JP5564421B2 - バーチャル顕微鏡スライド／デジタル画像をナビゲートするための操作デバイス及びそれに関連する方法。 - Google Patents

Description

本出願は２００７年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３６，６２０号の優先権を主張し、その教示は参照することにより本明細書に組み込まれている。

本発明は概ね、デジタル画像及びバーチャル顕微鏡に関し、より詳細には、バーチャルスライドを画像化するデバイス及びシステムに、そして更に詳細には、その観察中にバーチャルスライドをナビゲートするためのデバイスに関する。

バーチャル顕微鏡の以前に、医者、研究者、学生らは、スライドガラスを用いて調製された試料を観察若しくは検査していた。これはスライドを顕微鏡に挿入すること、顕微鏡を用いて試料を観察するための位置を確保すること、及び目の焦点を合わせることを含んでいた。この操作は経験とともに相対的に早くなるが、実際問題として、医者（例えば、病理学者）らは一度の観察でスライド全体を見ることができないので、彼らは、スライドまたはスライドの組合わせの観察中ずっと、一枚のスライドの部分を覚えておく必要がある。

米国特許第６，１０１，２６５号及び同第６，２７２，２３５号に見られるような、バーチャル顕微鏡の技術及びシステムの創出により、医者、研究者らは、バーチャルスライドの基礎を形成する、スライドガラスをデジタル化及び保存できるようになっている。一般概念のバーチャル顕微鏡は、一般に顕微鏡用デジタル若しくはコンピューター判読可能画像の取得、保存及び画像化をカバーするために始まった。バーチャル画像は、実際のスライドガラスの画像との間に幾らかの違いがあるにも関わらず、スライドガラスをデジタル化するためのデバイス及びスライドガラス自体の問題の解決により、その画像は実際のスライドガラスの画像に劣らずリアルであることを理解されたい。

３１種の市販デジタルスライドシステムの比較がなされ、["Critical comparison of 31 commercially available digital slide systems in pathlogy", Rojo MG, Garcia GB, Mateos CO, Gracia JG, Vicente MC. Int Surg Pathol. 2006 Oct; 14(4); 285-305] で入手できる。そこにおいて、デジタル又はバーチャル顕微鏡システムにおける１つの問題点は、コンピューターマウスが、スライドを観察するために病理学者が使い易いデバイスではないことだと報告された。現在バーチャルスライドを観察するためには、バーチャルスライドをモニターに表示し、その後スライドをナビゲートするために繰り返しの方法で、コンピューターマウスを用いて画像の一面を捕らえ、モニターの別の面に画像をドラッグし、次いでマウスで画像を非選択にし、画像の元の面にマウスを戻し、画像を再度捕らえ、そしてそれをモニターの別の面へドラッグしている。これは従来のマウスを用いて打開できない時間のかかる方法である。

この文献は、Lecia が開発したマイクロシステムと一緒に用いる自動化ＸＹステージ及びＺ焦点移動用の人間工学的手動入力制御装置の提供を想定している、Leica Microsystems によるデバイスまたはコントローラー（Smart Move）について報告している。このデバイスは通常、インターフェースカードを介してコンピュータに繋がっていて、デバイスを使用している標準のステージ及び焦点アダプターと共に用いることができる。従って、このデバイスは単なるマウスの置き換えではない。上で示した文献は、バーチャルスライドのナビゲーションを制御することそしてゆえに従来のマウスを取り替えることがこのデバイスに必要であることも指摘若しくは示唆している。

従って、バーチャルスライドのナビゲーションを制御する新規なデバイス及びそれに関連する方法及びシステムを提供することが望まれている。如何なる数多くのコンピューターデバイスでの使用にも適合できるようなデバイス、システム及び方法を提供することが特に望まれている。

本発明は、バーチャル顕微鏡スライドを操作及び／又はナビゲートするためのデバイス及びそれに関する方法を特徴としている。また、このようなデバイス及び方法を具体化する画像化システム又はコンピューターシステムも特徴としている。

本発明のこのようなデバイスは、光発生手段及び光検出手段を有する光学パッケージを含んでいる。画像をディスプレー画面（例えば、コンピューターモニターのディスプレー画面）に表示して、Ｘ及びＹの１方向又は両方向に移動させるために設定及び配置されている可動部材、及び光検出手段で検出される光信号を処理して、可動部材の移動量を測定する手段も含んでいる。

更なる態様では、可動部材のサイズはスライドガラスのサイズ、特にそれからバーチャルスライドが形成されたスライドガラスのサイズに近似している。より更なる態様では、このような可動部材は、光発生手段からの光をそこから光センサー（例えば、ＣＭＯＳ）に戻るように反射させることができるように処理されているスライドガラスである。より更なる態様では、可動部材はテクスチャー(textured)表面を有するスライドガラスである。

更なる態様では、光学パッケージは、ナビゲートデバイスの頂部にある穴を通ってレンズから放出される光を放射する発光ダイオード（例えば、光発生手段）を含んでいる。平均入射角は５度と２０度の間である。スライドの照射領域はナビゲートデバイスのスライドステージの上に位置していて、反射光は別のレンズを通ってオプティカルウィンドウを超えて集積回路に及びフォト検出器（例えば、光検出手段）上に投影される。フォトトランジスタはコンデンサーを充電しその電圧はその後デジタル化されてメモリーに保存される。

更なる態様では、このようなナビゲートデバイスは更に、光学パッケージに対してＸ−及び／又はＹ方向の一方又は両方向に可動部材を移動する移動手段を包含している。このような移動手段は例えば、本発明のナビゲートデバイスと組み合わせて用いるのに適するようにリアルスライドを画像化するための、当該技術分野の当業者に公知の従来型の多くの移動ステージの何れかであってよい。より特定な態様では、Ｘ／Ｙ移動ステージは固定部分と移動部分を含んでいて、固定部分（例えば、支持構造体）は光学パッケージに対して固定されており、そして移動部分は固定部分に対して移動可能であるので、光学パッケージに対しても移動可能である。更なる態様では、本明細書に述べられているような、可動部材及びスライド様部材は光学パッケージに対して移動可能であるように、移動ステージに取り付けられている。

バーチャルスライドと関連して使用するために本発明が上述されている一方、本発明は、フルサイズのデジタル画像より小さい（少なくとも一方向が）寸法であるモニターのディスプレー画面又はディスプレーデバイスに表示すべきデジタル画像（例えば、写真、図面などのデジタル画像）をナビゲートするためにも使用できる。

バーチャルスライドを画像化及び／又はナビゲートするデバイス及び方法を具体化するシステム、それ以外に本発明のナビゲートデバイスの特性を具体化するシステムも特徴としている。
本発明のその他の態様及び実施態様は後述されている。

本発明の特質及び好ましい目的を十分に理解するために、添付の図面と共に以下の詳細な説明を記述する。図面において同様の参照文字は幾つかの図面を通して対応する部分を示している。

図１Ａは、本発明によるナビゲートデバイスの上面説明図である。 図１Ｂは、本発明の一態様によるナビゲートデバイスの上面説明図である。 図２Ａは、図１Ａのナビゲートデバイスの側面図である。 図２Ｂは、図１Ｂのナビゲートデバイスの側面図である。 図３は、本発明による可動部材の上面説明図である。 図４は、本発明のナビゲートデバイスで用いるための光学パッケージの説明概略図である。 図５は、本発明のナビゲートシステムを具体化するコンピュータシステムの説明概略図である。

同様の参照文字が同様の部位に参照されている図面の各種形態を参照すると、図１Ａ、Ｂ及び２Ａ、Ｂにおいて本発明によるナビゲートデバイス（１００）、（１００ａ）のそれぞれの上面図及び側面図が示されている。このようなナビゲートデバイス（１００）を具体化しているシステムの説明概略図が図５に示されている。

このようなナビゲートデバイス（１００）は、コンピュータディスプレー画面又はコンピュータモニター（２１０）のサイズより大きい画像をナビゲートする有効なメカニズムを提供するので特に有利である。典型的な従来型スライドガラスの寸法はコンピュータモニターの画面より小さいが、用いられる典型的な倍率、更には観察するための典型的な画像拡大により、縦軸が典型的にコンピュータモニタの境界より広い画像がもたらされる。

本発明では本明細書に記載したように、コンピュータモニター（２１０）の画面上にあるバーチャルスライドの画像は、テクスチャー表面を通して装置を移動させるのではなく、光学パッケージ（１１０）を通して可動部材（１３０）（図５）（例えば、テクスチャースライド又はその他の器具）を移動させることによって、移動する。このことは、所定のコンピュータモニタ（２１０）より大きいサイズの画像の周囲の非常に大きな移動を可能にする。このことは、病理学者が、迅速で完璧にバーチャル形態でスライドを検査するために、経験によって培った手／眼の調整技能を用いて彼らのスライドを検査できるようにするだろう。このシステムは最新のバーチャル顕微鏡画像化ソフトウェアと共に使用すべきである。

光学パッケージ（１００）は、とりわけ、光発生手段及び光検出手段（１１４）を含んでいる。光発生手段（１１２）は、そこから放射される光を、光ステージ（１２０）の上又はナビゲートデバイスの表面に配置されている可動部材（１３０）の表面又は部分（１３４）に作用できるように配置されている。光検出手段（１１４）は、可動部材（１３０）の表面又は部分（１３４）から反射される光を受信できるように配置されている。より特異的な態様では、光発生手段は、目的の用途に適している発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光デバイスを含んでいて、光検出手段は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）（１０２）を含んでいる。図説する態様では、ＬＥＤ（１０１）及びＣＭＯＳ（１０２）は光ステージ表面にある小さな窪み（１２２）内に位置している。典型的な態様では、光ステージ表面又は光スライドステージ表面（１２０）は滑らかな固形プラスチック又は従来型スライドステージと同種の金属である。

焦点合わせを制御する（例えば、倍率、例えば４倍、１０倍、４０倍などを制御すること）ために、ナビゲートデバイス上には目的用途に適した数多くの位置の何れかにトグルボタン（１５２、１５４）が備わっていて、一方のボタン（１５２）はズームインするために、他方のボタン（１５４）はズームアウトするために備わっている。典型的な態様では、トグルボタン（１５２、１５４）は光スライドステージの表面(１２０）においてその対向する両側に位置している。

図２Ａに示すように、典型的な態様では、光スライドステージの表面（１２０）はナビゲートデバイス（１００）の最上部に位置していて、オン及びオフのトグルボタン（１５６、１５８）はナビゲートデバイスの側面に備わっている。底面（１６０）はその上にナビゲートデバイス（１００）を置けるように備わっている。更なる態様では、この底面は、ナビゲートデバイス（１００）を受け止めて保持するように構築されているのに加えて、ナビゲートデバイス（１００）が、ユーザーがナビゲートデバイスを使用しているときにその上に底面を置く表面（２）に対して比較的一定の関係を保持できるように、滑らない表面を備えるように配置させることもできる。

更なる態様では、例えばナビゲートデバイス（１００）と底面（１６０）の間に設置することができる、１つ又はそれ以上の高さ調節板（１６２）が備わっている。高さ調節板（１６２）をユーザーの人間工学的な快適性のために追加することができる。

更なる態様では、ナビゲートデバイスによって作成されてコンピュータ２００へ出力される信号は、張力緩和装置（１７１）を含んでいてよいＵＳＢケーブル（１７０）によって伝わる。

ここで図１Ｂ及び２Ｂを参照すると、本発明によるナビゲートデバイス（１００ａ）の別の態様が示されている。共通の機能については、以下で検討していない限り、先の検討を参照されたい。別の態様において、上記のトグルボタン（１５２、１５４）の代わりに回転ズームホイール（１５５）又はフライホイールが焦点を制御する（すなわち、倍率を、例えば４倍、１０倍、４０倍等に制御する）ために備わっている。使用するときは、ズームホイール（１５５）を一方向に回転させて倍率を増大させ、ズームホイールを別の方向に回転させて減少させる。説明する実施態様では、ズームホイール（１５５）はナビゲートデバイス（１００ａ）の側面から外側に伸びているが；使用目的に適合している何れの配置も、意図されていて、ゆえに本発明の範囲内である。

本発明では、ＬＥＤ（１０１）及び相補型ＣＭＯＳ（１０２）は従来型光学マウスのＬＥＤ／ＣＭＯＳと同様に機能するが、本発明のシステムは、従来型光学マウスとは対照的に、可動部材（１３０）（例えば、テクスチャースライド又はテクスチャー器具の何れも、すなわち、紙、指、木材など）を移動させて画像をナビゲートすることを可能にする。従来型の光学マウスとともに、システムは、例えば、マウスパッドのような、固定表面に対するＬＥＤ及びＣＭＯＳの移動を含めて、マウスの移動を検出できるように配置されている。

本発明では、コンピュータ画面上の画像は、テクスチャー表面を通してマウス装置を移動させる代わりに、反射光（ＬＥＤ／ＣＭＯＳ）を通して可動部材を移動させることにより、移動する。本発明のこの配置は、所定のコンピュータのモニタより大きいサイズの画像の周りをディスプレ画面よりはるかに大きく移動できるようにする。これは更に、病理学者が迅速且つ完全にバーチャル形態でスライドを検査するために、キャリアを通じて作り上げた手／眼調整技能を用いて彼らのスライドを検査できるようにする。本明細書で述べたように、本発明のナビゲートデバイスは、最近のバーチャル顕微鏡画像化ソフトウェアと一緒に用いられるべきである。

ここで図３を参照すると、本発明による可動部材（１３０）の上面説明図が示されている。図示した態様は、可動部材（１３０）は、例えば典型的な寸法７．５×２．５ｃｍ×０.３ｃｍのような、従来のスライドガラスの形態で描かれている。このようなスライドガラスは更に、ＬＥＤ／ＣＭＯＳシステムが処理されたスライドの移動を確認できるように、処理されている表面（１３２）を含んでいて、特定の態様では、そのような処理は当業者に公知の多種の技術又は材料の何れかを用いてテクスチャー処理されている表面を含んでいる。更なる態様では、可動部材（１３０）は当業者に公知の多種の材料を用いて構成され及び配置されていて、それによりＬＥＤ／ＣＭＯＳシステムが可動部材の移動を確認できる。

更なる態様では、ナビゲートデバイス（１００）は、ナビゲートデバイスの上面に固定されていて可動部材（１３０）を受け止める移動手段（１４０）を含んでいる。可動部材（１３０）は移動手段の内部に保持されていて、その可動部分の平行移動又は移動が、可動部材を平行移動又は移動させることもできて、それによってモニター（２１０）上に表示されるバーチャルスライドの画像の対応する移動も引き起こす。特定の態様では、移動手段は当業者に公知の多種の従来型手動ステージ又は従来型コンピュータ操作ステージの何れかであって、ナビゲートデバイスに搭載するのに適合していて、コンピュータ操作ステージの場合は、コンピュータ（２００）による制御にも適合しているものである。例示的な態様では、米国特許第６，２７２，２３５号に例示されているコンピュータ操作ステージを本発明での使用に適合することができる。

当業者に公知のように、コンピュータ（２１０）はマイクロプロセッサ（２０２）、メモリー（２０４）、記憶装置（２０６）（例えば、磁気ディスク、ＲＡＩＤエンクロージャ、光ディスク）を含んでいる。記憶装置（２０６）上に、オペレーティングシステム、コンピュータ上で実行するためのアプリケーションプログラム及び１つ又はそれ以上のバーチャルスライドに対応するデータを包含しているデータ記憶装置が搭載されている。その他の入力デバイス（例えば、キーボード）がコンピュータに接続されている。更に、プリンターのような出力デバイスがコンピュータに接続されていて例えばバーチャルスライドのハードコピーのような情報をユーザーが出力できる。

ここで図４を参照すると、本発明のナビゲートデバイス（１００）で用いるための光学パッケージ（４００）の例示的な概略図が示されている。概略図を提示することに加えて、この図は上記スライドと同じようにＬＥＤとＣＭＯＳの可動部材上での相互作用も描いている。その教示が参照して取り込まれている、米国特許第６，４３３，７８０号も参照されたい。例示的態様では、発光ダイオード（ＬＥＤ）（４２７）は、レンズ（４２８）で、オリフィス（４２０）を通過して、ナビゲートデバイス（１００）の上面に光を投影する。平均入射角は５度と２０度の間である。

スライドステージ（１２０）の上端に置かれている可動部材（１３０）の照射領域（１３２）が、レンズ（４２１）を通ってオプティカルウィンドウ（４２９）を越えて集積回路に及びフォト検出器のアレイ（４３４）上に投影される。オプティカルウィンドウは適所に保持されている。フォトトランジスタはコンデンサを充電して、その電圧は次いでデジタル化されてメモリー中に貯えられる。例示的態様では、アレー（４３４）は、パッケージ部分（４３３）上に粘着剤（４３２）によって取り付けられている集積回路ダイス（４３１）の部分の上に作られている。

本発明の好ましい態様が特定の用語を用いて記述されているが、このような記述は説明することのみを目的としていて、変更及び変法を以下の特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱せずに実施できることは当然である。

（参照による取り込み）
本明細書に開示されている全ての特許、特許出願公開及びその他の参考文献は参照してその全てが明確に本明細書に取り込まれている。

（均等物）
当業者は、本明細書に記載の発明の特定の態様に対する多くの均等物を認識、若しくは単なる通常の実験を用いて確認することができるであろう。このような均等物は以下の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。

Claims (9)

1. スライドガラスをデジタル化及び保存しているバーチャル顕微鏡スライドをナビゲートするためのバーチャルスライドナビゲートデバイスであって、当該バーチャルスライドナビゲートデバイスが、
   光発生手段及び光検出手段を有する光学パッケージ；
   バーチャルスライドが作成されたスライドガラスの大きさに近似している大きさであり、かつ可動部材の画像をディスプレー画面に表示して、Ｘ及びＹの１方向又は両方向に移動するために設定及び配置されている可動部材；
   さらに当該可動部材を光学パッケージに対してＸ及び／又はＹ方向の一方又は両方向に移動させる移動手段であって、且つここで可動部材が移動手段内に保持されている移動手段；及び
   光検出手段で検出される光信号を処理して、可動部材の移動量を測定する手段；
   を含有してなる、バーチャル顕微鏡スライドをナビゲートするためのバーチャルスライドナビゲートデバイス。
2. 可動部材が、スライドガラスであって、スライドガラスが光発生手段からの光を処理スライドから光検出手段に戻るように反射させることができるように処理されている、請求項１に記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
3. スライドガラスがテクスチャー表面を包含している、請求項２に記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
4. 光発生手段がＬＥＤを含有していて、光検出手段が複数のフォト検出器のアレイを含有してなる、請求項１又は２に記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
5. 光発生手段がＬＥＤ及びレンズを含有していて、ＬＥＤから放射された光が穴を通ってレンズでナビゲートデバイスの頂部に投影され；そして光検出手段が別のレンズ、オプティカルウィンドウ、フォト検出器のアレイ及びコンデンサを含有していて、ここで反射光が別のレンズを通ってオプティカルウィンドウを超えてフォト検出器のアレイに投影され、そしてフォトトランジスタがコンデンサを充電し、次いでその電圧がデジタル化されてメモリーに貯えられる、請求項１から４のいずれかに記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
6. 移動手段が、手動操作のＸ／Ｙスライド移動ステージ又はコンピュータ操作のＸ／Ｙスライド移動ステージの１つである、請求項１から５のいずれかに記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
7. 移動手段が、固定部分及び移動部分を有しているＸ／Ｙ移動ステージを含有してなり、固定部分が光学パッケージに固着して取りつけられており、そして移動部分が固定部分に対して移動可能であるので光学パッケージに対しても移動可能である、請求項１から５のいずれかに記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
8. 光学パッケージは上面を更に含有していて、当該上面及び可動部材が互いに対してスライド可能なように設置及び配置されている、請求項１から７のいずれかに記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。
9. 可動部材が、手動操作できるよう設置及び配置されている、請求項８に記載のバーチャルスライドナビゲートデバイス。

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