JP2013544151A - 生体内イメージング装置及びスペクトル解析を行う方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態では、スペクトル解析を行う生体内イメージング装置は複数の異なる照明光源を備えても良い。一部の実施形態では、生体内装置は、撮像素子を含んでおり、撮像素子は標準のRGBフィルタを備えてもよく、異なる時間中に複数の照明光源のそれぞれを操作することによって交互方式で照明を行う。他の実施形態では、撮像素子は、それ自体に配置されるカラー強化フィルタのタイプ又はカラー分離フィルタのタイプを備えてもよい。撮像素子によって集められる青色、緑色及び赤色のスペクトル領域の照明間における重複を、カラーフィルタによって防止させてもよい。このような実施形態では、複数の照明光源(たとえば、少なくとも6つの照明光源がそれぞれ異なる波長で照明する)は、照明光源の複数の群において照明してもよい。各群は、青色領域のスペクトルに対応する波長で照明する1つの照明光源と、緑色領域のスペクトルに対応する波長で照明する1つの照明光源と、赤色領域のスペクトルに対応する波長で照明する1つの照明光源とから成ってもよい。このような3つの異なる照明光源を備える全ての群は同時に照明してもよく、それによって、照明期間及び集光期間を短縮する。
一部の実施形態では、スペクトル解析を行う方法は、複数の照明光源を含み得る生体内イメージング装置を患者の内腔に挿入することを含んでおり、その際、各照明光源は異なる波長で照明してもよい。一部の実施形態では、方法は交互方式で患者の組織を照明することを含んでもよい。
一部の実施形態では、装置の光学手段は、少なくとも4つの照明光源から発っせられた光を平行な光ビームとする光軸調整レンズを備えてもよい。装置は、平行な光ビームを集光レンズに再配向する折り返しミラーをさらに備えてもよく、集光レンズは光ビームを集めて、それを錐鏡に配向するためのものである。
他の実施形態に応じて、スペクトル解析を行う生体内イメージング装置は、組織を照明するための第1の照明光源と、イメージセンサと、組織から反射した光の焦点をイメージセンサに合わせるための光学系を備えてもよい。一部の実施形態では、装置は、第2の照明光源の極めて近傍に位置する散乱光を集めるための小型分光計をさらに備えてもよい。一部の実施形態では、小型分光計は、組織から散乱した光を別々の特定の波長に分離する回折格子及び分離した散乱光を集めるための検出器を含んでもよい。
説明を単純にし及び明瞭にするために、図に示す要素は必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。たとえば、一部の要素の寸法は明瞭にするように他の要素に比べて誇張されてもよい。さらに、適当であるとみなされる場合、対応する又は類似の要素を示すように、参照番号は複数の図に渡って繰り返されてもよい。
的均一に光を分配し、光学イメージングシステム17の視野において比較的均一な光の分布を達成することである。
もよく、胆汁、血液又は双方の濃度を決定してもよい。
、LPF−700であってもよい。画素スケールに実装され得る大きなスケールにおけるショートパスフィルタ(たとえば、フィルタ1)の例は、ニューメキシコ州、アルバカーキのCVIメレスグリオ社によって製造されるSPF−400、SPF−450、SPF−500であってもよい。画素スケール(たとえば、フィルタ2)に実装され得る大きなスケールにおけるワイドバンドパスフィルタの例は、ニューメキシコ州、アルバカーキのCVIメレスグリオ社によって製造されるF40−550.0−4、F70−550.0−4であってもよい。ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ及びワイドバンドパスフィルタの他の例を使用してもよい。
体内の他の位置に移動する前に反射光が実質的に同一の生体内の位置から反射されることを保証する。プロセッサ(図示なし)によって生成され得るスペクトルすべての組み合わせのイメージは、白色光イメージに類似してもよい。
、それは癌性病変であると結論付けられてもよい。しかしながら、「病変領域」における血液濃度が、その周辺の血液濃度とほぼ同一であれば、病変は良性であると結論付けられてもよい。
Iλiは、生体内装置に含有されるイメージセンサによって集められる光の強度であり、波長λiにおいて照明する照明光源に続くものである(Iλiは、照明波長に応じることに加えて、光学設計、たとえば、F値及び撮像素子の設計、たとえば、画素サイズに応じる。しかしながら、光学設計及び撮像素子の設計は固定されており、同一の装置によって照明される波長において不変であるため、それらの設計は計算から無視されてもよい);
I0λiは、波長λiにおいて照射する照明光源の照明強度である;
Aは、入射角度に応じる組織の反射率を表すアルベド(Albedo)係数である(Aは波長に低い相関を有する);
Rλiは、照明波長及び組織の組成に応じる組織の反射率である;
Dは、生体内装置と組織との間の距離である(図3A);
Ccontは、装置と組織との間に存在する内容物又は媒体の濃度である;
γλiは、波長λiにおける内容物/媒体の吸収係数である;
βは、照明波長と低い相関を有する、内容物/媒体の散乱係数である。
Rλiは、波長λiにおける組織からの反射である;
λ1及びλ2は、ヘモグロビンの吸光度が高レベル、すなわち、そのピーク値に近い又はピーク値である波長であり;
λ3は、ヘモグロビンの吸光度が非常に弱い波長の範囲から選択される波長である。
たとえば、λ1は540nmであってもよく、λ2は560nmであってもよく、λ3は610nm以上であってもよい。好適な波長の他の例は:λ1は576nmであってもよく、λ2は560nmであってもよく、λ3は610nm以上であってもよい。
他の実施形態では、算出された血液濃度の確度に関するより信頼できる結果を取得するように、実際には、環境はクリーンな環境ではないため、撮像素子からの病変の距離及び
撮像素子からの病変の周辺の距離を推定して、組織及び病変を取り囲む媒体の吸収を推定する必要がある。距離は、その全体が参照によって本明細書に組み入れられる、本発明の共通の譲請人による、「生体内腔における物体のサイズを推定するための装置、システム及び方法(DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING THE SIZE OF AN OBJECT IN A BODY LUMEN)」と題される米国特許出願公開番号2009/0097725の図4に記載されるように測定されてもよい。たとえば、物体(たとえば、ポリープ)の距離は、レーザースポットの距離及びグレーレベルの組み合わせによって算出されてもよい。
下記の式(βは散乱係数を表す)に応じて算出がなされる:
て使用される、スペクトル解析を行うための模式的なシステム(3A)、波長に対する媒体の吸収の模式的なグラフ(3B)及び波長に対する組織の吸収の模式的なグラフ(3C)を示す。図3A〜3Cから理解できるように、媒体の吸収係数及び組織の反射率の係数は照明波長λiに応じており、すなわち、媒体の吸収はαλiによって示され、組織の反射率はRλiによって示される。様々な波長における組織の反射率Rλiを算出するように下記の式を使用してもよく、反射率Rλiは組織のスペクトル特性(たとえば、照明される病変が癌性であるか又は良性であるか)を示してもよい。
I0λiは波長λiにおいて照射する照射光源の照射強度である;
Iλiは、生体内装置に含有されるイメージセンサによって集められる光の強度である(Iλiは、照明波長に応じることに加えて、光学設計、たとえば、F値及び撮像素子の設計、たとえば、画素サイズに応じる。しかしながら、光学設計及び撮像素子の設計は固定されており、照明される波長において不変であるため、それらの設計は計算から無視されてもよい);
Dは、生体内装置と組織との間の距離である(図3A);
Rλiは、照明波長及び組織の組成に応じる組織の反射率である;
Aは、入射角に応じる組織の反射率を表すアルベド係数である(Aは波長に実質的に応じない);
血液を吸収する波長の範囲において組織の反射率を推定するように、式(iv)に特定の波長、たとえば、λ1〜λ4が実装されるべきである、たとえば、
式(6)に類似する式に達するように、次いで式(5)及び式(4)が操作される:
様に装置200に関して使用されてもよい。しかしながら、装置200は、弾性散乱光データを取得するさらなる利点を有する。すなわち、組織16における核のサイズ及びその配置に関するデータを提供しており、そのデータは病態の進行の段階、すなわち、病態の重症度を教示してもよい。
部の実施形態に応じて、2つの散乱光ビーム221A及び221BがFOVを形成する。図4に示されるように、FOIはFOVの範囲と実質的に重複するので、集められる散乱光の部分は最大である。
れる光とさらに内部の層から反射される光とを差別化するように、偏光板が用いられてもよい。一部の実施形態では、レンズ306は偏光板を含んでもよい。レンズ306が偏光板を含む場合、照明ユニット10は、レンズ306において受け取られる偏光化された光の偏光の方向においてその偏光方向に沿って配置された偏光板を含んでもよい。照明ユニット10から発光される光を偏光化するための偏光板は、照明ユニット10とウインドウ330との間に位置づけられてもよい。組織表面に最も近い組織層から反射され、散乱される光のみを集めるように偏光板は装置300に含まれてもよい。
ット10によって生じるイメージの妨害を最小限にする。
系402によって集められ、撮像素子430に投影されて組織16の照明領域のイメージを生成してもよい。
406を用いて分離されてもよく、マトリクス検出器を構成する複数のベクトル検出器に焦点を合わせられてもよい。
集め得るベクトル検出器又は組織のラインからの散乱光を集め得るマトリクス検出器のいずれかを含んでもよい。
Claims (10)
- 生体内イメージング装置であって、
生体内で組織を照明するための少なくとも6つの異なる照明光源であって、前記少なくとも6つの異なる照明光源のうち少なくとも2つは青色スペクトル領域における異なる中心波長で照明し、前記少なくとも6つの異なる照明光源のうち少なくとも2つは緑色スペクトル領域における異なる中心波長で照明し、前記少なくとも6つの異なる照明光源のうち少なくとも2つは赤色スペクトル領域における異なる中心波長で照明する、前記少なくとも6つの異なる照明光源と、
組織から反射される光を集めるためのイメージセンサと、
前記イメージセンサに配置されるカラー分離フィルタであって、該イメージセンサによって集められる青色、緑色及び赤色のスペクトル領域の照明間における重なり合いを妨げるように構成された前記カラー分離フィルタと、を備えており、
前記少なくとも6つの異なる照明光源は、3つからなる群により照明するように構成されており、 3つの照明光源からなる群は各々、青色スペクトル領域で照明する1つの照明光源と緑色スペクトル領域で照明する1つの照明光源と赤色スペクトル領域で照明する1つの照明光源とを含み、該3つの照明光源は同時に照明するように構成されている生体内イメージング装置。 - 前記カラー分離フィルタは、オメガオプティカル社(Omega Optical)によるSPECTRAPLUS XB29、HOYA社によるV30、イリディアン社(IRIDIAN)によるZX000019及びセムロック社(Semrock)によるFF01−464/542/639−25から成る群から選択される請求項1に記載の生体内イメージング装置。
- 前記装置は飲み込み可能なカプセルである請求項1又は2に記載の生体内イメージング装置。
- 集めたデータを外部受信機に送信するための送信機をさらに備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体内イメージング装置。
- イメージセンサの集めた反射光を解析し、病態の特徴を判定する分析器をさらに備える請求項1〜4のいずれか1項に記載の生体内イメージング装置。
- スペクトル解析を行う方法であって、
患者の内腔に生体内イメージング装置を挿入する工程であって、前記装置は少なくとも6つの照明光源を備え、前記少なくとも6つの照明光源のうち少なくとも2つは青色スペクトル領域における異なる中心波長で照明し、前記少なくとも6つの照明光源のうち少なくとも2つは緑色スペクトル領域における異なる中心波長で照明し、前記少なくとも6つの照明光源のうち少なくとも2つは赤色スペクトル領域における異なる中心波長で照明する、前記挿入する工程と、
3つの照明光源からなる群の間において交互に患者の組織内腔を照明する工程であって、前記少なくとも6つの照明光源が3つからなる群により照明するように構成されており、3つの照明光源からなる各群は各々、青色スペクトル領域で照明する1つの照明光源と緑色スペクトル領域で照明する1つの照明光源と赤色スペクトル領域で照明する1つの照明光源とを含み、該3つの照明光源は同時に照明するように構成されている、前記照明する工程と、
組織内腔から反射される光を集める工程と、
反射光を解析する工程と、
病態の特徴を判定する工程と、を備える方法。 - 前記反射光を解析する工程は、カラーイメージを取得する工程を含む請求項6に記載の方法。
- スペクトル解析を行う方法であって、
異なる波長において照明する少なくとも4つの照明光源を備える生体内イメージング装置を患者の内腔に挿入する工程と、
患者の組織内腔を照明する工程と、
組織内腔から反射される光を集める工程と、
反射光の照明の強度が既知である第1の2つの異なる照明波長について、式(iii)を適用することによって、該前記第1の2つの異なる照明波長についての組織からの反射の間の比を算出する工程と、
反射間の前記比から組織の血液濃度を判定する工程と、を含む方法。 - 第1の2つの異なる照明波長に対する組織からの反射間の前記比を算出する工程は、
(a)組織と生体内イメージング装置との間の距離Dが既知であり、かつ、波長Iλi当たりの集められた光の強度が既知である式(6)を適用する工程と、
(b)第2の2つの異なる照明波長についての媒体の吸収係数の間の差異を式(6)から引き出す工程であって、該第2の2つの異なる照明波長は、ヘモグロビンの吸収が弱い波長の範囲から選択される、前記引き出す工程と、を備える請求項8に記載の方法。 - 第1の2つの異なる照明波長に対する組織からの反射間の前記比を算出する工程は、
(a)追加の波長を用いて組織内腔を照明する工程と、
(b)追加の照明波長に対する組織内腔から反射された光を集める工程と、
(c)波長Iλi当たりの集められた光の強度が既知であり、かつ、距離Dが未知数である式(8)を適用する工程と、
(d)第2の2つの異なる照明波長及び追加の照明波長に対する媒体の吸収係数間の差異の比を引き出す工程であって、第2の2つの照明波長及び追加の照明波長のそれぞれは、ヘモグロビンの吸収が弱い波長の範囲から選択される異なる波長において照明する、前記引き出す工程と、を備える請求項8に記載の方法。
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