JP2007259987A - 赤外観察システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】IRランプ19bがパルス点灯されることにより、患者2の内部の観察対象部位25に赤外光がパルス照射され、そのパルス照射に同期してIR用撮像素子33bにより時経列に撮像され、A/D変換されたデータがサンプリング処理回路40内のRAMに格納される。さらに、複数のフレームのデータがCPU41でFFT処理され、ノイズが抑圧されて温度ないしは温度差のデータが算出され、加算平均処理されてモニタ8に血管の画像が表示される。
【選択図】図7
Description
ヘモグロビンは、図13に示すような吸光特性を持ち、図中の「Hb」と記されている曲線は酸素と結合していないヘモグロビンの特性を表し、「HbO2」と記されている曲線は酸素と結合したヘモグロビンの特性を示している。また、図11における750nmと900nm付近の波長で観察する場合もある。
なお、第2の従来例としての特開平6−22968号公報は、パルス照射することにより被検体内部の血管の画像を得る装置を開示している。
この第2の従来例は、血液での散乱、反射を抑制して血管壁での反射光により撮像するものを開示している。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、生体組織の深部の血管に対しても良好な観察画像を得ることができる赤外観察システムを提供することを目的とする。
前記赤外撮像手段によりパルス照射停止時間が形成された状態で、異なる時刻のパルス照射時に撮像された複数の出力信号から、前記生体組織内部の血管と、該血管内の血液と赤外光に対する光学特性が異なる他の生体組織との温度差に対応する画像を生成する画像生成手段と、
を備えたことを特徴とする。
上記構成において、パルス照射により、連続照射による撮像信号出力の低下の影響を軽減し、かつパルス照射停止時間が形成された状態で、異なる時刻のパルス照射時に得られる複数の撮像出力に基づき、画像を生成することによって、生体組織の深部の血管の画像に対する良好な画像を得ることができるようにしている。
また、図5はサンプリング処理回路の構成を示し、図6はサンプリング処理回路による温度差検出を行う説明図を示し、図7は赤外観察時における赤外観察システムの全体構成を示し、図8は赤外観察時におけるパルス照射及び赤外撮像のタイミングを示し、図9は赤外観察時における動作のフローチャートを示し、図10は本実施例により得られる血管の画像例を示す。
光学式内視鏡3は、例えば硬性の挿入部11と、この挿入部11の後端に設けられた把持部12と、この把持部12の後端に設けられた接眼部13とを有し、把持部12の口金にはライトガイドケーブル14が接続される。
光源装置6内には、例えばモータ17により回転される回転板18に通常光ランプ19aと、赤外ランプ(IRランプと略記)19bとが取り付けてあり、光路上に配置されるランプを切り替えられるようにしている。
また、この光源装置6内には、電源回路21から供給される電力により通常光ランプ19aをランプ点灯させる機能と、IRランプ19bを所定周期でパルス点灯させる機能を備えたランプ点灯/パルス点灯回路22と、モータ17を回転させて回転板18の位置を切り替えるモータ制御回路(回転板制御回路)23とが設けてある。
そして、上記ライトガイド15の先端面から出射され、患者2の体腔内の生体組織における観察対象部位25に照明光を照射する。
挿入部11の先端部には照明窓に隣接して設けられた観察窓には、対物レンズ27が取り付けてあり、照明された観察対象部位25の光学像を結ぶ。その結像された光学像は、イメージガイドとなるリレーレンズ系28により後端面側に伝送される。
このカメラヘッド4内には、回転板32に通常用撮像素子33aと、IR用撮像素子33bとが取り付けられており、切替レバー34の操作により撮像光路上に配置される撮像素子を切り替えることができるようにしている。ユーザは、例えば切替レバー34の操作により、モータ35を駆動して、撮像光路上に配置される撮像素子を切り替えることができる。
なお、通常用撮像素子33aは、CCDなど、通常光(可視光)に感度を有する撮像素子で構成される。
生体組織は、一般に図2に示すような散乱/吸収特性を示す。なお、図2における上部側の(A)は、可視から近赤外付近までの波長の光を生体組織表面に入射した場合に散乱吸収する領域を模式的に示したものであり、また下側の(B)は生体組織の散乱/級数係数の波長依存性を示す。
図3は、本実施例において使用する赤外の波長領域における生体の筋肉、脂肪、血管、血液、膀胱、肝臓の各場合における透過率の測定結果の特性を示す。
図3のように、生体組織での透過率は1μm以上の波長の赤外光を照射すると良くなり、生体組織の深部の血管まで赤外光が到達するようになる。
透過率が向上する理由は、図2で示したように長波長になるほど生体組織での散乱,吸収が少なくなり、深部の生体組織まで光が透過するからである。
血管は、ほぼ筋肉と同じ組織でできているが、血管内部の血液は、図4から分かるように水を90%近く含有しているので、血液は、水を10%程度含む脂肪とは水分含有量に関して大きく異なる。また、血液は、他の生体組織としての臓器、例えば水分含有量が70程度の肝臓とは水分含有量に関して20%程、異なっている。
このため、本実施例においては、赤外光に対する他の生体組織とは異なる血液の吸光特性を利用して、反射光の撮像を行い、血液を含む血管を反映した赤外の画像情報としての温度差の画像情報を得る。
なお、図3からもその傾向(特徴)が分かるように、水分の吸光特性は1.45μmと1.9μmでピークをもっている。
図1に示した撮像素子33a、33bは、切替スイッチ36を介してCCU7と接続されている。そして、上記切替レバー34の操作により、切替スイッチ36を介して撮像に使用される撮像素子の切替えを行うことができるようにしている。図1では簡単化のため、撮像素子の出力信号側のみを切り替える構成にしている。尚、撮像素子の入力信号側も切り替える構成にしても良い。
CCU7内には、撮像素子33iを駆動する撮像素子駆動回路38と、撮像素子33iからの撮像信号が入力されることにより、信号処理を行う信号処理回路39と、信号処理回路39の出力信号に対してパルス点灯の場合にはサンプリング処理を行うサンプリング処理回路40とが設けてある。
なお、切替レバー34による観察モードの切替指示信号は、CCU7内の信号処理回路39に入力されると共に、CCU7からさらに光源装置6内のモータ制御回路23とランプ点灯/パルス点灯回路22に入力され、照明光の切替とランプ点灯/パルス点灯の切替を行うようにする。
また、ランプ点灯/パルス点灯回路22がパルス点灯で動作すると、このランプ点灯/パルス点灯回路22は、パルス点灯に同期したタイミング信号Spを、CCU7内の撮像素子駆動回路38,信号処理回路39、サンプリング処理回路40に出力し、それぞれがパルス点灯のタイミングに同期して動作する状態になる。
なお、通常観察モードの場合には、接点aが選択され、信号処理回路39からの映像信号は、このサンプリング処理回路40をスルーしてモニタ8に出力される。
このRAM44は、温度差算出(検出)処理41aの機能を行うCPU41と、CPU41が行う処理プログラム等が格納されたROM45、D/A変換を行うD/A変換器46と、バスを介して接続されている。なお、このCPU41は、温度勾配算出処理41bの機能も持つ。
なお、上述のように血管部分と血管以外の他の生体組織部分とは赤外光に対する特性が異なるため、温度の値が異なる温度差の情報を得ることができる。
そしてCPU41は、図6に示すように血管部分と他の生体組織部分との赤外で撮像した場合の輝度レベル、つまり温度若しくは温度差の情報を算出する。図6(A)は、パルス照射に同期したフレームレートでIR用撮像素子33bで赤外撮像した画像(出力信号)の取込(パルス波形部分で模式的に示す)を行う様子を示す。
なお、この温度情報は、血管が存在している部分からの反射光を撮像した場合における同じ位置から時系列で検出されたデータの例である。血管が存在していない場合には、図6(A)に対して温度変化が少なくかつ低い特性となり、それらの差異により、血管部分に対応する温度差の情報が得られることになる。
CPU41は、この時系列に変化する温度の情報から、温度振幅ΔT等の情報を図6(B)に示すように算出する。
そして、CPU41は、さらに温度振幅ΔTや短い時間間隔での平均温度や時間的な温度変化率としての温度勾配を算出する。
このような周期的な特性を示さない場合を含めて、適宜の時間当たり、若しくは時間的な温度の変化率としての温度勾配を算出する。
CPU41は、ノイズ提言処理後のデータから、温度振幅ΔTや温度勾配を算出する。なお、温度勾配は、図6(A)の場合には、余弦状に変化するものとなる。
そして、CPU41は、温度振幅ΔT若しくは温度勾配を算出した後は、それを算出するのに用いた複数フレームのデータを、例えば加算平均、つまり平均温度や温度勾配の平均値を画像化する。つまり、CPU41は、各位置でのデータの加算平均した温度振幅ΔT或いは温度勾配の平均値のデータをD/A変換器46を介して画像信号(映像信号)に変換し、モニタ8に出力する。この場合、FFT処理する複数フレームの画像データを時系列に1つ或いは複数フレーム分づつ更新する処理をして、動画で画像化する。
この通常観察モード状態においては、光源装置6は、図1に示すように照明光路上には、通常光ランプ19aが配置され、この通常光ランプ19aは、ランプ点灯/パルス点灯回路22からランプ点灯電力が供給され、通常光ランプ19aは、通常光(可視光)を連続発光する。
また、この状態においては、カメラヘッド4内における撮像光路上には、通常用撮像素子33aが配置されており、この通常光による照明光のもとで内視鏡5による通常光観察を行うことができる。
この通常観察モードの状態においては、撮像素子駆動回路38から通常用撮像素子33aに撮像素子駆動信号が印加され、この通常用撮像素子33aにより撮像された可視光の画像に対応する映像信号が信号処理回路39により生成され、モニタ8に表示される。 一方、術者が観察対象部位25の内部の血管51を観察しようとする場合には、切替レバー34を操作して、観察モードを赤外観察モードに切り替える。
すると、切替レバー34による切替信号により、光源装置6内のモータ17と、カメラヘッド4内のモータ35とは回転して、この赤外観察システム1は、図7に示すように赤外光観察モードの動作状態に切り替わる。
つまり、図9のステップS1に示すように、患者2の体内における観察対象部位25側には赤外光がパルス照射される。また、上記切替レバー34による操作により、カメラヘッド4内における撮像光路上には、IR用撮像素子33bが配置される。
そして、図8(B)に示すように図8(A)のパルス点灯に同期して、赤外撮像を行う。つまり、図9のステップS2に示すようにパルス点灯(パルス照射)に同期して、IR用撮像素子33bは、パルス照射の所定周期に同期してサンプリングして赤外撮像を行う。
図5に示すようにサンプリング処理回路40内のCPU41は、パルス点灯のタイミング信号Spが入力される状態になると、切替スイッチ42を図5に示すように接点bがONとなるように切替える。そして、信号処理回路39から入力される映像信号は、A/D変換器43によりデジタルの信号データに変換されて、例えばタイミング信号Spに同期した図示しないクロックパルスのタイミングのアドレスで、RAM44に格納される。 観察対象部位25の生体組織表面の内部に血管51が存在した場合におけるパルス照射に同期したサンプリング赤外撮像により得られるデータ例を図6(A)に示している。 そして、サンプリングされたデータは、図8(D)及び図9のステップ3に示すようにRAM44に格納される。
このFFT処理によりCPU41は、次のステップS5において温度振幅ΔTの情報と、時間的な温度変化率としての温度勾配の情報を算出する。なお、FFT処理の代わりに、例えばウェーブレット変換処理でノイズを抑圧して信号成分を抽出するようにしても良い。
なお、加算平均化の処理を行う際、全体の平均値を減算した差分量として画像化することにより、血管51とその他の生体組織との赤外における特性の差異に基づく温度差の情報をより鮮明に画像化するようにしても良い。
そして、モニタ8には、例えば図10に示すような血管の画像を得ることができる。図10は、実線が本実施例による血管51の画像を示し、点線が例えば赤外光を連続照射した時に得られる血管51の不鮮明となる画像を模式的に示す。
このため、連続照射の場合には、画像化すると、図10の点線のように、血管部分と他の生体組織との赤外光の反射光像、つまり温度差の影響が少ない不鮮明な輪郭の画像となる。
そして、これらのデータにおける複数のフレーム分に対してFFT処理等のように相関量が無いノイズを抑圧し、(実質的に同一で)相関量が高い信号成分を抽出することにより、信号成分としての温度若しくは温度差情報を高いS/Nで算出することができるようになる。そして、画像化することにより、生体組織と血管との温度差の情報をより忠実に抽出でき、図10に示すように鮮明な血管の観察画像を得ることができる。
また、本実施例によれば、術者は切替えレバー34の操作により、通常観察モードと赤外のパルス点灯による赤外観察モードとを切り替えて所望とする観察モードで内視鏡観察を行うことができる。
次に本実施例による変形例を説明する。温度勾配に関して、例えば図6(A)に示す周期的に近い情報が得られた場合には、その情報を利用してCPU41は、1画面の画像の生成に利用するデータ数を決定する。
そして、1画面の生成に用いるデータ数を、この単位の何倍のものにするかをユーザが選択設定できるようにしても良い。
この場合、倍数を大きくすれば、動きに対する追随性は低下するが、S/Nを大きくできる。換言すると、ユーザは、この倍数の選択設定により、トレードオフ関係となる動画における動きの追随性とS/Nを優先する程度に応じて適切に設定できる。
本実施例においては、パルス照射する場合の周期は一定として、特に言及していないが次の実施例2で説明するように、温度勾配の情報等からその周期を可変設定するようにしても良い。
また、本実施例においては、サンプリング処理回路40内のCPU41(図5参照)は、光源装置6内のランプ点灯/パルス点灯回路22に内蔵されたパルス発生回路22aに制御信号Scを送る。パルス発生回路22aは、この制御信号Scにより、パルス点灯を行う際に発生するパルスの周期などを変更する。
その他の構成は、実施例1と同様である。次に本実施例の作用を説明する。
本実施例は、通常観察モードに関しては実施例1と同じ作用となる。
また、本実施例は、実施例1で説明した作用の他に以下の作用を有する。モニタ8には、実施例1で説明したようにパルス照射のもとで撮像した画像を表示する。この場合、ユーザはモニタ8に表示された画像における例えば血管部分と考えられる関心部位をマウス61で指示する。
CPU41は、この指示を受けて、その関心部位に対応するデータをRAM44から読み出し、例えば図6(A)に示すように時系列で表示する。このデータ表示を行う際に、FFT処理により、ノイズ低減処理を行うようにしても良い。
このような特性が表示された場合には、ユーザはマウス61を操作して、パルス点灯の周期を短くするようにCPU41に指示する。CPU41は、この指示を受けて、ランプ点灯/パルス点灯回路22に内蔵されたパルス発生回路22aに制御信号Scを送り、パルス点灯の周期を短くする。つまりパルス照射の周期を変更する。パルス点灯の周期を短くすることにより、温度飽和に類する影響を軽減して、血管をより鮮明に観察できる画像を得ることができる。
このように本実施例によれば、血液と他の生体組織との透過率との差が大きい波長帯の赤外光のパルス照射により撮像を行うようにしているので、実施例1の場合よりもコントラストの良い血管の画像を得ることができる。
なお、温度勾配の情報が得られた後にパルス点灯の周期を変更設定する場合に限らず、ユーザがパルス点灯の周期を任意の時に変更設定しても良い。
また、パルス照射(パルス点灯)の周期を変更可能に設定しているので、観察しようとする部位や条件が異なるような場合においても、より適切なパルス照射状態に設定して赤外観察ができる効果がある。
2…患者
3…光学式内視鏡
4…カメラヘッド
5…内視鏡
6…光源装置
7…CCU
8…モニタ
11…挿入部
19a…通常光ランプ
19b…IRランプ
22…ランプ点灯/パルス点灯回路
33a…通常用撮像素子
33b…IR用撮像素子
38…撮像素子駆動回路
39…信号処理回路
40…サンプリング処理回路
41…CPU
41a…温度差算出処理
41b…温度勾配算出処理
44…RAM
51…血管
Claims (6)
- 赤外光を生体組織にパルス照射するパルス照射手段と、
パルス照射時における前記赤外光が照射された生体組織を撮像する赤外撮像手段と、
前記赤外撮像手段によりパルス照射停止時間が形成された状態で、異なる時刻のパルス照射時に撮像された複数の出力信号から、前記生体組織内部の血管と、該血管内の血液と赤外光に対する光学特性が異なる他の生体組織との温度差に対応する画像を生成する画像生成手段と、
を備えたことを特徴とする赤外観察システム。 - 前記画像生成手段は、前記パルス照射に同期して、前記赤外撮像手段の出力信号を時系列でサンプリングした複数のデータから、異なる時刻における同じ位置に対するデータの時間的な温度変化率としての温度勾配を算出する温度勾配算出手段を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外観察システム。
- 前記温度勾配算出手段の算出結果に基づき、前記画像を生成するのに用いる前記複数の出力信号に用いるデータの数の設定制御若しくはデータ処理をする制御手段を有することを特徴とする請求項2に記載の赤外観察システム。
- 前記制御手段は、前記画像の生成に用いる複数のデータに対してノイズ抑圧のデータ処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の赤外観察システム。
- 前記パルス照射の赤外光の波長は、水分の吸収ピーク付近に設定されることを特徴とする請求項1に記載の赤外観察システム。
- さらに前記パルス照射の周期を変更設定する周期設定手段を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外観察システム。
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