診斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種診斷系統(tǒng)，包括：光譜成像裝置、圖像處理裝置以及顯示器，其中，所述光譜成像裝置捕捉在體腔中預(yù)定波長區(qū)域內(nèi)的光譜圖像，并獲得光譜圖像數(shù)據(jù)；所述圖像處理裝置獲得所述光譜圖像數(shù)據(jù)，從所述光譜圖像數(shù)據(jù)確定表示具有高病變可能性的區(qū)域的指標(biāo)值，并且基于所述指標(biāo)值生成并輸出提取的病變圖像；在所述顯示器上顯示所述提取的病變圖像。對于所述光譜圖像的每個像素，所述圖像處理裝置進行所述光譜圖像數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)變量以及氧合血紅蛋白的光吸收特性和還原血紅蛋白的光吸收特性為預(yù)測變量的多重回歸分析，并且基于所述氧合血紅蛋白和所述還原血紅蛋白的濃度來確定所述指標(biāo)值。
【專利說明】診斷系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種診斷系統(tǒng)，其構(gòu)造為顯示在活體組織中極有可能是病變的區(qū)域的圖像。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，已經(jīng)提出了具有分光計功能的電子內(nèi)窺鏡，例如在第JP2004-321792A號日本專利臨時公布中所描述的。通過使用這樣的電子內(nèi)窺鏡，可以獲得諸如消化器官(例如，胃或直腸)的黏膜的活體組織的光譜特性(對于每個頻率的光吸收特性的分布)。眾所周知，物質(zhì)的光譜特性反應(yīng)有關(guān)包含在作為觀測目標(biāo)的活體組織的表層附近的成分的類型或密度的信息，其在屬于分析化學(xué)的學(xué)術(shù)框架的領(lǐng)域中建立。在該領(lǐng)域中同樣已知的是，包含復(fù)合材料的物質(zhì)的光譜特性為通過疊加構(gòu)成所述復(fù)合材料的基本成分的光譜特性而獲得的信息。
[0003]病變的活體組織可以包括具有罕有包含在健康的活體組織中的化學(xué)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。因此，包含病變的活體組織的光譜特性不同于僅包含健康區(qū)域的活體組織的光譜特性。由于健康區(qū)域與病變的光譜特性如上所述，彼此間是不相同的，因此可以通過將健康區(qū)域的光譜特性與病變的光譜特性進行比較來判斷活體組織是否包含病變。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]如上所述，已經(jīng)進行了研究以利用從活體獲得的體內(nèi)光譜特性的差別來確定在活體組織中病變的存在。然而，已知的研究并沒有提出任何實際的診斷方法來生成用于確定在活體組織中何處存在由病變引起的光譜特性上的變化的圖像，和在將病變與周圍組織進行比較時識別病變的位置和程度。
[0005]本發(fā)明的制定是為了解決以上描述的問題。即是說，本發(fā)明的目的是提供一種診斷系統(tǒng)，其構(gòu)造為顯示極可能是病變的區(qū)域的圖像。
[0006]為了實現(xiàn)以上描述的目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明的診斷系統(tǒng)包括光譜成像裝置、圖像處理裝置以及顯示器，其中，所述光譜成像裝置捕捉在體腔中預(yù)定波長范圍內(nèi)的光譜圖像，并獲得光譜圖像數(shù)據(jù)；所述圖像處理裝置獲得所述光譜圖像數(shù)據(jù)，從所述光譜圖像數(shù)據(jù)確定表明極有可能是病變的區(qū)域的指標(biāo)值，并且基于所述指標(biāo)值生成并輸出提取的病變圖像；在所述顯示器上顯示所述提取的病變圖像。所述圖像處理裝置對所述光譜圖像的每個像素進行所述光譜圖像為因變量以及氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白各自的光吸收特性為自變量的多重回歸分析，并且基于所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白各自的濃度來確定所述指標(biāo)值。
[0007]作為所述光譜圖像數(shù)據(jù)為因變量以及所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白的光吸收特性為自變量的多重回歸分析的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)利用所述氧合血紅蛋白的光吸收特性、所述脫氧血紅蛋白的光吸收特性和光散射的影響能夠說明所述光譜圖像數(shù)據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)在病變處所述氧合血紅蛋白的濃度高于在健康區(qū)域所述氧合血紅蛋白的濃度。本發(fā)明利用前文提到的特性，并且構(gòu)造為對所述光譜圖像的每個像素進行所述光譜圖像數(shù)據(jù)為因變量以及所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白的光吸收特性為自變量的多重回歸分析，以基于所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白的濃度來確定所述指標(biāo)值，并且基于確定的指標(biāo)值在所述顯示器上輸出提取的病變圖像。因此，根據(jù)前文提到的構(gòu)造，可以通過在所述顯示器上顯示作為提取的病變圖像的所述氧合血紅蛋白的濃度不同于周圍區(qū)域的氧合血紅蛋白濃度的區(qū)域來協(xié)助檢測和診斷病變。
[0008]所述圖像處理裝置可以配置為確定作為所述指標(biāo)值的在所述氧合血紅蛋白的濃度和所述脫氧血紅蛋白的濃度之間的比值。利用該構(gòu)造，可以精確地判斷哪個區(qū)域極有可能是病變。
[0009]所述圖像處理裝置可以配置為根據(jù)所述指標(biāo)值對所述光譜圖像的每個像素指定預(yù)定顏色來生成所述提取的病變圖像。所述圖像處理裝置還可以包括比較裝置和二進制圖像生成裝置，其中所述比較裝置將所述指標(biāo)值與預(yù)定閾值進行比較，所述二進制圖像生成裝置基于由所述比較裝置進行的比較的結(jié)果來生成二進制圖像。還可以從所述二進制圖像生成所述提取的病變圖像。利用該構(gòu)造，可以容易地將所述病變與所述健康區(qū)域區(qū)別開。
[0010]所述圖像處理裝置可以構(gòu)造為通過綜合具有藍色、綠色和紅色波段的所述光譜圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來生成彩色圖像，并且輸出所述彩色圖像。此外，在所述顯示器上，所述彩色圖像和所述提取的病變圖像可以并排顯示。利用該構(gòu)造，通過活體組織的所述彩色圖像和所述提取的病變圖像之間的比較可以容易地確定哪個區(qū)域極有可能是病變，所述活體組織的光譜圖像由所述光譜成像裝置來捕捉。
[0011]所述圖像處理裝置可以構(gòu)造為從具有為所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白的吸收波段的500nm到590nm波段的所述光譜圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來確定所述指標(biāo)值。利用該構(gòu)造，可以更快及更準(zhǔn)確地計算多重回歸系數(shù)。
[0012]優(yōu)選地，所述預(yù)定波長范圍可以從400nm到800nm，并且所述光譜圖像可以包括在每個Inm到IOnm的預(yù)定波長范圍捕捉的多個圖像。
[0013]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于顯示了極有可能是病變的區(qū)域的圖像，因此可以縮短用于診斷的時間，并且容易確認(rèn)和識別需要進行手術(shù)的區(qū)域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的診斷系統(tǒng)I的框圖。
[0015]圖2為顯示從根據(jù)本發(fā)明 的實施方案的診斷系統(tǒng)I獲得的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)的圖表。圖2A顯示對應(yīng)于胃黏膜的病變的像素的光譜，以及圖2B顯示對應(yīng)于胃黏膜的健康區(qū)域的像素的光譜。
[0016]圖3為顯示血紅蛋白的吸收特性的圖表。
[0017]圖4為顯示對圖2中示出的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)進行多重回歸分析的結(jié)果的圖表。圖4A顯示對對應(yīng)于圖2A中示出的胃黏膜的病變的像素的光譜進行多重回歸分析的結(jié)果，以及圖4B顯示對對應(yīng)于圖2B中示出的胃黏膜的健康區(qū)域的像素的光譜進行多重回歸分析的結(jié)果。
[0018]圖5為顯示從對圖2中示出的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)進行多重回歸分析獲得的多重回歸系數(shù)Pl和P2的實例的圖表。[0019]圖6為顯示從對圖2中示出的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)進行多重回歸分析獲得的多重回歸系數(shù)Pl和P2的實例的圖表。
[0020]圖7為顯示通過本發(fā)明的實施方案中的圖像處理單元500執(zhí)行的圖像生成處理的流程圖。
[0021]圖8為顯示通過圖7中示出的圖像生成處理在圖像顯示裝置300上顯示的彩色圖像和提取的病變圖像的示意圖。
【具體實施方式】 [0022]在下文中，參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實施方案。圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的診斷系統(tǒng)I的框圖。根據(jù)實施方案的診斷系統(tǒng)I生成指示圖像，在診斷諸如胃或直腸的消化器官的疾病時，醫(yī)生參考所述指示圖像。診斷系統(tǒng)I具有電子內(nèi)窺鏡100、用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200，以及圖像顯示裝置300。在用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200中，安置有光源單元400和圖像處理單元500。
[0023]電子內(nèi)窺鏡100具有待插入體腔內(nèi)的插入管110，并且在插入管110的頂端部分(插入管頂端部分)111處設(shè)置目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)121。通過安置在插入管頂端部分111中的攝像裝置141的光接收表面上的目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)121來形成插入管頂端部分111周圍的活體組織T的圖像。
[0024]攝像裝置141周期性地(例如，以1/30秒的間隔)輸出對應(yīng)于在光接收表面上形成的圖像的圖像信號。由攝像裝置141輸出的圖像信號經(jīng)由電纜142傳輸至用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200的圖像處理單元500。
[0025]圖像處理單元500具有A/D轉(zhuǎn)換電路510、暫時存儲器520、控制器530、視頻存儲器540以及信號處理電路550。A/D轉(zhuǎn)換電路510對經(jīng)由電纜142從電子內(nèi)窺鏡100的攝像裝置141傳輸?shù)膱D像信號執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，以輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。從A/D轉(zhuǎn)換電路510輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸至并存儲在暫時存儲器520。控制器530處理存儲在暫時存儲器520中的一塊或多塊圖像數(shù)據(jù)，以生成一塊顯示圖像數(shù)據(jù)，并且將顯示圖像數(shù)據(jù)傳輸至視頻存儲器540。例如，控制器530生成顯示圖像數(shù)據(jù)并且將它們存儲在視頻存儲器540中，諸如從圖像數(shù)據(jù)塊生成的顯示圖像數(shù)據(jù)、在其中布置并顯示多塊圖像數(shù)據(jù)的顯示圖像數(shù)據(jù)、在其中通過對多塊圖像數(shù)據(jù)進行圖像處理而獲得圖像的顯示圖像數(shù)據(jù)、或者在其中顯示作為圖像處理結(jié)果而獲得的圖表的顯示圖像數(shù)據(jù)。信號處理電路550將存儲在視頻存儲器540中的顯示圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有預(yù)定格式(例如，NTSC格式)的視頻信號，并且輸出該視頻信號。從信號處理電路550輸出的視頻信號輸入至圖像顯示裝置300。因此，通過電子內(nèi)窺鏡100捕捉的內(nèi)窺鏡圖像顯示在圖像顯示裝置300上。
[0026]導(dǎo)光管131設(shè)置在電子內(nèi)窺鏡100中。導(dǎo)光管131的頂端部分131a布置為靠近插入管頂端部分111，并且導(dǎo)光管131的近端部分131b連接至用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200。用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200在其中包括光源單元400 (后面描述)，光源單元400具有生成大量白光的光源430 (例如氣燈)。由光源單兀400生成的光入射在導(dǎo)光管131的近端部分131b上。入射在導(dǎo)光管131的近端部分131b上的光經(jīng)過導(dǎo)光管131被引導(dǎo)至頂端部分131a，并且從頂端部分131a發(fā)射。透鏡132設(shè)置在電子內(nèi)窺鏡100的插入管頂端部分111中的導(dǎo)光管131的頂端部分131a的附近。從導(dǎo)光管131的頂端部分131a發(fā)射的光穿過透鏡132，并且照明靠近插入管頂端部分111的活體組織T。
[0027]如上所述，用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200既具有作為處理從電子內(nèi)窺鏡100的攝像裝置141輸出的圖像信號的視頻處理器的功能，也具有作為將照明光供應(yīng)至電子內(nèi)窺鏡100的導(dǎo)光管131以照明靠近電子內(nèi)窺鏡100的插入管頂端部分111的活體組織T的光源裝置的功能。
[0028]在該實施方案中，用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200的光源單元400包括光源430、準(zhǔn)直透鏡440、分光濾光器410、濾光器控制單元420以及聚焦透鏡450。從光源430發(fā)射的白光被準(zhǔn)直透鏡440轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直光束，穿過分光濾光器410，之后通過聚焦透鏡450入射在導(dǎo)光管131的近端部分131b上。分光濾光器410為圓板類型的濾光器,其將來自于光源430的白光分解為預(yù)定波長(例如，選擇波長)的光，并且根據(jù)其旋轉(zhuǎn)角度來選擇并輸出具有波長為400nm、405nm、410nm、…、800nm的窄帶寬(大約5nm的帶寬)的光。分光濾光器410的旋轉(zhuǎn)角度受連接至控制器530的濾光器控制單元420的控制。由于控制器530經(jīng)由濾光器控制單元420控制分光濾光器410的旋轉(zhuǎn)角度，具有預(yù)定波長的光入射在導(dǎo)光管131的近端部分131b上，并且照明靠近插入管頂端部分111的活體組織T。之后，從活體組織T反射的光匯聚在如上所述的攝像裝置141的光接收表面上，并且圖像信號經(jīng)由電纜142傳輸至圖像處理單元500。
[0029]圖像處理單元500為以5nm的波長間隔從經(jīng)由電纜142獲得的活體組織T的圖像獲得多個光譜圖像的裝置。具體而言，當(dāng)分光濾光器410選擇并輸出具有中心波長為400nm、405nm、410nm、…、800nm的窄帶寬光(大約5nm的帶寬)時，獲得具有各自波長的光譜圖像。
[0030]圖像處理單元500具有處理由分光濾光器410獲得的多個光譜圖像以生成彩色圖像或提取的病變圖像(后面描述)的功能。之后圖像處理單元500控制圖像顯示裝置300來顯示經(jīng)處理的光譜圖像和提取的病變圖像。
[0031]此處，作為分光濾光器410，利用傳輸類型衍射光柵的分光濾光器(諸如法布里-珀羅濾光器)或眾所周知的光譜圖像捕捉方法能夠被用于獲得光譜分散的光。
[0032]如上所述，在實施方案中的圖像處理單元500具有通過利用多個具有不同波長的光譜圖像來提取具有高病變可能性的區(qū)域來生成提取的病變圖像的功能。在下文中，說明了生成提取的病變圖像的功能。
[0033]首先，說明提取具有高病變可能性的區(qū)域以及作為由在本發(fā)明的實施方案中的圖像處理單元500生成的提取的病變圖像的基礎(chǔ)的指標(biāo)值的原理。圖2表示通過本發(fā)明的實施方案中的診斷系統(tǒng)I獲得的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)，并且每個波形表示在光譜圖像中的特定像素的光譜(即，對于每個波長的亮度值)。圖2A表示對應(yīng)于胃黏膜的病變的像素的光譜，并且圖2B表示對應(yīng)于胃黏膜的健康區(qū)域的像素的光譜。此處，為了便于說明，對圖2中示出的健康區(qū)域和病變的每個像素的光譜應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化處理。具體而言，由于攝像裝置141的每個像素因照明光與目標(biāo)(活體組織T)之間的角度差異以及插入管頂端部分111 (圖1)與活體組織T之間的距離差異而接收不同量的光，因此校正這些光量差異的影響。
[0034]如圖2所示，胃黏膜的光譜具有(與胃黏膜是健康區(qū)域或病變無關(guān))基本上M形的特性，具有在500nm到590nm的波長延伸的谷。然而，像素的光譜可變性對于病變高于對于健康區(qū)域，并且像素的光譜對于病變不同于對于健康區(qū)域之處在于其具有在大約540nm和570nm的波長處的兩個谷。因此，可以通過分析光譜圖像的每個像素的光譜來識別健康區(qū)域和病變。然而，由于健康區(qū)域和病變通常位于緊挨著彼此的地方，因此難以通過光譜的形狀清楚地識別健康區(qū)域和病變之間的界限。出于該原因，如下面所說明的，本發(fā)明的發(fā)明人找到了一種構(gòu)造，其利用從對光譜圖像數(shù)據(jù)的多重回歸分析得到的多重回歸系數(shù)來定量地識別健康區(qū)域和病變。
[0035]圖3為顯示血紅蛋白的光吸收特性的圖表。實線表示氧合血紅蛋白的光吸收特性，并且虛線表示脫氧血紅蛋白的光吸收特性。如圖3所示，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的共同之處在于它們吸收具有在500nm到590nm之間的波長的光(B卩，在500nm到590nm之間的波長吸收特性增加)，而不同之處在于脫氧血紅蛋白在大約560nm波長具有一個峰，然而氧合血紅蛋白在大約540nm和570nm波長具有兩個峰。本發(fā)明的發(fā)明人將注意力集中在這種特性差異上，并且利用圖2中示出的胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)為因變量以及氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收特性為自變量進行多重回歸分析。結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收特性能夠說明胃黏膜的光譜圖像數(shù)據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)如果在病變處氧合血紅蛋白的濃度大于在健康區(qū)域處氧合血紅蛋白的濃度，則可以基于氧合血紅蛋白的多重回歸系數(shù)來定量識別健康區(qū)域和病變。此外，本發(fā)明的實施方案構(gòu)造為使得通過使用二維光譜信息，除了在一個點(像素)處的光譜特性的絕對估計之外，還能夠?qū)χ車鷧^(qū)域進行相對估計。即使在由于組織、構(gòu)造、個體差異以及在活體中病變的狀態(tài)的影響而難以進行絕對估計時，該構(gòu)造也能夠使病變的檢測具有較高的準(zhǔn)確度。
[0036]通常，使用如下面的表達式(I)的比爾-朗伯定律來表示從本發(fā)明的實施方案獲得的光譜圖像數(shù)據(jù)的測量模型。
[0037](表達式I)
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種診斷系統(tǒng)，包括: 光譜成像裝置，所述光譜成像裝置捕捉在體腔中預(yù)定波長范圍內(nèi)的光譜圖像，并獲得光譜圖像數(shù)據(jù)； 圖像處理裝置，所述圖像處理裝置接收所述光譜圖像數(shù)據(jù)，從所述光譜圖像數(shù)據(jù)確定表明極有可能是病變的區(qū)域的指標(biāo)值，并且基于所述指標(biāo)值生成并輸出提取的病變圖像；以及 顯示器，在所述顯示器上顯示所述提取的病變圖像， 其中，所述圖像處理裝置對所述光譜圖像的每個像素進行所述光譜圖像數(shù)據(jù)為因變量以及氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白各自的光吸收特性為自變量的多重回歸分析，并且基于所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白各自的濃度來確定所述指標(biāo)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷系統(tǒng)，其中所述圖像處理裝置確定作為所述指標(biāo)值的在所述氧合血紅蛋白的濃度和所述脫氧血紅蛋白的濃度之間的比值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的診斷系統(tǒng)，其中所述圖像處理裝置通過根據(jù)所述指標(biāo)值對所述光譜圖像的每個像素指定預(yù)定顏色來生成所述提取的病變圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的診斷系統(tǒng)， 其中所述圖像處理裝 置包括: 比較裝置，所述比較裝置將所述指標(biāo)值與預(yù)定閾值進行比較；以及 二進制圖像生成裝置，所述二進制圖像生成裝置基于由所述比較裝置進行的比較的結(jié)果來生成二進制圖像，以及 其中基于所述二進制圖像來生成所述提取的病變圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的診斷系統(tǒng)， 其中，所述圖像處理裝置通過綜合具有藍色、綠色和紅色波段的光譜圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來生成彩色圖像，并且輸出所述彩色圖像， 其中，在所述顯示器上，所述彩色圖像和所述提取的病變圖像彼此緊挨著顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的診斷系統(tǒng)，其中所述處理裝置從具有為所述氧合血紅蛋白和所述脫氧血紅蛋白的吸收波段的500nm到590nm波段的光譜圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來確定所述指標(biāo)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項所述的診斷系統(tǒng)， 其中，所述預(yù)定波長范圍為從400nm到800nm,以及 所述光譜圖像包括在每個Inm到IOnm的預(yù)定波長范圍捕捉的多個圖像。
【文檔編號】A61B1/00GK103476320SQ201280015953
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月29日
【發(fā)明者】千葉亨, 橋爪誠, 松本主之, 小西晃造, 富川盛雅, 村田正治, 赤星朋比古 申請人:Hoya株式會社, 國立大學(xué)法人九州大學(xué)