JP2020141917A - 医療用画像処理装置及び医療用観察システム - Google Patents
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Abstract
Description
光線力学診断では、例えば5-アミノレブリン酸(以下、5-ALAと記載)等の光感受性物質が用いられる。当該5-ALAは、元来、動植物の生体内に含まれる天然アミノ酸である。この5-ALAは、体内投与後に細胞内に取り込まれ、ミトコンドリア内でプロトポルフィリンに生合成される。そして、癌細胞では、当該プロトポルフィリンが過剰に集積する。また、当該癌細胞に過剰集積するプロトポルフィリンは、光活性を有する。このため、当該プロトポルフィリンは、励起光(例えば375nm〜445nmの波長帯域の青色可視光)で励起すると、蛍光(例えば600nm〜740nmの波長帯域の赤色蛍光)を発光する。このように、光感受性物質を用いて癌細胞を蛍光発光させる癌診断法を光線力学診断という。
そして、特許文献1に記載の光線力学診断装置は、励起光によって励起された光感受性物質からの蛍光を撮像して蛍光撮像画像を生成する蛍光撮像装置と、当該蛍光撮像装置の光路前段に設けられ、当該蛍光撮像装置に向かう励起光をカットする光学フィルタとを備える。
〔医療用観察システムの概略構成〕
図1は、実施の形態1に係る医療用観察システム1の構成を示す図である。
医療用観察システム1は、医療分野において用いられ、被写体となる生体内(観察対象)を撮像(観察)するシステムである。この医療用観察システム1は、図1に示すように、挿入部2と、光源装置3と、ライトガイド4と、カメラヘッド5と、第1伝送ケーブル6と、表示装置7と、第2伝送ケーブル8と、制御装置9と、第3伝送ケーブル10とを備える。
なお、実施の形態1では、光源装置3は、制御装置9とは別体で構成されているが、これに限らず、当該制御装置9内部に設けられた構成を採用しても構わない。
なお、カメラヘッド5の詳細な構成については、後述する。
なお、第1伝送ケーブル6を介したカメラヘッド5から制御装置9への画像信号等の伝送は、当該画像信号等を光信号で伝送してもよく、あるいは、電気信号で伝送しても構わない。第1伝送ケーブル6を介した制御装置9からカメラヘッド5への制御信号、同期信号、クロックの伝送も同様である。
第2伝送ケーブル8は、一端が表示装置7に着脱自在に接続され、他端が制御装置9に着脱自在に接続される。そして、第2伝送ケーブル8は、制御装置9にて処理された画像を表示装置7に伝送する。
なお、制御装置9の詳細な構成については、後述する。
第3伝送ケーブル10は、一端が光源装置3に着脱自在に接続され、他端が制御装置9に着脱自在に接続される。そして、第3伝送ケーブル10は、制御装置9からの制御信号を光源装置3に伝送する。
次に、カメラヘッド5の構成について説明する。
図2は、カメラヘッド5及び制御装置9の構成を示すブロック図である。
なお、図2では、説明の便宜上、制御装置9及びカメラヘッド5と第1伝送ケーブル6との間のコネクタCN1,CN2、制御装置9及び表示装置7と第2伝送ケーブル8との間のコネクタ、制御装置9及び光源装置3と第3伝送ケーブル10との間のコネクタの図示を省略している。
カメラヘッド5は、図2に示すように、レンズユニット51と、撮像部52と、通信部53とを備える。
撮像部52は、制御装置9による制御の下、生体内を撮像する。この撮像部52は、図2に示すように、撮像素子521と、カラーフィルタ522と、信号処理部523とを備える。
撮像素子521は、レンズユニット51が結像した光を受光して電気信号(アナログ信号)に変換するCCD(Charge Coupled Device)またはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等で構成されている。以下では、説明の便宜上、撮像素子521により被写体像(励起光及び蛍光)を撮像することで生成された撮像画像をPDD画像と記載する。
信号処理部523は、撮像素子521にて生成されたPDD画像(アナログ信号)に対して信号処理を行ってPDD画像(RAW信号(デジタル信号))を出力する。
カラーフィルタ522は、撮像素子521の撮像面(受光面)に設けられ、透過させる光(R(赤),G(緑),B(青))の波長帯域に応じてグループ分けされた3つのフィルタ群が特定の形式(例えば、ベイヤ配列)で配列されたカラーフィルタである。
具体的に、カラーフィルタ522は、図3に示すように、Rの波長帯域の光を主に透過させるRフィルタ群522rと、Bの波長帯域の光を主に透過させるBフィルタ群522bと、Gの波長帯域の光を主に透過させる第1Gフィルタ群(Rフィルタ群522rと同一の列に配列)と、Gの波長帯域の光を主に透過させる第2Gフィルタ群(Bフィルタ群522bと同一の列に配列)とを有する。なお、図3では、第1,第2Gフィルタ群を纏めてGフィルタ群522gとしている。また、図3では、Rフィルタ群522rには「R」の文字を付し、Gフィルタ群522gには「G」の文字を付し、Bフィルタ群522bには「B」の文字を付している。
Rフィルタ群522rは、図4に示すように、蛍光を含むRの波長帯域の光を主に透過させるが、励起光も一部透過させる。すなわち、撮像部52にて生成されたPDD画像において、Rフィルタ群522rに対応する画素の画素データ(本開示に係る第1の成分情報に相当、以下、r値と記載)は、蛍光成分と励起光成分とが混ざり合ったものとなる。また、Gフィルタ群522gは、Gの波長帯域の光を主に透過させるが、蛍光及び励起光も一部透過させる。すなわち、PDD画像において、Gフィルタ群522gに対応する画素の画素データ(本開示に係る第1の成分情報に相当、以下、g値と記載)は、蛍光成分と励起光成分とが混ざり合ったものとなる。さらに、Bフィルタ群522bは、励起光を含むBの波長帯域の光を主に透過させるが、蛍光も一部透過させる。すなわち、PDD画像において、Bフィルタ群522bに対応する画素の画素データ(本開示に係る第1の成分情報に相当、以下、b値と記載)は、蛍光成分と励起光成分とが混ざり合ったものとなる。
撮像部52にて生成されたPDD画像FFにおいて、領域ArFの周囲にある背景(PDD画像FFにおいて白で表現した領域)は、主に励起光の成分によって構成される。実施の形態1では、撮像部52は、撮像素子521に向かう励起光をカットする光学フィルタが設けられていない。すなわち、観察対象で反射された多くの光量の励起光が撮像素子521に入射することとなる。このため、上述した背景は、領域ArFよりも明るくなり、当該領域ArFが視認し難いものとなる。
そこで、実施の形態1では、後述する制御装置9が実行する画像処理によって、r値、g値、及びb値において互いに混ざり合った蛍光成分と励起光成分とを分離し、領域ArFと上述した背景との明るさのバランスを所望のバランスとするものである。
次に、制御装置9の構成について図2を参照しながら説明する。
制御装置9は、図2に示すように、通信部91と、画像処理部92と、制御部93と、入力部94と、出力部95と、記憶部96とを備える。
通信部91は、本開示に係る撮像画像取得部に相当する。この通信部91は、第1伝送ケーブル6を介して、カメラヘッド5(通信部53)から出力されるPDD画像(RAW信号(デジタル信号))を受信するレシーバとして機能する。この通信部91は、例えば、通信部53との間で、1Gbps以上の伝送レートでPDD画像の通信を行う高速シリアルインターフェースで構成されている。
デモザイク処理部922は、WB処理後のPDD画像に対して、1画素毎に補間によりr値、g値、及びb値の画素値(R(r値),G(g値),B(b値))を持たせるデモザイク処理を行う。
具体的に、色補正マトリクス処理部923は、以下の式(1)により、1画素毎の画素値(R,G,B)を画素値(Rm,Gm,Bm)に補正する。なお、式(1)において、Mcolは、色補正マトリクスである。式(1)は、色補正マトリクスMcolとして、3*8のマトリクスを採用した場合を示したものである。当該色補正マトリクスの算出方法については後述する。また、Minputは、色補正マトリクスMcolに乗算される入力マトリクスである。式(1)では、入力マトリクスMinputは、画素値(R,G,B)を行列要素としてそれぞれ含む他、「R*G」、「G*B」、「R*B」、及び「R*G*B」を行列要素としてそれぞれ含む。
すなわち、入力マトリクスMinputは、3つの第1の成分情報(画素値(R,G,B))のうち少なくとも2つの第1の成分情報を組み合わせた第2の成分情報(「R*B」、「G*B」、「R*B」、「R*G*B」)を行列要素として含む。
YC変換部925は、ガンマ処理後のPDD画像(RGB信号)を輝度信号及び色差信号(Y,CB/CR信号)に変換するYC変換を行う。そして、画像処理部92は、第2伝送ケーブル8を介して、YC変換後のPDD画像を表示装置7に出力する。これにより、表示装置7は、当該PDD画像を表示する。
入力部94は、マウス、キーボード、及びタッチパネル等の操作デバイスを用いて構成され、医師等のユーザによるユーザ操作を受け付ける。そして、入力部94は、当該ユーザ操作に応じた操作信号を制御部93に出力する。
出力部95は、スピーカやプリンタ等を用いて構成され、各種情報を出力する。
記憶部96は、制御部93が実行するプログラムや、制御部93の処理に必要な情報等を記憶する。
次に、上述した色補正マトリクスMcolの算出方法について説明する。
図6は、色補正マトリクスMcolの算出方法を示すフローチャートである。図7は、図6に示した色補正マトリクスの算出方法で用いられるカラーパッチ100を示す図である。
先ず、作業者は、光源装置3にて生成された励起光をカラーパッチ100(図7)に照射した状態で、撮像部52にて当該カラーパッチ100を撮像させる(ステップS1)。
ここで、カラーパッチ100は、例えばマクベスカラーチャート等で構成され、互いに異なる色見本(以下、パッチと記載)が配列されたものである。なお、図7では、説明の便宜上、パッチに対して1〜nの文字を付している。
具体的に、作業者は、3*8の色補正マトリクスMcolを算出する場合には、式(1)の入力マトリクスMinputを選択する。また、作業者は、3*7の色補正マトリクスMcolを算出する場合には、式(2)の入力マトリクスMinputを選択する。さらに、作業者は、3*6の色補正マトリクスMcolを算出する場合には、式(3)の3つの入力マトリクスMinputのいずれかを選択する。また、作業者は、3*5の色補正マトリクスMcolを算出する場合には、式(4)の3つの入力マトリクスMinputのいずれかを選択する。
ステップS6の後、作業者は、ステップS6で算出した1〜nのパッチ毎の入力マトリクスMinput、及び1〜nのパッチ毎のターゲット値(Rtarget,Gtarget,Btarget)を以下の式(5)に入力する(ステップS7)。すなわち、ステップS7により、色補正マトリクスMcolを変数とする式(5)が1〜nのパッチ毎に生成される。
実施の形態1に係る制御装置9は、3つの第1の成分情報(画素値(R,G,B))のうち少なくとも2つの第1の成分情報を組み合わせて第2の成分情報(「R*B」、「G*B」、「R*B」、「R*G*B」)を生成し、当該第2の成分情報に基づいて3つの第1の成分情報を補正する色補正処理を実行する。より具体的に、制御装置9は、3つの第1の成分情報と第2の成分情報とを行列要素としてそれぞれ含む入力マトリクスMinputを色補正マトリクスMcolに乗算することによって、3つの第1の成分情報を補正する色補正処理を実行する。
このため、r値、g値、及びb値において互いに混ざり合った蛍光成分と励起光成分とを色補正処理によって分離し、PDD画像FFの領域ArF(蛍光成分)と背景(励起光成分)との明るさのバランスを所望のバランスとすることができる。
したがって、医療用観察システム1の構成として、撮像素子521を1つのみ有する単板型の構成とすることができるとともに、従来の励起光をカットする光学フィルタを用いる必要がないため、構造の簡素化を図ることができる。また、制御装置9は、PDD画像FFの領域ArFと背景との明るさのバランスを所望のバランスとすることができるため、観察に適した画像を生成することができる。
次に、実施の形態2について説明する。
以下の説明では、上述した実施の形態1と同様の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
上述した実施の形態1では、硬性内視鏡(挿入部2)を用いた医療用観察システム1に本開示を適用していた。
これに対して、実施の形態2では、挿入部の先端側に撮像部を有する所謂ビデオスコープを用いた医療用観察システムに本開示を適用している。
実施の形態2に係る医療用観察システム1Aは、図8に示すように、生体内に挿入部2Aを挿入することによって観察部位の体内画像を撮像して画像信号を出力する内視鏡11と、内視鏡11の先端から出射する照明光を発生する光源装置3と、内視鏡11から出力された画像信号を処理する制御装置9と、制御装置9に第2伝送ケーブル8を介して接続し、制御装置9にて処理されたPDD画像を表示する表示装置7とを備える。
挿入部2Aは、図8に示すように、先端部22と、先端部22の基端側に接続され、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部23と、湾曲部23の基端側に接続され、可撓性を有する長尺状の可撓管部24とを備える。
そして、先端部22内部には、具体的な図示は省略したが、上述した実施の形態1で説明した撮像部52と略同様の構成が内蔵されている。また、操作部111内部には、具体的な図示は省略したが、上述した実施の形態1で説明した通信部53と略同様の構成が内蔵されている。そして、先端部22(撮像部)にて撮像されたPDD画像は、操作部111及びユニバーサルコード112を介して、制御装置9に出力される。
次に、実施の形態3について説明する。
以下の説明では、上述した実施の形態1と同様の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
上述した実施の形態1では、硬性内視鏡(挿入部2)を用いた医療用観察システム1に本開示を適用していた。
これに対して、実施の形態3では、被検体内部(生体内)や被検体表面(生体表面)の所定の視野領域を拡大して撮像する手術用顕微鏡を用いた医療用観察システムに本開示を適用している。
実施の形態3に係る医療用観察システム1Bは、図9に示すように、被検体を撮像してPDD画像を出力する手術用顕微鏡12と、手術用顕微鏡12から出力されたPDD画像を処理する制御装置9と、制御装置9に第2伝送ケーブル8を介して接続し、制御装置9にて処理されたPDD画像を表示する表示装置7とを備える。
そして、制御装置9は、図9に示すように、ベース部123に設置されている。また、具体的な図示は省略したが、ベース部123には、手術用顕微鏡12から被写体に照射する励起光を生成する光源装置3も設置されている。
なお、ベース部123は、床面上に移動可能に設けるのではなく、天井や壁面等に固定して支持部122を支持する構成としてもよい。
ここまで、本開示を実施するための形態を説明してきたが、本開示は上述した実施の形態1〜3によってのみ限定されるべきものではない。
上述した実施の形態1〜3では、光線力学診断を行うための医療用観察システム1(1A,1B)に本開示に係る医療用画像処理装置を搭載していたが、これに限らない。すなわち、励起光や蛍光の波長帯域が上述した実施の形態1〜3で説明した波長帯域とは異なる波長帯域であって、当該光線力学診断とは異なる観察手法を行うための医療用観察システムに本開示に係る医療用画像処理装置を搭載しても構わない。
上述した実施の形態1〜3において、カメラヘッド5の一部の構成や制御装置9の一部の構成を例えばコネクタCN1やコネクタCN2に設けても構わない。
2,2A 挿入部
3 光源装置
4 ライトガイド
5 カメラヘッド
6 第1伝送ケーブル
7 表示装置
8 第2伝送ケーブル
9 制御装置
10 第3伝送ケーブル
11 内視鏡
12 手術用顕微鏡
21 接眼部
22 先端部
23 湾曲部
24 可撓管部
51 レンズユニット
52 撮像部
53 通信部
91 通信部
92 画像処理部
93 制御部
94 入力部
95 出力部
96 記憶部
100 カラーパッチ
111 操作部
112 ユニバーサルコード
121 顕微鏡部
122 支持部
123 ベース部
521 撮像素子
522 カラーフィルタ
522b Bフィルタ群
522g Gフィルタ群
522r Rフィルタ群
523 信号処理部
921 WB処理部
922 デモザイク処理部
923 色補正マトリクス処理部
924 ガンマ処理部
925 YC変換部
ArF 領域
CB,CG,CR 曲線
CN1,CN2 コネクタ
FF PDD画像
SPE,SPF スペクトル
Claims (7)
- 観察対象に励起光が照射され、前記観察対象を介した前記励起光と前記励起光によって励起された前記観察対象からの蛍光とが撮像素子にて撮像された撮像画像を取得する撮像画像取得部と、
前記撮像画像に対して画像処理を実行する画像処理部とを備え、
前記撮像素子の受光面には、
互いに異なる分光特性を有する複数のフィルタ群が特定の形式で配列されたカラーフィルタが設けられ、
前記撮像画像は、
前記複数のフィルタ群の分光特性にそれぞれ応じた複数の色の第1の成分情報を含み、
前記画像処理部は、
前記複数の色の第1の成分情報のうち少なくとも2つの第1の成分情報を組み合わせて第2の成分情報を生成し、前記第2の成分情報に基づいて前記複数の色の第1の成分情報を補正する色補正処理を実行する医療用画像処理装置。 - 前記画像処理部は、
前記第2の成分情報を行列要素として含む入力マトリクスを色補正マトリクスに乗算することによって、前記複数の色の第1の成分情報を補正する前記色補正処理を実行する請求項1に記載の医療用画像処理装置。 - 前記入力マトリクスは、
前記複数の色の第1の成分情報をそれぞれ行列要素として含む請求項2に記載の医療用画像処理装置。 - 前記第2の成分情報は、
前記複数の色の第1の成分情報のうち少なくとも2つの第1の成分情報を乗算した成分情報である請求項1〜3のいずれか一つに記載の医療用画像処理装置。 - 前記複数のフィルタ群は、
赤、緑、及び青の波長帯域に応じてグループ分けされた3つのフィルタ群であり、
前記撮像画像は、
前記3つのフィルタ群の分光特性にそれぞれ応じた赤、緑、及び青の前記第1の成分情報を含む請求項1〜4のいずれか一つに記載の医療用画像処理装置。 - 前記励起光は、
プロトポルフィリンを励起する光である請求項1〜5のいずれか一つに記載の医療用画像処理装置。 - 励起光を出射可能とする光源装置と、
観察対象に前記励起光が照射され、前記観察対象を介した前記励起光と前記励起光によって励起された前記観察対象からの蛍光とを撮像することで撮像画像を生成する撮像素子、及び前記撮像素子の受光面に設けられ、互いに異なる分光特性を有する複数のフィルタ群が特定の形式で配列されたカラーフィルタを有する撮像装置と、
前記撮像画像を処理する請求項1〜6のいずれか一つに記載の医療用画像処理装置とを備える医療用観察システム。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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