(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって混濁媒体を照射する放射線源と、前記混濁媒体からの放射線の検出に応じて光検出器信号を生成する光検出器とを有し、前記第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、前記第１及び第２の波長の放射成分の前記振幅変調は所定の位相差を有し、夫々の前記放射成分の前記振幅変調の変調深さは、前記第１及び第２波長の放射成分についての前記混濁媒体の吸収及び／又は前記第１及び第２波長の放射成分についての前記光検出器の感度に対応して調節可能であり、不均質性は前記光検出器信号の交流成分に基づいて検出される、混濁媒体中の対象を検出するシステム。
【請求項２】
前記所定の位相差は略１８０°に等しい、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記光検出器は第１及び第２の波長を含む感度波長範囲を有する請求項１又は２記載のシステム。
【請求項４】
前記振幅変調は略方形波変調である、請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記光検出器は放射線受信部を有し、前記システムは、前記混濁媒体を圧縮する圧縮機構と、前記混濁媒体に対して放射線放出面を移動する変移装置と、前記放射線放出面の反対側に配置された光検出器の放射線受信部とからなる、請求項１乃至４のうちいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記放射線源から前記混濁媒体へ放射線を案内するよう配置された線源ファイバと、前記混濁媒体の夫々の位置から前記光検出器へ放射線を案内するよう配置された複数の検出器ファイバとからなる、請求項１乃至４のうちいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記光検出器は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）である請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記光検出器は振幅変調と同期して作動するよう配置された読み出し回路からなる、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
前記読み出し回路は減算ユニットからなる請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
光検出器を有し、混濁媒体中の対象を検出するシステムによる検出方法であって、
第１及び第２の波長を夫々有する放射成分を発生する段階と、
前記第１及び第２の波長の放射成分を略等しい変調周波数で振幅変調する段階と、
振幅変調された前記第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調に所定の位相差を与える段階と、
前記第１及び第２の波長の放射成分についての混濁媒体の吸収及び／又は前記第１及び第２の波長の放射成分に対する前記光検出器の感度に対応して、混濁媒体照射用の前記第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調の変調深さを調節する段階と、
光検出器信号を生成することにより前記混濁媒体からの放射線を検出し、前記光検出器信号の交流成分に基づいて前記混濁媒体中の不均質性を検出する段階と、
を有する検出方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、混濁媒体中の対象を局部化するシステムに関する。本発明はまた、混濁媒体中の対象を局部化する方法に関する。
そのようなシステムは、人間又は動物の組織を撮像するために有利に使用される。特に乳房造影の分野では、混濁媒体中の対象の検出は、女性の乳房の中の腫瘍を検出するために使用される。
そのようなシステムは、１９９３年のProceedings of the National Academy of Science USA第９０巻３４２３乃至３４２７頁のB. Chance他による論文「Highly sensitive object location in tissue models with linear in-phase and anti-phase multi-element optical arrays in one and two dimensions」によって知られている。
既知のシステムは、略同じ波長を放出する空間的に離間した光源からなる。光源は、本質的に同じ周波数及び約１８０°の位相差で振幅変調される。既知のシステムが均質な媒体を照射するとき、振幅変調は２つの源の離間の垂直２等分線に沿って打ち消しあう。混濁媒体中の対象といった異質物は、垂直２等分線に沿った振幅変調の打ち消しからの偏向を起こし、従って垂直２等分線上で光検出器装置によって信号が検出される。しかしながら、既知のシステムは対象の構成に関係する情報を提供しない。従って、既知のシステムは、例えば悪性の癌性腫瘍と良性の腫瘍とを識別することができない。
本発明は、対象の構成に対して実質的に感度のある混濁媒体中の対象を検出する方法を提供することを目的とする。
この目的は、第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって混濁媒体を照射する放射線源と、混濁媒体から放射線を検出するよう配置された光検出器とからなり、第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調は所定の位相差を有する、本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムによって達成される。
放射線源は混濁媒体を照射し、混濁媒体の少なくとも一部分を通過した放射線は光検出器によって検出される。混濁媒体が均質であるとき、振幅変調は所定の方法で光検出器において重なり合う。その重ね合わせは、所定の光検出器信号によって表される。特に、振幅変調の重ね合わせは、混濁媒体による第１及び第２の波長の放射成分の吸収と、放射成分の入射位置と光検出器との間の距離とによって予め決定される。対象は所定の重ね合わせからの偏向を生じさせ、続いて生ずる実際の光検出器信号の所定の光検出器信号からの偏向は、対象の情報を含む。特に、重ね合わせの偏向は、混濁媒体と対象との波長に対する吸収の依存度の差によって生ずる。例えば、女性の乳房の中の癌性腫瘍は、健康な乳房組織と比較して波長の関数として異なる吸収性質を有する。
実際の光検出器信号の所定の光検出器信号からの偏向は、対象の位置及び構成の少なくとも幾らかの面の両方を表わす。偏向は、対象の少なくとも幾らかの面を表わす、対象に関係する分光情報からなる。振幅変調の重ね合わせの偏向は、放射成分によって通過される混濁媒体の中の領域の略全体に亘って生じる。従って、本発明によるシステムは、非常に小さな対象及び／又は周囲の混濁媒体とほとんど相違のない対象、例えば周囲の健康な組織とはわずかに異なる非常に小さな腫瘍を検出することが可能である。
均質な混濁媒体に関係する所定の光検出器信号と、混濁媒体中の対象に関係する実際の光検出器信号との間に有意義な差が生ずるためには、光検出器は第１及び第２の波長の両方に対して実質的に感度を有さねばならない。放射成分の夫々が６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の波長を有し、即ち赤外線又は可視光線が使用されることが望ましい。この範囲の波長は非電離であり、従来知られている限りでは健康な組織に対してほとんど、又は全く損傷を生じさせない。更に、この範囲では、対象の検出及び局部化を可能にするために適切な空間解像度を達成するよう放射線の散乱は充分に弱く散乱され、検出器信号が適切な信号対雑音比を有するために、放射成分の実質的な強度が光検出器に達することを可能にするよう吸収は充分に低い。
本発明の更なる望ましい実施例では、所定の位相差は略１８０°に等しい。
第１及び第２の波長の放射成分は逆相で振幅変調される。両方の放射成分は混濁媒体の同じ位置に入射される。第１及び第２の波長における吸収率及び散乱が略同じである均質混濁媒体では、夫々の放射成分の振幅変調は混濁媒体の全ての位置において相互に打ち消し合う。従って、混濁媒体中に対象が存在しなければ、所定の光検出器信号は実質的に直流成分のみからなる。混濁媒体中に対象といった異質物があるとき、振幅変調は完全には打ち消されず、実際の光検出器信号は振幅変調の周波数を有する交流成分からなる。交流成分を測定することはかなり簡単である。更に、均質な混濁媒体の所定の光検出器信号は直流信号であるため、所定の光検出器信号を実際に形成する必要はない。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は第１及び第２の波長を含む感度波長範囲を有する。
第１及び第２の波長の放射成分を検出するための別々の検出器部分からなる光検出器が使用されうるが、第１及び第２の波長の両方を含むために十分広い感度帯域幅を有する感光性素子を有する光検出器が使用されることが望ましい。そのような高帯域光検出器では、容易に混濁媒体中の同じ位置から両方の放射成分を検出することができる。従って、光検出器によって異なる位置から混濁媒体を離れる放射成分が検出され、それにより対象に関連しない誤った交流信号が発生されることが避けられる。更に、放射成分が第１及び第２の夫々の波長の周辺の帯域の中の波長を含む場合に、高帯域光検出器の使用が適当である。これは、高帯域光検出器が使用されるとき、混濁媒体からほとんど放射線が失われず、従って混濁媒体とほとんど相違のない小さな対象に対するシステムの感度を増強する。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、振幅変調は略方形波変調である。
これは、１つの放射成分を連続的に供給する一方で他の放射成分を遮断することに対応する。これは、夫々の放射成分を発生するために別々の線源を設けることによって最も簡単に達成される。その場合、１つの線源をターンオンと共に他の線源をターンオフすることによって、１８０°の位相差を有する方形波変調が達成される。
本発明は、対象の構成に対しても感度のある、混濁媒体中の対象を検出し、局部化するシステムを提供することを更なる目的とする。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は放射線受信部分を有し、システムは、混濁媒体を圧縮する圧縮機構と、混濁媒体に対して放射線放出面を移動する変移装置と、放射線放出面の反対側に配置された検出器の放射線受信部分とからなる。
放射線源によって発生した放射線は、混濁媒体を照射するためその放射線放出面から離れる。混濁媒体を少なくとも部分的に通過した放射線は光検出器の受信部によって受信される。圧縮装置は、混濁媒体を略スラブ形状に配置する。混濁媒体、即ち女性の乳房は放射線源の放射線放出面を混濁媒体に対して移動させることによって走査される。このように、混濁媒体は混濁媒体の表面の少なくとも一部分上で連続的な位置から照射される。混濁媒体の走査の間、放射線受信部と放射線放出面との間の距離が略一定に維持されるように単一の受信部が放射線放出面と共に移動されるか、又は放射線放出面と作動中の受信部との間の距離が略一定であり、走査の間に連続する受信部が作動されるよう、複数の放射線受信面が使用されうる。従って、走査の間に、放射線が混濁媒体の中を通過する路の長さは、正確に一定に維持されることが達成される。従って、混濁媒体自体の吸収率の波長に対する依存によって生ずる光検出器における第１及び第２の放射線成分の振幅の間の差は、有意義に避けられる。連続的な光検出器信号は、対象の位置及び構成の情報を含む。夫々の放射成分の振幅変調の深さは、混濁媒体中の第１及び第２の波長の放射成分の吸収に対応して調節されることが望ましい。均質な混濁媒体に対して、所定の光検出器信号は略直流成分のみを含むことを達成するために、夫々の放射成分の振幅変調の深さは第１及び第２の波長に対する光検出器の感度に対応して調節され、即ち光検出器が第１の波長に対して第２の波長よりも感度が低ければ、第１の波長の放射成分の変調の深さは、第２の波長の放射成分の変調の深さよりも大きくされる。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例は、放射線源から混濁媒体へ放射線を案内するよう配置された線源ファイバと、混濁媒体の夫々の位置から光検出器へ放射線を案内するよう配置された複数の検出器ファイバとからなる。
線源ファイバは両方の放射成分を混濁媒体の中へ送信する。夫々の検出器ファイバは混濁媒体の周囲の別々の位置から放射線を収集する。従って、光検出器は混濁媒体の中の別々の路を通過した放射線を受信する。従って、実際の光検出器信号は混濁媒体中の対象の空間及び分光情報を含む。対象の位置及び／又は構造を表わす画像信号を形成するよう、実際の光検出器信号は適当に処理される。別々の検出器信号からの信号は、画像信号を発生するために並行に処理されうる。画像信号は、例えばモニタ上又はハードコピー上といった画像の中に、対象及び／又は混濁媒体中の対象の位置及び構成を再生するために使用されうる。
単一の線源ファイバ及び多数の検出器ファイバの代わりに、多数の線源ファイバ及び単一の検出器ファイバを使用することも可能である。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）である。
検出器ファイバは、フォトダイオード又はＣＣＤセンサの別々の感光性素子に結合され、それにより夫々の感光性素子は混濁媒体の様々な位置から放射線を受信する。感光性素子は、（赤外線）光線といった入射放射線を電荷に変換する。ＣＣＤセンサが使用されているとき、これらの電荷をバケットブリゲード式に読み出しレジスタへ転送することによって、電荷は簡単に読み出される。読み出された電荷から、実際の光検出器信号が導かれる。光検出器信号の信号対雑音比は、熱励起によって放出される電荷を減少させるよう、光センサ又はＣＣＤセンサの配列を冷却することによって改善される。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、光検出器は振幅変調と同時に作動するよう配置された読み出し回路からなる。
光検出器は第１及び第２の波長を有する夫々の放射成分に対応する連続的な光検出器信号を供給する。これらの連続的な信号の間の差は、対象に関連する分光情報を含む。
本発明によるシステムの更なる望ましい実施例では、読み出し回路は減算ユニットからなる。
読み出し回路は、混濁媒体からの夫々の放射成分に対応する電荷を出力する。これらの電荷から、夫々の放射成分に対応する夫々の光検出器信号が導かれる。減算ユニットは、信号レベルが連続的な光検出器信号の信号レベルの間の差に等しい画像信号を形成するよう配置されている。画像信号は、混濁媒体中の対象の位置を表わす。
本発明は、対象の構成に対して略感度のある、混濁媒体中の対象を検出する方法を提供することを他の目的とする。
本発明によれば、混濁媒体中の対象を検出する方法は、媒体は第１及び第２の波長を夫々有する放射成分によって照射され、第１及び第２の波長の放射成分は略等しい変調周波数で振幅変調され、第１及び第２の波長の放射成分の振幅変調は所定の位相差を有し、混濁媒体からの放射線は検出される。
この方法は、検出のため、及び良い感度で混濁媒体中の対象の構成の少なくとも一部分を導くために提供されている。即ち、本発明による方法は、検出及び／又は局部化される対象の分光情報を提供する。周囲の混濁媒体とほとんど相違のない小さな対象でさえ、正確に局部化される。
特に、本発明による方法は、適当な薬理学的トレーサ材料又は構成の分布を検出するために有利に使用されうる。適当に選択されたトレーサは優位に悪性の組織の中に集中し、そのようなトレーサは第１又は第２の波長のいずれかでその吸収率が明らかに周囲の健康な組織の吸収率と異なるように選択されうる。
本発明の上述及び他の面は、添付の図面を参照して、以下説明される実施例を参照して説明されよう。
図中、
図１は本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第１の実施例からなる乳房造影装置を系統的に示す図であり、
図２は本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第２の実施例からなる乳房造影装置を系統的に示す図である。
図１は、本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムからなる乳房造影装置を系統的に示す。そのような乳房造影装置は、女性の乳房の組織内の異質物を検出することを目的とする。そのような異質物は例えば、悪性腫瘍の周囲に形成される微小血管化、即ち小さな血管の集中、又は腫瘍自体でありうる。特に本発明による方法は、癌腫が病理学的に早期に発見されるよう、病巣が非常に小さい場合にそのような病巣を検出し、局部化し、しかし検査されるべき女性がＸ線といった電離放射線の危険に晒されることがないことを目的とする。
線源ファイバ５及び検出器ファイバ７は女性の乳房の周囲１５に沿って配置される。２つの異なる波長の放射線は、実際には混濁媒体２である乳房組織の中へ放射される。散乱により、夫々の検出器ファイバ７は略バナナ型の領域１６から光線を受信する。６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の波長では、乳房組織内の吸収は実質的な強度が検出器ファイバに達するために十分低く、乳房組織内の放射線の散乱は対象の検出のための適切な空間解像度を達成するために十分低いため、この範囲の波長を有する放射線が適切である。実質的に１μｍよりも大きい波長を有する赤外線放射が使用されれば、水による吸収は光検光器において不十分な赤外線放射強度を生じさせる。６００ｎｍ（オレンジ）よりも短い波長を有する光線は乳房組織内で非常に強く散乱されるため、空間解像度は対象を検出するには不十分となる。特に望ましい結果は７８０ｎｍ乃至９４０ｎｍの波の波長を有する放射線によって達成される。更に、６００ｎｍ乃至１μｍの範囲の赤外線放射は半導体注入レーザを使用することによって簡単に得られる。
別々の検出器ファイバ７によって受信される放射線は、実際はＣＣＤセンサである光検出器４に供給される。検出器ファイバ７からの放射線は、ＣＣＤセンサの感光性素子の中で電荷に変換される。電荷は、実際は読み出しレジスタである読み出し回路８によって増幅器２０へ読み出される。増幅器２０は読み出された電荷から光検出器信号を導き、光検出器信号を信号処理ユニット９へ供給する。光検出器信号は対象１の位置及び構成の情報を含む。光検出器信号は信号処理ユニットによって画像信号に変換される。特に画像信号は電子ビデオ信号として形成される。電子ビデオ信号は、乳房組織の混濁媒体中の対象１に関連する情報が目に見える形で表示されるモニタ２１へ供給される。電子ビデオ信号はまた、更なる処理の前に記憶されるバッファユニット２２へ供給されうる。
放射線源３は、２つの別々の半導体注入レーザ３１及び３２が結合されるファイバ結合器３０からなる。これらのレーザ３１，３２からの出力光線は光学ファイバ３３，３４によってファイバ結合器へ供給される。別々の半導体注入レーザは、７８０ｎｍ乃至９４０ｎｍの範囲の異なる波長の赤外線光線を放出する。注入電流は電流源３５，３６によって供給され、半導体レーザの出力の振幅変調を達成するため、別々の半導体レーザを通る注入電流は変調器３７によって振幅変調される。ファイバ結合器３０は、半導体注入レーザからの異なる波長の赤外線光線を、夫々第１及び第２の波長を有する２つの放射成分を有する赤外線光線へ組み合わせる。ファイバ結合器３０からの出力光線は、女性の乳房へ異なる波長の放射成分を有する光線を供給する線源ファイバ５の中へ案内する。
変調器が別々のレーザを通る夫々の注入電流を交番にスイッチオン及びスイッチオフすることにより、簡単な振幅変調が達成され；実際には両方のレーザの出力は方形波振幅変調で逆相で振幅変調される。この動作モードでは、ＣＣＤセンサは女性の乳房から交互に第１及び第２の波長の別々の放射成分を連続的に受信する。読み出しレジスタ８は、連続的な放射成分によって形成される電荷の組が交互に読み出されるよう、変調器３７に結合される。このように、読み出しレジスタ８は振幅変調と同期される。増幅器２０は別々の放射成分に関する連続的な光検出器信号を形成する。信号処理ユニット９は、連続的な光検出器信号の最初の光検出器信号から得られた第１の画像信号が一時的に記憶されるバッファユニットからなる。信号処理ユニットはまた、第１の画像信号から、次の光検出器信号から得られた第２の画像信号を減算するよう配置された減算器ユニットからなる。乳房組織内の１つ以上の対象の位置の情報と共に分光情報を含む画像信号を形成するよう、第２及び第１の画像信号の間の差は、別々の放射成分に対応する画像信号である。
図２は、本発明による混濁媒体中の対象を検出するシステムの第２の実施例からなる乳房造影装置を系統的に示す。女性の乳房は圧縮装置を形成する２つのパースペックス板４０，４１の間で圧縮される。従って、乳房組織は約６ｃｍの厚さを有するスラブ形状の中に配置される。例えば、女性の乳房は中外側又は頭尾方向に圧縮される。その一方の端が放射線源の放射線放出面を形成する線源ファイバは、パースペックス板を通して乳房組織内へ第１及び第２の放射成分を放出する。光検出器の放射線受信部を形成する検出器ファイバ７は、線源ファイバ５の反対側に０．５μｍの中に正確に配置される。検出器ファイバ７及び線源ファイバ５の両方は、本実施例では検出器及び線源ファイバを共に夫々のパースペックス板４０，４１に平行に走査することによって、女性の乳房に関して変移可能である。そのため検出器ファイバ７は線源ファイバ５を光検出器４に結合する柔軟なファイバ部４２からなり、線源ファイバはファイバ結合器３０からの光線を線源ファイバ５へ供給する柔軟なファイバ部４３からなる。線源及び検出器ファイバは、ステッピングモータ４４，４５といった夫々の駆動手段に機械的に結合される。機械的なカップリングは例えば線源及び検出器ファイバが夫々設けられるロッド４６，４７である。ロッドはステッピングモータによって可動である。ステッピングモータ４４，４５は、線源及び検出器ファイバが正確に相互に反対に配置されるような方法で、線源及び検出器ファイバを共に移動させるよう配置された制御ユニット４８によって制御される。
線源及び検出器ファイバの連続的な位置に関係する光検出器信号は、夫々のアドレスにおいてメモリユニット４９に記憶される。そのため制御ユニット４８はメモリユニット４９に対して、線源及び検出器ファイバの位置に関するアドレッシング信号を供給する。連続する光検出器信号は、混濁媒体２の中の対象１の位置及び構成の情報を表わす画像信号を得る画像処理ユニット９に供給される。画像信号によって搬送される情報は、モニタ２１上に表示される及び／又は画像信号は更なる処理の前にバッファユニット２２の中に一時的に記憶される。
本は乳房写真システムを例に説明されたが、当業者によって本発明はまた人間又は動物の体の他の部分の検査に対して有利に使用されうることが明らかであろう。
【図１】
0004090502.tif 000002
【図２】
0004090502.tif 000003