分析裝置以及分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及了一種用于獲得表示生物組織中的生物物質的濃度的指數的分析裝 置以及和分析方法。
【背景技術】
[0002] 近來，已經提出具有拍攝光譜圖像的功能的內窺鏡裝置(光譜內窺鏡裝置）。通過 使用此光譜內窺鏡裝置，可以獲得關于生物組織(如消化器官的黏膜)的光譜特性(例如，反 射光譜）的信息。已知的是，生物組織反射光譜反映關于作為測量目標的生物組織的表層附 近包含的組分的類型或密度的信息。具體來說，已知的是，根據生物組織反射光譜計算的吸 收率等于通過線性疊加組成所述生物組織的多種物質的吸收率而獲得的吸收率。
[0003] 已知的是，病變生物組織中的物質的組成和量不同于健康生物組織中的物質的組 成和量。在許多早期研究中表明，病變（由例如癌癥表示)的異常與血液狀況、尤其是與血液 或氧飽和度總量密切相關。通過使用兩個被聚焦的生物組織所具有的可見范圍內的光譜學 特征值來對兩個被聚焦的生物組織進行定性和定量是光譜分析領域的常用方法。因此，通 過將包括病變的生物組織中的血液的光譜特性與并未包括病變的生物組織中的血液的光 譜特性進行比較，可以估計生物組織中的一些種類的病變的存在。
[0004] 光譜圖像是由使用不同波長的光來攝取的一系列的圖像信息組成，且生物組織的 更具體的光譜信息可從具有更高的波長分辨率(即，用于獲取圖像信息的更大量的波長)的 光譜圖像獲得。日本專利申請公布號2012-245223A(以下稱為專利文獻1)公開在400nm至 800nm的波長范圍內以5nm的間隔來獲取光譜圖像的光譜內窺鏡裝置的示例性的配置。
【發明內容】
[0005] 然而，為了獲取具有高波長分辨率的光譜圖像(如專利文獻1中公開的光譜圖像）， 需要攝取大量圖像，同時改變圖像拾取波長。此外，必須進行大量計算以便分析大量圖像， 因此分析這些圖像需要耗費時間。即，需要重復進行相對復雜的拍攝操作和計算，以便獲得 有效診斷支持?目息。因此，存在的問題是:要耗費時間來獲得有效診斷支持?目息。
[0006] 針對以上情況提出本發明。即，本發明的目的在于提供能夠在短時間內獲取示出 生物物質的分布(如氧飽和度分布)的圖像信息的分析裝置和分析方法。
[0007] 根據本發明的一個方面，提供了一種分析裝置，其包括:光源裝置;攝像裝置，其通 過攝取所述光源裝置發射的光照射到的生物組織而生成圖像數據；以及指數計算單元，其 配置成基于圖像數據來計算指數X，該指數X表示在生物組織中包含的第一生物物質與第二 生物物質之間的摩爾比。在這個配置中，光源裝置在第一生物物質和第二生物物質吸收的 第一照射波長范圍的光與處于第一照射波長范圍內的第二照射波長的光之間切換。所述指 數計算單元被配置成基于通過攝取第一照射波長范圍的光照射下的生物組織而獲得的第 一圖像數據Gi以及通過攝取第二照射波長范圍的光照射下的生物組織而獲得的第二圖像 數據G 2來計算指數X。
[0008] 利用這種配置，可以在短時間內獲得表示生物物質（如氧飽和度)的分布的圖像信 息。
[0009] 在至少一個方面中，第一照射波長范圍可以包括第一生物物質的吸收峰值波長和 第二生物物質的吸收峰值波長兩者，并且第二照射波長范圍可以包括第一生物物質和第二 生物物質中一者的吸收峰值波長。
[0010] 在至少一個方面中，第一照射波長范圍可以包括:較短的波長側范圍，其位于與第 二照射波長范圍的較短的波長側邊緣相毗鄰的位置并且包括第一生物物質和第二生物物 質中另一者的吸收峰值；以及較長的波長側范圍，其位于與第二照射波長范圍的較長的波 長側邊緣相毗鄰的位置并且包括第一生物物質和第二生物物質中另一者的吸收峰值。
[0011] 在至少一個方面中，所述光源裝置可以包括:光源，其發射出寬帶光;第一濾光器， 其從寬帶光選擇性地提取第一照射波長范圍的光；以及;第二濾光器，其從寬帶光選擇性地 提取第二照射波長范圍的光。
[0012] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可操作來:基于第一圖像數據61，計算在第 一照射波長范圍中生物組織的吸收率A 1;基于第二圖像數據G2,計算在第二照射波長范圍中 生物組織的吸收率A2;以及基于吸收率心和吸收率知來計算指數X。
[0013] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可以按以下表達式（1)和(2)中的一個來計 算吸收率A1:
[0014] Ai = -log Gi (1)
[0015] Ai = -Gi (2)〇
[0016] 所述指數計算單元可以按以下表達式(3)和(4)中的一個來計算吸收率A2:
[0017] A2 = ~log G2 (3)
[0018] A2 = -G2 (4)。
[0019] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可以按以下表達式(5)和(6)中的一者計算 指數X:
[0020] X=Ai-2kA2 (5)
[0021] X=Ai-3kA2 (6)
[0022] 其中k是常數。
[0023] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可以按以下表達式(7)計算指數X:
[0024] X=wl · Ai~k · (wl+w2) · A2 (7)
[0025] 其中k、wl和w2是常數。
[0026] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可以按以下表達式(8)計算指數X:
[0028] 其中k、wl和w2是常數。
[0029] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可以按以下表達式(9)計算指數X:
[0031 ] 其中k、wl和w2是常數。
[0032]在至少一個方面中，常數k可確定為使得基于通過攝取摩爾比已知的生物組織獲 得的第一圖像數據Gi和第二圖像數據&來計算的指數X的值變得最接近于指數X的理論值。 [0033]在至少一個方面中，通過獲得摩爾比已知的多個不同生物組織的指數X的測量值， 常數k可確定為使得表示已知摩爾比與指數的測量值之間的關系的校準曲線變得最接近于 表示已知摩爾比與指數X的理論值之間的關系的基準線。
[0034] 在至少一個方面中，常數k可以是1。
[0035]在至少一個方面中，所述光源裝置可以包括第三濾光器，所述第三濾光器從寬帶 光選擇性地提取第三照射波長范圍的光，其中，在第三照射波長范圍中生物組織吸收的程 度充分低于在第一照射波長范圍中生物組織吸收的程度。在這種情況下，所述攝像裝置可 以通過攝取第三照射波長范圍的光照射下的生物組織而生成第三圖像數據R 3。所述指數計 算單元可以配置成通過將第一圖像數據Gi除以第三圖像數據R3來計算第一標準化反射率 SRi，并且按以下表達式(10)和（11)中的一者計算吸收率A1:
[0036] Ai = -log SRi (10)
[0037] Ai = -SRi (11)。
[0038] 所述指數計算單元可以配置成通過將第二圖像數據62除以第三圖像數據R3來計算 第二標準化反射率SR 2,并且按以下表達式（12)和（13)中的一者計算吸收率A2:
[0039] A2 = -log SR2 (12)
[0040] A2 = -SR2 (13)。
[0041] 在至少一個方面中，所述攝像裝置可以通過攝取第一照射波長范圍的光照射下的 無色基準板來獲得第一基線圖像數據、通過攝取第二照射波長范圍的光照射下的無色 基準板來獲得第二基線圖像數據BL 2、以及通過攝取第三照射波長范圍的光照射下的無色 基準板來獲得第三基線圖像數據BL3。在這種情況下，所述指數計算單元可配置成按以下表 達式（14)計算第一標準化反射率SRi，并且按以下表達式（15)計算第二標準化反射率SR 2:
[0044] 在至少一個方面中，所述攝像裝置可以是具有RGB濾色器的彩色攝像裝置。在這種 情況下，第三照射波長范圍可以是紅色波長范圍。第三圖像數據R 3可以是通過RGB濾色器的 R過濾器附接至的所述攝像裝置的光接收元件獲得的圖像數據。
[0045] 在至少一個方面中，所述攝像裝置可以是具有RGB濾色器的彩色攝像裝置。在這種 情況下，所述攝像裝置可以通過攝取第一照射波段的光照射下的無色基準板而獲得第一基 線圖像數據、通過攝取第二照射波段的光照射下的無色基準板而獲得第二基線圖像數 據BL 2、通過攝取寬帶光的照射下的無色基準板而獲得三原色的第三基線圖像數據BL3R、BL3G 和BL3B、以及通過攝取寬帶光的照射下的生物組織而獲得三原色的常規觀測圖像數據Rn、Gn 和Bn。所述指數計算單元可配置成按以下表達式（16)計算第一標準化反射率SRi，并且按以 下表達式（17)計算第二標準化反射率SR2:
[0048] 在至少一個方面中，所述分析裝置可進一步包括減光單元，所述減光單元被配置 成減少第一照射波長范圍的光，使得為獲得第一圖像數據&的曝光變得基本上等同于為獲 得第二圖像數據6 2的曝光。
[0049] 在至少一個方面中，第一生物物質可以是氧合血紅蛋白，第二生物物質可以是脫 氧血紅蛋白，并且摩爾比可以是氧飽和度。
[0050] 在至少一個方面中，第一生物物質和第二生物質的吸收率可以對應于血紅蛋白Q 帶。所述攝像裝置可以具有RGB濾色器。第一圖像數據&和第二圖像數據&可以是通過RGB濾 色器的G過濾器附接至的所述攝像裝置的光接收元件獲得的圖像數據。
[0051] 在至少一個方面中，所述指數計算單元可配置成基于指數X生成分布圖像，該分布 圖像表示在生物組織中的第一生物物質與第二生物物質之間的摩爾比的分布。
[0052]在至少一個方面中，寬帶光可以是白光。所述攝像裝置可以通過攝取白光照射下 的生物組織而獲得正常圖像數據。所述指數計算單元可配置成:基于第一圖像數據&，計算 表示總血紅蛋白量的指數Y;提取具有大于第一基準值的指數Y且具有小于第二基準值的指 數X的像素作為病變部分；以及生成病變區域高亮圖像，其中與常規觀測圖像數據的病變區 域相對應的像素被高亮顯示。
[0053]在至少一個方面中，所述分析裝置可進一步包括具有尖端部分的內窺鏡，在所述 尖端部分中設置有所述攝像裝置。
[0054]根據本發明的另一方面，提供一種實施于分析裝置上的分析方法，其包括:通過攝 取第一照射波長范圍的光照射下的生物組織而獲得第一圖像數據61(生物組織中包含的第 一生物物質和第二生物物質吸收所述第一照射波長范圍的光）；通過攝取第二照射波長范 圍的光照射下的生物組織而獲得第二圖像數據G 2(所述第二照射波長范圍位于第一照射波 長范圍內）；以及基于第一圖像數據61和第二圖像數據6 2來計算指數X，該指數X表示生物組 織中包含的第一生物物質和第二生物物質之間的摩爾比。
[0055] 利用這種配置，可以在短時間內獲得表示生物物質（如氧飽和度)的分布的圖像信 息。
【附圖說明】
[0056] 圖1示出了血紅蛋白Q帶(Q-band)中的吸收光譜。
[0057] 圖2是示出了根據本發明的實施方案的內窺鏡裝置的配置的方框圖。
[0058] 圖3是示出了嵌入在攝像裝置(其設置在內窺鏡裝置中）中的濾色器的光譜特性的 示意圖。
[0059] 圖4示出了設置在內窺鏡裝置中的旋轉式過濾器的外觀。
[0060] 圖5是示出了根據本發明的實施方案的圖像生成過程的流程圖。
[0061 ]圖6A和圖6B示出了用于確定校正系數k的示例性的校準曲線。
[0062]圖7A和圖7B示出了由內窺鏡裝置生成的圖像數據的顯示示例，其中，圖7A示出了 氧飽和度分布圖像的二維表示，圖7B示出了氧飽和度分布圖像的三維表示。
【具體實施方式】
[0063]在下文中，將參考所附附圖對根據本發明的實施方案進行描述。
[0064]下文描述的根據本發明的實施方案的內窺鏡裝置是這樣的裝置:其基于使用不