JP2016530917A - 皮膚疾患の光学検出のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
背景技術
本発明の一実施形態は、カメラと、対象の皮膚を照射し、カメラを対象の皮膚に対して固定的に位置付けるための機械的固定具と、クロック掃引アルゴリズムを実行するように適合された少なくとも1つのプロセッサと、少なくとも1つの出力装置と、を備えるシステムに向けられる。
本発明に従う方法は、一連の概念的「ステップ」として説明され得る。当業者にとって明らかであるように、ステップは順次に従われても、述べられる順序とは異なる順序で従われてもよく、つまり、本発明の範囲から逸脱することなく、ステップは平行して行われても、同時に行われても、または反復的に行われてもよい。あるステップを「第1のステップ」または「次のステップ」として説明することは、便宜上のみのためである。対象の皮膚病変から得られる画像データは、ステップに従ってコンピュータによって操作され、表示モジュールに出力され得る。図16は、本明細書に説明される画像取得プロセス700、画像処理プロセス800、及び診断的表示プロセス900の全体図を描写する。
L=0.16×範囲−0.87×エッジ+0.68
式中、範囲及びエッジは以上に定義される測定基準であり、Lは閾値と比較されて、黒色腫または母斑の分類をもたらし得る分類指標を表現する。より堅牢な分類指標は、すべての測定基準を使用するコンピュータコードを伴う分類指標などの、より多くの測定基準を組み込むことによって作成され得る。先行する病理学者の検診からの病変の病理学が既知であったため、「精錬」が可能であり、測定基準及び定数は、ROC曲線下の面積を最大化するために選択され得る。続いて、「精錬された」分類指標を未知の病理学を有する病変に適用する。(実験的設定において、これは研究者がこの病変の病理学に対して無知であり、分類指標を調節しなかったことを意味し、実世界の設定において、装置は典型的に未知の病理学を有する病変のみに適用され、閾値及び分類指標は事前プログラム化される。)当業者にとって明らかであるように、より大きな精錬試料及び測定基準のわずかな変動は、本発明の範囲から逸脱することなく、改善された分類指標をもたらす可能性が高い。分類指標が得られると、それは、その病理学が未知である病変の画像データに適用される。本発明に従って、89%の全体的な診断的正確性で、86%/91%の感度/特定性が得られた。この結果は、感度99%でのルーチン最適化で改善することが期待され、いくつかの試験設定において特定性は56%と同等に高く、これは先行技術に対する有意な改善を示した。
ルーチン操作:
1.アルコール調製パッドで拭くことによって、器具の遠位撮像平面において、撮像ウィンドウを清掃する。
2.グラフィックユーザインターフェースを特定し(ソフトウェアを操作する)、デスクトップ上に広げる。
3.患者及び病変についての要求された詳細を入力する。
4.再生を押して、ライブ撮像供給を作動させる。LEDが照射されていることを確認する。装置は光を発しているはずである。
5.標的皮膚病変上に一滴の水を定置する。
6.病変の中心にある皮膚に撮像ウィンドウを押し付ける。
7.タッチ画面上で、病変が画像の中心にあることを確認する。
8.ウィンドウと対象の皮膚との間に気泡がなく、ウィンドウにわたって接触が完了していることを確認する。
9.タッチ画面上の「取得」をタッチし、取得を3秒間待機する。
10.取得後に発生する再生を視聴することによって、画像が取得されたことを確認する。特に、
a.画像取得を通して接触が維持された(気泡がない)こと
b.装置が滑らなかった(すなわち、画像が側方に移行しなかった)こと
c.再生の最後に表示される色画像が、均一にバランスが取れていること、を確認すること。接触及び安定性が不十分であると、色画像は、病変の二分の一が青く見え、もう片方が赤く見えるなどの、予期されない断片を有する。
11.接触及び安定性が確認されない場合、再安定化し、取得を反復する。
Claims (69)
- 対象の皮膚上の病変における皮膚疾患を検出するための器具であって、
前記対象の皮膚を位置付けて、または押し付けて、前記病変を含む遠位撮像平面を画定するための平坦な表面を有する機械的固定具と、
前記遠位撮像平面によって反射される光から画像データを得るように適合されたカメラと、
前記画像データをクロック様掃引アルゴリズムで処理して、前記病変の回転対称を定義する測定基準及び/または1つ以上の分類指標を得るように適合されたプロセッサと、
前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標から、前記対象における皮膚疾患の存在または不在の尤度を示す出力装置と、を備える、前記器具。 - 前記クロック様掃引アルゴリズムが、前記病変画像の中心と前記病変画像の境界との間の線分が前記病変画像の前記中心を中心として回転する際の、前記線分上の画素を評価することを含む、請求項1に記載の前記器具。
- 前記カメラと前記遠位撮像平面との間の前記機械的固定具内に装着される、前記カメラの焦点を前記遠位撮像平面に合わせるための1つ以上のレンズを更に備える、請求項1に記載の前記器具。
- 前記機械的固定具に取り付けられ、300nm〜950nmの波長範囲にある、異なる分光プロファイルの光を発する装置のセットを備える照射システムを更に備える、請求項1に記載の前記器具。
- 前記照射システムが、300nm〜400nmの波長範囲にある光を発する少なくとも1つのLEDを含む、請求項1に記載の前記器具。
- 独立して操作される、またはファイル入力及び出力、ならびにキーストロークをシミュレーションすることができる別個のソフトウェアシステムを通して制御され得る、前記画像取得プロセスを促進するサーバアプリケーションを更に備える、請求項1に記載の前記器具。
- 前記第1のプロセッサから画像データを受信し、前記画像データを改良された画像データに変換し、前記改良された画像データを前記第1のプロセッサ、またはディスプレイ装置もしくは記憶装置に直接に送信するように適合された第2のプロセッサを更に備える、請求項1に記載の前記器具。
- 各色チャネルで形成されるマスク画像からの、前記病変の組織分布図を表示するように適合されたディスプレイを更に備える、請求項1に記載の前記器具。
- 前記プロセッサ及び前記カメラが携帯電話上に統合され、前記機械的固定具が前記携帯電話に取り付けられるように適合されている、請求項1に記載の前記器具。
- 前記プロセッサが、前記画像データを、[a]空間テクスチャ特徴、[b]明るさ特徴、[c]前記病変が正常な皮膚と接する境界の鮮明さを含む、前記病変のエッジ/境界の特徴、[d]色変動、[e]色素沈着した網状組織における、前記色素沈着した網状組織区分の長さ、形状、明るさ、及び組織化を含む、前記色素沈着した網状組織の特徴における変動、ならびに[f]オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの量及び比率によって定義される組織の酸素飽和度、からなる群から選択される少なくとも1つの特性を含む特性の回転分布を定義する前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標に変換するように適合されている、請求項1に記載の前記器具。
- 前記プロセッサが、M個の画像を順次取得し、前記画像内の各画素を、分光測定値を形成するM個の数のセットとして記憶し、前記分光測定値をN個の発色団の加重合計としてフィッティングするように適合されている、請求項1に記載の前記器具。
- 前記画像データが超分光画像データであり、Mが3より大きい、請求項1に記載の前記器具。
- 前記画像データが、各画素について12以上のビット深さを有する、請求項1に記載の前記器具。
- 無地の偽色で前記病変内の対象となる1つ以上の領域を表示するように、及び前記M個の画像のうちの3つ以上からレンダリングされた前記病変の赤緑青色画像と、対象となる1つ以上の領域表示させた同一画像との間をトグルで切り換えるように適合されたディスプレイを更に備える、請求項11に記載の前記器具。
- 前記対象となる領域が、前記病変境界内の血管、前記病変における青及び/または青白い構造、規則的または変則的な色素沈着した網状組織、有害な色素沈着をした網状組織、酸素飽和度のパターン、ならびにユーメラニン及びフェオメラニンのパターンからなる群から選択される、請求項14に記載の前記器具。
- 前記1つ以上のレンズを、前記病変を照射する光の波長に応じて異なる焦点距離に位置付けるモータを更に備える、請求項3に記載の前記器具。
- 前記病変を照射する前記光の波長を測定し、前記モータに対して前記1つ以上のレンズを位置付けるためのフィードバックを提供する、前記カメラレンズの遠位に位置付けられる光ファイバー分光計を更に備える、請求項16に記載の前記器具。
- 対象の皮膚上の皮膚病変における皮膚疾患を検出するためのシステムであって、
統合されたプロセッサ及びカメラを有する携帯電話と、
外部照射システム及び一体型フラッシュからなる群から選択される照射システムと、を備え、
前記プロセッサが、前記病変の前記境界と前記病変の中心との間に位置付けられ、クロック様掃引によって前記病変の中心を中心として回転されて、前記病変の回転対称を定義する測定基準及び/または1つ以上の分類指標を前記画像データから得、前記対象の皮膚内の対象となる領域を描写する表示及び/または前記対象における皮膚疾患の存在もしくは不在の尤度の指示を生成する、掃引アーム上の画素から得られる画像データを処理するように適合されている、前記システム。 - 前記携帯電話に取り付けられ、前記対象の皮膚に位置付けられるか、または押し付けられる機械的固定具を更に備え、前記固定具が、前記カメラを前記病変に対する固定位置に固設し、前記対象の皮膚上の病変を含む遠位撮像平面を画定する、請求項18に記載の前記システム。
- 前記照射システムが外部にあり、前記携帯電話の前記一体型フラッシュが無効にされている、請求項19に記載の前記システム。
- 前記照射システムが、M個の異なる分光プロファイルを有する光を発する発光ダイオードのセットを含み、Mが3よりも大きい、請求項18に記載の前記システム。
- (a)前記カメラによって検出される前記皮膚から反射される光を調整するか、または(b)一体型フラッシュもしくは外部照射システムからの光を調整する、少なくとも1つの光学フィルタを更に備える、請求項18に記載の前記システム。
- 前記プロセッサが、前記画像データを、[a]空間テクスチャ特徴、[b]明るさ特徴、[c]前記病変が正常な皮膚と接する境界の鮮明さを含む、前記病変のエッジ/境界の特徴、[d]色変動、[e]色素沈着した網状組織における、前記色素沈着した網状組織区分の長さ、形状、明るさ、及び組織化を含む、前記色素沈着した網状組織の前記特徴における変動、ならびに[f]オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの量及び比率によって定義される、前記組織の酸素飽和度、からなる群から選択される少なくとも1つを含む特性の前記回転分布を定義する前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標に変換するように適合されている、請求項18に記載の前記システム。
- 前記プロセッサが、M個の画像を順次取得し、前記画像内の各画素を、分光測定値を形成するM個の数のセットとして記憶し、前記分光測定値をN個の発色団の加重合計としてフィッティングするように適合されている、請求項18に記載の前記システム。
- 画像データが、前記携帯電話上のダウンロードされたアプリケーションによって処理され、その後追加の処理のために遠隔プロセッサに送信される、請求項18に記載の前記システム。
- 前記携帯電話に固定具で付加され、前記カメラの一体型フラッシュに対して遠位に位置付けられて、光を傾斜角で前記病変に向ける、1つ以上の鏡を更に備える、請求項18に記載の前記システム。
- 対象の皮膚上の病変における前記皮膚疾患の存在または不在の尤度の指示を得るための方法であって、
前記病変を含む前記対象の皮膚を照射するステップと、
前記照射される対象の皮膚からの反射から画像データを、カメラで得るステップと、
前記画像データを、クロック様掃引アルゴリズムを実装するように適合されたコンピュータプロセッサで処理して、前記対象の皮膚上の病変の前記回転対称を定義する測定基準及び/または1つ以上の分類指標を得て、前記対象における前記皮膚疾患の存在または不在の前記尤度の指示を生成するステップと、
前記指示を表示するステップと、を含む、方法。 - 前記画像データを、プロセッサで、[a]空間テクスチャ特徴、[b]明るさ特徴、[c]前記病変が正常な皮膚と接する境界の鮮明さを含む、前記病変のエッジ/境界の特徴、[d]色変動、[e]前記色素沈着した網状組織区分の長さ、形状、明るさ、及び組織化を含む、前記色素沈着した網状組織の前記特徴における変動、ならびに[f]オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの量及び比率によって定義される組織の酸素飽和度、からなる群から選択される1つ以上の特性の前記回転分布を定義する前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標に変換することを含む、請求項27に記載の前記方法。
- 前記病変を300nm〜950nmの範囲である波長で照射しながら、M個の画像を前記カメラで順次取得することを含み、Mが3より大きく、画像データが超分光画像データである、請求項27に記載の前記方法。
- 前記病変を、300nm〜400nmの範囲にある波長で光を発する少なくとも1つの発光ダイオードで照射することを含む、請求項29に記載の前記方法。
- 前記病変を、325nm〜425nmの範囲にある波長で光を発する少なくとも1つの発光ダイオードで照射することを含む、請求項29に記載の前記方法。
- 前記病変を、400nm〜500nmの範囲にある波長で光を発する少なくとも1つの発光ダイオードで照射することを含む、請求項29に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、線分の一端が前記病変の前記中心に固定されて、前記線分が前記病変の前記中心を中心として回転される際の、前記病変の前記中心を前記病変の境界と接続する前記線分上の画素の明るさにおける変動を算出する、請求項27に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、前記回転する線分上の前記画素における平均明るさの範囲を算出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、前記回転する線分上の前記画素における前記平均明るさの標準偏差を算出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、前記線分の角度位置の範囲にわたる、前記回転する線分上の前記画素における前記明るさの前記標準偏差の標準偏差を算出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、前記病変の内側から前記病変の外側へと進む前記病変の境界で画素の明るさが増加する勾配を算出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記画素の明るさが、異なる波長の画像からの複数の画素の明るさレベルの数学的関数と置換される、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、異なる波長の画像上に画定される前記病変の境界間の放射距離を算出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、各波長での前記病変の幾何学的中心を算出し、前記様々な波長での前記病変の中心の前記座標から測定基準を導出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、二乗されて前記病変総面積となる前記病変の境界の長さを算出し、前記境界の粗さを定義する測定基準を導出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、前記病変が前記病変を二分する任意の軸を中心として裏返されるとき、前記不整合の面積対前記病変総面積の比率を算出し、前記病変の非対称を定義する測定基準を導出する、請求項33に記載の前記方法。
- 前記プロセッサが、測定基準を得るための前記画像のフラクタル次元を算出する、請求項30に記載の前記方法。
- 前記病変における青色、前記病変における黒色、前記病変内の1つ以上の血管、及び画像処理アルゴリズムによって強調される、暗く色素沈着した病変内の分枝する光パターンからなる色素沈着の負の網状組織のうちの少なくとも1つを表示するステップを更に含む、請求項27に記載の前記方法。
- 前記画像内の各画素が、分光測定値を形成するM個の数のセットとして保存される、請求項27に記載の前記方法。
- 前記分光測定値が、N個の発色団の前記加重合計としてフィッティングされる、請求項45に記載の前記方法。
- 前記対象がヒトである、請求項27に記載の前記方法。
- 前記皮膚疾患が癌である、請求項27に記載の前記方法。
- 前記皮膚疾患が黒色腫である、請求項27に記載の前記システム。
- 対象の皮膚上の少なくとも1つの皮膚病変を診断的に撮像する方法であって、
第1の照射システムで対象の皮膚上の第1の面積を照射するステップと、
広視野を有する第1のレンズを有するカメラを使用して、前記照射された皮膚から広視野画像データを得るステップと、
前記広視野画像データを処理して、前記対象の皮膚上の前記第1の面積内の標的面積を特定するステップであって、前記第1の面積が前記少なくとも1つの皮膚病変を含む、ステップと、
第2の照射システムで前記標的面積を照射し、狭視野を有するカメラで前記照射された標的面積から狭視野画像データを得るステップと、
狭視野を有するカメラで前記照射された標的面積から狭視野画像データを得るステップと、
前記狭視野画像データを処理して、前記少なくとも1つの皮膚病変の診断を得るステップと、を含む、方法。 - 前記狭視野よりも狭い第3の視野を有するカメラで、前記標的面積から追加の狭視野画像データを得ることであって、前記第3の視野が共焦点顕微鏡の視野である、得ることを更に含む、請求項50に記載の前記方法。
- 前記第3の視野よりも狭い第4の視野を有するカメラで、前記標的面積から高解像度の狭視野画像データを得ることであって、前記第4の視野がラマン分光計によって決定される、得ることを更に含む、請求項51に記載の前記方法。
- 前記広視野画像データを処理することが、前記第1の面積における病変のサイズ及び変則性の統計的評価を含む、請求項50に記載の前記方法。
- 前記狭視野画像データを処理することが、前記狭視野画像データを、プロセッサで、[a]空間テクスチャ特徴、[b]明るさ特徴、[c]前記病変が正常な皮膚と接する境界の鮮明さを含む、病変画像のエッジ/境界の特徴、[d]病変画像の色変動、[e]前記色素沈着した網状組織区分の長さ、形状、明るさ、及び組織化を含む、前記色素沈着した網状組織の前記特徴における変動、ならびに[f]オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの量及び比率によって定義される、酸素飽和度組織、からなる群から選択される1つ以上の特性の前記回転分布を定義する測定基準及び/または1つ以上の分類指標であって、前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標が、前記診断を提供するために使用される、測定基準及び/または1つ以上の分類指標、に変換するクロック掃引アルゴリズムを含む、請求項50に記載の前記方法。
- 前記広視野画像データが赤緑青画像データである、請求項50に記載の前記方法。
- 前記広視野画像データが、携帯電話に統合されたカメラで得られる、請求項55に記載の前記方法。
- 前記広視野画像データが、ユーザの身体に着用され、画像を前記着用者に対して投影することができ、相互作用的処理能力を有するカメラで得られる、請求項50に記載の前記方法。
- 前記広視野画像データが超分光画像データである、請求項50に記載の前記方法。
- 前記狭視野画像データが赤緑青画像データである、請求項50に記載の前記方法。
- 前記狭視野画像データが超分光画像データである、請求項50に記載の前記方法。
- 統合されたユニット内のレンズ及び照射システムを切り換えて、前記同一のユニットで前記広視野画像データ及び狭視野画像データを得ることを含む、請求項50に記載の前記方法。
- それぞれのスケールの焦点距離焦点合わせシステムで、メートルスケール画像データ、センチメートルスケール画像データ、ミリメートルスケール画像データ、及びマイクロメートルスケール画像データを連続的に処理して、それぞれの各焦点距離での診断的情報を得ることを含む、請求項50に記載の前記方法。
- 対象の皮膚上の1つ以上の皮膚病変の診断的撮像のシステムであって、
広視野を有する第1のレンズ及び前記第1の視野に対応する対象の皮膚上の第1の面積を照射するように適合された第1の照射システムを有する広視野カメラと、
狭視野を有する第2のレンズ及び前記第1の面積内の面積を照射するように適合された第2の照射システムを有する狭視野カメラと、
前記広視野カメラ及び前記狭視野カメラから画像データを得、それらを処理して、前記1つ以上の皮膚病変の診断を提供するように適合された、前記広視野カメラ及び前記狭視野カメラに操作的に接続されるプロセッサと、を備える、システム。 - 前記第1のレンズ及び第2のレンズが、単一のカメラユニットが広視野から狭視野へと切り替え可能であるように前記単一のカメラユニット内に組み込まれ、前記第1のレンズが前記第2のレンズよりも長い焦点距離を有する、請求項63に記載の前記システム。
- 前記単一のカメラユニットが、広視野及び狭視野をそれぞれ照射するように適合された第1の照射システム及び第2の照射システムを有し、前記第1及び第2の照射システムが前記単一のカメラユニットとともに配備され得る、請求項64に記載の前記システム。
- 前記第1のカメラが、赤緑及び青(RGB)光を検出する、少なくとも1つの電荷結合素子(CCD)センサまたは相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサを含む、請求項64に記載の前記システム。
- 前記第1のカメラが、光の超分光波長を検出する、少なくとも1つの電荷結合素子(CCD)センサまたは相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサを備える、請求項64に記載の前記システム。
- 前記プロセッサが、前記画像データを、[a]空間テクスチャ特徴、[b]明るさ特徴、または[c]前記病変が正常な皮膚と接する境界の鮮明さを含む、前記病変画像のエッジ/境界の特徴、[d]前記対象の皮膚上の病変の色変動、[e]色素沈着した網状組織区分の長さ、形状、明るさ、及び組織化を含む、色素沈着した網状組織の特徴における変動、ならびに[f]オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの量及び比率によって定義される組織の酸素飽和度、からなる群から選択される特性の前記回転分布を定義する測定基準及び/または1つ以上の分類指標であって、前記測定基準及び/または1つ以上の分類指標が、前記診断を提供するために使用される、測定基準及び/または1つ以上の分類指標に変換するように適合されている、請求項64に記載の前記システム。
- 前記第1の照射システム及び前記第2の照射システムのうちの1つまたは両方が、光の超分光波長での照射を提供する、請求項64に記載の前記システム。
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