JP2008161551A

JP2008161551A - 蛍光内視鏡システム

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Publication number: JP2008161551A
Application number: JP2006356140A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Takaoka; 秀行高岡; Hiroyasu Morishita; 弘靖森下
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: EP2098157A1; EP2098157A4; WO2008081897A1; US8214025B2; US20100016669A1; JP4954699B2

Abstract

【課題】自家蛍光の影響を抑制して、蛍光プローブから発せられる蛍光による鮮明な蛍光画像により、癌細胞等の異常組織を正確かつ明瞭に判別することを可能とする。
【解決手段】生体組織に付着または吸収させた蛍光色素からの蛍光を観察する蛍光内視鏡システム１であって、蛍光色素を励起する励起光を射出する励起光源４と、該励起光源４からの励起光を照射したときに生体組織から発せられる蛍光を撮影する撮像部３と、励起光を照射したときに生体組織から発せられる自家蛍光の信号強度を設定する自家蛍光信号設定部５と、撮像部３により取得された蛍光画像情報を、自家蛍光信号設定部５により設定された自家蛍光の信号強度に基づいて補償する画像補償部６とを備える蛍光内視鏡システム１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光内視鏡システムに関するものである。

従来、癌細胞においては、ある種のタンパク質等が正常部に比べて過剰に発現していることが知られており、蛍光プローブを用いて、発現したタンパク質等の分子を光らせることで癌細胞を診断し、また、この蛍光を内視鏡的に観察することで癌細胞を識別する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１には、１種類の蛍光プローブを用いて癌細胞を診断する内視鏡装置が開示されている。

特開平１０−２０１７０７号公報

しかしながら、生体組織に付着あるいは吸収された蛍光プローブを励起させるための励起光を照射すると、生体組織自体に生来含有されている自家蛍光物質も励起されて自家蛍光が発せられるため、蛍光観察画像において蛍光プローブからの蛍光が、自家蛍光に埋もれてしまう、すなわち、バックグラウンド光としての自家蛍光が大きく、薬剤蛍光のコントラストが低下してしまうという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、自家蛍光の影響を抑制して、蛍光プローブから発せられる蛍光による鮮明な蛍光画像により、癌細胞等の異常組織を正確かつ明瞭に判別することを可能とする蛍光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、生体組織に付着または吸収させた蛍光色素からの蛍光を観察する蛍光内視鏡システムであって、前記蛍光色素を励起する励起光を射出する励起光源と、該励起光源からの励起光を照射したときに前記生体組織から発せられる蛍光を撮影する撮像部と、前記励起光を照射したときに前記生体組織から発せられる自家蛍光の信号強度を設定する自家蛍光信号設定部と、前記撮像部により取得された蛍光画像情報を、前記自家蛍光信号設定部により設定された自家蛍光の信号強度に基づいて補償する画像補償部とを備える蛍光内視鏡システムを提供する。

上記発明においては、前記自家蛍光信号設定部が、前記撮像部により取得された蛍光画像内の少なくとも一部の画像範囲を指定する画像範囲指定部を備え、該画像範囲指定部により指定された画像範囲内の蛍光信号強度を自家蛍光の信号強度として設定することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記励起光源から射出される励起光とは異なる波長帯域にあって、前記蛍光色素の励起効率が前記励起光よりも低い波長帯域の他の励起光を射出する他の励起光源を備え、前記撮像部が、前記２つの励起光源からの２種類の励起光を切り替えて照射したときに、生体組織から発せられる蛍光をそれぞれ撮影し、前記自家蛍光信号設定部が、前記他の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された蛍光画像情報に基づいて、自家蛍光の信号強度を推定することとしてもよい。

また、上記発明においては、生体組織からの反射光画像を取得するため照明光を射出する参照光源を備え、前記撮像部が、前記励起光源からの励起光と前記参照光源からの参照光を切り替えて照射したときに、生体組織から発せられる蛍光と前記参照光の反射光とをそれぞれ撮影し、前記自家蛍光信号設定部が、前記参照光が照射されたときに前記撮像部により取得された反射光画像情報に基づいて、自家蛍光の信号強度を推定することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記参照光源が前記励起光源により構成されていることとしてもよい。

本発明によれば、自家蛍光の影響を抑制して、蛍光プローブから発せられる蛍光による鮮明な蛍光画像により、癌細胞等の異常組織を正確かつ明瞭に判別することができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システム１について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡システム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（撮像部）３と、励起光を発する光源ユニット４と、該光源ユニット４からの励起光を照射したときに生体組織から発せられる自家蛍光の信号強度を設定する自家蛍光信号設定部５と、前記撮像ユニット３により取得された蛍光画像情報を、前記自家蛍光信号設定部５により設定された自家蛍光の信号強度に基づいて補償する画像補償部６と、前記撮像ユニット３により取得された蛍光画像情報および前記画像補償部６により補償された蛍光画像情報を表示する表示ユニット７とを備えている。

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８とを備えている。
前記撮像ユニット３は、観察対象から入射される光を集光する対物レンズ９と、該対物レンズ９により集光された光の内、特定の波長帯域の蛍光を通過させる蛍光フィルタ１０と、該蛍光フィルタ１０を透過した蛍光を撮影して電気信号に変換する撮像素子１１とを備えている。

前記自家蛍光信号設定部５は、撮像ユニット３により取得された蛍光画像内の少なくとも一部の画像範囲を指定する画像範囲指定部１２を備えている。該画像範囲指定部は、表示ユニット７の画面上において、所定の画像範囲を指定するためのカーソルＡを表示させるカーソル表示部（図示略）と、該カーソル表示部により表示されたカーソルＡを表示ユニット７の画面上において移動させるマウス等のカーソル位置設定部１３とを備えている。そして、自家蛍光信号設定部５は、カーソル位置設定部１３により指定された表示ユニット７上のカーソルＡ内の蛍光画像の強度情報を取得してその平均値を算出し、算出された平均強度を自家蛍光の強度情報として設定するようになっている。

前記画像補償部６は、撮像素子１１により取得された蛍光画像情報と、自家蛍光信号設定部５により設定された自家蛍光の強度情報とを受けて、蛍光画像情報の各画素の強度から自家蛍光信号設定部５により設定された自家蛍光強度を減算し、表示ユニット７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蛍光内視鏡システム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡システム１を用いて蛍光プローブが付着または吸収された生体組織を観察するには、まず、挿入部２を体腔内に挿入してその先端２ａを体腔内の観察対象部位に対向させる。この状態で、光源ユニット４から励起光を射出させると、ライトガイド８を介して伝播された励起光が体腔内の観察対象部位に照射される。

生体組織には蛍光プローブが付着または吸収されているので、励起光が照射されることにより蛍光プローブが励起され、薬剤蛍光が発せられる。また、生体組織には自家蛍光物質が生来含有されているので、励起光が照射されることにより自家蛍光も発せられる。これら薬剤蛍光および自家蛍光のうち、所定の波長帯域の光が蛍光フィルタ１０を透過して撮像素子１１によって撮影される。

これにより、撮像素子１１によって、薬剤蛍光および自家蛍光の両方が含まれた蛍光画像情報が取得される。そして、撮像素子１１により取得された蛍光画像情報は、画像補償部６に送られるとともに、画像補償部６を経由して表示ユニット７に出力され、表示される。

この状態で、観察者は、表示ユニット７に表示される蛍光画像を確認しながら、カーソル位置設定部１３を操作することにより、蛍光画像内においてカーソルＡを移動させ、正常組織であると思われる領域（すなわち、蛍光プローブが付着あるいは吸収されていないと思われる領域）を指定する。観察者により、蛍光画像内の画像範囲が指定されると、その指定された画像範囲内の蛍光画像情報が自家蛍光信号設定部５に送られ、該自家蛍光信号設定部５において、画像範囲内の蛍光強度の平均値が算出され、自家蛍光の強度情報として画像補償部６に出力される。

画像補償部６においては、撮像素子１１から送られてきた蛍光画像情報と自家蛍光信号設定部５から送られてきた自家蛍光の強度情報とを受け取って、蛍光画像情報から自家蛍光の強度情報を減算する。すなわち、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、撮像素子１１から送られてくる蛍光画像情報には、薬剤蛍光の強度情報Ｉ_１および自家蛍光の強度情報Ｉ_０の両方が含まれているので、薬剤蛍光が発せられていない領域においても自家蛍光が発せられ、薬剤蛍光が自家蛍光に埋もれて不鮮明な蛍光画像となる。

そこで、図２（ｃ）に示されるように、画像補償部６において、薬剤蛍光の強度情報Ｉ_１から自家蛍光の強度情報Ｉ_０を減算することにより、薬剤蛍光が発せられている領域以外の領域における蛍光（バックグラウンド蛍光）を低減することができる。このように本実施形態に係る蛍光内視鏡システム１によれば、薬剤蛍光のコントラストを向上して、鮮明な蛍光画像を取得することができるという利点がある。また、図２（ｄ）に示されるように、減算後に増幅処理することによって、さらにコントラストを向上した蛍光画像を得ることができる。

なお、本実施形態においては、カーソル位置設定部１３としてマウスを例示したが、これに代えて、タッチペン等の他の機器を使用してもよいし、座標を数値入力することにしてもよい。
また、本実施形態においては、カーソルＡにより表示ユニット７上で指定された画像範囲の蛍光強度の平均値を算出して自家蛍光の強度情報Ｉ_０として採用したが、これに代えて、自家蛍光の強度情報Ｉ_０として任意の値を観察者に手動で入力させ、これを減算することにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０について、図３〜図５を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る蛍光内視鏡システム１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。

本実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０は、光源ユニット４に２つの異なる波長帯域の励起光を出射する２種類の励起光用光源４ａ，４ｂを備えている点および自家蛍光信号設定部５が、撮像素子１１により取得された蛍光画像情報に基づいて自家蛍光の強度情報を推定する点において、第１の実施形態に係る蛍光内視鏡システム１と相違している。

光源ユニット４に備えられた第１の励起光用光源４ａの波長特性Ｂと、該第１の励起光用光源４ａからの励起光による薬剤蛍光の波長特性Ｃ、第２の励起光用光源４ｂの波長特性Ｄと、該第２の励起光用光源４ｂからの励起光による自家蛍光の波長特性Ｅ、および第１の励起光用光源４ａからの励起光による自家蛍光の波長特性Ｆを図４に示す。第１の励起光用光源４ｂからの励起光は、生体組織に付着あるいは吸収されている蛍光色素の励起効率が、第１の励起光用光源４ａからの励起光と比較して十分に低い波長域を有している。

前記自家蛍光信号設定部５は、予め、蛍光プローブが散布されていない状態において、第１の励起光用光源４ａからの励起光が照射されたときに生体組織から発せられる自家蛍光の強度Ｉ_２と、第２の励起光用光源４ｂからの励起光が照射されたときに生体組織から発せられる自家蛍光の強度Ｉ_３との比率α（＝Ｉ_３／Ｉ_２）を算出して記憶している。そして、蛍光プローブが散布された状態での蛍光観察時には、第２の励起光用光源４ｂからの励起光を照射することにより取得された蛍光の強度情報に、予め記憶していた比率αを乗算することで、第１の励起光用光源４ａからの励起光が照射されたときの自家蛍光の強度情報を算出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蛍光内視鏡システム２０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０を用いて蛍光プローブが付着または吸収された生体組織を観察するには、まず、挿入部２を体腔内に挿入してその先端２ａを体腔内の観察対象部位に対向させる。この状態で、光源ユニット４の第１および第２の励起光用光源４ａ，４ｂからの励起光をそれぞれ射出させ、ライトガイド８を介して伝播された２種類の励起光を切り替えて体腔内の観察対象部位に照射する。

生体組織には蛍光プローブが付着または吸収されているので、第１励起光用光源４ａからの励起光が照射されることにより蛍光プローブが励起され、薬剤蛍光が発せられる。また、生体組織には自家蛍光物質が生来含有されているので、同じ励起光が照射されることにより自家蛍光も発せられる。これら薬剤蛍光および自家蛍光のうち、所定の波長帯域の光が蛍光フィルタ１０を透過して撮像素子１１によって撮影される。これにより薬剤蛍光の強度情報を含む画像（以下、薬剤蛍光画像情報という。）が取得される。

また、第２の励起光用光源４ｂからの励起光は、第１の励起光用光源４ａからの励起光に比べて蛍光プローブの励起効率が十分に低い波長帯域の光であるため、当該第２の励起光用光源４ｂからの励起光が照射されても薬剤蛍光は少なく、専ら自家蛍光が発せられる。生体組織から発せられた自家蛍光のうち、所定の波長帯域の光が蛍光フィルタ１０を透過して撮像素子１１によって撮影される。これにより自家蛍光の強度情報を含む画像（以下、自家蛍光画像情報）が取得される。

そして、撮像素子１１により取得された自家蛍光画像情報は、自家蛍光信号設定部５に送られることにより、予め記憶しておいた比率αが乗算され、自家蛍光の強度情報が推定される。推定された自家蛍光の強度情報は、画像補償部６に送られる。

画像補償部６においては、第１の実施形態と同様にして、撮像素子１１により取得された薬剤蛍光画像情報と、自家蛍光信号設定部５により算出された自家蛍光の強度情報とが入力され、薬剤蛍光画像情報から自家蛍光の強度情報が減算される。すなわち、図５（ａ）に示されるように、撮像素子１１から送られてくる蛍光画像情報には、薬剤蛍光および自家蛍光の両方が含まれているので、図５（ｂ）に示されるような自家蛍光信号設定部５において推定された自家蛍光の強度情報を、画像補償部６において減算することにより、図５（ｃ）に示されるように、薬剤蛍光が発せられている領域Ｇ以外の領域における蛍光（バックグラウンド蛍光）を低減することができる。このように本実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０によれば、薬剤蛍光のコントラストを向上して、鮮明な蛍光画像を取得することができる。

特に、本実施形態においては、自家蛍光の強度情報を一律に減算する第１の実施形態とは異なり、実際に取得した生体組織の自家蛍光画像に基づいて推定した自家蛍光の強度情報を減算するので、光源、光学系および撮像素子１１等の蛍光内視鏡システム２０に起因する画像中の強度の変化、および、生体組織の起伏や挿入部２の先端２ａからの距離に起因する画像中の強度の変化も加味した自家蛍光の強度情報を減算することができる。その結果、より確実にバックグラウンド蛍光を除去し、より鮮明な薬剤蛍光画像により観察を行うことができるという利点がある。

次に、本発明の第３の実施形態に係る蛍光内視鏡システム３０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、上述した第２の実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０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。

本実施形態に係る蛍光内視鏡システム３０は、図６に示されるように、光源ユニット４の第２の励起光用光源４ｂに代えて、参照光を出射する参照光用光源４ｂ′を備えている点、および、自家蛍光信号設定部５に記憶している比率βにおいて、第２の実施形態に係る蛍光内視鏡システム２０と相違している。参照光としては、蛍光物質を励起しない光が採用される。また、本実施形態においては、蛍光フィルタ１０に代えて、励起光による観察時と、参照光による観察時とで透過帯域を異ならせた波長選択フィルタ１０′を採用している。

波長選択フィルタ１０′としては、励起光による観察時には、薬剤蛍光の蛍光波長帯域に透過帯域を有するものが使用され、参照光による観察時には、薬剤蛍光の蛍光波長帯域とは重ならない透過帯域を有するもの、例えば、ファブリペロー型の可変分光素子が使用されるようになっている。

本実施形態に係る蛍光内視鏡システム３０においては、自家蛍光信号設定部５には、参照光を照射したときに得られる生体組織の表面における反射光の強度Ｉ_４と、励起光を照射したときに得られる自家蛍光の強度Ｉ_５との比率β（＝Ｉ_５／Ｉ_４）が予め測定して記憶されている。観察範囲において、反射光強度と自家蛍光強度の比は大きく変化しないと考えられるため、参照光源４ｂ′からの参照光を照射することにより取得された反射光強度情報に、予め記憶していた比率βを乗算することで、励起光源４ａからの励起光を照射したときの自家蛍光の強度を推定することができ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蛍光内視鏡システム３０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡システム３０を用いて蛍光プローブが付着または吸収された生体組織を観察するには、まず、挿入部２を体腔内に挿入してその先端２ａを体腔内の観察対象部位に対向させる。この状態で、光源ユニット４から励起光および参照光をそれぞれ射出させ、ライトガイド８を介して伝播された励起光および参照光を体腔内の観察対象部位に照射する。

生体組織には蛍光プローブが付着または吸収されているので、励起光が照射されることにより蛍光プローブが励起され、薬剤蛍光が発せられる。また、生体組織には自家蛍光物質が生来含有されているので、励起光が照射されることにより自家蛍光も発せられる。これら薬剤蛍光および自家蛍光のうち、所定の波長帯域の光が波長選択フィルタ１０′を透過して撮像素子１１によって撮影される。これにより薬剤蛍光の輝度情報を含む画像（以下、薬剤蛍光画像情報という。）が取得される。

一方、参照光の照射の際には生体組織表面における反射光のみを観測する。生体組織による反射光のうち、所定の波長帯域の光が波長選択フィルタ１０′を透過して撮像素子１１によって撮影される。これにより反射光の強度情報を含む画像（以下、反射光画像情報）が取得される。

そして、撮像素子１１により取得された反射光画像情報は、自家蛍光信号設定部５に送られることにより、予め記憶しておいた比率βが乗算され、自家蛍光の強度情報が推定される。推定された自家蛍光の強度情報は、画像補償部６に送られる。

画像補償部６においては、第１の実施形態と同様にして、撮像素子１１により取得された薬剤蛍光画像情報と自家蛍光の強度情報とが入力され、薬剤蛍光画像情報から自家蛍光の強度情報が減算される。すなわち、撮像素子１１から送られてくる蛍光画像情報には、薬剤蛍光および自家蛍光の両方が含まれているので、自家蛍光信号設定部５において推定された自家蛍光の強度情報を、画像補償部６において減算することにより、薬剤蛍光が発せられている領域以外の領域における蛍光（バックグラウンド蛍光）の強度を低減することができる。このように本実施形態に係る蛍光内視鏡システム３０によれば、薬剤蛍光のコントラストを向上して、鮮明な蛍光画像を取得することができる。

本実施形態においても、自家蛍光の強度情報を一律に減算する第１の実施形態とは異なり、実際に取得した生体組織の反射光画像に基づいて推定した自家蛍光の強度情報を減算するので、光源、光学系および撮像素子１１等の蛍光内視鏡システム３０に起因する画像中の強度の変化、および、生体組織の起伏や挿入部２の先端２ａからの距離に起因する画像中の強度の変化も加味した自家蛍光の強度情報を減算することができる。その結果、より確実にバックグラウンド蛍光を除去し、より鮮明な薬剤蛍光画像により観察を行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態において使用する参照光用光源４ｂ′は、前記励起光用光源４ａと共用することとしてもよい。この場合、波長選択フィルタ１０′の透過帯域として、図８に示されるように、励起光の波長帯域を設定しておけばよい。また、参照光の波長帯域としては、例えば、血液の吸収が弱い波長帯域のように、生体組織の血液分布に左右されない帯域を選ぶことが好ましい。このようにすることで、自家蛍光画像をより正確に推定することができる。

本発明の第１の実施形態に係る蛍光内視鏡システムの全体構成を示す図である。図１の蛍光内視鏡システムにより取得された（ａ）蛍光画像例、（ｂ）線Ｐ−Ｐ′に沿う蛍光強度分布、（ｃ）補償後の強度分布、（ｄ）増幅後の強度分布を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る蛍光内視鏡システムの全体構成を示す図である。図３の蛍光内視鏡システムの励起光用光源、薬剤蛍光、自家蛍光および蛍光フィルタの波長特性を示す図である。図１の蛍光内視鏡システムにより取得された（ａ）薬剤蛍光および自家蛍光を含む蛍光画像例、（ｂ）自家蛍光画像例、（ｃ）補償後の薬剤蛍光画像例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る蛍光内視鏡システムの全体構成を示す図である。図３の蛍光内視鏡システムの励起光用光源、薬剤蛍光、自家蛍光および蛍光フィルタの波長特性を示す図である。図７の変形例であって、励起光用光源と参照光用光源とを共用した場合の波長特性を示す図である。

符号の説明

１，２０，３０蛍光内視鏡システム
３撮像ユニット（撮像部）
４光源ユニット（励起光源）
４ａ，４ｂ励起光用光源（励起光源）
４ｂ′ 参照光用光源（参照光源）
５自家蛍光信号設定部
６画像補償部
１３カーソル位置設定部（画像範囲指定部）

Claims

生体組織に付着または吸収させた蛍光色素からの蛍光を観察する蛍光内視鏡システムであって、
前記蛍光色素を励起する励起光を射出する励起光源と、
該励起光源からの励起光を照射したときに前記生体組織から発せられる蛍光を撮影する撮像部と、
前記励起光を照射したときに前記生体組織から発せられる自家蛍光の信号強度を設定する自家蛍光信号設定部と、
前記撮像部により取得された蛍光画像情報を、前記自家蛍光信号設定部により設定された自家蛍光の信号強度に基づいて補償する画像補償部とを備える蛍光内視鏡システム。
前記自家蛍光信号設定部が、前記撮像部により取得された蛍光画像内の少なくとも一部の画像範囲を指定する画像範囲指定部を備え、該画像範囲指定部により指定された画像範囲内の蛍光信号強度を自家蛍光の信号強度として設定する請求項１に記載の蛍光内視鏡システム。
前記励起光源から射出される励起光とは異なる波長帯域にあって、前記蛍光色素の励起効率が前記励起光よりも低い波長帯域の他の励起光を射出する他の励起光源を備え、
前記撮像部が、前記２つの励起光源からの２種類の励起光を切り替えて照射したときに、生体組織から発せられる蛍光をそれぞれ撮影し、
前記自家蛍光信号設定部が、前記他の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された蛍光画像情報に基づいて、自家蛍光の信号強度を推定する請求項１に記載の蛍光内視鏡システム。
生体組織からの反射光画像を取得するため照明光を射出する参照光源を備え、
前記撮像部が、前記励起光源からの励起光と前記参照光源からの参照光を切り替えて照射したときに、生体組織から発せられる蛍光と前記参照光の反射光とをそれぞれ撮影し、
前記自家蛍光信号設定部が、前記参照光が照射されたときに前記撮像部により取得された反射光画像情報に基づいて、自家蛍光の信号強度を推定する請求項１に記載の蛍光内視鏡システム。
前記参照光源が前記励起光源により構成されている請求項４に記載の蛍光内視鏡システム。