JP6535720B2 - カラーホイールを用いたスペクトルイメージング - Google Patents

Description

本開示はイメージングに関し、より詳細にはスペクトルイメージングに関する。

マルチ・スペクトル・イメージャ及びハイパー・スペクトル・イメージャは、離散波長範囲（マルチスペクトル）又は連続波長範囲（ハイパースペクトル）などのスペクトル範囲にわたるスペクトル情報を収集する２Ｄイメージング装置である。このような装置は、農業や食品加工などの用途で、空間的に分解されたスペクトル情報を得るために用いられる場合があり、これらの用途では、スペクトル的に且つ空間的に分解されたスペクトル情報を用いて、農作物の水分や果物の傷を判定することができる。医療用途でも同様な技術を用いて、組織の酸素レベルの確定などが行われている。

典型的な装置では、２Ｄイメージャと、分散プリズム又は格子を含む光学系とが用いられる。この装置はラインスキャナとして動作し、この装置を通過する試料がスキャンされて、入射光がイメージャ上に分散される。装置が対象物のスキャンを終えると、その対象物の画像が作られてスペクトル分解される。さらに、スペクトル分解された画像を個々の波長に落としてもよく、それによって画像のスペクトル応答に寄与する化学物質の同定が可能となる。例として、このような画像において水のスペクトル成分を同定することにより、画像を水分量に対して符号化し、その画像における水の化学的な署名（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を示すことが可能となる。これは、作物畑向けのスペクトルイメージング用途の１つである。他の種のスペクトルイメージャは、波長ごとに全視野画像を取り込む。この種の設計では、対象物を様々な波長で照光し、波長ごとに画像を取り込む。次に取り込んだ画像キューブを分析し、化学的に分解して、関心のある化学物質を多波長画像において表示する。上記の代替となる設計では、イメージャを通り過ぎてスキャンされる調整可能なフィルタ又は一組の光学フィルタを用いて、化学的符号化のための画像キューブを生成する。

上記の技術における欠点の１つは処理速度であり、対象物がスペクトル・ライン・スキャナを通り過ぎていかに速く動くことができるか、又は、各波長をいかに迅速にイメージャに取り込むことができるかよって左右される。対象物の動きが不可能な用途、患者などについては、収集時間は極めて長くなる可能性がある。化学的符号化画像の生成には数十秒かかり、リアルタイムの測定は実行不可能となる。

回転するカラーホイールが、イメージセンサによって取り込まれた対象物からの光をフィルタにかける。取り込んだ複数の画像を処理して複数のオーバーレイ画像にし、対象物に投影し戻してもよい。このカラーホイールは、１以上のフィルタセグメントに加え、ブロックセグメント又は不透明セグメントを備えていてもよい。オーバーレイ画像の処理は、ブロックセグメント又は不透明セグメントがイメージセンサにおいて対象光の取込みを妨げる時に行ってもよい。カラーホイールはビデオレートで回転してもよく、また画像の処理及び投影をビデオレートで行ってもよい。

図面は、本発明の実施形態を例としてのみ示す。

本発明の複数の実施形態によるスペクトルイメージング装置のブロック図である。

イメージャのブロック図である。

画像プロセッサのブロック図である。

カラーホイールの正面図である。

スペクトルイメージング装置のタイミング図である。

本発明の複数の実施形態による画像の取込み、処理、及び投影のタイミングを取る方法を示す状態図である。

１セットの複数の取込み画像と、生成されたオーバーレイ画像との概略図である。

本発明における別の実施形態によるカラーホイールの正面図である。

本発明におけるさらに別の実施形態によるカラーホイールの正面図である。

別の実施形態によるイメージャの一部におけるブロック図である。

本発明は、本明細書で開示される特定の構造、方法ステップ、又は材料に限定されず、関連技術における当業者によって認識されるであろう本発明の等価物に及ぶ。また、本明細書で用いられている用語は、個々の実施形態を説明する目的のみで用いられており、限定されるものではない。

さらに、本明細書に記載された機能、工程、及び方法は、メモリに格納され且つプロセッサが実行するプログラムで具現化してもよい。プログラムは、様々な種類のプロセッサが実行するためのソフトウェアで実施されてもよい。例えば、実行可能コードからなる特定のプログラムは、１以上の物理ブロック又は論理ブロックのコンピュータ命令を有していてもよく、例えばオブジェクト、プロシージャ、クラス、関数、又は同様のプログラム可能な実体としてまとめられていてもよい。しかし、特定のプログラムにおける各実行ファイルは、物理的に一緒に配置されている必要はなく、論理的に結合したときにプログラムを構成し且つそのプログラムの所期の目的を達成するような、異なる箇所に格納された別個の命令でもよい。

また、プログラムは、カスタムＶＬＳＩ回路もしくはゲートアレイ、論理チップなどの既製の半導体、トランジスタ、又は、他のディスクリート部品を含むハードウェア回路として実施されてもよい。また、プログラムは、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プログラマブル・アレイ・ロジック、プログラマブル・ロジック・デバイスなどのプログラマブル・ハードウェア装置で実施されてもよい。

実行可能コードからなるプログラムは、単一の命令でも多数の命令でもよく、また、いくつかの異なるコードセグメントにわたって分散していてもよく、異なるプログラムの間に分散していてもよく、いくつかのメモリデバイスにわたって分散していてもよい。同様に、演算データは、本明細書ではプログラムの内部において特定及び例示されていてもよく、任意の好適な形態で具現化されて任意の好適な種類のデータ構造体の中にまとめられていてもよい。演算データは、単一のデータセットとして収集されてもよく、異なる記憶装置などの異なる場所にわたって分散していてもよく、少なくとも部分的に、単なる電子信号としてシステム又はネットワーク上に存在していてもよい。プログラムは、所望の機能を果たすように動作可能なエージェントなど、パッシブ又はアクティブでもよい。

本明細書全体を通して、「一実施形態」又は「ある実施形態」と言う場合、その実施形態に関して記載される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明における少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における、「一実施形態における」又は「ある実施形態における」というフレーズは、必ずしもすべてが同一の実施形態を指しているとは限らない。

図１は、本発明の一実施形態によるスペクトルイメージング装置１０を示す。このスペクトルイメージング装置１０は、マルチスペクトルイメージング装置又はハイパースペクトルイメージング装置として知られている場合がある。スペクトルイメージング装置１０を医療用途に関して記載するが、同装置１０は食品加工や農業等、他の分野で用いてもよい。

イメージング装置１０は、イメージャ１２、画像プロセッサ１４、プロジェクタ１６、及び光学フィルタ１８を備える。画像プロセッサ１４は、イメージャ１２とプロジェクタ１６とに接続され、イメージャ１２が収集した画像情報を処理して画像情報をプロジェクタ１６に出力するよう構成されている。イメージャ１２及びプロジェクタ１６は、対象組織２０（たとえば、患者の皮膚表面の一領域）などの対象物からの光をフィルタ１８を介して収集し、フィルタ１８を介してその対象物に光を発する。後述するが、イメージング装置１０は、組織酸素化のスペクトル測定が可能であり、スペクトル情報をビデオレート速度で測定及び処理することができ、化学的に符号化された酸素マップを対象組織に直接投影し戻すことができる。

組織酸素レベルは、組織の生存力が重要となる患者の外傷への対処や外科的処置の際に重要な役割を果たす。火傷、切断、糖尿病性潰瘍、及び美容外科などの特定の用途では、組織酸素レベルは、組織の健康状態や治癒過程において直接的な尺度であり得る。イメージング装置１０は、リアルタイム、又はほぼリアルタイムすなわちビデオレートで組織の健康状態を評価する上で、医師や他の健康従事者を補佐することができ、経験や直接視診を補助するか、又は場合によってはそれに取って代わることを目的としている。その結果、感染のおそれや処置の繰り返しが低減するため、患者は治癒サイクルが短いことを経験できる。これにより、ヘルスケアシステムに対する負担も低減可能である。

イメージャ１２は、対象組織２０の一領域２２に光を発して、対象組織２０の当該領域２２を照光する。この領域２２は、関心のある対象組織の一部であり、たとえば患者の皮膚の一部、又は、別の器官もしくはその一部などである。

フィルタ１８は、光の一部を通過させつつ残りの光を反射するよう構成されている。このフィルタ１８は、バンドパスフィルタ、ショートパスフィルタ、ノッチフィルタ、ダイクロイックフィルタなどである。フィルタ１８は、イメージャ１２が発した照光光を対象組織２０に反射し、対象組織２０から反射した光を導いて、イメージング光学経路２４に沿ってイメージャ１２に戻すように配置されている。イメージング光学経路２４は、対象組織２０とイメージャ１２との間に延びている。本実施形態では、バンドパスフィルタ１８は、イメージャ１２に向かうイメージング光学経路２４に対して約４５度傾いている。

イメージャ１２は、バンドパスフィルタ１８を介して、対象組織２０から反射したイメージング光学経路２４に沿う光を取り込む。

本実施形態では、イメージャ１２から発せられた照光光もイメージング光学経路２４に沿って伝わる。しかし、イメージャ１２が発した光が、対象組織２０からイメージャ１２に反射した光と完全に一致していなくても、放射光と入射光とが共にイメージング光学経路２４を共有すると考える。他の実施形態では、照光光は別の光学経路に沿って発せられる。

画像プロセッサ１４は、イメージャ１２が取り込んだ光を参照して、疑似カラー画像等である複数のオーバーレイ画像（フレーム）を生成するよう構成されている。画像プロセッサ１４がそのオーバーレイ画像をプロジェクタ１６に提供する。

プロジェクタ１６は、オーバーレイ画像を投影光学経路２６に沿って対象組織２０上に投影するようになっている。このプロジェクタ１６は、任意の好適な種類のプロジェクタ１６でもよく、画像プロセッサ１４に接続するためのＩ／Ｏインターフェースと、プロジェクタ１６の動作を制御するための制御部と、投影光源（ランプ、レーザ、ＬＥＤ）と、ＬＣＤライトバルブ、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などのイメージング装置とを備えていてもよい。

投影光学経路２６は、プロジェクタ１６からフィルタ１８を介して対象組織２０まで延びている。この投影光学経路２６は、イメージング光学経路２４と少なくとも部分的に重複している（図示２８）。本実施形態では、光学経路２４、２６は、フィルタ１８と対象組織２０との間で重複しており、フィルタ１８とイメージャ１２との間、あるいはフィルタ１８とプロジェクタ１６との間では重複していない。このように投影光学経路２６とイメージング光学経路２４が部分的に重複（同軸配置）していると、検査している対象物（組織２０等）に複数のオーバーレイ画像を直接投影でき、また焦点距離や投影角度に関係なく複数のオーバーレイ画像が位置合わせされるという点で有利である。

フィルタ１８は、投影光学経路２６上及びイメージング光学経路２４上に配置されており、具体的には、これらの経路の交点に配置されており、特定波長の光を反射しつつ他の波長を通過させるようになっている。本実施形態では、イメージャ１２は、１セットの複数の波長を有する光を発する。（１セット又は１サブセットの複数の波長とは、ある範囲の複数の波長、あるいは別個の１又は複数の波長などである。）フィルタ１８の選択は、前記セットの波長のうち少なくとも１サブセットを対象組織２０に向けて反射しつつ、残りの波長の光がフィルタ１８を通過しシステムの外に出るようなものにする。このサブセットの波長を有する光が対象組織２０に達し、別のサブセットの波長が対象組織２０から反射してフィルタ１８に向かって戻り、フィルタ１８は、その別のサブセットの光のほとんど又は全てをイメージャ１２に反射する。この別のサブセットの波長の光は、組織の酸素化などの、測定している対象組織２０の特性を表しており、画像プロセッサ１４により処理されて、プロジェクタ１６により投影される少なくとも１枚のオーバーレイ画像となる。プロジェクタ１６が投影したオーバーレイ画像の光のほとんど又は全てがフィルタ１８を通過して対象組織２０上に到達するよう、フィルタ１８の性質を基準としてオーバーレイ画像を生成してもよい。オーバーレイ画像の波長組成に関係なく、フィルタ１８は、プロジェクタ１６が発した、イメージャ１２が誤って取り込むであろう光を反射して遠ざける。当然のことながら、関心のある全ての情報が対象組織２０上に投影されるように、オーバーレイ画像のカラー組成を選択することができる。しかし、フィルタ１８によって、プロジェクタ１６が発した光がイメージャ１２のところでシステム内にはほとんど入ることがないようにすることが好適である。これは、このような光がエラーを招く恐れがあるためである。

図２はイメージャ１２の一実施形態の構成要素を示しており、対象組織２０から反射した前記別のサブセットの波長の光の取込みにカラーホイール４０が用いられている。

イメージャ１２は、イメージセンサ４２とイメージングレンズ４４との間に位置するカラーホイール４０を備えており、対象組織２０から反射した光を取り込むように位置している。本実施形態では、イメージャ１２は、カラーホイール４０とイメージセンサ４２との間に位置する一連のリレーレンズ４６（概略的に図示）をさらに備えている。図１０に示されているもの等、別の実施形態では、カラーホイール４０はイメージセンサ４２の前に配置され、リレーレンズ４６はイメージングレンズ４４の後ろに配置される。すなわち、リレーレンズ４６は、カラーホイール４０とイメージングレンズ４４との間に配置される。カラーホイール４０は、光線の径が最も小さくなるところに配置してもよいが、これは、カラーホイール４０が可能な限り小さくできて好都合だからである。これを実現するために、圧縮されたイメージビームを提供するようにリレーレンズ４６を選択及び配置してもよい。

イメージセンサ４２は、たとえばアリゾナ州フェニックスのオン・セミコンダクター社で販売されているような、高速高感度ＣＭＯＳセンサとして選択してもよい。このようなセンサの例としては、製品番号ＬＵＰＡ３００及びＬＵＰＡ１３００で入手可能なセンサが挙げられる。これらは説明のための単なる例であり、好適なフレームレートと感度を有する他のイメージセンサを用いてもよい。

レンズ４４、４６は、所望の形状と光学特性が得られるものを選択してもよい。

カラーホイール４０は、イメージング光学経路２４上でイメージセンサ４２と位置合わせされている。このカラーホイール４０は、所定の周波数、例えば最小限許容可能なビデオフレームレートを達成するために少なくとも約１５Ｈｚなど、で回転するように構成されている。カラーホイール４０は、後述するが、少なくとも１つのフィルタセグメントと、少なくとも１つの光ブロック（不透明など）セグメントと有している。

本実施形態では、イメージャ１２はさらに、カラーホイール４０に接続されておりカラーホイール４０を回転させるモータ５０と、モータ５０に接続された制御部５２と、制御部５２及びイメージセンサ４２に接続された入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路５４と、対象組織２０を照光するようにされた照光源５６及び照光レンズ５８を含む照光器とを含む。イメージャ１２はさらに、自身の構成要素を格納するためのハウジング（図示せず）を備えていてもよい。

モータ５０は、カラーホイール４０の中心部に接続しておりカラーホイール４０を回転させるシャフトを有する。このモータ５０は、任意の好適な種類のモータでよい。

制御部５２は、モータ５０の動作を制御するように構成されたプロセッサ又は同様の装置を備える。制御部５２は、イメージセンサ４２の出力を参照することにより、カラーホイール４０のどのセグメントがイメージング光学経路２４と現在位置合わせされているかを判定し、且つカラーホイール４０用の所定の一定回転速度を維持することができる。すなわち、イメージセンサ４２の出力がある閾値量（たとえば、閾値強度）を上まわると、制御部５２は、あるフィルタセグメントが現在イメージセンサ４２の正面にあると判定する。逆に、イメージセンサ４２の出力がその閾値量を下まわると、制御部５２は、ブロックセグメントが現在イメージセンサ４２の正面にあると判定する。このような判定を定期的に行って、カラーホイール４０の回転周波数を測定及び制御してもよい。したがって、イメージセンサは、カラーホイール４０用の回転位置センサであるとも考えられる。

他の実施形態では、モータ５０は、モータ５０の回転位置と、これによるカラーホイール４０の回転位置を測定して制御部５２に提供する回転位置センサ６０を備えていてもよい。制御部５２は、回転位置センサ６０から受信した信号を参照することにより、カラーホイール４０に対する所定の一定回転速度を維持するよう構成されていてもよい。また、回転位置センサ６０を制御部５２が参照することにより、カラーホイール４０ののどのセグメントがイメージング光学経路２４と現在位置合わせされているかを判定してもよい。

制御部５２はさらに、照光源５６の照光を制御するように構成されていてもよい。照光源５６は、対象組織２０に光を発するための白色ＬＥＤ、波長を合わせたＬＥＤの組み合わせ、キセノン（Ｘｅ）ランプ、又は波長を合わせたレーザなどである。制御部５２は、カラーホイール４０の回転位置に対して、光源からの発光を同期させることができる。本実施形態では、制御部５２は、カラーホイール４０のブロックセグメントがイメージング光学経路２４上の光をブロックするたびに光源の電源を切り、それによって電力を節約でき好都合である。またこのことは、画像品質を向上させるために、照光されていない面又は照光の少ない面に画像を投影するという利点もある。

制御部５２はさらに、Ｉ／Ｏ回路５４を制御することにより、カラーホイール４０のフィルタセグメントがイメージング光学経路２４と整合するたびに画像を取り込むよう構成されている。いくつかの実施形態では、制御部５２及びＩ／Ｏ回路５４は、同じ集積回路の一部である。

Ｉ／Ｏ回路５４は、イメージセンサ４２が取り込んだ複数の画像を画像プロセッサ１４に出力する。このＩ／Ｏ回路５４は、任意の好適な種類の入力／出力インターフェースでよい。

図３は、画像プロセッサ１４の一実施形態を示す。画像プロセッサ１４は、Ｉ／Ｏ回路７０と、Ｉ／Ｏ回路７０に接続されたバッファ７２と、Ｉ／Ｏ回路７０及びバッファ７２に接続されたプロセッサ７４と、プロセッサ７４に接続されたメモリ７６とを備える。

Ｉ／Ｏ回路７０は、複数の取込み画像をイメージャ１２（具体的には、Ｉ／Ｏ回路５４）から受信し、複数のオーバーレイ画像をプロジェクタ１６に出力する。このＩ／Ｏ回路７０は、任意の好適な種類の入力／出力インターフェースでよい。Ｉ／Ｏ回路７０は、いくつかの実施形態では、イメージャ１２と画像プロセッサ１４とが同一のハウジング内に一緒に設けられている場合には特に、イメージャ１２のＩ／Ｏ回路５４と一体化されていてもよい。

バッファ７２は、Ｉ／Ｏ回路７０から複数の取込み画像を受信し、その取込み画像をプロセッサ７４のためにバッファに蓄える。いくつかの実施形態では、イメージセンサ４２からの出力がバッファに蓄えられるのは、イメージセンサ４２が適切な画像を取り込んでいることを回転位置センサ（たとえば、イメージセンサ４２、別のセンサ６０など）が示す場合のみである。このバッファ７２は、任意の好適な種類のバッファメモリでもよく、データバッファ、フレームバッファなどでもよい。

プロセッサ７４は、後段で詳述するように、たとえばバッファ７２において複数の取込み画像を処理して複数のオーバーレイ画像にするプログラムによって構成してもよい。プロセッサ７４はさらに、たとえばカラーホイール４０の回転位置を参照することによって、カラーホイール４０におけるブロックセグメントがイメージング光学経路２４をブロックするたびに、オーバーレイ画像を投影のためにプロジェクタ１６に提供するように構成してもよい。プロセッサ７４は、選択された分解能の画像を、カラーホイール４０の回転の周波数によって定まる時間内で処理可能な任意の好適な種類のプロセッサ７４でもよい。

メモリ７６は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、キャッシュメモリ、フラッシュメモリ、ハードドライブなどの短期ストレージや長期ストレージの任意の組み合わせを備えていてもよい。メモリ７６は、プロセッサ７４が実行するプログラムを記憶し、さらに画像処理用の作業記憶スペースを提供してもよい。

次に、医用イメージング装置１０の動作について、カラーホイール４０の実施形態と関連するタイミング図とをそれぞれ示す図４及び図５を参照して、より詳細に説明する。

カラーホイール４０は、少なくとも１つのフィルタセグメント８０〜８８と、少なくとも１つの光ブロック（たとえば、不透明な）セグメント９０とを含む。図示されている例では、５つのフィルタセグメント８０〜８８と、単一のブロックセグメント９０とが設けられている。これらのフィルタセグメントは、同じサイズであり且つ合わせるとカラーホイール４０のうちの１８０度を占めており、ブロックセグメントは、残りの連続する１８０度を占めている。

フィルタセグメント８０〜８８は、異なる波長の光が通過でき、且つ他の波長の光をブロックするように構成されている。これらのフィルタセグメント８０〜８８は、酸化ヘモグロビンの吸収帯に一致するように選択された狭いバンドパスフィルタを備えていてもよい。この例では、各フィルタセグメント８０〜８８は、異なる中心波長を有する。２つ以上の吸収帯を用いて酸化ヘモグロビンの濃度を計算してもよい。一般には、吸収帯（フィルタセグメント）が多くなると精度が向上する。

ブロックセグメント９０は、プロジェクタ１６（図１）が投影するたびにイメージセンサ４２（図２）からの光をブロックするよう構成されている。このブロックセグメント９０は、黒い不透明な材料でもよい。

フィルタセグメント８０〜８８及びブロックセグメント９０の相対的なサイズを選択して、画像の取込み及び画像の処理／投影に使える時間量を決めてもよい。この例では、カラーホイール４０の５０％を占めるようにブロックセグメント９０が選択されているため、フィルタセグメント８０〜８８は、カラーホイール４０における残りの５０％を占めることができる。カラーホイール４０は一定の周波数で回転するため、画像の取込み時間と画像の処理／投影時間とはほぼ等しくなる。これらのフィルタセグメント８０〜８８は、図示した例のようにすべて同じサイズでもよく、あるいは、異なるサイズにして異なる時間で異なる波長を取込むようにしてもよい。

酸化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルは、可視スペクトルと近赤外線スペクトルになる傾向がある。これに応じてカラーホイールのフィルタセグメントとフィルタ１８（図１）とを選択及び構成してもよい。

いくつかの実施形態では、フィルタ１８は、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの波長を透過させるとともに、約６５０ｎｍより大きく約８５０ｎｍまでの波長を反射させるように選択されたショートパスフィルタである。したがって、可視光はシステムから出ていき、近赤外光はイメージャ１２と対象物２０との間で反射する。カラーホイールの各フィルタセグメントは、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの差異を強調するために、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンに対する既知の応答波長に従って、６５０ｎｍから８５０ｎｍの範囲内で選択された中心波長を有していてもよい。あるいは、カラーホイールの各フィルタセグメントは、６５０ｎｍから８５０ｎｍの範囲内で等間隔の中心波長を有するように選択してもよい。プロジェクタ１６は、このように約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの可視光スペクトルを用いてクリアで鮮明な画像を投影することができる。これらの実施形態では、イメージングに近赤外光を用いると、組織２０内に到達でき、それによって組織の酸素化におけるバルク評価（ｂｕｌｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）が可能となる。

他の実施形態では、フィルタ１８は、約５００ｎｍから６００ｎｍの間の波長を反射するとともに、他の波長の光を通過させてシステムから出ていくように選択されたノッチフィルタである。したがって、この範囲の可視光がイメージャ１２と対象物２０との間で反射する。カラーホイールの各フィルタセグメントは、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの差異を強調するために、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンに対する既知の応答波長に従って、５００ｎｍから６００ｎｍの範囲内で選択された中心波長を有していてもよい。あるいは、カラーホイールの各フィルタセグメントは、５００ｎｍから６００ｎｍの範囲内で等間隔の中心波長を有するように選択してもよい。プロジェクタ１６は、投影に５００ｎｍから６００ｎｍの範囲の外側の可視光の波長を用いる。これらの実施形態では、イメージングに可視光を用いると、可視光は組織内に実質的に到達しないので、組織の酸素化における表面評価が可能となる。

スペクトルイメージング装置１０は、バルク組織分析及び／又は表面組織分析を容易に可能となるようにモジュール化されていてもよい。カラーホイール４０及びフィルタ１８がモジュールとして構成されていてもよく、その場合、製造時に選択して取り付けることが可能である。さらに、カラーホイール４０及びフィルタ１８は、取り外し及び交換が可能であってもよく、その場合、装置１０を運用後に再構成することができる。画像プロセッサ１４は、バルク組織分析と表面組織分析の両方をサポートするように構成されていてもよく、あるいは、カラーホイール４０とフィルタ１８の選択次第で、バルク組織分析又は表面組織分析に更新可能となるように構成されていてもよい。

図５は、図４の例示的なカラーホイール４０に対して取込み及び処理／投影が行われる異なるタイミングを示している。１フレームの期間の半分、すなわち１／１５秒（すなわち、０．０３３秒）の半分は、フィルタセグメント８０〜８８によって定められた５つの波長の画像を取り込むことにあてられている。期間の残りの半分の間は、ブロックセグメント９０が光の取込みをブロックしており、酸素に対して符号化するためのスペクトルのオーバーレイ画像（フレーム）が処理され、且つ先に処理されたオーバーレイ画像が表示される。酸素濃度の情報を符号化して複数のオーバーレイ画像にするためには適切な処理時間が必要となることから、複数の取込み画像がバッファされており、投影される複数のオーバーレイ画像は少なくとも１フレーム分遅れる。そのため、表示される各オーバーレイ画像は、処理されている現在の画像より少なくとも１フレーム遅れることになる。この例では、５つの波長に対する別個の画像が０．０３３秒の間に取り込まれるため、イメージセンサ４２（図２）は、１秒につき１５０フレームの収集速度を有するように選択される。図示されている波形１００は、いくつかの実施形態では、回転位置センサ６０の出力を表すか、又は、イメージセンサ４２の出力を閾値出力量と比較したものを表しており、ここで正と負のエッジトリガは、所与の時間に何を行うべきかをプロセッサ７４（図３）に示す。

カラーホイール４０の回転速度が増すと、フィルタセグメント８０〜８８により提供された異なる波長の複数セットの画像が取り込まれて複数のオーバーレイ画像となるように処理され、オーバーレイ画像が、毎秒１５枚フレーム以上などのビデオレートで対象物（組織２０など）上に投影されるリアルタイムビデオのフレームとなる。

図６は、本発明の一実施形態による画像の取込み、処理、及び投影のタイミングを取る方法１１０の状態図を示す。この方法１１０は、医用スペクトルイメージング装置１０とともに用いてもよく、具体的には、画像プロセッサ１４のプロセッサ７４（図３）が実行するようにプログラムしてもよい。

１１２では、画像がイメージセンサ４２によって取り込まれ、この際に、カラーホイール４０の配向によってイメージセンサ４２に提供される光がフィルタされる。数個のフィルタセグメント８０〜８８が用いられるため、図７に示されているように、カラーホイール４０の同一サイクルｉの間に、異なる波長帯を有する１セットの複数の取込み画像１１８が取り込まれて、１枚のオーバーレイ画像１１９の生成に用いられる。

１１４では、光がイメージセンサ４０によって取り込まれるのをブロックセグメント９０がブロックしており、カラーホイール４の同一サイクルｉの間に取り込まれた異なる波長帯の複数画像が処理されて、一枚のオーバーレイ画像を生成される。このような取込み画像の処理と少なくとも部分的に同時に、直前のサイクルｉ−１の先に生成されたオーバーレイ画像が対象組織上に投影される。投影画像は１フレーム分遅れるが、オーバーレイ画像投影におけるビデオレートの性質によってこの遅れが感じ取れなくなるのが好都合である。

フィルタセグメントが次に検出されると、サイクルインデックスｉが１１６で進められる。このサイクルインデックスｉは、メモリ７６（図３）に画像を記憶させるために用いられてもよく、また特定のオーバーレイ画像又は１セットの複数の取込み画像を特定するためにプロセッサ７４によって用いられてもよい。

スペクトル分解された取込み画像の各々が特定波長における酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの両方の吸収パターンを示す画像を表すように、カラーホイール４０のフィルタセグメントを選択してもよい。各々の相対濃度を計算するために、センサ応答を考慮したスペクトル分解された基準画像と、組織に対する照光プロファイルと、もしあれば背景照明とを取得してもよい。基準画像の測定は、装置１０を用いて、ほぼ１００％のランバート分布と９９．９％の反射率とを有する、ラブスフェア社より入手可能な標準材料であるスペクトラロンの試料に対して行う。また、基準画像に対しては、ＣＭＯＳデバイスやシステム内の他の場所にダークノイズがあれば除去するために、イメージセンサ４２（図２）でダークレベル強度（ｄａｒｋ ｌｅｖｅｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）も測定してもよい。組織２０（図１）などの対象物について行う各測定に先立って、基準画像及びダークレベル画像を測定してもよい。あるいは、基準画像及びダークレベル画像は、後の計算のために、出荷時に設定してメモリ７６（図３）に記憶してもよい。

酸素濃度を計算するために、プロセッサ７４（図３）は、測定された吸収強度、基準スペクトル、及びダークレベル強度を比で表して、各波長λで取り込んだ画像ごとの反射率Ｒ（λ）を計算してもよい。すなわち、

ここで、Ｉ_oは基準画像であり、Ｉ_ｂはダークレベル画像であり、Ｉ_ｍは全て波長λで測定された患者画像である。

この反射率は、ランベルト・ベールの式による吸光係数に関係していてもよく、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの測定された吸収への寄与を線形的な組み合わせとして表したものであってもよい。

ここで、εは、各波長における酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの組み合わせに対するモル吸光係数であり、Ｃは、酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度であり、Ｌは、吸収経路長を表す定数である。５つのフィルタセグメント８０〜８８を有するカラーホイール４０の例では、上記式の結果は、各々が各測定波長に対する５つの式の線形セットとなる。これらの式の解は、酸化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビンの濃度の最小二乗適合によって求められる。プロセッサ７４は、これをピクセルごとに行ってもよい。酸化の割合は次の式より計算される。

結果として生じるオーバーレイ画像はプロセッサ７４によって生成され、各ピクセルは、その画像におけるパーセント酸素レベルを表す。次に各ピクセルを色符号化して、オーバーレイ画像全体にわたる酸素濃度を視覚的に表すようにしてもよい。対象物（患者の皮膚など）と周囲の照明条件（病院内の照明のあど）とに基づいて、オーバーレイ画像に好適な色を選択してもよい。

上記の計算値は、プロセッサ７４による実行可能な命令として画像プロセッサ１４（図３）のメモリ７６に記憶してもよい。

図８は、別の実施形態によるカラーホイール１２０を示す。このカラーホイール１２０は、本明細書で説明した装置及び方法のいずれかとともに用いてもよい。カラーホイール１２０は、異なる波長に対して選択した２つのフィルタセグメント１２２、１２４と、１つのブロックセグメント１２６とを備える。ブロックセグメント１２６は、カラーホイール１２０のうちの１８０度未満を占めている。別の実施形態では、ブロックセグメント１２６は、カラーホイール１２０のうちの１８０度を超える部分を占める。

図９は、別の実施形態によるカラーホイール１３０を示す。このカラーホイール１３０は、本明細書で説明した装置及び方法のいずれかとともに用いてもよい。カラーホイール１３０は、異なる波長対して選択した２つのフィルタセグメント１３２、１３４と、１つのブロックセグメント１３４とを含む。本実施形態では、フィルタセグメント１３２、１３４はサイズが同じではない。他の実施形態では、他の量の異なるサイズのフィルタセグメントとなる。カラーホイールが一定速度で回転すると、大きい方のサイズのフィルタセグメントは光収集の時間が増えるため、利用可能な信号が低い波長における収集効率を向上させるのに有用となりうる。取込み後の処理の間に（図６の１１４など）、信号補正を行って、信号を縮小して元に戻し、信号強度の比を正常化してもよい。これにより信号が弱い波長における信号対雑音比が向上する場合がある。信号が比較的強いと予想される波長については、フィルタセグメントを比較的小さくしてもよい。

図１０は、別の実施形態によるイメージャ１４０の一部を示す。イメージャ１４０は、図２のイメージャ１２と類似しており、違いだけを詳細に説明する。イメージャ１４０は、本明細書で説明した装置及び方法のいずれかとともに用いてもよい。イメージャ１４０は、イメージングレンズ４４とカラーホイール４０との間に配置される１又は複数のリレーレンズ１４２（概略的に図示）を備える。カラーホイール４０はイメージセンサ４２の真正面に配置されている。図示の通り、これらのリレーレンズは、カラーホイール４０のサイズを小さくするために、カラーホイール４０の所でビーム幅を小さくするように構成されている。さらに別の実施形態では、１又は複数のリレーレンズがイメージセンサ４２とカラーホイール４０との間に配置され、１又は複数のリレーレンズがカラーホイール４０とイメージングレンズ４４との間に配置される。

上記より理解され得るように、本発明が提供する装置及び方法は、検査されている対象物上に、疑似カラーのオーバーレイ画像をリアルタイムビデオ投影できるという利点がある。医療技術における組織の酸素化について主要な例を説明したが、リアルタイムのオーバーレイ画像が必要となる他の分野において、本発明の用途が見つかる可能性がある。

上記はある限定されない実施形態例を提供するが、上記の組み合わせ、サブセット、及び変形が考えられる。求める独占権は、クレームにより定義されている。

Claims (1)

1. プロセッサと、
   前記プロセッサに接続されたメモリと、
   前記プロセッサに接続され、且つ対象物の複数の画像を取り込むように位置決めされたイメージセンサと、
   前記プロセッサに接続され、且つ複数のオーバーレイ画像を前記対象物上に投影するように位置決めされたプロジェクタと、
   前記イメージセンサと位置合わせされたカラーホイールであって、異なる波長を有する少なくとも２つのフィルタセグメントを備え、所定の周波数で回転するように構成された前記カラーホイールと
   を備えるスペクトルイメージング装置であって、
   前記プロセッサが、前記イメージセンサによって取り込まれた前記異なる波長の画像セットを処理して疑似カラーのオーバーレイ画像を生成し、且つ前記オーバーレイ画像を前記対象物への投影用に前記プロジェクタに提供するように構成されており、
   前記取り込みが断続的に行われ、前記投影が、前記取り込みと異なるタイミングで断続的に行われるスペクトルイメージング装置。
   
   

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