特性の値を推定するステップ、
ｉｉ）推定光学特性を使用して減衰値を算出するステップ、
ｉｉｉ）算出された減衰値をＣＷデータと比較して差分値を得ること、および
ｉｖ）前記差分値が所定の値より低くなるまで、ステップｉ）ないしｉｉｉ）を繰り返すこと、を含む請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記計算ステップがＣＷフォトン移動モデルを使用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記結合ステップが、
ｉ）ＴＤ測定を使用して一つまたはそれ以上の光学特性の値を推定するステップ、
ｉｉ）ＣＷ測定を使用して一つまたはそれ以上の光学特性の前記値を推定するステップ、
ｉｉｉ）ＴＤによって得られた一つまたはそれ以上の光学特性の前記値を、ＣＷによって得られた前記一つまたはそれ以上の光学特性と比較するステップ、および
ｉｖ）前記推定値が予め定められた範囲に収束するまで、一つまたはそれ以上の光学特性の前記値の前記ＣＷおよびＴＤ推定値を調整するステップ、を含む請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記一つまたはそれ以上の光学特性が吸収係数、散乱係数、およびそれらの組合せから選択される、請求項４ないし６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記一つまたはそれ以上の光学特性は前記吸収係数および前記散乱係数であり、ＴＤ測定を使用して前記吸収および散乱係数の値を推定する前に、前記散乱係数を一定に維持しながらＣＷ測定を使用して前記吸収係数を推定する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記情報を結合して無次元データを発生する前に、前記測定されたＴＰＳＦを前記ＣＷデータに対して正規化するステップをさらに含み、それによってより迅速なデータ処理を達成する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＴＰＳＦおよびＣＷデータが順次測定される、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＴＰＳＦおよびＣＷデータがゲートＩＣＣＤカメラを使用して測定され、各々の前記光パルスから少なくとも一つの選択された時間ゲート内の強度値を提供する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＴＤデータが、単一のフォトン計数装置を使用して測定される、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＴＰＳＦおよびＣＷデータが複数の波長で測定され、前記ＴＰＳＦおよび減衰値が異なる波長で同時に取得される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
部分ＴＰＳＦが測定される、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記部分ＴＰＳＦが一つまたはそれ以上の予め定められた時間ゲートを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
濁質体における標的体積部分（ＶＯＩ）の光学撮像のための方法であって、
ｉ）連続波（ＣＷ）データを得て、ＶＯＩを含む媒質の一部分の画像を生成するステップ、
ｉｉ）前記媒質の一部分内に前記ＶＯＩを局在化するステップ、および
ｉｉｉ）前記局在化されたＶＯＩから時間ドメイン（ＴＤ）データを得て、前記局在化されたＶＯＩの画像を発生するステップ、を含む方法。
【請求項１７】
濁質体における標的体積部分 （ＶＯＩ）の光学撮像のための方法であって、
ｉ）連続波（ＣＷ）データを得て、ＶＯＩを含む媒質の一部分の画像を生成するステップ、
ｉｉ）前記媒質の一部分内に前記ＶＯＩを局在化するステップ、
ｉｉｉ）前記ＣＷデータを使用してＴＤ画像取得パラメータを最適化するステップ、および
ｉｖ）前記最適化されたＴＤ画像取得パラメータを使用して、前記ＶＯＩからＴＤデータを得、局在化されたＶＯＩの画像を発生するステップ、
を含む方法。
【請求項１８】
前記最適化のステップは、ＶＯＩのＴＤデータを得るのに使用されるＣＷデータを発生するために使用される、一つまたはそれ以上の光源および／または検出器構成を選択するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
複数の光源／検出器構成でＶＯＩを光学的に走査する前記ステップは、周波数ドメイン（ＦＤ）を使用して実行され、位相および／または強度変調信号を表わすデータを発生し、前記データは前記ＶＯＩ内の吸収および散乱に関する情報を生じ、前記結合ステップは、前記位相／強度変調データと共に前記ＣＷデータから抽出される情報を使用して実行される、請求項１ないし１０および１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
濁質体対象物を撮像するための光学撮像システムであって、
連続およびパルス光学エネルギを提供するための少なくとも一つの光源と、
光学エネルギを検出し、時間依存および連続データを発生するための少なくとも一つの光学検出器と、
前記光源を前記対象物の所望の位置に連結するための光源／対象物光学連結器と、
前記光学検出器を前記対象物の所望の位置に連結するための検出器／対象物光学連結器と、
前記対象物における標的体積部分内の複数の光源／検出器構成のための前記時間依存および連続データを収集するために、前記光源および前記光学検出器に接続された取得制御器と、
連続波フォトン移動モデル計算機と、
時間ドメインフォトン移動モデル計算器と、
前記連続波および前記連続データに対応する計算値を使用して、前記時間依存データおよび前記時間依存データに対応する計算値を使用した前記対象物の光学特性の決定を改善する推定器と、を含む装置。
【請求項２１】
時間依存出力信号を前記検出器から受け取り、生ＴＰＳＦデータ出力を発生するための生ＴＰＳＦデータコンパイラをさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ＴＰＳＦまたは位相／強度変調データコンパイラが、前記ＴＰＳＦデータを前記連続波データにより正規化するためのＴＰＳＦデータ正規化器をさらに含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記光源は周波数変調光源であり、前記検出器は位相および／または強度変調信号を検出するように適応され、前記取得制御器は、前記対象物の標的体積部分内の複数の光源／検出器構成に対する前記位相および／または強度変調信号および連続データを収集するために、前記光源および前記光学検出器に接続され、かつ前記システムは周波数ドメインフォトン移動モデル計算器と、前記周波数依存データおよび前記周波数依存データに対応する計算値を使用した前記対称物の光学特性の決定を改善するために前記連続データおよび前記連続データに対応する計算値を使用する推定器とを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記検出器から周波数依存出力信号を受け取り、生の位相および／または強度変調データ出力を発生するための生位相および／または強度変調データコンパイラをさらに含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記位相／強度変調データコンパイラは、前記位相および／または強度変調データを前記連続データにより正規化するための位相および／または強度変調データ正規化器を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光源は一つまたはそれ以上のレーザ光源を含む、請求項２０ないし２５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記光源および前記光学検出器を前記対象物と連結するための前記光源／対象物および検出器／対象物光学連結器は、光ファイバ、自由空間光学系、およびそれらの組合せから選択される、請求項２０ないし２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記光源／対象物光学連結器および前記検出器／対象物光学連結器は自由空間光学系であり、前記自由空間光学系は、光が前記対象物の所望の領域に注入されかつ集光されるように、光を指向的に伝播させるミラーを含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記ミラーはミラーガルバノメータである、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記光源／対象物および前記検出器／対象物光学連結器は、複数の光ファイバおよび光スイッチを含み、光注入および検出のために所望の光ファイバを選択する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記光源／対象物光学連結器は、前記光源および前記光学検出器をそれぞれ前記組織と連結するための複数の光注入ポートおよび集光ポートを含む、請求項２０ないし３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
前記光源は複数の波長の光学エネルギを同時に提供する、請求項２０ないし３１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３３】
前記光学検出器は複数の波長の光学エネルギを同時に検出する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
信号対雑音比を最適化するために、前記取得制御器を使用して前記光源を前記検出された光学エネルギの関数として調整する、請求項２０ないし３３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記組織の再生画像を表示するためのディスプレイをさらに含む、請求項２０ないし３４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３６】
一つまたはそれ以上の検出波長を選択するための手段をさらに含む、請求項２０ないし３５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３７】
前記選択のための手段はフィルタである、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記システムはＴＤコンポーネントのみを含み、前記ＣＷおよびＴＤフォトン移動計算器は一体化された、請求項２０ないし２２、および２６ないし３７のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、「連続波および時間ドメイン光学撮像を組み合わせるための方法および装置」と称する、２００３年３月１２日に出願した米国特許出願第10/386,132号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、哺乳類の組織のような、濁質体の光学撮像の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、連続波および時間ドメインの両方を使用する光学撮像に関する。
【背景技術】
【０００３】
哺乳類の組織の撮像は、内部構造のみならず分子の生体内分布の情報をも得るために、広範囲に使用されてきた。この情報は、言うまでも無く、診断目的に利用することができる。異なる物理的原理に基づく幾つかの技術が、広範囲の時空間分解能を含む画像を得るために、現在利用可能である。そのような技術として、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、陽電子放出断層撮影法（ＰＥＴ）、単一光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）、Ｘ線、超音波、および新興の光学撮像法がある。
【０００４】
光学撮像では、標的体積部分（ＶＯＩ）の画像を復元するために必要な光学データを生成するのに、三つの手法が使用されてきた。すなわち、光の減衰の測定を含む連続波（ＣＷ）、ＶＯＩ内に短い幅の光のパルスを注入して、ＶＯＩから出るときに時間の関数として光を検出することを含む時間ドメイン（ＴＤ）、および光源の周波数変調およびＶＯＩから出るときの信号の位相および振幅の解析に依存する周波数ドメイン（ＦＤ）である。
【０００５】
連続波は迅速な取得を可能とし、三つの手法の中で最も安価であるが、限定された量の情報を提供する。さらに詳しくは、ＣＷ撮像では、吸収係数情報を得るために、ＶＯＩの散乱係数を前提としなければならない。ＣＷは、散乱と別個に吸収を決定することができない。ＴＤはより多くの情報を提供する。ＴＤでは、短いレーザパルスが撮影対象の哺乳類の一部に注入され、標的体積部分から出るフォトンの飛行時間の分布が測定される。結果的に得られる信号は時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）と呼ばれ、それはフォトンの平均飛行時間のような特性を計算するために使用することができる。ＦＤでは、光源の強度が高周波により変調される。その結果、フォトン密度波が組織内を伝播し、入射波に対する波の振幅および位相シフトが測定される。原則的に、ある範囲の異なる周波数で組織を走査することによって、完全なＴＰＳＦを再生することができる。しかし、実際には、フォトンの平均飛行時間を推定するために、通常、単一周波数が使用される。
【０００６】
光学データを使用する画像再生は、逆問題の分類に属する。該問題は、検出された光学信号に基づいて、組織内の光学パラメータの分布を見出すことから構成される。画像再生技術は依然として熱心な研究活動の主題であるが、幾つかの試験手法が使用され、比較的成功するようになっている。これらの手法の一部は下記非特許文献１および２に要約され、記載されている。
【非特許文献１】IEEE SiG. Proc. Mag., Vol. 18, No. 6, pp. 57-75, 2001年における Boas et al.の論文
【非特許文献２】Neoplasia, Vol.2, No. 5, pp 388-417, 2000年におけるHawryszおよびSevick-Muracaの論文
【０００７】
ＴＤ測定は組織内の吸収およびそこからの散乱に関する詳細な情報を提供するが、該方法は長い取得時間、高価なハードウェア、および複雑なソフトウェア解析を免れない。さらに、取得はしばしば結果的にノイズの多いＴＰＳＦデータを生じ、そこから空間光学情報の正確な推定を得ることは難しい。これらの限界の幾つかは、ＦＤにもある程度存在する。
【０００８】
したがって、ＣＷおよびＴＤの利点を維持しながら、それらの限界を克服する方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
本発明者は、特定の不利点を回避しながら、ＴＤおよびＦＤ光学撮像の利点を利用することのできる方法および装置を提供した。特に、長い取得時間をかなり低減することができる。
【００１０】
本発明の一態様では、濁質体の標的体積部分（ＶＯＩ）の光学撮像のための方法であって、
−連続波（ＣＷ）を使用して複数の光源／検出器構成でＶＯＩを光学的に走査して、光源に提供された連続光強度値から測定されかつ検出器で検出される測定減衰値を一つまたはそれ以上の波長で発生するステップ、
−時間ドメイン（ＴＤ）を使用してＶＯＩを光学的に走査し、一つまたはそれ以上の波長における測定時間点拡散関数（ＴＰＳＦ）の少なくとも一部分を表わすデータを発生し、該ＴＰＳＦデータが複数の光パルスから複数の光源／検出器構成で測定され、そこから時間の関数として受け取る光の統計的平均が得られ、該ＴＰＳＦデータがＶＯＩ内の吸収および散乱に関する情報を生じるようにするステップ、および
−ＣＷおよびＴＤによって提供される情報を結合して、画像の精度を改善し、かつ／または取得時間を低減するステップ、
を含む方法を提供する。
【００１１】
ＴＤデータの代わりにＦＤデータを取得することもできる。この場合、光源は所定の周波数で変調され、検出される信号の位相および／または振幅の変化を解析して、散乱および吸収に関する情報が得られる。
【００１２】
本発明の別の態様では、濁質体対象物を撮像するための光学撮像装置であって、連続およびパルスまたは周波数変調光エネルギを提供するための少なくとも一つの光源と、光エネルギを検出しかつ時間依存または周波数依存性の連続データを発生するための少なくとも一つの光学検出器と、光源を対象物の所望の位置に連結するための光源／対象物光学連結器と、光学検出器を対象物の所望の位置に連結するための検出器／対象物光学連結器と、対象物の標的体積部分内の複数の光源／検出器構成に対する時間依存性または位相／強度変調した連続データを収集するために光源および光学検出器に接続される取得制御器と、を備えた装置をも提供する。ＴＤの場合、装置はまた、時間依存出力信号を検出器から受け取り生のＴＰＳＦデータ出力を発生するための生ＴＰＳＦデータコンパイラをも備え、かつ生ＴＰＳＦデータ出力および連続データを処理して、強化されたＴＰＳＦデータを提供するＴＰＳＦデータエンハンサーを備えることができる。ここで、連続データは、光源／検出器構成に応じて出力される生ＴＰＳＦデータに対応する。ＦＤの場合、装置は、位相および／または強度変調出力信号を受け取るための生コンパイラを備える。
【００１３】
本発明が、ＣＷをＴＤまたはＦＤ技術と結合することによって、多数の様々な可能な節約を達成することを可能にすることは、理解されるであろう。第一に、複数の光源／検出器構成に対しＴＤまたはＦＤとＣＷデータとの組合せを取得することにより、ＶＯＩの光学特性を得ることができる。換言すると、光源／検出器構成の予め定められた一部分だけが、ＴＤまたはＦＤデータを取得するために使用される。組合せは、ＴＤまたはＦＤデータが取得される構成の個数を低減するように決定され、よって、ＣＷデータと組み合わせて画像再生を可能にするのに充分なデータが提供される一方で、取得および処理時間が低減される。第二に、ＣＷからのＶＯＩの吸収係数の推定（散乱が例えば一定であると想定するような、散乱に関する想定を行なう）は、より正確な吸収係数を（散乱係数と共に）生じるためのＴＤまたはＦＤデータの処理において、初期値として使用することができる。第三に、ＶＯＩの光学特性を決定するプロセスは、ＣＷモデルデータをＣＷ測定値と比較すること、およびＴＤまたはＦＤモデルデータをＴＤまたはＦＤ測定データと比較することを同時に含むことができる。また、より鮮明な詳細を必要とするＶＯＩの特定部分のＴＤまたはＦＤデータの収集に使用される光源／検出器構成または構成のサブセットを画定するのに役立てる目的で、ＣＷデータだけから生成された画像を低精度画像として使用することによって、処理時間および取得時間を低減することができる。
【００１４】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と共に取り上げる、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１５】
添付の図面全体を通して、類似の特徴は類似の参照番号で識別されることに留意されたい。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００１６】
本記載では、ＣＷ測定とは、撮像される対象物を照明する光源が連続的に点灯している間に測定された光信号、すなわち定常状態光束測定を意味する。また、以下の記述はＴＤを使用する実施例を提供するが、本発明の方法および装置はＦＤをも包含することができることは、理解されるであろう。
【００１７】
時間ドメイン（ＴＤ）測定とは、光信号が、光源の短いパルスに従う時間の関数として測定されることを意味する。結果的に得られる信号は、いわゆる時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）であり、収集されるＴＰＳＦデータは、ＴＰＳＦ上の一個、二個、または数個もしくは幾つかの点（しばしば異なる時間ゲートとも呼ばれる）、ＴＰＳＦ曲線の勾配または他の特性のような複数の点から結果的に得られる単一パラメータ、または全ＴＰＳＦデータとすることができる。ＴＤ光学検出器が単一フォトン計数検出器である場合、測定技術の結果、全ＴＰＳＦを効率的に収集することができる。ゲートＩＣＣＤが使用される場合、時間ゲートを選択することがより実用的である。検出システムの性質のため、ＴＰＳＦデータは、比較的安定した測定値を得るために、多数回の取得（かつＣＷに比較してずっと多い回数）を必要とする。多くの場合、ＴＰＳＦデータは本質的にノイズが多い。
【００１８】
光学画像の再生は、ボルツマンの輸送方程式（Arridge, Inv. Prob., Vol. 15, pp. R41-R93, 1999）のような複雑なフォトン伝播モデル、または吸収係数μaと変形散乱係数μs’の関数である光学拡散係数Ｄを組み込んだより単純なモデルフォトン拡散（移動）方程式に基づくことができる。これらの方程式および光学信号測定に基づいて、μaおよびμs’を推定し、したがって対象物内のこれらの光学特性の空間分布をもたらすことができる（HawryszおよびSevick-Muraca, Neoplasia, Vol. 2, No. 5, pp 388-417, 2000）。
【００１９】
ＣＷ、ＴＤ、およびＦＤ の測定を使用してフォトン拡散方程式を解き、ＣＷの場合時間依存性または周波数依存性が無いという相違と共に、μaおよびμs’の既知の空間分布に基づいてフォトンフルエンスを予測することができる。しかし、これらの特性が先験的に不明である場合、それらは計算または推定しなければならない。ＴＤの測定値とデータの適切な処理により、μs’情報をもたらすことができるが、前述の通り、より長い取得時間を要する。ＣＷ測定はより高速かつより経済的であるが、μaとμs’を区別することができない。
【００２０】
本発明の一態様では、ＣＷおよびＴＤ測定を、それらの不利点の幾つかを生じることなく、有利に結合して光学画像を生成する方法を提供する。したがって、図１を参照すると、１０および１２で、標的体積部分（ＶＯＩ）を含む哺乳類のような対象物の所定の部分でＣＷおよびＴＤデータを取得して、減衰値およびＴＰＳＦを得、１４で結合してＶＯＩの画像を生成する。二つの測定モードからのデータの結合は、より正確な画像再生を可能にし、また、結果的に取得時間をかなり低減する。
【００２１】
本発明の一実施形態では、光学特性μaおよびμs’は、独立して、つまり必ずしも同一の光源／検出器構成を持つことなく、得られるＣＷおよびＴＤ測定の両方を使用して推定される。各モダリティで結果的に得られるμaおよびμs’の値は比較され、差が予め定められた値未満になるまで相互に調整される。換言すると、一つのモダリティに対し、他のモダリティで得られた値を考慮することによって、μaおよびμs’の値は繰返し調整される。この手法は、ＣＷに追加情報を提供してより低いＳ／Ｎ比のＴＰＳＦの取得を可能にすることによって、ＴＤ測定の取得時間を有利に低減する。
【００２２】
代替的に、各モダリティでμaおよびμs’を推定するのとは対照的に、ＣＷおよびＴＤデータを結合してμaおよびμs’を推定することもできる。したがって、ＶＯＩのために、一組の光源／検出器の位置についてＣＷデータを得ることができ、異なる組の光源／検出器位置についてＴＤデータを得ることができ、データを結合してμaおよびμs’が推定される。ＴＤ光源／検出器位置の組内の位置数は、ＣＷデータと結合したときに、所望の画像を生成するのに充分な光学情報をもたらすのに充分な最小限に維持することが好ましい。ＴＤデータが取得される光源／検出器位置の数を低減することによって、取得および処理時間はそれに応じて低減される。ＣＷおよびＴＤの光源／検出器位置の組には重複があるかもしれないことは理解されるであろう。
【００２３】
光源／検出器位置および組内の位置数の決定は、とりわけ、所望の解像度、および所望の取得時間によって支配される。例えば、ＣＷデータの取得専用のこれらの位置の比率が増大する場合、所定の取得時間に対して、光源／検出器位置の数を増加することができる。この手法は、ユーザの必要に合わせて調整された画像取得のために、より大きい柔軟性をもたらす。例えば、特定のＶＯＩを比較的密な時間間隔で撮像することを希望することがある。上述の手法では、取得時間が時間間隔を超えないように、最初に各画像取得に対する最大許容時間を決定し、光源／検出器位置の数およびＴＤデータ取得専用の位置の相対的比率をそれに報じて調整することが可能である。
【００２４】
さらに、ＣＷ撮像によるμaの推定を、ＴＤ撮像によってμaおよびμs’を決定するための開始点として使用すると、反復を節約することができることは、理解されるであろう。さらに、ＣＷによって撮像しかつμaの値を計算する（つまり、μs’に関する想定を行なうことによる、例えばμs’を一定に保持することによる）プロセスは、ＴＰＳＦデータの取得と並行して実行することができる。ＣＷ撮像は、ＴＤデータ取得が完了し、ＴＰＳＦデータを使用してμaおよびμs’の値の決定を開始する前に、完了することが好ましい。この方法により、ＣＷによって決定されたμaデータを、ＴＤ撮像における初期最良推定値として使用することができる。言うまでも無く、ＣＷデータ処理ユニットによって必要とされる様々な光源／検出器構造のためのＣＷデータの収集は、ＣＷデータの処理時間に比較して、ほとんど時間を必要としない。ＴＤデータ取得をＣＷデータの処理と並行して続けることができることを前提として、並行撮像を達成することができる。
【００２５】
ＴＤおよびＣＷを結合するための上述した方法は、当業者には明らかであるように、ＦＤおよびＣＷにも適用することができる。
【００２６】
本発明の方法の上記実施形態は、図２に示すシステムを使用して実行することができる。そこには、二つの手法を相乗的に統合して、対象物の光学特性のより高速かつより正確な推定をもたらす、ＣＷおよびＴＤモダリティの組合せが示されている。これに関して、対象物４１内に光を注入するために連続レーザ光源４０およびパルスレーザ光源４２が設けられる。また、ＣＷ４４およびＴＤ４６検出に適した一つまたはそれ以上の検出器も設けられる。所望の光源／検出器構成をもたらす、４８および５０の光源および検出器それぞれの対象物との光学連結は、光ファイバ、自由空間光学系、および類似物のような既知の技術を使用して実現することができる。
【００２７】
制御器５６は、光源位置を選択するための連結装置４８への制御出力信号を有する。これは、これは、光ファイバ連結の場合には光スイッチによって達成し、自由空間光学系の場合は、光学系内に挿入されたガルバノミラーによって達成することが好ましい。検出器連結装置５０は開閉制御を必要としないことが好ましい。これは、ゲートＩＣＣＤの場合に実施されるように、検出器が各検出器位置にチャネルを有する場合に達成される。しかし、自由空間光学系を使用する場合、検出器位置はガルバノミラー、または対象物上の検出スポットの移動を達成する他の手段によって制御される。
【００２８】
時間分解検出器４６は、ＴＰＳＦを生成することのできる生ＴＰＳＦデータコンパイラ５２にリンクされる。コンパイラ５２は、例えば実験対理論単位不一致を回避し、それによってデータの迅速な処理を可能にするために、ＴＰＳＦデータをＣＷデータ（減衰）によって正規化して無次元データを生成することのできる、正規化器ユニットをも含むことができる。推定器５４は、所定の光源／検出器構造に対する測定光学データおよび計算光学データから、μaおよびμs’の値を推定するために設けられる。計算ＣＷ光学データは、計算器６２によってもたらされ、計算ＴＤ光学データは計算器６４によってもたらされる。図２の実施形態では、取得され強化されたＴＰＳＦデータは、全ＴＰＳＦ、ＴＰＳＦ特性パラメータ、または複数の時間ゲートＴＰＳＦ点とすることができる。
【００２９】
モード（ＣＷまたはＴＤ）およびデータ取得の結果は、取得制御器５６によって制御される。特に、取得制御器は、検出器が受け取った情報に基づいて、データの取得を有利に動的に制御する。ひとたび取得が完了すると、画像データは生画像データ記憶装置５８に格納される。
【００３０】
システムは変形して、依然として同様の結果を達成することができることは理解されるであろう。例えば、連続出力のみならずパルス出力も提供できる単一のレーザ光源を使用することができる。また、単一の検出器を使用して、連続信号または時間分解信号を検出することができる。また、システムはＦＤ用に適応することができることも理解されるであろう。この場合、光源は周波数変調光源となり、検出器は信号の位相および／または強度の変化を検出するように適応される。ＦＤ光源および検出器は当業界で周知である。ＣＷデータはＴＤデータを組み込むことによって得られることは公知である。したがって、本発明のシステムは、ＴＤコンポーネントおよび一体化ＴＤ−ＣＤフォトン移動モデル計算器を含むことができることは、理解されるであろう。当業者には明らかである他の実施形態も、本発明の範囲内とみなされる。
【００３１】
図２の装置は様々な仕方で使用することができる。第一に、推定器５４はＶＯＩのＣＷデータを処理することができる。これは、ＶＯＩ全体に対するμs’の値について想定を行なうことによって実行される。この想定は誤っているかもしれないが、場合によってはμs’の近い推定が可能であり、他の場合、少なくとも有用な第一近似値である。記憶装置５８に格納されたμaおよびμs’の結果的に得られる３Ｄマップは、想定されたμs’値（定値とすることができる）およびμaの第一近似値を持つ。ＴＤ光学データを使用してμaおよびμs’の両方の値を推定するに当たり、想定されたμs’値およびμaの第一近似値は、計算器６４に供給される。推定器５４は、結果的に得られた計算ＴＰＳＦ光学データを測定ＴＰＳＦデータと比較して、初回の通過でμaおよびμs’の調整を決定する。時間ゲート値を使用する場合、これは２つ以上のＴＰＳＦ時間ゲートに対して実行することができる。動作モードは、ＣＷデータを取得し、それを処理してＶＯＩ全体や対象物のμaの第一近似値を得ることが可能であるが、ＴＤ側の生データの取得はＣＷ計算時間中続行される（ただし、並列光学データ他取得ハードウェアを設けない限り、ＣＷデータの取得中はそうではない）。
【００３２】
第二に、推定器５４はＣＷおよびＴＤ計算および測定光学データを一緒に比較し、μaおよびμs’の一つの最適値を決定することができる。この場合、計算器６２は、μaおよびμs’のデータを使用する。ここでμs’の値に関する想定は無い。ＣＷデータはノイズが少ないので、ＣＷおよびＴＤデータの両方を使用して、ＴＤデータだけの場合より優れたμaおよびμs’の推定が得られる。この第二の手法は、完全に同時に、つまりＣＷおよびＴＤの取得およびデータ処理を一緒に行なうことができるが、第一の手法のように、最初のＣＷの通過の後に行なうこともできる。
【００３３】
第三に、図２の装置は、ＴＤによる撮像の前にＣＷ画像を得るために使用することができることは、理解されるであろう。この場合、ＣＷ画像は、ＴＤ撮像によるより高い解像度を必要とする、対象物４１の特定の部分を選択するために使用することができる。この場合、取得制御器５６の入力（図示せず）は、ＴＤによって撮像すべき特定ＶＯＩを選択するために提供される。次いで、記憶装置５８内にあるＣＷに基づく画像データは、ＴＤデータによって強化される。再び、特定のＶＯＩに対し、ＣＷデータは再測定するか、またはデータ記憶装置（図示せず）から検索して、ＴＤデータと一緒に使用して画像再生を改善することができる。ＴＤによって撮像される量を低減することによって、画像取得および再生データ処理時間は節約される。
【００３４】
例えば、ＣＷは胸部内の病変（ＶＯＩ）を発見するために使用することができる一方、ＴＤ測定は、胸部病変の診断に役立つ、病変内の光学特性の空間分布に関するより細かい細部を明らかにするために、使用することができる。データ取得のこの戦略は、例えば化合物の生体内分布をＣＷによって見出すためにも使用することができる一方、化合物を含む領域のＴＤ測定は、化合物の濃度を計算するために役立てることができる。
【００３５】
ＴＤおよびＣＷデータは、順次または同時に取得することができる。順次取得は、例えば時間ゲート増倍ＣＣＤカメラを使用することによって達成することができる。この型のカメラは、ＣＷおよびＴＤモード両方の光学信号を測定する能力を備える。ＣＷモードのデータは、単に時間ゲートをオフにすることによって、取得することができる。代替的に、ＴＤおよびＣＷデータは、ＴＤ用の単一フォトン計数装置のような一つのモード専用に設計された光学コンポーネントを使用して、取得することができる。
【００３６】
ＣＷおよびＴＤデータはゲートＩＣＣＤカメラを使用して取得することができ、有利である。ゲート増倍電荷結合装置（ＩＣＣＤ）の登場は、かなりの数の時間ドメイン空間測定を同時に実行することを可能にした。さらにゲートをオフにすると、カメラはＣＷモードで動作し、したがって別個のＣＷおよびＴＤハードウェアの必要性が無くなる。ＣＷモード、ＴＤモードのデータ取得の画像シーケンスをこうして得ることができる。
【００３７】
同時取得は、ＴＤおよびＣＷデータを異なる波長で取得し、それによりスペクトル識別および同時取得を可能にすることによって、達成することができる。この場合、光学信号の取得は複数の波長で実行され、ＣＷおよびＴＤデータは合成されて画像が再生される。
【００３８】
好適な実施形態では、ＴＤデータが取得されるＴＰＳＦの特定の時間点または時間間隔（時間ゲート）が選択される。時間ゲートの決定は、以下の手法に基づくことが好ましい。
【００３９】
ノイズレスＴＰＳＦは、Ｒ+に対して定義された連続かつ無限回微分可能関数である。関数の臨界点は、この関数の導関数の零を介して識別することができる。ＴＰＳＦは特徴的な形状を有することから、ｉ次導関数は、導関数が零になる一組の点を生じ、それは基礎を成す関数の極値に対応する。一次導関数に対応する第一サブセットs1＝｛s1,1｝は、一意のＴＰＳＦ最大値を記述する。二次導関数に対応する第二サブセットs2=[s2,1;s2,2]は、曲率が指向的に変化する二つの点を明らかにする。より高次の導関数は、ＴＰＳＦ形状のより微妙な詳細に関する情報を生じる。サブセットsiは、連続ＴＰＳＦの場合、si=[si,1;...;si,i]と定義することができる。
【００４０】
一組のＭ値（Ｍ＞＞Ｎ）により表わされ、間隔［ａ0，ｂ0］内に閉じ込められたＴＰＳＦ  ｆ（ｘ）が与えられると、ｆ’（ｘｉ）の値を近似する次の商：
【数１】
2006519984.tif 000003
を算出することによって、ＴＰＳＦおよび「導関数」の再帰的な多数回の「微分」を実行することができる。
【００４１】
グラフにすると、図３Ａおよび３Ｂに示すように、関数の特徴的シーケンスが出現する。この例では、s1=[31.5]、s2=[20.5;40.5]、s3=[14.5,25.5,48.5]が観察される。
【００４２】
Ｎ個の点または時間ゲートによる適切なＴＰＳＦ表現を得るために、ＴＰＳＦ形状をできるだけ完全に反映することが望まれる。数字のシーケンス[s1;s2;….]は、サブセットの数が増加するにつれて、有意性が減じる順に最も重要な点の識別を可能にする。所定のサブセットsi内の要素は均等な有意性を有する。
【００４３】
siを次式に置換することができる。
【数２】
2006519984.tif 000004
ここでｒは時間ゲートの線幅である。集合si'は点ではなく間隔の集合である。
【００４４】
幾つかの部分ＴＰＳＦを取得する場合、例えば異なる光源／検出器構成が使用されるときに、上述した手順は、所定のＴＰＳＦに対し、
【数３】
2006519984.tif 000005
を生じることをできる。ここでＫは先験的に選択される。ＴＰＳＦの集合の最も重要な特徴を反映させるために、ｎ次導関数零の和集合が得られる。例えば、
【数４】
2006519984.tif 000006
等々となる。集合[S1;S2,...]は、最適な方法でＫ個一組のＴＰＳＦを表わすために使用すべき、一連の数字を提供する。
【００４５】
上述の通り、時間点の代わりに時間ゲートを解析するために、はsi'と置換することができる。
【００４６】
本発明の一実施形態では、適切な時間点または時間ゲートを選択するためのステップは次の通りである。
−同時に機能することができる全ての光源／検出器対に対し、高分解能のＴＰＳＦを取得する。少なくとも一つの典型的光源位置を使用すべきである。より多くの典型的光源位置が含まれるほど、その後の解析の頑健さは増大する。
−フォトン伝播のモデルに基づく曲線により、全ての測定されたＴＰＳＦを近似化する。
−上述した解析を実行して、取得中に使用すべきＮ個のゲートを決定する。
−集合[S1;S2...]のＮ個の点でデータを取得する。
【００４７】
このましくは、Ｎは入力パラメータである。実際には、それは、所望の時間枠内で画像を再生するために使用できる、結果的に得られるデータセットサイズの推定を介して決定される。データセットサイズが問題ではない場合にも、Ｎを推定することを望む場合がある。
【００４８】
初期データ取得に使用される時間ウィンドウ［ａ0，ｂ0］⊂Ｒ+は、入力パラメータと想定される。しかし、それは、最も重要なＴＰＳＦの特徴を捕捉する機会を最大にするために、事前の知識に基づいて、充分に幅広く選択しなければならない。
【００４９】
時間サンプリング、つまりｘiとｘi+1との間の距離は入力パラメータである。
【００５０】
時間分解能ｒ0、つまり「非関連」値ｆ（ｘi）およびｆ（ｘi+1）を生じるｘiとｘi+1との間の最小距離は、そもそもデータ取得ハードウェアの限界から生じ、したがって入力パラメータである。
【００５１】
０.５×ｒ0以下のステップおよびｒ0以下の時間ゲート幅で、初期データ取得を実行することが好ましい。解析によって明らかになる明確なＴＰＳＦの特徴を維持しながら、データセットサイズを最小化するように、最終時間ゲート幅ｒ≧ｒ0を選択することができる。例えば、|si,j-si',j'|である場合、明確な点si,jおよびsi',j'は、同じ時間ゲート内に入る。
【００５２】
可変時間ゲート幅の使用は、優れた結果を生じることができる。si'を
【数５】
2006519984.tif 000007
と置換して、この事例を解析することができる。
【００５３】
選択された時間ゲートは、ＴＰＳＦを再構成するために使用することができる。再構成には制約を使用することができる。例えば統合されたＴＰＳＦは、ＣＷ測定によって得られる測定減衰値に実質的に等しい値に制約することができる。さらに、受け入れられる画像を再生するために必要な時間点または時間ゲートの個数は、ＣＷ測定によって伝えられる追加情報のため、低減される。
【００５４】
部分的ＴＰＳＦの取得により、ゲートＩＣＣＤカメラは、当業者には明瞭であるように、予め定められたシーケンスに従ってＣＷおよびＴＤデータを取得することができる。フルフィールド（full field）モードでＣＷデータを得、かつ所望のＶＯＩでズームインすることによってＴＤデータを得るように、ズームレンズを使用することもできる。
【００５５】
上述した本発明の実施形態は、単なる例示として意図されたものである。したがって本発明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ限定されるつもりである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の幾つかの実施形態に係る一般的方法を示す、高レベルフローチャートである。
【図２】ＴＰＳＦデータおよびＴＤフォトン移動モデルを使用して撮像される物体のＶＯＩの光学特性を決定するのを助けるためにＣＷデータが使用される、本発明の別の実施形態に係る撮像装置のブロック図である。
【図３ａ】ＴＰＳＦおよびその一次導関数の振幅対時間（ビン番号）のグラフである。
【図３ｂ】第一導関数のＴＰＳＦおよびその二次導関数の振幅対時間（ビン番号）のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【国際調査報告】
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