JP6464228B2

JP6464228B2 - 内視鏡装置

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Publication number: JP6464228B2
Application number: JP2017120352A
Authority: JP
Inventors: 雅明福田
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2017192756A

Description

本発明は、器官内壁などの被写体を撮影する内視鏡装置に関し、特に、特定波長域の光を照射することによってスペクトル画像（分光画像）を表示可能な内視鏡装置に関する。

電子内視鏡装置では、観察対象に対して白色光を照射することにより、カラー観察画像を表示するとともに、紫外光、赤外光等の帯域制限のある光を照射し、通常のカラー観察画像とは色合いの異なる分光画像を表示することも可能である。

例えば、可視光域全体に渡る光（白色光）を透過するとともに光量を減少させる減光フィルタと、特定波長域の光を透過するフィルタを周方向に沿って設けた回転フィルタを配置し、１フレーム／フィールド期間に合わせて回転させる（たとえば、特許文献１参照）。これによって、白色光に応じた画像信号と狭帯域光に応じた画像信号が交互に読み出され、２つの画像を同じ画面上に同時表示することができる。

帯域制限フィルタを透過した光は透過前の光と比べて光量が低下する。そのため、減光フィルタによって通常観察に用いられる白色光の光量を全体的に減少させることにより、通常観察画像と分光画像を同レベルの明るさで画面表示することができる。

特開２０１１−２００３７７号公報

減光フィルタの減光率を、帯域制限フィルタを通過した光の光強度、光量まで落とすように設定すると、通常観察画像の明るさを十分に確保できない。特に、通常観察画像の輝度レベルに応じて自動調光処理を行う場合、絞りを過度に開放しなければならず、精細な調光処理をすることが難しい。

したがって、通常観察画像と分光画像を同時表示する場合において、両方の画像を適切な明るさで表示することが求められる。

本発明の内視鏡装置は、広帯域に渡る波長域の通常光を、撮像素子に向けて放射する光源と、通常光が入射すると特定波長域の光を透過させる帯域制限フィルタと、通常光が入射すると通常光の光量を波長域全体に渡って減少させる減光フィルタとを周方向に沿って設けた回転フィルタと、回転フィルタを回転制御し、帯域制限フィルタおよび減光フィルタの光路通過期間を１フィールド／フレーム期間に同期させる回転制御手段と、１フィールド／フレーム期間ごとに撮像素子から交互に読み出される広帯域画素信号と狭帯域画素信号から、通常画像および分光画像を生成する画像生成手段とを備える。

本発明の内視鏡装置は、１つの光源から狭帯域光と通常光を回転フィルタによって被写体へ交互に照射し、通常画像と分光画像を同時に生成する。たとえば、通常画像と分光画像を同画面で同時表示する表示手段を設けることにより、２つの画像を同時表示可能である。また、通常画像の明るさに基づいて、通常画像と分光画像の明るさを調整する自動調光処理手段を設けることもできる。

そして、画像生成手段は、画像処理によって分光画像の明るさを増加させる明るさ補正手段を有し、減光フィルタが、明るさ補正後の分光画像の明るさに相当する明るさまで、通常光の光量を減少させることによって通常画像の明るさレベルを減少させる。ここで、分光画像の明るさに相当する明るさとは、実質的に明るさが等しい、または略等しい、あるいは視認して違和感がない程度で明るさが近い場合も含む。

減光フィルタの減光率は、波長積分値比によって求めることが可能である。ここで、波長積分値は、帯域制限フィルタを透過する光の全体域に渡るスペクトル積分値を、フィルタを通過させない場合の通常光のスペクトル積分値を基準にしたときの比で表したものである。この場合、減光率は、通常光の波長積分値に対する帯域制限フィルタにおける透過光の波長積分値比に応じた減光率よりも、小さい。

明るさ補正手段は、所定のゲイン値によるゲイン処理によって、分光画像の明るさを増加させることが可能である。例えば、３倍以下のゲイン値で画像全体の明るさを増加させる。減光率は、通常画像の明るさを明るさ補正後の分光画像の明るさと等しくする、ゲイン値に応じた値に定めることができる。

本発明の他の態様における内視鏡装置は、内視鏡用回転フィルタを備え、内視鏡用回転フィルタは、ディスク状回転部と、広帯域に渡る波長域の通常光が入射すると特定波長域の光を透過させる帯域制限フィルタと、通常光が入射すると通常光の光量を波長域全体に渡って減少させる減光フィルタとを備え、帯域制限フィルタと減光フィルタが、回転部の周方向に沿って交互に配置され、減光フィルタが、特定波長域の光によって得られる分光画像の明るさをゲイン処理で増加させたときの分光画像の明るさに相当する明るさまで通常光の光量を減少させることによって前記通常光によって得られる通常画像の明るさレベルを減少させる減光率を有することを特徴とする。

本発明によれば、通常画像と分光画像両方を適切な明るさで同時表示させることができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。観察モードに応じた表示画面を示した図である。回転フィルタの配置構成を示した図である。回転フィルタの平面図である。第１、第２画像処理回路および画像合成部の詳細なブロック図である。回転フィルタの狭帯域色フィルタの分光透過特性を示した図である。減光フィルタの減光率およびゲイン値のテーブルを示した図である。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

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。図２は、観察モードに応じた表示画面を示した図である。

電子内視鏡装置は、その挿入部分が体内へ挿入されるビデオスコープ１０と、プロセッサ２０とを備え、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る。プロセッサ２０には、キーボード６０、モニタ５０などが接続されている。

プロセッサ２０は、白色光を放射する光源２２を備え、放電ランプ等で構成される。光源２２から放射された光は、集光レンズ２８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１１に入射する。ライトガイド１１に入射した光は、スコープ先端部から射出し、配光光学系（図示せず）を通じて被写体（観察部位）に照射される。

被写体で反射した光は、スコープ先端部に設けられた対物レンズ（図示せず）によって結像し、これにより被写体像がイメージセンサ１２（ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）の受光面に形成される。イメージセンサ１２の受光面上には、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｇ、Ｍｇ、あるいはＲ、Ｇ、Ｂなどから成る色フィルタ要素をモザイク状に配列させた色フィルタ（図示せず）が配設されている。

イメージセンサ１２では、ＣＣＤドライバ３２から送られてくる駆動信号に従い、１フィールド分の画像信号が所定の時間間隔で読み出される。例えば、ＮＴＳＣ方式の場合、１／６０秒間隔で読み出され、ＰＡＬ方式の場合、１／５０秒間隔で読み出される。順次読み出される１フィールド分の画素信号は、プロセッサ２０の初期回路３４へ送られる。

初期回路３４では、画素信号に対するデジタル化処理、色補間処理などが実行される。色補間処理によって初期回路３４から出力される一連のＲ、Ｇ、Ｂ画素信号に対し、第１画像処理回路３６、および／あるいは第２画像処理回路３８では、色変換処理、ホワイトバランス処理、ゲイン処理、ガンマ補正処理などの信号処理が施される。これにより、１フィールド分のＲ、Ｇ、Ｂ画像信号が順次生成される。Ｒ、Ｇ、Ｂ画像信号は画像合成部４０を介してモニタ５０へ順次出力され、カラー観察画像がモニタ５０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むシステムコントロール回路３０は、プロセッサ２０全体の動作を制御する。内視鏡作業中、オペレータがフロントパネルに設けられた観察モードスイッチ（図示せず）を操作することにより、通常観察モード、特殊観察（分光画像）モード、同時表示モード（ツインモード）との間で観察モードを切り替えることができる。

図２に示すように、通常観察モードの場合、広帯域に渡る波長域を有する白色光（通常光）が観察部位に照射される。これにより、通常のカラー画像がモニタ５０に表示される。特殊観察モードの場合、特定波長域の光（狭帯域光）が観察部位に照射される。これにより、血管部分等が鮮明な分光画像が表示される。同時表示モードの場合、白色光と狭帯域光とが交互に照射され、通常画像と分光画像がリアルタイムで画面に同時表示される。

光源２２と集光レンズ２８との間に設けられた絞り機構２６は、光源２２から照射される光の光量を開閉動作によって増減させる。システムコントロール回路３０は、初期回路３４から順次送られてくる輝度信号に基づいて絞り機構２６へ制御信号を出力する。なお、同時表示モードの場合、白色光の画像信号から得られる輝度信号に基づいて明るさ調整を行う。

光源２２と絞り機構２６との間には、回転フィルタ（ここでは図示せず）を備えたフィルタ機構２４が設けられている。回転フィルタは、観察モードに応じて光路上、光路外との間で選択的に位置決めされる。また、回転フィルタは、システムコントロール回路３０によって回転速度、位相が制御される。

図３は、回転フィルタの配置構成を示した図である。図４は、回転フィルタの平面図である。図３、４を用いて、回転フィルタの構成について説明する。

ディスク状の回転フィルタ２５は、モータ２７によって軸Ｃ周りに回転可能であり、周縁部にはエンコーダ２９が取り付けられている。また、回転フィルタ２５は、光路外へ退避可能であり、図示しない保持機構によって光軸垂直方向に沿って移動する。

通常観察モードの場合、回転フィルタ２５は光路外へ配置される。これにより、光源２２からの白色光がそのままライトガイド１１へ向けて進行する。特殊観察モード、同時表示モードの場合、回転フィルタ２５は光路上に移動する。

回転フィルタ２５は、その回転部分において対向配置された２組の弧状色フィルタ（帯域制限フィルタ）を備えており、弧状色フィルタ２５Ａ、２５Ｃおよび減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄが、交互に配置されている。各フィルタは、周方向に沿って半円分の長さを有する。以下では、フィルタ、色フィルタ、帯域制限フィルタいずれかの名称を適宜選択的に用いる。

特殊観察モードの場合、回転フィルタ２５は、光路ＬＢがフィルタ２５Ａもしくは２５Ｃと交差する位置に固定される。一方、同時表示モードの場合、回転フィルタ２５は、帯域制限フィルタ２５Ａ、２５Ｃおよび減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄが光路ＬＢを交差するように位置決めされる。そして、１フィールド期間で四半回転するように回転速度および位相制御されている。

帯域制限フィルタ２５Ａ、２５Ｃは、白色光の一部波長域の光を透過する分光透過特性を有する。減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄは、可視光域全般に渡って光を透過する一方、入射する光の光量を全体的に減少させる。減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄは、フィルムあるいは金網などによって構成される。

同時表示モードの間、回転フィルタ２５は、１つの帯域制限フィルタもしくは減光フィルタの光路通過期間を１フィールド期間と同期するように回転速度および位相制御される。これにより、白色光に応じた１フィールド分の画素信号、狭帯域光に応じた１フィールド分の画素信号が、イメージセンサ１２から交互に読み出される。

システムコントロール回路３５は、スイッチ３１を制御することによって、白色光による一連のＲ、Ｇ、Ｂ画素信号、狭帯域光による一連のＲ、Ｇ、Ｂ画素信号を、交互に第１画像処理回路３６、第２画像処理回路３８へ送らせる。

図５は、第１、第２画像処理回路および画像合成部の詳細なブロック図である。

白色光に応じたＲ、Ｇ、Ｂ画像信号が入力される第１画像処理回路３６は、色変換部３６Ａ、画像処理部３６Ｂ、３６Ｃ、セレクタ３６Ｄを備える。色変換部３６Ａでは、通常のカラー画像信号を生成するように輝度、色差信号が生成される。

画像処理部３６Ｂ、３６Ｃでは、輪郭強調処理などが施され、通常観察モードのときには画像処理部３６Ｂから出力される画像信号がセレクタ３６Ｄによって選択され、画像合成部４０へ送られる。同時表示モードのときには、画像処理部３６Ｃから出力される画像信号が選択される。

狭帯域光に応じたＲ、Ｇ、Ｂ画像信号が入力される第２画像処理回路３８は、色変換部３８Ａ、３８Ｂ，画像処理部３８Ｃ、３８Ｄ、セレクタ３８Ｅを備える。色変換部３８Ａ、３８Ｂでは、狭帯域光に合わせた色変換処理が施される。

特殊観察モードの場合、色変換部３８Ａ、画像処理部３８Ｃによって生成された画像信号がセレクタ３８Ｅによって選択され、画像合成部４０へ送られる。同時表示モードの場合、色変換部３８Ｂ、画像処理部３８Ｄによって生成された画像信号が選択される。画像処理部３８Ｄでは、後述するゲイン処理が実行される。なお、特殊観察モードの間、画像処理部３８Ｃにおいてゲイン処理することも可能であるが、そこでのゲイン値は画像処理部３８Ｄにおけるゲイン値よりも小さく設定される。

画像合成部４０は、セレクタ４０Ａ、４０Ｃおよび画像合成処理回路４０Ｂを備える。画像合成処理回路４０Ｂでは、通常画像と分光画像を同時表示する画像信号が生成される。通常観察モード、特殊観察モードの場合、通常光の画像信号もしくは狭帯域光の画像信号が出力されるように、セレクタ４０Ａ、４０Ｃが切り替えられる。一方、同時表示モードの場合、画像合成処理回路４０Ｂから出力される画像信号が、セレクタ４０Ｃによってモニタ５０へ出力される。

図６は、回転フィルタの狭帯域色フィルタの分光透過特性を示した図である。図７は、減光フィルタの減光率およびゲイン値のテーブルを示した図である。以下、本実施形態における観察画像と分光画像の明るさ調整について説明する。

図６に示すように、回転フィルタ２５の帯域制限フィルタ２５Ａは、ここでは、４１５ｎｍ付近をピークとする狭帯域光と、５４０ｎｍ付近をピークとする狭帯域光とを透過し、それ以外の波長の光を遮蔽する。帯域制限フィルタ２５Ｃも同様である。

このような分光透過特性をもつ帯域制限フィルタ２５Ａに対し、広帯域な波長の光であって連続的で一様なスペクトル分布特性をもつ白色光が入射すると、その一部光だけが出射するため、全体的な光量が低下する。ここで、白色光のスペクトル積分値（波長積分値）ＬＡを基準（＝１）としたとき、帯域制限フィルタ２５Ａを透過する光のスペクトル積分値ＬＣは、基準積分値ＬＡに対して１／５となる。

帯域制限フィルタ２５Ａのスペクトル積分値は、波長域全体において透過する光のスペクトル値を積分したものであるから、全体的な白色光の強度、光量を１００パーセントとすると、帯域制限フィルタ２５Ａを通過する光の光量はその２０パーセントになる（図７参照）。すなわち、狭帯域光の光量は全体的に１／５まで低下する。

このような光量低下を補償するため、狭帯域光によって得られた画像信号に対し、ゲイン処理によって分光画像の輝度レベルを向上させる。その一方で、白色光が回転フィルタ２４を通過する光の光量をある程度減少させる。ここでのゲイン処理は、Ｒ、Ｇ、Ｂ信号での輝度バランスを調整するものではなく、分光像画像の輝度レベルを全体的に増加させる。

ゲイン値については、値が過度に大きくなると画質に影響を与えるため、３倍以下に定めるのがよい。ここでは、２．５倍に定められる。このゲイン値に応じて減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄの減光率が定められる。減光率を５０パーセント、すなわち全体的な光量を半分まで低下させる値に定めることにより、モニタ５０に表示される通常画像の明るさが、ゲイン処理によって明るさ補正した分光画像の明るさと等しくなる。

分光画像の明るさを画像処理部においてアップするため、減光フィルタ２５Ｂ、２５Ｄの減光率は、帯域制限フィルタ２５Ａ、２５Ｃの波長積分値比に応じた減光率よりも小さい。すなわち、分光画像に対しゲイン処理を施さなければ、減光率８０パーセントの減光フィルタを用意することによって観察画像と分光画像の明るさが等しくなるが、ゲイン処理が可能な範囲で白色光の光量減少を抑えている。

通常画像の明るさを光源側の光量調整で低減させる一方、分光画像の明るさを画像処理部で増加させる明るさ均等調整を行うことにより、通常観察画像が暗くなりすぎることを防ぐ。また、回転フィルタの構造上特殊観察モードと比べて十分な露光量が得られないために必然的に分光画像は暗くなるが、適度な明るさアップによって診断に支障がでるのを防ぐ。

その一方で、ゲイン値が画質に影響しない３倍以下（＞１）の範囲に定められるため、分光画像も適度な明るさで表示することができる。また、通常画像の輝度レベルに基づいた自動調光処理を行っても、精度のある調光処理を行うことができる。

なお、ゲイン値は、画像処理回路の性能に応じて３倍を超える範囲に設定することも可能である。また、通常画像と分光画像の明るさを厳密に一致させる必要はなく、視認レベルである程度同じ明るさと判断できる範囲で明るさを調整することも可能である。

このように本実施形態によれば、通常観察画像と分光画像をモニタに同時表示する同時表示モードにおいて、所定の減光率を有する減光フィルタと帯域制限フィルタを交互に周方向に沿って設けた回転フィルタ２５を光路上において回転させ、狭帯域光と白色光を交互に観察部位へ照射させる。イメージセンサ１２から読み出される狭帯域光に応じた画像信号に対してゲイン処理を施し、分光画像の明るさを増加させる。減光率は、通常画像と分光画像の明るさが等しくなるように、ゲイン値に応じて定められる。

回転フィルタの構成（分光透過特性など）は上記実施形態に限定されない。それぞれ異なる減光率をもつ減光フィルタを同心円状に配列させ、診断内容に応じて回転フィルタを位置決めするようにしてもよい。さらに、減光率の異なる複数の回転フィルタを用意し、診断内容に応じた回転フィルタを選択して装着させてもよい。

１０ビデオスコープ
１２イメージセンサ（撮像素子）
２０プロセッサ
２２光源
２４フィルタ機構
２５回転フィルタ
２５Ａ、２５Ｃ帯域制限フィルタ
２５Ｂ、２５Ｄ減光フィルタ
３８Ｄ画像処理部（明るさ補正手段）

Claims

広帯域に渡る波長域の通常光を、撮像素子に向けて放射する光源と、
通常光が入射すると特定波長域の光を透過させる帯域制限フィルタと、通常光が入射すると通常光の光量を波長域全体に渡って減少させる減光フィルタとを周方向に沿って設けた回転フィルタと、
前記回転フィルタを回転制御し、前記帯域制限フィルタおよび前記減光フィルタの光路通過期間を１フィールド／フレーム期間に同期させる回転制御手段と、
１フィールド／フレーム期間ごとに撮像素子から交互に読み出される、通常光の反射光に応じた広帯域画素信号と狭帯域光の反射光に応じた狭帯域画素信号から、通常画像および分光画像のデジタル画像信号を生成する画像生成手段とを備え、
前記画像生成手段が、前記分光画像のデジタル画像信号に対して画像処理を行うことによって、分光画像の明るさを増加させる明るさ補正手段を有し、
前記減光フィルタが、明るさ補正後の分光画像の明るさに相当する明るさまで、通常光の光量を減少させることによって前記通常画像の明るさレベルを減少させることを特徴とする内視鏡装置。
前記減光フィルタの減光率が、前記通常光の波長積分値に対する前記帯域制限フィルタにおける透過光の波長積分値比に応じた減光率よりも、小さいことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記明るさ補正手段が、所定のゲイン値によるゲイン処理によって、前記分光画像の明るさを増加させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の内視鏡装置。
前記減光率が、前記通常画像の明るさを明るさ補正後の前記分光画像の明るさと等しくする、ゲイン値に応じた値であることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡装置。
前記通常画像と前記分光画像を同画面で同時表示する表示手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。
前記通常画像の明るさに基づいて、前記通常画像と前記分光画像の明るさを調整する自動調光処理手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
広帯域に渡る波長域の通常光を、撮像素子に向けて放射する光源と、
通常光が入射すると特定波長域の光を透過させる帯域制限フィルタと、通常光が入射すると通常光の光量を波長域全体に渡って減少させる減光フィルタとを周方向に沿って設けた回転フィルタと、
前記回転フィルタの回転によって撮像素子から交互に読み出される、通常光の反射光に応じた画素信号と狭帯域光の反射光に応じた画素信号から、通常画像および分光画像のデジタル画像信号を生成する画像生成手段とを備え、
前記画像生成手段が、前記分光画像のデジタル画像信号に対して画像処理を行うことによって、分光画像の明るさを増加させ、
前記減光フィルタが、明るさ補正後の分光画像の明るさに相当する明るさまで、通常光の光量を減少させることによって前記通常画像の明るさレベルを減少させることを特徴とする内視鏡装置。