CN1122682A - 不损伤身体的血液分析装置 - Google Patents
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Abstract
血液分析装置，它具备对活体上包含血管的检测区域进行照明的光照射装置，对被照明的检测区域进行摄象的摄象装置，处理所摄制的图象、分析上述检测区域中的血管内的血球数的分析装置。该分析装置由下述装置组成：使用摄象装置对同一检测区域依次摄制的数个图象中的一个以上形成基准图象的基准图象形成装置，对上述数个图象中的一个和上述基准图象计算出各象素信息的差、以算出的差作各象素信息形成差分图象的差分图象形成装置和由差分图象检出血球象的血球象检出装置。
Description
本发明是关于以不损伤身体的方式进行血液分析的装置，更详细地说，是关于用光学方法计量和测量在活体的血管中流动的血液，分析血液检查中必要的血球成分的装置。
通过分析血液得到的血球数(白血球数、红血球数、血小板数等)、血细胞比容值、血红蛋白量、常数(平均红血球容积：MCV、平均血色素量：MCH、平均血色素浓度：MCHC)等血液学上的检查项目，对于诊断、治疗等是极其重要的，并且，在临床检查中是最频繁的检查项目之一。
这些血液检查，是从活体中采集血液(采血)，用分析装置分析采集的试样。然而，在采血时或多或少给人体带来一些痛苦，所采集的血液要运送到设置有分析装置的检查室后方能进行分析，所以在诊断中不能实时地进行血液检查。而且，有时误用了肝炎和艾滋病等传染病患者用过的采血用注射针，还有可能造成事故。
因此，多年来人们迫切期望研制出不从人体采集血液、对活体完全无损伤地进行血液检查的装置。并且，如果将这样的装置安置在患者的病床旁边，则可以实时地掌握病情的发展。
作为与这样的装置相关的已有技术，已知有向活体表面的观察部位照射光、周期地进行视频摄象，以观察血流的视频显微镜(例如参见特开平4-161915)。
使用这样的现有技术视频显微镜对活体血管中流动的血液进行摄象，观察其动态图象时，清楚地看到已知是球状的透明的白血球的流动状况。据认为，这是由于白血球在流动，相对于静止的背景，白血球的周缘部被强调而得以识别出来。
但是，若观察其静止图象，由于白血球与背景几乎没有光学差异，因而难以摄取明确的粒子图象。
因而，用以往的视频显微镜难以进行血球的定量分析、尤其是白血球数分析。
本发明是鉴于上述情况而完成的，目的是提供对活体血管内移动的血球进行摄象，根据摄取的静止图象能够分析血球、尤其是白血球数的装置。
本发明提供了对身体无损伤的血液分析装置，其特征是，该装置具有：对活体上包含血管的检测区域照明的光照射装置、对被照明的检测区域进行摄象的摄象装置和处理所摄取的图象、分析上述检测区域中所包含的血管内的血球数的分析装置，所述分析装置由下列部分组成：利用摄象装置对同一检测区域依次摄制的数个图象中的一个以上形成基准图象的基准图象形成装置；对于上述数个图象中的一个和上述基准图象，计算出各象素信息的差，以计算出的差作为象素信息、形成差分图象的差分图象形成装置；以及由差分图象检测出血球象的血球象检测装置。
该分析装置的特征是，以无损伤的方式分析活体的血液，所谓活体是指包括人在内的哺乳动物。
在对活体上包含血管的检测区域进行照明的光照射装置中，所谓检测区域是指包含原样存在于活体中的血管的规定区域，不是指用外科方法从活体上取出的活体的一部分。
另一方面，对检测区域中所包含的血管的粗细没有特别限制，不过，为了得到再现性良好的结果，最好是尽可能靠近皮肤的毛细血管或小动、静脉。另外，由毛细血管或小动、静脉得到的血球信息可以换算成粗血管(中大动、静脉)的信息。
在本发明的光照射装置中，作为光源，可以使用激光器和碘钨灯或钨丝灯等连续地照射光的连续光源，或脉冲激光器(例如，Spectra-Physics公司制，7000系)和多次闪光灯(例如，(株)管原研究所制，DSX系)等断续地照射光的断续光源。
另外，光照射装置，除上述光源外，作为将来自光源的光准确导向检测区域的装置，最好具备(1)光纤、(2)反射镜、(3)透镜或(4)狭缝等，也可以具备上述(1)和(2)、(1)和(3)、(1)和(2)和(3)、(1)和(2)和(3)和(4)、(2)和(3)、或(2)和(3)和(4)的组合。
在此情况中，可以用棱镜代替反射镜。另外，光照射装置也可以具备用偏振光对检测区域进行照明的偏振光装置。
在本发明的摄象装置中，可以使用例如一般的CCD摄象元件。
另外，摄象装置，在将来自检测区域的反射光导向CCD摄象器件的光学系统中，还可以具备光纤、各种反射镜、偏振光元件、各种透镜、棱镜、狭缝或者滤光片，在来自检测区域的反射光十分微弱的情况下，最好是具备图象增强器。另外，摄象装置还可以具备用于去除来自检测区域的不必要的散射光成分的偏振光装置。
再有，希望摄象装置在其信号处理系统中，具备在将扫描信号供给CCD摄象元件的同时、将来自CCD摄象元件的各象素的输出作为视频信号进行处理的视频信号处理电路，以及用于记录该视频信号的VTR(磁带录象机)和光盘记录器。
另外，作为光照射装置和摄象装置，也可以使用市售的视频显微镜系统。
在分析装置中，可以使用图象处理用计算机(例如，Quadra 800/Apple公司制造)，另外还可以同时使用用以调整所摄取的象信号的对比度的模拟预处理装置(例如，HK-7000/ミノルタ公司制造)。
在本发明中，摄象装置对用光照射装置照明的同一检测区域依次进行摄象，分析装置使用所摄取的数个图象中的一个以上形成基准图象，对所摄取的数个图象中的一个和基准图象计算出各象素信息的差，形成以计算出的差作为各象素信息的差分图象。结果，在差分图象中图象的背景被消除，只有血球的特写，可以仔细观察。因而，即使所要检测的血球是不容易与背景区别的白血球，血球图象检测装置也能够容易地从差分图象将其检测出。
另外，在此情况下，摄象装置依次摄取的数个图象，例如可以是摄象机以1/30秒的周期连续摄制的200帧图象，不过，对于摄象装置、摄象周期和帧数没有特别的限制。
另外，基准图象形成装置从所摄取的数个图象中选择一个，用它作为基准图象，差分图象形成装置针对其他图象和该基准图象形成差分图象。
另外，此时的基准图象形成装置也可以每形成一个差分图象，变更一次基准图象。再有，基准图象形成装置对至少二个以上的已依次摄取的数个图象计算出各象素信息的平均值，最好是以该平均值作为象素信息来形成基准图象。
这样得到的基准图象各象素信息被平均化，与选择一个图象作为基准图象的场合相比，因照明不匀和散射光产生的干扰影响被抑制。
另外，关于象素信息的平均值的计算，可以是对所摄取的全部数个图象进行计算，也可以是对任意抽要样的一部分图象进行计算。
另外，为了得到更鲜明的血球图象，分析装置最好是具备利用给定的阈值将差分图象的象素信息进行二值化的二值化处理装置。
为了根据球图象正确地识别血球种类，分析装置还可以具备识别血球图象中的血球种类的血球识别装置，该装置对由血球图象检测装置得到的血球图象和给定的参照图象，进行形状和面积的比较，根据比较结果鉴别血球图象的血球种类。
在分析装置中，对于由摄象装置以给定周期对同一检测区域摄制的图象而形成的数个差分图象，利用血球图象检测装置将检出的血球象数计数，计算出血球象的移动距离，根据血球象移动距离和摄象周期计算出血球移动速度，进而根据血球象数和移动速度计算出每单位体积的血球数。
另外，按照本发明的其他观点，提供了对活体无损伤的血液分析方法，该分析方法包括，对活体上包含血管的检测区域进行照明，依次对被照明的同一检测区域进行摄象，用所摄取的数个图象中的一个以上形成基准图象，对所摄取的一个图象和基准图象算出各象素信息的差，形成以所算出的差为象素信息的差分图象，由差分图象检测出血球象。
下面，通过附图中所示的实施例详细地描述本发明。但本发明不受这些实施例的限制。
附图的简单说明
图1是表示本发明的一个实施例的构成说明图。
图2是表示实施例的工作的主要部分的流程图。
图3是表示实施例的工作的主要部分的流程图。
图4是由实施例得到的图象例子。
图5是由实施例得到的图象例子。
图6是由实施例得到的图象例子。
图7是由实施例得到的图象例子。
图8是由实施例得到的图象例子。
图9是由实施例得到的图象例子。
图10是由实施例得到的图象例子。
图11是由实施例得到的图象例子。
图12是由实施例得到的图象例子。
图13是由实施例得到的图象例子。
图14是由实施例得到的图象例子。
图15是由实施例得到的图象例子。
图16是由实施例得到的图象例子。
图17是由实施例得到的图象例子。
图18是由实施例得到的图象例子。
图19是表示由实施例得到的图象中的白血球的存在位置的说明图。
图20是表示实施例的工作的主要部分的流程图。
符号说明
12血管
22光源24光纤26散射器30透镜32透镜34分色镜38透镜40CCD46视频信号处理电路50录象机51图象处理电路66透明板70分析装置71截取装置72差分图象形成装置73对比度调整装置74消除噪声装置75二值化处理装置76图象识别装置77运算装置78基准图象形成装置79血球象检测装置80监控电视
图1是表示本发明的实施例的主要部分的结构说明图。由碘钨灯光源22发出的光，通过光导纤维24照射到散射器26上。光被散射器26扩散，均匀地照射到板28上。板28实质上形成平面发光体，经过由透镜30、32、分色镜34形成的光学系统，横穿过在活体皮肤表面16的内部存在的血管12，形成板28的实象36。另外，板28采用光漫射板，例如西格玛光机(株)制造的薄片碎玻璃型漫射板。
即，包含血管12的板28的实象36的区域是检测区域V。
来自区域V的反射光，经过分色镜34、透镜38被CCD 40接收。
此时，由于只有活体内某一深度的区域被光照射，可以来自活体的其它部位，例如比要测定的血管所在的位置更深部位的散射光的影响是极小的。
再有，散射器26、板28、透镜30、32、38、分色镜34和CCD 40被容纳在探头58中，探头58的前端部59，通过塑料或透明玻璃板66紧贴在皮肤表面16上，以便得到清晰、稳定的图象。
由CCD 40的各象素输出的图象信号，被视频信号处理电路46进行处理。然后，图象信号处理电路46每1/30秒一帧、连续地形成图象，所形成的各帧图象依次被录象机(例如光盘记录器)50记录下来。
51是用于调整图象对比度的图象处理电路，例如是模拟预处理装置HK-7000(ミノルタ公司制造)。70是处理所摄制的图象、分析检测区域V中所包含的血管内的血球数的分析装置，例如，该分析装置可以采用在图象处理计算机Quadra 800(Apple公司制造)中前置图象捕获板IQ-V50(浜松ホトニクス公司制造)的分析装置。
而且，分析装置70具备下列机构：用于截取(Trimming)图象处理电路51输出的图象画面的规定区域、然后输出的截取装置71；使用截取装置71的输出图象的一个以上形成基准图象的基准图象形成装置78；对于截取装置71的输出图象和基准图象计算出各象素信息(数据)的差、形成以算出的差作为象素信息的差分图象的差分图象形成72；用于调整差分图象的对比度的对比度调整装置73；用于从差分图象中消除噪声的噪声消除装置74；利用给定的阈值使差分图象的象素信息二值化的二值化处理装置75；从用二值化的象素信息形成的图象中检出血球象的血球象检出装置79；将检出的血球象与参照象进行比较、根据比较结果识别血球象的血球种类的图象识别装置76；根据在一定时间内被识别的血球象算出每单位体积的血球数的运算装置77。另外，在分析装置70中所形成的各图象，利用监控电视进行监控。
下面说明采用上述的分析装置70对白血球数进行计数的程序。
(1)以1帧图象作为基准图象的情况
图2和图3是表示这种情况下的程序的流程图。
在该流程中，分析装置70轮流读出记录在录象机50中的数个画面或视场的时间系列的图象A(0)、A(1)、A(2)……A(n)、……，然后进行处理。
首先，读出最初的一帧图象A(0)(步骤S1)，截取包含血管的区域的图象B(0)(步骤S2)。接着，读出第二帧图象A(1)(步骤S3、S4)，修正图象的相对位置偏移(步骤S4a)，截取与上述相同区域的图象B(1)(步骤S5)。然后，测定图象B(1)和B(0)的各象素数据的差，形成以此差作为象素数据的差分图象C(1)(步骤S6)。对该差分图象进行调整对比度的处理(步骤S7)例如均衡处理，再进行消除噪声成分的滤除处理(步骤S8)。
以给定的阈值将这样处理过的图象的象素信息进行二值化(步骤S9)，检出血球象，从检出的血球象中识别白血球。为此，作为一个例子，将参照象(模板)叠合，进行模板匹配(步骤S10)。
然后，检查其重合的程度(相关值)R在一定值R0以上者(步骤S11)。如果R全部为R0以下，则断定不存在白血球，相反，若有R在R0以上的情况，则认为在R显示最大值的位置存在白血球。另外，作为识别白血球的方法，也可以采用将二值化图象的大小与给定值进行比较的方法。
这样，可以识别在血管中央部分流动的流速快的白血球和沿血管壁流动的流速较慢的白血球。
从流动方向判断，如果该识别过的白血球和在前一个差分图象中识别过的白血球是同一白血球，求出两者间的距离△L，计算出移动速度V(步骤S12、13、14)。
如果白血球是新识别的，将计数K设为K＋1，记录其位置(步骤S15、16)。K是被识别的白血球的计数。然后，以必要的所规定的帧数重复步骤S4以后的步骤(步骤S17、18)。然后使用所得的K和V的平均值Va，按下式计算出每单位体积的白血球数WBC。
WBC＝A·K/Va(A是常数)
另外，在白血球数WBC是由毛细血管求出的情况下，可以使用给定的函数将其换算成相应于中大动、静脉的白血球数。
下面，与图2和图3的流程图相对应，对由监控电视80得到的图象加以说明。
图4是在步骤S1中读出的图象A(0)。因为它是静止图象，所以虽然能识别出毛细血管，但是完全不能确认白血球的存在。
图5是表示在步骤S2中截取图象B(0)时，在图象A(0)中的图象B(0)的截取区域。
图6、图7和图8分别是在步骤S2中被截取的图象B(0)、B(1)和B(2)，图9和图10分别是在步骤S6中形成的图象C(1)和C(2)。
图11和图12是在步骤S7中增大图象C(1)和C(2)的对比度的图，在该阶段中，白血球的象显露出来。在步骤S8中这些图象被消除噪声成分，形成图13和图14。
接下来，在步骤S9中将这些图象进行二值化处理，形成图15和图16。图17和图18是表示按照步骤S10和S11所示使图15和图16中出现的血球象与具有给定面积的圆形的参照图形(模板)叠合状态的图象，如图19所示，从这些图象可以看出在一个摄象周期即1/30秒时间内一个白血球从位置A移动至位置B。
然后实测从位置A至位置B的距离，计算出白血球的流速V。
并且，将出现的白血球数K计数。按上文中所述，由这些数值计算出实际的白血球数WBC。
(2)以数帧图象的平均作为基准图象的情况
图20是表示这种情况下的程序的流程图。并且，图20的流程(1)和(2)与图3的(1)和(2)相连接。
在这种情况下，也和上述程序相同，分析装置70轮流读出记录在录象机50中的数个画面或视场的时间系列的图象A(0)、A(1)、A(2)、……A(n)、……，然后进行处理。
首先，读出最初的一帧图象A(0)(步骤S21)，从图象A(0)中截取包含血管的区域的图象B(0)(步骤S22)。将图象B(0)存入基准图象形成装置78的存储区中(步骤S23)，判断上述动作是否已重复了给定的帧数N(步骤S24)，如果未完成N次，对下一帧图象A(1)(步骤S24a)进行与上述相同的读出及截取动作(步骤S21、S22)，将已经存入基准图象形成装置78的存储区的图象B(0)置换成B(0)＋B(1)(步骤S23)。
将该动作重复至给定的帧数N(步骤S24)，计算出N帧图象的合计B＝B(1)＋B(2)＋……＋B(N)。然后，通过运算B/N求出基准图象M(步骤S25)。
接着，再读出最初一帧图象A(0)(步骤S27)，从图象A(0)中截取和上述相同的区域的图象B(0)(步骤S28)。然后，测出图象B(0)和基准图象M的各象素数据的差，形成以该差作为象素数据的差分图象C(0)(步骤S29)。
下面，对给定帧数的图象进行已说明的图3的程序图的处理，求出白血球的移动距离△L和速度V，计算出每单位体积的白血球数WBC。
按照本发明，不需要从活体中采集血液，对血管的血液周期地进行摄象，通过形成二个图象的差的图象，就能够容易地进行血球的识别和计数。虽然是从活体外摄象，也可以进行白血球的计数。
Claims (7)
1.不损伤身体的血液分析装置，其特征在于，它具备对活体上包含血管的检测区域进行照明的光照射装置，对被照明的检测区域进行摄象的摄象装置，处理所摄制的图象、分析在上述检测区域中所包含的血管内的血球数的分析装置，所述分析装置由下述装置组成：利用摄象装置对同一检测区域依次摄制的数个图象中的一个以上形成基准图象的基准图象形成装置，对上述数个图象中的一个和上述基准图象计算出各象素信息的差、以计算出的差作为象素信患形成差分图象的差分图象形成装置，由差分图象检出血球象的血球象检出装置。
2.权利要求1所述的对身体无损伤的血液分析装置，其特征在于，基准图象形成装置对于从依次摄制的数个图象中选择的二个图象，以一个图象作为基准图象，差分图象形成装置对另一个图象和上述基准图象计算出各象素信息的差，以计算出的差作为象素信息、形成差分图象。
3.权利要求1所述的对身体无损伤血液分析装置，其特征在于，基准图象形成装置对依次摄制的数个图象中的至少二个以上计算出各象素信息的平均值，以该平均值作为象素信息、形成基准图象。
4.权利要求1所述的对身体无损伤的血液分析装置，其特征在于，分析装置还具备将差分图象二值化的二值化处理装置
5.权利要求1所述的对身体无损伤的血液分析装置，其特征在于，分析装置还具备将由血球象检出装置得到的血球象与规定的参照象进行比较、根据比较结果来识别血球象的血球种类的图象识别装置。
6.权利要求1所述的对身体无损伤的血液分析装置，其特征在于，所述分析装置还具有运算装置，在摄象装置以给定周期对同一检测区域进行摄象时，该运算装置对所形成的数个差分图象，将由血球象检出装置检出的血球象计数，计算出血球象的移动距离，根据血球象移动距离和摄象周期计算出血球移动速度，由已计数的血球象数和计算出的移动速度算出每单位体积的血球数。
7.权利要求1所述的对身体无损伤的血液分析装置，其中血球象检出装置检出白血球象。
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