JP5028256B2 - 光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度を決定するための分光測光法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのスペクトル的に異なる画像、ならびに酸素飽和度と、血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度の比率との間の実験的に決定された関係に基づいて、血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度を決定することによって、光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度を分光測光法で決定するための方法に関する。

本発明による方法は、特に、人の眼底に適用するために提供されるが、それには限定されない。

ヘモグロビンサンプルの酸素飽和度は、原則として、サンプルのスペクトルを、完全な酸化および完全な還元ヘモグロビンのスペクトルと比較することによって決定することができる。なぜなら、周知のように、赤い血色素であるヘモグロビンの吸収スペクトルは、酸素飽和度と共に変化するからである。

たとえば、非特許文献１において、デロリ（Ｄｅｌｏｒｉ）は、ランベルト−ベールの法則に基づき、散乱損失を補償するために３つの波長における測定値を用いた、網膜血管における酸素測定のための方法を説明している。

ランベルト−ベール法則に基づき、かつたとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８および特許文献９から周知の、眼底における酸素測定のための多数の他の方法および装置は、網膜に埋まった血管およびこの血管の周囲における光伝播の非常に複雑なプロセスが、不十分にしかモデル化されないという欠点がある。その結果、酸素飽和度に対して、不正確で時には誤った値がもたらされる。

特許文献１０は、測定されたスペクトルを、酸化および還元ヘモグロビンのスペクトルと４つの波長で比較することによって、酸素飽和度の決定を可能にする方法を説明している。他の色素の吸収および組織における散乱などの撹乱は、対数スペクトルの線形変換を通して補償される。

４つの波長が、血液にとって極めて吸収性のスペクトル領域にあることは、不利である。これによってもたらされる低い信号対雑音比のために、眼底血管における反射測定で必要な高い精度を達成するのは困難である。

特許文献１１に開示された方法で酸素飽和度を決定するために、眼底カメラによって撮られた眼底の中間像が、２つの画像に分割されるが、これらの２つの画像は、２つの画像が、血液の酸素飽和度に関する電子記録のために最適化された異なる波長を有するようなやり方で、フィルタリングされる。画像は、血管の反射および血管周囲の反射を決定するために、評価される。最後に、酸素飽和度値が、酸素飽和度と、血管およびその周囲間のコントラストから結果としてもたらされる光学濃度比との間の実験的な関係に基づいて、決定される。

この方法の欠点は、酸素飽和度の定量的測度が、患者による純酸素の吸入によって、関連する動脈の光学濃度比が知られている静脈においてのみ可能である点に存する。不利な結果は、次の通りである。
・全ての患者が、検査のために酸素を吸入しなければならない。
・検査を行なう者は、静脈または動脈として血管を分類しなければならない。
・しかし、画像における動脈および静脈の明確な対応は、追加的な費用でのみ可能である。
さらに、この方法は、眼底のメラニン色素沈着と完全に無関係ではない。

独国特許出願公開第１９９ ２０ １５７ Ａ１号明細書 米国特許第４，２５３，７４４号明細書 米国特許第４，３０５，３９８号明細書 米国特許第４，４８５，８２０号明細書 米国特許第５，１１９，８１４号明細書 米国特許第５，３０８，９１９号明細書 米国特許第５，３１８，０２２号明細書 米国特許第５，７７６，０６０号明細書 米国特許第５，９３５，０７６号明細書 独国特許出願公開第１０２ １７ ５４３ Ａ１号明細書 国際公開第００／０６０１７ Ａ１号パンフレット Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２７、１９８８年、１１１３〜１１２５頁

これに基づいて、本発明の目的は、スペクトル的に異なる画像を記録している間の患者のストレスが低減され、かつ信号対雑音比の改善が同時に達成されるようなやり方で、上述の方法を改善することである。さらに、改善された方法によって、酸素飽和度に関してより意味のある値が提供され、画像における動脈および静脈の関連付けが容易にされるべきである。

光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度を分光測光的に決定するための上記で言及した方法において、上述の目的は、血管およびそれらの周囲が、スペクトル的に異なる画像を記録するための、照明ビームの少なくとも１つの測定波長および少なくとも１つの基準波長によって同時に照射される点と、全ての測定波長および基準波長が、画像を記録するために用いられるカラーカメラのカラーチャネルにそれぞれ合わせられ、このカラーチャネルによって受信されるようにする点と、測定波長は酸化および還元ヘモグロビンの反射が相違する波長であり、また基準波長はヘモグロビンの等吸収波長である点と、酸素飽和度は、測定波長および等吸収波長における血管がない周囲および血管の対数反射比の商の線形関数として決定され、線形関数の傾きおよび線形項が、複数の血管における表示値から実験的に決定される点とにおいて達成される。

カラーカメラのカラーチャネルと相関関係にある照射ビームの選択されたスペクトル部分に、照射側における照射ビームを制限することによって、照射による患者へのストレスが実質的に低減されることは、特に有利である。さらに、このステップは、達成可能な信号対雑音比のために有利な結果をもたらす。

実験的に決定され、かつ血管径への、および血管周囲の色素沈着への酸素飽和度の依存によってもたらされる撹乱を補償する手段としての補正値は、特に有利である。

２つの補正値は、補償されるべきそれぞれの撹乱−血管径および色素沈着−の線形関数である。２つの線形関数の傾きおよび線形項は、実験的に決定される。血管周囲の色素沈着は、測定波長および等吸収波長における、血管周囲の反射値の商の対数によって決定される。

本発明による方法は、動脈および静脈が、測定波長および等吸収波長における、血管がない血管周囲および血管の対数反射比の商に基づいて区別されるように考えるのが好ましい。

血管、それらの方向およびそれらの血管がない周囲は、画像処理手段によって自動的にかまたは手動で検知することができる。このようにして、血管における正反射は、識別および除去することができる。

血管の方向に垂直な反射値を測定する場合に有利なやり方で、血管に関連する画像点全部の反射値にわたって平均値がとられる。血管の方向と垂直に平均化された複数の反射値は、血管の方向に沿って決定することができ、平均値は、これらの平均化された反射値にわたってとられる。

本発明の特別な展開において、酸素飽和度は、生理的誘因または刺激への反応において決定される。これは、様々な方法で、たとえばフリッカ光によって、検査対象による酸素またはカーボゲンの吸入によって実行することができる。

光学的影響に対して特に適した方法は、次の点に存する。すなわち、少なくとも１つの光源からの光が、画像生成装置の照射ビーム経路に配置された光マニピュレータによって、プログラミング技術を介して修正され、修正された光が、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いられるという点である。

本発明による方法によって決定された酸素飽和度は、診断目的に様々な方法で用いることができる。これに関連した有利な用途は、従属請求項に示す。

本発明は、光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度の分光測定的な決定のために始めに言及したタイプの方法に関するが、本方法では、酸素飽和度は、酸化および還元ヘモグロビンの反射が相違する測定波長、および基準波長としてのヘモグロビンの等吸収波長における、血管がない周囲および血管の対数反射比の商の線形関数として決定され、また線形関数の傾きおよび線形項は、複数の血管における表示値から実験的に決定される。

血管径への、および血管周囲の色素沈着への酸素飽和度の依存による撹乱は、実験的に決定された補正値によって、補償することができる。

本発明を、概略図に関連して下記でより完全に説明する。

図１の簡略図に示す画像生成装置を用いて、本発明による方法を実施できる。本方法は、眼底の血管に適用できるのが好ましいが、それには限定されない。

原則として、本発明による方法は、生体の光学的にアクセス可能な（かつ識別可能な）血管に適用できるが、これらの血管の合同単色画像であって、血液における酸素飽和度の分光測光的決定に必要であり、好ましくは異なるスペクトルの画像は、たとえばまた細隙灯、内視鏡または外科用顕微鏡を用いて記録することができる。

本実施形態例によれば、眼底の画像は、酸化および還元ヘモグロビンの吸収／反射が相違する測定波長λ_ｍ＝６１０ｎｍ、および基準波長すなわちヘモグロビンの等吸収波長λ_ｉ＝５４８ｍｍで記録される。

これは、たとえば、図１に示す簡単な網膜カメラで実行可能だが、このカメラは極めて経済的なやり方で修正され、またその照射系は、少なくとも１つの照射源２と、特に本発明による方法を実施するために、電子カラーカメラ４のカラーチャネルにスペクトル的に合わせられた波長を照射側に準備するフィルタ装置３と、を共通の照射ビーム経路１に含む。さらに、網膜カメラ技術から周知の構成要素の１つは、穴あきミラー５である。記録ビーム経路６が、この穴あきミラー５の中央開口部を通過する。照射光は、光学撮像素子（ここでは図示せず）を通して眼底７へ向けられ、また特に、眼底に位置する血管、およびそれらの血管の、中央開口部を囲むエリアにわたる周囲へ向けられる。眼底７によって反射された光は、記録ビーム経路６および光学撮像素子（図示せず）に沿って、画像生成記録系へ進む。本実施形態例において、カラーカメラ４は、この目的のために設けられている。カラーカメラ４のカメラ制御部は、中央制御・評価ユニット、特に制御・評価コンピュータ８に接続されている。２つの照射源２および１０に電力を供給する役目をする電源９がまた、制御・評価コンピュータ８、および同様に、対応する傾斜ミラー制御部に接続されている。

連続照射源２だけを用いるか、ストロボ照射源として構成された照射源１０だけを用いるか、または図１に示すように照射源２および１０の両方を一緒に用いるかどうかは、本発明に関しては重要ではない。この例では従来通りに揺動ミラー１１によって実行するが、照射源１０を共通の照射ビーム経路１に結合するための手段もまた、本発明に関しては重要ではない。

しかしながら、フィルタ装置３が、カラーカメラ４のスペクトル特性に基づいて選択されかつ照射ビーム経路１に挿入されて、少なくとも測定波長λ_ｍおよび基準波長λ_ｉが、種々な色で眼底７を同時に照射するために生成可能にされ、これらの波長のそれぞれが、図２に対応するカラーマッチングに関連して、カラーカメラ４のカラーチャネルＦＫ_ｊ（ｊ＝１、２、３）の１つに合わせられることが、重要である。

適切な光学フィルタ３は、既に存在する系の照射ビーム経路１における、好ましくは平行ビーム部分における後の統合に特に適した二重帯域通過フィルタまたは三重帯域通過フィルタなどの層フィルタである。異なるスペクトルのフィルタ特性を備えたセクタ形フィルタ領域であって、それらのセクタが同一または異なるセクタ面積を有することができる領域を含む、幾何学的に構造化されたフィルタがまた適しているが、しかしそれは、開口面の近くに配置されなければならない。

血管およびそれらの血管がない周囲は、λ_ｉ＝５４８ｎｍで画像処理アルゴリズムによって識別されるのが好ましく、また画像におけるそれらの反射強度が、決定され、かつ下記で説明するやり方で酸素飽和度を決定するための基礎として用いられる。これは、個別画像点に基づいて実行できるか、または適切なやり方で複数の画像点にわたって平均値がとられる。

血管に近隣する画像点は、そこに他の血管が検知されない場合には、周囲として用いられる。血管方向が決定された後で、血管に関連する画像点全部の反射値にわたって、血管方向と垂直に平均値がとられる。そうする際に、血管における正反射を、平均値算出から除外することができる。また、血管方向と垂直に平均化された複数の反射値を血管方向に決定すること、および今度はこれらを用いて（スライド）平均を形成することが可能である。平均値算出はまた、同様のやり方で血管周囲において実行することができる。

光学濃度比ＯＤＲが、本発明に従って用いられる。この比率は、測定波長λ_ｍおよび基準波長λ_ｉにおける、血管がない周囲の反射Ｒ_ｕおよび血管における反射Ｒ_ｇの比率の対数の商として表わすことができる。
ＯＤＲ＝ｌｏｇ（Ｒ_ｕ(λ_ｍ)/Ｒ_ｇ(λ_ｍ)）／ｌｏｇ（Ｒ_ｕ(λ_ｉ)/Ｒ_ｇ(λ_ｉ)） （１）

それぞれの血管におけるパーセントの酸素飽和度ＯＳは、線形関数として（１）から決定されるが、
ＯＳ＝１００−（ＯＤＲ−ａ）／ｂ−ｃ＋ｄ、 （２）
ここで、オフセットとしての線形項ａ、および傾きｂは、たとえば、ＤＥ１９９２０１５７Ａ１による分光法に対応する正常値と比較することによって、十分に多数の血管にわたる表示値から実験的に決定することになる。変数ｃおよびｄは補正値であるが、ｃは、血管径への酸素飽和度の依存を補正する役目をし、ｄは、血管の局所的な周囲の色素沈着への依存を補正する役目をする。

補正値ｃおよびｄは、動脈と静脈では異なってもよい。動脈および静脈は、それ相応に自動化できるＯＤＲの閾値に基づいて識別できるのが好ましい。

補正値ｃおよびｄは、
ｃ＝（ｅ−ｇ）・ｆ （３）
および
ｄ＝（ｈ−ｉ）・ｊ （４）
から、血管径ｇおよび色素沈着ｉの線形関数として定義されるが、ここで、ｅおよびｆ、ｈおよびｊは、血管径と酸素飽和度との間の相関性が消えるようなやり方で、対応する一連の測定値における定数として実験的に決定されることになる。

血管径ｇが別個に測定できるのに対して、眼底のメラニン色素沈着は、血管の局所的な周囲における反射値から決定することができ、
ｉ＝ｌｏｇ（Ｒ_ｕ（λ_ｍ）／Ｒ_ｕ（λ_ｉ）） （５）
によって与えられる。

独国特許出願公開第１９６４８９３５Ａ１号明細書による方法は、血管径ｇを決定するのに特に適している。この方法では、血管径ｇは、血管エッジの斜め位置の補正と共に、内装によって形成された測光血管エッジ集中の間の距離として血管エッジを取得することに基づいて決定される。

血管が静脈である場合には、λｉ＝５４８ｎｍ±５ｎｍおよびλｍ＝６１０ｎｍ±５ｎｍの透過範囲での照射側フィルタリングならびに日立のカラーカメラＨＶＣ２０Ａを用いて実験的に決定された定数から、次の値が結果としてもたらされる。すなわち、
ａ＝０．０３５５６
ｂ＝０．００３２
ｅ＝１３０
ｆ＝０．２２
ｈ＝０．２３３９
ｊ＝５５．５

他方で、動脈については、定数ｆおよびｊは、酸素飽和度を決定する場合に補正値ｃおよびｄが省略されるように、０の値をとる。値ａおよびｂは、静脈および動脈に対して同一である。

本発明による方法において、静脈および動脈としての血管の分類は、ＯＤＲ閾値に基づいて自動的に実行されるが、静脈は、ＯＤＲ＞０．０７８の場合に示され、そうでなければ、動脈が示される。

図３によれば、本発明による方法において、血管が画像処理手段を通して自動的にかまたは手動で検知された後、λ_ｍ＝６１０ｎｍの測定波長、および基準波長としての役目をするλ_ｉ＝５４８ｎｍの等吸収波長で、平均値が、動脈または静脈の反射強度に対して決定される。さらに、反射強度が、血管の外部で、すなわち血管がない周囲で測定され、これから平均値が形成される。酸素飽和度に関連して反射への種々様々な撹乱的影響、たとえば血管壁の影響または血管基層への血管の影の影響を伴うエッジ領域は、平均する場合に考慮されない。血管における正反射は、画像処理手段によって自動的にかまたは手動で、識別および除去することができる。

本発明に従う方法によって、酸素飽和度がたとえば擬似色でコード化される生体画像において血管構造を示すことが可能になる。病的に変えられた酸素飽和度を示す血管部分は、正常値との比較によって決定することができ、画像において識別することができる。正常値との比較における、画像の全ての血管の酸素飽和度の統計的評価によって、現存する病状の一般的な診断が可能になる。

さらなる重要な診断情報が、（たとえばフリッカ光を用いた目の照射、患者による酸素またはカーボゲンの吸入による）生理的誘因または刺激への酸素飽和度の反応によって、提供される。

この目的のために、図１による画像生成装置は、フィルタ装置３の隣で共通の照射ビーム経路１に配列され、かつ自身の制御モジュール１３が制御・評価コンピュータ８に対するインタフェース（破線で示す）を有する制御可能な光学式光マニピュレータ１２など、血管の刺激または誘因に適している追加手段を備えることができる。

プログラミングによる様々な方法で制御可能な光マニピュレータ１２は、照射源全部の間で共有され、またこの場合には連続放射照射源２およびストロボ照射源１０である主光線を修正することによって、第２の光を生成する。

光マニピュレータは、検査タスクに適応的に対応するために少なくとも１つの光源、画像記録および評価を調整することとの一時的に定義された関係において、少なくとも１つの光源の光を、その強度曲線および／または時間曲線に関連してプログラム可能に修正するのに適している。第２の光は、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いることができる。

したがって、照射ビーム経路を案内される光の光特性が、変更され、機能するように適合されるという点で、多機能性が、照射ビーム経路に配置された個別素子により照射に影響を及ぼすことによって、達成され得る。

画像のパルス同期シーケンスを記録および評価することによって、酸素飽和度における収縮期および拡張期の差を、診断上の特徴として得ることができる。測定された酸素飽和度を、血管径、血流速度または血圧などの、微小循環の他の局所的または全体的な特性値と組み合わることによって、組織における酸素供給および代謝を詳細に説明することができる。

本発明による方法を実施するための画像生成装置における構成の簡略図を示す。 照射側に準備される波長領域がカラーマッチングに関連してカラーチャネルに適合される場合に、カラーチャネルにおいて選択される波長領域の位置を示す。 血管に垂直なセクションとして、測定波長および基準波長で、生体における動脈および静脈の反射の空間的分布を示し、かつ血管およびそれらの周囲における反射の平均値を示す。

Claims (22)

1. 光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度を分光測光的に決定するための方法であって、少なくとも２つのスペクトル的に異なる画像に基づき、かつ酸素飽和度と前記血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度の比率との間の実験的に決定された関係に基づいて、前記血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度を決定することによって酸素飽和度を決定するための方法において、
   前記血管およびそれらの周囲が、前記スペクトル的に異なる画像を記録するために、照明ビームの少なくとも１つの測定波長および少なくとも１つの基準波長によって同時に照射されること、
   全ての測定波長および基準波長が、前記画像を記録するために用いられるカラーカメラのカラーチャネルにそれぞれ合わせられ、このカラーチャネルによって受信されるようにすること、
   前記測定波長は、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの反射が相違する波長であり、前記基準波長がヘモグロビンの等吸収波長であること、および
   前記酸素飽和度は、前記測定波長および前記等吸収波長における前記血管がない周囲および前記血管の対数反射比の商の線形関数として決定され、前記線形関数の傾きおよび線形項が、複数の血管における表示値から実験的に決定されること
   を特徴とする方法。
2. 血管径への、および前記血管の周囲の色素沈着への前記酸素飽和度の依存による撹乱が、実験的に決定された補正値を用いて補償されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記血管径の影響を補償する前記補正値が前記血管径の線形関数であり、その傾きおよび線形項が実験的に決定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記血管の周囲の前記色素沈着の影響を補償する前記補正値が前記色素沈着の線形関数であり、その傾きおよび線形項が、実験的に決定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記血管の周囲の前記色素沈着が、前記測定波長および前記等吸収波長での、前記血管の周囲の反射値の商の対数によって決定されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 動脈および静脈が、前記測定波長および前記等吸収波長での、前記血管の血管がない周囲および前記血管の対数反射比の商に基づいて決定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記血管、それらの方向およびそれらの血管がない周囲が、画像処理手段によって自動的に、または手動で検知されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記血管の方向と垂直に、前記血管に関連する画像点全部の反射値にわたって平均値がとられることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記血管の方向と垂直に平均化された複数の反射値が、前記血管の方向に沿って決定され、前記平均値がこれらの平均化された反射値にわたってとられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記血管における正反射が画像処理手段を通して自動的に、または手動で識別および除去されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記酸素飽和度が、生理的誘因または刺激への反応において決定されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記生理的誘因または刺激がフリッカ光によって引き起こされることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 少なくとも１つの光源からの光が、画像生成装置の照射ビーム経路に配置された光マニピュレータによってプログラミング技術を介して修正されること、および
    前記修正された光が、照射のため、および選択的な誘因または刺激のために用いられること
    を特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記生理的誘因または刺激が検査対象による酸素の吸入によって引き起こされることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 前記生理的誘因または刺激が前記検査対象によるカーボゲンの吸入によって引き起こされることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
16. 酸素飽和度がコード化された前記血管の構造の画像が準備されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 病的な酸素飽和度を伴う前記血管がマークされた前記血管の構造の画像が準備されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
18. 複数の酸素飽和度値が組織エリアから決定され、結果が前記組織エリアにおける酸素供給および酸素消費の統計的評価によってそこから得られることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
19. 酸素飽和度における収縮期および拡張期の差が、画像のパルス同期シーケンスを記録することによって、診断上の特徴として得られることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記酸素飽和度が、血管径、血流速度または血圧など、微小循環の他の局所的または全体的な特性値と組み合わせて用いられることによって、組織領域における酸素供給および代謝を決定することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
21. 光学的にアクセス可能な血管における血液の酸素飽和度を分光測光的に決定するための方法であって、少なくとも２つのスペクトル的に異なる画像に基づき、かつ前記酸素飽和度と、前記血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度の比率との間の実験的に決定された関係に基づいて、前記血管およびそれらの血管がない周囲の反射強度を決定することによって酸素飽和度を決定するための方法において、
    前記酸素飽和度が、酸化および還元ヘモグロビンの反射が相違する測定波長および基準波長としてのヘモグロビンの等吸収波長における、前記血管がない周囲および前記血管の対数反射比の商の線形関数として決定されること、および
    前記線形関数の傾きおよび線形項が、複数の血管における表示値から実験的に決定されることとを特徴とする方法。
22. 血管径への、および前記血管の周囲の色素沈着への前記酸素飽和度の依存による撹乱が、実験的に決定された補正値によって補償されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。

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