JP6179942B2 - 走査型共焦点内視鏡システム - Google Patents
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Description
(1a)指標画像配列内から注目指標を決定し、
(2a)決定された注目指標に指標画像配列内における配列位置情報を割り当て、
(3a)配列位置情報が割り当てられた注目指標を始点とする所定の長さ及び所定の傾きを持つ少なくとも一本の基準直線を定義し、定義された基準直線の終点を含む所定範囲内に位置する指標に対して注目指標に隣接する配列位置情報を割り当て、
(4a)全ての指標に配列位置情報が割り当てられるまで(1a)〜(3a)を繰り返す、
構成としてもよい。
(1b)理想配列内から注目指標を決定し、
(2b)決定された注目指標に指標画像配列に対応する配列位置情報を割り当て、
(3b)配列位置情報が割り当てられた注目指標を始点とする所定の長さ及び所定の傾きを持つ少なくとも一本の基準直線を定義し、定義された基準直線の終点を含む所定範囲内に位置する指標に対して注目指標に隣接する配列位置情報を割り当て、
(4b)全ての指標に指標画像配列に対応する配列位置情報が割り当てられるまで(1b)〜(3b)を繰り返す、
構成としてもよい。
図1は、本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム1の構成を示すブロック図である。本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム1は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計されたシステムであり、高倍率かつ高解像度の被写体を観察するのに好適に構成されている。図1に示されるように、走査型共焦点内視鏡システム1は、システム本体100、共焦点プローブ200及びモニタ300を有している。走査型共焦点内視鏡システム1を用いた共焦点観察は、可撓性を有する管状の共焦点プローブ200の先端面を被写体に当て付けた状態で行う。
このように、本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム1は、点光源(光ファイバ202の先端202a)をXY近似面上で円周方向に周期的に移動させることにより被写体を渦巻状に走査するという複雑な構成となっている。そのため、走査誤差による画像の歪みは単純な歪みではなく、複数の因子が組み合わさることによって生じる複雑な歪みとなっている。本実施形態では、このような複雑な歪みを時間的負荷の軽い処理で補正することができる。
走査型共焦点内視鏡システム1は、共焦点画像の歪みを補正するため、治具400にセットされる。図4(a)は、治具400の内部構成を示す側断面図であり、治具400に共焦点プローブ200をセットした状態を示している。図4(a)に示されるように、治具400は、箱状(例えば直方体状)の筐体402を有している。筐体402は、対向する壁部402aと402bを含む複数の壁部を有しており、これら複数の壁部によって、外部より実質遮光された内部空間を規定している。
システム本体100は、撮影チャート画像の歪みを補正するために必要な情報として、撮影チャート画像内に写る各升目の中心の座標(画素位置)を採取する。採取される中心座標は、升目の位置を示す情報として扱われる。図5に、システム本体100のCPU108によって実行される升目中心座標採取処理のフローチャートを示す。また、図6(a)〜図6(d)に、升目中心座標採取処理の説明を補助する説明補助図を示す。
本処理ステップS11では、撮影チャート画像を二値化することにより撮影チャート画像内のノイズが除去される。二値化処理の閾値には、升目を白と判定しかつグリッド線を黒と判定するための適切な値が設定される。設定される値は、例えば経験的に決められた固定値である。また、升目の輝度値及びグリッド線の輝度値から2つを分離する適切な閾値を自動的に決定してもよい。
本処理ステップS12では、撮影チャート画像内の全ての升目に対して収縮(Erosion)をかけることにより、隣接する升目の間隔が広げられる(図6(a)参照)。具体的には、注目画素の周辺に1画素でも黒い画素がある場合に黒に置き換える処理(Erosion)を所定回数繰り返す。隣接する升目の間隔を広げることにより、隣接する升目の影響を受けることなく、升目の中心座標を検出できるようになる。
本処理ステップS13では、所定サイズの正方形のウィンドウWが撮影チャート画像内の所定位置に配置される。ウィンドウWは、撮影チャート画像の重心Gの計算領域を規定するものであり、収縮(Erosion)後の升目よりも大きい。ウィンドウWが所定位置に配置されると、ウィンドウW内に升目(すなわち白色の画素)が含まれるか否かが判定される。本フローチャートは、ウィンドウW内に升目(白色の画素)が含まれる場合(図5のS13:YES)、同図の処理ステップS16(升目中心の検出)に進む。ウィンドウW内に升目(白色の画素)が含まれない場合には(図5のS13:NO)、同図の処理ステップS14(走査完了判定)に進む。
本処理ステップS14では、ウィンドウWにより撮影チャート画像内の全ての領域を走査したか否かが判定される。本フローチャートは、ウィンドウWにより撮影チャート画像内の全ての領域が走査された場合(図5のS14:YES)、終了する。ウィンドウWにより走査されていない領域が残っている場合には(図5のS14:NO)、同図の処理ステップS15(ウィンドウWによる撮影チャート画像の走査)に進む。
本処理ステップS15では、ウィンドウWが一画素走査される(すなわち、ウィンドウWの位置が一画素シフトする。)。本フローチャートは、ウィンドウWの走査後、同図の処理ステップS13(升目の探索)に戻る。処理ステップS13(升目の探索)では、一画素走査後のウィンドウW内に升目(白色の画素)が含まれるか否かが判定される。
本処理ステップS16では、平均値シフト法(Mean-Shift)を用いて升目の中心座標が検出される。まず、ウィンドウWによって囲われた撮影チャート画像内の領域の重心Gが計算される。重心Gの計算は、図6(b)〜図6(d)に示されるように、ウィンドウWの中心Cと重心Gとが一致するまで繰り返される。ここで、升目は、黒いグリッド線で囲われた白色の正方形である。そのため、重心Gは、重心計算を繰り返して中心Cと一致する位置に収束したとき、升目の中心とも一致する(図6(d)参照)。そのため、重心Gが中心Cと一致する位置に収束した時点の中心Cの座標は、升目の中心座標としてCPUメモリ110に保存される。
本処理ステップS17では、処理の便宜上、中心座標が保存された升目を擬似的に消去する。
システム本体100は、撮影チャート画像の歪みを補正するために必要な処理として、升目に対するラベリングを行う。図7に、システム本体100のCPU108によって実行される升目ラベリング処理のフローチャートを示す。また、図8(a)〜図8(d)に、升目ラベリング処理の説明を補助する説明補助図を示す。
本処理ステップS21では、CPUメモリ110に保存されている全ての升目の中心座標(画素位置)を配列したもの(以下、「中心座標配列」と記す。)が走査され、走査により検出された升目の中心座標が注目中心座標に決定される。
本処理ステップS22では、中心座標配列において注目中心座標に近い近傍中心座標と注目中心座標とを結ぶ直線が定義され、定義された直線の長さと傾きが計算される。近傍中心座標は、典型的には、注目中心座標の升目に隣接する升目の中心座標である。そのため、計算される直線の長さと傾きは、隣接する升目同士の位置関係(配置間隔、並び方向)を表す。ここで、直線は注目中心座標を始点とし、近傍中心座標を終点とする。直線の傾きは始点から終点への変化率であるため、始点である注目中心座標を基準に計算される。
本処理ステップS23では、中心座標配列内の全ての中心座標が注目中心座標として検出されたか否かが判定される。本フローチャートは、中心座標配列内の全ての中心座標が注目中心座標として検出されるまで、同図の処理ステップS21(注目中心座標の決定)から本処理ステップS23までのループを繰り返す(図7のS21、S22、S23:NO)。本フローチャートは、中心座標配列内の全ての中心座標が注目中心座標として検出された場合(図7のS23:YES)、上記ループから抜けて、同図の処理ステップS24(基準長Lの決定)に進む。
本処理ステップS24では、同図の処理ステップS22(中心座標の位置関係の計算)にて計算された全ての直線の長さがヒストグラム化される。すなわち、直線の長さを横軸に取り、直線の長さの出現回数を縦軸に取る統計グラフが作成される。本処理ステップS24では次いで、作成されたヒストグラムからピークを検出することにより、ピークに対応する(すなわち、出現回数が最も多い)直線の長さが特定され、特定された長さが基準長Lと定義される。
傾きは最大で∞の値を取るため、処理上不都合なことが多い。本処理ステップS25では、処理の便宜上、同図の処理ステップS22(中心座標の位置関係の計算)にて計算された全ての直線の傾きが角度(−π〜π)に変換される。本実施形態において、角度は、+X方向の軸を基準(=0)としたものであり、第1象限及び第2象限の範囲で0〜πの値を取り、第3象限及び第4象限の範囲で0〜−πの値を取る。角度πと角度−πは処理の便宜上等しい角度とする。変換後の直線の角度はヒストグラム化される。すなわち、直線の角度を横軸に取り、直線の角度の出現回数を縦軸に取る統計グラフが作成される。
(1)2つのピークに対応する角度が|π/4|以上離れている。
(2)角度|π/4|より小さい方を基準角度θhとし、それ以外を基準角度θvとする。
本処理ステップS26では、以降の処理ステップを実行するため、注目中心座標が改めて設定される。
本処理ステップS27では、図8(c)に示されるように、直前の処理ステップS26(注目中心座標の再設定)にて設定された注目中心座標を始点とする直線が4方向に引かれる。以下、「直前の処理ステップS26(注目中心座標の再設定)にて設定された注目中心座標」を「最新注目中心座標」と記す。具体的には、最新注目中心座標を始点として、基準長Lを持ちかつ基準角度θhに対応する傾きを持つ直線が+X方向位置側と−X方向位置側に引かれると共に、基準長Lを持ちかつ基準角度θvに対応する傾きを持つ直線が+Y方向位置側と−Y方向位置側に引かれる。本処理ステップS27では次いで、この4本の直線(以下、「基準直線」と記す。)の各々の終点を中心とした所定範囲が探索範囲(図8(c)中、点線)として設定される。
本処理ステップS28では、同図の処理ステップS27(探索範囲の設定)にて設定された4つの探索範囲に属するそれぞれの中心座標が最新注目中心座標に隣接する隣接中心座標としてラベリングされる。+X方向位置側の隣接中心座標にはラベル(i+1,j)が割り当てられ、−X方向位置側の隣接中心座標にはラベル(i−1,j)が割り当てられる。また、+Y方向位置側の隣接中心座標にはラベル(i,j+1)が割り当てられ、−Y方向位置側の隣接中心座標にはラベル(i,j−1)が割り当てられる。なお、探索範囲に中心座標が存在しない場合は、ラベリングしない。又は、基準直線の終点を隣接中心座標とみなしてラベリングしてもよい。また、探索範囲に属する中心座標が既にラベリングされている場合は、再度のラベリングを行わない。
本処理ステップS29では、中心座標配列内の全ての中心座標に対してラベリングが行われたか否かが判定される。本フローチャートは、中心座標配列内の全ての中心座標に対してラベリングが行われた場合(図7のS29:YES)、終了する。ラベリングが行われていない中心座標が残っている場合には(図7のS29:NO)、同図の処理ステップS30(基準直線の更新)に進む。
探索範囲に属する隣接中心座標と基準直線の終点との画素位置の差は、最新注目中心座標に対応する升目とその隣接中心座標に対応する升目との撮影チャート画像上の歪みの差に相当する。また、光ファイバ202は、一定の共振周波数で動作制御される。そのため、走査領域の周辺ほど走査速度が高速である。本発明者は、これらの点を踏まえて実験及び検討を重ねた結果、走査速度が高速な走査領域の周辺に近付くにつれて歪みが徐々に大きくなるという知見を得た。
システム本体100は、各画素における撮影チャート画像の歪みを補正するための歪み補正テーブルを作成する。図9に、システム本体100のCPU108によって実行される歪み補正テーブル作成処理のフローチャートを示す。また、図10(a)〜図10(c)に、歪み補正テーブル作成処理の説明を補助する説明補助図を示す。
本処理ステップS41では、升目の理想的な配列に対応する中心座標配列が作成される。具体的には、撮影チャート画像に対応する所定の仮想領域の中心に一つの中心座標が配置される。次いで、図10(a)に示されるように、仮想領域の中心に配置された中心座標から、所定の四方向であって基準長Lだけ離れた位置のそれぞれに中心座標が配置される。所定の四方向とは、具体的には、基準角度θhに対応する方向(+X方向位置側)、基準角度θhに対応する方向(−X方向位置側)、基準角度θvに対応する方向(+Y方向位置側)、基準角度θvに対応する方向(−Y方向位置側)である。次に、図10(b)に示されるように、各位置に配置された4つの中心座標のそれぞれから、所定の少なくとも一方向であって基準長Lだけ離れた位置に中心座標が配置される。所定の少なくとも一方向とは、上記四方向のうち既に中心座標が配置されている方向を除く方向である。図10(b)の例では、4つの中心座標のそれぞれから、既に中心座標が配置されている方向を除く三方向であって基準長Lだけ離れた位置のそれぞれに中心座標が配置される。
本処理ステップ42では、理想中心座標配列内の各中心座標に対して、撮影チャート画像の中心座標配列に対応するラベル(i,j)が割り当てられる。理想中心座標配列内の全ての中心座標に対してラベル(i,j)が割り当てられるまで、図7の処理ステップS26(注目中心座標の再設定)から同図の処理ステップS29(走査完了判定)までの処理ステップ群と同様の処理ステップ群がループ処理される。
本処理ステップ43では、注目ラベルが決定される。次いで、決定された注目ラベルが割り当てられた撮影チャート画像の中心座標配列内の中心座標を始点とし、同じく注目ラベルが割り当てられた理想中心座標配列の中心座標を終点とするベクトルが算出される。以下、このベクトルを「歪み補正ベクトル」と記す。歪み補正ベクトルは、CPUメモリ110に保存される。
本処理ステップS44では、ラベルが割り当てられた全ての中心座標について歪み補正ベクトルが算出されたか否かが判定される。本フローチャートは、ラベルが割り当てられた全ての中心座標について歪み補正ベクトルが算出されるまで、同図のS43(歪み補正ベクトルの算出)から本処理ステップS44までのループを繰り返す(図9のS43、S44:NO)。本フローチャートは、ラベルが割り当てられた全ての中心座標について歪み補正ベクトルが算出された場合(図9のS44:YES)、上記ループから抜けて、同図の処理ステップS45(補間による歪み補正ベクトルの算出)に進む。
上記ループを抜けた時点では、ラベルが割り当てられた全ての升目の中心座標の画素について歪み補正ベクトルが算出されているものの、各中心座標の画素の間の画素については歪み補正ベクトルが算出されていない。そこで、本処理ステップS45では、各中心座標の画素の間に配置されている画素について歪み補正ベクトルがスプライン補間など周知の補間法により求められる。
本処理ステップS46では、同図の処理ステップS43(歪み補正ベクトルの算出)及び処理ステップS45(補間による歪み補正ベクトルの算出)にて求められた全画素の歪み補正ベクトルと画素アドレスとを対応させた歪み補正テーブルが作成される。作成された歪み補正テーブルは、CPUメモリ110に保存される。
システム本体100は、歪み補正テーブルを用いて共焦点画像の歪みを補正する。図12に、システム本体100のCPU108によって実行される画像歪み補正処理のフローチャートを示す。
本処理ステップS51では、リマップテーブルを用いたリマッピングが行われる。これにより、各共焦点画像検出信号によって表現される点像を画素アドレスに従って二次元に配列した共焦点画像の生成が可能となる。しかし、この段階では、走査誤差等による歪みが残存するものが生成されてしまう。
そこで、本処理ステップS52において、歪み補正テーブルを用いた再リマッピングが行われる。具体的には、同図の処理ステップS51(リマッピング)にてリマッピングされた共焦点画像検出信号によって表現される点像の位置が、当該位置(走査誤差等によって歪んだ位置であって、歪み補正ベクトルの始点に対応する位置)から歪みのない位置(理想中心座標配列に対応する位置であって、歪み補正ベクトルの終点に対応する位置)へ変換される。この画素アドレスの変換は、全ての共焦点画像検出信号に対して行われる。
本処理ステップS53では、再リマッピング処理後の共焦点画像検出信号が画像メモリ118にフレーム単位でバッファリングされる。バッファリングされた共焦点画像検出信号は、所定のタイミングで画像メモリ118から映像信号出力回路120に掃き出されて、NTSCやPA等の所定の規格に準拠した映像信号に変換される。変換された映像信号がモニタ300に出力されることにより、歪みが補正された共焦点画像がモニタ300の表示画面に表示される。
100 システム本体
200 共焦点プローブ
300 モニタ
400 治具
Claims (5)
- 所定の走査光により略円形の走査領域内で中心及び周辺の一方から他方に向かい所定の回転周期で渦巻状に走査された、複数の指標が規則的に配列された被写体からの戻り光を受光することによって検出された該被写体の画像信号を取得する画像信号取得手段と、
取得された画像信号に対し、前記走査光による走査領域内の走査位置と対応する位置関係にある二次元画素配列内の画素位置を、該画像信号の検出タイミングに応じて割り当て、該割り当てられた画素位置に各該画像信号を配列することにより前記被写体の画像を生成する画像生成手段と、
生成された画像内における各前記指標の画素位置を検出する指標位置検出手段と、
検出された各指標の画素位置に基づいて前記複数の指標を並べた指標画像配列を作成する指標画像配列作成手段と、
前記画像内における各指標について、該指標を始点としかつ該指標に対して所定の方向に位置する少なくとも一つの隣接指標を終点とする直線を定義し、定義された直線の長さ及び傾きを算出する長さ傾き算出手段と、
前記各指標に対して算出された前記直線の長さの出現回数を分布化したときの長さピーク及び該直線の傾きの出現回数を分布化したときの傾きピークを検出するピーク検出手段と、
前記傾きピークに対応する傾きの方向に前記長さピークに対応する長さの配置間隔で前記複数の指標を並べることにより理想配列を作成する理想配列作成手段と、
前記指標画像配列作成手段により作成された指標画像配列と、前記理想配列作成手段により作成された理想配列とを比較し、比較結果に基づいて前記画像内における各指標の歪みを補正する歪み補正手段と、
を備える、
走査型共焦点内視鏡システム。 - 前記指標画像配列作成手段は、
(1a)前記指標画像配列内から注目指標を決定し、
(2a)決定された注目指標に前記指標画像配列内における配列位置情報を割り当て、
(3a)前記配列位置情報が割り当てられた注目指標を始点とする所定の長さ及び所定の傾きを持つ少なくとも一本の基準直線を定義し、定義された基準直線の終点を含む所定範囲内に位置する指標に対して前記注目指標に隣接する配列位置情報を割り当て、
(4a)全ての指標に前記配列位置情報が割り当てられるまで(1a)〜(3a)を繰り返す、
請求項1に記載の走査型共焦点内視鏡システム。 - 前記理想配列作成手段は、
(1b)前記理想配列内から注目指標を決定し、
(2b)決定された注目指標に前記指標画像配列に対応する配列位置情報を割り当て、
(3b)前記配列位置情報が割り当てられた注目指標を始点とする所定の長さ及び所定の傾きを持つ少なくとも一本の基準直線を定義し、定義された基準直線の終点を含む所定範囲内に位置する指標に対して前記注目指標に隣接する配列位置情報を割り当て、
(4b)全ての指標に前記指標画像配列に対応する前記配列位置情報が割り当てられるまで(1b)〜(3b)を繰り返す、
請求項2に記載の走査型共焦点内視鏡システム。 - 前記歪み補正手段は、
前記指標画像配列内の各指標について、対応する配列位置情報が割り当てられた前記理想配列内の指標との画素位置の差に基づいて補正ベクトルを計算し、
計算された補正ベクトルに基づいて該各指標の歪みを補正する、
請求項3に記載の走査型共焦点内視鏡システム。 - 前記被写体は、
黒色の背景に白色の正方形の升目をマトリックス状に並べたものである、
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の走査型共焦点内視鏡システム。
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