JP2002529713A

JP2002529713A - 高コントラストイメージングを提供するための方法および装置

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Publication number: JP2002529713A
Application number: JP2000580514A
Authority: JP
Inventors: エイ．クッククリストファー; エム．メイヤーズマーク
Original assignee: サイトメトリクスインコーポレイテッド
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2002-09-10
Also published as: CN1342054A; EP1126780A1; WO2000027276A1; US6650916B2; HK1045450A1; CA2349285A1; AU1810200A; WO2000027276A9; US6438396B1; US20020111546A1

Abstract

(57)【要約】非侵襲性様式で被験者の組織領域内部に仮想源を作成する照明システムを有する「生体内」イメージングデバイス。照明システムは、光源からの最大量の照明エネルギーを高コントラスト照明パターンに変換する。照明パターンは、表面下フィーチャの明快なイメージを得ることができる深さを最大にするように対象物平面に投射される。照明パターンの高強度部分は、イメージを検出するイメージキャプチャデバイスの視野外にある対象物平面に向けられる。この構成では、組織領域内部からの散乱光が、イメージされる対象物と相互作用する。この照明技法は、静脈構造、静脈内部の血流、腺構造など表面下現象の高コントラストイメージを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）（１．発明の分野）本発明は、イメージング分析に関する。より詳細には、本発明は、被験者の脈
管系の非侵襲性スペクトルイメージング分析を行うためにイメージングを使用す
ることに関する。

【０００２】（２．関連技術）最も広く受け入れられている血液試験および分析方法は、侵襲性技法および「
試験管内」技法を必要とする。例えば、白血球分類（ＣＢＣ＋Ｄｉｆｆ）試験を
含めた従来の全血球算定法は、静脈血液の試料を、針を通して患者から引き抜き
、実験室に提出して分析する「侵襲性」様式で行われる。あるいは、血液の血漿
成分中に存在する非細胞成分（例えば血液ガスやビリルビン）など他のタイプの
血液成分を測定する必要がしばしばある。最も一般的なビリルビン分析方法は、
「試験管内」プロセスによるものである。そのような「試験管内」プロセスでは
、血液試料は患者から侵襲的に引き抜かれる。生物的特徴を備えた要素（赤血球
やその他の細胞）を遠心分離し、残った流体を化学的に反応させて、分光光度法
により分析する。

【０００３】従来のＣＢＣ＋Ｄｉｆｆ試験やビリルビン分析などに関する侵襲性技法は、新
生児、高齢患者、火傷をしている患者、特別看護ユニット内の患者に対しては特
有の問題を提起する。したがって、様々な血液および脈管特性を迅速かつ非侵襲
的に定量測定することができるデバイスを利用することが望まれる。そのような
技法は、血液特性を突き止めるために静脈血液試料を引き抜く必要をなくする。
このタイプのデバイスはまた、実験室から得られる患者の評価の結果を待つ遅延
をなくする。このようなデバイスは、患者がより楽にしていられるという利点も
有する。

【０００４】粘膜や無色素皮膚などの軟組織は、可視光および近赤外光を吸収しない、すな
わちヘモグロビンが光を吸収するスペクトル領域で光を吸収しない。そのため、
スペクトル吸収によって、脈管分布（ｖａｓｃｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を周囲
軟組織背景から区別することができる。しかし、軟組織の表面が光を強く反射し
、かつ軟組織自体が、わずか１００ミクロンの浸透後に光を実際上散乱する。し
たがって、循環の「生体内」視覚化は、分解能が低いため困難であり、多重散乱
および表面からの正反射の補償に複雑さが伴うため一般的に非実用的である。そ
のようなイメージの分解能は、光の散乱により制限され、散乱を補償する計算は
複雑である。

【０００５】分光光度法は、１つまたは複数の波長での物体による電磁放射の吸収または減
衰に基づく分析を含む。この分析に使用される計器は分光光度計と呼ばれる。単
純な分光光度計は、例えば電球などの放射線源と、プリズムもしくは回折格子を
含むモノクロメータまたは色フィルタなどスペクトル選択手段と、例えば光電セ
ルなど、選択されたスペクトル領域で試料によって透過および／または反射され
る光の量を測定する１つまたは複数の検出器とを含む。

【０００６】固体や高吸収溶液などの不透明試料では、試料の表面から反射される放射線を
測定し、非吸収または白色試料から反射される放射線と比較することができる。
この反射強度が波長の関数としてプロットされる場合、それが反射スペクトルを
与える。反射スペクトルは、染色織物または塗色表面の色合せに一般的に使用さ
れる。しかし、その動的範囲が限られており、かつ不精密であるために、反射ま
たは反射性分光光度法は主に、定量分析ではなく定性分析に使用されている。一
方、定量分析には従来、ベールの法則（測定強度の対数が濃度に線形に逆比例す
る）を適用できるため透過分光光度法が使用されている。

【０００７】反射性分光光度法は、定量分析用の主要な選択肢ではない。これは、表面から
の正反射光が、使用可能なコントラスト（黒対白、または信号対雑音比）、従っ
て測定範囲および線形性を制限するためである。表面効果があるため、測定は通
常、表面に対してある角度で行われる。しかし、反射強度が視線角度と無関係に
なるのは均等拡散面の場合のみである。均等拡散面から反射された光は、全方向
で等しい明るさを示す（余弦法則）。しかし、良い均等拡散面を得るのは困難で
ある。従来の反射性分光光度法は、ベールの法則に従う透過分光光度法に関して
存在する関係よりもかなり複雑な反射光強度と濃度の関係を表す。反射性分光光
度法で適用可能なクベルカ−ムンク（Ｋｕｂｅｌｋａ−Ｍｕｎｋ）理論の下では
、吸収と散乱の比によって、反射光の強度を濃度と間接的に関係させることがで
きる。

【０００８】反射性分光光度法に基づく「生体内」分析用のデバイスが近年いくつか開発さ
れている。しかし、これら従来の反射ベースのデバイスは、いくつかの理由から
最適とは言えない。

【０００９】例えば、そのようなデバイスの１つは、イメージ分析および反射性分光光度法
を使用して、細胞サイズなど個々の細胞パラメータを測定する。測定は、個々の
細胞を視覚化することができる毛管などの小さな血管内部でのみ行われる。この
デバイスは毛管内でしか測定を行わないため、このデバイスによって行われる測
定は、より大きな血管に関する測定を正確には反映しない。他のデバイスは、検
出領域内の血管に直接、照明源を合焦する光適用手段を利用する。そのため、こ
れらのデバイスは、患者に関するデバイスの移動に非常に敏感である。デバイス
または患者の移動に対するこの高い感受性が、不安定な結果をもたらす場合があ
る。動きに対するこの感受性を相殺するために、これらのデバイスは安定および
固定手段を必要とする。

【００１０】他の従来のデバイスは、従来の暗視野照明技法に基づいて開発されている。従
来の顕微鏡検査法で理解されているように、暗視野照明は、標本を照明するが、
対象物に光を直接通さない照明方法である。例えば、１つの従来の暗視野イメー
ジング手法は、照明光の角度分布と、対物レンズによって収集されるイメージ用
の光の角度分布とが相容れないものになるようにイメージ面を照明するものであ
る。しかし、これらのデバイスはイメージ経路内の光活性組織で散乱を受け、そ
れが、イメージコントラストを減少させる方向依存後方散乱またはイメージグレ
アを生み出す。さらに、これらのデバイスの回転がコントラストの変化を生ずる
。

【００１１】したがって、高イメージ品質を有する脈管系の完全非侵襲性「生体内」分析を
提供するデバイスが求められている。血球成分（赤血球、白血球、および血小板
）と、血液レオロジー（ｂｌｏｏｄｒｈｅｏｌｏｇｙ）と、血液が流れる血管
と、脈管系全体にわたる脈管分布との高分解能視覚化を提供するデバイスが求め
られている。さらに、従来の反射性分光光度法システムで生じるグレアおよびそ
の他の有害なアーチファクト（ａｒｔｉｆａｃｔ）を最小限に抑えることができ
るデバイスが求められている。

【００１２】（発明の概要）本発明は、高コントラスト照明技法の使用により、患者の皮膚下の血液または
組織など表面下対象物を分析する方法および装置を対象とする。一実施形態では
、デバイスが、光源と、照明システムと、イメージングシステムとを含む。光源
は、光源と、対象物が位置されている平面（対象物面）との間の照明経路に沿っ
て伝搬する照明ビームを提供する。照明システムは、照明ビームを高コントラス
ト照明パターンに変換し、その照明パターンを表面下対象物に投射する。照明パ
ターンは高強度部分と低強度部分を有する。イメージングシステムは、表面下対
象物のイメージを検出するイメージキャプチャデバイスを含む。

【００１３】本発明によれば、対象物のイメージは、表面下対象物を透過される高コントラ
スト照明パターンからの散乱照明によって形成され、イメージ経路に沿ってイメ
ージキャプチャデバイスに伝搬する。さらに、照明パターンの高強度部分は、イ
メージキャプチャデバイスの視野外で対象物面に入射する。

【００１４】１つの好ましい実施形態では、デバイスはさらに、照明ビームを高コントラス
ト照明パターンに変換する照明パターン発生器を含む。この実施形態では、リレ
ーレンズが照明パターンを対象物面に投射する。本発明のさらなる実施形態では
、オブスキュレーション（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ）を使用して、照明ビームの
一部を遮断する。あるいは、円錐レンズ（アクシコンとも呼ばれる）、円錐回折
格子、またはホログラフ光学要素を使用して、高コントラスト照明パターンを発
生する。

【００１５】本発明のさらなる態様では、装置は、表面下対象物の表面で反射された、また
は近視野にある複屈折組織層で反射された偏光がイメージキャプチャデバイスに
到達するのを防止するように働く直交偏光子を含む。

【００１６】本発明のさらなる態様は、対象となる対象物を含む表面下組織領域内部に非侵
襲性様式で照明源を作成する方法を提供する。対象物は、対象物が位置されてい
る対象物面の周りを照明され、イメージキャプチャデバイスによって検出される
。第１のステップで、光源が提供される。次に、光源からの光が、高強度部分と
低強度部分とを有する高コントラスト照明パターンに変換される。照明パターン
は、照明パターンの高強度部分がイメージキャプチャデバイスの視野外で対象物
面に入射するように組織領域の表面に向けられる。本発明によれば、照明パター
ンの高強度部分は、組織領域内部で１つまたは複数の散乱イベントを受ける。次
に、対象物と相互作用する散乱光がイメージキャプチャデバイスによって検出さ
れる。本発明によれば、散乱光のかなりの部分が対象物を透過され、それにより
イメージキャプチャデバイスによって検出される対象物のイメージを提供する。

【００１７】（実施形態の詳細な説明）１．概略本発明は、分析のための方法および装置を対象とし、詳細には被験者の脈管系
の非侵襲性「生体内」分析を対象とする。特に、本発明のデバイスおよび方法は
、イメージされる血管または組織領域を取り囲む生体組織領域内部から照明する
仮想照明源を作成する手段を提供する。そのため、本発明は、分析されるイメー
ジに関する反射ではなく透過を使用する。

【００１８】２．用語イメージを形成するためには、２つの基準が満たされなければならない。まず
、イメージされる被験者とその周囲または背景との間で、吸収、屈折率、散乱特
性など光学特性の差から生ずるイメージコントラストがなければならない。第２
に、被験者から収集された光が、実質的な散乱を伴わずにイメージキャプチャ手
段に到達しなければならない。すなわち、多重散乱長さ未満の深さからイメージ
がキャプチャされるべきである。本明細書で使用するとき、「イメージ」は、前
述の２つの基準を満足する任意のイメージを指す。イメージをキャプチャするの
に必要な分解能は、イメージされる部分の空間均等性によって要請される。例え
ば、個々の細胞のイメージは高分解能を必要とする。大きな血管のイメージは低
分解能で行うことができる。蒼白（ｐａｌｌｏｒ）に基づく決定を行うのに適切
なイメージは、非常に低い分解能を必要とする。

【００１９】このとき、イメージされる部分をカバーする組織は、人被験者の唇の内側の粘
膜など、光を透過し、比較的薄いものであることが好ましい。本明細書で使用す
るとき、「光」は一般に、スペクトルの赤外、可視、および紫外部分を含めた任
意の波長の電磁放射線を指す。特に好ましいスペクトル部分は、可視波長や近赤
外波長など、相対的な組織透明性がある部分である。本発明では、光はコヒーレ
ント光でも非コヒーレント光でもよく、照明は安定していても、光パルスの形で
あってもよいことを理解されたい。

【００２０】本発明は、照明技法を利用して照明ビームを高コントラスト照明パターンに変
換する。この照明パターンは、イメージされる面の照明される領域が、イメージ
ングシステムの対物レンズの視野の完全に外にあるパターンである。１つの好ま
しい実施形態では、照明パターンが、低強度領域（このましくはパターンの中心
領域内）と、高強度領域（好ましくはパターンの外側領域内）の両方を有し、高
強度領域が、イメージングシステムの対物レンズの視野外で対象物面に当たる。
光の環またはリングが、本明細書で説明する１つの例示的な高コントラスト照明
パターンである。

【００２１】本発明のデバイスは、大きな血管、小さな血管、および毛管血漿のイメージン
グおよび分析に使用することができる。本明細書で使用するとき、「大きな血管
」は、複数の赤血球が並んで流れるのに十分なサイズの脈管系内の血管を指す。
「小さな血管」は、赤血球が実質的に「１列」で流れるようなサイズの脈管系内
の血管を指す。

【００２２】本発明の方法を実施するために、光源を使用して、血管または組織試料などイ
メージすべき被験者の脈管系部分を取り巻く領域を照明する。イメージから発す
る光が、イメージキャプチャ手段によってキャプチャされる。イメージキャプチ
ャ手段によって、本明細書で定義するイメージをキャプチャすることができるデ
バイスを意味する。適切なイメージキャプチャ手段には、カメラ、フィルム媒体
、感光性検出器、光電セル、フォトダイオード、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カ
メラが含まれるが、それらに限定されない。イメージ修正、シーンセグメンテー
ション、および血液特性分析を実施するために、コンピュータなどのイメージ修
正および分析手段がイメージキャプチャ手段に結合される。

【００２３】照明光に関する「浸透の深さ」または経路長は、（１）光の波長と、（２）光
が相互作用する粒子のサイズおよび密度と、（３）屈折率との少なくとも３つの
パラメータによって制御される。通常、光の波長と、粒子サイズおよび密度と、
屈折率とが一定である場合、浸透の深さは一定になる。したがって、そのような
イメージ内の単位面積当たりで得られる測定値は、浸透の深さが一定なので、単
位体積当たりの測定値に比例する。面積測定値は、第３の次元（深さ）が一定の
体積測定値である。上述のパラメータに基づいて、浸透の深さを組織構造と共に
局所的に変えることができることに留意されたい。

【００２４】また、本発明を実施する際に、直交偏光子を使用することが好ましい。１つの
偏光子が、光源と被験者の脈管系の照明される部分との間の光路内に配置される
。第２の偏光子または「検光子」が、照明される部分とイメージキャプチャ手段
との間のイメージ光路内に配置される。第２の偏光子は、第１の偏光子の偏光面
にほぼ垂直な偏光面を有する。この直交偏光子構成は、単に反射され、照明され
る部分と完全に相互作用しない光をなくすることによって、被験者の脈管系およ
び組織の照明される部分と相互作用する光の収集を改善する。したがって、照明
された被験者に関する情報を有しない光がなくなる。このようにすると、イメー
ジコントラストは非常に大きくなり、それにより照明された部分の視覚化が改良
される。

【００２５】３．反射性分光光度法上述したように、いくつかの従来の「生体内」イメージングデバイスは、反射
性分光光度法に基づいて開発されている。従来の反射性分光光度イメージングデ
バイスはしばしば、ケーラー（Ｋｏｈｌｅｒ）型照明に基づいている（本明細書
に参照により組み込むＷ．Ｓｍｉｔｈ，ＭｏｄｅｒｎＯｐｔｉｃａｌＥｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．，２^ｎｄＥｄ．，（１９
９０年），特に２２９ページ参照）。ケーラー照明は、高開口数集光レンズによ
って対物レンズの開口絞り内にイメージされる光源を備える。照明は、対物レン
ズを介して対象物面まで伝搬し、そこで、照明の均一なフィーチャレスディスク
を形成する。これは、この面が照明システムの瞳孔の位置になっているためであ
る。通常、偏光ビームスプリッタまたは半分を銀で被覆された折りたたみ式ミラ
ーを利用して、イメージング対物レンズの光軸と一致する照明をもたらす。照明
源からの光は、ビームスプリッタで反射された後、イメージ形成光と同じ光路に
沿って伝搬する。照明光学系からの光は、観察される組織領域に向けて伝搬し、
イメージ形成光は、組織領域から散乱され、そこから出て、イメージキャプチャ
手段に向かって伝搬する。

【００２６】高品質イメージを提供するために、フレネル反射によって中間光学表面から正
反射される照明光を、イメージキャプチャ手段の前で検光直交偏光子を使用する
ことによってイメージング経路から消すことができる。しかし、例えばレンズハ
ウジングの壁や光学マウントから拡散され散乱された光は完全に消えない。これ
は、拡散散乱光がランダムに偏光され、イメージキャプチャ手段の前にある検光
偏光子を通過するように整合される光が５０％であるためである。

【００２７】他の散乱源は、観察される生体組織領域内に源を発している。生体組織は、散
乱性が高く、不均等、不均一な構造になっている。組織構造のこの不均一性が複
屈折をもたらす。組織の複屈折性質は、反射性分光光度法に基づく従来の「生体
内」イメージングデバイスの最適な性能に影響を及ぼす可能性がある。これらの
デバイスでは、イメージされる部分をカバーする組織を光が横切って、多重散乱
を伴わずに反射イメージを得られるようにしなければならない。このとき、反射
イメージが、反射光のただ１度の散乱から得られる。したがって、本願と同時係
属であり、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／８６０３６３号（１
９９６年６月５日出願、本明細書では、‘３６３出願と呼び、その全体を参照す
ることにより本明細書に組み込む）に記載された「明視野」イメージングデバイ
スなど、直交偏光子を利用するイメージングデバイスは、それでも、組織の複屈
折性質により最適なイメージ品質を提供することができない場合がある。さらに
、生体組織は、入射光の偏光軸の回転をもたらすグルコースやコラーゲンなどの
光活性物質を含む。偏光ベクトルが回転される角度は、光活性組織内での伝搬の
長さに応ずる。

【００２８】組織に入射する光は、皮膚の色素、血球中のヘモグロビン、細胞核、靭帯、筋
肉などの拡散面および物質に当たるときに散乱される。特に適切な組織は、鼻、
口、結膜、直腸、膣など、人被験者の様々な場所で見つかる粘膜である。あるい
は、未熟児では、皮膚自体が適切に光を透過する。舌下および唇領域内の組織は
、散乱性が低く、身体の他のほとんどの場所よりも、表面近くにより多くの血液
静脈を有する。したがって、唇および舌下組織領域は、表面下脈管現象を観察す
るのに理想的な部位である。しかし、これらの部位においてさえ、表面下観察を
行うことができる深さは、構造の数の多さ、および組織の不均等性質により限定
される。どのようなシステムを用いても、舌または唇の下でさえ、任意の組織で
４００マイクロメートル（μｍ）よりも深くまでイメージすることは通常難しい
。

【００２９】「生体内」イメージングに関して使用するとき、ケーラー照明システムは、観
察する組織領域に関する器具の回転によって生ずるコントラストの変化および背
景照明レベルの変化を受ける。器具が組織内を観察する、または「見る」深さは
、プローブの位置および方向と共に変化する。これらの効果は、グルコース、プ
ロテイン、およびコラーゲンによって生ずる分散偏光回転、ならびに組織の複屈
折によって生ずる。照明装置の軸上性質も、「グレア」光を可能にし、正反射を
イメージキャプチャデバイスに向ける傾向がある。

【００３０】組織は、生体細胞が対称的でなく、均一に詰まった球または長方形でないため
、複屈折を起こす。複屈折は、様々な方向での屈折率の正味の差を表す。これは
、細胞壁、細胞質、および任意の間隙液体の屈折率の差、ならびに生体細胞の非
対称性質による。実効屈折率は、媒体中の伝搬の長さ、および各成分の屈折率に
よって以下のように重み付けされる。

【００３１】ｎ_ｅｆｆ＝Σｎ_ｉ＊Ｌ_ｉ／ΣＬ_ｉここで、ｎ_ｉ＝第ｉ成分の屈折率Ｌ_ｉ＝第ｉ成分の長さである。

【００３２】細胞構造は、身体全体を通じて、かつ舌の下側などの領域で局所的に変化する
。いくつかの部位が、長く薄い筋肉細胞を有し、これは、細胞壁の屈折率が細胞
質および間隙流体の屈折率と異なるため、複屈折を起こす傾向がある。一方向で
は、入射光の電場ベクトルが細胞壁の長軸に整合され（実効屈折率は細胞壁の屈
折率により近くなる）、他方向では、電場ベクトルは、伝搬するときに細胞の細
胞質および間隙流体でより多くの時間を費やす。細胞構造は機能によって異なる
ため、複屈折の量は、組織内の位置に応じて変化する。複屈折は、入射光の位相
と方向の両方を変える場合がある。

【００３３】イメージ品質が落ちる原因となる別の要因は、グルコース、コラーゲン、およ
びいくつかの蛋白質などいくつか生物的分子の伝搬長さ依存光活性である。これ
らの生物的分子は、媒体中の伝搬の長さ、および分子の濃度に比例する電場ベク
トルの回転をもたらす。この長さ依存偏光回転は、組織（細胞壁など）内部のフ
ィーチャから正反射を受けた光がイメージ面を透過できるようにする。これは、
ある浸透の深さで、入射光が組織を出るときに入射光の偏光ベクトルが９０度回
転され、それにより検光偏光子を通過できるようになるためである。

【００３４】これら２つの効果が組み合わさって、組織内部の任意の異なる深さからのいく
つかの反射光が、組織内部で散乱されることなくイメージキャプチャ手段の検出
器面に伝搬することを可能にする。反射光イメージの量、および反射される深さ
の変化が、プローブの方向に直接関連するイメージのコントラストの変化をもた
らす。

【００３５】本発明によれば、器具回転および照明の入射角度に感受性のないシステムが、
より正確であり、測定されるパラメータのより再現可能な読取りを提供する。

【００３６】４．組織内での散乱光と物体の相互作用は、散乱理論によって特徴付けられる。電磁波が原子また
は分子に当たるとき、束縛電子雲と相互作用し、原子にエネルギーを分け与える
。入射波（すなわち入射光）からのエネルギーの除去、およびそれに続くそのエ
ネルギーの一部の再放出が、散乱として知られているものである。これは、反射
、屈折、および回折において働く基礎的な物理機構である。散乱の一般的な考察
は、ＨｅｃｈｔおよびＺａｊａｃ著「Ｏｐｔｉｃｓ」，４ｔｈＥｄ．，Ａｄｄ
ｉｓｓｏｎａｎｄＷｅｌｓｅｙ（１９７９），特にＣｈａｐｔｅｒ８を
参照のこと（本明細書に参照により組み込む）。

【００３７】例えば、反射光は、３つの異なる成分を有するものとして特徴付けることがで
きる。第１の成分は、反射時に光源のイメージを保持する「鏡面反射または正反
射」である。第２の成分は、「粗い表面での散乱」成分である。粗い表面での散
乱成分は、粗い表面によって散乱された散乱光であり、光源のイメージを保持し
ない。しかし、鏡面反射成分と、粗い表面での散乱成分とは、どちらも偏光を保
つ。第３の成分は、一般に「レイリー散乱」成分と呼ばれる「小さい粒子での散
乱」成分である。レイリー散乱成分は、照明光の波長に比べ小さい粒子によって
散乱される光である。レイリー散乱は光の偏光を変える。したがって、レイリー
散乱成分が、偏光を変える唯一の反射光成分であり、それにより元の偏光が失わ
れる。光は通常、偏光を完全に変えるために複数回（通常少なくとも３回）の散
乱イベントを受けなければならない。

【００３８】 ‘３６３号特許出願に記述されているデバイスなど、偏光を変えられる光を利
用してイメージを形成する「生体内」システムでは、組織の複屈折性質が、最適
でないイメージをもたらすことがある。図１Ａは、光活性または複屈折組織層か
らの散乱がイメージの光学品質に影響を及ぼす様子を示す簡略図である。この図
では、イメージングデバイスが、被験者の皮膚の下にある組織領域内部に位置さ
れた対象の血管をイメージすることを試みている。対象の血管は、血管または毛
管１０６の断面として示されている。この従来の反射ベースのシステムでは、照
明ビームが毛管１０６に直接入射し、検出器１１４の視野１１６内にある。

【００３９】例えば、照明源（図示せず）が、光線１０２によって示される光ビームを提供
して、毛管１０６を照明する。光線１０２はＳ方向に偏光される。光線１０２が
皮膚表面１０４に当たるとき、前述の散乱相互作用の１つまたは複数が生ずる可
能性がある。例えば、光線１０２が、ただ１回の正反射または粗い表面での散乱
を受ける場合、反射光線はＳ方向でその偏光を保ち、Ｐ偏光のみを通す検光子１
１２によって消される。すなわち、皮膚層１０４で反射されたＳ偏光は検出器１
１４に到達しない。

【００４０】光線１０２が皮膚層１０４によって吸収されない、または層１０４で反射され
ない場合、組織領域内部で１つまたは複数の散乱イベントを受ける可能性が高い
。例えば、図１Ａは、３つの散乱イベント（イベント（１）、（２）、（３））
を受ける透過光線を示す。前のセクションで述べたように、組織領域内部に弱い
複屈折を起こす、または減衰を生じない層が存在する場合がある。これは、層１
０８など表面下複屈折層が毛管１０６と検出器１１４との間に位置されている場
合、特に問題となることがある。すなわち、複屈折層が近視野に位置され、それ
が、イメージ経路内部にある対象の血管（例えば毛管１０６）の直前の領域にな
っている。一般に、偏光が複屈折材料を通過すると、偏光ベクトルはある角度Δ
φにわたって回転される。

【００４１】この説明のために、イメージ経路は、対象の血管から始まり、検出器で終わる
経路によって画定される。この例に関して、図を見やすくするために対物レンズ
などの集光系は図１Ａに示されていないことにも留意されたい。この例では、Ｐ
方向に少なくとも部分的に偏光された光線１１０が、層１０８で反射され、検光
子１１２を透過され、検出器１１４によって検出される。このタイプの反射光信
号は「グレア」として働き、検出器１１４によって得られるイメージの品質に影
響を与える。

【００４２】本発明によれば、対象の血管を直接照明するのではなく後方照明する場合に、
このタイプのスプリアス「グレア」信号が大幅に低減される（イメージコントラ
ストが大幅に改善される）。さらに、本発明によれば、この後方照明は、非侵襲
性手段によって作成することができる。

【００４３】図１Ｂは、本発明の方法およびデバイスが生体組織内部深くからの仮想光源を
作成する様子の簡略図である。このようにすると、光は、対象の血管または組織
領域を介して拡散する。これを受けて血管は、効果的に後方から照らされ、最大
のイメージコントラストを検出器に提供する。さらに、近視野から放出される光
の量が大幅に低減される。

【００４４】図１Ｂは、図１Ａと同様の環境を示す。ただし、１つの重要な変更点は、光線
１０３によって特徴付けられる照明ビームが、検出器１１４の視野（ＦＯＶ）１
１６外で皮膚表面１０４に入射することである。さらに、照明ビームは毛管１０
６に直接入射しない。組織領域の近視野に複屈折層１０８がある場合でさえ、層
１０８で散乱され、反射された光が偏光を変えられる可能性が低い。これは光線
１１３によって示される。

【００４５】はじめにＳ方向に偏光された光線１０３は、検出器１１４の視野外の領域に向
けられる。光は、層１０８を通過するとき、その純粋なＳ偏光を失い、Ｐ偏光成
分を得る。組織領域のより深い部位でより多く散乱されるので、照明ビームは最
終的に、Ｓ偏光とＰ偏光のランダムな合成になる。したがって、照明光を、組織
領域内部深くで（すなわち、イメージされる血管の深さよりも深くで）散乱する
、または反射することができる。最終的に、光線１１１によって表されるこの光
の一部が、毛管１０６を透過される。光線１１１のＰ偏光成分は、検光子１１２
によって透過され、検出器１１４によってキャプチャされる。

【００４６】５．高コントラスト照明デバイスおよび方法本発明は、血管および組織の機能の「生体内」検査用の高効率照明装置を提供
するデバイスおよび方法である。生体組織内深くまで光学的にイメージできるこ
とにより、血液パラメータ、赤血球数および白血球数、血小板数、ヘモグロビン
濃度、およびヘマトクリットの測定などの適用例が可能になる。

【００４７】本発明は、表面下フィーチャの明快なイメージを得ることができるような形で
、光源から対象物面へ最大量の照明エネルギーを中継する照明技法を利用する。
本発明のデバイスは、高コントラスト照明パターンを形成し、照明は、カメラま
たはＣＣＤセンサ（またはその対物レンズ）の視野外に、試験下組織領域の周り
に光のリングの形で投射される。この説明を与えられた当業者に明らかなように
、非環状パターンなど他の照明パターンを利用して、試験下組織領域をイメージ
することもできる。

【００４８】本発明の高コントラスト照明パターンは、いくつかの異なる方法で作成するこ
とができる。まず、照明ビーム経路内にオブスキュレーションを配置することが
できる。第２に、「アクシコン」と呼ばれる光学要素を、照明ビーム経路内に配
置することができる。アクシコンは、光源から放出する光を全て収集し、遠視野
にあるリングパターンに光を向ける光学要素である。第３に、同様の形で、アク
シコンの代わりに円錐回折格子またはホログラムを利用することもできる。

【００４９】照明ビームは、試験下の組織領域を介して伝搬するときに複数の散乱イベント
を受けるため、本発明のイメージキャプチャ手段の視野（ＦＯＶ）外からの拡散
光が試験下組織領域（イメージキャプチャ手段のＦＯＶ「内部」にある）を照明
する。本発明によれば、散乱された照明は、その散乱が照明されたボリューム全
体にわたって生じるため、対象の部位の「上下」から入射する。したがって、イ
メージング手段でのイメージ強度分布は、より深い層（すなわち後方散乱）で反
射され、血管を透過する散乱光と、血管の上面で反射される散乱光との両方を有
する。

【００５０】また、本発明のデバイスおよび方法を使用すると、反射された「非散乱」光が
イメージキャプチャ手段に入射しない。これは、全方向反射光が、イメージキャ
プチャ手段とそれに対応する対物レンズとのＦＯＶの外にあり、したがって、イ
メージキャプチャ手段の対物レンズの開口数範囲内でキャプチャすることができ
ないためである。

【００５１】６．本発明の好ましい実施形態本発明は、いくつかの例示実施形態に関して説明されている。これらの点での
説明は、簡単にのみ提供する。本発明をこれらの例示実施形態における適用例に
限定することは意図されていない。実際、以下の説明を読めば、代替実施形態で
本発明を実施する方法が当業者には明らかになろう。

【００５２】ａ．第１の実施形態本発明の第１の実施形態は、血管、血流、またはそこに含まれる組織のイメー
ジを提供するために被験者の組織領域に投影される高コントラストの照明パター
ンを提供するデバイス（または生体装置）である。この生体装置は、光源、照明
システム、イメージングシステムを備える。イメージングシステムは、イメージ
処理検出器およびその対物レンズを含む。

【００５３】照明システムは、患者あるいは被験者の特定の血管または組織領域（「対象物
」と呼ぶ）を照明するのに使用される照明ビームを提供する。この照明ビームは
照明経路と呼ばれる経路または線分に沿って伝搬する。検出器は対象から発され
る光を受信する。これはイメージビームとも呼ばれる。イメージビームが伝わる
経路または線分はイメージ経路と呼ばれる。本発明によると、生体装置は照明ビ
ームおよびイメージビームが、単一の対物レンズを通じて共通の光軸を共有し、
したがって同軸システムを形成するように設計することができる。その軸はビー
ムスプリッタを使用して組み合わせることができる。

【００５４】好ましい実施形態では、直線偏光の環状光源が、イメージング反射分光光度計
の対物面上に投影される。イメージされた光源の範囲が、生体装置のイメージ経
路または部分に沿ってイメージキャプチャ手段の透明な（ｃｌｅａｒ）ＦＯＶの
外側全体に当たることだけが必要である。環状の光源はケーラー照明システムの
経路に置かれた環状のオブスキュレーションをイメージすることにより生成する
ことができる。すべての入射光線はＦＯＶの外側にあるので、イメージされた光
は、上記の散乱についての項で述べたように組織の深部から来なければならない
。好ましい実施形態では、照明およびイメージングに直交偏光を利用することに
よりイメージビームは複数の散乱イベントから来なければならない。このシステ
ムのこの構成の効果は、真のバック照明を生成することと、光源が対物面の背後
の範囲に非侵襲的な方式で効果的に移動されることである。

【００５５】図２は被験者の脈管系の非侵襲的な生体分析のための装置２００の一実施形態
を示す遮蔽図である。装置２００は、光源２０２、リレーレンズ２０８、検出器
２６０、対物レンズ２１７を含む。

【００５６】光源２０２は被験者（一般に２２３に示す）の組織範囲を照明する。図２には
１つの光源を示しているが、本発明は１つの光源の使用に制限されるものではな
く複数の光源を使用できることを理解されよう。複数の光源が使用される実施形
態では、各光源は単色あるいは多色にすることができる。光源２０２にはパルス
化することができる光、連続光を提供する非パルス光、またはいずれかのタイプ
の動作が可能な光を使用することができる。光源２０２は例えば、パルスのキセ
ノンアーク光またはランプ、水銀アーク光またはランプ、ハロゲン光またはラン
プ、タングステン光またはランプ、レーザ、レーザダイオード、発光ダイオード
（ＬＥＤ）を含むことができる。光源２０２はコヒーレント光用の光源または非
コヒーレント光用の光源にすることができる。

【００５７】光源２０２はコリメートレンズまたはコンデンサ２０４によってコリメートさ
れる。コリメートレンズ２０４の光学的特徴および物理的特徴は、使用される光
源のタイプおよび最終的に対象物２２４上に投影されるイメージのタイプによっ
て決まる。コリメートレンズ２０４の光学的特徴はその焦点距離、開口数、Ｆナ
ンバーを含む。コリメートレンズ２０４の物理的特徴には、その材質のタイプ（
ガラス、プラスチックなど）および形状が含まれる。適切なパラメータは、当分
野の技術者にはこの説明から明らかになろう。

【００５８】例えばハロゲンランプが光源２０２として使用される場合、コリメートレンズ
２０４は、焦点距離がおよそ５ｍｍの球状Ｆ１レンズを備えることができる。こ
のレンズは標準ＢＫ７のガラスで製造することができ、これは電磁気スペクトル
の可視領域では透明である。さらにランプが光源２０２として使用される場合、
再帰反射器（図示していない）を利用してランプの後部に向かって発する光を集
めコリメートレンズ２０４に反射させることができる。

【００５９】本発明の当実施形態によると（本明細書中では「オブスキュレーション実施形
態」とも呼ぶ）、高コントラストの照明パターンが下記のように対象物２２４に
投影される。オブスキュレーション２０５は照明経路内に置かれて、光源２０２
から発される照明を高コントラストの照明パターンに変換する。ここで経路２０
６として示す照明経路は、光源１０２で発され対象物２２４に進む光の経路であ
る。

【００６０】好ましい実施形態では、オブスキュレーション２０５は開口すなわち絞り２２
１に位置する。この実施形態では円形のオブスキュレーションを利用している。
オブスキュレーション２０５は、入射照明ビームの所定の部分を遮蔽する。オブ
スキュレーション２０５によって遮蔽されない照明ビームの部分は、照明経路に
沿って伝搬を続ける。残りの照明ビーム２０６は中心部が暗い環または光の輪に
似る。このパターンはその最も暗い部分（すなわち最低の強度）がその中心範囲
にあり、最高の強度はパターンの縁部近辺にある。非環状のオブスキュレーショ
ンを含む他の適切なタイプのオブスキュレーションは、当分野の技術者にはこの
説明により明らかになろう。

【００６１】レンズ２０８（リレーレンズ２０８とも呼ぶ）は、高コントラストの照明パタ
ーンを対物面２１９に投影する。本明細書中の対物面は、経路２０７として示す
イメージ経路に対して垂直な、対象物２２４が置かれる場所である。図２では対
物面は平面２１９として示されている。好ましい実施形態では、投影レンズ２０
８を定義する光学パラメータは、ケーラー照明システムで利用されるパラメータ
に従って選択することができる。ケーラー照明ではソースアパーチャ（ここでは
絞り２２１）が対物面上にイメージまたは投影される。本発明のこの実施形態で
は、絞り２２１が対物面２１９に投影されるので、高コントラスト照明パターン
も対物面に投影される。

【００６２】装置２００では投影レンズ２０８は、高コントラストの照明パターンを対物面
２１９にイメージし、光源２０２をここで対物レンズ２１７と示すイメージング
システムの対物レンズにイメージするように設計される。したがって好ましい実
施形態では、装置２００は平行な光の輪が皮膚表面２２２上に入射するようにす
る。例えば図３は、対物面に投影された例示的照明パターンについて測定された
照明のプロファイルを示す。照明プロファイルはイメージ軸からの距離に相関し
て照明信号の相対強度を描いている。したがってこの実施形態の高コントラスト
照明パターンは、その最低強度が中心にあり、最高強度がパターンの縁部にある
。例えば本発明のデバイスは４００〜１の最小感度を生成する。この最小感度は
、中心範囲のダークスポットと比較した環状パターンの外側部分の照明強度の比
率を表す。

【００６３】再び図２を参照すると、光源２０２と被験者２２４の間に光路を形成するため
に折りたたみ式ミラーまたはビームスプリッタ２１８が使用される。本発明の一
実施形態によると、ビームスプリッタ２１８は照明ビーム２０６の５０％を反射
する、被覆平面である。ビームスプリッタ２１８の他の実施形態については下記
で述べる。

【００６４】好ましい実施形態では第１の偏光子２１０を光源２０２と被験者２２４の間に
置くことができる。第１偏光子２１０は光源２０２からの光を偏光する。第２の
偏光子またはアナライザ２２０は対象物２２４とイメージキャプチャ手段２６０
の間のイメージ経路２０７上に置くことができる。偏光子２１０および２２０は
、互いに対して実質的に直交（すなわち９０度の）する方向に置かれた偏光面を
有すると好ましい。互いに対して９０度の方向に置かれた偏光面を有する、偏光
子２１０および２２０などの偏光子は、本明細書中で「直交偏光子」と呼ばれる
。

【００６５】上記のように、偏光が複屈折の材質を通過すると、偏光ベクトルはある角度Δ
φによって回転される。この好ましい実施形態で述べるような直交偏光子システ
ムでは、強度の変化はｃｏｓ^２（Δφ）に比例する。

【００６６】偏光子の効果は、偏光子を透過される入光のパーセンテージの相関である。偏
光子に入る未偏光の（無作為に偏光された）単位ごとに、完全に効率的な偏光子
であれば入光の５０％を透過させるはずである。無作為に偏光された光が直交偏
光子として構成された２つの完全な偏光子（効率は無関係に）に入れられると、
すべての光は消される。すなわち光は第２の偏光子を透過しない。直交偏光子に
よって消される光が多いほど（すなわち直交偏光子を透過される無作為に偏光さ
れた光が少ないほど）、直交偏光子の消光は大きくなる。少なくとも１０^−３の
消光定数を有する直交偏光子（直交偏光子に入れられる無作為に偏光された光の
ユニットにつき、１／１０００が直交偏光子を透過する）が、本発明での使用に
適している。適切な直交偏光子は、マサチューセッツのトポラロイド社からシー
ト偏光子として入手可能である。

【００６７】本発明の一実施形態では、光源２０２はそれ自体が例えばレーザやレーザダイ
オードなどの偏光源であり、別個の第１偏光子２１０は必要ない。第２偏光子２
２０は、偏光源２０２の偏光面に対して９０度の方向に置かれた偏光面を有する
。

【００６８】別の実施形態では、ビームスプリッタ２１８は偏光ビームスプリッタである。
例えばこの実施形態では、偏光ビームスプリッタキューブが光源中の直線偏光子
と併せて使用される。偏光ビームスプリッタキューブは、１つの偏光のほぼすべ
てを透過し、それに対して９０度の方向に置かれた偏光のほぼすべてを反射する
。偏光ビームスプリッタは従来技術で知られており、多くの商業光学ベンダから
購入することができる。偏光ビームスプリッタは、ビームスプリッタキューブに
入射するすべての光が、反射される偏光と同一であることを確実にするように配
列することができる。これにより、ビームスプリッタキューブを通過して、最終
的に信号を低下させキャプチャイメージの状態に障害を与える、装置中の迷光を
最小限にすることができる。ただし偏光ビームスプリッタキューブの選択は、界
面への光の入射角および光学部品の開口数に応じて決まる。照明ビームが集光ま
たは分岐すると、全開口に対するビームスプリッタの反射率は低下する。同様に
画角が増すと、ビームの軸外し部分が遭遇する反射率も低下する。

【００６９】対象物２２４からのイメージは複数の散乱長より短い深さから発し、イメージ
経路２０７を通ってイメージキャプチャ手段２６０に進むことが好ましい。ただ
し本発明のイメージングシステムは、複数の散乱長より長い深さから形成される
イメージをキャプチャすることもできる。対物レンズ２１７は対象物２２４のイ
メージをイメージキャプチャ手段２６０上に拡大するために使用される。対物レ
ンズ２１７は照明経路２０６およびイメージ経路２０７に同軸に置かれる。イメ
ージキャプチャ手段２６０は対物レンズ２１７の拡大像平面に置かれる。当分野
の技術者にはこの説明から分かるように、対物レンズ２１７は、スペースおよび
装置２００のイメージ要件に応じて１つまたは複数の光学エレメントあるいはレ
ンズを備えることができる。

【００７０】適切なイメージキャプチャ手段２６０は、上記で定義したような高解像度のイ
メージをキャプチャすることができるデバイスを含む。イメージキャプチャ手段
は分析の目的でイメージのすべてあるいは一部分をキャプチャする。適切なイメ
ージキャプチャ手段は、カメラ、フィルム媒体、感光性の検出器、フォトセル、
フォトダイオード、光検出器、電荷結合素子カメラを含むがこれらに制限される
ものではない。例えば、６４０×４８０ピクセルの解像度および３００Ｈｚのフ
レーム率を有するビデオカメラおよび電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを使用する
ことができる。特に好ましいイメージキャプチャ手段はＳＯＮＹＩＣＸＬモデル
のＣＣＤカメラである。

【００７１】イメージキャプチャ手段２６０は、イメージ補正および分析（下記のイメージ
分析についての部分で説明する）を行うためのイメージ補正および分析手段２８
０に結合することができる。イメージキャプチャ手段に必要な解像度は、生体装
置によって行われている測定および分析のタイプによって決まる。例えばヘモグ
ロビン濃度（Ｈｂ）を判定するのに必要な画像解像度はＭＣＶあるいは細胞数な
ど細胞測定に必要な画像解像度より低い。例えばヘモグロビン濃度測定は、イメ
ージキャプチャ手段に、赤色フィルタをかけたフォトセルおよび緑色フィルタを
かけたフォトセルなどのフォトセルを用いて行うことができる。

【００７２】対物レンズ２１７は、照明された対象物を視覚化するのに必要な最低の倍率レ
ベルで選択された１つまたは複数のレンズにできることが好ましい。必要とされ
る倍率は、照明された視覚化する組織中の対象物のサイズと、そのイメージに使
用されるピクセルのサイズに相関する。例えば低倍率は高被写界深度を提供する
が、イメージは粗くなる。高倍率は低被写界深度を提供するが動きによって生じ
るぶれを受けやすくなる。微小脈管系の血管は通常直径１０〜４０マイクロメー
トル（μｍ）である。血管の直径につき１０〜２０ピクセルにすると１０Ｘレン
ズで適切なイメージが得られる。それより低い倍率はより小さなサイズのピクセ
ルで使用することができる。

【００７３】上記のように好ましい実施形態によると、照明経路２０６およびイメージ経路
２０７は共通の軸を共有する。この軸の性質により対物レンズ２１７は複数の目
的に利用することができる。第１に対物レンズ２１７はイメージキャプチャ手段
２６０用の対物レンズとして作用する。言い換えると対物レンズ２１７は、対象
物２２４から発するイメージビームをイメージキャプチャ手段２６０に集める。
第２に対物レンズ２１７は高コントラストの照明パターンの焦点を対象物面に合
わせるために作用する。上記のように照明ビーム２０６の高強度部分はイメージ
キャプチャ手段２６０のＦＯＶの外側に向けられる。

【００７４】対物レンズ２１７およびイメージキャプチャ手段２６０の光学的特徴の組み合
わせによりデバイス２００のＦＯＶが決定される。イメージキャプチャ手段のＦ
ＯＶは、その対物レンズ（ここでは対物レンズ２１７）の開口数、入射ひとみ、
射出ひとみ、イメージキャプチャ手段２６０を備える検出器の範囲を含む多くの
パラメータによって制限することができる。

【００７５】対物レンズ２１７は単一のレンズまたは複数のレンズを含むことができる。対
物レンズ２１７の物理的および光学的パラメータ（例えばレンズの材質、開口数
、焦点距離など）は所望のイメージングパラメータに応じて選択することができ
る。標準的な対物レンズは、ＭｅｌｌｅｓＧｒｉｏｔおよびＮｅｗｐｏｒｔ社
（両社ともにカリフォルニア）を含む大半の商業ベンダから入手することが可能
である。対物レンズ２１７の具体的な光学的および物理的特徴は、当分野の技術
者にはこの説明から明らかになろう。

【００７６】別の実施形態では第２ビームスプリッタ（図示していない）などのイメージ分
離手段を使用して、対象物２２４からのイメージを２つまたはそれ以上のイメー
ジ部分に分離することができる。各イメージ部分は、イメージキャプチャ手段２
６０など各々のイメージキャプチャ手段によってキャプチャすることができる。
さらに回折格子、フィルタ、および／またはモノクロメータ（図示していない）
などのスペクトル選択手段を、イメージ経路２０７の第２偏光子２２０とイメー
ジキャプチャ手段２６０の間に置くこともできる。スペクトル選択手段は例えば
モノクロメータ、スペクトルフィルタ、プリズム、回折格子にすることができる
。例えばヘモグロビン濃度を判定する場合、スペクトル選択手段は約５５０ナノ
メータ（ｎｍ）に中心を置くことが好ましい。別の例として、ビリルビン濃度を
判定する場合は、スペクトル選択手段は約４５０ｎｍに中心を置くことが好まし
い。

【００７７】イメージキャプチャ手段２６０はイメージ補正および分析手段２８０に従来方
式で結合される。イメージ補正および分析手段２８０はコンピュータまたは他の
タイプの処理装置にすることができる。イメージ補正および分析手段２８０は、
ハードウェア、ソフトウェア、またはその両者の組み合わせによってイメージ補
正段階を実行するように構成することができる。これらのイメージ補正段階につ
いては下記で詳細に述べる。

【００７８】別の実施形態では、光源２０２を複数のＬＥＤとして構成し、各ＬＥＤが異な
る光の波長を発する。例えば３つのＬＥＤを使用して緑、青、赤の光の光源を提
供することができる。１つまたは複数のＬＥＤなどによって特定の波長または光
の波長を発するように構成された光源２０２を使用することにより、別個のスペ
クトル選択手段を必要とせずにすむ。単一のイメージキャプチャ手段２６０を使
用して、３つのＬＥＤそれぞれからのイメージをキャプチャすることができる。
例えば、複数の波長（緑、青、赤）に対して反応する単一のカラーカメラを使用
して、３つのＬＥＤ（緑、青、赤）それぞれからのイメージをキャプチャするこ
とができる。

【００７９】本発明の別の実施形態では、光源をライトパイプや単一の光ファイバ、光ファ
イバの束（図示していない）に光学的に結合することができる。さまざまなライ
トパイプおよび光ファイバは当分野ではよく知られており、多くの商業光学ベン
ダから入手可能である。例えばライトパイプの第１端（すなわち最近端または入
力端）は、光源から発された光を受信することができる。ライトパイプの第２端
（すなわち末端または出力端）は、絞り２２１などイメージングデバイスの入射
ひとみに置くことができる。この実施形態では、オブスキュレーション２０５な
どのオブスキュレーションは、その直径がライトパイプの外径よりも小さく、し
たがって対象物面に投影される高コントラストの照明パターンを生成するように
設計される。ファイバ結合の光源の他の実装形態は、当分野の技術者にはこの説
明から明らかになろう。

【００８０】ｂ．第２の実施形態本発明の第２の実施形態によると、考察中の組織領域の照明はより効率的な方
式で提供することができる。例えば図２に示すデバイス２００は、考察中の組織
領域に高コントラストの照明を投影し、したがって近くの組織領域の複屈折によ
り低回転効果を提供している。しかし装置２００は光源２０２から相当量のパワ
ーを必要とする。検出器２６０は、検出器２６０の対物レンズのＦＯＶの外側の
環状輪を飽和させるために高出力強度が必要であり、これは検出器の対物レンズ
の制限的開口数に対して十分な光を生成する。コリメートレンズ２０４によって
集められるコリメートされた照明ビームの約５０％はオブスキュレーション２０
５によって遮蔽されるので、比較的多量のパワーが必要とされる。

【００８１】例えば光源２０２が、半ランベルトの発光体であるタングステンフィラメント
であると想定する。ランベルト発光体は表面法線からの角度の余弦として変化す
る放射発散度分布を有する。したがってコリメートレンズ（またはコンデンサ）
の軸で発される光を隠蔽することにより、対物面に入射する放射強度が大幅に低
下する。減衰量は、照明ビームの全範囲に対する隠蔽された範囲の比率よりも大
きい。隠蔽されていない値に対するオブスキュレーションで失われる光量（透過
率すなわち「Ｔ」）は、下記の式で数値を求めることにより決定される。

【００８２】

【数１】

【００８３】ここで、β＝ｔａｎ^−１（ｒ_１／ｆ） α＝ｔａｎ^−１（ｒ_０／ｆ）ｒ_１＝レンズ開放口の半径ｒ_０＝オブスキュレーションの半径ｆ＝コンデンサからオブスキュレーションの距離

【００８４】例えばコリメートレンズの開放口が光源から３０度の角度対辺を有し、オブス
キュレーションが光源から１４．５度の角度対辺を有する場合、オブスキュレー
ションの直径に対する開放口範囲の比率は４０％であり、一方失われた放射強度
の部分は約５０％である。例えば図２に示すものと類似のデバイス（すなわちオ
ブスキュレーションを含む）が設計された。設計のデバイスは、軸上で発された
光の３８％と軸外れ点からの光の２８％を対物面に結合する。

【００８５】本発明の第２の実施形態によると、小さな光源からコンデンサによって集めら
れた照明は実質的にすべて、中間の像平面の環状パターンまたは光の輪に再分配
することができ、したがって照明を高コントラストの照明パターンに変換するこ
とができる。「隠蔽されていない」照明の輪は次いで縮小され対物レンズに対物
面にイメージされる。本発明のこの実施形態により、コリメートされた照明の部
分を隠蔽する必要がなくなる。したがって光源からの照明はまったく空費されな
い。さらにプローブの角度方向および表面に対する相対的配置による画像コント
ラストの変化も最小限に抑えられる。

【００８６】この実施形態によると、光源強度の再分配はアクシコン、円錐回折格子（固定
周期のブレーズ回折格子）、コンピュータ生成のホログラムを使用して達成する
ことができる。

【００８７】図４は、イメージング装置４００のこの実施形態（本明細書中では「アクシコ
ン実施形態」とも呼ぶ）の遮蔽図である。イメージング装置４００は照明システ
ムおよびイメージングシステムを備える。照明システムは光源４０２、ここでは
アクシコン４０５と示す円錐レンズ、レンズリレーまたは視野レンズ４０８を含
む。イメージングシステムはイメージキャプチャ手段４６０および対物レンズ４
１７を含む。

【００８８】光源４０２は被験者２２４の組織領域（一般には領域４２３と示す）を照明す
る。光源２０２と同様に（図２に関連して上記で述べた）、光源４０２は例えば
パルスキセノンアーク光またはランプ、水銀アーク光またはランプ、ハロゲン光
またはランプ、タングステン光またはランプ、レーザ、レーザダイオード、発光
ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。コリメートレンズまたはコンデンサ
４０４は、図２のコリメートレンズ２０２に関して上記で述べた方式と類似の方
式で、光源４０２から発する照明ビームを集めてコリメートする。照明ビームは
照明経路４０６に沿って組織領域４２３に伝搬する。

【００８９】オブスキュレーションで照明ビームの部分を遮蔽する代わりに、装置４００は
「アクシコン」と呼ばれる光学エレメントを利用して、組織領域４２３に投影さ
れる高コントラストの照明パターンを生成する。アクシコンは、約３６０度対称
的な固定頂角を持つ円錐形の光学エレメントである（円錐レンズとも呼ばれる）
。この固有の形状によりアクシコン４０５は組織領域４２３など遠視野において
環状パターン（または光の輪）を生成することができる。

【００９０】図５Ａはアクシコン４０５の詳細図である。コリメートされた光ビーム５０２
が表面５０４（ここでは入射表面）に入射する。ビーム５０２の伝搬方向は射出
表面５０８に対して通常である。このビームはアクシコンの円錐軸５０６を中心
に屈折する。通常の曲面レンズとは異なり、アクシコンの入射表面５０４は頂点
５０７で先がとがっている。このとがった頂点により、ここでビーム５１０およ
び５１２と示す射出ビームは一定の角度でアクシコンを出る。ビームがアクシコ
ン４０５を射出する際の角度は頂角５０９に対して比例し、スネルの法則に従っ
て決定することができる。さらに、透過ビームの最小限の部分（約１％またはそ
れ以下）だけが円錐軸５０６と平行に伝搬する。

【００９１】環状パターンすなわち光の輪はリレーレンズ４０８で、アクシコン４０５およ
びコンデンサ４０４などコリメータレンズの組み合わせによって形成される。コ
リメータレンズの位置は、それに入射する光が無限遠で焦点を結ぶように置かれ
ることが好ましい。したがって頂点からの光は一般にコリメータレンズを平行に
出、ビームの直径をほとんど変更しないかまったく変更せずに無限大に向かって
伝搬する。この光はアクシコン４０５に入射し次いで追加レンズで焦点を合わせ
ることができる。好ましい実施形態ではコンデンサ４０４はリレーレンズ４０８
に焦点を合わせられ、アクシコン４０５はその前に挿入される。焦点を合わせら
れたイメージは次いでリレーレンズで光の輪の形状になる。この光の輪は次いで
対物レンズ４１７など対物レンズによって対物面に再イメージ化され、そこで中
心範囲が暗いより小さな光の輪を形成する。

【００９２】好ましい実施形態ではアクシコン４０５の外径はコリメートされた全照明ビー
ムを受信するために十分な大きさである。アクシコン４０５などアクシコンはガ
ラス成形またはプラスチック成形のエレメントでよい。アクシコンは製造が容易
であり配置もかなり単純である。アクシコンはニュージャージー州のＯｐｔｉｃ
ｓｆｏｒＲｅｓｅｒｃｈなどいくつかの商業レンズベンダから入手可能であ
る。入射表面および射出表面の選択は説明の目的のためのみであることに注意さ
れたい。光ビームは表面５０４または表面５０８のいずれにも入射することがで
き、同様の方式で屈折される。

【００９３】あるいは本発明のこの実施形態によると円錐格子またはコンピュータ生成のホ
ログラム（すなわちホログラフィの円錐格子）をアクシコン４０５の代わりに使
用して組織領域における同様の所望の照明パターンを達成することができる。円
錐格子は固定周期のブレーズ回折格子である。円錐格子は従来技術で知られてい
る。円錐格子はアラインメント固定物として使用することができ、回折のない伝
搬ビームを生成する。

【００９４】例として円錐回折格子５５５の正面図を図５Ｂに示す。円錐回折格子５５５は
、間隔ｄとして示す等間隔の輪を有し、それにより円錐回折格子５５５の前面上
に「牛の目」のパターンを形成すると好ましい。それに対応する円錐回折格子５
５５の側面図を図５Ｃに示し、これは回折性の表面プロファイルを有する円錐回
折格子を示している。光ビームが通常のように回折格子上に入射すると、その光
ビームは一定の射出角で回折される。透過ビームの射出角は、入射光の波長、間
隔ｄ、光ビームの入射角に比例する。円錐回折格子に当った後は、入射ビームの
最小限の部分だけがその光軸と平行に透過される。

【００９５】円錐回折格子はユーザ指定の間隔パターンによって、知られているフォトレジ
ストまたは射出成形法にしたがってガラスあるいはプラスチックのエレメントか
ら製造することができる。例えば回折格子は、２つまたはそれ以上のレーザビー
ムの組み合わせから記録された干渉縞からフォトレジストに形成することができ
る。回折フィーチャは次いで成形で使用するためにニッケルなどの金属で被覆さ
れる。あるいはメタルマスタは知られているダイアモンド旋削技術を使用して精
密に機械加工することができる。これらのメタルマスタは次いでプラスチックの
射出成形または圧縮成形用の成形面として使用することができる。

【００９６】さらにホログラムを有する光学エレメント（ホログラフィ円錐回折格子とも呼
ぶ）を利用して、同様の効果を得ることもできる。ホログラムはガラス（または
他の適切な素材）基材に被覆された、乳剤フィルムを基礎とする製品である。ホ
ログラムの形成法は従来技術で知られている。例えばホログラフィ円錐回折格子
は一般に、２つまたはそれ以上のレーザビームの組み合わせによって生成された
干渉縞を記録することによって製造され、この縞はマスタ回折格子として記録さ
れる。生産バージョンはマスタ回折格子として形成されるか、またはマスタホロ
グラムからコピーされる。本発明の照明システムでこれを使用すると、円錐回折
格子と視野レンズ、またはホログラフィ円錐回折格子と視野レンズの組み合わせ
が環状パターンを遠視野に投影する。

【００９７】本発明に関し、円錐回折格子またはホログラフィエレメントは図４の照明経路
４０６などの照明経路に置くことができる。例えば円錐回折格子５５５は、ケー
ラー照明システムの絞りなど照明経路中に置くことができる。アクシコン４０５
と同様の位置に置かれた適切に設計された円錐回折格子は、図４に示す方式に類
似の方式で、コリメートされた照明ビームを回折する。円錐回折格子５５５また
はホログラフィエレメントの光学的特徴および物理的特徴は、当分野の技術者に
はこの説明によって明らかになろう。

【００９８】図４に戻り、投影レンズまたは視野レンズ４０８は、イメージされた環状パタ
ーンを集めて毛細血管４２４の組織領域４２３に投影するのに使用される。視野
レンズ４０８は照明経路４０６に沿って中間像平面４０７に置くことができる。
フィラメントのランプが光源４０２として利用される場合、視野レンズ４０８を
中間像平面４０７に置くことにより、軸外れ光線を光軸に向かって曲げてその光
線が対物レンズ４１７の開放口内を通るようにし、口径食およびその結果生じる
ランプフィラメントの軸外れ点についての光の損失を防ぐことができる。図６は
視野レンズ４０８など視野レンズの表面の環状イメージパターンを示す。

【００９９】代表例として、この照明システムは光源、コリメートレンズ、アクシコンを備
える。アクシコンは、表面沈下が約０．７５ｍｍの６ミリメータ（ｍｍ）の直径
を有し、約１３度の頂角を有する。視野レンズは約１０ｍｍの直径である。この
結果直径が約１．８ｍｍの環状パターンが対物面に入射する。

【０１００】視野レンズ４０８の焦点距離は、アクシコンの射出ひとみを対物レンズ４１７
の開口絞り（図示していない）にイメージするように選択されることが好ましい
。この構成は、コンデンサ４０４によって集められた光の大半またはすべてを対
物面４１９上に結合する。装置４００のイメージングシステムは、図２を参照し
て上記で説明した方式と同様の方式で動作する。全体的に見て、アクシコン４０
５の射出面および対物レンズ４１７の入射ひとみ４１６が同一サイズでアあり、
フィラメントが十分に小さい場合（例えば長さ約１ｍｍ）、装置４００は装置２
００に比べて２．５倍もの光を組織領域４２３に供給することができる。ランプ
が光源４０２として使用される場合、コリメートされた照明ビームがアクシコン
４０５に斜めに入る可能性が増すことに留意することは重要である。その結果照
明ビームは光軸４０６に対して軸外れになりうる。代わって、アクシコン４０５
を通して透過され対物面に到達する強度は５０％も低下する可能性がある。この
「軸外れ」の照明は、ランプを光源として使用する際に考慮すべき交換条件であ
り、これにより環状の照明パターンがわずかに中心からずれかねない（あるいは
わずかに欠けかねない）。したがって光源４０２のコリメートには注意を払わな
ければならない。あるいは、レーザまたはＬＥＤが光源４０２として使用される
場合、発される光は実質的に単一の点（すなわち点光源）から発するのでそのア
ラインメントはより単純になる。

【０１０１】好ましい実施形態ではオブスキュレーション４０９を利用して、アクシコン４
０５を透過される軸外れ照明ビームが、イメージキャプチャ手段４６０のＦＯＶ
内にある組織領域４２３に到達することを最小限にすることができる。この実施
形態によると、オブスキュレーション４０９は照明経路の視野レンズ４０８と組
織領域４２３の間に置かれる。リレーレンズにおける強度パターンは中心部が暗
い輪の形状なので、オブスキュレーションは所望の照明パターンを遮蔽すること
なくリレーレンズの中心に置くことができる。したがって軌道を外れた光および
迷光のみが遮蔽される。

【０１０２】例えば図４に示すように、オブスキュレーション４０９は視野レンズ４０８の
すぐ後に置かれる。オブスキュレーション４０９の外径は、環状照明パターンの
内径よりも小さい。オブスキュレーション４０９の直径は、イメージキャプチャ
手段４６０のＦＯＶと同サイズにできることが好ましい。この方式ですべての環
状パターンは検出器４０６のＦＯＶの外側の組織領域４２３に到達することにな
る。光軸４０６に沿ってアクシコン４０５の頂点を通って透過された光はいずれ
もオブスキュレーション４０９によって遮蔽され、したがって検出器４６０によ
って考察中のイメージコントラストをさらに改良する。軸上のいずれの照明を遮
蔽する他の方法は、当分野の技術者にはこの説明により明らかになろう。

【０１０３】図７は実験デバイス７００の、照明およびイメージビームのモデル光線追跡を
示す。図４に示すデバイス４００と同様にデバイス７００は光源７０２、コンデ
ンサ７０４、アクシコン７０５、視野レンズ７０８、ビームスプリッタ７１８、
対物レンズ７１７、イメージキャプチャ手段７６０を備える。光源７０２から発
した照明はコンデンサ７０２によってコリメートされ、次いで偏光子７１０によ
って偏光される。アクシコン７０５は、アクシコン４０５について上記で図４を
参照して述べた方式と同様の方式で照明ビームを回折する。この例ではアクシコ
ン７０５は約−１９．０の円錐定数を有する。光線７０６として示す回折された
照明は視野レンズ７０８によってコリメートされる。照明ビームは対物レンズ７
１７を通って皮膚表面７２４の直下に置かれた対物面（図示していない）に向か
うように、ビームスプリッタ７１８で方向を変えられる。照明ビームは、図６に
示すパターンと同様の、光の輪の一般的な外観を有する。視野レンズ７０８と対
物レンズ７１７の組み合わせは、照明の環状輪の焦点を合わせるためにも作用す
る。ただし本発明によると、照明ビームは皮膚表面に対応する射出窓７２４上の
、イメージキャプチャ手段７６０の観測視野の外側に焦点を合わせることができ
る。

【０１０４】本発明の好ましい実施形態について、光線追跡および図７のデバイスに対応す
る光学フォーミュラシート（または光学処方）の例を下の表１に挙げる。照明ビ
ームが遭遇する各表面の光学的特徴が下の表１に挙げられていることに留意され
たい。

【０１０５】

【表１】

【０１０６】第１列は、光源７０２から発する光と相互作用する表面の番号を示している。
列２〜５は各エレメントの光学的特徴および物理的特徴を示している。実際には
間隔および曲率のコントロールは高性能を達成する際に重要である。間隔の許容
差は異なるが、０．１ｍｍ以下にコントロールされることが好ましい。リストの
エレメントの開口数も重要である。例えば所与のエレメントの開口数は、どれだ
けの光がイメージングシステムを通過するかをコントロールする。これはレンズ
エレメントの開放口（光を透過するのに使用されるレンズの直径）によって説明
される。さらに各エレメントの焦点距離も重要である。所与のレンズエレメント
の焦点距離は、各表面の曲率半径および各エレメントを作るのに使用される素材
の屈折率に相関する。

【０１０７】この例では対物レンズ７１７は２つの色消し複レンズを備え、各複レンズは共
通面で接合された２つのレンズを有する。ただし当分野の技術者にはこの説明か
ら明らかになるように、単レンズの対物レンズを利用して同様の結果を達成する
こともできる。対物レンズ７１７は、窓７２４のイメージキャプチャ手段７６０
の観測視野のすぐ外側に照明ビームの焦点を合わせる。照明ビームは血管（また
は毛細血管、組織サンプル）７２５から、対物レンズ７１７、ビームスプリッタ
７１８を通り、イメージ経路７０７に沿ってイメージキャプチャ手段７６０に伝
搬する。照明ビームが皮膚表面でイメージキャプチャ手段７６０のＦＯＶの外側
に入射することに留意されたい。

【０１０８】この例の照明強度結合効率は軸上の場合は約９８％、軸外しの場合は約９５％
である。本発明のこの実施形態によると、より高いこの結合効率は光源７０２に
低ワット量の電球を利用することを可能にする。さらに本発明のこの実施形態は
、必要とされる熱放散を低減し光源７０２の電力消費を低減するという利点も有
する。例えば５ワットのランプを光源７０２として使用すると、デバイス７００
は強度が約０．６ミリワット（ｍＷ）であり、イメージキャプチャ手段７６０上
にイメージされている血管または毛細血管に到達する、照明の仮想線源を組織領
域内に（照明輪の範囲にわたって）生成する。

【０１０９】本発明の別の利点は、増加された照明を使用して、イメージキャプチャ手段７
６０の雑音比に対するより高い信号を達成できることである。この雑音比に対す
る信号が増加することにより、より正確で安定した分析結果が得られる。ＣＣＤ
カメラがイメージキャプチャ手段７６０として使用される場合、この雑音比に対
する増加した信号により露出制御の自動シャッタの応用が可能になる。自動シャ
ッタは、使用条件が最も暗い場合についてもＣＣＤカメラが検出器を飽和するの
に十分な照明を受信することを必要とする。照明レベルが十分に高い場合、自動
シャッタ機能はシャッタ露出時間を減らして、飽和を防止し最適な露出レベルを
達成する。

【０１１０】概してこのアクシコン実施形態は、所与の光源放射発散度について対物面によ
り多くの照明を提供し、一方で背景強度およびコントラスト中で組織の複屈折に
よって生じる角度方向の変動を除去する。アクシコン実施形態はオブスキュレー
ション実施形態と同様に、キャプチャされたイメージ中のコントラスト低減グレ
アの効果を低減する。アクシコン実施形態は、ランプ電力の消費量の低減、カメ
ラセンサ面での高照明レベル、熱放散の低減、より小さなランプの使用可能性を
可能にする。検出面でより高い照明レベルを有すると、ＣＣＤカメラまたは他の
検出器中の雑音比に対するより高い信号がもたらされ、それによりイメージ強度
分配など測定可能イメージの特徴と、血管および腺の幅および密度など表面下の
フィーチャプロファイルのより正確な判定が可能になる。

【０１１１】ｃ．第３の実施形態本発明の第３実施形態によると、イメージングシステムは改良された折りたた
み式ミラーまたはビームスプリッタを備える。図２で折りたたみ式ミラーまたは
ビームスプリッタ２１８が照明システムからの光を対物面にイメージされている
血管、毛細血管、組織サンプルに再分配するために使用されたことを思い出され
たい。この実施形態によると、標準の５０％反射率／５０％透過率のビームスプ
リッタと組み合わせてオブスキュレーションまたは円錐レンズを使用するのでは
なく、改良を加えた折りたたみ式ミラーが照明ビームを変換して高コントラスト
の照明パターンを対物面に投影することができる。改良型の折りたたみ式ミラー
またはビームスプリッタは、完全な透過性のある中心部を有するミラーとして設
計することができる（すなわち照明および／またはイメージビームの波長におい
て１００％の透過率を有する）。この手法を用いると、高コントラストの照明パ
ターンが対物面上にイメージされ、折りたたみ式ミラーに到達するイメージビー
ムの強度の１００％近くがイメージキャプチャ手段によってキャプチャされる。

【０１１２】改良型折りたたみ式ミラーをこのタイプのイメージングシステムで応用するこ
とにより、別個のオブスキュレーションや、光源を再分配する他の手段の必要が
なくなる。さらにこのタイプの構成により、光源とイメージ信号との間の完全な
分離がもたらされ、したがってこの実施形態は雑音比に対する大幅に改良された
信号を有する。さらに好ましい実施形態では改型の折りたたみ式ミラーは、上記
で説明したオブスキュレーション実施形態および／またはアクシコン実施形態デ
バイスに組み込むこともできる。したがって組織領域上に入射する照明ビームの
強度およびイメージキャプチャ手段に到達する照明ビームの強度はどちらも単純
な方式で増大することができ、したがって生体イメージングデバイスの全体の効
率性を増加する。

【０１１３】図８Ａは生体イメージングデバイス８００の構成の遮蔽図を示す。デバイス８
００は環状のミラーをフォルディングミラーとして利用し高コントラストの照明
パターンを提供する。デバイス８００は、単一の対物レンズ８１７を通じて共通
軸８０７を共有する照明システム８０３、およびイメージキャプチャ手段または
検出器８６０を備える。照明軸８０６およびイメージ軸８０７は、折りたたみ式
ミラー８１８を図８Ｂに示すようなその中心範囲に長円孔がある１００％反射ミ
ラーとして使用して軸８０７に沿って結合される。したがって高コントラストの
照明パターンは折りたたみ式ミラー８１８で反射され、経路８０７に沿って伝搬
し、対物レンズ８１７を通過した後組織領域８２４に到達する。

【０１１４】好ましい一実施形態では生体イメージングデバイス８００は照明システム８０
３、イメージ形成対物レンズ８１７、検出器８６０を備える。照明システム８０
３は光源８０２、コリメートレンズ８０４、および折りたたみ式ミラー８１８、
対物レンズ８１７を備える。図８Ｂに詳細に示すように、折りたたみ式ミラー８
１８は、長円環８１９の周囲に反射率がほぼ１００％の（被覆剤による）の表面
を有し、およびイメージビームおよび照明ビームに対して１００％透明の開放口
または中心範囲８２０を有する環状ミラーである。長円環および中心範囲の具体
的な寸法はイメージ経路および照明経路に対する折りたたみ式ミラーの角度によ
って決まる。好ましい実施形態では、照明経路８０６およびイメージ経路８０７
に対する折りたたみ式ミラー８１８の角度は約４５度である。例えば図８Ｃは、
４５度の実施形態に基づいた折りたたみ式ミラー８１８の例示的寸法を示す。折
りたたみ式ミラーの他の寸法および入射角度は、当分野の技術者にはこの説明か
ら明らかになろう。

【０１１５】あるいは折りたたみ式ミラー８１８は、二色性の被覆剤で被覆された第１の表
面を有し、中心範囲８２０で１００％の透過率および環状外側部分８１９で１０
０％の反射率を有する平面ガラスまたはプラスチックの光学エレメントにするこ
とができる。この実施形態により、対物面に対して照明ビームの１００％近い反
射が可能になり、一方で検出面に対してイメージの１００％近い透過が可能にな
る（ミラーおよびフレネルの損失を除く）。二色性被覆剤は従来技術で知られて
おり、多くの商業被覆剤ベンダから提供されている。

【０１１６】別の実施形態では、折りたたみ式ミラー８１８は環状の外側部分８１９に対応
する、腐食アルミ化した表面を有する透明ガラス平面にすることができる。さら
に折りたたみ式ミラー８１８の非反射性の第２表面（図示していない）を抗反射
性の被覆剤で被覆して、検出器に到達するイメージ信号の損失を最小限にするこ
とができる。この折りたたみ式ミラー実施形態の別の利点は、この折りたたみ式
ミラー８１８が偏光反応性でなくてよいことである。したがってイメージングデ
バイスは可能性のあるイメージビームのすべてを利用する。折りたたみ式ミラー
８１８の他の変更形態は、当分野の技術者にはこの説明から明らかになろう。イ
メージ品質をさらに向上させるために、本発明の他の実施形態について上記で述
べた方式と同様の方式で直交偏光子をデバイス８００に利用することができる。

【０１１７】上記のように、好ましい実施形態では折りたたみ式ミラーまたはビームスプリ
ッタも、上記のオブスキュレーション実施形態およびアクシコン実施形態デバイ
スに組み込むことができる。例えば折りたたみ式ミラー８１８はビームスプリッ
タ２１８（図２参照）、ビームスプリッタ４１８（図４参照）、ビームスプリッ
タ７１８（図７参照）の代わりに用いることができる。例えば折りたたみ式ミラ
ー８１８はデバイス２００に類似のデバイスにおいて代用された。このデバイス
によって生成される予測の照明パターンは図８Ｄに示される。対物面に入射する
照明は上記の照明パターンに類似のものであり、すべての照明がイメージキャプ
チャ手段のＦＯＶの外側の対物面上に入射する。図８Ｄで、照明パターン８５０
は環状であり、その内径は約１．５ｍｍである。したがって対物面上に入射する
全体の照明パターンは、図にＦＯＶ８５５と示すイメージキャプチャ手段のＦＯ
Ｖの外側にある。

【０１１８】さらに上記のいずれかの実施形態で折りたたみ式ミラー８１８を使用すること
によりイメージングデバイス全体の効率性を増加させることができる。標準のビ
ームスプリッタが、当該の波長に対して５０％の透過率および５０％の反射率を
有すると想定する。標準のビームスプリッタの代わりに折りたたみ式ミラー８１
８を使用することにより、組織領域において使用可能な照明ビーム強度は２倍だ
け増大する。さらにイメージビームの透過率が１００％であると、イメージキャ
プチャ手段に到達するイメージ信号の強度が２倍だけ増大する。したがってイメ
ージングシステムの全体効率は、同一の光源の照明強度についてのイメージ強度
に関して、約４倍に増大する。

【０１１９】上記のように本発明の照明技術は、生体被験者または患者の内側からの仮想照
明源を生成することによりイメージ品質を大幅に改良する。例えば図９は本発明
のオブスキュレーションに基づくデバイスを使用して得られたイメージの例であ
る。このイメージはヒトの被験者の舌下の粘膜組織から得られた。透過中に照明
されているかのように毛細血管を見ることができる。図に見える球形の構造は個
々の扁平上皮細胞である。

【０１２０】ｄ．要約本発明の重要な特性は、イメージキャプチャ手段によって考察中の組織領域内
からの仮想光源を生成することにより、考察中の組織領域に対して特定の位置に
イメージングデバイスを固定する必要がなくなることである。言い換えると本発
明のデバイスは、近距離の複屈折組織層からの散乱が実質的に低減されるので、
角度回転および他の動きに反応しない。さらに本明細書中で述べる照明技術は器
具設計において柔軟性のある手法を可能にする。例えば第３実施形態で述べた改
良型の折りたたみ式ミラーはオブスキュレーション実施形態またはアクシコン実
施形態でも利用することができる。行う測定のタイプに応じて異なる光源を利用
することができる。当分野の技術者にはこの説明から明らかであるように、コン
デンサ、リレーレンズ、対物レンズなど異なる光学エレメントを利用することが
できる。

【０１２１】７．イメージ分析上記のように、イメージ補正および分析手段は、イメージキャプチャ手段によ
って受信された生（ｒａｗ）信号を処理し、図９に示すようなイメージを生成す
るために使用される。

【０１２２】いくつかの異なるタイプのイメージ分析技術を本発明に従って実施することが
できる。例えば多色補正は、脈管系のイメージされる部分を照明するために光が
通過する組織の染色の影響を取り除く。組織染色は同様にしていくつかの光の波
長に影響を与えるので、多色補正を使用することにより組織染色の影響は相殺さ
れる。移動する細胞を静止背景から抽出するために速度補正を応用することもで
きる。速度補正は単独で、または多色補正と併せて使用することができる。

【０１２３】動脈血および静脈血の両方から等しく吸収される特定の波長がある。動脈血お
よび静脈血の両方から等しく吸収される波長はアイソベスティック（ｉｓｏｂｅ
ｓｔｉｃ）点と呼ばれる。ヘモグロビンのそのような１つのアイソベスティック
点は約５４６ｎｍに位置する。好ましい実施形態では、それがヘモグロビンの吸
収バンドの中心近くに位置するように、かつアイソベティック点にまたはその近
くに位置するようにλ_１が選択される。適切なλ_１は５５０ｎｍである。この方
式でヘモグロビン濃度は大血管の反射されたスペクトルイメージングから判定す
ることができ、これはその大血管が動脈血を伝搬する動脈であるかまたは静脈血
を伝搬する静脈であるかには無関係に行われる。

【０１２４】例えば図１０は、生イメージ１０１０を結果１０４０に変換するのに使用され
るプロセスの例を示す。生イメージとは補正機能１０１５を適用する前のイメー
ジを意味する。

【０１２５】補正機能１０１５は生イメージ１０１０に適用され補正イメージ１０２０を生
成する。補正機能１０１５は、イメージ背景に対して生イメージ１０１０を正規
化する。一実施形態では補正機能１０１５は単色補正によって実施される。単色
補正の場合、２つの波長λ_１およびλ_２が選択される。λ_２のイメージをλ_１の
イメージから減算することにより、λ_１およびλ_２の両方に同一の方式で影響す
るすべてのパラメータが相殺し、したがって結果として得られる（λ_１−λ_２）
イメージから除去される。結果として得られる（λ_１−λ_２）イメージは、λ_１およびλ_２に異なって影響するパラメータのみの効果を組み込む。

【０１２６】別の実施形態では、補正機能１０１５は速度またはスピード補正によって実施
される。速度補正の場合、時間ｔ_０と時間ｔ_１の間の生イメージ１０１０の差を
得ることにより補正イメージ１０２０が形成される。この目的のために、光をパ
ルス化し、かつ／またはカメラのようなイメージキャプチャ手段のシャッターを
開閉する手段が提供され、時間において異なる２つのイメージが得られる。速度
補正は、生イメージ１０１０の移動部分を生イメージ１０１０の静止部分から抽
出することを可能にする。この方式で、生イメージ１０１０の移動部分または静
止部分のいずれかを含むように補正イメージ１０２０が形成される。

【０１２７】セグメンテーション機能１０２５は、分析イメージ１０３０を形成するために
補正イメージ１０２０に適用される。セグメンテーション機能１０２５は、当該
場面を補正イメージ１０２０から区分または分離して分析イメージ１０３０を形
成する。分析機能１０３５は分析イメージ１０３０が結果１４０を生成するのに
適用される。セグメンテーション機能１０２５によって区分される当該場面は、
分析機能１０３５によって行われる分析のタイプに応じて決めることができる。
この方式で補正イメージ１０２０は、さまざまなセグメンテーション機能によっ
て異なって区分された多数の当該場面を含むことができる。イメージ分析を行う
いくつかの具体的な方法のさらに詳細な説明は、上記で参照した‘３６３号特許
出願の応用例で提供される。

【０１２８】図１０に示す方法は、診断または監視の目的で血液パラメータの非侵襲性の生
体分析を行うために使用することができる。上記の図２で説明したイメージ補正
および分析手段２８０など、本発明で使用するイメージ補正および分析手段の例
を図１１のコンピュータシステム１１００として示す。コンピュータ１１００は
プロセッサ１１０４など１つまたは複数のプロセッサを含む。プロセッサ１１０
４は通信バス１１０６に接続される。この例示的コンピュータシステムに関して
さまざまなソフトウェア実施形態が説明される。この説明を読むと、当分野の技
術者には他のコンピュータおよび／またはコンピュータアーキテクチャを使用し
てこの発明を実施する方法が明らかになろう。

【０１２９】コンピュータシステム１１００は、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡ
Ｍ）であるメインメモリ１１０８をも含み、また第２メモリ１１１０を含むこと
もできる。第２メモリ１１００は例えば、ハードディスクドライブ１１１２およ
び／またはフロッピー（登録商標）ディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクなどに相当する取り外し可能な記憶装置ドライブ１１１４を含むことができる。取り外し可能の記憶装置ドライブ１１１４は、よく知られている方式で取り外し可能な記憶装置ユニット１１１８から読み出しをし、かつ／またはそこに書き込みをする。取り外し可能な記憶装置ユニット１１１８は、フロッピーディスク、磁気テープ、光ディスクなどに相当し、取り外し可能な記憶装置ドライブ１１１４によって読み出しや書き込みが行われる。理解されるように、取り外し可能な記憶装置ユニット１１１８は、その中にコンピュータソフトウェアおよび／またはデータを記憶した、コンピュータが使用可能な記憶装置媒体を含む。

【０１３０】代替実施形態では、第２メモリが、コンピュータプログラムまたは他の命令が
コンピュータシステム１１００にロードされることを可能にする他の類似の手段
を含むことができる。そのような手段は例えば取り外し可能な記憶装置ユニット
１１２２およびインタフェース１１２０を含むことができる。それらの例は、プ
ログラムカートリッジおよびカートリッジインタフェース（ビデオゲームデバイ
スで見られるような）と、取り外し可能なメモリチップ（ＥＰＲＯＭまたはＰＲ
ＯＭなど）と、関連するソケットと、他の取り外し可能な記憶装置ユニット１１
２２と、ソフトウェアおよびデータが取り外し可能な記憶装置ユニット１１２２
からコンピュータシステム１１００に転送されることを可能にするインタフェー
ス１１２０を含むことができる。

【０１３１】コンピュータシステム１１００は通信インタフェース１１２４を含むこともで
きる。通信インタフェース１１２４は、ソフトウェアおよびデータがコンピュー
タシステム１１００と、イメージキャプチャ手段２６０など外部装置との間で転
送されることを可能にする。通信インタフェース１１２４の例は、モデム、ネッ
トワークインタフェース（イーサネット（登録商標）カードなど）、通信ポート、ＰＣＭＣＩＡスロットおよびカードなどを含むことができる。通信インタフェース１１２４を介して転送されるソフトウェアおよびデータは、コンピュータインタフェース１１２４が受信できる、電子、電磁気、光または他の信号である信号の形をとる。例えばイメージ信号はチャネル１１２８を介して通信インタフェースに供給される。チャネル１１２８は信号を伝搬し、ワイヤまたはケーブル、光ファイバ、電話線、携帯電話リンク、ＲＦリンク、他の通信チャネルを使用して実施される。

【０１３２】この説明中「コンピュータプログラム媒体」および「コンピュータ使用可能媒
体」は一般に、取り外し可能な記憶装置１１１８、ハードディスクドライブ１１
１２にインストールされているハードディスク、チャネル１１２８を介して供給
される信号などの媒体を指すのに使用される。これらのコンピュータプログラム
製品はソフトウェアをコンピュータシステム１１００に提供するための手段であ
る。

【０１３３】コンピュータプログラム（コンピュータ制御論理とも呼ばれる）はメインメモ
リ１１０８および／または第２メモリ１１１０に記憶される。コンピュータプロ
グラムは通信インタフェース１１２４を介して受信することもできる。こうした
コンピュータプログラムは実行されると、コンピュータシステム１１００が本明
細書中で述べる本発明のフィーチャを実行することを可能にする。詳細にはコン
ピュータプログラムは実行されると、プロセッサ１１０４が本発明のイメージ分
析フィーチャを実行することを可能にする。したがってこうしたコンピュータプ
ログラムはコンピュータシステム１１００のコントローラに相当する。

【０１３４】ソフトウェアを使用してこの発明が実施される実施形態では、ソフトウェアは
コンピュータプログラム製品中に記憶され、取り外し可能な記憶装置ドライブ１
１１４、ハードドライブ１１１２または通信インタフェース１１２４を使用して
コンピュータシステム１１００にロードされる。制御論理（ソフトウェア）はプ
ロセッサ１１０４によって実行されると、プロセッサ１１０４は、本明細書中で
説明したこの発明のイメージ分析機能を実行する。

【０１３５】別の実施形態では、本発明は、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など
ハードウェア構成要素を使用して第１にハードウェアにおいて実施される。本明
細書中で述べる機能を実行するためのハードウェア状態マシンの実施法は、関連
技術の技術者には明らかであろう。

【０１３６】さらに別の実施形態では、この発明はハードウェアおよびソフトウェア両方の
組み合わせを使用して実施される。

【０１３７】８．アプリケーション要約すると、本発明のデバイスおよび方法は、非侵襲的な方式で脈管系のさま
ざまな特徴を判定するために使用することができる。本発明の実用的な応用例で
は、上記で詳細に説明した実施形態は小型のデバイスまたはプローブに実施する
ことが出来る。以下の説明は本発明の応用例を制限するものではない。これは本
発明の例示的利用例として提供されるものである。他の変更例または修正例は、
当分野の技術者には本発明に基づいて明らかになろう。

【０１３８】図１２Ａおよび図１２Ｂは、非侵襲的生体分析を行う被験者に使用するのに適
した本発明の実施形態を示す。図１２Ａは、プローブ１２０４、プリンタ１２０
６、処理および記憶ユニット１２０８を含む操作ユニット１２０２を示す。プロ
ーブ１２０４は、下唇の内側など被験者の脈管系の部分をイメージするのに使用
される。エチルセルロースまたはシュガーシロップなど指数一致媒体がプローブ
１２０４に応用され、プローブ１２０４と下唇の内側の間に適切な光学的接触ま
たは光学的密閉を提供することが好ましい。

【０１３９】プローブ１２０４は、図２、４、７および／または８Ａ（またはそれらのいず
れかの組み合わせ）に示したエレメントを備えることが好ましい。例えば図２に
関してプローブ１２０４は、１つまたは複数のイメージキャプチャ手段によって
光源２０２を備えている。本発明のデバイスの最適な性能を確実に得るために、
偏光子２１０と光を偏光解消する偏光子２２０との間の光路には何もあってはな
らない。例えば偏光子１５１０と偏光子１５２０の間の光路に塵があると、装置
の性能を低下させる。さらにプローブ１２０４の構成要素は非偏光素材で製造し
、その素材が光を偏光を解消しないことが好ましい。光路中のプローブ１２０４
の構成要素の素材として特に好ましいのは、コダックからＫＯＤＡＣＥＬの商品
名で入手可能な、非偏光解消性で非複屈折性のプラスチック素材である。光路中
の構成要素の素材として他に適切なのはガラスまたはクオーツである。さらにプ
ローブ１２０４の内部は、商業被覆剤ベンダから入手可能なＭａｒｔｉｎＢｌ
ａｃｋまたはＯｒｌａｎｄｏＢｌａｃｋなど抗散乱性の被服剤で被覆すること
ができる。これらの抗散乱被覆剤はプローブ１２０４の内部散乱をさらに低減す
るために利用することができる。プローブ１２０４のイメージングエンドの好ま
しい素材はガラスである。イメージ信号はプローブ１２０４から処理および記憶
ユニット１２０８に送信され、処理および記憶される。

【０１４０】図１２Ｂは可動ユニット１２２２を示す。可動ユニット１２２２はプローブ１
２２４およびベルトユニット１２２６を含む。プローブ１２２４は図１２Ａに示
すプローブ１２０４と同様の方式で構成することができる。ベルトユニット１２
２６はデータ記憶装置および送信ユニット１２２８を含む。データ記憶装置およ
び送信ユニット１２２８はプローブ１２２４から信号を受信する。この信号は、
後の処理のためにデータ記憶装置および送信ユニット１２２８によって記憶され
る。あるいはこの信号はデータ記憶および送信ユニット１２２８によって中心処
理ステーション（図示していない）に送信され、処理および記憶されることもで
きる。中心処理ステーションは処理済データを永久に記憶し、また結果をよく知
られている方式でプリントおよび表示もするように構成することができる。ベル
トユニット１２２６は、電池または他の適切な電力供給源用の位置１２２９も含
む。

【０１４１】本発明の生体装置は本発明の上記の方法を実行するために使用することができ
る。詳細には生体装置は、血液の単位体積ごとにヘモグロビンおよびビルビリン
濃度を判定するために使用することができる。生体装置はヘマトクリットおよび
平均赤血球容積を判定するためにも使用することができる。生体装置は血液の単
位体積ごとの白血球数および血小板数を判定するために使用することもできる。
白血球数または血小板数など、細胞の数を判定する場合、光源はパルス光源また
はフラッシュに構成され、分析イメージ中の「アクションをストップ」させて計
数が行われるようにすることができる。パルス光源によって達成されるストップ
アクションにより、分析イメージ中の動きに関連するぶれが回避される。パルス
光源はイメージキャプチャ手段のフレーム率と同期されることが好ましい。スト
ップアクションはイメージキャプチャ手段のシャッターを制御することによって
も達成することができる。ストップアクションイメージは、細胞の計数が分析イ
メージ中で行われるいずれの際に好まれる。ストップアクションイメージはＨｂ
またはＨｃｔなど他の非細胞数パラメータを判定するためにも使用することがで
きる。ただしＨｂまたはＨｃｔなど他のパラメータは非ストップアクションのイ
メージでも判定することができる。上記で述べた例と一致する他のタイプのイメ
ージ分析は、当業者にはこの説明から明らかになろう。

【０１４２】大血管のスペクトルイメージを提供するために本発明のデバイスおよび方法を
使用することにより、ヘモグロビン（Ｈｂ）、ヘマトクリット（Ｈｃｔ）、白血
球数（ＷＢＣ）パラメータを直ちに判定することができる。小血管のスペクトル
イメージを提供するために本発明のデバイスおよび方法を使用することにより、
平均赤血球容積（ＭＣＶ）、平均赤血球ヘモグロビン濃度（ＭＣＨＣ）、血小板
数（Ｐｌｔ）を直ちに判定することができる。

【０１４３】９．結論本発明のさまざまな実施形態を上記で説明したが、これらの説明は例示のため
のみに提供されたのであり制限のためではないことを理解されたい。本発明の照
明技術は、対象物を光学的に測定することや目に見える形で観察することを必要
とする、分析的、生体内、生体外の応用例で使用することができる。したがって
本発明の幅および範囲は、上記で説明したいずれの例示的実施形態によって制限
されるべきではなく、特許請求の範囲およびその均等物に従ってのみ定義される
べきである。

【図面の簡単な説明】

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は本発明を例示し
、説明と共に本発明の原理をさらに説明し、当業者が本発明を作成し使用するこ
とができるようにする。図中、同様の番号が同一または機能的に同様の要素を示
す。さらに、参照番号の最も左の数字が、その参照番号がはじめに現れる図面を
識別する。

【図１Ａ】標準的な反射性分光光度法を用いた近視野での散乱イベントを示す図である。

【図１Ｂ】本発明の照明技法を示す図である。

【図２】本発明の一実施形態によるオブスキュレーションを有するイメージングデバイ
スを示す図である。

【図３】本発明の一実施形態による対象物面での照明の断面プロファイルを示す図であ
る。

【図４】本発明の一実施形態による円錐レンズを有するイメージングデバイスを示す図
である。

【図５Ａ】アクシコンの詳細図である。

【図５Ｂ】円錐回折格子の詳細図である。

【図５Ｃ】回折表面プロファイルを有する円錐回折格子を示す図である。

【図６】視野レンズの表面での環状イメージパターンを示す図である。

【図７】本発明の一実施形態による照明ビームおよびイメージビームの光線追跡を示す
図である。

【図８Ａ】本発明の一実施形態による改良型折りたたみ式ミラーを有するイメージングデ
バイスを示す図である。

【図８Ｂ】本発明による改良型折りたたみ式ミラーのクローズアップ図を示す図である。

【図８Ｃ】本発明の折りたたみ式ミラーに関する例示寸法を示す図である。

【図８Ｄ】本発明による対象物面に入射する例示照明パターンを示す図である。

【図９】本発明のデバイスによって取られた患者の脈管領域の例示イメージを示す図で
ある。

【図１０】本発明の例示イメージ分析方法を示す図である。

【図１１】本発明での使用に適したコンピュータシステムのブロック図である。

【図１２Ａ】被験者と共に使用するのに適した本発明の実施形態を示す図である。

【図１２Ｂ】被験者と共に使用するのに適した本発明の実施形態を示す図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年９月１１日（２０００．９．１１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者マークエム．メイヤーズアメリカ合衆国 19106 ペンシルベニア州フィラデルフィアチェスナットストリート 615 ワンインディペンデンスモール 17フロアＦターム(参考） 2G059 AA05 BB12 BB13 CC16 EE01 EE02 EE05 EE11 EE12 FF01 GG01 GG02 GG03 GG04 GG08 GG10 HH01 HH02 HH03 JJ02 JJ05 JJ11 JJ13 JJ17 JJ22 JJ30 KK01 KK04 KK06 KK10 MM09 MM10 NN01 PP04 PP06 4C017 AA11 AB03 AC27 EE01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物面に位置された表面下対象物の光学的特性を検出する
ための装置であって、光源および対象物によって画定される照明経路に沿って伝搬する照明ビームを
提供するための光源と、前記照明ビームを高コントラスト照明パターンに変換し、前記照明パターンを
表面下対象物に投射する照明システムと、表面下対象物のイメージを検出するためのイメージキャプチャデバイスを含む
イメージングシステムとを備え、前記イメージが、表面下対象物を透過され、イ
メージ経路に沿って前記イメージキャプチャデバイスに伝搬する前記高コントラ
スト照明パターンからの散乱照明によって形成され、前記イメージ経路が、対象
物および前記イメージキャプチャ手段によって画定されることを特徴とする装置
。
【請求項２】前記高コントラスト照明パターンが高強度領域と低強度領域
を有し、前記照明システムが、前記高強度領域を前記イメージキャプチャ手段の
視野外で対象物面に投射することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】さらに、前記照明ビームをコリメートするために前記光源と前記対象物面の間に配置さ
れた集光レンズを備え、前記コリメートされた照明ビームが前記照明システムに
伝搬することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】前記照明システムが、前記光源と対象物面の間に配置された
折りたたみ式ミラーを備え、前記折りたたみ式ミラーが、実質的に反射性の外側
部分と実質的に透過性の内側部分とを有する表面を含み、前記折りたたみ式ミラ
ーが、前記照明ビームを前記高コントラスト照明パターンに変換し、前記高コン
トラスト照明パターンを対象物面に向け、前記イメージが、実質的に前記内側部
分を透過され、前記イメージ経路に沿って前記イメージキャプチャデバイスに向
けられることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】さらに、対象物面と前記イメージキャプチャデバイスとの間に前記イメージ経路に沿っ
て配置された対物レンズを備え、前記対物レンズがさらに、前記高コントラスト
照明パターンを対象物面に向け、前記対物レンズが、前記イメージを前記イメー
ジキャプチャデバイスに対して拡大することを特徴とする請求項２に記載の装置
。
【請求項６】前記照明システムが、前記光源と対象物面の間に配置され、前記照明ビームを前記高コントラスト照
明パターンに変換するための照明パターン発生器と、前記照明パターン発生器と対象物面との間に配置され、前記高コントラスト照
明パターンを対象物面に投射する投射レンズと、前記光学要素と対象物面との間に配置され、かつ対象物面とイメージキャプチ
ャデバイスとの間に配置され、前記投射された高コントラスト照明パターンを前
記イメージ経路に沿って対象物面に向けるための折りたたみ式ミラーとを備えることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】前記照明パターン発生器が、前記光源と前記光学要素の間に配置されたオブスキュレーションを備え、前記
オブスキュレーションが、前記高コントラスト照明パターンの前記低強度領域に
対応する前記照明ビームの第１の部分を遮断し、前記照明ビームの第２の部分が
、前記高コントラスト照明パターンの前記高強度部分に対応することを特徴とす
る請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記オブスキュレーションが、第１の開口で前記照明経路に
沿って配置され、前記オブスキュレーションの外径が、前記イメージキャプチャ
デバイスの前記視野に対応し、前記投射レンズおよび前記対物レンズが、前記オ
ブスキュレーションを対象物面にイメージすることを特徴とする請求項７に記載
の装置。
【請求項９】前記照明パターン発生器が、前記光源と前記投射レンズとの間に配置された円錐レンズを備え、前記円錐レ
ンズが、前記照明ビームを環状パターンに再分散し、前記環状パターンが前記投
射レンズによって対象物面に投射され、前記環状パターンが低強度中心領域を有
することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】前記円錐レンズがアクシコンであることを特徴とする請求
項９に記載の装置。
【請求項１１】前記照明パターン発生器が、前記光源と前記投射レンズの間に配置された円錐回折格子を備え、前記円錐回
折格子が、前記照明ビームを環状パターンに再分散し、前記環状パターンが前記
投射レンズによって対象物面に投射され、前記環状パターンが低強度中心領域を
有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１２】前記照明パターン発生器が、前記光源と前記投射レンズの間に配置された光学要素を備え、前記光学要素が
、前記光学要素の表面上に被覆され、前記照明ビームを環状パターンに再分散す
るためのホログラムを有し、前記環状パターンが前記投射レンズによって対象物
面に投射され、前記環状パターンが低強度中心領域を有することを特徴とする請
求項６に記載の装置。
【請求項１３】さらに、前記光源と前記折りたたみ式ミラーの間に配置され、前記光源からの前記照明
ビームを偏光するための第１の偏光子と、折りたたみ式ミラーと前記イメージキャプチャデバイスの間に前記イメージ経
路に沿って配置された第２の偏光子とを備え、前記第２の偏光子の偏光面が前記第１の偏光子の偏光面にほぼ垂直であること
を特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１４】被験者の組織および血液を非侵襲性「生体内」分析するた
めのスペクトルイメージング装置であって、対象の領域を照明するための光源を備え、前記光源と前記対象の領域との間に
光路が形成され、さらに前記光源から放出する光を、低強度領域と高強度領域を有する照明パターンに
変換する手段と、前記照明パターンを前記対象領域の内部かつ前記対象領域の表面下にある対象
物に投射する手段と、前記対象物のイメージをキャプチャするためのイメージキャプチャ手段とを備
え、前記対象物と前記イメージキャプチャ手段の間にイメージ経路が形成されて
いることを特徴とする装置。
【請求項１５】前記投射手段が、前記照明パターンの前記高強度領域を、
前記イメージキャプチャ手段の視野外にある前記対象領域の一部に向けることを
特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】前記照明パターンが前記表面に到達すると、前記照明パタ
ーンの前記高強度領域からの光が、前記対象領域内部にある物体と相互作用し、
１つまたは複数の散乱イベントによって散乱され、それにより表面下照明源を形
成して前記対象物を照明することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】前記イメージが、前記イメージ経路に沿って前記対象物を
透過される前記表面下照明源のかなりの部分によって形成されることを特徴とす
る請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】対象となる対象物を含む表面下組織領域内に照明源を作成
する方法であって、対象物が、対象物が位置される対象物面の周りの全方向から
照明され、前記対象物のイメージがイメージキャプチャデバイスによって検出さ
れ、（ａ）光源を提供するステップと、（ｂ）前記光源からの光を、高強度部分と低強度部分を有する照明パターンに
変換するステップと、（ｃ）前記照明パターンの前記高強度部分が、イメージキャプチャデバイスの
視野外で前記対象物面に入射するように前記組織領域の表面に前記照明パターン
を向けるステップと、（ｄ）イメージキャプチャデバイスを用いて対象物と相互作用する散乱光を検
出するステップとを含み、前記照明パターンの前記高強度部分が、表面下組織領域内で１つまたは
複数の散乱イベントを受けることを特徴とする方法。
【請求項１９】さらに、（ｅ）前記表面下組織領域の透過測定を行うステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】ステップ（ｂ）がさらに、前記光源からの前記光の一部を遮断することを含み、前記遮断された部分が、
前記照明パターンの前記低強度部分に対応することを特徴とする請求項１８に記
載の方法。
【請求項２１】ステップ（ｂ）がさらに、実質的に反射性の外側部分と実質的に透過性の内側部分を含む第１の表面を有
する折りたたみ式ミラーを提供することを含み、前記実質的に反射性の外側部分
で反射された光が、前記照明パターンの前記高強度部分に対応することを特徴と
する請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】ステップ（ｂ）がさらに、前記光を前記照明パターンに対応する環状パターンに再分散するために光学要
素を提供することを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】対象物に光学的に浸透し、対象物の表面下光学特性を検出
する装置であって、照明光の浸透深さに比べて多重散乱深さが小さくなるような波長で対象物を照
明する光源と、前記光源からの光を偏光するための第１の偏光子と、前記照明光源を、対象物に投射される高コントラスト照明パターンに変換する
手段と、照明される対象物の表面の下から放出するイメージを検出するためのイメージ
ング手段とを備え、前記イメージが、対象物の表面下を透過され、イメージ経路
に沿って前記イメージング手段に伝搬する前記高コントラスト照明パターンから
の散乱照明によって形成され、さらに対象物と前記イメージング手段との間にあり、散乱光が通過する前記イメージ
経路内に配置された第２の偏光子を備え、前記第２の偏光子の偏光面が前記第１
の偏光子の偏光面に関してほぼ垂直であることを特徴とする装置。
【請求項２４】イメージされる対象物の吸収性質を定量的に測定するため
の装置であって、イメージすべき対象物を照明するための光源と、前記光源からの光を偏光するための第１の偏光子と、前記照明光を、対象物に投射される高コントラスト照明パターンに変換するた
めの照明システムと、照明された物体の表面の下から放出するイメージを検出するためのイメージン
グ手段とを備え、前記イメージが、対象物の表面下を透過され、イメージ経路に
沿って前記イメージング手段に伝搬する前記高コントラスト照明パターンからの
散乱照明によって形成され、さらに、前記イメージ経路内に配置された第２の偏光子を備え、前記第２の偏光子の偏
光面が前記第１の偏光子の偏光面に関してほぼ垂直であり、さらに、前記イメージング手段に結合され、前記イメージを使用してイメージされた構
造間での吸収特性の差を定量的に測定するための測定手段を備えることを特徴とする装置。