JP4917822B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は内視鏡装置、特に医療分野で用いられ、特定の波長域の画像情報からなる分光画像を形成し表示するための構成に関する。

近年、固体撮像素子を用いた電子内視鏡装置では、消化器官（胃粘膜等）における分光反射率に基づき、狭帯域バンドパスフィルタを組み合わせた分光イメージング、即ち狭帯域フィルタ内蔵電子内視鏡装置（Ｎａｒｒｏｗ
Ｂａｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ ‐ ＮＢＩ）が注目されている。この装置は、面順次式のＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の回転フィルタの代わりに、３つの狭（波長）帯域のバンドパスフィルタを設け、これら狭帯域バンドパスフィルタを介して照明光を順次出力し、これらの照明光で得られた３つの信号に対しそれぞれの重み付けを変えながらＲ，Ｇ，Ｂ（ＲＧＢ）信号の場合と同様の処理を行うことにより、分光画像を形成するものである。このような分光画像によれば、胃、大腸等の消化器において、従来では不明瞭であった微細構造等が明瞭に観察可能となる。

一方、上記の狭帯域バンドパスフィルタを用いる面順次式のものではなく、特開２００３−９３３３６号公報に示されるように、固体撮像素子に微小モザイクの色フィルタを配置する同時式において、白色光で得られた画像信号を基に、演算処理にて分光画像を形成することが提案されている。これは、ＲＧＢのそれぞれのカラー感度特性を数値データ化したものと、特定の狭帯域バンドパスの分光特性を数値データ化したものとの関係をマトリックスデータ（係数セット）として求め、このマトリックスデータとＲＧＢ信号との演算により狭帯域バンドパスフィルタを介して得られる分光画像信号と同等のもの得るものである。このような演算によって分光画像を形成する場合は、所望の波長域に対応した複数のフィルタを用意する必要がなく、またこれらの交換配置が不要となるので、装置の大型化が避けられ、低コスト化を図ることができる。
特開２００３−９３３３６号公報

しかしながら、上記特許文献１では、ＲＧＢのカラー感度特性を数値データ化したものと特定の狭帯域バンドパスの分光特性を数値データ化したものとの関係を示す演算データ（マトリックスデータ）を用いているが、このような演算データは、対物光学系の分光透過特性や撮像系の分光透過特性等に依存しており、内視鏡の種類やその分光透過特性の個体差を考慮しなければならないという複雑さがある。本願発明は、このような対物光学系及び撮像系の分光透過特性等に依存しない形で、分光画像を得ることができる従来にない新しい手法の内視鏡装置を提案するものである。

一方、内視鏡装置の分光画像では、例えば比較的太い血管、毛細血管、或いは深い位置の血管、浅い位置の血管、進行度の異なる癌組織等というように各種の微細構造を描出すること、また例えばオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの差など、特定の物質間の差を標的として描出すること等が期待されており、従来では描出できなかった新しい被観察体内情報を有する分光画像が得られれば、診断等に役立つ有用な被観察体画像情報を提供することが可能になる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、対物光学系及び撮像系の分光透過特性等の個体差に依存しない形で各種の微細構造等が描出される分光画像を形成することができ、診断等に役立つ有用な被観察体画像情報を提供することが可能となる内視鏡装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、照明光が照射された被観察体を内視鏡に搭載された撮像素子で撮像する内視鏡装置において、波長域の異なる光を発光する３つの光源を有し、これら３つの光源からの光を合成して上記照明光として出力する光源部と、この光源部の３つの光源を独立して駆動すると共に、それぞれの光源光の出力強度を可変調整する光源駆動回路と、この光源駆動回路を制御し、上記３つの光源の各波長域光の出力強度が可変調整された複数種類の合成照明光を形成し、順次出力するための制御回路と、上記複数種類の合成照明光の照射に応じて上記撮像素子の出力信号から複数の画像を形成する画像処理回路と、この画像処理回路から出力された複数の画像のデータと上記３つの光源光の出力強度データに基づき、分光画像を得るためのマトリックス演算を行う演算回路と、を設け、上記３つの光源光の出力強度の可変により任意の分光画像を形成することを特徴とする。
請求項２の発明は、上記分光画像の波長域を選択するための波長選択手段を設け、上記制御回路は、この波長選択手段にて選択された波長域に基づいて上記３つの光源の出力強度を可変設定することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記３つの光源の出力強度を選択するための光強度選択手段を設け、上記制御回路は、この光強度選択手段からの出力に基づいて上記３つの光源の出力強度を可変設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、第１乃至第３光源のそれぞれから波長域と強度の異なる光が出力され、これらを合成した光が照明光として被観察体へ照射されることになり、この合成照明光によって撮像素子では被観察体の画像（映像）が撮像される。そして、例えば波長域で強度の異なる３種類の合成照明光の照射によって得られた３つ（例えば３フレーム）の画像データに基づき、分光マトリックス演算を行うことによって分光画像が形成される。

以下に、波長域の異なる３つの光源光の強度を変えて３種類の合成照明光を作り、この合成照明光で撮影した３フレーム分の画像データに基づいて分光画像が形成できることを数式を用いて説明する。
ここで、３つの独立する光源は、その注入電流に比例した強度の出力となり、この場合の各光源の分光スペクトル波形（形状）は、強度に依存せず一定であり、また３つの光源の光を合成した光の分光スペクトル及び強度は、その線形和で表すことができることを前提とする。

まず、ＬＥＤ（発光ダイオード）等からなる第１乃至第３の光源の分光スペクトル（その強度を規格化したものとする）を、Ｓ_１（λ），Ｓ_２（λ），Ｓ_３（λ）とし、この各光源の強度を、駆動制御される注入電流により、α，β，γで代表させるとき、３通りの合成光源の分光スペクトルＳ_ｃ１（λ），Ｓ_ｃ２（λ），Ｓ_ｃ３（λ）は、次の数式１となる。

今、観察する生体の分光反射特性をＲ（λ）、対物光学系の分光透過特性をＬ（λ）とし、撮像系の分光透過特性をＤ_１（λ），Ｄ_２（λ），Ｄ_３（λ）（それぞれ、ＲＧＢに対応する）とする。このとき、撮像系より得られる最終の３つの刺激値（ｒ，ｇ，ｂ）は、一般に次の数式２で表される［Ｓ（λ）は光源一般を意味する］。

そして、上記数式１を数式２に展開し、以下の数式３のように定義する。

この数式３により上記数式１での３通りの合成照明光より得られる最終刺激値（ｒ_１，ｇ_１，ｂ_１，ｒ_２，ｇ_２，ｂ_２，ｒ_３，ｇ_３，ｂ_３：３フレーム分の３波長域の画像データ）は、以下の数式４のように表される。

一方、最終刺激値と第１乃至第３の各光源に注入した電流値は既知であるので、上記数式３に示す、使用している電子内視鏡装置の全体の系と、被観察体である生体の反射率特性により決まる固有の因子Ｓ_ｉｊを、次の数式５の演算にて求めることができる。

次に、内視鏡装置で表示したい任意の分光画像は、照射合成光を任意の分光スペクトル特性を持つ光源で照射すればよいので、この分光画像に相当する分光スペクトルをＳ_０（λ）とし、Ｓ_０（λ）＝α_０Ｓ_１（λ）＋β_０Ｓ_２（λ）＋γ_０Ｓ_３（λ）とすると、以下の数式６の関係が擬似的に成立する。

上記の数式５をそのまま解くことはできないので、この数式６の最終刺激値に係る係数（α_０，β_０，γ_０）を求めるには、擬似方程式を解き、次のように最適近似係数として求める。即ち、光源スペクトルをｎ個からなる列ベクトルとして、数式７のように表記する。

例えば、この数式７の上記Ｓ_０（λ），Ｓ_１（λ），Ｓ_２（λ），Ｓ_３（λ）を、波長４００〜７００ｎｍで５ｍｍ毎の要素からなる列ベクトルとして表記すると、６１×１の列ベクトルとなる。従って、この上記行列Ａの６１×１、行列Ｂは６１×３の構成をとることになる。このようにすれば、係数（α_０，β_０，γ_０）、次の数式８で近似される。

従って、分光画像に相当する分光スペクトルＳ_０（λ）の特性をもつ光源にて照射した際の最終刺激値（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）は、上記数式２〜８を用いて、以下の数式９のように推定される。

この数式９において、右辺の諸量は、全て既知の値であるから、最終刺激値（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）は一意に求まり、この最終刺激値が分光画像の最終刺激値、即ち求めるべき３つの波長域の画像データとなる。なお、上記数式１に代表されるα，β，γの値の全ては非負であるが、上記数式８に代表されるα_０，β_０，γ_０は、少なくとも１つが非負であればよい。

以上のように、数式９に示されるように、分光画像の最終刺激値（各波長域画像データ）（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）は、撮像素子で撮影された３つの画像データ（ｒ_１，ｇ_１，ｂ_１，ｒ_２，ｇ_２，ｂ_２，ｒ_３，ｇ_３，ｂ_３：３フレーム分の３波長域の画像データ）と、３種類の合成照明光の各波長域の光強度（α_１，β_１，γ_１，α_２，β_２，γ_２，α_３，β_３，γ_３）と、分光画像を構成する分光スペクトル（各波長域）の係数（α_０，β_０，γ_０）から求められる。そして、上記数式９から分かるように、最終刺激値（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）は、対物光学系の分光透過特性Ｌ（λ）や撮像系の分光透過特性Ｄ（λ）に依存しない値であり、分光画像の形成が内視鏡の個体差に影響されることはない。

また、本発明では波長選択手段が設けられており、この波長選択手段により分光画像の波長域が選択されると、制御回路は、この波長域の分光画像を得るための第１乃至第３光源の強度を光源駆動回路へ出力しており、この光源駆動回路によって第１乃至第３光源の出力光の強度が設定される。更に、光強度選択手段を設けてもよく、この光強度選択手段によれば、第１乃至第３光源の出力光の強度を直接的に選択設定することができる。このようにして選択・設定された第１乃至第３光源の光強度データが、３フレーム分の画像データとの演算データとして用いられることにより、分光画像が形成される。

本発明の内視鏡装置によれば、対物光学系及び撮像系の分光透過特性等の個体差に依存しない形、即ち内視鏡の種類や固体差に関係なく、各種の微細構造等が描出される良好な分光画像を形成することができ、内視鏡画像上で、比較的太い血管、毛細血管、或いは深い位置の血管、浅い位置の血管、進行度の異なる癌組織等の微細構造を観察でき、また例えばオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの差など、特定の物質間の差を観察することができ、診断等に役立つ有用な被観察体画像情報が得られるという利点がある。

図１には、実施例に係る電子内視鏡装置の構成ブロックが示され、図２には、光源部の構成が示されており、この電子内視鏡装置では、内視鏡先端部等に設けられる光源部として、図１に示されるように照射窓１１、光合成部１２、ＬＥＤ（発光ダイオード）からなる第１乃至第３光源１４ａ，１４ｂ，１４ｃ及び第１乃至第３光源駆動回路１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられる。即ち、実施例の光源部は、図２に示されるように、光合成部１２として、例えばダイクロイック（２色性）プリズムが配置され、このダイクロイックプリズムの光合成部１２の裏面側に第１光源１４ａ、上面側に第２光源１４ｂ、下面側に第３光源１４ｃが配置されており、これら第１、第２、第３光源１４ａ〜１４ｃのそれぞれはその発光波長域が異なる、例えばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のＬＥＤから構成される。そして、第１光源１４ａが第１光源駆動回路１５ａにより、第２光源１４ｂが第２光源駆動回路１５ｂにより、第３光源１４ｃが第３光源駆動回路１５ｃにより点灯駆動され、かつその出力光の強度が電流（又は電圧）制御によって可変調整される。

一方、上記スコープ先端には、図１に示される対物光学系１７と固体撮像素子であるＣＣＤを有する撮像部１８が設けられており、このＣＣＤとしては、例えば撮像面にＭｇ（マジェンタ），Ｙｅ（イエロー），Ｃｙ（シアン），Ｇ（グリーン）の色フィルタを有する補色型或いはＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色フィルタを有する原色型のものが配置される。この撮像部１８には、ＣＣＤから出力された信号に基づき、所定の画像（映像）処理（相関二重サンプリング、自動利得制御、γ補正等）を施す撮像信号処理回路２０が設けられ、この撮像信号処理回路２０の出力が表示系２１に供給される。この表示系２１には、例えば通常画像用モニタ２１ａと分光画像用モニタ２１ｂが設けられており、通常画像と分光画像が並行して表示される（なお、これらの画像は１つのモニタ画面に分割表示してもよい）。

そして、上記撮像信号処理回路２０の後段に、この撮像信号処理回路２０から出力されたビデオ信号［例えばＹ（輝度）／Ｃ（色差）信号等］から、３つの波長域の画像データ［例えばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各色信号のデータ］からなる画像１（ｒ_１，ｇ_１，ｂ_１）、画像２（ｒ_２，ｇ_２，ｂ_２）、画像３（ｒ_３，ｇ_３，ｂ_３）を形成出力する画像処理部２４、上記数式５の演算を行う第１演算部２５、上記数式９の演算を行う第２演算部２６が設けられ、この第２演算部２６で形成された分光画像信号が表示系２１に供給される。

また、電子内視鏡装置には、この装置内の各回路を統括制御しかつ分光画像形成のための制御をする制御部（マイコン等）２８、上記分光演算情報やプログラムを格納するメモリ２９、そして分光画像生成のための波長や光強度等の入力手段としてキーボード３０が設けられ、このキーボード３０と上記表示系２１にて波長選択手段及び光強度選択手段が構成される。即ち、表示系２１のモニタに波長選択メニュー、光強度選択メニュー、描出したい特定構造や特定物質間差の選択メニュー等を表示し、このメニューの中でキーボード３０にて波長や光強度を選択・設定することができる。なお、波長選択、光強度選択或いは特定構造等の選択のための操作スイッチ等を操作パネルに設けてもよい。

実施例は以上の構成からなり、まず図１の上記表示系２１に表示された各メニューによりキーボード３０を用いて所望の分光画像の波長や各光源１４ａ〜１４ｃの光強度を選択することになるが、例えば図３（Ｄ）に記載したスペクトルの光源により照明を行った場合の分光画像を算出・表示する場合、即ち４７０ｎｍ（ｂ_０）、５００ｎｍ（ｇ_０）、６７０ｎｍ（ｒ_０）の波長域（中心波長）で構成される場合、制御部２８によって、図３（Ａ）〜（Ｃ）のように、第１乃至第３合成照明光の各光源１４ａ〜１４ｃの光強度が決定され、これらの光強度が第１乃至第３光源駆動回路１５ａ〜１５ｃの電流制御等によって設定される。即ち、図３（Ａ）の第１合成照明光は、第１光源１４ａの光Ｓ_１（上記演算式ではｒ_１に対応する）の強度がα_１（上記演算式の強度パラメータで代用する）、第２光源１４ｂの光Ｓ_２（上記演算式ではｇ_１に対応する）の強度がβ_１、第３光源１４ｃの光Ｓ_３（上記演算式ではｂ_１に対応する）の強度がγ_１からなる合成光Ｓｃとなり、図３（Ｂ）の第２合成照明光は、第１光源１４ａの光Ｓ_１の強度がα_２、第２光源１４ｂの光Ｓ_２の強度がβ_２、第３光源１４ｃの光Ｓ_３の強度がγ_２からなる合成光Ｓｃとなり、図３（Ｃ）の第３合成照明光は、第１光源１４ａの光Ｓ_１の強度がα_３、第２光源１４ｂの光Ｓ_２の強度がβ_３、第３光源１４ｃの光Ｓ_３の強度がγ_３からなる合成光Ｓｃとなり、これら第１合成照明光から第３合成照明光が順に被観察体へ照射される。

そして、第１乃至第３の合成照明光が照射された被観察体は、対物光学系１７を介して撮像部１８で撮像され、この撮像部１８から出力されたビデオ信号は撮像信号処理回路２０で所定の処理が施され、この撮像信号処理回路２０の出力は、表示系２１と分光画像形成のための画像処理部２４へ供給される。即ち、撮像信号処理回路２０では、従来と同様に通常のビデオ信号が形成されており、表示系２１の通常画像用モニタ２１ａには通常の被観察体画像が表示される。一方、画像処理部２４では、分光演算に適した３波長域の画像データが形成され、ｒ_１，ｇ_１，ｂ_１の信号データから構成される画像１（第１合成照明光で得られる画像）、ｒ_２，ｇ_２，ｂ_２の信号データから構成される画像２（第２合成照明光で得られる画像）、ｒ_３，ｇ_３，ｂ_３の信号データから構成される画像３（第３合成照明光で得られる画像）が順次出力される。

そして、分光演算では上記の３フレーム分の画像１〜３のデータを用いて、第１演算部２５では上記数式５の演算が行われ、第２演算部２６では第１演算部２５の出力に対して数式８の最終刺激値の係数（α_０，β_０，γ_０）を乗算する上記数式９のマトリッスク演算が行われることにより、分光画像（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）が形成される。この分光画像は、図３（Ｄ）に示されるように、４７０ｎｍを中心とする波長域（ｂ_０）の画像データ、５００ｎｍを中心とする波長域（ｇ_０）の画像データ、６７０ｎｍを中心とする波長域（ｒ_０）の画像データからなる画像であり、この分光画像が表示系２１の分光画像用モニタ２１ｂに表示される。なお、この分光画像の形成・表示において、３つの波長域の中の１つ又は２つの画像データのみで分光画像を表示することもできる。

このような分光画像は、図３（Ａ）から図３（Ｃ）の第１合成照明光から第３合成照明光における各光源１４ａ〜１４ｃの強度（α_１，β_１，γ_１，α_２，β_２，γ_２，α_３，β_３，γ_３）をキーボード３０によって設定することによっても、同様に形成・表示することができる。

また、実施例では、例えば太い血管、毛細血管、深い位置の血管、浅い位置の血管、進行度の異なる癌組織等というような特定構造を選択するメニュー、或いは例えばオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの差など、特定物質間の差の描出を選択するメニュー等を設けており、この場合は、特定構造、特定物質間差のメニューを選択することにより、これら特定構造、特定物質間差を描出するための波長域（ｒ_０，ｇ_０，ｂ_０）から第１乃至第３光源１４ａ〜１４ｃの強度を設定する（或いはこの強度を直接的に設定してもよい）ことにより、特定構造、特定物質間差を描出した分光画像が形成、表示される。
なお、上記実施例では、３種類の合成照明光を用いた場合を説明したが、この合成照明光は、２種類或いは４種類以上でもよい。

本発明の実施例に係る電子内視鏡装置の構成を示すブロック図である。 実施例の光源部の構成を示す図である。 実施例で設定される第１乃至第３合成照明光とこれら照明光によって得られる分光画像の波長域の一例を示す波形図である。

符号の説明

１２…光合成部、 １４ａ〜１４ｃ…第１乃至第３光源部、
１５ａ〜１５ｃ…第１乃至第３光源駆動回路、
１７…対物光学系、 １８…撮像部、
２１…表示系（モニタ）、 ２４…画像処理部、
２５…第１演算部、 ２６…第２演算部、
２８…制御部、 ２９…メモリ、
３０…キーボード。

Claims (3)

1. 照明光が照射された被観察体を内視鏡に搭載された撮像素子で撮像する内視鏡装置において、
   波長域の異なる光を発光する３つの光源を有し、これら３つの光源からの光を合成して上記照明光として出力する光源部と、
   この光源部の３つの光源を独立して駆動すると共に、それぞれの光源光の出力強度を可変調整する光源駆動回路と、
   この光源駆動回路を制御し、上記３つの光源の各波長域光の出力強度が可変調整された複数種類の合成照明光を形成し、順次出力するための制御回路と、
   上記複数種類の合成照明光の照射に応じて上記撮像素子の出力信号から複数の画像を形成する画像処理回路と、
   この画像処理回路から出力された複数の画像のデータと上記３つの光源光の出力強度データに基づき、分光画像を得るためのマトリックス演算を行う演算回路と、を設け、
   上記３つの光源光の出力強度の可変により任意の分光画像を形成することを特徴とする内視鏡装置。
2. 上記分光画像の波長域を選択するための波長選択手段を設け、
   上記制御回路は、この波長選択手段にて選択された波長域に基づいて上記３つの光源の出力強度を可変設定することを特徴とする請求項１記載の内視鏡装置。
3. 上記３つの光源の出力強度を選択するための光強度選択手段を設け、
   上記制御回路は、この光強度選択手段からの出力に基づいて上記３つの光源の出力強度を可変設定することを特徴とする請求項１記載の内視鏡装置。

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