JP6023883B2 - 灌流評価マルチモダリティ光学医用デバイス - Google Patents
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Description
光コヒーレンスイメージング(Optical Coherence Imaging, OCI):選択した組織及び/又は身体の関心領域における、生理的流動性質及び非生理的流動性質、特に血流性質を記録、測定、視覚化、及び/又は評価するために、光の物理性質、特にコヒーレンス性質を利用した非接触式及び非侵襲的医用イメージングモダリティ。OCIシステムは、少なくともコヒーレント光源、光取得部、画像とデータ処理及びデバイス制御部、及び流動情報を視覚化又は表現するための手段を含むが、これらに限定されない。OCIの具体的な実施例は、レーザドップライメージング(Laser Doppler Imaging, LDI)、レーザドップラ分光イメージング(Laser Doppler Spectroscopic Imaging, LDSI)、レーザスペックルイメージング(Laser Speckle Imaging, LSI)、レーザスペックルコントラスト分析(Laser Speckle Contrast Analysis, LASCA)、及び機能的光コヒーレンスイメージング(Functional Optical Coherence Imaging, fOCI)を含むが、これらに限定されない。
●微小循環血流を視覚化するための、レーザドップライメージング(LDI)及び/又はレーザスペックルに基づくイメージング(LSI)等の光コヒーレンスイメージング(OCI)
●刺激に対する微小循環血流又は血液動態学的反応の変化を測定する、機能的光コヒーレンスイメージング(OCI)に基づく技術
●血流、神経活動、若しくはその他任意の解剖的又は生理的パラメータを視覚化するため、又は特定の組織(例えば癌組織)の位置を特定すするための、蛍光に基づくモダリティ
●身体の関心領域の3次元的形を記録するための3Dカメラ
●分光イメージング
●オキシ‐/デオキシヘモグロビンイメージング
●デジタル顕微鏡(つまり、カメラとスクリーン)に基づくモダリティ
●現在の身体の関心領域に関するX線、CT又はMRI等の予め記録した画像の視覚化
●連続LDI信号を、蛍光信号により提供される開通性/流入出情報と組み合わせる
●蛍光で検出される大きな血管を、LSI又はLDIを用いて検出される灌流画像にマッピングする
●1つのモダリティのためのパラメータ(例えば、LDIのサンプリング頻度又はLSIの積分時間)を他のモダリティで決定したデータで最適化する
●組織の異なる層での灌流を評価する
●ズーム/顕微画像が表示されるところからのズーム灌流画像(例えば、フル画像の一部)を表示する
●同じパラメータを測定するいくつかのモダリティからの結果を組み合わせることにより、ノイズ/アーティファクトを低減し、信頼性を向上させる
●レーザドップライメージング及び同様の技術における曲率補正の必要性を向上させるためにいくつかのモダリティ(顕微鏡からの立体視等)を使用する
●蛍光と灌流イメージングモダリティの組み合わせにより癌検出を改善する
●蛍光イメージングをOCIモダリティと組み合わせることにより穿通枝の検出を改善する
●蛍光イメージングをLDI又はLSIイメージングと組み合わせることにより、血流の濃度/速度分離を改善する
●機能的マッピングを改善するために、いくつかのモダリティ(並びに非コヒーレント技術)からの結果を機能的OCIの入力として使用する
●流れの方向を検出する
簡素化した操作、及びハンズフリーな操作のために、音声コマンド制御を含むことも可能である。このような場合、同じデバイスは音声録音可能であってもよい。
[発明の詳細な説明]
本発明の一つの態様は、デバイスの使用しやすさに関する。この有用性は、1つの可動ユニット(200)において、全てのモダリティのためのスクリーン(210)及び光学的センサ(光ビームの開口部/エントリー点)を組み合わせることで促進される。ユーザがカメラ部を動かす場合、ユーザは自動的にスクリーンも同様な距離だけ動かす。この状況は図2に表されている。この1つの可動ユニットは、本文において、デバイスヘッドとも呼ぶ。このようなデバイスヘッドは、操作者にとって仮想のウィンドウとして働き、操作者はモダリティからのデータを患者の上で直接に、かつ患者に対するスクリーンの位置/方向にリンクしてデータを見ることができる。
スクリーンは、LCDディスプレイ等のどのようなスクリーンであってもよい。スクリーン解像度、スクリーン応答性、コントラスト及び反射防止条件は、実施されるモダリティに依存する(例えば、マイクロスコピー応用に関しては、非常に高解像度のスクリーンが好ましい)。いくつかのモダリティには、3D又は3Dのような画像を視覚化することも興味の対象となり得る。例えば、デジタルマイクロスコピー又は3Dカメラモダリティにおいて、データの取得はステレオビジョン等の3D手段で達成し得る。このようなモダリティでは、スクリーンは、ユーザが特殊なゴーグルを着用する必要がある3D視覚化手段やその必要のない3D視覚化手段を容易化し得る。このような3Dスクリーンのための多くの技術は当業者に知られている。非限定的な例としては、偏光、干渉、アナグリフ、エクリプス方法、及び裸眼立体に基づく技術が存在する。
1つの実施態様において、デバイスは完全に又は部分的に音声コマンドにより制御できる。このようなコマンドは、必要の言語のコマンド又はデバイスにより設定されたものである。コマンドは短いほうがよく、「Take Snapshot(スナップショットを撮る)」、「New Reference(新なリファレンス)」、「Change to Microscope(顕微鏡に切り替え)」、「Change to LDI(LDIに切り替え)」、又は「Zoom in(ズーム・イン)」等の表現を含みうる。
光コヒーレンスイメージングモダリティは、組織の流動性の視覚化を可能にする。通常は、微小循環血流(灌流)を測定する。このようなモダリティにおいては、レーザ等のコヒーレント光源が統合される。波長及びパワーは、詳細な実装によるが、色は通常、約800nmの近赤外域にある。レーザドップライメージング(LDI)及びレーザスペックルイメージング(LSI)において、後方散乱光はセンサに検出される。このようなセンサはCMOS、CCD、又は他の合理的な種類の画像センサであってもよい。ある態様において、センサは画素の2D配列である。また、2D画像を生成するためのスキャンニング手段をさらに含む単一の画素若しくは線状センサで実装することも可能である。
機能的光コヒーレンスイメージングモダリティは、OCIモダリティに基づくが、さらに機能的な解析のためにOCI値を処理する。機能的解析では、OCI値の変化は、時間に対して解析され、刺激に関係づけられる。刺激は、心拍や呼吸等の体内の刺激、指の動き、発言等の実行刺激、若しくは電流又は光の適用等の外部刺激であってもよい。
デジタル顕微鏡モダリティは、顕微鏡又はルーペの機能を実施する。このような場合、ユーザは通常の白色光カメラの拡大率を顕著に増加できる。ユーザはスクリーンで、身体の関心領域からのサブミリメータサイズの構造を、有意により大きく見えるようになる。(オブジェクトのサイズからスクリーンにおける視覚化サイズへの)拡大率は、1.5xから40xの範囲が可能である。より高い率も可能であるが、デバイスの機械的振動特性及び臨床的ユーザの手先の正確さのため、通常の場合、より高い率を適用する意味はない。拡大率は、本発明を限定しないと考える。クラシックな顕微鏡とは反対に、ユーザは接眼鏡を通してではなく、スクリーンでズームした内容を観察する。デバイスヘッドを動かす際に、ユーザは自動的に体の関心領域も動かす。よって、デジタル顕微鏡は、デジタル拡大鏡として働く。これは、拡大鏡の周知な有用性を促進し、クラシックな顕微鏡に比較した有意性を向上させる。
クラシックな顕微鏡において、ユーザは接眼鏡を通して見る。このようなシステムでは、顕微鏡の光学系と目の光学系はシステムを構成し、目の光学系がある程度フォーカスを調整できる。デジタル顕微鏡ではこれは不可能である。
蛍光イメージングモダリティは、蛍光の活性化及び検出を実施する。
画像マッピングモダリティは、同患者からの予め記録した画像を取り込み、スクリーンに表示することを可能にする。このような画像(取り込んだ画像)は、同デバイスで予め記録したもの、又は他のデバイスやシステムで記録したものであってもよい。非限定的な例は、LDI画像、蛍光画像、X線画像、CT画像又はスライス、MRI画像又はスライス、fMRI等の機能的画像、超音波画像、PETスキャン等である。
ある実施態様において、デバイスは患者、臨床状況、及び現在の行為に関する追加情報をスクリーンに表示できる。このような情報は、内部の格納部(患者データ)、外部の格納部(病院の情報システムを通して)又はライブソース(例えば、患者監視システム)、又は内部センサや外部センサから取り込み可能である。
ある実施態様において、全てのモダリティからマップ/画像が得られ、少なくとも身体の関心領域の一部が全てのマップに表現されるようにマップ/画像をマッチングできる。このような場合、マップはオーバレイできるように変換できる。
関係するモダリティによって、可変又は一定の作業距離が必要になる可能性がある。
多くのモダリティにおいては、結果の解釈又は確認のために、身体の関心領域の表面温度を知ることは興味深い。
ある実施態様において、モダリティ間で共有可能な最大の数の光学的、機械的、及び電気的な要素が共有される。最低限、1つ又は複数のスクリーン及びヒューマン・マシン・インタフェースは全てのモダリティに共有される。
ある実施態様において、異なるモダリティの結果はスクリーンにオーバレイされる。このようなオーバレイの例として、OCIマップ上への蛍光マップのオーバレイ、又は任意の画像マッピングモダリティ上へのOCI又は蛍光マップのオーバレイ(例えばX線上にOCI)が可能である。いずれにせよ、普通の白色光(又は顕微鏡)画像上に任意のモダリティをオーバレイするとおもしろい。
ある実施態様において、デバイスは蛍光(例えばICG)及びOCI灌流イメージングを備え、2つのモダリティは共通の身体の関心領域から少なくとも部分的に同時に又は短い時間間隔で連続マップをとる。デバイスはさらに、両モダリティからのデータを比較する処理部を含む。
異なるモダリティは異なる浸透深さを有し得る。例えば、多くの場合、蛍光モダリティはOCIと比べて皮膚へのより深い浸透深さを有する。
同じデバイスに、同じ又は類似するパラメータ(例えば、灌流を評価するためにICG及びLDI)を測定する幾つかのモダリティを実施すると、それらを組み合わせて測定の信頼性を改善できる。
本発明のもう1つの目的は、デバイスの外部監視デバイスとの接続である。ある実施態様において、OCIモダリティを備えるデバイスは、さらにリアルタイムECG、心拍、又はパルス情報を提供する監視デバイスに接続される。この情報は、OCIモダリティで撮った灌流画像の解析に使用される。OCIモダリティは>4Hzのフレームレートでいくつかの画像を撮る。OCIモダリティのダイナミックスを心拍情報に比較する際、OCIマップのクオリティを向上できる。灌流及び心拍における対応するピークを除去又は識別できる。パルスラグも解析できる。また、(特に異なる周波数で)心拍に対応しないダイナミックなピークも全て識別できる。このようなピークは、他の生理的要素により導入されたもの、又は(移動等による)アーティファクトである。よって、接続した監視デバイスは信号質を向上させ、ノイズを低下又は識別できる。図10において、関心領域からの任意灌流単位(apu)を、6秒間レーザドップライメージングシステムで記録し、プロットされた例を挙げる。このプロットで見れるように、1秒の間隔でだいたい心拍に関するピークが見える。しかし、全てのピークが一定の周波数をもち、必ずしも心拍に相関するわけではない。追加の外部心拍監視をOCIモダリティデータと同期すると、測定信号の解析を改善可能にする。いくつかのピークは心拍に割り当てられ、他のピークは他又は未知のソースに割り当てられる。このような解析は、独立成分抽出(ICE)で達成し得る。
本技術革新のさらなる側面は、蛍光イメージングと灌流イメージングの組み合わせにより改善した癌検出である。癌細胞を検出するために使用できる具体的な蛍光剤は当業者に知られている。その剤は、具体的な癌細胞に存在する具体的なタンパク質又は他の分子に付着する。完成した剤も存在する一方、多くの物もまだ開発中である。また、いくつかの種類の癌は、過剰又は過少灌流を示すことが知られ、よって通常の組織に比較して癌は、増加又は低下した潅流を示す。
いくつかの実施態様においては、患者の身体に対して仮想ウィンドウの位置及び/又は方向を検出する必要があり得る。このような身体の検出は幾つかの方法で容易化できる。
患者に対するデバイスヘッドの位置を計算する代わりに、いくつかのモダリティ及び応用に関しては、デバイスヘッドの移動のみを検出することで十分である。このような場合、位置情報は、仮想座標フレームに対するデバイスヘッドの位置及び方向に限定される。仮想座標フレームは、デバイスの各セッションに対して異なり、患者の座標フレームに完全に、又は部分的にリンクされ、若しくはまったくリンクされないことも可能である。
カメラの位置及び方向情報は、絶対的又は相対的なものに関わらず、捕捉したデータをつなぎ合わせるために使用できる。捕捉したデータは、任意のモダリティからの任意の捕捉画像又はビデオであってもよい。
ある実施態様において、同時に、若しくは短時間内に順番に幾つかのモダリティからデータを捕捉することが可能である。このような捕捉は、単独のスナップショット又は完全なビデオ記録で実行できる。デバイスヘッドの位置及び方向、作業距離、並びに光学的構成、又は他のセンサ値等の追加情報は、メタデータとして記憶できる。後処理は、異なるモダリティのデータのマッチングを可能にする。
いくつかの臨床及び手術の設定においては、上記イメージングモダリティのうち1つにより提供される情報で十分である。しかし、他の場合では、上記イメージングモダリティの少なくとも2つは必要である。それらを1つのデバイスにおいて統合することで、ユーザは必要な時に装置の周りを動き回らずに、このモダリティのスイッチを入れられる。
各モダリティは少なくとも部分的にデジタル処理を含むため、詳細なデバイス使用統計を取得、及び記録できる。これは、デバイス及びそのモダリティの使用に基づくビジネス及び請求モデルを可能にする。記録できるパラメータには、使用されたモダリティ、使用時間、記録した画像又はビデオの量、又は具体的な患者や操作者に関する情報、又はシステムのアルゴリズムにより実行された解析の量が含まれる。一般的なワークフローは、以下のように見える。
1. デバイスの起動又はレジューム
2. 患者情報の入力及び任意的には操作者の選択
3. 一次モダリティの選択及びイメージングセッションの開始
4. モダリティの操作、任意的にはモダリティから取得する情報の記録
5. 任意的には他のモダリティの追加
6. イメージングセッションの完了
Claims (10)
- 灌流評価マルチモダリティ光学医用デバイスであって、
身体の関心領域をイメージするように構成されている白色光画像センサ及び光学システムと、
前記身体の関心領域を760〜810nmの波長で照明するためのコヒーレント光源と、
前記照明されている身体の関心領域の少なくとも一部からの、照明波長付近における後方散乱光の変動を検出するOCI画像センサと、
前記照明されている身体の関心領域の少なくとも一部からの、照明波長より長い波長の蛍光信号を検出する蛍光画像センサと、
前記モダリティからの結果を表示するスクリーンを含み、
前記白色光画像センサ及び光学システム、前記コヒーレント光源、前記OCI画像センサ、前記蛍光画像センサ、及び前記スクリーンは1つの可動ユニットに含まれ、
前記可動ユニットはさらにLDI又はLSIアルゴリズムを使用して前記OCI画像センサから灌流マップを算出する処理部と、
異なるモダリティからのデータを比較することにより、前記データの信頼性情報を計算する一般処理部を含み、
前記比較は、OCIマップと蛍光マップを比較することを含み、
前記白色光画像センサと、前記OCI画像センサと、前記蛍光画像センサは、少なくとも部分的に共通の光学パスを使用することを含むデバイス。 - 前記OCI画像センサと前記蛍光画像センサは、1つの画像センサである、請求項1に記載のデバイス。
- 前記白色光画像センサは、身体の関心領域が少なくとも1.5倍拡大で表示できるように構成されている、請求項1又は2に記載のデバイス。
- 患者に対するデバイスヘッドの位置及び方向を検出するための検出手段をさらに含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のデバイス。
- 現在視覚化されている身体領域に関する、記憶されている画像及び/又はメタデータをレンダリング及び表示する処理部をさらに含む、請求項4に記載のデバイス。
- 前記一般処理部は、異なるモダリティからのデータを比較することにより、微小血管灌流を大きい血管から分離する、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記一般処理部は、少なくとも2つのモダリティからオーバレイ画像を生成する、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記白色光画像のための自動フォーカスシステムをさらに含み、フォーカス点は、ユーザの目によりフォーカスされるスクリーン上の点の位置を突きとめることにより自動的に検出される、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のデバイス。
- 音声を記録及び解析し、音声コマンドを認識するマイク及び処理部をさらに含み、前記コマンドは前記デバイスを制御するために使用される、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のデバイス。
- 少なくとも使用されたモダリティと使用時間を記憶する使用に基づく課金をさらに含み、この使用情報はインターネットを介して課金サーバに転送される、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のデバイス。
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