JP2007202589A - 電子内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察面の全体像を把握しやすく、かつ、所望の深さにおける観察面の微細構造を鮮明な画像として得ることができる電子内視鏡装置を提供する。
【解決手段】光源と、この光源からの出射光を、波長帯域の広い広帯域光と、波長帯域が狭い狭帯域光と、に順次切り替えて出射する回転フィルタと、広帯域光を照射したときに得られた第１画像信号を記録する第１画像メモリ部と、狭帯域光を照射したときに得られた第２画像信号を記録する第２画像メモリ部と、第１画像信号及び第２画像信号を合成する画像信号合成部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長帯域幅の異なる２つの光を出射可能な電子内視鏡装置に関する。

体腔内の観察や検査を行う内視鏡装置においては、波長の短い光は生体組織表面から浅い領域で反射し、波長の長い光は生体組織表面から深い領域にまで到達して反射する特性を使って、波長の異なる光を観察面に照射することのできる光源装置が提案されている。

例えば、キセノンランプなどの放電ランプによる白色光を、フィルタを使って波長の異なるＲ、Ｇ、Ｂの三色に分けて照射し、フィルタの透過度合いを調整することによって生体組織表面から所望する深度の情報を得る装置が提案されている（特許文献１）。
特開２００２−９５６３５号公報

しかし、この装置では、光源となるキセノンランプその他の放電ランプによる白色光をフィルタにより三色に分解したとしても、所望の深度だけの領域の画像情報しか得られず、正確な色情報を得ることが困難であった。

上記課題を解決するために、本発明の電子内視鏡装置においては、光源と、前記光源からの出射光を、波長帯域の広い広帯域光と、波長帯域が狭い狭帯域光と、に順次切り替えて出射する回転フィルタと、広帯域光を照射したときに得られた第１画像信号を記録する第１画像メモリ部と、狭帯域光を照射したときに得られた第２画像信号を記録する第２画像メモリ部と、第１画像信号及び第２画像信号を合成する画像信号合成部と、を備えることを特徴としている。

上記回転フィルタは、その回転軸のまわりに、等角度間隔に、広帯域光を透過させる広帯域フィルタ部と、光源から出射した光のうち狭帯域光を透過させる狭帯域フィルタ部と、を配置してなり、回転フィルタを回転させることにより、光源からの入射光を、広帯域光と、狭帯域光と、に順次切り替えることができる。

上記広帯域光及び狭帯域光は、それぞれ複数の波長帯域を有することが好ましく、狭帯域光の波長帯域は、広帯域光の波長帯域に含ませるとよい。

上記広帯域フィルタ部と狭帯域フィルタ部は、回転軸のまわりに１８０度間隔に配置されているとよい。

上記広帯域フィルタ部及び狭帯域フィルタ部は、透明基板上に蒸着することにより形成することができる。

上記第１画像メモリ部に記録された第１画像信号を、特定の波長帯域信号を強調するように演算処理する第１画像信号マトリクス演算部、及び／又は、上記第２画像メモリ部に記録された第２画像信号を、特定の波長帯域信号を強調するように演算処理する第２画像信号マトリクス演算部を備えることが好ましい。

上記第１画像信号マトリクス演算部及び第２画像信号マトリクス演算部における演算により、広帯域光の波長領域に含まれ、かつ、狭帯域光の波長帯域に含まれない波長帯域の画像を得ることができる。

本発明によると、広帯域光による観察画像と、狭帯域光による観察画像と、を合成することにより、正確な色再現を実現しかつ所望の深さにおける観察面の微細構造を鮮明な画像として得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜８を参照しつつ説明する。本実施形態に係る電子内視鏡装置１０は、図１に示すように、電子スコープ２０と、カラープロセッサ（電子内視鏡用プロセッサ）３０と、カラーモニタ５０とを備える。電子スコープ２０は、カラープロセッサ３０の制御により、被写体を撮像する。撮像により得られた画像信号はカラープロセッサ３０によってカラーモニタ５０で出力（画面表示）が可能な映像信号に変換される。変換された映像信号はアナログ信号としてカラーモニタ５０に伝達される。伝達された映像信号は、カラーモニタ５０によって出力される。使用者は、カラーモニタ５０による出力結果により、電子スコープで撮像された被写体映像を観察することができる。

電子スコープ２０は、撮像部２１と、照明部２２とを有する。

撮像部２１は、対象物側から順に配置される対物レンズ２１ａ、カラーフィルタ２１ｂ、及び、撮像素子としてのＣＣＤ（電荷結合素子）２１ｃ、並びに、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）回路２１ｄを備える。ＣＣＤ２１ｃの駆動は、ＡＦＥ回路２１ｄに接続された制御回路３４が出力するクロックパルスに従って行われる。被写体の撮像によってＣＣＤ２１ｃに蓄積された電荷は、映像信号処理部３１に転送される。

照明部２２は、配光レンズ２２ａ及び光誘導部材２２ｂを備える。光誘導部材２２ｂには、光源部３６からの出射光がフィルタ部４０を介して入射し、光誘導部材２２ｂからの出射光は配光レンズ２２ａを介して生体組織に照射される。電子スコープ２０と、カラープロセッサ３０と、はコネクタ部（不図示）で電気的、光学的に接続される。

カラープロセッサ３０は、映像信号処理部３１、制御回路３４、光源部３６、及びフィルタ部４０を有している。カラープロセッサ３０では、光源部３６からの出射光を、フィルタ部４０を介して、照明部２２へ、広帯域の波長の光と狭帯域の波長の光を所定時間ごとに交互に、適度な光量で出射するとともに、電子スコープ２０で撮像し電荷転送された画像信号を、カラーモニタ５０で出力できる映像信号に変換する。本発明の出射手段は、光源３６とフィルタ部４０により構成される。

映像信号処理部３１では、まず色分離回路３１０において、ＣＣＤ２１ｃからＡＦＥ回路２１ｄを介して入力された信号が、画像信号としてＲとＧとＢに色分離される。色分離回路３１０には、所定時間ごとに、広帯域の波長の光による画像信号（第１画像信号）と、狭帯域の波長の光による画像信号（第２画像信号）が入力される。広帯域の波長の光は色分離回路３１０で色分離された後に広帯域画像処理回路（通常画像処理回路）３１１ａで、狭帯域の波長の光は色分離回路３１０で色分離された後に狭帯域画像処理回路３１１ｂで、それぞれガンマ補正、輪郭強調、増幅処理その他の画像処理がなされる。これらの画像処理の結果は、広帯域画像処理回路３１１ａ及び狭帯域画像処理回路３１１ｂにそれぞれ内蔵された第１画像メモリ部３１２ａ、第２画像メモリ部３１２ｂに保存される。また、これらの画像処理結果は、広帯域画像処理回路３１１ａ及び狭帯域画像処理回路３１１ｂにそれぞれ接続されたマトリクス演算回路（第１画像信号マトリクス演算回路）３１３ａ、マトリクス演算回路（第２画像信号マトリクス演算回路）３１３ｂに転送され、所望の色調・色空間になるように演算が行われる。これらのマトリクス演算回路から出力された演算結果は合成画像演算回路（画像信号合成部）３１４において合成される。合成された信号は、エンコーダ３１５へ出力され、Ｖｉｄｅｏコンポジット信号、Ｙ／Ｃ分離信号その他の映像信号に変換されるとともに、アナログ信号に変換されて、カラーモニタ５０へ出力される。

制御回路３４は、図示しないＣＰＵとＲＡＭとを有し、内視鏡装置各部の制御や信号の一時記録を行う。

光源部３６は、制御回路３４から出力される制御信号にしたがって動作する電源回路３６ａと、この電源回路３６ａから出力される駆動信号により白色光を出射するランプ（光源）３６ｂと、を備える。ランプ３６ｂとしては、例えば、電源回路３６ａから印加された高電圧パルスによって放電を開始し白色光を発光する放電ランプ（例えば、白色光を発するキセノンランプ）がある。ランプ３６ｂから出射する白色光は、図２（ｅ）に示すように、短い波長から長い波長までの広帯域（約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の波長の光であり、フィルタ部４０へ入射する。

フィルタ部４０は、回転フィルタ４１と、この回転フィルタ４１を回転駆動するためのモータ４２と、を備える。図３に示すように、回転フィルタ４１は、略円板形状をなし、その中心４１０にはモータ４２の本体部４２ａから延出する回転軸４２ｂが挿通固定され、この中心の周りに１８０度ずつに分割した広帯域フィルタ部４１１ａと狭帯域フィルタ部４１１ｂが配置されている。なお、広帯域フィルタ部と狭帯域フィルタ部は、等角度間隔であれば１８０度以外の角度ごとに任意の数だけ配置してもよい。また、各フィルタ部からの出射、反射光の撮影のタイミングをとることができれば、等角度間隔でない配置にすることもできる。

広帯域フィルタ部４１１ａは、ランプ３６ｂから出射された広帯域の波長の光（広帯域光）をそのまま透過させるフィルタ又は孔部として形成することができ、通常の画像を得ることができる。広帯域フィルタ部４１１ａは、例えば、図２（ａ）に示すような広帯域の分光特性を持つフィルタである。これらのフィルタは、例えば、透明な円板状基板に蒸着することにより形成することができる。

一方の狭帯域フィルタ部４１１ｂは、ランプ３６ｂから出射された広帯域の波長の光を狭帯域の波長の光（狭帯域光）として出射するフィルタであって、例えば、図２（ｂ）に示すような３つの狭帯域の分光特性を持つ３バンドパスフィルタである。このような狭帯域の波長の光を出射する狭帯域フィルタ部４１１ｂを用いると、所望の深さの生体組織の微細構造を抽出することができる。

ランプ３６ｂから出射した光は、使用者があらかじめ設定した所定時間ごとに広帯域フィルタ部４１１ａ又は狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過して、光誘導部材２２ｂ、配光レンズ２２ａを介して生態組織（対象物）の観察面に照射され、生体組織での反射光又は散乱光が対物レンズ２１ａで集光され、カラーフィルタ２１ｂを介してＣＣＤ２１ｃで受光される。

前記所定時間を定める回転フィルタ４１の回転速度は、使用者が入力手段（不図示）を操作することにより決定され、その値は制御回路３４に記憶される。制御回路３４では、この回転速度に応じた駆動信号を本体部４２ａへ出力し、本体部４２ａはこの駆動信号に基づいて回転フィルタ４１を回転させる。

カラーモニタ５０は、例えば、映像信号を取り込んで表示することが可能な市販のカラーモニタであり、電子スコープ２０で撮像され、カラープロセッサ３０で変換された映像信号を、出力（画面表示）する。

生体組織に対する光の深さ方向の到達度合いは、その波長に依存する。すなわち短い波長の光は生体組織表面から浅い領域にまでしか光は到達せず、長い波長の光は生体組織表面から深い領域にまで光が到達する。

したがって、狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過した波長帯域が狭い光は、生体組織表面から深い領域までの範囲のうち、透過光の波長帯域に応じて決まる範囲から反射、散乱した光によって、生態組織の表面、粘膜表面の毛細血管その他の微細構造を映し出すことができる（図４（ｂ））。

一方、広帯域フィルタ部４１１ａを透過した波長帯域が広い白色光を照射し、広い波長帯域の反射光を検出することで、正確な色情報を備えたカラー画像を得ることができる（図４（ａ））。

よって、広帯域フィルタ部４１１ａの透過光（広帯域光）による観察画像と、狭帯域フィルタ部４１１ｂの透過光（狭帯域光）による観察画像と、を合成することで、正確な色再現を実現したカラー画像（色情報）を得るとともに、生態組織の表面、所望の深さの粘膜表面の毛細血管その他の微細構造を鮮明な画像として得ることが可能になる（図４（ｃ））。

広帯域光による観察画像と狭帯域光による観察画像の合成は、第１画像信号と第２画像信号を、広帯域画像処理回路３１１ａ、狭帯域画像処理回路３１１ｂにおける画像処理の後に、それぞれ第１画像メモリ部３１２ａ、第２画像メモリ部３１２ｂに記憶し、マトリクス演算回路３１３ａ、３１３ｂでのマトリクス演算の後に、合成画像演算回路３１４においてこれらを合成することによって得られる。

例えば、図２（ｃ）に示すように、短波長側（４００ｎｍ付近）の信号成分を強調するようなマトリクス演算を行うと、粘膜表層付近の浅い領域の毛細血管を強調した画像を得ることができる。これは、マトリクス演算回路３１３ｂにおいて、短波長側の信号成分（図２（ｂ）のＢ１波長成分（例えば４１０ｎｍ））のみを強調し、それ以外の信号成分（図２（ｂ）のＧ１（例えば５２０ｎｍ）とＲ１（例えば６５０ｎｍ）波長成分）はカットするようにマトリクス演算を行うとともに、カットされる信号成分（Ｇ−Ｒ領域）については、マトリクス演算回路３１３ａでの演算結果を用いることにより得られる。このようなマトリクス演算回路３１３ａ、３１３ｂによる演算結果を合成することによって、図２（ｃ）に示す波長特性をもった画像を得ることができる。

また、図２（ｄ）に示すように、水とヘモグロビンによる吸収が少ない７００ｎｍ付近の信号成分を強調するようなマトリクス演算を行うことにより、深層の微細構造を強調した画像を得ることができる。これは、マトリクス演算回路３１３ｂにおいて、長波長側の成分（図２（ｂ）のＲ１波長成分（例えば７００ｎｍ））のみを強調し、それ以外の信号成分（図２（ｂ）のＢ１とＧ１波長成分）はカットするように演算するとともに、カットされる成分（Ｂ−Ｇ領域）については、マトリクス演算回路３１３ａでの演算結果を用いることにより得られる。このようなマトリクス演算回路３１３ａ、３１３ｂによる演算結果を互いに合成することによって、図２（ｄ）に示す波長特性をもった画像を得ることができる。

ここで、図５に水（曲線（点線）（Ｃ））とヘモグロビンの吸収スペクトルを示す。ヘモグロビンの吸光スペクトルの特徴は、酸素と結合している酸素化ヘモグロビン（図５の曲線（細線）（Ａ））と、酸素と結合していない脱酸素化ヘモグロビン（図５の曲線（太線）（Ｂ））と、を比較すれば分かるように、８００ｎｍを中心して吸光度の大きさに逆転が見られることである。また、７００ｎｍ付近の波長領域においては、生体への酸素供給・消費に大きく関係しているヘモグロビンのスペクトルを測定できる。したがって、７００ｎｍ付近の画像信号成分を強調するように演算すれば、ヘモグロビンの吸収スペクトルが、酸素化・脱酸素化の状態によって異なるため、生体組織の代謝状態を測定することができ、このため、例えば代謝が活発である腫瘍組織を検出できる可能性がある。したがって、酸素化・脱酸素化ヘモグロビンの吸光スペクトルの違いから腫瘍の種類（良性・悪性）の診断も可能となる。

また、例えば、図２（ａ）に示すようなＣＣＤ２１ｃの原色カラーチップの分光特性から図２（ｂ）に示す狭帯域フィルタの分光特性を減算すると、図６のＢ２、Ｇ２、Ｒ２に示すような波長域のデータを得ることができる。さらに、この図６と図２（ｂ）の分光特性を加算すると、図６のＢ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２の６色の狭帯域の分光特性を持つバンドパスフィルタを得ることができる。図２（ａ）で示されるような従来のブロードなＲＧＢ分光感度特性では、人間の目が感じる特性に変換することが難しいが、狭帯域フィルタ部４１１ｂに図６で示される６色の狭帯域フィルタを用いると、被写体のスペクトル情報が増えることになり、色再現性が向上する。さらに、この６色狭帯域フィルタによって得られた画像信号のうち、所望の波長の信号成分を強調するマトリクス演算をマトリクス演算回路３１３ｂにおいて行うとともに、カットされる信号成分については、マトリクス演算回路３１３ａでの演算結果を用いて、これらの演算結果を互いに合成することによって、所望深さ領域を鮮明な画像として得ることができる。また、このような多色狭帯域フィルタを用いることにより、鮮明な画像を得ることができる領域の選択肢が増えるため、より正確な診断を行うことが可能となる。

本実施形態に係る電子内視鏡装置を用いた観察手順について説明する。
内視鏡操作が開始されると、制御回路３４の制御によりランプ３６ｂが点灯し、回転フィルタ４１が回転する。この回転フィルタ４１は、図７に示すように、ランプ３６ｂからの出射光が、フレーム信号の周期の半分の周期（例えばフレーム信号の周期が１／３０秒のときは１／６０秒）でオンオフするフィールド信号がオン状態のときに広帯域フィルタ部４１１ａを透過し、オフ状態のときに狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過するような周期（例えばフレーム信号の周期が１／３０秒のときは１／３０秒）で回転する。その結果、広帯域フィルタ部４１１ａを透過した光の反射光及び狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過した光の反射光が、フィールド信号のオンオフのタイミングに合わせてＣＣＤ２１ｃで受光され、画像信号Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・及び画像信号Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・にそれぞれ変換される。

こうして得られた画像信号は、広帯域フィルタ部４１１ａを透過した光の反射光による画像信号Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・は第１画像メモリ部３１２ａに、狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過した光の反射光による画像信号Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・は第２画像メモリ部３１２ｂに、それぞれ記憶される。記憶された画像信号データは、マトリクス演算回路３１３ａ、３１３ｂでそれぞれ所望の色調・色空間になるように演算が行われる。これらのマトリクス演算回路３１３ａ、３１３ｂから出力された演算結果は合成画像演算回路３１４において合成された後に、エンコーダ３１５へ出力され、Ｖｉｄｅｏコンポジット信号、Ｙ／Ｃ分離信号その他の映像信号に変換されるとともに、アナログ信号に変換されて、カラーモニタ５０へ出力される。

本実施形態では、広帯域フィルタ部４１１ａ及び狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過した光の反射光による画像信号を疑似フレーム化している。これは、図８に示すように、フィールド信号がオンのときに広帯域フィルタ部４１１ａを透過した光の反射光による画像信号データを第１画像メモリ部３１２ａに書き込む一方、フィールド信号がオフのときに、狭帯域フィルタ部４１１ｂを透過した光の反射光による画像信号データを第２画像メモリ部３１２ｂに書き込むだけでなく、直前に第１画像メモリ部３１２ａに書き込まれた画像信号データを読み出して、これらの画像信号データを同じ時間帯（フィールド信号）に存在させることによって行う。

上述のように狭帯域フィルタ部４１１ｂを多色狭帯域フィルタとし、数フレームごとにマトリクス演算を変化させることで、強調する信号成分を切り替えていくこともできる。こうすると、視認しやすい波長域を選択して、その強調画像とカラー画像の合成を最終的に連続表示又はフリーズ画として表示することもできる。

また、２画像分のメモリがあれば、画像処理回路３１１、マトリクス回路３１３を共用してもよい。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

本発明の実施形態に係る電子内視鏡の構成を示す図である。 （ａ）はＣＣＤの原色フィルタの分光特性例を、（ｂ）は狭帯域フィルタの分光特性例を、（ｃ）は短波長側を強調した分光特性例を、（ｄ）は長波長側を強調した分光特性例を、（ｅ）は広帯域光であるランプの分光特性例を、それぞれ示す図である。一般的なＣＣＤにおけるフィルタの分光特性と、青色レーザー光の波長帯域をグラフで示す。 本発明の実施形態に係る回転フィルタの構成を示す平面図である。 （ａ）は広帯域光照射による生体組織表面から深い領域までを撮像した画像例、（ｂ）は狭帯域光照射による生体組織表面から特定の深さの領域を撮像した画像例、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の画像を合成した画像を示す図である。 水とヘモグロビンの吸光スペクトルを示す図であり、曲線（Ａ）は酸化ヘモグロビンの吸光スペクトルを、曲線（Ｂ）は脱酸化ヘモグロビンの吸光スペクトルを、曲線（Ｃ）は水の吸光スペクトルを、それぞれ示す。 図２（ａ）から図２（ｂ）を減算して得た分光特性を示す図である。 広帯域フィルタ及び狭帯域フィルタからの出射タイミング及びその反射光の撮影タイミングを示すチャート図である。 広帯域フィルタ及び狭帯域フィルタからの出射光の反射光の書き込み、読み出し、及び疑似フレーム化のタイミングを示すチャート図である。

符号の説明

１０ 電子内視鏡装置
２０ 電子スコープ
２１ 撮像部
２２ 照明部
３０ カラープロセッサ
３１ 映像信号処理部
３４ 制御回路
３６ 光源部（出射手段）
４０ フィルタ部（出射手段）
４１ 回転フィルタ
４２ モータ
５０ カラーモニタ
３１２ａ 第１画像メモリ部
３１２ｂ 第２画像メモリ部
３１４ 合成画像演算回路（画像信号合成部）

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源からの出射光を、波長帯域の広い広帯域光と、波長帯域が狭い狭帯域光と、に順次切り替えて出射する回転フィルタと、
   前記広帯域光を照射したときに得られた第１画像信号を記録する第１画像メモリ部と、
   前記狭帯域光を照射したときに得られた第２画像信号を記録する第２画像メモリ部と、
   前記第１画像信号及び前記第２画像信号を合成する画像信号合成部と、を備えることを特徴とする電子内視鏡装置。
2. 前記回転フィルタは、その回転軸のまわりに、等角度間隔に、前記広帯域光を透過させる広帯域フィルタ部と、前記光源から出射した光のうち前記狭帯域光を透過させる狭帯域フィルタ部と、を配置してなり、前記回転フィルタを回転させることにより、前記光源からの入射光を、広帯域光と、狭帯域光と、に順次切り替える請求項１記載の電子内視鏡装置。
3. 前記広帯域光及び前記狭帯域光は、それぞれ複数の波長帯域を有する請求項１又は請求項２記載の電子内視鏡装置。
4. 前記狭帯域光の波長帯域は、前記広帯域光の波長帯域に含まれる請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電子内視鏡装置。
5. 前記広帯域フィルタ部と前記狭帯域フィルタ部は、前記回転軸のまわりに１８０度間隔に配置されている請求項２記載の電子内視鏡装置。
6. 前記広帯域フィルタ部及び前記狭帯域フィルタ部は、透明基板上に蒸着することにより形成されている請求項２又は請求項５記載の電子内視鏡装置。
7. 前記第１画像メモリ部に記録された前記第１画像信号を、特定の波長帯域信号を強調するように演算処理する第１画像信号マトリクス演算部を備える請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の電子内視鏡装置。
8. 前記第２画像メモリ部に記録された前記第２画像信号を、特定の波長帯域信号を強調するように演算処理する第２画像信号マトリクス演算部を備える請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の電子内視鏡装置。
9. 前記第１画像信号マトリクス演算部及び前記第２画像信号マトリクス演算部における演算により、前記広帯域光の波長領域に含まれ、かつ、前記狭帯域光の波長帯域に含まれない波長帯域の画像を得る請求項７記載の電子内視鏡装置。
   
   

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