JPWO2012172908A1 - 医療機器 - Google Patents

Abstract

医療機器は、被検体に投与された蛍光物質を励起するための励起光を前記被検体に照射する照明部と、前記励起光が照射された前記被検体からの反射光を光電変換して前記被検体を撮像する撮像部と、前記光電変換により得られる画素信号を保持すると共に、保持した前記画素信号の増幅率を所定の画素単位で変化させながら前記画素信号を非破壊読み出し可能な読出し部と、前記読み出し部により異なる増幅率で読み出された前記画素信号を加算平均して画像を生成する画像処理部とを備え、１画面内に明暗差が比較的大きい複数の蛍光領域が存在する場合でも、位置ずれを起こすことなく各蛍光領域の視認性を向上させる。

Description

本発明は、蛍光観察に好適な医療機器に関する。

近年、分子標的薬剤を用いた癌診断技術が注目されている。癌細胞において特異的に発現する生体タンパク質をターゲットとした蛍光プローブ（蛍光薬剤）を生体の対象部位へ散布または注入した後、該対象部位において発せられる蛍光に基づいて癌の有無を判別する手法である。この手法は、消化管分野の癌の早期発見において有用である。

内視鏡装置において、この技術を利用した診断が可能である。即ち、光源装置からの励起光を被写体に照射し、癌に集積した蛍光薬剤からの蛍光を捉えることで癌の存在診断や悪性度などの質的診断を行うのである。なお、日本国特開２００９−９５５３８号公報においては、通常白色光観察と蛍光観察との両方が可能な電子内視鏡も開示されている。

ところで、診断に際して複数の蛍光薬剤を投与する場合もあり、蛍光薬剤の種類、投与部位等によって蛍光強度が変化することが考えられる。このため、内視鏡によって得た１画面の撮像画像中に、明るい蛍光領域と暗い蛍光領域とが混在することがある。この場合に、明るい蛍光領域が適正な明るさになるように励起光の強度を低下させる調光を行うと、暗い蛍光領域が暗くなりすぎて蛍光を視認できなくなることがある。

例えば、内視鏡で観察する消化管の管腔構造の手前に存在する蛍光領域の他に管腔の奥側に暗い蛍光領域が存在する場合には、両者の明暗差が極めて大きく、観察者が奥側の蛍光領域を見逃すリスクが考えられる。

逆に、暗い蛍光領域が適正な明るさになるような調光を行うと、明るい蛍光領域の画像信号が飽和してしまう虞がある。

そこで、光量の大きい励起光と光量の小さい励起光とを交互に照射し、明るさの異なる２枚の画像の加算平均をとることで、両者の明るさを適正に補正する方法も考えられる。しかしながら、被写体に動きがある場合には位置ずれによって画像が見にくくなってしまう。

そこで、内視鏡から得られる１枚の画像から、デジタル処理によって増幅率を変えた２枚の画像を生成して加算平均することで、位置ずれの問題を解消しながら明るさを補正する方法も考えられる。しかしながら、蛍光領域同士の明暗差が極端に大きい場合には、暗い領域に対して大幅な増幅を掛ける必要があり、蛍光領域以外の部分が白浮きしたり、階調落ちによって本来なだらかなグラデーションであった画像が階段状に明るさが変化する画像になってしまうという問題があった。

本発明は、１画面内に明暗差が比較的大きい複数の蛍光領域が存在する場合でも、位置ずれを起こすことなく各蛍光領域の視認性を向上させることができる医療機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る医療機器は、被検体に投与された蛍光物質を励起するための励起光を前記被検体に照射する照明部と、前記励起光が照射された前記被検体からの反射光を光電変換して前記被検体を撮像する撮像部と、前記光電変換により得られる画素信号を保持すると共に、保持した前記画素信号の増幅率を所定の画素単位で変化させながら前記画素信号を非破壊読み出し可能な読出し部と、前記読み出し部により異なる増幅率で読み出された前記画素信号を加算平均して画像を生成する画像処理部とを備える。

本発明の一実施の形態に係る医療機器を示すブロック図。 １画面内に複数の蛍光領域Ｋ１〜Ｋ３が存在する内視鏡画像６１を示す説明図。 従来例の処理を説明するための説明図。 ＡＤＣ出力の階調値を説明するための説明図。 本実施の形態における処理を説明するための説明図。 本実施の形態による利点を説明するための説明図。 本実施の形態による利点を説明するための説明図。 ＣＭＯＳセンサ２３ｂの構成を示す模式的な回路図。 実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャート。 実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャート。 変形例を説明するための説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る医療機器を示すブロック図である。

先ず、図２乃至図７を参照して、蛍光領域の視認性を向上させるための本実施の形態の手法について説明する。図２は１画面内に複数の蛍光領域Ｋ１〜Ｋ３が存在する内視鏡画像６１を示す説明図である。図２（ａ），（ｂ）は同一被写体に対して異なる調光制御による撮像を行って得られたものである。図２では蛍光領域Ｋ１〜Ｋ３については、ハッチングが密な程暗い領域であることを示し、無地は明るい領域を示している。

図２（ａ）は明るい蛍光領域Ｋ１を基準に調光制御を行って撮像して得た画像を示し、図２（ｂ）は暗い蛍光領域Ｋ３を基準に調光制御を行って撮像して得た画像を示している。図２（ａ）の場合には、暗い蛍光領域Ｋ２，Ｋ３は極めて暗く撮像されており、視認性が著しく低いことを示している。図２（ｂ）の場合には、破線によって、明るい蛍光領域Ｋ１は飽和状態で撮像されており、ハレーションが生じていることを示している。

そこで、上述したように、内視鏡から得られる１枚の画像から、デジタル処理によって増幅率を変えた２枚の画像を生成して加算平均することで、位置ずれの問題を解消しながら明るさを補正する方法が考えられる。図３はこの処理を説明するための説明図である。図３（ａ），（ｂ）は横軸に入力信号をとり縦軸に出力信号をとって、ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）の出力を増幅した場合のレベル変化を示すものである。図３（ａ）はＡＤＣの出力に対する増幅率が比較的低い例であり、図３（ｂ）はＡＤＣの出力に対する増幅率が比較的高い例である。

図３（ａ）は増幅率が小さく、明るい蛍光領域は十分な明るさまで増幅されているのに対し、暗い蛍光領域は比較的暗いままで視認性が不足していることを示している。一方、Ａ／Ｄ変換の出力の増幅率を高くすると、図３（ｂ）のように、明るい蛍光領域は飽和し、暗い蛍光領域では十分な明るさとなる。

蛍光薬剤は癌に特異的に集積する。従って、主に癌の病変部では薬剤が高濃度で集積して蛍光領域となり、病変部以外の蛍光領域でない部分にはほとんど薬剤が集積がないため十分に暗い黒レベルとなる。一方、蛍光薬剤の種類や観察距離の違いなどにより、明るい蛍光領域と暗い蛍光領域の間で明暗差が大きい場合には、暗い蛍光領域の視認性を向上させるために、極めて高い増幅率で増幅する必要がある。しかし、蛍光領域以外の黒部分と暗い蛍光領域の部分の明暗差が小さいときには、A/D変換後のデジタル信号のレベルの差が小さい状態である。従って、そのままの状態でデジタル信号に対して極めて高い増幅率で増幅すると、暗い蛍光領域と同じく蛍光領域以外の黒部分のレベルも高くなり、画像全体が白っぽくなってしまう。

即ち、図３（ａ）に比べて図３（ｂ）のように比較的増幅率が大きい場合には、ダイナミックレンジが狭くなり、暗い蛍光領域のレベルが高くなるだけでなく、蛍光領域以外の領域の黒レベルもレベルが高くなって、全体が白っぽくなってしまうのである。

そこで、本実施の形態においては、Ａ／Ｄ変換前のアナログの状態で増幅することにより、Ａ／Ｄ変換後の蛍光領域以外の部分と、暗い蛍光領域の部分の信号のレベル差を本来の明るさの違いを表現できるように適正に維持する。図４はこの場合のＡＤＣ出力の階調値を説明するための説明図である。図４（ａ），（ｂ）は横軸に入力信号をとり縦軸に出力信号をとって、ＡＤＣの前段で増幅した場合のレベル変化を示すものである。図４（ａ）はＡＤＣの前段での増幅率が比較的低い例であり、図４（ｂ）はＡＤＣの前段での増幅率が比較的高い例である。

図４（ａ），（ｂ）のいずれの場合でも、ＡＤＣの入力に対する出力のダイナミックレンジは変化しない。図４（ｂ）では暗い蛍光領域のレベルは十分高くなるのに対し、蛍光領域以外の領域の黒レベル部分のレベルは低いままであり、全体が白っぽくなってしまうことはない。

図５は本実施の形態における処理を説明するための説明図である。

本実施の形態においては、後述するように、被写体からの蛍光画像を撮像する撮像素子としてＣＭＯＳセンサを使用する。そして、ＣＭＯＳセンサから非破壊で２回の読み出しを行う。図５（ａ），（ｂ）はＣＭＯＳセンサが被写体からの光を受光して得られる光学像を示している。説明を簡略化するために、ＣＭＯＳセンサが縦横６×６画素で構成されているものとして説明する。

図５はハッチングの粗密によって画素の明るさを示しており、塗りつぶした画素Ｍ１が最も暗い画素で、白抜きの画素Ｍ６が最も明るい画素を示しており、暗い順に６種類の画素Ｍ１〜Ｍ６が存在する例を示している。

ＣＭＯＳセンサは、受光した光学像を光電変換して、画像信号を出力する。１回目の読み出しに際して、図５（ａ）の光学像は光電変換された後アナログゲインα１によって増幅され、カラムＡＤＣによってデジタル信号に変換されて出力される。なお、ゲインα１としては、例えば明るい画素領域が飽和しない値に設定される。図５（ｃ）はこうして得られる画像を示している。なお、カラムＡＤＣにおいては、デジタル変換後の出力レベルを調整後に出力するようになっている。

１回目の読み出しに続けて２回目の読み出しが行われる。通常、ＣＣＤでは１回読み出しを行うごとに再度受光し信号を蓄え直す必要があるが、ＣＭＯＳセンサの非破壊読み出しで１回目と２回目の読み出しを行うので、１回目の読み出しに際してＣＭＯＳセンサが受光して得た光学像は２回目の読み出しまで保持される。２回目の読み出しに際しても１回目と同一の光学像（図５（ｂ））が用いられる。

本実施の形態においては、ＣＭＯＳセンサが図５（ｂ）の光学像を光電変換して得た画像信号は、２回目の読み出しに際して、アナログゲインα２によって増幅された後、カラムＡＤＣによってデジタル信号に変換されて出力される。ゲインα２は、暗い画素領域が最適な明るさになるように設定される。図５（ｄ）はこうして得られる画像を示している。図５（ｂ），（ｄ）の比較から明らかなように、α１＜α２であり、２回目の読み出し時には比較的高いゲインα２によって増幅されていることから、図５（ｄ）に示す画像は図５（ｃ）の画像よりも明るさが比較的明るい画素Ｍ６，Ｍ５，Ｍ４によって構成される。

本実施の形態においては、図５（ｃ），（ｄ）に示す画像の加算平均を求める。図５（ｅ）はこうして求めた画像を示している。図５（ｅ）に示すように、図５（ｃ），（ｄ）の加算平均によって得た画像は、暗い画素領域が比較的明るい画素Ｍ２となり視認性が良好となる。また、明るい画素領域においても明るすぎない画素Ｍ５となって飽和を回避することができる。

図６及び図７は本実施の形態による利点を説明するための説明図である。図６（ａ），（ｂ）及び図７（ａ）乃至（ｃ）は横軸に階調値をとり縦軸に画素数をとって、Ａ／Ｄ変換前後における増幅の影響を説明するヒストグラムを示している。図６（ａ）及び図７（ａ）は撮像素子の光電変換によって得られる撮像画像を示している。図６（ａ）及び図７（ａ）の撮像画像は、階調変化（グラデーション）が滑らかである。

図６（ｂ）は撮像画像をＡ／Ｄ変換した後に増幅した場合のヒストグラムを示している。図６（ｂ）に示すように、暗い領域に対して過剰にゲインを掛けることによって、図６（ａ）の撮像画像は増幅されているが、階調は歯抜けになっている。このため、滑らかなグラデーションが得られない。従って、図６（ａ），（ｂ）の画像を加算平均したとしても適正な画像は得られない。

一方、図７（ｂ）は、図５を用いて説明したように、撮像画像をＡ／Ｄ変換する前に増幅したものであり、包絡線の変化は図６（ｂ）と同一であるが階調の歯抜けは生じていない。従って、滑らかなグラデーションが得られる。図７（ａ），（ｂ）の画像の加算平均を求めると、図７（ｃ）の画像が得られる。図７（ｃ）の画像は、階調変化を適正に保つと共に、明るい領域で明るさが飽和することを防止しつつ、暗い領域での明るさが明るくなっている。即ち、暗い領域と明るい領域との明暗の差を補正して、見やすい画像を得ることができる。

（回路構成）
図１において、内視鏡２は、光源装置３から供給され、ライトガイド７により伝送された光を被写体へ出射する照明光学系２１と、白色光観察用撮像部２２と、蛍光観察用撮像部２３と、内視鏡装置１の観察モードの切り替えに係る操作を行うことが可能なモード切替スイッチ２４と、を有して構成されている。

白色光観察用撮像部２２は、被写体の像を結像する対物光学系２２ａと、原色フィルタを備えた撮像面が対物光学系２２ａの結像位置に合わせて配置されたＣＭＯＳセンサ２２ｂと、を有して構成されている。

ＣＭＯＳセンサ２２ｂは、プロセッサ４内の撮像素子ドライバ４８に駆動が制御され、撮像面に結像された被写体からの戻り光に対して光電変換を施すことにより、撮像信号を生成してプロセッサ４へ出力する。

蛍光観察用撮像部２３は、被写体の像を結像する対物光学系２３ａと、撮像面が対物光学系２３ａの結像位置に合わせて配置されたモノクロのＣＭＯＳセンサ２３ｂと、ＣＭＯＳセンサ２３ｂの前段に配置された励起光カットフィルタ２３ｃと、を有して構成されている。

ＣＭＯＳセンサ２３ｂは、プロセッサ４の撮像素子ドライバ４８に駆動が制御されて、撮像面に結像された被写体からの戻り光に対して光電変換を施すことにより、撮像信号を生成してプロセッサ４へ出力する。ＣＭＯＳセンサ２３ｂは、各画素毎に増幅機能を有し、撮像素子ドライバ４８によってその増幅率が制御可能に構成される。

図８はＣＭＯＳセンサ２３ｂの構成を示す模式的な回路図である。ＣＭＯＳセンサ２３ｂは、マトリクス状に画素が配置されており、各画素はフォトダイオードＰＤ、増幅部Ａ及びスイッチＳによって構成される。フォトダイオードＰＤは受光した光に応じて電荷を発生する。フォトダイオードＰＤに発生した電荷による電圧変化は増幅部Ａによって増幅された後、スイッチＳを介してカラム線ＣＡに出力される。増幅部Ａの増幅率は、撮像素子ドライバ４８によって制御可能である。

１列の全てのスイッチＳは共通のカラム線ＣＡに接続され、同一ラインのスイッチＳが同時にオンになることで、同一ラインの全ての画素から各カラム線ＣＡを介して信号が各ＣＤＳ回路７０に供給される。図示しない垂直走査回路によってスイッチＳがライン毎に選択的にオンとなることによって、全ての画素の信号（画素信号）がカラム線ＣＡを介して出力される。

各ＣＤＳ回路７０は各カラム線ＣＡを介して入力された信号からリセットノイズを除去した後、夫々各ＡＤＣ７１に出力する。各ＡＤＣ７１は入力された信号をデジタル信号に変換した後、出力する。各ＡＤＣ７１の出力は、図示しない水平走査回路によって順次出力される。

励起光カットフィルタ２３ｃは、後述の励起光ＬＥＤ３１ｂから発せられる励起光の波長帯域を遮断すると共に、当該励起光により励起された蛍光薬剤等の蛍光物質から発せられる蛍光の波長帯域と、後述の参照光ＬＥＤ３１ｃから発せられる参照光の波長帯域と、をそれぞれ透過させるような光学特性を具備して形成されている。

光源装置３は、ＬＥＤ光源部３１と、ＬＥＤドライバ３２と、ＬＥＤ光源部３１において発せられた光を集光してライトガイド７へ供給する集光光学系３３と、を有している。ＬＥＤ光源部３１は、白色光ＬＥＤ３１ａと、励起光ＬＥＤ３１ｂと、参照光ＬＥＤ３１ｃと、ハーフミラー３１ｄと、ハーフミラー３１ｅと、ミラー３１ｆと、を有して構成されている。白色光ＬＥＤ３１ａは、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）の各波長帯域を含む白色光（例えば、４００−６９０ｎｍの可視光）を発することができるように構成されている。

励起光ＬＥＤ３１ｂは、蛍光薬剤等の蛍光物質を励起可能な波長帯域の励起光（例えば７００ｎｍの近赤外光）を発することができるように構成されている。参照光ＬＥＤ３１ｃは、励起光ＬＥＤ３１ｂから発せられる励起光の波長帯域に重複せず、かつ、当該励起光により励起された蛍光薬剤等の蛍光物質から発せられる蛍光の波長帯域に重複しない波長帯域の参照光（例えば、８００ｎｍの近赤外光）を発することができるように構成されている。

ハーフミラー３１ｄは、白色光ＬＥＤ３１ａと集光光学系３３との間の光路上に配置されており、白色光ＬＥＤ３１ａから発せられた白色光を集光光学系３３側へ透過させると共に、ハーフミラー３１ｅを経て出射された励起光及び参照光を集光光学系３３側へ反射するような光学特性を具備して構成されている。

ハーフミラー３１ｅは、ハーフミラー３１ｄとミラー３１ｆとの間の光路上に配置されており、励起光ＬＥＤ３１ｂから発せられた励起光をハーフミラー３１ｄ側へ反射すると共に、ミラー３１ｆを経て出射された参照光をハーフミラー３１ｄ側へ透過させるような光学特性を具備して構成されている。ミラー３１ｆは、参照光ＬＥＤ３１ｃから発せられた参照光をハーフミラー３１ｅ側へ反射するような光学特性を具備して構成されている。

ＬＥＤドライバ３２は、ＬＥＤ光源部３１に設けられた各ＬＥＤを駆動させるための駆動電流を供給することができるように構成されている。そのため、例えば、ＬＥＤドライバ３２からＬＥＤ光源部３１へ供給される駆動電流の大きさが変化するに伴い、ＬＥＤ光源部３１から発せられる光（白色光、励起光及び参照光）の強度が変化する。

一方、ＬＥＤドライバ３２は、プロセッサ４の制御に応じてＬＥＤ光源部３１に設けられた各ＬＥＤを発光または消光させるように動作する。即ち、ＬＥＤドライバ３２は、観察モードに応じて、ＬＥＤ光源部３１を制御する。観察モードは、モード切替スイッチ２４によって設定可能である。モード切替スイッチ２４は、術者の操作に応じた操作信号をモード切替回路４１に出力する。

モード切替回路４１は、モード切替スイッチ２４の操作により選択された観察モードに応じた動作を内視鏡装置１の各部に行わせるためのモード切替制御信号を生成して、調光制御回路４２、ＬＥＤドライブ３２及び撮像素子ドライバ４８に出力する。

調光制御回路４２は、観察モードに応じた明るさの目標値等を調光回路５０に設定するようになっている。調光回路５０は、調光制御回路４２から観察モードに応じた明るさの目標値が設定され、設定された目標値と、撮像信号のレベルとに基づき、撮像信号の明るさを調整するための調光信号を生成してＬＥＤドライバ３２に出力する。

ＬＥＤドライバ３２には、タイミングジェネレータ５１からのタイミング信号も与えられる。タイミングジェネレータ５１は、プロセッサ４の各部の動作を適切に同期させるためのタイミング信号を生成して出力する。例えば、タイミングジェネレータ５１は、内視鏡装置１が蛍光観察モードに切り替えられている場合において、励起光ＬＥＤ３１ｂが発光（または消光）している期間と、参照光ＬＥＤ３１ｃが発光（または消光）している期間と、に同期した動作をプロセッサ４の各部に行わせるためのタイミング信号を生成して出力する。

ＬＥＤドライバ３２は、プロセッサ４のモード切替回路４１から出力されるモード切替制御信号に基づき、内視鏡装置１が白色光観察モードに切り替えられたことを検出すると、白色光ＬＥＤ３１ａを発光させると共に、励起光ＬＥＤ３１ｂ及び参照光ＬＥＤ３１ｃを消光させるように動作する。また、ＬＥＤドライバ３２は、モード切替回路４１から出力されるモード切替制御信号に基づき、内視鏡装置１が蛍光観察モードに切り替えられたことを検出すると、白色光ＬＥＤ３１ａを消光させると共に、励起光ＬＥＤ３１ｂ及び参照光ＬＥＤ３１ｃを交互に発光させるように動作する。なお、ＬＥＤドライバ３２は、蛍光観察モードにおいて、励起光のみを発光させるようにしてもよい。

プロセッサ４は、カラーバランス調整処理を行うカラーバランス調整回路４３と、信号の振り分けに関する動作を行うマルチプレクサ４４と、同時化メモリ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃと、所定の画像処理を行う画像処理回路４６と、Ｄ／Ａ変換処理を行うＤＡＣ４７ａ、４７ｂ及び４７ｃと、を有している。

白色光観察モードにおいてＣＭＯＳセンサ２２ｂから出力される撮像信号、及び、蛍光観察モードにおいてＣＭＯＳセンサ２３ｂから出力されるデジタルの撮像信号は、いずれもプロセッサ４に入力される。カラーバランス調整回路４３は、タイミングジェネレータ５１からのタイミング信号に基づき、デジタル撮像信号に対してカラーバランス調整処理を施してセレクタ４４に出力する。

セレクタ４４は、タイミングジェネレータ５１からのタイミング信号に基づき、カラーバランス調整回路４３から出力される撮像信号を、モードに応じて３チャンネルの信号に分離し、分離した各信号を同時化メモリ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃへ振り分けつつ出力する。同時化メモリ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃは、セレクタ４４から出力される各信号を一時的に記憶することが可能な構成を有している。例えば、白色光観察モード時には、同時化メモリ４５ａ，４５，４５ｃには、夫々撮像信号から分離された各色成分の信号が記憶される。また、蛍光観察モード時には、後述するように、同時化メモリ４５ａ，４５，４５ｃには、夫々１回目の読み出しに基づく信号、２回目の読み出しに基づく信号、参照光露光によって得られた撮像画像に基づく信号が記憶される。

画像処理回路４６は、タイミングジェネレータ５１からのタイミング信号に基づき、同時化メモリ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃに記憶された各チャンネルの信号を同時に読み込んだ後、当該読み込んだ各信号に対してガンマ補正等の画像処理を施す。そして、画像処理回路４６は、ガンマ補正等の画像処理を施した各信号を、第１の色チャンネル（例えばＲ成分）、第２の色チャンネル（例えばＧ成分）及び第３の色チャンネル（例えばＢ成分）にそれぞれ割り当ててＤＡＣ４７ａ、４７ｂ及び４７ｃに出力する。

画像処理回路４６から出力された、第１乃至第３の色チャンネルの信号は、ＤＡＣ４７ａ、４７ｂ及び４７ｃにおいてそれぞれアナログの信号に変換された後、モニタ５に出力される。これにより、モニタ５には、各観察モードに対応した観察画像が表示される。

なお、ＤＡＣ４７ａ，４７ｂ，４７ｃの出力は符号化回路４９にも与えられる。符号化回路４９は、入力された信号を符号化処理してファイリング装置５２に出力する。ファイリング装置５２は入力された符号化データをファイリングする。

撮像素子ドライバ４８は、タイミングジェネレータ５１からタイミング信号が供給され、ＣＭＯＳセンサ２２ｂ及びＣＭＯＳセンサ２３ｂを駆動する。例えば、撮像素子ドライバ４８は、モード切替回路４１のモード切替制御信号に基づき、内視鏡装置１が白色光観察モードに切り替えられたことを検出すると、ＣＭＯＳセンサ２２ｂを駆動させると共に、ＣＭＯＳセンサ２３ｂの駆動を停止させる。また、撮像素子ドライバ４８は、モード切替制御信号に基づき、内視鏡装置１が蛍光観察モードに切り替えられたことを検出すると、ＣＭＯＳセンサ２３ｂを駆動させると共に、ＣＭＯＳセンサ２２ｂの駆動を停止させる。

本実施の形態においては、撮像素子ドライバ４８は、蛍光観察モード時において、１回の露光期間に、非破壊で２回の読み出しを行うようにＣＭＯＳセンサ２３ｂを制御する。撮像素子ドライバ４８は、２回の読み出しが終了する毎に、各画素のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷のリセットを行う。そして、２回の読み出しのうちの一方の読み出し時に、各画素の増幅部Ａのゲインをα１とし、他方の読み出し時に各画素の増幅部Ａのゲインをα２とする。なお、α１＜α２である。例えば、撮像素子ドライバ４８は、ゲインα１としては、明るい画素領域が飽和しない程度の値に設定し、ゲインα２としては、暗い画素領域が最適な明るさになるように設定する。

また、蛍光観察モードにおいて、励起光と参照光とを交互に照射する場合には、励起光の照射に基づく１回の蛍光露光期間において、非破壊で２回の読み出しを行うと共に、参照光の照射に基づく１回の参照光露光期間において、１回の読み出しを行う。そして、蛍光露光期間における２回の読み出し時のゲインをα１とα２とで切換えると共に、参照光露光期間における、増幅部Ａのゲインをβに設定する。なお、β＜α１＜α２である。

なお、蛍光観察モードにおいては、非破壊の２回の読み出しによる撮像信号のうち、１回目の読み出しによる撮像信号に基づく信号が同時化メモリ４５ａに記憶され、２回目の読み出しによる撮像信号に基づく信号が同時化メモリ４５ｂに記憶される。また、参照光に基づく撮像信号は、同時化メモリ４５ｃに記憶される。

次に、このように構成された実施の形態の動作について図９のタイミングチャートを参照して説明する。図９（ａ）は露光及びリセット期間を示し、図９（ｂ）は撮像信号の転送及び読み出しを示している。

術者は、モード切替スイッチ２４を操作することにより、白色光観察モード、蛍光観察モードを指定する。モード切替回路４１は、モード切替スイッチ２４の操作に基づくモード切替制御信号を生成し、生成したモード切替制御信号を調光制御回路４２、ＬＥＤドライバ３２及び撮像素子ドライバ４８に出力する。

いま、例えば、術者によって、白色光観察モードが指示されたものとする。この場合には、ＬＥＤドライバ３２は、モード切替制御信号に基づき、白色光ＬＥＤ３１ａを発光させると共に、励起光ＬＥＤ３１ｂ及び参照光ＬＥＤ３１ｃを消光させる。撮像素子ドライバ４８は、モード切替制御信号に基づき、ＣＭＯＳセンサ２２ｂを駆動させると共に、ＣＭＯＳセンサ２３ｂの駆動を停止させる。

これにより、光源装置３から供給された白色光がライトガイド７及び照明光学系２１を経て被写体へ出射され、当該白色光の戻り光（反射光）がＣＭＯＳセンサ２２ｂの撮像面に結像される。そして、白色光の戻り光（反射光）を撮像して得た撮像信号がＣＭＯＳセンサ２２ｂから出力される。

ＣＭＯＳセンサ２２ｂから出力された撮像信号は、調光回路５０に入力される。調光回路５０は、モード切替制御信号に基づき、白色光観察モードにおける明るさの目標値に、撮像信号の明るさを調整するための調光信号を生成してＬＥＤドライバ３２へ出力する。ＬＥＤドライバ３２は、調光信号に基づいて白色光ＬＥＤ３１ａに供給する駆動電流を変化させることにより、撮像信号の明るさを目標値に一致させる。

一方、ＣＭＯＳセンサ２２ｂから出力された撮像信号は、カラーバランス調整回路４３、セレクタ４４、同時化メモリ４５ａ〜４５ｃ、画像処理回路４６、及び、ＤＡＣ４７ａ〜４７ｃの各部を順番に経た後、映像信号としてモニタ５へ出力される。こうして、白色光観察モードに対応した観察画像（カラー画像）がモニタ５に表示される。

次に、術者は、被検体の蛍光観察を行うものとする。術者は、被検体の内部における所望の観察部位を観察する前に、当該所望の観察部位の病変組織に集積する蛍光薬剤を被検体に投与する。その後、術者は、モニタ５に表示される観察画像を見ながら内視鏡２の挿入操作を行うことにより、被検体内における所望の観察部位の近傍に内視鏡２の先端部を配置させる。そして、このような状態において、術者は、モード切替スイッチ２４を操作することにより、蛍光観察モードを選択する。

モード切替回路４１は、モード切替スイッチ２４の操作により蛍光観察モードが選択されたことを検出すると、蛍光観察モードに対応したモード切替制御信号を生成して調光制御回路４２、ＬＥＤドライバ３２及び撮像素子ドライバ４８に出力する。

ＬＥＤドライバ３２は、モード切替制御信号に基づいて、白色光ＬＥＤ３１ａを消光させ、励起光ＬＥＤ３１ｂを発光させるか、又は、励起光ＬＥＤ３１ｂ及び参照光ＬＥＤ３１ｃを交互に発光させる。なお、ＬＥＤドライバ３２は、タイミングジェネレータ５１からのタイミング信号に基づいて励起光ＬＥＤ３１ｂを発光及び消光させる期間、参照光ＬＥＤ３１ｃを発光及び消光させる期間を制御する。また、撮像素子ドライバ４８は、モード切替制御信号に基づいて、ＣＭＯＳセンサ２３ｂを駆動させると共に、ＣＭＯＳセンサ２２ｂの駆動を停止させる。

本実施の形態においては、ＬＥＤドライバ３２及び撮像素子ドライバ４８は、励起光の照射に基づく１回の蛍光露光期間において、ＣＭＯＳセンサ２３ｂから２回の読み出しが行われるように、励起光の照射及び撮像信号の読み出しを制御するようになっている。これにより、ＣＭＯＳセンサ２３ｂによる１枚の撮像画像が非破壊で２回読み出されることになる。

更に、本実施の形態においては、撮像素子ドライバ４８は、１枚の撮像画像に対する２回の読み出しにおけるゲインを相互に異なるゲインα１，α２に設定する。例えば１回目の読み出しに際して、ＣＭＯＳセンサ２３ｂの各画素を構成する増幅部Ａのゲインをα１に設定する。これにより、各画素の信号電荷に基づく電圧がゲインα１で増幅され、スイッチＳからカラム線ＣＡ及びＣＤＳ回路７０を介してＡＤＣ７１に供給される。こうして、各画素信号は、Ａ／Ｄ変換前にアナログゲインα１で増幅される。

また、２回目の読み出しに際して、撮像素子ドライバ４８は、ＣＭＯＳセンサ２３ｂの各画素を構成する増幅部Ａのゲインをα２に設定する。これにより、各画素の信号電荷に基づく電圧がゲインα２で増幅され、スイッチＳからカラム線ＣＡ及びＣＤＳ回路７０を介してＡＤＣ７１に供給される。即ち、２回目の読み出し時には、各画素信号は、Ａ／Ｄ変換前にアナログゲインα２で増幅される。

図９（ａ）において、塗りつぶした期間はリセット期間を示し、リセット期間に続く枠によって蛍光露光期間を示している。図９（ａ），（ｂ）に示すように、１回の蛍光露光期間に対して、２フレームの読み出しが行われる。なお、露光と読出しとはライン毎に制御されるものであり、各画素の露光及び読み出しは、図９（ａ），（ｂ）の露光期間、転送読み出し期間の全ての期間に行われている訳ではない。

こうして、非破壊の２回の読み出しのうちの１回目の読み出しによって図５（ｃ）に相当する撮像画像が得られ、２回目の読み出しによって図５（ｄ）に相当する撮像画像が得られる。非破壊の２回の読み出しのうちの１回目の読み出しによる撮像信号は、カラーバランス調整回路４３及びセレクタ４４を介して同時化メモリ４５ａに供給される。また、２回目の読み出しによる撮像信号は、カラーバランス調整回路４３及びセレクタ４４を介して同時化メモリ４５ｂに供給される。

画像処理回路４６は、同時化メモリ４５ａ，４５ｂに記憶されている画像の加算平均を求める。こうして、図５（ｅ）に相当する画像が得られる。画像処理回路４６は、加算平均によって得られた蛍光画像を、第１乃至第３の色チャンネルに割当ててＤＡＣ４７ａ，４７ｂ，４７ｃに出力する。ＤＡＣ４７ａ，４７ｂ，４７ｃは入力された信号をアナログ信号に変換してモニタ５に出力する。こうして、モニタ５において蛍光画像が表示される。

また、モード切替制御信号によって、励起光ＬＥＤ３１ｂ及び参照光ＬＥＤ３１ｃを交互に発光させる蛍光観察モードが指定された場合には、図１０に示すタイミングで照明及び露光が行われる。即ち、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、１回の蛍光露光期間に対して、２フレームの読み出しが行われると共に、１回の参照光露光期間に対して、１フレーム読み出しが行われる。

また、撮像素子ドライバ４８は、１回の蛍光露光に対応した非破壊の２回の読み出し時にはアナログゲインをα１とα２とで切替える共に、１回の参照光露光に対応した１回の読み出し時にはアナログゲインをβとする。参照光は蛍光に対して十分光量が大きいので、β＜α１＜α２とする。

こうして、蛍光露光に対応する２回の非破壊読み出しによって図５（ｃ），（ｄ）に相当する撮像画像が得られ、参照光露光に対応する１回の読み出しによって参照光画像が得られる。これらの画像は、夫々ホワイトバランス調整回路４３及びセレクタ４４を介して同時化メモリ４５ａ〜４５ｃに供給される。例えば、同時化メモリ４５ａ，４５ｂには、蛍光露光に対応する２回の読み出しに基づく信号が夫々格納され、同時化メモリ４５ｃには、参照光露光に対応する信号が格納される。

画像処理回路４６は、同時化メモリ４５ａ，４５ｂに記憶されている画像の加算平均を求める。更に、画像処理回路４６は、加算平均によって得られた蛍光画像と同時化メモリ４５ｃから読み出した参照光画像とを、第１乃至第３の色チャンネルに割当ててＤＡＣ４７ａ，４７ｂ，４７ｃに出力することにより、蛍光画像と参照光画像とが同一の観察画像内に含まれるように画像合成を行う。ＤＡＣ４７ａ，４７ｂ，４７ｃは入力された信号をアナログ信号に変換してモニタ５に出力する。こうして、モニタ５において参照画像と蛍光画像とが合成された観察画像が表示される。

このように本実施の形態においては、ＣＭＯＳセンサに蓄えられた信号電荷に対し、リセットをかけずに非破壊で２回読み出す処理を行う。その際、第１の読み出しではカラムＡＤＣの前段のアナログゲインで、入力電圧に対してα１倍のゲインを掛けた後Ａ／Ｄ変換を行い、プロセッサに信号を送る。第２の読み出しではカラムＡＤＣの前段で、入力電圧に対してα２倍のゲインを掛けて同様の処理を行う。本実施の形態においては、非破壊の１回目と２回目の読み出し時に、α１＜α２のように異なるゲインを掛けることで、明るさの異なる２枚の画像を得ることができる。プロセッサには２枚の画像を記憶するフレームメモリを備え、これらの明るさの異なる２枚の画像の加算平均によって蛍光画像を得る。プロセッサ内部で行われる増幅処理とは異なり、Ａ／Ｄ変換によって階調に変換される前の電圧信号に対して信号レベルの調整を行っており、極端に暗い蛍光領域に対して比較的大きなゲイン値α２で増幅を行う場合であっても、階調落ちや白浮きを防止しながら、視認性を向上させることができる。

（変形例）
図１１は変形例を説明するための説明図である。図１１において図８と同一物には同一符号を付して説明を省略する。

上記説明においては、非破壊の２回の読み出し時のアナログゲインを変化させて、同一画像について明るさが異なる２枚の撮像画像を得た。これに対し、図１１は増幅部Ａのゲインをライン毎に切換える例を示している。例えば、奇数ラインの増幅部Ａのゲインをα１とし、偶数ラインの増幅部Ａのゲインをα２とするのである。

これにより、１枚の蛍光画像のうち奇数ラインの全ての画素によって得られる画像はα１のアナログゲインで増幅されたものとなり、偶数ラインの全ての画素によって得られる画像はα２のアナログゲインで増幅されたものとなる。従って、１枚の撮像画像から、１回の読み出しによって、明るさが異なる２枚の画像を得ることができる。

なお、これらの２枚の画像は、夫々偶数ライン又は奇数ラインの情報を有していないので、補間処理によって全ラインの画素値を有する２つの画像を生成すればよい。こうして得られた明るさが異なる２枚の画像をプロセッサにおいて、加算平均することにより、階調落ちや白浮きを防止しながら、視認性を向上させた蛍光画像を得ることができる。

このように本変形例においても、画面単位でアナログゲインを切り替える場合と同様の効果を得ることができる。即ち、増幅率の異なる２つの画像のうち少なくとも一方の画像は、明るい蛍光領域、暗い蛍光領域、および蛍光領域以外の部分が、ハレーションや黒つぶれを生じず適正な階調値を維持した状態で得られるため、両者を加算平均することにより、明暗差の大きい蛍光領域が複数存在するような場合でも、適正な明るさ及び階調表現で観察することができる。また、ＣＭＯＳセンサの非破壊読み出しにより、同一の光学像を２回読み出して加算平均するため、内視鏡操作時に生じやすい画像の位置ずれを回避することができる。更に本変形例においては、読み出しを１フレーム期間で行うことができ、フレームレート高くすることができるという利点を有する。

なお、上記実施の形態においては、１回の蛍光露光に対して非破壊で２回の読み出しを行う例を説明したが、アナログゲインを変化させながら３回以上の読み出しを行って、３枚以上の画像の加算平均によって、蛍光画像を得るようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、１画面単位又はライン単位でアナログゲインを変化させる例について説明したが、所定の画素範囲単位でアナログゲインを変化させるようにしてもよいことは明らかである。

本出願は、２０１１年６月１４日に日本国に出願された特願２０１１−１３２５８８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、図面に引用されたものとする。

Claims (9)

1. 被検体に投与された蛍光物質を励起するための励起光を前記被検体に照射する照明部と、
   前記励起光が照射された前記被検体からの反射光を光電変換して前記被検体を撮像する撮像部と、
   前記光電変換により得られる画素信号を保持すると共に、保持した前記画素信号の増幅率を所定の画素単位で変化させながら前記画素信号を非破壊読み出し可能な読出し部と、
   前記読み出し部により異なる増幅率で読み出された前記画素信号を加算平均して画像を生成する画像処理部と
   を備えることを特徴とする医療機器。
2. 前記読み出し部は、前記撮像部の１画面毎に増幅率を変えて複数回の非破壊読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
3. 前記読出し部は、前記撮像部により得られる画素信号によって構成される画像中の第１の明るさ以上の領域の明るさに応じた第１の増幅率と前記画像中の第２の明るさ以下の領域の明るさに応じた第２の増幅率（＞第１の増幅率）とで、２回の非破壊読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の医療機器。
4. 前記読み出し部は、前記撮像部の読み出しライン毎に増幅率を変えて１回の読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
5. 前記読出し部は、前記撮像部により得られる画素信号によって構成される画像中の第１の明るさ以上の領域の明るさに応じた第１の増幅率と前記画像中の第２の明るさ以下の領域の明るさに応じた第２の増幅率（＞第１の増幅率）とで、１回の読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項４に記載の医療機器。
6. 前記画像処理部は、前記第１及び第２の増幅率で読み出した画素信号を夫々補間して夫々１画面の画像を構成し、構成した２画面の画像同士を加算平均して画像を生成する
   ことを特徴とする請求項５に記載の医療機器。
7. 前記読み出し部により読み出された画素信号をデジタル信号に変換する変換部を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の医療機器。
8. 前記照明部は、前記励起光に加えて参照光を時系列に照射し、
   前記撮像部は、前記励起光に基づく反射光に加えて前記参照光の反射光に基づく撮像を行い、
   前記読み出し部は、前記励起光に基づく画素信号の読み出しにおける増幅率よりも低い増幅率にて前記参照光に基づく画素信号の読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の医療機器。
9. 前記読出し部は、前記励起光の照射期間において前記励起光に基づく画素信号について１画面毎に増幅率を変えながら２回の非破壊読み出しを行い、前記参照光の照射期間において前記参照光に基づく画素信号について１回の読み出しを行う
   ことを特徴とする請求項８に記載の医療機器。

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