JP6917183B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
粘膜と血管の吸収スペクトルの違いを利用して表層血管の構造を観察する方法がある。図1に示すように、光の波長帯域400〜440nmに粘膜と血管の反射率の比が最も大きくなる部分がある。そこで、この狭帯域のNB(Narrow Band)照明光を患部に照射することにより、表層血管の構造を観察する内視鏡装置が提供されている。
近赤外線を利用して生体内部の血管構造を観察する方法がある。波長帯域700〜1000nmの近赤外線は「生体透過の窓」と言われ、生体の吸収が少ないため、生体内部(部位により1〜3cm)から反射光を得ることができる。特に血管(ヘモグロビン)は他の組織に比べると近赤外線の吸収が大きく、反射が少ないため、近赤外線の吸収率又は反射率の違いを利用して生体内部の血管を検出することができる。
手術中にICG(インドシアニングリーン;Indocyanine green)色素を血管に注入し、血管を造影する方法がある。図2に示すように、ICG色素は、774nmを中心とした近赤外線を吸収し、805nmを中心とした蛍光を発する。これらの波長も同じく「生体透過の窓」の帯域内にあるため、部位や組織によって1〜3cm程度の深さの血管を検出することができる。その検出に使用できる近赤外線カメラが提供されている。
患部に励起光を当てて、正常部と癌の自家蛍光の違いを画像として検出する方法がある。図3に示すように、正常粘膜に多く存在するコラーゲン等の物質は、青色(B)の励起光(400〜520nm)を吸収し、緑色(G)の自家蛍光(490〜650nm)を発する。一方、癌の部分は、血液量が増加し、粘膜の肥厚等の組織が乱れているため、この蛍光度が弱い。それゆえ、自家蛍光率の違いを検出することにより癌を診断する内視鏡診断装置が提供されている。また、蛍光度が微弱なため、強い青色(SB;Strong Blue)の照明光を当てて高感度の撮像も行われている。
癌に取り込まれた蛍光プローブの蛍光画像を撮像することにより、ミリオーダ単位の癌を検出する方法がある。γ−グルタミルトランスペプチダーゼという蛍光プローブを患部に散布すると数十秒〜数分で癌に取りこまれ、図4に示すように、Bの励起光を吸収してGの自家蛍光を発するように変化する。この変化を撮像し、観察することで、ミリオーダ単位の癌を検出する臨床研究が進んでいる。
酸素飽和濃度の分布を画像として検出することにより、癌や血管の状況を診断する方法がある。赤血球中の酸素と結合しているヘモグロビンの割合を示す酸素飽和濃度は、動脈で98%、静脈で70%程度となる。ところが、癌の部分の酸素飽和濃度は20〜30%と低い。また、図5に示すように、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの光吸収係数は波長によって異なる。この光吸収度の違いを利用して画素ごとに酸素飽和濃度を算出し、擬似カラー化等の処理を行い、通常のRGB画像に融合することで、癌の診断を行う臨床研究が進んでいる。
先ず、上述した診断方法1〜6で必要な光源装置の照明光の帯域特性と撮像装置のカラーフィルタの帯域特性について集約し、照明光とカラーフィルタの共通化及び照明光の切換の必要性について検討する。
診断方法1の場合、波長帯域420〜450nmのNB照明光を患部に照射し、Bフィルタで撮像することにより、血管画像をコントラスト良く撮像することができる。撮像した血管画像は、白黒画像として表示し、又はRGB画像の血管部分を強調するための信号として使用する。
診断方法2の場合、W照明光とIR照明光(790〜970nm)を同時に照射してRGB画像を撮像するとともに、2つのIR1フィルタ(680〜810nm;760nmを中心)とIR2フィルタ(810〜990nm;940nmを中心)で2つのIR画像を撮像する。また、そのIR画像をカラー表示し、RGB画像と融合表示するため、図5に示したように酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの光吸収係数が810nm付近で反転していることを利用して、IR1フィルタで撮像したIR画像信号をRGB画像のR信号に割り当て、IR2フィルタで撮像したIR画像信号をG信号に割り当てることで、動脈と静脈の色相コントラストを上げ、動脈と静脈を分別しやすくする。
診断方法3の場合、血管内にICGを注入し、図6に示すように、W照明光とIR照明光(774nmを中心とする)を同時に照射してRGB画像を撮像するとともに、ICGが発する蛍光(805nmを中心とする)の画像をIRフィルタで撮像する。
診断方法4の場合、図7に示すように、励起光としてSB照明光を行い、生体粘膜と癌が発する自家蛍光の違いをGフィルタとRフィルタで撮像してカラー表示を行う。癌の部分は蛍光度が微弱なため、SB照明光は、それを撮像するのに相応しい照明強度とし、撮像した画像信号を増幅する必要がある。
診断方法5の場合、図8に示すように、励起光としてB照明光を行い、γ−グルタミルトランスペプチダーゼの蛍光プローブが発するGの自家蛍光をGフィルタで撮像する。B照明光の長波長側は480nmでシャープカットし、Gフィルタの短波長側も480nmでカットシャープカットする。これにより、診断方法4との共通化を図る。
酸素飽和ヘモグロビンと還元ヘモグロビンからの反射光の比が一番大きくなる波長帯域は、図5に示した光吸収係数より、420〜450nmの狭い帯域となる。この帯域は、生体からの反射が小さく、狭帯域のため、所定の感度を得るために、それに応じた強度を持つ照明光を用いる必要がある。それゆえ、診断方法6の照明光は、診断方法1のNB照明光と共通化することができる。一方、カラーフィルタについては、RGBフィルタを用いることとなる。
上述した診断方法1〜6で必要な光源装置の照明光の帯域特性と撮像装置のカラーフィルタ特性を集約すると、光源装置の照明光については、各診断方法の目的に応じて照明光の波長帯域を切り換えなくてはならないが、診断方法1,6についてはNB照明光を共通化でき、診断方法4,5はB照明光(SB照明光)を共通化でき、診断方法2,3はIR照明光を共通化することができる。
3−1.目的及び全体構成
本発明の目的は、上述した課題を解決するため、複数の特殊光画像診断に共通に使用できる内視鏡、術野カメラ、手術顕微鏡用カメラ等を提供することにある。加えて、上述した診断方法1〜6を組み合わせ、融合表示を行うことで、診断精度の向上や新しい診断情報を得ることが可能な画像診断装置を提供することにある。
光源装置1の構成例を図12に示す。光源装置1は、上述した診断方法1〜6に対応して照明を選択し、又は撮像した画像フレームごとにその照明を電子的又は機械的に切り換えて、診断方法1〜6の画像を同時もしくは短時間に取得することができる。
次に、光源装置1を術野カメラ用の複数診断用無影灯として用いる場合について説明する。無影灯の場合、W,NB,SB,IR1,IR2の各照明光源を2次元にモザイク配列する。
次に、光源装置1を手術顕微鏡カメラ用のファイバ照明装置として用いる場合について説明する。ファイバ照明装置の照明についても、上述した2次元モザイク配列した照明光源及び光源用ライトガイドファイバで構成する。具体的には、図15に示すように、光源用ライトガイドファイバ23の光出射端側をリング状に密集させることにより、ファイバ照明装置のリング照明29を形成する。なお、駆動方法や撮像方法については、上述した内視鏡及び複数診断用無影灯の場合と同じである。
4−1.撮像用カラーフィルタ部
続いて、撮像装置3について説明する。まず、撮像用カラーフィルタ部31について説明する。昨今、撮像素子の画素に多層膜の干渉フィルタをモザイク配列する技術が開発され、所望の帯域幅とカットオフ特性を有するカラーフィルタのモザイク配列が可能になっている。
本実施の形態に係る内視鏡、腹腔鏡、術野カメラ、手術顕微鏡用カメラに使用する撮像素子のカラーフィルタの配列例を図16に示す。このR,G,B,IRのカラーフィルタは、図10に示した波長帯域特性を備え、診断方法1〜6で共通使用可能である。
次に、撮像用カラーフィルタ部31を多板プリズム方式の撮像素子で構成する場合について説明する。
次に、マトリクス変換部32について説明する。上述したように、R,G,B,IR1,IR2フィルタのカットオフ特性の制約は、いずれも色度座標を広げる方向となるため、マトリクス変換部32では、診断方法1〜6の全てに共通に使用できるように画像信号を補正する。また、マトリクス変換部32は、所定の画像を強調するための強調用信号を生成する。
マトリクス変換部32の構成を図20に示す。マトリクス変換部32は、コントロール部から送信されるコントロール信号C1に従い、図11に示した前段の映像信号処理部からのR,G,B,IR1,IR2の各信号のうち1つ以上を画像強調信号Sとしてマルチプレクサ321で選択し、その画像強調信号Sの増幅度をコントロール信号C2に従い増幅度切換部322で設定する。
また、マトリクス変換部32では、画像強調信号Sと同時に表示用のRGB画像を得るため、上述したマルチプレクサ321、増幅度切換部322、及び増幅器323からなる回路と同一の回路を更に3つ備え、コントロール部から送られてくるコントロール信号C3に従って、R,G,B,IR1,IR2の各信号の中から、RGB表示に必要な信号をマルチプレクサ321a〜321cにより選択し、コントロール信号C3に従って、増幅度切換部322a〜322cで増幅器323a〜323cの増幅度を切換えて所定の増幅を行う。
4−3−1.画像強調処理の概要
次に、画像強調部33について説明する。ここでは、診断方法1での血管と粘膜の画像を強調する例を用いる。
上述に従った画像強調部33の処理プロセスの概要を図23に示す。具体的には、画像強調部33では、(1)照明ムラの抑制、(2)周波数成分の違いの強調、(3)ボケの修正、(4)コントラストの強調、(5)輝度の強調、(6)色度の強調について、順次実行する。
マトリクス変換部32で選択されたNB信号は、最初に対数変換部331に入力され、対数変換部331で60dbの対数変換を行う。NB信号のSN比を60dBとしたとき、ノイズレベルを1(log(1)=0)として、NB信号の飽和値1000が3(log(1000))になるように、60dBの対数圧縮が行われる。対数変換されたlog(NB)の信号は、次に照明ムラ抑制部332に入力される。
照明ムラが抑制されたNB信号は、次に、図24の周波数成分強調部333に入力され、血管のテクスチャを構成する周波数成分の差が強調される。以下、その原理を説明する。
周波数成分強調部333では、上記の血管画像のテクスチャ強調に加えて、図28に示したように、ボケ補正部333Bにおいて、血管の上層部に位置する表層粘膜の散乱によって起きる画像のボケを修正する輪郭強調を行う。具体的には、ハイパスフィルタ333eで周波数成分強調後の信号からボケで失われた高周波成分を抽出し、乗算回路333fで、その抽出した高周波数成分に係数qを乗じ、加算回路333gで係数qを乗じた信号を元の信号(周波数成分強調後の信号)に加算する。
照明ムラが抑制され、テクスチャを示す周波数成分が強調され、ボケが修正されたlog(NB)信号は、図24のコントラスト強調部334に入力される。そして、このコントラスト強調部334において、log(NB)信号はフレームメモリ334aに一旦格納され、更に平均値検出部334bでlog(NB)信号の平均値log(a)が算出される。その後、その平均値log(a)は加算回路334cに入力され、元のlog(NB)信号に加算される。これにより、log(NB)信号はlog(NB・a)信号となるので、NB信号がa倍(aは、logNBの利得となる)されたことになる。つまり、図32に示す片対数グラフで見ると、縦軸に沿ってlog(NB)のグラフをlog(a)だけ平行移動したことになる。
以上の制御がなされたlog(NB・α)γ信号は、図24の逆対数変換部335で(NB・α)γ信号(以下、NB’信号)に逆対数変換される。このNB’信号を用いて、血管の構造を白黒画像として表示してもよいし、擬似カラー化を行って表示画像と融合表示してもよい。また、医師が日頃見慣れている内視鏡画像の色調を残したまま、血管画像の輝度だけを強調して表示してもよい。更に、以下に述べるように、輝度と彩度と色相をそれぞれ独立に強調して表示してもよい。その方法について以下説明する。
次に、輝度に続いて、彩度と色相を別々に強調する方法について説明する。
ここまで、診断方法1の血管構造を強調するための処理を例にして、画像強調部33の処理を説明したが、その他の診断方法2〜6についても同様に、それぞれの特殊光撮像で得られた信号を強調信号として、目的に応じた画像の強調を行うことができる。
図11に示した融合処理部34の構成を図36に示す。融合処理部34では、診断方法1〜6の画像情報を適宜組み合わせて融合処理を行うことで、診断効果を向上し、新しい診断効果を生み出すことを目的とする。また、融合処理部34は、融合処理のための各種係数や関数の設定が、図11のコントロール部5を介して事前の検証によって可能な構成となっている。以下、その実施例について説明する。
診断方法1,4の画像融合処理の必要性を先ず説明する。診断方法1では、癌の発生部位独自の血管構造を観察して、癌の診断と治療方針の決定ができるが、診断方法4の自家蛍光画像は、その癌の輪郭を明瞭に検出できるといわれている。そこで、診断方法1,4の画像を融合表示することで、それぞれの診断方法で得られる情報の相乗効果が期待できる。
次に、診断方法1のNB信号による表面血管画像と、診断方法2のIR1信号,IR2信号による生体内部の血管画像を融合表示する実施例について説明する。
次に、診断方法1,2,4の画像の融合処理方法について説明する。診断方法1,2,4の画像の融合処理の場合、図38に示すように、融合処理部34を多段に構成する。
最後に、診断方法1,2,6の画像の融合処理方法について説明する。この融合処理の1つ目の目的は、医師が日ごろ見慣れている診断方法1の癌画像の輝度と色度を保持したまま、癌と正常部との輪郭を明瞭に見分けることができる融合処理を行うことにある。また、2つ目の目的は、手術のナビゲーションに応用できるように、動脈を見分けることができる融合処理を行うことにある。
1’…無影灯
11…光源部
12…照明光切換部
21a…LED
21b…LD
22…波長帯域フィルタ
23…光源用ライトガイドファイバ
24…透過膜
25…回転切換機構部
26…切換駆動部
27…光源体
28…LED駆動部
29…リング照明
3…撮像装置
31…撮像用カラーフィルタ部
32…マトリクス変換部
33…画像強調部
34…融合処理部
311a〜311e…反射ダイクロイックミラー
312a〜312g…撮像素子
321…マルチプレクサ
322…増幅度切換部
323…増幅器
324…酸素飽和濃度変換部
325…マトリクス変換処理部
331…対数変換部
332…照明ムラ抑制部
333…周波数成分強調部
334…コントラスト強調部
335…逆対数変換部
336…輝度強調部
337…色度強調部
5…コントロール部(コントロール装置)
500…スコープライトガイドファイバ
501…透過膜
Claims (6)
- 診断方法に応じて光の波長帯域を切り換える光源装置により光が照射された生体を撮像する医療診断用の撮像装置において、
撮像画像の画像成分を強調する画像強調部と、
強調された画像成分を前記撮像画像の色を補正した補正画像に適用し、少なくとも2つの診断方法に応じて撮像された撮像画像にそれぞれ対応する少なくとも2つの前記補正画像を融合する融合処理部と、を備え、
前記画像強調部は、
前記補正画像の輝度信号に対して、第1の係数を乗じ、少なくとも利得が追加され非線形変換が行われた強調対象の色信号に第2の係数(第1の係数と第2の係数の合計は固定値)を乗じた値を加算することにより、前記補正画像の輝度信号の強調量を調整し、前記補正画像の色度信号に対して、当該加算した値を前記輝度信号の値で除した除算値を乗算することにより、前記補正画像の色度を保持し、
前記画像強調部は、
前記補正画像の色度を彩度と色相角に変換し、前記除算値に彩度と色相角の強調量に応じた各係数をそれぞれ乗じた値を前記補正画像の彩度と色相角にそれぞれ乗算することにより、前記補正画像の彩度と色相角を分けて強調することを特徴とする撮像装置。 - 前記画像強調部は、
前記補正画像の彩度に所定の係数を乗じ、前記補正画像の色相角に所定の係数を加算することにより、前記補正画像の彩度を調整し色相を回転させることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 診断方法に応じて光の波長帯域を切り換える光源装置により光が照射された生体を撮像する医療診断用の撮像装置において、
撮像画像の画像成分を強調する画像強調部と、
強調された画像成分を前記撮像画像の色を補正した補正画像に適用し、少なくとも2つの診断方法に応じて撮像された撮像画像にそれぞれ対応する少なくとも2つの前記補正画像を融合する融合処理部と、を備え、
前記融合処理部は、
複数の診断方法に対応する複数の前記補正画像から2つの補正画像を選択し、選択した2つの補正画像の輝度比を求め、所定のルックアップテーブルを用いて生体深度に応じて変化する2つの関数(2つの関数の合計値は固定値)を生成し、選択した一方の補正画像に対して一方の関数値を乗じ、他方の補正画像に対して他方の関数値を乗じて合算することを特徴とする撮像装置。 - 診断方法に応じて光の波長帯域を切り換える光源装置により光が照射された生体を撮像する医療診断用の撮像装置において、
撮像画像の画像成分を強調する画像強調部と、
強調された画像成分を前記撮像画像の色を補正した補正画像に適用し、少なくとも2つの診断方法に応じて撮像された撮像画像にそれぞれ対応する少なくとも2つの前記補正画像を融合する融合処理部と、を備え、
前記画像強調部は、
強調対象の色信号から異なる2つの生体部位にそれぞれ対応する2つの周波数成分値を抽出し、所定のルックアップテーブルを用いて非線形変換を行うことにより、前記2つの周波数成分値の比を大きくし、
前記2つの周波数成分値の比は、
異なる2つの生体部位の周波数成分値を事前に複数抽出し、周波数成分を多次元直交軸とする座標空間にプロットしたときに出現する2つの集合(クラスタ)の全体の分散の大きさが最も大きい第一主成分軸の成分値の比であることを特徴とする撮像装置。 - 診断方法に応じて光の波長帯域を切り換える光源装置により光が照射された生体を撮像する医療診断用の撮像装置において、
撮像画像の画像成分を強調する画像強調部と、
強調された画像成分を前記撮像画像の色を補正した補正画像に適用し、少なくとも2つの診断方法に応じて撮像された撮像画像にそれぞれ対応する少なくとも2つの前記補正画像を融合する融合処理部と、を備え、
前記画像強調部は、
強調対象の色信号に利得を追加し、非線形変換を行うことにより、当該色信号のダイナミックレンジを表示装置のダイナミックレンジに調整するとともに、異なる2つの生体部位に対応する当該色信号の比を調整することを特徴とする撮像装置。 - 診断方法に応じて光の波長帯域を切り換える光源装置により光が照射された生体を撮像する医療診断用の撮像装置において、
撮像画像の画像成分を強調する画像強調部と、
強調された画像成分を前記撮像画像の色を補正した補正画像に適用し、少なくとも2つの診断方法に応じて撮像された撮像画像にそれぞれ対応する少なくとも2つの前記補正画像を融合する融合処理部と、を備え、
前記画像強調部は、
前記補正画像の輝度信号に対して、第1の係数を乗じ、少なくとも利得が追加され非線形変換が行われた強調対象の色信号に第2の係数(第1の係数と第2の係数の合計は固定値)を乗じた値を加算することにより、前記補正画像の輝度信号の強調量を調整し、前記補正画像の色度信号に対して、当該加算した値を前記輝度信号の値で除した除算値を乗算することにより、前記補正画像の色度を保持することを特徴とする撮像装置。
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