JP4795593B2 - 濃度比率決定用撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は異なる色、及び／又は、灰色陰影（グレーシェード）によって表される異なる測定値を用いて血液中ヘモグロビンとオキシヘモグロビンとの間の濃度比率画像を表す撮像装置に関し、本装置において、少なくとも３つの波長λ_１、λ_２、λ_３を含む光によって物体を照射できる光源を有し、ここにλ_１は６００から７００ｎｍの波長範囲内に所在して６６０ｎｍであることが好ましく、λ_２は９００から１０００ｎｍの波長範囲内に所在して９４０ｎｍであることが好ましく、λ_３は７９０から８３０ｎｍの波長範囲内に所在して８１０ｎｍであることが好ましく、それぞれの波長λ_１、λ_２、λ_３において物体により放出される光の強度を少なくとも検出し、結果として検出信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を生成する検出手段と、それぞれの信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３から濃度比率パターンの光学画像を計算する処理ユニットと、算定された光学画像を表示する表示（ディスプレイ）手段とを有する。
【０００２】
この種装置については米国特許明細書第５，３１８，０２２号のプリアンブルにおいて記述されている。この特許明細書においては、異なる波長における血液の異なる吸収ビヘイビア（動作）を利用し、３つの波長から成る狭い光線によってヒトの目がどのように走査されるかにについて記述されている。これはオキシヘモグロビン（ＨｂＯ_２）及び、デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）の異なる吸収特性に起因する。含有酸素の少ない血液における吸収と比較した場合、第１波長λ_１の光は含有酸素の多い血液において比較的低い吸収状態を維持するが、第２波長λ_２の光は含有酸素の多い血液において比較的強く吸収されるように波長が選定される。いわゆるアイソベスチックな波長λ_３は含有酸素の少ない血液に対して吸収に差を生じない波長である。この波長λ_１は第１波長λ_１と第２波長λ₂との間に所在し、基準として役立つ。
【０００３】
実際に関心のあるのは次式で表されるこれら２つの物質の濃度比率である：
（ＨｂＯ_２／（Ｈｂ＋ＨｂＯ_２））ｘ１００％。
【０００４】
既知技法に従った装置が時間領域および場所領域の両方において解像度の高い光学画像の作成には適当でないことは明白である。この解像度に課せられる本質的な限界は狭い光線によって格子形状パターン（模様）を順々に走査し、それから同期化による導出により画像が作成されることに起因する。この種の装置は限定された品質（グレード）の画像を生成するに過ぎないことは明白である。特に、この種装置は物体の関心対象とされる領域の時間的に十分な解像度を以て分析可能な実質的瞬間画像（イメージ）の作成には不適当である。
【０００５】
本発明の目的は、時間的に事実上連続して実施され得る血液含有酸素の信頼度の高い検出を可能にすることにある。そのために、本発明はプリアンブル示す撮像装置を提供し、ここに本装置は更に請求項１の特徴付け部分に従って特性付けされる。これは、実行可能な画像周波数が１インチ当たりの所要画素数の平方に等しい係数だけ増加するように、過剰なほどのグリッドパターン（格子模様）の順次走査を可能にし、それによって、関心対象とされる領域全体に亙り実質的な瞬間測定結果を得ることを可能にする。可視光の画像と酸素濃度レベル、及び／又は、血管系統の画像（短くしてＳＰＯ_２画像と呼ばれる）との組合わせはプローブ（探針）試験への本発明の利用において利点を提供する。従って、プローブには本発明に従って装置が装備される。可視光の画像を読みとることによって、操縦は粗く制御されることが可能であるが、自然の状態において信号を測定することにより、血管系統、及び／又は、その中の酸素濃度の正確な映像を得ることができる。可視光の画像、及び、濃度のパターン、又は、濃度の変化は重ね合わせ画像に投影可能であり、それによって、プローブを操作する際の体内配向（オリエンテーション）が改良される。
【０００６】
好ましい実施形態において、光信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は特性変調されている。従って本装置は例えば周辺光のような非変調信号には不感応であるように作成可能である。また、装置内センサが種々異なる波長帯域対して或る感度を持つならば、装置の出力信号に対する種々異なる波長の貢献度は当該信号の復調によって決定される。光信号を変調すれば、最終的に、光に歪みを生じさせることなしに光を最大強度にまでを引き上げることを可能にする。この利用については図面の説明に際して更に解明することとする。
【０００７】
更に別の好ましい実施形態において、撮像装置は時間的に連続した測定値を決定することために適切である。本装置は、更に、測定値を分析する手段を備えることが可能である。関連パラメータは、例えば時間的平均値および偏差、最小と最大、ならびに、濃度比率が周期的に変化するものと仮定した場合における波形のスペクトル的特徴などのように決定および分析可能である。
【０００８】
血液中のヘモグロビンとオキシヘモグロビン（酸化ヘモグロビン）との比率を決定する検出器として本発明を利用する際には、ヘモグロビン及びオキシヘモグロビンをそれぞれ第１物質および第２物質とし、第１波長λ１は６００から７００ｎｍまでの波長範囲内に在って、基準波長を６６０ｎｍとし、第２波長λ２は９００から１０００ｎｍまでの波長範囲内に在って、基準波長を９４０ｎｍとし、第３波長λ３は７９０から８３０ｎｍまでの波長範囲内に在って、基準波長を８１０ｎｍとするように信号源が配置構成される。
【０００９】
装置は、更に、測定値を数値的に分析する手段を有することが望ましい。この種の手段は画像分析手段であっても差し支えない。それらは、基準信号Ｓ３の値を表す手段であっても差し支えなく。従って、酸素レベルとは関係のない光吸収の画像を生成する。これは、実際の血管容積を反映し、プレチスモグラフ的測定（血管容積測定）の実施を可能にする。この手段は既に述べた分析手段、ならびに、領域平均値およびこの種パラメータの時間的展開を決定する可能性を有することもあり得る。本手段は、更に、例えばライトペン、トラッカーボール、又は、マウスインジケーションなどのような、関心の対象とされる領域を画定するための指示手段を有することもあり得る。また、分析手段は、測定値を基準値、又は、身体の左側又は右側部分における対応する部分において測定された値と比較する可能性を有することもあり得る。
【００１０】
測定信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は変調技法によって可視光から区別され得る。
【００１１】
更に、本発明は上述の撮像装置を備えたカメラまたは内視鏡などのような画像観察装置に関する。
【００１２】
図１において、鎖線は デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）のスペクトル吸収キャパシティ容量を反映し、実線は１０^−６ｃｍ^２／等価におけるオキシヘモグロビン（ＨｂＯ_２）のスペクトル吸収容量を反映する。本図において、ＨｂならびにＨｂＯ_２の吸収容量は６６０から６７０ｎｍまで実質的に一定であることが分かる。この範囲は前文において言及した第１波長λ１に関係し、この波長におけるＨｂＯ_２の吸収係数はＨｂのそれよりはるかに低い。これは含有酸素の多い血液の輝く赤色を意味する。８１０ｎｍにおいて、Ｈｂ及びＨｂＯ_２の吸収容量は平等に大きい（アイソベスチックポイント）。この波長は前文に述べた第３波長λ_３に関係する。この波長以上において、特に９４０ｎｍの周辺範囲においてＨｂＯ_２の吸収が更に強く、この波長は前文に述べた第２波長λ_２に相当する。８１０ｎｍ以上の波長における測定値と概略６６０ｎｍにおける測定値とを比較することにより、ＨｂとＨｂＯ_２の比率が決定され得る。
【００１３】
図２は生物組織から成る物体１５における反射測定のための準備を概略的に表す。物体は波長λ１、λ２、λ３の光源１４によって照射される。光通路１７の反対側に配置される試験されるべき身体の部分が光に対して均一に露出されるように光源はプローブ１６の周りに環状に配置される。組織体によって反射された光はガラス繊維、光ファイバ、及び／又は、レンズ系統を通ってλ_１、λ_２、λ_３周辺の上記波長範囲内に感応範囲を有するカメラへ伝達される。本発明は、例えば、上述したようにフィルタを用いてセンサの感応範囲を形成することにより、商業的に入手可能なＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラを改造することによって適用可能である。いわゆる３ＣＣＤカメラを使用する好ましい実施形態において、関連波長における同時測定が実施可能である。ただし、簡単な白黒ＣＣＤカメラを改造することも可能であるが、その場合には、（３倍）低いサンプリング周波数を使用する必要がある。
【００１４】
カメラから入来する信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の組み合わせにおいて、信号Ｓ_１とＳ_３の減算によって正規化された赤色画像Ｒに組合わされ、信号Ｓ_２とＳ_３の減算により正規化された赤外線画像ＩＲに組合わされる。続いて信号は処理ユニット１２へ供給され、このユニットは信号Ｓ₁とＳ_３の減算によって得られる差信号と信号Ｓ_２とＳ_３の減算によって得られる差信号の比率を決定することによって得られる信号Ｓ_３に対して信号Ｓ_１及びＳ_２を比較することにより濃度比率を算定する。
【００１５】
出力値は、スクリーン１８における摺動カラースケールによって図形的に表される。この場合、比較的低い酸素濃度に対応する低い出力値は青色によって示され、比較的高い酸素濃度に対応する高い出力値は赤色によって示される。更に、本装置は、サンプリング周波数が十分に高ければ、明らかに高い酸素立ち上がり（アップテーク）を持つ領域を反映する高い酸素濃度変動を伴った時間派生画像を表す可能性を提供できる。従って、本発明従った装置は腫瘍（そこで酸素消費量の増大が発生する）追跡の可能性を提供する。更に、本技法は組織体における酸素濃度の生体分析に適し、従って、血管診断用としての可能性を生成する。組織体は、血液サチュレーション、血栓症、及び、火傷に関して検査可能である。外科への適用として、本技法は梗塞視覚化の可能性を提供する。
【００１６】
図３はＣＣＤカメラが感応する波長範囲を表する。共通カラーＣＣＤカメラはトリプル、即ち、赤（Ｒ）レンジ内に１つ、緑（Ｇ）レンジ内に１つ、青（Ｂ）レンジ内に１つのバンド感度を有する。周知のように、これらの感色性により、可視スペクトル全体からの光が識別可能である。カメラは白色光に関して固定され、従って、正常な可視画像が投射され得る。更に、酸素濃度を決定するために本カメラを用いると較正が実施可能であり、それによって、カメラは値が既知である吸収スペクトルを持つ１つ又は複数の表面において被写体設定される。ＳｐＯ_２モード態様において、可視光は光学のローパスフィルタによってカットオフされ、センサはλ１、λ２、λ３の波長範囲にそれぞれ感応する。赤光センサ（Ｒ）もλ１（６６０ｎｍ）に感応し、青光センサ（Ｇ）はλ２（９４０ｎｍ）に感度し、青光センサ（Ｂ）はλ３（８１０ｎｍ）に感応する場合に相当する。他の組合わせも可能であるが、これらの組合わせは実際に最良の結果を提供する。可視光と赤外光を交互に放射し、または、カメラが異なる波長範囲に対して感応するように付属フィルタを配置することによって、カメラは交互に正常とＳｐＯ_２モードにすることができる。例えば、測定信号を変調し、一定強度の可視光を放出することにより、異なる仕方における同時サンプリングを用いることが可能である。信号の周波数分解によって、可視光は測定光別に分離可能である。
【００１７】
可視画像とＳＰＯ_２画像の間の交替はユーザによって設定可能であるので、サンプリングが十分に高ければ、両方の画像を同時に利用することが可能である。これらの画像は１つのスクリーン上に、または、２つの分離されたスクリーン上に投影可能である。
【００１８】
個別モードにおいて測定信号Ｓ_３の異なる処理を介して、血液中の含有一酸化炭素が決定可能である。この場合、信号は基準信号として使用されない。古典的仕方において決定されたように、信号は血液内酸素濃度に関連する（即ち、パルス毎に決定される）。ＨｂＣＯ（即ち、ヘモグロビンに結合された一酸化炭素）は８１０ｎｍにおいて異常な吸収を有するので、含有ＨｂＣＯは継続的に決定可能である。本装置は作業が交互モードで実施されるように配置構成可能である。本装置を用いると、レジスタに蓄積された全ての時間従属パラメータに関して、心臓サイクルの期間中に十分に高いサンプリング周波数が用いられるならば、例えばフーリェ分析によって経過分析が可能である。
本装置は測定値の数値的分析、および、時間平均値および偏差、最小と最大、等々、ならびに、この種パラメータの時間的展開を可能にする。これは、著しく特殊であるわけではないが、特に（ノイズ）濾過によって、更に明るいか、或いは、更にコントラストの効いた画像の提供を意味するものと理解されたい。また、酸素レベルとは無関係に光吸収によって画像が形成されるので、基準信号Ｓ_３の値は個別に表わすことが可能である。これは、プレチスモグラフ（plethysmograph）測定の実施が可能であるように、実際の血管容積を反映する。本装置は時間平均値および偏差、最小と最大、ならびに、この種パラメータの領域平均および時間展開の決定可能性を提供する。更に、本装置は、ライトペン、トラッカーボール、または、マウスインジケータなどのような関心の対象領域を画定するための指示手段を備えることが可能である。また、測定値は基準値、又は、身体の左側または右側部分における対応する部分において測定された値と比較可能である。
ここに述べた典型的実施形態は内視鏡に関係しているが、本技法は、例えば、耳鏡、コルポスコープ又は（外科用）顕微鏡などの、ここに述べた以外の侵入的または非侵入的画像観察装置に使用可能である。更に、本発明は、例えば、ＥＣＧ装置または監視用モニタのような他の測定器と組合わせて使用可能である。結果として、例えば、本発明に従った装置によってレジスタに蓄積されたパラメータをＥＣＧ曲線に関係づけることが可能である。従って、本発明は、図面を参照して記述された典型的な実施形態に限られることなく、全ての種類のこれらの変種も当然添付特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
次に、図面を参照しながら、本発明について更に解明することとする。
【図１】 デオキシヘモグロビン（Ｈｂ）及びオキシヘモグロビン（ＨｂＯ_２）のスペクトル吸収容量を示す図である。
【図２】 本発明に従った撮像装置の結線図である。
【図３】 本装置内に配置された光センサのスペクトル感度を表す図である。
【符号の説明】
１４ 光源
１５ 物体
１６ プローブ（探針）
１７ 光の通路
１８ スクリーン

Claims (10)

1. 異なる色、及び／又は、灰色陰影によって表される異なる測定値を用いて、物体の関心対象領域における第１と第２物質との間の濃度比率の画像を表す撮像装置であって、
   少なくとも３つの波長λ_１とλ_２とλ_３を含む光によって物体を照射できる光源を有し、ここにλ_１が６００から７００ｎｍの波長範囲内に所在して６６０ｎｍであることが好ましく、λ_２が９００から１０００ｎｍの波長範囲内に所在して９４０ｎｍであることが好ましく、λ_３が７９０から８３０ｎｍの波長範囲内に所在して８１０ｎｍであることが好ましく、
   少なくともそれぞれ波長λ_１とλ_２とλ_３において前記物体から放出される光の強度を検出し、結果として検出波信号Ｓ_１とＳ_２とＳ_３を生成する検出手段と、
   それぞれの信号Ｓ_１とＳ_２とＳ_３とから濃度比率パターンの光学画像を計算する処理ユニットと、
   算定された光学画像を表示するディスプレイ手段とを有し、ここに前記検出手段は、
   前記波長λ _１ とλ _２ とλ _３ において同時測定を行うために構成配置された３ＣＣＤカメラが３つのＣＣＤと３つのフィルタを有し、各フィルタが前記３つのＣＣＤの１つにおいて前記波長λ_１とλ_２とλ_３との１つ、及び、赤色と緑色と青色光学範囲の１つを受け取り、前記処理ユニットにおいて処理されるように前記カメラの３つのＣＣＤが３つの同時信号Ｓ_１とＳ_２とＳ_３とをそれぞれ生成し、それによって前記関心対象としての実質的に瞬間的な画像を表し、更に前記装置が前記赤色と緑色と青色光学範囲から可視光画像を形成するように配置構成され、前記濃度比率のパターンが可視画像と共に１つの重複画像に投射されることを特徴とする
   撮像装置。
2. 波長λ_１とλ_２とλ_３との前記光信号が特性変調を有し、前記光源が一定の強度で可視光を放射するために構成配置されており、これにより、前記信号の周波数分解により前記測定を行う光から前記可視光を分離することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 補助フィルタを配置することにより、前記可視光の画像を形成するための正常モード及び前記濃度比率の画像を形成するためのＳｐＯ _２ モードに前記３ＣＣＤカメラを交互にするように配置構成されており、前記３ＣＣＤカメラが、異なる波長範囲に感応し、前記ＳｐＯ _２ モードにおいて、前記補助フィルタが前記可視光をカットオフするための光学ローパスフィルタであることにより、前記センサが前記波長λ _１ とλ _２ とλ _３ のそれぞれに対して感応することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 可視光及び、赤外光又は赤色光を交互に放射することにより、前記カメラを、前記可視光の画像を形成するための前記正常モードと、前記濃度比率の画像を形成するための前記ＳｐＯ _２ モードに交互にするために配置構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記３つのフィルタのうちの一つが、前記３ＣＣＤのうちの１つに前記波長λ _１ 及び前記赤色光学範囲を受け取るためのものであり、前記３つのフィルタのうちの他の一つが、前記３ＣＣＤのうちの１つに前記波長λ _２ 及び前記緑色光学範囲を受け取るためのものであり、前記３つのフィルタのうちのさらに他の一つが、前記３ＣＣＤのうちの１つに前記波長λ _３ 及び前記青色光学範囲を受け取るためのものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 心臓サイクル期間中における前記濃度比率の変化を仮定した場合に、本装置が前記濃度比率の時間従属特性を分析するための手段を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記濃度比率のフーリェスペクトルを分析する手段を本装置が有することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記関心対象領域の前記実質的に瞬間的な画像を交互に形成するためのサンプリングのため、及び／又は、同時に、前記可視光の画像を形成するためのサンプリングのために前記撮像装置が配置構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の前記撮像装置に設けられたことを特徴とするプローブ。
10. 前記１つの重複画像によって前記プローブを操作している最中に、人体内を配向するために配置されたことを特徴とする請求項９に記載のプローブ。

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