JPWO2015053387A1 - 内視鏡システム - Google Patents

Abstract

内視鏡先端部の撮像ユニットで撮像した撮影画像の輝度レベルの分布を用いて、観察窓の曇りの有無を判断してヒータ加温を行い、観察窓の曇りを除去する内視鏡システムである。

Description

本発明は、内視鏡の挿入部の観察窓の防曇機能を有する内視鏡システムに関する。

一般に、内視鏡の挿入部の先端部に配置された観察窓は、観察対象となる管腔内に挿入される前には、外部環境温度（室温）と同等な温度、例えば、２５℃前後となっている。管腔内は、例えば、温度が３７℃前後で、湿度が１００％近くという環境下になる。このため、挿入した際に、観察窓のレンズ温度と管腔内温度との温度差により、管腔内の湿気がレンズ表面に付着して曇りや水滴が発生すると、観察画像が見え難くなる事態が生じる。この曇りを除去手法として、例えば、観察窓の近傍に配置された噴出口から洗浄液を噴出して、曇りを除去する構成が知られている。しかし、観察窓自体の温度が低ければ、再度、曇りが発生することとなる。

そこで、観察窓の曇りを防止又は、除去するために、例えば、特許文献１には、観察窓となる対物光学系に近接するように、熱源となるヒータを配置した構成が提案されている。特許文献１においては、挿入部の先端部内に、ヒータに電源を供給する電源線のほかに、ヒータ近傍には、ヒータの温度を制御するための温度センサが配置され、温度情報を取得するための通信線が配線されている。

特開２００６−２８２号公報

前述した特許文献１に開示されているように、通常、ヒータの温度制御に対しては、温度センサを用いたフィードバック制御が行われている。従って、管腔内へ挿入された際に、曇りが発生した場合には、温度センサにより検出された温度に基づき、ヒータを加熱することで、観察窓の曇りを除去することができる。また、観察窓のレンズの温度と管腔内温度との温度差が大きい場合には、予め観察対象の温度と大凡同じ温度になるように、ヒータ加熱して、挿入前に観察窓の温度を加温する温度調整を実施することができる。

しかしながら、挿入部の先端部分に温度センサを搭載しているため、その存在が挿入部の更なる細径化を図ろうとする際の課題となっている。
そこで本発明は、挿入部の先端部内に温度センサを搭載せずに、撮像された画像から曇りの状態を検知し、観察対象に好適するヒータの加温制御を行う内視鏡システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、先端に観察窓が配置され、管腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、前記観察窓を通過し、結像された観察像を画像信号に変換する複数の画素からなる撮像面を有する撮像ユニットと、前記観察窓に近接して配置される曇り防止ヒータと、前記撮像ユニットの前記複数の画素が出力した画像信号による輝度レベルの分布を検知する輝度レベル検知部と、前記輝度レベルの分布と、予め設定した判断基準とを比較し、前記判断基準以下の際に、前記曇り防止ヒータに対して加温動作を行うように判断する判断部と、前記判断部の判断結果に従い、前記曇り防止ヒータを駆動して前記観察窓を加温するヒータ電源と、を備えた内視鏡システムを提供する。

本発明によれば、挿入部の先端部内に温度センサを搭載せずに、撮像された画像から曇りの状態を検知し、ヒータの加温制御を行う内視鏡システムを提供することができる。

図１は、本発明の医療機器として、内視鏡本体内に撮像ユニットを内装する内視鏡装置の全体構成例を示す図である。 図２は、内視鏡本体の先端部の内部構造を示す断面図である。 図３は、ビデオプロセッサの構成を示すブロック図である。 図４は、観察窓に曇りが生じていない場合の輝度レベルの分布の例を示す図である。 図５は、観察窓に曇りが生じている場合の輝度レベルの分布の例を示す図である。 図６Ａは、撮像素子の受光面の画素に重み付けの説明を行うための例を示す図である。 図６Ｂは、撮像素子の受光面の画素に重み付けの説明を行うための例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の医療機器として、挿入部の先端部内に防曇構成を有する内視鏡システムの全体構成例を示す図である。
本実施形態の内視鏡装置は、大別して、内視鏡本体１と、移動可能なトロリー２に搭載された種々の外部装置となる内視鏡用機器７とで構成される。以下の説明については、軟性鏡を例として説明するが、硬性鏡においても同様に搭載することができる。

内視鏡本体１は、観察対象となる体腔内に挿入される挿入部（可撓管）４と、挿入部４の先端側に設けられた湾曲部５及び後述する先端部６と、基端側に設けられた湾曲部５を湾曲動作させる内視鏡操作部３と、で構成される。以下の説明において、湾曲部５側を先端側とし、操作部３側を基端側と称する。

内視鏡用機器７は、観察対象部位に照射する照明光を生成する光源装置８と、撮像された映像信号に所定の画像処理を施すビデオプロセッサ９と、映像信号を観察画像として表示するモニタ１０と、入力部であるキーボード１１等を有している。
さらに、トロリー２には、洗浄等に用いられる液体（洗浄液：例えば、生理食塩水等の水を主とする液体）を貯留するボトル１２が着脱可能に取り付けられている。また、内視鏡用機器７には、送気ポンプユニット（図示せず）が含まれている。さらに、トロリー２の棚には、体腔内で後述する洗浄ノズルから体腔内に噴出された液体や気体及び粘液等を吸引する吸引ユニット１３が収容されている。

内視鏡本体１と光源装置８は、ユニバーサルケーブル１４を介してコネクタ１５で接続されている。ユニバーサルケーブル１４は、光ファイバーからなるライトガイドの他に、映像信号等を伝送する複数の信号線、チューブからなる気体及び液体の供給路（送気送液チャンネル）と排出路を含んでいる。ユニバーサルケーブル１４の内視鏡用機器７側に接続するコネクタ１５は、信号線とチューブとライトガイドに分岐して、それぞれビデオプロセッサ９、吸引ユニット１３及び、光源装置８に接続している。内視鏡操作部３には、湾曲部５を挿入方向に対して互いに直行する、例えば、上下及び左右方向に湾曲させるための湾曲操作部１６と、送気送水ボタン１７ａと、吸引操作ボタン１７ｂと、が設けられている。挿入部４の基端側で内視鏡操作部３との間には、先端部に配置されるチャンネル開口部から挿入部４内部を貫通する鉗子チャンネルの挿入口部１８が配設されている。

内視鏡本体１の先端部６は、硬質部材により円筒形状に形成され、先端面には、少なくとも照明光を照射する照明窓と、観察対象部位を観察するための観察窓２１とが設けられている。また図示していないが、先端面上で観察窓の近傍には、流体を噴出するノズルが配置されている。照明窓は、光学レンズで構成され、光源装置８から光ファイバーを通じて導光された照明光を観察対象部位に照射する。

また、図２に示すように、先端部６内には、先端面に対物レンズからなる観察窓（カバーガラス）２１と、観察窓２１の光軸方向に沿って、環形状の曇り防止ヒータ２２と、複数のレンズ群からなる撮像光学系２４と、撮像素子２５と、画像処理部２６とが配置されている。撮像素子２５は、撮像面に結像された観察光像を光電変換して映像信号を生成する。撮像素子２５は、複数の撮像素子が、少なくともアドレスが特定できるように、平面状（マトリックス状）に配置される、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。撮像素子２５は、画像処理部２６と一体的に配置され、撮像ユニット２７を構成している。

曇り防止ヒータ２２は、観察窓２１の光路を確保するように環形状を成し、観察窓２１の周辺部分に近接、又は熱伝導部材を介して当接され、レンズ周辺側からレンズ中央に向かい加温するように配置されている。曇り防止ヒータ２２は、高抵抗の材料で形成され、通電により発熱する。また、曇り防止ヒータ２２は、先端部６が金属材料により形成されている場合には、先端部６の内面との間に絶縁部材を介在させて、電気的に絶縁している。以下の説明において、防雲動作とは、観察窓の曇り防止又は、曇り除去を行う動作を示唆するものとする。

このような構成において、観察窓２１を通過した観察像は、撮像光学系２４により光軸上の後方に配置された撮像素子２５の撮像面上に結像され、電気信号に光電変換されて、画像処理部２６より撮像信号として生成される。この撮像信号は、映像信号配線２８（及び、ユニバーサルケーブル１４）を通じて、ビデオプロセッサ９に送信される。ビデオプロセッサ９は、画像信号に対して、所定の画像処理を施し、モニタ１０に出力する。

図３は、先端部６内の対物レンズの防雲動作の制御を行うためのブロック構成を示す図である。尚、図３には、本実施形態における防曇動作を実施するための構成部位を選択的に示しており、図示しなくとも一般的なビデオプロセッサが有する構成部位は搭載しているものとする。

本実施形態のビデオプロセッサ９は、撮像信号からノイズ除去や増幅処理を行う画像処理部３１と、画像信号の輝度レベルによる分布を検知する輝度レベル検知回路３２と、モニタ表示用の映像信号を生成する映像信号処理回路３３と、判断基準を設定する判断基準設定部３４と、複数の判断基準を記憶するメモリ３５と、判断基準により曇り防止ヒータ２２のＯＮ／ＯＦＦを判断する判断回路３６と、曇り防止ヒータ２２に供給する電源を出力するヒータ電源３７と、判断結果に沿って曇り防止ヒータ２２へ電源を供給する電源供給回路３８と、で構成される。

本実施形態における観察窓の防雲動作について説明する。
通常、観察窓２１の表面における曇りの有無により、撮像された映像信号のコントラストレベル（輝度分布）に変化が発生する。例えば、図４には、観察窓２１に曇りがなく、適正な観察像が撮像素子２５に入射した場合の映像信号の輝度分布が広い（コントラストが高い）特性の例を示している。また、図５には、観察窓２１に曇りが発生して、減光した観察像が撮像素子２５に入射した場合の映像信号の輝度分布が狭い（全体的なコントラストが低い）特性の例を示している。

この本実施形態の構成において、画像処理部３１は、フィルタ回路や増幅回路等を有し、先端部に配置された撮像ユニット２７から受信した撮像信号に対して、ノイズ除去や増幅処理を行う。輝度レベル検知回路３２は、後述する図５に示すような画像信号の輝度のレベルによる分布を検知する。映像信号処理回路３３は、画像処理部３１から出力された画像信号をモニタ１０に表示する映像信号に処理する。メモリ３５は、後述する複数の判断基準をテーブル又はパラメータとして記憶する。勿論、メモリ３５は、単体として用いてもよいし、内視鏡システムを制御するための制御部（パーソナルコンピュータ等）に付随するメモリを利用してもよい。

判断基準設定部３４は、図示しない選択スイッチにより選択された判断基準を設定する。判断基準の設定は、例えば、モニタ１０に表示された後述する観察分野を選択することで設定される。判断回路３６は、検知された輝度レベルの分布（又は、輝度分布と称する）と、設定された閾値となる判断基準との比較により、曇り防止ヒータ２２に対する加温のＯＮ／ＯＦＦを判断する。この判断は、観察動作中に渡り、予め定めた時間間隔で継続的に、検知及び、比較による判断が行われる。

この判断は、比較において輝度レベルの分布のピーク値を中央とする分布の幅（輝度範囲ｂ：図５に示すｂ％）の値を下回った場合、又は予め設定した閾値（図５に示すａ％）を上回った場合には、観察窓２１は曇っていると判断する。これらの判断は、分布の幅又は閾値のいずれか１つで判断してもよいし、分布の幅及び閾値の両方を判断基準に用いてもよい。尚、判断基準設定部３４に設定されるａ，ｂの設定値は、挿入部の設計や構造によって、異なる数値であり、後述する観察分野ごとに重み付けを設定することができる。経験的には、ａの設定値は、例えば、輝度全体の５０％程の高さに設定できる。また、ｂの設定値は、例えば、５０％〜７０％程度の幅に設定できる。図５に示している輝度レベルのピークは、検知されている輝度範囲の中央位置とは限定されない。

電源供給回路３８は、判断回路３６の判断結果に従ってヒータ電源３７から曇り防止ヒータ２２に電源を供給し、観察窓２１を略４０℃以下まで加温して、曇りを除去する。観察窓２１の曇りが除去された場合には、輝度レベルの分布が図４に示す特性に変化して、分布する輝度レベルが高くなる。

一般に、内視鏡による観察は、観察対象によって、モニタ１０に映し出される表示画面における画面中央側を注視するか、又は画面周辺側を注視するかが異なっている。本実施形態では、表示画面（撮像面）上の注視する位置、即ち、画素の位置（アドレス）によって、曇り位置（輝度の変化位置）の重み付けを行う。本実施形態における重み付けは、以下のように、観察対象の分野（又は部位）によって、区別している。

［選択１］軟性鏡（肺、食道、十二指腸）分野
管腔内の観察が主であるので、観察者が注視するのは、主に表示画面（視野マスク）の周辺部分となる。例えば、図６Ａに示すように、気管支においては、観察対象は表示画面の周辺部分になる。このような臓器では、図６Ｂに示すように、撮像面の中央側よりも周辺側の画素に重み付けを行う。管腔の壁面の色部分を撮像する画素から取得された画像信号の輝度レベル（コントラスト値）に基づき、観察窓２１の曇りの有無を検知する。

［選択２］軟性鏡（胃、腎臓、膀胱）分野
胃は、先端部を湾曲させて、腔内の全体を見渡す場面があり、得たい視野は、表示画面の中央側で捉えることができるため、観察窓２１の中央側が曇らないことが所望される。従って、撮像面の周辺側の画素よりも、中央側の画素に重み付けを行う。即ち、［選択１］とは、逆の重み付けを行っている。

［選択３］軟性鏡（大腸）
大腸は管腔内ではあるが、曲がりくねっている臓器であり、表示画面の周辺側も中央側も観察する必要があり、視野全体が曇らないことが所望される。従って、観察窓２１の全面が曇らないことを所望されるため、撮像面の画素に対して個別の重み付けはしない。

［選択４］胸部外科（肺、食道）分野
肺や食道の手術（胸腔）では、腔が奥深く、奥行きのある視野となる場面が多い。奥行きがあるため、術野全体を画面全体で捉えるようになるため、観察窓２１の全面が満遍なく曇らないことが所望される。よって、撮像面の画素に対して個別の画素の重み付けはしない。

［選択５］消化器外科（胃、大腸）分野
胃や大腸の手術（腹腔）では、胸腔ほど奥行きがなく、観察者が観察したい観察対象（術野及び箇所）を表示画面の中央側に捉えることができる。従って、観察窓２１の中央側が曇らないことが所望され、撮像面の周辺側よりも中央側の画素に重み付けを行う。前記［選択２］と同様の重み付けを行っている。

［選択６］関節鏡分野
関節鏡では、腔が非常に狭いため、術野全体を画面全体で捉える必要があるため、観察窓２１の全面が満遍なく曇らないことが所望される。よって、撮像面の画素に対して個別の重み付けはしない。

［選択７］内視鏡下副鼻腔手術分野
内視鏡下副鼻腔手術では、腔は狭いが細長く、術野全体を表示画面の全体で捉えるようになるため、観察窓２１の全面が満遍なく曇らないことが所望される。よって、撮像面の画素に対して個別の重み付けはしない。

以上説明したように、本実施形態によれば、内視鏡先端部の観察窓が温度差と湿度により曇った場合には、撮像された観察映像が、全体的に色彩が薄くなり、輝度のレベルが下がり、又は、表示画面の全体から見て一部分の輝度にピークが生じて輝度レベルの分布が狭くなり、共に、コントラストが低下する。この特徴を利用して、撮影画像のコントラストが低下した際に、予め定めた輝度レベルの分布又は、予め定めた閾値（図５）からなる判断基準と、撮像された観察画像の輝度レベルの分布又は閾値を比較する。この比較により、観察画像が判断基準よりも低ければ、観察窓２１は曇っているものと判断されて、曇り防止ヒータ２２に電源が供給され、観察窓２１が加温される。

従って、本実施形態は、内視鏡先端部内にこれまで配置された温度センサを設けなくとも、撮影画像の輝度レベルの分布（コントラスト）を用いて、観察窓の曇りの有無を判断して、ヒータ加温により、曇りを除去することができる。温度センサを非搭載の構成とすることで、挿入部の先端部の細径化が実現することができ、且つ、部品点数を減少させることから、製造コストの点においても有用である。

次に、第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例は、前述した第１の実施形態の図１及び図２に示した内視鏡システムと同等の構成であり、温度制御が異なっている。以下、同じ構成部位には、同じ参照符号を付して説明する。前述した第１の実施形態では、管腔内に挿入部を挿入した際に、観察窓に生じる曇りの除去について説明した。

本変形例は、挿入部４を管腔内に挿入前及び、観察途中で管腔内から取り出して、再度、管腔内に挿入した状況下における、観察窓２１の防曇動作について説明する。
まず、使用環境下で外気温度と管腔内温度との温度差が大きい場合には、挿入部４の先端部６の温度は、外気温度に近い温度となる。このため、観察開始前の先端部の観察窓の温度と、管腔内温度とは、同様に温度差が大きくなっている。このため、そのまま、挿入部を管腔内に挿入すると、観察窓が曇る確率が高くなっている。

そこで、挿入開始前の外部環境下で、撮像ユニット２７が物品に対峙しない状態で発光物の無い空間を撮像させる。単に空間を撮像した場合には、照明光で照明された物品の反射光が撮像素子２５に入射されないため、撮像された観察画像は、通常よりも暗く、輝度レベルが低い、即ち、コントラストが低い状態となっている。前述したように、判断回路３６で観察画像の輝度レベルと判断基準との比較が行われて、コントラストが低いため、観察窓２１が曇っていると判断される。この判断に従い、電源供給回路３８は、ヒータ電源３７から曇り防止ヒータ２２に電源を供給し、観察窓２１を加温する。この加温により、観察窓２１の温度が上昇して、管腔内温度との温度差が小さくなる。

従って、先端部６を管腔内に挿入した際に、観察窓２１が曇り難くなっている。
また、観察途中で管腔内から取り出して、再度、管腔内に挿入した状況下においても同様である。即ち、挿入部４を観察途中で管腔内から外部に取り出すと、先端部６の観察窓２１も外気温度に近づくように、温度が低下して、管腔内温度との間の温度差が大きくなっていく。この外部に取り出された際に、撮像を継続していた場合、前述したように、空間を撮影しているため、空間を撮像し、輝度レベルが低い、即ち低いコントラストの観察画像を撮像する。従って、観察窓２１が曇っていると判断され、電源供給回路３８が曇り防止ヒータ２２に電源を供給し、観察窓２１を加温する。

以上のように本変形例によれば、観察開始時で挿入前に、撮像動作を行わせることで、観察窓２１を加温することができ、挿入前に、管腔内との温度差を無くして、観察窓２１が曇ることを防止することができる。また、同様に、観察途中で管腔内より、先端部６を外部に取りした際に、撮像動作を継続させることで、観察窓２１を加温して、管腔内の温度との差の広がりを防止することができる。この温度差の広がりを防止することで、再度、挿入部４の先端部６を管腔内に挿入した際に、観察窓に対する曇りを防止することができる。

１…内視鏡本体、２…トロリー、３…内視鏡操作部、４…挿入部（可撓管）、５…湾曲部、６…先端部、７…内視鏡用機器、８…光源装置、９…ビデオプロセッサ、１０…モニタ、１１…キーボード、１２…ボトル、１３…吸引ユニット、１４…ユニバーサルケーブル、１５…コネクタ、１６…湾曲操作部、１７ａ…送気送水ボタン、１７ｂ…吸引操作ボタン、２１…観察窓（カバーガラス）、２２…曇り防止ヒータ、２４…撮像光学系、２５…撮像素子、２６…画像処理部、２７…撮像ユニット、３１…画像処理部、３２…輝度レベル検知回路、３３…映像信号処理回路、３４…判断基準設定部、３５…メモリ、３６…判断回路、３７…ヒータ電源。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、先端に観察窓が配置され、管腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、前記観察窓を通過し、結像された観察像を画像信号に変換する複数の画素からなる撮像面を有する撮像ユニットと、前記観察窓に近接して配置される曇り防止ヒータと、前記撮像ユニットの前記複数の画素が出力した画像信号による輝度レベルの分布を検知する輝度レベル検知部と、前記輝度レベルの分布と、予め設定した第１の判断基準とを比較し、さらに前記輝度レベルと、予め設定した第２の判断基準である閾値とを比較し、これらの比較に基いて、前記曇り防止ヒータに対して加温動作を行うように判断する判断部と、前記判断部の判断結果に従い、前記曇り防止ヒータを駆動して前記観察窓を加温するヒータ電源と、を備える内視鏡システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、先端に観察窓が配置され、管腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、前記観察窓を通過し、結像された観察像を画像信号に変換する複数の画素からなる撮像面を有する撮像ユニットと、前記観察窓に近接して配置される曇り防止ヒータと、前記撮像ユニットの前記複数の画素が出力した画像信号による輝度レベルの分布を検知する輝度レベル検知部と、前記輝度レベルの分布と、予め設定した第１の判断基準とを比較し、さらに前記輝度レベルの分布と、予め設定した第２の判断基準である閾値とを比較し、これらの比較に基いて、前記曇り防止ヒータに対して加温動作を行うように判断する判断部と、前記判断部の判断結果に従い、前記曇り防止ヒータを駆動して前記観察窓を加温するヒータ電源と、を備える内視鏡システムを提供する。

Claims (6)

1. 先端に観察窓が配置され、管腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、
   前記観察窓を通過し、結像された観察像を画像信号に変換する複数の画素からなる撮像面を有する撮像ユニットと、
   前記観察窓に近接して配置される曇り防止ヒータと、
   前記撮像ユニットの前記複数の画素が出力した画像信号による輝度レベルの分布を検知する輝度レベル検知部と、
   前記輝度レベルの分布と、予め設定した判断基準とを比較し、前記判断基準以下の際に、前記曇り防止ヒータに対して加温動作を行うように判断する判断部と、
   前記判断部の判断結果に従い、前記曇り防止ヒータを駆動して前記観察窓を加温するヒータ電源と、
   を備えたことを特徴とする内視鏡システム。
2. 前記内視鏡システムにおいて、さらに、
   前記輝度レベルの分布のピーク値を中央とする分布の範囲を第１の判断基準として設定することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記内視鏡システムにおいて、さらに、
   前記複数の画素が出力した輝度レベルに対する閾値を第２の判断基準として設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記内視鏡システムは、さらに、
   観察を所望する観察対象に従って、前記撮像面上の位置で重みづけられた画素から検知された輝度レベルの分布を判断基準に設定する判断基準設定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
5. 前記判断部は、観察動作中に渡り、予め定めた時間間隔で継続的に検知及び、比較による判断が行われることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
6. 前記内視鏡システムにおいて、
   前記撮像面上の位置で重みづけは、
   a. 観察対象における表示画面中央を注視する場合には、前記撮像面上の中央側の画素に対して重み付けを行い、
   b. 観察対象における表示画面周辺側を注視する場合には、前記撮像面上の周辺側の画素に対して重み付けを行い、
   c. 観察対象における表示画面の全面を注視する場合には、前記撮像面上の画素に対して重み付けを行わないことを特徴とする請求項４に記載の内視鏡システム。

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