JP2015102542A - 生体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体組織における癌細胞の有無を非侵襲でより簡易に測定することが可能な生体検査装置を提供する。
【解決手段】生体検査装置１では、光源１０から近赤外光を生体組織に対して照射することで受光部２０において得られるスペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍ及び１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲において生じる癌細胞と正常細胞との間でのスペクトル形状の変化を、２次微分値として数値化をして評価を行うことができる。このように、上記の生体検査装置によれば、生体組織における癌細胞の有無を非侵襲でより簡易に測定することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体検査装置に関する。

生体組織に関する分析を非侵襲で行う方法は種々検討されている。例えば、特許文献１では、長波長光を用いて、生体組織表層に存在し食道がんや食道異型と関連が高いグリコーゲンの濃度を測定する生体観察装置が示されている。

また、特許文献２では、イリジウム錯体を含む試薬を生体に投与することでイリジウム錯体からのりん光に基づいて生体組織の酸素濃度を測定する構成が示されている。

特開２０１１−８７７６２号公報 特開２０１０−４４０５９号公報

しかしながら、特許文献１記載の生体観察装置によれば、測定対象のグリコーゲンの濃度により評価をすることができるのは食道がんに限定され、例えば他の生体組織における癌細胞の有無等を評価することはできない。また、特許文献２記載の方法では、試薬を事前に投与する必要があることから、測定対象者に対して大きな負担となる可能性が考えられる。また、特許文献２記載の方法において、測定対象は生体組織の酸素濃度であることから、がんとは異なる生体の何らかの異状を反映して数値が変動することも考えられる。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、生体組織における癌細胞の有無を非侵襲でより簡易に測定することが可能な生体検査装置の提供を目的とする。

本願発明は、
（１） 近赤外光を生体組織に対して照射する光源と、
前記光源からの近赤外光の照射によって出射される、当該生体組織からの透過光又は
拡散反射光を受光し、スペクトルを取得する受光部と、
前記受光部によって得られた前記スペクトルに基づいて前記生体組織の状態を検出する検出部と、を備え、
前記検出部は、前記スペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第１特徴量とし、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第２特徴量とし、該第１特徴量及び該第２特徴量の少なくとも一方を用いて前記生体組織の状態を検出する生体検査装置、
である。

本発明によれば、近赤外光を生体組織に対して照射することで得られるスペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍ及び１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍのウチの少なくとも一方の波長範囲において生じる癌細胞と正常細胞との間でのスペクトル形状の変化を、２次微分値として数値化をして評価を行うことができる。このように、本発明の生体検査装置によれば、生体組織における癌細胞の有無を非侵襲でより簡易に測定することが可能となる。

本発明の実施形態に係る生体検査装置の概略構成を説明する図である。 癌細胞Ａ、Ｂ及び正常細胞各々についての５つの吸光度スペクトルについて、各波長に対する２次微分値の平均値を算出した結果を示す図である。 帯域幅を変更した際の癌細胞Ａ、Ｂ及び正常細胞の第１特徴量の変化及びそのばらつきを示した図である。 帯域幅を変更した際の癌細胞Ａ、Ｂ及び正常細胞の第２特徴量の変化及びそのばらつきを示した図である。 帯域幅を２５ｎｍとした場合の各波長における癌細胞Ａ、Ｂ及び正常細胞に係る吸光度の２次微分値を示した図である。

［本願発明の実施形態の説明］
本願の生体検査装置は、（１）近赤外光を生体組織に対して照射する光源と、前記光源からの近赤外光の照射によって出射される、当該生体組織からの透過光又は拡散反射光を受光し、スペクトルを取得する受光部と、前記受光部によって得られた前記スペクトルに基づいて前記生体組織の状態を検出する検出部と、を備え、前記検出部は、前記スペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第１特徴量とし、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第２特徴量とし、該第１特徴量及び該第２特徴量の少なくとも一方を用いて前記生体組織の状態を検出することを特徴とする。

上記の生体検査装置によれば、近赤外光を生体組織に対して照射することで得られるスペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍ及び１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍのうちの少なくとも一方の波長範囲において生じる癌細胞と正常細胞との間でのスペクトル形状の変化を、２次微分値として数値化をして評価を行うことができる。このように、上記の生体検査装置によれば、生体組織における癌細胞の有無を非侵襲でより簡易に測定することが可能となる。

（２）また、（１）記載の生体検査装置において、前記検出部は、前記第１特徴量と前記第２特徴量との両方に基づいて前記生体組織の状態を検出する態様とすることができる。

この場合、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍ及び１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲において生じる癌細胞と正常細胞との間でのスペクトル形状の変化の双方を第１特徴量及び第２特徴量として癌細胞の有無の評価に用いることができることから、癌細胞の有無の判定精度をより高めることができる。

（３）また、（２）記載の生体検査装置において、前記検出部は、前記第１特徴量と前記第２特徴量との差分を用いて前記生体組織の状態を検出する態様とすることができる。

このように、第１特徴量と第２特徴量との差分を用いて生体組織の状態を検出することで、癌細胞の有無の判定精度をより高めることができる。

（４）また、（１）〜（３）のいずれか一項の生体検査装置において、前記検出部は、前記スペクトルのうち、波長帯域幅が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲のスペクトルデータを使用して算出された２次微分値を前記第１特徴量又は前記第２特徴量とする態様とすることができる。

２次微分値を算出する場合に利用するスペクトルの波長帯域幅が広すぎる場合には正常細胞と癌細胞との間でスペクトルの形状が変化しない領域が多く含まれて、両者の比較が困難となる可能性がある。一方、２次微分値を算出する場合に利用するスペクトルの波長帯域幅が狭すぎる場合には、ノイズ等の影響を大きく受けることが考えられる。そこで、上記のように、波長帯域幅が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲のスペクトルデータを使用して算出された２次微分値を第１特徴量又は第２特徴量とする態様とすることで、より高い精度で癌細胞の有無を判定することが可能となる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明に係る生体検査装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の実施形態に係る生体検査装置１の概略構成を説明する図である。図１に示される生体検査装置１は、検査対象物である生体組織４０に対して近赤外光を照射し、その拡散反射光を受光部２０で検出することで、生体組織４０に係る測定を行う装置であり、光源１０と、受光部２０と、検出部３０と、を備える。

この生体検査装置１は、測定対象である生体組織４０を分析することで、生体組織４０における病変の有無を検査する機能を有する。生体組織４０における病変とは、例えば、悪性腫瘍（がん）が挙げられ、生体検査装置１は、癌細胞の有無を生体組織４０の外部から非侵襲にて分析することを目的とする。

光源１０は、近赤外光を生体組織４０が配置される領域に対して照射する。光源１０としては、ハロゲンランプ等を用いることができる。また、種光源及び非線形媒質を備え、種光源から出射される光を非線形媒質に入力し、非線形媒質中における非線形光学効果によりスペクトルを広帯域に広げてスーパーコンティニウム（ＳＣ）光として出力するＳＣ光源を光源１０として用いることもできる。ＳＣ光源を光源１０として用いた場合、ハロゲンランプと比較してＳＣ光源による加熱が低減されるため、生体組織４０への影響を軽減させることができる。さらに、光源１０は強度を変調する機能を有していてもよい。

なお、本実施形態において光源１０が照射する近赤外光とは、波長範囲が８００ｎｍ〜２５００ｎｍの光であるが、本実施形態に係る生体検査装置１では、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲及び１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲のうち少なくとも一方の波長範囲の光が含まれている。これは上記の波長範囲の光を生体組織４０に対して照射することで得られる近赤外光スペクトルが生体の検査に好適に用いられ、検査結果の精度向上に貢献するからである。

受光部２０は、光源１０から照射される近赤外光が生体組織４０の表面で拡散反射された又は生体組織４０を透過した後に受光部２０の配置される方向へ出力された光を受光し、測定スペクトルとして検出する。検出した測定スペクトルの情報は検出部３０へ送られる。受光部２０としては、例えば、水銀、カドミウム及びテルルからなるＭＣＴ検出器、ＩｎＧａＡｓ検出器等を用いることができる。なお、近赤外光スペクトルとして、透過光スペクトルを取得する場合には、受光部２０は測定対象たる生体組織４０を挟んで光源１０と対向する位置に設けられる。

また、受光部２０は、ハイパースペクトル画像を取得するハイパースペクトルセンサであってもよい。ハイパースペクトル画像とは、一画素がＮ個の波長データにより構成されている画像であり、画素毎にそれぞれ複数の波長に対応した反射強度データからなるスペクトル情報が含まれている。すなわち、ハイパースペクトル画像は、画像を構成する画素毎に、それぞれ複数波長の強度データを持つという特徴から、画像としての二次元的要素と、スペクトルデータとしての要素をあわせ持った三次元的構成のデータである。なお、本実施形態では、ハイパースペクトル画像とは、１画素あたり少なくとも５つの波長帯域における強度データを保有している画素によって構成された画像のことをいう。

検出部３０は、受光部２０から送られる測定スペクトルの情報を受け取り、演算処理等を行う。検出部３０により、吸収スペクトルの導出、測定スペクトルの２階微分スペクトルの導出、吸収スペクトルの２階微分スペクトルの導出等が行われる。さらに、生体に係る評価を行うための統計処理等が検出部３０において行われる構成としてもよい。また、受光部２０がハイパースペクトルセンサである場合、各画素に係るスペクトルの情報が検出部３０に対して送られるので、検出部３０においてこれらのスペクトル情報についての演算を行う構成とすることもができる。

上記の構成を有する生体検査装置１による検査方法には、測定対象である生体組織４０に対して近赤外光を照射することで、当該生体組織４０に係る拡散反射スペクトル又は透過スペクトルを取得する取得工程と、取得工程で得られたスペクトルに基づいて、生体組織の状態に係る分析を行う分析工程と、が含まれる。具体的には、光源１０から生体組織４０へ向けて近赤外光Ｌ１が照射される。光源１０から照射された近赤外光Ｌ１は、生体組織４０へ入射する。生体組織４０で拡散反射した近赤外光のうち、光路Ｌ３方向に進む光は、受光部２０へ到達する。受光部２０では拡散反射スペクトルが取得される（取得工程）。受光部２０で得られた拡散反射スペクトルは、検出部３０へ送られ、検出部３０において、生体組織４０の状態の分析に係る処理が行われる（分析工程）。

生体組織４０の状態の分析とは、特に、生体組織４０を構成する細胞が正常細胞であるか癌細胞であるかの判定である。正常細胞と癌細胞との区別は、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲（第１の波長範囲）内の１つの波長における反射率又は吸光度について、波長に対する２次微分値（第１特徴量）、及び、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲（第２の波長範囲）内の１つの波長における反射率又は吸光度について、波長に対する２次微分値（第２特徴量）の少なくとも一方を用いて行うことができる。このとき、上記第１の波長範囲及び第２の波長範囲に含まれる少なくとも一波長の光を利用することで、正常細胞から癌細胞を検出することは可能であるが、検出精度を高めるためには、第１特徴量又は第２特徴量を検出するために用いるスペクトルの波長帯域幅が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、第１特徴量及び第２特徴量の両方を用いて正常細胞から癌細胞を検出する構成とした場合にはその検出精度が向上する。このときには、第１特徴量と第２特徴量との差分を評価に用いることが好ましい。

ここで、上記の生体検査装置１を用いて正常細胞と癌細胞とを区別する実施例について説明する。

まず、２種の癌細胞（癌細胞Ａ及び癌細胞Ｂ）及び１種の正常細胞を培養した。培養液を除去した後、癌細胞Ａ、癌細胞Ｂ、及び、正常細胞のそれぞれについて、ガラスディッシュに乗ったままの状態で光源１０から近赤外光を照射して、その透過光を受光部２０により受光することで、各細胞についての透過光スペクトルを取得し、吸光度スペクトルに変換した。吸光度スペクトルについて、細胞ごとのガラスティッシュ上の異なるポイントにおいて複数の画素を用いて取得し、これらをそれぞれ５エリアに区画して算出した。これにより１種の細胞に対して５つの吸光度スペクトルが得られた。

上記のように処理して得られた各細胞についての５つの吸光度スペクトルについて、２次微分するために用いるスペクトルの波長帯域幅を５０ｎｍとして各波長に対する２次微分値の平均値を算出した結果を図２に示す。図２に示すように、癌細胞と正常細胞とを比較すると、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲（第１の波長範囲）及び１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲（第２の波長範囲）において、吸光度の２次微分値が異なる。特に、癌細胞については、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲では２次微分値（第１特徴量）が４×１０^−５以下となり、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲（第２の波長範囲）では２次微分値（第２特徴量）が２×１０^−５以上である。すなわち、第１特徴量及び第２特徴量を求めることで、測定対象たる生体組織が癌細胞であるか否かを判定することができる。

また、図２によれば、上記の波長領域において、生体組織等において急峻な吸収ピークは見られないことから、上記の２つの波長範囲での特徴を併せ持つ場合に癌であると診断することに依り精度が向上すると考えられる。

さらに、上記２つの波長範囲での特徴を第１特徴量と第２特徴量との差又は比率により特徴づけることで、２次微分におけるベースラインの変動等に対するロバスト性を持たせることが可能である。例えば、図２に示す測定結果に基づけば、第１特徴量と第２特徴量との差分（第１特徴量−第２特徴量）が２×１０^−４以下、さらに好ましくは負であれば癌細胞であることが分かる。

次に、図３では、波長１５２０ｎｍにおける２次微分値を算出する際に使用するデータの帯域幅を変化させた場合の第１特徴量とそのばらつき（５箇所の計測データの標準偏差）の変化を示す。また、図４では、波長１４９０ｎｍにおける２次微分値を算出する際に使用するデータの帯域幅（波長範囲）を変化させた場合の第２特徴量とそのばらつき（５箇所の計測データの標準偏差）の変化を示す。図３及び図４に示す分析結果は、帯域幅を１５ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６５ｎｍ、９０ｎｍと変化させた場合について求めたものである。このうち、図５ではデータ帯域幅が２５ｎｍの場合の各５箇所の波長に対する２次微分値を示す。図３及び図４に示すように、２次微分値を算出する際に使用するデータの波長範囲が広すぎると癌細胞と正常細胞との差がはっきりしなくなる。このことから、２次微分値（第１特徴量及び第２特徴量）を算出する際には、８０ｎｍの範囲以下のデータを使用することが好ましい。また、通常２次微分値を算出する際に少ないデータで算出するとノイズの影響を大きく受けるため、下限は概ね１０ｎｍ以上が好ましい。また、特に第１特徴量を使う場合はデータの波長範囲を１５〜４０ｎｍとすると、吸光度の２次微分値が負になり吸収ピークの特徴を捉えるために適していることから、更に好ましい。

以上、本発明における好適な実施形態を具体的に示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば上記実施形態では、拡散反射スペクトルを吸収スペクトルに変換する構成について説明したが、上記実施例において示したように、拡散反射スペクトルではなく透過スペクトルを取得して、透過スペクトルから吸収スペクトルを算出し、これを用いて分析を行う構成としてもよい。

また、吸収スペクトルを用いて評価を行ったが、拡散反射スペクトル（又は透過スペクトル）から直接第１特徴量又は第２特徴量を算出し、生体組織の状態を検出する構成としてもよい。

１…生体検査装置、１０…光源、２０…受光部、３０…検出部、４０…生体組織。

Claims (4)

1. 近赤外光を生体組織に対して照射する光源と、
   前記光源からの近赤外光の照射によって出射される、当該生体組織からの透過光又は拡散反射光を受光し、スペクトルを取得する受光部と、
   前記受光部によって得られた前記スペクトルに基づいて前記生体組織の状態を検出する検出部と、を備え、
   前記検出部は、前記スペクトルのうち、１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第１特徴量とし、１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲内の１つの波長における反射率又は吸光度の波長に対する２次微分値を第２特徴量とし、該第１特徴量及び該第２特徴量の少なくとも一方を用いて前記生体組織の状態を検出する生体検査装置。
2. 前記検出部は、前記第１特徴量と前記第２特徴量との両方に基づいて前記生体組織の状態を検出する請求項１記載の生体検査装置。
3. 前記検出部は、前記第１特徴量と前記第２特徴量との差分を用いて前記生体組織の状態を検出する請求項２記載の生体検査装置。
4. 前記検出部は、前記スペクトルのうち、波長帯域幅が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲のスペクトルデータを使用して算出された２次微分値を前記第１特徴量又は前記第２特徴量とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体検査装置。