JP2007530185A - 光学的にアクセス可能な血管の血管径を測定するための方法 - Google Patents

Abstract

血管径が、画像点計算による直径の決定では容認できないはなはだしいエラーと結びつく程の大きさである場合であっても、デジタル画像に基づいた単純な方法かつ高精度で、光学的にアクセス可能な血管の血管径を測定することが、光学的にアクセス可能な血管の血管径を測定するための方法の目的である。本発明によれば、血管径は、血管がない血管周囲の反射強度および血管の反射強度の対数比から測光的に決定され、これらの強度は、第１の単色画像において決定される。

Description

本発明は、血管およびそれらの周囲を示すデジタル画像に基づいて、光学的にアクセス可能な血管の直径を決定するための方法に関する。

本発明による方法は、特に、人の眼底に適用するために提供されるが、それには限定されない。

血管の血管径、および代謝の誘因または刺激による血管径の変化は、重要な生理学的測定量である。

たとえば眼底の血管におけるように、光学的にアクセス可能な血管の血管径を決定する周知の方法は、デジタル記録画像またはデジタル化画像の、画像処理プログラムでの評価に適したやり方で実施される面積測定法であることが多い。

この種の方法は、たとえば特許文献１から周知であるが、それによれば、血管エッジの斜め位置の補正と共に、内挿によって形成された測光血管エッジ集中の間の距離として血管エッジを取得することに基づいて、血管径が決定される。この方法によって、調整変化のかなりの個別的検知を可能にする再現性が達成される。

しかしながら、デジタル画像に基づいた血管径の幾何学的な測定からは、不都合が生じる。なぜなら、測定精度が、デジタル画像点のラスタの解像度によって制限されるからである。そのために、血管径の大きさが数画像点範囲のオーダに達する場合には、幾何学的な測定におけるエラーが増加する。

独国特許出願公開第１９６ ４８ ９３５ Ａ１号明細書

したがって、血管径が、画像点計算による直径の決定では容認できないはなはだしいエラーと結びつく程の大きさである場合であっても、デジタル画像に基づいた単純なやり方かつ高精度で、光学的にアクセス可能な血管の血管径を測定することが、本発明の目的である。

本発明によれば、上述の目的が、光学的にアクセス可能な血管の血管径を決定するための上記のタイプの方法で達成されるのは、血管がない血管周囲の反射強度および血管の反射強度の対数比から、血管径が測光的に決定され、これらの強度が第１の単色画像において決定されるという点においてである。

異なる酸素飽和度を除くために、第１の単色画像は、ヘモグロビンの等吸収波長に基づくのが好ましい。

光学画像にほとんど必然的に生じる口径食は、第１の単色画像において決定された反射強度が、第１の単色画像と同時に記録された別の波長の第２の単色画像から得られる反射強度にスケーリングされるという点において、補正することができる。

特に有利なやり方で、血管およびそれらの周囲は、スペクトル的に異なる単色画像を同時に記録するために、記録される画像のスペクトル差に対応する異なる照射ビーム波長で同時に照射されるが、各波長は、画像を記録する役目をするカラーカメラのカラーチャネルに適合され、それが、このカラーチャネルによって受信されるようにする。

血管、それらの方向および血管がない周囲の検知は、画像処理手段によって自動的にかまたは手動で実行することができる。このようにして、血管における正反射を識別および除去することができる。

血管の方向と垂直に反射値を測定する場合には、血管に関連する画像点全部の反射値にわたって、平均値がとられる。血管の方向と垂直に平均化された複数の反射値は、血管の方向に沿って決定することができ、また平均値は、これらの平均化された反射値にわたってとられる。

本発明の特別な展開において、血管径の決定は、生理的誘因または刺激への反応として実行される。これは、様々な方法で、たとえばフリッカ光によってか、または検査対象による酸素もしくはカーボゲンの吸入によって実行することができる。

光学的影響に対して特に適した方法は、次の点に存する。すなわち、少なくとも１つの光源からの光が、画像生成装置の照射ビーム経路に配置された光マニピュレータによって、プログラミング技術を介して修正され、修正された光が、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いられるという点である。

本発明による方法によって決定された血管の血管径は、診断目的のために様々な方法で用いることができる。これに関連した有利な用途は、従属請求項に示す。

本発明を、概略図に関連して下記でより完全に説明する。

図１の簡略図に示す画像生成装置を用いて、本発明による方法を実施できる。本方法は、眼底の血管に適用できるのが好ましいが、それには限定されない。

原則として、本発明による方法は、生体の光学的にアクセス可能な（かつ識別可能な）血管に適用できるが、これらの血管の単色合同画像であって、血管の血管径の測光的決定に必要であり、好ましくは異なるスペクトルの画像は、たとえばまた細隙灯、内視鏡または外科用顕微鏡を用いて記録することができる。

本実施形態例によれば、眼底の画像は、ヘモグロビンの等吸収波長λ_ｉ＝５４８ｍｍで記録され、また全ての光学画像に必然的に生じる口径食の補正に必要な場合には、異なる波長λ_ｎでさらに記録される。

これは、たとえば、図１に示す簡単な網膜カメラで実行可能だが、このカメラは極めて経済的なやり方で修正され、またその照射系は、少なくとも１つの照射源２と、特に本発明による方法を実施するために、電子カラーカメラ４のカラーチャネルにスペクトル的に合わせられた波長を照射側に準備するフィルタ装置３と、を共通の照射ビーム経路１に含む。さらに、網膜カメラ技術から周知の構成要素の１つは、穴あきミラー５である。記録ビーム経路６が、この穴あきミラー５の中央開口部を通過する。照射光は、光学撮像素子（ここでは図示せず）を通して眼底７へ向けられ、また特に、眼底に位置する血管、およびそれらの血管の、中央開口部を囲むエリアにわたる周囲へ向けられる。眼底７によって反射された光は、記録ビーム経路６および光学撮像素子（図示せず）に沿って、画像生成記録系へ進む。本実施形態例において、カラーカメラ４は、この目的のために設けられている。カラーカメラ４のカメラ制御部は、中央制御・評価ユニット、特に制御・評価コンピュータ８に接続されている。２つの照射源２および１０に電力を供給する役目をする電源９がまた、制御・評価コンピュータ８、および同様に、対応する傾斜ミラー制御部に接続されている。

もちろん、本発明による方法の実施は、網膜カメラのこの構成に限定されない。医学的検査次第で、様々な修正を行なうか、または他の画像生成装置を用いることができる。たとえば、連続照射源２だけか、もしくはストロボ照射源として構成された照射源１０だけを設けるか、または図１に示すように、それらの両方を一緒に用いることが可能である。この例では従来通りに揺動ミラー１１によって実行するが、照射源１０を共通の照射ビーム経路１に結合するための手段もまた、異なる方法で実現することができる。

しかしながら、２つのスペクトル的に異なる単色画像が、等吸収波長で、本発明による方法を用いた有利なやり方で同時に生成されることになる場合には、図２に対応するカラーマッチングに関連して、カラーカメラ４のカラーチャネルＦＫ_ｊ（ｊ＝１、２、３）の１つにそれぞれが合わせられた異なる波長λ_ｉおよびλ_ｎで、同時にかつ異なる色で眼底７を照射するために、フィルタ装置３は、カラーカメラ４のスペクトル特性に基づいて選択され、かつ照射ビーム経路１に挿入されなければならない。

適切な光学フィルタ３は、既に存在する系の照射ビーム経路１における、好ましくは平行ビーム部分における後の統合に特に適した二重帯域通過フィルタまたは三重帯域通過フィルタなどの層フィルタである。異なるスペクトルのフィルタ特性を備えたセクタ形フィルタ領域であって、それらのセクタが同一または異なるセクタ表面面積を有することができる領域を含む、幾何学的に構造化されたフィルタがまた適しているが、しかしそれは、開口面の近くに配置されなければならない。

λ_ｉ＝５４８ｎｍで、好ましくは画像処理アルゴリズムによって自動的に識別可能な血管およびそれらの血管がない周囲の画像における反射強度が決定され、また血管径が、これらの強度に基づいて、下記で説明するやり方で決定される。

血管に近隣する画像点は、そこに他の血管が検知されない場合には、周囲として用いられる。血管方向が決定された後で、血管に関連する画像点全部の反射値から、血管方向と垂直に平均値を形成するのが好ましい。そうする際に、血管における正反射を、平均値算出から除外することができる。また、血管方向と垂直に平均化された複数の反射値を血管方向に決定し、今度はこれらを用いて（スライド）平均を形成することが可能である。平均値算出はまた、同様のやり方で血管周囲において実行することができる。

血管が埋まった生物学的構造の画像は、血管内および血管壁中かその上、ならびに周囲の組織中の両方の分散、反射および吸収を伴う、組織における光伝播の非常に複雑なプロセスの結果として形成される。しかしながら、意外にも、血管がない血管周囲の反射強度（Ｒ_ｕ）と血管の反射強度（Ｒ_ｇ）との対数比が、血管径ｄ：
ｄ＝ａ・ｌｏｇ（Ｒ_ｕ／Ｒ_ｇ） （１）
に比例するという点において、約２０μｍ〜約８０μｍで１００μｍに制限される血管径を備えた微小血管に対して、血管径と反射径の強度との間で関係を確立することが可能だった。

直径を決定するために用いられる画像の校正のために、血管、血管壁および周囲の生物学的組織におけるビーム搬送のモデルからか、または従来の幾何学的な測定法によって測定された、同じ画像の十分に太い血管との比較を通して、比例定数ａを見出すことができる。比例定数ａは、血管径が十分に大きい（約１００μｍ以上）ので独国特許出願公開第１９６ ４８ ９３５ Ａ１号明細書による方法によって決定できる基準血管と比較することによって、決定するのが好ましい。（１）からの画像特有の比例定数ａは、このようにして、血管がない血管周囲および血管自体の測定された反射と関連して得られた直径値によって与えられる。

本発明に従う方法によって、血管径がたとえば擬似色でコード化される生体画像において、血管構造を示すことが可能になる。正常値と比較した場合に、画像における全ての血管の血管径、および静脈の血管径に対する動脈の血管径の比率の静的評価によって、現存する病状の一般的な診断が可能になる。

さらなる重要な診断情報が、（たとえばフリッカ光を用いた目の照射、患者による酸素またはカーボゲンの吸入による）生理的誘因または刺激に対する血管径の反応によって、提供される。生理的誘因または刺激の前、最中および後で測定値を比較することによって、血管径の変化に関連する個別の血管部分の反応を、観察することができる。誘因または刺激に対して病的反応を呈する血管部分は、健康な検査対象から同じ方法で引き出された発見との比較によって、決定することができ、また画像で識別することができる。

この目的のために、図１による画像生成装置は、フィルタ装置３の隣で共通の照射ビーム経路１に配列され、かつ自身の制御モジュール１３が制御・評価コンピュータ８に対するインタフェース（破線で示す）を有する制御可能な光学式光マニピュレータ１２など、血管の刺激または誘因にも適している追加手段を備えることができる。

プログラミングにより様々な方法で制御可能な光マニピュレータ１２は、照射源全部の間で共有され、またこの場合には連続放射照射源２およびストロボ照射源１０である主光線を修正することによって、第２の光を生成する。

光マニピュレータは、検査タスクに適応的に対応するために少なくとも１つの光源、画像記録および評価を調整することとの一時的に定義された関係において、少なくとも１つの光源の光を、その強度曲線および／または時間曲線に関連してプログラム可能に修正するのに適している。第２の光は、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いることができる。したがって、照射ビーム経路を案内される光の光特性が、変更され、機能するように適合されるという点において、多機能性が、照射ビーム経路に配置された個別素子により照射に影響を及ぼすことによって、達成され得る。

画像のパルス同期シーケンスを記録および評価することによって、血管径における収縮期および拡張期の差を、診断上の特徴として得ることができる。測定された血管径を、検査されている血管における酸素飽和度などの、微小循環の他の局所的または全体的な特性値と組み合わせれば、血流速度または血圧によって、組織における酸素供給および代謝の詳細な説明が可能になる。

本発明による方法を実施するための画像生成装置における構成の簡略図を示す。 照射側に準備される波長領域がカラーマッチングに関連してカラーチャネルに適合される場合に、カラーチャネルにおいて選択される波長領域の位置を示す。

Claims (17)

1. 光学的にアクセス可能な血管の血管径を、前記血管およびそれらの周囲を示すデジタル画像に基づいて決定するための方法において、前記血管の、血管がない周囲の反射強度および前記血管の反射強度の対数比から測光的に前記血管径が決定され、これらの強度が、第１の単色画像にて決定されるものであることを特徴とする方法。
2. 前記第１の単色画像が、ヘモグロビンの等吸収波長に基づくことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の単色画像にて決定された前記反射強度が、前記第１の単色画像と同時に記録される異なる波長の第２の単色画像から得られた反射強度にスケーリングされることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記血管およびそれらの周囲が、スペクトル的に異なる単色画像を同時に記録するために、記録されるべき前記画像のスペクトル差に対応する異なる照射ビーム波長で同時に照射され、各波長が、前記画像を記録するのに供されるカラーカメラのカラーチャネルに適合され、このカラーチャネルによって受信されるようにすることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記血管およびそれらの方向ならびにそれらの血管がない周囲の検知が、画像処理手段によって自動的にまたは手動で実行されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 平均値が、前記血管に関連する画像点全部の反射値にわたって、前記血管の方向と垂直にとられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記血管の方向と垂直に平均化される複数の反射値が、前記血管の方向に沿って決定され、前記平均値がこれらの平均化された反射値にわたってとられることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記血管における正反射が、画像処理手段によって自動的にまたは手動で識別され、除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記血管径の決定が、生理的誘因または刺激への反応として実行されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記生理的誘因または刺激が、フリッカ光によって生成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つの光源からの光が、画像生成装置の照射ビーム経路に配置された光マニピュレータによって、プログラミング技術を介して修正されること、および前記修正された光が、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記生理的誘因または刺激が、検査対象による酸素の吸入によって生成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 前記生理的誘因または刺激が、前記検査対象によるカーボゲンの吸入によって生成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
14. 前記血管径がコード化された前記血管の構造の表示が、生成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 診断基準が、動脈および静脈の決定された血管径ならびにそれらの比率の静的評価を用いて形成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
16. 血管径における収縮期および拡張期の差が、画像のパルス同期シーケンスを記録することによって、診断上の特徴として得られることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記決定された血管径が、酸素飽和度、血流速度または血圧のような微小循環の他の局所的または全体的な特性値と組み合わせて用いられ、組織領域における酸素供給および代謝を決定することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

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