JP6140772B2 - 配列式近接場光高散乱材料の検出方法 - Google Patents
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Description
真皮層の体積は皮膚の総体積の90%以上を占め、また、皮膚に弾性及び支持機能を与える多くのコラーゲンを含有し、真皮層内の血管網が皮膚に必須栄養素を運び且つ皮膚の温度を維持させる。皮膚は毛嚢及び汗腺を備える各種の構造を有する。皮膚の真皮層の細胞組織内のコラーゲン濃度、ヘモグロビン濃度、血中酸素濃度、及び含水量等の各種の物質の含有量は皮膚の機能及び外見に影響を与える。皮膚が老化したり痣が発生すると、細胞組織を組成するコラーゲン含有量も変化する。また、皮膚の腫瘍や炎症が発生すると、血管分布密度及びヘモグロビン濃度が変化し、関連して水分含有量及び血中酸素濃度も変化する。
臨床においては、肉眼で直接観察するか、補助設備を利用して直接的または間接的に観察するが、細胞組織の堆積状況及び相関する物質の濃度との関係を完全に数値化する場合、医師は侵入式で組織サンプルを採取して精確に評価を下す必要がある。医師や病院内で使用される医療機密データに対しては、従来の多くの特許ではスペクトル法を用いて、非侵入式で数値化されたコラーゲン濃度及び他の各種生理データが即時に提供される。相関する研究としては特許文献1及び特許文献2等の技術があり、ここでは、1次元の等間隔で配列される光ファイバーを入力光源として運用し、入射光が受光光ファイバーまで伝達される異なる伝達距離での伝達の損耗が測定される。伝達の損耗及び皮膚内の物質の吸収と光の散乱には関連性があり、このため個別の皮膚内の物質の濃度を提供し、医師及び患者がより客観的により早く皮膚の患部の変化を知ることを可能にする。
皮膚の病理或いは腫瘍の病理は早期発見こそが最良の治療効果を得るために重要であり、よって皮膚の映像測定では全身の皮膚を走査して映像化して検査を行うか、複数のカメラを使用して立体映像化して検査を行う。識別能力を増強するため、異なる照射光を使用して映像の識別度を向上させたり、偏光選択方式により識別度を向上させる。小さな領域の細部の映像化では、共焦点顕微走査による映像化、蛍光走査による映像化、偏光選択による映像化、或いは高スペクトル走査による映像化等の方式等は共に高解析度のスペクトル分解能を獲得できる。これらの多くは可視光ないしは赤外線を入力光源として運用し、前述の方法による映像化の深度は、組織構造の複雑さが深層組織の映像化の解析度に影響を及ぼす。
1.大型の医療機器では占有する空間が大きく、病院にとっては高額な設置費用が掛かる。
2.即時映像検出では、特定の生理状況での皮膚の表層と深層との差異の変化を顕示させるが、検出に時間が掛かる。
3.スペクトル計測法では、臨床診断及び評価に関して、年齢別、性別別、部位別等の皮膚の大量のスペクトルデータ、及び臨床参照値を有する皮膚のスペクトルデータベースを収集し、さらに分析を行って皮膚内部のコラーゲン濃度等の統計データベースを取得し、各数値の計測の際の基準とする必要がある。
4.現代医療の現場では、シリカゲル、セラミック、或いはプラスチック等の人工物を人体に填入することがあり、填入物が深層の皮膚や筋肉等の深層構造の組織の病原となる場合がある。このほか、填入物自体が損壊したり構造が変異すると、機器を使用してさらに検査する必要が出てくる。
色彩色差計は検出部位の反射光信号をRGBの三原色に分けて組み合わせ、赤色及び黒色の比率をさらに分析し、黒色色素濃度及びヘモグロビン濃度の変化を推測する。但し、その演算法及び計測技術は簡略化されており、精確で安定的な結果が得られない。共焦点レーザー顕微鏡及び光干渉断層撮影では皮膚の映像及び構造を獲得できるが、但し皮膚の機能性に関するデータが直接取得できない。
例えば、特許文献3に記載されている技術では、ケロイド(Keloid)のコラーゲン分布及びヘモグロビン濃度を計算し、初期の成果は2012年に生体医学光学ジャーナル(Journal of Biomedical Optics,JBO)において発表された。また、2013年には対応する特許がアメリカで出願されている(出願番号:13/944、697)。前記技術で使用される特殊な光ファイバー検出器は、光源の光ファイバーの前端に高散乱特性を有する材料を設置させて光源を発散させ、光散乱理論に照らし合わせて測定物の光学性質を計算する。光散乱理論(photon diffusion theory)では計測された反射スペクトル転換を組織の光学パラメータとして、吸収係数(absorption coefficient(μa))、散乱係数(scattering coefficient(μs’))、且つこれら吸収及び散乱されたスペクトルから各生理パラメータを更に推定し、組織成分の数値化の目的を達成させる。現在この技術は多くの臨床研究に用いられており、乳房、脳、筋肉等の深層組織の光学性質の測定に利用され、疾病での診断に応用されている。
プラスチック、セラミック、金属粒堆積、ガラス或いは砂利堆積等の材料ないしは予め染料で染色するか金属顆粒が付着した材料に、追加の照射光がそれを組成する堆積材料に複数回散乱されて、その中を伝達して散乱されて反射されて進行する光に転換される。
入射光と配列式光学エネルギー読取装置との間の角度にも制限がなく、測定時に配列式光学エネルギー読取装置とサンプルとの間の間隔が近接場の光学範囲内であれば適用可能である。
図1は本発明に係る配列式近接場光学高散乱材料の検出方法に使用される設備及び前記材料内の断面状態図である。前記設備は入力光源10及び配列式光学エネルギー読取装置2を備え、入力光源10が入力光1を発光させる。入力光1は光学高散乱材料3のサンプルに対して入力され、これにより光学高散乱材料3のサンプルの検出を行う。入力光1は高散乱材料3内で自然に散乱反射され、散乱及び伝達により光学高散乱材料3中を進行する光11に転換される。
前記入力光1の発生形式はガス光源或いは半導体光源である。このほか、光学高散乱材料3に入力される前に、入力光1は前述の光源が透過式、反射式、ないしは光学伝達インターフェース導管等の光学部材により調整された後に出力される単一もしくは複合光源である。入力光1の光源形式及び光学調整の目的は、異なる光学高散乱材料3に適応させるためである。前記配列式光学エネルギー読取装置2は操作形式次第では光学高散乱材料3の複数の異なる位置での光エネルギー強度の読み取りが可能であり、前記異なる位置の数は本発明の実施形態では少なくとも20存在する。
前記配列式光学エネルギー読取装置2は光エネルギーを電荷信号に転換させるための配列式電荷結合光電変換素子及び映像化検出設備である。配列式光学エネルギー読取装置2は多チャンネル光結合素子(図示せず)を備え、光エネルギーを高散乱材料のサンプル表面の近接場の光学距離範囲から遠方場までの距離の範囲に伝達させる光結合光エネルギー取り出し装置及び映像化装置を備えてもよい。
光学高散乱材料3中の特定の構造を強調するため、光学高散乱材料3に対して予め染料による染色ないしは金属顆粒の付着等の方式で異なる深度領域の追加の光交互作用反応強度を強化させ、より多くのデータを有するデータ映像を獲得する。
配列式光学エネルギー読取装置2の光エネルギー入力端5により高散乱材料3の異なる位置を進行する光11と、埋め込まれた異なる散乱材料31の散乱光12と、埋め込まれた差異が大きい散乱材料32を進行する光13の光学エネルギーとが読み取られ、且つ2次元光強度分布データ映像が形成される。入力光1は光学高散乱材料3を進行する光11、埋め込まれた大きな異なる散乱材料31を進行する光13、或いは埋め込まれた異なる散乱材料31の散乱光12の伝達及び散乱経路は高散乱材料や表層領域に限定されず、よって光学高散乱材料3の状況の分析も高散乱材料の表層領域に限定されない。
配列式光学エネルギー読取装置2の光エネルギー入力端5により高散乱材料3の異なる位置の進行する光11、埋め込まれた異なる散乱材料の散乱光12、埋め込まれた蛍光散乱材料の散乱14、及び埋め込まれた蛍光散乱材料の蛍光15の光学エネルギーが読み取られ、且つ2次元光強度分布データ映像が形成される。使用される配列式近接場光学エネルギー読取装置2の計測は、個別の画素エネルギーユニットが複数の副画素ユニットで構成される複合ユニットを備え、異なる波長光にそれぞれ対応すると共に異なる光電変換反応を有し、もしくは取り出された光のスペクトルを分析する分析機能部材を有する。また、入力光1は受信する信号を固定させ、且つ非入射光源の波長光の信号反応強度を強化させて、蛍光或いはラマンスペクトル反応の計測を強化させる。
まず、入力光が高散乱材料に照射され、前記照射光が前記高散乱材料中で散乱反射、散乱、及び伝達される(工程101)。
続いて、前記高散乱材料の異なる位置の光学エネルギーが読み取られる(工程102)。
その後、これら前記光学エネルギーに基づいて2次元光強度分布データ映像が形成される(工程103)。
最後に、前記2次元光強度分布データ映像に基づいて前記高散乱材料の構成構造の分析を行う(工程104)。
2 配列式光学エネルギー読取装置
3 光学高散乱材料
5 光エネルギー入力端
6 拡散反射検出ヘッドモジュール
10 入力光源
11 進行する光
12 散乱光
13 進行する光
14 散乱
15 蛍光
16 傾斜入射光
21 配列式光学エネルギー読取装置
22 配列式光学エネルギー読取装置
31 異なる散乱材料
32 差異が大きい散乱材料
33 蛍光散乱材料
34 非平面高散乱材料
41 接続線
42 外掛け制御装置
43 検出ヘッドモジュール
44 検出ヘッドモジュール
161 入射傾斜角度
Claims (9)
- 光エネルギーを高散乱材料のサンプル表面の近接場の光学距離範囲から遠方場までの距離の範囲に伝達させるように、高散乱材料へ向けて入力光を照射する入力光源と、光エネルギー入力端である多チャンネル光結合素子、光結合光エネルギー取り出し装置及び映像化装置を備え、高散乱材料の異なる位置の光学エネルギーを読み取り可能な配列式光学エネルギー読取装置とを使用し、
前記入力光源から入力光が高散乱材料に照射され、前記入力光が前記高散乱材料で拡散反射、拡散、及び伝達される工程と、
前記配列式光学エネルギー読取装置により前記高散乱材料の異なる位置の光学エネルギーが読み取られる工程と、
2次元光強度分布データ映像に基づいて映像データ処理を行い、前記2次元光強度分布データ映像を分析し、前記高散乱材料の内部構成構造の変化を分析し、これにより前記高散乱材料の内部構成構造のデータを獲得するため、前記配列式光学エネルギー読取装置によりこれら前記光学エネルギーに基づいて2次元光強度分布データ映像が形成される工程と、を含み、
前記映像データ処理は、異なる測定、設定で獲得した映像間の加減乗除、フーリエ変換の演算処理、特定の空間の周波数信号をフィルタリング演算処理、突出した特定の空間の周波数信号を増強させる演算処理、或いは特定の幾何学的特徴のフィルタリング演算処理の内の何れか1つの工程と、を含むことを特徴とする、
配列式近接場光高散乱材料の検出方法。 - 前記入力光は光学部材による調整を経た後に出力されるX線光源、ガス光源、半導体光源、レーザー光源等の単一の光源であるか、或いは前記光学部材により1つ以上の前記単一の光源が組み合わされて調整された後に出力される複合光源であり、前記光学部材は透過式光学部材、反射式光学部材或いは光学伝達インターフェース導管の何れか1つであることを特徴とする、請求項1記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記高散乱材料での異なる位置の光学エネルギーが読み取られる工程は、前記高散乱材料での1次元配列の等間隔の異なる位置の光学エネルギーが読み取られる工程と、前記高散乱材料での1次元配列の等間隔の少なくとも20の異なる位置の光学エネルギーが読み取られる工程とを更に含むことを特徴とする、請求項1記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記2次元光強度分布データ映像に基づいて、映像スペクトル反応データを獲得し、入射光の信号をフィルタリングし、非入射光源の波長の信号反応強度を強化し、前記高散乱材料或いは前記高散乱材料の深層領域の蛍光反応ないしはラマンスペクトル反応の分析を行うように映像データ処理を行って前記高散乱材料の構成構造を分析することを特徴とする、請求項1記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記入射光の伝達及び拡散経路は前記高散乱材料或いは前記高散乱材料にある表層領域の外の領域を含み、且つ前記高散乱材料の構成構造の分析は前記高散乱材料の表層領域の外の領域を含むことを特徴とする、請求項4記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記高散乱材料は予め染料による染色ないしは金属顆粒付着方式により異なる深度領域の追加の光交互作用反応強度を強化させ、前記2次元光強度分布データ映像がより多くのデータを有するようにすることを特徴とする、請求項1記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記高散乱材料はプラスチック材料、セラミック材料、或いは堆積材料の何れか1つであることを特徴とする、請求項1記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記堆積材料は堆積或いは液体中に懸濁して形成される材料であり、且つガラス、砂利、プラスチック、金属粒、セラミック顆粒、他の化学物質が粘着されるガラスの内の何れか1つから任意で選択されることを特徴とする、請求項7記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
- 前記堆積材料は平面以外の曲面或いは不規則な形状を有し、複数の人工材料を含み、且つこれら前記人工材料はガラス、砂利、プラスチック、金属粒、及びセラミック顆粒の何れか1つから任意で選択されて堆積して完成することを特徴とする、請求項7記載の配列式近接場光高散乱材料の検出方法。
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