JP2020110291A - Observation device, observation method, and endoscope apparatus - Google Patents

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Abstract

To detect a transition part from a normal tissue to a cancer tissue.SOLUTION: An observation device 100 includes a polarization detection part 40 for detecting a polarization state of light from an object, and a determination part 23a for analysing principal components of a value representing the polarization state so as to determine a state of the object.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、観察装置、観察方法及び内視鏡装置に関するものである。 The present invention relates to an observation device, an observation method, and an endoscope device.

偏光した光を使用し、消化器、特に、胃壁の偏光異方性を持つ粘膜層から戻る戻り光の非偏光の光の割合、すなわち戻り光の偏光度に基づいて粘膜層の厚みを算出することにより、胃壁の粘膜層の厚さの変化を検出し、これにより、がんの浸潤度を診断できる可能性があることが知られている(特許文献1参照)。 Using polarized light, calculate the thickness of the mucosal layer based on the ratio of unpolarized light of the returning light returning from the digestive organs, in particular, the mucosal layer having the polarization anisotropy of the stomach wall, that is, the degree of polarization of the returning light. Therefore, it is known that a change in the thickness of the mucosal layer of the stomach wall can be detected, and thereby the degree of cancer invasion can be diagnosed (see Patent Document 1).

特許第5501155号公報Japanese Patent No. 5501155

しかしながら、上述の特許文献1に開示された技術では、非がん組織、すなわち正常組織からがん組織への遷移過程の状態にある遷移部分を検出することが困難であった。 However, with the technique disclosed in Patent Document 1 described above, it is difficult to detect a transition part in the state of a transition process from a non-cancerous tissue, that is, a normal tissue to a cancerous tissue.

第1の態様によれば、観察装置は、対象物からの光の偏光状態を検出する偏光検出部と、偏光状態を示す値を主成分分析することにより、対象物の状態を判定する判定部とを備える。
第2の態様によれば、観察方法は、対象物からの光の偏光状態を検出し、偏光状態を示す値を主成分分析することにより、対象物の状態を判定する。
According to the first aspect, the observation device determines the state of the object by performing a principal component analysis on the polarization detection unit that detects the polarization state of the light from the object and the value indicating the polarization state. With.
According to the second aspect, the observation method determines the state of the object by detecting the polarization state of the light from the object and performing a principal component analysis on the value indicating the polarization state.

実施の形態である観察装置が適用される内視鏡装置の要部を示す斜視図である。It is a perspective view showing the important section of the endoscope device to which the observation device which is an embodiment is applied. 実施の形態である観察装置が適用される内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing a schematic structure of an endoscope system to which an observation device which is an embodiment is applied. 実施の形態である観察装置の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the observation apparatus which is embodiment. 実施の形態である観察装置の要部を示す斜視図である。It is a perspective view showing the important section of the observation device which is an embodiment. 実施の形態である観察装置の要部を示す斜視図である。It is a perspective view showing the important section of the observation device which is an embodiment. 実施の形態に係る内視鏡装置の挿入部の先端部の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the front-end|tip part of the insertion part of the endoscope apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態である観察装置における、偏光生成部から出射する光の偏光状態の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the polarization state of the light radiate|emitted from the polarization generation part in the observation apparatus which is embodiment. 正常組織、がん組織及び遷移部分の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of a normal tissue, a cancer tissue, and a transition part. 実施の形態である観察装置による主成分分析の手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of the principal component analysis by the observation apparatus which is embodiment. 実施の形態である観察装置による主成分分析の手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of the principal component analysis by the observation apparatus which is embodiment. 実施の形態である観察装置による主成分分析の手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of the principal component analysis by the observation apparatus which is embodiment. 実施の形態である観察装置の動作を説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining the operation of the observation device according to the embodiment. 主成分分析した結果である第2主成分、第3主成分及び第4主成分で表現される3次元空間をメルカトル図法により展開した図である。It is the figure which expanded the three-dimensional space represented by the 2nd principal component, the 3rd principal component, and the 4th principal component which are the results of principal component analysis by the Mercator projection.

図1及び図2を参照して、実施の形態である観察装置が適用される内視鏡装置及び内視鏡システムについて説明する。 An endoscope apparatus and an endoscope system to which an observation apparatus according to an embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1は実施の形態である観察装置が適用される内視鏡装置の要部を示す斜視図であり、図2は実施の形態である観察装置が適用される内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a main part of an endoscope apparatus to which an observation apparatus according to an embodiment is applied, and FIG. 2 shows a schematic configuration of an endoscope system to which the observation apparatus according to the embodiment is applied. It is a block diagram shown.

これらの図において、本実施の形態に係る内視鏡システム1は、内視鏡装置10および本体部20を有する。 In these figures, the endoscope system 1 according to the present embodiment has an endoscope device 10 and a main body 20.

内視鏡装置10は、人体等の被検体の体腔内に挿入部11の先端部12が挿入され、被検体内の粘膜内面等の対象物に光を照射する。また、内視鏡装置10は、対象物からの戻り光を撮像し、対象物像の画像信号を取得する。 In the endoscope device 10, the distal end portion 12 of the insertion unit 11 is inserted into the body cavity of a subject such as a human body and irradiates an object such as the inner surface of the mucous membrane in the subject with light. In addition, the endoscope device 10 images the return light from the target object and acquires the image signal of the target object image.

本体部20は、内視鏡装置10の先端部12から照射される光を発生する光源26を有し、内視鏡装置10が取得した画像信号に対して各種画像処理を行う。 The main body section 20 has a light source 26 that emits light emitted from the distal end section 12 of the endoscope apparatus 10, and performs various image processing on the image signal acquired by the endoscope apparatus 10.

図1に示すように、内視鏡装置10は、挿入部11、操作部13、および、コネクタ部14を有する。挿入部11は、可撓性(つまり軟性)を有する管部材11aを有し、細長形状を有する。操作部13は、挿入部11の先端部12が行う湾曲操作や観察操作を操作する。コネクタ部14は、内視鏡装置10を本体部20に着脱自在に接続する。 As shown in FIG. 1, the endoscope device 10 includes an insertion portion 11, an operation portion 13, and a connector portion 14. The insertion portion 11 has a flexible (that is, soft) tube member 11a and has an elongated shape. The operation unit 13 operates a bending operation and an observation operation performed by the distal end portion 12 of the insertion unit 11. The connector unit 14 detachably connects the endoscope device 10 to the main body unit 20.

図2に示すように、本体部20は、制御部21と、記憶部22と、画像処理部23と、検出部ドライバ24と、光源ドライバ25と、光源26と、集光レンズ27と、ディスプレイコントローラ28と、入力インタフェース(I/F)29とを有する。本体部20は、光学コネクタ30及び電気コネクタ31により内視鏡装置10に接続されている。 As shown in FIG. 2, the main body unit 20 includes a control unit 21, a storage unit 22, an image processing unit 23, a detection unit driver 24, a light source driver 25, a light source 26, a condenser lens 27, and a display. It has a controller 28 and an input interface (I/F) 29. The main body 20 is connected to the endoscope device 10 by an optical connector 30 and an electric connector 31.

制御部21はCPU等の演算素子を有し、記憶部22に格納されている図略の制御用プログラムが起動時に読み出されてこの制御部21において実行される。これにより、制御部21は、画像処理部23、検出部ドライバ24、光源ドライバ25、ディスプレイコントローラ28及び入力インタフェース29を含む内視鏡システム1全体の制御を行う。 The control unit 21 has an arithmetic element such as a CPU, and a control program (not shown) stored in the storage unit 22 is read at the time of startup and executed by the control unit 21. Thereby, the control unit 21 controls the entire endoscope system 1 including the image processing unit 23, the detection unit driver 24, the light source driver 25, the display controller 28, and the input interface 29.

記憶部22はハードディスクドライブ等の大容量記憶媒体及びROM、RAM等の半導体記憶媒体を備える。この記憶部22には上述の制御用プログラムが格納されているとともに、制御部21の制御動作時に必要とされる各種データが一時的に格納される。また、記憶部22には、画像処理部23によって処理がされた画像データが格納される。 The storage unit 22 includes a large-capacity storage medium such as a hard disk drive and a semiconductor storage medium such as ROM and RAM. The storage unit 22 stores the above-described control program and also temporarily stores various data required for the control operation of the control unit 21. Further, the storage unit 22 stores the image data processed by the image processing unit 23.

画像処理部23は、内視鏡装置10の検出部50により撮像された対象物像の画像信号を取得し、この画像信号に対して各種画像処理を行う。画像処理部23は、画像処理結果をディスプレイコントローラ28に出力する。 The image processing unit 23 acquires an image signal of the object image captured by the detection unit 50 of the endoscope device 10 and performs various image processing on the image signal. The image processing unit 23 outputs the image processing result to the display controller 28.

画像処理部23は判定部23aを有する。判定部23aは、検出部50により撮像された対象物像の画像信号に基づいて、対象物からの光の偏光状態を示す値を主成分分析する。そして、判定部23aは、この主成分分析の結果に基づいて対象物の状態を判定する。 The image processing unit 23 has a determination unit 23a. The determination unit 23a performs a principal component analysis on the value indicating the polarization state of the light from the target object based on the image signal of the target object image captured by the detection unit 50. Then, the determination unit 23a determines the state of the target object based on the result of the principal component analysis.

検出部50及び画像処理部23により行われる画像処理の詳細については後述する。 Details of the image processing performed by the detection unit 50 and the image processing unit 23 will be described later.

検出部ドライバ24は、検出部50に対して、この検出部50を駆動する信号を発生して検出部50に供給する。 The detector driver 24 generates a signal for driving the detector 50 and supplies the signal to the detector 50.

光源26は内視鏡装置10の先端部12から照射される光を発生するものであり、光源ドライバ25により駆動される。本実施の形態に係る光源26は狭帯域でかつ空間的コヒーレンスが低く、スペックルが除去された光を発生する。光源26が発生する光の波長帯域は目的に応じて350nmから850nmの間で1波長または複数波長が選択されうる。 The light source 26 generates light emitted from the tip portion 12 of the endoscope device 10, and is driven by the light source driver 25. The light source 26 according to the present embodiment generates light with a narrow band, low spatial coherence, and speckles removed. The wavelength band of the light generated by the light source 26 may be selected from one wavelength or a plurality of wavelengths between 350 nm and 850 nm depending on the purpose.

但し、生体組織に含まれるヘモグロビンの光吸収スペクトルが400nm付近で特有の山を有することが知られている。このため、光源26からの光は450nm以上の波長帯域の光であることが好ましい。 However, it is known that the light absorption spectrum of hemoglobin contained in the biological tissue has a peculiar mountain near 400 nm. For this reason, the light from the light source 26 is preferably light in the wavelength band of 450 nm or more.

光源26が発生する光の帯域幅は5nm以下、好ましくは3nm程度とされる。帯域幅の関係で、このような光源26はレーザー光源から構成されることが好ましい。一方、LED光源にバンドパスフィルタを付加したものであっても同様に狭帯域な光を発生することができる。 The bandwidth of the light generated by the light source 26 is 5 nm or less, preferably about 3 nm. Due to bandwidth concerns, such a light source 26 preferably comprises a laser light source. On the other hand, a narrow band light can be similarly generated even if an LED light source is added with a bandpass filter.

光源26が発生する光の波長帯域及び帯域幅は、検出部50のイメージセンサ57上に発生させる後述する干渉縞の本数及び幅によって定められうる。 The wavelength band and bandwidth of the light generated by the light source 26 can be determined by the number and width of interference fringes, which will be described later, generated on the image sensor 57 of the detection unit 50.

光源26により発生された光は、集光レンズ27により一定幅の光束に収束され、光学コネクタ30を介して内視鏡装置10の光ファイバ15内に導光される。 The light generated by the light source 26 is converged into a light flux having a constant width by the condenser lens 27, and is guided through the optical connector 30 into the optical fiber 15 of the endoscope device 10.

ここで、本実施の形態に係る内視鏡システム1の本体部20には光源26が1つのみ設けられる。一方、後述するように、光ファイバ15の本数は、後述する偏光検出部40の偏光生成部60の個数に等しい本数である。本実施の形態では、偏光生成部60の個数は6つであるため、光ファイバ15の本数は6本である。このため、光源26と集光レンズ27との間には切替部26aが設けられている。切替部26aは、光源26からの光をいずれか一本の光ファイバ15内に導光する。また、切替部26aは、光を導光する光ファイバ15以外の光ファイバ15への光を遮断する。 Here, only one light source 26 is provided in the main body portion 20 of the endoscope system 1 according to the present embodiment. On the other hand, as will be described later, the number of optical fibers 15 is equal to the number of polarization generation units 60 of the polarization detection unit 40 described later. In the present embodiment, the number of polarization generation units 60 is six, so the number of optical fibers 15 is six. Therefore, a switching unit 26a is provided between the light source 26 and the condenser lens 27. The switching unit 26a guides the light from the light source 26 into any one of the optical fibers 15. The switching unit 26a blocks light to the optical fibers 15 other than the optical fiber 15 that guides light.

ディスプレイコントローラ28は、画像処理部23からの出力である画像信号を、本体部20の外に設けられたディスプレイ32の画面に表示させるためのディスプレイ駆動信号を発生し、これをディスプレイ32に供給する。 The display controller 28 generates a display drive signal for displaying the image signal output from the image processing unit 23 on the screen of the display 32 provided outside the main body 20, and supplies this to the display 32. ..

入力インタフェース29は、本体部20の外に設けられたキーボード等の入力装置33からの操作入力信号を受け入れ、これを制御部21に供給する。 The input interface 29 receives an operation input signal from an input device 33 such as a keyboard provided outside the main body unit 20 and supplies it to the control unit 21.

そして、本実施の形態である観察装置の偏光検出部40は、図3及び図6に示すように、内視鏡装置10の挿入部11の先端部12に設けられている。 The polarization detection unit 40 of the observation device according to the present embodiment is provided at the distal end portion 12 of the insertion unit 11 of the endoscope device 10, as shown in FIGS. 3 and 6.

以下、図3〜図7を参照して偏光検出部40について説明する。なお、以下の説明では主に光学素子及び光路について説明を行う関係で、図3〜図7においては検出部50と本体部20とを結ぶ電気回路や内視鏡装置10の被覆等他の構成についての詳細な説明は省略する。 The polarization detector 40 will be described below with reference to FIGS. Note that, in the following description, the optical element and the optical path are mainly described, and therefore, in FIGS. 3 to 7, other configurations such as an electric circuit that connects the detection unit 50 and the main body unit 20 and a coating of the endoscope device 10 are provided. A detailed description of is omitted.

偏光検出部40は、対象物からの光を検出する検出部50と、この検出部50の周囲に配置され、それぞれ異なる偏光状態を有する光を生成して対象物に照射する6つの偏光生成部60とを有する。これら検出部50及び偏光生成部60は、図3及び図6に示すように、内視鏡装置10の挿入部11の管部材11a内に収納されている。 The polarization detection unit 40 is arranged around the detection unit 50 that detects light from the target object, and six polarization generation units that generate light having different polarization states and irradiate the target object. 60 and. As shown in FIGS. 3 and 6, the detection unit 50 and the polarization generation unit 60 are housed in the tube member 11a of the insertion unit 11 of the endoscope device 10.

なお、図3以降において図示するように、検出部50の光軸方向にx軸を取っている。そして、x軸の正方向を対象物に向かう方向とする。 Note that, as illustrated in FIG. 3 and subsequent figures, the x axis is taken in the optical axis direction of the detection unit 50. Then, the positive direction of the x-axis is the direction toward the object.

検出部50は、図3に示すように、前群レンズ51、絞り52、偏光分離部53、結像レンズ54、偏光板55、保護ガラス56及びイメージセンサ57を有する。 As shown in FIG. 3, the detection unit 50 includes a front lens group 51, a diaphragm 52, a polarization separation unit 53, an imaging lens 54, a polarizing plate 55, a protective glass 56, and an image sensor 57.

前群レンズ51は、検出部50において対象物側(図3において右端)に配置されている。絞り52は円環状に形成され、前群レンズ51の出射側に配置されている。偏光分離部53には絞り52から出射される光が入射される。結像レンズ54は、偏光分離部53から出射される光の干渉縞を後述するイメージセンサ57の撮像面57a上に結像させる後群レンズである。検光子である偏光板55及び保護ガラス56は、イメージセンサ57の撮像面57aの前方(図6において右方)に順に配置されている。イメージセンサ57は、複数の画素を有する撮像素子であり、その撮像面57aに結像された干渉縞を撮像する。 The front lens group 51 is arranged on the object side (right end in FIG. 3) in the detection unit 50. The diaphragm 52 is formed in an annular shape and is arranged on the emission side of the front group lens 51. The light emitted from the diaphragm 52 is incident on the polarization separation unit 53. The image forming lens 54 is a rear lens group that forms an image of interference fringes of the light emitted from the polarization splitting unit 53 on an image pickup surface 57a of an image sensor 57 described later. The polarizing plate 55 and the protective glass 56, which are analyzers, are sequentially arranged in front of the imaging surface 57a of the image sensor 57 (right side in FIG. 6). The image sensor 57 is an image pickup element having a plurality of pixels, and picks up an image of the interference fringes formed on the image pickup surface 57a.

検出部50は、後に詳述する6つの偏光生成部60による対象物の照明範囲の共通部分の少なくとも一部をその検出範囲とするように設計されており、より好ましくは、6つの偏光生成部60による全照明範囲よりも撮像範囲が広くなるように設定されている。あるいは、検出部50の検出範囲に応じて、この検出範囲を偏光生成部60による対象物の照明範囲の共通部分の少なくとも一部とするように偏光生成部60を設計してもよい。 The detection unit 50 is designed so that at least a part of the common part of the illumination range of the object by the six polarization generation units 60 described later will be the detection range, and more preferably, the six polarization generation units. The imaging range is set to be wider than the entire illumination range of 60. Alternatively, depending on the detection range of the detection unit 50, the polarization generation unit 60 may be designed so that this detection range is at least a part of the common part of the illumination range of the object by the polarization generation unit 60.

検出部50の検出範囲に生成した偏光が照射されるように、複数の偏光生成部60のそれぞれの出射角度を設定してもよい。この場合、複数の偏光生成部60のそれぞれの配置状態を調整してもよい。このように偏光生成部60による対象物の照明範囲と検出部50の検出範囲とを設定することで、対象物の照射範囲からの戻り光を検出部50により確実に検出することができる。 The respective emission angles of the plurality of polarization generation units 60 may be set so that the generated polarization is irradiated to the detection range of the detection unit 50. In this case, the arrangement state of each of the plurality of polarization generation units 60 may be adjusted. By setting the illumination range of the object by the polarization generation unit 60 and the detection range of the detection unit 50 in this way, the detection unit 50 can reliably detect the return light from the irradiation range of the object.

偏光分離部53は、2枚のサバール板53cと、これらサバール板53cの間に配置された1/2波長板53dとを有する。本実施の形態におけるサバール板53cは、複屈折性を有する一軸性結晶からなる2枚の平行平面板53a(例えばYVO)と、これら平行平面板53aの間に配置された1/2波長板53bとを有する。 The polarization splitting section 53 has two Savart plates 53c and a ½ wavelength plate 53d arranged between the Savart plates 53c. The Savart plate 53c in the present embodiment includes two parallel plane plates 53a (for example, YVO 4 ) made of uniaxial crystal having birefringence and a half-wave plate arranged between the parallel plane plates 53a. 53b.

サバール板53cは、複屈折性を有する一対の平行平面板53aを、その光軸が90°異なるように貼り合わせたものである。サバール板53cに入射する光が異なる偏光状態が重なり合った光であった場合、サバール板53cは異なる偏光状態の光を分離して出射させる。 The Savart plate 53c is formed by bonding a pair of parallel plane plates 53a having birefringence so that their optical axes differ by 90°. When the light incident on the Savart plate 53c is light in which different polarization states are overlapped, the Savart plate 53c separates and outputs the light beams having different polarization states.

偏光分離部53から出射された光は結像レンズ54により収束され、偏光板55及び保護ガラス56を通してイメージセンサ57の撮像面57a上で結像される。そして、異なる偏光状態の光がこの撮像面57a上で干渉して干渉縞を形成する。 The light emitted from the polarization splitting unit 53 is converged by the imaging lens 54, and is imaged on the imaging surface 57a of the image sensor 57 through the polarizing plate 55 and the protective glass 56. Then, lights having different polarization states interfere with each other on the imaging surface 57a to form interference fringes.

イメージセンサ57は、その撮像面57a上に結像した光を撮像し、その結果を画像信号として出力する。イメージセンサ57は、上述のように撮像面57a上に形成される干渉縞を撮像するため、微細な干渉縞が撮像可能な解像度を有している。撮像面57a上に形成される干渉縞の本数及び幅は、既に説明したように、光源26が発生する光の波長帯域及び帯域幅に依存する。 The image sensor 57 images the light imaged on the imaging surface 57a and outputs the result as an image signal. Since the image sensor 57 images the interference fringes formed on the image pickup surface 57a as described above, it has a resolution capable of picking up fine interference fringes. The number and width of the interference fringes formed on the imaging surface 57a depend on the wavelength band and bandwidth of the light generated by the light source 26, as described above.

複数の偏光生成部60はそれぞれ、図4及び図5に示すように、1枚の偏光板(偏光変換素子)61a〜61fと、この偏光板61a〜61fの出射側に配置された平凹レンズ(発散光学素子)62とを有する。また、一部の偏光板61a、61bと平凹レンズ62との間には1/4波長板(偏光光学素子)63が配置されている。1/4波長板63が配置されている場合、1枚の偏光板61a、61b、1/4波長板63及び平凹レンズ62により偏光生成部60が構成される。なお、以下の説明及び図示において、偏光板61a〜61fの位置を特定せずに一般的に示す場合は、符号61により代表して説明する。 As shown in FIGS. 4 and 5, each of the plurality of polarization generation units 60 includes one polarizing plate (polarization conversion element) 61a to 61f and a plano-concave lens (arranged on the exit side of the polarizing plates 61a to 61f ( Divergence optical element) 62. Further, a quarter-wave plate (polarizing optical element) 63 is arranged between some of the polarizing plates 61 a and 61 b and the plano-concave lens 62. In the case where the quarter-wave plate 63 is arranged, the polarization generation unit 60 is configured by the single polarizing plates 61 a and 61 b, the quarter-wave plate 63, and the plano-concave lens 62. In the following description and the drawings, when the positions of the polarizing plates 61a to 61f are generally shown without being specified, the reference numeral 61 is representatively described.

図4及び図5に示すように、6つの偏光生成部60は二群に分けられて検出部50の周囲に配置されている。より詳細には、3つの偏光生成部60が偏光分離部53の図中上方に配置され、3つの偏光生成部60が偏光分離部53の図中下方に配置されている。また、6つの偏光生成部60は、検出部50の光軸方向であるx軸に直交する同一面内に配置されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, the six polarization generation units 60 are divided into two groups and are arranged around the detection unit 50. More specifically, the three polarization generation units 60 are arranged above the polarization separation unit 53 in the drawing, and the three polarization generation units 60 are arranged below the polarization separation unit 53 in the drawing. Further, the six polarization generation units 60 are arranged in the same plane orthogonal to the x-axis which is the optical axis direction of the detection unit 50.

また、図4及び図5に示すように、x軸に沿って見た場合、複数の偏光生成部60のそれぞれの一部がイメージセンサ57の一部と重複している。これにより、検出部50の光軸方向から見た本実施の形態の偏光検出部40の外径をよりコンパクトにすることができる。この結果、偏光検出部40全体の小型化に寄与することができる。複数の偏光生成部60のうちの少なくとも一つの少なくとも一部が、検出部50の光軸方向にイメージセンサ57に重複するように配置されていればよい。 Further, as shown in FIGS. 4 and 5, when viewed along the x-axis, a part of each of the plurality of polarization generation units 60 overlaps a part of the image sensor 57. This makes it possible to make the outer diameter of the polarization detection unit 40 of the present embodiment viewed from the optical axis direction of the detection unit 50 more compact. As a result, it is possible to contribute to downsizing of the polarization detection unit 40 as a whole. It is sufficient that at least a part of at least one of the plurality of polarization generation units 60 is arranged so as to overlap the image sensor 57 in the optical axis direction of the detection unit 50.

6つの偏光生成部60は、それぞれ異なる偏光状態を有する光を対象物に照射する。この点について以下詳細に説明する。 The six polarization generation units 60 irradiate the object with lights having different polarization states. This point will be described in detail below.

光の偏光状態はストークスベクトルで記述することができ、このストークスベクトルは次式のように、4行1列のストークス行列で書き表すことができる。

ここに、ストークス行列の各成分は、sが光強度、sがx−y直線偏光、sが45°直線偏光、sが円偏光である。sは強度を表すため正の値を取る。s=sとは0°直線偏光であることを意味し、s=−sは90°直線偏光であることを意味する。また、s=sは45°直線偏光であることを意味し、s=−sは−45°直線偏光であることを意味する。さらに、s=sは右回り円偏光であることを意味し、s=−sは左回り円偏光であることを意味する。
The polarization state of light can be described by a Stokes vector, and this Stokes vector can be expressed by a Stokes matrix of 4 rows and 1 column as in the following equation.

In each component of the Stokes matrix, s 0 is light intensity, s 1 is xy linearly polarized light, s 2 is 45° linearly polarized light, and s 3 is circularly polarized light. Since s 0 represents intensity, it takes a positive value. s 1 =s 0 means 0° linearly polarized light, and s 1 =−s 0 means 90° linearly polarized light. Further, s 2 =s 0 means 45° linearly polarized light, and s 2 =−s 0 means −45° linearly polarized light. Further, s 3 =s 0 means right-handed circularly polarized light, and s 3 =−s 0 means left-handed circularly polarized light.

それぞれの偏光生成部60、より詳細には偏光板61a〜61f及び1/4波長板63のそれぞれの組み合わせは、s=±1、s=±1、s=±1の6種類の偏光状態のいずれか一つの偏光状態を有する光を生成するように設定されている。 The respective polarization generation units 60, more specifically, the respective combinations of the polarizing plates 61a to 61f and the quarter wave plate 63, are composed of six types of s 1 =±1, s 2 =±1, and s 3 =±1. It is set to generate light having any one of the polarization states.

具体的には、6つの偏光生成部60では、図7に示すように、各々の偏光生成部60から出射される光のストークス成分がそれぞれ図示する成分となるように、偏光板61a〜61fが選択され、また、1/4波長板63の配置位置が定められている。 Specifically, in the six polarization generation units 60, as shown in FIG. 7, the polarization plates 61a to 61f are arranged so that the Stokes components of the light emitted from the respective polarization generation units 60 become the illustrated components. The position of the quarter wave plate 63 selected is determined.

各々の偏光生成部60から出射される光の偏光状態をどのように異ならせるか、言い換えればどのようなストークス成分を有する光を出射させるかは任意に決定可能である。 It is possible to arbitrarily determine how the polarization state of the light emitted from each polarization generation unit 60 is made different, in other words, what kind of Stokes component is emitted.

ここで、ストークス成分sは角度による偏光状態の変化が他の成分s、sよりも小さいので、ストークス成分s=+1を有する光を照射する偏光板61c及びストークス成分s=−1を有する光を照射する偏光板61fが離れて配置されても問題ない。 Here, since the Stokes component s 1 has a smaller change in the polarization state with respect to the angles than the other components s 2 and s 3 , the polarizing plate 61c and the Stokes component s 1 =− that irradiate the light having the Stokes component s 1 =+1. There is no problem even if the polarizing plates 61f for irradiating light having 1 are arranged apart from each other.

加えて、ストークス成分s=±1を有する光を照射する偏光板61a、61b及び1/4波長板63については、これら偏光板61a、61bの出射側に配置される1/4波長板63を共通化でき、また、1/4波長板63を保持する図略のホルダを共通化できる観点から、これら偏光板61a、61bを隣り合わせに配置するメリットがある。 In addition, regarding the polarizing plates 61a and 61b and the quarter-wave plate 63 that irradiate the light having the Stokes component s 3 =±1, the quarter-wave plate 63 arranged on the emission side of these polarizing plates 61a and 61b. There is an advantage in arranging these polarizing plates 61a and 61b side by side from the viewpoint that they can be shared and a holder (not shown) that holds the quarter-wave plate 63 can be shared.

レンズ62は、偏光板61及び1/4波長板63から出射される光を発散し、対象物の所定の領域を照明する平凹レンズである。ここで、平凹レンズ62から出射される光の半画角が15度以内となるように、平凹レンズ62の光学設計がなされている。これは、半画角が15度以内であれば、偏光生成部60から照射された光の偏光状態は大きく変化しないからである。また、後に詳述する光ファイバ15の開口数(NA:numerical aperture)を考慮しても、この光ファイバ15から出射する光の半画角も15度以内とされる。 The lens 62 is a plano-concave lens that diverges the light emitted from the polarizing plate 61 and the quarter-wave plate 63 and illuminates a predetermined area of the object. Here, the plano-concave lens 62 is optically designed so that the half field angle of the light emitted from the plano-concave lens 62 is within 15 degrees. This is because if the half angle of view is within 15 degrees, the polarization state of the light emitted from the polarization generation unit 60 does not change significantly. Further, even if the numerical aperture (NA: numerical aperture) of the optical fiber 15, which will be described in detail later, is taken into consideration, the half field angle of the light emitted from this optical fiber 15 is also within 15 degrees.

偏光生成部60に用いられる発散光学素子としての平凹レンズ62は、同様に光の発散効果を有する他の光学素子、例えばボールレンズと比較して、偏光性能が良いことから、偏光生成部60として好適である。 The plano-concave lens 62 as a diverging optical element used in the polarization generation unit 60 has better polarization performance than other optical elements that also have a light divergence effect, such as a ball lens. It is suitable.

偏光生成部60には、図3及び図6で詳細に示すように、内視鏡装置10の光ファイバ15により光が導光される。光ファイバ15は、図3に示すように、内視鏡装置10の挿入部11の管部材11a内を挿入部11の長手方向に沿って延び、この挿入部11の先端部12にまで至ってその出射端15aが偏光板61の入射端(図3において左端)近傍に配置されている。 Light is guided to the polarization generation unit 60 by the optical fiber 15 of the endoscope device 10, as shown in detail in FIGS. 3 and 6. As shown in FIG. 3, the optical fiber 15 extends in the tube member 11 a of the insertion portion 11 of the endoscope device 10 along the longitudinal direction of the insertion portion 11 and reaches the distal end portion 12 of the insertion portion 11. The exit end 15a is arranged near the entrance end (the left end in FIG. 3) of the polarizing plate 61.

光ファイバ15は、光源26からの光の偏光状態を解消して(偏光スクランブルして)偏光生成部60まで導光する。本実施の形態では、図6に示すように、光ファイバ15はコア15bの断面が略正方形でクラッド15cの断面外形が略円形のマルチモード光ファイバである。このような構成の光ファイバ15は、偏光板61の入射面に偏光解消された安定な光を供給でき、したがって偏光板61を通過した偏光状態は空間的及び時間的に安定な光強度を保つことができる。 The optical fiber 15 eliminates the polarization state of the light from the light source 26 (polarization scrambles) and guides it to the polarization generation unit 60. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the optical fiber 15 is a multimode optical fiber in which the core 15b has a substantially square cross section and the cladding 15c has a substantially circular cross-sectional outer shape. The optical fiber 15 having such a configuration can supply depolarized and stable light to the incident surface of the polarizing plate 61, and therefore the polarization state that has passed through the polarizing plate 61 maintains a spatially and temporally stable light intensity. be able to.

本実施の形態では、内視鏡装置10に偏光生成部60と同数、つまり6本の光ファイバ15が設けられており(図3では2本のみ図示している)、これら光ファイバ15には単一の光源26から共通に光が導光される。従って、偏光生成部60からは、時分割的に偏光状態の異なる光が対象物に照射されることになる。 In the present embodiment, the endoscope device 10 is provided with the same number of the polarization generation units 60, that is, six optical fibers 15 (only two are shown in FIG. 3), and these optical fibers 15 are provided. Light is commonly guided from a single light source 26. Therefore, the polarized light generation unit 60 irradiates the object with light having different polarization states in a time division manner.

なお、本実施の形態である偏光検出部40を構成する各要素は、高温環境下における滅菌処理を行っても高い偏光計測精度が維持できるような材料で形成されている。具体的には、1/2波長板53b、53d及び1/4波長板63は水晶から構成されている。また、平凹レンズ62は光学ガラスから構成されている。さらに、偏光板61は無機材料またはワイヤーグリッドから構成されている。そして、サバール板53cを構成する平行平面板53aはYVOから構成されている。 Each element that constitutes the polarization detection unit 40 according to the present embodiment is formed of a material that can maintain high polarization measurement accuracy even when sterilized in a high temperature environment. Specifically, the half-wave plates 53b and 53d and the quarter-wave plate 63 are made of quartz. The plano-concave lens 62 is made of optical glass. Further, the polarizing plate 61 is made of an inorganic material or a wire grid. The plane parallel plate 53a forming the Savart plate 53c is made of YVO 4 .

ここに、滅菌処理のオートクレーブは、一例として115℃で30分間、121℃で20分間、126℃で15分間、134℃で10分間のいずれかの条件で行われる。 Here, the autoclave for sterilization is performed under conditions of, for example, 115° C. for 30 minutes, 121° C. for 20 minutes, 126° C. for 15 minutes, and 134° C. for 10 minutes.

そして、本実施の形態である観察装置100は、偏光検出部40と画像処理部23、特に判定部23aとから構成される。 The observation apparatus 100 according to the present embodiment is composed of the polarization detection unit 40 and the image processing unit 23, especially the determination unit 23a.

次に、偏光検出部40を用いた内視鏡システム1によるストークス成分s〜sの測定方法の原理について説明する(K. Oka and N. Saito, "Snapshot complete imaging polarimeter using Savart plates", SPIE 6295-9, 1 (2006)参照)。 Next, the principle of the method for measuring the Stokes components s 0 to s 3 by the endoscope system 1 using the polarization detection unit 40 will be described (K. Oka and N. Saito, "Snapshot complete imaging polarimeter using Savart plates", See SPIE 6295-9, 1 (2006)).

イメージセンサ57により撮像された光の強度分布をI(x,y)とする。測定光に含まれるストークス成分の2次元分布をそれぞれs(x,y)、s(x,y)、s(x,y)、s(x,y)とすると、これらストークス成分の2次元分布を用いて光強度分布を表すと次式のようになる。

ここに、argは複素数の偏角を示す関数であり、U及びUは、それぞれ2枚のサバール板53cにより導入される空間キャリア周波数である。
The intensity distribution of the light imaged by the image sensor 57 is I(x, y). If the two-dimensional distributions of the Stokes components contained in the measurement light are s 0 (x, y), s 1 (x, y), s 2 (x, y), and s 3 (x, y), these Stokes components are The light intensity distribution is expressed by using the following two-dimensional distribution.

Here, arg is a function indicating the argument of a complex number, and U 1 and U 2 are spatial carrier frequencies introduced by the two Savart plates 53c, respectively.

上式におけるs(x,y)、s(x,y)及びs13(x,y)は、これら(特にs13(x,y)については実数成分及び虚数成分)がそれぞれ異なる4つの空間キャリア周波数f=0、U、U−U、U+Uを有することから、光強度分布I(x,y)を空間周波数フィルタリングすることにより得られる。そして、これらストークス成分の2次元分布は、抽出された成分の振幅及び位相から得ることができる。この際、空間周波数フィルタリング及び振幅、位相の変調は、ストークス成分の2次元分布の変調に適した形にされたフーリエ変換技術により一度に行うことができる。 S 0 (x, y), s 2 (x, y), and s 13 (x, y) in the above equation are different from each other (especially for s 13 (x, y), a real number component and an imaginary number component) 4 Since it has one spatial carrier frequency f y =0, U 2 , U 2 −U 1 , and U 2 +U 1 , it is obtained by spatial frequency filtering the light intensity distribution I(x,y). Then, the two-dimensional distribution of these Stokes components can be obtained from the amplitude and phase of the extracted components. At this time, the spatial frequency filtering and the modulation of the amplitude and the phase can be performed at one time by the Fourier transform technique which has a shape suitable for the modulation of the two-dimensional distribution of the Stokes component.

そこで、内視鏡システム1の画像処理部23(含む判定部23a)は、検出部50から出力される画像信号の強度の2次元分布を取得し、この強度の2次元分布をフーリエ変換することで、対象物からの戻り光の偏光状態、具体的にはストークス成分s〜sの2次元分布を得る。 Therefore, the image processing unit 23 (including the determination unit 23a) of the endoscope system 1 acquires the two-dimensional distribution of the intensity of the image signal output from the detection unit 50, and Fourier transforms the two-dimensional distribution of the intensity. Then, the polarization state of the return light from the object, specifically, the two-dimensional distribution of the Stokes components s 0 to s 3 is obtained.

そして、画像処理部23の判定部23aは、このストークス成分s〜sの2次元分布を用いて、対象物の偏光度を求める。そして、判定部23aは、この偏光度に基づいて対象物の粘膜層の厚みを算出し、これにより、がんの浸潤度を診断する。 Then, the determination unit 23a of the image processing unit 23 uses the two-dimensional distribution of the Stokes components s 0 to s 3 to obtain the polarization degree of the object. Then, the determination unit 23a calculates the thickness of the mucosal layer of the target object based on the degree of polarization, and thereby diagnoses the degree of cancer invasion.

対象物への入射光のストークス行列をS=(s,s,s,s)とし、この対象物からの戻り光のストークス行列をS′=(s′,s′,s′,s′)とすると、これらストークス行列の関係は4行4列のミュラー行列Mにより表される。すなわち、
Let the Stokes matrix of the incident light on the object be S=(s 0 , s 1 , s 2 , s 3 ), and the Stokes matrix of the return light from this object be S′=(s′ 0 , s′ 1 , s′ 2 and s′ 3 ), the relation between these Stokes matrices is represented by a Mueller matrix M of 4 rows and 4 columns. That is,

ここで、ミュラー行列Mの全16の要素m00〜m33の各要素と偏光の物理的特性との厳密な対応は難しいが、おおまかな関係としては、要素m00は輝度を表し、全16の要素m00〜m33は偏光度を表し、要素m01、m02、m10及びm20は二色性(直線複吸収)を表し、要素m03及びm30は円二色性(円複吸収)を表し、要素m11、m12、m21及びm22は旋光性(円複屈折)を表し、要素m11〜m13、m21〜m23及びm31〜m33は複屈折性(直線複屈折)を表すものである。 Here, although it is difficult to make a strict correspondence between each of the 16 elements m 00 to m 33 of the Mueller matrix M and the physical characteristics of the polarized light, the rough relationship is that the element m 00 represents luminance and all 16 elements Elements m 00 to m 33 of the above represent the degree of polarization, elements m 01 , m 02 , m 10 and m 20 represent dichroism (linear double absorption), and elements m 03 and m 30 are circular dichroism (circle). Double absorption), the elements m 11 , m 12 , m 21 and m 22 represent optical activity (circular birefringence), and the elements m 11 to m 13 , m 21 to m 23 and m 31 to m 33 are birefringent. It represents the property (linear birefringence).

既に説明したように、本実施の形態である偏光検出部40によれば、6種類の互いに偏光状態の異なる光、言い換えれば、互いに異なるストークス成分(このストークス成分は全て既知である)を有するストークス行列(これをS〜Sと置く)により表される光を対象物に入射し、それぞれの光が反射して得られる対象物からの戻り光のストークス成分を検出することができる(このストークス成分からなるストークス行列をS′〜S′と置く)。そして、対象物のミュラー行列Mは同一であるので、これらストークス行列S〜S、S′〜S′からミュラー行列Mの各成分を求めることができる。 As described above, according to the polarization detection unit 40 of the present embodiment, six types of light having different polarization states, in other words, Stokes having different Stokes components (all Stokes components are known) are used. It is possible to detect the Stokes component of the return light from the object, which is obtained by making light represented by a matrix (which is referred to as S 1 to S 6 ) incident on the object and reflecting each light. Stokes matrix of Stokes component placing and S '1 ~S' 6). Since the Mueller matrix M of the object is the same, each component of the Mueller matrix M can be obtained from these Stokes matrices S 1 to S 6 and S′ 1 to S′ 6 .

すなわち、本実施の形態である偏光検出部40において、6つの偏光生成部60のうち4つを用いた場合、4つの行列式を解くことでミュラー行列Mの各成分は一意に定まる。また、6つの偏光生成部60を全て用いれば、最小二乗法を用いてミュラー行列Mの各成分を求めることができる。 That is, in the polarization detecting unit 40 according to the present embodiment, when four of the six polarization generating units 60 are used, each component of the Mueller matrix M is uniquely determined by solving four determinants. Further, if all the six polarization generation units 60 are used, each component of the Mueller matrix M can be obtained by using the least square method.

そして、戻り光のストークス行列S′=(s′,s′,s′,s′)のストークス成分の2次元分布がわかっているので、対象物のミュラー行列Mの各成分の2次元分布も求めることができる。これにより、対象物の偏光度の2次元分布を求めることができる。そして、この偏光度の2次元分布に基づいて対象物の粘膜層の厚みの2次元分布を算出し、これにより、対象物の状態の1つであるがんの浸潤度を診断することができる。 Then, since the two-dimensional distribution of the Stokes components of the Stokes matrix S′=(s′ 0 , s′ 1 , s′ 2 , s′ 3 ) of the returning light is known, each component of the Mueller matrix M of the object is known. A two-dimensional distribution can also be obtained. Thereby, the two-dimensional distribution of the polarization degree of the object can be obtained. Then, the two-dimensional distribution of the thickness of the mucosal layer of the target object is calculated based on the two-dimensional distribution of the polarization degree, whereby the invasion degree of cancer, which is one of the states of the target object, can be diagnosed. ..

加えて、本実施の形態である観察装置100を構成する判定部23aによれば、上述した原理に基づいて正常組織及びがん組織を判別するのみならず、正常組織からがん組織に遷移している状態にある遷移部分を検出することができる。以下、この検出原理について説明する。 In addition, according to the determination unit 23a included in the observation device 100 according to the present embodiment, not only the normal tissue and the cancer tissue are determined based on the above-described principle, but also the normal tissue is changed to the cancer tissue. It is possible to detect the transition part in the state of being open. The detection principle will be described below.

図8は、対象物として消化管を例に取った、がん組織、正常組織及び遷移部分の関係を示す図である。図8(a)、(b)はいずれも消化管を長さ方向に切開して展開した状態を示す。 FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a cancer tissue, a normal tissue, and a transition portion, taking the digestive tract as an example of an object. 8(a) and 8(b) each show a state in which the digestive tract is incised in the longitudinal direction and expanded.

図8(a)に示すように、消化管200の内面にはがん組織が存在する領域201があるものとする。医師は、がん組織を目視で確認し、あるいは、消化管200の内面の生体組織をサンプルとして切り取り、病理検査を行った上で確定診断を行う。図中、がん組織のサンプル採取箇所を符号202で示す。 As shown in FIG. 8A, it is assumed that there is a region 201 where cancer tissue exists on the inner surface of the digestive tract 200. The doctor visually confirms the cancer tissue, or cuts out the biological tissue on the inner surface of the digestive tract 200 as a sample, performs a pathological examination, and then makes a definitive diagnosis. In the figure, reference numeral 202 indicates a sampling site of the cancer tissue.

がん組織は、がん細胞の成長に伴って周辺に拡大する。医師は、がん組織が存在する領域201を確認したら、領域201の拡大を阻止し、さらに消化管以外への転移を未然に防ぐ必要がある。そこで、医師は、領域201の周囲(図中左右方向)に存在する正常組織を含めた切除領域203を設定し、この切除領域203の消化管を切除する。 Cancer tissue spreads to the periphery as the cancer cells grow. After confirming the region 201 in which the cancer tissue exists, the doctor needs to prevent the region 201 from expanding and further prevent metastasis to other than the digestive tract. Therefore, the doctor sets an excision region 203 including normal tissue existing around the region 201 (left-right direction in the drawing), and excises the digestive tract in the excision region 203.

図8(a)において、正常組織であると診断されたサンプル採取箇所を符号204で、遷移部分であると診断されたサンプル採取箇所を符号205で示す。 In FIG. 8A, reference numeral 204 indicates a sample collection place diagnosed as a normal tissue, and reference numeral 205 indicates a sample collection place diagnosed as a transition part.

正常組織及びがん組織であるか否かの判定は、上述したように、ミュラー行列Mの16要素の値、言い換えれば各成分に基づいて行うことができる。一方、遷移部分であるか否かの判定は、ミュラー行列Mの16要素の値から直接判定することができなかった。 As described above, the determination as to whether the tissue is a normal tissue or a cancer tissue can be performed based on the values of 16 elements of the Mueller matrix M, in other words, each component. On the other hand, the determination as to whether or not it is a transition part could not be made directly from the values of 16 elements of the Mueller matrix M.

そこで、発明者らは、正常組織、がん組織及び遷移部分から実際に算出したミュラー行列Mの16要素の値に基づいて種々解析を行った結果、所定の手順に基づけば遷移部分か否かの判定が可能であるとの知見に至った。 Therefore, the inventors performed various analyzes based on the values of the 16 elements of the Mueller matrix M actually calculated from the normal tissue, the cancer tissue, and the transitional part, and as a result, based on a predetermined procedure, whether it is the transitional part or not. We have come to the knowledge that it is possible to judge.

より詳細には、対象物のうち所定の領域に、6つの偏光生成部60からそれぞれ偏光を照射し、その照射領域からの光をイメージセンサ57で受光する。判定部23aは、イメージセンサ57の複数の画像(本実施例では6つの画像)を用いて画素ごとに、ミュラー行列Mを算出する。これにより、対象物の照射領域からの光を受けた画素の数だけミュラー行列Mが取得される。判定部23aは、取得したミュラー行列Mのそれぞれの16個の要素を16次のデータとみなす。これにより、光を受けた画素の数と同数の16次のデータが得られる。判定部23aは、この16次のデータ群を用いて主成分分析することにより、16個の主成分ベクトルの線形結合で各16次元データ(ミュラー行列)を表す。 More specifically, a predetermined region of the object is irradiated with polarized light from each of the six polarization generation units 60, and the image sensor 57 receives light from the irradiated region. The determination unit 23a calculates the Mueller matrix M for each pixel using a plurality of images (six images in this embodiment) of the image sensor 57. As a result, the Mueller matrix M is acquired by the number of pixels that have received the light from the irradiation area of the object. The determination unit 23a regards each of the 16 elements of the acquired Mueller matrix M as 16th-order data. As a result, 16th-order data of the same number as the number of pixels receiving the light are obtained. The determination unit 23a represents each 16-dimensional data (Muller matrix) by linear combination of 16 principal component vectors by performing a principal component analysis using this 16th-order data group.

以下、判定部23aが行う主成分分析の概要について説明する。なお、主成分分析自体は公知の手法であるので、概要のみ説明する。 The outline of the principal component analysis performed by the determination unit 23a will be described below. Since the principal component analysis itself is a known method, only the outline will be described.

主成分分析とは、多次元(n次元)のデータ

があったとき各成分の分散共分散行列


が対角行列(無相関)になるように座標変換を行う多変量解析の方法である。
Principal component analysis is multidimensional (n-dimensional) data

When there is a variance-covariance matrix of each component


This is a multivariate analysis method in which coordinate transformation is performed so that becomes a diagonal matrix (no correlation).

適当な直交行列

でxを

によって新しい変数に変換する。このとき、各データは

とあらわされている。あたらしい変数yの分散共分散行列


が対角行列になるような直交行列Pを見つけることが主成分分析である。このとき、分散共分散行列の性質(対称行列)により対角成分(ε11, …,εnn)(分散共分散行列の固有値である)は0または正の数となる。

を分散共分散行列の固有値の大きな方から第1主成分(ベクトル)、…、第n主成分(ベクトル)と呼ぶ。
A suitable orthogonal matrix

And x

Convert to a new variable by. At this time, each data

Is represented. Variance-covariance matrix of new variable y


Principal component analysis is to find an orthogonal matrix P such that is a diagonal matrix. At this time, the diagonal components (ε 11 ,..., ε nn ) (which are eigenvalues of the variance-covariance matrix) are 0 or a positive number due to the property of the variance-covariance matrix (symmetric matrix).

Are referred to as the first principal component (vector),..., Nth principal component (vector) in order of increasing eigenvalues of the variance-covariance matrix.

新しい変数

を主成分(ベクトル)のスコアと呼ぶ。
New variable

Is called the score of the principal component (vector).

分散共分散行列の固有値は新しい変数の分散なので、値が小さいということは全データの対する寄与が小さいことを意味する。従って、他に比べて小さなスコアは無視してもデータの持つ情報はほとんど失われない。 Since the eigenvalues of the variance-covariance matrix are the variances of the new variable, a small value means that the contribution of all data is small. Therefore, even if the score that is smaller than the others is ignored, the information that the data has is hardly lost.

計測データの場合、固有の値が測定誤差の程度であれば、その変数はノイズとみなすことができる。 In the case of measurement data, if the inherent value is the degree of measurement error, the variable can be regarded as noise.

そこで、情報の欠落が少ない適当な次元m<nを決めて、

によって近似すれば、n次元のデータをm次元に次元圧縮しても、もとのデータの情報はほとんど失われない。
Therefore, decide an appropriate dimension m<n with less information loss,

If it is approximated by, even if the n-dimensional data is dimensionally compressed into the m-dimensional data, the information of the original data is hardly lost.

なお、主成分分析で圧縮したミュラー行列に、光学的意味があることを確認することが必要である。確認の手法には、後述する手法が用いられる。また、次元圧縮の対象として、ミュラー行列から変換できる物理量、例えば分散共分散(Covariant)行列もしくはコヒーレント(Coherent)行列、あるいはその行列要素の絶対値からなる行列、なども有効である。 It is necessary to confirm that the Mueller matrix compressed by principal component analysis has optical meaning. The method described below is used as the confirmation method. As a target of dimension compression, a physical quantity that can be converted from a Mueller matrix, for example, a covariant matrix or a coherent matrix, or a matrix composed of absolute values of its matrix elements is also effective.

そこで、本実施の形態である観察装置100の判定部23aは、データ(ミュラー行列)を主成分分析により得られた16個の主成分ベクトルの一部を使って表現することにより、16次元よりも低次元の空間に射影する。すなわち、主成分分析により16次元よりも低次元の特定の次元の値に変換する。これにより、元々ミュラー行列の次元である16次元の値をより低次元の値に圧縮する。本実施の形態では、上述の説明においてn=16であり、m=4であり、つまり、16次元の値を4次元の値に圧縮する。次いで、判定部23aは、上記の圧縮に用いなかった主成分ベクトル(本実施例では第5〜16主成分ベクトル)を使ってデータを表現する。すなわち、判定部23aは、1〜16次元の値から1〜4次元の値を除いた値である5次元以上の値(以下、これを残差と称する)を算出する。ここで、1〜4次元の値とは、数式9の右辺の第1主成分を含む第1項から第4主成分を含む第4項までを足し合わせた値である。そして、判定部23aは、この残差を予め定めた閾値と比較し、残差が閾値以上になった場合、その残差の算出に用いられたミュラー行列Mの16要素が得られた領域が遷移部分であると判定する。 Therefore, the determination unit 23a of the observation device 100 according to the present embodiment expresses the data (Muller matrix) by using a part of the 16 principal component vectors obtained by the principal component analysis, so that 16-dimensional Also projects into a low-dimensional space. That is, it is converted into a value of a specific dimension lower than 16 dimensions by the principal component analysis. As a result, the 16-dimensional value that is originally the dimension of the Mueller matrix is compressed into a lower-dimensional value. In the present embodiment, n=16 and m=4 in the above description, that is, a 16-dimensional value is compressed into a 4-dimensional value. Next, the determination unit 23a expresses the data by using the principal component vector (the fifth to 16th principal component vectors in this embodiment) not used for the compression. That is, the determination unit 23a calculates a value of five dimensions or more (hereinafter, referred to as a residual), which is a value obtained by removing the values of one to four dimensions from the values of one to six dimensions. Here, the 1- to 4-dimensional values are values obtained by adding the first term including the first principal component to the fourth term including the fourth principal component on the right side of Expression 9. Then, the determination unit 23a compares this residual with a predetermined threshold value, and when the residual becomes equal to or greater than the threshold, the region in which the 16 elements of the Mueller matrix M used to calculate the residual are obtained Judge as the transition part.

尚、判定部23aによる遷移部分か否かの判定は、対象物の照射領域全体が遷移部分か否かを判定するのに代えて、照射領域からの光を受けた複数の画素ごとに残差を求め、画素ごとに残差と閾値との比較を行い、照射領域のうち、残差が閾値以上になった画素に対応する部分が遷移部分であると判定してもよい。 The determination unit 23a determines whether or not it is a transition portion, instead of determining whether or not the entire irradiation area of the object is a transition portion, a residual difference is obtained for each of a plurality of pixels that receive light from the irradiation area. May be obtained, and the residual difference may be compared with the threshold value for each pixel, and it may be determined that the portion of the irradiation region corresponding to the pixel having the residual difference equal to or larger than the threshold value is the transition portion.

この4次元の値には、がん組織であるか正常組織であるかを判定するための偏光情報が平均で95%以上が含まれることが、発明者らの実験結果により明らかになった。一方、1〜n次元(n>4)の値から1〜4次元の値を除いた残差を正常組織、がん組織及び遷移部分とで比較すると、遷移部分についてのみこの残差が大きいことも、発明者らの実験結果により明らかになった。従って、主成分分析の結果得られた1〜4次元の値に基づき残差を算出し、この残差が閾値以上である組織を遷移部分であると判定することが可能になった。 The experimental results of the inventors have revealed that the four-dimensional value includes, on average, 95% or more of polarization information for determining whether the tissue is a cancer tissue or a normal tissue. On the other hand, when the residuals obtained by removing the 1st to 4th dimension values from the 1st to nth dimension (n>4) values are compared with the normal tissue, the cancer tissue and the transition portion, this residual error is large only in the transition portion Was also clarified by the experimental results of the inventors. Therefore, it is possible to calculate the residuals based on the 1- to 4-dimensional values obtained as the result of the principal component analysis, and to determine the tissue having the residuals equal to or larger than the threshold as the transition portion.

尚、遷移部分であるか否かの判定に用いられる閾値は、例えば、以下のように設定してもよい。イメージセンサ57の複数の画素ごとに算出したミュラー行列Mの各要素のヒストグラムを取る。そして、このヒストグラムの最大幅の、正常(非ガン)のときのヒストグラムの最大幅に対する倍数を、閾値とする。倍数は、例えば2倍もしくは3倍である。ヒストグラムは、ミュラー行列Mの複数の要素のそれぞれについて作成され、要素の値を横軸とし、頻度を縦軸としたヒストグラムであり、各要素において、主成分分析に用いた画素の数と同数もしくは特定の画像に含まれる画素数と同数の値が用いられる。 The threshold used for determining whether or not it is a transition part may be set as follows, for example. The histogram of each element of the Mueller matrix M calculated for each of the plurality of pixels of the image sensor 57 is taken. Then, a multiple of the maximum width of this histogram with respect to the maximum width of the histogram when normal (non-cancerous) is set as the threshold value. The multiple is, for example, double or triple. The histogram is created for each of a plurality of elements of the Mueller matrix M, and the value of the element is on the horizontal axis and the frequency is on the vertical axis. In each element, the same number as the number of pixels used in the principal component analysis or The same value as the number of pixels included in a specific image is used.

上述した手法によれば、判定部23aを含む画像処理部23はミュラー行列Mの16要素の2次元分布を得ることができるので、判定部23aは、遷移部分の2次元分布も得ることができる。これにより、図8(b)に示すように、遷移部分が存在する遷移領域206をイメージとして判定し、検出することができる。 According to the method described above, the image processing unit 23 including the determination unit 23a can obtain the two-dimensional distribution of 16 elements of the Mueller matrix M, so the determination unit 23a can also obtain the two-dimensional distribution of the transition part. .. As a result, as shown in FIG. 8B, the transition region 206 where the transition portion exists can be determined and detected as an image.

本実施の形態である観察装置100の判定部23aの作用について、図9〜図11を用いて説明する。但し、4次元の値を3次元で表現することは難しいので、3次元の値を主成分分析により2次元の値に圧縮した場合について説明する。 The operation of the determination unit 23a of the observation device 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 11. However, since it is difficult to represent a four-dimensional value in a three-dimensional manner, a case where the three-dimensional value is compressed into a two-dimensional value by principal component analysis will be described.

図9は、ミュラー行列Mの16要素のうち、m11、m22、m33の3要素の成分の分布を示す図である。なお、図9〜図11に示す例は仮想的なものであり、実際の値とは異なる。図9において成分300は図示するような分布を有するものとする。また、図中に第1主成分、第2主成分及び第3主成分の軸も図示している。 FIG. 9 is a diagram showing the distribution of the components of the three elements m 11 , m 22 , and m 33 out of the 16 elements of the Mueller matrix M. Note that the examples shown in FIGS. 9 to 11 are virtual and different from actual values. In FIG. 9, the component 300 is assumed to have a distribution as shown. The axes of the first principal component, the second principal component, and the third principal component are also shown in the figure.

図9に示す分布を、それぞれ直交する第1主成分、第2主成分及び第3主成分の軸で書き直すと図10(a)のようになる。図10(a)は立体的(3次元的)な図示であるので、第1主成分の軸と第2主成分の軸とを含む平面が図の平面に一致するような平面的(2次元的)な図示に書き換えると図10(b)のようになる。さらに、第1主成分の軸と第3主成分の軸とを含む平面が図の平面に一致するような平面的な図示に書き換えると図10(c)のようになる。 FIG. 10A is obtained by rewriting the distribution shown in FIG. 9 using the axes of the first principal component, the second principal component, and the third principal component which are orthogonal to each other. Since FIG. 10A is a three-dimensional (three-dimensional) diagram, a plane (two-dimensional) in which the plane including the axis of the first principal component and the axis of the second principal component matches the plane of the figure. FIG. 10(b) can be obtained by rewriting it into a "target". Further, when the plane including the axis of the first principal component and the axis of the third principal component is rewritten into a planar view such that it coincides with the plane of the drawing, it becomes as shown in FIG.

図10(c)は、いわば主成分分析により3次元から2次元にその次元を圧縮した表現であると考えられる。従って、図中矢印で挟まれた成分が2次元以上の値の残差に相当する。 FIG. 10C is considered to be an expression in which the dimension is compressed from three dimensions to two dimensions by so-called principal component analysis. Therefore, the components sandwiched by the arrows in the figure correspond to residuals of values of two or more dimensions.

発明者らの解析によれば、図11(a)に示すように、正常組織及びがん組織についての2次元以上の残差(図中では2次元残差と表示している)は小さい。一方、図11(b)に示すように、遷移部分についての2次元残差は大きい。そこで、判定部23aは、図11(a)に示す2次元残差と図11(b)に示す2次元残差とを峻別しうる閾値を設定し、2次元残差が閾値以上であるか否かに基づいて遷移部分を判定する。 According to the analysis by the inventors, as shown in FIG. 11(a), the two-dimensional or more residuals (indicated as two-dimensional residuals in the figure) for the normal tissue and the cancer tissue are small. On the other hand, as shown in FIG. 11(b), the two-dimensional residual at the transition portion is large. Therefore, the determination unit 23a sets a threshold that can distinguish the two-dimensional residual shown in FIG. 11A from the two-dimensional residual shown in FIG. 11B, and determines whether the two-dimensional residual is equal to or greater than the threshold. The transition part is determined based on whether or not it is.

上述した手法により遷移部分を判定できる理由について、発明者らは以下のように推測する。 The inventors presume the reason why the transition part can be determined by the above-described method as follows.

正常組織を構成する細胞の核の大きさはほぼ一定である。また、がん組織を構成する細胞の核の大きさは、正常組織の核より大きいものの、これもほぼ一定である。従って、正常組織及びがん組織はそれぞれ特定の偏光状態を有する偏光子として作用すると考えられる。そして、正常組織とがん組織とではその偏光状態が異なるので、これらをミュラー行列Mの16要素の値に基づいて判定することができる。 The size of the nucleus of the cells that constitute normal tissue is almost constant. Although the size of the nucleus of the cells that make up the cancer tissue is larger than that of the normal tissue, it is also almost constant. Therefore, it is considered that the normal tissue and the cancer tissue each act as a polarizer having a specific polarization state. Since the normal tissue and the cancer tissue have different polarization states, they can be determined based on the values of 16 elements of the Mueller matrix M.

一方、遷移部分においては正常組織とみなせる細胞とがん組織とみなせる細胞とが混在していると考えられる。従って、遷移部分に光を当てると複雑な散乱光が発生すると推測される。この散乱は、細胞の核が光の波長の10倍程度であるので、いわゆるミー(Mie)散乱と考えられる。ミー散乱は粒子径(ここでは核の大きさ)にその散乱強度が依存する。従って、異なる径を有する核が不均一に分布する系からの散乱強度を理論的に求めるのは容易ではない。 On the other hand, it is considered that cells that can be regarded as normal tissue and cells that can be regarded as cancer tissue are mixed in the transition portion. Therefore, it is presumed that when the transition part is irradiated with light, complicated scattered light is generated. This scattering is considered to be so-called Mie scattering because the nucleus of the cell is about 10 times the wavelength of light. The scattering intensity of Mie scattering depends on the particle size (here, the size of the nucleus). Therefore, it is not easy to theoretically obtain the scattering intensity from a system in which nuclei having different diameters are nonuniformly distributed.

しかも、正常組織とみなせる細胞とがん組織とみなせる細胞とが不均一に分布するため、散乱も一様ではない。従って、ミュラー行列Mの16要素の値のバラツキが大きくなり、16要素の値そのままでは遷移部分であるとの判定は難しい。 Moreover, since the cells that can be regarded as normal tissues and the cells that can be regarded as cancer tissues are unevenly distributed, the scattering is not uniform. Therefore, variations in the values of the 16 elements of the Mueller matrix M become large, and it is difficult to determine that the 16 elements have the same values as the transition portion.

そこで、この値のバラつきを残差という形で取り出し、バラつきが大きいことにより遷移部分であるか否かの判定を行えば、比較的簡易に遷移部分の判定が行えると考えられる。 Therefore, it is considered that the transition part can be relatively easily determined by extracting the variation in the value in the form of a residual and determining whether or not it is the transition part due to the large variation.

次に、図12のフローチャートを参照して、本実施の形態である観察装置100を含む内視鏡システム1の動作について説明する。 Next, the operation of the endoscope system 1 including the observation device 100 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart in FIG.

まず、ステップS1では、光源ドライバ25により光源26を駆動し、この光源26から光を発生させ、偏光生成部60から所定の偏光状態の光を発生させて、対象物を照明する。ステップS2では、対象物からの戻り光を検出部50のイメージセンサ57により撮像する。 First, in step S1, the light source driver 25 drives the light source 26, the light source 26 generates light, and the polarization generation unit 60 generates light in a predetermined polarization state to illuminate the object. In step S2, the return light from the object is captured by the image sensor 57 of the detection unit 50.

ステップS3では、ステップS2でイメージセンサ57が撮像した撮像信号に基づいて、画像処理部23がイメージセンサ57の画素単位でのミュラー行列Mの16要素の2次元分布を算出する。 In step S3, the image processing unit 23 calculates a two-dimensional distribution of 16 elements of the Mueller matrix M for each pixel of the image sensor 57 based on the image pickup signal captured by the image sensor 57 in step S2.

ステップS4では、判定部23aが、ステップS3で得られたミュラー行列Mの16要素の値を16次元空間内にプロットする。ステップS5では、判定部23aが、ステップS4でプロットされたミュラー行列Mの16要素の値を主成分分析により4次元の値に変換する。ステップS6では、判定部23aが、ステップS5で得られた4次元の値に基づいて残差を算出する。 In step S4, the determination unit 23a plots the values of 16 elements of the Mueller matrix M obtained in step S3 in the 16-dimensional space. In step S5, the determination unit 23a converts the 16 element values of the Mueller matrix M plotted in step S4 into four-dimensional values by principal component analysis. In step S6, the determination unit 23a calculates the residual difference based on the four-dimensional values obtained in step S5.

ステップS7では、判定部23aが、ステップS7における判定用の閾値を設定する。なお、この閾値は事前に設定されてもよい。ステップS8では、ステップS6で得られた残差と閾値とを比較し、閾値以下の情報を除去し、閾値以下を除去して残った値すなわち閾値以上の画素の情報を得る。この閾値以上の画素は遷移領域に対応する。ステップS9では、画像処理部23が、ステップS8で得られた値を画像化する。ステップS9で得られた画像は、遷移部分の分布を示す画像である。遷移部分の分布を示す画像は、例えば、元の画像において、残差が閾値以上である画素を赤く表示することで遷移領域を赤で示すことにより形成される。この場合、遷移領域の境界を判断して輪郭を描き、赤い部分を半透明にしてもよいし、閾値以下の情報を除去して残った値の大きさに応じて色の濃さを変化させてもよい。 In step S7, the determination unit 23a sets the threshold value for determination in step S7. Note that this threshold may be set in advance. In step S8, the residual obtained in step S6 is compared with the threshold, information below the threshold is removed, and information below the threshold is removed to obtain information of the remaining value, that is, pixels above the threshold. Pixels above this threshold correspond to transition regions. In step S9, the image processing unit 23 images the value obtained in step S8. The image obtained in step S9 is an image showing the distribution of the transition portion. The image showing the distribution of the transition portion is formed, for example, by displaying pixels in which the residual is equal to or more than the threshold value in red in the original image, thereby indicating the transition region in red. In this case, you may judge the boundary of the transition area and draw an outline to make the red part semi-transparent, or remove the information below the threshold value and change the color density according to the size of the remaining value. May be.

以上のように構成された本実施の形態である観察装置100は、対象物からの光の偏光状態を検出する偏光検出部40と、偏光状態を示す値を主成分分析することにより、対象物の状態を判定する判定部23aとを有する。 The observation device 100 according to the present embodiment configured as described above includes the polarization detection unit 40 that detects the polarization state of the light from the object and the object by performing the principal component analysis of the value indicating the polarization state. And a determination unit 23a that determines the state of.

従って、判定部23aの判定結果を用いれば、遷移部分を正確に判定、検出することができる。 Therefore, the transition portion can be accurately determined and detected by using the determination result of the determination unit 23a.

また、本実施の形態である観察装置100によれば、複雑な機構を用いることなく対象物の偏光状態を観察することができる。さらに、本実施の形態である観察装置100では、装置全体の小型化を実現できる。 Further, according to the observation device 100 of the present embodiment, the polarization state of the object can be observed without using a complicated mechanism. Furthermore, in the observation device 100 according to the present embodiment, downsizing of the entire device can be realized.

なお、発明者らは、ミュラー行列Mの16要素の値に基づいて光学的なエントロピーを算出し、このエントロピーの値により正常組織とがん組織とを判別することができるとの知見に至った。 The inventors have found that optical entropy can be calculated based on the values of 16 elements of the Mueller matrix M, and normal tissue and cancer tissue can be discriminated by the value of this entropy. ..

ミュラー行列をコヒーレント行列に変換した後、固有値分解して得られた固有値を使ってエントロピーを計算する手順は以下の通りである。 The procedure for calculating the entropy using the eigenvalue obtained by performing the eigenvalue decomposition after converting the Mueller matrix into the coherent matrix is as follows.

まず、ミュラー行列M(4×4実数行列)をコヒーレント行列C(4×4複素数行列)に変換する。以下の説明では、ミュラー行列Mの16要素は次式のように表現するものとする。
First, the Mueller matrix M (4×4 real number matrix) is converted into a coherent matrix C (4×4 complex number matrix). In the following description, the 16 elements of the Mueller matrix M are expressed as the following equation.

コヒーレント行列Cは次式で表現される。
The coherent matrix C is expressed by the following equation.

コヒーレント行列Cの16要素はミュラー行列Mの16要素を用いて次式により与えられる。
The 16 elements of the coherent matrix C are given by the following equation using the 16 elements of the Mueller matrix M.

次に、コヒーレント行列Cを対角化して固有値分解する。
Next, the coherent matrix C is diagonalized and decomposed into eigenvalues.

そして、この正方行列Λの成分λ〜λを用いて、コヒーレント行列CのエントロピーHを次式により計算する。
Then, using the components λ 1 to λ 4 of this square matrix Λ, the entropy H T of the coherent matrix C is calculated by the following equation.

なお、コヒーレント行列Cはエルミート行列なので、その固有値は必ず実数になる。また、λ<0の場合はλ=0とする。負の固有値を持つコヒーレント行列が得られた場合、元のミュラー行列Mには光学的な意味がない。この性質は、ミュラー行列Mが光学的な意味を持つものかどうかの判断に使われる Since the coherent matrix C is a Hermitian matrix, its eigenvalue is always a real number. When λ i <0, λ i =0. If a coherent matrix with negative eigenvalues is obtained, the original Mueller matrix M has no optical meaning. This property is used to judge whether the Mueller matrix M has an optical meaning.

上述の説明に基づいて、ミュラー行列MからエントロピーHを算出したところ、がん組織から得られるミュラー行列Mの16要素に基づくエントロピーHは、それ以外の組織から得られるミュラー行列Mの16要素に基づくエントロピーHよりも低いという実験結果が得られた。 Based on the above description, calculation of entropy H T from Mueller matrix M, the entropy H T based on 16 elements of the Mueller matrix M obtained from the cancer tissue, the Mueller matrix M obtained from other tissues 16 Experimental results were obtained that were lower than the element-based entropy H T.

また、がん組織のエントロピーの平均値と不偏標準偏差との和が、正常組織のエントロピーの平均値と不偏標準偏差との差より小さくなることが分かった。ここで、エントロピーの平均値は、各画素で計算されたエントロピーの画像毎の平均値であり、([各画素のエントロピー]の総和)/(総画素数)で画像毎に計算される。また、不偏標準偏差は、データの広がり具合の一つの指標であり、{(([各画素のエントロピー] - [エントロピーの平均値])2の総和)/(総画素数-1)}の平方根として画像毎に計算される。 It was also found that the sum of the mean value of the entropy of the cancer tissue and the unbiased standard deviation is smaller than the difference between the mean value of the entropy of the normal tissue and the unbiased standard deviation. Here, the average value of the entropy is the average value of the entropy calculated for each pixel for each image, and is calculated for each image by (sum of [entropy of each pixel])/(total number of pixels). Unbiased standard deviation is one index of the spread of data, and is the square root of {(([entropy of each pixel]-[average of entropy]] 2 ) / (total number of pixels -1 )} Is calculated for each image as.

従って、本実施の形態である観察装置100において、判定部23aにより残差を算出して遷移部分を判定、検出し、エントロピーHTも算出してがん組織を判定、検出することができる。 Therefore, in the observation device 100 according to the present embodiment, the determination unit 23a can calculate the residual to determine and detect the transition portion, and also calculate the entropy HT to determine and detect the cancer tissue.

さらに、発明者らは、正常組織、がん組織及び遷移部分についてそれぞれ得られたミュラー行列Mの16要素を主成分分析して得られた結果のうち、第2主成分、第3主成分及び第4主成分を3次元空間上にプロットしたところ、がん組織と遷移部分とを判別することができるとの知見に至った。 Further, among the results obtained by the principal component analysis of the 16 elements of the Mueller matrix M obtained for the normal tissue, the cancer tissue, and the transition portion, the inventors obtained the second principal component, the third principal component, and When the fourth principal component was plotted on the three-dimensional space, it was found that the cancer tissue and the transition part can be distinguished.

まず、既に説明したように、正常組織、がん組織及び遷移部分についてそれぞれ得られたミュラー行列Mの16要素を主成分分析して4次元に次元圧縮した。次いで、この4次元の値からなる4次元空間に対してクラスタリング等の手法を用いて探索をした。その結果、分散共分散行列の固有値である第1主成分が、ほぼ単位ジョーンズ(Jones)行列、つまり偏光の強度情報であることが判明した。 First, as described above, the 16 elements of the Mueller matrix M obtained for the normal tissue, the cancer tissue, and the transition portion were subjected to principal component analysis and dimensionally compressed into four dimensions. Then, a search was performed using a technique such as clustering on the four-dimensional space consisting of the four-dimensional values. As a result, it has been found that the first principal component, which is the eigenvalue of the dispersion-covariance matrix, is almost a unit Jones matrix, that is, polarization intensity information.

そこで、発明者らは、4次元の値のうち第1主成分を除いた3次元の値、つまり、偏光変換作用成分だけが豊富な値についての探索を行った。 Therefore, the inventors searched for a three-dimensional value excluding the first principal component among the four-dimensional values, that is, a value rich in only the polarization conversion action component.

図13は、主成分分析の結果である第2主成分(主軸)、第3主成分(主軸)及び第4主成分(主軸)で表現される3次元空間をメルカトル図法により2次元に展開したものである。より詳細には、ある患者における遷移部分及びがん組織から得られた主成分分析の値を、同一の患者における正常組織の値により正規化し、正規化した値を3次元球面上にプロットしたものである。図において縦軸、つまり球面上の緯度は第2主成分の値であり、図中上半分がブロッホ(Bloch)球において|0〉方向、下半分がブロッホ球において|1〉方向である。また、図において横軸、つまり球面上の経度は第3主成分及び第4主成分の値である。 FIG. 13 shows a three-dimensional space represented by the second principal component (principal axis), the third principal component (principal axis), and the fourth principal component (principal axis), which are the results of the principal component analysis, developed in two dimensions by the Mercator projection. It is a thing. More specifically, the value of the principal component analysis obtained from the transition part and the cancer tissue in a certain patient is normalized by the value of the normal tissue in the same patient, and the normalized value is plotted on a three-dimensional spherical surface. Is. In the figure, the vertical axis, that is, the latitude on the sphere, is the value of the second principal component. In the figure, the upper half is the |0> direction in the Bloch sphere and the lower half is the |1> direction in the Bloch sphere. In the figure, the horizontal axis, that is, the longitude on the spherical surface is the value of the third principal component and the fourth principal component.

図中、白丸はがん組織の値、黒丸は遷移部分の値である。図に示すように、がん組織の値はその8割近くが北半球の高緯度(40°以上)に存在することがわかった。従って、図13に示すような図を描き、緯度を閾値とすることで、がん組織と遷移部分とを区別して判定、検出することができる。 In the figure, white circles are values of cancer tissues, and black circles are values of transition portions. As shown in the figure, it was found that nearly 80% of the values of cancer tissues exist at high latitudes (40° or more) in the northern hemisphere. Therefore, by drawing a diagram as shown in FIG. 13 and using the latitude as the threshold value, it is possible to determine and detect the cancer tissue and the transition portion separately.

以上、図面を参照して、実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、その要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本開示に含まれる。 Although the embodiments have been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the embodiments and the examples, and design changes that do not deviate from the gist of the present invention are disclosed in the present disclosure. included.

一例として、上述の実施の形態である偏光検出部40には6つの偏光生成部60を設けたが、これに代えて、入射光のストークス成分のうちs=±1、s=1、s=1をそれぞれ生成する4つの偏光生成部60を設けてもよい。そして、これら4つの偏光生成部60のうち、1つの偏光生成部60は1/4波長板63を有する。 As an example, the polarization detection unit 40 according to the above-described embodiment is provided with the six polarization generation units 60, but instead of this, s 1 =±1, s 2 =1 among the Stokes components of the incident light, s 3 = 1 a may be a four-polarized light generator 60 for generating respectively. Then, of these four polarization generation units 60, one polarization generation unit 60 has a quarter-wave plate 63.

さらに、複数の偏光生成部60には光源26から順に光が切り替えられて入射されていたが、各々の偏光生成部60に周波数時分割した光を入射させてもよい。但し、あまり時分割の周期が長いと対象物の偏光度が変化してしまう可能性があるので、時分割の周期は人間が視認できない程度のものであることが望ましい。 Further, although the light is sequentially switched from the light source 26 and made incident on the plurality of polarization generation units 60, frequency-time-divided light may be made incident on each polarization generation unit 60. However, if the time-division cycle is too long, the degree of polarization of the object may change. Therefore, it is desirable that the time-division cycle be invisible to humans.

また、偏光生成部60の配置位置は上述の各実施の形態に限定されず、検出部50の周囲に配置されていればよい。但し、イメージセンサ57の撮像面57aは通常矩形に形成されているので、観察装置100全体の小型化を考慮すると、上述の実施の形態のように検出部50の上下に、あるいは環状に偏光生成部60を配置することが好ましい。 Further, the arrangement position of the polarization generation unit 60 is not limited to the above-mentioned respective embodiments, and may be arranged around the detection unit 50. However, since the image pickup surface 57a of the image sensor 57 is usually formed in a rectangular shape, in consideration of downsizing of the entire observation apparatus 100, polarized light is generated above and below the detection unit 50 or in a ring shape as in the above-described embodiment. It is preferable to arrange the portion 60.

さらに、上述の実施の形態における偏光生成部60において、偏光板61及び発散レンズ62、さらには1/4波長板63を互いに接着させて一体化してもよい。この場合、一部の偏光板61(上述の実施の形態では61c〜61f)の対象物側には1/4波長板63が設けられていない。そこで、1/4波長板63の分だけ偏光板61c〜61fの厚みを加えれば、それぞれの偏光生成部60の光路長を等しくすることができる。 Further, in the polarization generation unit 60 in the above-described embodiment, the polarizing plate 61, the diverging lens 62, and the quarter wavelength plate 63 may be adhered to each other and integrated. In this case, the quarter wavelength plate 63 is not provided on the object side of some of the polarizing plates 61 (61c to 61f in the above-described embodiment). Therefore, if the thicknesses of the polarizing plates 61c to 61f are added by the amount corresponding to the quarter wavelength plate 63, the optical path lengths of the respective polarization generating sections 60 can be made equal.

同様に、光ファイバ15の出射端15aと偏光板61とを接着してもよい。 Similarly, the emitting end 15a of the optical fiber 15 and the polarizing plate 61 may be bonded.

また、偏光生成部60の偏光変換素子は、観察装置100の小型化という観点からすると、この偏光変換素子により得られる偏光状態が変化しない、つまりパッシブな偏光変換素子であることが好ましい。この観点から、上述の実施の形態では偏光板61を用いている。しかし、対象物に光を照射する時点だけ偏光状態が変化しなければ足りるので、例えば液晶素子を電気駆動して偏光状態を所定の状態に維持したものも偏光変換素子として用いることができる。 Further, from the viewpoint of downsizing the observation device 100, the polarization conversion element of the polarization generation unit 60 is preferably a polarization conversion element in which the polarization state obtained by this polarization conversion element does not change, that is, a passive polarization conversion element. From this viewpoint, the polarizing plate 61 is used in the above-described embodiment. However, it suffices that the polarization state does not change only when the object is irradiated with light. Therefore, for example, a liquid crystal element that is electrically driven to maintain the polarization state in a predetermined state can be used as the polarization conversion element.

また、内視鏡装置10が判定部23aを備えている例を示したが、これに代えて、内視鏡装置10の一部ではなく外部装置として判定部23aを設けてもよい。この場合、内視鏡装置10の画像処理部23で処理された画像信号を判定部23aに送信する送信部を内視鏡装置10に設けてもよい。 Further, although the example in which the endoscope device 10 includes the determination unit 23a is shown, the determination unit 23a may be provided as an external device instead of a part of the endoscope device 10 instead. In this case, the endoscope device 10 may be provided with a transmission unit that transmits the image signal processed by the image processing unit 23 of the endoscope device 10 to the determination unit 23a.

また、観察の対象物の偏光状態を表す値としてミュラー行列を用いた例を示したが、これに代えて、ジョーンズ行列を用いてもよい。この場合、偏光生成部60で生成する偏光の種類の数や、判定部23aでの主成分分析により圧縮される次元の値、残差の値、および、閾値を適宜設定することができる。 Further, although an example in which the Mueller matrix is used as a value representing the polarization state of the observation object is shown, the Jones matrix may be used instead of this. In this case, the number of types of polarization generated by the polarization generation unit 60, the dimension value compressed by the principal component analysis in the determination unit 23a, the residual value, and the threshold value can be set appropriately.

また、判定部23aにおいて、高次のデータ群を用いて主成分分析することにより、複数の主成分ベクトルの線形結合で高次データをより低次元の空間で表す例を示したが、これに代えて、カーネル主成分分析を用いてもよい。この場合、例えば、判定部23aは、まず主成分分析により次元削減を行い、圧縮する前の次元における情報に対する圧縮された後の次元における情報の割合が所定の割合以下であったときに、カーネル主成分分析を行うと判断してもよい。所定の割合は、必要とする情報量に応じて設定され、例えば90%である。カーネル主成分分析に用いられる正定値カーネルとして、例えば、線形カーネル、ガウスカーネル、多項式カーネル等が用いられる。 In addition, in the determination unit 23a, an example is shown in which higher-order data is expressed in a lower dimensional space by linear combination of a plurality of principal component vectors by performing a principal component analysis using a higher-order data group. Alternatively, kernel principal component analysis may be used. In this case, for example, the determining unit 23a first performs dimension reduction by principal component analysis, and when the ratio of the information in the dimension after compression to the information in the dimension before compression is less than or equal to a predetermined ratio, the kernel It may be judged that the principal component analysis is performed. The predetermined ratio is set according to the required information amount, and is 90%, for example. As the positive definite kernel used for the kernel principal component analysis, for example, a linear kernel, a Gaussian kernel, a polynomial kernel, or the like is used.

複数の結果変数からなる多変量データを統計的に扱う手法であれば、主成分分析以外の多変量解析を用いてがん組織、非がん組織、および、遷移部分を区別して判定してもよい。主成分分析以外の多変量解析手法として、主成分分析およびカーネル主成分分析と数学的にほぼ等価な回帰分析(非線形を含む)および因子分析等が挙げられる。 If it is a method that statistically handles multivariate data consisting of multiple result variables, it can be determined by distinguishing cancer tissue, non-cancer tissue, and transition part using multivariate analysis other than principal component analysis. Good. Examples of multivariate analysis methods other than principal component analysis include regression analysis (including non-linearity) and factor analysis that are mathematically almost equivalent to principal component analysis and kernel principal component analysis.

判定部23aは、以下のように、がん組織、非がん組織、および、遷移部分を判定してもよい。判定部23aは、例えば異なる照射方向ごとに、観察対象物の所定の領域からの光を撮像したイメージセンサ57から出力された画像信号を用いて、対象物のミュラー行列を算出する。判定部23aは、算出した対象物のミュラー行列と、異常を有するサンプルを予め実測して得られたミュラー行列とを比較して、比較結果に基づいて、対象物の異常の有無を判定する。この場合、サンプルのミュラー行列(偏光特性)とサンプルの状態(異常の種類や異常の程度)とが予め関連付けされている。判定部23aは、比較の結果、対象物を実測して得られた実測結果のミュラー行列(偏光特性)との類似度が高いサンプルミュラー行列に関連付けされた状態を、実測した対象物の状態として判定する。 The determination unit 23a may determine a cancer tissue, a non-cancerous tissue, and a transition part as follows. The determination unit 23a calculates the Mueller matrix of the object using the image signal output from the image sensor 57 that images the light from the predetermined area of the observation object for each different irradiation direction. The determination unit 23a compares the calculated Mueller matrix of the target object with the Mueller matrix obtained by actually measuring a sample having an abnormality in advance, and determines whether or not there is an abnormality of the target object based on the comparison result. In this case, the Mueller matrix (polarization characteristics) of the sample and the state of the sample (type of abnormality and degree of abnormality) are associated in advance. As a result of the comparison, the determination unit 23a sets the state associated with the sample Mueller matrix having a high degree of similarity with the Mueller matrix (polarization characteristic) of the actual measurement result obtained by actually measuring the target object as the measured target object state. judge.

対象物の状態の判定の基準となるミュラー行列を算出する際、判定部23aは、がん組織、非がん組織、または、遷移部分であると予め分かっている上記のサンプルの複数のミュラー行列を、それぞれニューラルネットワークに入力して学習させ、それぞれの状態の特徴量を抽出してもよい。この場合、がん組織の特徴を有するミュラー行列または行列要素、非がん組織の特徴を有するミュラー行列または行列要素、および、遷移部分の特徴を有するミュラー行列または行列要素をそれぞれ算出し、状態と対応付けて記憶してもよい。また、この場合、がん組織、非がん組織、および、遷移部分を示す複数の画像をニューラルネットワークに入力して学習させ、それぞれの状態に対応する画像の特徴量を抽出し、ミュラー行列または行列要素と画像とを対応付けて記憶してもよい。 When calculating the Mueller matrix serving as a reference for determining the state of the target object, the determination unit 23a uses a plurality of Mueller matrices of the above-described sample that are known in advance to be cancer tissue, non-cancer tissue, or a transition part. May be input to the neural network for learning, and the feature amount of each state may be extracted. In this case, the Mueller matrix or matrix element having the characteristics of cancer tissue, the Mueller matrix or matrix element having the characteristics of non-cancer tissue, and the Mueller matrix or matrix element having the characteristics of the transition part are calculated, and It may be stored in association with each other. Further, in this case, a plurality of images showing a cancer tissue, a non-cancerous tissue, and a transition portion are input to a neural network for learning, and the feature amount of the image corresponding to each state is extracted, and the Mueller matrix or Matrix elements and images may be stored in association with each other.

判定部23aは、状態判定の対象となる対象物のミュラー行列またはその行列要素と、ニューラルネットワークにより算出されたミュラー行列またはその行列要素とを比較することにより、対象物の状態を判定することができる。 The determination unit 23a may determine the state of the object by comparing the Mueller matrix or the matrix element of the object of the state determination with the Mueller matrix calculated by the neural network or the matrix element thereof. it can.

なお、上記のサンプルのミュラー行列は、異なる照射方位、異なる照射角度ごとに取得されたミュラー行列であり、予め記憶部に記憶されてもよい。この場合、判定部23aは、複数のサンプルミュラー行列の中から、算出したミュラー行列の照射方位と照射角度とが同一のサンプルミュラー行列を読み出し、比較を行う。制御部21は、判定部23aによる判定の結果(すなわち対象物の異常の結果)をディスプレイ32に表示させたり、記憶媒体に記憶させたりしてもよい。 サンプルのミュラー行列を一つの照射方位および照射角度で取得し、実測した複数のミュラー行列のそれぞれとサンプルミュラー行列とを比較することにより、対象物の異常の有無を判定してもよい。 The Mueller matrix of the above sample is a Mueller matrix acquired for different irradiation directions and different irradiation angles, and may be stored in the storage unit in advance. In this case, the determination unit 23a reads out a sample Mueller matrix having the same irradiation direction and irradiation angle of the calculated Mueller matrix from the plurality of sample Mueller matrices, and performs comparison. The control unit 21 may display the result of the determination by the determination unit 23a (that is, the result of the abnormality of the target object) on the display 32 or may store the result in the storage medium. The presence or absence of abnormality of the object may be determined by acquiring a sample Mueller matrix with one irradiation direction and one irradiation angle and comparing each of a plurality of actually measured Mueller matrices with the sample Mueller matrix.

1 内視鏡システム
10 内視鏡装置
11 挿入部
11a 管部材
13 操作部
15 光ファイバ
20 本体部
26 光源
40 偏光検出部
50 検出部
57 イメージセンサ
60 偏光生成部
100 観察装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Endoscope system 10 Endoscope device 11 Insertion part 11a Tube member 13 Operation part 15 Optical fiber 20 Main body part 26 Light source 40 Polarization detection part 50 Detection part 57 Image sensor 60 Polarization generation part 100 Observation device

Claims (9)

対象物からの光の偏光状態を検出する偏光検出部と、
前記偏光状態を示す値を主成分分析することにより、前記対象物の状態を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする観察装置。
A polarization detection unit that detects the polarization state of light from the object,
By a principal component analysis of the value indicating the polarization state, a determination unit for determining the state of the object,
An observing device comprising:
前記偏光状態を示す値は特定次元の値であり、
前記判定部は、主成分分析により前記特定次元の値をこの特定次元よりも低い所定次元の値に変換する
ことを特徴とする請求項1に記載の観察装置。
The value indicating the polarization state is a value of a specific dimension,
The observation apparatus according to claim 1, wherein the determination unit converts the value of the specific dimension into a value of a predetermined dimension lower than the specific dimension by a principal component analysis.
前記偏光状態を示す値は前記特定次元の行列値であることを特徴とする請求項2に記載の観察装置。 The observation device according to claim 2, wherein the value indicating the polarization state is a matrix value of the specific dimension. 前記偏光状態を示す値はミュラー行列の行列値であることを特徴とする請求項3に記載の観察装置。 The observation device according to claim 3, wherein the value indicating the polarization state is a matrix value of a Mueller matrix. 前記判定部は、前記所定次元の値とこの所定次元よりも高い次元の値との差分を算出し、前記差分に基づいて前記対象物の状態を判定することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の観察装置。 The determination unit calculates a difference between the value of the predetermined dimension and a value of a dimension higher than the predetermined dimension, and determines the state of the target object based on the difference. The observation device according to any one of 1. 前記判定部は、前記差分と閾値との大小関係に基づいて前記対象物の状態を判定することを特徴とする請求項5に記載の観察装置。 The observation device according to claim 5, wherein the determination unit determines the state of the target object based on a magnitude relationship between the difference and a threshold value. 前記偏光検出部は、
それぞれ異なる偏光状態を有する光を生成する複数の偏光生成部と、
前記複数の偏光生成部が生成した前記光が照射された前記対象物からの光を検出する検出部と
を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の観察装置。
The polarization detector is
A plurality of polarization generation units each generating light having a different polarization state,
The observation device according to any one of claims 1 to 6, further comprising: a detection unit that detects light from the object irradiated with the light generated by the plurality of polarization generation units.
対象物からの光の偏光状態を検出し、
前記偏光状態を示す値を主成分分析することにより、前記対象物の状態を判定する
ことを特徴とする観察方法。
Detects the polarization state of light from the object,
An observation method, characterized in that the state of the object is determined by performing a principal component analysis on a value indicating the polarization state.
被検体の体腔内に挿入される管部材を有する挿入部と、
前記挿入部を操作する操作部とを備え、
前記請求項1〜7のいずれかに記載の前記観察装置の前記偏光検出部が前記挿入部に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。

An insertion portion having a tube member that is inserted into the body cavity of the subject;
An operation unit for operating the insertion unit,
An endoscope apparatus, wherein the polarization detection section of the observation apparatus according to any one of claims 1 to 7 is arranged in the insertion section.

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