JP5930474B2 - 内視鏡システム及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、同時式撮像素子を有する内視鏡システム及びその作動方法に関する。

近年の医療においては、光源装置、電子内視鏡、プロセッサ装置を備える内視鏡システムを用いた診断等が広く行われている。光源装置は、照明光を発生して検体内に照射する。電子内視鏡は、照明光が照射されて検体内を撮像素子により撮像して画像信号を生成する。プロセッサ装置は、電子内視鏡により生成された撮像信号を画像処理してモニタに表示するための観察画像を生成する。

この内視鏡システムの照明方式には、面順次（時分割）方式と同時方式とがある。面順次方式は、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の照明光を順番に検体に照射する方式であり、各照明光で照明された検体像は、モノクロ撮像素子により個別に撮像される。同時方式は、Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光を検体に同時に照射（すなわち、白色光を照射）する方式であり、白色光が照射された検体像は、カラーフィルタを有する同時式撮像素子により撮像される。

面順次方式では、モノクロ撮像素子で３フレーム分の撮像を行うことにより１枚の画像を生成するため、空間分解能が高いが、時間分解能が低い。これに対して、同時方式では、同時式撮像素子により１フレーム分の撮像を行うことにより１枚の画像を生成するため、時間分解能が高いが、空間分解能が低い。このように、面順次方式と同時方式とは一長一短の関係であることから、モノクロ撮像素子を備えた面順次式内視鏡と、同時式撮像素子を備えた同時方式内視鏡とがそれぞれ光源装置及びプロセッサ装置に着脱可能とされた内視鏡システムが知られている。

しかし、この内視鏡システムでは、面順次式内視鏡と同時方式内視鏡との両方を用意する必要があるため、同時方式内視鏡を接続したまま、照明方式を同時方式と面順方式とで切り替え可能とすることが提案されている（特許文献１，２参照）。具体的には、特許文献１，２に記載の内視鏡システムでは、照明方式が面順方式の場合には、同時式撮像素子により撮像された画素信号のうち、各色の照明光に対して低感度の画像信号（例えば、Ｒ光の場合、Ｇ画素及びＢ画素の画素信号）対してゲイン補正を行い、高感度の画素信号とともに画像生成に用いることで、空間分解能を向上させている。

このゲイン補正に用いるゲイン値は、白色被写体を同時式撮像素子で面順次方式により撮像した場合に、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光で得られる１つの画素の画素信号の和が、白色の画素信号となるようにホワイトバランスを調整することでゲイン値が決定されている。具体的には、ゲイン値は、同時式撮像素子の各画素について、Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光のうち、最も感度の高い照明光の照射時の画素信号値と、その他の照明光の照射時の画素信号値との比（例えば、Ｒ光照射時のＲ画素の画素信号と、Ｇ光またはＢ光照射時のＲ画素の画素信号との比）を求めることにより決定されている。

特開２００９−２８４９３１号公報 特開２００９−２８４９５９号公報

一般に、画素信号Ｐは、式（１）に示すように、照明光の光強度スペクトルＩ（λ）と、画素の分光感度スペクトルＳ（λ）と、検体の分光反射スペクトルＲ（λ）との積を、光強度スペクトルＩ（λ）の最小波長λ_ｍｉｎから最大波長λ_ｍａｘまで積分した値に比例する。

特許文献１，２に記載の内視鏡システムでは、上記ゲイン値を、波長域が異なる複数の照明光間の画素信号値の比を求めることにより決定しており、画素信号値が依存する検体の分光反射率は、照明光の波長域ごとに異なり、波長域間での分光反射率の差異は検体ごとに異なる（図１４参照）ので、観察する検体を変更するたびにゲイン値を取得し直す必要がある。

また、特許文献１，２に記載の内視鏡システムでは、各照明光の波長域幅（λ_ｍａｘとλ_ｍｉｎとの差）が広く、各照明光の波長域内での検体の分光反射率の波長依存性を無視することができないので、画素信号自体が検体の分光反射率に大きく影響される。このことも、検体ごとにゲイン値を取得し直す必要があることの一因である。

本発明は、面順次方式で同時式撮像素子の低感度の画素信号に対してゲイン補正する際に用いるゲイン値を、検体に依らない一定値とすることを可能とする内視鏡システム及びその作動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、１つまたは複数の狭帯域光を面順次発光する光源装置と、分光感度が異なる複数種類の画素を有し、各狭帯域光を複数種類の画素で撮像して感度が異なる複数の画素信号を出力する同時式撮像素子と、各狭帯域光の撮像時に同時式撮像素子から出力された複数の画素信号について、各狭帯域光に対する低感度の画素信号と高感度の画素信号との分光感度差をなくすように、低感度の画素信号にゲイン値を乗じるゲイン補正を行うゲイン補正部と、ゲイン値を記憶するゲイン値記憶部と、を備え、ゲイン値は、狭帯域光の光強度スペクトルと、各画素の分光感度スペクトルとのみに基づいて決定されたものである。

各狭帯域光は、３０ｎｍ以下の波長域幅を有することが好ましい。

ゲイン値の大きさに応じて、ゲイン補正後の画素信号に対してノイズ低減処理を行うノイズ低減部を備えることが好ましい。

ノイズ低減部は、取得時間の異なる複数フレーム分の画素信号を加算平均することによりノイズ低減処理を行うものであり、ゲイン値の大きさに応じて、加算平均に用いるフレーム数を変更することが好ましい。

ノイズ低減部は、１フレーム分の画像データに含まれる複数の画素信号を加算平均することによりノイズ低減処理を行うものであり、ゲイン値の大きさに応じて、加算平均に用いる画素信号の数を変更しても良い。

各狭帯域光時におけるゲイン補正後の画素信号を同時化して画像データを生成する同時化処理部を備える。

光源装置は、紫色狭帯域光と、緑色狭帯域光とを交互に生成することが好ましい。

同時式撮像素子は、シアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの各カラーフィルタセグメントからなる補色系色分離フィルタを有しており、複数種類の画素は、シアン画素、マゼンタ画素、イエロー画素、グリーン画素であることが好ましい。

ゲイン補正部は、紫色狭帯域光時には、シアン画素、イエロー画素、グリーン画素の各画素信号に対してゲイン補正を行い、緑色狭帯域光時には、シアン画素、マゼンタ画素、グリーン画素の各画素信号に対してゲイン補正を行うことが好ましい。

本発明の内視鏡システムの作動方法は、光源装置が、１つまたは複数の狭帯域光を面順次発光するステップと、分光感度が異なる複数種類の画素を有する同時式撮像素子が、各狭帯域光を複数種類の画素で撮像して感度が異なる複数の画素信号を出力するステップと、ゲイン補正部が、各狭帯域光の撮像時に同時式撮像素子から出力された複数の画素信号について、各狭帯域光に対する低感度の画素信号と高感度の画素信号との分光感度差をなくすように、低感度の画素信号にゲイン値を乗じるゲイン補正を行うステップとを備える。ゲイン値は、狭帯域光の光強度スペクトルと、各画素の分光感度スペクトルとのみに基づいて決定されたものである。

本発明によれば、各狭帯域光の撮像時に同時式撮像素子から出力された複数の画素信号について、低感度の画素信号と高感度の画素信号との分光感度差をなくすように、低感度の画素信号にゲイン値を乗じるゲイン補正を行うので、低感度及び高感度の画素信号の比は検体の分光反射率には依存せず、ゲイン値を、検体に依らない一定値とすることが可能となる。

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示すブロック図である。 紫色狭帯域光の発光スペクトルを示すグラフである。 通常光の発光スペクトルを示すグラフである。 合波部の構成を説明する図である。 緑色狭帯域光の発光スペクトルを示すグラフである。 補色系色分離フィルタを示す模式図である。 フィールド読み出しによる同時式撮像素子からの出力信号を示す図である。 通常光観察モード時の光源及び同時式撮像素子の駆動タイミングを示す図である。 狭帯域光観察モード時の光源及び同時式撮像素子の駆動タイミングを示す図である。 同時式用信号処理部の構成を示すブロック図である。 面順次式用信号処理部の構成を示すブロック図である。 同時式撮像素子の各画素の分光感度スペクトルを例示するグラフである。 検体の分光反射スペクトルを例示するグラフである。 紫色狭帯域光時におけるゲイン補正後の画素信号を示す図である。 緑色狭帯域光時におけるゲイン補正後の画素信号を示す図である。 同時化処理後の画像データを示す図である。 内視鏡システムの作用を示すフローチャートである。 第２実施形態の面順次式用信号処理部を示すブロック図である。 ノイズ低減部の構成を示すブロック図である。 ノイズ低減部の変形例を説明する図である。 青色狭帯域光の発光スペクトルを示すグラフである。

［第１実施形態］
図１において、内視鏡システム１０は、光源装置１１と、プロセッサ装置１２と、光源装置１１及びプロセッサ装置１２に着脱自在に接続可能な電子内視鏡（以下、単に内視鏡という）１３により構成されている。光源装置１１は、照明光を発生して内視鏡１３に供給する。内視鏡１３は、先端側が検体の体腔内等に挿入されて、体腔内を撮像する。プロセッサ装置１２は、内視鏡１３の撮像制御を行うと共に、内視鏡１３が取得した撮像信号に対して信号処理を施す。

プロセッサ装置１２には、画像表示装置１４及び入力装置１５が接続されている。画像表示装置１４は、液晶モニタ等であり、プロセッサ装置１２により生成された検体内の画像を表す検体画像を表示する。入力装置１５は、キーボードやマウスにより構成され、プロセッサ装置１２に対して各種情報を入力する。

内視鏡１３は、挿入部１６と、操作部１７と、ユニバーサルケーブル１８と、ライトガイドコネクタ１９ａと、信号コネクタ１９ｂにより構成されている。挿入部１６は、細長く、検体の体腔内等に挿入される。操作部１７は、挿入部１６の後端に接続されており、スコープスイッチや湾曲操作ダイヤル等が設けられている。スコープスイッチには、観察モードを切り替えるためのモード切替スイッチ１７ａが含まれている。

ユニバーサルケーブル１８は、操作部１７から延出されている。ライトガイドコネクタ１９ａ及び信号コネクタ１９ｂは、ユニバーサルケーブル１８の端部に設けられている。ライトガイドコネクタ１９ａは、光源装置１１に着脱自在に接続される。信号コネクタ１９ｂは、プロセッサ装置１２に着脱自在に接続される。

内視鏡システム１０は、観察モードとして、通常光観察モードと狭帯域光観察モードとを有する。通常光観察モードでは、波長域が青色帯域から赤色帯域に及ぶ通常光（白色光）を検体に照射して撮像が行われ、通常画像が生成される。狭帯域光観察モードでは、波長域の狭い狭帯域光（後述する紫色狭帯域光Ｖｎと緑色狭帯域光Ｇｎ）を検体に照射して撮像が行われ、特殊画像が生成される。

通常光観察モードと狭帯域光観察モードとは、前述のモード切替スイッチ１７ａにより切り替え可能であるが、プロセッサ装置１２に接続可能なフットスイッチ（図示せず）や、プロセッサ装置１２のフロントパネルに設けられたボタン、入力装置１５等により切り替え可能としても良い。

図２において、光源装置１１は、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源２０と、光源制御部２１と、合波部２４とを有している。ＬＥＤ光源２０は、紫色ＬＥＤ（Ｖ−ＬＥＤ）２０ａと、白色ＬＥＤ（ＷＬ−ＬＥＤ）２０ｂと、紫色狭帯域フィルタ２０ｃとにより構成されている。

Ｖ−ＬＥＤ２０ａは、３８０〜４４０ｎｍの波長域の紫色光を射出する。紫色狭帯域フィルタ２０ｃは、Ｖ−ＬＥＤ２０ａから射出された緑色光のうち、４００〜４３０ｎｍの波長域の光のみを透過させて、図３に示すような光強度スペクトルを有する、４００〜４３０ｎｍの波長域の紫色狭帯域光Ｖｎを生成する。ＷＬ−ＬＥＤ２０ｂは、図４に示すような光強度スペクトルを有する、広波長域の白色光ＷＬを発生する。光源制御部２１は、Ｖ−ＬＥＤ２０ａ及びＷＬ−ＬＥＤ２０ｂの発光制御を行う。

合波部２４は、図５に示すように、ダイクロイックミラー２２と、第１〜第３レンズ２３ａ〜２３ｃとを有している。第１及び第２レンズ２３ａ，２３ｂは、それぞれＬＥＤ２０ａ，２０ｂに対応して配置されており、各ＬＥＤ２０ａ，２０ｂから射出された光を集光して平行光とする。Ｖ−ＬＥＤ２０ａ及びＷＬ−ＬＥＤ２０ｂは、光軸が直交するように配置されており、この光軸の交点にダイクロイックミラー２２が配置されている。

ダイクロイックミラー２２は、例えば５３０ｎｍ以上５５０ｎｍ未満の波長域の光を透過させると共に、５３０ｎｍ未満及び５５０ｎｍ以上の波長域の光を反射させる光学特性を有している。したがって、紫色狭帯域光Ｖｎは、ダイクロイックミラー２２により反射され、第３レンズ２３ｃにより集光される。一方の白色光ＷＬは、その一部がダイクロイックミラー２２を透過し、図６に示すように、５３０〜５５０ｎｍの波長域の緑色狭帯域光Ｇｎとなって第３レンズ２３ｃにより集光される。

狭帯域光観察モード時には、Ｖ−ＬＥＤ２０ａ及びＷＬ−ＬＥＤ２０ｂが交互に点灯し、紫色狭帯域光Ｖｎと緑色狭帯域光Ｇｎとが交互に第３レンズ２３ｃにより集光されてライトガイド２７に入射する。

通常光観察モード時には、ダイクロイックミラー２２は、移動機構（図示せず）によりＷＬ−ＬＥＤ２０ｂの光軸外に移動される。これにより、通常光観察モード時には、白色光ＷＬは、第３レンズ２３ｃに直接入射し、ライトガイド２７に供給される。通常光観察モード時には、ダイクロイックミラー２２が退避するので、紫色狭帯域光Ｖｎはダイクロイックミラー２２で反射されても第３レンズ２３ｃには入射しない。このため、通常光観察モード時には、Ｖ−ＬＥＤ２０ａは点灯・非点灯のいずれでも良い。

紫色狭帯域光Ｖｎは、中心波長が約４０５ｎｍであり、可視光領域においてヘモグロビンの吸光係数が高い波長である。緑色狭帯域光Ｇｎは、中心波長が約５４０ｎｍであり、緑色光の波長域においてヘモグロビンの吸光係数が高い波長である。また、緑色狭帯域光Ｇｎは、紫色狭帯域光Ｖｎより粘膜での反射率が高いという特性を有する。

内視鏡１３の挿入部１６の先端には、照明窓と観察窓とが隣接して設けられており、照明窓に照明レンズ２５が取り付けられており、観察窓に対物レンズ２６が取り付けられている。内視鏡１３内には、ライトガイド２７が挿通されており、ライトガイド２７の一端が照明レンズ２５に対向している。ライトガイド２７の他端は、ライトガイドコネクタ１９ａに配置され、光源装置１１内に挿入される。

照明レンズ２５は、光源装置１１からライトガイド２７に供給され、ライトガイド２７から射出された光を集光して検体内に照射する。対物レンズ２６は、検体からの反射光を集光して光学像を結像する。対物レンズ２６の結像位置には、光学像を撮像して撮像信号を生成する同時式撮像素子２８が配置されている。この同時式撮像素子２８は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサである。

同時式撮像素子２８の撮像面には、光学像を光学的に画素毎に色分離する補色系色分離フィルタ２８ａが設けられている。この補色系色分離フィルタ２８ａは、図７に示すように、マゼンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）、イエロー（Ｙｅ）の４種のカラーフィルタセグメントを有し、各カラーフィルタセグメントは画素単位で取り付けられている。したがって、同時式撮像素子２８は、Ｍｇ、Ｇ、Ｃｙ、Ｙｅの４種の画素を有し、奇数列を、Ｍｇ画素、Ｃｙ画素、Ｍｇ画素、Ｙｅ画素、・・・の順番、偶数列を、Ｇ画素、Ｙｅ画素、Ｇ画素、Ｃｙ画素、・・・の順番とするように、奇数行にＭｇ画素とＧ画素とが交互に配置され、偶数行にＣｙ画素とＹｅ画素とが交互に配置されている。このカラーフィルタ配列は、補色市松色差線順次方式と呼ばれている。

内視鏡１３には、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリで構成された情報記憶部２９が設けられている。情報記憶部２９は、内視鏡１３の固有情報（撮像素子のカラーフィルタ配列や画素数）等を記憶している。

プロセッサ装置１２は、制御部３０と、撮像制御部３１と、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路３２と、Ａ／Ｄ変換回路３３と、明るさ検出回路３４と、調光回路３５と、画像信号処理部３６と、チャネル割当部３７とを有する。

制御部３０は、プロセッサ装置１２内の各部と、光源装置１１との制御を行う。制御部３０は、光源装置１１及びプロセッサ装置１２に内視鏡１３が接続された際に、情報記憶部２９から内視鏡１３の固有情報を読み取る。撮像制御部３１は、読み取った固有情報に基づいて同時式撮像素子２８を駆動する。

撮像制御部３１は、光源装置１１の発光タイミングに合わせて、同時式撮像素子２８を駆動する。具体的には、撮像制御部３１は、通常光観察モード時には、同時式撮像素子２８をフィールド読み出し方式で駆動し、狭帯域光観察モード時にはプログレッシブ読み出し方式で駆動する。

フィールド読み出し方式では、奇数フィールドと偶数フィールドとの各読み出し時において、列方向に隣接する２画素を２行の各画素信号が混合（加算）して読み出される（図７参照）。この画素信号の混合は、ＣＣＤイメージセンサの水平転送路（図示せず）内で行われる。

このフィールド読み出し方式より、同時式撮像素子２８からは、奇数フィールドと偶数フィールドとのそれぞれにおいて、図８に示すように、Ｍｇ画素の画素信号とＣｙ画素の画素信号とが混合された第１混合画素信号Ｍ１と、Ｇ画素の画素信号とＹｅ画素の画素信号とが混合された第２混合画素信号Ｍ２と、Ｍｇ画素の画素信号とＹｅ画素の画素信号とが混合された第３混合画素信号Ｍ３と、Ｇ画素の画素信号とＣｙ画素の画素信号とが混合された第４混合画素信号Ｍ４が出力される。

通常光観察モードでは、図９に示すように、白色光ＷＬが照射され、この照射期間中に同時式撮像素子２８から奇数フィールド及び偶数フィールドの読み出しが行われる。読み出された奇数フィールド及び偶数フィールドにより１フレーム分の画像が生成される。

プログレッシブ読み出し方式では、同時式撮像素子２８は、１画素行ずつ順次に駆動され、Ｍｇ画素、Ｇ画素、Ｃｙ画素、Ｙｅ画素はそれぞれ画素信号が混合されずに個別に読み出される。狭帯域光観察モード時では、図１０に示すように、紫色狭帯域光Ｖｎと緑色狭帯域光Ｇｎが交互に照射され、各照射期間中に同時式撮像素子２８から１フレーム分の読み出しが行われ、それぞれ１フレーム分の画像が生成される。

同時式撮像素子２８から読み出された信号は、ＣＤＳ回路３２に入力される。ＣＤＳ回路３２は、入力された信号に対して相関二重サンプリングを行って、ＣＣＤイメージセンサで生じるノイズ成分を除去する。ＣＤＳ回路３２によりノイズ成分が除去された信号は、Ａ／Ｄ変換回路３３に入力されると共に、明るさ検出回路３４に入力される。Ａ／Ｄ変換回路３３は、ＣＤＳ回路３２から入力された信号をデジタル信号に変換して、画像信号処理部３６に入力する。

明るさ検出回路３４は、ＣＤＳ回路３２から入力された信号に基づいて、明るさ（信号の平均輝度）を検出する。調光回路３５は、明るさ検出回路３４により検出された明るさ信号と、基準の明るさ（調光の目標値）との差分である調光信号を生成する。この調光信号は、光源制御部２１に入力される。光源制御部２１は、基準の明るさが得られるように、複数のＬＥＤ光源２０の発光量を調整する。

制御部３０は、内視鏡１３のモード切替スイッチ１７ａが操作された際に発せられるモード切替信号を受信し、受信したモード切替信号が示す観察モード（通常光観察モードまたは狭帯域光観察モード）に基づいて、プロセッサ装置１２内の各部及び光源制御部２１を制御する。

また、制御部３０は、検査開始時には、撮像制御部３１及び光源制御部２１を制御して、同時式撮像素子２８及びＬＥＤ光源２０を繰り返し動作させることにより、動画撮影を実行させる。制御部３０は、動画撮影中に、モード切替スイッチ１７ａからモード切替信号を受信すると、光源装置１１の照明方式及び同時式撮像素子２８の読み出し方式を切り替える。

画像信号処理部３６は、セレクタ４０と、同時式用信号処理部４１と、面順次式用信号処理部４２と、フレームメモリ４３とを有している。セレクタ４０は、制御部３０により制御され、観察モードに応じて、同時式用信号処理部４１または面順次式用信号処理部４２を選択する。通常光観察モード時には、同時式用信号処理部４１が選択され、狭帯域光観察モード時には面順次式用信号処理部４２が選択される。

図１１に示すように、同時式用信号処理部４１は、Ｙ／Ｃ変換部５０と、マトリクス演算部５１と、フレーム生成部５２とを有している。Ｙ／Ｃ変換部５０には、同時式撮像素子２８からＣＤＳ回路３２及びＡ／Ｄ変換回路３３を介して、第１〜第４混合画素信号Ｍ１〜Ｍ４が入力される。

Ｙ／Ｃ変換部５０は、補色市松色差線順次方式に用いられる周知の演算によりＹ／Ｃ変換を行って輝度信号Ｙ及び色差信号Ｃｒ，Ｃｂを生成する。具体的には、輝度信号Ｙ及び色差信号Ｃｒ，Ｃｂは、行方向に隣接する第１画素信号Ｍ１と第２画素信号Ｍ２との加減算と、行方向に隣接する第３画素信号Ｍ３と第４画素信号Ｍ４との加減算とにより算出される。

マトリクス演算部５１は、Ｙ／Ｃ変換部５０により生成された輝度信号Ｙ及び色差信号Ｃｒ，Ｃｂに対して所定のマトリクス演算を行うことにより、ＲＧＢ信号を生成する。Ｙ／Ｃ変換部５０及びマトリクス演算部５１は、Ｙ／Ｃ変換及びマトリクス演算を、奇数フィールド及び偶数フィールドについてそれぞれ行う。

フレーム生成部５２は、奇数フィールド及び偶数フィールドのそれぞれに対して得られたＲＧＢ信号に基づき、１フレームの画像データを生成する。このとき、１フレームの画像データの各画素についてＲＧＢ信号を生成するように、複数の周辺画素（例えば、対象画素に隣接する８画素）を用いて補間処理が行われる。フレーム生成部５２は、１フレームの画像データを生成するたびに、画像データをフレームメモリ４３に記憶させる。

図１２に示すように、面順次式用信号処理部４２は、ゲイン補正部６０と、ゲイン値記憶部６１と、同時化処理部６３とを有している。ゲイン補正部６０には、同時式撮像素子２８からＣＤＳ回路３２及びＡ／Ｄ変換回路３３を介して、Ｍｇ画素、Ｃｙ画素、Ｇ画素、Ｙｅ画素の画素信号がそれぞれ個別に入力される。以下、紫色狭帯域光Ｖｎの照射時におけるＭｇ画素、Ｃｙ画素、Ｇ画素、Ｙｅ画素の画素信号をそれぞれ、Ｐ_１Ｍ、Ｐ_１Ｃ、Ｐ_１Ｇ、Ｐ_１Ｙと称する。また、緑色狭帯域光Ｇｎの照射時におけるＭｇ画素、Ｃｙ画素、Ｇ画素、Ｙｅ画素の画素信号をそれぞれ、Ｐ_２Ｍ、Ｐ_２Ｃ、Ｐ_２Ｇ、Ｐ_２Ｙと称する。

ゲイン補正部６０は、ゲイン値記憶部６１に記憶されたゲイン値を用いて、紫色狭帯域光Ｖｎ及び緑色狭帯域光Ｇｎに対する各画素の分光感度差をそれぞれ打ち消すように、低感度の画素信号に対してゲイン補正する。具体的には、図１３に示す同時式撮像素子２８の各画素の分光感度スペクトルから分かるように、紫色狭帯域光Ｖｎに対してはＭｇ画素が最も高感度であり、緑色狭帯域光Ｇｎに対してはＹｅ画素が最も高感度である。このため、紫色狭帯域光Ｖｎの照射時には、Ｃｙ画素、Ｇ画素、Ｙｅ画素の画素信号Ｐ_１Ｃ、Ｐ_１Ｇ、Ｐ_１Ｙに対してゲイン補正が行われる。また、緑色狭帯域光Ｇｎの照射時には、Ｍｇ画素、Ｃｙ画素、Ｇ画素の画素信号Ｐ_２Ｍ、Ｐ_２Ｃ、Ｐ_２Ｇに対してゲイン補正が行われる。

ゲイン値記憶部６１には、紫色狭帯域光Ｖｎの照射時における画素信号Ｐ_１ｉ（ここで、ｉ＝Ｃ，Ｇ，Ｙ）のゲイン補正にそれぞれ用いられるゲイン値Ｋ_１ｉと、緑色狭帯域光Ｇｎの照射時における画素信号Ｐ_２ｉ（ここで、ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ）のゲイン補正にそれぞれ用いられるゲイン値Ｋ_２ｉとが記憶されている。

一般に、画素信号Ｐ_ｋｉは、式（２）に示すように、照明光の光強度スペクトルＩ_ｋ（λ）と、画素の分光感度スペクトルＳ_ｉ（λ）と、検体の分光反射スペクトルＲ（λ）との積を、光強度スペクトルＩ_ｋ（λ）の最小波長λ_ｍｉｎから最大波長λ_ｍａｘまで積分した値に比例する。なお、画素の分光感度スペクトルＳ_ｉ（λ）は、画素に含まれるフォトダイオード、カラーフィルタセグメント、光学系等に基づくものである。

ここで、ｋ＝１，２である。Ｉ_１（λ）は紫色狭帯域光Ｖｎの光強度スペクトルであり、Ｉ_２（λ）は緑色狭帯域光Ｇｎの光強度スペクトルである。また、Ｓ_ｉ（λ）は、各画素の分光感度スペクトルである。また、Ｒ（λ）は、検体の分光反射スペクトルである。

図１４は、異なる２つの検体（粘膜）の分光反射スペクトルを例示している。このように、分光反射スペクトルは、検体に応じて変化するが、紫色狭帯域光Ｖｎ及び緑色狭帯域光Ｇｎの各波長域は３０ｎｍ以下の狭帯域であるので、各波長域内では、分光反射スペクトルＲ（λ）は大きな変化は示さずほぼ一定である。このため、Ｒ（λ）の波長依存性を無視して、式（３）に示すように、式（２）中のＲ（λ）を、各波長域における分光反射率の平均値（平均分光反射率）Ｒ_ｋに置き換えることができる。

ゲイン値記憶部６１に記憶されるゲイン値Ｋ_１ｉ（ｉ＝Ｃ，Ｇ，Ｙ）と、ゲイン値Ｋ_２ｉ（ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ）とは、それぞれ式（４）、（５）で求められる。

式（４）、（５）に式（３）を適用すると、Ｒ_ｋは打ち消され、ゲイン値Ｋ_１ｉ、Ｋ_２ｉはいずれも検体の分光反射率には依存しない一定値となることが分かる。したがって、ゲイン値Ｋ_１ｉ、Ｋ_２ｉは、紫色狭帯域光Ｖｎ及び緑色狭帯域光Ｇｎの光強度スペクトルＩ_ｋ（λ）と、各画素の分光感度スペクトルＳ_ｉ（λ）とに基づいて決定することができる。

ゲイン値Ｋ_１ｉ、Ｋ_２ｉは、式（３）〜（５）に基づいて理論的に求めても良いが、一定光量の紫色狭帯域光Ｖｎと緑色狭帯域光Ｇｎとのそれぞれを、色ムラのない白色被写体等に照射して撮像した場合における各画素信号Ｐ_ｋｉを実際に取得した上で、式（４）、（５）に基づいて決定しても良い。

ゲイン補正部６０は、狭帯域光観察モード時に検体を撮像して得られる画素信号Ｐ_１ｉ（ｉ＝Ｃ，Ｇ，Ｙ），Ｐ_２ｉ（ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ）に、下式（６）及び（７）に基づくゲイン補正を行う。

このゲイン補正により、紫色狭帯域光Ｖｎ時の画素信号Ｐ_１ｉは、図１５に示すように変換され、緑色狭帯域光Ｇｎ時の画素信号Ｐ_２ｉは、図１６に示すように変換される。

ゲイン補正後の画素信号Ｐ_１ｉ’（ｉ＝Ｃ，Ｇ，Ｙ）は、高感度のＭｇ画素の画素信号Ｐ_１Ｍと同等の信号レベルとなり、分光感度差が打ち消される。同様に、ゲイン補正後の画素信号Ｐ_２ｉ’ （ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ）は、高感度のＹｅ画素の画素信号Ｐ_２Ｙと同等の信号レベルとなり、分光感度差が打ち消される。以下、ゲイン補正後の画素信号Ｐ_１ｉ’（ｉ＝Ｃ，Ｇ，Ｙ）、Ｐ_２ｉ’ （ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ）と、ゲイン補正を行わない高感度の画素信号Ｐ_１Ｍ，Ｐ_２Ｙとを合わせて、画素信号Ｑ_１ｉ，Ｑ_２ｉ（ｉ＝Ｍ，Ｃ，Ｇ，Ｙ）という。

そして、同時化処理部６３は、紫色狭帯域光Ｖｎ時及び緑色狭帯域光Ｇｎ時におけるゲイン補正後の画素信号Ｐ_１ｉ，Ｐ_２ｉを同時化して１フレーム分の画像データを生成し、生成した画像データをフレームメモリ４３に記憶させる。この結果、図１７に示すように、画像データの各画素に、画素信号Ｑ_１ｉ，Ｑ_２ｉが割り当てられる。このように、周辺画素を用いた補間処理を行う必要がないため、モノクロ撮像素子を用いて撮像した場合と同等の空間分解能が得られる。

チャネル割当部３７は、フレームメモリ４３に記憶された画像データを、画像表示装置１４の各チャネルに割り当てて表示させる。具体的には、通常光観察モード時には、画像データの各画素のＲＧＢ信号を、画像表示装置１４のＲｃｈ、Ｇｃｈ、Ｂｃｈにそれぞれ割り当て、通常画像として画像表示させる。一方、狭帯域光観察モード時には、例えば、画像データの各画素の画素信号Ｑ_１ｉをＧｃｈに割り当て、画素信号Ｑ_２ｉをＢｃｈに割り当てて、特殊画像として画像表示させる。画素信号Ｑ_１ｉは画素信号Ｑ_２ｉに比べて信号レベルが低いため、画素信号Ｑ_１ｉをＧｃｈに加えてＲｃｈにも割り当てても良い。

次に、内視鏡システム１０の作用を、図１８に示すフローチャートに沿って説明する。術者により、内視鏡１３が光源装置１１及びプロセッサ装置１２に接続されると、プロセッサ装置１２の制御部３０は、光源装置１１及びプロセッサ装置１２を通常光観察モードに設定し、画像信号処理部３６内のセレクタ４０に同時式用信号処理部４１を選択させる。

この通常光観察モードでは、光源装置１１の合波部２４内のダイクロイックミラー２２が前述のように退避すると共に、ＷＬ−ＬＥＤ２０ｂが点灯し、通常光（白色光）ＷＬが生成されて、内視鏡１３内のライトガイド２７内に供給される。内視鏡１３内の同時式撮像素子２８は、フィールド読み出し方式で駆動されて第１〜第４混合画素信号Ｍ１〜Ｍ４を出力する。この第１〜第４混合画素信号Ｍ１〜Ｍ４は、同時式用信号処理部４１により、Ｙ／Ｃ変換後、ＲＧＢ信号に変換されて、チャネル割当部３７を介して画像表示装置１４に表示される。これにより、画像表示装置１４には、通常光のもとで同時方式により撮像された通常画像が表示される。

術者は、内視鏡１３の挿入部１６を患者の体腔内に挿入することにより、内視鏡検査を行う。体腔内における患部等の検査対象組織の表層血管の走行状態等をより詳しく観察する場合には、術者によりモード切替スイッチ１７ａが操作される。モード切替スイッチ１７ａが操作された場合には、この操作信号が制御部３０により検出されて、光源装置１１及びプロセッサ装置１２が狭帯域光観察モードに切り替えられる。

この狭帯域光観察モードでは、セレクタ４０により面順次式用信号処理部４２が選択されると共に、光源装置１１の照明方式が変更される。具体的には、合波部２４内のダイクロイックミラー２２がＶ−ＬＥＤ２０ａ及びＷＬ−ＬＥＤ２０ｂの光軸の交点に配置されると共に、Ｖ−ＬＥＤ２０ａとＷＬ−ＬＥＤ２０ｂとが交互に点灯する。これにより、紫色狭帯域光Ｖｎ及び緑色狭帯域光Ｇｎが交互に生成されて、内視鏡１３内のライトガイド２７内に供給される。内視鏡１３内の同時式撮像素子２８は、プログレッシブ読み出し方式で駆動されて、画素信号Ｐ_１ｉ，Ｐ_２ｉを出力する。この画素信号Ｐ_１ｉ，Ｐ_２ｉは、面順次式用信号処理部４２により、前述のゲイン補正が行われた後、同時化され、チャネル割当部３７を介して画像表示装置１４に表示される。これにより、画像表示装置１４には、狭帯域光のもとで面順次方式により撮像が行われた特殊画像が表示される。

紫色狭帯域光Ｖｎは、検体の表面から表層付近の第１透過距離まで透過可能であることから、特殊画像中の紫色狭帯域光Ｖｎに基づく成分には、表層血管など第１透過距離に含まれる構造の像が多く含まれている。一方、緑色狭帯域光Ｇｎは、検体の表面から中深層付近の第２透過距離まで透過可能であることから、特殊画像中の緑色狭帯域光Ｇｎに基づく成分には、中深層血管など第２透過距離に含まれる構造の像が多く含まれている。

特殊画像の表示は、モード切替スイッチ１７ａが操作されるか、入力装置１５により診断を終了するための終了操作が行われるまでの間繰り返し行われる。モード切替スイッチ１７ａが操作されると、通常光観察モードに戻り、終了操作が行われると、動作を終了する。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の内視鏡システムについて説明する。本実施形態の内視鏡システムは、第１実施形態の面順次式用信号処理部４２に代えて、図１９に示すように、ノイズ低減部７０を有する面順次式用信号処理部７１が用いられている点のみが第１実施形態の内視鏡システム１０と異なる。

ノイズ低減部７０は、同時化処理部６３の後段に設けられている。図２０に示すように、ノイズ低減部７０は、複数のフレームメモリＦＭ１〜ＦＭｎと、フレーム選択回路７２と、加算器７３とで構成されている。複数のフレームメモリＦＭ１〜ＦＭｎには、同時化処理部６３から出力された画像データが、順に１フレーム期間ずつ遅延されて順に記憶される。

フレーム選択回路７２は、画像データ中の画素信号Ｑ_１ｉ，Ｑ_２ｉのゲイン値に応じて、フレームメモリＦＭ１〜ＦＭｎから、フレームメモリＦＭ１〜ＦＭｍ（ここで、ｍ≦ｎ）のｍ個を選択する。具体的には、フレーム選択回路７２は、ゲイン値が大きいほど選択する個数ｍを増加させる。例えば、フレーム選択回路７２は、ゲイン値を４段階に分類して、選択する個数ｍを変更する。ただし、ゲイン値が「１」の場合、すなわちゲイン補正が行われていない画素信号Ｑ_１Ｍ，Ｑ_２Ｙについては、フレーム選択回路７３は、個数ｍを「０」とし、いずれのフレームメモリも選択しない。

加算器７３は、フレーム選択回路７２により選択されたフレームメモリＦＭ１〜ＦＭｍの各画像データに基づき、各画素信号Ｑ_１ｉ，Ｑ_２ｉを、対応する画素毎に加算して平均化する。この加算平均するフレーム数が多いほどノイズの低減効果が大きくなるため、ゲイン値が大きい画素信号ほど、加算平均するフレーム数が増加される。これは、ゲイン値が大きい画素信号は、ゲイン補正前の画素信号のレベルが小さく、画素信号中のノイズ成分の割合が大きいためである。

したがって、第２実施形態の内視鏡システムにより、狭帯域光観察モード時に、ゲイン補正により空間分解能が向上されるとともに、ゲイン補正に起因するノイズを低減することができる。

なお、第２実施形態のノイズ低減部７０は、画素信号を時間的に加算平均しているため、時間分解能が低下する。このため、ノイズ低減部７０に代えて、１フレーム分の画像データ内で、画素信号を空間的に加算平均するノイズ低減部を用いても良い。

このノイズ低減部は、例えば、図２１に示すように、ノイズ低減対象の画素信号Ｑ_ｋｉが属する画素８０を含むように画素領域８１を設定し、この画素領域８１内の画素信号Ｑ_ｋｉを加算平均したものを、画素８０の画素信号とする。このとき、ノイズ低減対象の画素信号Ｑ_ｋｉのゲイン値が大きいほど、画素領域８１の大きさ（加算平均に用いる画素信号の数）を大きくする。画素領域８１の形状は、矩形状に限られず、十字状等の形状としても良い。

また、上記第１及び第２実施形態では、ＬＥＤ光源２０としてＶ−ＬＥＤ２０ａとＷＬ−ＬＥＤ２０ｂとを用いているが、Ｖ−ＬＥＤ２０ａに代えて、図２２に示すように、紫色狭帯域光Ｖｎより長波長側の青色狭帯域光Ｂｎを発生する青色ＬＥＤを用いてもよい。この場合、紫色狭帯域フィルタ２０ｃに代えて、青色狭帯域フィルタを用いる。青色狭帯域光Ｂｎの中心波長は約４１０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲内であり、好ましくは約４１５ｎｍである。

また、Ｖ−ＬＥＤ２０ａとＷＬ−ＬＥＤ２０ｂに代えて、発光波長域の異なる複数のＬＥＤ（例えば、４個のＬＥＤ）を設け、複数のＬＥＤを全て点灯させることにより通常光（白色光）を生成し、複数のＬＥＤのうちの２個のＬＥＤにより２つの狭帯域光を生成するように構成しても良い。

さらに、狭帯域光観察モード時に、１つの狭帯域光（例えば、紫色狭帯域光Ｖｎ）のみを検体に照射するよう構成しても良い。各狭帯域光の波長域幅は、被検体の分光反射スペクトルの波長依存性を無視することが可能な３０ｎｍ以下とする。

また、上記第１及び第２実施形態では、通常光観察モード時に同時式撮像素子２８をフィールド読み出し方式で駆動しているが、プログレッシブ読み出し方式で駆動することも可能である。また、補色系色分離フィルタ２８ａのカラーフィルタ配列は、補色市松色差線順次方式に限られず、読み出し方式等に応じて適宜変更可能である。さらに、同時式撮像素子２８として、原色系色分離フィルタを有する撮像素子を用いることも可能である。

また、上記第１及び第２実施形態では、撮像制御部３１、ＣＤＳ回路３２、Ａ／Ｄ変換回路３３等をプロセッサ装置１２内に設けているが、これらを内視鏡１３内に設けても良い。

また、上記第１及び第２実施形態では、ゲイン補正部６０は、Ａ／Ｄ変換回路３３によりデジタル化された画素信号に対してゲイン補正を行っているが、Ａ／Ｄ変換回路３３によりデジタル化される前のアナログの画素信号に対してゲイン補正を行っても良い。

また、撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサであっても良い。この場合には、イメージセンサが形成されたＣＭＯＳ半導体基板内に、撮像制御部３１、ＣＤＳ回路３２、Ａ／Ｄ変換回路３３等を形成することが可能である。

また、上記第１及び第２実施形態では、光源装置１１にＬＥＤ光源２０を用いているが、ＬＥＤに代えてＬＤ（Laser Diode）等のその他の半導体光源を用いても良い。

また、上記第１及び第２実施形態では、光源装置１１とプロセッサ装置１２とを別体の装置として構成しているが、これらを単一の装置としても良い。さらに、光源装置１１を、内視鏡１３内に組み込んでも良い。

１０ 内視鏡システム
１１ 光源装置
１２ プロセッサ装置
１３ 内視鏡
１４ 画像表示装置
１７ａ モード切替スイッチ
２０ ＬＥＤ光源
２０ａ 紫色ＬＥＤ
２０ｂ 白色ＬＥＤ
２０ｃ 紫色狭帯域フィルタ
２７ ライトガイド
２８ 同時式撮像素子
２８ａ 補色系色分離フィルタ
３６ 画像信号処理部

Claims (10)

1. １つまたは複数の狭帯域光を面順次発光する光源装置と、
   分光感度が異なる複数種類の画素を有し、前記各狭帯域光を前記複数種類の画素で撮像して感度が異なる複数の画素信号を出力する同時式撮像素子と、
   前記各狭帯域光の撮像時に同時式撮像素子から出力された前記複数の画素信号について、前記各狭帯域光に対する低感度の画素信号と高感度の画素信号との分光感度差をなくすように、前記低感度の画素信号にゲイン値を乗じるゲイン補正を行うゲイン補正部と、
   前記ゲイン値を記憶するゲイン値記憶部と、を備え、
   前記ゲイン値は、前記狭帯域光の光強度スペクトルと、前記各画素の分光感度スペクトルとのみに基づいて決定されたものであることを特徴とする内視鏡システム。
2. 前記各狭帯域光は、３０ｎｍ以下の波長域幅を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記ゲイン値の大きさに応じて、前記ゲイン補正後の画素信号に対してノイズ低減処理を行うノイズ低減部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内視鏡システム。
4. 前記ノイズ低減部は、取得時間の異なる複数フレーム分の画素信号を加算平均することにより前記ノイズ低減処理を行うものであり、前記ゲイン値の大きさに応じて、前記加算平均に用いるフレーム数を変更することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡システム。
5. 前記ノイズ低減部は、１フレーム分の画像データに含まれる複数の画素信号を加算平均することにより前記ノイズ低減処理を行うものであり、前記ゲイン値の大きさに応じて、前記加算平均に用いる画素信号の数を変更することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡システム。
6. 前記各狭帯域光時における前記ゲイン補正後の画素信号を同時化して画像データを生成する同時化処理部を備えることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の内視鏡システム。
7. 前記光源装置は、紫色狭帯域光と、緑色狭帯域光とを交互に生成することを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の内視鏡システム。
8. 前記同時式撮像素子は、シアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの各カラーフィルタセグメントからなる補色系色分離フィルタを有しており、前記複数種類の画素は、シアン画素、マゼンタ画素、イエロー画素、グリーン画素であることを特徴とする請求項７に記載の内視鏡システム。
9. 前記ゲイン補正部は、前記紫色狭帯域光時には、シアン画素、イエロー画素、グリーン画素の各画素信号に対して前記ゲイン補正を行い、前記緑色狭帯域光時には、シアン画素、マゼンタ画素、グリーン画素の各画素信号に対して前記ゲイン補正を行うことを特徴とする請求項８に記載の内視鏡システム。
10. 光源装置が、１つまたは複数の狭帯域光を面順次発光するステップと、
    分光感度が異なる複数種類の画素を有する同時式撮像素子が、前記各狭帯域光を前記複数種類の画素で撮像して感度が異なる複数の画素信号を出力するステップと、
    ゲイン補正部が、前記各狭帯域光の撮像時に同時式撮像素子から出力された前記複数の画素信号について、前記各狭帯域光に対する低感度の画素信号と高感度の画素信号との分光感度差をなくすように、前記低感度の画素信号にゲイン値を乗じるゲイン補正を行うステップと、
    を備える内視鏡システムの作動方法であって、
    前記ゲイン値は、前記狭帯域光の光強度スペクトルと、前記各画素の分光感度スペクトルとのみに基づいて決定されたものである内視鏡システムの作動方法。

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