JP4554944B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡装置に関し、特に、波長帯域幅の異なる２つの光源を用いた内視鏡装置に関する。

体腔内の観察や検査を行う内視鏡装置において、波長の短い光は生体組織表面から浅い領域にまで到達して反射し、波長の長い光は生体組織表面から深い領域にまで到達して反射する特性を使って、波長の異なる光を観察面に照射することのできる光源装置が提案されている。

特許文献１は、キセノンランプなどの放電ランプによる白色光を、フィルタを使って波長の異なるＲ、Ｇ、Ｂの三色に分けて照射させ、フィルタの透過度合いを調整することによって生体組織表面から所望する深度の情報を得る装置を開示する。
特開２００２−９５６３５号公報

しかし、この装置において光源となるキセノンランプなどの放電ランプによる白色光は、波長帯域が広く一定の波長分布の広がりを有している。そのため、フィルタを用いたとしても波長帯域を狭めることは困難で、所望の深度以外の領域の画像情報も得られてしまい鮮明な画像を得るまでに至らなかった。

図１に、一般的なＣＣＤにおけるフィルタの分光特性と、後述する青色レーザー光の波長帯域をグラフで示す。４００〜７００ｎｍ程度の幅広い波長帯域を有する白色光では、フィルタによってＢを中心とした分光、Ｇを中心とした分光、Ｒを中心とした分光を行うことは可能であるが、フィルタによる分光では、一定の幅以下に波長帯域を抑えることは困難であることが分かる。

また、白色光は、幅広い波長帯域を有するが比較的波長の長い５００ｎｍ以上の波長帯域の成分が多く、比較的波長の短い５００ｎｍ以下の波長帯域の成分が少ない。そのため通常観察画像を得ることには問題が生じないが、生体組織表面から浅い領域の画像を鮮明に得るために、フィルタによって波長の短い光だけを分光して照射すると照明光量不足が生じていた。

したがって本発明の目的は、通常観察画像に加えて生体組織表面から浅い領域における鮮明な画像を取得する装置を提供することである。

本発明に係る内視鏡装置は、波長帯域の広い光を照射する第１光源部と、波長が短く且つ波長帯域が狭い光を照射する第２光源部と、第１、第２光源部を切り替えて観察面に照射する光源切り替え部と、第１、第２光源部の各光の照射時に撮像により得られた第１、第２画像信号のうち先に照射して得られた画像信号を一時記録する第１画像メモリ部と、第１、第２画像信号を合成する映像信号合成部とを備える内視鏡装置。これにより、白色光照射により得られる生体組織表面から深い領域の画像に加えて、励起光照射により得られる生体組織表面から浅い領域の画像を合成して、観察面の鮮明な画像を取得することが可能になる。

好ましくは、第１、第２画像信号のうち後に照射して得られた画像信号を一時記録する第２画像メモリ部をさらに備える。

また、好ましくは、第１光源部は、放電ランプによる白色光源を有する。

また、好ましくは、第２光源部は、レーザーによる青色光源を有する。これにより、特定の波長で狭い波長領域を有する光を励起光として照射することが可能となる。

また、好ましくは、第２光源部が発する光の波長帯域は、４００ｎｍから４２０ｎｍである。

また、好ましくは、第２画像信号は、第２光源部の照射時に得られた画像信号のうち高周波成分だけを取り出して得られる。これにより、励起光照射により得られた画像のうち輪郭部分を強調させた第２画像信号を第１画像信号と合成させることができ、生体組織表面から浅い領域の画像をより鮮明に得ることが可能になる。

さらに好ましくは、第２画像信号を構成する画素信号のそれぞれは、第２光源部の照射時に撮像により得られた画像信号を構成する画素信号のそれぞれにおいて隣接画素との輝度情報の差分値である。これにより、励起光照射により得られた画像の輪郭部分の情報を簡易に得ることが可能になる。

以上のように本発明によれば、通常観察画像に加えて生体組織表面から浅い領域における鮮明な画像を取得する装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図２〜７を参照して説明する。図２は、内視鏡装置の構成図を示す。本実施形態に係る内視鏡装置は、電子スコープ１０と、カラープロセッサ（電子内視鏡用プロセッサ）２０と、カラーモニタ４０とを備える。電子スコープ１０は、カラープロセッサ２０の制御により、被写体を撮像する。撮像により得られた画像信号はカラープロセッサ２０によってカラーモニタ４０で出力（画面表示）が可能な映像信号に変換される。変換された映像信号はアナログ信号でカラーモニタ４０に伝達される。伝達された映像信号は、カラーモニタ４０によって出力される。使用者は、カラーモニタ４０による出力結果により、電子スコープで撮像された被写体映像を観察することができる。

電子スコープ１０は、撮像部１１と、照明部１２とを有し、照明部１２が被写体に適度な光量を与えながら撮像部１１が被写体を撮像する。

撮像部１１は、対物レンズ１１ａ、ＣＣＤなどの撮像素子１１ｂとを有する。撮像素子１１ｂの駆動は、後述する制御回路２４が出力するクロックパルスに従って行われる。被写体の撮像によって撮像素子１１ｂに蓄積された電荷は、画像信号としてＲとＧとＢに色分離されて、映像信号処理部２１に転送される。

照明部１２は、白色光を発し、光誘導部材１２ｂ、配光レンズ１２ａを介して生体組織に照射する第１光源部２６からの光、及び励起光を発し、光誘導部材１２ｂ、配光レンズ１２ａを介して、生体組織に照射する第２光源部２７からの光を照射面に供給する。電子スコープ１０と、カラープロセッサ２０は、コネクタ部（不図示）で電気的、光学的に接続される。

カラープロセッサ２０は、映像信号処理部２１、制御回路２４、第１、第２光源部２６、２７、及び光源切り替え部３０を有しており、電子スコープ１０で撮像し電荷転送された画像信号を、カラーモニタ４０で出力できる映像信号に変換する。

映像信号処理部２１は、電子スコープ１０から送られてきた画像信号を前段映像信号処理回路２１ａでＡ／Ｄ変換、ガンマ補正、輪郭強調、及び増幅し、メモリ切り替え部２１ｂを介して、第１、第２画像メモリ部２１ｃ、２１ｄに順次一時記録する。メモリ切り替え部２１ｂは、後述する光源切り替え部３０で第１、第２光源部２６、２７のいずれかに切り替えられた光源に対応して画像信号を一時記録させるメモリを切り替える。第１画像メモリ部２１ｃは、第１光源部２６から供給された白色光照射による第１画像信号を一時記録する。第２画像メモリ部２１ｄは、第２光源部２７から供給された励起光照射による第２画像信号を一時記録する。第２画像信号は、第２光源部２７から供給された励起光による画像信号のうち高周波成分だけを取り出した画像信号である。高周波成分の取り出しについては後述する。第１、第２画像メモリ部２１ｃ、２１ｄに一時記録された第１、第２画像信号は、後段映像信号処理回路２１ｅに転送される。後段映像信号処理回路２１ｅは、転送された第１、第２画像信号を合成した後、Ｖｉｄｅｏコンポジット信号、Ｙ／Ｃ分離信号などの映像信号に変換し、Ｄ／Ａ変換部２１ｆでアナログ信号に変換された後、カラーモニタ４０に出力する。

制御回路２４は、図示しないＣＰＵとＲＡＭとを有し、内視鏡装置各部の制御や信号の一時記録を行う。

第１光源部２６は、白色光を発するキセノンランプなど印加された高電圧パルスによって放電を開始し白色光を発光する放電ランプによる白色光源を有する。第２光源部２７は、励起光を含む青色レーザー光を発するレーザーダイオード（ＬＤ）などの励起光を発するレーザーによる青色光源を有する。発光された白色光、励起光は、光源切り替え部３０、光ファイバなどの光誘導部材１２ｂ、配光部１２ａを介して被写体である生体組織（観察面）に照射される。白色光、励起光のいずれを照射させるかは、使用者が選択する。

放電ランプによる白色光は、短い波長から長い波長まで波長帯域の広い広帯域光である。レーザーによる青色レーザー光の励起光は、短い波長（４００ｎｍ〜４２０ｎｍ）で波長帯域の狭い狭帯域光である（図１参照）。

光源切り替え部３０は、第１、第２シャッタ３０ａ、３０ｂと、ハーフミラー３０ｃと、励起光反射ミラー３０ｄとを有する。第１、第２シャッタ３０ａ、３０ｂは、開閉により白色光や励起光を透過又は遮断させる。使用者によって、白色光を観察面に照射させる選択がされた場合には、第１シャッタ３０ａはオープン状態にして第１光源部２６からの白色光を透過させ、第２シャッタ３０ｂはクローズ状態にして第２光源部２７からの励起光を遮断する。透過された白色光はハーフミラー３０ｃを透過して光誘導部材１２ｂ、配光部１２ａを介して観察面に照射される。使用者によって、励起光を観察面に照射させる選択がされた場合には、第１シャッタ３０ａはクローズ状態にして第１光源部２６からの白色光を遮断し、第２シャッタ３０ｂはオープン状態にして第２光源部２７からの励起光を透過させる。透過された励起光は、励起光反射ミラー３０ｄ、ハーフミラー３０ｃを反射し、光誘導部材１２ｂ、配光部１２ａを介して観察面に照射される。第１、第２シャッタ３０ａ、３０ｂの開閉制御は、使用者の選択に対応する信号を受けた制御回路２４が行う。

カラーモニタ４０は、映像信号を取り込んで表示することが可能な市販のカラーモニタであり、電子スコープ１０で撮像され、カラープロセッサ２０で変換された映像信号を、出力（画面表示）する。

配光レンズ１２ａを介して白色光が生体組織に照射されると、生体組織で反射されたあるいは散乱した広帯域光が対物レンズ１１ａで集光され撮像素子１１ｂで受光される。配光レンズ１２ａを介して励起光が生体組織に照射されると、生体組織で反射されたあるいは散乱した狭帯域光と、励起された生体組織が発する自家蛍光の双方が対物レンズ１１ａに集光され撮像素子１１ｃで受光される。但し自家蛍光については微弱な光なので撮像結果には大きく影響しない。

生体組織に対する光の深さ方向の到達度合いは、その波長に依存する。すなわち短い波長の光は生体組織表面から浅い領域にまでしか光は到達せず、長い波長の光は生体組織表面から深い領域にまで光が到達する（図３参照）。

波長帯域が広い放電ランプによる白色光は、生体組織表面から深い領域にまで光が到達し、到達した深さの範囲から反射、散乱した広帯域光によって生体組織表面から深い領域にある太い血管などを映し出すことが可能になる。そのため、生体組織の観察面の全体像を把握し易い。但し、白色光は比較的短い波長成分が多くは含まれないので、生体組織表面から浅い領域にある毛細血管などを映し出すことはできない。図４に、広帯域光による観察画像例を示す。

波長が短く波長帯域が狭いレーザーによる青色レーザー光の励起光は、生体組織表面付近までしか光が到達せず、到達した深さの範囲から反射、散乱した狭帯域光によって粘膜表面の毛細血管などの微細構造を映し出すことが可能になる。そのため、生体組織表面から進行が始まる癌などを発見するのに役立つ。但し、生体組織表面から深い領域にある毛細血管よりも太い血管などを映し出すことはできない。図５に、図４と同じ被写体の観察面を撮像した狭帯域光による観察画像例を示す。

従って、白色光の広帯域光による観察画像に、狭帯域光による観察画像を合成することで、被写体の観察面に関する鮮明な画像を得ることが可能になる。図６は、図４の広帯域光による観察画像に、図５の狭帯域光による観察画像を合成した画像例である。

広帯域光による観察画像と狭帯域光による観察画像の合成については、第１画像信号と第２画像信号をそれぞれ第１、第２画像メモリ部２１ｃ、２１ｄに一時記録しこれらを合成することによって得られる。第２画像信号は、狭帯域光による観察画像そのままでもよいが、第２画像信号のうち毛細血管など画像を構成する輪郭線に関する情報だけを取り出して合成を行った方がより鮮明な画像を得ることが出来る。

毛細血管などの輪郭線に関する情報の取り出しは、狭帯域光による観察画像のうち高周波（高空間周波数）成分だけを取り出すことによって行う。具体的には、前段映像信号処理回路２１ａにおける輪郭強調処理で画像信号を構成する画素信号のそれぞれにおいて隣接画素との輝度情報の差分値、すなわちそれぞれの画素の輝度値と隣接画素の輝度の平均値との差分値を求める。各画素信号がこの差分値で構成される画像信号を第２画像信号として第２画像メモリ部２１ｄに一時記録し第１画像信号と合成する。

これらの手順を図７のフローチャートで説明する。ステップＳ１１で内視鏡操作が開始されると、ステップＳ１２で第１シャッタ３０ａがオープン状態にされる。このとき第２シャッタ３０ｂはクローズ状態である。ステップＳ１３で第１光源部２６から白色光を観察面に向かって照射する。ステップＳ１４で、照射された白色光の反射による広帯域光を撮像し、第１画像信号を通常観察画像として第１メモリ２１ｃに一時記録する。ステップＳ１５で、第１シャッタ３０ａをクローズ状態にし、ステップＳ１６で、第２シャッタ３０ｂをオープン状態にする。ステップＳ１７で、第２光源部２７から青色レーザー光の励起光を観察面に向かって照射する。ステップＳ１８で、照射された励起光の反射による狭帯域光を撮像し、狭帯域光画像として第２メモリ２１ｄに一時記録する。このとき狭帯域光画像として一時記録するのは、輪郭線に関する情報を強調した第２画像信号である。ステップＳ１９で、第２シャッタ３０ｂをクローズ状態にする。ステップＳ２０で、第１、第２画像メモリ２１ｃ、２１ｄに一時記録された第１画像信号及び第２画像信号を合成する。ステップＳ２１で、合成した画像信号を映像信号に変換してカラーモニタ４０に表示する。ステップＳ２２で、観察を継続するか否かすなわち映像信号処理を継続させるか否かを判断する。観察を継続する場合は、ステップＳ１２に戻って次のフレームの撮像手順に入る。観察を継続せず終了する場合は、ステップＳ２３で終了する。

なお、生体組織に照射させる光の光源を白色光と励起光のいずれかに切り替える光源切り替え部３０は、第１、第２シャッタ３０ａ、３０ｂを用いるものとして説明したが、これは放電ランプのようにオンオフ信号により瞬時に点灯消灯が行えないものの場合に有効である。白色光の光源をＬＥＤなど瞬時の点灯消灯が行えるものであれば、第１シャッタ３０ａを使用しなくてもよく、光源切り替え部３０は、励起光を発する第２光源部２７と白色光を発するＬＥＤなどの光源とを交互にオンオフ切り替え制御ができる機能があればよい。

また、第１、第２画像信号を一時記録するメモリとして第１、第２画像メモリ部２１ｃ、２１ｄとを有する形態を説明したが、先に照射する光に対応した画像信号（本実施形態では第１画像信号に相当）だけ一時記録し、後で照射する光に対応した画像信号（本実施形態では第２画像信号に相当）は一時記録せず、直接後段映像信号処理回路２１ｅに転送して先に照射する光に対応した画像信号と合成する形態であってもよい。

一般的なＣＣＤにおけるフィルタの分光特性と、青色レーザー光の波長帯域をグラフで示す。 内視鏡装置の構成図を示す。 照射する光の波長と、光の到達する生体組織表面から深さの関係を示す。 白色光照射による生体組織表面から深い領域を撮像した画像例を示す。 励起光照射による生体組織表面から浅い領域を撮像した画像例を示す。 白色光照射による画像例と、励起光照射による画像例の合成した画像例を示す。 白色光、励起光照射による２つの画像を合成する手順のフローチャートを示す。

符号の説明

１０ 電子スコープ
１１ 撮像部
１２ 照明部
２０ カラープロセッサ
２１ 映像信号処理部
２４ 制御回路
２６ 第１光源部
２７ 第２光源部
３０ 光源切り替え部
４０ カラーモニタ

Claims (5)

1. 白色光を照射する第１光源部と、
   前記白色光よりも実質的に波長が短く且つ前記白色光よりも波長帯域が狭い光を照射する第２光源部と、
   前記第１光源部及び前記第２光源部が照射した光のうち、いずれか一方を観察面に照射する光源切り替え部と、
   前記第２光源部が照射した光を用いて撮像した狭帯域光画像信号を構成する画素信号のそれぞれにおいて、それぞれの画素の輝度値と隣接画素の輝度値の平均値との差分値を求め、前記差分値で構成される画像信号を第２画像信号として出力する映像信号処理部と、
   前記第１光源部が照射した白色光を用いて撮像した第１画像信号と前記第２画像信号とのうち先に得られた画像信号を一時記録する第１画像メモリ部と、
   前記第２画像信号を前記第１画像信号と合成する映像信号合成部とを備え、
   前記光源切り替え部は、第１、第２シャッタ、及びハーフミラーを有し、
   前記第１シャッタは、オープン状態の時に前記第１光源部からの光を前記ハーフミラーに到達させ、クローズ状態の時に前記第１光源部からの光を遮光し、
   前記第２シャッタは、オープン状態の時に前記第２光源部からの光を前記ハーフミラーに到達させ、クローズ状態の時に前記第２光源部からの光を遮光し、
   前記第１光源部からの光と、前記第２光源部からの光のいずれか一方は、前記ハーフミラーを透過し、他方は、前記ハーフミラーを反射し、
   前記第１光源部からの光と、前記第２光源部からの光は、前記ハーフミラーの同じ側から出射して、前記観察面に照射されることを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記第１、第２画像信号のうち後に照射して得られた画像信号を一時記録する第２画像メモリ部をさらに備えた請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記第１光源部は、放電ランプによる白色光源を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
4. 前記第２光源部は、レーザーによる青色光源を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
5. 前記第２光源部が発する光の波長帯域は、４００ｎｍから４２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。

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