JP5288775B2

JP5288775B2 - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP5288775B2
Application number: JP2007295204A
Authority: JP
Inventors: 浩平池谷
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: JP2009118988A

Description

本発明は、胃、消化管などを観察する内視鏡装置に関し、特に、器官内壁の表層付近にある毛細血管を観察可能な内視鏡装置に関する。

電子内視鏡装置では、白色光による通常観察に加え、短波長の照明光によって器官内壁の表層付近にある組織細胞を観察することが可能である（例えば、特許文献１、２参照）。そこでは、血管内のヘモグロビンが特定の紫外線に対して高い吸収性をもつことを利用し、狭帯域の波長もつレーザー光（約４００ｎｍ）を観察部位に照射する。

一般に、器官内壁の粘膜表層付近に毛細血管が多く存在する。一方、器官内壁の深層部に向けて進行する光の到達深度（深達度）は、波長によって異なり、短波長領域の光（紫外光〜青色光）は表層付近において反射あるいは吸収され、それ以上の深層部まで到達しない。そのため、短波長の照明光によって得られる観察画像では、粘膜表層付近の微細構造が鮮明に表示され、表層付近の病変部を早期に発見することができる。

一方で、観察画像を適正な明るさで表示するため、内視鏡装置は自動調光機能を備えている。そこでは、撮像素子から読み出される画素信号に基づいて、輝度レベルが検出される。そして、検出された輝度レベルと基準値との差に応じて絞りを開閉し、あるいは発光量を増減させる。
特開２００５−１９８７９４号公報特開２００２−９５６３５号公報

撮像素子の前面には、Ｒ、Ｇ、ＢあるいはＣｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇといった複数の色要素から構成されるカラーフィルタが配設され、カラーフィルタを通った各色要素に従って画素信号が生じる。そして、それら画素信号を加算することによって輝度信号が生成される。そのため、短波長の照明光によって表層付近を照射すると、輝度信号の出力が低下し、ＣＣＤが飽和状態に陥る。

具体的に説明すると、輝度信号の輝度レベル（ここでは、Ｙと表す）は、マトリクス演算によって算出され、一般的に計算式Ｙ＝０．３Ｒ＋０．５９Ｇ＋０．１１Ｂから求められる。ただし、計算式におけるＲ、Ｇ、Ｂは、画素信号から求められる赤色、青色、緑色に応じた信号レベルを表し、Ｂについては、紫外光までを含めた短波長領域の色信号レベルを表す。

計算式から明らかなように、青色（Ｂ）の係数値（＝０．１１）は、他の色の係数の値に比べて小さい。したがって、反射光の多くを占める短波長領域の光は、マトリックス演算によって得られる輝度信号に十分反映されず、また、狭帯域である短波長の光では、Ｒ、Ｇの色信号レベルの値が小さい。そのため、上記計算式によって求められる輝度レベルＹの値が比較的小さい値になってしまう。

輝度レベルＹが実際の露光量を反映していないため、輝度レベルＹと明るさ基準を示す輝度値との差が大きくなり、必要以上に光量を上げる調光動作が行われてしまう。その結果、ＣＣＤが飽和し、観察画像における高輝度情報が欠落する（ハレーションが発生する）。

本発明の内視鏡装置は、短波長領域の波長をもつ照明光を被写体へ向けて照射する光源と、複数の画素から構成される撮像素子と、複数の画素と対向するように複数の色要素を配列させた色フィルタとを備える。撮像素子では、各色要素に応じた画素信号が発生し、例えば１フィールド／フレームごとに一連の画素信号が撮像素子から順次読み出される。

光源としては、血管内のヘモグロビンが十分吸収する波長をもつ光であって、表層付近の毛細血管構造を鮮明に表示できる短波長の光を放射すればよい。紫外光〜青色光の帯域の光を放射すればよく、例えば狭帯域の波長をもつ光（レーザー光など）を出力すればよい。色フィルタとしては、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を色要素とする原色フィルタ、あるいは、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、グリーン（Ｇ）を色要素とする補色フィルタが用いられる。補色フィルタを使用する場合、画素混合読み出し方式によって一連の画素信号を読み出せばよい。

本発明の内視鏡装置は、複数の色要素のうち短波長領域の分光透過特性が相対的に高い、すなわち透過率（相対感度）が他の色要素に比べて相対的に大きい特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出する輝度信号検出手段を備える。例えば、色フィルタが、短波長領域の光について透過率の高いＣｙ、Ｍｇを含む３種類以上の色要素から構成される場合、Ｃｙ、Ｍｇの色要素に応じた画素信号を輝度信号として検出すればよい。あるいは、色フィルタが、Ｒ、Ｇ、Ｂの色要素から構成される場合、Ｂの色要素に応じた画素信号を輝度信号として検出する。

各色要素に応じた画素信号を合算して輝度信号を求めるのではなく、短波長領域の光に対して感度の高い画素信号によって輝度信号が求められるため、反射光に多く含まれる短波長の光が、輝度信号に十分反映される。そして、内視鏡装置は、被写体像を適正な明るさで表示するように、輝度信号に基づいて照明光の光量を調整する調光手段を備える。

このように、正確な撮像素子に対する露光量の情報をもつ輝度信号に基づいて調光処理が行われるため、必要以上の光量増加によって露出オーバーすることがなく、適切な明るさで観察画像が表示される。画素信号を利用して輝度信号を検出するため、輝度信号検出手段は、一連の画素信号の中で特定の色要素に応じた画素信号を抽出するようにすればよい。

画素信号を輝度信号として検出することから、調光手段は、記撮像素子から読み出される一連の画素信号の出力レベルを飽和させないように光量調整するのが望ましい。このような光量調整によって、撮像素子を飽和させず、かつ光電変換特性が線形性を保つ最大レベルに近い範囲で調光処理を行うことができる。例えば、調光手段は、輝度信号のヒストグラムデータを生成し、飽和しない最大出力レベルを超えた輝度信号の割合が所定の割合を超えているか否かを判断する。レーザー光によって照明する場合、調光手段は、デューティー比を変えるＰＷＭ制御によってレーザー光の出力を調整すればよい。

本発明の内視鏡用調光装置は、短波長領域の波長をもつ照明光によって得られる一連の画素信号を、複数の画素によって構成される撮像素子から順次読み出し、色フィルタを構成する複数の色要素のうち短波長領域の透過率が相対的に高い特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出する輝度信号検出手段と、被写体像を適正な明るさで表示するように、輝度信号に基づいて照明光の光量を調整する調光手段とを備えることを特徴とする。

本発明の内視鏡用調光方法は、短波長領域の波長をもつ照明光によって得られる一連の画素信号を、複数の画素によって構成される撮像素子から順次読み出し、色フィルタを構成する複数の色要素のうち短波長領域の透過率が相対的に高い特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出し、被写体像を適正な明るさで表示するように、輝度信号に基づいて照明光の光量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、表層付近の観察画像を適正な明るさで鮮明に表示することができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図1は本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。

電子内視鏡装置は、ＣＣＤ１２を先端部に設けたビデオスコープ１０とプロセッサ２０とを備える。ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続され、また、プロセッサ２０にはモニタ６０、キーボード（図示せず）が接続される。

ランプ２２から放射された白色光は、絞り、集光レンズ（いずれも図示せず）を介してビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド１６の入射端１６Ａに入射する。ライトガイド１６は、ランプ２２から放射される光をビデオスコープ１０の先端側まで伝達し、ライトガイド１６を通った光は、拡散レンズである配光レンズ１５を介してスコープ先端部から射出する。これにより、観測部位に照明光が照射される。

観測部位において反射した光は、ビデオスコープ先端部の対物レンズ１１を通ってＣＣＤ１２の受光面に到達し、これにより観測部位の像がＣＣＤ１２の受光面に形成される。本実施形態では、カラー撮像方式として単板同時式が適用されており、イエロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンダ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）の色要素をモザイク状に並べた補色フィルタ１４が配設されている。色要素は、受光面の画素と対向するように配置されている。

ＣＣＤ１２では、補色フィルタ１４を通った光によって画素信号が生じ、１フィールド分の画素信号がＣＣＤドライバ１７によって所定時間間隔ごとに読み出される。本実施形態では、カラーテレビジョン方式としてＮＴＳＣ方式が適用されており、１／６０秒間隔で１フィールド分の画像信号が順次読み出され、プロセッサ２０内の初期回路２８へ送られる。画素信号読み出し方式に関しては、補色フィルタ１４の配列に応じて画素混合読み出し方式の１つであるフィールド色差順次方式が適用され、隣接する画素を加算しながら奇数フィールド、偶数フィールドの画素信号を交互に読み出す。

初期回路２８では、画素信号が増幅処理されるとともに、Ａ／Ｄ変換処理される。デジタル化された画素信号が第１の信号処理回路３０に入力されると、ホワイトバランス処理、γ処理などの様々な処理が画素信号に対して施され、輝度、色差信号が生成される。輝度、色差信号は、切替回路３４を介して後段信号処理回路３６に送られると、ＮＴＳＣ信号などの映像信号に変換される。映像信号がモニタ６０へ出力されることによって、フルカラーの観察画像がモニタ６０に表示される。

一方、プロセッサ２０にはレーザー光源３８が設けられ、狭帯域である短波長のレーザー光を放射する。レーザー光は、ハーフミラー２４によってライトガイド１６の入射端１６Ａへ導かれ、スコープ１０の先端部から射出される。観察部位からの反射光によって観察画像がＣＣＤ１２に形成されると、１フィールド分の画素信号がＣＣＤ１２から順次読み出され、初期回路２８へ送られる。

画素信号は初期回路２８においてデジタル化されると、第２の信号処理回路３２において輝度、色差信号に変換される。輝度、色差信号は、後段信号処理回路３６において映像信号に変換され、モニタ６０へ出力される。これにより、青味を帯びた粘膜表層付近の観察画像がモニタ６０に表示される。

システムコントロール回路４０は、プロセッサ２０の動作を制御し、切替回路３４、タイイングジェネレータ４２などの回路へ制御信号を出力する。ビデオスコープ１０がプロセッサ２０に接続されると、ビデオスコープ１０内のＲＡＭ１９からデータが読み出される。タイミングジェネレータ４２は、初期回路２８、後段信号処理回路３６、ＣＣＤドライバ１７、そしてレーザー光源３８を駆動するレーザードライバ３９等に対し、信号処理タイミングを同期させるクロックパルス信号を出力する。

プロセッサ２０のフロントパネルには、観察モードを切り替えるための観察モード切替スイッチ４４が設けられている。ランプ２２を使用する通常観察モードに設定された場合、システムコントロール回路４０は、通常観察画像を表示するため、第１の信号処理回路３０を切替回路３４と接続させる。一方、レーザー光源３８を使用する観察モード（以下、表層観察モードという）を設定するために観察モード切替スイッチが切り替えられると、システムコントロール回路４０は、表層付近の観察画像を表示するため、第２の信号処理回路３２切替回路３４とを接続させる。

ＤＳＰ（Digital signal processor）などによって構成される調光回路４２は、被写体へ照射する照明光の光量を調整し、絞り、およびレーザードライバ３９を制御する。通常観察モードの場合、第１の信号処理回路３０から送られてくる輝度信号に基づいて絞りを開閉し、観察画像を適正な明るさで表示する。一方、表層観察モードが設定されると、後述するように、初期回路２８から送られてくるＣｙ、Ｍｇに応じた画素信号を輝度信号として検出し、輝度信号に基づいてレーザードライバ３９を制御する。

以下では、図２〜図７を用いて、表層観察モードにおける調光処理について説明する。

図２は、レーザー光源３８の分光分布特性を示した図である。図２に示すように、レーザー光源３８は、狭帯域の波長をもつ光を放射し、ここでは、約４００〜４１０ｎｍの狭帯域のスペクトルをもった光をパルス放射するし、ヘモグロビンの吸収する波長の帯域、および表層付近で反射する光の帯域に基づいて波長が定められている。

図３は、色フィルタ１４の配列を示した図である。また、図４は、色要素Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇの分光透過特性を示した図である。図３に示すように、色フィルタ１４は、４つの色要素をＣｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇを市松状に配列することによって構成されている。そして、フィールド色差順次方式に従い、隣接する垂直方向の２画素を加算しながら奇数フィールドの画素信号を読み出し、続いて、組み合わせの異なる２画素を加算しながら偶数フィールの画素信号を読み出す。

図４に示すように、色要素の１つシアン（Ｃｙ）のスペクトル分布曲線では、紫外光、および紫色〜青色光を含む短波長領域（およそ４００ｎｍ〜５００ｎｍ）において透過率（相対感度）が高く、赤色光を含む長波長領域に向けて透過率が小さくなっていく。また、マゼンタ（Ｍｇ）のスペクトル分布曲線では、短波長領域、長波長領域において透過率が高く、その中間波長領域（緑色を含む）で透過率が低い。一方、グリーン（Ｇ）、イエロー（Ｙｅ）のスペクトル分布曲線では、短波長領域における透過率が小さく、特に、紫外光の帯域では感度がほとんどない。

図３、４から明らかなように、レーザー光源３８から放射される短波長の光に対し、Ｃｙ、Ｍｇの色要素が非常に高い感度、すなわち分光透過特性をもつ。そこで本実施形態では、表層観察モードにおいては、他の色要素に比べて相対的に感度の高いＣｙ、Ｍｇの色要素に応じた画素から読み出される画素信号を輝度信号として抽出し、その輝度信号に基づいて自動調光処理を実行する。

なお、レーザー光は狭帯域の紫色光であるが、Ｒ、Ｇ、Ｂ色空間のＢ信号として紫色光から得られる画素信号を処理する。したがって、青味を帯びた観察画像がモニタ６０に表示される。

図５は、Ｃｙ、Ｍｇの色要素に応じた画素信号の抽出を時系列的に示した図である。プロセッサ２０内の初期回路２８は、サンプルホールド回路を備える。初期回路２８は、タイイングジェネレータ４２からのタイミング信号により画素信号の読み出しタイミングを把握しており、表層観察モード下では、Ｍｇ、Ｃｙに応じた画素信号の読み出しタイミングに同期してサンプルホールド信号を出力する。これにより、表層観察モードの間、奇数フィールドおよび偶数フィールドごとに読み出される一連の画素信号の中で、Ｍｇ、Ｃｙに応じた画素信号がサンプルパルスに同期し、サンプルホールドされる。サンプルホールドされた画素信号は、初期回路２８から調光回路４６へ送られる。

表層観察モードの間、調光回路４６では、送られてくる奇数、偶数フィールドのＭｇ、Ｃｙに応じた画素信号に対し、輝度レベルの割合を示すヒストグラムデータが生成される。すなわち、１フィールド期間に読み出される画素信号に対し、輝度レベル毎の画素出現頻度分布が求められる。このヒストグラムデータによって、現在の輝度レベルを検出する。

図６は、ＣＣＤ１２の光電変換特性を示した図である。図６に示すように、ＣＣＤ１２の受光面に対する光量とＣＣＤ１２から出力される画素信号の出力電圧レベルは線形関係にあり、電圧レベルＶ０を超えると飽和する。ただし、画素信号の電圧レベルは、対数によって表されている。

調光回路４６は、ヒストグラムデータに基づき、画素信号の電圧レベルが飽和しているか否かを判断する。すなわち、最大の線形出力電圧レベルＶ０を超えた画素信号（輝度信号）が全体の中で所定の割合（ここでは、５％）を超えているかを判断する。所定の割合を超えている場合、飽和状態にあると判断し、レーザー光源３８の出力を調整する。

図７は、レーザー光のＰＷＭ変調を示した図である。レーザー光源３８は、レーザー光を１／６０秒ごとにパルス出力し、ＰＷＭ変調制御される。すなわち、１／６０秒間の中で光出力ＯＮ期間と光出力ＯＦＦ期間との比であるデューティー比Ｗ０／Ｗ１を変更することによって、被写体へ照射される光の光量が調整される。レーザー光源４０から放射される光の光量は、デューティー比と比例関係にあり、デューティー比が大きくなるほど光量も増加する。

飽和状態にない状況では、照射光量をできる限り最大とするようにデューティー比が設定され、飽和状態になった場合、光量を減少させるためデューティー比が小さくなる。デューティー比は、あらかじめ数段階に分けて設定されており、調光回路４６は、ヒストグラムデータに基づき、デューティー比を設定変更する制御信号をレーザードライバ３９へ出力する。レーザードライバ３９は、制御信号に基づいて所定のデューティー比に基づくＰＷＭ信号をレーザー光源３８へ送る。一方、通常観察モードの場合は、初期回路２８は、Ｇ、Ｙｅに応じた画素信号の読み出しタイミングにも同期してサンプルホールド信号を出力し、Ｃｙ、Ｍｇに応じた信号とＹｅ、Ｇに応じた信号とを加算した信号を輝度レベルとしてヒストグラムデータを生成してＣＣＤ１２が飽和状態であるか否かが判断する。

このように本実施形態によれば、粘膜表層付近の観察画像を表示する場合、狭帯域の短波長（約４００〜４１０ｎｍ）をもつレーザー光が、レーザー光源３８からパルス放射される。そして、Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇの色要素に応じた画素信号のうち、短波長の光に対して相対的に感度の高いＣｙ、Ｍｇに応じた画素信号が、初期回路２８において抽出される。調光回路４６は、抽出された画素信号からヒストグラムデータを生成し、ＣＣＤ１２が飽和状態であるか否かが判断する。そして、飽和状態と判断すると、光量を減少させるように、ＰＷＭ信号のデューティー比を変更する。

レーザー光による反射光成分を十分反映したＭｇ、Ｃｙの画素信号によって輝度レベルが検出されるため、露光量が少ないと誤って判断することなく、明るさ調整を適切に行うことができる。また、画素信号の出力レベルを輝度レベルとして検出し、ＣＣＤ１２が飽和状態であるか否かを判断するため、露光量を線形範囲の最大付近まで増やし、かつ飽和しない状態で明るさを維持することができる。その結果、白色光による通常観察画像に比べて色相が不足する表層付近の観察画像においても、鮮明かつコントラストのある組織構造を表示することができる。

輝度レベル検出としては、飽和状態を判断せず、例えば輝度平均レベルを算出して調光処理を行ってもよい。また、ヒストグラムデータを用いずに輝度信号を検出してもよい。

レーザー光源としては、パルス出力せず、ＰＷＭ制御以外によって光量調整してもよい。また、レーザー光源以外の光源を使用してもよく、通常のランプから放射される白色光をフィルタに通して短波長の光を照射させてもよい。この場合、絞りの開閉、電流量調整などによって光出力を調整すればよい。また、照明光として、狭帯域の光でなく、ある程度帯域幅のある短波長の光を放射させてもよい。

補色フィルタの代わりにＲ、Ｇ、Ｂの原色フィルタを用いてもよく、この場合、Ｂに応じた画素信号を輝度信号として検出すればよい。また、画素信号の読み出し方式は、色フィルタの色要素の種類および配列模様などに合わせて適宜設定すればよい。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。レーザー光源の分光分布特性を示した図である。色フィルタの配列を示した図である。色要素Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇの分光透過特性を示した図である。Ｃｙ、Ｍｇの色要素に応じた画素信号の抽出を時系列的に示した図である。ＣＣＤの光電変換特性を示した図である。レーザー光のＰＭＷ変調を示した図である。

符号の説明

１０ビデオスコープ
１２ＣＣＤ
１４色フィルタ
２０プロセッサ
２８初期回路
３８レーザー光源
４０システムコントロール回路
４６調光回路
６０モニタ

Claims

短波長領域の波長をもつ照明光を被写体へ向けて照射する光源と、
複数の画素から一連の画素信号が順次読み出される撮像素子と、
前記複数の画素と対向するように複数の色要素を配列させた色フィルタと、
前記複数の色要素のうち短波長領域の透過率が相対的に高い特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出する輝度信号検出手段と、
被写体像を適正な明るさで表示するように、前記輝度信号に基づいて照明光の光量を調整する調光手段とを備え、
前記輝度信号検出手段が、前記照明光が照射されると、前記撮像素子から読み出される一連の画素信号の中から前記特定の色要素に応じた画素信号を抽出し、抽出された画素信号を輝度信号として検出することを特徴とする内視鏡装置。
前記光源が、通常観察モードから表層観察モードに切り替えられると、照明光を照射し、
前記輝度信号検出手段が、通常観察モードから表層観察モードに切り替えられると、前記特定の色要素に応じた画素信号を抽出することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記色フィルタが、シアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの色要素を市松状に配列させたフィルタであり、
前記一連の画素信号が、画素混合読み出し方式によって読み出され、
前記輝度信号検出手段が、前記一連の画素信号の中からシアン、マゼンタに応じた画素信号をサンプルホールドすることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記調光手段が、検出された輝度信号の出力レベルを飽和させないように光量調整することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記調光手段が、輝度信号のヒストグラムデータを生成し、飽和しない最大出力レベルを超えた輝度信号の割合が所定の割合を超えているか否かを判断することを特徴とする請求項４に記載の内視鏡装置。
前記光源が、狭帯域のレーザー光を放射することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記調光手段が、デューティー比を変えるＰＷＭ制御によってレーザー光の出力を調整することを特徴とする請求項６に記載の内視鏡装置。
短波長領域の波長をもつ照明光によって得られる一連の画素信号を、複数の画素によって構成される撮像素子から順次読み出し、色フィルタを構成する複数の色要素のうち短波長領域の透過率が相対的に高い特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出する輝度信号検出手段と、
被写体像を適正な明るさで表示するように、前記輝度信号に基づいて照明光の光量を調整する調光手段とを備え、
前記輝度信号検出手段が、前記照明光が照射されると、前記撮像素子から読み出される一連の画素信号の中から前記特定の色要素に応じた画素信号を抽出し、抽出された画素信号を輝度信号として検出することを特徴とする内視鏡用調光装置。
画素信号読み出し手段が、短波長領域の波長をもつ照明光によって得られる一連の画素信号を、複数の画素によって構成される撮像素子から順次読み出し、
輝度信号検出手段が、色フィルタを構成する複数の色要素のうち短波長領域の透過率が相対的に高い特定の色要素に応じた画素信号を、輝度信号として検出し、
調光手段が、被写体像を適正な明るさで表示するように、前記輝度信号に基づいて照明光の光量を調整する内視鏡装置の作動方法であって、
前記輝度信号検出手段が、前記照明光が照射されると、前記撮像素子から読み出される一連の画素信号の中から前記特定の色要素に応じた画素信号を抽出し、抽出された画素信号を輝度信号として検出することを特徴とする内視鏡装置の作動方法。