JP2010142597A

JP2010142597A - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP2010142597A
Application number: JP2008326277A
Authority: JP
Inventors: Kohei Iketani; 浩平池谷; Yoichi Hitokata; 洋一人形
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01
Also published as: US20100157037A1; DE102009059978A1

Abstract

【課題】画素データを有効に利用することによって、診断に役立つ様々な観察画像を得る。
【解決手段】スコープ先端部を共振させて螺旋状に光を走査させる内視鏡装置において、高解像度モードの場合、走査スパイラル数を２５０から２倍（＝５００）にし、フレームレートを１／２に下げる。撮影状態が動作状態の場合、撮影状態がスコープ先端部を動かすような動作状態の場合、通常観察におけるスパイラル数、フレームレートで螺旋状走査を行う。
【選択図】図４

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、照明制御に関する。

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に合わせて実行され、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。検出された１フレーム分の画素信号は走査位置と対応づけられ、画素位置が特定される。そして、画素信号に対する信号処理によって映像信号が生成される。
米国特許第６，２９４，７７５号明細書米国特許第７，１５９，７８２号明細書

１スパイラルでのサンプリングデータが一定であって１フレーム期間におけるサンプリングデータ数が一定であると、解像度は常に一定になる。そのため、病変部が存在し、診断するのに重要な関心領域が表示されても、さらなる高解像度で観察画像を表示することができない。

本発明の内視鏡装置は、撮影に合わせて解像度を変換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駆動することによって、観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる走査手段と、観察対象からの反射光に基づいて画素信号を検出し、観察画像を生成する画像形成手段とを備える。

そして本発明の内視鏡装置は、前記光ファイバ先端部の駆動もしくは画素サンプリングを制御することにより、撮影状況に応じて観察画像の解像度を変換可能な解像度調整手段を備える。病変部の存在する観察画像が表示されている間、診断に必要な画像領域を高解像度で表示することが可能となる。また、スコープ先端部を器官内で移動させている間、観察画像は動き（ブレ）のある画像となる。動作中においては、画像処理に時間がかかる高解像度の画像を表示せず、リアルタイムの画像を迅速に表示させることが可能となる。

例えば、解像度調整手段が、撮影状態が静止状態であるか否かを判断し、静止状態の場合、動作状態のときと比べて解像度を上げるのがよい。ここで、静止状態とは、スコープ先端部を器官内で移動、あるいはスコープ先端部を湾曲させるような動作（作業）状態ではなく、観察、診断のため注目部位を撮影している状態を示す。

静止状態、動作状態であるか否かを的確かつ精度よく判断するため、観察画像の動きを検出する画像動き検出手段、あるいは前記スコープ先端部の動きを検出する動き検出センサを設けるのがよい。特に、脈動など観察対象自身の動きを動作状態と判断するのを防ぐため、画像動き検出手段および動き検出センサを設け、解像度調整手段が、前記スコープ先端部の動きおよび観察画像の動き両方に基づいて、静止状態であるか否かを判断するのがよい。

オペレータの指示によって高解像度の観察画像を表示させるため、観察画像の解像度を上げる高解像度モードを設定するモード設定手段を設けるのがよい。解像度調整手段は、高解像度モードの場合、観察画像の解像度を上げる。一方で、前記高解像度で観察画像を表示する間にも、スコープ先端部の動き等によって動作状態に移行する場合があり、高解像度の観察画像を表示させる必要がない。そのため、前記解像度調整手段が、高解像度モードにおいて動作状態が検出されると、画像処理が容易となるように、解像度を下げるのが望ましい。

解像度変換方法に関しては、径方向に沿った画素密度を画面全体で均一に大きくすることが望ましい。そのため、解像度調整手段は、定められた走査エリアに対するスパイラル数を増減させるのがよい。特に、ファイバ先端部を過度に高速駆動させて画像に歪みが生じることを防ぐため、光ファイバ先端部の走査速度を変えずにフレームレートを下げるようにするのが好ましい。

本発明の内視鏡解像度調整装置は、観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断する撮影状態判断手段と、静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げる解像度調整手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のプログラムは、観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断する撮影状態判断手段と、静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げる解像度調整手段とを機能させることを特徴とする。

本発明の内視鏡画像形成方法は、観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断し、静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げることを特徴とする。

本発明によれば、画素データを有効に利用することによって、診断に役立つ様々な観察画像を得ることができる。

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によって放射された白色光は、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。入射した白色光は、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全体が順に照射されていく。

観察対象Ｑ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、所定のフレームレートおよびサンプリングレートに従って検出され、一時的に画像用メモリ３１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、画像用メモリ３１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。また、タイミングコントローラ３４は、画素信号を検出するためのクロックパルス信号（駆動信号）をフォトセンサ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂへ出力する。

プロセッサ３０のフロントパネルに設けられたモードスイッチ６２は、高解像度モードを設定するためのスイッチであり、オペレータによって操作される。高解像度モードは、病変部の詳しい状況など診断に影響のある画像を高画質で観察するために設定される。高解像度モードが設定されると、後述するように、光ファイバ先端部１７Ａの駆動およびフレームレートを変更することにより、観察画像の解像度が変換される。

図３は、光ファイバ先端部駆動のタイミングチャートを示した図である。図４は、走査範囲を示した図である。図３、４を用いて、観察画像の解像度を変換する走査方法について説明する。

円状に形成される１画面分の観察画像Ｍは、螺旋状走査によって形成される画像であり、径方向の走査ライン数は、スパイラル数に従う。ただし、走査位置が径方向に沿った同一直線を周回するのを１走査ラインとしてカウントする。

図４（ａ）に示すように、通常観察の場合、５００×５００ドット（ピクセル）の解像度で円状の観察画像Ｍが形成される。すなわち、走査開始位置に相当する画面中心Ｏから径方向に沿って２５０ピクセルの画素を形成する。そのため、スパイラル数は２５０となる。

通常観察では、１フレーム期間に２５０スパイラルの螺旋状走査をするように、光ファイバ先端部１７Ａが駆動される。図３には、光ファイバ先端部１７Ａの駆動波形が図示されており、走査開始から期間ＦＡの間、スパイラル数２５０による螺旋状走査が行われる。期間ＦＢの間に、光ファイバ先端部１７Ａが中心位置、すなわち走査開始位置へ戻る。

画素信号は所定のサンプリングレートに従って検出され、１周分（１スパイラル）の走査に対してサンプル、検出される画素データは、ここでは一定である（例えば、２０００／スパイラル）。サンプリングレートに従った１画面分の画素信号は所定のフレームレートで周期的に読み出され、画像用メモリ３１に格納される。フレームレートは、ここでは３０ｆｐｓに定められている。

一方、高解像度モードが設定されると、走査エリアを同じに保ったまま、スパイラル数を２倍（５００スパイラル）に変更する。そして、走査速度（角速度）を変更しない代わりに、フレームレートを１／２倍（１５ｆｐｓ）に変更する。光ファイバ先端部１７Ａの駆動波形の振幅増加率は、１／２倍に下げられる。

その結果、形成される観察画像Ｍ１は、１０００×１０００ドットの解像度をもつ（図４（ｂ）参照）。すなわち、中心Ｏから径方向外側に５００ピクセルで観察画像Ｍ１が形成される。観察画像Ｍ１は、観察画像Ｍに比べて径方向に沿った画素密度が２倍となり、全体の画素数は４倍となる。

図５は、コントローラ４０によって実行される走査制御処理を示したフローチャートである。

ステップＳ１０１では、高解像度モードが設定されているか否かが判断される。高解像度モードが設定されていない場合、ステップＳ１０６へ進み、通常観察に応じた走査が実行される。すなわち、２５０スパイラル数による螺旋状走査を実行するように、フレームレート（３０ｆｐｓ）を設定し、ファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂを制御する。

そして、観察対象からの反射光に基づき、所定のサンプリングレートに従って時系列的に画素信号が検出される。２５０スパイラル数に対応する画素データが画像用メモリ３１へ順次格納されるように、信号処理回路３２が制御される（Ｓ１０７）。１フレーム分の画素データが検出されるまでステップＳ１０７が繰り返し実行される（Ｓ１０８）。

一方、ステップＳ１０１において、高解像度モードが設定されたと判断されると、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、観察画像が静止状態であるか否かが判断される。具体的には、スコープ先端部１０Ｔに設けられた加速度センサ１５からの検出信号に基づき、スコープ先端部１０Ｔに動きがあるか判断される。一方、信号処理回路３２では、動きベクトル検出のため、前回のフレーム期間における１フレーム分の画像データとの差分データが生成される。

オペレータがスコープ先端部１０Ｔを器官内部へ挿入させる間、画面に表示される観察画像は動きの激しい映像となり、高解像度の観察画像を得る必要がない。逆に、現在のスコープ先端部１０Ｔの位置を移動させながら診断するため、フレームレートの高い画像が必要となる。

したがって、スコープ先端部１０Ｔが動いている場合、撮影状態が動作状態にあると判断する。一方、差分データによって動きベクトルが検出されても、スコープ先端部１０Ｔによる画像の動きであるのか、脈動などの器官自身の動きであるのか判断できない。そのため、スコープ先端部１０Ｔの動き、および動きベクトルの両方が検出される場合、撮影状態が動作状態にあると判断する。

撮影状態が動作状態にある場合、ステップＳ１０６へ進み、通常観察と同様の螺旋状走査が行われる。一方、撮影状態が静止状態にある、すなわちスコープ先端部１０Ｔの動きが無く、観察対象を十分観察するため高解像度の画像を必要としている状態と判断し、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、同じ走査エリア（走査対象）に対し、スパイラル数５００による走査が実行されるように、ファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂが制御される。それとともに、フレームレートが１／２倍のレート（１５ｆｐｓ）に設定される。そして、５００スパイラルに応じた画像データが画像用メモリ３１へ順次格納される（Ｓ１０４）。１フレーム分の画素データが格納されるまでステップＳ１０４が繰り返し実行される（Ｓ１０５）。

１フレーム分の画素データが格納されると、ステップＳ１０１へ戻り、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８が繰り返される。すなわち、フレーム期間ごとに、高解像度モードの設定状態、撮影状態に応じた走査が実行される。走査終了の操作がなされると、走査制御処理は終了する。

このように本実施形態によれば、スコープ先端部を共振させて螺旋状に光を走査させる内視鏡装置において、高解像度モードの場合、走査スパイラル数を２倍にし、フレームレートを１／２に下げる（Ｓ１０３）。これにより、解像度の向上した観察画像Ｍ１が得られる。撮影状態がスコープ先端部を動かすような動作状態の場合、通常観察におけるスパイラル数、フレームレートで螺旋状走査を行う。

従来型の内視鏡装置のように、ＣＣＤなどの２次元イメージセンサを使用した場合、解像度はイメージセンサの画素間隔に依存し、イメージセンサの画素数を限度にして解像度が定まる。したがって、解像度変換を行う場合、間引き処理などによって解像度を下げるしかない。

一方、本実施形態では、走査型光ファイバを制御することによってサンプル画素の密度を径方向に変化させ、フレーム期間ごとに解像度を高解像度、通常解像度の間で切り替えることが可能となる。したがって、高解像度の要求される場面で解像度の高い観察画像を表示することができる。またフレームレートを落として走査速度を変えないため、無理に光ファイバ先端部を高速で駆動することなく、高解像度の観察画像を得ることができる。

一方、高解像度モードにおいても、撮影状態が動作状態になると、通常観察と同じ走査が行われる。そのため、高画質の画像が必要なく、スコープ先端部１０Ｔの位置、および観察対象となっている器官部分を確認するのに十分な観察画像を表示することが可能である。

さらに、撮影状態が静止状態であるか否かを２つの動き、すなわちスコープ先端部１０Ｔの動きと、観察画像の動きから判断している。そのため、器官自身が動くような観察対象でも、誤って動作状態と判断されることなく、高解像度の観察画像が表示される。

なお、オペレータの操作によらず、自動的に高解像度モードに切り替える構成にすることも可能である。さらに、観察画像の動きベクトルだけ、あるいはスコープ先端部の動きだけで高解像度モードにおける通常スパイラル数への変更を行うことも出来る。

サンプリングレート数、スパイラル数は任意に設定可能であり、上記以外の解像度に変更するように構成してもよい。また、フレームレートをそのまま一次、ファイバ先端部を２倍の高速に動かすことも可能である。さらには、光ファイバ先端部のスパイラル走査を変更する代わりに、１スパイラル当たりのサンプリング数（画素サンプリング）を変更するように構成することも可能である。

なお、螺旋状走査はファイバ先端部を共振させる以外の構成にすることも可能である。

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。光ファイバ先端部駆動のタイミングチャートを示した図である。走査範囲を示した図である。走査制御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
１６ＳＦＥ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
４０コントローラ

Claims

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駆動することによって、観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる走査手段と、
観察対象からの反射光に基づいて画素信号を検出し、観察画像を生成する画像形成手段と、
前記光ファイバ先端部の駆動もしくは画素サンプリングを制御することにより、撮影状況に応じて観察画像の解像度を変換可能な解像度調整手段と
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
前記解像度調整手段が、撮影状態が静止状態であるか否かを判断し、静止状態の場合、動作状態のときと比べて解像度を上げることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
観察画像の動きを検出する画像動き検出手段と、
前記スコープ先端部の動きを検出する動き検出センサとをさらに有し、
前記解像度調整手段が、前記スコープ先端部の動きおよび観察画像の動き両方に基づいて、静止状態であるか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
観察画像の解像度を上げる高解像度モードを設定するモード設定手段をさらに有し、
前記解像度調整手段が、高解像度モードの場合、観察画像の解像度を上げるとともに、高解像度モードにおいて動作状態が検出されると、解像度を下げることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記解像度調整手段が、走査エリアに対する走査スパイラル数を増減させるように、前記光ファイバ先端部の駆動を制御す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。
前記解像度調整手段が、前記光ファイバ先端部の走査速度を変えずにフレームレートを下げることを特徴とする請求項５に記載の内視鏡装置。
観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断する撮影状態判断手段と、
静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げる解像度調整手段と
を備えたことを特徴とする内視鏡解像度調整装置。
観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断する撮影状態判断手段と、
静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げる解像度調整手段と
を機能させることを特徴とするプログラム。
観察対象に対し照明光を螺旋状に走査させる間、静止状態であるか否かを判断し、
静止状態の場合、走査エリアに対する走査スパイラル数を増加させることによって、観察画像の解像度を上げることを特徴とする内視鏡解像度調整方法。