JP2011055935A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブをスコープに挿通可能な内視鏡装置において、観察対象の３次元情報を確実に取得し、３次元画像を表示する。
【解決手段】ビデオスコープ１０による画像と、ビデオスコープ１０の鉗子チャンネル１０Ｆに挿通されたプローブ１５による画像に基づいて、観察対象の高さ情報を取得し、３次元画像を表示する。特に、ビデオスコープ１０の種類およびプローブ先端部１５Ｔの突出長さを検出することにより、撮影距離間隔、撮影角度差を検知し、観察対象の高さ情報を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、スコープによる撮影によって器官内壁などの観察画像を表示する内視鏡装置に関する。特に、スコープに設けられた鉗子チャンネルにプローブを挿通可能であって、３次元画像を表示可能な内視鏡装置に関する。

内視鏡装置では、スコープ先端部に２つの撮像素子を配置し、２つの画像から立体画像を表示可能である（例えば、特許文献１参照）。そこでは、２つの撮影方向の角度差（両眼視差）に基づいて立体画像をモニタに表示する。注目部位を立体的に表現することによって、患部の立体的形状を把握しながら診断、手術を効果的に行うことができる。一方、超音波プローブを使って３次元画像を取得することも可能であり、超音波断層画像によって３次元画像を獲得する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１６４１０号公報 特開２００８−３６４４７号公報

２つの撮像素子を設けたビデオスコープは立体表示専用内視鏡であり、通常観察用の内視鏡装置とは異なるシステムを構築しなければならない。また、超音波プローブを用いた診断装置においても、従来スコープによるカラー画像は利用されず、独自の画像処理によって３次元画像を取得するように構成されている。そのため、通常観察モードと３次元画像観察モードを切り替える簡易な内視鏡システムが構築できない。

本発明の内視鏡装置は、ＣＣＤなどの撮像素子を備えたスコープと、スコープに設けられた鉗子チャンネルに挿通可能プローブとを備える。スコープによってフルカラー画像などのスコープ画像が生成される。プローブとしては、撮像素子を備えたプローブ、イメージ用ファイバを備えたプローブなどが適用可能である。また、走査型内視鏡などを適用可能であり、光ファイバ先端部を振動させることにより照明光を観察対象に向けて走査させる走査手段が設けられている。

また、本発明の内視鏡装置は、スコープによって得られるスコープ画像と、プローブによって得られるプローブ画像との撮影角度差に基づいて観察対象の３次元情報を取得し、得られた３次元情報に基づいて立体的画像を生成する３次元画像処理手段を備える。

ここで、撮影角度差は、同一観察対象に関してスコープ撮影方向に対するプローブ撮影方向の角度を表す。また、３次元情報は、観察対象の高さなど立体的形状を特徴づける情報をここでは示す。スコープの撮影エリアとプローブの撮影エリアの撮影距離間隔（画像中心位置の距離間隔）と、撮影角度差が明らかである場合、観察対象の３次元情報（高さなど）を取得することが可能である。例えば、２つの画像間での位置座標の違いから高さ情報を取得すればよい。

さらに本発明の内視鏡装置は、スコープ先端面から突出しているプローブ先端部の突出長さを測定する突出長さ測定手段を備え、３次元画像処理手段は、検出される突出長さに応じた撮影角度差に基づいて３次元情報を取得する。

撮影距離間隔、すなわち、スコープ先端部に設けられた鉗子口と対物レンズ間の距離間隔は一定であっても、プローブ先端部の突出長さは観察状況に応じて変わる。本発明では、突出長さに応じて変化する撮影角度差を検知するため、プローブ先端部の位置に関係なく３次元情報が確実に取得される。

スコープの種類、特にスコープ先端部の特性（サイズなど）によって撮影距離間隔は変わる。したがって、３次元画像処理手段は、接続されているスコープの種類、すなわち撮影距離間隔を検知し、その撮影距離間隔に基づいて３次元情報を取得するのがよい。例えばスコープ種類を検知して対応する撮影距離間隔を設定し、あるいは、スコープのメモリに撮影距離間隔のデータを記憶させてもよい。

プローブが自在にスコープ内部へ挿入されることを考慮すると、プローブ先端部の位置を外部から測定できるのが望ましい。例えば、プローブ先端部の外周面に所定間隔で目盛を形成し、突出長さ測定手段が、目盛を計測することによって突出長さを検出するように構成してもよい。

正確に突出長さを検出するには、スコープ先端面からプローブ先端部が飛び出ていくときに目盛をカウントするのが望ましい。したがって、突出長さ測定手段は、プローブ先端部が鉗子チャンネルの鉗子口を飛び出ていくときに（移動しているときに）目盛の数を計測するのがよい。例えば、光学式、磁気式エンコーダなどがスコープ先端面付近の鉗子口内壁に沿って設けられ、プローブ先端部に刻まれた目盛が計測される。

このように本発明によれば、プローブをスコープに挿通可能な内視鏡装置において、観察対象の３次元情報を確実に取得し、３次元画像を表示することができる。

本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。 スコープ先端部の内部構成を模式的に示した図である。 プローブ先端部がスコープ先端面と一致するときの撮影状態を示した図である。 プローブ先端部がスコープ先端面から突出しているときの撮影状態を示した図である。 異なる撮影角度の画像間の幾何学的関係を示した図である。 ３次元表示画像を示した図である。

以下では、図面を参照して本実施形態である内視鏡装置について説明する。

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。

内視鏡装置は、ＣＣＤ１２を先端部に設けたビデオスコープ１０とともに細径のプローブ１５を備え、それぞれプロセッサ３０に対し着脱自在に接続される。プロセッサ３０には、モニタ８０が接続されている。

プロセッサ３０は、ハロゲンランプなど白色光を放射するランプ４０を備え、ランプ４０から放射した光は集光レンズ（図示せず）を介してビデオスコープ１０に設けられたライトガイド（光ファイババンドル）１３の入射端１３Ｉに入射する。ライトガイド１３に入射した光はスコープ先端部１０Ｔから射出し、これによって観察対象が照射される。

スコープ１０の操作部１０Ｍには、スコープ先端部１０Ｔを湾曲させるための操作ノブ１１が設けられており、オペレータは、モニタ８０を見ながら操作ノブ１１を回転させて観察方向を変える。スコープ１０内部には、スコープ先端部１０Ｔを左右、および上下方向に沿って湾曲させる２組のワイヤー対（図示せず）が設けられており、ワイヤーの引張、押し出しによってスコープ先端部１０Ｔが湾曲する。

観察対象からの反射光は、対物レンズ２０を介してＣＣＤ１２に到達し、被写体像がＣＣＤ１２の受光面に形成される。市松状に色要素が並ぶ補色カラーフィルタを備えたＣＣＤ１２では、被写体像に応じたアナログの画素信号が発生し、１フレーム分の画素信号が所定の時間間隔（１／３０秒、１／２５秒など）でＣＣＤ１２から読み出される。

読み出された一連の画素信号は、初期信号処理回路３２においてデジタル信号に変換されるとともに、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像信号に変換される。生成されたＲ、Ｇ、Ｂの画像信号は、第１メモリ３４へ一時的に格納された後、画像処理回路３６へ送られる。

画像処理回路３６では、ホワイトバランス調整、ガンマ補正など様々な処理が画像信号に対して施され、映像信号が生成される。通常観察モードの場合、生成された映像信号がそのまま切替回路３７、出力部３９を介してモニタ８０へ送られる。これにより、フルカラーの観察画像が通常画像としてモニタ８０に表示される。

一方、気管支など細径の器官に対して内視鏡観察を行う場合、走査型内視鏡であるプローブ１５を使用した観察モード（以下では、プローブ観察モードという）に従って観察が行われる。プロセッサ３０は、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれ放射するレーザー光源６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを備え、Ｒ、Ｇ、Ｂの光が光結合部６２に同時入射する。

光結合部６２は、光学レンズ、ハーフミラー群から構成されており、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を混合してプローブ１５に設けられたシングルモード型光ファイバ（以下、走査型光ファイバという）１７へ伝達する。これにより、プローブ先端部１５Ｔから観察対象に向けて白色光が射出される。

プローブ先端部１５Ｔには、スコープ先端部１０Ｔから射出される照明光を螺旋状に走査させるスキャナデバイス（以下、ＳＦＥスキャナという）１６が設けられており、プロセッサ３０内のピエゾ駆動回路６４から送られてくる駆動信号に基づいて動作する。ＳＦＥスキャナ１６は、管状のピエゾ素子によって構成されるアクチュエータ（図示せず）を備え、走査型光ファイバ１７の先端部をアクチュエータに挿通している。

アクチュエータは、走査型光ファイバ１７の先端部を二次元的に共振させる。すなわち、直交する２方向に沿って所定の共振モードで共振させる。これにより、走査型光ファイバ１７の先端部は、周期的に螺旋運動するように振動する。走査型光ファイバ１７の先端部が螺旋状に動くため、観察対象エリアにおける照明光の軌跡は螺旋状になる（図３参照）。走査線の径方向間隔が密になるように走査することで、観察対象全体が（中心から周囲に向けて順に）照射される。

観察対象において反射した光は、プローブ１５に設けられたイメージファイバ（図示せず）を通ってプロセッサ３０へ導かれ、光学レンズ、ハーフミラー群から構成される光分離部６８によってＲ、Ｇ、Ｂの光に分離される。Ｒ、Ｇ、Ｂの光はそれぞれフォトセンサ７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂに入射し、光電変換によってＲ、Ｇ、Ｂに応じた画素信号が生成される。螺旋走査期間は、所定の時間間隔（ここでは、１／３０秒間隔）に定められており、１フレーム分の画素信号がその走査周期（フレーム周期）に合わせて読み出される。

Ｒ、Ｇ、Ｂの画素信号は、増幅処理回路（図示せず）によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器７２Ｒ、７２Ｇ、７２Ｂにおいてデジタル信号に変換され、第２メモリ３５に一時的に格納される。第２メモリ３５では、順次送られてくる一連のＲ、Ｇ、Ｂデジタル画素信号と照明光の走査位置とをマッピング、すなわち対応づける。これにより、１フレーム分のデジタル画素信号がＲ、Ｇ、Ｂ毎にラスタデータとして抽出される。

プローブ観察モードでは、第２メモリ３５から出力される一連の画素信号が画像信号処理回路３６に送られる。そして、画像処理によって生成される映像信号が切替回路３７、出力部３９を介してモニタ８０に送られる。これによって、サークルエリアのフルカラー観察画像がモニタ８０に表示される。

一方、立体画像モードの場合、プローブ１５がビデオスコープ１０の鉗子チャンネル１０Ｆに挿入される。そして、ランプ４０から放射される白色光と、レーザー光源６０Ｂから放射される励起光とを１フレーム期間毎に交互に照射し、白色光による画素信号と、励起光によって観察対象に生じた蛍光による画素信号が交互に取得される。

３次元画像処理回路３３では、ビデオスコープ１０による画像とプローブ１５による画像に基づいて観察対象の３次元情報が取得される。そして、３次元情報に基づいて立体的画像の映像信号が生成され、切替回路３７、出力部３９を介してモニタ８０に出力される。これにより、３次元ＣＧ処理による立体的画像がモニタ８０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むシステムコントロール回路５０は、プロセッサ３０の動作を制御し、初期信号処理回路３２、タイミングコントローラ５２、ランプ駆動回路４２、レーザードライバ６３など各回路へ制御信号を出力する。タイミングコントローラ５２は、フォトセンサ７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂ、レーザードライバ６３、スキャナ制御回路６６等に同期信号を出力し、走査型光ファイバ１７の先端部の螺旋運動と発光タイミングおよび画像処理タイミングを同期させる。

プロセッサ３０のフロントパネル８４には、モード切替スイッチが設けられている。通常観察モード、プローブ観察モード、立体画像モードの選択が、オペレータによるスイッチ操作によって行われ、システムコントロール回路５０はスイッチ操作を検出する。また、ビデオスコープ１０に設けられたスコープメモリ１９には、スコープ先端部特性に関するデータが格納されており、スコープ接続時にシステムコントロール回路５０へ送られる。

スコープ先端部１０Ｔには、プローブ１５をビデオスコープ１０に挿通させたときのプローブ先端部１５Ｔの突出長さを検出する長さ測定センサ１４が設けられている。プロセッサ３０のメモリ５１には、プローブ先端部１５Ｔの突出長さと画像拡大／縮小倍率および撮影角度差との対応関係を示すデータがあらかじめ記憶されている。

図２は、スコープ先端部の内部構成を模式的に示した図である。

スコープ先端部１０Ｔは、硬性部１０Ｖと湾曲部１０Ｗから構成される。図１に示す操作ノブ１１の回転角に比例して湾曲１０Ｗが上下方向、あるいは左右方向に湾曲する。湾曲部１０Ｗが湾曲することによって硬性部１０Ｖの向き、すなわちスコープ先端面１０Ｓの向きが変化する。

プローブ１５の外周には、目盛１５Ｍが所定間隔（ここでは、０．５ｍｍ以下の間隔）で刻まれている。スコープ先端部１０Ｔに設けられた長さ検出センサ１４は、インクリメンタル式の光学エンコーダであり、プローブ１５を鉗子チャンネル１０Ｆに挿入し、鉗子口１０Ｋから飛び出るとき、すなわち移動しているに長さ検出センサ１４を通過する目盛分だけパルス光を受光する。

プローブ先端部１５Ｔは屈曲することなくスコープ先端面１０Ｓの垂直方向に沿って突出する。したがって、プローブ先端部１５Ｔがスコープ先端面１０Ｓから突出する長さＪＴは、スコープ先端面１０Ｓからプローブ先端面１５Ｓまでの距離ＪＴを検出することによって求められる。目盛１５Ｍの基準点はプローブ先端面１５に規定されており、スコープ先端部１５Ｔが移動するときにパルス光を積算することによって突出長さＪＴが計測される。

図３Ａは、プローブ先端面がスコープ先端面と一致するときの撮影状態を示した図である。図３Ｂは、プローブ先端面がスコープ先端面から突出しているときの撮影状態を示した図である。そして、図４は、異なる撮影角度の画像間の幾何学的関係を示した図である。図３Ａ、図３Ｂ、図４を用いて、立体的画像を構築するための３次元情報獲得について説明する。

図３Ａでは、スコープ先端部１０Ｔが器官内壁などの観察面ＯＳに対してほぼ垂直であり、スコープ先端部１０Ｔが湾曲せず、さらに、スコープ先端面１０Ｓから観察面ＯＳまでの距離が最大近接距離、すなわち、被写界深度の範囲で観察面ＯＳに最も接近している状態を示している。プローブ先端面１５Ｓはスコープ先端面１０Ｓと一致している。

観察面ＯＳにおけるビデオスコープ１０の撮影エリアＬ１は、ＣＣＤ１２のサイズ、対物レンズ２０の光学性能、画角などに起因する視野によって決まり、対物レンズ２０の光軸Ｘが通常観察画像の中心位置に相当する。一方、プローブ１５の撮影エリアＬ２は、照明光の走査エリアに相当し、プローブ１５の中心軸ＸＸが蛍光観察画像の中心位置に対応する。

プローブ１５の撮影エリア（走査エリア）Ｌ２は、ビデオスコープ１０の撮影エリアＬ１と一部重なり合いながらずれている。また、撮影エリアＬ２のサイズは、撮影エリアＬ１よりも小さい。２つの画像から３次元情報を得るため、プローブ１５の画像を拡大もしくは縮小処理し、注目部位の画面上での大きさ（輪郭形状サイズなど）が一致するように画像処理を行う。

そして、被写体サイズが一致する２つの画像から観察対象の高さを算出する。このとき、撮影角度差θ１に基づいて高さ情報が算出される。ただし、対物レンズ２０の光軸Ｘと観察面ＯＳとの交点までプローブ先端面１５Ｓの中心から直線を延ばしたときの角度をθ１とする。撮影角度差θ１は、撮影距離間隔Ｍ、すなわち、対物レンズ２０の光軸Ｘとプローブ先端部１５Ｔの中心軸ＸＸとの距離間隔に基づいて定められる。

図４には、観察対象を基準位置から所定角度傾斜させた時の幾何学的対応関係を示している。観察対象Ｑは、平面Ｓ上から突出する立体的形状を有し、高さＨの点ｍにおける位置座標をＸとする。観察対象Ｑを基準点Ｏに対して角度θだけ傾斜させ、同じ方向（平面Ｓに対し垂直方向）から撮影したとき、点ｍの位置座標Ｘは、Ｘ’に移動する。

このような撮影方向の違いによる投影点の移動に関し、以下の関係式が導かれる。

Ｘ’＝Ｘｃｏｓθ−Ｈｓｉｎθ ・・・・（１）

したがって、点ｍの高さＨは、以下の式によって求められる。

Ｈ＝Ｘ／ｔａｎθ−Ｘ’／ｓｉｎθ ・・・・（２）

観察対象Ｑの点ｍ以外についても、同様に高さを求めることができる。

ところで、図４では観察対象のある平面Ｓを傾斜させたときの幾何学的関係を示しているが、撮影方向を変えて角度θの方向から撮影した場合も同じことが言える。すなわち、平面Ｓに垂直な方向から撮影することによって得られる画像と、垂直方向に対して角度θの方向から撮影したときの画像との間には、同じ関係式が導かれる。

本実施形態では、観察対象の特徴的部分（頂部など）についてスコープ画像とプローブ画像との間の位置座標の差を検出し、特徴点の高さを求める。特徴点は、３次元形状を復元できる程度の数だけ抽出される。具体的には、エッジ検出などによって特徴点が２つの画像から抽出され、その位置座標が各画像において求められる。

一方、図３Ｂのようにプローブ先端面１５Ｓがスコープ先端面１０Ｓから突出すると、プローブ１５の撮影エリアＬ３は、図３Ａに示す撮影エリアＬ２よりもエリアが小さい。撮影角度差θ２は、プローブ先端面１５Ｓが突出しない場合の撮影角度角差θ１に比べて大きくなる。

また、ビデオスコープ１０の種類によって撮影距離間隔Ｍは異なり、それに合わせて撮影角度差も変化する。したがって、観察対象の３次元情報を取得する場合、突出長さＪＴに応じた撮影距離間隔Ｍ、撮影角度差θ、プローブ画像の拡大／縮小倍率を明らかにする必要がある。

本実施形態では、接続されているビデオスコープのメモリ１９に格納された撮影距離間隔Ｍ、および撮影エリアＬ１、Ｌ２サイズに関するデータを読み出すとともに、スコープ先端部１５Ｔの突出長さＪＴを計測する。そして、上述した関係式に基づいて観察対象のサンプル点の高さ情報を獲得し、等高線画像の勾配情報などによって観察対象の立体的画像をモニタ８０に表示する。

図５は、３次元表示画像を示した図である。表示する３次元画像としては、観察対象表面の起伏を表現するため、ここでは斜視図としている。従来周知のＣＧ処理によって観察対象Ｑの立体的形状が表示される。なお、その他の画像処理方法によって観察対象を３次元的に表示するように構成してもよい。

このように本実施形態によれば、ビデオスコープ１０による画像と、ビデオスコープ１０の鉗子チャンネル１０Ｆに挿通されたプローブ１５による画像に基づいて、観察対象の高さ情報を取得し、３次元画像が表示される。特に、ビデオスコープ１０の種類およびプローブ先端部１５Ｔの突出長さを検出することによって撮影距離間隔Ｍ、撮影角度差θが定められ、観察対象の高さ情報が得られる。

また、目盛１５Ｍの刻まれたプローブ先端部１５の位置変動を読み取ってスコープ先端部１５Ｔの突出長さを検出することにより、突出長さを精度よく検出することが可能となる。特に、長さ検出センサ１４をスコープ先端面１０Ｓ付近に設けるだけで計測可能となり、スコープ先端部の構成が煩雑になることを防ぐ。

なお、プローブ先端部の突出長さは、プローブ先端面以外にその外周面に目盛をつけて突出長さ検出してもよい。また、長さ検出センサは、相対的な値でなく絶対値を読み取る光学式、磁気式センサも設置可能である。さらに、プローブ外周面に目盛を設けずに突出長さを検出するように構成してもよい。また、プローブ先端部を湾曲させてスコープ軸上の観察対象点方向にプローブ先端面を向けてもよい。

本実施形態では、ビデオスコープとプローブが同じプロセッサに接続される構成であるが、独立したビデオスコープ用プロセッサ、プローブ用プロセッサを、データ相互通信可能なように接続する構成であってもよい。

プローブに関しては、走査型内視鏡以外の構成であってもよい。例えば、撮像素子を先端部に備えた細径内視鏡、あるいは、イメージ用光ファイバを設けたプローブなどが適用可能である。この場合、１つのランプだけで照明光を被写体に照射すればよい。

１０ ビデオスコープ
１０Ｔ スコープ先端部
１０Ｓ スコープ先端面
１０Ｆ 鉗子チャンネル
１０Ｋ 鉗子口
１４ 長さ検出センサ
１５ プローブ
１５Ｔ プローブ先端部
１５Ｓ プローブ先端面
３０ プロセッサ
３３ ３次元画像処理回路（３次元画像処理手段）
５０ システムコントロール回路
８０ モニタ
ＪＴ 突出長さ
θ、θ１、θ２ 撮影角度差
ＭＭ 撮影距離間隔

Claims (5)

1. 撮像素子を有するスコープと、
   前記スコープに設けられた鉗子チャンネルに挿通可能なプローブと、
   前記スコープによって得られるスコープ画像と、前記プローブによって得られるプローブ画像との撮影角度差に基づいて観察対象の３次元情報を取得し、得られた３次元情報に基づいて立体的画像を生成する３次元画像処理手段と、
   スコープ先端面から突出しているプローブ先端部の突出長さを測定する突出長さ測定手段とを備え、
   前記３次元画像処理手段が、検出される突出長さに応じた撮影角度差に基づいて３次元情報を取得することを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記３次元画像処理手段が、接続されているスコープの撮影距離間隔を検知し、３次元情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記プローブ先端部が、所定間隔で並ぶ目盛を外周面に有し、
   前記突出長さ測定手段が、前記目盛を計測することによって突出長さを検出することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の内視鏡装置。
4. 前記突出長さ測定手段が、前記プローブ先端部が前記鉗子チャンネルの鉗子口から飛び出すときに前記目盛を計測することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡装置。
5. 前記プローブが、光ファイバ先端部を振動させることにより照明光を観察対象に向けて走査させる走査手段を有することを特徴とする１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。

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