JP2015077199A - 共焦点内視鏡システム - Google Patents

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貴雄 牧野
幸子 那須
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Abstract

【課題】歪んでいる可能性がある画像を表示しない共焦点内視鏡を得る。
【解決手段】Z方向に進退するプローブ内光ファイバ202は、機械的誤差などの原因により、中心軸AX上を正確に進退できず、中心軸AXと僅かなずれを生じながら進退する。このずれを補正せずに作成された三次元共焦点画像は、歪みを持つおそれがある。歪んだ画像を見た観察者が患部を見逃したり、あるいは正常な部位を患部と誤って認識したりすると、誤診をする可能性がある。そこで、ずれを考慮して画像を補正する。しかしながら、この補正処理は、映像信号処理回路116の処理能力と計算期間とを必要とする。そこで、補正処理を行う期間において、映像信号処理回路116は他の処理を一時的に中止、あるいは三次元共焦点画像をモニタ300に表示せずに、ずれ補正処理のみを実行する。
【選択図】図1

Description

本発明は、共焦点光学系を有する走査型共焦点内視鏡システムに関する。
断層画像を得ることを目的とした共焦点光学系を有した共焦点内視鏡システムが知られている。共焦点光学系は、レーザ光を体腔内の観察対象物に照射して、観察対象物からの反射光もしくは観察対象物の自家蛍光のうち、対物光学系の物体側焦点面における光のみを抽出することを特徴とする。共焦点内視鏡システムは、共焦点光学系を光軸上で進退させることにより観察対象物の断層画像を取得する(特許文献1)。
特開2012−148062号公報
しかしながら、光ファイバを完全に光軸と一致させて移動させることは困難であるため、光ファイバと光軸との位置関係が、光軸と垂直に交わる方向に対し、移動前と移動後とにおいて僅かにずれることがある。このずれが光ファイバを介して取得される画像に必要な位置情報にずれを生じさせ、このずれにより最終的に生成される画像が歪んでしまうおそれがある。このような歪みを持つ可能性がある画像を何ら補正せずにモニタ上に表示すると、精度の高い観察、診断に支障をきたしかねない。
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、共焦点光学系の光軸に沿った移動に起因して歪んでいる可能性がある画像をそのままの状態、つまり補正をかけない状態で観察者に認識させない共焦点内視鏡システムを得ることを目的とする。
本願発明による共焦点内視鏡システムは、各々光軸方向に沿って進退自在に構成される、対物光学系と、当該対物光学系の焦点位置に配設され二次光源及びピンホールとして機能する光ファイバ端面と、を有し、被写体からの光を受光する共焦点光学ユニットと、共焦点光学ユニットからの光に基づき得られた画像データを補正する処理部と、外部から操作されることにより入力された命令を処理部に伝達する操作部と、を備え、操作部は、処理部が画像データの補正を開始してから終了するまで処理部に命令を伝達しないことを特徴とする。
処理部が画像データを補正することにより作成した補正画像データ及び画像データに対応する画像を表示する表示部をさらに備え、表示部は、処理部が画像データの補正を開始してから終了するまで画像を非表示としまたは当該画像を更新しないことが好ましい。
処理部は、対物光学系と光ファイバ端面の光軸方向における相対位置に応じて画像データを補正することが好ましい。
処理部は、相対位置に対応する補正データを有し、補正データを用いて画像データを補正することが好ましい。
処理部は、共焦点光学ユニットが光軸方向に移動し始めたときから移動し終えるまで他の処理を行わないことが好ましい。
処理部は、画像データの補正を開始してから終了するまで他の処理を行わないことが好ましい。
本発明によれば、共焦点光学系の光軸に沿った移動に起因して歪んでいる可能性がある画像をそのままの状態、つまり補正をかけない状態では観察者に認識させない共焦点内視鏡システムを得る。
共焦点内視鏡システムを示すブロック図である。 内視鏡の遠位端部の一部を概略的に示した断面図である。 表示処理を示したフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態による内視鏡システム1について添付図面を参照して説明する。
まず、図1を用いて内視鏡システム1の概略について説明する。内視鏡システム1は、光走査型共焦点内視鏡システムであり、プロセッサ100、共焦点プローブ200、及びモニタ(表示部)300を主に備える。内視鏡システム1は、可撓性を有する管状の共焦点プローブ200の先端面を被写体に当て付けた状態で共焦点観察を行う。
プロセッサ100は、光源102、光分波合波器(フォトカプラ)104、ダンパ106、CPU108、CPUメモリ110、プロセッサ内光ファイバ112、受光器114、映像信号処理回路(処理部)116、画像メモリ118、映像信号出力回路120、及び操作パネル(操作部)124を備える。
光源102は、CPU108の駆動制御に従い、患者の体腔内に投与された薬剤を励起する励起光を光分波合波器104に射出する。光分波合波器104は、光コネクタ152とダンパ106とに接続され、受光した励起光を光コネクタ152を介して共焦点プローブ200に射出する。ダンパ106は、光源102から射出された励起光を無反射終端する。励起光が観察対象に照射されると、観察対象は蛍光を発し、蛍光は共焦点プローブ200に入射する。共焦点プローブ200に入射した蛍光が光コネクタ152を介して光分波合波器104に入射する。共焦点プローブ200については後に詳述する。光分波合波器104は、プロセッサ内光ファイバ112を介して受光器114に蛍光を射出する。受光器114の後段に設けられた映像信号処理回路116及び映像信号出力回路120は、受光器114に入射した蛍光に基づいて画像を作成し、モニタ300に送信する。モニタ300は画像を動画として表示する。操作パネル124は複数のスイッチを備える。観察者はこれらのスイッチを操作して、プロセッサ100に様々な命令を入力する。観察者が入力した命令はCPU108に送信され、CPU108は命令に応じて動作する。
共焦点プローブ200は、プローブ内光ファイバ202、共焦点光学ユニット204、サブCPU206、サブメモリ208、及び走査ドライバ210を備える。
プローブ内光ファイバ202の一端は、光コネクタ152を介して光分波合波器104と接続され、光分波合波器104を介した励起光が入射する。プローブ内光ファイバ202の他端は、共焦点光学ユニット204に接続される。共焦点光学ユニット204は、共焦点プローブ200の先端部に組み込まれる。励起光は、プローブ内光ファイバ202を介してプローブ内光ファイバ202の先端から観察対象に向けて射出される。サブCPU206は、電気コネクタ154を介してCPU108と電気的に接続され、サブメモリ208を一時記憶装置として使用しながら、CPU108からの信号に応じて走査ドライバ210を制御する。走査ドライバ210は、サブCPU206からの制御に応じて、共焦点光学ユニット204を駆動する。
次に、図2を用いて共焦点光学ユニット204について概説する。以下、共焦点光学ユニット204の長手方向をZ方向と定義し、Z方向に直交しかつ互いに直交する二方向をX方向、Y方向と定義する。共焦点光学ユニット204は、共焦点光学ユニット204の各種構成部品を収容する金属製の外筒204Aを有する。
外筒204Aは、外筒204Aの内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒204Bを同軸方向(Z方向)へ進退自在となるように保持する。プローブ内光ファイバ202の先端(以下、符号「202a」を付す。)は、内筒204Bに収容されており、観察対象に向けて励起光を射出する。先端202aの位置は、CPU108による制御に従って周期的に変化する。先端202aの位置変化については後述する。
図1に示すように、サブメモリ208は、共焦点プローブ200の識別情報等のプローブ情報を格納する。サブCPU206は、システム起動時にサブメモリ208からプローブ情報を読み出し、電気コネクタ154を介してCPU108に送信する。CPU108は、送信されたプローブ情報をCPUメモリ110に格納する。CPU108は、格納したプローブ情報を必要時に読み出して共焦点プローブ200の制御に必要な信号を生成して、サブCPU206に送信する。サブCPU206は、CPU108から送信された制御信号に従って走査ドライバ210に必要な設定値を送信する。
走査ドライバ210は、受信した設定値に応じたドライブ信号を生成して、二軸アクチュエータ(駆動部材)204Cを駆動制御する。二軸アクチュエータ204Cは、走査ドライバ210と接続された一対のX軸用電極と一対のY軸用電極とを圧電体上に形成した圧電アクチュエータであって、先端202a付近のプローブ内光ファイバ202の外周面に接着固定される。
走査ドライバ210及び二軸アクチュエータ204Cについて詳細に説明する。走査ドライバ210は、交流電圧Xを二軸アクチュエータ204CのX軸用電極間に印加して圧電体をX方向に共振させると共に、交流電圧Xと同一周波数であって位相が直交する交流電圧YをY軸用電極間に印加して圧電体をY方向に共振させる。交流電圧X、Yはそれぞれ、振幅が時間に比例して線形に増加し、所定の時間をかけて実効値に達する電圧として定義される。プローブ内光ファイバ202の先端202aは、二軸アクチュエータ204CによるX方向、Y方向への運動エネルギーが合成されることにより、X−Y平面に近似する面(以下、「XY近似面」と記す。)上において中心軸AXを中心に渦巻状のパターンを描くように回転する。中心軸AXは、後述する対物光学系204Dの光軸である。先端202aの回転軌跡は、印加電圧に比例して大きくなり、実効値の交流電圧が印加された時点で最も大きい径を有する円の軌跡を描く。励起光はパルス光又は連続光であり、二軸アクチュエータ204Cへの交流電圧の印加開始直後から印加停止までの期間中に、プローブ内光ファイバ202の先端202aから射出される。
プローブ内光ファイバ202の先端202aの前方には、対物光学系204Dが設置される。対物光学系204Dは、複数枚の光学レンズで構成されており、図示省略されたレンズ枠を介して外筒204Aに保持されている。レンズ枠は、外筒204Aの内部において、内筒204Bと相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒204Aの内部を内筒204BとともにZ方向にスライドする。
内筒204Bの基端面と外筒204Aの内壁面との間には、圧縮コイルばね204E及び形状記憶合金204Fが取り付けられている。圧縮コイルばね204Eは、自然長からZ方向に初期的に圧縮狭持されている。形状記憶合金204Fは、Z方向に長尺な棒形状を持ち、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果で所定の形状に復元する性質を有している。形状記憶合金204Fは、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね204Eの復元力より大きくなるように設計されている。走査ドライバ210は、サブCPU206が指定した設定値に応じたドライブ信号を生成して、形状記憶合金204Fを通電し加熱して伸縮量を制御する。形状記憶合金204Fは、伸縮量に応じて内筒204Bをプローブ内光ファイバ202ごとZ方向に進退させる。
プローブ内光ファイバ202の先端202aから射出された励起光は、対物光学系204Dを透過して被写体の表面又は表層でスポットを形成する。スポット形成位置は、点光源である先端202aの進退に応じてZ方向に変位する。すなわち、共焦点光学ユニット204は、二軸アクチュエータ204Cによる先端202aのXY近似面上の周期的な円運動とZ方向の進退を併せることで、被写体を三次元走査する。
プローブ内光ファイバ202の先端202aは、初期状態において、対物光学系204Dの前側焦点位置に配置され、共焦点ピンホールとして機能する。先端202aには、励起光により励起された被写体の散乱成分(蛍光)のうち先端202aと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射する。蛍光は、プローブ内光ファイバ202を伝送後、光コネクタ152を通過して光分波合波器104に入射する。光分波合波器104は、入射した蛍光を光源102から射出される励起光と分離してプロセッサ内光ファイバ112に導く。蛍光は、プロセッサ内光ファイバ112を伝送して受光器114で検出される。受光器114は、例えば光電子増倍管等の高感度光検出器であって、微弱な光を低ノイズで検出し、検出信号を映像信号処理回路116に送信する。
映像信号処理回路116は、検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びAD変換してデジタル検出信号を得る。観察領域(走査領域)内におけるスポット形成位置、及び当該スポット形成位置からの戻り光を検出する信号取得タイミングは、プローブ内光ファイバ202の先端202aの位置(軌跡)に対して略一義的に決まる。CPUメモリ110は、信号取得タイミングと画素位置(画素アドレス)とを関連付けたリマップテーブルを格納する。
映像信号処理回路116は、リマップテーブルを参照し、各デジタル検出信号により表現される点像を信号取得タイミングに応じて画素アドレスに割り当てる。以下、この割り当て処理をリマッピングと記す。映像信号処理回路116は、リマッピングの結果に応じて、各点像の空間的配列によって構成される画像信号を画像メモリ118にフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた画像信号は、所定のタイミングで画像メモリ118から映像信号出力回路120に掃き出される。映像信号出力回路120は、その画像信号をNTSC(National Television System Committee)やPAL(PhaseAlternating Line)等の所定の規格に準拠した映像信号に変換してモニタ300に出力する。モニタ300は、被写体の三次元共焦点画像を表示する。これにより、高倍率かつ高解像度の三次元共焦点画像を観察者が参照できる。
また、映像信号処理回路116は、モニタ300に表示されている動画を静止画として図示しないUSBメモリ等に保存する静止画キャプチャ処理、モニタ300に表示されている動画に含まれるノイズを低減するノイズリダクション処理、モニタ300に表示されている動画のコントラストを調整するコントラスト調整処理、励起光の光量を調節する光量調整処理等を実行する。
Z方向に進退するプローブ内光ファイバ202は、機械的誤差などの原因により、中心軸AX上を正確に進退できず、中心軸AXに対してXまたはY方向に僅かなずれを生じながら進退する。このずれを補正せずに作成された三次元共焦点画像は、歪みを持つおそれがある。そこで、次に説明する処理を行い、ずれに起因する歪みを補正する。ずれは、中心軸AX上の位置に応じて予め測定され、CPUメモリ110に記憶される。そして観察中において、映像信号処理回路116は、中心軸AX上におけるプローブ内光ファイバ202の位置に基づいてCPUメモリ110からずれを読み出し、読み出したずれを考慮して画像を補正する。この処理を歪み補正処理と言う。
歪み補正処理は、映像信号処理回路116の処理能力と計算期間とを必要とする。そこで、歪み補正処理を行う期間において、映像信号処理回路116は他の処理に関する操作を一時的に受付中止し、あるいは三次元共焦点画像をモニタ300に表示せずに、歪み補正処理のみを実行する。すなわち、静止画キャプチャ処理、ノイズリダクション処理、コントラスト調整処理、光量調整処理等を歪み補正処理を行う期間に実行していた場合、これらを一時的に中止し、そして三次元共焦点画像をモニタ300に表示せずに、歪み補正処理のみを優先して実行する。三次元共焦点画像をモニタ300に表示しないことにより、歪みを含むおそれのある画像を観察者が見ることを防止できる。また、映像信号処理回路116が他の処理に関する操作、例えば静止画キャプチャを一時的に受付中止することにより、歪みを含むおそれのある画像を観察者が使用して診断を行うことを防止できる。また、映像信号処理回路116が他の処理に関する操作を一時的に受付中止するため、他の処理を実行する場合に必要な処理能力と計算期間とを、歪み補正処理に割くことができる。これにより、歪み補正処理を迅速に実行できる。ここで、歪み補正処理を行う期間とは、映像信号処理回路116が、中心軸AX上におけるプローブ内光ファイバ202の位置を取得してから、画像を補正し終わるまでの期間をいう。
次に図3を用いて表示処理について説明する。表示処理はプロセッサ100によって実行される処理であって、観察者が中心軸AX上においてプローブ内光ファイバ202を移動させる旨の命令を操作パネル124を介して入力したときに実行される。
初めのステップS31では、CPU108が操作パネル124を無効モードに設定する。これにより、観察者が操作パネル124を操作しても、CPU108は操作に対応した動作を行わない。
次のステップS32では、モニタ300に画像を表示せず、歪み補正処理を行っている旨を表示する。この表示により、術者は、視覚的に操作ができない期間、換言すれば補正処理が行われている期間であることを認識することができる。ここで、画像を非表示とする代わりに、既に表示されている画像をそのまま表示し続けて更新しない構成を採用することもできる。
次のステップS33では、静止画キャプチャ処理、ノイズリダクション処理、コントラスト調整処理、光量調整処理等を実行していた場合、これらを一時的に中止する。
次のステップS34では、プローブ内光ファイバ202が中心軸AX上において移動を完了したか、すなわち中心軸AX上において停止したか否かを判断する。停止した場合、処理はステップS35に進み、停止していない場合、ステップS34を繰り返す。
ステップS35では、中心軸AX上におけるプローブ内光ファイバ202の位置、より正確には先端202aの位置を取得する。付け加えるならば、先端202aは対物光学系204Dと相対的に移動する。従って、先端202aの位置取得はすなわち対物光学系204Dの位置取得とも言える。位置の取得処理は、例えば、上記位置を取得できる位置センサ等を内視鏡システム1が搭載している場合、位置センサ等が取得した位置を取得する。位置センサ等を搭載していない場合、内視鏡システム1は、プローブ内光ファイバ202のホーム(スタート)位置からの移動量を知っているため、その移動量から現在位置を算出する。
次のステップS36では、映像信号処理回路116が、中心軸AX上におけるプローブ内光ファイバ202の位置に基づいてCPUメモリ110から補正データを読み出す。
次のステップS37では、映像信号処理回路116が、読み出した補正データを考慮して画像を補正する。
次のステップS38では、補正が終了したか否かを判断する。補正が終了した場合、処理はステップS39に進み、終了していない場合、ステップS38を繰り返す。
ステップS39では、ステップS33において停止した静止画キャプチャ処理、ノイズリダクション処理、コントラスト調整処理、光量調整処理等を再開する。
次のステップS40では、モニタ300に画像を表示する。より詳しくは、ステップS32で表示していた文字列が非表示とされ、その代替で補正後の画像が表示される。
次のステップS41では、CPU108が操作パネル124を有効モードに設定する。これにより、観察者による操作パネル124の操作に応じて、CPU108が動作する。そして処理が終了する。
本実施形態によれば、プローブ内光ファイバ202の先端202aと中心軸AXとのずれが常に補正された歪みのない三次元共焦点画像をモニタ300に表示できる。観察者は、歪みがない画像を見ることにより、患部を正確に把握し、あるいは正常な部位を患部と誤って認識したりすることがない。また、歪み補正処理を実行している期間に他の処理を実行しないため、映像信号処理回路処理能力を全て歪み補正処理に割くことができる。これにより、歪み補正処理を迅速に実行でき、歪み補正処理を実行する期間を短縮できる。
なお、内視鏡装置は、光走査型内視鏡でなくてもよく、共焦点効果を利用する内視鏡であればよい。すなわち光走査型共焦点内視鏡でなくてもよく、共焦点内視鏡であればよい。
なお、共焦点プローブ200は、プローブ形態に限定されず、内視鏡等の形態であってもよい。
なお、静止画キャプチャ処理、ノイズリダクション処理、コントラスト調整処理、光量調整処理等の中止と、モニタ300による三次元共焦点画像の表示とは、同時に行われてもよく、どちらか一方のみを行ってもよい。
なお、補正データは、ずれに限定されない。画像を補正するために必要な情報であればよい。
なお、歪み補正処理を行う期間は、中心軸AX上においてプローブ内光ファイバ202が移動を開始してから、画像を補正し終わるまでの期間であってもよい。
なお、歪み補正処理を行う期間は、中心軸AX上においてプローブ内光ファイバ202が移動を開始してから移動を終えるまでの期間であってもよい。映像信号処理回路116は、移動を終えるまでに移動の目標位置を取得し、目標位置に基づいてCPUメモリ110からずれを読み出し、読み出したずれを考慮して画像を補正する。
内視鏡システム1が、操作パネル124の他にユーザインターフェースを備えてもよい。この場合、表示処理のステップS31において、操作パネル124に加えて、他のユーザインターフェースを無効にしてもよい。これにより、観察者が操作パネル124や他のユーザインターフェースを操作しても、CPU108は操作に対応した動作を行わない。そして、表示処理のステップS41において、CPU108が操作パネル124や他のユーザインターフェースを有効モードに設定してもよい。これにより、観察者による操作パネル124や他のユーザインターフェースの操作に応じて、CPU108が動作する。
なお、本実施形態では励起光を用いて画像を作成するとして説明したが、光源102が通常光を発光して、この通常光を観察対象に照射し、観察対象からの反射光を用いて画像を作成してもよい。
1 内視鏡システム
100 プロセッサ
102 光源
104 光分波合波器
106 ダンパ
108 CPU
110 CPUメモリ
112 プロセッサ内光ファイバ
114 受光器
116 映像信号処理回路
118 画像メモリ
120 映像信号出力回路
124 操作パネル
152 光コネクタ
154 電気コネクタ
200 共焦点プローブ
202 プローブ内光ファイバ
204 共焦点光学ユニット
204A 外筒
204B 内筒
204C 二軸アクチュエータ
204D 対物光学系
204F 形状記憶合金
206 サブCPU
208 サブメモリ
210 走査ドライバ
300 モニタ

Claims (6)

  1. 各々光軸方向に沿って進退自在に構成される、対物光学系と、当該対物光学系の焦点位置に配設され二次光源及びピンホールとして機能する光ファイバ端面と、を有し、被写体からの光を受光する共焦点光学ユニットと、
    前記共焦点光学ユニットからの光に基づき得られた画像データを補正する処理部と、
    外部から操作されることにより入力された命令を前記処理部に伝達する操作部と、を備え、
    前記操作部は、前記処理部が前記画像データの補正を開始してから終了するまで前記処理部に前記命令を伝達しない共焦点内視鏡システム。
  2. 前記処理部が前記画像データを補正することにより作成した補正画像データ及び前記画像データに対応する画像を表示する表示部をさらに備え、
    前記表示部は、前記処理部が前記画像データの補正を開始してから終了するまで前記画像を非表示としまたは当該画像を更新しない請求項1に記載の共焦点内視鏡システム。
  3. 前記処理部は、前記対物光学系と前記光ファイバ端面の光軸方向における相対位置に応じて前記画像データを補正する請求項1又は2に記載の共焦点内視鏡システム。
  4. 前記処理部は、前記相対位置に対応する補正データを有し、前記補正データを用いて前記画像データを補正する請求項3に記載の共焦点内視鏡システム。
  5. 前記処理部は、前記共焦点光学ユニットが前記光軸方向に移動し始めたときから移動し終えるまで他の処理を行わない請求項1から4のいずれかに記載の共焦点内視鏡システム。
  6. 前記処理部は、前記画像データの補正を開始してから終了するまで他の処理を行わない請求項1から5のいずれかに記載の共焦点内視鏡システム。
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