JP5558331B2

JP5558331B2 - 内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置及び内視鏡システムの作動方法

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Publication number: JP5558331B2
Application number: JP2010279512A
Authority: JP
Inventors: 孝明齋藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: JP2012125402A

Description

本発明は、被検体の撮像により得られる画像信号から血中ヘモグロビンの酸素飽和度に関する情報などの機能情報を求める内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置及び機能情報取得方法に関する。

近年の医療においては、内視鏡装置を用いた診断等が広く行われている。内視鏡装置による被検体内の観察としては、照明光として広帯域光の白色光を用いる通常光観察の他、波長を狭帯域化した狭帯域光を用いて、被検体内の血管を強調表示等させる特殊光観察も行われるようになってきている。

また、特殊光観察の他に、血管の吸光特性や生体組織の散乱特性を利用して、内視鏡装置で得られた画像信号から血中ヘモグロビンの酸素飽和度や血管深さなどの血管に関する機能情報を取り出し、それを画像化することも行われている。例えば、特許文献１では、酸素飽和度の大小に応じて異なる色を割り当て、その割り当てた色に基づく疑似カラーからなる酸素飽和度画像を生成している。このような酸素飽和度画像を用いることで、例えば、酸素飽和度が特異的に低くなる癌の発見が容易になるため、診断能が向上する。

特許２６４８４９４号公報

血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出するためには、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光度が変化する波長範囲を少なくとも含む複数波長の光を体腔内に照射する必要がある。特許文献１では、キセノンランプから発せられる白色光から、帯域制限フィルタによって複数波長の光に分離し、分離した光を順に被検体に照射して撮像を行っている（面順次方式）。

しかしながら、特許文献１のように、面順次方式で複数波長の光を照射及び撮像した場合には、フレーム間で内視鏡スコープと被写体との距離が変わってしまうと、フレーム間の光量比が変化してしまう。このようにフレーム間の光量比が変わってしまうと、得られる画像信号からは、酸素飽和度を適切に算出できないおそれがある。

本発明は、フレーム間の光量比に変化が生じたとしても、酸素飽和度を適切に算出することができる内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置及び機能情報取得方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の内視鏡システムは、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光を被検体内に照射する第１の照明手段と、前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光を被検体内に照射する第２の照明手段と、前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得する画像信号取得手段と、前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正する信号補正手段と、前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、前記酸素飽和度の分布を表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

前記第１の波長範囲は青色帯域に含まれ、前記透過フィルタは、前記第１または第２の照明光のうち赤色帯域の光を透過させるＲ色のフィルタであることが好ましい。前記第１の波長範囲は４６０〜４８０ｎｍである。

前記第１の照明光は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲を有する第１励起光を蛍光体に当てたときに励起発光する白色光であり、前記第２の照明光は、４４０〜４６０ｎｍの波長範囲を有する第２励起光を蛍光体に当てたときに励起発光する白色光であり、前記第１励起光を前記蛍光体に当てたときの蛍光スペクトルと前記第２励起光を前記蛍光体に当てたときの蛍光スペクトルとは概形が変わらないことが好ましい。

前記信号補正手段は、前記第１及び第２の画像信号から前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレを検出し、前記光量比のズレが規定値を外れているときに、前記第１または第２の画像信号を補正する。

前記酸素飽和度算出手段は、前記補正後の第１及び第２の画像信号間の信号比を算出する信号比算出部と、前記信号比と酸素飽和度との相関関係を記憶する相関関係記憶部と、前記相関関係記憶部に記憶された相関関係から、前記信号比算出部で算出した信号比に対応する酸素飽和度を求める酸素飽和度算出部とを備えている。

前記表示手段は、前記酸素飽和度の情報を疑似カラー画像化した酸素飽和度画像を表示する。

本発明の内視鏡システムのプロセッサ装置は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光と、前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光とを被検体内に照射し、前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得内視鏡装置から、前記第１及び第２の画像信号を受信する受信手段と、前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正する信号補正手段と、前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段とを備えることを特徴とする。

本発明の内視鏡システムの作動方法は、照明手段が、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光と、前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光とを、それぞれ別々に発するステップと、画像信号取得手段が、前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得するステップと、信号補正手段が、前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正するステップと、酸素飽和度算出手段が、前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、特定の波長範囲における光量分布に一定の関係がある第１及び第２の照明光をそれぞれ別々に被検体に照射し、それぞれの反射光をカラーの撮像素子によって撮像することにより第１及び第２の画像信号を取得し、その取得した第１または第２の画像信号について、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように補正を行い、その補正後の第１及び第２の画像信号を用いて酸素飽和度を算出していることから、第１及び第２の照明光間の光量比、即ちフレーム間の光量比に変化が生じたとしても、酸素飽和度を適切に算出することができる。

第１実施形態の内視鏡システムの外観図である。内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。白色光の発光スペクトルを表すグラフである。ＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率を示すグラフである。通常光観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。機能情報観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。血液量と信号比Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。酸素飽和度と信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。ヘモグロビンの吸光係数を示すグラフである。図７のグラフにおいて信号比から酸素飽和度を求める方法を説明するための説明図である。血液量と色差信号との関係を示すグラフである。酸素飽和度と色差信号との関係を示すグラフである。血液量画像と酸素飽和度画像を並列表示する表示装置の画像図である。血液量画像と酸素飽和度画像のいずれか一方を表示する表示装置の画像図である。本発明の作用を示すフローチャートである。血液量画像及び酸素飽和度画像の作成手順を示すブロック図である。

図１及び２に示すように、第１実施形態の内視鏡システム１０は、所定の波長範囲の光を発生する光源装置１１と、光源装置１１から発せられる光を導光して被検体の被観察領域に照明光を照射し、その反射光等を撮像する内視鏡装置１２と、内視鏡装置１２で得られた画像信号を画像処理するプロセッサ装置１３と、画像処理によって得られた内視鏡画像等を表示する表示装置１４と、キーボード等で構成される入力装置１５とを備えている。

内視鏡システム１０は、波長範囲が青色から赤色に及ぶ可視光の被検体像からなる通常光画像を表示装置１４に表示する通常光観察モードと、被検体における血中ヘモグロビンの酸素飽和度を疑似カラー化した酸素飽和度画像及び血液量が疑似カラー化した血液量画像を表示装置１４に表示する機能情報観察モードを備えている。観察モードは、内視鏡装置の切り替えスイッチ１７や入力装置１５から入力される指示に基づき、適宜切り替えられる。

光源装置１１は、２種のレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２と、光源制御部２０とを備えている。レーザ光源ＬＤ１は、中心波長が４７３ｎｍの第１レーザ光を照射して、内視鏡装置の先端部に配置された蛍光体５０から第１白色光（疑似白色光）を発生させる。レーザ光源ＬＤ２は、中心波長が４４５ｎｍの第２レーザ光を照射して、蛍光体５０から第２白色光（疑似白色光）を発生させる。なお、第１レーザ光の波長範囲は４６０〜４８０ｎｍにすることが好ましく、第２レーザ光の波長範囲は４４０〜４６０ｎｍにすることが好ましい。

各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２から発せられる第１または第２レーザ光は、集光レンズ（図示省略）を介してそれぞれ光ファイバ２４，２５に入射する。なお、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２は、ブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードが使用でき、また、ＩｎＧａＮＡｓ系レーザダイオードやＧａＮＡｓ系レーザダイオード等を用いることもできる。

光源制御部２０は、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２を制御することによって、各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２の発光タイミングや各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２間の光量比を調節する。本実施形態では、通常光観察モードのときには、レーザ光源ＬＤ１をオフにし、レーザ光源ＬＤ２をオンにする。一方、機能情報観察モードのときには、レーザ光源ＬＤ１をオンにするときにはレーザ光源ＬＤ２をオフにし、レーザ光源ＬＤ１をオフにするときにはレーザ光源ＬＤ２をオンにする。この切替は一定時間毎に繰り返し行われる。

コンバイナ２１は、各光ファイバ２４，２５からの光を合波させる。合波した光は、分波器であるカプラ２２によって２系統の光に分波される。分波された２系統の光は、ライトガイド２８，２９で伝送される。ライトガイド２８，２９は多数の光ファイバを束ねたバンドルファイバなどから構成される。なお、コンバイナ２１及びカプラ２２を用いずに、各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２からの光を直接ライトガイド２６〜２９に入れる構成としてもよい。

内視鏡装置１２は電子内視鏡から構成され、内視鏡スコープ３２と、ライトガイド２８，２９で伝送される２系統（２灯）の光を照射する照明部３３と、被観察領域を撮像する１系統の撮像部３４、内視鏡スコープ３２の先端部の湾曲操作や観察のための操作を行う操作部３５と、内視鏡スコープ３２と光源装置１１及びプロセッサ装置１３とを着脱自在に接続するコネクタ部３６を備えている。

内視鏡スコープ３２には、操作部３５側から順に、軟性部３８、湾曲部３９、スコープ先端部４０が設けられている。軟性部３８は、可撓性を有しているため、内視鏡スコープ挿入時には被検体内で屈曲自在にすることができる。湾曲部３９は、操作部３５に配置されたアングルノブ３５ａの回動操作により湾曲自在に構成されている。この湾曲部３９は、被検体の部位等に応じて、任意の方向、任意の角度に湾曲させることができるため、スコープ先端部４０を所望の観察部位に向けることができる。

スコープ先端部４０には照明部３３と撮像部３４が設けられている。撮像部３４は、スコープ先端部４０の略中心位置に、被写体領域からの反射光等を撮像する１つの観察窓４２を備えている。照明部３３は、撮像部３４の両脇に設けられた２つの照明窓４３，４４を備えており、各照明窓４３，４４は、第１または第２白色光を被観察領域に向けて照射する。

照明窓４３，４４の奥には、それぞれ投光ユニット４７，５４が収納されている。各投光ユニット４７，５４は、ライトガイド２８，２９からの第１または第２レーザ光を蛍光体５０に当てて白色光を励起発光させ、その白色光をレンズ５１を介して被観察領域に向けて照射する。

蛍光体５０は、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２からの第１または第２レーザ光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光物質（例えばＹＡＧ系蛍光物質、或いはＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７）等の蛍光物質）を含んで構成される。第１または第２レーザ光が蛍光体５０に照射されると、蛍光体５０から発せられる緑色〜黄色の励起発光光（蛍光）と、蛍光体５０により吸収されず透過した第１または第２レーザ光の励起光とが合わされて、白色光（疑似白色光）が生成される。なお、蛍光体は、商品名としてマイクロホワイト（登録商標）（Micro White（ＭＷ））とも呼ばれている。

したがって、第１レーザ光が投光ユニット４７，５４に入射したときには、図３に示すような、中心波長４７３ｎｍの第１レーザ光の波長範囲と、その第１レーザ光によって励起発光する蛍光において発光強度が増大する概ね４８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲とを有する白色光が被検体に照射される。一方、第２レーザ光が投光ユニット４７，５４に入射したときには、中心波長４４５ｎｍの第１レーザ光の波長範囲と、その第１レーザ光によって励起発光する蛍光において発光強度が増大する概ね４５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲とを有する白色光が被検体に照射される。

なお、ここで、本発明でいう白色光とは、厳密に可視光の全ての波長成分を含むものに限らず、例えば、上述した疑似白色光を始めとして、基準色であるＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等、特定の波長帯の光を含むものであればよい。つまり、本発明のいう白色光には、例えば、緑色から赤色にかけての波長成分を含む光や、青色から緑色にかけての波長成分を含む光等も広義に含まれるものとする。

観察窓４２の奥には、被検体の被観察領域の像光を取り込むための対物レンズユニット（図示省略）等の光学系が設けられており、さらにその対物レンズユニットの奥には、被観察領域の像光を受光して被観察領域を撮像するＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などの撮像素子６０が設けられている。

撮像素子６０は、対物レンズユニットからの光を受光面（撮像面）で受光し、受光した光を光電変換して撮像信号（アナログ信号）を出力する。撮像素子６０はカラーＣＣＤであり、その受光面には、Ｒ色のカラーフィルタが設けられたＲ画素、Ｇ色のカラーフィルタが設けられたＧ画素、Ｂ色のカラーフィルタが設けられたＢ画素を１組とする画素群が、多数マトリックス状に配列されている。

Ｂ色、Ｇ色、Ｒ色のカラーフィルタは、それぞれ図４に示すような分光透過率６３，６４，６５を有している。したがって、被観察領域からの反射光等のうち白色光はＲ色、Ｇ色、Ｂ色のカラーフィルタの全てを透過するため、撮像素子６０のＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の全てから撮像信号が出力される。

撮像素子６０から出力される撮像信号（アナログ信号）は、スコープケーブル６７を通じてＡ／Ｄ変換器６８に入力される。Ａ／Ｄ変換器６８は、撮像信号（アナログ信号）をその電圧レベルに対応する画像信号（デジタル信号）に変換する。変換後の画像信号は、コネクタ部３６を介して、プロセッサ装置１３の画像処理部７３に入力される。

撮像制御部７０は撮像素子６０の撮像制御を行う。図５Ａに示すように、通常光観察モード時には、１フレーム期間内で、第２白色光（４４５ｎｍ＋蛍光体（本実施形態では４４５ｎｍの第２レーザ光を蛍光体５０に当てて白色光を発生させるため、このように表記する））を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる。これは通常光観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。

一方、機能情報観察モード時には、図５Ｂに示すように、１フレーム期間内で、第１白色光（４７３ｎｍ＋蛍光体（本実施形態では４７３ｍの第１レーザ光を蛍光体５０に当てて白色光を発生させるため、このように表記する）を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる（１フレーム目）。そして、その次に、１フレーム期間内で、第２白色光（４４５ｎｍ＋ＭＷ）を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる（２フレーム目）。これら合計２フレームの撮像制御は、機能情報観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。

なお、１フレーム目で得られる画像信号は、撮像素子６０のＢ画素からの青色信号Ｂ１と、Ｇ画素からの緑色信号Ｇ１と、Ｒ画素からの赤色信号Ｒ１とから構成される。また、２フレーム目で得られる画像信号は、Ｂ画素からの青色信号Ｂ２と、Ｇ画素からの緑色信号Ｇ２と、Ｒ画素からの赤色信号Ｒ２とから構成される。

なお、図示はしていないが、内視鏡装置１２における操作部３５及び内視鏡スコープ３２の内部には、組織採取用処置具等を挿入する鉗子チャンネルや、送気・送水用のチャンネル等、各種のチャンネルが設けられている。

プロセッサ装置１３は、制御部７２と、画像処理部７３と、記憶部７４とを備えており、制御部７２には表示装置１４及び入力装置１５が接続されている。制御部７２は、内視鏡装置１２の切り替えスイッチ１７や入力装置１５から入力される観察モード等の指示に基づいて、画像処理部７３、光源装置１１の光源制御部２０、内視鏡装置１２の撮像制御部７０、及び表示装置１４の動作を制御する。

画像処理部７３は通常光画像処理部８０と機能画像処理部８２とを備えており、内視鏡装置１２からの画像信号に対して、所定の画像処理を施す。通常光画像処理部８０は、通常光観察モード時に得られる画像信号に対して所定の画像処理を施すことによって、通常光画像を生成する。

機能画像処理部８２は、内視鏡装置１２から入力される画像信号に基づき被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を算出するとともに、算出した血液量を疑似カラー画像化した血液量画像と酸素飽和度を疑似カラー画像化した酸素飽和度画像を生成する。血液量及び酸素飽和度の算出には、機能情報観察モード時に得られた画像信号のうち１フレーム目の青色信号Ｂ１と２フレーム目の緑色信号Ｇ２及び赤色信号Ｒ２が用いられる。機能画像処理部８２は、信号補正部８３と、信号比算出部８４と、相関関係記憶部８５と、血液量及び酸素飽和度算出部８６と、血液量画像生成部８７と、酸素飽和度画像生成部８８とを備えている。

信号補正部８３は、第１及び第２の白色光間の光量比（フレーム間光量比）のズレに基づく信号値のズレを無くすように、画像信号を補正する。信号補正部８３では、まず、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号から、フレーム間光量比を検出する。この検出したフレーム間光量比は、光量制御部２０による第１及び第２レーザ光の光量制御に用いられる。そして、フレーム間光量比が規定値から外れている場合には、１フレーム目の赤色信号Ｒ１と２フレーム目の赤色信号Ｒ２との相関関係を用いて、血液量及び酸素飽和度の算出に用いられる画像信号のうち２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２を補正する。

ここで、補正の際に用いられる赤色信号Ｒ１，Ｒ２は、光量制御部２０による光量制御が理想的に動作していれば、画素によらず、Ｒ２＝Ｃ×Ｒ１（Ｃは既知の定数）の関係で表される。一方、光量制御の動作が不安定で、光量比が規定値から外れた場合であっても、赤色信号Ｒ１，Ｒ２は、Ｃとは別の係数Ｃ´によりＲ２＝Ｃ´×Ｒ１の関係で表すことができる。このように光量比のズレによらず、赤色信号Ｒ１，Ｒ２を一定の関係で表すことができるのは、以下の３つの理由による。
（１）：蛍光体５０の蛍光スペクトル（励起発光光（図３参照））は、励起光である第１レーザ光（中心波長４７３ｎｍ）と第２レーザ光（中心波長４４５ｎｍ）のいずれの場合でも概形は変わらない（厳密には、第１レーザ光による蛍光のほうが全体的に長波長側にシフトするが、影響は軽微）
（２）：撮像素子６０のＲ画素は、蛍光スペクトルのうち長波長側の裾の部分のみ感度がある。
（３）：（１）、（２）から、赤色信号Ｒ１，Ｒ２は、いずれも被写体となる生体組織についてほとんど同じ情報を持っている。

したがって、フレーム間で光量比が規定値から外れた場合には、Ｒ２＝Ｃ´×Ｒ１の関係から、Ｃ´を算出する。そして、２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２を、以下に式に基づいて補正することで、補正緑色信号Ｇ２´と補正赤色信号Ｒ２´を得る。
Ｒ２´＝Ｒ２／Ｃ´×Ｃ
Ｇ２´＝Ｇ２／Ｃ´×Ｃ
補正緑色信号Ｇ２´と補正赤色信号Ｒ２´は、フレーム間の光量比による信号値のズレが実質的に規定値に戻されているため、血液量及び酸素飽和度を安定して算出することができる。なお、１フレーム目の赤色信号Ｒ１を基準として２フレーム目の画像信号を補正したが、反対に、２フレーム目の赤色信号Ｒ２を基準として１フレーム目の画像信号を補正してもよい。

なお、Ｃ´は、以下の式に基づいて算出することが好ましい。
Ｃ´＝（赤色信号Ｒ２の画素値の平均値）／（赤色信号Ｒ１の画素値の平均値）
この式において、平均値は、フレーム間で共通する領域のうち特定の範囲における画素値を平均化したものである。これにより、電荷飽和状態になった部分などの異常値を除くことができるため、画素ごとのノイズによる影響を低減することができる。

あるいは、画像信号の信号値を光量に対してlogになるように変換した後で、
Ｃ´＝（赤色信号Ｒ２の画素値の平均値）−（赤色信号Ｒ１の画素値の平均値）
とし、補正緑色信号Ｇ２´と補正赤色信号Ｒ２´を以下の式に基づいて算出してもよい。
Ｒ２´＝Ｒ２−Ｃ´＋Ｃ
Ｇ２´＝Ｇ２−Ｃ´＋Ｃ
なお、ＣはＲ２とＲ１の規定信号比から定まる定数である。

信号比算出部８４は、１フレーム目の青色信号Ｂ１と２フレーム目の緑色信号Ｇ２との信号比Ｂ１／Ｇ２と、２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２との信号比Ｒ２／Ｇ２とを求める。一方、信号補正部８３で信号補正をした場合には、信号比Ｂ１／Ｇ２はＢ１／Ｇ２´となり、信号比Ｒ２／Ｇ２はＲ２´／Ｇ２´となる。なお、以下の説明においては、信号補正の有無にかかわらず、信号比はＢ１／Ｇ２とＲ２／Ｇ２に統一する。

信号比算出部８４では、信号比を求める際、信号間で同じ位置にある画素間の信号比を算出する。また、信号比は画像信号の全ての画素に対して算出される。なお、信号比は画像信号のうち血管部分の画素のみ求めてもよい。この場合、血管部分は、血管部分の画像信号とそれ以外の部分の画像信号との差に基づいて特定される。

相関関係記憶部８５は、信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２と血液量及び酸素飽和度との相関関係を記憶している。信号比と血液量との相関関係は、図６に示すように、信号比Ｒ２／Ｇ２が大きくなればなるほど血液量も大きくなるように定義されている１次元テーブルで記憶されている。なお、信号比Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。

一方、信号比と酸素飽和度との相関関係は、図７に示す二次元空間上に酸素飽和度の等高線を定義した２次元テーブルで記憶されている。この等高線の位置、形は光散乱の物理的なシミュレーションで得られ、血液量に応じて変わるように定義されている。例えば、血液量の変化があると、各等高線間の間隔が広くなったり、狭くなったりする。なお、信号比Ｂ１／Ｇ２，Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。

なお、上記相関関係は、図８に示すような酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンの吸光特性や光散乱特性と密接に関連性し合っている。図８において、グラフ９０は酸化ヘモグロビンの吸光係数を、グラフ９１は還元ヘモグロビンの吸光係数を示している。この図９が示すように、例えば、４７３ｎｍのように吸光係数の差が大きい波長では、酸素飽和度の情報を取り易い。しかしながら、４７３ｎｍの光に対応する信号を含む青色信号は、酸素飽和度だけでなく血液量にも依存度が高い。そこで、青色信号Ｂ１に加え、主として血液量に依存して変化する光に対応する赤色信号Ｒ２と、青色信号Ｂ１と赤色信号Ｒ２のリファレンス信号となる緑色信号Ｇ２から得られる信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２を用いることで、血液量に依存することなく、酸素飽和度を正確に求めることができる。

また、血中ヘモグロビンの吸光係数の波長依存性から、以下の３つのことが言える。
・波長４７０ｎｍ近辺（例えば、中心波長４７０ｎｍ±１０ｎｍの青色の波長領域）では酸素飽和度の変化に応じて吸光係数が大きく変化する。
・５４０〜５８０ｎｍの緑色の波長範囲で平均すると、酸素飽和度の影響を受けにくい。
・５９０〜７００ｎｍの赤色の波長範囲では、酸素飽和度によって一見吸光係数が大きく変化するように見えるが、吸光係数の値自体が非常に小さいので、結果的に酸素飽和度の影響を受けにくい。

血液量及び酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶された相関関係と信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２とを用いて、各画素における血液量及び酸素飽和度の両方を求める。なお、信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２は、フレーム間光量比のズレに基づく信号値のズレが補正されているため、血液量及び酸素飽和度算出部８６は血液量及び酸素飽和度を正確に求めることができる。

血液量については、相関関係記憶部８５の１次元テーブルにおいて信号比算出部で求めた信号比Ｒ２／Ｇ２に対応する値が、血液量となる。一方、酸素飽和度については、まず、図９に示すように、二次元空間において信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１^＊／Ｇ２^＊、Ｒ２^＊／Ｇ２^＊に対応する対応点Ｐを特定する。

そして、図９のように、対応点Ｐが酸素飽和度＝０％限界の下限ライン９３と酸素飽和度＝１００％限界の上限ライン９４との間にある場合、その対応点Ｐが位置する等高線が示すパーセント値が、酸素飽和度となる。例えば、図９の場合であれば、対応点Ｐが位置する等高線は６０％を示しているため、この６０％が酸素飽和度となる。なお、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合には、対応点が下限ライン９３よりも上方に位置するときには酸素飽和度を０％とし、対応点が上限ライン９４よりも下方に位置するときには酸素飽和度を１００％とする。なお、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合には、その画素における酸素飽和度の信頼度を下げて表示しないようにしてもよい。

血液量画像生成部８７は、血液量及び酸素飽和度算出部８６で求めた血液量を疑似カラーで表す血液量画像を生成する。血液量画像は、輝度Ｙと色差信号Ｃｂ，Ｃｒからなる映像信号で構成される。輝度Ｙには、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられる。この緑色信号Ｇ２は、ヘモグロビンによる吸収がやや強い波長帯域の反射光に対応しているので、これに基づく画像からは粘膜の凹凸や血管などを視認できる。したがって、緑色信号Ｇ２を輝度に割り当てることで、疑似カラー画像の全体的な明るさを定義することができる。

一方、色差信号Ｃｂ，Ｃｒは、カラーテーブル８７ａに従って、血液量に応じた信号値が割り当てられる。カラーテーブル８７ａは、図１０に示すように、色差信号Ｃｂについては血液量が大きくなるほど信号値が低下するように定義され、色差信号Ｃｒについては血液量が大きくなるほど信号値が増加するように定義されている。したがって、血液量画像は、血液量が多いところでは赤味が増加し、血液量が低くなるにつれて赤味の彩度が下がりモノクロに近づいていく。

酸素飽和度画像生成部８８は、血液量及び酸素飽和度算出部８７で求めた酸素飽和度を疑似カラーで表す酸素飽和度画像を生成する。酸素飽和度画像は、血液量画像と同様、輝度Ｙと色差信号Ｃｂ，Ｃｒからなる映像信号で構成される。輝度Ｙには、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられる。色差信号Ｃｂ，Ｃｒは、カラーテーブル８８ａに従い、酸素飽和度に応じた信号値が割り当てられる。

カラーテーブル８８ａは、図１１に示すように、高酸素飽和度下では色差信号Ｃｒの信号値が正、色差信号Ｃｂの信号値が負となるように定義され、低酸素飽和度下では、反対に色差信号Ｃｒの信号値が負、色差信号Ｃｂの信号値が正となるように定義されている。そして、中酸素飽和度下において、色差信号Ｃｒの信号値と色差信号Ｃｂの信号値の大小関係が逆転するように定義されている。したがって、酸素飽和度が低い方から高い方に行くにつれて、酸素飽和度画像の色味は青→水色→緑→黄色→橙→赤と変化するようになっている。

以上のように生成された血液量画像及び酸素飽和度画像は表示装置１４に表示される。表示方法としては、図１２に示すように、酸素飽和度画像と血液量画像を縮小し、それら縮小した画像を並列して同時に表示してもよい。あるいは、入力装置１５に設けられた画像選択手段をユーザが操作することによって、図１３に示すように、酸素飽和度画像と血液量画像のいずれか一方を選択し、その選択した画像を表示装置１４を表示するようにしてもよい。

次に、本発明の作用について図１４のフローチャート及び図１５のブロック図に沿って説明する。内視鏡装置の切り替えスイッチ１７によって、機能情報観察モードに切り替えられると、中心波長４７３ｎｍの第１レーザ光で蛍光体５０から励起発光される第１白色光が、スコープ先端部４０から被検体内に照射される。被検体からの反射光等は、Ｂ画素、Ｇ画素、Ｒ画素からなるカラーＣＣＤである撮像素子６０で撮像される。これにより、青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ１、赤色信号Ｒ１からなる１フレーム目の画像信号が得られる。

１フレーム目の画像信号が得られると、中心波長４４５ｎｍの第２レーザ光で蛍光体５０から励起発光される白色光が、スコープ先端部４０から被検体内に照射される。被検体からの反射光等を撮像素子６０で撮像することにより、青色信号Ｂ２、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２からなる２フレーム目の画像信号が得られる。

２フレーム目の画像信号が得られると、信号補正部８３は、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号から、フレーム間光量比を検出する。そして、フレーム間光量比が規定値から外れている場合には、１フレーム目の赤色信号Ｒ１と２フレーム目の赤色信号Ｒ２との相関関係を用いて、血液量及び酸素飽和度の算出に用いられる画像信号のうち２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２を補正する。

そして、信号比算出部８４により、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号間で同じ位置にある画素について、信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２を求める。信号比は全ての画素について求める。信号比が求まると、血液量及び酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶している相関関係から、信号比算出部８４で求めた信号比Ｒ２／Ｇ２に対応する血液量を求めるとともに、信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２に対応する酸素飽和度を求める。血液量及び酸素飽和度は、全ての画素について求める。

全ての画素について血液量及び酸素飽和度が求まると、血液量画像生成部８７内のカラーテーブル８７ａを参照し、血液量に対応する色差信号Ｃｂ，Ｃｒを求める。そして、この求めた色差信号Ｃｂ，Ｃｒと、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられた輝度Ｙとから、血液量が疑似カラーで表された血液量画像が生成される。また、この血液量画像と同様に、カラーテーブル８８ａを用いて、酸素飽和度が疑似カラーで表された酸素飽和度画像を生成する。生成された血液量画像及び酸素飽和度画像は、表示装置１４に表示される。

なお、上記実施形態では、第１または第２レーザ光を蛍光体に当てることにより第１または第２白色光を生成したが、これに代えて、キセノンランプや白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の広帯域光源によって、上記実施形態と同様の第１または第２白色光を生成してもよい。なお、この場合には、広帯域光源で発する白色光のうち、青色帯域については酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲に狭帯域化することが好ましい。

１０内視鏡システム
１４表示装置
６０撮像素子
７３画像処理部
８３信号補正部
８４信号比算出部
８５相関関係記憶部
８６血液量及び酸素飽和度算出部
８８酸素飽和度画像生成部
８８ａ（酸素飽和度用の）カラーテーブル

Claims

血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光を被検体内に照射する第１の照明手段と、
前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光を被検体内に照射する第２の照明手段と、
前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得する画像信号取得手段と、
前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正する信号補正手段と、
前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段と、
前記酸素飽和度の分布を表示する表示手段とを備えることを特徴とする内視鏡システム。
前記第１の波長範囲は青色帯域に含まれ、
前記透過フィルタは、前記第１または第２の照明光のうち赤色帯域の光を透過させるＲ色のフィルタであることを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
前記第１の波長範囲は４６０〜４８０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の内視鏡システム。
前記第１の照明光は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲を有する第１励起光を蛍光体に当てたときに励起発光する白色光であり、
前記第２の照明光は、４４０〜４６０ｎｍの波長範囲を有する第２励起光を蛍光体に当てたときに励起発光する白色光であり、
前記第１励起光を前記蛍光体に当てたときの蛍光スペクトルと前記第２励起光を前記蛍光体に当てたときの蛍光スペクトルとは概形が変わらないことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記信号補正手段は、前記第１及び第２の画像信号から前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレを検出し、前記光量比のズレが規定値を外れているときに、前記第１または第２の画像信号を補正することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記酸素飽和度算出手段は、
前記補正後の第１及び第２の画像信号間の信号比を算出する信号比算出部と、
前記信号比と酸素飽和度との相関関係を記憶する相関関係記憶部と、
前記相関関係記憶部に記憶された相関関係から、前記信号比算出部で算出した信号比に対応する酸素飽和度を求める酸素飽和度算出部とを備えることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記表示手段は、前記酸素飽和度の情報を疑似カラー画像化した酸素飽和度画像を表示することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の内視鏡システム。
血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光と、前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光とを被検体内に照射し、前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得する内視鏡装置から、前記第１及び第２の画像信号を受信する受信手段と、
前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正する信号補正手段と、
前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出手段とを備えることを特徴とする内視鏡システムのプロセッサ装置。
照明手段が、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する第１の波長範囲と前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲を含む第１の照明光と、前記第２の波長範囲において前記第１の照明光の光量分布と一定の関係がある光量分布を有する第２の照明光とを、それぞれ別々に発するステップと、
画像信号取得手段が、前記第２の波長範囲の光を透過させる透過フィルタが設けられた補正用画素を有するカラーの撮像素子を用いて、被検体内で反射した第１の照明光を撮像して第１の画像信号を取得するとともに、被検体内で反射した第２の照明光を撮像して第２の画像信号を取得するステップと、
信号補正手段が、前記第１の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号と、前記第２の画像信号のうち前記補正用画素から出力される信号とに基づいて、前記第１及び第２の照明光間の光量比のズレに基づく信号値のズレを無くすように、前記第１または第２の画像信号を補正するステップと、
酸素飽和度算出手段が、前記補正後の第１及び第２の画像信号を用いて、酸素飽和度を算出するステップとを有することを特徴とする内視鏡システムの作動方法。