JP5389382B2

JP5389382B2 - 蛍光内視鏡装置

Info

Publication number: JP5389382B2
Application number: JP2008150854A
Authority: JP
Inventors: 俊明渡邉
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: JP2009291554A

Description

本発明は、蛍光内視鏡装置に関するものである。

従来、癌細胞においては、ある種のタンパク質等が正常部に比べて過剰に発現していることが知られており、過剰発現したタンパク質と結合、もしくは反応する蛍光薬剤を用いて、蛍光を内視鏡的に観察することで病変組織を判別する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１には、１種類の蛍光薬剤を用いて病変組織を診断する内視鏡装置が開示されている。

特開平１０−２０１７０７号公報

しかしながら、生体組織に付着あるいは吸収された蛍光薬剤を励起させるための励起光を照射すると、生体組織自体に生来含有されている自家蛍光物質も励起されて自家蛍光が発せられるため、蛍光観察画像において蛍光薬剤からの蛍光が、自家蛍光に埋もれてしまう、すなわち、バックグラウンド光としての自家蛍光が大きく、薬剤蛍光のコントラストが低下してしまう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、自家蛍光の影響を抑制して、蛍光薬剤から発せられる蛍光による鮮明な蛍光画像により、癌細胞等が存在する病変組織を正確かつ明瞭に判別することを可能とする蛍光内視鏡装置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、生体組織に導入した蛍光薬剤および生体由来の自家蛍光物質を励起する第１の励起光と該第１の励起光により励起される自家蛍光物質を主として励起する第２の励起光とを交互に射出する励起光源と、該励起光源からの第１の励起光および第２の励起光を照射したときに前記生体組織からそれぞれ発せられる蛍光の内、所定の波長範囲の蛍光を撮影する撮像部と、前記第２の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された自家蛍光画像に基づいて、前記第１の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された薬剤蛍光画像を補正する画像補正部とを備える蛍光内視鏡装置を提供する。

上記発明においては、前記第２の励起光が、前記第１の励起光より短く、かつ、前記撮像部に達する自家蛍光の励起スペクトルにおいて強度が極小値となる波長よりも長い波長を有することが好ましい。

また、上記発明においては、前記第２の励起光が、前記第１の励起光より短く、かつ、前記撮像部に達する自家蛍光の励起スペクトルにおいて強度が極大値となる波長よりも短いことが好ましい。
また、上記発明においては、前記画像補正部が、前記薬剤蛍光画像から前記自家蛍光画像を減算して薬剤蛍光画像を補正することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記画像補正部により生成された補正された薬剤蛍光画像および前記自家蛍光画像に異なる色情報を割り当てて合成する画像処理部を備えていてもよい。
また、上記発明においては、前記画像補正部により生成された補正された薬剤蛍光画像を増幅する増幅部を備えていてもよい。

本発明によれば、自家蛍光の影響を抑制して、蛍光薬剤から発せられる蛍光による鮮明な蛍光画像により、癌細胞等が存在する病変組織を正確かつ明瞭に判別することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る蛍光内視鏡装置１について、図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡装置１は、図１に示されるように、生体の体腔Ａ内に挿入される挿入部２と、該挿入部２内に配置され体腔Ａ内壁から発生する蛍光を撮影する撮像ユニット（撮像部）３と、励起光を発する光源ユニット４と、該光源ユニット４からの励起光を照射したときに前記撮像ユニット３により取得された蛍光画像を処理する画像処理部５と、該画像処理部５により処理された蛍光画像情報を表示する表示ユニット６とを備えている。

挿入部２は、体腔Ａに挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット３および前記光源ユニット４からの光を先端２ａまで伝播するライトガイド７ａと該ライトガイド７ａにより導光された励起光を体腔Ａ内壁に照射する照明レンズ７ｂとを備えている。
撮像ユニット３は、体腔Ａ側から入射される光を集光する対物レンズ９ａと、該対物レンズの内、励起光を遮断し特定の波長帯域の蛍光を通過させる励起光カットフィルタ８と、該励起光カットフィルタ８を透過した蛍光を集光する集光レンズ９ｂと、該集光レンズ９ｂにより集光された蛍光を撮影して電気信号に変換する撮像素子１０とを備えている。撮像素子１０には、該撮像素子１０の駆動を制御する撮像素子制御部１１が接続されている。

光源ユニット４は、例えば、図１に示されるように、広帯域の光を発生するキセノンランプ１２と、該キセノンランプ１２から発せられた光から２つの異なる波長帯域の励起光をそれぞれ時分割に透過させる励起フィルタ装置１３と、励起フィルタ装置１３を透過した励起光をライトガイド７ａの端面に集光するコンデンサレンズ１４とを備えている。
励起フィルタ装置１３は、図１および図２に示されるように、２つの励起フィルタ１３ａ，１３ｂを支持するターレット１３ｃと、該ターレット１３ｃを回転させるモータ１３ｄとを備えている。モータ１３ｄには、該モータ１３ｄの回転駆動を制御するモータ制御部１５が接続されている。

２つの励起フィルタ１３ａ，１３ｂは、生体に投与される蛍光薬剤、例えば、フルオレセインおよび生体由来の自家蛍光物質、例えば、ＦＡＤ（フラビンアデニンジヌクレオチド）を励起する第１の励起光と、ＦＡＤを主として励起する第２の励起光とを透過させるようになっている。モータ１３ｄの作動によりターレット１３ｃを回転させることで、２つの励起フィルタ１３ａ，１３ｂをキセノンランプ１２からの光軸上に交互に配置し、図３に示されるように、２種類の励起光を時分割に交互にライトガイド７ａに入射させることができるようになっている。

さらに具体的には、第１の励起フィルタ１３ａは、図４に示されるように、第１の励起光として、４８０〜５００ｎｍの波長帯域の光を透過させるようになっている。また、第２の励起フィルタ１３ｂは、第２の励起光として、４２０〜４４０ｎｍの波長帯域の光を透過させるようになっている。

第２の励起フィルタ１３ｂの透過波長帯域は、以下のようにして設定されている。すなわち、図４および図５に示されるように、励起光カットフィルタ８の透過波長帯域を５２０〜５５０ｎｍに設定したときに、励起光の波長を変化させたときの自家蛍光の励起スペクトルを測定すると、波長３５０ｎｍ（図示略）においてＮＡＤＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）を主要因として自家蛍光の強度が極大となり、波長４１５ｎｍ程度において極小となり、波長４６５ｎｍにおいてＦＡＤを主要因として自家蛍光の強度が再度極大となる。

フルオレセインを励起する第１の励起光は、ＦＡＤをも励起するため、これを補正する蛍光画像を得るための第２の励起光としては、フルオレセインを励起せず、ＦＡＤを励起し、かつ、ＮＡＤＨを励起しない波長帯域を有することが望ましい。また、第２の励起光により励起されるＦＡＤを主要因とする蛍光の強度は、第１の励起光により励起されるＦＡＤを主要因とする蛍光の強度とほぼ同等であることが望ましい。
その結果、図４および図５に示されるように、第２の励起光の波長帯域を４２０〜４４０ｎｍとすることにより、上記条件が満たされる。

画像処理部５は、撮像素子１０により取得された蛍光画像を処理して画像情報を生成する画像情報生成部１６と、第１の励起光が照射されたときに取得された蛍光画像を処理して生成された画像情報を記憶する第１のメモリ１７と、第２の励起光が照射されたときに取得された蛍光画像を処理して生成された画像情報を記憶する第２のメモリ１８と、これらのメモリ１７，１８に記憶された画像情報を演算して補正された蛍光画像情報を生成する画像演算部１９とを備えている。

画像演算部１９は、第１のメモリ１７に記憶されている画像情報から第２のメモリ１８に記憶されている画像情報を減算し、表示ユニット６に出力するようになっている。
撮像素子制御部１１、モータ制御部１５、画像情報生成部１６、第１，第２のメモリ１７，１８および画像演算部１９は、タイミングコントローラ２０に接続され、それぞれ駆動タイミングが制御され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蛍光内視鏡装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る蛍光内視鏡装置１を用いて蛍光薬剤としてフルオレセインが付着または吸収された生体を観察するには、まず、挿入部２を体腔Ａ内に挿入してその先端２ａを体腔Ａ内の観察対象部位に対向させる。この状態で、光源ユニット４の励起フィルタ装置１３を作動させ、ターレット１３ｃを回転させて第１、第２の励起光を交互に射出させると、ライトガイド７ａを介して伝播された第１，第２の励起光が体腔Ａ内の観察対象部位Ｂに時分割に交互に照射される。

生体にはフルオレセインが付着または吸収されているので、第１の励起光が照射されることにより蛍光薬剤が励起され、薬剤蛍光が発せられる。また、生体には自家蛍光物質としてＦＡＤが生来含有されているので、励起光が照射されることにより自家蛍光も発せられる。これら薬剤蛍光および自家蛍光のうち、所定の波長帯域（５２０〜５５０ｎｍ）の光が励起光カットフィルタ８を透過して撮像素子１０によって撮影される。

これにより、撮像素子１０によって、図６（ａ）に示されるように、薬剤蛍光および自家蛍光の両方が含まれた蛍光画像が取得され、画像情報生成部１６により画像情報として生成される。生成された画像情報は第１のメモリ１７に記憶される。図６におけるグラフは、線Ｐ−Ｐ上に配される撮像素子１０の画素の輝度分布を８ビットで示している。

また、第２の励起光が照射されることにより、ＦＡＤが励起され自家蛍光が発せられる。自家蛍光の内、励起光カットフィルタ８を透過した蛍光が撮像素子１０によって撮影される。これにより、撮像素子１０によって、図６（ｂ）に示されるように、自家蛍光を主として含む蛍光画像が取得され、画像情報生成部１６により画像情報として生成される。生成された画像情報は第２のメモリ１８に記憶される。

２つの画像情報が生成された時点で、画像演算部１９が作動し、第１のメモリ１７に記憶されている画像情報から第２のメモリ１８に記憶されている画像情報が減算される。これにより、図６（ｃ）に示されるように、補正された画像情報が生成される。生成された画像情報は表示ユニット６に送られて表示される。図７（ａ）〜（ｃ）に図６（ａ）〜（ｃ）の画像例に対応する実験画像例を示す。

このように、本実施形態に係る蛍光内視鏡装置１によれば、薬剤蛍光および自家蛍光を含む画像情報から同等の自家蛍光を含む画像情報を減算することで、自家蛍光を除去した薬剤蛍光の画像情報を得ることができる。すなわち、薬剤蛍光が発せられている領域以外の領域における蛍光（バックグラウンド蛍光）を低減することができ、薬剤蛍光のコントラストを向上して、鮮明な蛍光画像を取得することができるという利点がある。

特に、本実施形態においては、励起光カットフィルタ８によって撮像素子１０に到達する蛍光の波長帯域を５２０〜５５０ｎｍに限定したときの自家蛍光の励起スペクトルにおいて、主としてＦＡＤによる自家蛍光の強度が第１の励起光における場合とほぼ同等になる波長帯域に第２の励起光が選択されている。したがって、２つのメモリ１７，１８に記憶された画像情報に補正係数を乗算することなくそのまま減算処理してコントラストの高い蛍光画像を得ることができる。

なお、本実施形態においては、第２の励起光の波長帯域として、４２０〜４４０ｎｍを選択したが、これに限定されるものではなく、第１の励起光より短い波長帯域側に向かって、主としてＦＡＤによる自家蛍光の励起スペクトルが最初に極大値となる波長から次に極小値となる波長までの間の波長帯域を選択することにしてもよい。最初の極大値以下に設定することで、フルオレセインをほとんど励起しない第２の励起光を選択することができる。また、次の極小値以上に設定することで、ＮＡＤＨをほとんど励起しない第２の励起光を選択することができる。

そして、この場合には、２つのメモリ１７，１８に記憶された画像情報にそれぞれ補正係数を乗算することで、２つの画像情報に含まれる主としてＦＡＤによる自家蛍光の強度レベルを合わせて、減算処理により自家蛍光の画像情報を除去することができる。

また、本実施形態においては、減算処理を行うことで、フルオレセインの蛍光画像情報もそのレベルが低下することとなるため、図８に示されるように、ゲインをかけることで蛍光画像情報の明るさを強調して表示することができる。また、図９に示されるように、ダイナミックレンジが表示画像より大きな高解像度ＣＣＤを用いて、減算処理後に階調補正を行い強調表示することができる。このようにすることで、色の解像度を落とさずに済むという利点がある。

また、第２のメモリ１８に記憶された自家蛍光を主として含む蛍光画像情報と、減算処理して得られた補正された蛍光画像情報とにそれぞれ異なる色を割り当てて合成することにしてもよい。このようにすることで、疑似カラー画像を構成することができ、色の違いによって正常部と病変部とを簡易に見分けることができるようになる。

また、減算処理後にローパスフィルタ等のフィルタリング処理を行うことにしてもよい。このようにすることで、減算処理によって生じたノイズを軽減し、ノイズの少ない見やすい画像を生成することができる。

また、減算処理後の画像にゲインまたはガンマ補正をかけることにしてもよい。このようにすることで、薬剤蛍光の発生部分を強調表示することができ、画像を見やすくすることができる。

また、第１の励起光を照射して得られた蛍光画像情報において、輝度が飽和している画素が存在する場合には、オートゲインまたは光源光量を変更して飽和しないようにフィードバックすることにしてもよい。これにより、減算後の補正された蛍光画像情報の値が変わってしまう不都合の発生を防止することができる。

また、本実施形態においては、撮像ユニット３において励起光カットフィルタ８を採用したが、これに代えて、エタロンフィルタあるいは液晶チューナブルフィルタのように波長可変フィルタを採用することにしてもよい。このようにすることで、撮像素子に到達させる蛍光の波長帯域を変更して、異なる蛍光薬剤の使用や、異なる自家蛍光の補正を行うことができるという利点がある。

本発明の一実施形態に係る蛍光内視鏡装置の全体構成を示す図である。図１の蛍光内視鏡装置に備えられる励起フィルタとターレットを示す図である。図２のターレットにより挿入部の先端から射出される励起光のタイミングを示すタイムチャートである。図１の蛍光内視鏡装置の光源ユニットから射出される第１，第２の励起光の波長特性、励起光カットフィルタの波長特性およびフルオレセインの励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。図１の蛍光内視鏡装置の光源ユニットから射出される第１，第２の励起光の波長特性および蛍光５３０ｎｍに対する組織の自家蛍光励起スペクトルを示す図である。（ａ）第１の励起光を照射して得られた蛍光画像および輝度分布、（ｂ）第２の励起光を照射して得られた蛍光画像および輝度分布、（ｃ）（ａ）の蛍光画像から（ｂ）の蛍光画像を減算して得られた蛍光画像および輝度分布をそれぞれ示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）に対応する実験画像例を示す図である。（ａ）図６（ｃ）の蛍光画像および輝度分布、（ｂ）（ａ）の蛍光画像にゲインを乗算した結果を示す蛍光画像および輝度分布を示す図である。（ａ）高分解能の撮像素子を使用した場合の図６（ｃ）と同様の減算処理後の蛍光画像を示す輝度分布、（ｂ）（ａ）の蛍光画像を表示用の分解能に変換した輝度分布を示す図である。

符号の説明

Ａ体腔（生体組織）
１蛍光内視鏡装置
４光源ユニット（励起光源）
１０撮像素子（撮像部）
１９画像演算部（画像補正部：画像処理部：増幅部）

Claims

生体組織に導入した蛍光薬剤および生体由来の自家蛍光物質を励起する第１の励起光と該第１の励起光により励起される自家蛍光物質を主として励起する第２の励起光とを交互に射出する励起光源と、
該励起光源からの第１の励起光および第２の励起光を照射したときに前記生体組織からそれぞれ発せられる蛍光の内、所定の波長範囲の蛍光を撮影する撮像部と、
前記第２の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された自家蛍光画像に基づいて、前記第１の励起光が照射されたときに前記撮像部により取得された薬剤蛍光画像を補正する画像補正部とを備える蛍光内視鏡装置。
前記第２の励起光が、前記第１の励起光より短く、かつ、前記撮像部に達する自家蛍光の励起スペクトルにおいて強度が極小値となる波長よりも長い波長を有する請求項１に記載の蛍光内視鏡装置。
前記第２の励起光が、前記第１の励起光より短く、かつ、前記撮像部に達する自家蛍光の励起スペクトルにおいて強度が極大値となる波長よりも短い請求項２に記載の蛍光内視鏡装置。
前記画像補正部が、前記薬剤蛍光画像から前記自家蛍光画像を減算して薬剤蛍光画像を補正する請求項１から請求項３のいずれかに記載の蛍光内視鏡装置。
前記画像補正部により生成された補正された薬剤蛍光画像および前記自家蛍光画像に異なる色情報を割り当てて合成する画像処理部を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の蛍光内視鏡装置。
前記画像補正部により生成された補正された薬剤蛍光画像を増幅する増幅部を備える請求項４に記載の蛍光内視鏡装置。