JP4409322B2 - Endoscope and video system - Google Patents

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Description

本発明は、生体内の細胞観察に適した拡大ビデオシステムと生体内の細胞を観察するための内視鏡に関する。 The present invention relates to an endoscope for observing the cells of the expanded video system and in vivo that are suitable for cell observation in vivo.

従来内視鏡は生体内部の組織を観察して、病変部分を見落しなく検査できるように90°から140°程度の広い視野角を有している。   Conventional endoscopes have a wide viewing angle of about 90 ° to 140 ° so that a tissue inside a living body can be observed and examined without overlooking the lesion.

この従来内視鏡は被写体との距離を変えることで観察対象の拡大像と縮小像を得るため、例えば3mmから50mmの範囲がフォーカス調整なしに観察できるように固定焦点で深い被写界深度を有している。   This conventional endoscope obtains a magnified image and a reduced image of the observation object by changing the distance from the subject. For example, a deep depth of field at a fixed focal point can be observed so that a range from 3 mm to 50 mm can be observed without focus adjustment. Have.

前記従来内視鏡の画像表示倍率は、14インチサイズのモニタ画面上で、概ね30倍〜50倍程度であり、病変組織を観察するには充分な倍率を有している。
従来内視鏡でさらに拡大観察したい場合はズーム光学系が利用される。ズーム光学系の最大倍率は14インチサイズのモニタ画面上で概ね70倍程度である。ズーム光学系はズームレンズ稼動部を内蔵するため、内視鏡先端挿入部の外径が10mm以上に太くなることと、内視鏡観察時の操作の複雑さにより限定的に適用される。
The image display magnification of the conventional endoscope is approximately 30 to 50 times on a 14-inch monitor screen and has a magnification sufficient for observing a diseased tissue.
A zoom optical system is used for further enlargement observation with a conventional endoscope. The maximum magnification of the zoom optical system is approximately 70 times on a 14-inch monitor screen. Since the zoom optical system has a built-in zoom lens operating unit, the zoom optical system is limitedly applied due to an increase in the outer diameter of the endoscope tip insertion unit to 10 mm or more and the complexity of operation during endoscope observation.

ここで、従来内視鏡で観察対象としている生体組織について、又それらが被写体として観察可能な理由について図1を用いて説明する。従来内視鏡で観察対象としている生体組織は、血管などが走行している実質組織とその上層の透明な上皮細胞とで構成されている。内視鏡により上方から落斜照明された照明光は透明な上皮細胞を透過して実質組織に到達し、そこで散乱されて(図中A1、A2)そのほとんどが再び上皮細胞へ入射する。照明光が上皮細胞を透過する際には、細胞壁や細胞核によって光の回折(図中B1、B2)が生じるが、微小な強度であるため、実質組織で散乱される光の強度が支配的となる。その結果、実質組織のみが従来内視鏡の対物光学系を介して観察される。   Here, with reference to FIG. 1, a description will be given of biological tissues that are conventionally observed with an endoscope and the reason why they can be observed as a subject. Conventional biological tissue to be observed with an endoscope is composed of a substantial tissue in which blood vessels and the like are running and transparent epithelial cells in the upper layer. Illumination light that is obliquely illuminated from above by the endoscope passes through the transparent epithelial cells and reaches the parenchyma, where it is scattered (A1, A2 in the figure) and most of them enter the epithelial cells again. When illumination light passes through epithelial cells, light diffraction (B1 and B2 in the figure) occurs due to cell walls and cell nuclei. However, since the intensity is very small, the intensity of light scattered by the parenchyma is dominant. Become. As a result, only the parenchyma is observed through the objective optical system of the conventional endoscope.

ごく微小な病変など、組織画像の所見からでは異常の有無の判断が困難な場合には、内視鏡で観察しながら、処置具を用いて疑わしい組織の採取が行われる。採取された組織は、顕微鏡により細胞レベルでの検査が行われる。内視鏡は対物光学系の周囲に照明光学系を配置して落斜照明をするのに対し、顕微鏡では標本を挟んで対物光学系と照明光学系を対向配置して、標本を背面から透過照明することにより観察する。標本は観察に適した状態に予め加工される。例えば、散乱を抑えて光を透過しやすくするために、実質組織を取り除いたり、薄くスライスしたり、染色によりコントラストを付ける等の処置が行われる。   When it is difficult to determine the presence or absence of an abnormality based on the findings of tissue images, such as very small lesions, suspicious tissue is collected using a treatment tool while observing with an endoscope. The collected tissue is examined at a cell level by a microscope. In contrast to an endoscope, an illumination optical system is placed around the objective optical system for down-tilt illumination, whereas in a microscope, the objective optical system and the illumination optical system are placed facing each other across the specimen, and the specimen is transmitted from the back. Observe by lighting. The specimen is processed in advance to a state suitable for observation. For example, in order to suppress light scattering and facilitate light transmission, treatments such as removing the substantial tissue, slicing thinly, and adding contrast by staining are performed.

図2を用いてこれらの標本が顕微鏡で観察可能な理由を説明する。準備された標本はカバーガラスの上に固定され下方から照明される。照明光は標本を透過する際に細胞壁や細胞核で回折され、それらの回折光が互いに干渉して強め合ったり弱め合ったりすることでコントラストが生じるため、上方の対物光学系により標本の観察が可能になる。   The reason why these specimens can be observed with a microscope will be described with reference to FIG. The prepared specimen is fixed on the cover glass and illuminated from below. The illumination light is diffracted by the cell wall and cell nucleus when passing through the specimen, and the diffracted light interferes with each other and strengthens and weakens the contrast, so the specimen can be observed with the upper objective optical system. become.

生体内部に挿入可能で細胞観察に必要な分解能を有するものとしてはレーザ走査型の共焦点内視鏡が提案されている。共焦点光学系は像面と共役な位置にエアリディスク程度のピンホールを配置し、視野範囲にある被写体からポイント毎に回折限界程度の情報を取得するように構成されている。投光光学系により被写体に対してレーザ光を走査して、被写体からの反射光から得られるポイント毎の情報を合成して平面や立体に関する情報を画像として構築する。平面内の横方向のみならず、深さ方向にも高い分解能を有している。   A laser scanning confocal endoscope has been proposed as one that can be inserted into a living body and has a resolution necessary for cell observation. The confocal optical system is configured such that pinholes such as an air disk are arranged at a position conjugate with the image plane, and information about the diffraction limit is acquired for each point from a subject in the field of view. Laser light is scanned on the subject by the light projecting optical system, and information about each point obtained from the reflected light from the subject is combined to construct information about a plane or a solid as an image. It has high resolution not only in the horizontal direction in the plane but also in the depth direction.

生体組織を体外に取り出して診断を行う従来の方法では、組織の異常の有無を判定するのに数日から数週間の時間を要している。また、観察する細胞の標本は採取した組織のごく一部分を分離、固定したものである。したがって、単に細胞構造としての情報は得られるが、生体内の環境とは著しく異なるため、例えば細胞を満たしている体液の還流状態などを含んだ機能的な情報を得ることができない。そこで、生体内部の細胞をそのままの状態でリアルタイムに観察できる拡大内視鏡へのニーズがある。   In the conventional method of taking a living tissue out of the body and making a diagnosis, it takes several days to several weeks to determine whether or not the tissue is abnormal. In addition, the cell specimen to be observed is a specimen obtained by separating and fixing a small part of the collected tissue. Therefore, although information as a cell structure can be obtained simply, it is significantly different from the environment in the living body, so that it is not possible to obtain functional information including, for example, the reflux state of the body fluid filling the cells. Therefore, there is a need for a magnifying endoscope that can observe cells inside a living body as they are in real time.

生体内部の疾患を細胞レベルで画像化するためには、顕微鏡に匹敵する高い結像倍率と高い分解能を有する対物光学系を備えた小型のビデオモジュールが必要となるが、従来の内視鏡の対物光学系は上記の必要とされる仕様を満足していない。従来の内視鏡では、図1を用いて説明したように、照明光が上皮細胞を透過する際に細胞壁や細胞核によって光の回折(図中B1、B2)が生じるが、微小な強度のため、実質組織で散乱される光(図中A1、A2)の強度が支配的となる。その結果、上皮組織からの情報は埋もれてしまい、実質組織からの情報のみが従来内視鏡の対物光学系を介して画像化されてしまう。   In order to image diseases inside the living body at the cellular level, a small video module equipped with an objective optical system having high imaging magnification and high resolution comparable to a microscope is required. The objective optical system does not satisfy the above required specifications. In the conventional endoscope, as described with reference to FIG. 1, when illumination light passes through epithelial cells, diffraction of light (B1 and B2 in the figure) occurs due to cell walls and cell nuclei. The intensity of the light (A1, A2 in the figure) scattered by the substantial tissue becomes dominant. As a result, information from the epithelial tissue is buried, and only information from the real tissue is imaged through the objective optical system of the conventional endoscope.

また、顕微鏡の対物光学系は性能面では満足するものの、大型であり生体への導入は不可能である。また、レーザ走査型の共焦点内視鏡は、走査スピードに課題があり、生体内のリアルタイム観察を実現するには至っていない。   Moreover, although the objective optical system of the microscope is satisfactory in terms of performance, it is large and cannot be introduced into a living body. Laser scanning confocal endoscopes have a problem in scanning speed, and have not yet achieved real-time observation in vivo.

以上のように、生体細胞を観察するのに必要な仕様を満足するビデオシステムは現在のところ実現されていない。
本発明の目的は、上述の課題を解決して、生体内でのリアルタイムの細胞観察を実現するためのビデオシステムを提供すること、および生体細胞観察用の内視鏡を提供することである。
As described above, a video system that satisfies the specifications necessary for observing living cells has not been realized at present.
An object of the present invention is to solve the problems described above, to provide a video system for realizing a real-time cell observation in vivo, to provide an endoscope for and producing somatic cells observed It is.

前記課題を解決するために、本発明の内視鏡は以下の特徴を有している。
(1) 観察装置と照明装置を備えた、生体組織を観察する内視鏡であって、前記観察装置は対物光学系を含み、前記観察装置及び前記照明装置は、前記対物光学系の合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するとき、該対物光学系の観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野が分離し、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該対物光学系の観察視野を含む照野を形成すように、配置されていることを特徴とする内視鏡
In order to solve the above problems, the endoscope of the present invention has the following features.
(1) An endoscope provided with an observation device and an illumination device for observing a living tissue , wherein the observation device includes an objective optical system, and the observation device and the illumination device are focused on the objective optical system. when the position is located on the upper layer tissue of the living body tissue, and the illumination field of the illumination device to be illuminated on the upper layer tissue from the distal end of the endoscope with the objective optical system of the observation field of view are separated, and, as light directed on the upper layer tissue from the light transmittance is lower underlying tissue as compared to the upper layer tissue after passing through the upper layer tissue from the lighting device, it forms illumination field involving observation field of view of the objective optical system The endoscope is characterized in that the endoscope is arranged .

(2) 結像倍率が1より大きい対物光学系を有するビデオモジュールを含んだ、生体組織を観察する内視鏡であって、前記内視鏡は照明装置を備え、前記ビデオモジュール及び前記照明装置は、該ビデオモジュールの合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するときに、該ビデオモジュールの観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野とが重ならず、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該ビデオモジュールの観察視野を含む照野を形成するように、配置されていることを特徴とする内視鏡。(2) An endoscope for observing living tissue, including a video module having an objective optical system with an imaging magnification greater than 1, wherein the endoscope includes an illuminating device, and the video module and the illuminating device When the focus position of the video module is located in the upper layer tissue of the living tissue, the observation field of the video module and the illumination field of the illuminating device irradiated to the upper layer tissue from the distal end side of the endoscope And the light that is transmitted from the illumination device through the upper layer tissue and has a lower light transmittance than the upper layer tissue toward the upper layer tissue includes the observation field of view of the video module. An endoscope characterized by being arranged so as to form an illumination field.

又、前記課題を解決するために、本発明のビデオシステムは以下の特徴を有している。
) 結像倍率が1より大きい対物光学系と照明光学系を有するビデオモジュールと、照明光を供給する光源とを備えた、生体組織を観察するビデオシステムであって、前記ビデオモジュール及び前記照明装置は、該ビデオモジュールの合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するときに、該ビデオモジュールの観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野とが重ならず、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該ビデオモジュールの観察視野を含む照野を形成するように、配置され、前記光源には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光のうち、青色波長領域又は赤色波長領域の照明光を2つの波長帯T1、T2に分割し、緑色波長領域に近い波長帯T1を遮断する波長帯選択手段が設けられていることを特徴とするビデオシステム
In order to solve the above problems, the video system of the present invention has the following features.
( 3 ) A video system for observing a living tissue , comprising a video module having an objective optical system and an illumination optical system with an imaging magnification larger than 1, and a light source for supplying illumination light. The illumination device is configured to irradiate the upper layer tissue from the observation field of view of the video module and the distal end side of the endoscope when the in-focus position of the video module is located in the upper layer tissue of the living tissue. Light that passes through the upper layer tissue from the illumination device and has a lower light transmittance than the upper layer tissue and travels from the lower layer tissue toward the upper layer tissue is not observed in the observation field of the video module. so as to form a illumination field comprising, disposed in the light source, a blue wavelength region, green wavelength region among the illumination light in the red wavelength region, two wavelengths illumination light in a blue wavelength region or the red wavelength region Video system characterized in that it is divided into T1, T2, waveband selecting means for blocking the wavelength band T1 near the green wavelength region is provided.

(4) 前記(3)項において、前記波長帯T1は600nm〜700nmであることを特徴とするビデオシステム。(4) The video system according to the item (3), wherein the wavelength band T1 is 600 nm to 700 nm.

本発明は、拡大ビデオシステム及び内視鏡により、生体内の細胞をリアルタイムで観察することができる。 The present invention more expanded video system and an endoscope, it is possible to observe the cells in vivo in real time.

本発明の拡大ビデオシステムを内視鏡に適用し、生体細胞を観察する場合について説明する。   A case where the enlarged video system of the present invention is applied to an endoscope and a living cell is observed will be described.

この場合、まず病変組織を広い体腔内で見落とし無く検査するために、広角な視野を有する従来の内視鏡で観察する。次に、従来の内視鏡の組織画像からは病変組織であるか否か判断しにくい部位に対して、本発明の拡大ビデオシステムを適用した内視鏡(以下、単に拡大内視鏡と呼ぶ)を用いて細胞レベルでの観察を行う。   In this case, in order to inspect the diseased tissue in a wide body cavity without being overlooked, it is first observed with a conventional endoscope having a wide field of view. Next, an endoscope to which the magnified video system of the present invention is applied (hereinafter simply referred to as a magnified endoscope) is applied to a region where it is difficult to determine whether or not the tissue is a lesion tissue from a tissue image of a conventional endoscope. ) To observe at the cell level.

細胞の拡大観察を行う際には、必要に応じて予め色素散布を行う。色素散布後に一定の時間を経過させると、細胞を構成する細胞核やその他の部分が色素を排出する時間の差を利用して被写体にコントラストを付けることができる。その後、従来内視鏡で観察しながら拡大内視鏡を観察したい部位に誘導し、先端を被写体に密着させて固定する。TVモニタ上には従来の内視鏡の組織画像と拡大内視鏡の細胞画像が同時に表示されるようになっているのが好ましい。これにより、広い観察視野で注目する微小領域へ確実に誘導して細胞核や細胞壁などの拡大観察を行うことができる。   When enlarging and observing cells, a pigment is applied in advance as necessary. When a certain amount of time has elapsed after the pigment is sprayed, the subject can be contrasted using the difference in the time during which the cell nuclei and other parts constituting the cells eject the pigment. After that, while observing with a conventional endoscope, the magnifying endoscope is guided to the site to be observed, and the tip is brought into close contact with the subject and fixed. It is preferable that the tissue image of the conventional endoscope and the cell image of the magnifying endoscope are simultaneously displayed on the TV monitor. Thereby, it is possible to perform an enlarged observation of a cell nucleus or a cell wall by reliably guiding to a minute region of interest in a wide observation field of view.

本発明の拡大ビデオシステムを詳細に説明する前に、拡大ビデオシステムに用いられるビデオモジュールに要求される仕様について述べる。
初めに、細胞の微細構造を可視化するのに必要な倍率について説明する。モニタ上での観察倍率βmは次式で与えられる。
Before describing the enlarged video system of the present invention in detail, specifications required for a video module used in the enlarged video system will be described.
First, the magnification necessary for visualizing the cell microstructure will be described. The observation magnification βm on the monitor is given by the following equation.

βm=β0×βd
ここでβ0は対物光学系の倍率であり、被写体を撮像素子に結像する倍率である。Βdは表示倍率であり、モニタ表示画面サイズを撮像素子の撮像画面サイズで除したものである。
βm = β0 × βd
Here, β0 is the magnification of the objective optical system, and is the magnification at which the subject is imaged on the image sensor. Βd is display magnification is obtained by dividing the monitor display screen size in the imaging screen size of the image sensor.

従来の内視鏡で実現できる14インチモニタ上での観察倍率は30倍〜50倍程度である。また、拡大機能を有するズーム光学系では70倍程度の倍率である。細胞観察には14インチモニタ上で概ね200倍から2000倍程度の観察倍率が必要となる。そのための対物光学系は以下の条件を満足することが望ましい。   The observation magnification on a 14-inch monitor that can be realized with a conventional endoscope is about 30 to 50 times. In a zoom optical system having an enlargement function, the magnification is about 70 times. Cell observation requires an observation magnification of about 200 to 2000 times on a 14-inch monitor. For this purpose, the objective optical system desirably satisfies the following conditions.

1<|βo|≦10 ・・・(1)
但し、βoは対物光学系の倍率である。
0.9≦|coswy'/coswy|≦1.1 ・・・(3)
但し、wy'は最大視野角に対応する主光線が撮像面に入射する角度、wyは視野角の半分を表している。この条件式の下限を下回ると、撮像素子への入射角度が大きくなり、視野内で画質(例えば色再現性や明るさなど)の均一性を保てない。また、この条件式の上限を上回ると視野角が大きくなり、必要な倍率が確保できない。
1 <| βo | ≦ 10 (1)
Where βo is the magnification of the objective optical system.
0.9 ≦ | coswy '/ coswy | ≦ 1.1 (3)
However, wy ′ represents an angle at which a principal ray corresponding to the maximum viewing angle is incident on the imaging surface, and wy represents a half of the viewing angle. If the lower limit of this conditional expression is not reached, the incident angle to the image sensor increases, and the uniformity of image quality (for example, color reproducibility and brightness) cannot be maintained within the field of view. If the upper limit of this conditional expression is exceeded, the viewing angle becomes large, and the necessary magnification cannot be ensured.

次に分解能について説明する。
病変組織はミリ又はサブミリ程度の分解能で識別できるが、細胞を観察する場合にはミクロン又はサブミクロン単位の分解能が必要である。また、透明で屈折率差が小さく低コントラストな被写体の微細情報を画像化するためには、被写体からの回折光の干渉を利用してコントラストを強調する必要がある。このため、対物光学系は高次の回折光を取り込めるよう、物体側開口数NAを大きくする必要があり、以下の条件を満足することが望ましい。
Next, the resolution will be described.
Although the diseased tissue can be identified with a resolution on the order of millimeters or submillimeters, when observing cells, a resolution in units of microns or submicrons is required. In addition, in order to image fine information of a subject that is transparent and has a small difference in refractive index and low contrast, it is necessary to enhance contrast using interference of diffracted light from the subject. For this reason, it is necessary for the objective optical system to increase the object-side numerical aperture NA so that higher-order diffracted light can be taken in, and it is desirable to satisfy the following conditions.

0.1≦NA≦0.8 ・・・(4)
特に細胞壁を観察する場合には以下の条件を満足することが望ましい。
0.3≦NA≦0.8 ・・・(4')
更に、高いコントラストと画像の精細さを両立させるために、対物光学系の分解能は撮像素子のピッチで決まる分解能より高く、回折限界で決まる分解能より低く設定する必要があり、以下の条件を満足することが望ましい。
0.1 ≦ NA ≦ 0.8 (4)
In particular, when observing a cell wall, it is desirable to satisfy the following conditions.
0.3 ≦ NA ≦ 0.8 (4 ')
Furthermore, in order to achieve both high contrast and image definition, the resolution of the objective optical system must be set higher than the resolution determined by the pitch of the image sensor and lower than the resolution determined by the diffraction limit, which satisfies the following conditions: It is desirable.

0.1≦|p×(NA)2/(0.61×λ×βo)|≦0.8 ・・・(6)
但し、pは撮像素子のピクセルサイズ、NAは対物光学系の物体側開口数、λはeライン波長0.546[μm]、βoは対物光学系の倍率である。この条件式の下限を下回ると充分なコントラストが得られない。また、この条件式の上限を上回ると収差補正が困難になり精細な画像が得られない。
0.1 ≦ | p × (NA) 2 /(0.61×λ×βo)|≦0.8 (6)
Here, p is the pixel size of the image sensor, NA is the object-side numerical aperture of the objective optical system, λ is the e-line wavelength 0.546 [μm], and βo is the magnification of the objective optical system. If the lower limit of this conditional expression is not reached, sufficient contrast cannot be obtained. If the upper limit of this conditional expression is exceeded, aberration correction becomes difficult and a fine image cannot be obtained.

次に小型化について説明する。
例えば従来内視鏡の処置具挿通チャンネルを通過させて拡大内視鏡を被写体まで導くには、拡大内視鏡の外径をφ4mm以下とすることが望ましい。それに伴い対物光学系の外径はφ2mm以下程度にまで小型化することが望ましい。
Next, downsizing will be described.
For example, in order to guide the magnifying endoscope to the subject through the treatment instrument insertion channel of the conventional endoscope, it is desirable that the outer diameter of the magnifying endoscope is φ4 mm or less. Accordingly, it is desirable to reduce the outer diameter of the objective optical system to about φ2 mm or less.

高い結像倍率と高い分解能を有し、さらに小型の対物光学系としては、物体側から順に正の焦点距離を有するレンズ群と明るさ絞りとを含んで構成され、以下の条件を満足することが望ましい。   A high-magnification magnification and high resolution, and a compact objective optical system that includes a lens group having a positive focal length in order from the object side and an aperture stop, and satisfies the following conditions: Is desirable.

0.2≦φ1/(φ2×f1)≦2 ・・・(5)
但し、φ1は明るさ絞りの開口径、φ2は対物光学系の最大外径、f1は正の焦点距離を有するレンズ群の焦点距離である。
0.2 ≦ φ1 / (φ2 × f1) ≦ 2 (5)
Where φ1 is the aperture diameter of the aperture stop, φ2 is the maximum outer diameter of the objective optical system, and f1 is the focal length of the lens group having a positive focal length.

この条件式は、高NA化に伴って対物光学系の口径が大きくなるのを避け、小型化を達成するための条件であり、条件式の下限を下回ると全長や外径が大きくなり対物光学系の小型化が困難になる。また、条件式の上限を上回ると収差補正が困難になる。   This conditional expression is a condition for achieving a reduction in size by avoiding an increase in the aperture of the objective optical system with an increase in NA. If the lower limit of the conditional expression is not reached, the overall length and the outer diameter increase, and the objective optical system becomes larger. It becomes difficult to downsize the system. If the upper limit of the conditional expression is exceeded, aberration correction becomes difficult.

更に、周辺まで曲がりのない視野を得るためには、対物光学系を物体側から順に正の焦点距離を有する前群と明るさ絞りと正の焦点距離を有する後群とから構成することが望ましい。この時、小型化と高倍率を両立するために以下の条件を満足することが望ましい。   Further, in order to obtain a field of view without bending to the periphery, it is desirable that the objective optical system is composed of a front group having a positive focal length, an aperture stop, and a rear group having a positive focal length in order from the object side. . At this time, it is desirable to satisfy the following conditions in order to achieve both miniaturization and high magnification.

2≦f2/f1≦10 ・・・(2)
但し、f1は前群の焦点距離、f2は後群の焦点距離である。この条件式の下限を下回ると必要な倍率が確保できない。また、条件式の上限を上回ると全長や外径が大きくなり小型化が困難になる。
2 ≦ f2 / f1 ≦ 10 (2)
Here, f1 is the focal length of the front group, and f2 is the focal length of the rear group. If the lower limit of this conditional expression is not reached, the necessary magnification cannot be secured. If the upper limit of the conditional expression is exceeded, the overall length and the outer diameter become large, making it difficult to reduce the size.

以下、本発明のビデオモジュールの実施例を示す。
(実施例1)
図11は実施例1のレンズ断面図、表1はレンズデータを示す。
Examples of the video module according to the present invention will be described below.
Example 1
FIG. 11 is a lens cross-sectional view of Example 1, and Table 1 shows lens data.

以下、図11(a)を参照して実施例1の構成について説明する。
対物ユニットは対物枠102に同一の外径で構成された対物レンズ群101を内蔵する。対物レンズ群101は、物体側から順に正の焦点距離を有する第1群と明るさ絞り103と正の焦点距離を有する第2群とにより構成される。撮像素子105はカバーガラス104を介して撮像枠106に固定され、撮像ユニットを構成する。
Hereinafter, the configuration of the first embodiment will be described with reference to FIG.
The objective unit incorporates an objective lens group 101 having the same outer diameter in the objective frame 102. The objective lens group 101 includes a first group having a positive focal length in order from the object side, an aperture stop 103, and a second group having a positive focal length. The imaging element 105 is fixed to the imaging frame 106 via the cover glass 104 and constitutes an imaging unit.

ビデオモジュールは対物ユニットと撮像ユニットとの間隔107を変えることでピント調整を行う。拡大内視鏡の挿入部は、先端硬質部108と外表部110から構成される。ビデオモジュールは中間部材109を介して挿入部内に固定される。   The video module performs focus adjustment by changing the distance 107 between the objective unit and the imaging unit. The insertion portion of the magnifying endoscope includes a distal end hard portion 108 and an outer surface portion 110. The video module is fixed in the insertion portion via the intermediate member 109.

図11(b)は図11(a)をA矢印の方向から見た断面を示す。中間部材109は外周に切り欠き部(図中の斜線部)が設けられ、その部分には照明用ファイバ111が内装されて挿入部に固定されている。先端硬質部108に中間部材109と照明用ファイバを固定した後にビデオモジュールが挿入され固定される。   FIG.11 (b) shows the cross section which looked at Fig.11 (a) from the direction of A arrow. The intermediate member 109 is provided with a notch (shaded portion in the drawing) on the outer periphery, and an illumination fiber 111 is internally fixed to the insertion portion. After the intermediate member 109 and the illumination fiber are fixed to the distal end hard portion 108, the video module is inserted and fixed.

結像倍率などの調整が必要な場合は、明るさ絞り103の前後に設けた間隔調整部112a、112bの間隔を増減させることにより調整を行うことができる。間隔調整には、ごく薄い板材で製作された間隔調整リングが用いられる。このため、間隔調整部は予め複数の薄板が積み重ねられることを想定して設計されており、実際に使用する部品の寸法公差によって部品組み上がり後の間隔にばらつきが生じるのに応じて、薄板の枚数を増減させることにより調整が行われる。
表1
曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 レンズ外径
INF 0.46 1.5183 64.14 1
0.84 0.17 1
INF 0.4 1.7323 54.68 1
-0.817 0.05 1
1.353 0.65 1.7323 54.68 1
-0.703 0.25 1.7044 30.131
-3.804 0.09 1
INF(絞り) 0.03 1
INF 0.4 1.5156 75.00 1
INF 0.2 1
1.566 0.4 1.67 48.32 1
-1.566 0.2 1
-0.729 0.3 1.5198 52.43 1
INF 0.56 1
INF 0.4 1.5183 64.14
INF 0.01 1.5119 63.00
INF 0.4 1.6138 50.20
INF 0.01 1.5220 63.00
INF 0
物体距離 0 像高 0.500
(実施例2)
図12は実施例2のレンズ断面図、表2はレンズデータを示す。
When adjustment of the imaging magnification or the like is necessary, the adjustment can be performed by increasing or decreasing the interval between the interval adjusting units 112 a and 112 b provided before and after the brightness stop 103. For the interval adjustment, an interval adjustment ring made of a very thin plate material is used. For this reason, the spacing adjustment unit is designed on the assumption that a plurality of thin plates are stacked in advance, and the variation in the spacing after assembling the components due to the dimensional tolerance of the components actually used will cause Adjustment is performed by increasing or decreasing the number of sheets.
Table 1
Curvature radius Interval Refractive index Abbe number Lens outer
INF 0.46 1.5183 64.14 1
0.84 0.17 1
INF 0.4 1.7323 54.68 1
-0.817 0.05 1
1.353 0.65 1.7323 54.68 1
-0.703 0.25 1.7044 30.131
-3.804 0.09 1
INF (Aperture) 0.03 1
INF 0.4 1.5156 75.00 1
INF 0.2 1
1.566 0.4 1.67 48.32 1
-1.566 0.2 1
-0.729 0.3 1.5198 52.43 1
INF 0.56 1
INF 0.4 1.5183 64.14
INF 0.01 1.5119 63.00
INF 0.4 1.6138 50.20
INF 0.01 1.5220 63.00
INF 0
Object distance 0 Image height 0.500
(Example 2)
FIG. 12 is a lens cross-sectional view of Example 2, and Table 2 shows lens data.

実施例1と類似の構造部分については同一符号を付して説明を省略する。
表2
曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 レンズ外径
INF 0.88 1.8882 40.76 1.2
-0.703 0.05 1
INF 0.4 1.5183 64.14 1.2
-1.485 0.05 1
2.085 0.76 1.8081 46.57 1.2
-0.703 0.25 1.8126 25.42 1.2
INF 0.05 1
INF(絞り) 0.03 1
INF 0.4 1.5156 75.00 1.2
INF 0.43 1
1.131 0.5 1.8395 42.72 1.2
-3.127 0.2 1
-1.061 0.3 1.8126 25.42 1.2
INF 0.2 1
-0.592 0.3 1.8081 46.57 1.2
2.132 0.77 1.8126 25.42 1.2
-1.262 0.77 1
INF 0.4 1.5183 64.14
INF 0.01 1.5119 63.00
INF 0.4 1.6138 50.20
INF 0.01 1.5220 63.00
INF 0 1
物体距離 0 像高 0.500
各実施例の仕様を表3に、条件式の値を表4に示す。

表3
項目 記号 単位 実施例1 実施例2
対物系倍率 βo -2.678847 -6.63
前群焦点距離 f1 [mm] 0.765 0.591
後群焦点距離 f2 [mm] 3.476 4.557
焦点距離 f [mm] 0.657 0.797
視野角の半分 wy [deg] 6.141 3.95
主光線射出角 wy' [deg] 13.965 6.02
物体側開口数 NA 0.2184 0.55
絞り径 φ1 [mm] 0.36 0.66
最大レンズ径 φ2 [m] 1 1.2
ピッチ P [μ] 4 4
基準波長 λ [μ] 0.546 0.546

表4
番号 条件式 実施例1 実施例2
1 1<|βo|<10 2.680 6.630
2 2≦f2/f1≦10 4.544 7.711
3 0.9≦|coswy'/coswy|≦1.1 0.976 0.997
4 0.1≦NA≦0.8 0.220 0.550
5 0.2≦φ1/(φ2×f1)≦2 0.471 0.931
6 0.1≦|p×(NA)2/(0.61×λ×βo)|≦0.8 0.215 0.544

次に、生体内での細胞観察に適したビデオシステムについて説明する。
The structural parts similar to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
Table 2
Radius of curvature Interval Refractive index Abbe number Lens outer diameter
INF 0.88 1.8882 40.76 1.2
-0.703 0.05 1
INF 0.4 1.5183 64.14 1.2
-1.485 0.05 1
2.085 0.76 1.8081 46.57 1.2
-0.703 0.25 1.8126 25.42 1.2
INF 0.05 1
INF (Aperture) 0.03 1
INF 0.4 1.5156 75.00 1.2
INF 0.43 1
1.131 0.5 1.8395 42.72 1.2
-3.127 0.2 1
-1.061 0.3 1.8126 25.42 1.2
INF 0.2 1
-0.592 0.3 1.8081 46.57 1.2
2.132 0.77 1.8126 25.42 1.2
-1.262 0.77 1
INF 0.4 1.5183 64.14
INF 0.01 1.5119 63.00
INF 0.4 1.6138 50.20
INF 0.01 1.5220 63.00
INF 0 1
Object distance 0 Image height 0.500
Table 3 shows the specifications of the examples, and Table 4 shows the values of the conditional expressions.

Table 3
Item Symbol Unit Example 1 Example 2
Objective magnification βo -2.678847 -6.63
Front group focal length f1 [mm] 0.765 0.591
Rear group focal length f2 [mm] 3.476 4.557
Focal length f [mm] 0.657 0.797
Half of viewing angle wy [deg] 6.141 3.95
Chief ray emission angle wy '[deg] 13.965 6.02
Object side numerical aperture NA 0.2184 0.55
Diaphragm diameter φ1 [mm] 0.36 0.66
Maximum lens diameter φ2 [m] 1 1.2
Pitch P [μ] 4 4
Reference wavelength λ [μ] 0.546 0.546

Table 4
No. Conditional expression Example 1 Example 2
1 1 <| βo | <10 2.680 6.630
2 2 ≦ f2 / f1 ≦ 10 4.544 7.711
3 0.9 ≦ | coswy '/ coswy | ≦ 1.1 0.976 0.997
4 0.1 ≦ NA ≦ 0.8 0.220 0.550
5 0.2 ≦ φ1 / (φ2 × f1) ≦ 2 0.471 0.931
6 0.1 ≦ | p × (NA) 2 /(0.61×λ×βo)|≦0.8 0.215 0.544

Next, a video system suitable for cell observation in a living body will be described.

生体組織は、血管などが走行している実質組織とその上層の透明な上皮細胞とで構成されていることは前述した。この透明な上皮細胞を構成する細胞核やその他の部分にコントラストを付け、下層に位置する実質組織の影響を受けることなく所望の観察範囲に位置する上皮細胞のみを観察するためには以下のような工夫が必要である。   As described above, the living tissue is composed of a substantial tissue in which blood vessels and the like are running and a transparent epithelial cell in the upper layer. In order to contrast only the cell nucleus and other parts constituting this transparent epithelial cell, and observe only the epithelial cell located in the desired observation range without being affected by the underlying tissue located below, Ingenuity is necessary.

例えば、細胞を青色に染色することでコントラストを付ける場合、注目する細胞層のみを明りょうに観察するために最適なビデオシステムは以下のような構成である。   For example, when contrast is given by staining cells in blue, the optimum video system for clearly observing only the cell layer of interest has the following configuration.

図3にビデオシステムの構成を示す。
光源1から供給される照明光はビデオモジュール2を介して被写体3に照射される。光源1には波長選択フィルタ8が設けられており、照明光路中に適宜挿入されて、細胞観察に適した波長分布特性をもった照明光を生成する。可視波長範囲の照明光を被写体に照射した場合、青色の波長領域に属する短波長の光は、生体組織のごく表層までしか深達しない。このことを利用して、生体組織の上皮細胞に特化した情報を取得することが可能である。
FIG. 3 shows the configuration of the video system.
Illumination light supplied from the light source 1 is applied to the subject 3 via the video module 2. The light source 1 is provided with a wavelength selection filter 8 that is appropriately inserted in the illumination optical path to generate illumination light having a wavelength distribution characteristic suitable for cell observation. When the illumination light in the visible wavelength range is irradiated onto the subject, the short wavelength light belonging to the blue wavelength region reaches only the surface layer of the living tissue. By utilizing this fact, it is possible to acquire information specialized for epithelial cells of living tissue.

また、上記可視波長範囲のうち緑色の波長領域に属する500nm付近の光には生体組織の表層より少し深い部分まで到達する性質があり、上記可視波長範囲のうち赤色の波長領域に属する長波長の光には生体組織の比較的深い部分まで到達する性質がある。   In addition, light in the vicinity of 500 nm belonging to the green wavelength region in the visible wavelength range has a property of reaching a portion slightly deeper than the surface layer of the living tissue, and has a long wavelength belonging to the red wavelength region in the visible wavelength range. Light has the property of reaching relatively deep parts of living tissue.

被写体の像は拡大ビデオモジュール2の対物光学系により撮像素子の撮像面に結像し、電気信号に変換されて画像処理装置4に送られる。可視波長範囲の画像情報を処理する場合には、緑色の波長成分から被写体の輝度情報が取り出される。これは、人間の眼を通して得られる画像に近付けるためである。画像処理装置4で加工された画像情報はTVモニタ5に表示される。   The image of the subject is formed on the image pickup surface of the image pickup device by the objective optical system of the enlarged video module 2, converted into an electric signal, and sent to the image processing device 4. When processing image information in the visible wavelength range, the luminance information of the subject is extracted from the green wavelength component. This is in order to approach an image obtained through human eyes. Image information processed by the image processing device 4 is displayed on the TV monitor 5.

いま、赤色、緑色、青色の3色がほぼ等しく混合された白色光を青色に染色された細胞に対して照明すると、染色された部分は青くなり、染色されない部分は照明光の色を反映して白くなる。図4に、ビデオモジュールで撮像された細胞の像の波長分布特性を示す。図の縦軸は光の強度(単位:任意単位)、横軸は波長(単位:nm)である。染色されない部分は実線で示したように特定波長での吸収がなく、ほぼフラットな波長分布特性となる。青く染色された部分は破線で示したように、赤色成分の光が吸収されて強度が低下した波長分布特性となる。   Now, when white light, which is a mixture of three colors of red, green, and blue, is illuminated against blue stained cells, the stained part becomes blue, and the unstained part reflects the color of the illumination light. Becomes white. FIG. 4 shows the wavelength distribution characteristics of the cell image captured by the video module. In the figure, the vertical axis represents light intensity (unit: arbitrary unit), and the horizontal axis represents wavelength (unit: nm). The unstained portion has no absorption at a specific wavelength as shown by the solid line, and has a substantially flat wavelength distribution characteristic. As shown by the broken line, the blue-stained portion has a wavelength distribution characteristic in which the red component light is absorbed and the intensity is reduced.

このように、ビデオモジュールを通して得られる画像では、背景(染色されず白くなる部分)と細胞核や細胞壁(染色されて青くなる部分)とのコントラストが、赤色の光など可視波長範囲の長波長側の吸収特性の差分により得られていることがわかる。   Thus, in the image obtained through the video module, the contrast between the background (the part that is not stained and white) and the cell nucleus and cell wall (the part that becomes stained and blue) is on the long wavelength side of the visible wavelength range such as red light. It can be seen that it is obtained by the difference in absorption characteristics.

また、図1に示したように、上皮細胞は上下方向に層構造を成しており、注目する深さ以外にある細胞層の像が背景に重なったり、更に下層に位置する実質組織の像が背景に重なると画像のコントラストは低下する。細胞核と比較すると細胞壁は染色され難いため、このような画像ノイズが背景に重なると図6に示したような画像となって細胞壁の識別が困難になる。   In addition, as shown in FIG. 1, the epithelial cells have a layered structure in the vertical direction, and the image of the cell layer other than the depth of interest overlaps the background, or the image of the substantial tissue located in the lower layer. If the image overlaps the background, the contrast of the image decreases. Compared with the cell nucleus, the cell wall is difficult to be stained. Therefore, when such image noise is superimposed on the background, the image as shown in FIG. 6 is obtained and it becomes difficult to identify the cell wall.

背景に重なる画像ノイズを除去するためには、注目する深さ以外にある細胞層や実質組織の情報を伝える光を、照明光路中かもしくは撮像素子より前の対物光学系中でカットすればよい。本実施例のビデオシステムでは、照明光路中に特定の波長範囲をカットするフィルタを挿入して、照明光から不要な波長成分を除去する構成をとっている。この場合、不要な波長成分として主に赤色の光など、可視波長範囲の長波長側の光を除去すればよいが、赤色の光を全てカットしてしまうと、青く染色された部分と染色されない部分とのコントラストを得るための波長成分までカットされてしまうことになり好ましくない。   In order to remove the image noise that overlaps the background, light that conveys information about the cell layer and the real tissue other than the depth of interest may be cut in the illumination optical path or in the objective optical system before the image sensor. . In the video system of the present embodiment, a filter for cutting a specific wavelength range is inserted in the illumination optical path to remove unnecessary wavelength components from the illumination light. In this case, it is only necessary to remove light on the long wavelength side of the visible wavelength range, such as mainly red light as an unnecessary wavelength component, but if all red light is cut off, it will not be dyed as a blue stained part. The wavelength component for obtaining the contrast with the portion is cut off, which is not preferable.

そこで、本実施例では、光源の波長選択フィルタ8として図7に示す分光透過特性を有するフィルタを用いた。図の縦軸は透過率(単位:パーセント)、横軸は波長(単位:nm)であり、分光透過率特性を実線で示した。より具体的には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光うち、少なくとも赤色波長領域の照明光を2つの波長帯R1、R2に分割し、緑色波長領域に近い波長帯R1をカットするフィルタであり、波長帯R1は600nmから700nm、波長帯R2は700nmから800nmに設定されている。   Therefore, in this embodiment, a filter having spectral transmission characteristics shown in FIG. 7 is used as the wavelength selection filter 8 of the light source. In the figure, the vertical axis represents transmittance (unit: percent), the horizontal axis represents wavelength (unit: nm), and the spectral transmittance characteristics are indicated by solid lines. More specifically, among the illumination light in the blue wavelength region, the green wavelength region, and the red wavelength region, at least the illumination light in the red wavelength region is divided into two wavelength bands R1 and R2, and the wavelength band R1 close to the green wavelength region is obtained. This is a filter to be cut, and the wavelength band R1 is set to 600 nm to 700 nm, and the wavelength band R2 is set to 700 nm to 800 nm.

緑色波長領域に近い波長帯R1をカットした光を照明することで、対物光学系の被写界深度内にあって、注目する深さ以外にある細胞層や実質組織に到達する光が制限されるので、実質的に対物光学系の被写界深度が縮小されて深さ方向の分解能が向上し、像の重なりを除去することができる。一方、波長帯R2の光は、青く染色された細胞核や細胞壁と、染色されない他の部分のコントラストを得るのに寄与するので、図8に示すように、不要な深さからの情報を消去して、注目する細胞層のみを明りょうに画像化することができる。図7に示される特性はダイクロイックフィルタなどにより実現できる。   By illuminating light with a wavelength band R1 close to the green wavelength region, the light that reaches the cell layer and the substantial tissue within the depth of field of the objective optical system other than the depth of interest is limited. Therefore, the depth of field of the objective optical system is substantially reduced, resolution in the depth direction is improved, and image overlap can be removed. On the other hand, the light in the wavelength band R2 contributes to obtaining the contrast between the cell nucleus and cell wall stained blue and the other portions not stained, so that information from an unnecessary depth is erased as shown in FIG. Thus, only the cell layer of interest can be clearly imaged. The characteristics shown in FIG. 7 can be realized by a dichroic filter or the like.

また、細胞核のみを強調するために、造影剤を用いることができる。この場合、細胞核に吸収された造影剤は励起光により励起され、基底状態に戻るときに蛍光を発するので、これを観察することで細胞核のみを正確に識別することができる。特に、光に反応する遺伝子マーカーとして遺伝子造影剤(例えばGFPなど)を細胞中に注入し、正常な細胞が癌などの病変に変化する際に現れる特定の遺伝子の発現を確認する方法には、本発明のビデオシステムを用いるのが有効である。   In addition, a contrast agent can be used to emphasize only the cell nucleus. In this case, since the contrast agent absorbed in the cell nucleus is excited by the excitation light and emits fluorescence when returning to the ground state, only the cell nucleus can be accurately identified by observing this. In particular, a method for confirming the expression of a specific gene that appears when a normal contrast cell is transformed into a lesion such as cancer by injecting a gene contrast agent (such as GFP) into the cell as a gene marker that reacts to light, It is effective to use the video system of the present invention.

この方法では、病変に変る直前に生体細胞内の遺伝子が変化する兆候が現れると同時に、それまで正常細胞に対しては何の作用も及ぼさなかった遺伝子マーカーが発現して励起光に対して微弱な蛍光を発するようになる。このため、このような観察に使用するビデオモジュールは超高感度カメラを備えていることが望ましい。   In this method, signs of changes in genes in living cells appear just before the lesion changes, and genetic markers that have not had any effect on normal cells are expressed and weak against excitation light. Fluorescent light is emitted. For this reason, it is desirable that the video module used for such observation includes an ultra-sensitive camera.

細胞核の蛍光画像観察用ビデオシステムは、従来の内視鏡と組合わせて用いられるのが好ましい。このような組合せの例を図15に示す。
蛍光画像観察用ビデオシステムは、挿入部41を有する細い内視鏡として構成される。
蛍光画像観察用ビデオシステムのビデオモジュール42は、挿入部41の端部に搭載される。符号43は従来の内視鏡を示し、処置具挿通口44は、従来の内視鏡の先端から手元側(図示しない)まで延びている。従来の内視鏡43も、観察窓45と、照明窓46,47を、その端部に有する。
蛍光画像観察用ビデオシステムの挿入部41は、従来の内視鏡43の手元側から処置具挿通口44に挿入され、処置具挿通口44の先端側開口から出てくる。
蛍光画像観察用ビデオシステムを挿入した従来の内視鏡43は、観察したい体内に挿入される。目標の観察部位に蛍光画像観察用ビデオシステムのビデオモジュール42を導くために、従来の内視鏡43は、蛍光画像観察用ビデオシステムの挿入部41が処置具挿通口44から突き出るのを見ることができる。
また、TVモニタ5に従来の内視鏡の画像とビデオモジュールの蛍光画像を並列させて表示することで、細胞核の蛍光画像を観察しながらその周りの生体組織の様子を把握できるので、より正確で、しかも安全に観察を行うことができる。
The video system for observing fluorescence images of cell nuclei is preferably used in combination with a conventional endoscope. An example of such a combination is shown in FIG.
The video system for observing a fluorescent image is configured as a thin endoscope having an insertion portion 41.
The video module 42 of the fluorescent image observation video system is mounted on the end of the insertion portion 41. Reference numeral 43 denotes a conventional endoscope, and the treatment instrument insertion port 44 extends from the distal end of the conventional endoscope to the hand side (not shown). The conventional endoscope 43 also has an observation window 45 and illumination windows 46 and 47 at its ends.
The insertion part 41 of the video system for fluorescent image observation is inserted into the treatment instrument insertion port 44 from the hand side of the conventional endoscope 43 and comes out of the distal end side opening of the treatment instrument insertion port 44.
A conventional endoscope 43 into which a fluorescent image observation video system is inserted is inserted into a body to be observed. In order to guide the video module 42 of the video system for fluorescent image observation to the target observation site, the conventional endoscope 43 sees that the insertion portion 41 of the video system for fluorescent image observation protrudes from the treatment instrument insertion port 44. Can do.
Further, by displaying the image of the conventional endoscope and the fluorescent image of the video module side by side on the TV monitor 5, the state of the living tissue around the cell nucleus can be grasped while observing the fluorescent image of the cell nucleus. And it is possible to observe safely.

例えば480nmより短い波長の光を主として吸収し、470nmより長い波長の蛍光を発するタイプの造影剤を用いる場合には、光源の波長選択フィルタ8として図9に示す分光透過特性を有するフィルタを用いるのが好ましい。図の縦軸は透過率(単位:パーセント)、横軸は波長(単位:nm)であり、分光透過率特性を実線で示した。   For example, when a contrast agent of a type that mainly absorbs light having a wavelength shorter than 480 nm and emits fluorescence having a wavelength longer than 470 nm is used, a filter having spectral transmission characteristics shown in FIG. Is preferred. In the figure, the vertical axis represents transmittance (unit: percent), the horizontal axis represents wavelength (unit: nm), and the spectral transmittance characteristics are indicated by solid lines.

より具体的には、青色波長領域の照明光を2つの波長帯B1、B2に分割し、緑色波長領域に近い波長帯B1をカットするフィルタであり、波長帯B1は450nmから500nm、波長帯B2は350nmから450nmに設定されている。対物光学系には、470nmより長い波長の光を透過し470nmより短い波長の光をカットするフィルタが配置されており、励起光をカットして細胞核の蛍光画像を得ることができる。励起光の波長と蛍光の波長が重なる波長帯B1の光をカットして照明することで、励起光の影響を受けることなく、ごく微弱な蛍光を取り出して鮮明に画像化することが可能である。   More specifically, the filter divides the illumination light in the blue wavelength region into two wavelength bands B1 and B2, and cuts the wavelength band B1 close to the green wavelength region. The wavelength band B1 is 450 nm to 500 nm, and the wavelength band B2 Is set to 350 nm to 450 nm. The objective optical system is provided with a filter that transmits light having a wavelength longer than 470 nm and cuts light having a wavelength shorter than 470 nm. The excitation light can be cut to obtain a fluorescence image of the cell nucleus. By cutting and illuminating the light in the wavelength band B1 where the wavelength of the excitation light and the fluorescence wavelength overlap, it is possible to take out very weak fluorescence and image it clearly without being affected by the excitation light. .

また、光源の波長選択フィルタ8には緑色波長領域や赤色波長領域の光の強度を低減するフィルタを付加してもよい。このようにすることで、細胞核の蛍光画像の背景に不要な画像ノイズが重なるのを防ぎながら、同時に、従来の内視鏡によって生体組織の通常観察画像を得ることができる。   Further, a filter for reducing the intensity of light in the green wavelength region or the red wavelength region may be added to the wavelength selection filter 8 of the light source. In this way, it is possible to obtain a normal observation image of a living tissue with a conventional endoscope while preventing unnecessary image noise from overlapping the background of the fluorescence image of the cell nucleus.

次に、生体内での細胞観察に適した照明方法について図13を参照して説明する。
内視鏡の先端には、被写体に向けて照明光を照射する照明装置の先端部と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に結像する対物光学系の先端部がそれぞれ配置されており、照野Lの中心軸と視野Fの中心軸とが間隔dだけ離れているとする。内視鏡を用いて生体組織を観察する場合には、内視鏡の先端を生体組織に対して近接、対向するように配置し、生体組織を構成する上皮細胞層や実質組織層のうち、注目する部位が対物光学系の被写界深度範囲内に入るように、注目する部位と内視鏡先端面との距離Xを調整する。ここでは、上皮細胞層と内視鏡先端面との距離をX1、実質組織層と内視鏡先端面との距離をX2とする。
Next, an illumination method suitable for cell observation in a living body will be described with reference to FIG.
At the distal end of the endoscope, a distal end portion of an illuminating device that irradiates illumination light toward the subject and a distal end portion of an objective optical system that forms an image of light from the subject on the imaging surface of the image sensor are arranged. Suppose that the central axis of the illumination field L and the central axis of the visual field F are separated by a distance d. When observing a living tissue using an endoscope, the tip of the endoscope is arranged so as to be close to and facing the living tissue, and among the epithelial cell layer and the substantial tissue layer constituting the living tissue, The distance X between the site of interest and the distal end surface of the endoscope is adjusted so that the site of interest falls within the depth of field range of the objective optical system. Here, the distance between the epithelial cell layer and the endoscope front end surface is X1, and the distance between the substantial tissue layer and the endoscope front end surface is X2.

従来の内視鏡では、距離X2離れた実質組織を対物光学系の視野F2で観察する。このとき、視野F2内で均一な明るさを確保するため、内視鏡の先端における照野Lの中心軸と視野Fの中心軸との間隔dは、距離X2だけ前方に分布する照野L2が視野F2を含むように決められている。距離X2は数ミリメートルから数十ミリメートルである。   In a conventional endoscope, a parenchyma separated by a distance X2 is observed in the field of view F2 of the objective optical system. At this time, in order to ensure uniform brightness in the visual field F2, the distance d between the central axis of the illumination field L and the central axis of the visual field F at the distal end of the endoscope is distributed forward by a distance X2. Is determined to include the field of view F2. The distance X2 is several millimeters to several tens of millimeters.

一方、拡大内視鏡では、距離X1離れた上皮細胞を対物光学系の視野F1で観察する。距離X1はゼロから数ミクロンである。このように、内視鏡先端面と被写体の間の距離がほとんど取れない状態では、内視鏡の先端における照野Lの中心軸と視野Fの中心軸との間隔dを詰めても距離X1だけ前方に分布する照野L1aが視野F1を含むようにすることができない。すなわち、従来のような照明方法では対物光学系の視野F1で均一な明るさを確保することができないことがわかる。そこで、本発明では、対物光学系の被写界深度範囲よりも更に前方に位置する実質組織層を利用して、視野F1で均一な明るさが得られるような照明方法をとっている。   On the other hand, in the magnifying endoscope, epithelial cells separated by a distance X1 are observed in the visual field F1 of the objective optical system. The distance X1 is from zero to a few microns. As described above, in a state where the distance between the endoscope front end surface and the subject is hardly obtained, even if the distance d between the central axis of the illumination field L and the central axis of the visual field F at the distal end of the endoscope is reduced, the distance X1 is set. The illumination field L1a distributed only in the forward direction cannot include the visual field F1. That is, it can be seen that the conventional illumination method cannot ensure uniform brightness in the field of view F1 of the objective optical system. Therefore, in the present invention, an illumination method is employed in which uniform brightness is obtained in the field of view F1 by using a substantial tissue layer positioned further forward than the depth of field range of the objective optical system.

図13では、内視鏡の先端から距離X1の位置に観察対象があり、距離X2の位置に実質組織層が存在する。内視鏡の先端から照射された照明光は、照野L1aを通過して実質組織層に到達する。実質組織層は、反射・散乱面となって照明光を散乱する。内視鏡の先端から照射される照明光の配光分布がガウス分布に従うものとみなし、配光角がゼロ度のときの照明光の強度に対して1/e(ただし、eは自然対数の底である)となる配光角ωを有効照明配光角と定義する。   In FIG. 13, there is an observation object at a distance X1 from the distal end of the endoscope, and a substantial tissue layer is present at a distance X2. The illumination light irradiated from the tip of the endoscope passes through the illumination field L1a and reaches the substantial tissue layer. The parenchymal tissue layer scatters illumination light as a reflection / scattering surface. Considering that the distribution of illumination light emitted from the tip of the endoscope follows a Gaussian distribution, 1 / e (where e is the natural logarithm) with respect to the intensity of illumination light when the light distribution angle is zero degrees The light distribution angle ω that is the bottom is defined as the effective illumination light distribution angle.

内視鏡の先端から照射された照明光は、生体組織中を配光角ω1'で伝播し実質組織層に到達する。実質組織層で反射・散乱された照明光は、生体組織中を上皮細胞に向かって配光角ω2'で伝播し、内視鏡の先端から距離X1の位置に対物光学系の視野F1を含む照野L1bを形成する。その結果、対物光学系の視野F1では均一な明るさを確保できる。   The illumination light emitted from the tip of the endoscope propagates through the living tissue at a light distribution angle ω1 ′ and reaches the substantial tissue layer. The illumination light reflected / scattered by the parenchymal tissue layer propagates through the living tissue toward the epithelial cells at a light distribution angle ω2 ′, and includes the field of view F1 of the objective optical system at a distance X1 from the distal end of the endoscope. Teruno L1b is formed. As a result, uniform brightness can be secured in the field of view F1 of the objective optical system.

ここで、ω1'、ω2'は生体組織中での配光角度であり、空気中での配光角に換算するには以下の式が用いられる。
sinω1=1.33×sinω1'
sinω2=1.33×sinω2'
実質組織層は対物光学系の被写界深度の範囲の外にあるので、実質組織層で反射・散乱された光は結像されず、上皮細胞への照明効果のみを得ることができる。また、内視鏡の先端における照野Lの中心軸と視野Fの中心軸との間隔dについて以下の条件を満足することが望ましい。
Here, ω1 ′ and ω2 ′ are light distribution angles in the living tissue, and the following formula is used for conversion to the light distribution angle in the air.
sinω1 = 1.33 × sinω1 '
sinω2 = 1.33 × sinω2 '
Since the parenchymal tissue layer is outside the range of the depth of field of the objective optical system, the light reflected and scattered by the parenchymal tissue layer is not imaged, and only the illumination effect on the epithelial cells can be obtained. Further, it is desirable that the following condition is satisfied for the distance d between the central axis of the illumination field L and the central axis of the visual field F at the distal end of the endoscope.

1≦log(d/(X1×tanω))≦3 ・・・(10)
この条件式の上限を超えると、対物光学系の視野内で均一な明るさが確保できなくなる。この条件式の下限を超えると、内視鏡の先端外径を細く保ったまま、内視鏡の先端に照明装置の先端部と対物光学系の先端部を配置することが困難になる。
1 ≦ log (d / (X1 × tanω)) ≦ 3 (10)
If the upper limit of this conditional expression is exceeded, uniform brightness cannot be secured within the field of view of the objective optical system. If the lower limit of this conditional expression is exceeded, it becomes difficult to dispose the distal end portion of the illumination device and the distal end portion of the objective optical system at the distal end of the endoscope while keeping the distal end outer diameter of the endoscope thin.

更に以下の条件を満たすのが望ましい。
5≦d/(X2×tanω)≦30 ・・・(12)
この条件式の上限又は下限を超えると、対物光学系の視野内で均一な明るさが確保できなくなる。
Furthermore, it is desirable to satisfy the following conditions.
5 ≦ d / (X2 × tanω) ≦ 30 (12)
If the upper limit or lower limit of this conditional expression is exceeded, uniform brightness cannot be secured within the field of view of the objective optical system.

また、内視鏡の先端面から対物光学系の合焦位置までの距離X1と、内視鏡の先端面から実質組織層などの反射・散乱面までの距離X2は以下の関係を満たすのが望ましい。   Further, the distance X1 from the distal end surface of the endoscope to the in-focus position of the objective optical system and the distance X2 from the distal end surface of the endoscope to the reflection / scattering surface such as the substantial tissue layer satisfy the following relationship. desirable.

0.5≦log(X2/X1) ・・・(11)
この条件式の下限を下回って小さくなると、実質組織層の像が視野に映り込み画質が劣化する。
0.5 ≦ log (X2 / X1) (11)
When the value is smaller than the lower limit of this conditional expression, the image of the substantial tissue layer is reflected in the field of view and the image quality is deteriorated.

本発明の照明方法の実施例の仕様を表5に、条件式の値を表6に示す。
表5
項目 記号 単位 実施例1 実施例2
散乱体距離 X2 [mm] 0.1 0.1
対物合焦距離 X1 [mm] 0.015 0.002
照明視差 d [mm] 0.8 1
照明配光角 ω [deg] 35 35

表6
番号 条件式 実施例1 実施例2
10 1≦log(d/(X1×tanω))≦3 1.88 2.85
11 0.5≦log(X2/X1) 0.82 1.7
12 5≦d/(X2×tanω)≦30 11.4 14.3
次に、拡大観察された細胞画像から細胞の異常の有無(例えば細胞が癌化しているか否か)を判断する方法について説明する。
Table 5 shows specifications of examples of the illumination method of the present invention, and Table 6 shows values of conditional expressions.
Table 5
Item Symbol Unit Example 1 Example 2
Scatterer distance X2 [mm] 0.1 0.1
Objective focusing distance X1 [mm] 0.015 0.002
Illumination parallax d [mm] 0.8 1
Lighting distribution angle ω [deg] 35 35

Table 6
No. Conditional expression Example 1 Example 2
10 1 ≦ log (d / (X1 × tanω)) ≦ 3 1.88 2.85
11 0.5 ≦ log (X2 / X1) 0.82 1.7
12 5 ≦ d / (X2 × tanω) ≦ 30 11.4 14.3
Next, a method for determining the presence / absence of cell abnormality (for example, whether the cell is cancerous) from the enlarged cell image will be described.

図5は実施例1により拡大観察された染色細胞像を示す。拡大ビデオシステムに用いられるビデオモジュールはモニタ画面上で数十から数百個程度の核が観察可能な倍率に設定される。例えば、モニタ画面上に数十から百個程度の細胞核を表示し、細胞核の間隔などを基にして観察視野内での細胞の密集度を評価することにより、細胞の異常の有無を判断することができる。細胞の密集度は、正常サンプルデータとの比較により、統計学的に解析処理することができる。   FIG. 5 shows a stained cell image magnified and observed in Example 1. The video module used in the enlarged video system is set to a magnification at which several tens to several hundreds of nuclei can be observed on the monitor screen. For example, displaying tens to hundreds of cell nuclei on the monitor screen and evaluating the density of cells within the observation field based on the cell nucleus interval, etc., to determine the presence or absence of cell abnormalities Can do. Cell density can be statistically analyzed by comparison with normal sample data.

このような拡大ビデオシステムは核を観察するのに充分な分解能と視野範囲を満足するようにその仕様が設定される。
ビデオモジュールの観察倍率を更に上げて、モニタ画面上に数個程度の細胞核を表示し、単位面積に観察される核の数から細胞の大きさを求めたり、細胞核の形状を観察することで細胞の異常の有無を評価することもできる。例えば癌化した細胞には、細胞自体が肥大したり、変形するなどの固有の特徴が現れるので、細胞核の大きさや形を評価することで細胞が癌化しているか否かを判断することができる。
Such magnified video systems are set up to meet the resolution and field of view sufficient to observe the nucleus.
Increase the observation magnification of the video module, display several cell nuclei on the monitor screen, obtain the cell size from the number of nuclei observed in the unit area, and observe the shape of the cell nuclei. The presence or absence of abnormalities can also be evaluated. For example, since cancerous cells have unique characteristics such as enlargement or deformation of the cells themselves, it is possible to determine whether the cells are cancerous by evaluating the size and shape of the cell nucleus. .

図8は実施例2により拡大観察された核と細胞壁を示す。拡大ビデオシステムはモニタ画面上に数個程度の核が観察可能な倍率に設定される。細胞壁の面積Sと核の面積S'より細胞に占める核の割合を求めその比率から異常の有無を評価することができる。このような拡大ビデオシステムは核のみならず細胞壁を観察するのに充分な分解能とコントラストが得られるように設定される。   FIG. 8 shows the nuclei and cell walls magnified and observed in Example 2. The magnification video system is set to a magnification at which several nuclei can be observed on the monitor screen. From the cell wall area S and the nucleus area S ′, the ratio of nuclei in the cell can be determined, and the presence or absence of abnormality can be evaluated from the ratio. Such a magnified video system is set up to provide sufficient resolution and contrast to observe not only the nucleus but also the cell wall.

以上説明した生体内細胞観察の一連の手順の一例を図14のフローに示した。
観察対象となる部位や選択する染料の種類などによって、照明光の波長特性を複数選択することが考えられる場合には、上述したように白色光源から特定の波長帯をフィルタリングするシステムが汎用性の面で優れている。一方、照明光の波長特性を予め限定して使用できる場合は、例えば照明光を単色化することにより更に簡略化した構成とすることができる。
An example of a series of procedures for in vivo cell observation described above is shown in the flow of FIG.
When it is conceivable to select multiple wavelength characteristics of illumination light depending on the part to be observed and the type of dye to be selected, a system that filters a specific wavelength band from a white light source as described above is versatile. Excellent in terms. On the other hand, when the wavelength characteristics of the illumination light can be limited and used in advance, the configuration can be further simplified by making the illumination light monochromatic, for example.

特定波長での観察に特化したイメージングシステムの一例を図10に示す。本発明のビデオモジュールは観察距離が非常に短いため、光源17は単色で低出力のもの、例えばLED等で構成できる。LED光源は内視鏡本体に実装することが可能となる。又LED光源を先端に配置することで照明伝送用のファイバを省略できる。観察系11は単色で球面収差を補正すればよいため光学系13も簡略にできる。例えば絞り14の前方に非球面を用いた単レンズを配置したり、非球面の代わりに数枚の球面レンズにより構成することが可能になる。   An example of an imaging system specialized for observation at a specific wavelength is shown in FIG. Since the video module of the present invention has a very short observation distance, the light source 17 can be composed of a single color and low output, such as an LED. The LED light source can be mounted on the endoscope body. Moreover, the fiber for illumination transmission can be omitted by arranging the LED light source at the tip. Since the observation system 11 only needs to correct spherical aberration with a single color, the optical system 13 can also be simplified. For example, it is possible to arrange a single lens using an aspherical surface in front of the stop 14 or to configure with several spherical lenses instead of an aspherical surface.

このように小型化、簡素化されたビデオモジュールは、内視鏡のような医療製品へ搭載する場合のレイアウトの自由度を広げることができるので、例えば軟性タイプの体内挿入装置ではカテーテルやレーザプローブといった処置具と組合わせることができる。また、硬性タイプの体内挿入装置では映像情報を無線化することによりペンシル型やカプセル型などのコンパクトな形態を取ることが可能である。   The video module thus reduced in size and simplified can increase the degree of freedom of layout when mounted on a medical product such as an endoscope. For example, in a flexible-type insertion device, a catheter or laser probe is used. It can be combined with a treatment tool. In addition, a rigid type in-body insertion device can take a compact form such as a pencil type or a capsule type by wirelessly transmitting video information.

従来内視鏡による生体組織の観察原理を説明する図である。It is a figure explaining the observation principle of the biological tissue by the conventional endoscope. 顕微鏡による標本の観察原理を説明する図である。It is a figure explaining the observation principle of the sample by a microscope. 本発明のビデオシステムの構成図である。It is a block diagram of the video system of this invention. 本発明のビデオモジュールで撮像された細胞の像の波長分布特性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength distribution characteristic of the image of the cell imaged with the video module of this invention. 本発明の実施例によって拡大観察された染色細胞像を示す図である。It is a figure which shows the dye | stained cell image enlargedly observed by the Example of this invention. 下層の細胞が背景に重なった場合の画像を示す図である。It is a figure which shows an image when the cell of a lower layer has overlapped with the background. 本発明の実施例に用いる波長選択フィルタの分光透過特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral transmission characteristic of the wavelength selection filter used for the Example of this invention. 図6の画像に対し、不要な深さの情報を消去した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which erase | eliminated the information of the unnecessary depth with respect to the image of FIG. 本発明の実施例に用いる別の波長選択フィルタの分光透過特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral transmission characteristic of another wavelength selection filter used for the Example of this invention. 特定波長での観察に特化したイメージングシステムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the imaging system specialized in the observation in a specific wavelength. 本発明の実施例1のレンズ断面図である。It is lens sectional drawing of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2のレンズ断面図である。It is lens sectional drawing of Example 2 of this invention. 生体内での細胞観察に適した照明方法を示す図である。It is a figure which shows the illumination method suitable for the cell observation in a biological body. 本発明による生体内細胞観察の手順を示すフローである。It is a flow which shows the procedure of in-vivo cell observation by this invention. 本発明の細胞核の蛍光画像観察用ビデオシステムを、従来の内視鏡と組み合わせて用いる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the video system for fluorescence image observation of the cell nucleus of this invention is used in combination with the conventional endoscope.

符号の説明Explanation of symbols

1、17 光源
2 ビデオモジュール
3 被写体
4 画像処理装置
5 TVモニタ
8 波長選択フィルタ
11 観察系
13 光学系
14 絞り
41 挿入部
42 ビデオモジュール
43 内視鏡
44 処置具挿通口
45 観察窓
46,47 照明窓
101 対物レンズ群
102 対物枠
103 明るさ絞り
104 カバーガラス
105 撮像素子
106 撮像枠
107 間隔
108 先端硬質部
109 中間部材
110 外表部
111 照明用ファイバ
112a、112b 間隔調整部
L1a、L1b、L2 照野
F1、F2 視野
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 17 Light source 2 Video module 3 Subject 4 Image processing apparatus 5 TV monitor 8 Wavelength selection filter 11 Observation system 13 Optical system 14 Aperture 41 Insertion part 42 Video module 43 Endoscope 44 Treatment tool insertion port 45 Observation windows 46 and 47 Illumination Window 101 Objective lens group 102 Objective frame 103 Brightness stop 104 Cover glass 105 Imaging element 106 Imaging frame 107 Distance 108 Tip hard part 109 Intermediate member 110 Outer surface part 111 Fibers for illumination 112a and 112b Distance adjustment parts L1a, L1b, and L2 F1, F2 field of view

Claims (4)

観察装置と照明装置を備えた、生体組織を観察する内視鏡であって、
前記観察装置は対物光学系を含み、
前記観察装置及び前記照明装置は、前記対物光学系の合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するとき、該対物光学系の観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野が分離し、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該対物光学系の観察視野を含む照野を形成すように、配置されていることを特徴とする内視鏡。
An endoscope provided with an observation device and an illumination device for observing living tissue ,
The observation apparatus includes an objective optical system,
The observation device and the lighting device, when the focus position of the objective optical system is positioned on the upper layer tissue of the living body tissue, on the upper layer tissue from the distal end of the endoscope with the objective optical system of the observation field of view and illumination field of the illumination device to be illuminated are separated, and the light directed toward the upper layer tissue from the light transmittance is lower underlying tissue as compared to the upper layer tissue after passing through the upper layer tissue from the lighting device, as you form illumination field involving observation field of view of the objective optical system, an endoscope, characterized in that it is arranged.
結像倍率が1より大きい対物光学系を有するビデオモジュールを含んだ、生体組織を観察する内視鏡であって、
前記内視鏡は照明装置を備え、
前記ビデオモジュール及び前記照明装置は、該ビデオモジュールの合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するとき、該ビデオモジュールの観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野が重ならず、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該ビデオモジュールの観察視野を含む照野を形成するように、配置されていることを特徴とする内視鏡。
An endoscope for observing living tissue, including a video module having an objective optical system with an imaging magnification greater than 1.
The endoscope includes a lighting device,
The video module and the lighting device, when the focus position of the video module is positioned on the upper layer tissue of the living body tissue, is irradiated on the upper layer tissue from the distal end side of the observation field of view with the endoscope of the video module that a do not overlap the illumination field of the illumination device, and light directed toward the upper layer tissue from the light transmittance is lower underlying tissue as compared to the upper layer tissue after passing through the upper layer tissue from the lighting device, the so as to form a illumination field involving observation field of view of the video module, an endoscope, characterized in that it is placed.
結像倍率が1より大きい対物光学系と照明光学系を有するビデオモジュールと、照明光を供給する光源とを備えた、生体組織を観察するビデオシステムであって、
前記ビデオモジュール及び前記照明装置は、該ビデオモジュールの合焦位置が前記生体組織の上層組織に位置するときに、該ビデオモジュールの観察視野と前記内視鏡の先端側から該上層組織に照射される該照明装置の照野とが重ならず、且つ、該照明装置から該上層組織を透過した後に該上層組織に比べて光の透過率が低い下層組織から該上層組織に向かう光が、該ビデオモジュールの観察視野を含む照野を形成するように、配置され、
前記光源には、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の照明光のうち、青色波長領域又は赤色波長領域の照明光を2つの波長帯T1、T2に分割し、緑色波長領域に近い波長帯T1を遮断する波長帯選択手段が設けられていることを特徴とするビデオシステム。
A video system for observing a living tissue , comprising a video module having an objective optical system having an imaging magnification greater than 1 and an illumination optical system, and a light source for supplying illumination light,
The video module and the illumination device are irradiated onto the upper layer tissue from the observation field of view of the video module and the distal end side of the endoscope when the in-focus position of the video module is located in the upper layer tissue of the living tissue. The illumination field of the illuminating device does not overlap the light field, and after passing through the upper layer tissue from the illuminating device, light directed from the lower layer tissue to the upper layer tissue having low light transmittance as compared with the upper layer tissue, Arranged to form an illumination field including the viewing field of the video module,
The light source has a wavelength close to the green wavelength region by dividing the illumination light in the blue wavelength region or the red wavelength region into two wavelength bands T1 and T2 out of the illumination light in the blue wavelength region, the green wavelength region, and the red wavelength region. A video system, characterized in that wavelength band selection means for blocking the band T1 is provided.
前記波長帯T1は600nm〜700nmであることを特徴とする請求項に記載のビデオシステム。 The video system according to claim 3 , wherein the wavelength band T1 is 600 nm to 700 nm.
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