JPH07163571A - 種々異なる波長の光による組織検査装置 - Google Patents
種々異なる波長の光による組織検査装置Info
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Abstract
組織成分についての知識を得ることができるようにす
る。 【構成】 種々異なる所定の波長の光を少なくとも実質
的に同時に照射するための手段と、光の検出手段と、評
価手段とが設けられており、前記照射手段は、すべての
波長の光に対して少なくとも実質的に同じ光出射ゾーン
を有しており、前記光の検出手段は、光出射ゾーンに対
向する光入射ゾーンを有しており、検出された光におけ
る種々異なる所定の波長の光成分のそれぞれの強度に相
応する信号を送出し、前記評価手段には前記検出手段の
信号が供給され、該評価手段は、記憶されたデータに基
づき、前記信号から種々異なる組織成分の濃度について
のデータを検出し、前記記憶されたデータは、多くても
種々異なる所定の波長の数に相応する数の種々異なる組
織成分の濃度を種々異なる所定の波長の光ごとに記憶し
たものである。
Description
より組織を検査する装置に関する。
たは赤外線により動作することができる。可視光線の波
長は380nmから780nmの間であり、近赤外線の
波長は780nmから1.5μmの間であり、赤外線の
波長は1.5μmから1mmの間である。冒頭に述べた
形式の装置に対しては600nmから1.2μmの波長
領域がとくに適する。
乱およびスペクトル特性は光を照射することにより検出
される。したがって例えば乳房に光を照射し、これから
出射する光を検知し、このようにして得られた情報を適
切に評価することによって、乳ガン診断の際に組織変化
を検出することができる。公知の装置は被検組織の異質
部を検出できるだけである。被検組織、例えば異質部の
種類に関する知識は測定結果からは導き出すことができ
ない。
に述べた形式の装置をそれぞれの被検領域に関してそこ
に存在する組織成分についての知識を得ることができる
ように構成することである。
り、種々異なる所定の波長の光を少なくとも実質的に同
時に照射するための手段と、光の検出手段と、評価手段
とが設けられており、前記照射手段は、すべての波長の
光に対して少なくとも実質的に同じ光出射ゾーンを有し
ており、前記光の検出手段は、光出射ゾーンに対向する
光入射ゾーンを有しており、検出された光における種々
異なる所定の波長の光成分のそれぞれの強度に相応する
信号を送出し、前記評価手段には前記検出手段の信号が
供給され、該評価手段は、記憶されたデータに基づき、
前記信号から種々異なる組織成分の濃度についてのデー
タを検出し、前記記憶されたデータは、多くても種々異
なる所定の波長の数に相応する数の種々異なる組織成分
の濃度を種々異なる所定の波長の光ごとに記憶したもの
であるように構成して解決される。
成分を検出し、所定の種々異なる波長ごとに、照射され
た光の被検組織通過成分の強度に相応する信号を送出す
る。光は照射手段により被検組織に照射される。前記の
信号に基づいて評価手段は、被検組織の種々異なる組織
成分の濃度に相応するデータを検出する。本発明の装置
により、検出手段から送出された信号の評価の際に、種
々異なる組織成分の吸収に関するデータを検査に使用さ
れる波長の光に対して使用することができ、組織成分の
濃度、有利には相対濃度に関する予測を組織成分につい
てのデータを使用して種々異なる組織領域で行うことが
できる。種々異なる組織成分の吸収に相応するデータは
必ずしも吸収自体を表すデータである必要はない。その
ようなデータの代わりに、種々異なる波長ごとの組織成
分の透過率または減光率を表すデータを使用することが
できる。
いて種々異なる組織成分の相対濃度を評価する。
々異なる波長、I(λi)はそれぞれの波長の検出光の
強度、IO(λi)は被検体ないし被検組織に照射される
それぞれの波長の光強度、dは照射される組織領域の厚
さであり、υ(υ=1,..L)は種々異なる組織成分
を表し、Kυ(0≦Kυ≦1)はそれぞれの組織成分の
相対濃度、αυ(λi)は波長λiにおけるそれぞれの組
織成分の減光率、A(λi)はそれぞれの波長λiにおけ
る被検組織の吸収である。
できるようにするため、有利な実施例では走査手段が設
けられており、これにより走査運動の際に光出射ゾーン
が拡大される。この場合評価手段は、種々異なる組織成
分の相対濃度を次式を用いて光出射ゾーンの位置関数と
して検出する。
意味を有し、xk(k=1,..M)は走査運動中の光
出射ゾーンのそれぞれの位置、I(λi、xk)は光出射
ゾーンのそれぞれの位置に対するそれぞれの波長の検出
光の強度、Kυ(xk)は光出射ゾーンのそれぞれの位
置に対するそれぞれの組織成分の相対濃度である。
して動作するならば、強度IO(λi)が既知であり、時
間的に一定であることが前提である。そのため相応の較
正測定の精度、照射手段の光源の安定性並びに被検組織
に光学的に入力結合ないし被検組織から出力結合される
光の安定性に高い要求が課せられる。これらの要求を緩
和するため本発明のとくに有利な実施例では、走査運動
が行われる場合に対して、評価手段が種々異なる組織成
分ごとに、光入射ゾーンの順次連続する位置間での相対
濃度の変化を次式を用いて検出する。
同じ意味を有し、ΔKυ(k)は光出射ゾーンの位置k
とk+1間で、それぞれの組織成分ごとに発生する相対
濃度の変化に相応する。
に対して対数がとられる。これにより評価手段の簡単化
ないし評価手段により費やされる計算コストの低減が達
成される。というのは、順次連続する2つの光出射ゾー
ン間(光出射ゾーンの位置を以下、走査位置と称する)
で発生する吸収変化は隣接する走査位置に所属する強度
の簡単な減算により求めることができるからである。
長の少なくとも1つが組織成分のうちの2つのイソベス
ト(isobestisch)点の波長に相応するよう
に選択される。イソベスト点において2つの組織成分は
同じ吸収係数を有するから、波長を相応に選択した場
合、吸収は2つの組織成分の比に相互に依存しない。こ
のことにより、式(1)から式(3)により表される線
形方程式を濃度ないし濃度変化の検出のために評価手段
が解く際に容易になる。その際評価手段は、マトリクス
反転法または最小2乗法に従って動作する。
る。
の装置は例えば乳ガン診断に使用することができる。こ
の装置は複数の光源l1〜lnを有し、これらの光源から
それぞれ別の波長λ1〜λnのコヒーレント光が出力され
る。光源l1〜lnの各々は半導体レーザダイオードとそ
れぞれ所属の電流源を有する。これは図2に示されてい
る。図2は半導体レーザダイオード24nと電流源25n
を有する光源lnを示す。各光源l1〜lnには電気信号
発生器21〜2nが配属されている。電気信号発生器はそ
れぞれの光源l1〜lnに含まれる電流源に固定周波数の
交流信号を供給する。この信号によってそれぞれの光源
l1〜lnに含まれる半導体レーザダイオードの供給電流
が変調される。各信号発生器21〜2nはそれぞれ別の周
波数f1〜fnの交流信号を形成する。レーザダイオード
から送出される光の振幅ないし強度はその供給電流の電
流強度に実質的に比例するから、光源l1〜lnはそれぞ
れ異なる波長λ1〜λnの光を送出し、この光はそれぞれ
異なる変調周波数f1〜fnにより振幅変調される。光源
l1〜lnから送出される光は光導波体31〜3nを介して
光導波体−ファン−イン−カプラ4に供給される。この
カプラはn個の入力側と1つの出力側を有し、入力側に
はそれぞれ1つの光導波体31〜3nが接続されており、
出力側には光導波体5が接続されている。光導波体5の
自由端部は装置の光出射ゾーンを形成する。この光導波
体5を介して生体被検対象6、すなわち患者の身体領
域、例えば乳房に測定光信号が供給される。
出される光を光導波体−ファン−イン−カプラ4を用い
て重畳することにより得られる。光源l1〜lnの光は被
検体に同時にかつ同じ個所で供給される。しかし光源l
1〜lnの光は被検体に少なくとも実質的に同時に供給さ
れれば十分である。すなわち、光源l1〜lnの光はそれ
ぞれ通過する組織に測定結果に影響を及ぼし得るような
変化が生じないよう急速に順次連続して照射される。ま
た光源l1〜lnの光を被検体6に少なくとも実質的に同
じ個所で供給することができる。したがって例えば、光
導波体−ファン−イン−カプラ4を省略して代わりに光
ファイバケーブルを使用することもできる。この光ファ
イバケーブルの一方の端部は光出射ゾーンを形成し、他
方の端部はそれぞれ同数の光ファイバが各光源l1〜ln
に導かれるように構成される。
きるだけ密接して存在しなければならない。光出射ゾー
ンに対向して被検体6の反対側にはフォトマルチプライ
ヤ7の形態の検出手段が配置されている。このフォトマ
ルチプライヤは装置の光入射ゾーンを形成し、この入射
ゾーンには光出射ゾーンに対向して被検体6から出た光
測定信号の伝達成分が入射する。フォトマルチプライヤ
7は光測定信号の伝達成分を電気信号に変換する。この
電気信号の時間的経過は、この電気信号が受信光の振幅
包絡曲線に相応するかぎり、受信光の強度の時間的経過
を表す。光出射ゾーンもまた被検体6の表面に密に配置
されている。被検体は扁平で相互に平行に延在する圧縮
板19と20の間に、これが実質的に一定の厚さdを有
するように配置されている。圧縮板は光測定信号に対し
て実質的に透明である。
互に、被検体が存在しない際には光出射ゾーンから出た
光が光入射ゾーンの中心に入射するように配置されてい
る。
源l1〜lnの数に相応する数のバンドパスフィルタ81
〜8nに供給される。このバンドパスフィルタの中心周
波数f1〜fnはできるだけ正確に変調周波数f1〜fnに
相応するようにする。したがってバンドパスフィルタ8
1〜8nの出力側には電気信号が発生し、この電気信号は
光源l1〜lnから発した波長λ1〜λnの光成分の強度を
光測定信号の被検体6により伝達され検出された成分に
ついて表す。
ドパスフィルタ81〜8nは検出手段を形成する。これら
の電気信号はそれぞれ信号処理回路91〜9nに達し、こ
こでそれぞれの検査例に適合した信号処理が例えば整
流、平滑化または積分により行われる。信号処理回路9
1〜9nの出力信号はn:1アナログマルチプレクサ10
に供給される。このマルチプレクサの出力側はアナログ
/ディジタル変換器11の入力側と接続されている。ア
ナログ/ディジタル変換器11のディジタル出力データ
は電子計算装置12の形態の評価手段に達する。この電
子計算装置には装置操作のためのキーボード13とモニ
タ14の形態の表示装置が接続されている。
リ26を有する。メモリには種々異なる複数の組織成分
(例えば筋肉組織、腺組織等。水分、血液および脂肪も
本実施例では組織成分にとしてあてはまる)ごとに吸収
に相応するデータ(例えばそれぞれの吸収係数αυ(λ
i))が種々異なる波長λ1〜λnに対して記憶されてい
る。水分および女性乳腺組織に対しては吸収スペクトル
(波長λについての吸収A)が図3と図4に概略的に示
されている。メモリ26での前記データの記憶は例えば
関数テーブルの形で行うことができる。種々異なる組織
成分の数はせいぜい種々異なる波長λ1〜λnの数と同じ
である。
て、電子計算装置12は、データがメモリ26に記憶さ
れている被検組織の組織成分の濃度、例えば相対濃度に
ついてのデータを検出する。
タを収集することができるようにするため、キャリッジ
15の形態の走査手段が光導波体15およびフォトマル
チプライヤ7に対して設けられている。キャリッジ15
は調整ユニット16によって、装置の光出射ゾーン(お
よびひいては照射位置)と光入射ゾーンとが走査運動の
形式に応じて被検体6に対して相対的に配列されるよう
に調整される。調整ユニットは電子計算装置12により
制御される。有利には走査運動は連続的に行われるので
はなく、多数の離散的な走査位置が順次走査されるよう
に行われる。例えば走査運動中に、256の走査位置に
対してデータを収集することができる。これらの走査位
置はマトリクス状にそれぞれ16の行と列に配列され、
列方向および行方向にそれぞれ同じ間隔を相互に有す
る。その際走査運動は有利には歩進的にミアンダ状の運
動で行われる。これは図5に×印でマークされた64の
走査位置x1〜x64により概略的に示されている。
なる組織成分の濃度についてのデータを検出するかは、
装置の3つの動作形式のうちのどれがキーボード13に
より選択されたかに依存する。
対してだけデータが検出される。この第1の動作形式は
それぞれの検査例の必要性に応じてキーボード13の適
切な操作によって開始することができる。
々異なる組織成分の相対濃度を次式を用いて検出する。
なる所定の波長、I(λi)はそれぞれの波長の検出光
の強度、IO(λi)は被検体ないし被検組織に照射され
るそれぞれの波長の光強度、dは照射される組織領域の
厚さであり、υ(υ=1,..L)は種々異なる組織成
分を表し、Kυ(0≦Kυ≦1)はそれぞれの組織成分
の相対濃度、αυ(λi)は波長λiにおけるそれぞれの
組織成分の減光率、A(λi)はそれぞれの波長λiにお
ける被検組織の吸収である。
分の相対濃度についてのデータはモニタ14に有利には
数値で表示される。
が実行される。その際に収集されたデータから電子計算
装置12は個々の走査位置x1〜xkに対して、種々異な
る組織成分の相対濃度を次式を用いて検出する。
意味を有し、xk(k=1,..M)は走査運動中のそ
れぞれの離散的走査位置、I(λi、xk)はそれぞれの
走査位置に対するそれぞれの波長に対する検出された光
の強度、Kυ(xk)はそれぞれの走査位置に対するそ
れぞれの組織成分の相対濃度である。
成分の相対濃度についてのデータはモニタ14に有利に
はグラフで表示される。これは例えば次のようにして行
うことができる。すなわち種々異なる組織成分に種々異
なる色を、種々異なる相対濃度にそれぞれの色の種々異
なる明度を配属し、相対濃度のグラフィック表示がその
配列の点で走査位置の配列に相応するようにするのであ
る。このようにして相対濃度のグラフィック表示を複数
の組織成分に対して同時に行うことができる。その際、
複数の“画像”を同時にモニタ14に表示することがで
きる。しかし相対濃度を種々異なる組織成分の1つに対
してだけ表示することもできる。この場合、1つの比較
的に大きな“画像”だけがモニタ14に表示される。こ
のようにして得られた画像に基づいて、異質部、例えば
腫瘍Tの存在を識別し、異質部の位置を確定することが
できる。
は種々異なる組織成分の相対濃度を個々の走査位置に対
して検出することはしない。その代りに、種々異なる組
織成分に対する相対濃度変化を検出する。この相対濃度
変化は順次連続する、したがって隣接する走査位置間に
発生するものである。これは次式を用いて行う。
同じ意味を有し、ΔKυ(k)は走査位置kとk+1間
で発生する相対濃度の変化に相応する。このようにして
検出されたデータのモニタ14上の表示は有利には第2
の動作形式に関連して説明したように行う。ただ種々異
なる相対濃度ではなく、相対濃度の変化が種々異なる明
度値に配属される点で異なる。
機能の基礎となる関連を示す。
の組織成分AとBからなり、したがって隣接する走査位
置間の相対濃度変化を検出するためには2つの波長λ1
とλ2の光による照射で十分である。
い組織成分である。したがって αA(λ1)=αA(λ2)=α が成り立つ。
方向では組織成分Aの相対濃度が線形に減少し、一方組
織成分の相対濃度は線形に増加するように作製されてい
る。
動により、左から右へ経過する走査運動に対して横方向
に走査されると、第1の波長λ1についての吸収変化に
対して ΔA(λ1,x)=0 が得られる。なぜなら波長λ1はイソベスト点の波長に
相応するからである。
(走査方向による)。
線形の減少である。
(3)の解によっては決定されない。
の吸収変化の代わりにただ1つの走査位置に対して吸収
を測定した場合に初めて可能となる。この場合は式
(2)の解行列に定数aとbも決定されることとなる。
る。前に説明した実施例との相違点は、波長λ1〜λnの
少なくとも1つが組織成分の2つのイソベスト点の波長
に相応するように選択されていることである。イソベス
ト点のデータについてはメモリ26に記憶されている。
相応する組織成分相互の比は測定された吸収ないし測定
された吸収変化に影響を及ぼさないから、電子計算装置
12に対する計算コストが低減される。
ルチプレクサ10との間に対数形成器171〜17nが接
続されていることである。その他にスイッチ181〜1
8nが設けられており、これにより対数形成器171〜1
7nを迂回することができる。
た第1、第2または第3の動作形式で動作するとき、電
子計算装置12はスイッチ181〜18nを対数形成器1
71〜17nが迂回されるように操作する。図7の装置は
すでに説明した3つの動作形式に関しては前に説明した
装置の機能と相違しない。しかし図7の装置は第4の動
作形式で作動させることができる。この第4の動作形式
は第3の動作形式に相応するが、スイッチ181〜18n
が電子計算装置12によって対数形成器171〜17nが
信号路に存在するよう図示しない仕方で操作される。こ
の場合、隣接する2つの走査点間の吸収変化は相応する
対数信号の減算により容易に求めることができる。その
ため、電子計算装置12によって費やされる計算コスト
がさらに低減される。
ヤ7は被検体6から出射した光を直接受光するように配
置される。しかし図示のようにではなく、被検体6から
出射した光を、フォトマルチプライヤの代わりに支持体
15に設けられた、例えばファイバオプチカル光導波体
または光導波体ケーブルを用いて受光し、フォトマルチ
プライヤに供給することもできる。
りにフォトダイオードまたはCCDを有することもでき
る。
EDディスプレイ,LCDディスプレイまたはプラズマ
ディスプレイを設けることができる。
照射手段は、実施例では光源11〜1n、信号発生器21
〜2n、光導波体31〜3n、光導波体ファンインカプラ
4および光導波体5によって構成したが、例えば光源1
1〜1nの光の照射を同時に同じ個所でミラー装置を用い
て行うこともできる。
い。走査手段の別の構成および前記の走査運動とは異な
る走査運動も可能である。
縮板19、20の間に配置される場合は、被検体6に実
質的に一定の厚さが得られる。この種の被検体の圧縮が
できない場合は、被検体の変化する厚さdを測定検出
し、相応する信号を計算装置12に供給することもでき
る。相応の手段は当業者には容易である。
in vitroで測定することにより得ることができる。例え
ば純粋な脂肪組織スペクトル、純粋な腺組織スペクト
ル、純粋な血液スペクトル等を記録することができる。
作形式でだけ動作するように装置が構成されている場合
は、電子計算装置12を簡単に構成することができる。
というのは、供給されるデータの評価の際に対数演算を
行う必要がないからである。
接照射によって過露光されることを回避するため、適切
なセンサ装置を用いてミアンダ状の走査運動を図5に点
線でい示したように制御することができる。センサ装置
は、被検体6が光出射ゾーンと光入射ゾーンの間にある
ことが確実である走査位置だけを検出する。相応する走
査位置は図5にハッチングで示されている。
してそこに存在する組織成分についての知識を得ること
ができる。
る。
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 種々異なる所定の波長(λ1〜λn)の光
を少なくとも実質的に同時に照射するための手段(11
〜1n、21〜2n、31〜3n、4、5)と、光の検出手
段(7、81〜8n)と、評価手段(12)とが設けられ
ており、 前記照射手段(11〜1n、21〜2n、31〜3n、4、
5)は、すべての波長(λ1〜λn)の光に対して少なく
とも実質的に同じ光出射ゾーンを有しており、 前記光の検出手段(7、81〜8n)は、光出射ゾーンに
対向する光入射ゾーンを有しており、検出された光にお
ける種々異なる所定の波長(λ1〜λn)の光成分のそれ
ぞれの強度に相応する信号を送出し、 前記評価手段(12)には前記検出手段(7、81〜
8n)の信号が供給され、該評価手段(12)は、記憶
されたデータに基づき、前記信号から種々異なる組織成
分の濃度についてのデータを検出し、 前記記憶されたデータは、多くても種々異なる所定の波
長(λ1〜λn)の数に相応する数の種々異なる組織成分
の濃度を種々異なる所定の波長(λ1〜λn)の光ごとに
記憶したものであることを特徴とする、種々異なる波長
の光による組織検査装置。 - 【請求項2】 前記評価手段(12)は、種々異なる組
織成分の相対濃度を次式を用いて検出する、 【数1】 ただし、λi(i=1,..n)は種々異なる所定の波
長、 I(λi)はそれぞれの波長の検出された光の強度、 IO(λi)はそれぞれの波長の照射される光の強度、 dは透過照射される組織領域の厚さ、 υ(υ=1,..L)は種々異なる組織成分を表し、 Kυ(0≦Kυ≦1)はそれぞれの組織成分の相対濃
度、 αυ(λi)は波長λiにおけるそれぞれの組織成分の減
衰係数、そしてA(λi)はそれぞれの波長λiにおける
被検組織の吸収を表す請求項1記載の装置。 - 【請求項3】 走査運動を行うように光入射ゾーンを移
動させる走査手段(15、16)が設けられている請求
項1または2記載の装置。 - 【請求項4】 前記評価手段(12)は、種々異なる組
織成分の相対濃度を光出射ゾーンの位置の関数として、
次式を用いて検出する、 【数2】 ただし、λi(i=1,..n)は種々異なる所定の波
長、 xk(k=1,..M)は走査運動中の入射個所の光出
射ゾーンのそれぞれの位置、 I(λi,xk)は光出射ゾーンのそれぞれの位置に対す
るそれぞれの波長の検出された光の強度、 IO(λi)はそれぞれの波長の照射された光の強度、 dは透過照射される組織領域の厚さ、 υ(υ=1,..L)は種々異なる組織成分を表し、 αυ(λi)は波長λiにおけるそれぞれの組織成分の減
衰係数、 Kυ(xk)は光出射ゾーンのそれぞれの位置に対する
それぞれの組織成分の相対濃度、 A(λi)はそれぞれの波長λiにおける被検組織の吸収
を表す請求項3記載の装置。 - 【請求項5】 前記評価手段(12)は、種々異なる組
織成分ごとに光出射ゾーンの順次連続する位置間の相対
濃度変化を次式を用いて検出する、 【数3】 ただし、λi(i=1,..n)は種々異なる所定の波
長、 xk(k=1,..M)は走査運動中の光出射ゾーンの
それぞれの位置、 I(λi,xk)は光出射ゾーンのそれぞれの位置に対す
るそれぞれの波長の検出された光の強度、 IO(λi)はそれぞれの波長の照射された光の強度、 dは透過照射される組織領域の厚さ、 υ(υ=1,..L)は種々異なる組織成分を表し、 αυ(λi)は波長λiにおけるそれぞれの組織成分の減
衰係数、 ΔKυ(k)は光出射ゾーンの位置kとk+1との間で発
生する相対濃度変化、 ΔA(λi)はそれぞれの波長λiにおける、出射ゾーン
の位置kとk+1との間で発生する被検組織の吸収変化
を表す請求項3記載の装置。 - 【請求項6】 検出手段(7、81〜8n)の信号に対し
て対数形成器(171〜17n)が設けられている請求項
3から5までのいずれか1項記載の装置。 - 【請求項7】 種々異なる所定の波長(λ1〜λn)の少
なくとも1つは、2つの組織成分のイソベスト(iso
bestisch)点の波長に相応するように選択され
ている請求項1から6までのいずれか1項記載の装置。
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