專利名稱：診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種診斷系統(tǒng)，該診斷系統(tǒng)生成對在活組織中具有病變部分的可能性較聞的區(qū)域進(jìn)行指不的指標(biāo)。
背景技術(shù)：
近來，已經(jīng)提出具有光譜儀功能的電子內(nèi)窺鏡，例如在日本專利臨時公開N0.2007-135989A中所描述的。通過應(yīng)用這種內(nèi)窺鏡，可以獲得活組織的光譜特性(關(guān)于頻率的光吸收率分布)，比如消化器官的黏膜，例如胃或直腸。眾所周知，物質(zhì)的光譜特性反映了關(guān)于包含在作為觀察目標(biāo)的活組織的表層附近的成分的類型或密度的信息，其建立在屬于分析化學(xué)的學(xué)術(shù)框架的領(lǐng)域中。在該領(lǐng)域中還眾所周知的是，組成復(fù)合組織的物質(zhì)的光譜特性反映了通過對組成復(fù)合組織的基本成分的光譜特性進(jìn)行疊加而獲得的信息。存在一種具有化學(xué)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)很少包含在活體組織的健康部分中，而包含在活組織中的病變部分中的情況。因此，包含病變部分的活組織的光譜特性不同于僅包含健康部分的活組織的光譜特性。由于健康部分和病變部分的光譜特性如上所述的彼此不同，因此通過比較健康部分和病變部分的光譜特性來判斷活組織是否包含病變部分變得可行
發(fā)明內(nèi)容
`如上所述，通過獲得在活組織中的光譜信息，從光譜特性來判斷在活體中病變部分的存在變得可行。然而，用于通過存在于活組織中的病變部分所引起的光譜特性做出判斷，并從而確定病變部分的位置和區(qū)域的方法并沒有被提出。本發(fā)明致力于解決上述問題。也即，本發(fā)明的目的是提供一種用于生成有助于判斷在活組織中病變部分的區(qū)域的指標(biāo)的診斷系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明的診斷系統(tǒng)包括:光譜圖像拍攝裝置，所述光譜圖像拍攝裝置在體腔中在預(yù)定波長范圍之內(nèi)拍攝光譜圖像，并且獲得光譜圖像數(shù)據(jù)；圖像處理裝置，所述圖像處理裝置獲得所述光譜圖像數(shù)據(jù)，并從所述光譜圖像數(shù)據(jù)計算對具有病變部分的可能性較高的區(qū)域進(jìn)行指示的指標(biāo)；以及監(jiān)視器，在所述監(jiān)視器上顯示所述指標(biāo)。對于所述光譜圖像中的每個坐標(biāo)，所述圖像處理裝置計算在所述預(yù)定波長范圍之內(nèi)的所有光譜圖像的強(qiáng)度值的累積值與在特定波段中的光譜圖像的強(qiáng)度值之間的比率，作為所述指標(biāo)。如上所述，對于在活組織中病變部分的光譜特性，在特定波段中的強(qiáng)度不同于健康部分的強(qiáng)度。然而，很難保持生物材料的反射角度為常數(shù)。因此，對于從光譜圖像數(shù)據(jù)獲得的光譜，總光量根據(jù)照明光到材料的照明角度而變化。出于該原因，根據(jù)本發(fā)明，首先獲得光譜圖像的圖像像素的強(qiáng)度值的累積值，并且基于該累積值歸一化圖像像素的強(qiáng)度值。獲得特定圖像像素的目標(biāo)波段的光譜強(qiáng)度與特定圖像像素的強(qiáng)度值的累積強(qiáng)度之間的比率，并且由照明光與材料的照明角度引起的強(qiáng)度值的波動得以糾正。通過該過程獲得的指標(biāo)指示了特定波段的光譜特性與整個波長范圍的光譜特性的比率。例如，具有較大比率的區(qū)域表示目標(biāo)波長范圍的強(qiáng)度分量較大，也即，光譜特性的變化相對于其他區(qū)域突出。此夕卜，當(dāng)光譜特性針對病變部分的改變?yōu)橐阎獣r，該區(qū)域表示為待注明為病變部分的區(qū)域。當(dāng)二維區(qū)域的光譜信息可用時，通過對圖像像素的每一個進(jìn)行如上所述的處理，獲取病變信息作為區(qū)域診斷的結(jié)果變得可行。優(yōu)選的是，可以操作所述圖像處理裝置以在監(jiān)視器上顯示指標(biāo)圖，所述指標(biāo)圖為所述指標(biāo)的圖形表示。應(yīng)用該構(gòu)造，可以通過參考所述指標(biāo)圖，容易地判斷出哪個區(qū)域具有病變部分的可能性較高。通過結(jié)合所述光譜圖像數(shù)據(jù)的藍(lán)色、綠色和紅色波段的數(shù)據(jù)，所述圖像處理裝置可以生成彩色圖像數(shù)據(jù)；并且所述彩色圖像數(shù)據(jù)和所述指標(biāo)圖并排布置，并顯示在所述監(jiān)視器上。應(yīng)用該構(gòu)造，可以通過對由所述光譜圖像拍攝裝置拍攝的活組織的彩色圖像和所述指標(biāo)圖進(jìn)行比較，容易地判斷出哪個區(qū)域具有病變部分的可能性較高。優(yōu)選的是，所述特定波段是其最大波長小于550nm到590nm的血紅蛋白吸收波段的波段。例如，所述特定波段為480nm到520nm。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得有助于判斷在活組織中病變的存在區(qū)域的指標(biāo)。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的診斷系統(tǒng)的方框圖。圖2為顯示在胃黏膜的圖像中多圖像像素的光譜的曲線圖。圖2 (a)為顯示胃黏膜的健康部分的光譜的實(shí)例的曲線圖，而圖2 (b)是為顯示胃黏膜的病變部分的光譜的實(shí)例的曲線圖。

圖3為顯示在執(zhí)行圖2中所示的光譜的歸一化處理之后所獲得的光譜的實(shí)例的曲線圖。圖4為說明用于執(zhí)行指標(biāo)圖的表示的程序的流程圖，該程序通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的診斷系統(tǒng)的光譜圖像處理單元來執(zhí)行。圖5顯示了根據(jù)實(shí)例的指標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式下面，將參考所附附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案。圖1為根據(jù)實(shí)施方案的診斷系統(tǒng)I的方框圖。根據(jù)實(shí)施方案的診斷系統(tǒng)I被配置為生成待由醫(yī)生參考的指標(biāo)圖像，用于診斷消化器官(比如胃或直腸)的疾病。診斷系統(tǒng)I包括電子內(nèi)窺鏡100、用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200和圖像顯示裝置300。在用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200中，容納有光源單元400和圖像處理單元500。電子內(nèi)窺鏡100包括待插入體腔的插入管110和設(shè)置在插入管110的尖端部分(插入管尖端部分)111的目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)121。通過容納在插入管尖端部分111中的攝像器件141的光接收表面上的目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)121來形成圍繞插入管尖端部分111的活組織T的圖像。攝像器件141定期地(例如，間隔1/30秒)輸出對應(yīng)于形成在光接收表面上的圖像的圖像信號。由攝像器件141輸出的圖像信號經(jīng)由電纜142被傳輸?shù)接糜陔娮觾?nèi)窺鏡的處理器200的圖像處理單元500。圖像處理單元500包括AD轉(zhuǎn)換電路510、暫時存儲器520、控制器530、視頻存儲器540和信號處理電路550。AD轉(zhuǎn)換電路510對從電子內(nèi)窺鏡100的攝像器件141經(jīng)由電纜142傳輸?shù)膱D像信號執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換以輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。從AD轉(zhuǎn)換電路510輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綍簳r存儲器520并被存儲在暫時存儲器520中。控制器530對存儲在暫時存儲器520中的一段或多段圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成一段顯示圖像數(shù)據(jù)，并將該顯示圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l存儲器540。例如，控制器530產(chǎn)生了從圖像數(shù)據(jù)段生成的顯示圖像數(shù)據(jù)，并將該顯示圖像數(shù)據(jù)存儲在視頻存儲器540中，在該顯示圖像數(shù)據(jù)中布置并顯示了多個圖像數(shù)據(jù)段，或者在該顯示圖像數(shù)據(jù)中顯示了通過使多個圖像數(shù)據(jù)段經(jīng)圖像處理而獲得的圖像和作為圖像處理的結(jié)果而獲得的曲線圖。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，并輸出該視頻信號。從信號處理電路550輸出的視頻信號輸入到圖像顯示裝置300。因此，由電子內(nèi)窺鏡100所拍攝的內(nèi)窺鏡圖像顯示在圖像顯示裝置300上。導(dǎo)光管131設(shè)置在電子內(nèi)窺鏡100中。導(dǎo)光管131的尖端部分131a布置為接近插入管尖端部分111，并且導(dǎo)光管131近端部分131b連接到用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200。用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200在其中包括具有產(chǎn)生大量白光的光源430的光源單元400(稍后描述)，例如氙燈。由光源單元400所產(chǎn)生的光入射到導(dǎo)光管131的近端部分131b上。已經(jīng)進(jìn)入導(dǎo)光管131的近端部分131b的光穿過導(dǎo)光管131被引導(dǎo)到尖端部分131a，并從尖端部分131a射出。在電子內(nèi)窺鏡100的插入管尖端部分111中的導(dǎo)光管131的尖端部分131a的附近設(shè)置有透鏡132。從導(dǎo)光管131的尖端部分131a射出的光穿過透鏡132，并且照亮靠近插入管尖端部分111的活組織T。如上所述，用于電子內(nèi)窺鏡的處理器200既具有作為視頻處理器的功能，又具有作為光源裝置的功能，該視頻處理器處理從電子內(nèi)窺鏡100的攝像器件141輸出的圖像信號，該光源裝置提供照亮 靠近電子內(nèi)窺鏡100的插入管尖端部分111到電子內(nèi)窺鏡100的導(dǎo)光管131的活組織T的照明光。在該實(shí)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、光譜濾光器410、濾光器控制單元420和聚光透鏡450。從光源430射出白光由準(zhǔn)直透鏡440轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直光束，穿過光譜濾光器410，然后穿過聚光透鏡450入射到導(dǎo)光管131的近端部分131b上。光譜濾光器410是將源自光源430的白光分解為預(yù)定波長(即選擇波長)的光的圓板類型的濾光器，并且根據(jù)其旋轉(zhuǎn)角度來選擇并輸出400nm、405nm、410nm、…、800nm的窄帶光(約5nm的帶寬)。光譜濾光器410的旋轉(zhuǎn)角度由連接到控制器530的濾光器控制單元420來控制。由于控制器530經(jīng)由濾光器控制單元420來控制光譜濾光器410的旋轉(zhuǎn)角度，預(yù)定波長的光入射到導(dǎo)光管131的近端部分131b上，并且照亮靠近插入管尖端部分111的活組織T。然后，從活組織T反射的光聚集到如上所述的攝像器件141的光接收表面上，并且圖像信號經(jīng)由電纜142傳輸?shù)綀D像處理單元500。圖像處理單元500配置為這樣一種裝置，該裝置以間隔5nm的波長經(jīng)由電纜142從獲得的活組織T的圖像中獲得多個光譜圖像。具體而言，當(dāng)光譜濾光器410選擇并輸出中心波長為400nm、405nm、410nm、…、800nm的窄帶光(約5nm的帶寬)時，獲得各自波長的光譜圖像。圖像處理單元500具有處理由光譜濾光器410生成的多個光譜圖像的功能，并且具有生成對病變部分的位置進(jìn)行指示的彩色圖像或指標(biāo)圖像的功能，如下文中所述。然后，圖像處理單元500控制圖像顯示裝置300來顯示已處理的光譜圖像。應(yīng)當(dāng)注意，作為光譜濾光器410，例如可以應(yīng)用法布里-珀羅濾光器或應(yīng)用透射型衍射光柵的濾光器。如上所述，通過應(yīng)用具有不同波長的多個光譜圖像，根據(jù)該實(shí)施方案的圖像處理單元500具有生成對具有病變部分的可能性較高的區(qū)域的位置進(jìn)行指示的指標(biāo)圖像的功能。下面，對指標(biāo)圖生成功能進(jìn)行說明。首先，對以其為基礎(chǔ)，通過根據(jù)該實(shí)施方案的圖像處理單元500生成指標(biāo)圖的指標(biāo)進(jìn)行說明。圖2為表示在胃黏膜的圖像中多圖像像素的光譜的曲線圖。具體而言，圖2
(a)表示對應(yīng)于胃黏膜的健康部分的圖像像素的光譜，而圖2 (b)表示對應(yīng)于胃黏膜的病變部分的圖像像素的光譜。如圖2所示，無論該光譜是健康部分還是病變部分，胃黏膜圖像的光譜在600nm到700nm的波長具有大峰值(第一峰值)并且具有中心波長為500nm的小峰值(第二峰值)。如圖2所示， 能夠確認(rèn)，健康部分的圖像像素的光譜基本上類似于病變部分的圖像像素的光譜。然而，當(dāng)對二維分布的多個點(diǎn)執(zhí)行檢測時，由于在照明光與對象之間的角度的不同或電子內(nèi)窺鏡100的插入管尖端部分111 (圖1)到點(diǎn)的距離的不同，對于檢測有用的光量根據(jù)點(diǎn)而變化。為了糾正光量差異的影響，無論圖2中所示的每個光譜的強(qiáng)度值如何，通過用在每個波長的相對強(qiáng)度的信息來代替每個光譜的強(qiáng)度值使得圖2中所示的每個光譜被歸一化，用于比較。在下面的流程中，執(zhí)行歸一化。在如上所述的歸一化中，參考其最大強(qiáng)度在所有的多個樣本圖像像素中最大的圖像像素，獲得用于歸一化其他圖像像素的系數(shù)。我們定義胃粘膜的圖像中每個圖像像素的光譜為OnUi),其中n表示樣本編號。也即，頻譜表示在每個二維點(diǎn)的光譜強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)注意，在圖像像素中，健康部分的圖像像素和病變部分的圖像像素是混合的。λ i表示光譜的每個中心波長，且采用A1=^OnnKλ 2=405nm,…、λ 81=800nm中的一個值。首先，搜索樣本N，其0η( λ )的最大值在所有樣本中最大。然后，對于η古N的0η( λ )，獲得滿足下面的表達(dá)式(I)的常數(shù)Κη。表達(dá)式(I)
SimXlog 0￥(1,-)= ITrtX^log On(Ii)在該表達(dá)式中，K表示通過計算光量差異而被優(yōu)化的一組系數(shù)。在該計算中，使用對數(shù)表示來反映物質(zhì)的化學(xué)密度；然而，正常的反射強(qiáng)度也可以被應(yīng)用到計算中。經(jīng)由上述過程，通過對圖2所示的光譜進(jìn)行歸一化得到的光譜如圖3所示。在圖3中，實(shí)線表示對應(yīng)于胃黏膜的健康部分的圖像像素的歸一化光譜，虛線表示對應(yīng)于胃黏膜的病變部分的圖像像素的歸一化光譜。如圖3所示，在歸一化之后，對于第一峰值，圖像像素之間幾乎沒有不同。另一方面，很明顯，對于第二峰值，健康部分的圖像像素具有比病變部分的圖像像素高的水平。此外，對于在第一峰值和第二峰值之間的波谷(在波長550nm附近)的水平，健康部分的圖像像素略高于病變部分的圖像像素。也即，在480nm到590nm的波段中，健康部分的圖像像素的水平比病變部分的圖像像素的水平高。因此，可以理解為能夠在中心為480nm到590nm的范圍二維地提取光譜水平差。眾所周知，550nm到590nm的波段為血紅蛋白吸收波段。換言之，如果在550nm到590nm的波段中一個部分的水平低，則僅該部分具有高密度的血管，并且來自血液的信息得以追蹤的可能性很高。出于該原因，在該實(shí)施方案中，具有最大波長小于血紅蛋白的吸收波段的范圍，例如在波長500nm附近的范圍(480nm到520nm)，被用為指示病變部分的新標(biāo)記。也即，分別定義的480nm到520nm的波段和血紅蛋白的吸收波段的兩段信息被應(yīng)用，因此提供了更詳細(xì)和更可靠的診斷支持信息。也即，根據(jù)實(shí)施方案的診斷系統(tǒng)I應(yīng)用中心為480nm到520nm的波段中的水平作為指示病變部分的標(biāo)記，并且生成對具有病變部分的可能性較高的區(qū)域的位置進(jìn)行指示的指標(biāo)圖。因此，可以基于包含病變部分的各種類型的特征變化的光譜性質(zhì)信息來提供診斷支持信息。然而，應(yīng)當(dāng)注意，上述的歸一化處理具有較重的處理負(fù)荷，并且在內(nèi)窺鏡觀察期間，很難在顯示作為實(shí)時移動的圖像的指標(biāo)的同時，執(zhí)行歸一化處理。出于該原因，在該實(shí)施方案中，歸一化處理被簡化并且在極短的時段內(nèi)獲得指標(biāo)。如圖2所示，對于趨于均值的內(nèi)窺鏡圖像的每個圖像像素的強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)，第一峰值附近的分量的貢獻(xiàn)為主導(dǎo)，而趨于均值的第二峰值附近的分量的貢獻(xiàn)較低。因此，通過計算在第二峰值附近的強(qiáng)度值與在由光譜圖像獲得的內(nèi)窺鏡圖像中的圖像像素的強(qiáng)度值的累積值的比率而獲得的數(shù)據(jù)作為指標(biāo)，該指標(biāo)指示了對于在所上所述的歸一化光譜(將Kn乘以每個圖像像素的強(qiáng)度值)中500nm波長附近的強(qiáng)度值的情況下，具有病變部分的可能性較高的區(qū)域的位置。在該實(shí)施方案中，通過用第二峰值附近的強(qiáng)度值去除圖像像素的強(qiáng)度值的累積值而獲得的數(shù)據(jù)用作指示具有病變部分的可能性較高的區(qū)域的位置的指標(biāo)。也即，基于光譜圖像，通過根據(jù)以下表達(dá)式(2)進(jìn)行計算，從坐標(biāo)(X，y)的圖像像素的強(qiáng)度值O1 (X，y, λ )獲得坐標(biāo)(X, y)的指標(biāo)O。(x, y)。
權(quán)利要求
1.一種診斷系統(tǒng)，包括: 光譜圖像拍攝裝置，所述光譜圖像拍攝裝置在體腔中在預(yù)定波長范圍之內(nèi)拍攝光譜圖像，并且獲得光譜圖像數(shù)據(jù)； 圖像處理裝置，所述圖像處理裝置獲得所述光譜圖像數(shù)據(jù)，并從所述光譜圖像數(shù)據(jù)計算對具有病變部分的可能性高的區(qū)域進(jìn)行指示的指標(biāo)；以及監(jiān)視器，在所述監(jiān)視器上顯示所述指標(biāo)， 其中，對于所述光譜圖像中的每個坐標(biāo)，所述圖像處理裝置計算在所述預(yù)定波長范圍中的所有光譜圖像的強(qiáng)度值的累積值與在特定波段中的光譜圖像的強(qiáng)度值之間的比率，作為所述指標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷系統(tǒng)， 其中，操作所述圖像處理裝置以顯示指標(biāo)圖，所述指標(biāo)圖為所述指標(biāo)的圖形表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的診斷系統(tǒng)， 其中: 通過結(jié)合所述光譜圖像數(shù)據(jù)的藍(lán)色、綠色和紅色波段的數(shù)據(jù)，所述圖像處理裝置生成彩色圖像數(shù)據(jù)；以及 所述彩色圖像數(shù)據(jù)和所述指標(biāo)圖并排布置，并顯示在所述監(jiān)視器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項(xiàng)所述的診斷系統(tǒng)， 其中，所述特定波段是其最大波長小于550nm到590nm的血紅蛋白吸收波段的波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的診斷系統(tǒng)，其中所述特定波段為480nm到520nm。
全文摘要
一種診斷系統(tǒng)具有光譜圖像拍攝裝置，所述光譜圖像拍攝裝置用于在體腔中在預(yù)定波長范圍內(nèi)拍攝光譜圖像，并且獲得光譜圖像數(shù)據(jù)；圖像處理裝置，所述圖像處理裝置用于獲得所述光譜圖像數(shù)據(jù)，并從所述光譜圖像數(shù)據(jù)計算對為病變部位的可能性較高的區(qū)域進(jìn)行指示的指標(biāo)值；以及監(jiān)視器，所述監(jiān)視器用于顯示指標(biāo)值。對于所述光譜圖像中的每個坐標(biāo)，所述圖像處理裝置計算指標(biāo)值，所述指標(biāo)值為在整個預(yù)定波長范圍的光譜圖像的亮度的累積值與特定波段的光譜圖像的亮度的比率。
文檔編號A61B1/04GK103167822SQ20118004835
公開日2013年6月19日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者千葉亨, 小原佳巳, 橋爪誠, 松本主之, 小西晃造, 富川盛雅, 村田正治 申請人:Hoya株式會社, 國立大學(xué)法人九州大學(xué)