JP2010131112A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアルタイムの画像情報を利用して観察画像を適切に表示する。
【解決手段】ファイバ先端部を２次元的に共振させることにより、照明光を螺旋状に走査させる。より具体的には、螺旋状走査と円状走査を１周ずつ交互に実行し、走査半径を段階的に拡大していく。そして、奇数ライン（螺旋状走査ライン）の画素データに基づき、次の偶数ライン（円状走査ライン）では、走査位置に応じて照明光量を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光を走査させて観察画像を取得する内視鏡装置に関し、特に、ノイズリダクション、明るさ補正など観察画像の調整に関する。

内視鏡装置として、ＣＣＤなどのイメージセンサの代わりに走査型光ファイバを備えた内視鏡装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。そこでは、シングルモード光ファイバなどの走査型光ファイバが設けられ、先端部分は、圧電アクチュエータによって保持される。

圧電アクチュエータは、振動振幅を変調および増幅させながら、ファイバ先端部を中心から外側へ螺旋状に振動させる（共振させる）。これにより、光ファイバを通った照明光は、観察部位に向けて螺旋状に放射される。光走査は所定のフレームレートで実行され、螺旋状走査が周期的に行われる。

観察部位で反射した光は、プロセッサもしくはスコープ先端部に設けられたフォトセンサによって検出され、画素信号が生成される。時系列的に検出される１フレーム分の画素信号は走査位置と対応づけられ、螺旋状の画素データをラスタ配列することによって画素位置が特定される。これによって映像信号が生成され、観察画像がモニタに表示される。
米国特許第６，２９４，７７５号明細書 米国特許第７，１５９，７８２号明細書

明るさ調整等を行う場合、前回のフレーム／フィールド期間で取得された画像データを参照しながら、照明光量の調整、あるいは画像処理を実行する。そのため、リアルタイムの画像データと参照画像データとの間にタイムラグが生じ、リアルタイムで表示される画像を適切な画質状態で維持することが難しい。特に、時系列的に画素信号を取得するため、走査開始付近の中心エリアでタイムラグが大きくなり、最新の画素情報に基づいた画像調整が難しい。

本発明の内視鏡装置は、リアルタイムで観察画像を迅速に調整することが可能な内視鏡装置であり、光源からの照明光をスコープ先端部へ伝達する光ファイバと、光ファイバ先端部を振動させることによって、観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、観察対象からの反射光によって得られる画素信号から生成される観察画像に対し、画像調整を行う画像調整手段とを備える。

本発明の内視鏡装置では、走査手段が、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させる。そして、画像調整手段が、円状走査ライン（もしくは螺旋状走査ライン）に応じた観察画像部分を、前後の螺旋状走査ライン（もしくは円状走査ライン）から得られる画素信号に基づいて調整する。

各フレーム期間において照明光を順次走査させる場合、走査開始時点と走査終了時点にはタイムラグが生じる。しかしながら、同じフレーム期間の中で走査方向に沿った前後に隣り合う螺旋状走査／円状走査ラインの画素データを参照データとして利用するため、必要な画素情報がリアルタイムで取得される。その結果、参照データとの間でタイムラグがなく、リアルタイムの情報で画像調整が行われる。また、隣り合う螺旋状走査、円状走査は、ほぼ同一走査ラインの軌跡を辿る。よって、ほぼ同じ走査位置の画素データに基づいた画像調整を行うため、適切な調整が行われる。

このような走査ラインごとの画像調整により、１フレーム期間内で走査進行と同時に画像調整を行うことが可能である。例えば、画像調整手段は、連続した螺旋状走査と円状走査が進行する度に画像調整を順次行っていくのがよい。１フレーム分の画素データについてまとめて画像調整を行わずに走査ラインごとに画像調整を順次行うため、調整された観察画像を１画面分の画像データに応じたメモリを必要としない。

画像調整としては、画像信号処理による画質劣化を防ぐため、明るさ補正、ノイズ除去などの目的で照明光量を調整するのがよい。画像調整手段は、螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインによる画素信号に基づいて、次の円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに対し照明光量を調整することが可能である。

あるいは、照明光量では難しい画像補正などを目的として画像補正処理を実行してもよく、明るさ補正、輪郭強調、ノイズリダクションなど画像補正の目的に応じた処理を実行するのが望ましい。観察画像の画素配列の精度を考慮すれば、円状走査によって得られる画素信号から１画面分の観察画像データを生成するのが望ましい。

走査手段は、螺旋状走査と円状走査を一周分ずつ交互に実行させるのが望ましい。ただし、螺旋状走査においては、径方向に沿って同一直線上へ実質的に戻るまでを一周とする。例えば、画像調整手段は、各一周分の円状走査ラインに応じた画像部分を、直前の一周分の螺旋状走査ラインに応じた画素信号に基づいて調整するのがよい。

過度に明るい、あるいは暗いエリアが観察画像に中で生じる場合、例えば、画像調整手段は、一周分の螺旋状走査ラインによって得られる画素信号の輝度データが許容値を超えているか否かを判断し、次の円状走査ラインの中で許容値を超えている部分について画像調整すればよい。

本発明の内視鏡画像調整装置は、観察対象に対し照明光を走査させるため、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させる走査手段と、画像調整手段が、円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像部分に対し、走査方向に沿って前後の螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインから得られる画素信号に基づいた画像調整を行う画像調整手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の内視鏡画像調整方法は、観察対象に対し照明光を走査させるため、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させ、画像調整手段が、円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像部分に対し、走査方向に沿って前後の螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインから得られる画素信号に基づいた画像調整を行うことを特徴とする。

本発明によれば、リアルタイムの画像情報を利用して観察画像を適切に表示することができる。

以下では、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、本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。図２は、走査型光ファイバを模式的に示した図である。

内視鏡装置は、スコープ１０とプロセッサ３０とを備え、スコープ１０には、照明用の光ファイバ（以下、走査型光ファイバという）１７と観察対象からの反射光を伝送する光ファイバ（以下、イメージファイバという）１４が設けられている。イメージファイバ１４の先端部は分岐しており、光学レンズ１９の周囲に配置されている。スコープ１０はプロセッサ３０に着脱自在に接続され、また、プロセッサ３０にはモニタ６０が接続される。

プロセッサ３０には、Ｒ，Ｇ，Ｂの光をそれぞれ発光するレーザー光源２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂが設けられ、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂによって駆動される。Ｒ，Ｇ，Ｂの光を同時発光させることにより、白色光を観察対象に向けて照射する。

レーザー光源２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂから放射されたＲ，Ｇ，Ｂからの光は、ハーフミラー群２４、集光レンズ２５によって集光され、走査型光ファイバ１７に入射する。入射した光は、走査型光ファイバ１７を通ってスコープ先端部１０Ｔへ送られる。

図２に示すように、スコープ先端部１０Ｔから射出する照明光を走査させるスキャナデバイス（以下、ＳＦＥスキャナという）１６が、スコープ先端部１０Ｔに設けられている。ＳＦＥスキャナ１６はアクチュエータ１８備え、スコープ１０内に設けられたシングルモード型の走査型光ファイバ１７は、円筒状アクチュエータ１８の軸に挿通されて保持される。

スコープ先端部１０Ｔに固定されたアクチュエータ１８は、ピエゾ素子によるチューブ型アクチュエータであり、走査型光ファイバ１７の先端部１７Ａを二次元的に共振させる。アクチュエータ１８には、水平方向（Ｘ軸方向）、垂直方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ相対する２対の圧電素子（図示せず）が設けられ、水平方向の共振、垂直方向の共振をそれぞれ行う。

アクチュエータ１８は、直交する２方向に沿って所定の共振モードでファイバ先端部１７Ａを共振させる。カンチレバー状に支持されるファイバ先端部１７Ａは、水平方向の共振、垂直方向の共振を受けることにより先端面１７Ｓの向きを変え、軸中心から外側へ向けて螺旋状に動く。

その結果、先端面１７Ｓから射出し、光学レンズ１９を通って観察部位Ｓに到達する光の軌跡ＰＴは、中心から外側へ向かう螺旋状の走査線になる。螺旋状走査線ＰＴの径方向間隔をできる限り密にすることによって、観察対象Ｑ全体が照射される。

観察対象で反射した光は、イメージファイバ１４に入射し、プロセッサ３０へ導かれる。イメージファイバ１４からの反射光は、光学レンズ２６、ハーフミラー群２７によってＲ，Ｇ，Ｂの光に分離され、それぞれフォトセンサ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂに入射する。フォトセンサ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂは、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの光をＲ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号に変換する。

Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号は、Ａ／Ｄ変換器２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂにおいてデジタル画素信号に変換され、信号処理回路３２へ送られる。信号処理回路３２では、順次送られるＲ，Ｇ，Ｂのデジタル画素信号と照明光の走査位置とのマッピングにより、画素位置が特定され、１フレーム分のデジタル画素信号がラスタ配列される。１フレーム分のデジタル画素信号は、一時的に第１画像用メモリ３３Ａ、もしくは第２画像用メモリ３３Ｂに格納される。

信号処理回路３２では、デジタル画素信号に対してホワイトバランス調整、色変換処理など様々な画像信号処理が施され、画像信号が生成される。１フレーム分の画像信号は、第１画像用メモリ３３Ａ、第２画像用メモリ３３Ｂへ交互に格納される。画像信号はエンコーダ３７を介してモニタ６０に送信され、フルカラーの観察画像がモニタ６０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコントローラ４０は、プロセッサ３０の動作を制御し、ＲＯＭには動作制御に関するプログラムが格納されている。コントローラ４０は、信号処理回路３２、タイミングコントローラ３４、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂなどへ制御信号を出力する。

タイミングコントローラ３４は、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、およびＳＦＥスキャナ１６に駆動信号を出力するファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂに対して同期信号を出力し、ファイバ先端部１７Ａの振動と発光タイミングを同期させる。タイミングコントローラ３４は、ファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂを制御して螺旋状走査、円状走査を交互に実行させる。

レーザー光源２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの出力はレーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからの駆動信号（電流量）に基づいて調整され、観察対象への照明光量（光強度）が調整される。信号処理回路３２では、デジタル画素信号に基づいて輝度信号が生成され、輝度信号がコントローラ４０へ送られる。

コントローラ４０は、輝度信号に基づいてレーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂに制御信号を出力し、画像調整を行う。ここでは、観察画像が適切な明るさとなるように、照明光量、すなわち照明光の光強度を調整する。補正値メモリ４１には、照明光量を調整するため輝度データが格納される。

図３は、１フレーム期間の走査を示した図である。図４は、走査時におけるアクチュエータの駆動電圧を時系列に示した図である。

図３に示すように、（１画面分の観察画像を取得する）１フレーム期間中、螺旋状走査と円状走査を１周ずつ交互に行う。ただし、螺旋状走査では走査半径が拡大していくので、周回して径方向に沿った同一直線上に戻ったときを１周としてカウントする。

一周分の光走査を１走査ラインと定めた場合、奇数ライン（２ｎ−１）では径を拡大する螺旋状走査を行い、偶数（２ｎ）ラインでは、径を拡大させずに一定の径で円を描く円状走査を行う（図４参照）。すなわち、段階的に走査線の径が拡大していく。

図４では、１フレーム期間における駆動電圧レベルが拡大図示されている。径の広がる螺旋状走査ライン（奇数ライン）では駆動電圧が一定の傾きで上昇する。一方、径が一定の円状走査ラインでは、駆動電圧が一定に定められる。したがって、光ファイバ先端部１７ＡのＸ、Ｙ軸方向に沿った振幅は、奇数ラインの増幅と偶数ラインの一定振幅を交互に繰り返しながら、全体的に大きくなっていく。

図５は、コントローラ４０によって実行される明るさ調整処理を示したフローチャートである。図６は、照明光量と輝度データのタイミングチャートである。

ステップＳ１０１では、今現在の走査ラインが奇数ラインであるか否かが判断される。奇数ラインである場合、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、参照輝度データとして時系列的に検出された一連の輝度データの中に、閾値を超える輝度データが存在するか否かが判断される。閾値は、画像観察に支障が生じる明るさレベルを基準として定められ、上限閾値Ｔ１と下限閾値Ｔ２から構成される。

図６に示す奇数ラインの輝度データでは、多くの輝度データが上限閾値Ｔ１と下限閾値Ｔ２との間、すなわち許容範囲に属するが、一部輝度データは、上限閾値Ｔ１より大きく、あるいは下限閾値Ｔ２より小さい。

ステップＳ１０２において、閾値Ｔ１、Ｔ２を超える輝度データが存在しない場合、次の偶数ラインで照明光量を補正しないように、補正のないことを示すデータが第１画像用メモリ３３Ａに格納される（Ｓ１０３）。一方、閾値Ｔ１、Ｔ２を超える輝度データが存在する場合、次の偶数ラインに応じた補正値メモリ４１のアドレスに輝度データが格納される（Ｓ１０４）。

ステップＳ１０３、もしくはＳ１０４が実行された後、ステップＳ１０１において走査ラインが偶数ラインであると判断された場合、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、偶数ラインに対する円状走査の間、走査位置に応じて照明光量が調整される（Ｓ１０５）。すなわち、前回の奇数ラインの走査によって閾値Ｔ１、Ｔ２を超える許容範囲外の輝度データが検出された走査位置に対し、照明光量を増減、あるいは減少させる。照明光量の減少量、増加量（調整値）は、例えばルックアップテーブルなどを用いて算出される。

奇数ラインの輝度データを参照しながら次の偶数ラインの照明光量を調整する光量調整処理が、螺旋状走査ラインとそれに続く円状走査ラインの組を１つとして順番に行われる。そして、１組の走査ラインに対して光量調整が終了すると、補正値メモリ４１には新たに検出された奇数ラインの輝度データが上書きされる。観察が終了するまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６が繰り返し実行される。

このように本実施形態によれば、ファイバ先端部１７Ａを２次元的に共振させることにより、照明光を螺旋状に走査させる。より具体的には、螺旋状走査と円状走査を１周ずつ交互に実行し、走査半径を段階的に拡大していく。そして、奇数ライン（螺旋状走査ライン）の画素データに基づき、次の偶数ライン（円状走査ライン）では、走査位置に応じて照明光量を調整する。

一周分の走査ラインに対して順番に光量調整が行われる、すなわち走査進行に合わせて光量調整が行われるため、タイムラグのない直前の画素データ情報に基づいて画像調整を順次行うことができる。また、一周分の走査ラインの画素データを格納する容量をもつメモリで済む。

次に、図７を用いて第２の実施形態である内視鏡装置について説明する。第２の実施形態では、照明光量を調整する代わりに画像処理が行われる。

図７は、第２の実施形態における画像調整処理を示したフローチャートである。

第２の実施形態では、奇数ライン（螺旋状走査ライン）の画素データ、偶数ライン（円状走査ライン）の画素データがともに格納される。奇数ラインの場合、第１画像用メモリ３３Ａに検出された画素データが順次格納され、偶数ラインの場合、第２画像用メモリ３３Ｂに画素データが順次格納されていく（Ｓ２０１〜Ｓ２０３）。

そして、１ライン分（一周分）の走査が終了すると（Ｓ２０４）、次の奇数ラインもしくは偶数ラインの走査に合わせて、画素データの格納先を第１画像用メモリ３３Ａ、もしくは第２画像用メモリ３３Ｂに切り替える（Ｓ２０５）。

ステップＳ２０６では、奇数ラインの画素データに対し、輝度レベルの平均値ＤＯｎが算出され、平均値ＤＯｎが許容範囲外であるか否かが判断される。平均値ＤＯｎが許容範囲外である場合、対応する偶数ラインの画素データに画像処理が行われる（Ｓ２０７）。ここでは、ノイズリダクション処理が施される。

一方、平均値ＤＯｎが許容範囲内の場合、画像補正処理は行われない。ステップＳ２０８では、偶数ラインの画素データが画像データとして出力される。観察が終了するまで、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８が繰り返し実行される。

なお、奇数ライン、偶数ラインの画素データの平均値を算出せず、第１の実施形態と同様に１走査ラインの各画素について補正処理を実行させてもよい。また、画像補正処理としては、輪郭強調処理、明るさ補正処理など他の処理を行ってもよい。

第１、第２の実施形態では、奇数ラインの画素データを参照データとして使用しているが、偶数ラインを参照用データとして使用し、奇数ラインの画素データによって観察画像を構成しても良い。あるいは、奇数ラインの画素データを偶数ラインの画素データに利用して観察画像を構成してもよい。さらに、奇数ラインと偶数ラインで波長領域の異なる照明を切り替えるようにしてもよい。

１周ずつ螺旋状走査と円状走査を交互に実行する代わりに、任意の周方向長さだけ（例えば半周）走査進行する度に螺旋状走査と円状走査を切り替えるように構成してもよい。

内視鏡装置として従来の内視鏡装置に走査型光ファイバを組み込む構成でもよく、また、ファイバ先端部を振動させずに照明光を走査させる構成でもよい。

本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。 走査型光ファイバを模式的に示した図である。 １フレーム期間の走査を示した図である。 走査時におけるアクチュエータの駆動電圧を時系列に示した図である。 コントローラによって実行される明るさ調整処理を示したフローチャートである。 照明光量と輝度データのタイミングチャートである。 第２の実施形態における画像調整処理を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ ビデオスコープ
１６ ＳＦＥスキャナ
１７ 走査型光ファイバ
２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ レーザー光源
３０ プロセッサ
３３Ａ 第１画像用メモリ
３３Ｂ 第２画像用メモリ
４０ コントローラ

Claims (9)

1. 光源からの照明光をスコープ先端部へ伝達する光ファイバと、
   光ファイバ先端部を振動させることによって、観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、
   反射光の画素信号から生成される観察画像に対し、走査しながら画像調整を行う画像調整手段とを備え、
   前記走査手段が、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させ、
   前記画像調整手段が、円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像部分に対し、走査方向に沿って前後の螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインから得られる画素信号に基づいた画像調整を行うことを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記走査手段が、螺旋状走査と円状走査を１周ずつ交互に実行させることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記画像調整手段が、一周分の円状走査ラインに応じた画像部分に対し、直前の一周分の螺旋状走査ラインに応じた画素信号に基づいて画像調整することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
4. 前記画像調整手段が、一周分の螺旋状走査ラインによって得られる画素信号の輝度データが許容値を超えているか否かを判断し、次の一周分の円状走査ラインの中で許容値を超えている部分について画像調整することを特徴とする請求項２乃至３のいずれかに記載の内視鏡装置。
5. 円状走査によって得られる画素信号から、１画面分の観察画像データが生成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。
6. 前記画像調整手段が、螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインによる画素信号に基づいて、次の円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに対し照明光量を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
7. 前記画像調整手段が、螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインによる画素信号に基づいて、次の円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像データに対し、画像処理を実行することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
8. 観察対象に対し照明光を走査させるため、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させる走査手段と、
   前記画像調整手段が、円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像部分に対し、走査方向に沿って前後の螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインから得られる画素信号に基づいた画像調整を行う画像調整手段と
   を備えたことを特徴とする内視鏡画像調整装置。
9. 観察対象に対し照明光を走査させるため、走査半径を広げる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを交互に実行させ、
   前記画像調整手段が、円状走査ラインもしくは螺旋状走査ラインに応じた画像部分に対し、走査方向に沿って前後の螺旋状走査ラインもしくは円状走査ラインから得られる画素信号に基づいた画像調整を行うことを特徴とする内視鏡画像調整方法。

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