JP2014012190A - 電子内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源部に分光画像用の光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを設けることなく、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることを目的とする。
【解決手段】照明用光源４１から被検体内に光を照射し、固体撮像素子２１によりカラー画像信号を取得する電子内視鏡装置１００において、カラー画像信号から特定の波長成分を取り出す処理に基づく分光画像と、特定の波長成分を取り出す処理を行わずに得られた信号から生成された通常画像とを生成する生成部４３６と、照明用光源４１から照射される光量を、通常画像を観察する場合よりも分光画像信号を観察する場合に少なくするよう制する光量制御部１６とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、医療等に用いられる電子内視鏡装置に関する。

近年、固体撮像素子を用いた電子内視鏡装置において、狭帯域バンドパスフィルタを組み合わせた分光イメージングに注目が寄せられている。２０００年１０月に行われた日本消化器内視鏡学会総会において、佐野・吉田・小林らによる発表がされ、従来より行われているＲＧＢの面順次方式による照明光での画像に比べ、分光特性を狭帯域にしたＲＧＢの面順次方式による照明光での画像の方が、生体粘膜（舌部）の微細構造を精度よく抽出できることが示された（以下の非特許文献１参照）。また、２００１年５月に行われた日本消化器内視鏡学会総会において、同発表者により、消化器領域での臨床応用の結果が発表され、胃・大腸部ともに、従来の内視鏡画像では抽出されなかった微細構造が抽出されることが示された。

この従来例で示される内視鏡装置は、面順次式を用いており、そのＲＧＢカラーフィルタをそれぞれ３つの光学的波長狭帯域バンドパスフィルタに変更し、それぞれの光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを透過した照明光により、それぞれ３つの分光画像を生成するものである。

佐野寧、小林正彦、吉田茂昭「狭帯域filter内蔵電子内視鏡システム（Narrow Band Imaging：ＮＢＩ）の開発・臨床応用に関する試み」、日本消化器内視鏡学会、Gastroenterological Endoscopy，Vol.42（Suppl.2），１５２０，２０００

しかしながら、この従来例においては、以下のような問題点がある。
（イ）微細構造を抽出すべく分光特性を持った光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを通常の内視鏡装置とは別に設けなければならず、このフィルタの設置のための空間が必要となり、内視鏡全体が大型化する。
（ロ）新規のバンドパスフィルタによる分光画像を得たい場合には、光源部に設けられた光学的波長狭帯域バンドパスフィルタの交換・追加をしなければならない。

本発明は、上記の問題点を解決し、光源部に分光画像用の光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを設けることなく、分光画像を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明の特徴は、照明用光源から被検体内に光を照射し、固体撮像素子によりカラー画像信号を取得する電子内視鏡装置において、カラー画像信号から特定の波長成分を取り出す処理に基づく分光画像と、特定の波長成分を取り出す処理を行わずに得られた信号から生成された通常画像とを生成する生成部と、照明用光源から照射される光量を、通常画像を観察する場合よりも分光画像信号を観察する場合に少なくするよう制御する光量制御部とを有する。

本発明に係る第１の実施の形態におけるカラー画像信号から分光画像信号を作成する際の信号の流れを示した概念図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるカラー画像信号の積分演算を示す概念図である。 本発明に係る第１の実施の形態における電子内視鏡装置の外観図である。 本発明に係る第１の実施の形態における電子内視鏡装置のブロック図である。 本発明に係る第１の実施の形態における色フィルタの配列を示した図である。 本発明に係る第１の実施の形態における各色フィルタの分光感度特性を示した図である。 本発明に係る第１の実施の形態における光源のスペクトル図である。 本発明に係る第１の実施の形態における生体の反射スペクトル図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるチョッパーの外観図である。 本発明に係る第１の実施の形態における通常内視鏡画像である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるバンドパスフィルタＦ３に相当する分光画像である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるバンドパスフィルタＦ２に相当する分光画像である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるバンドパスフィルタＦ１に相当する分光画像である。 本発明に係る第２の実施の形態における電子内視鏡装置のブロック図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるマトリックス演算部の回路図である。 本発明に係る第３の実施の形態におけるマトリックス演算部の構成図である。 本発明に係る第４の実施の形態における電子内視鏡装置のブロック図である。 本発明に係る第４の実施の形態における電荷蓄積時間を示した図である。 本発明に係る第５の実施の形態における電荷蓄積時間を示した図である。 本発明に係る第６の実施の形態における色フィルタの配列を示した図である。 本発明に係る第６の実施の形態における各色フィルタの分光感度特性を示した図である。 本発明に係る変形例におけるマトリックス演算の際のフローチャート図である。

以下、本発明に係る第１の実施の形態について説明する前に、ａ）本発明の基礎となるマトリックスについて説明する。ここで、マトリックスとは、カラー画像（以下通常画像と呼ぶ）を生成するために取得されるカラー画像信号から、分光画像信号を生成する際に用いられる所定の係数である。また、この説明に続き、ｂ）より正確な分光画像信号を求めるための補正方法、ｃ）生成された分光画像信号のＳ／Ｎ比を向上させる方法について説明する。なお、この補正方法、Ｓ／Ｎの改善方法に関しては、必要に応じて用いれば良い。

ａ）図１は、カラー画像信号（ここでは、説明を簡単にするために、ＲＧＢとするが、後述する実施の形態のように、補色型固体撮像素子においては、Ｇ・Ｃｙ・Ｍｇ・Ｙｅの組合せでも良い）から、より光学的波長狭帯域の画像に対応する画像に相当する分光画像信号を生成する際の信号の流れを示した概念図である。

まず、電子内視鏡装置としてのＲＧＢのそれぞれのカラー感度特性を数値データ化する。ここで、ＲＧＢのカラー感度特性とは、白色光の光源を用い、白色の被写体を撮像する時にそれぞれ得られる波長に対する出力の特性である。なお、ＲＧＢのそれぞれのカラー感度特性は、簡略化したグラフとして各データの右に示されている。

また、この時の、ＲＧＢのカラー感度特性をそれぞれｎ次元の列ベクトルＲＧＢとする。次に、抽出したい分光画像用狭帯域パンドパスフィルタＦ１・Ｆ２・Ｆ３（先見情報として、構造を効率よく抽出できるフィルタの特性を知っている。このフィルタの特性とは、波長帯域が略590nm-略610nm、略530nm-略550nm、略400m-略430nmをそれぞれ通過帯域とするものである。）の特性を数値データ化する。なお、ここで「略」とは、波長においては±10ｎｍ程度を含む概念である。

この時のフィルタの特性をそれぞれｎ次元の列ベクトルＦ_１・Ｆ_２・Ｆ_３とする。得られた数値データを基に、以下の関係を近似する最適な係数セットを求める。即ち、

となるマトリックスの要素を求めればよい。上の最適化の命題の解は数学的には、以下のように与えられる。ＲＧＢのカラー感度特性を表すマトリックスをＣ、抽出したい狭帯域パンドパスフィルタの分光特性を表すマトリックスをＦ、求める係数マトリックスをＡとすると、

となる。従って、（１）式に示した命題は、以下の関係を満足するマトリックスＡを求めるに等しい。

ここで、分光特性を表すスペクトルデータとしての点列数ｎとしては、ｎ＞３であるので、（３）式は１次元連立方程式ではなく、線形最小二乗法の解として与えられる。即ち、（３）式を擬似連立方程式として解けばよい。マトリックスＣの転置行列を^ｔＣとすれば、（３）式は

となる。^ｔＣＣはｎ×ｎの正方行列であるので、（４）式はマトリックスＡについての連立方程式と見ることができ、その解は、

と与えられる。（５）式にて求められたマトリックスＡについて、（３）式の左辺の変換を行うことで、抽出したい狭帯域パンドパスフィルタＦ１・Ｆ２・Ｆ３の特性を近似することができる。以上が、本発明の基礎となるマトリックスの説明である。

ｂ）次に、より正確な分光画像信号を求めるための補正方法について説明する。上述の処理方法の説明においては、ＣＣＤ等の固体撮像素子が受光する光束が、完全な白色光（可視域において、全ての波長強度が同じ）である場合に正確に適用されるものである。即ち、ＲＧＢの出力がいずれも同じである場合に、最適な近似となる。

しかし、実際の内視鏡下では、照明する光束（光源の光束）は完全な白色光ではなく、生体の反射スペクトルも一律ではないので、固体撮像素子が受光する光束も白色光でない（色が着いているので、ＲＧＢの値は同じではない）。従って、実際の処理において、（３）式に示した命題をより正確に解くためには、ＲＧＢのカラー感度特性に加え、照明光の分光特性、生体の反射特性を考慮することが望ましい。

ここで、カラー感度特性をそれぞれＲ（λ）、Ｇ（λ）、Ｂ（λ）とし、照明光の分光特性の一例をＳ（λ）、生体の反射特性の一例をＨ（λ）とする。なお、この照明光の分光特性および生体の反射特性は、必ずしも検査を行う装置、被検体の特性でなくてもよく、例えば予め取得しておいた一般的な特性としても良い。これらの係数を用いると、補正係数ｋ_Ｒ・ｋ_Ｇ・ｋ_Ｂは、

で与えられる。感度補正マトリックスをＫとすると、以下のように与えられる。

従って、係数マトリックスＡについては、（５）式に（７）式の補正を加えて、以下のようになる。

また、実際に最適化を行う場合は、目標とするフィルタの分光感度特性（図１中のＦ１・Ｆ２・Ｆ３）が負の場合は画像表示上では０となる（つまりフィルタの分光感度特性のうち正の感度を有する部分のみ使用される）ことを利用し、最適化された感度分布の一部が負になることも許容することを付加する。ブロードな分光感度特性より狭帯域な分光感度特性を生成するためには、図１に示すように目標とするＦ１・Ｆ２・Ｆ３の特性に、負の感度特性を付加することで、感度を有する帯域を近似した成分を生成することができる。

ｃ）次に、生成された分光画像信号のＳ／Ｎ及び精度を向上させる方法について説明する。このＳ／Ｎ比の改善方法は、前述した処理方法に付加することにより、さらに以下の課題を解決するものである。
（イ）前述の処理方法における原信号（ＲＧＢ）のいずれかが仮に飽和状態となると、処理方法におけるフィルタＦ１乃至Ｆ３の特性が、構造を効率よく抽出できるフィルタの特性（理想とする特性）と大きく異なってしまう可能性がある。（ＲＧＢの中、２つの信号だけで生成される場合は、その２つの原信号がいずれも飽和していないこと）。
（ロ）カラー画像信号から分光画像信号への変換に際に、広帯域のフィルタから狭帯域フィルタの生成するため、感度の劣化が発生し、生成された分光画像信号の成分も小さくなり、Ｓ／Ｎ比が良くない。

このＳ／Ｎ比改善の方法とは、図２に示されるように、照明光の照射を通常画像（一般的なカラー画像）の１フィールド（１フレーム）中に数回（例えばｎ回、ｎは２以上の整数）に分けて照射する（照射強度をそれぞれの回で変化させても良い。図２においては、I₀乃至Inで示されている。なお、これは照明光の制御のみで実現可能である。）これにより、１回の照射強度を小さくすることができ、ＲＧＢ信号のいずれもがそれぞれ飽和状態となるのを抑えることができる。

また、数回に分割された画像信号は、後段でｎ枚分の加算を行う。これにより、信号成分を大きくしてＳ／Ｎ比を向上させることができる。以上が、本発明の基礎となるマトリックス、またこれと共に実施することが可能な正確な分光画像信号を求めるための補正方法、生成された分光画像信号のＳ／Ｎ比を向上させる方法の説明である。

次に、本発明に係る第１の実施の形態における電子内視鏡装置の具体的な構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は、カラー画像信号の積分演算を示す概念図、図３は、本実施の形態における電子内視鏡装置の外観図である。なお、以下に示す他の実施の形態でも同様の外観である。

電子内視鏡装置１００は、スコープ１０１、内視鏡装置本体１０５、表示モニタ１０６を有している。また、スコープ１０１は、被検体の体内に挿入される導中部１０２、導中部１０２の先端に設けられた先端部１０３および、導中部１０２の先端側とは反対側に設けられ、先端部１０３の湾曲動作等を指示するためのアングル操作部１０４から主として構成されている。スコープ１０１で取得された被検体の画像は、内視鏡装置本体１０５にて所定の信号処理がなされ、表示モニタ１０６において、処理された画像が表示される。

次に、図４を参照して、内視鏡装置本体１０５について詳しく説明する。なお、図４は、電子内視鏡装置１００のブロック図である。同図に示されるように、内視鏡装置本体１０５は、主に光源部４１、制御部４２、本体処理装置４３から構成されている。なお、本実施の形態では、１つのユニットである内視鏡装置本体内に光源部と画像処理等を行う本体処理装置を有するものとして説明を行うが、これらは、別のユニットとして、取り外し可能なように構成されていても良い。

光源部４１は、制御部４２およびスコープ１０１に接続されており、制御部４２からの信号に基づいて所定の光量で白色光（完全な白色光でない場合も含む）の照射を行う。また、光源部４１は、白色光源としてのランプ１５、光量を調整するためのチョッパー１６及びチョッパー１６を駆動するためのチョッパー駆動部１７を有している。

チョッパー１６は、図９に示されるように、点１７ａを中心とし、所定の半径ｒの円盤状の構造体に円周方向に所定の長さを有する切り欠き部が設けられた構成を備える。この中心点１７ａは、チョッパー駆動部１７に設けられた回転軸と接続されている。つまり、チョッパー１６は、中心点１７ａを中心に回転運動を行う。また、この切り欠き部は、所定の半径毎に複数設けられている。同図においては、この切り欠き部は、半径ｒから半径r₁の間では、最大の長さ＝２πｒ×１８０度／３６０度、幅＝r-r₁である。また、同様に、半径r₁から半径r₂の間では、最大の長さ＝２πr₁×９０度／３６０度、幅＝r₁-r₂、半径r₂から半径r₃の間では、最大の長さ＝２πr₂×３０度／３６０度、幅＝r₂-r₃という構成である（それぞれの半径は、ｒ＞r₁＞r₂＞r₃とする。）
なお、チョッパー１６における切り欠き部の長さ、幅は一例であり、本実施の形態に限定されるわけではない。また、チョッパー１６は、この切り欠き部の略中央に半径方向に延伸する突起部１６０ａを有する。なお、この突起部１６０ａにより光が遮断された時にフレームを切換えることにより、１フレーム前と１フレーム後に照射される光の間隔を最小限にし、被検体の動き等によるブレを最小限にするものである。

また、チョッパー駆動部１７は図４における矢印で示されるように、ランプ１５に対する方向に移動が可能な構成となっている。つまり、図９に示されたチョッパー１６の回転中心１７ａとランプからの光束（点線円で示されている）との距離Ｒを変えることができる。例えば、図９に示された状態では、距離Ｒがかなり小さいので、照明光量は小さい状態にある。距離Ｒを大きくする（チョッパー駆動部１７をランプ１５から遠ざける）ことで、光束が通過できる切り欠き部が長くなるため、照射時間が長くなり、照明光量を大きくすることができる。

上述のように、新しく生成した分光画像はＳ／Ｎとしては不十分である可能性があることと、生成に必要ないずれかの信号が飽和している場合には正しい演算が行われたことにはならないので、照明光量を制御する必要がある。この光量調節をチョッパー１６およびチョッパー駆動部１７が担うことになる。

また、光源部４１にコネクタ１１を介して接続されたスコープ１０１は、先端部１０３に対物レンズ１９及びＣＣＤ等の固体撮像素子２１（以下、単にＣＣＤと記載する）を備えている。本実施の形態におけるＣＣＤは単板式（同時式電子内視鏡用に用いられるＣＣＤ）であり、原色型である。なお、その色フィルタの配列を図５に示す。また、ＲＧＢのそれぞれの分光感度特性を図６に示す。

また、導中部１０２には、光源部４１から照射された光を先端部１０３に導くライトガイド１４、ＣＣＤで得られた被検体の画像を本体処理装置４３に伝送するための信号線、また、処置を行うための鉗子チャネル２８等が備えられている。なお、鉗子チャネル２８に鉗子を挿入するための鉗子口２９は、操作部１０４近傍に設けられている。

また、本体処理装置４３は、光源部４１と同様、コネクタ１１を介してスコープ１０１に接続される。本体処理装置４３には、ＣＣＤ２１を駆動するためのＣＣＤドライブ４３１が設けられている。また、通常画像を得るための信号回路系として輝度信号処理系と色信号処理系を有する。輝度信号処理系は、ＣＣＤ２１に接続され輪郭補正を行う輪郭補正部４３２、輪郭補正部４３２で補正されたデータから輝度信号を生成する輝度信号処理部４３４を有する。

また、色信号処理系は、ＣＣＤ２１に接続され、ＣＣＤ２１で得られた信号のサンプリング等を行いＲＧＢ信号を生成するサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）４３３ａ乃至４３３ｃ、Ｓ／Ｈ回路４３３ａ乃至４３３ｃの出力に接続され、色信号の生成を行う色信号処理部４３５を有する。また、輝度信号処理系と色信号処理系の出力から１つの通常画像を生成する通常画像生成部４３７が設けられ、通常画像生成部４３７から切換部４３９を介して、表示モニタ１０６にＹ信号、Ｒ−Ｙ信号、Ｂ−Ｙ信号が送られる。

一方、分光画像を得るための信号回路系として、Ｓ／Ｈ回路４３３ａ乃至４３３ｃの出力に生成部であるマトリックス演算部４３６が設けられ、ＲＧＢ信号に対して所定のマトリックス演算が行われる。マトリックス演算とは、カラー画像信号同士に加算処理等を行い、また、上述のように求められたマトリックスを乗算する処理をいう。

なお、本実施の形態では、このマトリックス演算の方法として、電子回路処理（電子回路を用いたハードウェアによる処理）を用いた方法について説明するが、後述の実施の形態のように、数値データ処理（プログラムを用いたソフトウェアによる処理）によるものとしても良い。また、実施するにあたっては、これらの組み合わせとすることも可能である。

図１５に、マトリックス演算部４３６の回路図を示す。ＲＧＢ信号はそれぞれ抵抗群３１ａ乃至３１ｃを介して、増幅器３２ａ乃至３２ｃに入力される。それぞれの抵抗群は、ＲＧＢ信号がそれぞれ接続される複数の抵抗を有しており、それぞれの抵抗の抵抗値はマトリクス係数に応じた値となっている。

即ち、それぞれの抵抗によりＲＧＢ信号の増幅率を変化させ、増幅器で加算（減算でも良い）する構成となっている。それぞれの増幅器３２ａ乃至３２ｃの出力は、マトリックス演算部の出力となる。つまり、このマトリックス演算部４３６は、いわゆる重み付け加算処理を行っている。なお、ここで用いられるそれぞれの抵抗における抵抗値を可変としても良い。

マトリックス演算部４３６の出力は、それぞれ積算部４３８ａ乃至４３８ｃに接続され、積分演算が行われた後、切換部４３９を介して、それぞれの分光画像信号ΣF₁乃至ΣF₃として表示モニタ１０６に送られる。なお、切換部４３９は、通常画像と分光画像の切換えを行うものであり、また分光画像同士の切換表示も可能である。つまり操作者は、通常画像、ΣF₁による分光画像、ΣF₂による分光画像、ΣF₃による分光画像から選択的に表示することができる。

また、いずれか２つ以上の画像を同時に表示モニタ１０６に表示可能な構成としても良い。特に、通常画像と分光画像を同時に表示可能とした場合には、一般的に観察を行っている通常画像と分光画像を簡単に対比することができ、それぞれの特徴（通常画像の特徴は色度合いが通常の肉眼の観察に近く観察しやすい。分光画像の特徴は通常画像では観察できない所定の血管等を観察することができる。）を加味した上で、観察することができ診断上非常に有用である。

次に、本実施の形態における電子内視鏡装置１００の動作について図４を参照して詳しく説明する。なお、以下においては、まず通常画像を観察する際の動作について説明し、後に分光画像を観察する際の動作について説明する。

まず、光源部４１の動作を説明すると、制御部４２からの制御信号に基づいて、チョッパー駆動部１７は、所定の位置に設定され、チョッパー１６を回転させる。ランプ１５からの光束は、チョッパー１６の切り欠き部を通過し、集光レンズにより、スコープ１０１と光源部４１の接続部にあるコネクタ１１内に設けられた光ファイババンドルであるライトガイド１４の入射端に、集光される。集光された光束は、ライトガイド１４を通り、先端部１０３に設けられた照明光学系から被検体の体内に照射される。照射された光束は、被検体内で反射し、対物レンズ１９を介して、ＣＣＤ２１において図５で示した色フィルタ別に信号が収集される。

収集された信号は、上記の輝度信号処理系と色信号処理系に並列に入力される。輝度信号系の輪郭補正部４３２には、色フィルタ別に収集された信号が画素ごとに加算され入力され、輪郭補正後、輝度信号処理部４３４に入力される。輝度信号処理部４３４では、輝度信号が生成され、通常画像生成部４３７に入力される。

また一方で、ＣＣＤ２１で収集された信号は、各フィルタ毎にＳ／Ｈ回路４３３ａ乃至４３３ｃに入力され、それぞれＲＧＢ信号が生成される。さらにＲＧＢ信号は、色信号処理部４３５にて色信号が生成され、通常画像生成部４３７において、前記輝度信号および色信号からＹ信号、Ｒ−Ｙ信号、Ｂ−Ｙ信号が生成され、切換部４３９を介して、表示モニタ１０６に被検体の通常画像が表示される。

次に、分光画像を観察する際の動作について説明する。なお、通常画像の観察と同様の動作を行うものに関しては、ここでは省略する。操作者は、本体１０５に設けられているキーボードあるいはスコープ１０１の操作部１０４に設けられているスイッチ等を操作することにより、通常画像から分光画像を観察する指示をおこなう。この時、制御部４２は、光源部４１および本体処理装置４３の制御状態を変更する。

具体的には、必要に応じて、光源部４１から照射される光量を変更する。上述のように、ＣＣＤ２１からの出力が飽和することは望ましくないため、通常画像に比して照明光量を小さくする。また、ＣＣＤからの出力信号が飽和しないように制御するとともに、飽和しない範囲にて照明光量を変化させることもできる。

また、本体処理装置４３への制御変更としては、切換部４３９から出力される信号を通常画像生成部４３７から積算部４３８ａ乃至４３８ｃから出力される信号に切換える。

また、Ｓ／Ｈ回路４３３ａ乃至４３３ｃの出力は、マトリックス演算部４３６で増幅・加算処理が行われ、それぞれの帯域に応じて積算部４３８ａ乃至４３８ｃに出力される。チョッパー１６で、照明光量を小さくした場合でも、積算部４３８ａ乃至４３８ｃにて、保存・積算することで、図２に示したように、信号強度を上げることができ、また、Ｓ／Ｎが向上した分光画像を得ることができる。

以下、本実施の形態における具体的なマトリックス処理について記載する。本実施の形態では、図６に実線で示されたＲＧＢの分光感度特性から、同図中に示された理想的な狭帯域バンドパスフィルタＦ１乃至Ｆ３（ここではそれぞれの透過波長領域をＦ１：590nm-620nm、Ｆ２：520nm-560nm、Ｆ３：400nm-440nmとした）に近いバンドパスフィルタ（以下擬似バンドパスフィルタと呼ぶ）を作成しようとした場合、前述の（１）式から（５）式に示した内容により、以下のマトリックスが最適となる。

更に、（６）式及び（７）式に示した内容により補正を行うと、以下の補正係数を得る。

なお、（６）式に示す光源のスペクトルは図７に、（７）式に示す注目する生体の反射スペクトルは図８に示すものとの先見情報を使用している。従って、マトリックス部にて行われる処理は、数学的には以下のマトリックス演算と同値となる。

このマトリックス演算を行うことにより擬似フィルタ特性（図６にはフィルタ擬似F₁乃至F₃の特性として示されている）が得られる。

即ち、上述のマトリックス処理は、カラー画像信号に、上述のようにして予め生成された擬似バンドパスフィルタ（マトリックス）を用いて、分光画像信号を作成するものである。

また、この擬似フィルタ特性を用いて生成された内視鏡画像の一例を以下に示す。被写体は消化管粘膜表面であり、図１０は通常内視鏡画像である。また、図１１は処理後に得られる図６に示すバンドパスフィルタＦ３に相当する分光画像であり、図１２は処理後に得られる第６図に示すバンドパスフィルタＦ２に相当する分光画像であり、また図１３は処理後に得られる第６図に示すバンドパスフィルタＦ１に相当する分光画像である。

図１１乃至図１３に示された分光画像はいずれも図１０に示された通常画像に比して、同等かそれ以上に血管パターンを鮮明に抽出している。中でも特に図１１および図１２に示された帯域略400-略440nm及び略520-略560nmのフィルタを用いた分光画像は、血管パターンをより鮮明に抽出している。

以上のことから明らかなように、本実施の形態によると、通常の電子内視鏡画像（通常画像）を生成するためのカラー画像信号を利用して、擬似的な狭帯域フィルタを生成することにより、分光画像用の光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを用いずに、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。

また、特に波長領域略400-略440nmおよび略520-略560nmの範囲においては、血管パターンをより鮮明に抽出した分光画像を得ることができる。

以下、本発明に係る第２の実施の形態について、図１４を参照して説明する。

図１４は、本実施の形態における電子内視鏡装置１００のブロック図である。なお、第１の実施の形態と同一構成のものは、同一番号を付して説明を省略する。

本実施の形態は、主として第１の実施の形態と、照明光量の制御を行う光源部が異なるものである。本実施の形態では、光源部から照射される光量の制御をチョッパーではなく、ランプの電流制御により行う。

具体的には、図１４に示されたランプ１５に電流制御装置１６’が設けられている。

本実施の形態の動作としては、制御部４２により、ＲＧＢのいずれのカラー画像信号も飽和状態とならないように、ランプ１５に流れる電流の制御を行う。これにより、ランプ１５は発光のために使用される電流が制御されるため、その光量は、その電流の大きさに応じて変化する。なお、その他の動作に関しては、第１の実施の形態と同様であるため、ここでは省略する。

本実施の形態によると、第１の実施の形態と同様、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。また、本実施の形態では、第１の実施の形態のようにチョッパーを用いた光量制御方法に比して、制御方法が簡単であるという利点がある。

以下、本発明に係る第３の実施の形態について、図１６を参照して説明する。

本実施の形態は、主として第１の実施の形態とマトリックス演算部４３６が異なるものである。第１の実施の形態では、マトリックス演算を電子回路によるいわゆるハードウェア処理により行うこととしたが、本実施の形態では、この演算を数値データ処理（プログラムを用いたソフトウェアによる処理）により行う。

本実施の形態におけるマトリックス演算部の具体的な構成を図１６に示す。本マトリックス演算部は、ＲＧＢそれぞれのカラー画像信号を記憶しておく画像メモリ５０を有する。また、式（１１）に示されたマトリックスＡ'のそれぞれの値が数値データとして記憶されている計数レジスタ５１を有する。

計数レジスタ５１と画像メモリ５０は、乗算器５３ａ乃至５３ｉに接続され、さらに乗算器５３ａ、５３ｄ、５３ｇは、乗算器５４ａに接続され、乗算器５４ａの出力が、図４における積算部４３８ａと接続される。また、乗算器５３ｂ、５３ｅ、５３ｈは、乗算器５４ｂに接続され、その出力は積算部４３８ｂと接続される。また、乗算器５３ｃ、５３ｆ、５３ｉは、乗算器５４ｃに接続され、その出力が積算部４３８ｃと接続される。

本実施の形態の動作としては、入力されたＲＧＢ画像データは、一度画像メモリ５０に記憶される。次に、所定の記憶装置（図示しない）に保存されている演算プログラムにより、計数レジスタ５１からマトリックスＡ’の各計数が画像メモリ５０に記憶されたＲＧＢ画像データと、乗算器で乗算される。

なお、図１６には、Ｒ信号と各マトリックス計数が乗算器５３ａ乃至５３ｃで乗算される例が示されている。また、同図のように、Ｇ信号と各マトリックス計数が乗算器５３ｄ乃至５３ｆで乗算され、Ｂ信号と各マトリックス計数が乗算器５３ｇ乃至５３ｉで乗算される。マトリックス計数とそれぞれ乗算されたデータは、乗算器５３ａ、５３ｄ、５３ｇの出力が、乗算器５４ａで、乗算器５３ｂ、５３ｅ、５３ｈの出力が、乗算器５４ｂで、また、乗算器５３ｃ、５３ｆ、５３ｉの出力は、乗算器５４ｃでそれぞれ乗算される。

乗算器５４ａの出力は、積算部４３８ａに送られる。また、乗算器５４ｂ、乗算器５４ｃの出力は、それぞれ積算部４３８ｂ、４３８ｃに送られる。

本実施の形態によると、第１の実施の形態と同様、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。また、本実施の形態では、第１の実施の形態のようにハードウェアによってマトリックス処理を行うのではなく、ソフトウェアを用いて行うため、例えば、各マトリックス計数の変更などに迅速に対応することができる。

また、マトリックス計数を結果の値のみ、即ち、マトリックスＡ'としてではなく、Ｓ(λ)、Ｈ(λ)、Ｒ(λ)、Ｇ(λ)、Ｂ(λ)別に記憶しておき、必要に応じて演算することによりマトリックスＡ'を求めて使用するとした場合には、この中の１つの要素のみを変更することができ、利便性が向上する。例えば、照明光の分光特性Ｓ(λ)のみの変更等が可能である。

次に、本発明に係る第４の実施の形態について、図１７を参照して説明する。本実施の形態は、主として第１の実施の形態と光源部４１およびＣＣＤ２１が異なるものである。第１の実施の形態では、ＣＣＤ２１に図２で示したカラーフィルタが設けられ、このカラーフィルタによってカラー信号を生成するいわゆる同時式であったのに対し、本実施の形態では、照明光をＲＧＢの順に照明してカラー信号を生成するいわゆる面順次式を用いる。

本実施の形態における光源部４１は、ランプ１５の前面に絞り２５が設けられ、絞り２５のさらに前面には、ＲＧＢフィルタ２３が設けられている。また、絞り２５は、絞り制御部２４に接続されており、絞り制御部２４からの制御信号に応じて、ランプ１５から照射された光束のうち透過させる光束を制限し、光量を変化させる。また、ＲＧＢ回転フィルタ２３は、ＲＧＢ回転フィルタ制御部２６に接続され、所定の回転速度で回転する。

本実施の形態における光源部の動作としては、ランプ１５から出力された光束が、絞り２５で所定の光量に制限され、絞り２５を透過した光束は、ＲＧＢフィルタを介することによって、所定の時間毎にＲＧＢそれぞれの照明光として、光源部から出力される。

また、それぞれの照明光は、被検体内で反射し、ＣＣＤ２１で受光される。ＣＣＤ２１で得られた信号は、照射される時間に応じて、内視鏡装置本体１０５に設けられた切換部（図示しない）で振り分けられ、Ｓ／Ｈ回路４３３ａ乃至４３３ｃにそれぞれ入力される。つまり、光源部４１からＲのフィルタを介した照明光が照射された場合には、ＣＣＤ２１で得られた信号は、Ｓ／Ｈ回路４３３ａに入力されることになる。なお、その他の動作については第１の実施の形態と同様であるため、ここでは省略する。

本実施の形態によると、第１の実施の形態と同様、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、いわゆる面順次方式によるメリットを享受することができる。なお、このメリットとは、例えば下記する第５の実施の形態のようなものが挙げられる。

また、上述の実施の形態では、ＲＧＢカラー信号の飽和を避けるために、照明光量（光源部からの光量）を制御・調節していた。これに対し、ＣＣＤの電子シャッターを調整する方法もある。ＣＣＤでは、一定時間内に入射した光強度に比例した電荷が蓄積し、その電荷量を信号としている。この蓄積時間に相当するのが、電子シャッターと呼ばれるものである。

この電子シャッターを調節することで、電荷の蓄積量即ち信号量を調整することができるので、図１８に示すように、電荷蓄積時間を順次変化させた状態でのＲＧＢカラー画像を得ることで、同様の分光画像を得ることができる。即ち、上述のそれぞれの実施の形態において、照明光量の制御は通常画像を得るために用い、分光画像を得る際には、電子シャッターを変化させることにより、ＲＧＢカラー信号の飽和を避けることが可能である。

次に、本発明に係る第５の実施の形態について、図１９を参照して説明する。

本実施の形態は、主として第４の実施の形態と同様、面順次方式を利用したものであり、また、この利点を生かしたものである。第４の実施の形態での電子シャッター制御による電荷蓄積時間に重み付けを加えることで、分光画像データの生成を簡素化することができるものである。すなわち、本実施の形態では、ＣＣＤの電荷蓄積時間を変化させることができるＣＣＤドライブ４３１を有していることになる。なお、その他の構成は、第４の実施の形態と同様であるため、ここでは省略する。

本実施の形態の動作としては、図１９に示すように、ＲＧＢ回転フィルタを介してそれぞれの照明光が照射された場合に、ＣＣＤにおける電子シャッターによる電荷蓄積時間を変化させる。ここで、照明光がＲＧＢのそれぞれの場合におけるＣＣＤの電荷蓄積時間をtd_r、td_g、td_b（なお同図ではＢのカラー画像信号は蓄積時間を設けていないためtd_bは省略されている）とする。例えば、（１１）式にて示されたマトリックス処理を行う場合のＦ３擬似フィルタ画像は、通常内視鏡にて得られるＲＧＢ画像から、

の演算を行うので、第１９図でのＲＧＢ別の電子シャッター制御による電荷蓄積時間を

となるように設定すれば良い。

また、マトリックス部では、単にＲとＧ成分のみ反転させた信号とＢ成分を加算する。これにより、第１乃至第４の実施の形態と同様の分光画像を得ることができる。

本実施の形態によると、第４の実施の形態と同様、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。また、本実施の形態では、第４の実施の形態と同様、カラー信号の作成に面順次方式を利用しており、またさらに電子シャッターを用いてカラー信号毎に電荷蓄積時間を異ならせることができるため、これにより、マトリックス部においては、単に加算、差分処理を行うだけでよく、処理を簡略化することが可能である。

次に、本発明に係る第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、主として第１の実施の形態とＣＣＤに設けられたカラーフィルタが異なるものである。第１の実施の形態では、図２で示したようにＲＧＢ原色型カラーフィルタが用いられるのに対し、本実施の形態では、補色型のカラーフィルタを用いる。補色型フィルタの配列は図２０に示されているように、Ｇ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｃｙの各要素から構成される。なお、原色型カラーフィルタの各要素と補色型カラーフィルタの各要素の関係は、Ｍｇ＝Ｒ＋Ｂ、Ｃｙ＝Ｇ＋Ｂ、Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇとなる。

この場合、固体撮像素子の全画素読み出しを行い、各色フィルタからの画像を信号処理又は画像処理することになる。また、原色型カラーフィルタについての（１）式から（１１）式について、補色型カラーフィルタの場合に変形すると、以下の（１５）式より（２１）式のようになる。但し、目標とする狭帯域のバンドパスフィルタの特性は同じとする。

また、図２１に、補色型カラーフィルタを用いた場合の分光感度特性、目標とするバンドパスフィルタ及び上記（１５）式乃至（２１）式により求められ擬似バンドパスフィルタの特性を示す。なお、補色型フィルタを用いる場合には、図４で示されるＳ／Ｈ回路は、それぞれＲＧＢではなく、Ｇ・Ｍｇ・Ｃｙ・Ｙｅについて行われることは言うまでもない。

本実施の形態によると、第１の実施の形態と同様、血管パターンが鮮明に表示される分光画像を得ることができる。また、本実施の形態では、補色型カラーフィルタを用いた場合のメリットを享受することができる。

以上、本発明における各実施の形態について説明を行ったが、本発明は、上記実施の形態を種々組みあせて用いても良く、また趣旨を一脱しない範囲での変形も考えられる。

例えば、既に述べた全ての実施の形態に対して、臨床中その他のタイミングにて操作者自ら新規の擬似バンドパスフィルタを作成し、臨床に適用することもできる。即ち、第１の実施の形態で示すと図４中の制御部４２に、マトリックス係数を演算・算出することのできる設計部（図示しない）を設ける。

これにより、図３に示す内視鏡本体に設けられたキーボードを介して条件を入力することで、操作者が知りたい分光画像を得るのに適した擬似バンドパスフィルタを新規に設計するとともに、算出されたマトリックス係数（（９）式及び（１９）式のマトリックスＡの各要素に相当）に補正係数（（１０）式及び（２０）式のマトリックスＫの各要素に相当）を施した最終マトリックス係数（（１１）式及び（２１）式のマトリックスＡ'の各要素に相当）を図４中のマトリックス演算部４３６に設定することで、即時臨床に適用することができる。

図２２に、適用までの流れを示す。この流れについて詳しく説明すると、まず、操作者は、目標となるバンドパスフィルタの情報（例えば波長帯域等）をキーボード等を介して入力する。これにより、すでに所定の記憶装置等に記憶されている光源・カラーフィルタの特性等と共に、マトリックスＡ’が算出され、図２１に示されるように、目標とするバンドパスフィルタの特性と共に、そのマトリックスＡ’による演算結果（擬似バンドパスフィルタ）が、スペクトル図としてモニタ上に表示される。操作者はこの演算結果を確認した後、新たに作成されたマトリックスＡ’を使用する場合には、その設定を行い、このマトリックスＡ’を用いて実際の内視鏡画像が生成される。また、これと共に新たに作成されたマトリックスＡ’は、所定の記憶装置に記憶され、操作者の所定の操作に応じて、再度使用することができる。これにより、操作者は既存のマトリックスＡ’にとらわれず、自らの経験等により新たなバンドパスフィルタを生成することができ、特に研究用として使用される場合に、効果が高いものである。

また、この他にも、以下のような変形例が考えられる。例えば、上述の実施の形態では、（１２）式に示すＦ３擬似フィルタ画像の生成では、Ｇ・Ｂ成分に対してＲ成分は無視できる程度に小さい。このような場合は、

と近似して、Ｒ画像の信号もしく数値データを用いなくとも良い。この時、Ｒ画像の信号もしくは数値データが飽和していても、マトリックス部での処理に影響はないので、Ｇ画像とＢ画像の信号もしく数値データが飽和しないことを条件に、照明光量もしくは電子シャッター制御を行えば良い。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、通常の電子内視鏡画像から得られるカラー画像信号を用いて分光画像信号を作成するため、光源部に分光画像専用の光学的波長狭帯域バンドパスフィルタを設けなくても、血管パターン等が鮮明に表示される分光画像を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１ コネクタ
１４ ライトガイド
１５ ランプ
１６ チョッパー
１７ チョッパー駆動部
１９ 対物レンズ
２１ 固体撮像素子
２３ ＲＧＢフィルタ
２４ 絞り制御部
２５ 絞り
２６ ＲＧＢ回転フィルタ制御部
２８ 鉗子チャネル
２９ 鉗子口
３１ 増幅器
３２ 抵抗群
３３ 加算器
４１ 光源部
４２ 制御部
４３ 本体処理装置
５０ 画像メモリ
５１ 計数レジスタ
５３ 乗算器
５４ 乗算器
１０１ スコープ
１０２ 導中部
１０３ 先端部
１０４ 操作部
１０５ 内視鏡装置本体
１０６ 表示モニタ

Claims (17)

1. 照明用光源から被検体内に光を照射し、固体撮像素子によりカラー画像信号を取得する電子内視鏡装置において、
   前記カラー画像信号から特定の波長成分を取り出す処理に基づく分光画像と、前記特定の波長成分を取り出す処理を行わずに得られた信号から生成された通常画像とを生成する生成部と、
   前記照明用光源から照射される光量を、前記通常画像を観察する場合よりも前記分光画像信号を観察する場合に少なくするよう制御する光量制御部と、
   を有することを特徴とする電子内視鏡装置。
2. 前記分光画像は、前記生成部により複数得られることを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
3. 前記生成部は、前記カラー画像信号から電子回路処理により前記分光画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
4. 前記生成部は、前記カラー画像信号から数値データ処理により前記分光画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
5. 前記光量制御部は、前記光を所定の時間間隔で遮断するチョッパーを有することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
6. 前記光量制御部は、前記照明用光源のランプに流れる電流を制御する電流制御部を有することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
7. 前記固体撮像素子による電荷蓄積時間を決定する電子シャッターを制御する電子シャッター制御部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
8. 前記電子シャッター制御部は、前記カラー画像信号毎に前記電荷蓄積時間を独立に制御可能であることを特徴とする請求項７記載の電子内視鏡装置。
9. 前記照明用光源から照射される光量を制御する光量制限部と、前記固体撮像素子による電荷蓄積時間を決定する電子シャッターを制御する電子シャッター制御部と、をさらに有し、前記光量及び前記電荷蓄積時間は、同時に制御されることを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
10. 前記カラー画像信号から前記所定の分光画像信号を生成する際に用いられる所定の係数を変更可能な設定部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
11. 前記通常画像と前記分光画像は切換えて表示することができることを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
12. 前記通常画像と、前記分光画像は同一画面上に表示することができることを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
13. 前記生成部は、カラー感度特性に基づいて求められた所定の係数を用いて、前記カラー画像信号から前記分光画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
14. 前記生成部は、さらに前記照明用光源の分光特性および前記被検体内の反射特性のうち少なくとも１つの特性に基づいて求められた前記所定の係数を用いて、前記カラー画像信号から前記分光画像を生成することを特徴とする請求項１３記載の電子内視鏡装置。
15. 前記分光画像は、負の信号を含むことを特徴とする請求項１記載の電子内視鏡装置。
16. 前記カラー画像信号は、ＲＧＢ信号またはＧＣｙＭｇＹｅ信号であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５いずれか１項記載の電子内視鏡装置。
17. 前記分光画像は、略400nm乃至略440nmの波長領域の画像信号、または略520nm乃至略560nmの波長領域の画像であることを特徴とする請求項１乃至請求項１６いずれか１項記載の電子内視鏡装置。
    
    

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