JP5188909B2 - 散乱体内部観測装置及び散乱体内部観測方法 - Google Patents

Description

本発明は、散乱体による後方散乱光を計測することにより散乱体内部を観測する装置及び方法に関する。

生体等の散乱体の内部を観測するには様々な手法がある。その一つである光を用いた観測は、用いる光の波長を選択することにより特定の対象を観測できるという利点を有している。この手法では、特定の対象（異質部分）に吸収される波長の光を散乱体に照射し、その後方散乱光強度を計測することにより、散乱体内部に存在する異質部分の位置と深度情報を得ることができる。後方散乱光は、照射位置と計測位置との距離が大きくなるほど、散乱体のより深部を通ってきた光であることが知られている。

またさらに、異質部分の位置と深度の情報を得るだけでなく、照射位置と計測位置との距離が同じである後方散乱光のデータを集めることにより、その深度での断層画像を作製することができる。

特許文献１には、光照射手段の位置から順次遠ざかる位置に複数の光検出手段を備えた構成を有する生体光観測装置が開示されている。また、該装置による計測結果に基づいて、生体の断層画像を再構成する手段も開示されている。

特許文献２には、光照射部から同心円状等のような所定の間隔で配置された複数の光検出部を備えた構成を有する生体光観測装置が開示されている。
特開2006-200943号公報 特開2007-20735号公報

上記のような従来の装置では光照射手段と光検出手段が一体に構成されているために、照射位置と検出位置との距離が固定されている。そのため、観測できる深度が決まっており、一定の深度でしか断層画像を作製できないという問題がある。

また、断層画像を得るためには、多くの測定点で測定を行わなければならず、断層画像を取得するのに多くの時間を要するという問題がある。

上記問題に鑑み、本発明は、異質部分が存在する深度における断層画像を効率的に取得することが可能な散乱体内部観測装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、散乱体内部の異質部分の情報を取得する散乱体内部観測装置であって、前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する照明手段と、前記照明手段により照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する検出手段と、前記取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段と、前記作製された複数の断層画像から、前記異質部分が表示された断層画像を選択する解析手段と、前記選択された断層画像を表示する表示手段を備え、前記画像化手段が、前記照明手段によって照射される照明範囲の形状を認識する照明範囲認識手段と、前記照明範囲認識手段によって認識された照明範囲の形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する抽出位置決定手段とを備えることを特徴とする散乱体内部観測装置並びに該装置を用いた散乱体内部観測方法が提供される。

本発明の他の側面によれば、散乱体内部の異質部分の情報を取得する散乱体内部観測装置であって、前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する照明手段と、前記照明手段により照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する検出手段と、前記取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段と、作製された断層画像を表示する表示手段と、前記表示された複数の断層画像から、所望の断層画像を選択して表示させる入力手段とを備え、前記画像化手段が、前記照明手段によって照射される照明範囲の形状を認識する照明範囲認識手段と、前記照明範囲認識手段によって認識された照明範囲の形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する抽出位置決定手段とを備えることを特徴とする散乱体内部観測装置並びに該装置を用いた散乱体内部観測方法が提供される。

本発明によれば、異質部分が存在する深度における断層画像を効率的に取得することが可能な散乱体内部観測装置を提供するができる。

本発明において、散乱体とは、主に散乱媒質から構成される物体を指し、例として生体が挙げられる。散乱媒質とは、少なくとも光を散乱する性質を示し、吸収よりも散乱のほうが支配的であるものである。

本発明の散乱体内部観測装置は、散乱体内部の散乱媒質中に存在する異質部分を観測するための装置である。本発明において異質部分とは、透過率、屈折率、反射率、散乱係数、吸収係数などの光学特性が散乱媒質と異なるものである。例として血管が挙げられるが、これに限定されない。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
図１は本発明の一つの実施形態に係る散乱体内部観測装置１のブロック構成図である。同図に示すように、散乱体内部観測装置１は、光照射部１０、検出部１１、制御部１２、表示部１４、入力部１５を具備している。

光照射部１０は、散乱体８内部の異質部分７とその周囲の散乱媒質６とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を照射する照明手段である。光照射部には例えばＬＤなどを用いることができるがこれらに限定されない。この光照射部１０から照射される光には、例えば、異質部分には吸収されるが散乱媒質には吸収されない波長を少なくとも含む光を使用することができる。光学特定の異なる波長を少なくとも含む光は、例えば、生体中の散乱特性が異なる異質物質が血管の場合、ヘモグロビンに吸収を持つ近赤外領域の波長を含む光が好適に用いられる。光照射部１０は、制御部１２からの制御信号に基づいて光を散乱体８に向けて照射する。

検出部１１は、光照射部１０によって照射された光が、散乱体８の散乱媒質６と異質部分７により、反射、散乱、吸収され、散乱体表面から出射された後方散乱光強度を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得するものである。本実施形態においては、検出部１１に光信号を2次元画像データとして検出できる撮像素子を用いる。例えばＣＣＤを用いることができるがこれに限定されない。検出部１１は、制御部１２からの制御に基づいて後方散乱光を検出する。

制御部１２は、光照射部１０、検出部１１の動作を制御すると共に、検出部１１によって検出された２次元画像データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段１６と、作製された複数の断層画像から、異質部分が表示された断層画像を選択する解析手段１７とを含む。解析手段によって選択された断層画像は、表示部１４によって表示されることができる。

上記の光照射部１０、検出部１１、表示部１４及び入力部１５は、電気信号が伝送される信号回路によって制御部１２に接続される。

次に、本実施形態に係る散乱体内部観測装置１の作用を説明する。

まず、光照射部１０により散乱体８に光が照射される。次いで、散乱体８内部の散乱媒質６により反射、散乱、吸収され、再度散乱体表面に戻ってきた後方散乱光強度が、検出部１１により２次元画像として検出される。

次に、画像化手段１６において、得られた２次元画像データが解析され、それぞれ深度が異なる断層画像が作製される。ここで、断層画像の作製原理について説明する。

図２(a)は、本発明の散乱体内部観測装置を適用した硬性鏡１００の模式図である。硬性鏡１００は、照明部１０２及び検出部１０１を備え、また図示されない制御部及び表示部を備える。図２(b)は散乱体の断面模式図を示し、図２(c)は散乱体の表面を上面から見た模式図である。図２(c)では、光照射部１０２から散乱体８上に光が照射された位置をバツ印で示し、検出部１０１によって後方散乱光が検出される検出範囲５０を点線で示した。

光照射部１０２から散乱体８に照射された光の後方散乱光は、図２(b)に示すように伝播し、これを散乱体表面上からみると図２(c)に示すように照射位置を中心とした同心円状となる。この同心円の直径が大きいほど、散乱体のより深部を通ってきた後方散乱光である。例えば符号５１、５２及び５３で示されるリング状領域のように、同心円領域はそれぞれが略同じ深度を通ってきた後方散乱光であり、その同心円領域での光強度データを抽出することにより、その深度における断層画像を作製することができる。

また、照射位置から同心円領域までの距離は、深度に対応するため、照射位置から同心円領域までの距離を変化させることにより、所望の深度の断層画像を得ることができる。

さらに、本発明の一つの態様における走査可能な照明手段を具備する散乱体内部観測装置の場合、図３に示すように、検出範囲５０中で照明点が移動される。このとき、照明点の移動に伴って同心円領域も移動する。そのため、常に照明点から一定距離にある同心円領域での光強度データを抽出することにより、同じ深度の情報を得ることができる。これについて図４を参照して説明する。

図４(a)は、各走査点における同心円領域５１、５２及び５３を重ね合わせた図である。換言すれば、同心円領域５１、５２及び５３のそれぞれが移動した軌跡を示す図である。それぞれの同心円領域は同じ深度の情報を有している。従って、複数の検出結果を図４(a)に示すように重ね合わせることにより、図４(b)に示すように、その深度での断層画像を作製することができる。

なお、データを重ね合わせる際に重複する部分が生じるが、重複するデータから任意のデータを選択的に用いるか、重複するデータの平均値を用いればよい。

図３及び４に示すように、照明を走査して検出を行うことにより、多くの光強度データを取得することができ、より精度の高い断層画像を得ることができる。

上記で説明した原理に基づいて、深度の異なる複数の断層画像が作製されると、次に、解析手段１７により、例えば図４(c)に示すように、異質部分が表示された断層画像が選択される。この選択は、所定のコントラスト条件を満たす断層画像を決定することにより行われる。

断層画像に異質部分が存在する場合、画像中の光強度に変化が生じる。即ち、画像が均質でなくなり、コントラストが生じる。このとき、画面上にコントラストが生じたと判定する条件を「コントラスト条件」と称する。解析手段１７は、各断層画像がコントラスト条件を満たすかどうかを判断し、コントラスト条件を満たす断層画像を異質部分が存在する断層画像であると決定する。

断層画像がコントラスト条件を満たすかどうかを判断する方法には、次の（１）〜（４）の方法を用いることができるが、これらに限定されず、種々の方法を用いることができる。

（１）断層画像の画面をいくつかに分割し、それぞれの区分で平均強度を算出する。次いで、この区分間の平均強度に一定以上の相違があるかどうかを判断する。この場合、相違があると見なす条件がコントラスト条件である。

（２）断層画像の画面における各画像の光強度を比較し、画素間で光強度に一定以上の相違があるかどうかを判断する。この場合、相違があると見なす条件がコントラスト条件である。

（３）深度の異なる断層画像同士を比較し、光強度が異なる部分を検出する。各断層画像間で強度変化が同じ箇所はノイズと見なすことができる。断層画像間で、光強度の変化に相違がある場合は、異質部分が存在すると見なすことができる。この場合、断層画像間で光強度の変化に相違があると見なす条件がコントラスト条件である。

（４）取得された光強度データから、空間的な光強度分布データ画像を作製し、光強度の変化をみる。例えば、画像上の任意の点を通るライン上において、光強度が大きく減少した箇所は異質部分であるとみなすことができる。また、光強度の減少の程度が小さければ、ノイズであると判断できる。

以上に説明した何れかの方法によって、異質部分が表示された断層画像が選択されると、その断層画像は表示部１４によって表示される。このとき、選択された断層画像のみを表示してもよく、選択された断層画像を他の画像より大きく表示するなどして他の断層画像とともに表示してもよい。

なお、上記した一連の工程は、散乱体の観測の間、繰り返し連続的に行われ、表示される断層画像は逐次更新される。

以上説明したように、本発明の態様によれば、２次元画像として光強度データを取得することにより、任意の深度の断層画像を容易に得ることができ、さらに、異質部分が存在する深度における断層画像を自動で選択することにより、簡便且つ効率的に、散乱体内部を観測することができる。

次に、本発明の他の態様について説明する。本態様における散乱体内部観測装置は、画像化手段により作製された複数の断層画像を表示し、使用者が所望の断層画像を選択することができる構成を有する。

本態様における散乱体内部観測装置は、前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する照明手段と、前記照明手段により照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する検出手段と、前記取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段と、作製された断層画像を表示する表示手段と、前記表示された複数の断層画像から、所望の断層画像を選択して表示させる入力手段とを備える。本態様で用いられる照明手段及び検出手段は、上記の散乱体内部観測装置１と同様である。

表示手段は、画像化手段により作製された複数の断層画像を同時に表示することができ、さらに、使用者によって選択された断層画像を拡大して表示するか、或いは選択された断層画像のみを拡大して表示することができる。例えばモニター画面などが好適に用いられるがこれに限定されない。

入力手段は、表示された複数の断層画像から使用者が所望の断層画像を選択し、その結果を入力するためのものである。例えば、選択画像を指示するキーボードなどであってもよく、或いは、表示された画像にタッチしたり、入力ペンで囲むなどして指示したりする、タッチパネルを用いたモニターなどであってもよいが、これらに限定されず、種々の入力手段が用いられ得る。

本態様における散乱体内部観測装置を用いる場合、
照明手段によって、散乱体に光を照射し、検出手段によって該照射された光の後方散乱光を検出し、後方散乱光の光強度データを取得する。次いで、画像が手段によって、取得された光強度データが解析され、それぞれ深度が異なる複数の断層画像が作製される。

次いで、表示手段によって、作製された複数の断層画像を表示される。複数の断層画像の全てを同時に表示してもよく、或いは幾つかを同時に表示してもよい。

次いで、表示された複数の断層画像から、使用者が所望の画像を選択し、その結果を入力手段を用いて入力する。表示部は、入力された指示に基づいて、選択された断層画像を表示する。

上記した一連の工程は、散乱体の観測の間、繰り返し連続的に行われ、表示される断層画像は逐次更新される。断層画像の選択は使用者が定期的に行ってもよいが、使用者により選択された断層画像の条件を記憶し、その後の選択は該条件に従って自動で行ってもよい。ここで、断層画像の条件とは、例えば深度などである。

以上に説明した各態様における散乱体内部観測装置は、さらに、画像化手段に、照明手段によって照射される照明範囲の形状を認識する照明範囲認識手段と、該照明範囲認識手段によって認識された照明範囲の形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する抽出位置決定手段とを含むことができる。

図５に示すように、散乱体に斜めに光を入射した場合、散乱体から出射される後方散乱光は、同心円状にならず、歪んだ円形状になる。このため、照明点から同心円上での光強度データを元に断層画像を作製することができない。

従って、断層画像の作製に先立って、光強度データを抽出する位置を検討する必要がある。そこで、まず、照明範囲認識手段によって照明範囲の形状を認識する。まず、撮像された後方散乱光の２次元画像において、照明点から近い場所で後方散乱光を検出する。ここで照明範囲には、ごく浅い深度からの後方散乱光と表面反射光の両方が含まれる。

次いで、照明点を含むライン上で光強度をプロットしグラフを作成する。グラフ上において、照明点を挟んで強度が同じ２点が、同じ深度からの後方散乱光が出射される位置と見なすことができる。このプロットと解析を繰り返し行うことにより、照明範囲の形状を認識することができる。例えば、照明点を中心としてプロットするラインの角度を変更しながら行う。

上記のように照明範囲の形状が認識されると、次いで、抽出位置決定手段により、その形状に基づいて断層画像を作製するために光強度データを抽出する位置が決定される。これは例えば、照明範囲の形状を順次拡大することにより決定することができる。

以上にように、画像化手段が照明範囲認識手段と抽出位置決定手段とを含み、照射範囲の形状を認識し、光強度データを抽出する位置を決定した上で、断層画像を作製することにより、精度が向上した断層画像を取得することができる。

なお、上記の散乱体内部観測装置では、照明手段として、スポット状の照明光を発する光照射部を単独で用いた例を説明したが、これに限定されず、スポット状の照明光を発する光照射部が複数備えられてもよい。或いは、ライン状の照明光を発する光照射部が備えられてもよい。これらの変形例によれば、一度の測定で多くのデータを検出することができ、測定時間をより短縮することが出来る。なお、ライン状の照明光は光強度が均一であることが好ましい。或いは、光の強度に応じて補正を行う手段を備えることが好ましい。また、光照射部が複数備えられる場合、各光照射部は、それぞれの光によって得られる検出データが互いに干渉しない程度離れた位置に配置される。

以上説明したように、本発明によれば、散乱体の断層画像を効率的且つ高精度に取得することができる。また、異質部分が存在する断層画像を簡便に選択、表示することができ、実用の際の便宜を向上させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組合せることも可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の散乱体内部観測装置は、例えば内視鏡や硬性鏡などに好適に適用される。

散乱体内部観測装置のブロック構成図。 本発明の散乱体内部観測装置を適用した硬性鏡の模式図及び散乱体内部及び表面における光の伝搬の様子を表す概念図。 照明の走査の様子を表す概念図。 照射位置の走査による等深度領域の軌跡を示す模式図。 斜めに入射した場合の散乱体内部及び表面における光の伝搬の様子を表す概念図。

符号の説明

１…散乱体内部観測装置、１０…光照射部、１１…検出部、１２…制御部、１４…表示部、１５…入力部、１６…画像化手段、１７…解析手段、５０…検出範囲。

Claims (9)

1. 散乱体内部の異質部分の情報を取得する散乱体内部観測装置であって、
   前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する照明手段と、
   前記照明手段により照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する検出手段と、
   前記取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段と、
   前記作製された複数の断層画像から、前記異質部分が表示された断層画像を選択する解析手段と、
   前記選択された断層画像を表示する表示手段を備え、
   前記画像化手段が、
   前記照明手段によって照射される照明範囲の形状を認識する照明範囲認識手段と、
   前記照明範囲認識手段によって認識された照明範囲の形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する抽出位置決定手段とを備えることを特徴とする散乱体内部観測装置。
2. 前記異質部分が表示された断層画像が、所定のコントラスト条件を満たす断層画像である、請求項１に記載の散乱体内部観測装置。
3. 散乱体内部の異質部分の情報を取得する散乱体内部観測装置であって、
   前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する照明手段と、
   前記照明手段により照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する検出手段と、
   前記取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する画像化手段と、
   作製された断層画像を表示する表示手段と、
   前記表示された複数の断層画像から、所望の断層画像を選択して表示させる入力手段とを備え、
   前記画像化手段が、
   前記照明手段によって照射される照明範囲の形状を認識する照明範囲認識手段と、
   前記照明範囲認識手段によって認識された照明範囲の形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する抽出位置決定手段とを備えることを特徴とする散乱体内部観測装置。
4. 前記光学特定の異なる波長を少なくとも含む光が、ヘモグロビンに吸収を持つ近赤外領域の波長を含む光である、請求項１〜３の何れか一項に記載の散乱体内部観測装置。
5. 散乱体内部の異質部分を観測する散乱体内部観測方法であって、
   (a) 前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する工程と、
   (b) 前記照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する工程と、
   (c) 前記工程により取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する工程と、
   (d) 前記作製された複数の断層画像から、前記異質部分が表示された断層画像を選択する工程と、
   (e) 前記工程により選択された断層画像を表示する工程と、
   を含み、
   前記工程(c)は、
   (C1) 前記工程(b)において照射された光が、散乱体表面上で形成する照明範囲の形状を認識する工程と、
   (C2) 前記工程において認識された形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する工程とを含むことを特徴とする方法。
6. 前記工程(d)が、作製された断層画像が所定のコントラスト条件を満たすかどうかを判定する工程を含み、所定のコントラスト条件を満たす断層画像を異質部分が表示された断層画像として選択することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記工程(a)〜(e)が繰り返し行われ、表示される断層画像が更新されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 散乱体内部の異質部分を観測する散乱体内部観測方法であって、
   (a) 前記散乱体を構成する散乱媒質と前記異質部分とで光学特性の異なる波長を少なくとも含む光を前記散乱体に照射する工程と、
   (b) 前記照射された光の後方散乱光を検出し、該後方散乱光の光強度データを取得する工程と、
   (c) 前記工程により取得された光強度データを解析し、それぞれ深度が異なる複数の断層画像を作製する工程と、
   (d) 前記作製された断層画像を表示する工程と、
   (e)前記表示された複数の断層画像から、所望の画像を選択して表示させる工程と、
   を含み、
   前記工程(c)は、
   (C1) 前記工程(b)において照射された光が、散乱体表面上で形成する照明範囲の形状を認識する工程と、
   (C2) 前記工程において認識された形状に基づいて、断層画像を作製するための光強度データの抽出位置を決定する工程とを含むことを特徴とする方法。
9. 前記工程(a)〜(d)が繰り返し行われ、
   前記工程(e)において選択された断層画像と同じ条件の断層画像が選択されて表示が更新されることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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