JP2011036695A - マルチスペクトル／ハイパースペクトルの医療用計器 - Google Patents

Abstract

【課題】外科手術、診療手順その他の医療評価の間に汎用目的のリアルタイム・イメージ形成を行うための外科用及び診断用の計器を提供する。
【解決手段】患者の組織面に応答する第１段の光学系と、第１段の光学系に光学的に応答し且つ制御入力を有するスペクトル分離器である同調可能液晶フィルタ４２と、イメージ・データ出力を有するイメージ形成素子４６と、イメージ形成素子に応答する入力を持つイメージ取得インターフェース及びスペクトル分離器の制御入力へ与えられる制御出力を持つフィルタ制御インターフェースを有する診断プロセッサ３８とを備える医療用計器３４。
【選択図】図３

Description

本発明は、外科手術、診療手順その他の医療評価の間に汎用目的のリアルタイム・イメージ形成を行うための外科用及び診断用の計器に関する。

同調可能音響光学フィルタ（ＡＯＴＦ）、同調可能液晶フィルタ（ＬＣＴＦ）或いは分散回折格子を用いる分光型イメージ形成装置が公知である。このような装置は、顕微鏡検査及び遠隔検知のために用いられてきた。

本発明は、一般に、患者の組織表面に応答する光学系、光学系に光学的に応答するスペクトル分離器、及び、スペクトル分離器に光学的に応答するイメージ形成センサを含む医療計器を特徴とする。この計器はまた、イメージ形成センサに応答するイメージ取得インターフェースと、スペクトル分離器が応答するフィルタ制御インターフェースとを備えている診断プロセッサを含む。

スペクトル分離器は、同調可能液晶フィルタのような可同調型フィルタでよく、また、イメージ形成センサは、電荷結合デバイスのような２次元イメージ形成アレイでよい。光学系は、マクロ・レンズ、調整可能レンズ、或いは、イメージ形成光ファイバ・ケーブルを含むプローブを含み、患者に対して光学系を位置決めするための架台を光学系に対して接続することができる。制御インターフェースは、リアルタイムに再表示するためのハイパースペクトル・データを取得するため、少なくとも２０回はフィルタを調整するように操作可能である。当該医療計器は、可視光下でのみ取得されるイメージに対する診断処理を実施することができる。

診断プロセッサは、汎用処理モジュールと、それぞれがフィルタ伝達関数及びイメージ処理プロトコルを含み得る診断プロトコル・モジュールとを含むことができる。汎用処理モジュールは、フィルタに対して、患者から収集した光にフィルタ伝達関数を順次適用すること、１つのフィルタ伝達関数が適用された後にそれぞれ得られる収集光の多数のイメージをイメージ形成センサから取得すること、及び、処理された表示イメージを得るためイメージ処理プロトコルに従って取得されたイメージを処理することを指令するよう動作し得る。汎用プロセッサは、人間の視覚残像程度の期間内に処理済みの表示イメージを生成するよう動作するリアルタイム・プロセッサでよい。このプロセッサはまた、診断処理プロトコルの波長数及び複雑さに応じて、更に低速でイメージを取得するように動作することができる。当該プロセッサ及びフィルタは、可視域、赤外域及び紫外域において動作することができる。

本発明に係る計器は、外科手術中、臨床手順の実施中或いは他の医療評価の過程において得られるリアルタイム・イメージに基いて、外科医或いは内科医が医療的症状を診断し或いは外科手術方針を立てることを可能にし得るという点で有益である。従って、内科医は、対話型インターフェースを提供することにより組み立てることができたよりも、患者の状態について著しく多くの情報を得ることが可能である。このような付加的な情報は、所与の外科的手順を更に正確に実施することを可能にし、更に良好な外科手術結果に導き得る。また、他種の医療評価及び手順の精度及び結果をも強化し得る。

当該計器の汎用性はまた、外科医が膨大な量の医療情報を一刻を争う外科手術の状況において生み出すことを助けることが可能である。例えば、患者が比較的単純な手術を受けると、その間に外科医は腫瘍或いは他の内部症状を発見することがある。本発明に係る計器を用いると、外科医は麻酔下にある患者に少量の余分な時間を消費すればよく、また、腫瘍の性質及び程度を判定することができる。このことは、長い手術時間が潜在的な罹患及び死亡のリスクを課す大きな手術において特に有益である。当該手順が迅速であり且つ非侵入的であるため、患者は余分な危険に殆どさらされない。迅速な診断及び評価の利点は著しい。

また、本発明に係る計器は、広範な診断能力を提供することができ、多数の計器の投資を行うことなく、医師が実質的に種々の異なる領域において自らの手法の能力を強化することを可能にする。従って、医師は、特定の組織、下位組織或いは罹患状態の幾つかの症状に特に的を絞ったソフトウエア・モジュールの付加によって、計器を強化し或いは更新することができる。このことは、単一の基本的計器を種々の異なる種類の処置に対して構成し、当該計器により供される処置の種類に従って値を付けることを可能にする。例えば、一般的な外科医により使用される汎用計器は、一般的な外科医が遭遇し得る種々の状況の診断を可能にする診断プロトコルのパッケージを含むことができるが、専門医が脳内の特定の症状を探知することを可能にするように神経外科医用モジュールが付加されることもある。計器の性能を更新し、特殊化し或いは改善するために、電子的及び光学的な改善をも提供される。このような改善は、処理モジュール、メモリ・ボード、レンズ等々を含み得る。

本発明に係る肉眼視用計器の斜視図である。 本発明に係る剛直型或いは可撓型のプローブに基く計器の斜視図である。 図１の計器のブロック図である。 図１のシステムの動作を示すフロー図である。

図１において、本発明に係る計器１０は、外科架台１４に載置されたイメージ形成モジュール１２を含む。当該実施の形態では、外科医は位置決め機構１８を介してイメージ形成部の姿勢を調整する制御装置１６を操作することによりイメージ形成部１２を患者２０の方へ向けることができる。

図２において、本発明の代替的な実施の形態２２は、光ファイバ・ケーブル２６を介してイメージ形成ステーション３０へ接続された剛直性或いは可撓性の内視鏡、胸腔鏡、腹腔鏡或いは血管顕微鏡のためのプローブ２４を含む。外科医は、最小限に侵入的な外科的手順で患者体内でプローブを操作し、患者の一部位からイメージを得て、ディスプレイ２８上にイメージを表示することができる。レーザのような医療手段３２もまた、プローブを介して提供され得る。例えば、特定の症状の診断後に、医師は、この症状を処置するため、レーザ切除療法を開始することができる。

図３において、本発明に係る医療計器３４は、光学的取得システム３６と診断プロセッサ３８とを含む。光学的取得システム３６は、第１段のイメージ形成光学系４０と、同調可能液晶フィルタ（ＬＣＴＦ）４２と、第２段の光学系４４と、イメージ形成素子４６とを含む。第１段の光学系は、患者から収集した光を受取り、この光をＬＣＴＦの表面へ収束させる。第１段の光学系は、肉眼視計器（図１）の場合には、簡単な或いは複合型のマクロ・レンズでよい。プローブに基く計器（図２）においては、第１段の光学系は、内視鏡、腹腔鏡、胸腔鏡或いは血管顕微鏡用のプローブのようなプローブ内にイメージ形成光学系を含むことができる。第１段のレンズもまた調整可能であり、医師は一層広い範囲の組織を走査してから特定の領域をクローズアップすることができる。

ＬＣＴＦ４２は、問題の波長領域以外の全域を、患者から収集した光から除去するプログラム可能なフィルタである。第２段の光学系４４は、ＬＣＴＦから残りの光を受取り、この光をイメージ・センサ４６に対して収束させる。イメージ・センサは、イメージ信号を診断プロセッサ３８へ送る電荷結合デバイス（ＣＣＤ）・アレイのような２次元アレイ・センサであることが望ましいが、必須ではない。

診断プロセッサ３８は、イメージ・センサ４６の出力に応答する入力と、汎用オペレーティング・モジュール５４へ与えられる出力とを持つイメージ取得インターフェース５０を含む。汎用オペレーティング・モジュールは、イメージの処理を行うと共にシステムの各部を動作させ且つ制御するルーチンを含む。このモジュールは、第１の制御インターフェース５２へ与えられる制御出力を有し、制御インターフェース５２はＬＣＴＦ４２へ与えられる出力を有する。汎用オペレーティング・モジュールはまた、多数の診断プロトコル・モジュール５６Ａ、５６Ｂ、・・・、５６Ｎと相互作用し、ビデオ・ディスプレイ１２へ与えられる出力を有する。前記診断プロセッサは、特殊目的のハードウエア、特殊目的のソフトウエアを含む汎用ハードウエア、或いはこれらのハードウェアの組合わせを含むことができる。診断プロセッサはまた、汎用オペレーティング・モジュールに接続された入力装置５８をも含んでいる。記憶装置６０及びプリンタもまた、前記汎用オペレーティング・モジュールに接続されている。

動作については、図３及び図４を参照して、計器を用いる外科医が、計器の入力装置を用いて診断プロトコル・モジュールを選択する（ステップ１００）ことにより開始する。各診断プロトコル・モジュールは、１つ以上の種類の組織の表面の特定の特性を検出するようになされている。例えば、外科医は、ガン組織の鮮明度を強調するモジュールを選択する。次いで、外科医は、カメラを問題の領域に向かせ、周囲光の下で、或いは、発する光の特定の特性を強調するためフィルタ処理が可能である補助光源の助けにより、前記領域の検査を開始する。

診断プロセッサ３８は、フィルタの一連の伝達関数と、選択された診断プロトコル・モジュール５６からのイメージ処理プロトコルとを取得することにより、外科医の入力に応答する。診断プロセッサは、フィルタ処理用伝達関数をフィルタ制御インターフェース５２を介してＬＣＴＦ４２へ与え（ステップ１０２）、次いで、イメージ取得インターフェース５０に対して、イメージ・センサ４６から結果として得るフィルタ処理済みイメージを取得し記憶するように指令する（ステップ１０４）。汎用オペレーティング・モジュール５４は、選択された診断プロトコル・モジュールに記憶されたフィルタ伝達関数の数に応じて、これらのフィルタ処理及び取得のステップを１回以上反復する（ステップ１０６）。フィルタ処理用伝達関数は、帯域通過、多重帯域通過、或いは他のフィルタ特性を表わし得る。

イメージ取得インターフェース５０が外科医が選択した診断プロトコルにより指定される全てのイメージ面に対するイメージを記憶してしまうと、このインターフェース５０は、選択された診断プロトコル・モジュール５６Ｎからのイメージ処理プロトコルに基いて、これらイメージ面の処理を開始する（ステップ１０８）。処理の諸動作は、異なる波長の収集光の相対振幅の比較、異なる波長の収集光の振幅の加算、或いは、取得された面に対応する信号の他の組合わせの計算などの、組合わされたイメージの一般的イメージ処理を含み得る。処理動作はまた、イメージを計算するための更に複雑な多変量統計手法（例えば、ケモメトリックス）をも含み得る。計算されたイメージは、ディスプレイ１２上に表示される。このイメージも、記憶装置６０に格納することができ、或いはプリンタ６２でプリントアウトすることができる。

処理動作はまた、診断知識ベースに基礎を置くことができる。このデータベースは、光学的診断と実際の診断との間の比較の結果得られるデータを含むことができる。各計器はまた、診断を行うため使用されるに伴い、そのデータベースを連続的に更新することができ、これによりその診断能力を確実に拡張する。

リアルタイム・イメージまたは近似リアルタイム・イメージを外科医へ提供するために、計器は面を繰返し取得し、これらの面を処理して、外科医に対して表示されるイメージを生じる。これは、外科医が計器を移動させ、或いは、拍動する心臓のような動く臓器を見ることを可能にする。このような一定の取得及び処理は、外科医が計器をターン・オフする（ステップ１１０）か、或いは、異なるイメージ形成モードを選択する（ステップ１１２）まで継続する。診断プロセッサ３８は、このようにしてスクリーンをビデオ速度（即ち、約３０フレーム／秒）で更新するのに充分な処理能力を持つことが望ましい。けれども、数フレーム／秒のような低いビデオ速度は良好に働くし、１フレーム／分などの低い速度が多くの目的に適するものではある。低速の計器においては、呼吸または心拍による運動アーティファクトを除去するため、心臓ゲーティング（ｃａｒｄｉａｃ ｇａｔｉｎｇ）のような一般のロックイン方式或いは他のトラッキング形式を用いることができる。フレーム速度もまた、波長数及び診断手順の複雑さに応じて変更される。

計器は、マルチスペクトル（ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ）、ハイパースペクトル（ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ）或いはウルトラスペクトル（ｕｌｔｒａｓｐｅｃｔｒａｌ）のイメージ形成モードにおいて動作し得ることが望ましい。マルチスペクトル・モードは、比較的少数のスペクトル・イメージ面（２波長ないし約２０波長）から得られるイメージ処理を含んでいる。ハイパースペクトル及びウルトラスペクトルのイメージ形成モードは、少なくとも２０個のイメージ面を含み、一層正確で情報の多い結果を生じ得る。ウルトラスペクトル・モードは数百の波長を含み、患者について更に多くの情報さえ生じることが可能である。ハイパースペクトル及びウルトラスペクトルのイメージ形成は、特定の病状の弁別のための特定の波長帯域の選択を含んでおり、計器が同時に多数の健康状態を走査することをも許容する。

受取るイメージを強化するための、紫外線ランプ、赤外線源その他のスペクトル照射手段またはレーザのような励振源に関連して、両形式の計器が動作できるようにすることも考えられる。このような励振は必須ではないが、異なる光学的現象の検査を可能にし、更に多くの診断情報を提供する。また、診断手順において、放射と反射の両モードを同時或いは逐次に組合わせることができる。同じ診断手順に含まれる異なる放射或いは反射測定法の相対的な利用は、異なる励振源を変調することによって達成可能である。当該計器はまた、患者に導入される生物発光源からの光を生じることもできる。

本発明に係る計器は、可視域外の波長で得られるイメージ面からのイメージを処理するように動作することもできる。特定の実施の形態において、計器は、可視域及び近赤外域に感応する。この計器が分子固有の回転モードを検知することを許容するため、遠赤外線を含めることもまた考えられる。

動作の一例は、血液の酸素飽和を決定するため、酸素ヘモグロビン及び脱酸素ヘモグロビンと関連した約５５０の第１の波長と約５７５の第２の波長とを調べた診断プロトコル・モジュールの使用を含んでいる。これら波長間の関係については、Ｈ．Ｆ．バン、Ｂ．ファゲット、Ｗ．Ｂ．サンダースの「メモグロビン：分子遺伝学及び臨床的特質」（１９８６年）に記載されている。別の事例は、Ｂ．リガス等の「人間の結腸直腸ガンは異常なフーリエ変換スペクトルを表示する」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｐｐ ８１４０〜８１４４、１９８７年）において記載されるような結腸と直腸のフーリエ変換赤外線スペクトルを調べるための診断プロトコル・モジュールの使用を含む。

本発明に係る計器の外科的及び医療的な応用は、限定するものではないが、組織の生活力（即ち、組織が死んだ組織か又は生きている組織か、及び、生きたままであると予期されるかどうか）の決定、組織の虚血（例えば、心臓、または銃創後の脚における）の検出、正常な細胞及び組織と悪性の細胞及び組織との間の弁別（例えば、腫瘍、ジスプラジー及び早熟な（ｐｒｅｃａｕｃｅｒｏｕｓ）組織の描写）、転移の検出、感染した組織と正常（であるが、炎症のある）組織との間の弁別（例えば、大動脈根の感染程度）、病原体の定量及び同定（例えば、火傷創のバクテリア・カウント）、及び、他の病理学的状態の弁別及び描写を含み得る。応用はまた、組織、血液化学及び血流（酸素ヘモグロビン及び脱酸素ヘモグロビン、ミオグロビン デオキシミオグロビン、チトクローム、ｐＨ、グルコース、カルシウム及び他の元素、または生物化合物の単体または組合わせを含む）をも含み得る。当該計器は、獣医によって動物へ適用でき、また歯科医によって歯根膜疾患のような歯科用途に適用できる。

本発明については、複数の特定の実施の形態に関して記述した。しかし、本発明の範囲に該当するものと見なされる多くの改変が当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲は頭書の請求の範囲によってのみ限定されるものとする。更に、請求の範囲の記述が請求の範囲の特定の請求項の範囲を限定すると解釈すべきではない。

Claims (22)

1. 患者の組織面に応答する第１段の光学系と、
   前記第１段の光学系に光学的に応答し且つ制御入力を有するスペクトル分離器と、
   前記スペクトル分離器に光学的に応答し且つイメージ・データ出力を有するイメージ形成センサと、
   前記イメージ形成センサに応答する入力を持つイメージ取得インターフェースと、前記スペクトル分離器の制御入力へ与えられる制御出力を持つフィルタ制御インターフェースとを有する診断プロセッサと、を備える医療用計器。
2. 前記スペクトル分離器が同調可能フィルタである請求項１記載の医療用計器。
3. 前記スペクトル分離器が同調可能液晶フィルタである請求項２記載の医療用計器。
4. 前記イメージ形成センサが２次元イメージ形成アレイである請求項１記載の医療用計器。
5. 前記イメージ形成センサが電荷結合デバイスを含む請求項１記載の医療用計器。
6. 前記イメージ形成センサが赤外線感応フォーカル・プレーン・アレイを含む請求項１記載の医療用計器。
7. 前記診断プロセッサが、汎用処理モジュールと複数の診断プロトコル・モジュールとを含む請求項１記載の医療用計器。
8. 前記第１段の光学系がマクロ・レンズである請求項１記載の医療用計器。
9. 前記第１段の光学系が調整可能レンズである請求項１記載の医療用計器。
10. 前記第１段の光学系を患者に関して位置決めするために前記第１段の光学系に関して接続された架台を更に備える請求項９記載の医療用計器。
11. 前記第１段の光学系が、イメージ形成用光ファイバ・ケーブルを含むプローブを備える請求項１記載の医療用計器。
12. 前記プローブに取付けられた外科用器具を更に備える請求項１記載の医療用計器。
13. 前記制御インターフェースが、ハイパースペクトル・データを取得してリアルタイムに再表示するために前記フィルタを少なくとも２０回調整するよう動作可能である請求項１記載の医療用計器。
14. 前記診断プロセッサが汎用処理モジュールと複数の診断プロトコル・モジュールとを含み、
    前記診断プロトコル・モジュールの各々が複数のフィルタ伝達関数と１つのイメージ処理プロトコルとを含み、
    前記汎用処理モジュールが、フィルタ伝達関数を患者から収集した光へ順次適用するようにフィルタへ指令するよう動作し、
    前記汎用処理モジュールが、前記フィルタ伝達関数の１つが適用された後に得それぞれられる収集された光の複数のイメージを前記イメージ形成センサから取得するよう動作し、
    前記汎用処理モジュールが、処理された表示イメージを得るように、イメージ処理プロトコルに従って、取得されたイメージを処理するよう動作する請求項１記載の医療用計器。
15. 前記汎用プロセッサが、人間の視覚の残像程度の期間内に処理済み表示イメージを生成するよう動作するリアルタイム・プロセッサである請求項１４記載の医療用計器。
16. 前記汎用プロセッサが、約１分以内に処理済み表示イメージを生成するよう動作するリアルタイム・プロセッサである請求項１４記載の医療用計器。
17. 前記汎用プロセッサが、診断プロトコルの波長数と複雑さに依存して、イメージを更に低速で取得するよう動作する請求項１６記載の医療用計器。
18. 前記診断プロセッサが汎用処理モジュールと診断プロトコル・モジュールとを含み、
    前記診断プロトコル・モジュールが、複数のフィルタ伝達関数と１つ以上の症状を検出するためのイメージ処理プロトコルとを含み、
    前記汎用処理モジュールが、前記フィルタ伝達関数を患者から収集した光へ順次適用するようにフィルタに指令するよう動作し、
    前記汎用処理モジュールが、前記フィルタ伝達関数の１つが適用された後にそれぞれ得られる収集された光の複数のイメージを前記イメージ形成センサから取得するよう動作し、
    前記汎用処理モジュールが、処理済み表示イメージを得るため、イメージ処理プロトコルに従って、取得されたイメージを処理するよう動作する請求項１記載の医療用計器。
19. 前記診断プロセッサが、人間の視覚の残像程度の期間内に処理済み表示イメージを生成するよう動作するリアルタイム・プロセッサを含む請求項１記載の医療用計器。
20. 前記診断プロセッサが、可視光を含む光源から取得したイメージに対する診断処理を行うよう動作する請求項１記載の医療用計器。
21. 前記フィルタとセンサとが可視域及び遠赤外域において動作可能である請求項１記載の医療用計器。
22. 前記フィルタとセンサとが紫外域、可視域及び赤外域において動作可能である請求項１記載の医療用計器。

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