JP5503294B2 - 混濁状の媒体から画像データを取得するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、混濁状の媒体を撮像するデバイス、混濁状の媒体から画像データを取得する方法、及び混濁状の媒体から画像データを取得するためのコンピュータ実行命令を有するコンピュータプログラム製品に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影、超音波コンピュータ断層撮影及びＭＲＩは、混濁状の媒体における対象物を局所化するため、特に乳癌及び腫瘍の局所化のための良く知られた方法である。近赤外光は、生物組織に対する高い透過率を呈すること、及び腫瘍又は癌の成長は、胸部組織における特徴的な光吸収により監視されることができるという事実を、光学コンピュータ断層撮影は利用する。光学コンピュータ断層撮影デバイスを使用する利点は、胸部組織における癌領域を局所化するために、蛍光タグを備える特別な造影剤が使用されることができることでもある。従って、蛍光造影剤は、癌領域に堆積するよう構成される。結果的に、造影剤でラベルをつけられる癌領域は、特定の波長のレーザを用いる照射に応じて又は特定の帯域幅の光源を用いる照射に応じて特徴的な蛍光を発する光を放射する。

混濁状の媒体における対象物を局所化するための典型的なデバイスは、米国特許第６、６８７、５３２Ｂ２号に見られることができる。光学コンピュータ断層撮影装置を用いての一般的な不都合点は、照射される混濁状の媒体から放射する光の強度のダイナミックレンジがかなり大きいことである。従って、個別の光検出器は、大きな感度ダイナミックレンジ(dynamic sensitivity range)をカバーしなければならない。これは、複雑な及びかなり高価な電子機器を必要とする。更に、拡散光学蛍光測定に関して、混濁状の媒体からの光学蛍光信号は通常、非常に小さく、この小さな蛍光信号と同時に、１００倍までの大きさの伝達貢献信号が測定されなければならない。この場合も、再び正確に規定されたスペクトル範囲の大きなダイナミックレンジを持つ光検出器を備える複雑な及び高価な光学部品を必要とする。

本発明は、拡散光学断層撮影デバイスを用いて混濁状の媒体から画像データを取得する方法を提供する。本方法は、混濁状の媒体を複数の第１の空間位置で照射するステップと、混濁状の媒体から放射される光を複数の第２の空間位置で収集するステップとを有する。各第２の空間位置から収集される光は、少なくとも２つの光学チャネルに分割され、少なくとも２つの光学チャネルの各光学チャネルにおいて分割された光の強度が、光検出器を用いて測定される。最終的に、混濁状の媒体の画像が、測定された強度から再構成される。任意のシステマティックな誤差は、例えば適切な較正手順によりキャンセルされなければならない。

各第２の空間位置から収集される光を２つ又はこれ以上の光学チャネルに分割するこの方法は、各光学チャネルにおいて、例えば特定のダイナミック光学範囲又は特定のスペクトル範囲に関する特別な測定のために構成される個別の光検出器が使用されることができるという利点を持つ。

本発明の実施形態によれば、混濁状の媒体は、複数の異なる波長で照射される。これは、混濁状の媒体の異なる光学特性に関する、再構成画像の最適なコントラストを取得することを可能にする。

本発明の実施形態によれば、分割された光の強度の測定は、少なくとも２つの光学チャネルに含まれる各チャネルに対して、異なる光検出器感度で実行される。これはより複雑でない及び安価な電子機器を使用することを可能にする。なぜなら、個別の光検出器の感度ダイナミックレンジはより低くなることができるからである。

本発明の実施形態によれば、分割された光の強度の測定は、少なくとも２つの光学チャネルの個別のチャネルに対して異なる波長で実行される。これは、例えば蛍光測定において、蛍光貢献が伝達貢献より約２倍のオーダ分低いとしても、蛍光貢献及びもっと大きな伝達貢献から生じる光学信号が、同時に測定されることができるという利点を持つ。この実施形態は、検出器の必要な感度ダイナミックレンジを減少させるだけでなく、流体不安定性、患者運動アーチファクト及びレーザ出力光変動から生じるシステマティックな誤差を減少させ、測定の速度を向上させる。なぜなら、蛍光及び伝達貢献が共に、同じ位置で同時に測定されるからである。

画像再構成のため、蛍光及び伝達信号が両方使用されることに留意することが重要である。例えば蛍光及び伝達信号貢献の測定を更に改善するため、分割された光の強度の測定が、少なくとも２つの光学チャネルの各チャネルに対して、異なる光学フィルタを用いて実行される。

本発明の実施形態によれば、上記個別の少なくとも２つの光学チャネルにおける上記分割された光の上記測定された強度の品質の測定に基づき、上記少なくとも２つの光学チャネルの少なくとも１つの光学チャネルが画像再構成のために選択される。これは、例えば異なるスペクトル及び／又は動的感度特性を持つ異なる光検出器が、全ての光学チャネルにおける同時測定のために使用されることができ、一方、画像再構成に関しては、最も適切に構成される光検出器からの信号だけが選択及び使用されるという利点を持つ。

これは、例えば直列の動的感度を持つ光検出器に適用されることができる。本発明の実施形態では、光検出器の光強度飽和が、少なくとも２つの光学チャネルの各光学チャネルにおいて測定される。個別の不飽和光検出器を持つ光学チャネルだけが、画像再構成による使用のために選択される。

別の側面によれば、本発明は、混濁状の媒体から画像データを取得する拡散光学断層撮影デバイスに関し、このデバイスは、上記混濁状の媒体を複数の第１の空間位置で照射する光源と、上記混濁状の媒体から放射される光を複数の第２の空間位置で収集する収集器と、各第２の空間位置で収集される光を少なくとも２つの光学チャネルに分割する手段と、上記少なくとも２つの光学チャネルの各光学チャネルにおいて、上記分割された光の上記強度を測定する光検出器と、上記測定された強度から上記混濁状の媒体の画像を再構成するデータ処理システムとを有する。

本発明の実施形態によれば、上記検出された光を分割する手段が、ファイバＹカプラ及び／又は半透明鏡として構成される。これは標準的な光学要素の使用を可能にする。このことは、光学断層撮影デバイスのメンテナンス及び製造コストを減らす。

本発明の実施形態によれば、拡散光学断層撮影デバイスは、上記光学チャネルの各々において上記光学信号の上記測定された強度の上記品質を監視するよう構成される手段を更に有する。これにより、好ましくは、データ処理システムは、光学信号の測定された強度の品質の監視を実行するよう構成される。

本発明の実施形態によれば、上記少なくとも２つの光学チャネル内で、上記光学信号の上記強度を測定する上記個別の光検出器が、異なる光強度感度及び／又は異なる光波長感度で光を検出するよう構成される。

本発明の実施形態によれば、上記少なくとも２つの光学チャネル内で、上記光検出器の上記感度範囲が重複している。感度範囲が重複する光検出器を使用することにより、混濁状の媒体から放射される光の強度の全てのダイナミックレンジの最適な範囲が実現されることができる。

本発明の実施形態によれば、拡散光学断層撮影デバイスは、光学チャネルに対するフィルタを更に有する。上記フィルタは、例えば混濁状媒体の伝達光をブロックし、及び混濁状媒体の蛍光を通すよう構成される。これは、混濁状媒体の伝達及び蛍光測定に関して個別の非常に適合されたスペクトル及びダイナミックレンジを持つ光検出器が、効果的に使用されることができるという利点を持つ。大きなダイナミックレンジ検出器を有するかなり高価な及び複雑な光学部品が回避されることができる。

本発明の実施形態によれば、拡散光学断層撮影デバイスは、選択ユニットを更に有し、この選択ユニットは、光学チャネルを選択するよう構成される。

別の側面において、本発明は、拡散光学断層撮影デバイスにおける複数の第１の空間位置で混濁状の媒体の光照射を制御し、選択ユニットを制御するためのコンピュータ実行命令を有するコンピュータプログラム製品に関する。これにより、上記選択ユニットが、光検出器を選択するよう構成され、上記光検出器が、少なくとも２つの光学チャネルの光学チャネルに接続され、上記少なくとも２つの光学チャネルが、光を分割する手段に接続され、上記光が、拡散光学断層撮影デバイスにおける各第２の空間位置で収集される。コンピュータプログラム製品は、測定された信号強度から混濁状の媒体の画像を再構成するためのコンピュータ実行命令を更に有する。ここで、上記信号強度は、選択された光検出器から生じている。

再構成は、空間検出位置での光の分割とは独立に動作する再構成ソフトウェアにより実行されることができる。

再構成は、個別の光学チャネルで検出される信号レベルを説明するよう、例えば個別のチャネルの伝達における差を説明するようアップグレードされることができる。

拡散光学断層撮影デバイスの実施形態のブロック図である。 拡散光学断層撮影デバイスを用いて混濁状の媒体から画像データを取得する方法を図示するフローチャートを示す図である。 混濁状の媒体から画像データを取得する光検出器の個別の光強度飽和に基づき、光検出器を選択する方法を図示するフローチャートを示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態が、図面を参照して、例示にすぎないものを介してより詳細に説明される。

図１は、拡散光学断層撮影デバイスの実施形態のブロック図である。拡散光学断層撮影デバイスは、混濁状の媒体１０２を受けるよう構成されるホルダ１００を有する。この混濁状の媒体１０２は、較正媒体１０４に浸漬される。較正媒体１０４は、散乱流体に対応する。この媒体の散乱特性は、混濁状の媒体１０２の散乱特性にかなり近くマッチする。

混濁状の媒体１０２は、光源１０８を用いて複数の第１の空間位置１０６で照射される。光源１０８は好ましくは、例えば異なるレーザとして構成される。各レーザは、例えば６８０ｎｍ、７８０ｎｍ、８７０ｎｍといった異なる波長で光を放射する。光源１０８は、複数の光学スイッチ１１０に接続される。複数の光学スイッチ１１０は、非常に多くのファイバ１１２に、通常１００〜５００のファイバ１１２に光源１０８を接続する。各ファイバ１１２は、複数の第１の空間位置１０６でホルダ１００に接続される。こうして、各光学ファイバ１１２がホルダ内に光を提供することができる。

複数の光学スイッチ１１０を適切に切替えることにより、すべての光学ファイバ１１２が次々と光を放出することになる。これにより、光源１０８及び複数の光学スイッチ１１０は、制御デバイス１１４により制御される。制御デバイス１１４は、データ処理システム１１６に接続される。

データ処理システム１１６は、少なくとも１つのコンピュータ又はコンピュータのネットワークを有するコンピューターシステム１１８として実現されることができる。データ処理システム１１６は、コンピュータプログラム製品１２２の実行に適したプロセッサ１２０を有する。コンピュータプログラム製品１２２は、例えば、拡散光学断層撮影デバイスにおける複数の第１の空間位置１０６で混濁状の媒体１０２の光照射を制御するための命令１２４を有するコンピュータ実行命令を有する。

ユーザとの対話を提供するために、本発明の実施形態は、ユーザに対して情報を表示するための例えばＣＲＴ（陰極線管）又はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタといった表示デバイス１２６、及びユーザがコンピュータに対して入力を提供することができる、例えばキーボード及びマウス又はトラックボール等のポインティングデバイスといった入力デバイス１２８を持つデータ処理システム１１６で実現されることができる。

データ処理システム１１６は、メモリ１３０を更に有する。メモリ１３０は、データを格納するための大容量ストレージデバイスだけでなく、すべての形式の不揮発性メモリを含む、コンピュータプログラム命令及びデータを格納するのに適した任意のストレージデバイスを有することができる。例を挙げれば、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュメモリデバイスといった半導体メモリデバイス、内部ハードディスクといった磁気ディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭディスクを含む。

データ処理システム１１６と光学断層撮影デバイスの光学ハードウェアとの間の通信を提供するため、制御デバイス１１４との通信のためのインタフェース１３２が構成される。

光学ファイバ１１２から放射される光は、散乱流体１０４及び混濁状の媒体１０２により散乱され、複数の第２の空間位置１３６で、例えば光学ファイバ１３４により収集される。これにより、通常１００〜５００の光学ファイバ１３４が、光を収集するのに使用される。各第２の空間位置１３６において、例えばファイバＹカプラ及び／又は半透明鏡１３８を用いて、収集された光は少なくとも２つの光学チャネル１４０に分割される。少なくとも２つの光学チャネルの各光学チャネル１４０は、光学ファイバとして構成される。光検出器１４２は、各個別の光学チャネル１４０において分割された光の強度を測定するために使用される。

分割された光学チャネル１４０の各セットにおいて、光学信号の強度を測定する個別の光検出器１４２は、異なる光強度感度及び／又は異なる光波長感度で光を検出するよう構成される。好ましくは、光検出器１４２の感度範囲は重複している。

例えば混濁状媒体の伝達光をブロックし、混濁状媒体の蛍光を通すため、光学チャネル１４０は、特定の所与のスペクトル範囲の光を送信又はブロックするよう構成されるフィルタ１４４を更に有することができる。

拡散光学断層撮影デバイスは、選択ユニット１４６を更に有する。この選択ユニット１４６が、光学チャネル１４０の選択のために構成される。選択ユニット１４６は、コンピュータ実行命令１４８を用いてデータ処理システム１１６によりインタフェース１１４を介して制御される。データ処理システム１１６は、コンピュータ実行命令１５４を用いて各光学チャネル１４０における光学信号の測定された強度の品質の監視を実行するよう構成される。

少なくとも２つの光学チャネル１４０の少なくとも１つの光学チャネルが、少なくとも２つの光学チャネル１４０のそれぞれにおける分割された光の測定強度の品質の測定に基づき選択される。例えば光検出器１４２の光強度飽和が、少なくとも２つの光学チャネル１４０の各光学チャネルにおいて測定され、個別の不飽和光検出器を持つ光学チャネルだけが、データ処理システム１１６による画像再構成での使用のために選択される。

選択ユニット１４６は、適切な光検出器１４２を選択し、インタフェース１１４に接続されるアナログデジタル変換器１５０は、選択された光検出器１４２からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル化された信号は、制御デバイス１１４を介してデータ処理システム１１６に転送される。

別の実施形態において、全ての光検出器１４２からの全てのアナログ信号が、アナログデジタル変換器１５０を用いてまずデジタル信号に変換される。変換後、インタフェース１１４を介して制御される選択ユニット１４６が、個別のデジタル化された光学信号の選択のために使用される。これにより、データ処理システム１１６は、コンピュータ実行命令１５４を用いてデジタル化された光学信号の測定された強度の品質の監視を実行するよう構成される。

一般に、選択ユニット１４６及び／又はインタフェース１１４及び／又はアナログデジタル変換器１５０は、分離したデバイスとして構成されることができ、又はコンピューターシステム１１８に一体化されることができる。

混濁状媒体の画像は、コンピュータ実行命令１５２を用いて、選択された光検出器１４２から生じる個別の信号強度に基づき、データ処理システム１１６により再構成される。

図２は、拡散光学断層撮影デバイスを用いて混濁状の媒体から画像データを取得する方法を図示するフローチャートを示す。ステップ２００において、混濁状の媒体は、複数の第１の空間位置で照射される。ステップ２０２において、混濁状の媒体から放射される光は、複数の第２の空間位置で収集される。ステップ２０４において、各第２の空間位置から収集される光は、少なくとも２つの光学チャネルに分割される。

例えば、適切な実施形態は２つのチャネルシステムとすることができる。光の９９％は第１のチャネルにおける所与の第２の空間位置にあり、光の１％は第２のチャネルにある。第１のチャネルに接続される光検出器は、低い強度を持つ光を検出するために使用されることができ、及び／又は、第２のチャネルに接続される検出器は、高い強度を持つ光を検出するために使用されることができる。

この実施形態の変形例は、例えば３つのチャネルシステムとすることができる。この場合、光は、９８％、１％及び１％の伝達を伴う個別の第１、第２及び第３のチャネルを持つ３つの要素に分割される。これにより、チャネルに接続される光検出器は、分割された光の特定の異なる波長に対して感度良く構成されることができる。これは、特に結合された蛍光及び伝達光測定にとって重要である。

２つの光学チャネルだけの場合に関しては、ステップ２０６において、分割された光の強度が、少なくとも２つの光学チャネルの各光学チャネルにおいて光検出器を用いて測定される。最終的にステップ２０８において、混濁状媒体の画像が、測定された強度から再構成される。

図３は、混濁状の媒体から画像データを取得する光検出器の個別の光強度飽和に基づき光検出器を選択する方法を図示するフローチャートを示す。複数の第１の空間位置で混濁状の媒体を照射する間、混濁状の媒体から放射される光が、複数の第２の空間位置で収集される。所与の第２の空間位置から収集される光は、第１及び第２の光学チャネルに分割される。ステップ３００において、第１及び第２の光学チャネルにおいて分割された光の強度が、光検出器を用いて測定される。ステップ３０２において、第１の光検出器の光強度飽和が、例えばデータ処理システムにより測定及び解析される。第１の光検出器が飽和する場合、ステップ３０４において、第２の光検出器からの信号だけが画像再構成に使用される。ステップ３０２に戻り、第１の光検出器が飽和していない場合、ステップ３０６において、例えばデータ処理システムは第２の光検出器が飽和するかどうか決定する。ステップ３０６において、第２の光検出器が飽和される場合、ステップ３０８において、第１の光検出器からの信号だけが、測定された強度から混濁状の媒体の画像を再構成するのに使用される。ステップ３０６に戻り、第２の光検出器も飽和しない場合、ステップ３１０において、第１及び第２の光検出器両方からの信号が画像再構成に使用される。

信号がその最大出力信号レベルに達する場合、光検出器の１つは飽和状態にあると考えられる。例えば、出力範囲が０Ｖから１０Ｖまである場合、個別の光検出器が１０Ｖの出力信号を提供すれば、飽和状態にあると考えられる。

第１の及び第２の光検出器が両方とも飽和する場合、データ処理システムは個別の測定ポイントを放棄するか、又は代替的に例えば混濁状の媒体を照射するのに使用されるレーザ出力を小さくすることができる。更なる変形例では、光検出器の光路に配置される個別の光減衰器が、分割された光の光強度を減らすために切替えられることができる。

図３におけるフローチャートは、２つの光学チャネルだけに接続される個別の光検出器を選択する例示的な方法を図示する点に留意されたい。しかしながら、実際に適用される画像再構成に対しては、より多数の不飽和光検出器が必要とされる。画像再構成は常に、その多数の不飽和光検出器における光強度の結合された測定に基づかれる。

Claims (14)

1. 拡散光学断層撮影デバイスを用いて混濁状の媒体から画像データを取得する方法において、
   −前記混濁状の媒体を複数の第１の空間位置で照射するステップと、
   −前記混濁状の媒体から放射される光を複数の第２の空間位置で収集するステップと、
   −前記第２の空間位置で収集される光を２つの光学チャネルに分割するステップと、
   −それぞれが異なるダイナミックレンジを持ち、前記２つの光学チャネルのそれぞれに対応する光検出器を用いて、前記２つの光学チャネルの個別の光学チャネルにおける前記分割された光の強度を測定するステップと、
   −前記測定された強度の品質に基づき、前記複数の第２の空間位置のそれぞれにおいて、前記２つの光学チャネルから不飽和光検出器を持つ全ての光学チャネルを選択し、前記選択された光学チャネルにおける光検出器からの信号に基づき、前記混濁状の媒体の画像を再構成するステップとを有する、方法。
2. 前記混濁状の媒体が、複数の異なる波長で照射される、請求項１に記載の方法。
3. 前記分割された光の強度の測定が、前記２つの光学チャネルの個別のチャネルに対して異なる光検出器感度で実行される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記分割された光の強度の測定が、前記２つの光学チャネルの個別のチャネルに対して異なる波長で実行される、請求項１に記載の方法。
5. 前記分割された光の強度の測定が、前記２つの光学チャネルの個別のチャネルに対して異なる光学フィルタを用いて実行される、請求項１に記載の方法。
6. 混濁状の媒体から画像データを取得する拡散光学断層撮影デバイスであって、
   −前記混濁状の媒体を複数の第１の空間位置で照射する光源と、
   −前記混濁状の媒体から放射される光を複数の第２の空間位置で収集する収集器と、
   −前記第２の空間位置で収集される光を２つの光学チャネルに分割する手段と、
   −前記２つの光学チャネルの前記個別の光学チャネルにおいて、前記分割された光の強度を測定する光検出器であって、それぞれが異なるダイナミックレンジを持つ、光検出器と、
   −前記測定された強度の品質に基づき、前記複数の第２の空間位置のそれぞれにおいて、前記２つの光学チャネルから不飽和光検出器を持つ全ての光学チャネルを選択する選択ユニットと、
   −前記選択された光学チャネルにおける光検出器からの信号に基づき、前記混濁状の媒体の画像を再構成するデータ処理システムとを有する、拡散光学断層撮影デバイス。
7. 前記分割する手段が、ファイバＹカプラ及び／又は半透明鏡として構成される、請求項６に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
8. 前記光学チャネルの各々において前記測定された強度の品質を監視するよう構成される手段を更に有する、請求項７に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
9. 前記データ処理システムが、前記測定された強度の品質の監視を実行するよう構成される、請求項８に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
10. 前記２つの光学チャネル内で、個別の前記光検出器が、異なる光強度感度及び／又は異なる光波長感度で光を検出するよう構成される、請求項７に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
11. 前記２つの光学チャネル内で、前記光検出器の感度範囲が重複している、請求項１０に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
12. 前記光学チャネルの少なくとも１つに対する光学フィルタ及び／又は光学レンズを更に有する、請求項６に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
13. 前記光学フィルタが、混濁状媒体の伝達光をブロックし、及び混濁状媒体の蛍光を通すよう構成される、請求項１２に記載の拡散光学断層撮影デバイス。
14. コンピュータ実行命令を有するコンピュータプログラムであって、前記コンピュータ命令が、
    −拡散光学断層撮影デバイスにおける複数の第１の空間位置で混濁状の媒体の光照射を制御するステップと、
    −前記混濁状の媒体から放射され、複数の第２の空間位置で収集される光が、各第２の空間位置で２つの光学チャネルに分割されるとき、それぞれが異なるダイナミックレンジを持ち、前記２つの光学チャネルのそれぞれに対応する光検出器を用いて、前記２つの光学チャネルの個別の光学チャネルにおける前記分割された光の強度を測定するステップと、
    −選択ユニットを制御するステップとを有し、
    前記選択ユニットが、前記測定された強度の品質に基づき、前記複数の第２の空間位置のそれぞれにおいて、前記２つの光学チャネルにおける不飽和光検出器を持つ全ての光学チャネルに対応する光検出器を選択するよう構成される、コンピュータプログラム。

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