内視鏡による角度分解低コヒーレンス干渉法のためのシステムおよび方法
【課題】フーリエドメインａ／ＬＣＩ（ｆａＬＣＩ）システムおよび方法は単一走査により高速度の生体データ収集を可能にする。
【解決手段】角度分解および深さ分解スペクトル情報は１回走査で取得される。基準アーム送出ファイバ１４’’は、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプル１８’’に対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプル１８’’から多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプル１８’’のすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒のオーダーの１回走査で取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分解データから取得できる技法を用いて取得できる。
【解決手段】角度分解および深さ分解スペクトル情報は１回走査で取得される。基準アーム送出ファイバ１４’’は、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプル１８’’に対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプル１８’’から多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプル１８’’のすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒のオーダーの１回走査で取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分解データから取得できる技法を用いて取得できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１０月１１日出願の米国特許仮出願第６０／７２５，６０３号の発明の名称「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＥＮＤＯＳＣＯＰＩＣ ＡＮＧＬＥ−ＲＥＳＯＬＶＥＤ ＬＯＷ ＣＯＨＥＲＥＮＣＥ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ」の優先権を主張する。この仮出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願はまた米国特許出願第７，１０２，７５８号の発明の名称「ＦＯＵＲＩＥＲ ＤＯＭＡＩＮ ＬＯＷ−ＣＯＨＥＲＥＮＣＥ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＬＩＧＨＴ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」に関する。この出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
フーリエドメイン型角度分解低コヒーレンス干渉法（ｆａＬＣＩ）システムおよび方法はサンプルの角度分解および深さ分解スペクトル情報のデータ収集を可能にし、このシステムでは、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は、詳細には、生体への適用に対して高速度の単一走査により取得できる。
【背景技術】
【０００４】
細胞の構造特徴を試験することは、多くの臨床研究および実験研究に不可欠である。細胞研究のために試験において使用されるもっとも一般的なツールは顕微鏡である。顕微鏡試験は細胞および細胞構造の解明において大きな進歩をもたらしてきたが、顕微鏡試験は標本のアーティファクトにより本質的に制限される。細胞の特性は、化学薬品の添加のため変質する細胞の構造特徴を瞬間的に確認できるだけである。さらに、試験目的で細胞サンプルを取得するために、侵襲が必要である。
【０００５】
このような理由から、光散乱分光法（ＬＳＳ）が、細胞を含む生体試験への適用を可能にするために開発された。ＬＳＳ方法は、細胞小器官の弾性散乱特性の変化を試験し、これらのサイズおよび他の寸法情報を推定する。組織および他の細胞構造体における細胞特徴を測定するためには、多重散乱されており、および散乱物体に関する容易に利用可能な情報を保有しない散乱光から、個々に散乱された光を区別することが必要である。この区別および弁別は、弱い散乱のサンプルに対する試験および分析を制限または限定することにより、あるいはモデリングを用いて拡散構成要素を除去することによって、偏光格子を利用するといったいくつかの方法で達成できる。
【０００６】
表面下の部位からの個々の拡散光を選択的に検出する代替の方法として、低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）もまたＬＳＳの１つの方法として探求されてきた。ＬＣＩは、例えば広帯域の白色光源といった、低い時間干渉性を有する光源を利用する。干渉は干渉計の経路長の遅延が光源の干渉時間と一致するときに実現するだけである。システムの距離分解能は光源の干渉長さにより決定され、通常組織のサンプルの試験に好適なマイクロメートル範囲にある。実験結果は、広帯域の光源およびその２次高調波を使用することにより、ＬＣＩを使用する弾性散乱に関する情報の復元を可能にすることが示されている。ＬＣＩは時間深さ走査を用いており、この走査では、サンプルを基準アームに対して移動させて光源をサンプル上に誘導し、サンプル上の特定点から散乱情報を受信する。その結果、サンプルを完全に走査するための走査時間は、約５から３０分のオーダーであった。
【０００７】
角度分解ＬＣＩ（ａ／ＬＣＩ）は細胞サイズに関する表面下の構造情報を取得する手段として開発されてきた。光は参照ビームとサンプルビームとに分割され、サンプルビームは散乱光の角度分布を試験するために様々な角度でサンプルに投射される。ａ／ＬＣＩ方法は、表面下の部位からの個々の散乱光を検出するＬＣＩの性能と、サブ波長の精度および正確度で構造情報を取得する光拡散方法の性能とを組み合わせることにより、深さ分解断層撮影画像を構成する。構造情報は、伝達角を備える基準場と混合される単一広帯域光源を使用して、後方散乱光の角度分布を試験することにより決定される。細胞のサイズ分布は、測定された角度分布の振動部分とＭｉｅ理論の予測とを比較することにより決定される。このようなシステムは、「角度分解型低コヒーレンス干渉法を用いて測定される細胞組織および構造（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、８２、２００２年４月、２２５６−２２６５）に説明されており、この全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
ａ／ＬＣＩ方法は、細胞形態の測定および発がん現象の動物モデルにおける上皮内腫瘍の診断に適用されて好結果を得てきた。本出願の発明者は「改善された角度分解型低コヒーレンス干渉システムを用いる核形態の決定（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｇｌｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００３年、１１（２５）：３４７３−３４８４頁）においてこのようなシステムを開示しており、この全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。サンプルに関する構造情報を取得するａ／ＬＣＩ方法は、組織および生体の細胞形態の測定、ならびに発がん現象の動物モデルにおける上皮内腫瘍の診断および化学抗がん剤の効能の評価に適用されて好結果を得てきた。ａ／ＬＣＩは組織処理することなく組織サンプルを予測的に選別するのに用いられ、生物医学診断として技術の可能性を実証してきた。
【０００９】
初期の試作品および第２世代のａ／ＬＣＩシステムは同様のデータを取得するのにそれぞれ３０分および５分を必要としていた。時間領域深さに依存しているこれら従来のシステムは、従来のＬＣＩベースのシステムで実現されているのと同様に走査する。検出される散乱角の逐次走査を達成するために、干渉計の基準アームの長さは機械的に調整されなければならなかった。角度特定性を得る方法は、干渉分析方式の参照ビームを可変角度で検出器平面と交差させることにより達成された。角度分解、深さ分解後方拡散分布を取得するこの一般的な方法は、米国特許第６，８４７，４５６号「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」に開示されており、この全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１０】
他の従来のＬＣＩシステムは米国特許第６，００２，４８０号および６，５０１，５５１号に開示されており、この全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。米国特許第６，００２，７８０号は、深さ分解分光分布を取得することを範囲に含み、弾性散乱特性による波長の変化を観測することにより散乱体のサイズを得ることを開示している。米国特許第６，５０１，５５１号は、干渉画像化の内視鏡応用を範囲に含み、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解能を得ることを予測している。米国特許第６，５０１，５５１号は、角度分解散乱分布の測定、弾性散乱特性の分析により散乱体のサイズを決定するための散乱光の利用、およびそのデータが散乱または画像化データであるかどうかによらず、並行してデータを記録するための画像化分光計の使用、を述べていない。最後に、米国特許第７，０６１，６２２号は角度散乱分布を測定するための光ファイバ手段を開示しているが、フーリエドメイン概念を論じていない。また、画像化技術を説明するために、実施形態のすべては、試験される領域を制限する集束光学系を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，８４７，４５６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，００２，４８０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５０１，５５１号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０６１，６２２号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｙ（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、８２、２００２年４月、２２５６−２２６５）
【非特許文献２】Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｇｌｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００３年、１１（２５）：３４７３−３４８４頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明はフーリエドメインａ／ＬＣＩ（ｆａＬＣＩ）と称される新しいａ／ＬＣＩ方法を含み、この方法により、単一走査により高速のデータ収集を可能にし、生体への適用を十分可能にする。本発明は、サンプルに関する角度分解および深さ分解スペクトル情報を取得し、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は単一走査により取得でき、また基準アームは、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプルに対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプルから多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。
【００１４】
この角度分解、相互相関信号はスペクトル的に分散しているため、新しいデータ収集方式は重要である。この理由は、この新しいデータ収集方式により、データを１秒未満で取得でき、生体組織からデータを収集するのに必要とされる閾値を決定できるからである。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプルのすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒オーダーの１回走査により取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分析データから取得できる方法を用いて取得できる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のｆａＬＣＩ方法は、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解情報を収集する。データ収集時間における信号対雑音および同一基準（ｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅ）の低減はフーリエ（またはスペクトル）ドメインにおける深さ走査を記録することにより可能である。ｆａＬＣＩシステムはフーリエドメイン概念を画像分光器の使用と組み合わせることにより、角度分布を並行してスペクトル的に記録する。その後、本発明の深さ分解能は、サンプルに対するフーリエ変換平面における画像分光器の入口スリットを置くことにより得られる角度分解測定によって２つの混合場（ｆｉｅｌｄ）のスペクトルをフーリエ変換することにより達成される。これは、スペクトル情報を深さ分解情報に、および角度情報を横方向空間分布に変換する。ｆａＬＣＩの性能は、最初は、深さ分解測定におけるポリスチレンビーズのサイズを抽出することにより実証された。
【００１６】
様々な数学的技術および方法が、角度分解、相互相関信号を利用してサンプルのサイズ情報を決定するために提供されている。
【００１７】
本発明は特定のいずれの装置にも限定されない。１つの実施形態では、装置は改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づいており、この装置では、スーパールミネッセントダイオードからの広帯域光はビームスプリッタによりサンプルに対して参照ビームおよび入力ビームに分割される。別の実施形態では、固有の光ファイバプローブを用いて光を送出し、所定のサンプルから散乱光の角度分布を収集できる。
【００１８】
ａ／ＬＣＩ方法は、生検またはその後の組織病理学的評価を介する組織抽出の必要なく、組織の健康を評価するための臨床的に実行可能な方法である。ａ／ＬＣＩシステムは多数の目的、すなわち形成異常上皮組織の早期検出およびスクリーニング、疾病期間、治療行為の監視、および生検部位への臨床医の案内に適用できる。光学的ａ／ＬＣＩプローブの非侵襲性、非電離性特性は、悪影響を与えることなく繰返し適用できることを意味する。迅速な結果を提供するａ／ＬＣＩの能力は疾病のスクリーニングに対する広範な適用性を大幅に強化する。
【００１９】
本明細書に記載され、および本明細書の一部を形成する添付図面は本発明のいくつかの態様を説明し、記述と併せて本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】マッハ−ツェンダー干渉計を使用するｆａＬＣＩシステムの１つの例示的実施形態の図である。
【図１Ｂ】図１Ａの干渉計構成において分光器のスリットに対して検出される散乱角の関係を示す図である。
【図２】分析用のサンプルに関する深さ分解空間相互相関情報を復元するために干渉計装置により実行されるステップを示すフローチャートである。
【図３Ａ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、取得された全体信号（図３Ａ）を示している。
【図３Ｂ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、基準場の強度（図３Ｂ）を示している。
【図３Ｃ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、信号場強度（図３Ｃ）を示している。
【図３Ｄ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、基準場強度と信号場強度との間の抽出された相互相関信号（図３Ｄ）を示している。
【図４Ａ】深さおよび角度の関数としての、図３Ｄに示された相互相関ｆａＬＣＩデータについて実行された軸方向の空間相互相関関数の図である。
【図４Ｂ】サンプルに関するサイズ情報を復元するために、角度の関数としての、散乱サンプル信号強度に関する生データおよびフィルタ処理されたデータの角度分布グラフである。
【図５Ａ】サンプルに関するサイズ情報を決定するために最適Ｍｉｅ理論と比較された、散乱サンプル信号強度のフィルタ処理された角度分布図である。
【図５Ｂ】サンプル中の細胞の直径を推定するための、サンプルに関するサイズ情報のカイ２乗最小化である。
【図６】光ファイバプローブを使用するｆａＬＣＩシステムの例示的実施形態の図である。
【図７Ａ】図６に示されたｆａＬＣＩシステムで使用されるａ／ＬＣＩ光ファイバプローブ先端の切断図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示されたｆａＬＣＩシステムにおけるファイバプローブの配置を示している。
【図８Ａ】本発明により使用される代替の光ファイバｆａＬＣＩシステムの図である。
【図８Ｂ】図８Ｂに示されたｆａＬＣＩシステムにおけるプローブの遠位端におけるサンプル照射および散乱光収集の図である。
【図８Ｃ】図８Ａに示されたｆａＬＣＩシステムのプローブの照射された遠位端の画像の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に記載される実施形態は、当業者が本発明を実現できるのに必要な情報を示しており、本発明を実現する最良様式を示す。添付図面と照合して以下の説明を読むことにより、当業者は本発明の概念を理解し、本明細書で詳細には説明されていないこれらの概念の適用を認識する。これらの概念および適用は本開示および添付の特許請求の範囲内であることは理解されるべきである。
【００２２】
本発明はフーリエドメインａ／ＬＣＩ（ｆａＬＣＩ）と称される新しいａ／ＬＣＩ方法を含み、この方法により、単一走査により高速のデータ収集を可能にし、生体への適用を十分可能にする。本発明は、サンプルに関する角度分解および深さ分解スペクトル情報を取得し、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は単一走査により取得でき、また基準アームは、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプルに対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプルから多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。
【００２３】
この角度分解、相互相関信号はスペクトル的に分散しているため、新しいデータ収集方式は重要である。この理由は、この新しいデータ収集方式により、データを１秒未満で取得でき、生体組織からデータを収集するのに必要とされる閾値を決定できるからである。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプルのすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒オーダーの１回走査により取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分析データから取得できる方法を用いて取得できる。
【００２４】
本発明のｆａＬＣＩ方法は、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解情報を収集する。データ収集時間における信号対雑音および同一基準の低減はフーリエ（またはスペクトル）ドメインにおける深さ走査を記録することにより可能である。ｆａＬＣＩシステムはフーリエドメイン概念を画像分光器の使用と組み合わせることにより、角度分布を並行してスペクトル的に記録する。その後、本発明の深さ分解能は、サンプルに対するフーリエ変換平面における画像分光器の入口スリットを置くことにより得られる角度分解測定によって２つの混合場のスペクトルをフーリエ変換することにより達成される。これは、スペクトル情報を深さ分解情報に、および角度情報を横方向空間分布に変換する。ｆａＬＣＩの性能は、最初は、深さ分解測定におけるポリスチレンビーズのサイズを抽出することにより実証された。
【００２５】
本発明の主要な進歩は３つの構成要素、すなわち（１）新しい迅速なデータ収集方法、（２）ファイバプローブ設計、および（３）データ分析方式に分類される。したがって、本発明は理解を容易にするためにこの分類事項に従って説明される。
【００２６】
また図２には、例示的な装置ならびにサンプルから散乱される角度および深さ分解分布データを取得するプロセスに含まれるステップが示されている。本発明の１つの実施形態によるｆａＬＣＩ方式は図１Ａに示される改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づいている。スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）１２からの広帯域光１０はミラー１３により方向変更され（図２のステップ６０）、ビームスプリッタＢＳ１ ２０により参照ビーム１４とサンプル１８への入力ビーム１６と分割される（図３のステップ６２）。ＳＬＤ１２の出力パワーは３ミリワットであってもよく、例えば、λｏ＝８５０ｎｍ、Δλ＝２０ｎｍＦＷＨＭの仕様を有し、組織内の細胞層から散乱を分離するのに十分な低コヒーレンス長さを提供する。参照ビーム１４の経路長は逆反射体ＲＲ２２を調節するにより設定されるが、測定中は固定された状態を維持する。参照ビーム１４はレンズＬ１（２４）およびＬ２（２６）を用いて拡大され、照射光を生成する（図２のステップ６４）。この照射光は均一な平行光であり、画像分光器２９内の分光器スリット４８に到達する。例えば、Ｌ１は焦点距離１．５センチメートルを有してもよく、Ｌ２ ２６は焦点距離１５センチメートルを有してもよい。
【００２７】
レンズＬ３（３１）およびＬ４（３８）はサンプル１８上に入射する平行ペンシルビーム３０を生成するように配置される（図２のステップ６６）。レンズＬ３（３１）に対して垂直にレンズＬ４（３８）を配置することにより、入力ビーム３０は光軸に対して０．１０ラジアンの角度でサンプルを照射するように生成される。この配置によりレンズＬ４（３８）の全開口角を用いてサンプル１８から散乱光４０を収集できる。レンズＬ４（３８）は焦点距離３．５センチメートルを有してもよい。
【００２８】
サンプル１８により散乱された光４０はレンズＬ４（３２）により収集され、レンズＬ５（４３）およびＬ６（４４）から構成される４ｆ画像化システムにより中継され、これにより、レンズＬ４（３２）のフーリエ平面が分光器スリット４８で位相および振幅を再生される（図２のステップ６８）。散乱光４０は、画像分光器２９への入口スリット（要素４８として図１Ｂに示されている）に位置する組み合わせ場４６と、第２ビームスプリッタＢＳ２ ４２における基準場１４と混合される（図２のステップ７０）。画像分光器２９は例えばＡｃｔｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社により製造されるモデルＳＰ２１５０ｉであってもよい。図１Ｂはスリット４８の寸法に対する散乱角の分布を示している。混合場は高い分解能格子（例えば１２００ｌ／ｍｍ）で分散され、冷却されたＣＣＤ５０（例えば、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社により製造されている１３４０×４００、２０μｍ×２０μｍピクセル、仕様１０：４００）を使用して検出される（図２のステップ７２）。
【００２９】
検出信号４６は、光が分光器２９により分散されると、分光器スリット４８上の垂直位置ｙおよび波長λの関数である。ピクセル（ｍ、ｎ）における検出信号は、信号４０および参照場１６（Ｅｓ、Ｅｒ）と以下の式のように関連付けることができる。
【数１】
【００３０】
ここで、φは２つの場３０、１６の間の位相差であり、＜．．．＞は時間における集合平均を示す。干渉項は信号ビーム３０および参照ビーム１６の強度を独立に測定し、全体強度からこれらを減算することにより抽出される。
【００３１】
深さ分解情報を得るために、各散乱角における波長スペクトルは、波数（ｋ＝２π／λ）スペクトルに補間され、およびフーリエ変換されて、以下の式で表される各垂直ピクセルｙｎに対する空間相互相関ΓＳＲ（ｚ）を与える。
【数２】
【００３２】
参照場１４は以下の式で表される。
【数３】
【００３３】
ここで、ｋ０（ｙ０およびΔｋ（Δｙ））はガウス波動ベクトル（空間）分布の中心および幅を表し、Δｌは選択された経路長の差である。散乱場４０は以下の式で表される。
【数４】
【００３４】
ここで、Ｓｊは深さｌｊに置かれたｊ番目の界面から生じる散乱の振幅分布を表す。散乱場４０の角度分布は、関係ｙ＝ｆ４θによってレンズＬ４のフーリエ画像平面における位置分布に変換される。ＣＣＤ５０のピクセルサイズ（例えば２０μｍ）に対して、これは角度分解能（例えば、０．５７ミリラジアン）および予測される角度範囲（例えば２２８ミリラジアン）が得られる。
【００３５】
式（３）および（４）を式（２）に代入し、および参照場１４（Δｙ＞＞スリットの高さ）の均一性に注目することにより、検出器２９上のｎ番目の垂直位置における空間相互相関性が得られる。
【数５】
【００３６】
単一界面に対してこの式の値を求めると以下のようになる。
【数６】
【００３７】
ここでは、散乱振幅Ｓは光源１２の帯域幅全体にわたって感知できるほど変化しないと仮定した。この表現は、散乱角に対応する各垂直ピクセルにおける散乱分布４０の深さ分解プロファイルを得ることができることを示している。
【００３８】
図３Ａは、基準場１６と、後方散乱方向に対して与えられる、波長および角度の関数として仮定した周波数ドメインにおける、ポリスチレンビーズのサンプルにより散乱された場４０との和の全体の検出強度（上記の式（１））を表す典型的なデータを以下に示している。例示的な実施形態において、このデータは、４０ミリ秒で収集され、予測範囲の約８５％の１８６ミリラジアン全体にわたるデータを記録しており、高角度において信号の若干の損失を有する。
【００３９】
図３Ｂおよび図３Ｃはそれぞれ基準場および信号場１４、３０の強度を示している。全体の検出強度から、信号場および基準場１４、３０を減算すると、２つの場の間の干渉４６は図３Ｄに示されるとおりに発生する。各角度において、干渉データ４６はｋ空間に補間され、フーリエ変換されて、図４Ａに示されるとおりサンプル１８の角度深さ分解プロファイルを得る。角度分解相互相関信号４６のフーリエ変換は、サンプル１８からの多数の反射角度で散乱され、レンズＬ４（３２）のフーリエ平面において得られた信号４０の結果であって、角度および深さの関数としてサンプル１８に関する深さ分解情報を生成する。これはサンプル１８に関する深さ分解情報を提供する。角度分解、相互相関信号４６はスペクトル的に分散しているため、データ収集においては１秒未満でデータを取得できる。サンプル１８上の多数の異なる点（すなわち角度）のそれぞれにおいてサンプル１８のすべての深さに関する情報は、約４０ミリ秒オーダーで１回走査により取得できる。通常、時間ドメインベースの走査は多数の異なる点におけるサンプルのすべての深さに関する情報を取得するように要求され、その結果、長時間とサンプルに対する基準アームの運動を要求する。
【００４０】
図４Ａに示されるサンプル１８の深さ分解プロファイルを生成した実験では、サンプル１８は、中立浮力を提供するために、水８０％およびグリセリン２０％（ｎ＝１．３６）の混合物に懸濁するポリスチレン微小球（例えば、ｎ＝１．５９、平均直径１０．１μｍ、８．９％の分散、ＮＩＳＴ（国立標準技術研究所）認定、Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社）からなる。溶液は散乱長ｆ＝２００μｍを得るために調製される。サンプルはガラスカバースリップ（厚さｄ〜１７０μｍ）の後方の円形ウェル（直径８ｍｍ、深さ１ｍｍ）内に含まれる（図示せず）。サンプルビーム３０はカバースリップを通してサンプル１８上に入射する。カバースリップを通る往復厚み（第２＝２（１．５）（１７０μｍ）＝０．５３ｍｍ、図４Ａ参照）はこの方法の深さ分解性能を示している。データは１つの平均自由行程（ＭＦＰ）全体を積分することにより集合平均される。空間平均により、低コヒーレンス光を使用する場合のスペックルを低減して、散乱サンプルを試験できる。フィッティング手順を容易にするために、散乱分布は、１６μｍを超える長さスケールにおける空間相関を抑圧するために選択されたカットオフ周波数を有するローパスフィルタされ、平滑な曲線を生成する。
【００４１】
サンプル１８に関する深さ分解情報を取得することに加えて、開示されたデータ収集方式を用いてサンプル１８から得られる散乱分布データ（すなわちａ／ＬＣＩデータ）を用いて、Ｍｉｅ理論を用いて核のサイズを決定することもできる。サンプル１８の散乱分布７４はプロット線図（ｃｏｎｔｏｕｒ ｐｌｏｔ）として図４Ｂに示される。サンプル１８に関する生の散乱情報７４は信号場３０および角度の関数として示される。フィルタ処理された曲線は散乱データ７４を使用して決定される。フィルタ処理された散乱分布曲線７６（すなわち散乱データ７４の表示）とＭｉｅ理論の予測との比較（図５Ａの曲線７８）により、サイズ分布を生成できる。
【００４２】
散乱データ７６をＭｉｅ理論に適合させるために、ａ／ＬＣＩ信号を処理して核のサイズの特性である振動成分を抽出する。平滑化データ７６は、低次多項式（例えばここでは４次が使用されるが、さらに最近の研究ではより低次の２次を使用する）に適合され、その後、背景傾向を除去するために分布７６から減算される。結果として得られる振動成分は、次に、Ｍｉｅ理論７８を用いて得られる理論上の予測値のデータベースと比較され、分析のために緩やかに変化する特徴が同様に除去される。
【００４３】
フィルタ処理されたａ／ＬＣＩデータ７６とＭｉｅ理論データ７８との直接比較は、カイ２乗フィッティングアルゴリズムが固有振動でなくバックグラウンドスロープと一致する傾向があるため、不可能である。算出された理論的予測は、平均直径（ｄ）および標準偏差（δＤ）により特徴付けられるサイズのガウス分布ならびに波長の分布を含み、広範な帯域幅光源を正確にモデル化する。
【００４４】
最良フィッティング（図５Ａ）はデータ７６とＭｉｅ理論と間のカイ２乗を最小化することにより決定され（図５Ｂ）、１０．２＋／−１．７μｍのサイズが得られ、真のサイズと優れた一致を示す。測定誤差は、おそらくは測定において記録される角度の制限範囲のために、ビーズの大きさの変化より大きい。
【００４５】
ａ／ＬＣＩデータの処理するおよびＭｉｅ理論との比較の代替として、診断情報を得ることができるいくつか他の方法がある。これらは、フーリエ変換を用いて角度データを分析することにより、細胞核の周期的振動特性を識別することを含む。周期的振動は核のサイズと相関があり、したがって診断価値を有する。ａ／ＬＣＩデータを分析する別の方法は、データを有限要素法（ＦＥＭ）またはＴ−マトリクス計算を用いて生成される角度散乱分布のデータベースと比較することである。このような計算は、Ｍｉｅ理論と同様な制限を受けないため、優れた分析を提供できる。例えば、ＦＥＭまたはＴ−マトリクス計算は非球形散乱体および含有物を有する散乱体をモデル化できるのに対して、Ｍｉｅ理論は同質球体だけしかモデル化できない。
【００４６】
代替の実施形態として、本発明はまた、内視鏡用途に対してａ／ＬＣＩシステムにおいて使用するために、対象のサンプルに光を送出および光を収集する光ファイバを使用することもできる。この代替の実施形態は図６に示されている。
【００４７】
この代替の実施形態における光ファイバａ／ＬＣＩ方式はレンズのフーリエ変換特性を利用する。この特性は、物体がレンズの前方焦点面に配置される場合、共役画像平面における画像はこの物体のフーリエ変換であることを示す。空間分布のフーリエ変換（物体または画像）は、ｍｍ当たりの周期についての画像情報内容の表示である、空間周波数分布により表される。弾性散乱光の光学画像においては、波長は固定された最初の値を維持し、空間周波数表示は単に、散乱光の角度分布の倍率変更バージョンである。
【００４８】
光ファイバａ／ＬＣＩ方式では、角度分布は、収集レンズを使用してサンプルの共役フーリエ変換平面にファイバ束の遠位端を配置することにより捕集される。この角度分布は次に、画像分光器の入口スリット上に４ｆシステムを使用して画像化される位置である、ファイバ束の遠心端に伝えられる。ビームスプリッタは、スリットに入る前に基準場と散乱場を重ね合わせるために使用され、この結果、低コヒーレンス干渉法はまた深さ分解測定値を得るためにも使用できる。
【００４９】
次に図６に戻ると、光ファイバｆａＬＣＩスキームが示されている。広帯域光源１０’からの光１２’は、ファイバスプリッタ（ＦＳ）８０を用いて基準場１４’と信号場１６’とに分割される。スプリッタ比２０：１は、１つの実施形態においては、組織から戻される光が一般にわずかな入射パワーであるため、信号アーム８２を介してサンプル１８’により大きいパワーを振り向けるように選択される。
【００５０】
基準ファイバ１４’内の光はファイバＦ１から出て、基準アーム経路長の全体位置合わせを可能にするために、変換ステージ８６上に取り付けられたレンズＬ１（８４）により平行光に変換される。この経路長は作動中に走査されないが、位置合わせ中に変更されてもよい。平行ビーム８８はファイバ束Ｆ３（９０）の端部９１に寸法的に等しくなる配置され、この結果、平行ビーム８８は等しい強度でＦ３内のすべてのファイバを照射する。Ｆ３（９０）の遠位先端から出る基準場１４’はファイバＦ４（９４）により伝えられる散乱場と重ね合わせるために、レンズＬ３（９２）により平行光に変換される。代替の実施形態では、ファイバＦ１（１４’）から出る光は平行光に変換され、その後レンズ系を用いて拡大されてブロードビームを生成する。
【００５１】
散乱場は干渉ファイバ束を用いて検出される。散乱場は、レンズＬ２（９８）を使用して対象のサンプル１８’の方向に向けられる信号アーム８２内で光を用いて生成される。自由空間システムにおけるのと同様に、レンズＬ２（９８）は単一モードファイバＦ２の中心から横方向に移動され、これにより、光軸に対してある角度をなして移動する平行ビームを生成するようにされる。入射ビームがある傾斜角でサンプルを照射する事実は、鏡面反射から弾性散乱情報を分離するのに不可欠である。サンプル１８’により散乱される光は、干渉性単一モードまたは多重モードファイバのアレイからなるファイバ束により収集される。ファイバの遠位先端は、散乱光の角度分布を画像化するためにレンズＬ２（９８）から離れて１つの焦点距離を維持される。図６に示される実施形態では、サンプル１８’は機械式取付台１００を使用してレンズＬ２（９８）の前方焦点平面に配置される。図７に示される内視鏡と互換性のあるプローブでは、サンプルは、透明シース（要素１０２）を使用してレンズＬ２（９８）の前方焦点平面に配置される。
【００５２】
図６および図７Ｂに示されるとおり、ファイバプローブＦ４（９４）の近位端１０５から出る散乱光１０４はレンズＬ４（１０４）により平行光に変換され、ビームスプリッタＢＳ（１０８）を使用して基準場１４’と重ね合わされる。２つの結合された場１１０はレンズＬ５（１１２）を使用して画像分光器２９’のスリット（図７の要素４８’）に再画像化される。レンズＬ５（１１２）の焦点距離はスリット４８’を最適に満たすために変更されてもよい。結果として得られる光信号は、図１Ａおよび図１Ｂの装置に対して上述されたとおり、スリット４８’の垂直寸法全体にわたる各散乱角に関する情報を含む。
【００５３】
上述のａ／ＬＣＩ光ファイバプローブは０．４５ラジアン範囲（約３０°）にわたる角度分布を収集し、一瞬の間に完全な深さ分解散乱分布１１０を収集すると予測される。
【００５４】
光工学の点からは同一であるファイバプローブを生成するためのいくつかの可能な方式が存在する。１つの可能な実現形態は信号および基準アームの両方における単一モードファイバの線形アレイである。代替として、基準アーム９６は、干渉性ファイバ束または線形ファイバアレイのいずれかからなる信号アーム８２を備える個別の単一モードファイバから構成される。
【００５５】
ファイバプローブの先端はまた、実質的に同等であるいくつかの実現形態を有する。これらは、レンズＬ２（９８）の代わりにドラムレンズまたはボールレンズの使用を含む。側視型プローブは、レンズおよびミラーまたはプリズムの組み合わせを使用して、またはレンズ−ミラーの組み合わせと交換するために凸面鏡を使用して作製できる。最終的に、プローブ全体は、探求される範囲の周辺走査を可能にするために半径方向に回転するように作製される。
【００５６】
本発明のさらに別のデータ収集の実施形態は、図５Ａに示されるとおり改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づくｆａ／ＬＣＩシステムである。ファイバ結合型スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）光源１２’’（例えば、Ｓｕｐｅｒｌｕｍ社、Ｐ０＝１５ｍＷ、λ０＝８４１．５ｎｍ、Δλ＝４９．５ｎｍ、干渉長さ＝６．３μｍ）からの出力１０’’は９０／１０ファイバスプリッタＦＳ（８０’）（例えばＡＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社により製造されている）によりサンプルアーム送出ファイバ１６’’および基準アーム送出ファイバ１４’’に分割される。サンプルアーム送出ファイバ１６’’は、例えば次のいずれか、すなわち（１）先端部で組み込まれた偏光制御を備える単一モードファイバ、または（２）偏光維持ファイバのいずれかからなる。サンプルプローブ１１３は、送出ファイバ１６’’の端面がファイバ束１１６の面と平行で同一平面となるように、ファイバ束１１６の遠位端にフェルール１１４に沿って送出ファイバ１６’’（ＮＡ≒０．１２）を固定することにより組み立てられる。ボールレンズＬ１（１１５）（例えば、ｆ１＝２．２ｍｍ）はプローブ１１３の面から１つの焦点距離に配置され、ファイバ束１１６上に中心合わせされ、レンズＬ１（１１５）の光軸から送出ファイバ１６’’を片寄らせる。また図８Ｂに示されているこの構成は、例えば０．２５ラジアンの角度でサンプル１８’’上に入射する０．５ｍｍの直径（例えば２ｆ１ＮＡ）を有する平行ビーム１２０（例えばＰ＝９ｍＷ）を生成する。
【００５７】
サンプルからの散乱光１１２はレンズＬ１（１１５）およびレンズＬ１（１１５）のフーリエ変換特性により収集され、散乱場１２２の角度分布は、レンズＬ１（１１５）のフーリエ画像平面に配置される多重モード干渉性ファイバ束１１６（例えば、Ｓｃｈｏｔｔ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ社、長さ＝８４０ｍｍ、ピクセルサイズ＝８．２μｍ、画素数＝１３．５Ｋ）の遠位面において、空間分布に変換される。ファイバ束ｙ’上の垂直位置と散乱角θと間の関係はｙ’＝ｆ１θにより与えられる。図のとおり、３つの選択された散乱角における散乱光１２２の光経路は図８Ｂに示されている。全体として、角度分布は、図８Ｃの強調表示された領域により示されるとおり、ファイバ束１１６’’の垂直ストリップを交差して、例えば約１３０の個別ファイバによりサンプリングされる。例えば、送出ファイバ１６’’およびファイバ束１１６を分離する０．２ｍｍの厚いフェルール（ｄｊ）は、この例では、最小の理論的集束角（θｍｉｎ，ｔｈ＝（ｄ１／ｆ１）を０．０９ラジアンに制限する。最大の理論的集束角はｄ１およびｄ２により決定され、ファイバ束の直径は（θｍａｘ，ｔｈ＝（ｄ１＋ｄ２）／ｆ１）により０．５０ラジアンになるように決定される。標準的な散乱サンプル１２２を使用する実験では、有効角度範囲はθｍｉｎ＝０．１２ラジアンからθｍａｘ＝０．４５ラジアンを示す。ｄ１は、例えば、遠位フェルール１２３内にチャネルを形成し、チャネル内に送出ファイバ１６’’を配置することにより最小化できる。ファイバ束１１６は空間干渉性を有し、近位面で収集される角度散乱分布の再生成をもたらす。加えて、ファイバ束１１６内のすべてのファイバが干渉長さ以内に一致する経路長であるため、各角度における散乱光１２２により移動される光経路長は同一である。参照により全内容を本明細書に組み込まれる、Ｔ．Ｑ．Ｘｉｅ、Ｄ．Ｍｕｋａｉ、Ｓ．Ｇ．Ｇｕｏ、Ｍ．ＢｒｅｎｎｅｒおよびＺ．Ｐ．Ｃｈｅｎによる「光ファイバ束光干渉断層撮影（Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ−ｂｕｎｄｌｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ３０（１４）、１８０３‐１８０５（２００５））（以下「Ｘｉｅ」）に開示されているシステムは、時間ドメイン光干渉断層撮影システムにおける多重モード干渉ファイバ束を開示しており、個別のファイバに結合された光のモードは異なる経路長を移動することを実証している。本発明のここでの例では、高次モードは、関連データを臨床的に収集するのに要求される深さ（約１００μｍ）をはるかに超えて、基本モードから３．７５ｍｍの片寄りがあることが実験的に決定された。加えて、サンプルアームパワーが基準アームパワーより大幅に小さいため、高次モードにおけるパワーはダイナミックレンジに大きな影響を与えなかった。最終的に、Ｘｉｅに開示されたシステムは個別のファイバを通して順次にデータを収集するが、本発明のここでの例では、１３０のファイバを用いて、ある角度範囲全体わたって同時に並行して散乱光を収集し、結果的に高速データ収集が達成される。
【００５８】
ファイバ束１１６の近位端１２４から出る角度分布はＬ２およびＬ３の４ｆ画像化システム（ｆ２＝３．０ｃｍ、ｆ３＝２０．０ｃｍ）により中継され、画像分光器２９’’（例えば、Ａｃｔｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社、ＩｎＳｐｅｃｔｒｕｍ １５０）の入力スリット４８’’に達する。４ｆ画像化システムの理論上の大きさはこの例では（ｆ３／ｆ２）６．６７である。実験的に、この大きさはこの例ではＭ＝７．０と測定されたが、おそらくは、ンズＬ２（１２６）に対するファイバ束１１６の近位面１２４の位置に起因する相違を有する。分光器スリット４８’’上の垂直位置ｙとθと間の結果として得られる関係はｙ＝Ｍｆ１（θ−θｍｉｎ）である。基準アームの光経路長はサンプルアームの基本モードの経路長と一致する。基準ファイバ１４’’を出る光１２７はレンズＬ４（１２８）により平行光に変換され（例えば、ｆ＝３．５ｃｍ、スポットサイズ＝８．４ｍｍ）、サンプル光の位相面曲率と一致し、画像分光器２９’’のスリット４８’’全体わたる一様な照射を生成する。基準場１３０は中性濃度フィルタ１３２により減衰され、ビームスプリッタＢＳ（１３４）において角度散乱分布と混合される。混合場１３６は高分解能格子（例えば１２００ライン／ｍｍ）により分散され、例えば、８４０ｎｍを中心とするスペクトル範囲９９ｎｍをカバーする、一体型冷却ＣＣＤ（図示せず）（例えば、１０２４×２５２、２４μｍ×２４μｍピクセル、０．１ｎｍ分解能）を使用して検出される。
【００５９】
検出された信号１３６、波長λおよびθの関数は以下の式のとおり信号および基準場（Ｅｓ、Ｅｒ）に関連付けできる。
【数７】
【００６０】
ここで、φは２つの場の間の位相差であり、（ｍｎ）はＣＣＤ上のピクセルを表し、＜．．．＞は時間的平均を指す。Ｉ（λｍ、θｎ）はＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社ソフトウェアにより製造されたＬａｂ ＶＩＥＷ（登録商標）を使用してＰＣにアップロードされ、３２０ｍｓで処理されて散乱強度の深さおよび角度分解プロット線図を生成する。上述の深さおよびサイズ情報を取得するための角度分解散乱場の処理を利用して、および特に図１Ａおよび図１Ｂのデータ収集装置を参照して、次に、図８の装置により生成される散乱混合場１３６を用いてサンプル１８’’に関する角度分解、深さ分解情報を得ることが利用できる。
【００６１】
上述の実施形態は、当業者が本発明を実現できるのに必要な情報を示し、本発明を実現する最良モードを示している。添付図面に照らして後続の説明を読むことにより、当業者は本発明の概念を理解し、本明細書で特に対応していないこれらの概念の用途を認識する。これらの概念および用途は本開示の範囲内であることが理解されなければならない。
【００６２】
当業者であれば本発明の好ましい実施形態に対する改良形態および変更形態を認識する。このような改良形態および変更形態のすべては、本明細書に開示された概念および特許請求の範囲内であると見なされる。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１０月１１日出願の米国特許仮出願第６０／７２５，６０３号の発明の名称「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＥＮＤＯＳＣＯＰＩＣ ＡＮＧＬＥ−ＲＥＳＯＬＶＥＤ ＬＯＷ ＣＯＨＥＲＥＮＣＥ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ」の優先権を主張する。この仮出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願はまた米国特許出願第７，１０２，７５８号の発明の名称「ＦＯＵＲＩＥＲ ＤＯＭＡＩＮ ＬＯＷ−ＣＯＨＥＲＥＮＣＥ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＬＩＧＨＴ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」に関する。この出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
フーリエドメイン型角度分解低コヒーレンス干渉法（ｆａＬＣＩ）システムおよび方法はサンプルの角度分解および深さ分解スペクトル情報のデータ収集を可能にし、このシステムでは、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は、詳細には、生体への適用に対して高速度の単一走査により取得できる。
【背景技術】
【０００４】
細胞の構造特徴を試験することは、多くの臨床研究および実験研究に不可欠である。細胞研究のために試験において使用されるもっとも一般的なツールは顕微鏡である。顕微鏡試験は細胞および細胞構造の解明において大きな進歩をもたらしてきたが、顕微鏡試験は標本のアーティファクトにより本質的に制限される。細胞の特性は、化学薬品の添加のため変質する細胞の構造特徴を瞬間的に確認できるだけである。さらに、試験目的で細胞サンプルを取得するために、侵襲が必要である。
【０００５】
このような理由から、光散乱分光法（ＬＳＳ）が、細胞を含む生体試験への適用を可能にするために開発された。ＬＳＳ方法は、細胞小器官の弾性散乱特性の変化を試験し、これらのサイズおよび他の寸法情報を推定する。組織および他の細胞構造体における細胞特徴を測定するためには、多重散乱されており、および散乱物体に関する容易に利用可能な情報を保有しない散乱光から、個々に散乱された光を区別することが必要である。この区別および弁別は、弱い散乱のサンプルに対する試験および分析を制限または限定することにより、あるいはモデリングを用いて拡散構成要素を除去することによって、偏光格子を利用するといったいくつかの方法で達成できる。
【０００６】
表面下の部位からの個々の拡散光を選択的に検出する代替の方法として、低コヒーレンス干渉法（ＬＣＩ）もまたＬＳＳの１つの方法として探求されてきた。ＬＣＩは、例えば広帯域の白色光源といった、低い時間干渉性を有する光源を利用する。干渉は干渉計の経路長の遅延が光源の干渉時間と一致するときに実現するだけである。システムの距離分解能は光源の干渉長さにより決定され、通常組織のサンプルの試験に好適なマイクロメートル範囲にある。実験結果は、広帯域の光源およびその２次高調波を使用することにより、ＬＣＩを使用する弾性散乱に関する情報の復元を可能にすることが示されている。ＬＣＩは時間深さ走査を用いており、この走査では、サンプルを基準アームに対して移動させて光源をサンプル上に誘導し、サンプル上の特定点から散乱情報を受信する。その結果、サンプルを完全に走査するための走査時間は、約５から３０分のオーダーであった。
【０００７】
角度分解ＬＣＩ（ａ／ＬＣＩ）は細胞サイズに関する表面下の構造情報を取得する手段として開発されてきた。光は参照ビームとサンプルビームとに分割され、サンプルビームは散乱光の角度分布を試験するために様々な角度でサンプルに投射される。ａ／ＬＣＩ方法は、表面下の部位からの個々の散乱光を検出するＬＣＩの性能と、サブ波長の精度および正確度で構造情報を取得する光拡散方法の性能とを組み合わせることにより、深さ分解断層撮影画像を構成する。構造情報は、伝達角を備える基準場と混合される単一広帯域光源を使用して、後方散乱光の角度分布を試験することにより決定される。細胞のサイズ分布は、測定された角度分布の振動部分とＭｉｅ理論の予測とを比較することにより決定される。このようなシステムは、「角度分解型低コヒーレンス干渉法を用いて測定される細胞組織および構造（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、８２、２００２年４月、２２５６−２２６５）に説明されており、この全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
ａ／ＬＣＩ方法は、細胞形態の測定および発がん現象の動物モデルにおける上皮内腫瘍の診断に適用されて好結果を得てきた。本出願の発明者は「改善された角度分解型低コヒーレンス干渉システムを用いる核形態の決定（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｇｌｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００３年、１１（２５）：３４７３−３４８４頁）においてこのようなシステムを開示しており、この全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。サンプルに関する構造情報を取得するａ／ＬＣＩ方法は、組織および生体の細胞形態の測定、ならびに発がん現象の動物モデルにおける上皮内腫瘍の診断および化学抗がん剤の効能の評価に適用されて好結果を得てきた。ａ／ＬＣＩは組織処理することなく組織サンプルを予測的に選別するのに用いられ、生物医学診断として技術の可能性を実証してきた。
【０００９】
初期の試作品および第２世代のａ／ＬＣＩシステムは同様のデータを取得するのにそれぞれ３０分および５分を必要としていた。時間領域深さに依存しているこれら従来のシステムは、従来のＬＣＩベースのシステムで実現されているのと同様に走査する。検出される散乱角の逐次走査を達成するために、干渉計の基準アームの長さは機械的に調整されなければならなかった。角度特定性を得る方法は、干渉分析方式の参照ビームを可変角度で検出器平面と交差させることにより達成された。角度分解、深さ分解後方拡散分布を取得するこの一般的な方法は、米国特許第６，８４７，４５６号「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」に開示されており、この全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１０】
他の従来のＬＣＩシステムは米国特許第６，００２，４８０号および６，５０１，５５１号に開示されており、この全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。米国特許第６，００２，７８０号は、深さ分解分光分布を取得することを範囲に含み、弾性散乱特性による波長の変化を観測することにより散乱体のサイズを得ることを開示している。米国特許第６，５０１，５５１号は、干渉画像化の内視鏡応用を範囲に含み、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解能を得ることを予測している。米国特許第６，５０１，５５１号は、角度分解散乱分布の測定、弾性散乱特性の分析により散乱体のサイズを決定するための散乱光の利用、およびそのデータが散乱または画像化データであるかどうかによらず、並行してデータを記録するための画像化分光計の使用、を述べていない。最後に、米国特許第７，０６１，６２２号は角度散乱分布を測定するための光ファイバ手段を開示しているが、フーリエドメイン概念を論じていない。また、画像化技術を説明するために、実施形態のすべては、試験される領域を制限する集束光学系を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，８４７，４５６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，００２，４８０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５０１，５５１号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０６１，６２２号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｏｗ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｙ（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、８２、２００２年４月、２２５６−２２６５）
【非特許文献２】Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｇｌｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００３年、１１（２５）：３４７３−３４８４頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明はフーリエドメインａ／ＬＣＩ（ｆａＬＣＩ）と称される新しいａ／ＬＣＩ方法を含み、この方法により、単一走査により高速のデータ収集を可能にし、生体への適用を十分可能にする。本発明は、サンプルに関する角度分解および深さ分解スペクトル情報を取得し、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は単一走査により取得でき、また基準アームは、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプルに対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプルから多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。
【００１４】
この角度分解、相互相関信号はスペクトル的に分散しているため、新しいデータ収集方式は重要である。この理由は、この新しいデータ収集方式により、データを１秒未満で取得でき、生体組織からデータを収集するのに必要とされる閾値を決定できるからである。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプルのすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒オーダーの１回走査により取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分析データから取得できる方法を用いて取得できる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のｆａＬＣＩ方法は、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解情報を収集する。データ収集時間における信号対雑音および同一基準（ｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅ）の低減はフーリエ（またはスペクトル）ドメインにおける深さ走査を記録することにより可能である。ｆａＬＣＩシステムはフーリエドメイン概念を画像分光器の使用と組み合わせることにより、角度分布を並行してスペクトル的に記録する。その後、本発明の深さ分解能は、サンプルに対するフーリエ変換平面における画像分光器の入口スリットを置くことにより得られる角度分解測定によって２つの混合場（ｆｉｅｌｄ）のスペクトルをフーリエ変換することにより達成される。これは、スペクトル情報を深さ分解情報に、および角度情報を横方向空間分布に変換する。ｆａＬＣＩの性能は、最初は、深さ分解測定におけるポリスチレンビーズのサイズを抽出することにより実証された。
【００１６】
様々な数学的技術および方法が、角度分解、相互相関信号を利用してサンプルのサイズ情報を決定するために提供されている。
【００１７】
本発明は特定のいずれの装置にも限定されない。１つの実施形態では、装置は改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づいており、この装置では、スーパールミネッセントダイオードからの広帯域光はビームスプリッタによりサンプルに対して参照ビームおよび入力ビームに分割される。別の実施形態では、固有の光ファイバプローブを用いて光を送出し、所定のサンプルから散乱光の角度分布を収集できる。
【００１８】
ａ／ＬＣＩ方法は、生検またはその後の組織病理学的評価を介する組織抽出の必要なく、組織の健康を評価するための臨床的に実行可能な方法である。ａ／ＬＣＩシステムは多数の目的、すなわち形成異常上皮組織の早期検出およびスクリーニング、疾病期間、治療行為の監視、および生検部位への臨床医の案内に適用できる。光学的ａ／ＬＣＩプローブの非侵襲性、非電離性特性は、悪影響を与えることなく繰返し適用できることを意味する。迅速な結果を提供するａ／ＬＣＩの能力は疾病のスクリーニングに対する広範な適用性を大幅に強化する。
【００１９】
本明細書に記載され、および本明細書の一部を形成する添付図面は本発明のいくつかの態様を説明し、記述と併せて本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】マッハ−ツェンダー干渉計を使用するｆａＬＣＩシステムの１つの例示的実施形態の図である。
【図１Ｂ】図１Ａの干渉計構成において分光器のスリットに対して検出される散乱角の関係を示す図である。
【図２】分析用のサンプルに関する深さ分解空間相互相関情報を復元するために干渉計装置により実行されるステップを示すフローチャートである。
【図３Ａ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、取得された全体信号（図３Ａ）を示している。
【図３Ｂ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、基準場の強度（図３Ｂ）を示している。
【図３Ｃ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、信号場強度（図３Ｃ）を示している。
【図３Ｄ】ポリスチレンビーズの例示的サンプルに対して空間ドメインで復元されるｆａＬＣＩデータの例であって、基準場強度と信号場強度との間の抽出された相互相関信号（図３Ｄ）を示している。
【図４Ａ】深さおよび角度の関数としての、図３Ｄに示された相互相関ｆａＬＣＩデータについて実行された軸方向の空間相互相関関数の図である。
【図４Ｂ】サンプルに関するサイズ情報を復元するために、角度の関数としての、散乱サンプル信号強度に関する生データおよびフィルタ処理されたデータの角度分布グラフである。
【図５Ａ】サンプルに関するサイズ情報を決定するために最適Ｍｉｅ理論と比較された、散乱サンプル信号強度のフィルタ処理された角度分布図である。
【図５Ｂ】サンプル中の細胞の直径を推定するための、サンプルに関するサイズ情報のカイ２乗最小化である。
【図６】光ファイバプローブを使用するｆａＬＣＩシステムの例示的実施形態の図である。
【図７Ａ】図６に示されたｆａＬＣＩシステムで使用されるａ／ＬＣＩ光ファイバプローブ先端の切断図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示されたｆａＬＣＩシステムにおけるファイバプローブの配置を示している。
【図８Ａ】本発明により使用される代替の光ファイバｆａＬＣＩシステムの図である。
【図８Ｂ】図８Ｂに示されたｆａＬＣＩシステムにおけるプローブの遠位端におけるサンプル照射および散乱光収集の図である。
【図８Ｃ】図８Ａに示されたｆａＬＣＩシステムのプローブの照射された遠位端の画像の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に記載される実施形態は、当業者が本発明を実現できるのに必要な情報を示しており、本発明を実現する最良様式を示す。添付図面と照合して以下の説明を読むことにより、当業者は本発明の概念を理解し、本明細書で詳細には説明されていないこれらの概念の適用を認識する。これらの概念および適用は本開示および添付の特許請求の範囲内であることは理解されるべきである。
【００２２】
本発明はフーリエドメインａ／ＬＣＩ（ｆａＬＣＩ）と称される新しいａ／ＬＣＩ方法を含み、この方法により、単一走査により高速のデータ収集を可能にし、生体への適用を十分可能にする。本発明は、サンプルに関する角度分解および深さ分解スペクトル情報を取得し、サンプルに関する深さおよびサイズ情報は単一走査により取得でき、また基準アームは、１回走査が必要とされるだけであるため、サンプルに対して固定状態を維持できる。基準信号および反射サンプル信号は相互相関を有し、サンプルから多数の反射角で散乱され、これにより並行して同時にサンプル上の多数の点からの反射を表す。
【００２３】
この角度分解、相互相関信号はスペクトル的に分散しているため、新しいデータ収集方式は重要である。この理由は、この新しいデータ収集方式により、データを１秒未満で取得でき、生体組織からデータを収集するのに必要とされる閾値を決定できるからである。サンプル上の多数の異なる点のそれぞれにおけるサンプルのすべての深さに関する情報は約４０ミリ秒オーダーの１回走査により取得できる。空間的、相互相関を有する基準信号から、構造（サイズ）情報はまた、散乱体のサイズ情報を角度分析データから取得できる方法を用いて取得できる。
【００２４】
本発明のｆａＬＣＩ方法は、フーリエドメイン概念を用いて深さ分解情報を収集する。データ収集時間における信号対雑音および同一基準の低減はフーリエ（またはスペクトル）ドメインにおける深さ走査を記録することにより可能である。ｆａＬＣＩシステムはフーリエドメイン概念を画像分光器の使用と組み合わせることにより、角度分布を並行してスペクトル的に記録する。その後、本発明の深さ分解能は、サンプルに対するフーリエ変換平面における画像分光器の入口スリットを置くことにより得られる角度分解測定によって２つの混合場のスペクトルをフーリエ変換することにより達成される。これは、スペクトル情報を深さ分解情報に、および角度情報を横方向空間分布に変換する。ｆａＬＣＩの性能は、最初は、深さ分解測定におけるポリスチレンビーズのサイズを抽出することにより実証された。
【００２５】
本発明の主要な進歩は３つの構成要素、すなわち（１）新しい迅速なデータ収集方法、（２）ファイバプローブ設計、および（３）データ分析方式に分類される。したがって、本発明は理解を容易にするためにこの分類事項に従って説明される。
【００２６】
また図２には、例示的な装置ならびにサンプルから散乱される角度および深さ分解分布データを取得するプロセスに含まれるステップが示されている。本発明の１つの実施形態によるｆａＬＣＩ方式は図１Ａに示される改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づいている。スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）１２からの広帯域光１０はミラー１３により方向変更され（図２のステップ６０）、ビームスプリッタＢＳ１ ２０により参照ビーム１４とサンプル１８への入力ビーム１６と分割される（図３のステップ６２）。ＳＬＤ１２の出力パワーは３ミリワットであってもよく、例えば、λｏ＝８５０ｎｍ、Δλ＝２０ｎｍＦＷＨＭの仕様を有し、組織内の細胞層から散乱を分離するのに十分な低コヒーレンス長さを提供する。参照ビーム１４の経路長は逆反射体ＲＲ２２を調節するにより設定されるが、測定中は固定された状態を維持する。参照ビーム１４はレンズＬ１（２４）およびＬ２（２６）を用いて拡大され、照射光を生成する（図２のステップ６４）。この照射光は均一な平行光であり、画像分光器２９内の分光器スリット４８に到達する。例えば、Ｌ１は焦点距離１．５センチメートルを有してもよく、Ｌ２ ２６は焦点距離１５センチメートルを有してもよい。
【００２７】
レンズＬ３（３１）およびＬ４（３８）はサンプル１８上に入射する平行ペンシルビーム３０を生成するように配置される（図２のステップ６６）。レンズＬ３（３１）に対して垂直にレンズＬ４（３８）を配置することにより、入力ビーム３０は光軸に対して０．１０ラジアンの角度でサンプルを照射するように生成される。この配置によりレンズＬ４（３８）の全開口角を用いてサンプル１８から散乱光４０を収集できる。レンズＬ４（３８）は焦点距離３．５センチメートルを有してもよい。
【００２８】
サンプル１８により散乱された光４０はレンズＬ４（３２）により収集され、レンズＬ５（４３）およびＬ６（４４）から構成される４ｆ画像化システムにより中継され、これにより、レンズＬ４（３２）のフーリエ平面が分光器スリット４８で位相および振幅を再生される（図２のステップ６８）。散乱光４０は、画像分光器２９への入口スリット（要素４８として図１Ｂに示されている）に位置する組み合わせ場４６と、第２ビームスプリッタＢＳ２ ４２における基準場１４と混合される（図２のステップ７０）。画像分光器２９は例えばＡｃｔｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社により製造されるモデルＳＰ２１５０ｉであってもよい。図１Ｂはスリット４８の寸法に対する散乱角の分布を示している。混合場は高い分解能格子（例えば１２００ｌ／ｍｍ）で分散され、冷却されたＣＣＤ５０（例えば、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社により製造されている１３４０×４００、２０μｍ×２０μｍピクセル、仕様１０：４００）を使用して検出される（図２のステップ７２）。
【００２９】
検出信号４６は、光が分光器２９により分散されると、分光器スリット４８上の垂直位置ｙおよび波長λの関数である。ピクセル（ｍ、ｎ）における検出信号は、信号４０および参照場１６（Ｅｓ、Ｅｒ）と以下の式のように関連付けることができる。
【数１】
【００３０】
ここで、φは２つの場３０、１６の間の位相差であり、＜．．．＞は時間における集合平均を示す。干渉項は信号ビーム３０および参照ビーム１６の強度を独立に測定し、全体強度からこれらを減算することにより抽出される。
【００３１】
深さ分解情報を得るために、各散乱角における波長スペクトルは、波数（ｋ＝２π／λ）スペクトルに補間され、およびフーリエ変換されて、以下の式で表される各垂直ピクセルｙｎに対する空間相互相関ΓＳＲ（ｚ）を与える。
【数２】
【００３２】
参照場１４は以下の式で表される。
【数３】
【００３３】
ここで、ｋ０（ｙ０およびΔｋ（Δｙ））はガウス波動ベクトル（空間）分布の中心および幅を表し、Δｌは選択された経路長の差である。散乱場４０は以下の式で表される。
【数４】
【００３４】
ここで、Ｓｊは深さｌｊに置かれたｊ番目の界面から生じる散乱の振幅分布を表す。散乱場４０の角度分布は、関係ｙ＝ｆ４θによってレンズＬ４のフーリエ画像平面における位置分布に変換される。ＣＣＤ５０のピクセルサイズ（例えば２０μｍ）に対して、これは角度分解能（例えば、０．５７ミリラジアン）および予測される角度範囲（例えば２２８ミリラジアン）が得られる。
【００３５】
式（３）および（４）を式（２）に代入し、および参照場１４（Δｙ＞＞スリットの高さ）の均一性に注目することにより、検出器２９上のｎ番目の垂直位置における空間相互相関性が得られる。
【数５】
【００３６】
単一界面に対してこの式の値を求めると以下のようになる。
【数６】
【００３７】
ここでは、散乱振幅Ｓは光源１２の帯域幅全体にわたって感知できるほど変化しないと仮定した。この表現は、散乱角に対応する各垂直ピクセルにおける散乱分布４０の深さ分解プロファイルを得ることができることを示している。
【００３８】
図３Ａは、基準場１６と、後方散乱方向に対して与えられる、波長および角度の関数として仮定した周波数ドメインにおける、ポリスチレンビーズのサンプルにより散乱された場４０との和の全体の検出強度（上記の式（１））を表す典型的なデータを以下に示している。例示的な実施形態において、このデータは、４０ミリ秒で収集され、予測範囲の約８５％の１８６ミリラジアン全体にわたるデータを記録しており、高角度において信号の若干の損失を有する。
【００３９】
図３Ｂおよび図３Ｃはそれぞれ基準場および信号場１４、３０の強度を示している。全体の検出強度から、信号場および基準場１４、３０を減算すると、２つの場の間の干渉４６は図３Ｄに示されるとおりに発生する。各角度において、干渉データ４６はｋ空間に補間され、フーリエ変換されて、図４Ａに示されるとおりサンプル１８の角度深さ分解プロファイルを得る。角度分解相互相関信号４６のフーリエ変換は、サンプル１８からの多数の反射角度で散乱され、レンズＬ４（３２）のフーリエ平面において得られた信号４０の結果であって、角度および深さの関数としてサンプル１８に関する深さ分解情報を生成する。これはサンプル１８に関する深さ分解情報を提供する。角度分解、相互相関信号４６はスペクトル的に分散しているため、データ収集においては１秒未満でデータを取得できる。サンプル１８上の多数の異なる点（すなわち角度）のそれぞれにおいてサンプル１８のすべての深さに関する情報は、約４０ミリ秒オーダーで１回走査により取得できる。通常、時間ドメインベースの走査は多数の異なる点におけるサンプルのすべての深さに関する情報を取得するように要求され、その結果、長時間とサンプルに対する基準アームの運動を要求する。
【００４０】
図４Ａに示されるサンプル１８の深さ分解プロファイルを生成した実験では、サンプル１８は、中立浮力を提供するために、水８０％およびグリセリン２０％（ｎ＝１．３６）の混合物に懸濁するポリスチレン微小球（例えば、ｎ＝１．５９、平均直径１０．１μｍ、８．９％の分散、ＮＩＳＴ（国立標準技術研究所）認定、Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社）からなる。溶液は散乱長ｆ＝２００μｍを得るために調製される。サンプルはガラスカバースリップ（厚さｄ〜１７０μｍ）の後方の円形ウェル（直径８ｍｍ、深さ１ｍｍ）内に含まれる（図示せず）。サンプルビーム３０はカバースリップを通してサンプル１８上に入射する。カバースリップを通る往復厚み（第２＝２（１．５）（１７０μｍ）＝０．５３ｍｍ、図４Ａ参照）はこの方法の深さ分解性能を示している。データは１つの平均自由行程（ＭＦＰ）全体を積分することにより集合平均される。空間平均により、低コヒーレンス光を使用する場合のスペックルを低減して、散乱サンプルを試験できる。フィッティング手順を容易にするために、散乱分布は、１６μｍを超える長さスケールにおける空間相関を抑圧するために選択されたカットオフ周波数を有するローパスフィルタされ、平滑な曲線を生成する。
【００４１】
サンプル１８に関する深さ分解情報を取得することに加えて、開示されたデータ収集方式を用いてサンプル１８から得られる散乱分布データ（すなわちａ／ＬＣＩデータ）を用いて、Ｍｉｅ理論を用いて核のサイズを決定することもできる。サンプル１８の散乱分布７４はプロット線図（ｃｏｎｔｏｕｒ ｐｌｏｔ）として図４Ｂに示される。サンプル１８に関する生の散乱情報７４は信号場３０および角度の関数として示される。フィルタ処理された曲線は散乱データ７４を使用して決定される。フィルタ処理された散乱分布曲線７６（すなわち散乱データ７４の表示）とＭｉｅ理論の予測との比較（図５Ａの曲線７８）により、サイズ分布を生成できる。
【００４２】
散乱データ７６をＭｉｅ理論に適合させるために、ａ／ＬＣＩ信号を処理して核のサイズの特性である振動成分を抽出する。平滑化データ７６は、低次多項式（例えばここでは４次が使用されるが、さらに最近の研究ではより低次の２次を使用する）に適合され、その後、背景傾向を除去するために分布７６から減算される。結果として得られる振動成分は、次に、Ｍｉｅ理論７８を用いて得られる理論上の予測値のデータベースと比較され、分析のために緩やかに変化する特徴が同様に除去される。
【００４３】
フィルタ処理されたａ／ＬＣＩデータ７６とＭｉｅ理論データ７８との直接比較は、カイ２乗フィッティングアルゴリズムが固有振動でなくバックグラウンドスロープと一致する傾向があるため、不可能である。算出された理論的予測は、平均直径（ｄ）および標準偏差（δＤ）により特徴付けられるサイズのガウス分布ならびに波長の分布を含み、広範な帯域幅光源を正確にモデル化する。
【００４４】
最良フィッティング（図５Ａ）はデータ７６とＭｉｅ理論と間のカイ２乗を最小化することにより決定され（図５Ｂ）、１０．２＋／−１．７μｍのサイズが得られ、真のサイズと優れた一致を示す。測定誤差は、おそらくは測定において記録される角度の制限範囲のために、ビーズの大きさの変化より大きい。
【００４５】
ａ／ＬＣＩデータの処理するおよびＭｉｅ理論との比較の代替として、診断情報を得ることができるいくつか他の方法がある。これらは、フーリエ変換を用いて角度データを分析することにより、細胞核の周期的振動特性を識別することを含む。周期的振動は核のサイズと相関があり、したがって診断価値を有する。ａ／ＬＣＩデータを分析する別の方法は、データを有限要素法（ＦＥＭ）またはＴ−マトリクス計算を用いて生成される角度散乱分布のデータベースと比較することである。このような計算は、Ｍｉｅ理論と同様な制限を受けないため、優れた分析を提供できる。例えば、ＦＥＭまたはＴ−マトリクス計算は非球形散乱体および含有物を有する散乱体をモデル化できるのに対して、Ｍｉｅ理論は同質球体だけしかモデル化できない。
【００４６】
代替の実施形態として、本発明はまた、内視鏡用途に対してａ／ＬＣＩシステムにおいて使用するために、対象のサンプルに光を送出および光を収集する光ファイバを使用することもできる。この代替の実施形態は図６に示されている。
【００４７】
この代替の実施形態における光ファイバａ／ＬＣＩ方式はレンズのフーリエ変換特性を利用する。この特性は、物体がレンズの前方焦点面に配置される場合、共役画像平面における画像はこの物体のフーリエ変換であることを示す。空間分布のフーリエ変換（物体または画像）は、ｍｍ当たりの周期についての画像情報内容の表示である、空間周波数分布により表される。弾性散乱光の光学画像においては、波長は固定された最初の値を維持し、空間周波数表示は単に、散乱光の角度分布の倍率変更バージョンである。
【００４８】
光ファイバａ／ＬＣＩ方式では、角度分布は、収集レンズを使用してサンプルの共役フーリエ変換平面にファイバ束の遠位端を配置することにより捕集される。この角度分布は次に、画像分光器の入口スリット上に４ｆシステムを使用して画像化される位置である、ファイバ束の遠心端に伝えられる。ビームスプリッタは、スリットに入る前に基準場と散乱場を重ね合わせるために使用され、この結果、低コヒーレンス干渉法はまた深さ分解測定値を得るためにも使用できる。
【００４９】
次に図６に戻ると、光ファイバｆａＬＣＩスキームが示されている。広帯域光源１０’からの光１２’は、ファイバスプリッタ（ＦＳ）８０を用いて基準場１４’と信号場１６’とに分割される。スプリッタ比２０：１は、１つの実施形態においては、組織から戻される光が一般にわずかな入射パワーであるため、信号アーム８２を介してサンプル１８’により大きいパワーを振り向けるように選択される。
【００５０】
基準ファイバ１４’内の光はファイバＦ１から出て、基準アーム経路長の全体位置合わせを可能にするために、変換ステージ８６上に取り付けられたレンズＬ１（８４）により平行光に変換される。この経路長は作動中に走査されないが、位置合わせ中に変更されてもよい。平行ビーム８８はファイバ束Ｆ３（９０）の端部９１に寸法的に等しくなる配置され、この結果、平行ビーム８８は等しい強度でＦ３内のすべてのファイバを照射する。Ｆ３（９０）の遠位先端から出る基準場１４’はファイバＦ４（９４）により伝えられる散乱場と重ね合わせるために、レンズＬ３（９２）により平行光に変換される。代替の実施形態では、ファイバＦ１（１４’）から出る光は平行光に変換され、その後レンズ系を用いて拡大されてブロードビームを生成する。
【００５１】
散乱場は干渉ファイバ束を用いて検出される。散乱場は、レンズＬ２（９８）を使用して対象のサンプル１８’の方向に向けられる信号アーム８２内で光を用いて生成される。自由空間システムにおけるのと同様に、レンズＬ２（９８）は単一モードファイバＦ２の中心から横方向に移動され、これにより、光軸に対してある角度をなして移動する平行ビームを生成するようにされる。入射ビームがある傾斜角でサンプルを照射する事実は、鏡面反射から弾性散乱情報を分離するのに不可欠である。サンプル１８’により散乱される光は、干渉性単一モードまたは多重モードファイバのアレイからなるファイバ束により収集される。ファイバの遠位先端は、散乱光の角度分布を画像化するためにレンズＬ２（９８）から離れて１つの焦点距離を維持される。図６に示される実施形態では、サンプル１８’は機械式取付台１００を使用してレンズＬ２（９８）の前方焦点平面に配置される。図７に示される内視鏡と互換性のあるプローブでは、サンプルは、透明シース（要素１０２）を使用してレンズＬ２（９８）の前方焦点平面に配置される。
【００５２】
図６および図７Ｂに示されるとおり、ファイバプローブＦ４（９４）の近位端１０５から出る散乱光１０４はレンズＬ４（１０４）により平行光に変換され、ビームスプリッタＢＳ（１０８）を使用して基準場１４’と重ね合わされる。２つの結合された場１１０はレンズＬ５（１１２）を使用して画像分光器２９’のスリット（図７の要素４８’）に再画像化される。レンズＬ５（１１２）の焦点距離はスリット４８’を最適に満たすために変更されてもよい。結果として得られる光信号は、図１Ａおよび図１Ｂの装置に対して上述されたとおり、スリット４８’の垂直寸法全体にわたる各散乱角に関する情報を含む。
【００５３】
上述のａ／ＬＣＩ光ファイバプローブは０．４５ラジアン範囲（約３０°）にわたる角度分布を収集し、一瞬の間に完全な深さ分解散乱分布１１０を収集すると予測される。
【００５４】
光工学の点からは同一であるファイバプローブを生成するためのいくつかの可能な方式が存在する。１つの可能な実現形態は信号および基準アームの両方における単一モードファイバの線形アレイである。代替として、基準アーム９６は、干渉性ファイバ束または線形ファイバアレイのいずれかからなる信号アーム８２を備える個別の単一モードファイバから構成される。
【００５５】
ファイバプローブの先端はまた、実質的に同等であるいくつかの実現形態を有する。これらは、レンズＬ２（９８）の代わりにドラムレンズまたはボールレンズの使用を含む。側視型プローブは、レンズおよびミラーまたはプリズムの組み合わせを使用して、またはレンズ−ミラーの組み合わせと交換するために凸面鏡を使用して作製できる。最終的に、プローブ全体は、探求される範囲の周辺走査を可能にするために半径方向に回転するように作製される。
【００５６】
本発明のさらに別のデータ収集の実施形態は、図５Ａに示されるとおり改良されたマッハ−ツェンダー干渉計に基づくｆａ／ＬＣＩシステムである。ファイバ結合型スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）光源１２’’（例えば、Ｓｕｐｅｒｌｕｍ社、Ｐ０＝１５ｍＷ、λ０＝８４１．５ｎｍ、Δλ＝４９．５ｎｍ、干渉長さ＝６．３μｍ）からの出力１０’’は９０／１０ファイバスプリッタＦＳ（８０’）（例えばＡＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社により製造されている）によりサンプルアーム送出ファイバ１６’’および基準アーム送出ファイバ１４’’に分割される。サンプルアーム送出ファイバ１６’’は、例えば次のいずれか、すなわち（１）先端部で組み込まれた偏光制御を備える単一モードファイバ、または（２）偏光維持ファイバのいずれかからなる。サンプルプローブ１１３は、送出ファイバ１６’’の端面がファイバ束１１６の面と平行で同一平面となるように、ファイバ束１１６の遠位端にフェルール１１４に沿って送出ファイバ１６’’（ＮＡ≒０．１２）を固定することにより組み立てられる。ボールレンズＬ１（１１５）（例えば、ｆ１＝２．２ｍｍ）はプローブ１１３の面から１つの焦点距離に配置され、ファイバ束１１６上に中心合わせされ、レンズＬ１（１１５）の光軸から送出ファイバ１６’’を片寄らせる。また図８Ｂに示されているこの構成は、例えば０．２５ラジアンの角度でサンプル１８’’上に入射する０．５ｍｍの直径（例えば２ｆ１ＮＡ）を有する平行ビーム１２０（例えばＰ＝９ｍＷ）を生成する。
【００５７】
サンプルからの散乱光１１２はレンズＬ１（１１５）およびレンズＬ１（１１５）のフーリエ変換特性により収集され、散乱場１２２の角度分布は、レンズＬ１（１１５）のフーリエ画像平面に配置される多重モード干渉性ファイバ束１１６（例えば、Ｓｃｈｏｔｔ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ社、長さ＝８４０ｍｍ、ピクセルサイズ＝８．２μｍ、画素数＝１３．５Ｋ）の遠位面において、空間分布に変換される。ファイバ束ｙ’上の垂直位置と散乱角θと間の関係はｙ’＝ｆ１θにより与えられる。図のとおり、３つの選択された散乱角における散乱光１２２の光経路は図８Ｂに示されている。全体として、角度分布は、図８Ｃの強調表示された領域により示されるとおり、ファイバ束１１６’’の垂直ストリップを交差して、例えば約１３０の個別ファイバによりサンプリングされる。例えば、送出ファイバ１６’’およびファイバ束１１６を分離する０．２ｍｍの厚いフェルール（ｄｊ）は、この例では、最小の理論的集束角（θｍｉｎ，ｔｈ＝（ｄ１／ｆ１）を０．０９ラジアンに制限する。最大の理論的集束角はｄ１およびｄ２により決定され、ファイバ束の直径は（θｍａｘ，ｔｈ＝（ｄ１＋ｄ２）／ｆ１）により０．５０ラジアンになるように決定される。標準的な散乱サンプル１２２を使用する実験では、有効角度範囲はθｍｉｎ＝０．１２ラジアンからθｍａｘ＝０．４５ラジアンを示す。ｄ１は、例えば、遠位フェルール１２３内にチャネルを形成し、チャネル内に送出ファイバ１６’’を配置することにより最小化できる。ファイバ束１１６は空間干渉性を有し、近位面で収集される角度散乱分布の再生成をもたらす。加えて、ファイバ束１１６内のすべてのファイバが干渉長さ以内に一致する経路長であるため、各角度における散乱光１２２により移動される光経路長は同一である。参照により全内容を本明細書に組み込まれる、Ｔ．Ｑ．Ｘｉｅ、Ｄ．Ｍｕｋａｉ、Ｓ．Ｇ．Ｇｕｏ、Ｍ．ＢｒｅｎｎｅｒおよびＺ．Ｐ．Ｃｈｅｎによる「光ファイバ束光干渉断層撮影（Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ−ｂｕｎｄｌｅ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ３０（１４）、１８０３‐１８０５（２００５））（以下「Ｘｉｅ」）に開示されているシステムは、時間ドメイン光干渉断層撮影システムにおける多重モード干渉ファイバ束を開示しており、個別のファイバに結合された光のモードは異なる経路長を移動することを実証している。本発明のここでの例では、高次モードは、関連データを臨床的に収集するのに要求される深さ（約１００μｍ）をはるかに超えて、基本モードから３．７５ｍｍの片寄りがあることが実験的に決定された。加えて、サンプルアームパワーが基準アームパワーより大幅に小さいため、高次モードにおけるパワーはダイナミックレンジに大きな影響を与えなかった。最終的に、Ｘｉｅに開示されたシステムは個別のファイバを通して順次にデータを収集するが、本発明のここでの例では、１３０のファイバを用いて、ある角度範囲全体わたって同時に並行して散乱光を収集し、結果的に高速データ収集が達成される。
【００５８】
ファイバ束１１６の近位端１２４から出る角度分布はＬ２およびＬ３の４ｆ画像化システム（ｆ２＝３．０ｃｍ、ｆ３＝２０．０ｃｍ）により中継され、画像分光器２９’’（例えば、Ａｃｔｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社、ＩｎＳｐｅｃｔｒｕｍ １５０）の入力スリット４８’’に達する。４ｆ画像化システムの理論上の大きさはこの例では（ｆ３／ｆ２）６．６７である。実験的に、この大きさはこの例ではＭ＝７．０と測定されたが、おそらくは、ンズＬ２（１２６）に対するファイバ束１１６の近位面１２４の位置に起因する相違を有する。分光器スリット４８’’上の垂直位置ｙとθと間の結果として得られる関係はｙ＝Ｍｆ１（θ−θｍｉｎ）である。基準アームの光経路長はサンプルアームの基本モードの経路長と一致する。基準ファイバ１４’’を出る光１２７はレンズＬ４（１２８）により平行光に変換され（例えば、ｆ＝３．５ｃｍ、スポットサイズ＝８．４ｍｍ）、サンプル光の位相面曲率と一致し、画像分光器２９’’のスリット４８’’全体わたる一様な照射を生成する。基準場１３０は中性濃度フィルタ１３２により減衰され、ビームスプリッタＢＳ（１３４）において角度散乱分布と混合される。混合場１３６は高分解能格子（例えば１２００ライン／ｍｍ）により分散され、例えば、８４０ｎｍを中心とするスペクトル範囲９９ｎｍをカバーする、一体型冷却ＣＣＤ（図示せず）（例えば、１０２４×２５２、２４μｍ×２４μｍピクセル、０．１ｎｍ分解能）を使用して検出される。
【００５９】
検出された信号１３６、波長λおよびθの関数は以下の式のとおり信号および基準場（Ｅｓ、Ｅｒ）に関連付けできる。
【数７】
【００６０】
ここで、φは２つの場の間の位相差であり、（ｍｎ）はＣＣＤ上のピクセルを表し、＜．．．＞は時間的平均を指す。Ｉ（λｍ、θｎ）はＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社ソフトウェアにより製造されたＬａｂ ＶＩＥＷ（登録商標）を使用してＰＣにアップロードされ、３２０ｍｓで処理されて散乱強度の深さおよび角度分解プロット線図を生成する。上述の深さおよびサイズ情報を取得するための角度分解散乱場の処理を利用して、および特に図１Ａおよび図１Ｂのデータ収集装置を参照して、次に、図８の装置により生成される散乱混合場１３６を用いてサンプル１８’’に関する角度分解、深さ分解情報を得ることが利用できる。
【００６１】
上述の実施形態は、当業者が本発明を実現できるのに必要な情報を示し、本発明を実現する最良モードを示している。添付図面に照らして後続の説明を読むことにより、当業者は本発明の概念を理解し、本明細書で特に対応していないこれらの概念の用途を認識する。これらの概念および用途は本開示の範囲内であることが理解されなければならない。
【００６２】
当業者であれば本発明の好ましい実施形態に対する改良形態および変更形態を認識する。このような改良形態および変更形態のすべては、本明細書に開示された概念および特許請求の範囲内であると見なされる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体の深さ特性を決定する方法であって、
サンプルに対して固定されたスプリッタ上に光源ビームを放射し、スプリッタは光源ビームからの光を分割して参照ビームおよびサンプルビームとを生成することと、
サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導することと、
サンプルビームがサンプルから並行して同時に多数の反射角で反射散乱する結果として、角度分解反射サンプルビームを受光し、角度分解反射サンプルビームは反射サンプルビームの角度散乱分布を含むことと、
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取ることにより、サンプルに関する角度分解相互相関信号を生成することと、
角度分解相互相関信号をスペクトル的に分散することにより、多数の反射角のそれぞれにおいてサンプルに関する深さ分解情報を有する単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成することと、
角度相互相関信号をフーリエ変換することにより、角度および深さの関数としてサンプルに関する深さ分解信号を生成することと、
を含む方法。
【請求項２】
角度分解相互相関信号を処理して、角度分解、スペクトル分解、相互相関反射プロファイルからサンプルの多数の異なる点でサンプルの散乱体に関する深さ分解情報を取得することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
角度分解、スペクトル分解、相互相関反射プロファイルから散乱体に関するサイズ情報を復元することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
サイズ情報を復元することが、サンプルの角度散乱分布を、サンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布と比較することにより得られる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
サンプルの分析的に予測されるおよび数値的に計算される角度散乱分布は、サンプルのＭｉｅ理論角度散乱分布である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
比較ステップの前に、サンプルの角度散乱分布をフィルタ処理することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
平均直径および標準偏差を計算することにより散乱体のサイズのガウス分布を計算し、サンプルの角度散乱分布をモデル化することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
サンプルビームを平行光にすることにより平行サンプルビームを生成するステップをさらに含み、サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導するステップは、平行サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
参照ビームを平行光にすることにより平行参照ビームを生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
相互相関を取ることにより反射参照ビームを生成するステップの前に、参照ビームは反射される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
反射参照ビームが参照ミラーから参照ビームを反射することにより生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
スプリッタが光ファイバスプリッタである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
光源ビームが、アーク灯からの白色光、熱光源、ＬＥＤ、広帯域レーザからの干渉光、スーパールミネッセントダイオード、ダイオードレーザおよびスーパーコンティニューム光源からなるグループから選択される光から構成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取るステップは、
角度分解反射サンプルビームおよび参照ビームの強度を別個に測定することにより干渉項を決定することと、
角度分解反射サンプルビームの全体強度から干渉項を減算することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
参照ビームの経路長が固定されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
スプリッタが固定された参照アームに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
サンプルが固定されたサンプルアームに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
角度分解相互相関信号をスペクトル的に分散するステップが、参照ビームと結合された角度分解反射サンプルビームを分光器内に誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
分光器が複数の画像点から構成される画像分光器を備え、複数の画像点のそれぞれはサンプルに関する角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成するために特定の散乱角に対応する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
分光器が、複数のチャネルから構成されるマルチチャネル分光器を備え、複数のチャネルのそれぞれはサンプルに関する角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成するために特定の散乱角に対応する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
同時に並行してサンプルから多数の反射角で反射散乱するサンプルビームの結果として、角度分解反射サンプルビームを受光するステップは、複数のファイバから構成されるファイバ束の端部で反射サンプルビームの角度分布を収集することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
ファイバ束の複数のファイバが、反射サンプルビームの角度散乱分布を収集するように反射サンプルビームの様々な角度反射を収集するように配置されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ファイバ束が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
送出ファイバ上でサンプルビームを伝達するステップをさらに含み、サンプルによる鏡面反射がファイバ束により受光されないように、送出ファイバはサンプルおよびファイバ束に対してある傾斜角でサンプルビームを送出する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
光ファイバ束とサンプルの間に位置する光学要素のフーリエ変換特性を介して角度分解反射サンプルビームを受光し、光学要素の他方の焦点に位置する角度分解反射サンプルビームを受光するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
複数のファイバが複数のファイバの遠位端および近位端に同一または実質的に同一の空間配置を有し、これにより、ファイバ束は角度分解反射サンプルビームの角度分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
スプリッタにおいて光源からの光をさらに多く分割して、サンプルビーム内の光の数を参照ビーム内の光の数より多く生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体のサイズおよび深さ特性を決定する装置であって、
サンプルに対して固定された受光体を備え、この受光体は、
同時に並行してサンプルから多数の反射角で反射散乱する角度分解反射サンプルビームを受光することにより、スプリッタにより光源ビームから分割されたサンプルビームの結果として生成される、角度および深さの関数としてサンプルに関する深さ分解情報をフーリエ変換を介して生成し、角度分解反射サンプルビームは角度分解反射サンプルビームの角度散乱分布を含み、
スプリッタにより光源ビームから分割された参照ビームを受光し、
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取ることにより、サンプルに関する角度分解および深さ分解相互相関信号を生成し、
装置はさらに、
角度分解および深さ分解相互相関信号をスペクトル的に分散することにより、多数の反射角のそれぞれにおいてサンプルに関する深さ分解情報を有する単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成する検出器と、
単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを受け取るプロセッサと、
を備える装置。
【請求項３０】
プロセッサが、単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルからサンプル上の多数の異なる点でサンプルの散乱体の深さを決定するように適合される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
プロセッサが、角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルから散乱体に関するサイズ情報を復元するように適合される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
プロセッサが、サンプルの角度散乱分布とサンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布とを比較することによりサイズ情報を復元する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
サンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布がサンプルのＭｉｅ理論角度散乱分布である、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
プロセッサがさらに、サンプルの角度散乱分布とサンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布とを比較する前に、サンプルの角度散乱分布をフィルタ処理するように適合される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
プロセッサがさらに、平均直径および標準誤差を識別することにより散乱体のサイズのガウス分布を識別して、角度散乱分布をモデル化するように適合される、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
サンプルビームが平行ビームに変換される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３７】
参照ビームが平行ビームに変換される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３８】
参照ビームを受光して反射する反射デバイスをさらに備え、受光体は反射参照ビームを受光する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３９】
反射デバイスが参照ミラーである、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
スプリッタが光ファイバスプリッタである、請求項２９に記載の装置。
【請求項４１】
光源ビームが、アーク灯からの白色光、熱光源、ＬＥＤ、広帯域レーザからの干渉光、スーパールミネッセントダイオード、ダイオードレーザおよびスーパーコンティニューム源からなるグループから選択される光から構成されている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４２】
参照ビームの経路長が固定されている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４３】
スプリッタが固定された参照アームに取り付けられている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４４】
サンプルが固定されたサンプルアームに取り付けられている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４５】
角度分解反射サンプルビームおよび参照ビームを受光して、サンプルに関する角度分解および深さ分解相互相関信号を生成する分光器をさらに備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項４６】
受光体が複数のファイバから構成されるファイバ束である、請求項２９に記載の装置。
【請求項４７】
ファイバ束の複数のファイバが、反射サンプルビームの様々な角度の反射を収集するように配置されて、角度分解反射サンプルビームの角度散乱分布を収集する、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
ファイバ束が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
サンプルビームを伝達する送出ファイバをさらに備え、送出ファイバは、サンプルによる鏡面反射がファイバ束により受光されないようにサンプルおよびファイバ束に対してある傾斜角でサンプルビームを送出する、請求項４７に記載の装置。
【請求項５０】
複数のファイバが光学要素の一方の焦点に位置して、光学要素の他方の焦点に配置される角度分解反射サンプルビームを受光し、これにより、ファイバ束は光学要素のフーリエ変換特性を介して散乱光の角度分布を受け取る、請求項４７に記載の装置。
【請求項５１】
複数のファイバが複数のファイバの遠位端および近位端に同一または実質的に同一の空間配置を有し、これにより、ファイバ束は角度分解反射サンプルビームの角度分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項４７に記載の装置。
【請求項５２】
スプリッタが光源からの光をさらに多く分割して、参照ビームよりも光源ビームを生成する、請求項２９に記載の装置。
【請求項５３】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項５０に記載の装置。
【請求項５４】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体のサイズおよび深さ特性を決定する装置であって、
サンプルビームを伝達する送出ファイバであり、サンプルビームは送出ファイバを通してサンプルまで誘導され、サンプルから多数の反射角で散乱されて、散乱サンプルビームを生成する送出ファイバと、
光学要素の他方の焦点に配置されるサンプルにより反射される散乱サンプルビームを受光するために、光学要素の一方の焦点に位置する複数のファイバから構成される光ファイバ束受光体であり、光ファイバ束受光体は光学要素のフーリエ変換特性を介して散乱サンプルビームの角度分布を受け取る光ファイバ束受光体と、
散乱サンプルビームをスペクトル分散することにより、同時に並行して多数の反射角のそれぞれにおいて角度分解、スペクトル分解反射プロファイルを生成する検出器と、
角度分解、スペクトル分解反射プロファイルを受け取り、分析するプロセッサと、
を備える装置。
【請求項５５】
光ファイバ束受光体内の複数のファイバがサンプルビームの様々な角度反射を収集するように配置され、散乱サンプルビームの角度散乱分布を収集する、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
光ファイバ束受光体が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項５４に記載の装置。
【請求項５７】
複数のファイバが、複数のファイバの遠位端および近位端において同一の空間的配置を有し、これにより、光ファイバ束受光体は散乱サンプルビームの角度散乱分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項５４に記載の装置。
【請求項５８】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項５４に記載の装置。
【請求項１】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体の深さ特性を決定する方法であって、
サンプルに対して固定されたスプリッタ上に光源ビームを放射し、スプリッタは光源ビームからの光を分割して参照ビームおよびサンプルビームとを生成することと、
サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導することと、
サンプルビームがサンプルから並行して同時に多数の反射角で反射散乱する結果として、角度分解反射サンプルビームを受光し、角度分解反射サンプルビームは反射サンプルビームの角度散乱分布を含むことと、
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取ることにより、サンプルに関する角度分解相互相関信号を生成することと、
角度分解相互相関信号をスペクトル的に分散することにより、多数の反射角のそれぞれにおいてサンプルに関する深さ分解情報を有する単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成することと、
角度相互相関信号をフーリエ変換することにより、角度および深さの関数としてサンプルに関する深さ分解信号を生成することと、
を含む方法。
【請求項２】
角度分解相互相関信号を処理して、角度分解、スペクトル分解、相互相関反射プロファイルからサンプルの多数の異なる点でサンプルの散乱体に関する深さ分解情報を取得することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
角度分解、スペクトル分解、相互相関反射プロファイルから散乱体に関するサイズ情報を復元することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
サイズ情報を復元することが、サンプルの角度散乱分布を、サンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布と比較することにより得られる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
サンプルの分析的に予測されるおよび数値的に計算される角度散乱分布は、サンプルのＭｉｅ理論角度散乱分布である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
比較ステップの前に、サンプルの角度散乱分布をフィルタ処理することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
平均直径および標準偏差を計算することにより散乱体のサイズのガウス分布を計算し、サンプルの角度散乱分布をモデル化することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
サンプルビームを平行光にすることにより平行サンプルビームを生成するステップをさらに含み、サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導するステップは、平行サンプルビームをサンプルの方向にある角度で誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
参照ビームを平行光にすることにより平行参照ビームを生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
相互相関を取ることにより反射参照ビームを生成するステップの前に、参照ビームは反射される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
反射参照ビームが参照ミラーから参照ビームを反射することにより生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
スプリッタが光ファイバスプリッタである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
光源ビームが、アーク灯からの白色光、熱光源、ＬＥＤ、広帯域レーザからの干渉光、スーパールミネッセントダイオード、ダイオードレーザおよびスーパーコンティニューム光源からなるグループから選択される光から構成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取るステップは、
角度分解反射サンプルビームおよび参照ビームの強度を別個に測定することにより干渉項を決定することと、
角度分解反射サンプルビームの全体強度から干渉項を減算することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
参照ビームの経路長が固定されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
スプリッタが固定された参照アームに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
サンプルが固定されたサンプルアームに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
角度分解相互相関信号をスペクトル的に分散するステップが、参照ビームと結合された角度分解反射サンプルビームを分光器内に誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
分光器が複数の画像点から構成される画像分光器を備え、複数の画像点のそれぞれはサンプルに関する角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成するために特定の散乱角に対応する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
分光器が、複数のチャネルから構成されるマルチチャネル分光器を備え、複数のチャネルのそれぞれはサンプルに関する角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成するために特定の散乱角に対応する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
同時に並行してサンプルから多数の反射角で反射散乱するサンプルビームの結果として、角度分解反射サンプルビームを受光するステップは、複数のファイバから構成されるファイバ束の端部で反射サンプルビームの角度分布を収集することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
ファイバ束の複数のファイバが、反射サンプルビームの角度散乱分布を収集するように反射サンプルビームの様々な角度反射を収集するように配置されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ファイバ束が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
送出ファイバ上でサンプルビームを伝達するステップをさらに含み、サンプルによる鏡面反射がファイバ束により受光されないように、送出ファイバはサンプルおよびファイバ束に対してある傾斜角でサンプルビームを送出する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
光ファイバ束とサンプルの間に位置する光学要素のフーリエ変換特性を介して角度分解反射サンプルビームを受光し、光学要素の他方の焦点に位置する角度分解反射サンプルビームを受光するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
複数のファイバが複数のファイバの遠位端および近位端に同一または実質的に同一の空間配置を有し、これにより、ファイバ束は角度分解反射サンプルビームの角度分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
スプリッタにおいて光源からの光をさらに多く分割して、サンプルビーム内の光の数を参照ビーム内の光の数より多く生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体のサイズおよび深さ特性を決定する装置であって、
サンプルに対して固定された受光体を備え、この受光体は、
同時に並行してサンプルから多数の反射角で反射散乱する角度分解反射サンプルビームを受光することにより、スプリッタにより光源ビームから分割されたサンプルビームの結果として生成される、角度および深さの関数としてサンプルに関する深さ分解情報をフーリエ変換を介して生成し、角度分解反射サンプルビームは角度分解反射サンプルビームの角度散乱分布を含み、
スプリッタにより光源ビームから分割された参照ビームを受光し、
角度分解反射サンプルビームと参照ビームとの相互相関を取ることにより、サンプルに関する角度分解および深さ分解相互相関信号を生成し、
装置はさらに、
角度分解および深さ分解相互相関信号をスペクトル的に分散することにより、多数の反射角のそれぞれにおいてサンプルに関する深さ分解情報を有する単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを生成する検出器と、
単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルを受け取るプロセッサと、
を備える装置。
【請求項３０】
プロセッサが、単一の角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルからサンプル上の多数の異なる点でサンプルの散乱体の深さを決定するように適合される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
プロセッサが、角度分解、スペクトル分解相互相関反射プロファイルから散乱体に関するサイズ情報を復元するように適合される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
プロセッサが、サンプルの角度散乱分布とサンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布とを比較することによりサイズ情報を復元する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
サンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布がサンプルのＭｉｅ理論角度散乱分布である、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
プロセッサがさらに、サンプルの角度散乱分布とサンプルの分析的に予測されるまたは数値的に計算される角度散乱分布とを比較する前に、サンプルの角度散乱分布をフィルタ処理するように適合される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
プロセッサがさらに、平均直径および標準誤差を識別することにより散乱体のサイズのガウス分布を識別して、角度散乱分布をモデル化するように適合される、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
サンプルビームが平行ビームに変換される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３７】
参照ビームが平行ビームに変換される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３８】
参照ビームを受光して反射する反射デバイスをさらに備え、受光体は反射参照ビームを受光する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３９】
反射デバイスが参照ミラーである、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
スプリッタが光ファイバスプリッタである、請求項２９に記載の装置。
【請求項４１】
光源ビームが、アーク灯からの白色光、熱光源、ＬＥＤ、広帯域レーザからの干渉光、スーパールミネッセントダイオード、ダイオードレーザおよびスーパーコンティニューム源からなるグループから選択される光から構成されている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４２】
参照ビームの経路長が固定されている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４３】
スプリッタが固定された参照アームに取り付けられている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４４】
サンプルが固定されたサンプルアームに取り付けられている、請求項２９に記載の装置。
【請求項４５】
角度分解反射サンプルビームおよび参照ビームを受光して、サンプルに関する角度分解および深さ分解相互相関信号を生成する分光器をさらに備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項４６】
受光体が複数のファイバから構成されるファイバ束である、請求項２９に記載の装置。
【請求項４７】
ファイバ束の複数のファイバが、反射サンプルビームの様々な角度の反射を収集するように配置されて、角度分解反射サンプルビームの角度散乱分布を収集する、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
ファイバ束が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
サンプルビームを伝達する送出ファイバをさらに備え、送出ファイバは、サンプルによる鏡面反射がファイバ束により受光されないようにサンプルおよびファイバ束に対してある傾斜角でサンプルビームを送出する、請求項４７に記載の装置。
【請求項５０】
複数のファイバが光学要素の一方の焦点に位置して、光学要素の他方の焦点に配置される角度分解反射サンプルビームを受光し、これにより、ファイバ束は光学要素のフーリエ変換特性を介して散乱光の角度分布を受け取る、請求項４７に記載の装置。
【請求項５１】
複数のファイバが複数のファイバの遠位端および近位端に同一または実質的に同一の空間配置を有し、これにより、ファイバ束は角度分解反射サンプルビームの角度分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項４７に記載の装置。
【請求項５２】
スプリッタが光源からの光をさらに多く分割して、参照ビームよりも光源ビームを生成する、請求項２９に記載の装置。
【請求項５３】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項５０に記載の装置。
【請求項５４】
サンプルの深さ分解スペクトルを取得することによりサンプル内の散乱体のサイズおよび深さ特性を決定する装置であって、
サンプルビームを伝達する送出ファイバであり、サンプルビームは送出ファイバを通してサンプルまで誘導され、サンプルから多数の反射角で散乱されて、散乱サンプルビームを生成する送出ファイバと、
光学要素の他方の焦点に配置されるサンプルにより反射される散乱サンプルビームを受光するために、光学要素の一方の焦点に位置する複数のファイバから構成される光ファイバ束受光体であり、光ファイバ束受光体は光学要素のフーリエ変換特性を介して散乱サンプルビームの角度分布を受け取る光ファイバ束受光体と、
散乱サンプルビームをスペクトル分散することにより、同時に並行して多数の反射角のそれぞれにおいて角度分解、スペクトル分解反射プロファイルを生成する検出器と、
角度分解、スペクトル分解反射プロファイルを受け取り、分析するプロセッサと、
を備える装置。
【請求項５５】
光ファイバ束受光体内の複数のファイバがサンプルビームの様々な角度反射を収集するように配置され、散乱サンプルビームの角度散乱分布を収集する、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
光ファイバ束受光体が単一モードファイバの線形アレイを備える、請求項５４に記載の装置。
【請求項５７】
複数のファイバが、複数のファイバの遠位端および近位端において同一の空間的配置を有し、これにより、光ファイバ束受光体は散乱サンプルビームの角度散乱分布の伝達に対して空間干渉性を有する、請求項５４に記載の装置。
【請求項５８】
光学要素がレンズまたは画像化光学要素のいずれかである、請求項５４に記載の装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−１９８２２１（Ｐ２０１２−１９８２２１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１０６９０２（Ｐ２０１２−１０６９０２）
【出願日】平成２４年５月８日（２０１２．５．８）
【分割の表示】特願２００８−５３５６５５（Ｐ２００８−５３５６５５）の分割
【原出願日】平成１８年１０月１１日（２００６．１０．１１）
【出願人】（５０４４０９９４５）デユーク・ユニバーシテイ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０６９０２（Ｐ２０１２−１０６９０２）
【出願日】平成２４年５月８日（２０１２．５．８）
【分割の表示】特願２００８−５３５６５５（Ｐ２００８−５３５６５５）の分割
【原出願日】平成１８年１０月１１日（２００６．１０．１１）
【出願人】（５０４４０９９４５）デユーク・ユニバーシテイ (4)
【Ｆターム（参考）】
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