(57)【要約】ＴＰＳＦイメージングは、複数の波長を同時に使用して対象物の画像形成を行う。画像獲得時間は、生画像データの有効獲得量及び品質を損なうことなく短縮される。複数の異なる波長を、同時に且つ複数の入射／検出位置において使用することにより、これら複数の入射／検出位置に対する複数のＴＰＳＦ画像データポイントを同時に得ることができる。複数の波長は、画像形成対象物に関する相補的な情報を提供しうる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＰＳＦ光学イメージング方法であって、
１つ以上の入射位置において画像形成対象に複数の波長で光を入射する入射ステップと、
各波長に対する個別のＴＰＳＦデータを得るべく、前記画像形成対象内において拡散した後における前記光を、前記複数の波長に対して同時に、１以上の検出位置で検出する検出ステップと、を含むＴＰＳＦ光学イメージング方法。
【請求項２】
前記複数の波長が前記画像形成対象に関する異なる情報を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入射ステップは、
レーザ光源から光を発生させ、
前記光源から発生した前記光を、前記入射位置にそれぞれ対応した複数の光ファイバのうちの１つに切り換える、各工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光源は複数のレーザを含んでおり、各レーザは、前記複数の波長のうちの１つの波長で作動する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数のレーザの出力が前記切り換えの前に重ね合わされるとともに、前記入射位置は、前記複数の波長の全てに対して同時に同じ位置となる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の波長が前記画像形成対象に関する異なる情報を提供する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記検出ステップは、前記１以上の検出位置の各々に、光ファイバの束を配置する工程を含んでおり、前記束を構成する各ファイバは、前記複数の波長のうちの１つに対して設けられている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記検出ステップは、カメラに重なる前面プレート帯域通過フィルタを配置するとともに、検出用の前記光ファイバのうち、同じ波長に対して設けられたファイバグループを、前記フィルタ上にまとめて配置する工程を含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記カメラはピコ秒分解度ＣＣＤカメラであり、前記ＴＰＳＦイメージングは時間領域において行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記イメージングは医療用イメージングである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記イメージングは医療用イメージングであり、前記異なる情報は相補的に生理学的情報を提供する、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記入射ステップは、前記複数の波長のうちの各波長について前記光を異なる入射位置に同時に入射させる工程を含んでおり、前記検出位置のうちのいくつかに到達した入射光は、前記複数の波長のうち１より多くの波長を有する光である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の波長が、前記画像形成対象に関する同一情報を提供することにより、当該方法は、画像形成領域に関するデータの獲得が相対的に速くなっている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ＴＰＳＦ光学イメージング装置であって、
複数の波長で光を提供する少なくとも１つの光源と、
１以上の入射位置において前記光を画像形成対象に入射するために、前記少なくとも１つの光源に連結された少なくとも１つの入射ポートと、
前記画像形成対象内における拡散の後に前記光を集光する少なくとも１つの検出ポートと、
前記複数の波長を分離するために前記少なくとも１つの検出ポートに連結された波長選択装置と、
前記選択装置によって分離された前記複数の波長を検出するカメラと、
を具備している、ＴＰＳＦ光学イメージング装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの光源は、調節可能な複数のレーザを含んでいる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの光源は、複数の前記入射ポートのうちの１つに光学スイッチを使用して選択的に連結される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記１つ以上の検出位置に配置された複数の光学ファイバの束をさらに具備しており、この束の各ファイバは、前記複数の波長のうちの１つに対応している、請求項１４の光学画像装置。
【請求項１８】
前記カメラは複数の前記ファイバからの光を個別に検出できる表面領域を含み、前記波長選択装置は表面プレート帯域通過フィルタを含み、前記ファイバは同じ波長に対するグル毎にまとめられた状態で前記フィルタ上に配置される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記カメラはピコ秒解像度ＣＣＤカメラであり、前記ＴＰＳＦイメージングは時間領域において行われる、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間点像分布関数（ＴＰＳＦ）に基づくイメージング技術に関する。これによれば人体組織などのように光を拡散する物体の画像を形成することができるが、その際に、当該物体に入射した光の拡散を複数箇所で検出して得られる信号が利用され、また、散乱および吸収などの単純減衰の影響を排した情報を得るためのＴＰＳＦデータ（TPSF-based data）が収集される。より具体的には、本発明は、画像獲得時間の短縮および高品質画像情報の提供が可能な同時マルチ波長方式によるＴＰＳＦイメージング方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間領域における医療用光学画像処理は、胸部組織、脳及び他の体の部分の画像形成技術として大いに有望視されている。その要点は、組織内で拡散する入射光パルスの時間点像分布関数（ＴＰＳＦ）の少なくとも一部を分析することにあり、ＴＰＳＦから得られた情報は、医学的に有用な画像形成に利用される。
【０００３】
ＴＰＳＦを得ることができる基礎技術として、時間領域および周波数領域に関する２つの技術が知られている。時間領域方式では、高強度でかつ短いパルスを入射し、拡散光の検出は入射パルスよりも長い時間フレームで行われ、高速検出器は必要とされない。周波数領域方式では、光の振幅はｋＨｚのオーダから約０．５ＧＨｚまでの周波数帯域内で変調される。変調入射光は、実質的に連続的であり、検出器が収集する情報は、光の振幅と位相差である。このため、必要とされる光強度は相対的に低く、高強度かつ短い入射パルスの発生や高速検出は必要ではない。データの獲得には、所定のダイナミックレンジ内における非常に多くの変調周波数に対して、振幅および位相シフトの２つのパラメータを記録する必要がある。ＴＰＳＦは逆フーリエ変換によって計算することが可能であるが、画像形成は通常、周波数領域データを利用して行われる。
【０００４】
人間の胸部組織の画像を光学的手法によって形成する際に、胸部は、光学ヘッドの固定プレートによって固定される。入射光は有害ではないが、長時間におよぶ画像撮影は、患者にとって不快である。特に女性の胸部撮影の場合には、複数の保持部材あるいは保持プレートの間に胸部が固定されたうえ、浴槽に浸かったり、あるいは袋詰めされたカップリング媒体によって胸部を覆われたりするのでなおさらである。光学イメージングは、相対的に安全でかつ有用な医療技術となる可能性があるが、撮像時間が長いこと、およびそのために患者が不快な思いをすることが、他よりも競争力のある優れた技術となるうえでの障害となっている。
【０００５】
当該技術分野における最良の画像品質を提供するという目標を維持し続けるためには、画像獲得時間の短縮が必要となる。高品質の医療画像を構成するのに必要とされる時間によって、画像機器の費用効果が定まる。すなわち、画像形成時間の短縮が、処理量の増加につながる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、生画像データの有効獲得量及び品質を損なうことなく画像の獲得時間を短縮しうるＴＰＳＦイメージング方法及びそのための装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の別の課題は、不透明な媒体のイメージングから得られる情報を、マルチ波長方式によるＴＰＳＦデータを収集することで改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一般的な側面によれば、上記課題は、相互に区別しうる複数の波長を同時に使用し、複数のＴＰＳＦ画像データポイントを同時に獲得することによって達成される。好ましくは、異なる複数の入射‐検出位置を同時に使用することにより、これら異なる入射‐検出位置に対して、複数の画像データポイントを同時に収集する。これにより、画像対象領域をより迅速にカバーすることができる。また、好ましくは、複数の波長は、画像形成対象物に関する相補的な情報を提供する。
【０００９】
本発明により提供されるＴＰＳＦ光学イメージング方法は、１つ以上の入射位置において画像形成対象に複数の波長で光を入射する入射ステップと、各波長に対する個別のＴＰＳＦデータを得るべく、前記画像形成対象内において拡散した後における前記光を、前記複数の波長に対して同時に、１以上の検出位置で検出する検出ステップと、を含む。
【００１０】
また、本発明により提供されるＴＰＳＦ光学イメージング装置は、複数の波長で光を供給する少なくとも１つの光源と、1以上の入射位置において画像形成対象物に前記光を入射するために前記少なくとも１つの光源に連結された複数の入射ポートおよび導光体と、複数の検出ポートおよび導光体と、前記複数の波長を分離するために前記複数の検出ポートおよび導光体に連結された波長選択装置と、この選択装置によって分離された前記複数の波長を検出するカメラと、を具備している。
【００１１】
本発明は、以下において添付図面を参照しつつ行う好適な実施例の詳細な説明によってさらに明確となろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、好適な実施例において、時間領域における医療用光学イメージングに適用されているが、周波数領域における光学イメージングにも適用可能であることは、当業者には明らかであろう。入射パルスは、各波長について同時に入射されることが好ましい。しかしながら、イメージングが「同時」であるためには、必ずしもパルスの入射が同時である必要はない。すなわち、一の波長のパルスを入射し、これを選択された検出器で検出することにより得られるＴＰＳＦの獲得のために設定された時間窓が、その他の波長との間でオーバーラップしていればよい。本実施例においては、後述するように、検出器の時間解像度を考慮することが重要である。
【００１３】
図１に示されているように、パルス光源１０は出力部を有しており（実際には後述のように、複数の異なる波長ごとに対応した複数のレーザ光源出力部を有している）、この出力部は、スイッチ１１を介して複数の導波手段１２のうちの１つに光学的に連結され、さらには、保持部１４の複数の入射ポートに連結されている。好ましくは、各波長に対して、複数の入射ポートを、撮影領域上における異なる位置に固定する。しかしながら、身体１６が固定されている場合には、単一の入射ポートを身体上で移動させるように構成してもよい。周知のように、入射ポートおよび検出部は体に直接接触させてもよいし、体と入射／検出ポートの間にカップリング媒体を設けてもよい。図１では、検出ポートおよび保持部１８は、胸部イメージングのための透過モード用の構成となっているが、検出ポート出部および入射ポートを患者の体の同じ側面に配置することも可能である。この場合には、イメージングは、体組織によって反射された拡散パルスのＴＰＳＦを測定することによって行われる。
【００１４】
好ましくは、入射光は、１〜１００ピコ秒のパルス幅と１００ｍＷの平均出力を有するパルスである。また、レーザ光源１０は、波長がそれぞれ７６０ｎｍ、７８０ｎｍ、８３０ｎｍ、８５０ｎｍであるレーザ光源を４つ有していることが好ましい。これらの異なる波長によって、胸部組織の生理学的画像を形成するために必要な相補的情報が得られる。図２に示されているように、上記４つの波長に対応する各レーザ光源１０ａ〜１０ｄの出力部は、それぞれファイバ１２ａ〜１２ｄに連結されている。好ましくは、これらのファイバは、マルチモードファイバであり、例えば２００／２４０ミクロンのグレーデッドインデックス（graded index）マルチモードファイバである。
【００１５】
図２では簡易化のため４つの入射位置と４つの検出位置を示しているが、典型的には約１０の入射位置に対して、最大で約５０の検出位置が設定される。図２に示すように、４つの光源からの光は、好ましくは同一のポイントに入射され、さらに、カプラ１２ｅを用いて同一のファイバ１２ｆへ伝送される。あるいは、ファイバ１２ａ〜１２ｄを束として保持部１４内の同一の部位へ連結してもよい。４つの波長を同一のファイバ１２ｆへ多重送信することによって、画像処理装置３０のプログラム内における異なる入射位置を考慮することなく、従来の単一波長用保持部１４を使用することができる。もちろん、それぞれの波長ごとに固有の入射位置を設けてもよいが、保持位置の数を減らすとともに、任意の選択された波長について同じ数の入射位置を確保するには、それぞれの入射／検出箇所において、単一のファイバまたは複数のファイバを束にしたものに多重信号を送信することが好ましい。
【００１６】
図２では単一のファイバ（あるいは束）１２ｆが示されているが、好ましくはこのようなファイバを１０ヶ所の入射位置に対して１０本設ける。ファイバスイッチ１１は、例えば従来から用いられている１×３２JDS Uniphase社製スイッチ（1 by 32 JDS Uniphase switch）であり、これによって、各レーザ光源１０からの光を所望の入射ポート位置へ切り換えることができる。
【００１７】
検出された光学信号は、４００／４４０ミクロンのグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバである導波手段２０を介して、スペクトルチャンネル分離器２２に伝送されるが、同分離器は本実施例では一連のフィルタとして構成されている。図３及び４に示されているように、これらフィルタは、検出器２６の前面プレート２４上に帯域通過フィルタコーティング２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄを施したものである。各検出ファイバ２４は、本実施例ではスイッチを介さずに直接検出器２６に連結されている。図１に示すように、分離器２２がファイバ２０から来た光を導光体２４へ切替及び／又は分離することも可能であるが、図３及び４に示す実施例では、ファイバ２０をコリメートファイバホルダあるいはポジショナ２１内に取り付けることによって、各ファイバ２０からの光をフィルタ２２へ入射させ、その後検出器２６へ伝送している。上記のコリメートホルダはコリメータマイクロレンズを有しており、ファイバ２０のコアから出た光を小さいスポットサイズで検出面に伝送する構成とされている。本実施例では、５０ヶ所の検出ポート１８、および２００本のファイバ２０が設けられている。すなわち、５０本のファイバからなるアレイ（array）が検出器２６の前面プレート２４上の四分円又は領域にそれぞれ配置される。スペクトル分離は、フィルタやコーティングを使用する代わりに、光学分光計や、アレイ導波路回折格子などの回折格子などによって行ってもよい。各波長に対して、入射位置及び検出位置は同一とすることが好ましいが、各波長に対する複数の導光体の個別位置は、適宜設定することができる。例えば検出ポートが、２００箇所のファイバを保持するように構成してもよい。
【００１８】
波長ごとに分離された信号は、例えばLaVision製のPicoStarカメラのような高感度ゲートＣＣＤカメラによって、すべて同時に検出される。カメラ２６は、各検出ポート１８からの光を所望の各波長においてピコ秒単位の解像度で検出する。入射パルスは、体組織を通過する際の拡散によって、数ピコ秒から数ナノ秒までばらつきうる。
【００１９】
多数のパルスが入射されたのち、これらに対応する撮影信号（camera signals）が画像コンピュータ３０によって処理されることにより、特定の波長と特定の入射ポート及び検出ポートの組み合わせに対応する１つの時間点像分布関数、すなわちデータポイントが決定される。定められた一の入射位置に対して、検出信号の信号対雑音比が良好な複数の検出位置においてＴＰＳＦが測定される。このようなデータポイントが、波長およびポート位置の多くの組み合わせに対して収集されることにより、体組織の画像を形成するのに十分な量の「生」データが得られる。得られた画像は、ディスプレイ３２に表示するとともにプリンタ３４で印刷することができる。
【００２０】
単一の入射位置に対して異なる検出位置を同時に使用することによって、軸外情報（off-axis information）が使用可能となる。この場合、画像処理は、軸外情報に関する配置（geometry）を考慮するように構成される。しかしながら、軸上情報と軸外情報を組み合わせる方がより正確であり、より優れた解像度及び／又は画像ロバスト性を以ってより迅速に画像形成を行うことができる。
【００２１】
画像コンピュータ３０はまた、レーザ光源１０に信号を送ることにより、所望の波長を選択するとともに、その波長信号を所望の出力ファイバ１２へ切り替える。コンピュータ３０はこのように、すべての所望の波長および位置の組み合わせに対して処理を行うことにより、所望の画像を構成する。レーザ光源１０は、カメラ２６を各パルスに同期させる。また、レーザ光源１０は複数の固定波長光源を有していてもよいし、あるいは単一の広帯域光源を有していてもよい。
【００２２】
周波数領域における光学イメージングの場合、レーザ光源１０は所望の周波数に変調され、出力を所望のファイバ１２に切り替えられるように制御される。この場合、画像コンピュータ３０は、検出光の振幅と位相シフトが正確に記録されている多くの変調周波数を掃引する必要がある。単一データポイントに対するＴＰＳＦは、記録された振幅と位相シフトのデータセットから計算することができるが、通常、周波数領域データをそのまま使用して画像を再構築する。
【００２３】
本発明において、個別に検出されうる複数の波長について説明した。この個別の波長は、単色光あるいは広帯域光源から発生させて、所望のものを直接得ることができる。その一方で、第１の基本波長を別のレファレンス波長と重ね合わせることにより、複数波長のビーティング（beating）を発生させることも可能である。これを利用することにより、基本波長を調整し、複数の波長のうちの所望の波長を発生させることができる。これは、本発明において光を入射するもうひとつの方法でもある。第１及び第２の波長に対して光源が２つのパートを有している場合には、そのうちの１つのみを制御又は律動させて、所望の入射を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】レーザ光源、入射及び検出ポート装置、マルチ波長検出器、検出信号処理装置、及び画像形成コンピュータを含む、好適な実施例に基づく画像形成システムの構成要素を示す概略図である。
【図２】好適な実施例に基づく画像形成システムの光学的概略図であり、検出ポートと検出器との間に設けられた複数の導波路、および、多重送信式マルチ波長光源の配置が示されている。
【図３】コリメートファイバホルダを介して検出器に連結された検出ファイバを示す側面図である。
【図４】４つの等分割領域を有する検出器の前面プレートを示す平面図であり、各領域には異なる波長を選択するフィルタコーティングが施されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004536304.tif 000013
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【国際調査報告】
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