JP4242633B2 - Discrimination method and discrimination device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子の大きさを判別する判別方法及び細胞の状態を判別する判別方法及びそれらの判別方法を実施する判別装置に関し、特に、散乱体からの後方散乱光を観測することにより粒子の大きさを判別する判別方法とそれを用いた細胞の状態を判別する判別方法及び判別装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
生体組織に光を照射したときの散乱光を検出することにより、生体組織上の細胞の情報を観測する技術が知られている。例えば、特許文献1では、散乱光の波長スペクトルの違いにより、細胞核の大きさを判別する技術が記載されている。また、特許文献2や非特許文献1では、散乱光の散乱角度特性を利用して細胞器官の構造の変化を検出する技術が示されている。
【0003】
細胞の癌化は上皮で起こることが多いため、生体組織の表層部の細胞の情報を観測できることが求められる。細胞が癌化すると細胞の構造が変化する。特許文献1にも示されているように、特に細胞核においては、そのサイズが大きくなり、サイズのばらつきが増え、また、屈折率もわずかに増加する。したがって、正常細胞と癌細胞では、細胞核による単一散乱光の散乱特性も異なる。これを利用して、細胞の状態を診断することができる。
【0004】
ただし、生体組織は多重散乱体であるため、生体組織からの散乱光を検出した場合には、細胞内の構造による単一散乱の情報に比べ、多重散乱によるバックグラウンド成分が大部分を占めることになる。そこで、多重散乱光を除去し、細胞内構造による単一散乱成分だけを検出するために、特許文献1では、直線偏光を照射し、散乱光の平行偏光成分と直交偏光成分の2つを検出して、その差分を演算する手法を用いている。
【0005】
【特許文献1】
米国特許第6,404,497号明細書
【0006】
【特許文献2】
特開平6−98892号公報
【0007】
【非特許文献1】
IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 7,
pp.887-893 (2001)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に示されるような散乱光の波長スペクトルを観測する手法では、比較的広い波長領域でスペクトル形状を検出する必要があるため、複数の波長選択フィルターあるいは分光器が必要となる。その結果、装置構成が大型化・複雑化する。また、特許文献1のものでは、生体組織による多重散乱成分を除去するために偏光を利用している。この場合、照明光を直線偏光にするため、あるいは偏光成分を検出するために偏光素子を用いることになる。この場合、特定の偏光成分だけを制限するため、光の利用効率が低くなっていしまう。さらに、特許文献1の技術を内視鏡観察に応用した場合には、偏光素子の配置が問題となる。光ファイバー等を用いて生体組織の観察を行う場合、偏光素子を光ファイバーと生体組織の間に配置するか、又は、偏波面保存光ファイバーを用いる必要がある。これは、装置設計上の自由度が制限されたり、煩雑な調整作業が不可欠である等の欠点となる。また、内視鏡は、使用時や消毒作業時を含め、高温・高湿等、厳しい環境に耐えられることが必要であり、この点で偏光素子の耐性が問題となる。
【0009】
一方、散乱光の散乱角度特性を利用する特許文献2等のものでは、散乱角度のプロファイルを取得するため、実際上多数の検出器、又は、多画素数の検出器を必要とする。また、効率的に測定を行うための最適な観測角度範囲の設定に関する記述はない。
【0010】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、散乱体からの後方散乱光を観測するにあたって、比較的容易な装置構成により散乱体表面の粒子の大きさを判別できる方法と装置を提供することである。また、特に生体組織の観測において、組織表面の細胞の状態を従来よりも簡易的に判別できる方法と装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による判別方法は、光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する方法であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する工程と、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子の径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する工程と、
前記工程においてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する工程と、
を有することを特徴とする方法である。
【0012】
上記の目的を達成するための本発明による判別装置は、光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する判別装置であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する第1の受光ユニットと、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子の径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する第2の受光ユニットと、
前記各受光ユニットにおいてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する演算装置と、
を有することを特徴とするものである。
【0013】
本発明によるもう1つの判別装置は、光源からの光を生体組織に照明し、前記生体組織からの後方散乱光を観測することで粒子を含む前記生体組織表面の細胞の状態を判別する判別装置であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する第1の受光ユニットと、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する第2の受光ユニットと、
前記各受光ユニットにおいてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記生体組織表面の細胞の状態を判別する演算装置と、
を有することを特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の粒子の大きさを判別する判別方法と細胞の状態を判別する判別方法及びそれらの判別方法を実施する判別装置の実施形態と実施例を説明する。
【0015】
本発明の判別方法は、
光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する方法であって、
前記粒子の径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差又は比を演算することにより前記散乱体表面の粒子の大きさを判別することを特徴とする方法である。
【0016】
また、本発明の別の判別方法は、
光源からの光を生体組織に照明し、前記生体組織からの後方散乱光を観測することで前記生体組織表面の細胞の状態を判別する方法であって、
前記細胞を構成する粒子の細胞の状態変化に伴う粒子径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差又は比を演算することにより細胞の状態を判別することを特徴とする方法である。
【0017】
以下に、本発明におい上記構成をとる理由と作用を説明する。
【0018】
図5は、球形粒子による後方散乱光の散乱強度の角度分布を、Mie散乱理論に基づいて計算した結果を示すものである。ここで、粒子径の平均値は4μm、6μm、10μm、14μm、粒子の屈折率は1.38、1.39、1.4、粒子の周囲の屈折率は1.33である。図5のグラフ中、例えば“E−11”は“×10-11 ”を意味する。他も同じである。
【0019】
図5には、縦横4×3=12個のグラフが示されている。ここで、最上段のグラフの上にある数値は、粒子の上記屈折率である。また、左側のグラフの横(左側)にある数値は、粒子径の上記平均値である。これら数値の横方向と縦方向の各交点に、それぞれの粒子径と屈折率を持つ粒子における、後方散乱光の散乱強度の角度分布の様子を示している。
【0020】
これらのグラフにおいて、 粒子径のばらつきは正規分布に従うとしている。また、平均径が4μmと6μmの粒子については、粒子径の標準偏差を1μmとしている。一方、平均径が10μmと14μmの粒子については、粒子径の標準偏差を1.5μmとしている。そして、各々のグラフにおいて、このような粒子径分布における粒子一個あたりの平均強度を示している。各グラフの横軸の散乱角度は、図6に示すように、入射光101が粒子103に入射したときの散乱光102の方位に対して、図中のθで表される角度として定義される。また、図5のそれぞれのグラフでは、光の波長が400nm,600nm、800nmのときの散乱強度を重ねて表示している。
【0021】
図5においてaの矢印で示すように、波長400nmの光に対して散乱角度175°〜180°の間で散乱強度が極大になることが、各グラフよりわかる。また、粒子径が大きいほど、その強度ピークが顕著に現れることがわかる。波長400nm、粒子の屈折率が1.39の場合で、粒子径に対して極大値を与える角度をプロットしたのが、図7である。
【0022】
一方、 図5においてbで示すように、散乱角度が175°以下の範囲においては、粒子径、屈折率、波長によらず、散乱角度に対して散乱強度は大きく変化しないことが、各グラフからわかる。また、粒子径が大きくなるほど、 aで示した強度ピークのbに対する相対強度が大きくなることがわかる。
【0023】
そこで、例えば、波長400nmの光を球形粒子を含む試料に照射し、試料からの後方散乱光を検出する。試料からの後方散乱光には、単一散乱光と多重散乱光とが含まれる。ここで、単一散乱光は、試料の表面のみにより散乱された光である。一方、多重散乱光は、試料内部に光が拡散して試料内の粒子に多数回散乱された光である。
【0024】
本発明では、例えば、第1の散乱角度範囲を178°〜179°、第2の散乱角度範囲を170°〜175°と設定し、試料からの後方散乱光をそれぞれの散乱角度範囲で検出する。図5に示された結果から、多重散乱光の角度分布は第1と第2の散乱角度範囲の近辺で大きく変化しないと考えられる。一方、単一散乱では、第1と第2の散乱角度範囲での相対的な散乱強度の違いが粒子の大きさに応じて生じる。したがって、第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差、又は、比を演算することによって、多重散乱光成分は打ち消される。その結果、ほぼ単一散乱光成分のみによる散乱信号を抽出することができる。この演算結果は、試料中の散乱粒子の大小関係を表している。よって、例えば、演算結果とシミュレーション結果から、粒子の大きさを推定することができる。また、この演算結果を異なる試料間で相対的に比較することにより、 散乱粒子の大きさを判別することができる。
【0025】
また、生体組織の細胞においては、細胞核の大きさの代表的な値は、おおよそ5μm〜15μmである。一方、細胞質に対する細胞核の比屈折率は1.035〜1.05である。図5の各グラフは、ほぼそれらの値の範囲における散乱粒子に散乱強度を示している。
【0026】
そこで、例えば、 波長400nmの光を生体組織に照射し、生体組織からの後方散乱光を検出する。生体組織からの後方散乱光には、単一散乱光と多重散乱光とが含まれる。ここで、単一散乱光は、上皮細胞層など生体組織表面のみの細胞により散乱された光である。一方、多重散乱光は、生体組織内部に光が拡散して組織内の粒子に多数回散乱された光である。
【0027】
ここで前述と同様に、第1の散乱角度範囲を178°〜179°、第2の散乱角度範囲を170°〜175°と設定し、生体組織からの後方散乱光をそれぞれの散乱角度範囲で検出する。そして、第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差、又は、比を演算することによって、多重散乱光成分は打ち消される。その結果、ほぼ単一散乱光成分のみによる散乱信号を抽出することができる。よって、この演算結果を異なる生体組織上で相対的に比較することにより、 散乱粒子の大きさを判別することができる。散乱粒子として想定している細胞核の大きさにより演算結果が異なることから、これを基に細胞の状態を判別することができる。
【0028】
なお、本発明のこれらの判別方法において、光源からの光の波長は500nm以下であることが望ましい。散乱体、特に細胞による後方散乱において、細胞核による散乱を主要な散乱とした場合、図5に示したように、散乱粒子の大きさに対する散乱角度の変化は、光源の波長が短い程顕著である。したがって、特に可視光領域において短波長となる500nm以下の波長を用いることが望ましい。
【0029】
また、本発明によるもう1つの判別方法は、
光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する方法であって、
前記光源からの光は複数の波長を含み、
前記粒子の径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度との差又は比を演算することにより前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する特徴とする方法である。
【0030】
また、本発明によるさらにもう1つの判別方法は、
光源からの光を生体組織に照明し、前記生体組織からの後方散乱光を観測することで前記生体組織表面の細胞の状態を判別する方法であって、
前記光源からの光は複数の波長を含み、
前記細胞を構成する粒子の細胞の状態変化に伴う粒子径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度との差又は比を演算することにより細胞の状態を判別することを特徴とする方法である。
【0031】
散乱体の粒子の密度に大きなばらつきがある場合には、散乱に寄与する粒子の個数により散乱強度が変化する。そこで、本発明では、散乱体を照明する光の波長を複数とする。このようにすると、粒子の密度によらず粒子径による散乱信号を得ることができる。図5に示した例においては、波長800nmでの散乱強度は、波長400nmに比べて、散乱角度に対し大きな変化がない。そこで、波長800nmでの散乱光に対する波長400nmでの散乱光の相対強度を、前記の第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲のそれぞれについて求める。そして、これらの相対強度を比較することにより、散乱粒子の密度に左右されることなく、粒子の大きさに応じた信号を得ることができる。
【0032】
本発明のこれら別の判別方法において、その複数の波長の中、少なくとも1つの波長が500nm以下であり、別の少なくとも1つの波長が500nm以上であることが望ましい。図5に示したように、散乱粒子の大きさに対する散乱角度分布の変化は、光源の波長が短い程顕著である。一方、粒子の大きさによらず波長が長い程散乱角度に対する強度の変化は少ない。したがって、特に可視光領域において、500nm以下の短波長と500nm以上の長波長とを用いることが望ましい。
【0033】
本発明のこれら別の判別方法において、第2の散乱角度範囲は、第1の散乱角度範囲の近傍に設定されることが望ましい。効率良く単一散乱光成分だけを抽出するためには、第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲において、多重散乱光による散乱状態がほぼ同じであることが望ましい。そのため、第1と第2の散乱角度範囲は互いの近傍に設定されるのがよい。
【0034】
本発明のこれら別の判別方法において、第1の散乱角度範囲は176°以上180°以下の少なくとも一部を含み、第2の散乱角度範囲は170°以上176°以下の少なくとも一部を含むように設定されていることが望ましい。特に細胞による後方散乱において、細胞核による散乱を主要な散乱とした場合、散乱光の散乱角度分布は、前述したように、図5のような性質を持つ。そのため、第1と第2の散乱角度範囲は上記の通りに設定されるのがよい。
【0035】
本発明のこれら別の判別方法において、第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲の少なくとも一方の散乱角度範囲が調整可能であるようにすることが望ましい。散乱粒子や細胞の種類により、検出する散乱角度範囲が調整可能であるようにするのがよい。
【0036】
次に、図面を参照にして、本発明の粒子の大きさを判別する判別方法及び細胞の状態を判別する判別方法及びそれらの方法を実施する判別装置の実施例を説明する。
【0037】
〔実施例1〕
図1(a)に、本発明の方法を用いて生体試料の細胞の状態を判別する装置の例の構成を示す。図1(a)において、光源1からの光は光ファイバー2を通ってプローブ3により生体試料4に照射される。
【0038】
図1(b)にこのプローブ3の先端部の正面図を示す。光ファイバー2を通ってきた光は、光ファイバー2の照明端面(照明領域)11から照射される。生体試料4からの散乱光は、第1の散乱角度範囲を受光するための光ファイバー5の受光端面(受光領域)12と、第2の散乱角度範囲を受光するための光ファイバー6の受光端面(受光領域)13で受光される。受光端面12と13で受光された光は、それぞれ光ファイバー5及び6を通って、それぞれ検出器7及び検出器8で検出される。検出器7と検出器8の出力は演算器9に入力され、検出器7と8の出力値の差又は比が計算される。
【0039】
照明端面11及び受光端面12、13はそれぞれ単一の光ファイバー端面であってもよいし、あるいは、複数の光ファイバー端面で構成してもよい。第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲を図1(d)に示す。これらの範囲は、プローブ3と生体試料4との距離d1、照明端面11、受光端面12及び13の直径及びNA(開口数)、照明端面11と受光端面12との距離d2、照明端面11と受光端面13との距離d3によって決まる。
【0040】
生体試料4による後方散乱において、生体試料4を構成する細胞の細胞核による散乱を主要な散乱とした場合、図5に示すような散乱角度特性を示すことから、本実施例では上記のパラメータを以下のように設定する。
【0041】
照明端面11の直径:1.0mm、NA:0.2
受光端面12の直径:1.5mm、NA:0.2
受光端面13の直径:1.5mm、NA:0.2
d1:40mm
d2:1.25mm
d3:6mm
このとき、受光端面12と受光端面13が受光する散乱光の散乱角度範囲は、図1(c)のそれぞれa1とb1で示した範囲となる。よって、a1で示した範囲は、図5の粒子径の大きいグラフにおいてaで示した強度ピークを検出することになる。一方、b1で示した範囲は、図5のbで示した付近の散乱光を検出することになる。このように異なる散乱角度範囲で、試料表面内で観測を行う。そして、演算器9で演算した結果が周囲と異なるような領域を検出した場合には、その領域において細胞の核の大きさが周囲と異なることが分かるため、細胞のガン化等の知見を得ることができる。
【0042】
〔実施例2〕
図2(a)に、本発明の方法を用いて生体試料の細胞の状態を判別する装置の別の例の構成を示す。図2(a)において、光源21は波長400nm及び800nmの半導体レーザー21a及び21bからなる。それぞれの半導体レーザー21a、21bからの光は光カップラー22により合成され、光ファイバー23に導かれる。光ファイバー23からの光は、プローブ3により生体試料4に照射される。
【0043】
図2(b)にこのプローブ3の先端部の正面図を示す。光ファイバー23を通ってきた光は照明端面31から照射される。生体試料4からの散乱光は、本発明の第1の散乱角度範囲を受光するための受光端面32a及び32bと、第2の散乱角度範囲を受光するための受光端面33a及び33bとで検出される。受光端面32a、32bで受光された光は、光ファイバー束25を通ってそれぞれ検出器27a及び27bで検出される。また、受光端面33a、33bで受光された光は、光ファイバー束26を通ってそれぞれ検出器28a及び28bで検出される。検出器27a、28aは波長400nmの散乱光を検出する。検出器27b、28bは波長800nmの散乱光を検出する。なお、各波長ごとの検出のために、それぞれの検出器の直前に波長選択フィルタ等を挿入することができる。検出器27a、27b、28a、28bの出力は演算器29に入力される。
【0044】
受光端面32aと32bは、各々の端面が受光する散乱光の散乱角度は同一となるように配置されている。受光端面33aと33bについても同様である。それぞれの受光端面の空間的な配置は、実施例1と同様に、図5におけるaとbで示す散乱角度の散乱光を受光できるように設定される。
【0045】
本実施例では、波長800nmの散乱強度に対する波長400nmでの相対散乱強度を、第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲で比較する。したがって、演算装置29では、まず検出器27aと27bの出力比と、検出器28aと28bの出力比を演算する。次いで、前者の出力比と後者の出力比の差又は比を演算する。この演算結果により、生体試料4上の観測領域における細胞核の大きさを判別することができる。
【0046】
〔実施例3〕
図3(a)に、本発明の方法を用いて生体試料の細胞の状態を判別する装置の別の例の構成を示す。図3(a)において、光源1からの光は、光ファイバー2を通ってプローブ3により生体試料4に照射される。
【0047】
図3(b)にこのプローブ3の先端部の正面図を示す。光ファイバー2を通ってきた光は、照明端面51から照射される。生体試料4からの散乱光は、光ファイバー束45受光端面52と光ファイバー束46の受光端面53で受光される。受光端面52と53は、広い散乱角度範囲の散乱光を受光できるように、複数の光ファイバー端面が照明端面51から離れる方向に並べて配置されている。より受光面積を大きくするために、輪帯状に配置してもよい。受光端面52と53で受光された光は、それぞれ光ファイバー束45及び46を通って、複数の検出素子を有する検出器47及び検出器48で検出される。検出器47及び48では、複数の光ファイバーからの出力の中、本発明の第1の散乱角度範囲及び第2の散乱角度範囲に一致する範囲の光ファイバーの出力だけを選択し、演算器49に入力する。それぞれの検出器47、48では、1つの光ファイバーからの出力を選択してもよいし、複数の光ファイバーの出力を選択してもよい。演算器49では、検出器47と48の出力値の差又は比を計算する。
【0048】
本実施例の構成においては、生体試料4の種類や、生体試料4を構成する細胞の種類等によって、第1の散乱角度範囲及び第2の散乱角度範囲を検出器47及び48において調整することができる。
【0049】
〔実施例4〕
図4(a)に、本発明の方法を用いて生体試料の細胞の状態を判別する装置をコルポスコープに組み合わせた例を示す図である。図4(a)において、コルポスコープ61は、対物レンズ63a及び63bで捕えた試料の像を接眼レンズ62a及び62bで観察するものである。本実施例においては、対物レンズ63a及び63bが配置されている面に、本発明の方法を用いた細胞の状態を判別する装置のプローブ64が設けられている。
【0050】
図4(b)には、プローブ64の構成を示し、図4(c)には、本発明の方法に関わる装置の構成を示している。レーザー光源72から発した光線65は、プローブ64に設けられた走査ミラー66a及び66bで反射されて試料面上を照明する。試料からの散乱光は、本発明の第1の散乱角度範囲を受光する光ファイバー75と第2の散乱角度範囲を受光する光ファイバー76で受光される。光ファイバー75と76からの光は検出器77と78に入力され、それぞれの検出器77、78の出力が演算器79に入力される。演算器79では、検出器77と78の出力値の差又は比を計算する。
【0051】
走査ミラー66aと66bは、走査制御装置80により試料面上を2次元走査する。コンピュータ81は、走査制御装置80の駆動と演算器79からの信号入力を同期して行う。画像表示装置82に、試料面上の走査範囲における演算結果の2次元分布が表示される。走査範囲内において演算結果の値が周囲と異なる領域が検出されれば、異常な細胞の存在を検出することができる。
【0052】
以上の本発明の判別方法及び判別装置は、例えば次のように構成することができる。
【0053】
〔1〕 光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する方法であって、
前記粒子の径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差又は比を演算することにより前記散乱体表面の粒子の大きさを判別することを特徴とする判別方法。
【0054】
〔2〕 前記光源からの光の波長は500nm以下であることを特徴とする上記1記載の判別方法。
【0055】
〔3〕 前記光源からの光は複数の波長を含み、前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度との差又は比を演算することにより前記散乱体表面の粒子の大きさを判別することを特徴とする上記1記載の判別方法。
【0056】
〔4〕 前記複数の波長の中、少なくとも1つの波長が500nm以下であり、別の少なくとも1つの波長が500nm以上であることを特徴とする上記3記載の判別方法。
【0057】
〔5〕 前記第2の散乱角度範囲は、前記第1の散乱角度範囲の近傍に設定されることを特徴とする上記1〜4の何れか1項記載の判別方法。
【0058】
〔6〕 前記第1の散乱角度範囲は176°以上180°以下の少なくとも一部を含み、前記第2の散乱角度範囲は170°以上176°以下の少なくとも一部を含むように設定されていることを特徴とする上記1〜5の何れか1項記載の判別方法。
【0059】
〔7〕 前記第1の散乱角度範囲と前記第2の散乱角度範囲の少なくとも一方の散乱角度範囲が調整可能であることを特徴とする上記1〜6の何れか1項記載の判別方法。
【0060】
〔8〕 光源からの光を生体組織に照明し、前記生体組織からの後方散乱光を観測することで前記生体組織表面の細胞の状態を判別する方法であって、
前記細胞を構成する粒子の細胞の状態変化に伴う粒子径の範囲に対して、前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲の少なくとも一部を含む第1の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲とは異なる第2の散乱角度範囲で散乱光を検出し、
前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の強度との差又は比を演算することにより細胞の状態を判別することを特徴とする判別方法。
【0061】
〔9〕 前記光源からの光の波長は500nm以下であることを特徴とする上記8記載の判別方法。
【0062】
〔10〕 前記光源からの光は複数の波長を含み、前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度との差又は比を演算することにより細胞の状態を判別することを特徴とする上記8記載の判別方法。
【0063】
〔11〕 前記複数の波長の中、少なくとも1つの波長が500nm以下であり、別の少なくとも1つの波長が500nm以上であることを特徴とする上記10記載の判別方法。
【0064】
〔12〕 前記第2の散乱角度範囲は、前記第1の散乱角度範囲の近傍に設定されることを特徴とする上記8〜11の何れか1項記載の判別方法。
【0065】
〔13〕 前記第1の散乱角度範囲は176°以上180°以下の少なくとも一部を含み、前記第2の散乱角度範囲は170°以上176°以下の少なくとも一部を含むように設定されていることを特徴とする上記8〜12の何れか1項記載の判別方法。
【0066】
〔14〕 前記第1の散乱角度範囲と前記第2の散乱角度範囲の少なくとも一方の散乱角度範囲が調整可能であることを特徴とする上記8〜13の何れか1項記載の判別方法。
【0067】
〔15〕 光源と、
該光源からの光を対象物に導く照明ユニットと、
該照明ユニットから第1の間隔で配置された第1の受光ユニットと、
該照明ユニットから第2の間隔で配置された第2の受光ユニットと、
前記第1の受光ユニットと前記第2の受光ユニットからの信号の差又は比を算出する演算装置を備えた判別装置であって、
前記第1の間隔は、前記対象物を構成する粒子による散乱強度の角度分布が極大となる散乱角度範囲を含む間隔であり、
前記第2の間隔は、前記第1の間隔とは異なる間隔であることを特徴とする判別装置。
【0068】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の判別方法及び判別装置によれば、散乱体からの後方散乱光を観測する際に、理論計算に基づく効率的な散乱角度範囲において観測を行うことで、比較的容易な装置構成により散乱体表面の粒子の大きさを判別することができる。また、本発明の判別方法及び判別装置によれば、生体組織の観測において、生体組織表面の細胞の状態を、従来よりも効率的かつ簡易的に判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の装置を示す図であって、(a)は装置の全体構成を示す図、(b)はプローブの先端部の正面図、(c)は2つの受光端面が受光する散乱光の散乱角度範囲を示す図、(d)は第1の散乱角度範囲と第2の散乱角度範囲を示す図である。
【図2】実施例2の装置を示す図であって、(a)は装置の全体構成を示す図、(b)はプローブの先端部の正面図である。
【図3】実施例3の装置を示す図であって、(a)は装置の全体構成を示す図、(b)はプローブの先端部の正面図である。
【図4】実施例4の装置を示す図であって、(a)コルポスコープを示す図、(b)はプローブの構成を示す図、(c)は装置の全体構成を示す図である。
【図5】球形粒子による後方散乱光の散乱強度の角度分布をMie散乱理論により計算した結果を示す図である。
【図6】散乱角度の定義を示す図である。
【図7】粒子径に対して極大値を与える角度をプロットした図である。
【符号の説明】
1…光源
2…光ファイバー
3…プローブ
4…生体試料
5、6…光ファイバー
7、8…検出器
9…演算器
11…照明端面
12、13…受光端面
21…光源
21a、21b…半導体レーザー
22…光カップラー
23…光ファイバー
25、26…光ファイバー束
27a、27b、28a、28b…検出器
29…演算器
31…照明端面
32a、32b、33a、33b…受光端面
45、46…光ファイバー束
47、48…検出器
49…演算器
51…照明端面
52、53…受光端面
61…コルポスコープ
62a、62b…接眼レンズ
63a、63b…対物レンズ
64…プローブ
65…光線
66a、66b…走査ミラー
72…レーザー光源
75、76…光ファイバー
77、78…検出器
79…演算器
80…走査制御装置
81…コンピュータ
82…画像表示装置
101…入射光
102…散乱光
103…粒子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a discrimination method for discriminating the size of a particle, a discrimination method for discriminating a state of a cell, and a discrimination apparatus for performing the discrimination method, and in particular, by observing backscattered light from a scatterer. The present invention relates to a discriminating method for discriminating the size, a discriminating method for discriminating the state of cells using the discriminating method, and a discriminating apparatus.
[0002]
[Prior art]
A technique for observing cell information on a living tissue by detecting scattered light when the living tissue is irradiated with light is known. For example, Patent Document 1 describes a technique for determining the size of a cell nucleus based on the difference in wavelength spectrum of scattered light. Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose a technique for detecting a change in the structure of a cell organ using the scattering angle characteristic of scattered light.
[0003]
Since canceration of cells often occurs in the epithelium, it is required to be able to observe information on cells in the surface layer of living tissue. When cells become cancerous, the structure of the cells changes. As shown in Patent Document 1, particularly in the cell nucleus, the size increases, the size variation increases, and the refractive index slightly increases. Therefore, the scattering characteristics of single scattered light by the cell nucleus are different between normal cells and cancer cells. By utilizing this, the state of the cell can be diagnosed.
[0004]
However, since the biological tissue is a multiple scatterer, when scattered light from the biological tissue is detected, the background component due to multiple scattering occupies most of the information of single scattering due to the intracellular structure. become. Therefore, in order to remove multiple scattered light and detect only a single scattered component due to the intracellular structure, Patent Document 1 irradiates linearly polarized light and detects two of the parallel polarized light component and the orthogonal polarized light component of the scattered light. Thus, a method of calculating the difference is used.
[0005]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,404,497
[0006]
[Patent Document 2]
JP-A-6-98892
[0007]
[Non-Patent Document 1]
IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Vol. 7,
pp.887-893 (2001)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of observing the wavelength spectrum of scattered light as disclosed in Patent Document 1, it is necessary to detect the spectrum shape in a relatively wide wavelength region, and thus a plurality of wavelength selection filters or spectrometers are required. As a result, the apparatus configuration becomes large and complicated. Moreover, in the thing of patent document 1, in order to remove the multiple scattering component by a biological tissue, polarized light is utilized. In this case, a polarizing element is used to change the illumination light into linearly polarized light or to detect a polarization component. In this case, since only a specific polarization component is limited, the light utilization efficiency is lowered. Furthermore, when the technique of Patent Document 1 is applied to endoscopic observation, the arrangement of polarizing elements becomes a problem. When observing a living tissue using an optical fiber or the like, it is necessary to arrange a polarizing element between the optical fiber and the living tissue, or to use a polarization-preserving optical fiber. This is disadvantageous in that the degree of freedom in device design is limited and complicated adjustment work is indispensable. In addition, the endoscope needs to be able to withstand severe environments such as high temperature and high humidity including use and disinfection work. In this respect, the resistance of the polarizing element becomes a problem.
[0009]
On the other hand, in Patent Document 2 or the like that uses the scattering angle characteristic of scattered light, in order to obtain a scattering angle profile, a large number of detectors or detectors with a large number of pixels are actually required. In addition, there is no description regarding the setting of the optimum observation angle range for efficient measurement.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to measure the size of particles on the surface of a scatterer with a relatively easy apparatus configuration when observing backscattered light from the scatterer. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus capable of determining the thickness. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus that can more easily discriminate the state of cells on the surface of a tissue than in the prior art, particularly when observing living tissue.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the discriminating method according to the present invention discriminates the size of particles on the surface of the scatterer by illuminating the scatterer with light from a light source and observing backscattered light from the scatterer. A way to
Detecting scattered light in a first scattering angle range, including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles;
Unlike the first scattering angle range, the step of detecting scattered light in the second scattering angle range in which the scattered light intensity does not change depending on the diameter of the particles relative to the first scattering angle range. When,
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected in the step, the particles on the surface of the scatterer Determining the size of
It is the method characterized by having.
[0012]
The discriminating apparatus according to the present invention for achieving the above object discriminates the size of particles on the surface of the scatterer by illuminating the scatterer with light from a light source and observing backscattered light from the scatterer. A discrimination device for
A first light receiving unit for detecting scattered light in a first scattering angle range including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives the maximum of the angular distribution of scattered light intensity by the particles. When,
Unlike the first scattering angle range, the scattered light intensity in the second scattering angle range is detected in which the scattered light intensity does not change relative to the particle diameter relative to the first scattering angle range. Two light receiving units;
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected by each light receiving unit, the surface of the scatterer An arithmetic unit for determining the size of particles of
It is characterized by having.
[0013]
Another discriminating apparatus according to the present invention discriminates the state of cells on the surface of the living tissue containing particles by illuminating the living tissue with light from a light source and observing backscattered light from the living tissue. Because
A first light receiving unit for detecting scattered light in a first scattering angle range including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives the maximum of the angular distribution of scattered light intensity by the particles. When,
Unlike the first scattering angle range, the second detecting the scattered light in the second scattering angle range in which the scattered light intensity does not change relative to the particle diameter relative to the first scattering angle range. The light receiving unit,
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected by each light receiving unit, the biological tissue surface A computing device for determining the state of the cells of
It is characterized by having.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments and examples of a discrimination method for discriminating the size of particles, a discrimination method for discriminating the state of a cell, and a discrimination apparatus for carrying out these discrimination methods according to the present invention will be described.
[0015]
The discrimination method of the present invention is:
Illuminating light from a light source onto a scatterer and observing backscattered light from the scatterer to determine the size of particles on the scatterer surface,
Scattered light is detected in a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of the diameter of the particles;
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
The size of the particles on the scatterer surface is calculated by calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range. It is a method characterized by discriminating the thickness.
[0016]
Another discrimination method of the present invention is as follows.
Illuminating light from a light source onto a living tissue, and observing backscattered light from the living tissue to determine the state of cells on the surface of the living tissue,
In a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of particle diameters associated with changes in the state of cells of the particles constituting the cells. Detect scattered light,
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
Determining the state of the cell by calculating a difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range. It is a characteristic method.
[0017]
Below, the reason and effect | action which take the said structure in this invention are demonstrated.
[0018]
FIG. 5 shows the result of calculating the angular distribution of the scattering intensity of the backscattered light by the spherical particles based on the Mie scattering theory. Here, the average value of the particle diameter is 4 μm, 6 μm, 10 μm, and 14 μm, the refractive indexes of the particles are 1.38, 1.39, and 1.4, and the refractive index around the particles is 1.33. In the graph of FIG. 5, for example, “E-11” is “× 10”. -11 ”Means the same.
[0019]
FIG. 5 shows vertical and horizontal 4 × 3 = 12 graphs. Here, the numerical value on the uppermost graph is the refractive index of the particle. The numerical value on the side (left side) of the left graph is the average value of the particle diameters. At each intersection of these numerical values in the horizontal direction and the vertical direction, the state of the angular distribution of the backscattered light scattering intensity in the particles having the respective particle diameter and refractive index is shown.
[0020]
In these graphs, the particle size variation follows a normal distribution. In addition, for particles having an average diameter of 4 μm and 6 μm, the standard deviation of the particle diameter is 1 μm. On the other hand, for particles having an average diameter of 10 μm and 14 μm, the standard deviation of the particle diameter is 1.5 μm. In each graph, the average intensity per particle in such a particle size distribution is shown. As shown in FIG. 6, the scattering angle on the horizontal axis of each graph is defined as an angle represented by θ in the figure with respect to the orientation of the scattered light 102 when the incident light 101 enters the particle 103. . Further, in each graph of FIG. 5, the scattering intensity when the wavelength of light is 400 nm, 600 nm, and 800 nm is superimposed and displayed.
[0021]
As shown by the arrow a in FIG. 5, it can be seen from each graph that the scattering intensity becomes maximum at a scattering angle of 175 ° to 180 ° with respect to light having a wavelength of 400 nm. Moreover, it turns out that the intensity | strength peak appears notably, so that a particle diameter is large. FIG. 7 is a plot of the angle giving the maximum value with respect to the particle diameter when the wavelength is 400 nm and the refractive index of the particle is 1.39.
[0022]
On the other hand, as shown by b in FIG. 5, in the range where the scattering angle is 175 ° or less, the scattering intensity does not change greatly with respect to the scattering angle regardless of the particle diameter, refractive index, and wavelength. Recognize. Moreover, it turns out that the relative intensity with respect to b of the intensity peak shown by a becomes large, so that a particle diameter becomes large.
[0023]
Therefore, for example, a sample including spherical particles is irradiated with light having a wavelength of 400 nm, and backscattered light from the sample is detected. The backscattered light from the sample includes single scattered light and multiple scattered light. Here, the single scattered light is light scattered only by the surface of the sample. On the other hand, the multiple scattered light is light that is diffused many times by particles in the sample as the light diffuses inside the sample.
[0024]
In the present invention, for example, the first scattering angle range is set to 178 ° to 179 °, the second scattering angle range is set to 170 ° to 175 °, and the back scattered light from the sample is detected in each scattering angle range. . From the results shown in FIG. 5, it is considered that the angle distribution of the multiple scattered light does not change greatly in the vicinity of the first and second scattering angle ranges. On the other hand, in single scattering, a difference in relative scattering intensity between the first and second scattering angle ranges occurs according to the size of the particle. Therefore, the multiple scattered light component is canceled by calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range. It is. As a result, it is possible to extract a scattered signal based on only a single scattered light component. This calculation result represents the size relationship of the scattering particles in the sample. Therefore, for example, the particle size can be estimated from the calculation result and the simulation result. Moreover, the size of the scattering particles can be determined by relatively comparing the calculation results between different samples.
[0025]
In cells of living tissue, typical values of cell nuclei are approximately 5 μm to 15 μm. On the other hand, the relative refractive index of the cell nucleus relative to the cytoplasm is 1.035 to 1.05. Each graph in FIG. 5 shows the scattering intensity for the scattering particles in the range of those values.
[0026]
Therefore, for example, light with a wavelength of 400 nm is irradiated onto the living tissue, and backscattered light from the living tissue is detected. The back scattered light from the living tissue includes single scattered light and multiple scattered light. Here, the single scattered light is light scattered by cells only on the surface of a living tissue such as an epithelial cell layer. On the other hand, the multiple scattered light is light that is diffused many times by particles in the tissue as the light diffuses inside the living tissue.
[0027]
Here, similarly to the above, the first scattering angle range is set to 178 ° to 179 °, the second scattering angle range is set to 170 ° to 175 °, and the back scattered light from the living tissue is set in the respective scattering angle ranges. To detect. Then, by calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range, the multiple scattered light component is canceled out. It is. As a result, it is possible to extract a scattered signal based on only a single scattered light component. Therefore, the size of the scattering particles can be determined by relatively comparing the calculation results on different living tissues. Since the calculation result varies depending on the size of the cell nucleus assumed as the scattering particle, the state of the cell can be determined based on this.
[0028]
In these discrimination methods of the present invention, the wavelength of light from the light source is preferably 500 nm or less. In the case of backscattering by a scatterer, particularly cells, when the scattering by the cell nucleus is the main scattering, as shown in FIG. 5, the change in the scattering angle with respect to the size of the scattering particles becomes more significant as the wavelength of the light source is shorter. . Therefore, it is desirable to use a wavelength of 500 nm or less, which is a short wavelength particularly in the visible light region.
[0029]
In addition, another determination method according to the present invention is as follows.
Illuminating light from a light source onto a scatterer and observing backscattered light from the scatterer to determine the size of particles on the scatterer surface,
The light from the light source includes a plurality of wavelengths;
Scattered light is detected in a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of the diameter of the particles;
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
The relative intensity between the plurality of wavelengths of scattered light detected in the first scattering angle range and the relative intensity between the plurality of wavelengths of scattered light detected in the second scattering angle range In this method, the size of particles on the surface of the scatterer is determined by calculating a difference or a ratio.
[0030]
Furthermore, another discrimination method according to the present invention is as follows:
Illuminating light from a light source onto a living tissue, and observing backscattered light from the living tissue to determine the state of cells on the surface of the living tissue,
The light from the light source includes a plurality of wavelengths;
In a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of particle diameters associated with changes in the state of cells of the particles constituting the cells. Detect scattered light,
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
The relative intensity between the plurality of wavelengths of scattered light detected in the first scattering angle range and the relative intensity between the plurality of wavelengths of scattered light detected in the second scattering angle range It is a method characterized by discriminating the state of a cell by calculating a difference or a ratio.
[0031]
When there is a large variation in the density of the particles of the scatterer, the scattering intensity varies depending on the number of particles that contribute to the scattering. Therefore, in the present invention, a plurality of wavelengths of light illuminating the scatterer are used. In this way, a scattering signal based on the particle diameter can be obtained regardless of the density of the particles. In the example shown in FIG. 5, the scattering intensity at the wavelength of 800 nm does not change greatly with respect to the scattering angle as compared with the wavelength of 400 nm. Therefore, the relative intensity of the scattered light at a wavelength of 400 nm with respect to the scattered light at a wavelength of 800 nm is obtained for each of the first scattering angle range and the second scattering angle range. By comparing these relative intensities, a signal corresponding to the size of the particles can be obtained without being influenced by the density of the scattering particles.
[0032]
In these other discrimination methods of the present invention, it is desirable that at least one of the plurality of wavelengths is 500 nm or less and the other at least one wavelength is 500 nm or more. As shown in FIG. 5, the change in the scattering angle distribution with respect to the size of the scattering particles is more remarkable as the wavelength of the light source is shorter. On the other hand, regardless of the particle size, the longer the wavelength, the less the intensity changes with respect to the scattering angle. Therefore, it is desirable to use a short wavelength of 500 nm or less and a long wavelength of 500 nm or more, particularly in the visible light region.
[0033]
In these other determination methods of the present invention, it is desirable that the second scattering angle range is set in the vicinity of the first scattering angle range. In order to extract only a single scattered light component efficiently, it is desirable that the scattering state by the multiple scattered light is substantially the same in the first scattering angle range and the second scattering angle range. Therefore, the first and second scattering angle ranges are preferably set in the vicinity of each other.
[0034]
In these other determination methods of the present invention, the first scattering angle range includes at least part of 176 ° to 180 °, and the second scattering angle range includes at least part of 170 ° to 176 °. It is desirable to be set to. In particular, in the case of backscattering by cells, when scattering by cell nuclei is the main scattering, the scattering angle distribution of scattered light has the properties as shown in FIG. For this reason, the first and second scattering angle ranges are preferably set as described above.
[0035]
In these other determination methods of the present invention, it is desirable that at least one of the first scattering angle range and the second scattering angle range be adjustable. It is preferable that the scattering angle range to be detected can be adjusted according to the type of scattering particles and cells.
[0036]
Next, with reference to the drawings, an embodiment of a discrimination method for discriminating the size of particles, a discrimination method for discriminating the state of cells, and a discrimination apparatus for carrying out these methods will be described.
[0037]
[Example 1]
FIG. 1A shows the configuration of an example of an apparatus for discriminating the state of cells of a biological sample using the method of the present invention. In FIG. 1A, light from a light source 1 passes through an optical fiber 2 and is irradiated onto a biological sample 4 by a probe 3.
[0038]
FIG. 1B shows a front view of the tip of the probe 3. Light that has passed through the optical fiber 2 is irradiated from an illumination end face (illumination region) 11 of the optical fiber 2. Scattered light from the biological sample 4 includes a light receiving end face (light receiving area) 12 of the optical fiber 5 for receiving the first scattering angle range and a light receiving end face (light receiving) of the optical fiber 6 for receiving the second scattering angle range. (Region) 13 receives light. The light received by the light receiving end faces 12 and 13 passes through the optical fibers 5 and 6, respectively, and is detected by the detector 7 and the detector 8, respectively. The outputs of the detectors 7 and 8 are input to the calculator 9, and the difference or ratio between the output values of the detectors 7 and 8 is calculated.
[0039]
The illumination end face 11 and the light receiving end faces 12 and 13 may each be a single optical fiber end face, or may be composed of a plurality of optical fiber end faces. The first scattering angle range and the second scattering angle range are shown in FIG. These ranges are the distance d1 between the probe 3 and the biological sample 4, the diameter and NA (numerical aperture) of the illumination end face 11, the light receiving end faces 12 and 13, the distance d2 between the illumination end face 11 and the light receiving end face 12, and the illumination end face 11 and It is determined by the distance d3 to the light receiving end face 13.
[0040]
In the backscattering by the biological sample 4, when the scattering by the cell nucleus of the cells constituting the biological sample 4 is the main scattering, the scattering angle characteristics as shown in FIG. Set as follows.
[0041]
Diameter of illumination end face 11: 1.0 mm, NA: 0.2
Diameter of light receiving end face 12: 1.5 mm, NA: 0.2
Diameter of light receiving end face 13: 1.5 mm, NA: 0.2
d1: 40 mm
d2: 1.25 mm
d3: 6 mm
At this time, the scattering angle ranges of the scattered light received by the light receiving end face 12 and the light receiving end face 13 are the ranges indicated by a1 and b1 in FIG. 1C, respectively. Therefore, in the range indicated by a1, the intensity peak indicated by a in the graph having a large particle diameter in FIG. 5 is detected. On the other hand, in the range indicated by b1, scattered light in the vicinity shown by b in FIG. 5 is detected. In this way, observation is performed within the sample surface in different scattering angle ranges. When a region where the result calculated by the computing unit 9 is different from the surroundings is detected, it can be understood that the size of the cell nucleus is different from the surroundings in the region, so that knowledge such as cell canceration is obtained. be able to.
[0042]
[Example 2]
FIG. 2A shows the configuration of another example of an apparatus for discriminating the state of cells of a biological sample using the method of the present invention. In FIG. 2A, the light source 21 includes semiconductor lasers 21a and 21b having wavelengths of 400 nm and 800 nm. Lights from the respective semiconductor lasers 21 a and 21 b are synthesized by the optical coupler 22 and guided to the optical fiber 23. Light from the optical fiber 23 is applied to the biological sample 4 by the probe 3.
[0043]
FIG. 2B shows a front view of the distal end portion of the probe 3. Light that has passed through the optical fiber 23 is irradiated from the illumination end face 31. Scattered light from the biological sample 4 is detected by the light receiving end faces 32a and 32b for receiving the first scattering angle range of the present invention and the light receiving end faces 33a and 33b for receiving the second scattering angle range. The The light received by the light receiving end faces 32a and 32b passes through the optical fiber bundle 25 and is detected by the detectors 27a and 27b, respectively. The light received by the light receiving end faces 33a and 33b passes through the optical fiber bundle 26 and is detected by the detectors 28a and 28b, respectively. The detectors 27a and 28a detect scattered light having a wavelength of 400 nm. The detectors 27b and 28b detect scattered light having a wavelength of 800 nm. Note that a wavelength selection filter or the like can be inserted immediately before each detector for detection of each wavelength. The outputs of the detectors 27a, 27b, 28a, 28b are input to the calculator 29.
[0044]
The light receiving end faces 32a and 32b are arranged so that the scattering angles of scattered light received by the respective end faces are the same. The same applies to the light receiving end faces 33a and 33b. Similar to the first embodiment, the spatial arrangement of the respective light receiving end faces is set so that scattered light having scattering angles indicated by a and b in FIG. 5 can be received.
[0045]
In this embodiment, the relative scattering intensity at a wavelength of 400 nm with respect to the scattering intensity at a wavelength of 800 nm is compared in the first scattering angle range and the second scattering angle range. Therefore, the arithmetic unit 29 first calculates the output ratio of the detectors 27a and 27b and the output ratio of the detectors 28a and 28b. Next, the difference or ratio between the former output ratio and the latter output ratio is calculated. From this calculation result, the size of the cell nucleus in the observation region on the biological sample 4 can be determined.
[0046]
Example 3
FIG. 3A shows the configuration of another example of an apparatus for discriminating the state of cells of a biological sample using the method of the present invention. In FIG. 3A, the light from the light source 1 is irradiated to the biological sample 4 by the probe 3 through the optical fiber 2.
[0047]
FIG. 3B shows a front view of the tip of the probe 3. Light that has passed through the optical fiber 2 is irradiated from the illumination end face 51. Scattered light from the biological sample 4 is received by the light receiving end face 52 of the optical fiber bundle 45 and the light receiving end face 53 of the optical fiber bundle 46. The light receiving end faces 52 and 53 are arranged side by side in a direction in which a plurality of optical fiber end faces are separated from the illumination end face 51 so that scattered light in a wide scattering angle range can be received. In order to increase the light receiving area, it may be arranged in a ring shape. The light received by the light receiving end faces 52 and 53 passes through the optical fiber bundles 45 and 46, respectively, and is detected by the detector 47 and the detector 48 having a plurality of detection elements. In the detectors 47 and 48, only the output of the optical fiber in the range matching the first scattering angle range and the second scattering angle range of the present invention is selected from the outputs from the plurality of optical fibers and input to the calculator 49. To do. In each of the detectors 47 and 48, the output from one optical fiber may be selected, or the outputs of a plurality of optical fibers may be selected. The calculator 49 calculates the difference or ratio between the output values of the detectors 47 and 48.
[0048]
In the configuration of this embodiment, the first scattering angle range and the second scattering angle range are adjusted by the detectors 47 and 48 according to the type of the biological sample 4 and the type of cells constituting the biological sample 4. Can do.
[0049]
Example 4
FIG. 4A is a diagram showing an example in which a device for discriminating the state of cells of a biological sample using the method of the present invention is combined with a colposcope. In FIG. 4A, the colposcope 61 is for observing the image of the sample captured by the objective lenses 63a and 63b with the eyepiece lenses 62a and 62b. In the present embodiment, a probe 64 of an apparatus for discriminating the state of a cell using the method of the present invention is provided on the surface on which the objective lenses 63a and 63b are arranged.
[0050]
FIG. 4B shows a configuration of the probe 64, and FIG. 4C shows a configuration of an apparatus related to the method of the present invention. The light beam 65 emitted from the laser light source 72 is reflected by the scanning mirrors 66a and 66b provided on the probe 64 to illuminate the sample surface. The scattered light from the sample is received by the optical fiber 75 that receives the first scattering angle range and the optical fiber 76 that receives the second scattering angle range of the present invention. Lights from the optical fibers 75 and 76 are input to detectors 77 and 78, and outputs from the detectors 77 and 78 are input to a calculator 79. The calculator 79 calculates the difference or ratio between the output values of the detectors 77 and 78.
[0051]
The scanning mirrors 66 a and 66 b scan the sample surface two-dimensionally by the scanning control device 80. The computer 81 synchronizes driving of the scanning control device 80 and signal input from the computing unit 79. The image display device 82 displays a two-dimensional distribution of calculation results in the scanning range on the sample surface. The presence of abnormal cells can be detected if a region in which the value of the calculation result is different from the surroundings is detected within the scanning range.
[0052]
The discrimination method and discrimination device of the present invention described above can be configured as follows, for example.
[0053]
[1] A method of determining the size of particles on the surface of the scatterer by illuminating the scatterer with light from a light source and observing backscattered light from the scatterer,
Scattered light is detected in a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of the diameter of the particles;
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
The size of the particles on the scatterer surface is calculated by calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range. A discrimination method characterized by discriminating the thickness.
[0054]
[2] The discrimination method according to [1], wherein the wavelength of light from the light source is 500 nm or less.
[0055]
[3] The light from the light source includes a plurality of wavelengths, and is detected in the relative intensity between the plurality of wavelengths of the scattered light detected in the first scattering angle range and in the second scattering angle range. 2. The discrimination method according to claim 1, wherein the size of the particles on the surface of the scatterer is discriminated by calculating a difference or ratio between the relative intensity of the scattered light and the plurality of wavelengths.
[0056]
[4] The discrimination method according to the above item 3, wherein at least one of the plurality of wavelengths is 500 nm or less and another at least one wavelength is 500 nm or more.
[0057]
[5] The discrimination method according to any one of [1] to [4], wherein the second scattering angle range is set in the vicinity of the first scattering angle range.
[0058]
[6] The first scattering angle range includes at least part of 176 ° to 180 °, and the second scattering angle range is set to include at least part of 170 ° to 176 °. 6. The discrimination method according to any one of 1 to 5 above.
[0059]
[7] The discrimination method according to any one of the above items 1 to 6, wherein at least one of the first scattering angle range and the second scattering angle range is adjustable.
[0060]
[8] A method of determining a state of a cell on the surface of the living tissue by illuminating the living tissue with light from a light source and observing backscattered light from the living tissue,
In a first scattering angle range including at least a part of a scattering angle range that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles with respect to a range of particle diameters associated with changes in the state of cells of the particles constituting the cells. Detect scattered light,
Detecting scattered light in a second scattering angle range different from the first scattering angle range;
Determining the state of the cell by calculating a difference or ratio between the intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light detected in the second scattering angle range. A distinction method.
[0061]
[9] The discrimination method according to 8 above, wherein the wavelength of light from the light source is 500 nm or less.
[0062]
[10] The light from the light source includes a plurality of wavelengths, and is detected in the relative intensity between the plurality of wavelengths of the scattered light detected in the first scattering angle range and in the second scattering angle range. 9. The discrimination method according to claim 8, wherein the state of the cell is discriminated by calculating a difference or ratio of relative intensity of the scattered light between the plurality of wavelengths.
[0063]
[11] The discrimination method according to 10 above, wherein at least one of the plurality of wavelengths is 500 nm or less, and at least one other wavelength is 500 nm or more.
[0064]
[12] The discrimination method according to any one of 8 to 11, wherein the second scattering angle range is set in the vicinity of the first scattering angle range.
[0065]
[13] The first scattering angle range includes at least part of 176 ° to 180 °, and the second scattering angle range is set to include at least part of 170 ° to 176 °. 13. The discrimination method according to any one of 8 to 12 above.
[0066]
[14] The discrimination method according to any one of 8 to 13, wherein at least one of the first scattering angle range and the second scattering angle range is adjustable.
[0067]
[15] a light source;
An illumination unit for guiding light from the light source to an object;
A first light receiving unit disposed at a first distance from the illumination unit;
A second light receiving unit disposed at a second interval from the illumination unit;
A discriminator comprising an arithmetic unit for calculating a difference or ratio of signals from the first light receiving unit and the second light receiving unit;
The first interval is an interval including a scattering angle range in which an angular distribution of scattering intensity by particles constituting the object is maximized,
The discriminating apparatus, wherein the second interval is an interval different from the first interval.
[0068]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the discrimination method and discrimination device of the present invention, when observing backscattered light from a scatterer, by performing observation in an efficient scattering angle range based on theoretical calculation. The particle size on the surface of the scatterer can be determined with a relatively easy apparatus configuration. Further, according to the discrimination method and the discrimination apparatus of the present invention, the state of cells on the surface of a living tissue can be discriminated more efficiently and simply than before.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams illustrating an apparatus according to a first embodiment, in which FIG. 1A is a diagram illustrating an overall configuration of the apparatus, FIG. 1B is a front view of a distal end portion of a probe, and FIG. The figure which shows the scattering angle range of the scattered light to perform, (d) is a figure which shows the 1st scattering angle range and the 2nd scattering angle range.
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating an apparatus according to a second embodiment, in which FIG. 2A is a diagram illustrating an overall configuration of the apparatus, and FIG.
3A and 3B are diagrams illustrating an apparatus according to a third embodiment, in which FIG. 3A is a diagram illustrating an overall configuration of the apparatus, and FIG.
4A and 4B are diagrams illustrating an apparatus according to a fourth embodiment, where FIG. 4A is a diagram illustrating a colposcope, FIG. 4B is a diagram illustrating a configuration of a probe, and FIG. 4C is a diagram illustrating an overall configuration of the apparatus.
FIG. 5 is a diagram showing a result of calculating an angular distribution of scattering intensity of backscattered light by spherical particles by Mie scattering theory.
FIG. 6 is a diagram showing a definition of a scattering angle.
FIG. 7 is a graph plotting an angle giving a maximum value with respect to a particle diameter.
[Explanation of symbols]
1 ... Light source
2 ... Optical fiber
3 ... Probe
4 ... Biological sample
5, 6 ... Optical fiber
7, 8 ... Detector
9 ... Calculator
11 ... Lighting end face
12, 13 ... Light receiving end face
21 ... Light source
21a, 21b ... Semiconductor laser
22 ... Optical coupler
23 ... Optical fiber
25, 26 ... Optical fiber bundle
27a, 27b, 28a, 28b ... detector
29 ... Calculator
31 ... Lighting end face
32a, 32b, 33a, 33b ... light receiving end face
45, 46 ... Optical fiber bundle
47, 48 ... Detector
49 ... Calculator
51 ... Lighting end face
52, 53 ... Light receiving end face
61 ... Colposcope
62a, 62b ... eyepieces
63a, 63b ... objective lens
64 ... Probe
65 ... Light
66a, 66b ... scanning mirror
72 ... Laser light source
75, 76 ... optical fiber
77, 78 ... Detector
79 ... Calculator
80. Scanning control device
81 ... Computer
82. Image display device
101: Incident light
102 ... scattered light
103 ... Particles

Claims (10)

光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する方法であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する工程と、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子の径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する工程と、
前記工程においてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する工程と、
を有することを特徴とする判別方法。
Illuminating light from a light source onto a scatterer and observing backscattered light from the scatterer to determine the size of particles on the scatterer surface,
Detecting scattered light in a first scattering angle range, including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives a maximum of an angular distribution of scattered light intensity by the particles;
Unlike the first scattering angle range, the step of detecting scattered light in the second scattering angle range in which the scattered light intensity does not change depending on the diameter of the particles relative to the first scattering angle range. When,
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected in the step, the particles on the surface of the scatterer Determining the size of
A discrimination method characterized by comprising:
前記光源からの光の波長は500nm以下であることを特徴とする請求項1記載の判別方法。  The method according to claim 1, wherein the wavelength of light from the light source is 500 nm or less. 前記光源からの光は複数の波長を含み、前記第1の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度と、前記第2の散乱角度範囲で検出された散乱光の前記複数の波長間での相対強度との差又は比を演算することにより前記散乱体表面の粒子の大きさを判別することを特徴とする請求項1記載の判別方法。  The light from the light source includes a plurality of wavelengths, and the relative intensity of the scattered light detected in the first scattering angle range and the scattered light detected in the second scattering angle range. The method according to claim 1, wherein the size of the particle on the surface of the scatterer is determined by calculating a difference or a ratio with a relative intensity between the plurality of wavelengths. 前記複数の波長の中、少なくとも1つの波長が500nm以下であり、別の少なくとも1つの波長が500nm以上であることを特徴とする請求項3記載の判別方法。  The discriminating method according to claim 3, wherein at least one of the plurality of wavelengths is 500 nm or less, and at least one other wavelength is 500 nm or more. 前記第2の散乱角度範囲は、前記第1の散乱角度範囲の近傍に設定されることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項記載の判別方法。  The determination method according to claim 1, wherein the second scattering angle range is set in the vicinity of the first scattering angle range. 前記第2の散乱角度範囲は170°以上175°以下を含むように設定されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項記載の判別方法。  The determination method according to claim 1, wherein the second scattering angle range is set to include 170 ° or more and 175 ° or less. 前記第1の散乱角度範囲と前記第2の散乱角度範囲の少なくとも一方の散乱角度範囲が調整可能であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項記載の判別方法。  The determination method according to claim 1, wherein at least one of the first scattering angle range and the second scattering angle range is adjustable. 光源からの光を散乱体に照明し、前記散乱体からの後方散乱光を観測することで前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する判別装置であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する第1の受光ユニットと、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子の径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する第2の受光ユニットと、
前記各受光ユニットにおいてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記散乱体表面の粒子の大きさを判別する演算装置と、
を有することを特徴とする判別装置。
Illuminating light from a light source onto a scatterer, and determining the particle size of the scatterer surface by observing backscattered light from the scatterer,
A first light receiving unit for detecting scattered light in a first scattering angle range including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives the maximum of the angular distribution of scattered light intensity by the particles. When,
Unlike the first scattering angle range, the scattered light intensity in the second scattering angle range is detected in which the scattered light intensity does not change relative to the particle diameter relative to the first scattering angle range. Two light receiving units;
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected by each light receiving unit , the surface of the scatterer An arithmetic unit for determining the size of particles of
A discriminating apparatus characterized by comprising:
光源からの光を生体組織に照明し、前記生体組織からの後方散乱光を観測することで粒子を含む前記生体組織表面の細胞の状態を判別する判別装置であって、
175°以上180°以下の散乱角度範囲内にあって前記粒子による散乱光強度の角度分布の極大を与える散乱角度範囲を含む、第1の散乱角度範囲の散乱光を検出する第1の受光ユニットと、
前記第1の散乱角度範囲とは異なり、前記第1の散乱角度範囲に比して相対的に前記粒子径によって散乱光強度が変化しない、第2の散乱角度範囲の散乱光を検出する第2の受光ユニットと、
前記各受光ユニットにおいてそれぞれ検出された、前記第1の散乱角度範囲の散乱光の強度と前記第2の散乱角度範囲の散乱光の強度との差又は比を演算することにより、前記生体組織表面の細胞の状態を判別する演算装置と、
を有することを特徴とする判別装置。
A discrimination device that illuminates a living tissue with light from a light source and discriminates the state of cells on the surface of the living tissue including particles by observing backscattered light from the living tissue,
A first light receiving unit for detecting scattered light in a first scattering angle range including a scattering angle range that is within a scattering angle range of 175 ° or more and 180 ° or less and that gives the maximum of the angular distribution of scattered light intensity by the particles. When,
Unlike the first scattering angle range, the second detecting the scattered light in the second scattering angle range in which the scattered light intensity does not change relative to the particle diameter relative to the first scattering angle range. The light receiving unit,
By calculating the difference or ratio between the intensity of the scattered light in the first scattering angle range and the intensity of the scattered light in the second scattering angle range, respectively detected by each light receiving unit , the biological tissue surface A computing device for determining the state of the cells of
A discriminating apparatus characterized by comprising:
前記粒子は、前記細胞の細胞核であることを特徴とする請求項9記載の判別装置。  The discrimination device according to claim 9, wherein the particle is a cell nucleus of the cell.
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