JP5246798B2 - Biological tissue identification apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、赤外反射スペクトル情報により生体組織が正常組織であるか異常組織(腫瘍等)であるかを識別する生体組織識別装置及び方法に関する。   The present invention relates to a biological tissue identification apparatus and method for identifying whether a biological tissue is a normal tissue or an abnormal tissue (such as a tumor) based on infrared reflection spectrum information.

赤外スペクトル情報から生体組織の正常・異常を識別する従来技術が、たとえば、以下の文献に開示されている。
特許文献1では、被写体からの放射光又は反射光をハイパースペクトルで定義される複数の波長領域に分光する光学系と、光学系で分光された光を波長領域ごとに受光し、光電変換して電気信号を生成する複数の画素を有する撮像素子と、電気信号に基づいて波長領域の光の強度を算出し、画素における複数の波長領域と光の強度との関係に基づいて、ハイパースペクトル解析により被写体の患部を同定するため被写体からの放射光又は反射光の成分を分析する解析部とを備えることを特徴とするシステム及び方法が開示されている。
すなわち、同文献に記載された技術は、特定の画素(生体組織の特定の部分)における複数の波長領域と光の強度との関係に基づき、患部を同定している。
Conventional techniques for distinguishing normal / abnormal tissue from infrared spectrum information are disclosed in, for example, the following documents.
In Patent Document 1, an optical system that splits radiated light or reflected light from a subject into a plurality of wavelength regions defined by a hyperspectrum, and light that has been split by the optical system is received for each wavelength region, and is subjected to photoelectric conversion. Calculates the intensity of light in the wavelength region based on the electrical signal and the imaging device having a plurality of pixels that generate the electrical signal, and performs hyperspectral analysis based on the relationship between the multiple wavelength regions and the light intensity in the pixel. There is disclosed a system and method comprising an analysis unit for analyzing a component of radiation or reflected light from a subject in order to identify an affected part of the subject.
That is, the technique described in the same document identifies an affected area based on the relationship between a plurality of wavelength regions and light intensity in a specific pixel (a specific portion of a living tissue).

また、特許文献2では、識別のための有効なマーカーは、結合組織の赤外スペクトルの1280cm- 1バンドのベースラインの傾きであり、正常な生検サンプルは正の傾きで、癌のサンプルは相対的に平らなベースラインを示すという知見に基づき、生体サンプル内の細胞外物質内の赤外マーカーの存在に基づき病変の存在を識別するためのシステム及び方法が開示されている。
すなわち、同文献に記載された技術は、生体組織の特定の部分における所定の波数(波長の逆数)付近が示す特徴に基づき、患部を同定している。
In Patent Document 2, the effective marker for identifying, 1280 cm infrared spectrum of connective tissue - the slope of one band of the baseline, normal biopsy samples is a positive slope, cancer samples Based on the finding that it exhibits a relatively flat baseline, systems and methods are disclosed for identifying the presence of a lesion based on the presence of infrared markers in extracellular material in a biological sample.
That is, the technique described in this document identifies an affected area based on a feature indicated by a predetermined wave number (reciprocal of wavelength) in a specific part of a living tissue.

いずれの技術も、特定の生体組織の部分における波長方向の成分が示す特徴に基づき、生体組織の正常・異常を識別するところに特徴があるが、波長方向の成分だけで識別することはその識別力に限界がある。   Both technologies are characterized in that they identify normal / abnormal biological tissues based on the characteristics of the components in the wavelength direction of a specific biological tissue part. There is a limit in power.

特開2009−39280JP2009-39280 特表2004−515759Special table 2004-515759

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高い精度で生体組織の正常・異常を識別できる装置及び方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method that can identify normality / abnormality of a living tissue with high accuracy.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、表面位置及び波長方向からなる三次元の赤外反射スペクトルの強度を生体組織から取得する赤外反射スペクトル取得手段と、前記赤外反射スペクトル取得手段により得られた赤外反射強度に基づいて、前記生体組織の正常・異常を識別する演算手段と、を有する生体組織識別装置であって、前記演算手段は、前記生体組織の表面の前記赤外反射強度の隣接ボクセル間のばらつきに基づいて前記生体組織の正常・異常を識別することを特徴とする生体組織識別装置が提供される。
この構成によれば、高い精度で生体組織の正常・異常を識別することが可能となる。これは、本発明者が、正常組織と異常組織(腫瘍、癌組織等)の赤外反射スペクトル情報を実際に測定し比較した結果得られたものであり、正常組織と腫瘍組織のボクセル値の空間的なばらつきを、微小空間内のボクセル値の標準偏差で評価した場合、図1に示すように、1220−1380nm付近では、両者に大きな差が見られるという知見に基づいたものである。
In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, an infrared reflection spectrum acquisition unit that acquires the intensity of a three-dimensional infrared reflection spectrum consisting of a surface position and a wavelength direction from a biological tissue, and the infrared A biological tissue identification device having a computing means for identifying normality / abnormality of the biological tissue based on the infrared reflection intensity obtained by the reflection spectrum acquisition means, wherein the computing means is a surface of the biological tissue. There is provided a biological tissue identification device characterized in that normality / abnormality of the biological tissue is identified based on a variation in the infrared reflection intensity between adjacent voxels.
According to this configuration, normality / abnormality of a living tissue can be identified with high accuracy. This was obtained as a result of the inventor actually measuring and comparing infrared reflection spectrum information of normal tissue and abnormal tissue (tumor, cancer tissue, etc.), and the voxel values of normal tissue and tumor tissue were obtained. When the spatial variation is evaluated by the standard deviation of the voxel values in the minute space, as shown in FIG. 1, it is based on the knowledge that a large difference is observed in the vicinity of 1220-1380 nm.

また、前記隣接ボクセル間のばらつきを、評価対象ボクセルが中心に位置する一辺が3以上の奇数個のボクセルからなるボクセル立方体に含まれるボクセルであって、前記ボクセル立方体の同一表面上にない互いに平行な2辺を含む平面が通過するボクセルのボクセル値に基づいて、評価することを特徴としてもよい。   Further, the variation between the adjacent voxels is a voxel included in a voxel cube made up of an odd number of voxels whose one side is 3 or more with the evaluation target voxel at the center, and is not parallel to each other on the same surface of the voxel cube. Evaluation may be performed based on a voxel value of a voxel through which a plane including two sides passes.

また、前記評価対象ボクセルにおける波長と同一波長を有するボクセルのボクセル値に基づいて、評価することを特徴としてもよい。   The evaluation may be performed based on a voxel value of a voxel having the same wavelength as that of the evaluation target voxel.

また、前期評価対象ボクセルに近いボクセルには大きな重みを、前記近いボクセルより遠いボクセルには前記大きな重みに比べ、同じ又は小さな重みをつけて、評価することを特徴としてもよい。   In addition, evaluation may be performed by assigning a large weight to voxels near the evaluation target voxel and assigning a weight equal to or smaller than the large weight to voxels far from the near voxel.

また、前記隣接ボクセル間のばらつきを、一辺が3以上の奇数個のボクセルからなり、かつ同一波長を有するボクセルからなるボクセル面におけるボクセル値の残差の二乗和を算出し、評価対象ボクセルを含む前記ボクセル面における前記波長が中央値となる波長領域に亘って合計することにより、評価することを特徴としてもよい。   Further, the variation between the adjacent voxels is calculated by calculating a sum of squares of residuals of voxel values in a voxel surface composed of an odd number of voxels whose side is 3 or more and having the same wavelength, and includes an evaluation target voxel. Evaluation may be performed by summing over a wavelength region in which the wavelength on the voxel surface is a median value.

また、前記隣接ボクセル間のばらつきを、一辺が3以上の奇数個のボクセルからなり、かつ同一波長を有するボクセルからなるボクセル面を底面とし、評価対象ボクセルを含む前記ボクセル面における前記波長が中央値となる波長領域を高さとするボクセル直方体におけるボクセル値の残差の二乗和を算出することにより、評価することを特徴としてもよい。   Further, the variation between the adjacent voxels is a median value of the wavelength in the voxel surface including the evaluation target voxel with the voxel surface formed of an odd number of voxels having a side of 3 and having the same wavelength as the bottom surface. Evaluation may be performed by calculating a sum of squares of residuals of voxel values in a voxel cuboid having a height in the wavelength region as follows.

また、前記赤外反射スペクトルの波長範囲は、1220−1380nmであることを特徴としてもよい。   The wavelength range of the infrared reflection spectrum may be 1220 to 1380 nm.

また、前記赤外反射スペクトル取得手段は、内視鏡により生体内の前記生体組織の前記赤外反射スペクトルの強度を取得することを特徴としてもよい。   Further, the infrared reflection spectrum acquisition means may acquire the intensity of the infrared reflection spectrum of the living tissue in the living body with an endoscope.

また、前記演算手段において、異常として識別される前記生体組織は消化器系の腫瘍であることを特徴としてもよい。   The biological tissue identified as abnormal in the computing means may be a digestive system tumor.

また、本発明のある観点によれば、生体組織の正常・異常を識別できる装置が、赤外反射スペクトル取得手段により生体組織から得られた、表面位置及び波長方向からなる三次元の赤外反射スペクトルの強度に基づいて、前記生体組織の正常・異常を識別する生体組織識別方法であって、前記生体組織の表面の前記赤外反射強度の隣接ボクセル間のばらつきを算出するステップと、前記隣接ボクセル間のばらつきに基づいて前記生体組織の正常・異常を識別するステップと、を有する生体組織識別方法が提供される。 Further, according to an aspect of the present invention, an apparatus capable of discriminating normality / abnormality of a biological tissue is a three-dimensional infrared reflection having a surface position and a wavelength direction obtained from the biological tissue by an infrared reflection spectrum acquisition unit. A biological tissue identification method for identifying normality / abnormality of the biological tissue based on a spectrum intensity, the step of calculating a variation between adjacent voxels of the infrared reflection intensity on the surface of the biological tissue, and the adjacent And a step of identifying normality / abnormality of the biological tissue based on variation between voxels.

以上説明したように、本発明によれば、高い精度で生体組織の正常・異常を識別することができる。効果の詳細は、後述する。   As described above, according to the present invention, normality / abnormality of a living tissue can be identified with high accuracy. Details of the effect will be described later.

正常組織および腫瘍組織の微小空間内でのボクセル値標準偏差を示したグラフ。The graph which showed the voxel value standard deviation in the micro space of a normal tissue and a tumor tissue. 本発明の一実施形態である生体組織識別装置の構成を示した図。《図2A》全体構成図。《図2B》リニアバリアブルフィルタを使用する場合の構成を示した図。《図2C》グリズムを使用する場合の構成を示した図。The figure which showed the structure of the biological tissue identification device which is one Embodiment of this invention. << FIG. 2A >> Whole block diagram. << FIG. 2B >> The figure which showed the structure in the case of using a linear variable filter. << FIG. 2C >> The figure which showed the structure in the case of using a grism. 本発明の一実施形態の装置及び方法により三次元空間内の微分値二乗和を算出し、濃淡で示した処理画像。The processed image which calculated the differential value sum of squares in three-dimensional space with the apparatus and method of one Embodiment of this invention, and showed it with the shading. 本発明の一実施形態の装置及び方法により二次元内分散の波長方向の積分を算出し、濃淡で示した処理画像。The processed image which calculated the integral of the wavelength direction of the two-dimensional dispersion | distribution by the apparatus and method of one Embodiment of this invention, and showed it with the shading. 本発明の一実施形態の装置及び方法により微小ボクセル内の標準偏差を算出し、濃淡で示した処理画像。The processed image which calculated the standard deviation in a micro voxel with the apparatus and method of one Embodiment of this invention, and showed it with the shading. 本発明の実施形態による識別結果と病理検査結果との比較を示した図。The figure which showed the comparison with the identification result by the embodiment of this invention, and a pathological test result.

以下では、本発明の各実施形態に係る装置等について説明する。まず、波長を掃引可能であって、反射輝度の時間変化により、生体組織の正常・異常を識別できる装置について、図2Aを用いて説明する。   Below, the apparatus etc. which concern on each embodiment of this invention are demonstrated. First, an apparatus capable of sweeping the wavelength and discriminating normality / abnormality of a living tissue from a change in reflection luminance with time will be described with reference to FIG. 2A.

本装置は、帯域幅5nmの狭帯域照明光の中心波長を1225nmから1375nmの範囲で変化させ、5nm間隔で取得した連続画像から、x、y座標に、波長軸を加えた三次元データ空間内のボクセル値の不均一性の大小を組織の赤外反射スペクトルの強度に基づいて評価し、画像化するものである。   This device changes the center wavelength of narrow-band illumination light with a bandwidth of 5 nm in the range of 1225 nm to 1375 nm, and in a three-dimensional data space by adding wavelength axes to x and y coordinates from continuous images acquired at intervals of 5 nm. The non-uniformity of the voxel value is evaluated on the basis of the intensity of the infrared reflection spectrum of the tissue and imaged.

図2Aにおいて、フェムト波赤外光源1は一般的にはSC光源とも呼ばれる物である。フェムト秒の赤外単色レーザーを高非線形光ファイバに入射させると自己位相変調という非線形光学効果により単色のレーザー光は広帯域の白色光に変換される。ここでは波長1550nmのフェムト秒レーザーを種光源として非線形光ファイバにより波長変換を行い、波長1100−2500nmの白色光を得ている。フェムト波赤外光源1で発生した光は、分光器2で可動スリット3面上に展開される。可動スリット3は、静電型アクチュエータ4で、三角波状に駆動され、連続スペクトル1220−1380nmから半値幅が5nmで中心波長1225−1375nmの範囲の光が取り出され、集光レンズ5で照明用赤外ファイバ6に導かれる。この光で照明された観測対象物7の画像は、赤外多芯ファイバと対物レンズからなる赤外ファイバースコープ8を通して、赤外CCDカメラ9によって電気信号に変換され、画像入力ボード10を経て、演算装置11に導かれる。   In FIG. 2A, the femto wave infrared light source 1 is generally called an SC light source. When a femtosecond infrared monochromatic laser is incident on a highly nonlinear optical fiber, the monochromatic laser beam is converted into broadband white light by a non-linear optical effect called self-phase modulation. Here, wavelength conversion is performed by a nonlinear optical fiber using a femtosecond laser having a wavelength of 1550 nm as a seed light source, and white light having a wavelength of 1100 to 2500 nm is obtained. The light generated by the femtowave infrared light source 1 is developed on the surface of the movable slit 3 by the spectrometer 2. The movable slit 3 is driven by the electrostatic actuator 4 in a triangular wave shape, and light having a half-value width of 5 nm and a center wavelength of 1225 to 1375 nm is extracted from the continuous spectrum 1220 to 1380 nm. Guided to the outer fiber 6. The image of the observation object 7 illuminated with this light is converted into an electrical signal by an infrared CCD camera 9 through an infrared fiber scope 8 composed of an infrared multi-core fiber and an objective lens, and passes through an image input board 10. Guided to the arithmetic unit 11.

演算装置11では、後述する演算方法に基づいて算出した結果を過去45フレーム分平均化し、画像表示装置12上に表示する。なお、静電アクチュエータ4の制御回路13には、画像入力ボード10の画像取り込みと同期して、1画面入力ごとに、5nmの波長変化が得られるように、クロック信号が送られる。すなわち、制御回路13からは、周期0.75秒の対称三角波が出力され、その振幅は、可動スリット3からの出力光中心波長が、1225−1375nmになるように、可変減衰器R(14)で調整される。   The arithmetic device 11 averages the results calculated based on the arithmetic method described later for the past 45 frames, and displays them on the image display device 12. In addition, a clock signal is sent to the control circuit 13 of the electrostatic actuator 4 so that a wavelength change of 5 nm can be obtained for each screen input in synchronization with the image capture of the image input board 10. That is, a symmetric triangular wave with a period of 0.75 seconds is output from the control circuit 13, and the amplitude of the variable attenuator R (14) is such that the output light center wavelength from the movable slit 3 is 1225-1375 nm. It is adjusted with.

また、同装置における分光器2、可動スリット3、及び静電型アクチュエータ4の代わりに、図2Bに示すような、リニアバリアブルフィルタ(LVF)23とLVF駆動用モータ24を用いてもよい。一般的に、分光器に比べ、リニアリティが良く、アライメントが容易である。なお、図2Bでは、ファイバ(光源側)20とファイバ(照明用)21の両方に対して、コリメートレンズ22を2つ使用しているが、ファイバ(照明用)21側に1つだけでもよい。
また、同様に、図2Cに示すような、グリズム26を使用してもよい。グリズム26は、グレーティング25を含むことにより、コリメートレンズ22までの距離を短くできる。
Further, instead of the spectroscope 2, the movable slit 3, and the electrostatic actuator 4 in the apparatus, a linear variable filter (LVF) 23 and an LVF driving motor 24 as shown in FIG. 2B may be used. In general, the linearity is better and alignment is easier than a spectroscope. In FIG. 2B, two collimating lenses 22 are used for both the fiber (light source side) 20 and the fiber (for illumination) 21, but only one may be provided on the fiber (for illumination) 21 side. .
Similarly, a grism 26 as shown in FIG. 2C may be used. By including the grating 25, the grism 26 can shorten the distance to the collimating lens 22.

同装置によれば、照明側の波長帯域幅を十分に狭く設定することが可能なため、観測対象物7に加えられる照射エネルギーは十分に低く抑えることができ、受光側の波長帯を限定するハイパースペクトル内視鏡と比べ、観測対象物への熱的影響を格段に低減することができる。これは、ハイパースペクトル撮影には通常強い強度の照明が必要であるが、特に内視鏡検査では、組織に損傷を与えないようするために有効である。
また、波長差分を画像情報として扱うため、通常用いられるハイパースペクトル画像処理装置に比べ、画像バッファや演算機構を簡素化することができ、実時間性の優れた観測が実現される。なお、本例では、画像取得を1フレーム1/60秒としているが、高速撮像カメラを用いる、あるいは、差分量の平均化の演算を、指数荷重平均にするなどの変更により実時間性をより高めることも可能である。
また、腫瘍検出に最適な波長域のみをスキャンすることで、標準的な画像取得ボードを用いた例でも、1.3秒で1画像を形成することができ、さらに実時間性を高めることができ、手術現場などでの優位性を有する。
According to this apparatus, since the wavelength band on the illumination side can be set sufficiently narrow, the irradiation energy applied to the observation object 7 can be suppressed sufficiently low, and the wavelength band on the light receiving side is limited. Compared with the hyperspectral endoscope, the thermal influence on the observation object can be greatly reduced. This is effective for preventing damage to the tissue, particularly in endoscopy, although high intensity illumination is usually required for hyperspectral imaging.
In addition, since the wavelength difference is handled as image information, the image buffer and the calculation mechanism can be simplified as compared with the normally used hyperspectral image processing apparatus, and observation with excellent real-time performance is realized. In this example, the image acquisition is 1 frame 1/60 sec. However, the real-time characteristics can be improved by using a high-speed imaging camera or changing the averaging of the difference amount to an exponential weighted average. It can also be increased.
In addition, by scanning only the wavelength range that is optimal for tumor detection, even in an example using a standard image acquisition board, one image can be formed in 1.3 seconds, further improving real-time performance. Yes, it has superiority at the surgical site.

なお、本発明の赤外スペクトル取得手段は、フェムト波赤外光源1、分光器2、可動スリット3、静電アクチュエータ4、集光レンズ5、照明用赤外ファイバ6、赤外ファイバースコープ8、赤外CCDカメラ9、画像入力ボード10、制御回路13、可変減衰器R14に対応し、演算手段は演算装置11に対応し、赤外光源はフェムト波赤外光源1、分光器2、可動スリット3、静電アクチュエータ4、集光レンズ5、照明用赤外ファイバ6に対応する。   The infrared spectrum acquisition means of the present invention includes a femto wave infrared light source 1, a spectrometer 2, a movable slit 3, an electrostatic actuator 4, a condensing lens 5, an infrared fiber for illumination 6, an infrared fiber scope 8, Corresponding to the infrared CCD camera 9, the image input board 10, the control circuit 13, and the variable attenuator R14, the computing means corresponds to the computing device 11, the infrared light source is the femto wave infrared light source 1, the spectrometer 2, the movable slit. 3, the electrostatic actuator 4, the condenser lens 5, and the illumination infrared fiber 6.

次に、本発明における赤外反射スペクトル取得手段により得られた赤外反射強度に基づいて、前記生体組織の正常・異常を識別する演算手段について説明する。この演算手段は、生体組織の部分における波長方向の成分と生体組織表面方向の成分の両方を考慮して識別することにより、より精度の高い識別性をもたらす。   Next, calculation means for identifying normality / abnormality of the living tissue based on the infrared reflection intensity obtained by the infrared reflection spectrum acquisition means in the present invention will be described. This calculation means brings about discrimination with higher accuracy by discriminating in consideration of both the component in the wavelength direction and the component in the surface direction of the living tissue in the portion of the living tissue.

<第1実施形態>
組織表面のx、y座標に、波長軸を加えた三次元データ空間内のボクセル値の不均一性の大小を評価することで、正常組織と腫瘍組織を識別する。この不均一性は、三次元ハイパースペクトルデータ空間内の三次元微分フィルタを定義し、この出力の絶対値もしくは二乗を、関心波長帯域(1220〜1380nm)に亘って加算することで評価される。このような演算は、例えば次式のように、ボクセル値差分をとることで近似的に実現される。
但し、h(λ0)は、ハイパースペクトルデータH(x0, y0, λ0)を波長λ0で切断した2次元画像面を表す。演算子Dは、三次元ハイパースペクトルデータHについてx方向の差分をとりつつ波長方向にも差分をとることを表す。y方向についても同様の演算が定義可能である。実際には、x方向、y方向の変化分の絶対値とλ方向の変化分の絶対値の和を評価することが望ましい。
図3は、三次元空間内の微分値二乗和に基づく濃淡を示した図である。これによれば、図上白く現れているところが腫瘍組織、黒く現れているところが正常組織であり、これは、後述するように、病理検査結果とほぼ一致している。
<First Embodiment>
Normal tissue and tumor tissue are discriminated by evaluating the degree of non-uniformity of the voxel values in the three-dimensional data space obtained by adding the wavelength axis to the x and y coordinates of the tissue surface. This non-uniformity is evaluated by defining a three-dimensional differential filter in the three-dimensional hyperspectral data space and adding the absolute value or square of this output over the wavelength band of interest (1220-1380 nm). Such an operation is approximately realized by taking a voxel value difference, for example, as in the following equation.
Here, h (λ 0 ) represents a two-dimensional image plane obtained by cutting the hyperspectral data H (x 0 , y 0 , λ 0 ) at the wavelength λ 0 . The operator D represents taking the difference in the wavelength direction while taking the difference in the x direction for the three-dimensional hyperspectral data H. Similar calculations can be defined for the y direction. Actually, it is desirable to evaluate the sum of the absolute value of the change in the x direction and the y direction and the absolute value of the change in the λ direction.
FIG. 3 is a diagram showing light and shade based on the sum of squared differential values in a three-dimensional space. According to this, the tumor tissue is shown in white in the figure, and the normal tissue is shown in black, which almost coincides with the pathological examination result as described later.

<第2実施形態>
本実施形態は、二次元内分散を波長方向に積分することにより、積分微小ボクセル内の標準偏差を波長方向に亘って合計し、不均一性の大小を評価するものである。図4は、摘出胃標本内壁のハイパースペクトル画像について、評価対象点の周囲x、y方向に7×7ピクセル、波長方向1226−1270nmの微小直方体内の標準偏差の大小を次式のように輝度値で表現した画像であり、腫瘍部の輝度値が正常域に比して高く表現されている。これによれば、図上白く現れているところが腫瘍組織、黒く現れているところが正常組織であり、これは、病理検査結果とほぼ一致している。
なお、図中の黒点は照明光の鏡面反射によるアーティファクトをマスクした部分で、腫瘍の有無とは無関係である。
ここに、h(i,j,k)は、ハイパースペクトルデータの空間座標i,j、波長方向のインデックスkで表される三次元空間内の反射率(または輝度値)、k1 、k2は考慮する波長の下限および上限を表すインデックス、hav(k)は考慮する同一波長を有する微小ハイパースペクトルデータ空間内のボクセル値の平均値、Cは最大輝度値が白と表現されるようにグレースケールを調整する規格化定数である。
Second Embodiment
In the present embodiment, by integrating the two-dimensional dispersion in the wavelength direction, the standard deviations in the integrated minute voxels are summed over the wavelength direction, and the degree of non-uniformity is evaluated. FIG. 4 shows the hyperspectral image of the inner wall of the isolated stomach specimen, the brightness of the standard deviation in a small rectangular parallelepiped of 7 × 7 pixels in the x and y directions around the evaluation target point and the wavelength direction of 1226 to 1270 nm as It is an image expressed by values, and the brightness value of the tumor part is expressed higher than the normal range. According to this, the white portion on the figure is the tumor tissue, and the black portion is the normal tissue, which is almost consistent with the pathological examination result.
The black dots in the figure are masked artifacts due to the specular reflection of the illumination light and are irrelevant to the presence or absence of a tumor.
Here, h (i, j, k) is the reflectance (or luminance value) in the three-dimensional space represented by the spatial coordinates i, j of the hyperspectral data and the index k in the wavelength direction, k 1 , k 2 Is an index indicating the lower and upper limits of the wavelength to consider, h av (k) is the average value of voxel values in the micro hyperspectral data space with the same wavelength to consider, and C is expressed as white with the maximum luminance value A normalization constant that adjusts the gray scale.

<第3実施形態>
本実施形態は、波長方向及び空間座標からなるハイパースペクトルデータ三次元空間内の微小空間内の反射率分散値により不均一性の大小を評価するものである。
図5は、摘出胃内壁のハイパースペクトル画像について、空間座標7×7×波長(1226−1270nm)における微小空間内のボクセル値の標準偏差の大小を次式のように各空間座標に応じて画像化したものである。これによれば、図上白く現れているところが腫瘍組織、黒く現れているところが正常組織であり、これは、後述するように、病理検査結果とほぼ一致している。
ここに、h(i,j,k)は、ハイパースペクトルデータの空間座標i,j、波長方向のインデックスkで表される三次元空間内の反射率(または輝度値)、k1 、k2は考慮する波長の下限および上限を表すインデックス、havは考慮する微小ハイパースペクトルデータ空間内のボクセル値の平均値、Cは最大輝度値が白と表現されるようにグレースケールを調整する規格化定数である。
なお、図中の黒点は照明光の鏡面反射によるアーティファクトをマスクした部分で、腫瘍の有無とは無関係である。
<Third Embodiment>
In the present embodiment, the magnitude of non-uniformity is evaluated based on the reflectance dispersion value in a minute space in the three-dimensional space of hyperspectral data composed of wavelength directions and spatial coordinates.
FIG. 5 shows an image of the hyperspectral image of the extracted stomach inner wall according to each spatial coordinate as shown in the following equation for the magnitude of the standard deviation of the voxel value in the micro space at the spatial coordinate 7 × 7 × wavelength (1226-1270 nm). It has become. According to this, the tumor tissue is shown in white in the figure, and the normal tissue is shown in black, which almost coincides with the pathological examination result as described later.
Here, h (i, j, k) is the reflectance (or luminance value) in the three-dimensional space represented by the spatial coordinates i, j of the hyperspectral data and the index k in the wavelength direction, k 1 , k 2 Is the index indicating the lower and upper limits of the wavelength to be considered, h av is the average value of the voxel values in the micro hyperspectral data space to be considered, and C is a standardization that adjusts the gray scale so that the maximum luminance value is expressed as white It is a constant.
The black dots in the figure are masked artifacts due to the specular reflection of the illumination light and are irrelevant to the presence or absence of a tumor.

図6は、本発明による腫瘍組織の検出精度の評価を示す。A〜Dは、胃全摘手術で採取された組織部分である。各AからDにおいて、各組織部分における組織断面の病理検査結果に基づき悪性腫瘍組織と判断された部位を上段に、標準偏差演算結果(第3実施形態)に基づき2値化したものを中段に、三次元Sobel演算(第1実施形態)に基づき2値化したものを下段に示している。各部位を総合してみると、それぞれの実施形態が、病理検査結果と良い一致を示していることがわかる。   FIG. 6 shows an evaluation of tumor tissue detection accuracy according to the present invention. A to D are tissue parts collected by total gastrectomy. In each of A to D, the part determined to be a malignant tumor tissue based on the pathological examination result of the tissue cross section in each tissue part is shown in the upper row, and the binarized one based on the standard deviation calculation result (third embodiment) is shown in the middle row. The binarized version based on the three-dimensional Sobel operation (first embodiment) is shown in the lower part. When each part is taken together, it can be seen that each embodiment shows a good agreement with the pathological examination result.

1 フェムト波赤外光源
2 分光器
3 可動スリット
4 静電型アクチュエータ
5 集光レンズ
6 照明用赤外ファイバ
7 観測対象物
8 赤外ファイバースコープ
9 赤外CCDカメラ
10 画像入力ボード
11 演算装置
12 画像表示装置
13 制御回路
14 可変減衰器R
20 ファイバ(光源側)
21 ファイバ(照明用)
22 コリメートレンズ
23 リニアバリアブルフィルタ(LVF)
24 LVF駆動用モータ
25 グレーティング
26 グリズム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Femto wave infrared light source 2 Spectrometer 3 Movable slit 4 Electrostatic actuator 5 Condenser lens 6 Infrared fiber for illumination 7 Observation object 8 Infrared fiber scope 9 Infrared CCD camera 10 Image input board 11 Arithmetic unit 12 Image Display device 13 Control circuit 14 Variable attenuator R
20 Fiber (light source side)
21 Fiber (for lighting)
22 Collimating lens 23 Linear variable filter (LVF)
24 LVF drive motor 25 Grating 26 Grism

Claims (10)

表面位置及び波長方向からなる三次元の赤外反射スペクトルの強度を生体組織から取得する赤外反射スペクトル取得手段と、
前記赤外反射スペクトル取得手段により得られた赤外反射強度に基づいて、前記生体組織の正常・異常を識別する演算手段と、を有する生体組織識別装置であって、
前記演算手段は、前記生体組織の表面の前記赤外反射強度の隣接ボクセル間のばらつきに基づいて前記生体組織の正常・異常を識別することを特徴とする生体組織識別装置。
An infrared reflection spectrum acquisition means for acquiring the intensity of a three-dimensional infrared reflection spectrum consisting of a surface position and a wavelength direction from a biological tissue;
Based on the infrared reflection intensity obtained by the infrared reflection spectrum acquisition means, a biological tissue identification device having a computing means for identifying normality / abnormality of the biological tissue,
The biological tissue identification device characterized in that the computing means identifies normality / abnormality of the biological tissue based on a variation between adjacent voxels of the infrared reflection intensity on the surface of the biological tissue.
前記隣接ボクセル間のばらつきを、
評価対象ボクセルが中心に位置する一辺が3以上の奇数個のボクセルからなるボクセル立方体に含まれるボクセルであって、前記ボクセル立方体の同一表面上にない互いに平行な2辺を含む平面が通過するボクセルのボクセル値に基づいて、
評価することを特徴とする請求項1記載の生体組織識別装置。
The variation between the adjacent voxels is
A voxel included in a voxel cube composed of an odd number of three or more voxels whose one side is located at the center of the evaluation target voxel, and passes through a plane including two parallel sides that are not on the same surface of the voxel cube Based on the voxel value of
The biological tissue identification device according to claim 1, wherein the biological tissue identification device is evaluated.
請求項2記載の生体組織識別装置において、前記評価対象ボクセルにおける波長と同一波長を有するボクセルのボクセル値に基づいて、
前記隣接ボクセル間のばらつきを評価することを特徴とする請求項2記載の生体組織識別装置。
In the biological tissue identification device according to claim 2, based on a voxel value of a voxel having the same wavelength as the wavelength in the evaluation target voxel,
The biological tissue identification device according to claim 2, wherein a variation between the adjacent voxels is evaluated.
前期評価対象ボクセルに近いボクセルには大きな重みを、前記近いボクセルより遠いボクセルには前記大きな重みに比べ、同じ又は小さな重みをつけて、
前記隣接ボクセル間のばらつきを評価することを特徴とする請求項2または3記載の生体組織識別装置。
A voxel close to the voxel to be evaluated in the previous period is given a large weight, and voxels far from the close voxel are given the same or a smaller weight than the large weight,
The biological tissue identification device according to claim 2, wherein a variation between the adjacent voxels is evaluated.
前記隣接ボクセル間のばらつきを、
一辺が3以上の奇数個のボクセルからなり、かつ同一波長を有するボクセルからなるボクセル面におけるボクセル値の残差の二乗和を算出し、
評価対象ボクセルを含む前記ボクセル面における前記波長が中央値となる波長領域に亘って合計することにより、
評価することを特徴とする請求項1記載の生体組織識別装置。
The variation between the adjacent voxels is
Calculate the sum of squares of the residuals of the voxel values in the voxel plane consisting of an odd number of voxels with 3 or more sides and voxels having the same wavelength,
By summing over the wavelength region where the wavelength in the voxel surface including the evaluation target voxel is a median value,
The biological tissue identification device according to claim 1, wherein the biological tissue identification device is evaluated.
前記隣接ボクセル間のばらつきを、
一辺が3以上の奇数個のボクセルからなり、かつ同一波長を有するボクセルからなるボクセル面を底面とし、評価対象ボクセルを含むボクセル面における前記波長が中央値となる波長領域を高さとするボクセル直方体におけるボクセル値の残差の二乗和を算出することにより、
評価することを特徴とする請求項1記載の生体組織識別装置。
The variation between the adjacent voxels is
In a voxel rectangular parallelepiped having an odd number of voxels of 3 or more and a voxel surface consisting of voxels having the same wavelength as a bottom surface, and a height in which the wavelength region in the voxel surface including the evaluation target voxel has a median value. By calculating the sum of squares of the residual voxel values,
The biological tissue identification device according to claim 1, wherein the biological tissue identification device is evaluated.
前記赤外反射スペクトルの波長範囲は、1220−1380nmである、
ことを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の生体組織識別装置。
The wavelength range of the infrared reflection spectrum is 1220-1380 nm.
The biological tissue identification device according to any one of claims 1 to 6.
前記赤外反射スペクトル取得手段は、内視鏡により生体内の前記生体組織の前記赤外反射スペクトルの強度を取得する、
ことを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の生体組織識別装置。
The infrared reflection spectrum acquisition means acquires the intensity of the infrared reflection spectrum of the living tissue in the living body with an endoscope.
The biological tissue identification device according to any one of claims 1 to 6.
前記演算手段において、異常として識別される前記生体組織は消化器系の腫瘍である、
ことを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の生体組織識別装置。
In the calculation means, the biological tissue identified as abnormal is a digestive system tumor,
The biological tissue identification device according to any one of claims 1 to 6.
生体組織の正常・異常を識別できる装置が、赤外反射スペクトル取得手段により生体組織から得られた、表面位置及び波長方向からなる三次元の赤外反射スペクトルの強度に基づいて、前記生体組織の正常・異常を識別する生体組織識別方法であって、
前記生体組織の表面の前記赤外反射強度の隣接ボクセル間のばらつきを算出するステップと、
前記隣接ボクセル間のばらつきに基づいて前記生体組織の正常・異常を識別するステップと、
を有する生体組織識別方法。
An apparatus capable of discriminating normality / abnormality of a biological tissue is based on the intensity of a three-dimensional infrared reflection spectrum obtained from the biological tissue by the infrared reflection spectrum acquisition means and comprising a surface position and a wavelength direction. A biological tissue identification method for identifying normal / abnormal,
Calculating a variation between adjacent voxels of the infrared reflection intensity of the surface of the biological tissue;
Identifying normality / abnormality of the biological tissue based on variation between the adjacent voxels;
A biological tissue identification method comprising:
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