JP3983948B2 - 蛍光画像取得方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光を照射した生体組織から発生する自家蛍光を画像として取得する蛍光画像取得方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、励起光の照射により生体組織の内在色素から発生する自家蛍光を画像として撮像し、この撮像された自家蛍光の画像を分析することにより各種疾患に伴う組織性状の変化を識別する装置が研究されている。
【０００３】
生体組織から発生する自家蛍光は微弱であり、この微弱な自家蛍光を画像として検出するためには高感度な撮像素子が使用され、例えば複数の画素の信号電荷をＣＣＤのチップ内で積算して読み出すピクセルビニングを行うことが可能な高感度ＣＣＤを用いて読み出す方式を用いたり、ＩＣＣＤ等の電子増倍型の撮像素子を用いて自家蛍光の撮像を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
複雑な形状の体腔内等の生体組織に励起光を照射しこの生体組織から発生する自家蛍光による蛍光画像を、例えば内視鏡装置等を用いて取得する場合には、内視鏡装置の測定プローブの先端から５０ｍｍ離れた位置（遠点）に存在する癌組織から発せられる自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像したいという要請がある。
【０００５】
しかしながら、ピクセルビニングを行う方式を用いても、自家蛍光を受光した複数の画素に発生した信号電荷をＣＣＤのチップ内で積算する場合に、ピクセルビニングの対象となる画素に蓄積された信号電荷に含まれるダークノイズにより発生した電荷も同時に積算される。
【０００６】
従って、癌組織から発生する自家蛍光は極微弱であるので、各画素においてこの自家蛍光を受光することにより生じた電荷の数よりダークノイズにより発生した電荷の数の方が多い場合も生じ得、その場合には複数画素に蓄積された信号電荷がピクセルビニングされて１まとめにされても癌組織から発生する自家蛍光の信号レベルはダークノイズの信号レベルより小さな値となり、Ｓ／Ｎは向上せず１より低い値となってしまう。また、電子増倍型の撮像素子を用いたとしても、撮像素子の設定が不十分であると不要なダークノイズおよび読出ノイズの発生により上記位置に存在する癌組織から発せられた自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像できないことがある。
【０００７】
また、前記内視鏡装置の測定プローブの先端から５ｍｍ離れた位置（近点）に存在する正常組織から発せられる自家蛍光を、撮像装置の受光容量が飽和しないように撮像したいという要請もある。
【０００８】
しかしながら、ＩＣＣＤ等の電子増倍型の撮像素子のダイナミックレンジは２桁に満たず、撮像素子の設定が不十分であると撮像装置の受光容量が飽和してしまい、またピクセルビニングを行う方式においては、受光光量が多い領域の画素についてはピクセルビニングを行う画素数を少なくして受光光量に応じた画素数をピクセルビニングの対象として設定し撮像しても、やはり撮像素子の設定が不十分であると撮像装置の受光容量が飽和してしまうという問題が発生する。
【０００９】
第１の本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、遠点に存在する生体組織の測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を良好なＳ／Ｎで取得することができる蛍光画像取得方法および装置を提供することを目的とするものであり、第２の本発明は、近点に存在する生体組織の測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を撮像装置の受光容量を飽和させないように取得することができる蛍光画像取得方法および装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明の蛍光画像取得方法は、励起光が照射された生体組織から発生した自家蛍光を撮像素子によって撮像し、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率および素子温度を下記条件式を満足するように設定して画像を取得することを特徴とする。
【００１１】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
第２の本発明の蛍光画像取得方法は、励起光を照射された生体組織から発生した自家蛍光を撮像素子によって撮像し、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量を下記条件式を満足するように設定して前記画像を取得することを特徴とする。
【００１２】
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
第１の本発明の蛍光画像取得装置は、生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率および素子温度が下記条件式を満足するように設定するされていることを特徴とする。
【００１３】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
第２の本発明の蛍光画像取得装置は、生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量が下記条件式を満足するように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
前記撮像素子の前記読出周波数は、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすように設定することができる。
【００１５】
前記撮像素子は、ＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子とすることができる。
【００１６】
なお、前記において、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数（読出周波数と１画素の面積によって決まる値）
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数（読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間および素子温度によって決まる値）
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ＲＮ＝０．１７Ｓ０．７７７×ｆ１／２
ＤＮ＝（ｔread＋ｔexp）×Ｓ×ｎ×ｅｄ（Ｔ）
ｔread＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０６×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０７×Ｍ）
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０−６×（２７３＋Ｔ）３−３．８０１５×１０−３×（２７３＋Ｔ）２＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
Ｓ：１画素の面積（μｍ２）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
Ｎ：総画素数
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
Ｍ：読出ポート数
ｔexp：露光時間（ｓｅｃ）
Ｔ：撮像素子の温度（℃）
である。
【００１７】
また、前記「画像」とは、通常の１コマ１／３０秒毎に連続して取得される画像の他、撮像された像の動きを滑らかな動きとして観察することはできなくても、測定対象部位を連続して観察することができるように取得された、例えば１コマ１／１０秒で撮像された画像等を含むものを意味する。
【００１８】
また、前記「容量に対応する電荷数」とは、上記式の単位を電荷の数にそろえるために、フローティングディフュージョンの容量Ｆｄおよびフルウェルの容量Ｆｗを、電荷の数に換算したものである。
【００１９】
なお、本発明は、前記第１の発明と第２の発明とを結合したもの、すなわち前述の３つの式、
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇと、
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄと、
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗと
をすべて満足するように、撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量を設定して画像を取得する方法および装置も含むものである。
【００２０】
【発明の効果】
第１の本発明の蛍光画像取得方法および装置によれば、撮像素子によって撮像した自家蛍光を画像として取得するにあたり、この撮像素子を条件式：ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇを満足するように設定するので、測定対象部位から発生する自家蛍光の受光により撮像装置に発生する電荷数に比較してダークノイズおよび読出ノイズにより撮像装置に発生する電荷数を少なく抑えたことにより、良好なＳ／Ｎで蛍光画像を取得することができる。
【００２１】
第２の本発明の蛍光画像取得方法および装置によれば、撮像素子によって撮像した自家蛍光を画像として取得するにあたり、この撮像素子を条件式：（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄおよび（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗを満足するように設定するので、ダークノイズおよび読出ノイズにより撮像装置に発生する電荷の数に比較して撮像装置のフローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量が十分大きな値となり、その結果、撮像装置の受光容量を飽和させないように蛍光画像を取得することができる。
【００２２】
前記撮像素子の読出周波数ｆを、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすように設定すればダークノイズにより発生する電荷数と読出ノイズにより発生する電荷数との和を最小にすることができる。
【００２３】
前記撮像素子を、ＣＣＤ型撮像素子あるいはＭＯＳ型撮像素子とすれば、撮像素子の実装スペースを小さくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の蛍光画像取得方法を実施する蛍光画像取得装置を蛍光内視鏡装置に適用した実施の形態の概略構成を示す図である。
【００２５】
蛍光内視鏡装置８００は、波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを射出する光源ユニット１００、光源ユニット１００から射出された励起光を光ファイバ２１を介して生体組織１に照射し、この励起光Ｌｅの照射を受けた生体組織１から発生した自家蛍光Ｋｊを撮像素子２５によって撮像し画像信号としてケーブル２６を介して出力する内視鏡ユニット２００、内視鏡ユニット２００から画像信号を読み取りビデオ信号に変換して出力する画像信号読取ユニット３００および画像信号読取ユニット３００から出力されたビデオ信号を入力し画像として表示する表示器４００から構成されている。
【００２６】
内視鏡ユニット２００は、光源ユニット１００と画像信号読取ユニット３００とが接続された操作部２０２、および励起光Ｌｅを生体組織１に照射する照射レンズ２２および生体組織１から発生した自家蛍光による生体組織１の像（以後自家蛍光像Ｚｊと呼ぶ）をプリズム２４を介して撮像素子２５上に結像する結像レンズ２３等を備えた測定プローブ部２０１から構成され、光ファイバ２１およびケーブル２６は操作部２０２から測定プローブ部２０１まで敷設されている。なお、撮像素子の受光面上には波長４１０ｎｍの光を遮断する励起光カットフィルタが一体化され配設されている。
【００２７】
次に、上記構成からなる蛍光内視鏡装置８００の作用について説明する。光源ユニット１００から射出された励起光Ｌｅは光ファイバ２１の端面２１ａに入射し光ファイバ２１内を伝搬して他端の端面２１ｂから射出される。端面２１ｂから射出された励起光Ｌｅは照射レンズ２２によって、およそ１２０°の角度に広げられた１００ｍｗの出力を持った励起光として射出される。この励起光Ｌｅの照射により生体組織１から発生した自家蛍光像Ｚｊは結像レンズ２３を通してプリズム２４に入射しほぼ直角に反射されて撮像素子２５上に結像される。なお、このとき励起光Ｌｅは撮像素子の受光面に一体化された励起光カットフィルタにより遮断され自家蛍光のみが撮像素子によって受光される。撮像素子２５上に結像された自家蛍光像Ｚｊは撮像素子２５によって撮像され電気的な画像信号に変換されてケーブル２６を経由して画像信号読取ユニット３００により読み取られ、画像信号読取ユニット３００によりビデオ信号に変換され出力されて表示器４００により表示される。
【００２８】
次に、励起光の照射により近点から遠点までの測定対象範囲内に発生した自家蛍光を十分なＳ／Ｎで、撮像装置の受光容量を飽和させずに取得することができるようにするための条件の設定方式について説明する。
【００２９】
すなわち、励起光の照射により遠点の測定対象領域に発生した癌組織の自家蛍光の強度をＳ／Ｎ＝１以上で取得するために下記式（１）を用いた撮像素子の設定方式と、近点に発生した自家蛍光を撮像装置の受光容量を飽和させずに取得することができるようにするための下記式（２）および式（３）を用いた撮像素子の設定方式とについて説明する。
【００３０】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ ・・・式（１）
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ ・・・式（２）
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ ・・・式（３）
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数（暗電流により発生する電荷数）
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ０．７７７×ｆ１／２
ＤＮ＝（ｔread＋ｔexp）×Ｓ×ｎ×ｅｄ（Ｔ）
ｔread＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０６×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０７×Ｍ）
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０−６×（２７３＋Ｔ）３−３．８０１５×１０−３×（２７３＋Ｔ）２＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
Ｓ：１画素の面積（μｍ２）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
Ｎ：総画素数
ｎ：ピクセルビニングするピクセル数
Ｍ：読出ポート数
ｔexp：露光時間（ｓｅｃ）
Ｔ：撮像素子の温度（℃）
まず、式（１）の右辺について説明する。蛍光内視鏡に要請されている第１の画像取得条件は、測定プローブ部２０１の先端から５０ｍｍ離れた位置に存在する癌組織に波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを照射したときにこの癌組織から発せられる自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像することであり、具体的には図２に示すように、照射レンズ２２の射出点Ｑから１００ｍｗの照射出力の励起光Ｌｅが１２０度の広がり角度で射出されたときに、射出点Ｑから５０ｍｍ離れた位置Ｂに存在する癌組織から発生する自家蛍光ＫｊをＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得することである。
【００３１】
上記設定により位置Ｂに照射される励起光のパワー密度は図３の両対数グラフの点ｂ１に示されるように０．００４（ｍＷ／ｍｍ２）であり、このパワー密度の励起光の照射を受けて癌組織から発生する自家蛍光Ｋｊを結像レンズ２３によって撮像素子２５の画素上に結像し、１／３０秒の露光時間で撮像するとき、例えばこの撮像素子の量子効率および電子像倍率が１で１画素の面積が１０μｍ２の場合に上記画素に蓄積される電荷の数はおよそ２２個となり、この２２個の電荷をＳ／Ｎ＝１以上で読み出すには、同じ画素から読み出されるノイズとなる電荷の数を２２個未満にする必要がある。
【００３２】
上記の設定をさらに一般化するために、励起光の照射出力１００ｍｗで撮像素子の量子効率および電子像倍率が１の場合に、１画素の面積や１画素相当として扱うピクセルビニング数が変化しても、Ｓ／Ｎ＝１以上で１画素（１画素相当）から読み出す電荷の最小数を固定的に２２個と仮定し、同じ１画素（１画素相当）から発生するダークノイズおよび読出ノイズによる電荷の和を２２個未満となるように設定するものとする。
【００３３】
そして、上記設定を基準として励起光の照射出力Ｐ、撮像素子の量子効率Ｈおよび電子増倍率Ｇを変数としたときに、Ｓ／Ｎ＝１以上で読み出す対象となる１画素（１画素相当）から発生する電荷の最小数を求めると２２×（Ｐ／１００）×Ｈ×Ｇ＝０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ（個）となりこれが式（１）の右辺となる。
【００３４】
具体的には、照射出力は１００ｍＷで、ＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光により撮像し、撮像素子の量子効率および電子像倍率はそれぞれＨ＝０．４およびＧ＝１であるので、上記条件により撮像素子の１画素（１画素相当）に蓄積される電荷の最小設定数は、０．２２×１００×０．４×１＝８．８となる。以後上記Ｓ／Ｎ＝１以上で読み出す１画素（１画素相当）に蓄積される電荷の最小設定数８．８を丸めて１０と簡略化して説明する。
【００３５】
次に、式（１）の左辺について説明する。上記のよううにＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光することにより自家蛍光像を撮像する場合には、１画素（１画素相当）から発生するダークノイズの電荷数と読出ノイズの電荷数との和を１０個未満に抑える必要がある。この条件を満たす設定にはいろいろな組合せがあり以下のような方式で設定することが可能である。
【００３６】
例えば、ＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、ｆ＝１（メガピクセル／ｓｅｃ）、Ｍ＝１（ポート）そしてｔexpを１／１０、１／３０、１／１００および１／３００（秒）と段階的に設定し、１画素の面積をＳ＝１から１００（μｍ２）まで変化させたときの１画素の面積Ｓの値とダークノイズの電荷数と読出ノイズの電荷数との和ＤＮ＋ＲＮ（以後総ノイズ電荷数ＤＲＮと呼ぶ）との関係は、Ｘ軸を１画素の面積Ｓ、Ｙ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとした図４に示すようなグラフとなり、１画素（１画素相当）から発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、Ａrea１で示されるＹ＜１０の範囲となる。より具体的には、例えば点ｕ１に示されるｔexp＝１／３００（秒）およびＳ＝５（μｍ２）においてＤＲＮ＝６（個）となる設定値、または点ｕ２に示されるｔexp＝１／１００（秒）およびＳ＝６．５（μｍ２）においてＤＲＮ＝９（個）となる設定値、あるいは点ｕ３に示されるｔexp＝１／３０（秒）およびＳ＝２（μｍ２）においてＤＲＮ＝４（個）となる設定値等として示される。
【００３７】
また、他の例としては、同じくＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、Ｍ＝１、２、４および８（ポート）、Ｓ＝１０（μｍ２）、ｔexpを１／１００（秒）と設定し、読出周波数をｆ＝０．１から１００（メガピクセル／ｓｅｃ）まで変化させたときの読出周波数ｆの値と総ノイズ電荷数ＤＲＮの値との関係は、Ｘ軸を読出周波数ｆ、Ｙ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとした図５に示すようなグラフとなり、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数を１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、Ａrea２で示されるＹ＜１０の範囲となる。より具体的には例えば点ｖ１に示されるＭ＝８（ポート）およびｆ＝５（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝６（個）となる設定値、または点ｖ２に示されるＭ＝２（ポート）およびｆ＝１（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝９となる設定値、あるいは点ｖ３に示されるＭ＝１（ポート）およびｆ＝１０（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝７となる設定値等として示される。
【００３８】
さらに、他の例としては、同じくＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝０、１０、２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、Ｍ＝１（ポート）、ｔexpを１／３０（秒）と設定し、１画素の面積ＳをＳ＝１０から１００（μｍ２）まで段階的に１０（μｍ２）づつ変化させ、読出周波数ｆをｆ＝０．１から２０（メガピクセル／ｓｅｃ）まで変化させたときのこれらの値と総ノイズ電荷数ＤＲＮとの関係は、図６、図７、図８に示すようにＸ軸を読出周波数ｆ、Ｙ軸を１画素の面積Ｓ、Ｚ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとして設定した３次元のグラフとなり、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、図６のＡrea３ａ、図７のＡrea３ｂおよび図８のＡrea３ｃに示されるＺ＝１０の平面より下の実線で示される範囲となる。なお、図６はＴ＝０（℃）、図７はＴ＝１０（℃）、図８はＴ＝２０（℃）に設定された場合のグラフである。
【００３９】
図６のＡrea３ａに示すようにＴ＝０（℃）のときには、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は広く各値のいろいろな組合せを選択することができるが、撮像素子の温度Ｔ＝１０（℃）になると図７のＡrea３ｂに示すようにその範囲は狭くなり、撮像素子の温度Ｔ＝２０（℃）になると図８のＡrea３ｃに示すように総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲はさらに狭くなる。
【００４０】
上記のように、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑える前記式（１）の条件を満たす設定はいろいろな組合せを選択することができる。
【００４１】
なお、自家蛍光をイメージファイバを中継させずに直接撮像素子上に結像させ撮像する方式の蛍光内視鏡装置においては、撮像素子の大きさは、
Ｆocus×tanθ＝Ｄ／２ ・・・式（４）
で示される制限を受ける。
【００４２】
ここで、
Ｆocus：結像レンズの焦点距離
θ：５０〜６０（ｄｅｇ）
Ｄ：撮像素子の対角線の長さ
すなわち、撮像素子の対角線の長さ：Ｄが決められると、総画素数Ｎと１画素の面積Ｓとの関係も制限を受けるので、上記例に示した範囲の中から式（４）を満足する範囲をさらに選択して撮像素子の各設定値を求めることになる。
【００４３】
また、ＣＣＤ撮像素子を用いて背面露光により撮像する場合には、量子効率がＨ＝０．９となりフロント露光の量子効率の約２倍となるので、総ノイズ電荷数ＤＲＮがおよそ２０未満となるように各値を設定すればよい。
【００４４】
次に、近点に発生した自家蛍光の強度を撮像装置の受光容量を飽和させずに画像として検出することができるようにするための式（２）および式（３）を用いた撮像素子の設定方式について説明する。
【００４５】
蛍光内視鏡に要請されている第２の画像取得条件は、測定プローブの先端から５ｍｍ離れた位置に存在する正常組織に波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを照射したときにこの正常組織から発せられる自家蛍光を撮像素子の画素の受光容量を飽和させずに撮像することであり、具体的には図２に示すように、照射レンズ２２の射出点Ｑから１００ｍｗの出力の励起光Ｌｅが１２０度の広がり角度で射出されたときに、射出点Ｑから５ｍｍ離れた位置Ａに存在する正常組織から発生する自家蛍光Ｋｊを撮像装置の受光容量を飽和させないように画像を取得することである。
【００４６】
図３に示されるように、上記設定により位置Ａに照射される励起光のパワー密度（図３の点ａ１）は、位置Ｂにおける励起光のパワー密度（図３の点ｂ１）の１００倍の０．４（ｍＷ／ｍｍ２）であり、このパワー密度の励起光の照射を受けて生体の正常組織から発生する自家蛍光Ｋｊを上述した位置Ｂの癌組織を撮像するときと同様に結像レンズ２３によって撮像素子２５上に結像し、１／３０秒の露光時間で撮像するとき、量子効率１および電子像倍率１の撮像素子の１画素の面積１０μｍ２の画素に蓄積される電荷（信号電荷）の数は、およそ２２、０００個となり、上述した位置Ｂの癌組織を撮像するときに１画素に発生する信号電荷の数の１，０００倍となる（同じパワー密度の励起光の照射により正常組織は癌組織の約１０倍の強度の自家蛍光を発生し、さらに照射される励起光のパワー密度が１００倍なので１，０００倍となる）。
【００４７】
すなわち、電子増倍率Ｇが１のとき第２の画像取得条件を満足するにはノイズの発生量の１，０００倍を超える撮像装置の受光容量が必要となり、撮像装置のダイナミックレンジは１：１，０００を超えることになる。
【００４８】
実際に蛍光内視鏡装置を使用する場合においては、上記遠点の癌組織をＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得すると共に近点の正常組織を撮像装置の受光容量以内に収めるダイナミックレンジを確保する必要があるので、式（１）の条件を満足しかつ式（２）および（３）を満足するように撮像素子の設定を行うことになる。しかし、フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数Ｆｄは読出周波数ｆに関係しフルウェルの容量に対応する電荷数Ｆｗは１画素の面積Ｓに関係する値なので、どちらも総ノイズ電荷数ＤＲＮと無関係に独立してこれらの値を決めることはできない。従って、式（１）に加えて式（２）および（３）の条件を満足するように撮像素子の設定を行う具体的な手段としては、前記第１の画像取得条件すなわち式（１）を満足する撮像素子の設定範囲を上記図４から図８に示されるグラフ等を用いて求め、この領域の中からさらに式（２）および（３）の条件を満足するような撮像素子の設定値、すなわち１：１，０００を超えるダイナミックレンジを確保することができる設定値を選択することにより第１の画像取得条件および第２の画像取得条件を満足する撮像素子の設定値を求めることができる。すなわち、式（１）、式（２）および式（３）を満足する撮像素子の設定値を求めることができる。
【００４９】
また、上記のようにして求められた撮像素子の設定範囲の中でさらに撮像素子の温度の設定値Ｔを固定し、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすような読出周波数ｆの値を選択すれば、撮像素子の温度の設定値Ｔの条件下において第１の画像取得条件および第２の画像取得条件を満足し、かつ総ノイズ電荷数ＤＲＮの値を最小にすることができる。
【００５０】
また、前記撮像素子をＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子とすれば、撮像素子の実装スペースを小さくすることができ、またＣＣＤ型撮像素子はフロント露光および背面露光のどちらのタイプも用いることができる。
【００５１】
上記実施の形態は、上記式（１）、（２）、（３）を満足するように撮像装置を設定して画像取得を行うものであったが、本発明はそのような実施の形態に限られるものではなく、上記式（１）のみを満足するように撮像装置設定して画像取得を行うものであってもよく、あるいは上記式（２）、（３）を満足するように撮像装置を設定して画像取得を行うものであってもよい。前者の場合、そうすることにより少なくとも遠点の癌組織をＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得することができるという効果が得られ、後者の場合そうすることにより少なくとも１：１，０００のダイナミックレンジを確保するという効果が得られる。
【００５２】
上記のように本発明によれば、遠点に存在する測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を良好なＳ／Ｎで取得することができ、近点に存在する測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を撮像装置の受光容量を飽和させないように取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による蛍光内視鏡装置の概略構成図
【図２】励起光の照射範囲を示す図
【図３】被写体までの距離と励起光のパワー密度との関係を示す図
【図４】総ノイズ電荷数ＤＲＮと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図５】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆとの関係を示す図
【図６】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図７】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図８】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【符号の説明】
１ 生体組織
２１ 光ファイバ
２２ 照射レンズ
２３ 結像レンズ
２４ プリズム
２５ 撮像素子
２６ ケーブル
１００ 光源ユニット
２００ 内視鏡ユニット
２０１ 測定プローブ部
２０２ 操作部
３００ 画像信号読取ユニット
４００ 表示器
８００ 蛍光内視鏡装置
Ｌｅ 励起光
Ｋｊ 自家蛍光
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光を照射した生体組織から発生する自家蛍光を画像として取得する蛍光画像取得方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、励起光の照射により生体組織の内在色素から発生する自家蛍光を画像として撮像し、この撮像された自家蛍光の画像を分析することにより各種疾患に伴う組織性状の変化を識別する装置が研究されている。
【０００３】
生体組織から発生する自家蛍光は微弱であり、この微弱な自家蛍光を画像として検出するためには高感度な撮像素子が使用され、例えば複数の画素の信号電荷をＣＣＤのチップ内で積算して読み出すピクセルビニングを行うことが可能な高感度ＣＣＤを用いて読み出す方式を用いたり、ＩＣＣＤ等の電子増倍型の撮像素子を用いて自家蛍光の撮像を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
複雑な形状の体腔内等の生体組織に励起光を照射しこの生体組織から発生する自家蛍光による蛍光画像を、例えば内視鏡装置等を用いて取得する場合には、内視鏡装置の測定プローブの先端から５０ｍｍ離れた位置（遠点）に存在する癌組織から発せられる自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像したいという要請がある。
【０００５】
しかしながら、ピクセルビニングを行う方式を用いても、自家蛍光を受光した複数の画素に発生した信号電荷をＣＣＤのチップ内で積算する場合に、ピクセルビニングの対象となる画素に蓄積された信号電荷に含まれるダークノイズにより発生した電荷も同時に積算される。
【０００６】
従って、癌組織から発生する自家蛍光は極微弱であるので、各画素においてこの自家蛍光を受光することにより生じた電荷の数よりダークノイズにより発生した電荷の数の方が多い場合も生じ得、その場合には複数画素に蓄積された信号電荷がピクセルビニングされて１まとめにされても癌組織から発生する自家蛍光の信号レベルはダークノイズの信号レベルより小さな値となり、Ｓ／Ｎは向上せず１より低い値となってしまう。また、電子増倍型の撮像素子を用いたとしても、撮像素子の設定が不十分であると不要なダークノイズおよび読出ノイズの発生により上記位置に存在する癌組織から発せられた自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像できないことがある。
【０００７】
また、前記内視鏡装置の測定プローブの先端から５ｍｍ離れた位置（近点）に存在する正常組織から発せられる自家蛍光を、撮像装置の受光容量が飽和しないように撮像したいという要請もある。
【０００８】
しかしながら、ＩＣＣＤ等の電子増倍型の撮像素子のダイナミックレンジは２桁に満たず、撮像素子の設定が不十分であると撮像装置の受光容量が飽和してしまい、またピクセルビニングを行う方式においては、受光光量が多い領域の画素についてはピクセルビニングを行う画素数を少なくして受光光量に応じた画素数をピクセルビニングの対象として設定し撮像しても、やはり撮像素子の設定が不十分であると撮像装置の受光容量が飽和してしまうという問題が発生する。
【０００９】
第１の本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、遠点に存在する生体組織の測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を良好なＳ／Ｎで取得することができる蛍光画像取得方法および装置を提供することを目的とするものであり、第２の本発明は、近点に存在する生体組織の測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を撮像装置の受光容量を飽和させないように取得することができる蛍光画像取得方法および装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明の蛍光画像取得方法は、励起光が照射された生体組織から発生した自家蛍光を撮像素子によって撮像し、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率および素子温度を下記条件式を満足するように設定して画像を取得することを特徴とする。
【００１１】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
第２の本発明の蛍光画像取得方法は、励起光を照射された生体組織から発生した自家蛍光を撮像素子によって撮像し、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量を下記条件式を満足するように設定して前記画像を取得することを特徴とする。
【００１２】
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
第１の本発明の蛍光画像取得装置は、生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率および素子温度が下記条件式を満足するように設定するされていることを特徴とする。
【００１３】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
第２の本発明の蛍光画像取得装置は、生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量が下記条件式を満足するように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
前記撮像素子の前記読出周波数は、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすように設定することができる。
【００１５】
前記撮像素子は、ＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子とすることができる。
【００１６】
なお、前記において、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数（読出周波数と１画素の面積によって決まる値）
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数（読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間および素子温度によって決まる値）
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ＲＮ＝０．１７Ｓ０．７７７×ｆ１／２
ＤＮ＝（ｔread＋ｔexp）×Ｓ×ｎ×ｅｄ（Ｔ）
ｔread＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０６×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０７×Ｍ）
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０−６×（２７３＋Ｔ）３−３．８０１５×１０−３×（２７３＋Ｔ）２＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
Ｓ：１画素の面積（μｍ２）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
Ｎ：総画素数
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
Ｍ：読出ポート数
ｔexp：露光時間（ｓｅｃ）
Ｔ：撮像素子の温度（℃）
である。
【００１７】
また、前記「画像」とは、通常の１コマ１／３０秒毎に連続して取得される画像の他、撮像された像の動きを滑らかな動きとして観察することはできなくても、測定対象部位を連続して観察することができるように取得された、例えば１コマ１／１０秒で撮像された画像等を含むものを意味する。
【００１８】
また、前記「容量に対応する電荷数」とは、上記式の単位を電荷の数にそろえるために、フローティングディフュージョンの容量Ｆｄおよびフルウェルの容量Ｆｗを、電荷の数に換算したものである。
【００１９】
なお、本発明は、前記第１の発明と第２の発明とを結合したもの、すなわち前述の３つの式、
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇと、
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄと、
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗと
をすべて満足するように、撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニング数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量を設定して画像を取得する方法および装置も含むものである。
【００２０】
【発明の効果】
第１の本発明の蛍光画像取得方法および装置によれば、撮像素子によって撮像した自家蛍光を画像として取得するにあたり、この撮像素子を条件式：ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇを満足するように設定するので、測定対象部位から発生する自家蛍光の受光により撮像装置に発生する電荷数に比較してダークノイズおよび読出ノイズにより撮像装置に発生する電荷数を少なく抑えたことにより、良好なＳ／Ｎで蛍光画像を取得することができる。
【００２１】
第２の本発明の蛍光画像取得方法および装置によれば、撮像素子によって撮像した自家蛍光を画像として取得するにあたり、この撮像素子を条件式：（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄおよび（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗを満足するように設定するので、ダークノイズおよび読出ノイズにより撮像装置に発生する電荷の数に比較して撮像装置のフローティングディフュージョンの容量およびフルウェルの容量が十分大きな値となり、その結果、撮像装置の受光容量を飽和させないように蛍光画像を取得することができる。
【００２２】
前記撮像素子の読出周波数ｆを、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすように設定すればダークノイズにより発生する電荷数と読出ノイズにより発生する電荷数との和を最小にすることができる。
【００２３】
前記撮像素子を、ＣＣＤ型撮像素子あるいはＭＯＳ型撮像素子とすれば、撮像素子の実装スペースを小さくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の蛍光画像取得方法を実施する蛍光画像取得装置を蛍光内視鏡装置に適用した実施の形態の概略構成を示す図である。
【００２５】
蛍光内視鏡装置８００は、波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを射出する光源ユニット１００、光源ユニット１００から射出された励起光を光ファイバ２１を介して生体組織１に照射し、この励起光Ｌｅの照射を受けた生体組織１から発生した自家蛍光Ｋｊを撮像素子２５によって撮像し画像信号としてケーブル２６を介して出力する内視鏡ユニット２００、内視鏡ユニット２００から画像信号を読み取りビデオ信号に変換して出力する画像信号読取ユニット３００および画像信号読取ユニット３００から出力されたビデオ信号を入力し画像として表示する表示器４００から構成されている。
【００２６】
内視鏡ユニット２００は、光源ユニット１００と画像信号読取ユニット３００とが接続された操作部２０２、および励起光Ｌｅを生体組織１に照射する照射レンズ２２および生体組織１から発生した自家蛍光による生体組織１の像（以後自家蛍光像Ｚｊと呼ぶ）をプリズム２４を介して撮像素子２５上に結像する結像レンズ２３等を備えた測定プローブ部２０１から構成され、光ファイバ２１およびケーブル２６は操作部２０２から測定プローブ部２０１まで敷設されている。なお、撮像素子の受光面上には波長４１０ｎｍの光を遮断する励起光カットフィルタが一体化され配設されている。
【００２７】
次に、上記構成からなる蛍光内視鏡装置８００の作用について説明する。光源ユニット１００から射出された励起光Ｌｅは光ファイバ２１の端面２１ａに入射し光ファイバ２１内を伝搬して他端の端面２１ｂから射出される。端面２１ｂから射出された励起光Ｌｅは照射レンズ２２によって、およそ１２０°の角度に広げられた１００ｍｗの出力を持った励起光として射出される。この励起光Ｌｅの照射により生体組織１から発生した自家蛍光像Ｚｊは結像レンズ２３を通してプリズム２４に入射しほぼ直角に反射されて撮像素子２５上に結像される。なお、このとき励起光Ｌｅは撮像素子の受光面に一体化された励起光カットフィルタにより遮断され自家蛍光のみが撮像素子によって受光される。撮像素子２５上に結像された自家蛍光像Ｚｊは撮像素子２５によって撮像され電気的な画像信号に変換されてケーブル２６を経由して画像信号読取ユニット３００により読み取られ、画像信号読取ユニット３００によりビデオ信号に変換され出力されて表示器４００により表示される。
【００２８】
次に、励起光の照射により近点から遠点までの測定対象範囲内に発生した自家蛍光を十分なＳ／Ｎで、撮像装置の受光容量を飽和させずに取得することができるようにするための条件の設定方式について説明する。
【００２９】
すなわち、励起光の照射により遠点の測定対象領域に発生した癌組織の自家蛍光の強度をＳ／Ｎ＝１以上で取得するために下記式（１）を用いた撮像素子の設定方式と、近点に発生した自家蛍光を撮像装置の受光容量を飽和させずに取得することができるようにするための下記式（２）および式（３）を用いた撮像素子の設定方式とについて説明する。
【００３０】
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ ・・・式（１）
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ ・・・式（２）
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ ・・・式（３）
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数（暗電流により発生する電荷数）
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ０．７７７×ｆ１／２
ＤＮ＝（ｔread＋ｔexp）×Ｓ×ｎ×ｅｄ（Ｔ）
ｔread＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０６×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０７×Ｍ）
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０−６×（２７３＋Ｔ）３−３．８０１５×１０−３×（２７３＋Ｔ）２＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
Ｓ：１画素の面積（μｍ２）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
Ｎ：総画素数
ｎ：ピクセルビニングするピクセル数
Ｍ：読出ポート数
ｔexp：露光時間（ｓｅｃ）
Ｔ：撮像素子の温度（℃）
まず、式（１）の右辺について説明する。蛍光内視鏡に要請されている第１の画像取得条件は、測定プローブ部２０１の先端から５０ｍｍ離れた位置に存在する癌組織に波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを照射したときにこの癌組織から発せられる自家蛍光をＳ／Ｎ＝１以上で撮像することであり、具体的には図２に示すように、照射レンズ２２の射出点Ｑから１００ｍｗの照射出力の励起光Ｌｅが１２０度の広がり角度で射出されたときに、射出点Ｑから５０ｍｍ離れた位置Ｂに存在する癌組織から発生する自家蛍光ＫｊをＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得することである。
【００３１】
上記設定により位置Ｂに照射される励起光のパワー密度は図３の両対数グラフの点ｂ１に示されるように０．００４（ｍＷ／ｍｍ２）であり、このパワー密度の励起光の照射を受けて癌組織から発生する自家蛍光Ｋｊを結像レンズ２３によって撮像素子２５の画素上に結像し、１／３０秒の露光時間で撮像するとき、例えばこの撮像素子の量子効率および電子像倍率が１で１画素の面積が１０μｍ２の場合に上記画素に蓄積される電荷の数はおよそ２２個となり、この２２個の電荷をＳ／Ｎ＝１以上で読み出すには、同じ画素から読み出されるノイズとなる電荷の数を２２個未満にする必要がある。
【００３２】
上記の設定をさらに一般化するために、励起光の照射出力１００ｍｗで撮像素子の量子効率および電子像倍率が１の場合に、１画素の面積や１画素相当として扱うピクセルビニング数が変化しても、Ｓ／Ｎ＝１以上で１画素（１画素相当）から読み出す電荷の最小数を固定的に２２個と仮定し、同じ１画素（１画素相当）から発生するダークノイズおよび読出ノイズによる電荷の和を２２個未満となるように設定するものとする。
【００３３】
そして、上記設定を基準として励起光の照射出力Ｐ、撮像素子の量子効率Ｈおよび電子増倍率Ｇを変数としたときに、Ｓ／Ｎ＝１以上で読み出す対象となる１画素（１画素相当）から発生する電荷の最小数を求めると２２×（Ｐ／１００）×Ｈ×Ｇ＝０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ（個）となりこれが式（１）の右辺となる。
【００３４】
具体的には、照射出力は１００ｍＷで、ＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光により撮像し、撮像素子の量子効率および電子像倍率はそれぞれＨ＝０．４およびＧ＝１であるので、上記条件により撮像素子の１画素（１画素相当）に蓄積される電荷の最小設定数は、０．２２×１００×０．４×１＝８．８となる。以後上記Ｓ／Ｎ＝１以上で読み出す１画素（１画素相当）に蓄積される電荷の最小設定数８．８を丸めて１０と簡略化して説明する。
【００３５】
次に、式（１）の左辺について説明する。上記のよううにＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光することにより自家蛍光像を撮像する場合には、１画素（１画素相当）から発生するダークノイズの電荷数と読出ノイズの電荷数との和を１０個未満に抑える必要がある。この条件を満たす設定にはいろいろな組合せがあり以下のような方式で設定することが可能である。
【００３６】
例えば、ＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、ｆ＝１（メガピクセル／ｓｅｃ）、Ｍ＝１（ポート）そしてｔexpを１／１０、１／３０、１／１００および１／３００（秒）と段階的に設定し、１画素の面積をＳ＝１から１００（μｍ２）まで変化させたときの１画素の面積Ｓの値とダークノイズの電荷数と読出ノイズの電荷数との和ＤＮ＋ＲＮ（以後総ノイズ電荷数ＤＲＮと呼ぶ）との関係は、Ｘ軸を１画素の面積Ｓ、Ｙ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとした図４に示すようなグラフとなり、１画素（１画素相当）から発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、Ａrea１で示されるＹ＜１０の範囲となる。より具体的には、例えば点ｕ１に示されるｔexp＝１／３００（秒）およびＳ＝５（μｍ２）においてＤＲＮ＝６（個）となる設定値、または点ｕ２に示されるｔexp＝１／１００（秒）およびＳ＝６．５（μｍ２）においてＤＲＮ＝９（個）となる設定値、あるいは点ｕ３に示されるｔexp＝１／３０（秒）およびＳ＝２（μｍ２）においてＤＲＮ＝４（個）となる設定値等として示される。
【００３７】
また、他の例としては、同じくＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、Ｍ＝１、２、４および８（ポート）、Ｓ＝１０（μｍ２）、ｔexpを１／１００（秒）と設定し、読出周波数をｆ＝０．１から１００（メガピクセル／ｓｅｃ）まで変化させたときの読出周波数ｆの値と総ノイズ電荷数ＤＲＮの値との関係は、Ｘ軸を読出周波数ｆ、Ｙ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとした図５に示すようなグラフとなり、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数を１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、Ａrea２で示されるＹ＜１０の範囲となる。より具体的には例えば点ｖ１に示されるＭ＝８（ポート）およびｆ＝５（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝６（個）となる設定値、または点ｖ２に示されるＭ＝２（ポート）およびｆ＝１（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝９となる設定値、あるいは点ｖ３に示されるＭ＝１（ポート）およびｆ＝１０（メガピクセル／ｓｅｃ）においてＤＲＮ＝７となる設定値等として示される。
【００３８】
さらに、他の例としては、同じくＣＣＤ撮像素子を用いてフロント露光する場合に、Ｔ＝０、１０、２０（℃）、Ｎ＝２５０，０００（個）、ｎ＝１６（個）、Ｍ＝１（ポート）、ｔexpを１／３０（秒）と設定し、１画素の面積ＳをＳ＝１０から１００（μｍ２）まで段階的に１０（μｍ２）づつ変化させ、読出周波数ｆをｆ＝０．１から２０（メガピクセル／ｓｅｃ）まで変化させたときのこれらの値と総ノイズ電荷数ＤＲＮとの関係は、図６、図７、図８に示すようにＸ軸を読出周波数ｆ、Ｙ軸を１画素の面積Ｓ、Ｚ軸を総ノイズ電荷数ＤＲＮとして設定した３次元のグラフとなり、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は、図６のＡrea３ａ、図７のＡrea３ｂおよび図８のＡrea３ｃに示されるＺ＝１０の平面より下の実線で示される範囲となる。なお、図６はＴ＝０（℃）、図７はＴ＝１０（℃）、図８はＴ＝２０（℃）に設定された場合のグラフである。
【００３９】
図６のＡrea３ａに示すようにＴ＝０（℃）のときには、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲は広く各値のいろいろな組合せを選択することができるが、撮像素子の温度Ｔ＝１０（℃）になると図７のＡrea３ｂに示すようにその範囲は狭くなり、撮像素子の温度Ｔ＝２０（℃）になると図８のＡrea３ｃに示すように総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑えることができる設定の範囲はさらに狭くなる。
【００４０】
上記のように、１画素相当に発生する総ノイズ電荷数ＤＲＮを１０個未満に抑える前記式（１）の条件を満たす設定はいろいろな組合せを選択することができる。
【００４１】
なお、自家蛍光をイメージファイバを中継させずに直接撮像素子上に結像させ撮像する方式の蛍光内視鏡装置においては、撮像素子の大きさは、
Ｆocus×tanθ＝Ｄ／２ ・・・式（４）
で示される制限を受ける。
【００４２】
ここで、
Ｆocus：結像レンズの焦点距離
θ：５０〜６０（ｄｅｇ）
Ｄ：撮像素子の対角線の長さ
すなわち、撮像素子の対角線の長さ：Ｄが決められると、総画素数Ｎと１画素の面積Ｓとの関係も制限を受けるので、上記例に示した範囲の中から式（４）を満足する範囲をさらに選択して撮像素子の各設定値を求めることになる。
【００４３】
また、ＣＣＤ撮像素子を用いて背面露光により撮像する場合には、量子効率がＨ＝０．９となりフロント露光の量子効率の約２倍となるので、総ノイズ電荷数ＤＲＮがおよそ２０未満となるように各値を設定すればよい。
【００４４】
次に、近点に発生した自家蛍光の強度を撮像装置の受光容量を飽和させずに画像として検出することができるようにするための式（２）および式（３）を用いた撮像素子の設定方式について説明する。
【００４５】
蛍光内視鏡に要請されている第２の画像取得条件は、測定プローブの先端から５ｍｍ離れた位置に存在する正常組織に波長４１０ｎｍの励起光Ｌｅを照射したときにこの正常組織から発せられる自家蛍光を撮像素子の画素の受光容量を飽和させずに撮像することであり、具体的には図２に示すように、照射レンズ２２の射出点Ｑから１００ｍｗの出力の励起光Ｌｅが１２０度の広がり角度で射出されたときに、射出点Ｑから５ｍｍ離れた位置Ａに存在する正常組織から発生する自家蛍光Ｋｊを撮像装置の受光容量を飽和させないように画像を取得することである。
【００４６】
図３に示されるように、上記設定により位置Ａに照射される励起光のパワー密度（図３の点ａ１）は、位置Ｂにおける励起光のパワー密度（図３の点ｂ１）の１００倍の０．４（ｍＷ／ｍｍ２）であり、このパワー密度の励起光の照射を受けて生体の正常組織から発生する自家蛍光Ｋｊを上述した位置Ｂの癌組織を撮像するときと同様に結像レンズ２３によって撮像素子２５上に結像し、１／３０秒の露光時間で撮像するとき、量子効率１および電子像倍率１の撮像素子の１画素の面積１０μｍ２の画素に蓄積される電荷（信号電荷）の数は、およそ２２、０００個となり、上述した位置Ｂの癌組織を撮像するときに１画素に発生する信号電荷の数の１，０００倍となる（同じパワー密度の励起光の照射により正常組織は癌組織の約１０倍の強度の自家蛍光を発生し、さらに照射される励起光のパワー密度が１００倍なので１，０００倍となる）。
【００４７】
すなわち、電子増倍率Ｇが１のとき第２の画像取得条件を満足するにはノイズの発生量の１，０００倍を超える撮像装置の受光容量が必要となり、撮像装置のダイナミックレンジは１：１，０００を超えることになる。
【００４８】
実際に蛍光内視鏡装置を使用する場合においては、上記遠点の癌組織をＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得すると共に近点の正常組織を撮像装置の受光容量以内に収めるダイナミックレンジを確保する必要があるので、式（１）の条件を満足しかつ式（２）および（３）を満足するように撮像素子の設定を行うことになる。しかし、フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数Ｆｄは読出周波数ｆに関係しフルウェルの容量に対応する電荷数Ｆｗは１画素の面積Ｓに関係する値なので、どちらも総ノイズ電荷数ＤＲＮと無関係に独立してこれらの値を決めることはできない。従って、式（１）に加えて式（２）および（３）の条件を満足するように撮像素子の設定を行う具体的な手段としては、前記第１の画像取得条件すなわち式（１）を満足する撮像素子の設定範囲を上記図４から図８に示されるグラフ等を用いて求め、この領域の中からさらに式（２）および（３）の条件を満足するような撮像素子の設定値、すなわち１：１，０００を超えるダイナミックレンジを確保することができる設定値を選択することにより第１の画像取得条件および第２の画像取得条件を満足する撮像素子の設定値を求めることができる。すなわち、式（１）、式（２）および式（３）を満足する撮像素子の設定値を求めることができる。
【００４９】
また、上記のようにして求められた撮像素子の設定範囲の中でさらに撮像素子の温度の設定値Ｔを固定し、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすような読出周波数ｆの値を選択すれば、撮像素子の温度の設定値Ｔの条件下において第１の画像取得条件および第２の画像取得条件を満足し、かつ総ノイズ電荷数ＤＲＮの値を最小にすることができる。
【００５０】
また、前記撮像素子をＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子とすれば、撮像素子の実装スペースを小さくすることができ、またＣＣＤ型撮像素子はフロント露光および背面露光のどちらのタイプも用いることができる。
【００５１】
上記実施の形態は、上記式（１）、（２）、（３）を満足するように撮像装置を設定して画像取得を行うものであったが、本発明はそのような実施の形態に限られるものではなく、上記式（１）のみを満足するように撮像装置設定して画像取得を行うものであってもよく、あるいは上記式（２）、（３）を満足するように撮像装置を設定して画像取得を行うものであってもよい。前者の場合、そうすることにより少なくとも遠点の癌組織をＳ／Ｎ＝１以上の画像として取得することができるという効果が得られ、後者の場合そうすることにより少なくとも１：１，０００のダイナミックレンジを確保するという効果が得られる。
【００５２】
上記のように本発明によれば、遠点に存在する測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を良好なＳ／Ｎで取得することができ、近点に存在する測定対象部位から発生する自家蛍光の画像を撮像装置の受光容量を飽和させないように取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による蛍光内視鏡装置の概略構成図
【図２】励起光の照射範囲を示す図
【図３】被写体までの距離と励起光のパワー密度との関係を示す図
【図４】総ノイズ電荷数ＤＲＮと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図５】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆとの関係を示す図
【図６】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図７】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【図８】総ノイズ電荷数ＤＲＮと読出周波数ｆと１画素の面積Ｓとの関係を示す図
【符号の説明】
１ 生体組織
２１ 光ファイバ
２２ 照射レンズ
２３ 結像レンズ
２４ プリズム
２５ 撮像素子
２６ ケーブル
１００ 光源ユニット
２００ 内視鏡ユニット
２０１ 測定プローブ部
２０２ 操作部
３００ 画像信号読取ユニット
４００ 表示器
８００ 蛍光内視鏡装置
Ｌｅ 励起光
Ｋｊ 自家蛍光
Claims (7)
- 撮像素子によって撮像された、励起光を照射された生体組織から発生した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、
前記撮像素子による自家蛍光の撮像が、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニングの対象となるピクセル数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、および励起光の照射出力を下記条件式を満足するように設定して行なわれるものであることを特徴とする蛍光画像取得方法。
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
ただし、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ ０．７７７ ×ｆ １／２
ＤＮ＝（ｔ read ＋ｔ exp ）×Ｓ×ｎ×ｅ ｄ（Ｔ）
ただし、
Ｓ：１画素の面積（μｍ ２ ）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
ｔ read ＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０ ６ ×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０ ７ ×Ｍ）
ｔ exp ：露光時間（ｓｅｃ）
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０ −６ ×（２７３＋Ｔ） ３ −３．８０１５×１０ −３ ×（２７３＋Ｔ） ２ ＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
ｅ：自然対数の底
さらに、ここで、
Ｎ：総画素数
Ｍ：読出ポート数
Ｔ：撮像素子の温度（℃） - 撮像素子によって撮像された、励起光を照射された生体組織から発生した自家蛍光を画像として読み取る蛍光画像取得方法において、
前記撮像素子による自家蛍光の撮像が、前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニングの対象となるピクセル数、読出ポート数、露光時間、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数、およびフルウェルの容量に対応する電荷数を下記条件式を満足するように設定して行なわれるものであることを特徴とする蛍光画像取得方法。
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
ただし、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ ０．７７７ ×ｆ １／２
ＤＮ＝（ｔ read ＋ｔ exp ）×Ｓ×ｎ×ｅ ｄ（Ｔ）
ただし、
Ｓ：１画素の面積（μｍ ２ ）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
ｔ read ＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０ ６ ×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０ ７ ×Ｍ）
ｔ exp ：露光時間（ｓｅｃ）
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０ −６ ×（２７３＋Ｔ） ３ −３．８０１５×１０ −３ ×（２７３＋Ｔ） ２ ＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
ｅ：自然対数の底
さらに、ここで、
Ｎ：総画素数
Ｍ：読出ポート数
Ｔ：撮像素子の温度（℃） - 生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、
前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニングの対象となるピクセル数、読出ポート数、露光時間、量子効率、電子増倍率、素子温度、および励起光の照射出力が下記条件式を満足するように設定されていることを特徴とする蛍光画像取得装置。
ＲＮ＋ＤＮ＜０．２２×Ｐ×Ｈ×Ｇ
ただし、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数
Ｐ：励起光の照射出力（ｍＷ）
Ｈ：撮像素子の量子効率
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ ０．７７７ ×ｆ １／２
ＤＮ＝（ｔ read ＋ｔ exp ）×Ｓ×ｎ×ｅ ｄ（Ｔ）
ただし、
Ｓ：１画素の面積（μｍ ２ ）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
ｔ read ＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０ ６ ×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０ ７ ×Ｍ）
ｔ exp ：露光時間（ｓｅｃ）
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０ −６ ×（２７３＋Ｔ） ３ −３．８０１５×１０ −３ ×（２７３＋Ｔ） ２ ＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
ｅ：自然対数の底
さらに、ここで、
Ｎ：総画素数
Ｍ：読出ポート数
Ｔ：撮像素子の温度（℃） - 生体組織に励起光を照射することにより該生体組織から発生した自家蛍光を撮像する撮像素子と、該撮像した自家蛍光を画像として読み取る読取手段とを備えた蛍光画像取得装置において、
前記撮像素子の読出周波数、１画素の面積、総画素数、ピクセルビニングの対象となるピクセル数、読出ポート数、露光時間、電子増倍率、素子温度、フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数、およびフルウェルの容量に対応する電荷数が下記条件式を満足するように設定されていることを特徴とする蛍光画像取得装置。
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｄ
（ＲＮ＋ＤＮ）×１０００×Ｇ＜Ｆｗ
ただし、
ＲＮ：読出ノイズにより発生する電荷数
ＤＮ：ダークノイズにより発生する電荷数
Ｇ：撮像素子の電子増倍率
Ｆｄ：フローティングディフュージョンの容量に対応する電荷数
Ｆｗ：フルウェルの容量に対応する電荷数
ここで、
ＲＮ＝０．１７Ｓ ０．７７７ ×ｆ １／２
ＤＮ＝（ｔ read ＋ｔ exp ）×Ｓ×ｎ×ｅ ｄ（Ｔ）
ただし、
Ｓ：１画素の面積（μｍ ２ ）
ｆ：読出周波数（メガピクセル／ｓｅｃ）
ｔ read ＝（Ｎ／ｎ）／（ｆ×１０ ６ ×Ｍ）＋（（ｎ−１）×（Ｎ／ｎ））／（ｆ×１０ ７ ×Ｍ）
ｔ exp ：露光時間（ｓｅｃ）
ｎ：ピクセルビニングの対象となるピクセル数
ｄ（Ｔ）＝４．１９１３×１０ −６ ×（２７３＋Ｔ） ３ −３．８０１５×１０ −３ ×（２７３＋Ｔ） ２ ＋１．２１９７×（２７３＋Ｔ）−１３６
ｅ：自然対数の底
さらに、ここで、
Ｎ：総画素数
Ｍ：読出ポート数
Ｔ：撮像素子の温度（℃） - 前記撮像素子の前記読出周波数が、ＲＮ＝ＤＮの条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項３または４記載の蛍光画像取得装置。
- 前記撮像素子が、ＣＣＤ型撮像素子であることを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の蛍光画像取得装置。
- 前記撮像素子が、ＭＯＳ型撮像素子であることを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の蛍光画像取得装置。
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