JP2013521900A - 高速マルチスペクトルイメージングの方法および装置と癌検出および局在診断への応用 - Google Patents
高速マルチスペクトルイメージングの方法および装置と癌検出および局在診断への応用 Download PDFInfo
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Abstract
Description
一態様では、マルチスペクトル・イメージング・システムは、動きのアーチファクトを克服するビデオ速度高速マルチスペクトルイメージングを実現するために並列マルチバンド照明および並列マルチチャネルイメージング検出が備えられる。鏡面反射は、データ分析アルゴリズムを適用することによって自動的に補正される。
別の態様では、本発明は光プローブによって癌を検出する非侵襲高速マルチスペクトルイメージング用のシステムを提供する。
一部の実施形態では、3つのイメージングチャネルを有する画像検出器が適用される。イメージング検出器は、一部の実施形態では市販のカラーカメラである。
一部の実施形態では、光源は、同時複数狭帯域照明を提供するフィルタ・ホイール・ベースの光源を備える。
本発明の別の態様では、高速マルチスペクトルイメージング用に最適化された波長帯を決定するためにモデル化法が採用される。
本発明の一態様では、マルチスペクトル画像は内視鏡の先端に位置する画像検出器によって取り込まれる。画像検出器は少なくとも3つ、好ましくは4つのチャネルイメージング(B、G、R、NIR)を容易にするために特別なパターンのフィルタで覆われている。
一部の実施形態では、複数の照明プロファイルを生成する光源が、内視鏡の先端に位置するLEDなどの複数の半導体発光体を備える。
別の態様は、スペクトル画像が複数の同時狭帯域画像から生成される高速マルチスペクトルイメージング用の装置および方法を提供する。一部の実施形態では、装置および方法はリアルタイムのビデオ速度で複数のスペクトル画像を同時に取得する。画像は、たとえば、組織血液量、組織酸素化、組織散乱体積、および組織散乱サイズパラメータなど、生理学的特性を示してもよい。一部の実施形態では、装置および方法は白色光および/または蛍光画像をさらに取得する。
C1=T11I1+T12I2+T13I3 (1)
同様に、CCDの緑色チャネルの読みC2および赤色チャネルの読みC3は以下のように与えられる。
C2=T21I1+T22I2+T23I3 (2)
C3=T31I1+T32I2+T33I3 (3)
上記3つの式は、以下のようにマトリクス形式で表わされうる。
T12=C1/I2
T22=C2/I2
T32=C3/I2
I3のみによって照明されるとき(I1=I2=0の場合)、次式が得られる。
T13=C1/I3
T23=C2/I3
T33=C3/I3
較正マトリクス
最適化された波長帯の選択
スペクトルイメージングの最適波長帯を決定するために、モデル化法および統計的手法が適用されてもよい。最適化光輸送モデルに基づくスペクトル分析アルゴリズムが、プログラマブル画像収集および処理エレクトロニクスとリアルタイムデータ処理およびオフライン分析の両方に対してGPUを備えるPCコンピュータとにおいて実施される。最少数の波長と最適な波長位置および帯域幅とが、最適化関数を用いて実験的測定および/または模擬スペクトル測定から決定される。1つの手法は、フルスペクトルを用いて取得された推定値と少ない帯域数に対して最適化されたスペクトルを用いて取得された推定値との誤差関数の数値最適化(最小二乗法)に基づくものである。
1.疾病分類(良性病変と悪性病変)と、連続フルスペクトル測定を用いて取得された精度(C_f)と、帯域数nのスペクトル測定を用いて取得された分類精度(C_n)との間の誤差の最小化。
2.連続フルスペクトル測定から取得された光学特性(OP_f)と、帯域数nのスペクトル測定から取得された光学特性(OP_n)との間の誤差の最小化。
3.連続フルスペクトルのスペクトル線形状(S_f)と、帯域nのスペクトルのスペクトル線形状(S_n)との間の誤差の最小化。
マッピングアルゴリズム
複数の組織の生理学的(吸収)特性に関係する画像と複数の組織の形態学的(散乱)特性に関係する画像を取得するためにマッピングアルゴリズムが採用される。マッピングアルゴリズムは、強度較正アルゴリズムおよび高速反転アルゴリズムの2つの要素を備えていてもよい。図12は、組織の生理学的および形態学的画像をビデオ速度で生成するために適用されうるマッピングアルゴリズム例のブロック図を示す。
Rc(λi)=KaRm(λi) (1)
βc(λi)=X[KaRm(λi)] (2)
μac(λi)=Y[Ks,βc(λi)] (3)
ただし、μs’c(λi)=μac(λi)/βc(λi)
ここで、RmおよびRcは、それぞれ、測定された反射率および補正された反射率であり、βcおよびβmは、それぞれ、補正されたアルベドおよび測定されたアルベド(測定された吸収係数と測定された散乱係数の比)であり、μacおよびμs’cは、それぞれ、補正された吸収係数および補正された散乱係数である。X[]は補正されたβcアルベドを測定された反射率Rmに関連付ける逆光輸送モデル/関数であり、Y[]は吸収振幅を散乱振幅に関連付ける関数である。XおよびY関数の正確な形または数学的定式化は、分析で採用される光輸送モデルに依存する。たとえば、モンテカルロ、拡散近似モデルなど、多くの周知の光輸送モデルが本明細書に記載する強度較正アルゴリズムとともに採用されうる。
d1βc(λi)[(1+βc(λi))]1/2−d2[1+βc(λi)]1/2+d3βc(λi)−d4=0
ただし、
d1=A’+2AKaRm
d2=4AKaRm
d3=3A+2A2KaRm
d4=4A2KaRm
ここで、Aは組織の屈折率およびA’=1+2/3Aに依存する定数である。
高速反転アルゴリズムの例を図14に示す。高速反転アルゴリズム300は、線形マトリクス反転法350と、周知の基準である組織の吸収発色団(chromophores)310および組織の散乱粒子312の固有スペクトルとを用いて吸収および散乱スペクトル画像160、162から関係する生理学的特性170および形態学的特性172を定量化する。
本開示について具体的な要素、実施形態、および用途を示して説明してきたが、修正は本開示の範囲から逸脱することなく特に前述の教示に照らして当業者によってなされうるので、本開示の範囲はこれらに限定さないことは理解されよう。それゆえ、たとえば、本明細書で開示するいかなる方法またはプロセスにおいても、方法/プロセスを構成する行為や操作は任意の適切な順序で実施することができ、特定の開示された順序に必ずしも限定されない。要素および成分は、様々な実施形態において、違った方法で構成または配置され、組み合わせられ、かつ/または排除されうる。前述した様々な特徴およびプロセスは、互いに独立に採用されてもよく、様々な方法で組み合わせられてもよい。すべての可能な組合せおよび部分的な組合せは本開示の範囲内にあるものとする。本開示を通じた「一部の実施形態」、「ある実施形態」などの言及は、その実施形態に関連して記載される具体的な特徴、構造、ステップ、プロセス、または特性が少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、本開示を通じた表現「一部の実施形態では」、「ある実施形態では」などの出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているものではなく、1つまたは複数の同じ実施形態に言及している場合も異なる実施形態に言及している場合もある。実際に、本明細書に記載した新規な方法およびシステムは、他の様々な形態で具体化されてもよく、さらに、本明細書に記載した実施形態の形式においては様々な省略、追加、置換、等価物、再構成、および変更は本明細書に記載した本発明の趣旨から逸脱することなくなされてよい。
Claims (67)
- 対象物のマルチスペクトルイメージング用の装置であって、
第1の複数の狭帯域によって特徴付けられた第1のスペクトルを有する光を放射するように構成可能な光源であって、前記装置は、前記光源からの前記光を前記対象物の領域に導くように配置されている、前記光源と、
前記対象物の領域を撮像するように配置され、マルチチャネル画像データを提供するように構成されたマルチチャネルイメージング光検出器と、
前記マルチチャネル画像データから複数のスペクトル画像を抽出するように構成された画像処理システムであって、前記複数のスペクトル画像は、前記複数の狭帯域の各々に対応するスペクトル画像を含む、前記画像処理システムと
を備える装置。 - 前記光源は、前記光のスペクトルを変えるように制御可能であり、前記装置は、前記光源を切り替えて、第2の複数の狭帯域によって特徴付けられた第2のスペクトルを有する光を放射するように構成されたコントローラを備え、前記第2のスペクトルの前記第2の複数の狭帯域は、前記第1のスペクトルの前記第1の複数の狭帯域とは異なる波長で生じ、前記コントローラは、前記光源が前記第1のスペクトルを有する光で前記対象物の領域を照明している間に、前記対象物の第1のマルチチャネル画像を得るために前記イメージング光検出器を操作し、前記光源が前記第2のスペクトルを有する光で前記対象物の領域を照明している間に前記対象物の第2のマルチチャネル画像を得るために前記イメージング光検出器を操作するように構成されている、請求項1に記載の装置。
- 前記光源は、複数のモードを有しており、前記モードのそれぞれ1つに対して前記複数の狭帯域が対応する異なる組の波長において生じるように、前記モードの各々において、前記光源は対応する複数の狭帯域によって特徴付けられる対応するスペクトルを有する光を放射するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、前記光源を選択されたモードに切り替え、前記光源が前記選択されたモードに対応するスペクトルを有する光で前記対象物の領域を照明している間に、対応するマルチチャネル画像データを得るために前記検出器を操作することを、複数の選択されたモードの各々に対して、繰り返すように構成されたコントローラを備える、請求項3に記載の装置。
- 前記光源は、広帯域光源と、複数のフィルタを含むフィルタホイールとを備え、前記複数のフィルタの各々は、複数の狭通過帯域を備える対応フィルタ機能を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 広帯域光源は、キセノン・アーク・ランプを備える、請求項4に記載の装置。
- 前記光源は、複数の狭帯域発光体を備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記狭帯域発光体は、半導体発光体を備える、請求項7に記載の装置。
- 前記狭帯域発光体は、発光ダイオードを備える、請求項8に記載の装置。
- 前記光源は、広帯域光源および1つまたは複数の可変フィルタを備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記可変フィルタは、音響光学的可変フィルタまたは液晶可変フィルタを備える、請求項10に記載の装置。
- 前記光源は、ディジタル・マイクロミラー・デバイス・ベースのスペクトルをプログラム可能な光源を備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の狭帯域は、可視光および近赤外光からなる電磁スペクトルの狭帯域の部分にある、請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の狭帯域は、390〜1000nmの範囲の波長を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の狭帯域は、約400nm〜約800nmの範囲の波長を有する、請求項14に記載の装置。
- 前記イメージング光検出器は、複数の光感知アレイを備え、複数の光感知アレイの各々が、対応する通過帯域の光に応答する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数の狭帯域の狭帯域の各々は、前記通過帯域の異なる一つの通過帯域に含まれる、請求項16に記載の装置。
- 前記検出器は、カラーフィルタのパターンによって重ね合わされる光感知素子のアレイを備えるイメージングアレイを備える、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 前記カラーフィルタの各々は、前記カラーフィルタに対応するフィルタ特性によって決定される量の、前記狭帯域の2つまたはそれ以上からの光を通過させる、請求項18に記載の装置。
- 較正情報を含むデータストアを備え、前記画像処理システムは、前記較正情報を用いて前記マルチチャネル画像データを分解し、前記複数の狭帯域に対応する複数の狭帯域画像を生成するように構成されている、請求項19に記載の装置。
- 前記検出器は、カラーフィルタのパターンによって重ね合わされる光感知素子のアレイを備えるイメージングアレイを備え、カラーフィルタの各々は、前記カラーフィルタに対応するフィルタ特性によって決定される量の、前記狭帯域の2つまたはそれ以上からの光を通過させ、前記装置は、前記モードの各々に対応する較正情報を含むデータストアと、前記対応する較正情報を用いて前記マルチチャネル画像データを分解して、前記複数の狭帯域に対応する複数の狭帯域画像を生成するように構成された画像処理サブシステムとを備える、請求項4に記載の装置。
- 前記複数の狭帯域は、3つの狭帯域からなり、該3つの狭帯域は、青色波長範囲の第1の狭帯域と、緑色波長範囲の第2の狭帯域と、赤色/近赤外波長範囲の第3の狭帯域とを含む、請求項18〜21のいずれか一項に記載の装置。
- 前記狭帯域の数は、前記マルチチャネルイメージング光検出器のチャネル数に等しい、請求項1〜22のいずれか一項に記載の装置。
- 前記複数のスペクトル画像を処理して、補正されたアルベドスペクトル画像と補正された吸収および補正された散乱スペクトル画像との1つまたは複数を生成するように構成された画像処理デバイスを備える、請求項1〜23のいずれか一項に記載の装置。
- 前記画像処理デバイスは、前記補正されたアルベドスペクトル画像および前記補正された吸収および前記補正された散乱スペクトル画像の一方または両方に基づいて、前記対象物の生理学的画像と、前記対象物の形態学的画像とのうちの少なくとも1つを導出するように構成されている、請求項24に記載の装置。
- 前記生理学的画像は、酸化ヘモグロビン濃度画像、脱酸化ヘモグロビン画像、全ヘモグロビン濃度画像、および水分量画像のうちの少なくとも1つを含む、請求項25に記載の装置。
- 前記形態学的画像は、散乱体積画像、粘膜層厚さ画像、および散乱粒子体積率画像のうちの少なくとも1つに基づくものである、請求項25または26に記載の装置。
- 前記装置は、内視鏡として構成される、請求項1〜27のいずれか一項に記載の装置。
- 前記光源は、前記内視鏡の近位端にあり、前記内視鏡は、前記光源の光を前記内視鏡の遠位端まで伝送するために接続されたライトガイドを備える、請求項28に記載の装置。
- 前記イメージング光検出器は、前記内視鏡の遠位端に位置する、請求項29に記載の装置。
- 前記光源は、前記内視鏡の遠位端に位置する、請求項28に記載の装置。
- 前記光源は、前記イメージング光検出器のアパーチャの周囲に配置された複数の発光ダイオードを含む、請求項31に記載の装置。
- 前記狭帯域は、20nmまたはそれ以下の帯域幅を有する、請求項1〜32のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、毎秒24組またはそれ以上の速度でスペクトル画像を取得するように構成されている、請求項1〜33のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は、白色光照明モードを提供するように構成可能であり、前記光源は、前記領域を白色光で照明し、前記検出器は、前記領域のカラー画像を取得する、請求項1〜34のいずれか一項に記載の装置。
- 対象物のマルチスペクトルイメージング用の装置であって、
対象物を照明する光源であって、該光源は複数のスペクトル画像を生成するために複数の狭波長帯の光を同時に生成するように適合されており、前記狭波長帯の各々は、可視/NIR範囲内の種々の波長を含み、前記光源は、前記複数の狭波長帯の波長を経時的に変化させて、種々の照明スペクトルプロファイルを作り出すように構成されている、前記光源と、
前記画像を受信する画像検出デバイスと、
前記複数のスペクトル画像を処理して分析し、補正されたアルベドスペクトル画像、または補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像を生成し、前記補正されたアルベドスペクトル画像、または前記補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像に基づいて、前記対象物の少なくとも1つの生理学的画像と前記対象物の少なくとも1つの形態学的画像とを導出する画像処理デバイスと
を備える装置。 - 前記光源は、広帯域光源、プログラマブル・ディジタル・マイクロミラー光源、レーザ駆動光源、および発光ダイオードを含む群から選択される、請求項36に記載の装置。
- 前記光源は、複数のフィルタを有する回転フィルタホイールをさらに備える広帯域光源を含み、前記複数のフィルタの各々は、2つまたはそれ以上の狭帯域を同時に通過させ、前記狭帯域の各々は、異なる波長内にある、請求項37に記載の装置。
- 内視鏡を備え、前記光源は、前記内視鏡の遠位端に位置する複数の発光ダイオードを含み、該複数の発光ダイオードは、複数の狭波長帯において前記対象物の領域の均一な照明を提供するように配置されている、請求項37に記載の装置。
- 種々の狭帯域波長は、等間隔で配置されている、請求項36に記載の装置。
- 種々の狭帯域波長は、非等間隔で配置されている、請求項36に記載の装置。
- 前記複数の狭波長帯は、青色波長範囲の少なくとも1つの狭帯域と、緑色波長範囲の少なくとも1つの狭帯域と、赤色/近赤外波長範囲の少なくとも1つの狭帯域とを含む、請求項36に記載の装置。
- 前記画像検出デバイスは、少なくとも3つのCCDを含む、請求項36に記載の装置。
- 内視鏡を備え、前記画像検出デバイスは、内視鏡の遠位端に位置する、請求項36に記載の装置。
- 前記画像検出デバイスは、Bayerフィルタ・モザイク・カラー・カメラを含み、該Bayerフィルタ・モザイク・カラー・カメラは、前記複数の狭波長帯の各々の反射率画像に対応する反射率イメージング信号を取得するように較正されている、請求項36に記載の装置。
- 正方較正マトリクスを備える較正情報を含むデータストアを備える、請求項45に記載の装置。
- 前記補正されたアルベドスペクトル画像、または前記補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像を取得する強度較正モジュールと、前記補正されたアルベドスペクトル画像、または前記補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像に基づいて、前記少なくとも1つの生理学的画像および少なくとも1つの形態学的画像を定量化する高速反転モジュールとを備える、請求項36に記載の装置。
- 前記強度較正モジュールは、画像の画素から測定された反射率スペクトルと前記対象物の生体外光学吸収スペクトルとを用いて、前記複数のスペクトル画像の強度を補正する、請求項47に記載の装置。
- 前記強度較正モジュールは、少なくとも、前記対象物とイメージング手段との間の結合角度および測定距離変動を補正するための測定形状強度較正定数Kaと、測定値の相対強度特性を補正するためのアルベド補正強度較正定数Ksとを規定する、請求項47に記載の装置。
- 前記装置は、前記形状定数Kaを適用して、前記補正されたアルベドスペクトル画像を決定するように構成され、前記装置は、前記アルベド補正定数Ksを適用し、前記対象物の生体外吸収スペクトルを用いてアルベド画像から前記補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像を決定するように構成されている、請求項49に記載の装置。
- 前記高速反転モジュールは、線形マトリクス反転モデルに基づいている、請求項48に記載の装置。
- マルチスペクトルイメージング方法であって、
複数の狭波長帯を備えるスペクトルを有する光で対象物の領域を露光すること、
マルチチャネルイメージング検出器を用いて前記露光された対象物の画像を含む画像データを取得すること、
前記画像データから複数のスペクトル画像を抽出することであって、前記複数のスペクトル画像は、前記複数の狭波長帯の各々に対応するスペクトル画像を含む、前記抽出すること
を備える、マルチスペクトルイメージング方法。 - 前記対象物の領域を露光することを反復すること、前記画像データを複数回取得することを備え、前記方法は、前記複数の狭波長帯の帯域の波長を変えることによって、異なる反復に対して前記スペクトルを変更することを備える、請求項52に記載の方法。
- 前記波長帯は、可視光および近赤外光からなるスペクトル範囲内にある、請求項52〜53のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法を、24Hzまたはそれ以上の速度で反復することを備える、請求項52〜54のいずれか一項に記載の方法。
- 対象物の領域を露光することは、前記複数の狭波長帯に対応する複数の通過帯域を有するフィルタに前記光を通過させることを含む、請求項52〜55のいずれか一項に記載の方法。
- 対象物の領域を露光することは、前記複数の狭波長帯に対応する複数の通過帯域を有するフィルタに前記光を通過させることを備え、前記方法は、前記反復の各々に対して異なるフィルタに前記光を通過させることを備える、請求項53に記載の方法。
- 前記フィルタは、ホイールの周囲に取り付けられ、前記方法は、前記ホイールを回転させること、前記フィルタの各々を介して前記対象物が露光される間に、前記イメージング検出器の動作を前記ホイールの回転に連携させて、前記イメージング検出器を用いて少なくとも1つの画像を取得することを備える、請求項57に記載の方法。
- 前記画像データから複数のスペクトル画像を抽出することは、較正データを用いて前記画像データを処理することを含み、前記方法は、前記フィルタの各異なる1つに対応する画像に対して異なる較正データを適用する、請求項56または57に記載の方法。
- 前記スペクトル画像から白色光反射率画像を合成することを備える、請求項52〜59のいずれか一項に記載の方法。
- 前記スペクトル画像を処理して、補正されたアルベドスペクトル画像と補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像とのうちの1つまたは複数を得ることを備える、請求項52〜60のいずれか一項に記載の方法。
- 前記スペクトル画像を処理して、前記対象物の生理学的画像および前記対象物の形態学的画像のうちの1つまたは複数を取得することを備える、請求項52〜61のいずれか一項に記載の方法。
- 前記対象物は組織を備え、前記生理学的画像は、オキシヘモグロビン画像、デオキシヘモグロビン画像、組織水分量画像、およびその他の発色団分布の画像のうちの1つまたは複数を含む、請求項62に記載の方法。
- マルチスペクトルイメージング方法であって、
N個の狭波長帯の光で対象物の領域を露光し、対象物の領域が露光されている間に前記対象物の画像を取得することであって、前記露光することは、一連のステップで実施され、各ステップは、一度にN個の狭波長帯の基本的にn個の組からなるスペクトルを有する光で同時に前記対象物を露光すること、マルチチャネルイメージング検出器を用いて前記対象物の画像を取得することを含む、前記対象物の領域を露光し、前記対象物の画像を取得すること、
前記マルチチャネルイメージング検出器からのマルチチャネル画像データを処理して、前記N個の狭波長帯に対応するスペクトル画像を取得すること
を備える、マルチスペクトルイメージング方法。 - 前記方法を、ビデオ速度で反復すること、前記スペクトル画像、または前記スペクトル画像から導出された画像を表示することを備える、請求項64に記載の方法。
- 前記ビデオ速度は、少なくとも24Hzの速度である、請求項65に記載の方法。
- 組織の生理学的および形態学的情報を定量化する方法であって、
照明の複数の狭波長帯で対象物を同時に照明することであって、前記狭波長帯の各々は、可視/NIR範囲の異なる波長を有する、前記照明すること、
複数のスペクトル画像を生成すること、
前記画像の画素から測定された反射率スペクトルを用いて前記スペクトル画像の強度を補正し、補正されたアルベドスペクトル画像、または補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像を取得すること、
少なくとも1つの生理学的画像および少なくとも1つの形態学的画像を、前記補正されたアルベドスペクトル画像、または前記補正された吸収スペクトル画像および補正された散乱スペクトル画像から導出すること
を備える方法。
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