JP4979271B2 - 内視鏡システムおよび内視鏡の作動方法 - Google Patents

Description

この発明は、内視鏡システムおよび内視鏡観察方法に関するものである。

従来、内視鏡システムにおいて、生体の体腔内に挿入される挿入部の先端位置を正確に検出するために、挿入部の外面に、挿入部の先端からの距離を示すマークを設け、これを読み取り装置により読み取る技術が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）
特開昭５５−１１６３３０号公報 特開２００４−１０５７２５号公報

ところで、挿入方向に交差する方向の画像を取得する側視観察の場合には、挿入部の外径寸法が限られているために、１回に取得される画像は挿入部の挿入方向に沿って極めて微小の幅寸法の短冊状の画像となる。このため、挿入部の挿入方向に連続した所望の範囲の画像を取得するには、１回に取得される短冊状の画像の幅寸法分だけ送りをかけながら撮影を繰り返すことが必要となる。

しかしながら、内視鏡の挿入部は通常、操作者のマニュアル操作により生体内に挿入されるため、送り量および挿入速度は一定せず、速く挿入した場合には、得られる画像が細切れとなって、患部の画像を取得することができない場合があるという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、患部の見落としを防止することができる内視鏡システムおよび内視鏡観察方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、生体に照射される照射光を発する光源と、生体に挿入され、前記光源からの照射光および生体からの戻り光を導光する挿入部と、該挿入部先端に設けられ、前記挿入部を介して導光された前記照射光を前記挿入部の半径方向外方に指向させ、生体からの前記挿入部の半径方向内方に向かう戻り光を挿入部内に導入する偏向光学系と、前記挿入部を介して導光された戻り光を撮影する撮像手段と、前記挿入部の挿入速度を検出する挿入速度検出手段と、該挿入速度検出手段により検出された挿入速度に応じて前記撮像手段により撮影するフレームレートを調節するフレームレート調節手段と、前記挿入速度検出手段により検出された挿入速度に基づいて、前記撮像手段による露光時間を補正する露光補正手段と、該露光補正手段により補正された露光時間に応じて撮像手段の受光感度を補正する感度補正手段と、前記撮像手段により得られた短冊状の画像を前記挿入速度に基づくピッチで配列し、生体内の画像を形成する画像形成手段と、該画像形成手段により形成された画像を表示する表示手段とを備える内視鏡システムを提供する。

本発明によれば、挿入部を生体内に挿入した状態で、光源から発せられた照射光が偏向光学系により挿入部の半径方向外方に配されている生体に照射され、生体からの戻り光が偏向光学系により挿入部内に導入され、挿入部を介して撮像手段により撮影されることで、挿入部の先端位置に対応した位置の細い短冊状の画像が取得される。また、挿入部が挿入されると挿入速度検出手段の作動により挿入部の挿入速度が検出され、フレームレート調節手段の作動により、撮像手段によって撮像される際のフレームレートが調節される。

すなわち、挿入部が速く挿入される際にはフレームレートを高く調節することにより、高い頻度で短冊状の画像を取得し、遅く挿入される際にはフレームレートを低く調節して、低い頻度で短冊状の画像を取得する。そして、画像形成手段の作動により、撮像手段によって得られた短冊状の画像を挿入速度に基づくピッチで配列することにより、抜けのない連続した生体内の画像を形成することができ、形成された画像を表示手段により表示することで、患部の見落としをより確実に防止することができる。

また、露光補正手段の作動により、挿入部の挿入速度に応じて撮像手段による露光時間が補正されるので、速く挿入される際には露光時間を短くして画像のブレを防止し鮮明な画像を取得することができる。さらに、感度補正手段の作動により、露光時間に応じて撮像手段の受光感度が補正されるので、露光時間が短くなる場合には受光感度を高めて、画像が暗くなるのを防止することができる。その結果、生体から戻る蛍光の輝度情報によって病変の大きさや進行度を定量化する分子イメージング方法の場合、定量性を損なうことなく、鮮明な連続した画像を取得することができる。

また、上記発明においては、前記挿入速度検出手段が、前記挿入部の外面に挿入方向に沿って設けられたマークと、該マークを検出するマーク検出手段と、検出されたマークに基づいて挿入速度を算出する速度算出手段とを備えることとしてもよい。
マーク検出手段により検出された挿入部外面のマークに基づいて、速度算出手段の作動により挿入部の速度が算出される。これにより、簡易に挿入部の速度を検出でき、撮像手段による撮影のフレームレート、あるいは、露光時間および受光感度を適正な値に設定することが可能となる。

また、上記発明においては、前記戻り光が、蛍光または白色光の少なくとも１つを含むこととしてもよい。
また、上記発明においては、前記偏向光学系が、円錐ミラーを含むこととしてもよい。

また、本発明は、生体に挿入される挿入部の先端から、挿入方向の各位置において半径方向外方に向けて照射光を発生し、生体から戻る戻り光を撮影して短冊状の画像を取得し、取得された画像を配列して生体内の画像を形成し、生成された画像を表示する内視鏡の作動方法であって、挿入速度検出手段が挿入部の挿入速度を検出し、検出された前記挿入速度に基づいて、フレームレート調節手段が短冊状の画像を取得するフレームレートを調節し、検出された前記挿入速度に基づいて、露光補正手段が短冊状の画像を取得する際の露光時間を補正し、感度補正手段が、補正された露光時間に応じて受光感度を補正する内視鏡の作動方法を提供する。

本発明によれば、挿入速度にかかわらず、挿入方向に連続した鮮明な画像を取得することを可能として、患部の見落としを防止することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システム１について、図１〜図１１を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡観察装置１は、図１に示されるように、光源２と、該光源２に接続され体腔内に挿入される細長い挿入部３と、該挿入部３に接続され、被検体である生体組織から戻る戻り光を検出する光検出部４と、前記挿入部３の移動速度を検出する速度検出部５と、該速度検出部５により検出された移動速度に基づいて、光検出部４を制御する制御部６と、前記光検出部４により検出された画像情報および速度検出部５において検出された移動速度に基づいて生体組織の画像を形成する画像処理部７と、該画像処理部７において生成された生体組織の画像を表示する画像表示部８とを備えている。

前記光源２は、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ等、白色光および励起光のような広帯域の光を発するものが採用されている。
前記挿入部３は、前記光源２からの光を該挿入部３の先端まで導くライトガイド（あるいは光ファイバ束）９と、挿入部３の先端に配置され、ライトガイド９内を伝播されてきた光を半径方向外方に向けて放射状に偏向するとともに、生体組織から挿入部３の半径方向内方に向かう戻り光を挿入部３内に導入する円錐ミラー（偏向光学系）１０と、該円錐ミラー１０により導入された戻り光を挿入部３の後端側へ導くイメージガイド１７と、円錐ミラー１０とイメージガイド１７との間に配置され、生体組織の像をイメージガイド１７の先端面に結像する結像光学系１８と、ライトガイド９を被覆するアウターチューブ１１とを備えている。
挿入部３の後端には、生体組織において反射して戻る白色光と、生体組織に励起光が照射されることにより、生体組織内の蛍光物質が励起されて発生する蛍光とを分岐するダイクロイックプリズム１２が設けられている。

前記光検出部４は、ダイクロイックプリズム１２により分岐された白色光を検出する白色光検出器１３と、蛍光を検出する蛍光検出器１４とを備えている。
前記速度検出部５は、前記アウターチューブ１１の外面に、長手方向に間隔をあけて複数設けられたマーク１５と、該マーク１５を撮影する画像センサ１６とを備えている。

アウターチューブ１１に設けられるマーク１５としては、例えば、図２および図３に示されるように、挿入方向に一定間隔で設けられた太さの異なる帯状のマーク１５が挙げられる。図２および図３に示されるように、画像センサ１６の長方形の注目領域Ｓの左端を基準位置Ｓ_０として、該基準位置Ｓ_０と、該基準位置Ｓ_０に最も近いマーク１５のエッジＳ_１との距離Ｌ_１、および、該エッジＳ_１とそれに隣接するエッジＳ_２との距離Ｌ_２に基づいて、挿入部３の挿入距離を検出することができるようになっている。

例えば、図２に示されるように、画像センサ１６の注目領域Ｓ内に単一のマーク１５のみが配置されているときには、注目領域Ｓの基準位置Ｓ_０と該基準位置Ｓ_０に最も近い左側エッジＳ_１との距離Ｌ_１と、マーク１５の幅寸法Ｌ_２とにより基づいて、挿入部３の移動距離を算出することができる。マーク１５の幅寸法Ｌ_２は各マーク１５に固有であるため、挿入部３先端からの当該マーク１５の位置は既知であり、そのマーク１５のエッジＳ_１から画像センサ１６の基準位置Ｓ_０までの距離Ｌ_１を知ることで、挿入部３の移動距離を算出することができる。

また、例えば、図３に示されるように、画像センサ１６の注目領域Ｓ内に２つのマーク１５が配置されているときには、注目領域Ｓの基準位置Ｓ_０と該基準位置Ｓ_０に最も近い右側エッジＳ_１との距離Ｌ_１と、２つのマーク１５の間隔寸法Ｌ_２とに基づいて、挿入部３の移動距離を算出できる。２つのマーク１５の間隔寸法Ｌ_２は、当該マーク１５に固有であるため、挿入部３先端からの当該マーク１５の位置は既知であり、そのマーク１５のエッジＳ_１から画像センサ１６の基準位置Ｓ_０までの距離Ｌ_１を知ることで、挿入部３の移動距離を算出できるようになっている。

さらに、２つの時刻において算出された移動距離の差をその時刻間の時間によって除算することにより、挿入部３の挿入速度を算出することができる。
前記制御部６は、上記挿入部３の移動距離および挿入速度の演算を行うとともに、算出された挿入速度に基づいて、白色光検出器１３および蛍光検出器１４のフレームレートを調節するようになっている。例えば、挿入速度が速くなるとフレームレートを高くするように調節し、挿入速度が遅くなるとフレームレートを低くするように調節する。

また、制御部６は、挿入部３の挿入速度が速くなると、白色光検出器１３および蛍光検出器１４の露光時間および受光感度を補正するようになっている。挿入速度ｖと露光時間ｔとの関係を図４に示す。また、露光時間ｔと受光感度ｓとの関係を図５に示す。これらの図４，図５に基づいて、挿入速度ｖと受光感度ｓとの関係は図６に示す通りとなる。これらの図によれば、制御部６は、挿入速度ｖが速くなると露光時間ｔを短くし、受光感度ｓを上げるように補正し、挿入速度ｖが遅くなると露光時間ｔを長くし、受光感度ｓを下げる補正を行うようになっている。

前記画像処理部７は、挿入部３先端の位置毎に、光検出器１３，１４により取得された短冊状の画像を所定のピッチで配列することにより、２次元的な画像を形成するようになっている。短冊状の画像は、挿入部３の挿入速度ｖおよび該挿入速度ｖにより設定されたフレームレートｆに基づいて挿入方向の単位長さ当たりに所定の枚数だけ取得されるので、それらの画像を挿入速度ｖとフレームレートｆに基づいて定まる所定のピッチで配列することにより、２次元的な画像を生成することができるようになっている。

画像表示部８は、例えば、白色光検出器１３により検出され、画像処理部７により処理された２次元的な白色光画像Ｇ１、蛍光検出器１４により検出され、画像処理部７により処理された２次元的な蛍光画像Ｇ２および挿入部３の挿入方向に沿う蛍光画像Ｇ２の輝度分布Ｇ３を表示するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１を用いて、生体の体腔内の様子を観察するには、挿入部３を体腔内に挿入し、光源２からの光をライトガイド９を介して挿入部３の先端に導き、円錐ミラー１０によって半径方向外方に偏向し、放射状に照射させる。挿入部３先端の半径方向外方に配置された体腔の内壁において反射して戻る白色光および体腔内壁内の蛍光物質を励起して発生した蛍光が、円錐ミラー１０および結像光学系１８を介してイメージガイド１７内に戻り、イメージガイド１７を伝播してダイクロイックプリズム１２により分岐され、それぞれ白色光検出器１３および蛍光検出器１４により検出される。

制御部６により設定された各検出器１３，１４の１フレーム当たりの露光時間ｔ内に取得される画像は、円錐ミラー１０の寸法により幾何学的に決定される幅寸法の短冊状の画像であって、挿入部３の軸線周りに周方向にほぼ全周にわたって取得される。各画像は、円錐ミラーの円錐状の反射面により極座標変換されているので、画像処理部７において平面座標に変換され直される。

また、挿入部３が移動させられると、速度検出部５の作動により、画像センサ１６による検出信号に基づいて、制御部６において挿入速度ｖが算出される。制御部６においては、移動速度ｖに応じてフレームレートｆ、露光時間ｔおよび受光感度ｓが算出され、各検出器１３，１４に対して指令信号が出力される。

ここで、例えば、図７に示されるように、移動速度ｖに対して段階的にフレームレートｆを変更する場合について説明する。１フレーム毎に得られる短冊状の画像の幅寸法が０．２ｍｍであるとすると、例えば、移動速度ｖが、０＜ｖ≦６（ｍｍ／ｓ）の場合に、フレームレートｆ＝３０（１／ｓ）、６＜ｖ≦１２（ｍｍ／ｓ）の場合に、ｆ＝６０（１／ｓ）、１２＜ｖ≦２４（ｍｍ／ｓ）の場合に、ｆ＝１２０（１／ｓ）に設定する。これは、挿入部３がそれぞれの移動速度ｖの範囲の最大値で移動する場合に、隣接する短冊状の画像間に隙間が形成されないように取得するためのフレームレートｆとなっている。

具体的には、図８に鎖線で示されるように移動速度ｖが変化する場合に、実線で示されるようにフレームレートｆを変化させる。そして、得られた短冊状の画像を挿入部３の移動距離に対応させて配列することにより、図９に示されるように、移動速度ｖに対して十分に高いフレームレートｆを有する場合には、隣接する短冊状の画像どうしが重なるように配列され、画像間に隙間が生じないように配列された２次元的な白色光画像Ｇ１および蛍光画像Ｇ２を取得することが可能となる。

したがって、画像処理部７により形成された画像Ｇ１，Ｇ２には隙間がなく、これを画像表示部８に表示することにより、挿入方向に沿う生体組織の画像を漏れなく表示することができる。その結果、観察者が患部を見落とすことをより確実に防止することができるという利点がある。

また、本実施形態によれば、挿入部の移動速度の変化にかかわらず、図１０に示されるように、挿入部３の挿入方向に歪んでいない画像を取得することができる。そして、例えば、図１１に示されるように、移動距離と周方向の蛍光強度の総和との関係を示すグラフを描くことにより、高い蛍光強度を示す位置に、癌細胞や炎症等の病変の存在を確認することができる。

この場合において、本実施形態によれば、挿入速度ｖに応じて露光時間ｔを調節することで、速い挿入速度ｖで挿入される場合に露光時間ｔを短くしてブレを防止することができる。また、露光時間ｔのみを短くすると蛍光画像の強度が変化することとなるが、本実施形態に置いては露光時間ｔに対応させて受光感度ｓを調節しているので、蛍光画像の強度を変化させることが防止され、病変を確認するための蛍光強度の定量性を確保することができるという利点がある。

なお、本実施形態に係る内視鏡システム１において、図１２に示されるように、挿入部３は、白色光検出器１３および蛍光検出器１４に対して着脱可能に構成されることとしてもよい。すなわち、白色光検出器１３，蛍光検出器１４およびダイクロイックプリズム１２を含む光検出装置１９に、光コネクタ２０を介して挿入部３を着脱させることとすればよい。

この場合において、光検出装置１９には、光コネクタ２０を接続するレセプタクル２１と、該レセプタクル２１とダイクロイックプリズム１２とを接続する第２のイメージガイド２２と、後述する情報保持部２３内に保持されている情報を読み取る情報検知部２４とが備えられている。
また、光コネクタ２０は、レセプタクル２１に接続されたときに第２のイメージガイド２２の端面に対向させるようにイメージガイド１７を保持しているとともに、前記情報検知部２４に対向する位置に配される情報保持部２３を備えている。

情報保持部２３は、偏向光学系に関する特徴情報として、挿入部３先端に配されている円錐ミラー１０の形状により規定される１フレーム毎の短冊状の画像の幅寸法に係る情報を保持している。
具体的には、情報検知部２４は、例えば、図１３に示されるように、複数の押しピン２４ａと該押しピン２４ａに接続されたスイッチ２４ｂとを備えている。また、情報保持部２３は、複数の押しピン２４ａの内の一部の押しピン２４ａに対応する位置に配置された複数の検知ピン２３ａを備えている。

ここで、複数の検知ピン２３ａは、円錐ミラー１０の形状により規定される１フレーム毎の短冊状の画像の幅寸法に応じて、各挿入部３毎に異なる配列となるように設定されている。すなわち、検知ピン２３ａの配列が、短冊状の画像の幅寸法に係る情報を保持している。

スイッチ２４ｂは、押しピン２４ａが押されるときにオンの状態となるように構成されている。つまり、検知ピン２３ａに対向した一部の押しピン２４ａのみが検知ピン２３ａにより押され、該押しピン２４ａに接続されているスイッチ２４ｂのみが選択的に導通されるようになっている。

これにより、情報検知部２４は、複数の信号線２４ｃの一部を選択的に導通させられることにより、短冊状の画像の幅寸法に係る情報を検知して、当該信号線２４ｃにより伝送される信号束を検知信号として制御部６に出力するようになっている。
制御部６においては、情報検知部２４から入力された検知信号に基づいて、短冊状の画像の幅寸法を読み取り、移動速度ｖに応じたフレームレートｆの算出の設定が変更され、変更後の設定に基づいて移動速度ｖに応じてフレームレートｆ、露光時間ｔおよび受光感度ｓが算出され、各検出器１３，１４に対して指令信号が出力されるようになっている。

この場合に、挿入部３が交換されると、該挿入部３の先端に設けられている円錐ミラー１０の視野範囲、すなわち、１フレーム毎の短冊状の画像の幅寸法に比例して移動速度ｖの範囲が設定される。例えば、上記画像の幅寸法が０．５ｍｍである場合に、移動速度ｖが０＜ｖ≦１５ｍｍ／ｓではフレームレート３０（１／ｓ）、移動速度１５＜ｖ≦３０ｍｍ／ｓではフレームレート６０（１／ｓ）、移動速度３０＜ｖ≦６０ｍｍ／ｓではフレームレート１２０（１／ｓ）に設定される。つまり、上記画像の幅寸法が広い程、移動速度を速くすることができる。

このように構成することにより、短冊状の画像の幅寸法の変化に応じて、適切なフレームレートｆを設定でき、円錐ミラー１０等の偏向光学系の形状が異なるような挿入部３に交換する場合であっても、画像間に隙間が生じないように配列された２次元的な白色光画像Ｇ１および蛍光画像Ｇ２を取得することができる。また、この場合に、隣接する短冊状の画像どうしの重なりを必要かつ最小限に抑えることができる。その結果、画像処理量を最適化するとともに、観察者が患部を見落としてしまうことをより確実に防止することができる。

また、本実施形態においては、挿入方向に間隔をあけたマークの幅寸法が変化する場合について説明したが、図１４に示されるように等間隔の縞状のマークを採用し、マークの数をカウントすることで、移動距離を検出することとしてもよい。
また、画像表示部においては、図１５に示されるように、挿入部の移動距離を表示することとしてもよい。

さらに、図１６に示されるように、挿入部の移動距離の表示に併せて、輝度の総和値の高い部分を指示する表示を行うこととしてもよい。これにより、輝度値が高く、病変の可能性が高い部分において挿入部をゆっくり移動させ、詳細な観察を行うとともに、それ以外の部分においては速く移動させて観察効率を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内視鏡システムを示す全体構成図である。 図１の内視鏡システムの挿入部の速度検出部を説明する図である。 図２と同様の速度検出部を説明する図である。 図１の内視鏡システムにおける挿入部の移動速度と光検出器の露光時間との関係を示すグラフである。 図１の内視鏡システムにおける光検出器の露光時間と受光感度との関係を示すグラフである。 図１の内視鏡システムにおける挿入部の移動速度と光検出器の受光感度との関係を示すグラフである。 図１の内視鏡システムにおける挿入部の移動速度と光検出器のフレームレートとの関係を示すグラフである。 図１の内視鏡システムにおける挿入部の移動距離と、移動速度および光検出器のフレームレートとの関係を示すグラフである。 図８のＡ部の詳細と、短冊状の画像を配列して生成された画像例を示す図である。 図９により生成された画像例を示す図である。 図１０の画像例における移動距離と蛍光画像の輝度値総和との関係を示すグラフである。 図１の内視鏡システムの変形例を示す全体構成図である。 図１２の内視鏡システムにおいて、偏向光学系に関する特徴情報を保持する情報保持部と情報保持部に保持された情報を読み取る情報検知部を説明する図である。 挿入部に設けるマークの変形例を示す図である。 挿入部の移動距離の表示例を示す図である。 挿入部の移動距離と併せた高輝度部の表示例を示す図である。

符号の説明

ｆ フレームレート
ｓ 受光感度
ｔ 露光時間
１ 内視鏡システム
２ 光源
３ 挿入部
４ 光検出器（撮像手段）
５ 速度検出部（挿入速度検出手段）
６ 制御部（フレームレート調節手段：露光補正手段：感度補正手段：速度算出手段）
７ 画像処理部（画像形成手段）
８ 画像表示部（表示手段）
１０ 円錐ミラー（偏向光学系）
１３ 白色光検出器（撮像手段）
１４ 蛍光検出器（撮像手段）
１５ マーク
１６ 画像センサ（マーク検出手段）

Claims (5)

1. 生体に照射される照射光を発する光源と、
   生体に挿入され、前記光源からの照射光および生体からの戻り光を導光する挿入部と、
   該挿入部先端に設けられ、前記挿入部を介して導光された前記照射光を前記挿入部の半径方向外方に指向させ、生体からの前記挿入部の半径方向内方に向かう戻り光を挿入部内に導入する偏向光学系と、
   前記挿入部を介して導光された戻り光を撮影する撮像手段と、
   前記挿入部の挿入速度を検出する挿入速度検出手段と、
   該挿入速度検出手段により検出された挿入速度に応じて前記撮像手段により撮影するフレームレートを調節するフレームレート調節手段と、
   前記挿入速度検出手段により検出された挿入速度に基づいて、前記撮像手段による露光時間を補正する露光補正手段と、
   該露光補正手段により補正された露光時間に応じて撮像手段の受光感度を補正する感度補正手段と、
   前記撮像手段により得られた短冊状の画像を前記挿入速度に基づくピッチで配列し、生体内の画像を形成する画像形成手段と、
   該画像形成手段により形成された画像を表示する表示手段とを備える内視鏡システム。
2. 前記挿入速度検出手段が、前記挿入部の外面に挿入方向に沿って設けられたマークと、該マークを検出するマーク検出手段と、検出されたマークに基づいて挿入速度を算出する速度算出手段とを備える請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記戻り光が、蛍光または白色光の少なくとも１つを含む請求項１又は請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記偏向光学系が、円錐ミラーを含む請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の内視鏡システム。
5. 生体に挿入される挿入部の先端から、挿入方向の各位置において半径方向外方に向けて照射光を発生し、生体から戻る戻り光を撮影して短冊状の画像を取得し、取得された画像を配列して生体内の画像を形成し、生成された画像を表示する内視鏡の作動方法であって、
   挿入速度検出手段が挿入部の挿入速度を検出し、
   検出された前記挿入速度に基づいて、フレームレート調節手段が短冊状の画像を取得するフレームレートを調節し、
   検出された前記挿入速度に基づいて、露光補正手段が短冊状の画像を取得する際の露光時間を補正し、
   感度補正手段が、補正された露光時間に応じて受光感度を補正する内視鏡の作動方法。

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