WO2018229834A1

WO2018229834A1 - 内視鏡システム

Info

Publication number: WO2018229834A1
Application number: PCT/JP2017/021667
Authority: WO
Inventors: 松本　浩司; 哲大岡; 翔進士
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US20200100660A1; US11045081B2

Abstract

内視鏡システム（１）は、第２の照明光（Ｌ２）を射出する第２の照明部（４２）と、第２の照明光（Ｌ２）の波長帯域とは異なる波長帯域の光であり、互いに異なる深さにおける被写体（Ａ）の２つの画像情報を取得するための第１の照明光（Ｌ１）を第２の照明光（Ｌ２）と同時に射出する第１の照明部（４１）と、第１の照明光（Ｌ１）で照明されている被写体（Ａ）の第１の照明画像および第２の照明光（Ｌ２）で照明されている被写体（Ａ）の第２の照明画像を同時に取得する撮像部（６）と、第１の照明画像から２つの画像情報を分離する分離処理部（７１）と、第２の照明画像を２つの画像情報を用いて処理して分離画像を作成する分離画像作成部（７２）とを備える。

Description

内視鏡システム

　本発明は、内視鏡システムに関するものである。

　照明された物体から生じる光には、鏡面反射光、拡散反射光、散乱光等の複数種類の成分が含まれる。物体の画像に含まれるこのような成分を、縞状の明暗パターンを有する構造化照明光を用いた高周波パターン投影法によって分離することで、物体の表面の情報と内部の情報とを分離する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

高谷剛志、外３名、「多重重み付け計測による反射・散乱光の分解」、第１４回画像の認識・理解シンポジウム（ＭＩＲＵ２０１１）、２０１１年７月

　非特許文献１に開示されている高周波パターン投影法で取得された構造化照明画像を用いて内視鏡の白色光画像を処理することで、被写体の情報を深さによって相互に分離することができ、相互に異なる深さの情報を含む複数の分離画像を作成することが可能となる。しかしながら、構造化照明用の照明系を、通常の白色光用の照明系を有する内視鏡に搭載した場合に、白色光画像とは異なるタイミングで構造化照明画像を取得することで、白色光画像のフレームレートが低下してしまうという問題がある。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、フレームレートを低下することなく、被写体の異なる深さの情報を含む分離画像を作成することができる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、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の一態様は、互いに異なる深さにおける被写体の２つの画像情報を取得するための第１の照明光を被写体に向けて射出する第１の照明部と、第２の照明光を前記被写体に向けて射出する第２の照明部と、前記第１の照明光で照明されている前記被写体の第１の照明画像および前記第２の照明光で照明されている前記被写体の第２の照明画像を取得する撮像部と、前記第１の照明画像から前記２つの画像情報を分離する分離処理部と、前記第２の照明画像を前記２つの画像情報を用いて処理することで、前記互いに異なる深さにおける前記被写体の情報をそれぞれ多く含む２つの分離画像を作成する分離画像作成部とを備え、前記第１の照明光が、前記第２の照明光の波長帯域とは異なる波長帯域の光であり、前記第１の照明部および前記第２の照明部が、前記第１の照明光および前記第２の照明光を同時に射出し、前記撮像部が、前記第１の照明光および前記第２の照明光で照明されている前記被写体を撮影することで前記第１の照明画像および前記第２の照明画像を同時に取得する内視鏡システムである。

　本態様によれば、第２の照明光で照明された被写体が撮像部によって撮影されることで第２の照明画像が取得される。一方、第１の照明光で照明された被写体が撮像部によって撮影されることで第１の照明画像が取得され、第１の照明画像に含まれる、異なる深さの２つの画像情報が分離処理部によって分離される。このような２つの画像情報を用いて第２の照明画像を処理することで、被写体の互いに異なる深さの情報を含む２つの分離画像を作成することができる。

　この場合に、第１の照明光の波長帯域と第２の照明光の波長帯域は相互に異なっているので、撮像部は、第１の照明画像と第２の照明画像とを波長によって相互に分離して取得することができる。したがって、第１の照明光および第２の照明光の両方で照明されている被写体の一度の撮影で第１の照明画像と第２の照明画像を同時に取得することで、フレームレートを低下させることなく分離画像を作成することができる。

　上記態様においては、前記第１の照明光が、赤外光であってもよい。
　このようにすることで、第２の照明光として可視域全体にわたって波長を有する白色光を使用することができる。また、第１の照明光は、波長が長い程、被写体のより深い位置まで到達することができるので、第１の照明光として赤外光を使用することで、より深い位置の情報を含む分離画像を作成することができる。

　上記態様においては、前記第１の照明光が、光軸に垂直な光束断面において明部および暗部を含む空間的に非一様な強度分布を有していてもよい。
　散乱体である被写体に照明光が照射されたときに、被写体の表面において鏡面反射された鏡面反射（スペキュラ）光と、被写体内部の表層での散乱を経て被写体の表面から射出された表面散乱光と、被写体内部の深層での散乱を経て被写体の表面から射出された内部散乱光とが生じる。空間的に非一様な強度分布を有する第１の照明光を被写体に照射することで、内部散乱光がスペキュラ光および表面散乱光とは空間的に分離される。すなわち、明部ではスペキュラ光、表面散乱光および内部散乱光が生じるのに対し、暗部では、明部から暗部まで回り込んだ内部散乱光が支配的に生じる。したがって、第１の照明画像内の暗部に対応する領域から深層の画像情報を分離することができ、第１の照明画像内の明部に対応する領域から表面および表層の画像情報を分離することができる。

　上記態様においては、前記第１の照明光が含む前記明部および前記暗部は帯状であり、前記明部および前記暗部が、幅方向に交互に繰り返される縞状であってもよい
　このようにすることで、簡便な明暗パターンで内部散乱光を効果的に分離することができる。また、縞状の強度分布の明部と暗部との位置を入れ替えるためには、強度分布の明部および暗部を縞の幅方向のみに移動させればよいので、照明光の強度分布を容易に時間変化させることができる。

　上記態様においては、前記第１の照明光が含む前記明部および前記暗部は、前記幅方向における強度プロファイルが略正弦波形状であってもよい。
　このように、正弦波状に強度が空間的に変化する第１の照明光を被写体に照射することで、最も強度の高い光が当てられているときの表層の分離画像用の強度値と、光が当てられていないときの深層の分離画像用の強度値とを、位相シフト法により計算することができ、少ない枚数の第１の照明画像からであっても解像度の高い良好な分離画像を作成することができる。

　上記態様においては、前記第１の照明光の波長スペクトルの形状が、単一波長であってもよい。
　上記態様においては、前記分離処理部が、それぞれ前記暗部の幅が異なる前記第１の照明光を照射して取得された２枚以上の前記第１の照明画像から３つ以上の前記画像情報を分離し、前記分離画像作成部が、前記３つ以上の画像情報を用いて３つ以上の前記分離画像を作成してもよい。
　このように、暗部の幅の異なる第１の照明光で照明された被写体の複数枚の第１の照明画像を用いることで、相互に異なる深さの情報を多く含む３つ以上の分離画像を作成することができる。

　本発明によれば、フレームレートを低下することなく、被写体の異なる深さの情報を含む分離画像を作成することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内視鏡システムの全体構成図である。第１の照明光および第２の照明光の波長帯域を示す図である。第１の照明光および第２の照明光の波長帯域の変形例を示す図である。第１の照明光および第２の照明光の波長帯域の他の変形例を示す図である。第１の照明光および第２の照明光の波長帯域の他の変形例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の一例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の他の例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の他の例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の他の例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の他の例を示す図である。第１の照明光の強度分布およびその時間変化の他の例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの一例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの他の例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの他の例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの他の例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの他の例を示す図である。第１の照明光の強度の空間プロファイルの他の例を示す図である。撮像部に設けられた撮像素子の一例を示す図である。撮像部に設けられた撮像素子の他の例を示す図である。分離処理部における表層成分画像および深層成分画像の作成処理を説明する図である。第１の照明光の照射によって生体組織で発生する鏡面反射光、表面散乱光および内部散乱光とこれらの発生位置との関係を説明する図である。分離処理部における表層成分画像および深層成分画像の作成方法を説明する図である。分離画像作成部における表層画像および深層画像の作成処理を説明する図である。位相シフト法による強度値Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎの算出方法を説明する図である。第１の照明部および強度分布変更部の他の構成例を示す図である。第１の照明部および強度分布変更部の他の構成例を示す図である。第１の照明部および強度分布変更部の他の構成例を示す図である。偏光子を備える内視鏡システムの変形例の部分構成図である。

　以下に、本発明の一実施形態に係る内視鏡システム１について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る内視鏡システム１は、図１に示されるように、体内を観察する内視鏡２と、内視鏡２の基端に接続された本体部３とを備えている。
　また、内視鏡システム１は、内視鏡２の先端から体内の生体組織（被写体）Ａに向けて赤外の照明光Ｌ１と白色の第２の照明光Ｌ２をそれぞれ射出する第１の照明部４１および第２の照明部４２と、第１の照明光Ｌ１の強度分布を時間変化させる強度分布変更部５と、照明光Ｌ１，Ｌ２で照明されている生体組織Ａの第１および第２の照明画像を取得する撮像部６と、撮像部６によって取得された第１および第２の照明画像を処理して生体組織Ａ内の互いに異なる深さの情報を有する２つの分離画像を作成する画像処理部７とを備えている。

　図２Ａは、第１の照明光Ｌ１の波長帯域と第２の照明光Ｌ２の波長帯域とを示している。
　第１の照明部４１は、赤外光を出力する光源４１ａを備える。第１の照明部４１は、光源４１ａから射出された赤外光から、光軸に垂直な光束断面において空間的に非一様な強度分布を有する第１の照明光Ｌ１を生成し、第１の照明光Ｌ１を内視鏡２の先端面から生体組織Ａに向けて射出する。第１の照明光Ｌ１は、一般に、光束の中心から周縁に向かって明るさが漸次低下する強度の勾配を有する。このような光束断面の全体的な強度勾配とは別に、第１の照明光Ｌ１は、光束断面において、高強度の明部と該明部よりも低強度または強度を有しない暗部とが交互に繰り返される構造化された明暗パターンを有する。

　このような第１の照明部４１は、本体部３に設けられた光源４１ａ、マスク４１ｂおよび集光レンズ４１ｃと、内視鏡２に設けられたイメージガイドファイバ４１ｄおよび投影レンズ４１ｅとを備えている。
　光源４１ａは、例えば、ＬＥＤまたはＬＤのような半導体光源である。

　マスク４１ｂは、光源４１ａからの赤外光が入射する入射領域内の各位置の光透過率を電気的に制御することができる液晶素子であり、赤外光を透過させる透光領域と赤外光を遮断する遮光領域とからなり明暗パターンに対応する投影パターンが形成されている。光源４１ａから出力された赤外光は、マスク４１ｂを透過することで明暗パターンが与えられて第１の照明光Ｌ１に生成される。生成された第１の照明光Ｌ１は、集光レンズ４１ｃによってイメージガイドファイバ４１ｄの入射端に集光され、内視鏡２の先端に設けられた投影レンズ４１ｅまでイメージガイドファイバ４１ｄによって明暗パターンを保存しながら導光され、投影レンズ４１ｅから発散光束として射出される。

　第２の照明部４２は、白色光を出力する光源４２ａを備え、光軸に垂直な光束断面において空間的に略一様な強度分布を有する白色の第２の照明光Ｌ２を、内視鏡２の先端面の第１の照明光Ｌ１と同一の位置から生体組織Ａに向けて射出する。
　このような第２の照明部４２は、本体部３に設けられた光源４２ａと、光源４２ａから出力された第２の照明光Ｌ２を第１の照明光Ｌ１と合波するビームスプリッタ４２ｂとを備える。ビームスプリッタ４２ｂによって第１の照明光Ｌ１と合波された第２の照明光Ｌ２は、第１の照明光Ｌ１と同一の光路を通って生体組織Ａに照射される。符号４１ｆ，４２ｃは、光源４１ａ，４２ａから射出された光を平行光束に変換するコリメートレンズである。

　光源４２ａは、例えば、ＬＥＤまたはＬＤのような半導体光源、もしくはキセノンランプのようなランプ光源である。複数の光源４２ａから出力された赤、緑、青の光を混合することで白色光を生成してもよい。
　第１の照明部４１および第２の照明部４２は、第１の照明光Ｌ１および第２の照明光Ｌ２を同時に射出するように、本体部３に設けられた図示しない制御装置によって制御される。

　強度分布変更部５は、マスク４１ｂの入射領域内の各位置の光透過率を制御する制御素子であり、光束断面において明部と暗部とが入れ替わるように第１の照明光Ｌ１の強度分布を時間変化させる。これにより、生体組織Ａの表面Ｂ上の第１の照明光Ｌ１の照射範囲内の各位置には、明部および暗部が順番に投影されるようになっている。

　図３Ａから図３Ｆには、第１の照明光Ｌ１の強度分布の明暗パターンとその時間変化の例が示されている。図３Ａから図３Ｆにおいて、白い領域が明部を表し、黒い領域が暗部を表している。
　図３Ａの明暗パターンは、正方形の明部および暗部が、相互に直交する２方向に交互に繰り返される市松パターンである。
　図３Ｂおよび図３Ｃの明暗パターンは、真っ直ぐな帯状の明部および暗部が、明部および暗部の長手方向に直交する幅方向にのみ交互に繰り返される縞パターンである。縞パターンにおいて、明部と暗部との空間的な周期は、図３Ｂに示されるように一定であってもよく、図３Ｃに示されるように異なっていてもよい。

　図３Ｄの明暗パターンは、波形の帯状の明部および暗部が、明部および暗部の長手方向に直交する幅方向にのみ交互に繰り返される縞パターンである。
　図３Ｅの明暗パターンは、明部および暗部のうち、一方が円であり、他方が背景であるドットパターンである。
　図３Ｆの明暗パターンは、丸い帯状の明部および暗部が径方向に交互に繰り返される同心円パターンである。

　図４Ａから図４Ｆは、図３Ａから図３Ｆの明暗パターンにおいて明部と暗部の間での強度Ｉの空間的な変化を表す強度プロファイルの例を示している。横軸は、位置Ｘを示している。強度プロファイルは、図４Ａに示されるような矩形波状であってもよく、図４Ｂに示されるような正弦波状であってもよく、図４Ｃおよび図４Ｄに示されるような矩形波と正弦波の中間的な形状であってもよく、図４Ｅに示されるような非対称な波形状であってもよい。また、強度プロファイルは、図４Ｅに示されるように、第１の照明光Ｌ１の中心で最も高く、中心から周縁に向かって全体的に低下していてもよい。明部と暗部との周期とは、図４Ａから図４Ｅそれぞれにおける、明部とその隣の明部との間隔としてよい。

　撮像部６は、内視鏡２の先端に設けられ生体組織Ａからの光を集める撮像レンズ６ａと、撮像レンズ６ａによって形成された生体組織Ａの像を撮影する撮像素子６ｂとを備えている。撮像素子６ｂは、赤外光と白色光とを空間的に分離して同時に撮影することができるようになっている。このような撮像素子６ｂとしては、例えば、図５Ａに示されるように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）および赤外（ＩＲ）用の色フィルタの配列からなる色フィルタアレイ６ｃを備えるものが使用される。または、撮像素子６ｂとしては、図５Ｂに示されるように、撮像面に白色光用のセンサが形成され白色光を撮影するための第１の基板６ｄと、撮像面に赤外光用のセンサが形成され第１の基板６ｄを透過した赤外光を撮影するための第２の基板６ｅとが積層されたものが使用される。

　撮像部６は、第１の照明光Ｌ１および第２の照明光Ｌ２の両方が生体組織Ａに照射されているときに撮影を実行することで、第１の照明光Ｌ１で照明されている生体組織Ａの第１の照明画像と、第２の照明光Ｌ２で照明されている生体組織Ａの第２の照明画像とを同時に取得する。撮像素子６ｂによって取得された第１の照明画像および第２の照明画像は、撮像素子６ｂから画像処理部７に送信される。

　ここで、生体組織Ａに照射される第１の照明光Ｌ１の強度分布は、図３Ａから図３Ｆに示されるように強度分布変更部５によって時間変化する。撮像素子６ｂは、明部と暗部とが相互に反転した第１の照明光Ｌ１が生体組織Ａに照射される２つの時刻で撮影を実行することで、図６に示されるように、明部の投影領域と暗部の投影領域とが相互に反転し、明部の投影領域同士および暗部の投影領域同士が補完し合うような２枚の第１の照明画像を取得する。図６の第１の照明画像において、白い領域は明部の投影領域を表し、黒い領域は暗部の投影領域を表す。したがって、強度分布変更部５による強度分布の変更のタイミングと撮像素子６ｂによる撮影のタイミングとが互いに同期するように、強度分布変更部５および撮像素子６ｂの動作は制御装置によって制御される。

　画像処理部７は、２枚の第１の照明画像から表層成分画像（画像情報）および深層成分画像（画像情報）を分離する分離処理部７１と、第２の照明画像を表層成分画像および深層成分画像を用いて処理することで表層画像（分離画像）および深層画像（分離画像）を作成する分離画像作成部７２とを機能として備えている。

　図６は、分離処理部７１による画像処理を示している。２枚の第１の照明画像の各位置の画素について、明部が投影されているときの強度値Ｉｍａｘと、暗部が投影されているときの強度値Ｉｍｉｎとが取得される。分離処理部７１は、図６に示されるように、２枚の第１の照明画像の強度値Ｉｍｉｎから生体組織Ａの深層Ｄの情報を多く含む深層成分画像を作成し、２枚の第１の照明画像の強度値Ｉｍｉｎおよび強度値Ｉｍａｘから生体組織Ａの表面Ｂおよび表層Ｃの情報を多く含む表層成分画像を作成する。

　生体組織Ａは、散乱体であり、図７に示されるように、表面Ｂから数十μｍまでの表層Ｃに毛細血管のような構造αを含み、表層Ｃよりも深い深層Ｄに太い血管のような構造βを含む。生体組織Ａに明暗パターンを有する第１の照明光Ｌ１が照射されたときに、生体組織Ａからは、鏡面反射（スペキュラ）光Ｌｒ、表面散乱光Ｌｓおよび内部散乱光Ｌｄが発生する。

　スペキュラ光Ｌｒは、生体組織Ａの表面Ｂで鏡面反射された第１照明光Ｌ１の反射光であり、明部の投影領域において発生する。
　表面散乱光Ｌｓは、明部の投影領域から生体組織Ａ内に入射し、散乱を繰り返しながら表層Ｃを通過し、表面Ｂから射出された第１の照明光Ｌ１の散乱光である。表面散乱光Ｌｓのほとんどは、明部の投影領域から射出される。
　内部散乱光Ｌｄは、明部の投影領域から生体組織Ａ内に入射し、散乱を繰り返しながら深層Ｄを通過し、表面Ｂから射出された第１の照明光Ｌ１の散乱光である。内部散乱光Ｌｄの一部は明部の投影領域から射出され、他の部分は暗部の投影領域まで伝播して暗部の投影領域から射出される。

　このように、２枚の第１の照明画像内の暗部の投影領域の強度値Ｉｍｉｎは、主に内部散乱光Ｌｄに基づいており、深層Ｄの情報を主に含む。一方、２枚の第１の照明画像内の明部の投影領域の強度値Ｉｍａｘは、スペキュラ光Ｌｒ、表面散乱光Ｌｓおよび内部散乱光Ｌｄに基づいており、表面Ｂ、表層Ｃおよび深層Ｄの情報を含む。

　図８は、分離処理部７１による表層成分画像および深層成分画像の具体的な作成方法を示している。図８に示されるように、２枚の第１の照明画像は、明部の投影領域に対応する画素において強度値が高くなり、暗部の投影領域に対応する画素において強度値が低くなる明るさ分布を有する。図８においては、説明を簡単にするために、第１の照明光Ｌ１は、図３Ａまたは図３Ｂの明暗パターンのように、明部および暗部が一定周期で繰り返される明暗パターンを有し、画像の画素間の境界と明暗パターンにおける明部および暗部の境界とが一致している（すなわち、１つの明部または暗部が、１つの画素に対応している）場合の強度プロファイルを示している。

　上述したように、２枚の第１の照明画像からは、各画素について２つの強度値Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎが得られる。分離処理部７１は、各画素について、高い方の強度値を強度値Ｉｍａｘに決定し、低い方の強度値を強度値Ｉｍｉｎに決定する。次に、分離処理部７１は、表層成分画像の各画素の強度値Ｉｓおよび深層成分画像の画素の強度値Ｉｄを下式から算出し、強度値Ｉｓを有する表層成分画像と強度値Ｉｄを有する深層成分画像とを作成する。
　Ｉｓ＝Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ
　Ｉｄ＝Ｉｍｉｎ×２

　これにより、深層Ｄの情報を主に含む強度値Ｉｍｉｎを有する深層成分画像が作成される。また、強度値Ｉｍａｘから強度値Ｉｍｉｎを減算することで深層Ｄの情報が除去され、表面Ｂおよび表層Ｃの情報を主に含む強度値Ｉｓを有する表層成分画像が作成される。

　分離画像作成部７２は、図９に示されるように、下式（ａ）に基づいて表層画像を作成し、下式（ｂ）に基づいて深層画像を作成する。
　表層画像＝第２の照明画像×表層成分画像／（表層成分画像＋深層成分画像）　…（ａ）
　深層画像＝第２の照明画像×深層成分画像／（表層成分画像＋深層成分画像）　…（ｂ）

　すなわち、分離画像作成部７２は、表層成分画像と深層成分画像との和に対する表層成分画像の比を算出し、算出された比を第２の照明画像に乗算することで、表層画像を作成する。また、分離画像作成部７２は、表層成分画像と深層成分画像との和に対する深層成分画像の比を算出し、算出された比を第２の照明画像に乗算することで、深層画像を作成する。
　分離画像作成部７２によって作成された表層画像および深層画像は、本体部３から該本体部３に接続された表示装置（図示略）に出力され、表示装置に表示される。

　このような画像処理部７は、例えばコンピュータによって実行される画像処理プログラムとして実現される。すなわち、本体部３には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭのような主記憶装置、およびハードディスクドライブのような補助記憶装置が内蔵され、画像処理部７による上述処理をＣＰＵに実行させるための画像処理プログラムが補助記憶装置に記憶されている。画像処理プログラムが、補助記憶装置から主記憶装置にロードされ、画像処理プログラムに従ってＣＰＵが処理を実行することで、画像処理部７の上述の機能が実現されるようになっている。

　空間的に略一様な強度分布を有する通常の白色光である第２の照明光Ｌ２が生体組織Ａに照射されたときには、スペキュラ光Ｌｒ、表面散乱光Ｌｓおよび内部散乱光Ｌｄが互いに重畳された状態で撮像部６に入射する。したがって、第２の照明光Ｌ２で照明された生体組織Ａを撮影した第２の照明画像には、表面Ｂから数十μｍまでの表層Ｃにおける毛細血管のような構造αと、深層Ｄにおける太い血管のような構造βと、が共に表示される。

　これに対し、明暗パターンを有する第１の照明光Ｌ１が生体組織Ａに照射されたときには、深層Ｄの情報を多く含む内部散乱光Ｌｄが、表面Ｂおよび表層Ｃの情報を含むスペキュラ光Ｌｒおよび表面散乱光Ｌｓから空間的に分離され、深層Ｄの情報が支配的である領域が表面Ｂおよび表層Ｃの情報を多く含む領域から空間的に分離された第１の照明画像が得られる。このような第１の照明画像から、表面Ｂおよび表層Ｃの情報を主に含み構造αの像が強調された表層成分画像と、深層Ｄの情報を主に含み構造βの像が強調された深層成分画像とを分離することができる。

　構造化された第１の照明光Ｌ１は、第１の照明部４１の設計の制限等によって十分な光量を確保することが難しい場合があるが、通常の白色光である第２の照明光Ｌ２は十分な光量を容易に確保することができ、明るい第２の照明画像を取得することができる。本実施形態によれば、このような明るい第２の照明画像を表層成分画像および深層成分画像で補正して表層画像および深層画像を作成することで、明るい表層画像および深層画像を作成することができるという利点がある。

　また、第２の照明光Ｌ２の波長帯域とは異なる波長帯域の第１の照明光Ｌ１を使用することで、第１の照明画像と第２の照明画像を同時に取得することが可能となる。これにより、第１の照明光Ｌ１と第２の照明光Ｌ２とを順番に生体組織Ａに照射して第１の照明画像および第２の照明画像を順番に取得する場合と比べて、表層画像および深層画像の高いフレームレートを達成することができるという利点がある。

　さらに、第１の照明光Ｌ１と第２の照明光Ｌ２とを内視鏡２の先端面の同一位置から射出することで、第１の照明画像内のスペキュラ光に由来するノイズが表層画像に生じることを防ぐことができる。

　第１の照明光Ｌ１と第２の照明光Ｌ２とが異なる位置から生体組織Ａに向けて射出される場合、第１の照明画像内でのスペキュラ光の位置と第２の照明画像内でのスペキュラ光の位置との間にずれが生じる。スペキュラ光の位置に差がある第１および第２の照明画像を表層画像および深層画像の作成に用いたときに、表層画像には白い（すなわち、高階調値の）斑点状のノイズが発生し、深層画像には黒い（すなわち、低階調値の）斑点状のノイズが発生する。
　これに対し、第１の照明光Ｌ１と第２の照明光Ｌ２とが同一位置から生体組織Ａに向けて射出される場合、第１の照明画像内でのスペキュラ光の位置と第２の照明画像内でのスペキュラ光の位置とが一致する。このような第１の照明画像と第２の照明画像を用いたときには、表層画像および深層画像に斑点状のノイズが生じることがない。

　表層画像における表層Ｃの情報量および深層画像における深層Ｄの情報量は、生体組織Ａの表面Ｂ上での暗部の幅Ｗｄ（図７参照。）に依存する。具体的には、暗部の幅Ｗｄが大きい程、表層Ｃの深さが、暗部の幅Ｗｄが小さい場合と比べてより深くなるため、表層画像として取得できる表層Ｃの情報量が増加し、逆に深層Ｄの深さは暗部の幅Ｗｄによらずに一定であるため、深層Ｄの情報量は減少する。表層画像における表層Ｃの情報量と深層画像における深層Ｄの情報量との良好なバランスを確保するために、生体組織Ａの表面Ｂ上での暗部の幅Ｗｄは０．００５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。

　暗部の幅Ｗｄが０．００５ｍｍ未満である場合、明部の投影領域から暗部の投影領域へ回り込む内部散乱光Ｌｄの割合が増大し、その結果、強度値Ｉｍａｘと強度値Ｉｍｉｎとの差が小さくなって表層成分画像および表層画像に含まれる表層Ｃの情報が不足し得る。一方、暗部の幅Ｗｄが２５ｍｍよりも大きい場合、内部散乱光Ｌｄが暗部の投影領域の中央まで到達することができず、その結果、強度値Ｉｍｉｎがゼロに近づいて深層成分画像および深層画像に含まれる深層Ｄの情報が不足し得る。

　本実施形態においては、分離画像作成部７２が、下式（ａ’）に示されるように、表層画像の作成において、係数Ｐを表層成分画像に乗じてもよい。また、分離画像作成部７２が、下式（ｂ’）に示されるように、深層画像の作成において、係数Ｑを深層成分画像に乗じてもよい。
　表層画像＝第２の照明画像×Ｐ×表層成分画像／（表層成分画像＋深層成分画像）　…（ａ’）
　深層画像＝第２の照明画像×Ｑ×深層成分画像／（表層成分画像＋深層成分画像）　…（ｂ’）
　このようにすることで、係数Ｐに応じて表層の情報をより強調した表層画像を作成することができ、係数Ｑに応じて深層の情報をより強調した深層画像を作成することができる。

　また、分離画像作成部７２は、表層画像と深層画像とを合成して合成画像を作成してもよい。この場合に、上記の係数Ｐ，Ｑの一方を大きく設定することで、表層Ｃの情報および深層Ｄの情報の両方を残しつつ、一方を強調した合成画像を作成することができる。具体的には、係数Ｐを大きくすることで、表層Ｃの情報が強調された合成画像が得られ、係数Ｑを大きくすることで、深層Ｄの情報が強調された合成画像が得られる。同様に、上記の係数Ｐ，Ｑの一方を小さく設定することで、表層Ｃの情報および深層Ｄの情報の両方を残しつつ、一方を抑制した合成画像を作成することができる。
　係数Ｐ，Ｑは、例えば、本体部３に接続された図示しない入力手段を介してユーザにより設定されるようになっている。

　係数Ｐ，Ｑは、画素毎に設定可能であってもよい。合成画像の各画素ｉｊの強度値Ｉｉｊは、下式から算出することができる。ｉｊ（ｉ＝１，２，…，ｎ、ｊ＝１，２，…，ｍ）は、ｎ画素×ｍ画素の画像における画素の位置座標である。下式において、Ｐｉｊは表層画像の画素ｉｊの合成比率であり、Ｑｉｊは深層画像の画素ｉｊの合成比率である。
　Ｉｉｊ＝Ｐｉｊ＊Ｉｓｉｊ／（Ｉｓｉｊ＋Ｉｄｉｊ）
　　　　　　　　　　＋Ｑｉｊ＊Ｉｄｉｊ／（Ｉｓｉｊ＋Ｉｄｉｊ）
　例えば、ユーザが、表示装置に表示されている表層画像および深層画像を観察しながら、合成比率Ｐｉｊ，Ｑｉｊを設定することができるように構成されていてもよい。

　係数Ｐ，Ｑは、波長毎に設定可能であってもよい。合成画像の波長λｋ（ｋ＝１，２，…，ｌ）の強度値Ｉｋは、下式から算出することができる。Ｉｓｋは表層画像の波長λｋの強度値であり、Ｉｄｋは深層画像の波長λｋの強度値であり、Ｐｋは表層画像の波長λｋの合成比率であり、Ｑｋは深層画像の波長λｋの合成比率である。
　Ｉｋ＝Ｐｋ＊Ｉｓｋ／（Ｉｓｋ＋Ｉｄｋ）
　　　　　　　　　　＋Ｑｋ＊Ｉｄｋ／（Ｉｓｋ＋Ｉｄｋ）
　例えば、ユーザが、表示装置に表示されている表層画像および深層画像を観察しながら、合成比率Ｐｋ，Ｑｋを設定することができるように構成されていてもよい。

　本実施形態においては、強度分布変更部５が、図３Ａから図３Ｆに示されるように明部および暗部が相互に反転した２つの明暗パターンの間で照明光Ｌ１の強度分布を交互に不連続的に変化させてもよいが、これに代えて、照明光Ｌ１の強度分布を２つの明暗パターンの間で連続的に変化させてもよい。
　このように、明暗パターンが連続的に変化する場合は、撮像部６は、明部および暗部の位置が相互に異なる３つ以上の時刻で撮影を実行して、明部の投影領域および暗部の投影領域の位置が相互に異なる３枚以上の第１の照明画像を取得してもよい。分離処理部７１および分離画像作成部７２は、３枚以上の第１の照明画像から表層成分画像および深層成分画像を作成してもよい。この場合、各位置の画素について３つ以上の強度値が得られるので、最大強度値をＩｍａｘとし、最小強度値をＩｍｉｎをとして算出すればよい。

　本実施形態においては、２枚の第１の照明画像における強度値を強度値Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎとして使用することとしたが、明暗パターンが、図３Ｂおよび図４Ｂに示される、正弦波状に強度が変化する直線状の縞パターンである場合、位相シフト法により各画素の強度値Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎを計算してもよい。位相シフト法によれば、図１０に示されるように、明暗パターンの位相Φが異なる３枚の第１の照明画像から、各画素の最大強度値Ｉｍａｘおよび最小強度値Ｉｍｉｎを求めることができる。したがって、少ない枚数の第１の照明画像を用いて、第２の照明画像と等しい解像度の表層画像および深層画像を作成することができる。

　本実施形態においては、本体部３内に設けられた液晶素子４１ｂによって構造化された明暗パターンを有する第１の照明光Ｌ１を生成することとしたが、第１の照明部４１の構成はこれに限定されるものではなく、他の方法で第１の照明光Ｌ１を生成してもよい。

　図１１Ａから図１１Ｃには、第１の照明部４１および強度分布変更部５の構成の変形例を示している。
　図１１Ａの第１の照明部４１は、影絵のようにして明暗パターンを生体組織Ａの表面Ｂ上に形成するものであり、内視鏡２の先端部に設けられた光源４１ａおよびマスク４１ｇを備えている。
　マスク４１ｇは、例えば、透光領域としての開口が形成された遮光性の基板、または、遮光領域としての遮光膜が形成された透明な基板である。光源４１ａから出力された白色光がマスク４１ｇを透過することで、明暗パターンを有する第１の照明光Ｌ１が生成され、マスク４１ｇの投影パターンが生体組織Ａに投影されるようになっている。光源４１ａとマスク４１ｇとの間には、生体組織Ａに照射される照明光Ｌ１が所望の発散角を有するように白色光の発散角を変更するレンズ４１ｈが設けられていてもよい。

　強度分布変更部５を、光源４１ａおよびマスク４１ｇのうち少なくとも一方を移動させるアクチュエータとして機能させ、光源４１ａおよびマスク４１ｇを白色光の光軸に交差する方向に相対移動させることで、強度分布を時間変化させることができる。
　単一の光源４１ａを移動させることに代えて、強度分布変更部５を、複数個の光源４１ａの内の一部を点灯させるように、各光源４１ａの点灯および消灯を制御する制御素子として機能させてもよい。すなわち、マスク４１ｇに略平行な方向に複数の光源４１ａが配列され、強度分布変更部５が、点灯させる光源４１ａを切り替えることで、強度分布を時間変化させることができる。

　図１１Ｂの第１の照明部４１は、光の干渉縞を明暗パターンとして利用したものであり、レーザ光源４１ｉと、レーザ光源４１ｉから出力された光を２つに分岐して２つの光を射出する光路４１ｊとを備えている。光路４１ｊは、例えば、光ファイバから構成されている。光路４１ｊから射出された２つの光が互いに干渉することで、正弦波状の強度プロファイルを有する干渉縞が明暗パターンとして生成される。強度分布変更部５は、分岐された２つの光のうちの一方の光路に設けられ、光路長を変化させる光学素子であり、２つの光のうち一方の光路長を変化させることで、干渉縞の位置を照明光の光軸に直交する方向にシフトさせる。

　図１１Ｃの第１の照明部４１は、光源アレイ４１ｋと、その光軸に対する光の入射角度を保存しながら光を導光する導光部材４１ｌとを備えている。光源アレイ４１ｋは、導光部材４１ｌの入射端に対する光の入射角度が相互に異なるように配列された複数の光源４１ａを有する。図１１Ｃでは、複数の光源４１ａが一列に配列されているが、複数の光源４１ａは２次元的に配列されていてもよい。導光部材４１ｌは、例えば、ロッドレンズまたはマルチモードファイバである。

　光源４１ａから射出された白色光は、レンズ４１ｍによって平行光束に変換され、導光部材４１ｌの入射端に入射する。導光部材４１ｌ内に入射した光は、その角度を保存しながら導光部材４１ｌ内を導光し、入射端への入射角度と同一の角度で導光部材４１ｌの射出端から生体組織Ａに向けて射出される。導光部材４１ｌ内において光は反射を繰り返すことで周方向に広がるため、導光部材４１ｌから射出される光は、円環状となる。したがって、複数の光源４１ａを同時に点灯させることで、図３Ｆに示される同心円パターンの第１の照明光Ｌ１が生成される。

　強度分布変更部５は、光源４１ａの点灯および消灯を制御する制御素子であり、各光源４１ａの点灯および消灯を制御し、点灯させる光源４１ａを切り替えることで強度分布を変化させる。
　点灯させる光源４１ａを切り替えることに代えて、強度分布変更部５を、光源４１ａを光軸に交差する方向に移動させるアクチュエータとして機能させてもよい。

　本実施形態においては、生体組織Ａの表面Ｂ上に投影される明暗パターンが生体組織Ａと撮像部６との間の撮影距離に比例して拡大されるように、第１の照明部４１が、発散光束の第１の照明光Ｌ１を生体組織Ａに向けて射出することが好ましい。
　表層成分画像に含まれる情報の深さと深層成分画像に含まれる情報の深さとの境界は、明部と暗部との周期に依存する。明部と暗部との周期が大きい程、境界の位置が深くなり、表層成分画像に含まれる情報の量が多くなる。したがって、撮影距離を変更して生体組織Ａの表面Ｂ上での明暗パターンを拡大または縮小することで、異なる深さの情報を含む表層成分画像および深層成分画像を取得することができる。

　生体組織Ａの表面Ｂ上での明部と暗部との周期の変更は、上記の撮影距離の変更による明暗パターン全体の拡大縮小によって行ってもよいが、第１の照明光Ｌ１の明暗パターンにおける明部と暗部との空間的な周期を変更してもよい。
　例えば、第１の照明部４１が備える液晶素子４１ｂの電気的な制御によって明部と暗部との周期を変更してもよい。

　また、明部と暗部との空間的な周期、すなわち暗部の幅がそれぞれ異なる第１の照明光Ｌ１を照射して取得された２枚以上の第１の照明画像を用いて、３つ以上の分離画像を作成してもよい。すなわち、分離処理部７１が、２枚以上の第１の照明画像から相互に異なる深さの情報を含む３枚以上の成分画像を分離し、分離画像作成部７２が、３枚以上の成分画像を用いて相互に異なる深さの情報を含む３枚以上の分離画像を作成してもよい。

　図１１Ａに示されるように投影により明暗パターンを形成する場合には、光源４１ａおよびマスク４１ｇを白色光の光軸方向に相対移動させて光源４１ａとマスク４１ｇとの間隔を変更することで明部と暗部との周期を変更してもよい。
　あるいは、複数のレンズからなるとともに少なくとも１つのレンズが光軸方向に移動可能であるズームレンズを第１の照明光Ｌ１の光路上に設けてもよい。

　本実施形態においては、第１の照明光Ｌ１として赤外光を使用することとしたが、これに代えて、他の波長帯域の光を使用してもよい。図２Ｂから図２Ｄは、第１の照明光Ｌ１の波長帯域の変形例を示している。
　図２Ｂに示されるように、第１の照明光Ｌ１は、紫外光であってもよい。
　図２Ｃおよび図２Ｄに示されるように、第２の照明光Ｌ２が複数の光から構成され、第２の照明光Ｌ２がほとんど強度を有しない波長帯域が可視域に存在する場合には、このような波長帯域の第１の照明光Ｌ１を使用してもよい。第１の照明光Ｌ１は、図２Ｃに示されるように、スペクトル幅を有する光であってもよく、図２Ｄに示されるように、単一波長の光であってもよい。また、図２Ｄに示されるように、第１の照明光Ｌ１は、相互に異なる波長帯域の複数の光を含んでいてもよい。

　また、第２の照明光Ｌ２は、白色光のような、可視域の略全体にわたってスペクトルを有する広帯域の光に限定されるものではなく、特定の波長域のみにスペクトルを有する光であってもよい。例えば、図２Ａから図２Ｄにおいて、第１の照明光Ｌ１と第２の照明光Ｌ２のスペクトルが逆であってもよい。すなわち、第１の照明光Ｌ１が白色光のような広帯域の光であり、第２の照明光Ｌ２が狭帯域の光または単一波長の光であってもよい。

　本実施形態においては、生体組織Ａの情報を、表面Ｂおよび表層Ｃの情報と深層Ｄの情報の２つに分離することとしたが、図１２に示されるように偏光を利用して表面Ｂの情報と表層Ｃの情報とをさらに分離してもよい。図１２において、第２の照明部４２の図示を省略している。
　内視鏡２の先端には、第１の照明部４１から射出された第１の照明光Ｌ１の偏光状態を制御する偏光子９と、生体組織Ａから撮像部６に入射する光の偏光状態を選択する偏光子１０とが設けられている。偏光子９の偏光方向に対して偏光子１０の偏光方向を一致させることで、表面散乱光Ｌｓおよびスペキュラ光Ｌｒを含む第１の照明画像を取得することができ、偏光子９の偏光方向に対して偏光子１０の偏光方向を直交させることで、表面散乱光Ｌｓを含みスペキュラ光Ｌｒを含まない第１の照明画像を取得することができる。

１　内視鏡システム
２　内視鏡
３　本体部
４１　第１の照明部
４２　第２の照明部
５　強度分布変更部
６　撮像部
７　画像処理部
７１　分離処理部
７２　分離画像作成部
Ｌ１　第１の照明光
Ｌ２　第２の照明光
Ａ　生体組織
Ｂ　表面
Ｃ　表層
Ｄ　深層

Claims

　互いに異なる深さにおける被写体の２つの画像情報を取得するための第１の照明光を被写体に向けて射出する第１の照明部と、
　第２の照明光を前記被写体に向けて射出する第２の照明部と、
　前記第１の照明光で照明されている前記被写体の第１の照明画像および前記第２の照明光で照明されている前記被写体の第２の照明画像を取得する撮像部と、
　前記第１の照明画像から前記２つの画像情報を分離する分離処理部と、
　前記第２の照明画像を前記２つの画像情報を用いて処理することで、前記互いに異なる深さにおける前記被写体の情報をそれぞれ多く含む２つの分離画像を作成する分離画像作成部とを備え、
　前記第１の照明光が、前記第２の照明光の波長帯域とは異なる波長帯域の光であり、
　前記第１の照明部および前記第２の照明部が、前記第１の照明光および前記第２の照明光を同時に射出し、
　前記撮像部が、前記第１の照明光および前記第２の照明光で照明されている前記被写体を撮影することで前記第１の照明画像および前記第２の照明画像を同時に取得する内視鏡システム。
　前記第１の照明光が、赤外光である請求項１に記載の内視鏡システム。
　前記第１の照明光が、光軸に垂直な光束断面において明部および暗部を含む空間的に非一様な強度分布を有する請求項１に記載の内視鏡システム。
　前記第１の照明光が含む前記明部および前記暗部は帯状であり、
　前記明部および前記暗部が、幅方向に交互に繰り返される縞状である請求項３に記載の内視鏡システム。
　前記第１の照明光が含む前記明部および前記暗部は、前記幅方向における強度プロファイルが略正弦波形状である請求項４に記載の内視鏡システム。
　前記第１の照明光の波長スペクトルの形状が、単一波長である請求項１から請求項５いずれかに記載の内視鏡システム。
　前記分離処理部が、それぞれ前記暗部の幅が異なる前記第１の照明光を照射して取得された２枚以上の前記第１の照明画像から３つ以上の前記画像情報を分離し、
　前記分離画像作成部が、前記３つ以上の画像情報を用いて３つ以上の前記分離画像を作成する請求項３に記載の内視鏡システム。