JP2002360513A

JP2002360513A - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP2002360513A
Application number: JP2001173765A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hakamata; 和男袴田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2002-12-17

Abstract

(57)【要約】【課題】生体の表面から生体の内部の体腔に向けて近
赤外光からなる照明光を照射し、体腔内に挿入された挿
入部に設けられた撮像素子により、生体を透過した透過
照明光を検出して透過画像を得る際に、Ｓ／Ｎを向上さ
せる。【解決手段】生体１０の体腔１１に挿入される内視鏡
挿入部１００に電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子１０１を設
ける。生体１０の外側からＬＥＤ光源２１３により照明
光Ｌ１を照射し、生体１０を透過して体腔１１に到達し
た透過照明光Ｌ２をＣＣＤ撮像素子１０１において撮像
する。ＣＣＤ撮像素子１０１において得られた出力信号
は画像処理ユニット２２０に入力され、ここでＡ／Ｄ変
換等が施されて、画像データとしてモニタ２４０に入力
され、生体１０の透過画像がモニタ２４０に表示され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内視鏡装置に関
し、とくに生体の表面から体腔内に向けて照明光を照射
し、生体を透過した透過照明光を体腔内において検出す
る内視鏡装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生体の表面から体腔内に向けて近赤外光
からなる照明光を照射し、体腔内に挿入された撮像手段
により、生体を透過した透過照明光を検出して生体の透
過画像を得る内視鏡装置が提案されている（「レーザ生
体分光光学・光ＣＴの可能性、レーザ研究、昭和６２年
８月、ｐ７４」参照）。このような内視鏡装置によれ
ば、生体を透過した照明光は生体により拡散されるた
め、略均一な状態で体腔内に到達する。したがって、照
明光を直接体腔内に照射する場合と比較して、ブルーミ
ングのない高画質の画像を得ることができ、これによ
り、胃等の消化器官内壁の状態や、粘膜下の血管の状態
の観察を行うことが容易となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、照明光を生
体に照射した場合、その減衰率は非常に大きい。例え
ば、波長が１０００ｎｍ付近の照明光は厚さ３０ｃｍの
生体を透過すると、光子計数法を使用しないと透過光量
を計測できないほど減衰する。このため、撮像素子とし
て例えば光像を増倍して撮像するイメージ・インテンシ
ファイア（ＩＩ）とＣＣＤ撮像素子とを組み合わせたＩ
ＣＣＤ（Intensified ＣＣＤ）や、裏面照射型ＣＣＤ
が使用されるＥＢ−ＣＣＤ（electoron bombardment Ｃ
ＣＤ）等を用いることが考えられる。しかしながら、内
視鏡の挿入部として用いられるイメージガイドの光透過
率は３０％程度であり、ＩＣＣＤやＥＢ−ＣＣＤの量子
効率は最良のものを用いた場合であっても２５％程度で
ある。このため、１画素当たり１０光子の入力があった
場合でも、得られる信号電荷は１電子であることから、
非常に検出効率が悪く、Ｓ／Ｎの良好な画像を得ること
は困難である。このため、照明光の光量を大きくするこ
とが考えられるが、照明光は近赤外光であるため、その
光量を大きくすると生体が損傷されるおそれがある。

【０００４】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
り、生体の表面から体腔内に向けて近赤外光からなる照
明光を照射し、体腔内に挿入された挿入部に設けられた
撮像素子により、生体を透過した透過照明光を検出する
際に、Ｓ／Ｎの良好な透過画像を得ることが可能な内視
鏡装置を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による内視鏡装置
は、生体の外表面から体腔内に向けて近赤外光からなる
照明光を照射する照明手段と、前記体腔内に挿入され、
前記照明光の照射により前記生体を透過した透過照明光
を検出して前記生体の透過画像を取得する、電荷増倍型
の固体撮像素子を有する撮像手段とを備えたことを特徴
とするものである。

【０００６】電荷増倍型の固体撮像素子は、例えば特開
平７−１７６７２１号公報に記載されたように、増倍率
制御信号に基づいた増倍率により、撮像された信号電荷
を増倍するものであり、この固体撮像素子を内視鏡装置
等の種々の撮像装置に搭載することにより、撮像装置の
撮像感度の向上および撮像感度の制御が可能となってい
る。すなわち、光学像の光量が、従来の撮像素子を用い
て撮像するには不十分な場合であっても、この固体撮像
素子を用いて撮像を行えば、視認可能な画像として表示
することができ、また適宜撮像感度を撮像条件に合わせ
て制御することも可能である。このような電荷増倍手段
を備えた電荷増倍型の固体撮像素子は、ＣＭＤ（Charge
Multiplying Detector）−ＣＣＤと呼ばれ、強度の電
界領域中で電導電子と原子を衝突させ、このイオン化に
よって生じる電荷増倍効果により信号電荷を増倍し、撮
像素子の撮像感度を向上させるものである。

【０００７】電荷増倍型の固体撮像素子においては、電
荷増倍手段は、信号電荷を順次信号電圧に変換して出力
信号として取り出す電荷検出回路より前段において信号
電荷を増倍するため、電荷検出回路において生じる読出
ノイズを増倍することがない。したがって、信号電荷が
増倍されても読出ノイズは変化しないため、出力信号の
Ｓ／Ｎを向上させることができる。

【０００８】このように、電荷増倍型の固体撮像素子を
用いることにより、光学像の光量が不十分な環境下での
撮像を行うことがある撮像装置において、出力信号のＳ
／Ｎの向上が可能となる。また、増倍率制御信号により
信号電荷の増倍率を変更できるため、電荷増倍型の固体
撮像素子を搭載した撮像装置では、撮像感度が制御可能
となっている。

【０００９】なお、このような電荷増倍型の固体撮像素
子を用いた内視鏡装置が、特開２００１−２９３１３号
公報に開示されている。

【００１０】また、本発明による内視鏡装置において
は、前記固体撮像素子を、ＣＣＤ撮像素子としてもよ
く、ＭＯＳ型撮像素子としてもよい。

【００１１】さらに、本発明による内視鏡装置において
は、前記近赤外光が６００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域
を有するものとすることが好ましい。

【００１２】また、前記近赤外光が８５０ｎｍ〜９５０
ｎｍの波長域および／または略７６０ｎｍの波長域にピ
ークを有するものとすることが好ましい。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、電荷増倍型の固体撮像
素子を用いて透過照明光を検出して生体の透過画像を取
得しているため、生体により照明光が大きく減衰されて
も撮像により得られた信号電荷を増倍して撮影感度を向
上させることができ、これにより、得られる透過画像の
Ｓ／Ｎを向上させることができる。また、照明光の光量
をそれほど大きくする必要がないため、生体を損傷する
おそれもない。さらに、生体の外表面から照明光を照射
しているため、照明光は生体により拡散され、これによ
り、透過照明光は略均一な分布を有するものとなる。し
たがって、ブルーミングが低減された高画質の透過画像
を得ることができる。また、生体を透過した透過照明光
から透過画像を取得しているため、体腔内壁の状態のみ
ならず、体腔粘膜下の状態も透過画像として得ることが
できる。

【００１４】とくに、近赤外光の波長をヘモグロビン特
有の吸収を示す波長（オキシヘモグロビンの吸収ピーク
波長８５０ｎｍ〜９５０ｎｍ、デオキシヘモグロビンの
吸収ピーク波長略７６０ｎｍ）とすることにより、体腔
内の血管の状態を透過画像として取得することができ
る。したがって、この透過画像を用いて血管の走行状態
を視認することができ、これによりその走行状態から血
管が新生血管であるか否かの判定、ひいては腫瘍の有無
の診断を行うことが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態について説明する。図１は本発明の実施形態による
内視鏡装置の構成を示す概略図である。図１に示すよう
に、本実施形態による内視鏡装置は、患者である生体１
０の体腔１１内に挿入される内視鏡挿入部１００および
画像処理部２００からなる。

【００１６】内視鏡挿入部１００は、その先端に電荷増
倍型のＣＣＤ撮像素子１０１が配設されており、ＣＣＤ
撮像素子１０１にはＣＣＤ撮像素子１０１において取得
された出力信号を画像処理部２００に送信するＣＣＤケ
ーブル１０２が接続されている。また、内視鏡挿入部１
００の先端にはＣＣＤ撮像素子１０１に生体１０の透過
画像を表す透過照明光を結像させるための対物レンズ１
０３が配設されている。

【００１７】図２はＣＣＤ撮像素子１０１の構成を示す
図である。図２に示すように、ＣＣＤ撮像素子１０１は
フレームトランスファー型のＣＭＤ−ＣＣＤ撮像素子で
あり、撮像した光学像を信号電荷へ変換する受光部２
１、信号電荷の一時的蓄積および転送を行う蓄積部２
２、信号電荷の水平転送を行う水平転送部２３、入力さ
れた増倍率制御信号に基づいて信号電荷を増倍する電荷
増倍部２４、および信号電荷を信号電圧へ変更し、増幅
して出力端子２７から画像処理ユニット２へ出力する出
力部２５を備えている。

【００１８】受光部２１は、光電変換および信号電荷の
垂直転送を行う垂直転送ＣＣＤ３１が縦ｎ個、横ｎ′個
並んで構成されている。説明を簡単にするために、図２
においては縦３つ横４つの垂直転送ＣＣＤ３１から構成
された受光部２１を記載しているが、実際のＣＣＤ撮像
素子１０１は、縦横ともに数百個の垂直転送ＣＣＤ３１
が設けられている。

【００１９】蓄積部２２は、薄い金属膜等により光遮蔽
され、信号電荷の一時的蓄積および垂直転送を行う垂直
転送ＣＣＤ３３から構成されている。水平転送部２３
は、水平転送ＣＣＤ３５から構成されている。

【００２０】電荷増倍部２４は、ｍ個の電荷増倍セル３
６から構成されている。電荷増倍部２４に入力された信
号電荷は、連続したパルス信号である増倍率制御信号に
基づいて、増倍されながら順次転送される。この電荷増
倍セル３６は、強度の電荷領域中で伝電子と原子を衝突
させ、イオン化によって生じる電荷増倍効果を用いて、
入力された電荷を増倍して出力するものであり、その増
倍率は、上記増倍率制御信号の信号特性により変化す
る。なお、図２においては、蓄積部２２、水平転送部２
３および電荷増倍部２４も、受光部２１と同様に簡略化
されて記載されている。

【００２１】出力部２５は、信号電荷を信号電圧（出力
信号）へ変換する電荷検出部３７および出力信号を増幅
する出力アンプ３８を備えている。

【００２２】なお、本実施形態においては、ＣＣＤ撮像
素子１０１に代えて、ＭＯＳ型の撮像素子を用いてもよ
い。

【００２３】画像処理部２００は、近赤外光からなる照
明光Ｌ１を射出する光源を備える照明ユニット２１０、
照明光Ｌ１による生体１０の透過画像を表す出力信号を
可視像として表示するために、出力信号に対してＡ／Ｄ
変換等の処理を行って透過画像を表す画像データを得る
画像処理ユニット２２０、各ユニットに接続され、動作
タイミングの制御を行うコントローラ２３０、および画
像処理ユニット２２０から出力された画像データを可視
画像として表示するモニタ２４０から構成されている。

【００２４】照明ユニット２１０は、生体１０に巻回さ
れて体腔１１内に照明光を射出する照射部２１１および
照射部２１１に電気的に接続された電源２１２を備え
る。

【００２５】照射部２１１は、複数のＬＥＤ光源２１
３、複数のＬＥＤ光源２１３が配設され、外光が生体１
０に照射されることを防止する遮光帯２１４、並びにＬ
ＥＤ光源２１３および遮光帯２１４を収容する収容部２
１５からなる。なお、収容部２１５には生体１０と同等
な屈折率を有する液体２１６が充填されており、これに
より生体１０との屈折率の差異による生体１０における
反射が防止され、生体１０に照射される照明光Ｌ１の光
量をより大きくすることができる。

【００２６】なお、ＬＥＤ光源２１３は、８５０ｎｍ〜
９５０ｎｍの波長域および７６０ｎｍの波長域にピーク
を有する６００ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光を照明光
Ｌ１として射出するものである。

【００２７】ここで、ＬＥＤ光源２１３を用いれば、特
定波長域の照明光Ｌ１を得ることが容易であり、また、
ＬＥＤ光源２１３は低コストであるため、多数のＬＥＤ
光源２１３を用いることが可能となる。したがって、十
分な強度の照明光Ｌ１を生体１０に照射することができ
る。

【００２８】画像処理ユニット２２０は、ＣＣＤ撮像素
子１０１において得られた出力信号に対して、プロセス
処理およびＡ／Ｄ変換を施してデジタルの画像データと
し、さらに画像データをビデオ信号としてモニタ２４０
に出力するものである。なお、画像処理ユニット２２０
は、ＣＣＤ撮像素子１０１の駆動を制御するＣＣＤドラ
イバ２２１を備える。ＣＣＤドライバ２２１は、ＣＣＤ
撮像素子１０１の動作タイミングを制御する動作制御信
号および電荷増倍部２４における増倍率を制御する増倍
率制御信号を出力するものである。使用者により設定さ
れた所望のピーク値を有する増倍率制御信号を出力する
ことにより、電荷増倍部２４での電荷増倍率を制御する
ことができる。

【００２９】次いで、本実施形態の動作について説明す
る。まず生体１０に照射部２１１が巻回され、内視鏡挿
入部１００が体腔１１内に挿入される。これに続いて、
コントローラ２３０からの信号に基づいて電源２１２が
駆動され、ＬＥＤ光源２１３から照明光Ｌ１が射出され
る。この際、遮光帯２１４により照明光Ｌ１以外の光が
生体１０に照射されることが防止される。また、収容部
２１５に収容された液体２１６により、照明光Ｌ１が生
体１０の表面において反射されることが防止される。

【００３０】照明光Ｌ１は生体１０に吸収されて減衰さ
れつつ、かつ生体１０により拡散されつつ生体１０を透
過し、体腔１１に透過照明光Ｌ２として到達する。透過
照明光Ｌ２は対物レンズ１０３によって集光され、ＣＣ
Ｄ撮像素子１０１に結像される。

【００３１】ＣＣＤ撮像素子１０１においては、受光部
２１の垂直転送ＣＣＤ３１において透過照明光Ｌ２が受
光され、光電変換されて光の強弱に応じた電気信号に変
換される。垂直転送ＣＣＤ３１に蓄積された信号電荷
は、蓄積部２２の垂直転送ＣＣＤ３３へ転送される。蓄
積部２２の垂直転送ＣＣＤ３３に転送された信号電荷
は、並列に垂直転送され、水平転送部２３の水平転送Ｃ
ＣＤ３５に順次送り込まれる。

【００３２】水平転送部２３では、横１ラインの画素の
信号電荷が入ると、信号電荷は水平方向に転送され、順
次電荷増倍部２４の電荷増倍セル３６へ転送される。電
荷増倍セル３６において、信号電荷は増倍率制御信号に
基づいて増倍されながら順次転送される。最後の電荷増
倍セル３６から右端に設けられた出力部２５へ出力され
た信号電荷は、電荷検出部３７において信号電圧へ変換
され、出力アンプ３８で増幅されて、出力端子２７から
出力信号として出力される。

【００３３】その後、次の横１ラインの信号電荷が、蓄
積部２２から水平転送部２３へ転送される。このような
動作を繰り返すことにより、受光部２１の左下の画素か
ら右方向へ順次信号電荷が読み出され、横１ラインの信
号電荷が読み出されると、次にその上の横１ラインの信
号電荷が読み出され、順番に移動して、画像を形成する
全信号電荷が読み出されて出力信号が得られる。

【００３４】出力信号はＣＣＤケーブル１０２により画
像処理ユニット２２０に入力され、プロセス処理が施さ
れ、Ａ／Ｄ変換によりデジタルの画像データに変換さ
れ、さらにビデオ信号としてモニタ２４０に出力され
る。モニタ２４０においては生体１０の透過画像が可視
画像として表示される。

【００３５】このように、本実施形態によれば、電荷増
倍型のＣＣＤ撮像素子１０１を用いて透過照明光Ｌ２を
検出して生体１０の透過画像を取得しているため、生体
１０により照明光Ｌ１が大きく減衰されても撮像により
得られた信号電荷を増倍して撮影感度を向上させること
ができ、これにより、得られる透過画像のＳ／Ｎを向上
させることができる。また、照明光Ｌ１の光量をそれほ
ど大きくする必要がないため、生体１０を損傷するおそ
れもない。さらに、生体１０の外表面から照明光を照射
しているため、十分に拡散された照明光Ｌ１により生体
１０の透過画像を取得することができる。また、生体１
０を透過した透過照明光Ｌ２から透過画像を取得してい
るため、体腔内壁の状態のみならず、体腔１１の粘膜下
の状態も透過画像として得ることができる。

【００３６】また、透過照明光Ｌ２は生体１０により拡
散された略均一な光となっているため、内視鏡挿入部１
００から射出される照明光を直接体腔１１に照射して撮
像を行う場合と比較して、ブルーミングが低減された高
画質の透過画像を得ることができる。

【００３７】また、照明光Ｌ１の波長をヘモグロビン特
有の吸収を示す波長（オキシヘモグロビンの吸収ピーク
波長８５０ｎｍ〜９５０ｎｍ、デオキシヘモグロビンの
吸収ピーク波長７６０ｎｍ）としているため、体腔１１
内の血管の状態を透過画像として取得することができ
る。したがって、この透過画像を用いて血管の走行状態
を視認することができ、これによりその走行状態から血
管が新生血管であるか否かの判定、ひいては腫瘍の有無
の診断を行うことが可能となる。

【００３８】なお、照明光Ｌ１の減衰は、腹部における
７０ｍｍの厚さの生体１０において６桁である。このた
め、透過照明光Ｌ２の強度は非常に弱いものとなる。例
えば、照明光Ｌ１の強度が数ｍＷ／ｃｍ²である場合、
透過照明光Ｌ２の強度は数ｎＷ／ｃｍ²である。ここ
で、ＣＣＤ撮像素子１０１による実撮像時間が１／３０
秒、体腔１１の内壁における１ｍｍ×１ｍｍの領域にお
いて得られる透過照明光Ｌ２をＣＣＤ撮像素子１０１の
１画素において検出するものとしと、照明光Ｌ１の強度
を３ｍＷ／ｃｍ²とすると、体腔１１の内壁からは１ｍ
ｍ角当たり３×１０^-4ｎＷの透過照明光Ｌ２が得られる
こととなる。内視鏡挿入部１００における集光効率を１
０^-3とすると、ＣＣＤ撮像素子１０１の１画素において
検出される光の強度は３×１０^-7ｎＷとなる。１光子の
エネルギーは波長９４０ｎｍにおいて２×１０^-10ｎＷ
であるため、約１５００光子がＣＣＤ撮像素子１０１の
１画素に入射する。電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子１０１
においては、図３のグラフＧ１に示すように波長９４０
ｎｍにおける量子効率が１０〜１５％であるため、少な
くとも１５０電子の信号が得られる。

【００３９】ここで、ＣＣＤ撮像素子１０１が信号電荷
を３０倍に増幅するものであるとした場合、ＣＣＤ撮像
素子１０１から出力される１画素当たりの信号電荷は４
５００電子となる。また、ＣＣＤ撮像素子１０１の量子
ノイズが増幅前に１２．２電子であるとすると、増幅さ
れて約３７０電子となる。さらに、読出ノイズが３０電
子であるとすると、Ｓ／Ｎ＝１５０×３０／√（１２．
２×３０）²＋３０²））＝１２となる。

【００４０】一方、図３のグラフＧ２に示す量子効率特
性を有するＥＢ−ＣＣＤ（浜松ホトニクス社製ホトマル
Ｒ２６５８（光電面８５１Ｋ））を使用した場合、９
４０ｎｍ付近の量子効率は０．５％程度であるため、１
５００光子が１画素に入射した場合、得られる信号電荷
は７．５電子である。また、グラフＧ２に示すＥＢ−Ｃ
ＣＤが信号電荷を５００倍に増幅するものであるとした
場合、ＥＢ−ＣＣＤから出力される１画素当たりの信号
電荷は３７５０電子となる。また、ＥＢ−ＣＣＤの量子
ノイズが増幅前に２．７電子であるとすると、増幅され
て約１３５０電子となる。さらに、読出ノイズが３０電
子であるとすると、Ｓ／Ｎ＝７．５×５００／√（２．
７×５００）²＋３０²））＝２．８となる。

【００４１】また、量子効率が図３のグラフＧ１に示す
特性を有する電荷増倍型ではないＣＣＤを使用した場
合、電荷は増倍されないため、１画素当たり１５０電子
の信号が得られる。読出ノイズを３０電子、量子ノイズ
を１２電子とすると、Ｓ／Ｎ＝１５０／√（１２．２×
１）²＋３０²））＝４．６となる。

【００４２】さらに、Ｓ／Ｎ＝１で検出可能な最小の光
子数は、ＣＣＤ撮像素子１０１の場合１０光子、ＥＢ−
ＣＣＤの場合２００光子、電荷増倍型ではないＣＣＤの
場合３００光子となる。

【００４３】したがって、電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子
１０１を用いることにより、ＥＢ−ＣＣＤや電荷増倍型
でないＣＣＤを用いた場合と比較して、十分な信号値を
有する出力信号を得ることができ、かつＳ／Ｎの良好な
透過画像を得ることができる。

【００４４】なお、上記実施形態において、内視鏡挿入
部１００の先端から体腔１１を直接観察するための照明
光を射出する構成とし、ＣＣＤ撮像素子１０１におい
て、直接照明光による体腔内壁の反射画像を撮像する機
能を付与してもよい。この場合、操作者の指示により、
直接照明光の照射と照明光Ｌ１の照射とを切替可能と
し、体腔内壁の反射像の撮像と、照明光Ｌ１による体腔
１１の透過画像の撮像とを切り替えるようにすることが
好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による内視鏡装置の構成を示
す概略図

【図２】ＣＣＤ撮像素子の構成を示す図

【図３】照明光の波長域と量子効率との関係を示すグラ
フ

【符号の説明】

１０生体１１体腔１００内視鏡挿入部１０１ＣＣＤ撮像素子１０２ＣＣＤケーブル１０３対物レンズ２００画像処理部２１０照明ユニット２１１照射部２１２電源２１３ＬＥＤ光源２１４遮光帯２１５収容部２１６液体２３０コントローラ２４０モニタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体の外表面から体腔内に向けて近赤
外光からなる照明光を照射する照明手段と、前記体腔内に挿入され、前記照明光の照射により前記生
体を透過した透過照明光を検出して前記生体の透過画像
を取得する、電荷増倍型の固体撮像素子を有する撮像手
段とを備えたことを特徴とする内視鏡装置。
【請求項２】前記近赤外光が６００ｎｍ〜１０００
ｎｍの波長域にあることを特徴とする請求項１記載の内
視鏡装置。
【請求項３】前記近赤外光が８５０ｎｍ〜９５０ｎ
ｍの波長域および／または略７６０ｎｍの波長域にピー
クを有することを特徴とする請求項１または２記載の内
視鏡装置。