JP5432510B2 - 照明領域で部位を蛍光分析するシステム - Google Patents

Description

本発明は、蛍光要素からの放射に関する観察部位の分析に関する。観察部位は、観察部位及びその周囲領域が自然な方法で直接観察され得るように照明領域に配置されている。

現状の技術及び本発明が、以下に、本発明の医療又は獣医への適用に関連して説明される。この適用では、照明領域は、手術室、或いは例えば皮膚科の診察室である別の医療診察室又は獣医診察室である。この場合、観察部位又は手術領域は、特定の生理学的特徴を示す一定の蛍光要素を有する位置における患者の体の一部である。例えば肌の上では、病気又は寄生生物に冒された領域は、他の皮膚領域より蛍光要素が定着しやすい。このため、蛍光要素（又は標識）を観察することにより、これらの領域を明らかにすることが可能である。同様に手術領域では、例えば癌性細胞である臓器の患部に蛍光要素が特に定着しやすい。両方の場合では、患者及び患者がいる部屋は、照明されている必要がある。これは、医師が患部領域を観察することができ、場合によっては処置することができ、また、蛍光も観察される必要があるためである。特に、外科医が手術を行う手術室では、手術領域を特に十分に照明していることが重要である。

蛍光領域の分析に関する問題は、一般には、蛍光強度が通常の周囲照明と比較して非常に低いことにある。特定の蛍光要素の蛍光波長帯域では、関係しているスペクトル範囲での蛍光強度が、多くの場合周囲照明に比べて１０⁶ 乃至１０⁷ 分の１である。尚、裸眼に対して良好な可視性を有するように周囲を照らすことを意図された白色光と、カメラによって観察される蛍光との強度差は、白色光画像と蛍光画像との両方がカメラで観察される状況では問題ではない。このような状況では、例えば内視鏡検査では、白色光照明によって生じる画像の強度が、蛍光画像の強度と同程度であることが好ましい。

従来技術では、手術室のために、蛍光要素が発するスペクトル部分を周囲照明でフィルタリングすることによって抑制し、蛍光スペクトル帯域外にある全ての光を除去するフィルタを備えたカメラによって蛍光画像を検出する方法が提供されている。この方法には、多くの欠点がある。フィルタは、周囲照明と蛍光との比が１０⁶ を越えて極めて大きく、フィルタリングされた照明が色知覚を大幅に阻害し、蛍光要素のタイプ毎に照明システムに一組のフィルタを用意する必要もあるため、吸光という点から顕著な性能を有する必要がある。
米国特許出願公開第２００４／０６８１９３号明細書

本発明の目的は、従来のシステムの欠点の少なくともいくつかを克服し、周囲照明がある中で蛍光を観察するためのシステムを提供することである。

本発明の実施形態の目的は、蛍光分析と関係なく、強度及びスペクトル特性の点から最適化され得る周囲照明の使用を可能とすることである。

本発明の実施形態の目的は、高価なフィルタリングの使用を回避するシステムを提供することである。

本発明の実施形態の目的は、著しく異なることがある光学特性を有する蛍光要素を自由に選択することが可能なシステムを提供することである。

これらの目的を達成するために、本発明の実施形態は、照明領域で部位からの蛍光を用いて裸眼によって分析を行うシステムにおいて、２４Ｈｚより高い周波数で周期的に励起される単色の発光ダイオードの組立体から形成されており、残光性が低い第１白色照明光源と、第１白色照明光源がオフである時間周期の少なくとも一部の間作動し、第１白色照明光源がオン状態であるデューティサイクルよりオン状態であるデューティサイクルが長く、前記部位に位置する蛍光要素を励起するための第２光源と、第１白色照明光源がオフであり、第２光源がオンである時間周期の間作動し、インターライン転送方式の画素アレイを含む電子カメラであり、画素アレイによって集められるデータを、第１白色照明光源が励起される周波数でメモリセルに転送する蛍光分析装置と、第１白色照明光源がオンであるときに蛍光分析装置を周期的に覆う液晶シャッタとを備えることを特徴とするシステムを提供する。

本発明の実施形態によれば、第１白色照明光源が周期的に励起される周波数が約１００Ｈｚである。

本発明の実施形態によれば、第２光源は、蛍光要素の発光スペクトルをカバーしないスペクトル領域の光を供給する。

本発明の実施形態によれば、電子カメラの画像が、第１白色照明光源の光によって前記部位を観察する別の電子カメラによって得られる画像と重ねられる。

本発明の実施形態によれば、システムは、第２光源のスペクトルを略補完するスペクトルを有し、略同一の部位を照明し、第２光源を補完して作動する第３光源を更に備える。

本発明の前述の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施の形態について以下に詳細に説明する。

図１は、周囲照明の光源２によって照明されている手術室に配置された観察対象の領域又は手術領域１を示す。光源２は、一般的には、白熱電球の組立体から形成された白色光源である。手術部位は、ビームスプリッタ３を用いて、一方では任意のカラーカメラ５によって、他方では手術領域１の蛍光だけに感度を有するカメラ７によって観察される。蛍光は、例えば図示しない特定の光源による照明から生じる。フィルタ８は、蛍光が発するスペクトル範囲を分離する。カメラ５、７の画像が、処理手段によって表示画面１０で重ねられることが好ましい。表示画面１０は、一方では手術領域全体を表示し、他方ではこの領域の内、蛍光要素が特に豊富な範囲を表示する。これらの範囲は、例えば特定の色又は特定の記号によってマークされる。従って、裸眼で状況を観察する外科医は、表示画面１０で「罹病」範囲を早急に発見することが可能であり、従ってその範囲を処置又は除去することが可能である。このタイプの装置は、上述した問題に直面する。

図２は、意図された本発明の実施形態に係るシステムを示す。このシステムは、図１に示したシステムと同様に、表示画面１０に、手術部位を通常観察するカラーカメラ５の画像と、場合によっては蛍光要素の照射範囲に応じたフィルタ８がその前に配置されてあり、蛍光に感度を有するカメラ７の画像とが組み合わせられた画像を供給する。２つのカメラは、ビームスプリッタ３を用いて同時に手術領域１を観察する。

図２に示したシステムでは、周囲照明の光源が、白熱電球とは異なり、残光性が非常に低い光源１２である。すなわち、供給が停止すると（又は所与の閾値より低くなると）すぐに、生成される光が、非常に速く（例えば数マイクロ秒以内に）零値に低下する。残光性が低い白色光源の例として、単色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の組立体がある。

尚、ＬＥＤ白色光源は、一般的には残光性が低くはない。確かに、ＬＥＤ白色光源（いわゆる白色ＬＥＤ）は、一般的には例えば青又は紫であるカラーＬＥＤと、ＬＥＤの外部に設けられた一又は複数の蛍光体とを有する。蛍光体は、一般的には４００ｎｍと少なくとも７００ｎｍとの間にあるスペクトルを有する光を生成するために、ＬＥＤの発光スペクトルと混合された発光スペクトルを有する。このようにして白色光が得られる。このようなＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤの欠点は、蛍光体の残光性が高いことである。作動していないときのＬＥＤからの光の強度の減少は速く、１マイクロ秒未満である一方、蛍光体によって生成される光の強度の減少は、非常に遅く、一般的には指数関数的ではない。従って、蛍光体の発光が最大発光の１０^-6より低くなる時間は非常に長く、数十ミリ秒より長くなり得る。従って、このようなＬＥＤは残光性が低い光源ではない。

残光性が低いカラーＬＥＤは、周期的なパルスによって実現されてもよく、多くの場合、このような条件下における最大の光出力を有する。また、手術室を照明するために、色が異なる多数のダイオードが用いられてもよく、ダイオードの組み合わせは、設定可能な影（色）の光を供給することを可能にし、特に、残光時間を非常に短くして、十分な観察を実現すべく適合される。

蛍光に感度を有するカメラ７の動作は、光源１２に供給される開始パルスの周期を設定する同期装置１４によって同期される。同期装置１４は、以降に説明されるように選択された期間のみカメラ７を作動させ、場合によっては観察カメラ５も作動させる。追加の光源１６が手術領域１を照明する。光源１６もまた、装置１４によって同期されて動作し、使用される特定の蛍光要素に最適な励起波長で手術領域を照明することを可能にする。光源１６は、例えば発光ダイオード又はレーザーダイオードである複数の光源要素から構成されており、所望の蛍光に対応する波長を除去することが可能な光学フィルタと関連付けられてもよい。蛍光要素がフルオレセイン（fluorescein ）である場合、（青色光で）４８８ｎｍに近い波長を有する励起光が用いられ、蛍光は（緑色光で）５５０ｎｍに近い波長となる。蛍光要素がアレクサ（Alexa ）７５０である場合、励起光は（遠赤色光で）６９０ｎｍに近い波長を有し、蛍光は（赤外光に近い光で）７５０ｎｍに近い波長となる。

図２に示したシステムの動作が、図３と関連して説明される。図３は、時間ｔを横軸に示し、光強度を縦軸に示す。以下では、記載されている異なる現象が周期Ｔで生じると仮定される。この周期は、網膜の残像現象のために白色光の閃光を観察する人間が持続的な照明であると感じるように選択される。照明レートは、２４／秒より大きく、約１００／秒であることが好ましい。

残光性が低い周囲照明の光源１２は、時間ｔ０と時間ｔ１との間の時間周期Ｔ_lit の間オンである。デューティサイクルが比較的短く、換言すれば、例えば周期Ｔが約１０ミリ秒（１００Ｈｚ周波数）である場合、照明は１乃至２ミリ秒より短い間続くことが好ましい。照明パルスの終了時ｔ１では、光強度が、例えば１乃至３マイクロ秒である照明時間に対して図示できない時間以内に非常に速く低下すると仮定される。

周囲照明を供給する残光性が低い光源の照明終了時間ｔ１と次の照明開始時間ｔ０との間で、照明領域の蛍光が分析される。従って、時間ｔ２と時間ｔ３との間の励起時間周期Ｔ_exc では、観察対象の部位が光源１６によって照明される。この時間周期の間又は数マイクロ秒だけシフトされた時間周期Ｔ_int の間に、カメラ７によって受けた光が積分される。尚、次の照明の開始前の終了時まで積分することは重要であるが、励起光を遮断することは必須ではない。前記光は継続させてもよい。上記に示したように各周期Ｔは、蛍光が集められる持続期間Ｔ_int より短い光源の照明時間Ｔ_lit を有する。従って、周期Ｔが約１０ミリ秒である場合、持続期間Ｔ_lit は２ミリ秒より短くでき、持続期間Ｔ_int は６ミリ秒より長くできる。

その後、積分時間終了時間ｔ５と時間ｔ６との間の時間周期Ｔ_trに、カメラによって集められたデータがメモリに転送される。

蛍光強度が特に低い場合、観察可能な画像を得る前に、数回の積分周期Ｔ_int と数回の連続転送とが必要とされることもある。これは、説明されたシステムと完全に互換性がある。

このように、説明された実施形態によれば、蛍光分析周期から周囲照明周期を分離され得る。

周囲照明を供給し、周期的なパルスで励起可能な発光ダイオード又は残光性が低い他の光源は、たとえ発光ダイオード又は他の光源が約１乃至２／１０のデューティサイクルでパルスによって励起されても、手術室、更に具体的には手術領域を十分に照明することが可能な十分な数及び十分な電力により選択される。

代案として、蛍光要素を励起するための特定の励起光源１６に代えて、光源が手術室を照明している発光ダイオードの一部から形成されてもよい。

図４は、蛍光に感度を有するカメラ７と一体化されることが可能な画像センサ２０の一部の実施形態を示す。図４では、画素Ｐ_i,j ，画素Ｐ_i+1,j が、×印で示されている。画素Ｐ_i,j は、画像センサのアレイにおける一列の画素の一部に対応し、画素Ｐ_i+1,j は、同一の画素センサにおける隣接列の画素に対応する。各画素Ｐ_i,j は、基準電圧への接続によって表わされる放電ラインＬ_i に第１スイッチによって接続され得る。第２スイッチが、各画素Ｐ_i,j を各メモリセルＣ_i に接続することを可能にする。通常の実施形態では、転送は画素ラインによって行われる。各積分周期Ｔ_int の前（図３における時間ｔ４）に、全ての画素が放電ラインに接続され、照明によって生成された電荷を空にする。画素と放電ラインとの間の接続は、時間周期Ｔ_lit 全体の間維持されていることが好ましい。この後でのみ、入射した蛍光強度によって、各画素によって受けた蛍光に応じた各画素のレベルでの電荷の蓄積が可能になる。各周期の終了時に、各画素ラインに保存されたデータが、メモリセルラインＣ_i ，Ｃ_i+1 に出力される。本実施形態は特に簡易である。画像センサのアレイを読み出して、画像を処理手段及び表示手段１０に転送する前に、例えば５乃至１０周期Ｔ_int である多数回の周期Ｔ_int の間に集められた電荷を蓄積することが可能である。この実施により、関連する読み出しノイズを減少させながら、蛍光信号を蓄積することが可能になる。この実施では、画像センサが、コダック（Kodak ）によって製造されている装置ＣＣＤ ＫＡＩ ３４０又はソニー（Sony）によって製造されているＣＣＤアレイ３４０等のインターライン転送方式のＣＣＤアレイであってもよい。

尚、照明パルスの終了時点後に画像又は画像の一部を取り込み、取り込んだ画像を次の照明パルスの開始前にメモリに転送することが可能な画像センサを提供するならば、多くの他の実施が可能である。

白色光パルスの間蛍光画像センサを周期的に覆う機械的なシャッタ又は液晶シャッタが設けられてもよい。画像センサが、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサとすることも可能である。このようにセンサでの蛍光の蓄積量が増加し、その持続期間は、処理手段及び表示手段１０に転送される前に例えば５乃至１０周期Ｔ_int と等しい。

蛍光要素の励起光源１６の中央波長が可視領域にある場合、この光源からの光は、各周期の間、周囲照明の光源１２の光と共に観察者の目によって積分される。その結果、蛍光励起光源１６によって照明される領域が、自然観察では、観察部位を含む部屋又は他の建物での他の領域とは異なるカラー及び／又はコントラストで表れる可能性がある。本発明の変形例によれば、この影響を補償するために、励起光源１６が、実際には二重光源として設けられてもよく、一方では、周囲照明での照明周期の間に蛍光要素を励起可能な上述されたような光源を備えてもよく、他方では、スペクトルに関して励起光源を補完する光源を備えてもよい。この補完光源は、励起光源が周期Ｔ_exc ，周期Ｔ_int 及び周期Ｔ_tr外でオフである時間周期の少なくとも一部の間に励起される。これらの補完光源は、目での積分による網膜の残像感覚のために、周囲照明又は観察部位のために選択された色に対応して結果として生じる光を有するために十分な強度で励起される。

本発明は、当業者により想起される多くの他の変形例がなされ得る。特に、パルスによって励起可能であり、残光性が非常に低い任意の光源が、周囲照明のために用いられてもよい。

本発明は、手術室との関連で説明したが、一方では「自然」光で裸眼により対象物を観察するために、他方では検討対象物の領域にもたらされる可能性がある蛍光をカメラによって観察するために、所望の任意のシステムに一般的に適用することを留意する必要がある。

観察部位１が異なる特徴の複数の蛍光要素を含む可能性があることは当業者によって留意されるべきである。また、蛍光要素の一つの光に感度を有するカメラを複数用いて、観察部位を分析することも可能である。この場合、異なる蛍光要素の分光蛍光領域間の距離に応じて、蛍光要素が、様々なカメラを用いて同時に又は連続的に分析されてもよい。

上述された実施形態では、蛍光画像に重ねられた「自然な」画像が表示される。この目的のために、ビームスプリッタを使用することなく、複数のカメラが同一の観察部位に向けられてもよい。ある特定の場合には、当業者は、蛍光画像だけを表示して、自然画像を表示しなくてもよい。更に、蛍光画像が、図面又は放射線写真等の一定の画像に重ねられてもよい。また、同一のカメラによって自然画像及び蛍光画像を交互に検出することも可能である。

このような変更、修正及び改良が、この開示の一部として意図され、本発明の趣旨及び範囲内であるとして意図される。従って、先の記述は、ほんの一例であり、制限するように意図されない。本発明は、単に前記の特許請求の範囲及びその均等物に定義されているように制限される。

観察部位での蛍光を観察するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に係る、観察部位での蛍光を観察するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に係るシステムの動作モードを説明することを意図されたタイミングダイヤグラムである。 本発明の実施形態に係る使用可能なピクセルアレイの一部を非常に概略的に示す図である。

符号の説明

１ 手術領域（観察部位）
７ 蛍光分析装置（カメラ）
１２ 第１光源
１４ 同期装置
１６ 第２光源

Claims (5)

1. 照明領域で部位からの蛍光を用いて裸眼によって分析を行うシステムにおいて、
   ２４Ｈｚより高い周波数で周期的に励起される単色の発光ダイオードの組立体から形成されており、残光性が低い第１白色照明光源と、
   該第１白色照明光源がオフである時間周期の少なくとも一部の間作動し、前記第１白色照明光源がオン状態であるデューティサイクルよりオン状態であるデューティサイクルが長く、前記部位に位置する蛍光要素を励起するための第２光源と、
   前記第１白色照明光源がオフであり、前記第２光源がオンである時間周期の間作動し、インターライン転送方式の画素アレイを含む電子カメラであり、前記画素アレイによって集められるデータを、前記第１白色照明光源が励起される周波数でメモリセルに転送する蛍光分析装置と、
   前記第１白色照明光源がオンであるときに前記蛍光分析装置を周期的に覆う液晶シャッタと
   を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記第１白色照明光源が周期的に励起される周波数が約１００Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２光源は、前記蛍光要素の発光スペクトルをカバーしないスペクトル領域の光を供給することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記電子カメラの画像が、前記第１白色照明光源の光によって前記部位を観察する別の電子カメラによって得られる画像と重ねられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記第２光源のスペクトルを略補完するスペクトルを有し、略同一の部位を照明し、前記第２光源を補完して作動する第３光源を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。

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