JP4919780B2

JP4919780B2 - 蛍光観察装置

Info

Publication number: JP4919780B2
Application number: JP2006316571A
Authority: JP
Inventors: 弘靖森下; 伸也松本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: JP2008125934A

Description

本発明は、蛍光観察装置に関するものである。

従来、蛍光観察装置としては、例えば、特許文献１に開示された蛍光内視鏡装置が知られている。
内視鏡観察において自家蛍光画像を観察することは反射画像とは異なる生体の情報を得ることができるので、病変の診断・観察にとって有益である。自家蛍光すなわち生体由来の蛍光を観察することにより、生体の変化に基づく病変の様子を観察することができるという利点がある。

自家蛍光を利用して診断を行うには、ポルフィリン由来の蛍光領域６３０〜６５０ｎｍ、コラーゲン由来の蛍光領域４５０〜５５０ｎｍの蛍光をそれぞれ取得し、その比を演算して表示することが好ましい（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００６−１８７５９８号公報特開平９−３０８６０４号公報

特許文献１の場合、固定透過帯域と可変透過帯域とを有するファブリペロー型共振器からなる可変分光素子を用いてポルフィリン由来の蛍光領域の蛍光強度を取得するために、可変分光素子を以下の２つの状態に調節し、それぞれの状態において取得された蛍光の強度に基づいて演算を行うこととしている。

すなわち、可変分光素子の２つの状態とは、主にコラーゲン由来の蛍光成分である第１の蛍光領域および主にポルフィリン由来の蛍光成分である第２の蛍光領域の両方の蛍光領域の蛍光を取得する第１の状態と、第１の蛍光領域の蛍光のみを取得する第２の状態である。そして、第１の状態で取得した蛍光強度から第２の状態で取得した蛍光強度を減算することにより、第２の蛍光領域の蛍光強度を取得することができる。

しかしながら、第１の状態で取得した蛍光強度から第２の状態で取得した蛍光強度を減算することにより第２の蛍光領域の蛍光強度を精度よく取得するには、可変分光素子の第１の状態と第２の状態とにおいて、可変透過帯域以外の領域における透過率特性が不変であることが望まれる。現実的には、ファブリペロー型共振器からなる可変分光素子の性質上、可変透過帯域の状態を変化させると、固定透過帯域と可変透過帯域との間に形成される遷移領域における透過率特性が変動するという不都合がある。そのため、第２の蛍光領域の蛍光強度を精度よく取得することができないという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、可変透過帯域における蛍光強度を精度よく取得することができる蛍光観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、励起光を出射する励起光源と、
間隔をあけて対向する光学部材の面間隔の変更により透過する光の波長が変化する可変透過帯域と、面間隔の変更にかかわらず透過する光の波長が変化しない固定透過帯域と、これらの間にされる遷移帯域とを備えるファブリペロー型共振器と、励起光の通過を遮断する励起光カットフィルタと、前記遷移帯域を含み、励起光の波長を含まない遮断帯域を有するバンドカットフィルタと、これらファブリペロー型共振器、励起光カットフィルタおよびバンドカットフィルタを透過した蛍光を検出する光検出器とを備える蛍光観察装置を提供する。

上記発明においては、前記バンドカットフィルタの遮断帯域が、ポルフィリンおよびコラーゲンのそれぞれの蛍光ピーク波長の間の帯域に位置することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記可変透過帯域内の長波長側の帯域に遮断帯域を有する他のバンドカットフィルタを備えることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記他のバンドカットフィルタの遮断帯域が、ポルフィリンの蛍光帯域より長波長側に配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記他のバンドカットフィルタの遮断帯域が、可変透過帯域における一状態の透過帯域に一致していることとしてもよい。

本発明によれば、可変透過帯域における蛍光強度を精度よく取得することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る蛍光観察装置１について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態に係る蛍光観察装置１は、図１に示されるように、内視鏡システムであって、生体の体腔内に挿入される挿入部２と、該挿入部２内に配置される撮像ユニット３と、複数種の光を発する光源ユニット４と、前記撮像ユニット３および光源ユニット４を制御する制御ユニット５と、撮像ユニット３により取得された画像を表示する表示ユニット６とを備えている。

前記挿入部２は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット３および前記光源ユニット４からの光を先端２ａまで伝播するライトガイド７を備えている。
前記光源ユニット４は、体腔内の観察対象を照明し、観察対象において反射して戻る反射光を取得するための照明光を発する照明光用光源８と、体腔内の観察対象に照射され、観察対象内に存在する蛍光物質を励起して蛍光を発生させる励起光用光源９と、これらの光源８，９を制御する光源制御回路１０とを備えている。

前記照明光用光源８は、例えば、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、４５０−４８０ｎｍである。すなわち、照明光用光源８は、波長帯域４５０−４８０ｎｍの照明光を発生するようになっている。

前記励起光用光源９は、例えば、図３（ｄ）に示されるように、ピーク波長４０５±５ｎｍの励起光を出射する半導体レーザである。この波長の励起光によれば、生体内に生来存在するポルフィリンおよびコラーゲン等の自家蛍光物質を励起することができる。
前記光源制御回路１０は、後述するタイミングチャートに従う所定のタイミングで、照明光用光源８と励起光用光源９とを交互に点灯および消灯させるようになっている。

前記撮像ユニット３は、図２に示されるように、観察対象Ａから入射される光を集光する撮像光学系１１と、観察対象Ａから入射されてくる励起光を遮断する励起光カットフィルタ１２と、バンドカットフィルタ２０と、制御ユニット５の作動により分光特性を変化させられる可変分光素子１３と、撮像光学系１１により集光された光を撮影して電気信号に変換する撮像素子１４とを備えている。

前記可変分光素子１３は、平行間隔を空けて配置され対向面に反射膜が設けられた２枚の平板状の光学部材１３ａ，１３ｂと、該光学部材１３ａ，１３ｂの間隔を変化させるアクチュエータ１３ｃとを備えるファブリペロー型共振器である。アクチュエータ１３ｃは、例えば、圧電素子である。この可変分光素子１３は、アクチュエータ１３ｃの作動により光学部材１３ａ，１３ｂの間隔寸法を変化させることで、その透過する光の波長帯域を変化させることができるようになっている。

さらに具体的には、可変分光素子１３は、図３（ａ）に示されるような透過率波長特性を有している。可変分光素子１３は、制御ユニット５からの制御信号に応じて２つの状態に変化するようになっている。図３（ａ）中、実線で示される波長特性と破線で示される波長特性とは、可変分光素子１３を２つの状態に変化させたときの波長特性をそれぞれ示している。なお、図３（ａ）には、自家蛍光の波長特性が重ねて示されている。

第１の状態は、可変透過帯域内のポルフィリン由来の蛍光領域Ｂ（６２０〜６７０ｎｍ）での透過率を最大５０％以上に増大させ、ポルフィリン由来の蛍光を透過させる状態である。第２の状態は、最大透過率５０％以上の透過帯域を長波長側に移動させることにより、上記蛍光領域の透過率を２０％以下に低下させ、蛍光領域Ｂの蛍光を遮断する状態である。
すなわち、可変分光素子１３は、６２０〜７５０ｎｍの波長帯域に、その状態に応じて透過率が変化する可変透過帯域を備えている。

また、可変分光素子１３は、第１，第２の状態にかかわらず、５５０ｎｍ以下の波長帯域において、５０％以上の透過率を有している。
ずなわち、可変分光素子１３は、５５０ｎｍ以下の波長帯域に、その状態にかかわらず透過率が変化しない固定透過帯域を備えている。

固定透過帯域は、コラーゲン由来の蛍光領域Ｃ（４５０〜５５０ｎｍ）に位置し、この波長帯域において透過率６０％以上に固定されている。したがって、可変分光素子１３は、上記第１および第２の状態のいずれの場合においてもコラーゲン由来の蛍光を撮像素子１４に向けて透過させることができるようになっている。

図３（ａ）に示されるように、固定透過帯域と可変透過帯域との間に配置される遷移領域（５５０〜６００ｎｍ）においては、可変分光素子１３の状態の変化に応じて透過率特性が変動している。そこで、本実施形態においては、図３（ｃ）に示されるように、前記バンドカットフィルタ２０が、５５０〜６００ｎｍの波長帯域で、ＯＤ値２以上（＝透過率１×１０^−２以下）に設定されている。

これにより、遷移領域に含まれる波長の蛍光がバンドカットフィルタ２０により遮断され、固定透過帯域および可変透過帯域に含まれる波長の蛍光が、バンドカットフィルタ２０を通過して撮像素子１４により取得されるようになっている。
また、図３（ｂ）に示されるように、前記励起光カットフィルタ１２は、４００〜４５０ｎｍの波長帯域でＯＤ値４以上（＝透過率１×１０^−４以下）、４５０〜７５０ｎｍの波長帯域で透過率８０％以上に設定されている。
なお、図３（ｅ）は、可変分光素子１３、励起光カットフィルタ１２およびバンドカットフィルタ２０を総合した透過率特性と蛍光の波長特性とを重ねた図である。

前記制御ユニット５は、図１に示されるように、撮像素子１４を駆動制御する撮像素子駆動回路１５と、可変分光素子１３を駆動制御する可変分光素子制御回路１６と、撮像素子１４により取得された画像情報を記憶するフレームメモリ１７と、該フレームメモリ１７に記憶された画像情報を処理して表示ユニット６の出力する画像処理回路１８とを備えている。

撮像素子駆動回路１５および可変分光素子制御回路１６は、前記光源制御回路１０に接続され、光源制御回路１０による照明光用光源８および励起光用光源９の切り替えに同期して可変分光素子１３および撮像素子１４を駆動制御するようになっている。
具体的には、図４のタイミングチャートに示されるように、光源制御回路１０の作動により、励起光用光源９から励起光が発せられるときには、可変分光素子制御回路１６が、可変分光素子１３を所定時間にわたって第１の状態として、撮像素子駆動回路１５が撮像素子１４から出力される画像情報を第１のフレームメモリ１７ａに出力させるようになっている。次いで可変分光素子制御回路１６は所定時間経過後に可変分光素子１３を第２の状態として、撮像素子駆動回路１５が撮像素子１４から出力される画像情報を第２のフレームメモリ１７ｂに出力させるようになっている。

また、照明光用光源８から照明光が発せられるときには、可変分光素子制御回路１６が、可変分光素子１３を第２の状態に維持して、撮像素子駆動回路１５が撮像素子１４から出力される画像情報を第３のフレームメモリ１７ｃに出力するようになっている。

また、前記画像処理回路１８は、例えば、励起光の照射により得られる蛍光画像情報を第１、第２のフレームメモリ１７ａ，１７ｂから受け取って、差分演算を行い、得られた差分蛍光画像情報を表示ユニット６の第１のチャネルに、第２のフレームメモリ１７ｂから受け取った蛍光画像情報を表示ユニット６の第２のチャネルにそれぞれ出力するようになっている。また、画像処理回路１８は、照明光の照射により得られる反射光画像情報を第３のフレームメモリ１７ｃから受け取って表示ユニット６の第３のチャネルに出力するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る蛍光観察装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る蛍光観察装置１を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、挿入部２を体腔内に挿入し、その先端２ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット４および制御ユニット５を作動させ、光源制御回路１０の作動により、照明光用光源８および励起光用光源９を交互に作動させて照明光および励起光をそれぞれ発生させる。

光源ユニット４において発生した励起光および照明光は、それぞれライトガイド７を介して挿入部２の先端２ａまで伝播され、挿入部２の先端２ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
励起光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａに生来存在しているポルフィリンやコラーゲン等の自家蛍光物質が励起されて蛍光が発せられる。撮影対象Ａから発せられた蛍光は、撮像ユニット３の撮像光学系１１により集光され励起光カットフィルタ１２およびバンドカットフィルタ２０を透過し可変分光素子１３に入射される。

可変分光素子１３は、可変分光素子制御回路１６の作動により励起光用光源９の作動に同期して、まず第１の状態に切り替えられているので、ポルフィリン由来の蛍光に対する透過率が増大させられており、コラーゲン由来の蛍光とともに入射された蛍光を透過させることができる。この場合に、撮影対象Ａに照射された励起光の一部が、撮影対象Ａにおいて反射され、蛍光とともに撮像ユニット３に入射されるが、撮像ユニット３には励起光カットフィルタ１２が設けられているので、励起光は遮断され、撮像素子１４に入射されることが阻止される。
そして、可変分光素子１３を透過した蛍光は撮像素子１４に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第１のフレームメモリ１７ａに記憶される。

次いで、可変分光素子１３は、可変分光素子制御回路１６の作動により第２の状態に切り替えられると、ポルフィリン由来の蛍光に対する透過率が低減されるので、コラーゲン由来の蛍光のみを透過させることができる。可変分光素子１３を透過した蛍光は撮像素子１４に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第２のフレームメモリ１７ｂに記憶される。

画像処理回路１８は、第１、第２のフレームメモリ１７ａ，１７ｂから蛍光画像情報を受け取って、差分演算を行う。第１のフレームメモリ１７ａには、コラーゲン由来の蛍光およびポルフィリン由来の蛍光の両方を含む蛍光画像情報が記憶され、第２のフレームメモリ１７ｂにはコラーゲン由来の蛍光のみを含む蛍光画像情報が記憶されているので、両者の差分演算を行うことにより、ポルフィリン由来の蛍光のみを含む蛍光画像情報を算出することができる。

算出されたポルフィリン由来の蛍光のみを含む蛍光画像情報は、画像処理回路１８から表示ユニット６の第１のチャネルに出力され、第２のフレームメモリ１７ｂに記憶されているコラーゲン由来の蛍光のみを含む蛍光画像情報は、画像処理回路１８から表示ユニット６の第２のチャネルに出力され、それぞれ表示される。

この場合において、本実施形態に係る蛍光観察装置１によれば、固定透過領域と可変透過領域との間の遷移領域の波長の光を遮断するバンドカットフィルタ２０を備えるので、可変分光素子１３の状態の変化による遷移領域の透過率波長特性の変動を防止することができる。その結果、画像処理回路１８による差分演算によってポルフィリン由来の蛍光のみを含む蛍光画像情報を精度よく算出することができるという利点がある。

一方、照明光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａの表面において照明光が反射され、撮像光学系１１により集光されて励起光カットフィルタ１２およびバンドカットフィルタ２０を透過し、可変分光素子１３に入射される。照明光の反射光の波長帯域は、可変分光素子１３の固定透過帯域に位置しているので、可変分光素子１３に入射された反射光は全て可変分光素子１３を透過させられる。

そして、可変分光素子１３を透過した反射光は撮像素子１４に入射され、反射光画像情報が取得される。取得された反射光画像情報は、第３のフレームメモリ１７ｃに記憶され、画像処理回路１８によって、表示ユニット６の第３のチャネルに出力されて表示ユニット６により表示される。

このように、本実施形態に係る蛍光観察装置１によれば、２種類の自家蛍光物質由来の自家蛍光画像と反射光画像とを合成した画像を使用者に提供することができる。
この場合において、本実施形態に係る蛍光観察装置１によれば、平板状の光学部材１３ａ，１３ｂの間隔を変更するだけで光の透過率特性を変化させる可変分光素子１３を用いているので、極めて小型の可変分光素子１３および撮像素子１４を挿入部２先端２ａに配置することができる。したがって、撮影対象Ａからの蛍光や反射光をファイババンドルを用いて体外に取り出す必要がない。

また、本実施形態においては、光源ユニット４における複数の光源８，９の切替と同期させて可変分光素子１３の状態を切り替えるので、波長帯域の異なる複数種の光を同一の撮像素子１４により撮影することができる。したがって、蛍光や反射光に対応した複数の撮影光学系を設ける必要がない。その結果、挿入部２を細径化することができる。

また、生体の体腔内であっても生体組織を透過する外光が存在するため、特に蛍光観察のように微弱な光を観察する際にはノイズを低減することが重要であるが、本実施形態においては、撮像ユニット３に可変分光素子１３を設けることによって、観察する波長帯域が変わっても常に観察対象の波長以外の光を遮光することができるため、ノイズを低減した良好な画像を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、照明光用光源８が、波長帯域４５０−４８０ｎｍの照明光を発生する。この波長帯域は、ヘモグロビンの吸収帯域を含んでいるので、その反射光を撮像すると生体の表面に比較的近い血管の構造等の情報を取得することができる。

なお、本実施形態に係る蛍光観察装置１においては、撮像ユニット３において、挿入部２先端２ａ側から撮像光学系１１、励起光カットフィルタ１２、バンドカットフィルタ２０および可変分光素子１３の順に配列したが、これらの部品の配列順序はこれに限定されるものではなく、任意の配列順序を採用することができる。

また、本実施形態に係る蛍光観察装置１においては、可変分光素子１３の固定透過帯域と可変透過帯域との間の遷移領域の光を遮断するバンドカットフィルタ２０を用いたが、これに加えて、図５および図６に示されるように、可変透過帯域の長波長側の波長帯域の光を遮断する他のバンドカットフィルタ２１を備えることとしてもよい。バンドカットフィルタ２１としては、例えば、６５０〜７４０ｎｍの波長帯域の光を遮断するものを採用する。

このようにすることで、可変分光素子１３の第２の状態において撮像素子１４により取得されるポルフィリン由来の蛍光量を低減することができ、画像処理回路１８における差分演算をさらに精度よく行うことができるという利点がある。
また、このようにすることで、可変透過領域において、透過率が高くなる領域の移動を最小限に抑えることができるという利点がある。
なお、バンドカットフィルタ２１に代えて、ローパスフィルタを採用してもよい。

また、本発明の蛍光観察装置１は、生体の体腔内に挿入する挿入部２の先端に撮像素子１４を有するスコープ型のものに限られるものではなく、光源部、撮像手段および可変分光手段が一つの筐体内に設けられ、該筐体ごと生体の体腔内に挿入可能なカプセル型のものに適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る蛍光観察装置の全体構成を示すブロック図である。図１の蛍光観察装置の撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。図１の蛍光観察装置を構成する各光学部品の透過率特性、蛍光の波長特性を示す図である。図１の蛍光観察装置の動作を説明するタイミングチャートである。図１の蛍光観察装置の撮像ユニットの変形例を示す概略構成図である。図５の蛍光観察装置を構成する各光学部品を総合した透過率特性、蛍光の波長特性を示す図である。

符号の説明

Ａ撮影対象
１蛍光観察装置
９励起光用光源（励起光源）
１２励起光カットフィルタ
１３可変分光素子（ファブリペロー型共振器）
１３ａ，１３ｂ光学部材
１４撮像素子（光検出器）
２０，２１バンドカットフィルタ

Claims

励起光を出射する励起光源と、
間隔をあけて対向する光学部材の面間隔の変更により透過する光の波長が変化する可変透過帯域と、面間隔の変更にかかわらず透過する光の波長が変化しない固定透過帯域と、これらの間にされる遷移帯域とを備えるファブリペロー型共振器と、
励起光の通過を遮断する励起光カットフィルタと、
前記遷移帯域を含み、励起光の波長を含まない遮断帯域を有するバンドカットフィルタと、
これらファブリペロー型共振器、励起光カットフィルタおよびバンドカットフィルタを透過した蛍光を検出する光検出器とを備える蛍光観察装置。
前記バンドカットフィルタの遮断帯域が、ポルフィリンおよびコラーゲンのそれぞれの蛍光ピーク波長の間の帯域に位置する請求項１に記載の蛍光観察装置。
前記可変透過帯域内の長波長側の帯域に遮断帯域を有する他のバンドカットフィルタを備える請求項１に記載の蛍光観察装置。
前記他のバンドカットフィルタの遮断帯域が、ポルフィリンの蛍光帯域より長波長側に配置されている請求項３に記載の蛍光観察装置。
前記他のバンドカットフィルタの遮断帯域が、可変透過帯域における一状態の透過帯域に一致している請求項３に記載の蛍光観察装置。