JP2014050453A - 内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡画像の画像処理方法 - Google Patents
内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡画像の画像処理方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高酸素領域においては生体組織の凹凸などの視認性を向上させるとともに、低酸素領域においては酸素飽和度の大きさを分かりやすく表示する。
【解決手段】酸素飽和度測定光と通常光を交互に検体に照射し、その反射像をカラーの撮像素子で撮像する。通常光の発光時に得られる画像情報から通常画像を生成する。通常光の発光時に得られる画像情報の一部と前記酸素飽和度測定光の発光時に得られる画像情報の一部に基づいて、酸素飽和度を算出する。この算出した酸素飽和度に基づいて、通常画像上に高酸素領域と低酸素領域を設定する。高酸素領域に対しては、生体組織の凹凸や血管の走行パターンの視認性を向上させる処理（ＷＢ、色強調処理）が施される。低酸素領域に対しては、酸素飽和度の大きさによって色の違いが明確になる処理（ゲイン処理、色強調処理）が施される。
【選択図】図１１
【解決手段】酸素飽和度測定光と通常光を交互に検体に照射し、その反射像をカラーの撮像素子で撮像する。通常光の発光時に得られる画像情報から通常画像を生成する。通常光の発光時に得られる画像情報の一部と前記酸素飽和度測定光の発光時に得られる画像情報の一部に基づいて、酸素飽和度を算出する。この算出した酸素飽和度に基づいて、通常画像上に高酸素領域と低酸素領域を設定する。高酸素領域に対しては、生体組織の凹凸や血管の走行パターンの視認性を向上させる処理（ＷＢ、色強調処理）が施される。低酸素領域に対しては、酸素飽和度の大きさによって色の違いが明確になる処理（ゲイン処理、色強調処理）が施される。
【選択図】図１１
Description
本発明は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を画像化する内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡画像の画像処理方法に関する。
現在の医療分野においては、内視鏡を使った診断が広く行われている。この内視鏡の診断においては、内視鏡の挿入部を検体内に挿入し、その先端部から検体に所定波長の照明光で照明してから、先端部の撮像素子で検体を撮像することにより、検体上に表れる様々な生体情報が反映された画像を取得している。
例えば、特許文献１では、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光を体腔内に照射して撮像し、その撮像により得られる画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度に関する情報が反映された酸素飽和度画像を取得している。この特許文献１の酸素飽和度画像では、酸素飽和度が６０％を超えるような高酸素領域については、白色光の照射により得られる通常画像と同じ色で表示する一方で、酸素飽和度が６０％を下回るような低酸素領域については、酸素飽和度の程度に応じた疑似カラーで表示している。したがって、病変部位である可能性が高い低酸素領域とそれ以外の高酸素領域とが異なる色で表示されるため、病変部位の分布を直感的に把握することができる。
特許文献１のような酸素飽和度画像を診断に用いることで、低酸素領域においては疑似カラーの色の違いから酸素状態を把握することができる一方、高酸素領域においては、通常画像の色により多彩な色で表示されるため、表示血管の走行パターンや生体組織の凹凸情報など診断に有用な情報を把握することができる。したがって、酸素飽和度画像を用いた診断の精度を高めるためには、高酸素領域においては生体組織の凹凸や血管の走行パターンの視認性を向上させるとともに、低酸素領域においては酸素飽和度の程度（例えば、酸素飽和度６０％の領域と酸素飽和度４０％の領域の色の違い）が明確に分かるようにすることが求められている。
本発明は、高酸素領域においては生体組織の凹凸などの視認性を向上させるとともに、低酸素領域においては酸素飽和度の大きさを分かりやすく表示することができる内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡画像の画像処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の内視鏡システムは、検体に照明光を照射する照明手段と、照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像して第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像して第２画像情報を取得する画像情報取得手段と、第１画像情報に基づいて、広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を生成する通常画像生成手段と、第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、通常画像において、酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と、一定値を下回る第２領域を設定する領域設定手段と、第１領域及び第２領域に対して、それぞれ異なる種類の処理を施す領域処理手段とを備えることを特徴とする。
領域処理手段は、第１領域に対してカラーバランスを調整するカラーバランス処理を行い、第２領域に対して、酸素飽和度に応じて第２領域の色を変化させるゲイン処理を行うことが好ましい。領域処理手段は、第２領域に対しては、カラーバランスを行わないことが好ましい。カラーバランス処理は、第１領域の画素値を調整することにより、第１領域におけるホワイトバランスを調整し、ゲイン処理は、酸素飽和度に基づいて、第２領域の画素値を調整することで、第２領域における色を酸素飽和度に応じて変化させることが好ましい。
領域処理手段は、第１領域又は第２領域の少なくとも一方に対して、色強調処理を行うことが好ましい。第１領域に対する色強調処理は、第１領域の色のうち赤色成分を強調する赤色強調処理であることが好ましい。第２領域に対する色強調処理は、酸素飽和度の大きさによって異なる第２領域の色を強調する疑似カラー強調処理であることが好ましい。
第１画像情報は、４４０〜４６０nmの青色狭帯域光及びこの青色狭帯域光を波長変換部材で波長変換することで得られる蛍光が照射された検体をカラーの撮像素子のＢ画素、Ｇ画素、Ｒ画素で撮像することで得られる３色の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データであり、第２画像情報は、４６０〜４８０nmの青色狭帯域光及びこの４６０〜４８０nmの青色狭帯域光を波長変換部材で波長変換することで得られる蛍光が照射された前記検体をカラーの撮像素子のＢ画素で撮像することで得られる青色狭帯域画像データであることが好ましい。
第１画像情報は、青色光、緑色光、赤色光が順次照射された検体をモノクロの撮像素子で順次撮像することで得られる３色の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データであり、第２画像情報は、４５０〜５００nmの青色光が照射された検体をモノクロの撮像素子で撮像することで得られる青色狭帯域画像データであることが好ましい。酸素飽和度算出手段は、第２画像情報である青色狭帯域画像データに加え、第１画像情報の緑色画像データ及び赤色画像データに基づいて、酸素飽和度を算出することが好ましい。
本発明は、検体に照明光を照射する照明手段と、照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像することにより第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像することにより第２画像情報を取得する画像情報取得手段とを備える内視鏡に接続された内視鏡システムのプロセッサ装置において、第１及び第２画像情報を受信する受信手段と、第１画像情報に基づいて、広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を生成する通常画像生成手段と、第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、通常画像において、酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と、一定値を下回る第２領域を設定する領域設定手段と、第１領域及び第２領域に対して、それぞれ異なる種類の処理を施す領域処理手段とを備えることを特徴とする。
本発明は、検体に照明光を照射する照明手段と、照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像して第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像してり第２画像情報を取得する画像情報取得手段とを備える内視鏡に接続された内視鏡用プロセッサ装置内で、第１及び第２画像情報に対して画像処理を施す内視鏡画像の画像処理方法において、第１画像情報に基づいて、広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を通常画像生成手段により生成し、第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を酸素飽和度算出手段により算出し、通常画像において、酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と一定値を下回る第２領域とを、領域設定手段により設定し、第１領域及び第２領域に対してそれぞれ異なる種類の処理を、領域処理手段により施すことを特徴とする。
本発明によれば、通常画像のうち、第１領域（高酸素領域）に対してはカラーバランス処理を施しているため、高酸素領域においては生体組織の凹凸などの視認性が向上している。一方、第２領域（低酸素領域）に対しては、カラーバランス処理ではなく、酸素飽和度に応じたゲイン処理を行うことで、低酸素領域における酸素飽和度の大きさを色で表示しているため、酸素飽和度の大きさを直感的に把握することができる。
図１に示すように、第１実施形態の内視鏡システム１０は、被検体内を照明する光を発生する光源装置１１と、光源装置１１からの光を被検体の被観察領域に照射し、その反射像を撮像する内視鏡装置１２と、内視鏡装置１２での撮像により得られた画像信号を画像処理するプロセッサ装置１３と、画像処理によって得られた内視鏡画像等を表示する表示装置１４と、キーボード等で構成される入力装置１５とを備えている。
内視鏡装置１２には、操作部１６側から順に、軟性部１７、湾曲部１８、スコープ先端部１９が設けられている。軟性部１７は可撓性を有しているため、屈曲自在にすることができる。湾曲部１８は、操作部１６に配置されたアングルノブ１６ａの回動操作により湾曲自在に構成されている。この湾曲部１８は、被検体の部位等に応じて、任意の方向、任意の角度に湾曲させることができるため、スコープ先端部１９を所望の観察部位に向けることができる。
内視鏡システム１０は、波長範囲が青色から赤色に及ぶ可視光の被検体像からなる通常画像を表示装置１４に表示する通常モードと、通常画像上に血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を反映させた酸素飽和度画像を表示装置１４に表示する酸素飽和度モードを備えている。これら２つのモードは、内視鏡装置に設けられた切り替えスイッチ２１や入力装置１５によって、切り替え可能である。
図２に示すように、光源装置１１は、２種のレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２と、光源制御部２０とを備えている。レーザ光源ＬＤ１は、中心波長が４７３ｎｍの第１レーザ光を発する。この第１レーザ光は、内視鏡装置１２のスコープ先端部１９に配置された蛍光体５０（波長変換部材）で、緑色から赤色に波長範囲を有する蛍光に波長変換される。レーザ光源ＬＤ２は、中心波長が４４５ｎｍの第２レーザ光を発する。この第２レーザ光も、蛍光体５０によって、蛍光に波長変換される。各レーザ光源ＬＤ１、ＬＤ２から発せられる第１及び第２レーザ光は、集光レンズ（図示省略）を介してそれぞれ光ファイバ２４，２５に入射する。
なお、第１レーザ光の波長範囲は４６０〜４８０ｎｍにすることが好ましく、第２レーザ光の波長範囲は４４０〜４６０ｎｍにすることが好ましい。また、レーザ光源ＬＤ１、ＬＤ２は、ブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードが使用でき、また、ＩｎＧａＮＡｓ系レーザダイオードやＧａＮＡｓ系レーザダイオード等を用いることもできる。
光源制御部２０は、レーザ光源ＬＤ１、ＬＤ２を制御する。通常モードのときには、図３Ａに示すように、レーザ光源ＬＤ２をオンにし、レーザ光源ＬＤ１をオフにする。これにより、レーザ光源ＬＤ２の第２レーザ光と蛍光とを含む通常光が検体内に照射される。一方、酸素飽和度モードのときには、図３Ｂに示すように、レーザ光源ＬＤ１とレーザ光源ＬＤ２のオンとオフを交互に繰り返す発光制御が行われる。これにより、レーザ光源LD１の第１レーザ光とこの第１レーザ光により蛍光体５０で励起発光する蛍光とを含む酸素飽和度測定光と、通常光とが交互に検体内に照射される。
図２に示すように、カプラ２２は、光ファイバ２４，２５からの第１及び第２レーザ光を２系統の光に分波し、その２系統の光をライトガイド２８，２９に入射させる。ライトガイド２８，２９は多数の光ファイバを束ねたバンドルファイバなどから構成される。
内視鏡装置１２は電子内視鏡から構成され、ライトガイド２８，２９で導光された２系統（２灯）の光を被観察領域に向けて照射する照明部３３と、被観察領域を撮像する１系統の撮像部３４と、内視鏡装置１２と光源装置１１及びプロセッサ装置１３とを着脱自在に接続するコネクタ部３６を備えている。
照明部３３は、撮像部３４の両脇に設けられた２つの照明窓４３，４４を備えており、各照明窓４３，４４は、蛍光体５０を透過した光を被観察領域に向けて照射する。撮像部３４は、スコープ先端部１９の略中心位置に、被観察領域からの反射光を受光する１つの観察窓４２を備えている。
照明窓４３，４４の奥には、それぞれ投光ユニット４７，５４が収納されている。各投光ユニット４７，５４は、ライトガイド２８，２９からの第１及び第２レーザ光を蛍光体５０に当てて、蛍光を励起発光させる。第１及び第２レーザ光と蛍光は、レンズ５１を介して被観察領域に向けて照射される。
蛍光体５０は、第１及び第２レーザ光の一部を吸収して緑色〜赤色に励起発光する複数種の蛍光物質（例えばＹＡＧ系蛍光物質、或いはＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７）等の蛍光物質）を含んで構成される。第１及び第２レーザ光が蛍光体５０に照射されると、蛍光体５０から発せられる緑色〜赤色の励起発光光（蛍光）と、蛍光体５０により吸収されず透過した第１及び第２レーザ光の励起光とが合わされて、疑似白色光が生成される。
なお、蛍光体５０は略直方体形状を有していることが好ましい。この場合、蛍光体５０は、蛍光体物質をバインダで略直方体状に固めて形成してもよく、また、無機ガラスなどの樹脂に蛍光体物質を混合したものを略直方体状に形成してもよい。この蛍光体５０は、商品名としてマイクロホワイト（登録商標）（Micro White（ＭＷ））とも呼ばれている。
観察窓４２の奥には、被検体の被観察領域の像光を取り込むための対物レンズユニット（図示省略）等の光学系が設けられており、さらにその対物レンズユニットの奥には、被観察領域の像光を受光して被観察領域を撮像するＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子６０が設けられている。なお、撮像素子６０として、ＩＴ（インターライントランスファー）型のＣＣＤを使用するが、そのほか、グローバルシャッターを有するＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）を使用してもよい。
撮像素子６０は、対物レンズユニットからの光を受光面（撮像面）で受光し、受光した光を光電変換して撮像信号（アナログ信号）を出力する。撮像素子６０はカラーＣＣＤであり、図４Ａに示すように、その受光面には、Ｂ色のカラーフィルタが設けられたＢ画素６０ｂ、Ｇ色のカラーフィルタが設けられたＧ画素６０ｇ、Ｒ色のカラーフィルタが設けられたＲ画素６０ｒを１組とする画素群が、マトリックス状に配列されている。Ｂ色、Ｇ色、Ｒ色のカラーフィルタは、図４Ｂの曲線６３，６４，６５に示すように、それぞれ青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に分光透過率を有している。
図２に示すように、撮像素子６０から出力される撮像信号（アナログ信号）は、スコープケーブル６７を通じてＡ／Ｄ変換器６８に入力される。Ａ／Ｄ変換器６８は、撮像信号（アナログ信号）をその電圧レベルに対応する画像データ（デジタル信号）に変換する。変換後の画像データは、コネクタ部３６を介して、プロセッサ装置１３に入力される。
撮像制御部７０は、撮像素子６０の撮像制御を行う。この撮像制御は、モード毎に異なっている。通常モード時には、図５Aに示すように、１フレーム期間内で、通常光を撮像素子６０で光電変換して電荷を蓄積するステップと、撮像素子６０のB画素、G画素、R画素から青色信号Ｂｃ、緑色信号Ｇｃ、赤色信号Ｒｃを読み出すステップが行われる。これは通常モードに設定されている間、繰り返し行われる。なお、青色信号Ｂｃ、緑色信号Ｇｃ、赤色信号Ｒｃは、Ａ／Ｄ変換器６８により、青色画像データＢｃ、緑色画像データＧｃ、赤色画像データＲｃに変換される。
一方、酸素飽和度モード時には、図５Ｂに示すように、まず、最初の１フレーム目において、酸素飽和度測定光を撮像素子６０で光電変換して電荷を蓄積するステップと、撮像素子６０のB画素、G画素、R画素から青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ１、赤色信号Ｒ１を読み出すステップが行われる。そして、次の２フレーム目において、通常光を撮像素子６０で光電変換して電荷を蓄積するステップと、撮像素子６０のB画素、G画素、R画素から青色信号Ｂ２、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２を読み出すステップが行われる。この合計２フレームの撮像制御は、酸素飽和度モードに設定されている間、繰り返し行われる。
なお、青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ１、赤色信号Ｒ１は、Ａ／Ｄ変換器６８により、青色画像データＢ１、緑色画像データＧ１、赤色画像データＲ１に変換され、青色信号Ｂ２、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２は、Ａ／Ｄ変換器６８により、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２に変換される。
図２に示すように、プロセッサ装置１３は、制御部７１と、画像処理部７２と、記憶部７４とを備えており、制御部７２には表示装置１４及び入力装置１５が接続されている。制御部７２はプロセッサ装置１３内の各部を制御するとともに、内視鏡装置１２の切り替えスイッチ２１や入力装置１５から入力される入力情報に基づいて、光源装置１１の光源制御部２０、内視鏡装置１２の撮像制御部７０、及び表示装置１４の動作を制御する。
図６に示すように、画像処理部７２は、通常画像処理部８０、酸素飽和度画像処理部８２を備えている。通常画像生成部８０は、通常モード時に得られる青色画像データBｃ、緑色画像データGｃ、赤色画像データRｃを、それぞれ表示装置１４のBチャンネル、Gチャンネル、Rチャンネルに割り当てる処理を行う。これにより、表示装置１４上に、通常画像が表示される。
酸素飽和度画像処理部８２は、強度比算出部８４と、相関関係記憶部８５と、酸素飽和度算出部８６と、領域設定部８７と、領域処理部８８と、画像生成部８９とを備えている。強度比算出部８４は、酸素飽和度モード時に取得した画像データのうち、青色画像データＢ１と緑色画像データＧ２の強度比Ｂ１／Ｇ２と、緑色画像データＧ２と赤色画像データＲ２の強度比Ｒ２／Ｇ２とを求める。強度比算出部８４では、画像データ間で同じ位置にある画素間の強度比を算出し、また、強度比は画像データの全ての画素に対して算出される。なお、強度比は画像データのうち血管部分の画素のみ求めてもよい。この場合、血管部分は、血管部分の画素の画素値とそれ以外の部分の画素の画素値との差に基づいて特定される。
相関関係記憶部８５は、強度比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２と酸素飽和度との相関関係を記憶している。この相関関係は、図７に示すように、二次元空間上に酸素飽和度の等高線を定義した２次元テーブルで記憶されている。この等高線の位置、形は光散乱の物理的なシミュレーションで得られ、血液量に応じて変わるように定義されている。例えば、血液量の変化があると、各等高線間の間隔が広くなったり、狭くなったりする。なお、強度比Ｂ１／Ｇ２，Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。
上記相関関係は、図８に示すような酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンの吸光特性や光散乱特性と密接に関連性し合っている。ここで、曲線９０は酸化ヘモグロビンの吸光係数を、曲線９１は還元ヘモグロビンの吸光係数を示している。例えば、４７３ｎｍのように吸光係数の差が大きい波長では、酸素飽和度の情報を取り易い。しかしながら、４７３ｎｍの光に対応する信号を含む青色画像データＢ１は、酸素飽和度だけでなく血液量にも依存度が高い。そこで、青色画像データＢ１に加え、主として血液量に依存して変化する赤色画像データＲ２と、青色画像データＢ２と赤色画像データＲ２のリファレンス信号（規格化用信号）となる緑色画像データＧ２から得られる強度比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２を用いることで、血液量に依存することなく、酸素飽和度を正確に求めることができる。
また、４７０〜７００ｎｍの波長範囲の光は、粘膜組織内での散乱係数が小さく、かつ波長依存性が小さいという性質がある。このため、この波長範囲の光を照明光として用いることによって、血管の深さの影響を低減しつつ、血液量および酸素飽和度の情報を含む血液情報を得ることができる。
なお、相関関係記憶部８５には、強度比Ｒ２／Ｇ２と血液量との相関関係についても記憶させてもよい。この相関関係は、強度比Ｒ２／Ｇ２が大きくなればなるほど血液量も大きくなるように定義される１次元テーブルとして記憶されている。この強度比Ｒ２／Ｇ２と血液量の相関関係は血液量の算出時に用いられる。
また、血中ヘモグロビンの吸光係数の波長依存性から、以下のことが言える。
・波長４７０ｎｍ近辺（例えば、中心波長４７０ｎｍ±１０ｎｍの青色の波長領域）では酸素飽和度の変化に応じて吸光係数が大きく変化する。
・５４０〜５８０ｎｍの緑色の波長範囲で平均すると、酸素飽和度の影響を受けにくい。
・５９０〜７００ｎｍの赤色の波長範囲では、酸素飽和度によって一見吸光係数が大きく変化するように見えるが、吸光係数の値自体が非常に小さいので、結果的に酸素飽和度の影響を受けにくい。
・波長４７０ｎｍ近辺（例えば、中心波長４７０ｎｍ±１０ｎｍの青色の波長領域）では酸素飽和度の変化に応じて吸光係数が大きく変化する。
・５４０〜５８０ｎｍの緑色の波長範囲で平均すると、酸素飽和度の影響を受けにくい。
・５９０〜７００ｎｍの赤色の波長範囲では、酸素飽和度によって一見吸光係数が大きく変化するように見えるが、吸光係数の値自体が非常に小さいので、結果的に酸素飽和度の影響を受けにくい。
また、図７に示すように、強度比Ｒ２／Ｇ２が大きくなるのに従って、強度比Ｂ１／Ｇ２も大きくなるの（酸素飽和度＝０％限界の等高線が斜め上方にスライドする）は、以下の理由からである。上記したように、強度比Ｒ２／Ｇ２は血液量と相関関係があるため、強度比Ｒ２／Ｇ２が大きくなるほど血液量も大きくなる。画像データＢ１、Ｇ２、Ｒ２の中で、血液量の増加によって画素値の低下が一番大きくなるのは、緑色画像データＧ２であり、その次が青色画像データＢ１である。これは、緑色画像データＧ２に含まれる波長成分の５４０〜５８０ｎｍの吸光係数が、青色画像データＢ１に含まれる波長成分の４７０ｎｍ付近の吸光係数よりも高いためである（図８参照）。したがって、強度比Ｂ１／Ｇ２においては、血液量が大きくなるほど、分子のＢ１の画素値の低下よりも分母のＧ２の画素値の低下の方が大きくなる。即ち、強度比Ｂ１／Ｇ２は、血液量が大きくなるにつれて、大きくなる。
酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶された相関関係と強度比算出部８４で求めた強度比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２とを用いて、各画素における酸素飽和度を求める。なお、以下の説明においては、酸素飽和度の算出に使用する青色画像データB１、緑色画像データG２、赤色画像データR２の所定画素の輝度値を、それぞれＢ１＊、Ｇ２＊、Ｒ２＊する。これに伴い、各画素における強度比は、Ｂ１＊／Ｇ２＊、Ｒ２＊／Ｇ２＊となる。
酸素飽和度算出部８６は、図９に示すように、相関関係記憶部８５に記憶した相関関係から、強度比Ｂ１＊／Ｇ２＊、Ｒ２＊／Ｇ２＊に対応する対応点Ｐを特定する。そして、対応点Ｐが酸素飽和度＝０％限界の下限ライン９８と酸素飽和度＝１００％限界の上限ライン９９との間にある場合に、その対応点Ｐが示すパーセント値を酸素飽和度とする。例えば、図９の場合であれば、対応点Ｐは６０％の等高線上に位置するため、酸素飽和度は６０％となる。
一方、対応点が下限ライン９８と上限ライン９９との間から外れている場合、対応点が下限ライン９８よりも上方に位置するときには酸素飽和度を０％とし、対応点が上限ライン９９よりも下方に位置するときには酸素飽和度を１００％とする。なお、対応点が下限ライン９８と上限ライン９９との間から外れている場合には、その画素における酸素飽和度の信頼度を下げて表示装置１４上に表示しないようにしてもよい。
領域設定部８７は、酸素飽和度算出部８６で算出した酸素飽和度に基づき、酸素飽和度モード時に取得した青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２に対して、高酸素領域または低酸素領域のいずれかの領域設定を行う。この領域設定部８７では、酸素飽和度が一定値（例えば６０％）を超える画素領域については高酸素領域として設定され、一定値を下回る画素領域については低酸素領域として設定される。これにより、図１０に示すように、青色画像データＢ２に対して高酸素領域９３ａと低酸素領域９３ｂが設定される。緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２についても、青色画像データＢ２と同様に、高酸素領域と低酸素領域が設定される。
領域処理部８８は、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２の高酸素領域及び低酸素領域に対して、それぞれ異なる種類の処理（領域処理）を施す。この領域処理部８８では、図１１に示すように、第１〜第３領域処理の３つの領域処理が可能である。これら第１〜第３領域処理のいずれで処理を行うかは、入力装置１５による操作で適宜選択することができる。
第１領域処理では、低酸素領域に対して、ゲイン処理を行う一方で、ホワイトバランス（ＷＢ）と色強調処理は行わない。このゲイン処理では、図１２に示すように、酸素飽和度の低下に合わせて、青色画像データＢ２の画素値を低下させるのに対して、緑色画像データＧ２及び赤色画像データＲ２の画素値を増加させる。このように、低酸素領域については、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２に対して、それら３色の画像データ間のバランスを整えるＷＢではなく、バランスを崩すゲイン処理を行うことで、酸素飽和度の大きさ違いによる色の変化を明確にすることができる（例えば、酸素飽和度６０％の領域の色と酸素飽和度４０％の領域の色の違いが明確になる）。
一方、第１領域処理では、高酸素領域に対して、ＷＢ及び色強調処理を行う一方で、ゲイン処理は行わない。ＷＢを行うことにより、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２間のバランスが整えられる。これにより、生体組織の凹凸情報や血管の走行パターンなど診断に有効な視認性が向上する。なお、ＷＢは、内視鏡診断前のキャリブレーションにより得られる青色画像データＢ２の補正値、緑色画像データＧ２の補正値、赤色画像データＲ２の補正値に基づいて、行われる。
また、高酸素領域に対しては、ＷＢに加えて、赤色成分を強調する色強調処理が施される。体腔内は全体的に赤みを帯びているため、赤色を強調する色強調処理を行うことで、生体組織の凹凸情報や血管の走行パターンなどの視認性を更に向上させることができる。この高酸素領域に対する色強調処理は、高酸素領域の青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２をＨＳＩ信号に変換した上で、図１３に示すようなトーンカーブを用いて、色相変換処理を施す。この色相変換処理を行うことで、「青」や「緑」に近い色が「赤」に近づくようになる。色相変換処理後のＨＳＩ信号は、再度、ＲＧＢ変換される（ＲＧＢ変換後の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データも、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２と表記する）。なお、図１３では、トーンカーブの横軸は「色相変換処理前の色」を表しており、縦軸は「色相変換処理後の色」を表している（図１４のトーンカーブの横軸、縦軸についても同様である）。
図１１に示すように、第２領域処理では、低酸素領域に対して、ゲイン処理及び色強調処理を行う一方で、ホワイトバランス（ＷＢ）は行わない。ゲイン処理については、第１領域処理のゲイン処理と同様である。そして、ゲイン処理後の低酸素領域の青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２に対して色強調処理を施すことによって、酸素飽和度の違いによる色の違いを更に明確化させる。これにより、酸素飽和度のわずかな変化も、色の変化に反映されるようになる。
低酸素領域に対する色強調処理は、低酸素領域の青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２をＨＳＩ信号に変換した上で、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示すようなトーンカーブを用いて、色相変換処理を行う。この色相変換処理では、ゲインを「１」よりも大きくした「緑」や「赤」については、図１４（Ａ）に示すように、「緑」及び「赤」の間の色相を変化させることなく、そのままの色を維持する。これに対して、ゲインを「１」よりも小さくした「青」については、図１４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、「青」及び「緑」の間の色相と「青」及び「赤」の間の色相を変化させることによって、「赤」や「緑」に近い色が「青」に極力近づかないようにするとともに、「青」に近い色は「青」に近づけるようにする。色相変換処理後のＨＳＩ信号は、再度、ＲＧＢ変換される（ＲＧＢ変換後の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データも、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２と表記する）。
また、第２領域処理では、高酸素領域に対して、ＷＢを行う一方で、ゲイン処理及び色強調処理は行わない。高酸素領域に対するＷＢは、第１領域処理と同様である。
図１１に示すように、第３領域処理では、低酸素領域に対してゲイン処理及び色強調処理を行う一方で、ＷＢは行わない。これに対して、高酸素領域に対しては、ＷＢ及び色強調処理を行う一方で、ゲイン処理は行わない。なお、低酸素領域に対して行うゲイン処理及び色強調処理は、第１及び第２領域処理のゲイン処理及び色強調処理と同様であり、高酸素領域に対して行うＷＢ及び色強調処理も、第１及び第２領域処理のＷＢ及び色強調処理と同様である。
画像生成部８９は、領域処理部８８で第１〜第３領域処理のいずれか施された青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２を、表示装置１４のBチャンネル、Gチャンネル、Rチャンネルに割り当てる処理を行う。これにより、表示装置１４上に、酸素飽和度画像が表示される。ここで、図１５Ａに示すように、第１領域処理を行った場合の酸素飽和度画像９４においては、高酸素領域９４ａは、通常画像よりも、生体組織の凹凸や血管走行パターンの視認性が向上している。一方、酸素飽和度画像９４の低酸素領域９４ｂでは、酸素飽和度に応じた色が疑似カラーとして表示されている。
また、図１５Ｂに示すように、第２領域処理を行った場合の酸素飽和度画像９５においては、高酸素領域９５ａは、通常画像と同等の画質で表示される。一方、酸素飽和度画像９５の低酸素領域９５ｂでは、酸素飽和度画像９４の低酸素領域９４ａと比べて、酸素飽和度のわずかな変化も、色の違いとして反映されている。この低酸素領域９５ｂのうち、領域９５ｃは酸素飽和度５０〜６０％の領域を表しており、領域９５ｄは酸素飽和度４０〜５０％の領域を表している。
また、図１５Ｃに示すように、第３領域処理を行った場合の酸素飽和度画像９６においては、高酸素領域９６ａは、通常画像よりも、生体組織の凹凸や血管走行パターンの視認性が向上している。また、酸素飽和度画像９６の低酸素領域９６ａでは、酸素飽和度画像９４の低酸素領域９４ｂと比べて、酸素飽和度のわずかな変化も、色の違いとして反映されている（領域９６ｃは酸素飽和度５０〜６０％の領域を表しており、領域９６ｄは酸素飽和度４０〜５０％の領域を表している）。
次に、酸素飽和度モードにおける一連の流れを、図１６のフローチャートに沿って説明する。まず、内視鏡装置の切り替えスイッチ２１によって酸素飽和度モードに切り替えるとともに、入力装置１５を操作することによって、高酸素領域及び低酸素領域に対して行う第１〜第３領域処理のいずれかの処理を選択する。これにより、酸素飽和度測定光と通常光が交互に検体に照射され、各照射毎に検体がカラーの撮像素子６０で撮像される。
次に、検体内の撮像で得られた画像データのうち、青色画像データB１及び緑色画像データG２間の強度比Ｂ１／Ｇ２、赤色画像データR２及び緑色画像データＧ２間の強度比Ｒ２／Ｇ２を、画素毎に算出する。そして、これら２つの強度比と、相関関係記憶部８５に記憶した相関関係とから、各画素毎に酸素飽和度を算出する。そして、算出した酸素飽和度に基づき、青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２に対して、高酸素領域または低酸素領域のいずれかの領域設定を行う。そして、高酸素領域及び低酸素領域のそれぞれに対して、入力装置１５で選択した第１〜第３領域処理のいずれかを施す。領域処理が施された青色画像データＢ２、緑色画像データＧ２、赤色画像データＲ２を表示装置１４のＢ、Ｇ、Ｒチャンネルに割り当てる。これにより、酸素飽和度画像が表示装置１４に表示される。酸素飽和度測定光等の照射から酸素飽和度画像の表示までの一連の流れは、酸素飽和度モードが継続している限り、繰り返し行われる。
上記第１実施形態では、半導体光源の照明光を用いて被検体内の照明を行ったが、これに代えて、第２実施形態では、キセノンランプなどの白色光源の広帯域光から回転フィルタで波長分離した光を用いて、照明を行う（回転フィルタ方式）。この第２実施形態では、図１７に示す内視鏡システム１００を使用する。内視鏡システム１００は、内視鏡装置１０１、光源装置１０２が異なっている以外は、内視鏡システム１０と同様の構成を備えている。したがって、以下においては、内視鏡装置１０１及び光源装置１０２の構成とそれに関連する部分を説明し、その他については説明を省略する。
内視鏡装置１０１は、スコープ先端部の照明部３３に蛍光体５０が設けられていない点が内視鏡装置１２と異なる。そのため、光源装置１０２からの光は、ライトガイド２８，２９を介して、そのまま被検体内に照射される。また、撮像素子１０３は、撮像素子６０と異なり、撮像面にカラーフィルタが設けられていないモノクロＣＣＤで構成される。それ以外については、内視鏡装置１０１は、内視鏡装置１２と同様の構成を備えている。
光源装置１０２は、広帯域光ＢＢ（４００〜７００ｎｍ）を発する白色光源１１０と、この白色光源１１０からの広帯域光ＢＢを所定波長の光に波長分離する回転フィルタ１１２と、回転フィルタ１１２の回転軸に接続され、一定の回転速度で回転フィルタ１１２を回転させるモータ１１３と、回転フィルタ１１２をその半径方向にシフトさせるシフト部１１４を備えている。
白色光源１１０は、広帯域光ＢＢを放射する光源本体１１０ａと、広帯域光ＢＢの光量を調整する絞り１１０ｂとを備えている。光源本体１１０ａはキセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなどから構成される。絞り１１０ｂの開度は、光量制御部（図示省略）によって調節される。
図１８に示すように、回転フィルタ１１２は、モータ１１３に接続された回転軸１１２ａを回転中心として回転する。この回転フィルタ１１２には、回転軸１１２がある回転中心から順に、半径方向に沿って、第１及び第２フィルタ領域１２０，１２２が設けられている。第１フィルタ領域１２０は通常モード時に広帯域光ＢＢの光路上にセットされ、第２フィルタ領域１２２は酸素飽和度モード時に広帯域光BBの光路上にセットされる。各フィルタ領域１２０、１２２の切替は、シフト部１１４により回転フィルタ１１２を半径方向にシフトさせることによって、行われる。
第１フィルタ領域１２０は、中心角が１２０°の扇型の領域に、それぞれＢフィルタ部１２０ａ、Ｇフィルタ部１２０ｂ、Ｒフィルタ部１２０ｃが設けられている。図１９に示すように、Ｂフィルタ部１２０ａは広帯域光ＢＢから青色帯域（３８０〜５００nm）のＢ光を透過させ、Ｇフィルタ部１２０ｂは広帯域光ＢＢから緑色帯域（４５０〜６３０nm）のＧ光を透過させ、Ｒフィルタ部１２０ｃは広帯域光ＢＢから赤色帯域（５８０〜７６０nm）のＲ光を透過させる。したがって、回転フィルタ１１２の回転によって、Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光が順次出射する。これらＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、集光レンズ１１６及び光ファイバ１１７を通して、ライドガイド２８，２９に入射する。
第２フィルタ領域１２２は、測定用フィルタ部１２２ａ（図１８では「測定用」と記載）、Bフィルタ部１２２ｂ、Ｇフィルタ部１２２ｃ、Ｒフィルタ部１２２ｄが設けられている。測定用フィルタ部１２２ａは広帯域光ＢＢのうち、波長範囲４５０〜５００nmの酸素飽和度測定光を透過させる。また、Ｂフィルタ部１２２ｂ、Ｇフィルタ部１２２ｃ，Ｒフィルタ部１２２ｄは、上記Ｂ、Ｇ、Ｒフィルタ部１２０a、１２０ｂ、１２０ｃと同様、青色帯域（３８０〜５００nm）のＢ光、緑色帯域（４５０〜６３０nm）のＧ光、赤色帯域（５８０〜７６０nm）のＲ光を透過させる。したがって、回転フィルタ１１２の回転によって、酸素飽和度測定光、Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光が順次出射する。これら４種類の光は、集光レンズ１１６及び光ファイバ１１７を通して、ライドガイド２８，２９に順次入射する。
第２実施形態の内視鏡システム１００では、回転フィルタ方式を採用しているため、撮像制御が内視鏡システム１０と異なる。通常モードにおいては、図２０Ａに示すように、Ｂ、Ｇ、Ｒの三色の像光を撮像素子１０３で順次撮像して電荷を蓄積し、この蓄積した電荷に基づいて青色信号Bｃ、緑色信号Gｃ、赤色信号Rｃを順次出力する。この一連の動作は、通常モードに設定されている間、繰り返される。そして、それら３色の信号Ｂｃ、Ｇｃ，ＲｃをＡ／Ｄ変換した青色画像データＢｃ、緑色画像データＧｃ、赤色画像データＲｃを、表示装置１４のB、G、Rチャンネルに割り当てる。これにより、通常画像が表示装置１４に表示される。
酸素飽和度モードにおいては、図２０Ｂに示すように、酸素飽和度測定光、Ｂ光、Ｇ光、R光を撮像素子１０３で順次撮像して電荷を蓄積し、この蓄積した電荷に基づいて青色信号B１、青色信号B２、緑色信号G２、赤色信号R２を順次出力する。こうした動作は酸素飽和度モードに設定されている間、繰り返される。なお、それら４色の信号Ｂ１、Ｂ２、Ｇ２、Ｒ２は、Ａ／Ｄ変換器５８により、青色画像データB１、青色画像データB２、緑色画像データG２、赤色画像データR２に変換される。
酸素飽和度モードで取得した画像データのうち、青色画像データB１、緑色画像データG２、赤色画像データR２に基づいて、第１実施形態と同様の手順で、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出する。また、算出した酸素飽和度に基づき、青色画像データB２、緑色画像データG２、赤色画像データR２の領域設定（高酸素領域又は低酸素領域）を行う。そして、高酸素領域及び低酸素領域のそれぞれに対して、第１〜第３領域処理のいずれかを施す。そして、領域処理が施された青色画像データB２、緑色画像データG２、赤色画像データR２を、表示装置のB、G、Rチャンネルに割り当てる。これにより、酸素飽和度画像が表示装置１４に表示される。
なお、上記第１及び第２実施形態では、色強調処理として、高酸素領域に対しては赤色を強調する赤色強調処理を、低酸素領域に対しては、酸素飽和度の違いによる色の違いを強調する処理を行ったが、これに代えて、色彩強調により色強調処理を行ってもよく、また、通常画像（青色画像データB２、緑色画像データG２、赤色画像データR２から得られる画像）を分光推定することで得られる分光画像を用いて色強調処理を行ってもよい。
なお、上記第１実施形態では、スコープ先端部１９に蛍光体５０を設けたが、これに代えて、光源装置１１内に蛍光体５０を設けてもよい。この場合、ＬＤ２（445nm）と光ファイバ２５の間には蛍光体５０を設け、それ以外のＬＤ１（473nm）と光ファイバ２４の間とＬＤ３（405nm）と光ファイバ２６の間については、蛍光体５０を設けなくてもよい。
なお、上記第１及び第２実施形態では、血液量（酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの和）のうち酸化ヘモグロビンの占める割合である酸素飽和度を用いて酸素飽和度画像を生成したが、これに代えて又は加えて、「血液量×酸素飽和度（％）」から求まる酸化ヘモグロビンインデックスや、「血液量×（１００−酸素飽和度）（％）」から求まる還元ヘモグロビンインデックスを用いてもよい。
１０，１００ 内視鏡システム
１３ プロセッサ装置
７２ 画像処理部
８６ 酸素飽和度算出部
８７ 領域設定部
８８ 領域処理部
９４〜９６ 酸素飽和度画像
１３ プロセッサ装置
７２ 画像処理部
８６ 酸素飽和度算出部
８７ 領域設定部
８８ 領域処理部
９４〜９６ 酸素飽和度画像
Claims (12)
- 検体に照明光を照射する照明手段と、
前記照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像して第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像して第２画像情報を取得する画像情報取得手段と、
前記第１画像情報に基づいて、前記広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を生成する通常画像生成手段と、
前記第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、
前記通常画像において、前記酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と、前記一定値を下回る第２領域を設定する領域設定手段と、
前記第１領域及び前記第２領域に対して、それぞれ異なる種類の処理を施す領域処理手段とを備えることを特徴とする内視鏡システム。 - 前記領域処理手段は、前記第１領域に対してカラーバランスを調整するカラーバランス処理を行い、前記第２領域に対して、前記酸素飽和度に応じて前記第２領域の色を変化させるゲイン処理を行うことを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
- 前記領域処理手段は、前記第２領域に対しては、前記カラーバランスを行わないことを特徴とする請求項２記載の内視鏡システム。
- 前記カラーバランス処理は、前記第１領域の画素値を調整することにより、前記第１領域におけるホワイトバランスを調整し、
前記ゲイン処理は、前記酸素飽和度に基づいて、前記第２領域の画素値を調整することで、前記第２領域における色を前記酸素飽和度に応じて変化させることを特徴とする請求項２または３記載の内視鏡システム。 - 前記領域処理手段は、前記第１領域又は前記第２領域の少なくとも一方に対して、色強調処理を行うことを特徴とする請求項２ないし４いずれか１項記載の内視鏡システム。
- 前記第１領域に対する色強調処理は、前記第１領域の色のうち赤色成分を強調する赤色強調処理であることを特徴とする請求項５記載の内視鏡システム。
- 前記第２領域に対する色強調処理は、前記酸素飽和度の大きさによって異なる前記第２領域の色を強調する疑似カラー強調処理であることを特徴とする請求項５または６記載の内視鏡システム。
- 前記第１画像情報は、４４０〜４６０nmの青色狭帯域光及びこの青色狭帯域光を波長変換部材で波長変換することで得られる蛍光が照射された前記検体をカラーの撮像素子のＢ画素、Ｇ画素、Ｒ画素で撮像することで得られる３色の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データであり、
前記第２画像情報は、４６０〜４８０nmの青色狭帯域光及びこの４６０〜４８０nmの青色狭帯域光を波長変換部材で波長変換することで得られる蛍光が照射された前記検体をカラーの撮像素子のＢ画素で撮像することで得られる青色狭帯域画像データであることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の内視鏡システム。 - 前記第１画像情報は、青色光、緑色光、赤色光が順次照射された前記検体をモノクロの撮像素子で順次撮像することで得られる３色の青色画像データ、緑色画像データ、赤色画像データであり、
前記第２画像情報は、４５０〜５００nmの青色光が照射された前記検体をモノクロの撮像素子で撮像することで得られる青色狭帯域画像データであることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の内視鏡システム。 - 前記酸素飽和度算出手段は、前記第２画像情報である前記青色狭帯域画像データに加え、前記第１画像情報の緑色画像データ及び赤色画像データに基づいて、前記酸素飽和度を算出することを特徴とする請求項８または９記載の内視鏡システム。
- 検体に照明光を照射する照明手段と、前記照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像することにより第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像することにより第２画像情報を取得する画像情報取得手段とを備える内視鏡に接続された内視鏡システムのプロセッサ装置において、
前記第１及び第２画像情報を受信する受信手段と、
前記第１画像情報に基づいて、前記広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を生成する通常画像生成手段と、
前記第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、
前記通常画像において、前記酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と、前記一定値を下回る第２領域を設定する領域設定手段と、
前記第１領域及び前記第２領域に対して、それぞれ異なる種類の処理を施す領域処理手段とを備えることを特徴とする内視鏡システムのプロセッサ装置。 - 検体に照明光を照射する照明手段と、前記照明光のうち、広帯域の可視光で照明された検体を撮像して第１画像情報を取得するとともに、酸化ヘモグロビンの吸光係数と還元ヘモグロビンの吸光係数が異なる波長域の光で照明された検体を撮像してり第２画像情報を取得する画像情報取得手段とを備える内視鏡に接続された内視鏡用プロセッサ装置内で、前記第１及び第２画像情報に対して画像処理を施す内視鏡画像の画像処理方法において、
前記第１画像情報に基づいて、前記広帯域の可視光の波長成分を有する通常画像を通常画像生成手段により生成し、
前記第２画像情報に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を酸素飽和度算出手段により算出し、
前記通常画像において、前記酸素飽和度算出手段で算出した酸素飽和度が一定値を超える第１領域と前記一定値を下回る第２領域とを、領域設定手段により設定し、
前記第１領域及び前記第２領域に対してそれぞれ異なる種類の処理を、領域処理手段により施すことを特徴とする内視鏡画像の画像処理方法。
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