(57)【要約】本発明は、ブラウン運動等の顕微鏡的運動のスペックルパターンに基づいて、組織等の試料を光学的に分析するための方法及びシステムに関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織を分析する方法であって、以下の段階を含む方法：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光で組織を照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、組織から反射された光を検出器で受光する段階；及び
組織内の対象物の顕微鏡的運動によりもたらされる変化を測定するのに充分な時間間隔で、スペックルパターンにおける変化を解析する段階。
【請求項２】
顕微鏡的運動がブラウン運動である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
顕微鏡的運動が、細胞または細胞小器官の運動である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
顕微鏡的運動を単離するために、巨視的運動を補償する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
組織がインビボである、請求項１記載の方法。
【請求項６】
組織が内部組織である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
照らす段階が以下の段階を含む、請求項６記載の方法：
光源に連結された侵襲性装置を提供する段階；
装置を患者に通す段階；
組織の近傍に装置を配置する段階；及び
光源からのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を組織に当てる段階。
【請求項８】
侵襲性装置が、カテーテル、内視鏡、及び腹腔鏡からなる群より選択される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
配置段階が、装置を組織と直接接触させて配置する段階を含む、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
コヒーレント光がレーザー光を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
部分的にコヒーレントな光が、超発光ダイオードからの光を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
検出器が、組織から光の１波長分より離れた距離に配置され、遠距離音場スペックルを検出する、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
検出器が、組織から光の１波長分以内の距離に配置され、近距離音場スペックルを検出する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
解析段階が以下の段階を含む、請求項１記載の方法：
一連のスペックルパターンのそれぞれを一連の基準スペックルパターンと比較する段階；及び
スペックルパターンと基準パターンとの間の時間的相関の差異を定量する段階。
【請求項１５】
解析段階が、スペックルパターンのそれぞれをデジタル化する段階を含み、かつ、定量段階が、スペックルパターンと基準パターンとの間の相互相関を評価する段階を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
解析段階が、スペックルパターンのそれぞれをデジタル化する段階を含み、かつ、定量段階が、スペックルパターンと基準パターンとの間の最大相互相関を評価する段階を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
解析段階が、スペックルパターンに対する脱相関率を決定する段階を更に含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
解析段階が、組織の構造的特徴を推測するために、スペックルパターンの空間的特徴を解析する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
解析段階が、組織の生体力学的特徴を推測するために、スペックルパターンの空間的特徴を解析する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
照らす段階が、組織の複数の部位を連続的に照らす段階を含み、受光段階が、組織の個々の部分それぞれに対して別々の一連のスペックルパターンを形成する段階を含み、かつ、解析段階が、別々の一連のスペックルパターンそれぞれを解析する段階、及び、組織の個々の部位間の構造的差異を推測するために、それらの別々の一連のスペックルパターンを比較する段階を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
巨視的運動を補償する段階が、心拍動の拡張期中に受光段階を実施する段階を含む、請求項４記載の方法。
【請求項２２】
巨視的運動が患者の動きを含む、請求項４記載の方法。
【請求項２３】
巨視的運動が蠕動運動である、請求項４記載の方法。
【請求項２４】
受光段階が、光受容体において反射光を収集する段階、及び、収集した光を検出器へ伝達する段階を含み、かつ、巨視的運動を補償する段階が、受容体を組織に連結する段階を含む、請求項４記載の方法。
【請求項２５】
巨視的運動を補償する段階が、解析段階中に非ランダムな運動によりもたらされたスペックルパターンにおける変化を除外する段階を含む、請求項４記載の方法。
【請求項２６】
巨視的運動が組織と反射体との間の血液の流れによりもたらされ、かつ、補償段階が、血液を透明な溶液で置換する段階を含む、請求項４記載の方法。
【請求項２７】
組織がアテローム斑を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２８】
組織が、腫瘍、腫瘍周縁、壊死性組織、虚血性組織、または損傷組織を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２９】
脂質プールと線維性キャップを有するアテローム斑の破裂に対する感受性を決定する方法であって、以下の段階を含む方法：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光で斑を照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、検出器で斑から反射された光を受光する段階；
脂質プール内の顕微鏡的運動を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンデータを収集する段階；及び
顕微鏡的運動の量から、破裂に対する斑の易損性を評価する段階。
【請求項３０】
斑の構造的特徴を推測するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析する段階を更に含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
解析段階が、線維性キャップの厚みを評価する段階を含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
キャップの厚みが以下の段階により評価される、請求項３１記載の方法：
（ｉ）ｒ＝（ｘ０２＋ｙ０２）１／２の関数として、脱相関時定数τを測定する段階；
（ｉｉ）キャップの光学的特性を測定する段階；ならびに
（ｉｉｉ）測定された光学的特性及びτ（ｒ）を、キャップ層の厚みの関数として光レミッタンスをモデル化する数学的シミュレーションと比較する段階。
【請求項３３】
光学的特性が、スペックル確率分布関数の一次統計及び二次統計を計算することにより、または、拡散反射率分光測光法を利用することにより測定される、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
数学的シミュレーションが、モンテカルロシミュレーションまたは拡散理論シミュレーションである、請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
線維性キャップの厚みが約６０ミクロン未満の場合、斑が破裂に対して易損性であると考えられる、請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
解析段階が、脂質プールの粘度を評価する段階を含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３７】
脂質プールの粘度が約２００ミリ秒未満の時定数を有する場合、斑が破裂に対して易損性であると考えられる、請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
脂質プールの粘度が約１００ミリ秒未満の時定数を有する場合、斑が破裂する可能性があると考えられる、請求項３６記載の方法。
【請求項３９】
組織構造体を分析する方法であって、以下の段階を含む方法：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光で組織構造体を照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、検出器で組織構造体から反射された光を受光する段階；
組織構造体または隣接組織内の顕微鏡的運動を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンデータを収集する段階；及び
組織構造体の構造的特徴または生体力学的特徴を推測するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析することにより組織構造体を評価する段階。
【請求項４０】
解析段階が、組織構造体の厚みを評価する段階を含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
組織構造体の厚みが以下の段階により評価される、請求項４０記載の方法：
（ｉ）ｒ＝（ｘＯ２＋ｙＯ２）１／２の関数として、脱相関時定数τを測定する段階；
（ｉｉ）組織構造体の光学的特性を測定する段階；ならびに
（ｉｉｉ）測定された光学的特性及びτ（ｒ）を、組織構造体の厚みの関数として光レミッタンスをモデル化する数学的シミュレーションと比較する段階。
【請求項４２】
光学的特性が、スペックル確率分布関数の一次統計及び二次統計を計算することにより、または、拡散反射率分光測光法を利用することにより測定される、請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
数学的シミュレーションが、モンテカルロシミュレーションまたは拡散理論シミュレーションである、請求項４１記載の方法。
【請求項４４】
アテローム斑についてのスペックルパターン時定数に対応するスペックルパターン時間データにより、血管のセグメントが易損性のアテローム斑を含むことが示される、血管内で脂質プールおよび線維性キャップを有する易損性のアテローム斑を検出する方法であって、以下の段階を含む方法：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光でインビボにおいて血管のセグメントを照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、セグメントの内部血管壁から反射された光を検出器において受光する段階；
内部血管壁内における顕微鏡的運動を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンを収集する段階；ならびに
スペックルパターン時定数を、正常な血管についての既知のスペックルパターン時定数、及び、アテローム斑についての既知のスペックルパターン時定数と比較する段階。
【請求項４５】
斑の構造的特徴を決定するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析する段階を更に含む、請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
解析段階が、線維性キャップの厚みを評価する段階を含む、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
線維性キャップの厚みが約６０ミクロン未満の場合、斑が破裂に対して易損性であると考えられる、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
解析段階が、脂質プールの粘度を評価する段階を含む、請求項４６記載の方法。
【請求項４９】
脂質プールの粘度が約２００ミリ秒未満の時定数を有する場合、斑が破裂に対して易損性であると考えられる、請求項４５記載の方法。
【請求項５０】
脂質プールの粘度が約１００ミリ秒未満の時定数を有する場合、斑が破裂する可能性があると考えられる、請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
プローブが以下を含む、試料中のスペックルパターンを検出するための光ファイバープローブ：
回転可能な内部シャフトおよび透明な外部被覆を含むカテーテル；
シャフト内に収容されており、かつ入射光を試料へ伝達するための１つまたは複数の第一の光ファイバー、および試料からの移送光を伝達するための１つまたは複数の第二の光ファイバーを含む、ファイバーアレイ；ならびに
ファイバーアレイを通過する光を透明な外部被覆の外側にある試料に反射させて、試料からファイバーアレイを通じて戻すための、シャフトの遠位側端部付近に配列された鏡。
【請求項５２】
シャフトが被覆内で３６０度回転できる、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５３】
ファイバーアレイが、入射光を試料へ伝達するための単一の第一の光ファイバーを含む、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５４】
ファイバーアレイが、入射光を試料へ伝達するための複数の第一の光ファイバーを含む、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５５】
ファイバーアレイが、試料から移送された光を伝達するための単一の第二の光ファイバーを含む、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５６】
入射光を伝達するように選択された１つまたは複数のファイバーが、移送光を伝達するように選択された１つまたは複数のファイバーと同じである、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５７】
アレイのファイバーの一つが、入射光を試料へ伝達するための第一の光ファイバーとして選択され、その後、一つの別のファイバーが、入射光を試料へ伝達するための第一の光ファイバーとして選択され、これにより、走査光が試料を横断する、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５８】
プローブが、被覆に接続された膨張可能なバルーンを更に含む、請求項５１記載の光ファイバープローブ。
【請求項５９】
試料中のスペックルパターンを検出するための光学システムであり、以下を含む光学システム：
請求項５１記載の光ファイバープローブ；
ファイバーアレイ内の一つの光ファイバーに接続された、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光の光源；
試料から移送された光を受光するための検出器；及び
移送光を処理して試料から移送されたスペックルパターンを解析するためのプロセッサー。
【請求項６０】
プロセッサーが基準スペックルパターンを含む、請求項５９記載のシステム。
【請求項６１】
プロセッサーが、アナログ形式の移送光をデジタル信号へ変換するためのアナログ−デジタル変換器を含む、請求項５９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照として本明細書に組み入れられる、２０００年１０月３０日に出願された米国特許仮出願第６０／２４４，２５５号からの優先権の恩典を主張するものである。
【０００２】
技術分野
本発明は、組織分析に関し、より詳細には、組織からの反射光により形成されるスペックルパターンに解析による組織の特徴付けに関する。
【０００３】
背景
「スペックル」とは、コヒーレント光（例えばレーザー光）が粗い試料または多重散乱性の試料から検出面に反射されるときに生じる干渉現象である。試料からの及び試料内における光子の散乱のため、様々な光子が、検出面までの様々な距離を走行する。その結果、試料からの反射光または後方散乱光が空間的及び時間的にコヒーレントな場合、検出面で干渉し、「スペックル」として知られている粒状のパターンを生成する。
【０００４】
多くの研究者が、インビボにおける組織の動的運動を研究するために、スペックルパターン解析を用いている。例えば、組織の振動を測定するためにスペックルが用いられており（Ｖ． Ｔｕｃｈｉｎら「生体組織の振動の測定におけるスペックル干渉法（Ｓｐｅｃｋｌｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｉｏｔｉｓｓｕｅｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ）」（ＳＰＩＥ、１６４７：１２５（１９９２年）））、また、組織の強制的運動に応答する脈管組織及び皮質組織における歪みを測定するためにもスペックルが用いられている（Ｓｅａｎ Ｊ． Ｋｉｒｐａｔｒｉｃｋら「脈管組織におけるレーザースペックル微小歪み測定（Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｋｌｅ Ｍｉｃｒｏｓｔｒａｉｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｔｉｓｓｕｅ）」ＳＰＩＥ、３５９８：１２１−１２８（１９９９年）；ならびに、Ｓｅａｎ Ｊ． ＫｉｒｋｐａｔｒｉｃｋおよびＢｒｅｎｔ Ｗ． Ｂｒｏｏｋｓ「レーザースペックルデータから推論される、皮質骨の微小な機械的挙動（Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｂｏｎｅ ａｓ Ｉｎｆｅｒｒｅｄ ｆｒｏｍ Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｋｌｅ Ｄａｔａ）」Ｊ． Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、３９（３）：３７３−７９（１９９８年））。また、多くの研究者は、血液の流れやリンパ液の流れを研究するためにもスペックルを用いている（Ｂ． Ｒｕｔｈ「レーザースペックル法による血流量の測定（Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｋｌｅ Ｍｅｔｈｏｄ）」Ｉｎｔ’ｌ Ｊ． Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃ：Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ、９（１）：２１−４５（１９９０年））；及び、Ａ． Ａ． Ｂｅｄｎｏｖら「スペックル−顕微鏡検査法を用いる、リンパ液流動力学の統計学的特性の研究（Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌｙｍｐｈ Ｆｌｏｗ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐｅｃｋｌｅ−Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」ＳＰＩＥ、２９８１：１８１−９０（１９９７年））。
【０００５】
概要
本発明は、組織内の構造体及び特徴物の顕微鏡的運動、例えばブラウン運動を測定するためのレーザースペックルを用いて、組織をインビボで分析することができるという発見に基づくものである。
【０００６】
一般に、本発明は、以下の段階により、例えばインビボにおいて組織を分析する方法を特徴とする：
レーザー光等のコヒーレント光、または部分的にコヒーレントな光で組織を照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、検出器において組織からの反射光を受光する段階；及び、
巨視的スケール、例えば約１ｍｍより大きなスケールでの運動を除外しながら、分子もしくは巨大分子のブラウン運動、または、細胞もしくは細胞小器官の運動、または、リンパ液または細胞内の膜間の流れ等のその他の非ランダムな形態の運動等の顕微鏡的スケールで、例えば約１ｍｍ未満（例えば約５００ミクロン未満または１００ミクロン未満）で、組織内における対象物の運動によりもたらされる変化を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンの変化を解析する段階。
【０００７】
例えば、スペックルパターンを近距離音場または遠距離音場において測定し、検出器上で画像化することができる。「近距離音場」とは、組織表面からの光の１波長分未満のスペックル分布の測定法であり、一方、「遠距離音場」スペックルとは、表面からの光の１波長分を上回って形成される干渉パターンである。本方法は、顕微鏡的運動、例えばブラウン運動を単離するために、心拍動、患者の動き、または蠕動運動等の巨視的または外因性の運動を補償する段階を更に含むことができる。
【０００８】
本方法において、照らす段階は、光源に連結された侵襲性装置を提供する段階、装置を患者に通す段階、組織の近傍に装置を配置する段階、及び、光源から組織にコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を当てる段階を含むことができる。
【０００９】
侵襲性装置は、例えばカテーテル、内視鏡、または腹腔鏡であってよい。装置を、（近距離音場スペックルパターンを測定するために）組織と直接接触させて配置することができ、または、（遠距離音場または近距離音場スペックルパターンを測定するために）所与の距離だけ組織から離して配置することもできる。装置は、光を光源から組織へ伝達する第一のファイバー（またはファイバーアレイもしくはバンドル）および、組織から移送される光を受光するファイバーアレイまたは単一のファイバーを有するカテーテルを含んでもよい。ファイバーアレイは一次元または二次元であってよい。解析段階は、以上のように得られた一連のスペックルパターンそれぞれを一連の基準スペックルパターンと比較する段階、及び、それらのパターンと基準パターンとの間の時間的相関の差異を定量する段階を含むことができる。例えば、解析段階は、各スペックルパターンを時間及び空間の関数としてデジタル化する段階を含むことができ、かつ、定量段階は、それらのパターンと基準パターンとの間の相互相関を評価する段階を含むことができる。解析段階は、スペックルパターンに対する脱相関率（ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）を決定する段階、または、組織の構造的な特徴及び／もしくは生体力学的な特徴を推測するために、スペックルパターンの空間的特徴を解析する段階を更に含むことができる。生体力学的な特徴には、例えば、コンプライアンス、弾性、応力、歪み、及び粘性が含まれうる。これらの方法において、スペックルパターンデータとは、特定の時点で撮られたスナップショット（ｓｎａｐｓｈｏｔ）である。スペックルパターン相関データとは、時間の関数としてのスペックルパターンの相互相関の測定値である。
【００１０】
変法において、本方法は、組織の複数の部位を連続的に照らす段階、組織の個々の部位それぞれに対して別々の一連のスペックルパターンを形成する段階、その後、別々の一連のスペックルパターンそれぞれを解析する段階、ならびに、組織の個々の部位間における構造的な差異及び／又は生体力学的な差異を推測するために、それらの別々の一連のスペックルパターンを比較する段階を含むことができる。
【００１１】
特定の態様において、本方法は、光受容体において反射光を収集する段階、収集した光を検出器へ伝達する段階、及び、受容体を組織に連結することにより巨視的な運動を補償する段階を含む。また、巨視的な運動を補償する段階は、解析段階中に非ランダムな運動により生じたスペックルパターンにおける変化を排除することによっても実行されうる。巨視的な運動または外因性の運動はまた、例えば、組織と反射体の間を流れる血液からもたらされうる。そのような場合には、補償段階は、血液を透明な溶液で置換する段階、及び／又は、指向性の血液の流れに対応する相関スペックルパターン情報を排除する段階を含むことができる。
【００１２】
別の態様において、本発明は、例えば脂質プール及び線維性キャップを有するアテローム斑（ａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃ ｐｌａｑｕｅ）の破裂に対する感受性を決定するために、組織構造体を解析する方法を特徴とする。本方法は以下の段階を含む：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光で組織構造体、例えば斑を照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、検出器において組織構造体からの反射光を受光する段階；
組織構造体内における、または脂質プール等の組織構造体に隣接した組織内における顕微鏡的運動、例えばブラウン運動またはその他の形態の顕微鏡的運動を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンデータを収集する段階；及び
組織構造体を評価する段階、例えば、ブラウン運動の量から破裂に対する斑の易損性を評価する段階。
【００１３】
本方法は、例えば組織構造体の厚み、例えば線維性キャップの厚みを評価することにより、組織構造体、例えば斑の構造的な特徴及び／又は生体力学的な特徴を決定するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析する段階を更に含むことができる。組織の厚みは、入射ビームが入射した箇所（ｐｏｉｎｔ）からの距離の関数としてスペックルパターンの空間的及び時間的な脱相関を測定することにより決定されうる。ビームの入射箇所の近くでは、スペックルパターンはより定常的になると考えられる。また、ビームの入射箇所から遠く離れると、スペックルパターンはより急速に脱相関すると考えられる。遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）の位置が厚みの指標である。厚みを決定するためのその他の方法も、本明細書で説明されている。線維性キャップの厚みが約６０ミクロン未満の場合には、斑は破裂に対して易損性であると考えられる。また、本方法は、脂質プールの粘性を評価するためにも使用されうり、ここで、斑は、脂質プールの粘性が約２００ミリ秒未満の時定数を有する場合には、破裂に対して易損性であると見なされ、かつ、脂質プールの粘性が約１００ミリ秒未満の時定数を有する場合には破裂の可能性があると考えられる。
【００１４】
また、本発明は、以下の段階により、血管内に脂質プール及び線維性キャップを有する易損性のアテローム斑を検出する方法を含む：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光でインビボにおける血管セグメントを照らす段階；
一連のスペックルパターンを形成するために、セグメントの内部血管壁からの反射光を検出器において受光する段階；
内部血管壁内における顕微鏡的運動、例えばブラウン運動を測定するのに充分な時間間隔でスペックルパターンデータを収集する段階；及び
スペックルパターン相関データを既知のスペックルパターン時間相関データと比較する段階。測定されたスペックルパターン相関データを基準スペックルパターン相関データと比較するための一つの手段は、時定数によるもの、または、スペックルパターンが１／ｅだけ脱相関するのに要する時間によるものである。例えば、任意の所与の血管セグメントに対する脱相関時定数を測定し、時定数を、正常な血管、アテローム硬化型（ａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃ）血管、厚い線維性キャップをもつ脂質プール、及び薄い線維性キャップをもつ脂質プール（易損性斑）に対する既知の時定数と比較することができる。もし、時定数が、薄い線維性キャップをもつ脂質プールの存在を示す場合には（τ＜１００ｍｓ）、スペックルパターンデータの空間的特徴を更に解析し、本明細書に記載されたような斑の構造的な特徴を決定することができる。加えて、スペックルパターンにおける確率分布関数パターン（ヒストグラム）の第一の指標（平均）及び第二の指標（標準偏差）は、各々の種類の斑に固有である。
【００１５】
別の局面においては、本発明は、試料におけるスペックルパターンを検出するためのファイバー光学プローブを特徴とする。プローブは、以下を含む：
回転可能な内部シャフトおよび透明な外部被覆（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅａｔｈ）を含むカテーテル；
シャフト内に収容されており、入射光を試料へ伝達するための１つまたは複数の第一の光ファイバー、および試料から移送される光を伝達するための１つまたは複数の第二の光ファイバーを含む、ファイバーアレイまたは単一のファイバー；ならびに
ファイバーアレイを通過する光を上述の透明な外部被覆の外側にある試料上で反射させて、ファイバーアレイを通じて試料から光を戻すため、シャフトの遠位側端部付近に配列された鏡。ファイバーアレイは、１つ（もしくは幾つか）の入射光伝達用ファイバー、１つの（もしくは幾つかの）移送光伝達用ファイバーを含むことができ、アレイから入射光伝達用ファイバーが選択され、その後、プローブを移動させることなく試料を横切って入射光を走査するため、別のファイバーが例えば逐次的に選択されうる。
【００１６】
１つまたは複数の第一の光ファイバーから出射されるビームを、レンズにより組織上に集束することができ、スペックルパターンを、レンズにより、検出用ファイバーアレイ上で、もしくは単一の検出用ファイバー上で画像化することができる。いくつかの態様において、シャフトを被覆内で３６０度回転することができ、膨張可能なバルーンを被覆に接続することができる。
【００１７】
本発明は、試料中のスペックルパターンを検出するための光学システムを更に含む。本システムは、以下を含む：
本明細書記載の光ファイバープローブ；
ファイバーアレイ内の中央の光ファイバーに接続された、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光の光源；
試料から移送された光を受光するための検出器；及び
移送光を処理し、かつ、試料から移送されたスペックルパターンを解析するためのプロセッサー。例えば、プロセッサーは、基準スペックルパターン時定数もしくは基準スペックルパターン時定数の全ライブラリー、または、例えば健常な組織及び罹患組織に対する、基準スペックルパターン相関曲線を含むことができる。また、本システムは、アナログ形式の移送光をデジタル信号へ変換するためのアナログ−デジタル変換器を含むこともできる。
【００１８】
本明細書で使用される「組織」という用語は、体内または身体表面における任意の生物学的構造体を意味する。組織には、細胞の集合体、増殖物（ｇｒｏｗｔｈｓ）、及び、脂質またはその他の構成要素を包含し得る斑等の沈積物が含まれうる。調べることが可能な斑の特定の構成要素には、脂質プール、石灰化、線維性領域、及び線維性キャップが含まれる。
【００１９】
「スペックル」とは、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光が、粗い試料または多重散乱性の試料から検出面に反射されるときに生じる干渉現象である。「スペックルパターン」とは、干渉によりもたらされる強度パターンである。
【００２０】
「ブラウン運動」とは、細胞、分子、及び組織内のその他の副構成要素のランダム運動である。
【００２１】
「コヒーレンス」とは、２つまたはそれ以上の光波の干渉を可能にする光の特性である。「部分的なコヒーレンス」とは、各波による走行経路（ｐａｔｈ）が、試料中の所与の箇所において、光の時間的コヒーレンス長と同等であるかまたはそれ以内である場合に、相互に干渉し得る波を指す。
【００２２】
別に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する当業者により共通に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書において説明されるのと類似または同等の方法及び材料を、本発明の実践または試験で使用することができるが、適当な方法及び材料は、以下で説明される。本明細書で言及されているすべての出版物、特許出願、特許、及びその他の参考文献は、それらの全体が参照として本明細書に組み入れられる。開示内容に不一致がある場合には、定義を含め、本明細書が統制する。更に、材料、方法、及び実施例は単に例証的なものであり、限定を意図したものではない。
【００２３】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになると考えられる。
【００２４】
詳細な説明
顕微鏡レベルでは、殆どの組織は静的でない。個々の細胞は細胞間液内で動き、細胞小器官は細胞内で動き、また、大きな分子は細胞間を前後左右に動いている。斑等の非細胞性組織沈積物内においてもまた、タンパク質、脂質、及びその他の分子等の構成要素が局所的な運動を呈している。これらの局所的な顕微鏡的運動には「ブラウン運動」が含まれ、これらは自然状態では本質的にランダムである。組織の顕微鏡的運動を測定して特徴付けすることにより、組織の構造、組成、生体力学的な特徴、及び安定性に関する有用な情報を提供することができる。
【００２５】
本発明は、レーザースペックルを用いてインビボにおいて組織の（ブラウン運動を含む）顕微鏡的運動を測定し、組織についての情報を収集する技術に関する。一般に、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光は、組織から反射され、検出器でスペックルパターンを形成する。組織内の反射体の運動により、スペックルパターンは経時的に変化し、または「脱相関」される。組織の「外因性」の巨視的な運動を補償しながら脱相関率をモニタリングすることにより、組織中の顕微鏡的運動を単離し、測定することができる。部分的にコヒーレントな光は、完全にコヒーレントな光に比べ、組織の光学的特性についてより多くの情報を提供することができる。
【００２６】
本発明の幾つかの態様において、破裂に対して易損性の斑を検出するため、およびより具体的には、破裂に対する斑の易損性を決定するために、アテローム斑における顕微鏡的運動、例えばブラウン運動を測定するためにスペックル解析が使用される。これらの態様において、これらの斑を定位（ｌｏｃａｔｅ）するため、修飾された光学カテーテル（プローブ）または他の器具が血管（例えば動脈）に挿入され、その後、斑の位置が決定されると、特定のアテローム斑の近傍にプローブが移動される。血管の内壁及び／又は斑から反射された光が集められて検出器へ伝達され、ここでスペックルパターンが形成される。正常な組織のスペックルパターンおよび斑組織（特に易損性の斑組織）のスペックルパターンは異なっており、これらの相違を利用して斑を検出することができる。その後、例えば斑の巨視的な運動を補償しながら、パターンの脱相関率を算出するため、スペックルパターンを経時的にモニタリングする。この脱相関率から、斑内の顕微鏡的運動の程度を評価することができ、それにより、破裂に対する斑の易損性を評価することができる。
【００２７】
Ｉ． アテローム斑
アテローム斑の破裂は、先進国における主要な死因である急性心筋梗塞をもたらすことがある。アテローム斑が破裂すると、斑由来の脂質が血管腔に入り、これは、血栓症、動脈閉塞、心筋虚血、及び梗塞を引き起こしかねない。
【００２８】
最近の研究によると、破裂に対して易損性の斑は一般に、薄くて不安定な線維性キャップおよび、コンプライアントな（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）または「粘性」の低い脂質プールを有する。例えば、ビルマニ（Ｖｉｒｍａｎｉ）ら「突然冠死からの病変：粥状硬化性病変に対する包括的な形態学的分類計画（Ｌｅｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｓｕｄｄｅｎ ｃｏｒｏｎａｒｙ ｄｅａｔｈ：Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃ ｌｅｓｉｏｎｓ）」Ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒ． Ｔｈｒｏｍｂ． Ｖａｓｃ． Ｂｉｏ．、２０：１２６２−７５（２０００年）、及び、リー（Ｌｅｅ）ら「不安定なアテローム（Ｔｈｅ Ｕｎｓｔａｂｌｅ Ａｔｈｅｒｏｍａ）」Ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ， Ｔｈｒｏｍｂｏｓｉｓ ＆ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ、１７：１８５９−６７（１９９７年）を参照のこと。粘性の低い脂質プールは線維性キャップに力を及ぼして、キャップを弱め、破裂を引き起こす。脂質プールにおけるブラウン運動が大きければ大きいほど、プールの「粘度」は低く、その分だけ斑は破裂し易くなる。それ故、脂質プールにおけるブラウン運動を評価して、インビボにおいて線維性キャップの厚みを測定することは、破裂の可能性のある斑を同定するのに役立ち、これにより介入が可能になる。
【００２９】
ＩＩ． スペックル像の形成
図１を参照すると、特別な修飾が施された光学カテーテル１０は、回転可能な内部シャフト１２および透明な外部被覆１４を含んでいる。内部シャフト１２は、ファイバーアレイ１５および、その遠位側端部１８付近の鏡１６を収容している。ファイバーアレイの中央ファイバー２０は、固定式の光ファイバー２１に連結されており、これは、近位側のカテーテルから光源２２へ延びている。
【００３０】
操作の際、光源２２から発せられるレーザー光等のコヒーレント光が、ビームスプリッター２２ａを介して、固定式光ファイバー２１及び中央ファイバー２０を通り、鏡１６の中心２３に伝達される。光は、鏡１６から、アテローム斑等の移動性組織層の上にある静的な組織層等の組織試料２４に反射される。外部被覆１４は、試料２４と直接接触して配置されてもよく（近距離音場）、または、試料から、例えば１ｍｍから１０ｃｍまでの短い距離をおいて配置されてもよい（遠距離音場）。光は試料２４に入り、ここで、試料内の、分子、細胞性砕片、タンパク質、化合物（例えばコレステロール結晶）、及び細胞性微小構造体（細胞小器官、微小管等）によって反射される。試料から移送された光（矢印２６）は、鏡１６からファイバーアレイ１５に反射され、その後、アレイ１５により、例えば光源２２内に配置されたビームスプリッター２２ａを介して、平面（ｐｌａｎａｒ）電荷結合素子（ＣＣＤ）、または、線形もしくは二次元の検出器２２ｂへ伝達される。検出用の１つもしくは複数のファイバーが存在していてよく、かつ照射と検出が同じファイバーから行われてよい。代替的に、試料に関する位置の関数として複数のスペックルパターンを作製するために各ファイバーが選択的に照らされるようなファイバーアレイを通じて、照射が行われてもよい。本方法は、次々に１つのファイバーを順次照射することによりプローブを定常的な状態に保ちながら、１つの試料を横断する入射光の走査を提供することができる。
【００３１】
干渉により、ＣＣＤ検出器においてスペックルパターンが形成される。得られるスペックルパターンを、アナログ−デジタル変換器によってデジタル化し、その後、以下の解析の章で説明される手順を用いて解析する。
【００３２】
シャフト１２全体は、矢印Ｒの方向に３６０度回転することができ、これにより、カテーテル１０が、試料の周辺全体を取り囲む像を集めることが可能になる。例えば、カテーテル１０は、血管壁の周辺を取り囲む斑の像を集めることができる。
【００３３】
適切なスペックルデータを集めるために必要なファイバー数は僅か数本であるため、カテーテルの直径を５００μｍ未満にすることができる。勿論、それより大きな直径も可能である。
【００３４】
スペックルデータを集めるためにその他の多くの種類の器具を使用することができる。例えば、カテーテル１０の光学部品（ｏｐｔｉｃｓ）をその他の種類の器具、例えば内視鏡や腹腔鏡に組み込むことができる。また光学部品は、標準的な内視鏡もしくは腹腔鏡の付属ポートに通される独立型のユニットを形成してもよく、または、別の種類のカテーテル、例えば二重目的型血管内超音波カテーテルに組み込まれてもよい。
【００３５】
また、光学部品は、移送光２６をファイバーアレイ１５の遠位側端部に集束させるレンズを含むこともできる。レンズは、「遠距離音場像」（組織表面から１波長分を上回る距離離れて設定された検出器での像）ではなく、「近距離音場像」（１波長分未満の近い位置からの試料視）の形成を可能にすると考えられる。
【００３６】
カテーテルは、特定のタイプの偏光以外のすべてを除去するための偏光フィルターを含むことができる。例えば、直交偏波フィルターは、入射光に垂直な偏波面を有する光のみが検出器に到達することを可能にし、一方、平行偏波フィルターは、入射光と同じ偏波面を有する光のみが通過することを可能にすると考えられる。多重散乱光は、単回散乱光よりも最初の偏波面を維持しにくいため、偏光フィルターを用いることにより、データを多重散乱光寄りに、または単回散乱光寄りに片寄らせることができる。試料内に深く浸透した光は、表面から反射された光や表面付近から移送された光よりももっと強い強度で散乱されると考えられるため、そのような片寄りを利用することにより、試料の構造に関する情報を引き出すことができる。
【００３７】
ＣＣＤの代わりに、上述の検出器は、例えば、写真乾板、光検出器アレイ、または単一の検出器であってよい。光源は、連続光または同期パルスにより試料を照らすことができる。
【００３８】
また、光ファイバーを通じて光を試料に伝達するのではなく、自由空間において試料に光を当てることもできる。例えば、開放手術手順においては、自由空間内でコヒーレント光を鏡を用いて試料に向け、その後、移送光をファイバーアレイに向けることができる。そのような自由空間型態様においては、光源は試料から、例えば１メートル程度またはそれ以上離れた距離にあってよい。
【００３９】
ＩＩＩ． 顕微鏡的運動の単離
スペックルパターンの変化から、静的組織（例えば斑キャップ）下における移動性の組織または液体（例えば斑の脂質プール）の粘度を決定する段階を単純化するためには、パターンの時間的な変化は、斑自体の運動、または検出器と斑との間にある反射体の運動を示すのではなく、斑内における反射体の運動を示さなければならない。別な言葉で言えば、斑のスペックルパターンにおける変化は、好ましくは、巨視的な運動ではなく、顕微鏡的運動またはブラウン運動を反映する。
【００４０】
顕微鏡的運動を単離するため、（１）顕微鏡的運動を検出するのに充分な時間間隔で、かつ（２）巨視的な（例えば外因性の）運動を補償するような様式で、データが集められる。
【００４１】
時間間隔が顕微鏡的なブラウン運動を検出するのに充分であるためには、間隔は、脂質プール等の組織内における反射体の運動を可能にするのに十分な位長くなければならないが、ランダムなブラウン運動が打ち消されない程度に充分な位短くなければならない。アテローム斑の場合、適切な時間間隔は約１ｍｓ〜２００ｍｓである。それより短い時間も可能であり得る。もし時間間隔がより長くなると、スペックルパターンの変化が、急速なブラウン運動（低粘度を示す）と、それより遅いブラウン運動（高粘度を示す）とを適切に識別できない可能性がある。
【００４２】
アテローム斑および他の例において、２つの共通した巨視的運動源（ｓｏｕｒｃｅ）とは、心拍動による血管腔および斑組織の総体的な運動、ならびに斑とカテーテルとの間の血液の流れである。患者の運動も問題になり得る。
【００４３】
心拍動による標的組織（例えば斑）の総体的な運動を補償するために、少なくとも２つの代替的手段を講じることができる。一番目は、例えば血管形成バルーンを用いて、ファイバーアレイ１５を斑組織に連結することができる。また、この技法は、患者の小さな運動も補償する。図２Ａを参照すると、一つの態様において、バルーン２８は、カテーテルの遠位端３０で外部被覆１４に取り付けられている。カテーテルが斑の近傍の血管内に配置されたら、バルーンが膨らまされる。図２Ｂを参照すると、膨らまされたバルーンは、血管壁３２と隣接しており、外部シャフト１４の遠位側領域が斑と直接接触するように、カテーテルを斑２４に押しつけている。図２Ｂに示されているような斑２４に連結されたカテーテルにより、心臓が拍動したときにファイバーアレイ１５が斑と共に動くと考えられ、斑の総体的な運動はスペックルパターンに有意な影響を及ぼさないと考えられる。
【００４４】
カテーテルを斑に連結するその他の方法もまた可能である。例えば、カテーテルの側面にバルーンを配置する代わりに、バルーンでカテーテルを取り囲むこともできる。この配列の場合、透明なバルーンは、外部被覆１４を取り囲んでいるが、被覆に取り付けられてもいる。バルーンが膨らまされると、バルーンは、斑２４と血管壁３２との間でへこまされる。従って、バルーンは斑と直接接触すると考えられ、心臓が拍動したときに斑と共に動くと考えられる。また、バルーンはシャフト１４に取り付けられており、そして、シャフト１４はアレイ１５に連結されているため、血管壁の運動はスペックルパターンに有意な影響を及ぼさないと考えられる。血管形成バルーンを使用しない方法を含む、カテーテルを組織に連結する別の方法も使用することができる。
【００４５】
心拍動によりもたらされる運動を補償する二番目の方法は、心拍動間のデータを収集することである。本方法において、データは、心拍動における心拡張期の比較的動きのないＰＲ間隔の間（左心室が血液で満たされるとき）に収集される。ＰＲ間隔は約０．１２秒〜０．２秒間持続し、ブラウン運動を検出するのに充分な時間を提供する。データが心拡張期の間に収集されるのを保証するため、タイミングをコンピューターで制御でき、または、検出器をＥＣＧ信号にリンクさせ、かつＰＲ間隔の間でのみデータを収集するようにプログラムできる。同様な技術を、蠕動運動等のその他の身体的運動を補償するために使用することができる。
【００４６】
カテーテルと斑との間の血液の流れを補償するため、上記で説明されているように、カテーテルを斑組織と直接接触させて配置でき、これにより、検出器と斑の間に血液が流れるのを防ぐことができる。代替的に、斑とカテーテルとの間を流れる血液を排除でき、清澄な生理食塩水溶液または、光学的に透明な代用血液等のその他の清澄な溶液で置換できる。
【００４７】
最後に、データを収集しながら巨視的な運動を補償するのではなく、以下で説明されているように、解析対象から巨視的な（外因性の）運動を数学的に除外することにより、解析フェーズの間にこの運動を補償することができる。
【００４８】
ＩＶ． スペックルデータの解析
図３は、健常な血管壁からの反射光により形成される典型的なスペックルパターン４０を示している。パターンの数学的な説明を容易にするため、Ｘ座標及びＹ座標がパターン４０に重ねられている。パターンには、破壊的干渉が優位を占める暗パッチ（ｄａｒｋ ｐａｔｃｈｅｓ）と、建設的干渉が優位を占める明パッチ（ｂｒｉｇｈｔｅｒ ｐａｔｃｈｅｓ）とを含んでいる。多重散乱性の試料内における反射体の非常に微妙な運動がスペックルパターンを変える。
【００４９】
斑からの反射光から形成される一連のスペックルパターンを解析することにより、（ａ）斑の脂質プールの粘度、及び（ｂ）斑の線維性キャップの厚みを評価することができる。また、これらの種類のデータのうちいずれか一方または両方から、破裂に対する斑の易損性を評価することができる。
【００５０】
Ａ． 斑の脂質プールの粘度の決定
斑の脂質プールの粘度を決定するためにスペックルデータを解析するための、数多くの方法が存在する。例として、一つの方法が、この章、及び、以下の実施例の章で詳細に説明されている。この方法は、以下の段階を含む：
（１）短い離散時間間隔で一連のスペックル像を収集する段階；
（２）データから拡散反射率を排除する段階；
（３）一連のスペックル像を比較する、相互相関像を作製する段階；
（４）像の各対間における最大相関を算出し、経時的な一次元のデータセットを作製する段階；
（５）データセットから脱相関率を算出する段階；ならびに
（６）脱相関率から、斑の粘度および、破裂に対する易損性を評価する段階。
【００５１】
まず、上記で説明されている検出系を用いて、ある期間にわたり離散的な間隔で、斑に対する一連のスペックル像を収集する。例えば、それらのスペックル像を、例えば２００ｍｓの時限の間に、例えば１ｍｓ、５ｍｓ、１０ｍｓ、２０ｍｓ、または３０ｍｓ毎の時間間隔で収集することができる。一般に、時間間隔が短ければ短いほど、データを収集できる期間が短くなる。時間間隔が長い、例えば３０ｍｓ等の場合には、データを、例えば１秒〜２秒の間に収集することができる。
【００５２】
次いで、スペックルパターンを単離するため、像から、バックグラウンドである非コヒーレントな拡散反射率が排除される。組織の拡散反射率を排除するために数多くの技法を用いることができる。例えば、生データのスペックル像をエッジ像に変換することができる。エッジ像とは、生データ像の空間的誘導像である。エッジ像（高域（ｈｉｇｈ ｐａｓｓ）フィルター）は、強度そのものではなく、像内のあらゆる箇所における空間の関数としての像の強度の変化を反映している。既知のエッジ検出技法は、カーネル（ｋｅｒｎｅｌ）による像の回旋（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）（例えばＳｏｂｅｌまたはＲｏｂｅｒｔ）、モルフ（Ｍｏｒｐｈ）勾配（元の像による浸食（ｅｒｏｄｅｄ）像、拡張（ｄｉｌａｔｅｄ）像、閉じた（ｃｌｏｓｅｄ）像、または開いた（ｏｐｅｎｅｄ）像のサブトラクション）、または高域フィルタリングを含む。バックグラウンドの拡散反射率を排除する他の方法は、準同形フィルタリング法、局所ヒストグラム均等化法、または、小さなアパーチャーを伴う光学機構を用いる方法を含む。これらの技法はすべて広く知られており、例えば、ゴンザレス（Ｇｏｎｚａｌｅｚ）， Ｒ． Ｃ．及びウインツ（Ｗｉｎｔｚ）， Ｐ．「デジタル画像処理（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｒｅａｄｉｎｇ ＭＡ、１９８７年）、及び、ジャイン（Ｊａｉｎ）， アニール（Ａｎｉｌ）， Ｋ．「デジタル画像処理の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ、ＮＪ、１９８７年）で説明されている。
【００５３】
非コヒーレントなバックグラウンド反射率を排除した後、各スペックル像（またはエッジ像）を、一連の相互相関像を作製するために一連の基準像（例えばｔ＝０時の像）と比較する。相互相関像は、空間の関数として２つの像の間の相関の程度を反映する。各相互相関像から、以下の式を用いて、最大相関ピーク（即ち、最大相関箇所における相関の量）が決定される。
【数１】
2004512538.tif 000002
式中、ｇ（ｔ）は相互相関関数であり、Ｉ（ｘ， ｙ）はパターン中のある箇所（ｘ， ｙ）における干渉の強さであり、そして、ｔは時間である。二次元相互相関関数については、一般に、ジャエ（Ｊａｅ）Ｓ． リム（Ｌｉｍ）「二次元信号処理（Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ、ＮＪ、１９９０年）、及び、ジャイン（Ｊａｉｎ）， アニール（Ａｎｉｌ）， Ｋ．「デジタル画像処理の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ、ＮＪ、１９８７年）で説明されている。
【００５４】
最大相関の計算を行うことにより、相互相関像は、時間の関数としての一次元データセット（即ち、各値が時間ｔと結びつけられた一連の相関値）に換算される。この一連の相関値から時定数τ（ここでτは脱相関率を表す）が算出される。時定数は、ｇ（ｔ）が（１／ｅ）ｇ（０）に達するのに要する時間の量である。
【００５５】
式（１）の最大関数は、相互相関像を数字に換算するための唯一の可能な機構ではない。例えば、ｘ＝ｙ＝０等の箇所において相互相関関数
【数２】
2004512538.tif 000003
を評価することにより、画像比較を代表値に換算することができる。しかし、像を数値に換算するために、最大関数ではなく、一つの箇所を使用する方法は、不透明な媒質におけるスペックルパターンの一次相関の「記憶効果」を補償しないと考えられる。この「記憶効果」については、フェン（Ｆｅｎｇ）らによるＳｃｉｅｎｃｅ ２５１：６３３−３９（１９９１年）で説明されている。一つの箇所を使用することの利点とは、ファイバー及び検出器を最小個数で使用できることである。
【００５６】
時定数τによって表される脱相関率から、斑の脂質プールの粘度を評価することができる。一般には、τが大きくなればなるほど、脂質プールにおけるブラウン運動が低くなり、プールの粘度はそれだけ大きくなる。逆に、τが小さくなればなるほど、脂質プールにおけるブラウン運動が大きくなり、かつ粘度は低くなる。粘度が低くなればなるほど、より大きな応力がキャップに及ぼされ、このため斑はより易損性になる。
【００５７】
斑の脂質プールの粘度に関するこの情報を、破裂の可能性がある、または破裂に対して易損性である斑を同定するために使用することができる。具体的は、τが約４０ｍｓ〜１００ｍｓまたはそれ未満の場合には、斑が破裂する可能性があり、介入が正当化される。斑のτが約１００ｍｓ〜２００ｍｓの場合には、斑はやや易損性ではあるが、まだ破裂する可能性はなく、経時的にモニタリングを行うべきである。斑のτが約２００ｍｓ〜３００ｍｓの場合には、斑は易損性が少ない。斑で覆われていない健常な血管壁は一般に、３００ｍｓまたは５００ｍｓを上回る時定数を有する。
【００５８】
Ｂ． 斑の線維性キャップ等の組織構造体の厚みの決定
斑における脂質プールの粘度の決定に加え、スペックルデータを解析して、線維性キャップの厚み、または更に詳しくは、任意の組織構造体の厚みもしくは組織層の厚みを含む、斑の空間的特徴を推測することができる。上述のように、薄い線維性キャップは、斑が破裂に対して易損性であることを示す、もう一つの指標である。粘度とキャップの厚みの２つの特徴は独立的に評価及び解析されうるが、粘度およびキャップの厚みに関するデータの組み合わせにより、斑の易損性に関する最も正確な評価が提供される。
【００５９】
図４を参照すると、典型的な斑５０は、線維性キャップ５２および脂質プール５４を含んでいる。斑５０に入る光子（矢印Ａ）は、線維性キャップ５２のコラーゲンおよびプール５４内の脂質等の斑内の反射体により、内部で散乱される。従って、種々の光子が、異なる位置において斑を出る（矢印Ｂ）。結果として、スペックルパターン（図２参照）は、元の光ビームの幅よりもかなり大きな直径を有する。
【００６０】
線維性キャップ５２の厚みは、得られたスペックルパターンの異なる領域を比較することにより推測することができる。図３を再び参照すると、パターンの外側部分６０における強度信号を形成する光は、パターンの中央部６２付近のシグナルを形成する光よりも大きな距離を走行する。従って、パターンの外側部分６０は、大体、中央部６２を形成している光子よりも深く斑内へ浸透した光子により形成されている。スペックルパターンの別々の領域に対して別々の時定数を算出することにより、異なる深さにおける斑の粘度を決定することができる。線維性キャップは一般に、脂質プールよりも少ないブラウン運動を呈するため、空間的依存性のデータから線維性キャップの厚みを見積もることができる。
【００６１】
線維性キャップの厚みを見積もるため、パターンの別々の小領域に対して別々の最大相互相関関数が記載される。各領域は、（ｘ０， ｙ０）を中心とするウィンドウｗで定義される。
【数３】
2004512538.tif 000004
【００６２】
その後、上述の様式で、各ウィンドウに対して、相互相関データから時定数が算出される。次いで、スペックルパターンの中心からの距離の関数として（即ち、（ｘ０２＋ｙ０２）１／２の関数として）τの変動を解析し、線維性キャップの厚みを決定することができる。斑のキャップの厚みが約６０μｍ未満の場合には易損性であると考えられるが、この数字は、特定の患者に依存して幾分変動し得る。
【００６３】
一般に、例えば脂質プール上の斑の線維性キャップ等の異なる組織の上またはこれに隣接した組織層などの、任意の組織構造体の厚みを、以下のアルゴリズムを用いて測定することができる。
１． ｒ＝（ｘ０２＋ｙ０２）１／２の関数として脱相関時定数τを測定する。
２． スペックル確率分布関数（ＰＤＦ）（ヒストグラム）の一次統計及び二次統計を計算することにより、または、拡散反射率分光測光法を用いることにより、組織層の光学的特性（例えば有効減衰係数μｅｆｆ）を測定する。
３． τ（ｒ）および光学的特性（例えばμｅｆｆ）を、組織層の厚みの関数としての、τ（ｒ）及びμｅｆｆの前もって計算されたモンテカルロ（Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ）シミュレーションまたは拡散理論シミュレーションと比較する。代替的に、もし、ｒ０が、静的スペックルおよび非定常的スペックルとの間のカットオフ値として定義されている場合には、ｒ０及びμｅｆｆを、組織層の厚み値を含む検索テーブル（ｌｏｏｋ ｕｐ ｔａｂｌｅ）への入力として使用することもできる。
【００６４】
Ｃ． 巨視的運動に対する数学的補償
斑等の組織の構造的特徴についての情報提供に加え、スペックルパターンの異なる領域を別々に解析することにより、巨視的運動によりもたらされた脱相関を同定して、解析の対象から除外することができる。一般に、斑組織の総体的な動きまたは血液の流れによりもたらされる巨視的な運動は指向性で非ランダムであり、かつ、広範囲である。対照的に、ブラウン運動は非指向性で非均一（またはランダム）である。従って、スペックルパターンの異なる領域に対して別々な脱相関関数を計算することにより、外因性の動きによる脱相関を同定して関数から減算することができ、これにより、ランダムなブラウン運動を単離することが可能になる。例えば、相互相関関数の最大値の位置は、カテーテルまたは検出に関して試料の外因性の動きに関するベクトルνに沿ってシフトすると考えられる。ブラウン運動は、多くのランダムな方向のスペックルパターンを脱相関すると考えられ、かつ相互相関ピークの拡大及び、直線運動により推定される量を上回る相関最大値の減少をもたらすと考えられる。内因性及び外因性の直線運動に対するこれらの２種類の挙動は、相互相関関数から分離可能でなければならない。
【００６５】
Ｖ． 更なる画像化法
単純化されたシステムにおいては、完全な二次元スペックルパターンではなく単ピクセルのスペックル像から、脱相関率を見積もることができる。このシステムにおいては、単一の光ファイバーを有するカテーテルが、フォトダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）等の単一の検出器へデータを伝達することができる。収集されるスペックルデータは、時間の関数としてのスポットにおける強度でありうる。このデータから、何ら空間的な相互相関解析を伴うことなく、脱相関率を、直接、または、空間に対する単なる時間の関数として、算出することができる。
【００６６】
光学コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）及び共焦点顕微鏡検査等の単一散乱光を検出する画像化法も使用することができる。これらの画像化法は、上述の多重散乱法よりもスペックル調節に対する感受性は低いものの、試料内における単一箇所に対するデータの限局化を可能にするという利点を有する。そのような限局化は、三次元における組織の生体力学的特性の測定を可能にすると考えられる。更に、ＯＣＴ等のヘテロダイン検出を使用する方法においては、散乱体の動きにより、戻ってきた光にドップラーシフトが生じうる。ドップラーシフトは、試料の粘度を測定するための更なる基礎を提供できる。ブラウン運動に関して、速度は、多重ドップラーシフトと周波数帯域幅分布の拡大をもたらす範囲の速度及び方向にわたって分布すると考えられる。ＯＣＴ及び共焦点顕微鏡検査に基づく画像化技術のための数学は、上述の数学と実質的に同様であると考えられる。
【００６７】
実施例
本実施例では、ヒト死体の大動脈におけるアテローム斑からレーザー光を反射させることにより形成されたスペックル像を解析して、斑の粘度を評価した。比較のため、正常な大動脈の一部も分析した。
【００６８】
温度３７℃で、死体の大動脈斑に、ヘリウム−ネオンレーザー（λ＝６３２．８ｎｍ）からの光を２秒間当てた。斑から反射された光を、直交偏波（ｃｒｏｓｓ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）フィルターを通じて、シャッター速度が１秒当たり３０フレームのＣＣＤカメラにおいて受光した。２秒の間に、ＣＣＤカメラは、３３ｍｓ間隔で、一連の６０個のスペックル像を記録した。６０個の生データ像のうち、ｔ＝０、ｔ＝１５０ｍｓ、及びｔ＝３００ｍｓの時間に対応する３個が、図５のＡ列に示されている。
【００６９】
ＩＰＬａｂ（登録商標）Ｓｐｅｃｔｒｕｍ（登録商標）画像化ソフトウェアを用いて、６０個の生スペックル像でエッジ検出を実施し、６０個のエッジ像を作製した。そのうち、ｔ＝０、ｔ＝１５０ｍｓ、及びｔ＝３００ｍｓの時間に対する３個のエッジ像が、図５のＢ列に示されている。上述のように、エッジ像は、生スペックル像の空間的誘導を反映している（即ち、Ｂ列のエッジ像における光パッチとは、空間の関数として強度が変化している場所である）。
【００７０】
その後、同じソフトウェアを用いて、６０個のエッジ像のそれぞれをｔ＝０のエッジ像７０と比較し、６０個の相互相関像を形成した。各相互相関像を、基準像７０のフーリエ変換に、問題の像のフーリエ変換の複素共役を掛け算し、次いで、積の逆フーリエ変換を計算することにより作製した。例えば、図５のＣ列を参照すると、像７２は、ｔ＝０のエッジ像の自己相関である。像７２は、基準像７０のフーリエ変換に、像７０のフーリエ変換の複素共役を掛け算し、次いで、積の逆フーリエ変換を計算することにより形成された。像７４は、像７０のフーリエ変換に、ｔ＝１５０ｍｓのエッジ像のフーリエ変換の複素共役を掛け算し、次いで、積の逆フーリエ変換を計算することにより形成された。
【００７１】
各相互相関像は、対応するエッジ像と基準エッジ像７０の間の相関の程度を表している（即ち、明るいスポットとは、暗いスポットよりも高い程度の相関があるような場所である）。
【００７２】
各相互相関像から、式（１）を用いて、最大相互相関ピーク（即ち、相関最大箇所における相関）を算出した。得られたデータセットは、各値が時間ｔに関連する６０個の相互相関値を含んだ。
【００７３】
正常な大動脈組織における一連の像が図６に示されている。これらの像は、同じ大動脈における脂質に富む斑に対する図５の一連の像に匹敵するものであり、それと同じ様式で画像化され、処理された。
【００７４】
その後、脂質に富む斑および正常な大動脈組織に対する最大相互相関データを、Ｉｇｏｒ Ｐｒｏ（登録商標）、バージョン３．０１ソフトウェア（Ｗａｖｅｍｅｔｒｉｃｓ， Ｉｎｃ．）を用いて、指数相互相関関数Ｇ（τ）に当てはめた。得られた指数関数が、図７の曲線８０でグラフ表示されている。比較のため、死体の健常な大動脈組織から取ったスペックルデータに対する指数相互相関関数を曲線８２に示す。曲線８２に対するデータは、曲線８０に対するデータの場合と同じ手順を用いて収集及び処理された。また、図７は、厚いキャップの斑に対するデータも示している（曲線８１）。この非易損性斑に対する時定数は４００ｍｓであり、従って、斑は介入を必要としなかったと考えられる。曲線８０及び８２としてこの曲線を発生させるべく、再度、同じ技術を使用した。
【００７５】
相互相関データから、時定数τで表される脱相関率を算出した。斑に関して、時定数は４０ｍｓであった。大動脈組織に関しては、時定数は５００ｍｓであった。
【００７６】
これらのデータに基づき、斑はほぼ易損性であった。従って、上述の手順を用いてこの斑をインビボで分析していたとすれば、医師は、斑が潜在的破裂候補であると決定すると考えられ、潜在的梗塞を防止するために、介入する手段を選択しうる。
【００７７】
その他の態様
全体を通じて記されているように、本明細書で説明されている方法をまた、アテローム斑以外の罹患組織を特徴付けるために使用することもできる。罹患組織の顕微鏡的及び巨視的な構成成分は、正常な非病的状態の対応物とは異なっている。例えば、スペックルパターンを用いて、新生物（癌）、感染症、組織の生存率、または、損傷に対する治癒応答等のその他の組織病理学を診断及び特徴付けすることができる。新生物の場合、腫瘍は典型的には、異常な量の細胞型一種（クローナル）、および周囲の異常な支持基質を有する。この細胞型は、腺癌中のムチン等の粘液を生成及び分泌しうり、これにより、そのような粘液は、正常な非癌性組織よりも低いスペックル脱相関時定数をもたらすと考えられる。その上、周囲の基質は、壊死性組織および多量の異常血管を含みうり、これらもまた、スペックル脱相関時定数を低減するように働くと考えられる。骨肉腫などその他の腫瘍は類骨または未熟な骨を生成し、これらは、正常組織と比べて時定数を増大させると考えられる。その他の種類の新生物は、腫瘍により生成されるサイトカインによって生じる結合織形成性の（ｄｅｓｍｏｐｌａｓｔｉｃ）（多量の）線維性支質のため、時定数が増大すると考えられる。実際、気管支癌及び乳癌を含む多くの腫瘍は、悪性細胞を取り囲む線維性支質のため、総体的な検査の際に堅固（ｆｉｒｍ）である。この線維性支質は、周囲の正常な組織に比べ、時定数を増大させると考えられる。
【００７８】
他の実施例においては、感染症の場合、膿瘍は周囲の組織よりも粘性が低いと考えられ、それ故、時定数の減少を測定することにより、感染領域の同定が可能である。細菌、ウイルス、または異物による抗原の存在に応答して、これらの細胞が正常な支持組織を分解するため、活性化された炎症性細胞の流入により明らかになる炎症は、スペックル脱相関時定数の減少により特徴付けられると考えられる。熱傷性勝痂、糖尿病性潰瘍、壊死性の腸、及び虚血性の心筋層等の壊死性組織は、血管内液及び血管外液の欠乏、並びに、これらの細胞外腔における流れの欠乏のため、同じ器官由来の生存可能な組織よりも長い時定数を有すると考えられる。
【００７９】
治癒症例において、線維形成及び線維再構築は、非損傷組織には存在しない多量のコラーゲン基質及び肉芽組織のため、長めの時定数を有する可能性があると考えられる。また、スペックル脱相関時間を、組織の水分過剰（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ）を見積もるために使用してもよく、患者の水分過剰状態を定量するための手段を提供する。上述の実施例は、疾患がどのようにして病理学的組織の生体力学的特性に影響を及ぼすかを説明する機構の幾つかを明らかにしているが、もっと多くの機構が存在し、かつそれらの機構は総体的な解剖病理学の分野において広く知られている。これらの異なる生体力学的特性及び特徴を、スクリーニング、外科手術中の周縁（ｍａｒｇｉｎ）（例えば腫瘍周縁）同定、及び一次診断を目的として、スペックルにより測定することができる。
【００８０】
上記の詳細な説明は例証を意図したものであって、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を限定することを意図したものではない。その他の局面、利点、及び変更は、添付の特許請求の範囲の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】インビボにおいて組織からスペックルデータを収集するための光学カテーテルの断面概略図である。
【図２】図２Ａは、バルーンが萎んでいる、血管内に挿入された付属の血管形成バルーンを有する図１のカテーテルを示す断面概略図である。図２Ｂは、バルーンが膨張している、血管内に挿入された付属の血管形成バルーンを有する図１のカテーテルを示す断面概略図である。
【図３】λ＝６３２．８ｎｍの入射光を用いてヒト死体大動脈から生成されたスペックルパターンである。
【図４】アテローム斑からの入射光の反射率を示す概略図である。
【図５】ヒト大動脈における、脂質に富むアテローム斑の粘度を評価するために使用される代表的な生データのスペックル像、エッジ像、及び相互相関像である。
【図６】正常なヒト大動脈組織の粘度を評価するために使用される代表的な生データのスペックル像、エッジ像、及び相互相関像である。
【図７】一定の時間間隔にわたる、薄いキャップのアテローム斑、厚いキャップのアテローム斑、及び正常な大動脈組織のスペックル脱相関を示す指数グラフである。
【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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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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