DE112012004064T5

DE112012004064T5 - Diagnosesystem

Info

Publication number: DE112012004064T5
Application number: DE112012004064.3T
Authority: DE
Inventors: c/o HOYA Corp. Chiba Toru
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: DE112012004064B4; US20140185907A1; US9183427B2; CN103826524B; JP5923099B2; CN103826524A; WO2013047054A1; JPWO2013047054A1

Abstract

Ein Diagnosesystem umfasst ein Spektralbild-Bildaufnahmemittel, das in einer Körperkavität ein Spektralbild in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und Spektralbilddaten erfasst, ein Bildverarbeitungsmittel, das aus den Spektralbilddaten einen Indexwert zur Unterscheidung zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermittelt und auf Grundlage des Indexwertes ein Indikatorbild erzeugt und ausgibt, und einen Monitor, auf dem das Indikatorbild angezeigt wird, wobei für jedes Pixel des Spektralbildes das Bildverarbeitungsmittel eine Größe β nach einer vorbestimmten Formel als Indexwert definiert, wobei die Spektralbilddaten P1 bei einer ersten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 542 nm liegt, die Spektralbilddaten P2 bei einer zweiten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 558 nm liegt, und die Spektralbilddaten P3 bei einer dritten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 578 nm liegt, genutzt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnosesystem, das ausgebildet ist, ein Bild eines Bereichs aufzunehmen, der mit hoher Wahrscheinlich ein erkrankter Teil in einem lebenden Gewebe ist.
STAND DER TECHNIK
Kürzlich wurde ein elektronisches Endoskop, das als Spektrometer fungiert, vorgeschlagen, wie es beispielsweise in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung JP 2007-135989 A beschrieben ist. Unter Verwendung eines solchen elektronischen Endoskops ist es möglich, die spektrale Charakteristik (die Verteilung des Lichtabsorptionsvermögens für jede Frequenz) eines lebenden Gewebes wie einer Schleimhaut eines Verdauungsorgans, z. B. eines Magens oder eines Rektums, zu erfassen. Es ist bekannt, dass die spektrale Charakteristik einer Substanz eine Information über die Typen oder Dichten von Komponenten widerspiegelt, die in der Nähe einer Oberflächenschicht eines ein Beobachtungsziel bildenden lebenden Gewebes enthalten sind; dies ist auf einem Gebiet etabliert, das zur akademischen Disziplin der analytischen Chemie gehört. Auf diesem Gebiet ist es zudem bekannt, dass die spektrale Charakteristik einer aus einer Zusammensetzung bestehenden Substanz eine Information darstellt, die man durch Überlagerung der spektralen Eigenschaften wesentlicher, die Zusammensetzung bildender Komponenten erhält.
Ein erkrankter Teil in einem lebenden Gewebe enthält möglicherweise eine Substanz, die eine chemische Konfiguration hat, die in einem gesunden lebenden Gewebe selten vorhanden ist. Deshalb ist die spektrale Charakteristik eines lebenden Gewebes, das einen erkrankten Teil enthält, verschieden von der spektralen Charakteristik eines lebenden Gewebes, das nur einen gesunden Teil enthält. Da die spektralen Eigenschaften des gesunden Teil und des erkrankten Teils, wie vorstehend beschrieben, verschieden voneinander sind, kann durch Vergleichen der spektralen Eigenschaft des gesunden Teils mit der des erkrankten Teils beurteilt werden, ob ein lebendes Gewebe einen erkrankten Teil enthält oder nicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, wurden Untersuchungen angestellt, um das Vorhandensein eines erkrankten Teil in einem lebenden Gewebe dadurch festzustellen, dass an lebenden Körpern Spektralinformationen ermittelt und die Unterschiede in spektralen Eigenschaften genutzt werden, die man anhand der spektralen Informationen erhält. Jedoch wurden in den bekannten Untersuchungen keine praktisch anwendbaren Diagnoseverfahren zur Erzeugung von Bildern vorgeschlagen, um zu bestimmen, an welcher Stelle in dem lebenden Gewebe eine durch erkrankte Teile verursachte Änderung der spektralen Eigenschaft vorhanden ist, und die Position und die Ausdehnung eines erkrankten Teils zu identifizieren, während der erkrankte Teil mit den umgebenden Gewebe verglichen wird.
Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des oben beschriebenen Problems getätigt worden. Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, ein Diagnosesystem anzugeben, das imstande ist, ein Bild anzuzeigen, das es einem Benutzer ermöglicht, in einfache Weise zwischen einem gesunden Teil und einem erkrankten Teil zu unterscheiden.
Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe umfasst ein Diagnosesystem nach der Erfindung: ein Spektralbild-Aufnahmemittel, das in einer Körperkavität ein Spektralbild in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und Spektralbilddaten erfasst; ein Bildverarbeitungsmittel, das aus den Spektralbilddaten einen Indexwert zur Unterscheidung zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermittelt und auf Grundlage des Indexwertes ein Indikatorbild erzeugt und ausgibt; und einen Monitor, auf dem das Indikatorbild angezeigt wird. Für jedes Pixel des Spektralbildes definiert das Bildverarbeitungsmittel eine Größe β als Indexwert, die nach der folgenden Formel erhalten wird, β = 2P₂ – P₁ FORMEL 1 wobei die Spektralbilddaten P₁ bei einer ersten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 542 nm liegt, die Spektralbilddaten P₂ bei einer zweiten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 558 nm liegt, und die Spektralbilddaten P₃ bei einer dritten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 578 nm liegt, genutzt werden.
Nach Berichten gibt es einen Fall, in dem in einer Blutstromkomponente eines lebenden Körpers ein erkrankter Teil und ein gesunder Teil unterschiedliche Komponentenverhältnisse von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin aufweisen und ein solcher Unterschied vorteilhafterweise dazu genutzt werden kann, eine Krankheit zu erkennen oder das Voranschreiten einer Krankheit abzuschätzen. Es ist auch bekannt, dass die Lichtabsorptionseigenschaften von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin verschieden voneinander sind. Die Erfindung ist entstanden, indem man sich auf diesen Punkt fokussiert hat. Gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung wird das Indikatorbild auf Grundlage des Indexwertes β angezeigt, der das Komponentenverhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin angibt. So ist ein Benutzer imstande, in einfacher Weise zwischen einem gesunden Teil und einem erkrankten Teil zu unterscheiden.
Das Bildverarbeitungsmittel kann ein Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin aus dem Indexwert ermitteln und auf Grundlage dieses Verhältnisses das Indikatorbild erzeugen. In diesem Fall erzeugt das Bildverarbeitungsmittel das Indikatorbild vorzugsweise, indem es jedem Pixel des Spektralbildes eine vorbestimmte Farbe auf Grundlage des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin zuordnet. Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, noch einfacher und präziser zwischen einem gesunden Teil und einem erkrankten Teil zu unterscheiden.
Vorzugsweise gibt das Bildverarbeitungsmittel ein Farbbild aus, indem es die Spektralbilddaten in Wellenlängenbändern entsprechend blau, grün und rot miteinander kombiniert, und vorzugsweise werden das Farbbild und das Indikatorbild nebeneinander auf dem Monitor angezeigt. Da es mit einer solchen Ausgestaltung möglich wird, durch einen Vergleich des betrachteten Farbbildes und des betrachteten Indikatorbildes einen erkrankten Teil in einfacher Weise zu identifizieren, wird es auch möglich, in einer chirurgischen Operation einen Bereich, der beispielsweise herausgeschnitten werden muss, in einfacher Weise zu prüfen und zu spezifizieren.
Das Diagnosesystem kann ein Standardisierungsmittel enthalten, das die Spektralbilddaten in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich integriert, um so einen integrierten Wert zu erhalten, und die Spektralbilddaten so korrigiert, dass der integrierte Wert mit einem Referenzwert übereinstimmt. In diesem Fall ist der vorbestimmte Bereich vorzugsweise aus einem Bereich von 600 nm bis 800 nm ausgewählt. Da es mit einer solchen Ausgestaltung möglich ist, Schwankungen in der Lichtmenge infolge unterschiedlicher Reflexionswinkel zwischen den das Spektralbild bildenden Pixeln zu korrigieren, kann ein Indikatorbild bereitgestellt werden, das eine noch präzisere Unterscheidung zwischen einem gesunden Teil und einem erkrankten Teil ermöglicht.
Das Diagnosesystem kann ferner ein Standardisierungsmittel enthalten, das die Spektralbilddaten so korrigiert, dass die Spektralbilddaten bei einer Wellenlänge, die einem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entspricht, mit einem Referenzwert zusammenfallen.
Vorzugsweise ist der vorbestimmte Wellenlängenbereich 400 nm bis 800 nm, und vorzugsweise enthält das Spektralbild mehrere Bilder, die in einem Intervall einer vorbestimmten Wellenlänge aufgenommen sind, das in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm liegt.
Die erste Wellenlänge kann eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 530 nm bis 545 nm, die zweite Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 550 nm bis 568 nm und die dritte Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 570 nm bis 584 nm sein.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßes Diagnosesystem: ein Spektralbild-Aufnahmemittel, das in einer Körperkavität ein Spektralbild in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und Spektralbilddaten ermittelt; ein Bildverarbeitungsmittel, das aus den Spektralbilddaten einen Indexwert zur Unterscheidung zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermittelt und auf Grundlage des Indexwertes ein Indikatorbild erzeugt und ausgibt; und einen Monitor, auf dem das Indikatorbild angezeigt wird. Für jedes Pixel des Spektralbildes definiert das Bildverarbeitungsmittel eine nach der folgenden Formel ermittelt Größe γ als Indexwert, FORMEL 2
wobei die Spektralbilddaten P₁ bei einer ersten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 542 nm liegt, die Spektralbilddaten P₂ bei einer zweiten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 558 nm liegt, die Spektralbilddaten P₃ bei einer dritten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 578 nm liegt, und einen Standardisierungskoeffizienten genutzt werden, der die auf jedes Pixel fallende Lichtmenge angibt.
Wie oben beschrieben, kann mit dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem ein Bild angezeigt werden, das eine einfache Unterscheidung zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermöglicht. Die für eine Diagnose benötigte Zeit kann so verkürzt werden, und es wird möglich, in einer chirurgischen Operation einen Bereich, der beispielsweise entnommen werden muss, in einfacher Weise zu prüfen und zu spezifizieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Diagnosesystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
2 sind Graphen, die von dem Diagnosesystem gemäß Ausführungsbeispiel erhaltene Bilddaten einer Magenschleimhaut zeigen. 2A ist ein Graph, der ein Spektrum eines einem erkrankten Teil der Magenschleimhaut entsprechenden Pixels zeigt, und 2B ist ein Graph, der ein Spektrum eines einem gesunden Teil der Magenschleimhaut entsprechenden Pixels zeigt.
3 ist ein Graph, der ein Absorptionsvermögen von Hämoglobin zeigt.
4 ist ein Graph, in dem das in 3 gezeigte Absorptionsvermögen von Hämoglobin in dem Wellenlängenbereich von 520 nm bis 600 nm vergrößert dargestellt ist.
5 ist ein Graph, der ein Transmissionsvermögen von Hämoglobin zeigt.
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Konzentrationsindex β und der Konzentration an Oxyhämoglobin zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Bilderzeugungsprozess zeigt, der von einer Bildverarbeitungseinheit des Diagnosesystems nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird.
8 zeigt schematisch ein Farbbild und ein Indikatorbild, die durch den in 7 gezeigten Bilderzeugungsprozess auf einem Bildanzeigegerät angezeigt werden.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm eines Diagnosesystems 1 nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Diagnosesystem 1 gemäß Ausführungsbeispiel ist ausgebildet, ein Indikatorbild zu erzeugen, auf das ein Arzt Bezug nimmt, um eine Erkrankung eines Verdauungsorgans, z. B. eines Magens oder eines Rektums, zu diagnostizieren. Das Diagnosesystem 1 enthält ein elektronisches Endoskop 100, einen für ein elektronisches Endoskop vorgesehen Prozessor 200 und ein Bildanzeigegerät 300. In dem für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessor 200 sind eine Lichtquelleneinheit 400 und eine Bildverarbeitungseinheit 500 untergebracht.
Das elektronische Endoskop 100 umfasst ein Einführrohr 110, das in eine Körperkavität einzuführen ist, und eine Objektivoptik 121, die an einem Endstück (Einführrohr-Endstück) 111 des Einführrohrs 110 vorgesehen ist. Die Objektivoptik 121 erzeugt ein Bild eines in der Nähe des Einführrohr-Endstücks 111 angeordneten lebenden Gewebes auf einer Lichtempfangsfläche einer Bildaufnahmevorrichtung 141, die in dem Einführrohr-Endstück 111 untergebracht ist. Als Bildaufnahmevorrichtung 141 wird beispielsweise ein CCD-Bildsensor (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) verwendet, der an seiner Vorderseite ein Dreiprimärfarbfilter aufweist.
Die Bildaufnahmevorrichtung 141 gibt periodisch (z. B. in Intervallen von 1/30 Sekunden) ein Bildsignal aus, das dem auf der Lichtempfangsfläche erzeugten Bild entspricht. Das von der Bildaufnahmevorrichtung 141 ausgegebene Bildsignal wird über ein Kabel 142 an die Bildverarbeitungseinheit 500 des für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessors 200 gesendet.
Die Bildverarbeitungseinheit 500 enthält eine AD-Wandlerschaltung 510, einen Zwischenspeicher 520, eine Steuerung 530, einen Videospeicher 540 und eine Signalverarbeitungsschaltung 550. Die AD-Wandlerschaltung 510 nimmt an den von der Bildaufnahmevorrichtung 141 des elektronischen Endoskops 100 über das Kabel 142 übertragenen Bildsignal eine AD-Wandlung vor, um digitale Bilddaten auszugeben. Die von der AD-Wandlerschaltung 510 ausgegebenen digitalen Bilddaten werden an den Zwischenspeicher 520 gesendet und darin gespeichert. Die Steuerung 530 verarbeitet einen oder mehrere in dem Zwischenspeicher 520 gespeicherte Bilddatensätze, um so einen einzigen Anzeigebilddatensatz zu erzeugen und sendet die Anzeigebilddaten an den Videospeicher 540. Beispielsweise produziert die Steuerung 530 die Anzeigebilddaten, die aus einem Bilddatensatz erzeugt sind, die Anzeigebilddaten, in denen mehrere Bilddatensätze angeordnet und angezeigt sind, oder die Anzeigebilddaten, in denen ein Bild, das erhalten wird, indem mehrere Bilddatensätze einer Bilderzeugungsoperation unterzogen werden, und ein Graph, den man als Ergebnis der Bilderzeugungsoperation erhält, angezeigt werden und speichert diese in dem Videospeicher 540. Die Signalverarbeitungsschaltung 550 wandelt die in dem Videospeicher 540 gespeicherten Anzeigebilddaten in ein Videosignal, das ein vorbestimmtes Format (z. B. ein NTSC-Format) aufweist, und gibt das Videosignal aus. Das von der Signalverarbeitungsschaltung 550 ausgegebene Videosignal wird der Bildanzeigevorrichtung 300 zugeführt. Im Ergebnis wird so ein von dem elektronischen Endoskop 100 aufgenommenes endoskopisches Bild auf dem Bildanzeigegerät 300 angezeigt.
In dem elektronischen Endoskop 100 ist ein Lichtleiter 131 vorgesehen. Ein Endstück 131a des Lichtleiters 131 ist nahe an dem Einführrohr-Endstück 110 angeordnet, und ein proximales Endstück 131b des Lichtleiters 131 ist mit dem für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessor 200 verbunden. Der für ein elektronisches Endoskop vorgesehene Prozessor 200 enthält eine Lichtquelleneinheit 400 (später beschrieben) mit einer Lichtquelle 430, die eine große Menge an Weißlicht erzeugt, z. B. eine Xenon-Lampe. Das von der Lichtquelleneinheit 400 erzeugte Licht fällt auf das proximale Endstück 131b des Lichtleiters 131. Das in das proximale Endstück 131b des Lichtleiters 131 gelangte Licht wird durch den Lichtleiter 131 zu dem Endstück 131a geleitet und aus dem Endstück 131a ausgesendet. In dem Einführrohr-Endstück 111 des elektronischen Endoskops 100 befindet sich in der Nähe des Endstücks 131a des Lichtleiters 131 eine Linse 132. Das von dem Endstück 131a des Lichtleiters 131 ausgesendete Licht tritt durch die Linse 132 und beleuchtet das lebende Gewebe T in der Nähe des Einführrohr-Endstücks 111.
Wie oben beschrieben, fungiert der für ein elektronisches Endoskop vorgesehene Prozessor 200 sowohl als Videoprozessor, der das von der Bildaufnahmevorrichtung 141 des elektronischen Endoskops 100 ausgesendete Bildsignal verarbeitet, als auch als Lichtquellenvorrichtung, die dem Lichtleiter 131 des elektronischen Endoskops 100 Beleuchtungslicht zuführt, um das lebende Gewebe T nahe dem Einführrohr-Endstück 111 des elektronischen Endoskops 100 zu beleuchten.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält die Lichtquelleneinheit 400 des für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessor 200 die Lichtquelle 430, eine Kollimatorlinse 440, ein Spektralfilter 420, eine Filtersteuereinheit 420 und eine Kondensorlinse 450. Das von der Lichtquelle 430 ausgesendete Weißlicht wird von der Kollimatorlinse 440 in einen kollimierten Strahl umgesetzt, tritt durch das Spektralfilter 420 und fällt dann durch die Kondensorlinse 450 auf das proximale Endstück 131b des Lichtleiters 131. Das Spektralfilter 420 ist ein Filter nach Art einer kreisförmigen Platte, welches das von der Lichtquelle 430 ausgesendete Weißlicht in Licht einer vorbestimmten Wellenlänge zerlegt (d. h. eine Wellenlänge auswählt) und in Abhängigkeit seines Drehwinkels schmalbandiges Licht mit 44 nm, 405 nm, 410 nm, ...., 800 nm (Bandbreite von etwa 5 nm) auswählt und ausgibt. Der Drehwinkel des Spektralfilters 410 wird von einer mit der Steuerung 530 verbundenen Filtersteuereinheit 420 gesteuert. Da die Steuerung 530 den Drehwinkel des Spektralfilters 410 über die Filtersteuereinheit 420 steuert, fällt Licht einer vorbestimmten Wellenlänge auf das proximale Endstück 131b des Lichtleiters 131, und das lebende Gewebe in der Nähe des Einführrohr-Endstücks 111 wird beleuchtet. Dann wird, wie oben beschrieben, an dem lebenden Gewebe T reflektiertes Licht auf die Lichtempfangsfläche der Bildaufnahmevorrichtung 141 gebündelt, und das Bildsignal wird über das Kabel 142 an die Bildverarbeitungseinheit 500 gesendet.
Die Bildverarbeitungseinheit 500 bildet eine Vorrichtung, die aus dem Bildsignal des lebenden Gewebes T, welches über das Kabel 142 zugeführt wird, mehrere Spektralbilder in Wellenlängenintervallen von 5 nm erfasst. Dabei fängt die Bildverarbeitungseinheit 500 die Spektralbilder der jeweiligen Wellenlängen ein, wenn das Spektralfilter 410 das schmalbandige Licht (Bandbreite von etwa 5 nm) mit den Mittenwellenlängen 400 nm, 405 nm, 410 nm, ..., 800 nm auswählt und ausgibt und die Intensitätswerte (Intensitätsinformation) in dem Zwischenspeicher 520 als Spektralbilddaten speichert.
Die Bildverarbeitungseinheit 500 hat die Funktion, die für jede Wellenlänge des Spektralfilters 410 gespeicherten Spektralbilddaten zu verarbeiten und ein Farbbild oder ein Indikatorbild zu erzeugen, wie später beschrieben wird. Anschließend steuert die Bildverarbeitungseinheit 500 das Bildanzeigegerät 300 so, dass dieses das verarbeitete Farbbild und das Indikatorbild anzeigt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass als Spektralfilter 410 beispielsweise ein Fabry-Perot-Filter oder ein Filter verwendet wird, das mit einem Beugungsgitter vom Transmissionstyp arbeitet.
Wie oben beschrieben, hat die Bildverarbeitungseinheit 500 gemäß Ausführungsbeispiel die Funktion, unter Verwendung mehrerer Spektralbilder unterschiedlicher Wellenlängen ein Indikatorbild zu erzeugen, das es einem Benutzer ermöglicht, in einfacher Weise zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil zu unterscheiden. Im Folgenden wird diese Funktion zum Erzeugen eines Indikatorbildes erläutert.
Zunächst werden ein grundlegendes Prinzip zur Unterscheidung zwischen dem erkrankten Teil und einem gesunden Teil sowie ein Indexwert erläutert, auf dessen Grundlage das Indikatorbild von der Bildverarbeitungseinheit 500 erzeugt wird. 2 zeigt Graphen einer spektralen Darstellung (d. h. eine Darstellung der Intensitätsverteilung bezogen auf die Wellenlänge) der Spektralbilddaten einer Magenschleimhaut, die mit dem Diagnosesystem 1 gemäß Ausführungsbeispiel erhalten werden. Jede Wellenform repräsentiert ein Spektrum eines bestimmten Pixels in einem von der Bildaufnahmevorrichtung 141 erhaltenen Spektralbild. 2A repräsentiert ein Spektrum eines Pixels, das einem erkrankten Teil der Magenschleimhaut entspricht, und 2B repräsentiert ein Spektrum eines Pixels, das einem gesunden Teil der Magenschleimhaut entspricht. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Spektrum jedes in den 2A und 2B gezeigten Pixels des gesunden Teils und des erkrankten Teils einem vorbestimmten Standardisierungsprozess unterzogen wird. Da insbesondere jedes Pixel der Bildaufnahmevorrichtung 141 in Abhängigkeit unterschiedlicher Winkel zwischen dem Objekt (lebendes Gewebe T) und dem von dem Endstück 131a des Lichtleiters 131 ausgesendeten Beleuchtungslicht und unterschiedlicher Abstände zwischen dem Einführrohr-Endstück 111 (1) und dem lebenden Gewebe (T) unterschiedliche Lichtmengen empfängt (d. h. die Bildaufnahmevorrichtung 141 nicht imstande ist, über ihre gesamte Lichtempfangsfläche eine konstante Lichtmenge zu empfangen), werden Einflüsse dieser Lichtmengenunterschiede korrigiert. In Experimenten hat sich herausgestellt, dass das Spektrum eines Pixels, das einem gesunden Teil entspricht, und das Spektrum eines Pixels, das einem erkrankten Teil entspricht, insbesondere bei großen Wellenlängen ähnliche Eigenschaften zeigen (d. h. sie weisen nahezu keinen Unterschied auf). Deshalb werden in diesem Ausführungsbeispiel für jedes Pixelspektrum die Intensitätswerte eines vorbestimmten Wellenlängenbandes (z. B. Wellenlänge von 600 nm bis 800 nm) integriert, und die Größe des Gesamtspektrums (Intensitätswert bei jeder Wellenlänge) wird so korrigiert, dass der integrierte Wert gleich einem vorbestimmten Referenzwert wird. Dies bedeutet, dass in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Spektren der Pixel durch den Standardisierungsprozess so vereinheitlicht werden, dass sie einer Referenzgröße angepasst sind, ein Spektrum eines einem erkrankten Teil entsprechenden Pixels präzise mit einem Spektrum eines einem gesunden Teil entsprechenden Pixels verglichen werden kann.
Wie in 2 gezeigt, sind die Spektren des Magenschleimhautbildes darin ähnlich, dass das Spektrum ungeachtet dessen, ob es zu einem gesunden Teil oder einem erkrankten Teil gehört, eine im Wesentlichen M-förmige Ausprägung mit einem Tal (Tiefpunkt) in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 590 nm aufweist, jedoch darin unterschiedlich, dass die Dispersion der Spektren der dem erkrankten Teil entsprechenden Pixel größer ist als die Dispersion der Spektren der dem gesunden Teil entsprechenden Pixel und das Spektrum des dem erkrankten Teil entsprechenden Pixels zwei Tiefpunkte bei den Wellenlängen von etwa 540 nm und etwa 570 nm aufweist. Es wird in Erwägung gezogen, dass diese Unterschiede dem Umstand geschuldet sind, dass, wie auf dem Gebiet der Pathologie bekannt ist, ein erkrankter Teil und ein gesunder Teil unterschiedliche Komponentenverhältnisse von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin aufweisen und das Lichtabsorptionsvermögen von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin unterschiedlich ist. Die vorliegende Erfindung ist mit Fokus auf die vorstehend beschriebenen Punkte entstanden; wie später beschrieben, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Technik zur quantitativen Bestimmung des Komponentenverhältnisses von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin auf Grundlage unterschiedlicher Lichtabsorptionsvermögen von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin ersonnen und durch Verbesserung dieser Technik eine Konfiguration zur quantitativen Beurteilung des gesunden Teils und des erkrankten Teils erfunden.
3 ist ein Graph, der das Lichtabsorptionsvermögen von Hämoglobin repräsentiert. Dabei repräsentiert eine durchgezogene Linie das Lichtabsorptionsvermögen von Oxyhämoglobin, während eine gestrichelte Linie das Lichtabsorptionsvermögen von Deoxyhämoglobin repräsentiert. In 3 stellte die vertikale Achse die Absorption (Einheit: mg/dl) in der Spektroskopie dar, während die horizontale Achse die Wellenlänge (Einheit: nm) angibt. Wie in 3 gezeigt, haben Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin gemein, dass sie Licht mit der Wellenlänge von 500 nm bis 590 nm absorbieren (d. h. das Absorptionsvermögen steigt in den Wellenlängenbereich von 500 nm bis 590 nm an), jedoch unterscheiden sie sich darin, dass die Charakteristik von Deoxyhämoglobin einen Spitzenwert bei der Wellenlänge von etwa 558 nm aufweist, während die Charakteristik von Oxyhämoglobin zwei Spitzenwerte bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm sowie einen Tiefpunkt bei der Wellenlänge von 560 nm hat. Die Absorption von Oxyhämoglobin ist bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm höher als die Absorption von Deoxyhämoglobin; bei der Wellenlänge von etwa 558 nm ist sie kleiner als die Absorption von Deoxyhämoglobin.
Im Allgemeinen wird ein Messmodell des in 3 gezeigten Absorptionsvermögens von Hämoglobin auf Grundlage des Beer-Lambert-Gesetzes mit der folgenden Formel (3) ausgedrückt.
FORMEL 3
In der Formel (3) ist A eine Absorption eines Medium (lebendes Gewebe T), l₀ ist eine Emissionsintensität von Licht vor Eintritt in ein Medium (Intensität des einfallenden Lichtes), I ist eine Intensität von Licht, das sich über eine Strecke d in dem Medium ausgebreitet hat (Lichtemissionsintensität), ε ist ein molarer Lichtabsorptionskoeffizient, C ist eine Mol-Konzentration, und λ ist eine Lichtwellenlänge. Weist das Medium n Arten lichtabsorbierender Substanzen auf, so wird die Absorption durch folgende Formel (4) ausgedrückt.
FORMEL 4
Dies bedeutet, dass für den Fall, dass das Medium n Arten lichtabsorbierender Substanzen aufweist, die Absorption ausgedrückt wird als die Gesamtsumme der Absorptionsvermögen der lichtabsorbierenden Substanzen. Da in diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wird, dass das lebende Gewebe T mit Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin zwei lichtabsorbierende Substanzen aufweist, kann die Absorption des lebenden Gewebes T als die Summe der Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin betrachtet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel erhält man die Spektralbilddaten, indem auf der Bildaufnahmevorrichtung 141 Reflexionslicht empfangen wird, das erzeugt wird, wenn das von dem Endstück 131a des Lichtleiters 131 ausgesendete Licht von dem lebenden Gewebe T reflektiert wird. Dies bedeutet, dass Licht, welches nicht von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin, welche das lebende Gewebe T bilden, absorbiert wird, als Reflexionslicht beobachtet wird. Berichten zufolge kann in einem solchen Messmodell Information, die auf das von dem lebenden Gewebe T reflektierte Licht bezogen ist, in Form eines pseudotransmissiven Spektrums verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass die Spektralbilddaten nach dem Ausführungsbeispiel in dem oben beschriebenen Messmodell in Bezug auf die absorbierenden Substanzen als transmittiertes Licht angesehen werden können (d. h. die Lichtemissionsintensität I in den oben angegebenen Formeln 3 und 4). Deshalb ist es möglich, aus den Spektralbilddaten gemäß Ausführungsbeispiel über die Formeln 3 und 4 die Absorption des lebenden Gewebes T zu erhalten.
4 ist ein Graph, in dem das Absorptionsvermögen von Hämoglobin nach 3 in dem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 600 nm vergrößert dargestellt ist. Um die Erläuterung zu vereinfachen, stellt die vertikale Achse das relative Absorptionsverhältnis dar.
Wie oben beschrieben, hat Deoxyhämoglobin die höchste Absorption bei der Wellenlänge von etwa 558 nm, und das Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin hat zwei Spitzenwerte bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm sowie den Tiefpunkt bei der Wellenlänge von etwa 558 nm. Die Absorption von Oxyhämoglobin ist bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm höher als die Absorption von Deoxyhämoglobin und bei der Wellenlänge von etwa 558 nm kleiner als die Absorption von Deoxyhämoglobin.
Da die Absorption des lebenden Gewebes T, wie oben beschrieben, als die Summe der Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin dargestellt werden kann, ist es möglich, die Absorption des lebenden Gewebes T als die Überlagerung der beiden Absorptionsvermögen in Abhängigkeit des Komponentenverhältnisses von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in dem lebenden Gewebe T darzustellen. Dies bedeutet, dass die Absorption des lebenden Gewebes T, wie in 4 durch gepunktete Linien gezeigt ist, als eine Kurve dargestellt ist, die durch einen Zwischenbereich zwischen dem Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin, das durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, und dem Absorptionsvermögen von Deoxyhämoglobin, das durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, verläuft. Somit ist es möglich, aus der Absorption das Komponentenverhältnis von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin zu erhalten. In 4 erhält man die gepunkteten Linien durch Auftragen des Absorptionsverhältnisses unter Änderung des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in Intervallen von 10% innerhalb des Bereich von 10%:90% bis 90%:10%.
Indem man, wie oben beschrieben, die Absorption aus den Spektralbilddaten jedes Pixels, die von der Bildverarbeitungseinheit 500 erfasst werden, unter Anwendung der Formeln 3 und 4 erhält, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin quantitativ zu erfassen. Dabei erhält man einen Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin, indem die Intensitätswerte (Spektralbilddaten) bei den Wellenlängen 542 nm (im Folgenden als „charakteristischer Punkt P1” bezeichnet), 558 nm (im Folgenden als „charakteristischer Punkt P2” bezeichnet), 578 nm (im Folgenden als „charakteristischer Punkt P3” bezeichnet) dadurch erfasst, dass man diese unter Anwendung der Formeln 3 und 4 in Absorptionen umsetzt und die Absorptionen der folgenden Formel 5 zuordnet. α = (A₂ – A₁) + (A₂ – A₃) = 2A₂ – A₁ – A₃ FORMEL 5a worin A₁ bis A₃ Absorptionen in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 sind. Nach dieser Formel wird der Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin kleiner (d. h. negativ größer), wenn die Spektralbilddaten in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 dem Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin näherkommen. Der Konzentrationsindex α von Oxyhamoglobin wird größer, wenn die Spektralbilddaten in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 dem Absorptionsvermögen von Deoxyhamoglobin näherkommen (d. h. der Anteil von Deoxyhamoglobin wird größer). Somit kann man sagen, dass der Konzentrationsindex α von Oxyhamoglobin ein Indexwert ist, der die Konzentration von Oxyhamoglobin, das in den Spektralbilddaten enthalten ist, repräsentiert. Sind die lichtabsorbierenden Substanzen des lebenden Gewebes T durch zwei Arten von Substanzen gegeben, nämlich Oxyhamoglobin und Deoxyhamoglobin, so ist der Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin ein Indexwert, der das Verhältnis zwischen Oxyhamoglobin und Deoxyhämoglobin darstellt.
Indem man in oben beschriebener Weise den Zusammenhang zwischen dem Spektrum des Spektralbildes und den Absorptionseigenschaften von Oxyhamoglobin und Deoxyhamoglobin nutzt, ist es möglich, präzise das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhamoglobin in dem lebenden Gewebe T zu erhalten. Jedoch ist es in dieser Technik erforderlich, die Spektralbilddaten in die Absorption umzusetzen und die logarithmische Berechnung und die Konzentrationsumsetzung für jedes der Pixel, aus denen das Spektralbild zusammengesetzt ist, durchzuführen, was als Echtzeitprozess zu einer hohen Last führt. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat seinen Fokus auf den Umstand gelegt, dass ein gemäß dem Ausführungsbeispiel erhaltenes Spektrum eines Spektralbildes als transmittiertes Licht der lichtabsorbierenden Substanzen (d. h. Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin) in dem lebenden Gewebe T aufgefasst werden kann; er hat demnach die Technik entwickelt, die es gestattet, das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in einfacherer Weise zu erhalten, indem das Absorptionsmodell von Hämoglobin als ein Modell vom Transmissionstyp angesehen wird.
5 ist ein Graph, der ein Transmissionsvermögen von Hämoglobin zeigt. In 5 stellt die vertikale Achse das Reflexionsvermögen und die horizontale Achse die Wellenlänge (Einheit: nm) dar. In 5 ist nur ein Bereich gezeigt, in dem das Reflexionsvermögen größer als oder gleich 0,9 ist, und wie in 4 stellt eine durchgezogene Linie das Vermögen von Oxyhämoglobin und eine gestrichelte Linie das Vermögen von Deoxyhämoglobin dar. In 5 erhält man gepunktete Linien durch Auftragen des Reflexionsvermögens unter Änderung des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in Intervallen von 10% innerhalb des Bereichs von 10%:90% bis 90%:10%.
Wie in 5 gezeigt, hat das Transmissionsvermögen von Hämoglobin in Auf- und Ab-Richtung einen Verlauf, der dem Absorptionsvermögen von Hämoglobin nach 4 entgegengesetzt ist. Dies bedeutet, dass das Reflexionsvermögen von Deoxyhämoglobin bei der Wellenlänge von etwa 558 nm am kleinsten wird und das Reflexionsvermögen von Oxyhämoglobin zwei Tiefpunkte bei den Wellenlängen von 542 nm und etwa 578 nm sowie einen Spitzenwert bei der Wellenlänge von etwa 558 nm hat. Das Reflexionsvermögen von Oxyhämoglobin wird bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm kleiner als das Reflexionsvermögen von Deoxyhämoglobin und bei der Wellenlänge von etwa 558 nm höher als das Reflexionsvermögen von Deoxyhämoglobin.
Da das gemäß Ausführungsbeispiel erhaltene Spektrum des Spektralbildes bezogen auf die lichtabsorbierenden Substanzen (d. h. Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin) in dem lebenden Gewebe T als transmittiertes Licht angesehen werden kann, kann man sagen, dass ein Spektrum eines Spektralbildes selbst eine Information über das Transmissionsvermögen (in anderen Worten das Reflexionsvermögen) darstellt. Deshalb wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin erfasst, indem die Intensitätswerte in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 für die von der Bildverarbeitungseinheit 500 erfassten Spektralbilddaten jedes Pixels ermittelt und die Intensitätswerte der folgenden Formel 6 zugeordnet werden. β = (P₂ – P₁) + (P₂ – P₃) = 2P₂ – P₁ – P₃ FORMEL 6 worin P₁ bis P₃ die Intensitätswerte der charakteristischen Punkte P1 bis P3 sind. Nach der Formel 6 wird, wenn die Spektralbilddaten in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 dem Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin näherkommen (d. h. der Anteil von Oxyhämoglobin größer wird), der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin groß. Kommen die Spektralbilddaten in den charakteristischen Punkten P1 bis P3 dem Absorptionsvermögen von Deoxyhämoglobin näher (d. h. wird der Anteil an Deoxyhämoglobin höher), so wird der Konzentrationsindex β klein (d. h. der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin wird negativ groß). Wie im Falle des Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin in dem Absorptionsmodell ist der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin der Indexwert, der das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin darstellt. Da im Gegensatz zu dem Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin in dem Absorptionsmodell der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin keine logarithmische Berechnung erfordert (d. h. der Konzentrationsindex β allein durch Addition und Subtraktion erhalten werden kann), ist die Rechenlast gering, was für eine Echtzeitverarbeitung geeignet ist.
Ist der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin (d. h., der Indexwert) ermittelt, kann das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin erhalten werden. 6 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen dem Konzentrationsindex β und der Konzentration von Oxyhämoglobin darstellt. 6 zeigt den Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin, den man erhält, wenn das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in Intervallen von 10% innerhalb des Bereichs von 10%:90% bis 90%:10% geändert wird.
Wie in 6 gezeigt, können der Konzentrationsindex β und die Konzentration (Anteil) von Oxyhämoglobin in dem Bereich des Reflexionsvermögens von etwa 0,90 bis 0,94 mit einer linearen Beziehung angenähert werden; deshalb kann der Anteil an Oxyhämoglobin eindeutig erfasst werden, wenn der Konzentrationsindex β bestimmt ist. Es ist demnach verstanden worden, dass bei akademischer Betrachtung das Messmodell dem Beer-Lambert-Gesetz gehorcht, jedoch in einem äußerst kleinen Bereich die Approximation durch Berechnung des Transmissionsvermögens erhalten werden kann. Indem in diesem Ausführungsbeispiel ein solcher Zusammenhang zwischen dem Konzentrationsindex β und der Konzentration (Anteil) von Oxyhämoglobin genutzt wird, wird dem Konzentrationsindex β die durch Gerade nach 6 gegebene Beziehung zugeordnet, und das Komponentenverhältnis von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin des lebenden Gewebes T wird erfasst.
Wie oben beschrieben, wird in diesem Ausführungsbeispiel der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin für die Spektralbilddaten jedes Pixels erfasst und der Anteil an Oxyhämoglobin aus dem Konzentrationsindex β ermittelt. Die Folge dieser Berechnungen wird allein durch die vier Grundrechenarten bewirkt. Deshalb kann durch die Konfiguration gemäß Ausführungsbeispiel die Verarbeitungslast im Vergleich zu dem oben beschriebenen Absorptionsmodell beträchtlich verringert werden. Die Bildverarbeitungseinheit 500 gemäß Ausführungsbeispiel erzeugt auf Grundlage des Anteils an Oxyhämoglobin, der eindeutig aus dem Konzentrationsindex β (Indexwert) bestimmt wird, ein Indikatorbild.
Im Folgenden wird ein von der Bildverarbeitungseinheit 500 gemäß Ausführungsbeispiel durchgeführter Bilderzeugungsprozess erläutert. 7 ist ein Flussdiagramm, das den Bilderzeugungsprozess zeigt, den die Bildverarbeitungseinheit 500 in dem Ausführungsbeispiel durchführt. 8 zeigt schematisch ein Farbbild und ein Indikatorbild, die durch den Bilderzeugungsprozess nach 7 auf dem Bildanzeigegerät 300 angezeigt werden. 8A ist eine schematische Illustration eines Bildes, das man erhält, wenn man Blutgefäße des lebenden Gewebes T aus einer relativ weit entfernten Position betrachtet; 8B ist eine schematische Illustration eines Bildes, das man erhält, wenn ein Tumor (Kapillarblutgefäße) des lebenden Gewebes T aus einer vergleichsweise nahen Position betrachtet wird. Der Bilderzeugungsprozess ist eine Routine, nach der ein Farbbild und ein Indikatorbild erzeugt und diese Bilder auf dem Bildanzeigegerät 300 angezeigt werden. Diese Routine wird mit Einschalten des Diagnosesystems 1 ausgeführt.
Wird die Routine gestartet, so wird Schritt S1 ausgeführt. In Schritt S1 sendet die Bildverarbeitungseinheit 500 ein Steuersignal an die Filtersteuereinheit 420, um ein Spektralbild zu erfassen. Wird das Steuersignal empfangen, so steuert die Filtersteuereinheit 420 den Drehwinkel des Spektralfilters 410 zur sequentiellen Auswahl von schmalbandigem Licht (Bandbreite von etwa 5 nm) mit 400, 405, 410, ... 800 nm. Die Bildverarbeitungseinheit 500 nimmt das bei jeder Wellenlänge erhaltene Bild auf und speichert es als Spektralbilddaten in dem Zwischenspeicher 520. Dann fährt der Prozess mit Schritt S2 fort.
In Schritt S2 wird für jedes Pixel des in Schritt S1 erhaltenen Spektralbildes ein Spektrum erfasst und für das Spektrum jedes Pixels eine Standardisierung durchgeführt. Dabei werden die Intensitätswerte jedes Pixels in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich (z. B. 600 nm bis 800 nm) integriert, und es wird ein Verstärkungsfaktor so ermittelt, dass der integrierte Wert gleich einem vorbestimmten Referenzwert wird. Dann wird das gesamte Spektrum (d. h. die Intensitätswerte bei jeder Wellenlänge) mit dem Verstärkungsfaktor multipliziert, so dass Schwankungen des Spektrums jedes einzelnen Pixels korrigiert sind (d. h., die Spektralbilddaten jedes Pixels wegen standardisiert). Dann fährt der Prozess mit Schritt S3 fort.
In Schritt S3 werden Spektralbilddaten, die aus drei Spektralbildern mit den Mittenwellenlängen 435 nm, 545 nm und 700 nm gewonnen sind, aus den in Schritt S2 standardisierten Spektralbilddaten gewonnen, und es wird ein Farbbilddatensatz erzeugt, indem die Spektralbilddaten mit der Mittenwellenlänge 435 nm einer Blau-Ebene, die Spektralbilddaten mit der Mittenwellenlänge 545 nm eine Grün-Ebene und die Spektralbilddaten mit der Mittenwellenlänge 700 nm einer Rot-Ebene zugeordnet werden. Wie oben beschrieben, erhält man diese Farbbilddaten aus dem Spektralbild bei der Wellenlänge 435 nm, die der Farbe blau entspricht, aus dem Spektralbild bei der Wellenlänge 545 nm, die der Farbe grün entspricht, und aus dem Spektralbild bei der Wellenlänge 700 nm, die der Farbe rot entspricht; diese Farbbilddaten entsprechen einem Farbbild, das äquivalent zu einem normalen endoskopischen Bild ist. Dann sendet die Bildverarbeitungseinheit 500 die erzeugten Farbbilddaten an den Videospeicher 540, um sie auf der linken Seite des Bildschirms des Bildanzeigegerätes 300 (8A und 8B) anzuzeigen. Der Prozess fährt dann mit Schritt S4 fort.
In Schritt S4 wird bestimmt, ob eine Bedieneinheit (nicht gezeigt) des für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessors 200 betätigt und dadurch eine Auslöseeingabe auftritt, mit der die Erzeugung eines Indikatorbildes angewiesen wird, während die Schritte S1 bis S3 durchgeführt werden. Tritt keine Auslöseeingabe auf (S4: NEIN), so kehrt der Prozess zu S1 zurück, um das Spektralbild erneut zu erhalten. Wenn eine Auslöseeingabe nicht auftritt, wird somit das aus dem Spektralbild erhaltene Farbbild weiterhin in einer sequentiell aktualisierenden Weise auf dem Bildanzeigegerät 300 angezeigt. Ist dagegen während der Ausführung der Schritte S1 bis S3 eine Auslöseeingabe aufgetreten (S4: JA), so fährt der Prozess mit Schritt S5 fort.
In Schritt S5 wird auf Grundlage der in Schritt S2 standardisierten Spektralbilddaten eine Berechnung des Konzentrationsindex α von Oxyhämoglobin durchgeführt. Dabei werden für alle Pixel des Spektralbildes die Spektralbilddaten, die den charakteristischen Punkten P1 bis P3 entsprechen, d. h. die Spektralbilddaten bei der dem charakteristischen Punkt P1 entsprechenden Wellenlänge 540 nm (= 542 nm), die Spektralbilddaten bei der dem charakteristischen Punkt P2 entsprechenden Wellenlänge 560 nm (= 558 nm) und die Spektralbilddaten bei der dem charakteristischen Punkt P3 entsprechenden Wellenlänge 580 nm (= 578 nm) der Formel 6 zugeordnet, um den Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin zu erhalten. Dann fährt der Prozess mit Schritt S6 fort.
In Schritt S6 wird auf Grundlage des in Schritt S5 erhaltenen Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin das Indikatorbild erzeugt. Dabei wird die Konzentrationsindex von Oxyhämoglobin anhand des Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin jedes Pixels des Spektralbildes (d. h. anhand des Indexwertes) und anhand der Beziehung, die durch die in dem Graphen nach 6 gezeigte Gerade gegeben ist, ermittelt und eine bestimmte Farbe, die der ermittelten Konzentration entspricht, jedem Pixel zugeordnet, um das Indikatorbild zu erzeugen. In diesem Ausführungsbeispiel wird als Indikatorbild ein sogenanntes Farbabstufungsbild erzeugt, in dem sich die Farbe in Abhängigkeit der Konzentration an Oxyhämoglobin nacheinander in purpurrot, blau, grün, gelb und rot ändert. Dann sendet die Bildverarbeitungseinheit 500 die Daten des erzeugten Indikatorbildes an den Videospeicher 540, um das Indikatorbild auf der rechten Seite des Bildschirms des Bildanzeigegerätes 300 (8A und 8B) anzuzeigen. Indem auf dem Bildschirm des Bildanzeigegerätes 300 das Indikatorbild farbcodiert in Abhängigkeit der Konzentration und das Farbbild des endoskopischen Bildes in dieser Weise angeordnet werden, kann der Benutzer des Diagnosesystems 1 beurteilen, welcher Bereich in dem Farbbild einen erkrenkten Teil zeigt, indem er das Farbbild mit dem Oxyhämoglobin Indikatorbild vergleicht. Dann fährt der Prozess mit Schritt S7 fort.
In Schritt S7 zeigt die Bildverarbeitungseinheit 500 auf dem Bildanzeigegerät 300 eine Nachricht an, mit der angefragt wird, ob das Indikatorbild erneut erzeugt werden soll, und nimmt von der Bedieneinheit (nicht gezeigt) des für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessors eine Eingabe an. Betätigt der Benutzer des Diagnosesystems 1 die Bedieneinheit und wählt die nochmalige Erzeugung des Indikatorbildes (S7: JA), so fährt der Prozess mit Schritt S1 fort. Wird dagegen während einer vorbestimmten Zeit (z. B. einige Sekunden) kein Befehl zum erneuten Erzeugen eines Indikatorbildes eingegeben (S7: NEIN), so fährt der Prozess mit Schritt S8 fort.
In Schritt S8 zeigt die Bildverarbeitungseinheit 500 auf dem Bildanzeigegerät 300 eine Nachricht an, mit der angefragt wird, ob die Anzeige des Indikatorbildes beendet werden soll, und nimmt eine Eingabe von der Bedieneinheit (nicht gezeigt) des für ein elektronisches Endoskop vorgesehenen Prozessors 200 an. Betätigt der Benutzer des Diagnosesystems die Bedieneinheit und wählt die Beendigung des Indikatorbildes (S8: JA), so endet der Prozess. Wird dagegen kein Befehl zum Anzeigen des Indikatorbildes während einer vorbestimmten Zeit (z. B. einige Sekunden) eingegeben (S7: NEIN), so fährt der Prozess mit Schritt S7 fort.
Durch Ausführen der in dem Flussdiagramm nach 7 gezeigten Routine durch die Bildverarbeitungseinheit 500 wird, wie oben beschrieben, auf dem Bildanzeigegerät 300 das Indikatorbild angezeigt, das vorteilhafterweise zur Lokalisierung des erkrankten Teils genutzt werden kann. Indem auf diese Weise ein Bereich, der mit hoher Wahrscheinlichkeit ein erkrankter Teil ist, als Indikatorbild angezeigt wird, ist ein Arzt imstande, eine Diagnose zu erstellen, während er eine Position und einen Bereich eines erkrankten Teils identifiziert und einen Vergleich mit umliegendem Gewebe anstellt.
Indem in diesem Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, für die Spektralbilddaten jedes Pixels der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin ermittelt wird und dabei die Spektralbilddaten, die den charakteristischen Punkten P1 bis P3 (d. h. den Intensitätswerten bei den Wellenlängen 540 nm (= 542 nm), 560 nm (= 558 nm) und 580 nm (= 578 nm) entsprechen, der Formel 6 zugeordnet werden, wird ein Bereich (Pixel), der mit hoher Wahrscheinlichkeit ein erkrankter Teil ist, anhand der Konzentration an Oxyhämoglobin (d. h. anhand des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin) identifiziert, die über den Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin definiert ist. Allein durch die simple Ausführung der vier Grundrechenarten unter Verwendung dreier Spektralbilddaten jedes Pixels kann somit ein Bereich (Pixel) identifiziert werden, der mit hoher Wahrscheinlichkeit ein erkrankter Teil ist. Da der Prozess zum Durchführen und Anzeigen des Indikatorbildes mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, ist es möglich, das Indikatorbild ohne Zeitverzögerung bereitzustellen, während ein Farbbild in Echtzeit angezeigt wird.
Vorstehend wurde das Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und kann innerhalb der technischen Möglichkeiten der Erfindung variiert werden. Beispielsweise erhält man in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel den Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin durch Anwendung der Formel 6 auf die standardisierten Spektralbilddaten; die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. So kann man beispielsweise einen Konzentrationsindex γ von Oxyhämoglobin durch die folgende Formel 7 für die Spektralbilddaten jedes Pixels vor der Standardisierung erhalten. FORMEL 7
worin li einen Intensitätswert der Spektralbilddaten bei jeder Wellenlänge und „a” einen integrierten Wert spektraler Wellenformen jeweiliger Pixel darstellt. Da der integrierte Wert a der spektralen Wellenformen der jeweiligen Pixel als ein Parameter (Standardisierungskoeffizient) aufgefasst werden kann, der die auf jedes Pixel fallende Lichtmenge angibt, kann die Wirkung, die durch unterschiedliche Lichtmengen zwischen den Pixeln verursacht wird, korrigiert und die Standardisierung dadurch erzielt werden, dass der Konzentrationsindex γ von Oxyhämoglobin ermittelt wird. Indem die Spektralbilddaten P₁, P₂ und P₃ entsprechend den charakteristischen Punkten P1 bis P3 für die Spektralbilddaten die jedes Pixel vor der Standardisierung ermittelt werden, der integrierte Wert a aller Spektralbilddaten ermittelt wird und diese der Formel 7 zugeordnet werden, kann somit die Standardisierung mathematisch erzielt werden. Im Ergebnis wird es so möglich, einen dem Schritt S2 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechenden Prozess vorzusehen. Obgleich bei dieser Abwandlung die für alle Wellenlängen erhaltenen Spektralbilddaten integriert werden, um den Standardisierungskoeffizienten zu erhalten, können die Spektralbilddaten auch in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich (z. B. Wellenlänge von 600 nm bis 800 nm) als Standardisierungskoeffizient integriert werden, wie dies auch in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.
In dem Standardisierungsprozess gemäß Ausführungsbeispiel werden die Intensitätswerte in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich (z. B. Wellenlänge von 600 nm bis 800 nm) für das Spektrum jedes Pixels des Spektralbildes integriert, und die Größe des gesamten Spektrums (d. h. der Intensitätswert bei jeder Wellenlänge) so korrigiert, dass der integrierte Wert gleich dem vorbestimmten Referenzwert wird; jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann der Prozess so gestaltet sein, dass ein vorbestimmter Wellenlängenbereich aus dem Bereich von 600 nm bis 800 nm ausgewählt werden kann, die Intensitätswerte in dem ausgewählten Wellenlängenbereich integriert werden und die Größe des gesamten Spektrums so korrigiert wird, dass der integrierte Wert gleich dem vorbestimmten Referenzwert wird.
Es ist bekannt, dass sich an einem isosbestischen Punkt von Hämoglobin das Absorptionsvermögen von Oxyhämoglobin und das Absorptionsvermögen von Deoxyhämoglobin notwendigerweise schneiden. Deshalb kann die Größe des Spektrums so korrigiert werden, dass die Spektralbilddaten (Intensitätswert) bei der dem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entsprechenden Wellenlänge gleich einem vorbestimmten Referenzwert werden. Definiert man die Spektralbilddaten bei der Wellenlänge (528 nm), die dem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entspricht, als Q1, definiert man die Spektralbilddaten bei der Wellenlänge (585 nm), die dem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entspricht, als Q2, und definiert man die Spektralbilddaten bei der Wellenlänge (560 nm), die dem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entspricht, als Q3, so wird durch Ermitteln des Konzentrationsindex γ von Oxyhämoglobin nach der folgenden Formel 8 die Wirkung eines Lichtmengenunterschiedes, der zwischen den Pixeln auftritt, korrigiert und die Standardisierung erreicht. FORMEL 8
Da die Konzentration (Anteil) und der Konzentrationsindex γ von Oxyhämoglobin sowie die Konzentration (Anteil) und der Konzentrationsindex γ von Deoxyhämoglobin ebenfalls linear approximiert werden, kann der Anteil an Oxyhämoglobin eindeutig definiert werden, indem der Konzentrationsindex γ ermittelt wird. Wird der isosbestische Punkt genutzt, so kann die Gesamtmenge an Hämoglobin mit einer stabilen Genauigkeit gemessen werden, da Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin die gleiche Absorption aufweisen. Die Gesamtmenge an Hämoglobin ist durch eine Menge gegeben, die proportional zu dem Konzentrationsindex γ ist, der nach den folgenden Formeln 9 und 10 erhalten wird. FORMEL 9
FORMEL 10
Sofern das Spektrum des dem erkrankten Teil entsprechenden Pixels von dem Spektrum des dem gesunden Teil entsprechenden Pixels unterschieden werden kann, ist es nicht unbedingt erforderlich, die Spektralbilddaten in Intervallen von 5 nm zu erfassen. Das Wellenlängenintervall, mit dem die Spektralbilddaten erfasst werden, kann beispielsweise in dem Bereich von 1 nm bis 10 nm gewählt werden. Indem das Spektralbild mit kleineren Wellenlängenintervallen erfasst wird, können die den charakteristischen Punkten P1 bis P3 entsprechenden Spektralbilddaten präziser ermittelt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Bildverarbeitungseinheit 500 so ausgebildet, dass sie das Indikatorbild erzeugt, indem sie vorbestimmte Farben, die den jeweiligen Konzentrationen von Oxyhämoglobin entsprechen, den Pixeln des Spektralbildes zuordnet; jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Ausbildung beschränkt. Beispielsweise kann das Indikatorbild in einer von der Konzentration an Oxyhämoglobin abhängigen Grauskaladarstellungen angezeigt werden.
In dem Bilderzeugungsprozess gemäß Ausführungsbeispiel wird der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin jedes Pixels des Spektralbildes ermittelt, und die Konzentration an Oxyhämoglobin wird anhand der Beziehung, die durch die in dem Graphen nach 6 gezeigte Gerade gegeben ist, ermittelt und das Indikatorbild wird erzeugt, indem eine vorbestimmte Farbe, die der Konzentration entspricht, jedem Pixel zugeordnet wird (Schritt S6); jedoch ist die Erfindung auf eine solche Ausgestaltung nicht beschränkt. Wie oben beschrieben, stehen die Konzentration (Anteil) an Oxyhämoglobin und der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin in einer linearen Beziehung zueinander. Deshalb kann das Indikatorbild erzeugt werden, indem jedem Pixel die vorbestimmte Farbe, die dem Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin jedes Pixels des Spektralbildes entspricht, zugeordnet wird, ohne die Konzentration an Oxyhämoglobin anhand der Beziehung, die durch die in dem Graphen nach 6 gezeigte Gerade gegeben ist, zu ermitteln.
In dem Bilderzeugungsprozess gemäß Ausführungsbeispiel werden die Intensitätswerte bei den Wellenlängen 540 nm (etwa 542 nm), 560 m (etwa 558 nm) und 580 nm (etwa 578 nm) als die den charakteristischen Punkten P1 bis P3 entsprechenden Spektralbilddaten verwendet, und der Konzentrationsindex β von Oxyhämoglobin wird ermittelt, indem die Intensitätswerte der Gleichung 6 zugeordnet werden (Schritt S5); jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Ausgestaltung beschränkt. Wie oben beschrieben, nutzt die Erfindung die Hoch/Tief-Beziehung (Unterschied in der Höhe) des Transmissionsvermögens (Reflexionsvermögens) zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin, wobei das Reflexionsvermögen von Oxyhämoglobin kleiner wird als das Reflexionsvermögen von Deoxyhämoglobin bei den Wellenlängen von etwa 542 nm und etwa 578 nm und größer wird als das Reflexionsvermögen von Deoxyhämoglobin bei der Wellenlänge von etwa 558 nm. Deshalb dient jeder der Konzentrationsindizes β und γ von Oxyhämoglobin als ein Indexwert, der das Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin in dem Bereich angibt, in dem die vertikale Beziehung in dem Transmissionsvermögen (Reflexionsvermögen) zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin beibehalten wird. Im Ergebnis kann so, wie in 5 gezeigt, der Intensitätswert bei einer bestimmten Wellenlänge in dem Bereich von 530 nm bis 545 nm als Spektralbilddaten für den charakteristischen Punkt P1, der Intensitätswert bei einer bestimmten Wellenlänge in dem Bereich von 550 nm bis 568 nm als Spektralbilddaten für den charakteristischen Punkt P2 und der Intensitätswert bei einer bestimmten Wellenlänge in dem Bereich von 570 nm bis 584 nm als Spektralbilddaten für den charakteristischen Punkt P3 genutzt werden.

Claims

Diagnosesystem, umfassend: ein Spektralbild-Bildaufnahmemittel, das in einer Körperkavität ein Spektralbild in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und Spektralbilddaten erfasst; ein Bildverarbeitungsmittel, das aus den Spektralbilddaten einen Indexwert zum Unterscheiden zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermittelt und auf Grundlage des Indexwertes ein Indikatorbild erzeugt und ausgibt; einen Monitor, auf dem das Indikatorbild angezeigt wird, wobei für jedes Pixel des spektralen Bildes das Bildverarbeitungsmittel eine nach der folgenden Formel erhaltene Größe β als Indexwert definiert, β = 2P₂ – P₁ – P₃ (FORMEL 1) wobei die Spektralbilddaten P₁ bei einer ersten Wellenlänge, die im Bereich einer Wellenlänge von 542 nm liegt, die Spektralbilddaten P₂ bei einer zweiten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 558 nm liegt, und die Spektralbilddaten P₃ bei einer dritten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 578 nm liegt, genutzt werden.
Diagnosesystem nach Anspruch 1, bei dem das Bildverarbeitungsmittel aus dem Indexwert ein Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin ermittelt und auf Grundlage dieses Verhältnisses das Indikatorbild erzeugt.
Diagnosesystem nach Anspruch 2, bei dem das Bildverarbeitungsmittel das Indikatorbild erzeugt, indem es jedem Pixel des Spektralbildes eine vorbestimmte Farbe auf Grundlage des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin zuordnet.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem: das Bildverarbeitungsmittel ein Farbbild ausgibt, indem es Spektralbilddaten in Wellenlängenbändern entsprechend blau, grün und rot miteinander kombiniert; und das Farbbild und das Indikatorbild nebeneinander liegend auf dem Monitor angezeigt werden.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend ein Standardisierungsmittel, das die Spektralbilddaten in einen vorbestimmten Wellenlängenbereich integriert, um einen integrierten Wert zu erhalten, und die Spektralbilddaten so korrigiert, dass der integrierte Wert mit einem Referenzwert übereinstimmt.
Diagnosesystem nach Anspruch 5, bei dem der vorbestimmte Wellenlängenbereich aus einem Bereich von 600 nm bis 800 nm ausgewählt ist.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend ein Standardisierungsmittel, das die Spektralbilddaten so korrigiert, dass die Spektralbilddaten bei einer Wellenlänge, die einem isosbestischen Punkt von Hämoglobin entspricht, mit einem Referenzwert übereinstimmt.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem: der vorbestimmte Wellenlängenbereich 400 nm bis 800 nm ist; und das Spektralbild mehrere Bilder umfasst, die in einem Intervall einer vorbestimmten Wellenlänge, das in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm liegt, aufgenommen sind.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem: die erste Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 530 nm bis 545 nm ist; die zweite Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 550 nm bis 568 nm ist; und die dritte Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 570 nm bis 584 nm ist.
Diagnosesystem, umfassend: ein Spektralbildaufnahmemittel, das in einer Körperkavität ein Spektralbild in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und Spektralbilddaten erfasst; ein Bildverarbeitungsmittel, das aus den Spektralbilddaten einen Indexwert zur Unterscheidung zwischen einem erkrankten Teil und einem gesunden Teil ermittelt und auf Grundlage des Indexwertes ein Indikatorbild erzeugt und ausgibt; und einen Monitor, auf dem das Indikatorbild angezeigt wird, wobei das Bildverarbeitungsmittel für jedes Pixel des Spektralbildes nach der folgenden Formel eine Größe γ als Indexwert ermittelt, (FORMEL 2)
worin die Spektralbilddaten P₁ bei einer ersten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 542 nm liegt, die Spektralbilddaten P₂ bei einer zweiten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 558 nm liegt, die Spektralbilddaten P₃ bei einer dritten Wellenlänge, die in einem Bereich einer Wellenlänge von 578 nm liegt, und einen Standardisierungskoeffizienten a, der die auf jedes Pixel fallende Lichtmenge angibt, genutzt werden.
Diagnosesystem nach Anspruch 10, bei dem der Standardisierungskoeffizient a ein integrierter Wert der Spektralbilddaten bei jeweiligen Wellenlängen in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich ist.
Diagnosesystem nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Bildverarbeitungsmittel aus dem Indexwert ein Verhältnis zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin ermittelt und auf Grundlage dieses Verhältnisses das Indikatorbild erzeugt.
Diagnosesystem nach Anspruch 12, bei dem das Bildverarbeitungsmittel das Indikatorbild erzeugt, indem es jedem Pixel des Spektralbildes eine vorbestimmte Farbe auf Grundlage des Verhältnisses zwischen Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin zuordnet.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem: das Bildverarbeitungsmittel ein Farbbild ausgibt, indem es die Spektralbilddaten in Wellenlängenbändern entsprechend blau, grün und rot miteinander kombiniert; und das Farbbild und das Indikatorbild auf den Monitor nebeneinander angezeigt werden.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem: der vorbestimmte Wellenlängenbereich 400 nm bis 800 nm ist; das Spektralbild mehrere Bilder enthält, die in einem Intervall einer vorbestimmten Wellenlänge aufgenommen sind, das in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm definiert ist.
Diagnosesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem: die erste Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 530 nm bis 545 ist; die zweite Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 550 nm bis 568 nm ist; und die dritte Wellenlänge eine bestimmte Wellenlänge in einem Bereich von 570 nm bis 584 nm ist.