JP2011053135A - 生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影装置及び生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度よく生体代謝機能を評価するためのＮＡＤＨからの蛍光と組み合わせる生体組織に関する観測量を用いて、動きの大きい生体組織の代謝機能の動的モニタリングを精度よく行うこと。
【解決手段】複数の波長の励起光を循環的に順次生体組織に照射する励起光照射手段と、前記照射された励起光に対する前記生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像する撮像手段と、前記複数の波長の励起光の各々に対する前記生体組織蛍光画像をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記複数の波長の励起光の各々に対する生体組織蛍光画像の１組の間で所定の演算を行い画像処理を行う画像処理手段と、前記画像処理の結果得られた画像を順次表示する表示手段とを備えることを特徴とする生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、生体組織の代謝機能評価の撮影装置及び撮影方法に関する。

生体組織の酸素濃度等の代謝機能を評価する技術として、生体組織に励起光を照射し、励起光に対する生体組織の還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）からの蛍光を観察する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この手法は、酸素濃度の低い生体組織ではニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）が還元され、それによりＮＡＤＨの割合が増えることによりＮＡＤＨからの蛍光強度が増加することを利用するものである。

この手法において、ＮＡＤＨからの１つの種類の蛍光のみを観測するだけでは精度よく生体代謝機能を評価することができないため、他の生体組織に関する観測量と合わせて生体代謝機能を精度よく評価することが試みられている。

特表２００１−５０９５８９号公報

生体組織に関する複数の観測量を観測するためには、複数のセンサを設ける構成が考えられる。しかしながら、そのような構成においては、心臓のような動きの大きい組織の代謝機能を動的にモニタリングする際には、複数のセンサによる視差のために、生体組織の特定の位置に対して、対応する複数の生体組織に関する観測量をその特定の位置の観測量として同定し演算処理することが難しく、精度に問題がある。

また、精度よく生体代謝機能を評価するための、より良いＮＡＤＨからの蛍光と他の生体組織に関する観測量の組み合わせの探求も依然として必要である。

そこで、本発明は、上記の課題を解決し、精度よく生体代謝機能を評価するためのＮＡＤＨからの蛍光と組み合わせる生体組織に関する観測量を用いて、動きの大きい生体組織の代謝機能の動的モニタリングを精度よく行うことができる代謝機能評価用の装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、複数の波長の励起光を循環的に順次生体組織に照射する励起光照射手段と、前記照射された励起光に対する前記生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像する撮像手段と、前記複数の波長の励起光の各々に対する前記生体組織蛍光画像をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記複数の波長の励起光の各々に対する生体組織蛍光画像の１組の間で所定の演算を行い画像処理を行う画像処理手段と、前記画像処理の結果得られた画像を順次表示する表示手段とを備えることを特徴とする生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影装置を提供するものである。

好ましくは、前記複数の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の１組は、連続して撮像された２つの、第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像と第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像である。

好ましくは、前記所定の演算は、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量と前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群に対応する前記第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量の比である。

前記複数の波長の励起光は、ＮＡＤＨからの蛍光を励起する波長の励起光とＦＡＤからの蛍光を励起する波長の励起光である。

本発明の第２の態様は、複数の波長の励起光を循環的に順次生体組織に照射するステップと、前記照射された励起光に対する前記生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像するステップと、前記複数の波長の励起光の各々に対する前記生体組織蛍光画像をそれぞれ記憶するステップと、前記複数の波長の励起光の各々に対する生体組織蛍光画像の１組の間で所定の演算を行い画像処理を行うステップと、前記画像処理の結果得られた画像を順次表示するステップとを含むことを特徴とする生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影方法を提供するものである。

好ましくは、前記複数の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の１組は、連続して撮像された２つの、第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像と第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像である。

好ましくは、前記所定の演算は、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量と前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群に対応する前記第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量の比である。

好ましくは、前記複数の波長の励起光は、ＮＡＤＨからの蛍光を励起する波長の励起光とＦＡＤからの蛍光を励起する波長の励起光である。

本発明によれば、従来技術に比べてより精度よく生体代謝機能を評価することができる。また、動きの大きい生体組織の代謝機能の動的モニタリングをリアルタイムで精度よく行うことができる。これにより、例えば、心臓手術等においてリアルタイムでの心臓等の生体代謝機能モニタリングによる支援を行うことが可能となる。

本発明の実施形態の構成を示す図である。 本発明の実験例によるラットの心臓のＮＡＤＨからの生体組織蛍光画像である。 本発明の実験例によるラットの心臓のＦＡＤからの生体組織蛍光画像である。 本発明の実験例による画像処理結果の画像である。 図４Ａにおける脈状の高酸素濃度部に対する参照図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

上述のように、酸素濃度の低い生体組織ではＮＡＤが還元され、それによりＮＡＤＨの割合が増えることによりＮＡＤＨからの蛍光強度が増加する。これに対して、酸素濃度の高い生体組織では還元型フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤＨ₂）が酸化され、それによりＦＡＤの割合が増えることによってＦＡＤからの蛍光強度が増加する。したがって、ＮＡＤＨからの生体組織蛍光とＦＡＤからの生体組織蛍光の大きさを総合的に評価する演算を行えば、生体組織の酸素濃度をより精度よく評価することが可能となる。

そこで、本実施形態では、生体代謝機能評価のためにＮＡＤＨからの蛍光と組み合わせる生体組織に関する観測量としてＦＡＤからの蛍光を採用し、評価演算として両者の比をとる構成を例として説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蛍光撮影装置１００の構成を示す図である。複数の波長の励起光を生体組織に照射する励起光照射手段１は、ＮＡＤＨからの蛍光を励起する波長の第１の励起光光源１０（ここでは例として３７５ｎｍのＬＥＤ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）からの蛍光を励起する波長の第２の励起光光源１２（ここでは例として４６５ｎｍのＬＥＤ）、及び光源駆動制御手段１４を含む。ＣＣＤ等の固体撮像素子２は生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像する。同期信号発生部３は、各励起光光源１０、１２の発光タイミングと、固体撮像素子２の撮像タイミングを同期させる同期信号を発生する。記憶手段であるフレームメモリ４０、４２は、第１の励起光光源１０及び第２の励起光光源１２の生体組織への照射により励起された蛍光の生体組織蛍光画像の撮像データをそれぞれ記憶する。画像処理手段５は、フレームメモリ４０、４２から出力された受光量を表す画像データの値を受け取り、所定の演算（画像処理）を行う。表示装置６は、画像処理手段５から出力される演算結果である画像処理結果を受け取り、映像として表示する。

次に、このような構成の蛍光撮影装置１００を用いて生体組織の代謝機能評価を行う方法について説明する。

同期信号発生部３からの同期信号に基づいて光源駆動制御手段１４は１／３０秒毎に順次第１の励起光光源１０（３７５ｎｍのＬＥＤ）と第２の励起光光源１２（４６５ｎｍのＬＥＤ）の点灯切替えを行い、生体組織７に第１の励起光及び第２の励起光がそれぞれ照射される。これに応じて生体組織７からは各励起光により励起された、生体組織７のＮＡＤＨ、ＦＡＤ由来の蛍光が発生し、これを固体撮像素子２が同期信号発生部３からの同期信号に基づいて、それぞれの励起光光源の点灯と同期を取って検出し、生体組織の蛍光画像が撮像される。

撮像されたそれぞれの生体組織蛍光画像のデータはフレームメモリ４０、４２にそれぞれ記憶される。

フレームメモリ４０、４２にそれぞれ記憶された第１の励起光光源１０による生体組織蛍光画像データと第２の励起光光源１２による生体組織蛍光画像データは、画像処理手段５に出力され、画像処理手段５において、１／１５秒毎に、第１の励起光による生体組織蛍光画像データの各画素の値（受光量）と第１の励起光による生体組織蛍光画像データの各画素に対応する第２の励起光による生体組織蛍光画像データの各画素の値（受光量）の比が演算され、演算結果が画像処理結果として、表示手段６に出力される。そして、表示手段６は、その画像処理結果を映像として表示する。

上記の実施形態において、ＮＡＤＨ、ＦＡＤからの蛍光をより鮮明に取り込むために固体撮像素子２の前に５２０〜５７０ｎｍのバンドパスフィルタを配置し、生体組織７としてラットの心臓で実験を行ったところ、図２に示されるＮＡＤＨからの生体組織蛍光画像、図３に示されるＦＡＤからの生体組織蛍光画像に対して、図４に示されるような画像処理結果が得られた。

図４Ａにおいて、ラットの心臓である中央部が画像処理された観測領域であり、低酸素濃度部が暗部として、高酸素濃度部が明部として表示されている。図に示されるように、斑状の低酸素濃度部と脈状の高酸素濃度部が読み取れる（図４Ｂは図４Ａの観測領域部分を拡大し、脈状の高酸素濃度部に対応する部分を白抜きの部分でおおよそ示したものであり、参照されたい）。これから分かるように、図２、図３のＮＡＤＨ、ＦＡＤからの生体組織蛍光画像では不鮮明であったラットの心臓の低酸素濃度部、高酸素濃度部が、上記のような画像処理によって、図４に示されるように鮮明に読み取ることができるようになった。このような演算処理を連続で行い表示することで代謝機能の動的観測が可能となる。

また、動きの大きい心筋に対して、リアルタイムで低酸素濃度部分を精度よくモニタリングすることができた。

これにより、心臓手術等において、リアルタイムでの心臓等のモニタリングによる支援を行うことが可能となる。

上記実施形態では、蛍光を発する物質としてＮＡＤＨ、ＦＡＤ、評価する生体代謝機能として生体組織の酸素濃度を例として上げたが、これらに限定されることなく、蛍光を発する物質、評価する生体代謝機能を選択することができる。例として手術中の薬品の拡散状態の動的監視のため対応する励起光を照射することで、血液中または組織表面の蛍光反応を動的に観察する事が可能である。

上記実施形態では、例として蛍光を発する物質を２種類として説明したが、３種類以上の蛍光を発する物質に対して観測を行い、生体代謝機能を評価してもよい。

上記実施形態では、例として２つの異なる波長の励起光光源の構成について説明したが、３つ以上の異なる波長の励起光光源を用いてもよい。照射する光源は励起光だけではなく、画像合成に適した光を照射し加色合成などを行ってもよい。ＮＡＤＨ、ＦＡＤの画像を表示する際に元となる可視映像を取得するため白色光を照射してもよい。

上記実施形態では、連続する２つの異なる波長の励起光照射からの２つの生体組織蛍光画像に対してその比をとる演算（画像処理）が行われる構成について説明したが、演算は差分、比と差分の組み合わせ等様々なものを選択することができ、また演算（画像処理）の対象となる生体組織蛍光画像の数と組み合わせは画像処理の種類によって、例えば第１の励起光からの生体組織蛍光画像２つと、１つおきの第２の励起光からの生体組織蛍光画像１つといったように、適宜選択することができる。これに関連して、異なる波長の励起光の照射の順序を交互ではなく、例えば、第１の波長の励起光を２回続けて照射した後、第２の波長の励起光を１回照射する等、適宜各波長の励起光を連続して照射する回数を選択してもよい。特許請求の範囲の「循環的に」は、「交互に」のみならずこのような順序での意も含む。また、演算（画像処理）の対象単位は、上記実施形態のように画素単位ではなく、画素群単位でもよい。

上記実施形態では、生体組織蛍光画像を面順次方式により撮像したが、点順次方式、線順次方式で撮像を行ってもよい。

上記実施形態では、励起光光源としてＬＥＤを例として説明したが、励起光光源は、レーザ光源やバンドパスフィルタを介する白色光源等であってもよい。また、励起光照射手段は、１つの光源の前に複数のバンドパスフィルタからなる回転フィルタが配置され、回転フィルタが同期信号発生部からの同期信号に基づいて回転し、所望の波長の励起光が出力される構成としてもよい。

上記実施形態では、記憶手段として２つのフレームメモリを例として説明したが、１つのメモリの分割領域や３つ以上のメモリ等適宜メモリの構成は変更することができる。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１００ 蛍光撮影装置
１ 励起光照射手段
１０ 第１の励起光光源
１２ 第２の励起光光源
１４ 光源駆動制御手段
２ 固体撮像素子
３ 同期信号発生部
４０、４２ フレームメモリ
５ 画像処理手段
６ 表示手段
７ 生体組織

Claims (8)

1. 複数の波長の励起光を循環的に順次生体組織に照射する励起光照射手段と、
   前記照射された励起光に対する前記生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像する撮像手段と、
   前記複数の波長の励起光の各々に対する前記生体組織蛍光画像をそれぞれ記憶する記憶手段と、
   前記複数の波長の励起光の各々に対する生体組織蛍光画像の１組の間で所定の演算を行い画像処理を行う画像処理手段と、
   前記画像処理の結果得られた画像を順次表示する表示手段と、
   を備えることを特徴とする生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影装置。
2. 前記複数の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の１組は、連続して撮像された２つの、第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像と第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記所定の演算は、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量と、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群に対応する前記第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量の比であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記複数の波長の励起光は、ＮＡＤＨからの蛍光を励起する波長の励起光とＦＡＤからの蛍光を励起する波長の励起光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 複数の波長の励起光を循環的に順次生体組織に照射するステップと、
   前記照射された励起光に対する前記生体組織からの蛍光を検出し、生体組織蛍光画像を撮像するステップと、
   前記複数の波長の励起光の各々に対する前記生体組織蛍光画像をそれぞれ記憶するステップと、
   前記複数の波長の励起光の各々に対する生体組織蛍光画像の１組の間で所定の演算を行い画像処理を行うステップと、
   前記画像処理の結果得られた画像を順次表示するステップと、
   を含むことを特徴とする生体代謝機能評価用多波長蛍光撮影方法。
6. 前記複数の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の１組は、連続して撮像された２つの、第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像と第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記所定の演算は、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量と、前記第１の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群に対応する前記第２の波長の励起光に対する生体組織蛍光画像の各画素又は各画素群の受光量の比であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記複数の波長の励起光は、ＮＡＤＨからの蛍光を励起する波長の励起光とＦＡＤからの蛍光を励起する波長の励起光であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の装置。