JP4611762B2 - 電子内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、可視光により照明された体腔壁を撮影した通常画像と、励起光を照射することにより発生した自家蛍光を撮影した蛍光画像とを観察可能な電子内視鏡システムに関し、特に、照明光の制御に関する。

内視鏡により撮影された体腔内の画像の明るさを適切に保つため、照明光の光量を制御する技術は、例えば特許文献１、２に記載されている。特許文献１に開示されるシステムは、撮影された画像信号からヒストグラムを生成し、このヒストグラムに基づいてハレーションが発生しているか否かを判断し、ハレーションが発生している場合には絞りの開口径を小さくすることにより照明光の光量を低下させ、被写体の代表輝度値を操作者が設定した参照輝度値と比較し、代表輝度値が参照輝度値より小さいときには絞りの開口径を大きくすることにより照明光の光量を増加させる(段落０００７)。

一方、特許文献２に開示されるシステムは、撮像素子から映像信号が出力されている期間中は、この映像信号に基づいて絞り装置を制御することにより照明光の光量を調整し、映像信号が出力されていない期間中は、直前の映像信号に基づいて絞り装置の絞り位置を固定する(段落０００８，０００９)。
特開２００３−２８４６８２号公報 段落０００７ 特開平１１−１６９３３９号公報 段落０００８，０００９

しかしながら、特許文献１及び２のシステムは、体腔内を白色光により照明し、通常のカラー画像を撮影するものであり、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を観察する蛍光観察の機能を備えていない。

蛍光観察の機能を備えた電子内視鏡システムは、ハロゲンランプ等の白色光源と、励起光を発するレーザー光源とを備え、白色光の光路と励起光の光路とをダイクロイックミラー等の光路合成手段により合成し、内視鏡のライトガイドに導くように構成されている。また、白色光をオン・オフするためのシャッターと、白色光の光量を調整するための可変絞りとが白色光源と光路合成手段との間に配置されている。

蛍光観察のモードでは、励起光を照射して励起した生体組織からの蛍光を撮影した蛍光画像と、白色光で照明された体腔壁を撮影した通常画像とを交互に取得し、これらを比較することにより病変部を確認する場合がある。このとき、白色光が照射されている期間は、撮影された画像の明るさに基づいて画像の明るさが適切になるよう可変絞りの開口径を調整して白色光の光量を調整する。一方、励起光が照射されている期間は、従来のシステムでは、白色光の照射時と同様に制御され、撮影された蛍光画像の明るさに基づいて開口径が調整されている。

しかしながら、蛍光画像は通常画像と比較すると暗いため、励起光の照射期間に蛍光画像の明るさに基づいて可変絞りの開口径を調整すると、照明光が励起光から白色光に切り換えられた際に開口絞りの開口径が過大となり、白色光の光量がオーバーして画像がハレーションを起こし、適切な光量に調整されるまでに時間がかかり、適切な明るさの通常画像を速やかに得ることができないという問題があった。

この問題を図６に基づいて説明する。図６は、上述した従来の電子内視鏡システムの蛍光観察モードでの照明光強度、画像の明るさ、可変絞りの開口径を示すタイミングチャートである。照明光は、白色光と励起光とが交互に繰り返し照射される。画像の明るさは、白色光照射時の通常画像は明るく、励起光照射時の蛍光画像は暗い。可変絞りの開口径は、画像の明るさに基づいて、画像の明るさが一定となるよう制御される。白色光が連続的に照射されている期間(t₀〜t₁)は、通常画像の明るさに基づいて開口径が決定されるため、適切な制御が可能である。時点t₁,t₃,t₅で照明光が白色光から励起光に切り換えられると、画像の明るさが急激に低下するため、この低下した明るさに基づいて可変絞りの開口径が大きくなるよう調整される。このため、時点t₂,t₄,t₆で照明光が励起光から白色光に切り換えられると、白色光の光量がオーバーして画像がハレーションを起こし(図中の二点鎖線の楕円で囲んだ領域)、適切な光量に調整されるまでに時間がかかる。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、蛍光観察のモードで励起光と白色光とが交互に繰り返し照射される際にも、ハレーションの発生を防ぎ、白色光の光量を適切に制御することができる電子内視鏡システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる電子内視鏡システムは、蛍光観察のモードで励起光と白色光とが交互に繰り返し照射される際に、励起光が照射される期間は、蛍光画像の明るさに所定のレベルを付加することにより実際の画像信号より明るい信号に基づいて光量調整装置を制御するようにしたことを特徴とする。

すなわち、本発明の電子内視鏡システムは、体腔内に挿入される挿入部と、挿入部を通して照明光を挿入部先端に導くライトガイドと、照明された体腔内の画像を撮影する撮像素子とを有する電子内視鏡と、体腔内を観察するための可視光を発する可視光源と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光を発する励起光源と、可視光の光量を調整する光量調整装置とを備え、可視光と励起光とを選択的にライトガイドに入射させる光源装置と、白色光と励起光とを交互に照射するモードにおいて、白色光の照射時には、撮像素子により撮影された画像の明るさに対応した信号に基づいて画像の明るさが適切となるよう光量調整装置を制御して白色光の光量を調節し、励起光の照射時には、照明光が白色光から励起光に切り換えられた際の画像の明るさの変化分を記憶し、撮像素子により撮影された画像の明るさに変化分を加えた信号に基づいて光量調整装置を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。

なお、制御装置は、励起光の照射時には、照明光が白色光から励起光に切り換えられた直後は、光量調整装置の調整量を白色光利用時のまま一定期間保持すると共に、該一定期間経過後、撮像素子により撮影された画像の明るさに変化分を加えた信号に基づいて光量調整装置を制御することができる。

また、光量調整装置としては、白色光源が電圧等により発光量を調整できる場合には、電圧調整装置を用いてもよいし、発光量の制御が困難なランプを利用する場合には、光路中に設けられた可変絞りを用いることができる。光源装置が可視光の光路と励起光の光路とを合成してライトガイドに導く光路合成手段を含む場合、可変絞りは、可視光源から光路合成手段に至る光路中に配置される。

さらに、本発明の電子内視鏡システムは、体腔内が可視光により照明されている期間に撮像素子から出力される信号により通常画像信号を生成し、体腔壁が励起光により照射されている期間に撮像素子から出力される信号により蛍光画像信号を生成する画像信号生成手段と、画像信号生成手段から出力される画像信号に基づいて画像を表示する表示手段とを備えることが望ましい。

本発明によれば、蛍光観察のモードで励起光と白色光とが交互に繰り返し照射される際に、励起光が照射されている期間は、白色光から励起光への切換時における画像の明るさの変化分を実際に得られる蛍光画像の明るさにプラスして光量調整装置を制御するため、照明光が励起光から白色光に切りかわった際にも、白色光の光量が過大とならず、速やかに適切な光量に調整することができる。

以下、本発明にかかる電子内視鏡システムの実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の電子内視鏡システムは、可視光により照明された体腔壁を撮影した通常画像と、励起光を照射することにより発生した自家蛍光を撮影した蛍光画像とをモニター等の表示装置に表示させて観察するためのシステムである。

図１は、本発明の実施形態に係る電子内視鏡システムの外観図、図２は、その内部構成を示すブロック図である。図１に示されるように、この電子内視鏡システムは、蛍光観察内視鏡１０、光源装置２０、モニター６０を備えている。

蛍光観察内視鏡１０は、通常の電子内視鏡に蛍光観察用の改変を加えたものであり、体腔内に挿入されるために細長く形成され、先端に湾曲可能な湾曲部を備えた挿入部１０ａ、挿入部１０ａの湾曲部を操作するためのアングルノブ等を有する操作部１０ｂ、操作部１０ｂと光源装置２０とを接続するためのライトガイド可撓管１０ｃ、及び、このライトガイド可撓管１０ｃの基端に設けられたコネクタ１０ｄを備えている。

光源装置２０は、蛍光観察内視鏡１０に対して照明光及び励起光を供給すると共に、後に詳述するように、蛍光撮影内視鏡１０により撮影された信号により画像信号を生成する画像信号生成手段としての機能を有している。光源装置２０の前面には、この光源装置２０の主電源をオン・オフするスイッチ、励起光に用いるレーザーが不用意に発しないよう安全対策用に設けられたキースイッチ２２を含む各種の操作スイッチが配列したスイッチパネル２３とが設けられている。

以下、図２にしたがって蛍光観察内視鏡１０、及び光源装置２０の詳細な構成を順に説明する。蛍光観察内視鏡１０の挿入部１０ａの先端面には、配光レンズ１１及び対物レンズ１２が設けられている。そして、この挿入部１０ａの先端内部には、対物レンズ１２によって形成された被写体の像を撮影するＣＣＤカラーイメージセンサ等のカラー画像を撮影可能な撮像素子１３、対物レンズ１２から撮像素子１３に向けて射出された光から後述する蛍光励起用のレーザー光に相当する波長成分を除去するための励起光カットフィルター１４、撮像素子１３から出力された画像信号を増幅するケーブルドライバ１５が組み込まれている。

励起光カットフィルター１４は、励起光を遮断し、励起光より長い波長の光を透過させる特性を有しており、これにより、蛍光撮影時に撮像素子１３に励起光が入射するのを防ぎ、自家蛍光のみの撮影が可能となる。なお、励起光には、生体の自家蛍光を励起する近紫外の波長域の光が選択され、励起光カットフィルター１４により励起光成分がカットされても、通常のカラー画像を撮影する際の青成分の撮像には支障がない。

ケーブルドライバ１５によって駆動された画像信号を伝送するための信号ケーブル１８は、挿入部１０ａ，操作部１０ｂ及びライトガイド可撓管１０ｃ内を引き通されて、蛍光観察内視鏡１０に接続された光源装置２０の後述の回路に接続されている。

この信号ケーブル１８と並行して、挿入部１０ａ、操作部１０ｂ及びライトガイド可撓管１０ｃ内には、複数の光ファイバを束ねて構成されるライトガイド１６が引き通されている。このライトガイド１６の先端は、挿入部１０ａの先端部内において配光レンズ１１に対向し、その基端は、光源装置２０内に挿入された状態で固定されている。

光源装置２０は、蛍光観察内視鏡１０のライトガイド１６の基端の端面に体腔壁を観察するための白色光と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光とを選択的に導入するとともに、蛍光観察内視鏡１０のケーブルドライバ１５から受信した画像信号を処理して映像信号を生成し、モニター６０へ出力する。なお、モニター６０は通常画像の動画または静止画、蛍光画像の動画または静止画をそれぞれ単独で、または、複数の画像を並列して表示する。

光源装置２０の光学系は、ほぼ平行な可視光(白色光)を発する白色光源(放電管ランプ)３０と、白色光源３０から発した白色光の光束径を調整する調光用絞り(可変絞り)３１と、調光用絞り３１を透過した白色光を集光させてライトガイド１６の基端の端面に入射させる集光レンズ３２とを備えると共に、励起光を発する励起用光源(レーザー)３３と、この励起用光源３３から発した励起光を導く光導波路(シングルファイバー)３４と、この光導波路３４から発した発散光である励起光を平行光にするコリメートレンズ３５と、白色光の光路と励起光の光路とを合成するダイクロイックミラー３６とを備えている。

調光用絞り３１は、絞り用モータ３１ａにより駆動され、開口径を変化させることにより白色光の光量を調整する。白色光源３０からライトガイド１６までの光路は直線的であり、この光路に対して垂直に交差する励起光の光路を、光路合成素子であるダイクロイックミラー３６により合成している。ダイクロイックミラー３６は、可視光を透過させ、それ以下の波長の近紫外光を反射させる特性を有し、これにより白色光の大部分を透過させ、励起光を反射させ、これら透過した白色光と反射した励起光とをライトガイド１６の基端の端面へ向かう単一の光路に導く。

白色光源３０とダイクロイックミラー３６との間には、白色光を断続的にオン／オフ（透過／遮断）するためのロータリーシャッター３７が配置されている。ロータリーシャッター３７には、図３に平面形状を示すように、中心角約１８０°の扇形の窓３７ａが形成されている。窓３７ａのサイズは、白色光の径より大きく設定されており、シャッター用モータ３８を駆動してロータリーシャッター３７を回転させることにより、白色光が断続的に透過する。

光源装置２０には、白色光源３０に電流を供給するランプ用電源５１、励起用光源３３を駆動してオン・オフするレーザードライバ５２、上記の絞り用モータ３１ａを駆動する第１モータドライバ５３、シャッター用モータ３８を駆動する第２モータドライバ５４、撮像素子１３を駆動するＣＣＤドライバ５６が備えられている。また、信号ケーブル１８は、映像信号処理回路５７に接続されており、撮像素子１３から出力された画像信号は、この映像信号処理回路５７で処理されテレビモニターに表示するための規格化映像信号に変換されてモニター６０へ出力される。システムコントローラ７０は、これらのランプ用電源５１、各ドライバ５２，５３，５４，５６、及び映像信号処理回路５７を制御すると共に、画像の明るさを示す信号を映像信号処理回路５７から受け取る。調光用絞り３１、絞り用モータ３１ａ及び第１モータドライバ５３が、白色光の光量を調整する光量調整装置としての機能を持ち、システムコントローラ７０が、撮影された画像の明るさに応じて光量調整装置を制御する制御装置としての機能を有している。

システムコントローラ７０には、スイッチパネル２３に配置された各種スイッチが電気的に接続されており、これらの各スイッチの設定に基づき、ランプ用電源５１、レーザードライバ５２を制御して白色光、励起光を連続的に発光させ、あるいは停止すると共に、モニター６０上の表示を切り換える。

また、システムコントローラ７０は、白色光の照射時には、撮像素子１３により撮影された画像の明るさに対応した信号に基づいて画像の明るさが適切となるよう第１モータドライバ５３を制御して調光用絞り３１の開口径を調節し、励起光の照射時には、照明光が白色光から励起光に切り換えられた際の画像の明るさの変化分を記憶し、撮像素子１３により撮影された蛍光画像の明るさに変化分を加えた信号に基づいて第１モータドライバ５３を制御して調光用絞り３１の開口径を調節する。

この調光用絞り３１の制御に関するシステムコントローラ７０の作用を図４に示すフローチャートに従って説明する。処理が開始すると、システムコントローラ７０は、ランプ用電源５１を制御して白色光源３０を点灯し(S01)、第２モータドライバ５４を制御してシャッター用モータ３８を回転させる(S02)。そして、白色光がライトガイドに入射する期間(ロータリーシャッター３７の窓３７ａが光路中に位置する期間)であるか否かを判断する(S03)。白色光が入射する期間である場合には、レーザードライバ５２を制御して励起光源３３を消灯させ(S04)、白色光により照明された体腔壁を撮影して得られた通常画像の明るさを映像信号処理回路５７から取得し(S05)、この明るさに基づいて画像の明るさが適切となる調光用絞り３１の開口径を計算し(S06)、第１モータドライバ５３を制御して調光用絞り３１の開口径を計算結果に基づいて調整する(S07)。S05〜S07の処理は、S08で白色光が入射していると判断される期間中繰り返し実行され、調光絞りの開口径は通常画像の明るさに応じてリアルタイムで調整される。

S08で白色光の入射期間が終了したと判断されると、蛍光観察の処理を終了するか否かを判断し(S09)、終了する場合には白色光源を消灯し、励起光源が点灯している場合にはこれも消灯し(S10)、処理を終了する。処理を終了しない場合には、S11以下の処理が実行される。

白色光がライトガイドに入射しない期間(ロータリーシャッター３７の遮蔽部が光路中に位置する期間)に入ると、システムコントローラ７０は、照明光が白色光から励起光に切り換えられた直後は、調光用絞り３１の開口径(光量調整装置の調整量)を白色光利用時のまま一定期間保持するよう第１モータドライバ５３を制御する(S11)。続いて、レーザードライバ５２を制御して励起光源３３を発光させ(S12)、励起光により励起された体腔壁から発する蛍光を撮影した蛍光画像の明るさを映像信号処理回路５７から取得し(S13)、直前にS05で得られていた通常画像の明るさとの差を変化分として記憶する(S14)。そして、システムコントローラ７０は、再び蛍光画像の明るさを取得し(S15)、その明るさに前記の変化分を加えた信号に基づいて調光用絞り３１の開口径を計算し(S16)、第１モータドライバ５３を制御して調光用絞り３１の開口径を計算結果に基づいて調整する(S17)。S15〜S17の処理は、S18で白色光が入射していないと判断される期間中(すなわち励起光が入射している期間中)繰り返し実行され、調光絞りの開口径は蛍光画像の明るさに変化分を加えた信号に応じてリアルタイムで調整される。

S18で白色光の入射期間が開始したと判断されると、蛍光観察の処理を終了するか否かを判断し(S19)、終了する場合には白色光源を消灯し、励起光源が点灯している場合にはこれも消灯し(S10)、処理を終了する。処理を終了しない場合には、S04に戻って処理が実行される。

次に、上記の処理を、図５のタイミングチャートに従って説明する。図５は、上述した実施形態の電子内視鏡システムの蛍光観察モードでの照明光強度、画像の明るさ、可変絞りの開口径を示すタイミングチャートである。照明光としては、白色光と励起光とが交互に繰り返し照射される。画像の明るさは、白色光照射時の通常画像は明るく、励起光照射時の蛍光画像は暗い。白色光が照射されている期間(t₀〜t₁、t₂〜t₃、t₄〜t₅)は、調光用絞り３１の開口径は、通常画像の明るさに基づいて決定され、画像の明るさが一定となるよう制御される。

時点t₁,t₃,t₅で照明光が白色光から励起光に切り換えられると、切換直後は開口径は白色光照射時と同一に保たれる。そして、切換時の画像の明るさの変化分が記憶され、励起光が照射されている期間(t₁〜t₂、t₃〜t₄、t₅〜t₆)は、蛍光画像の明るさに変化分を付加した信号(破線で示す)に基づいて開口径が調整される。したがって、通常画像から蛍光画像への切換で画像の明るさは急激に低下するが、調光用絞りの開口径は急激に変化せず、時点t₂,t₄,t₆で照明光が励起光から白色光に切り換えられた際にも、切換直後から開口径を適切に制御することができ、従来のように白色光の光量がオーバーして画像がハレーションを起こすようなことがない。

本発明の実施の形態に係る電子内視鏡システムの外観図である。 図１に示される電子内視鏡システムの内部構成を示すブロック図である。 図２の光学系に設けられているロータリーシャッターの正面図である。 図２のシステムの調光用絞りの制御に関する処理を示すフローチャートである。 図２のシステムの蛍光観察モードでの照明光強度、画像の明るさ、可変絞りの開口径を示すタイミングチャートである。 従来の電子内視鏡システムの蛍光観察モードでの照明光強度、画像の明るさ、可変絞りの開口径を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 蛍光観察内視鏡
１６ 励起光用ライトガイド
２０ 光源装置
３０ 白色光源
３２ コンデンサレンズ
３３ 励起光源
３５ コリメートレンズ
３６ ダイクロイックミラー
３７ ロータリーシャッター
５７ 映像信号処理回路
６０ モニター
７０ システムコントローラ

Claims (4)

1. 体腔内に挿入される挿入部と、前記挿入部を通して照明光を挿入部先端に導くライトガイドと、照明された体腔内の画像を撮影する撮像素子とを有する電子内視鏡と、
   前記体腔内を観察するための可視光を発する可視光源と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光を発する励起光源と、開口径が可変な絞りによって前記可視光の光量を調整する光量調整装置とを備え、前記可視光と前記励起光とを選択的に前記ライトガイドに入射させる光源装置と、
   前記撮像素子が撮影して得られた画像の明るさを取得し、この明るさに基づいて当該明るさが適切となる前記絞りの開口径を計算し、計算結果に従って前記絞りの開口径を変化させる制御を行う制御装置であって、白色光と励起光とを交互に照射するモードにおいて、白色光の照射時には、前記撮像素子により撮影された画像の明るさに基づいて前記開口径を計算し、励起光の照射時には、照明光が白色光から励起光に切り換えられた際の画像の明るさの変化分を記憶し、前記撮像素子により撮影された画像の明るさに前記変化分を加えた明るさに基づいて前記開口径を計算する制御装置とを備えることを特徴とする電子内視鏡システム。
2. 前記制御装置は、励起光の照射時には、照明光が白色光から励起光に切り換えられた直後は、前記光量調整装置の調整量を白色光利用時のまま一定期間保持すると共に、該一定期間経過後、前記撮像素子により撮影された画像の明るさに前記変化分を加えた明るさに基づいて前記光量調整装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡システム。
3. 前記光源装置は、可視光の光路と励起光の光路とを合成して前記ライトガイドに導く光路合成手段を含み、前記光量調整装置は、前記可視光源から前記光路合成手段に至る光路中に配置された可変絞りであることを特徴とする請求項１または２に記載の電子内視鏡システム。
4. 前記体腔内が可視光により照明されている期間に前記撮像素子から出力される信号により通常画像信号を生成し、前記体腔壁が励起光により照射されている期間に前記撮像素子から出力される信号により蛍光画像信号を生成する画像信号生成手段と、
   前記画像信号生成手段から出力される画像信号に基づいて画像を表示する表示手段とを
   さらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子内視鏡システム。