JP6569539B2 - イメージング装置 - Google Patents

Description

この発明は、被検者の体内に投与された蛍光色素に対して励起光を照射し、この蛍光色素から発生する蛍光を撮影するイメージング装置に関する。

近赤外蛍光イメージングと呼称される手法が、外科手術における血管造影に利用されている。この近赤外蛍光イメージングにおいては、蛍光色素であるインドシアニングリーン（ＩＣＧ）をインジェクタ等により注入することで患部に投与する。そして、このインドシアニングリーンにその波長が６００〜８５０ｎｍ（ナノメータ）程度の近赤外光を励起光として照射すると、インドシアニングリーンは７５０〜９００ｎｍ程度の波長の近赤外蛍光を発する。この蛍光を、近赤外光を検出可能な撮像素子で撮影し、その画像を液晶表示パネル等の表示部に表示する。この近赤外蛍光イメージングによれば、体表から２０ｍｍ程度までの深さに存在する血管やリンパ管等の観察が可能となる。

また、近年、腫瘍を蛍光標識して手術ナビゲーションに利用する手法が注目されている。腫瘍を蛍光標識するための蛍光標識剤としては、５−アミノレブリン酸（５−ＡＬＡ／５−Ａｍｉｎｏｌｅｖｕｌｉｎｉｃ Ａｃｉｄ）が使用される。この５−アミノレブリン酸（以下、これを略称するときは「５−ＡＬＡ」という）を被検者に投与した場合、５−ＡＬＡは蛍光色素であるＰｐＩＸ（ｐｒｏｔｏｐｏｒｐｈｙｒｉｎＩＸ／プロトポルフィリンナイン）に代謝される。なお、このＰｐＩＸは癌細胞に特異的に蓄積する。そして、５−ＡＬＡの代謝物であるＰｐＩＸに向けて４１０ｎｍ程度の波長の可視光を照射すると、ＰｐＩＸからおよそ６３０ｎｍ程度の波長の赤色の可視光が蛍光として発光される。このＰｐＩＸからの蛍光を観察することにより、癌細胞を確認することが可能となる。

特許文献１には、インドシアニングリーンが投与された生体の被検臓器に対して、インドシアニングリーンの励起光を照射して得られた近赤外蛍光の強度分布イメージと、インドシアニングリーン投与前の被検臓器に対して、Ｘ線、核磁気共鳴または超音波を作用させて得られた癌病巣分布イメージとを比較し、近赤外蛍光の強度分布イメージで検出されるが癌病巣分布イメージでは検出されない領域のデータを、癌の副病巣領域データとして収集するデータ収集方法が開示されている。

このような体内に侵入させた蛍光色素からの蛍光を撮影するイメージング装置では、被検者からの蛍光と、被検者の可視画像とを同時に動画として記憶し、ビデオレコーダで記録した撮影画像を動画再生する構成となっている。このように、従来のイメージング装置は、所定のフレームレートで撮影した画像を動画として録画・再生することで、明るい外部照明環境下での、ＩＣＧ等の蛍光色素投与後の血管・リンパ管の走行の観察や癌病巣領域の確認ができるものである。

このような録画データは、参照用に使用し得るだけではなく、解析に利用することにより新しい知見を得ることができる。例えば、ＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：関心領域）の時間方向の信号変化曲線を描画するＴＩＣ（Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｃｕｒｖｅ）解析においては、ＲＯＩの画素値がピークとなるまでの時間を求めることにより、インドシアニングリーン等の蛍光色素の造影時間を定量的に評価することが可能となる。例えば、心臓冠動脈バイパス手術後の血流確認のためにはＴＩＣによりＲＯＩの画素値の経時的な変化曲線を得ることが有効な手段となる。

一方、心臓などの被検者の体動を伴う領域をＲＯＩとして解析する場合には、被検者の体動に伴う補正を実行する必要がある。例えば、心筋部をＲＯＩとして解析するときに、拍動に伴う心血管の移動がある場合には、解析領域に心血管が混入することから、ＴＩＣ曲線に対して、被検者の体動に伴う心血管領域の周期的な成分が重畳することになる。

特許文献２には、被検者の体動に伴う動きを、ベクトル計算を用いて補正するようにした超音波診断装置が開示されている。

国際公開第２００９／１３９４６６号 特開２０１０−５１７２９号公報

例えば、心臓の心筋部付近をＲＯＩとするＴＩＣ解析においては、血管部の位置固定（ロック化）が必要となるが、特許文献２に記載されたベクトル計算においては、血管を全ての領域において位置固定することは不可能である。すなわち、特許文献２に記載されたベクトル計算では、空間的な移動を伴う補正計算に長い時間が必要となり、血管部を全域において位置固定することは困難となる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、被検者の体動に伴って移動する関心領域に対しても、関心領域の画素値の経時的な変化曲線を容易に得ることが可能なイメージング装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、被検者に投与された蛍光色素を励起させるための励起光を、前記被検者に向けて照射する励起用光源と、励起光が照射されることにより前記蛍光色素から発生した蛍光を撮影することにより、蛍光画像を取得する撮影部と、前記被検者の体動にともなって変化する前記蛍光画像を経時的に記憶する画像記憶部と、を備えたイメージング装置において、関心領域に対応する位置における前記蛍光画像の画素値を経時的に測定する画素値測定部と、前記画素値測定部により測定された画素値のうち、前記被検者の体動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値をサンプリングすることにより、関心領域の画素値の経時的な変化曲線を作成する変化曲線作成部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記変化曲線作成部により作成された変化曲線を平滑化する平滑化部をさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記関心領域は、心臓における心筋部分である。

請求項１に記載の発明によれば、被検者の体動に伴って移動する関心領域に対しても、蛍光画像における関心領域の画素値の経時的な変化曲線を容易に得ることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、蛍光画像における関心領域の画素値の平滑化された経時的な変化曲線を得ることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、被検者の拍動に伴って移動する心血管の影響を防止して、蛍光画像における心筋部分の画素値の経時的な変化曲線を容易に得ることが可能となる。

この発明に係るイメージング装置の斜視図である。 この発明に係るイメージング装置の側面図である。 この発明に係るイメージング装置の平面図である。 照明・撮影部１２の概要図である。 照明・撮影部１２におけるカメラ２１の概要図である。 この発明に係るイメージング装置の主要な制御系を示すブロック図である。 モニター１５に表示される心臓９１付近の画像を示す模式図である。 カメラ２１により被検者を撮影して得たＲＯＩに対応する領域の画素値を示すグラフである。 図８に示すグラフに対してサンプリングを実行した後の状態を示すグラフである。 図９に示すグラフに対して、平滑化を実行した後の状態を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係るイメージング装置の斜視図である。図２は、この発明に係るイメージング装置の側面図である。図３は、この発明に係るイメージング装置の平面図である。

この発明に係るイメージング装置は、被検者の体内に注入された蛍光色素としてのインドシアニングリーンに対し励起光を照射し、このインドシアニングリーンから放射される蛍光を撮影するためのものであり、４個の車輪１３を備えた台車１１と、この台車１１の上面における台車１１の進行方向の前方（図２および図３における左方向）付近に配設されたアーム機構３０と、このアーム機構３０にサブアーム４１を介して配設された照明・撮影部１２と、モニター１５とを備える。台車１１の進行方向の後方には、台車１１を移動するときに使用されるハンドル１４が付設されている。また、台車１１の上面には、このイメージング装置を遠隔操作するためのリモコンを装着するための凹部１６が形成されている。

上述したアーム機構３０は、台車１１の進行方向の前方側に配設されている。このアーム機構３０は、台車１１の進行方向の前方側に立設された支柱３６上に配設された支持部３７に対して、ヒンジ部３３により連結された第１アーム部材３１を備える。この第１アーム部材３１は、ヒンジ部３３の作用により、支柱３６および支持部３７を介して、台車１１に対して揺動可能となっている。なお、上述したモニター１５は、支柱３６に付設されている。

この第１アーム部材３１の上端には、第２アーム部材３２がヒンジ部３４により連結されている。この第２アーム部材３２は、ヒンジ部３４の作用により、第１アーム部材３１に対して揺動可能となっている。このため、第１アーム部材３１と第２アーム部材３２とは、図２において符合Ｃを付した仮想線で示すように、第１アーム部材３１と第２アーム部材３２とが第１アーム部材３１と第２アーム部材３２との連結部であるヒンジ部３４を中心として所定の角度開いた撮影姿勢と、図１から図３において符合Ａを付した実線で示すように、第１アーム部材３１と第２アーム部材３２とが近接する待機姿勢とをとることが可能となっている。

第２アーム部材３２の下端には、支持部４３がヒンジ部３５により連結されている。この支持部４３は、ヒンジ部３５の作用により、第２アーム部材３２に対して揺動可能となっている。この支持部４３には、回転軸４２が支持されている。そして、照明・撮影部１２を支持したサブアーム４１は、第２アーム部材３２の先端に配設された回転軸４２を中心に回動する。このため、照明・撮影部１２は、このサブアーム４１の回動により、図１から図３において符合Ａを付した実線で、あるいは、図２において符合Ｃを付した仮想線で示すように、撮影姿勢または待機姿勢をとるためのアーム機構３０に対して台車１１の進行方向の前方側の位置と、図２および図３において符合Ｂを付した仮想線で示すように、台車１１を移動させる時の姿勢であるアーム機構３０に対して台車１１の進行方向の後方側の位置との間を移動する。

図４は、照明・撮影部１２の概要図である。

この照明・撮影部１２は、可視光および近赤外光を撮影可能な複数の撮像素子を備えたカメラ２１と、このカメラ２１の外周部に配設された可視光源２２と、可視光源２２の外周部に配設された励起用光源２３とを備える。可視光源２２は、白色光（可視光）を照射する。また、励起用光源２３は、蛍光色素としてのインドシアニングリーンを励起させるための励起光であるその波長が８１０ｎｍの近赤外光を照射する。８１０ｎｍの近赤外光を照射されたインドシアニングリーンからは、ピークが８４５ｎｍ程度の近赤外光が蛍光として放射される。

なお、この実施形態においては、可視光源２２および励起用光源２３と、カメラ２１とを一体化した照明・撮影部１２を使用しているが、可視光源２２および励起用光源２３と、カメラ２１とを、個別に配設してもよい。

図５は、照明・撮影部１２におけるカメラ２１の概要図である。

このカメラ２１は、焦点合わせのために往復移動する可動レンズ５４と、波長選択フィルター５３と、可視光用撮像素子５１と、蛍光用撮像素子５２とを備える。可視光用撮像素子５１と蛍光用撮像素子５２とは、ＣＭＯＳやＣＣＤから構成される。カメラ２１に対して、その光軸Ｌに沿って同軸で入射した可視光および蛍光は、焦点合わせ機構を構成する可動レンズ５４を通過した後、波長選択フィルター５３に到達する。同軸状に入射した可視光および蛍光のうち、可視光は、波長選択フィルター５３により反射され、可視光用撮像素子５１に入射する。また、同軸状の可視光および蛍光のうち、蛍光は、波長選択フィルター５３を通過して蛍光用撮像素子５２に入射する。このとき、可動レンズ５４を含む焦点合わせ機構の作用により、可視光は可視光用撮像素子５１に対して焦点合わせされ、蛍光は蛍光用撮像素子５２に対して焦点合わせされる。

図６は、この発明に係るイメージング装置の主要な制御系を示すブロック図である。

このイメージング装置は、論理演算を実行するＣＰＵ、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等から構成され、装置全体を制御する制御部６０を備える。この制御部６０は、蛍光画像と可視画像に対して各種の画像処理を実行する画像処理部６１を備える。この画像処理部６１は、後述するように、ＲＯＩ（関心領域）に対応する位置における蛍光画像の画素値を経時的に測定する画素値測定部６６と、この画素値測定部６６により測定された画素値のうち、被検者の体動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値をサンプリングすることによりＲＯＩの画素値の経時的な変化曲線を作成する変化曲線作成部６７と、この変化曲線作成部６７により作成された変化曲線を平滑化する平滑化部６８とを備える。

また、制御部６０は、オペレータにより各種の情報が入力される入力部６２と接続されている。また、この制御部６０は、上述したモニター１５と接続されている。なお、入力部６２は、このイメージング装置を遠隔操作するためのリモコンに配設されていてもよく、モニター１５がタッチパネル式のものである場合にはこのモニター１５の画面に配設されてもよく、台車１１に配設されてもよい。

また、制御部６０は、カメラ２１、可視光源２２および励起用光源２３を備えた照明・撮影部１２と接続されている。また、この制御部６０は、カメラ２１により撮影された画像を経時的に記憶する画像記憶部６３とも接続されている。この画像記憶部６３は、蛍光画像を経時的に記憶する蛍光画像記憶部６４と、可視画像を経時的に記憶する可視画像記憶部６５とから構成される。なお、蛍光画像記憶部６４および可視画像記憶部６５を備える代わりに、可視画像と蛍光画像とを合成（フュージョン）した画像を経時的に記憶する合成画像記憶部を備えていても良い。

次に、以上のような構成を有するイメージング装置を使用することにより、例えば、心臓冠動脈バイパス手術後の血流確認のためにＴＩＣ解析を利用してＲＯＩの蛍光画像の画素値の経時的な変化曲線を得るイメージング動作について説明する。図７は、モニター１５に表示される心臓９１付近の画像を示す模式図である。

この実施形態は、心臓９１における心血管９２近傍の心筋部分をＲＯＩとして、その蛍光画像の画素値の経時的な変化を測定する場合についてのものである。心筋部分をＲＯＩとして蛍光画像の画素値の経時的な変化を観察するＴＩＣ解析は、心臓冠動脈バイパス手術後の血流確認のために有効な手段となる。一方、心血管９２近傍の心筋部をＲＯＩとして解析するときには拍動に伴う心血管９２の移動により、心血管９２が画素値の測定領域に混入することから、ＴＩＣ曲線に対して被検者の体動に伴う心血管領域の画像の周期的な成分が重畳することになる。このため、この発明に係るイメージング装置においては、カメラ２１により撮影して得たＲＯＩに対応する位置の蛍光画像の画素値のうち、被検者の体動の周期、すなわち、被検者の拍動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値をサンプリングする構成を採用している。

図８は、カメラ２１により被検者を撮影して得たＲＯＩに対応する領域の画素値を示すグラフである。図９は、図８に示すグラフに対してサンプリングを実行した後の状態を示すグラフである。図１０は、図９に示すグラフに対して、平滑化を実行した後の状態を示すグラフである。なお、これらの図における縦軸は画素値を示し、横軸は時間を示している。

心血管９２近傍の心筋部分をＲＯＩとして蛍光画像の画素値の経時的な変化を測定する場合においては、カメラ２１における蛍光用撮像素子５２により撮像した蛍光画像に対して、ＲＯＩに対応する領域の画素値を図６に示す画素値測定部６６により測定する。ここで、ＲＯＩに対応する領域とは、被検者の体動がない場合におけるＲＯＩの位置に相当する領域である。ＴＩＣ解析においては、ＲＯＩの画素値を経時的に測定する必要があるが、実際には、被検者の拍動に伴いＲＯＩの位置が変化する。このため、この実施形態においては、被検者の拍動がないときにＲＯＩが存在する領域をＲＯＩに対応する領域として、その位置の画素値を測定している。

このＲＯＩに対応する領域の画素値の測定は、一定の時間継続して実行され、そのときの全ての画像におけるＲＯＩに対応する領域の画素値が、図８に示すように、曲線Ｌ１として表示される。例えば、フレームレートが６０ｆｐｓ（ｆｒａｍｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）で３０秒間画素値の測定を実行した場合には、１８００点の画素値が測定されることになる。

このときには、図８に示すように、被検者の拍動に伴うＲＯＩの移動によりＲＯＩに相当する領域に心血管９２が混入することから、ＲＯＩに相当する領域の画素値を表す曲線Ｌ１は、被検者の拍動と同等の周期で上下動を繰り返すことになる。

このため、この発明に係るイメージング装置においては、画素値測定部６６により測定された画素値のうち、被検者の拍動による体動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値を、図６に示す変化曲線作成部６７によりサンプリングする。すなわち、被検者の拍動による体動の１周期の間変化する画素値のうち、その値が最も小さくなった時点の画素値を取り出す。そして、この画素値の変化をグラフとして表示する。図９に示す画素値の変化を示す曲線Ｌ２は、このようにして最小値となる画素値がサンプリングされたグラフである。

この曲線Ｌ２においては、被検者の拍動による体動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値がサンプリングされていることから、被検者の拍動による心血管９２の混入の影響が排除される。このため、この曲線Ｌ２は、ＲＯＩの画素値の経時的な変化を示す変化曲線に相当するものとなる。

なお、図９に示す曲線Ｌ２においては、２個のピークＰ１、Ｐ２が存在している。これらのピークＰ１、Ｐ２のうち、ピークＰ１は、例えば、被検者の拍動が乱れ、被検者の拍動による体動の周期以上の時間間隔の間に心血管９２の混入がない時間が存在しなかった状態を示している。また、ピークＰ２は、例えば、ＲＯＩに相当する領域に対して、メス等の機器が混入した状態を示している。

次に、図９に示すＲＯＩの画素値の経時的な変化を示す変化曲線に相当する曲線Ｌ２に対して、図６に示す平滑化部６８により平滑化を実行する。これにより、図１０に示すように、ピークＰ１、Ｐ２等が除外され、十分に平滑化された、ＲＯＩの画素値の経時的な変化曲線である曲線Ｌ３を得ることができる。

なお、上述した「被検者の拍動による体動の周期以上の時間」は、例えば、被検者の体動より少し長い時間である。例えば、被検者の鼓動が１秒間隔（毎分６０回）程度であったとすると、１秒以上の時間である。この時間を長くした場合には、上述した平滑化を省略した場合においても、不要なピークが除外されて平滑化された、ＲＯＩの画素値の経時的な変化を示す変化曲線を得ることができる。このため、この場合には、上述した平滑化工程を省略することも可能となる。但し、この時間を長く設定した場合には、ＲＯＩの画素値の経時的な変化を示す変化曲線に時間的なずれを生ずる。このため、上述した「被検者の拍動による体動の周期以上の時間」は、被検者の体動の時間間隔より長く、かつ、被検者の体動の時間間隔の２倍より短い時間であることが好ましい。すなわち、「被検者の拍動による体動の周期以上の時間」は、被検者の体動の１周期より長く２周期より短いことが好ましい。

なお、上述した実施形態においては、蛍光色素を含む材料としてインドシアニングリーンを使用し、このインドシアニングリーンに対して６００ｎｍ〜８５０ｎｍ程度の近赤外光を励起光として照射することにより、インドシアニングリーンからおおよそ８１０ｎｍをピークとする近赤外領域の蛍光を発光させる場合について説明したが、近赤外線以外の光を使用してもよい。

また、蛍光色素として、インドシアニングリーンを使用するかわりに、上述した５−ＡＬＡ等の、その他の蛍光色素を使用してもよい。

１２ 照明・撮影部
２１ カメラ
２２ 可視光源
２３ 励起用光源
３０ アーム機構
５１ 可視光用撮像素子
５２ 蛍光用撮像素子
６０ 制御部
６１ 画像処理部
６２ 入力部
６３ 画像記憶部
６４ 蛍光画像記憶部
６５ 可視画像記憶部
６６ 画素値測定部
６７ 変化曲線作成部
６８ 平滑化部

Claims (3)

1. 被検者に投与された蛍光色素を励起させるための励起光を、前記被検者に向けて照射する励起用光源と、
   励起光が照射されることにより前記蛍光色素から発生した蛍光を撮影することにより、蛍光画像を取得する撮影部と、
   前記被検者の体動にともなって変化する前記蛍光画像を経時的に記憶する画像記憶部と、
   を備えたイメージング装置において、
   関心領域に対応する位置における前記蛍光画像の画素値を経時的に測定する画素値測定部と、
   前記画素値測定部により測定された画素値のうち、前記被検者の体動の周期以上の時間間隔の間で最小値となる画素値をサンプリングすることにより、関心領域の画素値の経時的な変化曲線を作成する変化曲線作成部と、
   を備えたことを特徴とするイメージング装置。
2. 請求項１に記載のイメージング装置において、
   前記変化曲線作成部により作成された変化曲線を平滑化する平滑化部をさらに備えるイメージング装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のイメージング装置において、
   前記関心領域は、心臓における心筋部分であるイメージング装置。

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