JP6233091B2 - 動体画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、医学、薬学、臨床、創薬、薬物動態、品質検査等の分野において、実験動物等の動く被写体を撮影し、その動きを検出する技術に関する。

創薬等の際に、マウス等の実験動物の体内に蛍光・発光物質でラベル化した目的物質を投与し、その目的物質が時間の経過と共にマウスの体内の目的部位に集積してゆく様子を観察するという実験が行われる。例えば、米国パーキンエルマー（PerkinElmer）社のIVIS（In vivo Imaging System）や株式会社島津製作所のClairvivo（登録商標） OPTなどの近赤外蛍光・発光画像撮影システムでは、「生体の窓」とも呼ばれる、生体を透過する波長域（700〜1500 nm）の近赤外光を利用し、実験動物体内の蛍光・発光物質の分布を測定する（非特許文献１）。
この際、ユーザーは、マウス等の実験動物の画像上で、臓器や組織などの測定対象としたい領域（関心領域＝Region of Interest, ROI）を指定することで、その領域への逐時的集積量等を測定する。

株式会社島津製作所「Clairvivo OPT plus, in vivo 光イメージング装置」,[平成25年10月21日検索],インターネット<URL: http://www.an.shimadzu.co.jp/bio/clairvivo/index-opt.htm> 「徹底研究！Kinectが3次元情報を抽出するしくみ」,トランジスタ技術2012年8月号（2012年8月1日）, p.62

正確な測定を行うためには、ユーザーは関心領域（ROI）をなるべく厳密に指定しなければならないが、実験動物等の被写体は麻酔を掛けられていても動く。このため従来は、ユーザーが画像上で、各画像毎に関心領域（ROI）を手動で描き直すことにより同一領域の指定を行うようにしていた。
しかし、1回の実験での撮影画像の数は、被写体数×十数〜数十時間点（枚）と多く、その関心領域（ROI）の指定がユーザーの大きな負担となっていた。

本発明が解決しようとする課題は、動きのある被写体上で関心領域（ROI）を自動的に指定することのできる方法及び装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る動体画像処理装置は、
a) 背景板に2次元のランダムな光点の集合であるランダムドットパターンを投影するランダムドットパターン投影手段と、
b) 前記背景板の画像を撮影する撮像手段と、
c) 前記背景板上に投影されたランダムドットパターンの画像と、該背景板及びその前方に置かれた被写体に投影された前記ランダムドットパターンの画像に基づき、前記被写体の位置を検出する被写体位置検出手段と、
d) 前記被写体の所定部位をユーザーに設定させる設定手段と、
e) 前記被写体の位置の変化に基づき、前記ユーザーが設定した前記所定部位の変化を検出する所定部位検出手段と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る動体画像処理装置では、被写体位置検出手段が、背景板（これはもちろん、スクリーン等の柔らかいものでも良い）にランダムドットパターンを投影し、撮影した画像と、その背景板の前方に実験動物等の被写体を置いて同様に撮影した画像に基づき、両画像のランダムドットパターンの差異から、被写体の位置を検出する。これには、次のようなパターンマッチング法を用いる（非特許文献２）。図１(a)に示すように、背景板１０の上方（前方）にランダムドットパターン投影機１１と撮像機１２を置き、まず、背景板１０上に何も置かずにランダムドットパターンを投影し、画像を撮影する（図１(b)）。次に、ランダムドットパターンを投影したまま、背景板１０の上方（前方）に板状の物体１３、１４を置いて画像を撮影する（図１(c)）。すると、後者の画像では物体１３、１４の表面に投影されたランダムドットパターンの各点の位置がずれる。このランダムドットパターンがずれた領域を検出することにより、物体１３、１４の背景板１０上の平面的位置を決定することができる。また、物体１３、１４の背景板１０からの距離h1、h2によってもランダムドットパターンのずれの程度が異なるため、結局、両画像のランダムドットパターンの差異を検出することにより、物体１３、１４（被写体）の3次元的位置を決定することができる。これにより、物体１３、１４の動きも検出することができる。

ランダムドットパターンのずれは、全体の画像を小分けした部分画像毎に、変化する前後のランダムドットパターンの画像の自己相関係数を計算することにより求めることができる。すなわち、部分画像を少しずつずらせ、また、拡大してゆき、自己相関係数が最大となる位置及び拡大率のところとして、物体（被写体）の表面の位置を決定する。

このように被写体の位置又は動きが決定されると、その被写体の所定の部位についても、同様に位置及び変化を決定することができる。

ここで、被写体から放出される蛍光・発光等（これらを測定光と呼ぶ）を測定している場合には、前記ランダムドットパターンの光の波長は、その測定光とは異なる波長としておくことが望ましい。もちろん、短時間で両者の撮影を切り替える等の工夫により、同一波長の光を用いることも可能である。

本発明に係る動体画像処理装置では、被写体の所定の部位の変化を自動的に検出することができる。このため、ユーザーが、最初に被写体上に関心領域（ROI）を指定しておくことにより、動体画像処理装置がその後の各画像において、被写体の動きに伴い変化した関心領域（ROI）をそれぞれ自動的に決定してくれる。そのため、ユーザーは一つ一つの画像において関心領域（ROI）を指定する必要がなく、被写体数や実験時間が多い場合にその負担が大きく軽減される。

ランダムドットパターンを用いたパターンマッチング法により被写体の位置を検出する方法の説明図であり、(a)は装置構成を示す側面図、(b)は背景板上のランダムドットパターンの画像、(c)は背景板の前方に物体を置いた場合のランダムドットパターンの画像。 本発明の一実施形態であるマウス上の関心領域へのマーカー集積状況を測定するための装置の概略構成図。 同装置の制御部の機能の概略構成図。 同装置によるマウス上の関心領域へのマーカー集積状況を測定するための手順のフローチャート。 同装置により逐次取得されるランダムドットパターンと関心領域の変化を示す説明図。

本発明の一実施形態として、マウスを使った、所定の薬剤の肝臓への集積の様子を、ルシフェリンをマーカーとして用いて測定する方法について説明する。使用する装置は図２に示すように、マウス２０を載置する載置台２１と、該載置台２１上に載置されたマウス２０の体内のマーカーからの近赤外光を検出する近赤外光カメラ２２と、載置台２１にランダムドットパターンを投影するランダムドットパターン投影機２３と、該ランダムドットパターンを撮影するランダムドットパターン撮影機２４と、それらの機器を制御するとともに、近赤外光像やランダムドットパターン像を解析する機能を有する制御装置２５から構成される。

ランダムドットパターン投影機２３が投影するランダムドットパターンの光は、マーカーの測定光である（すなわち、近赤外光カメラ２２が検出する）近赤外光とは異なる波長の光としておく。ユーザーも被写体上のランダムドットパターンの変化を視認しておきたい場合には、可視光とするのがよいが、被写体のみの画像も必要とされる場合には、ランダムドットパターンの光は可視域を外すか、可視光での投影と非投影を短時間で切り替えるという方法をとることが望ましい。

制御装置２５は、パーソナルコンピュータに、それらの機能を有するソフトウェアをインストールしたものである。具体的には、図３に示すように、ランダムドットパターン（RDP）投影機２３に制御信号を送り、ランダムドットパターン（RDP）撮影機２４からの画像信号を受け、ランダムドットパターン（RDP）の解析を行うRDP解析部３０、その解析結果に基づき、被写体であるマウス２０の所定部位（関心領域ROI）の変化を検出するROI検出部３１、近赤外光カメラ２２からの画像とROI検出部３１による検出結果に基づき、マーカーの集積状況を測定するマーカー測定部３２等の機能部から構成される。

次に、この装置を用いた測定方法の流れを図４に沿って説明する。まず、ランダムドットパターン投影機２３により載置台２１上にランダムドットパターンを投影し、ランダムドットパターン撮影機２４でその画像を撮影する（ステップS10）。この画像を模式的に図５(a)に示す。次に、載置台２１上に、薬剤を投与したばかりのマウス２０を載置し（或いは、マウス２０を載置した後、そこで薬剤を投与し）、最初の撮影を行う（ステップS11）。この画像を模式的に図５(b1)に示す。この両画像（図５(a)及び図５(b1)）をパターンマッチングで比較することにより、位置が異なるドット（差ドット）を検出する。これを図５(b2)に濃い色のドットで表す。この差ドットにより、被写体であるマウス２０の輪郭を決定することができ、各ドットの変化量により、マウス表面の立体形状を決定することができる（ステップS12）。

なお、被写体であるマウス２０に対するランダムドットの各点の大きさ及び間隔は、実際にはこれらよりもずっと小さく、マウス２０の輪郭及び厚さ（載置台２１面からマウス２０の手前側（図２では上側）表面までの高さ）を十分細かい精度で検出することができる程度となっている。

そして、制御装置２５の画面上にマウス２０の画像を表示し、ユーザーに、関心領域（ROI）を指定させる（ステップS13）。ユーザーは、マウスやスタイラスペン等の入力装置を用いて、マウス２０の体表の一部に閉境界線を描き、関心領域（ROI）を指定する。指定された関心領域（ROI）の形状を図５(b3)に示す。

その後、所定の時間が経過し、測定すべき時刻（所定時刻）に至ると（ステップS14-Yes）、ランダムドットパターンが投影されたマウス２０の画像を撮影する（ステップS15、図５(c1)）。なお、撮影は、予め定めたプログラムによって自動的に行ってもよいし、ユーザーが手動で行ってもよい。このとき、マウス２０は麻酔を掛けられていても動いている可能性がある。マウス２０が動くと、その体表上のランダムドットパターンは変化し、また、体表にあった一部のドットは載置台２０上に戻る。図５(c2)において、薄い色のドットがマウス２０の体表上で変化したドットを示し、中間色のドットが載置台２０上（初期状態）に戻ったドットを示す。これらのドットを解析することにより、被写体であるマウス２０の位置の変化を検出することができる。そして、マウス２０の位置の変化よりその画像上の関心領域（ROI）の変化を検出し、現時点での関心領域（ROI）を決定することができる（ステップS16、図５(c3)）。図５(d1)はマウス２０が更に動いた場合の画像を示し、(d2)及び(d3)はその際のドットの変化及び関心領域（ROI）の位置を示す。なお、図１により説明したとおり、ランダムドットパターンの変化により、そのパターンが投影されている被写体の3次元的位置の変化を観察することができる。従って、関心領域（ROI）についても、そのランダムドットパターン撮影機２４に対する傾斜等を加味した位置変化を得ることができる。

現時点での関心領域（ROI）が決定されると、マーカー測定部３２は、近赤外光カメラ２２からの画像のうち、その関心領域（ROI）内から来る近赤外光（NIR）の量を積算する（ステップS17）。これにより、各時点における薬剤の集積状況を測定することができる。なお、積算は1枚の画像毎に行うばかりではなく、露光時間を調整して撮影した複数の画像を合わせて積算するようにしてもよい。
これら一連の測定は、予定した時間が経過し、或いは予定した枚数が撮影された時点で終了する（ステップS18）。

上記実施形態では近赤外光カメラ２２とは別にランダムドットパターン撮影機２４を設置しているが、このように2つのカメラを設けることなく、近赤外光カメラ２２として2波長（又は広帯域）撮像カメラを使用し、光学フィルター（透過波長切換手段）で受光波長を分けてマーカー像（近赤外光像）とランダムドットパターン像（可視光像）を撮影するようにしてもよい。この場合、制御装置２５内に波長切換制御部を設け、これによりランダムドットパターン像の撮影とマーカー像の撮影を切り替えて上記のような処理を行うことができる。

１０…背景板
１１…ランダムドットパターン投影機
１２…撮像機
１３、１４…物体
２０…マウス
２１…載置台
２２…近赤外光カメラ
２３…ランダムドットパターン投影機
２４…ランダムドットパターン撮影機
２５…制御装置
３０…RDP解析部
３１…ROI検出部
３２…マーカー測定部

Claims (7)

1. a) 背景板に2次元のランダムな光点の集合であるランダムドットパターンを投影するランダムドットパターン投影手段と、
   b) 前記背景板の画像を撮影する撮像手段と、
   c) 前記背景板上に投影されたランダムドットパターンの画像と、該背景板及びその前方に置かれた被写体に投影された前記ランダムドットパターンの画像に基づき、前記被写体の位置を検出する被写体位置検出手段と、
   d) 前記被写体の所定部位をユーザーに設定させる設定手段と、
   e) 前記被写体の位置の変化に基づき、前記ユーザーが設定した前記所定部位の変化を検出する所定部位検出手段と
   を備えることを特徴とする動体画像処理装置。
2. 更に、
   f) 前記被写体から発せられる測定光の画像を撮影する測定光撮影手段と、
   g) 前記測定光の画像から前記所定部位内の測定光を抽出する抽出手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の動体画像処理装置。
3. 更に、
   h) 前記撮像手段の前に配置された、前記ランダムドットパターンの光と前記被写体から発せられる測定光のいずれかを前記撮像手段に透過させる透過波長切換手段と、
   i) 透過波長切換手段により透過波長を切り替える波長切換制御手段と、
   j) 前記波長切換制御手段を用いることにより、前記測定光の画像から前記所定部位内の測定光を抽出する抽出手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の動体画像処理装置。
4. 更に、
   k) 前記所定部位の変化を検出した後に、変化した前記所定部位を表示する表示手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の動体画像処理装置。
5. a) 背景板に2次元のランダムな光点の集合であるランダムドットパターンを投影し、第１画像を撮影するステップと、
   b) 該背景板の前方に被写体を置き、前記ランダムドットパターンが投影された第２画像を撮影するステップと、
   c) 前記第１画像及び前記第２画像に基づき、前記被写体の位置を検出するステップと、
   d) 前記被写体の所定部位をユーザーに設定させるステップと、
   e) 前記被写体の位置の変化に基づき、前記ユーザーが設定した前記所定部位の変化を検出するステップと
   を含むことを特徴とする動体画像処理方法。
6. 更に、
   f) 前記被写体から発せられる測定光の画像を撮影するステップと、
   g) 前記測定光の画像から前記所定部位内の測定光を抽出するステップと
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の動体画像処理方法。
7. 更に、
   h) 前記所定部位の変化を検出した後に、変化した前記所定部位を表示するステップ
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の動体画像処理方法。

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