JP2020528795A - 表面下物体及び表面物体の特性評価のためのモバイルプラットフォーム圧縮誘導イメージング - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、「Apparatus and Method for Surface and Subsurface Tactile Sensation Imaging」について、2011年7月7日に出願され、2012年1月12日付の国際公開WO2012/006431号として公開された、一般に発明されかつ譲渡された国際特許出願PCT/US2011/043203号及び2017年5月16日に発行された対応米国特許第9,652,696号に関連し、その教示をさらに発展させるものである。この出願及び特許の全内容は、あたかも本明細書に明示的に記載されているかのように、その全体を参照により本明細書において援用する。また、本願は、2017年7月28日に出願された米国仮出願第62/538,032号に関し、その優先権を主張するものであり、その開示も参照によりその全体を本明細書において援用する。
本発明は、表面下物体及び表面物体の圧縮誘導イメージング及び特性評価に関し、特に、より軟質の固体媒体の表面下の固体ターゲットのサイズ及び剛性を決定するためのモバイルプラットフォームベースデバイス及び関連する方法に関する。この装置及び方法は、人体又は動物の体内の腫瘍を非侵襲的に特性評価する用途に使用される。
弾性は、悪性腫瘍を特定するのに使用される特性の1つである。不健康な組織は、対応する健康な組織よりも硬くなりやすい(Itoh外2006、Dargahi 2004、Rivaz 2008、Krouskop 1998、Regini 2010)。そのため、組織の弾性を定量化することは、医療従事者が不健康な組織を分類して識別するのに非常に役立つと考えられる。
本願の一態様によれば、対象領域の圧縮を使用して物体の画像を生成するモバイルプラットフォームイメージングデバイスであって、可撓性がありかつ透明な第1層を少なくとも含む光導波路と、前記光導波路に光を向けるように構成された少なくとも1個の光源とを備える触覚センサを備える。前記導波路は、光導波路に向けられた光の少なくとも一部が、前記第1層が変形する際に前記第1層から散乱するように構成され、前記第1層は、前記触覚センサが前記物体に押し付けられることにより変形する。好ましくは、前記導波路を保持する剛性フレーム又は前記導波路は、使用中に導波路を支持するのに十分な剛性で形成できる。力センサは、前記触覚センサを前記物体に押し付けるために加えられる力を検出し、対応する力情報を出力する。前記力センサから力情報を受信するために第1通信ユニットが接続される。第2通信ユニット及びイメージャを備えるモバイル機器を保持するための容器が設けられ、第2通信ユニット及びイメージャは、前記第1層から散乱した光の少なくとも一部を使用してイメージャが画像情報を生成できるように配置される。前記第1通信ユニットは第2通信ユニットと通信可能であり、モバイルデバイスは外部ネットワークと通信可能である。
図面、まず図1を参照すると、符号20で一般的に示されるモバイルプラットフォーム圧縮誘導イメージングシステム(CIS)の全体構成の一実施形態は、モバイルデバイス22、モバイルデバイス22に対する前端部アタッチメント24、クラウドサーバ26、及びローカル処理ユニット28から本質的になる。モバイルデバイス22は、典型的にはカメラである撮像ユニット32、ソフトウェアユニット34、及び無線通信ユニット30を備え、これらは全てスマートフォンにおいて標準的なものであり、簡潔にするためにこれ以上説明しない。
モバイルプラットフォームCISが決定する機械的特性の1つは、ターゲット100のサイズである。ここでは、表面下又は表面ターゲットのサイズを取得する方法について説明する。
モバイルプラットフォームCISの圧縮実験は、いくつかの点で、介在物の機械的特性を決定する従来の引張試験に似ている。本発明者が考慮する検討する特性の1つは、柔軟性指標である。これは、ターゲットの柔らかさ/硬さの度合いである。従来の硬度測定で使用される剛性スチール圧縮面とは異なり、本手法では、柔軟性のあるシリコーンプローブを使用して、柔軟性のある介在物で組織を圧縮する。モバイルプラットフォームCISのシリコーンプローブ素子の変形のサイズ及び形状は、介在物を含む組織に関する情報を提供する。しかし、圧縮面の剛性の相違は、これら2つの方法の出力に影響を与える。剛性プローブを使用した従来の引張実験では、サンプルが変形し、硬質のサンプル/介在物の変形は軟質の介在物の変形よりも小さくなる。本測定方法では、測定されるのは軟質プローブの変形であり、プローブの変形は硬質サンプルでは大きく、軟質サンプルでは小さくなる。得られる柔軟性指標SCISSは、弾性率の逆数である。
ここでは、ターゲットの絶対弾性を取得する方法を示す。ここで、この実施形態は、ヒトの腫瘍用途向けであるが、他の用途も可能である。腫瘍の絶対ヤング率(弾性)を計算するために、ディープラーニングを利用する。弾性による変形のサイズなどのターゲットの機械的特性をモデル化する。この方法は、順方向手法と逆方向手法とに分けられる。図15及び16を参照されたい。順方向手法は、皮膚のストレスグラフを提供する。逆方向手法は、図16に示すように、ディープラーニングを使用してターゲットの弾性を提供する。
順方向アルゴリズムの目的は、組織内包パラメータとCISデータとの関係を見出すことである。三次元解析は、ヒト腫瘍の特徴を予測する新規な方法につながる。これを医療提供者の触診に直接組み込むことができる。有限要素法(FEM)は、腫瘍の形状、サイズ、弾性などの特性を実証するために使用される。入力パラメータは次のとおりである:
組織負荷(組織の表面の圧縮)l、
圧痕直径d、
皮膚の剛性Er。
順方向手法の結果は腫瘍の存在を示すことができるが、腫瘍の特性に関する詳細な情報は提供しない。逆の問題を解決するための技術の一つは、順方向結果のディープラーニングを使用することである。第1の部分は、FEMを使用した触覚マップのデータ収集及び構築である。第2の部分では、入力としてCISマップを取得し、出力として画像化された組織及び腫瘍のサイズ及び弾性を生成する逆方向モデルが必要である。逆方向アルゴリズムは、CISから取得した最大変形、総変形及び変形面積から腫瘍の弾性率、深さ及びサイズを推定する。この逆方向モデリングには、「ディープブリーフネット」(DBN)と呼ばれるディープニューラルネットワーク手法を使用する。このDBN手法は、逆方向アルゴリズムの精度を向上させる(LeCun外、2015)。従来の人工ニューラルネットワーク(ANN)には過剰適合の問題があり、一般化のパフォーマンスが低下する。DBNは、過剰適合を回避するために監視なしの方法で事前にトレーニングでき、深い構造に潜在的な変数空間があるDBNは、浅い構造(すなわち、1つ又は2つの隠れ層のみ)のANNでは効率的に表現できない複雑な非線形関数を表現できる。DBNを使用して、逆方向アルゴリズムの精度を改善する。このようにして、ターゲットの絶対ヤング率を取得することを提案する。
本実施形態では、モバイルプラットフォームCISを使用して取得できる腫瘍リスク指標について説明する。定量化されたサイズ及び柔軟性指標の情報を利用して、腫瘍リスク指標を取得する。可動性及び柔軟性などの他の機械的特性をこのリスク指標に組み込むことができる。ここでは、リスク指標を決定する方法の2つの異なる実施形態について説明する。
第1実施形態として、サイズと柔軟性との間で等しく重み付けしたリスク指標を計算する。まず、サイズを1〜5の間で正規化する。5は最大サイズ(2cmなど)、1は最小サイズ(2mmなど)である。また、柔軟性を1〜5に正規化する。5は硬質、1は軟質である。柔軟性の範囲は、0〜250×10-9/Paとすることができ、5つのレベルに分割できる。次に、サイズと柔軟性を0.5倍して、それらを合計する。このように、サイズ情報と柔軟性情報とを等しく重み付けし、リスク指標は1〜5の数値である。腫瘍のサイズが大きいほど、悪性になる可能性が高くなる。腫瘍が柔らかいほど、良性である可能性が高くなる。
別の実施形態は、ニューラルネットワークなどの機械学習方法を利用してターゲットを分類することである。腫瘍のサイズ、可動性、弾性などのCISシグネチャは、モバイルプラットフォームCISから取得されることになる。CISデータが利用可能になったら、データを融合して腫瘍特性モデルを開発しなければならない。まず、悪性情報でサイズ、深さ、可動性及び弾性のデータベースを作成する。次に、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を使用して腫瘍を分類する。
いくつかが上で議論した以下の従来の刊行物は、本明細書に明示的に記載されているかのように参照により本明細書において援用される。
Claims (35)
- 対象領域の圧縮を使用して物体の画像を生成するモバイルプラットフォームイメージングデバイスであって、
可撓性がありかつ透明な第1層を少なくとも含む光導波路と、前記光導波路に光を向けるように構成された少なくとも1個の光源とを備える触覚センサであって、前記光導波路は、光導波路に向けられた光の少なくとも一部が、前記第1層が変形する際に前記第1層から散乱するように構成され、前記第1層は、前記触覚センサが前記物体に押し付けられることにより変形する触覚センサと、
前記光導波路に力が加えられたときに前記光導波路を所定位置に保持するための支持構造と、
前記触覚センサを前記物体に押し付けるために加えられる力を検出し、対応する力情報を出力する力センサと、
前記力センサから力情報を受信するために接続される第1通信ユニットと、
第2通信ユニット及びイメージャを備えるモバイル機器を保持するための容器であって、前記第2通信ユニット及び前記イメージャは、前記第1層から散乱した光の少なくとも一部を使用して前記イメージャが画像情報を生成できるように配置され、前記第1通信ユニットは第2通信ユニットと通信可能であり、モバイルデバイスは外部ネットワークと通信可能である前記容器と
を備えるモバイルプラットフォームイメージングデバイス。 - 前記モバイルデバイスと組み合わされた請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイスであって、前記モバイルデバイスが携帯電話であるモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記携帯電話は、前記第1層から散乱した光の少なくとも一部から前記画像情報を生成し、前記力情報を受け取り、前記画像情報を前記力情報と同期させ、関連情報を外部デバイスに送信するようにプログラムされている、請求項2に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記関連情報が、現在の日付、現在の時刻、前記モバイルデバイスの現在のユーザのユーザID、及び前記物体のターゲットIDから選択される情報をさらに含む、請求項3に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記画像情報が単一の画像、複数の画像、及びビデオ画像よりなる群から選択される、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記モバイルデバイスは、前記外部デバイスと複数のメッセージを交換し、前記複数のメッセージのコンテンツからハッシュを生成し、前記ハッシュから決定された暗号化キーを使用して前記同期された情報を暗号化するようにプログラムされている、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記容器は、前記モバイルデバイスの撮像ユニットが前記光導波路による見通し線の反対側に沿ってかつ前記見通し線に沿って配置されるように、前記モバイルデバイスの選択的取り外し可能な受取りのためのクレードルを画定するフレームとして構成される、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記フレームは、前記光導波路を内部に取り付けるための切欠部を有するホルダを備える、請求項7に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記光導波路の選択的側方照明を与えるために、前記少なくとも1個の光源の設置用の前記ホルダの周りに少なくとも1個の穴が間隔を空けて形成されている、請求項8に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記撮像ユニットと前記光導波路との間に前記見通し線を設けるために、前記切欠部内の略中央に開口部が形成されている、請求項8に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記クレードルは、前記モバイルデバイスとの係合用の隆起側面を備える、請求項7に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記力センサは、前記触覚センサと前記モバイルデバイスを保持するための前記容器との間にある、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- ハンドルをさらに備え、前記力センサが前記ハンドルと前記モバイルデバイスを保持するための前記容器との間にある、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記ハンドルが前記容器のフレームによって画定されている、請求項13に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記ハンドルが前記フレーム上に動作可能に設置されたハウジングによって画定されている、請求項13に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記力センサによって検出されるように前記容器を介して前記触覚センサに力を制御して加えるための、前記ハウジングに動作可能に設置されるモータをさらに備える、請求項15に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記力センサによって検出されるように前記容器を介して前記触覚センサに力を制御して加えるための、前記容器に動作可能に設置されるモータをさらに備える、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記少なくとも1個の光源に電力を供給するための定電流ドライバ回路をさらに備える、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記光導波路の前記第1層は前記標的領域と接触するように適合された接触面を有し、前記支持構造は、前記接触面から離間した前記光導波路の表面に対して取り付けられた剛性フレームを備える、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記支持構造は、前記光導波路の形状によって与えられる、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 少なくとも、前記光導波路の前記第1層が湾曲している、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 少なくとも、前記光導波路の前記第1層が半球形である、請求項21に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 少なくとも、前記光導波路の前記第1層が半円筒形である、請求項21に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 少なくとも、前記光導波路の前記第1層が長方形である、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 少なくとも、前記光導波路の前記第1層がエラストマーである、請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 前記エラストマーがポリジメチルシロキサン(PDMS)である、請求項25に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイス。
- 請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイスを使用して物体の表面又は表面下のサイズを決定する方法であって、次のステップ:
加えられた複数の力で前記画像情報及び対応する力情報を取得し;及び
3D補間を使用して前記物体のサイズを推定すること
を含む方法。 - 前記取得ステップは、
力を変化させながら所定期間にわたって一連の画像を取得し;及び
前記期間の他方の部分の間よりも滑らかに及び/又は直線的に前記力が時間と共に変化する期間の一方の部分から、画像を選択すること
を含む、請求項27に記載の方法。 - 請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイスの光源を位置合わせする方法であって、
前記触覚センサを既知の物体に予め選択された力で適用し;
前記画像情報を処理して前記散乱光の非対称性を識別し;及び
前記少なくとも1個の光源を調節して前記非対称性を低減すること
を含む方法。 - 請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイスの光導波路の切傷又は損傷を検出する方法であって、
前記触覚センサを既知の物体に予め選択された力で適用し;
前記画像情報を処理して前記散乱光の非対称性を識別し;及び
前記非対称性が閾値を超えたときに、前記光導波路の切傷又は損傷を示すこと
を含む方法。 - 請求項1に記載のモバイルプラットフォームイメージングデバイスのターゲット領域の物体の柔軟性を決定する方法であって、次のステップ:
前記画像情報から接触面積を決定し;
前記触覚センサの接触面積及び前記力情報から応力を決定し;
前記画像情報及び決定された応力から前記光導波路の歪みを決定し;及び
前記光導波路の歪みと、前記接触面積と、前記応力とから介在物の歪みを決定すること
を含む方法。 - 前記光導波路の歪みを決定するステップは、前記散乱光のピクセルの強度の合計及び前記散乱光の最大強度ピクセルの強度の少なくとも一方を使用する、請求項31に記載の方法。
- 圧縮誘導イメージングシステム(CIS)情報を使用してターゲット領域の物体の絶対弾性を決定する方法であって、
有限要素法を使用した順方向モデリング手法と、
その後のディープブリーフネットワークを使用した逆方向モデリング手法と
を含む方法。 - 被検体の腫瘍リスク指標を取得する方法であって、次の少なくとも1つ:
前記被検体のサイズ及び剛性の加重和として腫瘍リスク指標を算出すること;及び
コンボリューションニューラルネットワークを使用して前記リスク指標を決定するための機械学習方法
を含む方法。 - 通信方法であって、第1デバイスによって、複数のメッセージを第2デバイスと交換すること、前記複数のメッセージのコンテンツからハッシュを生成すること、並びに次の少なくとも一つ:
前記ハッシュから決定された暗号化キーを使用して情報を暗号化し、暗号化された情報を第2デバイスに送信すること;及び
前記第2デバイスから情報を受信し、前記ハッシュから決定された暗号化キーを使用して前記情報を復号化しようと試みること
を含む通信方法。
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