JP5341285B1

JP5341285B1 - 偏光観察装置

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Publication number: JP5341285B1
Application number: JP2013525479A
Authority: JP
Inventors: 大記有吉
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: CN103458761A; WO2013080658A1; US20130314519A1; EP2676596A4; JPWO2013080658A1; CN103458761B; US8803959B2; EP2676596A1

Abstract

被写体からの戻り光を光電変換する撮像素子と、波長帯域が互いに異なる複数の波長帯域の光を発生させる光源部と、光源部から撮像素子までの間に配置され、特定の波長帯域の光に対しては所定の偏光成分を分離し前記特定の波長帯域以外の光に対しては偏光成分を変化させない少なくとも１枚の波長選択型偏光素子とを有する。

Description

本発明は、偏光板を用いて偏光観察を行う偏光観察装置に関する。

生体組織内に入射した光は、細胞核や細胞内小器官、コラーゲンにより散乱される。入射光が偏光されていた場合、その偏光度は散乱によって失われ、やがてランダム偏光となる。散乱は細胞核や細胞内小器官、コラーゲンといった組織学的な構造に依存するので、散乱による偏光の解消度合いもまた、組織学的な構造に依存することになる。したがって、生体組織の偏光イメージングを行うことで、組織学的な構造（例えば、組織の異型性や増殖）に関する情報を画像として取得できる可能性がある。

日本国特開２００３−４７５８８号公報のように、ビームスプリッタを使用し偏光方向が互いに異なる複数の偏光画像を取得する場合には、複数の撮像素子が必要となり装置が大型化してしまう。
また、日本国特開２０１０−１２５２８４号公報のように、偏光素子アレイを撮像素子に重ね合わせる構成では、解像度が悪いという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑み、偏光方向が互いに異なる複数の偏光画像を取得するのに撮像素子が一つで済み、観察装置を小型化することが可能で且つ解像度が良い偏光観察装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の偏光観察装置は、波長帯域が互いに異なる複数の波長帯域の照明光を発生させる光源部と、前記光源部から発生した前記照明光又は前記照明光が照射された被検体からの戻り光のうち第１の波長帯域の光を第１の方向に偏光する第１の波長選択型偏光素子と、前記照明光又は前記戻り光のうち第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光を前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏光する第２の波長選択型偏光素子と、前記第１の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第１の撮像信号と前記第２の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第２の撮像信号とを生成する撮像素子と、前記第１の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第１の撮像信号と前記第２の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第２の撮像信号とが入力され、前記第１の撮像信号と前記第２の撮像信号との強度を比較し強度が高いほうの撮像信号を判定し、前記第１の方向と前記第２の方向とのうち前記強度の高いほうの撮像信号に対応する方向を前記撮像素子において撮像された前記被検体の偏光方向として演算し、前記被検体の偏光方向に関する情報を表示するための信号を出力する画像処理部と、を有する。

本発明の偏光観察装置を搭載した内視鏡装置を示す構成図。本発明の第１の実施形態の偏光観察装置におけるパラレル観察を説明する図。本発明の第１の実施形態の偏光観察装置におけるクロスニコル観察を説明する図。本発明の第１の実施形態の偏光観察装置において、図２Ａの波長選択型偏光板３０-1aに代えて、第１及び第２波長帯域の光を波長選択型偏光板３０-1と同じ偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-12aを配置する観察を説明する図。本発明の第１の実施形態の偏光観察装置において、図２Ｂの波長選択型偏光板３０-1a’に代えて、第１及び第２波長帯域の光を波長選択型偏光板３０-1と直交する偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-12a’を配置する観察を説明する図。本発明の波長選択型偏光板の特性例を示す図。本発明の第２の実施形態の偏光観察装置を示す図。本発明の第２の実施形態の変形例を示す図。本発明の第３の実施形態の偏光観察装置を示す図。本発明の第３の実施形態の変形例を示す図。本発明の偏光観察装置を用いてファントムを偏光観察した状態を示す図。本発明の偏光観察装置における波長選択型偏光板の配列例を示す図。本発明の偏光観察装置の使用波長帯域の一例を示す図。本発明の偏光観察装置の使用波長帯域の別の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の偏光観察装置は、例えば内視鏡の挿入部の先端部に配設されるものである。

［第１の実施形態］
初めに、本発明の偏光観察装置を搭載した内視鏡装置の全体について説明する。
図１は内視鏡装置を示す構成図である。内視鏡装置１は、内視鏡２、光源装置３、プロセッサ４、モニタ５からなる。内視鏡２は、挿入部６、ライトガイド７、先端部１０からなり、先端部１０にＣＣＤ２０、波長選択型偏光素子としての波長選択型偏光板３０を備える。照明光学系と撮像光学系は図示を省略している。光源装置３は、ランプ９、移動ステージ１１、モータ１２、回転フィルタ１３、集光レンズ１４を備える。プロセッサ４は、モードスイッチ１７、制御回路１８、ＣＣＤ駆動回路３１、プリアンプ３２、ＡＧＣ回路３３、Ａ／Ｄ変換回路３４、マルチプレクサ３５、フレームメモリ３６ａ〜３６ｃ、画像処理回路３７、Ｄ／Ａ変換回路３８、などを備えている。

上記の構成において、偏光観察装置に対応する部分は、被写体からの戻り光を光電変換する撮像素子としてのＣＣＤ２０と、互いに異なる複数の波長帯域の光を発生させる光源部３と、光源部３から撮像素子２０までの間(照明光学系の光軸上や撮像光学系の光軸上)に配置された、特定の波長帯域では所定の偏光成分を分離し特定の波長帯域以外では偏光成分に変化を与えない少なくとも１枚(図１１では２枚)の波長選択型偏光板３０である。

光源部３からは、波長λ1，λ2をそれぞれ含む第１，第２波長帯域の第１及び第２照明光がライトガイド７を通して先端部１０から面順次に図示しない被写体へ照射される。被写体へ照射される照明光には、第１，第２波長帯域の第１及び第２照明光以外に、第３波長帯域の第３照明光が加えられてもよい。

被写体からの戻り光は、ＣＣＤ２０で受光され、順次にマルチプレクサ３５に送られ、第１照明光に基づく第１撮像信号、第２照明光に基づく第２撮像信号、及び第３照明光に基づく第３撮像信号がそれぞれ、第１乃至第３フレームメモリ３６ａ〜３６ｃに一旦保持された後、画像処理回路３７で偏光イメージ処理されて偏光画像が生成され、さらにアナログ信号に変換されてモニタ５に表示される。また、モードスイッチ１７で通常観察と偏光観察を切り替えることができる。

図２Ａ〜Ｄは本発明の第１の実施形態の偏光観察装置を示す図である。
図２Ａは偏光観察装置５０におけるパラレル観察を説明する図である。パラレル観察は、被写体に照射された照明光の偏光方向とＣＣＤ２０で受光する戻り光の偏光方向とが同じ場合の観察である。被写体の表面で反射した光と、被写体の内部で散乱した光の一部を受光するので、主に被写体の表面の構造を観察することができる。

波長λ1を含む第１波長帯域の光のみを偏光させる波長選択型偏光板３０-1を照明光学系の光軸上に配置し、波長選択型偏光板３０-1と同じ特性の波長選択型偏光板３０-1aを、その偏光方向が波長選択型偏光板３０-1と平行になるように撮像光学系の光軸上に配置する。光源部３から第１波長帯域を含む光が照射され、被写体からの戻り光が波長選択型偏光板３０-1aを透過することで、第１波長帯域の光でパラレル観察を行い、第１波長帯域以外の帯域の光で非偏光観察を行う。

図２Ｂは偏光観察装置５０におけるクロスニコル観察を説明する図である。クロスニコル観察は、被写体に照射された照明光の偏光方向とＣＣＤ２０で受光する戻り光の偏光方向とが直交する場合の観察である。被写体の内部で散乱した光を受光するので、被写体の内部の構造を観察することができる。

波長λ1を含む第１波長帯域の光のみを偏光させる波長選択型偏光板３０-1を照明光学系の光軸上に配置し、波長選択型偏光板３０-1と同じ特性の波長選択型偏光板３０-1a’を、その偏光方向が波長選択型偏光板３０-1の偏光方向と直交するように、撮像光学系の光軸上に配置する。光源部３から第１波長帯域を含む光が照射され、被写体からの戻り光が波長選択型偏光板３０-1a’を透過することで、第１波長帯域の光でクロスニコル観察を行い、第１波長帯域以外の帯域の光で非偏光観察を行う。

また、図２Ｃのように、図２Ａの波長選択型偏光板３０-1aに代えて、第１及び第２波長帯域の光を波長選択型偏光板３０-1と同じ偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-12aを配置することによって、第２波長帯域では被写体に近接した場合にのみ偏光観察が可能となる。このように第２波長帯域の光を偏光させる偏光板を撮像側のみに設けることで、撮像側と照明側の両方に設ける場合に比べて明るい偏光画像が得られる。

また、図２Ｄのように第１及び第２波長帯域の光を波長選択型偏光板３０-1の偏光方向と直交する偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-12a’を配置しても同様の効果を得られる。

なお、本発明において、特定の波長帯域の光のみを偏光させる波長選択型偏光板は、特定の波長帯域の光を完全に偏光させることや、それ以外の波長帯域の光を全く偏光させないことを必ずしも要求されない。たとえば図３に示すように、特定の波長帯域とそれ以外の波長帯域との境界において偏光度が急峻でない変化を示す特性であってもよい。

［第２の実施形態］
図４は本発明の第２の実施形態の偏光観察装置を示す図である。
偏光観察装置５０は、図示しない被写体からの戻り光を光電変換するＣＣＤ２０と、光源部３と、光源部３からＣＣＤ２０までの間(照明光学系の光軸上及び撮像光学系の光軸上)に配置された３枚の波長選択型偏光板３０と、を備えている。光源部３は、波長λ1，λ2をそれぞれ含む第１，第２波長帯域の第１，第２の照明光を発生する。

光源部３からの第１及び第２の照明光を面順次にライトガイド７を用いて先端部１０から被写体へ照射する。照明光には、第１，第２波長帯域とは異なる第３波長帯域の照明光を加えてもよい。

波長選択型偏光板３０は、照明光学系の光軸上に配置した波長選択型偏光板３０-12と、撮像光学系の光軸上に配置した波長選択型偏光板３０-1ａ、３０-2a’からなる。波長選択型偏光板３０-12は第１波長帯域と第２波長帯域の光を第１偏光方向に偏光させる。波長選択型偏光板３０-1aは第１波長帯域の光を第１偏光方向に偏光させ、波長選択型偏光板３０-2a’は第２波長帯域の光を第１偏光方向と直交する第２偏光方向に偏光させる。

この構成によって、第１波長帯域の光でパラレル観察を行い、第２波長帯域の光でクロスニコル観察を行うので、２種類の偏光画像を同時に取得できる。
また、観察光量を全く減らすことなく非偏光観察が可能である。狭帯域光観察等、他の特殊光技術との組み合わせも可能である。
なお、図５のように、照明側と撮像側の偏光板を図４とは逆にしてもよい。

第２の実施形態によれば、照明光学系に配した波長選択型偏光板と、撮像光学系に配した波長選択型偏光板とで、偏光方向を一致させることで、被写体表面の構造を観察することができる。また、照明光学系に配した波長選択型偏光板と、撮像光学系に配した波長選択型偏光板とで、偏光方向を異ならせる（例えば直交させる）ことで、生体の内部の情報を観察することができる。

［第３の実施形態］
図６は本発明の第３の実施形態の偏光観察装置を示す図である。
偏光観察装置５０は、被写体からの戻り光を光電変換するＣＣＤ２０と、光源部３と、光源部３からＣＣＤ２０までの間(図６では撮像光学系の光軸上)に、波長λ1，λ2をそれぞれ含む第１，第２波長帯域では所定の偏光成分を分離し特定の波長帯域以外では偏光成分に変化のない２枚の波長選択型偏光板３０とを有している。

光源部３からは、波長λ1，λ2をそれぞれ含む第１，第２波長帯域の第１及び第２照明光を面順次に出射し、ライトガイド７を通して、先端部１０から被写体へ順次に照射する。光源部３から面順次に被写体へ照射する照明光には、第１，第２波長帯域とは異なる第３波長帯域の第３照明光を加えてもよい。

波長選択型偏光板３０は、第１照明光を第１偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-4と、第２照明光を第２偏光方向に偏光させる波長選択型偏光板３０-5とからなる。

上記構成により、偏光成分が互いに異なる複数の画像や、偏光画像と非偏光画像を同時に取得できる。

第１波長帯域の光のみを偏光させる波長選択型偏光板３０-4と、透過軸が波長選択型偏光板３０-4と直交し第２波長帯域の光のみを偏光させる波長選択型偏光板３０-5を撮像光学系の光軸上に配置し、光源部３から、波長λ1を含む第１波長帯域の光、波長λ2を含む第２波長帯域の光、第１波長帯域、第２波長帯域とは異なる第３波長帯域の光が照射され、被写体からの戻り光が波長選択型偏光板３０-4、３０-5を透過することで、第３波長帯域の光で非偏光観察、第１波長帯域の光と第２波長帯域の光で偏光成分が互いに９０度異なる偏光観察が可能になる。異なる偏光成分の対応画像間演算（第１波長帯域の偏光画像−第２波長帯域の偏光画像）によって、偏光差分画像が出力される。

なお、図７に示すように、本実施形態の波長選択型偏光板３０-4、３０-5を、照明光学系の光軸上に配置しても同様の効果を得られる。
さらに、波長選択型偏光板を照明側と撮像側の両方に配置してもよく、波長選択型偏光板の数は４つに限らない。

被写体が生体組織の場合、偏光特性を発現する層が表層から数百μmの深さにあり、光の浸透深さを波長で最適化することで生体の偏光特性を効率良く取得できる。
生体組織が偏光特性を発現する層は線維組織と考えられており、ある一定方向に揃えられることが知られている。つまり、線維組織で揃えられた偏光方向が偏光板の透過軸と平行になると受光光量が増え、透過軸と垂直になると受光光量が減る。

また、病変組織からの戻り光は散乱の影響を大きく受けるため、線維組織に到達しないか、あるいは、揃えられた偏光がランダマイズされて検出される。しかし、正常組織からの戻り光は散乱の影響が小さいので、生体組織の偏光特性が保存されたまま検出される。

以上のことから、正常組織からの偏光特性が保持された偏光を積極的に受光するか、積極的に制限するかで、正常組織と病変組織との境界のコントラストを強調させることが可能になる。

偏光成分が互いに90度異なる２つの偏光画像は、正常組織からの偏光特性が保持された偏光を積極的に受光した画像と積極的に制限した画像であるため、対応画素間の引き算によって正常部と腫瘍部の境界コントラストをさらに強調させることが可能になる。換言すれば、生体組織の腫瘍部では、偏光成分が互いに９０度異なる２つの偏光画像は、組織からの偏光特性が保持された偏光を積極的に受光した画像と積極的に制限した画像との差は余りなく、正常部ではこの差が大きい。

透過軸の向きが互いに異なる複数の波長選択型偏光板を光軸上に配置し、各波長で偏光された画像の対応画素同士の光強度を比較し、最も高い値を示す偏光画像が取得された波長選択型偏光板の透過軸の向きを、画素毎で受光される偏光方向とする。

例えば、常に、（偏光方向を特定するに至った偏光画像−その偏光方向を９０度回転させて取得した偏光画像）という処理を行うことで、観察系によらず、常に、被写体の正常部がより明るく、病変部がより暗く表示され、正常部と病変部との境界のコントラストが強調される。従って、上記各波長で偏光された画像の対応画素の光強度にほとんど差がない場合、偏光度が低く病変組織として疑われる。逆に、差が大きい場合は、偏光度が高く生体組織中の偏光特性が観察され、正常組織と評価できる。例えば、対応画素間の差をカラーマップ等で表示することで、正常組織と病変組織の診断が可能である。

次に、撮像光学系の光軸上に、波長λ1（0度）、λ2（45度）、λ3（90度）の光のみを各々偏光させる波長選択型偏光板３０-4、３０-5、３０-6を配置した構成について説明する。

波長選択型偏光板３０-4、３０-5、３０-6を透過した偏光画像の対応画素の光強度を比較し、最も高い値を示す偏光画像が取得された偏光板の透過軸の向きを、画素毎で受光される偏光方向とする。

例えば、波長λ2で偏光された画像のある画素の光強度が、波長λ1、λ3と比較して高い値を示す場合、その画素が受光した偏光方向は、波長λ2の偏光板の透過軸の向きである。

例えば、画素毎に（偏光方向を特定するに至った偏光画像−その偏光方向を90度回転させて取得した偏光画像）が計算されその数値を図８に示すようにカラーマップ化することによって、生体組織の偏光特性及び生体組織中の偏光特性を有する層より表層の組織の散乱特性を定量評価できる。また、病変部の深達度診断も可能となる。

図８は本発明の偏光観察装置を用いて生体模擬試料としてのファントムを偏光観察した状態を示す。

ファントムは生体組織となるシリコン材料を用いて模擬的に正常部と病変部を形成してある。図８では、偏光観察装置を用いてファントムを撮影しカラーマップ化した状態を示す。正常部、病変部、初期の病変部をそれぞれ、緑色、黄色、黄緑色で表示する。正常部では線維組織の線維の向きが規則正しく配列されているのに対して、病変部では線維組織の線維の向きがランダムな配列となっている。初期病変部では、線維の向きが若干乱れている。通常、正常部は異型度が弱いところ、換言すれば組織に極性がある部分であるのに対して、病変部は異型度が強いところ、換言すれば組織に極性が無い部分である。
なお、図８に示す各部の偏光の向きを矢印で表示するようにしてもよい。

図９は本発明の偏光観察装置における波長選択型偏光板の配列例を示している。４つの波長λ1，λ2，λ3，λ4の光をそれぞれ互いに異なる４つの偏光方向に偏光させる４つの波長選択型偏光板を光軸上に並べて配置する。図示しない光源部から、波長λ1，λ2，λ3，λ4の光をそれぞれ含む第１乃至第４波長帯域の照明光を出射し、上記４つの波長選択型偏光板を介して被写体に照射する。波長λ1，λ2，λ3，λ4の光は、４つの波長選択型偏光板でそれぞれの偏光方向に偏光されて被写体に照射される。４つの波長選択型偏光板を撮像光学系に配置してもよい。
波長選択型偏光板の数は４つに限らない。また構造的には、複数の波長選択型偏光板を接合して一体化して使用することが好ましい。

図１０及び図１１は本発明の偏光観察装置の使用帯域の一例を示す図である。
例えば図に示すようにＢ成分の光だけを特定の偏光方向に偏光させた偏光観察を簡単な構成で実現することが可能である。勿論、このような偏光観察と、通常のＢ、Ｇ、Ｒ成分による非偏光観察とを同時に行うことも可能となる。

また、図１１に示すように、通常観察のＢ、Ｇ、Ｒの帯域の間のハッチングで示す光成分の偏光画像を取得することも可能である。図１１のハッチングで示す３つの光成分は通常観察のＢ、Ｇ、Ｒ成分に近い波長での偏光観察を実現可能とするものである。図１０及び図１１における偏光観察に必要とされる光源からの照明光は、図１０又は図１１に示す各透過帯域を有する回転フィルタと白色光源の組合せによって生成される。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
例えば、上記では撮像方式として面順次式に基づく説明をしたが、同時式に応用することも可能である。

本出願は、２０１１年１１月２９日に日本国に出願された特願２０１１−２６０７７６号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものである。

Claims

波長帯域が互いに異なる複数の波長帯域の照明光を発生させる光源部と、
前記光源部から発生した前記照明光又は前記照明光が照射された被検体からの戻り光のうち第１の波長帯域の光を第１の方向に偏光する第１の波長選択型偏光素子と、
前記照明光又は前記戻り光のうち第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光を前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏光する第２の波長選択型偏光素子と、
前記第１の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第１の撮像信号と前記第２の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第２の撮像信号とを生成する撮像素子と、
前記第１の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第１の撮像信号と前記第２の波長選択型偏光素子により偏光された光を撮像した第２の撮像信号とが入力され、前記第１の撮像信号と前記第２の撮像信号との強度を比較し強度が高いほうの撮像信号を判定し、前記第１の方向と前記第２の方向とのうち前記強度の高いほうの撮像信号に対応する方向を前記撮像素子において撮像された前記被検体の偏光方向として演算し、前記被検体の偏光方向に関する情報を表示するための信号を出力する画像処理部と、
を有することを特徴とする偏光観察装置。
前記撮像素子は、複数の画素から構成され、
前記画像処理部は、前記撮像素子の各画素毎に前記第１の撮像信号と前記第２の撮像信号との強度を比較し、前記各画素毎に前記被検体の偏光方向を演算する、
ことを特徴とする請求項１に記載の偏光観察装置。
前記第１の波長選択型偏光素子は、前記第１の波長帯域の光に対して前記第１の方向の偏光成分を透過させ、
前記第２の波長選択型偏光素子は、前記第２の波長帯域の光に対して前記第２の方向の偏光成分を透過させ、
さらに前記第１の波長選択型偏光素子及び前記第２の波長選択型偏光素子は、前記光源部から前記撮像素子にいたる光路上に設けられる、
ことを特徴とする請求項２に記載の偏光観察装置。