JP2008096413A - 分光観察装置および内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】同一波長の蛍光を観察する場合においても、Ｓ／Ｎ比の高い観察しやすい画像が望まれる観察条件と、他の蛍光成分の混入を抑えることが望まれる観察条件とに応じて、それぞれ適正な観察を行うことを可能にする。
【解決手段】撮影対象に向けて励起光を照射する励起光光源８と、該励起光光源８からの励起光の照射により撮影対象から放射される蛍光から、中心波長が同一で、通過帯域幅の異なる複数の波長帯域の蛍光を分離可能な分光素子１２と、該分光素子１２により分離された蛍光を撮像する撮像部１３とを備える分光観察装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光観察装置および内視鏡システムに関するものである。

従来、分光素子を用いて蛍光を波長分離可能な分光蛍光内視鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この分光蛍光内視鏡装置は、生体内に投与または散布された蛍光薬剤が励起されて発生する蛍光を観察したり、生体内に元来存在する蛍光物質が励起されて発生する蛍光、すなわち自家蛍光を観察したりすることが可能である。
特開２００６−２５８０２号公報

しかしながら、特に、生体内における撮影対象からの蛍光を波長分離して画像化する場合には、短波長の光は散乱され易く生体の内部には到達し難い一方、長波長の光は水分による吸収により、やはり生体内部に到達し難いという性質があるため、使用できる薬剤蛍光の波長帯域は比較的限定されてしまうという不都合がある。
このため、複数の蛍光薬剤を使用すると、その励起波長や蛍光波長が近接し、蛍光成分の混入が生じ易いという問題がある。

また、自家蛍光を観察する場合においても、生体内部には種々の自家蛍光成分が存在し、単一の励起光波長で複数の自家蛍光物質が蛍光を発する場合があり、同様の問題が生ずることが考えられる。
そして、蛍光の強度は一般に微弱であるため、撮像素子の読み出しノイズや暗電流等のノイズ成分の影響を受け易いという問題もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、同一波長の蛍光を観察する場合においても、Ｓ／Ｎ比の高い観察しやすい画像が望まれる観察条件と、他の蛍光成分の混入を抑えることが望まれる観察条件とに応じて、それぞれ適正な観察を行うことができる分光観察装置および内視鏡システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、撮影対象に向けて励起光を照射する励起光光源と、該励起光光源からの励起光の照射により前記撮影対象から放射される蛍光から、中心波長が同一で、通過帯域幅の異なる複数の波長帯域の蛍光を分離可能な分光素子と、該分光素子により分離された蛍光を撮像する撮像部とを備える分光観察装置を提供する。

上記発明においては、前記分光素子が、間隔をあけて互いに対向する複数の光学部材と、これらの光学部材の間隔を変更するアクチュエータとを備える可変分光素子からなることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記分光素子が、同一の中心波長で通過帯域幅の異なる透過率特性を有する２種以上の光学フィルタであり、前記撮像部が、２次元的に配列された複数の画素を有する撮像素子からなり、前記光学フィルタと前記撮像素子とは、異なる光学フィルタを透過した蛍光が、前記撮像素子の異なる画素に結像されるよう配置されていることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記撮像部が、２以上の撮像素子と、前記撮影対象から放射される蛍光を前記各撮像素子に向けて分岐するビームスプリッタとを備え、前記透過率特性の異なる２種以上の光学フィルタが、異なる撮像素子に対向して配置されていることとしてもよい。

また、上記発明においては、第１の波長帯域の蛍光を撮像する第１の撮影モードと、第１の波長帯域よりも通過帯域幅の狭い第２の波長帯域の蛍光を撮像する第２の撮影モードとを選択的に設定するモード設定部を備えることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記モード設定部が、前記第２の撮影モードに先立って第１の撮影モードを設定することとしてもよい。
また、本発明は、上記分光観察装置を備える内視鏡システムを提供する。

本発明によれば、同一波長の蛍光を観察する場合においても、Ｓ／Ｎ比の高い観察しやすい画像が望まれる観察条件と、他の蛍光成分の混入を抑えることが望まれる観察条件とに応じて、それぞれ適正な観察を行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムについて、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態に係る分光観察装置は、図１に示される内視鏡システム１に備えられている。

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、生体の体腔内に挿入される挿入部２と、該挿入部２内に配置される撮像ユニット３と、励起光を発生する光源ユニット４と、前記撮像ユニット３および光源ユニット４を制御する制御ユニット５と、撮像ユニット３により取得された画像を表示する表示ユニット６とを備えている。
また、本実施形態に係る分光観察装置は、撮像ユニット３と、光源ユニット４と、制御ユニット５とにより構成されている。

前記挿入部２は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット３および前記光源ユニット４からの光を先端２ａまで伝播するライトガイド７を備えている。
前記光源ユニット４は、体腔内の撮影対象に照射され、撮影対象Ａ内に存在する蛍光物質を励起して蛍光を発生させるための励起光を発する励起光用光源８と、該励起光用光源８を制御する光源制御回路９とを備えている。

前記励起光用光源８は、例えば、ピーク波長６６０±５ｎｍの励起光を出射する半導体レーザである。この波長の励起光は、Ｃｙ５．５（Amersham社製）および、Alexa Fluor700（商標：Molecular
Probe社製）等の蛍光薬剤を励起することができる。

前記撮像ユニット３は、図２に示されるように、撮影対象Ａから入射される光を集光する撮像光学系１０と、撮影対象Ａから入射されてくる励起光を遮断する励起光カットフィルタ１１と、制御ユニット５の作動により分光特性を変化させられる可変分光素子（可変分光手段）１２と、撮像光学系１０により集光された光を撮影して電気信号に変換する撮像素子１３とを備えている。符号１０ａは集光レンズ、符号１０ｂはコリメートレンズ、符号１０ｃは結像レンズである。

励起光カットフィルタ１１は、図３に示されるように、４２０〜６４０ｎｍの波長帯域で透過率８０％以上、６５０〜６７０ｎｍの波長帯域でＯＤ値６以上（＝透過率１×１０^−６以下）、６９０〜７５０ｎｍの波長帯域で透過率８０％以上の透過率特性を有している。

前記可変分光素子１２は、平行間隔を空けて配置され対向面に図示しない反射膜が設けられた２枚の平板状の光学部材１２ａ，１２ｂと、該光学部材１２ａ，１２ｂの間隔を変化させるアクチュエータ１２ｃとを備えるエタロン型の光学フィルタである。アクチュエータ１２ｃは、例えば、圧電素子である。この可変分光素子１２は、アクチュエータ１２ｃの作動により光学部材１２ａ，１２ｂの間隔寸法を変化させることで、その透過する光の波長帯域を変化させることができるようになっている。

光学部材１２ａ，１２ｂ間の間隔寸法は極めて微小な値、例えば、ミクロンオーダーかそれ以下になるように設定されている。
そして、アクチュエータは、以下の関係式で表されるストロークを有している。
Ｓ≧（ｍ_２−ｍ_１）λ_０／（２ｎ・ｃｏｓθ）
ここで、ｍ_１，ｍ_２：干渉次数（ｍ_２＞ｍ_１）、Ｓ：ストローク、λ_０：通過波長、ｎ：光学部材１２ａ，１２ｂ間の屈折率、θ：光学部材１２ａ，１２ｂ間における光の入射角である。
また、光学部材１２ａ，１２ｂの光学有効径の外側には輪帯形状の容量センサ電極１２ｄが配置されている。

前記反射膜は、例えば、誘電体多層膜により構成されている。
また、容量センサ電極１２ｄは金属膜により構成されている。容量センサ電極１２ｄからの信号をフィードバックしてアクチュエータ１２ｃ段への駆動信号を制御することにより、透過特性の調節精度を向上することができるようになっている。

本実施形態において、可変分光素子１２は、蛍光薬剤が励起光により励起されることによって発せられる２種類の蛍光（薬剤蛍光）の波長を含む波長帯域（例えば、６８０〜７４０ｎｍ）に可変透過帯域を備えている。そして、可変分光素子１２は、制御ユニット５からの制御信号に応じて４つの状態に変化するようになっている。

第１の状態は、可変透過帯域における透過帯域を半値全幅で６８０〜７２０ｎｍに設定し、Ｃｙ５．５からの蛍光を透過させる状態である。
第２の状態は、可変透過帯域における透過帯域を半値全幅で７００〜７４０ｎｍに設定し、Alexa Fluor７００からの蛍光を透過させる状態である。
第３の状態は、可変透過帯域における透過帯域を半値全幅で６９０〜７１０ｎｍに設定し、第１の状態と同様に、Ｃｙ５．５からの蛍光を透過させる状態である。
第４の状態は、可変透過帯域における透過帯域を半値全幅で７１０〜７３０ｎｍに設定し、第２の状態と同様に、Alexa Fluor７００からの蛍光を透過させる状態である。

第１の状態と第２の状態とは、可変分光素子１２の同一次数の透過帯域を増減させて、２種類の蛍光薬剤からの蛍光の波長帯域に一致させた状態（第１の撮影モード）である。
一方、第３の状態と第４の状態とは、第１の状態および第２の状態とは次数の異なる透過帯域を２種類の蛍光薬剤からの蛍光の波長帯域に一致させた状態（第２の撮影モード）である。

また、第１の状態と第３の状態、第２の状態と第４の状態は、それぞれ、可変分光素子１２の次数の異なる透過帯域を同一の薬剤蛍光の波長帯域に一致させた状態である。低次数の透過帯域は、高次数の透過帯域の透過帯域幅より広くなり、より広い波長帯域の蛍光を透過することができるようになっている。一方、透過帯域幅の狭い高次数の透過帯域は、より狭い波長帯域の蛍光を透過することができるようになっている。

前記制御ユニット５は、図１に示されるように、撮像素子１３を駆動制御する撮像素子駆動回路１４と、可変分光素子１２を駆動制御する可変分光素子制御回路１５と、該可変分光素子制御回路１５に接続され、操作者に操作される切替スイッチ１６と、撮像素子１３により取得された画像情報を記憶するフレームメモリ１７と、該フレームメモリ１７に記憶された画像情報を処理して表示ユニット６に出力する画像処理回路１８とを備えている。

撮像素子駆動回路１４は、前記光源制御回路９に接続され、光源制御回路９による励起光用光源８の作動に同期して撮像素子１３を駆動制御するようになっている。
切替スイッチ１６は、例えば、可変分光素子１２の上述した４つの状態を選択するためのスイッチである。該切替スイッチ１６により第１〜第４の状態が選択されると、可変分光素子制御回路１５から、該第１〜第４の状態を実現するための電圧が可変分光素子１２に供給され、可変分光素子１２が、電圧に応じて第１〜第４の状態に設定されるようになっている。

フレームメモリ１７には、第１のフレームメモリ１７ａおよび第２のフレームメモリ１７ｂが備えられ、例えば、可変分光素子１２が第１または第２の状態にあるときに撮像素子１３により取得された画像情報が、第１のフレームメモリ１７ａに記憶され、可変分光素子１２が第３または第４の状態にあるときに撮像素子１３により取得された画像情報が、第２のフレームメモリ１７ｂに記憶されるようになっている。

また、画像制御回路１８は、例えば、第１のフレームメモリ１７ａから受け取った画像情報を表示ユニット６の第１のチャネルに出力し、第２のフレームメモリ１７ｂから受け取った画像情報を表示ユニット６の第２のチャネルに出力するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、蛍光薬剤を体内に注入するとともに、挿入部２を体腔内に挿入し、その先端２ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット４および制御ユニット５を作動させ、光源制御回路９の作動により、励起光用光源８を作動させて励起光を発生させる。

光源ユニット４において発生した励起光は、ライトガイド７を介して挿入部２の先端２ａまで伝播され、挿入部２の先端２ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
励起光が撮影対象Ａに照射されると、撮影対象Ａに浸透している蛍光薬剤が励起されて蛍光が発せられる。撮影対象Ａから発せられた蛍光は、撮像ユニット３の撮像光学系１０により集光され励起光カットフィルタ１１を透過し可変分光素子１２に入射される。

可変分光素子１２は、操作者による切替スイッチ１６の操作に応じて、可変分光素子制御回路１５の作動により、状態が切り替えられているので、入射された光の内、選択された状態に応じた透過帯域の蛍光を透過させることができる。この場合に、撮影対象Ａに照射された励起光の一部が、撮影対象Ａにおいて反射され、蛍光とともに撮像ユニット３に入射されるが、撮像ユニット３には励起光カットフィルタ１１が設けられているので、励起光は遮断され、撮像素子１３に入射されることが阻止される。

そして、可変分光素子１２を透過した蛍光は撮像素子１３に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、選択された可変分光素子の状態に応じて、第１または第２のフレームメモリ１７ａ，１７ｂに記憶され、画像処理回路１８によって、表示ユニット６の第１または第２のチャネルに出力されて表示ユニット６により表示される。

すなわち、Ｃｙ５．５を用いた蛍光観察を行う場合には、操作者が切替スイッチ１６を操作して、第１の状態または第３の状態を選択する。この場合に、蛍光強度を大きくして明るい蛍光画像を取得したい場合には、第１の状態を選択し、他の波長からの分光を精度よく行いたい場合には、第３の状態を選択する。第３の状態を選択することにより、第１の状態に対して透過帯域の中心波長を動かすことなく、透過帯域幅が絞られるので、蛍光強度は弱くなるが、不必要な波長の蛍光の混入を防止することができる。

また、Alexa Fluor 700を用いた蛍光観察を行う場合には、操作者が切替スイッチ１６を操作して、第２の状態または第４の状態を選択する。この場合にも、上記と同様に、蛍光強度を大きくして明るい蛍光画像を取得したい場合には、第２の状態を選択し、他の波長からの分光を精度よく行いたい場合には、第４の状態を選択する。第４の状態を選択することにより、第２の状態に対して透過帯域の中心波長を動かすことなく、透過帯域幅が絞られるので、蛍光強度は弱くなるが、不必要な波長の蛍光の混入を防止することができる。

この場合において、本実施形態によれば、可変分光素子１２を第１の状態から第３の状態に、または第２の状態から第４の状態に変化させるために、それぞれ、アクチュエータ１２ｃを以下のストロークＳだけ移動させるだけで済む。
Ｓ＝λ_０／（２ｎ・ｃｏｓθ）
これにより、必要に応じて、中心波長が同一で、通過帯域幅の異なる波長帯域の蛍光を簡易に選択して透過させることができる。

なお、本実施形態に係る内視鏡システム１によれば、挿入部２を体腔内に挿入し、先端２ａを撮影対象Ａに近接させていく過程において、まず、可変分光素子１２を第１または第２の状態に設定し、次いで、第３または第４の状態に設定することが好ましい。撮影対象Ａからの蛍光を集光する挿入部２の先端が撮影対象Ａから離れている場合には、可変分光素子１２を第１の状態または第２の状態として、撮影対象Ａからのできるだけ多くの蛍光を透過させることができる。また、挿入部２の先端２ａが撮影対象Ａに近接しているときには、可変分光素子１２を第３の状態または第４の状態として、蛍光分離の精度が高く他の蛍光成分の混入の少ない画像を取得することができる。

また、本実施形態においては、可変分光素子１２の干渉次数を１次分増減させることで、透過帯域幅を変更する場合について説明したが、２次分以上増減させることとしてもよい。
その場合、アクチュエータ１２ｃは以下のストロークＳだけ移動させればよい。
Ｓ＝ｄλ_０／（２ｎ・ｃｏｓθ）
ただし、ｄは増減させる次数の変化量である。

また、本実施形態においては、操作者の選択により、可変分光素子１２を第１〜第４の状態に設定することとしたが、これに代えて、第１、第２の状態を所定のタイミングで交互に切り替えて撮影を行う第１の撮影モードと、第３，第４の状態を所定のタイミングで交互に切り替えて撮影を行う第２の撮影モードのいずれかを操作者に選択させることにしてもよい。第１の撮影モードによれば、蛍光強度が強いＣｙ５．５の蛍光画像とAlexa Fluor 700の蛍光画像とを同時に取得し表示することができる。また、第２の撮影モードによれば、分光精度の高いＣｙ５．５の蛍光画像とAlexa Fluor 700の蛍光画像とを同時に取得し表示することができる。

また、本実施形態においては、操作者の選択により撮影モードを切り替えることとしたが、これに代えて、例えば、撮像素子１３により取得された画像情報を処理して光量情報を抽出し、光量が不足していると判断される場合には第１の撮影モードを、光量が十分な状態では第２の撮影モードを自動選択することとしてもよい。

また、Ｃｙ５．５の蛍光画像を取得する撮影モードと、Alexa Fluor 700の蛍光画像を取得する撮影モードのいずれかを操作者により選択させ、各撮影モードにおいては、可変分光素子１３を第１の状態と第３の状態との間または第２の状態と第４の状態との間で所定のタイミングで交互に切り替えることとしてもよい。このようにすることで、Ｃｙ５．５あるいはAlexa Fluor 700の明るい蛍光画像と分光精度の高い蛍光画像とを同時に取得し表示できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムについて図４および図５を参照して説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムと構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムは、第１の実施形態における可変分光素子１２に代えて、以下の透過帯域を有する４種類のフィルタ２０ａ〜２０ｄを撮像素子１３の各画素に対応するようにモザイク状に配列したものである。
第１のフィルタの透過帯域：半値全幅６８０〜７２０ｎｍ
第２のフィルタの透過帯域：半値全幅７００〜７４０ｎｍ
第３のフィルタの透過帯域：半値全幅６９０〜７１０ｎｍ
第４のフィルタの透過帯域：半値全幅７１０〜７３０ｎｍ

このように構成された本実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムによれば、第１〜第４のフィルタ２０ａ〜２０ｄに対応する画素により、半値全幅６８０〜７２０ｎｍ、７００〜７４０ｎｍ、６９０〜７１０ｎｍ、７１０〜７３０ｎｍの蛍光画像をそれぞれ取得することができる。
そして、第１の実施形態と同様にして、第１，第２のフィルタ２０ａ，２０ｂに対応する画素から画像を取得する第１の撮影モードと、第３，第４のフィルタ２０ｃ，２０ｄに対応する画素から画像を取得する第２の撮影モードとを、撮影者が状況に応じて選択することとしてもよい。また、各画像を処理して、光量が不足していると判断される場合には第１の撮影モードを、光量が十分な状態では第２の撮影モードを自動選択することとしてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムについて、図６および図７を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第２の実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムと構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る分光観察装置および内視鏡システムは、撮影対象Ａからの光を２つに分岐するビームスプリッタ２１と、該ビームスプリッタ２１により分岐された光をそれぞれ撮影する２つの撮像素子２２ａ，２２ｂを備えている。一方の撮像素子２２ａの前段には、図７（ａ）に示される第１，第２のフィルタ２０ａ，２０ｂが配置され、他方の撮像素子２２ｂの前段には、図７（ｂ）に示される第３，第４のフィルタ２０ｃ，２０ｄが配置されている。

このように構成することにより、第２の実施形態と同様に、撮像素子２２ａ，２２ｂの出力から、半値全幅６８０〜７２０ｎｍ、７００〜７４０ｎｍ、６９０〜７１０ｎｍ、７１０〜７３０ｎｍの蛍光画像をそれぞれ取得することができる。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。 図１の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。 図１の内視鏡システムを構成する各光学部品の透過率特性、照射光および蛍光の波長特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略図である。 図４の撮像ユニットに備えられるフィルタを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略図である。 図６の撮像ユニットに備えられるフィルタを示す図である。

符号の説明

Ａ 撮影対象
１ 内視鏡システム
８ 励起光光源
１２ 可変分光素子（分光素子）
１２ａ，１２ｂ 光学部材
１２ｃ アクチュエータ
１３，２２ａ，２２ｂ 撮像素子（撮像部）
１６ 切替スイッチ（モード設定部）
２０ａ 第１のフィルタ（光学フィルタ）
２０ｂ 第２のフィルタ（光学フィルタ）
２０ｃ 第３のフィルタ（光学フィルタ）
２０ｄ 第４のフィルタ（光学フィルタ）
２１ ビームスプリッタ

Claims (7)

1. 撮影対象に向けて励起光を照射する励起光光源と、
   該励起光光源からの励起光の照射により前記撮影対象から放射される蛍光から、中心波長が同一で、通過帯域幅の異なる複数の波長帯域の蛍光を分離可能な分光素子と、
   該分光素子により分離された蛍光を撮像する撮像部とを備える分光観察装置。
2. 前記分光素子が、間隔をあけて互いに対向する複数の光学部材と、これらの光学部材の間隔を変更するアクチュエータとを備える可変分光素子からなる請求項１に記載の分光観察装置。
3. 前記分光素子が、同一の中心波長で通過帯域幅の異なる透過率特性を有する２種以上の光学フィルタであり、
   前記撮像部が、２次元的に配列された複数の画素を有する撮像素子からなり、
   前記光学フィルタと前記撮像素子とは、異なる光学フィルタを透過した蛍光が、前記撮像素子の異なる画素に結像されるよう配置されている請求項１に記載の分光観察装置。
4. 前記撮像部が、２以上の撮像素子と、前記撮影対象から放射される蛍光を前記各撮像素子に向けて分岐するビームスプリッタとを備え、
   前記透過率特性の異なる２種以上の光学フィルタが、異なる撮像素子に対向して配置されている請求項３に記載の分光観察装置。
5. 第１の波長帯域の蛍光を撮像する第１の撮影モードと、第１の波長帯域よりも通過帯域幅の狭い第２の波長帯域の蛍光を撮像する第２の撮影モードとを選択的に設定するモード設定部を備える請求項１に記載の分光観察装置。
6. 前記モード設定部が、前記第２の撮影モードに先立って第１の撮影モードを設定する請求項５に記載の分光観察装置。
7. 請求項１に記載の分光観察装置を備える内視鏡システム。

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