JP5008901B2 - 散乱媒質内観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、散乱媒質内観察装置および散乱媒質内観察方法に関するものである。

疾患部分を摘出するなどの外科手術を行う場合には、血管やリンパ管などの循環器や神経を損傷しないように、その位置を把握しながら手術が進められる。このため、執刀する担当医は血管等の位置を解剖学的に熟知する必要がある。特に、血管の場所を特定することは必要不可欠である。

しかし、血管等の配置・分布には個人差があるため、手術に際しては、血管の位置を慎重に探しながら切開する必要があり、手術時間が長期化してしまう不都合がある。
手術時間の長期化は、患者への負担を増大させることになる。したがって、患者への負担を軽減するために、血管等の配置を個人差にかかわらず確認することが必要になってきている。

血管の位置情報を検出する方法としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。
この特許文献１の方法は、静脈認証技術であり、血管の配置・分布に個人差があることを利用して、血管の配置・分布から個人を特定する技術である。
特開２０００−３３９４４５号公報

しかしながら、この静脈認証技術は、掌の皮膚近傍に存在する静脈を血管中のヘモグロビンの吸光特性を利用して検出する技術であるため、皮膚表面から深い位置にある血管を検出することはできない。また、この静脈認証技術は、皮下の血管を検出対象としている。皮膚は生体組織の中でも光を比較的散乱させずに透過させる特性を有しているからである。

これに対して、外科手術等において配置や分布を確認したい血管等は、臓器表面の内臓脂肪や皮下深部組織等の内部に存在する。内臓細胞や皮下深部組織は、皮膚と比べると光の散乱特性が強く、表面近傍で強く反射され、内部の血管等の物体の情報を検出することが困難である。
したがって、特許文献１の静脈認証技術では、内臓脂肪等の散乱媒質を含む観察対象内部の物体の存否を確認することができないという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、内臓脂肪等の散乱媒質を含む観察対象内部の物体の存否を精度よく確認することを可能とする散乱媒質内観察装置および散乱媒質内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、光源と、該光源からの光を散乱媒質を含む観察対象に導く照明光学系と、前記観察対象の表面に投影する前記光源の像を光軸に交差する方向に走査する光源像走査手段と、前記照明光学系により照明された前記観察対象の画像を取得する観察光学系と、該観察光学系における前記光源の像と略共役な位置に配置され、前記照明光学系により前記観察対象の表面に投影される前記光源の像を遮光する遮光部材と、該遮光部材を光軸に交差する方向に走査する遮光部材走査手段と、前記光源像走査手段および前記遮光部材走査手段を同期して制御する制御手段と、を備え、該制御手段は、前記光源を前記観察対象の表面において移動させた場合に、前記遮光部材が前記観察対象の表面に投影される光源の像をその都度遮光するように、前記光源走査手段と前記遮光部材走査手段とを制御する散乱媒質内観察装置を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた光が照明光学系により観察対象に照射されると、散乱媒質を含む観察対象においてはその表面において、一部が反射し一部が観察対象内に進行する。観察対象の表面において反射された光により光源の像が形成されることとなるが、観察光学系に遮光部材が設けられているので、取得される画像内に光源の像が含まれることが防止され、観察対象の表面から内部に進行した後に観察対象の表面に戻って射出された光が撮影される。観察対象内に進行した光は、観察対象内部の散乱媒質により散乱されて仮想的な光源が形成されるので、形成された仮想的な光源よりも表面側に配置されている物体の影を撮影することが可能となる。その結果、内臓脂肪等の散乱媒質を含む観察対象内部の物体の存否を精度よく確認することができる。
また、制御手段の作動により、光源像走査手段による光源の像の走査に同期して、遮光部材走査手段により遮光部材が走査させられるので、光源の像が移動しても、常に、取得される画像内から光源の像を除外して、光源の像以外の領域から射出される光のみにより画像を形成することが可能となる。これにより、遮光部材が固定されている場合に観察範囲に生じる死角の発生を防止し、観察範囲全体における散乱媒質内の観察を行うことが可能となる。

また、上記した本発明は、前記観察光学系が、前記照明光学系により前記観察対象の表面に投影される前記光源の像以外の領域から射出する光を撮影することが好ましい。
本発明によれば、観察光学系が、観察対象の表面に投影される光源の像以外の領域からの光を撮影するので、輝度の高い光源の像を考慮しなくて済む。これにより、ＣＣＤ等のカメラのダイナミックレンジを大きくしなくても、観察対象内部の物体の存否を確認することが可能となる。例えば、光源像をカメラの視野範囲外に配置することにより、取得される画像内から光源の像を簡易に除外することができる。

また、上記発明においては、前記光源の像と、前記遮光部材とが相似形であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光源と前記遮光部材とが共役な位置に配置されていることとしてもよい。

上記発明においては、前記光源の像を矩形状に形成するスリットを備え、前記遮光部材が、前記スリットによる矩形状の前記光源の像を遮光する大きさの矩形状に形成することができる。
このようにすることで、矩形状の光源の像を観察対象の表面上において移動させて、観察対象の異なる領域を逐次照明することができ、その際に、観察対象の表面に投影される光源の像及びその周囲に形成される仮想的な光源の像をその都度遮光部材で遮光することができる。

また、上記発明においては、２以上の遮光部材を備え、光源からの光の強度に応じて遮光部材を切り替える切替手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、表面から深い位置にある物体を検出するために、光源からの光の強度を増加させると、表面上における光源の像の大きさが大きくなるが、切替手段の作動により、遮光部材を切り替えることで、光源の像の大きさに合わせた遮光部材を選択して、取得される画像内から光源の像を除外することができる。

また、本発明の参考例は、光源からの光を散乱媒質を含む観察対象の表面に投影し、光源を前記観察対象の表面において走査させ、該観察対象の表面に投影される光源の像をその都度遮光し、該観察対象の表面に投影された光源の像以外の領域から射出された光を撮影し、取得された画像に基づいて、観察対象内部の物体の存否を観察する散乱媒質内観察方法を提供する。

本発明によれば、内臓脂肪等の散乱媒質を含む観察対象内部の物体の存否を精度よく確認することができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る散乱媒質内観察装置（以下、単に観察装置と言う。）１について、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、光源２と、光源２からの照明光Ｌ_１を集光する照明光学系３と、該照明光学系３により集光された照明光Ｌ_１の一部を反射するハーフミラー４と、該ハーフミラー４により反射された照明光Ｌ_１を集光して観察対象Ａに照射させる一方、観察対象Ａからの戻り光Ｌ_２を集光する対物レンズ５と、該対物レンズ５により集光され、ハーフミラー４を透過した戻り光Ｌ_２を撮影して画像を取得する観察光学系６とを備えている。

該観察光学系６は、ハーフミラー４を透過した戻り光Ｌ_２を集光して中間像を結像させる結像レンズ７と、該結像レンズ７による中間像位置Ｂ近傍に配置された遮光部材８と、該遮光部材８により遮光されずに透過した戻り光Ｌ_２を集光して結像レンズ７による像をリレーするリレー光学系９と、該該リレー光学系９による結像位置に配置され、戻り光Ｌ_２を撮像するＣＣＤ等の撮像素子１０とを備えている。

前記遮光部材８の配置されている結像レンズ７による中間像位置Ｂと、対物レンズ５による光源２の像の結像位置とは光学的に略共役な位置関係に配置されている。また、対物レンズ５による光源２の像の結像位置と光源２とも略共役な位置関係に配置されている。

前記遮光部材８の大きさは、前記観察対象Ａの表面に形成される光源２の像の大きさに従って定められている。光源２の強度が高く、観察対象Ａ内の散乱媒質による散乱特性が強い場合、観察対象Ａの表面には大きな光源像（後述する比較的浅い仮想光源の像も含む。）Ｃが形成されるので、これに合わせて遮光部材８は、光源像Ｃからの戻り光が撮像素子１０に向けて通過するのを阻止するのに必要な大きさおよび形状を備えている。

すなわち、観察対象Ａの表面に投影される光源２の像は光源２の大きさによって決定されるが、観察対象Ａ内部の散乱媒質により散乱した結果形成される仮想光源の像が光源２の強度によって変化するので、遮光部材８の大きさは、観察対象Ａの表面に投影される光源２の像および、観察対象Ａ内の浅い位置に形成される仮想光源の像を遮光するような大きさに設定されている。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１を用いた観察方法について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて内臓脂肪等の散乱媒質を含む観察対象Ａを観察するには、ランプ等の光源２から発生せられ、照明光学系３で集光され、ハーフミラー４および対物レンズ５を介して伝播された照明光Ｌ_１を、観察対象Ａに照射し、観察対象Ａの表面上に光源２の像Ｃを形成する。

観察対象Ａに照射された照明光Ｌ_１の内の一部は表面で反射され、その他の部分が観察対象Ａ内の散乱媒質により散乱され、図２および図３に示されるように、表面から連続的に多数の仮想的な光源（以下、仮想光源と言う。）２Ａ〜２Ｃを形成していく。ここで、仮想光源２Ａ〜２Ｃは観察対象Ａ内に連続的に無数に形成されるが、ここでは、説明の簡略のため、複数の有限な仮想光源２Ａ〜２Ｃが形成されたものとして説明する。

観察対象Ａ内に形成された仮想光源２Ａ〜２Ｃおよび観察対象Ａの表面上に形成された光源２の像Ｃは、対物レンズ５および結像レンズ７を介して、中間像位置Ｂにリレーされ、さらに、リレー光学系９により撮像素子１０の撮像面１０ａにリレーされる。そして、撮像素子１０の作動により観察対象Ａの表面の画像が取得される。

この場合において、本実施形態に係る観察装置１においては、結像レンズ７による中間像位置Ｂに遮光部材８が配置されているので、該遮光部材８により観察対象Ａの表面上に形成された光源２の像Ｃおよび、観察対象Ａの浅い位置に形成された仮想光源２Ａの像が遮光部材８によって遮光される。これにより、強度の高い光源２の像Ｃおよび仮想光源２Ａの像が撮像素子１０により撮影されることが防止される。

すなわち、本実施形態に係る観察装置１によれば、観察対象Ａの表面下の比較的深い位置に形成された仮想光源２Ｂ，２Ｃからの弱い光のみが撮像素子１０によって撮像される。したがって、撮像素子１０により撮像される比較的深い位置の仮想光源２Ｂ，２Ｃと、観察対象Ａの表面との間に血管等の検出対象Ｘが存在する場合、撮像素子１０により取得される画像中には検出対象Ｘが影となって現れることになる。これにより、簡易に検出対象Ｘの存否を判定することが可能となる。

この場合において、遮光部材８により光源２の像Ｃおよび仮想光源２Ａの像が撮像素子１０により撮影されることが防止されるので、撮像素子１０に入射される光量は全体的に小さくなる。したがって、光源２の像Ｃ等からの強い光によるノイズの発生を低減でき、撮像素子１０の感度を増大させることによって、検出対象Ｘの存否の判定を簡易に行うことが可能となる。

図２および図３に、遮光部材８による遮光領域と観察可能な検出対象Ｘの深さとの関係を示す。
図２に示されるように、検出対象Ｘが観察対象Ａ内の比較的浅い位置にある場合、検出対象Ｘと観察対象Ａの表面との間に形成される表面側の仮想光源２Ａも観察対象Ａの表面近くに形成される。このため、観察対象Ａ内での散乱の影響が少なく、観察対象Ａの表面上に投影された光源２の像Ｃに対して、表面側の仮想光源２Ａの像の大きさがさほど大きくならない。したがって、検出対象Ｘよりも表面側の仮想光源２Ａを遮光するための遮光部材８としては表面上に投影された光源２の像Ｃに対して若干大きいものを採用すればよい。

一方、図３に示されるように、検出対象Ｘが観察対象Ａ内の比較的深い位置にある場合、検出対象Ｘよりも表面側に配置される散乱媒質が増えるため、形成される仮想光源２Ａ，２Ｂが多くなる。また、散乱による影響も大きくなるので、仮想光源２Ａ，２Ｂの大きさも大きくなる。さらに、比較的深い位置にある検出対象Ｘを検出しようとする場合、観察対象Ａの表面から入射される照明光Ｌ_１が検出対象Ｘまで届きにくくなるので、光源２から発する照明光Ｌ_１の強度を高くする必要もある。その結果、仮想光源２Ａ，２Ｂの大きさはさらに大きくなる。
このため、比較的深い位置に配置されている検出対象Ｘを検出するためには、比較的浅い位置に配置されている検出対象Ｘを検出する場合よりも、遮光部材８による遮光領域を大きくする必要がある。

したがって、検出対象Ａの深さ位置を特定することができない場合には、遮光部材８として、大きさの異なる複数の遮光部材８を用意しておき、ターレット等の切替手段（図示略）によって切り替えながら観察していくこととしてもよい。これにより検出対象Ｘの深さに適した大きさの遮光部材８によって光源２の像Ｃ等を遮光して、検出対象Ｘの存否を確認することができる。
また、上述したように、切替手段による遮光部材８の切替を、光源２から発せられる照明光Ｌ_１の強度の切替に同期して行うようにしてもよい。

また、本実施形態に係る観察装置１においては、結像レンズ７による中間像位置Ｂに固定した遮光部材８により光源２の像Ｃ等を遮光することとしたが、これに代えて、観察対象Ａの表面における光源２の像を光軸に交差する方向に移動させ、これに同期して、遮光部材８を光軸に交差する方向に移動させることとしてもよい。

例えば、照明光学系３に、観察対象Ａの表面上に投影される光源２の像Ｃを、図４に示されるような矩形状に形成するスリット（図示略）と、該スリットを光軸に直交する方向に移動させるスリット移動機構（図示略）とを設ける。また、遮光部材８として、前記矩形状の光源２の像Ｃ等を遮光する大きさの矩形状のものを採用するとともに、該遮光部材８を光軸に直交する方向に移動させる遮光部材移動機構（図示略）を設ける。そして、スリット移動機構および遮光部材移動機構を同期して移動させる制御装置（図示略）を設けることとしてもよい。

このようにすることで、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、矩形状の光源２の像Ｃを観察対象Ａの表面上において移動させて、観察対象Ａの異なる領域を逐次照明することができ、その際に、観察対象Ａの表面に投影される光源２の像Ｃおよびその周囲に形成される仮想光源２Ａの像をその都度遮光部材８で遮光することができる。したがって、上記と同様にして、観察対象Ａの表面およびその近傍以外の箇所から出射される、血管等の検出対象Ｘよりも深い位置に形成された仮想光源２Ｂ，２Ｃからの光を撮影することができる。

そして、所定の時間間隔で撮像素子１０により観察対象Ａ表面の画像を取得して保存しておき、得られた複数枚の画像を合成することにより、図５に示されるように、観察対象Ａの観察範囲全体の画像を生成することができる。
その結果、遮光部材８を固定した場合には遮光部材８の死角に配置された観察対象Ａを観察できない場合があるが、光源２および遮光部材８を走査することにより、遮光部材８の死角をなくし、得られた画像から、観察範囲全体において検出対象Ｘの存否を判断することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る散乱媒質内観察装置（以下、観察装置と言う。）１′について、図６を参照して説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る散乱媒質内観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る観察装置１′は、第１の実施形態に係る観察装置１が、対物レンズ５の光軸に沿う方向に照明光Ｌ_１を照射する、いわゆる落射照明であったのに対し、対物レンズ５の外側から斜めに照明光Ｌ_１を照射する点で相違している。

このように構成された観察装置１′を用いた観察方法について、以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１′によれば、光源２から、照明光学系３を介して集光され、観察対象Ａの表面に対して、斜め方向から照射される照明光Ｌ_１は、その一部が、表面において反射され、その他の部分が表面から観察対象Ａ内に入射されることとなるが、表面において反射する照明光Ｌ_１は、対物レンズ５に入射しない方向に反射される。したがって、対物レンズ５を介して集光される戻り光Ｌ_２は、観察対象Ａ内部に形成された仮想光源２Ａ〜２Ｃからの光のみとなる。

そして、結像レンズ７の中間像位置Ｂに配置された遮光部材８によって、比較的浅い位置に形成された仮想光源２Ａからの光が遮光され、比較的深い位置に形成された仮想光源２Ｂ，２Ｃからの光により血管等の検出対象Ｘが影となって現れた画像を取得することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、観察対象Ａ内部における検出対象Ｘの存否を簡易に判定することができる。

なお、光源２からの照明光Ｌ_１の強度に応じて、あるいは、検出対象Ｘの深さに応じて遮光部材８の大きさを切り替えることが有効である点、および、光源２および遮光部材８を同期して走査させることで遮光部材８の死角を発生させることなく観察範囲全体を観察することができる点は、第１の実施形態における観察装置１と同様である。

次に、本発明の第３の実施形態に係る散乱媒質内観察装置（以下、観察装置と言う。）１″について、図７を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る散乱媒質内観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る観察装置１″は、光源としてレーザ光源２′を使用している点、および、ハーフミラー４に代えて偏光ビームスプリッタ４′を採用した点において、第１の実施形態と相違している。

本実施形態に係る観察装置１″によれば、レーザ光源２′から発せられたレーザ光Ｌ_１は直線偏光であるため偏光ビームスプリッタ４′により反射されて、対物レンズ５を介して観察対象Ａに照射される。観察対象Ａに照射されたレーザ光Ｌ_１の一部は、観察対象Ａの表面において反射され、他の部分は観察対象Ａ内に入射される。観察対象Ａの表面において反射されたレーザ光Ｌ_１は、対物レンズ５により集光されて偏光ビームスプリッタ４′に入射されるが、この場合、レーザ光Ｌ_１の偏光方向に変化はないので、偏光ビームスプリッタ４′により再度反射され、リレー光学系９に入射することが阻止される。

観察対象Ａの表面において反射されることなく観察対象Ａ内に入射されたレーザ光Ｌ_１は、観察対象Ａ内部の散乱媒質により散乱されて、仮想光源２Ａ〜２Ｃを形成していく。レーザ光Ｌ_１は、散乱媒質によって散乱されるに従って偏光状態が乱れていき、無偏光の状態となっていく。その結果、観察対象Ａの表面から出射され、対物レンズ５により集光された仮想光源２Ａ〜２Ｃからの光は、偏光ビームスプリッタ４′を透過して、仮想光源２Ａ〜２Ｃの像を結像レンズ７による中間像位置Ｂに形成するようになる。

特に、観察対象Ａ内部の比較的浅い位置に仮想光源２Ａを形成したレーザ光Ｌ_１の戻り光Ｌ_２は、比較的深い位置に仮想光源２Ｂ，２Ｃを形成したレーザ光Ｌ_１の戻り光Ｌ_２よりも散乱が少ないため、偏光状態の乱れが少なく直線偏光成分が多く含まれる。このため、比較的浅い位置で仮想光源２Ａを形成したレーザ光Ｌ_１の戻り光Ｌ_２は、その直線偏光成分が偏光ビームスプリッタ４′により反射され、比較的深い位置で仮想光源２Ｂ，２Ｃを形成したレーザ光Ｌ_１の戻り光Ｌ_２は、そのほぼ全体が偏光ビームスプリッタ４′を透過するようになる。

その結果、観察対象Ａ表面における反射光および観察対象Ａの比較的浅い位置における仮想光源２Ａからの戻り光を偏光ビームスプリッタ４′により遮断し、比較的深い位置における仮想光源２Ｂ，２Ｃの強度を相対的に強くすることができる。その結果、遮光部材８を小さくしても、比較的深い位置に存在する検出対象Ｘを簡易に検出することができ、遮光部材８による死角を少なくすることができるという利点がある。

また、図８（ａ）に示されるように、照明光学系２′から照射するレーザ光Ｌ_１をアレイ状に形成し、これに対応して、図８（ｂ）に示されるように、遮光部材８をアレイ状に形成することとしてもよい。このようにすることで、少ない死角で広範囲にわたる観察を行うことができるという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係る散乱媒質用観察装置を示す全体構成図である。 図１の散乱媒質用観察装置において、比較的浅い位置に検出対象が存在する場合の遮光部材による遮光領域と観察対象内に形成される仮想光源との関係を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。 図１の散乱媒質用観察装置において、比較的深い位置に検出対象が存在する場合の遮光部材による遮光領域と観察対象内に形成される仮想光源との関係を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。 図１の散乱媒質用観察装置の変形例であって、矩形状の光源像および遮光部材を走査する場合について説明する（ａ）走査開始位置近傍（ｂ）走査途中位置における観察画像例を示す図である。 図４の画像を合成して取得された観察範囲全体の観察画像例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る散乱媒質用観察装置を示す全体構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る散乱媒質用観察装置を示す全体構成図である。 図７の散乱媒質用観察装置の変形例であって、（ａ）アレイ状にレーザ光の光源像の例、（ｂ）アレイ状の遮光部材の例を示す図である。

符号の説明

Ａ 観察対象
Ｃ 像
１ 観察装置（散乱媒質内観察装置）
２ 光源
２′ レーザ光源（光源）
３ 照明光学系
６ 観察光学系
８ 遮光部材

Claims (7)

1. 光源と、
   該光源からの光を散乱媒質を含む観察対象に導く照明光学系と、
   前記観察対象の表面に投影する前記光源の像を光軸に交差する方向に走査する光源像走査手段と、
   前記照明光学系により照明された前記観察対象の画像を取得する観察光学系と、
   該観察光学系における前記光源の像と略共役な位置に配置され、前記照明光学系により前記観察対象の表面に投影される前記光源の像を遮光する遮光部材と、
   該遮光部材を光軸に交差する方向に走査する遮光部材走査手段と、
   前記光源像走査手段および前記遮光部材走査手段を同期して制御する制御手段と、を備え、
   該制御手段は、前記光源を前記観察対象の表面において移動させた場合に、前記遮光部材が前記観察対象の表面に投影される光源の像をその都度遮光するように、前記光源走査手段と前記遮光部材走査手段とを制御する散乱媒質内観察装置。
2. 前記観察光学系が、前記照明光学系により前記観察対象の表面に投影される前記光源の像以外の領域から射出する光を撮影する請求項１に記載の散乱媒質内観察装置。
3. 前記光源の像と、前記遮光部材とが相似形である請求項１または請求項２に記載の散乱媒質内観察装置。
4. 前記光源と前記遮光部材とが共役な位置に配置されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の散乱媒質内観察装置。
5. ２以上の遮光部材を備え、
   光源からの光の強度に応じて遮光部材を切り替える切替手段を備える請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の散乱媒質内観察装置。
6. 前記光源の像を矩形状に形成するスリットを備え、
   前記遮光部材が、前記スリットによる矩形状の前記光源の像を遮光する大きさの矩形状に形成されている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の散乱媒質内観察装置。
7. 光源と、
   該光源からの光を散乱媒質を含む観察対象に導く照明光学系と、
   該照明光学系により照明された前記観察対象の画像を取得する撮像素子を備える観察光学系とを備え、
   該観察光学系において、前記照明光学系からの光により前記観察対象の表面に投影される前記光源の像および前記観察対象内の浅い位置に形成される仮想光源の像を遮光する大きさに設定され、前記光源の像および前記仮想光源の像から反射した光を遮光すると共に前記観察対象における前記光源の像および前記仮想光源の像以外の領域から射出する光を前記撮像素子に入射させる遮光部材を、前記光源の像と略共役な位置に配置した散乱媒質内観察装置。

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