JP3592327B2 - 生物組織中の密度分布を光学的に，空間分解しつつ確定する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、生物組織中の密度分布を光学的に、空間分解しつつ確定する装置及び方法に関する。
人体組織を画像を形成しながら検査するための一連の装置又は方法は以前から知られている。たとえば、人体の骨格構造の画像を十分なコントラストをもって得ることを目的とするときにはＸ線を使用する。ところが、様々に異なる組織構成要素の間で検出すべき密度差が場所によっては５％未満となる腫瘍の検出に際しては、Ｘ線を使用したときに得ることができる画質は確実な診断を下すには不十分である場合が多いさらに、Ｘ線を使用すると、Ｘ線が照射される人体部分に対して電離作用を及ぼすという欠点が生じる。
また、そのように組織中の光学的密度変化が小さい場合、周知のNMR分光生体内方法もごく限られた評価能力しか与えない。その上、このような方法はコスト面での負担が大きく、必要な測定時間も長い。
従って、生物組織を光学的に、画像を形成しつつ診断するための、Ｘ線照射又はNMR分光検査方法について知られている欠点を回避すべき方法はかなり以前から研究されてきた。たとえば、光学的方式に基づくそのような装置又は方法は米国特許第4,972,331号の中に記載されている。さらに、J.M.Schmitt他の論文「Use of Polarized light to Discriminate short−path photons in ａ multiply scattering medium」（Applied Optics第31巻第30号、6353〜6546ページ）からは、赤外線放射を利用し、特に、散乱放射部分の評価によって、強力に散乱を起こす媒体の中の「異物」の検出を実現できることがわかっている。
しかしながら、上記の文献による光学的方式に基づく装置又は方法には、所定の組織部分、たとえば、腫瘍の存在に関する定性的データしか作成されて来ないという共通する欠点がある。そこで、組織中のそのような一部組織の場所を精密に確定すること又はその寸法を厳密に確定することは不可能である。
従って、本発明の基礎を成す課題は、先に述べた従来の欠点を回避するような、生物組織中の密度分布を光学的に、空間分解しつつ確定する装置並びにその装置を動作させる方法を提供することである。
この課題は、請求の範囲第１項の特徴を有する装置によって解決される。
請求の範囲第12項の対象は、本発明による装置を動作させるための方法である。
放射源の局所的に限定された放射線束の送信側での規定位置決めと同時に、透過した放射部分の空間分解記録を可能にする走査装置を本発明に従って適用することによって、生物組織中の密度分布又は密度変化を高精度で空間分解しつつ確定できる。そこで、たとえば、周囲に位置する健康な組織と比較して異なる光学的密度を有する人体組織中の腫瘍の場所指定に関する精密なデータを作成できる。また、そのような変化を伴う密度分布の寸法に関する精密な情報をも同様にして収集できる。
本発明による装置は、組織中の局所的な密度変化を空間分解しつつ検出するという第１に望まれる目的に加えて、組織中のわずかな密度変化を長期間にわたって検出するためにも適用可能である。そのような検出は、たとえば、投薬治療の経過中の組織変化を監視するために必要であると考えることができる。そこで、たとえば先に挙げたJ.M.Schmitt他の論文などに記載されているように、記録された信号の評価を実行できる。
本発明による装置では、所望の評価方式に応じて様々に異なる構造をもつ走査装置を使用することができる。総じて、装置全体をモジュラー構造とすることが可能であり、その場合には、適用用途に応じて個々の構成要素を交換することができる。
本発明による装置及びその装置を動作させるための方法のその他の利点並びに詳細は、添付の図面に基づく以下の実施例の説明から明白である。
図面中、
図１は、本発明による装置の第１の実施例を概略図で示し、
図２は、本発明による装置の第２の実施例を概略図で示す。
次に、図１を参照して、本発明による装置の第１の実施例を説明する。この場合、検査すべき生物組織（１）、たとえば、人間の手の一部はＵ字形測定用ニッパ（２）の顎部（2a,2b）の間に位置している。このニッパには走査装置が一体に組込まれている。図中符号（９）を付した矢印によって示唆する通り、測定用ニッパ（２）の２つの顎部（2a,2b）の間隔を規定、調整することができる。この調整は周知の摺動機構などを介して実現可能である。摺動機構は、周知の増分進路測定システム、又は絶対進路測定システムの形態をとる−同様に図示されていない−長さ測定手段をさらに含み、この手段により、２つの顎部（2a,2b）の実際に設定された間隔を評価を目的として測定し続けることができる。
さらに、測定用ニッパは、その材質を適切に選択することにより、殺菌消毒可能であるように形成されていると有利である。そこで、走査装置を含めて、測定用ニッパは容易に解体でき、個々の部品をオートクレーブの中で容易に消毒することができるように構成されていると好都合であることがわかっている。
走査装置自体には、放射源（３）、検出器装置（４）及びそれらに付随する、放射源（３）と検出器装置（４）の摺動手段に加えて、検査すべき組織（１）の実際の厚さを測定する厚さ測定手段（5,6）が含まれている。
本発明によれば、測定用ニッパ（２）の２つの顎部のうち一方（2a）に放射源（３）を配設し、それに対向する顎部（2b）に検出器装置（４）を配設している。２つの矢印（３′）及び（４′）により示唆する通り、放射源（３）と検出器装置（４）は、共に、−図示されない−摺動手段を使用して１つの平面において規定、位置決め可能である。この場合、直線に沿った摺動が可能であると共に、平面摺動も実現可能である。走査装置制御部（８）は、所望の走査モードに従って、放射源（３）及び検出器装置（４）を規定通りに摺動させ、また、放射源（３）と検出器装置（４）の実際の位置を検出する。
図示したように、放射源（３）並びに検出器装置（４）を摺動自在に構成することが可能である他に、その代わりに、放射源又は検出器装置のいずれか一方のみを摺動させることも可能である。同様に、たとえば、走査プロセスの間に時間の経過に従って局所的感度をもってオン，オフされる検出器装置を使用することもできる。
不可欠であるのは、組織中の入射場所の位置がわかっているとき、出力側で、位置に従って決まる透過放射部分又は散乱放射部分の記録が実行されるという点である。
本発明によれば、放射源（３）の入射位置を固定保持しつつ、第１の走査過程において、透過、散乱放射部分を検出器装置（４）を使用して、所定の立体角を経て空間分解しつつ検出する。それに続く走査過程では、放射源（３）の入射位置を走査装置を使用して照射すべき組織（１）に対して変化させてゆき、そして都度、その入射位置に付随する散乱光分布を検出器装置（４）を介して新たに検出する。そこで、記録された信号に基づいてコンピュータにより照射された組織の再構成が可能になるまで、それだけの回数、個々の走査過程を実行することになる。
第１の走査過程に続く走査過程においては、放射源の入射場所の位置を変化させるのに加えて、その都度の検出器装置を監視することもできる。そのような監視により、たとえば、放射源と検出器装置の光軸が常に互いに同期して移動していることがわかる。そのため、規定された立体角を経て透過散乱光分布を同時に検出しながら、検査すべき組織の点状照射が実行されることになる。連続する走査過程のたびに、組織に対する点光源の位置を増分変化させる。
信号収集に際しては、透過後の強さを測定する単純な方式に加えて、たとえば、米国特許第4,972,331号に記載されているように、位相変調−分光方式に基づいて実行することも可能である。この場合には、送信側で放射の振幅を100MHzから500MHzの範囲の高周波数で強さ変調し、検出器側では、組織を通過した後の散乱放射を空間分解しつつ記録する。そこで、その結果発生する高周波変調光の位相変化と、散乱放射の高周波数成分の振幅変化を元の放射に対して共に検出器で評価する。
収集した情報の適切な再構成方式によるその後の利用方法は、たとえば、M.Schweiger,S.R.Arridge,D.T.Delpyの論文「Application of the Finite−Element Method for the Forward and Inverse Models in Optical Tomography」（Journal of Mathematical Imaging and Vision ３（1993年））の263ページから知られている。
図示した実施例においては、放射源（３）として、赤外線スペクトル範囲の中で動作し且つ信号処理方式に従って高周波数で変調することができる１つ又は複数のレーザーダイオードを使用している。前方に適切な光学系を配置したレーザーダイオードは、局所的に幅狭く限定された放射線束を発生し、その放射線束で検査すべき組織（１）に沿って規定通りに走査することができる。すなわち、放射源を、規定された口径と、規定された開口角とを有する点に似た光源とみなすことができる。
あるいは、放射線束を幅狭く限定するような所望の光源を、たとえば、送信側に設けた光ファイバ光導体を利用して実現することも可能であり、そのような光ファイバ光導体は適切な放射源の前方に配設され、その放射線射出面は特別のコリメーション光学系を具備しており、組織に沿って移動、すなわち、走査されてゆく。
放射源の選択に際して重要であるのは、開口角の小さい、できる限り幅狭く限定された開口を設け、その入射位置を照射すべき組織に対して規定して位置決めできるということのみである。
適切な放射源波長は600nmから1300nmまでの赤外線スペクトル範囲にあるのが有利であり、その範囲内では生物組織は相対的に高い透過率を有する。単一の波長を使用する他に、２つ以上の波長を同時に並行して使用することも可能である。その目的のために、たとえば、相応して２つ以上の、波長の異なる放射源を使用すべきである。
図示した実施例では、受信側の検出器装置（４）として、透過又は散乱した放射部分の空間分解記録を可能にする平面CCDアレイを設けている。
高周波数で変調したレーザー光によって動作を実行するために、CCDアレイも同様に直接に高周波数変調するか、あるいは、CCDアレイの前に接続されている光増幅器と共にCCDアレイを高周波数変調増幅をもって動作させるかのいずれかを選択することができる。その場合、検出器側の変調周波数はレーザーダイオードの変調周波数に対してKHz範囲の周波数オフセットδｆだけはずれており、従って、CCDアレイは、高周波数変調光の振幅及び位相などの全ての関連情報を含む周波数δｆの信号を記録することになる。
そこで、さらに広い組織部分を検査できるように、先に述べたが、図示されてはいない摺動手段を介して放射源（３）と同様にCCDアレイをも組織（１）に対して規定位置決めすることが可能である。
あるいは、適切に摺動させることができるCCDアレイも検出器装置（４）として適用可能である。その他にも、検出器側では、波長選択検出器装置を後に配設した光ファイバ光導体を使用することも可能であり、この装置は記録すべき透過放射又は組織中で散乱した放射を場所に従属させつつ記録する。規定された立体角を経て散乱放射部分を場所に従属しつつ記録するために、入射位置を固定保持した走査過程において、光ファイバ光導体の入射面を射出側で組織に沿って走査してゆくのであるが、この走査も同様に周知の摺動機構を利用して実現可能である。
また、光ファイバセンサを使用する場合には、先に説明したような高周波数変調光による信号収集の方法も使用することができるのは自明である。
図示した実施例のように、放射源（３）と検出器装置（４）を共に規定に従って場所を変更できるように構成することも可能であるが、その代わりに、放射源（３）又は検出器装置（４）の一方のみを適切に摺動自在であるように構成することもできる。
しかしながら、本発明によれば、単純な摺動の他にも、たとえば、円筒形の組織部分を中心とする回転などの別の走査方式又はラスタ走査方式も適用可能である。
本発明による装置の走査装置は、実際に照射された組織（１）の厚さをその都度確定することができる厚さ測定手段（5,6）をさらに含む。この情報は、記録された放射信号の−以下に続いて概要を説明する−評価及び照射された組織のコンピュータによる再構成のために必要である。図１の実施例では、厚さ測定を目的として、放射源（３）と検出器装置（４）の他に触知ピンが配設されており、このピンは規定されたばね力をもって照射すべき組織（１）に押し付けられて、そのようにして組織境界面と直接に接触している。厚さ測定手段（5,6）の出力信号は、測定用ニッパ（２）の２つの顎（2a,2b）の設定間隔に関する情報と共に、厚さ測定手段（5,6）に付随する評価段（12）で処理され、この評価段は確定した厚さ測定値を本発明による装置の中央評価装置（10）へ続いて伝送する。
先に示唆した通り、中央処理装置（10）は、放射源（３）及び検出器装置（４）の実際の位置について走査装置制御部（８）により検出される情報をさらに処理する。評価のために、中央処理装置（10）は、最終的には、高周波数変調光の振幅及び位相に関して記録された信号、並びに検出器装置（４）における定常光部分を必要とし、それらは検出器装置（４）の適切な評価段（11）から中央評価装置（10）へと引き渡される。
放射源（３）と検出器装置（４）との間隔がわかっており且つ組織の光学的パラメータがわかっているとき、既知の入射位置に対して本発明に従って空間分解しつつ記録された散乱光部分を使用して、検査される組織中の局所的「障害」の場所を指定することができる。たとえば、腫瘍などのそのような「障害」は周知に位置する健康な組織と比較して異なる光学密度を有し、空間分解しつつその場合を指所することができる。
複数回の走査で収集された情報に基づく光学密度分布の再構成計算は、計算された順方向カーネルを使用しつつコンボリューションアルゴリズムによって実行される。そのような評価方式の詳細は、たとえば、既に先に引用したM.Schweiger他の論文などに見られる。
この場合に基礎となることは、組織の中で進行している散乱プロセスをそれぞれ得られた光学密度分布と相関させれば、散乱光部分の検出から、現れている局所的組織密度分布の再構成計算が可能になるということである。記録された信号のコンボリューションは、検査すべき組織の既にわかって散乱特性に基づくモデル計算から得られるいわゆる適切順方向カーネルによって実行される。
評価に際しては、さらに、物体に従って起こる光子密度波の回折現象を考慮に入れることができる。
検査される組織における光学密度分布を評価装置を介して再構成計算したならば、最後に、その後に配置された画像処理装置と、対応する表示装置（13）とを介して、検査した組織部分の二次元表示又は三次元表示が可能になる。
本発明による装置の代替実施形態を図２に示す。
図１の第１の実施例と異なり、走査装置を一体に組込んだ測定用ニッパの代わりに、走査装置を一体に組込んだ断層撮影装置のガントリが設けられている。走査装置の放射源（23）と検出器装置（24）は、断層撮影スキャナの態様に従って、検査すべき組織（21）の周囲を回転する。この場合にも、放射源（23）は同様に規定された、幅狭く限定された開口を有する点光源として構成されている。さらに、検出器装置（24）は第１の実施例の場合と同様に透過放射部分を空間分解しつつ記録する。
この実施例の本発明による装置も、２つの組織（21）に当接する触知ピンの形態をとる厚さ測定手段（25,26）をさらに含む。
信号処理は原則的には先に説明した実施例と同じように実行される。すなわち、走査装置及び厚さ測定手段の情報を適切に処理し、必要に応じて画像処理装置を介して表示装置中央評価装置（100）が同様に設けられている。
本発明による装置のこの実施例によって、たとえば、NMR断層撮影の場合に得られるのと同じ態様と方式で、特に検査すべき組織のスライス画像を様々に異なる観察方向から実現することである。

Claims (11)

1. 生体組織中の密度分布を、光学的に確定する装置において、
   局所的に限定された放射ビームを生体組織の固定された所定の入射位置に向けて照射する放射ビーム源と、
   前記固定された所定の入射位置に前記放射ビームを照射している間において、前記生体組織を透過する放射ビームの透過放射部分と散乱放射部分とを、当該生体組織の所定の範囲にわたって検出記録する検出装置と、
   前記放射ビームの生体組織への入射位置を変更する装置と、
   照射されるべき生体組織の厚みを確定する厚み測定装置と、
   複数の入射位置での前記放射ビームの透過放射部分と散乱放射部分の前記所定の範囲にわたる前記検出装置による記録と、複数の入射位置での前記厚み測定装置により確定された組織厚さとを受け取るよう構成され、前記生体組織の既知の光学的パラメータと前記入力された検出 装置による記録と組織厚さとを使用して前記組織中の 「傷害」の場所を確定して前記生体組織の再構成表示を生成する評価装置と
   を備える装置。
2. 前記検出装置が平面CCDアレイである請求項１記載の装置。
3. 前記放射ビームが高周波変調したレーザーである請求項２記載の装置。
4. 前記CCDアレイが前記放射ビームに対して所定の周波数オフセットを有している請求項３記載の装置。
5. 前記放射ビーム源は少なくとも一つの点光源を含み、前記検出装置は少なくとも一つの点状検出器装置（4,24）を含む請求項１記載の装置。
6. 前記放射ビーム源は少なくとも一つの点光源を含み、前記検出装置は二次元検出器アレイを含む検出器装置（4,24）を備えた請求項１記載の装置。
7. 点光源と検出器装置の少なくとも一方は規定に従って場所を移動できる請求項５又は６記載の装置。
8. 点光源と検出器装置は、Ｕ字形の測定用ニッパ（２）の対向する顎部（2a,2b）にそれぞれ取り付けられている請求項５から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 評価装置の後に、表示装置（13）に対して二次元又は三次元表示が可能であるように記録された信号を処理する画像処理装置が配置されている請求項１記載の装置。
10. 生体組織の厚みを確定する厚み測定装置 は、測定すべき組織にばね力をもって押し付けられる触 知ピンを有しており、
    前記厚み測定装置の出力が前記放射ビーム源と検出器装 置との間隔の設定に利用される請求項１記載の装置。
11. 前記放射ビーム源は波長が600〜1300nm の赤外線スペクトル範囲で動作するレーザーダイオード を含んでいる請求項１記載の装置。

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