JP4964232B2 - 人間または動物の身体組織のインピーダンス測定のための方法およびプローブ - Google Patents

Description

本発明は、人間または動物の身体組織のインピーダンスを測定できるプローブに関する。より具体的には、本発明は、二つの異なる組織型の間の境界上に置かれたときを判定できるプローブおよび対応する方法に関する。

医学診断用途で組織インピーダンスの測定を使うことが提案されてきた。組織インピーダンスを測定するのに好適なプローブの例は、WO-A-01/67098で議論されており、図１に描かれている。このプローブは、該プローブの端面４と揃っており、半径1.65mmの円上で均等に離間されて取り付けられた４つの直径1mmの金電極２を有している。

図２は、前記プローブが、該プローブが測定すべき組織と接触させられたときに伝達インピーダンス（transfer impedance）を計算するために使われる方法を描いている。ピーク・トゥ・ピークで10μAの交流I₁が２つの隣り合う電極６、８の間に流され、残り２つの電極１０、１２の間で結果として生じるポテンシャルV₁の実部が測定される。インピーダンス測定のために使われる電流経路は図２では、電極６から電極１０へ、そして電極１２、電極８へと走る破線１４で描かれている。

測定されたポテンシャルと前記電流の振幅との比が伝達インピーダンスを決める。測定は、4.8kHzから614kHzまでの間で段階的に周波数を倍にしていくことで、８つの周波数で行われる。測定は、上限1.5MHzまでの周波数範囲で行ってもよい。

そうして測定された伝達インピーダンスは、細胞の型および組織を作るその配列によって値が変わるので、癌のスクリーニング試験での使用のために解析されることができる。伝達インピーダンスは早産のスクリーニング試験における使用のために使うこともできる。

しかしながら、前記方法は、プローブが組織境界上に位置されるときは不正確な結果を与えることがある。前記プローブを子宮頸癌のスクリーニング試験に使うとき、二つの主要な正常な組織型は、正常な扁平上皮と円柱上皮である。これら二つの組織は、そのインピーダンス・スペクトルにおいてよく分離される。しかしながら、プローブが、これら二つの組織型の間の境界上で子宮管近くに置かれると、結果として得られる測定されたインピーダンスは、前癌状態の組織のように見えることがある。（前癌状態の組織のインピーダンス・スペクトルは、正常な扁平上皮と円柱上皮の中間にある。）したがって、プローブの位置を誤ると、偽陽性の結果につながりうる。

偽陽性の結果の発生を減らすことが望ましい。したがって、本発明は、プローブが組織境界上に置かれているかどうかを判定できる方法およびプローブを提供する。よって、偽陽性の結果の起こりやすさを減らすためにプローブの位置を微調整するよう操作者に注意することができる。

本発明の第一の側面によれば、第三および第四の電極がそれぞれ、第一および第二の電極両方から実質的に等距離のところに位置しているように配置された、少なくとも第一、第二、第三および第四の電極を有する、人間または動物の身体組織のインピーダンスを測定するためのプローブが、異なる組織型の間の境界上に置かれているかどうかを判定する方法であって：
第一および第二の電極の間に電流を駆動し；
第三および第四の電極の間の電気的パラメータの第一の値を測定し；
前記第一の値に基づいて、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれているかどうかを判定することを有する方法が提供される。

前記電気的パラメータは、第三および第四の電極間の電位差、第一および第二の電極と第三および第四の電極との間の伝達インピーダンスまたは第三および第四の電極間を流れる電流でありうる。第三および第四の電極はそれぞれ、第一および第二の電極から実質的に等距離である。したがって、プローブが実質的に均一な組織上に置かれているとすると、第三の電極を通る電流経路は、第四の電極を通る電流経路と同じになり、系は均斉で（balanced）、第一の値がこのことを示すことになる。

系が均斉なので、前記第一の値は小さい、あるいは0に近いことが期待できる。したがって、ある実施形態では、プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれているかどうかを判定するステップにおいて、前記第一の値が実質的に0に等しくなければ、プローブは異なる組織型の間の境界上に位置されていると判定される。

本方法は、電極のいくつかの異なる配置と使うことができるが、第一、第二、第三および第四の電極が正方形の四隅にきて、第一および第二の電極が互いに対角線上で向かい合うように配置されることが好ましい。この配置は、同じ四つの電極のセットで、組織インピーダンスを測定し、また、当該装置が組織境界上に位置されているかどうかを判定するために使うことができるので有利である。

また、前記第一の値を組織のインピーダンス測定の際に得られたパラメータの値と比較することが、組織境界を識別するのに有効であることも見出された。こうして、ある好ましい実施形態では、プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれているかどうかを判定する段階は：
前記第一の値をある所定の値と比較することを含んでおり、該所定の値は第一および第三の電極の間に電流が駆動され、第二および第四の電極の間で前記電気的パラメータが測定されたときに得られると期待される値であり、前記第一の値が前記所定の値の半分より大きければ前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。より好ましくは、前記第一の値が前記所定の値の20%より大きい値であれば、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。さらに一層好ましくは、前記第一の値が前記所定の値の10%より大きい値であれば、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。

前記所定の値は、ある特定の組織型を想定することに基づいて与えられてもよいし、あらゆるありそうな組織型の平均であってもよい。

ある代替的な実施形態では、本方法はさらに：
第一および第三の電極の間に電流を駆動し；
第二および第四の電極の間の前記電気的パラメータの第二の値を測定することを含み；
前記プローブが境界上に置かれているかどうかを判定する前記段階が、前記第一の値と前記第二の値を比較することを含み、前記第一の値が前記第二の値の半分より大きければ、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。より好ましくは、前記第一の値が前記第二の値の20%より大きければ、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。さらに一層好ましくは、前記第一の値が前記第二の値の10%より大きければ、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。

本方法は、プローブが組織上に置かれているかどうかの判定において、該プローブによって測定される実際のパラメータを使用できるという利点を有する。

起こりそうもないことではあるが、上記の本方法では、第一の電極から第二の電極までの間、あるいは第三の電極から第四の電極までの間を通る組織境界は、系が相変わらず均斉なので、検出できないことがありうる。系はまた、境界が第一および第二の電極の間に引かれた線に平行であるか、第三および第四の電極の間に引かれた線に平行である場合にも均斉になる。この問題を避けるため、本方法はさらに、プローブをわずかに、好ましくは45°未満の角度だけ回転させ、前記電気的パラメータの前記第一の値の測定を繰り返すことを含んでもよい。45°未満の回転が好ましいのは、正方形の電極配列の回転対称性のためである。

ある代替的な実施形態では、プローブは、４つより多い電極を具備して、電極のうちの二つを通る組織境界を、プローブの回転を必要とすることなく検出できるようにしてもよい。

本発明の第二の側面によれば、人間または動物の身体組織のインピーダンスを測定するためのプローブであって、
第三および第四の電極がそれぞれ、第一および第二の電極両方から実質的に等距離のところに位置しているように配置された少なくとも第一、第二、第三および第四の電極と、
第一および第二の電極の間に電流を駆動する電流源と；
第三および第四の電極の間の電気的パラメータの第一の値を測定する測定回路と；
前記電流源を制御するコントローラと；
前記第一の値に基づいて、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれているかどうかを判定するプロセッサを有するプローブが提供される。

前記コントローラおよびプロセッサは、いくつかの方法で、たとえば特定用途向け集積回路（ASIC）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはプログラム可能な論理アレイとして、実装されうる。前記測定回路は電圧計または２点間の電位差を測定することのできる他のいかなる回路であっても、あるいは２点間を流れる電流を測定する電流計であってもよい。ある実施形態では、前記電流源、測定回路、コントローラおよびプロセッサは、単一の集積回路に統合されてもよい。

ある実施形態では、前記プロセッサは、前記第一の値が実質的に0に等しくない場合に、前記プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定する。

好ましくは、第一、第二、第三および第四の電極は正方形の四隅にきて、第一および第二の電極が互いに対角線上で向かい合うように配置される。そうすれば、同じ電極が、インピーダンス測定のため、および当該プローブが組織境界上に置かれていることを検出するために使われることができる。

ある好ましい実施形態では、前記プロセッサはまた、前記第一の値をある所定の値と比較するためでもあり、該所定の値は第一および第三の電極の間に電流が駆動され、第二および第四の電極の間で前記電気的パラメータが測定されたときに得られると期待される値であり、前記第一の値が前記所定の値の半分より大きければ当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。より好ましくは、前記第一の値が前記所定の値の20%より大きい値であれば、前記プロセッサは、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定する。さらに一層好ましくは、前記第一の値が前記所定の値の10%より大きい値であれば、前記プロセッサは、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定する。

もう一つの好ましい実施形態では、前記電流源は第一および第三の電極の間に電流を駆動するためでもあり；
前記測定回路が、第二および第四の電極の間の前記電気的パラメータの第二の値を測定するためでもあり；
前記プロセッサが、当該プローブが境界上に置かれているかどうかを判定するのが、前記第一の値を前記第二の値と比較することによってであり、前記第一の電気的パラメータ値が前記第二の値の半分より大きければ、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。より好ましくは、前記第一の値が前記第二の値の20%より大きければ、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。さらに一層好ましくは、前記第一の値が前記第二の値の10%より大きければ、当該プローブが異なる組織型の間の境界上に置かれていると判定される。

本発明の第三の側面によれば、コンピュータ・システム上で実行されたときに、該コンピュータ・システムに、本発明の前記第一の側面の方法を実行するよう命令するコード手段を有するコンピュータ・プログラムが提供される。これは、プローブが組織境界上に位置していることを検出する前記方法が、後付けのアップグレードとして提供されることを可能にする。コンピュータ・システムの用語は、プローブに接続された外部コンピュータ・システムと、プローブ内に位置してプローブを動作させる命令を実行する内部コントローラまたはマイクロプロセッサの両方を包含するのに使われている。

本発明の第四の側面によれば、上記の第三の側面に基づくコンピュータ・プログラムを担持するコンピュータ可読媒体を有するコンピュータ・プログラム・プロダクトが提供される。

本発明の実施形態について、これからあくまでも例として、付属の図面を参照しつつ述べる。

図３に描かれている第一の実施形態では、WO-A-01/67098に記載されるように、プローブに、正方形の四隅に配置された四つの電極１６、１８、２０、２２が設けられている。プローブはコントローラおよびプロセッサ（図示せず）を含んでいる。該コントローラおよびプロセッサはこの実施形態ではいずれもマイクロプロセッサによって実装されるが、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ASIC）またはプログラム可能な論理アレイであってもよい。コントローラは、前記の電極が駆動される仕方を制御する。

二つの動作モードがある。第一のモードでは、プローブは、WO-A-01/67098に記載されるのと同じ仕方で電極を駆動することによって組織インピーダンスを測定する。すなわち、電流源（図示せず）から供給された交流電流が二つの隣り合う電極の間で駆動され、結果として生じる電位差が残りの二つの電極の間で測定回路（図示せず）によって測定される。すると、交流電流の振幅と結果として生じる電位差との比を、組織インピーダンスを計算するのに使うことができる。交流電流の振幅は1μAないし1mAの範囲であってもよい。測定は1kHzから上限500kHzないし3MHzまでの範囲のいくつかの値において行われる。

第二の動作モードでは、プローブが組織境界上に置かれていることを検出できるよう、電極が駆動される。コントローラは、組織インピーダンスを測定するときのような隣り合う電極間ではなく、対角線上で向かい合う電極１６、２２の間に電流を駆動するよう電流源を制御する。残りの二つの電極１８、２０の間で測定回路によってポテンシャルが測定される。第一の動作モードと同じ電流および周波数が使用される。

この駆動構成は、図３で破線で描かれた二つの有効電流経路を生じる。電流経路２４は電極１６から電極１８を介して電極２２に向かう。第二の電流経路２６は電極１６から電極２０を介して電極２２に向かう。電極１８と電極２０の間の電位差を測定することによって、プローブ電極は今やブリッジ回路と同様な仕方で機能する。プローブが置かれた組織が均一であれば、経路２４の有効インピーダンスは経路２６の有効インピーダンスと同じである。配置の幾何は、電極１８および２０がそれぞれ、電極１６および電極２２の両方から等距離に位置されるようなものである。したがって、理論的に理想的な状況では、均一な組織について電極１８と電極２０の間で測定される電位差は、系が均斉なので実質的に0に等しくなる。

図４は、プローブが組織境界２８の上に置かれている状況を描いている。この実施例では、プローブは子宮頸癌スクリーニング試験のために使われ、したがって二つの主要な組織型は正常な扁平上皮と円柱上皮である。これら二つの組織は、そのインピーダンス・スペクトルにおいてよく分離される。したがって、電極１６および２２の間に電流が駆動されると、電極１８を通る経路におけるインピーダンスは、電力２０を取る経路におけるインピーダンスと同じではない。結果として、0でない電位差が電極１８および２０の間に測定されることになる。これは、プローブが組織境界上に置かれていることを指示する。

プロセッサは、測定された電位差から、プローブが組織境界上に置かれているかどうかを判定する。プローブが組織境界上に位置していると判定される場合、視覚的または聴覚的な警告が操作者にプローブをどかすよう注意するために伝達されてもよい。この警告は、プローブ自身から、たとえば持ち手内のライトまたはブザーから発されてもよいし、接続されているコンピュータ・システムから発されてもよい。

この実施形態の正方形状の配置は、同じ電極が、組織インピーダンス測定のためと、プローブが組織境界上に位置していないことの検査のための両方に使えるという追加的な恩恵を有する。プローブが組織境界上に位置している場合、いかなるインピーダンス測定も信頼できるものではなく、したがって、組織インピーダンスを測定するために電極を駆動するのに先立ち、組織境界の検査のために電極を駆動することが好ましい。

癌のスクリーニング試験において遭遇しそうな組織型のインピーダンスの間の差は低周波数で最も大きくなることが見出されている。したがって、組織境界の検出は、電流を、組織インピーダンス測定のために使われる周波数よりも概して低めの周波数で駆動することによって改善できる。

プローブの下を対角線的に通り、電極１６および２２または電極１８および２０に一致するような組織境界は、検出されないことがありうる。結果として得られる系は相変わらず均斉だからである。同様に、組織境界が電極１６および２２の間の線に平行または電極１８および２０の間の線に平行である場合にも、系は均斉になる。このために検出できないことを避けるため、オペレーターは、プローブが境界検出を繰り返す前に、プローブをその中心軸のまわりにわずかに回転させてもよい。正方形状の電極配置の回転対称性のため、45°未満の回転角が好ましい。

本発明の第二の実施形態では、後述の点を除いて第一の実施形態と同じであるが、組織境界を検出するために電極を動作させるときに得られる電位差の測定値が、組織境界の存在を判定するために別の値と比較される。

本発明者らは、プローブが組織境界上に位置されていれば、電極１６および２２の間で電流が駆動されたとき（第二の動作モード）に電極１８および２０の間で測定される電位差が、電極１６および１８の間で電流が駆動されて電極２０および２２の間で電位差が測定されたとき（第一の動作モード）に得られる電位差と同様であることを見出した。したがって、この実施形態では、組織境界を検出するために、比較方法が使用される。これは、より正確な結果を与えることができる。電位差0を生じる完全に均斉な系という理論的に理想的な状況は実際上はめったに起こりえないからである。

第二の動作モードにおいて電極１６および２２の間で測定される電位差は、第一の動作モードにおいてインピーダンス測定のためにプローブが使われるときに得られる電位差のありそうな値を代表する所定の値と比較されてもよい。あるいはまた、まずプローブがインピーダンス測定のために使用され、組織境界検出が、第一のモードにおける動作から得られた結果との比較を行ってもよい。

組織境界が存在しなければ、第二のモードで測定される電位差の値は第一のモードより小さくなる。プロセッサは、第二のモードで測定される電位差が、前記所定の値または第一のモードで測定された値の50%より大きければ、組織境界が存在すると判定する。組織境界にもっと敏感な代替的な実施形態では、第二のモードで測定される電位差が、前記所定の値または第一のモードで測定された値の20%より大きければ、あるいは代替的に10%より大きければ、組織境界が存在すると判定する。

ある代替的な実施形態では、電極は正方形以外の配置をされてもよい。第三および第四の電極がそれぞれ、第一および第二の電極両方から実質的に等距離のところに位置しているように配置された、電位差を測定するために第三および第四の電極間に電流を駆動するための第一および第二の電極がありさえすればよい。そのような配置の一例は、電極が凧形（一つの対角線について対称な四角形）の四隅に置かれているものである。

代替的な実施形態では、４つより多い電極を設けてもよい。そうした実施形態では、その間に電流が駆動できる二つの電極および電流が駆動される前記二つの電極両方から等距離だけ隔たっている、ポテンシャル測定のための二つの電極がなければならない。４つより多い電極での使用のために好適な配置の一例は正六角形である。

上記の実施形態のすべては、電極１８および２０と電極１６および２２との間の伝達インピーダンスを計算するために測定されたポテンシャルを使用するよう適応されることができる。これは、電極１８および２０の間の測定された電位差と、電極１６および２２の間の電流の振幅との比から計算できる。同様に、上記の実施形態は、電極１８および２０の間を流れる電流を測定するよう適応させることができる。これらの場合、系が均斉なので、測定される前記パラメータの値は、理想的な理論的状況では0または0に近くなる。値を比較する本方法はやはり、電位差について記載されたのと同じ仕方で機能する。

組織のインピーダンスを測定するためのプローブを描いた図である。 図１に描かれたプローブを組織のインピーダンスを測定するために使う方法を描いた図である。 図１に描かれたプローブが組織境界をまたいで置かれていることを検出するための、本発明に基づく方法を描いた図である。 組織境界上に置かれたプローブを描いた図である。

Claims (12)

1. 第三および第四の電極がそれぞれ、第一および第二の電極両方から実質的に等距離のところに位置しているように配置された、少なくとも第一、第二、第三および第四の電極を有する、人間または動物の身体組織のインピーダンスを測定するためのプローブが、実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定する方法であって：
   前記プローブが有する電流源によって、第一および第二の電極の間に電流を駆動し；
   前記プローブが有する測定回路によって、第三および第四の電極の間のある電気的パラメータの第一の値を測定し；
   前記プローブが有するプロセッサによって、前記第一の値に基づいて、前記プローブが実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定することを有する方法。
2. 前記第一、第二、第三および第四の電極が正方形の四隅にきて、第一および第二の電極が互いに対角線上で向かい合うように配置されるプローブについて使用するための、請求項１記載の方法。
3. 前記プローブが実質的に均一な領域上に置かれているかどうかを判定する前記段階が：
   前記プローブが有する前記プロセッサによって、前記第一の値をある所定の値と比較することを含んでおり、該所定の値は第一および第三の電極の間に電流が駆動され、第二および第四の電極の間で前記電気的パラメータが測定されたときに得られると期待される値であり、前記第一の値が前記所定の値の半分より大きい場合に前記プローブが実質的に均一な組織上に置かれていないと判定される、請求項２記載の方法。
4. 前記プローブが有する前記電流源によって、第一および第三の電極の間に電流を駆動し；
   前記プローブが有する前記測定回路によって、第二および第四の電極の間の前記電気的パラメータの第二の値を測定することを含み；
   前記プローブが実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定する前記段階が、前記プローブが有する前記プロセッサによって前記第一の値と前記第二の値を比較することを含み、前記第一の値が前記第二の値の半分より大きい場合に、前記プローブが実質的に均一な組織上に置かれていないと判定される、請求項２記載の方法。
5. 実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定する前記段階において、前記第一の値が実質的に0に等しい場合に、前記プローブが実質的に均一な組織上に置かれていると判定される、請求項１または２に記載の方法。
6. 人間または動物の身体組織のインピーダンスを測定するためのプローブであって：
   第三および第四の電極がそれぞれ、第一および第二の電極両方から実質的に等距離のところに位置しているように配置された少なくとも第一、第二、第三および第四の電極と；
   第一および第二の電極の間に電流を駆動する電流源と；
   第三および第四の電極の間の電気的パラメータの第一の値を測定する測定回路と；
   前記電流源を制御するコントローラと；
   前記第一の値に基づいて、当該プローブが実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定するプロセッサとを有するプローブ。
7. 前記第一、第二、第三および第四の電極が正方形の四隅にきて、第一および第二の電極が互いに対角線上で向かい合うように配置される、請求項６記載のプローブ。
8. 前記プロセッサはまた、前記第一の値をある所定の値と比較するためでもあり、該所定の値は第一および第三の電極の間に電流が駆動され、第二および第四の電極の間で前記電気的パラメータが測定されたときに得られると期待される値であり、前記第一の値が前記所定の値の半分より大きい場合に当該プローブが実質的に均一な組織上に置かれていないと判定される、請求項７記載のプローブ。
9. 前記電流源は第一および第三の電極の間に電流を駆動するためでもあり；
   前記測定回路が、第二および第四の電極の間の前記電気的パラメータの第二の値を測定するためでもあり；
   前記プロセッサが、当該プローブが実質的に均一な組織上に置かれているかどうかを判定するのが、前記第一の値を前記第二の値と比較することによってであり、前記第一の電気的パラメータ値が前記第二の値の半分より大きい場合に、当該プローブが実質的に均一な組織上に置かれていないと判定される、請求項７記載のプローブ。
10. 前記プロセッサが、前記第一の値が実質的に0に等しくない場合に、当該プローブが実質的に均一な組織上に置かれていると判定する、請求項６または７記載のプローブ。
11. コンピュータ・システム上で実行されたときに、該コンピュータ・システムに、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の方法を実行するよう命令するコード手段を有するコンピュータ・プログラム。
12. 請求項１１記載のコンピュータ・プログラムを担持するコンピュータ可読媒体。

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