JP6739439B2 - 物質の力学的特性を評価するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、広くは、物質の力学的特性を評価するためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、排他的な意味ではなく、生体組織の弾性を評価するための医療システムおよび方法に関する。

生体組織の力学的特性は、その構造や機能と関連していて、また病気によって変わり得る。例えば、癌組織は、通常、周囲の軟組織よりも「硬く」、医師が癌組織を見つけるために指で圧力を加えて患者の軟組織を触診することが広く行われている。

しかしながら、触覚は主観的なものであり、触診によって癌組織の広がりを正確に特定することは困難である。組織内の力学的コントラストを繰り返し可能かつ客観的な態様で提供するために、超音波エラストグラフィ、光コヒーレンスエラストグラフィ、および磁気共鳴エラストグラフィなどのイメージング技術が発展してきた。

"A Review of Optical Coherence Elastography: Fundamentals, Techniques and Prospects" IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 20, No 2, March/April 2014

これらのイメージング技術の出現にも関わらず、医師達は依然として多くの臨床ケースにおいて日常的に触診に頼っている。

本発明の第１の態様によると、物質の力学的特性を評価するためのシステムが提供される。このシステムは、感圧性の特性または特徴を有するセンシング層、およびセンシング層の少なくとも一部と相互作用してきた電磁放射線を受けるように構成された電磁放射線受け部を有するセンシング部を備え、当該センシング部は、物質の表面領域にセンシング層が位置決めされかつ物質の表面領域の少なくとも一部およびセンシング層の少なくとも一部の双方に荷重が付与された場合に、センシング層と相互作用して受けられた電磁放射線がセンシング層の少なくとも一部内のひずみ、すなわち物質の力学的特性の指標となるひずみを求めるために使用され得るように構成されている。

ここで言う「物質」の語は、弾性または粘弾性などの力学的特性を有する任意の物体を包含するものであって、例えば、生体組織などの生物学的物質、食品などの有機物質、およびシリコン材料などの非生物学的物質などを含んでいる。

センシング層は既知の剛性を有していてもよく、また電磁放射線は求められたひずみから応力を求めるために使用されてもよい。

システムは、センシング層の少なくとも一部内のひずみが、センシング層が積層構造を有する場合におけるトップ界面およびボトム界面もしくは内部界面のようなセンシング層の界面でまたはセンシング層内で反射された電磁放射線を用いて求められるように構成されていてもよい。

センシング層は、物質の表面領域に直接的または間接的に接触するように構成されていてもよい。

システムは、求められた物質の一部内のひずみ、および求められたセンシング層の一部内の応力を用いて物質の力学的特性を評価できるよう、物質の一部内のひずみを求めるように構成されていてもよい。例えば、物質の一部は、物質の外層部または物質の他の適当な部分を含んでいてもよい。

本発明の実施形態は重要な利点を提供する。例えば、センシング層の材料特性の知識からセンシング層における応力を求めることにより、物質の力学的特性に関する定性的な情報、例えば物質の領域にわたる力学的特性の相対的変動を求めることができる。医療分野において、システムは、触診の触覚を再現する光学的触診技術を提供し得る。触覚に加えて、システムは、物質の力学的特性の変化に対する客観性、高空間分解能、および高感度を提供し得る。これにより、例えば病変組織の広がりの特定精度が高まり得るし、システムが医師を誘導するために使用され得る。

システムは、センシング部の動きまたは位置決めが要素を介してコントロールされ得るように、センシング部を当該要素に取り付けるための部品を備えていてもよい。要素は、ユーザの身体部であり、それにより部品およびセンシング部をユーザが身につけられるようになっていてもよい。身体部は、ユーザの手の少なくとも一部、例えば指であってもよい。部品は、身体部の少なくとも一部を囲むものであってもよい。

ある特定の実施形態では、部品は、グローブまたはシンブルである。センシング部は、グローブの１つ以上のフィンガ部の先端部に、またはシンブルの先端部に位置決めされまたは取り付けられてもよい。このことは医療分野において利点を提供する。例えば、グローブの１つ以上のフィンガ部にまたはシンブルにセンシング部を組み込みまたは取り付けることによって、当該グローブまたはシンブルがユーザによって身につけられかつ指先が物質、すなわち生体組織であってもよい物質と共に動かされる場合に、システムによって行われる光学的触診と同時に通常の触診を行うことができる。

あるいは、部品は、例えばクリップまたはクリップのようなものであってもよい。

代替的な実施形態では、システムは、プローブ、例えば細長プローブを備えていてもよい。この実施形態では、センシング部は、プローブの遠位端部に組み込まれまたは取り付けられてもよい。プローブは、例えば、手持ち式プローブ、細長プローブ、内視鏡プローブ、血管内プローブ、ロボットアーム、および生検針プローブなどの針プローブのうち少なくとも１つであってもよい。この点において、システムは、遠隔操作されるものであってもよい。例えば、センシング部は、遠隔操作されるロボットアームに取り付けられていてもよい。医療分野では、センシング部は、手による触診ではアクセスできない箇所において生体組織の力学的特性の相対変動を評価できるように配置可能であってもよい。例えば、システムは、最小侵襲手術に使用可能であってもよい。

本発明のある特定の実施形態では、センシング部は、荷重の人力付与に対応して構成されている。センシング部は、ユーザがセンシング部および部品を身につける場合に、当該ユーザがセンシング層を介して物質の表面領域に自力で（例えば指で押すことによって）荷重を付与できるように構成されていてもよい。

本発明の代替的な実施形態では、センシング部は、荷重付与のためのアクチュエータを有していてもよい。アクチュエータは、一定荷重または変動荷重を生成するように構成されていてもよい。

荷重は、典型的には圧縮荷重である。しかしながら、他のタイプの荷重、例えば押し込み、吸込み、せん断、光熱、空気圧、音響放射力、ねじり、および引張りなども考えられる。荷重は、静的なものであっても動的なものであってもよい。

力学的特性は、物質の弾性、例えば生体組織の弾性であってもよい。例えば、力学的特性は、物質のヤング率またはその他の係数であってもよい。あるいは、力学的特性は、粘弾性または任意の他の力学的特性であってもよい。

ある実施形態では、センシング層は柔軟である。具体的に、センシング層は、物質の表面領域にしたがうように構成されていてもよい。特に、センシング層は、少なくとも当該センシング層の厚み方向において変形可能であってもよい。また、センシング層は、典型的には、少なくとも当該センシング層の厚み方向において弾性を有していてもよい。センシング層を介して表面領域の一部に荷重が付与される場合、柔軟なセンシング層は、物質に対して荷重が実質的に均一に伝わるのを促す。その結果、センシング層と物質の表面領域との間の空隙が低減され得る。

システムは、センシング層が、物質の表面領域の少なくとも一部に付与される荷重に応じて、少なくともセンシング層の厚み方向において変形するように構成されていてもよい。この点において、受けられた電磁放射線は、センシング層の変形を求めるために、例えば荷重付与中におけるセンシング層の厚みを求めるために使用されてもよい。これに関して、電磁放射線は、センシング層の界面領域で偏向または反射されてもよい。例えば、システムは、センシング層のトップ界面およびボトム界面の相対位置を求めるために、低コヒーレンス干渉法などの干渉法を活用するように構成されていてもよい。

センシング層は、少なくとも検出される電磁放射線を透過させるものであってもよい。

センシング層は、少なくとも一部がシリコン材料で構成されていてもよい。しかしながら、他の材料および材料配合物も考えられる。

ある実施形態では、システムは、少なくともセンシング層内に電磁放射線を放射するように構成された光源を備えていてもよい。特に、光源は、センシング層を介して物質に電磁放射線を当てるように構成されていてもよい。

受け部は、電磁放射線の検出器であってもよい。あるいは、システムは、受け部とは別個の検出器を備えていてもよい。また、受け部は、光源からセンシング層への電磁放射線の放射に対応して構成されていてもよい。

ある実施形態では、システムは、光コヒーレンストモグラフィ、共焦点蛍光顕微鏡法、および光コヒーレンスエラストグラフィのうち少なくとも１つを活用するように構成されている。

ある例では、放射される電磁放射線は、近赤外光などの赤外光である。

特定の実施形態では、システムは、物質の力学的特性を求めるように構成されている。例えば、物質のヤング率または任意の他の適当な係数が求められてもよい。この点において、システムまたは対応する別のシステムは、例えば光コヒーレンスエラストグラフィ（ＯＣＥ）を用いて、物質内のひずみを求めるように構成されていてもよい。求められたひずみとセンシング層の一部において求められる応力との関係が、物質の力学的特性を定量的に求めるために計算されてもよい。

ある例では、システムは、センシング層を脱着可能に構成されていてもよい。

ある実施形態では、システムは、接触面の領域における複数の横方向位置において応力が求められ得るように、検出器アレイを備えている。例えば、システムは、上述した複数の横方向位置に関連する領域に分布する端部を有するファイバを含む光ファイババンドルを備えていてもよい。

ある代替的な実施形態では、システムは、センシング層の領域内の複数の横方向位置における応力が求められ得るように、センシング層の領域を横方向にスキャンするように構成されていてもよい。例えば、システムは、ガルバノミラーなどの走査ミラーを備えていてもよい。

上述した各実施形態において、物質の領域における力学的特性の変化を示す二次元もしくは三次元ひずみマップまたは二次元もしくは三次元応力マップが生成されてもよい。

特定の実施形態では、システムは医療システムであり、物質は生体組織、例えば人間または動物の軟組織である。軟組織は、癌組織のような病変組織を伴ってもよく、または病変組織を含んでいてもよい。軟組織の例としては、結合組織、腱、脂肪、および筋組織が挙げられる。

理解の容易のために、「病変」の語は、特許明細書を通して、例えば、良性、前癌性、悪性、またはその他の不健全なまたは異常な状態にある病巣または腫瘍を含む、組織内の異常と同義の意味で用いる。

あるいは、物質は、シリコンなどの非生物学的物質またはその他の適当な物質であってもよい。

システムは、さらに、２つの異なるタイプの物質部分間の境界位置を特定するために、ある領域にわたる力学的特性の相対変動などの力学的特性に関する情報を用いるように構成されていてもよい。例えば医療分野では、システムは、病変生体組織の有無を特定するように構成されていてもよい。これにより、病変組織の広がりが特定され得る。

本発明の第２の態様によると、物質の力学的特性を評価するための方法が提供される。この方法は、材料を提供するステップと、感圧性の特性または特徴を有するセンシング層を物質の表面領域に位置決めし、それにより物質の少なくとも一部および物質の表面領域におけるセンシング層の少なくとも一部の双方に荷重を付与できるようにするステップと、物質の表面領域の少なくとも一部および物質の表面領域におけるセンシング層の少なくとも一部の双方に荷重を付与するステップと、荷重が付与された状態でセンシング層の少なくとも一部に電磁放射線を放射するステップと、センシング層の少なくとも一部と相互作用してきた電磁放射線を受けるステップと、受けた電磁放射線を用いてセンシング層の一部におけるひずみ、すなわち物質の力学的特性の指標となるひずみを求めるステップとを含んでいる。

方法は、センシング層および電磁放射線受け部を有するセンシング部を、センシング部の移動または位置決めが要素を介してコントロール可能になるように、センシング部の取付けのための部品を用いて当該要素に取り付けるステップを含んでいてもよい。要素は、ユーザの身体部であってもよく、部品およびセンシング部は、ユーザによって身につけられてもよい。例えば、センシング層は、グローブのフィンガ部またはシンブルに組み込まれまたは取り付けられていてもよい。この例において、少なくとも物質の表面領域に荷重を付与するステップは、ユーザの１つ以上の指によってセンシング層を介して圧力を付与することを含んでいてもよい。あるいは、センシング部の取付けのための部品は、例えばクリップであってもよい。

身体部にセンシング部を取り付けるステップは、身体部の少なくとも一部を囲むことを含んでいてもよい。

センシング層は、既知の剛性を有していてもよく、方法は、求められたひずみから応力を求めるステップを含んでいてもよい。

電磁放射線を受けるステップは、電磁放射線を検出することを含んでいてもよい。

荷重を付与するステップは、人力で荷重を付与すること、または静的もしくは動的荷重を付与できるアクチュエータを用いることを含んでいてもよい。ある特定の実施形態では、荷重を付与するステップは、センシング部を部品と共に身につけているユーザが人力で荷重を付与することを含んでいる。

センシング層の少なくとも一部と相互作用してきた電磁放射線を検出するステップは、センシング層の界面またはセンシング層内で、例えばセンシング層が積層構造を有する場合におけるトップおよびボトム界面または内部界面で反射した電磁放射線を検出することを含んでいてもよい。

センシング層を物質の表面領域に位置決めするステップは、センシング層が物質の表面領域に直接的または間接的に接触するようにセンシング層を位置決めすることを含んでいてもよい。

荷重を付与するステップは、センシング層を介して荷重を付与することを含んでいてもよい。

ある実施形態では、センシング層は、プローブの遠位端に組み込まれまたは取り付けられ、センシング層を位置決めするステップは、センシング層を含むプローブの遠位端を、血管内分析のために体腔内または血管内に挿入することを含んでいる。例えば、プローブの遠位端は、最小侵襲手術のための切開部を通じて挿入されてもよい。この実施形態では、少なくともプローブの遠位端の動きが遠隔操作されてもよい。別の例では、センシング層は、針プローブの遠位端に組み込まれまたは取り付けられていてもよい。例えば、センシング層は、生体組織内に針プローブを挿入するための外針内に収容された内針の平滑遠位端に位置決めされてもよい。他の例では、プローブの遠位端は、整形外科分析を行うために腱または軟骨に挿入されるか、または耳鏡分析を行うために外耳道に挿入される。当業者であれば、他の適当な例も考えられることを認めるだろう。

ある実施形態では、方法は、例えば患者の手術中に、生体内で行われてもよい。

ある実施形態では、方法は、さらに、物質の表面領域にセンシング層の接触面を接触させる位置決めの案内を促すステップを含んでいてもよい。例えば、方法は、少なくとも物質の表面領域の画像を取得するステップを含んでいてもよい。

ある実施形態では、センシング層の接触面の一部における応力を求めるステップは、荷重付与に応じたセンシング層の変形を求めることを含んでいる。具体的に、当該ステップは、センシング層の厚みを求めることを含んでいてもよい。この点において、少なくともセンシング層内に電磁放射線を放射するステップは、電磁放射線がセンシング層の端部で偏向または反射されるように行われる。

センシング層の厚みを求めるステップは、物質の表面領域の少なくとも一部への荷重付与前および／または荷重付与後に行われてもよい。

ある実施形態では、電磁放射線を放射するステップは、センシング層を介して物質に電磁放射線を当てることを含んでいる。

特定の実施形態では、方法は、ヤング率などの物質の力学的特性を求めるステップを含んでいる。この点において、方法は、例えば光コヒーレンスエラストグラフィ（ＯＣＥ）を用いることにより、物質内のひずみを求めるステップを含んでいてもよい。求められたひずみとセンシング層の一部において求められる応力との関係が、物質の力学的特性を定量的に求めるために計算されてもよい。

ある実施形態では、少なくともセンシング層を通って伝播してきた電磁放射線を受けるステップは、センシング層の領域を横方向にスキャンすることにより、複数の横方向位置からの電磁放射線を検出することを含んでいる。

方法は、さらに、物質の領域における力学的特性の変化を示す二次元もしくは三次元ひずみマップまたは二次元もしくは三次元応力マップを生成するステップを含んでいてもよい。

方法は、さらに、病変生体組織の有無を特定するために、力学的特性に関する情報を使用するステップを含んでいてもよい。

ある実施形態では、方法は、本発明の第１の態様に係る医療システムを用いて行われる。

本発明の第３の態様によると、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）またはその他のイメージング技術を用いて物質の力学的特性を評価するための方法が提供される。この方法は、ＯＣＴまたはその他のイメージング技術に用いられる放射線を透過させる材料の層を物質の表面部に配置するステップと、当該層を介して物質の表面部に荷重を付与するステップと、物質の表面部に荷重が付与された状態でＯＣＴまたはその他のイメージング技術を用いて特性を評価するために物質からの放射線を受けるステップとを含み、当該層は、物質の表面部にわたる荷重の実質的に均一な分布を可能とする力学的特性を有する。

図１ａは、本発明の実施形態に係る物質の力学的特性を評価するための医療システムの概略図である。 図１ｂは、本発明の実施形態に係る物質の力学的特性を評価するための医療システムの概略図である。 図２は、図１ａ，１ｂの医療システムのセンシング層の一部における応力を求めるのに使用される応力−ひずみ曲線である。 図３は、図１ａ，１ｂの医療システムを用いて得られる応力マップの一例である。 図４ａは、ＯＣＥ測定を行うための構成の一例を示す簡略図である。 図４ｂは、図４ａの例示的な構成を用いて得られたデータである。 図４ｃは、図４ａの例示的な構成を用いて得られたデータである。 図５ａは、図１ａ，１ｂの医療システムを示す簡略図である。 図５ｂは、図５ａの例示的な構成を用いて得られたデータである。 図５ｃは、図５ａの例示的な構成を用いて得られたデータである。 図６ａは、本発明の実施形態に係る物質の力学的特性を評価するための医療システムの概略図である。 図６ｂは、本発明の実施形態に係る物質の力学的特性を評価するための医療システムの概略図である。 図７ａは、図６ａの概略図に係る医療システムを用いて得られたデータである。 図７ｂは、図６ａの概略図に係る医療システムを用いて得られたデータである。 図８は、本発明の実施形態に係る物質の力学的特性を評価するための方法のフローチャートである。

本発明は、以下の発明の特定の実施形態の説明からより完全に理解されるだろう。説明は、添付の図面を参照して提供される。

本発明の実施形態は、物質の力学的特性を評価するためのシステムおよび方法に関する。システムは例えば医療システムであってもよい。この場合、物質は例えば生体組織のような生物学的物質であってもよい。しかしながら、例えば、医療分野において生体軟組織の形態および構造を再現するために広く利用されるシリコン材料のような非生物学的物質も考えられる。

当業者であれば、システムが、医療分野のみでなく、例えばロボット工学や食品産業を含む様々な他の分野においても応用可能であることを認めるだろう。力学的特性は、柔軟性のある任意の適当な物質に対して評価され得る。例えば、食品産業では、システムが食品の熟度を測定するために使用されてもよい。また、システムは、品質管理用途において、および材料加工のために使用されてもよい。

一般に、力学的特性は物質の弾性に関係している。具体的に、弾性は、物質のヤング率に関係し得る。ヤング率は物質の剛性を表す。医療分野では、病変組織のような異常が生体組織の弾性を変え得ることが知られている。例えば、一般に、癌組織は周囲の健康な軟組織に比べて「硬く」感じられる。この生体組織の弾性における差異は、従来より、触診によって癌組織の有無を調べるのに活用されてきた。しかしながら、この技術は、触診を行う医師の主観に依存する。また、単に触診を行うことによっては、癌組織の広がりを正確に特定することは困難である。

以下では、医療分野におけるシステムおよび方法の例示的な実施形態について記載する。しかしながら、上でも述べたように、他の技術分野における応用も考えられる。

本発明の実施形態に係る医療システムは、使用時に生体組織の表面領域と接触する当該医療システムのセンシング層の一部における応力を求めることによって生体組織の弾性を評価するように構成されている。これにより、ある領域における生体組織の弾性変化を定性的に求め、それにより癌組織の位置を特定することができる。

物質の力学的特性については、他の力学的特性、例えば物質の粘弾性なども考えられる。

本発明の実施形態に係る医療システムは、センシング層および検出器を有するセンシング部を備えている。検出器は、センシング層を伝播してきた電磁放射線を検出するように構成されている。本実施形態の医療システムは、また、センシング部をユーザの身体部に取り付けるために使用可能な部品を備えている。例えば、身体部は、ユーザの指または手であってもよく、部品は、ユーザがセンシング部と共に装着できるシンブルまたはグローブであってもよい。

電磁放射線は、当該電磁放射線がセンシング層のトップ端およびボトム端で偏向または反射されるように、センシング層を介して物質に放射されてもよい。検出された電磁放射線は、上記センシング層の一部に作用する応力を求めるために用いられる。

センシング層は、感圧性の特性または特徴を有し、また物質の表面領域、例えば生体組織の肌面領域と接触するための接触面を有する。物質に荷重が付与されかつセンシング層が当該物質の表面領域に接触すると、センシング層の一部において応力が求められ、当該応力が物質の力学的特性を評価するために用いられ得る。これにより、物質の表面領域下の領域における物質の力学的特性の変化を定性的に求めることができる。物質の力学的特性を定性的に求めるために、求まった応力と組み合わせたさらなる測定が必要とされ得る。例えば、医療システムは、物質内に分布するひずみを求めるためにＯＣＥを活用するように構成されていてもよい。物質のひずみとセンシング層における応力との関係を計算することにより、物質のヤング率を定性的に求めることができる。

医療システムは、病変組織の存在および広がりを特定することに応用されてもよい。ある例では、センシング層は、要素を構成するか、またはグローブの１つ以上のフィンガ部に取り付けられるか、もしくはシンブルに取り付けられる。これにより、医師による触診と同時に医療システムを利用した光学的触診を行うことができる。

別の例では、医療システムは、プローブ、例えば内視鏡プローブ、針プローブ、または血管内プローブを備えている。そのような実施形態では、センシング層は、当該センシング層が体腔内に挿入され得るように、要素であってもよく、またはプローブの遠位端に取り付けられていてもよい。これにより、医療システムを最小侵襲手術のために使用することができる。

図１ａおよび図１ｂは、本発明の実施形態に係る物質１０２の力学的特性を評価するための医療システム１００の概略図である。

この例では、物質１０２の力学的特性は弾性に関する。物質１０２は、生体軟組織の構造および形態を再現するために広く用いられる柔軟なシリコン材料１０２である。シリコン材料１０２は、周囲シリコン材料１０６よりも硬い含有物１０４を含んでいる。ここで、含有物１０４は腫瘍を模したものであってもよく、周囲シリコン材料１０６は周囲軟組織を模したものであってもよい。

この例では、含有物１０４は、１．５ＭＰａのヤング率Ｅを有していて、物質の表面領域の約１ｍｍ下に埋め込まれている。周囲シリコン材料１０６は、２０ｋＰａのヤング率Ｅを有する。ヤング率は、シリコン材料１０２の剛性を表す。

医療システム１００は、健康な軟組織内の病変組織、例えば腫瘍の存在および広がりを特定するために生体内で使用されてもよい。この例では、表面下の領域におけるシリコン材料１０２の弾性変化を評価することにより、周囲シリコン材料１０６内における含有物１０４の存在および広がりを特定することができる。

医療システム１００は、センシング層１０８および光学装置１１０を備えている。

この例では、光学装置１１０は、電磁放射線を放射するための光源と、センシング層の少なくとも一部と相互作用した電磁放射線を検出するための検出器とを有する。例えば、電磁放射線は、センシング層の境界部において偏向、反射、または散乱され得る。しかしながら、当業者であれば、光源が医療システム１００に含まれなくてもよいことを認めるだろう。

本実施形態の光学装置１１０は、光学コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）装置１１０である。特に、中心波長が１３２５ｎｍ（近赤外）でかつスペクトル幅が１００ｎｍの携帯掃引ＯＣＴ装置１１０が使用される。ＯＣＴ装置１１０の軸方向および横方向の測定分解能（半値全幅）は、それぞれ１７μｍ（大気中）および１６μｍである。ＯＣＴ装置に関して、医療システム１１０のために任意の適当なＯＣＴ装置が使用されてもよい。例えば、ＯＣＴ装置は、中心波長が８４０ｎｍでかつスペクトル幅が５０ｎｍのスペクトル領域ＯＣＴ装置であってもよい。この例示的な装置の軸方向および横方向の分解能は、それぞれ８μｍおよび１１μｍである。また、ＯＣＴ装置は、位相敏感掃引ＯＣＴ装置であってもよい。

ＯＣＴ装置１１０から放射された電磁放射線は、２５ｎｍの作動距離を有するレンズ１１２を通ってシリコン材料１０２の表面領域に照射される。電磁放射線は、レンズ１１２およびセンシング層１０８を通ってシリコン材料１０２の一部に当てられる。しかしながら、電磁放射線は、センシング層１０８内を伝播する前に物質内を伝播してもよい。

本実施形態のセンシング層１０８は、図１ａおよび図１ｂに示すように、使用時にシリコン材料１０２の表面領域と接触する接触面を有する。この例では、センシング層１０８はシリコン材料で構成されている。しかしながら、他の適当な材料または材料配合物も考えられる。シリコン材料の例において、シリコン材料の特性は、シリコン触媒、架橋剤、および非架橋シリコン流体の比率を変えることによって調節されてもよい。

医療システムのセンシング層１０８は、感圧性の特性または特徴を有する。この例では、センシング層１０８は、当該センシング層１０８の厚さ方向に変形可能であって弾性を有する。センシング層１０８は、シリコン材料１０２の周囲シリコン材料１０６と同程度、すなわち約２０ｋＰａのヤング率を有する。このため、センシング層１０８は、図１ｂに示すように、物質の表面領域に荷重が付与された場合に、当該物質の表面領域の形状にしたがって変形することができる。

この例では、荷重は、医療システム１００を用いて付与される圧縮荷重である。特に、医療システム１００は、反射防止被覆が施されたイメージング窓１１６を有する筒状ヘッド１１４を備えている。イメージング窓１１６は、図１ｂに矢印１１８で示すように、センシング層１０８を介して生体組織１０２の表面領域に荷重を付与する圧縮プレートとして機能する。

筒状シリンダ１１４の長さは、医療システム１００の測定可能な移動範囲、およびよって生体組織１０２の圧縮量を最大化するように設定される。移動範囲を最大化することは、例えば生体組織が比較的分厚い皮下脂肪を有する場合など、病変組織が組織の表面領域よりも比較的深いところに位置している場合に特に重要である。そのような場合、生体組織１０２を十分に圧縮して表面領域下の生体組織の弾性を評価できるようにするために、より大きな移動が必要となる。

荷重の付与に関して、荷重は、任意の適当な荷重、例えば押し込み、吸込み、せん断、光熱、音響放射力、空気ジェット、ねじり、または引張りであってもよい。また、荷重は、センシング層が物質の表面領域の形状に適合できるように、物質の表面領域の一部に付与されるのみであってもよい。

図１ｂに示すように、シリコン材料１０２の表面領域の一部に荷重が付与されると、センシング層１０８の少なくとも一部が当該センシング層１０８の接触面において変形する。換言すれば、センシング層１０８の厚みが、シリコン材料１０２の表面領域の一部への荷重付与に応じて変化する。

この例では、センシング層１０８のトップ端とボトム端との間の軸方向距離はＯＣＴ装置１１０を用いて測定される。特に、センシング層内に放射される電磁放射線は、センシング層１０８のトップ端およびボトム端で反射する。この例では、センシング層１０８のトップ端とボトム端との間の距離を測定するために低コヒーレンス干渉法が用いられる。

図１ｂに示すように、センシング層１０８の変形により、当該センシング層１０８の厚みは荷重付与に応じて変化する。例示するＯＣＴ装置１１０の構成によると、測定可能なセンシング層１０８の厚み変化の最小値は約４μｍである。当業者であれば、他のＯＣＴシステムをより小さな変化を測定するために使用できることに同意するだろう。例えば、１ｎｍ程度の厚み変化に対して、ＯＣＴ装置の位相感知性能を使用できる。

測定されたセンシング層１０８の変形は、当該センシング層１０８の一部に作用する応力を求めるために使用される。この例では、センシング層１０８の一部に作用する応力を求めるために、次式を用いてひずみεを求める。
ここで、εはシリコン材料のひずみを表し、ｌ_０は荷重付与前のセンシング層１０８の厚みを表し、ｌは荷重付与後のセンシング層１０８の厚みを表し、（ｘ，ｙ）はセンシング層１０８の領域における横方向位置を表す。

この例では、センシング層１０８の厚みは、荷重付与の前に測定される。しかしながら、それに代えて、当該厚みを、荷重付与の後に測定してもよいし、またはセンシング層１０８の通常厚みが既知の場合には測定しなくてもよい。

応力を求めるために、図２に例示するセンシング層１０８を構成する物質の応力−ひずみ曲線が用いられる。センシング層１０８の特定の物質の応力−ひずみ曲線を用いることで、センシング層１０８のある領域のような部分に作用する応力を求めることができる。

センシング層１０８の一部における応力は、物質の弾性を表すものである。シリコン材料１０２のある領域における弾性を評価することにより、二次元応力マップを作ることができる。二次元応力マップの一例が図３に例示されている。さらに、荷重増大に伴う一連の二次元応力マップを得ることによって、または二次元応力マップを計算力学モデルに組み込むことによって三次元応力マップを作ってもよい。

応力マップは、医療システム１００を用いて応力を測定したい領域に対応するものである。この点において、ＯＣＴ装置１１０は、ある領域にわたって、例えば矢印１２０で示す方向において逐次的に、スキャンするように構成されている。これは走査ミラーを設けることによって実現されてもよい。しかしながら、代替的な実施形態では、医療システム１００が、例えば、光ファイババンドルを使って複数個所に当てられた電磁放射線に対応して電磁放射線を検出するための検出器アレイを備えていてもよい。

応力マップの横方向の分解能は、サブミリメートル範囲内の約１６０〜３９０μｍである。実現可能な分解能の上限は、ＯＣＴ装置の分解能によって決まる。分解能は、ＯＣＴ装置１１０の分解能に依存するのみでなく、生体組織内の構造的および力学的な不均一性によっても影響を受ける。しかしながら、図３に示す応力マップにおける力学的コントラストは、シリコン材料または生体組織などの物質の光学的特性とは無関係である。例えば、物質の弾性変化は例えば血液が存在していても評価可能である。

本発明の本実施形態に係る医療システム１００は、従来のＯＣＴイメージング技術の最大深さを上回る深さにおいて物質１０２の弾性を評価することができる。ＯＣＴのイメージング深さは、一般には表面下１〜２ｍｍである。しかしながら、医療システムは、表面下２ｍｍよりも深いところの物質の弾性を評価することができる。実験では、医療システム１００は、シリコン材料の表面下４ｍｍの深さに埋め込まれた含有物を見つけ出すために使用された。荷重が付与されると、表面下およそ３．７ｍｍにおいて含有物が見つけ出された。

特定の例では、医療システム１００は、グローブまたはシンブルをさらに備えており、センシング層は、１つ以上のフィンガ部に組み込まれもしくは取り付けられ、またはシンブルに取り付けられる。この場合、荷重は、１つ以上の指で圧力を加えることによって付与されてもよい。

医療システム１００は、例えばセンシング層１０８とＯＣＴ装置１１０とを接続する光ファイバのような光案内部をさらに備えていてもよい。医療グローブの例において、センシング層は、例えばプラスチック製または金属製のシンブルのようなフィンガキャップに組み込まれまたは取り付けられていてもよい。シンブル内には、１つ以上のフィンガ部の先端に光ファイバの束が案内されて光学的結合が実現されるように、溝が設けられていてもよい。これにより、組織の弾性を表す二次元画像が生成され得る。

このように、医療システム１００は、触診による診断を組み合わせることもできる光学的触診システムを提供する。

当業者であれば、代替的な実施形態に係る医療システムが、荷重を生成するように構成されたアクチュエータを備えていてもよいことを認めるだろう。荷重は、静的なものであっても動的なものであってもよい。

また、医療システム１００は、例えば内視鏡プローブ、針プローブ、または血管内プローブのようなプローブを備えていてもよい。これにより、生体内の触診ではアクセスできない箇所で生体組織の弾性を評価することができる。例えば、医療システム１００は、例えば最小侵襲手術のようなロボット手術の分野に応用可能である。この点において、少なくとも医療システムのセンシング層が、切開部を、例えば患者の腹壁を通過し得る細長プローブの遠位端に取り付けられていてもよい。

医療システム１００は、生体組織の表面領域に対して遠隔操作で位置決めされてもよい。例えば、医療システム１００は例えばカメラのような撮像装置を備えまたは撮像装置が接続されていてもよく、それによりセンシング層の接触面を問題の生体組織の表面領域に接触させることができる。

図４および図５には、図１の医療システム１００に似ているがセンシング層を備えていない医療システム２００を用いた光コヒーレンスエラストグラフィ（ＯＣＥ）構成（図４ａ）と、医療システム１００（図５ａ）との比較が示されている。この例では、掃引ＯＣＴ装置に代えて、スペクトル領域装置が使用されている。しかしながら、任意の適当なＯＣＴ装置が定量的な測定を行うために用いられてもよい。

光コヒーレンスエラストグラフィの原理と手法については、本明細書で援用する非特許文献１に詳細に記載されている。

ここで図４ａには、シリコン試料内に分布するひずみを求めるための圧縮ＯＣＥを実行するための医療システム２００の簡略図が示されている。医療システム２００はセンシング層を備えておらず、医療システム２００のイメージング窓はシリコン試料４０２の表面に直接的に接触する。説明のため、シリコン試料４０２は硬質部４０４と軟質部４０６とに分けられている。

ＯＣＥ測定は、ＯＣＴを用いてシリコン試料４０２中の変位量を求めるために行われる。圧縮ＯＣＥだけではシリコン試料４０２のヤング率などの力学的特性を定量的に求めることはできず、ひずみだけが求められる。

図４ｂに示すようにセンシング層を備えない医療システム２００を用いた場合のシリコン試料のＯＣＴ画像（Ｂ−スキャン）が図４ｂに例示されている。図４ｂからわかるように、この構成（センシング層のない構成）では、シリコン試料の軟質部４０６の変形がシリコン試料４０２の硬質部４０２によって制限される。

図４ｃには、ライン４０１に沿って求められたひずみが横方向位置の関数として示されている。図４ｃは、求められたひずみが、シリコン試料４０２の硬質および軟質部４０４，４０６にわたって延びるライン４０１に沿って実質的に一定であることを示している。図４ｃからわかるように、センシング層を備えない医療システム２００を使用した場合、シリコン試料４０２の硬質部４０４と軟質部４０６との間の境界を特定するのが困難である。

これに対して図５ａには、図１の医療システム１００の簡略図が示されている。図５ａに示す医療システム１００は、シリコン試料内に分布するひずみを求めるための圧縮ＯＣＥ測定を実行するために使用される。同時に、センシング層の一部における応力が図１を参照して説明したように求められる。電磁放射線がセンシング層１０８を通過することにより、センシング層１０８における応力ならびにシリコン試料４０２内に分布するひずみが同じＯＣＴ画像データから求められる。

ヤング率のようなシリコン試料４０２の力学的特性を定量的に求めるために、求められたシリコン試料４０２のひずみと、センシング層１０８の一部において求められた応力との間の関係が計算される。

この点において、医療システム１００は、図１、図２、および図３を参照して説明したように、センシング層１０８の領域の各横方向位置における圧力を求めるために使用される。この例では、センシング層１０８の接触面が図４ａのシリコン試料４０２の表面領域に接触させられる。

この例では、シリコン試料のヤング率Ｅは次式を用いて求められる。
ここで、Ｅはシリコン試料のヤング率を表し、σ_{sensing layer}はセンシング層の一部において求められた応力を表し、σ_{silicone sample}はシリコン試料内に分布するひずみを表す。

圧縮ＯＣＥを用いて求められたシリコン試料４０２内に分布するひずみと、センシング層１０８の一部における応力とを組み合わせることにより、シリコン試料４０２のヤング率のような力学的特性を定量的に求めることができる。換言すれば、圧縮ＯＣＥが医療システム１００を用いた光学的触診と組み合わされている。

図５ｂは、硬質および軟質領域に導入された可変応力を示す、シリコン試料４０２のＯＣＴ画像（Ｂ−スキャン）である。図５ｂのライン５０１に沿ったヤング率が図５ｃに示されている。図５ｂおよび図５ｃは、シリコン試料４０２の硬質部４０４と軟質部４０６との間における弾性の差異を表している。

図６には、本発明の実施形態に係る医療システム６００が示されている。本実施形態の医療システム６００は、ユーザの指６０３に取り付けるためのシンブル６０２を備えている。シンブル６０２は、ユーザの指６０３にセンシング部を取り付ける。センシング部は、光学部品を有する光ファイバ６０４を有しており、これについては後述する。センシング部は、また、図１ａおよび図１ｂのセンシング層１０８に相当するセンシング層６０６を備えている。本実施形態の医療システム６００は、センシング層６０６に荷重が付与されると共に、センシング層６０６に使用されている物質がユーザの指６０３と接触するように構成されている。

当業者であれば、代替的な実施形態において、シンブル６０２がグローブに置き換えられてもよく、またセンシング部がグローブの１つ以上のフィンガ部にまたはグローブの他の部分に組み込まれてもよいことを認めるだろう。また、センシング層６０６はグローブの一部であってもよい。

図６ｂには、医療システム６００の構成要素がより詳しく示されている。光ファイバ６０４は、シングルモードファイバであって、「コアなし」ファイバ部６０８につながれている。そして、「コアなし」ファイバ部６０８は、ＧＲＩＮファイバ部６１０につながれている。ＧＲＩＮファイバ部６１０は、使用時に、そこから電磁放射線が放射されかつそれにより電磁放射線を受けるものである。センシング層６０６は、光学接着剤を用いてシンブル６０２に結合されている。

図７ａおよび図７ｂは、図６ａに概略的に示されたシステム６００を用いて行われた剛性測定の結果の一例を示している。プロット７００は、時間の関数として測定された剛性を示しており、プロット７０２は、予ひずみの関数として、したがってセンシング層６０６の変形の関数として測定された剛性を示している。

図８には、本発明の実施形態に係る方法８００を説明するフローチャートが示されている。

方法は、物質を提供する第１ステップ８０２を含む。上述したように、物質は、生体組織のような生物学的物質であってもよいし、または医療分野において生体組織の形態および構造を再現するために用いられ得るシリコン材料のような非生物学的物質であってもよい。任意の適当な柔軟な物質が考えられる。

次のステップ８０４では、センシング層が、当該センシング層の接触面を提供された物質の表面領域に接触させるように位置決めされる。センシング層は、例えば、図１ａおよび図１ｂに示す医療システム１００のセンシング層１０８であってもよい。センシング層は、感圧性の特性または特徴を有する。好ましい例では、センシング層は、物質の表面領域の形状にしたがうように構成されている。例えば、センシング層は変形可能であってもよい。

次のステップ８０６では、物質の表面領域の一部に荷重が付与される。この荷重は、例えば、医療システムのセンシング層を介して付与されてもよい。

ステップ８０８では、物質の表面領域に荷重が付与されている状態で、少なくともセンシング層内に電磁放射線が放射される。電磁放射線は、典型的には物質の表面領域に当てられ、センシング層を通って物質の一部へ伝播する。

放射された電磁放射線に応じて、センシング層を通って伝播してきた電磁放射線がステップ８１０において検出される。例えば、放射された電磁放射線は、センシング層のトップ端およびボトム端において偏向または反射され得る。検出された電磁放射線は、引き続き、ステップ８１２においてセンシング層の一部における応力を求めるために利用される。例えば、荷重付与に応じてセンシング層が変形している場合、センシング層の厚みが求められてもよい。センシング層の厚みは、その後、センシング層内に分布するひずみを求めるために利用される。そして、センシング層の物質の応力−ひずみ関係の情報を用いて、センシング層の一部に作用する応力を求めることができる。

次のステップでは、提供された物質の力学的特性を評価するために応力が分析される。例えば、物質の領域の各横方向位置における力学的特性の変化が評価されてもよい。センシング層の一部における応力を求めることにより、組織の力学的特性をただ定性的に評価することができる。

物質の力学的特性、例えば物質の剛性を表すヤング率を定量的に求めるためには、求められた応力をＯＣＥ測定と組み合わせる必要がある。ＯＣＥは、物質の変位量を測定するために広く利用されている。これにより、物質内に分布するひずみを求めることができる。物質のひずみとセンシング層の応力とを組み合わせることにより、物質の力学的特性を定量化することができる。

特許請求の範囲および本発明の上記説明において、明確な用語または必要な含意のために文脈が必要とする場合を除き、「備える」、「有する」、または「含む」といった言葉は包括的な意味合いで、すなわち、本発明の様々な実施形態において、言及する特徴が存在することを特定する一方でその他特徴の存在または追加を排除しない意味合いで使用される。

Claims (14)

1. センシング部を備え、光コヒーレンストモグラフィまたは光コヒーレンスエラストグラフィを用いて物質の力学的特性を評価するためのシステムであって、
   上記センシング部は、
   感圧性の特性または特徴を有するセンシング層と、
   上記センシング層の少なくとも一部と相互作用してきた電磁放射線を受けるように構成された電磁放射線受け部とを有し、
   上記センシング部は、上記物質の表面領域に上記センシング層が位置決めされかつ上記物質の上記表面領域の少なくとも一部および上記センシング層の少なくとも一部の双方に荷重が付与された場合に、上記センシング層と相互作用して受けられた電磁放射線が上記センシング層の少なくとも一部内のひずみ、すなわち上記物質の上記力学的特性の指標となるひずみを求めるために使用され得るように構成されており、
   上記システムは、上記センシング部の動きまたは位置決めが要素を介してコントロールされ得るように、上記センシング部を上記要素に取り付けるための部品を備えており、
   上記要素は、ユーザの身体部であり、それにより上記部品および上記センシング部を上記ユーザが身につけられるようになっており、
   上記荷重が、上記システムの上記センシング層を介して上記物質の上記表面領域に付与されるように構成されている
   ことを特徴とするシステム。
2. 請求項１において、
   上記センシング層は、既知の剛性を有し、
   上記電磁放射線は、上記求められたひずみから応力を求めるために使用され得る
   ことを特徴とするシステム。
3. 請求項２において、
   上記システムは、上記物質の一部内のひずみを求めるように構成されており、
   上記物質の上記力学的特性は、求められた上記物質の一部内のひずみと、求められた上記センシング層の一部における応力とを用いて求められ得る
   ことを特徴とするシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記センシング層は、上記物質の表面領域と直接的に接触するように構成されている
   ことを特徴とするシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記身体部は、ユーザの手の少なくとも一部である
   ことを特徴とするシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記部品は、使用時に、上記身体部の少なくとも一部を囲むように構成されている
   ことを特徴とするシステム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   上記部品は、シンブルである
   ことを特徴とするシステム。
8. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   上記部品は、グローブである
   ことを特徴とするシステム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   上記センシング部は、上記荷重の人力付与に対応して構成されている
   ことを特徴とするシステム。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    上記電磁放射線受け部は、発生源から上記センシング層への電磁放射線の放射も行うように構成されている
    ことを特徴とするシステム。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項において、
    上記センシング層は、上記物質の表面領域の形状にしたがうように構成されている
    ことを特徴とするシステム。
12. 請求項７において、
    上記センシング層は、少なくとも該センシング層の厚み方向において変形可能である
    ことを特徴とするシステム。
13. 請求項１２において、
    検出された電磁放射線は、上記荷重が付与された場合の上記センシング層の厚みを求めるために使用される
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項において、
    上記システムは、医療システムであり、
    上記物質は、生体組織であり、
    上記医療システムは、病変生体組織の有無を特定するために、上記力学的特性に関する情報を利用するように構成されている
    ことを特徴とするシステム。