JP5072404B2 - 蛍光観察電子内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光観察電子内視鏡装置、より詳細には、通常観察と蛍光観察が可能な電子内視鏡において、通常観察時の色解像度及び蛍光観察時の感度を高めた蛍光電子内視鏡装置に関する。

従来、電子内視鏡装置にては、信号処理の容易さ、動画処理に適している等の理由により、インターレース方式のＣＣＤ撮像素子が使用されている。そうして、通常観察用には、色解像度及び色再現性の良さから、原色フィルタを使用したＣＣＤ撮像素子が使用されている。一方、蛍光観察用電子内視鏡では光の利用効率が高く感度がよいことから、補色フィルタのＣＣＤ撮像素子が使用されていた。本出願人は、白色光と蛍光励起用の励起光とを交互に照射して得られた通常観察像と蛍光観察像とをモニター上に表示する蛍光観察電子内視鏡装置を提案した（特許文献１）。
特開平２００５-３１９２１３号公報

しかしながら、補色フィルタの撮像素子は、原色フィルタを使用した撮像素子に比べて色分解能が低いため、通常観察で使用する通常画像の色解像度が悪かった。一方、原色フィルタの撮像素子は感度が低いため、蛍光観察には適さなかった。そのため、通常観察及び蛍光観察の両方が可能な蛍光観察電子内視鏡装置において、通常観察においては色分解能が高く、かつ蛍光観察においては感度が高い蛍光観察電子内視鏡が求められていた。

本発明は、かかる従来の電子内視鏡の問題に鑑みてなされたものであって、通常観察及び蛍光観察の両方の用途に適した蛍光観察電子内視鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の蛍光観察電子内視鏡装置は、補色フィルタを備えた撮像素子が体内挿入部の先端部に内蔵された電子内視鏡を使用する蛍光観察電子内視鏡装置であって、赤、緑及び青帯域の照明光と励起光とを交互に体内挿入部の先端部から照射させる光源装置と；前記撮像素子が撮像する１フレーム中の一方のフィールド露光期間及び他方のフィールド露光期間に同期させて前記照明光及び励起光を照射させる制御手段と；前記撮像素子が前記一方のフィールド露光期間において前記照明光により照明された被写体の反射光を露光して撮像した一方のフィールド映像信号に基づく映像及び前記他方のフィールド露光期間において前記励起光を照射された被写体が発した蛍光を露光して撮像した他方のフィールド映像信号に基づく映像をそれぞれモニターに表示する映像処理手段と；を備えたことに特徴を有する。

前記映像処理手段は、前記二つの映像を、同一のモニター上において左右または上下に隣接させて表示することが好ましい。

本発明の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記撮像素子は、補色フィルタ及び励起光カットフィルタを備えたインターレース方式の撮像素子とすることができる。前記電子内視鏡は、体外部から体内挿入部の先端部まで延びるライトガイドを備え、前記光源装置に接続されたときに前記ライトガイドの入射端面から前記照明光または励起光が択一的に入射されて前記ライトガイドの射出端面から先端部外に射出される。

実際的には、前記光源装置は、白色光を発する照明用光源と、赤、緑及び青帯域の光のみを透過する狭帯域フィルタ及び前記白色光を遮光する遮光板を有し、前記狭帯域フィルタ及び前記遮光板を前記照明用光源と前記ライトガイドの入射端面との間の照明光路内に択一的に進出させるフィルタ手段とを備え、前記白色光が前記遮光板により遮蔽されている間に前記励起光が前記ライトガイドの射出端面から先端部外に射出する。

より具体的には、前記光源装置は、白色光を発する照明用光源及び励起光を発する励起用光源と、赤、緑及び青帯域の光のみを透過する狭帯域フィルタ及び前記照明用光源から射出された照明光を遮光する遮光板を有し、前記狭帯域フィルタ及び前記遮光板を前記照明用光源と前記ライトガイドの入射端面との間の照明光路内に択一的に進出させるフィルタ手段と、前記フィルタ手段と前記入射端面との間の照明光路内に配置されたダイクロイックミラーと、を備え、前記励起用光源は、前記照明光路外に配置されていて、励起光を前記ダイクロイックミラーに向かって射出し、前記ダイクロイックミラーは、前記狭帯域フィルタを透過した、赤、緑及び青帯域の照明光を透過し、前記励起光を前記ライトガイドの入射端面に向けて反射する。

前記狭帯域フィルタ及び遮光板は、円板形状の回転フィルタの直径を挟んで二分割された領域にそれぞれ形成されていて、この回転フィルタが回転することにより、前記狭帯域フィルタ及び遮光板が択一的に前記照明光路内に進出するように形成される。

前記照明用光源は前記回転フィルタの状態にかかわらず照明光を射出し、前記励起光用光源は、前記回転フィルタのフィルタが前記照明光路内に進出しているときは励起光を発せず、前記回転フィルタの遮光板が前記照明光路内に進出しているときに励起光を射出することが好ましい。

前記制御手段は、前記撮像素子が撮像する１フレーム中の一方のフィールド露光期間及び他方のフィールド露光期間に同期させて、前記回転フィルタを回転させ、前記励起光用光源を制御する。

補色フィルタの撮像素子と赤、緑及び青帯域の照明光により通常画像の色再現性が向上し、かつ補色フィルタの撮像素子により蛍光撮像するので蛍光撮像において高感度を得ることができる。

本発明の最良の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用する蛍光観察電子内視鏡の全体構成を示し、図２は、本発明を適用した電子内視鏡１０の撮像系及びビデオプロセッサ１００の主要回路を示している。

電子内視鏡１０は、可撓性の体内挿入部１１の先端部１２には、ＣＣＤ撮像素子３０が内蔵され、体内挿入部１１の基端に連結された操作部１３から延出するユニバーサルケーブル１４の先端に、ビデオプロセッサ１００のコネクタ部に接続されるコネクタ部１５が取り付けられている。電子内視鏡１０には、先端部１２内から体内挿入部１１、操作部１３、ユニバーサルケーブル１４を経てコネクタ部１５のライトガイドスリーブ１７内まで延びるライトガイド１６が内蔵されている。コネクタ部１５から突出したライトガイドスリーブ１７の端面は、ライトガイド１６の照明光入射端面１６ａと一致していて、コネクタ部１５がビデオプロセッサ１００のコネクタ部に接続された際に照明光入射端面１６ａは、内視鏡光源と光学的に接続される。この実施形態では、ビデオプロセッサ１００に内蔵された内視鏡光源の照明光用光源であるランプ１２２から発せられた照明光が、集光レンズ１２３によって収束され、照明光入射端面１６ａから入射する。照明光入射端面１６ａから入射した照明光はライトガイド１６内を導かれ、先端部１２の端面近傍に位置する照明光射出端面１６ｂから射出され、先端部１２の端面に設けられた配光レンズ１８によって所定の配光で外方に射出される。

さらに先端部１２の端面には対物レンズ１９が設けられていて、その奥にＣＣＤ撮像素子３０が配置されている。ライトガイド１６から射出された照明光により照明された被写体からの反射光が対物レンズ１９によって被写体像として投影され、投影された被写体像をＣＣＤ撮像素子３０が撮像して電気的な映像信号に変換して出力する。この映像信号は、ＡＦＥ回路２１で増幅及びＡ／Ｄ変換され、コネクタ部１５の電気コネクタ２２を介して、ビデオプロセッサ１００に出力される。ＣＣＤ撮像素子３０はインターレース方式であって、１画面（１フレーム）分の映像信号を、第１（奇数）フィールド信号及び第２（偶数）フィールド信号として交互に、１／６０秒毎に順次出力する。

ＣＣＤ撮像素子３０から出力された映像信号は、ＡＦＥ回路２１で増幅及びＡ／Ｄ変換され、ビデオプロセッサ１００に入力される。ビデオプロセッサ１００に入力され映像信号は、第１フィールド信号及び第２フィールド信号毎に、映像信号処理回路により処理される。この実施形態では、映像信号処理回路を構成する、第１、第２フィールド画像処理回路１０１ａ、１０１ｂにおいて、ホワイトバランス補正、輪郭強調補正、ガンマ補正が施される。さらにこれらの補正が施された映像信号がフィールド毎に、第１、第２フィールドマトリクス演算回路１０２ａ、１０２ｂによって所定の色調、色空間となるように演算され、画像表示演算回路１０３によって２画面表示のための処理が行われ、エンコーダ１０４によって所定の映像フォーマットにエンコードされて、ＴＶモニター１１０により、第１フィールド映像及び第２フィールド映像毎に独立して表示される。第１フィールド映像及び第２フィールド映像の画面は、同時に横位置または縦位置に隣接させて同じ大きさで表示することが好ましい。

ランプ１２２と集光レンズ１２３との間には、回転フィルタ１３３を設けている。回転フィルタ１３３は直径方向に二分割されたフィルタ領域１３３ａと遮光領域１３３ｂからなる（図３参照）。フィルタ領域１３３ａにはＲＧＢバンドパスフィルタが配置され、遮光領域１３３ｂには光を遮断する遮光板が配置されている。フィルタ領域１３３ａのＲＧＢバンドパスフィルタは、図４（Ａ）に示した通り、赤帯域Ｒ１、緑帯域Ｇ１、青帯域Ｂ１の光を透過する特性を有する狭帯域フィルタである。図４において、横軸は波長λ、縦軸は光量を表している。

回転フィルタ１３３は、その回転軸１３２が、ランプ１２２と集光レンズ１２３間の照明光路外に位置し、かつフィルタ領域１３３ａ、遮光領域１３３ｂが照明光路を縦断するように配置されている。さらに回転フィルタ１３３は回転軸１３２がモータ１３１の軸に連結支持されていて、このモータ１３１によって定速回転駆動される。

回転フィルタ１３３と集光レンズ１２３との間には、ダイクロイックミラー１４３が配置されている。回転フィルタ１３３のフィルタ領域１３３ａを透過した照明光が、このダイクロイックミラー１４３を透過し、集光レンズ１２３によって収束され、入射端面１６ａからライトガイド１６内に入射し、ライトガイド１６内を導かれて、射出端面１６ｂから射出し、配光レンズ１８で所定の配光状態に拡散されて、体腔内を照明する。体腔内の細胞で反射した照明光は、対物レンズ１９により、励起光カットフィルタ３３を透過してＣＣＤ撮像素子３０に投影され、通常像として撮像される。

ＣＣＤ撮像素子３０には、公知の補色フィルタ（図示せず）が用いられている。この補色フィルタの透過特性は、図４（Ｂ）に示した通り、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）及びグリーン（Ｇ）帯域の光を透過する。さらにこのＣＣＤ撮像素子３０の前方には、励起光がＣＣＤ撮像素子３０に入射するのをカットするための励起光カットフィルタ３３が配置されている。励起光カットフィルタ３３の特性及び励起光の特性は、図４（Ａ）に示した通りである。

照明光路外には励起用光源（レーザ光源）１４１及びコリメートレンズ１４２が配置されていて、励起用光源（レーザ光源）１４１から発せられ、コリメートレンズ１４２によって平行光束に絞られた励起光がダイクロイックミラー１４３に入射する。この励起光はダイクロイックミラー１４３により集光レンズ１２３に向かって反射され、集光レンズ１２３で収束されて入射端面１６ａから入射し、ライトガイド１６内を導かれて、射出端面１６ｂから射出し、配光レンズ１８で所定の配光状態に拡散されて、体腔内を照射する。励起光が照射された体腔内の生体細胞の内、ガン細胞などが蛍光（自家蛍光）を発し、その蛍光が、対物レンズ１９により、励起光カットフィルタ３３を透過して、ＣＣＤ撮像素子３０に投影され、蛍光像として撮像される。

モータ１３１及び励起用光源１４１は、回転フィルタ１３３の遮光領域１３３ｂが照明光路を遮断しているときに励起されてレーザ光を発振するように、制御回路１０５によって制御される。

体腔内からの反射光の内、蛍光のみを検出するために、ＣＣＤ撮像素子３０の前面には励起光カットフィルタ３３が配置されている。これにより遮光領域１３３ｂにより照明光を遮断し、励起光としてのレーザ光を照射しているときは蛍光観察を行うことができる。

このビデオプロセッサ１００は、システム全体を制御する制御回路１０５を備えている。制御回路１０５は、ランプ用電源１２１、励起用光源１４１の点灯制御を行うとともに、ＣＣＤ撮像素子３０の撮像動作と同期してモータ１３１を駆動制御する。つまり、ＣＣＤ撮像素子３０が第１フィールドの露光を行うときは回転フィルタ１３３のフィルタ領域１３３ａが照明光路内に位置するように、第２フィールドの露光を行うときは遮光領域１３３ｂが照明光路内に位置するように、ＣＣＤ撮像素子３０の同期信号と同期してモータ１３１の回転を制御する。この制御により、フィルタ領域１３３ａを透過した照明光による露光時間に得られた第１フィールド映像信号、遮光領域１３３ｂで白色光を遮断し、レーザ光による蛍光露光時間に得られた第２フィールド映像信号に基づく通常映像及び蛍光映像がＴＶモニター１１０上に並べて表示される。使用者は、単一のＴＶモニター１１０上で通常光映像と蛍光映像を同時に観察することができる。
なお、ランプ１２２からの照明光によって露光するときのフォールドを第２フィールド、励起光の照射によって露光するときのフォールドを第１フィールドとしてもよい。

図５には、ＣＣＤ撮像素子３０の補色フィルタ及びフィルタ領域１３３ａ（ＲＧＢバンドパスフィルタ）を透過する場合の分光特性を示した。図６（Ａ）は、シアン（Ｃｙ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタ透過する場合の分光特性、（Ｂ）はマゼンタ（Ｍｇ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタ透過する場合の分光特性、（Ｃ）はグリーン（Ｇ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタを透過する場合の分光特性、（Ｄ）はイエロー（Ｙｅ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタを透過する場合の分光特性を示している。これらの図において、斜線部が透過帯域である。

これらの分光特性から明らかなように、本実施形態のように補色フィルタと狭帯域のＲＧＢバンドバスフィルタとを組み合わせると、色分解能、色再現性が高い波長特性が得られる。つまり、フィルタ領域１３３ａを透過した照明光により露光した映像データは色再現性の高い自然な色画像となる。

一方、遮光領域１３３ｂで照明光を遮断して励起光により蛍光を発生させて補色フィルタを通して露光した蛍光画像が得られる。このように蛍光撮影のときは補色フィルタにより撮像するので、高感度が得られる。
なお、上記実施形態においては、コスト面、照明光の均一性を考慮して、フィルタ領域１３３ａにはＲＧＢバンドパスフィルタが配置されたフィルタ領域１３３ａ及び遮光領域１３３ｂを有する回転フィルタ１３３を回転させる構成として、赤帯域Ｒ１、緑帯域Ｇ１、青帯域Ｂ１の３つの色成分の照明光を得るようにしたが、これに代えて、赤帯域Ｒ１、緑帯域Ｇ１、青帯域Ｂ１の各色成分の光を発光する発光ダイオードを均一分布させた発光ダイオードアレイとし、この発光ダイオードアレイの発光・非発光を制御する構成としてもよい。

以上のように本発明の、補色フィルタのイメージセンサと光源にＲＧＢバンドパスフィルタを組み合わせることで、通常画像の色再現性を向上させ、かつ蛍光画像は従来通りの高い感度を得ることができる。さらに本発明の実施形態では、通常撮影画面と蛍光撮影画面とを同一のＴＶモニター１１０に並べて表示するので、体腔内の様子及び異常部位の様子、それらの比較が容易である。

本発明を適用した電子内視鏡１０の全体構成を示す図である。 本発明を適用した電子内視鏡１０の撮像系及びビデオプロセッサ１００の主要回路の主要部を示す図である。 本発明を適用した回転フィルタの概要を示す正面図である。 本発明を適用した蛍光観察電子内視鏡装置の分光特性をグラフで示す図であって、（Ａ）はＲＧＢバンドパスフィルタ、励起光及び励起光カットフィルタの特性を示し、（Ｂ）は補色フィルタの分光特性を示す図である。 本発明を適用した蛍光観察電子内視鏡装置の補色フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタを透過する場合の分光特性をグラフで示す図である。 本発明を適用した蛍光観察電子内視鏡装置におけるＲＧＢバンドパスフィルタ及び補色フィルタの分光特性を、（Ａ）は、シアン（Ｃｙ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタ透過する場合の分光特性、（Ｂ）はマゼンタ（Ｍｇ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタ透過する場合の分光特性、（Ｃ）はグリーン（Ｇ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタを透過する場合の分光特性、（Ｄ）はイエロー（Ｙｅ）フィルタ及びＲＧＢバンドパスフィルタを透過する場合の分光特性をグラフで示す図である。

符号の説明

１０ 電子内視鏡
１１ 体内挿入部
１２ 先端部
１３ 操作部
１４ ユニバーサルケーブル
１５ コネクタ部
１６ ライトガイド
１８ 配光レンズ
１９ 対物レンズ
３０ ＣＣＤ撮像素子
３３ 励起光カットフィルタ
１００ ビデオプロセッサ
１０１ａ 第１フィールド画像処理回路
１０１ｂ 第２フィールド画像処理回路
１０２ａ 第１フィールドマトリクス演算回路
１０２ｂ 第２フィールドマトリクス演算回路
１０５ 制御回路
１１０ ＴＶモニター
１２１ ランプ用電源
１２２ ランプ
１３３ 回転フィルタ
１３３ａ フィルタ領域
１３３ｂ 遮光領域

Claims (9)

1. 補色フィルタを備えた撮像素子が体内挿入部の先端部に内蔵された電子内視鏡を使用する蛍光観察電子内視鏡装置であって、
   赤、緑及び青帯域の照明光と励起光とを交互に体内挿入部の先端部から照射させる光源装置と；
   前記撮像素子が撮像する１フレーム中の一方のフィールド露光期間及び他方のフィールド露光期間に同期させて前記照明光及び励起光を照射させる制御手段と；
   前記撮像素子が前記一方のフィールド露光期間において前記照明光により照明された被写体の反射光を露光して撮像した一方のフィールド映像信号に基づく映像及び前記他方のフィールド露光期間において前記励起光を照射された被写体が発した蛍光を露光して撮像した他方のフィールド映像信号に基づく映像をそれぞれモニターに表示する映像処理手段と；を備えたことを特徴とする蛍光観察電子内視鏡装置。
2. 請求項１記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記映像処理手段は、前記二つの映像を、同一のモニター上において左右または上下に隣接させて表示する蛍光観察電子内視鏡装置。
3. 請求項１または２記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記撮像素子は、補色フィルタ及び励起光カットフィルタを備えたインターレース方式の撮像素子である蛍光観察電子内視鏡装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記電子内視鏡は、体外部から体内挿入部の先端部まで延びるライトガイドを備え、前記光源装置に接続されたときに前記ライトガイドの入射端面から前記照明光または励起光が択一的に入射されて前記ライトガイドの射出端面から先端部外に射出される蛍光観察電子内視鏡装置。
5. 請求項４記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記光源装置は、白色光を発する照明用光源と、赤、緑及び青帯域の光のみを透過する狭帯域フィルタ及び前記白色光を遮光する遮光板を有し、前記狭帯域フィルタ及び前記遮光板を前記照明用光源と前記ライトガイドの入射端面との間の照明光路内に択一的に進出させるフィルタ手段とを備え、前記白色光が前記遮光板により遮蔽されている間に前記励起光が前記ライトガイドの射出端面から先端部外に射出される蛍光観察電子内視鏡装置。
6. 請求項４記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記光源装置は、白色光を発する照明用光源及び励起光を発する励起用光源と、赤、緑及び青帯域の光のみを透過する狭帯域フィルタ及び前記照明用光源から射出された照明光を遮光する遮光板を有し、前記狭帯域フィルタ及び前記遮光板を前記照明用光源と前記ライトガイドの入射端面との間の照明光路内に択一的に進出させるフィルタ手段と、前記フィルタ手段と前記入射端面との間の照明光路内に配置されたダイクロイックミラーと、を備え、前記励起用光源は、前記照明光路外に配置されていて、励起光を前記ダイクロイックミラーに向かって射出し、前記ダイクロイックミラーは、前記狭帯域フィルタを透過した、赤、緑及び青帯域の照明光を透過し、前記励起光を前記ライトガイドの入射端面に向けて反射する蛍光観察電子内視鏡装置。
7. 請求項５または６記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記狭帯域フィルタ及び遮光板は、円板形状の回転フィルタの直径を挟んで二分割された領域にそれぞれ形成されていて、この回転フィルタが回転することにより、前記狭帯域フィルタ及び遮光板が択一的に前記照明光路内に進出する蛍光観察電子内視鏡装置。
8. 請求項７記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記照明用光源は前記回転フィルタの状態にかかわらず照明光を射出し、前記励起光用光源は、前記回転フィルタの狭帯域フィルタが前記照明光路内に進出しているときは励起光を発せず、前記回転フィルタの遮光板が前記照明光路内に進出しているときに励起光を射出する蛍光観察電子内視鏡装置。
9. 請求項８記載の蛍光観察電子内視鏡装置において、前記制御手段は、前記撮像素子が撮像する１フレーム中の一方のフィールド露光期間及び他方のフィールド露光期間に同期させて、前記回転フィルタを回転させ、前記励起光用光源を制御する蛍光観察電子内視鏡装置。

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