JP5863439B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、器官内壁などの被写体を撮像する内視鏡装置に関し、特に、特定波長域の光を照射することによって分光画像を表示可能な内視鏡装置に関する。

電子内視鏡装置では、観察対象に対して白色光を照射することにより、カラー画像を表示するが、それに加え、励起光、紫外光、赤外光等の帯域制限のある光を照射し、分光画像を得ることも可能である。

例えば、可視光域全体に渡る光（白色光）を透過する色フィルタと特定波長域の光（特殊光）を透過する色フィルタを組み合わせた帯域制限フィルタを配置し、１フレーム／フィールド期間に合わせて回転させる構成が知られている（特許文献１参照）。これによって、白色光に応じた画像信号と特殊光に応じた画像信号が交互に読み出され、２つの観察画像を得ることができる。

一方、内視鏡装置は、絞りを開閉させて被写体像の明るさを自動調整する調光処理機能を備えているが、絞りの開閉だけでなく、電子シャッタを機能させることが可能である。内視鏡作業中にスコープ先端部が観察対象に接近した場合、自動的に電子シャッタ機能を働かせることによって、光量過多になるのを防ぎ、適切な明るさの観察画像を表示することができる（例えば、特許文献２参照）。

特開平４−３５７９２６号公報 特開２００７−１４４１４３号公報

電子シャッタ機能を働かせる場合、電荷吐き出しパルスを出力するため、電荷蓄積期間は短く、１フィールド／フレーム期間終わり近くに露光期間が集中する。しかしながら、帯域制限フィルタは１フィールド／フレーム期間に合わせてそのまま回転させるため、同一期間中に異なる帯域の光が混在してしまう恐れがある。

その一方で、短い電荷蓄積期間中に照明光を必要限度照射させなければ、十分な光量を得ないまま露光期間が終了し、不鮮明な観察画像を表示することになる。

したがって、回転フィルタを使用して複数の観察画像を同時表示する環境下で電子シャッタ機能を働かせたとき、適切な光の照射によって高画質の観察画像を得ることが求められる。

本発明の内視鏡装置は、ビデオスコープに設けられた撮像素子の電荷蓄積時間を、電子シャッタ機能によって調整可能な明るさ調整手段と、異なる透過帯域をもつ複数の色フィルタを有し、回転によって照明光の透過、遮光を交互に繰り返す回転フィルタと、回転フィルタを回転制御し、各色フィルタを透過する光の透過期間を１フィールド／フレーム期間に合わせる回転制御手段と、１フィールドあるいは１フレーム期間ごとに撮像素子から読み出される一連の画素信号に基づいて、複数の観察画像を生成する画像生成手段とを備える。

そして、本発明の回転制御手段は、電荷蓄積時間調整手段によって電荷蓄積時間が調整される場合、回転フィルタの位相を遅延させる。これによって、短い電荷蓄積時間であっても、必要な光量を得ることが可能となる。

完全に遮光期間を除外することを考慮すれば、回転制御手段は、光透過期間終了タイミングを蓄積電荷転送タイミング以降とするように、回転フィルタの位相を遅延させるのが望ましい。

また、光量不安定期間を電荷蓄積期間から外すことを考えれば、回転制御手段が、光透過不安定期間を蓄積電荷転送タイミング以降とするように、回転フィルタの位相を遅延させるのが望ましい。

波長域の異なる光が同一露光期間に照射するのを防ぐため、回転制御手段が、光透過期間終了タイミングを、次のフィールド／フレーム期間の電荷吐き出しパルス出力タイミング以前とするように、回転フィルタの位相を遅延させるのがよい。

本発明の他の局面における内視鏡用明るさ調整装置は、ビデオスコープに設けられた撮像素子の電荷蓄積時間を、電子シャッタ機能によって調整可能な明るさ調整手段と、異なる透過帯域をもつ複数の色フィルタを有し、回転によって照明光の透過、遮光を交互に繰り返す回転フィルタと、回転フィルタを回転制御し、各色フィルタを透過する光の透過期間を１フィールド／フレーム期間に合わせる回転制御手段とを備え、回転制御手段が、電荷蓄積時間調整手段によって電荷蓄積時間が調整される場合、蓄積電荷転送タイミングが光透過期間内に介在するように、回転フィルタの位相をシフトさせることを特徴とする。

このように本発明によれば、回転フィルタを使って複数の観察画像を表示する状況下で電子シャッタ機能を働かせた場合でも、各画像を高画質で表示することができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。 回転フィルタの構成を示した平面図である。 特殊観察モードにおいて電子シャッタを機能させないときの回転フィルタの位相を示すタイミングチャートである。 電子シャッタを機能させたときの回転フィルタの位相を示すタイミングチャートである。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。図２は、回転フィルタの構成を示した平面図である。

電子内視鏡装置は、その挿入部分が体内へ挿入されるビデオスコープ１０と、プロセッサ２０とを備え、ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続される。プロセッサ２０には、モニタ５０が接続されている。

プロセッサ２０は、白色光を放射するランプ２２を備え、ランプ２２から放射された光は、集光レンズ３０を介してビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド１１に入射する。ライトガイド１１に入射した光は、スコープ先端部１０Ｔから射出し、配光光学系（図示せず）を通じて被写体（観察部位）に照射される。

被写体で反射した光は、スコープ先端部１０Ｔに設けられた対物レンズ（図示せず）によって結像し、これにより被写体像がイメージセンサ１４（ここではＣＣＤ）の受光面に形成される。イメージセンサ１４の受光面上には、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｇ、Ｍｇから成る色フィルタ要素をモザイク状に配列させた補色フィルタ（図示せず）が配設されている。ここでは、撮像方式としては、同時式の画素混合読み出し方式が採用されている。

イメージセンサ１４では、ＣＣＤ駆動回路１５から送られてくる駆動信号に従い、１フィールド分の画像信号が所定の時間間隔で読み出される。ＮＴＳＣ方式の場合、１／６０秒間隔で出力されるＣＣＤ垂直転送パルス信号に従って読み出され、ＰＡＬ方式の場合、１／５０秒間隔で読み出される。順次読み出される１フィールド分の画素信号は、プロセッサ２０の画像信号処理回路３２へ送られる。

画像信号処理回路３２では、画素信号に対するデジタル化処理、さらには、ホワイトバランス処理（ゲイン処理）、ガンマ補正処理などの様々な信号処理が施される。これにより、１フィールド分のＲ、Ｇ、Ｂ画像信号が生成される。Ｒ、Ｇ、Ｂ画像信号はモニタ５０へ出力され、カラー観察画像がモニタ５０に表示される。

内視鏡作業中、オペレータがビデオスコープ１０の操作部に設けられたボタン（図示せず）を押すと、フリーズ動作が実行される。すなわち、１フィールド／フレーム分の画素信号がＣＣＤ１４から読み出され、静止画像が画像メモリ（図示せず）に記録される。

集光レンズ３０とライトガイド１１の入射端１１Ａとの間には、照明光量を増減調整する絞り２４が配置されている。調光回路３５は、画像信号処理回路３２から送られてくる輝度信号に基づいて絞り２４の開閉を所定の時間間隔で制御し、表示される被写体像の明るさを調整する。

ＣＰＵ、ＲＯＭ等を含む制御回路３４は、ＣＣＤ駆動回路１５、タイミングコントローラ３３などへ制御信号を出力し、プロセッサ２０全体の動作を制御する。プロセッサ２０の動作制御に関するプログラムはＲＯＭ（図示せず）にあらかじめ格納されている。タイミングコントローラ３３は、ＣＣＤ駆動回路１５、画像信号処理回路３２などへ同期信号を出力する。

プロセッサ２０のフロントパネルには、通常観察モードと特殊観察モードを切り替えるためのモード変更ボタン（図示せず）が設けられている。本実施形態では、上述した通常のカラー観察画像表示に加え、回転フィルタ（帯域制限フィルタ）４０を使用することで特定波長域の光に基づく分光画像を表示することが可能である。

回転フィルタ４０は、モータ２８の軸中心に取り付けられており、モータ２８は支持機構（図示せず）によって保持されている。支持機構は、モータ２８を光軸垂直な平面に沿って２次元的に移動させることが可能であり、回転フィルタ４０はランプ２２と集光レンズ３０との間で移動可能であり、かつ、光軸垂直な平面に沿って互いに直交する方向へ移動することができる。

通常観察モードの間、回転フィルタ４０は光路上から退避した場所に位置決めされる。一方、モード変更ボタン（図示せず）に対する操作によって特殊観察モードが選択されると、回転フィルタ４０が光路上に配置される。そして、回転フィルタ４０の回転により、白色光と特定帯域の光が、ライトガイド１１を通じて観察部位へ交互に照射される。

図２に示すように、回転フィルタ４０は、それぞれ３つの色フィルタを径方向に並べたフィルタ領域４１Ａ、４１Ｂと、遮光部４０Ｐ１、４０Ｐ２とを備え、フィルタ領域４１Ａ、４１Ｂは、フィルタの回転軸Ｃに対し対称配置されている。

フィルタ領域４１Ａは、赤外光を含む長波長域の光のみを透過する色フィルタ４２Ａ、４４Ａ、４６Ａから構成されており、透過光の境界波長域がそれぞれ異なる。ここでは、大腸、胃、食道の器官に合わせて３つの色フィルタ４２Ａ、４４Ａ、４６Ａが用意されており、それぞれの波長域は、その対象器官管壁内の毛細血管が位置する深度に従う。

色フィルタ４２Ａ、４４Ａ、４６Ａは、それぞれ回転フィルタ４０の周方向に沿って弧状に形成されており、同軸的に配置されている。ランプ２２から放射される光の光束ＰＳの断面サイズに合わせて、各色フィルタの径方向幅が定められている。

色フィルタ４２Ｂ、４４Ｂ、４６Ｂから構成されるフィルタ領域４１Ｂは、その形状、配置位置に関してフィルタ領域４１Ａと同じ構成であり、色フィルタ４２Ａ、４２Ｂは、同一径に沿った位置に形成されている。色フィルタ４４Ａ、４４Ｂおよび色フィルタ４６Ａ、４６Ｂについても同じである。

色フィルタ領域４１Ｂの透過特性については、色フィルタ領域４１Ｂとは異なり、可視光全域に渡って光を透過するように定められている。すなわち、通常観察モードと同じ白色光を照射するように色フィルタ４２Ｂ、４４Ｂ、４６Ｂの透過特性が定められている。なお、色フィルタ４２Ｂ、４４Ｂ、４６Ｂを設ける代わりに、弧状のスリットを形成してもよい。

したがって、例えば色フィルタ４２Ａ、遮光部４０Ｐ１、色フィルタ４２Ｂ、遮光部４０Ｐ２が光束ＰＳを横断するように回転フィルタ４０を位置決めした場合、回転フィルタ４０が回転するのに伴い、照明光の透過、遮光を交互に繰り返すとともに、色フィルタ４２Ａを透過する波長域の光（以下、特殊光という）と通常観察用の白色光とが交互に照射される。他の色フィルタ４４Ａ、４４Ｂおよび４６Ａ、４６Ｂについても、２つの照明光による間欠的交互照射となる。

特殊鋼観察モードの間、特殊光に基づいて生成される１フィールド分の画素信号、通常光（白色光）に基づいて生成される１フィールド分の画素信号が、ＣＣＤ１４から交互に読み出される。特殊光に基づいた画像信号は、図１に示す奇数フィールドに対応した第１メモリ３６に格納され、通常光に基づく画像信号は、偶数フィールドに対応した第２メモリ３８に格納される。

第１メモリ３６に格納された画像信号の出力は、１フィールド分遅延される。そして、並列表示処理回路３９では、第１メモリ３６、第２メモリ３８から同期して出力される画像信号に基づいて表示処理を行う。これにより、通常観察画像ＰＭ１と特殊観察画像ＰＭ２が、同一画面で同時表示される。

内視鏡作業中、絞り２４の開閉動作によって自動調光処理を所定時間間隔で実行するが、被写体とスコープ先端部１０Ｔの接近等によって光量過多になる場合、自動的に電子シャッタ機能が働く。制御回路３４は、ＣＣＤ駆動回路１５へ制御信号を出力し、駆動回路１５は、電荷吐き出しパルスを所定のタイミングでＣＣＤ１４へ出力する。

本実施形態では、特殊観察モードのときに電子シャッタ機能を働かせた場合、回転フィルタ４０の位相をシフトさせ、電子シャッタによって観察画像の明るさに影響することがないように構成している。以下、この点について詳述する。

図３は、特殊観察モードにおいて電子シャッタを機能させないときの回転フィルタの位相を示すタイミングチャートである。図４は、電子シャッタを機能させたときの回転フィルタの位相を示すタイミングチャートである。

電子シャッタ機能を働かせていない場合、回転フィルタ４０は１フレーム期間に従って一定速度で回転する。すなわち、特殊光、白色光の光透過期間Ｌ１、Ｌ３が、それぞれ１フィールド期間内に収まるように、回転フィルタ４０の回転速度、位相を制御している。回転フィルタ４０の回転速度は、使用する色フィルタに応じて異なる。

例えば、光束ＰＳが色フィルタ４２Ａ、４２Ｂの周方向区間距離ＴＡを横断するとき（図２参照）、回転フィルタ４０を光が透過する光透過期間Ｌ１、Ｌ３が１フィールド期間に応じて出力されるＣＣＤ垂直転送パルスの出力時間間隔、すなわち画素信号読み出し時間間隔内にそれぞれ収まるように、回転速度および位相が制御される。

照明光の遮光期間Ｌ２、Ｌ４は、光束ＰＳが周方向に沿った遮光区間距離ＴＢに渡ってブロックされている期間を示す。したがって、特殊光と白色光が同じフィールド期間に照射されることはなく、また、電子シャッタを機能させていないため、十分な光量を得ることができる。

一方、特殊観察モード中に電子シャッタ機能が働く場合、電荷吐き出しパルスが電荷蓄積中に出力され、露光期間が短くなる。仮に、回転フィルタ４０の位相を変えずにそのまま回転を続けると、露光期間が非常に短くなる。遮光期間Ｌ２の開始時期がＣＣＤ垂直転送パルスの出力タイミングよりも早いため、十分な露光期間を確保できないまま画像信号が生成されてしまう。

そこで、本実施形態では、回転フィルタ４０の位相を遅らせ、光透過期間Ｌ１、Ｌ３の終了タイミングＭ２がＣＣＤ垂直転送パルスの出力タイミング以降となるように、回転フィルタ４０を位相制御する。すなわち、電子シャッタ機能がＯＮに切り替わったと同時に回転フィルタ４０の位相を遅延させ、位相がずれた状態で同じ回転速度による回転を行なう。

図４に示すように、電子シャッタ機能を働かせる場合、ΔＴ期間だけ回転フィルタ４０の位相を遅延させる。その結果、光透過期間Ｌ１の開始タイミングＭ１、終了タイミングＭ２との間にＣＣＤ垂直転送パルスの出力タイミングが位置する。

位相の遅延期間ΔＴは、光透過期間終了タイミングＭ２がＣＣＤ垂直転送パルスの出力タイミング以降となるように設定されている。これによって、電荷蓄積期間ＥＴの終了前に照明光が遮光されてしまうことを防ぐことができる。

ところで、光透過期間Ｌ１の中間付近には、電荷吐き出しパルス出力タイミングから蓄積電荷転送タイミングまでの期間ＥＴが含まれる。期間ＥＴは、色フィルタ４１Ａ、４１Ｂと遮光部４０Ｐ１、４０Ｐ２との境界区域で光量が遷移する。

具体的に説明すると、図２に示すように、光束ＰＳが区間ＴＣを通過する間、始めに光束ＰＳの一部が遮光部４０Ｐ１によってブロックされ、徐々にブロックされる部分が大きくなり、最終的に光束ＰＳ全体が遮断される。遮光開始から終了するまで、被写体へ到達する光の光量は非線形に減少あるいは増加し、遷移期間として不安定になる。この期間ＫＴを、ここでは不安定期間という。

光透過期間終了タイミングＭ２は、この不安定期間ＫＴも考慮して設定されており、ＣＣＤ垂直転送パルス出力以降に不安定期間ＫＴが存在する、すなわちＣＣＤ垂直転送パルス出力以降に遮光開始となるように設定されている。これにより、露光期間ＥＴと不安定期間ＫＴがオーバラップすることを防止する。なお、このタイミング調整は、露光期間ＥＴが短くなったときに不安定期間ＫＴが大半を占めてしまうときの処理であり、電荷掃捨パルスのタイミングが前に移動して不安定期間KTは露光期間ＥＴにオーバラップしたとしても、露光期間ＥＴが十分に広がることになるため、オーバラップは問題にならない。

このような回転フィルタ４０の位相シフトにより、電子シャッタ機能を利用しても、適切な光量を短い露光期間ＥＴで得ることができる。したがって、静止画像を記録するためにフリーズ動作が行われても、鮮明な高画質の観察画像を記録することが可能である。

一方、電子シャッタ機能がＯＦＦに切り替わった場合、図３に示すように、回転フィルタ４０の位相を早めて元に戻す。これにより、白色光と特殊光が交互にフィールド期間内に照射される。

なお、光透過期間終了タイミングＭ２は、電荷蓄積期間ＥＴに不安定期間ＫＴがオーバラップしない条件下でさらに遅くすることが可能であり、次のフィールド期間の電荷吐き出しパルスの出力タイミング以前のタイミングであればよい。すなわち、垂直転送パルス出力タイミングから次のフィールド期間の電荷吐き出しパルスタイミングまでの期間ＬＴ内に収まればよい。

さらに、光透過期間終了タイミングＭ２を、ＣＣＤ垂直転送パルス出力前に設定することも可能である。回転フィルタ４０の位相を遅延させることによって、不安定期間が電荷蓄積期間とオーバラップする期間は減少し、観察条件等によっては適切な光量を得ることが可能である。

このように本実施形態によれば、特殊観察モードにおいて、回転フィルタを光路上に配置させ、１フィールド期間ごとに、通常観察用の白色光と特定波長域の特殊光とを交互に照射させる。そして、電子シャッタ機能がＯＮ状態になると、回転フィルタ４０の位相を期間ΔＴだけ遅らせ、位相をずらした状態で回転フィルタ４０を等速回転させる。

なお、回転フィルタ４０の位相を遅らせる代わりに、位相を早めることも可能である。すなわち、垂直転送パルスの出力タイミングが光透過期間内に介在するように、回転位相シフトを早めることによっても、同じ効果を得ることができる。

回転フィルタについては様々な構成が可能であり、１周、あるいは１／４周で１フィールド／フレーム期間を経過するように回転速度を設定することも可能である。また、色フィルタの透過特性についても、観察対象器官の特性、観察の種類などに基づいて設定すればよい。

例えば、自家蛍光観察用の励起光、短波長域の光などを透過させるように構成してもよい。また、一方のフィルタを通常光を透過させるフィルタとせず、異なる波長域の光を透過するように複数の色フィルタを同一回転経路上に配置してもよい。

電子シャッタ機能については、その機能をＯＮ／ＯＦＦさせる条件に関して任意に設定することが可能である。あるいは、ユーザによる操作に応じて電子シャッタ機能をＯＮ／ＯＦＦさせてもよい。観察画像については、別々のモニタに同時表示してもよく、あるいは、一方の画像のみ表示し、他方を記録するように構成してもよい。

光源については、複数の光源を用いることも可能である。また、ＣＣＤ以外のイメージセンサ（ＣＭＯＳなど）を用いることもできる。

１０ ビデオスコープ
２０ プロセッサ
３４ 制御回路（明るさ調整手段、回転制御手段）
３５ 調光回路（明るさ調整手段）
４０ 回転フィルタ

Claims (8)

1. ビデオスコープに設けられた撮像素子の電荷蓄積時間を、電子シャッタ機能によって調整可能な明るさ調整手段と、
   異なる透過帯域をもつ複数の色フィルタを有し、回転によって照明光の透過、遮光を交互に繰り返す回転フィルタと、
   前記回転フィルタを回転制御し、各色フィルタを透過する光の透過期間を１フィールド／フレーム期間に合わせる回転制御手段と、
   １フィールド／フレーム期間ごとに前記撮像素子から読み出される一連の画素信号に基づいて、複数の観察画像を生成する画像生成手段とを備え、
   前記回転制御手段が、前記明るさ調整手段によって電荷蓄積時間が調整される場合、前記回転フィルタの位相を遅延させることを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記回転制御手段が、光透過期間終了タイミングを蓄積電荷転送タイミング以降とするように、前記回転フィルタの位相を遅延させることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記回転制御手段が、光透過不安定期間を蓄積電荷転送タイミング以降とするように、前記回転フィルタの位相を遅延させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の内視鏡装置。
4. 前記回転制御手段が、光透過期間終了タイミングを、次のフィールド／フレーム期間の電荷吐き出しパルス出力タイミング以前とするように、前記回転フィルタの位相を遅延させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内視鏡装置。
5. 前記明るさ調整手段が、所定の条件に応じて電荷蓄積時間を調整し、
   前記回転制御手段が、電荷蓄積時間調整が行われない状態に戻ると、前記回転フィルタの位相を戻すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。
6. 前記回転フィルタが、可視光の波長域全体に渡って光を透過する通常観察用色フィルタと、特定帯域の光を透過する特殊観察用色フィルタとを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
7. 前記明るさ調整手段が、被写体を照射する光の光量を増減させることによって自動調光処理を行い、自動調光処理中に電荷蓄積時間を調整することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内視鏡装置。
8. ビデオスコープに設けられた撮像素子の電荷蓄積時間を、電子シャッタ機能によって調整可能な明るさ調整手段と、
   異なる透過帯域をもつ複数の色フィルタを有し、回転によって照明光の透過、遮光を交互に繰り返す回転フィルタと、
   前記回転フィルタを回転制御し、各色フィルタを透過する光の透過期間を１フィールド／フレーム期間に合わせる回転制御手段とを備え、
   前記回転制御手段が、前記明るさ調整手段によって電荷蓄積時間が調整される場合、蓄積電荷転送タイミングが光透過期間内に介在するように、前記回転フィルタの位相をシフトさせることを特徴とする内視鏡用明るさ調整装置。
   
   
   

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