WO2010137739A1

WO2010137739A1 - 画像診断装置および診断方法

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Publication number: WO2010137739A1
Application number: PCT/JP2010/059406
Authority: WO
Inventors: 岩本修; 太田啓介; 中村桂一郎; 楠川仁悟
Original assignee: 学校法人久留米大学
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2010-12-02

Abstract

診断対象とすべき組織部位に対し、自家蛍光を放出させず実質的に反射光だけを返す光を第１光源１１０から照射し、該反射光によって得られる該組織部位の反射光像を撮像し、また、該組織部位に、自家蛍光を放出させる光を第２光源１２０から照射し、該自家蛍光によって得られる該組織部位の自家蛍光像を撮像し、反射光像の輝度と自家蛍光像の輝度との差分を演算して、これら２つの画像の差分画像を形成する。組織部位に癌組織が存在する場合、差分画像には癌組織が鮮明に現れる。

Description

画像診断装置および診断方法

　本発明は、ヒトや動物等の癌組織を光学的に検出し診断する方法に関し、とりわけ、内視鏡を用いて生体内の組織を対象とした、癌組織部位の有無や存在範囲の判定、癌組織部位の光医学的な観察、検査、診断等のための方法、または、癌摘出手術において生体外に摘出された癌患部切除断端を対象とした、癌組織の光医学的な観察、検査、診断等のための方法に関し、かつ、本発明の方法を実施するための診断装置に関する。

　光学的手段を用いた、組織内における病巣の観察、とりわけ癌組織の有無や、その大きさ・分布等の観察や診断については、迅速かつ正確さが求められている。例えば、内視鏡を用いた体内組織の観察では、極めて小さな癌組織の確認は、癌の初期発見にもつながり、極めて重要である。また、体外での癌組織の観察・検出の例として、癌摘出手術では、癌組織が十分なマージンをとって確実に摘出できたか否かを判定するために、通常、術中迅速病理診断を行う。
　この術中迅速病理診断には、病理医のいる病院であっても、施術現場から、対象となる組織断片を、病理担当部署に持ち込み、組織染色等により、検査するために長時間、または数十分を要する。まして、病理・検査部署を有さない病院、遠隔地医療ではなおさらであり、手術の長時間化の原因となる。また、判定報告を受けるまで閉創できないため、感染の危険性が高くなる。
　そこで、判定に要する時間が短く、しかも手術室内の患者サイドで検査できる精度の高いかつ迅速な診断方法の開発要求が高まっている。

　従来から、光学的な手段を用いて正常組織と癌組織とを分別する試みが行われている。例えば、特許文献１~３には、生体組織に励起光を照射した際に、正常組織と癌組織とでは自家蛍光のスペクトル強度が異なることを利用した光学的診断装置が開示されている。このような光学的な診断装置は、判定に要する時間が短く、しかも手術室内で検査できる可能性を有している。

　しかしながら、特許文献１~３にみられる装置および手段では、他のいくつかの正常組織との判別が付きにくいことや、煩雑な操作を必要とするといった問題がある。このような背景から、診断の正確性、迅速性、簡便性などが、術後の患者予後に大きな影響を及ぼすため、判定の確度および精度のさらなる向上が求められている。また、医師である診察者や術者自身が現場で迅速かつ簡便に評価できる方法が望まれている。
　また、特許文献４では、内視鏡システムにおいて、その病変組織の診断の確度および精度を向上する目的で、紫外線を励起光として照射することで、組織の自家蛍光像を撮像し、また、白色光を照射することにより、組織の反射光像を撮像して、それぞれ得られた像の輝度に関して、所定の補正を行い、反射光像のそれぞれの画素点の輝度とそれに対応する自家蛍光像のそれぞれの画素点の輝度の差分を座標化し、得られた座標に応じての画像処理を行わせることで、病巣組織を際立たせる、方法および装置が開示されている。
　然しながら、特許文献４記載の手法・装置においては、その判定・検査の精度を向上させるために、煩雑な演算処理を必要としている。
　また、特許文献４記載の手法、装置では、前述したように、紫外線を励起光として照射し、自家蛍光像を撮像するため、必要以上のエネルギーを組織に与えることとなり、その結果、組織の自家発光の輝度についても必要以上の輝度となる恐れがある。
　更に、特許文献４記載の手法、装置では、反射光像を得るために照射される光が白色光である。公知のように、白色光には紫外線等の短波長領域の光も多く含まれる。従って、反射光像を撮像する時に、紫外線によって対象組織が励起され、自家蛍光が発せられるため、反射光の輝度に対して、自家蛍光の輝度がきょう雑し（コンタミネーションを生じ）、正確な反射光による輝度が反映されないこととなる。
　このような問題点をはらむことから、特許文献４に記載の手法、装置では煩雑な演算処理等を行わざるを得ない。
　加えて、紫外線は人体等への悪影響を及ぼすこともあり、医療現場等での使用は好ましくない。特に、内視鏡等での人体内への照射は避けるべきである。
特開２０００−３２５２９５号公報特開２００４−２４３１１９号公報特開２００８−１２２１１号公報特開２００４−２１５７３８号公報

　本発明の目的は、上記問題を解決する新たな診断装置および診断方法を提供することであり、それによって、例えば、癌組織摘出手術中において、生体外に取り出した切除部の適正性を確認（現場確認）する際に、医師である施術者自身がベッドサイドで、迅速、簡便でかつ確度・精度の高い確認等を可能とし、また、内視鏡等により、生体内の組織中の癌組織の有無や、その分布の大きさを診断する際に、迅速、簡便でかつ確度・精度の高い診断等を可能することにある。また、本発明のさらなる目的は、生体組織の反射光像を撮像する際に、自家蛍光によるコンタミネーションを回避し、かつ、生体組織の自家蛍光像を撮像する際の安全性を高めることにある。

　本発明者等は、生体組織における癌組織の光学的手法による検出方法について鋭意検討した結果、
（ｉ）自家蛍光を放出させるべく励起光を照射した場合、癌組織の自家蛍光像の輝度が、正常組織の自家蛍光像の輝度よりも低いこと、かつ、
（ｉｉ）反射光像を得るための光を癌組織に照射した場合、癌組織における反射率は、正常組織における反射率と同様に高く、反射光像の輝度が高いこと、
を見出した。
　この事実に対応して、正常組織（粘膜固有層である結合組織や神経組織など）では、自家蛍光像の輝度が癌組織の場合よりも高く、かつ、反射光像を得るための光を正常組織に照射した場合の反射率は、癌組織の場合と同様に高く、反射光像の輝度が高いことも見出した。
　また、本発明者等は、更に、正常組織のなかでも、筋組織では、自家蛍光像の輝度および反射光像の輝度が、双方ともに低いことを見出した。
　以上のことから、反射光像単独でのまたは自家蛍光像単独での診断等、特に視認での診断等は、困難であることがわかった。

　そこで、本発明者等は、癌組織および正常組織からの反射光や自家蛍光の特性を基に、癌組織と正常組織との対比を明確にすることを検討した。その結果、反射光像を得るために照射する光として、白色光を用いず、実質的に生体組織を励起せず、自家蛍光を発光させない波長域にある光（以下、第一の光と呼ぶ場合もある）を用い、該第一の光を生体組織に照射して、その反射光から得られる画像を反射光像として取得し、一方で、自家蛍光像を得るために照射する光として、紫外線より長波長領域にあって生体組織を励起し自家蛍光を放出させ得る光（以下、第二の光と呼ぶ場合もある）を用い、該第二の光を生体組織に照射し励起し、放出された自家蛍光から得られる画像を自家蛍光像として取得し、反射光像の輝度と自家蛍光像の輝度との差分を描出し、画像化することで、癌組織が際立って鮮明に描出された画像が得られ、癌組織と正常組織とが明確に判別され得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

　すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）生体組織に含まれる癌組織の存在や分布を診断するための画像診断装置であって、
　診断対象とすべき組織部位に、自家蛍光を放出させず実質的に反射光だけが得られる波長領域の光である第１の光を照射するための第１光源と、
　該組織部位に、該組織部位を励起して自家蛍光を放出させる波長領域の光である第２の光を照射するための第２光源と、
　前記反射光によって得られる該組織部位の画像である反射光像と、前記自家蛍光によって得られる該組織部位の画像である自家蛍光像とを、それぞれに撮像し得るように構成された撮像装置と、
　前記反射光像の輝度と、前記自家蛍光像の輝度との差分を求め、該差分に基づいた組織部位の差分画像を生成する画像処理装置と、
　前記差分画像を表示する表示装置と、
を有する画像診断装置。
（２）組織部位が、生体内に存在するそのままの状態のものであるか、または、切除され生体外に取り出された状態のものである、上記（１）記載の画像診断装置。
（３）撮像装置の前段に、さらに、組織部位から発せられた自家蛍光を透過させかつ第２の光を実質的に遮断できる光学フィルターが設けられている、上記（１）または（２）記載の画像診断装置。
（４）光学フィルターが、反射光像の撮像時には反射光の通過を妨げないように撮像の為の光路上には位置せず、自家蛍光像の撮像時には、第２の光の透過を妨げるように撮像の為の光路上に位置し得るように構成されている、上記（３）記載の装置。
（５）光学フィルターが、反射光を透過させ得るものである、上記（３）記載の装置。
（６）光学フィルターが、反射光像の撮像時および自家蛍光像の撮像時の双方において、撮像の為の光路上に位置するように構成されている、上記（５）記載の装置。
（７）光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上の光を透過させるフィルターである、上記（３）または（４）記載の装置。
（８）光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の光を透過させるバンドパスフィルターである、上記（３）~（７）のいずれかに記載の装置。
（９）第１光源が、４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長領域に属する光を発する光源である、上記（１）~（８）のいずれかに記載の装置。
（１０）第２光源が、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ未満の波長領域に属する光を発する光源である、上記（１）~（９）のいずれかに記載の装置。
（１１）第１光源が４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長領域に属する光を発する光源であり、第２光源が４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ未満の波長領域に属する光を発する光源であり、かつ、光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の光を透過させるバンドパスフィルターである、上記（６）記載の装置。
（１２）画像処理装置が、反射光像および自家蛍光像を記憶するメモリと、記憶された反射光像と自家蛍光像のそれぞれの平均輝度を整合させる輝度調整回路と、反射光像の輝度と自家蛍光像の輝度との差分を演算して差分画像を得る減算回路とを有する、上記（１）~（１１）のいずれかに記載の装置。
（１３）画像処理装置が、反射光像、自家蛍光像または差分画像のコントラストを強調する、コントラスト強調回路をさらに有する、上記（１）~（１２）のいずれかに記載の装置。
（１４）更に、内視鏡システムを備え、生体内に存在するそのままの状態の組織部位に対して、第１の光を照射して反射光像を撮像し得、第２の光を照射して自家蛍光像を撮像し得る構成となっており、それによって、癌組織の存在の有無や癌組織の分布を診断することが可能となっている、上記（１）~（１３）のいずれかに記載の装置。
（１５）癌摘出手術時において、生体外に摘出された組織部位における癌組織の存在の有無や癌組織の分布の診断に用いられる、上記（１）~（１３）のいずれかに記載の装置。
（１６）第１光源と第２光源のそれぞれの作動と停止を制御する制御装置をさらに有し、該制御装置は、第１光源を作動させる時には、第２光源を停止し、撮像装置に反射光像を撮像させ、第２光源を作動させる時には、第１光源を停止し、撮像装置に自家蛍光像を撮像させるように構成されている、上記（１）~（１５）のいずれかに記載の装置。
（１７）癌が、胃癌、大腸癌、食道癌、咽頭癌、肝臓癌、子宮癌、肺癌である、上記（１４）記載の装置。
（１８）癌が、胃癌、大腸癌、食道癌、咽頭癌、肝臓癌、子宮癌、肺癌、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、膀胱癌である、上記（１５）記載の装置。
（１９）生体組織に含まれる癌組織の存在や分布を診断するための画像診断方法であって、
　診断対象とすべき組織部位に、自家蛍光を放出させず実質的に反射光だけが得られる波長領域の光である第１の光を照射し、該反射光によって得られる該組織部位の画像である反射光像を撮像するステップと、
　該組織部位に、該組織部位を励起して自家蛍光を放出させる波長領域の光である第２の光を照射し、該自家蛍光によって得られる該組織部位の画像である自家蛍光像を撮像するステップと、
　前記反射光像の輝度と、前記自家蛍光像の輝度との差分を求め、該輝度の差分に基づいた差分画像を形成する画像処理ステップとを、
少なくとも有する、画像診断方法。
（２０）少なくとも自家蛍光像を撮像するステップにおいて、組織部位から発せられた自家蛍光を透過させかつ第２の光を実質的に遮断できる光学フィルターを通して撮像を行ない、それによって、組織部位で反射した第２の光によるきょう雑を防ぐ、上記（１９）記載の方法。

　反射光像の輝度と、自家蛍光像の輝度との差分を求め、該差分に基づいた組織部位の差分画像を生成することによって、組織部位の画像の中で、癌組織だけが輝度の高い強調された画像として表示される。
　本発明によって、生体内の組織を対象とする場合には、本発明の方法および装置と、内視鏡システムとを組み合わせることで、癌組織の有無、存在・分布の範囲を、たとえ極めて小さいものであっても鮮明に視認・検査・診断することができ、癌組織の早期発見が可能となる。
　また、生体内から切除し体外に取り出したものを対象とする場合には、例えば、癌組織摘出手術時において、予めその摘出範囲を手術現場にて、内視鏡システムで簡便に確認することができる。
　また、該手術において切除し体外に取り出した癌患部の切除範囲の適正性を、体外で正確、かつ短時間に判定することができる。しかも手術室内の患者の近傍（ベッドサイド）で術者自身が直接検査できるため、追加切除の必要性があるかどうかが即座に判断できる。したがって、手術時間を総体的に短縮できる。特に病理医が居ない遠隔地医療では、大幅な時間短縮が可能となる。

図１は本発明による画像診断用装置の一実施形態を示す概略図である。図２は、本発明の診断方法の一実施形態を示すフローチャートである。図３（ａ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された癌患部の反射光像を示す顕微鏡写真である。図３（ｂ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された癌患部の自家蛍光像を示す顕微鏡写真である。図３（ｃ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された癌患部の、反射光像と自家蛍光像との差分画像を示す顕微鏡写真である。図４（ａ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された正常な舌の反射光像を表す顕微鏡写真である。図４（ｂ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された正常な舌の自家蛍光像を表す顕微鏡写真である。図４（ｃ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された正常な舌の、反射光像と自家蛍光像との差分画像を表す顕微鏡写真である。図４（ｄ）は、本発明による画像診断用装置によって撮像された正常な舌の輪郭を示す図である。図５は、本発明の画像診断用装置の他の実施形態を示す概略図である。図６は、本発明の実施例３で得られた大腸癌の組織の写真図であって、図６（ａ）は反射光像、図６（ｂ）は自家蛍光像、図６（ｃ）は差分画像、図６（ｄ）は処理画像である。図６~図８の画像については、世界知的所有権機構（ＷＩＰＯ）に提出されるこれらの画像は、全てカラー写真である。図７は、本発明の実施例４で得られた大腸癌の組織の写真図であって、図７（ａ）は反射光像、図７（ｂ）は自家蛍光像、図７（ｃ）は差分画像、図７（ｄ）は処理画像である。図８は、本発明の実施例４で得られた大腸癌の組織の写真図であって、図８（ａ）は反射光像、図８（ｂ）は自家蛍光像、図８（ｃ）は差分画像、図８（ｄ）は処理画像である。

　図１および５における各符号は、それぞれ、次のものを示している。
１００：観察テーブル、１０１：癌患部組織、１１０：第１光源、１１５：第１光源コントローラ、１２０：第２光源、１２５：第２光源コントローラ、２００：光学フィルター、３００：結像レンズ、４００：撮像装置、５００：画像処理装置、５１０：メモリ、５２０：輝度調整回路、５３０：減算回路、５４０：コントラスト強調回路、６００：表示装置、７００：制御装置

　以下、本発明による装置の実施態様の一例として、当該装置に内視鏡を組み合わせ、生体内にある組織をそのままの状態で診断する構成について説明する。また、装置の構成を説明しながら、同時に本発明による方法を説明する。
　本例では、本発明による装置に内視鏡を接続し、本発明の装置に備えられた第１の光源から、第１の光を内視鏡を通して対象の組織部位に照射し、または、内視鏡の先端部に小型の光源を設けて対象の組織部位に直接的に照射し、得られる反射光像を撮像する。次に第１の光を遮断し、同様に、第２の光源から、第２の光を内視鏡を通して対象の組織部位に照射し、得られる自家蛍光像を撮像する。尚、第１の光、第２の光の照射は、どちらが先であってもよい。得られた反射光像と自家蛍光像とから、輝度に関する差分画像を作成し、癌組織の診断を行う。
　本発明でいう、「診断」とは、文字通りの診断のみならず、組織の観察、記録、癌組織の有無の確認、判定、検査を含む。
　撮像装置を生体外に設け、内視鏡内の光ファイバを通じてを画像を生体外まで取り出す態様であってもよく、また、撮像装置を小型化して内視鏡の先端に設け、画像信号を生体外に取り出す態様であってもよい。

（反射光像の撮像）
　第１の光は、対象の組織部位の反射光像を撮像するために照射する光であって、実質的に生体組織を励起しない光、即ち、該組織に自家蛍光を発光させない波長領域の光である。第１光源は、第１の光を発することが可能な装置であればよい。
　当該装置に、後述する第２の光を遮断するための光学フィルター（以下、単にフィルターということがある）を設ける場合に、該フィルターが反射光を遮断するものであるならば、該フィルターをその光路（照射に係る光路および撮像に係る光路）から除去して反射光像を撮像すればよい。フィルターの除去に関しては手動であってもよいが、機械作用を利用して、自動的に切替えが行われる構造または機構であればより好ましい。第１の光がその大部分の波長領域においてフィルターを透過するような場合には、フィルターを取り除く必要はない。

　第１の光は、４６０ｎｍ以上、さらには５００ｎｍ以上の波長領域にある光であることが好ましく、５５０ｎｍ程度の波長領域にある光が特に好ましい。また、第１の光は、単波長の光またはある特定の波長領域幅の光（波長領域の狭い多色光）であることが好ましい。第１の光は撮像可能な光であればよく、その波長の上限は、特に限定はされないが、６００ｎｍ以下が好ましい。
　後述のフィルターを装着したままで反射光像を撮像する場合、第１の光は、その光量のうちの大部分が該フィルターを透過可能となるような波長領域にあり、該フィルターを十分に透過する可視光が好ましい。フィルターを透過する光量が過度に少ない場合には、反射光像が十分な輝度を得られず、不十分な像となる。従って、第１の光の波長とフィルターの透過特性とが適切な組み合わせとなるよう考慮すればよい。

　上記の点を考慮すると、第１光源は、第１の光として狭い波長領域の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子や、該半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置等が好ましいものとして挙げられる。また、キセノンランプ、ハロゲンランプなどの光源にフィルター等を組み合わせて、所望の波長領域の光を得、これを光ファイバーを通じて対象の組織部位に照射を行ってもよい。光源自体の構成については、必要な波長の光が得られるように、従来技術を利用してよい。

（自家蛍光像の撮像）
　第２の光は、撮像に十分な自家蛍光が生体組織から放出されるよう、該生体組織を励起し得る短波長の光であればよく、紫外領域にない光がより好ましい。第２の光が紫外領域に属する光を多量に含んでいると、生体（とりわけ人体）に悪影響を及ぼすので、好ましくない。
　従って、第２の光は、紫外領域にない４００ｎｍ以上の波長領域にあり、かつ、生体組織を励起し自家蛍光を放出させ得る５００ｎｍ以下の波長領域にあって、第１の光とは波長が異なる光が好ましく、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ未満がより好ましく、特に４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の波長の光が好ましい。
　上記の点を考慮すると、第２光源は、第２の光として狭い波長領域の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）等が好ましいものとして挙げられる。
　上記した第１光源、第２光源は、単なる例示に過ぎず、上記した必要な条件、さらには好ましい条件を満たす光源であれば、どのような光源であってもよい。
　第１光源、第２光源は、それぞれ別個に用意してもよいし、第１の光と、第２の光を発するように構成された１つの装置であってもよい。例えば、２つの発光光源を内蔵し、１つの出力から、第１の光と、第２の光を出力し得るように構成された装置や、共通の１つの光源を内蔵し、第１の光を作るためのフィルターと、第２の光を作るためのフィルターを切り替えることにより、第１の光と、第２の光を出力し得るように構成された装置などであってもよい。

　第２の光が、対象の組織部位や周囲で反射して、自家蛍光像と共に撮像装置に入射し、自家蛍光像に影響を及ぼすのを抑制するために、第２の光を十分に遮断し得る遮光特性をもったフィルターを撮像に係る光路に設置するのが好ましい態様である。
　このフィルターの設置は、手動であってもよいが、フィルターの着脱を行う機構または構造を備えることが好ましい。

　フィルターは、上記のように、第２の光を透過させず、かつ、生体組織から発せられた自家蛍光を透過させ得るものが好ましい。その理由は、上記したように、自家蛍光像を撮像する際に、第２の光を排除し、かつ、十分な自家蛍光を取り込み、鮮明な自家蛍光像を撮像するためである。

　次に、本発明による装置の実施態様の他の例として、生体内にある組織を切り取り体外に取り出して診断する場合の構成について説明する。
　本発明による診断原理を用いることで、癌組織の摘出や切除手術における確認、診断のための装置として、本発明装置を使用することが出来る。癌患部の切除に当たっては、癌組織を取り囲んで正常組織を同時に切除する。癌組織に隣接する正常組織の切除は、癌の再発の危険性を少なくする観点からは、大きく切除するほうが安全ではあるが、その一方で、術後の患者の生活の質（Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ、ＱＯＬ）の観点からは、できる限り最小限にすることが求められる。
　本発明の画像診断装置は、手術室で作動させて、切除手術中に切除部分の診断、確認を行うことが可能であり、それによって、手術中の術者が、臓器から切除された癌患部における癌組織の分布を直接観察することが可能になる。よって、本発明の装置は、ＱＯＬを意識しながら適性に手術することが求められる術者にとって、有用な装置となる。

　本実施態様では、癌組織の切除手術において、体外に取り出した切除部分における癌組織の切除状態を診断するための装置として構成される。上記した実施態様との差異は、当該装置と組織との間に、内視鏡が介在するか否かの点であって、基本的な構成は同様である。使用する光源、光源から発せられる光の波長領域等については、第一の実施形態で説明した要件に沿って選択すればよいが、必ずしも、この数値等に本発明装置が限定されるものではない。また、本発明の装置は、例示した装置の態様のみに限定されず、本発明の診断方法を実施し得るものであれば、どのような装置構成であってもよい。

　図１は、本実施態様の構成例を、模式的に示した図である。同図の例では、当該画像診断装置を、癌組織の切除手術において、体外に取り出した切除部分における癌組織の切除状態の診断に用いている。
　図１に示すように、当該画像診断装置は、手術により切除され取り出された癌患部を含む組織部位１０１を載置することができる観察テーブル１００を備える。第１光源１１０および第２光源１２０は、該観察テーブル上を全面的かつ均一に照射することができるように、いずれも観察テーブル１００の斜め上方に設置されている。
　第１光源１１０および第２光源１２０は、切除患部が小さく平坦な形状であれば、それぞれに１基ずつでよい。切除された癌患部の外周形状が大きかったり、必要以上に厚さがあったりする場合には、複数の光源で複数の方向から照射することが好ましい。
　第１光源および第２光源をそれぞれ複数用いる場合には、それぞれ同一のタイミングで照射を行う。即ち、複数の第１光源同士を互いに同期して作動させ、複数の第２光源同士を互いに同期して作動させる。

　第１光源１１０は、上記したように、診断対象とすべき組織部位１０１に、第１の光を照射するための照明装置である。同図の例では、癌患部として切除された組織部位１０１の断端に第１の光を照射し、その断端からの反射光を受光し撮像し観察する構成となっている。
　第１光源１１０は、上記した内視鏡を用いる態様と同様に、例えば、ＬＥＤ、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた発光装置（例えば、白色光源）、キセノンランプやハロゲンランプなどの光源にフィルター等を組み合わせて所望の波長領域の光を照射し得るようにした装置などが挙げられる。なかでも、４６０ｎｍ以上の波長、特に、５００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長範囲の光を発するＬＥＤが好ましい。とりわけ、前記の波長範囲の中で、狭い波長域の光を発するＬＥＤが好ましく、その中でも単色光を発するＬＥＤがより好ましい。

　第２光源１２０は、切除された癌患部１０１の断端に第２の光を照射し、生体組織を励起させて、自家蛍光を発生させるための照明装置である。
　生体組織に４６０ｎｍ未満から紫外線の波長域、とりわけ、４５０ｎｍ以下から紫外線の波長域にある光を照射すると、生体組織が励起され、波長５００~６００ｎｍの自家蛍光が放出される。なかでも組織に豊富な膠原線維は、波長４５０ｎｍの光を照射すると波長５３０ｎｍ程度の自家蛍光が出ることが知られている。従って、第２光源１２０は、スペクトル強度が極大となっている部分の波長が、４５０ｎｍ程度の波長域にある光を照射するものが好ましい。
　ただし、紫外線の波長域にある光を用いれば、当該装置を操作する者等に悪影響を及ぼす恐れがあることから、紫外線の波長域にある光の照射は控えるべきである。従って好ましい第２光源としては、第２の光について上記した波長範囲の光を発するＬＥＤ、より好ましくは該波長範囲内にある狭い波長域の光を発するＬＥＤ、さらに好ましくはその波長範囲内にある単色光を発するＬＥＤや、そのような光を発するようにＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた発光装置が挙げられる。

　本発明では、反射光像を撮像する時には、第１の光が組織部位に照射される。その際には、第２の光は、該組織部位に照射されないように遮断されるか、または、第２光源の作動自体が停止（消灯）される。
　また、第２の光を組織部位に照射し自家蛍光像を撮像する時には、第１の光が該組織に照射されないよう遮断されるか、または、第１光源の稼動自体が停止（消灯）される。
　また、各光源の照射と停止の制御は、コンピュータ等による、プログラム可能な電子制御装置によって行ってもよい。

　第１光源１１０からの第１の光を照射することで得られる癌患部１０１からの反射光および、第２光源１２０からの第２の光を照射することで得られる癌患部１０１からの自家蛍光は、それぞれ、好ましい態様として、光学フィルター２００を透過したのち、結像レンズ３００で結像され、撮像装置４００で撮像される。

　光学フィルター２００としては、第２の光を実質的に透過せず、かつ、自家蛍光を透過するフィルター群から選択される。具体的には、５００ｎｍ以上の波長の光、より好ましくは、５００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長の光を透過するバンドパスフィルターが好ましいものとして用いられる。
　このようなバンドパスフィルターを用いることにより、第２光源から照射される第２の光が、反射などによって結像レンズ３００に入射することを防ぐことができる。
　通常、このようなバンドパスフィルターは、ある幅を持った特定の波長領域の光を透過させる。従って、該フィルターが、第１の光の反射光を遮断する特性をもっている場合には、反射光像の撮像時に、該フィルターを光路上から取り除けはよい。
　一方、バンドパスフィルターと反射光、自家蛍光との互いの関係において、反射光と自家蛍光とを共に透過可能なバンドパスフィルターを用いた場合には、反射光像の撮像時にフィルターを上記光路上に設置したままでもよいし、光路上から除いてもよい。
　具体的には４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長の光を透過させるバンドパスフィルターを用いた場合には、反射光像、自家蛍光像の撮像時において、当該バンドパスフィルターは撮像光路から除去しなくともよい。

　撮像装置は、第１の光の照射によって得られる反射光像と、第２の光の照射によって得られる自家蛍光像とを撮像し得るように構成されたものであればよい。
　撮像装置は、１台の装置で反射光像と自家蛍光像とを撮像し得るものが好ましく、高感度ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）が好ましい撮像装置として例示される。また、撮像装置は、反射光に感度を持つものと、自家蛍光に感度を持つものを組み合わせてもよい。対象とする組織に第１の光を照射する場合、光の吸収等に起因して照射光と反射光とは厳密には同一ではないが、撮像装置が撮像可能な光の波長に関しては、反射光と第１の光とは同じ波長の光とみなしてよい。
　撮像装置は、静止画像を撮影するための単純なカメラであってもよいし、動画を撮影し得るビデオカメラであってもよい。後述のように、第１の光と、第２の光とを、それぞれ短い期間だけ照射し、交互に切り替えることで、癌組織だけを強調して表した動画を得ることが可能である。

　撮像装置４００で撮像された反射光像および自家蛍光像の信号は、画像処理装置５００に送信される。
　画像処理装置５００は、例えば、反射光像および自家蛍光像の信号を記憶するメモリ５１０、反射光像と自家蛍光像の平均輝度を整合させる輝度調整回路５２０、および、差分演算回路５３０を有する。差分演算回路は、反射光像の輝度と自家蛍光像の輝度との差分を計算する装置（例えば、反射光像の輝度から、自家蛍光像の輝度を減算する減算回路）である。
　当該装置は、さらに、反射光像、自家蛍光像、または、差分画像のコントラスト（ＣＲ）強調回路５４０を有していても良い。
　なお、画像処理装置５００で行う輝度調整、差分演算処理（減算処理）、および、コントラスト強調については、それぞれ個別の処理として、術者が確認しながら行うこともできるが、より迅速、かつ精度の高い差分画像を得るために、コンピュータなどを用いて、これらの処理を自動的に行う態様が好ましい。

　取得した反射光像と自家蛍光像は、それぞれに輝度の調整を行い、その後、差分演算を行うのが好ましい。その後、コントラスト強調を行い最終的な画像を得る。以下に、各処理方法について説明する。

　（輝度調整方法）
　反射光像および自家蛍光像は、通常、それぞれ輝度が異なる。よって、両画像の輝度の差分を演算する際には、それぞれの全画素からの積算値が両者ともに同程度の輝度分布となるように調整するのが好ましい。具体的には、例えば、取得した反射光像および自家蛍光像が８ビットデータである場合、両者とも、最高輝度と最低輝度をそれぞれ２５５と０の値とし、中間色調は２５５と０の間に直線的もしくは、ガンマ補正をかけることにより配置する。

　（差分演算処理（減算処理）方法）
　差分演算処理は、反射光像の各座標にあるピクセル（画素）の輝度値と、自家蛍光像において前記のピクセルに対応する同じ座標のピクセルの輝度値との差異を計算することにより行う。この計算を全座標について行い、計算結果を新たな画像として、同じ座標に展開することで、差分画像が得られる。

　（コントラスト強調方法）
　差分演算処理により作られた画像は、そのままでもある程度のコントラストがある。しかし視野中に癌組織がない場合、データがほとんどないため、視認性が低い。そこで、視認性を高めるため、自家蛍光像・差分画像の双方に疑似カラーをつけて合成し、全体像における癌領域を強調し表示してもよい。

　画像処理装置５００で得られた、反射光像と自家蛍光像との差分画像の信号は、表示装置６００に出力される。
　表示装置６００には、切除された癌患部組織１０１の断端において、癌組織が強調された画像が表示されるため、術者は、映し出された像から、切除の適正性を、簡便かつ確実に認識することができる。また、例えば、得られた差分画像データと自家蛍光像のデータから擬似カラー像を描出することもできる。

　本発明の画像診断用装置は、多様な癌組織の診断、例えば、内視鏡を用いた診断や、癌切除手術における切除組織の確認等の診断に適用できるが、中でも、舌癌手術時に用いることが効果的である。

　図５は、当該画像診断装置の他の構成例を、模式的に示した図である。
　図５に示す画像診断用装置の構成は、図１で説明した装置を自動化したものである。なお、図５では、第１光源１１０および第２光源１２０を、それぞれ１基にしているが、図１と同じく２基ずつの照明にしてもよいし、さらに多くの光源を用いてもよい。

　図５の画像診断装置は、図１の装置に加えて、制御装置７００、第１光源コントローラ１１５、および、第２光源コントローラ１２５を備えている。
　制御装置７００は、第１光源コントローラ１１５および第２光源コントローラ１２５を制御して、第１光源１１０と第２光源１２０のそれぞれの作動と停止（照射と消灯）を行わせるように構成されている。また、制御装置７００は、第１光源１１０が作動（照射）している時には、撮像装置４００に反射光像を撮像させ、一方、第２光源１２０が作動している時には、撮像装置４００に自家蛍光像を撮像させる。制御装置７００は、さらに、連続して撮像された反射光像と自家蛍光像に基づいて、画像処理装置５００に差分画像を描出させる。
　このように、照射と撮像とを同期させてスイッチングすることにより、極めて短時間に、差分画像を表示させることができるため、癌組織をビデオレートで表示装置上に描出させることが可能となる。
　ビデオレートで描出することができれば、観察テーブル１００をスキャンさせることで、癌患部を含む切除臓器が大きな場合でも、癌組織の分布を描出することも可能になる。あるいは、倍率の高い結像レンズを用いて、切除臓器の断端における詳細な癌組織分布を描出することもできる。

　本実施例では、図１に示す装置を用いて扁平上皮癌である舌癌の切除断端の診断を行った例を、図２のフローチャートに従って説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるわけではない。

［実施例１］
　手術により切除した癌患部を観察テーブルにセットした（図２のＳ１００）。
　切除された癌患部に、グリーンフィルタをつけた２基の白色ＬＥＤ光源により、５００~５５０ｎｍの緑色光（第１の光）を照射した（図２のＳ１１０）。
　癌患部からの反射光を、４６０~５１０ｎｍの光を透過するバンドパスフィルター（オリンパス（株）製Ｕ−ＭＣＦＰＨＱ／ＸＬ）を通過させ、通過してきた反射光を実体顕微鏡で結像させ、高感度ＣＣＤカメラで撮像し、画像信号をメモリに記憶した（Ｓ１２０）。なお、ＬＥＤ光源は、実体顕微鏡をはさんで対向する位置に設置して、癌患部が均一に照明されるようにした。
　次に、切除された癌患部に、４２５~４５０ｎｍの光を透過するバンドバスフィルターをつけた２基の白色ＬＥＤ光源により、青色光を照射した（Ｓ１３０）。癌患部からの反射光および自家蛍光を、上記４６０~５１０ｎｍのバンドパスフィルターを通過させることで第２の光を排除し、通過してきた反射光、自家蛍光を、実体顕微鏡で結像させ、高感度ＣＣＤ素子で撮像し、画像信号をメモリに記憶させた（Ｓ１４０）。
　メモリに記憶された反射光像および、自家蛍光像を表示装置に表示し、表示装置上で、両者の平均輝度が整合するように調整した（Ｓ１５０）。このとき、コントラスト強調処理を同時に行った。
　次に、反射光像から自家蛍光像を減算処理（差分演算処理）した（Ｓ１６０）。
　減算処理によって得られた信号を、液晶表示装置に出力し、正常組織に対して癌組織が強調された差分画像を表示させた（Ｓ１７０）。これらの処理は、ＮＩＨ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ：アメリカ国立衛生研究所）で開発されたサイエンス系イメージ解析ソフトウェア「ＮＩＨ　Ｉｍａｇｅ」の最新版である「ＩｍａｇｅＪ」を用いて行った。

　図３（ａ）は、本実施例のステップＳ１２０で得られた反射光像を示す写真図であり、図３（ｂ）は、ステップＳ１４０で得られた自家蛍光像を示す写真図であり、図３（ｃ）は、ステップＳ１７０で得られた減算処理後の差分画像を示す写真図である。
　術者は、表示された差分画像に基づいて、癌患部切除範囲の適正性目視確認（Ｓ１８０）することができる。
　図３（ａ）の反射光像、および、図３（ｂ）の自家蛍光像に比べて、図３（ｃ）の差分画像は、癌組織（図中、Ｃａｎｃｅｒと記載）の分布をより鮮明に描出している。
　本発明の方法で得られた図３（ｃ）の差分画像は、術者が、手術中に切除が適正であるかどうかを判定することを容易にするものである。

［実施例２］
　本実施例は、本発明の図１に示した装置を用いて正常な舌を観察した例である。
　実施例１では、図１に示した装置を用いて、切除した癌患部１０１を観察テーブル１００上に置いて観察したが、本実施例では、切除前の舌を診断対象とすることで、生体中の臓器の診断にも適用できることを示した。

　図４（ａ）は、舌の反射光像を示す写真図である。反射光像から舌の形態的特徴が確認できる。図４（ｂ）は、舌の自家蛍光像を示す写真図である。既に説明したように、自家蛍光像では癌組織・筋組織などが低輝度であり、真皮や神経などは高輝度を示す。
　本実施例では、正常な舌を撮像しているため、低輝度の箇所は観察されず、舌全体が高輝度に撮像されている。図４（ｃ）は、反射光像と自家蛍光像から得られた差分画像である。図４（ｄ）は、舌の輪郭および舌（ハッチング領域）を模式的に示しており、図４（ｃ）では舌の輪郭の内側が全体として均一な輝度となっていることが分かる。図４（ｃ）から、観察された舌の表面には癌組織が無いことが診断される。

　本実施例２は、正常な舌を観察した結果であるが、癌組織を切除した後に、切除された臓器側の切除面を観察することで、切除後の臓器における癌組織の残留の有無を迅速、的確に診断することができる。

［実施例３］
　本実施例では、腺癌である大腸癌を対象とし、実施例１の装置を用いて、組織の反射光像と自家蛍光像とを撮像し、それらの差分画像によって、癌組織が鮮明に表示できることを確認した。
　また、本実施例では、差分画像を作成するだけでなく、その差分画像に対してさらに画像処理を施し、癌組織に着色をして、画像を見た者が正常組織と癌組織とをより識別し易い画像を作成した。

（観察対象の組織）
　癌組織が含まれていることがその後の病理検査で判明した、ヒトの大腸の内壁表面の組織の一部を取り出したサンプル。
（撮影条件）
　高開口数実体顕微鏡：オリンパス社製、ＶＭＸ１０
　撮像装置：デジタルカメラ（オリンパス社製、ＤＰ７１）、ＩＳＯ８００、１３６０×１０２４ピクセル
　光源装置：ツインアームＬＥＤ照明装置（Ｈａｙａｓｈｉ製、ＨＤＡーＴＥ３）に２種類のフィルターを組み合わせ、それらのフィルターを通過させることによって、第１の光（反射光像を撮影するための照射光：中心波長５３３ｎｍの単色光）と、第２の光（自家蛍光像を撮影するための照射光（励起光）：中心波長４５０ｎｍの単色光）とを照射し得る構成とした。
　第１の光を形成するためのフィルター：Ｈａｙａｓｈｉ製、緑色フィルター　Ｇ−５３３
　第２の光を形成するためのフィルター：Ｃｈｒｏｍａ製、Ｄ４５５／７０
　尚、第２の光が撮像装置に入射するのを防止するためのフィルターとして、Ｃｈｒｏｍａ製ロングパスフィルター、ＥＴ５００を用いた。
　露光条件：反射光像の撮像を１／７００秒とし、自家蛍光像の撮像を１／１．５秒とした。

　撮像の結果を図６に示す。
　図６（ａ）は反射光像であり、図６（ｂ）は自家蛍光像であり、図６（ｃ）は差分画像であり、図６（ｄ）は差分画像にさらに加工を加え、疑似カラー画像とした処理画像である。
　図６（ｄ）はＲＧＢチャネルのうちＲおよびＢチャネルに、図６（ｃ）の差分画像を入力し、図６（ｂ）の自家蛍光像をＲＧＢチャネル全てに入力し加えたものである。この加工の結果、反射光像と自家蛍光像との輝度の差分が大きい部位はマゼンタ色（ピンク色）に見え、正常部位は背景の灰色として観察できる。

（評価）
　図６（ｃ）の差分画像では、本図では、顕著には現れていないが、矢印で示す部分に癌組織が見られる。尚、明確に白くなっている部分は、図６（ａ）の反射光像において光が強く反射したことにより輝度差が過度に大きくなった部分であって癌組織ではない。
　これに対して、図６（ｄ）の処理画像では、マゼンタ色に着色された部分が癌組織を示しており、癌組織の広がりの様子がより分かり易く示されている。
　図６（ｄ）の処理画像では、画像中に矢印で示したように、顕著な陽性所見が見られる。癌組織に血液が乗っている部分は、黒く見える。
　本実施例の結果から、正常な粘膜部分は、反射光像、自家蛍光像ともに輝度が高く（明るく）、癌組織の部分は、反射光像の輝度は高いのに、自家蛍光像の輝度は低いという特徴を示すことがわかった。

［実施例４］
　本実施例では、上記実施例３とは別の大腸癌組織の摘出サンプルを用い、露光条件や画像処理の条件を変更して撮像した。装置の構成や、照射光の波長は、実施例３と同様である。
　撮像の結果を図７、図８に示す。これらの図は、図６と同様に、各図中の（ａ）が反射光像であり、（ｂ）が自家蛍光像であり、（ｃ）が差分画像であり、（ｄ）が該差分画像にさらに加工を加えた処理画像である。

（評価）
　癌組織は、図７（ｃ）の差分画像では薄暗く見られるが、図７（ｄ）の処理画像では、より明るく、マゼンタ色に着色されて表示されている。
　図８の写真図は、図７の写真図と同じ撮像条件であるが、カメラのＲＧＢ出力のうちのＧチャンネルからＧ信号のみを取り出し、反射光像、自家蛍光像を、白黒のモノクローム画像とした。その結果、図８（ｃ）の差分画像、および、図８（ｄ）の処理画像から明らかなとおり、差分演算の後は、図７の場合と同じ画像が得られることがわかった。
　図８（ｂ）のとおり、自家蛍光像の輝度が全体的に小さい値であったために、輝度の差分が全体的に大きくなり、図８（ｄ）のとおり、全体が陽性のように示されている。このことから、癌細胞が顕著に表示されるように、自家蛍光像の露光や輝度を適宜調整すべきであることがわかった。

　以上、摘出された癌患部についての画像診断に本発明を適用した例を用いて説明した。しかしながら、本発明は、これに限定されるわけではなく、癌患部が切除された後の、残された臓器表面の観察にも用いることができる。
　また、反射光像から自家蛍光像を減算して差分画像を得ることで、癌組織を描出できる本願発明は、照明光を光ファイバに導入することで、内視鏡による診断にも適用できる。

　本出願は、日本で出願された特願２００９−１２７９５６を基礎としており、その内容は本明細書に全て包含される。

Claims

生体組織に含まれる癌組織の存在や分布を診断するための画像診断装置であって、
　診断対象とすべき組織部位に、自家蛍光を放出させず実質的に反射光だけが得られる波長領域の光である第１の光を照射するための第１光源と、
　該組織部位に、該組織部位を励起して自家蛍光を放出させる波長領域の光である第２の光を照射するための第２光源と、
　前記反射光によって得られる該組織部位の画像である反射光像と、前記自家蛍光によって得られる該組織部位の画像である自家蛍光像とを、それぞれに撮像し得るように構成された撮像装置と、
　前記反射光像の輝度と、前記自家蛍光像の輝度との差分を求め、該差分に基づいた組織部位の差分画像を生成する画像処理装置と、
　前記差分画像を表示する表示装置と、
を有する画像診断装置。
組織部位が、生体内に存在するそのままの状態のものであるか、または、切除され生体外に取り出された状態のものである、請求項１記載の画像診断装置。
撮像装置の前段に、さらに、組織部位から発せられた自家蛍光を透過させかつ第２の光を実質的に遮断できる光学フィルターが設けられている、請求項１または２記載の画像診断装置。
光学フィルターが、反射光像の撮像時には反射光の通過を妨げないように撮像の為の光路上には位置せず、自家蛍光像の撮像時には、第２の光の透過を妨げるように撮像の為の光路上に位置し得るように構成されている、請求項３記載の装置。
光学フィルターが、反射光を透過させ得るものである、請求項３記載の装置。
光学フィルターが、反射光像の撮像時および自家蛍光像の撮像時の双方において、撮像の為の光路上に位置するように構成されている、請求項５記載の装置。
光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上の光を透過させるフィルターである、請求項３または４記載の装置。
光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の光を透過させるバンドパスフィルターである、請求項３~７のいずれか１項に記載の装置。
第１光源が、４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長領域に属する光を発する光源である、請求項１~８のいずれか１項に記載の装置。
第２光源が、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ未満の波長領域に属する光を発する光源である、請求項１~９のいずれか１項に記載の装置。
第１光源が４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の波長領域に属する光を発する光源であり、第２光源が４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ未満の波長領域に属する光を発する光源であり、かつ、光学フィルターが、波長４６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の光を透過させるバンドパスフィルターである、請求項６記載の装置。
画像処理装置が、反射光像および自家蛍光像を記憶するメモリと、記憶された反射光像と自家蛍光像のそれぞれの平均輝度を整合させる輝度調整回路と、反射光像の輝度と自家蛍光像の輝度との差分を演算して差分画像を得る減算回路とを有する、請求項１~１１のいずれか１項に記載の装置。
画像処理装置が、反射光像、自家蛍光像または差分画像のコントラストを強調する、コントラスト強調回路をさらに有する、請求項１~１２のいずれか１項に記載の装置。
更に、内視鏡システムを備え、生体内に存在するそのままの状態の組織部位に対して、第１の光を照射して反射光像を撮像し得、第２の光を照射して自家蛍光像を撮像し得る構成となっており、それによって、癌組織の存在の有無や癌組織の分布を診断することが可能となっている、請求項１~１３のいずれか１項に記載の装置。
癌摘出手術時において、生体外に摘出された組織部位における癌組織の存在の有無や癌組織の分布の診断に用いられる、請求項１~１３のいずれか１項に記載の装置。
第１光源と第２光源のそれぞれの作動と停止を制御する制御装置をさらに有し、該制御装置は、第１光源を作動させる時には、第２光源を停止し、撮像装置に反射光像を撮像させ、第２光源を作動させる時には、第１光源を停止し、撮像装置に自家蛍光像を撮像させるように構成されている、請求項１~１５のいずれか１項に記載の装置。
癌が、胃癌、大腸癌、食道癌、咽頭癌、肝臓癌、子宮癌、肺癌である、請求項１４記載の装置。
癌が、胃癌、大腸癌、食道癌、咽頭癌、肝臓癌、子宮癌、肺癌、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、膀胱癌である、請求項１５記載の装置。
生体組織に含まれる癌組織の存在や分布を診断するための画像診断方法であって、
　診断対象とすべき組織部位に、自家蛍光を放出させず実質的に反射光だけが得られる波長領域の光である第１の光を照射し、該反射光によって得られる該組織部位の画像である反射光像を撮像するステップと、
　該組織部位に、該組織部位を励起して自家蛍光を放出させる波長領域の光である第２の光を照射し、該自家蛍光によって得られる該組織部位の画像である自家蛍光像を撮像するステップと、
　前記反射光像の輝度と、前記自家蛍光像の輝度との差分を求め、該輝度の差分に基づいた差分画像を形成する画像処理ステップとを、
少なくとも有する、画像診断方法。
少なくとも自家蛍光像を撮像するステップにおいて、組織部位から発せられた自家蛍光を透過させかつ第２の光を実質的に遮断できる光学フィルターを通して撮像を行ない、それによって、組織部位で反射した第２の光によるきょう雑を防ぐ、請求項１９記載の方法。