JP2018512574A - 光干渉断層像スキャンの処理 - Google Patents

Abstract

対象者の皮膚の光干渉断層像（ＯＣＴ）スキャンの処理方法であって、対象者の皮膚の複数のスキャンであって、異なる時刻における対象者の皮膚の断面方向のＯＣＴ信号を示すスキャンを受信する工程と、スキャンを比較して前記スキャン内の時変領域を判定する工程と、時変領域の深度の分布を判定する工程と、を備える方法。【選択図】図５

Description

本発明は、光干渉断層像（ＯＣＴ）スキャンの処理方法および関連装置に関する。

部分層熱傷の深度の迅速な評価には、臨床的な需要がある。表在性熱傷は、目視での臨床的診断及び軟膏や包帯による治療が容易である。重度の熱傷もまた目視での臨床的診断及び外科的切除と皮膚移植による治療が容易である。しかしながら、熱傷が部分的に真皮まで達してしまっている部分層熱傷は、目視での評価が困難であり、浅い熱傷の不必要な切除や皮膚移植（過剰治療）、あるいは、反対に実際には深い熱傷に軟膏等で治療する誤診をおかしてしまい、皮膚移植による正しい治療が重度の熱傷に施されるまでに、犠牲を伴う遅れを引き起こしてしまう結果となることが少なくない。

この問題を解決するため、熱傷深度を非侵襲的に測定する様々な方法が提案されている。このような方法の１つに、デヴォン州アクスミンスターのムーア・インストルメント社（ｈｔｔｐ：／／ｇｂ．ｍｏｏｒ．ｃｏ．ｕｋ／）が市場化しているレーザー・ドップラー画像化法（ＬＤＩ）がある。これは、皮膚にレーザー・ビームを当て、反射した光を収集し、ドップラー効果を利用して血液の動きを検出することで、皮膚内の血流の有無を検出するものである。しかしながら、この技術は、時間を要し、あまり正確ではなく、医師たちに広くは認められていない。

熱傷の評価に対し、光干渉断層像（ＯＣＴ）の利用可能性を検討している研究者たちもいる。ＯＣＴは、高解像度画像化技術であり、皮膚をはじめとする上皮組織の深度分解表面下画像を提供する。

多くの研究が、偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）画像から熱傷深度を導く方法を開示してきた（例えば、熱傷、２００４年９月；３０（６）：５１１−７「偏光感受型光干渉断層像の使用による熱傷したヒト皮膚におけるコラーゲン変性の定量化の実現」；ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、２００４年１月〜２月；９（１）：２０７−１２「偏光感受型光干渉断層像による熱傷深度の判定」スリニヴァス ＳＭ、デボア ＪＦ、パーク Ｈ、ケイハンザデー Ｋ、フアン ＨＥ、チャン Ｊ、チョン ＷＱ、チェン Ｚ、ネルソン ＪＳ；ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、２００１年１０月；６（４）：４７４−９「高速ファイバ偏光感受型光干渉断層像による生体内熱傷深度判定」パーク ＢＨ、サクサー Ｃ、スリニヴァス ＳＭ、ネルソン ＪＳ、デボア ＪＦ；ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、２０１２年６月；１７（６）：０６６０１２．デジタルオブジェクト識別子：１０．１１１７／１．ＪＢＯ．１７．６．０６６０１２．「偏光感受型光干渉断層像によるヒト熱傷損傷の生体内画像化」キム ＫＨ、ピアース ＭＣ、マグルリ Ｇ、パーク ＢＨ、ユン ＳＪ、ライドン Ｍ、シェリダン Ｒ、デボア ＪＦ；参照）。

このようなシステムでは、ＯＣＴシステムは、一方又は両方の直交面を偏光させたＯＣＴ画像を取得する。理論的には、皮膚組織の主要な要素であり、強く複屈折するコラーゲンは、熱傷により損傷又は『変性』すると、複屈折性を失い、ＰＳ−ＯＣＴ画像から測定可能である。実際のところは、偏光感受型光学は、高価で設営や維持が困難なのでＰＳ−ＯＣＴシステムを製作することは難しく、そのような装置は商業化されていない。

近年、スペックル非相関ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）として知られる技術が皮膚内の血管系を画像化する方法として提案されている（例えば、「相関マッピング・マスクを有する光学ミクロ血管造影の使用による生体内でのヒト皮膚の微小循環画像化の改善」チョイ ＷＪ、レイフ Ｒ、ヨーセフィー Ｓ、ワン ＲＫ、ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、２０１４年３月；１９（３）：３６０１０．デジタルオブジェクト識別子：１０．１１１７／１．ＪＢＯ．１９．３．０３６０１０参照）。この技術は、皮膚内の深度分解マップ又は血管の画像を生成するもので、熱傷及び熱傷痕の可能性のある評価方法としてすでに注目を集めている（例えば、「光干渉断層像の使用による脈管質の自動定量によるヒト熱傷痕の生体内評価」リウ ＹＭ、マクロクリン ＲＡ、ゴン Ｐ、ウッド ＦＭ、サンプソン ＤＤ、ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、２０１３年６月；１８（６）：０６１２１３．デジタルオブジェクト識別子：１０．１１１７／１．ＪＢＯ．１８．６．０６１２１３．参照）。

この技術には、時間と共に変化するＯＣＴ画像の領域を検出するＯＣＴデータの処理が含まれる。組織内で血液が流れているところでは、血液を通る光の光学経路における変化は、結果的にＯＣＴ画像のすべてに存在するスペックル・パターンの局所的な変化となる。この変化は、画像間での関心領域内のＯＣＴ信号強度における画素の局所的サブセットの非相関を算出する等の方法、又は画像間での関心領域内の強度の統計的分散を算出することにより検出できる。このような方法は、すべてＯＣＴ画像内に時間と共に現れる変化の検出を探索する。ＯＣＴ画像の領域で変化が存在する所には、血液が流れ、光学経路に変化を生じさせる血管に限られる。このため、それらの領域を表示又はハイライトすれば、ＳＤ−ＯＣＴ及び同様の処理方法を利用して真皮内の血管構造を表す深度分解画像を取得することが可能である。

しかしながら、臨床的な環境において使用される実用的な装置は、オペレータによる画像の解釈に依存しないことが望ましい。ＯＣＴプローブが熱傷の部位間で移動するに従い、装置がリアルタイムで熱傷深度を示す表示を生成して表示することが望ましい。

本発明の第１の態様によれば、対象者の皮膚の光干渉断層像（ＯＣＴ）スキャンの処理方法が提供される。本方法は、
・対象者の皮膚の複数のスキャンを受信する工程であって、スキャンが異なる時間におけるユーザーの皮膚のスライス状のＯＣＴ信号を表す工程と、
・スキャンを比較してスキャン内の時変領域を判定する工程と、
・時変領域の深度分布を判定する工程とを備える。

つまり、時変領域が血管に対応すること、及び血管の分布が熱傷の程度又は他の関心領域を判定するために使用できると認識した。

時変領域の判定は、比較されるスキャン間のＯＣＴ信号の差異の程度に応じた時変領域の判定を含んでもよい。典型的には、差異の程度が差閾より大きい場合、領域が時変であると判定される。典型的には、スキャンが複数の画素で形成されるところは、その領域の画素の明暗度の差異の絶対値の和は、差閾より大きい。あるいは、時変領域の判定は、２つの異なる時間に撮影されたスキャン間に、スペックル分散ＯＣＴ、非相関、位相差の算出、又は領域内のＯＣＴ信号の差異の定量測定を生成するその他の適切な計算技術のいずれかを使用してもよい。本方法には、明暗度の差異を別々の範囲にビニングし、領域が時変であるか否かを判定する際にその範囲のいくつかのみを考慮することを含んでもよい。典型的には、明暗度の差異がより高い範囲を考慮し、より低い範囲を廃棄してもよい。これにより、ノイズの影響を抑制できることが見出されている。時変領域の分布の判定は、典型的には、スキャン内の時変領域の密度を判定することによって、対象者の皮膚の中の時変領域の深度分布を判定することを含んでもよい。本方法には、典型的には、深度に対する時変領域の密度のグラフとして、分布をオペレータに対して表示することを含んでもよい。

つまり、時変領域の分布の判定は、深度分布が密度閾値を超える位置であるユーザーの皮膚の中の閾値深度の判定を含んでもよい。つまり、これにより、血管に対応している時変領域の密度が閾値を上回って増える位置の深度をオペレータに報告できる。従って、この閾値深度は、皮膚内の損傷した組織の深度の推定であり得る。閾値深度は、所定値と比較することもでき、閾値深度が所定値より大きいか小さいかをオペレータに表示することができる。例えば、閾値深度が所定値より大きな場合、固有の深さ及びそのように深刻な熱傷を示すブザーを鳴らすこともできる。

皮膚表面は、完全には平坦ではなく、しわや隆起がある。ブローブが皮膚に触れる際の動きによって皮膚を変形させることもあり、時変領域の深度分布が不正確な結果となる可能性がある。そのため、本方法は、スキャン内の皮膚の表面の位置の判定及び表面下の距離としての深度の判定を含んでもよい。あるいは、スキャン内の固定データに比較して深度を判定することもできる。このデータは、ユーザーの皮膚からのＯＣＴ信号を取得するＯＣＴプローブから間隔をとるスタンドオフによって提供される。

本方法は、無損傷であることが既知の典型的に同様の性質を持つユーザーの皮膚の領域（例えば、対象者の身体の熱傷から横方向の反対側）から複数の較正用スキャンを取得する工程であって、スキャンが異なる時間におけるユーザーの皮膚のスライス状のＯＣＴ信号を表す工程と、較正用スキャンを比較してスキャン内の時変領域を判定する工程と、時変領域で占められる較正用スキャンの領域の深度分布を判定する工程とを含んでもよい。つまり、これは『正常な』皮膚の比較対象を形成するために使用できる。較正用スキャン内の時変領域の分布は、密度閾値及び／又は所定値の判定に使用できる。あるいは、密度閾値及び／又は所定値は、対象者の年齢及び性別によって判定もできる。

典型的には、スキャンの比較及び時変領域の分布の判定は、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ等の処理装置を使用して実施される。

スライスは、典型的には、皮膚の表面に対し略又は概して鉛直である。従って、スキャンはＢ−スキャンでもよい。

スキャンの受信する工程には、ＯＣＴ装置を使用してスキャンを取得する工程を含んでもよい。マイクロプロセッサは、ＯＣＴ装置のマイクロプロセッサでもよいし、ＯＣＴ装置とは別個のマイクロプロセッサでもよく、例えば、スタンドアローン型コンピュータ内にあってもよい。

本発明の第２の態様によれば、光干渉断層像（ＯＣＴ）画像処理装置であって、プロセッサと、プロセッサに接続される表示部と、プロセッサに接続されるストレージとを備える。ストレージは、プロセッサで実行されると、本発明の第１の態様による方法をプロセッサに実施させるプログラム指示を含んでいる。

画像処理装置は、ＯＣＴスキャンを取得する手段としてのＯＣＴ装置を備えてもよい。つまり、画像処理装置は、インターフェログラムを生成するために備えられるＯＣＴプローブと、インターフェログラムから画像を生成するために備えられるプロセッサとを備えてもよい。つまり、画像プロセッサが、画像が撮影されると画像を処理するために備えられてもよい。

あるいは、画像処理装置は、いかなるＯＣＴ装置からも分離されてもよいし、撮影に続いて画像を処理するために備えられてもよい。つまり、画像処理装置は、処理対象となる画像を受信するために備えられるデータ受信手段（例えば、ネットワーク接続又はメディア・ドライブ）を備えてもよい。

例示のみの目的で、以下に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る光干渉断層像（ＯＣＴ）装置を概略的に示す。 健康な組織のＯＣＴスキャンを示す。 図２のＯＣＴスキャン内の動きのある領域を示す。 健康な皮膚の中の変化領域の密度を深度と共に示すグラフの一例を示す。 熱傷を負った皮膚の図５と同様のグラフを示す。

本発明の実施形態による光干渉断層像（ＯＣＴ）装置は、添付図面の図１に示される。光干渉断層像（ＯＣＴ）装置は、プロセッサ２及びプロセッサ２に接続されるストレージ３（大容量記憶装置又はランダム・アクセス・メモリ等）を有するコンピュータ１を備える。ストレージ３には、以下のようにプロセッサ２を動作させるデータ及びプロセッサ指示が含まれる。コンピュータ１は、任意の適切な機種であればよい。典型的には、マイクロソフト社（登録商標）のウィンドウズ（登録商標）又はアップル社（登録商標）のＭａｃ ＯＳ Ｘ（登録商標）等のオペレーティング・システムを実行するパーソナル・コンピュータが利用可能である。コンピュータ１は、プロセッサ２により制御され、望まれる任意のグラフィックを表示可能な表示部４と、警告音を出すことができるブザー等の音声出力装置１５と備える。

装置は、さらにＯＣＴ干渉計５と関連プローブ６とを備える。干渉計５は、プローブ６を通じてサンプル７（ここでは、対象者の皮膚）から反射する光を、参照経路に沿って通過する光と干渉させ、インターフェログラムを生成する。これらは、干渉計５で検出される。測定された信号は、続いて処理のためにコンピュータ１に送られる。適切なＯＣＴ装置の例示的な実施形態として、ＷＯ２００６／０５４１１６として発行されたＰＣＴ特許出願又は英国ケント州オーピントンにあるマイケルソン・ダイアグノスティクス社の提供するビーボサイト（ＶｉｖｏＳｉｇｈｔ）（登録商標）装置が挙げられる。ユーザーの皮膚７からプローブ６を離すスタンドオフ１０を備えることもできる。

このようなＯＣＴ装置は、典型的には、複数のＢ−スキャンを生成する。すなわち、スキャンは、皮膚７に垂直に取得される。各インターフェログラムの解析結果は、ビットマップであり、ビットマップにおいて、画像の幅は、皮膚表面に対して概して平行な方向に対応し、高さは、センサから皮膚内部への深さに対応する。

ＯＣＴ装置は、時間を空けて複数のスキャンを行う。対象者の皮膚上の同一位置からの連続画像は、連続画像間で変化のある領域を判定することで、血管中の血流の有無を判定するために利用できる。このような変化は、血管中の血球の流れを表すことができる。我々の好適な技術としては、「相関マッピング光干渉断層像（ｃｍＯＣＴ）使用による前腕内側部分の微小循環の生体内画像化」Ｊ エンフィールド、Ｅ ジョナサン、及びＭ リーヒー、バイオメディカル・オプティクス・エクスプレス、２０１１年５月１日；２（５）：１１８４−１１９３に掲載されたようなスペックル非相関ＯＣＴもあるが、スペックル分散や明暗度差又は位相差の算出、又は他のいかなる計算技術も使用できる。

異なる時刻の時間間隔は、慎重に選択されるべきである。時間間隔が短すぎる場合、血液がその領域中を移動する十分な時間がなく、検出可能な変化が起こらない。時間間隔が長すぎる場合、プローブの皮膚に対する全体移動は、２番目の画像内の領域を１番目の画像内の領域と全く同一の位置とすることを困難又は不可能にし、画像にノイズを生じさせてしまう結果になる。ヒトの皮膚においては、３．５ミリ秒の時間間隔が適している。

図２は、例示のＯＣＴスキャンが示され、表面８を有するユーザーの皮膚７を示す。これと次に続く健康な組織における画像を比較した結果が図３に示され、大きな差異のある領域は、概して符号９で示される白色で表される。これらの領域は、血管の存在する領域を示す。

典型的には、ある閾値を超える変化が判定された領域は、変化領域として決定される。しかしながら、ノイズの影響を抑えるために、変化レベルは範囲にまとめられ（統計的な意味合いでビニングされ）、関心範囲のみ考慮されることができる。つまり、ノイズは、変化のレベルが低い場合によく発生する傾向にあり、比較的に変化が低いレベルに関連する範囲は廃棄されてもよい。

健康な皮膚は、表皮を有することが知られている。表皮には血管がなく、表皮の下には、真皮がある。真皮は、『真皮乳頭層』から『真皮網状層』にかけての遷移に応じた深さに応じて血管の密度が急激に増加する（「臓器系における血管及びリンパ系」デイヴィッド Ｉ アブラムソン、アカデミック・プレス（１９８４年１月２８日）、ＩＳＢＮ−１０：０１２４１２１５８６、ｐｐ５９５−３２）。時変領域の深度分布は、真皮内の皮膚表面下において深度に応じて増加を示し（添付図面の健康な皮膚に関する図４に示される）、真皮内のさらに深い深度の地点で、光学散乱による下層のＯＣＴ信号強度の減衰に起因する減少を示す。しかしながら、熱傷により損傷を受けた皮膚では、血管箇所は損傷又は『焼灼』し、血液を運ぶことができない。そのため、熱傷損傷した皮膚における時変領域の深度分布は、異なる形状を表し、時変領域の密度が増加するさらに深い深度を示す添付図面の図５に似ている可能性がある。

このような皮膚内における時変領域の密度を算出することにより、例えば、熱傷によってどの程度皮膚が損傷しているのかを測定することができる。熱傷は、一般的に表面付近の血管を破壊する。そのため、この破壊の深度を利用することで、侵襲的な試料採取なしに皮膚下にどれほどの深さまで熱傷が延伸しているかを判定することができる。熱傷の深度は、熱傷の深刻さを示すものであり、医者又は他の保健専門家による診察において、熱傷の診断及び治療方法の決定の際のツールとして使用できる。

このように、プロセッサ２は、変化領域９の密度のプロファイルを判定するために備えられる。当該プロファイルは、皮膚の深度に対して判定される。画像中の任意のポイントをゼロ深度ポイントとして定めること（皮膚７に接触するスタンドオフ１０の表面の代表的な位置）、あるいは我々の先行するＷＯ２０１５／００１３１７として公開されたＰＣＴ特許出願に説明した通りに皮膚表面の位置を決定することによって深度を判定できる。

これは、結果的に添付図面の図４及び５に示される密度プロファイルとなる。これは図４では正常な皮膚に関して示され、図５では熱傷した皮膚に関して示される。つまり、皮膚の表面付近では、熱傷の場合、正常な皮膚よりも血管が著しく少ないことがわかる。このカーブは、表示部に表示され、直接オペレータに届けることができた。しかしながら、好適な実施形態では、熱傷した（又は疑いのある）領域と正常な皮膚における同等の領域、例えば胴体の反対の側面、を測定することで、プロセッサ２は、健康な真皮網状層に応じた所定の血管密度のある閾値深度１３を判定できる。あるいは、閾値は、年齢、性別、及び身体部位ならびに対象者の正常な皮膚から作られた閾値の測定値とそれらの特性及びスキャン位置で埋められたルックアップテーブルに基づいて設定することもできる。

つまり、熱傷の疑いのある領域に対して、血管密度が閾値を上回る皮膚深度を判定することもできる（図４中、ｄで示される）。これは、医者又は他の保健専門家にとって、熱傷の深さを教えてくれる役立つ情報であり、自身で多くのスキャンの分析を行う必要がなくなる。よって、プロセッサ２は、この数字を表示部４上に出力させることができる。

代わりに、又は追加的に、プロセッサは、深度ｄが所定限度を上回ることが万が一あれば、ブザー１５を鳴らすように構成してもよい。所定限度は、正常な皮膚のスキャンから、あるいは、先ほどと同様、対象者の年齢、性別、及び身体部位から判定できる。ブザーが鳴った場合、深刻な熱傷が存在しているとオペレータに対して明確になる。あるいは、このような指示は、表示部に文字で表示することもできるし、色で描写（例えば、緑色は正常、赤色は深刻等）することもできる。

Claims (15)

1. 対象者の皮膚の光干渉断層像（ＯＣＴ）スキャンの処理方法であって、
   前記対象者の皮膚の複数のスキャンを受信する工程であって、前記スキャンが異なる時間における前記ユーザーの皮膚のスライス状のＯＣＴ信号を表す工程と、
   前記スキャンを比較して前記スキャン内の時変領域を判定する工程と、
   前記時変領域の深度分布を判定する工程と、
   を備える方法。
2. 前記時変領域を判定する工程は、前記比較されるスキャン間のＯＣＴ信号の差異の程度に応じて時変領域を判定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記時変領域を判定する工程は、スペックル分散ＯＣＴ、非相関、並びに明暗度差又は位相差の算出のいずれかを使用する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記時変領域の前記分布を判定する工程は、前記対象者の皮膚の中の前記時変領域の深度分布の判定を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 典型的には、深度に対する時変領域の密度のグラフとして、前記分布をオペレータに対して表示する工程を備える請求項４に記載の方法。
6. 前記時変領域の前記判定は、時変領域の前記密度が密度閾値を超える位置である前記ユーザーの皮膚の中の閾値深度の判定を含む、請求項４又は請求項５に記載の方法。
7. 前記閾値深度を所定値と比較し、前記閾値深度が前記所定値より大きいか小さいかをオペレータに表示する工程を備える請求項６に記載の方法。
8. 前記所定値は、前記対象者の皮膚の特性に応じた数値を含むルックアップテーブルから得られる、請求項７に記載の方法。
9. 前記ルックアップテーブルの数値は、前記対象者の前記身体における前記スキャン位置、前記年齢、及び前記性別に対応する、請求項８に記載の方法。
10. 無損傷であることが既知の前記ユーザーの皮膚の領域から複数の較正用スキャンを取得する工程であって、前記スキャンが異なる時間における前記ユーザーの皮膚のスライス状のＯＣＴ信号を表す工程と、
    前記較正用スキャンを比較して前記スキャン内の時変領域を判定する工程と、
    時変領域で占められる前記較正用スキャンの深度分布を判定する工程と、
    を備える請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記較正用スキャン内の時変領域の前記深度分布は、前記密度閾値及び／又は前記所定値を判定するために利用される、請求項６又は請求項７に従属する請求項１０に記載の方法。
12. 前記スキャンの前記比較及び前記時変領域の前記分布の前記判定は、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ等の処理装置を使用して実施される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記スキャンの前記受信する工程は、ＯＣＴ装置を使用して前記スキャンを取得する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 光干渉断層像（ＯＣＴ）画像処理装置であって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに接続される表示部と、
    前記プロセッサに接続され、前記プロセッサで実行されると、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法を前記プロセッサに実施させるプログラム指示を含むストレージと、
    を備える光干渉断層像（ＯＣＴ）画像処理装置。
15. 前記ＯＣＴスキャンを取得する手段としてのＯＣＴ装置を備える、請求項１４に記載の画像処理装置。