JP6184014B2

JP6184014B2 - 生体組織診断装置

Info

Publication number: JP6184014B2
Application number: JP2013240218A
Authority: JP
Inventors: 進鹿嶋
Original assignee: オメガウェーブ株式会社
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015097730A

Description

本発明は、生体組織診断装置に係り、特に低酸素または低血流状態となった脳組織の可逆性（バイアビリティ（Viability／生存度））を判定する診断装置に関する。

全身の臓器・器官のうちでも酸素消費量の特に多い脳は酸素不足に敏感に反応し、虚血ないし低酸素状態が続くと、機能低下を生じ、機能喪失から脳細胞の破壊へと進行し生命の危険へとつながる。

下記非特許文献１（以下「川内」と言う）は、低酸素下における脳組織のバイアビリティを光学的にモニタリングする技術に関するものであるが、この文献において川内は、赤色から近赤外光をラットの脳に照射し、その散乱光強度の時間変動を測定することにより、脳の低酸素状態と脱分極による脳組織の可逆・不可逆性の判断を行うことが出来るとしている。

図１は、自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの散乱光強度の時間変化の一例を示すもので、横軸が時間、縦軸が散乱光強度である。川内の報告では、図１のＡの期間、即ち散乱光強度が弱くなった後に上昇する時に脱分極が生じているとしている。脱分極が脳内で発生し一定時間経過すると、血流（酸素の供給）が再開されても脳機能の回復が得られなくなる。

川内聡子著「脳組織バイアビリティーの光学的モニタリング」レーザー研究第４０巻第４号（第２３６〜２４０頁）２０１２年４月一般社団法人レーザー学会編

ところで、川内の方法は、散乱光強度の時間的変動から脳の状態を診断するもので、診断を行うには脳組織が正常な状態から酸素不足により脱分極（この状態では機能回復が最早困難である）が生じるまでを連続して測定する必要がある。

このため、実験室における動物実験とは違って例えば、脳梗塞で搬送されてきた患者の脳の状態を診断する場合のような、任意の時点での状態をその場で即座に（時間を追うことなく）診断するようなことは川内の方法では出来ない。また、測定システムを診断対象から一旦はずした後に再度装着するようなことも測定条件が同一とならないために難しく、対象組織が既に酸素不足または低血流の状態で正常ではない場合にも診断を行うことは出来ない。

したがって、連続的な測定を行わなくても生体組織の状態を診断可能な技術の提供が望まれる。本発明の目的はこのような要望に応えることにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る生体組織診断装置は、生体組織に対してレーザー光を照射するとともに当該生体組織で拡散反射された光を受光し、この光の強度分布に基づいて当該生体組織の可逆性を判定する診断装置であって、生体組織中の判定を行う判定領域を設定する領域設定部と、判定領域に対してレーザー光を照射するレーザー光照射部と、生体組織で拡散反射されたレーザー光の散乱光を受光する散乱光受光部と、散乱光受光部により受光された散乱光の、前記判定領域内における強度分布を検出する散乱光強度分布検出部と、散乱光強度分布検出部により検出された判定領域内の強度分布から、当該強度分布の広がり程度を算出する分布程度算出部と、分布程度算出部により算出された前記広がり程度が予め定められた大きさ以上の場合に判定領域内の生体組織の可逆性が喪失または低下したと判定する可逆性判定部とを備えた。

コヒーレント光であるレーザー光を生体組織に照射すると、照射されたレーザー光が生体組織で拡散反射され、これら拡散反射された散乱光が重ね合される（各場所で反射された位相が異なる反射光が重なり合う）ことにより明暗、即ち光の強度の違いによる斑点模様（スペックルパターン）が生じる。このスペックルパターンは物体の光学的特性によって異なり、固体であればスペックルパターンの強度は、最も弱い（暗い）強度を「０」、最も強い（明るい）強度を「１」とすると、基本的に０（暗）から１（明）までの値が分布することとなる。

一方、生体組織内に血液が流れている場合には光を散乱させる主成分である赤血球からの散乱光によって、スペックルパターンは固定化されずに時間的な変動を示すが（変動速度は変動の主因である血流速度の関数となる）、撮影画像中の或る範囲（前記判定領域を細かく分割した小領域／例えば撮影を行うＣＣＤカメラの各画素）の光強度の時間平均値、即ち或る一定時間（例えば数十分の一秒から数秒／例えばＣＣＤの画素（フォトダイオード）への電荷蓄積時間）中の受光強度の平均値はいずれも０と１の間の値をとり、図２に示すようにスペックルパターンの強度分布Ｄ１は、或る値を中心とする正規分布状になる。

他方、生体組織が虚血状態のような酸素不足の状態になると、血流の減少と脱分極による細胞形状の変化により上記変動が小さくなってスペックルパターンが固定化され、図２に示すように幅広い強度分布Ｄ２となる。つまり、酸素不足の状態になると、散乱光強度分布の広がり程度が大きくなる（例えば半値全幅Ｗ１，Ｗ２が、Ｗ１＞Ｗ２となる）。さらに、全く動きの無い物体にレーザー光を照射した場合には光強度およびスペックルパターンは一定で変化せず、例えば図２に示すような平坦な強度分布Ｄ３となる。

なお、脱分極とは、細胞膜内外のイオンが激しく流出入する現象で、細胞外直流電位の急激な減少を伴って細胞および細胞小器官の形状変化を生じ、長く続くと不可逆的な神経細胞死につながる。

本発明は、上記のような散乱光の強度分布が変化する現象を利用するもので、スペックルパターンの強度分布を測定し、この強度分布の広がりがどの程度であるかによって生体組織の可逆性を判定する。これにより、前記川内のように時間を追って連続的に測定を行わなくても任意の時点における生体組織の状態を直ちに判定することが可能となる。

具体的には、まず前記領域設定部により判定を行う生体組織の領域（判定領域）を設定する。次に、当該判定領域を含む生体組織に対してレーザー光照射部によってレーザー光を照射し、生体組織で拡散反射された光を散乱光受光部で受光する。この受光した散乱光から散乱光強度分布検出部は判定領域内における強度分布を検出する。検出された強度分布を用い、分布程度算出部は、当該強度分布の広がり程度を算出する。そして、この算出された広がり程度が予め定められた大きさ以上の場合に、可逆性判定部は当該判定領域内の生体組織の可逆性が喪失または低下したと判定する。

なお、本発明の典型的な態様では、散乱光受光部は撮像素子（例えばＣＣＤイメージセンサ）であり、上記散乱光の強度分布は当該撮像素子の各画素（ピクセル）の受光強度の分布、即ち受光強度に関する度数分布（画素数の分布）である。

また、上記レーザー光としては、赤から近赤外のレーザー光、即ち波長が６００ｎｍ〜９００ｎｍのレーザー光を用いることが好ましい。当該波長領域では生体組織と血液（赤血球）による吸収が少ないためである。さらに好ましくは、約８００ｎｍの波長を有するレーザー光を使用する。この波長領域では酸素化と脱酸素化赤血球による吸収係数がほぼ等しく、血液の酸素化の度合いの影響を受けにくいからである。

また、本発明の生体組織診断装置では、生体組織の表面で反射したレーザー光が散乱光受光部に取り込まれることを防ぎ又は低減するためにレーザー光の偏光方向と垂直な偏光方向に設定した偏光板をさらに備えることが好ましい。生体組織の表面で反射される光を遮断し、より精度の高い判定を行うためである。

さらに本発明の一態様では、領域設定部が判定領域として複数の領域を設定することが可能で、これら複数の判定領域の各々について、散乱光強度分布検出部が強度分布を検出し、分布程度算出部が広がり程度を算出し、可逆性判定部が判定を行う。

また、上記態様では、生体組織と判定領域とを表示する画像表示部をさらに備え、この画像表示部は、可逆性判定部によって可逆性が喪失または低下したと判定されなかった場合には当該判定領域に第一の色彩を施して表示する一方、可逆性が喪失または低下したと判定された場合には当該判定領域に第一の色彩とは異なる第二の色彩を施して表示するようにすることが出来る。

このような態様によれば、生体組織のどの部分が回復可能でどの部分が回復不能であるかひと目で判断することが可能となる。

本発明に言う生体組織とは、典型的には脳であるがこれに限定されず、脳以外の各種の臓器や器官が当該生体組織に含まれる。脳以外の臓器や器官などの生体組織も脳組織と同様に血流や酸素によって生命活動を行う細胞で構成されており、脳と同様に本発明を適用することが可能と考えられるからである。また、本発明の適用対象となる生体組織は、動物・人間のいずれに係るものであっても良い。

本発明に係る生体組織診断装置によれば、連続的な測定を行わなくても即座に生体組織の可逆性を判定することが可能となる。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

図１は、自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの散乱光強度の時間変化の一例を示す線図である。図２は、生体組織にレーザー光を照射した場合の散乱光（拡散反射光）の強度分布を示す線図である。図３は、本発明の一実施形態に係る生体組織診断装置を示すブロック図である。図４は、自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの平均散乱光強度の時間変化を示す線図である。図５は、前記図４と同様に自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの散乱光の強度分布に関する規格化半値全幅（散乱光強度の平均値で規格化した半値全幅）の時間変化を示す線図である。

図３に示すように本発明の一実施形態に係る生体組織診断装置１１は、脳組織の可逆性を判定するもので、診断対象である脳１０にレーザー光を照射してその反射光を撮影する撮影部２１と、撮影した画像データから反射光の強度分布（ヒストグラム）を得てその広がり程度を算出し当該生体組織１０の可逆性を判定する装置本体部３１とからなる。なお、図３は本実施形態に係る装置を機能的に把握した機能ブロック図であり、装置各部（各ブロック）はハードウエア又はコンピュータソフトウエアにより適宜実現すれば良い。

撮影部２１は、レーザー光を発光するレーザー光照射部２２と、上記反射光を受光するＣＣＤカメラ２３とからなる。

一方、装置本体部３１は、表示部（ディスプレイ）３３や入力装置（キーボード・マウス等）を含むコンピュータにより構成し、表示部３３における画像表示を制御する画像表示制御部３２と、可逆性の判定を行う領域（判定領域／以下「ＲＯＩ」（Region of Interest：関心領域）と言うことがある）を表示部３３に表示された画像上で設定することを可能とするＲＯＩ設定部３４と、ＲＯＩ設定部３４を通じて設定されたＲＯＩ内の散乱光の強度分布をＣＣＤカメラ２３により取得された画像データから得る散乱光強度分布検出部３５と、散乱光強度分布検出部３５により得られた散乱光の強度分布から分布の程度（広がり程度）を算出する分布程度算出部３６と、分布程度算出部３６により算出された広がり程度を予め設定された閾値と比較して当該閾値以上の場合に異常状態である（可逆性が低下又は喪失した）と判定する可逆性判定部３７とを有する。

診断にあたっては、ＣＣＤカメラ２３によって撮影され画像表示制御部３２によってディスプレイ３３の画面上に表示された脳１０の画像上でマウス操作により所望の範囲を囲むことによりＲＯＩ（判定領域）を設定する。そして、このＲＯＩを含む脳組織１０に対してレーザー光照射部２２によりレーザー光を照射するとともに、当該脳組織１０で拡散反射された散乱光をＣＣＤカメラ２３で受光する。なお、ＲＯＩ設定部３４は、複数のＲＯＩを設定することが可能であり、例えば疑わしい複数の患部を選択しておいてこれら各部について同時に判定を行うことが可能である。

ＣＣＤカメラ２３からの画像信号は画像表示制御部３２に取り込まれ、画像表示制御部３２はこの画像信号から、上記設定された各ＲＯＩ内の各画素の光強度信号を抽出して当該ＲＯＩ内の各画素の光強度データを散乱光強度分布検出部３５に出力する。散乱光強度分布検出部３５は、当該データに含まれる各画素の光強度データから各画素の受光強度の時間平均値を算出し、各ＲＯＩ内の各画素に関する強度分布を求める。

そして、これらの強度分布データは分布程度算出部３６に出力される。分布程度算出部３６は当該強度分布から広がり程度を算出する。この広がり程度は、本実施形態では、散乱光強度の半値全幅ＦＷＨＭを当該ＲＯＩ内の散乱光強度の平均値Ｒｍで規格化した（除した）値である規格化半値全幅Ｎ.ＦＷＨＭ（＝ＦＷＨＭ／Ｒｍ）であり、分布程度算出部３６はこの規格化半値全幅Ｎ.ＦＷＨＭを算出して可逆性判定部３７に出力する。なお、当該広がり程度は、散乱光の強度分布にどの程度のばらつきがあるかを示すものであれば良いから、例えば標準偏差などの指標を使用するようにしても構わない。

可逆性判定部３７は、分布程度算出部３６から提供されたＮ.ＦＷＨＭを、予め記憶させてある閾値と比較し、Ｎ.ＦＷＨＭが当該閾値未満の場合には正常状態と、また、Ｎ.ＦＷＨＭが当該閾値以上の場合には異常状態と判定し、これらの判定結果を画像表示制御部３２に出力する。

画像表示制御部３２は、設定されている複数のＲＯＩ（判定領域）の各々について可逆性判定部３７による判定結果に基づいた表示を表示部３３を介して行う。具体的には、正常状態のＲＯＩには特定の色彩（例えば赤色）を、異常状態のＲＯＩには正常状態とは異なる特定の色彩（例えば青色）を施して表示部３３の画面上に表示する。なお、このように２色（正常状態と異常状態の２段階）ではなく、Ｎ.ＦＷＨＭの数値によって３色（例えば正常状態と異常状態とこれらの中間的な状態との３段階）のカラー表示やそれ以上の段階的な表示を行うようにすることも可能である。

また、このほかにも画像表示制御部３２によって表示部３３には、スペックルパターンの画像や散乱光の強度分布を示すグラフ（散乱光強度分布検出部３５は強度分布データを画像表示制御部３２にも出力し、このデータに基づいて表示する）、あるいは散乱光の強度を強度別に色彩を施して生体組織１０の画像に対応させて表示する画像など、様々な表示を画面上に行わせることが出来る。

図４は、本実施形態に係る診断装置１１を使用して自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの散乱光強度（受光強度）の時間変化を連続的に測定した結果を示す線図である。測定では時間が０秒の時から１００％窒素を吸気させて脳に障害を与えた。この測定結果から、１５０秒から２００秒付近で脱分極が生じていると考えられる。川内では、散乱光強度が再度上昇した後（約２５０秒以後）でのラットの生存率は０％であり、それ以前の生存率は１０〜４０％であると報告されている。したがって、２５０秒以前の脳組織の状態であれば適切な処置を施すことで存命が可能と考えられる。

さらに図５は、自発呼吸下で１００％窒素を吸入させたラットの脳からの散乱光の強度分布に関する規格化半値全幅（散乱光強度の平均値で規格化した半値全幅）Ｎ.ＦＷＨＭの時間変化を示す線図であり、前記図４と同様に本実施形態の診断装置１１を使用して測定した結果を示すものである。

図５において約２２０秒からＮ.ＦＷＨＭの急激な上昇が観測される。約２５０秒後にはＮ.ＦＷＨＭは窒素吸入前の約２倍の値を示している。このＮ.ＦＷＨＭの広がりは血流の減少と脳細胞におけるバイアビリティの低下を反映したものと考えられる。このように散乱光強度分布の広がり程度から脳組織の可逆性を判断することが出来る。

１０生体組織
１１生体組織診断装置
２１撮影部
２２レーザー光照射部
２３ＣＣＤカメラ
３１装置本体部
３２画像表示制御部
３３表示部（ディスプレイ）
３４ＲＯＩ設定部
３５散乱光強度分布検出部
３６分布程度算出部
３７可逆性判定部

Claims

生体組織に対してレーザー光を照射するとともに当該生体組織で拡散反射された光を受光し、この光の強度分布に基づいて当該生体組織の可逆性を判定する診断装置であって、
前記生体組織中の判定を行う判定領域を設定する領域設定部と、
前記判定領域に対してレーザー光を照射するレーザー光照射部と、
前記生体組織で拡散反射されたレーザー光の散乱光を受光する散乱光受光部と、
前記散乱光受光部により受光された散乱光の、前記判定領域内における強度分布を検出する散乱光強度分布検出部と、
前記散乱光強度分布検出部により検出された前記判定領域内の強度分布から、当該強度分布の広がり程度を算出する分布程度算出部と、
前記分布程度算出部により算出された前記広がり程度が予め定められた大きさ以上の場合に前記判定領域内の生体組織の可逆性が喪失または低下したと判定する可逆性判定部と
を備えたことを特徴とする生体組織診断装置。
前記レーザー光照射部により照射されるレーザー光は、６００ｎｍ〜９００ｎｍの波長を有する
請求項１に記載の生体組織診断装置。
前記生体組織の表面で反射したレーザー光が前記散乱光受光部に取り込まれることを防ぎ又は低減する偏光板をさらに備えた
請求項１または２に記載の生体組織診断装置。
前記生体組織は、脳である
請求項１から３のいずれか一項に記載の生体組織診断装置。
前記領域設定部は、前記判定領域として複数の領域を設定することが可能であり、
これら複数の判定領域の各々について、前記散乱光強度分布検出部は前記強度分布を検出し、前記分布程度算出部は前記広がり程度を算出し、前記可逆性判定部は判定を行う
請求項１から４のいずれか一項に記載の生体組織診断装置。
前記生体組織と前記判定領域とを表示する画像表示部をさらに備え、
当該画像表示部は、前記可逆性判定部によって前記可逆性が喪失または低下したと判定されなかった場合には当該判定領域に第一の色彩を施して表示する一方、前記可逆性が喪失または低下したと判定された場合には当該判定領域に前記第一の色彩とは異なる第二の色彩を施して表示する
請求項１から５のいずれか一項に記載の生体組織診断装置。