JP2004202221A - 検査システムおよび検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】手術用顕微鏡を通して外科手術を受ける患者の組織部位を表示するための検査システム検査方法に関し、顕微鏡の画像中に特定の組織の種類を簡単に突き止めることができる検査システム検査方法を提供する。
【解決手段】検査システムおよび関連する検査方法１は、顕微鏡３の物体面５近傍に組織部位７を配置すること、組織部位の光学画像を生成すること、顕微鏡とは別個の測定ヘッド１５から組織データを受け取ること、組織データを少なくとも２つのデータカテゴリーに識別すること、および識別されたデータカテゴリーと、顕微鏡のコンポーネントと測定ヘッドの間の相対的位置に依存して、組織部位の光学画像中にマーキングを表示することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザに対して、組織部位を表示するための検査システムおよび検査方法に関する。組織部位は特に、外科手術を受ける患者の部分であり、ユーザは特に、そのような外科手術を行う外科医である。

従来の外科手術システムおよび方法においては、例えば、表面近くの腫瘍が組織部位から摘出されるが、その外科手術は、外科医が手術用顕微鏡を通して組織部位を見ながら行うものである。摘出すべき腫瘍の位置を突き止めるために、超音波システムを用いることもできる。外科医は、超音波システムの測定ヘッドを用いて、腫瘍があると思われる組織部位をスキャンし、抽出された超音波スキャン深度（ｓａｍｐｌｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｅｐｔｈ ｓｃａｎｓ）を超音波システムの表示装置上で観察する。そのスキャン深度から、外科医は、測定ヘッドが現在位置している位置になんらかの腫瘍組織が存在するかどうかの結論を下す。次に外科医は、顕微鏡をのぞき、顕微鏡画像中のそのような位置を認識し、それを記憶する。この手順を何度も繰り返すことによって、外科医は、腫瘍の広がりを認識し、次に手術用顕微鏡をのぞきながら、その腫瘍を切除するための手術を行うことができる。

この処置は、複雑であり、かつ外科医に高い集中力を要求するものである。なぜなら、手術の成功は、外科医が腫瘍の広がりを記憶できる程度に依存しているからである。

本発明は、顕微鏡の画像中に特定の組織の種類を簡単に突き止めることができるシステムおよび方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、検査すべき組織部位を、観察者に対して表示するための検査システムであって、前記システムは、前記組織部位の光学画像を生成するための光学システムと、組織データを得るための測定ヘッドを備えた組織認定システムであって、前記測定ヘッドは、光学システムのコンポーネントに対して相対的に移動可能であり、前記組織認定システムはさらに、得られた組織データを分析し、得られた組織データを少なくとも２つのデータカテゴリーに識別するためのコンピュータを備えている組織認定システムと、光学システムのコンポーネントに対して相対的な測定ヘッドの位置を決定するために構成された位置検出システムと、前記測定ヘッドの前記検出された位置および識別されたデータカテゴリーに基づいて、前記組織部位の光学画像の位置を光学的にマーク付けするための指示システムとを含む検査システムを提供する。

データカテゴリーは、測定ヘッドが特定時に組織データを抽出する位置における組織を特徴づけることができる。ある実施形態によれば、少なくとも２つのデータカテゴリーは、「腫瘍組織」および「非腫瘍組織」を含む。しかしながら、組織認定システムは、より多数もしくは、神経や支持組織のような他の種類を識別することもできる。

検査システムによって、ユーザは、光学システムによって生成された組織部位の画像から視界をそらすことなく、検査中に組織部位中の特定の種類の組織の広がりを認識することができる。これは、観察者が、組織部位の光学画像を観察しながら、測定ヘッドをその組織部位を横切って動かすことができ、また、組織認定システムが測定ヘッドによって抽出したデータから特定のデータカテゴリーを識別する場合、検査システムがその画像の位置に、画像のマーキング又は指示を提供することができるからである。これらのマーキングおよび指示は、光学システムによって生成された画像中に直接的に提供することができるので、観察者は、従来のシステムにおいては必要であったように、例えば組織部位の光学画像を生成するためのディスプレイから視界をそらす必要がない。

好ましい実施形態によれば、測定ヘッドがさらに動き、組織部位の別の位置のデータの抽出を行っている時でさえ、画像中の特定の位置に表示されたマーキングまたは指示を、その位置に表示させ続けることができる。検査すべき組織部位を体系的にスキャンした後、関連する組織の種類が存在する組織部位の画像の拡大された部分は、例えば、強調表示、特定の色、または他の手段によってマークを付けされる。

組織データを抽出するために、様々な公知の方法を用いることができる。好ましい実施形態によれば、測定ヘッドは、蛍光測定ヘッド、ラマン分光法測定ヘッド、音響光学的分光法測定ヘッド、光学干渉トモグラフィー測定ヘッド（ＯＣＴ）、超音波測定ヘッド、超音波ドップラー測定ヘッド、血糖濃度測定ヘッド、ナトリウム濃度測定ヘッドおよびカリウム濃度測定ヘッド等の濃度測定ヘッド、および温度測定ヘッドを含むことができる。

好ましい実施形態によれば、光学システムは、対物レンズを備えた顕微鏡を含むことができる。ここで、位置検出システムは、好ましくは、測定ヘッドの対物レンズに対する相対的な位置を決定するために構成されている。

顕微鏡は、組織部位の光学画像を表す画像データを記録するためのカメラを含むことが好ましい。次に、コンピュータは、画像データ処理によって、画像中の測定ヘッドを認識し、画像内でのその位置を計算することができる。次に、組織データが指定されたデータカテゴリーに当てはまる場合、この計算された位置にマーキングが表示される。

しかしながら、測定ヘッドと顕微鏡の間の相対的な位置を評価するための顕微鏡とは別個の位置検出システムをさらに提供することも好ましい。測定ヘッドに設けられた好適なマーキングをトラッキングする従来の三角測量システムは、そのような位置検出システムの一例である。ここでは、位置検出システムに対して顕微鏡の相対的な位置および、位置検出システムに対して相対的な測定ヘッドの位置の両方を評価することができ、また、顕微鏡と測定ヘッドの間の相対的な位置を顕微鏡と測定ヘッドの位置から計算することができる。

好ましくは、指示システムは、マーキングを表示するためのディスプレイと、表示されたマーキングの画像を顕微鏡のビーム経路に結合するための第１のビームスプリッタとを含み、それによって、顕微鏡によって生成された光学画像とマーキングとを同時に認識することが可能になる。

顕微鏡が接眼レンズを含む場合、表示されたマーキングの画像は、第１のビームスプリッタによって、対物レンズと接眼レンズの間のビーム経路に結合されることが好ましい。

好ましい実施形態によれば、例えば、記録する目的のために、第２のビームスプリッタによって、対物レンズと接眼レンズの間のビーム経路の外に結合された画像を記録するためのカメラを含む。第２のビームスプリッタは、ビーム経路の第１のビームスプリッタの下流に設けられることが好ましい。それによって、カメラによって記録された画像中に生成されたマーキングも含まれる。

しかしながら、カメラは、まず、マーキングのない組織部位の画像を記録し、次にマーキングを、カメラによって記録された画像中に電気的に導入することもできる。

特に、位置検出システムがデータマーキングが設けられた組織部位の光学画像のデータを評価する場合、測定ヘッドの位置を決定するために位置検出システムが評価するカラーコンポーネントとは異なるカラーコンポーネントを用いて、マーキングを提供することが好ましい。

検査される組織領域の光学画像を接眼レンズによって観察者に表示する他に、観察者に対して、観察者が自分の頭の上に着用することができる装置、例えば、頭上着用型ディスプレイ等によって観察者に表示することができることも好ましい。さらに、光学画像をモニター上に表示することもできる。

一時点において、１つの位置のみにおいて、データを抽出するために、測定ヘッドを用いることができる。しかしながら、測定ヘッドは、例えば、線状、または、２次元アレイ状に配置された複数の位置におけるデータを同時に抽出することもできる。複数の位置の場合は、組織カテゴリーによる識別がそれぞれ行われ、対応するマーキングが組織領域の光学画像中に提供される。

本発明の上記または他の好適な特徴を下記本発明の実施形態の詳細な説明によって、図面を用いて明らかにする。

下記実施の形態においては、機能および構造が同じコンポーネントには、できる限り同じ符合番号を付して示している。したがって、特定の実施形態のそれぞれのコンポーネントの特徴を理解するために、他の実施形態の記載を参照されたい。

図１に示されている検査システム１の例は、物体面５に配置された組織領域７の実体顕微鏡画像を生成するための手術用顕微鏡３を含む。この目的のために、手術用顕微鏡３は、対物レンズ８と、物体面５の画像を２つの接眼レンズ１１を介して観察者の左眼と右眼の両方に撮像するための２つのズームシステム９を有するビーム経路とを含む。

さらに、検査システム１は、組織データを抽出するための超音波測定ヘッド１５と、組織データを評価するための識別装置１７とを備えた組織認識システム１３を含む。識別装置１７は、コンピュータ１６のソフトウェアコンポーネントであってもよい。超音波測定ヘッド１５は、測定ヘッドの先端部１９から超音波を発し、組織によって反射された超音波を受け、そこから、例えば、健康な組織について示した図３ａの例によって示されているような、データを生成する。そこには、データ曲線２１が示されており、組織表面からの組織深さＴに依存した、組織から反射される超音波の強度Ｉを表している。

図３ｂには、腫瘍組織上に位置づけられたとき測定ヘッドによって抽出されるデータが表されている。

識別装置１７は、測定ヘッドによって提供されるデータを評価し、それを２つのカテゴリー、すなわち、「腫瘍組織」と「非腫瘍組織」に識別する。識別は、例えば、コンピュータが、図３ａおよび３ｂにおいてそれぞれＩとＩＩで表示された領域からのデータを平均し、領域Ｉにおける強度の平均の領域ＩＩにおける強度の平均に対する比率を計算するようにして行うことができる。この比率が１未満であれば、「非腫瘍組織」と識別され、この比率が１以上であれば、「腫瘍組織」と識別される。

図１の左側の立体顕微鏡３のビーム経路には、ズームシステム９と接眼レンズ１１の間にビームスプリッタ２３が設けられている。カメラ２５が物体面５の画像を検出するようにビームスプリッタ２３は、ビーム経路からの部分的ビームを結合し、それをカメラ２５に供給する。検出された画像を画像データとして、画像評価装置２７に供給する。それは、コンピュータ１６のソフトウェアコンポーネントであってもよい。測定ヘッド１５は、先端部１９から離れた２つの発光ダイオード２９を含んでいる。ダイオード２９も画像評価装置２７に供給される画像データに現れるように、ダイオード２９から発光された光も左のビーム経路によってカメラ２５上に結像される。画像評価装置２７は、画像データからの顕微鏡３に対する発光ダイオード２９の相対的な位置を決定する。２つの発光ダイオードのそれぞれに対する、および測定ヘッド１５の先端部１９に対する、好ましい幾何学的関係を用いて、測定ヘッド１５の先端部１９の顕微鏡３に対する相対的な位置を最終的に決定する。

測定ヘッド１５の検出位置は、画像評価装置２７によって、マーカーディスプレイ装置３１に供給される。それはコンピュータ１６のソフトウェアコンポーネントであってもよい。マーカーディスプレイ装置３１はさらに、測定ヘッド１５によって「腫瘍組織」として抽出されたデータを識別するたびに、識別装置１７からの信号を受ける。次に、装置３１は、緑色のスポットのようなマーキングを持つ画像を表す画像データを、位置検出装置２７によって検出された位置において生成する。次にこれらの画像データを、画像データを表す画像を表示するＬＣＤディスプレイ３３に送出する。画像を、ズームシステム９と接眼レンズ１１の間に配置されたビームスプリッタ３５によって、図１の右側の顕微鏡のビーム経路に結合させる。それによって、測定ヘッドによって抽出された組織データが識別装置１７によって「腫瘍組織」と識別されたとき、観察者の右眼は、測定ヘッド１５の先端部１９の位置において、物体面５の光学画像上に重ね合わされた緑色のマーキングを見る。

図２においては、顕微鏡３の物体領域４１が、接眼レンズ１１をのぞく観察者の右眼によって認識されるように、模式的に示されている。図中、ラインは、検査される組織部位の光学画像として顕微鏡３によって生成される組織構造を示している。さらに、先端部１９をもつ測定ヘッド１５の一部、および２つの発光ダイオード２９を画像中に見ることができる。図２は、測定ヘッド１５の先端部１９が検査される組織部位を体系的にスキャンした状況を示しており、小さな丸で示されたマーキング４５が見え、それは腫瘍組織を表す。システムが「腫瘍組織」カテゴリーの組織データを検出した位置にマーキング４５が見える。これらのマーキングは、装置３１によって保存され、測定ヘッド１５の先端部１９がもはや対応する位置にない場合にも、画像中に見える状態にしておくことができる。しかしながら、検査をすべてやり直すために、既に保存されているマーキングを削除するための選択をすることもできる。

丸で表される個別のマーキングのディスプレイに対して予備的に、または、追加的に、図２中の破線４７で示されたラインを表示することもできる。ライン４７は、マーキング４５群の周辺を表すために、装置３１によって計算されたものである。これは、マーキング４５が画像中に示されていないときに、光学的に認識可能な構造４５の画像が過度に重なり合わないようにするという利点を有している。

図１に示された実施形態においては、ビームスプリッタ２３および３５は、顕微鏡３の左右のビーム経路にそれぞれ配置されている。予備的に、ディスプレイ３３によって生成される画像中に結合させるためのビームスプリッタ３５が、物体領域５の画像の外に結合させるためのビームスプリッタ２３とズームシステム９との間に配置されるように、顕微鏡の１つのビーム経路中に両方のビームスプリッタを配置することもできる。そのような実施形態においては、カメラ２５によって記録された画像は、例えば、記録する目的のために、または、接眼レンズ１１にアクセスしていない更に別の観察者が接眼レンズ１１をのぞく観察者と、同じ画像を見ることができるように、ディスプレイ３３によって生成されたマーキングを含む。

中に結合されたマーキング４５が画像評価装置２７による発光ダイオード２９の位置の評価を阻害しないように、マーキングを緑で表示することができる。一方、評価装置２７は、測定ヘッドの位置の評価のために赤の画像コンポーネントのみ、すなわち、発光ダイオード２９が発する色のコンポーネントを使用する。

図４に模式的に示された検査システム１ａは、対物レンズ８ａを備えた顕微鏡３ａと、カメラ２５ａと、観察者が直接自分の頭に載せることができ、且つ、カメラ２５ａによって記録された組織部位７ａの画像を対物レンズ８ａを通して観察者の両眼に提供する頭着用型ディスプレイ５１とを含む。対応する画像データは、コンピュータ１６ａから頭着用型ディスプレイ５１に無線通信によって供給される。コンピュータ１６ａは、カメラ２５ａによって記録されたデータを受け取り、また、それは無線送信の送信器５３に接続されている。

図１に関して示された実施形態とは異なり、検査システム１ａの超音波測定ヘッド１５ａは、先端部のみならず、拡大されたライン１９ａに沿って分布する複数の位置におけるデータを抽出する測定ヘッドである。ライン１９ａに沿った複数の位置において測定ヘッド１５ａによって抽出されたデータは、異なるデータカテゴリーに識別するために、コンピュータ１６ａにも供給される。

顕微鏡３ａの対物レンズ８ａ対する相対的な測定ヘッドの位置の決定は、検査システム１ａにおいて、カメラ２５ａによって記録された画像を評価することによってではなく、対物レンズ８ａから離れて配置された更に別のカメラ５５によって記録された画像を評価することによって行われる。カメラ５５は、測定ヘッド１５ａの表面上に設けられた別の四角形内に配置された四角形の形状のマーカーパターン５７をトラックし、コンピュータ１６ａは、ライン１９ａの位置及び方向を決定し、それに沿って、測定ヘッド１５ａは、カメラ５５によって記録された画像の評価に基づいて、データを抽出する。ライン１９ａに沿った複数の位置の１つにおいて、データの評価が「腫瘍組織」データとして識別されれば、コンピュータ１６ａは、図２に関して上記したように、頭着用型ディスプレイ５１によって示された画像中の対応する画像位置にマーキングを表示する。

既に示した実施形態において、検査される組織部位のずれを画像処理によって顕微鏡の画像フィールド内に検出することができる。次に、画像中に表示されたマーキングを、検出されたずれにしたがって配置してもよい。それによって、測定ヘッドによって検査される組織部位を、そのようなずれの後に再びスキャンする必要はない。

顕微鏡の画像領域中の検査される組織部位のそのようなずれは、一方では、患者の動きによって起こり、他方では、手術室で患者に対して相対的に顕微鏡を動かす外科医によって起こる。ずれは、例えば、物体領域４１（図２参照）の画像を分析し、組織構造の位置（図２のライン４３参照）をパターンとして決定し、そのようなパターンのずれを検出するコンピュータによって検出することができる。それによって、領域４７にマーキング４５が既に提供されている場合、図２に示された例のように、外科医は観察状況から始めて、領域４７がもはや画像領域４１に存在しなくなるまで顕微鏡を動かし、その後顕微鏡に戻すことができる。顕微鏡を戻した後、マーキング４５は、検査される組織領域に対して相対的に正しい位置に現れる。

予備的に、上記のような画像処理によるずれを決定するために、単純化された実施形態においては、手術室中の顕微鏡の座標を記録するだけで、患者が動かないと仮定することができる。その後、検出すべきずれは、手術室の顕微鏡の座標のばらつきの結果生じることになる。

マーキングは、画像メモリ中に保存されることが好ましい。その内容物は、瞬間的に認識される画像領域４１（図２参照）、またはディスプレイ３３によって表示される画像領域のそれぞれを超えて拡大された画像領域を示している。次に実際に表示される画像領域はディスプレイ３３によって再生される、画像メモリの部分領域に対応する。次に画像領域または顕微鏡のずれはそれぞれ、拡大された画像領域４１に対して相対的に表示されたメモリ内容物の移動またはスクロールに対応させることができる。

光学システムは、顕微鏡に対して予備的もしくは追加的に、内視鏡もしくはビデオ光学システムを備えていてもよい。さらに、もし、測定ヘッドが超音波測定ヘッドであれば、フロー検出ドップラー型、もしくはデュプレックス型でもよい。しかしながら、測定ヘッドはまた、血糖濃度、ナトリウム、および／もしくはカリウム濃度、またはその比率、または組織もしくは体液温度のような生化学的もしくは電気生理学的パラメータを検出するために用いてもよい。

要約すれば、本発明は、検査システムおよび対応する検査方法を提供する。その方法は、顕微鏡の物体面近傍に組織部位を配置し、組織部位の光学画像を生成すること、顕微鏡とは別個の測定ヘッドから組織データを受け取ること、前記組織データを少なくとも２つのデータカテゴリーに識別すること、および前記識別されたデータカテゴリー及び光学システムのコンポーネントと測定ヘッドの間の相対的位置に依存して、組織部位の光学画像中にマーキングを表示することを含む。

したがって、本発明は、最も実用的かつ好ましいと考えられている実施形態において図示され、記載されているが、本発明の範囲内での変更態様が可能である。したがって、ここに開示されている詳細に限定されず、すべての等価な方法および装置を含むように、クレームの範囲を一致させることができる。

本発明の第１の実施形態の検査システムの模式図である。 図１の検査システムによって得られた検査すべき組織部位の光学画像をマーキングを表示した状態で示す図である。 ２つの異なるデータカテゴリーに属する組織データを表す模式図である。 ２つの異なるデータカテゴリーに属する、更なる組織データを表す模式図である。 本発明の第２の実施形態による検査システムを表す模式図である。

Claims (17)

1. 検査すべき組織部位を、観察者に対して表示するための検査システムであって、前記システムは、
   前記組織部位の光学画像を生成するための光学システムと、
   組織データを得るための測定ヘッドを備えた組織認定システムであって、前記測定ヘッドは、光学システムのコンポーネントに対して相対的に移動可能であり、前記組織認定システムは、得られた組織データを分析し、得られた組織データを少なくとも２つのデータカテゴリーに識別するためのコンピュータをさらに備えている組織認定システムと、
   前記光学システムの前記コンポーネントに対する測定ヘッドの位置を決定するために構成された位置検出システムと、
   前記測定ヘッドの前記検出された位置および識別されたデータカテゴリーに基づいて、前記組織部位の光学画像の位置に光学的にマークを付けるための指示システムとを含む、検査システム。
2. 前記光学システムは、対物レンズを含み、前記位置検出装置は、対物レンズに対する測定ヘッドの位置を決定するために構成されている、請求項１に記載の検査システム。
3. 前記測定ヘッドは、手持ち式の測定ヘッドである、請求項１に記載の検査システム。
4. 前記指示装置は、前記光学画像のマーク付けされた位置を表す画像を生成するために構成されたディスプレイと、前記生成された画像を光学システムのビーム経路に重ね合わせるための第１のビームスプリッタとを備えた、請求項１に記載の検査システム。
5. 前記光学システムは、対物レンズと、少なくとも１つの接眼レンズとを含み、第１のビームスプリッタは、前記対物レンズと前記接眼レンズとの間のビーム経路に配置される、請求項４に記載の検査システム。
6. 前記光学システムは、前記光学システムのビーム経路に配置された第２のビームスプリッタと、ビームスプリッタから発するビームに含まれる画像を記録するためのカメラとをさらに含む、請求項５に記載の検査システム。
7. 前記対物レンズと、前記第２のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタとが、この順序で連続して前記光学システムの前記ビーム経路に配置されている、請求項６に記載の検査システム。
8. 前記位置検出システムは、前記カメラによって検出された画像に基いて前記測定ヘッドの位置を決定するために構成されている、請求項７に記載の検査システム。
9. 前記光学システムのビーム経路中に配置されたカメラを更に含み、前記位置検出システムは、前記カメラによって検出された画像に基づいて、前記測定ヘッドの位置を決定するために構成されている、請求項１に記載の検査システム。
10. 前記カメラによって検出された前記画像は、複数のカラーコンポーネントを有し、前記位置検出システムは、前記画像の第１のカラーコンポーネントを評価するために構成されており、前記指示システムは、前記画像の第１のカラーコンポーネントとは異なる第２のカラーコンポーネントに含まれる色を用いて光学画像の位置に光学的にマークを付けるために構成されている、前記画像請求項９に記載の検査システム。
11. 前記光学システムは、前記光学システムの物体面が結像するカメラと、前記カメラによって検出された前記画像を観察者に対して表示するためのディスプレイ装置とを含む、請求項１に記載の検査システム。
12. 前記指示システムは、前記ディスプレイ装置を用いて、光学画像の位置に光学的にマークを付けるために構成されている、請求項１１に記載の検査システム。
13. 前記測定ヘッドは、蛍光測定ヘッド、ラマン分光法測定ヘッド、音響光学的分光法測定ヘッド、光学干渉トモグラフィー測定ヘッド、超音波測定ヘッド、超音波ドップラー測定ヘッド、濃度測定ヘッド、および温度測定ヘッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の検査システム。
14. 前記測定ヘッドは、略直線状、または、アレイ状に配置された複数の位置において、前記組織データを抽出するために構成されており、前記コンピュータは、前記複数の位置のそれぞれに対応する複数のデータカテゴリーを識別するために構成されている、請求項１に記載の検査システム。
15. マーキングの位置を格納するためのメモリを更に含み、前記指示システムは、格納された位置に基づいて光学画像にマーク付けするために構成されている、請求項１に記載の検査システム。
16. 前記光学システムによって提供される光学画像の画像領域よりも大きな、拡大された画像領域を表す画像データを格納するための画像メモリを更に含む、請求項１に記載の検査システム。
17. 組織部位を表示するための方法であって、前記方法は、
    光学システムの物体面近傍に組織部位を配置し、組織部位の光学画像を生成すること、
    前記光学システムとは別個であり、光学ヘッドに対して移動可能な測定ヘッドから組織データを受け取ること、
    前記組織データを少なくとも２つのデータカテゴリーに識別すること、および
    前記識別されたデータカテゴリーと、測定ヘッドの光学システムのコンポーネントに対する測定ヘッドの相対的位置とに基づいて、組織部位の光学画像中にマーキングを表示することを含む方法。

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