JP2007125144A - レーザー血流画像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素が簡単で、すべての測定点を同時に血流演算処理できる機能を有するレーザー血流画像装置を提供する。
【解決手段】所定波長のレーザー光３を生体組織内の血流に照射するレーザー光照射手段１０と、レーザー光３が照射された前記血流の散乱光を撮影する撮影手段２０と、撮影した血流の画像を画素毎に画像処理する画像処理手段８と、前記画素毎のデータに基づき血流値を演算すると共に、演算した値に応じて色別可能な画像に処理する血流値演算手段３０と、血流値演算手段３０で処理された血流の画像を２次元のカラー画像で色別に表示する表示手段４０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、医学系の計測技術に係り、特にレーザー光を利用した血流計を用いて生体組織の状態を調べる技術に関する。

生体組織への酸素と栄養の供給は血流によって行われている。特に実質の生体組織への供給は微小循環によって行われており、この血流を知ることは重要である。この血流状態を測定する機械として、レーザー光を利用した血流計が知られている。

レーザー光を利用した血流計（レーザー血流計）は、生体組織の静止組織によって散乱されたレーザー光の周波数が変調されない一方で、血管内を流れる赤血球に当たって散乱されたレーザー光の周波数が変調される性質を利用するものである。そして、従来レーザー光を利用して生体組織の血流を測定する装置には、光ファイバ一式と走査式がある。

例えば、光ファイバ一式のレーザー血流計１は、図２に示すように、生体組織Ｔにレーザー光源１ａからレーザー光を照射する照射用ファイバー２ａと、照射用ファイバー２ａから照射され生体組織内で散乱するレーザー光の一部を受光する受光用ファイバー２ｂとを備える血流計用プローブ２を有している。

そして、生体組織内で散乱されたレーザー光を光電変換した後において、レーザー血流計本体側に設けられた演算処理部１ｂは、赤血球流速が変調周波数に比例し、赤血球量が周波数変調された光の量に依存する性質に基づき、演算処理することで生体組織の血流量を求める。

この時、レーザー光の照射と生体組織からの透過光または散乱光の受光は、光ファイバープローブを用いて行う他、プローブの先端に半導体レーザーとフォトダイオード等の光検出器を設置して行う場合もある。

ところで、光ファイバー式は、レーザー光を光ファイバーを通じて生体組織に照射し、そこからの散乱光を対になった光ファイバーで受光して光検出器に導く。そして、光検出器で受光した後に演算処理されて血流値を算出する。この光ファイバー式では基本的に光ファイバー直下の１点の血流しか測定できず、多点測定して血流画像を得ようとする場合には、多くの光ファイバー組を構成して、１点１点ごとの血流を測定した後に画像化する必要がある。ただし、この場合には各点の血流値は実時間で同時に得られる。

一方、走査式の場合には、レーザー光を離れた場所から直接生体組織に照射し、そこからの散乱光を離れた場所に設置してある光検出器で受光する。このとき受光強度が弱い場合には、光検出器の前にレンズを設置して十分な受光強度を確保する。光検出器で受光された散乱光は演算回路で演算処理されて血流値を算出（演算）する。この演算方式は基本的に光ファイバ一式と同じであり、レーザー光を生体組織上で１点１点順次走査させながら散乱光を受光して演算処理を行い、血流値を算出する。そして、走査後に各点の血流値を基にして血流の２次元画像を色の変化として表示させる。走査式の測定時間は通常数分間であるので、各点の血流値算出には時間のずれが生じ、さらに測定対象とする生体組織自体が走査中に移動してしまう問題点を有している。
「レーザー生体組織血流計による皮膚毛細血管血流と細動静脈血管床血流の分離観測法の研究」、鹿嶋 進 他著、医科機器学会６６，３０７−３１３，１９９６

前述のように、多点測定して血流画像を得ようとするファイバー式では、測定対象の大きさに応じた本数の光ファイバーが必要になる。また、１点１点の血流を算出するための演算処理装機能も測定点の数量分必要とされ、装置自体が大型化するといった問題が生じる。

一方、走査式の画像血流計では、レーザー光を測定対象に走査するのに多大の時間を要し、測定時間の開きにより、最初の測定点と最後の測定点間の血流値の関係が正しくない場合がある。また、測定中に測定対象が動いてしまうと、測定点自体の信頼性がなくなってしまうといった問題が生じる。

本発明は、上記の技術的課題を解決するためになされたもので、構成要素が簡単で、すべての測定点を同時に血流演算処理できる機能を有するレーザー血流画像装置を提供することを技術的課題とする。

本発明は、上記のような課題を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、本発明のレーザー血流画像装置は、所定波長のレーザー光を生体組織内の血流に照射するレーザー光照射手段と、
前記レーザー光が照射された前記血流の散乱光を撮影する撮影手段と、
撮影した血流の画像を画素毎に画像処理する画像処理手段と、
前記画素毎のデータに基づき血流値を演算すると共に、演算した値に応じて色別可能な画像に処理する血流値演算手段と、
前記血流値演算手段で処理された血流の画像を２次元のカラー画像で色別に表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明のレーザー血流画像装置において、前記撮影手段は、前記レーザー光の波長、またはその波長を中心とした狭い波長幅を透過する光学フィルターを有することを特徴とする。この構成により、外部からの測定波長以外の光を遮断することができる。

更に、本発明のレーザー血流画像装置において、前記撮影手段は、前記レーザー光を照射された前記生体組織からの表面反射光を除去し、前記生体組織内で散乱した光のみを受光するために、前記レーザー光の偏光方向に対して垂直成分のみを撮影するための偏光板を有することを特徴とする。

更にまた、本発明のレーザー血流画像装置において、前記レーザー光照射手段は、前記生体組織の測定範囲に応じて前記レーザー光の照射面積を調整自在とする照射面積調整手段を有することを特徴とする。

更にまた、本発明のレーザー血流画像装置において、前記撮影手段は、前記生体組織の測定範囲に応じて撮影面積を調整自在とする撮影面積調整手段を有することを特徴とする。

更にまた、本発明のレーザー血流画像装置において、前記レーザー光の照射部位を識別可能とする可視光の光を前記レーザー光と同時に照射する可視光照射手段を備えていることを特徴とする。この構成により、前記測定用レーザー光の波長が近赤外領域等の目に見えない波長の場合に、測定用レーザー光の照射部位を識別可能となる。

以上説明したように、本発明は、（１）対象とする生体組織の測定面積に合わせて照射と撮影面積を可変できるために、無駄がなく、また測定面積が小さい場合には高い解像度の血流カラー画像表示が可能となる。
（２）測定用のレーザー光が目に見えない場合にも可視光を同時に照射面に照射することで、照射面の確認が可能となる。
（３）撮影用のＣＣＤカメラ等の撮像手段の前に光学フィルターを設置することで、測定光のみを効率よく受光し、信号雑音比を上げることが可能になる。
（４）撮影用のＣＣＤカメラ等の撮像手段の前に偏光板を設置することで、生体組織からの表面反射光を受光せず、生体組織内で散乱した光のみを受光することで感度の高い血流測定が可能になる。
（５）測定面全面に照射して一度に撮影してから血流演算処理を行うので、各点の位置関係が変わらず、さらに血流測定に時間差がないので、各点での血流値比較の信頼性が高まる。

従って、本発明は、構成要素が簡単で、測定対象とする生体組織の大きさに応じてレーザー光の照射面積と受光、または撮像面積が可変でき、さらにすべての測定点を同時に血流演算処理できる機能を有するレーザー血流画像装置を提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明であるレーザー血流画像装置を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。この実施の形態では、レーザー血流画像装置を２次元レーザー血流計として説明する。
［レーザー血流画像装置の概要］
すなわち、この実施の形態に係る２次元レーザー血流計は、図１及び図２に示すように、所定波長のレーザー光３を生体組織１内の血流に照射するレーザー光照射手段１０と、レーザー光３が照射された血流の散乱光を撮影する撮影手段２０と、撮影した血流の画像を画素毎に画像処理する画像処理手段８と、画素毎のデータに基づき血流値を演算すると共に、演算した値に応じて色別可能な画像に処理する血流値演算手段（レーザー血流計本体）３０と、血流値演算手段３０で処理された血流の画像を２次元のカラー画像で色別に表示する表示手段４０と、を備えている。なお、レーザー光照射手段１０、撮影手段２０、画像処理手段８、血流値演算手段３０及び表示手段４０は、画像信号送受信可能な信号線５０により配線されている。

［レーザー光照射手段１０］
レーザー光照射手段（レーザーユニット）１０は、レーザー光３を照射する半導体レーザー（レーザー光源）２とレーザー光駆動装置１１と、を備えている。そして、レーザー光駆動装置１１は、レーザー光源２を駆動制御し、レーザー光３を測定対象とする生体組織１全域に一度に照射する。なお、そこからの散乱光は、後述するコンピュータ構成のレーザー血流計本体３０により血流演算処理される。また、レーザー光照射手段１０は、半導体レーザー（レーザー光源）２等からレーザー光３を生体組織１に直接照射し、または生体組織１の測定範囲の大きさに応じてレンズ等でレーザー光３の照射範囲を広げて測定範囲の全面に照射する照射面積調整手段を備えている。照射面積調整手段は、照射面積を生体組織１の大きさに対応させるためのレンズ等であり、レーザー光源２の先端に組み込まれている。

ところで、測定用のレーザー光３の波長が近赤外領域等の目に見えない波長の場合がある。すなわち、レーザー光３を赤血球の酸素化と脱酸素化状態の違いに影響を受けにくい近赤外光とすると、照射面は肉眼では見ることができない。

［可視光照射手段６０］
そこで、この実施の形態に係る２次元レーザー血流計は、測定用のレーザー光３の照射部位を識別可能とする可視光の光を、照射範囲の中央、またはごく近傍、または測定用レーザー光３の照射面全体に、測定用のレーザー光３と同時に照射する可視光照射装置（可視光照射手段）６０を備えている。

［撮影手段２０］
撮影手段２０は、レーザー光３が照射された生体組織１からの散乱光をレンズ６を介してＣＣＤカメラ等の撮像装置７で撮影する。また、撮影手段２０は、レンズ６の手前、またはレンズ６と撮像装置７の間に、照射光の偏光方向に対して垂直成分だけを撮像するための偏光板５と、測定用のレーザー光３の波長を選択的に透過させる光学フィルター４と、を備えている。

［偏光板５］
偏光板５は、生体組織１からの表面反射光の影響を取り除くためのものであり、撮像装置７は、偏光板５を介してレーザー光３を照射された生体組織１からノイズとしての表面反射光を除去し、照射光の偏光方向に対して垂直成分のみの生体組織１からの散乱光を撮影する。

［光学フィルター４］
光学フィルター４は、測定用のレーザー光３の波長、またはその波長を中心とした狭い波長幅を選択的に透過させる。すなわち、この実施の形態の撮像装置７は、偏光板５を用いて生体組織１からの表面反射光を除去し、光学フィルター４を用いて外部からの測定波長以外の光と上記照射面確認用の可視光を遮断することができる。

［撮影面積調整手段］
また、撮影手段２０は、生体組織１の測定範囲に応じて撮影面積を調整自在とする撮影面積調整手段を備えている。この撮影面積調整手段は、レンズ６を測定対象の生体組織１の大きさに応じて交換可能な装置であっても、ズームレンズ等の倍率変換レンズを使用してもよい。

［画像処理手段］
画像処理手段は、撮像装置７で撮影した血流の画像を画素毎に画像処理する画像処理回路基板８を備えている。画像処理回路基板８は、画像処理された画像信号をレーザー血流計本体３０が処理可能な画像データに変換してレーザー血流計本体３０に送信する。なお、画像処理手段は撮影手段（例えばＣＣＤカメラ）２０に内蔵されていても別体であってもよい。

［血流値演算手段３０］
血流値演算手段であるレーザー血流計本体３０は、コンピュータ構成の装置とレーザー血流計本体３０に記録された血流値演算用のソフトウェア及び色別可能な画像に変換するソフトウェアとを備えている。レーザー血流計本体３０は、血流値演算用のソフトウェアの手順に従って前記画素毎のデータに基づき血流値を演算し、演算した値を色別可能な画像に変換する手順に従って色別可能な画像に処理すると共に、処理した色別可能な画像を表示手段（表示装置４０）が表示可能なデータに変換する。例えば、レーザー血流計本体３０は、撮像装置７の各画素について強度の時間的変化等の信号処理を行う。

［血流値演算原理］
次に、血流値演算用のソフトウェアの手順である血流値演算原理の例として、動的スペ
ックル解析法を説明する。
レーザー光３のように位相がそろった光（コヒーレント光）を粗面に照射するとスペックルパターンと呼ばれる粒状の横様が生じる。このスペックルパターンは、各場所からのレーザー散乱光の重ね合わせの結果であり、位相が異なる光が重なり合うために生じる。例えば、動いていない物体にレーザー光を照射した場合には、スペックルパターンは変化せず、光強度も変動しない。

しかし、動いている物体の場合には、スペックルパターンが時間的に変動する。この変動の速さは物体の動いている速さに依存する。したがって、スペックル強度（光強度）の時間変化の程度を調べることで、動いている物体の速度が求められる。

生体組織１にレーザー光３を照射した場合、内部まで光が到達するので、赤血球の動きによってスペックルパターンが変化することになる。
この原理を応用した装置がスペックル血流計である。

ここで、例えば血流値ＢＦは
ＢＦ＝ΣＡｃ（１ ／ｌｓｄ（ｘ、ｙ））ｃ
として求められる。
なお、式において、「Ａｃ」は乗数項Ｃに対応する定数を示し、「ｌｓｄ（ｘ、ｙ）」は画素（ｘ、ｙ）の撮影した受光強度の揺らぎを示し、「Ｃ」は乗数を示す。

［表示手段］
表示手段は、血流をその値に応じて色別に表示するカラー画像として表示する表示装置４０を備えている。表示装置４０は、図３に示すように、通常画像をカラー表示する領域４１と、組織血流をカラー表示する領域４２と、平均血流の時間を線グラフにより表示する領域４３と、ヒトグラムを表示する領域４４に４分割されている。表示装置４０は、血流値演算手段３０の制御に基づきそれぞれの領域にそれぞれの画像を表示する。

次に、この実施の形態に係る２次元レーザー血流計の動作を説明する。
２次元レーザー血流計は、レーザー光照射後、生体組織１で散乱されたレーザー光３の一部を撮像装置７で撮影する。

このとき、光学フィルター４は、外部からの測定波長以外の光と照射面確認用の可視光を撮影しないように、測定用のレーザー光３の波長、またはその波長を中心とした狭い波長幅を選択的に透過させるように機能する。また、偏光板５は、レーザー光３が生体組織１の表面で反射された光を撮影しないように機能する。なお、通常、表面反射光は、生体組織１のごく表面で反射されるので血流情報が含まれない。そこで、表面反射光がレーザー光３と同じ偏光方向を有する性質と、生体組織１内で散乱した散乱光がレーザー光３の偏光方向に対して垂直成分となる性質を利用し、偏光板５の偏光面により、レーザー光３の偏光方向に対して垂直成分のみの生体組織１からの散乱光を撮影する。

レンズ６は、測定領域のみを効率よく撮像するように交換可能に、またはズームレンズ等の倍率変換レンズを用いて倍率を選択できるように機能する。

撮像装置７で撮影した信号光は、各画素毎に画像処理回路基板８に信号線５０を通して送られる。そして、画像処理回路基板８で画像処理された各画素毎の信号は、レーザー血流計本体３０ヘ送られ、そこで血流演算用のソフトウェア（血流値演算手段）で解析し、血流値をその値の大きさに応じた色に変えて表示装置４０が表示可能な２次元カラー画像に変換処理する。このとき、血流値が低い値から高い値に対応させる色は、例えば、青色から赤色までを用いることができる。

この実施の形態によれば、生体組織１にレーザー光３を照射して、赤血球の流れに対応してスベックル状態を変化させ、この状態を撮像装置（ＣＣＤカメラ）７で撮影し、レーザー血流計本体３０で解析、演算を行うことで２次元の血流画像をカラーで表示することができる。

なお、高感度ＣＣＤカメラの連続映像と高速解析処理を用いることで、約１秒に１画像の速さを実現する２次元画像レーザー血流計（レーザー血流画像装置）を提供することができる。更に、この実施の形態によれば、下記の作用効果を有する。
（１）高速測定…１回の血流画像測定速度は１秒以内であり、ほぼリアルタイムで血流分布の変化を観測できる。
（２）高解像度…ＣＣＤカメラのピクセルごとに血流を演算するので、非常に細かい表示が可能である。
（３）データ解析…部分領域を任意に指定することで、平均血流量を演算し、時間的変化を領域４３に波形で表示できる。また、領域４４にヒストグラムを表示することにより血液分布の解析ができる。
（４）非接触測定…生体に触れることなく測定が可能なので、非侵襲で再現性に優れている。
（５）カラー表示…各領域の組織血流をカラー表示してディジタル画像として表示するので血流分布が明瞭に測定できる。
（６）信頼性…血液画像の各ピクセルは同一時間の情報になりるので、１点ごとのスキャニングのような時間差は生じない。
（７）利便性…ＣＣＤカメラのビデオ機能で同時表示するので測定部位の決定に役立つ。また、測定時も血流カラーイメージと同期していますので解剖学的な判断が容易である。（８）小型…測定部分はＣＣＤカメラとレーザーユニットのみなので小型化が可能である。

本発明のレーザー血流画像装置の外形斜視図である。 本発明のレーザー血流画像装置の概念ブロック図である。 表示装置の画像表示例図である。

符号の説明

１ 生体組織
２ レーザー光源
３ レーザー光
４ 光学フィルター
５ 偏光板
６ レンズ
７ 撮像装置
８ 画像処理回路基板（画像処理手段）
１０ レーザーユニット（レーザー光照射手段）
２０ 撮影手段
３０ レーザー血流計本体（血流値演算手段）
４０ 表示装置（表示手段）
５０ 信号線
６０ 可視光照射装置（可視光照射手段）

Claims (6)

1. 所定波長のレーザー光を生体組織内の血流に照射するレーザー光照射手段と、
   前記レーザー光が照射された前記血流の散乱光を撮影する撮影手段と、
   撮影した血流の画像を画素毎に画像処理する画像処理手段と、
   前記画素毎のデータに基づき血流値を演算すると共に、演算した値に応じて色別可能な画像に処理する血流値演算手段と、
   前記血流値演算手段で処理された血流の画像を２次元のカラー画像で色別に表示する表示手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザー血流画像装置。
2. 前記撮影手段は、前記レーザー光の波長、またはその波長を中心とした狭い波長幅を透過する光学フィルターを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー血流画像装置。
3. 前記撮影手段は、前記レーザー光を照射された前記生体組織からの表面反射光を除去し、前記生体組織内で散乱した光のみを受光するために、前記レーザー光の偏光方向に対して垂直成分のみを撮影するための偏光板を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー血流画像装置。
4. 前記レーザー光照射手段は、前記生体組織の測定範囲に応じて前記レーザー光の照射面積を調整自在とする照射面積調整手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー血流画像装置。
5. 前記撮影手段は、前記生体組織の測定範囲に応じて撮影面積を調整自在とする撮影面積調整手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー血流画像装置。
6. 前記レーザー光の照射部位を識別可能とする可視光の光を前記レーザー光と同時に照射する可視光照射手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザー血流画像装置。

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