JP2009297141A - 光源装置およびこれを用いた内視鏡装置ならびに画像処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の波長を中心波長とする第1のレーザ光を出射する第1光源33と、第1のレーザ光を伝送する光ファイバー21と、光ファイバー21の光出射側に配置され、第1のレーザ光により励起発光する第1波長変換材と、を有し、第1のレーザ光と第1波長変換部材からの励起発光光とを混合して白色光を得る光源装置であって、第1の波長より短波長の第2の波長を中心波長とする第2のレーザ光を出射する第2光源35と、第2のレーザ光を光ファイバーの光入射側の光路に導入する光カップリング手段39と、光ファイバー21の光出射側より光路前方に設けられ、第2のレーザ光により第2の波長より長い特定の可視波長帯域の光を励起発光する第2波長変換材と、を備えた。
【選択図】図2
Description
その他にも、上記のレーザ光に加えて他種のレーザ光を加えることで、発光強度の低下した波長領域を補填することもできる。例えば、特許文献1には励起光として青色レーザ光と、この青色レーザ光とは異なる励起波長のレーザ光を加える例が記載されている。
内視鏡でのいわゆる分光診断と呼ばれる手法に於いては、特定の波長帯域の光を用いて、例えば粘膜層あるいは粘膜下層に発生する新生血管を観察し、癌の有無等を診断している。観察に用いる照明光は、波長が短いほど散乱特性が強くなり、短波長では比較的浅い層の情報、長波長では比較的深い層からの情報が得られるようになる。このため、光の深達度を表層に限定して表面微細構造を観察する場合には、照明光を狭帯域化することがコントラストを向上させる上で重要となる。例えば、狭帯域フィルタを用いて取り出した狭い波長帯域の光で照明する内視鏡が、特許文献2に記載されている。
さらに、このような緑レーザで照明する場合に、そのコヒーレンシーの高さから、スペックル(干渉)により撮影画像にノイズが重畳したり、動画でちらつきが発生しやすくなる。
また、白色光照明光学系と特定の波長帯域の照明光学系とを、別々の光路として設け、蛍光体の制約を解消することも考えられるが、特に内視鏡においては、光路となるライトガイドが嵩張り、また、挿入部先端に新たに照射窓を設ける必要も生じ、挿入部を細径化することが困難となる。
そして、特許文献1の光源は、上記特許文献2や非特許文献1のように可視波長域の光を照射するものであり、演色性を向上させるために発光波長幅を広くしている。そのため、特に内視鏡にとって有用となる、青色や緑色の狭帯域の撮像信号の取得については、それに適した蛍光体の組み合わせ、時系列的な励起光源の切り替え、信号算出方法等に課題が多く残されている。つまり、励起光の切り替えによる発光波長帯域を明確に分離し、かつ選択的に発光させることが依然として難しい構成となっている。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、レーザ光と蛍光体の励起発光光とを含んで形成される白色光と、特定の狭い可視波長帯域の光とを、コンパクト化を図りつつ簡単な構成で選択的に照射することができる光源装置およびこれを用いた内視鏡装置ならびに画像処理方法を提供することを目的とする。
(1) 第1の波長を中心波長とする第1のレーザ光を出射する第1光源と、前記第1のレーザ光を光入射側に入射して伝送する光ファイバーと、該光ファイバーの光出射側に配置され、前記第1のレーザ光により励起発光する少なくとも1種の蛍光材料を含む第1波長変換材と、を有し、前記第1のレーザ光と前記第1波長変換材からの励起発光光とを混合して白色光を得る光源装置であって、
前記第1の波長より短波長の第2の波長を中心波長とする第2のレーザ光を出射する第2光源と、
前記第2のレーザ光を前記光ファイバーの光入射側の光路に導入する光カップリング手段と、
前記光ファイバーの光出射側より光路前方に設けられ、前記第2のレーザ光により前記第2の波長より長い特定の可視波長帯域の光を励起発光する第2波長変換材と、
を備えたことを特徴とする光源装置。
前記第2波長変換材が、前記第1のレーザ光によって励起発光することを特徴とする光源装置。
前記第1波長変換材と前記第2波長変換材の各蛍光物質を分散配置して一体に形成、あるいは前記第1波長変換材と前記第2波長変換材とを積層して一体に形成した波長変換部材を備えたことを特徴とする光源装置。
前記第2波長変換材が、緑色光を励起発光するダウンコンバージョン材料を含むことを特徴とする光源装置。
前記第2波長変換材が、青色光を励起発光するダウンコンバージョン材料を含むことを特徴とする光源装置。
前記光源装置の光ファイバーの光出射部を内視鏡挿入部の先端側に配置して被検体を照明する照明光学系、および被検体からの光を受光して撮像信号を出力する撮像素子を含む撮像光学系を有する内視鏡と、
前記第1光源と前記第2光源からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
前記第1光源による前記白色光の照明光下において撮像した撮像信号を保存する第1のメモリと、
前記第2光源による前記特定の可視波長帯域の光を含む照明光下において撮像した撮像信号を保存する第2のメモリと、
前記第1のメモリと前記第2のメモリに保存された各撮像信号をそれぞれ異なる表示領域に表示する撮像画像表示手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
前記制御手段が、前記白色光の照明と、前記特定の可視波長帯域の光を含む照明とを前記撮像素子の撮像フレーム毎に交互に切り換えることを特徴とする内視鏡装置。
前記撮像素子が特定検出色成分を検出するためのカラーフィルタを備えており、
前記波長変換部材が励起発光する前記特定の可視波長帯域の発光スペクトル曲線のピークの半値幅が、前記カラーフィルタの前記特定検出色を検出する波長帯域のスペクトル感度曲線のピークの半値幅より狭い波長幅にされたことを特徴とする内視鏡装置。
前記第1光源により被検体を照明したときの観察画像を第1フレーム画像、前記第2光源により被検体を照明したときの観察画像を第2フレーム画像として、前記第1フレーム画像と前記第2フレーム画像とを繰り返し撮像し、
前記第1フレーム画像の特定の検出色画面の輝度情報と、前記第2フレーム画像の特定の検出画面の輝度情報とを演算処理して、前記光源装置からの特定の波長成分の光による観察画像を解析的に求めることを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。
前記特定の波長成分の光による観察画像が、波長帯域幅の狭い出射光による観察画像を少なくとも含むことを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。
前記特定の波長成分の光による観察画像が、波長帯域幅の広い出射光による観察画像を少なくとも含むことを特徴とする内視鏡の画像処理方法。
前記特定の波長成分の光による観察画像を、それぞれ特定の色調に変換して疑似カラー画像を生成することを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。
また、この光源装置を用いた内視鏡装置によれば、照明光学系が簡素化されることで内視鏡挿入部の細径化が図られる。また、照射する光を、白色光と特定の可視波長帯域の光とを選択的に出射制御することを可能としたため、内視鏡による分光診断等を容易に行うことができる。
また、内視鏡の画像処理方法によれば、直接的に検出できない特定の波長成分の光による観察画像を、時間軸前後のフレーム画像を用いることで解析的に求めることができる。
図1に本実施形態の内視鏡装置の概念的な構成図を示した。
本実施形態の内視鏡装置100は、主に、内視鏡10、光源装置20、画像処理装置30、モニタ40を備えて構成される。
内視鏡10は、本体操作部11と、この本体操作部11に連設され、被検体(体腔)内に挿入される挿入部13とを備える。挿入部13の先端部には撮像光学系である固体撮像素子15と撮像レンズ17が配置され、また、撮像光学系の近傍には照明光学系である照明用光学部材19とこれに接続される光ファイバー21が配置されている。光ファイバー21は詳細を後述する光源装置20に接続され、固体撮像素子15からの撮像信号は画像処理装置30に入力される。
光ファイバー21は、光源装置20の後述する光源部31からの出射光を、挿入部13の先端まで導光する。光源装置20は、光源部31,光ファイバー21,照明用光学部材19を含んで構成される。
図2は図1に示す内視鏡装置に用いられる光源装置の光学系の構成図である。
本実施形態の光源装置20は、中心波長445nmの青色レーザ光源(第1光源)33と、中心波長375nmの近紫外レーザ光源(第2光源)35と、青色レーザ光源33および近紫外レーザ光源35からのレーザ光をそれぞれ平行光化するコリメータレンズ37,37と、2本のレーザ光を偏光合波する光カップリング手段である偏光ビームスプリッタ39と、偏光ビームスプリッタ39で同一光軸上に合波されたレーザ光を集光する集光レンズ41と、光ファイバー21とを有する。そして、制御部29は、青色レーザ光源33と近紫外レーザ光源35からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段として機能する。
波長変換部材45を構成する第1波長変換材は、青色レーザ光源33からのレーザ光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光体(例えばYAG系蛍光体、あるいはBAM(BaMgAl10O37)等を含む蛍光体等)を含んで構成される。これにより、青色レーザ光源33からのレーザ光と、このレーザ光から変換された緑色〜黄色の励起光とが合波されて、白色光が生成される。
波長変換部材45は、第1波長変換材と第2波長変換材が有する各蛍光体をランダムに分散配置して一体に形成したものである。なお、各蛍光体をランダムに分散させる以外にも、例えば、第1波長変換材と第2波長変換材とをそれぞれ微小ブロック化し、これら微少ブロック同士を接合した構成にしたり、それぞれを層状に重ねた積層構造とする等、蛍光体材料に応じて適宜な変更が可能である。
なお、波長変換部材45の変換光出射側に、不要な近紫外光の出射を抑制するための近紫外光の選択反射膜を設けると、近紫外光が波長変換部材45に再入射されて、緑発光、狭青色光をより強めることができる。また、近紫外光の代わりに紫色レーザを用いる場合は、同様に紫色光の選択反射膜を設ければよい。
図1に示すように、内視鏡装置100においては、内視鏡10の挿入部13を体腔内に挿入して、挿入部13先端から照明光を照明用光学部材19を通して照射させ、その反射光を、撮像レンズ17を通して固体撮像素子15で撮像する。撮像して得た撮像信号は、撮像信号処理部27によって適宜な画像処理を施してモニタ40に出力する。あるいは記録媒体に保存する。
図6は、撮像光学系により撮像して時系列的に得た複数のフレーム画像(a)と、これらフレーム画像を並べ替えて表示する様子(b)を概念的に示す説明図である。ここでは、白色光による照明光下の観察像と、特定の可視波長帯域(緑色、青色)の光による照明光下の観察像とを、それぞれ別々にモニタ40に表示する制御を行う。
制御部29は、図6(a)に示すように、光源部31からの出射光を制御して、第1フレーム目では、中心波長445nmの青色レーザ光を出射させて白色光を被検体に照射する。撮像素子15は、白色光で照明された被検体を撮像し、その撮像信号を第1のメモリ51に保存する。
例えば、青色レーザ光源33からのレーザ光を狭帯域の照明光を擬似的に単独で照射した場合の観察画像を得ることができる。その場合には、撮像光学系により撮像して時系列的に得た複数のフレーム画像に対して、撮像タイミングの異なるフレーム画像に跨った画像演算処理を行う。
つまり、それぞれ異なる特定の波長帯域光を検出した検出色画面(青、緑、赤の3原色の画面)を複数画面有して構成されるフレーム画像を、複数回にわたって撮像する一方、各フレーム画像の撮像タイミングに同期して複数種の光源からの光をそれぞれ異なる条件で照射する。第1光源により被検体を照明したときの観察画像を第1フレーム画像、第2光源により被検体を照明したときの観察画像を第2フレーム画像としたとき、第1フレーム画像と第2フレーム画像とを繰り返し撮像し、第1フレーム画像の特定の検出色画面の輝度情報と、第2フレーム画像の特定の検出画面の輝度情報とを演算処理して、光源装置からの特定の波長成分の光による観察画像を解析的に求める。
さらに、これらの組み合わせ以外にも、任意に設定できることは言うまでもない。例えば、中心波長445nmの青色レーザ光で照明(白色照明)した観察画像を第1フレーム、中心波長405nmの緑色レーザ光により緑色の狭波長帯域で照明した観察画像を第2フレーム、中心波長375nmの近紫外レーザ光による青色の広波長帯域の励起発光光で照明した観察画像を第3フレームで取り込み、各フレームで相互に演算処理することも可能である。
CCDやCMOS等の撮像素子は、カラーフィルタを備えており、例えばR(赤)、G(緑)、B(青)の各原色(他にも補色としてシアン、マゼンタ、イエロー等の組み合わせもある)を特定検出色としてフルカラー画像情報を生成している。各検出色の光強度検出は、ある波長幅の有感度波長帯内の光強度を検出するが、実際には各検出色の波長が近接しており、有感度波長帯の一部が相互にオーバーラップしている。しかし、オーバーラップする領域が多いと混色が生じるため、通常、このオーバーラップする領域を狭めることがなされている。
なお、本光源装置およびこれを用いた内視鏡装置は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形や改良等が可能である。例えば、白色光と特定の狭い可視波長帯域の光とを、内視鏡10の本体操作部11に設けたスイッチ等により、簡単な手元操作により切り換え自在とすることで、使い勝手を向上することができる。
11 本体操作部
13 挿入部
15 固体撮像素子
19 照明用光学部材
20 光源装置
21 光ファイバー
27 撮像信号処理部
29 制御部
30 画像処理装置
31 光源部
33 青色レーザ光源
35 近紫外レーザ光源
39 偏光ビームスプリッタ
45 波長変換部材
51 第1のメモリ
53 第2のメモリ
55,57 表示領域
100 内視鏡装置
Claims (13)
- 第1の波長を中心波長とする第1のレーザ光を出射する第1光源と、前記第1のレーザ光を光入射側に入射して伝送する光ファイバーと、該光ファイバーの光出射側に配置され、前記第1のレーザ光により励起発光する少なくとも1種の蛍光材料を含む第1波長変換材と、を有し、前記第1のレーザ光と前記第1波長変換材からの励起発光光とを混合して白色光を得る光源装置であって、
前記第1の波長より短波長の第2の波長を中心波長とする第2のレーザ光を出射する第2光源と、
前記第2のレーザ光を前記光ファイバーの光入射側の光路に導入する光カップリング手段と、
前記光ファイバーの光出射側より光路前方に設けられ、前記第2のレーザ光により前記第2の波長より長い特定の可視波長帯域の光を励起発光する第2波長変換材と、
を備えたことを特徴とする光源装置。 - 請求項1記載の光源装置であって、
前記第2波長変換材が、前記第1のレーザ光によって励起発光することを特徴とする光源装置。 - 請求項1または請求項2記載の光源装置であって、
前記第1波長変換材と前記第2波長変換材の各蛍光物質を分散配置して一体に形成、あるいは前記第1波長変換材と前記第2波長変換材とを積層して一体に形成した波長変換部材を備えたことを特徴とする光源装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項記載の光源装置であって、
前記第2波長変換材が、緑色光を励起発光するダウンコンバージョン材料を含むことを特徴とする光源装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項記載の光源装置であって、
前記第2波長変換材が、青色光を励起発光するダウンコンバージョン材料を含むことを特徴とする光源装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項記載の光源装置と、
前記光源装置の光ファイバーの光出射部を内視鏡挿入部の先端側に配置して被検体を照明する照明光学系、および被検体からの光を受光して撮像信号を出力する撮像素子を含む撮像光学系を有する内視鏡と、
前記第1光源と前記第2光源からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項6記載の内視鏡装置であって、
前記第1光源による前記白色光の照明光下において撮像した撮像信号を保存する第1のメモリと、
前記第2光源による前記特定の可視波長帯域の光を含む照明光下において撮像した撮像信号を保存する第2のメモリと、
前記第1のメモリと前記第2のメモリに保存された各撮像信号をそれぞれ異なる表示領域に表示する撮像画像表示手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項7記載の内視鏡装置であって、
前記制御手段が、前記白色光の照明と、前記特定の可視波長帯域の光を含む照明とを前記撮像素子の撮像フレーム毎に交互に切り換えることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項6〜請求項8のいずれか1項記載の内視鏡装置であって、
前記撮像素子が特定検出色成分を検出するためのカラーフィルタを備えており、
前記波長変換部材が励起発光する前記特定の可視波長帯域の発光スペクトル曲線のピークの半値幅が、前記カラーフィルタの前記特定検出色を検出する波長帯域のスペクトル感度曲線のピークの半値幅より狭い波長幅にされたことを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項6〜請求項9のいずれか1項記載の内視鏡装置を用い、それぞれ異なる特定の波長帯域光を検出した検出色画面を複数画面有して構成されるフレーム画像を、複数回にわたって撮像する一方、各フレーム画像の撮像タイミングに同期して複数種の光源からの光をそれぞれ異なる条件で照射する内視鏡装置の画像処理方法であって、
前記第1光源により被検体を照明したときの観察画像を第1フレーム画像、前記第2光源により被検体を照明したときの観察画像を第2フレーム画像として、前記第1フレーム画像と前記第2フレーム画像とを繰り返し撮像し、
前記第1フレーム画像の特定の検出色画面の輝度情報と、前記第2フレーム画像の特定の検出画面の輝度情報とを演算処理して、前記光源装置からの特定の波長成分の光による観察画像を解析的に求めることを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。 - 請求項10記載の内視鏡装置の画像処理方法であって、
前記特定の波長成分の光による観察画像が、波長帯域幅の狭い出射光による観察画像を少なくとも含むことを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。 - 請求項10または請求項11記載の内視鏡装置の画像処理方法であって、
前記特定の波長成分の光による観察画像が、波長帯域幅の広い出射光による観察画像を少なくとも含むことを特徴とする内視鏡の画像処理方法。 - 請求項10〜請求項12のいずれか1項記載の内視鏡装置の画像処理方法であって、
前記特定の波長成分の光による観察画像を、それぞれ特定の色調に変換して疑似カラー画像を生成することを特徴とする内視鏡装置の画像処理方法。
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