JP4477230B2 - 光学生検装置および組織診断方法 - Google Patents

Description

【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、以下の共通の譲受人に譲渡された米国同時継続特許出願に関連するものである。出願番号：０８／６４４，０８０（名称：光学生検鉗子、出願日：１９９６年５月７日）、出願番号：０８／９７５，７３４（名称：光学生検鉗子、出願日：１９９７年１１月２１日）、出願番号：０８／９７５，７３４（名称：通路管腔を有する光学生検鉗子、出願日：本願と同じ日）。各出願は、本発明の譲受人に譲渡され、各出願の開示内容は、本明細書において引用されている。
【０００２】
発明の技術分野
本発明は、一般的に、生体組織監視、特定、診断、および処置、限定するものではないが、特に、診断を行ない、組織の処置を容易にする内視鏡および／または腹腔鏡的蛍光分光光学生検装置に関している。
【０００３】
発明の背景
限定するものではないが、組織診断は、胃腸、心臓／血管、泌尿器、肺、生殖器、皮膚、外科医学、および一般的な医学を含む多くの医学分野において重要である。例えば、初期の悪性組織の検出は、癌の拡がりやその合併症を避けるために必須である。胃腸器官において、組織位置の身体的サンプルを提供する生検を行なうために、例えば、内視鏡および／または腹腔鏡による“最小限の侵害”を伴う技術が用いられている。組織位置は、粘膜病巣の平坦表面や表面下であったり、隆起した粘膜病巣（例：ポリープ）であったりする。生検は、それが癌であるかどうかを決定するために、病理学研究所において組織病理学的技術を用いて分析される。組織は、正常、過形成、腺腫、または、腺癌であり得る。例えば、過形成ポリープは、正常組織から成るため良性である。形成異常ポリープとも称される腺腫ポリープは、異常な組織から構成され、将来、悪性となり得るリスクを伴う。腺癌は、身体の他の領域に直ちに広がる可能性を有する悪性ポリープである。
【０００４】
組織病理学は、比較的正確であるが、組織サンプルの身体的削除と、病理学研究所における時間のかかる分析を必要とする。さらに、組織病理学的分析結果に基づく組織位置の処置を行なう際、生検を得た元の診断処理とは別の第二の医学的処理を必要とする場合がある。費用の増加と患者の不快はもとより、元の生検位置を探し当てることは非常に困難なことである。しかも、身体的生検サンプルの収集には、通常、組織小片の切除や除去を伴うため、リスクがないとは言えない。このため、不必要な身体的生検サンプルの収集は避けるべきである。また、組織病理学的分析によって増生と判断されたサンプル組織は、後で振り返ってみれば不必要に集められたサンプルである。
【０００５】
さらに、例えば結腸の内視鏡検査を受ける患者の中には、過形成または腺腫である小さな（例：直径５ミリメートル以下）ポリープを多数有する患者がいる。各位置からサンプリングすることは困難で、他の併発症のリスクを増加させるため、 “代表的な”位置の副集団からのみ身体的サンプルが抽出される。しかし、このような場合、悪性前段階の可能性のある位置が診断されないまま放置されることになり、このような位置が悪性となったり患者の中で癌が広がることにつながるかもしれない。このように、位置の副集団だけからサンプリングする場合、身体的生検サンプルを得ることのリスクが増幅される。
【０００６】
組織病理学的分析のために身体的生検サンプルを切除するかどうかを決定する際、ポリープが過形成であるか腺腫であるかを視覚的に主観的に決定するのが普通である。現在の生検方法の精度は、生検のために疑わしい組織から主観的に健全な組織を決定する内視鏡技師の能力に依存している。しかし、小さな過形成ポリープと小さな腺腫ポリープを視覚的に区別することは、特に内視鏡のビューイング光学機器を通して見た場合、不可能とは言わないまでも困難である。しかも、癌以外の状態が組織の変色を起こしている場合もあるため、正確な視覚的特徴付けは困難を極め、従って身体的組織サンプルの組織病理学的分析がしばしば求められる。その結果、主体的視覚的検査は、腺腫ポリープを診断せず処置しないまま放置する可能性がある。
【０００７】
身体的生検サンプリングおよび組織特性の視覚的区別の補助的方法および代替方法として、様々な組織分類技術が開発されている。このような技術の一分野では、入射光で組織を照射したり、入射光エネルギーを組織と相互作用させたりする方法が取られている。組織から戻ってきた光に基づいてその組織を分類する。蛍光分光学と称されるこのような技術の特に興味深い分野は、異なった組織特性が戻り光内で異なった蛍光を発生させるという観察に基づいている。特に、悪性前段階または悪性の組織から戻ってきた蛍光のスペクトル特性は正常または良性組織から戻ってきた蛍光のものとは異なっている。
【０００８】
多くのこのような蛍光を基礎とした技術では、外部からの蛍光増強染料やステイン等のイメージコントラスト剤を利用している。コントラスト剤は、通常、蛍光を増強させるために、患者によって摂取されたり、静脈注射により送り込まれたり、組織位置に局所的に送り込まれたりする物質である。コントラスト剤は、検出される特殊なタイプの組織のみを実質的にターゲットとし、より良いイメージを得るためにこの種の組織の蛍光的特性を増加させることが知られている。コントラスト剤は少なくとも二つの問題を抱えている。第一に、その選択が最善のものではない。組織の取り込みおよび濃度レベルに著しいばらつきがある。このことは、戻り蛍光の観察を基礎とする正確な診断を妨げることになる。第二に、ある種のコントラスト剤は、患者に急性および／または慢性の光過敏等の好ましくない副作用を引き起こす。したがって、診断のために外部から取り入れる蛍光増強剤を用いた蛍光技術の有用性には限度がある。
【０００９】
他の技術には、外部からの蛍光増強剤の使用を避け、その代わりに内生的組織からの生来の蛍光（自己蛍光とも称される）に依存したものがある。コントラスト剤を用いなくとも、悪性前段階または悪性の組織から戻ってきた蛍光のスペクトル特性は、正常または良性の組織から戻ってきたものと異なっている。しかし、このような違いは、外部からのイメージコントラスト剤を用いない場合、非常に不明瞭である。
外部からのイメージコントラスト剤なしに、異なった組織タイプのスペクトル蛍光特性間の小さな差異を検出することは、より一層困難である。その結果、このような装置は、組織から戻ってきた蛍光を照射または収集するための多重光ファイバーや、戻ってきた蛍光から適切な信号を得るためのイメージ増強装置または光電増倍装置等の複雑で高価な部品が必要となる。
【００１０】
他の装置では、医師は、蛍光データを用いた組織分類に基づく実際的診断を行なえない。例えば、米国特許第５，５０７，２８７号（Ｐａｌｃｉｃ他、名称：“病害組織のための内視鏡映像装置”）は、組織から戻ってきた蛍光に基づき組織の擬似カラーイメージを生成する。しかし、主治医はディスプレイ上の擬似イメージに基づいて組織を主観的に判断するよう試みなければならない。
【００１１】
内視鏡技術を用い医師または他によって組織が正確に診断された場合でさえも、異常と診断された組織を処置するのは難しいことである。多くの装置では、診断用機器と処置用機器との交換が求められている。例えば、組織を診断するために内視鏡の操作チャネルを介して伸長する多数の光ファイバーを用いた装置では、診断用光学機器は内視鏡の操作チャネルから除去されているため、組織を処置するために鉗子、絞断器、または切除器が内視鏡の操作チャネルを通って伸長することができる。しかし、診断用機器と処置用機器とを交換することには問題がある。例えば、結腸の場合、診断用機器と処置用機器との交換中に、特有の結腸運動のため、医師が内視鏡の位置を正確に保持することが難しくなる。その結果、医師は以前に診断したポリープの位置を決定することができなくなったり、間違ったポリープを不用意に処置することになる。このように、診断用機器と処置用機器との交換によって、医療処理の有効性が減少する。
【００１２】
要約すると、癌の拡がりを防止するための悪性前段階組織および悪性組織の正確で初期段階の診断と処置に対する重大な医学的必要性がある。組織病理学的分析のための身体的生検サンプルを収集するリスクと他の不利益は、改良された組織の分類技術に対する必要性を示唆している。また、多くの医療手続きを要せず、蛍光を増強するために外部から取れ入れられる薬剤を使用せず、且つそのようなコントラスト剤のない状態で複雑で高価な部品を用いることのない、悪性前段階組織および悪性組織の正確な診断と迅速な処置が必要とされている。
【００１３】
発明の概要
本発明は、特に、外部からの蛍光増強剤を使用しないで、正確な組織の特定を行ない、組織の特定に基づいて迅速に組織の処置を行なうための装置、機器および方法を提供する。一つの態様では、本発明は、一つの方法を含んでいる。ビューイング光学器および管(内視鏡の“操作チャネル”のようなもの)を有する内視鏡が生体内に導入される。診断用光ファイバーが、内視鏡の末端部にある組織の近傍に管を通って導入される。蛍光増強剤を用いずに、励起電磁エネルギーが、診断用光ファイバーを介して組織に送られる。励起電磁エネルギーに呼応して、電磁エネルギーが組織から診断用光ファイバーを介して受け取られる。受け取られた電磁エネルギーに基づく信号を分析を用いて、組織の診断が行なわれる。診断により指示された場合には、診断用光ファイバーが未だ内視鏡の管内にある間に、組織の処置が行なわれる。組織の処置は、基本的に、以下の処理の少なくとも一つから構成されている：組織の少なくとも一部の身体的生検サンプルを取ること；組織の少なくとも一部を物理的に除去すること；組織の少なくとも一部に電気外科医療を施すこと；組織の少なくとも一部に薬品または他の化学剤を送り込むこと；組織の少なくとも一部に光力学的療法を施すこと。
【００１４】
一態様において、励起電磁エネルギーを送ることは、内視鏡上に配置されたスイッチを用いて光源を駆動することを含んでいる。他の態様では、光源は音声によって駆動される。他の態様では、組織診断は、受け取った電磁エネルギーの強度スペクトルを形成することを含んでいる。診断確率が強度スペクトル内の特定の波長における強度に基づいて演算される。診断確率は、組織を特定するためにスレッシュホルド確率と比較される。さらに他の態様において、診断確率とスレッシュホルド確率を比較することは、診断確率とスレッシュホルド確率の内の少なくとも一つを、ロジスティックス回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析、または、他の組織サンプルから得られたデータの他の分析に基礎付けることを含んでいる。
【００１５】
一つの態様では、組織診断は、特定の波長における強度スペクトルの勾配に基づいて診断を行なうことを含んでいる。さらに他の実施例では、組織診断は、特定の波長における強度スペクトルの曲率に基づいて診断を行なうことを含んでいる。
【００１６】
一つの態様では、前記方法は、強度スペクトル内の特定の波長における各強度を、規準強度スペクトル内の対応波長における強度で除することによって、強度スペクトルを規準強度スペクトルに正規化することを含んでいる。あるいは、強度スペクトル内の特定の波長における各強度を、強度スペクトル内の波長範囲にわたる強度の合計で除することによって、強度スペクトルを正規化する。
【００１７】
一態様では、強度スペクトルは、バックグラウンド読み取り値を減じることによって補正される。他の態様では、バックグラウンド読み取り値を減じることは内視鏡光を補正することを含んでいる。
【００１８】
一態様において、組織診断は、等式Ｐ＝ｅ^s／（１＋ｅ^s）に応じて確率係数Ｐを形成することを含んでいる。上記式において、Ｓは、
【数６】

で表され、Ｃは定数、Ｉは特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂは特定波長に対応する定数、ｎは正の整数、ｉは適当間隔で選ばれた波長である。組織を診断するために、確率係数Ｐは所定値と比較される。一態様において、Ｃ、Ｂ、Ｐは他の組織サンプルから得たデータのロジスティックス回帰分析に基づいている。
【００１９】
他の態様において、組織診断は、スコアＳを形成することを含んでいる。尚、Ｓは
【数７】

で表され、Ｃは定数、Ｉは特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂは特定波長に対応する定数、ｎは正の整数である。組織を診断するために、スコアＳは所定スレッシュホルド値と比較される。ロジスティックス一態様において、Ｃと、Ｂと、所定のスレッシュホルド値の内少なくとも一つは、回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析の内の少なくとも一つに基づいている。
【００２０】
他の態様において、組織診断は、スコアＸを形成することを含んでいる。尚、Ｘは、
【数８】

で表され、Ｃは特定の波長に対応する定数、Ｓは特定の波長における検出された戻り蛍光強度スペクトルの勾配、ｎは正の整数である。組織を診断するために、スコアＸは所定スレッシュホルド値と比較される。一態様において、Ｃと所定のスレッシュホルド値の内少なくとも一つは、ロジスティックス回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析の内の少なくとも一つに基づいている。
【００２１】
他の態様において、組織診断は、スコアＸを形成することを含んでいる。尚、Ｘは
【数９】

で表され、Ｃは特定の波長に対応する定数、Ｓは特定の波長における検出された戻り蛍光強度スペクトルの勾配、Ｉは特定の波長における検出された戻り蛍光の強度で、ｍとｎは正の整数である。組織を診断するために、スコアＸは所定スレッショルド値と比較される。
【００２２】
他の態様において、上記組織診断技術の一つは、他の組織診断技術と組み合わせて用いられる。他の組織診断技術とは、以下の少なくとも一つのような技術である：光学コヒーレント断層撮影法；インターフェロメトリー；光学−聴覚イメージング、聴覚−光学イメージング、蛍光イメージング、フォトミグレーション、時間解像蛍光分光学、周波数−ドメイン蛍光分光学、弾性散乱、レイリー散乱、ラマン散乱、他の線形または非線形光学技術。
【００２３】
他の態様において、前記方法は、例えば、強度−波長グラフ、一つ以上のアイコン、または特徴付けられた組織をさらに処置するべきかどうかを示す他の聴覚的または視覚的インジケータの表示等の、診断の聴覚的または視覚的インジケータの供給を含んでいる。本発明の一つの特徴によると、インジケータは内視鏡モニタ上に表示された組織の視覚的イメージをオーバーレイする。
【００２４】
他の態様では、前記方法は、バックグラウンド読み取り値を減じることにより、受け取った電磁励起エネルギーに基づく信号を補正することを含んでいる。例えば、バックグラウンド読み取り値を減じる工程は、とりわけ、内視鏡光を補正することを含んでいる。
【００２５】
本発明の他の特徴は、特に、第二の方法を提供している。本方法は、ビューイング光学機器と管を有する内視鏡を生体内に導入することを含んでいる。内視鏡の末端部における様子を内視鏡モニタに表示する。診断用光ファイバーが、管を通って、内視鏡の末端部にある組織の近傍に導入される。電磁励起エネルギーは、診断用光ファイバーを介して組織に送られる。励起電磁エネルギーに呼応して、電磁エネルギーが診断用光ファイバーを介して組織から受け取られる。組織の診断が行なわれる。診断は受け取られた電磁エネルギーの分析に基づいている。診断のインジケータが内視鏡モニタに表示される。一実施例では、診断のインジケータを表示する工程は、内視鏡モニタ上に表示された組織の視覚的イメージと共にインジケータを表示することを含んでいる。
【００２６】
本発明の他の特徴は、特に、第三の方法を提供している。ビューイング光学機器と管を有する内視鏡を生体内に導入する。診断用光ファイバーが、管を通って、内視鏡の末端部にある組織の近傍に導入される。組織のビデオイメージが得られてデジタル化されて増強される。増強された組織のビデオイメージに基づいて、組織部位が探し出される。励起電磁エネルギーが、蛍光増強剤を要せずに診断用光ファイバーを介して探し出された組織部位に送られる。励起電磁エネルギーに呼応して、電磁エネルギーが診断用光ファイバーを介して組織部位から受け取られる。受け取られた電磁エネルギーに基づく信号の分析を用いて、組織部位の診断が行なわれる。診断により指示された場合には、診断用光ファイバーが未だ内視鏡の管内にある間に、組織部位の処置が行なわれる。組織部位の処置は、基本的に以下の内の少なくとも一つから構成されている：組織部位の少なくとも一部の身体的生検サンプルを取る；組織部位の少なくとも一部を物理的に除去する；組織部位の少なくとも一部に電気外科医術を施す；組織部位の少なくとも一部に薬品等の化学剤を送り込む；組織の少なくとも一部に光力学的療法を施す。
【００２７】
本発明の他の特徴は、特に、第四の方法を提供している。ビューイング光学機器と操作チャネル管を有する内視鏡を、例えば、患者の結腸に導入する。診断用光ファイバーと同軸上に結合された鉗子とが、管を通って、内視鏡の末端部にある組織の近傍に導入される。励起光パルスが生成される。該励起光パルスは、２色鏡を用いて診断用光ファイバーに結合される。励起光パルスは、蛍光増強剤を用いることなく、診断用ファイバーを介して組織に送られる。励起光パルスに呼応して、組織から診断用光ファイバーを介して戻ってきた光が受け取られる。戻り光をフィルタにかけて、約３５５ナノメータよりも概ね短い波長の成分を戻り光から除去することにより、戻り蛍光を得る。フィルタにかけられた戻り光が空間的に分離されて戻り蛍光スペクトルを得る。複数の波長において戻り蛍光スペクトルの強度が検出される。バックグラウンド読み取り値を減じることにより、検出された戻り蛍光強度スペクトルを補正する。その後、組織が特定される。組織の特定は、等式Ｐ＝ｅ^s／（１＋ｅ^s）に応じて確率係数Ｐを形成することを含んでいる。尚、Ｓは、
【数１０】

で、Ｃは定数、Ｉは特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂは特定波長に対応する定数を表している。確率係数Ｐが所定値と比較されて組織が診断される。診断のインジケータは組織の視覚的イメージと共に、内視鏡モにタ上に表示される。診断により指示された場合には、診断用光ファイバーが未だ、内視鏡の操作チャネル管内にある間に、組織の身体的生検サンプルを取る。
【００２８】
本発明の他の特徴によると、特に、組織を分析し、診断し、処置する内視鏡装置を提供している。前記装置は、電磁励起エネルギー源を含んでいる。単一の診断用光ファイバーが、内視鏡内の管を介して内視鏡の基端部から内視鏡の末端部まで伸長するように設けられている。診断用光ファイバーは、電磁励起エネルギーを組織に送り、内視鏡末端部にある組織から電磁的応答を受け取る。分光計が電磁的応答を受け取り、結果スペクトル応答信号を発生する。光カプラーが、エネルギー源からの電磁励起エネルギーを診断用光ファイバーに結合し、電磁的応答を分光計に結合する。診断用モジュールが、スペクトル応答信号を受け取り、組織において蛍光増強剤を用いることなく結果としての組織分類を行なう。組織処置装置が、診断用光ファイバーと一体的に形成されている。該組織処置装置は、基本的に、生検鉗子、生検針、ポリープ絞断器、電波（ＲＦ）アブレーション装置、電気外科医療器、光力学的療法装置（ＰＤＴ）、薬品または化学剤送り装置、ガイドワイヤ、カテーテルの内から選択される。
【００２９】
一態様において、光学カプラーは、電磁励起エネルギーを反射させて診断用光ファイバーに結合する鏡を含んでいる。また、光カプラーも電磁応答を分光計に結合する少なくとも一つのレンズを含んでいる。
【００３０】
他の態様では、装置はインターフェース回路を含んでいる。インターフェース回路は、スペクトル応答信号と組織分類の少なくとも一つのインジケータを内視鏡モニタに表示するよう設けられている。一態様において、該インターフェース回路は、内視鏡の末端部における組織のビデオ信号イメージを受け取り、組織分類のインジケータと共にビデオ信号イメージを内視鏡モニタに供給するように設けられている。さらに他の実施例では、インターフェース回路は、内視鏡の末端部における組織のビデオ信号イメージを増強させるためにインターフェース回路に連結されたイメージ増強モジュールを含んでいる。
【００３１】
一態様において、組織処置装置は、組織処置装置の中央に同心的に配置された単一の診断用光ファイバーと同軸上に形成されている。他の態様では、電磁励起エネルギー源は、内視鏡上に配置されたスイッチに連結されて、これにより駆動される。さらに他の実施例では、電磁励起エネルギー源は音声駆動される。
【００３２】
本発明の他の特徴によると、組織を分析し、診断し、処置する第二の装置が提供されている。本装置は、波長移動ダイ−モジュールを用いて、あるいは用いずに、電磁励起エネルギーを供給するパルスレーザを含んでいる。
単一の診断用光ファイバーが、内視鏡内の操作チャネル管を介して内視鏡の基端部から内視鏡の末端部まで伸長するように設けられて、電磁励起エネルギーを内視鏡末端部にある結腸組織部位に送り、そこから電磁応答を受け取る。単一の診断用ファイバーが、処置装置内で同軸上で同心的に一体形成されている。組織処置装置は、基本的に、生検鉗子、生検針、ポリープ絞断器、電波（ＲＦ）アブレーション装置、電気外科医療器、光力学的療法装置（ＰＤＴ）、薬品または化学剤送り装置、ガイドワイヤ、カテーテルの内から選択される。分光計が、電磁応答を受け取り、結果スペクトル応答信号を発生する。分光計は、スペクトル応答信号の空間的分散を行なうためのスペクトログラフを含んでいる。また、分光計は空間的に分散したスペクトル応答信号を検出する光学検出器を含んでいる。分光計はさらに、光学検出器の温度を調整する熱電冷却装置を含んでいる。さらに、本装置は、光学カプラーを含み、パルスレーザからの電磁励起エネルギーを診断用光ファイバーに結合し、電磁応答を分光計に結合する。光学カプラーは、電磁励起エネルギーを反射させて診断用光ファイバーに結合する２色鏡を含んでいる。また、光学カプラーは、電磁応答を分光計に結合する少なくとも一つのレンズを含んでいる。本装置は診断モジュールを含んでいる。診断モジュールは、組織において蛍光増強剤を用いることなく、スペクトル応答信号を受け取り、結果組織分類を供給する。診断モジュールは、また、組織を分類するための実行可能な命令列を含む。また、本装置は、内視鏡の末端部に位置する組織のビデオ信号イメージを受け取るためのインターフェース回路を含む。インターフェース回路は、組織分類のインジケータと共にビデオ信号イメージを内視鏡モにタに供給するように設けられている。一実施例において、本装置はさらに、インターフェース回路に連結されて内視鏡の末端部にある組織のビデオ信号イメージを増強させるためのイメージ増強モジュールを含んでいる。
【００３３】
要約すると、本発明は、特に、蛍光増強剤を要せずに、本から存在する蛍光を利用して組織を特定する装置、機器、および方法を提供している。イメージ増強能力により、容易に探し当てられた組織位置が診断される。本装置は、処置装置と同軸上に結合されている単一の診断用光学ファイバの利用を可能にしている。一体的診断／処置装置を用いたりして、迅速な診断により迅速な処置が可能になる。その結果、処置を行なう際、診断用装置を取り外す必要がなく、処置装置を用いて組織位置を探し当てようとする必要もない。また、本発明は、内視鏡および／または腹腔鏡と、内視鏡モニタと、内視鏡コンピューターを含む、既存の内視鏡装置を容易に一体化させることができる。以下の本発明の詳細な説明を添付の図面と共に読むことにより、本発明の他の長所が明らかとなる。
【００３４】
（実施例）
以下の詳細な説明では、その一部を成し、本発明を実施し得る特定の環境を例示として示す、添付図面について言及する。これらの実施例は当業者が本発明を実施可能とするために十分に詳細に説明されており、当該実施例は組み合わせることができ、または他の実施例も利用することができ、構造的、論理的および電気的変更が本発明の範囲を逸脱せずに行い得ることを理解しなければならない。説明または図示した構成要素の精確な形状および大きさは、別に指示のない限り、本発明にとって本質的ではない。従って、以下の詳細な説明は、限定的意味に取るべきものではなく、本発明の範囲は添付請求項およびそれらの等価物によって規定される。
【００３５】
（定義）
「遠位」は患者に挿入された端に向かう方向をいう。「近位」は患者の外部に残る端の方向をいう。「自然蛍光」および「自己蛍光」は、組織の蛍光特性を増強するために使用される染料、染色剤または他の像コントラスト薬剤により処理されていない組織からの蛍光をいう。「内生組織」は、染料、染色剤または他の像コントラスト薬剤により処理されていない、その蛍光特性が組織自体に固有であるような組織をいう。「内視鏡」および「内視鏡の」は、これに限定されないが、一般に、腹腔鏡器具および技法を含む、生体の内部部分を検査するためのあらゆる器具を含む。「内視鏡」は、白色光を組織に送達するための少なくとも１個の光ファイバを有し、得られた組織の画像をカメラに伝送するための少なくとも１個の光ファイバを有するファイバスコープを含む。「内視鏡」はまた、白色光を組織に送達するための少なくとも１個の光ファイバを有し、また、視覚画像を受信し得られた電気的ビデオ信号をモニタまたはコンピュータに供給する光検出器を、組織にごく近接して有する、ディジタル内視鏡も含む。「処置」は、鉗子、針または他の器具による身体的生検試料の採取、スネアまたは他の器具による組織の除去、高周波（ＲＦ）エネルギーによる組織のアブレーションおよび／または電気焼灼、薬剤または他の化学薬品の組織への送達、組織でまたは組織内で薬剤または他の化学薬品を活性化させるために光の送達を含むフォトダイナミックセラピー（ＰＤＴ）、および、ガイドワイヤおよびカテーテルを用いた処置を含む。「生検」は、組織病理学的分析用といった身体試料の採取または、光学的または他の技法を使用するなどによる組織の特定または分類の両方を含む。「光学的生検」は、身体試料を採取することによる代わりに、光学的技法を用いて生体の一部を特徴づけるまたは分類することを含む。「スペクトログラフ」は、波長のスペクトルにわたる電磁的強度の空間分離または分散を付与するあらゆる装置を含む。「分光光度計」は、ある範囲の波長にわたるスペクトル電磁的強度を指示する信号を付与するあらゆる器具を含み、その構成要素の１つとして、スペクトログラフを含み得る。
【００３６】
（システムの概要）
図１Ａは、本発明の１態様による、自然蛍光を用いた組織診断用内視鏡システムの一部の１実施例および、それが使用される環境を略示している。図１Ａは、患者の気道、上または下胃腸管、または尿路の内部を検査するための内視鏡１００を含む。多くの市販の内視鏡１００が本発明に従った用途に適切である。内視鏡１００は、近位端１０５、遠位端１１０および観察光学系１１５を含む。観察光学系１１５は、遠位端１１０で照明を付与するための内視鏡１００内を延びる光ファイバを含む。観察光学系１１５はまた、１実施例において、遠位端１１０の画像を近位端１０５で見るための内視鏡１００内を延びる光ファイバも含む。別の実施例では、観察光学系１１５は、内視鏡１００の近位端１０５に通信される電気的ビデオ信号を供給する光検出器を内視鏡１００の遠位端１１０に備える。作業路１２０は、内部に各種内視鏡付属品を挿入可能な、近位端１０５と遠位端１１０との間の管路を与える。
【００３７】
図１Ａは、限定しないが例えば、１個のそうした内視鏡付属品として、組織１３０を分類および処置するために内視鏡１００の作業路１２０内を延びる、統合診断・処置装置１２５を例示している。ある実施例では、装置１２５は、以下の係属中の共同譲渡された米国特許出願のいずれかに記載されたような、光学的生検鉗子を含む。すなわち、１９９６年５月７日出願の「光学的生検鉗子」と題する出願番号０８／６４４，０８０号、１９９７年１１月２１日出願の「光学的生検鉗子」と題する出願番号０８／９７５，７３４号、同日付出願の「アクセス穴を備える光学的生検鉗子」と題する出願番号０８／９７５，７３４号であり、これらの各々は本発明の譲受人に譲渡されており、各々の開示は参照によって本発明と一体となる。
【００３８】
別の実施例では、装置１２５はフォトダイナミックセラピー（ＰＤＴ）装置を備える。フォトダイナミックセラピー装置は蛍光分光診断によって導入される。フォトダイナミックセラピー装置は、組織において薬剤または化学薬品を光活性化させるために光を送達し、この時、薬剤は事前に患者に施されるか、またはフォトダイナミックセラピー装置自体により局部的に送達される。他の実施例では、装置１２５は、限定しないが例えば、ポリープスネア、高周波（ＲＦ）アブレーション装置、電気外科装置、薬剤または化学薬品デリバリ装置、および、ガイドワイヤおよびカテーテルを含む。ガイドワイヤおよびカテーテルの例は、「ガイドワイヤにより組織を診断するシステム」と題するガンダーソンらの米国特許第５，６０１，０８７号、「ガイドワイヤによる組織の診断方法」と題するガンダーソンらの米国特許第５，４３９，０００号、「診断イメージング用ガイドワイヤカテーテルおよび装置」と題するアウアーらの米国特許第５，３８３，４６７号において記載されており、これらの各々は本発明の譲受人に譲渡されており、各々の開示は参照によって本発明と一体となる。
【００３９】
光学的生検鉗子は、内視鏡１００の遠位端１１０で組織１３０と接触するための診断光ファイバ１３５を含む。光学的生検鉗子はまた、鉗子１４０といった統合組織処置装置も含む。鉗子１４０を用いて、組織１３０の診断によって指示された場合、組織１３０の身体的生検試料が採取される。１実施例において、鉗子１４０は、作業路１２０内を延びており、内視鏡１００の近位端１０５の付近でハンドル１４５の部分と結合されているワイヤにより、適切に制御される。ハンドル１４５のフィンガピース１５０Ａ−Ｂまたは他のレバーを操作することによって、鉗子１４０の対向するジョーが開閉する。
【００４０】
診断光ファイバ１３５は、コンソール１５５または、電磁エネルギーによって組織１３０の診断、特定、または分類に要する成分を搬送するいずれかの他の適切な装置と結合されている。１実施例において、コンソール１５５は、高解像度（例えば１０２４×７６８ピクセル）ユーザディスプレイ１６０および、キーボード１６５、マウス１７０などといった１個以上のユーザ入力装置、そして、フットスイッチ１７５または内視鏡１００にあるスイッチ、または診断手順の音声作動のためのマイクロホンも含む。
【００４１】
１実施例では、内視鏡１００は、観察光学系１１５によって得られる内視鏡１００の遠位端１１０における視界を内視鏡モニタ１８５に表示するためのカメラ１８０をさらに含む。本発明の１態様によれば、カメラ１８０からの電気出力信号（ビデオ信号とも称する）は、ノード１９０で内視鏡器具スイートコンソール（「内視鏡コンソール」）１８６の内視鏡コンピュータに結合される。内視鏡コンピュータから得られるビデオ出力信号は、ノード１９５で内視鏡モニタ１８５に直接または間接に結合される前に、ノード１９１などでコンソール１５５に結合される。カメラ１８０はまた、ラック取り付け型付属装置に包含し、光ファイバによって内視鏡１００の観察光学系１１５と光学的に結合することもできる。１実施例において、コンソール１５５はノード１９５で内視鏡モニタ１８５へ信号を出力し、それにより、組織診断の可聴または視覚的指標が付与され得る（例えば、内視鏡１００の遠位端１１０で見える視界とともに内視鏡モニタ１８５に表示される）。
【００４２】
図１Ｂは、内視鏡システムの一部の代替実施例およびその環境を例示している。図１Ａでは、内視鏡１００がファイバスコープの例であり、この場合、光学信号が遠位端１１０から観察光学系１１５を通じて内視鏡の近位端１０５に伝達される。近位端１０５において、光学信号はノード１９０でカメラ１８０によって電気ビデオ信号に変換される。図１Ｂでは、内視鏡１００がディジタル内視鏡１００の例であり、この場合、遠位端１１０の画像は、内視鏡１００の遠位端１１０に配置される電荷結合素子（ＣＣＤ）撮像集積回路（ＩＣ）１９６を含む観察光学系によって取得される。撮像集積回路１９６は、内視鏡１００の遠位端１１０から近位端１０５へ伝達される電気ビデオ信号を供給する。ビデオ信号は、ノード１９０で内視鏡コンソール１８６の内視鏡コンピュータに結合される。内視鏡コンピュータから出力されたビデオ信号出力は、ノード１９１でコンソール１５５に結合される。
【００４３】
１実施例において、コンソール１５５は、ビデオ信号が、組織１３０の視覚画像およびコンソール１５５により実行される組織診断の指標の両方を含むように、ビデオ信号に組織特定の指標を重ね合わせる。この結合ビデオ信号は、ノード１９７で内視鏡コンソール１８６の内視鏡コンピュータによって、また、ノード１９５で内視鏡モニタ１８５のＲＧＢビデオ入力に結合される。あるいはまた、結合ビデオ信号は、図１Ａに例示したように、コンソール１５５から内視鏡モニタ１８５のＲＧＢビデオ入力と直接結合される。
【００４４】
（光学的コンフィギュレーションの例）
図２は、本発明の一部の光学的コンフィギュレーションの１実施例を略示するブロック図である。１実施例において、パルスまたは連続波レーザ２００といったコヒーレント光源が、電磁的励起エネルギー（「励起光」）を供給する。他の実施例では、例えば内視鏡１００の遠位端１１０において組織の照明観察に使用されるキセノン閃光管や内視鏡白色光源といった非コヒーレント光源が、励起光を供給するために使用される。励起光は、アパーチャ２０５、光結合器２１０、光ファイバ２１５、光結合器２２０を介して、また、診断光ファイバ１３５によって、組織１３０に結合される。励起光に応答して、反射光は、診断光ファイバ１３５、光結合器２２０、光ファイバ２１５、光結合器２１０、光ファイバ２２５を介して組織１３０から受光される。この反射光の成分には、光誘導蛍光電磁エネルギーを含む（「反射蛍光」とも称する）。反射光はまた、他の成分（例えば、反射された励起光および、吸収され散乱した励起光）も含む。
【００４５】
反射光の反射蛍光成分は、フィルタ２３０を経て、スペクトログラフ２３５といった分光光度計に通過する。スペクトログラフ２３５は、光検出器２４０による検出のために反射蛍光のスペクトル成分を空間的に分離する。光検出器２４０は、得られた電気的データ出力信号を、後述する組織特定・診断モジュールによる分析のためにノード２４５で供給する。
【００４６】
レーザ２００は、ほぼ３００ナノメートル（ｎｍ）ないし９９０ｎｍの間にある波長を有する励起光を供給する。１実施例において、レーザ２００は、波長シフトダイモジュールを具備または具備しない、パルス窒素レーザを含む。１実施例では、レーザ２００は、マサチューセッツ州フランクリンのレーザ・サイエンス（Ｌａｓｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｉｎｃ．）社からそれぞれ入手可能な、型式３３７９９−０１または型式３３７ＮＤを含む。この実施例では、レーザ２００は、約３３７ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する励起光を供給する。レーザ２００は、ほぼ１ヘルツないし２０ヘルツの間（例えば約１０Ｈｚ）のパルスレートで励起光を供給する。励起光のパルス幅は、ほぼ３ナノ秒（ｎｓ）ないし１０ｎｓの間である範囲を含む（例えば４ｎｓ）。１実施例において、組織１３０の１つの分類を実行するために、約１ないし１００パルス（例えば、約４〜１０パルス）が使用される。他の波長、パルスレート、パルス幅およびパルス数も使用できるであろう。
【００４７】
１実施例において、レーザ２００から出力された光はアパーチャ２０５によって調整され、これは、所定の出力パワー（例えば、パルス当たり約１０〜６０マイクロジュール以上または、パルス当たり約３０〜４０マイクロジュール以上）を得るために、ビームサイズ（例えば、約０ミリメートル（ｍｍ）ないし９ｍｍの間である、約２ミリメートルといったビーム径）を調整する機械的アパーチャ／アイリスを含む。アパーチャ２０５から、レーザ２００から出力された光は光結合器２１０により受光される。
【００４８】
１実施例において、光結合器２１０は、ミラー２５０、レンズ２５５およびレンズ２６０を含む。ミラー２５０は、レーザ２００から受光した光がレンズ２５５に向けて反射されるように角度を付けて（例えば９０°の角度で）配置されている。１実施例では、ミラー２５０は、レーザ２００により出力された光を受光し、約３３７ナノメートルの波長だけをレンズ２５５に向けて反射するダイクロイックミラー（ビームスプリッタとも称する）である。１実施例では、ダイクロイックミラー２５０は、バーモント州ブラットルボロのオメガ・オプティカル（Ｏｍｅｇａ Ｏｐｔｉｃａｌ， Ｉｎｃ．）社より入手可能であり、約３５０ｎｍ未満の入射光波長の約９５％反射および、約３５０ｎｍ超の入射光波長の約９０％透過を付与する。
【００４９】
レンズ２５５は３３７ｎｍ入射光を光ファイバ２１５に合焦させる。１実施例では、レンズ２５５は、カリフォルニア州アービンのメレス・グリオ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）社から入手可能な、型式０１ＬＱＰ００１といった、平凸合成溶融シリカレンズである。１実施例では、光ファイバ２１５は、アリゾナ州グレンデールのメテオール・オプティクス（Ｍｅｔｅｏｒ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．）社より入手可能なＨシリーズ光ファイバといった、広範な光波長スペクトルを伝達可能である多モード光ファイバである。光ファイバ２１５は、約７５マイクロメートルないし６００マイクロメートル（μｍ）の光伝送（例えば溶融シリカ）径（例えば３００μｍ）、ＮＡ＝０．２２の開口数を有し、ポリイミド、シリコーン、アクリレートまたはいずれかの他の適切な材料により緩衝されている。光ファイバ２１５は光ファイバホルダによって光結合器２１０に固定されている。光ファイバ２１５によって伝達された励起光は、サブミニチュア（Ｓｕｂｍｉｎｉａｔｕｒｅ）型Ａ（ＳＭＡ）９０５インタフェースといった光結合器２２０によって診断光ファイバ１３５に結合される。光結合器２２０は、光ファイバ２１５および診断光ファイバ１３５のそのカップリングにおいて同心アラインメントを与える。
【００５０】
励起光は、診断光ファイバ１３５を通じて内視鏡１００の遠位端１１０における組織１３０に伝送される。励起光に応答して、反射蛍光を含む反射光は、いかなる蛍光強調剤も要さずに、内生組織１３０から受光される。反射蛍光波長（例えば約３７５ｎｍないし６００ｎｍの）は、３３７ｎｍの励起波長を上回る。反射光は、診断光ファイバ１３５、光結合器２２０および光ファイバ２１５を介して光結合器２１０に伝送される。光結合器２１０において、反射光はレンズ２５５によりコリメートされる。反射蛍光がダイクロイックミラー２５０により反射されたものと異なる波長を有するので、反射蛍光はダイクロイックミラー２５０を経てレンズ２６０に伝送される。
【００５１】
レンズ２６０は、光ファイバホルダにより光結合器２１０に固定された光ファイバ２２５に反射光を合焦させる。１実施例において、光ファイバ２２５は、約４００ｍの光伝送溶融シリカ径およびポリアミドクラッディングを有する多モードファイバである。光ファイバ２２５が大径になると、反射光の伝送における光結合器２１０とのある程度のミスアラインメント（例えば、機械的衝撃または振動によるレンズ２６０による不正確な焦点）を許容する。１実施例では、光結合器２１０は、各自のレンズ２６０および２５５に対する光ファイバ２２５および２１５の少なくとも１個の位置、またはその逆を調整するための調整ノブを備える。これにより、レンズ２６０および２５５がそれぞれ光ファイバ２２５および２１５の光伝送部に合焦するように保証され、ミスアライメント効果を最小限にする。
【００５２】
光ファイバ２２５は反射光をフィルタ２３０に伝送する。１実施例では、フィルタ２３０は、約３３７ｎｍの波長の励起光の反射成分を含む、約３５５ｎｍより短い波長を有する反射光の部分を実質的に除去する長波域フィルタである。反射蛍光は、その波長が約３５５ｎｍの長波域フィルタカットオフを超えているので、この長波域フィルタを通過する。１実施例では、長波域フィルタ２３０は、約３６０ｎｍ超の波長について９０％を超える最小透過を、また約３３７ｎｍ未満の波長については０．０５％の最大透過を有しており、マサチューセッツ州ウエストフォードのバール・アソシエーツ（Ｂａｒｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）社から入手可能である。
【００５３】
スペクトログラフ２３５は、フィルタ２３０から反射蛍光を受光し、光検出器２４０による検出のために反射蛍光のスペクトル成分を空間的に分離する。１実施例では、スペクトログラフ２３５および光検出器２４０はともに、コネチカット州ストラットフォードのオリエル・インストルメンツ（Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社よりそれぞれ、型式７７４４２スペクトログラフ２３５およびＩＮＳＴＡＳＰＥＣ ＩＶ型光検出器２４０として販売されており、入手可能である。この実施例では、光検出器２４０は、１０２４×２５６ピクセル電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ検出器である。光検出器２４０は、その暗電流ノイズを減らすためにその温度を約０℃に維持するための熱電冷却器を備える。
【００５４】
スペクトログラフ２３５は、約２７５ｎｍから７２５ｎｍまでの範囲の反射蛍光光スペクトルを胃腸ポリープ検出用途に付与する。他の用途には、他の反射蛍光波長が得られるであろう。この２７５〜７２５ｎｍスペクトル範囲は、ＣＣＤ光検出器２４０の１０２４ピクセル次元全体に拡がる。１０２４個の離散的波長の各々は２５６個のＣＣＤ検出器素子により検出される。動作の全垂直モードでは、１０２４個の離散的波長の各々の２５６個のＣＣＤ検出器素子からのデータは加算され、１０２４個の離散的波長に対応する結果の１０２４個のデータ点を付与する。光パルスに応答して得られた結果の１０２４個のデータ点は、データのフレームと称する。一連の光パルスは、後述の通り組織特徴づけ・診断モジュールに転送および記憶される一連のデータフレームを生じる。スペクトログラフ２３５はほぼ２７５から７２５ｎｍの間の波長でデータを付与するが、組織特定のための反射蛍光データの多くは一般に、後述のように約３７５ｎｍないし６００ｎｍの間にある波長の範囲内に含まれる。
【００５５】
（信号処理および診断ハードウエアの例）
図３Ａは、組織分類のための信号処理および診断を実行するためのハードウェアコンフィギュレーションの１実施例を略示するブロック図である。図３Ａの実施例はコンピュータ３００および入出力インタフェース３０５を含む。１実施例では、入出力インタフェース３０５は、オハイオ州クリーブランドのキースレイ・メトラバイト（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｍｅｔｒａｂｙｔｅ）社より入手可能な型式ＣＴＭ−１０である。入出力インタフェース３０５は、組織診断を開始するために、フットスイッチ１７５などから、オペレータからのユーザ入力信号を受信する。
【００５６】
あるいはまた、入出力インタフェース３０５は、例えば、内視鏡１００の近位端１０５に配置された１個以上のスイッチから受信された入力にもとづき、または、マイクロホンおよび音声認識モジュールによって音声作動するといったように、他のいずれかの装置から受信されたユーザ入力信号にもとづき、組織診断を開始する。そのような実施例において、本発明は、すでに使用中の既存の内視鏡検査機器との低コストの統合を可能にする。それはまた、本発明を内視鏡検査技師が容易に使用可能にする。
【００５７】
組織診断は、ＴＴＬ方形波トリガ信号といったトリガ信号を入出力インタフェース３０５を介して検出器カード３１０およびレーザ２００に送信する、コンピュータ３００によって開始される。検出器カード３１０は、ノード２４５で、光検出器２４０から反射蛍光スペクトル信号を受信する。１実施例において、検出器カード３１０は、光検出器２４０とともに、コネチカット州ストラットフォードのオリエル・インストルメンツ（Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社よりＩＮＳＴＡＳＰＥＣ ＩＶ型として入手可能である。個々の光パルスに応答して、光検出器２４０は、各々が特定の波長または波長の範囲と対応する１０２４個のアナログデータ点を有するデータフレームを順次的に供給する。検出器カード３１０は８ビットアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換を、光検出器２４０から受信したデータフレームの１０２４個のアナログデータ点の各々について実行する。
【００５８】
個々の光パルスに応答して、検出器カード３１０は、ハードディスクドライブ３１５などにコンピュータ３００により記憶される、得られた１０２４バイト出力データフレームを供給する。１実施例では、コンピュータ３００は、カリフォルニア州サンタクララのインテル（Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｐ．）社よりペンティアム（ＰＥＮＴＩＵＭ）モデルとして販売されている１６６ＭＨｚマイクロプロセッサを含み、ワシントン州レドモンドのマイクロソフト（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐ．）社によりウィンドウズ９５（ＷＩＮＤＯＷＳ９５）として販売されているオペレーティングシステムを使用する、シングルボードパーソナルコンピュータである。コンピュータ３００は、後述の通り組織特定または診断を行うために検出器カード３１０から受信されたディジタル化データを処理するための、マイクロプロセッサに一連の命令としてインプリメントされた診断モジュールを含む。１実施例では、コンピュータ３００は、２ギガバイト（ＧＢ）ＥＩＤＥハードディスクドライブといったハードディスクドライブ３１５を含む。コンピュータ３００はまた、組織データファイルおよび診断情報を記憶するための、フロッピーディスクドライブ３２０といったリムーバブルディスクも選択的に含む。ディスプレイドライバ３３０は、ディスプレイ１６０に対して、組織診断の指標および／または瞬時または平均の反射蛍光スペクトルの強度対波長グラフを供給する。
【００５９】
１実施例において、本発明は、直接または、市販の内視鏡コンピュータ３４０を介してのいずれかにより、市販の内視鏡モニタ１８５に組織診断の指標を供給するビデオインタフェース３３５を含む。本発明の１態様によれば、内視鏡１００および付随するカメラ１８０、内視鏡コンピュータ３４０および内視鏡モニタ１８５は、すでに入手可能な既存の機器である。内視鏡検査技師は通常、内視鏡モニタ１８５で内視鏡１００の遠位端１１０における組織１３０の視覚画像を見る。本発明のビデオインタフェース３３５は、カメラ１８０から得られた組織１３０の視覚画像とともに、組織診断の指標を同じ内視鏡モニタ１８５に好適に提示する。１実施例において、ビデオインタフェース３３５には例えば、内視鏡モニタ１８５に表示される組織１３０のビデオ画像に組織診断の指標を重ね合わせるためなどの、カナダのケベック州のマトロックス（Ｍａｔｒｏｘ）社から入手可能なコロナ（ＣＯＲＯＮＡ）モデルのビデオオーバーレイボードを含む。その結果、本発明は、すでに使用中の既存の内視鏡検査機器との低コストの統合を可能にする。それはまた、本発明を内視鏡検査技師が容易に使用可能にし、現行の医療手順に容易に統合させる。
【００６０】
（画像強調を含むハードウェアの例）
図３Ｂは、画像強調モジュール３５０を含むハードウェアコンフィギュレーションの別の実施例を略示するブロック図である。画像強調モジュール３５０は、組織１３０の内視鏡によるビデオ画像のリアルタイムのカラーおよび／またはコントラストの強調または他の画像強調信号処理を実行する。画像強調は、内視鏡のビデオ画像を鮮鋭化し、画像深度を増強し、不均一な照明を補償する。これにより、本書に開示した光学的生検によって特定、分類または診断のために異常または疑わしい組織１３０の部位を突き止めるうえで医師を助成する。
【００６１】
１実施例において、画像強調モジュール３５０は、カリフォルニア州サンディエゴのディジビジョン（Ｄｉｇｉｖｉｓｉｏｎ，Ｉｎｃ．）社による型式ＣＣＥ−３０００拡張ボードを含み、これは、内視鏡カメラ１８０または内視鏡コンピュータ３４０から組織１３０のビデオ画像を受信する。画像強調モジュール３５０は、上述の画像強調オペレーションを実行し、得られた信号をビデオインタフェース３３５に供給する。１実施例では、ビデオインタフェース３３５は、強調されたビデオ画像における特定のカラーを識別しリマップするためのリアルタイムカラールックアップテーブルを含む。ビデオ画像の識別されたカラーは、識別されたカラーをビデオインタフェース３３５のルックアップテーブルを使ってより容易に識別可能なカラーにリマップするなどして、ビデオインタフェース３３５によって医師のために強調される。このようにして、例えば、組織異常の特徴となるカラーが、医師のために認識および強調される。これにより医師は、本書に開示した技法によって光学的生検を実行するために当該組織部位を容易に突き止めることが可能になる。
【００６２】
（信号処理および診断方法の例）
図４は、組織の特定または診断に本発明を使用する１実施例の概要を略示する流れ図である。図４に例示した通り、本発明の使用は、スタートアップ手順４００、バックグラウンドキャリブレーション手順４０５、組織データ収集４１０および組織診断４１５を実行することを含み、それらの各々については以下に詳述する。
【００６３】
（スタートアップ手順）
図５は、コンソール１５５が電源投入されるかまたは別様に患者手順の準備ができた場合といった、スタートアップ手順４００を実行する際に含まれるステップの１実施例を略示する流れ図である。スタートアップ手順４００は、診断光ファイバ１３５を接続する前に実行される。ステップ５００において、光検出器２４０のダイオードアラインメントが確認される。これは、既知の蛍光特性を有する標準物質からデータを取得することを含む。適切な標準物質の１例は酸化バリウムである。他の標準物質もスタートアップ手順４００において使用することができる。標準物質は、後に診断光ファイバ１３５が接続される、コンソール１５５に配置された光結合器２２０に置かれる。一連の光パルスがレーザ２００から供給される。標準物質から得られた反射光は、光検出器２４０に伝送され、それにより検出される。
【００６４】
光検出器２４０および検出器カード３１０は、各データフレームが１０２４データバイトを含む、得られた一連のデータフレームをコンピュータ３００に供給する。各データバイトは、反射光スペクトルが拡がる１０２４個のダイオードセットのうちの１個から得られる検出された反射光の特定の波長に対応する。スタートアップ手順４００において、レーザ２００は、光検出器２４０による１つおきの検出について１個の光パルスを供給する。結果として、光検出器２４０は、レーザ２００から供給される各光パルスに対応する２回の検出を実行する。第１の検出は光パルスに応答した反射蛍光に対応する。第２の検出は、レーザ２００から供給される光パルスが存在しない時（例えばレーザ２００からの光パルスの応答の間）に検出された反射光に対応する。第２の検出は、レーザ２００からの光パルスが存在しない時でさえ光検出器２４０の応答の「暗電流」測定値を付与する。レーザ２００からの光パルスに応答して得られたデータを使用して、コンピュータ３００は、光検出器２４０のダイオードセットから得られるピーク強度波長をチェックする。ピーク強度は、同一標準物質について得られ、コンピュータ３００のコンフィギュレーションファイルに以前に記憶された値の＋／−２ダイオードセット以内にあるダイオードセットから得られなければならない。
【００６５】
ステップ５０５では、光検出器２４０の光学アラインメントが確認される。これは、標準物質の光パルスから得られた反射光のピーク強度の大きさを確認することを含み、ピーク蛍光強度が、以前にコンフィギュレーションファイルに記憶された同一標準物質についての最小値を超えるように保証する。これはまた、データバイトの一連のフレームからのピーク蛍光強度のパーセント変動係数（Ｃ．Ｖ．＝標準偏差÷平均×１００）を計算することも含む。一連のデータフレームに関するピーク蛍光強度の変動係数は、同一標準物質について得られ、以前にコンフィギュレーションファイルに記憶された最大値未満でなければならない。
【００６６】
ステップ５１０では、光検出器２４０の検出器信号が確認される。これは、標準物質の光パルスが存在しない時に得られる反射光の信号強度を確認することを含む。これはまた、ピーク「暗電流」反射光強度が以前にコンフィギュレーションファイルに記憶された最大値未満であるように確保することも含む。さらにそれは、暗電流データの一連のフレームに関する「暗電流」変動係数が以前にコンフィギュレーションファイルに記憶された最大値未満であるように確保することを含む。
【００６７】
ステップ５１５では、光検出器２４０の温度がコンフィギュレーションファイルで指定された範囲内にあることを確保するために確認される。上述の通り、光検出器２４０を冷却することによりその暗電流ノイズが低減する。
【００６８】
（バックグラウンドキャリブレーション手順）
スタートアップ手順４００の後、診断光ファイバ１３５はコンソール１５５の光結合器２２０に接続される。バックグラウンドキャリブレーション手順４０５は、システム特性の測定値を得るためにバックグラウンド読みを実行することを含む。これらのシステム特性には特定の診断光ファイバ１３５の特性を含む。バックグラウンド読みを得ることによって、以後のバックグラウンド補正が組織１３０を特徴づける以後の測定値に適用でき、それにより、これらのシステム特性の作用が排除できる。バックグラウンド読みは、室内蛍光灯または他の光から遮蔽するために、暗環境において診断光ファイバ１３５の遠位端により実行される。
【００６９】
バックグラウンド読みにおいて、レーザ２００は一連の光パルスを供給する。光検出器２４０は、光パルスの各々に応答して、バックグラウンド反射光データフレームを検出する。１実施例において、光検出器２４０は、レーザ２００からの光パルスの間に得られる対応する検出から暗電流データフレームも付与する。各バックグラウンド反射光データフレームは、その変動がコンフィギュレーションファイルに記憶されたデータフレームからの最大値を超えないように確保するために確認される。バックグラウンド反射光データフレームは、システム特性を指示する平均バックグラウンドデータフレームを付与するために平均される。１実施例において、以後の組織特定の測定値は、後述の通り平均バックグラウンドデータフレームを減算することによって補正される。
【００７０】
（代替バックグラウンドキャリブレーション手順）
あるいはまた、バックグラウンドキャリブレーション手順４０５は、例えば酸化バリウムといった既知の標準物質に向けた診断光ファイバ１３５の遠位端によるバックグラウンド読みを実行することを含む。標準物質のバックグラウンド読みにおいて、レーザ２００は一連の光パルスを標準物質に付与する。光検出器２４０は、光パルスの各々に応答して基準反射光データフレームを検出する。１実施例では、光検出器２４０はまた、レーザ２００からの光パルスの間に得られる対応する検出から暗電流データフレームも供給する。各基準反射光データフレームは、その変動がコンフィギュレーションファイルに記憶されたデータフレームからの最大値を超えないように確保するために確認される。基準反射光データフレームは、システム特性を指示する平均基準データフレームを付与するために平均される。１実施例において、以後の組織特定の測定値は、後述の通り平均基準データフレームを用いて正規化される。
【００７１】
（組織特定のためのデータ収集）
ステップ４１０における個々の組織特定データ収集のために、光検出器２４０の温度が、コンフィギュレーションファイルにおいて指定された許容範囲内にあるように確保するために確認される。その後、レーザ２００は一連の光パルスを組織１３０に付与する。光検出器２４０は、光パルスの各々に応答して、組織１３０から反射蛍光データフレームを検出する。１実施例では、光検出器２４０はまた、レーザ２００からの光パルスの間に得られる対応する検出から暗電流データフレームも供給する。収集されたデータフレームは、以後の組織特定および診断のためにコンピュータ３００によりハードディスクドライブ３１５に記憶される。
【００７２】
（組織特徴づけのためのデータ処理）
図６は、ステップ４１５における組織診断の技法の１実施例を略示する流れ図である。図６において、組織診断は、以後のデータ処理を実行する前に、ステップ６００で組織特定データフレームを補正することを含む。１実施例では、組織特定データフレームの補正は、式１に例示するように、平均バックグラウンドデータフレームにより与えられるバックグラウンド読みを減算することを含む。
【数１１】

【００７３】
式１において、Ｔ_ONはレーザ２００から組織１３０への入射光パルスに応答しての反射蛍光データフレーム、Ｂ_ONは組織１３０の不在下のレーザ２００から暗環境への入射光パルスに応答しての反射光フレーム、Ｋ_calはプランクの黒体曲線にもとづく光検出器２４０における各ダイオードの個別の応答について調整するキャリブレーションフレームである。Ｔ_ON,correctedはレーザ２００から組織１３０への入射光パルスに応答して得られる結果の補正された反射蛍光データフレームである。式１に例示した技法は、上述のように、診断光ファイバ１３５の特性を含むシステム特性について補正する。しかし、内視鏡光（すなわち、観察光学系１１５を通じて組織１３０の視覚画像を内視鏡検査技師に呈示するために内視鏡１００の遠位端１１０で付与される白色光）の効果については補正しない。
【００７４】
代替的に、組織特定データフレームは、式２に例示したように、システム特性および内視鏡光の両方についてステップ６００で補正される。
【数１２】

【００７５】
式２において、Ｔ_ONはレーザ２００から組織１３０への入射光パルスに応答しての反射蛍光データフレーム、Ｔ_OFFは組織１３０からの暗電流データフレーム、Ｂ_ONは組織１３０の不在下のレーザ２００から暗環境への入射光パルスに応答しての平均反射光フレーム、Ｂ_OFFは組織１３０の不在下の暗環境からの平均暗電流データフレーム、Ｋ_calはプランクの黒体曲線にもとづく光検出器２４０における各ダイオードの個別の応答について調整するキャリブレーションフレームである。Ｔ_ON,correctedはレーザ２００から組織１３０への入射光パルスに応答して得られる結果の補正された反射蛍光データフレームである。
【００７６】
反射蛍光データの各フレームは１０２４データバイトを含み、各データバイトは異なる波長に対応している。組織特定の場合、実質的な反射蛍光データを含んでいるような波長だけが関心の対象となる。１実施例において、各フレームは、以後の信号処理のために対象となる特定の波長範囲だけを含むサブフレームを成形するために、ステップ６０５で切り捨てされる。１例では、サブフレームは、約３７５ｎｍないし６００ｎｍの間にあるような波長だけに対応する。
【００７７】
ステップ６１０において、収集された信号強度が確認される。これは、各サブフレームの補正されたピーク強度を確認することを含み、それがコンフィギュレーションファイルに記憶された最小値を超えていることを保証する。次にステップ６１５で、信号の変動が確認される。これは係数の集合を形成することを含む。各係数は、波長範囲の特定の波長に対応し、一連のデータサブフレームの各サブフレームにおける対応するデータバイトから形成される。コンフィギュレーションファイルに記憶された対応する値との比較により、各係数が光のその特定の波長に関する最大値を超えないことを保証する。
【００７８】
ステップ６２０では、各サブフレームが個別に正規化される。１例では、各サブフレームのデータバイトが合計される。各データバイトはその後、そのサブフレームのデータバイトの合計で割られる。別の例では、各サブフレームの各データバイトが、（上述の通り例えば酸化バリウムといった標準物質から得られた）平均基準データフレームのデータバイトの合計により割られる。さらに別の例では、各サブフレームの各データバイトが、標準物質から得られた平均基準データフレームの最大強度データバイトで割られる。上記の正規化技法は例示目的のためだけに挙げている。他の正規化技法も容易に明白であり、あるいはまた、正規化を省略することもできよう。
【００７９】
ステップ６２５では、平均強度の集合が形成される。各平均強度は、その波長範囲の光の特定の波長に対応し、一連のデータの各正規化サブフレームの対応する正規化データバイトから形成される。ステップ６２５の結果として、単一の平均強度サブフレームがデータの一連のサブフレームから形成される。
【００８０】
ステップ６３０において、データは分析される。１実施例において、データ分析は、ステップ６２５で得られた、平均強度サブフレームの特定の波長の平均強度を使用することを含む。そのようなデータ分析の１実施例が、限定されないが例えば、式３に例示されている。
【数１３】

【００８１】
式３において、Ｉ₃₉₀、Ｉ₄₂₅、Ｉ₄₆₀、Ｉ₅₀₀およびＩ₅₂₅は、それぞれ、３９０ｎｍ、４２５ｎｍ、４６０ｎｍ、５００ｎｍおよび５２５ｎｍの波長のステップ６２５で得られた正規化平均強度である。定数Ｃ、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、Ｂ₄、Ｂ₅は、１実施例において他の組織試料に関するロジスティックス回帰分析から得られ、コンフィギュレーションファイルに記憶された係数である。表１にこれらの定数の１例を示す。Ｓは、式３が特定の組織試料からの強度データに適用された場合に得られるスコアである。
【表１】

【００８２】
式３は組織特定のための特定の波長の使用を記述しているが、本発明はまた、異なる波長、または異なる数の波長の使用（すなわち、より少ない波長を使用するかまたはより多くの波長を使用するかのいずれか）も含む。また、特定の波長の強度を使用する代わりに、本発明はそれらの特定の波長に近い強度の使用も含む。例えば、Ｉ₃₉₀は、３９０ｎｍを中心とする複数の異なる波長の強度値を平均することによって代替的に形成可能であろうし、Ｉ₄₂₅は、４２５ｎｍを中心とする複数の異なる波長の強度値を平均することによって代替的に形成可能であろう、といったようにである。
【００８３】
１実施例において、式３によるスコアＳは、式４に例示するような、確率係数を得るために使用される。
【数１４】

【００８４】
式４において、ｅは指数関数、Ｓは式３が特定の組織試料からの強度データに適用された場合に得られるスコア、Ｐは組織を正常、過形成、腫瘍または悪性であると特徴づけるためにステップ６３５で使用される、結果として得られる確率係数である。１実施例において、例えば、Ｐがコンフィギュレーションファイルにあるスレッシュホルド値に等しいかそれより大きい場合、その組織は、腫瘍または悪性であると特定される。この診断は、処置（例えば、身体組織生検試料を採取するか、または組織の少なくとも一部を機械的に除去するといった）が実行されなければならないことを指示する。診断結果の可聴または視覚的指標は、ステップ６４０において、ディスプレイ１６０または内視鏡モニタ１８５などに表示される。他方、Ｐがスレッシュホルド値未満である場合、組織は正常または過形成であると分類される。そのような診断は、処置（例えば、身体組織生検試料を採取するか、または組織の少なくとも一部を機械的に除去するといった）を実行してはならないことを指示する。この診断の指標もまた、上述の通りステップ６４０でオペレータに表示される。Ｐの他のスレッシュホルド値が、腫瘍または悪性組織の識別、または正常または過形成組織の識別といった、組織をさらに分類するために使用される。
【００８５】
本発明の１態様によれば、表示された指標は、医師による組織部位の性質のさらなる主観的評価をまったく要さずに、医師がその組織部位を処置するべきであるかを明確に示す。１例では、アイコンといったバイナリ（すなわち、２状態）の可聴または視覚的指標が表示される。バイナリ指標は、（１）「処置する」もしくは「生検する」か、または（２）「処置しない」もしくは「生検しない」かを指示する。表示された指標により処置が指示された場合、医師は、鉗子１４０を用いて特定された組織１３０の身体的生検試料採取を実行する。表示された指標によりいかなる処置も指示されない場合、医師は、特定された組織１３０の身体的生検試料採取を実行しない。
【００８６】
（代替的なデータ分析の例）
図７は、ステップ４１５における組織診断の技法の代替実施例を略示する流れ図である。ステップ７００において、サブフレームの各波長は、正規化の前に、単一の平均強度サブフレームを形成するために他のサブフレームの対応する波長と平均される。その後ステップ７０５で、平均強度サブフレームは、平均強度サブフレームのデータバイトを合計することによって正規化される。平均強度サブフレームの各データバイトはさらに、平均強度サブフレームのデータバイトの合計で除算され、正規化された平均強度サブフレームを与える。別の代替実施例では、ステップ７０５での正規化が省略されて、ステップ６３０のデータ分析が、正規化されていない平均強度サブフレームについて上述の通り実行される。同様に、図６のステップ６２０における正規化も、選択的に省略することが可能であろう。
【００８７】
上述の通り、ステップ４１５での組織診断は、組織を分類するために１個以上の事前に記憶されたスレッショルド値と比較される確率を計算するために、反射蛍光データを使用する。そのような診断比較に使用される事前に記憶されたスレッシュホルド値は、ロジスティックス回帰分析、多変量線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析、または任意の他の適切なデータ分析技法などによって、正常、過形成、腫瘍または悪性の組織の複数の組織病理学的に分類された試料からの反射蛍光データを分析することによって臨床的に決定される。これらのデータ分析技法はまた、式３および表１に例示したような係数値を計算するためにも使用される。多変量線形回帰（ＭＶＬＲ）分析技法の１例は、スコマッカー（Ｓｃｈｏｍａｃｋｅｒ）らの「臨床組織の紫外線レーザ誘導蛍光：基礎生物学および診断可能性」、“外科学および医療におけるレーザ”，第１２巻，６３〜７８頁（１９９２年）に記載されており、同書は参照により本書と一体となる。最良部分集合分析技法の１例は、Ａ．Ｊ．ミラーの「回帰における部分集合選択」、チャップマン・ホール、ロンドン（１９９０年）、２２９頁に記載されており、その開示は参照により本書と一体となる。
【００８８】
ステップ６３０における反射蛍光データの分析の別の例は、式５において略示される。
【数１５】

【００８９】
式５において、Ｉ₃₉₀、Ｉ₄₂₅、Ｉ₄₆₀およびＩ₅₂₅は、それぞれ、３９０ｎｍ、４２５ｎｍ、４６０ｎｍおよび５２５ｎｍの波長のステップ６２５で得られた正規化平均強度である。これらの波長は、組織の特定の成分、すなわちコラーゲン、ヘモグロビンｒ吸収、ＮＡＤＨおよびＦＡＤからそれぞれ得られる蛍光変数に対応する。定数Ｃ、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、Ｂ₄はコンフィギュレーションファイルから得られる係数であり、その１例は表２に例示されている。これらの係数は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われたＭＶＬＲ技法によって導き出される。Ｓは、式５が特定の組織試料からの強度データに適用された場合に得られるスコアである。Ｓは、ステップ６３５において、コンフィギュレーションファイルに記憶された１個以上のスレッシュホルド値と比較して使用され、組織を正常、過形成、腫瘍または悪性であると特定する。そのようなスレッシュホルド値は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われたＭＶＬＲ技法によって導き出される。
【表２】

【００９０】
ステップ６３０における反射蛍光データの分析の別の例は、式６において略示される。
【数１６】

【００９１】
式６において、Ｉ₃₅₀、Ｉ₃₆₅、Ｉ₃₈₀、Ｉ₄₅₄、Ｉ₄₈₃、Ｉ₅₄₃、Ｉ₆₇₆およびＩ₆₉₁は、それぞれ、３５０ｎｍ、３８５ｎｍ、３８０ｎｍ、４５４ｎｍ、４８３ｎｍ、５４３ｎｍ、６７６ｎｍおよび６９１ｎｍの波長のステップ６２５で得られた正規化平均強度である。定数Ｃ、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、Ｂ₄、Ｂ₅、Ｂ₆、Ｂ₇およびＢ₈は、コンフィギュレーションファイルから得られる係数であり、その１例は表３に例示されている。これらの係数は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた階段状回帰技法によって導き出される。Ｓは、式６が特定の組織試料からの強度データに適用される場合に得られるスコアである。Ｓは、ステップ６３５において、コンフィギュレーションファイルに記憶された１個以上のスレッシュホルド値と比較して使用され、上述の通り組織を（例えば、正常、過形成、腫瘍または悪性であると）特定する。そのようなスレッシュホルド値は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた階段状回帰技法によって導き出される。
【表３】

【００９２】
別のデータ分析技法は、例えばステップ６２５において平均強度サブフレームによって与えられる曲線といった、強度対波長曲線の形状の評価を含む。図８は、曲線８００により示される正常、曲線８０５により示される過形成、および曲線８１０により示される腫瘍の、結腸組織１３０からの３００ｎｍないし６００ｎｍの間の波長に関する強度対波長を略示しているグラフである。図８はまた、例えば、式３の例で使用された特定の試料波長（例えば３９０ｎｍ、４２５ｎｍ、４６０ｎｍ、５００ｎｍおよび５２５ｎｍ）を例示している。
【００９３】
１つの曲線形状評価技法は、式３および図８において例示したような、各種試料波長で強度対波長曲線の勾配を評価することを含む。例えば、その特定の波長の強度対波長曲線の勾配の指標を得るために、３９０ｎｍおよびほぼ隣接する波長の強度の間の差異を取る。あるいはまた、ほぼ隣接する波長における複数の差異を取り、平均し、勾配の指標を得る。同様の勾配情報は、４２５ｎｍ、４６０ｎｍ、５００ｎｍ、５２５ｎｍといった他の波長で得られる。勾配情報は、組織を特徴づけるために、単独で、または強度（大きさ）情報と組合せて使用される。
【００９４】
１実施例において、この勾配情報は、ステップ６３０の他のデータ分析技法の代わりに組織特定および診断を行うために使用される。別の実施例では、勾配情報は、ステップ６３０のデータ分析技法に加え、補助的な診断を可能にする。勾配情報のほか、曲線形状評価はまた、強度対波長データの曲率を同様に評価すること、または任意の他の適切な曲線形状評価技法をも含む。
【００９５】
ステップ６３０における反射蛍光データの分析の別の例は、式７において略示される。
【数１７】

【００９６】
式７において、Ｓ_435.4およびＳ_467.4は、それぞれ、約４３５．４ｎｍおよび４６７．４ｎｍの例示波長を中心とする強度対波長曲線の勾配であり、Ｃ₁およびＣ₂はコンフィギュレーションファイルに記憶された係数であり、その１例は表４に例示されている。これらの係数は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた最良部分集合分析技法によって導き出される。Ｘは、式７が特定の組織試料から得られた強度データに適用される場合に得られるスコアである。Ｘは、ステップ６３５において、コンフィギュレーションファイルに記憶された１個以上のスレッシュホルド値と比較して使用され、組織を正常、過形成、腫瘍または悪性であると特定する。そのようなスレッシュホルド値は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた最良部分集合分析によって導き出される。
【表４】

【００９７】
上述の通り、勾配Ｓ_435.4およびＳ_467.4を形成するために、多様な技法を使用することができる。１実施例では、例えば、光検出器２４０の１１個の隣接するダイオードからの正規化された強度を使用し、それらの１１個の隣接ダイオードは中心波長（例えば、４３５．４ｎｍ）を中心としている。隣接する検出波長のダイオードから得られた強度から、差異が得られる。得られた差異は、中心波長（例えば、４３５．４ｎｍ）における平均勾配を得るために平均される。
【００９８】
ステップ６３０における反射蛍光データの分析の別の例は、式８において略示され、これは組織を特定するために勾配および強度データの両方の分析を含む。
【数１８】

【００９９】
式８において、Ｓ_383.3およびＳ_468.6は、それぞれ、約３８３．３ｎｍおよび４６８．６ｎｍの例示波長を中心とする強度対波長曲線の勾配であり、Ｉ_409.3は約４０９．３ｎｍの波長における強度値であり、Ｃ₁、Ｃ₂およびＣ₃はコンフィギュレーションファイルに記憶された係数であり、その１例は表５に例示されている。これらの係数は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた最良部分集合分析技法によって導き出される。Ｘは、式８が特定の組織試料から得られた強度に適用される場合に得られるスコアである。Ｘは、ステップ６３５において、コンフィギュレーションファイルに記憶された１個以上のスレッシュホルド値と比較して使用され、上述の通り、組織を正常、過形成、腫瘍または悪性であると特定する。そのようなスレッシュホルド値は、上述の通り、例えば他の組織試料に関して行われた最良部分集合分析によって導き出される。
【表５】

【０１００】
（患者流れ図）
図９は、限定しないが例えば、下胃腸（例えば結腸）症状がある患者を診断する１方法を略示する流れ図である。ステップ９００において、医師は最初の予備的スクリーニングを実行し、その結果がさらなる検査の必要性を指示することがある。例えば、医師が患者の下結腸の内部を触診するディジタル直腸検査（ＤＲＥ）は、ポリープまたは他の組織異常が存在することを指示し得る。別の例では、患者が明白な潜出血（すなわち、患者の便の血）があり、それは組織異常の可能性も示している。さらなる検査のための他の指標には、結腸腫瘍の家族歴を含む。または、患者の年齢でさえ（例えば４０才以上）、さらなる検査の正当な理由となることを指示し得る。
【０１０１】
ステップ９０５では、第２の予備的スクリーニングが実行される。例えば、そうした手順は、直腸Ｓ状結腸鏡検査または軟質Ｓ状結腸鏡検査装置による結腸内部の主観的視覚検査を含むことが多い。別の例では、当該手順は、患者の下結腸へのバリウム注腸および以後の組織異常に関する主観的放射線評価を含み得る。
【０１０２】
ステップ９０５での二次予備的スクリーニングの結果、大きいポリープが見つかった場合、ステップ９１０において、全長結腸鏡検査が実行され、その大きいポリープは切除される。例えば、ポリープ切除は、鉗子、針、スネアまたは内視鏡付属装置として作動する他の機械的装置によって大きいポリープを切除することを含み得る。別の例では、電気外科的技法がポリープに高周波療法を施すために使用される。ステップ９１０では、全長結腸鏡検査は、近位結腸における同期的に発生したポリープの存在に関する結腸の完全な検査を含む。
【０１０３】
ステップ９０５での二次予備的スクリーニングの結果、小さいポリープが見つかった場合、ステップ９１５において、本発明の上述の技法（例えば図４〜７参照）に従って組織１３０を特定するために、光学的生検が実行される。個別の組織１３０の部位が照明され、正常、過形成、腫瘍または悪性のいずれかとして特徴づけられる。組織１３０の部位が腫瘍または悪性のどちらかであれば、ステップ９１０で上述の通り完全結腸鏡検査が実行される。組織１３０の部位が正常または過形成のどちらかであれば、いかなる結腸鏡検査も指示されない。
【０１０４】
あるいはまた、上述の通り、光学的生検により腫瘍または悪性の組織１３０と指示された場合、身体的生検試料が採取され、組織病理学的に分析され、その後、ステップ９１０で結腸鏡検査が実行される。しかし、外科的生検および組織病理学的分析は選択であり、本発明の他の態様を実施するために本質的ではない。
【０１０５】
本発明に従った組織特定は、医師による組織の主観的視覚評価の必要性をなくす。小さいポリープ（直径で５ｍｍ未満）の５０％ないし６０％は腫瘍であることが組織病理学的に評価されている。しかし、近年の内視鏡による研究は、小さい過形成および腫瘍のポリープを主観的視覚的に区別することが困難またはほとんど不可能であることを示している。
【０１０６】
本発明は事実上リアルタイムの組織診断を可能にするので、たとえ多数のポリープまたは他の組織異常が存在しても、正確な特定が可能である。また、ステップ９１５における光学的生検は、ステップ９０５での軟質Ｓ状結腸鏡検査の間など、図９の患者流れ図における早期に実行することもできる。さらに、身体的生検試料は、上述の組織の光学的生検による特定にもとづき、ステップ９０５で採取することもできよう。
【０１０７】
本発明の光学的生検は、ステップ９１０の結腸鏡検査およびポリープ切除に対する追跡治療手順においても有益である。追跡治療において、光学的生検による組織特定は、ポリープ切除が完全であったかどうかを指示する。
【０１０８】
（他の用途）
本発明の特定の実施例を、胃腸組織の特定に関して以上に説明したが、本発明の技法が、以下に限定されないが、心臓血管、泌尿器、肺、生殖、皮膚科学、外科および一般医学を含む、他の多くの医療分野において用途を見いだすことが理解される。さらに、上述の組織特定および処置は、ポリープ診断および身体的生検試料の切除に適用されるだけではなく、周囲組織に存在するより小さい悪性腫瘍の特定および、異常組織部位の周囲の健康な周辺組織の特定にも適用できる。
【０１０９】
本発明の特定の態様を光誘導蛍光に関して以上に説明した。本発明の態様はまた、以下に限定されないが、光学コヒーレントトモグラフィ、スペクトルに関する干渉および減衰（干渉法）、光学音響的および／または音響光学的イメージング、蛍光イメージング、フォトマイグレーション技法、時間分解蛍光分光学、周波数ドメイン蛍光分光学、反射／吸収分光学（弾性散乱）、レイリー散乱、ラマン散乱、および他の線形または非線形光学技法を含む、他の組織特定技法による使用も可能である。例えば、本発明の１実施例において、組織診断を行うことは、上記の他の組織特定技法のいずれかとの組合せによる反射蛍光強度の分光分析にある。
【０１１０】
組織の蛍光画像を強調するための外因性蛍光強調剤は、本発明を実施するために必ずしも必要でないが、本発明はそうしたコントラスト強調剤とともに使用することができる。さらに、本発明の態様はまた、癌および他の組織異常の検出のための、遺伝子マーカーといった他の外因性作用物質とともに使用することもできる。
【０１１１】
本発明の特定の態様を、組織処置装置との統合を容易に可能にする、組織診断のための単一の光ファイバについて説明した。しかし、本発明の態様は、組織診断のために電磁エネルギーを伝送または収集するための複数のファイバにより使用することもできる。
【０１１２】
開示した技法は、組織の特定および処置に限定されるものではなく、周囲の健康な構造への損傷の併発を避けるために、最小限に侵襲的な腹腔鏡または一般外科誘導技法を用いて他の物質を特定することにも適用可能であろう。例えば、上述のシステムはまた、最小限に侵襲的な技法によって動脈と静脈との間の原位置識別のためなどに、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとを識別するためにも使用可能であろう。多数の他の実施例は上述の説明を検討することにより当業者には明白であろう。
【０１１３】
（結論）
本発明は、特に、蛍光増強剤を要さずに組織を特定するために自然蛍光を使用するシステム、装置および方法を提供する。画像強調能力は、診断するべき組織部位の容易な突き止めを可能にする。システムは、処置装置と同軸に統合される単一の診断光ファイバの使用を可能にする。即時的な診断により、統合された診断・処置装置を使用するなどによって即時的な処置が可能になる。その結果、処置は、診断装置を取り外し、処置装置によって組織部位を再び突き止める努力を不要にする。本発明はまた、内視鏡および／または腹腔鏡、内視鏡モニタおよび内視鏡コンピュータを含む、既存の内視鏡検査法機器との容易な統合も可能にする。
【０１１４】
上述の説明は例示的であることを意図しており、限定的なものではないことを理解しなければならない。多数の他の実施例は上述の説明を検討することにより当業者には明白であろう。従って、本発明の範囲は、当該請求項が属する等価物の全範囲とともに、添付請求項によって決定されなければならない。
（図面中、同一の数字は複数の図においてほぼ同様の構成要素を指示する。）
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 組織診断のための内視鏡システムの一部の１実施例およびそれを使用する環境の概略図である。
【図１Ｂ】 組織診断のための内視鏡システムの一部の別の実施例およびそれを使用する環境の概略図である。
【図２】 本発明の一部の光学的コンフィギュレーションの１実施例を略示するブロック図である。
【図３Ａ】 組織分類の診断および信号処理を実行するためのハードウェアコンフィギュレーションの１実施例を略示するブロック図である。
【図３Ｂ】 画像強調機能を含むハードウェアコンフィギュレーションの別の実施例を略示するブロック図である。
【図４】 組織の特徴づけまたは診断に本発明を使用する１実施例の概要を略示する流れ図である。
【図５】 スタートアップ手続きの実行に含まれるステップの１実施例を略示する流れ図である。
【図６】 組織診断の技法の１実施例を略示する流れ図である。
【図７】 組織診断の技法の代替実施例を略示する流れ図である。
【図８】 正常、過形成および腺腫である結腸組織による強度対波長を略示するグラフである。
【図９】 下胃腸症状を有する患者を診断する１方法を略示する流れ図である。

Claims (20)

1. 組織を分析し、診断し、処置する内視鏡装置において、
   電磁励起エネルギー源と、
   電磁励起エネルギーを組織に送り、内視鏡の末端部にある前記組織から電磁応答を受け取るために、内視鏡の基端部から内視鏡の末端部まで内視鏡内の管を通って伸長するよう設けられた単一の診断用光ファイバーと、
   電磁応答を受け取り、結果スペクトル応答信号を供給する分光計と、
   エネルギー源からの電磁励起エネルギーを診断用光ファイバーに結合させ、電磁応答を分光計に結合させる光学カプラーと、
   スペクトル応答信号を受け取るために作られた診断用モジュールであって、診断をするために組織を分類するための実行命令列を含んでいる診断用モジュールと、診断用光ファイバーと一体的に形成されている処置装置とを有することを特徴としていて、そして
   前記実行命令列が、
   受け取った電磁エネルギーの強度スペクトルを形成することと、
   強度スペクトル内の特定の波長における強度に基づいて、Ｃが定数、Ｉが特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂが特定波長に対応する定数、ｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である、
   

   

   で表されるＳを用いた等式Ｐ＝ｅ^s／（１＋ｅ^s）に応じて診断確率Ｐを演算することと、
   前記診断確率Ｐとスレッシュホルド確率を比較して組織を特定して、前記診断確率Ｐを、（１）他の組織サンプルから得られたデータの段階的識別分析と、（２）他の組織サンプルから得られたデータのロジスティックス回帰分析と、（３）他の組織サンプルから得られたデータの最良部分集合分析との内、少なくとも一つの分析により決定することと、を含むことを特徴とする内視鏡装置。
2. さらに、組織の診断を市販の内視鏡モニタのディスプレーに表示するためのビデオのインターフェースを備えている請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記ビデオのインターフェースが前記組織の視覚的イメージとともに前記組織の診断を前記内視鏡モニタのディスプレーに表示するようになっている、請求項２に記載の内視鏡装置。
4. （１）強度スペクトル内の特定の波長における各強度を規準強度スペクトル内の対応する波長における強度によって除することと、（２）強度スペクトル内の特定の波長における各強度を強度スペクトル内の波長範囲にわたる強度の合計によって除することとの内、少なくとも一つによって、強度スペクトルを規準強度スペクトルに正規化することをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
5. バックグラウンド読み取り値を減じて、内視鏡光を補正することによって、強度スペクトルを補正することと、
   （１）強度スペクトル内の特定の波長における各強度を規準強度スペクトル内の対応する波長における強度によって除することと、（２）強度スペクトル内の特定の波長における各強度を強度スペクトル内の波長範囲にわたる強度の合計によって除することとの内、少なくとも一つによって、強度スペクトルを規準強度スペクトルに正規化することをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
6. 組織診断が、（１）特定の波長における強度スペクトルの勾配と、（２）特定の波長における強度スペクトルの曲率の内の少なくとも一つに基づいて診断を行なうことを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
7. 組織診断が、光学コヒーレント断層撮影法、インターフェロメトリー、光学−聴覚イメージング、聴覚−光学イメージング、蛍光イメージング、フォトミグレーション、時間解像蛍光分光学、周波数−ドメイン蛍光分光学、弾性散乱、レイリー散乱、ラマン散乱の内の少なくとも一つに、組織診断を基礎付けることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
8. さらに、前記電磁励起エネルギー源の音声作動のために、（１）内視鏡上に配置されたスイッチと（２）マイクロホンとを備えている、請求項１に記載の内視鏡装置。
9. 組織診断が、
   Ｃが定数、Ｉが特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂが特定波長に対応する定数、ｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である
   

   

   で表されるＳを用いた等式Ｐ＝ｅ^s／（１＋ｅ^s）に応じて確率係数Ｐを形成することと、
   確率係数Ｐを所定値と比較して組織を診断することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
10. Ｃ、Ｂ、Ｐは他の組織サンプルから得たデータのロジスティックス回帰分析に基づいていることを特徴とする請求項９に記載の内視鏡装置。
11. 組織診断が、
    Ｃが定数、Ｉが特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂが特定波長に対応する定数、ｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である
    

    

    で表されるスコアＳを形成することと、
    スコアＳを所定スレッシュホルド値と比較して組織を診断することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
12. Ｃと、Ｂと、所定のスレッシュホルド値の内少なくとも一つが、ロジスティックス回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析の内の少なくとも一つに基づいていることを特徴とする請求項１１に記載の内視鏡装置。
13. 組織診断が、
    Ｃが特定の波長に対応する定数、Ｓが特定の波長における検出された戻り蛍光強度スペクトルの勾配、ｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である
    

    

    で表されるスコアＸを形成することと、
    スコアＸを所定スレッシュホルド値と比較して組織を診断することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
14. Ｃと所定のスレッシュホルド値の内少なくとも一つが、ロジスティックス回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析の内の少なくとも一つに基づいていることを特徴とする請求項１３に記載の内視鏡装置。
15. 組織診断が、
    Ｃが特定の波長に対応する定数、Ｓが特定の波長における検出された戻り蛍光強度スペクトルの勾配、Ｉが特定の波長における検出された戻り蛍光の強度、ｍとｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である
    

    

    で表されるスコアＸを形成することと、
    スコアＸを所定スレッシュホルド値と比較して組織を診断することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
16. Ｃと所定のスレッシュホルド値の内少なくとも一つが、ロジスティックス回帰分析、多変数線形回帰分析（ＭＶＬＲ）、段階的回帰分析、最良部分集合分析、スペクトルピーク比分析、ニューラルネットワーク分析の内の少なくとも一つに基づいていることを特徴とする請求項１５に記載の内視鏡装置。
17. さらに、内視鏡の末端において組織のビデオ信号イメージを受け取るためのインターフェース回路を備えていて、そして前記インターフェース回路が、内視鏡モニタに組織分類の表示と共に前記ビデオ信号イメージを提供するようになっている、請求項１に記載の内視鏡装置。
18. 診断のインジケータを表示することが、（１）強度−波長グラフの表示と、（２）組織の処置が指示されているかどうかを示すアイコンの表示と、（３）内視鏡モニタ上に表示された組織の視覚的イメージと共にインジケータの表示を行なうことの内、少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１７に記載の内視鏡装置。
19. さらにイメージを向上するモジュールを備えていて、前記モジュールが前記組織の内視鏡ビデオイメージの、色及び／又はコントラストを向上し又は他のイメージの向上を実行する信号処理を提供するようになっている、請求項１に記載の内視鏡装置。
20. 電磁励起エネルギー源が励起レーザ光パルスを生成するようになっていて、
    ２色鏡を用いて励起レーザ光パルスを診断用光ファイバーに結合し、
    診断用光ファイバーから戻ってきた光をフィルタにかけて、約３５５ナノメータよりも概ね短い波長を有する戻り光の成分を除去することにより、戻り蛍光を得るようになっており、
    前記分光計が
    フィルタにかけられた戻り光を空間的に分離して戻り蛍光スペクトルを得る分光器と、空間的に分散された空間応答信号を検出する光学検波器とを含んでおり、
    前記実行命令列が、内視鏡光補正を含むバックグラウンド読み取り値の減算によって、検出された戻り蛍光強度スペクトルを補正することと、
    Ｃが定数、Ｉが特定の波長における検出された戻り蛍光強度、Ｂが特定波長に対応する定数、ｎが正の整数、ｉが適当間隔で選ばれた波長である
    

    

    で表されるＳを用いた等式Ｐ＝ｅ^s／（１＋ｅ^s）に応じて確率係数Ｐを形成することと、確率係数Ｐを所定値と比較して組織を診断することを含む組織特徴付けことと、
    前記インターフェース回路が、内視鏡モニタに組織分類の表示と共に前記ビデオ信号イメージを提供するようになっていることとを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。

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