(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、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受光する段階；及び
前記情報解析装置が、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含む情報を解析する段階であって、前記顕微鏡的運動がブラウン運動である段階。
【請求項２】
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に記載の方法。
【請求項３】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、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受光する段階；
前記情報解析装置が、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含む情報を解析する段階；及び
前記情報解析装置が、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。
【請求項４】
コヒーレント光がレーザー光を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
検出装置が、前記装置によって組織から光の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1〜4のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
検出装置が、前記装置によって組織から光の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1〜5のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
解析段階が以下の段階を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の方法：
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８】
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もしくは最大相互相関のうちの少なくとも1つを評価する段階を含む、請求項7記載の方法。
【請求項９】
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8記載の方法。
【請求項１０】
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1〜9のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
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1〜10のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
光を発生する段階が、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10記載の方法。
【請求項１３】
巨視的運動を補償する段階が以下のうちの少なくとも1つを含む、請求項3記載の方法：
(i) 前記装置が、心拍動の拡張期中に受光段階を実施する段階、もしくは、
(ii) 前記装置が、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。
【請求項１４】
巨視的運動が患者の動き、もしくは蠕動運動のうちの少なくとも1つを含む、請求項3もしくは13記載の方法。
【請求項１５】
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、収集した光を検出装置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、前記装置が受容体を組織に連結する段階を含む、請求項3もしくは13のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
組織がアテローム斑を含む、請求項1〜15のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
アテローム斑内の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、破裂に対するアテローム斑の易損性を評価する段階を更に含む、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
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17記載の方法。
【請求項１９】
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18記載の方法。
【請求項２０】
キャップの厚みが以下の段階により評価される、請求項19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２１】
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20記載の方法。
【請求項２２】
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20記載の方法。
【請求項２３】
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19記載の方法。
【請求項２４】
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18記載の方法。
【請求項２５】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置、情報解析装置、および巨視的運動補償装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、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受光する段階；
前記情報解析装置が、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含む情報を解析する段階；及び
前記巨視的運動補償装置が、顕微鏡的運動を単離するために、組織の動き、もしくは変形に起因する巨視的運動を補償する段階。
【請求項２６】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置、データ収集装置、および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む方法：
前記電磁放射線発生装置が、インビボもしくは内部組織構造のうちの少なくとも1つである組織構造体を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、一連のスペックルパターンを形成するために、組織構造体から反射された光を受光する段階；
前記データ収集装置が、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
前記情報解析装置が、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に関連する情報を評価する段階。
【請求項２７】
空間的特徴の解析が、組織構造体の厚みを評価する段階を含む、請求項26記載の方法。
【請求項２８】
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27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）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２９】
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28記載の方法。
【請求項３０】
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28記載の方法。
【請求項３１】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含み、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前記情報解析装置が通知する作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、アテローム斑を含む組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、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受光する段階；及び
前記情報解析装置が、アテローム斑内の脂質プール内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含む情報を解析する段階；及び
前記情報解析装置が、顕微鏡的運動の量から、破裂に対するアテローム斑の易損性を評価する段階。
【請求項３２】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含み、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、斑が破裂する恐れがあると前記情報解析装置が通知する作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、アテローム斑を含む組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、組織から反射された光を受光して、一連のスペックルパターンを形成する段階；及び
前記情報解析装置が、アテローム斑内の脂質プール内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含む情報を解析する段階；及び
前記情報解析装置が、顕微鏡的運動の量から、破裂に対するアテローム斑の易損性を評価する段階。
【請求項３３】
組織構造体の厚みがスペックルパターンの中心からの距離の関数（(xo2 + yo2)1/2の関数）としてのτの変動を解析することにより評価される、請求項19記載の方法。
【請求項３４】
線維性キャップの厚みがスペックルパターンの中心からの距離の関数（(xo2 + yo2)1/2の関数）としてのτの変動を解析することにより評価される、請求項23記載の方法。
【請求項３５】
解析段階が三次元における組織の生体力学的特徴を測定する段階を含む、請求項1〜34のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
解析段階が組織のコラーゲン含量を決定する段階を含む、請求項1〜35のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
解析段階が組織内の脂質プールの粘度を決定する段階を含む、請求項1〜36のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
顕微鏡的運動がブラウン運動もしくは細胞の動きである、請求項1〜24のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置および情報解析装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、組織から反射された光を受光して、一連のスペックルパターンを形成する段階；
前記情報解析装置が、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含む情報を解析する段階であって、組織中もしくは組織のまわりに提供される血液が、少なくとも部分的に透明な溶液で少なくとも部分的に置換されている段階。
【請求項４０】
電磁放射線発生装置、電磁放射線検出装置、情報解析装置、および巨視的運動補償装置を備える、インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置の作動方法であって、以下の段階を含む作動方法：
前記電磁放射線発生装置が、組織を照らすためのコヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を発生する段階；
前記検出装置が、組織から反射された光を受光して、一連のスペックルパターンを形成する段階；
前記情報解析装置が、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含む情報を解析する段階；
前記巨視的運動補償装置が、顕微鏡的運動を単離するために、組織の動き、もしくは変形に起因する巨視的運動を補償する段階であって、組織中もしくは組織のまわりに提供される血液が、少なくとも部分的に透明な溶液で少なくとも部分的に置換されている段階。
【請求項４１】
インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置であって、以下を含む装置：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光のうちの少なくとも1つで組織を照らすように構成された第1の装置；
組織から反射された光を受光し、一連のスペックルパターンを形成するように構成された第2の装置；および
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ように構成されており、前記顕微鏡的運動がブラウン運動である第3の装置。
【請求項４２】
インビボもしくは内部組織のうちの少なくとも1つである組織を分析するための装置であって、以下を含む装置：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光のうちの少なくとも1つで組織を照らすように構成された第1の装置；
組織から反射された光を受光し、一連のスペックルパターンを形成するように構成された第2の装置；
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ように構成された第3の装置；および
顕微鏡的運動を単離するために、巨視的運動を補償するように構成された第4の計算装置。
【請求項４３】
組織のアテローム斑内の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し、顕微鏡的運動の量から破裂に対するアテローム斑の易損性を評価するように構成された第5の装置を更に含む、請求項41もしくは42のいずれかに記載の装置。
【請求項４４】
第3の装置が、以下のうちの少なくとも1つによって変化を分析することができる、請求項41もしくは42のいずれかに記載の装置：
(i) 組織の生体力学的性質を三次元で測定すること、
(ii) 組織のコラーゲン含量を決定すること、または、
(iii) 組織内の脂質プールの粘度を決定すること。
【請求項４５】
インビボもしくは内部組織構造体のうちの少なくとも1つである組織構造体を分析するための装置であって、以下を含む装置：
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光のうちの少なくとも1つで組織を照らすように構成された第1の装置；
組織から反射された光を受光し、一連のスペックルパターンを形成するように構成された第2の装置；および
組織構造体内もしくは構造体に隣接する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ように構成されており、前記顕微鏡的運動がブラウン運動である第3の装置；及び
組織構造体の構造的特徴または生体力学的特徴のうちの少なくとも1つを決定するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析することにより組織構造体を評価するように構成された第4の装置。
【請求項４６】
第4の装置が、スペックルパターンの中心からの距離の関数（(xo2 + yo2)1/2の関数）としてのτの変動を解析することにより組織構造体の厚みを評価するように構成されている、請求項45記載の装置。
【請求項４７】
インビボもしくは内部組織構造体のうちの少なくとも1つである組織構造体を分析するための装置であって、以下を含む装置： 
コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光のうちの少なくとも1つで組織を照らすように構成された第1の装置；
組織から反射された光を受光し、一連のスペックルパターンを形成するように構成された第2の装置；および
組織構造体内もしくは構造体に隣接する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ように構成された第3の装置；
組織構造体の構造的特徴または生体力学的特徴のうちの少なくとも1つを決定するために、スペックルパターンデータの空間的特徴を解析することにより組織構造体を評価するように構成された第4の装置；及び
顕微鏡的運動を単離するために、巨視的運動を補償するように構成された第5の計算装置。
【請求項４８】
第4の装置が、以下のうちの少なくとも1つによって変化を分析することができる、請求項47記載の装置：
(i) 組織の生体力学的性質を三次元で測定すること、
(ii) 組織のコラーゲン含量を決定すること、または、
(iii) 組織内の脂質プールの粘度を決定すること。
【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】
0004241038.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】
0004241038.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】
0004241038.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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