JP2017136373A - 組み合わされたフルカラー反射および近赤外線画像化のための画像化システム - Google Patents

組み合わされたフルカラー反射および近赤外線画像化のための画像化システム Download PDF

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Abstract

【課題】ＮＩＲ画像およびフルカラー画像を獲得するための画像化システムを提供する。
【解決手段】ＮＩＲ画像およびフルカラー画像を獲得するための画像化システム１０は、生態組織など、観察下の領域に可視光およびＮＩＲ光を提供する光源１１と、その観察下の領域から戻された青色反射光、緑色反射光、および組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光を別々に検出するように構成された、１つまたは複数の画像センサとを含む。光源１１およびカメラ１３と信号で通信するコントローラ１４は、光源１１を制御して、時間的に連続的な青色／緑色照射光を用いて、かつ赤色照射光およびＮＩＲ励起光を用いて、観察下の領域を連続的に照射するように構成される。赤色照射光およびＮＩＲ励起光のうちの少なくとも１つは、カメラ１３内の赤色光画像およびＮＩＲ光画像の獲得と同期して、周期的にオンとオフに切り替えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、医用画像化に関し、詳細には、生態組織など、観察下の領域から、特に、内
視鏡検査において使用するための可視光画像および近赤外線画像を取得するためのシステ
ムおよび方法に関する。
近赤外線（ＮＩＲ）画像化は、様々な臨床応用に関する文献において記述されてきた。
典型的には、かかる画像化モダリティ（ｉｍａｇｉｎｇ ｍｏｄａｌｉｔｙ）は、ＮＩＲ
内で吸光しおよび／または蛍光発光する造影剤（例えば、インドシアニングリーン）を利
用する。かかる造影剤は、疾患の検出のために、目標分子（例えば、抗体）に共役される
ことが可能である。造影剤は、標準の可視光画像化技術を用いて容易には見られない組織
構造および組織機能（例えば、管内の血液／リンパ液／胆液の流れ）を画像化するために
、静脈注射によってまたは皮下注射によって組織内に導かれることが可能である。
臨床応用と無関係に、内視鏡ＮＩＲ画像化装置は、実質的な特徴として、通常、複数の
画像化モードを含む。例えば、内視鏡検査は、可視化およびナビゲーションの両方のため
に可視スペクトルカラーを利用し、ＮＩＲ画像化を提供する内視鏡画像化装置は、通常、
同時カラー画像を提供する。かかる同時画像化装置は、例えば、以下のように実現可能で
ある。
１つの従来の構成は、可視光およびＮＩＲ光のスペクトル分離を利用し、フルカラー画
像信号およびＮＩＲ画像信号は、異なる色（例えば、赤、緑、および青）およびＮＩＲス
ペクトルバンドに関する別々のセンサ、または異なるスペクトルバンド（例えば、赤、緑
、青、およびＮＩＲ）に透過的なフィルタ要素を有する統合フィルタを備えた単一のカラ
ーセンサを使用して、獲得する。したがって、かかる多様式のカラー画像化装置およびＮ
ＩＲ画像化装置は、２つの画像化モードのそれぞれに専用のセンサまたはセンサ画素を提
供する。不利なことに、これは、マルチセンサ実施における画像センサの数を増大し、ま
たは同じセンサ上で、特定のセンサ画素がＮＩＲ画像化専用であり、一方、その他のセン
サ画素がカラー画像化のために利用されるとき、画像解像度を損なう。
もう１つの従来の構成は、可視光およびＮＩＲ光の連続的な画像化のために、単一の白
黒画像センサを利用する。対象は、それにより、それぞれのスペクトルバンドに関して別
々の画像フレームが獲得されて、獲得された画像フレームから合成色画像およびＮＩＲ画
像が生成された状態で、赤色スペクトルバンド、緑色スペクトルバンド、青色スペクトル
バンド、およびＮＩＲスペクトルバンドを用いて連続的に照射される。しかし、画像フレ
ームが異なる時点で順次に獲得されるこの手法は、合成色画像内および合成ＮＩＲ画像内
に好ましくないモーションアーチファクト（ｍｏｔｉｏｎ ａｒｔｉｆａｃｔ）（すなわ
ち、色ぶちおよび「レインボー効果（ｒａｉｎｂｏｗ ｅｆｆｅｃｔｓ）」）を生成する
可能性がある。これらのアーチファクトは、獲得、すなわちフレームレートを、例えば、
毎秒１５フレーム（ｆｐｓ）を超えるように、例えば、９０ｆｐｓ、または１８０ｆｐｓ
まで増大することによって緩和可能である。高いデータ転送速度のため、高解像度画像（
例えば、２００万画素）または大きなダイナミックレンジ（＞１０ビット）を有する画像
に関して高いフレームレートを実現するのは困難であり、したがって、画像サイズおよび
／または解像度を限定する。
したがって、前述の不利点を未然に防ぎ、画像解像度を損なわずおよび／または好まし
くないモーションアーチファクトをもたらさない、フルカラー可視光画像およびＮＩＲ光
画像の同時獲得のためのシステムおよび方法を提供することが望ましいことになる。
本発明の一態様によれば、ＮＩＲ画像およびフルカラー画像の獲得のための方法は、連
続的な青色／緑色光を用いて、観察下の領域を照射するステップと、赤色光およびＮＩＲ
光を用いて、その観察下の領域を照射するステップとを含み、赤色光およびＮＩＲ光のう
ちの少なくとも１つは、周期的にオンとオフに切り替えられる。観察下の領域から戻る青
色光、緑色光、赤色光、およびＮＩＲ光は、青色光、緑色光、および組み合わされた赤色
光／ＮＩＲ光を別々に検出するように構成された、１つまたは複数のセンサに導かれる。
赤色光スペクトル成分およびＮＩＲ光スペクトル成分は、切り替えられる赤色およびＮＩ
Ｒ光と同期して、組み合わされた赤色光／ＮＩＲ光の画像信号から別に決定される。観察
下の領域のフルカラー反射画像は、青色光、緑色光、および赤色光からレンダーリング（
ｒｅｎｄｅｒ）および表示されて、ＮＩＲ画像は、同様に、ＮＩＲ光からレンダーリング
および表示される。
本発明のもう１つの態様によれば、ＮＩＲ画像およびフルカラー画像を獲得するための
画像化システムは、可視光およびＮＩＲ光を観察下の領域に提供する光源と、観察下の領
域から戻された青色および緑色光、ならびに組み合わされた赤色およびＮＩＲ光を別々に
検出するように構成された、１つまたは複数の画像センサを有するカメラと、光源および
カメラと信号で通信するコントローラとを含む。このコントローラは、光源を制御して、
青色／緑色光を用いて組織を連続的に照射して、赤色光およびＮＩＲ光を用いて観察下の
領域を照射するように構成され、赤色光およびＮＩＲ光のうちの少なくとも１つは、カメ
ラ内の赤色画像およびＮＩＲ画像の獲得と同期して、周期的にオンとオフに切り替えられ
る。
このコントローラは、組み合わされた赤色光およびＮＩＲ光を表すセンサ信号から赤色
光スペクトル成分およびＮＩＲ光スペクトル成分を別々に決定するようにさらに構成され
る。この画像化システムは、青色光、緑色光、および別々に決定された赤色光スペクトル
成分に対応する画像信号を受信して、そこから、観察下の領域のフルカラー可視光画像を
レンダーリングするディスプレイをさらに含む。このディスプレイは、別々に決定された
ＮＩＲ光スペクトル成分も受信して、そこから、観察下の領域のＮＩＲ画像もレンダーリ
ングする。
このビデオ画像化システムは、青色周波帯および緑色周波帯を連続的に画像化して、赤
色周波帯を断続的に画像化するように構成された３つのセンサを備えたカラーカメラを使
用することができ、これにより、連続的な高品質の輝度情報と、十分に連続的な完全彩度
とを提供して、生態組織など、観察下の領域の高品質ビデオ画像を生み出す。かかる構成
では、赤色画像センサは、時間的に多重化されて、赤色画像およびＮＩＲ画像の両方を獲
得する（すなわち、赤色画像センサが、交番して、かつ、迅速に連続して、カラー画像に
必要なカラー情報に関する赤色光およびＮＩＲ画像に必要な画像情報に関するＮＩＲ光の
両方を画像化する）ことが可能である。そのような時間的な多重化は、ＮＩＲ照射（蛍光
発光に関する励起）およびカラー画像化のための赤色光を提供するために使用される照射
源に結合されること（かつ、その照射源と同期されること）が可能である。次いで、画像
処理は、結果として生じる画像信号を適切に分離および処理するために利用される。
本発明の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことが可能である。観
察下の領域は、赤色光およびＮＩＲ光を用いて交番して照射されることが可能であり、赤
色光の持続期間は、ＮＩＲ光を用いた照射の持続期間と異なってよく、好ましくは、当該
持続期間よりも長くてよい。照射は、ビデオフィールドで、またはフレームレートで切り
替えられることが可能である。
画像センサによって捕捉され、赤色光スペクトル成分またはＮＩＲ光スペクトル成分に
欠けるフィールドは、対応する赤色光スペクトル成分またはＮＩＲ光スペクトル成分を含
む、時間的に隣接する画像フィールドから補間されることが可能である。一実施形態では
、赤色光の不在時に取得されたＮＩＲ光スペクトル成分を、組み合わされた赤色光／ＮＩ
Ｒ光から除去して、分離した赤色光スペクトル成分を取得することが可能である。これは
、特に、検出されたＮＩＲ信号が赤色信号の強度に匹敵する強度を有するときに有利であ
る。
一実施形態では、光源は、連続的なスペクトル範囲を介して、実質的に一定強度の可視
光およびＮＩＲ光を発光する発光体と、時間的に連続的な青色／緑色光ならびに時間的に
不連続的な赤色光およびＮＩＲ光を透過させるように発光体と観察下の領域との間に配置
された複数の可動フィルタとを含むことが可能である。
もう１つの実施形態では、光源は、連続的なスペクトル範囲を介して、実質的に一定強
度の可視光およびＮＩＲ光を発光する発光体と、可視光およびＮＩＲ光を青色／緑色光、
赤色光、およびＮＩＲ光に分離するための第１のダイクロイック（ｄｉｃｈｒｏｉｃ）手
段と、分離された赤色光およびＮＩＲ光を時間的に不連続的な赤色光および不連続的なＮ
ＩＲ光に変換するためのシャッタ手段と、観察下の領域に透過するために、青色／緑色光
、時間的に不連続的な赤色光、および時間的に不連続的なＮＩＲ光を組み合わせるための
第２のダイクロイック手段とを含むことが可能である。
さらにもう１つの実施形態では、光源は、実質的に一定強度の緑色光および青色光を発
光する第１の発光体と、切り替えられる赤色光を生み出す第２の発光体と、切り替えられ
るＮＩＲ励起光を生み出す第３の発光体と、観察下の領域に透過するために、切り替えら
れる赤色光および切り替えられるＮＩＲ光を緑色光および青色光と組み合わせるためのダ
イクロイック手段とを含むことが可能である。切り替えられる赤色光およびＮＩＲ光は、
シャッタまたはチョッパによって、赤色光およびＮＩＲ光の連続的な強度の光ビームを中
断することによって生み出されることが可能である。あるいは、切り替えられる赤色光お
よびＮＩＲ光は、第２の発光体および第３の発光体を電気的にオンとオフに切り替えるこ
とによって生み出されることが可能である。
これらの画像センサは、インタレース（ｉｎｔｅｒｌａｃｅ）走査または順次走査を用
いることが可能である。
この画像化システムは、内視鏡を含むことが可能である。
以下の図面は、決して限定ではなく、本発明の例示として理解されるべき、本発明のい
くつかの例示的な実施形態を示す。
本発明の一実施形態による内視鏡システムを示す図である。 図１の内視鏡システムと共に用いられることになるマルチモード光源の例示的な実施形態を示す図である。 図１の内視鏡システムと共に用いられることになるマルチモード光源の例示的な実施形態を示す図である。 図１の内視鏡システムと共に用いられることになるマルチモード光源の例示的な実施形態を示す図である。 図１の内視鏡システムと共に用いられることになるマルチモード光源の例示的な実施形態を示す図である。 ３つのセンサを備えたカラーカメラによって用いられる例示的なダイクロイックプリズムを示す図である。 図３ａのダイクロイックプリズムによって分離されたスペクトル成分に関する光透過範囲を示す図である。 励起光がカメラに入るのをブロックするノッチフィルタの光透過範囲を示す図である。 緑色／青色光を用いた連続的な照射および赤色／ＮＩＲ光を用いた、交番する照射のための第１の実施形態のタイミング図である。 緑色／青色光を用いた連続的な照射および赤色／ＮＩＲ光を用いた、交番する照射のための第２の実施形態のタイミング図である。 緑色／青色／ＮＩＲ光を用いた連続的な照射および赤色光を用いた、交番する照射のための第３の実施形態のタイミング図である。 積層型の画像化層（ｓｔａｃｋｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｌａｙｅｒ）およびこれら層の対応するスペクトル感度を有する、例示的なＣＭＯＳセンサを示す図である。
カラービデオ画像は、通常、別々の赤色画像センサ、緑色画像センサ、および青色画像
センサが、赤色画素情報、緑色画素情報、および青色画素情報の同時の連続アレイを提供
する、３つのセンサを備えたカラーカメラを用いて取得される。フルカラービデオ画像は
、すべての３つのセンサからの画像情報を組み合わせることによって生成される。カラー
忠実度（すなわち、真の演色）は、医用画像化応用において非常に重要であり、すべての
３つのセンサは、完全な色情報を提供するために使用される。
しかし、ヒト組織のビデオ画像内の色情報および空間情報の相対的な重要性を理解する
ためには、輝度および彩度の点から、かかるビデオ画像内の情報を考慮することが有用で
ある。輝度は、画像内の明るさ情報を指し、これは、観察者が形を認識することを可能に
する空間的な細部を提供する情報である。したがって、輝度の空間解像度および時間解像
度は、ビデオ画像品質の認識にとって極めて重要である。彩度は、ビデオ画像内の色情報
を指す。彩度は、画像特徴の彩度内の細かな細部偏差が容易には認識されず、画像品質の
評価全体において、かかる偏差は、結果として、輝度内の細かな細部偏差よりも重要性が
低いという、人間の視覚の属性である。彩度情報のビデオ符号化がサブサンプリングされ
ることが多いのはこのためである。
可視光を用いて取得されたヒト組織のビデオ画像において、組織の構造的細部は、主と
して、画像化された光の青色波長領域内および緑色波長領域内に含まれる。青色および緑
色光は、組織表面から反射される傾向があり、赤色光は、組織内で大いに分散される傾向
がある。結果として、赤色画像センサに達する細かい構造的細部は赤色光内にほんのわず
かしか存在しない。人間の視覚は、空間情報の大部分を可視スペクトルの緑色部分から受
信すること、すなわち、緑色光情報は、輝度に偏って寄与することも色彩科学から知られ
ている。ガンマ補正された色成分から輝度を計算するための標準の公式は、Ｙ’＝０．２
１２６Ｒ’＋０．７１５２Ｇ’＋０．０７２２Ｂ’である。このため、ヒト組織のビデオ
画像の赤色成分の空間補間および／または時間補間は、それらの画像内の細かい細部の認
識に著しい影響を及ぼさない。
赤色光と同じように、ＮＩＲ光は、組織内で分散されて、ＮＩＲ画像特徴を、はっきり
と画定させるのではなく、散漫に画定させる傾向がある。さらに、ＮＩＲ画像は、当該領
域（すなわち、造影剤が局部集束した領域）を強調表示するが、全体的な視覚化情報また
はナビゲーション情報を提供しないため、ＮＩＲ内視鏡画像化装置は、連続的なカラー画
像、およびＮＩＲ画像情報の重ね合わせ表示またはサイドバイサイド表示を提供すること
が望ましい。かかる表示において、ＮＩＲ光は、観察者に提示される空間情報により少な
く寄与することにもなる。
図１は、色照射およびＮＩＲ照射の両方の透過に適した照射ガイド、例えば、光ファイ
バケーブル１７によって、内視鏡１２に接続された、視覚的照射およびＮＩＲ照射の両方
を提供するマルチモード光源１１と、内視鏡画像ガイドに取り付けられた、それぞれ、青
色画像化、緑色画像化、および赤色／ＮＩＲ画像化のための、３つの異なるセンサ３４、
３６、３８（図３ａを参照されたい）を有するとして例示されるカラーカメラ１３と、照
射および画像の獲得を制御および同期するために、カメラ１３と光源１１とに接続された
カメラコントローラ１４とを含むＮＩＲ内視鏡画像化システム１０の例示的な実施形態を
概略的に示す。コントローラ１４は、例えば、ケーブル１９によって、コントローラ１４
に接続されたモニタ１５上の表示のために、獲得された可視画像およびＮＩＲ画像を処理
することも可能である。画像は、ビデオレートなど、選択可能なフレームレートで、リア
ルタイムで獲得可能である。
図２ａ〜２ｄは、様々な光源１１の例示的な実施形態の概略的な図を示す。例示される
光源は、可視照射光を通常のカラー画像化モードで供給して、実質的に連続的なスペクト
ル分散を生み出すように構成される。この光源は、アーク灯、ハロゲンランプ、１つもし
くは複数の固体源（例えば、ＬＥＤ、半導体レーザ）、またはそれらの任意の組合せであ
ってよく、（例えば、バンドパスフィルタ、ＩＲフィルタなどを用いて）スペクトル的に
フィルタリングまたは成形されることが可能である。連続的なスペクトルは、例えば、回
転フィルタホイールを使用して、同時にまたは順次に原色（ＲＧＢ）として生み出される
ことが可能である。
本発明によるシステムでは、本発明のシステムと共に使用されることになる、下で詳細
に記述される光源は、可視スペクトルの青色部分内および緑色部分内に連続的な、中断さ
れない照射と、不連続的な赤色および／またはＮＩＲ光とを提供するように構成される。
可視スペクトルの青色部分および緑色部分は、連続的な光源によって生み出された、また
は狭帯域光源（例えば、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤ）によって直接的に生み出された発
光から光学的にフィルタリングされることが可能である。赤色およびＮＩＲ光は、アーク
灯、ハロゲンランプ、固体源（例えば、赤色ＬＥＤおよびＮＩＲ ＬＥＤ、もしくはレー
ザ）、またはそれらの任意の組合せによって生み出されることも可能である。
次に図２ａを参照すると、一実施形態では、光源１１は、可視ＮＩＲ光発光を生み出す
発光体２０２と、コリメータレンズ２０４と、赤色およびＮＩＲ光を交番して透過させ、
緑色および青色光を連続的に透過させるフィルタホイールまたは往復フィルタホルダ２０
８とを含む。あるいは、調整可能な電気光学フィルタまたは音響光学フィルタが使用可能
である。フィルタリングされた光は、レンズ２０６によって光ガイド１７上に集束される
。
光源１１ｂのもう１つの実施形態が、図２ｂにおいて概略的に例示される。光源１１ｂ
は、可視光およびＮＩＲ光発光を生み出す発光体２０２と、コリメータレンズ（ｃｏｌｉ
ｍａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ）２０４とを含む。ダイクロイックミラー２１２は、緑色／青色
光を透過させて、赤色／ＮＩＲ光を別のダイクロイックミラー２１４に反射し、その別の
ダイクロイックミラー２１４は、ＮＩＲ光をＮＩＲミラー２１５に透過させて、赤色光を
反射し、またはその逆を行う。緑色／青色光は、フィルタ２１３によってさらにバンドパ
スフィルタリングされることが可能である。反射された赤色およびＮＩＲ光は、例えば、
（結合されて単一のチョッパホイールを形成することが可能な）チョッパホイール２１９
ａ、２１９ｂによって刻まれて、次いで、ミラー２１６、２１７によって反映されて、ダ
イクロイックミラー２１８によって緑色／青色光と組み合わされる、時間的に不連続的な
照射を生み出す。組み合わされた光は、次いで、既に述べたように、レンズ２０６によっ
て光ガイド１７上に集束される。
図２ｃに概略的に例示された光源１１ｃのもう１つの実施形態では、発光体２０２ａは
、コリメータレンズ２０４ａによって視準された緑色および青色光発光を生み出す。同様
に、別々の発光体２０２ｂ、２０２ｃは、対応するコリメータレンズ２０４ｂおよび２０
４ｃによって視準された、それぞれの赤色光発光およびＮＩＲ光発光を生み出す。図２ｂ
の実施形態のように、赤色およびＮＩＲ光は、例えば、（組み合わされて単一のチョッパ
ホイールを形成することが可能な）チョッパホイール２１９ａ、２１９ｂによって刻まれ
て、次いで、ダイクロイックミラー２２２、２２８によって、緑色／青色照射と組み合わ
される、時間的に不連続的な照射を生み出す。組み合わされた光は、次いで、既に述べた
ように、レンズ２０６によって光ガイド１７上に集束される。
図２ｄに概略的に例示された光源１１ｄのさらに別の実施形態では、発光体２０２ａは
、既に述べたように、コリメータレンズ２０４ａによって視準された緑色および青色光発
光を生み出す。しかし、図２ｃの実施形態と異なり、別々の発光体２０２ｄ、２０２ｅは
、この場合、電気的に切り替えられて、制御されたタイミングで赤色光発光およびＮＩＲ
光発光を生み出す。例えば、赤色光源およびＮＩＲ光源２０２ｄ、２０２ｅは、適切な、
好ましくは電子的なスイッチを用いて、迅速にオンとオフに変えることができる、ＬＥＤ
または半導体レーザなど、固体光源であってよい。図２ｃを参照して上で記述されたよう
に、赤色およびＮＩＲ照射は、対応するコリメータレンズ２０４ｂおよび２０４ｃによっ
て視準されて、ダイクロイックミラー２２２、２２８によって緑色／青色照射と組み合わ
される。次いで、組み合わされた光は、既に述べたように、レンズ２０６によって光ガイ
ド１７上に集束される。
交番する赤色およびＮＩＲ照射は、赤色画像およびＮＩＲ画像が、内視鏡の赤色および
ＮＩＲ照射と同期して、カメラによって獲得されるように、３つのセンサを備えたカメラ
の画像獲得と同期される。
図３ａは、図１の３つのセンサを備えたカメラ１３、特に、赤色／ＮＩＲ、緑色、およ
び青色光をそれぞれ３つの異なる画像センサ３４、３６、および３８に導くために使用さ
れる光学ビームスプリッタをより詳細に示す。ＮＩＲ蛍光応用では、カメラは、励起バン
ドブロックフィルタ３２も含むことが好ましい。このビームスプリッタは、例えば、複数
のダイクロイックプリズム、キューブスプリッタ、プレートスプリッタ、またはペリクル
スプリッタ（ｐｅｌｌｉｃｌｅ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）で作られることが可能である。図３
ｂは、図３ａによる内視鏡から受信された光の分光組成を示す。図３ｃは、可視ＮＩＲス
ペクトル範囲内におけるその他の波長を透過させる間に、励起光の透過をブロックするノ
ッチフィルタ３１として実現される、励起バンドブロックフィルタ３２を介して透過した
光の分光組成を例示する。このフィルタ３２の透過特性は、カラー画像を劣化させる可能
性がある、可視スペクトルを中断する、所望されないＮＩＲ波長もブロックするように設
計されることが可能である。
図４は、例えば、３つのセンサを備えたカメラを使用した、同時カラーＮＩＲ画像化モ
ードの第１の例示的な実施形態に関するタイミング図を示す。この実施形態では、カメラ
センサは、動作の円滑な表示のための空間解像度および時間解像度の有利な組合せを表す
インタレース読出しフォーマットを利用する。図２ａ〜２ｄに例示された光源のいずれか
がこの実施形態と共に使用可能である。光源は、連続的な青色／緑色照射と、交番して赤
色およびＮＩＲ照射とを提供する。ハーフフレームは、画像センサ上に交番して露出され
る。すなわち、偶数ラインを有する第１のフィールド（ハーフフレーム）が奇数ラインを
有する第２のフィールド（ハーフフレーム）と交番する。３０ｆｐｓのフルフレームレー
トを示す、図４のタイミング図では、１つのフィールド期間（１６．７ｍｓ）はＮＩＲ照
射を提供し、その後に、赤色照射の２つのフィールド期間（３３．３ｍｓ）が続く。すな
わち、サンプルまたは組織は、２つのフィールド期間（３３．３ｍｓ）の間にフルスペク
トルカラー（ＲＧＢ）を用いて照射され、第３のフィールド期間の間にＧＢおよびＮＩＲ
を用いて照射される。フルカラーの可視画像を再構成するために、欠けている赤色情報は
、ＮＩＲ照射を有するフィールドに隣接するフィールド同士の間で補間される。青色およ
び緑色画像情報は常に利用可能であり、それにより、最適かつ連続的な輝度情報を提供す
る。ＮＩＲ画像は、それぞれのハーフフレーム内で第６番目のフィールドごとに生成され
、欠けているラインは空間的に補間される。蛍光フィールドが表示されるとき、画像は、
表示された画像が偶数ラインおよび奇数ラインの間で補間された状態で、３つのフィール
ドごとに更新される。
すべての図面で、「ＩＲ」という用語は、「ＮＩＲ」の代わりに、または「ＮＩＲ」と
交換可能に使用される。
カラー画像データおよびＮＩＲ画像データが処理されると、信号はビデオモニタに送出
され、２つの別々の同時視像（１つはカラー、もう１つは蛍光）として、または（例えば
、その組織内で自然に発生している色と対照をなす色を蛍光信号に割り当てることによっ
て）組み合わされたカラーおよび蛍光画像信号として表示されることが可能である。
図５は、同時カラーＮＩＲ画像化モードの第２の例示的な実施形態に関するタイミング
図を示す。この実施形態では、カメラセンサは、順次走査センサ読出しフォーマットを利
用し、それぞれのフィールド期間の間に（Ｇ／Ｂ／ＲがＧ／Ｂ／ＮＩＲと交番して）完全
なフレームが読み出される。図２ａ〜２ｄで例示される光源のいずれかが、この実施形態
と共に使用可能である。光源は、連続的な青色／緑色照射、および交番する赤色およびＮ
ＩＲ照射を提供する。図５のタイミング図では、１つのフィールド期間（１６．７ｍｓ）
は、ＮＩＲ照射を提供し、その後に、赤色照射の１つのフィールド期間（１６．７ｍｓ）
が続く。すなわち、サンプルまたは組織は、１つのフィールド期間（１６．７ｍｓ）の間
にフルスペクトルカラー（ＲＧＢ）を用いて照射され、第３のフィールド期間の間にＧＢ
およびＮＩＲを用いて照射される。この場合、完全な可視スペクトルカラー画像は、１つ
おきのフレーム内のすべての画素で利用可能である。交番するフレームでは、青色および
緑色情報は直接的に獲得され、一方、赤色情報は、隣接するフレーム同士の間で補間され
る。図４の実施形態と異なり、空間補間は求められない。さらなる画像処理および表示は
、これまでの実施形態で記述されたのと同じように実現されることが可能である。
図６は、第３の例示的な実施形態に関するタイミング図を示し、緑色／青色照射および
ＮＩＲ照射は両方とも連続的であり、一方、赤色照射だけが変調される。図４の実施形態
のように、ハーフフレームは、画像センサ上に交番して露出される。すなわち、偶数ライ
ンを有する第１のフィールド（ハーフフレーム）が、奇数ラインを有する第２のフィール
ド（ハーフフレーム）と交番する。３０ｆｐｓのフルフレームレートを示す、図６のタイ
ミング図では、１つのフィールド期間（１６．７ｍｓ）は、（ＮＩＲ＋ＧＢ）照射を提供
し（赤色照射がオフに切り替えられ）、その後に、（ＮＩＲ＋ＲＧＢ）の２つのフィール
ド期間（３３．３ｍｓ）が続く。ＮＩＲ画像信号が、赤色反射信号と比較して小さい場合
、ＮＩＲ画像信号は、視覚（ＲＧＢ）画像全体に著しい影響を及ぼさないことになり、結
果として、カラー画像は、補正なしに、従来のカラー画像処理によって生成されることが
可能である。そうでない場合、赤色照射がオフに切り替えられたとき、赤色画像チャネル
内で取得されたＮＩＲ寄与は、図６のタイミング図において最後のラインから２番目に示
されるように、赤色画像信号を取得するために、空間的補間および時間補間によって（Ｎ
ＩＲ＋Ｒ）画像データから除去されることが可能である。あるいは、図５に例示されたも
のと類似の順次走査画像センサ読出しを有するセンサは、交番するフレーム内でＲＧＢお
よび（ＲＧＢ＋ＩＲ）画像獲得と共に使用されることが可能である。
さらにもう１つの例示的な実施形態（図示せず）では、緑色／青色照射、および赤色照
射は連続的であり、一方、ＮＩＲ照射は変調される。このタイミング方式は、赤色画像信
号およびＮＩＲ画像信号がほぼ同じ大きさを有する場合、最も良好に適用可能である。こ
の実施形態では、光源は、完全な可視スペクトルを有する中断されない照射と、ＮＩＲ光
を有する断続的な照射とを提供する。タイミング図は、ＮＩＲ照射と赤色照射とが交換さ
れた状態で、図６に示された図と本質的に同じである。断続的なＮＩＲ照射は、インタレ
ースカメラの場合、第３番目のフィールドごとに同時に起こるように同期され、順次走査
カメラの場合、１つおきのフィールドごとに同時に起こるように同期される。ＮＩＲ照射
が提供されるすべてのフィールドに関して、赤色画像センサは、（Ｒ＋ＮＩＲ）画像信号
を獲得することになる。ＮＩＲ画像信号は、適切な先行する「赤色だけの」画像フィール
ドおよび後続の「赤色だけの」画像フィールドから赤色信号値を補間して、（Ｒ＋ＮＩＲ
）信号から赤色画像信号を除去することによって、（Ｒ＋ＮＩＲ）画像信号から抽出可能
である。赤色画像信号およびＮＩＲ画像信号は同じ大きさのものであるため、かかる補間
および除去は、適度に正確なＮＩＲ画像信号値を提供することになる。カラー画像は、青
色画像信号および緑色画像信号と組み合わせて、赤色画像信号に関して獲得および補間さ
れた値を使用して処理される。結果として生じるカラー画像情報およびＮＩＲ画像情報は
、次いで、既に記述されたように、表示されるか、または記録されることが可能である。
前述の実施形態のいずれかにおいて、ＮＩＲ内視鏡画像化システムは、光源が、完全な
可視スペクトルまたはＮＩＲスペクトルを用いて連続的な照射を提供して、カメラが、連
続的な形で対応するカラー画像またはＮＩＲ（吸光または蛍光）画像を獲得して、高い空
間解像度を提供するように動作されることも可能である。結果として生じる、個々の（カ
ラーまたはＮＩＲ）照射モード／画像化モードのいずれかのビデオ画像は、後で、表示お
よび／または記録されることが可能である。
前述の実施形態で記述されたように、カラーＮＩＲ画像化を実現することによって、画
像解像度を損なわず、および／または好ましくないモーションアーチファクトをもたらさ
ずに、ビデオレートでフルカラー可視光画像およびＮＩＲ光画像を獲得して、表示するこ
とが可能である。さらに、鋭角が可視フィールドを通して迅速に移動した結果として、何
らかの残余色ぶち（例えば、赤色画像またはＮＩＲ画像の不連続的な獲得）が発生した場
合、これらの比較的小さな影響は、最小追加処理時間を用いて、欠けている（赤色／ＮＩ
Ｒ）ビデオフィールドを時間的に補間することによって緩和されることが可能である。
本発明は、詳細に示され、記述された好ましい実施形態に関して開示されているが、そ
れらに関する様々な修正形態および改善形態は、当業者に容易に明らかになるであろう。
例えば、Ｇ／ＢおよびＲ／ＮＩＲに関する別々の画像センサ、またはＲＧＢ画像およびＮ
ＩＲ蛍光画像に関する単一のカラーセンサを使用する代わりに、ＣＭＯＳ技術で実現され
る、カリフォルニア州、サンノゼのＦｏｖｅｏｎ．，Ｉｎｃ．から市販の積層画素（ｓｔ
ａｃｋｅｄ ｐｉｘｅｌ）設計を用いた、３色ＲＧＢセンサを備えた単一の直接的な画像
センサが使用可能である。かかるセンサは、図７に概略的に例示される。このセンサ設計
は、ＮＩＲに敏感な層を追加することによって、４色に拡張されることが可能である点を
理解されよう。赤色画像、緑色画像、青色画像、およびＮＩＲ画像は、それにより、画像
センサ内で異なる深度で獲得される。４層センサの場合、赤色およびＮＩＲ照射を多重化
することは不要になる。しかし、３層センサの場合、赤色およびＮＩＲ照射は、３つのセ
ンサを備えた従来のカメラに関して上で記述されたように、依然として、多重化される必
要があることになる。ＮＩＲ励起光をブロックするための適切なバリアフィルタは、蛍光
画像化応用に関しても必要とされることになる。
本発明は、詳細に示され、記述された現在の好ましい実施形態に関して例示され、記述
されているが、本発明の趣旨および範囲から決して逸脱せずに、様々な修正および構造上
の変更が行われることが可能であるため、示された詳細に限定されることが意図されない
。これらの実施形態は、本発明の原理および実際的な応用を説明し、それによって、当業
者が、本発明、および企図される特定の使用に適した様々な修正を伴う様々な実施形態を
最もよく利用することを可能にするために、選択され、記述された。
新規なものとして特許請求され、特許証によって保護されることが望まれる範囲は、添
付の特許請求の範囲内で記載され、特許請求の範囲で列挙された要素の均等物を含む。

Claims (15)

  1. ＮＩＲ画像およびフルカラー画像を獲得するための画像化システムであって、
    可視光およびＮＩＲ光を観察下の領域に提供する光源と、
    前記観察下の領域から戻された青色反射光、緑色反射光、および組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光を別々に検出するように構成された、１つまたは複数の画像センサを有するカメラと、
    青色／緑色光を用いて観察下の領域を連続的に照射し、
    赤色光およびＮＩＲ光を用いて前記観察下の領域を照射することであって、前記赤色光およびＮＩＲ光のうちの少なくとも１つは周期的にオンとオフに切り替えられ、
    前記組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光から、前記切り替えられる赤色およびＮＩＲ光と同期して、前記赤色反射光スペクトル成分および前記検出されたＮＩＲ光スペクトル成分を別々に決定するために、
    前記光源および前記カメラと信号で通信するコントローラと、
    前記青色反射光、前記緑色反射光、および前記別々に決定された赤色反射光スペクトル成分に対応する画像信号を受信して、そこから、前記観察下の領域のフルカラー反射画像をレンダーリングする（ｒｅｎｄｅｒ）ディスプレイであって、前記別々に決定されたＮＩＲ蛍光灯スペクトル成分をさらに受信して、そこから、前記観察下の領域のＮＩＲ画像をレンダーリングする、ディスプレイと
    を備えることを特徴とする画像化システム。
  2. 前記観察下の領域が、赤色光およびＮＩＲ光を用いて、前記光源によって交番して照射されることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  3. 前記光源が、
    連続的なスペクトル範囲を介して、実質的に一定強度の可視光およびＮＩＲ光を発光する発光体と、
    時間的に連続的な青色／緑色光、ならびに時間的に不連続的な赤色光および不連続的なＮＩＲ光を透過させるように、前記発光体と前記観察下の領域との間に配置され複数のフィルタと
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  4. 前記光源が、
    連続的なスペクトル範囲を介して、実質的に一定強度の可視光およびＮＩＲ光を発光する発光体と、
    前記可視光およびＮＩＲ光を青色／緑色、ならびに赤色光およびＮＩＲ光に分離するための第１のダイクロイック手段と、
    前記分離された赤色光およびＮＩＲ光を、時間的に不連続的な赤色光および不連続的なＮＩＲ光に変換するためのシャッタ手段と、
    前記観察下の領域に透過するために、前記青色／緑色光、前記時間的に不連続的な赤色光、および前記時間的に不連続的なＮＩＲ光を組み合わせるための第２のダイクロイック手段と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  5. 前記光源が、
    実質的に一定強度の緑色および青色光を発光する第１の発光体と、
    切り替えられる赤色光を生み出す第２の発光体と、
    切り替えられるＮＩＲ光を生み出す第３の発光体と、
    前記観察下の領域に透過するために、前記切り替えられる赤色光および前記切り替えられるＮＩＲ光を前記緑色および青色光と組み合わせるためのダイクロイック手段と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  6. 前記切り替えられる赤色光および前記ＮＩＲ光が、シャッタまたはチョッパによって、前記赤色光および前記ＮＩＲ光の連続的な強度の光ビームを中断することによって生み出されることを特徴とする請求項５に記載の画像化システム。
  7. 前記切り替えられる赤色光および前記ＮＩＲ光が、前記第２の発光体および前記第３の発光体を電気的にオンとオフに切り替えることによって生み出されることを特徴とする請求項５に記載の画像化システム。
  8. 前記画像センサがインタレース走査を用いることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  9. 前記画像センサが順次走査を用いることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  10. 前記観察下の領域から戻された前記青色反射光、前記緑色反射光、および前記組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光をスペクトル的に分離し、前記分離された光をダイクロイックプリズム組立て品の異なる出口面に導く前記ダイクロイックプリズム組立て品をさらに備え、前記１つまたは複数の画像センサが、それぞれが異なる出口面上に取り付けられた、３つの画像センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  11. 前記１つまたは複数の画像センサは、画素を有する単一の画像センサであって、それぞれの画素が、前記観察下の領域から戻された前記青色反射光、前記緑色反射光、および前記組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光のうちの１つに対応する、単一の画像センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  12. 前記単一の画像センサが、前記センサ画素の前に配置されたモザイクの青色／緑色／赤色−ＮＩＲフィルタアレイを備えることを特徴とする請求項１１に記載の画像化システム。
  13. 前記１つまたは複数の画像センサが、複数の積層（ｓｔａｃｋｅｄ ｌａｙｅｒ）を有する単一の画像センサであって、それぞれの層は、前記観察下の領域から戻された前記青色反射光、前記緑色反射光、前記組み合わされた赤色反射光／検出されたＮＩＲ光のうちの１つに対応する画素を有する、単一の画像センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  14. 前記画像化システムが内視鏡として構成されることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
  15. 前記検出されたＮＩＲ光が蛍光灯であることを特徴とする請求項１に記載の画像化システム。
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