特表 2024-543679 干渉計ベースの合成多重露光スペックルイメージング（ｓｙＭＥＳＩ）方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-21

(54)【発明の名称】干渉計ベースの合成多重露光スペックルイメージング（ｓｙＭＥＳＩ）方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/026 20060101AFI20241114BHJP

【ＦＩ】

A61B5/026 120

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535276

(86)(22)【出願日】2022-12-12

(85)【翻訳文提出日】2024-06-12

(86)【国際出願番号】 US2022052512

(87)【国際公開番号】W WO2023114124

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】63/265,312

(32)【優先日】2021-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521436740

【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ サウス フロリダ

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＯＵＴＨ ＦＬＯＲＩＤＡ

【住所又は居所原語表記】３８０２ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ，Ｓｕｉｔｅ １００，Ｔａｍｐａ，Ｆｌｏｒｉｄａ ３３６１２（ＵＳ）

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】パルタサラティ，アシュウィン

(72)【発明者】

【氏名】サフィ，アブドゥル モハイメン

【テーマコード（参考）】

4C017

【Ｆターム（参考）】

4C017AA11

4C017AB06

4C017AC26

4C017BB01

4C017BB12

4C017BC11

(57)【要約】

合成多重露光スペックルイメージング（ｓｙＭＥＳＩ）方法論は、スペックルイメージングシステムの一部として光干渉計装置を必然的に使用して、低い露光時間でのスペックルコントラスト特性の信頼性のある正確な決定を通例制限する光検出器ノイズを克服する。このような方法論の使用により、平均検出強度の４０カウント未満の低い光子バジェットでターゲット物体における動きの変化（組織内の血流変化など）の絶対的な値（複数可）を定量的に決定すること、及び／または低コストのカメラセンサーを使用して術中の設定で物体における血流を定量的にイメージングすることが可能になった。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スペックルイメージングシステムであって、
光源を含み、出力端で光出力を生成するように構成されている、前記スペックルイメージングシステムの光学照明システムであって、前記スペックルイメージングシステムは動きを検出するように構成される、前記光学照明システム、
前記スペックルイメージングシステムの光干渉計装置であって、参照アームとサンプルアームとを有し、前記光学照明システムの前記出力端と光学的に結合されており、
前記光干渉計装置は、前記サンプルアームを通って伝播するサンプル光と前記参照アームを通って伝播する参照光との間の光位相差の変化を必要とせず、及び／または許容しない、前記光干渉計装置、
前記スペックルイメージングシステムの光学イメージングシステムであって、前記出力端と光学的に連携する光検出器システムを含む、前記光学イメージングシステム、
前記光学イメージングシステムと操作可能に接続され、
そこから電気信号を受信するよう構成された、コンピュータシステムであって、
前記電気信号は、前記光干渉計装置からの光出力において前記光検出器システムで形成された生のスペックル画像を表し、
前記光出力は、前記サンプルアームのターゲットサンプルと相互作用し、前記ターゲットサンプルと前記参照光を表すスペックルパターンを含む前記サンプル光を含む、前記コンピュータシステム、
及び
コンピュータ読み取り可能な命令が格納されたコンピュータ読み取り可能なプログラムコードを含むコンピュータ読み取り可能な有形の非一時的な媒体であって、前記命令が前記コンピュータシステムのプロセッサによって実行されると、前記命令は前記プロセッサに、少なくとも、前記生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性を決定及び／または表示させる、前記コンピュータ読み取り可能な有形の非一時的な媒体、を含む、前記スペックルイメージングシステム。

【請求項2】

前記命令は前記プロセッサに、さらに、
前記スペックル画像を視覚的に知覚可能な光放射照度の空間分布として表示すること、及び／または
前記スペックル画像の前記スペックルコントラスト特性の値のスペックル可視性曲線を、前記ターゲットサンプルの露光時間の関数として決定及び／または表示すること、及び／または
多数のスペックルコントラスト画像及び／または前記スペックル可視性曲線を、前記ターゲットサンプルにおける前記動きの変化の空間分布及び／または時間分布を示すマップとして決定及び／または表示することを生起させる、請求項１に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項3】

以下の条件、すなわち
（３ａ） 前記スペックルイメージングシステムが、前記スペックルコントラスト特性の測定のダイナミックレンジが前記参照光の強度に必然的に依存するように構成されている、及び／または
（３ｂ） 前記スペックルイメージングシステムは、前記サンプル光の強度及び／または前記参照光の強度を制御するように構成された少なくとも１つのデバイスを含む、及び／または
（３ｃ） 前記命令は、さらに、前記プロセッサに、前記生のスペックル画像の前記スペックル分散を、前記光検出器のノイズの分散よりも大きく維持しながら確認させる、及び／または
（３ｄ） 前記命令は、前記プロセッサに、前記生のスペックル画像の前記スペックル分散を、前記光の前記第１部分の非ゼロ強度のレベルに実質的に関係なく、前記光検出器のノイズ分散よりも大きく維持しながらそのようなスペックル分散を確認させる、及び／または
（３ｅ） 前記命令は、さらに、前記プロセッサに、前記生のスペックル画像の所定のピクセルによって表される前記シーンの一部または前記シーン全体にわたる動きの指標の絶対的な値を定量的に決定させる、及び／または
（３ｆ）前記命令は、前記プロセッサに、さらに
（ｉ）前記光検出器の識別された各ピクセルまたはピクセルのグループについて、前記生のスペックル画像のスペックルコントラストの値を、
強度の平均値に対する、前記識別されたピクセルを囲む前記光検出器の選択された領域内のピクセルにおける光の前記強度の標準偏差の正規化された値の第１比率として、
または
前記識別されたピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、複数の露光時間にわたって計算された前記識別されたピクセルにおける光の前記強度の平均値との第２比率として、計算すること、
及び／または、
（ｉｉ） 時間領域、空間領域、または時空間領域における前記第１比率及び／または前記第２比率を決定すること、を生起させる、のうちの少なくとも１つを満たす、請求項１または２に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項4】

前記スペックルイメージングシステムは、多重合成露光時間スペックルイメージング（ｓｙＭＥＳＩ）システムとして構成され、前記光学照明システムは、露光時間にわたって前記光出力のパワーを実質的に一定に維持するように構成された装置を含まず、
前記命令は、前記プロセッサに、さらに
１つの固定された第１経験的露光時間のみで、前記イメージングシステムによって前記光に形成された１つ以上の生のスペックル画像を取得すること、及び
前記１つ以上の生のスペックル画像のうち選択された生のスペックル画像を、空間的に異なる寸法を有する複数のビニングアパーチャを使用して空間的に平均化し、それぞれ対応する変更スペックル画像を形成することであって、前記変更スペックル画像のそれぞれは、複数の第２合成露光時間からそれぞれ対応する第２合成露光時間に対応するスペックル画像を表し、
前記複数の第２合成露光時間からの各第２合成露光時間は、互いに異なり、前記第１経験的露
光時間とも異なる、前記形成すること、を生起させる、請求項１～３のいずれか１項に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項5】

前記命令は、さらに、前記プロセッサに、前記変更されたスペックル画像のそれぞれを、前記同じ選択された画像に対応する複数のスペックルコントラスト画像及び／またはスペックル可視性曲線のそれぞれ対応するスペックルコントラスト画像に変換させる、請求項４に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項6】

前記命令は、前記プロセッサに、少なくとも前記スペックル可視性曲線に基づいて、前記スペックルイメージングシステムの動作中に前記光出力で照射され、前記１つ以上の生のスペックル画像によって表されるシーンの一部における動きの定量的な値をさらに評価することを生起させるように構成されている、請求項４及び５の１項に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項7】

前記命令は、前記スペックルイメージングシステムの動作中に前記光出力で照射され、前記１つ以上の生のスペックル画像によって表されるシーンの一部の視覚的に知覚可能な画像を前記プロセッサにさらに生成させるように構成され、前記視覚的に知覚可能な画像は、前記視覚的に知覚可能な画像全体にわたる光学パラメータの空間分布を介して、前記シーンの前記部分における動きの定量的な値の空間分布を表示する、請求項４から６の１項に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項8】

前記命令は、前記プロセッサに、前記１つの固定された第１経験的露光時間のみで、前記イメージングシステムによって前記光に形成された生のスペックル画像のシーケンスを取得するように構成され、前記シーケンスの構成要素である生のスペックル画像は、必然的に非連続である、請求項４から７の１項に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項9】

前記光学イメージングシステムは、直接隣接する生のスペックル画像間の時間間隔が異なる、必ずしも連続していない生のスペックル画像を取得するように構成されている、請求項８に記載のスペックルイメージングシステム。

【請求項10】

スペックルイメージングシステムを使用してシーンを特徴付ける方法であって、
前記スペックルイメージングシステムの光源によって生成された光を、前記スペックルイメージングシステムの光干渉計装置に結合することであって、
前記スペックルイメージングシステムは、動きを検出し、
前記光干渉計装置は、サンプルアームと参照アームとの間の光位相差の変化を必要とせず、及び／または変化を許容しない、前記結合すること、
前記光干渉計装置の前記サンプルアームを通って伝播する前記光の第１部分を前記シーンに照射すること、
前記スペックルイメージングシステムの前記光検出システムの光検出器において、前記光干渉計装置の前記参照アームを通って伝播した前記光の第２部分を、前記シーンと相互作用した光の前記第１部分と空間的に重ね合わせて、それによって出力光を形成することであって、前記出力光は、前記シーンによって前記後方散乱された光の前記第１部分と、前記光の前記第２部分の両方を含む、前記形成すること、及び
所定の露光時間で、光検出器を用いて前記出力光の前記シーンの生のスペックル画像を取得すること、を含む、前記方法。

【請求項11】

請求項１から９の１項に従い構成されたスペックルイメージングシステムを用いて実行される、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記結合、前記照射、前記重ね合わせ、及び前記取得中に前記光干渉計装置の動作パラメータを変更せず、
前記動作パラメータには、前記光の前記第２部分の強度は含まれない、請求項１０及び１１の１項に記載の方法。

【請求項13】

前記光の前記第２部分の強度を変更することにより、前記生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性のダイナミックレンジを変化させることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性を、光の前記第２部分の強度と前記出力光の強度の比率の関数として決定することをさらに含む、請求項１０から１２の１項に記載の方法。

【請求項15】

前記比率は時間依存比率である、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記光の前記第１部分と前記光の前記第２部分のうち少なくとも一方の強度を変更することにより、前記生のスペックル画像の前記スペックルコントラスト特性のダイナミックレンジを変化させることをさらに含む、請求項１４及び１５の１項に記載の方法。

【請求項17】

前記生のスペックル画像のスペックル分散を、前記光検出器のノイズの分散よりもそのようなスペックル分散が大きくなるように維持しながら確認することをさらに含む、請求項１０から１６の１項に記載の方法。

【請求項18】

前記維持することは、前記光の前記第１部分の非ゼロ強度のレベルに実質的に関係なく、前記スペックル分散を前記光検出器のノイズの前記分散よりも大きく維持することを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

以下の条件、すなわち
（１９ａ） 前記方法はさらに、前記生のスペックル画像の所定のピクセルによって表される前記シーンの部分における動きの指標の絶対的な値を定量的に決定することを含む、及び
（１９ｂ） 前記動きの指標は、前記シーンが生物組織である場合、血流の指標であること、の少なくとも１つを満たす、請求項１２から１８の１項に記載の方法。

【請求項20】

（２０ａ） 前記光検出器の各識別されたピクセルについて、前記生の画像のスペックルコントラストの値を、
強度の平均値に対する、前記識別されたピクセルを囲む前記光検出器の選択された領域内のピクセルにおける光の前記強度の標準偏差の正規化された値の第１比率として、
または
前記識別されたピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、複数の露光時間にわたって得られた前記識別されたピクセルにおける光の前記強度の平均値との第２比率として、計算すること、
及び／または、
（２０ｂ） 時間領域、空間領域、または時空間領域における前記第１比率及び／または前記第２比率を計算すること、を含む、請求項１２から１８の１項に記載の方法。

【請求項21】

前記取得することは、１つのみの固定された第１経験的露光時間で、前記出力光における前記シーンの１つ以上の生のスペックル画像を取得することを含み、
さらに、
異なる空間寸法を有する複数のビニングアパーチャのそれぞれについて、選択された画像の放射照度分布を複数のビニングアパーチャのそれぞれ対応するビニングアパーチャで空間的に平均化することにより、前記１つ以上の生のスペックル画像のうちの前記選択された画像を、複数の変更されたスペックル画像のうちの対応する１つに変更し、それによって、複数の第２合成露光時間のうちの第２合成露光時間に対応する前記シーンのスペックル画像を表す複数の変更されたスペックル画像を生成することであって、
前記複数の第２合成露光時間からの全部の第２合成露光時間は、互いに異なり、前記第１経験的露光時間と異なる、前記生成することを含む、請求項１２から１８の１項に記載の方法。

【請求項22】

前記複数の変更されたスペックル画像のそれぞれを、前記同じ選択された画像に対応する複数のスペックルコントラスト画像のそれぞれ対応するスペックルコントラスト画像に変換すること、をさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

（２３ａ） 前記光源はレーザー光源である、及び／または
（２３ｂ） 前記複数の変更スペックル画像からの変更スペックル画像の各々について、前記第１経験的露光時間と、前記対応する第２合成露光時間との間の数値関係は、前記所定のビニングアパーチャの寸法に依存する、及び／または
（２３ｃ） 前記生のスペックル画像の１つ以上、前記選択された画像、及び前記複数のスペックルコントラスト画像の少なくとも１つ、のうちの少なくとも１つは、視覚的に知覚可能である、請求項２１または２２に記載の方法。

【請求項24】

（２４ａ） 前記少なくとも１つ以上の生のスペックル画像は、１つのみの生のスペックル画像を含む、または
（２４ｂ）連続して取得される前記１つ以上の生のスペックル画像のうちの２つの生のスペックル画像は、直ちに次々に取得されるのではなく、前記２つの画像の間に任意の時間遅延をおいて取得される、請求項２１から２３の１項に記載の方法。

【請求項25】

（２５ａ） 前記１つのみの固定された第１露光時間で１つ以上の生のスペックル画像を前記取得することは、１つのみの生のスペックル画像を取得することを含み、及び／または
（２５ｂ） 前記１つ以上の初期スペックル画像のうちの選択された画像を前記変更することは、前記１つ以上の生のスペックル画像のうちの１つのみの画像を変更することを含む、請求項２１から２４の１項に記載の方法。

【請求項26】

以下の条件、すなわち
（２６ａ） 前記方法はさらに、前記選択された画像の所定のピクセルによって表される前記シーンの部分における動きの指標の絶対的な値を定量的に決定することを含む、及び
（２６ｂ） 前記動きの指標は、前記シーンが生物組織である場合、血流の指標であること、の少なくとも１つを満たす、請求項２１から２５の１項に記載の方法。

【請求項27】

前記取得することは、前記１つのみの固定された第１経験的露光時間において、間に時間間隔をおいて複数の生のスペックル画像を取得し、構成する生のスペックル画像が必然的に非連続である生のスペックル画像のシーケンスを形成することを含む、請求項２１から２６の１項に記載の方法。

【請求項28】

前記取得することは、異なる直接隣接する生のスペックル画像間の異なる持続時間の時間間隔を有する、前記必然的に非連続な生のスペックル画像を取得することを含む、請求項２２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本国際特許出願は、２０２１年１２月１３日出願の米国仮特許出願第６３／２６５，３１２号に対する優先権及び利益を主張し、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

関連技術
組織を通る血流は、組織への酸素供給を直接示し、正常な組織が機能するのに重要であるため、組織の健康状態を示す重要な生理学的指標として機能する。例えば、脳への酸素供給のわずかな変化でも正常な生理学的プロセスに劇的な影響を及ぼす可能性があるため、脳への血流の減少は深刻な結果を招く。したがって、血流のイメージングは、生理の正常な機能を理解し、疾患の進行を監視し、治療を追跡するために重要である。

【0003】

一般に、光学イメージング法は、優れた時空間分解能特性を備えているため、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、拡散光断層撮影法（ＤＯＴ）などよりも、脳血流（ＣＢＦ）の動態を視覚化するのに（特に、個々の脳血管の分解を必要とする適用に）適している。例えば、光子相関に基づいた光学イメージング手法（レーザースペックルコントラストイメージング、またはＬＳＣＩなど）は、赤血球の固有のコントラストな動きを利用してＣＢＦを評価するのに特に適している。

【0004】

特に、ＬＳＣＩは小動物モデルの脳血流をイメージングするのに有効であることが示されている。ＬＳＣＩの主な利点の１つは、使用されるイメージング装置がシンプルで安価でありながら、優れた空間分解能と時間分解能を備えた広視野ＣＢＦ画像を取得できることである。現在までに、ＬＳＣＩはラット及びマウスの脳の虚血時のＣＢＦ動態のイメージング、機能活性化研究、及び虚血性脳卒中の進行のモデル化に利用されてきた。

【0005】

関連技術で認識されているように、レーザースペックルは、わずかに異なる経路長の軌跡に沿ってサンプルから後方散乱した光場（例えば、レーザー光場）のコヒーレントな加算によって生成されるランダムな干渉パターンである。このため、図１Ｃは典型的なＬＳＣＩセットアップを概略的に示している。ここで、可視光または近赤外ダイオードレーザー光源１１０からのわずかに発散する光１０４が組織サンプル１２０に当たるように導かれ、光１０４は組織内で散乱し、組織１２０を通過する異なる経路に沿って移動する光場成分は異なる位相シフトを経る。後方散乱光１２４は、イメージングレンズ１２８を通して集められ、スペックル画像の形でカメラセンサー１３０に記録され、適切に構成された電子回路１３０でデータ処理される。

【0006】

サンプル細胞内の粒子（例えば赤血球など）の動きは、スペックルパターンに空間的及び時間的な変動を刻み込む。このような効果は、画像の局所的なぼやけ（または相関除去）として現れる（図１Ａ）。このぼやけや相関除去を定量化することで、組織１２０の血管系における赤血球の流れの測定値が得られる。正式には、局所スペックルコントラスト

【数1】

すなわち局所強度の正規化された分散の平方根は、画像内の小さなウィンドウ（通常は７×７ピクセル）で計算される。ここで、

【数2】

は７×７ピクセルウィンドウの強度の標準偏差であり、

【数3】

は７×７ピクセルウィンドウの強度の平均である。次に、この計算を生のスペックル画像全体にわたってウィンドウごとに繰り返すことによって、処理されたスペックルコントラスト画像（図１Ｂ）が生成される。図１Ｂの画像の特定の部分におけるスペックルコントラストの値が高いのは、サンプルの対応する領域（つまり、図１Ａ）における空間的なぼやけの量が減少していることを示しており、これは赤血球の動きが遅いことによる直接的な結果である。

【0007】

特に、関連技術で認識されているように、ＬＳＣＩアプローチで測定されたスペックルコントラストは、ＣＢＦの変化の相対的変化の急性測定にのみ適している。言い換えれば、ＬＳＣＩシステムの従来の実装を実際に使用した結果では、ターゲット組織での動きを定量的に測定することはできず、代わりにスペックル画像全体の相対的な（例えば、０から１までの任意の単位のスケールでの）コントラスト値の評価を生成し、この評価は、ＣＢＦの変化について１つのみの生じる結論を明確にして与え、それは次のように表現できる。画像の第１部分に描画されるターゲット組織の第１領域でのターゲット粒子（例えば、血流）の動きは、画像の第２部分に描画されるターゲット組織の第２領域でのターゲット粒子の動きよりも速く発生している。これら２つの動作の速度の値を定量的（つまり数値的）に評価することは、相対的な（つまり比較による）結果を出す従来のＬＳＣＩに基づいていては、まさに不可能である。その結果、従来のＬＳＣＩシステムの適用は、非常に単純な状況にのみ限定されていた。

【0008】

多重露光スペックルイメージング（またはＭＥＳＩ）と呼ばれる方法論は、従来のＬＳＣＩが血流の定量的測定を行えないという欠点を、複数のカメラ露光で取得したレーザースペックル画像を処理し、定量的スペックル可視性モデルに当てはめることによって正すために導入された。現在までに、ＭＥＳＩは、音響光学変調器または回転フィルタホイールなどの比較的大きくて遅い機器を使用してレーザーを時間ゲーティングするか（例えば、Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ ｅｔ ａｌ．， ”Ｒｏｂｕｓｔ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ－ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｓｐｅｃｋｌｅ ｉｍａｇｉｎｇ，” Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １６， １９７５－１９８９；２００８を参照）、または時間ビニング手法（ただし、８×５ピクセルなどの低分解能画像にのみ適した高価な高速検出器を使用。例えば、Ｄｒａｇｏｊｅｖｉｃ ｅｔ ａｌ．， ”Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｃａｍｅｒａ，” Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ６， ２８６５－２８７６；２０１５を参照）を使用することによって実現されている。ＭＥＳＩアプローチのよく知られた欠点は、調査対象のサンプル（組織）で有効なレーザー出力を一定に維持するために専用のハードウェアを使用する必要性、及び／または複数の実用的な適用での十分短くない測定の持続時間に表れている。

【0009】

最近、ソフトウェアベースの合成ＭＥＳＩ（ｓｙＭＥＳＩ）方法論が提案された（例えば、ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０２２７３４はＷＯ２０２２／２１２６３６として公開されており、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。または、Ｓａｆｉ， Ａｂｄｕｌ Ｍｏｈａｉｍｅｎ， ｅｔ ａｌ． ”Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｃｅｒｅｂｒａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｓｈｏｔ Ｍｕｌｔｉ－Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｋｌｅ Ｉｍａｇｉｎｇ．” Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｂｒａｉｎ． Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ２０２１を参照されたい）。この方法論は、従来のＭＥＳＩアプローチと同様に、対象シーンまたはサンプルによって散乱された（単一ビームの）光のみの収集を利用し、ユーザーに、ＭＥＳＩの実装に通常必要なハードウェアを使用せずに、定量的な血流イメージング（つまり、対象シーン全体にわたって対象シーンの一部に関連付けられた動きの指標の絶対的な実際の値（何らかの基準値に対して相対的に決定された値ではない）を決定できるもの）を実行する機能を備えている。しかし、従来のハードウェアベースの多重露光スペックルイメージング（ＭＥＳＩ）アプローチと、最近開発されたソフトウェアベースの合成多重露光（ｓｙＭＥＳＩ）アプローチの各々は、非常に短い露光時間（約５０μｓ程度）でスペックル画像を取得する必要がある。当業者が容易に理解できるように、このような短い露光時間では、イメージングプロセスに使用される光検出器の動作に関連するノイズが、有用な信号（サンプルから後方散乱され、システムによって収集された光によって生成される信号）を圧倒する可能性があり、実際に圧倒されることが多く、その条件下では、イメージングに高照度光学パワーを使用することが必須になる。しかし、このような避けられない要件は、術中のイメージングや眼科などの臨床現場には適さない可能性がある。

【0010】

現在の技術水準では、高出力光源の使用（他の状況では所望の用途での使用に実用的ではない）を回避しながら、同時に関連技術によって既に実証されている技術的及び／または運用上の利点を維持するにはどうすればよいかという疑問を提起する。

【発明の概要】

【0011】

本発明の実施形態は、動きを検出するように構成されたスペックルイメージングシステムを提供し、このイメージングシステムは、光源を含み、出力端で光出力を生成するように構成された光学照明システムと、参照アームとサンプルアームとを有し、光学照明システムの出力端と光学的に結合された光干渉計装置とを含む。（このような光干渉計装置は、サンプルアームを通って伝播するサンプル光と参照アームを通って伝播する参照光との間の光位相差の変化を必要とせず、及び／または許容しないように構成されている。）スペックルイメージングシステムは、出力端と光学的に連携する光検出器システムを含む光イメージングシステムと、コンピュータシステムとをさらに組み込んでいる（光イメージングシステムと操作可能に接続され、

【0012】

光干渉計装置からの光出力において光検出器システムで形成された生のスペックル画像を表す電気信号をそれから受信するよう構成されている。）光出力には、サンプル光（サンプルアームのターゲットサンプルと相互作用し、ターゲットサンプルを表すスペックルパターンを含む）と参照光の両方が含まれる。さらに、スペックルイメージングシステムは、コンピュータ読み取り可能な命令が格納されたコンピュータ読み取り可能なプログラムコードを含むコンピュータ読み取り可能な有形の非一時的な媒体であって、命令がコンピュータシステムのプロセッサによって実行されると、命令はプロセッサに、少なくとも、前記生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性を決定及び／または表示させる、コンピュータ読み取り可能な有形の非一時的な媒体を含む。少なくとも１つの実施態様では、命令は、プロセッサに、さらに、（ａ）前記スペックル画像を視覚的に知覚可能な光放射照度の空間分布として表示すること、及び／または（ｂ）スペックル画像のスペックルコントラスト特性の値のスペックル可視性曲線を、ターゲットサンプルの露光時間の関数として決定及び／または表示すること、及び／または（ｃ）多数のスペックルコントラスト画像及び／またはスペックル可視性曲線を、ターゲットサンプルにおける前記動きの変化の空間分布及び／または時間分布を示すマップとして決定及び／または表示することを生起させるよう構成される。

【0013】

実質的に、あらゆる実施態様において、スペックルイメージングシステムは、以下の条件、すなわち１）スペックルコントラスト特性の測定のダイナミックレンジが参照光の強度に必然的に依存する、及び／または２）サンプル光の強度及び／または参照光の強度を制御するように構成された少なくとも１つのデバイスを含む、及び／または３）命令は、プロセッサに、生のスペックル画像のスペックル分散を、光検出器のノイズの分散よりも大きく維持しながらそのような分散を確認させる、及び／または４）プロセッサに、前記生のスペックル画像のスペックル分散を、前記光の第１部分の非ゼロ強度のレベルに実質的に関係なく、光検出器のノイズ分散よりも大きく維持しながらそのようなスペックル分散を確認させる命令を組み込む、及び／または５）プロセッサに、生のスペックル画像の所定のピクセルによって表されるシーンの一部またはシーン全体にわたる動きの指標の絶対的な値を定量的に決定させる命令を組み込む、及び／または６）プロセッサに、（ｉ）光検出器の識別された各ピクセルまたはピクセルのグループについて、生のスペックル画像のスペックルコントラストの値を、強度の平均値に対する、識別されたピクセルを囲む光検出器の選択された領域内のピクセルにおける光の前記強度の標準偏差の正規化された値の第１比率として、または識別されたピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、複数の露光時間にわたって計算された識別されたピクセルにおける光の強度の平均値との第２比率として、計算すること、及び／または、（ｉｉ）時間領域、空間領域、または時空間領域における第１比率及び／または第２比率を決定すること、を生起させる命令を組み込むこと、のうちの少なくとも１つを満たすように構成され得る。

【0014】

上記実施形態の少なくとも１つにおいて、スペックルイメージングシステムは、多重合成露光時間スペックルイメージング（ｓｙＭＥＳＩ）システムとして構成され、光学照明システムは、露光時間にわたって前記光出力のパワーを実質的に一定に維持するように構成された装置を含まず、及び／またはこのようなｓｙＭＥＳＩシステムは、プロセッサに、（ｉ）１つのみの固定された第１経験的露光時間で、イメージングシステムによって前記光に形成された１つ以上の生のスペックル画像を取得すること、及び（ｉｉ）１つ以上の生のスペックル画像のうち選択された生のスペックル画像を、空間的に異なる寸法を有する複数のビニングアパーチャを使用して空間的に平均化し、それぞれ対応する変更スペックル画像を形成することであって、そのような変更されたスペックル画像のそれぞれは、複数の第２合成露光時間からそれぞれ対応する第２合成露光時間に対応するスペックル画像を表し、（複数の第２合成露光時間からの各第２合成露光時間は、互いに異なり、第１経験的露光時間と異なる）、形成すること、を生起させる、命令を含み得る。後者の場合、命令は、プロセッサに、変更されたスペックル画像のそれぞれを、同じ選択された画像に対応する複数のスペックルコントラスト画像及び／またはスペックル可視性曲線のそれぞれ対応するスペックルコントラスト画像に変換することを生起するようにさらに構成されてもよい。代替的にまたは追加的に、命令は、プロセッサに、少なくともスペックル可視性曲線に基づいて、スペックルイメージングシステムの動作中に光出力で照射され、１つ以上の生のスペックル画像によって表されるシーンの一部における動きの定量的な値を評価することを生起させるように構成され得る。代替的にまたは追加的に、命令は、スペックルイメージングシステムの動作中に光出力で照射され、１つ以上の生のスペックル画像によって表されるシーンの一部の視覚的に知覚可能な画像をプロセッサに生成させるように構成され得る（ここで、視覚的に知覚可能な画像は、前記視覚的に知覚可能な画像の全体にわたる光学パラメータの空間分布を介して、シーンの前記部分における動きの定量的な値の空間分布を表示する）。あるいは、またはそれに加えて、命令は、プロセッサに、そのような１つのみの固定された第１経験的露光時間で、イメージングシステムによって生のスペックル画像のシーケンスを取得することを生起させるように構成され得る（シーケンスの構成要素である生のスペックル画像は、必然的に非連続である）。後者の場合、光学イメージングシステムは、隣接する生のスペックル画像間の時間間隔が異なる、そのような必然的に非連続な生のスペックル画像を取得するように構成され得る。

【0015】

本発明の実施形態は、スペックルイメージングシステム（少なくとも１つの場合には、上記のいずれか１つの実施形態に従って構成することができる）を使用してシーンを特徴付ける方法をさらに提供する。このような方法は、ａ）スペックルイメージングシステムの光源によって生成された光を、スペックルイメージングシステムの光干渉計装置に結合すること（ここで、スペックルイメージングシステムは、動きを検出し、光干渉計装置は、サンプルアームと参照アームとの間の光位相差の変化を必要とせず、及び／または変化を許容しない）、ｂ）光干渉計装置のサンプルアームを通って伝播する（光源によって生成された光の）第１部分をシーンに照射すること、ｃ）スペックルイメージングシステムの光検出システムの光検出器において、（光干渉計装置の参照アームを通って伝播したそのような光の）第２部分を、シーンと相互作用した光の第１部分と空間的に重ね合わせて、それによって出力光を形成することであって、出力光は、シーンによって後方散乱された第１部分と、第２部分の両方を含む、形成するステップを含む。さらに、この方法は、所定の露光時間で、光検出器を用いて出力光のシーンの生のスペックル画像を取得するステップを含む。

【0016】

少なくとも１つの実施態様では（光干渉計装置の動作パラメータに光源によって生成される光の第２部分の強度が含まれない場合）、方法は、結合、照射、重ね合わせのステップ中に光干渉計装置のこのような動作パラメータを変更しないように構成される。このような実施態様の少なくとも１つの特定の場合には、方法は、第２光の部分の強度を変更することによって、生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性のダイナミックレンジを変更するステップをさらに含むことができる。

【0017】

代替的にまたは追加的に、及び実質的に方法のすべての実施態様において、方法は、生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性を、光の第２部分の強度と出力光の強度の比率の関数として決定すること（そのような比率は任意選択で時間依存的である）を含み得、及び／または追加的に、光の第１部分と光の第２部分のうち少なくとも一方の強度を変更することにより、生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性のダイナミックレンジを変化させることを含むことができる。

【0018】

代替的にまたは追加的に、及び実質的にすべての実施態様において、方法は、生のスペックル画像のスペックル分散を、光検出器のノイズの分散よりもそのようなスペックル分散が大きくなるように維持しながら確認することを含むように構成され得る。（ここで、このような維持することは、任意選択で、光源によって生成される光の第１部分の非ゼロ強度のレベルに実質的に関係なく、スペックル分散を光検出器のノイズの分散よりも大きく維持することを含む。

【0019】

代替的にまたは追加的に、及び実質的にすべての実施態様において、方法は、以下の条件、すなわち（ａ）生のスペックル画像の所定のピクセルによって表されるシーンの部分における動きの指標の絶対的な値を定量的に決定するステップを追加的に含むこと、及び（ｂ）そのような動きの指標は、シーンが生物組織である場合、血流の指標であること、の少なくとも１つを満たすように構成され得る。

【0020】

代替的にまたは追加的に、及び実質的にすべての実施態様において、方法は、（１）光検出器の各識別されたピクセルについて、生の画像のスペックルコントラストの値を、強度の平均値に対する、そのような識別されたピクセルを囲む光検出器の選択された領域内のピクセルにおける光の前記強度の標準偏差の正規化された値の第１比率として、または識別されたピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、複数の露光時間にわたって得られた識別されたピクセルにおける光のそのような強度の平均値との第２比率として、計算するステップ、及び／または、（２）時間領域、空間領域、または時空間領域における第１比率及び／または第２比率を計算するステップを含み得る。

【0021】

代替的にまたは追加的に、及び実質的にすべての実施態様において、取得するステップは、１つのみの固定された第１経験的露光時間で、出力光におけるシーンの１つ以上の生のスペックル画像を取得することを含み得、方法は追加的に、異なる空間寸法を有する複数のビニングアパーチャのそれぞれについて、前記選択された画像の放射照度分布を複数のビニングアパーチャのそれぞれ対応するビニングアパーチャで空間的に平均化することにより、１つ以上の生のスペックル画像のうちの選択された画像を、複数の変更されたスペックル画像のうちの対応する１つに変更するステップを含み、それによって、複数の第２合成露光時間のうちの第２合成露光時間に対応するシーンのスペックル画像を各々表す複数の変更されたスペックル画像を生成する（ここで、複数の第２合成露光時間からの全部の第２合成露光時間は、互いに異なり、第１経験的露光時間と異なる）。後者の特定のバージョンでは、方法は、複数の変更されたスペックル画像のそれぞれを、同じ選択された画像に対応する複数のスペックルコントラスト画像のそれぞれ対応するスペックルコントラスト画像に変換すること、及び／または光源はレーザー光源であること、及び／または複数の変更スペックル画像からの変更スペックル画像の各々について、第１経験的露光時間と、対応する第２合成露光時間との間の数値関係は、所定のビニングアパーチャの寸法に依存すること及び／または生のスペックル画像の１つ以上、選択された画像、及び複数のスペックルコントラスト画像の少なくとも１つ、のうちの少なくとも１つが視覚的に知覚可能であることをもたらすこと、を確実にし得る。任意選択で、少なくとも１つ以上の生のスペックル画像は、１つのみの生のスペックル画像を含む、または連続して取得されるそのような１つ以上の生のスペックル画像のうちの２つの生のスペックル画像は、直ちに次々に取得されるのではなく、そのような２つの画像の間に任意の時間遅延をおいて取得される。少なくとも１つの実施態様において、方法は、以下の、すなわち（ｉ）（１つのみの固定された第１露光時間で１つ以上の生のスペックル画像を）取得するステップは、１つのみの生のスペックル画像を取得することを含み、及び（ｉｉ）１つ以上の初期スペックル画像のうちの選択された画像を変更するステップは、１つ以上の生のスペックル画像のうちの１つのみの画像を変更するステップである、２つの条件のうち１つ以上を満たす。少なくとも１つの実施態様では、以下の条件、すなわち（１）方法はさらに、選択された画像の所定のピクセルによって表されるシーンの部分における動きの指標の絶対的な値を定量的に決定すること、及び（２）そのような動きの指標は、前記シーンが生物組織である場合、血流の指標であること、の少なくとも１つを満たす。

【0022】

代替的にまたは追加的に、及び少なくとも１つの実施形態では、取得するステップは、１つのみの固定された第１経験的露光時間において、間に時間間隔をおいて複数の生のスペックル画像を取得し、構成する生のスペックル画像が必然的に非連続である生のスペックル画像のシーケンスを形成することを含み得る。少なくとも１つの場合には、取得するステップは、異なる直接隣接する生のスペックル画像間の異なる持続時間の時間間隔を有する、そのような必然的に非連続な生のスペックル画像を取得することを含み得る。

【0023】

本開示のより完全に近い理解のため、以下の詳細記述及び付随の図面を参照されたい。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】Ａ、Ｂ、及びＣは、レーザースペックルコントラストイメージング（ＬＳＣＩ）方法論の図解を示している。ここで、Ａは、カメラによって取得された「生の」スペックル画像を示している。生の画像にはランダムな干渉パターンが表示される。Ｂは、（Ａの画像に基づいて）処理された「スペックルコントラスト」画像であり、血流が高い空間領域と低い空間領域を強調表示する。Ｃは、脳血流の２次元イメージング用に構成された典型的なＬＳＣＩ装置を概略的に示している。

【図2】ラットの脳の多重露光スペックルイメージング（ＭＥＳＩ）の結果を示している。カメラの露光時間Ｔの関数としてのスペックル分散をスペックル可視性方程式に当てはめ、４つの関心領域におけるＣＢＦの定量的な推定値を導き出す。挿入画像は、マウスの皮質のＣＢＦのスペックルコントラスト画像である。カメラの露光時間によって血管の可視性が調整される。

【図3】多重露光スペックルイメージング（ＭＥＳＩ）の典型的なセットアップを概略的に示している。異なる露光時間にわたってレーザーの強度を変調するには、音響光学変調器（ＡＯＭ）が必要である。カメラとＡＯＭは通常、データ取得電子回路（プロセッサ）によってトリガーされる。

【図4】本発明の着想に従って構成されたスペックルイメージングシステムを概略的に示す。

【図5】図４の実施形態で光学データを収集しながら合成多重露光スペックルイメージング方法論を使用する。より長い露光での生のスペックル画像は、より短い露光での画像を空間的に平均化することによって合成することができる。例えば、１ミリ秒の露光時間でのスペックル画像は、０．２５ミリ秒のスペックル画像の４ピクセルを空間的に平均化することによって合成される。平均化は、２×２移動ウィンドウまたは２×２ビニングによって達成できる。各露光時間において、強度の標準偏差と平均の比率を計算することにより、時間領域の各画像ピクセルでスペックルコントラストが計算される。

【図6】関連技術のシステム３００（図３参照）と本発明の着想に従って構成されたシステム（図４のシステム４００参照）で実行された合成多重露光スペックルイメージングの特性評価及び結果の比較。これら２つの測定値のピクセル強度のヒストグラムであり、対応する生のスペックル画像の強度マップが挿入図で表示される。

【図7】Ａ、Ｂは、図３のスペックルイメージングシステムの従来の実施形態３００（単一露光）を使用して実行されたスペックルイメージングによって得られたスペックルコントラストマップと、本発明の実施形態（図４の４００、合成多重露光）を使用して実行されたものとの比較を示しており、流量は５ｍｍ／秒、スケールバーは５０μｍである。

【図8】Ａは、図４の実施形態４００を使用して得られた合成ＭＥＳＩデータのスペックルモデル、異なる速度における合成露光時間、の関数としてのスペックル分散への適合を示している。静的散乱層のないサンプルで測定が行われた。図８Ｂは、図１の従来の実施形態１００を使用したＭＥＳＩモデル（曲線８２０）と図４の実施形態４００を使用したｓｙＭＥＳＩモデル（曲線８１０）の能力である。物体における動きの相対的な変化を決定する。ベースライン速度：１ｍｍ／秒。相対速度に対する相対的なτ_ｃのプロットである。プロットは理想的には直線（破線で表示）であるべきである。本発明の実施形態は、図３の従来の実施形態または図１の従来の実施形態の使用と比較して、相対的なτ_ｃ推定値の線形範囲を明らかに向上／拡張する。エラーバーは、相対相関時間推定値の標準誤差を示す。測定は、静的散乱層のないマイクロ流体ファントムを使用して行われた。

【発明の詳細な説明】

【0025】

一般に、図面内の要素のサイズ及び相対的なスケールは、図面の簡潔性、明瞭性及び理解を適切に促進するために、実際のものと異なるように設定されることがある。同じ理由で、１つの図面に存在するすべての要素が必ずしも別の図面に表示されるとは限らない。図には具体的な実施形態が示されているが、本開示は例示を意図しているという理解のもとで、これらの具体的な実施形態は、本明細書で説明及び図示されている発明の実施態様の範囲を制限することを意図したものではない。

【0026】

上で述べたように、現在使用されている関連技術のスペックルイメージング技術は、多重露光スペックルイメージング（またはＭＥＳＩ）と呼ばれ、合成ＭＥＳＩ（またはｓｙＭＥＳＩ）と呼ばれるもので、（従来のＬＳＣＩシステムと比較して）より複雑な機器設計と、スペックルコントラストを血流の定量的指標に変換するための新しいが異なる数学モデルを組み合わせている。

【0027】

光の後方散乱によって生成されたスペックルを単一の固定露光時間でイメージングする従来のＬＳＣＩ方法論は、相対的な流れの変化を測定するのに適している。その結果、従来のＬＳＣＩの適用範囲は、非常に単純な状況に限定される。従来のＬＳＣＩでは、スペックルコントラストはカメラの露光時間に依存する。つまり、カメラの露光時間によって、異なる流速の血管の「可視性」が調整される。露光時間が短いと高い速度の動きや流れを検出できるが、スローモーションや流れに関連する低速のスペックル強度の変動を検出するには、露光時間を長くする必要がある。

【0028】

ハードウェアベースのＭＥＳＩはこの現象を活用し、さまざまな期間（図２に示すように５０μｓ～８０ｍｓ）のカメラの露光でスペックル画像を記録するのに実験的に適している。実際には、これは、測定のダイナミックレンジ全体にわたって照明電力が比較的一定に保たれるようにしながら、カメラの取得とレーザーを外部からトリガーすることによって実現される。

【0029】

実際には、このような活用は、カメラの取得とレーザー光源を外部からトリガーし、サンプルの照射のパワーレベルが測定のダイナミックレンジ全体にわたって実質的に一定に保たれるようにすることで実現される（例えば、Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ， Ａ． Ｂ．， ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １６， １９７５－１９８９；２００８）を参照）。スペックルコントラストとカメラの露光時間の関係は、スペックル可視性方程式によって特徴付けることができ、それは最も単純な形では

【数4】

のように表される。ここで、ｘ＝Ｔ／τ_ｃ、βは光の波長、検出器のピクセルサイズ、及びスペックルサイズに依存するスペックル計測係数、Ｔはカメラの露光時間、τ_ｃはスペックルの相関除去時間（血流に反比例する定量的指標）である。βとτ_ｃは、多重露光時間スペックルデータ（つまり、光検出器によって複数の露光時間で独立して取得されたスペックルデータ）のスペックル可視性表現への非線形曲線フィッティング（図２を参照）から推定される。この多重露光時間ＭＥＳＩ方法論は、機器とサンプル依存の較正係数として機能するβの決定を可能にし、それによってベースライン／絶対血流のイメージングを可能にすることが示された。βのインサイチュでの測定は、単一曝露ＬＳＣＩ測定から血流指数（τ_ｃ）を定量的に推定するためにも使用できる。ＭＥＳＩは、大きなＣＢＦ変化の過小評価を正すことが実証されており、堅牢なスペックル可視性表現により、頭蓋骨などの静的組織要素に対するスペックルイメージャーの感度が低下した。しかし、サイズが大きく、複雑で、時間分解能が低いため、従来のハードウェアベースのＭＥＳＩの適用には制限がある。図３は、スペックルイメージングに使用されるＭＥＳＩ測定装置の典型的な実施態様３００を示している。ここでは、スペックルイメージングに使用されるレーザー光源の強度を制御するために音響光学変調器（ＡＯＭ）が使用されている。（あるいは、減光フィルタのアレイを使用して照明の光出力を制御することもできる。）

【0030】

最近開発され公開されたソフトウェアベースの単一ショット合成ＭＥＳＩ（ｓｙＭＥＳＩ）方法論（例えば、ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０２２７３４を参照）は、ターゲットシーンを照射するレーザー光のパワーを制御する必要性を回避すると同時に（したがって、ユーザーは、例えば図１に概略的に示されている基本的なより単純なＬＳＣＩシステムの実際的な使用に戻ることができる）、従来の単一露光時間ＬＳＣＩアプローチでは提供できないターゲットの粒子的な動きの定量的な評価を伝えることにより、ＬＳＣＩの多重露光時間の時間平均化ＭＥＳＩベースの実装に関連する問題を解決する。したがって、ｓｙＭＥＳＩにより、従来のＬＳＣＩ装置を使用して、１度の単一露光のみを使用して、ＭＥＳＩで達成されるのと同じ結果をエミュレートできる。ｓｙＭＥＳＩの典型的なハードウェア／ソフトウェア構成は、ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０２２７３４の図５Ａ、５Ｂ、５Ｃを参照して説明されているため、ここではいずれかの詳細を説明しない。ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０２２７３４で説明されているように、従来のＭＥＳＩ方式ではより長い露光時間で記録される生のスペックル画像を表すデータは、経験的に記録する必要はなく、代わりに、実質的により短い露光で記録された生のスペックル画像（複数可）を空間的に平均化することによって、数値的に合成または生成することができる。（実験的に記録された生のスペックル画像は、スナップショットにおける、光検出器によって直接取得／読み取られたものであり、取得後にまだ変更されていない）。例えば、１ミリ秒の露光時間でのスペックル画像は、０．２５ミリ秒のスペックル画像の４ピクセルを空間的に平均化することによって合成され得る。１つの例では、平均化は、２×２の移動ウィンドウまたは２×２のビニングによって実行できる。各露光期間（スペックル画像が経験的に取得された期間でも、スペックル画像が数値的に合成された期間でも）において、時間的、空間的、または時空間的スペックル画像処理スキームを使用して、そのときスペックルコントラストが計算される。対応する合成露光時間に対する合成スペックルコントラストは、流れを推定するための従来のＭＥＳＩ方程式に適合する。ＭＥＳＩ方法論とｓｙＭＥＳＩ方法論はどちらも、流れの絶対的な値（何らかの基準値に対して決定された相対的な値と対義）またはベースラインの定量的なイメージングを実現し、従来のＬＳＣＩ技術と比較して流れの検出のダイナミックレンジを拡大した。（特に、本明細書での「絶対的な値」という用語は、そのような値の絶対的な値として数学的な意味で定義されるのではなく、他のいずれかのものと比較することなく測定されるパラメータの固有の大きさを表す値として定義され、対してパラメータの「相対的な値」は、同様のパラメータの基準大きさとの比較に基づいて求められる）。

【0031】

当業者であれば、従来のハードウェアベースの多重露光スペックルイメージング（ＭＥＳＩ）アプローチとソフトウェアベースの合成多重露光（ｓｙＭＥＳＩ）アプローチの両方が、生のスペックル画像（複数可）の形成に、単一のカテゴリ、単一の種類の光（対象のシーンまたは物体によって散乱された光）を利用し、両方とも、短い露光時間（ＭＥＳＩの場合は５０μｓ～８０ｍｓ、ｓｙＭＥＳＩの場合は約５０μｓ）でのスペックル画像（複数／単数）の取得を必要とすることをすぐに理解するであろう。短い露光時間で画像を取得することは、よく知られているように、機器の重大な難題である。スペックルコントラストは、通常、強度の平均値に正規化された強度の分散として計算されるため、カメラセンサー（光検出器）での後方散乱光の平均強度は、必ず、検出器のノイズを克服し、検出器のダイナミックレンジ全体を利用できるほど十分に大きくしなければならない（例えば、８ビットの場合は１２７任意単位、１６ビットの光学カメラの場合は３２７６８任意単位）。これにより、使用するレーザー光源によって生成される光のターゲット照射力が必然的に高く、かつ／または高価になるか、あるいは高感度の光学カメラ／検出器を使用する必要があるという要件が生じる。（現在の文脈における「高い」ターゲット照射レーザー出力とは、レーザー／皮膚曝露に関するＡＮＳＩ承認の制限、またはレーザー組織曝露に関するその他の従来の制限を超える局所放射照度を生成する出力である。）

【0032】

高出力レーザー源を使用する必要があるというこの制限により、臨床での応用におけるＭＥＳＩ／ｓｙＭＥＳＩの重要性が低下する。なぜなら、特に術中の脳イメージングや眼科といった敏感な組織に対する場合に、レーザー照射に起因する損傷により、このような高いターゲット照射力で作業することがまさにできなくなるためである。特に、検出感度はＳＰＡＤアレイまたはＥＭＣＣＤカメラの使用によって当然向上できるが、その使用によって機器全体のコスト、フォームファクター、及び複雑さも増加する。

【0033】

本発明の実施形態は、光干渉計装置（スペックルイメージングシステム全体の光イメージング部分によって取得される光は、２つの異なる発生源から光イメージング部分に到達する複数の光線の合成であり、そのうちの１つだけがターゲットの物体またはシーンによって後方散乱された光を表す）と、従来のＬＳＣＩ法、ＭＥＳＩ法、またはｓｙＭＥＳＩ法のいずれかの教示に従う光学画像変換を利用しながら物体またはシーンに存在する動きを高速に定量的にイメージングするための新しいスペックル可視性アルゴリズムとを採用した、スペックルイメージングシステムを考案することにより、関連技術の方法論に固有の上記の制限及び問題を回避する。

【0034】

本発明の論述された着想の実施態様は、様々な物体（特定の可動部分または要素を含む無生物または空間、あるいは血流がある生物組織などの生的物体）の非侵襲型イメージング及びそれに存在する動きの判定に向けられており、これらはすべて本発明の範囲内であることが理解される。ただし、提示の簡潔さと確実性のために、本発明の実施形態に関する以下の説明では、対象が生物組織であるという特定の非限定的な例を挙げて説明している。

【0035】

本発明の着想は、ターゲット物体またはシーン（イメージングされるレーザースペックルの後方散乱光源として機能する）がこのような干渉計のサンプルアームに配置され（有用な光（干渉計装置の出力で光学イメージングシステムによって収集される）がターゲット物体による後方散乱光だけでなく、干渉計の参照アームを通って伝播する光も含む）後方散乱光それ自体のみによってもたらされる弱いダイナミック信号を増強するという条件下で、光学照射システム（特定の場合には、レーザー光源などの光源を含む）と光学イメージングシステム（光検出器を含む）との間で光干渉計装置を使用することを実現することに由来している。本発明の実施形態のこのような構成の使用により、スペックルイメージングシステム全体が、スペックルイメージングシステムの干渉計装置のサンプルアームに配置されたターゲット物体またはシーンを照らす光の強度レベルに実質的に関係なく、光検出器のノイズの分散値よりもこのスペックル分散値が大きく維持されながら、生のスペックル画像（光干渉計装置からの光出力において検出器で経験的に取得される）のスペックル分散値が確実かつ正確に確認または決定されるような状態で、実質的に常に動作できることが示された。本発明の実施形態を使用してスペックル分散をノイズレベルを超えるように増加させることにより、測定の信号対雑音比が有利に増加する。全体的なスペックルイメージングシステムの一部として光干渉計装置を使用することによりこのような動作体制が形成されることにより、本発明の実施形態に明らかな動作上の利点がもたらされる。これは、物体／シーンを照らす光の強度レベルが特定のレベルを下回るとすぐに、光検出器のノイズの分散によって支配されるスペックル分散のいずれかの信頼でき、再現でき、正確で、及び／または精密な判定を必然的に、また明瞭に許可しない関連技術のいずれかのスペックルイメージングシステムの動作とはまったく対照的である。

【0036】

さらに、本発明の着想の実際の実施態様によって経験的に実証されたように、提案されたスペックルイメージング方法論の時間分解能はカメラのフレームレートによってのみ制限され、この方法論が機能するためには高フレームレートの光学カメラ／検出器は必要なかった。その結果、提案された方法論は、定量的なビデオレート多重露光スペックルイメージング（現在の最先端技術よりも約１０倍高速）を実行するために使用できる。本発明の着想の実施態様により、システムの光干渉計装置からの光出力で収集される干渉縞の強度、ひいては全体的な測定のダイナミックレンジが、例えば参照アームの光の強度を調整することによって（１つの特定の非限定的なケースでは中性密度フィルタを使用して）自由に調整または変更できるという追加の利点が得られる。

【0037】

特に、例えば光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）システムを使用する場合など、異なる状況下でのレーザースペックルの取得とは純粋に対照的に、本発明の実施形態は、光干渉計装置が、サンプルアームと参照アームを通って伝播する光の部分間の光路の差（例えば、別の場合に位相差の変化によって引き起こされるＯＰＤ）の変化を必要としないか、または許容さえもしないように構成されている。

【0038】

本発明の着想に従って構成されたスペックルイメージングシステムの代表的な実施形態４００が図４に概略的に示されており、図示されているように、この特定のケースではマッハ・ツェンダー干渉計として構成された光干渉計装置が含まれている（関連する実施形態では、干渉計は、例えばマイケルソン構成に従って異なる構成にすることができることを理解されよう）。

【0039】

光学照明システム４１４の光源４１０（１つの実際的な実施態様では、λ＝６３８ｎｍ及び１５０ｍＷで直線偏光ＣＷ光を生成する単一モードレーザーダイオード、ＬＤであった）からの光は、光学系４１８（図に示すように、非球面レンズＬ１ 、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｃ１７１ＴＭＤ－Ｂ、ｆ＝６．２０ｍｍ、ＮＡ＝０．３０でコリメート）を使用して空間的に変換され、入力ビーム４２２が生成され、次に、非偏光ビームスプリッタ４２０を使用して、サンプル光ビーム４２６Ｓと参照光ビーム４２６Ｒに分割された。一般に、光分割比率の値は、実施形態の動作原理に影響を与えなかった。ただし、図示のケースでは、ビームスプリッタ４３０のＴｈｏｒｌａｂｓ ＢＳ０７６モデルが使用され、ビーム４２２の入力光パワーの約１０％が参照光４２２Ａとして干渉計の参照アーム４３２Ｒ（ここでは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバーパッチケーブル４２４、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｍ１２４Ｌ０１、直径Φ４００μｍ、ＮＡ０．５０を含むように示されている）に結合され、ビーム４２２の光パワーの約９０％がサンプル光４２２Ｓとしてサンプルアーム４３２Ｓに送られ、ターゲットサンプル４３４を実質的に空間的に均一に照らす。

【0040】

サンプル光４２６Ｓでサンプルを照射する特定の形状は、実施形態の動作に影響を与えないことが証明されているが、図示のケースでは、このような照射は、サンプル４３４の表面に対して引かれた法線に対して約３０～４５度の角度でなされた。同様に、干渉計装置の参照アーム４３２Ｒの特定の内容は、実施形態４００の動作に影響を与えないことが証明された（関連する実施形態は、例えば、光ファイバーケーブル４２４を使用せずに実装できる）。図４の具体的な例では、マルチモードファイバ４２４の出力における参照光は、ファイバコリメータＦＣ２、４２４Ｂ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｆ２３０ＦＣ－７８０－７８０ｎｍ、ｆ＝４．５１ｍｍ、ＮＡ＝０．５５）によってコリメートされた。任意選択で、サンプルアーム４３２Ｓ及び参照アーム４３２Ｓの少なくとも１つに、このようなアームを伝搬する光の強度を制御するように構成されたデバイスを使用することができる。図４の例に示すように、このようなデバイスは、空間的に再配置可能な中性密度フィルタＮＤ４４４として構成されている。

【0041】

サンプル４３４と相互作用して後方散乱したサンプル光４２６Ｓは、レンズ４３８（ここでは光学対物レンズとして表示、４Ｘ、ＮＡ＝０．１０、オリンパス）によって収集された。サンプルビーム４２６Ｓで収集された後方散乱の光４４２Ｓと、参照アーム４３２Ｒの出力端にある参照ビーム４２６Ｒの光４４２Ｒは、次いで別のビームスプリッタ４４６（ここでは、Ｔｈｏｒｌａｂｓの５０／５０ビームスプリッタ、ＣＣＭ１－ＢＳ０１３）によって空間的に重ね合わされ、光干渉計装置の出力で光４５０を形成し、１つの特定のケースではＣＭＯＳカメラ（Ｂａｓｌｅｒ ａｃＡ２０００－１６５ｕｍＮＩＲ）を含む実施形態４００の光学イメージングシステム４５４でイメージングされた。一実施態様では、スペックルイメージングシステムの動作は、光干渉計装置の動作パラメータを変更することなく行われた（参照光４４２Ｒの強度を変化させるという任意選択の例外を除く）。１つの実施態様では、生のスペックル画像が１００Ｈｚのフレームレートと１００μｓの露光時間で連続的に記録された。

【0042】

実施形態４００には、少なくとも光学イメージングシステム４５４の光検出器で取得された画像を変換し、少なくとも任意選択で、光学照明システム４１４及び／または光強度制御デバイス（存在する場合はデバイス４４４など）の動作を制御するように構成されたコンピュータプロセッサ（またはコンピュータシステム、またはデータ処理電子回路。図４には示されていない）が装備されていた。このようなコンピュータプロセッサは、光学イメージングシステム４５４と動作可能に接続され、システム４５４から電気信号（複数可）を受信するものであり、コンピュータ読み取り可能なプログラムコードを保持するコンピュータ読み取り可能な有形の非一時的な媒体によって補完されている。コードには、プロセッサに対して、少なくともスペックルコントラスト特性（例えば、スペックル分散、及び／または光干渉計装置からの光出力４５０においてシステム４５４で取得された生のスペックル画像のものなど）を決定及び／または表示させるための命令、及び、任意選択で、例えば、経験的に取得された生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性を、干渉計装置の出力における参照光４４２Ｒの強度と光４５０の強度の比率の関数として決定するなどの追加の光学画像変換ステップを実行させるための命令が含まれていた（詳細は後述）。コンピュータプロセッサに関連付けられた記憶媒体に含まれるコードによってプロセッサに与えられる命令は、ある場合には、時間領域、空間領域、または時空間領域のいずれかで、及び／または従来のＭＥＳＩまたはｓｙＭＥＳＩアルゴリズムを使用して、スペックルコントラスト特性の計算を可能にするように構成される。例えば、一実施形態では、プロセッサに提供される命令は、プロセッサが、システム４５４の光検出器の各識別されたピクセル（またはピクセルのグループ）について、光４５０で取得された生のスペックル画像のスペックルコントラストの値を、識別されたピクセルを囲む光検出器の選択領域内のピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、そのような強度の平均値との比率として、または識別されたピクセルにおける光の強度の標準偏差の正規化された値と、複数の露光時間にわたって計算された識別されたピクセルにおける前記光の強度の平均値との比率として計算するように構成される。

【0043】

上記の議論の利点を有する当業者は、本発明の提案された実施形態の使用の効果が、短い露光時間（典型的にはまたは約１００μｓ）で、有用及び／または有益な信号（すなわち、サンプル光によって後方散乱されたものを表す信号が常に光検出器のノイズを上回る）状態でシステムの動作を保証し、それによって絶対的な値（相対的な値ではなく絶対的な測定）の定量的決定及び／またはサンプルでの動き（例えば、生物組織の場合、血流の動き）のイメージングを可能にすることであると容易に理解できる。光干渉計装置を使用すると、ノイズを比較的一定に保ちながら（参照アームのパワーを増強することによって）測定信号が増加するため、信号が小さくノイズが大きい背景の状況でも、従来よりも信号対雑音比を高くすることができる。

【0044】

実施形態４００を使用して実行されるレーザースペックルイメージングの場合、例えば、光干渉計装置の出力における光４５０の電界は次のように表され得る。

【数5】

【0045】

ここで、

【数6】

はサンプルから後方散乱した光４４２Ｓの電界であり、

【数7】

は参照光４４２Ｒの電界である。光学イメージングシステム４５４の光検出器によって受信され検出された光４５０の強度は次のとおりである。

【数8】

【0046】

例えば、Ｒ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙら（Ｓｐｅｃｋｌｅ－ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ： Ａ ｔｏｏｌ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ，” Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ７６， １－１１， ２００５）によって説明されているＳｉｇｅｒｔの関係に従うと、測定された強度の自己相関は、今や次のように表すことができる。

【数9】

【0047】

ここで、

【数10】

である。Ｒ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙらの教えに従うと、スペックルの可視性は次のように表現できる。

【数11】

【0048】

ロレンツ分布

【数12】

を仮定すると、そのとき、スペックルコントラストは次のように表される。

【数13】

【0049】

したがって、本発明の実施形態では、取得された生のスペックル画像のスペックルコントラスト特性は、参照光４４２Ｒの強度と全体の出力光４５０の強度との（時間依存の）比率の関数として決定される。本発明のシステムの実施形態４００を使用して得られるスペックルの可視性を表すこの式８は、ハードウェアベースの多重露光（ＭＥＳＩ）またはソフトウェアベースの合成多重露光（ｓｙＭＥＳＩ）データ処理を実行することによってさらに適合させることができる。

【0050】

例えば、システム４００と、ここで図５として再現されているＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０２２７３４の図４を参照して説明されているｓｙＭＥＳＩアプローチ及びアルゴリズムを使用したスペックルイメージングの実施態様について考察していく。ここでは、スペックルイメージングシステムの実施形態４００（システム４００には、光出力４５０のパワーを露光時間にわたって実質的に一定に維持するように構成された装置は必ずしも含まれない）を使用して、光検出器によって、唯一の単一の固定した露光時間で（生のスペックルデータの経験的取得、ここでは０．２５ミリ秒）、少なくとも１つまたは一連の複数の生のスペックル画像５２８を取得できる。いずれにせよ、選択された（または代わりの）これらの生のスペックル画像のそれぞれが、適切な空間ウィンドウまたはアパーチャ（互換的に、ビニングアパーチャ）を使用してカメラで記録された選択された画像５２８（ｊ）を空間的に平均化することにより、対応する合成多重露光時間画像（つまり、複数の合成露光時間に対応する画像）に変更／変形／変換される。アパーチャの形状は、多角形であることが好ましく（生のスペックル画像５２８のピクセル化された性質を考慮すると）、特定のケースでは、平均化空間アパーチャは窪んだ多角形、つまり少なくとも１つの角度が１８０度を超える多角形の形状を有することができる。ここで、図５の例に示すように、経験的露光時間０．２５ミリ秒で得られた選択された生のスペックル画像５２８（ｊ）を２×２の正方形ウィンドウ／ビニングアパーチャで空間的に平均化すると、合成露光画像５３８（ｊ）である変更された画像が生成される。この画像５３８（ｊ）は、１ミリ秒の合成（経験的ではない）露光時間に対応するシーン１２０のスペックル画像である。合成１ミリ秒１ｍｓ画像５３８（ｊ）の各ピクセルは、カメラで取得した０．２５ミリ秒の経験的露光時間画像５２８（ｊ）の２×２＝４の隣接したピクセルの平均である。このようにして、図５は、合成露光時間２．２５ミリ秒に対応する変更スペックル画像５４８（ｊ）がどのように形成され得るかをまた示している。このプロセスを、図５に楕円で示されているように、セット５２８から少なくとも１つ（必要に応じて１つ超）の経験的に記録された生のスペックル画像に対してさまざまな形状及び／またはサイズのビニングウィンドウを使用して複数回繰り返すことにより、ユーザーまたはシステムは、（決定された複数の合成露光時間のうちの）対応する合成露光時間に対応するシーンのスペックル画像を表す複数の変更されたスペックル画像を生成する。

【0051】

さらに、任意選択で、図５を再度参照すると、本発明の少なくとも１つの特定の実施形態では、イメージングされたサンプル／物体／シーン４３４に存在する動きに関する情報（非限定的な例として、生物組織内の血流に関する情報）は、少なくとも１つのケースでは、すべての合成露光時間について各画像ピクセルの時間的スペックルコントラストを決定することによって、すなわち、式８に従って各ピクセルのＫの値を計算することによって定量化され得る。これにより、変更されたスペックル画像５３８（ｊ）、５４８（ｊ）などのセット（複数可）は、スペックルコントラストに関する情報を含むそれぞれ対応する画像に変換される。０．２５ｍｓの露光時間で経験的に取得された画像（複数可）５２８の範囲内でのスペックルコントラストの空間分布を表すスペックルコントラスト画像５７８（０．２５）を参照されたい。空間ビニング平均によって生成された合成画像（複数可）５３８（ｊ）（合成露光時間１．０ｍｓに対応する）の範囲内のスペックルコントラストの空間分布を表すスペックルコントラスト画像５７８（１．０）も参照されたい。空間ビニング平均によって生成された合成画像（複数可）４４８（ｊ）（合成露光時間２．２５ｍｓに対応する）の範囲内のスペックルコントラストの空間分布を表すスペックルコントラスト画像５７８（２．２５）も参照されたい。さらに、このようなスペックルコントラスト画像（複数可）の各ピクセルで、スペックルの可視性（少なくとも１つの例で、スペックルの分散と合成露光時間のプロットまたは曲線として、例えば図２で表される）を評価することができ、これをさらに単一散乱定量スペックルコントラスト分光法モデル（Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ， Ａ． Ｂ．， ｅｔ ａｌ．， ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １６， １９７５－１９８９；２００８を参照）または拡散散乱定量スペックルコントラスト分光法モデル（Ｖａｌｄｅｓ， Ｃ． Ｐ． ｅｔ ａｌ． ｉｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ ５， ２７６９， ｄｏｉ：１０．１３６４／ＢＯＥ．５．００２７６９（２０１４）を参照）のいずれかに適合させて、選択された生のスペックル画像の特定のピクセルで表される調査シーン４３４の部分における動きの指標（シーンが生物組織、組織の対応する部分における血流の指標、である場合）を推定することができる。

【0052】

特に、空間平均化は、アプリケーションに適したさまざまなアプローチを使用して実行できる。これには、選択された生のスペックル画像のほぼ同じ場所に配置されたさまざまなサイズ及び／または形状の空間ウィンドウまたはアパーチャを使用したピクセル単位のビニング（図５に明示的に示されている）、または選択された生のスペックル画像全体に再配置される固定サイズ及び／または形状の空間ウィンドウまたはアパーチャを使用したビニングが含まれる。後者は画像の高い空間分解能を維持できる。これらの操作は、標準的な画像処理アルゴリズムを使用して実行できる。さらに、当業者が上記の説明からすでに理解しているように、空間平均化は長方形の空間ウィンドウまたはビニングアパーチャに限定されない。例えば、図５を参照すると、３×２の空間ウィンドウを使用して０．２５×６＝１．５ミリ秒の露光画像を合成することができる。アプリケーションの必要に応じて、任意の（任意選択で多角形）形状とサイズのウィンドウを使用できる。
実験結果の考察

【0053】

すでに上で述べたように、サンプルアームと参照アームの間のＯＰＤが実質的に変化しないことを特徴とする光干渉計装置を組み込んだスペックルイメージングシステムの実施形態の使用によって得られる実用的な利点の１つは、特に光検出器の常に存在するノイズを背景として、弱い動的信号を取得／増幅するシステムの能力である。実施形態４００の使用により、この利点が実験的に検証され、サンプル照射光４２６Ｓの強度がどれだけ低いかに関係なく、ターゲット物体に存在する動きの絶対数値パラメータのイメージング及び定量化を実質的に実行できることが実証された。この目的のために、単一の露光時間で取得された生のスペックル画像（複数可）から始めて、１００μｓから１０ミリ秒まで変化する追加の多重露光に対して、合成ＭＥＳＩ画像とスペックル可視性曲線が計算された（図５に関して上記で参照されたアルゴリズムに従って）。生のスペックル画像（複数可）は、２０％のイントラリピドを２００μｍ×１５０μｍの流路に流しながら、流速１～７ｍｍ／ｓで流動ファントムをシミュレートした組織から収集された。

【0054】

図６に示されている結果は、システム４００が、光検出器のノイズを克服するために、光４４２Ｓを表す弱い動的信号が増幅される領域で必然的に動作するという事実を証明している。ここで、図６は、図１のシステム１００と図４のシステム４００で取得された生のスペックル画像の強度ヒストグラムを比較している。実施形態１００を使用した場合、イメージングカメラの光検出器での光の平均強度は３３．７５（任意単位）であり、これは８ビットカメラセンサーのダイナミックレンジを満たすために必要な強度の４分の１である。また、光子数が少ないため、イメージングされたスペックルは未発達である。ヒストグラム１００と挿入図

【数14】

を参照されたい。次に、参照アームを通って伝播する基準光のみが導入され、平均強度は７８．３６（任意単位）であった（実施形態４００）。参照アームに多重モードファイバーが採用されているため、参照光の強度を制御、変化、変更することができ、結果として生じるスペックルパターンが光検出器（光学イメージングシステムまたはカメラのセンサー）を過剰にさせないのを確実にする。ヒストグラムＲＥＦと挿入図

【数15】

を参照されたい。最後に、サンプル光４４２Ｓによる後方散乱を参照光４４２Ｒと慎重に重ね合わせて光検出器でそれらを干渉させると、全体の平均強度は１１３．７３（任意単位）に増加した。ヒストグラム４００と挿入図

【数16】

を参照されたい。挿入図からは、ホモダイン方式と比較したヘテロダイン方式により、参照アームによって増幅された流れ領域からの動的スペックルがはっきりと確認できる。さらに、本発明の実施形態の使用により、スペックルイメージングプロセスが、光検出器におけるノイズの存在下での動きの絶対特性の定量的なイメージング及び決定を確実に行うことができることが証明された。

【0055】

図７Ａ、７Ｂは、本発明の実施形態（図７Ｂ）による定量的なスペックルコントラスト画像の再構成と、従来のスペックルイメージング（実施形態１００、短い露光時間＜１ミリ秒に典型的にみられる低い光子数）の使用によって生成された結果との比較を示す。図７Ａは、実施形態１００の光検出器によって検出された平均強度が低く、画像が光検出器のノイズによって支配されていることを示す。従来の実施形態１００で取得された生の画像にＭＥＳＩ／ｓｙＭＥＳＩのデータ処理を適用すると、人工的に高いスペックルコントラスト値が得られる可能性がある。結果として得られた物体の動きの画像（この場合は、生物組織内の血流の画像）では、画像の中央に存在しているチャネルの血流の感度が低く、図７Ａの画像全体が静的なスペックルパターンに似ていた。しかしながら、実施形態４００を使用すると、サンプルによって後方散乱された光の低い平均強度を、この後方散乱光と参照アームを通って伝播する光との干渉によって増幅することによってこの問題を克服し、比較的短い露光時間（複数可）でスペックルコントラスト画像を正確に評価できるようになった。図７Ｂのいくつかの画像から、例えば露光時間１００μｓでのスペックルコントラストが図７Ｂのものと比べて比較にならないほど高く、同時に光検出器のノイズが存在するにもかかわらずスペックルコントラストの絶対的な値を正確に測定できることは明らかである。

【0056】

さらに、実施形態４００の使用により、従来の実施形態１００の使用で得られた結果とは対照的に、光検出器ノイズの存在下でのサンプルにおける動きの大きな変化（例えば、生物組織の血流の大きな変化）の直線性が実証された（図８Ａ、８Ｂを参照）。

【0057】

ここでは、実験セットアップ４００（図４）を合成露光技術と組み合わせて使用し、マイクロ流体サンプルに対して制御された実験を実行した。イントラリピッド２０％は、シリンジポンプを使用して、１ｍｍ／秒から７ｍｍ／秒までのさまざまな速度で１ｍｍ／秒ずつ増分してサンプルに注入された。１００μｓの露光時間で、各流量に対して１００枚の生のスペックル画像がキャプチャされた。合成多重露光アルゴリズムを使用して、露光時間の関数としての流れ領域の平均ヘテロダインスペックルコントラストを計算した。このようにして得られた合成多重露光スペックルコントラストデータは、次いでβと

【数17】

を一定に保つことにより式８に適合された。図８Ａは、モデルが実験データに非常によく適合していることを明確に示している。相関時間（動き、血流の定量的測定基準）は、τ_ｃをフィッティングパラメータとして推定された。次に、スペックルイメージング機器４００を使用して得られた_τｃ推定値が、相対相関時間測定のそれぞれの推定値を比較することによって、従来の単一露光ＬＳＣＩ測定で得られたものよりも正確であるかどうかの証明が求められた。従来の単一露光測定からの相関時間の推定は、従来の方法、例えばＤ． Ａ． Ｂｏａｓらが詳述した手順（”Ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ，” Ｊ． Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ． １５， ０１１１０９， ２０１０）を使用して取得された。相対相関時間の尺度は

【数18】

のように定義される。相関時間の推定値は、図８Ａで実行されたフィッティングから得られる。システム４００で得られたτ_ｃの推定値は、相対フロー予測の有効性を評価すべく、１００μｓでのτ_ｃの関連技術の推定値の従来のシステム１００を使用する、従来の単一露光で得られたものと比較された。理想的には、相対相関尺度は相対的な速度と直線的になる。相対相関時間は、１ｍｍ／秒のベースラインフローに対して取得された。

【0058】

図８Ｂは、提案されたスペックルモデルをスペックルイメージングシステム４００及び合成多重露光スペックルイメージング方式と組み合わせて使用することで、光検出器のノイズの存在を容易に克服しながら、広い流量範囲（約６倍、データ曲線８１０を直線破線と比較）にわたって相対相関推定値の直線性を達成したことを示している。同時に、実施形態１００の従来の単一露光方式（曲線８２０を参照）を使用すると、有用な（物体によって後方散乱された）信号が光検出器のノイズによって完全に埋もれてしまうため、イメージングされた物体／シーンにおける動きのいずれの相対的な変化も得ることができなかった。実際、相対的な動きの変化（１つの特定の例では血流）の直線性を評価するには、平均検出強度が８ビット光検出器の場合は少なくとも１２７（任意単位）、１６ビット光検出器の場合は３２７６８（任意単位）である必要があった。これにより、光学イメージングシステムのダイナミックレンジを最大限に活用し、スペックルを完全に開発できるようになった。一方、実施形態１００の使用では、このような短い露光時間（＜１ミリ秒）では、高出力のレーザーと高感度の検出器を使用しない限り、その各々の場合に、このダイナミックレンジを達成するのに十分ではなかった。

【0059】

当業者はいまや、ターゲット物体またはサンプルまたはシーンで発生する動きをイメージング／測定する際に、関連技術の同等の光学機器と比較して、スペックルイメージングシステムの提案された実施形態を使用することによって得られる実用的な利点を理解するであろう。

【0060】

提案された装置は、従来のスペックルイメージング装置に参照アームを追加するだけで済む。これは、図４に示すように自由空間で実現することも、光ファイバーコンポーネントまたはその他の同様の配置を使用して実現することもできる。あらゆる低出力レーザーソースと低コストのカメラ（１メガピクセル以下、低いビット深度及び光感度）を使用できる。

【0061】

光検出器のノイズを克服するために、特別な高価な高出力レーザーまたは機器は必要ない。

【0062】

単一ショットイメージングを利用する場合、このアプローチの時間分解能は光検出器のフレームレートによってのみ制限される。この方法論が機能するためには、高フレームレートのカメラは必要ない。その結果、説明した実施形態は、定量的なビデオレートの多重露光スペックルイメージング（現在の最先端技術よりも約１０倍高速）を実行するために使用できる。

【0063】

－取得した干渉縞の強度、ひいては測定のダイナミックレンジは、参照アームの光の強度を調整することによって簡単に調整できる。

【0064】

本発明の実施形態は、多種多様な用途で容易に使用することができる。例えば、これは、血流イメージング（皮膚微小血管機能及び機能不全のイメージング、創傷治癒血管新生、組織熱傷の診断、皮膚がん、内視鏡手術及び消化管手術、潰瘍及び／または心血管調査、眼科、糖尿病、脳血管調査、特に、術中手術を含むがこれらに限定されない）にレーザースペックルコントラストイメージングを利用する用途で適用することができる。また、拡散スペックルコントラスト分析、レーザースペックルレオロジー、及びスペックルベースの血栓測定に適用されるものを含む、あらゆるマルチスペックル検出システムにおけるスペックル変動ダイナミクスの定量化にも有利に利用できる。

【0065】

本開示で特定される関連技術文献及び／または論文のそれぞれの内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

【0066】

「一実施形態」、「実施形態」、「関連する実施形態」または類似の文言に対する本明細書での言及は、参照している「実施形態」に関連して記載される特定の特徴、構造、または特質が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって「一実施形態では」、「実施形態では」などの語句が現れることは、すべて同じ実施形態を指すことができるが、必ず指すというわけではない。開示内容のいかなる部分も、それ自体で、また図と可能な関連を伴って、本発明のすべての特徴の完全な説明を提供することを意図したものではないことを理解されたい。

【0067】

本開示及び添付の請求項の目的のために、手近な値、要素、特性または特徴の記述子に関して「実質的に」、「およそ」、「約」という用語及び類似の用語を使用することは、言及された値、要素、特性または特徴が必ずしも記載どおりである必要はないが、それでも実用目的では当業者によって記載されているものとみなされることを強調することを意図している。特定の特性または質の記述子に適用されるこれらの用語は、「ほとんど」、「主に」、「かなり」、「概ね」、「本質的に」、「多大または実質的な程度」、「必ずしも完全にはでないが、大部分同じではある」という意味であり、近似の文言を合理的に示し、特定の特性または記述子の範囲が当業者によって理解されるように説明する。特定の１つの例では、「およそ」、「実質的に」、及び「約」という用語は、数値に関して使用される場合、指定された値に対してプラスまたはマイナス２０％、より好ましくはプラスまたはマイナス１０％、さらにより好ましくはプラスまたはマイナス５％、最も好ましくは指定された値に対してプラスまたはマイナス２％の範囲を表す。限定されない例として、２つの値が互いに「実質的に等しい」とは、２つの値の差が、値自体の＋／－２０％の範囲内、好ましくは値自体の＋／－１０％の範囲内、より好ましくは値自体の＋／－５％の範囲内、さらに好ましくは値自体の＋／－２％以下の範囲内であり得ることを意味する。

【0068】

選択された特性または概念を説明する際にこれらの用語を使用することは、不明確さのいずれかの土台、または特定の特性または記述子に数値制限を追加することのいずれかの根拠となることを意味する、またはそれらを与えるものではない。当業者に理解されるように、そのような値、要素、または特性の正確な値または特性の記載されたものからの実際的な偏差は、当技術分野でそのような目的のために受け入れられている測定方法を使用する場合に典型的な実験測定誤差によって定義される数値範囲内に収まり、変化する可能性がある。

【0069】

「画像」という用語は、一般に、空間位置に対応する検出器出力の順序付けられた表現を指す。例えば、光検出器によって検出された光のパターンに応じて、ビデオ画面またはプリンタなどの表示デバイスに視覚画像が形成され得る。「定量的」という用語は、量によって表されるか、または表され得るものとして定義される。

【0070】

本開示に添付された請求項に記載された発明は、参照される関連技術に開示された特徴を含む、本開示全体を考慮して評価されることが意図されている。

【0071】

本発明は、上述の例示的な実施形態を通じて説明されているが、本明細書に開示された発明の概念から逸脱することなく、図示された実施形態に対する変更及び変更が可能であることは、当業者に理解されるであろう。開示された態様、またはこれらの態様の一部は、上に記載されていない方法で組み合わせ得る。したがって、本発明は、開示された実施形態（複数可）に限定されるものとみなされるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】