JP2004520878A - 赤外線検知器を用いた生理機能測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

赤外線カメラは生体の一部に対する一連の赤外線画像フレームを提供する。カメラはヒ化ガリウムの量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）の焦平面アレー（１０）を備えていることが好ましい。赤外線画像はプロセッサへ伝送され、そこで多数の小さなサブエリア（１２）に加工される。各サブエリアでは、温度変化が継続して測定され、サブエリアの変化は温度コード（１４）として表される。次に温度コードは、赤外線画像（１６）の各サブエリアに色として表示される。好適な実施の形態においては、脳の様々な部分が機能している間、脳の生理的変化の観察が行われる。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して生体の測定を行う方法及び装置に関し、より具体的には、脳又は生体の他の部分における組織と器官の血流及び生理機能の測定に赤外線検知器を用いる方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイナミック・エリア・サーモメトリー（動的遠隔温度測定法、ＤＡＴ）は、１９９１年出版のマイケル・アンバー博士による「サーモロジー３」（４）２３４−２４１、１９９１に詳しく記載された公知の概念である。これは自律神経系の非侵襲的機能試験であって、人体の皮膚の様々な部位における体温調節周波数（ＴＲＦ’ｓ）のスペクトル構造及び空間的分布の変化を測定するものである。赤外線イメージングによって測定されるような黒体赤外放射学に基づき、ＤＡＴは目的とする部位における温度分布の変化から熱の生成、移動及び分散の動態に関する情報を得る。この変化は区分された部位の平均温度として、又はそれら平均値の変動として検知することができる。変動によって温度分布の均一度、更に皮膚潅流の均一度を測定することができる。アンバー博士により「ユーロピアン・Ｊ・サーモロジー」７：１０５−１１８、１９９７に示されたように、過潅流状態では均一度は最高点に達し、その時間変調の振幅は最小となる。皮膚のいろいろな部位における温度分布の周期的な変化から、任意の部位における温度を調節する過程の体温調節周波数が得られる。
【０００３】
ＤＡＴは神経機能又は血管機能に影響を及ぼす多くの障害の診断及び制御に有効である。ＤＡＴは神経の制御機能の局部的な損傷を特定できるよう皮膚の広い部位にわたる血液潅流の変化の周期性を測定するのに使用され、これにより皮膚癌や、例えば乳癌のような比較的浅い腫瘍性病変に対して迅速且つ安価な検診を行うことができる。ＤＡＴのその他の臨床的応用については１９９４年にマイケル・アンバー博士により、ＣＲＣプレス社から１９９４年９月発行の「医学的診断と制御における量的・動的遠隔温度測定法」と題する論文において詳述されている。
【０００４】
すべてマイケル・アンバーに付与された米国特許第５，８１０，０１０号、第５，９６１，４６６号及び第５，９９９，８４３号は、このうち最初のものはライセンス化されその他のものは本願出願人に譲渡されているが、腫瘍性病変及びその周囲の組織に発生する、免疫応答とも関連する血液潅流の周期的経時変化の測定による癌検知の方法及び装置に関するものである。特に、癌検知の方法は、非神経系の血液潅流による体温調節の検知、皮膚温度の空間的均一度の周期的変化の検知、皮膚温度の空間的均一度の異常なばらつきの検知、及び皮膚温度の空間的均一度の周期的変化に関連する異常な体温調節周波数の検知に関連する。これら三件の特許の開示は、全体をそのまま引用して、ここに包含されるものである。
【特許文献１】米国特許第５８１００１０号明細書
【特許文献２】米国特許第５９６１４６６号明細書
【特許文献３】米国特許第５９９９８４３号明細書
【非特許文献１】マイケル・アンバー（Ｍｉｃｈａｅｌ Ａｎｂａｒ），「サーモロジー３（Ｔｈｅｒｍｏｌｏｇｙ ３）」，１９９１年，第４巻，ｐ．２３４−２４１
【非特許文献２】マイケル・アンバー（Ｍｉｃｈａｅｌ Ａｎｂａｒ），「ユーロピアン・Ｊ・サーモロジー（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊ Ｔｈｅｒｍｏｌｏｇｙ）」，１９９７年，第７巻，ｐ．１０５−１１８
【非特許文献３】マイケル・アンバー（Ｍｉｃｈａｅｌ Ａｎｂａｒ），「医学的診断と制御における量的・動的遠隔温度測定法（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｅｌｅｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）」，ＣＲＣプレス社（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．），１９９４年９月
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の好適な実施の形態によれば、赤外線カメラにより人体の一部に関する一連の赤外線画像（フレーム）が撮影される。カメラはヒ化ガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ ａｒｓｅｎｉｄｅ）の量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）の焦平面アレーを備えていることが好ましい。このようなカメラは皮膚温度とその均一度との変調を±１５／１０００℃以上の精度で記録することができる。赤外線画像はプロセッサへ伝送され、そこで多数の小さなサブエリアに加工される。個々のサブエリアでは、温度変化が継続して測定され、各サブエリアの温度変化は温度コードとして表される。次にこの温度コードは、赤外線画像の表示装置の各サブエリアに表示される色として表示される。これにより観察者は生体の生理機能を測定し分析することが可能となる。好適な実施の形態においては、脳の様々な部分が機能している間、脳の生理的変化の観察が行われる。しかしながら、本発明はＤＡＴ装置に匹敵する、癌検知のための有用な装置を提供するものであることが明らかとなるであろう。
【０００６】
上記の簡略な説明、並びに本発明の更なる目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照とした、本発明に関する以下の詳細な説明によってより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
好適な実施の形態の章に入り、手術中に撮影した脳の画像を基に処理画像を作成するのに使用されるシステム及び方法について以下に説明する。本発明にしたがって処理された場合、画像は血流と、脳の様々な部分が機能する際の生理的変化とを鮮明に顕示する。後者は血液潅流の変化の結果であって、代謝活動の変化及び／又は脳の活動中若しくは活動の結果として起こる脳の化学的若しくは電気化学的変化の結果としての赤外放射によるものである。当業者には、この方法及び装置が脳以外のいかなる器官又は組織にも応用可能であることが理解されるであろう。この好適な実施の形態の利点は、器官や組織の通常の活動中に作動する部位を調査し、この情報が後に健全な器官又は組織と、病変のあるそれらとの区別をつけるのに使用される点である。このデータは静止画像として提示することもでき、また経時的な変化を表す動画として提示することもできる。
【０００８】
図１は本発明に係る方法及び装置の動作の双方を表す機能ブロック図である。赤外線カメラにおいて、ＱＷＩＰ赤外センサのアレー１０が手術中の脳の赤外線画像を形成するのに使用されている。アレーは２５６×２５６のセンサを備え、毎秒２００フレームのフレーム・レートで撮像するのが好ましい。好ましくは、脳の画像を１０秒間撮る。この好適な実施の形態では、生じた赤外線画像データはコンピュータのハードドライブに保存される。
【０００９】
次に、ブロック１２において、個々の赤外線画像が該画像の全域にわたって何千ものサブエリアに分解される（一つのサブエリアは好ましくは２×２画素である）。ブロック１４では、各々のサブエリアにおける温度変化が一定時間にわたって測定され、そのエリアに対応するコードとして保存される。ブロック１６では、様々なサブエリアのコードがそれらサブエリアにおいて色として表示される。この好適な実施の形態において、前記コードは一定時間にわたる温度の変化を示す最良適合線の傾きを表すものである。
【００１０】
図２は、脳の赤外線画像を処理するのに使用されるコンピュータプログラムの画面を印刷したものである。脳の赤外線画像２０は脳の温度を、黒から緑を経て赤、そして最終的には白にいたる色のスペクトルにより示している。最初のステップとして、分析すべき画像の一つの部位２２（赤で示されている）がいずれかのフレームの表示中で選択される。処理中に、オペレーターは表示すべき温度範囲を選択することもできるが、この例においては３１〜３６℃となっている。続いて、選択された部位は個々のサブエリアに分解される。
【００１１】
図３は特定のサブエリアにおける、１０秒間のフレーム（２０００フレーム）の温度変化を示している。図３にはライン２４も示されており、これは図３に示されている波形全体の最良適合線である。この好適な実施の形態では、このような最良適合線が各々のサブエリアについて生成され、各サブエリアの最良適合線の傾きを表すコードがサブエリアごとに生成される。各々のコードは次いで色に変換され、その色が画像全体の表示中の該当するサブエリア上に重ね合わされる。その結果、図６〜１０のような色画像が生じる。
【００１２】
図６はフレーム群全体にわたる平均温度をグレースケール表示で示した画像である。この画像から、血管の構造に関する幾つかの情報が明らかになる。
【００１３】
図７、図８及び図９はそれぞれつま先、舌及び手首を動かす運動の間に撮影された、同じ患者に関するグレースケール表示による画像である。それぞれの時点において、これらの運動に関わる脳の部分の周りに円が描かれている。このような画像を撮影することにより、脳の様々な部分に対する患者のいろいろな活動を調査することが可能となる。従って、機能不全が起こった場合、医師は患者を診断するに当たって脳のどの部分を観察すべきかを知ることができる。
【００１４】
図１０は発作を起こしているときの患者の脳を示している。尚、細胞代謝活動が活発化している部位は事実上正確に示される。
【００１５】
図４は図３と同じ波形を示すものであるが、１０秒間全体に対応する最良適合線２４に加え、段階的に短くした期間の波形に対応して段階的に短くなっている最良適合線も示されている。尚、図６〜図１０に示されたような「静止画像」に代わって、図４の連続的な長いラインのコードに対応する色を示す連続的な画像を有する一連の静止画像、即ち「ビデオ画像」を得ることも可能である。従って、この一連の画像は様々な動き又は状態の際に起こる脳活動の変化を表すビデオ画像に相当するものである。
【００１６】
図５もまた図３及び図４の波形を示すものであるが、この図の場合は一連のライン２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ等により個々の形式の推定値が示されている。この場合、波形は０．５秒間ごとに様々な最良適合線の線分により推定されており、これらの線分の傾きは画像中の該当するサブエリアで色として表示されるべき一連のコードを提供し、これによりビデオ画像が作成される。
【００１７】
この好適な実施の形態では表示の各部分の色を決定する温度変化コードを使用することにより生体の一部の表示が作成されるシステムを説明した。しかしながら視覚表示装置を持たない有用な診断装置を作成することも可能である。例えば、赤外センサは皮膚の斑点やしみのような非常に小さな部位を捉えることができ、温度変化コードを、走査された部位の状態（例えば癌の有無）の指標として生成することもできる。コードの値自体が装置の出力となりうるのである。またその他、コードを閾値と比較し、その比較に基づいて指標を生成してもよい。
【００１８】
この好適な実施の形態では、ビデオ情報がハードドライブに記憶されその後処理画像の表示用に処理されるシステムを説明した。処理画像がビデオ画像である場合、ビデオはリアルタイムの表示ではないため、前記処理方法における遅延は好ましくない。しかしながら、現在市販されている最高品質のグラフィックカードであれば、事実上リアルタイムのビデオ画像を作成することができる。当業者にとっては、マルチプロセッサコンピュータやパラレル処理などの直ちに利用可能な処理技術により、リアルタイムのビデオ画像と判別できない結果が得られることは明らかであろう。
【００１９】
図１１は事実上どのようなコンピュータでもリアルタイムのビデオ画像を作成する温度勾配のコードを演算する別の方法を示し、図１２はコンピュータ上でスロープ（ＳＬＯＰＥ）機能として実行される方法を説明するのに有用なフローチャートである。
【００２０】
図１１は特定のサブエリアにおける、時間Ｔ₀ から始まる経時的な温度変化を示している。まず、オペレーターは三つの数値Ｄ、Ｔ及びＬを選択する。Ｄは新たなスロープコードが生成される速度であって、例えば毎秒１５〜３０フレームといったビデオ画像の特定のフレーム・レートを設定するのに選択される。Ｔ及びＬは処理期間の長さであって、好ましくは１０秒であるが詳しくは後述する。スロープ機能はブロック２００で開始され、このときタイマーが時間Ｔ₀ に設定され（ブロック２０２）、平均温度が演算される（ブロック２０４）。タイマーが期間Ｄを計時した場合、平均温度の演算は中断され（ブロック２０８）、スロープ機能の第２版が開始され（ブロック２０６）、平均温度の演算が再開する。タイマーが期間Ｔを計時した場合、平均温度の演算は中断され（ブロック２０８）、変数Ｆが平均温度を記憶する（ブロック２１０及びポイントＦ１）。
【００２１】
その後タイマーが開始し（ブロック２１２）、新たな平均温度の演算が開始される（ブロック２１４）。タイマーが期間Ｌを計時した場合、平均温度の演算は中断され（ブロック２１６）、変数Ｇが平均温度を記憶する（ブロック２１８及びポイントＧ１）。次いでブロック２２０において温度勾配が二つの平均値ＦとＧとの間の線の傾き、即ちポイントＦ１とＧ１とを結ぶ線の傾きとして決定され、スロープ機能が終了する（ブロック２２２）。
【００２２】
その間、スロープ機能の追加例が開始すると、完了までにさらにいくつかの処理が行われる。例えば、第１の傾き値が生成された後に期間Ｄに続いて第２の傾き値がポイントＦ２及びＧ２に対して生成される。即ち全体的な効果としては、最初のＴ＋Ｌの遅延の後に、期間Ｄの終了ごとに各サブエリアにおいて新たな傾き値が生成されることになる。
【００２３】
本発明の好適な実施の形態を例示的に説明したが、当業者には添付の請求の範囲に記載された本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく様々な追加、修正及び置換を行い得ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る方法及び装置の動作の双方を示すブロック図である。
【図２】本発明にしたがい、人間の脳の赤外線画像と、その画像のうち処理すべき部分を選択するためのコンピュータプログラムの使用法とを表示しているコンピュータ画面のコピーである。
【図３】温度が最良適合線により推定されている、１０秒（２０００フレーム）間の赤外線画像のサブエリアにおける温度と時間との関係を示すグラフである。
【図４】１０秒間の様々なサブ部分の最良適合線を示す、図３と同様のグラフである。
【図５】様々な最良適合線を用いて個々の形式により適合させたグラフの様々な部分を示す、図３と同様のグラフである。
【図６】フレーム群全体にわたる赤外線画像の平均温度を示す処理画像である。
【図７】つま先を動かすとき、舌を動かすとき及び手首を動かすときのそれぞれの脳の活動を示す、同じ患者の脳に関する処理画像である。
【図８】つま先を動かすとき、舌を動かすとき及び手首を動かすときのそれぞれの脳の活動を示す、同じ患者の脳に関する処理画像である。
【図９】つま先を動かすとき、舌を動かすとき及び手首を動かすときのそれぞれの脳の活動を示す、同じ患者の脳に関する処理画像である。
【図１０】発作を起こしているときの患者に関する処理画像である。
【図１１】リアルタイムで温度変化を推定する方法を示す、温度波形図である。
【図１２】図１１で用いられている方法を説明するのに有用なフローチャートである。

Claims (20)

1. 生体の一部の赤外線画像を形成する過程と、
   該赤外線画像を複数のサブエリアに分割する過程と、
   サブエリアにおいて経時的な温度変化を測定し、各サブエリアに対応する、該サブエリアの温度変化を表す温度コードを生成する過程と、
   生体の一部の画像であって、前記サブエリアに対応する温度コードに特有の視覚的特徴によりサブエリアを表示する画像を作成する過程と
   を含むことを特徴とする、生体の生理機能を測定する方法。
2. 前記視覚的特徴は前記サブエリアの色であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 経時的な温度変化は所定期間の温度変化を推定する線の傾きにより推定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記期間は１０秒であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記赤外線画像はヒ化ガリウムの量子井戸赤外光検出器の焦平面アレーにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記アレーは２５６×２５６の光検出器を有しており、毎秒２０フレームの速度で赤外線画像を撮像することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記作成された画像は静止画像であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記作成された画像は動画であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 生体の一部の赤外線画像を形成する赤外線カメラと、
   該赤外線画像を複数のサブエリアに分割するスプリッタと、
   サブエリアにおいて経時的な温度変化を測定し、各サブエリアに対応する、該サブエリアの温度変化を表す温度コードを生成する温度プロセッサと、
   前記サブエリアに対応する温度コードに特有の視覚的特徴によりサブエリアを表示する表示装置上に、生体の一部の画像を作成する作用を持つ画像信号を生成する表示プロセッサと
   を備えることを特徴とする、生体の生理機能を測定する装置。
10. 前記視覚的特徴は前記表示装置上のサブエリアの色であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記温度プロセッサは経時的な温度変化を、所定期間の温度変化を推定する線の傾きによって推定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 前記期間は１０秒であることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記カメラは、赤外線画像が形成される、ヒ化ガリウムの量子井戸赤外光検出器の焦平面アレーを備えていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
14. 前記アレーは２５６×２５６の光検出器を有しており、前記カメラは毎秒２０フレームの速度で赤外線画像を撮像することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記カメラの画像は静止画像であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
16. 前記カメラの画像は動画であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
17. 生体の一部の赤外線画像を形成する過程と、
    該画像のサブエリアにおいて経時的な温度変化を測定し、該サブエリアに対応する、該サブエリアの温度変化を表す温度コードを生成する過程と、
    前記コードを生理的指標として用いる過程と
    を含むことを特徴とする、生体の生理機能を測定する方法。
18. 生体の一部の赤外線画像を形成する赤外線カメラと、
    サブエリアにおいて経時的な温度変化を測定し、該サブエリアに対応する、該サブエリアの温度変化を表す温度コードを生成する温度プロセッサと、
    生理的指標としての前期コードを視認可能に表示させる作用を持つ信号を生成する表示プロセッサと
    を備えることを特徴とする、生体の生理機能を測定する装置。
19. 前記測定過程は、
    （ａ）期間Ｔに対する前記サブエリアの平均温度を決定して該平均値を変数Ｆに記憶し、
    （ｂ）期間Ｌに対する前記サブエリアの平均温度を決定して該平均値を変数Ｇに記憶し、
    （ｃ）前記二つの平均値ＦとＧとを結ぶ直線の傾きとして前記温度コードを決定し、
    （ｄ）期間Ｄの終了時に過程（ａ）乃至（ｃ）を繰り返す
    ことにより実行されることを特徴とする、請求項１又は請求項１７に記載の方法。
20. 前記温度プロセッサは、
    （ａ）期間Ｔに対する前記サブエリアの平均温度を決定して該平均値を変数Ｆに記憶し、
    （ｂ）期間Ｌに対する前記サブエリアの平均温度を決定して該平均値を変数Ｇに記憶し、
    （ｃ）前記二つの平均値ＦとＧとを結ぶ直線の傾きとして前記温度コードを決定し、
    （ｄ）期間Ｄの終了時に過程（ａ）乃至（ｃ）を繰り返す
    ことを特徴とする、請求項９又は請求項１８に記載の装置。

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